マイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置
【課題】複数の流体同士を、安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。
【解決手段】
複数の流体を流体供給配管２２、２４から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの第１、第２液体供給流路１８、２０に供給して１本の反応流路２８に多層状に合流させることにより、複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、それぞれの第１、第２液体供給流路１８、２０の少なくとも１つにおいて、第１、第２液体供給流路１８、２０を流れる流体の圧力損失を増加させてから反応流路２８に合流させる。
【解決手段】
複数の流体を流体供給配管２２、２４から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの第１、第２液体供給流路１８、２０に供給して１本の反応流路２８に多層状に合流させることにより、複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、それぞれの第１、第２液体供給流路１８、２０の少なくとも１つにおいて、第１、第２液体供給流路１８、２０を流れる流体の圧力損失を増加させてから反応流路２８に合流させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置に係り、特に、層流を安定に形成させて複数種類の流体同士を反応又は混合させるマイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ空間内では単位体積あたりの表面積が大きくなる特徴から、反応流体の反応界面を多く形成でき、温度制御も容易にできるので、流体間の反応や混合の高効率化又は高速化ができる技術として注目されている。
【０００３】
このようなマイクロ空間を利用したマイクロ科学装置において、反応や混合を均一且つ効率よく行うためには、反応流体同士を安定した多層流状態で合流させることが重要である。そして、均一な多層流の界面積や層厚みを精密に制御することにより、界面での分子拡散を制御しながら均一な反応を行うことができる。
【０００４】
例えば、特許文献１では、内軸管と該内軸管の側面から導入する外軸管により形成される多重同軸ノズルを備えた反応器を用いて、ハロゲン化銀乳剤を製造する方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、円筒状の主流路の側壁から主流路に合流する導入流路を備えた流通型微小反応流路が提案されている。これら特許文献１、２によれば、反応流体を同芯円筒層流で合流させることができるとされている。
【特許文献１】特開平４−１３９４４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２９２２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、多層流の界面を精密且つ安定に形成することは容易ではないという問題があった。即ち、ポンプの脈動による供給流体の脈動や、合流部までの流路長の差等により、液液界面での２液間の速度に分布ができる。更に、製作精度（加工、組立精度）の問題で、均一な同芯円を作ることが難しく、圧力が不均一になり易かった。
【０００７】
また、上記特許文献１、２のような多重同軸ノズルを備えた反応器、特に外層流を内層流の流れに対して直交する方向から供給する装置において、安定な多層流を形成して、均一に反応又は混合させることが困難であった。また、供給流量の広範囲化や装置の小型化も困難であった。
【０００８】
例えば、図９は、従来の円筒層流型反応装置１の構造を説明する軸線方向の断面図である。図９の円筒層流型反応装置１は、反応流体Ｌ１、Ｌ２を流体供給配管２、３から流体供給流路５、６にそれぞれ供給して反応流路７で合流させることにより、混合又は反応させて吐出口８から反応生成物を回収する装置である。この反応流体Ｌ１、Ｌ２を反応流路７において安定な層流で合流させるためには、反応流体Ｌ１、Ｌ２の流通状態を整える必要があり、反応流体Ｌ１、Ｌ２が合流する前までに、ある一定長さ以上の整流領域（流体供給流路６、流路長ＱＬ）を設ける必要があった。このため、装置の小型化が困難であるという問題があった。
【０００９】
また、装置内で安定な層流を形成するためには、供給する流体の流量範囲も制限される場合が多かった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能なマイクロ科学装置の流体操作方法及びマイクロ科学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、該供給流路を流れる流体の圧力損失を増加させてから前記混合・反応流路に合流させることを特徴とするマイクロ科学装置の流体操作方法を提供する。
【００１２】
請求項１によれば、各流体の圧力損失を増加させて早期に整流できるので、複数種類の流体を合流させる前の整流領域を短縮することができる。したがって、複数の流体を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となった。
【００１３】
請求項２は請求項１において、前記マイクロ科学装置本体は、外郭を形成する円筒部内に、前記供給流路が同芯軸多層円筒構造に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
このように、同芯軸多層円筒層流を安定に形成する場合において、本発明が特に有効である。
【００１５】
請求項３は請求項１又は２において、前記複数の流体を供給する流体供給配管のうちの少なくとも１つは、前記供給流路に対して平行でない方向から流体を供給することを特徴とする。
【００１６】
このように、混合・反応流路に供給する流体の流れが乱れ易い構造において、本発明が特に有効である。また、請求項３において、「平行でない」とは、供給流路に対して０°を超える範囲であり、より好ましくは９０°以上の範囲である。
【００１７】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記複数の流体同士が合流する前の流路の断面積を縮小させることにより前記流体の圧力損失を増加させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４は、流体の圧力損失を増加させる具体的な方法について示したものである。請求項４において、「流路の断面積を縮小させる」とは、例えば、供給流路の壁面に設けられた邪魔板、流路内に固定されたハニカム構造体、多孔質構造体、流路内に充填されたビーズ、オリフィス等により、流体が流通する断面積を縮小することをいう。
【００１９】
請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記流体の圧力損失を増加させた後、前記流体を整流することを特徴とする。
【００２０】
圧力損失を増加させると僅かに流れがランダムになり、円周方向の速度ベクトル（例えば、渦流等）が生じることがある。しかし、整流構造を流路に長く形成するだけでは、上記の円周方向の速度ベクトルは消すことはできなかった。請求項５によれば、渦流等の円周方向の速度ベクトルを効率よく打ち消すことができる。したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。ここで、整流構造の流れ方向長さは、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの１／１０以上であることが好ましく、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの１倍以上であることがより好ましく、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの２倍以上であることが更に好ましい。
【００２１】
本発明の請求項６は前記目的を達成するために、複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つに、該供給流路の圧力損失を増加させるための圧力損失増加手段を備えたことを特徴とするマイクロ科学装置を提供する。
【００２２】
