JP5376602B2 - 流体分配装置、マイクロプラント及び流路閉塞検知方法 - Google Patents

流体分配装置、マイクロプラント及び流路閉塞検知方法 Download PDF

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Description

本発明は、流体分配装置、マイクロプラント、流体分配装置の設計方法及び流路閉塞検知方法に関する。
本願は、２００８年３月３１日に、日本に出願された特願２００８−０９３４８０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
マイクロ化学プロセスは、ミクロンオーダーのプロセス器機（マイクロ処理装置）を同じくミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）を介して接続することにより、小スペース内で化学プロセスを実現するものである。このマイクロ化学プロセスでは、処理量を増大させるための手法としてナンバリングアップと称する手法、つまり複数のマイクロ処理装置を並列に配置し、各マイクロ処理装置に並列に配置された複数のマイクロ流路（並列流路）を介して処理対象となる流体を供給すると共に、各マイクロ処理装置から並列流路を介して処理後の流体を回収する構造が採用される。
例えば下記特許文献１には、上記ナンバリングアップ構造におけるマイクロ流路の流体分配技術として、各々のマイクロ流路にバルブと流量センサとを設けることにより各マイクロ流路の流量を調節することが開示されている。
また、下記特許文献２には、ナンバリングアップ構造の流体混合装置として、複数の流体を当該流体毎に設けられた環状流路で流体を整流化した後、複数の分配流路を用いて各流体を複数に分配すると共に、各分配流路に圧力損出手段を設けることにより、各流体の均等分配を実現することが開示されている。
特開２００６−２２７８５３号公報 特開２００７−２６０５６９号公報
ところで、上記各従来技術は、各流体の均等分配を実現するための構成が複雑であり、改善の余地がある。すなわち、マイクロ化学プロセスでは、微小空間内にマイクロ処理装置及びマイクロ流路が設けられるので、流路形状が複雑であったり、また流路の途中に上記バルブや圧力損出手段のような流体に滞留部を形成するようなものが存在した場合に、流路が閉塞する虞が増大する。また、上記流量センサ等のマイクロ計測装置は、上記バルブや圧力損出手段と同様に滞留部を形成するものなので流路の閉塞要因であると共に、高コストである。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）流体の均等分配を簡単な構成で実現することにより流路の閉塞を防止する。
（２）従来よりも少ない数の計測装置を用いて並列流路の閉塞を検知する。
（３）閉塞流路を特定する。
（４）閉塞流路の閉塞状態（閉塞度）を検知する。
上記目的を達成するために、本発明では、流体分配装置に係る第１の解決手段として、入力流路に供給された流体を３以上の出力流路に均等分配して出力する流体分配装置であって、複数の枝流路を組み合わせて形成され、少なくとも３つの流体の分流部と、少なくとも１つの流体の合流部と、各出力流路の閉塞を監視する監視装置と、３以上の出力流路のうち任意の２つの出力流路に各々設けられた２つの流量計と、を備え、流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルに対応するように形成されるとともに、監視装置は、事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における各流量計の計測値を基準流量として取得し、各流量計が設けられていない出力流路が閉塞した場合における各流量計の計測値を参照流量として取得し、一方の流量計の基準流量と参照流量との差と他方の流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比として記憶し、この事前処理後の運転時には、運転開始時に各流量計の計測値を初期流量として取得し、その後の運転における各流量計の計測値を評価流量として取得し、一方の流量計の初期流量と評価流量との差と他方の流量計の初期流量と評価流量との差の割合を運転時流量変化比として計算し、当該運転時流量変化比と基準流量変化比との比較に基づいて閉塞が発生した出力流路を特定する、という手段を採用する。
流体分配装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、監視装置は、事前処理として、全ての出力流路に流量計を設けた状態において全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における各流量計の計測値を基準流量として取得し、出力流路を順次閉塞させた場合における各流量計の計測値を参照流量として順次取得し、各流量計における基準流量と参照流量との差と異なる流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比としてそれぞれ記憶し、この事前処理後の運転時には、運転開始時に各流量計の計測値を初期流量として取得し、その後の運転における各流量計の計測値を評価流量として取得し、初期流量と評価流量とから得られる流量変化率と基準流量変化比との積に基づいて各出力流路の閉塞度を検知する、という手段を採用する。
流体分配装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、監視装置は、閉塞が発生した出力流路が特定された場合に、当該閉塞が発生した出力流路の閉塞度を検知する、という手段を採用する。
流体分配装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３の何れか一つの解決手段において、ナンバリングアップ構造のマイクロプラント用に微細に形成される、という手段を採用する。
また、本発明では、マイクロプラントに係る第１の解決手段として、上記第４の流体分配装置を介して処理対象流体を各マイクロ処理装置に均等分配して処理を施す、という手段を採用する。
さらに、本発明では、流路閉塞検知方法に係る第１の解決手段として、入力流路に入力された流体を３以上の出力流路に均等に分配出力する流体分配装置の設計方法であって、流体分配装置を、複数の枝流路を組み合わせることにより少なくとも３つの流体の分流部と少なくとも１つの流体の合流部とを備える形状とし、流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルを流体分配装置に適用することを特徴とする流体分配装置の設計方法で設計された流体分配装置について事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における任意の２つの出力流路の流量を基準流量として取得し、上記２つの出力流路以外の出力流路が閉塞した場合における上記２つの出力流路の流量を参照流量として取得し、上記２つの出力流路の一方における基準流量と参照流量との差と他方における流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比として記憶し、この事前処理後における運転時には、流体分配装置の運転開始時に上記２つの出力流路の流量を初期流量として取得し、その後の運転における上記２つの出力流路の流量を評価流量として取得し、上記２つの出力流路の一方における流量計の初期流量と評価流量との差と他方における流量計の初期流量と評価流量との差の割合を運転時流量変化比として計算し、当該運転時流量変化比と基準流量変化比との比較に基づいて閉塞が発生した出力流路を特定する、という手段を採用する。
流路閉塞検知方法に係る第２の解決手段として、入力流路に入力された流体を３以上の出力流路に均等に分配出力する流体分配装置の設計方法であって、流体分配装置を、複数の枝流路を組み合わせることにより少なくとも３つの流体の分流部と少なくとも１つの流体の合流部とを備える形状とし、流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルを流体分配装置に適用することを特徴とする流体分配装置の設計方法で設計された流体分配装置について、事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態において全ての出力流路の流量を基準流量として取得し、出力流路が順次閉塞した場合における全ての出力流路の流量を参照流量として順次取得し、各出力流路における基準流量と参照流量との差と異なる出力流路の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比としてそれぞれ記憶し、この事前処理後の運転時には、流体分配装置の運転開始時に任意の２つの出力流路の流量を初期流量として取得し、その後の運転における上記２つの出力流路の流量を評価流量として取得し、初期流量と評価流量とから得られる流量変化率と基準流量変化比との積に基づいて各出力流路の閉塞度を検知する、という手段を採用する。
