JP6912161B2 - 流路装置及び液滴形成方法 - Google Patents

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本発明は、流路装置及び液滴形成方法に関する。
従来、連続相と分散相を流通させて分散相の液滴粒子を連続相中に形成するための流路を備えた流路装置が知られている。下記特許文献１及び２には、そのような流路装置の一例が示されている。
下記特許文献１に開示された流路装置は、互いに交差するように配置されて互いに繋がる複数のマイクロチャネルを備えている。この流路装置では、１つのマイクロチャネルから分散相が他のマイクロチャネルに流れる連続相へ合流し、その合流箇所で分散相の液滴が連続相中に形成されるようになっている。そして、この特許文献１では、マイクロチャネルを形成する基材をアクリル製とする場合には、連続相に油を用いるとともに、分散相に水を用いることで、連続相の油中に水の粒子が分散したエマルションを生成できることが示されている。また、この特許文献１では、マイクロチャネル同士の合流箇所（交差部）近傍のマイクロチャネルの内表面を親水化処理することにより水性の連続相に対する当該内表面の濡れ性を改質すれば、連続相の水中に油の粒子が分散したエマルションを生成できることが示されている。
下記特許文献２に開示された流路装置は、連続相が導入されて流通する連続相導入流路と、分散相が導入されて流通する分散相導入流路とを有する微小流路を備えている。連続相導入流路の出口と分散相導入流路の出口とが合流部で繋がっており、その合流部の下流側に排出流路が繋がっている。合流部に繋がる排出流路の入口には、その幅方向の両側から突起部が突出するように設けられている。これにより、排出流路の入口、すなわち連続相導入流路の出口及び分散相導入流路の出口において流路幅が局所的に狭くなっている。この流路幅が狭くなった部分で、連続相の流れが一時的にせきとめられて流れの向きが変わることにより、分散相がせん断されて粒子化するようになっている。その結果、分散相の液滴が連続相中に形成されるようになっている。
特許第４１６６５９０号公報 特許第４１８６６３７号公報
流路を形成する基材の性質に起因する流路内壁面の濡れ性を利用して分散相の液滴を形成する場合には、形成可能な液滴の水性又は油性の性質が基材の性質に応じて限定される。すなわち、基材が親水性である場合には、水性の連続相と油性の分散相を用い、水性の連続相中に油性の分散相の液滴を形成するものに限定される。一方、基材が親油性である場合には、油性の連続相と水性の分散相を用い、油性の連続相中に水性の分散相の液滴を形成するものに限定される。
また、流路の内壁面の表面処理によってその内壁面の濡れ性を改質する場合には、形成可能な液滴の水性又は油性の性質が基材の性質に応じた限定を受けないが、流路の内壁面の表面処理のための作業が煩雑になる。
また、流路幅が局所的に狭くなった部分を有する流路により分散相の液滴を形成する場合には、その流路幅が狭くなった部分で流路が閉塞するリスクが高く、また、圧力損失が増大するという問題も生じる。
本発明の目的は、流路を形成する基材の性質によらず且つ流路の内壁面の表面処理を要することなく、水性及び油性のいずれの液滴も形成でき、流路の閉塞のリスク及び圧力損失の増大を抑制することが可能な流路装置及び液滴形成方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明の一局面による流路装置は、連続相と水性の液体である分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成するための流路を内部に備える流路装置であって、前記流路は、特定方向に延びていてその特定方向に沿って前記連続相を流通させる主流路と、その主流路の途中に繋がり、前記分散相を前記主流路へ導く副流路とを有し、前記主流路は、前記副流路と連通する接続口を有し、前記流路は、前記接続口の下流側の位置で前記主流路の延び方向に対する直交方向において前記主流路の外側へ膨らむ凹部からなり、前記直交方向における当該流路の断面積を前記直交方向における前記主流路の断面積から拡大させる拡大部をさらに有し、前記主流路は、前記流路のうち、前記直交方向における断面が前記延び方向における全体に亘って一定である部分であり、前記主流路の前記直交方向における断面積は、前記拡大部の位置での前記流路の前記直交方向における断面積よりも小さく、前記流路装置は、前記主流路が形成される基板であって親水性の素材からなるものを有し、前記拡大部の内壁面は、前記主流路の外側へ拡がる拡大面であって、前記接続口から前記主流路に流入して当該主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動する前記分散相が当該拡大面とその上流側に隣接した前記主流路の内壁面である隣接内壁面との間の境界において前記隣接内壁面から剥離するように前記隣接内壁面に対して前記境界において傾きが不連続に変化するものを有し、前記拡大部の下流側の端部は、前記境界において前記隣接内壁面から剥離して前記連続相の流れに乗って下流側へ延びた前記分散相がせん断されて液滴になる位置よりも上流側に位置する。