JP4931065B2 - 衝突型マイクロミキサー - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ化学プロセスに必要な高効率な混合機能を達成するために流体の衝突または流れ変化による乱流効果を利用する衝突型ミキサーに関し、特には、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に用いて好適な、微量流体の混合・撹拌を行なう衝突型マイクロミキサーに関するものである。

マイクロ化学プロセス用デバイスに必要とされる重要な機能として「混合」があるが、有効な混合装置（ミキサー）の提案は未だ少ない。公知のマイクロ化学プロセス用の衝突型混合装置としては、交互流れによる方法や機械的な撹拌等の方法の提案があるが（特許文献１参照）、何れも装置が大掛かりになったり構造が複雑になったりするため、その大きさや価格がマイクロ化学プロセスには適していないとされている。

この問題を解決するために簡易的で一般的な方法として、例えば図３９（ａ）に示すチューブで連結されたＴ字管（Ｔ字路）や図３９（ｂ）に示すＹ字管（Ｙ字路）内での流体の衝突乱流を利用する方法や、図４０（ａ），（ｂ）に正面図および断面図を示す吐出噴出流による衝突乱流を利用する方法が提案されている。
特開２００６−３２０８７７号公報

しかしながら、これら管やチューブを連結した方法や噴出流衝突方法では、流路の姿勢、位置関係、長さ等の寸法的条件の他、対象流体の流れ特性の変化等、流れ状態を正確に設定することの困難を伴い、乱流状態の確実性や継続性を維持することは非常に難しく、流れ特性の不安定を招き、混合特性にばらつきを生ずることがある。

また、上記の管やチューブの組み合わせの場合、不要部やジョイント部を必要とするためどうしても装置が大型化してしまい、しかも上記の管やチューブを連結した方法や噴出流衝突方法は、機械的撹拌方法や交互流れ法と同様、どうしてもマイクロリアクターに外付けする構造となるため、マイクロリアクターの特徴の一つである小型化、集積化を困難にし、そのマイクロリアクターが実用化された場合には、同種のマイクロリアクターを複数並列に並べて生産量を確保するナンバリングアップが非常に困難な状況が予想される。

それゆえこの発明は、マイクロチャンネル内部で混合対象の複数流体の衝突または流れ方向や速度の変化による乱流を発生させて混合機能に利用し、マイクロリアクターの小型化、集積化を可能にするために、その乱流を意図的にかつ確実に発生させるための構造を提案することを目的としている。

この発明は、上記課題を有利に解決するものであり、この発明の衝突型マイクロミキサーは、数十μｍ〜数ｍｍの幅や深さの微小チャンネル（微小溝）もしくは微小スリットで構成される微小流路の内部を流れる液体に乱流を確実に発生させて高効率の混合を得るために、流路の交差角度の効果、流路の交差方向の効果、合流ユニットの多種または同種の多段の組み合わせの効果、合流ユニットの流路長さの非対称の効果、合流ユニットの流路断面積の非対称の効果、合流ユニットの流路変曲部（折れ線状、曲線状等）の形状の効果、合流ユニットの途中の流路断面積の変化の効果、そして合流ユニットの途中の流路内遮蔽物の効果を、独立で、または組み合わせて用いたものである。

すなわち、この発明の衝突型マイクロミキサーは、二つの部材に挟まれたプレートに形成されたスリットまたは、部材もしくはプレートの表面に形成されて他の部材で蓋をされた溝、によりそれぞれ構成された、互いに対向もしくは交差する方向に延在してそれらの衝突点または交差点で合流する第１及び第２の二つの流入流路と、前記二つの流入流路の前記衝突点または交差点から、前記二つの流入流路のなす角が平角の場合は交差方向に共役角の一方の角の場合は他方の角を二分する方向にそれぞれ延在する一つの流出流路とで、合流ユニットを形成し、前記合流ユニットを、一方向からの入力を二方向に分岐する分岐路を介して、前段合流ユニットの一つの流出流路と後段合流ユニットの二つの流入流路を連結し、二方向から入力して合流し一方向へ出力した後二方向へ分岐する工程を繰り返すように、複数段直列に組み合わせたことを特徴としている。
また、上記構成において、複数段直列に組み合わせた前記合流ユニットを、入力部を共通として複数列並列に組み合わせたことを特徴としている。

