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JP5642488B2 - 流路構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、流路構造体に関するものである。
従来、複数の流体同士を混合させて相互作用を生じさせる手段として流路構造体が知られている。この流路構造体は、例えば、複数の反応剤の流体同士の相互作用としてそれらの流体同士の化学反応を生じさせて所望の反応生成物を得る反応装置に用いられており、その一例が下記特許文献１に開示されている。
特許文献１には、複数の流通路を内部に有する流路構造体を用いた反応装置が開示されている。各流通路は、第１反応剤の流体が導入される第１導入路と、第２反応剤の流体が導入される第２導入路と、それら両導入路の下流側に繋がり、それら各導入路を通じて流れる反応剤の流体同士を合流させて混合させる合流路と、その合流路の下流側に繋がり、当該合流路において合流した後の流体を流通させながらその流体に含まれる反応剤同士を反応させる反応路とを有している。各流通路の第１導入路、第２導入路、合流路及び反応路は、一直線上に配置されている。
流路構造体は、中間基板と、その中間基板の表面に接合された表側基板と、その中間基板の裏面に接合された裏側基板とによって構成されており、前記複数の流通路は、中間基板の面方向において互いに平行に並ぶように配設されている。中間基板の表面には、直線的に延びる表面側溝部が形成されており、中間基板の裏面のうち前記表面側溝部に対応する位置には、裏面側溝部が前記表面側溝部と平行に形成されている。また、表面側溝部の長手方向の中間の位置には、中間基板を厚み方向に貫通し、裏面側溝部の終点に繋がる貫通穴が形成されている。前記第１導入路と前記反応路は、表面側溝部の開口が表側基板により封止されることによって形成され、前記第２導入路は、裏面側溝部の開口が裏側基板により封止されることによって形成されている。また、前記合流路は、前記貫通穴のうち中間基板の表面側の開口が表側基板により封止されるとともに当該貫通穴のうち中間基板の裏面側の開口が裏側基板により封止されることによって形成されている。
この反応装置では、流路構造体を構成する中間基板の厚み方向に第１導入路と第２導入路とが並んで配設されるとともに、それら両導入路が中間基板の厚み方向において互いに合流するため、第１導入路と第２導入路が中間基板の同じ面に形成されていてその面において両導入路が互いに合流するような構成と比べて、中間基板の面方向において複数の流通路をより密に配置することができ、その結果、同じ大きさの流路構造体であっても、より多くの流通路を設けることができる。このため、この反応装置では、流路構造体を大型化することなく、流体の処理量（反応量）を増加させることが可能である。
特開２００８−１６８１７３号公報
しかしながら、上記従来の構成では、第１反応剤の流体と第２反応剤の流体とが合流路で合流した後、反応路を流れる際にそれらの流体同士の反応を促進させることが困難である。その理由としては、以下の通りである。
反応路における前記両流体同士の反応は、それらの流体同士の接触界面で生じるため、上記構成では、合流路での両流体の合流に伴う撹拌状態が反応路において落ち着いた後は、両流体同士の接触界面の面積がほぼ一定となり、その接触界面の面積に応じた一定量の反応しか生じなくなる。
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、流路構造体を大型化することなく、２つの流体の相互作用による処理量を増加させるとともに、２つの流体の合流後においてそれらの流体同士の相互作用を促進させることが可能な流路構造体を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明による流路構造体は、第１流体と第２流体とをそれらの流体が互いに混合するように流通させるための複数の流通路を内部に有する流路構造体であって、表面及びこの表面と反対方向を向く裏面を有する基板と、前記基板の表面に接合された第１封止板と、前記基板の裏面に接合された第２封止板とを備え、前記基板の表面には、特定方向に延び、互いに平行に並ぶように配置された複数の第１溝部が形成され、前記基板の裏面には、前記各第１溝部の裏側にその各第１溝部と平行に延びるように配置された複数の第２溝部と、前記各第１溝部の裏側にその各第１溝部と平行に延びるとともに、前記各第２溝部の長手方向においてその各第２溝部から離間して配置された複数の第３溝部とが形成され、前記基板のうち前記各第２溝部の前記第３溝部側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第２溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第１穴部が形成され、前記基板のうち前記各第３溝部の前記第２溝部側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第３溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第２穴部が形成され、前記第１封止板は、前記各第１溝部の前記表面側の開口を封止するように前記基板の表面に接合され、前記第２封止板は、前記各第２溝部の前記裏面側の開口及び前記各第３溝部の前記裏面側の開口を封止するように前記基板の裏面に接合され、前記各流通路は、前記第１溝部のうち前記第１穴部に対して前記第２穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記第１流体が導入される第１導入路と、前記第２溝部のうち前記第１穴部が形成された部分以外の部分によって構成され、前記第２流体が導入される第２導入路と、前記第１溝部と前記第２溝部のうち前記第１穴部により連通された部分によって構成され、前記第１導入路を通じて流れる前記第１流体と前記第２導入路を通じて流れる前記第２流体とを前記基板の厚み方向において合流させる第１合流部と、前記第１溝部のうち前記第１穴部と前記第２穴