JP2007196218A - 流体の混合装置、これを集積化した流体混合装置および流体混合システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体を搬送する複数の流路と、該流路に対応し、該流路に連通して設けられた複数の噴出口とを備え、前記複数の噴出口より噴出した流体の進行方向が交差することで複数の流体を混合させる流体の混合装置であって、前記複数の噴出口は基板表面に設けられ、前記噴出口に連通する前記基板中に設けられた流路における中心軸を部分的にずらせることで、前記噴出口の少なくとも一つより噴出する流体の進行方向を前記基板表面に対して傾斜させた流体の混合装置。
【選択図】図1
Description
これは、2つの流体がオリフィス101、102に供給され、つづいて末広がり遮蔽部103を高速で通過することにより、ジェット衝突混合室104にて固体析出物を生成する方法である。
例えば、アイエムエム社製、インピンジング マイクロ ジェット ミキサー(Institut fur Mikrotechnik Mainz社製 Impinging Jet Micro Mixer)がある。
また、特許文献2には、インクジェット記録装置に用いられるインクジェットヘッドが開示されている。このヘッドは、基板に2つの流路をずらせて連結して設け、インクを一方の流路から導入し、連結部に設けられた発熱体でインクを発泡して、他方の流路から吐出するヘッドである。このヘッドからのインクの吐出方向は、基板面に対して直角方向である。また、1つのインクを吐出するものであり、2つ以上の流体を混合することの開示はない。
本発明の流体の混合装置は、流体を搬送する複数の流路と、該流路に対応し、該流路に連通して設けられた複数の噴出口と、を備え、前記複数の噴出口より噴出した流体の進行方向が交差することで複数の流体を混合させる流体の混合装置であって、前記複数の噴出口は基板表面に設けられ、前記噴出口に連通する前記基板中に設けられた流路における中心軸を部分的にずらせることで、前記噴出口の少なくとも一つより噴出する流体の進行方向を前記基板表面に対して傾斜させたことを特徴とする。
そして、複数の噴出口の間に柱構造を備えた構成とすることもできる。
噴出口の周囲は撥水撥油処理されていてもよい。
また、一つの噴出口に連通する流路が1つが直線状の流路からなり、流体を基板表面に対して垂直方向に噴出する構成とすることもできる。
また、少なくとも二種類の流体を混合させる流体の混合装置であって、第一の流体を噴出させる第一の噴出口が複数設けられ、これに対応して第二の流体を噴出させる第二の噴出口が複数設けられ、第一の噴出口には、第一の供給流路を介して第一の流体が供給され、第二の噴出口には、第二の供給流路を介して第二の流体が供給される構成とすることもできる。
また、本発明の流体混合装置の製造方法は、基板と、該基板に設けられた流体を噴出する少なくとも2つ以上の流体の噴出手段を有し、該2つ以上の流体噴出手段は互いに噴出する流体の噴出方向が交差して流体を混合するように配置されている流体混合装置の製造方法であって、基板の第一の面よりエッチングを行い第一の流路を形成する工程と、前記基板を第一の面の裏側の第二の面より第一の流路の中心軸と中心軸をずらしてエッチングを行うことで第二の流路を形成し、第一の流路と第二の流路のそれぞれの一方の端部の側部を連結して流体噴出手段を得る工程を有することを特徴とする。
図1は、本発明の流体混合装置に用いられる流体噴出手段の一実施態様を示す概略図である。図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A’線断面図を示す。図1に示す流体噴出手段は傾斜流体噴出手段である。
また、流路204の連結部205により、第一の流路12の導入口202と、第二の流路13の噴出口203とが連結されている。さらに、流路204は、導入口202の断面の中心を結んだ軸207と、噴出口203の断面の中心を結んだ軸208とが一致しないように構成されている。流体を導入口202より特定の圧力により導入することにより、流体は基板面の直角方向に対して特定の角度206を有して噴出口203から噴出される。
図2は、本発明の流体混合装置に用いられる流体噴出手段の他の実施態様を示す断面図である。図2の連結部の長さは、図1の連結部の長さより短い。即ち、図2は、流路204の導入口202の断面の中心を結んだ軸207と、噴出口203の断面の中心を結んだ軸208の間の距離が短い流体噴出手段を示す。
