JP4771151B2

JP4771151B2 - マイクロミキサー

Info

Publication number: JP4771151B2
Application number: JP2006125471A
Authority: JP
Inventors: 日馨柳; 高英福山; 正明佐藤
Original assignee: Osaka Prefecture University
Current assignee: Osaka Prefecture University
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007296452A

Description

本発明は、２つの流体を混合するマイクロミキサーに関する。より詳細には、本発明は、微小な流入チャンネル、混合領域および流出チャンネルを有して成る静止型マイクロミキサーに関する。また、本発明は、かかるマイクロミキサーを有して成る混合ユニットにも関する。

近年、省エネルギー化または省スペース化の観点から、混合、化学反応および化学分析などの化学プロセスをマイクロ空間で実施することが行われている。例えば、マイクロ空間を有するマイクロミキサーは、可動部がなく省エネルギーとなる利点を有するだけでなく、比較的シンプルな構造であり大きなスペースを確保しなくてもよい利点を有している。このようなマイクロミキサーは、混合すべき流体の単位体積当りの接触界面積が増加するために混合効率が一般に良好となる。従って、マイクロミキサーは、従来のミキサーに取って代わるものとして注目を集めている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。

マイクロミキサーでより効率的な混合を達成するには、マイクロミキサーの流路幅を狭くすることが簡易であるが、流路が狭くなるにつれて圧力損失が大きくなり、省エネルギー化の点で決して好ましいとはいえない。例えば、ドイツのＩＭＭ社［Institute for Microtechnology Mainz GmbH］から市販されているマイクロミキサーである標準型single mixerの流路は２５〜５０μｍである（ＩＭＭ社のマイクロミキサーは例えば非特許文献１に開示されている）。また、単位時間当りに混合される量を増やして生産性を上げるには、混合すべき流体の流速を上げる必要があるものの、流速の増加に伴って圧力損失が増加するので、流速を増加させるにも限度がある。従って、効率的な混合と生産性との双方を鑑みて、小さい圧力損失にも拘わらず優れた混合性能を有するマイクロミキサーが求められていた。
特開２００５−２８８２５４号公報特開２００２−３４６３５３号公報株式会社アイテック（ＩＭＭ社の代理店）のホームページ、マイクロリアクター［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１８年４月２０日検索］、インターネット〈http://www.itec-es.co.jp/product/microreactor.html〉

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、小さい圧力損失にも拘わらず優れた混合性能を有するマイクロミキサーを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、
流入チャンネル１０ａを流れる流体Ａと、流体Ａの流れに対して逆方向に流入チャンネル１０ｂを流れる流体Ｂとを混合領域２０で混合した後、流体Ａと流体Ｂとを含んで成る混合物を流出チャンネル３０から排出するマイクロミキサーであって、
少なくとも１つの流入チャンネル１０ａ、
少なくとも１つの流入チャンネル１０ｂ、
流入チャンネル１０ａの終端部１２ａと流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂとが重なって形成されている少なくとも１つの混合領域２０、ならびに
混合領域２０に連通する少なくとも１つの流出チャンネル３０
を有して成り、
流入チャンネル１０ａは、流入チャンネル１０ａの終端部１２ａにて拡がるように段差面１４ａを有し、流入チャンネル１０ｂは、流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂにて拡がるように段差面１４ｂを有し、かつ
混合領域２０において、段差面１４ａに流体Ｂが衝突し、段差面１４ｂに流体Ａが衝突するように、終端部１２ａと終端部１２ｂとが対向して配置されている、マイクロミキサーを提供する。

本発明のマイクロミキサーの混合領域では、段差面１４ａと段差面１４ｂとが相互にオフセット状態（即ち「斜めにずれた状態」）で向かい合っており、流体Ａが段差面１４ｂに衝突する一方、流体Ａに対して向流状態で流れる流体Ｂが段差面１４ａに衝突するので、流体Ａと流体Ｂとが良好に接触し、混合されることになる。

本発明の好ましい態様では、マイクロミキサーが、
少なくとも２つの流入チャンネル１０ａ、および
少なくとも２つの流入チャンネル１０ｂ
を有して成り、
各々の流入チャンネル１０ａ，１０ｂが２つの混合領域２０を有している。この態様では、各々の流入チャンネル１０ａが、２つの隣接する混合領域２０を有しており、それぞれの混合領域２０が流入チャンネル１０ｂに連通している。このようなマイクロミキサーは、その内部に複数の混合領域が設けられることになり、混合される流体Ａと流体Ｂとの単位体積当りの接触界面積が大きくなる特徴を有している。

また、本発明の好ましい態様では、流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび流出チャンネル３０の横断面の平均寸法が、１００μｍ〜２０００μｍ程度、特に２００μｍ〜１０００μｍである。従って、本発明のマイクロミキサーでは、従来のマイクロミキサーよりも流路が比較的大きく、流体ＡおよびＢの圧力損失が抑えられている。ここでいう「平均寸法」とは、流入チャンネル１０ａ,１０ｂまたは流出チャンネル３０の長さ全体にわたる横断面の寸法（長さ）の平均値を意味している。

