JP3694878B2

JP3694878B2 - マイクロ混合器

Info

Publication number: JP3694878B2
Application number: JP2001158633A
Authority: JP
Inventors: 宣昭本田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002346354A; WO2002102502A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミキシング性能が良好で、その製作が容易な簡易な構造のマイクロ混合器に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
マイクロ混合器は、例えばマイクロマシンニング技術を用いてＳi等の半導体基板を加工して製作される。
具体的にはこの種のマイクロ混合器は、例えば２種類の液（流体）Ａ,Ｂを混合して２層の層流（Ａ＋Ｂ）を形成した後、この層流（Ａ＋Ｂ）をその層方向に（Ａ＋Ｂ）／２ずつ２分割し、更にこれらの２分割された２つの層流（Ａ／２＋Ｂ／２）を混合して４層の層流（Ａ／２＋Ｂ／２＋Ａ／２＋Ｂ／２）を形成した後、この層流をその層方向に更に２分割すると言う処理を繰り返すことで、上記各液Ａ,Ｂがなす層（大きさ）を徐々に細分化し、これによって前記各液Ａ,Ｂの拡散を速めるように構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のマイクロ混合器にあっては、流体（液）を混合・分配する為の流路自体が微細であり、クリティカルな製作精度が要求される。この為、その加工（製造）方法が複雑であり、しかも正確なアライメントを必要とするので製造コストが高いと言う問題がある。また流路自体が微細なので、その流路構造が複雑な場合、液体粒子による目詰まりを起こし易い。特に流体を分配する為の幅の狭いスリット部分において目詰まりが生じ易い。更には流体の流れが不均衡となって所要とするミキシング性能を得ることが困難となる等の欠点がある。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ミキシング性能が良好で、その製作が容易な安価で簡易な構造のマイクロ混合器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係るマイクロ混合器は、複数の混合分配ユニットを、例えば所定の曲率の円周をなすように所定の閉曲線上に周期的に配列した複数枚の流路モジュールを積層して上記各流路モジュール間の混合分配ユニットを順次連結し、各混合分配ユニットにそれぞれ供給された流体を順次混合分配していく流路を複数の層に亘って形成したものであって、
前記各混合分配ユニットは、該流路モジュールの上流面側に設けられた前記２個のインレットと、これらの２個のインレットとは該流路モジュールの面内での位置を異ならせて前記流路モジュールの下流面側に設けられた前記２個のアウトレットと、前記流路モジュールの面と平行な流路を形成して設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体を前記各アウトレットのそれぞれに向けて分配すると共に、分配された前記各インレットからの流体を混合して前記各アウトレットにそれぞれ導くチャネルとを備えた流路構造を有し、
前記各流路モジュールの１つの混合分配ユニットにおける２個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モジュールにおける２個の混合分配ユニットの各１個のインレットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴としている。
【０００６】
即ち、本発明は、上流面側に２個のインレットを設けると共に、下流面側に２個のアウトレットを設け、これらのインレットとアウトレットとをチャネルを介して連結して流路を形成た混合分配ユニットを備えたもので、特に複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線をなして板状の流路モジュールに周期的に配列し、このような構造をなす複数枚の流路モジュールを積み重ねて多層構造化したマイクロ混合器を構築するものである。
【０００７】
この際、前記各流路モジュールにおける混合分配ユニットの２個のアウトレットを、その下流側の流路モジュールにおける２個の混合分配ユニットの隣接する各１個のインレットにそれぞれ個別に連結する。そして各混合分配ユニットの２個のインレットからそれぞれ導入されて混合した流体を、その２個のアウトレットからそれぞれ分配して出力し、これらの２個のアウトレットからそれぞれ出力される流体を、下流側の流路モジュールにおける２つの混合分配ユニットにおける各１個のインレットに個別に導くようにしたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、互いに隣り合う２つの混合分配ユニット間において隣接する各１個のアウトレットの配列間隔を、前記各混合分配ユニットにおける２個のインレットの配列間隔と等しく設定して配列される。更に前記各混合分配ユニットにおける２個のインレットの径、２個のアウトレットの径、およびチャネルの幅とその深さは、それぞれほぼ同じ大きさに形成される。尚、アウトレットの径については、該アウトレットに連結される下流側の流路モジュールにおけるインレットの径によって規定されるようにしても良い。
【０００９】