また、本発明の別の局面による流路装置は、連続相と油性の液体である分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成するための流路を内部に備える流路装置であって、前記流路は、特定方向に延びていてその特定方向に沿って前記連続相を流通させる主流路と、その主流路の途中に繋がり、前記分散相を前記主流路へ導く副流路とを有し、前記主流路は、前記副流路と連通する接続口を有し、前記流路は、前記接続口の下流側の位置で前記主流路の延び方向に対する直交方向において前記主流路の外側へ膨らむ凹部からなり、前記直交方向における当該流路の断面積を前記直交方向における前記主流路の断面積から拡大させる拡大部をさらに有し、前記主流路は、前記流路のうち、前記直交方向における断面が前記延び方向における全体に亘って一定である部分であり、前記主流路の前記直交方向における断面積は、前記拡大部の位置での前記流路の前記直交方向における断面積よりも小さく、前記流路装置は、前記主流路が形成される基板であって親油性の素材からなるものを有し、前記拡大部の内壁面は、前記主流路の外側へ拡がる拡大面であって、前記接続口から前記主流路に流入して当該主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動する前記分散相が当該拡大面とその上流側に隣接した前記主流路の内壁面である隣接内壁面との間の境界において前記隣接内壁面から剥離するように前記隣接内壁面に対して前記境界において傾きが不連続に変化するものを有し、前記拡大部の下流側の端部は、前記境界において前記隣接内壁面から剥離して前記連続相の流れに乗って下流側へ延びた前記分散相がせん断されて液滴になる位置よりも上流側に位置する。
この流路装置では、接続口の下流側に、接続口から主流路に流入して主流路の内壁面に付着した分散相の剥離を促すように主流路の外側へ拡がる拡大面が設けられているため、拡大面において主流路の内壁面から剥離した分散相が主流路内の連続相の流れに乗って下流側へ細く延び、せん断されて当該分散相の液滴が形成される。従って、この流路装置では、流路を形成する基材の性質によらず、また、連続相に対する主流路の内壁面の親和性を向上させるための当該内壁面の表面処理を行うことなく、水性及び油性のいずれの分散相の液滴も形成することができる。また、この流路装置では、従来のように流路幅を局所的に狭くした部分を主流路に設けなくても液滴を形成できるので、流路の閉塞のリスク及び圧力損失の増大を抑制できる。
前記流路装置において、前記拡大面からその上流側に隣接した前記主流路の内壁面である隣接内壁面にかけての領域の傾きは、前記拡大面と前記隣接内壁面との間の境界を境にして不連続に変化していることが好ましい。
この構成によれば、隣接内壁面に付着した分散相が下流側へ移動し、前記境界を越えて拡大面に達したときにその分散相を主流路の内壁面から剥離させやすくすることができる。
前記流路装置において、前記拡大面を下流側から上流側の前記接続口側へ向かって見た場合に、前記拡大面は前記接続口を覆う範囲に設けられていることが好ましい。
この構成によれば、接続口から主流路に流入して接続口の下流側で主流路の内壁面に付着した分散相の付着範囲を拡大面でカバーできるので、分散相の剥離の確実性を向上できる。
前記流路装置において、前記主流路は、前記拡大部よりも下流側に位置して前記分散相が液滴になる部分であって前記直交方向における断面積が前記拡大部の位置での前記流路の前記直交方向における断面積よりも小さい部分を有することが好ましい。
この構成によれば、拡大面の作用により主流路内で形成された液滴のサイズを拡大部の下流側で小さいサイズに制御することができる。具体的に、形成された液滴は、主流路の下流側の部分の前記直交方向における断面積が大きいほど大きなサイズになり、その断面積が小さいほど小さいサイズになる。すなわち、形成された液滴は、主流路の下流側の部分の断面積の大きさに応じた大きさになる。従って、本構成のように主流路のうち拡大部よりも下流側の部分の前記直交方向における断面積が拡大部の位置での流路の前記直交方向における断面積よりも小さいことにより、形成された液滴のサイズを小さいサイズに制御できる。
前記流路装置は、前記流路が複数並列に設けられた流路層を備えることが好ましい。
この構成によれば、複数の流路で液滴を並行して製造できるため、液滴の製造効率を向上できる。また、流路層に複数の流路が並列に設けられていることにより、流路層のサイズの大幅な増大を防ぐことができる。従って、この構成では、流路装置のサイズの増大を抑制しつつ、液滴の製造効率を向上できる。
この場合において、流路装置は、前記流路層を複数備え、その複数の流路層が積層されていることが好ましい。
この構成によれば、さらに多くの流路で液滴を並行して製造できるため、液滴の製造効率をさらに向上できる。また、複数の流路が並列に設けられた複数の流路層が積層されることにより、コンパクトなサイズで流路装置に多数の流路を集約できる。従って、この構成では、流路装置のサイズの増大を抑制しつつ、液滴の製造効率をさらに向上できる。
本発明による液滴形成方法は、分散相の液滴を形成する方法であって、前記流路装置内の前記流路に連続相と分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成する液滴形成工程を備え、前記液滴形成工程では、前記主流路に前記連続相を流通させるとともに前記副流路から前記接続口を通じて前記主流路内に前記分散相を流入させ、前記主流路内に流入した前記分散相が、前記主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動し、前記境界に達したときに前記隣接内壁面から剥離して下流側へ延び、前記主流路のうち前記拡大部よりも下流側に位置する部分においてせん断されることにより、前記分散相の液滴を形成する。
この液滴形成方法では、前記流路装置によって得られる効果と同様の効果が得られる。
以上説明したように、本発明によれば、流路を形成する基材の性質によらず且つ流路の内壁面の表面処理を要することなく、水性及び油性のいずれの液滴も製造でき、流路の閉塞のリスク及び圧力損失の増大を抑制することが可能な流路装置及び液滴形成方法を提供できる。