本発明のマイクロミキサーは、流路が比較的大きいにもかかわらず、混合される２流体の単位体積当り接触界面積を大きくすることができるので、流体の圧力損失を低く抑えつつ２流体の混合を達成できる効果を有している。そのため、混合すべき流体を比較的速い流速で供給した場合であっても、より多くの混合物を比較的短い時間で得ることができる。また、本発明のマイクロミキサーでは、混合すべき流体の流速が速くなると、流体の流れが段差面（１４ａ，１４ｂ）により強く衝突して乱されるので、流速の増加によって混合領域２０での２流体の混合が促進される。換言すれば、本発明のマイクロミキサーは、混合すべき流体の流速の増加に伴って混合特性が向上する効果も有している。

更に、本発明のマイクロミキサーは、いわゆるスタティックミキサーであるために、混合に必要な動力は、実質的には流体を供給する送液手段の動力のみである。

発明を実施するための形態

以下に、本発明のマイクロミキサーを詳細に説明する。なお、本明細書において「チャンネル」とは、流体Ａ,Ｂが流れる流路を意味しているが、その横断面の形状は必ずしも円形に限定されるものではなく、例えば、楕円形、矩形、正方形および多角形などの形状であってもよい。また、本明細書において「流体」とは、流入チャンネルおよび流出チャンネルを流れることができる液体、気体およびそれらの混合物のことを指しているが、これらに特に限定されるものではない。例えば、固形粒子が液体に分散したスラリーも、本明細書でいう「流体」に含めることができる。

まず、流入チャンネル１０ａ,１０ｂおよび混合領域２０を模式的に示した図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本発明のマイクロミキサーの混合原理を説明する。流入チャンネル１０ａおよび流入チャンネル１０ｂは、図１Ａに示すように、段差面（即ち、横方向面）１４ａおよび１４ｂをそれぞれ有しており、終端部１２ａおよび１２ｂで拡がっている。混合領域２０は、図１Ｂに示すように、流入チャンネル１０ａの終端部１２ａと流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂとが全体的または部分的に対向して重なることによって形成されている。図示するように、混合領域２０では、段差面１４ａと段差面１４ｂとはオフセット状態で向き合っており、流体Ａの流れ（図１Ｂでは下から上へと向かう流れ）が阻止されるように段差面１４ｂが設けられていると共に、流体Ｂの流れ（図１Ｂでは上から下へと向かう流れ）が阻止されるように段差面１４ａが設けられている。流体Ａは、混合領域２０に流入すると段差面１４ｂに衝突する一方、流体Ｂも同様に、混合領域２０に流入すると段差面１４ａに衝突するので、混合領域２０では流体Ａと流体Ｂとの良好な接触が確保されることになり、両者が緊密に混合される。流体Ａおよび流体Ｂは、それぞれ段差面１４ｂおよび段差面１４ａに衝突すると流れが乱されるので、そのような乱れによって流体Ａと流体Ｂとの混合が促進される。

混合領域２０で混合された流体Ａおよび流体Ｂは、混合領域２０に連通する流出チャンネル３０（図示せず）を流れることによってマイクロミキサーから排出される。流出チャンネル３０は、混合領域２０に連通する限り、いずれの方向に延在してもよいが、流入チャンネル１０ａ，１０ｂが延在する方向と直交する方向（図１Ａの紙面の垂直方向）に延在していることが好ましい。

図２Ａ（ａ）に流入チャンネル１０ａを模式的に示す。流入チャンネル１０ａの横断面の最大寸法Ｄ_１０ａと、流入チャンネル１０ａの終端部１２ａの横断面の最小寸法Ｄ_１２ａとの比（Ｄ_１０ａ：Ｄ_１２ａ）は、好ましくは１：１．１〜１：５であり、より好ましくは１：１．２〜１：３であり、例えば１：１．４である。ここで「流入チャンネル１０ａの横断面の最大寸法Ｄ_１０ａ」とは、流体Ａの流れ方向と直交するＰ_Ａ方向における流入チャンネル１０ａの横断面の最大の寸法（長さ）を意味しており、「終端部１２ａの横断面の最小寸法Ｄ_１２ａ」とは、Ｐ_Ａ方向における終端部１２ａの横断面の最小の寸法（長さ）を意味している。流入チャンネル１０ａの横断面の最大寸法Ｄ_１０ａは、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば７００μｍである。

図２Ａ（ｂ）に流入チャンネル１０ｂを模式的に示す。流入チャンネル１０ｂの横断面の最大寸法Ｄ_１０ｂと、流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂの横断面の最小寸法Ｄ_１２ｂとの比（Ｄ_１０ｂ：Ｄ_１２ｂ）は、好ましくは１：１．１〜１：５であり、より好ましくは１：１．２〜１：３であり、例えば１：１．４である。ここで「流入チャンネル１０ｂの横断面の最大寸法Ｄ_１０ｂ」とは、流入チャンネル１０ａの場合と同様、流体Ｂの流れ方向と直交するＰ_Ｂ方向における流入チャンネル１０ｂの横断面の最大の寸法（長さ）を意味しており、「終端部１２ｂの横断面の最小寸法Ｄ_１２ｂ」とは、Ｐ_Ｂ方向における終端部１２ｂの横断面の最小の寸法（長さ）を意味している。流入チャンネル１０ｂの横断面の最大寸法Ｄ_１０ｂは、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば７００μｍである。

