圧力発生機構
【課題】 液体の圧力を脈動させることなく液体を永続的に移送することができ、しかも高い圧力を液体に与えることができる圧力発生機構を提供する。
【解決手段】 本発明の圧力発生機構は、液体が収容される複数の圧力容器８ａ，８ｂと、複数の圧力容器８ａ，８ｂに液体を導入する液体導入部１５と、複数の圧力容器８ａ，８ｂに加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器８ａ，８ｂに導入された液体を順次排出する加圧気体供給部１６と、複数の圧力容器８ａ，８ｂから排出される液体の圧力が常に一定となるように、加圧気体が複数の圧力容器８ａ，８ｂに供給されるタイミングを制御する制御部７とを備える。
【解決手段】 本発明の圧力発生機構は、液体が収容される複数の圧力容器８ａ，８ｂと、複数の圧力容器８ａ，８ｂに液体を導入する液体導入部１５と、複数の圧力容器８ａ，８ｂに加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器８ａ，８ｂに導入された液体を順次排出する加圧気体供給部１６と、複数の圧力容器８ａ，８ｂから排出される液体の圧力が常に一定となるように、加圧気体が複数の圧力容器８ａ，８ｂに供給されるタイミングを制御する制御部７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小空間内で複数種の流体どうしを反応させる流体反応装置に好適に用いられる圧力発生機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、試薬などの液体どうしを反応させるための流体反応装置として、マイクロリアクタの開発が進められている。このマイクロリアクタは、２種類の液体を微小流路を通過させて液体どうしを混合し、かつ反応させるものである。一般に、流路の幅が小さくなると、レイノルズ数が小さくなり、液体の流れは層流になる。層流領域において液体を速やかに混合させるためには、流路の幅をできるだけ小さくすることが有効である。これは、層流領域では分子拡散が混合の律速因子となり、液体の拡散時間は流路の幅の二乗に比例するからである。すなわち、フィックの法則（Ｔ＝Ｌ２／Ｄ Ｔ：拡散時間 Ｌ：移動距離 Ｄ：拡散係数）によれば、分子の拡散時間、すなわち液体どうしの混合時間は、合流後の流路幅（Ｌに相当）の二乗に比例する。したがって、混合時間を短くするためには、流路の幅を小さくすることが効果的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
層流領域においては、流路の流れ方向に液体の濃度差があると、液体が不均一に混合することになる。液体の混合が不均一となると、反応により生成された物質がさらに原液と反応して副生成物が生じ、収率が低下してしまう。したがって、混合前の各液体の流量に脈動があってはならない。しかしながら、液体は、通常、ギヤポンプやピストンポンプなどにより微小流路に移送されるため、液体がポンプの影響を受けて液体の流れに脈動が生じてしまう。また２本のシリンジポンプを使って脈動が発生しないよう制御することは可能であるが、ピストンを駆動するアクチュエータが大きくなったり、ピストンの摺動部分からパーティクルが発生するなど問題を抱えていた。
【０００４】
一般に、反応速度の遅い液体を微小流路内で十分に反応させるためには、流路を長くして反応時間を確保する必要が生じる。このため、高い圧力で液体を圧送することが必要となる。しかしながら、従来のポンプは、その出力圧力の上限が０．５ＭＰａ以下と低く、高い圧力が必要とされるマイクロリアクタに使用するには困難があった。
【０００５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、液体の圧力を脈動させることなく液体を永続的に移送することができ、しかも高い圧力を液体に与えることができる圧力発生機構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】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、液体が収容される複数の圧力容器と、前記複数の圧力容器に液体を導入する液体導入部と、前記複数の圧力容器に加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器に導入された液体を順次排出する加圧気体供給部と、前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力が常に一定となるように、前記加圧気体が前記複数の圧力容器に供給されるタイミングを制御する制御部とを備えたことを特徴とする圧力発生機構である。
【０００７】
本発明によれば、複数の圧力容器に液体を順次導入し、導入された液体を加圧気体により圧力容器から順次排出させることができる。したがって、液体を間断なく移送することができる。例えば、移送すべき液体が０．５〜１Ｔｏｎの薬液であっても、総ての薬液が移送されるまで圧力発生機構は移送動作を間断なく行うことができる。また、本発明によれば、制御部により、移送される液体の圧力（各圧力容器から排出される液体の総圧力）が一定となるように加圧気体の圧力容器への供給タイミングが制御されるので、液体の圧力を脈動させることなく液体を移送することができる。さらに、本発明によれば、加圧気体が液体を圧力容器から押し出すので、ピストンなどの摺動部を圧力容器内に設ける必要がない。したがって、コンパクトで、かつクリーンな圧力発生機構を実現することができる。このように機構全体がコンパクトであることは、耐圧性の観点から有利である。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記加圧気体を増圧する増圧機構をさらに備えていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記増圧機構は、作動流体が接触する大径部と気体を加圧する小径部とをそれぞれ有する複数のピストンと、前記複数のピストンが収容される複数のシリンダとを備え、前記複数のピストンは気体を順次加圧して前記加圧気体を形成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力は１ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、圧力容器内の液体をより高い圧力で移送することができる。なお、本圧力発生機構によって移送される液体の流量は、好ましくは０．０１〜１０Ｌ／ｈ、より好ましくは０．０１〜５Ｌ／ｈ、さらに好ましくは０．０１〜２Ｌ／ｈである。また、本圧力発生機構によって移送される液体の圧力は、好ましくは１〜２０ＭＰａ、より好ましくは１〜１０ＭＰａ、さらに好ましくは２〜６ＭＰａである。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記液体導入部は、負圧を利用して前記複数の圧力容器に液体を導入することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様は、液体を貯留する複数の貯槽と、液体を混合させる混合部と、混合した液体を反応させる反応部と、上記圧力発生機構とを備えたことを特徴とする流体反応装置である。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明によれば、液体の圧力を脈動させることなく液体を永続的に移送することができ、コンパクトでクリーンな装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る圧力発生機構について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一の構成を有する構成部材には互いに対応する符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る圧力発生機構を備えたマイクロリアクタ（流体反応装置）を示す概略図である。図１に示すように、マイクロリアクタは、液体Ａおよび液体Ｂがそれぞれ貯留される２つの貯槽（容器）１Ａ，１Ｂと、これらの貯槽１Ａ，１Ｂにそれぞれ接続される圧力発生機構（流体移送機構）２Ａ，２Ｂと、圧力発生機構２Ａ，２Ｂにより移送される液体Ａおよび液体Ｂの流量を一定に調整する流量調整弁３Ａ，３Ｂと、流量調整弁３Ａ，３Ｂを通過した液体Ａと液体Ｂとを混合させる混合部（混合チップ）５０と、混合部５０で混合した液体Ａおよび液体Ｂを反応させる反応部（反応チップ）６０とを備えている。流量調整弁３Ａ，３Ｂは混合部５０のすぐ上流側に配置されている。
