JP5781414B2 - 流体混合器及び流体混合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、２種類以上の液体を混合する流体混合器に関する。
例えば、液体クロマトグラフのポストカラム反応を利用したアミノ酸分析装置がある。このアミノ酸分析装置は試料内のアミノ酸の含有量の測定や種類の同定を行う装置である。
アミノ酸分析装置は、試料液を分離カラムに通して、試料液内の検出対象成分であるアミノ酸を分離し、分離したアミノ酸にニンヒドリン試薬などの試薬液を混合し、混合液を加熱することで反応させ、反応生成物を検出器で検出する装置である。
従来のアミノ酸分析装置は、試薬液と検出対象成分とを混合するためにＴ字コネクタと配管とを用いていた。試薬液と検出対象成分はＴ字コネクタで合流し、その下流の配管内で濃度拡散によって混合する。
この場合、混合に必要な時間が長いため、混合に必要な配管長が長くなり、その配管内において測定対象成分が流れ方向に拡がる。液体クロマトグラフでは、検出対象成分が配管内で流れ方向に拡がると、検出対象成分が検出器に流入してから流出するまでの時間が長くなるため、分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
したがって、試薬液と検出対象成分の混合に必要な時間を短くするために流体混合器が用いられる。
分析装置内にある流体混合器の一例として、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載の流体混合器は、試薬液が流れる管状の試薬流路と、液体クロマトグラフ装置の分離カラムからの試料液が流れる管状の試料流路とが連結部にて合流する流体混合器である。
この流体混合器は、連結部と、その下流の合流流路と、試薬流路および試料流路よりも流路断面積が大きくかつ流路長が短い大径部と、この大径部よりも流路断面積が小さくかつ流路長が長い小径部とが順に連結されている構造である。
この流体混合器では、合流流路と大径部の幅が異なるため、大径部において渦流が発生し、この渦流により液体の混合が行われる。
また、流体混合器の他の例としては、特許文献２に記載された技術がある。特許文献２に記載の流体混合器は、流路が分岐と混合を繰り返す構造である。この流路構造では、２つの流体の衝突、流れ方向の変化、流速の変化などで乱流が発生し、その結果、２つの流体が混合する流体混合器である。
特開２００２−１３１３２６号公報 特開２００８−２４６２８３号公報
特許文献１に記載の流体混合器にあっては、渦流によって液体を混合するが、この場合、渦流に巻き込まれた検出対象成分と渦流に巻き込まれなかった検出対象成分とは、流体混合器内での滞留時間が異なる。そのため、流体混合器の上流に比べて流体混合器の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がりが大きくなる。
その結果、分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
特許文献２に記載の流体混合器は、流体が分岐前の流路と、分岐流路と、合流後の流路とを流れることによって、流体が分岐と合流を繰り返す。この流体混合器の流路では、流路中央では流れが速く、流路の壁面近くでは流れが遅い流速分布を持つ。
また、特許文献２に記載の流体混合器では、分岐前の流路において流路中央の速い流れの位置にある流体は、分岐流路においては壁面近くの遅い流れの位置となり、合流後の流路においては再び流路中央の速い流れの位置となる。
また、分岐前の流路において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体は、分岐流路においては流路中央の速い流れの位置となり、合流後の流路においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置となる。
一方、分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置にある流体は、分岐流路においても壁面近くの遅い流れの位置にあり、合流後の流路においても壁面近くの遅い流れの位置にあり、常に遅い流れの位置を流れる。
したがって、分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間は、分岐前の流路において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間に比べて長い。
また、上記分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間は、分岐前の流路において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間に比べて長い。
すなわち、流体混合器の入口（分岐前の流路）の断面において、検出対象成分が流入する場所によって、流体混合器内に滞留する時間が異なる。その結果、流体混合器の上流に比べて流体混合器の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がりが大きくなる。
その結果、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
本発明の目的は、検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さく、分析装置の分析精度を向上可能な流体混合器及び流体混合方法を実現することである。
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
少なくとも２種類の流体を混合させる流体流路を有し、直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流体を流し、上記第１の流路から第２の流路及び第３の流路に流体を分岐し、上記第２の流路と第３の流路とに分岐された流体を合流部で合流し、上記合流部で合流した流体を、−第１軸方向に流し、上記流体を導出口に導出する。
検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さく、分析装置の分析精度を向上可能な流体混合器及び流体混合方法を実現することができる。