請求項６によれば、複数の流体同士を、安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、流路内において整流構造を長くしただけでは、渦流のような円周方向の速度ベクトルを消すことができなかったが、圧力損失増加手段を加えることで、これらの速度ベクトルを打ち消すことができる。ここで、圧力損失増加手段としては、流路断面積を縮小させる手段が挙げられ、例えば、供給流路の壁面に設けられた邪魔板、流路内に固定されたハニカム構造体、多孔質構造体、流路内に充填されたビーズ、オリフィス等が含まれる。また、混合・反応流路は、円相当直径が１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
請求項７は請求項６において、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、前記圧力損失増加手段の後段に、前記流体を整流するための整流手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
請求項７によれば、整流手段により、圧力損失を増加させた後の流体の流れを流れ方向に揃えることができる。したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となった。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、複数の流体同士を、安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロ科学装置の流体操作方法及びマイクロ科学装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００２７】
[第一実施形態]
図１は、本実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０の構成の一例を説明する断面図である。このうち、図１（Ａ）は、図１の同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０の軸方向の断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。以下、液体Ｌ１、Ｌ２間で反応生成物ＬＭを生成する液液反応の例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施形態では、同芯軸多層円筒型のマイクロ科学装置において、１本の混合・反応流路が円管状に形成されている例について説明するが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
図１に示されるように、同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０は、全体として略円筒状に形成されており、主に、装置の外殻部を構成する円筒状の円管部１２を備えている。
【００２９】
円管部１２の径方向断面の円相当直径Ｄは、１ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましい。本実施形態では、同芯軸多層流路及び１本の混合・反応流路の断面形状が円形である例を示すが、これに限定されるものではなく、例えば、矩形、Ｖ字型等でもよい。
【００３０】
円管部１２の先端面には液体Ｌ１、Ｌ２が反応した後の反応生成液ＬＭの吐出口１４が開口している。
【００３１】
円管部１２内には、円管部１２内の空間を軸方向に沿って区画する円筒状の隔壁部材１６が円管部１２と同軸的に設けられ、隔壁部材１６の基端面が円管部１２の基端部に固着されている。この隔壁部材１６は、円管部１２内の断面円の空間を同軸的に２分割するように区画されている。
【００３２】
なお、図示しないが、円管部１２の内周面と隔壁部材１６の外周面との間に複数個のスペーサを介装してもよい。これにより、隔壁部材１６が十分な強度で円管部１２に連結固定され、液体Ｌ１、Ｌ２の液圧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。
【００３３】
隔壁部材１６により区画された断面円及び断面円環状の空間は、軸心側から順に第１流体供給流路１８、第２流体供給流路２０とされる。また、円管部１２の基端面には、それぞれの第１、２流体供給流路１８、２０に液体Ｌ１、Ｌ２を供給する流体供給配管２２、２４が接続される。
【００３４】
ここで、第２流体供給流路２０内には、液体Ｌ１と液体Ｌ２とを安定な同芯軸多層円筒層流を形成するために、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する前の領域に圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６が設けられている。上記多孔質構造体２６は、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する前に、液体Ｌ１又はＬ２の圧力損失を増加させて整流させるものである。
【００３５】
このような圧力損失増加手段としては、流路断面積を縮小させる構造体（以下、「流路断面積縮小構造体」という）が使用でき、この具体例として、上記の多孔質構造体２６、ハニカム構造体、網目構造体、邪魔板、ビーズ充填、オリフィス等が使用できる。本実施形態では、流路断面積縮小構造体の一例として多孔質構造体２６を用いることとする。
【００３６】
圧力損失増加手段の第２流体供給流路２０内への固定方法としては、第２流体供給流路２０内に充填するだけの方法や、接着剤等で流路壁面に固定する方法、その他微細加工技術を用いて固定する方法がある。
【００３７】
上記圧力損失は、圧力損失増加手段として邪魔板を使用する場合は、形状や大きさ、間隔、材質（濡れ性や表面粗さ等）等で調節することができる。また、ハニカム構造体を使用する場合は、材質、孔径、ハニカム密度等で調節することができる。また、多孔質構造体を使用する場合は、空隙率、充填体積等で調節することができる。また、ビーズを使用する場合は、ビーズの粒径、材質、充填量等で調節することができる。また、オリフィスを使用する場合は、孔径、材質、長さ等により調節することができる。また、圧力損失の増加量は、流体が流れる範囲であれば、任意に設定できる。
【００３８】
また、圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６と合流領域との間の隔壁部材１６（図１における領域Ｒ）は、第２流体供給流路２０における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００３９】
また、流体供給配管２２、２４を通して、第１、第２流体供給流路１８、２０には、マイクロ科学装置１０の上流側に設置された２個の流体供給手段（図示せず）から加圧状態とされた液体Ｌ１、Ｌ２が供給される。
【００４０】
また、円管部１２内において、隔壁部材１６よりも先端側には、第１、第２流体供給流路１８、２０からそれぞれ供給された液体Ｌ１、Ｌ２が合流し、反応流路２８が形成される。
【００４１】
図１（Ａ）に示されるように、第１流体供給流路１８及び第２流体供給流路２０から反応流路２８内へ開口する第１流体供給口３０が形成される。これらの流体供給口３０は、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は、それぞれ流体供給口３０の開口面積を規定し、この流体供給口３０の開口面積と液体Ｌ１、Ｌ２の供給量に応じて、流体供給口３０を通して反応流路２８内へ導入される液体Ｌ１、Ｌ２の初期流速が定まる。
【００４２】
円管部１２内における反応流路２８よりも先端側の空間には、反応流路２８内で液体Ｌ１、Ｌ２の反応が行われた反応生成液ＬＭが、吐出口１４に向かって流れる排出液路が形成される。ここで、反応生成液ＬＭが液体Ｌ１、Ｌ２の反応により生成される場合には、反応流路２８内の出口部で液体Ｌ１、Ｌ２の反応が完了している必要がある。従って、反応流路２８の液体Ｌ１、Ｌ２の流通方向に沿った路長ＲＬ（図１参照）は、液体Ｌ１、Ｌ２の反応が完了する長さに設定する必要がある。尚、マイクロ科学装置１０内には、常に、液体Ｌ１、Ｌ２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１４側へ流通しているものとする。
【００４３】
マイクロ科学装置１０を構成する部材の材質としては、加工性に優れ、強度が高く、腐食防止性があり、原料流体の流動性を高くするものが好ましい。例えば、金属（鉄、アルミ、ステンレス鋼、チタン、その他の各種金属）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル樹脂等）、ガラス（石英等）、セラミックス（シリコン等）等が好ましく使用できる。
