JP4298671B2 - Micro device - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロデバイス、より詳しくは少なくとも2種の流体を混合するマイクロデバイス、特にマイクロミキサーに関する。そのようなマイクロデバイスは、化学工業や医薬品工業において、例えば、流体材料を混合したり、反応させたりすることによって種々の生成物を製造する場合に使用できる。 The present invention relates to a microdevice, and more particularly to a microdevice that mixes at least two fluids, particularly a micromixer. Such a microdevice can be used in the chemical industry or the pharmaceutical industry, for example, when various products are produced by mixing or reacting fluid materials.
尚、本明細書において、「流体」なる用語は、液体(溶液を含む)および液体として扱うことができる液体混合物を含むものとして使用している。そのような混合物としては、固体および/または気体を含む液体を例示でき、例えば粉末のような微小な固体(例えば金属微粒子)および/または微細な気泡を含む液体混合物であってもよい。また、液体は、溶解していない他の種類の液体を含むものであってよく、例えばエマルションであってよい。別の態様では、本発明において流体は気体であってもよく、気体は固体の微粒子を含んでいてもよい。 In this specification, the term “fluid” is used to include a liquid (including a solution) and a liquid mixture that can be handled as a liquid. Examples of such a mixture include a liquid containing a solid and / or a gas, and may be a liquid mixture containing a fine solid such as a powder (for example, metal fine particles) and / or fine bubbles. Further, the liquid may include other types of liquid that is not dissolved, and may be, for example, an emulsion. In another aspect, in the present invention, the fluid may be a gas, and the gas may contain solid particulates.
流体の混合を目的として種々のマイクロデバイスが提案されている。そのようなマイクロデバイスにおける混合は、混合すべき流体間における物質の拡散現象を主として利用している。尚、「混合」とは、複数種の流体が相互に混じり合った状態にすることを意味し、混合の程度は種々のオーダーのマクロ混合であっても、あるいはミクロ混合であってもよい。また、混合の結果として流体が反応してもよい。そのような混合を迅速かつ均一に行うために例えば次のようなマイクロデバイスが提案されている。 Various microdevices have been proposed for the purpose of mixing fluids. Mixing in such a microdevice mainly utilizes the diffusion phenomenon of substances between fluids to be mixed. “Mixing” means that a plurality of types of fluids are mixed with each other, and the degree of mixing may be macro-mixing of various orders or micro-mixing. Also, the fluid may react as a result of mixing. In order to perform such mixing quickly and uniformly, for example, the following microdevice has been proposed.
半導体加工技術により形成された微細な溝または孔から分散相を連続相に供給することによってマルションを連続的に生産できるマイクロデバイスが提案されている(例えば特許文献1および特許文献2参照)。デバイスによって流体を混合するに際して、デバイス内における各流体の滞留時間分布はよりシャープであることが望まれている。特に、流体を混合して反応させる場合、流体の滞留時間分布をシャープにしてデバイスから排出される流体に関して、いずれの流体塊についても反応転化率の差が小さいことが望ましい。尚、「流体塊」とは、流体の全体という概念とは対照的に、全体としての流体を構成する個々の微小な一部分を意味するものとして使用する。 There has been proposed a microdevice capable of continuously producing maltion by supplying a dispersed phase to a continuous phase from fine grooves or holes formed by a semiconductor processing technique (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). When fluids are mixed by a device, it is desired that the residence time distribution of each fluid in the device is sharper. In particular, when mixing and reacting fluids, it is desirable that the difference in the reaction conversion rate is small for any fluid mass regarding the fluid discharged from the device with a sharp residence time distribution of the fluid. Note that the “fluid mass” is used to mean individual small portions constituting the fluid as a whole, as opposed to the concept of the whole fluid.
しかしながら、上述のようなデバイスは、連続相が存在する混合領域への分散相の流入口は混合領域に対して偏在し、また、混合によって生成するエマルションの流出口も混合領域に対して偏在しているというデバイス構造であるため、滞留時間分布をシャープに保ちながら流体の混合を制御することが困難であると考えられる。 However, in the device as described above, the dispersed phase inlet to the mixing region where the continuous phase exists is unevenly distributed with respect to the mixing region, and the emulsion outlet generated by mixing is also unevenly distributed to the mixing region. Therefore, it is considered difficult to control the mixing of the fluid while keeping the residence time distribution sharp.
また、提案されているマイクロデバイスは、2種の液体を混合するものが多く、3種以上の流体を混合する場合は、最初のデバイスで2種の液体を混合した後、別のマイクロデバイスを用いて3種目の流体を混合せざるを得ず、その結果、2つのデバイスを接続管によって連結する必要がある。この場合、連結に際して用いる接続管の径、長さを極力小さくする必要があるが、その場合には、流体を送る場合の圧力損失が大きくなるので、流体を送る量が制限されることになる。
従って、本発明が解決しようとする課題は、少なくとも2種の流体を混合するに際して、より均一な混合を達成すると共に、流体の滞留時間を精密に制御でき、その結果、より小さい滞留時間分布を達成できるマイクロデバイスを提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that when mixing at least two kinds of fluids, more uniform mixing can be achieved and the residence time of the fluid can be precisely controlled, resulting in a smaller residence time distribution. It is to provide a microdevice that can be achieved.
発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、マイクロデバイスにおける拡散現象は種々のファクターによって影響を受けるが、少なくとも2種の流体を混合するに際して、より均一な混合を達成するためには、流体を構成する流体塊が流れる距離に関して、各流体塊間での差を可及的に小さくすることによって、各流体の滞留時間分布をよりシャープにでき、上述の本発明の課題を解決できることを見出した。 As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the inventors have found that the diffusion phenomenon in the microdevice is affected by various factors. In order to achieve more uniform mixing when mixing at least two kinds of fluids, It has been found that by reducing the difference between each fluid mass as much as possible with respect to the distance that the fluid mass constituting the fluid flows, the residence time distribution of each fluid can be made sharper and the above-described problems of the present invention can be solved. It was.
第1の要旨において、本発明は、流体を混合する混合デバイスを提供し、このデバイスは、
流体が上流から下流に向かって流れる平板状流路、
平板状流路の上流側に位置する、第1流体が流入する第1流体流入口、
第1流体流入口の下流側に位置する、第2流体が流入する第2流体流入口、および
第2流体流入口の下流側に位置し、平板状流路が分割されて形成された側方縮流部
を有して成り、
第2流体流入口は、平板状流路内へ通じる複数の穿孔部から成り、複数の穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凸状であることを特徴とする。
In a first aspect, the present invention provides a mixing device for mixing fluids, the device comprising:
A flat channel in which the fluid flows from upstream to downstream,
A first fluid inlet into which the first fluid flows, which is located upstream of the flat channel,
A second fluid inlet port into which the second fluid flows, which is positioned downstream of the first fluid inlet port, and a side surface which is formed downstream of the second fluid inlet port and is formed by dividing the flat plate-like channel Having a constricted portion,
The second fluid inflow port is composed of a plurality of perforations that lead into the flat channel, and the arrangement profile of the plurality of perforations is convex with respect to the flow direction of the bulk of the fluid in the flat channel. Features.
本発明の混合デバイスは、マイクロデバイスであるのが好ましい。本明細書において、「マイクロデバイス」とは、流体が流れる微小流路(マイクロチャンネル)を有し、そこで少なくとも2種の流体を合流させ、それに起因する混合、反応、熱交換等の操作を行うための装置の総称である。特に、混合を主目的とするマイクロデバイスをマイクロミキサー、反応を主目的とするマイクロデバイスをマイクロリアクター、熱交換を主目的とするマイクロデバイスをマイクロ熱交換器(マイクロヒートエクスチェンジャー)と呼ぶ。本発明のマイクロデバイスは、平板状の微小流路を有する。 The mixing device of the present invention is preferably a microdevice. In this specification, the “micro device” has a micro flow channel (micro channel) through which a fluid flows, where at least two kinds of fluids are merged to perform operations such as mixing, reaction, and heat exchange. It is a general term for devices for this purpose. In particular, a microdevice whose main purpose is mixing is called a micromixer, a microdevice whose main purpose is reaction is called a microreactor, and a microdevice whose main purpose is heat exchange is called a microheat exchanger (microheat exchanger). The microdevice of the present invention has a flat microchannel.