また、流入チャンネル１０ａの段差面１４ａの長さＬ_１４ａと、流入チャンネル１０ａの終端部１２ａの長さＬ_１２ａとの比（Ｌ_１４ａ：Ｌ_１２ａ）は、好ましくは１：０．１〜１：１０であり、より好ましくは１：０．２〜１：５であり、例えば１：２．５である。図２Ｂ（ａ）に示すように、「流入チャンネル１０ａの段差面１４ａの長さＬ_１４ａ」とは、流入チャンネル１０ａが横方向に拡がることにより形成された横方向面の長さを意味しており、「終端部１２ａの長さ」とは、流入チャンネル１０ａが延在する方向の終端部１２ａの長さを意味している。流入チャンネル１０ａの終端部１２ａの長さＬ_１２ａは、好ましくは１０μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、４００μｍである。

流入チャンネル１０ａの場合と同様、流入チャンネル１０ｂの段差面１４ｂの長さＬ_１４ｂと、流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂの長さＬ_１２ｂとの比（Ｌ_１４ｂ：Ｌ_１２ｂ）は、好ましくは１：０．１〜１：１０であり、より好ましくは１：０．２〜１：５であり、例えば１：２．５である。図２Ｂ（ｂ）に示すように、「流入チャンネル１０ｂの段差面１４ｂの長さＬ_１４ｂ」とは、流入チャンネル１０ｂが横方向に拡がることにより形成された横方向面の長さを意味しており、「終端部１２ｂの長さ」とは、流入チャンネル１０ｂが延在する方向の終端部１２ｂの長さを意味している。流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂの長さＬ_１２ｂは、好ましくは１０μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、４００μｍである。

流入チャンネル１０ａの段差面１４ａは、流体Ｂの衝突に好適な角度で設けられていることが好ましい。例えば、図２Ｃ（ａ）に示すような「流入チャンネル１０ａでの流体Ａが流れる方向と段差面１４ａとが成す角度α_１４ａ」は、好ましくは３０°〜１５０°であり、より好ましくは６０°〜１２０°であり、例えば９０°である。同様に、流入チャンネル１０ｂの段差面１４ｂは、流体Ａの衝突に好適な角度で設けられていることが好ましい。例えば、図２Ｃ（ｂ）に示すような「流入チャンネル１０ｂでの流体Ｂが流れる方向と段差面１４ｂとが成す角度α_１４ｂ」は、好ましくは３０°〜１５０°であり、より好ましくは６０°〜１２０°であり、例えば９０°である。

同様に、図２Ｄ（ａ）に示すように、流入チャンネル１０ａの段差面１４ａと終端部１２ａとが成す角度β_１４ａが流体Ｂの衝突に好適な角度で設けられることが好ましい。角度β_１４ａは、好ましくは３０°〜１５０°であり、より好ましくは６０°〜１２０°であり、例えば９０°である。また、図２Ｄ（ｂ）に示すように、流入チャンネル１０ｂの段差面１４ｂと終端部１２ｂとが成す角度β_１４ｂが流体Ａの衝突に好適な角度で設けられることが好ましい。角度β_１４ｂは、好ましくは３０°〜１５０°であり、より好ましくは６０°〜１２０°であり、例えば９０°である。

流入チャンネル１０ａの段差面１４ａおよび／または段差面１４ｂは、平面に限定されるものではなく、曲面であってもかまわない。また、図２Ｃ（ａ）または図２Ｄ（ａ）に示すように、流入チャンネル１０ａの拡がり始める部分ａ_１および拡がりが終了する部分ａ_２が角張った形状を有していることに限定されず、部分ａ_１および部分ａ_２が角を形成せず曲面になっていてもよい。同様に、図２Ｃ（ｂ）または図２Ｄ（ｂ）に示すように、流入チャンネル１０ｂの拡がり始める部分ｂ_１および拡がりが終了する部分ｂ_２も角張った形状を有していることに限定されず、部分ｂ_１および部分ｂ_２が曲面を有するように滑らかに形成されてもよい。なお、段差面１４ａ,１４ｂおよび終端部１２ａ,１２ｂも含めて流入チャンネル１０ａ,１０ｂを形成する面は、平滑面であっても粗面であってもかまわないが、流体の圧力損失が抑制される点で平滑面が好ましい。

流入チャンネル１０ａと流入チャンネル１０ｂとが組み合わされて形成された混合領域２０では、図２Ｅに示すように、流入チャンネル１０ａの拡がり始める部分ａ_１と流入チャンネル１０ｂの拡がり始める部分ｂ_１とが矢印Ｆ_１方向にて向き合って設けられることが好ましい。また、図２Ｅに示すように、流入チャンネル１０ａの拡がりが終了する部分ａ_２は流入チャンネル１０ｂの中央線Ｆ_２上に配置されることが好ましく、同様に、流入チャンネル１０ｂの拡がりが終了する部分ｂ_２は流入チャンネル１０ａの中央線Ｆ_３上に配置されることが好ましい。