流路閉塞検知方法に係る第３の解決手段として、ナンバリングアップ構造のマイクロプラント用に微細に形成された流体分配装置に適用する、という手段を採用する。
本発明によれば、複数の枝流路を組み合わせて形成され、少なくとも３つの流体の分流部と少なくとも１つの流体の合流部とを備え、流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルに対応するように形成されるので、従来よりも簡単な構成で流体の均等分配を実現することができる。したがって、流体の滞留部を従来よりも減少させることができるので、流路の閉塞を防止することができる。また、構成が単純化することによりコストを低減することが可能である。
また、本発明によれば、運転時において任意の２つの出力流路の流量に基づいて３つ以上の出力流路の何れが閉塞したかを検知するので、従来よりも少ない数の計測装置を用いて出力流路の閉塞を特定することができる。
さらに、本発明によれば、運転時において任意の２つの出力流路の流量に基づいて３つ以上の出力流路の閉塞度を検知するので、従来よりも少ない数の計測装置を用いて閉塞流路の閉塞状態（閉塞度）を検知することができる。
本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍの２次元構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍを用いたマイクロプラントＰの構成図である。 本発明の一実施形態において圧力損失コンパートメント（ＰＤＣ）連結モデルを説明するための最も簡略化した流路モデルである。 本発明の一実施形態において圧力コンパートメント（ＰＤＣ）連結モデルを本マイクロ流体分配装置Ｍの設計に適用するための流路モデルである。 本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍの変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍの変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍの変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係わるマイクロ流体分配装置Ｍの変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態における閉塞監視処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における事前処理（基準流量変化比取得処理）の詳細を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における事前処理に用いる、基準流量変化比取得用流路の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態において、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時の出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒc53〜Ｒc55（並列流路）の流量変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態において、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時の出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒｃ52の流量変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態において、出力マイクロ流路Ｒｃ52〜Ｒｃ54にそれぞれ閉塞が発生した時の出力マイクロ流路Ｒc51の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒc55の流量変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態における閉塞判定処理の詳細を示すフローチャートである。
符号の説明
Ｍ…マイクロ流体分配装置、Ｒc11…入力マイクロ流路、Ｒｃ21〜Ｒｃ44，Ｒs11〜Ｒs48…枝マイクロ流路、Ｒc51〜Ｒc55…出力マイクロ流路、Ｂ11〜Ｂ44…分流部、Ｇ21〜Ｇ43…合流部、Ｗ…処理対象流体、Ｐ…マイクロプラント、１…マイクロ供給タンク、２…マイクロポンプ、ＲＡ1〜ＲＡ5…マイクロ処理装置、４…マイクロ流体収集装置、５…マイクロ回収タンク、ＦＭ1，ＦＭ5…マイクロ流量計、６…監視装置
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るマイクロ流体分配装置Ｍの２次元構成を示す平面図である。また、図２は、本マイクロ流体分配装置Ｍを用いたマイクロプラントＰの構成図である。本マイクロ流体分配装置Ｍは、ナンバリングアップ構造を有するマイクロプラントＰにおいて処理対象流体Ｗを均等に５分配するためのものであり、図示するように入力マイクロ流路Ｒc11（入力流路）、枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48（枝流路）及び出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（出力流路）から構成されている。
なお、これら各マイクロ流路における下付き添え字「ｃ」は、ｘ−ｙ直交座標系においてｘ軸方向に延在するマイクロ流路であることを示し、下付き添え字「s」は、ｘ−ｙ直交座標系におけるｙ軸方向に延在するマイクロ流路であることを示している。このような各枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48のうち、ｘ軸方向に延在するマイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44の流路長Ｌcは全て等しく、またｙ軸方向に延在するマイクロ流路Ｒs11〜Ｒs48の流路長Ｌsは全て等しい。
個別に説明すると、左端に位置する入力マイクロ流路Ｒc11は、所定長さＬc11、所定断面積Ａc11、水力相当直径Ｄc11を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs11，Ｒs12に出力する。この入力マイクロ流路Ｒc11の左端には、所定流量ｑ11の処理対象流体Ｗが外部から供給される。
この一対の枝マイクロ流路Ｒs11，Ｒs12のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs11は、所定長さＬs11、所定断面積Ａs11、水力相当直径Ｄs11を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc21に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs12は、所定長さＬs12、所定断面積Ａs12、水力相当直径Ｄs12を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc22に出力する。
上記枝マイクロ流路Ｒc21は、所定長さＬc21、所定断面積Ａc21、水力相当直径Ｄc21を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs21，Ｒs22に出力する。また上記枝マイクロ流路Ｒc22は、所定長さＬc22、所定断面積Ａc22、水力相当直径Ｄc22を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs23，Ｒs24に出力する。
上記一対の枝マイクロ流路Ｒs21，Ｒs22のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs21は、所定長さＬs21、所定断面積Ａs21、水力相当直径Ｄs21を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc31に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs22は、所定長さＬs22、所定断面積Ａs22、水力相当直径Ｄs22を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc32に出力する。
