JP3939556B2 - Micro mixer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を複数の流体供給路からそれぞれ1本のミキシング流路内へ導入し、これら流体を薄片状の層流としてミキシング流路内を流通させつつ、流体同士を混合し、又は混合及び反応させるマイクロミキサーに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、写真感光材料に用いられる乳剤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、マイクロミキサー又はマイクロリアクター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。マイクロミキサー及びマイクロリアクターには、その断面を円形に換算した場合の等価直径が数μm〜数百μm程度の複数本のマイクロチャンネル及び、これらのマイクロチャンネルと繋がる混合空間が設けられており、このマイクロミキサー及びマイクロリアクターでは、複数本のマイクロチャンネルを通して複数の溶液をそれぞれ混合空間へ導入することで、複数の溶液を混合し、又は混合と共に化学反応を生じさせる。なお、マイクロミキサーとマイクロリアクター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ーと言う場合がある。このことから、マイクロミキサーには、マイクロリアクター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ーとしては、例えば、特表平9−512742号公報、PCT国際公開公報WO 00/62913号に開示されているものがある。これらのマイクロミキサーは、何れも、2種類の溶液をそれぞれマイクロチャンネル等と呼ばれる微細な給液路を通し、極めて薄い薄片状の層流として混合空間内へ供給することで、この混合空間内で2種類の溶液同士を混合及び反応させるものである。
【0003】
次に、上記のようなマイクロミキサーによる混合及び反応がタンク等を用いたバッチ方式と異なる点を説明する。すなわち、液相の化学反応は、一般に反応液の界面において分子同士が出会うことによって反応が起こるので、微小空間内で反応を行うと相対的に界面の面積が大きくなり、反応効率は著しく増大する。また分子の拡散そのものも拡散時間は距離の二乗に比例する。このことは、スケールを小さくするに従って反応液を能動的に混合しなくても、分子の拡散によって混合が進み、反応が起こり易くなることを意味している。また、微小空間においては、スケールが小さいために層流支配の流れとなり、溶液同士が層流状態となって互いに拡散し、混合されて行く。
【0004】
上記のような特徴を有するマイクロミキサーを用いれば、例えば、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方式と比較し、溶液同士の反応時間及び温度の精密な制御が可能になる。またバッチ方式の場合には、特に、反応速度が速い溶液環間では混合初期の反応接触面で反応が進行し、さらに溶液間の反応により生成された一次生成物が容器内で引き続き反応を受けてしまうことから、生成物の不均一や混合容器内で凝集や析出が生じてしまうおそれがある。これに対して、マイクロミキサーによれば、溶液が混合容器内に殆ど滞留することなく連続的に流通するので、溶液間の反応により生成された一次生成物が混合容器内に滞留する間に引き続き反応を受けてしまうことを抑止でき、従来では取り出すことが困難であった純粋な一次生成物を取り出すことも可能になり、また混合容器内での凝集や析出も生じ難くなる。
【0005】
また、実験的な製造設備により製造された少量の化学物質を大規模の製造設備により多量に製造(スケールアップ)する際には、従来、実験的な製造設備に対し、バッチ方式による大規模の製造設備での再現性を得るために多大の労力及び時間を要していたが、必要となる製造量に応じてマイクロミキサーを用いた製造ラインを並列化することにより、このような再現性を得るための労力及び時間を大幅に減少できる可能性がある。
【0006】
しかし、上記のようなマイクロミキサーでは、複数本の給液路にそれぞれ供給される溶液の種類に応じて、これらの溶液が均一に混合するまでの時間(混合時間)、又は溶液の混合と共に化学反応が実質的に完了するまでの時間(反応時間)が変化する。すなわち、溶液の粘度が高い程、一般的には混合時間及び反応時間が遅延し、また溶液間の化学反応に伴って凝集や析出等が生じる場合には、凝集物や析出物等が混合の阻害要因となり、すなわち溶液に対する拡散力の低下を生じさせ、混合時間及び反応時間を変化させてしまう。
【0007】
一方、マイクロミキサーでは、混合空間における溶液の流通方向に沿った路長が一定であることから、溶液の流速が一定の場合には溶液が混合空間を通過する時間(通過時間)は一定となる。従って、混合空間における溶液の混合時間又は反応時間が通過時間よりも長い場合には、混合空間内における溶液の流速を遅くする必要があるので、マイクロミキサーによる溶液の処理速度が低下してしまう。このとき、溶液の処理速度の低下を防止するには、混合空間の路長を延長することが考えられるが、このような対応を採った場合は、マイクロミキサーの大型化や製造コストの増加等を生じさせる。また混合空間の路長を必要以上に延長した場合には、却って溶液の凝集、析出等を助長して混合空間内に目詰まりを発生させ、マイクロミキサーのメンテナンスが煩瑣になるという問題も生じる。
【0008】
上記のような問題を解決するため、上記したWO 00/62913号公報に開示されたマイクロミキサーでは、それぞれ溶液の供給部から櫛歯状に分岐した給液路が形成されたブロック状のミキサ素子にアクチュエータを連結し、このアクチュエータによりミキサ素子に振動を与え、この振動により複数の溶液の混合を調整している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、WO 00/62913号公報のマイクロミキサーは、複数本の給液路が形成されたミキサ素子のみに振動を与え、この振動を給液路内の溶液を介して混合空間内の溶液に伝搬することで、混合空間内における溶液の混合を調整するものである。このため、このようなマイクロミキサーでは、混合空間内における溶液の混合の進行及び、混合に伴う化学反応の進行を高い精度で制御することは難しく、例えば、混合空間内における溶液間の化学反応を段階的に進行させたい場合や、混合空間の全長に亘って溶液及び反応生成物を拡散混合したい場合には、このような混合又は化学反応の進行を実現できない。
【0010】
本発明の目的は、上記事実を考慮して、複数の供給口を通してミキシング流路内に導入された流体の混合及び化学反応の進行を効果的に促進でき、かつ十分に高い精度で制御できるマイクロミキサーを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載されたマイクロミキサーは、流体を複数の供給口を通してそれぞれ1本のミキシング流路内へ導入し、これらの流体を薄片状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散し、混合するマイクロミキサーであって、外部から供給された流体が一端部から他端部へ向ってそれぞれ流通する複数の流体供給路と、前記複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、前記流体供給路内における流体の流通方向と直交する所定の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設された複数の供給口と、一端部が前記複数の供給口に接続され、該複数の供給口を通して導入された流体を他端部から吐出するミキシング流路と、前記ミキシング流路内を流通する流体に振動を前記拡散方向に沿って伝達する振動発生器とを有し、少なくとも一対の前記振動発生器を、前記ミキシング流路の断面中心に対して対称的に配置したことを特徴とする。
【0012】
上記請求項1記載のマイクロミキサーによれば、複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、流体供給路内における流体の流通方向と直交する所定の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設された複数の供給口が設けられ、これら複数の供給口にミキシング流路の上流側の一端部が接続され、かつ少なくとも一対の振動発生器がそれぞれミキシング流路内を流通する流体に振動を拡散方向に沿って伝達することにより、複数の供給口を通してそれぞれミキシング流路内へ導入される複数種類の流体が供給口の開口幅に対応する薄片状の成層流となってミキシング流路内を流通すると共に、互いに隣接する成層流間の界面では微小な流体塊の拡散方向の移動が促進され、また各流体の分子運動が増大するので、複数の供給口の開口幅をそれぞれ十分微小な幅にしておけば、複数の供給口をそれぞれ通してミキシング流路内へ導入された複数種類の流体を微小な流体塊の移動により効率的に混合でき、さらにミキシング流路内を流通する流体の分子運動を振動発生器からの振動により主として流体間の拡散方向に沿って増大できるので、流体が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動を増大させ、ミキシング流路内における流体間の混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。
このとき、少なくとも一対の振動発生器がミキシング流路の断面中心に対して互いに対称的に配置されていることから、ミキシング流路内へ供給された複数種類の流体が形成する成層流には、一対の振動発生器がそれぞれ発生する振動が伝達されるので、流体が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動を、2方向から伝達される振動により発生させることができる。
また本発明の請求項2に記載されたイクロミキサーは、請求項1記載のマイクロミキサーにおいて、前記流通方向に沿って複数の前記振動発生器を配列し、該複数の振動発生器をそれぞれ独立して駆動及び制御可能としたことを特徴とする。
【0013】
この結果、ミキシング流路に導入される流体の種類、液温、粘度、流速等に応じ、拡散制御手段により流体に伝達される振動の周波数、強度(振動エネルギ)等を適宜制御することで、ミキシング流路内における流体間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。ここで、混合の進行及び化学反応の進行を制御するとは、主として流体間の混合速度及び化学的な反応速度の制御を意味しているが、流体の混合に化学反応が伴う場合には、反応生成物の形状、サイズ等の性状や、反応生成物の合一又は凝集の促進及び抑制等を制御することも含まれる。
【0017】
また本発明の請求項3に記載されたイクロミキサーは、請求項1又は2記載のマイクロミキサーにおいて、前記複数の供給口の前記拡散方向に沿った開口幅を1μm以上で500μm以下としたことを特徴とする。
【0018】
なお、請求項1乃至3の何れか1項記載のマイクロミキサーにおいて、外部から複数の流体供給路に供給される流体としては、例えば、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等も対象となり、また流体の種類が異なるとは、化学組成が異なる場合のみならず、例えば、温度、固液比等の状態が異なる場合も含まれる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るマイクロミキサー及び、本発明には含まれない参考例に係るマイクロミキサーについてそれぞれ図面を参照して説明する。
【0020】
(第1の実施形態)
図1には本発明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの一例が示されている。このマイクロミキサー10は、2種類の溶液L1、L2を混合し、これらの溶液L1、L2が均一に混合された溶液LMを外部へ供給するためのものである。ここで、マイクロミキサー10により溶液L1、L2を混合する際には、溶液L1、L2間に化学反応が生じる場合と生じない場合とが考えられるが、本実施形態に係るマイクロミキサーは何れの場合にも用いることができる。
【0021】
図1に示されるように、マイクロミキサー10は外形形状が全体として略角柱状に形成されており、装置の外殻部を構成する薄肉筒状のミキサー本体12を備えている。ここで、図中における直線Sはミキサー本体12の断面中心を結んだ軸心を示している。ミキサー本体12は軸直角断面が長方形とされており、このミキサー本体12内には、軸方向に沿った基端側(図1では左側)にミキサー本体12の内部空間を区画した隔壁板14が配置されている。この隔壁板14は、ミキサー本体12内の空間を断面の短手方向において略2等分し、これにより、ミキサー本体12内に軸方向に沿って直線的に延在する第1給液路16及び第2給液路18を形成している。
【0022】
図1(A)に示されるように、ミキサー本体12の基端部は蓋板20により閉塞されており、この蓋板20には2本の給液配管38,39が接続されている。これらの給液配管38,39を通して、給液路16,18内には、それぞれマイクロミキサー10の上流側に設置された2個の給液源((図示省略)から加圧状態とされた溶液L1及び溶液L2が給送される。これらの給液源は、例えば、溶液L1,L2を生成する他のマイクロミキサーや、溶液L1,L2を貯えた貯留タンク及びポンプ等からなる。
【0023】
