JP3968929B2

JP3968929B2 - 液体混合器

Info

Publication number: JP3968929B2
Application number: JP29922199A
Authority: JP
Inventors: 浩久阿部
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: JP2001120971A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、科学分析や化学合成などの分野において微小量の液体を混合するのに用いられる液体混合器に係り、特に微小量の液体の混合を簡潔な構造で行えるようにするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に液体を混合する場合、混合対象の液体を大型容器に入れて攪拌することによって混ぜ合わせたり、或いは、混合対象の各液体を一緒にして流す流路中に障害物を配してカルマン渦を発生させることによって混ぜ合わせたりしている。しかし、最近は、例えば科学分析や化学合成の分野においては、廃液の量を減らす等のために微小量の液体を混合する必要性が生じており、図７および図８に示す超小型の液体混合器によって液体の混合を行うことが試みられている〔A.Manz,Proceedings of the μTAS '98 Workshop,pp.235-240(1988)参照〕．
【０００３】
この超小型の液体混合器は、図７の断面図に示すように、面同士を合わせて上下に積層された３枚のプレート５１〜５３を備え、図８に示すように、中央のプレート５２の表面（上面）にＡ液を４分割する液体分割用細溝５４と、Ａ，Ｂ両液の混合を行う液体混合用細溝５６とが形成されているとともに、裏面（下面）にＢ液を４分割する液体分割用細溝５５が形成されている。なお、図８において、実線はプレート５２の表面に形成された溝を、破線はプレート５２の裏面に形成された溝を、それぞれ示す。
【０００４】
この液体混合器を使ってＡ液とＢ液を混合する場合は、Ａ液導入口５７から導入されるＡ液と、Ｂ液導入口５８から導入されるＢ液が、両液体分割用細溝５４，５６により分岐されるに従ってそれぞれが４分割された後、液体混合用細溝５６において、図８の中の丸の内に平面視した状態を図示したように、順に２層から４層を経て最終的に８層と水平（横）方向に順に重ねられてゆく。４層のＡ液と４層のＢ液とが横並びに交互に積層された最終的な８層の状態においては、Ａ，Ｂ両液が薄層で交互に隣接しているので、両液の間で拡散現象が速やかに進行し、両液が十分に混合されて導出口５９から流出することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の液体混合器は、プレート５１〜５３を３枚も積層しなければならない複雑な構造であるので、生産性が悪く、コストが嵩むという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記の事情に鑑み、簡潔な構造で微小量の液体の混合を行うことができる液体混合器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、この発明に係る液体混合器は、面同士が密着して重ね合わされて接合された２枚のプレートを備え、一方のプレートの重ね合わせ面に、個別の液体導入口からそれぞれ導入される混合対象の液体を複数に分割するための分岐流路を有する液体分割用細溝がそれぞれ形成されていて、他方のプレートの重ね合わせ面に、混合対象の液体ごとの液体分割用細溝の分岐流路が交互に連結されている液体混合用細溝が形成されている。
【０００８】
〔作用〕
次に、この発明の液体混合器における作用を説明する。
この発明の液体混合器により液体の混合を行う場合、面同士が密着して重ね合わされて接合された２枚のプレートのうちの一方のプレートの重ね合わせ面に形成された各液体分割用細溝の分岐流路によって、個別の液体導入口から導入される混合対象の各液体がそれぞれ複数に分割されるとともに、分割された各液体は各分岐流路から他方のプレートの重ね合わせ面に形成された液体混合用細溝に送り込まれてゆく。
液体混合用細溝には混合対象の液体ごとの液体分割用流路の分岐流路が交互に連結されているので、液体導出口から遠い箇所で連結された分岐流路から送り込まれる液体が液体混合用細溝の最下層となり、それ以後は各分岐流路から送り込まれる液体が連結順に液体混合用細溝の深さ方向に順に積み重ねられながら層状になって液体導出口へ向かって流れてゆく。