また、上記一対の枝マイクロ流路Ｒs23，Ｒs24のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs23は、所定長さＬs23、所定断面積Ａs23、水力相当直径Ｄs23を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc32に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs24は、所定長さＬs24、所定断面積Ａs24、水力相当直径Ｄs24を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc33に出力する。
上記枝マイクロ流路Ｒc31は、所定長さＬc31、所定断面積Ａc31、水力相当直径Ｄc31を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs31，Ｒs32に出力する。上記枝マイクロ流路Ｒc32は、所定長さＬc32、所定断面積Ａc32、水力相当直径Ｄc32を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs33，Ｒs34に出力する。上記枝マイクロ流路Ｒc33は、所定長さＬc33、所定断面積Ａc33、水力相当直径Ｄc33を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs35，Ｒs36に出力する。
上記一対の枝マイクロ流路Ｒs31，Ｒs32のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs31は、所定長さＬs31、所定断面積Ａs31、水力相当直径Ｄs31を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc41に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs32は、所定長さＬs32、所定断面積Ａs32、水力相当直径Ｄs32を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc42に出力する。
また、上記一対の枝マイクロ流路Ｒs33，Ｒs34のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs33は、所定長さＬs33、所定断面積Ａs33、水力相当直径Ｄs33を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc42に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs34は、所定長さＬs34、所定断面積Ａs34、水力相当直径Ｄs34を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc43に出力する。
また、上記一対の枝マイクロ流路Ｒs35，Ｒs36のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs35は、所定長さＬs35、所定断面積Ａs35、水力相当直径Ｄs35を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から枝マイクロ流路Ｒc43に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs36は、所定長さＬs36、所定断面積Ａs36、水力相当直径Ｄs36を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から枝マイクロ流路Ｒc44に出力する。
上記枝マイクロ流路Ｒc41は、所定長さＬc41、所定断面積Ａc41、水力相当直径Ｄc41を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs41，Ｒs42に出力する。上記枝マイクロ流路Ｒc42は、所定長さＬc42、所定断面積Ａc42、水力相当直径Ｄc42を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs43，Ｒs44に出力する。
上記枝マイクロ流路Ｒc43は、所定長さＬc43、所定断面積Ａc43、水力相当直径Ｄc43を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs45，Ｒs46に出力する。上記枝マイクロ流路Ｒc44は、所定長さＬc44、所定断面積Ａc44、水力相当直径Ｄc44を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から一対の枝マイクロ流路Ｒs47，Ｒs48に出力する。
上記一対の枝マイクロ流路Ｒs41，Ｒs42のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs41は、所定長さＬs41、所定断面積Ａs41、水力相当直径Ｄs41を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から出力マイクロ流路Ｒc51に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs42は、所定長さＬs42、所定断面積Ａs42、水力相当直径Ｄs42を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から出力マイクロ流路Ｒc52に出力する。
また、上記一対の枝マイクロ流路Ｒs43，Ｒs44のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs43は、所定長さＬs43、所定断面積Ａs43、水力相当直径Ｄs43を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から出力マイクロ流路Ｒc52に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs44は、所定長さＬs44、所定断面積Ａs44、水力相当直径Ｄs44を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から出力マイクロ流路Ｒc53に出力する。
また、一対の枝マイクロ流路Ｒs45，Ｒs46のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs45は、所定長さＬs45、所定断面積Ａs45、水力相当直径Ｄs45を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から出力マイクロ流路Ｒc53に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs46は、所定長さＬs46、所定断面積Ａs46、水力相当直径Ｄs46を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から出力マイクロ流路Ｒc54に出力する。
また、一対の枝マイクロ流路Ｒs47，Ｒs48のうち、一方の枝マイクロ流路Ｒs47は、所定長さＬs47、所定断面積Ａs47、水力相当直径Ｄs47を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（下端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（上端）から出力マイクロ流路Ｒc54に出力し、他方の枝マイクロ流路Ｒs48は、所定長さＬs48、所定断面積Ａs48、水力相当直径Ｄs48を有すると共にｙ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（上端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（下端）から出力マイクロ流路Ｒc55に出力する。
上記出力マイクロ流路Ｒc51は、所定長さＬc51、所定断面積Ａc51、水力相当直径Ｄc51を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から出力する。上記出力マイクロ流路Ｒc52は、所定長さＬc52、所定断面積Ａc52、水力相当直径Ｄc52を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から出力する。上記出力マイクロ流路Ｒc53は、所定長さＬc53、所定断面積Ａc53、水力相当直径Ｄc53を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から出力する。
上記出力マイクロ流路Ｒc54は、所定長さＬc54、所定断面積Ａc54、水力相当直径Ｄc54を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から出力する。上記出力マイクロ流路Ｒc55は、所定長さＬc55、所定断面積Ａc55、水力相当直径Ｄc55を有すると共にｘ軸方向に延在するマイクロ流路であって、一端（左端）から入力された処理対象流体Ｗを他端（右端）から出力する。
