JP2002346354A - マイクロ混合器 - Google Patents

マイクロ混合器

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JP2002346354A JP2001158633A JP2001158633A JP2002346354A JP 2002346354 A JP2002346354 A JP 2002346354A JP 2001158633 A JP2001158633 A JP 2001158633A JP 2001158633 A JP2001158633 A JP 2001158633A JP 2002346354 A JP2002346354 A JP 2002346354A
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    • B01F25/4323Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ミキシング性能が良好で、その製作が容易な
安価で簡易な構造のマイクロ混合器を提供する。 【解決手段】 上流側の面に2個のインレット11a,
11bを備え、下流側の面に2個のアウトレット12
a,12bを備えた複数の混合分配ユニット10を所定
の閉曲線上に周期的に配列した複数枚の流路モジュール
7を積層し、前記各混合分配ユニットを上記各層の流路
モジュール間において順に連結する。特に各流路モジュ
ールの1つの混合分配ユニットにおける2個のアウトレ
ットを、隣接する下流側の流路モジュールにおける2個
の混合分配ユニットの各1個のインレットにそれぞれ個
別に連結して、多層構造をなすマイクロ混合器を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ミキシング性能が
良好で、その製作が容易な簡易な構造のマイクロ混合器
に関する。
【0002】
【関連する背景技術】マイクロ混合器は、例えばマイク
ロマシンニング技術を用いてSi等の半導体基板を加工
して製作される。具体的にはこの種のマイクロ混合器
は、例えば2種類の液(流体)A,Bを混合して2層の
層流(A+B)を形成した後、この層流(A+B)をそ
の層方向に(A+B)/2ずつ2分割し、更にこれらの
2分割された2つの層流(A/2+B/2)を混合して
4層の層流(A/2+B/2+A/2+B/2)を形成
した後、この層流をその層方向に更に2分割すると言う
処理を繰り返すことで、上記各液A,Bがなす層(大き
さ)を徐々に細分化し、これによって前記各液A,Bの
拡散を速めるように構成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のマ
イクロ混合器にあっては、流体(液)を混合・分配する
為の流路自体が微細であり、クリティカルな製作精度が
要求される。この為、その加工(製造)方法が複雑であ
り、しかも正確なアライメントを必要とするので製造コ
ストが高いと言う問題がある。また流路自体が微細なの
で、その流路構造が複雑な場合、液体粒子による目詰ま
りを起こし易い。特に流体を分配する為の幅の狭いスリ
ット部分において目詰まりが生じ易い。更には流体の流
れが不均衡となって所要とするミキシング性能を得るこ
とが困難となる等の欠点がある。
【0004】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、ミキシング性能が良好で、その
製作が容易な安価で簡易な構造のマイクロ混合器を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係るマイクロ混合器は、複数の混合分配ユ
ニットを、例えば所定の曲率の円周をなすように所定の
閉曲線上に周期的に配列した複数枚の流路モジュールを
積層し、前記各混合分配ユニットを上記各層の流路モジ
ュール間において順に連結したものであって、前記各混
合分配ユニットは、各流路モジュールの上流面に2個の
インレットを設けると共に、その下流面に2個のアウト
レットを設け、これらの2個のインレットと2個のアウ
トレットとをチャネルを介して連結した流路構造を有
し、前記各流路モジュールの1つの混合分配ユニットに
おける2個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モ
ジュールにおける2個の混合分配ユニットの各1個のイ
ンレットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴とし
ている。
【0006】即ち、本発明は、上流面側に2個のインレ
ットを設けると共に、下流面側に2個のアウトレットを
設け、これらのインレットとアウトレットとをチャネル
を介して連結して流路を形成た混合分配ユニットを備え
たもので、特に複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線
をなして板状の流路モジュールに周期的に配列し、この
ような構造をなす複数枚の流路モジュールを積み重ねて
多層構造化したマイクロ混合器を構築するものである。
【0007】この際、前記各流路モジュールにおける混
合分配ユニットの2個のアウトレットを、その下流側の
流路モジュールにおける2個の混合分配ユニットの隣接
する各1個のインレットにそれぞれ個別に連結する。そ