部との間に位置する部分によって構成され、前記第１合流部において合流した前記両流体が流れる第１合流流体流路と、前記第１溝部と前記第３溝部のうち前記第２穴部により連通された部分によって構成され、前記第１合流流体流路を通じて流れる流体を前記基板の厚み方向において２つに分流させる分流部と、前記第１溝部のうち前記第２穴部に対して前記第１穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記分流部によって２つに分流された流体のうちの一方の流体が流れる第１分流路と、前記第３溝部のうち前記第２穴部が形成された部分以外の部分によって構成され、前記分流部によって２つに分流された流体のうちの他方の流体が流れる第２分流路とを含み、前記各流通路における前記第１合流流体流路は、当該第１合流流体流路を流れる流体の流れ方向に垂直な方向の断面である第１合流流体流路断面を有するとともに、当該第１合流流体流路断面の面積をＡ １ とし、当該第１合流流体流路断面の周長をＵ １ とした場合に当該第１合流流体流路断面についての以下の式（１）の関係を満たす相当直径ｄ １ を有し、前記各流通路における前記分流部は、前記第１合流流体流路断面と同方向の断面であり且つ前記第１溝部、前記第３溝部及び前記第２穴部により形成される断面である分流部断面を有するとともに、当該分流部断面の面積をＡ ２ とし、当該分流部断面の周長をＵ ２ とした場合に当該分流部断面についての以下の式（２）の関係を満たす相当直径ｄ ２ を有し、前記各流通路における前記第１分流路の相当直径及び前記第２分流路の相当直径は、その流通路における前記第１合流流体流路の相当直径よりも小さく、前記各流通路における前記分流部の相当直径は、その流通路における前記第１合流流体流路の相当直径よりも大きい。なお、流路の相当直径とは、任意の断面形状を有する流路に対して等価な円形断面の流路を想定する場合のその円形断面の流路の直径のことを意味し、流路の相当直径をＤ、流路の断面積をＡ、流路内の周長（濡れ縁の長さ）をＵとすると、相当直径Ｄ＝４Ａ／Ｕという式で表される。
ｄ １ ＝４Ａ １ ／Ｕ １ ・・・（１）
ｄ ２ ＝４Ａ ２ ／Ｕ ２ ・・・（２）
この流路構造体では、第１合流部で合流して混合された第１流体と第２流体との混合流体が第１合流流体流路に流れた後、分流部においてその混合流体の流れが第１合流流体流路よりも相当直径の小さい第１分流路と第２分流路とに分流されるため、その両分流路に流れる混合流体の単位体積当たりの第１流体と第２流体との接触界面の面積は、第１合流流体流路内を流れる混合流体の単位体積当たりの第１流体と第２流体との接触界面の面積よりも大きくなる。このため、本構成では、第１合流流体流路の下流側の前記両分流路において第１流体と第２流体との間の相互作用を促進することができる。また、この流路構造体では、分流部において混合流体が分流される際、その流体の流れに乱れが生じ、その流体に含まれる第１流体と第２流体との接触界面の更新が可能となる。そのことに起因して、第１流体と第２流体との相互作用の促進を図ることが可能となる。さらに、この流路構造体では、第１導入路と第２導入路とが基板の厚み方向に並んで配設されるとともに、それら両導入路が第１合流部により基板の厚み方向において互いに合流され、また、分流部から分岐する第１分流路と第２分流路が基板の厚み方向に並んで配設されるため、第１導入路と第２導入路が基板の同じ面に並ぶように配設されているとともに第１分流路と第２分流路が基板の同じ面に並ぶように配設されているような流路構造体と比べて、基板の面方向において複数の流通路をより密に配置することができ、その結果、同じ大きさの流路構造体であっても、より多くの流通路を設けることができる。従って、この構成では、流路構造体を大型化することなく、２つの流体の相互作用による処理量を増加させることができるとともに、２つの流体の合流後においてそれらの流体同士の相互作用を促進させることができる。
上記流路構造体において、前記各流通路における前記第１分流路の長手方向に垂直な断面の面積と前記第２分流路の長手方向に垂直な断面の面積との和は、その流通路における前記第１合流流体流路の長手方向に垂直な断面の面積以上であることが好ましい。
流路内を流れる流体の流通量は、一般的にその流路の断面積に比例するため、本構成では、前記両分流路を流れる流体の合計の流通量として、第１合流流体流路を流れる流体の流通量以上の流通量を確保することができる。従って、本構成では、第１流体と第２流体との相互作用を促進させつつ、それら両流体の相互作用による処理量の低下を防ぐことができる。
上記流路構造体において、前記基板のうち前記各第３溝部の前記第２溝部と反対側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第３溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第３穴部が形成され、前記各流通路は、前記第１溝部と前記第３溝部のうち前記第３穴部により連通された部分によって構成され、その流通路の前記第１分流路を通じて流れる流体とその流通路の前記第２分流路を通じて流れる流体とを前記基板の厚み方向において合流させる第２合流部と、前記第１溝部のうち前記第３穴部に対して前記第２穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記第２合流部において合流した流体が流れる第２合流流体流路とを含むことが好ましい。
この構成では、第１分流路と第２分流路とに分流された流体が第２合流部で合流するため、その合流に伴って流体が撹拌され、その流体中における第１流体と第２流体との接触界面が更新されるとともに、その接触界面の面積が増加する。その結果、第２合流流体流路内における第１流体と第２流体との間の相互作用が促進され、流路構造体全体として前記両流体同士の相互作用をより促進することができる。
上記流路構造体において、前記基板の厚み方向における前記各第１分流路の深さＤ１と前記基板の面方向でかつ当該第１分流路の長手方向に垂直な方向における当該第１分流路の幅Ｗ１との比Ｄ１／Ｗ１は０．５よりも小さいことが好ましい。