また本発明の好ましい態様は、最下流の層をなす流路モジュールに、該流路モジュールにおける複数の混合分配ユニットの各アウトレットからそれぞれ出力される流体を１つの流路にまとめる集合部を設けることが望ましい。特にこの集合部については、前記各アウトレットからそれぞれ出力された流体を混合して拡散させるに必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長を有するものとして実現することが望ましい。また混合液がお互いに反応する場合には、その反応時間を十分確保するように設定することが望ましい。
【００１０】
また前記混合分配ユニットについては、前記２個のインレットおよび２個のアウトレットを、その中央に設けられてチャネルの向きを定める島状の仕切部を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造を有するものとすることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について、２種類の液体Ａ,Ｂを混合して逸早くそのマイクロ混合液を形成するマイクロ混合器を例に説明する。
図１はこの実施形態に係るマイクロ混合器の概略構成を示す分解斜視図で、図中１,２は上下一対のプレート体である。これらのプレート体１,２は、例えば厚みが５ｍｍ、一辺の長さが５０ｍｍ程度の平板矩形状のＡl材からなる。これらの各プレート体１,２の四隅部には、貫通孔１ａとねじ孔２ａとがそれぞれ設けられており、上部プレート体１の各貫通孔１ａを通して下部プレート体２のねじ孔２ａに螺合する４本のボルト３により、後述する複数枚の流路モジュールと集合部とをその間に挟んで結合一体化されるものとなっている。
【００１２】
しかして上部プレート体１の中央部には、その中心位置から対角線方向に向けて３つの貫通孔（図示せず）が設けられており、これらの各貫通孔には流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂと、流体取出用のコネクタ４ｃとがそれぞれ装着されている。また下部プレート体２の中央部には、前記流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂがそれぞれ装着された２つの貫通孔にそれぞれ対応して、図２(ａ)に示すようにリング状および円形状をなす所定深さの流体導入チャネル５ａ,５ｂが形成されている。これらの流体導入チャネル５ａ,５ｂは、後述する流路モジュールに円周をなして配列される混合分配ユニットの並びに沿って設けられる所定厚みの隔壁５ｃを介して区画されている。またこの下部プレート体２には、後述する複数枚の流路モジュールを位置合わせして積み重ねる上でのガイドピン（図示せず）を垂直に植設する為のピン孔６が設けられている。
【００１３】
さて上述したプレート体１,２間に積層して挟み込まれる複数枚（ｍ枚）の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）は、例えば厚みが０.８ｍｍ、一辺の長さ２５ｍｍ程度の平板矩形状のＡl材やＳＵＳ等からなる。これらの各流路モジュール７は、図２(ｂ)に示すように前述した流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂがそれぞれ装着された２つの貫通孔にそれぞれ対応する貫通孔８ａ,８ｂと、上述したガイドピンを挿通してその位置合わせに供せられる貫通孔９とをそれぞれ共通に備え、更に前記流体導入チャネル５ａ,５ｂを区画する隔壁５ｃに沿って配列された複数の混合分配ユニット１０を備える。
【００１４】
ちなみに上記混合分配ユニット１０は、例えば図３にその概略構成を示すように、板状の流路モジュール７における上流面（下面）側に設けた２個のインレット１１（１１ａ,１１ｂ）と、上記流路モジュール７における下流面（上面）側に設けた２個のアウトレット１２（１２ａ,１２ｂ）とを備え、その上面側に穿いた深さ０.４ｍｍの溝からなるチャネル１３を介して上記各インレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとを連結して、流路モジュール７の上下面間に流路を形成した構造をなす。
【００１５】
特にこの混合分配ユニット１０においては、前記チャネル１３の中央に位置付けられて該チャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４が設けられている。そして前記２個のインレット１１ａ,１１ｂ、および２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを、上記仕切部１４を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造となっている。またこの混合分配ユニット１０におけるインレット１１ａ,１１ｂの径、アウトレット１２ａ,１２ｂの径、そしてチャネル１３の幅とその深さは、例えば０.４ｍｍとして互いに等しく設定され、更に２個のインレット１１ａ,１１ｂは０.４ｍｍの間隔を隔てて、また２個のアウトレット１２ａ,１２ｂは１.２ｍｍの間隔を隔てて設けられている。
【００１６】