して各混合分配ユニットの2個のインレットからそれぞ
れ導入されて混合した流体を、その2個のアウトレット
からそれぞれ分配して出力し、これらの2個のアウトレ
ットからそれぞれ出力される流体を、下流側の流路モジ
ュールにおける2つの混合分配ユニットにおける各1個
のインレットに個別に導くようにしたことを特徴として
いる。
【0008】本発明の好ましい態様は、前記各流路モジ
ュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニット
は、互いに隣り合う2つの混合分配ユニット間において
隣接する各1個のアウトレットの配列間隔を、前記各混
合分配ユニットにおける2個のインレットの配列間隔と
等しく設定して配列される。更に前記各混合分配ユニッ
トにおける2個のインレットの径、2個のアウトレット
の径、およびチャネルの幅とその深さは、それぞれほぼ
同じ大きさに形成される。尚、アウトレットの径につい
ては、該アウトレットに連結される下流側の流路モジュ
ールにおけるインレットの径によって規定されるように
しても良い。
【0009】また本発明の好ましい態様は、最下流の層
をなす流路モジュールに、該流路モジュールにおける複
数の混合分配ユニットの各アウトレットからそれぞれ出
力される流体を1つの流路にまとめる集合部を設けるこ
とが望ましい。特にこの集合部については、前記各アウ
トレットからそれぞれ出力された流体を混合して拡散さ
せるに必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長を有す
るものとして実現することが望ましい。また混合液がお
互いに反応する場合には、その反応時間を十分確保する
ように設定することが望ましい。
【0010】また前記混合分配ユニットについては、前
記2個のインレットおよび2個のアウトレットを、その
中央に設けられてチャネルの向きを定める島状の仕切部
を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構
造を有するものとすることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態について、2種類の液体A,Bを混合して逸早
くそのマイクロ混合液を形成するマイクロ混合器を例に
説明する。図1はこの実施形態に係るマイクロ混合器の
概略構成を示す分解斜視図で、図中1,2は上下一対の
プレート体である。これらのプレート体1,2は、例え
ば厚みが5mm、一辺の長さが50mm程度の平板矩形
状のAl材からなる。これらの各プレート体1,2の四隅
部には、貫通孔1aとねじ孔2aとがそれぞれ設けられ
ており、上部プレート体1の各貫通孔1aを通して下部
プレート体2のねじ孔2aに螺合する4本のボルト3に
より、後述する複数枚の流路モジュールと集合部とをそ
の間に挟んで結合一体化されるものとなっている。
【0012】しかして上部プレート体1の中央部には、
その中心位置から対角線方向に向けて3つの貫通孔(図
示せず)が設けられており、これらの各貫通孔には流体
導入用のコネクタ4a,4bと、流体取出用のコネクタ
4cとがそれぞれ装着されている。また下部プレート体
2の中央部には、前記流体導入用のコネクタ4a,4b
がそれぞれ装着された2つの貫通孔にそれぞれ対応し
て、図2(a)に示すようにリング状および円形状をなす
所定深さの流体導入チャネル5a,5bが形成されてい
る。これらの流体導入チャネル5a,5bは、後述する
流路モジュールに円周をなして配列される混合分配ユニ
ットの並びに沿って設けられる所定厚みの隔壁5cを介
して区画されている。またこの下部プレート体2には、
後述する複数枚の流路モジュールを位置合わせして積み
重ねる上でのガイドピン(図示せず)を垂直に植設する
為のピン孔6が設けられている。
【0013】さて上述したプレート体1,2間に積層し
て挟み込まれる複数枚(m枚)の流路モジュール7(7
1,72,〜7m)は、例えば厚みが0.8mm、一辺の長さ
25mm程度の平板矩形状のAl材やSUS等からな
る。これらの各流路モジュール7は、図2(b)に示すよ
うに前述した流体導入用のコネクタ4a,4bがそれぞ
れ装着された2つの貫通孔にそれぞれ対応する貫通孔8
a,8bと、上述したガイドピンを挿通してその位置合
わせに供せられる貫通孔9とをそれぞれ共通に備え、更
に前記流体導入チャネル5a,5bを区画する隔壁5c
に沿って配列された複数の混合分配ユニット10を備え
る。
【0014】ちなみに上記混合分配ユニット10は、例
えば図3にその概略構成を示すように、板状の流路モジ
ュール7における上流面(下面)側に設けた2個のイン
レット11(11a,11b)と、上記流路モジュール
7における下流面(上面)側に設けた2個のアウトレッ
ト12(12a,12b)とを備え、その上面側に穿い
た深さ0.4mmの溝からなるチャネル13を介して上
記各インレット11a,11bとアウトレット12a,1
2bとを連結して、流路モジュール7の上下面間に流路
を形成した構造をなす。
【0015】特にこの混合分配ユニット10において
は、前記チャネル13の中央に位置付けられて該チャネ
ル13の向きを定める島状の仕切部14が設けられてい
る。そして前記2個のインレット11a,11b、およ
び2個のアウトレット12a,12bを、上記仕切部1
