JP2006007063A

JP2006007063A - マイクロミキサー、及び流体混合方法

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Publication number: JP2006007063A
Application number: JP2004186381A
Authority: JP
Inventors: Nobuhide Kasagi; 伸英笠木; Naoki Shikazono; 直毅鹿園; Yuji Suzuki; 雄二鈴木; Hideo Chin; 偉雄陳
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12
Also published as: WO2006001195A1

Abstract

【課題】従来の積層型マイクロミキサーと比べ、粒子の含有有無による比重の異なる流体からなる多層流体においても、十分良好な混合を達成する。
【解決手段】マイクロミキサーにおける第１の流体分断手段を用いて、流体を左右に分断し、第２の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を上方に分断する。次いで、第３の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を下方に分断し、流体合流手段を用いて、前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロミキサー、及び流体混合方法に関する。

異なる流体がほぼ同じ流量比で二つの流路に分断された後、異なる流体が層をなすように合流部で積層される従来の積層型マイクロミキサーは、異なる流体間の界面と垂直な面で分割した後、それぞれの異なる流体層の積層方向と同じ向きにあらためて積層することで、薄い流体層を構成し、このプロセスを最終的に分子拡散が支配的となる厚さとなるまで繰り返すことで効果的な混合を達成するものである。このような考え方に基づく積層型マイクロミキサーが、例えばBranebjeg et.al.，Proc.IEEE−MEMS96，pp441-446，1996やByoung−Gyun et al.，Proc.IntSensor Conf 2001，Seoul、Korea，PP.157−158らによって提案されている。

しかしながら、従来の積層型マイクロミキサーを用いて、磁気ビーズ等の流体と比重の異なる粒子を含む流体の混合を行おうとすると、密度の大きな粒子が重力により沈殿してしまう。このため、液相どうしは非常に薄い層となり混合するが、密度の大きな粒子は流路下部に沈殿し、本来の目的である粒子ともう一方の流体層との混合が十分に達成されないという課題があった。

本発明は、従来の積層型マイクロミキサーと比べ、粒子の含有有無による比重の異なる流体からなる多層流体においても、十分良好な混合を達成することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
流体を左右に分断するための第１の流体分断手段と、
前記左右に分断された前記流体を上方に分断するための第２の流体分断手段と、
前記左右に分断された前記流体を下方に分断するための第３の流体分断手段と、
前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させる流体合流手段と、
を具えることを特徴とする、マイクロミキサーに関する。

また、本発明は、
第１の流体分断手段を用いて、流体を左右に分断する第１の工程と、
第２の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を上方に分断する第２の工程と、
第３の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を下方に分断する第３の工程と、
流体合流手段を用いて、前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させる第４の工程と、
を具えることを特徴とする、流体混合方法に関する。

本発明によれば、所定の流体を左右方向に分断し、さらにこの分断された流体をそれぞれ上下方向に分断した後、これら分断された流体を合流させるようにしている。この過程において、前記上下方向に分断された流体の断面は、それぞれ最初の流体の断面に対して所定の角度だけ回転することができ、さらに前記上下方向に分断された流体が合流される際に、再度前記最初の流体の断面に対して所定の角度だけ回転することができる。したがって、上記過程を経ることにより、前記最初の流体は分断されるとともに、分断された流体の断面が所定角度回転された後、合流されることになるので、前記流体は十分に撹拌され混合されることになる。

したがって、前記流体を異なる流体が層をなしてなる多層流体である場合、上述した本発明の工程を経ることにより、各層の流体がそれぞれ分断され、その断面が回転した後合流するようになるので、前記各層の流体が十分均一に混合され、最終的にはほぼ均一に混合された単層の流体となる。