【００１５】
貯槽１Ａ内の液体Ａは圧力発生機構２Ａにより流量調整弁３Ａに移送管６Ａを介して移送され、ここで液体Ａの流量が一定となるように調整される。同様に、液体Ｂは圧力発生機構２Ｂにより貯槽１Ｂから流量調整弁３Ｂに移送管６Ｂを介して移送され、その流量が一定となるように調整される。流量調整弁３Ａ，３Ｂとしては液体マスフローコントローラが好適に用いられる。
【００１６】
流量調整弁３Ａ，３Ｂを通過した液体Ａおよび液体Ｂは混合部５０にそれぞれ流入し、合流点５０ａで液体Ａおよび液体Ｂが合流する。そして、液体Ａおよび液体Ｂは混合部５０内の流路を通過しながら混合され、反応が開始される。さらに、混合した液体は反応部６０に流入し、蛇行流路６０ａを通過しながら所定の温度に加温されつつ反応が促進される。反応部６０を通過した反応性生物は最終的に採取槽５に回収される。なお、混合部５０および反応部６０は図示しない温度調整機構によりそれぞれ所定の温度に調整される。なお、本実施形態に用いられる液体の具体例としては、試薬、有機溶剤、生化学物質などが挙げられる。
【００１７】
次に、本実施形態に係る圧力発生機構２Ａ，２Ｂについて説明する。なお、圧力発生機構２Ａ，２Ｂは同一の構成を有しているので、以下、圧力発生機構２Ａについてのみ説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。図２に示すように、圧力発生機構２Ａは、鉛直に配置された２つの圧力容器８ａ，８ｂと、これらの圧力容器８ａ，８ｂ内に負圧を発生させる負圧発生部１５と、加圧された気体を圧力容器８ａ，８ｂに供給する加圧気体供給部１６とを備えている。
【００１８】
圧力容器８ａ，８ｂの上方には気体導入弁９ａ，９ｂおよび気体排出弁１０ａ，１０ｂが配置されている。圧力容器８ａ，８ｂは、気体導入弁９ａ，９ｂを介して加圧気体供給部１６にそれぞれ接続され、さらに、気体排出弁１０ａ，１０ｂを介して負圧発生部１５にそれぞれ接続されている。また、圧力容器８ａ，８ｂの下方には液体導入弁１１ａ，１１ｂおよび液体排出弁１２ａ，１２ｂが配置されている。そして、圧力容器８ａ，８ｂは、液体導入弁１１ａ，１１ｂを介して貯槽１Ａにそれぞれ接続され、さらに、液体排出弁１２ａ，１２ｂを介して流量調整弁３Ａにそれぞれ接続されている。これらの気体導入弁９ａ，９ｂ、気体排出弁１０ａ，１０ｂ、液体導入弁１１ａ，１１ｂ、および液体排出弁１２ａ，１２ｂは、制御部７に接続されており、これらの弁の開閉のタイミング、すなわち加圧気体や液体が圧力容器８ａ，８ｂに供給されるタイミングが制御部７によって制御されるようになっている。
【００１９】
負圧発生部１５は、気体排出弁１０ａ，１０ｂを通じて圧力容器８ａ，８ｂに接続されるエジェクタ（例えばガスエジェクタ）１７と、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成される負圧を調整する負圧調整弁１８と、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成された負圧を測定する圧力センサ１９とを備えている。エジェクタ１７には導入管２０を通じて高圧流体が導入され、排出管２１から排出されるようになっている。負圧調整弁１８は導入管２０に設置されており、エジェクタ１７に導入される高圧流体の流量を調整することで、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成される負圧を調整する。圧力センサ１９はエジェクタ１７と圧力容器８ａ，８ｂとの間に配置されており、この圧力センサ１９は負圧調整弁１８に接続されている。負圧調整弁１８には目標値が予め設定されており、負圧調整弁１８は、圧力センサ１９の測定値に基づいて、圧力容器８ａ，８ｂ内に発生する負圧が上記目標値と等しくなるように高圧流体の流量を調整するようになっている。
【００２０】
加圧気体供給部１６は、加圧気体が封入されたガスボンベなどの圧力源２２と、加圧気体の圧力を調整するレギュレータ２３とを備えている。圧力源２２はレギュレータ２３を通じて圧力容器８ａ，８ｂに連通しており、圧力源２２内の加圧気体がレギュレータ２３を通過する際、その圧力が所定の設定値に調整されるようになっている。
【００２１】
圧力容器８ａへの液体Ａの導入は次のようにして行われる。まず、気体導入弁９ａ、液体導入弁１１ａ、および液体排出弁１２ａを閉じるとともに、気体排出弁１０ａを開く。この状態で、エジェクタ１７により圧力容器８ａを真空にする。このとき、液体導入弁１１ａを開くと、貯槽１Ａから液体Ａが圧力容器８ａ内に吸引される。このように、負圧発生部１５は液体Ａを圧力容器８ａ，８ｂ内に導入する液体導入部として機能する。
【００２２】
圧力容器８ａの上端近傍には上限検知器１３ａが設置されており、この上限検知器１３ａによって圧力容器８ａの内部の液面位置が所定の上限位置に達したことが検知されるようになっている。そして、液体Ａの液面位置が所定の上限位置に達すると、上限検知器１３ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は、気体排出弁１０ａおよび液体導入弁１１ａを閉じる。これにより液体Ａの導入が停止されると同時に、圧力容器８ａ内に液体Ａが閉じ込められる。
【００２３】
一方、圧力容器８ａから液体Ａを排出するときは、気体導入弁９ａと液体排出弁１２ａを同時に開く。これにより、レギュレータ２３によって所定の圧力に調整された加圧気体が圧力容器８ａ内に導入される。圧力容器８ａ内の液体Ａは加圧気体によって加圧され、液体排出弁１２ａを通って流量調整弁３Ａに供給される。
【００２４】
圧力容器８ａの下端近傍には下限検知器１４ａが設置されており、この下限検知器１４ａによって圧力容器８ａ内の液面位置が所定の下限位置に達したことが検知されるようになっている。そして、液体Ａの液面位置が所定の下限位置に達したときに、下限検知器１４ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じる。これにより液体Ａの排出が停止される。なお、制御部７は下限検知器１４ａからの信号を受けた直後に液体の排出動作を停止してもよく、もしくは、信号を受けてから所定時間経過した後に排出動作を停止させるようにしてもよい。
【００２５】
なお、圧力容器８ｂにも、同様に、上限検知器１３ｂおよび下限検知器１４ｂが設置されている。これらの上限検知器１３ｂおよび下限検知器１４ｂの構成、設置位置、動作などは、上述した上限検知器１３ａおよび下限検知器１４ａのそれと同じである。また、圧力容器８ｂは、圧力容器８ａと同様の動作を行うように構成されている。ただし、圧力容器８ａと圧力容器８ｂとの間では、液体導入工程と液体排出工程とが交互に行われる。すなわち、圧力容器８ａが液体排出工程にあるとき、圧力容器８ｂは液体導入工程にあり、圧力容器８ａが液体導入工程にあるとき、圧力容器８ｂは液体排出工程にある。
【００２６】