本発明の流体混合器が適用されたアミノ酸分析装置の概略構成図である。 本発明の流体混合器の組み立て分解斜視図である。 本発明とは異なる例であり、本発明との比較のため、流路内での検出対象成分の拡がりを示す図である。 本発明の原理説明のため、検出対象成分の拡がりの抑制効果を示す図である。 本発明の第１の実施例における流体混合器を複数組み合わせた例を示す図である。 配管内の検出対象成分と溶離液と試薬液の様子を説明する図である。 混合率と合流部からの距離の関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２、第３の実施例による流体混合器の説明図である。 本発明の第４の実施例における流体混合器が適用されたアミノ酸分析装置の概略構成図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
図１は本発明の流体混合器が適応されたとアミノ酸分析装置の概略構成である。図１において、アミノ酸分析装置は、試料液容器１と、溶離液容器２と、オートサンプラー３と、溶離液送液ポンプ４と、試薬液容器５と、試薬液送液ポンプ６と、試料液中の検出対象成分を分離する分離カラム７とを備える。
また、アミノ酸分析装置は、流体混合器１３と、反応部配管９と、反応部配管９を内部に有し、検出対象成分と試薬液を加温させて反応させるための加温機１０と、反応部配管９で生じた反応生成物を検出する検出器１１と、配管１７と、廃液容器１８とを備える。１２は検出器１１を通過した廃液、１４は試料液、１５は溶離液、１６は試薬液である。
図１に示したアミノ酸分析装置は、溶離液１５が溶離液容器２から溶離液送液ポンプ４によって送液される。試料液１４は試料液容器１からオートサンプラー３によって、溶離液１５に合流し、分離カラム７に流れる。分離カラム７では、電荷の違いで試料液の中の検出対象成分が分離され、分離された検出対象成分は試薬液１６と流体混合器１３で合流する。流体混合器１３は後述するように、Ａ基板４０７、Ｂ基板４０８、Ｃ基板４０９が積層されている。
試薬液１６は試薬液容器５から試薬液送液ポンプ６によって送液される。分離カラム７で分離された検出対象成分と試薬液１６とは流体混合器１３で混合された後、反応部配管９にて反応する。そして、反応部配管９で生じた反応生成物は検出器１１にて検出され、廃液容器１８に送液される。
図６は、分離カラム７で分離された検出対象成分１９（アミノ酸Ａ２１、アミノ酸Ｂ２２、アミノ酸Ｃ２３）と溶離液１５と溶離液と試薬液の混合液２７の配管内の分布を示す図である。図６において、配管１７の内部には、アミノ酸Ａ２１、アミノ酸Ｂ２２、アミノ酸Ｃ２３、溶離液１５、アミノ酸Ａ２１と試薬液と反応してできた反応生成物２４、アミノ酸Ｂ２２と試薬液が反応してできた反応生成物２５、アミノ酸Ｃと試薬液が反応してできた反応生成物２６、溶離液と試薬液の混合液２７が存在ｓじている。
図６の（ａ）は、検出対象物成分１９と溶離液１５との混合前の配管１７内を示し、検出対象成分１９（アミノ酸Ａ２１、アミノ酸Ｂ２２、アミノ酸Ｃ２３）は、それぞれ溶離液１５中に分離されて流れる。
そして、流体混合器１３でアミノ酸Ａ２１、アミノ酸Ｂ２２、アミノ酸Ｃ２３が試薬液１６と混合する。図６の(ｂ)は、検出対象物成分１９と溶離液１５との混合後の配管１７内を示し、混合後の配管１７内では、溶離液と試薬液の混合液２７の中に、アミノ酸Ａ２１と試薬液が反応してできた反応生成物２４、アミノ酸Ｂ２２と試薬液が反応してできた反応生成物２５、アミノ酸Ｃ２３と試薬液１６が反応してできた反応生成物２６が存在するようになる。
図２は本発明の流体混合器１３の組み立て分解斜視図である。図２が示すように、本発明の第１の実施例による流体混合器１３は、Ａ基板４０７と、Ｂ基板４０８と、Ｃ基板４０９とから形成される。ネジ（図示せず）をネジ通し穴４１１に通してネジ穴４１０に回し入れることで、３枚の基板を積層して固定し、流体混合器１３を形成する。Ａ基板４０７には、Ａ液４０１の導入口４０４、Ｂ液４０２の導入口４０５、混合液４０３の導出口４０６が形成されている。
Ａ基板４０７、Ｂ基板４０８、Ｃ基板４０９の材質は、例えば、ステンレス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどを用いることができる。図２に示した流体混合器により、図５に示す流路形状が形成される。
図３は、本発明とは異なる原理の流体混合器の説明図であり、本発明との比較例を示す図である。
図３の（ａ）は、１本の流路内での検出対象成分の流れ方向の拡がりを説明するための流路概略断面図である。図３の（ａ）において、１本の流路９０１に検出対象成分１９が入り、流路内を通過する場合、流路内の流速分布は９０２のように、流路の流体流れ方向中心線から流路の壁面に向かうにつれて流速が遅くなる放物線状となる。このため、検出対象成分の分布も放物線状の分布９０４となり、検出対象成分の流れ方向の拡がりは９０５となる。
図３の（ｂ）は、流路分岐前の流路１１１と、分岐流路１１２と、合流流路１１３とからなる比較例における流体混合器９１１内での検出対象成分の流れ方向の拡がりの様子を示す流路概略断面図である。
図３の（ｂ）では、分岐前の流路１１１に検出対象成分１９が入り、分岐前の流路１１１を通過すると、検出対象成分が放物線状流速分布９０３によって分岐部６２の直前の上流側では放物線状の分布９３０になっている。分布９３０の検出対象成分は分岐部６２で、図３の（ｂ）に示した＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向に分岐し（成分６０および成分６１）、分岐流路１１２内の流速分布９０３により、流路中央では速く移動し（中央成分９０８）、壁面付近では遅く移動する（壁面成分９０６）。そのため、合流部３３の直前の上流側では、検出対象成分は成分３０および成分３１のように流れ方向に拡がる。
合流部３３において、成分３０と成分３１とが合流して図３の（ｂ）に示した＋Ｘ軸方向に流れ、成分４０になる。
ここで、成分３０については、流路内の壁面近くの流れの遅い成分（壁面成分９０６（合流流路１１３から遠い方の壁面の成分））が、合流流路内の中央に移動し（中央成分９０７）、流路中央の流れの速い成分（中央成分９０８）が合流流路内の壁面側に移動する（壁面側成分９０９）。
一方、分岐前の流路１１１での壁面近くの流れの遅い成分９３３は、分岐流路１１２内においても壁面近くの遅い流れの位置９１３にあり、合流流路１１３においても壁面近くの遅い流れの位置９１４にある。