このような流路形状（構造）を備える本マイクロ流体分配装置Ｍは、処理対象流体Ｗを分流させる１０個の分流部Ｂ11〜Ｂ44と処理対象流体Ｗを合流させる６個の合流部Ｇ21〜Ｇ43と８個の接続部Ｊ11〜Ｊ42を備え、１つの入力マイクロ流路Ｒc11に供給された処理対象流体Ｗを各分流部Ｂ11〜Ｂ44及び各合流部Ｇ21〜Ｇ43で分流／合流させて最終的に５つの出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55から外部に出力する。すなわち、本マイクロ流体分配装置Ｍは、合計２９個の枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48を組み合わせることによって、処理対象流体Ｗに関する１０個の分流部Ｂ11〜Ｂ44と６個の合流部Ｇ21〜Ｇ43と８個の接続部Ｊ11〜Ｊ42を形成するものである。
また、本マイクロ流体分配装置Ｍでは、全てのマイクロ流路、つまり入力マイクロ流路Ｒc11、枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48及び出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55について、断面積Ａc11〜Ａc55，Ａs11〜Ａs48が全て等しく、また水力相当直径Ｄc11〜Ｄc55，Ｄs11〜Ｄs48も全て等しく設定されている。詳細については後述するが、本マイクロ流体分配装置Ｍは、入力マイクロ流路Ｒc11に外部から入力された処理対象流体Ｗを各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55に均等分配するために、つまり外部に出力する処理対象流体Ｗの流量ｑ51〜ｑ55が全て等しくなるように圧力損失コンパートメント連結モデルに基づいて設計されている。
マイクロプラントＰは、このような本マイクロ流体分配装置Ｍ、マイクロ供給タンク１、マイクロポンプ２、マイクロ処理装置ＲＡ1〜ＲＡ5、マイクロ流体収集装置４、マイクロ回収タンク５、２つのマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5及び監視装置６を備えている。
マイクロ供給タンク１は、プロセス原料である処理対象流体Ｗを貯留するものであり、マイクロポンプ２は、上記マイクロ供給タンク１から処理対象流体Ｗを払い出して本マイクロ流体分配装置Ｍの入力マイクロ流路Ｒc11に供給する。本マイクロ流体分配装置Ｍは、処理対象流体Ｗを５つに均等分配して出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）からマイクロ処理装置ＲＡ1〜ＲＡ5に供給する。
各マイクロ処理装置ＲＡ1〜ＲＡ5は、上記出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）を介して各々供給される処理対象流体Ｗに所定のプロセス処理を施し、処理済流体Ｘaとしてマイクロ流体収集装置４の入力マイクロ流路Ｒc61〜Ｒc65（並列流路）に出力する。マイクロ流体収集装置４は、図示するように本マイクロ流体分配装置Ｍを左右反転させた流路形状を備えるものであり、各マイクロ処理装置ＲＡ1〜ＲＡ5からそれぞれ入力された処理済流体Ｗaを収集して１つの出力マイクロ流路Ｒc101からマイクロ回収タンク５に出力する。
マイクロ回収タンク５は、マイクロ流体収集装置４から供給された処理済流体Ｗaを回収・貯留する。２つのマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5のうち、一方のマイクロ流量計ＦＭ1は、出力マイクロ流路Ｒc51に備えられており、当該出力マイクロ流路Ｒc51を流れる処理対象流体Ｗの流量ｑ51を計測して監視装置６に出力する。また、他方のマイクロ流量計ＦＭ5は、出力マイクロ流路Ｒc55に備えられており、当該出力マイクロ流路Ｒc55を流れる処理対象流体Ｗの流量ｑ55を計測して監視装置６に出力する。
なお、このマイクロプラントＰでは、マイクロ流量計ＦＭ1を出力マイクロ流路Ｒc51に、またマイクロ流量計ＦＭ5を出力マイクロ流路Ｒc55に設けているが、マイクロ流量計は、５つの出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55のうち任意の２つに設ければ良い。この理由については後で説明する。
監視装置６は、所定の監視プログラムに基づいて本マイクロ流体分配装置Ｍの閉塞を監視する一種のコンピュータである。この監視装置６は、２つの出力マイクロ流路Ｒc51，Ｒc55に各々設けられた２つのマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5の流量ｑ51，ｑ55を上記監視プログラムに基づいて演算処理することによって、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の閉塞を監視する。なお、監視装置６の監視処理の詳細については、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の閉塞検知方法として後述する。
次に、本マイクロ流体分配装置Ｍの設計方法について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。
本マイクロ流体分配装置Ｍの設計目的は、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55を流れる処理対象流体Ｗの流量が等しくなるように各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の流路長を最適化することである。ここで、処理対象流体Ｗに流体としての圧縮／伸長が発生しないという条件の下では、処理対象流体Ｗの流量を処理対象流体Ｗの平均流速（線速）と同等に取り扱うことができる。
したがって、本設計では、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの線速ｕＣ51〜ｕＣ55が等しいという制約条件を満足する出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の最適流路長を求める。そして、上記制約条件を満足する出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の最適流路長を求めるための設計手法として、圧力損失コンパートメント（ＰＤＣ）連結モデルを採用する。このＰＤＣ連結モデルについては、２００５年に発表された論文「Osamu Tomomura, Manabu Kano, Shinji Hasebe and Masaru Noda: “Optimal shape design and operation of microreactors” Proceedings of the 7th World Congress of Chemical Engineering (WCCE), CD-ROM, O35-003, Glasgow, Scotland, Jul. 10-14(2005)」に詳細が記載されている。
図３は、上記ＰＤＣ連結モデルを説明するための流路モデルである。この流路モデルは、１本の流路ａが２本の流路ｂ，ｃ（分流流路）に分岐した後に併合して１本の流路ｄとなるものであり、各流路ａ〜ｄにおける断面積Ａは全て同一である。
このような流路モデルについて、各流路ａ〜ｄにおける流体の線速をｕａ，ｕｂ，ｕｃ，ｕｄ、また２つの分流流路ｂ，ｃにおける各直線部の長さをＬｂ1〜Ｌｂ3,Ｌｃ1〜Ｌｃ3、水力相当直径をＤＨ、流体の粘性係数をμ、また上記水力相当直径ＤＨによって一義的に決定されるパラメータをλとすると、流路ａと２つの分流流路ｂ、ｃとの分岐部（流体の分流部）における流体収支は式（１）によって、また２つの分流流路ｂ、ｃと流路ｄとの併合部（流体の合流部）における流体収支は式（２）によって、さらに２つの分流流路ｂ、ｃ間の圧力バランスは式（３）によって表される。
Figure 0005376602
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ここで、流体の物性は各流路ａ〜ｄにおいて一定であると仮定することができるので、上記流体収支式（１）、（２）及び圧力バランス式（３）は、下記流体収支式（４）、（５）及び圧力バランス式（６）のように簡略化することができる。
ＰＤＣ連結モデルは、これら３つの式（４）〜（６）からなる連立方程式を解くことにより各流路ａ〜ｄの形状や線速を求めるものである。例えば各流路ａ〜ｄにおける長さＬｂ1〜Ｌｂ3,Ｌｃ1〜Ｌｃ3と流体の入口に該当する流路ａの線速ｕａ（入口線速）とを定数として与えることにより、３つの変数、つまり流路ｂ〜ｄにおける線速ｕｂ，ｕｃ，ｕｄを求めることができる。
Figure 0005376602