流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂをそれぞれ少なくとも２つ設ける場合には、図３に示すように整列して設けることが好ましい。具体的には、整列した複数の流入チャンネル１０ａの各々の出口と、同様に整列した複数の流入チャンネル１０ｂの各々の出口とが、相互にずれて向き合うように整列することが好ましい。図示されるように、各々の流入チャンネル１０ａの終端部１２ａにて２つの混合領域２０が形成されると共に、各々の流入チャンネル１０ｂの終端部１２ｂにて２つの混合領域２０が形成されることになる。換言すれば、各々の流入チャンネル１０ａが、２つの隣接する混合領域２０を有しており、それぞれの混合領域２０が流入チャンネル１０ｂに連通している。このような態様では、図示されるように、流体Ａは混合領域２０に流入する直前に二手に分かれて流体Ａ_１と流体Ａ_２となり、流体Ａ_１および流体Ａ_２のそれぞれが別個の混合領域２０に流入することになる。同様に、流体Ｂも混合領域２０に流入する直前に二手に分かれて流体Ｂ_１と流体Ｂ_２となり、流体Ｂ_１および流体Ｂ_２のそれぞれが別個の混合領域２０に流入することになる。

また、流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび混合領域２０は、一方向にのみ並んで整列する態様のみならず、それぞれが縦方向および横方向とマトリクス状に整列して設けられる態様であってもよい。より具体的に説明すれば、図３にて矢印で示す横方向に流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび混合領域２０がそれぞれ整列して並んでいるだけでなく、図３の平面（即ち、紙面）を垂直に貫く縦方向にも流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび混合領域２０がそれぞれ整列して並んでいてもよい。例えば、横方向に整列させる流入チャンネル１０ａ、１０ｂおよび混合領域の各々の個数ｎは、２〜１０であることが好ましい。同様に、縦方向に整列させる流入チャンネル１０ａ、１０ｂおよび混合領域の各々の個数ｎは、２〜１０であることが好ましい。このように、流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび混合領域２０が縦方向および横方向に整列する態様では、一方向（図３に示す態様では紙面を垂直に貫く縦方向）に沿って配列されている混合領域２０を相互に連通させることができる。

このように、本発明のマイクロミキサーでは複数の混合領域２０を設けることができるので、混合すべき流体Ａと流体Ｂとの２流体の単位体積当りの接触界面積を大きくすることができる。つまり、本発明のマイクロミキサーでは、多量の流体を大きい接触界面積で効率よく混合することができ且つ圧力損失を抑えることができる。

ここで、「流入チャンネル１０ａ、流入チャンネル１０ｂおよび混合領域２０がそれぞれ縦方向および横方向とマトリクス状に設けられているマイクロミキサー」は、Ａ半分およびＢ半分の２つの部材から構成することができる。このようにして形成されるマイクロミキサーは、Ａ半分とＢ半分とを有して成り、
Ａ半分の面５０ａに、少なくとも１つの溝６０ａが設けられ、溝６０ａにおいて少なくとも２つのチャンネル１０ａが溝６０ａの長手方向に沿って終端しており、
Ｂ半分の面５０ｂに、少なくとも１つの連続突起７０ｂが設けられ、連続突起７０ｂの両側のそれぞれにおいて少なくとも２つの流入チャンネル１０ｂが連続突起７０ｂに沿って終端しており、また
溝６０ａの長手方向の中央線と連続突起７０ｂの長手方向の中央線とが略一致するように、Ａ半分の面５０ａとＢ半分の面５０ｂとが接しているマイクロミキサーであることが好ましい。図４にＡ半分の面５０ａおよびＢ半分の面５０ｂを模式的に示し、図５にＡ半分およびＢ半分の斜視図を示す。また、図６には、Ａ半分とＢ半分とが結合される直前の態様を斜視図にて示す。

溝６０ａは相互に平行に設けられていることが好ましく、連続突起７０ｂも同様に相互に平行に設けられていることが好ましい。また、溝６０ａには、例えば図４に示すような位置に流出チャンネル３０が設けられている。

図７は、図４のＸ方向から見たＡ半分およびＢ半分の断面を模式的に示しており（但し、流出チャンネル３０は図示せず）、図７（ａ）がＡ半分とＢ半分とを結合させる直前の態様を示し、図７（ｂ）がＡ半分とＢ半分とを結合させた後の態様を示している。図４、図６および図７を参照すると、溝６０ａの長手方向の中央線と連続突起７０ｂの長手方向の中央線とが略一致するようにＡ半分の面５０ａとＢ半分の面５０ｂが接することによって、混合領域２０がマトリクス状（即ち、縦方向および横方向）に形成されることが理解できよう。この場合、溝６０ａの長手方向または連続突起７０ｂの長手方向に沿って形成される混合領域２０が相互に連通した形態となることに留意されたい。流入チャンネル１０ａを流れる流体Ａが衝突することになる混合領域２０の段差面１４ｂは、図４（ｂ）の拡大図に示すように、Ｂ半分の面５０ｂにおける連続突起７０ｂの基部と流入チャンネル１０ｂの出口（穴の周縁）との間の領域Ｒ_ｂに相当する。流入チャンネル１０ｂを流れる流体Ｂが衝突することになる混合領域２０の段差面１４ａは、図４（ａ）の拡大図に示すように、Ａ半分の面５０ａの溝６０ａ内の流入チャンネル１０ａの出口（穴の周縁）と溝６０ｂの周縁との間の領域Ｒ_ａに相当する。

