JP2008114218A - 流体処理装置および流体処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】多数のノズルから吐出圧力を均一にして流体を衝突させることにより、流体の均一な混合または反応を行うことができる流体処理装置を提供する。
【解決手段】
流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐してＮ個に分かれたＮ個の搬送路と、Ｎ個の搬送路に接続されたＮ個の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、Ｎ個の搬送路と、Ｎ個の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置であって、第１のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さ及び、第２のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さのバラツキが２０％以下である流体処理装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体同士を混合または反応をさせるための流体処理装置および流体処理システムに関し、特に混合時に固形物を生成する流体処理装置および流体処理システムに好適なものである。

近年、インクジェットプリンタに用いられる顔料等の製造に係る化学工業や、医薬品、試薬等の製造に係る医薬品工業の分野では、マイクロミキサ又はマイクロリアクタ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。従来のバッチ式の反応装置においては一次生成物が反応装置内で引き続き反応をすることから、生成物の不均一性が生じる恐れがある。特に微粒子を製造する場合においては、いちど生成した微粒子の一次粒子が反応によりさらに成長し、微粒子の大きさに不均一さが生じてしまう可能性がある。それに対しマイクロミキサでは流体同士がマイクロスケールの流路内を連続的に殆ど滞留することなく流通するため、いちど生成した微粒子が再び反応することを防止でき、微粒子の大きさの均一性を高めることができる。なお、マイクロミキサとマイクロリアクタ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と言う場合がある。このことから、マイクロミキサには、マイクロリアクタ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としては、図１３に示すように、２つの液体を高速で混合して固体析出物を生成する方法が開示されている（特許文献１）。これは、２つの液体がオリフィス１１０１、１１０２に供給され、つづいて末広がり遮蔽部１１０３を高速で通過することにより、ジェット衝突混合室１１０４にて固体析出物を生成する方法である。

また、図１３に示すように、斜めのノズルが機械加工により形成された金属製のマイクロミキサが販売されている（Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ社製、Ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ Ｊｅｔ Ｍｉｃｒｏ Ｍｉｘｅｒ）。

これは、ノズル１２０１、１２０２より液体を噴出させ、噴出された液体を空気中で混合させるマイクロミキサである。上記のような特徴を有するマイクロミキサを用いれば、混合及び反応の場として大容積のタンク等を用いた従来のバッチ法と比較し、微小でかつ狭い粒度分布を有する粒子を生成することができる。
特開２００２−３３６６６７号公報

上記のような技術について、さらに混合効率を向上させ粒子の微小化と粒径の均一化を図るには、ノズルを小径化し液体の絶対量を小さくする必要がある。また、生産性を上げるためには、ノズルを多数作成する必要がある。ところが、多数のノズルを設けると、ノズルごとに噴出圧力が異なって、粒径の均一化の妨げになる可能性がある。

そして、ノズルから吐出させた２つの流体を衝突させて混合・反応させる処理装置を考えると、ノズルを複数組設けて、生産性を上げようとすると各ノズルの吐出圧力が異なり、反応の均一化の妨げとなる可能性がある。

本発明は、多数のノズルから流体を衝突させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置において、各ノズルの吐出圧力を均一にすることにより、均一な混合または反応を行う流体処理装置を提供するものである。

本発明により提供される流体処理装置の第１の態様は、流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐してＮ個に分かれたＮ個の搬送路と、Ｎ個の搬送路に接続されたＮ個の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、Ｎ個の搬送路と、Ｎ個の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置であって、第１のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さ及び、第２のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さのバラツキが２０％以下とされていることを特徴とする。

本発明により提供される流体処理装置の第２の態様は、流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐した複数の搬送路と、該複数の搬送路に接続された複数の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、複数の搬送路と、複数の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置において、第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路について、前記流入口に近い搬送路に比べて遠い搬送路の断面積が大きいことを特徴とする。

本発明により提供される流体処理システムは、本発明の流体処理装置と、流体を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、前記流体処理装置に供給する流体を貯留する供給物貯留手段と、前記流体処理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ていることを特徴とする。

本発明によれば、多数のノズル（流出口）から流出する流体同士を接触、衝突させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置において、各ノズルの吐出圧力を均一にすることができる。これにより、均一な混合または反応を行う流体処理装置を提供することができる。