図３は２つの圧力容器内の圧力変動を示すグラフである。図３において、実線は圧力容器８ａ内の圧力を示し、一点鎖線は圧力容器８ｂ内の圧力を示している。ａ点は気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを開いて加圧気体の供給を開始したときの圧力を示しており、このときの圧力は大気圧に等しい。ラインａ〜ｂは、圧力容器８ａ内の圧力が大気圧からレギュレータ２３の設定値まで上昇する過程を示している。ラインｂ〜ｃは圧力容器８ａ内の圧力が上記設定値に維持されている状態を示しており、このときの圧力がマイクロリアクタの流路内の圧力になる。ｃ点は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じて加圧気体の供給を停止したときの圧力を示し、ラインｃ〜ｄは圧力容器８ａ内の圧力が大気圧まで低下するときの圧力の変化を示している。液体Ａを圧力容器８ａ内に導入するときの圧力の推移はラインｅ〜ｆ〜ｇ〜ｈで表される。
【００２７】
圧力容器８ｂの圧力は圧力容器８ａと同様に変化し、圧力容器８ａの圧力変動を示すラインａ〜ｂ〜ｃ〜ｄと、圧力容器８ｂの圧力変動を示すラインａ´〜ｂ´〜ｃ´〜ｄ´とは交互に現れる。この場合、圧力容器８ａへの加圧気体の供給が停止されると同時に、圧力容器８ｂへの加圧気体の導入が開始される。液体Ａを圧力容器８ｂ内に導入するときの圧力の推移はラインｅ´〜ｆ´〜ｇ´〜ｈ´で表される。このように、２つの圧力容器８ａ，８ｂの液体排出工程（すなわち加圧気体の供給）は交互に行われ、一方が液体排出工程にあるとき、他方は液体導入工程にある。したがって、圧力発生機構によって移送される液体の圧力は脈動することがなく、一定に維持される。なお、本実施形態では、２つの圧力容器が設けられているが、３つ以上の圧力容器を設けてもよい。この場合は、常に一定の圧力の液体が圧力容器から排出されるように、各圧力容器での液体排出工程が順次行われる。
【００２８】
次に本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構について説明する。図４は本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構を示す模式図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成および動作は上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２９】
図４に示すように、本実施形態では、液体導入部として遠心ポンプ２４が用いられている。また、液体導入弁１１ａ，１１ｂは圧力容器８ａ，８ｂの上方に設置され、気体排出弁の代わりに気体リリーフ弁２５ａ，２５ｂが圧力容器８ａ，８ｂの上方に設置されている。これらの液体導入弁１１ａ，１１ｂおよび気体リリーフ弁２５ａ，２５ｂは制御部７に接続され、これらの弁の開閉タイミング（加圧気体および液体の供給および排出のタイミング）は制御部７によって制御される。
【００３０】
圧力容器８ａへの液体Ａの導入は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じ、気体リリーフ弁２５ａおよび液体導入弁１１ａが開いている状態で遠心ポンプ２４を駆動することにより行われる。液体が所定の上限位置に達すると、上限検知器１３ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は上限検知器１３ａからの信号を受けて気体リリーフ弁２５ａおよび液体導入弁１１ａを閉じる。そして、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａが開かれ、加圧気体が圧力容器８ａに導入される。これにより圧力容器８ａ内の液体Ａが液体排出弁１２ａを通って排出される。なお、圧力容器８ｂの操作は圧力容器８ａと同一であるが、本実施形態においても、２つの圧力容器８ａ，８ｂの液体排出工程は交互に行われ、一方が液体排出工程にあるとき、他方は液体導入工程にある。したがって、圧力発生機構によって移送される液体の圧力は脈動することがなく、一定に維持される。
【００３１】
ここで、加圧気体供給部１６から供給される加圧気体の圧力を増加させるために、増圧機構を設けてもよい。図５は加圧気体供給部に組み込まれた増圧機構を示す模式図である。図５に示すように、増圧機構は、２つのシリンダ（シリンジ）２６ａ，２６ｂと、これらのシリンダ２６ａ，２６ｂ内にそれぞれ収容されるピストン（プランジャ）２７ａ，２７ｂと、圧力源２２からの加圧気体の流れを切り換える六方切換弁４１ａ，４１ｂと、シリンダ２６ａ，２６ｂの下流側に配置されるチェック弁４２ａ，４２ｂとを備えている。
【００３２】
ピストン２７ａは、円盤状の大径部２８ａと円柱状の小径部２９ａとを備えた２段形状を有している。小径部２９ａの直径は大径部２８ａの直径よりも小さくなっており、大径部２８ａと小径部２９ａとは一体に成形されている。大径部２８ａが収容される一次側圧力室３０ａは、大径部２８ａによって押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとに区画されている。これらの押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとは、切換弁４１ａを通じてレギュレータ２３に連通している。また、小径部２９ａが収容される二次側圧力室３７ａは切換弁４１ａを通じて周囲雰囲気に連通している。
【００３３】
圧力源２２からの加圧気体（以下、作動流体という）は、切換弁４１ａを操作することにより、押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとに交互に供給されるようになっている。すなわち、作動流体が吸引側室３２ａに供給されると、ピストン２７ａは二次側圧力室３７ａの容積が大きくなる方向に移動する。これによりピストン２７ａは吸引動作を行い、二次側圧力室３７ａ内に雰囲気ガスが吸入される。このとき、押圧側室３１ａ内の気体は切換弁４１ａを通じて外部に排出される。そして、切換弁４１ａが操作されると、二次側圧力室３７ａと周囲雰囲気との連通状態が絶たれるとともに、圧力源２２からの作動流体が切換弁４１ａを通じて押圧側室３１ａに供給される。これにより、ピストン２７ａは二次側圧力室３７ａの容積が小さくなる方向に移動し、二次側圧力室３７ａ内の気体の加圧動作を行う。すなわち、二次側圧力室３７ａ内の雰囲気ガスはピストン２７ａの小径部２９ａによって加圧され、加圧気体としてシリンダ２６ａから排出される。このとき、吸引側室３２ａ内の気体は切換弁４１ａを通じて外部に放出される。加圧気体はチェック弁４２ａを通過した後、上述した圧力容器８ａ，８ｂに供給される。
【００３４】
圧力源２２の作動流体の圧力が、例えば０．５ＭＰａである場合、５ＭＰａの加圧気体を得るためには、小径部２９ａの受圧面積（二次側圧力室３７ａの横断面積）を大径部２８ａの受圧面積（一次側圧力室３０ａの横断面積）の１０分の１にすればよい。したがって、この場合は、大径部２８ａの直径を小径部２９ａの直径の約３．３倍にすればよい。
【００３５】
シリンダ２６ａの両端近傍には、ピストン２７ａのストロークエンドを検知するストロークエンドセンサ３９ａ，４０ａがそれぞれ設けられている。吸引動作を行うピストン２７ａがストロークエンドに達したとき、ストロークエンドセンサ３９ａはこれを検知し、切換弁４１ａが操作される。これにより、ピストン２７ａは反対方向に移動し、加圧動作を行う。そして、ピストン２７ａが反対側のストロークエンドに達したとき、ストロークエンドセンサ４０ａはこれを検知し、切換弁４１ａが操作される。これにより、ピストン２７ａは反対方向に移動し、吸引動作を行う。
【００３６】
