JP4590557B2

JP4590557B2 - マイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法

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Publication number: JP4590557B2
Application number: JP2005148719A
Authority: JP
Inventors: 武彦北森; 幸夫金; 直樹佐々木
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: JP2006320877A

Description

本発明は、マイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法に関し、詳しくは、断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌するマイクロミキサーおよび断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌する撹拌方法並びに断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に層状に流れる複数の流体を混合する混合方法に関する。

流路内の流体を撹拌したり、複数の流体の混合を促進する手法としては、先端部にプロペラを有するミキサーをモータで駆動することにより撹拌したり混合する機械的な手法や超音波を照射することにより撹拌したり混合する手法などが種々提案されている。

しかしながら、断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下のマイクロ流路内に流れる流体を撹拌したり混合する場合には、機械的手法によっては行なうことができない。また、超音波を用いて撹拌したり混合する場合には、超音波発信器を備える必要から装置が大型化してしまう。こうした問題に対して、流路を三次元的にくねらせた構造としたり、流路内の流れを乱す構造物を形成したりしてその撹拌性や混合性を高めることも考えられるが、いずれの場合にも流路の形成が困難なものとなる。

本発明のマイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法は、断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下のマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌したり混合することを目的の一つとする。また、本発明のマイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法は、簡易な構成により、断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下のマイクロ流路内に流れる流体を撹拌したり混合することを目的の一つとする。

本発明のマイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明のマイクロミキサーおよび流体の撹拌方法並びに流体の混合方法は、
断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌するマイクロミキサーであって、
前記流路に配設された複数の電極と、
前記複数の電極に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明のマイクロミキサーでは、流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することにより、流路に流れる流体を撹拌する。これは、流体内に配設された二つの電極に交流電圧を印加すると、各電極上の流体粒子に他方の電極から遠ざかる方向の力が作用して流体内に対流が生じる、いわゆる交流電気浸透が生じる現象に基づく。即ち、流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することにより、流路内の流体に交流電気浸透を生じさせ、流路内の流体にその流向とは異なる方向の対流現象作用を生じさせ、これにより流体を撹拌するのである。したがって、流路内に複数の電極を配設すると共に配設した複数の電極に交流電圧を印加するだけで断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌することができる。この結果、簡易な構成により、こうしたマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌することができる。ここで、本発明のマイクロミキサーにおいて、流路の断面の相当直径については１０００マイクロメートル以下であればよく、断面の相当直径としては、５００マイクロメートルや１００マイクロメートル、５０マイクロメートル、１０マイクロメートルなどを用いるものとしてもよい他、ナノメートルオーダーを用いるものとしてもよい。

こうした本発明のマイクロミキサーにおいて、前記複数の電極は、前記流路における流体の流心に対して非対称となるよう配設されてなるものとすることもできる。こうすれば、流体に対して非対称な対流現象作用を生じさせるから、より迅速に撹拌することができる。

また、本発明のマイクロミキサーにおいて、前記複数の電極は、千鳥状に配設されてなるものとすることもできる。こうすれば、流体に対して直交する複数の方向の対流現象作用を生じさせるから、より迅速に撹拌することができる。

さらに、本発明のマイクロミキサーにおいて、前記複数の電極は、二つの電極を該二つの電極間の隙間が曲線状となるよう形成されて配設されてなるものとすることもできる。こうすれば、流体の流心に対して対流現象作用を曲線状に変化させることができるから、より迅速に撹拌することができる。この場合、前記二つの電極は、該二つの電極間の隙間が波線状となるよう形成されて配設されてなるものとすることもできる。

あるいは、本発明のマイクロミキサーにおいて、前記複数の電極は、同一平面上に配置されてなるものとすることもできる。こうすれば、容易に複数の電極を配設することができる。

本発明のマイクロミキサーにおいて、前記交流電圧印加手段は、振幅が１Ｖ以上の電圧で周波数が１００Ｈｚ以上の交流電圧を印加可能な手段であるものとすることもできる。この場合、振幅は１Ｖ以上であれば３Ｖや５Ｖ，１０Ｖ，３０Ｖ，５０Ｖなど種々のものを用いることができるし、周波数も１００Ｈｚ以上であれば３００Ｈｚや５００Ｈｚ，１ｋＨｚ，３ｋＨｚ，５ｋＨｚなど種々のものを用いることができる。