図1(B)に示されるように、ミキサー本体12内の2本の給液路16,18の先端面には、それぞれ略長方形の第1給液口22及び第2給液口24がそれぞれ開口しており、これらの給液口22,24は、溶液L1,L2の拡散方向(矢印D方向)に沿って互いに隣接している。ここで、拡散方向は、給液路16,18内における溶液L1,L2の流通方向(矢印F方向)に直交する方向であり、本実施形態ではミキサー本体12の軸直角断面における短手方向と一致している。また給液口22,24は、それぞれ拡散方向に直交する界面方向(矢印B方向)へ細長い長方形とされている。
【0024】
図1(A)に示されるように、ミキサー本体12内には、流通方向に沿って給液路16,18の下流側に給液路16,18が合流する角柱状の空間が形成され、この空間は給液路16,18からそれぞれ供給された溶液L1,L2の混合又は、混合に伴う化学反応が行われるミキシング流路26とされている。このミキシング流路26は、流通方向に沿った上流側の端部が給液口22,24に接続され、下流側の端部がミキサー本体12の先端面に開口する出液口28へ連通している。またミキサー本体12の先端部には、出液口28の外周側に延出するように環状のフランジ部30が設けられている。
【0025】
ここで、第1給液口22の拡散方向に沿った開口幅W1は、1μm以上で500μm以下の範囲で、第1給液路16への溶液L1の供給量、種類等に応じて適宜設定される。また第2給液口24の拡散方向に沿った開口幅W2も、1μm以上で500μm以下の範囲で、第2給液路18への溶液L2の供給量、種類等に応じて適宜設定される。また給液口22,24の界面方向に沿った開口幅WBは少なくとも開口幅W1,W2以上の寸法に設定される。これらの開口幅W1,W2,WBはそれぞれ給液口22,24の開口面積を規定し、この給液口22,24の開口面積と溶液L1,L2の供給量に応じて、給液口22,24を通してミキシング流路26内へ導入される溶液L1,L2の初期流速が定まる。これらの開口幅W1,W2,WBのうち開口幅W1,W2については、例えば、給液口22,24を通してミキシング流路26内へ供給される溶液L1,L2の流速が互いに等しくなるように設定される。但し、溶液L1,L2が均一に混合するまでの時間(混合時間)の短縮を考えた場合には、当然、開口幅W1,W2は狭いほど有利となり、また隔壁板14の拡散方向に沿った厚さも可能な限り薄くすることが望まれる。
【0026】
マイクロミキサー10では、ミキシング流路26内で溶液L1,L2の混合が行われ、又は混合と共に化学反応が行われた溶液LMが出液口28から吐出される。溶液LMが溶液L1,L2の混合のみにより生成される場合には、ミキシング流路26の出口部までに溶液L1,L2が略均一に混合されている必要があり、また溶液LMが溶液L1,L2の混合及び化学反応により生成される場合には、ミキシング流路26の出口部までに溶液L1,L2が略均一に混合され、しかも溶液L1,L2間の化学反応も略完全に完了している必要がある。従って、ミキシング流路26の流通方向に沿った路長PF(図1(A)参照)は、溶液L1,L2の混合が完了し、又は混合及び化学反応が完了するような長さに設定する必要がある。なお、ミキサー本体12内には、常に、溶液L1,L2及びこれらが混合された溶液LMが隙間なく充填され、給液路16,18内から出液口28側へ流通しているものとする。
【0027】
ここで、ミキサー本体12の先端部には、フランジ部30と対になるフランジ部を有する出液配管(図示省略)が連結され、ミキサー本体12の出液口28から吐出された溶液LMは、出液配管を通して一時貯留用の貯留容器、溶液LMに対して次の処理を行うための他のマイクロミキサー等へ送られる。ここで、ミキサー本体12のフランジ部30と出液配管のフランジ部とは、ボルト及びナットを用いたねじ継手、一対のフランジ部の外周側からリング状の連結部材を嵌挿するフルェール継手等の各種の継手構造により連結することができ、また溶接により連結するようにしても良い。なお、出液配管としては、その下流側の端部に設けられたフランジ部がマイクロミキサー10のフランジ部30の形状と整合しているものならば、一般的な円筒状の金属パイプ等を用いることができる。
【0028】
ミキサー本体12には、その上面部及び下面部の下流側それぞれ密着するように、肉厚板状の振動発生器32が取り付けられている。これら一対の振動発生器32は、流通方向に沿った長さがミキシング流路26の長さと略等しくされ、界面方向に沿った幅がミキシング流路26の開口幅と略等しくされている。ここで、振動発生器32は、その上流端がミキシング流路26の上流端と一致するように配置されている。これにより、一対の振動発生器32は、ミキシング流路26における上面部の全体及び下面部の全体にそれぞれ正対する。また振動発生器32には、ミキサー本体12との密着面に振動部34が設けられており、この振動部34は、振動発生器32の駆動時に、ミキサー本体12を介して所定周波数の振動をミキシング流路26内の溶液L1,L2及び溶液LMへ伝達する。このとき、振動部34からの振動は、図1の矢印Vに示されるように、拡散方向に沿って溶液L1,L2及び溶液LMに伝達され、この伝達振動により溶液L1,L2,LMの分子運動が拡散方向に沿って増大するので、溶液L1,L2間の混合又は混合に伴う化学反応が促進される。
【0029】
振動発生器32は、例えば、振動発生源としてピエゾ素子を用いており、このピエゾ素子への交流電流の供給により電流周波数に対応する振動を振動部34から発生させる。このとき、振動部34から発生する振動周波数としては、1KHz〜10MHzの範囲内、すなわち高周波及び超音波の帯域で制御される。具体的には、主として、ミキシング流路26内を流通する溶液L1,L2が混合又は混合と共に化学反応する際に、所望とする溶液L1,L2の混合速度又は化学的な反応速度に応じて振動周波数は適宜設定される。このとき、振動が伝達されるミキサー本体12及び溶液L1,L2,LMにおける共振効果を考慮しなければ、通常、振動周波数が高い程、振動エネルギ(運動エネルギ)が大きくなるので、ミキシング流路26内における溶液L1,L2の混合及び化学反応の進行は促進されることになる。
【0030】
図1(A)に示されるように、マイクロミキサー10には、一対の振動発生器32の駆動を制御する駆動制御部36が設けられている。この駆動制御部36は、ミキシング流路26内を溶液L1,L2,LMが流通する際に、振動発生器32のオン及びオフ状態、オン時間及びオフ時間の比であるデューティ比、振動周波数を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。この制御条件は、基本的には、溶液L1,L2の種類、すなわち溶液L1,L2の化学成分、液温、粘度等や、溶液L1,L2間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生成物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液L1,L2の供給量の変化、すなわちミキシング流路26内における溶液L1,L2の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー10が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。
【0031】
上記のように構成されたマイクロミキサー10では、給液配管38,39を通して給液路16,18にそれぞれ加圧状態の溶液L1,L2が供給されることにより、これらの溶液L1,L2がそれぞれ給液路16,18内を流通し、給液口22,24を通して所定の流速を有する液流としてミキシング流路26内へ導入される。このとき、給液口22,24の開口幅W1,W2が1μm〜500μmという微小幅とされていることから、給液口22,24を通してミキシング流路26内へ導入される溶液L1,L2は、それぞれ開口幅W1,W2に対応する幅を有する薄片状の成層流となって出液口28側へ向って流れつつ、各成層流の接触界面ではその法線方向に沿って分子拡散が生じて溶液L1,L2の混合が進行する。これと同時に、マイクロミキサー10では、一対の振動発生器32からの振動がミキシング流路26内の溶液L1,L2,LMに拡散方向に沿って伝達されることから、ミキシング流路26内を流れる溶液L1,L2の微小な流体塊の拡散方向の移動及び分子運動を伝達振動により増大できるので、溶液L1,L2,が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動速度を増大させ、ミキシング流路26内における溶液L1,L2間の混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。
【0032】
従って、本実施形態に係るマイクロミキサー10によれば、ミキシング流路26に導入される溶液L1,L2の種類、液温、粘度等に応じ、振動発生器32により溶液L1,L2,LMに伝達される振動の周波数等を適宜制御することで、ミキシング流路26内における溶液L1,L2間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。この結果、溶液L1,L2間の混合速度及び化学的な反応速度を所望の速度に精密に制御することが可能になり、特に、溶液L1,L2間の混合に化学反応が伴う場合には、混合速度及び反応速度を精密に制御し、又は溶液L1,L2,LM中の反応生成物にも振動を伝達することで、この反応生成物の形状、サイズ等の性状や、反応生成物の合一又は凝集の促進及び抑制等を制御することも可能になる。
【0033】
またマイクロミキサー10では、ミキシング流路26内における溶液L1,L2間の混合及び化学反応を振動発生器32からの振動により促進できるので、振動発生器32が無い場合と比較し、溶液L1,L2を均一に混合し、又は混合に伴う化学反応を完了させるために必要となるミキシング流路26の路長PFを短縮して装置を小型化できる。
【0034】
なお、ミキシング流路26への溶液L1,L2の供給時に、振動発生器32を常に駆動する必要はなく、溶液L1,L2間の化学反応を緩慢に行いたい場合等は、振動発生器32を駆動停止させても良い。またミキサー本体12は、化学的な安定性が高く、振動の減衰が少ないステンレスや、銅、チタニウム合金、アルミニウム合金、金、白金等の金属材料を素材として形成されており、また耐腐食性を考慮して溶液L1,L2,LMとの接触部がガラス、セラミックス等の他の物質をコーティング又はメッキするようにしても良い。またミキサー本体12を十分に薄肉化できない場合や、振動の減衰が大きい素材により形成する必要がある場合には、ミキサー本体12にミキシング流路26へ面するように開口部を形成し、この開口部からミキシング流路26内へ振動部34が挿入されるように振動発生器32を配置しても良い。
【0035】
次に、本発明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの変形例について説明する。図2には本発明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの変形例が示されている。構造上、図2に示されるマイクロミキサー40が図1に示されるマイクロミキサー10と異なる点は、流通方向に沿って3個の振動発生器42,44,46がミキサー本体12に取り付けられ、振動発生器の個数が増加している点のみであり、他の点についてはマイクロミキサー10,40の構造は共通化されている。また振動発生器42,44,46の構造自体も振動発生器32と共通化されている。
【0036】
上述したように、ミキサー本体12には、その上面部及び下面部の下流側にそれぞれ密着するように振動発生器42,44,46が3個ずつ取り付けられている。これら振動発生器42,44,46は流通方向に沿って互いに隣接しており、その流通方向に沿った長さがミキシング流路26の長さの略1/3程度とされ、界面方向に沿った幅がミキシング流路26の開口幅と略等しくされている。ここで、最上流側に配置された振動発生器42の上流端はミキシング流路26の上流端と一致するように配置され、最下流側に配置された振動発生器46の下流端はミキシング流路26の下流端と略一致するように配置されている。これにより、上下3個ずつの振動発生器42,44,46は、ミキシング流路26における上面部の全体及び下面部の全体にそれぞれ正対する。
【0037】
図2(A)に示されるように、マイクロミキサー40には、振動発生器42,44,46の駆動を制御する駆動制御部48が設けられている。この駆動制御部48は、ミキシング流路26内を溶液L1,L2,LMが流通する際に、振動発生器42,44,46のオン及びオフ状態、オン時間及びオフ時間の比であるデューティ比、振動周波数を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。このとき、駆動制御部48は、流通方向に沿って異なる位置にある振動発生器42,44,46をそれぞれ異なる制御条件に従って制御できる。
【0038】
駆動制御部36に設定される制御条件は、基本的には図1に示されるマイクロミキサー10と同様に、溶液L1,L2の種類、すなわち溶液L1,L2の化学成分、液温、粘度等や、溶液L1,L2間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液L1,L2の供給量の変化、すなわちミキシング流路26内における溶液L1,L2の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー10が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。
【0039】
