JP2009082833A - マイクロデバイスおよび流体混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応流体の混合を迅速に行うことができ、また、合流部直後の排出流路のデッドスペースを小さくすることにより、流体中への気泡の混入を抑制したマイクロデバイスおよび流体混合方法を提供すること。
【解決手段】流体を、それぞれ独立した導入流路１２ａ、１２ｂを流通させてマイクロ空間の合流部１８で合流して流体同士を混合し、合流部１８から排出流路１４を介して排出するマイクロデバイス１０において、導入流路１２ａ、１２ｂの先端部は、液体の流れを縮流するように、テーパーが形成された縮流部１６ａ、１６ｂを備え、導入流路１２ａ、１２ｂの中心軸が、一点で交わらないように各導入流路１２ａ、１２ｂが配置され、合流部１８は、それぞれの導入流路１２ａ、１２ｂの縮流部先端口１５ａ、１５ｂ同士で囲まれた空間により形成されていることを特徴とするマイクロデバイス１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロデバイスおよび流体混合方法に係り、特に複数種類の流体をそれぞれ独立した供給流路を流通させて混合場に合流させ、流体同士の混合（混合による反応も含む）を行うマイクロデバイスおよび流体混合方法に関する。

微小空間で流体を精密に制御しながら反応・混合を行ういわゆるマイクロデバイス・マイクロリアクターが最近注目されている。マイクロリアクターは、スケールダウンによって比表面積が増加し、その結果分子の移動が拡散によってのみ行われている。したがって、分子同士の衝突を精密に制御することが可能である。

また、例えば１段目で全ての分子を反応させ、２段目でその反応分子の凝集を抑えるという２段反応プロセスがある。この場合、１段目で瞬時に混合を完了させる必要がある。しかしながら、従来のマイクロリアクターでは、主流方向に対して垂直な方向の速度成分が分子拡散のみに頼っているため、このような反応を取り扱うのは困難であった。

そこで、複数種類の流体を効率的に混合するための装置の一つとして、例えば、特許文献１には、混合槽内において流体の旋回流が発生するように混合槽に流体を供給するマイクロミキサーが提案されている。

また、非特許文献１には、合流部に流体の注入を行うための複数ノズルが設けられたサイクロンミキサーが提案されている。
特開２００６−１６７６００号公報 「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」、Ｖ．Ｈｅｓｓｅｌ ｅｔ ａｌ、ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧａＡ

しかしながら、特許文献１に記載されているマイクロミキサーは、混合部にアクチュエーターなどの動力部を設ける構造であり、装置のコストアップ、また、混合部の大型化による反応制御性の悪化という問題があった。また、非特許文献１に記載されているサイクロンミキサーは、合流部を大きく設計する必要があるため、流体同士にはたらくせん断力が弱くなり、流体の持つ運動エネルギーを効率的に旋回エネルギーへと変換することが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、合流部で合流する流体に旋回流を発生させることにより、反応流体の混合を迅速に行うことができ、また、合流部直後の排出流路のデッドスペースを小さくすることにより、流体中への気泡の混入を抑制したマイクロデバイスおよび流体混合方法を提供する。また、同時に、装置のコストを低減したマイクロデバイスを提供する。

本発明の請求項１は、前記目的を達成するために、複数種類の流体を、それぞれ独立した導入流路を流通させてマイクロ空間の合流部で合流して流体同士を混合し、混合した混合流体を前記合流部から排出流路を介して排出するマイクロデバイスにおいて、前記導入流路の先端部は、液体の流れを縮流するように、少なくとも一面、または対向する面で異なる角度でテーパーが形成された縮流部を備え、前記導入流路の中心軸が、一点で交わらないように各導入流路が配置され、前記合流部は、それぞれの前記導入流路の縮流部先端口同士で囲まれた空間により形成されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。

請求項１によれば、導入流路の中心軸（軸芯）が一点で交わらないように各導入流路が配置されているため、合流部で流体と流体との間に高いせん断力を与えることができる。そのため、衝突に使われる運動エネルギーを効率良く旋回エネルギーに変換することができ、旋回流を発生させ流体の主流の方向に対して垂直な方向の速度成分を発生させることができる。したがって、反応流体を効率良く混合することができる。

