JP4952453B2

JP4952453B2 - 流路構造体

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Publication number: JP4952453B2
Application number: JP2007231562A
Authority: JP
Inventors: 康紀大戸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009063429A

Description

本発明は、マイクロＴＡＳ（Total Analysis System ）または燃料電池などに好適な流路構造体に関する。

従来より、ガラス基板あるいはプラスチックフィルムなどの基体に形成された微細な流路が、分析装置，化学反応チップまたは生化学実験チップなどとして用いられている。このような流路への流体コネクタ（チューブ）の接続方法としては、例えば、図９に示したように、流路１２０の出入口１２１に伸縮性部材１２２を設け、この伸縮性部材１２２により、出入口１２１と流体コネクタ１３０との隙間Ｇを埋めるようにしている。また、特許文献１では、流路の開口部の周囲に、他のデバイスと固着可能な粘着性を有する接合部を設けることが記載されている。
特開２００４−５８２１４号公報

しかしながら、これらの従来構造では、基体表面に対して垂直な方向にチューブを接続するようにしていたので、基体の垂直方向のスペースが流体コネクタの接続に占有されてしまうこととなり、流体コネクタが接続された基体を平行に積み重ねることができなかった。

基体の厚みと、接続する流体コネクタの管径の厚みとをほぼ等しくし、接着剤などで基体の側面に流体コネクタを接続するという方法もあったが、接着の手間がかかることに加えて、流体コネクタの管径（外径）より薄い基板には接続することができなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、流体コネクタの接続のためのスペースを小さくすることができる流路構造体を提供することにある。

本発明による第１の流路構造体は、基体内に形成された流体の流路と、流路に対して、基体の主面に平行な方向に接続された流体コネクタとを備え、流路の端部は、基体の側面から基体の主面に平行な方向に突出した凸部の内部に形成され、流体コネクタは凸部に接続され、凸部と流体コネクタとの接続部分に熱収縮チューブが設けられているものである。
本発明による第２の流路構造体は、基体内に形成された流体の流路と、流路に対して、基体の主面に平行な方向に接続された流体コネクタとを備え、流路の端部は、基体の側面に平行に形成されると共に、流路の端部から９０°曲がる屈曲流路を内部に有する補助部品に接続され、流体コネクタは、補助部品に接続され、補助部品と流体コネクタとの接続部分に熱収縮チューブが設けられているものである。
ここにいう「基体の主面」は、基体がガラスやシリコン（Ｓｉ）などの薄板である場合には平面であるが、必ずしも平面である必要はなく、例えば、基体が可撓性フィルムにより構成されている場合には平面または曲面でありうる。

本発明の第１の流路構造体、または本発明の第２の流路構造体によれば、基体内に形成された流路に対して、基体の主面に平行な方向に流体コネクタを接続するようにしたので、基体の垂直方向のスペースが流体コネクタの接続に占有されてしまうことがなくなる。よって、流体コネクタの接続のためのスペースを小さくすることができ、流体コネクタが接続された基体を平行に積み重ねることができ、集積度を向上させることができる。また、流路の端部が設けられた凸部または補助部品と流体コネクタとの接続部分に、熱収縮チューブを設けるようにしたので、流体コネクタの管径（外径）よりも基体が薄い場合にも、流体コネクタを基体の主面に平行な方向に接続することができるようになり、基体を極めて薄くすることも可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る流路構造体の構成を表したものである。この流路構造体１は、例えば、マイクロＴＡＳとして用いられるものであり、基体１０内に形成された流体の流路２０と、この流路２０に接続された流体コネクタ３０とを備えている。

基体１０は、例えば、ガラスあるいはシリコン（Ｓｉ）等の薄板を切削あるいは張り合わせ、または、プラスチックフィルム等の可撓性フィルムを張り合わせることにより形成されたものである。具体的には、基体１０は、図３に示したように、金属またはプラスチック等の薄板１０Ａを切削加工することにより流路２０を形成し、別の薄板または可撓性フィルム１０Ｂを張り合わせたもの、または、図４に示したように、流路２０の形状に合わせて切込みを設けた薄板または可撓性フィルム１０Ｃを、他の薄板または可撓性フィルム１０Ｂ，１０Ｄと張り合わせたものである。そのため、流路２０の断面形状は矩形である。なお、流路２０は、流体の入口および出口となる２箇所の端部２１を有することを除いては、その平面形状は特に限定されない。また、入口側の端部２１は、必ずしも一箇所である必要はなく、二箇所以上でもよく、それぞれから異なる流体を流路２０に導入できるようにしてもよい。