しかして前述したｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）は、それぞれ上述した構造をなす複数の混合分配ユニット１０を所定の曲率をなす円周上に、所定の間隔で配列した構造を有する。そしてこれらの各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を、隣接する流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間において前記混合分配ユニット１０のインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとを順に連結して積み重ねて、多層構造化された流路を形成する。
【００１７】
特に各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０は、その２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを、隣接する下流側の流路モジュール７における２つの混合分配ユニット１０,１０の各１個のインレット１１ａ,１１ｂにそれぞれ個別に連結されるようになっている。換言すれば各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０の、２個のインレット１１ａ,１１ｂを、隣接する上流側の流路モジュール７における２つの混合分配ユニット１０,１０の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂにそれぞれ個別に連結されている。
【００１８】
そして各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０は、その上流側の流路モジュール７における互いに異なる２つの混合分配ユニット１０の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂからそれぞれ出力された流体を、その２個のインレット１１ａ,１１ｂからそれぞれ導入して混合し、その混合した流体を２個のアウトレット１２ａ,１２ｂから、その下流側の流路モジュール７における互いに異なる２つの混合分配ユニット１０の各１個のインレット１１ａ,１１ｂに対してそれぞれ分配して導出するようになっている。
【００１９】
具体的にはこの実施形態に係るマイクロ混合器においては、ｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における複数の混合分配ユニット１０は、例えば図４に５段（５層）の流路を形成した例を示すように、前記各流路モジュール７において、その下流側（上段側）の１つの混合分配ユニット１０における２個のインレット１１ａ,１１ｂの各位置に、互いに隣接する２つの混合分配ユニット１０の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂがそれぞれ位置付けられるレイアウト（間隔）でそれぞれ配列されている。
【００２０】
換言すれば各流路モジュール７において互いに隣接する２つの混合分配ユニット１０は、その一方の混合分配ユニット１０におけるアウトレット１１ａが、その下流側（上段側）の１つの混合分配ユニット１０における一方のインレット１１ａの位置に位置付けられ、他方の混合分配ユニット１０におけるアウトレット１１ｂが、その下流側（上段側）の上記混合分配ユニット１０における他方のインレット１１ｂの位置に位置付けられるように配列されている。この結果、ｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を前述したように位置合わせして積層するだけで、隣接する流路モジュール７間において上記混合分配ユニット１０のインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとが上述した関係を以て互いに連結されるようになっている。
【００２１】
かくして上述したように前記混合分配ユニット１０を所定個数ずつ閉曲線（円周）をなして配列したｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を積み重ねて構成されるマイクロ混合器によれば、前述した如く下部プレート体２に設けられた２つの流体導入チャネル５ａ,５ｂに２種類の流体（液体）Ａ,Ｂを所定の圧力を以て導入すれば、図４に示すように一方の流体（液体）Ａは、最上流（最下段）の流路モジュール７_m（７₅）における複数の混合分配ユニット１０のそれぞれに、その一方のインレット１１ａを介して導入される。また他方の流体（液体）Ｂは、最上流（最下段）の流路モジュール７_m（７₅）における複数の混合分配ユニット１０のそれぞれに、その他方のインレット１１ｂを介して導入される。そしてこれらの流体（液体）Ａ,Ｂは、各混合分配ユニット１０におけるチャネル１３にてそれぞれ混合され、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを介してそれぞれ分配して出力される。
【００２２】
すると次段の流路モジュール７₄においては、上記流路モジュール７₆の各混合分配ユニット１０におけるアウトレット１２ａ側から出力される流体（液体）[Ａ＋Ｂ／２]を新たに混合すべき一方の流体（液体）Ａ１として、その混合分配ユニット１０における一方のインレット１１ａを介して導入する。また流路モジュール７₅の各混合分配ユニット１０における他方のアウトレット１２ｂ側から出力される流体（液体）[Ａ＋Ｂ／２]を新たに混合すべき一方の流体（液体）Ｂ１として、その混合分配ユニット１０における他方のインレット１１ｂを介して導入する。そしてこれらの流体（液体）Ａ１,Ｂ１を、チャネル１３にてそれぞれ混合し、その混合液（層流）を２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを介してそれぞれ分配して出力する。
