JP5022436B2 - マイクロ流体デバイスのためのモジュール式取付けおよび結合または相互結合システム - Google Patents

Description

優先権主張

本願は「熱的に強化された高生産性マイクロリアクターデバイスおよび方法」と題して２００６年５月１１日付けで提出された欧州特許出願第０６３００４５６.８号の優先権を主張した出願である。

本発明は、一般的にマイクロ流体デバイスのためのモジュール式取付けおよび結合または相互結合システムに関し、特に、ガラス、ガラスセラミック、およびセラミック製のマイクロ流体デバイスのための上記のようなシステムに関するものである。

ガラス、ガラスセラミック、およびセラミック製のマイクロ流体デバイスを含むマイクロ流体デバイスの取付けおよび結合または相互結合に用いるために、種々の方法および構造体が提案されてきた。既存の方法は、互いにシールまたはカップラを間に介装させたデバイスの直接的な積重ね、接着剤等による金属またはポリマー製流体カプラのデバイスへの固定、ならびに多数の押圧シールとともに多重ポートコネクタのデバイスへの押付けを含んでいる。これらの方法はいずれも、特にガラス、ガラスセラミック、およびセラミック製のマイクロ流体デバイスの場合に、マイクロ流体デバイスの高い信頼性を伴った流体相互結合および取付けには適合不能であった。

したがって、特にガラス、ガラスセラミックおよびセラミック製のマイクロ流体デバイスに良く適合した、マイクロ流体デバイスの流体相互結合および取付けのために適合可能でかつ高信頼性を有するシステムが望まれている。

本発明は、マイクロ流体デバイスのためのモジュール式取付けおよび結合または相互結合システムを提供するものである。このシステムは、複数個の端部衝接圧力シーリング型流体コネクタと、１個または複数個のクランピング構造体とを備え、各クランピング構造体は、上記流体コネクタの一つを上記マイクロ流体デバイスの一方の平坦面に押し付けた状態で保持し、かつこの押圧力に対抗する圧力を付与するために、１個のコンタクトパッドまたは別の１個の流体コネクタを上記デバイスの他方の対向する平坦面に押し付けるように構成されている。これは、第１の平坦面上の圧力に対する抵抗力を付与し、かつ流体コネクタの位置のみにおいてマイクロ流体デバイスに圧力のみを印加する。各クランピング構造体は、個別に可動な圧力付与素子を備えて、規制された量の押圧力を付与する。このシステムは、取り付けられた１個または複数個のクランピング構造体とともに１個のマイクロ流体デバイスを収容しかつ支持するように構成され１個または複数個のデバイスフレームをさらに備えているのが望ましく、各デバイスフレームは、上記複数のクランピング構造体のうちの一つまたは二つのみを拘束することによって、捩じり力も曲げ力も前記デバイスに印加されないように、上記デバイスおよび取り付けられた上記クランピング構造体を係止している。

上記システムは、複数のデバイスフレームを、デバイス間の所望の流体相互結合容積が最小になるように三次元的アレーに互いに近接させて収容しかつ保持するように構成された１個または複数個のシステムフレームをさらに備えていてもよい。

上記システムフレームは、上記複数のデバイスフレームの個々の取外しおよび取付けを可能にするように構成されていることが望ましい。このシステムフレームはまた、このシステムフレームに取り付けられた複数のデバイスフレームのうちの何れかが、上記システムフレームの広がりによって画成された窪んだ容積内に取り付けられるように構成されていることが望ましい。これは、取り付けられたデバイスフレームの何等かの機械的遮蔽を提供する。上記システムフレームは、直方体フレームの形態を採り、かつデバイスを取り付けた４個のデバイスフレームが各直方体表面の近傍において上記直方体容積内に位置決めされるように構成されていることが望ましい。

一つの選択肢として、本発明のシステムに使用されているクランピング構造体は、１個の流体コネクタが押し付けられている１個のマイクロ流体デバイスを取り囲むことが可能な延長された形状を備えていてもよい。より望ましいのは、本発明のシステムに使用されているクランピング構造体が、１個の流体コネクタが押し付けられている１個のマイクロ流体デバイスを部分的に取り囲むことが可能なＣ字クランプ形式の形状を備えていることである。上記個別に可動な圧力付与素子は、トルクレンチを用いて規制された量の圧力を付与することによる計量された締付けのために、上記トルクレンチが係合可能に構成されたネジ溝付きカラーの形態を採っていることが望ましい。

本発明のさらなる特徴および効果は、下記の詳細な説明に記載されており、その一部は、当業者であれば下記の詳細な説明、請求項、および添付図面を含む記載内容の実施によって直ちに明らかになるであろう。

本発明の上述の概要説明および下記の実施の形態の詳細な説明の双方は、請求項に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概観または骨組みの提供を意図するものである。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために備えられたもので、本明細書の一部に組み入れられかつ本明細書の一部を構成するものである。図面は本発明の種々の実施の形態を示し、記述内容とともに本発明の原理および動作の説明に資するものである。

本発明の流体結合または相互結合の一実施の形態の断面図 周囲を取り囲むクランピング構造体をさらに示す図１の流体結合または相互結合の断面図 １個のマイクロ流体デバイスとともに用いるために配置された、周囲を取り囲む複数のクランピング構造体を示す平面図 本発明の流体結合または相互結合の別の実施の形態の断面図 周囲を部分的に取り囲むＣ字型クランピング構造体を備えた図１および図４に示された形式の流体結合の断面図 １個のマイクロ流体デバイスとともに用いるために配置された、周囲を部分的に取り囲むＣ字型クランピング構造体を示す平面図 本発明によるデバイスフレームの一実施の形態を示す平面図 共に用いるように配置された図６のクランピング構造体およびマイクロ流体デバイスを備えた図７のフレームの平面図 図８に示された構造体の断面図 ４個のデバイスフレームを窪んだ容積内に取り付けた本発明によるシステムフレームの一実施の形態の斜視図 本発明によるシステムフレームの別の実施の形態の斜視図 本発明によるより大型のシステムを形成するために有用な、機械的に結合された複数のシステムフレームの斜視図

図１は本発明の流体結合または流体相互結合の一実施の形態の断面図である。マイクロ流体デバイス２０、望ましくはガラス、ガラスセラミック、またはセラミック製のマイクロ流体デバイス２０は、その一方の平坦面２４に形成された流体入口または出口開口部２２を備えている。平坦面２４の開口部２２を取り囲む領域にはアダプタ３２の溝３０内に保持されているＯリング２８が接触しており、アダプタ３２の遠隔端部３４には、工場標準または研究所標準の流体継ぎ手を受容するように構成されているのが望ましい。

アダプタ３２は、押圧ネジ３６の形態の調整可能な押圧素子によってＯリング２８に対して押し付けられ、この押圧ネジ３６は、調整可能なネジ溝付きジョイント３８を介してスリーブ４０によって支持されている。スリーブ４０は、同様にネジ溝付きジョイント４２を介して支持部材４４によって支持されている。押圧ネジ３６は、Ｏリング２８の圧力を調整するためのトルクレンチとの係合に適した面４６を備えている。

押圧力に対するＯリング２８の抵抗力は、ネジ溝付きジョイント５２を介して第２の支持部材５０に取り付けられた接触パッド４８によって、マイクロ流体デバイス２０の反対側平坦面２６に対し提供される。接触パッド４８は、Ｏリング２８の直下に位置決めされるのが望ましい。

図１に示された形式の流体結または相互結合は、多くの方法においてガラス、ガラスセラミック、またはセラミック製のマイクロ流体デバイスに良く適している。金属ポートまたは他の材料からなる他のポートを備えたシステムとは異なり、図１の実施の形態における一つの利点として、ガラス、ガラスセラミック、またはセラミック（またはその他の材料）製のマイクロ流体デバイス２０自体以外は、流入するまたは流出する流れに対しＯリング２８およびアダプタ３２のみが接触し、かつこれらは双方ともに必要に応じて交換可能であることである。Ｏリング２８の材料は、アダプタ３２の材料と同様に、特定の化学的耐久性に関してまたは特定の動作温度に関して、またはその双方に関して選択することができる。したがって、高い化学的抵抗力があるガラス、ガラスセラミック、またはセラミック製のマイクロ流体デバイスが、或る種の用途に対しては適当でない永久的に取り付けられた金属その他の金具によって制約されることはない。

図２の断面図に示されているように、本実施の形態における支持部材４４および５０は、マイクロ流体デバイス２０を取り囲む取囲み型クランピング構造体５４における一体構造体の一部分であることが望ましい。このような一体のクランピング構造体のそれぞれは、図２に示されているように、一箇所のみにおいてデバイス２０をクランプしていることが望ましい。もし２箇所以上の流体結合が必要であれば、多重クランピング構造体を用いることができる。

取囲み型多重クランピング構造体５４ａ〜５４ｃを用いた場合が図３に示されている。各クランピング構造体は一つの流体結合のための押圧力を提供する。これは、流体結合が捩じり力を受けるのを防止し、かつクランピング構造体がマイクロ流体デバイス２０に対し捩じり力または曲げモーメントを与えるのを防止する。それぞれの流体継ぎ手は、信頼性の高い全体シールを備えていれば、正確な液密性またはＯリング押圧力を個々に調整可能である。

図４は、本発明の流体結合または相互結合の別の実施の形態を示す。図４の実施の形態において、マイクロ流体デバイス２０は、このデバイスの両面に位置決めされた２個の開口部２２ａ，２２ｂを有する。したがって、Ｏリングの押圧力に対抗する力を提供するコンタクトパッドの代わりに、別のＯリングが第１のＯリングに対向して流体シールを形成し、１個のクランピング構造体のみで二つの流体結合を提供することが可能になる。対向するＯリングが直接位置合わせされているので、Ｏリングおよび他の部品がいかなる捩じり力を受けることはなく、マイクロ流体デバイス２０は、捩じり力および曲げモーメントを受けることも殆どない。

図２〜図４の実施の形態の取囲み型クランピング構造体５４に代わる望ましい選択肢として、図５に示されているクランピング構造体５６ａおよび５６ｂのような、部分的に取り囲むＣ字型クランピング構造体を用いてもよい。より小型の部分的に取り囲むクランピング構造体５６を用いることは、図６に示された流体結合の配列によって示唆されているように、単一のデバイスに対しより多くの流体結合の位置決めのバリエーションを可能にする。

本発明のシステムはまた、１個または複数個のクランピング構造体が取り付けられた１個のマイクロ流体デバイスを収容かつ支持するようにそれぞれが構成された１個または複数個のデバイスフレームを備えていることが望ましい。このデバイスフレームは、このデバイスフレーム内にクランピング構造体を圧力嵌めすることなしに配置することを可能にする。このようなデバイスフレーム５８の一つの実施の形態が図７の平面図に示されている。図示の実施の形態において、デバイスフレーム５８は、それぞれが部分的に取囲むクランピング構造体５６の底部を収容するために位置決めされた複数の凹部６０を備えたほぼ平坦な構造体である。デバイスフレーム５８はまた、係止ピンのための複数の孔６２を備えている。

図８は、１個のマイクロ流体デバイス２０および複数個のクランピング構造体５６を備えたデバイスフレーム５８を示す。複数の係止ピン６４も孔６２内の所定位置に挿入されて、マイクロ流体デバイス２０の横方向位置を規制している。１個または複数個の凹部６０は、そこに収容されるクランピング構造体の底部を、デバイスには何等の捩じりモーメントも曲げモーメントも加えられない態様で拘束する。このことは、２個のクランピング構造体を、それらがマイクロ流体デバイスとともに過拘束されないように軽く拘束することによって、あるいは、凹部６０ａが僅かに小さく形成されて、そこに収容されるクランピング構造体５６ｂを部分的に拘束しているこの実施の形態に示されているように、１個のクランピング構造体のみを拘束することによって達成される。

図８に平面図で示された構造は図９に断面図で示されており、図９においては、たとえそれらが切断平面の背景にあっても参考のために図示されているピン６４を除き、全てが断面で示されている。図９には、デバイスフレーム５８が、クランピング構造体５６の一部分が嵌め込まれる凹部を備えているのが見られるが、クランピング構造体は、マイクロ流体デバイスがデバイスフレーム５８上に乗らないように凹部に嵌めこまれているのが望ましい。その代わりに、マイクロ流体デバイス２０は、係止ピン６４が僅かに接触した状態で、Ｏリング、またはＯリングとこれに対向して協働するコンタクトパッド上に乗っている。したがって、本発明の流体結合または相互結合および取付けシステムにより、マイクロ流体デバイスには極めて僅かな曲げ応力および捩じり応力も印加されない。図の左側のように、マイクロ流体デバイス２０の両側の同じ位置に対し流体結合が施されている場合には、デバイスフレーム５８が流体結合のための開口部６６を備えていることが望ましいことに注目されたい。デバイスフレーム５８はまた、それよりも大型のシステムまたはシステムフレームに取り付けるための取付け穴６８または他の便利な手段のような取付け構造を備えていてもよい。図９の断面図に示されているように、クランピング構造体５６ａおよび５６ｄはデバイスフレーム５８によって拘束されていないことに注目されたい。これらのクランピング構造体の位置およびマイクロ流体デバイス２０の位置は、図７および図８に示されているように、クランピング構造体５６ｂの位置によって規制されている。

図１０は、本発明によるシステムフレーム７０の一つの実施の形態の概略的斜視図である。システムフレーム７０等のシステムフレームは、金属または或る程度の物理的保護機能を有することが可能な材料からなることが好ましい立方体または直方体の形態を採ることが望ましい。デバイスフレーム５８ａ〜５８ｂ（複数のマイクロ流体デバイスが取り付けられているが、図を簡単にずるために図示されていない）はシステムフレーム７０の窪んだ容積内に、すなわち、システムフレーム７０が備えることができる窪みのない最小容積内に取り付けられるのが望ましい。この容積内に取り付けると、取り付けられたマイクロ流体デバイスに対する、より大きいまたは幅のある物体の衝突がシステムフレーム７０によって阻止されて、マイクロ流体デバイスを保護することになる。

図１０に示すように、立方体または直方体のシステムフレームの外表面の近傍にそれぞれ４個のデバイスフレームを取り付けることはいくつかの利点がある。その一つは、４個のデバイスフレームのうちの任意の一つ、したがって４個のマイクロ流体デバイスのうちの１個を、他の３個のデバイスフレームを取り外すことなしに取り外して交換することができることである。他の利点は、図に示されているように、流体結合のためのデバイス間の距離が比較的短くなる状態に２個のデバイスが互いに直交するように三次元アレー（一次元アレーである積重ねまたは二次元アレーである共通平面配置ではなく）を形成しているので、２個のデバイスフレームがマイクロ流体デバイスの位置の容易な目視または取り付けられたデバイスの両側の光学的監視が可能になる。

図１１は、本発明によるシステムフレームの別の実施の形態の斜視図である。図１１のシステムフレーム７０は、デバイスフレーム５８ｂおよびそれの協働するデバイスをシステムフレーム７０内の何処にも位置決めすることを可能にする調整可能なフレーム部材７２を備えている。これは種々の取付け要求に対する融通性を提供する。

図１０および図１１のようなシステムフレームは、図１２に示されているように、多数のシステムフレームを備えた大型のシステム７４を形成するために機械的に結合することが可能である。これは、デバイスフレームはデバイスのレベルでモジュール方式を提供し、かつクランピング構造体および協働する流体カップリングは個々のカップリングのレベルでモジュール方式を提供しながら、システムレベルでモジュール方式を提供する。その結果、マイクロ流体デバイスのためのモジュール式取付けおよび結合または相互結合に関して融通性および適応性がある。

２０ マイクロ流体デバイス
２２，２２ａ，２２ｂ 開口部
２４，２６ 平坦面
２８ Ｏリング
３２ アダプタ
３６ 押圧ネジ
３８，４２，５２ ネジ付きジョイント
４０ スリ−ブ
４４，５０ 支持部材
５４，５４ａ〜５４ｃ，５６，５６ａ〜５６ｄ クランピング構造体
５８，５８ａ〜６８ｄ デバイスフレーム
６４ 係止ピン
７０ システムフレーム
７２ 調整可能なフレーム部材
７４ システム

Claims (8)

1. マイクロ流体デバイスのためのモジュール式取付けおよび結合または相互結合システムであって、
   複数個の端部衝接圧力シーリング型流体コネクタ、および
   １個または複数個のクランピング構造体、
   を備え、
   各クランピング構造体は、前記流体コネクタの一つを前記マイクロ流体デバイスの一方の平坦面に押し付けた状態で保持し、かつ該押圧力に対抗する圧力を付与するために、１個のコンタクトパッドまたは流体コネクタの他の一つを前記デバイスの反対側の平坦面に押し付けるように構成され、
   各クランピング構造体は、規制された量の押圧力を付与するように構成された個別に可動な圧力付与素子を備え、
   取り付けられた１個または複数個の前記クランピング構造体とともに１個のマイクロ流体デバイスを収容しかつ支持するように各々が構成された１個または複数個のデバイスフレームをさらに備え、各デバイスフレームは、前記複数のクランピング構造体のうちの一つまたは二つのみを拘束することによって、捩じり力も曲げ力も前記デバイスに印加されないように、前記デバイスおよび取り付けられた前記クランピング構造体を係止するように構成されたものであり、
   さらに、複数の前記デバイスフレームを、デバイス間の所望の流体相互結合の容積が最小になるように三次元的アレーを形成して互いに近接させて収容しかつ保持するように構成された１個または複数個のシステムフレームを備えていることを特徴とするシステム。
2. 前記１個または複数個のシステムフレームのうちの少なくとも一つは、前記複数のデバイスフレームの個々の取外しおよび取付けを可能にするように構成されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記１個または複数個のシステムフレームのうちの少なくとも一つは、該システムフレームに取り付けられた複数のデバイスフレームのうちの何れかが、前記システムフレームの広がりによって画成された窪んだ容積内に取り付けられるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
4. 前記１個または複数個のシステムフレームの少なくとも一つは、直方体フレームを構成していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のシステム。
5. 前記直方体フレームは直方体容積を画成し、該フレームは、４個のデバイスフレームを、取付けられている前記デバイスが各直方体表面の近傍において前記直方体容積内に位置決めされていることを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記クランピング構造体は、１個の流体コネクタが押し付けられている１個のマイクロ流体デバイスを取り囲むことが可能な延長形状を備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のシステム。
7. 前記クランピング構造体は、１個の流体コネクタが押し付けられている１個のマイクロ流体デバイスを部分的に取り囲むことが可能なＣ字クランプ形式の形状を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載のシステム。
8. 前記個別に可動な圧力付与素子は、トルクレンチを用いて規制された量の圧力を付与することによる計量された締付けのために、前記トルクレンチが係合可能に構成されたネジ溝付きカラーを備えていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載のシステム。

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