本発明のデバイスにおいて、「平板状」なる用語は、流体の流れ方向に延在する流路の厚さのディメンションが、流路の長さおよびそれに垂直な幅のディメンションより小さく、その結果、流路は、長さ方向で幅が異なるとしても、全体として板状(即ち、薄い)と考えることができることを意味する。例えば、本発明の平板状流路の厚さは、その幅(最も狭い部分の幅)の約2分の1以下、好ましくは約5分の1以下、より好ましくは約50分の1以下であり、また、例えば、その長さ(平板状流路の上流端部と下流端部との間の距離)の約20分の1以下、好ましくは約50分の1以下、より好ましくは約500分の1以下である。 In the device of the present invention, the term “flat” means that the thickness dimension of the flow path extending in the fluid flow direction is smaller than the length of the flow path and the width dimension perpendicular thereto. A road means that it can be considered as a plate (that is, thin) as a whole even if the width varies in the length direction. For example, the thickness of the flat channel of the present invention is about 1/2 or less, preferably about 1/5 or less, more preferably about 1/50 or less of the width (width of the narrowest part). And, for example, about 20 times or less of the length (distance between the upstream end portion and the downstream end portion of the flat plate-like channel), preferably about 1/50 or less, more preferably about 500 It is less than 1 / min.
具体的には、本発明のデバイスにおいて、平板状流路の厚さは、例えば1〜5000μm、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜200μmである。このような流路は、通常、閉流路である(即ち、流れ方向に垂直な流路断面を見た場合、流路を構成する空間は全て壁によって囲まれている)。尚、後述する図1に、平板状流路の厚さ方向を破線矢印Aによって、また、幅方向を破線矢印Bで示しており、これらの方向に垂直であるのが長さ方向となる。 Specifically, in the device of the present invention, the thickness of the flat channel is, for example, 1 to 5000 μm, preferably 10 to 1000 μm, and more preferably 50 to 200 μm. Such a flow channel is usually a closed flow channel (that is, when the flow channel cross section perpendicular to the flow direction is viewed, all the spaces constituting the flow channel are surrounded by walls). In FIG. 1 to be described later, the thickness direction of the flat channel is indicated by a broken line arrow A, and the width direction is indicated by a broken line arrow B. The length direction is perpendicular to these directions.
本発明の混合デバイスにおいて、流体が流れる平板状流路は、第1流体流入口、第2流体流入口および側方縮流部を有して成り、第1流体流入口は、第2流体流入口より上流側に位置し、側方縮流部は、第2流体流入口より下流側に位置する。これらの流入口は、平板状流路に開口し、それによってそれぞれの流体が流入口を介して平板状流路内に流入できるようになっている。本明細書において、「上流」および「下流」なる用語は、平板状流路における流体のバルクの流れ方向を基準にして用いる。尚、「バルク」とは、平板状流路を流れる流体の個々の流体塊ではなく、流体を全体としてとらえる意味で使用している。従って、例えば後述する図1を参照した場合、各流体塊は、ミクロ的に見ると、それが存在する条件に応じて種々の方向に移動するが、流体は全体として左から右に向かって流れる、即ち、図1において、水平右向きの方向が、流体のバルクの流れ方向に対応する。 In the mixing device of the present invention, the flat channel through which a fluid flows has a first fluid inlet, a second fluid inlet, and a laterally contracted portion, and the first fluid inlet is a second fluid stream. The side contracted portion is located upstream from the inlet, and the side contracted portion is located downstream from the second fluid inlet. These inlets open to the flat channel, so that each fluid can flow into the flat channel via the inlet. In this specification, the terms “upstream” and “downstream” are used with reference to the bulk flow direction of the fluid in the flat channel. The term “bulk” is used in the sense of capturing the fluid as a whole, not individual fluid masses of the fluid flowing through the flat channel. Thus, for example, referring to FIG. 1 described later, each microscopic fluid mass moves in various directions depending on the conditions in which it appears, but the fluid flows from left to right as a whole. That is, in FIG. 1, the horizontal rightward direction corresponds to the bulk flow direction of the fluid.
側方縮流部とは、流体が流れる平板状流路が、流体のバルクの流れ方向に関してその両側の側方に向かって2つに分岐して形成される流路部分であって(従って、平板状流路の縁部に位置する)、各流路部分の流体通過面は、分岐前の流路の流体通過面より小さい(従って、流体通過面が縮小している)流路部分を意味する。尚、「流体通過面」とは、流体が通過する、平板状流路の幅方向に沿った断面を意味する。分岐して形成された縮流部は、その下流で合流してもよい。そのような縮流部は、平板状流路の中央部に流れ遮蔽手段を配置することによって、中央部分における流体の流れを堰き止めて流体が流路の縁側、即ち、側方を流れるようにすることによって形成できる。 The side contracted flow portion is a flow path portion formed by dividing a flat flow path through which a fluid flows into two toward the sides on both sides of the bulk flow direction of the fluid (therefore, accordingly) The fluid passage surface of each flow passage portion (located at the edge of the flat flow passage) means a flow passage portion smaller than the fluid passage surface of the flow passage before branching (therefore, the fluid passage surface is reduced). To do. The “fluid passage surface” means a cross section along the width direction of the flat channel through which the fluid passes. The contracted part formed by branching may join downstream. Such a constricted part is arranged so that the flow of the fluid in the central part is blocked by arranging the flow shielding means in the central part of the flat channel so that the fluid flows on the edge side of the channel, that is, the side. Can be formed.
本発明の混合デバイスにおいて、第2流体が平板状流路へ流入する第2流体流入口は、複数、通常、少なくとも3つ、好ましくはそれより多い数の穿孔部から構成されている。尚、穿孔部とは、平板状流路を構成する壁を通過して形成された開口部であって、その形状はいずれの形状であってもよい。例えば、円筒状、角筒状などであってよい。そのような穿孔部を通過して第2流体が平板状流路に流れ込む。本明細書において、「穿孔部の配置プロファイル」とは、穿孔部の配置箇所(より具体的には穿孔部の中心)を結ぶ仮想的な線を意味し、隣接する穿孔部の配置箇所同士を線分で結んで形成される仮想的な折れ線であってもよく、あるいは隣接する穿孔部の配置箇所を滑らかに結ぶ仮想的な曲線であってもよい。好ましい配置プロファイルの一例は、平板状流路の中心軸上に中心を有する扇形形状である。 In the mixing device of the present invention, the second fluid inflow port through which the second fluid flows into the flat channel is composed of a plurality of perforations, usually at least three, preferably more. The perforated part is an opening formed through a wall constituting the flat plate-like channel, and the shape thereof may be any shape. For example, it may be a cylindrical shape or a rectangular tube shape. The second fluid flows into the flat channel through the perforated part. In the present specification, the “perforation portion arrangement profile” means a virtual line connecting the locations of the perforated portions (more specifically, the centers of the perforated portions). It may be a virtual broken line formed by connecting with line segments, or may be a virtual curve that smoothly connects the locations of adjacent perforated portions. An example of a preferable arrangement profile is a sector shape having a center on the central axis of the flat channel.
