JP2003210957A - マイクロミキサー - Google Patents
マイクロミキサーInfo
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Abstract
混合する溶液の種類に等しい本数の給液路をミキサー本
体に形成し、これらの給液路から溶液を薄片状の層流と
してミキシング流路へ供給する。 【解決手段】 ベースプレート12の表面部12Aには
一対の給液路36,102が形成されており、一対の給
液路36,102における櫛歯状のマイクロチャンネル
部40,106は互いに平行に延在している。また裏面
部12Bにも、一対の給液路44,54が形成されてお
り、一対の給液路44,54における櫛歯状のマイクロ
チャンネル部48,58も互いに平行に延在している。
ベースプレート12には、一対の給液路44,54のマ
イクロチャンネル部48,58の底面部分からミキシン
グ流路64へ連通する貫通部50,60が穿設されてい
る。これらのマイクロチャンネル40,106,48,
58の幅は1μm〜500μmの範囲で設定されてい
る。
Description
体供給路から1本のミキシング流路内へ導入し、これら
流体を層流状態としてミキシング流路内を流通させつ
つ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散し、混合
するマイクロミキサーに関し、更に詳しくは、3種類以
上の流体の混合に適した構造を有するマイクロミキサー
に関する。
造等の化学産業の分野では、マイクロミキサー又はマイ
クロリアクターと呼ばれる微小容器を用いた新しい製造
プロセスの開発が進められている。マイクロミキサー及
びマイクロリアクターには、等価直径が数μm〜数百μ
m程度の複数本のマイクロチャンネル及び、これらのマ
イクロチャンネルと繋がる混合空間が設けられており、
このマイクロミキサー及びマイクロリアクターでは、複
数本のマイクロチャンネルを通して複数の溶液をそれぞ
れ混合空間へ導入することで、複数の溶液を混合し、又
は混合と共に化学反応を生じさせる。なお、マイクロミ
キサーとマイクロリアクターとは基本的な構造が共通と
されているが、特に、複数の溶液を混合する際に化学反
応を伴うものをマイクロリアクターと言う場合がある。
このことから、マイクロミキサーには、マイクロリアク
ターが含まれるものとして以下の説明を行う。このよう
なマイクロミキサーとしては、例えば、特表平9−51
2742号、PCT国際公開WO 00/62913号
公報に開示されているものがある。これらのマイクロミ
キサーは、何れも、2種類の溶液をそれぞれ微細なマイ
クロチャンネル等と呼ばれる流路を通し、極めて薄い薄
片状の断面を有する層流として混合空間内へ供給するこ
とで、この混合空間内で二種類の溶液同士を混合及び反
応させるものである。
る混合及び反応がタンク等を用いたバッチ方式と異なる
点を説明する。すなわち、液相の化学反応は、一般に反
応液の界面において分子同士が出会うことによって反応
が起こるので、微小空間内で反応を行うと相対的に界面
の面積が大きくなり、反応効率は著しく増大する。また
分子の拡散そのものも拡散時間は距離の二乗に比例す
る。このことは、スケールを小さくするに従って反応液
を能動的に混合しなくても、分子の拡散によって混合が
進み、反応が起こり易くなることを意味している。ま
た、微小空間においては、スケールが小さいために層流
支配の流れとなり、溶液同士が層流状態となって拡散混
合される。
ーを用いれば、例えば、タンク等を用いた従来のバッチ
方式と比較し、溶液同士の反応時間及び温度の高度制御
が可能になり、また一次生成物が反応容器内に滞留する
間に引き続き反応を受けてしまうことを抑止できるの
で、従来では取り出すことが困難であった純粋な一次生
成物を取り出すことも可能になる。また、実験的な製造
設備により製造された少量の化学物質を大規模の製造設
備により多量に製造(スケールアップ)する際には、従
来、実験的な製造設備に対し、大規模の製造設備での再
現性を得るために多大の労力及び時間を要していたが、
必要となる製造量に応じてマイクロミキサーからなる製
造ラインを並列化することにより、このような再現性を
得るための労力及び時間を大幅に減少できる可能性があ
る。
の製造プロセスにおいては、3種類以上の溶液を急速に
混合及び反応させることが要求されることがあるが、特
表平9−512742号、WO 00/62913号等
に開示された従来のマイクロミキサーは、2種類の溶液
を混合及び反応させるためのものである。このため、従
来のマイクロミキサーにより3種類以上の溶液を混合及
び反応させる場合には、2個以上のマイクロミキサーを
配管等により直列的に接続した流体回路を構成し、この
流体回路により3種類以上の溶液を段階的に混合及び反
応させる必要があった。しかし、流体回路では、上流側
に配置されたマイクロミキサーと下流側に配置されたマ
イクロミキサーとの距離を短縮することには限界があ
り、2種類の溶液の混合容器に他の溶液を混合するまで
には一定の時間を要し、3種類の溶液を同時に混合する
ことはできない。また流体回路では、供給される溶液の
種類が増加するに従って回路を構成する素子(マイクロ