したがって、合流流路１１３での成分の分布９１０の拡がりは９１２となる。
分岐前の流路１１１において、流路中央の速い流れの位置にある流体９３４は、分岐流路１１２においては、壁面近くの遅い流れの位置９３５にあり、合流後の流路１１３においては、再び流路中央の速い流れの位置９０７にある。
また、分岐前の流路１１１において、流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体９３６は、分岐流路１１２においては流路中央の速い流れの位置９０８にあり、合流後の流路１１３においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置９０９にある。
一方、分岐前の流路１１１において壁面近くの遅い流れの位置にある流体９３３は、分岐流路１１２においても壁面近くの遅い流れの位置９１３にあり、合流後の流路１１３においても壁面近くの遅い流れの位置９１４にあり、常に遅い流れの位置を流れる。
したがって、分岐前の流路１１１において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分９３３が分岐前の流路１１１と分岐流路１１２と合流流路１１３に滞留する時間は、分岐前の流路１１１において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分９３４が分岐前の流路１１１と分岐流路１１２と合流流路１１３に滞留する時間より長い。また、検出対象成分９３３は、分岐前の流路１１１において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分９３６が分岐前の流路１１１と分岐流路１１２と合流流路１１３に滞留する時間に比べて長くなる。
すなわち、この流体混合器９１１内を流れる検出対象成分が流体混合器９１１内に滞留する時間は、流体混合器の入口（分岐前の流路１１１）断面において検出対象成分が流入する場所によって異なる。よって、流体混合器９１１の上流に比べて流体混合器９１１の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がり９１２が大きくなる。その結果、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
図４は、本発明の流体混合器の原理説明図であり、流路構造９２１において、検出対象成分の拡がりの抑制効果を示している。直交座標の互いに直交する軸を、第１軸、第２軸、第３軸とする。これらを、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として説明する。
ただし、第１軸をＸ、Ｙ、Ｚ軸のいずれにも設定可能である。同様に、第２軸、第３軸をＸ、Ｙ、Ｚ軸のいずれにも設定可能である。
図４の（ａ）においては、分岐前の流路１１５の流れ方向をＸ軸とし、 分岐前の流路１１５の流れ方向に垂直な方向をＹ軸、Ｚ軸とし、紙面に垂直な方向をＺ軸とする。
図４の（ｂ）においては、分岐前の流路１１５の流れ方向をＸ軸とし、 分岐前の流路１１５の流れ方向に垂直な方向をＹ軸、Ｚ軸とし、紙面に垂直な方向をＹ軸とする。
図４の（ｂ）は、流路の側面図を示し、図４の（ａ）は、図４の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。
流路構造９２１においては、図４の（ａ）に示すように、分岐前の流路１１５（第１の流路）に流体が＋Ｘ軸方向に流れ、その下流の分岐流路１１６（第２の流路、第３の流路）で＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向の流れに分岐し、その下流でＸ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向に流れが曲がる。そして、その下流で第２の流路と第３の流路は合流部に接続され、分岐した流体がこの合流部で合流する。この合流部は第４の流路に接続されており、第４の流路は、−Ｘ軸方向に延び、流体の流れも−Ｘ軸方向に曲がる。
さらに、図４の（ｂ）に示すように、第４の流路は、流体を導出する導出口に導く第５の流路（導出路）に接続される。この第５の流路は、＋Ｚ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｘ軸方向に流れが曲がり、その下流で−Ｚ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｘ軸方向に流れが曲がる。そして、第５の流路は、＋Ｘ軸方向に延びて、流体は＋Ｘ軸方向に流れる。
図４の（ａ）において、流路構造９２１に流入する検出対象成分１９は、流速分布９１５により、分岐部５２の直前の上流側で放物線状の分布を持つ成分９４０となる。成分９４０は分岐部５２で＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向に分岐し（成分５０および成分５１）、分岐流路１１６内の流速分布９１５により、流路中央では速く移動し（中央成分９１８）、壁面付近では遅く移動するため（壁面成分９２３）、成分５３および成分５４のように流れ方向に拡がる。
合流部５５で、成分５３と成分５４とが合流して−Ｘ軸方向に流れが曲がり、成分５６になる。成分５６については、成分５３と成分５４の壁面近くの遅い流れの成分（壁面成分９２３）が流路中央に移動し（中央成分９１７）、成分５３と成分５４の流路中央の速い流れの成分（中央成分９１８）が壁面側に移動する（壁面側成分９１９）。また、成分５３と成分５４の壁面近くの遅い流れの成分（壁面成分９１６）は、壁面における流の成分９２０となる。その後、図４の（ｂ）に示すように、流体は＋Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向、−Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向に流れ方向を変化していく。