シリンダ２６ｂ、ピストン２７ｂ、および切換弁４１ｂは、上述したシリンダ２６ａ、ピストン２７ａ、および切換弁４１ａと同様の構成を有しており、同様の動作を行う。ただし、ピストン２７ａとピストン２７ｂは互いに逆方向に移動するように切換弁４１ａ，４１ｂが操作される。すなわち、ピストン２７ａが加圧動作を行っているときは、ピストン２７ｂは吸引動作を行い、ピストン２７ａの吸引動作を行っているときは、ピストン２７ｂは加圧動作を行う。このように、ピストン２７ａとピストン２７ｂとが交互に加圧動作を行うので、圧力容器８ａ，８ｂには常に一定の圧力に保たれた加圧気体が供給される。なお、加圧気体の圧力を安定化させるために、アキュムレータ４３がチェック弁４２ａ，４２ｂの下流側に設けられている。
【００３７】
この例では、２つのシリンダ、２つのピストンが設けられているが、３以上のシリンダおよびピストンを設けてもよい。この場合は、常に一定の圧力の加圧気体が圧力容器８ａ，８ｂに供給されるように、それぞれのピストンが順次加圧動作を行うように切換弁が操作される。
【００３８】
雰囲気ガスの種類によっては、反応部６０での液体どうしの反応に悪影響を与えてしまう場合がある。したがって、加圧気体として、液体の反応に影響を与えないようなガスを用いることが好ましい。このような例について、図６を参照して説明する。図６は、増圧機構の他の構成例を示す模式図である。この構成例の基本的構成および動作は図５に示す増圧機構と同一であるが、この例では、加圧気体として不活性ガスが使用されている。すなわち、この増圧機構は、不活性ガスが封入された不活性ガス供給源（たとえば、不活性ガスボンベ）４４と、この不活性ガス供給源４４に接続されたレギュレータ４５とをさらに備えている。
【００３９】
シリンダ２６ａ，２６ｂの二次側圧力室３７ａ，３７ｂは切換弁４１ａ，４１ｂを介してレギュレータ４５に接続されている。具体的には、ピストン２７ａ，２７ｂが吸引動作を行っているときは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂと不活性ガス供給源４４とは切換弁４１ａ，４１ｂを介して連通する。したがって、不活性ガス供給源４４内の不活性ガスは、レギュレータ４５を通過した後、二次側圧力室３７ａ，３７ｂに導入される。一方、ピストン２７ａ，２７ｂが加圧動作を行っているときは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂと不活性ガス供給源４４との連通状態は切換弁４１ａ，４１ｂによって絶たれる。したがって、二次側圧力室３７ａ，３７ｂ内の不活性ガスはピストン２７ａ，２７ｂによって加圧され、加圧気体として圧力容器８ａ，８ｂに供給される。この場合も、ピストン２７ａ，２７ｂは交互に加圧動作を行う。なお、不活性ガスとしては、窒素、アルゴンなどが用いられる。
【００４０】
図７は増圧機構のさらに他の構成例を示す模式図である。図７に示すように、この構成例では、六方切換弁４１ａ，４１ｂの代わりに四方切換弁４６ａ，４６ｂが設けられ、ピストン２７ａ，２７ｂによって加圧された不活性ガス（加圧気体）が不活性ガス供給源側に逆流することを防止するためのチェック弁４７ａ，４７ｂが設けられている。二次側圧力室３７ａ，３７ｂは切換弁４６ａ，４６ｂを介さずにレギュレータ４５に直接接続されており、チェック弁４７ａ，４７ｂは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂとレギュレータ４５との間に配置されている。その他の構成は図６に示す増圧機構の構成と同一である。
【００４１】
上述の構成において、ピストン２７ａが加圧動作を行うと、チェック弁４２ａが開き、加圧気体が圧力容器８Ａ，８Ｂ（図２または図４参照）に移送される。このとき、チェック弁４７ａの上流側（レギュレータ側）は低圧に、下流側（二次側圧力室側）は高圧となり、これによりチェック弁４７ａは閉じられる。したがって、加圧気体は、不活性ガス供給源側に逆流することなく、圧力容器８Ａ，８Ｂに移送される。その後、切換弁４６ａが操作されると、ピストン２７ａは吸引動作を行う。このとき、チェック弁４２ａが閉じられると同時に、チェック弁４７ａが開かれ、これにより不活性ガス供給源４４から不活性ガスが二次側圧力室３７ａに導入される。なお、ピストン２７ｂによる加圧動作および吸引動作も上述と同様である。
【００４２】
本構成例によれば、切換弁に要求される耐圧性能を低くすることができ、また六方切換弁を備えた場合に比べて構造を簡素化することができる。なお、四方切換弁４６ａ，４６ｂおよびチェック弁４７ａ，４７ｂを図５に示す増圧機構に組み込んでもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力発生機構を備えたマイクロリアクタ（流体反応装置）を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。
【図３】２つの圧力容器内の圧力変動を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。
【図５】加圧気体供給部に組み込まれた増圧機構を示す模式図である。
【図６】増圧機構の他の構成例を示す模式図である。
【図７】増圧機構のさらに他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ，１Ｂ 貯槽
２Ａ，２Ｂ 圧力発生機構
３Ａ，３Ｂ 流量調整弁
５ 採取槽
６Ａ，６Ｂ 移送管
７ 制御部
８ａ，８ｂ 圧力容器
９ａ，９ｂ 気体導入弁
１０ａ，１０ｂ 気体排出弁
１１ａ，１１ｂ 液体導入弁
１２ａ，１２ｂ 液体排出弁
１３ａ，１３ｂ 上限検知器
１４ａ，１４ｂ 下限検知器
１５ 負圧発生部（液体導入部）
１６ 加圧気体供給部
１７ エジェクタ
１８ 負圧調整弁
１９ 圧力センサ
２０ 導入管
２１ 排出管
２２ 圧力源
２３ レギュレータ
２４ 遠心ポンプ（液体導入部）
２５ａ，２５ｂ 気体リリーフ弁
２６ａ，２６ｂ シリンダ
２７ａ，２７ｂ ピストン
２８ａ，２８ｂ 大径部
２９ａ，２９ｂ 小径部
３０ａ，３０ｂ 一次側圧力室
３１ａ，３１ｂ 押圧側室
３２ａ，３２ｂ 吸引側室
３７ａ，３７ｂ 二次側圧力室
３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ ストロークエンドセンサ
４１ａ，４１ｂ 切換弁
４２ａ，４２ｂ チェック弁
４３ アキュムレータ
４４ 不活性ガス供給源
４５ レギュレータ
４６ａ，４６ｂ 切換弁
４７ａ，４７ｂ チェック弁
５０ 混合部
６０ 反応部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小空間内で複数種の流体どうしを反応させる流体反応装置に好適に用いられる圧力発生機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、試薬などの液体どうしを反応させるための流体反応装置として、マイクロリアクタの開発が進められている。このマイクロリアクタは、２種類の液体を微小流路を通過させて液体どうしを混合し、かつ反応させるものである。一般に、流路の幅が小さくなると、レイノルズ数が小さくなり、液体の流れは層流になる。層流領域において液体を速やかに混合させるためには、流路の幅をできるだけ小さくすることが有効である。これは、層流領域では分子拡散が混合の律速因子となり、液体の拡散時間は流路の幅の二乗に比例するからである。すなわち、フィックの法則（Ｔ＝Ｌ２／Ｄ Ｔ：拡散時間 Ｌ：移動距離 Ｄ：拡散係数）によれば、分子の拡散時間、すなわち液体どうしの混合時間は、合流後の流路幅（Ｌに相当）の二乗に比例する。したがって、混合時間を短くするためには、流路の幅を小さくすることが効果的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