4を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた
構造となっている。またこの混合分配ユニット10にお
けるインレット11a,11bの径、アウトレット12
a,12bの径、そしてチャネル13の幅とその深さ
は、例えば0.4mmとして互いに等しく設定され、更
に2個のインレット11a,11bは0.4mmの間隔を
隔てて、また2個のアウトレット12a,12bは1.2
mmの間隔を隔てて設けられている。
【0016】しかして前述したm枚の流路モジュール7
(71,72,〜7m)は、それぞれ上述した構造をなす複
数の混合分配ユニット10を所定の曲率をなす円周上
に、所定の間隔で配列した構造を有する。そしてこれら
の各流路モジュール7(71,7 2,〜7m)を、隣接する
流路モジュール7(71,72,〜7m)間において前記混
合分配ユニット10のインレット11a,11bとアウ
トレット12a,12bとを順に連結して積み重ねて、
多層構造化された流路を形成する。
【0017】特に各流路モジュール7(71,72,〜
m)における1つの混合分配ユニット10は、その2
個のアウトレット12a,12bを、隣接する下流側の
流路モジュール7における2つの混合分配ユニット1
0,10の各1個のインレット11a,11bにそれぞれ
個別に連結されるようになっている。換言すれば各流路
モジュール7(71,72,〜7m)における1つの混合分
配ユニット10の、2個のインレット11a,11b
を、隣接する上流側の流路モジュール7における2つの
混合分配ユニット10,10の各1個のアウトレット1
2a,12bにそれぞれ個別に連結されている。
【0018】そして各流路モジュール7(71,72,〜7
m)における1つの混合分配ユニット10は、その上流
側の流路モジュール7における互いに異なる2つの混合
分配ユニット10の各1個のアウトレット12a,12
bからそれぞれ出力された流体を、その2個のインレッ
ト11a,11bからそれぞれ導入して混合し、その混
合した流体を2個のアウトレット12a,12bから、
その下流側の流路モジュール7における互いに異なる2
つの混合分配ユニット10の各1個のインレット11
a,11bに対してそれぞれ分配して導出するようにな
っている。
【0019】具体的にはこの実施形態に係るマイクロ混
合器においては、m枚の流路モジュール7(71,72,〜
m)における複数の混合分配ユニット10は、例えば
図4に5段(5層)の流路を形成した例を示すように、
前記各流路モジュール7において、その下流側(上段
側)の1つの混合分配ユニット10における2個のイン
レット11a,11bの各位置に、互いに隣接する2つ
の混合分配ユニット10の各1個のアウトレット12
a,12bがそれぞれ位置付けられるレイアウト(間
隔)でそれぞれ配列されている。
【0020】換言すれば各流路モジュール7において互
いに隣接する2つの混合分配ユニット10は、その一方
の混合分配ユニット10におけるアウトレット11a
が、その下流側(上段側)の1つの混合分配ユニット1
0における一方のインレット11aの位置に位置付けら
れ、他方の混合分配ユニット10におけるアウトレット
11bが、その下流側(上段側)の上記混合分配ユニッ
ト10における他方のインレット11bの位置に位置付
けられるように配列されている。この結果、m枚の流路
モジュール7(71,72,〜7m)を前述したように位置
合わせして積層するだけで、隣接する流路モジュール7
間において上記混合分配ユニット10のインレット11
a,11bとアウトレット12a,12bとが上述した関
係を以て互いに連結されるようになっている。
【0021】かくして上述したように前記混合分配ユニ
ット10を所定個数ずつ閉曲線(円周)をなして配列し
たm枚の流路モジュール7(71,72,〜7m)を積み重
ねて構成されるマイクロ混合器によれば、前述した如く
下部プレート体2に設けられた2つの流体導入チャネル
5a,5bに2種類の流体(液体)A,Bを所定の圧力を
以て導入すれば、図4に示すように一方の流体(液体)
Aは、最上流(最下段)の流路モジュール7m(75)に
おける複数の混合分配ユニット10のそれぞれに、その
一方のインレット11aを介して導入される。また他方
の流体(液体)Bは、最上流(最下段)の流路モジュー
ル7m(75)における複数の混合分配ユニット10のそ
れぞれに、その他方のインレット11bを介して導入さ
れる。そしてこれらの流体(液体)A,Bは、各混合分
配ユニット10におけるチャネル13にてそれぞれ混合
され、2個のアウトレット12a,12bを介してそれ
ぞれ分配して出力される。
【0022】すると次段の流路モジュール74において
は、上記流路モジュール76の各混合分配ユニット10
におけるアウトレット12a側から出力される流体(液
体)[A+B/2]を新たに混合すべき一方の流体(液
体)A1として、その混合分配ユニット10における一
方のインレット11aを介して導入する。また流路モジ
ュール75の各混合分配ユニット10における他方のア
ウトレット12b側から出力される流体(液体)[A+
B/2]を新たに混合すべき一方の流体(液体)B1と
して、その混合分配ユニット10における他方のインレ
ット11bを介して導入する。そしてこれらの流体(液
体)A1,B1を、チャネル13にてそれぞれ混合し、