ミキサー)の個数が増加し、回路構造が複雑になってし
まう。
合する流体が3種類以上である場合でも、混合する流体
の種類に等しい本数の流体供給路をミキサー本体に簡単
に形成でき、これらの流体供給路から流体をそれぞれ薄
片状の層流としてミキシング流路へ供給できるマイクロ
ミキサーを提供することにある。
キサーでは、ベースプレートの表面部に沿って形成され
た第1の流体供給路に、ベースプレートの表面部に開口
しミキサー本体の外部から流体が供給される第1のヘッ
ダ部及び、この第1のヘッダ部と繋がりベースプレート
の表面部に開口するスリット状の第1の供給口が設けら
れると共に、ベースプレートに形成された第2の流体供
給路に、ベースプレートの裏面部に開口しミキサー本体
の外部から流体が供給される第2のヘッダ部及び、ベー
スプレートを貫通する貫通部を介して第2のヘッダ部と
繋がり、第1の供給口と幅方向に沿って隣接するように
ベースプレートの表面部に開口するスリット状の第2の
供給口が設けられていることにより、第2の流体供給路
におけるヘッダ部及びこのヘッダ部を第2の供給口へ繋
げる微細な溝部(マイクロチャンネル部)をベースプレ
ートの表面部に形成する必要がなくなる。
レートの表面部に第1の流体供給路を2本以下しか形成
できない場合でも、ベースプレートの表面部に1μm〜
500μmの微小な開口幅しかない第2の供給口を開口
させることにより、第1の供給口及び第2の供給口を通
して流体をミキシングプレートに形成されたミキシング
流路へ導入できるので、ベースプレートに1本又は2本
の第2の流体供給路を形成すれば、第1及び第2の流体
供給路を通して2種類乃至4種類の流体をミキシング流
路へ導入し、これらの流体を第1及び第2の供給口の開
口幅に対応する微小幅の層流としてミキシング流路内を
流通させつつ、これらの流体同士を拡散混合できるよう
になる。
ば、特に、流体供給路における供給口がヘッダ部から複
数に分岐して櫛歯状に配置される場合には、異なる流体
供給路に繋がった複数の供給口を互い違いに配置しつ
つ、ベースプレートの片側の面(表面部又は裏面部)に
形成できる流体供給路の最大本数は事実上、2本に制限
されてしまうので、このような場合でも、3種類又は4
種類の流体が混合可能なマイクロミキサーを簡単に実現
できる。
て、外部から複数の流体供給路に供給される流体として
は、例えば、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散
された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された
固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混
合物等も対象となり、また流体の種類が異なるとは、化
学組成が異なる場合のみならず、例えば、温度、固液比
等の状態が異なる場合も含まれる。
イクロミキサーについて図面を参照して説明する。
明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの一例が示
されている。このマイクロミキサー10は、3種類の溶
液L1、L2、L3を同時に混合し、これらの溶液L
1、L2、L3が均一に混合された溶液LMを生成する
ためのものである。ここで、マイクロミキサー10によ
り溶液L1、L2、L3を混合する際には、溶液L1、
L2、L3間に化学反応が生じる場合と生じない場合と
が考えられるが、本実施形態に係るマイクロミキサー1
0は何れの場合にも用いることができる。
10は全体として略円柱状に形成されており、ベースプ
レート12、ミキシングプレート14及びカバープレー
ト16,18がプレートの厚さ方向(矢印T方向)に沿
って積層されて構成されている。これら4枚のプレート
10,12,14,16は、それぞれ外径が同一寸法と
された円板状に形成されている。ここで、ベースプレー
ト12及びミキシングプレート14は溶液L1、L2、
L3を混合するためのミキサー本体20を構成してお
り、カバープレート16,18は、ミキサー本体20を
厚さ方向に沿って両側から挟持するように配置されてい
る。なお、図1(B)の紙面上、各プレート10,1
2,14,16における上側にそれぞれ位置する面を表
面部と言い、下側にそれぞれ位置する面を裏面部と言う
ものとする。
14及びベースプレート12には、その外周部に厚さ方
向へ貫通する複数の挿通穴22,24,26が穿設さ
れ、カバープレート18の外周部には、複数の挿通穴2
2,24,26にそれぞれ対応するように複数のねじ穴
28が厚さ方向に沿って穿設されている。プレート1
0,12,14,16は、その挿通穴22,24,26
及びねじ穴28が一致するように積層された後、連結ボ
ルト30がカバープレート16側から挿通穴22,2
4,26内へ挿入され、カバープレート18のねじ穴2
8内へねじ込まれることにより、連結ボルト30により
連結されマイクロミキサー10として組み立てられてい
る。
ート16の裏面部16B、ミキシングプレート14の裏
面部14B、カバープレート18の表面部18Aには、
それぞれ挿通穴24,26又はねじ穴28に対して僅か
に内周側に周方向に沿って環状溝32が形成されてお