層流領域においては、流路の流れ方向に液体の濃度差があると、液体が不均一に混合することになる。液体の混合が不均一となると、反応により生成された物質がさらに原液と反応して副生成物が生じ、収率が低下してしまう。したがって、混合前の各液体の流量に脈動があってはならない。しかしながら、液体は、通常、ギヤポンプやピストンポンプなどにより微小流路に移送されるため、液体がポンプの影響を受けて液体の流れに脈動が生じてしまう。また２本のシリンジポンプを使って脈動が発生しないよう制御することは可能であるが、ピストンを駆動するアクチュエータが大きくなったり、ピストンの摺動部分からパーティクルが発生するなど問題を抱えていた。
【０００４】
一般に、反応速度の遅い液体を微小流路内で十分に反応させるためには、流路を長くして反応時間を確保する必要が生じる。このため、高い圧力で液体を圧送することが必要となる。しかしながら、従来のポンプは、その出力圧力の上限が０．５ＭＰａ以下と低く、高い圧力が必要とされるマイクロリアクタに使用するには困難があった。
【０００５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、液体の圧力を脈動させることなく液体を永続的に移送することができ、しかも高い圧力を液体に与えることができる圧力発生機構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】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、液体が収容される複数の圧力容器と、前記複数の圧力容器に液体を導入する液体導入部と、前記複数の圧力容器に加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器に導入された液体を順次排出する加圧気体供給部と、前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力が常に一定となるように、前記加圧気体が前記複数の圧力容器に供給されるタイミングを制御する制御部とを備えたことを特徴とする圧力発生機構である。
【０００７】
本発明によれば、複数の圧力容器に液体を順次導入し、導入された液体を加圧気体により圧力容器から順次排出させることができる。したがって、液体を間断なく移送することができる。例えば、移送すべき液体が０．５〜１Ｔｏｎの薬液であっても、総ての薬液が移送されるまで圧力発生機構は移送動作を間断なく行うことができる。また、本発明によれば、制御部により、移送される液体の圧力（各圧力容器から排出される液体の総圧力）が一定となるように加圧気体の圧力容器への供給タイミングが制御されるので、液体の圧力を脈動させることなく液体を移送することができる。さらに、本発明によれば、加圧気体が液体を圧力容器から押し出すので、ピストンなどの摺動部を圧力容器内に設ける必要がない。したがって、コンパクトで、かつクリーンな圧力発生機構を実現することができる。このように機構全体がコンパクトであることは、耐圧性の観点から有利である。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記加圧気体を増圧する増圧機構をさらに備えていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記増圧機構は、作動流体が接触する大径部と気体を加圧する小径部とをそれぞれ有する複数のピストンと、前記複数のピストンが収容される複数のシリンダとを備え、前記複数のピストンは気体を順次加圧して前記加圧気体を形成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力は１ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、圧力容器内の液体をより高い圧力で移送することができる。なお、本圧力発生機構によって移送される液体の流量は、好ましくは０．０１〜１０Ｌ／ｈ、より好ましくは０．０１〜５Ｌ／ｈ、さらに好ましくは０．０１〜２Ｌ／ｈである。また、本圧力発生機構によって移送される液体の圧力は、好ましくは１〜２０ＭＰａ、より好ましくは１〜１０ＭＰａ、さらに好ましくは２〜６ＭＰａである。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記液体導入部は、負圧を利用して前記複数の圧力容器に液体を導入することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様は、液体を貯留する複数の貯槽と、液体を混合させる混合部と、混合した液体を反応させる反応部と、上記圧力発生機構とを備えたことを特徴とする流体反応装置である。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明によれば、液体の圧力を脈動させることなく液体を永続的に移送することができ、コンパクトでクリーンな装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る圧力発生機構について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一の構成を有する構成部材には互いに対応する符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る圧力発生機構を備えたマイクロリアクタ（流体反応装置）を示す概略図である。図１に示すように、マイクロリアクタは、液体Ａおよび液体Ｂがそれぞれ貯留される２つの貯槽（容器）１Ａ，１Ｂと、これらの貯槽１Ａ，１Ｂにそれぞれ接続される圧力発生機構（流体移送機構）２Ａ，２Ｂと、圧力発生機構２Ａ，２Ｂにより移送される液体Ａおよび液体Ｂの流量を一定に調整する流量調整弁３Ａ，３Ｂと、流量調整弁３Ａ，３Ｂを通過した液体Ａと液体Ｂとを混合させる混合部（混合チップ）５０と、混合部５０で混合した液体Ａおよび液体Ｂを反応させる反応部（反応チップ）６０とを備えている。流量調整弁３Ａ，３Ｂは混合部５０のすぐ上流側に配置されている。
【００１５】
貯槽１Ａ内の液体Ａは圧力発生機構２Ａにより流量調整弁３Ａに移送管６Ａを介して移送され、ここで液体Ａの流量が一定となるように調整される。同様に、液体Ｂは圧力発生機構２Ｂにより貯槽１Ｂから流量調整弁３Ｂに移送管６Ｂを介して移送され、その流量が一定となるように調整される。流量調整弁３Ａ，３Ｂとしては液体マスフローコントローラが好適に用いられる。
【００１６】
流量調整弁３Ａ，３Ｂを通過した液体Ａおよび液体Ｂは混合部５０にそれぞれ流入し、合流点５０ａで液体Ａおよび液体Ｂが合流する。そして、液体Ａおよび液体Ｂは混合部５０内の流路を通過しながら混合され、反応が開始される。さらに、混合した液体は反応部６０に流入し、蛇行流路６０ａを通過しながら所定の温度に加温されつつ反応が促進される。反応部６０を通過した反応性生物は最終的に採取槽５に回収される。なお、混合部５０および反応部６０は図示しない温度調整機構によりそれぞれ所定の温度に調整される。なお、本実施形態に用いられる液体の具体例としては、試薬、有機溶剤、生化学物質などが挙げられる。
【００１７】
次に、本実施形態に係る圧力発生機構２Ａ，２Ｂについて説明する。なお、圧力発生機構２Ａ，２Ｂは同一の構成を有しているので、以下、圧力発生機構２Ａについてのみ説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。図２に示すように、圧力発生機構２Ａは、鉛直に配置された２つの圧力容器８ａ，８ｂと、これらの圧力容器８ａ，８ｂ内に負圧を発生させる負圧発生部１５と、加圧された気体を圧力容器８ａ，８ｂに供給する加圧気体供給部１６とを備えている。
【００１８】