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図４は、このようなＰＤＣ連結モデルを本マイクロ流体分配装置Ｍの設計に適用するための流路モデル（設計モデル）である。この設計モデルは、上記図２に示したマイクロプラントＰと同一の流路形状、つまり本マイクロ流体分配装置Ｍとマイクロ流体収集装置４とを接続した流路形状を備えている。
この設計モデルにおいて、各枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48のｘ軸方向の位置を「ｉ」とすると、ｉは１〜９の間の整数であり、またｙ軸方向の位置を「ｊ」とすると、ｊは１〜５の間の整数となる。この「ｊ」の取り得る最大値である「５」は、本マイクロ流体分配装置Ｍにおける出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の本数に相当する。
このような「ｉ」及び「ｊ」を用いて各枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48の平均線速をｕＣij，ｕＳijとして示すと、この流路モデルの分流部Ｂ11〜Ｂ44，Ｂ51〜Ｂ71における流体収支は下記式（７）、（８）のように、合流部Ｇ21〜Ｇ43，Ｇ51〜Ｇ81における流体収支は下記式（９）、（１０）のように、接続部Ｊ11〜Ｊ44，Ｊ51〜Ｊ82における流体収支は下記式（１１）〜（１４）のように、また流路間の圧力バランスは式（１５）〜（１７）のように表される。なお、これら各式（７）〜（１７）では、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の本数に相当するｊの最大値を「Ｎ」として一般化している。
Figure 0005376602
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Figure 0005376602
Figure 0005376602
これら１１個の式（７）〜（１７）のよる連立方程式を解く場合、分流部Ｂ11〜Ｂ44，Ｂ51〜Ｂ71の個数が合計１６個、合流部Ｇ21〜Ｇ43，Ｇ51〜Ｇ81の個数も合計１６個、また接続部Ｊ11〜Ｊ44，Ｊ51〜Ｊ82の個数も合計１６個あるので、変数と式の数は下記表１に示すようになる。
この表１に示すように、変数の数と式の数の差は「８」であり、８個の変数を指定することにより他の変数を容易に求めることができる。このような連立方程式を解く手段として市販の数値解析ソフトウェアを用いることができ、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）に基づく膨大な演算処理が不要である。したがって、ＰＤＣ連結モデルを用いる本マイクロ流体分配装置Ｍの設計方法は、従来の数値流体力学を用いた設計手法に比べて利便性が高い。また、設計モデルが左右対称形状のため、適当な境界条件を設定することにより、設計モデルの例えば左半分のみについて流体収支式及び圧力バランス式を立てることにより設計モデル全体の設計を完了させることもできる。
Figure 0005376602
このような各式（７）〜（１７）からなる連立方程式において、上述した制約条件、つまり出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの線速ｕＣ51〜ｕＣ55が全て等しいという条件を満足する出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の最適流路長を求める。
なお、上記制約条件に加え、枝マイクロ流路Ｒｃ11〜Ｒｃ44、Ｒｓ11〜Ｒｓ48におけるｙ方向流路長Ｌｃ＝0.05ｍ及びｘ方向流路長Ｌｓ＝0.10ｍ、入力の平均流速ｕＣ11＝５ｍ／ｓプロセスの上下対称性を考慮して上下の対応する出力マイクロ流路Ｒc51の流路長Ｌ1と出力マイクロ流路Ｒc55の流路長Ｌ5とが等しく、また出力マイクロ流路Ｒc52の流路長Ｌ2と出力マイクロ流路Ｒc54の流路長Ｌ4とが等しいとすると共に、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の圧力損失が支配的になることを防ぐために出力マイクロ流路Ｒc51の流路長Ｌ1と出力マイクロ流路Ｒc55の流路長Ｌ5とを０．５ｍとする。
このような追加条件によって変数が６個減り、出力マイクロ流路Ｒc52の流路長Ｌ2と出力マイクロ流路Ｒc53の流路長Ｌ3とが設計変数となる。表２は、当該設計変数を上記式（７）〜（１７）からなる連立方程式に基づいて求めた結果である。この表２に示す各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の最適流路長は、上記制約条件を満足するものなので、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの線速ｕＣ51〜ｕＣ55、つまり各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの流量ｑ51〜ｑ55を全て等しくすることができる。
Figure 0005376602
ここで、式（７）〜（１７）からなる連立方程式において、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の流路長を同一の流路長Ｌｊ（ｊ＝１〜５）＝０．５ｍとし、また枝マイクロ流路Ｒc11〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48におけるy方向流路長ＬＣ＝０．０５ｍ及びx方向流路長ＬＳ＝０．１０ｍ、入力の平均流速ｕＣ51＝５ｍ／ｓとして出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）を求めると、当該線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）は下記表３のように求められる。この表３から分るように、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の流路長を同一とした場合には、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）における処理対象流体Ｗの線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）は同一とならず、よって処理対象流体Ｗを各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）に均等分配することができない。
Figure 0005376602
なお、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）以外の流路、つまり枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48の流路長ＬＣ，ＬＳを設計変数とした場合、圧力バランス式において流路長と線速の積による非線形項が生じるが、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の流路長Ｌｊ（ｊ＝１〜５）を設計変数とした場合には、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）は、入力マイクロ流路Ｒc11の線速ｕＣ11（入口流速）と並列流路数の比とで示される定数として扱うことができるので、線形の式を解けばよく解の探索が容易である。
また、本マイクロ流体分配装置Ｍにおける枝マイクロ流路Ｒc21〜Ｒc44，Ｒs11〜Ｒs48の全ての流路長を固定値とした場合には、入力マイクロ流路Ｒc11の線速ｕＣ11（入口流速）と各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）とは線形関係となるので、入力マイクロ流路Ｒc11の線速ｕＣ11（入口流速）が変動しても処理対象流体Ｗの均等分配が維持される。
また、本設計方法では、上記各流体収支式（１），（２）は各流路の全ての箇所で流路断面積Ａが一定であり、また圧力バランス式（３）は水力相当直径ＤHが各流路の全ての箇所で一定であることを前提としているが、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の流路断面積ＡＮ,j（ｊ＝１〜Ｎ）を調整し、当該流路断面積ＡＮ,j（ｊ＝１〜Ｎ）と線速ｕＣ Ｎ,ｊ（Ｎ＝５かつｊ＝１〜５）の積として与えられる出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の平均流量ＦＮ,j（ｊ＝１〜Ｎ）を一定にするという制約条件の下で連立方程式を解いても良い。