本発明の一実施形態による流路装置の斜視図である。 図１に示した流路装置の基板の積層方向及び主流路の延びる方向に沿った断面図である。 流路装置を構成する第１基板の裏面の平面図である。 流路装置を構成する第２基板の表面の平面図である。 流路装置を構成する第３基板の表面の平面図である。 基板の積層方向に直交する方向及び主流路の延びる方向に沿った流路装置の部分的な断面図であって、液滴の形成過程を示す図である。 基板の積層方向及び主流路の延びる方向に沿った流路装置の部分的な断面図であって、液滴の形成過程を示す図である。 図６中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った流路装置の部分的な断面図である。 図６中のＩＸ−ＩＸ線に沿った流路装置の部分的な断面図である。 図６中のＸ−Ｘ線に沿った流路装置の部分的な断面図である。 図６中のＸＩ−ＸＩ線に沿った流路装置の部分的な断面図である。 拡大部の形状の違いによる液滴の形成の可否について調べるための実験に用いた比較例の流路装置の第２基板を表面側から見た平面図である。 本発明の一変形例による流路装置の図９に相当する部分的な断面図である。 本発明の別の変形例による流路装置の図９に相当する部分的な断面図である。 本発明のさらに別の変形例による流路装置の図９に相当する部分的な断面図である。 本発明のさらに別の変形例による流路装置の図９に相当する部分的な断面図である。 本発明の変形例による多層型の流路装置の斜視図である。 図１７の流路装置を構成する流路基板の表面の平面図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態による流路装置１が示されている。この流路装置１は、図２に示すように、連続相と分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成するための流路２を内部に備える。この流路装置１は、例えば、連続相中に分散相の微粒子の液滴が分散したエマルションの生成や、分散相の液滴からなるマイクロカプセルの生成などに用いられる。
流路装置１は、互いに積層された第１基板１１、第２基板１２及び第３基板１３を有する。これらの各基板１１，１２，１３は、その板面に対して垂直な方向から見て長方形状（矩形状）を呈する平板である。第２基板１２は、第３基板１３の一方の板面上に積層され、第１基板１１は、第２基板１２のうち第３基板１３と反対側の板面上に積層されている。この状態で、第１基板１１と第２基板１２が互いに接合されるとともに第２基板１２と第３基板１３が互いに接合されることにより、直方体型の流路装置１が形成されている。第１、第２及び第３基板１１，１２，１３としては、ステンレス鋼やその他の親水性の素材からなる基板、又は、アクリル樹脂やその他の親油性の素材からなる基板が用いられる。
流路２は、微小な流路径を有するマイクロチャネルである。流路２は、主流路２１と、副流路２２と、拡大部２３と、主流路導入部２４と、副流路導入部２５と、排出部２６とを有する。
主流路２１は、連続相の液体を流通させるものである。この主流路２１内を流れる連続相に対して分散相の液体が合流して当該分散相の微粒子からなる液滴が形成され、その液滴を含む分散相が下流側へ流れるようになっている。主流路２１は、直線的に延びている。主流路２１が延びる方向に対して直交する方向における当該主流路２１の流路断面は、図８に示すように円形となっている。主流路２１は、第１基板１１と第２基板１２とが積層されて互いに接合されることにより、第１基板１１の裏面側に形成された第１溝３１（図３参照）と第２基板１２の表面側に形成された第２表側溝３２（図４参照）とが重なって繋がることにより形成されている。
具体的に、第１基板１１の第２基板１２側である当該第１基板１１の裏面側には、図３に示すように、当該第１基板１１の長辺方向に直線的に延びる第１溝３１が形成されている。また、第２基板１２の第１基板１１側である当該第２基板１２の表面側には、図４に示すように、当該第２基板１２の長辺方向に直線的に延びる第２表側溝３２が形成されている。第１溝３１と第２表側溝３２は、それらの延びる方向に対して直交する方向の断面が半円形となるようにそれぞれ形成されている。第２表側溝３２は、第２基板１２の裏面において、第１基板１１が第２基板１２の表面上に積層された場合に第１溝３１とちょうど重なる位置に設けられている。第１基板１１の裏面と第２基板１２の表面とが互いに接合されることにより、第１基板１１の裏面上の第１溝３１の開口と第２基板１２の表面上の第２表側溝３２の開口とが合わさり、それによって第１溝３１と第２表側溝３２が連通して流路断面が円形の主流路２１が形成されている。
主流路２１は、図２に示すように、接続口２７を有する。
接続口２７は、主流路２１の両端間の途中の箇所に設けられている。接続口２７は、副流路２２と連通する部分である。接続口２７は、主流路２１が延びる方向と直交する当該主流路２１の幅方向において、その主流路２１の幅（直径）よりも小さい幅を有する。
拡大部２３は、接続口２７から下流側に少し離れた位置に設けられている。拡大部２３は、主流路２１が延びる方向に対する直交方向における流路２の断面積を拡大させる部分である。この拡大部２３の詳細な構成については後述する。
副流路２２は、主流路２１の途中の接続口２７に繋がり、分散相を主流路２１へ導くものである。副流路２２は、その上流側の端部から下流側へ向かって第２基板１２の裏面に沿って主流路２１と平行に延び、その後、９０度曲折して第２基板１２の裏面に沿って主流路２１側へ直線的に延びている。その後、副流路２２は、基板１１，１２，１３の積層方向から見て主流路２１と重なる位置でさらに９０度曲折して主流路２１の下流側へ主流路２１と平行に延び、接続口２７に対応する位置でさらに９０度曲折して前記積層方向において主流路２１側へ延びて主流路２１の接続口２７に繋がっている。
副流路２２は、第２基板１２の第３基板１３側である当該第２基板１２の裏面側に形成された第２裏側溝３３（図４参照）と、第２基板１２を板厚方向に貫通する接続部貫通孔３４（図４参照）とによって形成されている。