本発明のマイクロミキサーにおいて、前記流路の断面の相当直径ｄｈ、前記流路の長さＬ、前記流体の流速ｖ、前記流体の拡散係数Ｄとしたときに、ｖ・ｄｈ／Ｄにより演算されるペクレ数が１０²〜１０⁴の範囲に対し、Ｌ／ｄｈにより演算される対象演算値が１０⁰〜１０²の範囲となる条件を満たす範囲で用いられるものとすることもできる。この場合、前記ペクレ数と前記対象演算値とを両対数座標で示したときに前記ペクレ数が１０²〜１０⁴の範囲に対し、前記対象演算値は１０⁰〜１０²の範囲で前記ペクレ数の増加に対して直線的に増加する所定の関係より前記対象演算値が大きくなる条件を満たす範囲で用いられるものとすることもできる。こうすれば、より撹拌効果の高いものとすることができる。

本発明の撹拌方法は、
断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌する撹拌方法であって、
前記流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することを特徴とする。

この本発明の撹拌方法では、本発明のマイクロミキサーと同様に、流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することにより、流路内の流体に交流電気浸透を生じさせ、流路内の流体にその流向とは異なる方向の対流現象作用を生じさせ、これにより流体を撹拌する。したがって、流路内に複数の電極を配設すると共に配設した複数の電極に交流電圧を印加するだけで断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌することができる。この結果、簡易な構成により、こうしたマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌することができる。

本発明の混合方法は、
断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に層状に流れる複数の流体を混合する混合方法であって、
前記流路に複数の電極を配設すると共に該複数の電極に交流電圧を印加することにより前記複数の流体を混合することを特徴とする。

この本発明の混合方法は、本発明のマイクロミキサーと同様に、流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することにより、流路内の流体に交流電気浸透を生じさせ、流路内の流体にその流向とは異なる方向の対流現象作用を生じさせ、これにより複数の流体を混合する。したがって、流路内に複数の電極を配設すると共に配設した複数の電極に交流電圧を印加するだけで断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に層状に流れる複数の流体を混合することができる。この結果、簡易な構成により、こうしたマイクロ流路内に層状に流れる複数の流体を迅速に混合することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのマイクロミキサー２０の平面的な構成の概略を模式的に示す構成図である。実施例のマイクロミキサー２０は、図示するように、導入流路１２，１４から異なる液体（Ａ液およびＢ液）が供給される混合流路２２と、この混合流路２２の底部に隙間が波線状となる一対の電極２４ａ，２４ｂと、この電極２４ａ，２４ｂに交流電圧を印加する交流電源２６とを備える。

混合流路２２は、その断面は幅が１２０μｍで深さが４０μｍの略円弧状に形成されており、長さが１０ｍｍとして形成されている。一対の電極２４ａ，２４ｂは、混合流路２２内に流れる流体の流心に沿って対をなし、その隙間が波線状となり長手方向（流心に沿った方向）の長さが１．５ｍｍとなるよう形成されて混合流路２２の底部に同一平面状となるよう配設されている。また、交流電源２６は、振幅の電圧が１０Ｖで周波数が１ｋＨｚの交流電圧を印加する電源として構成されている。なお、導入流路１２，１４から導入されるＡ液およびＢ液は、混合流路２２での流速が３ｍｍ／ｓ〜１５ｍｍ／ｓ程度となるよう流量調節がなされている。

