JP5345750B2 - 流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は流体デバイスに係り、特に、マイクロな流路幅の流体流路内を流れる流体の温度調整を行う温度調整機構を備えた流体デバイスに関する。

従来、医薬品・試薬、あるいは微細な磁性粒子等の化学物質を製造する化学プロセス分野においては、温度調整機構をもつ反応装置として温調コイルや温調ジャケットを設けた攪拌槽が一般的に用いられている。

しかし、化学物質の高純度化、高品質化が要求されている昨今では、攪拌槽のように容量の大きなマクロ的な生産装置では、製造される化学物質の高純度化、高品質化の要求を満たすことが難しくなっている。

このような背景から、近年、化学プロセス分野において、マイクロミキサー又はマイクロリアクター等と一般的に呼ばれる流体デバイスが注目されている。この流体デバイスは、微細な流路断面を有する流体流路に複数の流体を流通させながら反応操作や単位操作を行うことで、化学物質を連続製造したり、混合、分離、抽出等の処理を行ったりするものである。例えば、この方法における反応は、攪拌槽等を用いたバッチ式の反応とは異なり、微小空間である流体流路内を連続的に流れる流体の界面において流体中の反応分子同士が出会うことによって反応が起こるため、反応効率が著しく向上すると共に、特に反応生成物が微細粒子である場合には、単分散性に優れた化学物質を製造することができる。かかる流体デバイスによる反応操作又は単位操作では流体流路内を流れる流体を温度調整機構で適切な温度に調整することが通常である。

この流体デバイスはサイズそのものが小さいことから、温度調整機構自体のサイズも微小サイズ化せざるを得ない。微小サイズ化が可能な温度調整機構として、流体デバイスに金属を微細配置して電圧を付与することで流体流路を流れる流体の温度調整を行う電気的方式と、流体デバイスに微細な熱媒体流路を形成して熱媒体を流すことで流体流路を流れる流体の温度調整を行うジャケット方式とがある。しかし、金属への電圧付与による温度制御は、流体デバイスを加熱することは可能であるが流体デバイスからの熱を冷却できない。冷却可能な金属としてペルチェ素子を使用することも考えられるが、ペルチェ素子は反対に加熱することができない。また、ペルチェ素子を使用する際には、吸熱と同時に生じる放熱の影響を流体デバイスが受けることがデメリットとして残る。このように、加熱、冷却操作を同時に行うためには最低でも２種の金属を併設する必要があり、デバイスの複雑化、サイズアップを招くため、金属を微細配置する方式では、加熱、冷却のどちらか一方の操作しかできないことが一般的である。このため、金属を微細配置する方式は使用できる反応操作又は単位操作が限定されるという問題がある。このことから、流体デバイスの温度調整機構としては、微細な熱媒体流路（マイクロチャンネル）を備えたジャケット方式が主流になっている。

熱媒体を流す熱媒体流路を利用して流体流路を流れる流体と熱交換する装置としては、例えば、特許文献１及び特許文献２のように、温度調整される流体を流す流路の下側に、該流体を温度調整する熱媒体を流す熱媒体流路を形成したものが開示されている。また、特許文献３には、流体流路を流れる流体に大きな温度変化を受けさせることのできる流体デバイスが開示されている。これは、流体デバイスの表面と裏面とに温度の異なる温度調整機構を設けて流体デバイスの厚み方向に温度分布を形成すると共に、流体流路を水平流路（表裏面と平行な流路）と垂直流路（表裏面方向の流路）とを組み合わせることで、流体が垂直流路を流れる際の温度分布を利用して流体に大きな温度を受けることができるようにしたものである。
特開２００５−８３６７６号公報 特開２００５−８３６７４号公報 特開２００４−１３０２１９号公報

ところで、流体デバイスに微細な熱媒体流路を備えたジャケット方式の温度調整機構を適用した場合、熱媒体流路を流れる熱媒体は層流を形成するため、乱流形成時の場合に比べて境膜の厚みが厚くなり、伝熱速度を低下させるという問題がある。この結果、熱媒体を温度変化させたときに流体流路を流れる流体の温度が追従する温度応答性が悪くなると共に、熱媒体流路の流路幅方向における中央部と両端部（境膜が形成される流路壁面部）での伝熱速度に分布ができ、この分布が流体流路における温度分布を形成し、反応操作や単位操作の均一性に悪影響を与えるという問題がある。

しかしながら、特許文献１及び２の技術は、微細な熱媒体流路の流路断面積を大きくして流路抵抗を下げるようにしたもので、熱媒体が層流を形成することによる伝熱速度の低下を解消するものでない。また特許文献３は、流体流路の垂直流路部分を流体が通過している間はなだらかな温度勾配を持つことになり、流体に対して迅速な温度変化、例えばステップ状の温度変化を与えることはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱媒体流路を備えたジャケット方式の温度調整機構で流体流路を温度調整する際に、流体流路を流れる流体に対する伝熱速度を向上できるので、温度制御の応答性を向上させることができ、しかも熱媒体の流量を増加させることも基本的には必要ないので、温度調整に際して過剰なエネルギーを消費することもない流体デバイスを提供することを目的とする。