流体コネクタ３０は、外部システム（図示せず）から流路２０に流体を導入・導出するためのものであり、流路２０の断面形状とは異なる断面形状を有している。例えば、流路２０の断面形状は上述したように矩形であるのに対して、流体コネクタ３０は、例えばポリオレフィンよりなる円筒管である。

流体コネクタ３０は、流路２０に対して、基体１０の主面に平行な方向に接続されている。これにより、この流路構造体１では、流体コネクタ３０の接続のためのスペースを小さくすることができるようになっている。

具体的には、流路２０の端部２１は、基体１０の側面から、基体１０の主面に平行な方向に突出した凸部１１の内部に形成され、流体コネクタ３０は凸部１１に接続され、凸部１１と流体コネクタ３０との接続部分には熱収縮チューブ４０が設けられている。熱収縮チューブ４０は、断面形状の異なる流路２０と流体コネクタ３０との接続を可能とするためのものであり、例えばポリオレフィンにより構成されている。また、熱収縮チューブ４０を設けることにより、流体コネクタ３０の管径（外径）よりも基体１０が薄い場合にも、流体コネクタ３０を基体１０の主面に平行な方向に接続することができるようになり、基体１０を極めて薄くすることも可能となる。なお、凸部１１は、基体１０の主面に平行に突出していればよく、必ずしも基体１０の側面に垂直な方向に突出している必要はない。

この流路構造体１は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、図３に示したように、薄板１０Ａを切削して流路２０を形成し、他の薄板１０Ｂを張り合わせることにより、または、図４に示したように、流路２０の形状に合わせて切込みを設けた薄板あるいは可撓性フィルム１０Ｂを他の薄板あるいは可撓性フィルム１０Ｂ，１０Ｄと張り合わせることにより、内部に流路２０を有する基体１０を形成する。その際、基体１０の側面から、基体１０の主面に平行な方向に突出した凸部１１を設けて、この凸部１１内に流路２０の端部２１を形成する。

次いで、上述した材料よりなる熱収縮チューブ４０を用意し、この熱収縮チューブ４０の一端を凸部１１に通す。続いて、熱収縮チューブ４０の凸部１１にかかる部分を接着する。この接着は、例えば、接着剤を用いてもよいし、凸部１１の表面と熱収縮チューブ４０の内側とを熱接着性のある材料により構成してもよい。

そののち、上述した材料よりなる流体コネクタ３０を用意し、この流体コネクタ３０を熱収縮チューブ４０の他端に通し、熱収縮チューブ４０の流体コネクタ３０にかかる部分を接着する。この接着は、例えば、接着剤を用いてもよいし、流体コネクタ３０の表面と熱収縮チューブ４０の内側とを熱接着性のある材料により構成してもよい。なお、基体１０および凸部１１が変形可能な材料により構成されている場合、流体コネクタ３０を、凸部１１内の流路２０の端部２１に差し込むようにしてもよい。以上により、図１および図２に示した流路構造体１が完成する。

この流路構造体１では、外部システム（図示せず）から流体が、流体コネクタ３０および入口側の端部２１を介して流路２０に導入され、流路２０内において混合、反応、分離、検出などが行われたのち、出口側の端部２１から流体コネクタ３０を介して導出される。

このように本実施の形態では、流体コネクタ３０を、流路２０に対して、基体１０の主面に平行な方向に接続するようにしたので、流体コネクタ３０の接続のためのスペースを小さくすることができる。よって、流体コネクタ３０を接続した基体１０を平行に積み重ねることができ、集積度を向上させることができる。