この構成によれば、第１分流路が幅広な流路となり、当該第１分流路内における第１流体と第２流体との接触界面の面積を増加させることができる。このため、第１分流路内における第１流体と第２流体との相互作用をより促進することができる。
上記流路構造体において、前記基板の厚み方向における前記各第２分流路の深さＤ２と前記基板の面方向でかつ当該第２分流路の長手方向に垂直な方向における当該第２分流路の幅Ｗ２との比Ｄ２／Ｗ２は０．５よりも小さいことが好ましい。
この構成によれば、第２分流路が幅広な流路となり、当該第２分流路内における第１流体と第２流体との接触界面の面積を増加させることができる。このため、第２分流路内における第１流体と第２流体との相互作用をより促進することができる。
以上説明したように、本発明によれば、流路構造体を大型化することなく、２つの流体の相互作用による処理量を増加させるとともに、２つの流体の合流後においてそれらの流体同士の相互作用を促進させることができる。
本発明の第１実施形態による流路構造体の斜視図である。 図１に示した流路構造体の分解斜視図である。 図１に示した流路構造体の流通路の長手方向に沿った縦断面図である。 図１に示した流路構造体のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図１に示した流路構造体のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図１に示した流路構造体のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 図１に示した流路構造体のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態による流路構造体の流通路の長手方向に沿った図３に対応する断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、図１〜図７を参照して、本発明の第１実施形態による流路構造体の構成について説明する。
この第１実施形態による流路構造体は、複数の流体同士を混合させて相互作用を生じさせるために用いられるものであり、第１流体と第２流体とをそれらの流体が互いに混合するように流通させるための複数の流通路２を内部に有する。
具体的には、この流路構造体は、例えば、マイクロリアクタ、熱交換器、抽出反応用の反応装置またはエマルション化用の混合装置等に用いられる。この流路構造体がマイクロリアクタに用いられる場合には、互いに反応し得る反応剤からなる２つの流体が当該流路構造体内の流通路２を流通して混合されることにより、それらの流体同士の相互作用として化学反応が生じ、所望の反応生成物が得られる。この場合には、第１流体と第２流体は、共に液体、共に気体もしくは一方が液体で他方が気体であってもよい。また、この流路構造体が熱交換器に用いられる場合には、流路構造体内の流通路２に流通させる流体は、気液２相流、液体の単相流もしくは気体の単相流である。流通路２に流通させる流体が気液２相流の場合、すなわち第１流体と第２流体のうち一方が気体で他方が液体である場合は、均一な蒸発か又は均一な凝縮を行いたい場合であり、２つの流体が流路構造体内の流通路２を流通して混合されることにより、偏流が少なく均一な伝熱が行われる。また、流通路２に流通させる流体が単相流である場合、すなわち第１流体と第２流体が共に液体又は共に気体である場合には、第１流体と第２流体との接触界面の積極的な更新による両流体間の伝熱の促進が期待される。また、この流路構造体が抽出反応用の反応装置に用いられる場合には、抽出対象物を含む一方の流体と抽出媒体である他方の流体とが当該流路構造体内の流通路２を流通して混合されることにより、一方の流体から他方の流体へ抽出対象物が抽出される。この場合には、第１流体と第２流体は、共に液体である。また、この流路構造体がエマルション化用の混合装置に用いられる場合には、２つの流体が当該流路構造体内の流通路２を流通して混合されることにより、一方の流体がエマルション化される。この場合には、第１流体と第２流体は、共に液体である。
流路構造体は、図１に示すように、基板４と、第１封止板６と、第２封止板８とを備えている。これら基板４、第１封止板６及び第２封止板８は、矩形状の平板によってそれぞれ形成されている。
基板４は、図２に示すように、その厚み方向において一方側を向く表面４ａと、この表面４ａと反対方向を向く裏面４ｂとを有している。第１封止板６は、基板４の表面４ａを覆った状態でその表面４ａに接合されており、第２封止板８は、基板４の裏面４ｂを覆った状態でその裏面４ｂに接合されている。すなわち、第１封止板６と第２封止板８との間に基板４が挟み込まれた状態でこれら基板４と両封止板６，８とが一体化されることによって流路構造体が形成されている。
基板４の表面４ａには、複数の第１溝部１０がエッチングによって形成されている。この複数の第１溝部１０は、特定方向に直線的に延び、等間隔で互いに平行に並ぶように配置されており、基板４の表面４ａにおいてそれぞれ開口している。前記第１封止板６は、第１溝部１０の基板４の表面４ａ側の開口を封止するように当該基板４の表面４ａに接合されている。各第１溝部１０は、その長手方向に垂直な方向における断面形状が異なる第１部分１０ａ、第２部分１０ｂ及び第３部分１０ｃからなる。これら第１部分１０ａ、第２部分１０ｂ及び第３部分１０ｃは、それぞれ所定の長さと特定の深さとを有しており、第１溝部１０の一端側から他端側へ向かってこの順番で配置されている。
第１部分１０ａは、図４に示すように、当該第１部分１０ａの長手方向に垂直な方向における断面が円弧状となるように形成された内面を有する。
第２部分１０ｂは、図６に示すように、当該第２部分１０ｂの長手方向に垂直な方向における断面が円弧状となるように形成された内面を有しており、第１部分１０ａよりも大きな深さ及び幅を有する。すなわち、この第２部分１０ｂの内面の円弧状の断面は、第１部分１０ａの内面の円弧状の断面の半径よりも大きい半径を有している。