次に、本マイクロ流体分配装置Ｍのいくつかの変形例について、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。本発明に係る流体分配装置は、複数の枝流路を組み合わせることにより処理対象流体を分流させる３つ以上の分流部と処理対象流体を合流させる１つ以上の合流部とを備える点を特徴とするものであり、このような分流部と合流部とを備える流路形状には、例えば図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂに示すようなものがある。
図５Ａに示す流体分配装置Ｍａは、９個の分流部Ｂa1〜Ｂa10と３個の合流部Ｇa1〜Ｇa3からなるものであり、流体を５つの出力流路（並列流路）に分配するものである。図５Ｂに示す流体分配装置Ｍｂは、７個の分流部Ｂb1〜Ｂb7と５個の合流部Ｇb1〜Ｇb5からなるものであり、上記流体分配装置Ｍａと同様に流体を５つの出力流路（並列流路）に分配するものである。
図６Ａに示す流体分配装置Ｍｃは、最も単純なものであり、３個の分流部Ｂc1〜Ｂc3と１個の合流部Ｇc1からなるものであり、流体を３つの出力流路（並列流路）に分配するものである。図６Ｂに示す流体分配装置Ｍｄは、６個の分流部Ｂd1〜Ｂd6と３個の合流部Ｇd1〜Ｇd3からなるものであり、流体を４つの出力流路（並列流路）に分配するものである。
なお、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂは変形例の一部であって、さらに多数の分流部と合流部とを備えると共にさらに多数の出力流路（並列流路）を備えるものが考えられる。また、出力流路（並列流路）の個数は奇数あるいは偶数の何れであっても良く、分流部と合流部とを組み合わせることにより任意の個数の出力流路（並列流路）に流体を分配することができる。
次に、本マイクロ流体分配装置Ｍにおける各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の閉塞検知方法について、図７〜図１２を参照して説明する。
図７は、上記監視装置６が監視プログラム及び各マイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5から入力される流量ｑ51、ｑ55に基づいて実行する閉塞監視処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示すように、この閉塞監視処理は２つのステップＳ1，Ｓ2から構成されている。
ステップＳ1では、流路閉塞判定処理を行う前の事前処理を行う。ステップＳ1では、出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55の基準流量（ｑ01〜ｑ05）及び参照流量（ｑ1〜ｑ5）を取得し、それを式（１８）に代入して全ての基準流量変化比ｒｉ,ｊ(ｎ)を計算し、監視装置６に記憶する。ステップS2では、マイクロプラントを運転させ、流路閉塞判定処理を行う。ステップＳ2では、出力マイクロ流路Ｒｃ51、Ｒｃ55の初期流量（Ｑ01、Ｑ05）及び評価流量（Ｑ1、Ｑ5）を取得し、それを式（１８−１）に代入して運転時流量変化比（Ｒ1,5）を計算し、前記基準流量変化比と比較することにより、閉塞が発生した流路を特定する処理を行う。また、必要に応じて、特定された閉塞流路の流量変化量ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）を計算する処理を行う。
ここで、基準流量とは、ステップＳ1において、出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55が全く閉塞していない状態での各出力マイクロ流路の流量であり、参照流量とは、ステップＳ1において、出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55の何れかを強制的に閉塞させた状態での各出力マイクロ流路の流量である。また、初期流量とは、ステップＳ2において、マイクロプラントの運転開始直後、つまり各出力マイクロ流路に全く閉塞が発生していないと想定する状態での各出力マイクロ流路の流量であり、評価流量とは、ステップＳ2において、マイクロプラントの運転中における各出力マイクロ流路の流量である。
図８は、ステップＳ1の詳細を示すフローチャート、また図９は、ステップＳ1に使用される基準流量変化比取得用流路の平面図である。ステップＳ1では、図２に示したマイクロプラントＰ（実機）と全く同一に設計され、かつマイクロ流量計ＦＭ2〜ＦＭ4及び流量制御弁Ｖ1〜Ｖ5が追加された流路を用いる。
監視装置６は、ステップＳ1において、上記各流量制御弁Ｖ1〜Ｖ5を制御することにより各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）を強制的に順次閉塞させ、この際に得られる各マイクロ流量計ＦＭ1〜ＦＭ5の計測値（流量ｑ１〜ｑ５）に基づいて基準流量変化比を取得する。なお、図９では、図２に示したマイクロプラントと同一の構成要素には同一符号を付している。
監視装置６は、ステップＳ1において、まず出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55が全く閉塞していない状態における出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55の流量を、マイクロ流量計ＦＭ1〜ＦＭ5を用いて計測し、基準流量ｑ01〜ｑ05とする（ステップＳ11）。また、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55は、１〜Ｎ（Ｎは、出力マイクロ流路の本数を表し、本実施形態ではＮ＝５である）の整数で番号付けられており、例えば、「１」は出力マイクロ流路Ｒc51に、「２」は出力マイクロ流路Ｒc52に、「３」は出力マイクロ流路Ｒc53に、「４」は出力マイクロ流路Ｒc54に、また「５」は出力マイクロ流路Ｒc55に番号付けられている。この対応関係は予め監視装置６に記憶される。また、各出力マイクロ流路Ｒｃ51〜Ｒｃ55の番号を変数ｎで表し、ｎの初期値を「１」に設定する（ステップＳ12）。
続いて、監視装置６は、変数ｎとして「１」に設定された出力マイクロ流路Ｒc51を強制的に閉塞状態とし（ステップＳ13）、この状態における各マイクロ流量計ＦＭ1〜ＦＭ5の流量ｑ51〜ｑ55を参照流量ｑ1〜ｑ5として取り込む（ステップＳ14）。そして、監視装置６は、上記基準流量ｑ01〜ｑ05と参照流量ｑ1〜ｑ5とを以下の評価式（１８）に代入することにより基準流量変化比ｒi,j（１）を計算する（ステップＳ15）。そして、監視装置６は、引き続いてステップＳ16における変数ｎの大小判断処理及びステップＳ17における変数ｎのインクリメント処理を実行することにより、１〜Ｎに亘る全ての変数ｎ（つまり出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55を強制的に完全閉塞させた場合）について基準流量変化比ｒｉ,ｊ（ｎ）を取得して内部に記憶する。
Figure 0005376602
 （式中、ｉとｊは出力マイクロ流路の番号で、ｉは１、ｊは２〜５の整数、ｎは閉塞させた出力マイクロ流路の番号である。）
ここで、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）を強制的に順次閉塞させて得られる上記基準流量変化比ｒi,j（１）〜ｒi,j（５）は、各々に異なる値となる。下表４は、出力マイクロ流路Ｒc51とＲc55の流量変化比ｒ1,5（１）〜ｒ1,5（５）を一例として示している。この表４が示すように、出力マイクロ流路Ｒc51とＲc55の流量変化比ｒ1,5（ｎ）は、出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の何れが閉塞するかに応じて異なる値となる。
Figure 0005376602
さらに、表５は、内径1mmのステンレス管を接合することにより簡易的に製造された基準流量変化比取得用流路について計測された流量計測値を示している。すなわち、この表５は、入力マイクロ流路Ｒc11に一定流量２０ｍｌ／ｍｉｎ、つまり０．４２ｍ／ｓの線速で純水を供給した際に、バルブの開口度を（段階的に）変えながら（状態１〜１０）、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）に流れる純水の流量ｑ51〜ｑ55を計測した実験結果を示している。ここで、状態１は、純水の供給開始直後、つまり流路の閉塞が全く発生していないと想定した状態であり、理論的には各流路の流量が完全に均等であるが、製作誤差等の影響で実測値は完全に均等とはなっておらず、２％程度の偏差が生じている。本実験では、閉塞流路Ｒｃ52に近い流路ほど流量が大きいことがわかる。