り、これらの環状溝32内には、それぞれシリコンゴム
等の弾性材料により成形されたOリング34(図2参
照)が嵌挿されている。これらの3個のOリング34
は、それぞれプレート14,16間、プレート12,1
4間及びプレート12,18間で厚さ方向に沿って圧縮
状態とされ、プレート12,14、プレート14,16
及びプレート12,18における面間からの溶液L1,
L2,L3,LMの漏洩を防止している。
2の表面部12Aには、凹状の給液路36が形成されて
いる。給液路36には、表面部12Aの外周寄りの部位
にヘッダ部38が設けられており、このヘッダ部38
は、面方向に沿った形状が外周側から中心側へ向って幅
が広くなる扇状とされている。また給液路36には、ヘ
ッダ部38の中心側の端部から延出する複数本(図2で
は6本)のマイクロチャンネル部40が一体的に形成さ
れている。これらのマイクロチャンネル部40は、それ
ぞれベースプレート12の径方向に沿って互いに平行に
延在する細長い溝状に形成され、全体としては櫛歯状の
配置になっている。複数本のマイクロチャンネル部40
は、それぞれベースプレート12の表面部12Aにスリ
ット状の給液口42を開口させており、これらの給液口
42の開口幅W1(図2参照)は、溶液L1の種類、供
給量等に応じて1μm以上で500μm以下の範囲で適
宜設定される。またマイクロチャンネル部40の深さ
も、溶液L1の供給量に応じて適宜設定されるが、好ま
しくは開口幅W1の1倍以上、更に好ましくは開口幅W
1の2倍以上となるように設定される。またヘッダ部3
8から延出するマイクロチャンネル部40の本数も溶液
L1の供給量に応じて適宜設定され、開口幅W1が一定
である場合には、供給量の増加に従って本数を増加する
必要がある。
ースプレート12の裏面部12Bにはそれぞれ凹状とさ
れた一対の給液路44,54が形成されている。これら
の給液路44,54にも、表面部12Aにおける給液路
36と同様な形状を有するヘッダ部46,56が形成さ
れており、これらのヘッダ部46,56は、マイクロミ
キサー10の軸心Sを中心として互いに対称的に配置さ
れている。一方の給液路44には、ヘッダ部46の中心
側の端部から複数本(図3及び図4では6本)のマイク
ロチャンネル部48が一体的に形成されている。これら
のマイクロチャンネル部48は、それぞれ径方向に沿っ
て互いに平行に延在する細長い溝状に形成され、全体と
しては櫛歯状の配置になっている。これらのマイクロチ
ャンネル部48は、それぞれ給液路36のマイクロチャ
ンネル部40に対し、チャンネル幅方向(矢印W方向)
に沿って所定距離だけ偏倚し、かつチャンネル長方向
(矢印E方向)ではマイクロチャンネル部40と略一致
するように配置されている。
6の中心側の端部から複数本(図3及び図4では6本)
のマイクロチャンネル部58が一体的に形成されてい
る。これらのマイクロチャンネル部58は、それぞれ径
方向に沿って互いに平行に延在する細長い溝状に形成さ
れ、全体としては櫛歯状の配置になっている。これらの
マイクロチャンネル部58は、それぞれチャンネル幅方
向に沿ってマイクロチャンネル部40とマイクロチャン
ネル部48との中間に位置し、かつチャンネル長方向で
はマイクロチャンネル部48,58と略一致するように
配置されている。ここで、ベースプレート12の表面部
12Aにミキシングプレート14の裏面部14Bが密着
することにより、この裏面部14Bにより給液路36の
ミキシングプレート14側の開口が閉塞され、給液路3
6内に外部から区画された空間が形成される。またベー
スプレート12の裏面部12Bにカバープレート18の
表面部18Aが密着することにより、この表面部18A
により給液路44,54のカバープレート18側の開口
が閉塞され、給液路44,54内に外部から区画された
空間がそれぞれ形成される。
給液路44,54には、それぞれマイクロチャンネル部
48,58の底面部分から厚さ方向に沿ってベースプレ
ート12の表面部12Aへ貫通する貫通部50,60が
形成されている。これら貫通部50,60の表面部12
Aの開口端は、チャンネル長方向に沿って細長いスリッ
ト状の給液口52,62とされている。これらの給液口
52,62は、図3(A)に示されるように給液路36
の給液口42と平行に延在している。また3種類の給液
口42,52,62は、チャンネル幅方向に沿って互い
違いとなるように配置されている。ここで、給液口5
2,62のチャンネル幅方向に沿った開口幅W2、W3
は、給液口42と同様に、溶液L2、L3の種類、供給
量等に応じて1μm以上で500μm以下の範囲で適宜
設定されるが、本実施形態では開口幅W1、W2、W3
が同一寸法とされている。また3種類の給液口42,5
2,62間のチャンネル幅方向に沿ったピッチは、淀み
の発生を抑制して溶液L1,L2,L3の混合時間を短
縮する観点からは、可能な限り狭いことが望ましい。
グプレート14の中央部には裏面部14Bから表面部1
4Aへ貫通するミキシング流路64が穿設されている。
このミキシング流路64は、その断面形状が給液口4
2,52,62と直交する方向(チャンネル幅方向)に
沿って細長く、チャンネル長方向における開口幅が狭い
スリット状とされている。ミキシング流路64は、チャ
ンネル幅方向に沿った開口長が裏面部14Bから表面部