流体は水とし、基板の厚さt11が200μm、導入口202の幅w11、噴出口203の幅w12が100μm、連結部205の高さh11が50μmとした。ここで、噴出口203から連結部205までの高さh12を10μm、25μm、50μmに変えて計算を行った。
導入口の幅w11は、10μm以上1000μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、特に好ましくは100μm以上500μm以下の範囲とすることが適切である。
連結部の高さh11は、10μm以上200μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下、特に好ましくは40μm以上80μm以下の範囲とすることが適切である。
噴出口から連結部までの高さh12は、5μm以上100μm以下、好ましくは10μm以上100μm以下、特に好ましくは10μm以上50μm以下の範囲とすることが適切である。
流体の圧力は少なくとも1kPa以上の圧力で導入することが好ましい。この場合、前記の流速範囲で流体を噴出させることが可能である。
また、顔料を生成するためには、導入口の幅w11が100μm以上500μm以下、噴出口の幅w12が1μm以上200μm以下、連結部の高さh11が40μm以上80μm以下、噴出口から連結部までの高さh12は、10μm以上50μm以下の範囲が好ましい。
図3および図4は、実施例1の流体混合装置の説明図である。図3は流体混合装置の断面図、図4は図3の噴出口側から観察した図を示す。図3は図4のB−B’線断面図を示す。
図12は実施例2の流体混合装置を説明する説明図である。図12(a)は流体混合装置の断面図、図12(b)は図12(a)の噴出口側から観察した図である。図12(a)は図12(b)のF−F’線断面図を示す。
さらに、図12(a)に示すように、流体噴出手段1202と流体噴出手段1203の間には柱構造1212が設けられていることが望ましい。これにより、噴出口1208の周囲に付着した第1の流体1204が、噴出口1209へ伝っていくことを防ぐことができる。同様に、噴出口1209の周囲に付着した第2の流体1205が、噴出口1208へ伝っていくことを防ぐことができる。また、流体噴出手段1202と流体噴出手段1203の間の柱構造1212は、流体噴出手段1202および流体噴出手段1203の周りを囲んでいることが望ましい。これにより、噴出口1208の周囲に付着した第1の流体1204が他の方向へ伝わっていくことを防ぐことができる。同様に、噴出口1209の周囲に付着した第2の流体1205が他の方向へ伝わっていくことを防ぐことができる。尚、1212柱構造は必須な構成ではない。
本実施例の流体混合装置は、実施例1と同様に、反応の結果、固体物を生成する反応の場合に特に有効である。
図5は、実施例3の流体混合装置を説明する断面図である。図5(a)は流体混合装置の断面図、図5(b)は図5(a)の噴出口側から観察した図を示す。図5(a)は図5(b)のE−E’線断面図を示す。
流体が混合されるまでの経路について、図5(a)を用いて説明する。第1の流体504を導入口506より特定の圧力により導入することにより、第1の流体504は基板面に対して特定の角度を有して噴出口508から噴出される。
噴出された第1の流体504および第2の流体505は、流体混合装置501の下方で交差し混合される。
これにより、噴出口508の周囲に付着した第1の流体504が他の方向へ伝わっていくことを防ぐことができる。
本実施例の流体混合装置は、実施例1と同様に、反応の結果、固体物を生成する反応の場合に特に有効である。
図13は実施例4の流体混合装置の説明図である。
図13(a)および図13(b)は流体混合装置の断面図、図13(c)は図13(a)および図13(b)の噴出口側から観察した図を示す。
流体混合装置1301は、流体噴出手段1302、1303を備えた流体混合装置である。流体噴出手段1302は傾斜流体噴出手段である。流体噴出手段1303は基板を垂直に貫通した流路を有する直線流体噴出手段である。
図6は、実施例5の流体混合装置を説明する断面図である。
さらに、第3の流体607を導入口610より特定の圧力により導入することにより、第3の流体607は基板面に対して特定の角度を有して噴出口613から噴出される。このとき、第3の流体607の噴出角度は第1の流体605の噴出角度と異なる。
噴出口611、612、613の周囲は撥水撥油処理されていることが望ましい。これにより、流体の噴出角度を安定させることができる。また、噴出口611、612、613の周囲に撥水撥油処理することは必ずしも必要ない。