かかる構成により、プレートが充分に薄い場合はスリットが微小流路を形成し、部材もしくはプレートの表面に形成された溝もその深さや幅が充分に小さい場合は数十μｍ〜数ｍｍの幅や深さの微小流路を形成するので、それらのスリットや溝で形成された第１の流入流路と第２の流入流路とが互いに対向もしくは交差する方向に延在していることで、即ち、第１及び第２の二つの流入流路と、前記二つの流入流路の衝突点または交差点から、前記二つの流入流路のなす角が平角の場合は交差方向に共役角の一方の角の場合は他方の角を二分する方向にそれぞれ延在する一つの流出流路とにより、合流ユニットを形成することで、第１の流入流路と第２の流入流路とをそれぞれ流れてきた流体がそれらの流路の合流点で真正面から、または角度を持って衝突して乱流が発生し、第１の流入流路と第２の流入流路とをそれぞれ流れてきた流体が混合され、混合された流体が流出流路から流出する。

従ってこの発明の衝突型マイクロミキサーによれば、プレートあるいは部材表面を利用してマイクロミキサーを構成できるので、マイクロリアクターの小型化、集積化を可能にすることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１〜図１０は、この発明の衝突型マイクロミキサーの各種実施形態を図示するものであり、図中符号１は第１の流入流路、２は第２の流入流路、３は流出流路、そして４はそれらを組み合わせた合流ユニット、Ｉは合流点、Ｄは分岐点をそれぞれ示す。

図１は、この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが合流点Ｉで合流して流出流路３に繋がる単独の合流ユニット４の各種構成を示すもので、これら第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とは、二つの部材間に挟まれたプレートに形成されたスリットまたは、部材もしくはプレートの表面に形成されて他の部材で蓋をされた溝によりそれぞれ構成されている。ここで、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度は、互いに対向する方向に延在する場合は、図１（ａ）に示す如く１８０度とし、互いに交差する方向に延在する場合は、図１（ｂ）に示す如き５度から、図１（ｃ）に示す如き３５０度までとすることが乱流を発生させる上で好ましい。なお、１８０度を超える場合は、第１の流入流路１と第２の流入流路２とから合流点Ｉに流入した流体が、その合流点の壁面に当接して流れの方向を変える際に互いに混合されるので、１８０度以下の場合よりも混合効率が良い。

図２は、この発明の衝突型マイクロミキサーの他の実施形態としての、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４が複数段直列に組み合わされた三種類のマイクロミキサーを示しており、図２（ａ）は、図では左端の１段目の合流ユニット４から右端の４段目の合流ユニットまで全て、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度が１８０度のものであり、図２（ｂ）は、図では左端の１段目の合流ユニット４は、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度が１８０度のものだが、２段目から４段目までの各合流ユニット４は、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度が１８０度未満、例えば６０度のものであり、図２（ｃ）は、図では左端の１段目の合流ユニット４は、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度が１８０度のものだが、２段目から４段目までの各合流ユニット４は、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが互いになす角度が１８０度を超える、例えば２２０度のものである。

図３は、この発明の衝突型マイクロミキサーのさらに他の一実施形態としての、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４が複数列並列に組み合わされたマイクロミキサーを示しており、ここでは図２（ａ）に示す直列の合流ユニットが５列並列に組み合わされている。なお、図２（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す直列の合流ユニットを複数列組み合わせても良く、それら図２（ａ）〜（ｃ）に示す直列の合流ユニットの二種類以上を適宜複数列組み合わせても良い。

図４は、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４における、分岐点Ｄから合流点Ｉまでの第１の流入流路１と第２の流入流路２との長さが互いに異なる構成を示しており、図４（ａ）では第１の流入流路１の方が第２の流入流路２よりも長く、図４（ｂ）では第１の流入流路１よりも第２の流入流路２の方が長い。