図４に示すように、チャンネル１０ａの横断面の最小寸法Ｄａは連続突起７０ｂの幅方向長さＷ_７０ｂよりも１０〜５００μｍ大きいことが好ましく、また、チャンネル１０ｂの横断面の最小寸法Ｄｂは隣接する２つの溝６０ａの間の距離Ｉ_６０ａよりも１０〜５００μｍ大きいことが好ましい。ここで「チャンネル１０ａ，１０ｂの横断面の最小寸法」とは、流体Ａの流れ方向と直交するＰ_Ａ方向における流入チャンネル１０ａ,１０ｂの横断面の最小の寸法（長さ）を意味しており、横断面が円形の場合には流入チャンネル１０ａ，１０ｂの直径を表している。これにより、図３に示すように、チャンネル１０ａを流れる流体Ａが混合領域２０に流入する直前で連続突起７０ｂに衝突し、流体Ａ_１と流体Ａ_２と二手に分かれて混合領域２０に流入できるだけでなく、チャンネル１０ｂを流れる流体Ｂも同様に混合領域２０に流入する直前で溝６０ａの間の領域（即ち、隣接する２つの溝６０ａの間の領域）に衝突し、流体Ｂ_１と流体Ｂ_２と二手に分かれて混合領域２０に流入できることになる。

なお、隣接する２つの溝６０ａの間の距離Ｉ_６０ａが、連続突起７０ｂの幅方向長さＷ_７０ｂに略等しいことが好ましい（図４参照）。これにより、図３に示すように、流体Ａを二手に分ける作用を有する部分の長さＷ_Ｂと、流体Ｂを二手に分ける作用を有する部分の長さＷ_Ａとが等しくなる。

図８を参照にして、Ａ半分とＢ半分とからマイクロミキサーを形成する場合の各種寸法を説明する。なお、流入チャンネル１０ａ,１０ｂの横断面が円形である場合を例にとって説明する。

Ａ半分の溝６０ａの幅方向長さＷ_６０ａは、好ましくは１１０μｍ〜１００００μｍであり、より好ましくは５００μｍ〜１５００μｍであり、例えば、１０００μｍである。溝６０ａの長手方向長さＬ_６０ａは、好ましくは２ｍｍ〜１０００ｍｍであり、より好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍであり、例えば、１０ｍｍである。溝６０ａの深さＨ_６０ａは、好ましくは１０μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、４００μｍである。隣接する２つの溝６０ａの間の距離Ｉ_６０ａは、好ましくは９０μｍ〜１０９０μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、４００μｍである。

Ｂ半分の連続突起７０ｂの幅方向長さＷ_７０ｂは、好ましくは９０μｍ〜１０９０μｍであり、より好ましくは１５０μｍ〜８００μｍであり、例えば、４００μｍである。また、連続突起７０ｂの長手方向長さＬ_７０ｂは、好ましくは２ｍｍ〜１０００ｍｍであり、より好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍであり、例えば、７ｍｍである。連続突起７０ｂの高さＨ_７０ｂは、好ましくは１０μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、４００μｍである。隣接する２つの連続突起７０ｂの間の距離Ｉ_７０ｂは、好ましくは１１０μｍ〜１００００μｍであり、より好ましくは５００μｍ〜１５００μｍであり、例えば、１０００μｍである。

溝６０ａにて終端する流入チャンネル１０ａ，１０ｂの横断面の直径は、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、７００μｍである。また、流入チャンネル１０ａ、１０ｂのそれぞれの個数ｎは、好ましくは２〜１００であり、より好ましくは５〜２０である。

更に、Ａ半分とＢ半分とから得られるマイクロミキサーにおける混合領域２０の各々の大きさは、好ましくは０．１〜１０ｍｍ^３であり、より好ましくは１〜５ｍｍ^３である。

ある好適な態様において、図９に示すように、溝６０ａにおいて少なくとも１つの流出チャンネル３０が終端していることが好ましい。これにより、溝６０ａを介して流入チャンネル１０ａと流出チャンネル３０とが連通するようになり、流体Ａと流体Ｂの混合物が溝６０ａを介して混合領域から流出チャンネル３０へと流れることになる。なお、流出チャンネル３０の横断面の直径は、流入チャンネル１０ａ，１０ｂと同様、好ましくは１００μｍ〜２０００μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜１０００μｍであり、例えば、７００μｍである。