請求項１の発明は前記目的を達成するために、流体流路にて反応操作又は単位操作を行う際に流体の温度調整を行う温度調整機構を備えた流体デバイスにおいて、前記温度調整機構は、前記流体流路の流体の流れ方向に沿って形成された熱媒体流路に所望温度の熱媒体が層流状態で流れる機構であって、該熱媒体流路の流路幅が前記流体流路の流路幅よりも広く形成されていると共に、前記熱媒体流路の流路幅は前記流体流路の上流側よりも下流側が狭くなる縮流構造に形成されていることを特徴とする流体デバイスを提供する。

本発明の請求項１によれば、熱媒体流路の流路幅が流体流路の流路幅よりも広く形成されているので、熱媒体が熱媒体流路を層流状態で流れることにより境膜が厚く形成される場合であっても、境膜の位置を流体流路の流路幅の外側方向にシフトさせることができる。これにより、熱媒体流路に形成される境膜の位置を流体流路との相対的な関係で見た場合には、流路壁近傍の境膜を薄く、更には無くすことができるので、熱媒体流路から流体流路への伝熱速度を向上することができる。また、伝熱速度を上げるためには熱媒体の流量を上げることでも達成できるが、本発明では流量を上げる必要がないので、過剰なエネルギーを消費することもない。従って、本発明の流体デバイスは、流体流路を流れる流体に対する伝熱速度を向上できるので温度制御の応答性を向上させることができ、しかも温度調整に際して過剰なエネルギーを消費することもない。尚、本発明において流体は、液体の他に気体も含まれる。
また、請求項１のように、熱媒体流路の流路幅が、対応する流体流路の上流側よりも下流側が狭くなる縮流構造に形成されているので、熱媒体の温度と流体の温度の温度差が小さくなる下流側に行くに従って熱媒体の流速が速くなる。これにより、流体流路の上流側から下流側にかけた全流域において、熱媒体流路からの伝熱速度の均一化を図ることができる。

請求項２は請求項１において、前記流体流路の流路幅は１ｍｍ以下であることを特徴とする。

流体流路の流路幅が１ｍｍ以下のように熱媒体流路もマイクロな流路で形成せざるをえない場合において、本発明の効果が一層発揮されるからである。

請求項３は請求項１又は２において、前記熱媒体流路は、前記流体流路を流れる流体の流れ方向の上流側から下流側に複数個設けられ、それぞれの熱媒体流路に異なる温度及び／又は異なる流速の熱媒体を流すことを特徴とする。

このように、流体流路を流れる流体の流れ方向の上流側から下流側に対応させて複数個の熱媒体流路を流すことにより、例えば流体流路の上流側に位置する熱媒体流路には反応を促進する温度の熱媒体を供給し、流体流路の下流側に位置する熱媒体流路には反応を停止する温度の熱媒体を供給することができる。また、複数個の熱媒体流路に流す熱媒体の流速を変えてもよい。

請求項４は請求項１又は２において、前記熱媒体流路に供給される熱媒体は、前記流体流路を流れる流体の流れ方向に平行な複数のそれぞれに異なる流速の熱媒体であることを特徴とする。

請求項４によれば、例えば３種類の熱媒体を流入し、真ん中の流体よりも両側の流体の熱媒体流速を速くしたりすることで、熱媒体流路の幅方向における伝熱速度分布が無くなるように、きめ細かな制御を行うことができる。

請求項５は請求項１〜４のいずれか１において、前記熱媒体流路が波型形状に形成されていることを特徴とする。

請求項５によれば、熱媒体流路が波型形状に形成されているので、熱媒体の流速ベクトルが流体流路壁に対して垂直成分をもち、熱媒体流路が平滑形状である場合に比べて境膜の厚みを薄くすることができる。ここで、熱媒体流路が波型形状とは、流路内壁面が波型形状であることも含む。これにより、熱媒体の流量を上げなくても流体流路への伝熱速度を向上できるので、熱媒体流路の流路幅を流体流路の流路幅よりも大きくしたことと相まって過剰なエネルギーを消費することがない。また、熱媒体流路を波形にすることで境膜の厚みを薄くできるので、熱媒体流路の流路幅を流体流路の流路幅に対して大きくする程度を抑制しても伝熱速度を向上できる。従って、流体デバイスのコンパクト化にも寄与する。波型形状としては例えばコルゲート形状を好適に採用できる。

請求項６は請求項１〜５のいずれか１において、前記流体デバイスは、前記流体流路が内部に形成された板状の流体流路プレートと、前記流体流路プレートの上面又は下面に配置され、熱媒体流路が内部に形成された板状の熱媒体流路プレートと、前記流体流路に複数の流体を供給する流体供給手段と、前記熱媒体流路に熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項６によれば、流体流路が内部に形成された流体流路プレートの上面又は下面に、熱媒体流路が内部に形成された板状の熱媒体流路プレートが合わさるように配置される。そして、流体流路には反応操作又は単位操作を行う複数の流体が流体供給手段から供給され、熱媒体流路には流体流路を流れる流体の温度調整を行う熱媒体が熱媒体供給手段から供給される。これにより、熱媒体流路を流れる熱媒体と流体流路を流れる熱媒体とが熱交換されて、流体の温度が調整される。尚、流体供給手段は複数の流体ごとに個々に設けることが好ましい。