上記のように構成されたマイクロミキサー40では、給液配管38,39を通して給液路16,18にそれぞれ加圧状態の溶液L1,L2が供給されることにより、図1に示されるマイクロミキサー10と同様に、給液口22,24を通してミキシング流路26内へ導入される溶液L1,L2は、それぞれ開口幅W1,W2に対応する幅を有する薄片状の成層流となって出液口28側へ向って流れつつ、各成層流の接触界面ではその法線方向に沿って微小な流体塊の移動が促進され、また分子運動が増大して溶液L1,L2の混合が進行し、これと同時に振動発生器42,44,46からの振動がミキシング流路26内の溶液L1,L2,LMに拡散方向に沿って伝達されるので、ミキシング流路26内における溶液L1,L2の分子の拡散方向の移動速度を増大させて混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。
【0040】
さらに、マイクロミキサー40では、流通方向に沿ってそれぞれ異なる位置に配置された振動発生器42,44,46をそれぞれ異なる制御条件で駆動できるので、ミキシング流路26内を流通する溶液L1,L2及び溶液LMに伝達される振動を流通方向に沿って段階的に変化させることができる。この結果、ミキシング流路26内における溶液L1,L2の混合又は混合に伴う化学反応を3個の振動発生器42,44,46にそれぞれ対応して異なる振動条件で促進できるので、図1に示されるマイクロミキサー10と比較し、ミキシング流路26内における溶液L1,L2間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を更に精密に制御できるようになる。
【0041】
なお、ミキシング流路26への溶液L1,L2の供給時に、3個の振動発生器42,44,46全てを同時に駆動する必要はなく、3個の振動発生器42,44,46の何れかを選択的に駆動又は駆動停止させるようにしても良い。また本実施形態にマイクロミキサー10,40では、ピエゾ素子を振動発生源とする振動発生器32,42,44,46を用いているが、1KHz〜10MHz程度の振動を発生できるものならば、どのような振動発生源を用いるものでも良く、例えば、モータにより駆動される偏心カム、電磁式アクチュエータ、空気圧力式アクチュエータ等を振動発生源として用いても良い。また本実施形態に係るマイクロミキサー10,40では、ミキシング流路26内へ溶液L1,L2,LMへ伝達する振動の強度(振動エネルギ)を変化させるために、振動発生器32,42,44,46により発生する振動の周波数を変化させていたが、振動の振幅を変化させることにより、振動エネルギを変化させるようにしても良い。
【0042】
(第1の参考例)
図3には第1の参考例に係るマイクロミキサーが示されている。このマイクロミキサー110は、第1の実施形態に係るマイクロミキサー10,40と同様に、2種類の溶液L1、L2を同時に混合し、これらの溶液L1、L2が均一に混合又は、混合に伴う化学反応が完了した溶液LMを外部へ供給するためのものである。
【0043】
図3に示されるように、マイクロミキサー110は全体として略円柱状に形成されており、装置の外殻部を構成する円筒状のミキサー本体112を備えている。ここで、図中における直線Sは装置の軸心を示しており、この軸心Sに沿った方向を装置の軸方向として以下の説明を行う。ミキサー本体112は、その軸方向に沿った基端部が先端側の部分に対して大径とされた大径部114とされており、この大径部114内には、外部から溶液L1及びL2の供給を受ける一対の第1ヘッダ部116及び第2ヘッダ部118が設けられている。ミキサー本体112は、大径部に対して先端側の部分が内径一定の円管部120とされており、この円管部120の先端面には溶液LMの出液口122が開口し、また円管部120の先端部には出液口122の外周側に延出するようにリング状のフランジ部124が設けられている。
【0044】
ここで、ミキサー本体112の先端部には、フランジ部124と対になるフランジ部を有する出液配管(図示省略)が連結され、ミキサー本体112の出液口122から吐出された溶液LMは、出液配管を通して一時貯留用の貯留容器、溶液LMに対して次の処理を行うための他のマイクロミキサー等へ送られる。ここで、ミキサー本体112のフランジ部124と出液配管のフランジ部とは、ボルト及びナットを用いたねじ継手、一対のフランジ部の外周側からリング状の連結部材を嵌挿するフルェール継手等の各種の継手構造により連結することができ、また溶接により連結するようにしても良い。
【0045】
ミキサー本体112における大径部114の基端面は円板状の蓋板126により閉塞されており、この蓋板126の中心部には円形の嵌挿穴128が穿設されている。ミキサー本体112には、その大径部114内から円管部120内へ突出するように丸棒状の整流部材130が同軸的に配設されている。整流部材130の基端部は蓋板126の嵌挿穴128に嵌挿されて支持されている。また整流部材130の先端部には先端側へ向って縮径する円錐部132が形成されている。ここで、整流部材130の外径は円管部120の内径よりも小径とされ、この円管部120の内径との寸法差が円管部120内における溶液L1,L2の流通量に基づいて設定される。
【0046】
ミキサー本体112の大径部114内には、この大径部114内の空間を軸方向に沿って略2等分するように区画する円板状の仕切板134が配置されており、この仕切板134により区画された基端側及び先端側の空間は、それぞれ第1ヘッダ部116及び第2ヘッダ部118とされている。これらのヘッダ部116,118には、それぞれ給液配管136,138が接続されている。これらの給液配管136,138を通して、ヘッダ部116,118には、マイクロミキサー110の上流側に設置された2個の給液源(図示省略)から加圧状態とされた溶液L1及び溶液L2が供給される。これらの給液源は、例えば、溶液L1,L2を生成する他のマイクロミキサーや、溶液L1,L2を貯えた貯留タンク及びポンプ等からなる
仕切板134の中心部には、開口径が円管部120の内径と整流部材130の外径との中間寸法とされた円形の開口部が穿設されており、仕切板134には、開口部の周縁部から円管部120内へ突出するパイプ状の隔壁部材140が一体的に形成されている。この隔壁部材140は、円管部120及び整流部材130とそれぞれ同軸的に配置されており、円管部120と整流部材130との間の空間を内周側と外周側とに区画している。ここで、隔壁部材140により区画された外周側及び内周側の空間はそれぞれ第1給液路142及び第2給液路144とされ、これらの第1及び第2給液路142,144は、それぞれ基端部側で第1及び第2ヘッダ部116,118に連通している。またミキサー本体112の円管部120内には、隔壁部材140よりも先端側であって整流部材130の円錐部132よりも基端側に給液路142,144に対して肉厚とされた円筒状の空間が形成され、この円筒状の空間は、給液路142,144からそれぞれ供給された溶液L1と溶液L2との混合又は混合及び化学反応が行われるミキシング流路146とされている。
【0047】
ミキサー本体112内には、円管部120の内周面と隔壁部材140の外周面との間に複数個(本参考例では4個)のスペーサ148が介装されると共に、隔壁部材140の内周面と整流部材130の外周面との間にも複数個(本参考例では4個)のスペーサ150が介装されている。これら複数個のスペーサ148,150はそれぞれ矩形プレート状に形成され、その表裏面部が円管部120内における溶液L1,L2の流通方向(矢印F方向)と平行となるように支持されている。また複数個のスペーサ148,150は、それぞれ軸心Sを中心とする周方向に沿って90°間隔で配置され、周方向における位置が互いに一致している。ここで、外周側のスペーサ148は隔壁部材140を円管部120に連結し、内周側のスペーサ150は整流部材130を隔壁部材140に連結すると共に、給液路142,144の径方向に沿った開口幅W1,W2(図3(A)参照)を設定している。これにより、隔壁部材140及び整流部材130がそれぞれ十分な強度で円管部120に連結固定され、溶液L1,L2の液圧や重力の影響により所定の位置から変移したり、変形することが防止されると共に、開口幅W1,W2が予め設定された寸法に確実に維持される。
【0048】
図3(B)に示されるように、第1給液路142及び第2給液路144の先端部には、それぞれミキシング流路146内へ開口する第1給液口152及び第2給液口154が形成されている。これらの給液口152,154は、それぞれ軸心Sを中心とする円軌跡に沿って開口し、互いに同心状となるように配設されている。ここで、第1給液口152の径方向に沿った開口幅W1は、1μm以上で500μm以下の範囲で、第1ヘッダ部116への溶液L1の供給量、種類等に応じて適宜設定される。また第2給液口154の径方向に沿った開口幅W2も、1μm以上で500μm以下の範囲で、第2ヘッダ部118への溶液L2の供給量、種類等に応じて適宜設定される。
【0049】
ここで、開口幅W1,W2は、それぞれ給液口152,154の開口面積を規定し、この給液口152,154の開口面積と溶液L1,L2の供給量に応じて、給液口152,154を通してミキシング流路146内へ導入される溶液L1,L2の初期流速が定まる。これらの開口幅W1,W2は、例えば、給液口152,154を通してミキシング流路146内へ供給される溶液L1,L2の流速が互いに等しくなるように設定される。但し、溶液L1,L2が均一に混合するまでの時間(混合時間)の短縮を考えた場合には、当然、開口幅W1,W2は狭いほど有利となり、また隔壁部材140の径方向に沿った厚さも可能な限り薄くすることが望まれる。
【0050】
円管部120内におけるミキシング流路146よりも先端側の空間は、ミキシング流路146内で溶液L1,L2の混合が行われ、又は混合及び化学反応が行われた溶液LMが出液口122へ向って流れる出液路156とされている。ここで、溶液LMが溶液L1,L2の混合のみにより生成される場合には、ミキシング流路146の出口部で溶液L1,L2が略均一に混合されている必要があり、また溶液LMが溶液L1,L2の混合及び化学反応により生成される場合には、ミキシング流路146の出口部で溶液L1,L2が略均一に混合され、しかも溶液L1,L2間の化学反応も略完全に完了している必要がある。従って、ミキシング流路146の溶液L1,L2の流通方向に沿った路長PF(図3(A)参照)は、溶液L1,L2の混合が完了し、又は混合及び化学反応が略完了するような長さに設定する必要がある。なお、ミキサー本体112内には、常に、溶液L1,L2及びこれらが混合された溶液LMが隙間なく充填され、ヘッダ部116,118から出液口122側へ流通しているものとする。
【0051】
図3(A)に示されるように、ミキサー本体112の円管部120には、ミキシング流路146に面するように複数の開口部158が穿設されている。これらの開口部158は、流通方向へはミキシング流路146の上流部、中間部及び下流部にそれぞれ対応する部位に穿設され、また軸心Sを中心とする周方向へは90°間隔で配置されている。従って、円管部120には、ミキシング流路146の上流部、中間部及び下流部にそれぞれ対応する部位に4個ずつ開口部158が穿設され、合計で12個の開口部158が設けられている。また円管部120の外周面上には、複数個のマイクロ波発生器160が開口部158にそれぞれ対応するように取り付けられている。これらのマイクロ波発生器160には、その内周側に円柱突起状の嵌挿部162が設けられており、マイクロ波発生器160は、嵌挿部162を開口部158内へ嵌挿し、嵌挿部162の先端面をミキシング流路146内へ露出させている。
【0052】
マイクロ波発生器160は、駆動時に嵌挿部162の先端面からマイクロ波をミキシング流路146内の溶液L1,L2,LMへ照射する。このとき、マイクロ波発生器160からのマイクロ波は、図3の破線で示されるように、溶液L1,L2の拡散方向と一致する径方向に沿って溶液L1,L2及び溶液LMに照射される。このマイクロ波により溶液L1,L2,LMの分子運動が拡散方向に沿って増大するので、溶液L1,L2間の混合又は混合に伴う化学反応が促進される。
【0053】
マイクロ波発生器160は、例えば、マイクロ波の発生源としてマグネトロンを用いており、このマグネトロンへの駆動電流の供給により電流値に対応する強度のマイクロ波を発生する。このとき、マイクロ波発生器160が発生するマイクロ波としては、周波数が10MHz以上のものが選択される。具体的には、マイクロ波の周波数は、ミキシング流路146内を流通する溶液L1,L2,LMに過度の発熱現象を発生させることなく、溶液L1,L2,LMの分子運動を効率的に増加できる周波数が選択される。
【0054】
図3(A)に示されるように、マイクロミキサー110には、マイクロ波発生器160の駆動を制御する駆動制御部164が設けられている。この駆動制御部164は、ミキシング流路146内を溶液L1,L2,LMが流通する際に、マイクロ波発生器160のオン/オフ状態、マイクロ波の強度を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。この制御条件は、基本的には、溶液L1,L2の種類、すなわち溶液L1,L2の化学成分、液温、粘度等や、溶液L1,L2間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生成物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液L1,L2の供給量の変化、すなわちミキシング流路146内における溶液L1,L2の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー110が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。また駆動制御部164は、流通方向に沿って異なる位置にあるマイクロ波発生器160をそれぞれ異なる制御条件に従って制御できる。