具体的に、第２基板１２の裏面側には、副流路２２の形状に対応した曲折した形状の第２裏側溝３３が形成されている。また、第２基板１２のうち副流路２２の下流側の端部に対応する位置、すなわち、第２裏側溝３３のうち第２基板１２の板厚方向において第１表側溝３２と重なっている端部に対応する位置には、第２基板１２を板厚方向において貫通する接続部貫通孔３４が形成されている。第２裏側溝３３と接続部貫通孔３４は繋がっている。第２基板１２の裏面上に形成された第２裏側溝３３及び接続部貫通孔３４の両開口が第２基板１２の裏面に接合された第３基板１３で封止されることによって副流路２２が形成されている。接続部貫通孔３４によって、副流路２２のうち前記積層方向において主流路２１側へ延びて主流路２１の接続口２７に繋がる部分が形成されている。
拡大部２３は、副流路２２から接続口２７を通って主流路２１内に流入し、接続口２７の下流側で主流路２１の内壁面に付着した分散相をその内壁面から剥離させるために設けられている。拡大部２３は、副流路２２から接続口２７を通って主流路２１内に流入した分散相が接続口２７の下流側で主流路２１の内壁面に付着する領域を含む領域に設けられている。
具体的に、流路２の内壁面は、接続口２７の下流側にその接続口２７から少し離れて設けられ、主流路２１の径方向外側へ拡がる拡大面２３ａと、その拡大面２３ａから下流側へ延びる延設面２３ｂとを有しており、この拡大面２３ａと延設面２３ｂにより主流路２１の径方向外側へ膨らむ凹部（図９参照）が形成されている。この凹部により前記直交方向における流路２の断面積が拡大し、この凹部によって拡大部２３が形成されている。拡大部２３は、図１０に示すような断面形状を有しており、主流路２１から外側に膨らんだ当該拡大部２３の凹部の前記直交方向における断面は略矩形状となっている。
拡大面２３ａは、接続口２７から主流路２１に流入して当該主流路２１の内壁面（隣接内壁面２８）に付着した分散相の剥離を促すように主流路２１の径方向外側へ拡がっている。すなわち、拡大面２３ａは、主流路２１の前記直交方向の断面において外側へ拡がっている。拡大面２３ａを下流側から上流側の接続口２７側へ向かって見た場合に、拡大面２３ａは接続口２７を覆う範囲に設けられている。具体的には、拡大面２３ａは、当該拡大面２３ａを下流側から上流側の接続口２７側へ向かって見た場合に接続口２７と重なる領域、その領域の両側に広がる領域及びその領域から主流路２１の径方向外側に広がる領域に設けられている。
拡大面２３ａは、その上流側に隣接した主流路２１の内壁面である隣接内壁面２８との間の境界２９から主流路２１の径方向外側へ向かって延びている。隣接内壁面２８は、主流路２１の内壁面のうち接続口２７と拡大面２３ａとの間の部分である。主流路２１の延びる方向に対する拡大面２３ａから隣接内壁面２８にかけての領域の傾きは、拡大面２３ａと隣接内壁面２８との間の境界２９を境にして不連続に変化している。本実施形態では、隣接内壁面２８は主流路２１の延びる方向に沿って延びており、その主流路２１の延びる方向に対する隣接内壁面２８の傾きは０度である。一方、拡大面２３ａは主流路２１の延びる方向に対して直交する方向に延びており、主流路２１の延びる方向に対する拡大面２３ａの傾きは９０度である。この隣接内壁面２８の傾きと拡大面２３ａの傾きとの間の不連続な変化が境界２９を境にして生じている。
また、本実施形態では、隣接内壁面２８と拡大面２３ａとの間の角度α（図７参照）は、９０度である。主流路２１が延びる方向における拡大部２３の寸法Ｌは、０．１ｍｍ以上であり、好ましくは５ｍｍ以上である。拡大部２３は、基板１１，１２，１３の積層方向から見た場合には主流路２１が延びる方向に対して直交する方向で主流路２１の両側に突出している。
主流路２１が延びる方向において当該主流路２１のうち接続口２７と拡大部２３との間に位置する部分は、全て、前記直交方向における断面積が等しくなっている。具体的には、当該部分の前記直交方向における断面は全て同じ形状になっている。主流路２１のうち拡大部２３よりも下流側の部分の前記直交方向における断面積は、拡大部２３の位置での流路２の前記直交方向における断面積よりも小さくなっている。
拡大部２３の凹部は、第２基板１２を板厚方向に貫通する拡大部貫通孔３５（図４参照）によって形成されている。具体的に、第２基板１２のうち接続口２７に対して主流路２１の下流側の位置に拡大部貫通孔３５が設けられている。拡大部貫通孔３５は、第２表側溝３２の幅方向両側に突出している。
主流路導入部２４は、主流路２１の上流側の端部に繋がっており、連続相を主流路２１へ導く部分である。すなわち、この主流路導入部２４を通って主流路２１へ連続相が導入される。主流路導入部２４は、第２基板１２を板厚方向に貫通する第１主導入孔３７（図４参照）及び第３基板１３を板厚方向に貫通する第２主導入孔３８（図５参照）によって形成されている。具体的に、第２基板１２のうち主流路２１の上流側の端部に対応する位置に第１主導入孔３７が設けられている。また、第３基板１３のうち第１主導入孔３７と重なる位置に第２主導入孔３８が設けられている。第２基板１２と第３基板１３が積層されて接合されることにより、第１主導入孔３７と第２主導入孔３８とが繋がって主流路導入部２４が形成されている。
副流路導入部２５は、副流路２２の上流側の端部に繋がっており、分散相を副流路２２へ導く部分である。すなわち、この副流路導入部２５を通って副流路２２へ分散相が導入される。副流路導入部２５は、第２基板１２を板厚方向に貫通する第１副導入孔４０（図４参照）及び第３基板１３を板厚方向に貫通する第２副導入孔４１（図４参照）によって形成されている。具体的に、第２基板１２のうち副流路２２の上流側の端部の位置に第１副導入孔４０が設けられている。また、第３基板１３のうち第１副導入孔４０と重なる位置に第２副導入孔４１が設けられている。第２基板１２と第３基板１３が積層されて接合されることにより、第１副導入孔４０と第２副導入孔４１とが繋がって副流路導入部２５が形成されている。