また、本発明は、上記の均一な混合または反応を行う流体処理装置を用いた流体処理システムを提供することができる。

本発明に係る第一の流体処理装置は、流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐してＮ個に分かれたＮ個の搬送路と、Ｎ個の搬送路に接続されたＮ個の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、Ｎ個の搬送路と、Ｎ個の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置であって、第１のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さ及び、第２のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さのバラツキが２０％以下とされていることを特徴とする。

前記搬送路が、１つの流入口から第１の分岐をして２個の第１の分岐流路となり、該第１の分岐流路の各々から第２の分岐して各々２個の第２の分岐流路を構成することが好ましい。

前記Ｎ個の搬送路は、２の倍数であることが好ましい。
前記流入口が、前記Ｎ個の搬送路の中央部に位置して設けられていることが好ましい。
前記第１の分岐流路と、前記第２の分岐流路と、は異なる基板に形成された流路からなることが好ましい。

前記異なる基板を積層して前記第１の分岐流路と、前記第２の分岐流路と、が接続されたことを特徴とする請求項５に記載の流体処理装置。
本発明に係る第二の流体処理装置は、流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐した複数の搬送路と、該複数の搬送路に接続された複数の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、複数の搬送路と、複数の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置において、第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路について、前記流入口に近い搬送路に比べて遠い搬送路の断面積が大きいことを特徴とする。

前記搬送路が、前記一つの流入口に接続している主流路と、該主流路から分岐をして設けられ複数の補償流路からなり、該複数の補償流路の断面積が異なっていることが好ましい。

前記複数の補償流路の長さは等しいことが好ましい。
本発明に係る流体処理システムは、上記の流体処理装置と、流体を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、前記流体処理装置に供給する流体を貯留する供給物貯留手段と、前記流体処理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ていることを特徴とする。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の流体処理装置は、第１及び第２のユニットを有し、該第１及び第２のユニットにおいて、流体の複数の流出口と、流体の複数の流入口と、該複数の流入口から該複数の流出口へ接続された搬送路を有する。

その第１の実施態様は、第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路の長さのバラツキが２０％以下、好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下で、実質的に等しいことを特徴とする。なお、長さのバラツキとは、前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路の長さの平均値をＬ_ａｖｅ、Ｎ個目の搬送路の長さをＬ_Ｎ、長さのバラツキをＶとすると、以下の式で表される。

その第２の実施態様は、第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路の断面積が異なっていることを特徴とする。上記の２つの実施態様に示す構成により、搬送路の流抵抗が、流入口と該複数の流出口の間の圧力降下が相等しくなるようになり、各ノズルの吐出圧力を均一になることにより、均一な混合または反応を行うことができる。

また、前記第１及び第２のユニットは、複数の流出口に複数の噴出ノズルを有し、該複数の噴出ノズルの噴出方向が、空間中で交差するように配置されていることを特徴とする。

本発明の第１の実施態様の第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路の長さが実質的に等しい流体処理装置について説明する。
本発明の分岐流路の効果について詳しく説明を行う。図８は、本発明の流体処理装置の分岐流路の効果を説明するための模式図である。図に示すように、流入口６２１と分岐流路６２２が連結している。分岐流路６２２は２つに分岐し、分岐流路６２２の出口は分岐流路６２３の入口に連結され、また、分岐流路６２３は２つに分岐し、分岐流路６２３の出口は分岐流路６２４の入口に連結されている。そして、分岐流路６２４の出口はノズル（流出口）６０１に連結されている。流入口６２１から流入した流体は、分岐流路６２２から６２４を通って、ノズル（流出口）６０１から噴出する。

この図８に示す流路に対して、図９のような等価回路を考える。この図９の等価回路において、圧力は電圧、流量は電流、流抵抗は電気抵抗に対応する。７０１はノズル等価素子、７２２から７２４は分岐流路の等価回路、７３０は電圧源である。

ノズル等価素子７０１において、入口の流速をｖ_in、断面積をＡ_in、出口の流速をｖ_out、断面積をＡ_outとすると、流量ｑとの関係は、以下の式１で表される。

一方、入口圧力がＰ、出口圧力が０でベルヌーイの定理が成立すると仮定すると、以下の式２で表される。

式１、２より、

となるので、流量ｑは入口圧力Ｐの平方根に比例する。ρは密度を示す。
流抵抗ｒは、圧力差ｐと流量ｑの比であり、層流の場合、円管の流抵抗ｒ_circleは、流体の粘性係数をμ、円管の直径をＤ、長さをＬとすると、以下の式４で表される。

