JP2013132616A - Micromixer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロミキサーに関する。 The present invention relates to a micromixer.
少なくとも二種類以上の流体を混合するため、各種静止ミキサーが提案されている。静止ミキサーは、化学反応や晶析等による微粒子製造に用いられる。なかでも、混合する流体をマイクロ流路内に供給するマイクロミキサーが注目されている。 Various static mixers have been proposed to mix at least two types of fluids. The static mixer is used for producing fine particles by chemical reaction or crystallization. Among these, a micromixer that supplies a fluid to be mixed into the microchannel has attracted attention.
マイクロミキサーは、流路幅が10μmから1000μm程度のマイクロ流路を有している。マイクロミキサーでは、少なくとも二種類以上の流体が、マイクロ流路により微小な流れに分割された後に混合される。マイクロミキサー内では、流体が微小な流れに分割されて、流体の拡散距離が短くなる。これにより、流体の混合速度が速くなる。よって、従来の静止ミキサーよりも短時間で効率的に流体を混合することができる。 The micromixer has a microchannel having a channel width of about 10 μm to 1000 μm. In the micromixer, at least two kinds of fluids are mixed after being divided into minute flows by the microchannel. In the micromixer, the fluid is divided into minute flows, and the diffusion distance of the fluid is shortened. This increases the fluid mixing speed. Therefore, the fluid can be mixed efficiently in a shorter time than the conventional static mixer.
マイクロミキサーの構造として、例えば、Y字型の流路を有するミキサーが知られている。この種のミキサーでは、第1流体を流す流路と第2流体を流す流路とが鋭角、即ちY字をなすように交差して、1本の合流路が形成されている。各流路にそれぞれ供給された流体は、流路の交差部にて層流の状態で合流する。その後、各流体は、相互に拡散して混合される。 As a structure of the micromixer, for example, a mixer having a Y-shaped channel is known. In this type of mixer, a flow path for flowing the first fluid and a flow path for flowing the second fluid intersect so as to form an acute angle, that is, a Y-shape, thereby forming a single combined flow path. The fluids supplied to the respective flow paths merge in a laminar flow state at the intersections of the flow paths. Thereafter, the fluids diffuse and mix with each other.
特許文献1は、積層型マイクロミキサーを開示している。この文献に開示の積層型マイクロミキサーは、混合対象である反応物Aが流れる微細チャンネルが形成されたプレートと、反応物Bが流れる微細チャンネルが形成されたプレートとを備えている。各微細チャンネルは、プレートの上面からみて鋭角をなすように交差している。各流体は、混合/反応室の入口にて合流する。
上述したように、流路をY字型に配置したミキサーや、微細チャネルを鋭角に配置したミキサーでは、各流体が層流の状態で混合される。このため、上記の各種ミキサーは、低粘度流体の混合には適している。しかしながら、高粘度流体同士の混合や、粘度差の大きい流体同士の混合の場合、流体の接触面積や流体内でのせん断力が減少し、混合効率が低下する虞がある。 As described above, in the mixer in which the flow path is arranged in a Y shape or the mixer in which the fine channel is arranged at an acute angle, each fluid is mixed in a laminar flow state. For this reason, the various mixers described above are suitable for mixing low-viscosity fluids. However, in the case of mixing high-viscosity fluids or mixing fluids having a large viscosity difference, the contact area of the fluid or the shearing force in the fluid may be reduced, and the mixing efficiency may be reduced.
本発明の課題は、高粘度流体又は異粘度流体を効率良く混合することのできるマイクロミキサー及び流体混合構造体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a micromixer and a fluid mixing structure capable of efficiently mixing a high-viscosity fluid or a different viscosity fluid.
上記目的を達成するため、本発明の第一の態様によれば、二種類以上の流体の混合に用いられるマイクロミキサーが提供される。マイクロミキサーは、第1流路形成部と第2流路形成部とを有する混合プレートを備えている。第1流路形成部には、第1流体が流れる第1流路が形成され、第2流路形成部には、第2流体が流れる第2流路が形成されている。第1流路形成部と第2流路形成部との間には、第1流体及び第2流体が合流する合流路が設けられている。合流路を介して、第1流路の出口と第2流路の出口とが対向し、合流路の中心軸に面する第1流路の出口の位置は、中心軸に面する第2流路の出口の位置に含まれていないことに特徴を有する。ここで「合流路の中心軸に面する第1流路の出口の位置は、中心軸に面する第2流路の出口の位置に含まれていない」とは、第1流路の出口の断面中心軸と、第2流路の出口の断面中心軸とは同一でないことから、第1流路の出口の位置は、第2流路の出口の位置と異なる位置であり、且つ第1流路の位置は第2流路の位置に含まれていないことを意味する。 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a micromixer used for mixing two or more kinds of fluids. The micromixer includes a mixing plate having a first flow path forming portion and a second flow path forming portion. A first flow path through which the first fluid flows is formed in the first flow path forming section, and a second flow path through which the second fluid flows is formed in the second flow path forming section. Between the first flow path forming portion and the second flow path forming portion, there is provided a merge flow path where the first fluid and the second fluid merge. The outlet of the first flow path and the outlet of the second flow path face each other via the combined flow path, and the position of the outlet of the first flow path facing the central axis of the combined flow path is the second flow facing the central axis. It is characterized by not being included in the position of the exit of the road. Here, “the position of the outlet of the first channel facing the central axis of the combined channel is not included in the position of the outlet of the second channel facing the central axis” means that the outlet of the first channel Since the cross-sectional central axis and the cross-sectional central axis of the second flow path outlet are not the same, the position of the first flow path outlet is different from the position of the second flow path outlet, and the first flow It means that the position of the path is not included in the position of the second flow path.