排出部２６は、主流路２１の下流側の端部に繋がっており、分散相の液滴を含む連続相からなる液体を主流路２１の下流側の端部から流路装置１の外部へ導く部分である。排出部２６は、第２基板１２を板厚方向に貫通する第１排出孔４３（図４参照）及び第３基板１３を板厚方向に貫通する第２排出孔４４（図５参照）によって形成されている。具体的に、第２基板１２のうち主流路２１の下流側の端部の位置に第１排出孔４３が設けられている。また、第３基板１３のうち主流路２１の下流側の端部の位置に第２排出孔４４が設けられている。第２基板１２と第３基板１３が積層されて接合されることにより、第１排出孔４３と第２排出孔４４とが繋がって排出部２６が形成されている。
次に、本実施形態による分散相の液滴を形成する方法について説明する。
まず、前記の構成を備える流路装置１を用意する。具体的には、第１、第２及び第３基板１１，１２，１３を前記のような構造に加工し、それらの基板を積層して互いに接合することにより流路装置１を作製する。この作製工程において、拡大部２３を、主流路２１の内壁面に付着しつつ下流側へ移動して当該拡大部２３に達した分散相が主流路２１の内壁面から剥離するような形状に形成する。このような拡大部２３の具体的な形状は、前記の通りである。
そして、用意した（作製した）流路装置１を用いて、連続相中に分散相の液滴を形成する液滴形成工程を行う。具体的には、以下のような液滴形成工程を行う。
主流路導入部２４を通じて主流路２１へ連続相の液体を導入し、その一方で副流路導入部２５を通じて副流路２２へ分散相の液体を導入する。水性の液滴を生成する場合には、連続相として油性の液体を主流路２１へ導入し、分散相として水性の液体を副流路２２へ導入する。また、油性の液滴を生成する場合には、連続相として水性の液体を主流路２１へ導入し、分散相として油性の液体を副流路２２へ導入する。
前記水性の液体としては、例えば、水、水溶性の樹脂、水性の重合性モノマー、水溶性の樹脂の水溶液、又は、重合性モノマーの水溶液を用いる。また、前記油性の液体としては、例えば、植物性油脂、鉱物性油脂、炭化水素系溶剤、フッ素系溶剤、又は、これらのうちのいずれかを溶媒とした溶液を用いる。
主流路２１に導入された連続相は、当該主流路２１を下流側へ流れる。副流路２２に導入された分散相は、当該副流路２２を下流側へ流れ、接続口２７から主流路２１に導入される。分散相が主流路２１を形成する基板１１，１２の素材との親和性が高い場合、すなわち、基板１１，１２の素材が親水性で且つ分散相が水性の液体である場合、又は、基板１１，１２の素材が親油性で且つ分散相が油性の液体である場合には、接続口２７から主流路２１に導入された分散相は、図７及び図８に示すように接続口２７の下流側の主流路２１の内壁面、すなわち隣接内壁面２８に付着しつつ、連続相の流れに押されて下流側へ移動する。そして、この主流路２１の内壁面に付着した分散相は、境界２９を越えて拡大部２３に達すると、図７及び図１０に示すように主流路２１の内壁面から剥離する。その後、分散相は、図７及び図１１に示すように連続相によって周りを覆われた状態でその連続相に乗って主流路２１の下流側へ細く延び、せん断されて液滴となる。このように形成された液滴を含む連続相からなる液体は、主流路２１を下流側へ流れ、排出部２６を通って流路装置１の外部へ排出される。
なお、分散相が主流路２１を形成する基板１１，１２の素材との親和性が低い場合、すなわち、基板１１，１２の素材が親水性で且つ分散相が油性の液体である場合、又は、基板１１，１２の素材が親油性で且つ分散相が水性の液体である場合には、接続口２７から主流路２１に導入された分散相は、前記のような隣接内壁面２８に対する付着を生じず、主流路２１に導入された直後から連続相によって周りを覆われ、その状態で連続相の流れに乗って下流側へ延びて液滴となる。
以上のようにして、本実施形態の流路装置１による液滴の形成が行われる。
本実施形態では、上記のように、分散相が主流路２１を形成する基板１１，１２の素材との親和性が高いものである場合、すなわち基板１１，１２の素材が親水性で分散相が水性の液体である場合、又は、基板１１，１２の素材が親油性で分散相が油性の液体である場合には、接続口２７から主流路２１に導入された分散相が隣接内壁面２８に付着する。接続口２７の下流側には、この隣接内壁面２８に付着した分散相の剥離を促すように主流路２１の径方向外側へ拡がる拡大面２３ａが設けられているため、当該拡大面２３ａにおいて主流路２１の内壁面から剥離した分散相が、上述のように、主流路２１内の連続相の流れに乗って下流側へ細く延び、せん断されて液滴となる。
また、上記のように、分散相が主流路２１を形成する基板１１，１２の素材との親和性が低いものである場合、すなわち基板１１，１２の素材が親水性で分散相が油性の液体である場合、又は、基板１１，１２の素材が親油性で分散相が水性の液体である場合には、接続口２７から主流路２１に導入された分散相は、隣接内壁面２８に付着することなく、主流路２１内で液滴となる。
従って、本実施形態では、主流路２１を形成する基板１１，１２の素材が親水性又は親油性のいずれであるかによらず、また、主流路２１の内壁面の連続相に対する親和性を向上させるための当該内壁面の表面処理を行うことなく、水性及び油性のいずれの分散相の液滴も形成することができる。
また、本実施形態の流路装置１では、従来の流路装置のように流路幅を局所的に狭くした部分を主流路に設けなくても液滴を形成できるので、主流路２１の閉塞のリスク及び圧力損失の増大を抑制できる。
また、本実施形態では、拡大面２３ａから隣接内壁面２８にかけての領域の傾きは拡大面２３ａと隣接内壁面２８との間の境界２９を境にして不連続に変化している。具体的には、拡大面２３ａと隣接内壁面２８との間の角度αは９０度になっている。このため、隣接内壁面２８に付着した分散相が下流側へ移動して境界２９を越えたときにその分散相を主流路２１の内壁面から剥離させやすくすることができる。