図５は、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４における、分岐点Ｄから合流点Ｉまでの第１の流入流路１と第２の流入流路２との断面積が互いに異なる構成を示しており、図４（ａ）では第１の流入流路１の方が第２の流入流路２よりも断面積が大きく、図４（ｂ）では第１の流入流路１よりも第２の流入流路２の方が断面積が大きい。

図６は、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４における、分岐点Ｄから合流点Ｉまでの第１の流入流路１と第２の流入流路２とが、約６０度の角度で折れ線状に曲がった変曲部Ｆを有する構成を示している。

図７は、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とで構成される合流ユニット４における、分岐点Ｄから合流点Ｉまでの第１の流入流路１と第２の流入流路２とが、約６０度の角度で円弧状に曲がった変曲部Ｆを有する構成を示している。

図８は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す三種類の合流ユニット４を直列に繋いで組み合わせた構成を示している。

図９は、合流ユニット４を構成する第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３の少なくとも一つが、途中に流路断面積が拡大する部分である拡大部５を有する構成を示しており、図９（ａ）では、図２（ｃ）に示す合流ユニット４の流出流路３の拡大部５が漸次拡大部と大断面積部と漸次減少部とを持って六角形状の断面をなし、図９（ｂ）では、図２（ｃ）に示す合流ユニット４の流出流路３の拡大部５が円形の断面をなし、図９（ｃ）では、図２（ｃ）に示す合流ユニット４の流出流路３の拡大部５が漸次拡大部と大断面積部とを持って三角形状の断面をなし、図９（ｄ）では、図２（ｃ）に示す合流ユニット４の第１の流入流路１の拡大部５が円形の断面をなし、その合流ユニット４の第２の流入流路２の拡大部５が漸次拡大部と大断面積部とを持って三角形状の断面をなしている。

そして図１０は、流路断面積が拡大する部分である拡大部５内に、流体の通流を阻止はしないが邪魔する遮蔽物６が挿入された構成を示している。この遮蔽物６としては、例えばガラスビーズ等のビーズ、金属繊維や綿状繊維等の繊維、不織布等の布、その他を用いることができる、
流路断面積が拡大する部分５がく，（ｂ），（ｃ）に
第１の流入流路１の方が第２の流入流路２よりも長く、図４（ｂ）では第１の流入流路１よりも第２の流入流路２の方が長い。

次に、この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態をより具体的に図面に基づき説明する。図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ａ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表であり、ここでは図示のように厚さｔが０．５ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅Ｗｍｍのスリットを形成することで、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える合流ユニット４を構成しており、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きいか等しい直径ｄｍｍの貫通穴が設けられている。このプレート７は、それと略同一の大きさのステンレス鋼製の図示しない二枚の厚板で密に挟持され、それらの厚板の一方には、または双方に分配されて、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記貫通穴にそれぞれ繋がる二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記貫通穴に繋がる出口流路とが形成されている。

これにより、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで正面衝突して充分に混合され、流出流路３を通って出口流路から流出する。

図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ｂ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表であり、ここでも図示のように厚さｔが０．５ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅Ｗｍｍのスリットを形成することで、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える合流ユニット４を構成しており、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きいか等しい直径ｄｍｍの貫通穴が設けられている。このプレート７も、それと略同一の大きさのステンレス鋼製の図示しない二枚の厚板で密に挟持され、それらの厚板の一方には、または双方に分配されて、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記貫通穴にそれぞれ繋がる二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記貫通穴に繋がる出口流路とが形成されている。

これにより、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで衝突して充分に混合され、流出流路３を通って出口流路から流出する。

図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ｃ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表であり、ここでも図示のように厚さｔが０．５ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅Ｗｍｍのスリットを形成することで、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える合流ユニット４を構成しており、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きいか等しい直径ｄｍｍの貫通穴が設けられている。このプレート７も、それと略同一の大きさのステンレス鋼製の図示しない二枚の厚板で密に挟持され、それらの厚板の一方には、または双方に分配されて、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記貫通穴にそれぞれ繋がる二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記貫通穴に繋がる出口流路とが形成されている。

これにより、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで互いに衝突するとともにスリットの壁面にも衝突して充分に混合され、流出流路３を通って出口流路から流出する。