（変形例）
図５は、本発明の変形例に係る流路２０の端部２１を表したものである。本変形例は、上記実施の形態のように基体１０の側面に凸部１１を形成することが難しく、流路２０の端部２１が基体１０の側面に平行に形成されている場合に、流体コネクタ３０を、補助部品５０を間にして流路２０に接続し、この補助部品５０と流体コネクタ３０との間に熱収縮チューブ４０を設けるようにしたものである。このようにしても、流体コネクタ３０を、流路２０に対して、基体１０の主面に平行な方向に接続することができ、流体コネクタ３０の接続のためのスペースを小さくし、集積度を高めることができる。

補助部品５０は、流路２０の端部２１から９０°曲がる屈曲流路５１が内部に形成されたものであり、図６に示したように、３枚のプラスチックよりなるフィルム５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃを張り合わせたものである。フィルム５２Ａには、流路２０の端部２１との接続孔５２Ａ１が設けられている。フィルム５２Ｂには、屈曲流路５１の形状の切り抜き５２Ｂ１が設けられている。フィルム５２Ｂの両面には、熱硬化性接着剤（図示せず）が設けられており、フィルム５２Ａ〜５２Ｃを重ねて熱をかけて接着することができるようになっている。なお、フィルム５２Ａの裏面には接着剤を設けておき、接続したい基体１０との接着に用いるようにしてもよい。

（適用例１）
以下、上記実施の形態に係る流路構造体１の他の適用例を説明する。図４は、この流路構造体１を、燃料電池の燃料流路に適用した例を表したものである。この燃料電池は、いわゆる固体電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、燃料電極（アノード）６１および酸素電極（カソード）６２の間に電解質膜６３を有している。燃料電極６１の外側には、上記実施の形態に係る流路構造体１が設けられており、この流路構造体１の流路２０を介して、燃料であるメタノールが燃料電極６１に供給されるようになっている。なお、本適用例では、図３および図４に示した薄板または可撓性フィルム１０Ｂの代わりに燃料電極６１が設けられており、流路２０内の燃料が燃料電極６１に接触することができるようになっている。酸素電極６２の外側には、チタン（Ｔｉ）板などの外装部材６４が設けられている。

燃料電極６１および酸素電極６２は、カーボンクロス等の表面に、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）等を含む触媒層を形成し、裏面にチタン（Ｔｉ）メッシュ等の集電体を設けたものである。電解質膜６３は、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂膜により構成されている。燃料電極６１，酸素電極６２および電解質膜６３はガスケット（図示せず）により固定されている。

この燃料電池は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、上述した材料よりなる電解質膜６３を、上述した材料よりなる燃料電極６１および酸素電極６２の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜６３に燃料電極６１および酸素電極６２を接合する。燃料電極６１の外側には、上記実施の形態の流路構造体１を設け、酸素電極６２の外側には、上述した材料よりなる外装部材６４を配置する。以上により、図７に示した燃料電池が完成する。

この燃料電池では、燃料電極６１に燃料であるメタノールが供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜６３を通って酸素電極６２に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極６１、酸素電極６２および燃料電池全体で起こる反応は、化１で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーが電気エネルギーに変換されて、燃料電池から電流が取り出され、外部回路（図示せず）が駆動される。

（化１）
燃料電極６１：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
酸素電極６２：６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体：ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

その際、燃料であるメタノールは、外部の燃料タンク（図示せず）から、流体コネクタ３０および入口側の端部２１を介して流路２０に導入され、流路２０内において燃料電極６１の触媒層に接触し、化１の第１式による電池反応が行われたのち、出口側の端部２１から流体コネクタ３０を介して導出される。

本適用例１によれば、燃料の供給路として上記実施の形態に係る流路構造体１を設けるようにしたので、流体コネクタ３０の接続のためのスペースを小さくすることができ、燃料流路を薄型化することができる。よって、燃料電池を薄型化して平行に積み重ねることができ、集積度を向上させることができる。

（適用例２）
図８は、上記実施の形態の流路構造体１を適用した他の燃料電池の構成例を表したものである。この燃料電池は、例えば、電解質膜６３に代えて、上記実施の形態の流路構造体１を設け、燃料電極６１と酸素電極６２との間に液状の電解質である電解液（例えば硫酸）を供給するようにしたものである。このことを除いては、本適用例の燃料電池は、上記適用例１と同様に構成されている。なお、燃料流路となる流路構造体１の流体コネクタ３０と、電解液流路となる流路構造体１の流体コネクタ３０は、図８のように異なる位置に接続されている必要はなく、同じ位置に重ねて接続されていてもよい。