以上説明したように、本発明の流体デバイスによれば、熱媒体流路を備えたジャケット方式の温度調整機構で流体流路を温度調整する際に、流体流路を流れる流体に対する伝熱速度を向上できるので、温度制御の応答性を向上させることができ、しかも熱媒体の流量や流速を増加させることも基本的には必要ないので、温度調整に際して過剰なエネルギーを消費することもない。

以下、付図面に従って本発明に係る流体デバイスの好ましい実施の形態について詳説する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の流体デバイスの第１の実施の形態の全体構成図であり、薄片流型の層流を形成する薄片流型流体デバイス１０の一例である。また、流体流路としては流路幅が１ｍｍ以下のマイクロな流路の例で説明すると共に、流体としては、液液反応を行う２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の例で以下に説明する。

図１に示すように、薄片状型の流体デバイス１０は、主として、流体流路１２が内部に形成された板状の流体流路プレート１６と、流体流路プレート１６の下面に配置され、熱媒体流路１８（図２参照）が内部に形成された板状の熱媒体流路プレート２０と、流体流路１２に液体Ｌ１を供給する第１の流体供給手段２２と、流体流路１２に液体Ｌ２を供給する第２の流体供給手段２４と、流体流路１２を流れる液体Ｌ１、Ｌ２の温度調整を行う温度調整機構１４と、で構成される。尚、流体流路プレート１６と熱媒体流路プレート２０とを合わせたものを装置本体１５ということにする。

図２は流体デバイス１０の装置本体１５を説明する説明図である。図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のａ−ａ線に沿った断面図、図２（Ｃ）は底面図である。

図２に示すように、装置本体１５は、流体流路プレート１６と、熱媒体流路プレート２０とで構成される。流体流路プレート１６は、本体部材２６と蓋部材２８とで構成され、本体部材２６には２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の液液反応を行う流体流路１２と該流体流路１２に液体Ｌ１、Ｌ２を合流させる２本の流体供給路３０、３０とから成るＹ字型流体流路３２が形成される。また、流体流路１２の終端位置には液液反応による反応生成液ＬＭを排出させる液体排出口３４が形成される。一方、蓋部材２８には２本の流体供給路３０、３０に液体Ｌ１、Ｌ２を導入する２個の流体導入口３６、３６が形成され、２個の流体導入口３６、３６に液体Ｌ１、Ｌ２を供給する一対の流体供給手段２２、２４が２本の流体供給管３８、３８（図１参照）を介してそれぞれ接続される。

流体流路１２は、流路幅が１ｍｍ（１０００μｍ）以下、好ましくは５００μｍ以下、流路深さ１ｍｍ以下、好ましくは５００μｍ以下のマイクロチャンネル状の微細流路が好ましい。流体流路１２は、径方向断面の形状が四角形状のものが一般的であるが四角形状に限定するものではない。また、流体供給路３０、３０を２本で構成する場合には、１本の流体供給路３０の流路幅は流体流路１２の半分になるように設計することが好ましい。例えば、径方向断面が四角形状の流体流路の幅を５００μｍ、深さを２００μｍとした場合には、１本の流体供給路の幅を２５０μｍ、深さを２００μｍとする。また、流体流路の長さＬ（図２参照）は、液液反応が終了するに足る長さに設定され、液液反応の種類によって異なる。

一方、熱媒体流路プレート２０は、本体部材４０と底部材４２とで構成され、本体部材４０には所望温度の熱媒体Ｈを流す熱媒体流路１８が形成される。図２では、熱媒体流路１８の長さを流体流路１２の長さと同等の直線流路としたが、２本の流体供給路３０、３０に沿うように熱媒体流路１８を延設することにより、流体流路１２と同様にＹ字型熱媒体流路として形成してもよい。また、底部材４２には、熱媒体流路１８に熱媒体Ｈを供給する熱媒体供給口４４と、熱媒体Ｈを排出する熱媒体排出口４６が形成され、熱媒体供給口４４には所望温度の熱媒体Ｈを循環供給する熱媒体供給手段４８（図１参照）の往路配管５０が連結され、熱媒体排出口４６には復路配管５２が連結される（図１参照）。これにより、流体流路１２を流れる流体Ｌ１、Ｌ２の反応温度を調整する温度調整機構１４が形成される。

図３は温度調整機構１４における熱媒体流路１８の構造を説明する図であり、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、図４は熱媒体流路１８の流路幅方向における中央部と両端部（境膜が形成される流路幅方向の壁面部）との流速分布を示したものである。

図３に示すように、温度調整機構１４は、流体流路１２を流れる液体Ｌ１，Ｌ２の流れ方向に沿って形成された熱媒体流路１８に所望温度の熱媒体Ｈを流す機構であって、該熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２が流体流路１２の流路幅Ｗ１よりも広く形成されている。このように、熱媒体流路の流路幅Ｗ２を流体流路１２の流路幅Ｗ１よりも広く形成することで、熱媒体Ｈが熱媒体流路１８を層流状態で流れることにより境膜が厚く形成される場合であっても、境膜の位置を流体流路１２の流路幅Ｗ１の外側方向にシフトさせることができる。これにより、熱媒体流路１８に形成される境膜の位置を流体流路１２との相対的な関係で見た場合には、流路壁近傍の境膜を見かけ上で薄くすることができ、更には無くすことも可能である。この結果、熱媒体流路１８から流体流路１２への伝熱速度を向上することができる。