したがって、分岐前の流路１１５の壁面近くの遅い流れの成分９４３は、分岐と合流後に流路中央の速い流れに位置する(中央成分９１７)。流体混合器出口での成分の分布９２６の拡がりは９２２となる。この広がり９２２は、図３に示した１本の流路９０１による拡がり９０５よりも小さく、分岐合流する流体混合器９１１による拡がり９１２よりも小さくなる。分布９２６は中心部９２５の成分より壁面部の成分が上流側に位置する状態となっており、流体混合器出口に向かうにつれ、中心部９２５の成分と壁面部の成分のとの距離は短縮する。
本発明の流路構造９２１では、分岐前の流路１１５において、流路中央の速い流れの位置にある流体９４５は、分岐流路１１６においては壁面近くの遅い流れの位置９４６にあり、合流後の流路１１７においては壁面近くの遅い流れの位置９２０にある。
また、分岐前の流路１１５において、流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体９４７は、分岐流路１１６においては流路中央の速い流れの位置９１８にあり、合流後の流路１１７においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置９１９にある。
一方、分岐前の流路１１５において、壁面近くの遅い流れの位置にある流体９４３、９４４は、分岐流路１１６においても壁面近くの遅い流れの位置９２３にあり、合流後の流路１１７においては流路中央の速い流れの位置９１７にある。
したがって、分岐前の流路１１５において、壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分９４３、９４４が分岐前の流路１１５と分岐流路１１６と合流流路１１７に滞留する時間は、分岐前の流路１１５において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分９４５が分岐前の流路１１５と分岐流路１１６と合流流路１１７に滞留する時間と同等となる。
また、壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分９４３、９４４は、分岐前の流路１１５において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分９４７が分岐前の流路１１５と分岐流路１１６と合流流路１１７に滞留する時間と同等となる。
すなわち、この流体混合器９２１内を流れる検出対象成分が流体混合器９２１内に滞留する時間は、流体混合器９２１の入口（分岐前の流路１１５）断面において検出対象成分が流入する場所によらず同等である。その結果、流体混合器９２１の上流に対する流体混合器９２１の下流における検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さくなる。
したがって、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がらず、アミノ酸分析装置の分析精度を向上することができる。
なお、図４の（ｂ）に示した流路において、＋Ｚ軸方向に延長した後、＋Ｘ軸方向に延び、その後、−Ｚ軸方向に延びているが、＋Ｚ軸方向への延長距離、＋Ｘ軸方向への延長距離、及び−Ｚ軸方向への延長距離は、流路の断面積、流体の流量等を考慮して、流路中心部分の検出対象成分と流路壁面部分の検出対象成分の位置関係が、流体混合器の出口部分で最も接近するように、つまり、拡がり９２２が最も小となるように設定することが可能である。
図４に示した流体混合器９２１は、分岐前流路１１５と合流流路１１７との間でＸＹ平面内での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えた。しかし、ＸＺ平面の流速分布によるＸＺ平面での検出対象成分の流れの拡がりが存在し、図４に示した流れの位置の入れ替えをＸＺ平面についても行うことで、ＸＺ平面での検出対象成分の流れ方向の拡がりを抑えることができる。
ＸＺ平面での流れの位置の入れ替えは、図４の流路９２１をＸ軸回りに角度９０度回転させた流路構造に流体を流せばよい。ＸＹ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、ＸＺ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器とを接続し、一つの流体混合器とすることができる。
ＸＺ平面での流れの位置の入れ替えの流路構造を以下に説明する。
図４に示したＹ軸をＺ軸とし、Ｚ軸をＹ軸として、分岐前の流路１１５（第１の流路）に流体が＋Ｘ軸方向に流れ、その下流の分岐流路１１６（第２の流路、第３の流路）で＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向の流れに分岐し、その下流でＸ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に流れが曲がる。そして、その下流で第２の流路と第３の流路は合流部に接続され、分岐した流体がこの合流部で合流する。この合流部は第４の流路に接続されており、第４の流路は、−Ｘ軸方向に延び、流体の流れも−Ｘ軸方向に曲がる。
さらに、図４の（ｂ）に示すように、第４の流路は、第５の流路に接続され、この第５の流路は、＋Ｙ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｘ軸方向に流れが曲がり、その下流で−Ｙ軸方向に流れが曲がり、その下流で＋Ｘ軸方向に流れが曲がる。
そして、第５の流路は、＋Ｘ軸方向に延び、流体は＋Ｘ軸方向に流れる。
また、ＸＹ平面において、Ｙ軸方向から流体が流入する場合は、図４のＸ軸とＹ軸とを入れ替えた場合の流路構造となる。この場合、合流後の流路１１７における流体の流れは、−Ｙ方向となる。
さらに、ＹＺ平面において、＋Ｚ軸方向から流体が流入する場合は、図４において、Ｘ軸とＺ軸とを入れ替えた場合の流路構造となる。この場合、合流後の流路１１７における流体の流れは、−Ｚ方向となる。ＹＺ平面において、−Ｚ軸方向から流体が流入する場合は、合流後の流路１１７における流体の流れは、＋Ｚ方向となる。
ＸＹ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、ＸＺ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、ＹＺ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器とを接続し、一つの流体混合器とすることも可能である。各流体混合器をそれぞれ複数個とし、６つ以上の流体混合器を接続して流体混合器を構成することも可能である。