図１４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ａ）に示すマイクロミキサーの具体的構成を例示する平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、ここでは図示のように厚さｔが１．０ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅０．５ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．２ｍｍおよび０．１ｍｍのスリットと、合流ユニット４間に位置する幅１．０ｍｍで深さ０．７ｍｍ、０．４ｍｍ、０．２ｍｍの溝とを形成することで、各々第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える直列４段の合流ユニット４を構成しており、上記溝は流出流路３の後部から分岐点Ｄを通り次の合流ユニット４の第１の流入流路１および第２の流入流路２の前部まで形成されて、２段目以降の合流ユニット４の第１の流入流路１と第２の流入流路２とで囲まれた板部分が脱落するのを回避している。また最初の段の合流ユニット４の第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と、最後の段の合流ユニット４の流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きい直径２．０ｍｍの貫通穴が設けられている。このプレート７は、それと略同一の大きさのステンレス鋼製の図示しない二枚の厚板で密に挟持され、それらの厚板の一方には、または双方に分配されて、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記貫通穴にそれぞれ繋がる二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記貫通穴に繋がる出口流路とが形成されている。

これにより、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで正面衝突して充分に混合され、流出流路３を通って次の段の合流ユニット４へ向かうという作用が繰りかえされ、段が進むにつれてスリット幅が漸次狭まっているので流体の流速が速くなって衝突の速度も上がり、最後の段の合流ユニット４の流出流路３を通った混合流体は出口流路から流出する。

図１５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ｂ）に示すマイクロミキサーの具体的構成を例示する平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、ここでは図示のように厚さｔが１．０ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅０．５ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．２ｍｍおよび０．１ｍｍのスリットと、２段目以降の合流ユニット４に位置する幅０．５ｍｍで深さ０．７ｍｍ、０．４ｍｍ、０．２ｍｍの溝とを形成することで、各々第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える直列４段の合流ユニット４を構成しており、上記溝は分岐点Ｄから次の合流ユニット４の第１の流入流路１および第２の流入流路２の変曲部まで形成されて、２段目以降の合流ユニット４の第１の流入流路１と第２の流入流路２とで囲まれた板部分が脱落するのを回避している。また最初の段の合流ユニット４の第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と、最後の段の合流ユニット４の流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きい直径２．０ｍｍの貫通穴が設けられている。

このマイクロミキサーでも、図１４に示す例と同様にして、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで正面衝突して充分に混合され、流出流路３を通って次の段の合流ユニット４へ向かうという作用が繰りかえされ、段が進むにつれてスリット幅が漸次狭まっているので流体の流速が速くなって衝突の速度も上がり、最後の段の合流ユニット４の流出流路３を通った混合流体は出口流路から流出する。

図１６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ｂ）に示すマイクロミキサーの具体的構成を例示する平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１４に示す例とは、スリット幅が０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍおよび０．２ｍｍである点と溝深さが０．７ｍｍ、０．６ｍｍ、０．５ｍｍである点だけが異なっており、他の点は同様に構成されている。

このマイクロミキサーでも、図１４に示す例と同様にして、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで正面衝突して充分に混合され、流出流路３を通って次の段の合流ユニット４へ向かうという作用が繰りかえされ、段が進むにつれてスリット幅が漸次狭まっているので流体の流速が速くなって衝突の速度も上がるが、その上昇の程度は先の例程でなく、最後の段の合流ユニット４の流出流路３を通った混合流体は出口流路から流出する。

図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーの一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１６に示す例とは、合流点Ｉだけでなく分岐点Ｄも６０度の角度で分岐している点が異なり、他の点は同様に構成されている。