図４は熱媒体流路１８の流路幅方向における伝熱速度分布を、該幅方向における熱媒体の流速分布で見た場合の概念図である。図４（Ａ）の白矢印が流体流路１２を流れる液体Ｌ１，Ｌ２、黒矢印が熱媒体流路１８を流れる熱媒体Ｈとすると、図４（Ｂ）の熱媒体Ｈの流速分布（矢印が長い方が流速が速い）に示すように、液体Ｌ１、Ｌ２と熱媒体Ｈとの流れがオーバラップしている部分Ｃにおける熱媒体Ｈの流速は大きく、伝熱速度が大きいことを示している。一方、液体Ｌ１、Ｌ２と熱媒体Ｈとの流れがオーバラップしていない部分Ｄの流速は小さく、伝熱速度が小さいことを示している。従って、本発明の温度調整機構１４によれば、流体流路１２を流れる液体Ｌ１、Ｌ２の温度調整を熱媒体Ｈの流速の大きな（伝熱速度が大きな）Ｃ部分で行うことができるので、流体流路１２を流れる液体Ｌ１、Ｌ２に対する伝熱速度が大きくなり、温度制御の応答性を向上させることができる。

一方、図５は熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２と流体流路１２の流路幅Ｗ１を同じにしたときの熱媒体流路１８の流路幅方向における伝熱速度分布を、該幅方向における熱媒体Ｈの流速分布で見た場合の概念図である。図５（Ａ）の白矢印が流体流路１２を流れる液体Ｌ１，Ｌ２、黒矢印が熱媒体流路１８を流れる熱媒体Ｈとすると、図５（Ｂ）の熱媒体Ｈの流速分布に示すように、液体Ｌ１、Ｌ２と熱媒体Ｈとの流れがオーバラップしている部分Ｃにおける熱媒体Ｈの流速は，流路幅方向の中央部では大きいものの、両端部では小さくなり、両端部での伝熱速度が悪くなる。即ち、図５の場合には、熱媒体流路１８に形成される境膜の影響を大きく受けて伝熱速度が悪化することになるとともに、流体流路１２の流路幅方向において温度分布が発生することになる。

流体流路１２の流路幅Ｗ１に対して熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２をどの程度大きくするのが好適であるかについては、熱媒体流路１８の流路幅方向における流速分布を調べることにより求めた。この場合、マイクロチャンネルのような微細な熱媒体流路１８の流速分布を実験的に求めることが技術的に困難であるため、本発明では数値流動解析ソフト「アールフロー」（（株）アールフロー社製）を使用して速度分布を算出することで求めた。その結果、流体流路１２の流路幅をＷ１とし、熱媒体流路１８の流路幅をＷ２とし、Ｗ２−Ｗ１をΔＷとしたときに、下記（１）式を満足するように形成することにより、流体流路１２の流路幅Ｗ１の両端位置に対応する熱媒体流路１８の熱媒体流速が中央部の熱媒体流速の９０％を下回らないようにすることが可能であることが分かった。

０．５≦ΔＷ／Ｗ１≦２…（１）
ちなみに、流体流路１２の流路幅Ｗ１を１ｍｍとした場合には、熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２は１．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲となる。

図６は熱媒体流路１８の他の態様であり、熱媒体流路１８は、流体流路１２を流れる液体Ｌ１、Ｌ２の流れ方向の上流側から下流側に複数個設けられ、それぞれの熱媒体流路１８Ａ，１８Ｂに異なる温度の熱媒体Ｈを供給するように構成したものである。このように、流体流路１２を流れる液体Ｌ１、Ｌ２の流れ方向の上流側から下流側に対応させて複数個の熱媒体流路１８Ａ，１８Ｂを設けることにより、例えば流体流路１２の上流側に位置する熱媒体流路１８Ａには反応を促進する温度の熱媒体Ｈを供給し、流体流路１２の下流側に位置する熱媒体流路１８Ｂには反応を停止する温度の熱媒体Ｈを供給することができる。これにより、例えば微細な粒子を製造する場合に、反応を迅速に停止して生成された粒子の成長を防止できるので、微細で単分散性に優れた微細粒子を製造できる。尚、図６では２個の熱媒体流路１８Ａ，１８Ｂを設けた例で示したが、３個以上でもよい。

図７は熱媒体流路１８の別の態様であり、熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２が、対応する流体流路１２の上流側よりも下流側が狭くなる縮流構造に形成したものである。これにより、図７（Ｂ）に示すように、熱媒体Ｈの温度と液体Ｌ１、Ｌ２の温度の温度差が小さくなる下流側に行くに従って熱媒体Ｈの流速が速くなる（矢印が長い方が流速が速い）。この結果、流体流路１２の上流側から下流側にかけた全流域において伝熱速度の均一化を図ることができる。この縮流構造の熱媒体流路１８に上記（１）式を適用する場合には、流路幅が最も大きな上流端位置の流路幅をＷ２とすることが好ましく、下流端位置でもＷ２＞Ｗ１を満足することが好ましい。