本発明の混合デバイスにおいて、「穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凸状である」とは、上述の配置プロファイルを構成する両端の穿孔部の位置を結ぶ直線に対して、他の穿孔部がその直線より下流側に位置する(但し、一部は直線上に位置してよい)ことを意味する。尚、この「他の穿孔部」は、配置プロファイルを構成する両端の穿孔部を除く全ての穿孔部であることが最も好ましいが、必ずしも全てである必要はなく、例えば配置プロファイルの中央部の穿孔部(中央部に穿孔部が存在しない場合は、中央の両側に位置する2つ穿孔部)およびその両側に隣接する少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つ、より好ましくは少なくとも3つ、特に少なくとも4つ、例えば5つまたはそれ以上の穿孔部である。また、そのような他の穿孔部の数は、全穿孔部の数の好ましくは少なくとも80%、より好ましくは少なくとも90%、特に少なくとも95%である。 In the mixing device of the present invention, "the arrangement profile of the perforations is convex with respect to the flow direction of the bulk of the fluid in the flat channel" means that the positions of the perforations at both ends constituting the above-described arrangement profile. It means that the other perforated part is located on the downstream side of the straight line (however, some may be located on the straight line). The “other perforated portions” are most preferably all perforated portions except for the perforated portions at both ends constituting the arrangement profile, but are not necessarily all, for example, the perforations in the central portion of the arrangement profile. (If there is no perforated part in the central part, two perforated parts located on both sides of the center) and at least one, preferably at least two, more preferably at least three, especially at least four adjacent to both sides One, for example five or more perforations. Also, the number of such other perforations is preferably at least 80%, more preferably at least 90%, especially at least 95% of the total number of perforations.
また、逆に、後述するように「穿孔部の配置プロファイルが、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凹状である」とは、配置プロファイルを構成する両端の穿孔部を結ぶ直線に対して、他の穿孔部がその直線より上流側に位置する(但し、一部は直線上に位置してよい)ことを意味する。この場合、他の穿孔部については、先と同様である。 On the other hand, as described later, “the arrangement profile of the perforated part is concave with respect to the flow direction of the bulk of the fluid in the flat channel” means that the straight line connecting the perforated parts at both ends constituting the arrangement profile. On the other hand, it means that the other perforated part is located upstream of the straight line (however, a part may be located on the straight line). In this case, the other perforations are the same as above.
尚、本明細書において、穿孔部の数が3の場合であっても、配置プロファイルを構成する両端の穿孔部より下流側に中央の穿孔部が位置する場合は、配置プロファイルが凸状である態様に含まれ、逆の場合は、配置プロファイルが凹状である態様に含まれる。 In the present specification, even when the number of perforations is three, the arrangement profile is convex when the central perforation is located downstream from the perforations at both ends constituting the arrangement profile. It is included in the aspect, and the reverse case is included in the aspect in which the arrangement profile is concave.
本発明の混合デバイスにおいて、第1流体流入口は、平板状流路にいずれの適当な形態で配置されていてもよい。例えば、第1流体が平板流路の流体のバルクの流れ方向に対して平行に流入するように第1流体流入口が形成されていてもよく、あるいは、第1流体が平板流路の流体のバルクの流れ方向に対して垂直に流入するように第1流体流入口が形成されていてもよい。後者の場合、平板状流路を規定する上側壁面および/または下側壁面に第1流体流入口が形成されているのが好ましい。これらの壁面の代わりに、流路の側面を規定する壁面から流入するように流入口が形成されていてもよい。更に別の態様では、第1流体が平板流路の流体のバルクの流れ方向に対して斜めに流入するように第1流体流入口が形成されていてもよい。尚、第1流体流入口以外の他の流体流入口、例えば第2流体流入口、後述する第3流体流入口および第4流体流入口等は、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して垂直にまたは斜めに流入するように流体流入口が形成されているのが好ましい。 In the mixing device of the present invention, the first fluid inlet may be arranged in any suitable form in the flat channel. For example, the first fluid inlet may be formed so that the first fluid flows in parallel to the bulk flow direction of the fluid in the flat channel, or the first fluid is in the fluid of the flat channel. The first fluid inlet may be formed so as to flow in perpendicular to the bulk flow direction. In the latter case, it is preferable that the first fluid inflow port is formed on the upper wall surface and / or the lower wall surface defining the flat plate-like channel. Instead of these wall surfaces, an inflow port may be formed so as to flow in from a wall surface that defines the side surface of the flow path. In still another aspect, the first fluid inlet may be formed such that the first fluid flows in an oblique direction with respect to the bulk flow direction of the fluid in the flat plate flow path. Other fluid inlets other than the first fluid inlet, such as the second fluid inlet, the third fluid inlet and the fourth fluid inlet described later, are arranged in the direction of the bulk flow of the fluid in the flat channel. The fluid inlet is preferably formed so as to flow vertically or obliquely.
尚、本発明は、上述および後述の本発明の混合デバイスを用いて少なくとも2種の流体を混合する方法をも提供する。また、混合した流体が反応する場合には、本発明は、上述および後述の本発明の混合デバイスを用いて少なくとも2種の流体を混合することにより反応させる方法をも提供する In addition, this invention also provides the method of mixing at least 2 types of fluid using the mixing device of this invention mentioned above and the below-mentioned. Moreover, when the mixed fluid reacts, this invention also provides the method of making it react by mixing at least 2 sorts of fluid using the mixing device of this invention mentioned above and below-mentioned.
本発明の混合デバイスにおいて、側方縮流部を設けることと、第2流体流入口である穿孔部の配置プロファイルが凹状であることとを組み合わせることによって、穿孔部の配置プロファイルの端部と側方縮流部との間の距離を、配置プロファイルの中央の穿孔部と側方縮流部との間の距離に近づけることができる。また、配置プロファイルにおいてこれらの間に位置する穿孔部と側方縮流部との間の距離も同様に近づく。 In the mixing device of the present invention, the end portion and the side of the arrangement profile of the piercing portion are provided by combining the side constricted flow portion and the arrangement profile of the piercing portion serving as the second fluid inflow port being concave. The distance between the side contracted flow portions can be made closer to the distance between the central perforated portion and the side contracted flow portion of the arrangement profile. In addition, the distance between the perforated part and the laterally contracted part located between them in the arrangement profile is similarly approached.
本発明の混合デバイスでは、第2流体流入口から流入する第2流体の流れは、全体として側方縮流部に向かって流れる。例えば、配置プロファイルの中央付近に流入した第2流体と第1流体から成る流体塊が側方縮流部に向かって流れ、他方、穿孔部の配置プロファイルの端部に流入する第2流体および第1流体から成る流体塊も側方縮流部に向かって流れる。これらの間の穿孔部から流入する第2流体についても同様である。 In the mixing device of the present invention, the flow of the second fluid flowing in from the second fluid inlet flows as a whole toward the side contracted flow portion. For example, a fluid mass composed of the second fluid and the first fluid flowing in the vicinity of the center of the arrangement profile flows toward the laterally contracted flow portion, while the second fluid and the second fluid flowing into the end portion of the arrangement profile of the perforated portion A fluid mass composed of one fluid also flows toward the laterally contracted portion. The same applies to the second fluid flowing from the perforated part between them.
このように流体が流れる場合、第2流体流入口である各穿孔部と側方縮流部との間の距離に大差がないので、いずれの流体塊についても可及的に等しい時間で、穿孔部から側方縮流部に達することができ、その結果、いずれの流体塊に関してもそれに含まれる第1流体および第2流体の滞留時間分布は、本発明の上述の組み合わせを適用しない場合と比べてよりシャープになる。 When the fluid flows in this way, there is no great difference in the distance between each of the perforated portions that are the second fluid inflow ports and the laterally contracted flow portions, so that the perforation can be performed in as much time as possible for any fluid mass. As a result, the residence time distribution of the first fluid and the second fluid contained in any fluid mass is compared with the case where the above combination of the present invention is not applied. And become sharper.
図1に本発明の混合デバイスを、分解した状態で模式的に示す。図示したデバイスは、平板状流路10を有して成り、この流路に関して図面の上下方向が厚さ方向(破線矢印A参照)であり、前後方向が幅方向(破線矢印B参照)に対応し、流体は全体として左から右に向かって流れ、従って右から左に向かう方向が流体のバルクの流れ方向(白抜き矢印の方向)に対応する。また、図2に、平板状流路10を上から見た様子、即ち、平面図を模式的に示す。 FIG. 1 schematically shows the mixing device of the present invention in an exploded state. The illustrated device has a flat channel 10, and the vertical direction of the drawing is the thickness direction (see broken line arrow A) and the front-rear direction corresponds to the width direction (see broken line arrow B). However, the fluid flows from left to right as a whole, and therefore the direction from right to left corresponds to the flow direction of the fluid bulk (the direction of the white arrow). FIG. 2 schematically shows a plan view of the flat channel 10, that is, a plan view.