この燃料電池は、電解質膜６３に代えて上記実施の形態の流路構造体１を設けることを除いては、上記適用例１と同様にして製造することができる。

この燃料電池では、上記適用例１と同様にして化１による電池反応が行われる。その際、燃料は、上記適用例と同様にして流路構造体１の流路２０を介して燃料電極６１に供給される。また、電解液は、外部の電解液タンク（図示せず）から、流体コネクタ３０および入口側の端部２１を介して流路２０に導入され、反応で生じた二酸化炭素などと共に、出口側の端部２１から流体コネクタ３０を介して導出される。なお、燃料電極６１を通り抜けてきた燃料も、酸素電極６２に到達する前に電解液と共に除去され、クロスオーバーが抑制される。

このように本適用例２によれば、燃料の供給路に加えて、更に電解液の供給路としても上記実施の形態に係る流路構造体１を設けるようにしたので、流体コネクタ３０の接続のためのスペースを小さくすることができ、燃料電極６１と酸素電極６２との間隔を狭くすることができる。よって、燃料電池を薄型化して平行に積み重ねることができ、集積度を向上させることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、接着方法などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の接着方法としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る流路構造体の構成を表す断面図である。図１に示した流路構造体の構成を表す平面図である。図１および図２に示した流路構造体を分解した構成の一例を表す斜視図である。図１および図２に示した流路構造体を分解した構成の他の例を表す斜視図である。本発明の変形例に係る流路構造体の構成を表す断面図である。図３に示した補助部品の構成を表す分解斜視図である。図１および図２に示した流路構造体により燃料流路を構成した燃料電池の構成を表す断面図である。図１および図２に示した流路構造体により燃料流路および電解液流路を構成した燃料電池の構成を表す断面図である。従来の流路への流体コネクタの接続方法を説明するための図である。

符号の説明

１…流路構造体、１０…基体、１１…凸部、２０…流路、２１…端部、３０…流体コネクタ、４０…熱収縮チューブ、５０…補助部品、５１…屈曲流路、６１…燃料電極、６２…酸素電極、６３…電解質膜

Claims

基体内に形成された流体の流路と、
前記流路に対して、前記基体の主面に平行な方向に接続された流体コネクタと
を備え、
前記流路の端部は、前記基体の側面から前記基体の主面に平行な方向に突出した凸部の内部に形成され、
前記流体コネクタは前記凸部に接続され、
前記凸部と前記流体コネクタとの接続部分に熱収縮チューブが設けられている
流路構造体。
前記基体は、薄板を切削あるいは張り合わせ、または可撓性フィルムを張り合わせることにより形成されたものである
請求項１記載の流路構造体。
前記流体コネクタは、前記流路の断面形状とは異なる断面形状を有する
請求項１または請求項２記載の流路構造体。
前記流路の断面形状は矩形であり、前記流体コネクタは円筒管である
請求項３記載の流路構造体。
前記基体はマイクロトータルアナリシスシステムである
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の流路構造体。
前記基体は燃料電池である
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の流路構造体。
基体内に形成された流体の流路と、
前記流路に対して、前記基体の主面に平行な方向に接続された流体コネクタと
を備え、
前記流路の端部は、前記基体の側面に平行に形成されると共に、前記流路の端部から９０°曲がる屈曲流路を内部に有する補助部品に接続され、
前記流体コネクタは、前記補助部品に接続され、
前記補助部品と前記流体コネクタとの接続部分に熱収縮チューブが設けられている
流路構造体。
前記基体は、薄板を切削あるいは張り合わせ、または可撓性フィルムを張り合わせることにより形成されたものである
請求項７記載の流路構造体。
前記流体コネクタは、前記流路の断面形状とは異なる断面形状を有する
請求項７または請求項８記載の流路構造体。
前記流路の断面形状は矩形であり、前記流体コネクタは円筒管である
請求項３記載の流路構造体。
前記基体はマイクロトータルアナリシスシステムである
請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の流路構造体。
前記基体は燃料電池である
請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の流路構造体。