各液体が一緒になる液体混合用細溝においては、各液体分割用流路の分岐流路が交互に接続されていて、液体混合用細溝の深さ方向に混合対象の液体が交互に積み重ねられて薄層状態で互いに隣接したかたちとなるので、各液体同士の間で拡散現象が速やかに進行して、両液は十分に混合されて液体導出口から流れ出ることになる。
【０００９】
そして、この発明の液体混合器の場合、各液体分割用細溝および液体混合用細溝が２枚のプレートの合わせ面に形成されているので、プレートが２枚だけの簡潔な構造で微小量の液体の混合が行える。従来の液体混合器の場合、液体分割用細溝がプレートの表面と裏面の両面に別れて形成されていて、このプレートの表と裏の両側にそれぞれ別のプレートを積層しなければならず、必然的にプレートの数が３枚の複雑な構造とならざるを得なかったのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る液体混合器の外観を示す斜視図、図２は実施例の液体混合器の流路構成を示す流路系統図、図３は実施例の液体混合器の上側のプレートの重ね合わせ面を示す平面図、図４は実施例の液体混合器の下側のプレートの重ね合わせ面を示す平面図である。
【００１１】
実施例の液体混合器は、図１に示すように、面同士が密着して重ね合わされて接合された上下２枚のプレート１，２からなるチップ型の混合器であって、図３に示すように、上側のプレート１の重ね合わせ面１ａには、混合対象のＡ液を複数に分割する櫛形状のＡ液分割用細溝３と混合対象のＢ液を複数に分割する櫛形状のＢ液分割用細溝４とが形成されており、また図４に示すように、下側のプレート２の重ね合わせ面２ａには、両液分割用細溝３，４により分割されたＡ，Ｂ両液が送り込まれて一緒になる直線状の液体混合用細溝５が形成されている。
さらに、上側のプレート１には、Ａ液分割用細溝３にＡ液を導入するための液体導入口６およびＢ液分割用細溝４にＢ液を導入するための液体導入口７と、液体混合用細溝５の先端から混合液を導出するための液体導出口８とが、プレート１を厚み方向に貫通して形成されている。
【００１２】
櫛形状のＡ液分割用細溝３は、図３に示すように、Ａ液の流れる方向に沿って分岐流路３ａ〜３ｄが設けられていて、液体導入口６から導入されたＡ液は、図２に示すように、液体混合用細溝５に向けて流れる間に順に４つに分割されてゆく流路構成となっている。また、櫛形状のＢ液分割用細溝４も、やはり図３に示すように、Ｂ液の流れる方向に沿って分岐流路４ａ〜４ｄが設けられていて、液体導入口７から導入されたＢ液も、図２に示すように、液体混合用細溝５に向けて流れる間に順に４つに分割されてゆく流路構成となっている。
【００１３】
また、Ａ液分割用細溝３の各分岐流路３ａ〜３ｄとＢ液分割用細溝４の各分岐流路４ａ〜４ｄは、図２に示すように、液体混合用細溝５に対して先端の液体導出口８へ向かうように傾斜して交互に連結されていて、混合対象のＡ，Ｂ両液は、両細溝３，４の各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄで分割された後、混合のために液体混合用細溝５へ交互に送り込まれるよう構成されている。
【００１４】
さらに、実施例の液体混合器では、液体導入口６，７から各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄと液体混合用細溝５との連結点までの流路の距離が略等しい構成となっているので、各液分割用細溝３，４の内では液体が均等に分割される。
また、実施例の場合、各液分割用細溝３，４の分岐流路の数は４本であったが、分岐流路の数は何も４本には限られない。例えば、液分割用細溝３，４の分岐流路の数が２０本であってもよい。
【００１５】
実施例の場合、プレート１，２は縦・横が約４０ｍｍで厚み数ｍｍの正方形の平板であり、各細溝３〜５は、幅５０μｍ，深さ２０μｍである。この発明の場合、普通、細溝３〜５は断面積が１ｍｍ²以下の微小容積溝である。液体導入口６，７および液体導出口８はそれぞれ直径１ｍｍの小孔である。したがって、実施例の液体混合器は極めて僅かな量のＡ，Ｂ両液を混合することになる。
また、上下の各プレート１，２の板基材には、ガラス板やシリコン（Ｓｉ）板あるいはプラスチック板の他に金属板などの中から用途や混合対象の液体の種類などに応じて適当な板基材が選ばれる。例えば、外部より液体混合用細溝５の中の混合液に適当な光を照射して反射光ないし透過光を検出することにより液の分光分析を行うような場合は、プレート１，２として透明板（例えば無色透明のガラス板）が用いられる。
【００１６】
実施例の液体混合器により液体の混合を実行する際には、Ａ液やＢ液の送液が必要となる。この送液は、シリンジポンプのような物理式送液方法や、電気泳動や電気浸透流などの電気式送液方法を用いて行われる。電気泳動式の送液の場合、例えば液体導入口６，７と液体導出口８に電極をセットして電圧を印加することによって液体を移動させる。なお、電気泳動式による送液では溶質が電荷を持っている必要があるが、電気浸透流による送液では溶質が電荷を持っていなくてもよい。
【００１７】
続いて、実施例の液体混合器の製造方法について説明する。実施例の液体混合器を製造する場合、上側のプレート１に用いる板基材の重ね合わせ面となる表面に対してＡ液・Ｂ液分割用細溝３，４となる部分以外の領域を覆うマスクを施しておいてから、エッチング処理を施した後、マスクを除去することにより液分割用細溝３，４を掘り込み形成してから、さらにサンドブラスト法によりスルホールを板基材に穿設して液体導入口６，７および液体導出口８を形成して、上側のプレート１を作製する。
【００１８】
一方、下側のプレート２に用いる板基材の重ね合わせ面となる表面に対して液体混合用細溝５となる部分以外の領域を覆うマスクを施しておいてから、エッチング処理を施した後、マスクを除去することにより液体混合用細溝５を掘り込み形成し、下側のプレート２を作製する。
ついで作製した両プレート１，２を重ね合わせ面で貼り合わせて水密状態に接合すれば、実施例の液体混合器が完成する。貼り合わせ方法としては、板基材が例えばガラス基板や石英基板の場合は、重ね合わせ面１ａ，２ａをフッ酸系の薬剤で少し溶解してプレート１，２を重ね合わせて接合すればよい。或いは、接着剤を重ね合わせ面１ａ，２ａに薄く塗布してプレート１，２を重ね合わせて接合してもよい。
【００１９】
次に、上述した構成を有する実施例の液体混合器により液体を混合を実行する時の様子を図面を参照しながら説明する。
混合対象のＡ液を液体導入口６からＡ液分割用細溝３へ導入するとともに、混合対象のＢ液を液体導入口７からＢ液分割用細溝４へ導入する。
Ａ液分割用細溝３に導入されたＡ液は各分岐流路３ａ〜３ｄで４つに分割されながら液体混合用細溝５へ向けて流れる。また、Ｂ液分割用細溝４に導入されたＢ液も各分岐流路４ａ〜４ｄで４つに分割されながら液体混合用細溝５へ向けて流れる。
【００２０】
各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄと液体混合用細溝５とは異なるプレートの重ね合わせ面に形成されていて段差があるので、各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄと液体混合用細溝５との連結点に達したＡ液あるいはＢ液は、液体混合用細溝５に流れ込むと、図５に示すように、上下方向（細溝５の深さ方向）に交互に積まれて流れてゆくことになる。勿論、液体混合用細溝５の先端に近い分岐流路から送り込まれる液ほど上に積まれる。
したがって、液体混合用細溝５では、先端に最も近い分岐流路３ｄを過ぎると４層のＡ液と４層のＢ液が交互に積層された８層の流れとなって進んでゆくとともに、Ａ，Ｂ両液は薄層で互いに隣接しているので、Ａ，Ｂ両液の間で拡散が速やかに進行し、両液は十分に混合されて液体導出口８から流出してくることとなる。
【００２１】
なお、各液分割用細溝３，４と液体混合用細溝５は同じ寸法であるので、液体混合用細溝５の中では先端に近いほど液の流速が速まる。液体混合用細溝５における液の流速を一定にしたければ、液体混合用細溝５が先端に近くなる従って太くなるようにすればよい。
【００２２】
また、この発明の液体混合器のように各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄと液体混合用細溝５の間に段差がある構成ではなく、もし仮に各分岐流路３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄと液体混合用細溝５が同じプレートの重ね合わせ面に形成されていて段差がない構成であったら、Ａ液とＢ液とは層状に交互に重なり合わないので、Ａ，Ｂ両液は旨く混合されない。
つまり、この発明の液体混合器の如く、液分割用細溝３，４と液体混合用細溝５とが異なる重ね合わせ面に別れて形成されていないと、Ａ，Ｂ両液が旨く混合されないのである。
【００２３】
そして、従来の液体混合器だと、液分割用細溝が１枚のプレートの表裏両面に別れて形成されていて、此のプレートの両側にそれぞれプレートを積層する必要があって必然的にプレートが３枚の複雑な構造とならざるを得なかったのであるが、実施例の液体混合器では、各液分割用細溝３，４および液体混合用細溝５が２枚のプレートの合わせ面１ａ，２ａに形成されているので、プレート１，２の２枚だけの簡潔な構造で液体の混合が十分に行える。
【００２４】
この発明は、上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）実施例の液体混合器の場合は、Ａ液とＢ液の２種類の液体を混合する構成であったが、この発明の液体混合器により混合される液体の種類数は２種類に限らず３液を混合する構成や４液を混合する構成であってもよい。例えば、図６に示す変形例の液体混合器の場合、Ａ液〜Ｄ液の４種類の液体を混合することができる。
【００２５】
実施例の場合は、プレート１，２の重ね合わせ面に１つの混合ユニットが形成されていただけであったが、変形例の液体混合器では、プレート１，２の重ね合わせ面に第１〜第２の３個の混合ユニットＵＡ１〜ＵＡ３が形成されていて、第１混合ユニットＵＡ１でＡ，Ｂ両液を混合するとともに、第２混合ユニットＵＡ２でＣ，Ｄ両液を混合しておいて、さらに第３混合ユニットＵＡ３でＡ，Ｂ両液の混合液とＣ，Ｄ両液の混合液とをさらに混合してＡ液〜Ｄ液の４種類の液体を混合できる構成となっている。もちろん、各混合ユニットＵＡ１〜ＵＡ３での混合作用は実施例の場合と全く同様である。なお、第３混合ユニットＵＡ３の液体導入口はプレート１，２の重ね合わせ面に形成されることになる。
【００２６】
さらに、変形例の場合、３つの混合ユニットＵＡ１〜ＵＡ３の分割用細溝３，４が全てプレート１の重ね合わせ面１ａに形成され、液体混合用細溝５が全てプレート２の重ね合わせ面２ａに形成されている必要はなく、同一の混合ユニットの分割用細溝３，４と液体混合用細溝５とが異なるプレートの重ね合わせ面に別れて形成されていればよくて、例えば混合ユニットＵＡ１の分割用細溝３，４と混合ユニットＵＡ２の液体混合用細溝５は同一のプレートの重ね合わせ面に形成されている構成であってもよい。
【００２７】
また、第１，第３の２個の混合ユニットＵＡ１，ＵＡ３だけを備え混合ユニットＵＡ２を備えない構成の変形例の場合、Ａ液〜Ｃ液の３種類の液体を混合する構成の液体混合器となることも容易に理解されるであろう。
【００２８】
（２）実施例では、液体混合用細溝５は一直線の形状であったが、液体混合用細溝５の形状は、例えば図２に二点鎖線で示したようにＳの字状に屈曲したり、渦巻き状などの形状であってもよい。
【００２９】
（３）実施例では、液体導入口６，７および液体導出口８は上側のプレート１の外面に開いていたが、液体導入口６，７および液体導出口８は下側のプレート２の外面に開いていてもよいし、上下のプレート１，２の外面に分かれて開いていてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上に詳述したように、この発明の液体混合器によれば、混合対象の液体を分割する各液体分割用細溝と、各液体分割用細溝の分岐流路が交互に連結されている液体混合用細溝とが２枚のプレートの合わせ面に別れて形成されてなる構成を備えており、液体混合用細溝では混合対象の各液が溝の深さ方向に交互に積層されて薄層で隣接して拡散が速やかに進行するので微小な量の液体が旨く混合できる上に、プレートが２枚だけの簡潔な構造で液体の混合が行えるので、生産性や価格面で有利で利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る液体混合器の外観を示す斜視図である。
【図２】実施例の液体混合器の流路構成を示す流路系統図である。
【図３】実施例の液体混合器の上側のプレートの重ね合わせ面を示す平面図である。
【図４】実施例の液体混合器の下側のプレートの重ね合わせ面を示す平面図である。
【図５】実施例の液体混合器の液体混合用細溝での液の積層状況を示す模式図である。
【図６】変形例の液体混合器の流路構成を示す流路系統図である。
【図７】従来の液体混合器の構成を示す概略図である。
【図８】従来の液体混合器の流路構成を示す流路系統図である。
【符号の説明】
１ …上側のプレート
１ａ …重ね合わせ面
２ …下側のプレート
２ａ …重ね合わせ面
３ …Ａ液分割用細溝
３ａ〜３ｄ…分岐流路
４ …Ｂ液分割用細溝
４ａ〜４ｄ…分岐流路
５ …液体混合用細溝
６，７ …液体導入口
８ …液体導出口

Claims

面同士が密着して重ね合わされて接合された２枚のプレートを備え、一方のプレートの重ね合わせ面に、個別の液体導入口からそれぞれ導入される混合対象の液体を複数に分割するための分岐流路を有する液体分割用細溝がそれぞれ形成されていて、他方のプレートの重ね合わせ面に、混合対象の液体ごとの液体分割用細溝の分岐流路が交互に連結されている液体混合用細溝が形成されていることを特徴とする液体混合器。