この結果、磁気ビーズ等を含む比重の大きな流体と比重の小さい流体とが同一の流路を流れ、これら流体の比重差に基づいてこれら流体が分離し、多層流体を構成する場合であっても、上述した本発明の工程を経ることにより、前述した比重差の異なる流体を十分に混合させることができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、従来の積層型マイクロミキサーと比べ、粒子の含有有無による比重の異なる流体からなる多層流体においても、十分良好な混合を達成することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明のマイクロミキサーの一例を示す分解構成図である。図１に示すマイクロミキサー１０は、第１の板状部材１１と、第１の板状部材１１の上方において順次に設けられた第２の板状部材１２及び第４の板状部材１４と、第１の板状部材１１の下方において順次に設けられた第３の板状部材１３及び第５の板状部材１５とを含んでいる。

第１の板状部材１１には、Ｔ字型の第１の開口部１１１及びＩ字型の第４の開口部１１２が形成され、これら開口部の端部１１１Ａ及び１１２Ａは、それぞれ第１の板状部材１１の、互いに相対向する側端部に開口している。

また、第２の板状部材１２には、Ｌ字型の第２の開口部１２１が形成され、その一方の端部１２１Ａは、第１の板状部材１１における第１の開口部１１１の上辺開口部の端部１１１Ｂと連続している。さらに、第２の開口部１２１の他方の端部１２１Ｂは、第１の板状部材１１における第４の開口部１１２の前方端部１１２Ｂと連続している。

第３の板状部材１３には、同じくＬ字型の第３の開口部１３１が形成され、その一方の端部１３１Ａは、第１の板状部材１１における第１の開口部１１１の上辺開口部の端部１１１Ｃと連続している。また、第３の開口部１３１の他方の端部１３１Ｂは、第１の板状部材１１における第４の開口部１１２の前方端部１１２Ｂと連続している。

なお、第４の板状部材１４及び第５の板状部材１５は、それぞれ第１の開口部１１１から第４の開口部１１２までを密閉するために云わば蓋として設けられ、図１に示すマイクロミキサーを実際の素子として機能させるためのものである。

次に、図１に示すマイクロミキサー１０を用いた流体の混合方法について説明する。図２及び図３は、図１に示すマイクロミキサー１０内を流れる際の、流体の状態を示す図である。なお、本例においては、前記流体が比重の異なる２種類の流体が上下方向に層をなしてなる多層流体の場合について説明する。

最初に、多層流体Ｓ１は、マイクロミキサー１０の第１の板状部材１１における第１の開口部１１１に導入される。この際、多層流体Ｓ１は第１の開口部１１１の上辺部において左右方向に分断される。次いで、左右方向に分断された多層流体Ｓ１は、それぞれ第１の開口部１１１と連続した、第２の板状部材１２における第２の開口部１２１及び第３の板状部材１３における第３の開口部１３１に導入され、この結果、上下方向に分断されることになる。この際、多層流体Ｓ１は、その流れ方向に対して９０度回転させられるので、その断面が９０度回転することになる。

次いで、多層流体Ｓ１は、第２の開口部１２１及び第３の開口部１３１と連続した、第１の板状部材１１の第４の開口部１１２に導入され、上下方向に分断された多層流体Ｓ１が合流して多層流体Ｓ２となる。この際、分断されたそれぞれの多層流体Ｓ１は、それぞれ流れ方向に対してさらに９０度回転させられるので、その断面が９０度回転することになる。したがって、多層流体Ｓ２は、先の多層流体Ｓ１に対して、その断面が１８０度回転して各層を構成する流体の積層順序が逆転するとともに、積層数が２倍となる。

結果として、図１に示すマイクロミキサー１０内を通ることにより、多層流体Ｓ１が断面方向において分断されるとともに、その断面自体が１８０度回転するようになるので、得られた多層流体Ｓ２では、多層流体Ｓ１に比較して、各層同士がより混合して均一となる。多層流体Ｓ１が、磁気ビーズ等を含む比重の大きな流体と比重の小さい流体とからなり、これら流体の比重差に基づいてこれら流体が分離している場合であっても、上述した本発明の工程を経ることにより、前述した比重差を克服して、多層流体Ｓ１を十分に均一混合した多層流体Ｓ２とすることができる。