このマイクロミキサーでは、各分岐点Ｄで図１６に示す例より滑らかに分岐するので、図１６に示す例よりミキサー全体としての通流抵抗が小さくなる。

図１８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーの他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１７に示す例とは、合流点Ｉおよび分岐点Ｄで９０度の角度で合流・分岐している点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図１９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１７に示す例とは、合流点Ｉでは６０度の角度で合流し、分岐点Ｄでは９０度の角度で分岐している点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図２０（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１７に示す例とは、合流点Ｉでは９０度の角度で合流し、分岐点Ｄでは６０度の角度で分岐している点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図２１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーの一変形例の具体的構成を例示する平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、ここでは図示のように部材としての、厚さｔが１０．０ｍｍの硬質塩化ビニール製の厚板８の表面に幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を形成することで、各々第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える直列４段の合流ユニット４を構成しており、２段目以降の各合流ユニット４では、変曲部の円弧の半径が第１の流入流路１と第２の流入流路２とで１．５ｍｍと１．０ｍｍとに異なることで、長さが第１の流入流路１と第２の流入流路２とで９．９４ｍｍと１０．６３ｍｍと異なっており、最初の段の合流ユニット４の第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と、最後の段の合流ユニット４の流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、溝幅より大きい直径２．０ｍｍの穴が設けられ、上記厚板８の内部には、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記穴にそれぞれ繋がるとともにその厚板８の端面にそれぞれ開口する二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記穴に繋がるとともにその厚板８の反対側の端面に開口する出口流路とが形成されている。この厚板８は、それと略同一の大きさの例えばステンレス鋼製の図示しない厚板と密に重ね合わされる。

このマイクロミキサーでも、図１４に示す例と同様にして、二つの入口流路から第１の流入流路１と第２の流入流路２とに流入した流体が、合流点Ｉで正面衝突して充分に混合され、流出流路３を通って次の段の合流ユニット４へ向かうという作用が繰りかえされ、各段で第１の流入流路１の方が第２の流入流路２より短く、かつ変曲部の半径も大きいので通流抵抗の相違から、第１の流入流路１から合流点Ｉに噴出する流体の速度の方が第２の流入流路２から合流点Ｉに噴出する流体の速度よりも速くなって衝突の状態も同一速度同士の衝突とは変わり、最後の段の合流ユニット４の流出流路３を通った混合流体は出口流路から流出する。

図２２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーの他の一変形例の具体的構成を例示する平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図２１に示す例とは、変曲部の円弧の半径を第２の流入流路２で１．４ｍｍとしている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図２３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図２１に示す例とは、変曲部の円弧の半径を第１の流入流路１で１．１ｍｍとしている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図２４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１１に示す合流ユニットの一変形例の具体的構成を示す平面図、側面図および拡大図であり、この合流ユニット４は、図１１に示す例とは、第１の流入流路１と第２の流入流路２とが変曲部を有さない点および、流出流路３の幅が０．２ｍｍ、０．７ｍｍ、１．５ｍｍと３段階に拡張されている点が異なり、他の点は同様に構成されている。これにより混合流体の速度を漸次低下させることができる。

図２５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１１に示す合流ユニットの他の一変形例の具体的構成を示す平面図、側面図および拡大図であり、この合流ユニット４は、図１４に示す例とは、流出流路３の幅が０．２ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍと４段階に拡張されている点が異なり、他の点は同様に構成されている。これにより混合流体の速度をより滑らかに低下させることができる。

図２６は、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、図２７（ａ），（ｂ）は、その変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図、図２８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２７（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図１４に示す例とは、溝が流出流路３になく、分岐点Ｄから第１の流入流路１と第２の流入流路２との途中まで形成され、また溝の幅が０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍと漸次狭まり、溝の深さが０．７ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍとなっている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図２９は、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、図３０（ａ），（ｂ）は、その変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図、図３１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３０（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図２６〜図２８に示す例とは、２段目以降の合流ユニット４における変曲部に形成された円形部に、分岐点Ｄ側からはその円形部の中心に対し外側にオフセットして接線方向に繋がり、合流点Ｉ側からはその円形部の中心に向かって繋がっている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図３２は、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、図３３（ａ），（ｂ）は、その変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図、図３４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３３（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図２６〜図２８に示す例とは、２段目以降の合流ユニット４における変曲部に形成された円形部に、分岐点Ｄ側からはその円形部の中心に対し僅かに外側にオフセットして接線方向に繋がり、合流点Ｉ側からはその円形部の中心に対し分岐点Ｄ側にオフセットして接線方向に繋がっている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図３５は、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、図３６（ａ），（ｂ）は、その変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図、図３７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３６（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図であり、このマイクロミキサーは、図２６〜図２８に示す例とは、２段目以降の合流ユニット４における変曲部に形成された円形部に、分岐点Ｄ側からはその円形部の中心に対し僅かに内側にオフセットして接線方向に繋がり、合流点Ｉ側からはその円形部の中心に向かって繋がっている点が異なり、他の点は同様に構成されている。