図１０Ａは、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時の、出力マイクロ流路Ｒc51の流量変化量（横軸）と出力マイクロ流路Ｒc53〜Ｒc55の流量変化量（縦軸）との関係を示すグラフである。また、図１０Ｂは、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時の、出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒｃ52の流量変化量との関係を示すグラフである。図１０Ａ及び図１０Ｂには、表５のデータが用いられている。図１０Ａに示すように、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時、出力マイクロ流路Ｒｃ53、Ｒｃ54、Ｒｃ55の流量変化量は、出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量に対して線形変化をしている。また、図１０Ｂに示すように、出力マイクロ流路Ｒｃ52に閉塞が発生した時、出力マイクロ流路Ｒｃ52の流量変化量も、出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量に対して線形変化をしている。従って、任意の２つの出力マイクロ流路の流量変化比は、出力マイクロ流路Ｒｃ52の閉塞度に依らず一定であることが分かる。また、閉塞される出力マイクロ流路が変わることによって、任意の２つの出力マイクロ流路の流量変化比は異なる。したがって、マイクロプラント運転中、２つの出力流路の流量変化比を取得し、それを基準流量変化比と比較することにより、閉塞流路を特定することが可能である。
Figure 0005376602
また、表６は、各流量制御弁Ｖ2〜Ｖ4の開口度を段階的に変化させた場合、つまり出力マイクロ流路Ｒc52〜Ｒc54の閉塞度を段階的に変化させた場合における出力マイクロ流路Ｒc51，Ｒc55の流量変化量を示している。なお、この表６において、状態１０は流量制御弁Ｖ2，Ｖ3が全閉状態、つまり出力マイクロ流路Ｒc52，Ｒc53が完全閉塞状態を示している。
図１１は、出力マイクロ流路Ｒｃ52、Ｒｃ53及びＲｃ54の閉塞度を段階的に変化させた時の、出力マイクロ流路Ｒc51の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒc55の流量変化量との関係を示すグラフである。図１１には、表６のデータが用いられている。図１１に示すように、出力マイクロ流路Ｒｃ52、Ｒｃ53及びＲｃ54の閉塞度が段階的に変化する場合、出力マイクロ流路Ｒｃ55の流量変化量は、出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量に対して線形変化をしている。つまり、出力マイクロ流路Ｒｃ55の流量変化量と出力マイクロ流路Ｒｃ51の流量変化量の比、つまり基準流量変化比ｒ1,5（２）、ｒ1,5（３）及びｒ1,5（４）は、各出力マイクロ流路の閉塞度に関係なく、一定であった。また、ｒ1,5（２）、ｒ1,5（３）及びｒ1,5（４）の値は、それぞれ異なっており、従って基準流量変化比ｒ1,5（ｎ）は、閉塞した出力マイクロ流路によって、異なることが分かった。
Figure 0005376602
図１２は、上記閉塞判定処理（ステップＳ2）の詳細を示すフローチャートである。閉塞判定処理では、監視装置６は、マイクロプラントの運転開始時に各マイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5の流量ｑ51，ｑ55を初期流量Ｑ01、Ｑ05として取得し（ステップＳ21）、これ以降所定時間が経過すると各マイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5の流量ｑ51，ｑ55を評価流量Ｑ1、Ｑ5として取り込む（ステップＳ22）。そして、監視装置６は、以下の判定式（１９），（２０）に上記初期流量Ｑ01、Ｑ05及び評価流量Ｑ1、Ｑ5を代入することにより、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の何れかに閉塞が発生しているか否かを判定する（ステップＳ23）。
Figure 0005376602
すなわち、監視装置６は、出力マイクロ流路Ｒc51における初期流量Ｑ01と評価流量Ｑ1との差の絶対値が所定のしきい値ε1よりも大きい場合あるいは／及び出力マイクロ流路Ｒc55における初期流量Ｑ05と評価流量Ｑ5との差の絶対値が所定のしきい値ε5よりも大きい場合には、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の何れかに閉塞が発生していると判定する。
そして、監視装置６は、閉塞が発生していると判定した場合は、下記評価式（１８−１）に基づいて運転時流量変化比Ｒ1，5を計算し（ステップＳ24）、この運転時流量変化比Ｒ1，5を、監視装置６に予め記憶されている基準流量変化比ｒ1，5（ｎ）と比較することによって、実際に閉塞した出力マイクロ流路（閉塞流路）、つまり当該閉塞流路の変数ｎを特定する（ステップＳ25）。
Figure 0005376602
監視装置6は、このようにして閉塞流路の変数nを特定すると、当該閉塞流路における閉塞度を計算する（ステップＳ２６）。すなわち、監視装置6は、下記流量変化式（２１）に閉塞流路と出力マイクロ流路Ｒｃ５１の基準流量変化比ｒ1,n（n）並びに上記ステップＳ２１，Ｓ２２で取得した初期流量Ｑ０１及び評価流量Ｑ１を代入することにより、閉塞流路の流量変化ΔＱ（ｎ）を計算する。さらに、監視装置６は、下記閉塞度算出式（２２）に閉塞流路と出力マイクロ流路Ｒｃ５１の基準流量変化比ｒ1,n（n）並びに上記ステップＳ２１，Ｓ２２で取得した初期流量Ｑ０１及び評価流量Ｑ１を代入することにより、閉塞流路の閉塞度を計算する。この閉塞度算出式（２２）は、初期流量と評価流量とから得られる流量変化率と、閉塞流路と出力マイクロ流路Ｒｃ５１の基準流量変化比ｒ1,n（n）との積によって閉塞度Ｂ（ｎ）を示すものである。
Figure 0005376602
Figure 0005376602
表７は、上述した表６の計算結果を上記式（１８）に代入して得られた基準流量変化比ｒｉ，ｊ（ｎ）を示している。表８は、表５の計算結果を上記式（１８−１）、上記流量変化式(２１)及び閉塞度算出式（２２）に代入することにより運転時流量変化比Ｒ１，５、閉塞流路の流量変化ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）を計算した結果である。運転時流量変化比Ｒ１，５は状態１を初期流量Ｑ０１及びＱ０５として計算した。
表８の運転時流量変化比Ｒ１，５は表７のｒ１，５（２）に略一致しているので、本実施形態での閉塞流路はｎ＝２と判断できる。閉塞流路の流量変化ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）はｒ１，２（２）＝-2.011を用いて計算した。
表８に示すように、出力マイクロ流路Ｒｃ51の初期流量Ｑ0１、出力マイクロ流路Ｒｃ51の評価流量Ｑ1及び閉塞流量の基準流量変化比ｒ1,2（２）を、式（２１）及び式（２２）に代入して得られる閉塞流路Ｒｃ52の流量変化量ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）は、マイクロ流量計ＦＭ２の実測値により得られる流量変化量及び閉塞度に比べて、略一致しているので、監視対象であるマイクロプラントＰの閉塞状態を十分に示している。
Figure 0005376602
Figure 0005376602
監視装置６は、このようにして閉塞度を算出すると、マイクロプラントの運転が継続されているか否かを判断し（ステップＳ27）、運転が継続している場合は、上述したステップＳ22〜Ｓ26の処理を繰り返すことにより、閉塞流路の特定とその流量変化量ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）を定期的に計算し、運転が終了した場合には監視処理を終了する。
なお、上記図１２に示した閉塞判定処理（ステップＳ2）は、閉塞流路の特定に加えてその流量変化量ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）を求めるものであるが、閉塞度Ｂ（ｎ）を取得する必要がない場合には、ステップＳ26の処理を省略すると共に、図９に示した初期流量データ取得処理（ステップＳ1）において２つの出力マイクロ流路Ｒc51、Ｒc55の初期流量変化比ｒ1,5（１）〜ｒ1,5（５）のみを求めれば良い。したがって、この場合には、初期流量データ取得用流路として、２つの出力マイクロ流路Ｒc51、Ｒc55のみにマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5が設けられているもの、つまり出力マイクロ流路Ｒc52〜Ｒc54に設けられたマイクロ流量計ＦＭ2〜ＦＭ4を省略したものを用いることができる。