ここで、流体混合器に流路の一例として、断面形状が正方形であり、一辺の寸法が１００〜１０００マイクロメートルの配管を使用することができる。
図５は、本発明の第１の実例による流体混合器の流路形状を示す図である。なお、後述する要素１０１〜１０６は、図４に示した本発明の原理に従って形成されているが、図示の都合上、分岐した流体が合流した直後に、−Ｘ軸方向、−Ｙ軸方向又は＋Ｚ軸方向に流体を流す流路は省略されている。
図５において、直交座標系の３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とすると、本発明の第１の実施例における流体混合器は、Ａ液（試料液に相当）４０１と、Ｂ液（試薬液に相当）４０２が、それぞれの入口であるＡ液導入口４０４、Ｂ液導入口４０５から、−Ｚ軸方向に導入され、Ａ液４０１は＋Ｘ軸方向に流れ、Ｂ液４０２は−Ｘ軸方向に流れて、合流部８０１で互いに合流し、その後に−Ｚ軸方向に流れる。
そのとき、Ａ液４０１とＢ液４０２とがＹ軸方向から見て左右に位置する（流路断面Ａ）。その下流で、−Ｙ軸方向と＋Ｙ軸方向とに分岐部８０２で分岐し、＋Ｘ軸方向に流れる（流路断面Ｂ）。その後、−Ｙ軸方向と＋Ｙ軸方向に流れ、合流部８０３で合流し、−Ｘ軸方向から＋Ｚ軸方向に流された後、＋Ｘ軸方向に流れ、分岐部８０４で、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に分岐し、＋Ｘ軸方向に流れた後（流路断面Ｃ）、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に流れて合流部８０５で合流する。その後、−Ｘ軸方向に流れた後、＋Ｙ軸方向に流れ、＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向に分岐部８０６で分岐し、＋Ｙ軸方向に流れた後（流路断面Ｄ）、＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向に流れて、合流部８０７で合流する。その後、−Ｙ軸方向に流れた後、＋Ｚ軸方向に流れ、＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向に分岐部８０８で分岐し、−Ｚ軸方向に流れ（流路断面Ｅ）、＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向に流れて合流部８０９で合流する。
その後、＋Ｚ軸方向に流れた後、＋Ｘ軸方向に流れ、＋Ｚ軸方向、続いて＋Ｘ軸方向に流れた後、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に分岐部８１０で分岐する。そして、＋Ｘ軸方向に流れた（流路断面Ｆ）後、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に流れ、合流部８１１で合流し、−Ｘ軸方向に流れた後、＋Ｙ軸方向に流れ、＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向に分岐部８１２で分岐し、＋Ｙ軸方向、＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向に流れた後、合流部８１３で合流し、−Ｙ軸方向に流れた後、＋Ｚ軸方向に流れる。そして、混合液導出口４０６から混合液４０３が導出される。
Ａ液４０１とＢ液４０２とは、流路内で層を形成し、Ａ液４０１とＢ液４０２とが上下または左右に位置する。そして、Ａ液４０１とＢ液４０２との２液の層間の距離が短くなり、互いに混合する。
このように、要素１０１〜１０６をＸＹ軸方向とＸＺ軸方向に繋ぎ合わせることで、１番目の要素１０１と３番目の要素１０３と６番目の要素１０６とは、ＸＹ軸方向の流速分布による拡がりを抑制し、２番目の要素１０２と４番目の要素１０４と５番目の要素１０５とは、ＸＺ軸方向の流速分布による拡がりを抑制して、出口４０６での成分分布の拡がりを抑えることができる。
つなぎ合わせる要素数で、Ａ液とＢ液との混合のしやすさが決まる。流路幅（１１９）が０．２ｍｍ、１つの要素の流路の長さ（１１８）が１．０ｍｍとすると、５個目の要素数の多層流の厚さ（１２０）は０．００６２５ｍｍとなる。検出対象成分のアミノ酸の一種であるグリシンの水中における拡散係数は１．０４×１０−９ｍ２／ｓであるため、グリシンが水中で５個目の要素の多層流の厚さ０．００６２５ｍｍを拡散する時間は０．００９ｓである。流量が０．７５ｍＬ／ｍｉｎのとき、１つの要素を流体が通過する平均時間は０．０１３７ｓであることから、６個目の要素を通過したときグリシンは試薬液と完全に混合する。
このように、検出対象成分の拡散係数と流路寸法と流量に応じて要素の数を設けておけば、検出対象成分と試薬液が本発明の流体混合器を通過することで完全に混合する。
図７は、混合率と、合流部からの距離との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
図７の横軸は、Ａ液とＢ液の合流部からの距離（ｍ）を示し、縦軸は、Ａ液とＢ液とが流路断面に均一に拡がっているかを表す混合率を示す。混合率１００％が完全に混合した状態である。
本発明の流体混合器での混合率の変化１１１（実線）と、本発明とは異なりＴ字コネクタでの混合率の変化１１２（破線）とを比較すると、本発明では、０．００８ｍ近辺で混合率がほぼ１００％となっているのに対し、Ｔ字コネクタの場合は、混合率がほぼ１００％となるのに約２ｍ必要としている。このように、本発明の流体混合器ではＴ字コネクタよりも短い距離で混合が可能なことがわかる。
したがって、本発明の流体混合器をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、本発明の流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりも分析時間を短くすることができる。
また、本発明の流体混合器をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、本発明の流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりもポンプの送液圧力を小さくすることができる。