また、本実施形態では、拡大面２３ａを下流側から上流側の接続口２７側へ向かって見た場合に、拡大面２３ａは接続口２７を覆う範囲に設けられている。これにより、接続口２７から主流路２１に流入して接続口２７の下流側で隣接内壁面２８に付着する分散相の付着範囲を拡大面２３ａでカバーできる。このため、分散相の剥離の確実性を向上できる。
また、本実施形態では、主流路２１のうち拡大部２３よりも下流側の部分の前記直交方向における断面積は、拡大部２３の位置での流路２の前記直交方向における断面積よりも小さい。このため、拡大面２３ａの作用により主流路２１内で形成された液滴のサイズを拡大部２３の下流側で小さいサイズに制御することができる。
具体的に、形成された液滴は、拡大部２３よりも下流側の主流路２１の前記直交方向における断面積が大きいほど大きなサイズになり、その断面積が小さいほど小さいサイズになる。すなわち、形成された液滴は、拡大部２３よりも下流側の主流路２１の前記直交方向における断面積の大きさに応じた大きさになる。従って、本実施形態のように主流路２１のうち拡大部２３よりも下流側の部分の前記直交方向における断面積が拡大部２３の位置での流路２の前記直交方向における断面積よりも小さいことにより、形成された液滴のサイズを小さいサイズに制御できる。
次に、拡大部２３の形状の違いによる液滴の形成の可否について調べた実験の結果について説明する。
実施例として、前記実施形態による流路装置１と同様の構成で主流路２１の内径と拡大部２３のサイズを次のように設定した流路装置を用意した。すなわち、主流路２１の内径（主流路２１の断面の直径）を２ｍｍに設定し、主流路２１が延びる方向における拡大部２３のサイズ（以下、拡大部２３の長さと称する）を２ｍｍに設定し、第２基板１２の表面に沿って主流路２１が延びる方向と直交する方向における拡大部２３のサイズ（以下、拡大部２３の幅と称する）を４ｍｍに設定した流路装置を実施例として用意した。実施例では、拡大部２３の幅が主流路２１の内径（幅）よりも大きく、流路装置１を構成する基板１１，１２，１３の積層方向から見た場合に、拡大部２３が主流路２１の幅方向両側に突出している（図４参照）。
また、比較例として、拡大部２３の幅だけを実施例と異ならせた流路装置を用意した。すなわち、主流路２１の内径（主流路２１の断面の直径）を２ｍｍに設定し、拡大部２３の長さを２ｍｍに設定し、拡大部２３の幅を主流路２１の内径に等しい２ｍｍに設定した流路装置を比較例として用意した。この比較例では、拡大部２３の幅が主流路２１の内径（幅）と等しく、流路装置１を構成する基板１１，１２，１３の積層方向から見た場合に、図１２に示すように拡大部２３が主流路２１の幅内に収まっている。
なお、主流路２１で液滴が形成されたか否かを観察できるようにするため、実施例及び比較例の流路装置を構成する各基板１１，１２，１３として透明な材質のものを用いた。
そして、実施例の流路装置の流路と比較例の流路装置の流路とに同じ条件の連続相と分散相をそれぞれ流通させた。具体的には、連続相としての油性溶液を主流路２１に４０ｍｌ／ｍｉｎの流量で流し、分散相としての水性溶液を副流路２２に１ｍｌ／ｍｉｎの流量で流した。その結果、実施例では、副流路２２から接続口２７を通って主流路２１内に流入した分散相としての水性溶液は、前記実施形態で説明したような挙動を示し、主流路２１内で当該水性溶液の液滴が形成されることが判った。これに対し、比較例では、副流路２２から接続口２７を通って主流路２１内に導入された分散相としての水性溶液は、拡大部２３に達しても主流路２１の内壁面から剥離せず、拡大部２３の下流側へ主流路２１の内壁面に付着したままで移動し、当該水性溶液の液滴は形成されないことが判った。
この実験結果から、拡大部２３の幅は主流路２１の内径（幅）よりも大きいことが、主流路２１内で液滴を形成するために好ましいことが判った。
本発明による流路装置は、前記実施形態のようなものに必ずしも限定されない。本発明による流路装置の構成として、例えば以下のような構成を採用することが可能である。
主流路の前記直交方向における断面の形状は、必ずしも円形に限定されず、円形以外の種々の形状を当該断面の形状として採用可能である。
拡大部の形状は、前記の形状に必ずしも限定されず、前記の形状以外の種々の形状を拡大部の形状として採用可能である。図１３〜図１６には、各主変形例による拡大部の前記直交方向における断面の形状が示されている。
図１３に示す変形例では、拡大部２３は、前記直交方向における当該拡大部２３の断面の外周部が同方向における主流路２１の円形状の断面の外周部に沿った円弧状となるように形成されている。また、この変形例では、拡大部２３は、主流路２１の前記直交方向における断面の半周部分に亘る領域に設けられている。
図１４に示す変形例では、拡大部２３は、図１３の変形例と同様、前記直交方向における当該拡大部２３の断面の外周部が同方向における主流路２１の円形状の断面の外周部に沿った円弧状となるように形成されている。ただし、この図１４の変形例では、拡大部２３は、図１３の変形例に比べて主流路２１の周方向の狭い領域に設けられている。主流路２１の周方向における拡大部２３の領域の大きさは、主流路２１の内壁面に分散相が付着する領域の大きさに応じて設定すればよい。すなわち、拡大部２３を設ける領域は、主流路２１の内壁面に分散相が付着する領域をカバーできればよい。よって、分散相が主流路２１の内壁面に付着する領域が主流路２１の周方向において大きい場合には、その分散相が付着する領域をカバーできるように拡大部２３を設ける領域を大きくし、分散相が主流路２１の内壁面に付着する領域が主流路２１の周方向において小さい場合には、その分散相が付着する領域をカバーできる範囲で拡大部２３を設ける領域を小さくしてもよい。
図１５に示す変形例では、拡大部２３は、前記直交方向における前記実施形態の拡大部２３の幅よりも小さい幅を有する。このように、拡大部２３の幅は、任意に設定してもよい。また、拡大部２３の幅に直交する方向の深さについても任意に設定してもよい。