【００４４】
マイクロ科学装置１０を製作するには、微細加工技術が適用される。適用可能な微細加工技術としては、例えば、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ（Ｒｏｅｎｔｇｅｎ−Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ Ｇａｌｖａｎｉｋ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商品名）を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザー加工法、イオンビーム加工法、及びダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法等がある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。
【００４５】
要素間や部材間の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流路等の破壊を伴わず、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、材料に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挙げられる。セラミックスの接合については、金属のような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程度の膜厚に印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００℃で熱処理する方法がある。また、新しい技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。
【００４６】
本実施形態における流体供給手段としては、各種マイクロポンプ、無脈流プランジャーポンプ、シリンジポンプ等を好適に使用することができる。これらのポンプは、第１、第２流体供給流路１８、２０やこれに連通する流路内は全て液体Ｌ１、Ｌ２で満たされ、外部に用意した流体供給手段によって液体全体を駆動する方式であり、第１、第２流体供給流路１８、２０に供給する液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力、供給流量を、特に無脈流プランジャーポンプ、シリンジポンプの場合は無脈流にて安定に制御することができる。
【００４７】
また、本実施形態に使用される流体としては、液体、気体、液固混相流体、気固混相流体等が挙げられる。
【００４８】
次に、本実施形態のマイクロ科学装置１０の作用について説明する。図２は、マイクロ科学装置１０の反応流路２８内の流体の径方向断面の状態を説明する摸式図である。
【００４９】
先ず、流体供給配管２２、２４を通して、第１、第２流体供給流路１８、２０には、マイクロ科学装置１０の上流側に設置された２個の流体供給源（図示せず）から加圧状態とされた液体Ｌ１及びＬ２が供給される。
【００５０】
次いで、液体Ｌ１は第１流体供給流路１８内を流れ、液体Ｌ２はその外周に形成された第２流体供給流路２０内を流れる。このとき、液体Ｌ２は、第２流体供給流路２０内に構築された多孔質構造体２６内を流通することにより、一旦圧力損失が高められた後、反応流路２８内に供給される。
【００５１】
このとき、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが合流する前に、液体Ｌ２の流動状態が整えられるので、図２に示されるように、軸心側から液体Ｌ１、Ｌ２が同芯軸多重円筒状に多層流を形成することができる。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２を均一に拡散又は混合、反応させることができる。
【００５２】
また、これにより、従来例の図９における流体供給流路５、６の流路長を短縮できるので、装置の小型化が可能となる。
【００５３】
このように、本発明を適用することにより、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０において、２液を反応させる例について説明したが、２液以上の複数の流体を反応させる場合にも本発明を適用できる。
【００５５】
また、多孔質構造体２６の配置については、図１の様態に限られず、例えば、図３に示されるように、第２流体供給流路２０のさらに上流側に配置してもよい。これにより、第２流体供給流路２０の長さを更に短縮することができ、装置の更なる小型化が可能となる。
【００５６】
また、圧力損失増加手段として多孔質構造体２６の例で説明したが、上記の形態に限られることはなく、例えば、微小なビーズを第２流体供給流路２０内に充填してもよい。
【００５７】
次に、本実施形態における圧力損失増加手段の変形例について説明する。図４及び図５は圧力損失増加手段の別の態様を説明する断面図である。このうち、図４（Ａ）は、軸線方向からの断面図であり、図４（Ｂ）はＡ−Ａ’線断面図であり、図４（Ｃ）はＢ−Ｂ’線断面図である。
【００５８】
図４に示されるように、合流領域の上流側の第２流体供給流路２０の壁面（即ち、隔壁部材１６の外周面と円管部１２の内周面）に、複数の邪魔板３２…が形成されてもよい。
【００５９】
また、図５に示されるように、合流領域の上流側の第２流体供給流路２０の一部分がオリフィス３４になっていてもよい。
【００６０】
なお、図３及び図４に示されるように、上記した多孔質構造体２６、邪魔板３２等の圧力増加損失手段と合流領域との間の隔壁部材１６（図３及び図４における領域Ｒ）は、既述したのと同様に、第２流体供給流路２０における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００６１】
以上のように、曲がり流路を介して第２流体供給流路２０内を流れる反応流体の圧力損失を即時に高め、反応流路２８において複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させることができる。
【００６２】
したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、高流量で流体を供給する場合でも、急激な流れ方向の変化による流速のばらつきを抑制し、安定に多層流を形成できる。
【００６３】
[第二実施形態]
図６は、本発明のマイクロ科学装置の第二実施形態の斜視図であり、薄片状の多層流を形成する薄片状流型マイクロ科学装置５０の一例である。尚、各図において、第一実施形態と同一の部材や機能を有するものは、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、流体流路としては、流路幅が１ｍｍ以下の微細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。
【００６４】
図６に示されるように、薄片状流型マイクロ科学装置５０は、主として、流体流路５２が内部に形成された薄片状の流体流路プレート５６と、流体流路５２に液体Ｌ１を供給する第１流体供給手段５８と、流体流路５２に液体Ｌ２を供給する第２流体供給手段６０と、を備えている。
【００６５】
図７は薄片状の流体流路プレート５６の装置本体を説明する説明図である。図７（Ａ）は上面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００６６】
図７に示されるように、流体流路プレート５６は、本体部材６２と蓋部材６４とで構成され、本体部材６２には２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の液液反応を行う流体流路５２と該流体流路５２に液体Ｌ１、Ｌ２を合流させる２本の流体供給流路６６、６６とから成るＹ字型流体流路６８が形成されている。また、流体流路５２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７０が形成される。一方、蓋部材６４には２本の流体供給流路６６、６６に液体Ｌ１、Ｌ２を導入する２個の流体導入口７２、７２が形成され、２個の流体導入口７２、７２に液体Ｌ１、Ｌ２を供給する一対の流体供給手段５８、６０が２本の流体供給管７４、７４（図６参照）を介してそれぞれ接続される。
【００６７】