図８は、本発明の第２、第３の実施例における流体混合器の概略構成図である。図８の（ａ）が本発明の第２の実施例であり、図８の（ｂ）が本発明の第３の実施例である。
分岐流路の形状は、図４に記載のようなＺ軸方向から見て、四角形の流路に限らず、図８の（ａ）に示す円形または楕円形の形状や、図８の（ｂ）に示す菱形又は三角形の形状でもよい。つまり、流路の曲り部は直角以外の角度又は曲線状に曲がっていてもよい。
図８の（ａ）に示す楕円形の形状の流路では、図４に示す四角形の流路に比べて、曲がり部での淀みや渦流がより小さくなる。このため、検出対象成分の流路内の流れ方向の拡がりが小さくなり、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が小さくなって、分析精度が向上する。
また、図８の（ｂ）に示す菱形の形状では、図４に示す四角形の流路に比べて曲がりの数が少ないため、曲がり部での淀みや渦流による検出対象成分の流路内の流れ方向の拡がりが小さくなる。このため、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が小さくなり、分析精度が向上する。
図９は、本発明の第４に実施例である流体混合器をアミノ酸分析装置に適用した例の概略構成図である。
図１に示した例と、図９に示した例との相違点は、図１に示した例においては、流体混合器１３と、反応部配管９を有する加温機１０とが別箇に設けられているが、図９に示した例においては、本発明の流体混合器を反応部配管と兼用することにより、流体混合器と加温器とを一つとした流体混合加温器３０として構成した点である。流体混合加温機３０は、例えば、図５の構成の流路に加温機構を備えている。
この第４の実施例は、第１の実施例と同様な効果を有する他、流体混合器と加温機とを一体化してアミノ酸分析装置の構造を簡素化することができる。
なお、本発明の流体混合器は、流体が互いに分岐した後に合流するまでの流路距離と、合流して再び分岐するまでの流路距離は、流路断面積、材質が同一であることを条件として原則的に同一である。ただし、流体流量、流路断面積を考慮して、流速分布が分岐前の流速分布と同一となる距離未満まで合流後の流路距離を延長可能である。
また、上述した実施例においては、＋Ｘ軸方向に流れる流体を２つに分岐し、合流した後に、−Ｘ軸方向に流すことにより、流路中央成分を壁面側成分の下流側とし、＋Ｚ軸方向→＋Ｘ軸方向→−Ｚ軸方向に流し、下流側となった流路を跨ぐ構成としているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
例えば、＋Ｘ軸方向に流れる流体を２つに分岐し、合流した後に、＋Ｚ軸方向に流した後、−Ｘ軸方向に流し、その後、＋Ｚ軸方向→＋Ｘ軸方向→−Ｚ軸方向に流し、下流側となった流路を跨ぐ構成とすることも可能である。
以上のように、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、クロマトグラムのピーク幅の拡がりが小さく、従来の流体混合器を用いるアミノ酸分析装置よりも分析精度が向上する。
また、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、 流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりも分析時間が短くなる。
さらに、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりもポンプの送液圧力が小さくなる。
１・・・試料液容器、２・・・溶離液容器、３・・・オートサンプラー、４・・・溶離液送液ポンプ、５・・・試薬液容器、６・・・試薬液送液ポンプ、７・・・分離カラム、９・・・反応部配管、１０・・・加温機、１１・・・検出器、１２・・・廃液、１３・・・流体混合器、１４・・・試料液、１５・・・溶離液、１６・・・試薬液、１７・・・配管、１８・・・廃液容器、１９・・・検出対象成分、３０・・・流体混合加温機、１１５・・・分岐前の流路、１１６・・・分岐流路、１１７・・・合流後の流路、４０７〜４０９・・・基板

Claims (8)

  1. 少なくとも２種類の流体を混合させる流体流路を有する流体混合器において、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、
    ＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、
    上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、
    上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、
    上記合流部に接続され、−第１軸方向に延びる第４の流路と、
    上記第４の流路に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路と、を備え、かつ、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続される第１の流体混合器と、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第３軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第３軸方向に延びて上記合流部に接続される第２の流体混合器と、をさらに備え、
    上記第１の流体混合器と上記第２の流体混合器とが互いに接続されることを特徴とする流体混合器。
  2. 少なくとも２種類の流体を混合させる流体流路を有する流体混合器において、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、
    ＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、
    上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、
    上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、
    上記合流部に接続され、−第１軸方向に延びる第４の流路と、
