JP2006102681A - 流体混合器及びマイクロリアクタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止した流体混合器及び流体混合器を備えたマイクロリアクタシステムを提供する。
【解決手段】 流体８を流す導入流路１０を持つ導入プレート２、流体９を流す導入流路１１を持つ導入プレート４の間に、異種の流体を混合させる混合流路１２を持つ混合プレート３を積層し、導入プレート２，４には、混合プレート３の混合流路１２の上流端部の下流直後に連通するように、流路１０，１１の下流端部に並列に並べた流路凸部１５１，１５３，１５５と１６２，１６４，１６６を互い違いに配置する。これにより、流体８と９は、幅方向に交互に混合部１２１に流入し、効果的に混合される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化学合成や化学分析などの分野において液体又は気体を混合する流体混合器に係わり、また、この混合器を備えたマイクロリアクタシステムに関する。

近年、化学合成や化学分析の分野において、反応時間の短縮及び副反応抑制のために、マイクロ加工（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作された断面寸法が数十〜数百μｍの流路から構成される混合器が使用されはじめている。このような混合器は、マイクロミキサ、又はマイクロリアクタと呼ばれる。マイクロミキサでは流路の代表長さが短いので、流体の慣性力と粘性力の比を表わす無次元数であるレイノルズ数が小さいため、流れは層流となる。したがって、２種類の流体を混合する場合には、分子拡散によって混合が進む。そこで、流路の代表長さを小さくするほど、拡散距離が短縮されるため、流体の混合は促進される。また、流路の代表長さが小さいことにより流路内の熱伝達率が向上するため、精密な流体の温度制御が可能となる。例えば、マイクロミキサで反応熱を伴う反応を行う場合、一様な温度場を作ることが可能なため、副反応を抑制することができる。

特許文献１では、混合流路の下方から２種類の流体を流れ方向に交互に流入させて、流路の高さ方向に流れを多層化して２流体間の拡散距離を小さくすることにより混合性を向上させている。

特許文献２では、混合流路の上流に２種類の流れを幅方向に層状にして交互に流す複数の仕切壁を設けることにより、混合部で流れを多層化して２流体間の拡散距離を小さくして混合性を向上させている。

特許文献３では、第１流体が流入する混合部の下方に設けた複数の開口部から第２流体が流入し、各開口部には流れの下流方向に開口部のあるＵ字形ノズルを設置している。これにより、２種類の流れが交互に層状で流れ、２流体間の拡散距離を小さくして混合性を向上させている。

特許文献４では、混合部につながる複数本の流路に２種類の流体が交互に流入し、さらに、混合部下流の流路幅が小さくなることにより、流れを多層化して２流体間の拡散距離を小さくして混合性を向上させている。

特開２００２−４５６６６号公報（全体） 特開２００３−１０７７公報（全体） 特表２０００−５０３８９４公報（全体） ＷＯ ０２／１６０１７ Ａ２（全体）

特許文献１の従来技術では、混合流路の下方から２種類の流体を流れ方向に交互に流入させる導入流路の深さを導入流路の幅よりも大きくしている。このため、混合部に均一に流体を流入させ得るものの、マイクロミキサの厚みが増大し、構造物での熱抵抗が増大するため、温度制御性が低下する可能性がある。

特許文献２の従来技術では、混合流路の上流の流路内に複数の仕切壁を設けるため、製造工程が複雑になり生産コストが増大する。また、仕切壁の強度を上げるためには、仕切壁の厚さを増大させる必要があるため、全体の流路幅が増大する。また、壁面が多いため圧力損失が増大する可能性がある。さらに、仕切壁が存在すると、各流路幅が狭くなるため、固体浮遊物又は反応による析出物が存在する場合には、流路が閉塞する可能性がある。

特許文献３の従来技術では、流路内に複数のノズルを設けるためには、製造工程が複雑になり生産コストが増大する。また、Ｕ字形ノズルの強度を上げるためには、ノズルの壁の厚さを増大させる必要があるため、全体の流路幅が増大してしまう。

特許文献４の従来技術では、細い流路が多いため、圧力損失が増大する可能性があり、固体浮遊物又は反応による析出物が存在する場合には、流路が閉塞する可能性がある。

本発明の目的は、簡便な構造で圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞が防止できる流体混合器又は流体混合器を備えたマイクロリアクタシステムを提供することである。