Ａ半分およびＢ半分から構成されるマイクロミキサーでは、図１０に示すように、マイクロミキサーに流体Ａを供給する単一の流入管４０ａが複数の流入チャンネル１０ａの全てに連通するように接続され、また、マイクロミキサーに流体Ｂを供給する単一の流入管４０ｂが複数の流入チャンネル１０ｂの全てに連通するように接続されることが好ましい。同様に、マイクロミキサーには、混合物をマイクロミキサーから排出する単一の流出管４０ｃが複数の流出チャンネル３０の全てに連通するように接続されることが好ましい。

ここで、図１１（ａ）に示すように、流入チャンネル１０ａと流入管４０ａとを接続するマイクロミキサー中のキャビティの横断面の面積Ｓ_４０ａと、複数の流入チャンネル１０ａの横断面の総面積Ｓ_１０ａ（即ち、複数の流入チャンネル１０ａの横断面の面積を全て足し合わせた面積）との比（Ｓ_４０ａ：Ｓ_１０ａ）は、好ましくは１：１〜１：２０であり、より好ましくは１：５〜１：１０である。同様に、図１１（ｂ）に示すように、流入チャンネル１０ｂと流入管４０ｂとを接続するマイクロミキサー中のキャビティの横断面の面積Ｓ_４０ｂと、複数の流入チャンネル１０ｂの横断面の総面積Ｓ_１０ｂ（即ち、複数の流入チャンネル１０ｂの横断面の面積を全て足し合わせた面積）との比（Ｓ_４０ｂ：Ｓ_１０ｂ）は、好ましくは１：１〜１：２０であり、より好ましくは１：５〜１：１０である。

Ａ半分およびＢ半分から構成されるマイクロミキサーに供給される流体Ａおよび流体Ｂの流速は、好ましくは０．１〜１００ｍｌ／ｍｉｎであり、より好ましくは１〜１０ｍｌ／ｍｉｎである。

Ａ半分およびＢ半分の材質は特に限定されるものではなく、例えば、鉄、アルミニウムもしくはステンレス鋼、耐食性合金（例えば、ハステロイ、インコネル、ステライト）などの金属材料、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂もしくはポリカーボネート樹脂などの高分子材料、または、石英ガラス、ソーダ石灰ガラスもしくはアルミノ硼珪酸ガラスなどのガラス材料などであってもよい。また、Ａ半分およびＢ半分の加工法も特に限定されるものでなく、例えば、一般的な機械加工技術を用いることによって、Ａ半分およびＢ半分を製造してよい。更に、Ａ半分とＢ半分とを一体に接合させた際に流体のリークが防止されるように、Ａ半分の面５０ａおよび／またはＢ半分の面５０ｂには、流入チャンネル１０ａ,１０ｂ、溝６０ａおよび連続突起７０ｂを全て包囲するようなシール溝８０を設け（図５または図１２参照）、その溝にＯリングなどのシール材（例えばシリコーン材料）を配置することが好ましい。なお、Ａ半分とＢ半分とをボルトネジで一体に締結して結合できるように、Ａ半分およびＢ半分の周縁部には、面５０ａおよび面５０ｂに対して垂直な方向にボルトネジ用のネジ穴８５が設けられていることが好ましい（図５または図１２参照）。更には、面５０ａと面５０ｂとが正確に合わせられるように、Ａ半分の面５０ａ（またはＢ半分の面５０ｂ）に位置決めピン９０ａが設けられると共に、それに対応する位置決め穴９０ｂがＢ半分の面５０ｂ（またはＡ半分の面５０ａ）に設けられていることが好ましい（図５または図１２参照）。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることは当業者には容易に理解されよう。例えば、本発明のマイクロミキサーに対して、流体Ａおよび流体Ｂをマイクロミキサーに供給する送液手段を設けて混合ユニットを構築してもよい。この場合、送液手段としては例えばシリンジポンプを挙げることができる。シリンジポンプの吐出圧は、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａが好ましく、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａがより好ましい。また、そのような送液手段に加えて、流体Ａ、流体Ｂおよびそれらの混合物の温度を調整する温調手段を付加的にマイクロミキサーに設けてもよい。温調手段としては、マイクロミキサー自体に設けられる温調ジャケット、および／または、流入管４０ａ,４０ｂおよび流出管４０ｃに対して設けられる二重管構造の温調手段などが挙げられる。二重管構造の温調手段では環状部分を熱媒体が流れることになる。流体Ａ、流体Ｂおよびそれらの混合物の温度は、それらの流体が可能となる温度、例えば−８０℃〜３００℃となるように温調することが好ましい。更に、温調手段と共に又は温調手段に代えて、マイクロミキサー、流入管４０ａ,４０ｂおよび／または流出管４０ｃの外側に対して保温材（断熱材）を設けてもよい。

なお、使用に際しては、本発明のマイクロミキサーを単独で用いる態様のみならず、複数のマイクロミキサーを直列に接続して使用してもよい。また、混合すべき流体が多い場合等では、複数のマイクロミキサーを並列に接続して使用してもよい。

一例として、図５に示すようなＡ半分とＢ半分とを結合することによって、図１０に示すような外観を有するマイクロミキサーを製造し、その混合特性を評価した。実施例で用いたマイクロミキサーの仕様を表１に示す。