流体流路５２は、流路幅Ｗ３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な流路であることが好ましい。流体流路５２は、径方向の断面形状が矩形のものが一般的であるが、これに限定されるものではなく、円形（半円含む）であってもよい。
【００６８】
また、流体供給流路６６、６６を２本で構成する場合には、１本の流体供給流路６６の流路幅Ｗ３は、流体流路５２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本の流体供給流路６６の幅を２５０μｍ、深さを２００μｍとする。また、流体流路の長さＲＬ’（図７参照）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。
【００６９】
また、合流する前の第１、第２流体供給流路６６、６６に圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６が設けられている。このような圧力損失増加手段としては、第一実施形態と同様の流路断面積縮小構造体が使用できるが、本実施形態では、その一例として多孔質構造体２６を第１、第２流体供給流路６６、６６内に設けた例を示す。
【００７０】
薄片状の流体流路プレート５６を構成する部材の材質や製造方法は、第一実施形態と同様である。
【００７１】
また、以下に説明するＹ字型流路６８において、特に本発明が有効である。
【００７２】
図８は、本実施形態の薄片状の流体流路プレート５６におけるＹ字型流路６８の別態様を説明する上面図である。図８（Ａ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６の合流角αが９０°の場合を示し、図８（Ｂ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６の合流角αが１８０°の場合を示す。
【００７３】
図８（Ａ）に示されるように、混合及び反応する流体流路５２に対して略直交する角度から合流する第２流体供給流路６６内（液体Ｌ２側）に多孔質構造体２６を充填させている。これと同様に、図８（Ｂ）に示されるように、第１、２流体供給流路６６、６６内に多孔質構造体２６を充填させている。このように、流体供給流路の合流角αが０°を超える範囲、好ましくは９０°以上の範囲において本発明が特に有効である。
【００７４】
また、圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６と合流領域との間の隔壁部（図８における領域Ｒ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００７５】
次に、本実施形態のマイクロ科学装置５０の作用について説明する。
【００７６】
先ず、流体供給配管７４、７４を通して、第１、第２流体供給流路６６、６６には、マイクロ科学装置５０の上流側に設置された２個の流体供給手段５８、６０から加圧状態とされた液体Ｌ１及びＬ２が供給される。
【００７７】
次いで、液体Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ流体供給流路６６、６６内を流れる。このとき、液体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ第１、第２流体供給流路６６、６６内に構築された多孔質構造体２６、２６内を貫通し、圧力損失が高められて整流された後、Ｙ字型流路６８内に供給される。
【００７８】
このとき、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが合流する前に、迅速に流動状態が整えられるので、Ｙ字型流路６８において、液体Ｌ１、Ｌ２が安定な層流を形成することができる。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２を均一に拡散又は混合、反応させることができる。また、第１、第２流体供給流路６６、６６の流路長ＱＬを短縮することができる。
【００７９】
このように、本発明を適用することにより、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、高流量で流体を供給する場合でも、急激な流れ方向の変化による流速のばらつきを抑制し、安定に多層流を形成できる。
【００８０】
以上、本発明に係るマイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００８１】
第一実施形態では、第２流体供給流路内のみに多孔質構造体２６を備えた例を示したが、第１流体供給流路１８内にも多孔質構造体２６を備えてもよい。これにより、より効率よく各流体を整流することができる。
【００８２】
また、第一実施形態では、第２流体供給配管２４のみが円管部１２の側面から挿入された構成の例で説明したが、第１流体供給配管２２も同様に円管部１２の側面から挿入された構成であってもよい。このように、各流体供給配管が円管部１２の軸方向に対して直交するような角度から挿入される場合、各流体供給配管内を流れる流体は、曲がり流路内を流通するため、反応流路２８に供給するまでに整流させておくことが必要である。このような場合に、特に、本発明を適用することが有効である。
【００８３】
本発明は、各種混合及び反応装置、各種分析装置等及びそれらの流体操作方法に適用可能である。例えば、各種塗料、インクジェット用インク、電子写真用トナー、カラーフィルタ等の顔料微粒子や磁性粒子等の微粒子を製造する微粒子製造装置及びその流体操作方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の断面図である。
【図２】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の作用を説明する断面図である。
【図３】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図４】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図５】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図６】第二実施形態における薄片状流型マイクロ科学装置を説明する斜視図である。
【図７】第二実施形態における流路プレートの構成を説明する図である。
【図８】第二実施形態におけるＹ字型流路の別態様を説明する上面図である。
【図９】従来の円筒層流型マイクロ科学装置の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０…同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置、１２…円管部、１４…吐出口、１６…隔壁部材、１８…第１流体供給流路、２０…第２流体供給流路、２２、２４…流体供給配管、２６…多孔質構造体、２８…反応流路、３０…流体供給口、３２…邪魔板、３４…オリフィス、５０…薄片状流型マイクロ科学装置、５２…流体流路、５６…流体流路プレート、６２…基板、６４…蓋板、６６…流体供給流路、６８…Ｙ字型流路、７０…液体排出口、７２…流体導入口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置に係り、特に、層流を安定に形成させて複数種類の流体同士を反応又は混合させるマイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ空間内では単位体積あたりの表面積が大きくなる特徴から、反応流体の反応界面を多く形成でき、温度制御も容易にできるので、流体間の反応や混合の高効率化又は高速化ができる技術として注目されている。
【０００３】
このようなマイクロ空間を利用したマイクロ科学装置において、反応や混合を均一且つ効率よく行うためには、反応流体同士を安定した多層流状態で合流させることが重要である。そして、均一な多層流の界面積や層厚みを精密に制御することにより、界面での分子拡散を制御しながら均一な反応を行うことができる。
【０００４】
例えば、特許文献１では、内軸管と該内軸管の側面から導入する外軸管により形成される多重同軸ノズルを備えた反応器を用いて、ハロゲン化銀乳剤を製造する方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、円筒状の主流路の側壁から主流路に合流する導入流路を備えた流通型微小反応流路が提案されている。これら特許文献１、２によれば、反応流体を同芯円筒層流で合流させることができるとされている。