図８は熱媒体流路１８の更に別の態様であり、熱媒体流路１８が流体流路１２の流路幅方向の両側部と底部を囲むように断面凹形状に形成される。この場合の熱媒体流路１８の流路幅Ｗ２は流体流路１２の底面と平行な部分の長さとする。これにより、熱媒体流路１８からの熱を流体流路１２の側方からも伝えることができ、境膜により伝熱速度が小さくなりがちな流体流路の両側部の伝熱速度を向上できる。

図９及び図１０は熱媒体流路１８の更に別の態様であり、熱媒体流路１８を、流体流路１２を流れる液体Ｌ１，Ｌ２の流れ方向に平行な複数のそれぞれ異なる温度の熱媒体Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３及び／又は異なる流速の熱媒体Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を供給するように構成したものである。図９は図３で説明した熱媒体流路１８に温度及び／又は流速の異なる３流体の熱媒体Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に分割した場合であり、図１０は図８で説明した熱媒体流路１８に温度及び／又は流速の異なる３流体の熱媒体Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に分割した場合であるが、３流体に限定するものではなく、２流体以上であればよい。このように、熱媒体流路１８を複数の流体Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に分割することで、中央部の流体Ｈ２よりも両側の流体Ｈ１，Ｈ３の熱媒体温度を高くしたり、熱媒体流速を速くしたりすることで、熱媒体流路１８の流路幅方向における伝熱速度分布が無くなるように、きめ細かな制御を行うことができる。

図１１は熱媒体流路１８の更に別の態様であり、熱媒体流路１８を波型形状５６に形成したものである。波形形状５６にすることで、熱媒体流路１８を流れる熱媒体Ｈに流体流路に垂直成分が発生し、境膜を薄くするので、熱媒体流路１８が平滑形状の場合に比べて、境膜の厚みを薄くするか、更には無視可能となる。

かかるマイクロメートルオーダの微細な流体流路１２や熱媒体流路１８を有する流体デバイス１０の装置本体１５の製作には微細加工技術が使用され、流体流路プレート１６の本体部材２６上面に蓋部材２８を被せて本体部材２６と蓋部材２８を接合すると共に、熱媒体流路プレート２０の本体部材４０に底部材４２を被せて本体部材４０と底部材４２を接合することにより製作される。微細加工技術としては、例えば次のようなものがある。
(1) Ｘ線リソグラフィと電気メッキを組み合わせたＬＩＧＡ技術
(2) ＥＰＯＮ ＳＵ８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法
(3) 機械的マイクロ切削加工（ドリル径がマイクロメートルオーダのドリルを高速回転するマイクロドリル加工等）
(4) Ｄｅｅｐ ＲＩＥによるシリコンの高アスペクト比加工法
(5) Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法
(6) 光造形法
(7) レーザー加工法
(8) イオンビーム法
また、流体デバイス１０の装置本体１５を製作するための材料としては、耐熱、耐圧及び耐溶剤性、加工容易性等の要求に応じ、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック、シリコン、及びテフロン等を好適に使用できる。装置本体１５の製作においては、流体流路１２や熱媒体流路１８の製作は勿論重要であるが、蓋部材２８や底部材４２を本体部材２６、４０に接合する接合技術も重要である。蓋部材２８や底部材４２の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流体流路１２や熱媒体流路１８の破壊を伴わず寸法精度を保った精密な方法が望ましく、製作材料との関係から固相接合（例えば、圧接接合や拡散接合等）や液相接合（例えば、溶接、共晶接合、はんだ付け、接着等）を選択することが好ましい。例えば、材料としてシリコンを使用する場合にシリコン同士を接合するシリコン直接接合や、ガラス同士を接合する融接、シリコンとガラスを接合する陽極接合、金属同士を接合する拡散接合等がある。セラミックスの接合については、金属のようにメカニカルなシール技術以外の接合技術が必要であり、アルミナに対してglass solderなる接合剤をスクリーン印刷で８０μｍに印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００°Ｃで処理する方法がある。また、研究段階ではあるが、新しい接合技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接結合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。

本発明の流体デバイス１０で使用する流体供給手段２２、２４としては、連続流動方式型のシリンジポンプを好適に使用することができ、熱媒体Ｈを装置本体１５との間に循環させる熱媒体供給手段４８としてはマイクロポンプを好適に使用することができる。流体デバイス１０の場合、液体Ｌ１、Ｌ２や熱媒体Ｈを流体流路１２や熱媒体流路１８に導入する液体制御技術が必要であり、特にマイクロオーダーの微細な流体流路１２や熱媒体流路１８での液体の挙動は、マクロスケールとは異なる性質をもつため、マイクロスケールに適した流体制御方式を適用しなくてはならない。連続流動方式は、流体流路１２や熱媒体流路１８、及びこれらに至る流路内は全て液体Ｌ１、Ｌ２又は熱媒体Ｈで満たされ、外部に用意した流体供給手段２２、２４、熱媒体供給手段４８によって、液体全体を駆動する方式であり、流体流路１２や熱媒体流路１８に供給する液体Ｌ１、Ｌ２や熱媒体Ｈの供給圧力、供給流量を任意に制御することができる。