第３部分１０ｃは、第２部分１０ｂの幅と等しい幅を有しているとともに、第２部分１０ｂの深さよりも小さい深さを有している。第３部分１０ｃは、基板４の表面４ａと平行に配置された平面状の底面部と、その底面部の幅方向の両端からそれぞれ基板４の表面４ａに繋がる曲面部とからなる内面を有する。
基板４の裏面４ｂには、特定方向に延びる複数の第２溝部１２（図２参照）と、その各第２溝部１２の長手方向においてその各第２溝部１２から離間して配置された複数の第３溝部１４（図７参照）とがエッチングによって形成されている。
各第２溝部１２は、前記各第１溝部１０の第１部分１０ａの裏側にその第１部分１０ａと平行に延びるように配置されている。すなわち、第１溝部１０の第１部分１０ａと第２溝部１２とは、基板４の厚み方向に並んで互いに平行に配置されている。また、各第２溝部１２は、等間隔で互いに平行に並ぶように配置されており、基板４の裏面４ｂにおいてそれぞれ開口している。各第２溝部１２の第３溝部１４側の端部は、その第２溝部１２の表側に位置する第１溝部１０の第２部分１０ｂの第１部分１０ａ側の端部と基板４の面方向（表面４ａ及び裏面４ｂに平行な方向）において重なるように配置されている。また、各第２溝部１２は、図４に示すように、当該第２溝部１２の長手方向に垂直な方向における断面が円弧状となるように形成された内面を有する。この第２溝部１２は、第１溝部１０の第１部分１０ａよりも大きな幅及び深さを有している。すなわち、この第２溝部１２の内面の円弧状の断面は、第１部分１０ａの内面の円弧状の断面の半径よりも大きい半径を有している。
各第３溝部１４は、前記各第１溝部１０の第３部分１０ｃの裏側にその第３部分１０ｃと平行に延びるように配置されている。すなわち、第１溝部１０の第３部分１０ｃと第３溝部１４とは、基板４の厚み方向に並んで互いに平行に配置されている。また、各第３溝部１４は、等間隔で互いに平行に並ぶように配置されており、基板４の裏面４ｂにおいてそれぞれ開口している。各第３溝部１４の第２溝部１２側の端部は、その第３溝部１４の表側に位置する第１溝部１０の第２部分１０ｂの第３部分１０ｃ側の端部と基板４の面方向において重なるように配置されている。また、第３溝部１４は、第１溝部１０の第３部分１０ｃの形状を基板４の厚み方向において反転させた形状を有する。
前記第２封止板８は、第２溝部１２及び第３溝部１４の基板４の裏面４ｂ側の開口を封止するように当該基板４の裏面４ｂに接合されている。
また、基板４には、図２に示すように、複数の第１穴部１６と、複数の第２穴部１８とが形成されている。
各第１穴部１６は、基板４のうち各第２溝部１２の第３溝部１４側の端部が位置する部位にそれぞれ形成されている。各第１穴部１６は、基板４を表面４ａから裏面４ｂへ当該基板４の厚み方向に貫通して各第２溝部１２とその表側に位置する第１溝部１０の第２部分１０ｂの第１部分１０ａ側の端部とを連通させている。
各第２穴部１８は、基板４のうち各第３溝部１４の第２溝部１２側の端部が位置する部位にそれぞれ形成されている。各第２穴部１８は、基板４を表面４ａから裏面４ｂへ当該基板４の厚み方向に貫通して各第３溝部１４とその表側に位置する第１溝部１０の第２部分１０ｂの第３部分１０ｃ側の端部とを連通させている。
流路構造体内に設けられた前記複数の流通路２は、基板４の面方向に等間隔で平行に並ぶように配置されている。各流通路２は、図３に示すように、第１導入路２２と、第２導入路２４と、合流部２６と、合流流体流路２８と、分流部３０と、第１分流路３２と、第２分流路３４とを有する。
第１導入路２２は、第１流体が導入されて流れる部分であり、特定方向に直線的に延びている。第１導入路２２は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０のうち第１穴部１６に対して第２穴部１８と反対側に位置する部分によって構成されている。すなわち、第１導入路２２は、第１封止板６により前記表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第１部分１０ａによって構成されている。この第１導入路２２の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、図４に示すように、円弧状の部分が基板４の裏面４ｂ側を向く半円状となっている。
第２導入路２４（図３参照）は、第２流体が導入されて流れる部分である。この第２導入路２４は、当該第２導入路２４を有する流通路２の第１導入路２２の裏側に配置され、その第１導入路２２と平行に延びている。すなわち、各流通路２において、第１導入路２２と第２導入路２４は、基板４の厚み方向に並んで互いに平行に配置されている。第２導入路２４は、第２封止板８により基板４の裏面４ｂ側の開口が封止された第２溝部１２のうち第１穴部１６が形成された部分以外の部分、すなわち第２溝部１２のうち第１穴部１６に対して第３溝部１４と反対側に位置する部分によって構成されている。この第２導入路２４の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、図４に示すように、円弧状の部分が基板４の表面４ａ側を向く半円状となっている。基板４の厚み方向における第２導入路２４の深さは、同方向における第１導入路２２の深さよりも大きく、基板４の面方向でかつ第２導入路２４の長手方向に垂直な方向における第２導入路２４の幅は、基板４の面方向でかつ第１導入路２２の長手方向に垂直な方向における第１導入路２２の幅よりも大きい。第２導入路２４は、第１導入路２２の相当直径よりも大きい相当直径を有する。
合流部２６（図３参照）は、第１導入路２２を通じて流れる第１流体と第２導入路２４を通じて流れる第２流体とを基板４の厚み方向において合流させる部分である。この合流部２６は、本発明の第１合流部の概念に含まれる。合流部２６は、第１導入路２２及び第２導入路２４の下流側に繋がっており、それら両導入路２２，２４と同方向に延びている。前記両導入路２２，２４の長手方向に垂直な方向におけるこの合流部２６の断面の形状は、図５に示すように、基板４の厚み方向において互いに対称的に配置された２つの半円がその頂点近傍の部分で重ね合わされたような形状となっている。この合流部２６は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第２部分１０ｂと第２封止板８により基板４の裏面４ｂ側の開口が封止された第２溝部１２とのうち第１穴部１６により連通された部分によって構成されている。