【特許文献１】特開平４−１３９４４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２９２２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、多層流の界面を精密且つ安定に形成することは容易ではないという問題があった。即ち、ポンプの脈動による供給流体の脈動や、合流部までの流路長の差等により、液液界面での２液間の速度に分布ができる。更に、製作精度（加工、組立精度）の問題で、均一な同芯円を作ることが難しく、圧力が不均一になり易かった。
【０００７】
また、上記特許文献１、２のような多重同軸ノズルを備えた反応器、特に外層流を内層流の流れに対して直交する方向から供給する装置において、安定な多層流を形成して、均一に反応又は混合させることが困難であった。また、供給流量の広範囲化や装置の小型化も困難であった。
【０００８】
例えば、図９は、従来の円筒層流型反応装置１の構造を説明する軸線方向の断面図である。図９の円筒層流型反応装置１は、反応流体Ｌ１、Ｌ２を流体供給配管２、３から流体供給流路５、６にそれぞれ供給して反応流路７で合流させることにより、混合又は反応させて吐出口８から反応生成物を回収する装置である。この反応流体Ｌ１、Ｌ２を反応流路７において安定な層流で合流させるためには、反応流体Ｌ１、Ｌ２の流通状態を整える必要があり、反応流体Ｌ１、Ｌ２が合流する前までに、ある一定長さ以上の整流領域（流体供給流路６、流路長ＱＬ）を設ける必要があった。このため、装置の小型化が困難であるという問題があった。
【０００９】
また、装置内で安定な層流を形成するためには、供給する流体の流量範囲も制限される場合が多かった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能なマイクロ科学装置の流体操作方法及びマイクロ科学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、該供給流路を流れる流体の圧力損失を増加させてから前記混合・反応流路に合流させることを特徴とするマイクロ科学装置の流体操作方法を提供する。
【００１２】
請求項１によれば、各流体の圧力損失を増加させて早期に整流できるので、複数種類の流体を合流させる前の整流領域を短縮することができる。したがって、複数の流体を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となった。
【００１３】
請求項２は請求項１において、前記マイクロ科学装置本体は、外郭を形成する円筒部内に、前記供給流路が同芯軸多層円筒構造に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
このように、同芯軸多層円筒層流を安定に形成する場合において、本発明が特に有効である。
【００１５】
請求項３は請求項１又は２において、前記複数の流体を供給する流体供給配管のうちの少なくとも１つは、前記供給流路に対して平行でない方向から流体を供給することを特徴とする。
【００１６】
このように、混合・反応流路に供給する流体の流れが乱れ易い構造において、本発明が特に有効である。また、請求項３において、「平行でない」とは、供給流路に対して０°を超える範囲であり、より好ましくは９０°以上の範囲である。
【００１７】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記複数の流体同士が合流する前の流路の断面積を縮小させることにより前記流体の圧力損失を増加させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４は、流体の圧力損失を増加させる具体的な方法について示したものである。請求項４において、「流路の断面積を縮小させる」とは、例えば、供給流路の壁面に設けられた邪魔板、流路内に固定されたハニカム構造体、多孔質構造体、流路内に充填されたビーズ、オリフィス等により、流体が流通する断面積を縮小することをいう。
【００１９】
請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記流体の圧力損失を増加させた後、前記流体を整流することを特徴とする。
【００２０】
圧力損失を増加させると僅かに流れがランダムになり、円周方向の速度ベクトル（例えば、渦流等）が生じることがある。しかし、整流構造を流路に長く形成するだけでは、上記の円周方向の速度ベクトルは消すことはできなかった。請求項５によれば、渦流等の円周方向の速度ベクトルを効率よく打ち消すことができる。したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。ここで、整流構造の流れ方向長さは、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの１／１０以上であることが好ましく、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの１倍以上であることがより好ましく、圧力損失を増加させた後の流体の層厚みの２倍以上であることが更に好ましい。
【００２１】
本発明の請求項６は前記目的を達成するために、複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つに、該供給流路の圧力損失を増加させるための圧力損失増加手段を備えたことを特徴とするマイクロ科学装置を提供する。
【００２２】
請求項６によれば、複数の流体同士を、安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、流路内において整流構造を長くしただけでは、渦流のような円周方向の速度ベクトルを消すことができなかったが、圧力損失増加手段を加えることで、これらの速度ベクトルを打ち消すことができる。ここで、圧力損失増加手段としては、流路断面積を縮小させる手段が挙げられ、例えば、供給流路の壁面に設けられた邪魔板、流路内に固定されたハニカム構造体、多孔質構造体、流路内に充填されたビーズ、オリフィス等が含まれる。また、混合・反応流路は、円相当直径が１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
請求項７は請求項６において、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、前記圧力損失増加手段の後段に、前記流体を整流するための整流手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
請求項７によれば、整流手段により、圧力損失を増加させた後の流体の流れを流れ方向に揃えることができる。したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となった。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、複数の流体同士を、安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロ科学装置の流体操作方法及びマイクロ科学装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００２７】
[第一実施形態]
図１は、本実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０の構成の一例を説明する断面図である。このうち、図１（Ａ）は、図１の同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０の軸方向の断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。以下、液体Ｌ１、Ｌ２間で反応生成物ＬＭを生成する液液反応の例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施形態では、同芯軸多層円筒型のマイクロ科学装置において、１本の混合・反応流路が円管状に形成されている例について説明するが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
図１に示されるように、同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０は、全体として略円筒状に形成されており、主に、装置の外殻部を構成する円筒状の円管部１２を備えている。
【００２９】