14Aへ向ってテーパ状に狭くなっており、裏面部14
B及び表面部14Aにそれぞれチャンネル幅方向へ細長
い入液口66及び出液口68を開口させている。入液口
66は、ベースプレート12の給液口42,52,62
と正対し、給液口42,52,62の中央部をチャンネ
ル幅方向に沿って横断するように配置されている。これ
により、給液路36,44,54は、給液口42,5
2,62が中央部のみが入液口66によりミキシング流
路64へ連通する状態となる。ここで、ミキシング流路
64のチャンネル長方向に沿った開口幅W4(図2参
照)は、給液口42,52,62の開口幅W1、W2、
W3、給液口42,52,62からの溶液L1、L2、
L3の給液量等に応じて1μm〜500μmの範囲内で
適宜設定される。
ート18には、厚さ方向に沿って2本の注液穴70,7
2が穿設されており、これらの注液穴70,72はカバ
ープレート18を貫通している。注液穴70,72の一
端部はそれぞれ給液路44,54におけるヘッダ部4
6,56に接続され、また他端部にはそれぞれ雌ねじ部
70A,72Aが形成されている。これらの雌ねじ部7
0A,72Aには、筒状に形成されたニップル部材74
の雄ねじ部がねじ込まれている。一対の注液穴70,7
2には、一対のニップル部材74を介してそれぞれ給液
配管(図示省略)が接続され、これら一対の給液配管を
通して加圧状態の溶液L2,L3が供給される。
プレート16にも、厚さ方向に沿って注液穴76,78
が厚さ方向に沿って穿設され、これらの注液穴76,7
8は、それぞれミキシングプレート14及びカバープレ
ート16を貫通すると共に、ミキシングプレート14と
カバープレート16の裏面部16Bとの面間で互いに接
続されている。注液穴76の一端部は給液路36におけ
るヘッダ部38に接続され、また注液路78の他端部に
は雌ねじ部78Aが形成されている。この雌ねじ部78
Aには、ニップル部材74の雄ねじ部がねじ込まれてい
る。注液穴76,78には、ニップル部材74を介して
給液配管(図示省略)が接続され、この給液配管を通し
て加圧状態の溶液L1が供給される。またカバープレー
ト16の裏面部16Bには、注液路78の外周側に環状
溝が形成されており、この環状溝内には、図1(B)に
示されるようにOリング19が挿入され、このOリング
19はカバープレート19とミキシングプレート14と
の間で軸方向へ圧縮されている。これにより、注液路7
6,78内を流通する溶液L3がカバープレート16の
裏面部16Bとミキシングプレート14の表面部14A
との間から洩れることが防止されている。
ート16には、軸心Sに沿って出液穴80が穿設されて
おり、この出液穴80はカバープレート16を貫通して
いる。出液穴80の一端部はミキシング流路64の出液
口68に接続され、また他端部には雌ねじ部80Aが形
成されている。この雌ねじ部80Aには、筒状に形成さ
れたニップル部材82の雄ねじ部がねじ込まれている。
出液穴80にはニップル部材82を介して出液配管(図
示省略)が接続される。これにより、3種類の溶液L
1,L2,L3が混合された溶液LMは、カバープレー
ト16の出液穴80を通して出液配管内へ送り出され、
この出液配管を通して次の処理工程が行われる他のマイ
クロミキサーや溶液LMを貯留する溶液タンク等へ送ら
れる。
マイクロミキサー10では、注液穴70,72,76,
78を通してベースプレート12の表面部12A及び裏
面部12Bにそれぞれ形成されたヘッダ部38,46,
56に溶液L1〜L3を供給することにより、これらの
溶液L1〜L3がマイクロチャンネル部40,48,5
8の給液口42,52,62を通ってミキシング流路6
4内へ導入される。このとき、給液口42,52,62
の開口幅W1〜W3が1μm〜500μmという微小幅
とされていることから、給液口42,52,62からミ
キシング流路64内へ吐出され溶液L1〜L3は、それ
ぞれ開口幅W1〜W3に対応する幅を有する薄片状の層
流となって入液口66から出液口68側へ流れつつ、各
層流の界面ではその法線方向に沿って分子拡散が生じて
溶液L1〜L3が混合し、出液口68の手前側で溶液L
1〜L3が均一に混合された溶液LMが生成される。従
って、マイクロミキサー10によれば、3種類の溶液L
1〜L3をミキシング流路64内で同時に混合し、これ
らが均一に混合し、又は混合と共に所要の化学反応が完
了した溶液LMをニップル部材82に接続された出液配
管へ供給できる。
クロミキサーの変形例について説明する。図6及び図7
には、それぞれ本発明の第1の実施形態に係るマイクロ
ミキサーの変形例が示されている。
図1及び図2に示されるマイクロミキサー10と同様
に、3種類の溶液L1,L2,L3を混合して溶液LM
を生成するためのものである。このマイクロミキサー8
6におけるマイクロミキサー10に対する主要な変更点
は、ベースプレート12の裏面部12Bに形成された1
本の給液路54が省略されている点及び、ベースプレー
ト12の表面部12Aに給液路88が追加して形成され
ている点である。
形成された給液路88は、他方の給液路36と同様に、
ヘッダ部90及びマイクロチャンネル部92を備えてお
り、軸心Sを中心として他方の給液路36と対称的に配