また、断面形状が、各辺の長さがａ，ｂの矩形の場合には、

で近似できる。
図９の等価回路において、キルヒホッフの定理より８つのノズル等価素子７０１に印加される電圧は全て等しくなる。すなわち、本発明によれば、複数のノズルに印加される流体圧が略等しくなることがわかる。

以下、図３を参照しながら、本発明の第１の態様の流体搬送装置を説明する。
図３に示す装置は、後述する図１（斜視図）に示した装置に類似する装置であり、図３（ａ）は、図１に類似する装置を下側から見た図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図、図３（ｃ）は、図（ａ）のＣ−Ｃ’における断面図である。

図３（ａ）において、１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ （・・・Ｎ個）は、１つの流入口６２１から入った流体を流出させる流出口であり、図３（ｂ）に示すように分岐した４つの搬送路により流入口６２１とそれぞれの流出口と接続されている。４つの搬送路の長さは、それぞれＬ₁₁、Ｌ₁₂、Ｌ₁₃、Ｌ₁₄と表したが、本態様の装置では、これらの長さのバラツキが２０％以下に抑えられていて実質的に等しく設計されている。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した一つの流入口６２１ａ、４つの搬送路、及び４つの流出口（１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ）により第１のユニットが構成される。

また、第１のユニットに対応して、一つの流入口６２１ｂ、４つの搬送路、及び４つの流出口（１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ）により第２のユニットが構成される。

第２のユニットにおける４つの搬送路は、第１のユニットとは別に設けられていて、それぞれの長さをＬ₂₁、Ｌ₂₂、Ｌ₂₃、Ｌ₂₄とすると、これらのバラツキは２０％以下とされている。結果的にＬ₁₁、Ｌ₁₂、Ｌ₁₃、Ｌ₁₄、Ｌ₂₁、Ｌ₂₂、Ｌ₂₃、Ｌ₂₄のバラツキが２０％以下とされている。本態様の搬送装置では、流入口６２１ａから流入させた第１の流体を４個（Ｎ個）の搬送路を介して搬送し、４つの流出口（１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ）より流出させる。同じく流入口６２１ｂから流入させた第２の流体を４個（Ｎ個）の搬送路を介して搬送し、４つの流出口（１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ）より流出させる。対となる流出口（例えば１０１ａと１０１ｂ）から流出する第１の流体と第２の流体は、流出後、接触し、流体の混合または反応がなされる。

図３（ｂ）においては、１３５はノズル（流出口）基板であり、１３２及び１３１はそれぞれ分岐流路が形成された流路基板であり、これらの基板を積層して処理装置を構成している。図３に示した流体処理装置では、Ｎ個の搬送路として４つの搬送路を有するものを示したがＮ個の搬送路は２の倍数とすることが実用的である。また、流入口は、Ｎ個の搬送路の中央部に位置させるのが好ましい。

次に、本発明の第２の実施態様の装置について説明する。
即ち、第１及び第２のユニットにおける流入口から複数の流出口に至る複数の搬送路の断面積が異なっている流体処理装置について説明する。

本発明の補償流路の効果について詳しく説明を行う。図１０は、本発明の流体処理装置の補償流路の効果を説明するための模式図である。主流路８２０には、流入口８２１と、ｎ本の補償流路８１０（１）から８１０（ｎ）が図に示すように連結している。そして、補償流路８１０（１）から８１０（ｎ）の他端には流出口としてのノズル８０１が連結している。流入口８２１から流入した流体は、主流路８２０と補償流路８１０（１）から８１０（ｎ）を通って、ノズル８０１から噴出する。

この流路に対して、図１１のような等価回路を考える。この等価回路において、圧力は電圧、流量は電流、流抵抗は電気抵抗に対応する。９０１はノズル等価素子、９１０（１）から９１０（ｎ）は補償流路の流抵抗、９２０は、主流路の流抵抗をｎ等分した等価抵抗、９３０は電圧源である。ノズル等価素子９０１の特性は、ノズル等価素子７０１と同じである。流抵抗９１０（１）から９１０（ｎ）の抵抗値をｒ１からｒｎ、流抵抗９２０の抵抗値をＲ、圧力源９３０の圧力をＰとする。