円管部１２の径方向断面の円相当直径Ｄは、１ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましい。本実施形態では、同芯軸多層流路及び１本の混合・反応流路の断面形状が円形である例を示すが、これに限定されるものではなく、例えば、矩形、Ｖ字型等でもよい。
【００３０】
円管部１２の先端面には液体Ｌ１、Ｌ２が反応した後の反応生成液ＬＭの吐出口１４が開口している。
【００３１】
円管部１２内には、円管部１２内の空間を軸方向に沿って区画する円筒状の隔壁部材１６が円管部１２と同軸的に設けられ、隔壁部材１６の基端面が円管部１２の基端部に固着されている。この隔壁部材１６は、円管部１２内の断面円の空間を同軸的に２分割するように区画されている。
【００３２】
なお、図示しないが、円管部１２の内周面と隔壁部材１６の外周面との間に複数個のスペーサを介装してもよい。これにより、隔壁部材１６が十分な強度で円管部１２に連結固定され、液体Ｌ１、Ｌ２の液圧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。
【００３３】
隔壁部材１６により区画された断面円及び断面円環状の空間は、軸心側から順に第１流体供給流路１８、第２流体供給流路２０とされる。また、円管部１２の基端面には、それぞれの第１、２流体供給流路１８、２０に液体Ｌ１、Ｌ２を供給する流体供給配管２２、２４が接続される。
【００３４】
ここで、第２流体供給流路２０内には、液体Ｌ１と液体Ｌ２とを安定な同芯軸多層円筒層流を形成するために、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する前の領域に圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６が設けられている。上記多孔質構造体２６は、液体Ｌ１、Ｌ２が合流する前に、液体Ｌ１又はＬ２の圧力損失を増加させて整流させるものである。
【００３５】
このような圧力損失増加手段としては、流路断面積を縮小させる構造体（以下、「流路断面積縮小構造体」という）が使用でき、この具体例として、上記の多孔質構造体２６、ハニカム構造体、網目構造体、邪魔板、ビーズ充填、オリフィス等が使用できる。本実施形態では、流路断面積縮小構造体の一例として多孔質構造体２６を用いることとする。
【００３６】
圧力損失増加手段の第２流体供給流路２０内への固定方法としては、第２流体供給流路２０内に充填するだけの方法や、接着剤等で流路壁面に固定する方法、その他微細加工技術を用いて固定する方法がある。
【００３７】
上記圧力損失は、圧力損失増加手段として邪魔板を使用する場合は、形状や大きさ、間隔、材質（濡れ性や表面粗さ等）等で調節することができる。また、ハニカム構造体を使用する場合は、材質、孔径、ハニカム密度等で調節することができる。また、多孔質構造体を使用する場合は、空隙率、充填体積等で調節することができる。また、ビーズを使用する場合は、ビーズの粒径、材質、充填量等で調節することができる。また、オリフィスを使用する場合は、孔径、材質、長さ等により調節することができる。また、圧力損失の増加量は、流体が流れる範囲であれば、任意に設定できる。
【００３８】
また、圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６と合流領域との間の隔壁部材１６（図１における領域Ｒ）は、第２流体供給流路２０における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００３９】
また、流体供給配管２２、２４を通して、第１、第２流体供給流路１８、２０には、マイクロ科学装置１０の上流側に設置された２個の流体供給手段（図示せず）から加圧状態とされた液体Ｌ１、Ｌ２が供給される。
【００４０】
また、円管部１２内において、隔壁部材１６よりも先端側には、第１、第２流体供給流路１８、２０からそれぞれ供給された液体Ｌ１、Ｌ２が合流し、反応流路２８が形成される。
【００４１】
図１（Ａ）に示されるように、第１流体供給流路１８及び第２流体供給流路２０から反応流路２８内へ開口する第１流体供給口３０が形成される。これらの流体供給口３０は、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は、それぞれ流体供給口３０の開口面積を規定し、この流体供給口３０の開口面積と液体Ｌ１、Ｌ２の供給量に応じて、流体供給口３０を通して反応流路２８内へ導入される液体Ｌ１、Ｌ２の初期流速が定まる。
【００４２】
円管部１２内における反応流路２８よりも先端側の空間には、反応流路２８内で液体Ｌ１、Ｌ２の反応が行われた反応生成液ＬＭが、吐出口１４に向かって流れる排出液路が形成される。ここで、反応生成液ＬＭが液体Ｌ１、Ｌ２の反応により生成される場合には、反応流路２８内の出口部で液体Ｌ１、Ｌ２の反応が完了している必要がある。従って、反応流路２８の液体Ｌ１、Ｌ２の流通方向に沿った路長ＲＬ（図１参照）は、液体Ｌ１、Ｌ２の反応が完了する長さに設定する必要がある。尚、マイクロ科学装置１０内には、常に、液体Ｌ１、Ｌ２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１４側へ流通しているものとする。
【００４３】
マイクロ科学装置１０を構成する部材の材質としては、加工性に優れ、強度が高く、腐食防止性があり、原料流体の流動性を高くするものが好ましい。例えば、金属（鉄、アルミ、ステンレス鋼、チタン、その他の各種金属）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル樹脂等）、ガラス（石英等）、セラミックス（シリコン等）等が好ましく使用できる。
【００４４】
マイクロ科学装置１０を製作するには、微細加工技術が適用される。適用可能な微細加工技術としては、例えば、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ（Ｒｏｅｎｔｇｅｎ−Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ Ｇａｌｖａｎｉｋ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商品名）を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザー加工法、イオンビーム加工法、及びダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法等がある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。
【００４５】
要素間や部材間の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流路等の破壊を伴わず、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、材料に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挙げられる。セラミックスの接合については、金属のような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程度の膜厚に印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００℃で熱処理する方法がある。また、新しい技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。
【００４６】
本実施形態における流体供給手段としては、各種マイクロポンプ、無脈流プランジャーポンプ、シリンジポンプ等を好適に使用することができる。これらのポンプは、第１、第２流体供給流路１８、２０やこれに連通する流路内は全て液体Ｌ１、Ｌ２で満たされ、外部に用意した流体供給手段によって液体全体を駆動する方式であり、第１、第２流体供給流路１８、２０に供給する液体Ｌ１、Ｌ２の供給圧力、供給流量を、特に無脈流プランジャーポンプ、シリンジポンプの場合は無脈流にて安定に制御することができる。
【００４７】
また、本実施形態に使用される流体としては、液体、気体、液固混相流体、気固混相流体等が挙げられる。
【００４８】
次に、本実施形態のマイクロ科学装置１０の作用について説明する。図２は、マイクロ科学装置１０の反応流路２８内の流体の径方向断面の状態を説明する摸式図である。
【００４９】