【0055】
上記のように構成された本参考例に係るマイクロミキサー110では、第1の実施形態に係るマイクロミキサー10,40と同様に、給液口152,154を通してそれぞれミキシング流路146内へ導入される2種類の溶液L1,L2が給液口152,154の開口幅W1,W2にそれぞれ対応する薄片状の層流となってミキシング流路146内を流通すると共に、互いに隣接する層流間の界面で各溶液L1,L2の分子が相互に拡散するので、ミキシング流路146内へ導入された2種類の溶液L1,L2を短時間で均一に混合し、又は混合に伴う化学反応を完了させ、溶液LMを外部へ供給できる。このとき、マイクロ波発生器160からのマイクロ波がミキシング流路146内の溶液L1,L2,LMに照射されるので、ミキシング流路146内における溶液L1,L2の分子の拡散速度を増大させて混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。
【0056】
さらに、マイクロミキサー110では、流通方向に沿ってそれぞれ異なる位置に配置されたマイクロ波発生器160をそれぞれ異なる制御条件で駆動できるので、ミキシング流路146内を流通する溶液L1,L2及び溶液LMに照射されるマイクロ波を流通方向に沿って段階的に変化させることができる。この結果、ミキシング流路146内における溶液L1,L2の混合又は混合に伴う化学反応をそれぞれ異なる位置にあるマイクロ波発生器160にそれぞれ対応して異なる振動条件で促進できるので、ミキシング流路146内における溶液L1,L2間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。このとき、マイクロ波は、振動と比較して指向性が強いので、流通方向に沿って、ある位置にあるマイクロ波発生器160に対応する領域に存在する溶液L1,L2,LMが他の位置にあるマイクロ波発生器160からのマイクロ波の影響を受けることを抑制できる。この結果、第1の実施形態に係るマイクロミキサー10、40と比較して、ミキシング流路146内における溶液L1,L2,LMの混合及び混合に伴う化学反応の進行を更に精密に制御できるようになる。
【0057】
なお、以上説明した本発明の実施形態に係るマイクロミキサー10,40又は第1の参考例に係るマイクロミキサー110は、2種類の溶液L1,L2をミキシング流路26,146内で混合させ、又は混合と共に化学反応させるものであったが、3種類以上の溶液をミキシング流路内で混合させ、又は混合と共に化学反応させるマイクロミキサーにおいても、ミキシング流路内を流通する3種類以上の溶液に振動又はマイクロ波を作用させることで、溶液の混合及び化学反応を促進できると共に、振動発生器又はマイクロ波発生器を適宜制御することで、ミキシング流路内における溶液の混合又は化学反応の進行を精密に制御できるようになる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るマイクロミキサーによれば、複数の供給口を通してミキシング流路内に導入された流体の混合及び化学反応を効果的に促進でき、かつミキシング流路内における流体の混合及び化学反応の進行を十分に高い精度で制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの一例についての構成を示す軸方向及び軸直角方向に沿った断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態に係るマイクロミキサーの変形例についての構成を示す軸方向及び軸直角方向に沿った断面図である。
【図3】 第1の参考例に係るマイクロミキサーについての構成を示す軸方向及び軸直角方向に沿った断面図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention introduces fluids from a plurality of fluid supply channels into one mixing channel, and mixes the fluids while mixing the fluids as a laminar laminar flow in the mixing channel. And a micromixer to be reacted.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the chemical industry related to the manufacture of emulsions used in photographic materials and the pharmaceutical industry related to the manufacture of pharmaceuticals, reagents, etc., development of new manufacturing processes using micro containers called micromixers or microreactors has progressed. It has been. The micromixer and the microreactor are provided with a plurality of microchannels having an equivalent diameter of several μm to several hundred μm when the cross section is converted into a circle, and a mixing space connected to these microchannels. In a micromixer and a microreactor, a plurality of solutions are introduced into a mixing space through a plurality of microchannels to mix the plurality of solutions or cause a chemical reaction together with the mixing. The micromixer and the microreactor have the same basic structure. In particular, a microreactor may be referred to as a microreactor that involves a chemical reaction when mixing a plurality of solutions. From this, the following description will be made assuming that the micromixer includes a microreactor. Examples of such a micromixer include those disclosed in JP-T-9-512742 and PCT International Publication WO 00/62913. Each of these micromixers passes two kinds of solutions through a fine liquid supply channel called a microchannel or the like, and supplies them into the mixing space as an extremely thin laminar laminar flow. Two types of solutions are mixed and reacted.
[0003]
Next, the difference in the mixing and reaction by the micromixer as described above from the batch method using a tank or the like will be described. In other words, a chemical reaction in the liquid phase generally occurs when molecules meet at the interface of the reaction solution. Therefore, when the reaction is performed in a minute space, the area of the interface is relatively large, and the reaction efficiency is remarkably increased. . In addition, the diffusion time of the molecule itself is proportional to the square of the distance. This means that even if the reaction solution is not actively mixed as the scale is reduced, mixing proceeds by molecular diffusion and the reaction is likely to occur. Also, in the micro space, since the scale is small, the flow is dominated by laminar flow, and the solutions are in a laminar flow state and are diffused and mixed with each other.
[0004]
Using a micromixer with the characteristics described above, for example, it is possible to precisely control the reaction time and temperature between solutions compared to conventional batch systems that use large-capacity tanks for mixing and reaction. become. In the case of the batch method, the reaction proceeds at the reaction contact surface in the initial stage of mixing, particularly between solution rings having a high reaction rate, and the primary product generated by the reaction between the solutions continues to be reacted in the container. Therefore, there is a possibility that the product is non-uniform and aggregation or precipitation occurs in the mixing container. On the other hand, according to the micromixer, the solution continuously flows with almost no stagnation in the mixing container, so that the primary product generated by the reaction between the solutions continues while staying in the mixing container. It is possible to suppress the reaction, and it becomes possible to take out a pure primary product that has been difficult to take out in the past, and it is difficult to cause aggregation and precipitation in the mixing vessel.
[0005]
In addition, when a small amount of chemical substances produced by an experimental production facility is manufactured (scaled up) in a large amount by a large-scale production facility, a large-scale batch method is conventionally used. It took a lot of labor and time to obtain reproducibility at the manufacturing facility, but this reproducibility can be achieved by parallelizing production lines using micromixers according to the required production volume. The effort and time to obtain can be greatly reduced.