ノズル等価素子９０１の圧力ｐと流量ｑが全て等しくなるためには、以下の式６および式７で表される関係が成立する。

式７のｒｉは、全て正でなければならないので、以下の式８で表される関係が成立する。

本発明によれば、複数のノズルに印加される流体圧が略等しくなるので、より均一な混合を行うことができる。

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
図を用いて本発明の流体処理装置を説明する。図１は本発明の実施例１の流体処理装置を示す斜視図である。また、図２（ａ）は、本実施例１の流体処理装置を下側から見た図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ’における断面図である。本実施例の集積型マイクロミキサは、分岐流路基板１３１から１３４と、ノズル基板１３５を積層することで作成されている。１０１ａから１１６ａ、１０１ｂから１１６ｂは、ノズル基板１３５に形成されたノズルであり、１２９ａと１２９ｂはチューブコネクタである。

分岐流路基板１３１から１３４とノズル基板１３５は、シリコン基板を両面から垂直にエッチングを行うことで形成されている。ノズル基板１３５に形成されているノズル１０１ａから１１６ａ、１０１ｂから１１６ｂは、片面からエッチングした穴と他面からエッチングした穴が連結することで形成されており、その際に穴同士の重心がずれるように構成されている。このように構成することで、各ノズルから噴出する流体は、基板に垂直ではなくある角度を持って噴出する。そして、ノズル１０１ａから１１６ａとノズル１０１ｂから１１６ｂは、それぞれ噴出方向が互いに交差するように配置されており、それぞれが混合ユニットを構成している。チューブコネクタ１２９ａと１２９ｂは、ステンレスを加工して作られており、分岐流路基板１３１と接着剤で接合されている。

以下で本実施例の動作の説明を行う。チューブコネクタ１２９ａから流体をポンプで流入すると、分岐流路基板１３１に形成された分岐流路において流体は２つに分岐する。
そして２つに分岐した流体は、分岐流路基板１３２に形成された分岐流路において、それぞれ２つに分岐する。以下同様にして、分岐流路基板１３４に至るまでに流体は１６に分岐する。そして、分岐した流体はノズル基板１３５に形成されたノズル１０１ａから１１６ａより噴出する。各分岐流路において入口から出口の圧力降下は等しいため、ノズル１０１ａから１１６ａには略等しい圧力が印加される。また、チューブコネクタ１２９ｂから流入した流体もまったく同様にして１０１ｂから１１６ｂより噴出する。そして、ノズル１０１ａから１１６ａとノズル１０１ｂから１１６ｂの噴出方向は互いに交差するように配置されているため噴出した流体は衝突し、衝突部において混合もしくは反応が生じる。

本実施例によれば、搬送路の長さが等しいので、各ノズルに印加される圧力が略等しくなるため、混合もしくは反応の条件が均一となり、良質な混合もしくは反応を行うことができる。

実施例２
図４は本発明の実施例２の流体処理装置を説明する説明図である。図４（ａ）は、実施例２の流体処理装置を下側から見た図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図である。また、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＣ−Ｃ’における断面図、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＤ−Ｄ’における断面図、図４（ｅ）は図３（ａ）のＥ−Ｅ’における断面図である。本実施例の集積型マイクロミキサは、分岐流路基板２３１とノズル基板２３２を積層することで作成されている。２０１ａから２０８ａ、２０１ｂから２０８ｂはノズルであり、２２９ａと２２９ｂはチューブコネクタである。

分岐流路基板２３１は、シリコン基板を両面から垂直にエッチングを行うことで分岐流路２２０ａ、ｂと流入口２２１ａ、ｂが形成されている。ノズル基板２３２はガラス板からできており、図３（ｅ）に示すような斜め穴をレーザー加工であけることでノズル２０１ａから２０８ａ、２０１ｂから２０８ｂが形成されている。このように構成することで、各ノズルから噴出する流体は、基板に垂直ではなくある角度を持って噴出することになる。

そして、ノズル２０１ａから２０８ａとノズル２０１ｂから２０８ｂは、それぞれ噴出方向が互いに交差するように配置されており、それぞれが混合ユニットを構成している。
チューブコネクタ２２９ａと２２９ｂは、ステンレスを加工して作られており、分岐流路基板２３１と接着剤で接合されている。