置されている。これらの主要な変更点に対応して、マイ
クロミキサー86では、下側のカバープレート18を貫
通する1本の注液穴72が省略されると共に、ミキシン
グプレート14及び上側のカバープレート16にそれぞ
れ注液穴96,98が追加して追加して穿設されてい
る。この注液穴96,98は、他方の注液穴76,78
と同様な形状とされており、その一端部が表面部12A
に追加形成された給液路88ヘッダ部90に接続されて
おり、また他端部には雌ねじ部(図示省略)が形成さ
れ、この雌ねじ部には、他の注液穴76,78と同様
に、ニップル部材74(図1参照)がねじ込まれてい
る。注液穴96,98にはニップル部材74を介して給
液配管(図示省略)が接続され、この給液配管を通して
加圧状態の溶液L3が供給される。
ート12の表面部12Aに形成された給液路36のマイ
クロチャンネル部40と給液路88のマイクロチャンネ
ル部92とは、チャンネル幅方向に沿って互いに隣接す
るように配置され、それぞれ表面部12Aに給液口42
及び給液口94を開口させている。ここで、給液口94
のチャンネル幅方向に沿った開口幅W5は、他の給液口
42と同様に、溶液L3の種類、供給量等に応じて1μ
m以上で500μm以下の範囲で適宜設定される。また
マイクロチャンネル部92の深さも、他のマイクロチャ
ンネル部40と同様に、好ましくは開口幅W1の1倍以
上、更に好ましくは開口幅W4の2倍以上となるように
設定される。これらの給液口42,94と裏面部12B
に形成された給液路44に繋がった給液口52とは、チ
ャンネル幅方向に沿って互い違いとなるように配置され
ている。これらの給液口42,52,94はそれぞれミ
キシング流路64の入液口66に接続される。これによ
り、L1,L2,L3は、給液口42,52,94及び
入液口66を通して給液路36,44,88からミキシ
ング流路64内へ導入され、このミキシング流路64内
を通って溶液LMとして出液配管へ供給される。
マイクロミキサー86によっても、図1及び図2に示さ
れるマイクロミキサー10と同様に、3種類の溶液L1
〜L3をミキシング流路64内で同時に混合し、これら
が均一に混合し、又は混合と共に所要の化学反応が完了
した溶液LMをニップル部材82に接続された出液配管
へ供給できる。
は、4種類の溶液L1,L2,L3,L4を混合して溶
液LMを生成するためのものである。このマイクロミキ
サー100におけるマイクロミキサー10に対する主要
な変更点は、ベースプレート12の表面部12Aに給液
路102が追加して形成されている点である。
された給液路102は、他方の給液路36と同様に、ヘ
ッダ部104及びマイクロチャンネル部106を備えて
おり、軸心Sを中心として他方の給液路36と対称的に
配置されている。この主要な変更点に対応して、マイク
ロミキサー100では、ミキシングプレート14及び上
側のカバープレート16にそれぞれ互いに連通する注液
穴96,98が追加して追加して穿設されている。この
注液穴96,98は、他方の注液穴76,78と同様な
形状とされており、その一端部が表面部12Aに追加形
成された給液路102のヘッダ部104に接続されてい
る。また注液穴98の他端部には雌ねじ部(図示省略)
が形成され、この雌ねじ部にはニップル部材74(図1
参照)がねじ込まれている。注液穴96,98にはニッ
プル部材74を介して給液配管(図示省略)が接続さ
れ、この給液配管を通して加圧状態の溶液L4が供給さ
れる。
ート12の表面部12Aに形成された給液路36のマイ
クロチャンネル部40と給液路102のマイクロチャン
ネル部106とは、チャンネル幅方向に沿って給液口5
2又は給液口62を挟んで互いに隣接するように配置さ
れ、それぞれ表面部12Aに給液口42及び給液口94
を開口させている。ここで、給液口94のチャンネル幅
方向に沿った開口幅W6は、他の給液口42,52,6
2と同様に、溶液L4の種類、供給量等に応じて1μm
以上で500μm以下の範囲で適宜設定される。これら
の給液口42,52,62,98は、チャンネル幅方向
に沿って互い違いとなるように配置されている。これら
4種類の給液口42,52,62,94はそれぞれミキ
シング流路64の入液口66に接続される。これによ
り、給液配管を通して給液路36,44,54,102
内にそれぞれ供給されたL1,L2,L3,L4は、給
液口42,52,62,94及び入液口66を通してミ
キシング流路64内へ導入され、ミキシング流路64内
を通って溶液LMとして出液配管へ供給される。
マイクロミキサー100によれば、4種類の溶液L1〜
L4をミキシング流路64内で同時に混合し、これらが
均一に混合し、又は混合と共に所要の化学反応が完了し
た溶液LMをニップル部材82に接続された出液配管へ
供給できる。
10,86,100の製造方法について説明する。マイ
クロミキサー10,86,100を構成する各プレート
10,12,14,16の素材については、強度、溶液
L1〜L4に対する耐腐食性等の化学的安定性、溶液L
1〜L4との接触界面における流動性等を考慮する必要
があり、具体的には、例えば、ステンレス(SUS
系)、非鉄金属材料、ファインセラミックス、特殊セラ
ミックス、プラスチック等が用いられ、これらの素材に