[0006]
However, in the micromixer as described above, depending on the type of solution supplied to each of the plurality of liquid supply channels, the time until these solutions are uniformly mixed (mixing time), or the chemical mixing with the mixing of the solutions. The time until the reaction is substantially completed (reaction time) varies. That is, the higher the viscosity of the solution, the more generally the mixing time and reaction time are delayed, and when aggregation or precipitation occurs due to the chemical reaction between solutions, the aggregate or precipitate is mixed. It becomes an inhibiting factor, that is, it causes a decrease in diffusivity for the solution, and changes the mixing time and reaction time.
[0007]
On the other hand, in the micromixer, since the path length along the flow direction of the solution in the mixing space is constant, the time (passing time) for the solution to pass through the mixing space is constant when the flow rate of the solution is constant. . Therefore, when the mixing time or reaction time of the solution in the mixing space is longer than the passage time, it is necessary to reduce the flow rate of the solution in the mixing space, so that the processing speed of the solution by the micromixer decreases. At this time, in order to prevent a decrease in the processing speed of the solution, it is conceivable to extend the path length of the mixing space. However, when such measures are taken, the size of the micromixer is increased, the manufacturing cost is increased, etc. Give rise to In addition, when the path length of the mixing space is extended more than necessary, there is a problem that the clogging of the mixing space is generated by promoting the aggregation and precipitation of the solution and the maintenance of the micromixer becomes troublesome.
[0008]
In order to solve the above problems, in the micromixer disclosed in the above-mentioned WO 00/62913, a block-like mixer element in which a liquid supply path branched in a comb-tooth shape from the solution supply unit is formed. The actuator is coupled to the mixer element, and the mixer element is vibrated by the actuator, and the mixing of a plurality of solutions is adjusted by the vibration.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the micro mixer of WO 00/62913 applies vibration only to the mixer element in which a plurality of liquid supply paths are formed, and propagates the vibration to the solution in the mixing space via the solution in the liquid supply path. By doing so, the mixing of the solution in the mixing space is adjusted. For this reason, in such a micromixer, it is difficult to control the progress of the mixing of the solution in the mixing space and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing with high accuracy. For example, the chemical reaction between the solutions in the mixing space can be controlled. When it is desired to proceed in a stepwise manner or when it is desired to diffusely mix the solution and reaction product over the entire length of the mixing space, such mixing or progress of chemical reaction cannot be realized.
[0010]
In view of the above facts, the object of the present invention is to make it possible to effectively promote the mixing of the fluid introduced into the mixing channel through the plurality of supply ports and the progress of the chemical reaction, and to be controlled with sufficiently high accuracy. To provide a mixer.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  The micromixer described in claim 1 of the present invention introduces fluids into a single mixing channel through a plurality of supply ports, and distributes the fluids as a laminar laminar flow, while allowing the fluids to flow between each other. A micromixer that diffuses and mixes in the normal direction of the contact interface, and a plurality of fluid supply paths through which fluid supplied from the outside flows from one end to the other end, and the plurality of fluid supplies A plurality of supply ports that are respectively open at the other end of the channel and are adjacent to each other along a predetermined diffusion direction perpendicular to the direction of fluid flow in the fluid supply channel; A mixing channel that discharges the fluid introduced through the plurality of supply ports from the other end, and transmits the vibration along the diffusion direction to the fluid that flows through the mixing channel.Vibration generatorAndAt least a pair of the vibration generators are arranged symmetrically with respect to the cross-sectional center of the mixing channel.It is characterized by that.
[0012]
  According to the micromixer of the first aspect, each of the plurality of fluid supply paths opens to the other end, and is adjacent to each other along a predetermined diffusion direction orthogonal to the fluid flow direction in the fluid supply path. A plurality of disposed supply ports, and one end portion on the upstream side of the mixing channel is connected to the plurality of supply ports; andAt least a pair of vibration generatorsBy transmitting vibration along the diffusion direction to the fluid flowing in the mixing channel, multiple types of fluid introduced into the mixing channel through the plurality of supply ports respectively correspond to the opening width of the supply port As a stratified flow flows through the mixing channel, the movement of minute fluid masses in the diffusion direction is promoted at the interface between adjacent stratified flows, and the molecular motion of each fluid increases. The opening width of each supply port is sufficiently smallWidthIn this case, a plurality of types of fluids introduced into the mixing channel through the plurality of supply ports can be efficiently mixed by moving a small fluid mass, and the molecules of the fluid flowing in the mixing channel ExerciseVibration generatorThese vibrations can increase mainly along the diffusion direction between fluids, increasing the movement of molecules in the diffusion direction near the contact interface between the stratified flows formed by the fluid, and mixing and mixing between fluids in the mixing channel Can effectively promote the chemical reaction involved.
  At this time, since at least a pair of vibration generators are arranged symmetrically with respect to the center of the cross section of the mixing flow path, the stratified flow formed by a plurality of types of fluids supplied into the mixing flow path includes: Since the vibrations generated by the pair of vibration generators are transmitted, the movement in the diffusion direction of molecules in the vicinity of the contact interface between the stratified flows formed by the fluid can be generated by vibrations transmitted from two directions.
  Moreover, the Icromixer described in claim 2 of the present invention is2. The micromixer according to claim 1, wherein a plurality of vibration generators are arranged along the flow direction, and the plurality of vibration generators can be independently driven and controlled.
[0013]
As a result, according to the type, fluid temperature, viscosity, flow rate, etc. of the fluid introduced into the mixing channel, by appropriately controlling the frequency, intensity (vibration energy), etc. of the vibration transmitted to the fluid by the diffusion control means, It becomes possible to precisely control the mixing between the fluids in the mixing channel and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing. Here, controlling the progress of mixing and the progress of chemical reaction mainly means controlling the mixing speed and chemical reaction speed between fluids. Control of properties such as the shape and size of the product and the promotion and suppression of coalescence or aggregation of the reaction products is also included.
[0017]
  Moreover, the Icromixer described in claim 3 of the present invention is described in claim 1 or 2.In the micromixer, an opening width of the plurality of supply ports along the diffusion direction is set to 1 μm or more and 500 μm or less.
[0018]
  In addition,The method according to any one of claims 1 to 3.In the micromixer, the fluid supplied to the plurality of fluid supply paths from the outside includes, for example, a liquid, a gas, a solid-liquid mixture in which metal fine particles are dispersed in the liquid, and a solid in which metal fine particles are dispersed in the gas. Gas mixtures, gas-liquid mixtures in which gas is not dissolved in liquid, etc. are also targeted, and the types of fluids are different not only when the chemical composition is different, but also, for example, the state of temperature, solid-liquid ratio, etc. The case where is different is also included.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, a micromixer according to an embodiment of the present invention, andEach of the micromixers according to the reference examples not included in the present inventionThis will be described with reference to the drawings.
[0020]
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of a micromixer according to the first embodiment of the present invention. The micromixer 10 is for mixing two kinds of solutions L1 and L2 and supplying a solution LM in which these solutions L1 and L2 are uniformly mixed to the outside. Here, when the solutions L1 and L2 are mixed by the micromixer 10, there may be a case where a chemical reaction occurs between the solutions L1 and L2, and a case where the chemical reaction does not occur. However, the micromixer according to the present embodiment is in any case. Can also be used.
[0021]
As shown in FIG. 1, the micromixer 10 is formed in a substantially prismatic shape as a whole, and includes a thin-walled cylindrical mixer body 12 that constitutes an outer shell portion of the apparatus. Here, a straight line S in the figure indicates an axis connecting the center of the cross section of the mixer body 12. The mixer main body 12 has a rectangular cross section perpendicular to the axis, and in this mixer main body 12, a partition plate 14 that divides the internal space of the mixer main body 12 on the base end side (left side in FIG. 1) along the axial direction. Has been placed. The partition plate 14 divides the space in the mixer main body 12 into approximately two equal parts in the short direction of the cross section, and thereby the first liquid supply path 16 extending linearly in the mixer main body 12 along the axial direction. And the 2nd liquid supply path 18 is formed.
[0022]
As shown in FIG. 1A, the base end portion of the mixer body 12 is closed by a lid plate 20, and two liquid supply pipes 38 and 39 are connected to the lid plate 20. Through these liquid supply pipes 38 and 39, in the liquid supply passages 16 and 18, respectively, the solutions brought into a pressurized state from two liquid supply sources (not shown) installed on the upstream side of the micromixer 10 respectively. The liquid supply source includes, for example, another micromixer that generates the solutions L1 and L2, a storage tank and a pump that store the solutions L1 and L2, and the like.
[0023]
As shown in FIG. 1 (B), a substantially rectangular first liquid supply port 22 and second liquid supply port 24 are respectively provided at the front end surfaces of the two liquid supply paths 16 and 18 in the mixer body 12. These liquid supply ports 22 and 24 are adjacent to each other along the diffusion direction (arrow D direction) of the solutions L1 and L2. Here, the diffusion direction is a direction orthogonal to the flow direction of the solutions L1 and L2 in the liquid supply paths 16 and 18 (arrow F direction), and in this embodiment, the short direction in the cross section perpendicular to the axis of the mixer body 12 Match. Moreover, the liquid supply ports 22 and 24 are each made into the elongate rectangle in the interface direction (arrow B direction) orthogonal to a diffusion direction.
[0024]
As shown in FIG. 1 (A), in the mixer body 12, a prismatic space is formed in the mixer main body 12 where the liquid supply paths 16, 18 are merged downstream of the liquid supply paths 16, 18 along the flow direction. This space serves as a mixing flow path 26 in which the solutions L1 and L2 supplied from the liquid supply paths 16 and 18 are mixed or a chemical reaction accompanying the mixing is performed. The mixing flow channel 26 is connected to a liquid outlet 28 whose upstream end along the flow direction is connected to the liquid supply ports 22 and 24 and whose downstream end is open to the front end surface of the mixer body 12. ing. An annular flange 30 is provided at the tip of the mixer body 12 so as to extend to the outer peripheral side of the liquid outlet 28.