圧力容器８ａ，８ｂの上方には気体導入弁９ａ，９ｂおよび気体排出弁１０ａ，１０ｂが配置されている。圧力容器８ａ，８ｂは、気体導入弁９ａ，９ｂを介して加圧気体供給部１６にそれぞれ接続され、さらに、気体排出弁１０ａ，１０ｂを介して負圧発生部１５にそれぞれ接続されている。また、圧力容器８ａ，８ｂの下方には液体導入弁１１ａ，１１ｂおよび液体排出弁１２ａ，１２ｂが配置されている。そして、圧力容器８ａ，８ｂは、液体導入弁１１ａ，１１ｂを介して貯槽１Ａにそれぞれ接続され、さらに、液体排出弁１２ａ，１２ｂを介して流量調整弁３Ａにそれぞれ接続されている。これらの気体導入弁９ａ，９ｂ、気体排出弁１０ａ，１０ｂ、液体導入弁１１ａ，１１ｂ、および液体排出弁１２ａ，１２ｂは、制御部７に接続されており、これらの弁の開閉のタイミング、すなわち加圧気体や液体が圧力容器８ａ，８ｂに供給されるタイミングが制御部７によって制御されるようになっている。
【００１９】
負圧発生部１５は、気体排出弁１０ａ，１０ｂを通じて圧力容器８ａ，８ｂに接続されるエジェクタ（例えばガスエジェクタ）１７と、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成される負圧を調整する負圧調整弁１８と、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成された負圧を測定する圧力センサ１９とを備えている。エジェクタ１７には導入管２０を通じて高圧流体が導入され、排出管２１から排出されるようになっている。負圧調整弁１８は導入管２０に設置されており、エジェクタ１７に導入される高圧流体の流量を調整することで、圧力容器８ａ，８ｂ内に形成される負圧を調整する。圧力センサ１９はエジェクタ１７と圧力容器８ａ，８ｂとの間に配置されており、この圧力センサ１９は負圧調整弁１８に接続されている。負圧調整弁１８には目標値が予め設定されており、負圧調整弁１８は、圧力センサ１９の測定値に基づいて、圧力容器８ａ，８ｂ内に発生する負圧が上記目標値と等しくなるように高圧流体の流量を調整するようになっている。
【００２０】
加圧気体供給部１６は、加圧気体が封入されたガスボンベなどの圧力源２２と、加圧気体の圧力を調整するレギュレータ２３とを備えている。圧力源２２はレギュレータ２３を通じて圧力容器８ａ，８ｂに連通しており、圧力源２２内の加圧気体がレギュレータ２３を通過する際、その圧力が所定の設定値に調整されるようになっている。
【００２１】
圧力容器８ａへの液体Ａの導入は次のようにして行われる。まず、気体導入弁９ａ、液体導入弁１１ａ、および液体排出弁１２ａを閉じるとともに、気体排出弁１０ａを開く。この状態で、エジェクタ１７により圧力容器８ａを真空にする。このとき、液体導入弁１１ａを開くと、貯槽１Ａから液体Ａが圧力容器８ａ内に吸引される。このように、負圧発生部１５は液体Ａを圧力容器８ａ，８ｂ内に導入する液体導入部として機能する。
【００２２】
圧力容器８ａの上端近傍には上限検知器１３ａが設置されており、この上限検知器１３ａによって圧力容器８ａの内部の液面位置が所定の上限位置に達したことが検知されるようになっている。そして、液体Ａの液面位置が所定の上限位置に達すると、上限検知器１３ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は、気体排出弁１０ａおよび液体導入弁１１ａを閉じる。これにより液体Ａの導入が停止されると同時に、圧力容器８ａ内に液体Ａが閉じ込められる。
【００２３】
一方、圧力容器８ａから液体Ａを排出するときは、気体導入弁９ａと液体排出弁１２ａを同時に開く。これにより、レギュレータ２３によって所定の圧力に調整された加圧気体が圧力容器８ａ内に導入される。圧力容器８ａ内の液体Ａは加圧気体によって加圧され、液体排出弁１２ａを通って流量調整弁３Ａに供給される。
【００２４】
圧力容器８ａの下端近傍には下限検知器１４ａが設置されており、この下限検知器１４ａによって圧力容器８ａ内の液面位置が所定の下限位置に達したことが検知されるようになっている。そして、液体Ａの液面位置が所定の下限位置に達したときに、下限検知器１４ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じる。これにより液体Ａの排出が停止される。なお、制御部７は下限検知器１４ａからの信号を受けた直後に液体の排出動作を停止してもよく、もしくは、信号を受けてから所定時間経過した後に排出動作を停止させるようにしてもよい。
【００２５】
なお、圧力容器８ｂにも、同様に、上限検知器１３ｂおよび下限検知器１４ｂが設置されている。これらの上限検知器１３ｂおよび下限検知器１４ｂの構成、設置位置、動作などは、上述した上限検知器１３ａおよび下限検知器１４ａのそれと同じである。また、圧力容器８ｂは、圧力容器８ａと同様の動作を行うように構成されている。ただし、圧力容器８ａと圧力容器８ｂとの間では、液体導入工程と液体排出工程とが交互に行われる。すなわち、圧力容器８ａが液体排出工程にあるとき、圧力容器８ｂは液体導入工程にあり、圧力容器８ａが液体導入工程にあるとき、圧力容器８ｂは液体排出工程にある。
【００２６】
図３は２つの圧力容器内の圧力変動を示すグラフである。図３において、実線は圧力容器８ａ内の圧力を示し、一点鎖線は圧力容器８ｂ内の圧力を示している。ａ点は気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを開いて加圧気体の供給を開始したときの圧力を示しており、このときの圧力は大気圧に等しい。ラインａ〜ｂは、圧力容器８ａ内の圧力が大気圧からレギュレータ２３の設定値まで上昇する過程を示している。ラインｂ〜ｃは圧力容器８ａ内の圧力が上記設定値に維持されている状態を示しており、このときの圧力がマイクロリアクタの流路内の圧力になる。ｃ点は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じて加圧気体の供給を停止したときの圧力を示し、ラインｃ〜ｄは圧力容器８ａ内の圧力が大気圧まで低下するときの圧力の変化を示している。液体Ａを圧力容器８ａ内に導入するときの圧力の推移はラインｅ〜ｆ〜ｇ〜ｈで表される。
【００２７】
圧力容器８ｂの圧力は圧力容器８ａと同様に変化し、圧力容器８ａの圧力変動を示すラインａ〜ｂ〜ｃ〜ｄと、圧力容器８ｂの圧力変動を示すラインａ´〜ｂ´〜ｃ´〜ｄ´とは交互に現れる。この場合、圧力容器８ａへの加圧気体の供給が停止されると同時に、圧力容器８ｂへの加圧気体の導入が開始される。液体Ａを圧力容器８ｂ内に導入するときの圧力の推移はラインｅ´〜ｆ´〜ｇ´〜ｈ´で表される。このように、２つの圧力容器８ａ，８ｂの液体排出工程（すなわち加圧気体の供給）は交互に行われ、一方が液体排出工程にあるとき、他方は液体導入工程にある。したがって、圧力発生機構によって移送される液体の圧力は脈動することがなく、一定に維持される。なお、本実施形態では、２つの圧力容器が設けられているが、３つ以上の圧力容器を設けてもよい。この場合は、常に一定の圧力の液体が圧力容器から排出されるように、各圧力容器での液体排出工程が順次行われる。
【００２８】
次に本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構について説明する。図４は本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構を示す模式図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成および動作は上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２９】