これにより、噴出口611の周囲に付着した第1の流体605が、噴出口612へ伝っていくことを防ぐことができる。同様に、噴出口612の周囲に付着した第2の流体606が、噴出口611、613へ伝っていくことを防ぐことができる。
これにより、噴出口611の周囲に付着した第1の流体605が、噴出口612へ伝っていくことを防ぐことができる。同様に、噴出口612の周囲に付着した第2の流体606が、噴出口611、613へ伝っていくことを防ぐことができる。同様に、噴出口613の周囲に付着した第3の流体607が、噴出口612へ伝っていくことを防ぐことができる。
また、流体噴出手段602と流体噴出手段603の間、および流体噴出手段603と流体噴出手段604の間の柱構造は必ずしも必要ない。
本実施例の流体混合装置は、少なくとも3つ以上の流体噴出手段を、噴出方向が少なくとも2つの位置で交差するように配置することにより、必要な順番で化学反応を実施することが可能である。
図7は、実施例6の集積化流体混合装置を説明する図である。
第1の反応液は供給流路704を通過し、導入口706を通って、流路708に導入される。流路708を通過した流体は噴出口712から噴出される。第2の反応液は供給流路705を通って、流路709に導入される。
各部の寸法を以下に説明する。供給板703の厚みt61は1000μmであり、供給流路704の幅w61、供給流路705の幅w62はともに500μmである。また、供給流路704、705の深さd61は800μmである。
基板702に形成される導入口706の幅w63、導入口707の幅w64、噴出口712の幅w65、噴出口713の幅w66は、それぞれ100μmである。さらに、連結部710の高さh61、連結部711の高さh62はそれぞれ50μmである。
噴出口712、713の周囲は撥水撥油処理されていることが望ましい。これにより、流体の噴出角度を安定させることができる。また、噴出口712、713の周囲に撥水撥油処理することは必ずしも必要ない。
まず、使用するSOI基板は、活性層801の厚さが25μm、シリコン酸化膜層802の厚さが0.5μm、支持基板層803の厚さが200μmである[図8(a)]。
次に、活性層801の側にフォトレジスト806を厚さ15μm成膜する。噴出口のパターンを保護するためである[図8(e)]。
最後に、減圧化学的気相成長法(LPCVD法)によりシリコン窒化膜を成膜する[図8(h)]。
次に、フォトレジスト809をエッチングマスクとしてシリコン基板808を、SF6ガスとC4F8ガスのプラズマによりドライエッチングし、深さ800μmの供給流路を形成する[図8(i)、(j)]
次に、O2プラズマ処理によりフォトレジスト809を除去した後、液温110℃の硫酸および過酸化水素水の混合溶液により基板を洗浄する[図8(k)]。
以上の方法で作製された基板702および供給板703は基板間直接接合により接合する[図8(m)]。
第1の反応液はイオン交換水を使用する。第2の反応液はC.I.Pigment Red 122のキナクリドン顔料10質量部にジメチルスルホキシド100質量部を加え懸濁させる。
第1の反応液および第2の反応液の温度はともに室温である。第1の反応液は噴出口712より流速50m/sで噴出され、第2の反応液は噴出口713より流速23.3m/sで噴出される。
さらに、第2の反応液に含まれる分散剤により析出顔料がカプセル化され顔料濃度0.16質量%の顔料分散体が生成する。
図14は、実施例7の集積化流体混合装置を説明する図である。
図14(a)は図14(b)のI−I’線断面図を示す。集積化流体混合装置1401は、本発明の流体混合装置を備えた基板1402と、2種類の流体を該流体混合装置に供給するための供給流路が形成された供給板1403とが互いに接合されたものである。
第1の反応液は供給流路1404を通過し、導入口1406を通って、流路1408に導入される。流路1408を通過した流体は噴出口1412から噴出される。第2の反応液は供給流路1405を通って、流路1409に導入される。流路1409を通過した流体は噴出口1413から噴出される。これにより、噴出口1412および1413から噴出された流体は基板1402の下方で交差し混合される。
シリコン層t96は100μm、シリコン酸化膜層t95は0.5μm、シリコン層t94は50μm、シリコン酸化膜層t93は0.5μm、シリコン層t92は200μmである。