混合特性の評価には、ｏ−ニトロフェノールのクロロホルム溶液と塩基性緩衝溶液（ＮａＯＨ／ＮａＨＣＯ_３）との反応からｏ−ニトロフェノレートが生成する反応系を利用した。換言すれば、流体Ａとしてｏ−ニトロフェノールのクロロホルム溶液および流体Ｂとして塩基性緩衝溶液（ＮａＯＨ／ＮａＨＣＯ_３）を用い、それらをマイクロミキサーで混合してｏ−ニトロフェノレートを生成させ、その生成量を測定することによって混合率を評価した。ｏ−ニトロフェノールと塩基性緩衝溶液（ＮａＯＨ／ＮａＨＣＯ_３）との反応は次のように表すことができる。

評価は次のように行った。ｏ−ニトロフェノールのクロロホルム溶液（１Ｍ）と塩基性緩衝溶液（ＮａＯＨ／ＮａＨＣＯ_３）とをマイクロミキサーに供給することによってマイクロミキサーから得られる混合物Ｍ_mixerを、クロロホルムを含んだサンプル瓶に採取した。次いで、分光光度計（島津製作所製、ＵＶ−２２００）によって混合物Ｍ_mixerのＵＶ吸収スペクトル（４３０ｎｍ）を測定し、混合物Ｍ_mixerの吸光度Ａ_mixerを求めた（即ち、マイクロミキサーで生成したｏ−ニトロフェノレートの量を求めた）。その一方、バッチ式反応容器を用いることによって、ｏ−ニトロフェノールのクロロホルム溶液と塩基性緩衝溶液（ＮａＯＨ／ＮａＨＣＯ_３）とを２０分以上攪拌して反応させて混合物Ｍ_batchを得た。次いで、その混合物Ｍ_batchのＵＶ吸収スペクトル（４３０ｎｍ）を分光光度計（島津製作所製、ＵＶ−２２００）によって測定し、混合物Ｍ_batchの吸光度Ａ_batchを求めた（即ち、バッチ式反応容器で生成したｏ−ニトロフェノレートの量を求めた）。そして、混合物Ｍ_batcｈが十分に混合された状態であると仮定して、以下の式に示すように、吸光度Ａ_batchに対する吸光度Ａ_mixerの割合からマイクロミキサーの混合率（％）を算出した。

混合率（％）＝Ａ_mixer／Ａ_batch×１００

比較例として、マイクロミキサーの代わりに、内部に内径１ｍｍのＴ字形状チャンネルを有するＴ型ミキサー（ステンレス製）を用い、その混合率（％）を同様に求めた。

図１３に、供給する流体の流速をパラメーターとしたマイクロミキサー（実施例）およびＴ型ミキサー（比較例）の混合率の結果を示す。

図１３から分かるように、実施例のマイクロミキサーでは、流速の増加に伴って混合率が増加し効率的な混合を達成することができたが、一方、比較例のＴ型ミキサーでは、混合率が約３０％と低く、流速の増加に伴う混合率の増加は見られなかった。実施例のマイクロミキサーでは、流体の圧力損失を抑えつつ効率的な混合が達成できることを理解されよう。

本発明のマイクロミキサーは、原材料の攪拌・混合・反応を行うことができるので、化学産業にてファインケミカル等の生産に用いることができるだけでなく、医療産業、製薬産業、バイオ関連産業または食品産業など幅広い産業においても利用することができる。