先ず、流体供給配管２２、２４を通して、第１、第２流体供給流路１８、２０には、マイクロ科学装置１０の上流側に設置された２個の流体供給源（図示せず）から加圧状態とされた液体Ｌ１及びＬ２が供給される。
【００５０】
次いで、液体Ｌ１は第１流体供給流路１８内を流れ、液体Ｌ２はその外周に形成された第２流体供給流路２０内を流れる。このとき、液体Ｌ２は、第２流体供給流路２０内に構築された多孔質構造体２６内を流通することにより、一旦圧力損失が高められた後、反応流路２８内に供給される。
【００５１】
このとき、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが合流する前に、液体Ｌ２の流動状態が整えられるので、図２に示されるように、軸心側から液体Ｌ１、Ｌ２が同芯軸多重円筒状に多層流を形成することができる。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２を均一に拡散又は混合、反応させることができる。
【００５２】
また、これにより、従来例の図９における流体供給流路５、６の流路長を短縮できるので、装置の小型化が可能となる。
【００５３】
このように、本発明を適用することにより、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置１０において、２液を反応させる例について説明したが、２液以上の複数の流体を反応させる場合にも本発明を適用できる。
【００５５】
また、多孔質構造体２６の配置については、図１の様態に限られず、例えば、図３に示されるように、第２流体供給流路２０のさらに上流側に配置してもよい。これにより、第２流体供給流路２０の長さを更に短縮することができ、装置の更なる小型化が可能となる。
【００５６】
また、圧力損失増加手段として多孔質構造体２６の例で説明したが、上記の形態に限られることはなく、例えば、微小なビーズを第２流体供給流路２０内に充填してもよい。
【００５７】
次に、本実施形態における圧力損失増加手段の変形例について説明する。図４及び図５は圧力損失増加手段の別の態様を説明する断面図である。このうち、図４（Ａ）は、軸線方向からの断面図であり、図４（Ｂ）はＡ−Ａ’線断面図であり、図４（Ｃ）はＢ−Ｂ’線断面図である。
【００５８】
図４に示されるように、合流領域の上流側の第２流体供給流路２０の壁面（即ち、隔壁部材１６の外周面と円管部１２の内周面）に、複数の邪魔板３２…が形成されてもよい。
【００５９】
また、図５に示されるように、合流領域の上流側の第２流体供給流路２０の一部分がオリフィス３４になっていてもよい。
【００６０】
なお、図３及び図４に示されるように、上記した多孔質構造体２６、邪魔板３２等の圧力増加損失手段と合流領域との間の隔壁部材１６（図３及び図４における領域Ｒ）は、既述したのと同様に、第２流体供給流路２０における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００６１】
以上のように、曲がり流路を介して第２流体供給流路２０内を流れる反応流体の圧力損失を即時に高め、反応流路２８において複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させることができる。
【００６２】
したがって、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、高流量で流体を供給する場合でも、急激な流れ方向の変化による流速のばらつきを抑制し、安定に多層流を形成できる。
【００６３】
[第二実施形態]
図６は、本発明のマイクロ科学装置の第二実施形態の斜視図であり、薄片状の多層流を形成する薄片状流型マイクロ科学装置５０の一例である。尚、各図において、第一実施形態と同一の部材や機能を有するものは、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、流体流路としては、流路幅が１ｍｍ以下の微細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。
【００６４】
図６に示されるように、薄片状流型マイクロ科学装置５０は、主として、流体流路５２が内部に形成された薄片状の流体流路プレート５６と、流体流路５２に液体Ｌ１を供給する第１流体供給手段５８と、流体流路５２に液体Ｌ２を供給する第２流体供給手段６０と、を備えている。
【００６５】
図７は薄片状の流体流路プレート５６の装置本体を説明する説明図である。図７（Ａ）は上面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００６６】
図７に示されるように、流体流路プレート５６は、本体部材６２と蓋部材６４とで構成され、本体部材６２には２種類の液体Ｌ１、Ｌ２の液液反応を行う流体流路５２と該流体流路５２に液体Ｌ１、Ｌ２を合流させる２本の流体供給流路６６、６６とから成るＹ字型流体流路６８が形成されている。また、流体流路５２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７０が形成される。一方、蓋部材６４には２本の流体供給流路６６、６６に液体Ｌ１、Ｌ２を導入する２個の流体導入口７２、７２が形成され、２個の流体導入口７２、７２に液体Ｌ１、Ｌ２を供給する一対の流体供給手段５８、６０が２本の流体供給管７４、７４（図６参照）を介してそれぞれ接続される。
【００６７】
流体流路５２は、流路幅Ｗ３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な流路であることが好ましい。流体流路５２は、径方向の断面形状が矩形のものが一般的であるが、これに限定されるものではなく、円形（半円含む）であってもよい。
【００６８】
また、流体供給流路６６、６６を２本で構成する場合には、１本の流体供給流路６６の流路幅Ｗ３は、流体流路５２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本の流体供給流路６６の幅を２５０μｍ、深さを２００μｍとする。また、流体流路の長さＲＬ’（図７参照）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。
【００６９】
また、合流する前の第１、第２流体供給流路６６、６６に圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６が設けられている。このような圧力損失増加手段としては、第一実施形態と同様の流路断面積縮小構造体が使用できるが、本実施形態では、その一例として多孔質構造体２６を第１、第２流体供給流路６６、６６内に設けた例を示す。
【００７０】
薄片状の流体流路プレート５６を構成する部材の材質や製造方法は、第一実施形態と同様である。
【００７１】
また、以下に説明するＹ字型流路６８において、特に本発明が有効である。
【００７２】
図８は、本実施形態の薄片状の流体流路プレート５６におけるＹ字型流路６８の別態様を説明する上面図である。図８（Ａ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６の合流角αが９０°の場合を示し、図８（Ｂ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６の合流角αが１８０°の場合を示す。
【００７３】
図８（Ａ）に示されるように、混合及び反応する流体流路５２に対して略直交する角度から合流する第２流体供給流路６６内（液体Ｌ２側）に多孔質構造体２６を充填させている。これと同様に、図８（Ｂ）に示されるように、第１、２流体供給流路６６、６６内に多孔質構造体２６を充填させている。このように、流体供給流路の合流角αが０°を超える範囲、好ましくは９０°以上の範囲において本発明が特に有効である。
【００７４】
また、圧力損失増加手段としての多孔質構造体２６と合流領域との間の隔壁部（図８における領域Ｒ）は、第１、第２流体供給流路６６、６６における整流手段として機能する。これにより、圧力損失を増加させた後の流れを、更に整流することができる。
【００７５】
次に、本実施形態のマイクロ科学装置５０の作用について説明する。
【００７６】
先ず、流体供給配管７４、７４を通して、第１、第２流体供給流路６６、６６には、マイクロ科学装置５０の上流側に設置された２個の流体供給手段５８、６０から加圧状態とされた液体Ｌ１及びＬ２が供給される。
【００７７】