その混合液(層流)を2個のアウトレット12a,12
bを介してそれぞれ分配して出力する。
【0023】このような2系統の流体(液体)の混合と
その分配を、前記各流路モジュール7において順に繰り
返し実行することで、前述した2種類の流体(液体)
A,Bの細分化(マイクロ混合)が進められ、最下流
(最上段)の流路モジュール71の各混合分配ユニット
10から前記2種類の液体A,Bを混合したマイクロ混
合液が取り出されることになる。そしてこれらの各混合
分配ユニット10からそれぞれ取り出されたマイクロ混
合液は、その上部(下流側)の集合部20に導入され、
これらのマイクロ混合液を拡散反応させるに十分な滞留
時間の下で更に混合された後、1つの流路にまとめられ
て前記流体取出用のコネクタ4cから出力される。即
ち、上記集合部20については、前記複数の混合分配ユ
ニット10における各アウトレット12a,12bから
それぞれ出力されたマイクロ混合液を十分に混合するに
必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長Lを有するも
のとして実現することが望ましい。また混合液がお互い
に反応する場合には、その反応時間を十分確保するよう
に設定することが望ましい。
【0024】従ってこの実施形態に係るマイクロ混合器
によれば、複数の混合分配ユニット10を設けた平板状
の複数の流路モジュール7(71,72,〜7m)を積み重
ねただけの簡単な構造で、2種類の液体A,Bを逸早く
均質に混合したマイクロ混合液をを効果的に形成するこ
とができる。しかも上記流路モジュール7(71,72,〜
m)については、Al板やSUS板等を用いて簡易に製
作することができ、混合分配ユニット10の形成(加
工)自体も容易なので、その製作コストが安価である。
更には複数の流路モジュール7(71,72,〜7m)間の
アライメント精度についても容易に高めることができ、
その組み立て自体も簡単なので、この点でもその製作コ
ストの低廉化を図り得る等の利点がある。
【0025】また前述した混合分配ユニット10におけ
るインレット11a,11bの径、アウトレット12a,
12bの径、そしてチャネル13の幅が互いにほぼ等し
く設定されているので、混合液による目詰まりが生じ難
い。しかも混合分配ユニット10における2個のインレ
ット11a,11b、およびアウトレット12a,12b
が互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けられている
ので、流体(液体)の流れ(層流)に対する対称性を良
好に確保して流体の不均一化を効果的に防止することが
でき、更にはそのスループットを十分に高めることがで
きる。従ってそのミキシング性能(ミキシング効率)を
十分に高め、均質で品質の高いマイクロ混合液を容易に
生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【0026】尚、前述した混合分配ユニット10につい
ては、例えば図5(a)〜(c)にそれぞれ示す構造のもの
として実現することも可能である。図5(a)に例示する
混合分配ユニット10は、2個のアウトレット12a,
12b間の幅を広くしたものであり、また図5(b)に例
示する混合分配ユニット10は、チャネル13の向きを
定める島状の仕切部14を省略し、2個のアウトレット
12a,12b間の幅を狭くしたものである。そして図
5(c)に示す混合分配ユニット10は、2個のインレッ
ト11a,11b、および2個のアウトレット12a,1
2bをチャネル13の向きを定める島状の仕切部14を
中心として点対称に平行四辺形状に配置したものであ
る。
【0027】このような各構造の混合分配ユニット10
であっても、隣接する2つの混合分配ユニット10にお
けるアウトレット12a,12bが、各混合分配ユニッ
ト10における2個のインレット11a,11b間の間
隔と等しくなるように配列すれば、複数の流路モジュー
ル7(71,72,〜7m)間において、そのインレット1
1a,11bとアウトレット12a,12bの位置をそれ
ぞれ正確に合わせることが可能となるので、先の実施形
態と同様な効果が奏せられる。
【0028】また上述した実施形態においては、各流路
モジュール7(71,72,〜7m)において複数の混合分
配ユニット10(混合ユニット15)を1列の円周上に
配列したが、例えば図6に示すように複数の混合分配ユ
ニット10を複数本からなる同心円上に配列するように
しても良い。また或いは、図7に示すように複数の混合
分配ユニット10を、所定の閉曲線をなしてジグザグ状
に配列することも可能である。
【0029】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば複数の流路モジュール7の積層
枚数や、各流路モジュール7に設ける混合分配ユニット
10の数、更には各混合分配ユニット10におけるイン
レット11a,11bおよびアウトレット12a,12b
の径等については、混合対象とする流体の粒子の大きさ
や、マイクロ混合器に要求されるミキシング性能等に応
じて定めるようにすれば良い。その他、本発明はその要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ
る。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、多