本発明の望ましい実施態様においては、複数の異種流体を導入する導入流路が形成された導入プレートと、混合流路が形成された混合プレートと、導入プレートの導入流路から混合プレートの混合流路へ連通するように、導入プレートと混合プレートを重ね合わせて形成した連通部を備え、複数の異種流体を幅方向にそれぞれ複数列に分割し、幅方向に交互に混合プレートの混合流路へ流入させるように、連通部を混合流路の上流端部直後に対応する位置に形成したことを特徴とする。

また、本発明の望ましい実施態様においては、混合流路下流の流路幅を１ｍｍ以上とし、異種流体の一方の流体を多層化した分割数で混合部下流の流路幅を除した値を１ｍｍ未満としている。

本発明の望ましい実施態様によれば、簡便な構造により異種の流体を多層化して混合性を向上させながら、圧力損失が小さく、かつ流路閉塞が発生しにくい流体混合器又はマイクロミキサあるいはマイクロリアクタを提供できる。

また、他の本発明の望ましい実施態様によれば、混合流路の流路幅を1mm以上と大きくしているため、生産量又は処理量が大きいマイクロリアクタを提供できる。

本発明によるその他の目的と特徴は以下に述べる実施例の説明で明らかにする。

以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の第１の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図である。図２は、図１の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図であり、同図（ａ）は流路１０と混合部１２１の関係図で、同図（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図、同図（ｃ）は混合部１２１と流路１１の関係図で、同図（ｄ）はそのｄ−ｄ断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された５枚のプレート１〜５を備えている。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。流体８を流す導入流路１０が形成された導入プレート２と、流体９を流す導入流路１１が形成された導入プレート４の間に、２種類の流体を混合させる混合流路１２が形成された混合プレート３が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、この混合部１２１の下流の縮流部を介して流路１２２が形成されている。なお、縮流部を設けることなく、混合部１２１と下流の流路１２２の幅を同じとすることもできる。２つの導入流路１０，１１の下流端部には、流路凸部１５（１５１，１５３，１５５）と、流路凸部１６（１６２，１６４，１６６）とを設けている。図２の（ａ），（ｂ）と（ｃ），（ｄ）に示すように、混合部上流端部２０には、上部と下部に設置された導入流路１０と１１の流路凸部１５（１５１，１５３，１５５）と１６（１６２，１６４，１６６）とが、幅方向に交互に重なる。これにより、２種類の流体８と９とが、混合部１２１の上流端部２０直後から互い違いに流入する。混合流路１２の混合部１２１では、流体８及び流体９が幅方向に多層状態となり、混合部１２１の下流では、縮流部により混合流路１２が縮流される。多層状態になった流体８及び流体９の間隔は、この流路が狭まる縮流部でさらに小さくなり混合が促進される。

ここで、混合流路１２の幅（図１においては縮流後の流路１２２の幅）は１ｍｍ以上であり、かつ、これを流体８や９の分割数３で除した値を１ｍｍ未満とする。これにより、混合性能を向上させながら、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、さらに固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図３は、本発明の第２の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図であり、図１の流体混合器の変形例を示す。図１及び図２の流体混合器の実施例と異なる点は、導入流路１０と１１の下流端部の流路凸部１５と１６が、流れ方向に長くなり、流路を形成していることである。この場合も、図２（ｂ）と（ｄ）の断面図については全く同一となり、第１の実施例と同様の効果が得られる。