図３８（ａ），（ｂ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーのさらに他の実施形態としての合流ユニットの具体的構成を例示する平面図および拡大図であり、ここでは図示のように厚さｔが０．２ｍｍのステンレス鋼製のプレート７に、上下に貫通する幅０．２ｍｍのスリットを形成することで、第１の流入流路１と第２の流入流路２と流出流路３とを具える合流ユニット４を構成しており、第１の流入流路１と第２の流入流路２とは合流点Ｉで互いに直交して延在するとともにそれぞれ半径３．０ｍｍの変曲部を有し、流出流路３は合流点Ｉから第１の流入流路１の延長方向に延在しており、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部（図では左端部）と流出流路３の流出端部（図では右端部）とには、スリット幅より大きい直径２．０ｍｍの貫通穴が設けられている。このプレート７は、それと略同一の大きさのステンレス鋼製の図示しない二枚の厚板で密に挟持され、それらの厚板の一方には、または双方に分配されて、第１の流入流路１と第２の流入流路２との流入端部の上記貫通穴にそれぞれ繋がる二つの入口流路と、流出流路３の流出端部の上記貫通穴に繋がる出口流路とが形成されている。

これにより、第１の流入流路１に流入した流体に、第２の流入流路２に流入した流体が合流点Ｉで側方から衝突して混合され、混合流体が流出流路３を通って出口流路から流出する。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば合流ユニットを直列または並列に連結して組み合わせる段数は４段に限られず、適宜増減することができる。また、スリットや溝を形成するプレートや、溝を形成する部材の材質、寸法も、所要に応じて適宜変更することができ、それらプレートや部材を適宜重ね合わせて、衝突型マイクロミキサーあるいはそれを具えるマイクロリアクター等を立体的に構成しても良い。そして、この発明の衝突型マイクロミキサーの適用対象は液体同士の混合に限られず、気体（反応用ガスや不活性ガス等）同士あるいは液体と気体との混合であっても良い。

かくしてこの発明の衝突型マイクロミキサーによれば、プレートあるいは部材表面を利用してマイクロミキサーを構成できるので、マイクロリアクターの小型化、集積化を可能にすることができる。

（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての、１８０度の交差角、１８０度未満の交差角、１８０度を超える交差角で第１の流入流路と第２の流入流路とが交差する状態の単独の合流ユニットをそれぞれ示す構成図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーの他の実施形態としての、図１（ａ）の合流ユニット、図１（ｂ）の合流ユニット、図１（ｃ）の合流ユニットをそれぞれ複数段直列に組み合わせたマイクロミキサーを示す構成図である。 この発明の衝突型マイクロミキサーのさらに他の実施形態としての、図２（ａ）に示すマイクロミキサーを複数列並列に組み合わせたマイクロミキサーを示す構成図である。 （ａ），（ｂ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての合流ユニットにおける、分岐点から合流点までの第１の流入流路と第２の流入流路との長さが互いに異なる２種類の構成を例示する構成図である。 （ａ），（ｂ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての合流ユニットにおける、分岐点から合流点までの第１の流入流路と第２の流入流路との断面積が互いに異なる２種類の構成を例示する構成図である。 この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての合流ユニットにおける、分岐点から合流点までの第１の流入流路と第２の流入流路とが、折れ線状に曲がった変曲部を有する構成を例示する構成図である。 この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての合流ユニットにおける、分岐点から合流点までの第１の流入流路と第２の流入流路とが、円弧状に曲がった変曲部を有する構成を例示する構成図である。 この発明の衝突型マイクロミキサーの実施形態としての、図１に示す合流ユニットを直列に組み合わせたマイクロミキサーを示す構成図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーの他の実施形態としての、合流ユニットの流出流路が拡大部を有する４種類の構成を例示する構成図である。 この発明の衝突型マイクロミキサーの他の実施形態としての、合流ユニットの流出流路の拡大部が遮蔽物を有する構成を例示する構成図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ａ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ｂ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１（ｃ）に示す合流ユニットの具体的構成を例示する平面図、側面図および寸法表である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ａ）に示すマイクロミキサーの具体的構成を例示する平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ｂ）に示すマイクロミキサーの具体的構成を例示する平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図２（ｂ）に示すマイクロミキサーの具体的構成の他の一例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーの一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーの他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１６に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例を示す平面図、拡大図およびその拡大図中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーの一変形例の具体的構成を示す平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーの他の一変形例の具体的構成を示す平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図７に示す合流ユニットを用いた、図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図、拡大図、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図および（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１１に示す合流ユニットの一変形例の具体的構成を示す平面図、側面図および拡大図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１１に示す合流ユニットの他の一変形例の具体的構成を示す平面図、側面図および拡大図である。 図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２７（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３０（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３３（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 図１４に示すマイクロミキサーのさらに他の一変形例の具体的構成を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記変形例のマイクロミキサーの拡大図および溝部詳細図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、図３６（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。 （ａ），（ｂ）は、この発明の衝突型マイクロミキサーのさらに他の実施形態としての合流ユニットの具体的構成を例示する平面図および拡大図である。 （ａ），（ｂ）は、従来のチューブで連結されたＴ字管およびＹ字管内で流体の衝突乱流を利用する方法をそれぞれ示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の吐出噴出流による衝突乱流を使用する方法を示す正面図および断面図である。

