JP5864236B2 - マイクロミキサー、マイクロミキサーエレメントおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の流体を精密に混合するためのマイクロミキサー、マイクロミキサーエレメントおよびその製造方法に関する。

従来、複数の流体とくに液体を混合するために、攪拌や振動を用いる各種のミキサーが知られている。このような攪拌や振動を用いるミキサーでは、機械的な動作が必要であるうえ、混合された流体にムラが生じることがある。
このような混合ムラが避けられるミキサーとして、微細な交互層流を形成するマイクロミキサーが開発されている。

特許文献１には、このような交互層流を形成するマイクロミキサーの一例が示されている。
特許文献１の構成では、隔壁でキャビティを２つに仕切るとともに、隔壁をジグザグ形状として微細な幅で枝分かれした分岐通路を形成し、これらの分岐通路が交互に２つのキャビティ部分の何れかの側に連通するように構成する。２つのキャビティ部分にそれぞれＡ液およびＢ液を注入すると、各液はそれぞれ分岐通路に流入し、これらの分岐通路を横断するように配置されたミキシング通路へとＡ液およびＢ液が流出する。各分岐通路は、Ａ液およびＢ液が交互に並んでいるため、ミキシング通路へと流出する微細な流れはＡ液およびＢ液が交互に層流を形成することになる。

このような微細な分岐通路が交互配置されたマイクロミキサーは、多様な液体の精密混合に利用されており、なかでもドイツ国ＩＭＭ社製のものが知られている（特許文献２，３参照）。

前述したマイクロミキサーの製造にあたっては、ベース材料の表面に切削を行ってキャビティを形成し、その際に交互に分岐通路を形成するジグザグ状の隔壁を削り残すことで、これらを一体に形成することがなされている。
特に、マイクロミキサーでは、分岐通路の通路幅が細くなるほど、ミキシング通路に流出する液体の交互層流を細密とすることができ、混合速度あるいは混合精度を高くすることができるため、放電加工による微細な切削が行われている。
このような放電加工による分岐通路の最小幅は４０μｍまで実用化されており、その際の溝深さは３００μｍ程度とされている。

特開２００３−２１０９５７号公報 特開２００５−１８７４５０号公報 特開２００５−５４０２３号公報

前述したマイクロミキサーにおいて、更なる高精度化の要求があるが、前述したように、放電加工による分岐通路の最小幅は４０μｍが限界となっていた。
また、放電加工では、切削跡が平滑にならず、面粗さ１μｍＲｚ程度までが限界であり、微少な凹凸が残って通過する流体に対して抵抗あるいは変質などの影響を少なからず生じていた。

本発明の目的は、分岐通路をさらに微少化できかつ通路を平滑にできるマイクロミキサー、マイクロミキサーエレメントおよびその製造方法を提供することにある。

本発明では、分岐通路の加工に微少な幅の円盤状砥石を用いる。ただし、このような砥石を用いると、従来のマイクロミキサーの分岐通路のようなミクロンオーダーで立ち上がる微細な端部を加工することができない。これに対し、本発明では、分岐通路を形成するジグザグ状態の隔壁を削り残すのではなく、分岐通路を形成するエレメントを複数の板材で構成し、これらの板材に分岐通路となる溝を形成したうえ、溝が形成された板材を重ね合わせることで交互配置された分岐通路を構成するものである。

本発明のマイクロミキサーエレメントは、マイクロミキサーに組み込まれて交互配置された分岐通路を形成するマイクロミキサーエレメントであって、第１板材と、第２板材と、第１板材および第２板材の間に挟まれた中間板材とを有し、前記第１板材、前記第２板材および前記中間板材は、それぞれ主端面に各板材の表面から裏面まで連続する所定深さの溝が形成され、前記第１板材の溝は前記中間板材の溝の一つおきに連通され、前記第２板材の溝は前記中間板材の溝のうち前記第１板材の溝が連通しないものに連通されていることを特徴とする。

このような本発明では、第１板材の溝（第１溝）は、中間板材の溝（中間溝）の一つおきに連通され、第１溝に連通する中間溝は、第１板材と反対側を第２板材によって閉鎖され、これらの第１溝および中間溝により第１板材から連続する第１分岐通路が形成される。
一方、第２板材の溝（第２溝）は、中間板材の溝の他の一つおき（第１溝が連通する中間溝とは別のもの）に連通され、第２溝に連通する中間溝は、第２板材と反対側を第１板材によって閉鎖され、これらの第２溝および中間溝により第２板材から連続する第２分岐通路が形成される。
このような第１分岐通路および第２分岐通路は、中間板材の主端面において互いに交互に配置され、これにより従来のマイクロミキサーと同様に流体の交互層流を形成することができる。

第１分岐通路および第２分岐通路は、それぞれ他の第２板材および第１板材によって閉鎖されることで終端を形成される。このため、各溝を形成する際に微細な端部を形成する必要性を解消できる。
このため、第１板材、第２板材および中間板材にそれぞれ溝を加工する際には、各板材において主端面からの切込みを行えばよく、数十ミリ以上の半径の円盤状砥石を用いることができる。
このような円盤状砥石の利用により、第１板材、第２板材および中間板材に加工できる溝幅を２０μｍ程度まで微細化し、表面粗さを０．１４μｍＲｚ程度まで平滑化することが可能となる。

本発明のマイクロミキサーエレメントにおいて、前記第１板材の溝および前記第２板材の溝は、それぞれ同じ溝ピッチに形成され、前記中間板材の溝は、前記第１板材の溝の半分の溝ピッチで形成されていることが望ましい。
このような本発明では、前述した第１板材、第２板材および中間板材による３枚重ね構造とした際に、第１板材および第２板材を互いに半ピッチ分ずらすことで、第１溝および第２溝を中間溝の一つおきに確実に連通させることができる。