合流流体流路２８（図３参照）は、合流部２６において合流した第１流体及び第２流体が流れる部分である。この合流流体流路２８は、本発明の第１合流流体流路の概念に含まれる。合流流体流路２８は、合流部２６の下流側に繋がっており、その合流部２６と同方向に延びている。この合流流体流路２８は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第２部分１０ｂうち第１穴部１６と第２穴部１８との間に位置する部分によって構成されている。この合流流体流路２８の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、図６に示すように、円弧状の部分が基板４の裏面４ｂ側を向く半円状となっている。基板４の厚み方向における合流流体流路２８の深さは、同方向における第１導入路２２の深さよりも大きく、基板４の面方向でかつ合流流体流路２８の長手方向に垂直な方向における合流流体流路２８の幅は、基板４の面方向でかつ第１導入路２２の長手方向に垂直な方向における第１導入路２２の幅よりも大きい。合流流体流路２８は、第１導入路２２の相当直径よりも大きい相当直径を有する。
分流部３０（図３参照）は、合流流体流路２８を通じて流れる流体を基板４の厚み方向において２つに分流させる部分である。分流部３０は、合流流体流路２８の下流側に繋がっており、その合流流体流路２８と同方向に延びている。この分流部３０は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第２部分１０ｂと第２封止板８により基板４の裏面４ｂ側の開口が封止された第３溝部１４とのうち第２穴部１８により連通された部分によって構成されている。
第１分流路３２は、分流部３０によって２つに分流された流体のうちの一方の流体が流れる部分である。この第１分流路３２は、分流部３０の下流側に繋がっており、その分流部３０と同方向に延びている。この第１分流路３２は、基板４の表面４ａ側に配設されている。第１分流路３２は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０のうち第２穴部１８に対して第１穴部１６と反対側に位置する部分によって構成されている。すなわち、第１分流路３２は、第１封止板６により前記表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第３部分１０ｃによって構成されている。
第１分流路３２の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、図７に示すような形状となっている。具体的には、この第１分流路３２の断面形状は、第１封止板６の基板４側の面によって形成される直線状の第１封止部３２ａと、その第１封止部３２ａと平行に配置され、第１溝部１０の第３部分１０ｃの底面部によって形成される直線状の第１直線部３２ｂと、第１分流路３２の幅方向における第１封止部３２ａの各端部と対応する第１直線部３２ｂの端部とを繋ぎ、当該第１分流路３２の外側に凸となる２つの円弧状の第１円弧部３２ｃとによって構成されている。基板４の厚み方向における第１分流路３２の深さＤ１は、同方向における合流流体流路２８の深さよりも小さく、基板４の面方向でかつ第１分流路３２の長手方向に垂直な方向における第１分流路３２の幅Ｗ１は、基板４の面方向でかつ合流流体流路２８の長手方向に垂直な方向における合流流体流路２８の幅と等しくなっている。また、第１分流路３２の深さＤ１と幅Ｗ１との比Ｄ１／Ｗ１は、０．５よりも小さくなっている。この第１分流路３２は、合流流体流路２８の相当直径よりも小さい相当直径を有している。
第２分流路３４（図３参照）は、分流部３０によって２つに分流された流体のうちの他方の流体、すなわち第１分流路３２に流れる流体以外の流体が流れる部分である。この第２分流路３４は、分流部３０の下流側に繋がっており、その分流部３０と同方向に延びている。第２分流路３４は、基板４の裏面４ｂ側に配設されている。各流通路２の第２分流路３４と第１分流路３２は、基板４の厚み方向に並んで互いに平行に配置されている。第２分流路３４は、第２封止板８により基板４の裏面４ｂ側の開口が封止された第３溝部１４のうち第２穴部１８が形成された部分以外の部分によって構成されている。
第２分流路３４の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、図７に示すように、第１分流路３２の長手方向に垂直な方向における断面の形状を基板４の厚み方向において反転させた形状となっている。従って、この第２分流路３４の断面形状は、第１分流路３２の断面形状の第１封止部３２ａ、第１直線部３２ｂ及び２つの第１円弧部３２ｃに対応する第２封止部３４ａ、第２直線部３４ｂ及び２つの第２円弧部３４ｃによって構成されている。第２分流路３４の深さＤ２と幅Ｗ２との比Ｄ２／Ｗ２は、０．５よりも小さくなっている。また、この第２分流路３４は、合流流体流路２８の相当直径よりも小さい相当直径を有している。
次に、第１流体と第２流体が、この第１実施形態による流路構造体の流通路２を流通して相互作用を生じる際のプロセスについて説明する。
まず、第１流体が第１導入路２２に導入されるとともに、第２流体が第２導入路２４に導入される。これら第１導入路２２に導入された第１流体及び第２導入路２４に導入された第２流体は、共に下流側へ流れて合流部２６へ流入する。第１導入路２２から合流部２６に流入する第１流体は、僅かに基板４の裏面４ｂ側へ移動しながら下流側へ流れ、第２導入路２４から合流部２６に流入する第２流体は、僅かに基板４の表面４ａ側へ移動しながら下流側へ流れる。このため、合流部２６では、第１流体と第２流体とが基板４の厚み方向において互いに衝突しながら合流し、その結果、第１流体と第２流体とが互いに混合される。