    上記第４の流路に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路と、を備え、かつ、
    上記第２の流路は、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、
    上記第３の流路は、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、かつ、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器である第１の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第１の要素の導出路に接続される第２の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第２の要素の導出路に接続される第３の要素と、
    上記第１軸をＺ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＸ軸とした流体混合器であり、上記第３の要素の導出路に接続される第４の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第４の要素の導出路に接続される第５の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第５の要素の導出路に接続される第６の要素と、
    を備えることを特徴とする流体混合器。
  3. アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置において、
    試料液と溶離液とを合流させるオートサンプラーと、
    上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離する分離カラムと、
    上記分離カラムにより分離された検査対象成分と試薬液とを混合する流体混合器であり、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、上記合流部に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路とを有する流体混合器と、
    上記流体混合器により混合された試薬液及び検査対象成分を加温する加温機と、
    上記加温機で生じる反応生成物を検出する検出器と、を備え、
    上記流体混合器は、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続される第１の流体混合器と、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第３軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第３軸方向に延びて上記合流部に接続される第２の流体混合器と、を備え、
    上記第１の流体混合器と上記第２の流体混合器とが互いに接続されることを特徴とするアミノ酸分析装置。
  4. アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置において、
    試料液と溶離液とを合流させるオートサンプラーと、
    上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離する分離カラムと、
    上記分離カラムにより分離された検査対象成分と試薬液とを混合する流体混合器であり、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、上記合流部に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路とを有する流体混合器と、
    上記流体混合器により混合された試薬液及び検査対象成分を加温する加温機と、
    上記加温機で生じる反応生成物を検出する検出器と、を備え、
    上記流体混合器は、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、かつ、
    上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器である第１の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第１の要素の導出路に接続される第２の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第２の要素の導出路に接続される第３の要素と、
    上記第１軸をＺ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＸ軸とした流体混合器であり、上記第３の要素の導出路に接続される第４の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第４の要素の導出路に接続される第５の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第５の要素の導出路に接続される第６の要素と、
    を備えることを特徴とするアミノ酸分析装置。
  5. アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置において、
    試料液と溶離液とを合流させるオートサンプラーと、
    上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離する分離カラムと、
    上記分離カラムにより分離された検査対象成分を試薬液と混合し、加温する流体混合加温器であり、直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、上記合流部に接続され、−第１軸方向に延びる第４の流路と、この第４の流路に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路とを有する流体混合部と、
    この流体混合部を加温する加温部を有する流体混合加温部と、
    上記流体混合器により混合された試薬液及び検査対象成分を加温する加温機と、