必要に応じてコーティング等の表面処理が施されたもの
がプレート10,12,14,16の素材として用いら
れる。これらの素材及びこれらの素材を加工するための
主な加工法を下記の(表1)に示す。
場合に、このベースプレート12には、次の〜に記
載された方法により給液路36を加工することができ
る。
放電加工によりマイクロチャンネル部40を掘り込んで
形成した後、ヘッダ部38の開口形状に対応する面形状
を有する電極を用いて表面部12Aを型削り放電加工し
てヘッダ部38を形成する。
型削り放電加工によりヘッダ部38を形成した後、マイ
クロチャンネル部40をその開口幅W1に対応する数μ
m〜20μm程度の直径を有する微細電極を用いた放電
加工により形成する。
1が10μm程度より広い場合は、ベースプレート12
の表面部12Aに、マイクロチャンネル部40の溝形状
に対応する電極を用いた微細放電加工によりマイクロチ
ャンネル部40を形成するか、超精密機械加工(マイク
ロ切削加工)を用いてマイクロチャンネル部40を形成
した後、型削り放電加工によりヘッダ部38を形成す
る。
54を形成する場合には、上記〜3記載の何れかの方
法により方法によりベースプレート12の裏面部12B
にマイクロチャンネル部48,58及びヘッダ部46,
57を形成した後、微細電極を用いた放電加工によりマ
イクロチャンネル部48,58の底面部分から表面部1
2Aへ貫通する貫通部50,60を形成することで、こ
れらの給液路44,54も形成できる。
性の無い素材により形成されている場合には、給液路3
6,44,54,88,100は、例えば、超精密切削
加工、超精密研削加工、ICP等のドライエッチング加
工によりベースプレート12に形成することが可能であ
る。
0では、マイクロチャンネル部40,48,58,9
2,106の等価直径(チャンネルの断面形状を円形に
換算した場合の内径)が小さくなるに従って、溶液L1
〜L4の粘性の影響が増大して流動性が悪化するおそれ
がある。このような流動性の低下は、例えば、マイクロ
チャンネル部40,48,58,92,106の内面
を、酸性溶液等の薬液を用いた湿式研磨によりRmax≦
0.2μmの超平滑面に仕上げるか、これとは逆に、梨
地処理等の粗面化処理を施すことで、効果的に抑制する
ことが可能である。さらにマイクロチャンネル部40,
48,58,92,106の内面に、Si3N4、SiO
2、Al2O3等のセラミックスコーティングを施すこと
も流動性の低下防止に有効であり、また流動性の低下防
止に有効な素材としては、例えば、SUS316が挙げ
られる。
処理することが考えられる場合には、各プレート12,
14,16,18における溶液L1〜L4との接触部に
テフロン(R)、TiN、SiC等のコーティングを施
すか、金(Au)等の化学的安定性の高い金属をメッキ
することにより、腐食性を有する溶液L1〜L4に対す
る耐蝕性を上できる。
の実施形態に係るマイクロミキサーが示されている。こ
のマイクロミキサー110は、8種類のL1〜L8を混
合して溶液LMを生成するためのものである。なお、図
8に示されるマイクロミキサー110において、第1の
実施形態に係るマイクロミキサー10,86,100と
構成及び作用が共通の部材については同一符合を付して
説明を省略する。
では、図8(B)に示されるように、ミキサー本体11
2がシールプレート122を介して2枚のベースプレー
ト114,116が積層され、さらにベースプレート1
16上に1枚のミキシングプレート14が積層されて構
成されている。マイクロミキサー110は、ミキサー本
体112の両側にそれぞれカバープレート16,18が
積層され、これらが連結ボルト(図示省略)により連結
されることより組み立てられている。図8(B)で下側
に示されたベースプレート114には、その表面部11
4Aに一対の給液路118,124が形成されると共に
裏面部114Bに一対の給液路130,136が形成さ
れている。下側のベースプレート114と同様に、上側
に示されたベースプレート116にも、その表面部11
6Aに一対の給液路148,154が形成されると共に
裏面部116Bに一対の給液路160,166が形成さ
れている。
給液路118,124及び給液路130,136は、基
本的には、第1の実施形態に係るマイクロミキサー10
0のベースプレート12に形成された給液路44,54
及び給液路36,102と同一構造とされており、それ
ぞれヘッダ部119,125,131,137、こらら
のヘッダ部119,125,131,137の内周側の
端部から延出する複数本(本実施形態では2本)のマイ
クロチャンネル部120,126,132,138及
び、マイクロチャンネル部132,138の底面部分か
ら表面部114Aに貫通する貫通部133,139を備
えている。
ースプレート114には、一端部がヘッダ部119,1
25,131,137に接続され、他端部がマイクロミ
キサー110の外部へ開口する4本の注液穴142,1
43,144,145が穿設されている。これらの注液
穴142,143,144,145の他端部には給液配
管(図示省略)が接続され、これらの給液配管及び注液
穴142,143,144,145を通してヘッダ部1
19,125,131,137には溶液L1〜L4がそ