[0025]
Here, the opening width W1 along the diffusion direction of the first liquid supply port 22 is appropriately set in the range of 1 μm or more and 500 μm or less according to the supply amount, type, and the like of the solution L1 to the first liquid supply path 16. Is done. The opening width W2 along the diffusion direction of the second liquid supply port 24 is also set as appropriate according to the supply amount, type, and the like of the solution L2 to the second liquid supply path 18 in the range of 1 μm to 500 μm. . Further, the opening width WB along the interface direction of the liquid supply ports 22 and 24 is set to at least the opening widths W1 and W2 or more. These opening widths W1, W2, and WB define the opening areas of the liquid supply ports 22 and 24, respectively, and the liquid supply ports 22 according to the opening areas of the liquid supply ports 22 and 24 and the supply amounts of the solutions L1 and L2. , 24, the initial flow rates of the solutions L1, L2 introduced into the mixing channel 26 are determined. Of these opening widths W1, W2, and WB, the opening widths W1 and W2 are set so that the flow rates of the solutions L1 and L2 supplied into the mixing channel 26 through the liquid supply ports 22 and 24 are equal to each other, for example. Is done. However, when considering shortening the time until the solutions L1 and L2 are uniformly mixed (mixing time), naturally, the smaller the opening widths W1 and W2 are, the more advantageous it is, and along the diffusion direction of the partition plate 14 It is desirable to make the thickness as thin as possible.
[0026]
In the micromixer 10, the solutions L <b> 1 and L <b> 2 are mixed in the mixing channel 26, or the solution LM that has undergone a chemical reaction with the mixing is discharged from the liquid outlet 28. When the solution LM is generated only by mixing the solutions L1 and L2, it is necessary that the solutions L1 and L2 are mixed substantially uniformly by the outlet of the mixing flow path 26, and the solution LM is the solution L1, When generated by the mixing and chemical reaction of L2, the solutions L1 and L2 are mixed almost uniformly by the outlet of the mixing channel 26, and the chemical reaction between the solutions L1 and L2 is almost completely completed. Need to be. Therefore, the path length PF along the flow direction of the mixing channel 26 (see FIG. 1A) is set to such a length that the mixing of the solutions L1 and L2 is completed or the mixing and the chemical reaction are completed. There is a need. The mixer body 12 is always filled with the solutions L1 and L2 and the solution LM in which these are mixed without gaps, and circulates from the liquid supply paths 16 and 18 to the liquid outlet 28 side. .
[0027]
Here, a liquid discharge pipe (not shown) having a flange portion that is paired with the flange portion 30 is connected to the distal end portion of the mixer main body 12, and the solution LM discharged from the liquid discharge port 28 of the mixer main body 12 is The liquid is sent to a storage container for temporary storage, another micromixer for performing the next processing on the solution LM, and the like through the outlet pipe. Here, the flange portion 30 of the mixer main body 12 and the flange portion of the liquid discharge pipe include a threaded joint using bolts and nuts, a full joint for inserting a ring-shaped connecting member from the outer peripheral side of the pair of flange portions, and the like. It can be connected by various joint structures, or may be connected by welding. As the outlet pipe, a general cylindrical metal pipe or the like is used as long as the flange provided at the downstream end thereof matches the shape of the flange 30 of the micromixer 10. be able to.
[0028]
A thick plate-like vibration generator 32 is attached to the mixer body 12 so as to be in close contact with the downstream side of the upper surface portion and the lower surface portion thereof. The pair of vibration generators 32 have a length along the flow direction substantially equal to the length of the mixing flow path 26 and a width along the interface direction substantially equal to the opening width of the mixing flow path 26. Here, the vibration generator 32 is arranged such that its upstream end coincides with the upstream end of the mixing flow path 26. Accordingly, the pair of vibration generators 32 are directly opposed to the entire upper surface portion and the entire lower surface portion of the mixing channel 26. In addition, the vibration generator 32 is provided with a vibration part 34 on a surface closely contacting the mixer body 12, and the vibration part 34 vibrates at a predetermined frequency via the mixer body 12 when the vibration generator 32 is driven. This is transmitted to the solutions L1 and L2 and the solution LM in the mixing channel 26. At this time, the vibration from the vibration part 34 is transmitted to the solutions L1, L2 and the solution LM along the diffusion direction as indicated by an arrow V in FIG. 1, and the molecules of the solutions L1, L2, LM are transmitted by the transmitted vibration. Since the movement increases along the diffusion direction, mixing between the solutions L1 and L2 or a chemical reaction accompanying the mixing is promoted.
[0029]
The vibration generator 32 uses, for example, a piezo element as a vibration generation source, and generates vibration corresponding to the current frequency from the vibration unit 34 by supplying an alternating current to the piezo element. At this time, the vibration frequency generated from the vibration unit 34 is controlled within a range of 1 KHz to 10 MHz, that is, in a high frequency and ultrasonic band. Specifically, mainly, when the solutions L1 and L2 flowing through the mixing channel 26 undergo a chemical reaction with mixing or mixing, vibrations are generated according to the desired mixing speed or chemical reaction speed of the solutions L1 and L2. The frequency is set as appropriate. At this time, unless the resonance effect in the mixer main body 12 and the solutions L1, L2, and LM to which vibration is transmitted is taken into account, the vibration energy (kinetic energy) usually increases as the vibration frequency increases. The mixing of the solutions L1 and L2 and the progress of the chemical reaction are promoted.
[0030]
As shown in FIG. 1A, the micromixer 10 is provided with a drive control unit 36 that controls the drive of the pair of vibration generators 32. When the solutions L1, L2, and LM flow through the mixing channel 26, the drive control unit 36 sets the on / off state of the vibration generator 32, the duty ratio that is the ratio of the on time and the off time, and the vibration frequency. Control is performed in accordance with control conditions preset in an internal memory or the like. This control condition is basically the reaction of the types of the solutions L1 and L2, that is, the chemical components of the solutions L1 and L2, the liquid temperature, the viscosity, etc., and the mixing between the solutions L1 and L2 involves a chemical reaction. It varies depending on the nature of the product, etc., and also varies depending on the changes in the supply amount of the solutions L1, L2, that is, the flow rates of the solutions L1, L2 in the mixing channel 26. Such control conditions are set, for example, by an operator of a production line where the micromixer 10 is arranged using an operation terminal or the like, or by a host process computer that controls the entire production line based on a production schedule or the like. Set to.
[0031]
In the micromixer 10 configured as described above, the solutions L1 and L2 in a pressurized state are supplied to the liquid supply passages 16 and 18 through the liquid supply pipes 38 and 39, respectively. The liquid flows in the liquid supply paths 16 and 18 and is introduced into the mixing flow path 26 as a liquid flow having a predetermined flow velocity through the liquid supply ports 22 and 24. At this time, since the opening widths W1 and W2 of the liquid supply ports 22 and 24 are set to a very small width of 1 μm to 500 μm, the solutions L1 and L2 introduced into the mixing channel 26 through the liquid supply ports 22 and 24 are While flaky laminar flow having a width corresponding to each of the opening widths W1 and W2 flows toward the outlet 28 side, molecular diffusion occurs along the normal direction at the contact interface of each stratified flow. Then, the mixing of the solutions L1 and L2 proceeds. At the same time, in the micromixer 10, the vibration from the pair of vibration generators 32 is transmitted along the diffusion direction to the solutions L 1, L 2 and LM in the mixing channel 26, and thus flows in the mixing channel 26. Since the movement and molecular motion of the minute fluid mass of the solutions L1 and L2 can be increased by transmission vibration, the movement speed of the molecules in the diffusion direction near the contact interface between the stratified flows formed by the solutions L1 and L2 is increased. Thus, the mixing between the solutions L1 and L2 in the mixing channel 26 and the chemical reaction accompanying the mixing can be efficiently promoted.
[0032]
Therefore, according to the micromixer 10 according to the present embodiment, the vibration generator 32 transmits the solution L1, L2, LM to the solutions L1, L2, LM according to the type, liquid temperature, viscosity, and the like of the solutions L1, L2 introduced into the mixing channel 26. By appropriately controlling the frequency of the vibration to be performed, the mixing between the solutions L1 and L2 in the mixing channel 26 and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing can be precisely controlled. As a result, it becomes possible to precisely control the mixing speed and the chemical reaction speed between the solutions L1 and L2 to a desired speed, and particularly when the mixing between the solutions L1 and L2 involves a chemical reaction, By precisely controlling the mixing rate and reaction rate, or by transmitting vibrations to the reaction products in the solutions L1, L2, and LM, the properties such as the shape and size of the reaction products, It is also possible to control the promotion or suppression of aggregation or aggregation.
[0033]
Further, in the micromixer 10, the mixing and chemical reaction between the solutions L1 and L2 in the mixing channel 26 can be promoted by vibration from the vibration generator 32, so that the solutions L1 and L2 are compared with the case without the vibration generator 32. The apparatus can be reduced in size by shortening the path length PF of the mixing flow path 26 required to uniformly mix the chemicals or to complete the chemical reaction accompanying the mixing.
[0034]
When the solutions L1 and L2 are supplied to the mixing flow path 26, the vibration generator 32 does not always need to be driven. If the chemical reaction between the solutions L1 and L2 is desired to be performed slowly, the vibration generator 32 is used. The driving may be stopped. The mixer body 12 is made of a metal material such as stainless steel, copper, titanium alloy, aluminum alloy, gold, or platinum, which has high chemical stability and low vibration damping, and has corrosion resistance. In consideration, the contact portions with the solutions L1, L2, and LM may be coated or plated with other substances such as glass and ceramics. When the mixer main body 12 cannot be sufficiently thinned or needs to be formed of a material having a large vibration damping, an opening is formed in the mixer main body 12 so as to face the mixing flow path 26, and this opening The vibration generator 32 may be arranged so that the vibration part 34 is inserted into the mixing channel 26 from the part.
[0035]
Next, a modification of the micromixer according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 shows a modification of the micromixer according to the first embodiment of the present invention. 2 is different from the micromixer 10 shown in FIG. 1 in that three vibration generators 42, 44, and 46 are attached to the mixer main body 12 along the flow direction. The only difference is the number of generators, and the structure of the micromixers 10 and 40 is shared in other respects. The structure of the vibration generators 42, 44, 46 is also shared with the vibration generator 32.
[0036]
As described above, three vibration generators 42, 44, and 46 are attached to the mixer body 12 so as to be in close contact with the downstream side of the upper surface portion and the lower surface portion, respectively. These vibration generators 42, 44, 46 are adjacent to each other along the flow direction, and the length along the flow direction is set to about の of the length of the mixing channel 26, along the interface direction. The width is substantially equal to the opening width of the mixing channel 26. Here, the upstream end of the vibration generator 42 disposed on the most upstream side is disposed so as to coincide with the upstream end of the mixing flow path 26, and the downstream end of the vibration generator 46 disposed on the most downstream side is the mixing flow. It arrange | positions so that it may correspond with the downstream end of the path | route 26 substantially. Thus, the three upper and lower vibration generators 42, 44, 46 face the entire upper surface portion and the entire lower surface portion of the mixing channel 26.