図１６に示す変形例では、拡大部２３は、主流路２１の全周に亘ってその主流路２１の径方向外側へ拡大するように設けられている。この拡大部２３の前記直交方向における断面の外形は矩形状となっている。なお、この変形例において、拡大部２３の断面の外形は、例えば主流路２１と同心の円形であってもよく、また、それ以外の形状であってもよい。
また、流路装置は、複数の流路が並列に設けられた流路層を備えていてもよい。そして、流路装置は、このような流路層を複数備えていて、当該複数の流路層が積層された構造を有していてもよい。このような構成を有する変形例の流路装置１が図１７に示されている。
この変形例による流路装置１は、複数の流路基板５１と、複数の封止板５２と、主供給ヘッダ５３と、副供給ヘッダ５４と、排出ヘッダ５５とを備える。
各流路基板５１及び各封止板５２は、その板面に垂直な方向から見て、長方形状（矩形状）を呈する同形の平板である。流路基板５１と封止板５２は、交互に積層されて互いに接合されている。これにより、複数の流路基板５１と複数の封止板５２からなる直方体型の積層体が形成されている。
流路基板５１は、本発明における流路層の一例である。流路基板５１には、図１８に示すように複数の流路２が並列に設けられている。各流路２は、主流路２１と、副流路２２と、拡大部２３とを有する。
主流路２１は、流路基板５１の表面側で当該流路基板５１の長辺方向に直線的に延びている。主流路２１の上流側の端部は、流路基板５１の一方の短辺が配置された流路装置１の側面において開口している。主流路２１の下流側の端部は、主流路２１の上流側の端部が配置された流路装置１の一側面と反対側の側面において開口している。主流路２１は、流路基板５１の表面側に形成された表側溝６１によって形成されている。具体的には、流路基板５１の表面上における表側溝６１の開口がその表面に接合された封止板５２で封止されることによって、主流路２１が形成されている。
副流路２２は、流路基板５１の裏面側で当該流路基板５１の一方の長辺から他方の長辺側へ向かって当該流路基板５１の短辺方向に直線的に延び、対応する主流路２１と重なる位置で９０度曲折してその主流路２１に沿って下流側へ延び、その後、主流路２１側へ９０度曲折して主流路２１に繋がっている。副流路２２の上流側の端部は、その端部が位置する流路基板５１の長辺が配置された流路装置１の側面において開口している。
副流路２２は、流路基板５１の裏面側に形成された裏側溝６２と、流路基板５１を板厚方向に貫通する接続部貫通孔６３とによって形成されている。具体的には、流路基板５１の裏面上における裏側溝６２の開口及び接続部貫通孔６３の開口がその裏面に接合された封止板５２で封止されることによって、副流路２２が形成されている。また、接続部貫通孔６３によって、副流路２２の下流側の端部が接続される主流路２１の接続口２７が形成されている。
拡大部２３は、前記実施形態における拡大部２３と同様に形成されている。すなわち、前記実施形態における拡大部貫通孔３５と同様の構成の拡大部貫通孔３５が、主流路２１の接続口２７から下流側に少し離れた位置で流路基板５１に形成されている。流路基板５１の表面上における拡大部貫通孔３５の開口がその表面に接合された封止板５２で封止されるとともに、流路基板５１の裏面上における拡大部貫通孔３５の開口がその裏面に接合された封止板５２で封止されることによって、拡大部貫通孔３５が形成されている。
この変形例における主流路２１、副流路２２、拡大部２３及び接続口２７の機能及び基本的な構成は、前記実施形態における主流路２１、副流路２２、拡大部２３及び接続口２７の機能及び構成と同様である。
主供給ヘッダ５３は、各主流路２１へ連続相の液体を供給するためのものであり、各主流路２１の上流側の端部が開口した流路装置１の側面に取り付けられている。主供給ヘッダ５３は、それが取り付けられた流路装置１の側面で開口している全ての主流路２１の上流側の端部を一括して覆っている。これにより、主供給ヘッダ５３の内部空間が流路装置１に設けられた全ての主流路２１の上流側の端部と連通している。主供給ヘッダ５３には、図略の配管を通じて連続相の液体が供給され、その供給された連続相の液体が当該主供給ヘッダ５３の内部空間から各主流路２１へ分配されて導入されるようになっている。
副供給ヘッダ５４は、各副流路２２へ分散相の液体を供給するためのものであり、各副流路２２の上流側の端部が開口した流路装置１の側面に取り付けられている。副供給ヘッダ５４は、それが取り付けられた流路装置１の側面で開口している全ての副流路２２の上流側の端部を一括して覆っている。これにより、副供給ヘッダ５４の内部空間が流路装置１に設けられた全ての副流路２２の上流側の端部と連通している。副供給ヘッダ５４には、図略の配管を通じて分散相の液体が供給され、その供給された分散相の液体が当該副供給ヘッダ５４の内部空間から各副流路２２へ分配されて導入されるようになっている。
この変形例による流路装置１では、流路２の主流路２１において前記実施形態の場合と同様のプロセスで連続相中に分散相の液滴が形成される。
この変形例による流路装置１では、流路基板５１に配列された複数の流路２で液滴を並行して製造でき、しかも、その流路基板５１が多数積層されているため、多くの液滴を並行して製造できる。このため、液滴の製造効率を著しく向上できる。
また、この変形例による流路装置１では、流路基板５１に複数の流路２が並列に設けられているとともにその流路基板５１が複数積層されているため、流路装置１のサイズの増大を抑制しつつ、その流路装置１に多数の流路２を集約できる。従って、この変形例では、流路装置１のサイズの増大を抑制しつつ、液滴の製造効率を著しく向上できる。
なお、本発明における流路装置は、複数の流路が並列に設けられた流路基板を必ずしも複数備えていなくてもよい。すなわち、流路装置は、そのような流路基板を１つだけ備えていてもよい。