次に、こうして構成された実施例のマイクロミキサー２０による撹拌の原理について説明する。一般に、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路内に流れる流体は乱流領域になり難く、層流領域で流れる。したがって、同一の流量のＡ液とＢ液とを混合流路２２に導入すると、Ａ液とＢ液は流路の中央を境として図１中では上下に層をなして流れ、それぞれの拡散係数にしたがった拡散により混合する。こうしたマイクロ流路の底部に一対の電極を設け、この一対の電極に交流電圧を印加すると、電極上の流体粒子が他方の電極から遠ざかる方向に移動する現象が見られる。この現象は交流電気浸透として知られている。図２に例示するように、マイクロ流路としての混合流路２２内の流体の流心に沿って一対の電極２４ａ，２４ｂを配置して電極２４ａ，２４ｂに交流電圧を印加すれば、こうした交流電気浸透による流体粒子の移動に伴って混合流路２２内の流体の流心に対して対称をなす二つの対流現象作用が生じる。ここで、図３に例示するように、混合流路２２内の流体の流心に対して偏心して、即ち、一方の電極２４ａを他方の電極２４ｂより大きな面積となるように配置して電極２４ａ，２４ｂに交流電圧を印加すれば、混合流路２２内の流体の流心から偏心した位置で非対称の二つの対流現象作用が生じる。前述したように、混合流路２２内ではＡ液とＢ液とは流路の中央を境として層を流れるから、図３に例示するように、電極２４ａ，２４ｂを混合流路２２内の流体の流心に対して偏心するように配置すれば、交流電気浸透による非対称の二つの対流現象作用によりＡ液とＢ液との混合が行なわれる。実施例のマイクロミキサー２０では、図１に示すように、電極２４ａ，２４ｂは混合流路２２内の流体の流心に沿ってその隙間が波線状となるように形成されて配置されているから、混合流路２２の流れに沿って、電極２４ａが電極２４ｂより大きな面積となるように配置された状態と逆に電極２４ｂが電極２４ａより大きな面積となるように配置された状態とを繰り返すことになる。このため、混合流路２２内では、Ａ液側に偏った非対称の二つの対流現象作用とＢ液側に偏った非対称の二つの対流現象作用とが繰り返されることにより混合流路２２内が撹拌され、Ａ液とＢ液とが迅速に混合される。

次に、実施例のマイクロミキサー２０の性能について説明する。図４は、実施例のマイクロミキサー２０における混合流路２２内の流体（Ａ液およびＢ液）の流速Ｖと９０％混合するのに必要な混合流路２２内における電極２４ａ，２４ｂの長さを比較例と共に示した説明図である。ここで比較例は、実施例のマイクロミキサー２０から電極２４ａ，２４ｂを取り除いたときの混合流路２２内の流体（Ａ液およびＢ液）の流速Ｖと９０％混合するのに必要な混合流路２２の長さである。図示するように、比較例では、混合流路２２内の流体の流速が４ｍｍ／ｓ〜１２ｍｍ／ｓの範囲内で９０％混合するのに必要な混合流路２２の長さが１５ｍｍ〜１００ｍｍ程度であるのに対して、実施例では、同一の混合流路２２内の流体の流速の範囲に対して９０％混合するのに必要な電極２４ａ，２４ｂの長さは０．３ｍｍ〜１．２ｍｍ程度となる。したがって、実施例では、混合流路２２の長さを比較例に比して１／１０〜１／１００程度にすることができる。

実施例のマイクロミキサー２０では、その緒言（断面の幅や深さ、断面形状、流路内の流速）を変更すれば、電極２４ａ，２４ｂの長さや混合流路２２の長さが変化する。そこで、一般的な緒言とするために、混合流路２２内の流体の流速を「Ｖ」、混合流路２２の断面の相当直径を「ｄｈ」、混合流路２２内の流体の拡散係数を「Ｄ」、９０％混合するのに必要な混合流路２２内における電極２４ａ，２４ｂの長さを「Ｘ９０」としたときに、Ｖ・ｄｈ／Ｄで表わされるペクレ数Ｐｅと９０％混合するのに必要な混合流路２２内における電極２４ａ，２４ｂの長さを混合流路２２の断面の相当直径で除したＸ９０／ｄｈとの関係を示せば、図５に示すように、ペクレ数Ｐｅが１０²〜１０⁴の範囲でＸ９０／ｄｈが１０⁰〜１０²の範囲となる。この図５の関係は、詳しくは、ペクレ数Ｐｅを横軸にＸ９０／ｄｈを縦軸に両対数軸としたときに図中のポイントを結ぶ近似直線より左上の領域となるように緒言を調整すれば、Ａ液とＢ液との混合率が９０％以上として取り出すことができることを意味している。したがって、必要な混合率から実施例のマイクロミキサー２０の混合流路２２の断面の幅や深さ、断面形状、流路内の流速、電極２４ａ，２４ｂの長さを設定することができる。