平板状流路10は、流路の上側壁面を規定する上側プレート12および流路の下側壁面(即ち、底部)を規定する下側プレート14、ならびにこれらのプレートに挟まれて流路の側方壁面を規定する流路フレーム16によって構成される。図示した態様は、本発明の混合デバイスを上下方向に分解した状態であり、フレーム16の上下にそれぞれのプレートを、混合する流体に応じて、液密または気密状態で保持することによって平板状流路10が形成される。 The flat channel 10 includes an upper plate 12 that defines the upper wall surface of the channel, a lower plate 14 that defines the lower wall surface (that is, the bottom) of the channel, and the side of the channel sandwiched between these plates. It is comprised by the flow-path frame 16 which prescribes | regulates a side wall surface. The illustrated embodiment is a state in which the mixing device of the present invention is disassembled in the vertical direction, and the plate-like flow is maintained by holding the plates above and below the frame 16 in a liquid-tight or air-tight state depending on the fluid to be mixed. A path 10 is formed.
第1流体は、上側プレート12を貫通して設けた第1流体流入口18から平板状流路10内に流入し、第2流体は、下側プレート14を貫通して設けた第2流体流入口20から平板状流路10内に流入する。第2流体流入口20は図1に示すように複数(好ましくは多数)の下側プレート14を貫通する穿孔部から構成されている。尚、図2では、第2流体流入口20を個々に図示せず、流入口の配置プロファイル20(但し、1列の穿孔部に対応する1本のプロファイルのみ図示)で示し、また、後述する流れ遮蔽手段の形態も異なっている。複数の穿孔部は、平板状流路10の長手方向中心軸に対して対称となるように配置するのが好ましい。 The first fluid flows into the flat channel 10 from the first fluid inlet 18 provided through the upper plate 12, and the second fluid flows through the lower plate 14 through the second fluid flow. It flows into the flat channel 10 from the inlet 20. As shown in FIG. 1, the second fluid inflow port 20 includes a plurality of (preferably many) lower perforations that penetrate the lower plate 14. In FIG. 2, the second fluid inlets 20 are not shown individually, but are shown as inlet arrangement profiles 20 (however, only one profile corresponding to one row of perforations is shown) and will be described later. The form of the flow shielding means is also different. The plurality of perforated portions are preferably arranged so as to be symmetric with respect to the central axis in the longitudinal direction of the flat channel 10.
また、複数の穿孔部は、これを多数設けることによって、穿孔部が相互に一体につながっていてもよく、この場合、第2流体流入口は、細い幅のスリット形態であってよい。図2に示す配置プロファイルは、そのようなスリットを示していると考えることもできる。尚、後述する、第3流体流入口および第4流体流入口についても、第2流体流入口の説明が同様に当て嵌まる。本発明の混合デバイスにおいて、配置プロファイルが1本ではなく、流れ方向に離間して位置する複数本、例えば2本または3本、あるいはそれより多数本となるように流体流入口を設けてもよい(例えば2列の穿孔部を有する図5参照)。流体流入口を構成する穿孔部は、流体流路を規定する上側壁面および下側壁面の少なくとも一方、即ち、片方または双方に設ける。例えば、それぞれの壁面に流体流入口を設ける場合、それぞれの壁面に設ける流入口が対向するように、あるいは互い違いとなるように設けてよい。 In addition, the plurality of perforations may be integrally connected to each other by providing a plurality of the perforations, and in this case, the second fluid inlet may be in the form of a narrow slit. It can be considered that the arrangement profile shown in FIG. 2 shows such a slit. The description of the second fluid inlet similarly applies to the third fluid inlet and the fourth fluid inlet described later. In the mixing device of the present invention, the fluid inlet may be provided so that the arrangement profile is not one, but a plurality of, for example, two or three, or more than one, which are spaced apart in the flow direction. (See, for example, FIG. 5 with two rows of perforations). The perforated portion constituting the fluid inlet is provided on at least one of the upper wall surface and the lower wall surface that define the fluid flow path, that is, one or both. For example, when fluid inlets are provided on the respective wall surfaces, the inlets provided on the respective wall surfaces may be provided opposite to each other or alternately.
本発明の混合デバイスでは、図2に示すように配置プロファイル20が流体のバルクの流れ方向に対して凸状である。図2に示すように、配置プロファイル20の両端の穿孔部を結ぶ直線(破線21で示す)に対して、他の穿孔部が破線21より下流に位置する(必要に応じて、穿孔部の一部は破線21上に存在してもよい)。尚、図1においては、簡単のため、穿孔部を直線状に配置されているかのように図示しているが、本発明のデバイスでは、図2に示すように凸状に配置されている。 In the mixing device of the present invention, the arrangement profile 20 is convex with respect to the bulk flow direction of the fluid as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the other perforation part is located downstream of the broken line 21 with respect to the straight line connecting the perforation parts at both ends of the arrangement profile 20 (shown by the broken line 21) (if necessary, one of the perforation parts). Part may be present on the broken line 21). In FIG. 1, for the sake of simplicity, the perforated portions are shown as if they were arranged in a straight line, but in the device of the present invention, they are arranged in a convex shape as shown in FIG.
第2流体流入口20の下流には側方縮流部22が位置する。この縮流部22は、平板状流路10の中央に流れ遮蔽手段24を配置することによって、特に好ましくは平板状流路の長手方向中心軸に対して対称となるように配置することによって、形成することができる。この流れ遮蔽手段24は、平板状流路の中央部分の流れを遮断する手段であり、流路の中央部分を完全に塞ぎ、その両側のみを流体が流れるようにする構造を有する。このような側方縮流部は、いずれの適当な形態であってもよく、例えば、図2のような平面図において矩形の形態(従って、縮流部としては直方体の形態)であってよく(図3〜図6参照)、平板状流路の長さ方向に沿った長さは、図1に示す縮流部22のように非常に短くてもよく、あるいは図2に示す縮流部22のように実質的には長さはゼロに近くてもよく、別の態様では図5に示すように相対的に長くてもよい。双方の縮流部の形状は、平板状流路の長手方向中心軸に対して対称であるのが好ましい。 A laterally contracted flow portion 22 is located downstream of the second fluid inlet 20. By arranging the flow shielding means 24 at the center of the flat channel 10, the contracted flow part 22 is particularly preferably arranged so as to be symmetric with respect to the central axis in the longitudinal direction of the flat channel, Can be formed. The flow shielding means 24 is a means for blocking the flow of the central portion of the flat flow path, and has a structure that completely closes the central portion of the flow path and allows the fluid to flow only on both sides thereof. Such a lateral contracted portion may have any suitable form, for example, a rectangular shape in the plan view as shown in FIG. 2 (therefore, the contracted portion may have a rectangular parallelepiped shape). (See FIGS. 3 to 6), the length along the length direction of the flat channel may be very short like the contracted portion 22 shown in FIG. 1, or the contracted portion shown in FIG. The length may be substantially close to zero, such as 22, or may be relatively long, as shown in FIG. It is preferable that the shape of both the contraction parts is symmetric with respect to the central axis in the longitudinal direction of the flat channel.
例えば、流れ遮蔽手段は、図1に示すように、平板状流路10の幅方向に沿って延在して、流路の中央部分を塞ぐ壁状構造物であってよい。この場合、流れ遮蔽手段を含む、流路の幅方向に沿った流路の断面を考えた場合、断面の中央部分が閉口状態であり、その両側部分が開口状態となっている。 For example, as shown in FIG. 1, the flow shielding means may be a wall-like structure that extends along the width direction of the flat channel 10 and closes the central portion of the channel. In this case, when a cross section of the flow path along the width direction of the flow path including the flow shielding means is considered, the central portion of the cross section is in a closed state, and both side portions thereof are in an open state.