また、上記図１２に示した閉塞判定処理（ステップＳ2）は、ステップＳ23において閉塞の発生を検知した場合にのみ流量変化量ΔＱ（ｎ）及び閉塞度Ｂ（ｎ）の計算を行うものであるが、閉塞の有無に関わらず各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の閉塞度を定期的に計算するようにしても良い。この場合には、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の何れかが完全閉塞になる前段階で閉塞の兆候を検知することができるので、マイクロプラントＰの安定運転上好ましい。
このような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
（１）本マイクロ流体分配装置Ｍによれば、分流部Ｂ11〜Ｂ44と合流部Ｇ21〜Ｇ43とを組み合わせて構成されると共に流体収支式（１）〜（１４）及び圧力バランス式（１５）〜（１７）からなる圧力損失コンパートメント連結モデルに基づいて設計されているので、入力マイクロ流路Ｒc11に供給された処理対象流体Ｗの各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55への均等分配を簡単な構成で実現することができる。また、この均等分配がロバスト性を有するので、入力マイクロ流路Ｒc11に供給された処理対象流体Ｗの流量が変動しても均等分配が維持される。
（２）本実施形態における各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の閉塞検知方法によれば、実機としてのマイクロプラントＰの各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）のうち、何れか２つの出力マイクロ流路Ｒc51，Ｒc55にマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5を設けることによって、各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55の何れに閉塞が発生したかを特定することができるので、従来よりも少ない数のマイクロ流量計を用いて閉塞流路を特定することができる。
（３）本実施形態における各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）の閉塞検知方法によれば、実機としてのマイクロプラントＰの各出力マイクロ流路Ｒc51〜Ｒc55（並列流路）のうち、何れか２つの出力マイクロ流路Ｒc51，Ｒc55にマイクロ流量計ＦＭ1，ＦＭ5を設けることによって、従来よりも少ない数のマイクロ流量計を用いて閉塞流路の閉塞度を把握することができ、産業上有用である。

Claims (8)

  1. 入力流路に供給された流体を３以上の出力流路に均等分配して出力する流体分配装置であって、
    複数の枝流路を組み合わせて形成され、少なくとも３つの流体の分流部と、少なくとも１つの流体の合流部と、各出力流路の閉塞を監視する監視装置と、３以上の出力流路のうち任意の２つの出力流路に各々設けられた２つの流量計と、を備え、
    流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルに対応するように形成されるとともに、
    前記監視装置は、
    事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における前記各流量計の計測値を基準流量として取得し、前記各流量計が設けられていない出力流路が閉塞した場合における前記各流量計の計測値を参照流量として取得し、一方の流量計の基準流量と参照流量との差と他方の流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比として記憶し、
    この事前処理後の運転時には、運転開始時に前記各流量計の計測値を初期流量として取得し、その後の運転における前記各流量計の計測値を評価流量として取得し、一方の流量計の初期流量と評価流量との差と他方の流量計の初期流量と評価流量との差の割合を運転時流量変化比として計算し、
    当該運転時流量変化比と前記基準流量変化比との比較に基づいて閉塞が発生した出力流路を特定することを特徴とする流体分配装置。
  2. 前記監視装置は、
    事前処理として、全ての出力流路に流量計を設けた状態において全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における前記各流量計の計測値を基準流量として取得し、出力流路を順次閉塞させた場合における前記各流量計の計測値を参照流量として順次取得し、各流量計における基準流量と参照流量との差と異なる流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比としてそれぞれ記憶し、
    この事前処理後の運転時には、運転開始時に前記各流量計の計測値を初期流量として取得し、その後の運転における前記各流量計の計測値を評価流量として取得し、初期流量と評価流量とから得られる流量変化率と前記基準流量変化比との積に基づいて各出力流路の閉塞度を検知する
    ことを特徴とする請求項１記載の流体分配装置。
  3. 前記監視装置は、閉塞が発生した出力流路が特定された場合に、当該閉塞が発生した出力流路の閉塞度を検知することを特徴とする請求項２記載の流体分配装置。
  4. ナンバリングアップ構造のマイクロプラント用に微細に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の流体分配装置。
  5. 請求項４記載の流体分配装置を介して処理対象流体を各マイクロ処理装置に均等分配して処理を施すことを特徴とするマイクロプラント。
  6. 入力流路に入力された流体を３以上の出力流路に均等に分配出力する流体分配装置の設計方法であって、
    前記流体分配装置を、複数の枝流路を組み合わせることにより少なくとも３つの流体の分流部と少なくとも１つの流体の合流部とを備える形状とし、
    流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルを前記流体分配装置に適用することを特徴とする流体分配装置の設計方法で設計された流体分配装置について、
    事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態における任意の２つの出力流路の流量を基準流量として取得し、前記２つの出力流路以外の出力流路が閉塞した場合における前記２つの出力流路の流量を参照流量として取得し、前記２つの出力流路の一方における基準流量と参照流量との差と他方における流量計の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比として記憶し、
    この事前処理後における運転時には、流体分配装置の運転開始時に前記２つの出力流路の流量を初期流量として取得し、その後の運転における前記２つの出力流路の流量を評価流量として取得し、前記２つの出力流路の一方における流量計の初期流量と評価流量との差と他方における流量計の初期流量と評価流量との差の割合を運転時流量変化比として計算し、
    当該運転時流量変化比と前記基準流量変化比との比較に基づいて閉塞が発生した出力流路を特定する
    ことを特徴とする流路閉塞検知方法。
  7. 入力流路に入力された流体を３以上の出力流路に均等に分配出力する流体分配装置の設計方法であって、
    前記流体分配装置を、複数の枝流路を組み合わせることにより少なくとも３つの流体の分流部と少なくとも１つの流体の合流部とを備える形状とし、
    流体収支式と圧力バランス式からなる圧力損失コンパートメント連結モデルを前記流体分配装置に適用することを特徴とする流体分配装置の設計方法で設計された流体分配装置について、
    事前処理として、全ての出力流路が閉塞を発生していない状態において全ての出力流路の流量を基準流量として取得し、出力流路が順次閉塞した場合における全ての出力流路の流量を参照流量として順次取得し、各出力流路における基準流量と参照流量との差と異なる出力流路の基準流量と参照流量との差の割合を基準流量変化比としてそれぞれ記憶し、
    この事前処理後の運転時には、流体分配装置の運転開始時に任意の２つの出力流路の流量を初期流量として取得し、その後の運転における前記２つの出力流路の流量を評価流量として取得し、初期流量と評価流量とから得られる流量変化率と前記基準流量変化比との積に基づいて各出力流路の閉塞度を検知する
    ことを特徴とする流路閉塞検知方法。
  8. ナンバリングアップ構造のマイクロプラント用に微細に形成された流体分配装置に適用することを特徴とする請求項６または７記載の流路閉塞検知方法。
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