以上説明した実施例のマイクロミキサー２０によれば、交流電気浸透を利用することにより、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌したり混合することができる。しかも、混合流路２２内の流体の流心に対して偏心するよう混合流路２２の底部に一対の電極２４ａ，２４ｂを配設すると共にこの一対の電極２４ａ，２４ｂに交流電圧を印加するだけで、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌したり混合することができる。即ち、簡易な構成でマイクロ流路内に流れる流体を迅速に撹拌したり混合することができる。これらの結果、混合流路２２の長さを従来からの比較例に比して短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。

実施例のマイクロミキサー２０では、一対の電極２４ａ，２４ｂを混合流路２２の底部に配設するものとしたが、一対の電極２４ａ，２４ｂを混合流路２２の底部に配設するものに限定されるものではなく、一対の電極２４ａ，２４ｂを混合流路２２の頂部や側部など種々の部位に配設するものとしてもよい。この場合、一対の電極２４ａ，２４ｂを同一平面上に配置しないものとしても構わない。

実施例のマイクロミキサー２０では、混合流路２２の断面を幅が１２０μｍで深さが４０μｍの略円弧状としたが、混合流路２２の断面は、相当直径が１０００μｍ以下であれば、如何なる断面形状としてもよい。即ち、円形断面としてもよいし、矩形断面としてもよいし、多角形断面や楕円断面などとしても構わない。また、こうした混合流路２２としては、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路であればよく、マイクロ流路の断面の相当直径としては、５００μｍや１００μｍ、５０μｍ、１０μｍなどを用いるものとしてもよい他、ナノメートルオーダーを用いるものとしてもよい。

実施例のマイクロミキサー２０では、混合流路２２内の流体の流心に対して偏心するよう混合流路２２の底部にその隙間が波線状となるよう形成された一対の電極２４ａ，２４ｂを配設するものとしたが、混合流路２２内の流体の流心に対して偏心しないように混合流路２２の底部にその隙間が直線状となるよう形成された矩形の一対の電極を配設するものとしても構わない。

また、実施例のマイクロミキサー２０では、混合流路２２内に流れる流体の流心に沿って対をなし、その隙間が波線状となるよう一対の電極２４ａ，２４ｂを形成して混合流路２２の底部に配設するものとしたが、混合流路２２内に流れる流体の流心に対して偏心していればよいから、図６の変形例のマイクロミキサー１２０に例示するように、混合流路１２２の底部に混合流路１２２内に流れる流体の流心から偏心するよう二対の電極１２４ａ，１２４ｂを配設するものとしてもよい。この場合でも実施例と同様に混合流路１２２内の流体を迅速に撹拌したり混合することができる。また、図７の変形例のマイクロミキサー２２０に例示するように、混合流路２２２の底部の中央に電極２２４ａを配設すると共に混合流路２２２の底部の両サイドに二つの電極２２４ｂを配設するものとしてもよい。この場合、中央の電極２２４ａは、二つの電極を合体させたものと見ることができ、対流現象作用は混合流路２２２内に流れる流体の流心から偏心している。この場合でも実施例と同様に混合流路２２２内の流体を迅速に撹拌したり混合することができる。さらに、図８の変形例のマイクロミキサー３２０に例示するように、その隙間が曲線状となるように且つその隙間が混合流路３２２内に流れる流体の流心から偏心するように一対の電極３２４ａ，３２４ｂを形成して混合流路３２２の底部に配設するものとしてもよい。このほか、矩形や円形，楕円形に形成された複数の電極を混合流路２２内に千鳥状に配置するものとしても構わない。

実施例のマイクロミキサー２０では、混合流路２２に導入流路１２，１４から異なる液体（Ａ液およびＢ液）が導入されるものとしたが、導入される液体は２液に限定されるものではなく、３以上の複数の液体が導入されるものとしてもよいし、１液のみが導入されるものとしても構わない。