符号の説明

１ 第１の流入流路
２ 第２の流入流路
３ 流出流路
４ 合流ユニット
５ 拡大部
６ 遮蔽物
７ プレート
８ 厚板
Ｄ 分岐点
Ｆ 変曲部
Ｉ 合流点

Claims (9)

1. 二つの部材に挟まれたプレートに形成されたスリットまたは、部材もしくはプレートの表面に形成されて他の部材で蓋をされた溝、によりそれぞれ構成された、互いに対向もしくは交差する方向に延在してそれらの衝突点または交差点で合流する第１及び第２の二つの流入流路と、前記二つの流入流路の前記衝突点または交差点から、前記二つの流入流路のなす角が平角の場合は交差方向に共役角の一方の角の場合は他方の角を二分する方向にそれぞれ延在する一つの流出流路とで、合流ユニットを形成し、
   前記合流ユニットを、一方向からの入力を二方向に分岐する分岐路を介して、前段合流ユニットの一つの流出流路と後段合流ユニットの二つの流入流路を連結し、二方向から入力して合流し一方向へ出力した後二方向へ分岐する工程を繰り返すように、複数段直列に組み合わせたことを特徴とする衝突型マイクロミキサー。
2. 複数段直列に組み合わせた前記合流ユニットを、入力部を共通として複数列並列に組み合わせたことを特徴とする請求項１記載の衝突型マイクロミキサー。
3. 互いに対向する前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とのなす角は、１８０度であり、
   互いに交差する前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とのなす角は、１８０度を除き、５度から３５０度までの何れかの角度であることを特徴とする、請求項１または２記載の衝突型マイクロミキサー。
4. 前記第１の流入流路と前記第２の流入流路の断面積は、互いに異なっていることを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。
5. 前記第１の流入流路と前記第２の流入流路との少なくとも一方は変曲部を有し、
   前記変曲部は折れ線状であることを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。
6. 前記第１の流入流路と前記第２の流入流路との少なくとも一方は変曲部を有し、
   前記変曲部は曲線状であることを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。
7. 前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とのなす角が互いに異なる複数種類の前記合流ユニットが組み合わされていることを特徴とする、請求項１から６までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。
8. 前記第１の流入流路と前記第２の流入流路と前記流出流路との少なくとも一つは、途中に流路断面積が拡大する部分を有することを特徴とする、請求項１から７までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。
9. 前記流路断面積が拡大する部分内には、遮蔽物が挿入されていることを特徴とする、請求項８記載の衝突型マイクロミキサー。

Images