図４は、本発明の第３の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図であり、図５は、図４の流体混合器の構造を図２に倣って示す部分平面図とその断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された７枚のプレート１、２、３、４、５、２１、２３からなる。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。流体８を流す導入流路１０が形成された導入プレート２と、流体９を流す導入流路１１が形成された導入プレート４の間に、混合流路１２が形成された混合プレート３が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられている。混合プレート３と上部の導入プレート２の間には、連通孔２２が設置された連通プレート２１が積層されている。また、混合プレート３と下部の導入プレート４の間には、連通孔２４が設置された連通プレート２３が積層されている。混合流路の上流端部２０の下流側直後の位置に対応して連通孔２２及び２４が幅方向に交互になるようにそれぞれの連通プレート２１、２３に設置されている。したがって、２つの導入流路１０、１１から異種の流体８と９が上下から連通孔２２と２４を経て混合流路の上流端部２０の下流側直後に交互に流入する。混合部１２１では、流体８及び流体９が幅方向に多層状態となる。さらに、この実施例においても、混合部１２１の下流では混合流路１２は縮流しており、幅方向に多層状態になった流体８と９の間隔はさらに小さくなり混合が促進される。その他の寸法は先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図６は、本発明の第４の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図である。図７は、図６の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図であり、同図（ａ）は流路１０と混合部１２１の関係図で、同図（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図、同図（ｃ）は混合部１２１と流路１１の関係図で、同図（ｄ）はそのｄ−ｄ断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された５枚のプレート１〜５を備えている。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。流体８を流す導入流路１０が形成された導入プレート２と、流体９を流す導入流路１１が形成された導入プレート４の間に、２種類の流体を混合させる混合流路１２が形成された混合プレート３が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、この混合部１２１の下流の縮流部を介して流路１２２が形成されている。なお、縮流部を設けることなく、混合部１２１と下流の流路１２２の幅を同じとすることもできる。混合部１２１より上流には、流路凸部１４が６個（１４１〜１４６）設けられている。一方、２つの導入流路１０，１１の下流端部には、前記混合流路１２の１つ置きの流路凸部に対向するように、それぞれ半数の流路凸部１５（１５１，１５３，１５５）と、流路凸部１６（１６２，１６４，１６６）とを設けている。図７の（ａ），（ｂ）と（ｃ），（ｄ）に示すように、混合部より上流の流路凸部１４（１４１〜１４６）には、上部と下部に設置された導入流路１０と１１の流路凸部１５（１５１，１５３，１５５）と１６（１６２，１６４，１６６）とが、幅方向に交互に重なる。これにより、２種類の流体８と９とが、混合部１２１より上流の流路凸部１４１〜１４６から互い違いに流入する。混合流路１２の混合部１２１では、流体８及び流体９が幅方向に多層状態となり、混合部１２１の下流では、縮流部により混合流路１２が縮流される。多層状態になった流体８及び流体９の間隔は、この流路が狭まる縮流部でさらに小さくなり混合が促進される。

混合流路１２より上流において、上下の導入流路１０と１１から導入した２つの流体は、流路凸部１４１〜１４６によって形成される仕切壁によりその進路が誘導される。これにより、混合部１２１では２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることなく、流路の幅方向に多層状に流れるため、優れた混合性能が得られる。図７に示すように、混合部１２１より上流における流路凸部１４の流れ方向長さは、導入流路１０、１１の下流端部における流路凸部１５、１６と流路凸部１４とで形成された連通部の流れ方向長さLとほぼ等しく形成されている。混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向で２層に分かれることを防止するには、流体の流れる方向を規制する仕切壁の役目を果たす流路凸部１４の流れ方向長さが大きいほど効果は増大し、流路凸部１４の流れ方向長さがLでほぼ防止でき、さらに大きくなるほど防止効果は完全となるが、次第にその効果は飽和し、逆に流体の圧力損失が増大する。したがって、混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることを防止すると共に流体の圧力損失を抑制するためには、流路凸部１４の流れ方向長さを、連通部の流れ方向長さLの３倍以下に形成することが望ましい。これによって、簡便な構造により、異種の流体を多層化して混合性を向上させながら、圧力損失が小さく、かつ流路閉塞が発生しにくい流体混合器を実現できる。