合流部２６で混合状態となった第１流体と第２流体は、合流流体流路２８内を下流側へ流れながらそれらの接触界面において相互作用を生じる。そして、この混合流体は、分流部３０で２つに分流され、一方の流体が第１分流路３２に流れるとともに他方の流体が第２分流路３４に流れる。各分流路３２，３４では、流入した流体が下流側へ流れながら、その流体に含まれる第１流体と第２流体とがそれらの接触界面において相互作用を生じる。
以上のようにして、流通路２を流通する第１流体と第２流体との相互作用が行われる。
以上説明したように、この第１実施形態による流路構造体では、合流部２６で合流して混合された第１流体と第２流体との混合流体が合流流体流路２８に流れた後、分流部３０においてその混合流体の流れが合流流体流路２８よりも相当直径の小さい第１分流路３２と第２分流路３４とに分流されるため、その両分流路３２，３４に流れる混合流体の単位体積当たりの第１流体と第２流体との接触界面の面積は、合流流体流路２８内を流れる混合流体の単位体積当たりの第１流体と第２流体との接触界面の面積よりも大きくなる。その結果、合流流体流路２８の下流側の両分流路３２，３４において第１流体と第２流体との間の相互作用を促進させることができる。また、この第１実施形態による流路構造体では、分流部３０において混合流体が分流される際、その流体の流れに乱れが生じ、その流体に含まれる第１流体と第２流体との接触界面の更新が可能となる。そのことに起因して、第１流体と第２流体との相互作用の促進を図ることが可能となる。さらに、この第１実施形態による流路構造体では、第１導入路２２と第２導入路２４とが基板４の厚み方向に並んで配設されるとともに、それら両導入路２２，２４が合流部２６により基板４の厚み方向において互いに合流され、また、分流部３０から分岐する第１分流路３２と第２分流路３４が基板４の厚み方向に並んで配設されるため、第１導入路と第２導入路が基板の同じ面に並ぶように配設されているとともに第１分流路と第２分流路が基板の同じ面に並ぶように配設されているような流路構造体と比べて、基板４の面方向において複数の流通路２をより密に配置することができ、その結果、同じ大きさの流路構造体であっても、より多くの流通路２を設けることができる。従って、この第１実施形態では、流路構造体を大型化することなく、流路構造体全体としての２つの流体の相互作用による処理量を増加させることができるとともに、２つの流体の合流後においてそれらの流体同士の相互作用を促進させることができる。
また、この第１実施形態では、各流通路２における第１分流路３２の長手方向に垂直な断面の面積と第２分流路３４の長手方向に垂直な断面の面積との和がその流通路２における合流流体流路２８の長手方向に垂直な断面の面積よりも大きいため、両分流路３２，３４を流れる流体の合計の流通量として、合流流体流路２８を流れる流体の流通量以上の流通量を確保することができる。従って、この第１実施形態では、第１流体と第２流体との相互作用を促進させつつ、それら両流体の相互作用による処理量の低下を防ぐことができる。
また、この第１実施形態では、第１分流路３２の深さＤ１と幅Ｗ１との比Ｄ１／Ｗ１は０．５よりも小さく、第２分流路３４の深さＤ２と幅Ｗ２との比Ｄ２／Ｗ２は０．５よりも小さいため、両分流路３２，３４が共に幅広な流路となり、その両分流路３２，３４内における第１流体と第２流体との接触界面の面積を増加させることができる。このため、両分流路３２，３４内における第１流体と第２流体との相互作用をより促進することができる。
この第１実施形態の構成において、例えば、各分流路３２，３４の長手方向に垂直な断面における各円弧部３２ｃ，３４ｃの半径を０．３ｍｍとし、各直線部３２ｂ，３４ｂの長さを０．３ｍｍとした場合には、両分流路３２，３４の合計の断面積は、半径が０．４５ｍｍの半円状の断面形状を有する流路の断面積の約１．４６倍となり、各分流路３２，３４の相当直径は、半径が０．４５ｍｍの半円状の断面形状を有する流路の相当直径に対して約２１％減少する。
流路構造体において流路を流通する流体の流通量（流体の処理量）は、一般的に流路の断面積に比例する。また、流路内で流体同士の相互作用としてそれら流体間での伝熱が生じる場合には、その伝熱係数は一般的に流路の相当直径に反比例して増加し、流路内において流体同士の相互作用としてそれらの流体間での物質の拡散が生じる場合には、その物質の拡散時間は、一般的に流路の相当直径の二乗に比例する。従って、この第１実施形態のように各流通路２に上記構成の分流路３２，３４を設けることにより、大容量の流体の処理が実施可能となるとともに、二流体間の伝熱効率及び／又は物質の拡散効率等の相互作用の効率が向上する。
（第２実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第２実施形態による流路構造体の構成について説明する。
この第２実施形態による流路構造体では、その内部の各流通路２が、分流部３０で第１分流路３２と第２分流路３４とに分流させた流体を再度合流させることができるように構成されている。
この流路構造体を構成する基板４の表面４ａに形成された各第１溝部１０は、第１部分１０ａ、第２部分１０ｂ、第３部分１０ｃ及び第４部分１０ｄからなる。第４部分１０ｄは、第３部分１０ｃの第２部分１０ｂと反対側の端部に繋がっており、その第３部分１０ｃと同方向に延びている。この第４部分１０ｄの長手方向に垂直な方向における断面の形状は、第２部分１０ｂの長手方向に垂直な方向における断面の形状と同様である。基板４の裏面４ｂに形成された各第３溝部１４の第２溝部１２と反対側の端部は、その第３溝部１４の表側に位置する第１溝部１０の第４部分１０ｄの第３部分１０ｃ側の端部と基板４の面方向において重なるように配置されている。
また、基板４には、複数の第３穴部４６が形成されている。各第３穴部４６は、基板４のうち各第３溝部１４の第２溝部１２と反対側の端部が位置する部位にそれぞれ形成されている。各第３穴部４６は、基板４を表面４ａから裏面４ｂへ当該基板４の厚み方向に貫通して各第３溝部１４とその表側に位置する第１溝部１０の第４部分１０ｄの第３部分１０ｃ側の端部とを連通させている。