また、導入流路の先端部は、液体の流れを縮流するようにテーパーが形成された縮流部を備えているため、縮流部において、流体の速度を上げることができ、より旋回流を強くすることができる。さらに、合流部は、導入流路の縮流部先端口同士で囲まれた空間により形成されているため、流体同士の接触状態を良好にし、また、狭い範囲で混合することができるので、均一で且つ迅速な混合を行うことができる。

なお、本発明は、合流部で流体同士を混合することで説明しているが、混合による反応も含み、以下同様である。

請求項２は請求項１において、前記縮流部の流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２が次式
２０（°）≦１８０（°）−θ_１−θ_２≦７０（°） ・・・（Ａ）
θ_１、θ_２≦９０（°） ・・・（Ｂ）
を満たすことを特徴とする。

また、請求項３は請求項２において、前記縮流部の流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２のいずれかが９０°であることを特徴とする。

請求項２、３は、縮流部のテーパーの角度を規定したものである。縮流部の流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角を上記範囲とすることにより、より効率よく旋回流を発生させることができる。特に、θ_１、θ_２のいずれかを９０°とすることにより、縮流部における圧力損失を減らすことができるため、特に好ましい。

請求項４は、請求項１から３いずれかにおいて、前記導入流路は２本であり、それぞれの導入流路は、前記導入流路の幅に対して２０％以上４０％以下で中心軸がずれていることを特徴とする。

請求項４によれば、それぞれの導入流路は、前記導入流路の幅に対して２０％以上４０％以下で中心軸がずれて合流部を形成しているため、それぞれの導入流路同士が接触する面積を狭くすることができる。したがって、縮流部における中心軸をずらすことができ、旋回流を発生し易くすることができる。また、導入流路同士を狭い部分で混合させることができるので、各流体の接触状態を良好にすることができる。

請求項５は請求項１から４いずれかにおいて、前記導入流路から供給される流体は、粘度が３０ｃｐ以下の流体であることを特徴とする。

請求項５によれば、流体の粘度が３０ｃｐ以下であるため、発生した旋回流により、迅速に反応流体を混合することができる。

請求項６は請求項１から５いずれかにおいて、前記導入流路から供給される流体の流量が１ｃｃ／ｍｉｎ以上１０００ｃｃ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする。

請求項６によれば、流体の流量が１ｃｃ／ｍｉｎ以上１０００ｃｃ／ｍｉｎ以下であるため、合流部において各導入流路を流通した流体を混合しやすくすることができる。

請求項７は、前記目的を達成するために、複数種類の流体を、それぞれ独立した導入流路を流通させてマイクロ空間の合流部で合流して流体同士を混合し、混合した混合流体を前記合流部から排出流路を介して排出する流体混合方法において、前記導入流路を流通したそれぞれの流体について、前記合流部で合流する直前で縮流する縮流工程と、前記縮流したそれぞれの流体を、前記導入流路の中心軸が一点で交わらないように、前記合流部において旋回流を生じさせながら流体同士を混合する合流工程と、前記混合された混合流体を前記混合場から排出する排出工程と、を有することを特徴とする流体混合方法を提供する。

請求項７は、本発明を流体混合方法として構成したものである。請求項７によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、導入流路の中心軸が、一点で交わらないように各導入流路を配置することにより、流体の持つ運動エネルギーを利用して、旋回流を発生させることができる。したがって、主流方向と垂直方向に速度成分を発生させることができるので、反応流体の混合を迅速に行うことができる。旋回流を発生させることにより、混合を行っているため排出流路のデッドスペースを小さくすることができ、流体中への気泡の混入を抑制することができる。さらに、導入流路の中心軸を一点で交わらないようにすることにより旋回流を発生させることができるため、装置の製作コストを下げることができる。

以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイスおよび流体混合方法の好ましい実施の形態について詳説する。