れぞれ供給される。
給液路148,154及び給液路160,166も、基
本的には、第1の実施形態に係るマイクロミキサー10
0のベースプレート12に形成された給液路44,54
及び給液路36,102と同一構造とされており、それ
ぞれヘッダ部149,155,161,167、これら
のヘッダ部149,155,161,167の内周側の
端部から延出する複数本(本実施形態では2本)のマイ
クロチャンネル部150,156,162,168及
び、マイクロチャンネル部162,168の底面部分か
ら表面部116Aに貫通する貫通部163,169(図
8(B)参照)を備えている。
シングプレート14及び上側のベースプレート116に
は、一端部がヘッダ部149,155,161,167
に接続され、他端部がマイクロミキサー110の外部へ
開口する4本の注液穴(図示省略)が穿設されている。
これらの注液穴172,173,174,175の他端
部には給液配管(図示省略)が接続され、これらの給液
配管及び注液穴172,173,174,175を通し
てヘッダ部149,155,161,167には溶液L
5〜L8がそれぞれ供給される。
(B)に示されるように、その裏面部116Bから表面
部116Aに貫通する延長路178,180,182,
184が穿設されている。ここで、延長路178,18
0は、その下側の開口端がベースプレート114の表面
部114Aに開口する貫通部133,139に接続され
ると共に、上側の開口端がベースプレート116の表面
部116Aに開口して給液口179,181を形成して
いる。また延長路182,184は、その下側の開口端
がベースプレート114の表面部114Aに開口するマ
イクロチャンネル部120,126に接続されると共
に、上側の開口端がベースプレート116の表面部11
6Aに開口して給液口183,185を形成している。
またシールプレート122には、貫通部133,139
及びマイクロチャンネル部120,126との対向部分
に厚さ方向へ貫通する開口部が形成されており、これら
の開口部は、それぞれ延長路178,180,182,
184の一部を構成している。
面部116Aには、その表面部116A及び裏面部11
6Bに形成された給液路148,154及び給液路16
0,166にそれぞれ繋がった給液口151,157及
び給液口164,170が開口すると共に、延長路17
8,180,182,184を介して下側のベースプレ
ート114の表面部114A及び裏面部114Bに形成
された給液路118,124及び給液路130,136
にそれぞれ繋がった給液口179,181及び給液18
3,185が開口する。これらの給液口151,15
7,164,170,179,181,183,185
は、チャンネル幅方向に沿って互い違いとなるように配
置されており、その開口幅がそれぞれ1μm〜500μ
m範囲で適宜設定される。これらの開口幅は、基本的に
第1の実施形態に係るマイクロミキサー10,86,1
00の場合と同様な方法により設定される。
51,157,164,170,179,181,18
3,185は、それぞれミキシングプレート14に形成
されたミキシング流路64の入液口66に接続される。
これにより、ヘッダ部119,125,131,13
7,149,155,161,167にそれぞれ供給さ
れた溶液L1〜L8は、給液口151,157,16
4,170,179,181,183,185及び入液
口66を通してミキシング流路64内へ導入され、この
ミキシング流路64内を通って溶液LMとして出液配管
へ供給される。
マイクロミキサー110によれば、8種類の溶液L1〜
L8をミキシング流路64内で同時に混合し、これらが
均一に混合し、又は混合と共に所要の化学反応が完了し
た溶液LMを出液穴80に接続された出液配管へ供給で
きる。またマイクロミキサー110により処理する溶液
の種類が8種類よりも少ない場合、すなわち5〜7種類
の場合には、溶液の種類に応じて給液路118,12
4,130,136,142,148,154,16
0,166の両端部を1本〜3本塞ぐことで、マイクロ
ミキサー110により5〜7種類の溶液が混合された溶
液LMを生成できるようになる。
るマイクロミキサー10、86,100によれば、ベー
スプレート12の表面部12Aに1本又は2本の給液路
36,88,102を形成すると共に、裏面部12Bに
1本又は2本の給液路44,54におけるヘッダ部4
6,56及びマイクロチャンネル部48,58を形成
し、このマイクロチャンネル部48,58の底面部分か
ら表面部12Aへ貫通する貫通部50,60をベースプ
レート12に穿設することにより、給液路44,54に
ついてはそのヘッダ部46,56及びマイクロチャンネ
ル部48,58をベースプレート12の表面部12Aに
形成する必要がなくなる。
Aには、給液路44,54に繋がる給液口52,62を
開口させるだけで、3種類又は4種類の溶液L1〜L4
をミキシングプレート14に形成されたミキシング流路
64へ導入して拡散混合できるようになる。
クロミキサー110によれば、第1の実施形態に係るマ
イクロミキサー100におけるベースプレート12と略
同一構造の2枚のベースプレート114,116及びミ
キシングプレート14を積層してミキサー本体112を