好ましい流れ遮蔽手段の形態では、平板状流路10における流体のバルクの流れ方向(図1の白抜き矢印で示す方向)に対して対向するように構成されている、流れ遮蔽手段の壁面24aは、流体の流れ方向に対して凹状の壁面を有するのが好ましい。ここで、「凹状」なる用語については、穿孔部の配置プロファイルについての先の説明が同様に当て嵌まる。例えば、図2の態様では、流れ遮蔽手段は、正方形の底面および上面を有する薄い正四角柱の構造物であり、流体の流れ方向に対して対向する壁面24aは折れ曲がった状態であり、従って、凹状の壁面を有する。 In a preferred form of the flow shielding means, the wall surface 24a of the flow shielding means, which is configured to oppose the bulk flow direction of the fluid in the flat channel 10 (the direction indicated by the white arrow in FIG. 1), It is preferable to have a concave wall surface with respect to the fluid flow direction. Here, with respect to the term “concave”, the above description of the arrangement profile of the perforated part applies in the same manner. For example, in the embodiment of FIG. 2, the flow shielding means is a thin square column structure having a square bottom surface and a top surface, and the wall surface 24a facing the fluid flow direction is in a bent state, and thus has a concave shape. Wall.
図2に示す態様では、流れ遮蔽手段は、流路の平面図において正方形であるが、他のいずれの適当な形態(例えば、菱形、多角形(図3〜図5参照)、円形、楕円形等)であってもよく、このように例示した形状の一部分であってもよい。必要に応じて角部分は面取りされていてよい。例えば、図2の態様において、流れ遮蔽手段は、図示するような薄い正四角柱の構造物ではなく、流体の流れ方向に対して凹状に折れ曲がった壁面24aのみであってもよく、そのような壁面24aは湾曲状態であってもよい。尚、このような流れ遮蔽手段は、平板状流路の中央軸に対して対称となるように配置するのが好ましい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the flow shielding means is square in the plan view of the flow path, but any other suitable form (for example, rhombus, polygon (see FIGS. 3 to 5), circle, ellipse) Or a part of the shape exemplified in this way. The corners may be chamfered as necessary. For example, in the embodiment of FIG. 2, the flow shielding means may be only the wall surface 24a bent in a concave shape with respect to the fluid flow direction, instead of the thin regular quadrangular prism structure as illustrated. 24a may be in a curved state. In addition, it is preferable to arrange | position such a flow shielding means so that it may become symmetrical with respect to the central axis of a flat flow path.
図2に示す態様では、第2流体流入口20から流入した第2流体が第1流体と出会った後、側方縮流部22に達するまでに移動する距離がいずれの流体塊についても可及的に等しくなり、その結果、第2流体が流路10に流入してから縮流部22に達するまでの時間がいずれの流体塊についても可及的に等しくなる。その結果、縮流部22を出る流体(即ち、第1流体と第2流体とが混合された流体混合物、以下、混合物mとも呼ぶ)に関して、いずれの流体塊についてもそれを構成する第1流体および第2流体の滞留時間分布が可及的にシャープなっている。即ち、縮流部22の直ぐ下流から滞留時間分布幅のより小さい流体混合物mを得ることができる。尚、混合物mは側方縮流部22の下流のいずれの箇所から取り出してもよく、例えば図1に示すように、縮流部22がその下流で合流した後、上側プレートを貫通して設けた流体流出口26から取り出してもよい。別の態様では、流体縮流部22の直後から別々に混合物mを取り出してもよい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the distance traveled by the second fluid flowing in from the second fluid inlet 20 until reaching the side contracted portion 22 after meeting the first fluid is possible for any fluid mass. As a result, the time from when the second fluid flows into the flow path 10 until it reaches the contracted portion 22 is made as equal as possible for any fluid mass. As a result, with respect to the fluid exiting the contracted flow part 22 (that is, a fluid mixture in which the first fluid and the second fluid are mixed, hereinafter also referred to as a mixture m), the first fluid constituting any fluid mass. The residence time distribution of the second fluid is as sharp as possible. That is, a fluid mixture m having a smaller residence time distribution width can be obtained immediately downstream of the contracted flow portion 22. The mixture m may be taken out from any location downstream of the side contracted portion 22, for example, as shown in FIG. 1, after the contracted portion 22 merges downstream thereof, the mixture m is provided through the upper plate. The fluid may be taken out from the fluid outlet 26. In another aspect, the mixture m may be taken out immediately after the fluid constriction part 22.
尚、図2(ならびに後述の図3および図4)では、第1流体流入口18を直接図示していないが、図示したデバイスの平板状流路の左側で第1流体が供給され、白抜き矢印で示すように第1流体が流れてくるものとしている。 In FIG. 2 (and FIGS. 3 and 4 to be described later), the first fluid inlet 18 is not shown directly, but the first fluid is supplied on the left side of the flat channel of the illustrated device, and the white fluid is outlined. It is assumed that the first fluid flows as indicated by an arrow.
図3に、本発明の混合デバイスの別の態様を模式的に示す。図示した態様では、上述のように第1流体と第2流体が混合された後、側方縮流部22がその下流で合流し、その合流部分において、第3流体が第3流体流入口28を介して平板状流路10内に供給される。第1流体および第2流体の混合物mは、側方縮流部22を通過した後、第3流体流入口28で第3流体と出会い、中央縮流部30に向かって流れ、その間、第3流体と混合される。中央縮流部は、流体が流れる平板状流路の幅が狭小になっている部分であって、平板状流路の中央軸に沿ってそれに対して対称となるように位置する。 FIG. 3 schematically shows another embodiment of the mixing device of the present invention. In the illustrated embodiment, after the first fluid and the second fluid are mixed as described above, the side contracted flow portion 22 merges downstream thereof, and the third fluid flows into the third fluid inlet 28 at the merged portion. To be supplied into the flat channel 10. The mixture m of the first fluid and the second fluid passes through the lateral contracted portion 22, then meets the third fluid at the third fluid inlet 28, and flows toward the central contracted portion 30. Mixed with fluid. The central contraction portion is a portion where the width of the flat channel through which the fluid flows is narrow, and is positioned so as to be symmetric with respect to the central axis of the flat channel.
混合物mと第3流体の間の混合は、配置プロファイル28の下流で進行し、これらの流体は中央縮流部30に向かって流れ、中央縮流部30から、あるいはその下流で第1流体、第2流体および第3流体が混合した混合物nを取り出すことができる。図示するように、第3流体流入口を構成する複数の穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路10における流体のバルクの流れ方向に対して凹状である。そのような第3流体流入口28の下流に中央縮流部30が配置されているので、第3流体流入口の各穿孔部から中央縮流部までの距離は、いずれの流体塊についても可及的に等しくなり、その結果、混合物mと第3流体が混合して得られる混合部nを構成する流体塊に関して、それを構成する各流体について滞留時間分布がよりシャープになる。 Mixing between the mixture m and the third fluid proceeds downstream of the deployment profile 28, and these fluids flow toward the central constriction 30 and from the central constriction 30 or downstream thereof, the first fluid, The mixture n in which the second fluid and the third fluid are mixed can be taken out. As shown in the drawing, the arrangement profile of the plurality of perforated portions constituting the third fluid inlet is concave with respect to the bulk flow direction of the fluid in the flat channel 10. Since the central contraction portion 30 is disposed downstream of the third fluid inlet 28, the distance from each perforated portion of the third fluid inlet to the central contraction portion is acceptable for any fluid mass. As a result, regarding the fluid mass constituting the mixing part n obtained by mixing the mixture m and the third fluid, the residence time distribution becomes sharper for each fluid constituting the fluid mass.