噴出角度は連結部の高さ1410に依存するため、連結部1410は高い加工精度が求められる。本実施例の集積化流体混合装置は連結部1410の高さがシリコン層t94で規定されるため、連結部1410は高い精度で加工することができる。その理由は以下のとおりである。シリコン酸化膜層t95は導入口1406および導入口1407のエッチングストップ層になる。
一方、シリコン酸化膜層t93は噴出口1412および噴出口1413のエッチングストップ層になる。このため、噴出口1412および噴出口1413の深さはシリコン層t96およびシリコン酸化膜層t95で規定される。
次に、実施例7の集積化流体混合装置1401を用いて、マゼンタ顔料の分散体を生成する実施例を示す。
第1の反応液は噴出口1412より流速10m/sで噴出され、第2の反応液は噴出口1413より流速10m/sで噴出される。これにより、2つの噴出口より噴出された反応液は基板1402の下方で交差し混合される。
市販で得られる顔料分散体の平均粒径は、小さいもので約100nmである。従って、本発明の流体混合装置は、従来よりも粒子の微小化が可能である。
図9は、実施例8の集積化流体混合装置901を説明する概略図である。図9(a)は断面図、図9(b)は、集積化流体混合装置901の噴出口側から観察した図である。図9(a)は図9(b)のD−D’線断面図を示す。
供給板904は第1の反応液を供給するための供給流路905が形成されている。
次に、各基板の材質および寸法を説明する。
供給流路905の幅w71は2000μm、供給流路906の幅w72は1700μmである。供給流路905の深さd71、供給流路906の深さd72はともに400μmである。また、供給流路907の直径φ71は470μm、深さは500μmである。
流体噴出手段908の直径φ71は470μmである。流体噴出手段909は、導入口の幅w73が100μm、導入口の幅w74が100μm、噴出口の幅w75が100μm、噴出口の幅w76が100μmである。
これにより、流体の噴出角度を安定させることができる。また、流体噴出手段909の噴出口と流体噴出手段908の噴出口の周囲に撥水撥油処理することは必ずしも必要ない。
また、流体噴出手段909の噴出口と流体噴出手段908の噴出口の間の凹みは必ずしも必要ない。
これにより、流体噴出手段909の噴出口の周囲に付着した第1の反応液が、流体噴出手段908の噴出口へ伝っていくことを防ぐことができる。
また、流体噴出手段909の噴出口と流体噴出手段908の噴出口の間の柱構造は必ずしも必要ない。
次に、集積化流体混合装置901を用いて、マゼンタ顔料の分散体を生成する実際の例を示す。
つづいて分散剤として、ポリオキシエチレンラウリルエーテルを40質量部加え、これらが溶解するまで25質量%水酸化カリウム水溶液を加えていき第1の反応液を調整する。第2の反応液はイオン交換水を使用する。
上記のプロセスで生成した顔料分散体の平均粒径は約40nmである。市販で得られる顔料分散体の平均粒径は、小さいもので約100nmである。
従って、本発明の流体混合装置は、従来よりも粒子の微小化が可能である。
図10Aは、実施例6の集積化流体混合装置1001を説明する概略図である。図10Bは、供給板1003の平面図である。
図10Aを用いて集積化流体混合装置1001について説明する。
これにより、流体の噴出角度を安定させることができる。また、基板1002に複数配置された流体混合装置701の噴出口の周囲に撥水撥油処理することは必ずしも必要ない。
また、基板1002に複数配置された流体混合装置701の噴出口と噴出口の間の凹みは必ずしも必要ない。
次に、図10Bに示すように、第1の反応液1004は複数に分岐された供給流路1008に供給される。矢印1013は第1の反応液1004の流れを示している。また、第2の反応液1005は複数に分岐された供給流路1009に供給される。
次に、図10Eに示すように、第1の反応液1004は供給流路1008より流体混合装置701に導入される。
図10Aに示すように、個々の流体混合装置701により混合された生成物は矢印1010の方向へ流出される。
図11は、前記集積化流体混合装置を用いた流体混合システムの概略図である。
図11に示す流体混合システム1101について説明する。
流体混合システム1101は、流体を搬送するための高圧ガス1102、搬送圧力を制御するためのレギュレータ1103、反応液を貯留する第1の反応液タンク1104と第2の反応液タンク1105を備える。更に、反応液の流量を監視するための流量計1106、第1の反応液と第2の反応液の温度を調整するためのヒータ111と温度計1112を備える。同様に集積化流体混合装置1107から流出した反応液の温度を管理するヒータ113と温度計1114、集積化流体混合装置1107が組み込まれた反応容器1108、反応生成物を回収する回収タンク1110を備える。