なお、図１に示すようなマイクロミキサー１０を複数直列に接続し、多層流体Ｓ１を複数のマイクロミキサー内を連続させて通すようにすることにより、多層流体Ｓ１は各マイクロミキサー中で上述したような混合操作を受け、均一に混合されるようになるので、最終的に得る多層流体Ｓ２の均一混合の度合いはより向上する。

また、第１の板状部材１１に設けられた第１の開口部１１１及び第４の開口部１１２、第２の板状部材１２に設けられた第２の開口部１２１、並びに第３の板状部材１３に設けられた第３の開口部１３１の少なくとも一つにおいて、角部の面取を行うことができる。これらの開口部において、尖い角部が存在すると、多層流体Ｓ１がそれらの開口部を流れる際に、前記角部において流速が減少してしまうので、多層流体Ｓ１の混合を十分に行うことができない場合がある。したがって、これらの問題発生を抑制するためには、上述したように、上記開口部の角部の面取を行うことが好ましい。

なお、各板状部材は如何なる材料からも形成することができるが、上述した本発明の流体混合方法を実現することができる限り、樹脂や金属、ガラスなどから形成することができる。したがって、各板状部材の準備、及び各板状部材に対する加工が容易になり、上述した開口部の形成、すなわちマイクロミキサー自体の形成を簡易に行うことができるようになる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記具体例では多層流体を混合する場合について述べたが、本発明は多層流体のみならず、単層の流体にも適用することができ、その流体中の組成及び濃度がより均一となるように混合することができる。

例えば、図１に示す本発明のマイクロミキサー１０において、多層流体Ｓ１を第４の開口部１１２から第２の開口部１２１及び第３の開口部１３１を経て、第１の開口部１１１へ向けて逆流させることもできる。この場合、多層流体Ｓ１は、第２の開口部１２１で多層流体Ｓ１を上方に分断し、第３の開口部１３１で多層流体Ｓ１を下方に分断し、第１の開口部１１１で前記上方に分断された多層流体Ｓ１と前記下方に分断された多層流体Ｓ１とを合流させるようにすることもできる。この場合においても、多層流体Ｓ１は、図２及び３に示すような態様で十分に混合され、多層流体Ｓ２とすることができる。

本発明のマイクロミキサーの一例を示す分解構成図である。図１に示すマイクロミキサー内を流れる際の、流体の状態を示す図である。同じく、図１に示すマイクロミキサー内を流れる際の、流体の状態を示す図である。

符号の説明

１０マイクロミキサー
１１第１の板状部材
１２第２の板状部材
１３第３の板状部材
１４第４の板状部材
１５第５の板状部材
１１１第１の開口部
１１２第４の開口部
１２１第２の開口部
１３１第３の開口部
Ｓ１、Ｓ２多層流体