次いで、液体Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ流体供給流路６６、６６内を流れる。このとき、液体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ第１、第２流体供給流路６６、６６内に構築された多孔質構造体２６、２６内を貫通し、圧力損失が高められて整流された後、Ｙ字型流路６８内に供給される。
【００７８】
このとき、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが合流する前に、迅速に流動状態が整えられるので、Ｙ字型流路６８において、液体Ｌ１、Ｌ２が安定な層流を形成することができる。これにより、液体Ｌ１、Ｌ２を均一に拡散又は混合、反応させることができる。また、第１、第２流体供給流路６６、６６の流路長ＱＬを短縮することができる。
【００７９】
このように、本発明を適用することにより、複数の流体同士を安定な多層流状態で合流させて均一に反応又は混合することができ、且つ装置の小型化や流量の広範囲化が可能となる。また、高流量で流体を供給する場合でも、急激な流れ方向の変化による流速のばらつきを抑制し、安定に多層流を形成できる。
【００８０】
以上、本発明に係るマイクロ科学装置の流体操作方法、及びマイクロ科学装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００８１】
第一実施形態では、第２流体供給流路内のみに多孔質構造体２６を備えた例を示したが、第１流体供給流路１８内にも多孔質構造体２６を備えてもよい。これにより、より効率よく各流体を整流することができる。
【００８２】
また、第一実施形態では、第２流体供給配管２４のみが円管部１２の側面から挿入された構成の例で説明したが、第１流体供給配管２２も同様に円管部１２の側面から挿入された構成であってもよい。このように、各流体供給配管が円管部１２の軸方向に対して直交するような角度から挿入される場合、各流体供給配管内を流れる流体は、曲がり流路内を流通するため、反応流路２８に供給するまでに整流させておくことが必要である。このような場合に、特に、本発明を適用することが有効である。
【００８３】
本発明は、各種混合及び反応装置、各種分析装置等及びそれらの流体操作方法に適用可能である。例えば、各種塗料、インクジェット用インク、電子写真用トナー、カラーフィルタ等の顔料微粒子や磁性粒子等の微粒子を製造する微粒子製造装置及びその流体操作方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の断面図である。
【図２】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の作用を説明する断面図である。
【図３】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図４】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図５】第一実施形態における同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置の変形例を説明する断面図である。
【図６】第二実施形態における薄片状流型マイクロ科学装置を説明する斜視図である。
【図７】第二実施形態における流路プレートの構成を説明する図である。
【図８】第二実施形態におけるＹ字型流路の別態様を説明する上面図である。
【図９】従来の円筒層流型マイクロ科学装置の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０…同芯軸多層円筒層流型マイクロ科学装置、１２…円管部、１４…吐出口、１６…隔壁部材、１８…第１流体供給流路、２０…第２流体供給流路、２２、２４…流体供給配管、２６…多孔質構造体、２８…反応流路、３０…流体供給口、３２…邪魔板、３４…オリフィス、５０…薄片状流型マイクロ科学装置、５２…流体流路、５６…流体流路プレート、６２…基板、６４…蓋板、６６…流体供給流路、６８…Ｙ字型流路、７０…液体排出口、７２…流体導入口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、該供給流路を流れる流体の圧力損失を増加させてから前記混合・反応流路に合流させることを特徴とするマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項２】
前記マイクロ科学装置本体は、外郭を形成する円筒部内に、前記供給流路が同芯軸多層円筒構造に形成されていることを特徴とする請求項１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項３】
前記複数の流体を供給する流体供給配管のうちの少なくとも１つは、前記供給流路に対して平行でない方向から流体を供給することを特徴とする請求項１又は２のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項４】
前記複数の流体同士が合流する前の流路の断面積を縮小させることにより前記流体の圧力損失を増加させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項５】
前記流体の圧力損失を増加させた後、前記流体を整流することを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項６】
複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置であって、
前記それぞれの供給流路の少なくとも１つに、該供給流路の圧力損失を増加させるための圧力損失増加手段を備えたことを特徴とするマイクロ科学装置。
【請求項７】
前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、前記圧力損失増加手段の後段に、前記流体を整流するための整流手段を備えたことを特徴とする請求項６のマイクロ科学装置。
【請求項１】
複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置の流体操作方法であって、前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、該供給流路を流れる流体の圧力損失を増加させてから前記混合・反応流路に合流させることを特徴とするマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項２】
前記マイクロ科学装置本体は、外郭を形成する円筒部内に、前記供給流路が同芯軸多層円筒構造に形成されていることを特徴とする請求項１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項３】
前記複数の流体を供給する流体供給配管のうちの少なくとも１つは、前記供給流路に対して平行でない方向から流体を供給することを特徴とする請求項１又は２のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項４】
前記複数の流体同士が合流する前の流路の断面積を縮小させることにより前記流体の圧力損失を増加させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項５】
前記流体の圧力損失を増加させた後、前記流体を整流することを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロ科学装置の流体操作方法。
【請求項６】
複数の流体を流体供給配管から、マイクロ科学装置本体内に形成されたそれぞれの供給流路に供給して１本の混合・反応流路に多層状に合流させることにより、前記複数の流体を混合又は反応させるマイクロ科学装置であって、
前記それぞれの供給流路の少なくとも１つに、該供給流路の圧力損失を増加させるための圧力損失増加手段を備えたことを特徴とするマイクロ科学装置。
【請求項７】
前記それぞれの供給流路の少なくとも１つにおいて、前記圧力損失増加手段の後段に、前記流体を整流するための整流手段を備えたことを特徴とする請求項６のマイクロ科学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２６８４８８（Ｐ２００７−２６８４８８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１００３００（Ｐ２００６−１００３００）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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