以下で本実施例の動作の説明を行う。チューブコネクタ２２９ａから流体をポンプで流入すると、流体は流入口２２１ａから流入し、分岐流路基板２３１に形成された分岐流路２２０において８つに分岐する。そして、分岐した流体はノズル基板２３２に形成されたノズル２０１ａから２０８ａより噴出する。ここにおいて、実施例１と同様に、ノズル２０１ａから２０８ａには略等しい圧力が印加される。また、流入口２２１ｂから流入した流体もまったく同様にして２０１ｂから２０８ｂより噴出する。そして、ノズル２０１ａから２０８ａとノズル２０１ｂから２０８ｂの噴出方向は互いに交差するように配置されているため噴出した流体は衝突し、衝突部において混合もしくは反応が生じる。

本実施例においても、搬送路の長さが等しいので、各ノズルに印加される圧力が略等しくなるため、混合もしくは反応の条件が均一となり、良質な混合もしくは反応を行うことができる。

実施例３
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施例３の流体処理装置を説明する説明図である。図５（ａ）は、本実施例３の流体処理装置を下側から見た図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図である。また、図５（ｃ）はＣ−Ｃ’における断面図、図５（ｄ）はＤ−Ｄ’における断面図である。本実施例の集積型マイクロミキサは、主流路基板３３１と、補償流路基板３３２と、ノズル基板３３３を積層することで作成されている。３０１ａから３０８ａ、３０１ｂから３０８ｂはノズルであり、３２９ａと３２９ｂはチューブコネクタである。

主流路基板３３１は、シリコン基板を両面から垂直にエッチングを行うことで形成されている。補償流路基板３３２は、シリコン基板を両面から垂直にエッチングを行い補償流路３１１ａから３１８ａ、３１１ｂから３１８ｂを形成して作成されている。補償流路３１１ａから３１８ａは、断面が円形状であり、流入口３２１ａから遠くなるほど径が太くなって、流抵抗が小さくなるようになっている。同様に、補償流路３１１ｂから３１８ｂは、流入口３２９ｂから遠くなるほど径が太くなって、流抵抗が小さくなるようになっている。

ノズル基板３３３はガラス板からできており、図５（ｄ）に示すような斜め穴をレーザー加工であけることでノズル３０１ａから３０８ａ、３０１ｂから３０８ｂが形成されている。このように構成することで、各ノズルから噴出する流体は、基板に垂直ではなくある角度を持って噴出することになる。そして、ノズル３０１ａから３０８ａとノズル３０１ｂから３０８ｂは、それぞれ噴出方向が互いに交差するように配置されており、それぞれが混合ユニットを構成している。チューブコネクタ３２９ａと３２９ｂは、ステンレスを加工して作られており、分岐流路基板３３１と接着剤で接合されている。

流体を水とすると、粘性係数μは、１×１０^-3［Ｐａ・ｓ］、密度ρは、１×１０³［ｋｇ／ｍ³］である。主流路の幅Ｗを１ｍｍ、深さＴを５００μｍ、補償流路３１１ａから３１８ａの間隔Ｌを１ｍｍとすると、式６、７におけるＲは、以下で与えられる。

補償流路３１１ａから３１８ａの長さＮを５００μｍ、補償流路３１１ａの径ｄ１を２００μｍとすると、補償流路３１１ａの流抵抗ｒ１は、式４より、以下で与えられる

となる。
よって、式７より以下が成立する。

式５、式７より、補償流路３１２ａから３１８ａの流抵抗ｒ２からｒ８と、径ｄ２からｄ８は、以下の式で決定できる。

数値を代入して計算すると、以下の表１が得られる。

補償流路３１１ａから３１８ａの径を上記の表のｄ１からｄ８のようにすることで、各ノズルにかかる圧力を均一にすることができる。補償流路３１１ｂから３１８ｂも同様である。なお、本実施例においては、モデルを単純化することで設計を行ったが、より詳細なモデル化を行い、流体解析ソフトウェア等を用いて補償流路の設計を行えば、より精度の高い設計が可能なことは言うまでもない。