尚、第3流体流入口の配置プロファイル28を凹状とすることによって、図3から容易に理解できるように、混合物mが第3流体と出会うまでに移動する距離、従って、縮流部22と第3流体流入口28との間の距離がいずれの流体塊についても可及的に等しくなるようになっている。そのため、図3に示す態様では、側方縮流部22を出た後、流体塊が第3流体に出会うまでの時間は、各流体塊間で可及的に等しくなるという利点がある。 In addition, by making the arrangement profile 28 of the third fluid inlet concave, as can be easily understood from FIG. 3, the distance that the mixture m moves until it meets the third fluid, and accordingly, the constricted portion 22 and the second flow passage 22 are arranged. The distance between the three fluid inlets 28 is made as equal as possible for any fluid mass. Therefore, the mode shown in FIG. 3 has an advantage that the time until the fluid mass meets the third fluid after exiting the side contracted flow part 22 is made as equal as possible between the fluid masses.
図4に、本発明の混合デバイスの別の態様を模式的に示す。図示した態様では、第1流体流入口18と第2流体流入口20との間で、第4流体流入口32から第4流体が供給される。第4流体は、第4流体流入口32の上流から流れてくる第1流体と出会い、これらが中央縮流部34に向かって流れ、その間、第1流体と第4流体とが混合して混合物kが得られる。 FIG. 4 schematically shows another embodiment of the mixing device of the present invention. In the illustrated embodiment, the fourth fluid is supplied from the fourth fluid inlet 32 between the first fluid inlet 18 and the second fluid inlet 20. The fourth fluid meets the first fluid flowing from the upstream side of the fourth fluid inlet 32 and flows toward the central contraction portion 34, while the first fluid and the fourth fluid are mixed and mixed. k is obtained.
図示するように、第4流体流入口の配置プロファイル32は、流路の流れ方向に対して凹状であり、その下流に中央縮流部34が配置されている。このような配置プロファイル32と中央縮流部34との関係は、先に図3を参照して説明した配置プロファイル28と中央縮流部30との関係と同様である。従って、中央縮流部34を通過する流体に関して、それを構成する流体塊について、そこに含まれる第1流体および第4流体の滞留時間分布はシャープになる。 As shown in the drawing, the arrangement profile 32 of the fourth fluid inflow port is concave with respect to the flow direction of the flow path, and the central flow contracting portion 34 is arranged downstream thereof. The relationship between the arrangement profile 32 and the central current reducing portion 34 is the same as the relationship between the arrangement profile 28 and the central current reducing portion 30 described above with reference to FIG. Therefore, regarding the fluid passing through the central contracted portion 34, the residence time distribution of the first fluid and the fourth fluid included in the fluid mass constituting the fluid mass becomes sharp.
図4の混合デバイスでは、中央縮流部34の下流に凸状の配置プロファイルを有する第2流体供給口20が配置され、その下流に側方縮流部22が位置する。図示するように、中央縮流部34はその下流で流体のバルクの流れ方向に沿って遷移的に広がり、その後、側方縮流部22に向かって分岐する。 In the mixing device of FIG. 4, the second fluid supply port 20 having a convex arrangement profile is disposed downstream of the central contraction section 34, and the side contraction section 22 is positioned downstream thereof. As shown in the figure, the central contraction part 34 is extended downstream along the flow direction of the bulk of the fluid downstream, and then branches toward the side contraction part 22.
容易に理解できるように、図2を参照して先に説明した第1流体は、図4の場合の混合物kに相当する。混合物kが第2流体流入口20から流入する第2流体とが出会った後は、図2を参照して説明した場合と同様である。即ち、図4の態様は、図2の態様の上流側に、流体供給口32および中央縮流部34を設けた態様に相当する。 As can be easily understood, the first fluid described above with reference to FIG. 2 corresponds to the mixture k in the case of FIG. After the mixture k meets the second fluid flowing in from the second fluid inflow port 20, it is the same as the case described with reference to FIG. That is, the mode of FIG. 4 corresponds to a mode in which the fluid supply port 32 and the central flow contracting portion 34 are provided on the upstream side of the mode of FIG.
中央縮流部34の後、平板状流路は遷移的に広がり、混合物kは、更に下流に流れる。その間、第2流体が供給され、第1流体および第4流体ならびに第2流体が、側方縮流部22に向かって流れる。このような流れに関しては、図2を参照して説明した、第1流体(図4では、第1流体と第4流体との混合物kに相当する)と第2流体との混合の説明が当て嵌まる。 After the central constricted section 34, the flat plate-like channel is expanded in a transitional manner, and the mixture k flows further downstream. Meanwhile, the second fluid is supplied, and the first fluid, the fourth fluid, and the second fluid flow toward the side contracted flow portion 22. With regard to such a flow, the description of the mixing of the first fluid (corresponding to the mixture k of the first fluid and the fourth fluid in FIG. 4) and the second fluid described with reference to FIG. 2 is applicable. Maru.
尚、第2流体流入口の配置プロファイル20を凸状とし、その上流側に中央縮流部34を配置することによって、図4から容易に理解できるように、混合物kが第2流体と出会うまでに移動する距離、従って、中央縮流部34と第2流体流入口20との間の距離がいずれの流体塊についても可及的に等しくなるようになっている。そのため、図4に示す態様では、中央縮流部34を出た後、流体塊が第2流体に出会うまでの時間は、各流体塊間で可及的に等しくなるという利点がある。 By arranging the second fluid inflow arrangement profile 20 in a convex shape and disposing the central constricted portion 34 on the upstream side thereof, as can be easily understood from FIG. 4, until the mixture k meets the second fluid. Therefore, the distance between the central constriction 34 and the second fluid inlet 20 is made as equal as possible for any fluid mass. Therefore, in the aspect shown in FIG. 4, there is an advantage that the time until the fluid mass meets the second fluid after exiting the central flow-reducing portion 34 becomes as equal as possible between the fluid masses.
図5に、本発明の混合デバイスの更に別の態様を模式的に示す。図示した態様では、図3に示した態様と図4に示した態様とを組み合わせている。即ち、図5に示す混合デバイスは、図3の態様において、その上流側に図4の流体流入口32および中央縮流部34を設けた態様に対応する。従って、図3を参照して説明した事項および図4を参照して説明した事項が、図5の混合デバイスに当て嵌まる。また、図5に示す混合デバイスでは、4種類の流体、即ち、第1〜第4流体を混合するに際して、いずれの流体塊に関しても、そこに含まれる各流体についてよりシャープな滞留時間分布をもたらすことができる。尚、図5では、各流体塊が流れていく方向を矢印にて模式的に示している。 FIG. 5 schematically shows still another embodiment of the mixing device of the present invention. In the illustrated embodiment, the embodiment shown in FIG. 3 and the embodiment shown in FIG. 4 are combined. That is, the mixing device shown in FIG. 5 corresponds to the aspect in which the fluid inlet 32 and the central constricted part 34 in FIG. 4 are provided on the upstream side in the aspect of FIG. Therefore, the matter described with reference to FIG. 3 and the matter described with reference to FIG. 4 apply to the mixing device of FIG. Further, in the mixing device shown in FIG. 5, when four types of fluids, that is, the first to fourth fluids are mixed, for each fluid mass, a sharper residence time distribution is provided for each fluid contained therein. be able to. In FIG. 5, the direction in which each fluid mass flows is schematically indicated by an arrow.