（第２の実施の形態）
図１２は、本発明の流体デバイスの第２の実施の形態の全体構成図であり、同芯流の層流を形成する同芯流型流体デバイス１００の一例である。また、流体としては、液液反応を行う３種類の液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の例で以下に説明する。尚、第２の実施の形態において後記する流体流路１１１とは、反応流路１５６と、反応によって生成された反応生成液ＬＭの出液路１７０の両方を合わせたものを言い、反応流路１５６と出液路１７０とを流れる液体Ｌ１，Ｌ２に温度調整機構３００で温度調整できるように構成した。

図１２に示されるように、同芯流型の流体デバイス１００は、全体として略円筒状に形成されており、装置の外殻部を構成する円筒状の円管部１２２を備えている。ここで、図中における直線Ｓは装置の軸心を示しており、この軸心Ｓに沿った方向を装置の軸方向として以下の説明を行う。この円管部１２２の先端面には液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が反応した後の反応生成液ＬＭの吐出口１２６が開口し、また円管部１２２の先端部には吐出口１２６の外周側に延出するようにリング状のフランジ部１２８が設けられる。このフランジ部１２８は反応生成物ＬＭに対して次の処理を行う他の流体デバイス等に送液する配管等に接続される。

円管部１２２の基端面は円板状の蓋板１３０により閉塞されており、この蓋板１３０の中心部には円形の嵌挿穴１３２が穿設されている。円管部１２２内には、その基端部側から円管部１２２内へ挿入されるように円筒状の整流部材１３４が同軸的に設けられており、整流部材１３４の基端部は蓋板１３０の嵌挿穴１３２に嵌挿支持されている。

円管部１２２内には、円管部１２２内の空間を軸方向に沿って区画する円筒状の第１隔壁部材１４３及び第２隔壁部材１４４が多重筒状に設けられ、各隔壁部材１４３、１４４の基端面が蓋板１３０に固着される。これらの隔壁部材１４３、１４４は、円管部１２２及び整流部材１３４とそれぞれ同軸的に配置されており、円管部１２２と整流部材１３４との間の断面円環状の空間を同軸的に３分割するように区画している。この分割の割合は、液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給量の比に応じて決定される。そして、円管部１２２の内周面と第１隔壁部材１４３の外周面との間に複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ１５８が介装されると共に、第１隔壁部材１４３と第２隔壁部材１４４との間に複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ１６０が介装される。更に、第２隔壁部材１４４の内周面と整流部材１３４の外周面との間にも複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ１６２が介装される。これら複数個のスペーサ１５８、１６０、１６２はそれぞれ矩形プレート状に形成され、その表裏面部が円管部１２２内における液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流通方向（矢印Ｆ方向）と平行になるように支持される。これらのスペーサ１５８、１６０、１６２は、２個の隔壁部材１４３、１４４及び整流部材１３４を円管部１２２に対して連結固定し、流体供給路１５０、１５２、１５４の径方向（流体の流れ方向に直交する方向）の開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３（図１２（Ａ）参照）を設定している。これにより、２個の隔壁部材１４３、１４４及び整流部材１３４がそれぞれ十分な強度で円管部１２２に連結固定され、液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の液圧や重力の影響により所定位置から変移したり、変形したりすることが防止されると共に、開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３が予め設定された寸法に確実に維持される。

ここで、第１及び第２の隔壁部材１４３、１４４により区画された断面円環状の空間を、外側から順に第１流体供給路１５０、第２流体供給路１５２及び第３流体供給路１５４とされる。また、円管部１２２の基端面に設けられた蓋板１３０には、それぞれの流体供給路１５０、１５２、１５４に連通する嵌挿穴が穿設されており、この嵌挿穴に、これら第１〜第３の流体供給路１５０、１５２、１５４に液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給する流体供給配管１３８、１４０、１４２が接続される。これにより、これらの流体供給配管１３８、１４０、１４２を通して、第１〜第３の流体供給路１５０、１５２、１５４には、流体デバイス１００の上流側に設置された３個の流体供給源（図示せず）から加圧状態とされた液体Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が供給される。

また、円管部１２２内には、隔壁部材１４３、１４４よりも先端側であって整流部材１３４の円錐部１３７よりも基端部側に流体供給路１５０、１５２、１５４に連通する断面円環状の空間が形成され、この断面円環状の空間は、流体供給路１５０、１５２、１５４からそれぞれ供給された液体Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が合流して反応を行う反応流路１５６とされる。

図１２（Ｂ）に示されるように、第１流体供給路１５０及び第２流体供給路１５２及び第３流体供給路１５４の先端部には、それぞれ反応流路１５６内へ開口する第１流体供給口１６４及び第２流体供給口１６６及び第３流体供給口１６８が形成される。これらの流体供給口１６４、１６６、１６８は、それぞれ軸心Ｓを中心とする円軌跡に沿って断面円環状に開口し、互いに同心円状となるように配設されている。ここで、開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、それぞれ流体供給口１６４、１６６、１６８の開口面積を規定し、この流体供給口１６４、１６６、１６８の開口面積と液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給量に応じて、流体供給口１６４、１６６、１６８を通して反応流路１５６内へ導入される液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の初期流速が定まる。これらの開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、例えば、流体供給口１６４、１６６、１６８を通して反応流路１５６内へ供給される液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流速が互いに等しくなるように設定される。