１）Ｔ字型・Ｙ字型マイクロデバイス
図１に本発明のマイクロデバイスの一例としてＴ字型マイクロデバイスの正面図（ａ）と平面図（ｂ）と合流部の拡大図（ｃ）を示す。また、図２にＴ字型マイクロデバイスの排出流路１４からみた斜視図を示す。

図１、図２に示すようにＴ字型マイクロデバイス１０は導入流路１２ａ、１２ｂと排出流路１４から構成される。また、導入流路１２ａ、１２ｂは、図１（ｂ）に示す流路断面積が縮小する縮流部１６ａ、１６ｂと、図１（ｃ）に示す縮流部先端口１５ａ、１５ｂ同士で囲まれた空間で形成される合流部１８を有する。縮流部先端口１５ａ、１５ｂは、縮流部１６ａ、１６ｂにおいて、他方の縮流部と接した辺から向かい合う辺により形成される流体の合流部１８への入口である。図１（ｃ）、図２に示すように、導入流路１２ａと導入流路１２ｂの中心軸が、交わらないように導入流路１２ａ、１２ｂの幅方向にずらして配置する。このように中心軸をずらす（偏芯する）ことにより、合流部において衝突に使われる運動エネルギーを積極的に旋回エネルギーに変換することができる。したがって、排出流路１４において、流体の主流の方向に対して垂直な方向（図１（ｃ）の矢印方向）に速度成分を発生させることができるため、迅速に流体の混合を行うことができる。導入流路の中心軸が一点で交わる場合は、直接流体同士が衝突するため、運動エネルギーを効率よく旋回エネルギーに変換することができない。また、旋回流を得るためには、合流部１８の断面積よりも縮流部の先端と合流部の接触面積を小さくしなければならず、結果として合流部を大きくする必要がある。本発明は、合流部の断面積と縮流部と合流部の接触面積が等しくても所望の性能を得ることができる。

縮流部１６ａは、導入流路１２ａの少なくとも一面または対向する面で異なる角度でテーパーを設けることにより形成されている。テーパーを形成し、縮流部１６ａを形成することにより、流体の速度を縮流部１６ａで速めることにより、運動エネルギーを増加させることができる。

図１（ｂ）においては、テーパーは片方の面に形成されているが、対抗する面の両方をテーパー形状とすることも可能である。ただし、対向する面の両方をテーパー形状とする場合は、流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２が異なった角度でテーパーを形成する。θ_１、θ_２の角度が同じであると、一方の導入流路の中心軸が他方の導入流路の中心軸と交わることがあり、この場合、流体の衝突にエネルギーが使われるため好ましくない。

流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２は、次式
２０（°）≦１８０（°）−θ_１−θ_２≦７０（°） ・・・（Ａ）
θ_１、θ_２≦９０（°） ・・・（Ｂ）
を満たすことが好ましい。更に式（Ａ）は、３０°以上６０°以下であることが好ましい。式（Ａ）を上記範囲とすることにより、効率よく旋回エネルギーに変換することができ、旋回流を発生させることができる。

また、θ_１、θ_２のいずれかが９０°であることが好ましい。いずれかを９０°とすることにより、縮流部１６ａによる圧力損失を減らすことができ、流体の速度を速めることができる。

合流部１８は、導入流路１２ａ、１２ｂの縮流部先端口１５ａ、１５ｂ同士で囲まれた空間により形成、導入流路１２ａ、１２ｂから流通した流体を合流する場所である。導入流路１２ａ、縮流部１６ａを流通してきた流体は、図１（ｃ）において、図面下部に向って流体が進む。逆に、導入流路１２ｂ、縮流部１６ｂを流通してきた流体は図面上部に向って流体が進む。したがって縮流部１６ａ、１６ｂの合流する合流部１８において、矢印方向に旋回流が発生し、流体を迅速に混合することが可能である。また、合流部１８において旋回流を発生させることにより、合流部１８と排出流路１４の接続部にできるデッドスペースを減らすことができるので、流体中への気泡混入を防止することができる。