【００２３】
このような２系統の流体（液体）の混合とその分配を、前記各流路モジュール７において順に繰り返し実行することで、前述した２種類の流体（液体）Ａ,Ｂの細分化（マイクロ混合）が進められ、最下流（最上段）の流路モジュール７₁の各混合分配ユニット１０から前記２種類の液体Ａ,Ｂを混合したマイクロ混合液が取り出されることになる。そしてこれらの各混合分配ユニット１０からそれぞれ取り出されたマイクロ混合液は、その上部（下流側）の集合部２０に導入され、これらのマイクロ混合液を拡散反応させるに十分な滞留時間の下で更に混合された後、１つの流路にまとめられて前記流体取出用のコネクタ４ｃから出力される。即ち、上記集合部２０については、前記複数の混合分配ユニット１０における各アウトレット１２ａ,１２ｂからそれぞれ出力されたマイクロ混合液を十分に混合するに必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長Ｌを有するものとして実現することが望ましい。また混合液がお互いに反応する場合には、その反応時間を十分確保するように設定することが望ましい。
【００２４】
従ってこの実施形態に係るマイクロ混合器によれば、複数の混合分配ユニット１０を設けた平板状の複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を積み重ねただけの簡単な構造で、２種類の液体Ａ,Ｂを逸早く均質に混合したマイクロ混合液をを効果的に形成することができる。しかも上記流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）については、Ａl板やＳＵＳ板等を用いて簡易に製作することができ、混合分配ユニット１０の形成（加工）自体も容易なので、その製作コストが安価である。更には複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間のアライメント精度についても容易に高めることができ、その組み立て自体も簡単なので、この点でもその製作コストの低廉化を図り得る等の利点がある。
【００２５】
また前述した混合分配ユニット１０におけるインレット１１ａ,１１ｂの径、アウトレット１２ａ,１２ｂの径、そしてチャネル１３の幅が互いにほぼ等しく設定されているので、混合液による目詰まりが生じ難い。しかも混合分配ユニット１０における２個のインレット１１ａ,１１ｂ、およびアウトレット１２ａ,１２ｂが互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けられているので、流体（液体）の流れ（層流）に対する対称性を良好に確保して流体の不均一化を効果的に防止することができ、更にはそのスループットを十分に高めることができる。従ってそのミキシング性能（ミキシング効率）を十分に高め、均質で品質の高いマイクロ混合液を容易に生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２６】
尚、前述した混合分配ユニット１０については、例えば図５(ａ)〜(ｃ)にそれぞれ示す構造のものとして実現することも可能である。図５(ａ)に例示する混合分配ユニット１０は、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂ間の幅を広くしたものであり、また図５(ｂ)に例示する混合分配ユニット１０は、チャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４を省略し、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂ間の幅を狭くしたものである。そして図５(ｃ)に示す混合分配ユニット１０は、２個のインレット１１ａ,１１ｂ、および２個のアウトレット１２ａ,１２ｂをチャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４を中心として点対称に平行四辺形状に配置したものである。
【００２７】
このような各構造の混合分配ユニット１０であっても、隣接する２つの混合分配ユニット１０におけるアウトレット１２ａ,１２ｂが、各混合分配ユニット１０における２個のインレット１１ａ,１１ｂ間の間隔と等しくなるように配列すれば、複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間において、そのインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂの位置をそれぞれ正確に合わせることが可能となるので、先の実施形態と同様な効果が奏せられる。
【００２８】
また上述した実施形態においては、各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）において複数の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）を１列の円周上に配列したが、例えば図６に示すように複数の混合分配ユニット１０を複数本からなる同心円上に配列するようにしても良い。また或いは、図７に示すように複数の混合分配ユニット１０を、所定の閉曲線をなしてジグザグ状に配列することも可能である。