この第２実施形態による流路構造体の各流通路２は、第１導入路２２と、第２導入路２４と、第１合流部３６と、第１合流流体流路３８と、分流部３０と、第１分流路３２と、第２分流路３４と、第２合流部４２と、第２合流流体流路４４とを有する。
第１合流部３６の構成は、上記第１実施形態における合流部２６の構成と同様であり、第１合流流体流路３８の構成は、上記第１実施形態における合流流体流路２８の構成と同様である。
第２合流部４２は、第１分流路３２を通じて流れる流体と第２分流路３４を通じて流れる流体とを基板４の厚み方向において合流させる部分である。この第２合流部４２は、第１分流路３２及び第２分流路３４の下流側に繋がっており、それら両分流路３２，３４と同方向に延びている。第２合流部４２は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第４部分１０ｄと第２封止板８により基板４の裏面４ｂ側の開口が封止された第３溝部１４とのうち第３穴部４６により連通された部分によって構成されている。
第２合流流体流路４４は、第２合流部４２において合流した流体が流れる部分である。この第２合流流体流路４４は、第２合流部４２の下流側に繋がっており、その第２合流部４２と同方向に延びている。この第２合流流体流路４４は、第１封止板６により基板４の表面４ａ側の開口が封止された第１溝部１０の第４部分１０ｄのうち第３穴部４６に対して第２穴部１８と反対側に位置する部分によって構成されている。この第２合流流体流路４４の長手方向に垂直な方向における断面の形状は、第１合流流体流路３８の長手方向に垂直な方向における断面の形状と同様である。
そして、この第２実施形態では、各流通路２において第１分流路３２から第２合流部４２に流入した流体は、僅かに基板４の裏面４ｂ側へ移動しながら下流側へ流れ、その流通路２において第２分流路３４から第２合流部４２に流入した流体は、僅かに基板４の表面４ａ側へ移動しながら下流側へ流れる。このため、第２合流部４２では、両分流路３２，３４から流入する流体同士が基板４の厚み方向において互いに衝突しながら合流し、それらの流体同士が混合される。その結果、それらの流体中に含まれる第１流体と第２流体とが撹拌される。そして、第２合流部４２で合流した流体は、第２合流流体流路４４に流入し、その流体中の第１流体と第２流体が、当該流路４４内を下流側へ流れながら相互作用を生じる。
この第２実施形態による流路構造体の上記以外の構成は、上記第１実施形態による流路構造体の構成と同様である。
以上説明したように、この第２実施形態の流路構造体では、第１分流路３２と第２分流路３４とに分流された流体が第２合流部４２で合流してそれらの流体が撹拌されるため、その流体中における第１流体と第２流体との接触界面が更新されるとともに、その接触界面の面積が増加する。その結果、第２合流流体流路４４内において第１流体と第２流体との間の相互作用が促進され、流路構造体全体として前記両流体同士の相互作用をより促進することができる。
この第２実施形態によるこれ以外の効果は、上記第１実施形態による効果と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記第２実施形態において、第２合流流体流路４４の下流側に、分流部３０、第１分流路３２、第２分流路３４、第２合流部４２及び第２合流流体流路４４と同様の構造を有する流路が繰り返し連続して形成されていてもよい。この場合には、分流路における相当直径の縮小に起因する第１流体と第２流体との相互作用の促進効果と、合流部における両流体の混合によるそれら両流体の相互作用の促進効果とがさらに得られるため、流路構造体全体として両流体の相互作用を一層促進することができる。
また、上記各実施形態において、流体の流通方向における各第１導入路２２の上流側にその第１導入路２２と異なる方向に延びる流路や、屈曲又は湾曲した形状を有する流路等の種々の形状を有する流路が繋がっていてもよい。また、同様の流路が、各第２導入路２４の上流側に繋がっていてもよい。
また、上記第１実施形態において、流体の流通方向における各第１分流路３２の下流側にその第１分流路３２と異なる方向に延びる流路や、屈曲又は湾曲した形状を有する流路等の種々の形状を有する流路が繋がっていてもよい。また、同様の流路が、各第２分流路３４の下流側に繋がっていてもよい。
また、上記第２実施形態において、流体の流通方向における各第２合流流体流路４４の下流側にその第２合流流体流路４４と異なる方向に延びる流路や、屈曲又は湾曲した形状を有する流路等の種々の形状を有する流路が繋がっていてもよい。
また、上記各合流流体流路２８，３８，４４の長手方向に垂直な方向における断面の形状が、第１分流路３２の長手方向に垂直な方向における断面の形状と同様、深さと幅との比が０．５よりも小さくなるような形状となっていてもよい。
例えば、各合流流体流路２８，３８，４４の長手方向に垂直な断面における円弧部の半径を０．３ｍｍとし、合流流体流路２８，３８，４４の幅方向における第２直線部の長さを０．６ｍｍとした場合には、各合流流体流路２８，３８，４４の断面積は、半径が０．４５ｍｍの半円状の断面形状を有する流路の断面積とほぼ等しくなり、その各合流流体流路２８，３８，４４の相当直径は、半径が０．４５ｍｍの半円状の断面形状を有する流路の相当直径に対して約１５％減少する。従って、この構成によれば、各合流流体流路２８，３８，４４において、第１流体と第２流体の流通量（処理量）を確保しつつ、第１流体と第２流体との接触界面の面積を増やしてそれらの流体同士の相互作用を促進することができる。
２ 流通路
４ 基板
４ａ 表面
４ｂ 裏面
６ 第１封止板
８ 第２封止板
１０ 第１溝部
１２ 第２溝部
１４ 第３溝部
１６ 第１穴部
１８ 第２穴部
２２ 第１導入路
２４ 第２導入路
２６ 合流部（第１合流部）
２８ 合流流体流路（第１合流流体流路）
３０ 分流部
３２ 第１分流路
３４ 第２分流路
３６ 第１合流部
３８ 第１合流流体流路
４２ 第２合流部
４４ 第２合流流体流路
４６ 第３穴部

Claims (5)