層に積層される複数の流路モジュールに2個のインレッ
トおよび2個のアウトレットを備えた複数の混合分配ユ
ニットを所定の閉曲線をなして配列し、上記各流路モジ
ュール間で上記各混合分配ユニットのインレットとアウ
トレットとを所定の配列で順次結合した構造を有するの
で、その構造自体でが簡単であり、容易に精度良く、し
かも安価に製作することができる。しかもそのアライメ
ント精度を十分に高くすることも容易であり、流路の対
称性を確保して混合流体に対するスループットを十分に
高めることができる。従ってそのミキシング性能(ミキ
シング効率)を十分に高め、均質で品質の高いマイクロ
混合液を逸早く容易に生成し得る等の実用上多大なる効
果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るマイクロ混合器の概
略構造を示す分解斜視図。
【図2】図1に示すマイクロ混合器に組み込まれる下部
プレート板に設けられる流体導入チャネルの構造と、複
数の流路モジュールの概略的な構造を示す図。
【図3】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニッ
トの概略的な構造を示す部分斜視図。
【図4】複数の流路モジュールにそれぞれ組み込まれる
混合分配ユニット間のインレットとアウトレットとの結
合構造と、これらの混合分配ユニットによる流体の混合
分配作用を説明するための図。
【図5】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニッ
トの別の構成例を示す図。
【図6】流路モジュールに組み込まれる複数の混合分配
ユニットの別の配列構造の例を示す図。
【図7】最下流の流路モジュールに組み込まれる混合分
配ユニットの別の配列構造を示す図。
【符号の説明】 5a,5b 流体導入チャネル 7,71,72,〜7m 流路モジュール 10 混合分配ユニット 11a,11b,11c インレット 12a,12b,12c アウトレット 13 チャネル 14 仕切部 20 集合部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成14年5月27日(2002.5.2
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線
    上に周期的に配列した複数枚の流路モジュールを積層
    し、前記各混合分配ユニットを上記各層の流路モジュー
    ル間において順に連結したマイクロ混合器であって、 前記各混合分配ユニットは、各流路モジュールの上流面
    に2個のインレットを設けると共に、その下流面に2個
    のアウトレットを設け、これらの2個のインレットと2
    個のアウトレットとをチャネルを介して連結した流路構
    造を有し、 前記各流路モジュールの1つの混合分配ユニットにおけ
    る2個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モジュ
    ールにおける2個の混合分配ユニットの各1個のインレ
    ットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴とするマ
    イクロ混合器。
  2. 【請求項2】 前記各流路モジュールにそれぞれ設けら
    れる複数の混合分配ユニットは、互いに隣り合う2つの
    混合分配ユニット間において隣接する各1個のアウトレ
    ットの配列間隔を、前記各混合分配ユニットにおける2
    個のインレットの配列間隔と等しく設定して配列されて
    いる請求項1に記載のマイクロ混合器。
  3. 【請求項3】 前記各流路モジュールにそれぞれ設けら
    れる複数の混合分配ユニットは、所定の曲率の円周をな
    して配列されている請求項1に記載のマイクロ混合器。
  4. 【請求項4】 前記各混合分配ユニットにおける2個の
    インレットの径、2個のアウトレットの径、およびチャ
    ネルの幅とその深さは、それぞれほぼ同じ大きさに形成
    されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ混合
    器。
  5. 【請求項5】 最下流に配される流路モジュールは、該
    流路モジュールにおける複数の混合分配ユニットの各ア
    ウトレットからそれぞれ出力される流体を1つの流路に
    まとめる集合部を備え、 該集合部は、前記各アウトレットからそれぞれ出力され
    た流体を混合するに必要な滞留時間を確保し得る流路長
    を有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロ混
    合器。
  6. 【請求項6】 前記混合分配ユニットは、前記2個のイ
    ンレットおよび2個のアウトレットを、その中央に設け
    られてチャネルの向きを定める島状の仕切部を挟んで互
    いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造を有する
    ものである請求項1に記載のマイクロ混合器。
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