第1の反応液タンク1104には実施例4で記載した顔料溶解液、第2の反応液タンク1105にはイオン交換水が貯留されている。それぞれの反応液は25℃で一定になるようにヒータ1111および温度計1112で調整されている。それぞれの反応液は、高圧ガス1102の圧力により反応容器1108へ搬送される。
これにより、顔料溶解液は流速23.3m/s、水は流速50m/sで噴出し、集積化流体混合装置1107の下方、反応容器1108内で交差し混合される。
反応液を一定の温度に調整することにより、顔料分散体の平均粒径のばらつきを低減することができる。
さらに、本発明の流体混合システムは、任意の数の集積化流体混合装置を配置することで、必要となる製造量に対応した流体混合システムを構成することができる。
12 第一の流路
13 第二の流路
14 第一の流路の端部の側部
15 第二の流路の端部の側部
16 平行方向
101、102 オリフィス
103 末広がり遮蔽部
104 ジェット衝突混合室
105、106 ノズル
201 流体噴出手段
202 導入口
203 噴出口
204 基板を貫通する流路
205 連結部
206 噴出角度
207 導入口断面の重心を結んだ軸
208 噴出口断面の重心を結んだ軸
301 集積化流体噴出手段
302、303 流体噴出手段
304、305 噴出口
306 噴出口の間の凹み
401 流体混合装置
402、403 流体噴出手段
404 第1の流体
405 第2の流体
406、407 導入口
408、409 噴出口
410 流体噴出手段の間の凹み
411 周囲
501 流体混合装置
502、503 流体噴出手段
504 第1の流体
505 第2の流体
506、507 導入口
508、509 噴出口
600 流路
601 流体混合装置
602、603、604 流体噴出手段
605 第1の流体
606 第2の流体
607 第3の流体
608、609、610 導入口
611、612、613 噴出口
701 集積化流体混合装置
702 流体混合装置を備えた基板
703 供給流路を備えた供給板
704 第1の反応液を供給する供給流路
705 第2の反応液を供給する供給流路
706、707 導入口
708、709 流路
710、711 連結部
712、713 噴出口
801 SOI基板の活性層
802 SOI基板のシリコン酸化膜層
803 SOI基板の支持基板層
804、805、806、809 フォトレジスト
807、810 シリコン窒化膜
808 シリコン基板
901 集積化流体混合装置
902 流体混合装置を備えた基板
903、904 供給流路を備えた供給板
905 第1の反応液を供給するための供給流路
906 第2の反応液を供給するための供給流路
907 第1の反応液を通過させるための供給流路
908、909 流体噴出手段
1001 集積化流体混合装置
1002 流体混合装置を複数備えた基板
1003 供給流路を複数備えた供給板
1004 第1の反応液
1005 第2の反応液
1006、1007 供給口
1008、1009 供給流路
1010 生成物
1011、1012 コネクタ
1013 第1の反応液の流れ
1014 第2の反応液の流れ
1101 流体混合システム
1102 高圧ガス
1103 レギュレータ
1104 第1の反応液タンク
1105 第2の反応液タンク
1106 流量計
1107 集積化流体混合装置
1108 反応容器
1109 反応生成物
1110 回収タンク
1111、1113 ヒータ
1112、1114 温度計
1201 流体混合装置
1202、1203 流体噴出手段
1204 第1の流体
1205 第2の流体
1206、1207 導入口
1208、1209 噴出口
1212 柱構造
1213 周囲
1301 流体混合装置
1302、1303 流体噴出手段
1305 第1の流体
1306 第2の流体
1308、1309 導入口
1311、1312 噴出口
1401 集積化流体混合装置
1402 基板
1403 供給板
1404、1405 供給流路
1406、1407 導入口
1408、1409 流路
1410、1411 連結部
1412、1413 噴出口
Claims (17)