円管部１２２内における反応流路１５６よりも先端側の空間は、反応流路１５６内で液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が行われた反応生成液ＬＭが吐出口１２６に向かって流れる出液路１７０とされる。ここで、反応生成液ＬＭが液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応により生成される場合には、反応流路１５６内の出口部で液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が完了している必要がある。従って、反応流路１５６の液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流通方向に沿った路長ＰＬ（図１２（Ａ）参照）は、液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が完了する長さに設定する必要がある。尚、流体デバイス１００内には、常に、液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びこれらの反応された反応生成液ＬＭが隙間なく充填され、吐出口１２６側へ流通しているものとする。

また、図１２（Ａ）に示したように、円管部１２２の外周には、水やオイル等の熱容量が比較的大きな熱媒体Ｈが流れる円筒状の熱媒体流路１０１を備えた温度調整機構３００の本体部１０３が設けられ、本体部１０３が図示しない熱媒体供給手段に接続される。熱媒体供給手段からは、円管部１２２内における液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応温度を制御する熱媒体Ｈが熱媒体流路１０１に供給され、再び熱媒体供給手段に循環される。熱媒体流路１０１に供給する熱媒体Ｈの温度は、反応温度、又は流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の種類等によって適宜設定することが好ましい。この場合、熱媒体流路１０１は、流体流路１１１を流れる液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流れ方向の上流側から下流側に複数個（図１２では２個）設けられ、それぞれの熱媒体流路１０１Ａ，１０１Ｂに異なる温度Ｔ１，Ｔ２の熱媒体Ｈを供給することができるようにすることが好ましい。このように、流体流路１１１を流れる液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流れ方向の上流側から下流側に対応させて複数個の熱媒体流路１０１Ａ，１０１Ｂを設けることにより、例えば流体流路１１１の上流側の反応流路１５６に位置する熱媒体流路１０１Ａには反応を促進する温度の熱媒体Ｈを供給し、流体流路１１１の下流側の出液路１７０に位置する熱媒体流路１０１Ｂには反応を停止する温度の熱媒体を供給することができる。

また、整流部材１３４内に熱媒体Ｃ１を流す流路を形成し、反応流路１５６の内側から更に温度調整するようにしてもよい。即ち、整流部材１３４は、外郭部が肉薄状で内部が中空状とされ、整流部材１３４内には、その基端側から整流部材１３４の内径よりも小径とされた熱媒体供給管１７６が挿入されており、熱媒体供給管１７６は整流部材１３４の基端側の開口を閉塞する閉塞板（図示せず）及び複数個のスペーサ１７８により整流部材１３４と同軸的に支持される。熱媒体供給管１７６の先端開口１７７は円錐部１３７の付け根付近に達しており、その先端面には、整流部材１３４内に熱媒体Ｃ１を供給する供給口１８０が開口される。かかる供給口１８０から熱媒体供給管１７６にも、熱媒体供給手段から所望温度の熱媒体Ｃ１が供給され、反応温度が制御される。

また、本発明における熱媒体流路１０１は、図１２及び図１３に示すように、熱媒体流路１０１の流路径Ｄが流体流路１１１の上流側の流路径Ｄ１よりも下流側の流路径Ｄ２が狭くなる縮流構造に形成されている。これにより、同芯流型の流体デバイス１００は、薄片状型の流体デバイス１０の場合と同様に、熱媒体Ｈの温度と液体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の温度の温度差が小さくなる下流側に行くに従って熱媒体Ｈの流速が速くなる。これにより、流体流路１１１の上流側から下流側にかけた全流域において伝熱速度の均一化を図ることができる。

また、同芯流型の流体デバイス１００の場合も、図１４に示すように、円筒状の熱媒体流路１０１の内壁面（外周面と内周面）のうちの流体流路１１１に近い内周面側に波形形状１０５を形成することが好ましい。これにより、内周面近傍を流れる熱媒体Ｈに流体流路に対して垂直成分を発生させ易くなり、内周面が平滑形状である場合に比べて境膜の厚みを薄くすることができる。この結果、熱媒体Ｈの流速を上げなくても乱流を発生でき流体流路１１１への伝熱速度を向上できるので、過剰なエネルギーを消費することがない。波型形状としては例えばコルゲート形状を好適に採用できる。

尚、同芯流型の流体デバイス１００の製作方法、材質、流体及び熱媒体の供給手段等については薄片流型の流体デバイス１０の場合と同様であるので省略する。

（試験１…比較例）
先ず、従来の流体デバイスのように、流体流路の流路幅と熱媒体流路の流路幅が同じ場合について試験した。即ち、流路幅３００μｍ、流路深さ２００μｍの流体流路が形成された流体流路プレートの下面に、流体流路の流路幅と同じ３００μｍで、流路深さが１０００μｍの熱媒体流路が形成された熱媒体流路プレートを配置した。そして、流体流路には９０°Ｃの温水を流し、熱媒体流路には氷点下２０°Ｃ（−２０°Ｃ）の熱媒体（冷媒）を流しながら流体流路出口での温水の温度を測定した。測定は、直径５００μｍのＫ熱伝対を流体流路出口に差し込むことにより行った。流体流路を流れる温水の流量を１ｍＬ／分とし、及び熱媒体流路を流れる熱媒体の流量を５ｍＬ／分とした。