以下で本実施例の動作の説明を行う。チューブコネクタ３２９ａから流体をポンプで流入すると、流体は主流路基板３３１に形成された主流路３２０ａに導入される。そして、流体は、補償流路３１１ａから３１８ａを通してノズル基板３３３に形成されたノズル３０１ａから３０８ａより噴出する。ここにおいて、ノズル３０１ａから３０８ａには略等しい圧力が印加される。また、チューブコネクタ３２９ｂから流入した流体もまったく同様にして３０１ｂから３０８ｂより噴出する。そして、ノズル３０１ａから３０８ａとノズル３０１ｂから３０８ｂの噴出方向は互いに交差するように配置されているため噴出した流体は衝突し、衝突部において混合もしくは反応が生じる。

本実施例においては、断面積が異なる補償流路３１１ａから３１８ａ、３１１ｂから３１８ｂの働きにより各ノズルに印加される圧力が略等しくなるため、反応の条件が均一となり、良質な混合を行うことができる。即ち、流入口に近い搬送路（補償流路）に比べて遠い搬送路（補償流路）の断面積を相対的に大きくしているためである。

実施例４
図６は、本発明の実施例４の流体処理装置を説明する説明図である。本実施例では、実施例２と同様に、分岐流路基板とノズル基板を積層し、チューブコネクタを接続することで作成される。

分岐流路基板４００は、シリコン基板を一面から垂直にエッチングを行うことで４２０ａ、ｂから４６０ａ、ｂを作成し、他面から貫通するまで垂直にエッチングを行うことで流入口４１０ａ、ｂを作成する。

４１０ａから４６０ａと４１０ｂから４６０ｂの働きは同一のため、４１０ａから４６０ａの働きについて説明を行う。流入口４１０ａから流入した流体は、まず、分岐流路４２０ａにおいて２つの流路４２１ａ、４２２ａに分岐し、分岐流路４３０ａにおいて２つの流路４３１ａ、４３２ａに分岐する。

その後、縦方向に伸びる４本の流路４４０ａに流れる。そして、４本の流路４４０ａには、補償流路４５１ａから４５８ａが接続されている。そして、補償流路４５１ａから４５８ａの端には、ノズル接続口４６０ａが接続されている。ノズル接続口４６０ａは、分岐流路基板４００とノズル基板を接合した際に、ノズル基板に形成されたノズルと連結するように配置されている。

補償流路４５１ａから４５８ａは、流入口４１０ａに近いほど流抵抗が大きくなるようになっており、ノズル接続口４６０ａにおける圧力が全て略等しくなるように調整されている。

流体を水とすると、粘性係数μは、１×１０^-3［Ｐａ・ｓ］、密度ρは、１×１０³［ｋｇ／ｍ³］である。本実施例において、流路は、一括のエッチングで作成されるため、深さＴは一定である。

ここでは、Ｔ＝５００μｍとする。流路４４０ａの幅Ｗを１ｍｍ、補償流路４５１ａから４５８ａの間隔Ｌを１ｍｍとすると、式６、７におけるＲは、以下で与えられる。

補償流路の長さＮを５００μｍ、補償流路４５１ａの幅ｗ１を２００μｍとすると、補償流路４５１ａの流抵抗ｒ１は、式５より、以下で与えられる。

よって、式７より以下が成立する。

式５、式７より、補償流路４５２ａから４５８ａの流抵抗ｒ２からｒ８と、幅ｗ２からｗ８は、以下の式で決定できる。

数値を代入して計算すると、以下の表２が得られる。

補償流路４５１ａから４５８ａの幅を上記の表のｗ１からｗ８にすることで、各ノズルにかかる圧力を均一にすることができる。補償流路４５１ｂから４５８ｂも同様である。なお、本実施例においては、モデルを単純化することで設計を行ったが、より詳細なモデル化を行い、流体解析ソフトウェア等を用いて補償流路の設計を行えば、より精度の高い設計が可能である。

本実施例においても、補償流路の断面積が異なるので、各ノズルに印加される圧力が略等しくなるため、反応の条件が均一となり、良質な混合を行うことができる。即ち、流入口に近い搬送路（補償流路）に比べて遠い搬送路（補償流路）の断面積を大きくしているためである。

実施例５
図７は、本発明の実施例５の流体処理装置を説明する説明図である。本実施例では、実施例２と同様に、分岐流路基板とノズル基板を積層し、チューブコネクタを接続することで作成される。