この構成によれば、第1流路から送出される第1流体の流れの方向は、第2流路から送出される第2流体の流れの方向と反対方向であり、かつ合流路の軸線に対し非対称となる。
このため、各流体は合流路の反対側の壁に衝突、又は角度をもって流体同士が衝突する。これにより衝突位置付近で乱流が発生し、接触面積が大きくなる。よって、高粘度流体又は異粘度流体を効率良く混合することができる。
また、衝突位置付近の合流路は、衝突位置付近の前後、左右、上下の空間である自由空間となるため、上記乱流が発生し、接触面積を大きくすることにより、混合速度をより高めることが可能となることから、衝突付近以外の混合のための合流路は必ずしも必要ではない。
According to this configuration, the direction of the flow of the first fluid sent from the first flow path is opposite to the direction of the flow of the second fluid sent from the second flow path, and the axis of the combined flow path It is asymmetrical.
For this reason, each fluid collides with the wall on the opposite side of a combined flow path, or fluid collides with an angle. As a result, turbulent flow is generated near the collision position, and the contact area increases. Therefore, it is possible to efficiently mix a high viscosity fluid or a different viscosity fluid.
In addition, since the combined flow path near the collision position becomes a free space that is the front, rear, left, and right, upper and lower spaces near the collision position, the above turbulent flow occurs, and the contact area is increased to further increase the mixing speed. Therefore, a joint channel for mixing other than the vicinity of the collision is not necessarily required.
上記のマイクロミキサーにおいて、第1流路の出口の断面中心軸は、第2流路の出口の断面中心軸と同一でないことが好ましい。 In the above-described micromixer, it is preferable that the cross-sectional central axis of the outlet of the first channel is not the same as the central axis of the cross-section of the outlet of the second channel.
この構成によれば、第1及び第2流路の各出口から送出された各流体は合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突する高粘度流体又は異粘度流体を効率良く混合することができる。 According to this configuration, each fluid sent from each outlet of the first and second flow paths efficiently collides with a wall on the opposite side of the combined flow path or a high-viscosity fluid or a different viscosity fluid in which fluids collide with each other with an angle. Can be mixed.
この構成によれば、第1流路からの第1流体の流れの方向は、第2流路からの第2流体の流れの方向と平行または角度をもった交差であり、かつ逆方向となる。このため、乱流により各流体の接触面積が大きくなり、高粘度流体又は異粘度流体を効率良く混合することができる。 According to this configuration, the direction of the flow of the first fluid from the first flow path is an intersection that is parallel or at an angle to the direction of the flow of the second fluid from the second flow path, and is in the opposite direction. . For this reason, the contact area of each fluid becomes large by a turbulent flow, and a highly viscous fluid or a heteroviscous fluid can be mixed efficiently.
上記のマイクロミキサーにおいて、第1流路の出口は複数の出口のうちの1つであり、第2流路の出口は複数の出口のうちの1つであり、第1流路の出口と第2流路の出口とが1対1の関係で対向していることが好ましい。 In the above micromixer, the outlet of the first channel is one of the plurality of outlets, the outlet of the second channel is one of the plurality of outlets, and the outlet of the first channel It is preferable that the outlets of the two flow paths face each other in a one-to-one relationship.
この構成によれば、各流体をそれぞれ複数の微小な流れに分割し、更に分割された微小な流れを1対1の関係で合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士を衝突させることができる。このため、乱流により各流体の接触面積が大きくなり、混合速度が高められる。 According to this configuration, each fluid is divided into a plurality of minute flows, and the divided minute flows collide with the opposite wall of the combined flow path or have fluids collide with each other at an angle. be able to. For this reason, the contact area of each fluid becomes large by turbulent flow, and the mixing speed is increased.
上記のマイクロミキサーにおいて、合流路は長尺状に形成され、合流路を形成する一対の対向する側面のうち、一方の側面には、複数の第1流路の出口が合流路の長手方向に沿って並んでおり、他方の側面には、複数の第2流路の出口が合流路の長手方向に沿って並んでいることが好ましい。 In the above micromixer, the combined flow path is formed in an elongated shape, and one of the pair of opposing side surfaces forming the combined flow path has outlets of a plurality of first flow paths in the longitudinal direction of the combined flow path. It is preferable that the outlets of the plurality of second flow paths are arranged along the longitudinal direction of the combined flow path on the other side surface.
この構成によれば、流路の出口間の距離を変更せずに、合流路の長さを調節するか又は流路の数を増やすことにより、マイクロミキサーの処理量が向上する。従って、流体の衝突効果を低減させずに処理量を向上させることができる。また、合流路内でスラグ流やゼブラ流が容易にできる。 According to this configuration, the processing amount of the micromixer is improved by adjusting the length of the combined flow path or increasing the number of flow paths without changing the distance between the outlets of the flow paths. Therefore, the throughput can be improved without reducing the fluid collision effect. Moreover, a slag flow and a zebra flow can be easily performed in the combined flow path.
上記のマイクロミキサーにおいて、混合プレートに積層される温度調節プレートを備え、温度調節プレートは、第1媒体が流れる第1媒体流路と、第2媒体が流れる第2媒体流路と、第1媒体流路及び第2媒体流路間に設けられた断熱部とを有し、混合プレート及び温度調節プレートが積層された状態で、第1流路形成部と第1媒体流路とが積層方向に対応するように配置され、第2流路形成部と第2媒体流路とが積層方向に対応するように配置されていることが好ましい。 The micromixer includes a temperature control plate stacked on the mixing plate, the temperature control plate including a first medium flow path through which the first medium flows, a second medium flow path through which the second medium flows, and a first medium. A heat insulating portion provided between the flow path and the second medium flow path, and the first flow path forming portion and the first medium flow path in the stacking direction in a state where the mixing plate and the temperature control plate are stacked. It is preferable that the second flow path forming unit and the second medium flow path are arranged so as to correspond to the stacking direction.
この構成によれば、第1媒体は第1流体のみに作用し、第2媒体は第2流体のみに作用することができる。また、第1及び第2媒体流路形成部間の断熱部により、第1媒体と第2媒体との間の熱伝導が抑制されるため、温度を精度良く調節することができる。 According to this configuration, the first medium can act only on the first fluid, and the second medium can act only on the second fluid. Moreover, since the heat conduction between the first medium and the second medium is suppressed by the heat insulating part between the first and second medium flow path forming parts, the temperature can be adjusted with high accuracy.