[0037]
As shown in FIG. 2A, the micromixer 40 is provided with a drive control unit 48 that controls the drive of the vibration generators 42, 44, and 46. When the solutions L1, L2, and LM flow through the mixing channel 26, the drive control unit 48 is a duty ratio that is a ratio of the on and off states, the on time and the off time of the vibration generators 42, 44, and 46. The vibration frequency is controlled so as to follow control conditions preset in an internal memory or the like. At this time, the drive control unit 48 can control the vibration generators 42, 44, and 46 located at different positions along the flow direction according to different control conditions.
[0038]
The control conditions set in the drive control unit 36 are basically the same as those of the micromixer 10 shown in FIG. 1, such as the types of the solutions L1 and L2, that is, the chemical components of the solutions L1 and L2, the liquid temperature, the viscosity, etc. When the mixing between the solutions L1 and L2 involves a chemical reaction, it varies depending on the nature of the reaction organisms, and the supply amount of the solutions L1 and L2, that is, the solution L1 in the mixing channel 26 is different. , L2 varies depending on the flow velocity. Such control conditions are set, for example, by an operator of a production line where the micromixer 10 is arranged using an operation terminal or the like, or by a host process computer that controls the entire production line based on a production schedule or the like. Set to.
[0039]
In the micromixer 40 configured as described above, the solutions L1 and L2 in a pressurized state are supplied to the liquid supply passages 16 and 18 through the liquid supply pipes 38 and 39, respectively, so that the micromixer 10 shown in FIG. Similarly, the solutions L1 and L2 introduced into the mixing channel 26 through the liquid supply ports 22 and 24 become flaky stratified flows having widths corresponding to the opening widths W1 and W2, respectively. While moving to the side, at the contact interface of each stratified flow, the movement of a minute fluid mass is promoted along the normal direction, and the molecular motion is increased and the mixing of the solutions L1 and L2 proceeds. At the same time, vibrations from the vibration generators 42, 44, 46 are transmitted along the diffusion direction to the solutions L 1, L 2, LM in the mixing channel 26, so that the molecules of the solutions L 1, L 2 in the mixing channel 26 are diffused. The chemical reactions associated with mixing and mixing by increasing the moving speed of the direction can be efficiently promoted.
[0040]
Furthermore, in the micromixer 40, the vibration generators 42, 44, 46 arranged at different positions along the flow direction can be driven under different control conditions, so that the solutions L1, L2 flowing in the mixing channel 26 and The vibration transmitted to the solution LM can be changed stepwise along the flow direction. As a result, the chemical reaction accompanying mixing or mixing of the solutions L1 and L2 in the mixing channel 26 can be promoted under different vibration conditions corresponding to the three vibration generators 42, 44, and 46, respectively. Compared to the micromixer 10, the mixing between the solutions L1 and L2 in the mixing channel 26 and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing can be controlled more precisely.
[0041]
In addition, when supplying the solutions L1 and L2 to the mixing channel 26, it is not necessary to drive all the three vibration generators 42, 44, 46 at the same time, and any one of the three vibration generators 42, 44, 46 is required. May be selectively driven or stopped. In the present embodiment, the micromixers 10 and 40 use the vibration generators 32, 42, 44, and 46 having a piezoelectric element as a vibration generation source, but any one that can generate vibrations of about 1 KHz to 10 MHz. Such a vibration generation source may be used. For example, an eccentric cam driven by a motor, an electromagnetic actuator, an air pressure actuator, or the like may be used as the vibration generation source. In the micromixers 10 and 40 according to the present embodiment, the vibration generators 32, 42, 44, and 44 are used to change the intensity of vibration (vibration energy) transmitted to the solutions L 1, L 2, and LM into the mixing channel 26. Although the frequency of vibration generated by 46 is changed, the vibration energy may be changed by changing the amplitude of vibration.
[0042]
  (First reference example)
  In FIG.First reference exampleA micromixer according to is shown. As with the micromixers 10 and 40 according to the first embodiment, the micromixer 110 mixes two types of solutions L1 and L2 at the same time, and these solutions L1 and L2 are uniformly mixed or chemicals associated with the mixing. This is for supplying the solution LM having completed the reaction to the outside.
[0043]
As shown in FIG. 3, the micromixer 110 is formed in a substantially cylindrical shape as a whole, and includes a cylindrical mixer body 112 that constitutes an outer shell portion of the apparatus. Here, the straight line S in the figure indicates the axial center of the apparatus, and the following description will be made with the direction along the axial center S as the axial direction of the apparatus. The mixer main body 112 has a large-diameter portion 114 whose base end portion along the axial direction has a large diameter with respect to the distal end portion. A pair of first header part 116 and second header part 118 that receive the supply of L2 are provided. The mixer main body 112 has a circular tube portion 120 having a constant inner diameter at the tip side with respect to the large diameter portion, and a liquid outlet port 122 for the solution LM is opened at the tip surface of the circular tube portion 120. A ring-shaped flange portion 124 is provided at the distal end portion of the circular pipe portion 120 so as to extend to the outer peripheral side of the liquid outlet port 122.
[0044]
Here, a liquid discharge pipe (not shown) having a flange portion that is paired with the flange portion 124 is connected to the distal end portion of the mixer main body 112, and the solution LM discharged from the liquid discharge port 122 of the mixer main body 112 is The liquid is sent to a storage container for temporary storage, another micromixer for performing the next processing on the solution LM, and the like through the outlet pipe. Here, the flange portion 124 of the mixer main body 112 and the flange portion of the liquid discharge pipe are a threaded joint using bolts and nuts, a full joint for inserting a ring-shaped connecting member from the outer peripheral side of the pair of flange portions, and the like. It can be connected by various joint structures, or may be connected by welding.
[0045]
The base end surface of the large-diameter portion 114 in the mixer main body 112 is closed by a disc-shaped lid plate 126, and a circular fitting hole 128 is formed in the center portion of the lid plate 126. A round bar-shaped rectifying member 130 is coaxially disposed in the mixer body 112 so as to protrude from the inside of the large diameter portion 114 into the circular pipe portion 120. The base end portion of the rectifying member 130 is inserted and supported in the insertion hole 128 of the lid plate 126. Further, a conical portion 132 whose diameter decreases toward the distal end side is formed at the distal end portion of the rectifying member 130. Here, the outer diameter of the rectifying member 130 is smaller than the inner diameter of the circular pipe portion 120, and the dimensional difference from the inner diameter of the circular pipe portion 120 is based on the circulation amount of the solutions L 1 and L 2 in the circular pipe portion 120. Is set.
[0046]
In the large-diameter portion 114 of the mixer main body 112, a disk-shaped partition plate 134 is arranged to divide the space in the large-diameter portion 114 so as to be divided into approximately two equal parts along the axial direction. Spaces on the proximal end side and the distal end side defined by the plate 134 are a first header portion 116 and a second header portion 118, respectively. The header portions 116 and 118 are connected to liquid supply pipes 136 and 138, respectively. Through these liquid supply pipes 136 and 138, the header portions 116 and 118 are supplied with a solution L1 and a solution L2 that are pressurized from two liquid supply sources (not shown) installed upstream of the micromixer 110. Is supplied. These liquid supply sources include, for example, other micromixers that generate the solutions L1 and L2, storage tanks and pumps that store the solutions L1 and L2, and the like.
A circular opening having an opening diameter that is an intermediate dimension between the inner diameter of the circular pipe portion 120 and the outer diameter of the rectifying member 130 is formed in the center of the partition plate 134. A pipe-shaped partition member 140 that protrudes into the circular pipe part 120 from the peripheral part of the part is integrally formed. The partition member 140 is arranged coaxially with the circular pipe part 120 and the rectifying member 130, and divides the space between the circular pipe part 120 and the rectifying member 130 into an inner peripheral side and an outer peripheral side. . Here, the space on the outer peripheral side and the inner peripheral side partitioned by the partition wall member 140 is a first liquid supply path 142 and a second liquid supply path 144, respectively, and these first and second liquid supply paths 142, 144 are The first and second header portions 116 and 118 communicate with each other on the base end side. Further, in the circular pipe portion 120 of the mixer main body 112, the thickness is made thicker with respect to the liquid supply paths 142 and 144 on the distal end side than the partition wall member 140 and on the proximal end side relative to the conical portion 132 of the rectifying member 130. A cylindrical space is formed, and this cylindrical space is a mixing channel 146 in which the solution L1 and the solution L2 supplied from the liquid supply channels 142 and 144 are mixed or mixed and subjected to a chemical reaction. .
[0047]
  In the mixer main body 112, a plurality of (in between the inner peripheral surface of the circular pipe portion 120 and the outer peripheral surface of the partition wall member 140 (Reference example4 spacers 148 are interposed, and a plurality of spacers 148 are also provided between the inner peripheral surface of the partition wall member 140 and the outer peripheral surface of the rectifying member 130 (see FIG.Reference exampleIn this case, four spacers 150 are interposed. The plurality of spacers 148 and 150 are each formed in a rectangular plate shape, and are supported so that the front and back surface portions thereof are parallel to the flow direction (arrow F direction) of the solutions L1 and L2 in the circular tube portion 120. The plurality of spacers 148 and 150 are arranged at 90 ° intervals along the circumferential direction around the axis S, and the positions in the circumferential direction coincide with each other. Here, the spacer 148 on the outer peripheral side connects the partition member 140 to the circular pipe portion 120, and the spacer 150 on the inner peripheral side connects the rectifying member 130 to the partition member 140, and in the radial direction of the liquid supply paths 142 and 144. Opening widths W1 and W2 (see FIG. 3A) are set. As a result, the partition member 140 and the rectifying member 130 are connected and fixed to the circular pipe portion 120 with sufficient strength, and are prevented from being displaced or deformed from a predetermined position due to the liquid pressure or gravity of the solutions L1 and L2. In addition, the opening widths W1 and W2 are reliably maintained at preset dimensions.
[0048]
As shown in FIG. 3B, the first liquid supply port 152 and the second liquid supply opening that open into the mixing flow path 146 are respectively provided at the distal ends of the first liquid supply path 142 and the second liquid supply path 144. A mouth 154 is formed. Each of these liquid supply ports 152 and 154 opens along a circular locus centered on the axis S and is arranged so as to be concentric with each other. Here, the opening width W1 along the radial direction of the first liquid supply port 152 is appropriately set in the range of 1 μm or more and 500 μm or less according to the supply amount, type, and the like of the solution L1 to the first header portion 116. The In addition, the opening width W2 along the radial direction of the second liquid supply port 154 is also set as appropriate according to the supply amount, type, and the like of the solution L2 to the second header portion 118 in the range of 1 μm to 500 μm.
[0049]
Here, the opening widths W1 and W2 define the opening areas of the liquid supply ports 152 and 154, respectively, and according to the opening area of the liquid supply ports 152 and 154 and the supply amounts of the solutions L1 and L2, the liquid supply ports 152 are provided. , 154, the initial flow rates of the solutions L1, L2 introduced into the mixing channel 146 are determined. These opening widths W1 and W2 are set so that, for example, the flow rates of the solutions L1 and L2 supplied into the mixing channel 146 through the liquid supply ports 152 and 154 are equal to each other. However, when considering shortening of the time until the solutions L1 and L2 are uniformly mixed (mixing time), naturally, the smaller the opening widths W1 and W2 are, the more advantageous it is, and along the radial direction of the partition wall member 140 It is desirable to make the thickness as thin as possible.
[0050]
In the space on the tip side of the mixing channel 146 in the circular pipe part 120, the solutions L1 and L2 are mixed in the mixing channel 146, or the solution LM in which mixing and chemical reaction are performed is the liquid outlet 122. The liquid discharge path 156 flows toward the front. Here, when the solution LM is generated only by mixing the solutions L1 and L2, it is necessary that the solutions L1 and L2 are mixed substantially uniformly at the outlet of the mixing channel 146, and the solution LM is the solution LM. When generated by mixing and chemical reaction of L1 and L2, the solutions L1 and L2 are mixed almost uniformly at the outlet of the mixing channel 146, and the chemical reaction between the solutions L1 and L2 is also almost completely completed. Need to be. Accordingly, the path length PF (see FIG. 3A) along the flow direction of the solutions L1 and L2 in the mixing channel 146 is such that the mixing of the solutions L1 and L2 is completed or the mixing and chemical reaction are substantially completed. It is necessary to set to a long length. It is assumed that the mixer body 112 is always filled with the solutions L1 and L2 and the solution LM in which these are mixed without any gap and flows from the header portions 116 and 118 to the liquid outlet 122 side.
[0051]
As shown in FIG. 3A, the circular pipe portion 120 of the mixer main body 112 has a plurality of openings 158 so as to face the mixing channel 146. These openings 158 are formed in portions corresponding to the upstream, intermediate, and downstream portions of the mixing flow path 146 in the flow direction, and at 90 ° intervals in the circumferential direction around the axis S. Has been placed. Accordingly, the circular pipe portion 120 is provided with four openings 158 at portions corresponding to the upstream portion, the intermediate portion, and the downstream portion of the mixing channel 146, respectively, and a total of twelve openings 158 are provided. ing. A plurality of microwave generators 160 are attached on the outer peripheral surface of the circular pipe portion 120 so as to correspond to the openings 158, respectively. These microwave generators 160 are provided with a cylindrical protrusion-like insertion portion 162 on the inner peripheral side thereof. The microwave generator 160 inserts the insertion portion 162 into the opening 158 and inserts it. The distal end surface of the insertion portion 162 is exposed into the mixing channel 146.
[0052]
The microwave generator 160 irradiates the solutions L 1, L 2, and LM in the mixing channel 146 with microwaves from the distal end surface of the insertion portion 162 during driving. At this time, the microwaves from the microwave generator 160 are irradiated to the solutions L1, L2 and the solution LM along the radial direction coinciding with the diffusion directions of the solutions L1, L2, as indicated by the broken lines in FIG. . Because the microwaves increase the molecular motion of the solutions L1, L2, and LM along the diffusion direction, mixing between the solutions L1 and L2 or a chemical reaction accompanying the mixing is promoted.
[0053]
The microwave generator 160 uses, for example, a magnetron as a microwave generation source, and generates a microwave having an intensity corresponding to the current value by supplying a drive current to the magnetron. At this time, a microwave having a frequency of 10 MHz or more is selected as the microwave generated by the microwave generator 160. Specifically, the frequency of the microwave efficiently increases the molecular motion of the solutions L1, L2, and LM without causing excessive heat generation in the solutions L1, L2, and LM flowing through the mixing flow path 146. A possible frequency is selected.
[0054]
As shown in FIG. 3A, the micromixer 110 is provided with a drive control unit 164 that controls the driving of the microwave generator 160. When the solutions L1, L2, and LM flow through the mixing channel 146, the drive control unit 164 controls the on / off state of the microwave generator 160 and the intensity of the microwave set in advance in the internal memory or the like. Control to comply with conditions. This control condition is basically the reaction of the types of the solutions L1 and L2, that is, the chemical components of the solutions L1 and L2, the liquid temperature, the viscosity, etc., and the mixing between the solutions L1 and L2 involves a chemical reaction. It varies depending on the nature of the product, etc., and also varies depending on changes in the supply amount of the solutions L1, L2, that is, the flow rates of the solutions L1, L2 in the mixing flow path 146. Such control conditions are set, for example, by an operator of the production line where the micromixer 110 is arranged using an operation terminal or the like, or by a host process computer that controls the entire production line based on a production schedule or the like. Set to. Moreover, the drive control part 164 can control the microwave generator 160 in a different position along a distribution direction according to respectively different control conditions.
[0055]
  Configured as aboveReference exampleIn the micromixer 110 according to the first embodiment, as in the micromixers 10 and 40 according to the first embodiment, two types of solutions L1 and L2 introduced into the mixing channel 146 through the liquid supply ports 152 and 154 are supplied. The laminar flows in the form of flakes corresponding to the opening widths W1 and W2 of the ports 152 and 154 flow through the mixing channel 146, and the molecules of the solutions L1 and L2 are mutually connected at the interface between the adjacent laminar flows. Therefore, the two types of solutions L1 and L2 introduced into the mixing channel 146 can be uniformly mixed in a short time, or a chemical reaction accompanying the mixing can be completed, and the solution LM can be supplied to the outside. At this time, since the microwaves from the microwave generator 160 are irradiated to the solutions L1, L2, and LM in the mixing channel 146, the diffusion rate of the molecules of the solutions L1 and L2 in the mixing channel 146 is increased. The chemical reaction accompanying mixing and mixing can be accelerated | stimulated efficiently.
[0056]
Further, in the micromixer 110, the microwave generators 160 arranged at different positions along the flow direction can be driven under different control conditions, so that the solutions L1, L2 and the solution LM flowing in the mixing flow path 146 are used. The irradiated microwave can be changed stepwise along the flow direction. As a result, mixing of the solutions L1 and L2 in the mixing channel 146 or chemical reaction accompanying mixing can be promoted under different vibration conditions corresponding to the microwave generators 160 at different positions. It is possible to precisely control the mixing between the solutions L1 and L2 and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing. At this time, since the microwave has a strong directivity compared with the vibration, the solutions L1, L2, and LM existing in the region corresponding to the microwave generator 160 at a certain position are located at other positions along the flow direction. It is possible to suppress the influence of the microwave from the microwave generator 160 in the above. As a result, compared to the micromixers 10 and 40 according to the first embodiment, the mixing of the solutions L1, L2, and LM in the mixing flow path 146 and the progress of the chemical reaction accompanying the mixing can be controlled more precisely. Become.
[0057]
  In addition, it concerns on embodiment of this invention demonstrated above.Micromixer 10, 40 or micromixer 110 according to the first reference exampleMixes two types of solutions L1 and L2 in the mixing channels 26 and 146OrIt was a chemical reaction with mixing, but 3 or more types of solutions were mixed in the mixing channel.OrEven in a micromixer that chemically reacts with mixing, mixing or chemical reaction of the solution can be promoted by applying vibration or microwave to three or more kinds of solutions that circulate in the mixing flow path. By appropriately controlling the generator, the mixing of the solution or the progress of the chemical reaction in the mixing channel can be precisely controlled.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the micromixer of the present invention, the mixing and chemical reaction of the fluid introduced into the mixing channel through the plurality of supply ports can be effectively promoted, and the mixing of the fluid in the mixing channel can be performed. In addition, the progress of the chemical reaction can be controlled with sufficiently high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view along an axial direction and a direction perpendicular to an axis showing a configuration of an example of a micromixer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view along an axial direction and a direction perpendicular to the axis showing a configuration of a modification of the micromixer according to the first embodiment of the present invention.
[Fig. 3]First reference exampleIt is sectional drawing along the axial direction and axial orthogonal direction which show the structure about the micromixer which concerns on.

Claims (3)

流体を複数の供給口を通してそれぞれ1本のミキシング流路内へ導入し、これらの流体を薄片状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散し、混合するマイクロミキサーであって、
外部から供給された流体が一端部から他端部へ向ってそれぞれ流通する複数の流体供給路と、
前記複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、前記流体供給路内における流体の流通方向と直交する所定の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設された複数の供給口と、
一端部が前記複数の供給口に接続され、該複数の供給口を通して導入された流体を他端部から吐出するミキシング流路と、
前記ミキシング流路内を流通する流体に振動を前記拡散方向に沿って伝達する振動発生器とを有し、
少なくとも一対の前記振動発生器を、前記ミキシング流路の断面中心に対して対称的に配置したことを特徴とするマイクロミキサー。
Introducing a fluid into a single mixing channel through a plurality of supply ports, and diffusing the fluids in the normal direction of their contact interface while mixing these fluids as a laminar laminar flow. A mixer,
A plurality of fluid supply paths through which fluid supplied from the outside flows from one end to the other end;
A plurality of supply ports that are respectively opened to the other end portions of the plurality of fluid supply paths, and are adjacent to each other along a predetermined diffusion direction orthogonal to the fluid flow direction in the fluid supply paths;
One end portion is connected to the plurality of supply ports, and a mixing flow path for discharging the fluid introduced through the plurality of supply ports from the other end portion;
A vibration generator that transmits vibration along the diffusion direction to the fluid flowing through the mixing flow path;
A micromixer characterized in that at least a pair of the vibration generators are arranged symmetrically with respect to the cross-sectional center of the mixing channel.
前記流通方向に沿って複数の前記振動発生器を配列し、該複数の振動発生器をそれぞれ独立して駆動及び制御可能としたことを特徴とする請求項1記載のマイクロミキサー。  2. The micromixer according to claim 1, wherein a plurality of the vibration generators are arranged along the flow direction, and the plurality of vibration generators can be independently driven and controlled. 前記複数の供給口の前記拡散方向に沿った開口幅を1μThe opening width of the plurality of supply ports along the diffusion direction is 1 μm. mm 以上で、500μAbove, 500μ mm 以下としたことを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロミキサー。The micromixer according to claim 1 or 2, wherein:
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