【００２９】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば複数の流路モジュール７の積層枚数や、各流路モジュール７に設ける混合分配ユニット１０の数、更には各混合分配ユニット１０におけるインレット１１ａ,１１ｂおよびアウトレット１２ａ,１２ｂの径等については、混合対象とする流体の粒子の大きさや、マイクロ混合器に要求されるミキシング性能等に応じて定めるようにすれば良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多層に積層される複数の流路モジュールに２個のインレットおよび２個のアウトレットを備えた複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線をなして配列し、上記各流路モジュール間で上記各混合分配ユニットのインレットとアウトレットとを所定の配列で順次結合した構造を有するので、その構造自体でが簡単であり、容易に精度良く、しかも安価に製作することができる。しかもそのアライメント精度を十分に高くすることも容易であり、流路の対称性を確保して混合流体に対するスループットを十分に高めることができる。従ってそのミキシング性能（ミキシング効率）を十分に高め、均質で品質の高いマイクロ混合液を逸早く容易に生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ混合器の概略構造を示す分解斜視図。
【図２】図１に示すマイクロ混合器に組み込まれる下部プレート板に設けられる流体導入チャネルの構造と、複数の流路モジュールの概略的な構造を示す図。
【図３】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの概略的な構造を示す部分斜視図。
【図４】複数の流路モジュールにそれぞれ組み込まれる混合分配ユニット間のインレットとアウトレットとの結合構造と、これらの混合分配ユニットによる流体の混合分配作用を説明するための図。
【図５】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの別の構成例を示す図。
【図６】流路モジュールに組み込まれる複数の混合分配ユニットの別の配列構造の例を示す図。
【図７】最下流の流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの別の配列構造を示す図。
【符号の説明】
５ａ,５ｂ流体導入チャネル
７,７₁,７₂,〜７_m 流路モジュール
１０混合分配ユニット
１１ａ,１１ｂ,１１ｃインレット
１２ａ,１２ｂ,１２ｃアウトレット
１３チャネル
１４仕切部
２０集合部

Claims

複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線上に配列した複数枚の流路モジュールを積層して上記各流路モジュール間の混合分配ユニットを順次連結し、各混合分配ユニットにそれぞれ供給された流体を順次混合分配していく流路を複数の層に亘って形成したマイクロ混合器であって、
前記各流路モジュールにおける前記各混合分配ユニットは、該流路モジュールの上流面側に設けられた前記２個のインレットと、これらの２個のインレットとは該流路モジュールの面内での位置を異ならせて前記流路モジュールの下流面側に設けられた前記２個のアウトレットと、前記流路モジュールの面と平行な流路を形成して設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体を前記各アウトレットのそれぞれに向けて分配すると共に、分配された前記各インレットからの流体を混合して前記各アウトレットにそれぞれ導くチャネルとを備えた流路構造を有し、
前記各流路モジュールの１つの混合分配ユニットにおける２個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モジュールにおける２個の混合分配ユニットの各１個のインレットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴とするマイクロ混合器。
前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、互いに隣り合う２つの混合分配ユニット間において隣接する各１個のアウトレットの配列間隔を、前記各混合分配ユニットにおける２個のインレットの配列間隔と等しく設定して配列されている請求項１に記載のマイクロ混合器。
前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、所定の曲率の円周をなして配列されている請求項１に記載のマイクロ混合器。
前記各混合分配ユニットにおける２個のインレットの径、２個のアウトレットの径、およびチャネルの幅とその深さは、それぞれほぼ同じ大きさに形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ混合器。
最下流に配される流路モジュールは、該流路モジュールにおける複数の混合分配ユニットの各アウトレットからそれぞれ出力される流体を１つの流路にまとめる集合部を備え、
該集合部は、前記各アウトレットからそれぞれ出力された流体を混合するに必要な滞留時間を確保し得る流路長を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ混合器。
前記混合分配ユニットは、前記２個のインレットおよび２個のアウトレットを、その中央に設けられてチャネルの向きを定める島状の仕切部を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造を有するものである請求項１に記載のマイクロ混合器。