図5の本発明の混合デバイスでは、第4流体流入口32から下流に向かって、中央縮流部34、第2流体流入口20、側方縮流部22、そして、第3流体流入口28が配置されている。容易に理解できるように、第4流体流入口32から第3流体流入口28の手前までを1つのユニットu0と考え、更にもう1種の流体を混合したい場合には、このユニットu0の第4流体流入口32の下流側に、図3の態様の一部(即ち、第3流体流入口28および中央縮流部30に対応する要素u1)を組み合わせるか、あるいは第3流体流入口32の上流側に、図3の態様の他の一部(即ち、側方縮流部22および第2流体流入口20に対応する要素u2)を組み合わせればよい。図5に示す態様は、u0の下流側にu1を結合した態様に相当する。 In the mixing device of the present invention shown in FIG. 5, the central contracted portion 34, the second fluid inlet 20, the side contracted portion 22, and the third fluid inlet 28 are provided downstream from the fourth fluid inlet 32. Is arranged. As can be easily understood, when the unit from the fourth fluid inlet 32 to the front of the third fluid inlet 28 is considered as one unit u0, and another fluid is desired to be mixed, A part of the embodiment of FIG. 3 (that is, the element u1 corresponding to the third fluid inlet 28 and the central constricted portion 30) is combined on the downstream side of the fluid inlet 32, or upstream of the third fluid inlet 32. The other part of the embodiment of FIG. 3 (that is, the element u2 corresponding to the side contracted flow part 22 and the second fluid inlet 20) may be combined on the side. The mode illustrated in FIG. 5 corresponds to a mode in which u1 is coupled to the downstream side of u0.
容易に理解できるように、第1流体に加えて他の2種の流体を混合できるu0を繰り返し単位として用いて、これを複数個(n個、nは2以上の整数)直列に結合することによって(2×n+1)種(即ち、5以上の奇数種)の流体を混合できる混合デバイスを得ることができる。必要な数が(2×n+1)とならない場合は、所望の数より1つ多い流体を混合できるようにユニットu0を複数個結合して、結合して得られたデバイスのいずれかの端に位置する流体供給口を削ればよい。例えば6種の流体を混合する場合、ユニットu0を3つ直列に結合し、端に位置するいずれかの流入口を削除すればよい。 As can be easily understood, u0, which can mix other two fluids in addition to the first fluid, is used as a repeating unit, and a plurality (n, n is an integer of 2 or more) are connected in series. Thus, a mixing device capable of mixing (2 × n + 1) types of fluids (that is, odd numbers of 5 or more) can be obtained. If the required number does not equal (2 × n + 1), combine multiple units u0 so that one more fluid than the desired number can be mixed and positioned at either end of the resulting device. What is necessary is just to shave the fluid supply port to do. For example, when six kinds of fluids are mixed, three units u0 may be connected in series, and one of the inlets located at the end may be deleted.
本発明の混合デバイスにおいて、第1流体流入口以外の他の流体流入口の少なくとも1つの下流、好ましくは直ぐ下流に邪魔板部が存在するのが好ましい。この邪魔板部は、平板状流路の厚さ部分のディメンションをその長さ方向の少なくとも一部分にわたって短くすることによって流体が通過できる流路の厚さ方向のディメンションを部分的に小さくする、即ち、流路の厚さを部分的に小さくする機能を有する。この邪魔板部では、流路の厚さが部分的に小さくなることによってその部分での流体の流速が速くなり、その結果、流体同士の混合が促進される。例えば、平板状流路の底部に幅方向に延在する突出部を配置して堰として機能する邪魔板部を設けることができる。 In the mixing device of the present invention, it is preferable that the baffle plate portion is present at least one downstream of the other fluid inlet other than the first fluid inlet, preferably immediately downstream. The baffle plate partly reduces the dimension in the thickness direction of the flow path through which the fluid can pass by shortening the dimension of the thickness part of the flat channel over at least part of its length direction, i.e. It has a function of partially reducing the thickness of the channel. In this baffle plate portion, the flow rate of the fluid in that portion is increased by partially reducing the thickness of the flow path, and as a result, mixing of the fluids is promoted. For example, a baffle plate portion functioning as a weir can be provided by arranging a protruding portion extending in the width direction at the bottom of the flat channel.
本発明の混合デバイスにおいて、平板状流路では、それが分岐して側方縮流部を形成し、また、そのような側方縮流部が合流して元の流路に戻り、その後、その流路の幅が狭くなる中央縮流部が形成されている。別の態様では、側方縮流部が形成される前に、平板状流路の幅が狭くなって中央縮流部となり、それが元の流路に戻り、その後、その流路が分岐して側方縮流部が形成される。このように、平板状流路は、全体としては平板の形態ではあるが、流路における流れ方向に沿ってその幅が変化している。この幅の変化は、遷移的であるのが好ましい。即ち、幅が変化する場合は、不連続に変化するよりも連続的に変化するのが好ましい。 In the mixing device of the present invention, in the flat channel, it branches to form a laterally contracted portion, and such laterally contracted portions merge to return to the original channel, A central constricted portion is formed in which the width of the flow path is narrowed. In another aspect, before the side contracted portion is formed, the flat channel is narrowed to become the central contracted portion, which returns to the original channel, and then the channel branches off. As a result, a laterally contracted portion is formed. As described above, the flat channel has a flat plate shape as a whole, but its width changes along the flow direction in the channel. This change in width is preferably transitional. That is, when the width changes, it is preferable to change continuously rather than discontinuously.
例えば、図5に示すように、第2流体流入口20から側方縮流部22に向かっては、流路の幅W1は、下流に向かって徐々に小さくなり、側方縮流部22から第3流体流入口28に向かっては、流路の幅W2は、下流に向かって徐々に大きくなっている。また、第3または第4流体流入口28から中央縮流部30または34に向かっては、流路の幅W3またはW4は、下流に向かって徐々に小さくなっている。更に、中央縮流部34から第2流体流入口22に向かっては、流路の幅W5は、下流に向かって徐々に大きくなっている。このような変化を遷移的であると本明細書では呼ぶ。これとは対照的に、図1に示す態様では、幅の変化は、不連続であると本明細書では呼ぶ。 For example, as shown in FIG. 5, the width W <b> 1 of the flow path gradually decreases toward the downstream side from the second fluid inlet 20 toward the side contracted part 22, and Toward the third fluid inlet 28, the width W2 of the flow path gradually increases toward the downstream. Further, the width W3 or W4 of the flow path gradually decreases toward the downstream from the third or fourth fluid inlet 28 toward the central contracted portion 30 or 34. Furthermore, the width W5 of the flow path gradually increases toward the downstream from the central contraction portion 34 toward the second fluid inlet 22. Such changes are referred to herein as transitive. In contrast, in the embodiment shown in FIG. 1, the change in width is referred to herein as discontinuous.
図6に示す態様では、図5に平面図で示した混合デバイスを模式的に分解した様子で示している。但し、平板状流路についてはその詳細は省略しているので、図5を参照されたい。図6では、第2〜第4流体の供給方式を模式的に示している。図示した態様では、下側プレート14の下方に隣接して設けた流体チャンバー形成フレーム40によって各流体の保持チャンバー42、44および46を形成し、各保持チャンバーにそれぞれの流体を供給する。各保持チャンバーから下側プレート14を貫通して設けた複数の穿孔部を介して流体流路に各流体を供給する。図6に示す穿孔部については、簡単のため、配置プロファイルの凹凸形状を省略している。 In the embodiment shown in FIG. 6, the mixing device shown in the plan view in FIG. 5 is schematically disassembled. However, details of the flat channel are omitted, so refer to FIG. In FIG. 6, the supply system of the 2nd-4th fluid is shown typically. In the illustrated embodiment, each fluid holding chamber 42, 44 and 46 is formed by a fluid chamber forming frame 40 provided adjacent to the lower side of the lower plate 14, and each fluid is supplied to each holding chamber. Each fluid is supplied from each holding chamber to the fluid flow path through a plurality of perforations provided through the lower plate 14. About the perforated part shown in FIG. 6, the uneven | corrugated shape of an arrangement | positioning profile is abbreviate | omitted for simplicity.