図４に示すように、本実施形態では、液体導入部として遠心ポンプ２４が用いられている。また、液体導入弁１１ａ，１１ｂは圧力容器８ａ，８ｂの上方に設置され、気体排出弁の代わりに気体リリーフ弁２５ａ，２５ｂが圧力容器８ａ，８ｂの上方に設置されている。これらの液体導入弁１１ａ，１１ｂおよび気体リリーフ弁２５ａ，２５ｂは制御部７に接続され、これらの弁の開閉タイミング（加圧気体および液体の供給および排出のタイミング）は制御部７によって制御される。
【００３０】
圧力容器８ａへの液体Ａの導入は、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａを閉じ、気体リリーフ弁２５ａおよび液体導入弁１１ａが開いている状態で遠心ポンプ２４を駆動することにより行われる。液体が所定の上限位置に達すると、上限検知器１３ａから制御部７に信号が送られ、制御部７は上限検知器１３ａからの信号を受けて気体リリーフ弁２５ａおよび液体導入弁１１ａを閉じる。そして、気体導入弁９ａおよび液体排出弁１２ａが開かれ、加圧気体が圧力容器８ａに導入される。これにより圧力容器８ａ内の液体Ａが液体排出弁１２ａを通って排出される。なお、圧力容器８ｂの操作は圧力容器８ａと同一であるが、本実施形態においても、２つの圧力容器８ａ，８ｂの液体排出工程は交互に行われ、一方が液体排出工程にあるとき、他方は液体導入工程にある。したがって、圧力発生機構によって移送される液体の圧力は脈動することがなく、一定に維持される。
【００３１】
ここで、加圧気体供給部１６から供給される加圧気体の圧力を増加させるために、増圧機構を設けてもよい。図５は加圧気体供給部に組み込まれた増圧機構を示す模式図である。図５に示すように、増圧機構は、２つのシリンダ（シリンジ）２６ａ，２６ｂと、これらのシリンダ２６ａ，２６ｂ内にそれぞれ収容されるピストン（プランジャ）２７ａ，２７ｂと、圧力源２２からの加圧気体の流れを切り換える六方切換弁４１ａ，４１ｂと、シリンダ２６ａ，２６ｂの下流側に配置されるチェック弁４２ａ，４２ｂとを備えている。
【００３２】
ピストン２７ａは、円盤状の大径部２８ａと円柱状の小径部２９ａとを備えた２段形状を有している。小径部２９ａの直径は大径部２８ａの直径よりも小さくなっており、大径部２８ａと小径部２９ａとは一体に成形されている。大径部２８ａが収容される一次側圧力室３０ａは、大径部２８ａによって押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとに区画されている。これらの押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとは、切換弁４１ａを通じてレギュレータ２３に連通している。また、小径部２９ａが収容される二次側圧力室３７ａは切換弁４１ａを通じて周囲雰囲気に連通している。
【００３３】
圧力源２２からの加圧気体（以下、作動流体という）は、切換弁４１ａを操作することにより、押圧側室３１ａと吸引側室３２ａとに交互に供給されるようになっている。すなわち、作動流体が吸引側室３２ａに供給されると、ピストン２７ａは二次側圧力室３７ａの容積が大きくなる方向に移動する。これによりピストン２７ａは吸引動作を行い、二次側圧力室３７ａ内に雰囲気ガスが吸入される。このとき、押圧側室３１ａ内の気体は切換弁４１ａを通じて外部に排出される。そして、切換弁４１ａが操作されると、二次側圧力室３７ａと周囲雰囲気との連通状態が絶たれるとともに、圧力源２２からの作動流体が切換弁４１ａを通じて押圧側室３１ａに供給される。これにより、ピストン２７ａは二次側圧力室３７ａの容積が小さくなる方向に移動し、二次側圧力室３７ａ内の気体の加圧動作を行う。すなわち、二次側圧力室３７ａ内の雰囲気ガスはピストン２７ａの小径部２９ａによって加圧され、加圧気体としてシリンダ２６ａから排出される。このとき、吸引側室３２ａ内の気体は切換弁４１ａを通じて外部に放出される。加圧気体はチェック弁４２ａを通過した後、上述した圧力容器８ａ，８ｂに供給される。
【００３４】
圧力源２２の作動流体の圧力が、例えば０．５ＭＰａである場合、５ＭＰａの加圧気体を得るためには、小径部２９ａの受圧面積（二次側圧力室３７ａの横断面積）を大径部２８ａの受圧面積（一次側圧力室３０ａの横断面積）の１０分の１にすればよい。したがって、この場合は、大径部２８ａの直径を小径部２９ａの直径の約３．３倍にすればよい。
【００３５】
シリンダ２６ａの両端近傍には、ピストン２７ａのストロークエンドを検知するストロークエンドセンサ３９ａ，４０ａがそれぞれ設けられている。吸引動作を行うピストン２７ａがストロークエンドに達したとき、ストロークエンドセンサ３９ａはこれを検知し、切換弁４１ａが操作される。これにより、ピストン２７ａは反対方向に移動し、加圧動作を行う。そして、ピストン２７ａが反対側のストロークエンドに達したとき、ストロークエンドセンサ４０ａはこれを検知し、切換弁４１ａが操作される。これにより、ピストン２７ａは反対方向に移動し、吸引動作を行う。
【００３６】
シリンダ２６ｂ、ピストン２７ｂ、および切換弁４１ｂは、上述したシリンダ２６ａ、ピストン２７ａ、および切換弁４１ａと同様の構成を有しており、同様の動作を行う。ただし、ピストン２７ａとピストン２７ｂは互いに逆方向に移動するように切換弁４１ａ，４１ｂが操作される。すなわち、ピストン２７ａが加圧動作を行っているときは、ピストン２７ｂは吸引動作を行い、ピストン２７ａの吸引動作を行っているときは、ピストン２７ｂは加圧動作を行う。このように、ピストン２７ａとピストン２７ｂとが交互に加圧動作を行うので、圧力容器８ａ，８ｂには常に一定の圧力に保たれた加圧気体が供給される。なお、加圧気体の圧力を安定化させるために、アキュムレータ４３がチェック弁４２ａ，４２ｂの下流側に設けられている。
【００３７】
この例では、２つのシリンダ、２つのピストンが設けられているが、３以上のシリンダおよびピストンを設けてもよい。この場合は、常に一定の圧力の加圧気体が圧力容器８ａ，８ｂに供給されるように、それぞれのピストンが順次加圧動作を行うように切換弁が操作される。
【００３８】
雰囲気ガスの種類によっては、反応部６０での液体どうしの反応に悪影響を与えてしまう場合がある。したがって、加圧気体として、液体の反応に影響を与えないようなガスを用いることが好ましい。このような例について、図６を参照して説明する。図６は、増圧機構の他の構成例を示す模式図である。この構成例の基本的構成および動作は図５に示す増圧機構と同一であるが、この例では、加圧気体として不活性ガスが使用されている。すなわち、この増圧機構は、不活性ガスが封入された不活性ガス供給源（たとえば、不活性ガスボンベ）４４と、この不活性ガス供給源４４に接続されたレギュレータ４５とをさらに備えている。
【００３９】
シリンダ２６ａ，２６ｂの二次側圧力室３７ａ，３７ｂは切換弁４１ａ，４１ｂを介してレギュレータ４５に接続されている。具体的には、ピストン２７ａ，２７ｂが吸引動作を行っているときは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂと不活性ガス供給源４４とは切換弁４１ａ，４１ｂを介して連通する。したがって、不活性ガス供給源４４内の不活性ガスは、レギュレータ４５を通過した後、二次側圧力室３７ａ，３７ｂに導入される。一方、ピストン２７ａ，２７ｂが加圧動作を行っているときは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂと不活性ガス供給源４４との連通状態は切換弁４１ａ，４１ｂによって絶たれる。したがって、二次側圧力室３７ａ，３７ｂ内の不活性ガスはピストン２７ａ，２７ｂによって加圧され、加圧気体として圧力容器８ａ，８ｂに供給される。この場合も、ピストン２７ａ，２７ｂは交互に加圧動作を行う。なお、不活性ガスとしては、窒素、アルゴンなどが用いられる。
【００４０】