構成することで、5種類〜8種類の溶液L1〜L8をミ
キシングプレート14に形成されたミキシング流路64
へ導入して拡散混合できるようになる。
態に係るマイクロミキサー10,86,100,110
では、複数種類の溶液が層流状態となってミキシング流
路64を流通する際には、複数種類の溶液からなる層流
がミキシング流路64内で対称的で、かつ各溶液からな
る層流数が等しくなるような配置(例えば、L1−L2
−L3−L1−・・・)とされていたが、ミキシング流
路64内において複数種類の溶液を必ずしもこのような
配置とする必要はなく、所定の2種類の溶液からなる層
流間に他の溶液からなる層流が常に介在(例えば、L1
−L3−L2−L3−L1−L3−L2−・・・)する
ように、ミキシング流路64内に複数種類の溶液を供給
しても良い。
ロミキサーによれば、混合する流体が3種類以上である
場合でも、混合する流体の種類に等しい本数の流体供給
路をミキサー本体に簡単に形成でき、これらの流体供給
路から流体を薄片状の層流としてミキシング流路へ供給
できる。
サーの一例についての構成を示す平面図及び側面断面図
である。
解斜視図である。
ースプレートの構成を示す平面部及び側面断面図であ
る。
ースプレートの裏面部を示す斜視図である。
式的に示す側面断面図であり、マイクロミキサーにおけ
る混合前後の溶液の流れが示されている。
サーの変形例についての構成を示す平面図及び側面断面
図である。
サーの変形例についての構成を示す平面図及び側面断面
図である。
サーについての構成を示す平面図及び側面断面図であ
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 流体を複数の流体供給路から1本のミキ
シング流路内へ導入し、これらの流体を薄片状の層流と
して流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向
へ拡散し、混合するマイクロミキサーであって、 厚さ方向に沿った両端面がそれぞれ表面部及び裏面部と
されたベースプレートと、 前記厚さ方向に沿って前記ベースプレートの表面部上に
積層され、該ベースプレートと共にミキサー本体を構成
するミキシングプレートと、 前記ベースプレートの表面部に沿って形成され、前記ミ
キサー本体の外部から流体が供給される第1のヘッダ部
及び、該第1のヘッダ部と繋がり前記ベースプレートの
表面部に開口するスリット状の第1の供給口が設けられ
た第1の流体供給路と、 前記ベースプレートに形成され、該ベースプレートの裏
面部に開口し前記ミキサー本体の外部から流体が供給さ
れる第2のヘッダ部及び、前記ベースプレートを貫通す
る貫通部を介して前記第2のヘッダ部と繋がり、前記第
1の供給口と幅方向に沿って隣接するように前記ベース
プレートの表面部に開口するスリット状の第2の供給口
が設けられた第2の流体供給路と、 前記ミキシングプレートに形成され、前記第1の供給口
及び前記第2の供給口を前記幅方向に沿って横断するよ
うに前記ミキシングプレートの裏面部に開口するスリッ
ト状の入液口及び、前記ミキシングプレートを貫通する
混合部を介して前記入液口と繋がり、前記ミキシングプ
レートの表面部に開口する出液口が設けられたミキシン
グ流路とを有し、 前記前記第1の供給口及び前記第2の供給口の前記幅方
向に沿った開口幅を1μm以上で500μm以下としたこ
とを特徴とするマイクロミキサー。 - 【請求項2】 前記第1の流体供給路及び前記第2の流
体供給路の少なくとも一方を前記ベースプレートに2本
形成したことを特徴とする請求項1記載のマイクロミキ
サー。 - 【請求項3】 前記第1の流体供給路を前記第1のヘッ
ダ部と前記第1の供給口との間で複数に分岐し、前記ベ
ースプレートの表面部に複数の第1の供給口を櫛歯状に
開口させると共に、前記第2の流体供給路を前記第2の
ヘッダ部と前記第2の供給口との間で複数に分岐し、前
記ベースプレートの表面部に複数の第2の供給口を櫛歯
状に開口させ、複数の第1の供給口と複数の第2の供給
口とを前記幅方向に沿って交互に配置したことを特徴と
する請求項1又は2記載のマイクロミキサー。 - 【請求項4】 前記厚さ方向に沿って一対の前記ベース
プレートを積層すると共に、該一対のベースプレート上
に前記ミキシングプレートを積層して前記ミキサー本体
を構成し、 前記ミキシングプレートに隣接する一方ベースプレート
に、他方のベースプレートにおける第1の流体供給路及
び第2の流体供給路にそれぞれ繋がる延長路を穿設し、
該延長路により他方のベースプレートにおける第1の流
体供給路及び第2の流体供給路をそれぞれ一方のベース
プレートの表面部まで延長し、該表面部に第1の供給口
及び前記第2の供給口を開口させたことを特徴とする請
求項1、2又は3記載のマイクロミキサー。
Priority Applications (1)
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JP2002010559A JP3727594B2 (ja) | 2002-01-18 | 2002-01-18 | マイクロミキサー |
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