隣接内壁面と拡大面との間の角度は、必ずしも９０度に限定されない。すなわち、隣接内壁面に付着した分散相が隣接内壁面と拡大面との間の境界を越えて下流側へ移動したときに主流路の内壁面から剥離するような角度であれば、隣接内壁面と拡大面との間の角度はどのような角度であってもよい。ただし、この角度は、内壁面に付着した分散相の剥離し易さの観点から、１３５度以下であることが好ましく、９０度以下であることがさらに好ましい。
また、本発明による液滴形成方法は、必ずしも、流路装置を用意する用意工程やその用意工程の一環である流路装置の作製工程を含んでいなくてもよい。例えば、本発明による液滴形成方法は、既に存在する流路装置を単に用いて液滴を形成してもよい。
１ 流路装置
２ 流路
１１ 第１基板
１２ 第２基板
１３ 第３基板
２１ 主流路
２２ 副流路
２３ 拡大部
２３ａ 拡大面
２７ 接続口
２８ 隣接内壁面
２９ 境界
５１ 流路基板（流路層）

Claims (6)

  1. 連続相と水性の液体である分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成するための流路を内部に備える流路装置であって、
    前記流路は、特定方向に延びていてその特定方向に沿って前記連続相を流通させる主流路と、その主流路の途中に繋がり、前記分散相を前記主流路へ導く副流路とを有し、
    前記主流路は、前記副流路と連通する接続口を有し、
    前記流路は、前記接続口の下流側の位置で前記主流路の延び方向に対する直交方向において前記主流路の外側へ膨らむ凹部からなり、前記直交方向における当該流路の断面積を前記直交方向における前記主流路の断面積から拡大させる拡大部をさらに有し、
    前記主流路は、前記流路のうち、前記直交方向における断面が前記延び方向における全体に亘って一定である部分であり、
    前記主流路の前記直交方向における断面積は、前記拡大部の位置での前記流路の前記直交方向における断面積よりも小さく、
    前記流路装置は、前記主流路が形成される基板であって親水性の素材からなるものを有し、
    前記拡大部の内壁面は、前記主流路の外側へ拡がる拡大面であって、前記接続口から前記主流路に流入して当該主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動する前記分散相が当該拡大面とその上流側に隣接した前記主流路の内壁面である隣接内壁面との間の境界において前記隣接内壁面から剥離するように前記隣接内壁面に対して前記境界において傾きが不連続に変化するものを有し、
    前記拡大部の下流側の端部は、前記境界において前記隣接内壁面から剥離して前記連続相の流れに乗って下流側へ延びた前記分散相がせん断されて液滴になる位置よりも上流側に位置する、流路装置。
  2. 連続相と油性の液体である分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成するための流路を内部に備える流路装置であって、
    前記流路は、特定方向に延びていてその特定方向に沿って前記連続相を流通させる主流路と、その主流路の途中に繋がり、前記分散相を前記主流路へ導く副流路とを有し、
    前記主流路は、前記副流路と連通する接続口を有し、
    前記流路は、前記接続口の下流側の位置で前記主流路の延び方向に対する直交方向において前記主流路の外側へ膨らむ凹部からなり、前記直交方向における当該流路の断面積を前記直交方向における前記主流路の断面積から拡大させる拡大部をさらに有し、
    前記主流路は、前記流路のうち、前記直交方向における断面が前記延び方向における全体に亘って一定である部分であり、
    前記主流路の前記直交方向における断面積は、前記拡大部の位置での前記流路の前記直交方向における断面積よりも小さく、
    前記流路装置は、前記主流路が形成される基板であって親油性の素材からなるものを有し、
    前記拡大部の内壁面は、前記主流路の外側へ拡がる拡大面であって、前記接続口から前記主流路に流入して当該主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動する前記分散相が当該拡大面とその上流側に隣接した前記主流路の内壁面である隣接内壁面との間の境界において前記隣接内壁面から剥離するように前記隣接内壁面に対して前記境界において傾きが不連続に変化するものを有し、
    前記拡大部の下流側の端部は、前記境界において前記隣接内壁面から剥離して前記連続相の流れに乗って下流側へ延びた前記分散相がせん断されて液滴になる位置よりも上流側に位置する、流路装置。
  3. 前記拡大面を下流側から上流側の前記接続口側へ向かって見た場合に、前記拡大面は前記接続口を覆う範囲に設けられている、請求項１又は２に記載の流路装置。
  4. 前記流路が複数並列に設けられた流路層を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路装置。
  5. 前記流路層を複数備え、その複数の流路層が積層されている、請求項４に記載の流路装置。
  6. 分散相の液滴を形成する方法であって、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路装置内の前記流路に連続相と分散相を流通させて連続相中に分散相の液滴を形成する液滴形成工程を備え、
    前記液滴形成工程では、前記主流路に前記連続相を流通させるとともに前記副流路から前記接続口を通じて前記主流路内に前記分散相を流入させ、前記主流路内に流入した前記分散相が、前記主流路の内壁面に付着しつつ前記連続相の流れに押されて下流側へ移動し、前記境界に達したときに前記隣接内壁面から剥離して下流側へ延び、前記主流路のうち前記拡大部よりも下流側に位置する部分においてせん断されることにより、前記分散相の液滴を形成する、液滴形成方法。
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