  1. 第１流体と第２流体とをそれらの流体が互いに混合するように流通させるための複数の流通路を内部に有する流路構造体であって、
    表面及びこの表面と反対方向を向く裏面を有する基板と、
    前記基板の表面に接合された第１封止板と、
    前記基板の裏面に接合された第２封止板とを備え、
    前記基板の表面には、特定方向に延び、互いに平行に並ぶように配置された複数の第１溝部が形成され、
    前記基板の裏面には、前記各第１溝部の裏側にその各第１溝部と平行に延びるように配置された複数の第２溝部と、前記各第１溝部の裏側にその各第１溝部と平行に延びるとともに、前記各第２溝部の長手方向においてその各第２溝部から離間して配置された複数の第３溝部とが形成され、
    前記基板のうち前記各第２溝部の前記第３溝部側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第２溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第１穴部が形成され、
    前記基板のうち前記各第３溝部の前記第２溝部側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第３溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第２穴部が形成され、
    前記第１封止板は、前記各第１溝部の前記表面側の開口を封止するように前記基板の表面に接合され、
    前記第２封止板は、前記各第２溝部の前記裏面側の開口及び前記各第３溝部の前記裏面側の開口を封止するように前記基板の裏面に接合され、
    前記各流通路は、前記第１溝部のうち前記第１穴部に対して前記第２穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記第１流体が導入される第１導入路と、前記第２溝部のうち前記第１穴部が形成された部分以外の部分によって構成され、前記第２流体が導入される第２導入路と、前記第１溝部と前記第２溝部のうち前記第１穴部により連通された部分によって構成され、前記第１導入路を通じて流れる前記第１流体と前記第２導入路を通じて流れる前記第２流体とを前記基板の厚み方向において合流させる第１合流部と、前記第１溝部のうち前記第１穴部と前記第２穴部との間に位置する部分によって構成され、前記第１合流部において合流した前記両流体が流れる第１合流流体流路と、前記第１溝部と前記第３溝部のうち前記第２穴部により連通された部分によって構成され、前記第１合流流体流路を通じて流れる流体を前記基板の厚み方向において２つに分流させる分流部と、前記第１溝部のうち前記第２穴部に対して前記第１穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記分流部によって２つに分流された流体のうちの一方の流体が流れる第１分流路と、前記第３溝部のうち前記第２穴部が形成された部分以外の部分によって構成され、前記分流部によって２つに分流された流体のうちの他方の流体が流れる第２分流路とを含み、
    前記各流通路における前記第１合流流体流路は、当該第１合流流体流路を流れる流体の流れ方向に垂直な方向の断面である第１合流流体流路断面を有するとともに、当該第１合流流体流路断面の面積をＡ １ とし、当該第１合流流体流路断面の周長をＵ １ とした場合に当該第１合流流体流路断面についての以下の式（１）の関係を満たす相当直径ｄ １ を有し、
    前記各流通路における前記分流部は、前記第１合流流体流路断面と同方向の断面であり且つ前記第１溝部、前記第３溝部及び前記第２穴部により形成される断面である分流部断面を有するとともに、当該分流部断面の面積をＡ ２ とし、当該分流部断面の周長をＵ ２ とした場合に当該分流部断面についての以下の式（２）の関係を満たす相当直径ｄ ２ を有し、
    前記各流通路における前記第１分流路の相当直径及び前記第２分流路の相当直径は、その流通路における前記第１合流流体流路の相当直径よりも小さく、
    前記各流通路における前記分流部の相当直径は、その流通路における前記第１合流流体流路の相当直径よりも大きい、流路構造体。
    ｄ １ ＝４Ａ １ ／Ｕ １ ・・・（１）
    ｄ ２ ＝４Ａ ２ ／Ｕ ２ ・・・（２）
  2. 前記各流通路における前記第１分流路の長手方向に垂直な断面の面積と前記第２分流路の長手方向に垂直な断面の面積との和は、その流通路における前記第１合流流体流路の長手方向に垂直な断面の面積以上である、請求項１に記載の流路構造体。
  3. 前記基板のうち前記各第３溝部の前記第２溝部と反対側の端部が位置する部位には、当該基板を表面から裏面へ貫通して当該各第３溝部とその表側に位置する前記第１溝部とを連通させる複数の第３穴部が形成され、
    前記各流通路は、前記第１溝部と前記第３溝部のうち前記第３穴部により連通された部分によって構成され、その流通路の前記第１分流路を通じて流れる流体とその流通路の前記第２分流路を通じて流れる流体とを前記基板の厚み方向において合流させる第２合流部と、前記第１溝部のうち前記第３穴部に対して前記第２穴部と反対側に位置する部分によって構成され、前記第２合流部において合流した流体が流れる第２合流流体流路とを含む、請求項１又は２に記載の流路構造体。
  4. 前記基板の厚み方向における前記各第１分流路の深さＤ１と前記基板の面方向でかつ当該第１分流路の長手方向に垂直な方向における当該第１分流路の幅Ｗ１との比Ｄ１／Ｗ１は０．５よりも小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路構造体。
  5. 前記基板の厚み方向における前記各第２分流路の深さＤ２と前記基板の面方向でかつ当該第２分流路の長手方向に垂直な方向における当該第２分流路の幅Ｗ２との比Ｄ２／Ｗ２は０．５よりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路構造体。
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