Claims

流体を左右に分断するための第１の流体分断手段と、
前記左右に分断された前記流体を上方に分断するための第２の流体分断手段と、
前記左右に分断された前記流体を下方に分断するための第３の流体分断手段と、
前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させる流体合流手段と、
を具えることを特徴とする、マイクロミキサー。
前記第１の流体分断手段は、第１の板状部材において、その端部に一端が開口したＴ字型の第１の開口部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロミキサー。
前記第２の流体分断手段は、第２の板状部材において、前記第１の開口部の、上辺開口部における左端部又は右端部と連続したＬ字型の第２の開口部を含むことを特徴とする、請求項２に記載のマイクロミキサー。
前記第３の流体分断手段は、第３の板状部材において、前記第１の開口部の、前記上辺開口部における、前記第２の開口部が連続した前記左端部又は前記右端部の残りと連続したＬ字型の第３の開口部を含むことを特徴とする、請求項３に記載のマイクロミキサー。
前記流体合流手段は、前記第１の板状部材において、前記第１の開口部の後方において、前記第２の開口部の先端部及び前記第３の開口部の先端部と連続したＩ字型の第４の開口部を含むことを特徴とする、請求項４に記載のマイクロミキサー。
前記第２の流体分断手段において、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、９０度回転させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記第３の流体分断手段において、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、９０度回転させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記流体合流手段において、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、１８０度回転させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記流体は、複数の流体が層をなして積層された多層流体であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記多層流体は、前記第１の流体分断手段、前記第２の流体分断手段及び前記第３の流体分断手段を介して分断された後、前記流体合流手段で合流された際に、その積層順序が逆転するとともに、その積層数が２倍となることを特徴とする、請求項９に記載のマイクロミキサー。
前記多層流体は、互いに比重の異なる複数の流体からなることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のマイクロミキサー。
前記第１の開口部から前記第４の開口部の少なくとも一つにおいて、角部の面取を実施したことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記第１の流体分断手段から前記第３の流体分断手段、及び前記流体合流手段の少なくとも一つは、樹脂、金属又はガラスからなることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
前記流体は、前記流体合流手段から前記第２の流体分断手段及び前記第３の流体分断手段を経て、前記第１の流体分断手段へ向けて逆流させ、前記第２の流体分断手段で前記流体を上方に分断し、前記第３の流体分断手段で前記流体を下方に分断し、前記第１の流体分断手段で前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させるように構成したことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一に記載のマイクロミキサー。
第１の流体分断手段を用いて、流体を左右に分断する第１の工程と、
第２の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を上方に分断する第２の工程と、
第３の流体分断手段を用いて、前記左右に分断された前記流体を下方に分断する第３の工程と、
流体合流手段を用いて、前記上方に分断された前記流体と前記下方に分断された前記流体とを合流させる第４の工程と、
を具えることを特徴とする、流体混合方法。
前記第１の工程における前記第１の流体分断手段は、第１の板状部材において、その端部に一端が開口したＴ字型の第１の開口部を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の流体混合方法。
前記第２の工程における前記第２の流体分断手段は、第２の板状部材において、前記第１の開口部の、上辺開口部における左端部又は右端部と連続したＬ字型の第２の開口部を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の流体混合方法。
前記第３の工程における前記第３の流体分断手段は、第３の板状部材において、前記第１の開口部の、前記上辺開口部における、前記第２の開口部が連続した前記左端部又は前記右端部の残りと連続したＬ字型の第３の開口部を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の流体混合方法。
前記第４の工程における前記流体合流手段は、前記第１の板状部材において、前記第１の開口部の後方において、前記第２の開口部の先端部及び前記第３の開口部の先端部と連続したＩ字型の第４の開口部を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の流体混合方法。
前記第２の工程において、前記第２の流体分断手段により、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、９０度回転させることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一に記載の流体混合方法。
前記第３の工程において、前記第３の流体分断手段により、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、９０度回転させることを特徴とする、請求項１５〜２０のいずれか一に記載の流体混合方法。
前記第４の工程において、前記流体合流手段により、前記流体の断面を、前記流体の、前記第１の流体分断手段への流入時と比較して、１８０度回転させることを特徴とする、請求項１５〜２１のいずれか一に記載の流体混合方法。
前記流体は、複数の流体が層をなして積層された多層流体であることを特徴とする、請求項１５〜２２のいずれか一に記載の流体混合方法。
前記多層流体は、前記第１の流体分断手段、前記第２の流体分断手段及び前記第３の流体分断手段を介して分断された後、前記流体合流手段で合流された際に、その積層順序が逆転するとともに、その積層数が２倍となることを特徴とする、請求項２３に記載の流体混合方法。
前記多層流体は、互いに比重の異なる複数の流体からなることを特徴とする、請求項２３又は２４に記載の流体混合方法。
前記第１の流体分断手段から前記第３の流体分断手段、及び前記流体合流手段における前記第１の開口部から前記第４の開口部の少なくとも一つにおいて、角部の面取を実施したことを特徴とする、請求項１５〜２５のいずれか一に記載の流体混合方法。
前記第１の流体分断手段から前記第３の流体分断手段、及び前記流体合流手段の少なくとも一つは、樹脂、金属又はガラスからなることを特徴とする、請求項１５〜２６のいずれか一に記載の流体混合方法。