図１に示すＴ字型のマイクロデバイスの場合、図１（ｃ）、図２に示すように、それぞれの導入流路１２ａ、１２ｂは、縮流部以前の中心軸をずらして配置している。中心軸のずれは、導入流路１２ａ、１２ｂの中心軸が一致したときの線から、それぞれが導入流路の幅に対して２０％以上４０％以下のずれであることが好ましい。

合流部１８で合流し混合した流体は排出流路１４を介して排出される。このとき、合流部１８で発生した旋回流により、排出流路１４内においても、図１（ｃ）の矢印方向に旋回しながら流通するため、より混合を促進させることができる。

本発明のマイクロデバイスに用いられる流路寸法は、迅速に混合しつつも、反応を精密にコントロールするため、導入流路１２、排出流路１４の相当直径は１０００μｍ以下で構成されていることが好ましい。また、合流部１８において旋回流が発生するため、導入流路１２の深さＤは幅Ｗより短いほうが良く、１/２以下であることがさらに好ましい。また、排出流路１４は合流部１８で混合された流体を速やかに排出できるように、合流部１８の相当直径以上１０００μｍ以下であることが好ましい。

また、導入流路１２、排出流路１４の形状は、図１においては、四角形であるが、特に限定されず、様々な形状をとることができる。特に、排出流路１４においては、合流部１８からの旋回流を効率よく伝えることができるため、円形であることが好ましい。排出流路１４を円形にすることにより、上述したデッドスペースも減らすことができる。

本発明のマイクロデバイスに用いられる流体は、特に限定されないが、流体の流量を１〜１０００ｃｃ／ｍｉｎの範囲で用いることが好ましい。また、流体は圧力損失の観点から低粘度のものが好ましく、具体的には、３０ｃｐ以下の流体が好ましい。流体の種類としては、具体的には、水、酸性溶液、アルカリ性溶液、メタノール、エタノール、ジメチルスルホキシドなどの有機溶剤、または上記液体の混合液、さらには上記液体または混合溶液中に微粒子が分散した分散液を好適に用いることができる。ここで、微粒子とは、直径１μｍ以下の粒子のことをいう。

図３にＹ字型マイクロデバイスの正面図（ａ）と平面図（ｂ）を示す。Ｙ字型マイクロデバイスにおいても、Ｔ字型のマイクロデバイスと同様に、図２（ｂ）に示すように、排出流路２４の流体の流通方向と垂直方向に、導入流路２２ａ、２２ｂをずらすことにより、排出流路２４の流体の流通方向と垂直方向に、旋回流を発生させることができるので、迅速に反応流体を混合させることができる。

２）３種類以上の流体の混合型マイクロデバイス
次に、３種類以上の流体を混合するマイクロデバイスについて説明する。導入流路の数が３以上になった場合においても、導入流路の中心軸が一点で交わらないようにすることにより、合流部において旋回流を発生させることができ、流体の混合を迅速に行うことができる。

図４は４種類の流体を混合するマイクロデバイスの平面図、図５は、図４に示すマイクロデバイスを排出流路３４からみた斜視図を示す。導入流路の数が４つの場合は、図５に示すように、排出流路３４の流体の流通方向と垂直方向に流体を導入流路３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄから流通させる。各導入流路は向かい合う導入流路同士の中心軸が交わらないように配置されている。これにより、衝突によるエネルギー損失を減らすことができ、運動エネルギーを効率よく旋回エネルギーに変換することができる。

また、合流部３８は、縮流部３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの縮流部先端口３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ同士で囲まれた空間により形成されている。縮流部先端口３５ａ〜３５ｄは、導入流路が２本の場合と同様に、縮流部３６ａ〜３６ｄにおいて、他の縮流部と接した辺から向かい合う辺により形成される流体の合流部１８への入口である。合流部３８をこのような構成にすることにより、異なる導入流路から流通してきた流体同士により旋回流を発生させることができる。

図６は５種類の流体を混合するマイクロデバイス４０の平面図を示す。導入流路４２の数が５つになった場合においいても同様の構成とすることにより、合流部４４において旋回流を効率よく発生させることができる。