図１Ａは、流入チャンネル１０ａ，１０ｂを模式的に示した断面図である。図１Ｂは、本発明のマイクロミキサーの原理を示した断面図であり、混合領域２０が形成されるように流入チャンネル１０ａ，１０ｂを組み合わせた態様を示している。図２Ａ（ａ）は、流入チャンネル１０ａの横断面の最大寸法Ｄ_１０ａおよび終端部１２ａの横断面の最小寸法Ｄ_１２ａを模式的に示した断面図であり、図２（ｂ）は、流入チャンネル１０ｂの横断面の最大寸法Ｄ_１０ｂおよび終端部１２ｂの横断面の最小寸法Ｄ_１２ｂを模式的に示した断面図である。図２Ｂ（ａ）は、チャンネル１０ａの段差面１４ａの長さＬ_１４ａおよび終端部１２ａの長さＬ_１２ａを模式的に示した断面図であり、図２Ｂ（ｂ）は、チャンネル１０ｂの段差面１４ｂの長さＬ_１４ｂおよび終端部１２ｂの長さＬ_１２ｂを模式的に示した断面図である。図２Ｃ（ａ）は、流体Ａが流れる方向と段差面１４ａとが成す角度α_１４ａを模式的に示した断面図であり、図２Ｃ（ｂ）は、流体Ｂが流れる方向と段差面１４ｂとが成す角度α_１４ｂを模式的に示した断面図である。図２Ｄ（ａ）は、流入チャンネル１０ａの段差面１４ａと終端部１２ａとが成す角度β_１４ａを模式的に示した断面図であり、図２Ｃ（ｂ）は、流入チャンネル１０ｂの段差面１４ｂと終端部１２ｂとが成す角度β_１４ｂを模式的に示した断面図である。図２Ｅは、混合領域２０が形成されるように流入チャンネル１０ａ，１０ｂを組み合わせた態様を模式的に示した断面図である。図３は、流入チャンネル１０ａおよび流入チャンネル１０ｂが少なくとも２つ設けられた態様を模式的に示す断面図である。図４は、Ａ半分の面５０ａおよびＢ半分の面５０ｂを模式的に示した上面図である。図５は、Ａ半分およびＢ半分を示した斜視図である。図６は、本発明のマイクロミキサーの分解斜視図であり、Ａ半分とＢ半分とが結合される直前の態様を示している。図７は、図４のＡ半分およびＢ半分をＸ方向から見た断面を模式的に示した図であって、図７（ａ）がＡ半分とＢ半分とを結合させる直前の態様を示し、図７（ｂ）がＡ半分とＢ半分とが結合された後の態様を示している。図８は、溝６０ａおよび連続突起７０ｂを模式的に示した斜視図である。図９は、複数の流出チャンネル３０が設けられた面５０ａを模式的に示した上面図である。図１０は、本発明のマイクロミキサーの外観を示した斜視図である。図１１は、流入チャンネル１０ａ，１０ｂと流入管４０ａ，４０ｂとを接続するマイクロミキサー中のキャビティの横断面および流入チャンネル１０ａ，１０ｂの横断面を模式的に示した断面図である。図１２は、Ａ半分の面５０ａおよびＢ半分の面５０ｂを示した上面図であり、シール溝、ネジ穴、位置決めピンおよび位置決め穴を模式的に示している。図１３は、実施例および比較例の結果を示したグラフである。

符号の説明

１０ａ…流体Ａが流れる流入チャンネル、１０ｂ…流体Ｂが流れる流入チャンネル、１２ａ…流体Ａが流れる流入チャンネルの終端部、１２ｂ…流体Ｂが流れる流入チャンネルの終端部、１４ａ…流体Ａが流れる流入チャンネルの段差面、１４ｂ…流体Ｂが流れる流入チャンネルの段差面、２０…混合領域、３０…流出チャンネル、４０ａ，４０ｂ…流入管、４０ｃ…流出管、５０ａ…Ａ半分の面、５０ｂ…Ｂ半分の面、６０ａ…溝、７０ｂ…連続突起、８０…シール溝、８５…ネジ穴、９０ａ…位置決めピンおよび９０ｂ…位置決め穴。

Claims

Ａ半分とＢ半分とが結合されて成るマイクロミキサーであって、
Ａ半分の面５０ａには、少なくとも１つの溝６０ａが設けられ、溝６０ａにおいて少なくとも２つの流入チャンネル１０ａが溝６０ａの長手方向に沿って整列して終端していると共に、少なくとも１つの流出チャンネル３０が終端しており、
Ｂ半分の面５０ｂには、少なくとも１つの連続突起７０ｂが設けられ、連続突起７０ｂの両側のそれぞれにおいて少なくとも２つの流入チャンネル１０ｂが連続突起７０ｂに沿って整列して終端しており、
溝６０ａの長手方向の中央線と連続突起７０ｂの長手方向の中央線とが一致するように、Ａ半分の面５０ａとＢ半分の面５０ｂとが接してＡ半分とＢ半分とが結合されることでマイクロミキサーが構成されており、これによって、マイクロミキサーの混合領域２０が連続突起７０ｂと溝６０ａとの相互の組み合わせから形成されており、
混合領域２０においては、流入チャンネル１０ａを流れる流体Ａが衝突する段差面１４ｂと、流入チャンネルＢを流れる流体Ｂが衝突する段差面１４ａとが相互に斜めにずれた状態となっており、これによって、段差面１４ｂに衝突した流体Ａと段差面１４ａに衝突した流体Ｂとが混合領域２０で混合されることになり、該混合された混合物が溝６０ａを介して流出チャンネル３０へと流れて排出される、マイクロミキサー。
流入チャンネル１０ａを流れる流体Ａは、連続突起７０ｂに衝突して二手に分かれてそれぞれの流体Ａ１およびＡ２が別個の隣接する混合領域２０へと流入すると共に、
流入チャンネル１０ｂを流れる流体Ｂは隣接する２つの溝６０ａの間の領域に衝突して二手に分かれてそれぞれの流体Ｂ１およびＢ２が別個の隣接する混合領域２０へと流入することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロミキサー。
流入チャンネル１０ａの横断面の最小寸法が連続突起７０ｂの幅方向長さよりも大きく、流入チャンネル１０ｂの横断面の最小寸法が隣接する２つの溝６０ａの間の距離よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロミキサー。
隣接する２つの溝６０ａの間の距離が、連続突起７０ｂの幅方向長さに等しいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロミキサー。
流体Ａが流れる方向と段差面１４ａとが成す角度α_１４ａが、６０°〜１２０°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロミキサー。
流体Ｂが流れる方向と段差面１４ｂとが成す角度α_１４ｂが、６０°〜１２０°であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロミキサー。