JP4191770B2 - マイクロミキサー - Google Patents

Description

本発明は、例えば、欧州ではμ−ＴＡＳ(Micro Total Analysis Systemの略)、米国ではＬａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐと称されるマイクロリアクターに代表される微細構造をもつマイクロ流体素子を用いて行う、複数種類の微量流体の混合・撹拌を可能にする新規なマイクロミキサーに関する。

マイクロミキサーの構造に関する従来技術としては、例えば特許文献1に記載されているように、Ｙ字状に微小流路を形成した基板を用いたマイクロミキサーや、特許文献２に記載されているように、Ｔ字状に微小流路を形成した基板を用いたマイクロミキサーが知られている。
特開２００６−２０５０８０号公報 特開２００６−７０６３号公報

これらＹ字状やＴ字状の微小流路を形成したマイクロミキサー内では、流れは層流状態である。よって、２つの供給口から供給された溶液は、微小流路では２層の流れとなり、これら２層の撹拌・混合は拡散に支配されるため、完全混合を短時間で行うことは難しく、ある程度の時間が必要であるという問題がある。

また、混合時間の短縮を目的として、２液の界面の面積を大きくするための手段としては、例えば２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を形成し、混合・撹拌効率を向上させる方法が挙げられる。しかしながら、かかる方法は、流れを多数に分割するため、精密加工技術を用いて複雑なマルチ流路の形成が必要であり、これは、加工コストの高騰を招くため好ましくない。また、マルチ流路を用いた場合であっても、やはり平面的に形成された微小流路であるので、流体は依然として層流であり、撹拌・混合は拡散で支配されるため、混合効率に関して改良の余地があった。加えて、マルチ流路を平面上に形成するには、ある程度、大きな基板面積が必要となり、これは、マイクロミキサー全体を小型化する用途には使用できないという問題もあった。

さらに、他のマイクロミキサーの従来技術としては、多孔フィルターを用いたミキサー、多層ミキサー、流体のらせん流れを利用したカオス混合によって混合を行うミキサー、流路壁に衝突させることで発生する擬似乱流を利用するミキサー、超音波、電場、磁場、微小な撹拌子を利用したマイクロミキサー（例えば特許文献３）等の多種多様なマイクロミキサーが報告されているが、これらのマイクロミキサーはいずれも、流路パターンや装置構成が複雑であるため、高価となり、大量生産には適さないという問題がある。
特開２００６−３２０８７７号公報

本発明は、上述した問題点を鑑みなされたものであり、小型でありながら混合効率を有利に高めることができるマイクロミキサーを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨は以下のとおりである。（１）複数の流体の供給口を個別に有するベースプレートと、各供給口からの流体が通る各流体宛１本または複数本のジグザグ状の分配流路を有する分配プレートと、前記流体毎の分配流路の全てを横切る向きに延び、かつ各分配流路との交点から各流体を導く混合流路を少なくとも１本は有する合流プレートと、前記複数の流体が各混合流路にて合流、混合した混合流体の貯留部を有するトッププレートと、の積み重ねに成ることを特徴とするマイクロミキサー。

（２）前記分配プレートは、複数本の分配流路が並列に配置され、かつ異種流体の流路が交互に配置される前記（１）に記載のマイクロミキサー。

（３）前記混合流路が、複数本である前記（１）または（２）に記載のマイクロミキサー。

（４）前記混合流路が、前記ジグザグ状の分配流路の折曲点を、隣接分配流路で交互に結ぶ線状である前記（１）ないし（３）のいずれかに記載のマイクロミキサー。

（５）前記ベースプレート、分配プレート、合流プレートおよびトッププレートの積層体を、複数積み重ねて成る前記（１）ないし（４）のいずれかに記載のマイクロミキサー。

本発明によれば、混合効率を格段に高めることができるマイクロミキサーを提供することが可能である。

本発明のマイクロミキサーは、複数の流体の供給口を個別に有するベースプレートと、各供給口からの流体が通る各流体宛１本または複数本のジグザグ状の分配流路を有する分配プレートと、前記流体毎の分配流路の全てを横切る向きに延び、かつ各分配流路との交点から各流体を導く混合流路を少なくとも１本は有する合流プレートと、前記複数の流体が各混合流路にて合流、混合した混合流体の貯留部を有するトッププレートと、の積み重ねに成るものである。

本発明に従う実施形態について図面を参照して以下に説明する。図１および図２は、本発明に従うマイクロミキサーの要部構成を示したものであって、図１は上面図、図２は側断面図である。また、図３は一般的なマイクロミキサーの積層構造を示す分解図である。

図示のマイクロミキサー１は、複数の流体、この例では２種の流体ＡおよびＢを当該装置に導入するための供給口１ａおよび１ｂを個別に有するベースプレート２を基盤とする。ここで、供給口１ａおよび１ｂには、例えば口金１０を装着し、該口金１０に流体ＡおよびＢの供給管（図示せず）を接続して流体ＡおよびＢをそれぞれの供給口に供給する。

このベースプレート２の上に、各供給口１ａおよび１ｂからの流体ＡおよびＢが案内する、各流体宛１本または複数本、図示例で各２本の分配流路、すなわち流体Ａを通す分配流路３１と、同様に流体Ｂを通す分配流路３２を有する分配プレート３を、載置する。ここで、前記の供給口１ａおよび１ｂからの流体は、供給孔１１ａおよび１１ｂ（図４参照）を介して、図５に示すように、分配プレート３に形成した貯留部１１に導かれ、ここから各流体宛２本のジグザグ状の分配流路３１または３２に導入される。

なお、分配流路３１および３２は、離間した流体Ａの貯留部１１から対向する流体Ｂの貯留部１１側へとジグザグ状に延び、かつ２本の同種分配流路間に異種分配流路が入り込む配置を採ることによって、４本の分配流路が異種流体の流路が交互に並ぶ配列となる。

さらに、図６に示すように、分配プレート３の上には、上記した流体毎の分配流路３１および３２の全てを横切る向きに延び、かつ隣接する分配流路３１および３２の折曲点との交点を交互に結ぶ線状の混合流路４０であって、かかる交点から各流体を導く混合流路を少なくとも１本、図示例で２本の混合流路４０を有する合流プレート４を、載置する。

各混合流路４０は、前記分配流路３１および３２と交互に交差する直線状であり、各混合流路４０が４本の分配流路３１および３２との間に複数の交点４１をもって交わることになる。そして、各混合流路４０には、これら複数の交点４１を介して、流体ＡおよびＢが各混合流路の長手方向に交互に導入される。すなわち、流体ＡおよびＢは、複数の交点４１を介して微小な区分に分割されて、各混合流路４０内に供給され、ここで流体ＡおよびＢの各々が微小な流体区分間での分子の拡散により隣接区分間で相互に混合される。この分割された流体区分は、マイクロメートルからナノメートルオーダーと非常に小さいため、分子の拡散距離が短縮され、迅速な混合が行われる。

かような混合原理によれば、上記した分配流路および混合流路の幅や深さを調整することによって、上記の流体区分の大きさを制御でき、その結果、流体の混合特性を制御することができる。さらに、図７（ａ）に示すように、例えばジグザグ状の分配流路３１および３２を交互配置で多数本設けて、上述と同様に、分配流路の折曲点を、隣接する分配流路３１および３２を交互に結ぶ線状の混合流路４０を、多数本設ける際に多数本の混合流路４０を隣接して配置し、隣接間に隔壁ｓを設けることによって、図７（ｃ）に示すように、微小な流体区分の周囲を異種の流体区分で囲むことが可能になる。かような流体区分の相互配置が実現されれば、流体の混合はより加速されることになる。

以上の流体ＡおよびＢの効果的な混合は、混合流路４０毎に行われ、混合後の混合流体は、図８に示すようなトッププレート５に形成した貯留部５０に集合、一旦貯められ、出口流路５１から排出される。

さらにまた、前記ベースプレート２、分配プレート３、合流プレート４およびトッププレート５の積層体を１つのエレメントとして、該エレメントを複数積み重ねて使用することによって、混合を複数回繰り返して更なる混合効率の向上を図ることも可能である。あるいは、上記エレメントを並列に使用し、３種以上の流体の混合を行うことも可能である。勿論、エレメント内で導入する流体数を上述の２種から３種以上にすることも可能である。

なお、上述したところは、本発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲内において種々の変更を加えることができる。

（比較例）
次に、直線状の分配流路を有する分配プレートを含む比較例のマイクロミキサーを試作し、このマイクロミキサーを用いて２種類の流体の混合を行った。すなわち、マイクロミキサーは、図３に示すように、ベースプレート２の各供給口１ａおよび１ｂからの流体が通る直線状の４本の分配流路３１および３２（各流路サイズ：長さ１５ｍｍ、幅０．０８ｍｍ、深さ５ｍｍ）を有する分配プレート３と、前記流体毎の分配流路３１および３２に跨る２９本の混合流路４０（各流路サイズ：長さ１．５ｍｍ、幅０．１ｍｍ、深さ３ｍｍ）を有する合流プレート４と、各分配流路４０にて合流、混合した混合流体の貯留部５０を有するトッププレート５と、の積み重ねに成る。なお、出口流路５１からの混合流体は、紫外可視分光光度計に混合水溶液が直接流入するように構成した。また、流体Ａには、ＫＩ：ＫＩＯ３：Ｈ３ＢＯ３：２％の硫酸水溶液を用い、流体Ｂには、１．６０％ＫＩ水溶液、０．４１％ＫＩＯ３水溶液、３．３４％Ｈ３ＢＯ３水溶液および０．８０％ＮａＯＨ水溶液を、体積比で、１：１：１：１の割合で混合した４種混合水溶液を用いた。なお、供給口１ａからの供給流量は０．５〜７．５ml/minとし、供給口１ｂからの供給流量は０．５〜７．５ml/minとした。

流体Ａと流体Ｂの混合特性は、Villermaux/Dushman反応を利用して評価した。すなわち、２種の流体を混合するとき、混合特性が良い場合には速い反応が優先的に進み、逆に混合特性が悪い場合には遅い反応も進む現象を利用して、遅い反応により生成される物質の濃度を測定することで混合特性を評価することができる。具体的には、上記流体Ａと流体Ｂとを混合すると、酸−アルカリ中和反応あるいは混合特性が悪い場合の反応であるＩ２生成反応が起こり、このＩ２生成反応が起こった場合、生成したＩ２は一部Ｉ３−となるが、このＩ３−は353nmの波長で吸収ピークを持つため、その吸光度を測定することで混合特性を評価した。この実施例では、353nmの波長での吸収ピークが小さいほど、混合特性が優れていることを示している。評価結果を図９に示す。

（従来例）
図１０に示すように、第１管状部材２０２と第２管状部材２０３とを対向させて設け、第１管状部材２０２内を通る第１流体７と、第２管状部材２０３内を通る第２流体８とを対流で衝突させて混合流体とした後、この混合流体９は、第３管状部材２０６を通って排出される構成のマイクロミキサー２０１を試作し、混合特性を評価したのでその評価結果を図９に併記する。

なお、図１０に示す従来例は、第１管状部材２０２および第２管状部材２０３のサイズをともに、長さ３５ｍｍ、外径１．６ｍｍおよび内径０．４８ｍｍとし、第３管状部材２０６のサイズを長さ５０ｍｍ、外径１．６ｍｍおよび内径０．４８ｍｍとした。

図９に示す結果から、発明例は、比較例に比べて、いずれの流速においても、353nmの波長での吸収ピークが小さく、混合特性が優れているのがわかる。

(発明例)
次に、図３に示したマイクロミキサーにおいて、分配流路３１および３２を図５に示すジグザグ状の流路に、そして混合流路４０を図１１に示す流路に、それぞれ変更した、この発明に従うマイクロミキサーを試作した。ここで、４本の分配流路３１および３２のサイズは、長さ２５．９ｍｍ、幅０．０８ｍｍ、深さ５ｍｍ、ジグザグの振幅０．８ｍｍおよび波長：０．９２ｍｍであり、２本の混合流路４０のサイズは、長さ１３ｍｍ、幅０．１ｍｍ、深さ３ｍｍである。その他の仕様は、上記したところと同様である。また、供給した流体も上記と同様である。

流体Ａと流体Ｂの混合特性について、上記と同様、Villermaux/Dushman反応を利用して評価した。その評価結果を図１２に示す。なお、従来例は図９の場合と同様である。図１２に示す結果から、発明例は、従来例に比べて、いずれの流速においても、353nmの波長での吸収ピークが小さく、混合特性が優れているのがわかる。また、図９に示す結果と比較すると、発明例の混合特性が比較例のそれよりも優れていることがわかる。

本発明によれば、小型でありながら混合効率を格段に高めることができるマイクロミキサーを提供することが可能になった。かような極めて高い効率の下に混合を行うことができることから、μ−ＴＡＳやマイクロ化学プラント，高速液体クロマトグラフィー用グラジエントミキサーなどの分野に有利に適合する技術である。

本発明に従うマイクロミキサーの上面図である。 図１のマイクロミキサーの側断面図である。 図１のマイクロミキサーの分解図である。 ベースプレートの上面図である。 分配プレートの上面図である。 合流プレートの上面図である。 分配流路および混合流路の組み合わせを示す概念図である。 トッププレートの上面図である。 従来例と比較例について混合流体の流速に対する353nmの波長での吸光度を測定した評価結果を示すグラフである。 従来例のマイクロミキサーを説明する概念図である。 発明例で用いた合流プレートの上面図である。 発明例と従来例について混合流体の流速に対する353nmの波長での吸光度を測定した評価結果を示すグラフである。

符号の説明

１ マイクロミキサー
Ａ、Ｂ 流体
１ａ、１ｂ 供給口
２ ベースプレート
１０ 口金
３ 分配プレート
３１、３２ 分配流路
１１ 貯留部
４０ 混合流路
４ 合流プレート
４１ 交点
５ トッププレート
５０ 貯留部
５１ 出口流路

Claims (5)

1. 複数の流体の供給口を個別に有するベースプレートと、
   各供給口からの流体が通る各流体宛１本または複数本のジグザグ状の分配流路を有する分配プレートと、
   前記流体毎の分配流路の全てを横切る向きに延び、かつ各分配流路との交点から各流体を導く混合流路を少なくとも１本は有する合流プレートと、
   前記複数の流体が各混合流路にて合流、混合した混合流体の貯留部を有するトッププレートと、
   の積み重ねに成ることを特徴とするマイクロミキサー。
2. 前記分配プレートは、複数本の分配流路が並列に配置され、かつ異種流体の流路が交互に配置される請求項１に記載のマイクロミキサー。
3. 前記混合流路が、複数本である請求項１または２に記載のマイクロミキサー。
4. 前記混合流路が、前記ジグザグ状の分配流路の折曲点を、隣接分配流路で交互に結ぶ線状である請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロミキサー。
5. 前記ベースプレート、分配プレート、合流プレートおよびトッププレートの積層体を、複数積み重ねて成る請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロミキサー。

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