その他の寸法は先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

また、混合流路より上流の流路凸部の形状は、半楕円形等の任意形状が可能である。ここで、流れの分割数が多いほど混合性能は向上する。

図８は、本発明の第５の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図である。図９は、図８の流体混合器の構造を図２に倣って示す部分平面図とその断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された７枚のプレート１〜５、２１、２３からなる。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。流体８を流す導入流路１０が形成された導入プレート２と、流体９を流す導入流路１１が形成された導入プレート４の間に、２種類の流体を混合させるための混合流路１２が形成された混合プレート３が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、混合部より上流には、図６と同様に上流側に向いた流路凸部１４が６個設けられている。混合プレート３と上部の導入プレート２の間には、連通孔２２が設置された連通プレート２１が積層されている。また、混合プレート３と下部の導入プレート４の間には、連通孔２４が設置された連通プレート２３が積層されている。混合流路より上流の流路凸部１４の位置に対応して流路凸部の大きさ以下の連通孔２２及び連通孔２４が、幅方向に交互になるようにそれぞれの連通プレート２１、２３に設置されている。したがって、２つの導入流路１０、１１から異種の流体８と９が、上下からそれぞれ連通孔２２と２４を経て、混合プレート３の混合流路１２より上流に幅方向に並んだ６つの流路凸部１４に交互に流入する。

混合流路１２より上流において、上下の導入流路１０と１１から連通孔２２と２４を経て流入した２つの流体は、流路凸部１４によって形成される仕切壁によりその進路が誘導される。これにより、混合部１２１では２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることなく、流路の幅方向に多層状に流れるため、優れた混合性能が得られる。図９に示すように、混合部１２１より上流における流路凸部１４の流れ方向長さは、連通孔２２、２４の流れ方向長さLとほぼ等しく形成されている。混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向で２層に分かれることを防止するには、流体の流れる方向を規制する仕切壁の役目を果たす流路凸部１４の流れ方向長さが大きいほど効果は増大し、流路凸部１４の流れ方向長さがLでほぼ防止でき、さらに大きくなるほど防止効果は完全となるが、次第にその効果は飽和し、逆に流体の圧力損失が増大する。したがって、混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることを防止すると共に流体の圧力損失を抑制するためには、流路凸部１４の流れ方向長さを、連通孔の流れ方向長さLの３倍以下に形成することが望ましい。これによって、簡便な構造により、異種の流体を多層化して混合性を向上させながら、圧力損失が小さく、かつ流路閉塞が発生しにくい流体混合器を実現できる。

その他の寸法は先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図１０は、本発明の第６の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図であり、図１１は、図１０の流体混合器の構造を図２に倣って示す部分平面図とその断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された５枚のプレート１、２、２５、３、５からなる。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。流体８を流す導入流路１０及び流体９を流す導入流路１１が形成された１枚の導入プレート２と、２種類の流体を混合させる混合流路１２が形成された混合プレート３が、連通プレート２５を挟んで積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、混合部１２１より上流には図６，８と全く同様に、上流に向いた流路凸部１４が６個設けられている。２つの導入流路１０，１１の下流端部には、それぞれ混合流路の場合の半数づつ流路凸部１５、１６が設けられている。これらの流路凸部１５、１６の位置にそれぞれ対応させて、流路凸部の大きさ以下の連通孔２２と２４を、幅方向に交互になるように連通プレート２５に配置している。また、これらの連通孔２２と２４は、混合プレート３の混合流路より上流の流路凸部１４の位置に対応しており、したがって、２つの導入流路１０、１１からの異種の流体８と９は、それぞれ連通孔２２と２４を経て、混合流路より上流に幅方向に並んだ６つの流路凸部１４に互い違いに流入する。

混合流路１２より上流において、導入流路１０と１１から連通孔２２と２４を経て流入した２つの流体は、流路凸部１４によって形成される仕切壁によりその進路が誘導される。これにより、混合部１２１では２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることなく、流路の幅方向に多層に流れるため、優れた混合性能が得られる。図１１に示すように、混合部１２１より上流における流路凸部１４の流れ方向長さは、連通孔２２、２４の流れ方向長さLとほぼ等しく形成されている。混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向で２層に分かれることを防止するには、流体の流れる方向を規制する仕切壁の役目を果たす流路凸部１４の流れ方向長さが大きいほど効果は増大し、流路凸部１４の流れ方向長さがLでほぼ防止でき、さらに大きくなるほど防止効果は完全となるが、次第にその効果は飽和し、逆に流体の圧力損失が増大する。したがって、混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることを防止すると共に流体の圧力損失を抑制するためには、流路凸部１４の流れ方向長さを、連通孔の流れ方向長さLの３倍以下に形成することが望ましい。これによって、簡便な構造により、異種の流体を多層化して混合性を向上させながら、圧力損失が小さく、かつ流路閉塞が発生しにくい流体混合器を実現できる。