上記のマイクロミキサーにおいて、第1流路及び第2流路では、出口の断面積が入口の断面積よりも小さいことが好ましい。 In the above micromixer, it is preferable that the cross-sectional area of the outlet is smaller than the cross-sectional area of the inlet in the first flow path and the second flow path.
この構成によれば、合流路から送出される流体の流速を高めることで、各流体の混合効率がより一層向上する。 According to this structure, the mixing efficiency of each fluid improves further by raising the flow velocity of the fluid sent out from a combined flow path.
以下、本発明のマイクロミキサーを具体化した一実施形態について図1〜図6に従って説明する。 Hereinafter, an embodiment embodying the micromixer of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示すように、マイクロミキサー1は、中空状のケースCを有している。ケースC内には、各種微細流路が形成された積層体11が固定されている。積層体11は、混合対象物又は反応対象物である第1流体F1及び第2流体F2と、第1熱媒H1(第1媒体)及び第2熱媒H2(第2媒体)とが流れる流路を有している。第1熱媒H1及び第2熱媒H2は、流体F1,F2とそれぞれ熱交換を行う。
As shown in FIG. 1, the
ケースCの左端C1には、第1流体F1をケースC内に供給する第1流体供給部4Aが設けられている。ケースCの右端C2には、第2流体F2をケースC内に供給する第2流体供給部4Bが設けられている。以下、各流体供給部4A,4Bを区別しないで説明する場合は、単に、流体供給部4として説明する。
At the left end C1 of the case C, a first
流体供給部4は、ケースCの端部に形成された開口部2と、開口部2に連結されたコネクタ3とを有している。コネクタ3は、各流体F1,F2をそれぞれ貯留するタンクに接続されている。また、コネクタ3は、加圧ポンプ、このポンプに連結された管路等を含む圧送機構にも接続されている。各流体F1,F2は、圧送機構により加圧された状態で、コネクタ3に向けてそれぞれ圧送される。ケースCの両端には、開口部2がそれぞれ設けられている。ケースCの各開口部2と、ケースC内の積層体11の各側面11a,11bとの間には、空間が設けられている。この空間は、圧送機構から送出された各流体F1,F2を一時貯留するための貯留部S1,S2として機能する。
The
ケースCの上端C3には、熱媒供給部7A,7Bが形成されている。各熱媒H1は、熱媒供給部7Aを通じてケースC内に供給され、各熱媒H2は、熱媒供給部7Bを通じてケースC内に供給される。熱媒供給部7A,7Bは、流体供給部4と同様に、開口部5A,5B、コネクタ6A,6Bをそれぞれ有している。ケースCの下端C4には、熱媒送出部7C,7Dが形成されている。各熱媒供給部7A,7Bに供給された熱媒H1,H2は、積層体11内の流路を通過してから、各熱媒送出部7C,7DよりケースC外部へとそれぞれ送出される。熱媒送出部7C,7Dは、流体供給部4と同様に、開口部5C,5D、コネクタ6C,6Dをそれぞれ有している。
Heat medium supply portions 7A and 7B are formed at the upper end C3 of the case C. Each heat medium H1 is supplied into the case C through the heat medium supply part 7A, and each heat medium H2 is supplied into the case C through the heat medium supply part 7B. As with the
ケースCの下端C4には、送出部10が設けられている。積層体11内で混合又は反応した各流体F1,F2の混合液F3(又は反応液)は、送出部10を通じてケースC外へと送出される。送出部10は、開口部8と、開口部8に連結されたコネクタ9とを有している。
At the lower end C4 of the case C, a
即ち、各流体F1,F2は、各流体供給部4A,4BからケースC内部に供給されると、積層体11の微細流路において混合又は反応される。ここで、各流体F1,F2が微細流路で混合されるため、各流体F1,F2の拡散距離は短くなる。これにより、各流体F1,F2の混合速度が大きくなり、所望量の各流体F1,F2が効率良く混合される。各流体F1,F2は、混合されて混合液F3(又は反応液)となり、送出部10からケースC外へと送出される。尚、マイクロミキサー1のケースCや各流体供給部4A,4B、送出部10の位置等は、上記の構成に限定されず、必要に応じて変更してもよい。
That is, when the fluids F1 and F2 are supplied into the case C from the
次に、積層体11について図2を参照して説明する。 Next, the laminate 11 will be described with reference to FIG.