    上記加温機で生じる反応生成物を検出する検出器と、を備え、かつ、
    上記流体混合部は、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続される第１の流体混合部と、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第３軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第３軸方向に延びて上記合流部に接続される第２の流体混合部と、
    が互いに接続されることを特徴とするアミノ酸分析装置。
  6. アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置において、
    試料液と溶離液とを合流させるオートサンプラーと、
    上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離する分離カラムと、
    上記分離カラムにより分離された検査対象成分を試薬液と混合し、加温する流体混合加温器であり、直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流す第１の流路と、上記第１の流路から分岐する第２の流路及び第３の流路と、上記第２の流路と第３の流路と接続された合流部と、上記合流部に接続され、−第１軸方向に延びる第４の流路と、この第４の流路に接続され、流体を導出する導出口に導出する導出路とを有する流体混合部と、
    この流体混合部を加温する加温部を有する流体混合加温部と、
    上記流体混合器により混合された試薬液及び検査対象成分を加温する加温機と、
    上記加温機で生じる反応生成物を検出する検出器と、を備え、かつ、
    上記流体混合部は、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、かつ、
    上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器である第１の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第１の要素の導出路に接続される第２の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第２の要素の導出路に接続される第３の要素と、
    上記第１軸をＺ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＸ軸とした流体混合器であり、上記第３の要素の導出路に接続される第４の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第４の要素の導出路に接続される第５の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第５の要素の導出路に接続される第６の要素と、
    を備えることを特徴とするアミノ酸分析装置。
  7. 少なくとも２種類の流体を混合させる流体流路を有する流体混合方法において、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、
    ＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流体を流し、
    上記第１の流路から第２の流路及び第３の流路に流体を分岐し、
    上記第２の流路と第３の流路とに分岐された流体を合流部で合流し、
    上記合流部で合流した流体を、−第１軸方向に流し、
    上記流体を導出口に導出し、かつ、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続される第１の流体混合器と、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第３軸方向に延びて上記合流部に接続され、上記第３の流路が、上記第１の流路から−第３軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第３軸方向に延びて上記合流部に接続される第２の流体混合器と、を互いに接続することを特徴とする流体混合方法。
  8. 少なくとも２種類の流体を混合させる流体流路を有する流体混合方法において、
    直交座標系の互いに直交する３軸を、第１軸、第２軸、第３軸としたとき、
    ＋第１軸方向に延び、流体導入口からの流体を＋第１軸方向に流体を流し、
    上記第１の流路から第２の流路及び第３の流路に流体を分岐し、
    上記第２の流路と第３の流路とに分岐された流体を合流部で合流し、
    上記合流部で合流した流体を、−第１軸方向に流し、
    上記流体を導出口に導出し、
    上記第２の流路が、上記第１の流路から＋第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、−第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、
    上記第３の流路は、上記第１の流路から−第２軸方向に延び、＋第１軸方向に延び、＋第２軸方向に延びて上記合流部に接続され、かつ、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器である第１の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第１の要素の導出路に接続される第２の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第２の要素の導出路に接続される第３の要素と、
    上記第１軸をＺ軸、第２軸をＹ軸、第３軸をＸ軸とした流体混合器であり、上記第３の要素の導出路に接続される第４の要素と、
    上記第１軸をＸ軸、第２軸をＺ軸、第３軸をＹ軸とした流体混合器であり、上記第４の要素の導出路に接続される第５の要素と、
    上記第１軸をＹ軸、第２軸をＸ軸、第３軸をＺ軸とした流体混合器であり、上記第５の要素の導出路に接続される第６の要素と、
    を備えることを特徴とする流体混合方法。
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