その他の寸法は先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図１２は、本発明の第７の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図であり、図１３は、図１２の流体混合器の構造を図２に倣って示す部分平面図とその断面図である。

流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された６枚のプレート１〜５、２１からなる。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。上蓋１と下蓋５の間には、導入流路１０が形成された導入プレート２と、連通孔２２が形成された連通プレート２１と、混合流路１２が形成された混合プレート３と、導入流路１１が形成された導入プレート４が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、混合部の上流には複数（図では３個）の流路凸部１４が間隔を置いて設けられている。

連通プレート２１には、混合部上流端部２０の下流直後の位置に対応して、混合部上流端部２０の幅以下の幅を持つ連通孔２２が幅方向に間隔を置いて３個並べて設置され、導入流路１０は、連通孔２２に重なるように設置される。これにより、流体８は連通孔２２を経て混合部上流端部２０の下流直後に流入する。一方、導入流路１１は、混合流路１２より上流の凸部１４の流れ方向の長さの範囲内で重なることにより、流体９が混合部１２１より上流の凸部１４に流入する。

混合流路１２の上流において、導入流路１１から流入した流体９は、流路凸部１４によって形成される仕切壁によりその進路が誘導される。一方、流体８は導入流路１０から連通孔２２を経て混合部上流端部２０の下流直後に流入する。流体９は仕切壁により混合部下流方向に流れ、混合部上流端部２０の下流直後には流れ込み難くなるため、混合部１２１では２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることなく、流路の幅方向に多層状に流れることにより、優れた混合性能が得られる。図１３に示すように、混合部１２１の上流における流路凸部１４の流れ方向長さは、導入流路１１と流路凸部１４とで形成される連通部の流れ方向長さLとほぼ等しく形成されている。混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向で２層に分かれることを防止するには、流体の流れる方向を規制する仕切壁の役目を果たす流路凸部１４の流れ方向長さが大きいほど効果は増大し、流路凸部１４の流れ方向長さがLでほぼ防止でき、さらに大きくなるほど防止効果は完全となるが、次第にその効果は飽和し、逆に流体の圧力損失が増大する。したがって、混合部１２１において２つの流体が流路の上下方向へ２層に分かれることを防止すると共に流体の圧力損失を抑制するためには、流路凸部１４の流れ方向長さを、連通部の流れ方向長さLの３倍以下に形成することが望ましい。これによって、簡便な構造により、異種の流体を多層化して混合性を向上させながら、圧力損失が小さく、かつ流路閉塞が発生しにくい流体混合器を実現できる。

その他の寸法は先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図１４は、本発明の第８の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図である。流体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された５枚のプレート１、２、３、５、２５からなる。一番上のプレートは上蓋１であり、２つの流入孔６１，６２及び１つの排出孔７が設けられている。一番下のプレートは下蓋５である。上蓋１と下蓋５の間には、流体８を流す導入流路１０と流体９を流す導入流路１１が形成された導入プレート２と、連通孔２２と連通孔２４が形成された連通プレート２５と、混合流路１２が形成された混合プレート３が積層されている。混合流路１２の上流には混合部１２１が設けられ、混合部１２１より上流には先の実施例と同様に、流路凸部１４と混合部上流端部２０がそれぞれ交互に３個設けられている。連通プレート２５には、混合流路より上流の流路凸部１４の位置に対応して、流路凸部の幅以下の幅を持つ連通孔２２が３個設置されている。また、混合部上流端部２０の下流直後の位置に対応して混合部上流端部２０の幅以下の幅を持つ連通孔２４が３個設置され、導入流路１０は連通孔２２に、導入流路１１は連通孔２４に重なるように設置される。これにより、流体８は連通孔２２を経て混合部より上流の流路凸部１４に、流体９は連通孔２４を経て混合部上流端部２０の下流直後に流入する。混合部１２１では、流体８及び流体９が幅方向に多層状態となる。さらに、この実施例では、混合部１２１の下流で混合流路１２を縮流しており、幅方向に多層状態になった流体８及び流体９の間隔はさらに小さくなり混合が促進される。

その他の寸法は、先の実施例と同じであり、混合性能を向上させると共に、反応生成物の生産量を増大させ、また、圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞を防止することができる。

図１５は、本発明の他の実施例による流体混合器の混合部１２１の構造を示す要部平面図である。図１５（ａ）は、図１〜３の実施例に示す流体混合器の導入流路下流端部の流路凸部１５、１６の幅方向の寸法を変化させたものである。図１５（ｂ）は図４、５の実施例に示す流体混合器の連通孔２２、２４の幅方向の開口寸法を変化させたものである。ここでは、連通孔の形状は矩形としているがそれ以外の形状も可能である。図１５（ｃ）は図６〜１１の実施例に示す流体混合器の混合部１２１より上流の流路凸部１４の幅方向の寸法を変化させたものである。図１５（ｄ）は、図１２〜１４の実施例に示す流体混合器の混合部１２１より上流の流路凸部１４及び混合部上流端部２０の幅方向の寸法を変化させたものである。

図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において、図１〜１４の実施例では異種流体の一方の流体の分割数は３であるが、ここでは分割数が４の場合を示す。混合部１２１の流路幅方向に関して、流路内の流速は流路中央で大きく壁面で零になるため、流路中央部ほど流路幅方向の物質の拡散が小さい。また、幅方向に交互に層状化した異種流体において、壁面に隣接する流体は、壁方向に拡散できない。図１５（ａ）では、導入流路の下流端部の流路凸部１５、１６の幅方向の寸法は、流路中心から幅方向に進むにつれて増大し、また幅方向の両側の壁面に最も近い流路凸部の幅は、隣接する流路凸部の幅の半分以下である。図１５（ｂ）では、連通孔の幅方向の開口寸法は、混合流路上流端部の中心から幅方向に進むにつれて増大し、混合流路上流端部の幅方向の両側の壁面に最も近い連通孔の開口幅は、隣接する開口部の幅の半分以下である。図１５（ｃ）では、混合流路より上流の流路凸部１４の幅方向の寸法は、流路中心から幅方向に進むにつれて増大し、また幅方向の両側の壁面に最も近い流路凸部の幅は、隣接する流路凸部の幅の半分以下である。図１５（ｄ）では、混合流路上流端部の流路凸部１４又は混合部上流端部２０の幅方向の寸法は、流路中心から流路幅方向進むにつれて増大し、また、幅方向の両側の壁面に最も近い流路凸部又は混合部上流端部の幅は、隣接する流路凸部又は混合部上流端部の幅の半分以下である。

これにより、流体８及び流体９の幅方向の拡散が均一化されるため、異種流体の混合が完了する流れ方向の距離を短縮できる。

図１６は、本発明によるマイクロリアクタシステムの一実施例を示す分解斜視図である。図１〜１５の実施例による流体混合器２６の上面及び下面に、熱交換器２７を面同士が密着するように重ね合わせて接合又はボルト締め等により固定したものである。熱交換器２７の片方の面には、機械加工等により熱媒体３０が流通する熱媒体流路３１が形成されている。流体８及び流体９は異なる位置の流入孔６１，６２から流入し、流体混合器で混合され反応が終了した後に排出孔７から流出される。熱媒体３０は、熱媒体流入孔２８から流入し、熱交換器２７の片面に形成された熱媒体流路３１を流通しながら流体混合器２６と熱交換した後、熱媒体流出孔２９から流出される。

これにより、目的の反応温度で流体温度を制御することができるため、副反応を抑制して、反応収率を向上させることができる。ここで、図１〜１５の実施例の流体混合器２６は薄いため、熱交換効率が向上する。

以上の実施例によれば、簡便な構造で圧力損失を低減し、固体浮遊物による流路閉塞が防止できる流体混合器又は流体混合器を備えたマイクロリアクタシステムを提供することができる。

本発明による流体混合器は、医薬品、化学工業製品の合成プロセスにおける複数の流体の混合又は反応、また、分析化学、医療用分析のための分析装置における複数の試薬の混合又は反応を効率的に実施するために利用することができる。

本発明の第１の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図１の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第２の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 本発明の第３の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図４の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第４の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図６の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第５の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図８の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第６の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図１０の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第７の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 図１２の流体混合器の構造を示す部分平面図とその断面図。 本発明の第８の実施例による流体混合器の構造を示す分解斜視図。 本発明の他の実施例による流体混合器の混合部の構造を示す要部平面図。 本発明によるマイクロリアクタシステムの一実施例を示す分解斜視図。