図2に示すように、積層体11は、長方形状の一対のカバープレートP1,P2と、複数のプレートからなるプレート群12とを備えている。プレート群12は、両カバープレートP1,P2間に設けられている。プレート群12は、3枚の温調プレート13と、2枚の混合プレート14とを備えている。プレート群12は、温調プレート13及び混合プレート14を積層して構成されている。温調プレート13が、プレート群12の最上層と最下層とを構成し、混合プレート14が、温調プレート13間に挟まれた状態で積層されている。
As shown in FIG. 2, the
各カバープレートP1,P2、各温調プレート13及び各混合プレート14の外形はいずれも、同じ長方形を有している。各カバープレートP1,P2、温調プレート13及び混合プレート14は、例えば、金属材、樹脂、ガラス、セラミックス等により形成されている。これらの材料を用いて各プレート13,14,P1,P2を形成すれば、流路を形成するための加工が容易となり、液漏れ等が生じ難く密着した状態で各プレートを互いに固定することができる。各プレート13,14,P1,P2を、同じ材料により形成してもよく、又は、異なる材料により形成してもよい。例えば、各プレート13,14,P2,P2をステンレス鋼から形成し、拡散結合により密着した状態で各プレートを固定してもよい。各プレート13,14,P2,P2の加工方法として、例えば、射出成型、溶剤キャスト法、溶融レプリカ法、切削、エッチング、フォトリソグラフィー、レーザーアプレーション等が挙げられる。
The outer shapes of the cover plates P1, P2, the
次に、混合プレート14について図3及び図4に従って詳述する。
Next, the mixing
図3に示すように、混合プレート14は、一対のプレートからなる。混合プレート14は、第1流路形成部14Aと第2流路形成部14Bとを有している。第1及び第2流路形成部14A,14Bはいずれも矩形で、且つ板状に形成されている。第1流路形成部14Aの上面14aにおいて短手方向(図中Y方向)の中央には、3本の第1流路15が形成されている。各第1流路15は、等間隔で配置されている。各第1流路15は、第1流路形成部14Aの左側端14bから右側端14cにまで延びる溝状に形成されている。各第1流路15は、第1流路形成部14Aの左側端14b、右側端14c及び上面14aにおいて開口している。第1流路形成部14Aの左側端14bの開口は第1流路15の入口15aを形成し、第1流路形成部14Aの右側端14cの開口は第1流路15の出口15bを形成する。入口15aは、第1流体F1が供給される第1流体供給部4Aに連通している。
As shown in FIG. 3, the mixing
第1流路15は、流路幅の大きい幅広部16と、流路幅の小さい幅狭部17と、テーパ部18とを有している。テーパ部18の流路幅は、幅広部16から幅狭部17にかけて緩やかに小さくなる。
The
流体の流れる方向と直交する幅広部16の断面は矩形状をなしている。幅広部16は、第1流路形成部14Aの左側端14bから右側端14c付近にまで延びている。幅広部16の幅及び深さは、流体の温度分布の均一性や装置の強度を確保するため、例えば、幅0.1mm以上100mm以下、深さ5mm以下の範囲に設定することが好ましく、幅0.1mm以上20mm以下、深さ2mm以下の範囲に設定することがより好ましい。即ち、幅広部16は、圧損が大きくなりすぎず、流路閉塞が生じ難く、流路を迅速に加熱・冷却可能であり、生産性が向上するように設計されていればよい。
The cross section of the
幅狭部17の断面も矩形状をなしている。幅狭部17は、第1流路形成部14Aの右側端14c付近から右側端14cにまで延びている。幅狭部17は、少なくとも幅広部16の断面積よりも小さい断面積を有している。幅狭部17は、例えば、幅0.1mm以上20mm以下、深さ5mm以下の範囲に設定することが好ましく、幅0.1mm以上5mm以下、深さ2mm以下の範囲に設定することがより好ましい。即ち、幅狭部17は、圧損が大きくなりすぎず、流路閉塞が生じ難く、流路を迅速に加熱・冷却可能であり、生産性が向上するように設計されていればよい。
The cross section of the narrow portion 17 is also rectangular. The narrow portion 17 extends from the vicinity of the
第1流路形成部14Aと第2流路形成部14Bとの間には、合流路19が設けられている。合流路19は、所定幅の前後、左右、上下の自由空間からなる。図3に示すように、合流路19では、底面及び上面が開口し、混合プレート14の前面14g及び背面14hにおいて開口している。混合プレート14の前面14gにて開口する開口部19cは、合流路19の出口であって、送出部10に連通されている。混合プレート14の背面14hにて開口する開口部19bは、ケースC又はその他の部材によって閉塞されている。合流路19を形成する一対の側面は、第1及び第2流路形成部14A,14Bによってそれぞれ構成されている。合流路19は、平面視で長方形をなす長尺状の流路として形成されている。合流路19の長手方向は、混合プレート14の短手方向と平行である。
A
第2流路形成部14Bは、第2流体F2が流れる第2流路20を有している。第2流路形成部14Bは、合流路19に対して第1流路形成部14Aと対称である。即ち、第2流路形成部14Bの上面14dにおいて短手方向の中央には、3本の第2流路20が形成されている。各第2流路20は、等間隔で配置されている。各第2流路20は、第2流路形成部14Bの左側端14e、右側端14f及び上面14d及び底面において開口している。第2流路形成部14Bの左側端14eの開口は第2流路20の出口20bを形成し、第2流路形成部14Bの右側端14fの開口は第2流路20の入口20aを形成する。入口20aは、第2流体F2が供給される第2流体供給部4Bに連通している。
The second flow
第2流路20は、幅広部21と、幅狭部22と、幅広部21及び幅狭部22間に設けられたテーパ部23とを有している。幅広部21は、第1流路形成部14Aの幅広部16と同じ形状及び同じ流路幅を有している。幅広部21は、第2流路形成部14Bの右側端14fから左側端14e付近にまで延びている。幅狭部22も、第1流路形成部14Aの幅狭部17と同じ形状及び同じ流路幅を有している。幅狭部22は、第2流路形成部14Bの左側端14e付近から左側端14eにまで延びている。
The
図4に示すように、第1及び第2流路形成部14A,14Bは、第1流路15の出口15bと第2流路20の出口20bとを合流路19を介して対向させるように配置されている。合流路19の中心軸X1に面する出口15bの位置は、中心軸X1に面する出口20bの位置と同一ではない。出口15b,20bの出口面は平行である。また、第1及び第2流路15,20の各出口15b,20bの断面中心軸は、同一でない中心軸X2及び中心軸X3である。第1流路15の位置は、図4に示す左側ではなく、右側でもあってもよい。また、第2流路20は、図4に示す右側ではなく、左側であってもよい。さらに、合流路19を形成する一対の対向する側面のうち一方の側面には、3つの第1流路15の出口15bが形成され、他方の側面には、3つの第2流路20の出口20bが形成されている。各出口15b,20bは、合流路19の長手方向に沿って並んでそれぞれ配置されている。
As shown in FIG. 4, the first and second flow
第1及び第2流路15,20の入口15a,20aより加圧されて供給された流体F1,F2は、各幅広部16,21を流れてから、各テーパ部18,23を介して、各幅狭部17,22へとそれぞれ流入する。幅狭部17,22に流入した各流体F1,F2は、入口15a,20aに流入したときよりも速い流速で、出口15b,20bから合流路19へとそれぞれ流入する。このとき、中心軸X1に面する両出口15b,20bの位置が同一でなく、かつ1対1の関係で対向しているため、流体F1,F2は、出口15b,20bからそれぞれ合流路19に送出されると、互いに合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突する。このため、各流体F1,F2が層流の状態で合流する場合に比べ、各流体F1,F2の接触面積が乱流により大きくなり、各流体F1,F2が効率よく混合される。また、各流体F1,F2を合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突させることにより、各流体F1,F2中の流体要素は、第1流体F1の流れの方向と第2流体F2の流れの方向は各合流路の反対側の壁よりせん断力を受ける。第1流体F1の流れの方向と第2流体F2の流れの方向とからせん断力を受ける。このため、各流体F1,F2の混合速度が高められる。特に、流体F1,F2のうち少なくとも一方の流動性が低く高粘度流体である場合や、流体F1,F2の粘度差が大きい場合、特に効果を発揮することができる。
The fluids F1 and F2 that are pressurized and supplied from the
合流路19の開口部19bは閉塞されている。このため、各流体F1,F2は、互いに合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突した後に、主液圧送機構の圧力により開口部19cへと流れる。合流路19にて発生する圧力損失、高粘度流体及び異粘度流体の安定した通流、混合力、装置的強度を考慮すると、合流路19の幅、即ち、各出口15b,20bの間の距離は、0.1mm以上30mm以下に設定することが好ましい。また、合流路19の深さは、0.3mm以上に設定することが好ましい。合流路19の幅は、各流体F1,F2の粘性と、目的とする混合度合等に応じて変更可能である。合流路19の幅を短くすれば、圧力損失が比較的大きくなる一方で、各流体は合流路の反対側の壁に衝突、又は角度をもって流体同士が衝突することにより、流体内のせん断力が高められる。合流路19の幅を長くすれば、衝突力は弱くなるものの、圧力損失が低減される。
The
次に、温調プレート13について図5に従って説明する。
Next, the
温調プレート13は、長方形状で、かつ板状に形成されている。温調プレート13は、混合プレート14とほぼ同じ大きさを有している。温調プレート13の長手方向の中央には、断熱部30が形成されている。断熱部30は、積層された混合プレート14により形成される合流路19と重なるように配置されている。断熱部30は、長尺状に形成されている。断熱部30は、温調プレート13をその前面13cから奥行方向(図中Y方向)に切り欠くことにより形成されている。断熱部30は、温調プレート13をその厚み方向(図中Z方向)に貫通している。断熱部30は、温調プレート13の前面13cに開口部30aを有している。断熱部30の幅は、混合プレート14の合流路19の幅とほぼ同じである。
The
温調プレート13において、断熱部30に対して左側及び右側には、略長方形状の凹部24がそれぞれ形成されている。温調プレート13の上面13aには、流入路26及び流出路27が形成されている。流入路26及び流出路27はいずれも、溝状に形成されると共に、凹部24にそれぞれ連通している。
In the
凹部24の底面には、長尺状の壁部24a,24bが形成されている。壁部24a,24bは、温調プレート13の長手方向(図中X方向)に延びている。壁部24a,24bの先端と凹部24の内壁面との間には、流路の一部を構成するための空間が設けられている。凹部24の底面において、両壁部24a,24b間には、長尺状をなす4本の壁部25が形成されている。壁部25の全長は、凹部24の幅(図中X方向の長さ)よりも短い。壁部25の両端と凹部24の内壁面との間にも、流路の一部を構成するための空間が設けられている。各壁部24a,24b,25は、凹部24内の空間を区画して、熱媒H1,H2が流れる流路を構成している。つまり、各壁部24a,24b,25は、熱媒H1,H2が流れる媒体流路としての熱媒流路31を構成している。熱媒流路31は、流入路26及び流出路27を含む。熱媒流路31は、流入路26より温調プレート13の中央へ延びてから屈曲し、凹部24の左側面24cへと延びている。熱媒流路31は、更に、左側面24cの手前で屈曲し、凹部24の右側面24dへと延びている。熱媒流路31は、更に、右側面24dの手前で屈曲し、再び左側面24cへと延びている。このように、熱媒流路31は、凹部24内で複数回屈曲してから流出路27に至る。
温調プレート13の左側の凹部24には熱媒流路31Aが形成され、右側の凹部24には熱媒流路31Bが形成されている。熱媒流路31Aには熱媒H1が供給され、熱媒流路31Bには熱媒H2が供給される。温調プレート13の上方又は下方に混合プレート14が積層されると、図4に示すように、第1流体F1が流れる第1流路15の上方又は下方には、熱媒H1が流れる第1熱媒流路31Aが重なる。第2流体F2が流れる第2流路20の上方又は下方には、熱媒H2が流れる第2熱媒流路31Bが重なる。このため、第1熱媒H1と第1流体との間で熱交換が行われ、第2熱媒H2と第2流体との間で熱交換が行われる。
A heat
各熱媒流路31A,31B周辺部での熱移動は、断熱部30によって抑制されている。このため、温度差が大きい熱媒H1,H2を各熱媒流路31A,31Bにそれぞれ供給しても、熱媒H1,H2の温度は、所望の温度より著しく低下することも、上昇することもない。このため、流路内の各流体F1,F2の温度が変化しやすいマイクロミキサー1においても、第1及び第2流体F1,F2の温度を精度良く調整することができる。つまり、流体F1,F2が所望の温度範囲より低下することを抑制できる。このため、各流路15,20や合流路19が析出物によって閉塞されることはない。よって、微粒子製造において、晶析等による生産性の低下を防止することができる。
The heat transfer around the heat
図6に示すように、3層の温調プレート13及び2層の混合プレート14を交互に積層すると、温調プレート13の断熱部30と混合プレート14の合流路19とが重なる。その結果、積層体11には、積層方向の長さと同じ距離の深さを有する合流路32が構成される。合流路32の左側面には、6つの第1流路15の出口15bが設けられている。合流路32の右側面にも、6つの第2流路20の出口20bが設けられている。各出口15bは、各出口20bとそれぞれ対向している。各温調プレート13及び各混合プレート14が互いに密着して結合した状態で、混合プレート14の第1及び第2流路15,20の上面開口は、温調プレート13の底面によって閉塞されている。また、温調プレート13の各熱媒流路31A,31Bの上面開口は、混合プレート14の底面又はカバープレートP1の底面によって閉塞されている。
As shown in FIG. 6, when the three layers of the
上記の積層体11において、第1流体F1は、第1流体供給部4AからケースC内へ加圧した状態で供給される。第1流体F1は、貯留部S1に一時的に貯留された後、積層体11の6つの第1流路15に分割されて供給される。一方、第2流体F2は、第2流体供給部4BからケースC内へ加圧した状態で供給される。第2流体F2は、貯留部S2に一時的に貯留された後、積層体11の6つの第2流路20に分割されて供給される。
In the
第1流体F1は、各第1流路15の幅広部16から幅狭部17にかけて流速を高めながら、出口15bより合流路19へと送出される。一方、第2流体F2も、各第2流路20の幅広部21から幅狭部22にかけて流速を高めながら、出口20bより合流路19へと送出される。各出口15bから送出された第1流体F1の微小な流れは、各出口20bから送出された第2流体F2の微小な流れと1対1の関係で互いに合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突する。このため、各流体F1,F2の微小な流れはそれらの衝突により混合されるため、全体としての混合速度がより一層高められる。6対の出口15b,20bからそれぞれ送出された各流体F1,F2は、合流路19内で乱流を生じながら混合した後、合流路32の出口32aに向けて流れる。混合液F3は、出口32aから送出部10に送られて、ケースC外へと送出される。
The first fluid F1 is sent from the
マイクロミキサー1において、混合対象の流体F1,F2の処理量を増加させるには、合流路32の幅、即ち出口15b,20b間の距離を変えずに、合流路32の長さを延長すればよい。或いは、合流路32の幅を変えずに、合流路19の側面に開口する流路15,20の数を増やすか、積層される混合プレート14の数を増やせばよい。これらにより、合流路32における混合効率を低下させずに、処理量が増大する。また、マイクロミキサー1では、合流路32の容積が比較的大きく、圧力損失の増大による流路の閉塞を防ぐことができる。さらに、混合対象の流体の粘性に応じて、合流路32の幅も適宜変更できる。よって、装置の設計に関する自由度が向上する。
In the
ここで、マイクロミキサー1の利用例をそれぞれ説明する。
Here, examples of use of the
まず、樹脂合成実験の一例を説明する。第1流体F1として、粘度3mPa・sに調整したイソシアネート化合物を用い、第2流体F2として、粘度4mPa・sに調整したアクリレートを用いた。そして、プランジャポンプを用いて、第1及び第2流体F1,F2の流量を100g/minとし、第1及び第2流体F1,F2を合流路32で衝突させて混合した。その後、マイクロミキサー1を連続的に使用して、合成反応を行った。その結果、反応率は94%であった。
First, an example of a resin synthesis experiment will be described. An isocyanate compound adjusted to a viscosity of 3 mPa · s was used as the first fluid F1, and an acrylate adjusted to a viscosity of 4 mPa · s was used as the second fluid F2. Then, using the plunger pump, the flow rates of the first and second fluids F1 and F2 were set to 100 g / min, and the first and second fluids F1 and F2 were collided in the combined
これに対し、従来の積層型マイクロミキサーを用いて同様に実験を行ったが、反応率は90%であった。即ち、上記実施形態のマイクロミキサー1を用いれば、流体が効率良く混合されるため、反応率が向上する。
In contrast, the same experiment was performed using a conventional laminated micromixer, but the reaction rate was 90%. That is, if the
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。 According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1)マイクロミキサー1の混合プレート14は、第1流体F1が流れる第1流路15が形成された第1流路形成部14Aと、第2流体F2が流れる第2流路20が形成された第2流路形成部14Bとを有している。第1及び第2流路15,20の各出口15b,20bは、第1流体F1及び第2流体F2が合流する合流路19を介して互いに対向している。合流路19の中心軸X1に面する出口15bの位置は、中心軸X1に面する出口20bの位置と同一ではない。
即ち、第1及び第2流路15,20の各出口15b,20bの断面中心軸は、同一でない中心軸X2及び中心軸X3である。このため、第1流路15からの第1流体F1の流れの方向は、第2流路20からの第2流体F2の流れの方向と反対方向であり、合流路19の中心軸X1に対し対称ではない。このため、各流体F1,F2は、互いに合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突する。これにより、各流体F1,F2の接触面積が大きくなり、せん断力が発生する。よって、高粘度流体や異粘度流体を効率良く混合することができる。
(1) The mixing
That is, the cross-sectional central axes of the
(2)第1及び第2流路15,20の各出口15b,20bの出口面は平行である。このため、第1流路15からの第1流体F1の流れの方向は、第2流路20からの第2流体F2の流れの方向と平行または角度をもった交差であり、かつ逆方向となる。これにより、各流体F1,F2が合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士が衝突するため、乱流により各流体F1,F2の接触面積が大きくなり、大きなせん断力を発生させることができる。
(2) The exit surfaces of the
(3)第1及び第2流路15,20の出口15b,20bが、1対1の関係で互いに対向している。このため、流体F1,F2をそれぞれ複数の微小な流れに分割し、更に分割された微小な流れを1対1の関係で合流路の反対側の壁に衝突又は角度をもって流体同士を衝突させて、混合することができる。よって、各流体F1,F2の混合効率がより一層高められる。
(3) The
(4)長尺状の合流路19を形成する一対の側面のうち、一方の側面には、3つの出口15bが合流路19の長手方向に沿って並び、他方の側面には、3つの出口20bが合流路19の長手方向に沿って並んでいる。このため、両出口15b,20b間の距離を変更せずに、合流路19を延長するか又は両出口15b,20bの数を増やすことにより、1枚の混合プレート14当りの処理量が向上する。従って、混合効率を低下させずに、処理量が向上する。
(4) Of the pair of side surfaces forming the long merged
(5)マイクロミキサー1は、混合プレート14上に積層される温調プレート13を備えている。温調プレート13は、第1熱媒H1が流れる第1熱媒流路31Aと、第2熱媒H2が流れる第2熱媒流路31Bと、第1熱媒流路31A及び第2熱媒流路31B間に設けられた断熱部30とを有している。混合プレート14及び温調プレート13が積層された状態では、第1流路形成部14Aと第1熱媒流路31Aとが積層方向に対応するように配置され、第2流路形成部14Bと第2熱媒流路31Bとが積層方向に対応するように配置されている。このため、第1熱媒H1は第1流体F1のみに作用し、第2熱媒H2は第2流体F2のみに作用する。また、第1及び第2熱媒流路31A,31B間には、断熱部30が設けられている。このため、流路内の流体の温度が変化しやすいマイクロミキサー1において、第1及び第2熱媒H1,H2間の熱伝導が抑制されるため、温度を精度良く調節することができる。
(5) The
(6)第1及び第2流路15,20の出口15b,20bの各断面積は、入口15a,20aの各断面積よりも小さい。このため、合流路19に送出される各流体F1,F2の流速を高めることができる。よって、第1流路15からの流体F1と第2流路20からの流体F2と各流体が合流路の反対側の壁への衝突力が大きくなり又は角度をもった流体同士の衝突力が大きくなり、大きなせん断力が得られる。
(6) The cross-sectional areas of the
[実施例1]
マイクロミキサー1を用いて、異粘性流体実験を行った。第1及び第2流路15,20は、幅広部16,21を幅8mm×深さ0.2mm×長さ30mmとし、幅狭部17,22を幅0.4mm×深さ0.2mm×長さ1mmとした。また、合流路19及び断熱部30を、幅2.0mm×深さ1.0×長さ15mmとした。1枚の混合プレート14をカバープレートP1,P2で固定し、2枚の温調プレート13を上下に積層してケースC内に収容した。プランジャポンプを用いて、粘度1mPa・sの水と粘度100mPa・sの水飴とを10g/minの流速で流し、合流路19で合流させた。
[Example 1]
Using the
その結果、合流路32での圧力損失が0.2MPa程度となり、各流体F1,F2を間欠なく、スムーズに流通させることができた。従って、実施例1のマイクロミキサー1では合流路32の容量が大きいため圧力損失を低減できる、ことが判明した。
As a result, the pressure loss in the combined
[比較例1]
従来のY型マイクロミキサーを用いて、異粘性流体実験を行った。Y型マイクロミキサーに設けられた第1流体が流れる流路を、幅0.4mm×深さ0.2mm×長さ15mmとし、第2流体が流れる流路を、幅0.4mm×深さ0.2mm×長さ15mmとした。また、混合液が流れる流路を、幅0.8mm×深さ0.2×長さ15mmとした。流路を形成したプレートは、実施例1と同じ材質である。このため、流路壁面の粗さは、実施例1と同様である。また、実施例1と同様に、プランジャポンプを用いて、粘度1mPa・sの水と粘度100mPa・sの水飴とを流した。その結果、混合液が流れる流路の圧力損失が10MPa以上となり、低粘度である水に間欠的な流通がみられ、安定的な流通が困難であった。Y字型ミキサーは、各流路を交差させて各流体を合流させるように設計されている。このため、粘度が異なる2種類の流体を各流路に流通させたとき、低粘度の流体の流速が大きくなる一方で、高粘度の流体の流速が小さくなる。このため、間欠的な流通が発生してしまう。
[Comparative Example 1]
Heteroviscous fluid experiments were conducted using a conventional Y-type micromixer. The flow path through which the first fluid provided in the Y-type micromixer flows is 0.4 mm wide × 0.2 mm deep × 15 mm long, and the flow path through which the second fluid flows is 0.4 mm wide × 0 depth deep. 2 mm ×
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。 In addition, you may change the said embodiment as follows.
図7に示すように、混合プレート14の前面14gの中央に長尺状の切欠を形成し、合流路19を形成してもよい。図8に示すように、第1実施形態の混合プレート14の合流路19の開口部19bに、T字型の閉塞部材42を連結してもよい。
As shown in FIG. 7, a long notch may be formed in the center of the front surface 14 g of the mixing
図9に示すように、第1流路15の入口(幅広部)の流路幅φ1を、第2流路20の入口(幅広部)の流路幅φ2と異ならせてもよい。また、第1流路15の出口(幅狭部)の流路幅φ3を、第2流路20の出口(幅狭部)の流路幅φ4と異ならせてもよい。例えば、第1流体F1よりも高粘度の第2流体F2を第2流路20に流す場合、第2流路20の流路幅φ2を、第1流路15の流路幅φ1よりも大きくしてもよい。ここでは、各流路の流路幅が異なると、各流路の断面積も異なる。また、第1流路15の流路長L1を、第2流路20の流路長L2と異ならせてもよい。
As shown in FIG. 9, the channel width φ1 of the inlet (wide portion) of the
図10に示すように、第1及び第2流路15,20の各中心軸X4、X5が角度をなし、合流路19の中で交差をしてもよい
図11に示すように、第1及び第2流路15,20の中心軸X2、X3が同軸上であってもZ軸方向で出口15bの位置に出口20bが含まれていなければよい。
図12に示すように、合流路19の各壁60a、60bに凸状形状61、62にしてもよく。凸形状は半円や三角など特に形状は問わない。
As shown in FIG. 10, the central axes X4 and X5 of the first and
As shown in FIG. 12,
図13に示すように、合流路19の各壁60a、60bに凹状形状63、64にしてもよく。凹形状は半円や三角など特に形状は問わない。
図14に示すように、第1及び第2流路15,20は蛇状形状でもよい。
As shown in FIG. 13, the
As shown in FIG. 14, the first and
図15に示すように、温調プレート13の断熱部30を挟む両側にそれぞれ、上面、背面13b及び前面13cに開口した凹部45を形成すると共に、凹部45内に壁部46を形成してもよい。壁部46は、背面13bから前面13cにかけて温調プレート13の短手方向に沿って延びている。この場合も、凹部45内の空間が壁部46により長尺状の複数の空間に区画されて、熱媒流路47が構成されている。熱媒流路47は、第1及び第2流路15,20と直交するように形成されている。このため、加熱効率又は冷却効率が向上する。
As shown in FIG. 15, the
なお、温調プレートも混合プレートと同様に1対で構成されていてもよく、これにより断熱部の幅も適宜調整することができる。 In addition, the temperature control plate may also be configured in a pair like the mixing plate, and thereby the width of the heat insulating portion can be appropriately adjusted.
本発明のマイクロミキサーは、各種異粘性流体の混合に用いることができる。 The micromixer of the present invention can be used for mixing various heteroviscous fluids.
Claims (7)
第1流路形成部と第2流路形成部との間には、前記第1流体及び前記第2流体が合流する合流路が設けられ、前記合流路を介して、前記第1流路の出口と前記第2流路の出口とが対向し、前記合流路の中心軸に面する前記第1流路の出口の位置は、前記中心軸に面する前記第2流路の出口の位置に含まれず、且つ該合流路は前記第1流体及び前記第2流体の微小な流れがそれらの衝突により混合されるため全体としての混合速度が高められる機能を有することを特徴とするマイクロミキサー。 A micromixer used for mixing two or more kinds of fluids, wherein the micromixer includes a mixing plate having a first flow path forming section and a second flow path forming section, and the first flow path forming section includes Is a micromixer in which a first channel through which a first fluid flows is formed, and a second channel through which a second fluid flows is formed in the second channel forming unit,
Between the first flow path forming part and the second flow path forming part, there is provided a combined flow path where the first fluid and the second fluid merge, and the first flow path is formed via the combined flow path. The outlet and the outlet of the second channel face each other, and the position of the outlet of the first channel facing the central axis of the combined channel is the position of the outlet of the second channel facing the central axis The micromixer is not included, and the combined flow path has a function of increasing an overall mixing speed because a minute flow of the first fluid and the second fluid is mixed by collision thereof.
前記第1流路の出口面は、前記第2流路の出口面と平行であることを特徴とするマイクロミキサー。 The micromixer of claim 1,
The micromixer according to claim 1, wherein an outlet surface of the first channel is parallel to an outlet surface of the second channel.
前記第1流路の出口は複数の出口のうちの1つであり、前記第2流路の出口は複数の出口のうちの1つであり、前記第1流路の出口と前記第2流路の出口とが1対1の関係で対向していることを特徴とするマイクロミキサー。 In the micromixer according to any one of claims 1 and 2,
The outlet of the first channel is one of a plurality of outlets, the outlet of the second channel is one of a plurality of outlets, and the outlet of the first channel and the second flow A micromixer characterized by facing the exit of the road in a one-to-one relationship.
前記合流路は長尺状に形成され、前記合流路を形成する一対の対向する側面のうち、一方の側面には、複数の第1流路の出口が前記合流路の長手方向に沿って並んでおり、他方の側面には、複数の第2流路の出口が前記合流路の長手方向に沿って並んでいることを特徴とするマイクロミキサー。 In the micromixer according to any one of claims 1 to 3,
The joint channel is formed in an elongated shape, and one of the pair of opposing side surfaces forming the joint channel has outlets of a plurality of first channels arranged along the longitudinal direction of the joint channel. The micromixer is characterized in that, on the other side surface, the outlets of the plurality of second flow paths are arranged along the longitudinal direction of the combined flow path.
前記混合プレートは、前記第1流路の出口と前記第2流路の出口とが対向する一対のプレートから構成され、且つ、前記合流部の幅は、該プレート間の距離を調整することにより適宜設定可能であることを特徴とするマイクロミキサー。 In the micromixer according to any one of claims 1 to 4,
The mixing plate is composed of a pair of plates in which the outlet of the first flow path and the outlet of the second flow path face each other, and the width of the merging portion is adjusted by adjusting the distance between the plates. A micromixer characterized in that it can be set as appropriate.
前記混合プレートに積層される温度調節プレートを備え、
前記温度調節プレートは、第1媒体が流れる第1媒体流路と、第2媒体が流れる第2媒体流路と、前記第1媒体流路及び前記第2媒体流路間に設けられた断熱部とを有し、
前記混合プレート及び前記温度調節プレートが積層された状態で、前記第1流路形成部と前記第1媒体流路とが積層方向に対応するように配置され、前記第2流路形成部と前記第2媒体流路とが積層方向に対応するように配置されていることを特徴とするマイクロミキサー。 The micromixer according to any one of claims 1 to 5,
A temperature control plate laminated on the mixing plate;
The temperature control plate includes a first medium flow path through which the first medium flows, a second medium flow path through which the second medium flows, and a heat insulating portion provided between the first medium flow path and the second medium flow path. And
In a state where the mixing plate and the temperature control plate are stacked, the first flow path forming unit and the first medium flow path are arranged so as to correspond to the stacking direction, and the second flow path forming unit and the A micromixer, wherein the second medium flow path is arranged so as to correspond to the stacking direction.
前記第1流路及び前記第2流路では、出口の断面積が入口の断面積よりも小さいことを特徴とするマイクロミキサー。 In the micromixer according to any one of claims 1 to 6,
In the first flow path and the second flow path, the cross-sectional area of the outlet is smaller than the cross-sectional area of the inlet.
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JP2011285469A JP2013132616A (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Micromixer |
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JP2017184486A (en) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | Tdk株式会社 | Transmission device |
JP2018112516A (en) * | 2017-01-13 | 2018-07-19 | アークレイ株式会社 | Flow cell and measuring device |
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2011
- 2011-12-27 JP JP2011285469A patent/JP2013132616A/en active Pending
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