以下にシミュレーションにより本発明の効果について説明する。

シミュレーションは、図１に示す２つの導入流路１２ａ、１２ｂと１つの排出流路１４を備えるＴ字型のマイクロデバイスを用いて行った。導入流路のサイズは５００×５００μｍの四角形状の流路を用い、通常のＴ字型のマイクロデバイス（従来）と、導入流路の中心軸を±１００μｍずらしたマイクロデバイス（本発明）とで比較を行った。流体はジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）とし、流量は５０ｃｃ／ｍｉｎとした。一方の導入流路１２ａから流通したＤＭＳＯの体積分率の変化をシミュレーションにより測定した結果を図７に示す。

図７（ａ）は従来のマイクロデバイスを用いた結果であり、図７（ｂ）は本発明のマイクロデバイスを用いた結果である。図７（ｂ）より、本発明のマイクロデバイスを用いることにより、旋回流が発生し、流体の体積分率が螺旋状に変化していることが確認できる。

また、図８に導入流路１２ａから流通したＤＭＳＯの体積分率のバラツキ度合い（最大値−最小値）を混合度として評価した結果を示す。完全に混合していた場合、値は０になる。排出流路１４壁面において混合されにくい部分があるため、バラツキ度合い（最大値−最小値）が０にはならないが、従来型のマイクロデバイスと比較し、混合性が良化していることが確認できる。

Ｔ字型マイクロデバイスの正面図（ａ）、平面図（ｂ）および合流部の拡大図（ｃ）である。 図１に示すＴ字型マイクロデバイスの斜視図である。 Ｙ字型マイクロデバイスの正面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 ４種類の流体を混合するマイクロデバイスの平面図である。 図４に示すマイクロデバイスの斜視図である。 ５種類の流体を混合するマイクロデバイスの平面図である。 シミュレーション結果（体積分率の変化）を説明する図である。 シミュレーション結果（バラツキ度合い）を説明する図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０…マイクロデバイス、１２、２２、３２、４２…導入流路、１４、２４、３４…排出流路、１５、２５、３５、４５…縮流部先端口、１６、２６、３６、４６…縮流部、１８、２８、３８、４８…合流部

Claims (7)

1. 複数種類の流体を、それぞれ独立した導入流路を流通させてマイクロ空間の合流部で合流して流体同士を混合し、混合した混合流体を前記合流部から排出流路を介して排出するマイクロデバイスにおいて、
   前記導入流路の先端部は、液体の流れを縮流するように、少なくとも一面、または対向する面で異なる角度でテーパーが形成された縮流部を備え、
   前記導入流路の中心軸が、一点で交わらないように各導入流路が配置され、
   前記合流部は、それぞれの前記導入流路の縮流部先端口同士で囲まれた空間により形成されていることを特徴とするマイクロデバイス。
2. 前記縮流部の流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２が次式
   ２０（°）≦１８０（°）−θ_１−θ_２≦７０（°） ・・・（Ａ）
   θ_１、θ_２≦９０（°） ・・・（Ｂ）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
3. 前記縮流部の流体の流通方向に対する垂線とテーパーのなす角θ_１、θ_２のいずれかが９０°であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロデバイス。
4. 前記導入流路は２本であり、それぞれの導入流路は、前記導入流路の幅に対して２０％以上４０％以下で中心軸がずれていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のマイクロデバイス。
5. 前記導入流路から供給される流体は、粘度が３０ｃｐ以下の流体であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のマイクロデバイス。
6. 前記導入流路から供給される流体の流量が１ｃｃ／ｍｉｎ以上１０００ｃｃ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載のマイクロデバイス。
7. 複数種類の流体を、それぞれ独立した導入流路を流通させてマイクロ空間の合流部で合流して流体同士を混合し、混合した混合流体を前記合流部から排出流路を介して排出する流体混合方法において、
   前記導入流路を流通したそれぞれの流体について、前記合流部で合流する直前で縮流する縮流工程と、
   前記縮流したそれぞれの流体を、前記導入流路の中心軸が一点で交わらないように、前記合流部において旋回流を生じさせながら流体同士を混合する合流工程と、
   前記混合された混合流体を前記混合場から排出する排出工程と、を有することを特徴とする流体混合方法。

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