符号の説明

１…上蓋、２…導入プレート、３…混合プレート、４…導入プレート、５…下蓋、６１，６２…流入孔、７…排出孔、８，９…流体、１０，１１…導入流路、１２…混合流路、１２１…混合部、１２２…流路、１４（１４１〜１４６）…混合部より上流の流路凸部、１５，１６…導入流路の流路凸部、１８，１９…導入流路の下流端部、２０…混合部上流端部、２１，２３，２５…連通プレート、２２，２４…連通孔、２６…流体混合器、２７…熱交換器、２８…熱媒体流入孔、２９…熱媒体流出孔、３０…熱媒体、３１…熱媒体流路。

Claims (18)

1. 複数の異種流体を導入する導入流路が形成された導入プレートと、複数の異種流体を受入れ混合する混合流路が形成された混合プレートと、導入プレートの前記導入流路から混合プレートの前記混合流路へ連通するように、導入プレートと混合プレートを重ね合わせて形成した連通部を備え、複数の前記異種流体を幅方向にそれぞれ複数列に分割し、幅方向に交互に混合プレートの前記混合流路へ流入させるように、前記連通部は前記混合流路の上流端部直後に対応する位置に形成されていることを特徴とする流体混合器。
2. 複数の異種流体を導入する導入流路が形成された導入プレートと、複数の異種流体を受入れ混合する混合流路が形成された混合プレートと、導入プレートの前記導入流路から混合プレートの前記混合流路へ連通するように、導入プレートと混合プレートを重ね合わせて形成した連通部を備え、前記連通部は複数の前記異種流体を幅方向にそれぞれ複数列に分割し、幅方向に交互に混合プレートの前記混合流路より上流へ流入させるように形成されており、前記混合プレートの混合流路より上流に、複数の連通部の流れ方向の長さLの中での最大値Lmaxに対して、複数列に分割した各々の流体の流れる方向を規制する長さが３Lmax以下の仕切壁を形成したことを特徴とする流体混合器。
3. 請求項２において、前記仕切壁は、前記混合プレートの混合流路より上流に幅方向に間隔を置いて並列に並べられた隣接した流路凸部の間に形成された構造物から成ることを特徴とする流体混合器。
4. 請求項１において、前記導入プレートを２枚備え、前記導入プレートの導入流路の下流端部に間隔を置いて並列に並べられた複数の流路凸部を備え、前記混合流路の上流端部直後に対応する位置に２つの導入流路の下流端部の前記流路凸部が、混合プレートの両面から混合流路の幅方向に交互に重なるように、２枚の前記導入プレートと前記混合プレートを積層したことを特徴とする流体混合器。
5. 請求項１において、前記導入プレートを２枚備え、前記混合プレートと第１の導入プレートの間及び前記混合プレートと第２の導入プレートとの間にそれぞれ１枚の連通プレートを積層し、これら２枚の連通プレートに前記混合流路の上流端部直後に対応する位置に幅方向に間隔を置いて複数の連通孔を配置し、かつ２枚の連通プレートの複数の前記連通孔を、幅方向に互い違いとなるように配置したことを特徴とする流体混合器。
6. 請求項３において、前記導入プレートを２枚備え、前記導入プレートの導入流路の下流端部に間隔を置いて並列に並べられた複数の流路凸部と、混合プレートの混合流路より上流に並列に並べられた複数の流路凸部を備え、前記混合流路より上流の複数の流路凸部に、２つの導入流路下流端部の前記流路凸部が、混合プレートの両面から混合流路の幅方向に交互に重なることにより連通部を形成するように、２枚の前記導入プレートと前記混合プレートを積層したことを特徴とする流体混合器。
7. 請求項３において、前記導入プレートを２枚備え、これらの導入プレートと前記混合プレートとの間にそれぞれ１枚づつ連通プレートを積層し、これらの連通プレートに、前記混合流路より上流に並列に並べられた複数の流路凸部の位置に対応して、混合プレートの両面から混合流路の幅方向に交互に対向するように複数の連通孔を間隔を置いて設置したことを特徴とする流体混合器。