本発明の混合デバイスにおいて、混合している流体の温度を制御したい場合、例えば、所定の温度で流体を混合したい場合、図6に示すように、流体流路を構成する壁面、例えば上側プレート12に隣接して所定温度の熱媒を流す。具体的には、上側プレート12の上にフレーム50およびプレート52を配置して熱媒流路54を形成し、図1を参照して説明した第1流体を平板状流体流路10に供給するのと同様にして、プレート52に設けた流入口56から所定温度の熱媒を熱媒流路54に供給し、流出口58から熱媒を取り出す。 In the mixing device of the present invention, when it is desired to control the temperature of the fluid being mixed, for example, when it is desired to mix the fluid at a predetermined temperature, as shown in FIG. A heating medium having a predetermined temperature is allowed to flow adjacent to. Specifically, the frame 50 and the plate 52 are arranged on the upper plate 12 to form the heat medium passage 54, and the first fluid described with reference to FIG. In the same manner as described above, a heating medium having a predetermined temperature is supplied from the inlet 56 provided in the plate 52 to the heating medium passage 54, and the heating medium is taken out from the outlet 58.
本発明の混合デバイスは、マイクロデバイスの製造に際して常套的に採用されている金属の微細加工技術を用いて製造できる。従って、図6に示す混合デバイスを構成する種々の要素は金属で形成されており、その結果、平板状流路を構成する壁面に隣接して所定温度の熱媒を流すことによって流体流路を流れる流体の温度を制御できる。図示した態様では、流体流路の上側壁面に熱媒流路54を形成しているが、他の壁面に隣接して熱媒を流すように構成してもよい。そのような他の壁面は、流体の供給に関与しない壁面またはその一部分であってよい。例えば各保持チャンバーを小さくすることによって、下側プレート14に隣接する熱媒流路を形成することもできる。また、流体流路の側面に隣接して熱媒流路を設けることもできる。 The mixed device of the present invention can be manufactured using a metal microfabrication technique that is conventionally employed in the manufacture of microdevices. Accordingly, various elements constituting the mixing device shown in FIG. 6 are made of metal, and as a result, the fluid flow path is formed by flowing a heat medium having a predetermined temperature adjacent to the wall surface constituting the flat flow path. The temperature of the flowing fluid can be controlled. In the illustrated embodiment, the heat medium flow channel 54 is formed on the upper wall surface of the fluid flow channel, but the heat medium may flow adjacent to the other wall surface. Such other wall surface may be a wall surface that is not involved in the fluid supply or a part thereof. For example, the heat medium flow path adjacent to the lower plate 14 can be formed by reducing each holding chamber. Further, a heat medium flow path can be provided adjacent to the side surface of the fluid flow path.
上述の本発明の混合デバイスは、流体が混合した結果、流体間で反応が生じる場合には、反応器として使用でき、即ち、マイクロリアクターとして機能できる。即ち、本発明は、マイクロリアクターとしての混合デバイスを提供する。また、本発明の混合デバイスにおいて流体は特に限定されるものではないが、流体が液体である場合に本発明のデバイスを好適に利用できる。尚、上述の説明において、流体を区別するために「第1〜第4」なる用語を用いているが、これらの用語は、異なる流入口を介して流体流路に流体が供給されることを意味している。従って、これらの流体は、全て異なる種類であってもよいが、全ての流体が異なる必要は必ずしもない。 The mixing device of the present invention described above can be used as a reactor when a reaction occurs between fluids as a result of mixing of fluids, that is, it can function as a microreactor. That is, the present invention provides a mixing device as a microreactor. Moreover, although the fluid is not specifically limited in the mixing device of this invention, When the fluid is a liquid, the device of this invention can be utilized suitably. In the above description, the terms “first to fourth” are used to distinguish fluids. These terms indicate that fluid is supplied to the fluid flow path via different inlets. I mean. Thus, these fluids may all be of different types, but not all fluids need necessarily be different.
本発明の混合デバイスでは、流体を混合するに際して、流体塊に含まれる各流体の滞留時間分布をよりシャープにできるので、流体を混合する場合、より均一な混合状態を達成することができる。このような混合デバイスを用いて反応を実施すると、反応転化率がいずれの流体塊についても可及的に等しくなるので、反応を均一に実施でき、その結果、反応の転化率、収率を向上させることができる。 In the mixing device of the present invention, when the fluid is mixed, the residence time distribution of each fluid contained in the fluid mass can be made sharper. Therefore, when the fluid is mixed, a more uniform mixed state can be achieved. When the reaction is carried out using such a mixing device, the reaction conversion rate becomes as equal as possible for any fluid mass, so that the reaction can be carried out uniformly, and as a result, the conversion rate and yield of the reaction are improved. Can be made.
10…平板状流路、12…上側プレート、14…下側プレート、16…流路フレーム、
18…第1流体流入口、20…第2流体流入口、
21…配置プロファイルの両端を結ぶ線、22…側方縮流部、24…流れ遮蔽手段、
24a…流れに対向する壁面、26…流体流出口、28…第3流体流入口、
30…中央縮流部、32…第4流体流入口、34…中央縮流部、
40…流体チャンバー形成フレーム、42,44,46…流体保持チャンバー、
50…フレーム、52…プレート、54…熱媒流路、56…熱媒流入口、
58…熱媒流出口。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Flat flow path, 12 ... Upper plate, 14 ... Lower plate, 16 ... Flow path frame,
18 ... first fluid inlet, 20 ... second fluid inlet,
21: Line connecting both ends of the arrangement profile, 22 ... Side constricted portion, 24 ... Flow shielding means,
24a ... Wall surface facing the flow, 26 ... Fluid outlet, 28 ... Third fluid inlet,
30 ... Central contraction part, 32 ... 4th fluid inflow port, 34 ... Central contraction part,
40 ... Fluid chamber forming frame, 42, 44, 46 ... Fluid holding chamber,
50 ... Frame, 52 ... Plate, 54 ... Heat medium flow path, 56 ... Heat medium inlet,
58 ... Heat medium outlet.
Claims (16)
流体が上流から下流に向かって流れる平板状流路、
平板状流路の上流側に位置する、第1流体が流入する第1流体流入口、
第1流体流入口の下流側に位置する、第2流体が流入する第2流体流入口、および
第2流体流入口の下流側に位置し、平板状流路が分割されて形成された側方縮流部
を有して成り、
第2流体流入口は、平板状流路内へ通じる複数の穿孔部であり、複数の穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凸状であることを特徴とする混合デバイス。 A mixing device for mixing fluids,
A flat channel in which the fluid flows from upstream to downstream,
A first fluid inlet into which the first fluid flows, which is located upstream of the flat channel,
A second fluid inlet port into which the second fluid flows, which is positioned downstream of the first fluid inlet port, and a side surface which is formed downstream of the second fluid inlet port and is formed by dividing the flat plate-like channel Having a constricted portion,
The second fluid inlet is a plurality of perforations that communicate into the flat channel, and the arrangement profile of the plurality of perforations is convex with respect to the flow direction of the bulk of the fluid in the flat channel. Feature mixing device.
第3流体流入口の下流側に位置する、平板状流路の中央縮流部
を更に有して成り、
第3流体流入口は、平板状流路内へ通じる複数の穿孔部であり、複数の穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凹状であることを特徴とする、請求項1に記載の混合デバイス。 The third fluid inlet into which the third fluid flows is located in a region where they are merged on the downstream side of the side contracted flow portion, and the central contraction of the flat plate-like channel located on the downstream side of the third fluid inlet. Further comprising a flow part,
The third fluid inflow port is a plurality of perforations connected to the flat channel, and the arrangement profile of the plurality of perforations is concave with respect to the bulk flow direction of the fluid in the flat channel. The mixing device according to claim 1.
第4流体流入口は、平板状流路内へ通じる複数の穿孔部であり、複数の穿孔部の配置プロファイルは、平板状流路における流体のバルクの流れ方向に対して凹状であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の混合デバイス。 A first fluid inflow port and a second fluid inflow port, further including a fourth fluid inflow port through which the fourth fluid flows and a central contraction portion located downstream thereof;
The fourth fluid inflow port is a plurality of perforations connected to the flat channel, and the arrangement profile of the plurality of perforations is concave with respect to the bulk flow direction of the fluid in the flat channel. The mixing device according to claim 1 or 2.
The fluid mixing method according to claim 15, wherein the fluid is a liquid.
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