分岐流路基板５００は、シリコン基板を一面から垂直にエッチングを行うことで５２０ａ、ｂから５４０ａ、ｂを作成し、他面から貫通するまで垂直にエッチングを行うことで流入口５１０ａ、ｂを作成する。

５１０ａから５４０ａと５１０ｂから５４０ｂの働きは同一のため、５１０ａから５４０ａの働きについて説明を行う。流入口５１０ａから流入した流体は、まず分岐流路５２０ａにおいて３つの流路５２１ａから５２３ａに分岐する。

５２１ａから５２３ａの流抵抗が等しくなるように、５２２ａは５２１ａ、５２３ａよりも幅が狭くなっている。
そして、分岐流路５３０ａにおいて３つの流路５３１ａから５３３ａに分岐する。５３１ａから５３３ａの流抵抗が等しくなるように、流路５３２ａは、５３１ａ、５３３ａと長さが等しくなるように蛇行している。

そして、流路５３１ａから５３３ａの端には、ノズル接続口５４０ａが接続されている。分岐流路基板５００とノズル基板を接合した際に、ノズル接続口５４０ａは、ノズル基板に形成されたノズルと連結するように配置されている。

本実施例においても、各ノズルに印加される圧力が略等しくなるため、反応の条件が均一となり、良質な混合を行うことができる。
実施例６
図１２は、本発明の実施例６の流体処理システムを示す概念図である。

１００１は、本発明の流体処理システムである。１００２は液体を搬送するための高圧ガス、１００３は搬送圧力を制御するためのレギュレータ（流体制御手段）である。１００４と１００５は、反応液（供給物）を貯留する第１の反応液タンク（供給物貯留手段）と第２の反応液タンク（供給物貯留手段）である。１００６は反応液の流量を監視するための流量計、１０１０は反応生成物を回収（貯蓄）する回収タンク（流出物貯留手段）である。そして反応容器１００８には、本発明の流体処理装置１００７が組み込まれている。

本実施例の流体処理システムを利用し、マゼンタ顔料の分散体を多量に製造する実際の例について説明する。
第１の反応液タンク１００４には顔料溶解液、第２の反応液タンク１００５にはイオン交換水が室温で貯留されている。
この例において用いる顔料溶解液の調製法について説明する。Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ １２２のキナクリドン顔料１０部にジメチルスルホキシド１００部を加え懸濁させる。

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部加え、これらが溶解するまで２５％水酸化カリウム水溶液を加えていき第２の反応液を調製する。
それぞれの反応液は、高圧ガス１００２の圧力により反応容器１００８へ搬送される。このとき、流量計１００６を監視しレギュレータ１００３を調節することにより、反応液の流量を制御する。

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、流体処理装置１００７の下方、反応容器１００８内で交差し混合される。混合の結果、生成されたマゼンタ顔料の分散体１００９は回収タンク１０１０に回収される。

従来、実験的な製造設備により製造された少量の混合物質を大規模の製造設備により多量に製造するためには、新たにプラント設計が必要となり反応の再現性を得るために多大の労力および時間を費やしてきた。

本発明の流体処理システムは、流体混合装置を集積化することで必要となる製造量に対応することができるため、上記の労力および時間を大幅に減少できる。さらに、本発明の流体処理システムは、任意の数の流体処理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処理システムを構成することができる。

本発明の流体処理装置は、多数のノズルから吐出圧力を均一にして流体を衝突させることにより、流体の均一な混合または反応を行うことができるので、化学工業、生化学工業、食品工業、製薬工業等の流体処理システムに利用することができる。

本発明の実施例１の流体処理装置を示す斜視図である。 本発明の実施例１の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の流体処理装置の１例を説明する説明図である。 本発明の実施例２の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の実施例３の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の実施例３の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の実施例４の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の実施例５の流体処理装置を説明する説明図である。 本発明の流体処理装置の分岐流路の効果を説明するための模式図である。 本発明の流体処理装置の分岐流路の効果を説明するための等価回路図である。 本発明の流体処理装置の補償流路の効果を説明するための模式図である。 本発明の流体処理装置の補償流路の効果を説明するための等価回路図である。 本発明の流体処理システムを説明するための説明図である。 従来の流体処理装置を説明するための説明図である。 従来の流体処理装置を説明するための説明図である。