8. 請求項３において、前記導入プレートに２つの導入流路を備え、導入流路の下流端部に幅方向に間隔を置いて並列に並べられた複数の流路凸部と、混合プレートの混合流路より上流に幅方向に並列に並べられた複数の流路凸部とが形成され、前記導入プレートと前記混合プレートの間に設けられた連通プレートに、前記導入プレート及び前記混合プレートに並んだ前記流路凸部の位置に対応して穿設され、混合流路より上流の複数の前記流路凸部に、異なる２つの導入流路からの流体が幅方向に交互に流入するように配置された連通孔を備えることを特徴とする流体混合器。
9. 請求項１において、前記導入プレートを２枚備え、前記混合プレートの混合流路より上流に幅方向に間隔を置いて並列に並べられた複数の流路凸部と、２枚の前記導入プレートのうち１枚の導入流路の下流端部と前記混合プレートの混合流路より上流の流路凸部との重なりによって幅方向に間隔を置いて形成される第１流体の連通部と、他の１枚の前記導入プレートと前記混合プレートとの間に積層され、かつ前記導入流路の下流と混合プレートの前記混合流路の上流端部直後の流路が連通するように幅方向に間隔を置いて並べて配置した複数の連通孔を有し、第２流体の連通部を形成する連通プレートとを備えたことを特徴とする流体混合器。
10. 請求項１において、前記導入プレートに２つの導入流路を備え、前記混合プレートの混合流路より上流に間隔を置いて並列に並べた複数の流路凸部と、前記導入プレートと前記混合プレートの間に設けられた連通プレートに、前記導入プレートの１つの導入流路の下流と前記混合プレートの混合流路より上流の前記流路凸部とを連通する複数の第１の連通孔と、前記導入プレートの他の導入流路の下流と前記混合プレートの混合流路の上流端部直後の流路とを連通する複数の第２の連通孔とを備えたことを特徴とする流体混合器。
11. 請求項９又は１０において、前記混合プレートの各々の流路凸部の流路方向の長さを、複数の流路凸部に臨む連通部の流れ方向長さLの中での最大値Lmaxの３倍以下としたことを特徴とする流体混合器。
12. 請求項１、４又は５において、前記導入プレートの導入流路の下流から前記混合プレートの混合流路の上流端部直後に連通するように並列に形成された複数の連通部は、それらの幅が流路中心から外側に向かうにつれて増大し、最側端の連通部の幅は、その内側に隣接する連通部の幅の半分以下であることを特徴とする流体混合器。
13. 請求項２において、前記混合流路より上流に並列に並んだ隣接した２つの仕切壁の間隔は、流路中心から外側に向かうにつれて増大し、最側端の仕切壁と側壁との間隔は、その内側に隣接する仕切壁間の間隔の半分以下であることを特徴とする流体混合器。
14. 請求項３、６〜８のいずれかにおいて、前記混合流路より上流に並列に並んだ複数の前記流路凸部は、それらの幅が、流路中心から外側に向かうにつれて増大し、最側端の流路凸部の幅は、その内側に隣接する流路凸部の幅の半分以下であることを特徴とする流体混合器。
15. 請求項９〜１１のいずれかにおいて、前記混合流路より上流に並列に並んだ複数の前記流路凸部または前記混合流路の上流端部は、それらの幅が、流路中心から外側に向かうにつれて増大し、最側端の流路凸部または混合流路の上流端部の幅は、その内側に隣接する流路凸部または混合流路の上流端部の幅の半分以下であることを特徴とする流体混合器。
16. 請求項１〜１５のいずれかにおいて、前記混合流路は、混合部下流で流路を縮流し、その上流端部に比べ狭く形成したことを特徴とする流体混合器。
17. 請求項１〜１６のいずれかにおいて、前記混合流路又は縮流後の流路幅は１ｍｍ以上であり、かつ、この流路幅を、異種流体の一方の流体を多層化した分割数で除した値が１ｍｍ未満となるように形成したことを特徴とする流体混合器。
18. 請求項１〜１７のいずれかにおいて、流体混合器の上面及び／又は下面に熱交換器又は熱源を接触して設置したことを特徴とするマイクロリアクタシステム。

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