図７は増圧機構のさらに他の構成例を示す模式図である。図７に示すように、この構成例では、六方切換弁４１ａ，４１ｂの代わりに四方切換弁４６ａ，４６ｂが設けられ、ピストン２７ａ，２７ｂによって加圧された不活性ガス（加圧気体）が不活性ガス供給源側に逆流することを防止するためのチェック弁４７ａ，４７ｂが設けられている。二次側圧力室３７ａ，３７ｂは切換弁４６ａ，４６ｂを介さずにレギュレータ４５に直接接続されており、チェック弁４７ａ，４７ｂは、二次側圧力室３７ａ，３７ｂとレギュレータ４５との間に配置されている。その他の構成は図６に示す増圧機構の構成と同一である。
【００４１】
上述の構成において、ピストン２７ａが加圧動作を行うと、チェック弁４２ａが開き、加圧気体が圧力容器８Ａ，８Ｂ（図２または図４参照）に移送される。このとき、チェック弁４７ａの上流側（レギュレータ側）は低圧に、下流側（二次側圧力室側）は高圧となり、これによりチェック弁４７ａは閉じられる。したがって、加圧気体は、不活性ガス供給源側に逆流することなく、圧力容器８Ａ，８Ｂに移送される。その後、切換弁４６ａが操作されると、ピストン２７ａは吸引動作を行う。このとき、チェック弁４２ａが閉じられると同時に、チェック弁４７ａが開かれ、これにより不活性ガス供給源４４から不活性ガスが二次側圧力室３７ａに導入される。なお、ピストン２７ｂによる加圧動作および吸引動作も上述と同様である。
【００４２】
本構成例によれば、切換弁に要求される耐圧性能を低くすることができ、また六方切換弁を備えた場合に比べて構造を簡素化することができる。なお、四方切換弁４６ａ，４６ｂおよびチェック弁４７ａ，４７ｂを図５に示す増圧機構に組み込んでもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力発生機構を備えたマイクロリアクタ（流体反応装置）を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。
【図３】２つの圧力容器内の圧力変動を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る圧力発生機構の構成を示す模式図である。
【図５】加圧気体供給部に組み込まれた増圧機構を示す模式図である。
【図６】増圧機構の他の構成例を示す模式図である。
【図７】増圧機構のさらに他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ，１Ｂ 貯槽
２Ａ，２Ｂ 圧力発生機構
３Ａ，３Ｂ 流量調整弁
５ 採取槽
６Ａ，６Ｂ 移送管
７ 制御部
８ａ，８ｂ 圧力容器
９ａ，９ｂ 気体導入弁
１０ａ，１０ｂ 気体排出弁
１１ａ，１１ｂ 液体導入弁
１２ａ，１２ｂ 液体排出弁
１３ａ，１３ｂ 上限検知器
１４ａ，１４ｂ 下限検知器
１５ 負圧発生部（液体導入部）
１６ 加圧気体供給部
１７ エジェクタ
１８ 負圧調整弁
１９ 圧力センサ
２０ 導入管
２１ 排出管
２２ 圧力源
２３ レギュレータ
２４ 遠心ポンプ（液体導入部）
２５ａ，２５ｂ 気体リリーフ弁
２６ａ，２６ｂ シリンダ
２７ａ，２７ｂ ピストン
２８ａ，２８ｂ 大径部
２９ａ，２９ｂ 小径部
３０ａ，３０ｂ 一次側圧力室
３１ａ，３１ｂ 押圧側室
３２ａ，３２ｂ 吸引側室
３７ａ，３７ｂ 二次側圧力室
３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ ストロークエンドセンサ
４１ａ，４１ｂ 切換弁
４２ａ，４２ｂ チェック弁
４３ アキュムレータ
４４ 不活性ガス供給源
４５ レギュレータ
４６ａ，４６ｂ 切換弁
４７ａ，４７ｂ チェック弁
５０ 混合部
６０ 反応部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が収容される複数の圧力容器と、
前記複数の圧力容器に液体を導入する液体導入部と、
前記複数の圧力容器に加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器に導入された液体を順次排出する加圧気体供給部と、
前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力が常に一定となるように、前記加圧気体が前記複数の圧力容器に供給されるタイミングを制御する制御部とを備えたことを特徴とする圧力発生機構。
【請求項２】
前記加圧気体を増圧する増圧機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力発生機構。
【請求項３】
前記増圧機構は、作動流体が接触する大径部と気体を加圧する小径部とをそれぞれ有する複数のピストンと、
前記複数のピストンが収容される複数のシリンダとを備え、
前記複数のピストンは気体を順次加圧して前記加圧気体を形成することを特徴とする請求項２に記載の圧力発生機構。
【請求項４】
前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力は１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の圧力発生機構。
【請求項５】
前記液体導入部は、負圧を利用して前記複数の圧力容器に液体を導入することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力発生機構。
【請求項６】
液体を貯留する複数の貯槽と、
液体を混合させる混合部と、
混合した液体を反応させる反応部と、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧力発生機構とを備えたことを特徴とする流体反応装置。
【請求項１】
液体が収容される複数の圧力容器と、
前記複数の圧力容器に液体を導入する液体導入部と、
前記複数の圧力容器に加圧気体を供給することにより該複数の圧力容器に導入された液体を順次排出する加圧気体供給部と、
前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力が常に一定となるように、前記加圧気体が前記複数の圧力容器に供給されるタイミングを制御する制御部とを備えたことを特徴とする圧力発生機構。
【請求項２】
前記加圧気体を増圧する増圧機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力発生機構。
【請求項３】
前記増圧機構は、作動流体が接触する大径部と気体を加圧する小径部とをそれぞれ有する複数のピストンと、
前記複数のピストンが収容される複数のシリンダとを備え、
前記複数のピストンは気体を順次加圧して前記加圧気体を形成することを特徴とする請求項２に記載の圧力発生機構。
【請求項４】
前記複数の圧力容器から排出される液体の圧力は１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の圧力発生機構。
【請求項５】
前記液体導入部は、負圧を利用して前記複数の圧力容器に液体を導入することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力発生機構。
【請求項６】
液体を貯留する複数の貯槽と、
液体を混合させる混合部と、
混合した液体を反応させる反応部と、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧力発生機構とを備えたことを特徴とする流体反応装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２７２２７６（Ｐ２００６−２７２２７６Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９９３９７（Ｐ２００５−９９３９７）
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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