JP5304980B2 - 流体輸送のためのマイクロリアクター - Google Patents

Description

本発明は、ほぼ均一な速度で２つ以上の流体を作り出すための装置に関する。

複数の均一な流体の流れを同時に生じさせることは、多くの分野、特にマイクロ流体回路において望ましい。現在使用されている装置は、非均一な流れの分配、圧力、流れの脈動を含む複数の制約があるので、望ましいものではない。

それゆえ、上記識別された欠点のいくつかを軽減することが目的である。
さらに、本発明の目的は、複数の均一な流体の流れを同時に生じさせることができる装置を提供することである。

本発明は、複数のマイクロ流体回路に流体を分配するために、均一な速度で適切に複数の流体の流れを作り出すための装置であって、
第１入口ポート及び第２入口ポートを有するマニホールドと、第１環状通路及び第２環状通路と、第１開口の組と第２の開口の組を有し、各開口の組が、それぞれ２つ以上の開口を有している、分配要素とを含み、
前記第１入口ポートは、該第１入口ポートから前記第１環状通路に流体を運ぶように配置され、前記第２入口ポートは、該第２入口ポートから前記第２環状通路に流体を運ぶように配置されており、
前記第１開口の組は、前記第１環状通路に流体連通して、流体が、前記第１環状通路から均一な速度で前記第１開口の組の各開口を通って、前記マイクロ流体回路に流体を配給するための、それぞれの流体出口に流れることを可能にし、
前記第２開口の組は、前記第２環状通路に流体連通して、流体が、前記第２環状通路から均一な速度で前記第２開口の組の各開口を通って、前記マイクロ流体回路に流体を配給するための、それぞれの流体出口に流れることを可能にすることを特徴としている。
本発明に従う流体は、液体、気体、蒸気、又は超臨界的な流体であることが想像できる。

本発明の装置は、流体を複数のマイクロ流体回路に適していることが望ましい。この場合、少なくとも１つ、及びより好ましくは、各々の環状通路の外周寸法が、５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の平均直径を有する。更に、前記環状通路の少なくとも１つまたは各々の断面寸法の幅及び深さが、それぞれ、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが望ましい。更に、各開口の少なくとも１つまたは各々の直径が、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることが望ましく、さらに、約０．５ｍｍから約１．８の間であることが望ましい。

上述したように、本発明の装置は、複数のマイクロ流体回路に流体を分配するのに適していることが望ましい。「マイクロ流体」という言葉は、１つの回路及びこの回路内の導管寸法を介して、１つ又は両方の流体の速度に関係して定められる。使用において、一般的なマイクロ流体回路を通る流れは、０．１ｍｌ／時間〜１００ｍｌ／時間の間のオーダーである。このようなマイクロ流体回路は、一般的に、０．０５〜２ｍｍの間の幅及び深さを有するチャンネル溝の導管を含んでいる。

各開口の組は、２以上の開口を有することが特に望ましい。各開口は、環状通路から流体出口へ流れを可能にするように配置されることが望ましい。各開口は、明瞭な流体出口を有することが望ましい。

環状通路は、連続的または分岐されている。分岐通路は、１つまたは複数のブレーク（breaks）を有し、通路内の各ブレークは、２つ以上の開口を有する１つの開口の組の隣接する２つの開口間に配置されている。このような通路内のブレークは、２つの隣接する開口間の通路内の流れを阻止する。通路内のこのようなブレークは、小さいものであり、例えば、６０°又はそれ以下の角度を有し、好ましくは、４５°以下、更に、望ましくは、３６°以下である。

１つのブレークは、それぞれの入口ポートから最も遠くにある２つの開口の間にあり、それゆえ、これらの２つの開口の間に、ほとんど流体の流れがない「デッド空間」があることが理解できる。これは、装置の清掃に対して悪影響を与える。ブレークは、前の連続的で完全な通路に置かれたブロッキングインサートにより設けることができる。代わりに、通路内のブレークは、通路の一部分形成しないで設けることもでき、このように形成した場合、連続した完全な通路を作ることになる。

本発明の特に望ましい形態によれば、各組における各開口は、等距離で離間している。各開口の組は、複数の開口を含み、各開口は、環状通路とそれぞれの流体出口の間の流体連通を与える。それゆえ、第１開口の組は、第１環状通路から第１流体出口への第１流体の流体輸送を与える。

環状通路の断面積は、各開口間の圧力差を最小化するように、開口の断面積よりも数倍大きい。開口の断面積に対する環状通路の断面積の比は、好ましくは、５:１よりも大きいことが望ましい。

また、各々の入口ポートの領域における環状通路の少なくとも１つの断面積は、入口ポートから離れた領域にある環状通路の断面積よりも大きいことが望ましい。環状通路の断面積は、各々の入口ポートに近い領域から各々の入口ポートから離れた領域に連続的に減少していることが望ましい。

一般的に、この装置は、各流体の入口ポートのために1つの環状通路を有している。さらに、この装置は、各環状通路のための１つの開口の組を含むことが望ましい。それゆえ、例えば、この装置は、各流体の入口ポートに対して環状通路及び開口の組を含んでいる。

好ましくは、この装置は、さらに、流れ制限器を含む。流れ制限器は、マニホールドを介して、流体が出口に入るときの流れの所定圧力および／またはバランスに流体を維持するように配置されている。この流れ制限器は、一般的に、分配要素内の分配通路内に配置され、使用時、通路内の開口からそれぞれの流体出口に流れ制限器を介して流体を流す。

流れ制限器は、分配通路の内部形状すなわち、構造を含み、この内部形状は、一般的に、所定の流れを得るように予め決定された内径を有するものと考えられる。代わりに、流れ制限器は、例えば、分配通路内に配置された一定長さのパイプ又は管を有する。パイプ又は管は、所定の流れを得るように予め決められた内径を有する。

各流体の入口ポートは、一般的に、異なる流体を輸送するように配置されている。しかし、これは、好ましいことではないが、同一流体が、各流体入口を通って導かれると考えられる。

マニホールドは、少なくとも１つの更なる入口ポートを含み、この各ポートは、入口ポートからそれぞれの環状通路に流体を輸送するように配置されている。
各開口の組は、一般的に複数の開口を含むが、これは、最終ユーザーによって必要とされる各流体に対する出口の数に依存する。

マニホールドは、ポリエーテルエーテルケトンの重合体またはガラス等の活性材料から製造することができる。しかし、マニホールドは、ステンレス鋼を機械加工したものが特に望ましい。

分配要素は、ポリエーテルエーテルケトンの重合体またはガラス等の活性材料から製造することができる。しかし、分配要素は、ステンレス鋼を機械加工したものが特に望ましい。

複数の幾何学的構造が可能であるが、各環状通路が同軸構造に配置されることが望ましい。それゆえ、各開口の組における開口は、同軸構造に配置されることがさらに好ましい。

本発明の装置は、複数のマイクロ流体回路に流体を分配するための開口を使用するのに適している。例えば、１つのシステムが、互いの頂部に配置された２つ以上のマイクロ流体回路から構成され、このようなシステムは、単一のスタックシステムとして知られている。しかし、分配器は、多層のスタック構造を備えて機能するように用いることもできる。この装置は、マイクロ流体回路が２つ以上異なる流体を供給するために必要とされるときに、有用であり、各流体が２つ以上の出口に供給されて排出される。

本発明の第２の構成では、（i）本発明の第１の構成に従う装置、及び（ii）この装置から複数の流体の流れを受け入れるように配置された複数のマイクロ流体回路を提供する。
複数のマイクロ流体回路は、２つ以上に分割された液体の流れを生じさせるための分割流れ装置によって与えられる。

さらに、本発明の第３の構成では、マイクロリアクターを提供する。このリアクターは、
第１入口ポート及び第２入口ポートを含み、各入口ポートがそれぞれの入口ポートからそれぞれの環状通路に流体の輸送を与えるように配置されて、ほぼ均一な速度で流体の流れを作り出す装置と、
第１開口の組とその中に第２開口の組を有し、各開口の組が環状通路と流体連通し、そして、複数の開口を含み、１つの開口を介してそれぞれの流体出口に流体が流れ出ることができるように複数の開口を備えている分配要素と、
２つ以上の分割された液体の流れを生じさせるための分割流れ装置とを含んでいる。

マイクロリアクターは、一般的に、前記分解した流れ装置を覆うように配置されたパネルを更に含み、このパネルは、紫外線、可視赤外線、及び遠赤外線のスペクトル光を透過する。この透過パネルは、アクリル、石英ガラス、水晶、サファイア、テフロン（登録商標）ＡＦ及びフッ化カルシウム等の複数の材料から作ることができる。しかし、ガラスは特に好ましい。

分配要素または分割流れ装置は、流れ制限器を備えることができる。この流れ制限器は、一般的に、流体が出口に入るときの流れの所定圧力および／またはバランスに流体を維持するように配置されている。

ほぼ均一な速度で流体の流れを作り出す装置は、本発明の第１の構成に関して、前に述べたように、本質的に同一である。ここで、本発明の第４の構成では、マイクロリアクターは、
（i）ほぼ均一な速度で流体の流れを作り出す装置と、
（ii）２つ以上の分割された流体の流れを生じさせる分割流れ装置とを含んでおり、
前記流体の流れを作り出す装置は、
第１入口ポートと第２入口ポートを有し、各入口ポートが、前記入口ポートからそれぞれの環状通路に流体の輸送を与えるように配置される、マニホールドと、
第１開口の組とその中に第２開口の組を有し、各開口の組が、少なくとも１つの開口を有し、かつ環状通路の１つと流体連通し、そして、前記環状通路から１つの開口を介してそれぞれの流体出口に流体が流れ出ることができるように配置されている、分配要素とを含んでいる。

上述したように、ほぼ均一な速度で流体の流れを作り出す装置は、上述した本発明の第１の構成と本質的に同一であり、本発明の第１の構成の装置に関する上述のそれらの構成を含んでいる。例えば、マイクロリアクターは、流れ制限器として設けることができる。この流れ制限器は、本発明の第１の構成に関して記載されたような特徴を有する。また、流れ制限器は、分割された流れ装置内の通路内（分配要素内に設けられるよりも）に配置することができる。

本発明は、添付の図面とともに、単なる実例として記載されている。
図面を参照すると、同一の参照番号は、同一の部品を表わすために用いられ、参照番号１で示される、ほぼ均一な速度で流体の流れを作り出す装置が提供される。

３つの分離した流体がマニホールド２に３つの入口３（１つの入口のみが示されている。）を介して導かれ、さらに、３つの分離した環状通路４、５、６に流れる。３つの流体は、オレイン酸または同等の脂肪酸であり、モノマー又は高分子の水溶液及び光イニシエータの水溶液とすることができる。

分配器７は、スクリュー２６を用いてマニホールドに固定される。３つの流体は、マニホールドと分配器との間をＯリング８,９,１０,１１を介して分離される。この流体は、３０個の小さい開口１２ａ〜ｊ（後述する参照番号１２）、１３ａ〜ｊ（後述する参照番号１３）、１４ａ〜ｊ（後述する参照番号１４）の列を介して、環状通路４,５,６から流れる（図２参照）。ここで、これらの小さな開口は、各溝の中央線の回りに等間隔で配置され、かつ、マイクロ流体回路（見ることができない）に流体の流れを制限および／またはバランスさせる流れ制限器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを介して流体が流れる。１０個の小さい孔の断面積に対する環状通路の断面積の比は、各々の小さい孔の間の圧力差を最小にさせるように、５よりも大きい。

マイクロ流体回路（見ることができない）を含み、ポリマーチップ１５が分配器７にクランプされている。このポリマーチップは、その中に小さい孔の列を有し、この小さい孔は、分配器内に、開口１２,１３,１４（図２参照）と共に一列に並んでいる。Ｏリング１６,１６'、１７,１７'、１８,１８'によってこれらの２つの部分間が流体からシールされる。流体は、頂部表面に到達するまで、チップ１５を通って流れ続ける。ここで、流体は、マイクロ流体回路内に入る。

流体は、粒子を生じさせるマイクロ流体回路を通り、この粒子は、チップから中央穴２３内を通過し、そして、流体が集められる分配器７およびマニホールドを通過する。
疎水性のポリマーガスケット１９と紫外線透過ガラス窓２０がチップ１５の頂部にクランプされている。上記クランプは、カバー部材２１によって実行され、このカバー部材は、スクリュ２４を用いてマニホールド２に固定される。カバーの頂部には、チップ上の空間的な領域を照明するための紫外線光源を収容するように設計された穴２２がある。

図１の環状通路４,５,６は、図３ａに示すように完全に連続した通路である。代替的な通路が、図３ｂに示されている。各図において、分配器７の開口１４ａ〜１４ｊの位置は、入口の位置と同様に、環状通路上にマークされている。

図３ｂを参照すると、通路３４は、その内部に短い弓状のブレーク３５を備えて、分岐している。このブレーク３５は、約３０°の角度を有し、開口１４ａ、１４ｂ間に対応する領域に渡り伸びている。これらの２つの開口は、入口３から最も遠くに位置する。図３ａ及び３ｂを参照すると、開口１４ａ及び１４ｂ間内の環状通路内には、ブレークがないことがわかる。図３ａにおいて、（参照符号「ｄ」によって示される）「デッド領域」が前記２つの開口間の通路の領域内に形成される。デッド領域の存在は、装置の作動に影響を与えないが、このデッド領域内では、流体がほとんど流れない。この通路を介して洗浄剤を流すことによって装置をクリーンにすることは難しい。なぜなら、「デッド領域」は、適切に清掃できないからである。開口１４ａ、１４ｂ間の通路におけるブレークは、「デッド領域」を取り除き、そして、通路３４の清掃を容易にする。

通路におけるブレークは、あらかじめ完全で連続する通路（例えば、あらかじめ完全で連続する通路内に接着剤を置くことにより）にブロック用インサートを設けることによって形成できる。代わりに、さらに好ましくは、通路内のブレークは、通路の一部分に形成しないで設けることができ、その場合には、連続した、完全な「ゼロ」通路を作ることになる。

入口３の近くの通路３４の断面積は、この入口から離れた、即ち、開口１４ａ、１４ｂに対応する通路の領域内の通路の断面積よりも大きい。これは、全ての開口１４ａ〜１４ｊに均一な流速を得ることに役立つ。そして、これは、入口３の領域内の通路をより深くすること、および／または、入口３の領域内の通路３４をより広くすることによって達成される。例えば、開口１４ａ、１４ｂに対応する通路の領域において、通路３４は、深さ２ｍｍで幅２ｍｍであるが、入口３の領域内の通路３４は、深さ５ｍｍで、幅５ｍｍとすることができる。

分割した流れを生じさせるための装置と共に使用される、本発明に従うほぼ均一な速度で流体の流れを作り出すための装置の断面図を示す図である。 本発明に従う分配器の平面図である。 図１の装置に用いられる、環状通路の概略平面図である。 本発明の装置に用いられる、代替的な環状通路の概略平面図である。

Claims (15)

1. 均一な速度で適切に複数の流体の流れを作り出し、複数の流体を多数のマイクロ流体回路に分配するための装置と、該装置から流れる複数の流体を受入れるように配置された多数の前記マイクロ流体回路とを含むマイクロリアクターであって、
   前記マイクロ流体回路に分配するための装置は、
   (a) 第１入口ポート及び第２入口ポートを有するマニホールドと、
   (b) 第１環状通路及び第２環状通路と、
   (c) 第１開口の組と第２の開口の組を有し、各開口の組が、それぞれ２つ以上の開口を有している、分配要素とを含み、
   前記第１入口ポートは、該第１入口ポートから前記第１環状通路に流体を運ぶように配置され、前記第２入口ポートは、該第２入口ポートから前記第２環状通路に流体を運ぶように配置されており、
   前記第１開口の組は、前記第１環状通路に流体連通し、かつ、流体が、前記第１環状通路から均一な速度で前記第１開口の組の各開口を通って、前記マイクロ流体回路に流体を配給するための、それぞれの流体出口に流れることを可能にしており、
   前記第１開口の各々と前記各流体出口との間に各々１つの流れ制限器が設けられ、使用時に、流体が、前記第１開口から前記流れ制限器を通って前記流体出口に流れることにより、前記マニホールドを通る流体を所定の圧力に維持し、
   前記第２開口の組は、前記第２環状通路に流体連通し、かつ、流体が、前記第２環状通路から均一な速度で前記第２開口の組の各開口を通って、前記マイクロ流体回路に流体を配給するための、それぞれの流体出口に流れることを可能にしており、
   前記第２開口の各々と前記各流体出口との間に各々１つの流れ制限器が設けられ、使用時に、流体が、前記第２開口から前記流れ制限器を通って前記流体出口に流れることにより、前記マニホールドを通る流体を所定の圧力に維持することを特徴とするマイクロリアクター。
2. 前記流れ制限器は、前記分配要素の分配通路内に配置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロリアクター。
3. 前記流れ制限器は、前記分配通路の内部形状または構造を含んでいることを特徴とする請求項２記載のマイクロリアクター。
4. 前記流れ制限器は、前記分配通路内に配置された一定長さのパイプまたは管を含んでいることを特徴とする請求項２記載のマイクロリアクター。
5. 前記第１、第２環状通路の各々の外周寸法は、５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲の平均直径であり、かつその断面寸法の平均幅及び平均深さは、それぞれ、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
6. 前記第１、第２開口の各直径は、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
7. 前記第１環状通路の直径は、前記第２環状通路の直径と異なっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
8. 前記第１環状通路および前記第２環状通路の一方または両方の流路が連続していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
9. 前記第１環状通路および前記第２環状通路の一方または両方の流路は、２つの隣接する開口間に１つのブレークを備えていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
10. 前記ブレークは、４５°またはそれ以下の角度を有することを特徴とする請求項９記載のマイクロリアクター。
11. 前記第１入口ポートまたは前記第２入口ポートの近くにある前記第１環状通路及び前記第２環状通路の少なくとも一方の断面積は、前記第１入口ポートまたは前記第２入口ポートから離れた位置にある前記第１環状通路及び前記第２環状通路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
12. 前記開口の断面積に対する前記環状通路の断面積の比は、５:１よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
13. 各流体入口ポートに対して、１つの環状通路と１つの開口の組を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
14. 前記マニホールドは、さらに少なくとも１つの入口ポートを有し、この入口ポートの各々は、前記入口ポートからそれぞれの環状通路に流体を輸送するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。
15. 各環状通路が同軸構造に配置され、また、各開口の組における開口が、同軸構造に配置されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のマイクロリアクター。

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