- 流体を搬送する複数の流路と、該流路に対応し、該流路に連通して設けられた複数の噴出口と、を備え、前記複数の噴出口より噴出した流体の進行方向が交差することで複数の流体を混合させる流体の混合装置であって、前記複数の噴出口は基板表面に設けられ、前記噴出口に連通する前記基板中に設けられた流路における中心軸を部分的にずらせることで、前記噴出口の少なくとも一つより噴出する流体の進行方向を前記基板表面に対して傾斜させたことを特徴とする流体の混合装置。
- 前記流体は、互いに平行な第一の流路と第二の流路とを通って前記噴出口に至り、第一の流路と第二の流路はそれぞれの一方の端部で且つそれぞれの流路における中心軸からずれた側部で連結されている請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記噴出口の周囲は撥水または撥油処理されていることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記基板は、シリコンを含有する材料からなり、前記流路は半導体微細加工により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記基板は、シリコン、酸化膜、シリコン、酸化膜、シリコンが積層されて構成されていることを特徴とする請求項4に記載の流体の混合装置。
- 前記第一の流路および第二の流路は耐薬品性を備えていることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記複数の噴出口の間に凹みを有することを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記複数の噴出口の間に柱構造を有することを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 2つの噴出口より噴出させる流体の進行方向をそれぞれ前記基板表面に対して傾斜させて2つの流体を混合させることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記一つの噴出口に連通する流路が1つが直線状の流路からなり、流体を基板表面に対して垂直方向に噴出することを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記複数の流路にそれぞれ流体を供給する供給流路を更に有することを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 少なくとも二種類の流体を混合させる流体の混合装置であって、第一の流体を噴出させる第一の噴出口が複数設けられ、これに対応して第二の流体を噴出させる第二の噴出口が複数設けられ、第一の噴出口には、第一の供給流路を介して第一の流体が供給され、第二の噴出口には、第二の供給流路を介して第二の流体が供給される請求項11に記載の流体の混合装置。
- 第一及び第二の噴出口を備えた基板と、第一及び第二の供給流路を備えた供給板と、が互いに接合されて構成されたことを特徴とする請求項12に記載の流体の混合装置。
- 請求項12に記載の流体の混合装置を備えた流体の混合システムであって、前記流体の混合装置に供給する流体を貯留する供給物貯留手段と、前記流体の混合装置に供給する流体の温度を調整する温度制御手段と、前記供給物貯留手段から流体を前記流体の混合装置に搬送する搬送手段と、該搬送手段を制御する流体制御手段と、前記流体の混合装置から流出した流体の温度を調整する温度制御手段と、前記流体の混合装置から流出した流体を貯留する流出物貯留手段と、を備えたことを特徴とする流体混合システム。
- 基板と、該基板に設けられた流体を噴出する少なくとも2つ以上の流体の噴出手段を有し、該2つ以上の流体噴出手段は互いに噴出する流体の噴出方向が交差して流体を混合するように配置されている流体混合装置の製造方法であって、
基板の第一の面よりエッチングを行い第一の流路を形成する工程と、前記基板を第一の面の裏側の第二の面より第一の流路の中心軸と中心軸をずらしてエッチングを行うことで第二の流路を形成し、第一の流路と第二の流路のそれぞれの一方の端部の側部を連結して流体噴出手段を得る工程を有することを特徴とする流体混合装置の製造方法。 - 前記基板は、第一の基板と第二の基板とが接合された基板であることを特徴とする請求項15に記載の流体混合装置の製造方法。
- 前記基板の第一の基板と第二の基板は、それぞれ異なるシリコン材料からなる請求項16に記載の流体混合装置の製造方法。
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