符号の説明

１０１ａから１１６ａ、１０１ｂから１１６ｂ、２０１ａ、ｂから２０８ａ、ｂ、３０１ａ、ｂから３０８ａ、ｂ、６０１、８０１ ノズル
１２９ａ、ｂ、２２９ａ、ｂ、３２９ａ、ｂ チューブコネクタ
２２０ａ、ｂ、４２０ａ、ｂ、４３０ａ、ｂ、４４０ａ、ｂ、５２０ａ、ｂ、５３０ａ、ｂ 分岐流路
２２１ａ、ｂ、４１０ａ、ｂ、５１０ａ、ｂ、６２１、８２１ 流入口
３１１ａから３１８ａ、３１１ｂから３１８ｂ、４５１ａから４５８ａ、４５１ｂから４５８ｂ 補償流路
１３１から１３４、２３１、４００、５００ 分岐流路基板
１３５、２３２、３３３ ノズル基板
３３１ 主流路基板
３３２ 補償流路基板
４２１ａ、４２２ａ、４３１ａ、ｂ、４３２ａ、ｂ、５２１ａ、ｂから５２３ａ、ｂ、５３１ａ、ｂから５３３ａ、ｂ 流路
４６０ａ、ｂ、５４０ａ、ｂ ノズル接続口
６２１ 流入口
６２２から６２４ 分岐流路
７０１、９０１ ノズル等価素子
７２２から７２４ 分岐流路の等価抵抗
７３０、９３０ 電圧源
８１０（１）から８１０（ｎ） 補償流路
８２０ 主流路
９１０（１）から９１０（ｎ） 補償流路の流抵抗
９２０ 主流路の等価抵抗
１００１ 流体処理システム
１００２ 高圧ガス
１００３ レギュレータ
１００４ 第１の反応液タンク
１００５ 第２の反応液タンク
１００６ 流量計
１００７ 流体処理装置
１００８ 反応容器
１０１０ 回収タンク
１１０１、１１０２ オリフィス
１１０３ 末広がり遮蔽部
１１０４ ジェット衝突混合室
１２０１、１２０２ ノズル

Claims (10)

1. 流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐してＮ個に分かれたＮ個の搬送路と、Ｎ個の搬送路に接続されたＮ個の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、Ｎ個の搬送路と、Ｎ個の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置であって、第１のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さ及び、第２のユニットにおける前記Ｎ個の搬送路の長さのバラツキが２０％以下とされていることを特徴とする流体処理装置。
2. 前記搬送路が、１つの流入口から第１の分岐をして２個の第１の分岐流路となり、該第１の分岐流路の各々から第２の分岐して各々２個の第２の分岐流路を構成する請求項１に記載の流体処理装置。
3. 前記Ｎ個の搬送路は、２の倍数である請求項１に記載の流体処理装置。
4. 前記流入口が、前記Ｎ個の搬送路の中央部に位置して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体処理装置。
5. 前記第１の分岐流路と、前記第２の分岐流路と、は異なる基板に形成された流路からなる請求項２に記載の流体処理装置。
6. 前記異なる基板を積層して前記第１の分岐流路と、前記第２の分岐流路と、が接続されたことを特徴とする請求項５に記載の流体処理装置。
7. 流体を流入させる１つの流入口と、該１つの流入口から分岐した複数の搬送路と、該複数の搬送路に接続された複数の流出口とを備えた第１のユニットと、第１のユニットに対応して１つの流入口と、複数の搬送路と、複数の流出口とを備えた第２のユニットを有し、前記第１のユニットの流出口から流出する第１の流体と、前記第２のユニットの流出口から流出する第２の流体とを接触させて、流体の混合または反応を行う流体処理装置において、第１及び第２のユニットにおける前記流入口から前記複数の流出口に至る複数の搬送路について、前記流入口に近い搬送路に比べて遠い搬送路の断面積が大きいことを特徴とする流体処理装置。
8. 前記搬送路が、前記一つの流入口に接続している主流路と、該主流路から分岐をして設けられ複数の補償流路からなり、該複数の補償流路の断面積が異なっていることを特徴とする請求項７に記載の流体処理装置。
9. 前記複数の補償流路の長さは等しいことを特徴とする請求項８に記載の流体処理装置。
10. 請求項１又は請求項７に記載の流体処理装置と、流体を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、前記流体処理装置に供給する流体を貯留する供給物貯留手段と、前記流体処理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ていることを特徴とする流体処理システム。

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