その結果、流体流路入口で９０°Ｃの温水は、流体流路出口で５３°Ｃまで低下した。
（試験２…本発明の実施例１）
次に、本発明の流体デバイスを使用して同様の試験を行った。即ち、流路幅３００μｍ、流路深さ２００μｍの流体流路が形成された流体流路プレートの下面に、流路幅１０００μｍで、流路深さが３００μｍの熱媒体流路が形成された熱媒体流路プレートを配置した。

その結果、流体流路入口で９０°Ｃの温水は、流体流路出口で４９°Ｃまで低下させることができた。
（試験３…本発明の実施例２）
試験２では、熱媒体流路の下流側にいくに従って、温水と熱媒体との温度差が小さくなり熱交換効率が低下した。このことから、熱媒体流路を縮流構造として同様の試験を行った。即ち、熱媒体流路の入口位置での流路幅を１０００μｍとし、出口位置での流路幅を６００μｍとし、１０００μｍから６００μｍに直線的に縮流されるようにした。

その結果、流体流路入口で９０°Ｃの温水は、流体流路出口で４７．５°Ｃまで低下させることができた。

本発明の薄片流型流体デバイスの全体構成図 薄片流型流体デバイスにおける装置本体の内部構造を説明する説明図 薄片流型流体デバイスの温度調整機構における熱媒体流路の構造を説明する断面図 薄片流型流体デバイスの温度調整機構における熱媒体流路の流速分布を説明する説明図 従来の薄片流型流体デバイスの温度調整機構における熱媒体流路の流速分布を説明する説明図 熱媒体流路を流体の流れ方向に複数個設けた説明図 熱媒体流路を縮流構造にした説明図 熱媒体流路を断面凹形状にした断面図 熱媒体流路を分割流路にした断面図 熱媒体流路を分割流路にした別の態様の断面図 熱媒体流路の内壁面を波型形状にした説明図 本発明の同芯流型流体デバイスの全体構成図 熱媒体流路を縮流構造にした説明図 熱媒体流路の内周面を波型形状にした説明図

符号の説明

１０…薄片流型流体デバイス、１２…流体流路、１４…温度調整機構、１５…装置本体、１６…流体流路プレート、１８…熱媒体流路、２０…熱媒体流路プレート、２６…本体部材、２８…蓋部材、３０…流体供給路、３２…Ｙ字型流体流路、３４…液体排出口、３６…液体導入口、３８…流体供給管、４０…本体部材、４２…底部材、４４…熱媒体供給口、４６…熱媒体排出口、４８…熱媒体供給手段、５０…往路配管、５２…復路配管、１００…同芯流型流体デバイス、１０１…熱媒体流路、１０３…本体部、１２２…円管部、１２６…吐出口、１２８…フランジ部、１３０…蓋板、１３２…嵌挿穴、１３４…整流部材、１３８、１４０、１４２…流体供給配管、１４３、１４４…隔壁部材、１５０、１５２、１５４…流体供給路、１５６…反応流路、１５８、１６０、１６２…スペーサ、１６４、１６６、１６８…流体供給口、１７０…出液路、３００…温度調整機構、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…反応溶液である液体、Ｈ…熱媒体

Claims (6)

1. 流体流路にて反応操作又は単位操作を行う際に流体の温度調整を行う温度調整機構を備えた流体デバイスにおいて、
   前記温度調整機構は、前記流体流路の流体の流れ方向に沿って形成された熱媒体流路に所望温度の熱媒体が層流状態で流れる機構であって、該熱媒体流路の流路幅が前記流体流路の流路幅よりも広く形成されていると共に、
   前記熱媒体流路の流路幅は前記流体流路の上流側よりも下流側が狭くなる縮流構造に形成されていることを特徴とする流体デバイス。
2. 前記流体流路の流路幅は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１の流体デバイス。
3. 前記熱媒体流路は、前記流体流路を流れる流体の流れ方向の上流側から下流側に複数個設けられ、それぞれの熱媒体流路に異なる温度及び／又は異なる流速の熱媒体を流すことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体デバイス。
4. 前記熱媒体流路に供給される熱媒体は、前記流体流路を流れる流体の流れ方向に平行な複数のそれぞれに異なる流速の熱媒体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体デバイス。
5. 前記熱媒体流路が波型形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の流体デバイス。
6. 前記流体デバイスは、
   前記流体流路が内部に形成された板状の流体流路プレートと、
   前記流体流路プレートの上面又は下面に配置され、熱媒体流路が内部に形成された板状の熱媒体流路プレートと、
   前記流体流路に複数の流体を供給する流体供給手段と、
   前記熱媒体流路に熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１の流体デバイス。

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