実施例のマイクロミキサー２０では、一対の電極２４ａ，２４ｂに振幅の電圧が１０Ｖで周波数が１ｋＨｚの交流電圧を印加するものとしたが、電極２４ａ，２４ｂ上で交流電気浸透の現象が生じるものであれば、如何なる振幅の如何なる周波数の交流電圧であっても構わない。例えば、交流電圧の振幅は１Ｖ以上や３Ｖ，５Ｖ，１０Ｖ，３０Ｖ，５０Ｖなど種々のものを用いることができるし、周波数も１００Ｈｚや３００Ｈｚ，５００Ｈｚ，１ｋＨｚ，３ｋＨｚ，５ｋＨｚなど種々のものを用いることができる。

実施例では、本発明を装置としてのマイクロミキサーとして説明したが、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路内に流れる流体の撹拌方法の形態としてもよいし、断面の相当直径が１０００μｍ以下のマイクロ流路内に層をなして流れる複数の流体の混合方法の形態としてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、マイクロミキサーの製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としてのマイクロミキサー２０の平面的な構成の概略を模式的に示す構成図である。交流電気浸透により対称な二つの対流現象作用を説明する説明図である。非対称な二つの対流現象作用を説明する説明図である。実施例における混合流路２２内の流体の流速Ｖと９０％混合するのに必要な混合流路２２内における電極２４ａ，２４ｂの長さとの関係の一例を示す説明図である。ペクレ数ＰｅとＸ９０／ｄｈとの関係の一例を示す説明図である。変形例のマイクロミキサー１２０の構成の概略を示す構成図である。変形例のマイクロミキサー２２０の構成の概略を示す構成図である。変形例のマイクロミキサー３２０の構成の概略を示す構成図である。

符号の説明

１２，１４導入流路、２０マイクロミキサー、２２，１２２，２２２，３２２混合流路、２４ａ，２４ｂ，１２４ａ，１２４ｂ，２２４ａ，２２４ｂ，３２４ａ，３２４ｂ電極、２６交流電源。

Claims

断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌するマイクロミキサーであって、
前記流路における流体の流心に対して非対称となるよう前記流路に配設された複数の電極と、
前記複数の電極に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、
を備えるマイクロミキサー。
前記複数の電極は、千鳥状に配設されてなる請求項１記載のマイクロミキサー。
前記複数の電極は、二つの電極を該二つの電極間の隙間が曲線状となるよう形成されて配設されてなる請求項１記載のマイクロミキサー。
前記二つの電極は、該二つの電極間の隙間が波線状となるよう形成されて配設されてなる請求項３記載のマイクロミキサー。
前記複数の電極は、同一平面上に配置されてなる請求項１ないし４いずれか記載のマイクロミキサー。
前記交流電圧印加手段は、振幅が１Ｖ以上の電圧で周波数が１００Ｈｚ以上の交流電圧を印加可能な手段である請求項１ないし５いずれか記載のマイクロミキサー。
前記流路の断面の相当直径ｄｈ、前記流路の長さＬ、前記流体の流速ｖ、前記流体の拡散係数Ｄとしたときに、ｖ・ｄｈ／Ｄにより演算されるペクレ数が１０²〜１０⁴の範囲に対し、Ｌ／ｄｈにより演算される対象演算値が１０⁰〜１０²の範囲となる条件を満たす範囲で用いられる請求項１ないし６いずれか記載のマイクロミキサー。
前記ペクレ数と前記対象演算値とを両対数座標で示したときに前記ペクレ数が１０²〜１０⁴の範囲に対し、前記対象演算値は１０⁰〜１０²の範囲で前記ペクレ数の増加に対して直線的に増加する所定の関係より前記対象演算値が大きくなる条件を満たす範囲で用いられる請求項７記載のマイクロミキサー。
断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に流れる流体を撹拌する撹拌方法であって、
前記流路における流体の流心に対して非対称となるよう前記流路に配設された複数の電極に交流電圧を印加することを特徴とする
撹拌方法。
断面の相当直径が１０００マイクロメートル以下の流路に層状に流れる複数の流体を混合する混合方法であって、
前記流路における流体の流心に対して非対称となるよう前記流路に複数の電極を配設すると共に該複数の電極に交流電圧を印加することにより前記複数の流体を混合することを特徴とする
混合方法。