本発明のマイクロミキサーエレメントにおいて、前記第１板材の溝、前記第２板材の溝および前記中間板材の溝は、互いに同じ溝幅および同じ溝深さに形成されていることが望ましい。
このような本発明では、互いに連通する溝幅および溝深さを揃えることができ、段差のない第１分岐通路および第２分岐通路を形成することができる。

本発明のマイクロミキサーエレメントの製造方法は、第１板材、第２板材および中間板材の主端面に、各板材の表面から裏面まで連続する所定深さの溝を形成する工程と、前記第１板材、前記中間板材、前記第２板材を順次重ね合わせ、この際に前記第１板材の溝は前記中間板材の溝の一つおきに連通させ、前記第２板材の溝は前記中間板材の溝のうち前記第１板材の溝が連通しないものに連通させる工程と、を有することを特徴とする。
このような本発明の製造方法によれば、前述した本発明のマイクロミキサーエレメントを製造することができる。

本発明のマイクロミキサーエレメントの製造方法において、前記溝を形成する工程では、第１板材、第２板材および中間板材の主端面に、円盤状砥石で切込みを入れて前記溝を形成することが望ましい。
このような本発明の製造方法によれば、円盤状砥石の利用により前述した本発明のマイクロミキサーエレメントについて説明した通りの効果を得ることができる。

本発明のマイクロミキサーは、前述した本発明のマイクロミキサーエレメントを収容する本体ブロックを有し、前記本体ブロックには、前記マイクロミキサーエレメントを収容するエレメント収容部と、前記マイクロミキサーエレメントの前記第１板材の溝に面して配置された第１流入通路と、前記マイクロミキサーエレメントの前記第２板材の溝に面して配置された第２流入通路と、前記マイクロミキサーエレメントの前記中間板材の溝に面して配置されたミキシング通路と、を有することを特徴とする。
このような本発明のマイクロミキサーによれば、前述した本発明のマイクロミキサーエレメントについて説明した通りの効果を得ることができる。

本発明の一実施形態のマイクロミキサーを示す斜視図。 前記実施形態のマイクロミキサーを示す他の角度から見た斜視図。 前記実施形態のマイクロミキサーの内部構造を示す縦断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーの内部構造を示す他の部分の縦断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーのエレメント部分を示す縦断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーのエレメント部分を示す他の方向の縦断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーのエレメント部分を示す平断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーのエレメント部分を示す他の部分の平面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントを示す斜視図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントを示す拡大正面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントを示す拡大平面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントを示す拡大断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントを示す他の部分の拡大断面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントの動作状態を示す平面図。 前記実施形態のマイクロミキサーエレメントの溝の加工を示す平面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図４には、本実施形態のマイクロミキサーの本体ブロックの構成が示されている。図５から図８には、本実施形態のマイクロミキサーにおけるエレメントおよびその収容部分の構成が示されている。図９から図１５には、本実施形態のマイクロミキサーエレメントが示されている。

図１から図４に示すように、本実施形態のマイクロミキサー１は、金属製の本体ブロック１０を有する。
図１および図２に示すように、本体ブロック１０は、上から第１ブロック１１、第２ブロック１２、第３ブロック１３を積層したものである。各ブロックはハステロイあるいはステンレス鋼などの耐食性を有する金属材料あるいはセラミックス材料から削り出し等の加工により製造される。

図２および図３に示すように、第３ブロック１３および第２ブロック１２は、第３ブロック１３の底面から延びるボルト１４により連結される。
図４に示されるように、第１ブロック１１には上面のボルト孔１５Ａからボルト１５が挿通され、このボルト１５は第２ブロック１２を貫通して第３ブロック１３に螺合されている。
これらのボルト１４，１５により、第１ブロック１１から第３ブロック１３までが積層状態で一体化されている。
なお、第１ブロック１１から第３ブロック１３を積層する際に仮止めあるいは位置合わせを行うために、各ブロックには第３ブロック１３の底面から第１ブロック１１まで貫通する２本の挿通孔１０Ａが形成されている。

図５から図８に示すように、本実施形態のマイクロミキサー１は、本体ブロック１０内に収容されたマイクロミキサーエレメント２０を有する。
詳細は後述するが、マイクロミキサーエレメント２０は、３枚の板材つまり第１板材２１，第２板材２２，中間板材２３を重ね合わせたものである。
第２ブロック１２には、マイクロミキサーエレメント２０を収容するために、第２ブロック１２の中央を貫通するスリット１２Ａが形成されている。
図１、図２および図７に示すように、第２ブロック１２には、側方からマイクロミキサーエレメント２０を固定するためのボルト１９が配置されている。マイクロミキサーエレメント２０は、スリット１２Ａ内に収容された状態において、ボルト１９で押し付けられることにより、スリット１２Ａの一方の側面に押し付けられて固定される。

図８および図５に示すように、第２ブロック１２の上面（第１ブロック１１と接合される面）には、扁平な凹部からなる第１供給通路３１および第２供給通路３２が形成されている。
第１供給通路３１は、スリット１２Ａ内に固定された第１板材２１の上端縁（第１ブロック１１に近い辺縁）に臨んでおり、第２供給通路３２は、スリット１２Ａ内に固定された第２板材２２の上端縁（第１ブロック１１に近い辺縁）に臨んでいる（図５参照）。
第１供給通路３１および第２供給通路３２は、それぞれ平面形状がマイクロミキサーエレメント２０に臨む側が拡がった二等辺三角形状とされている（図８参照）。

図５および図１に示すように、第１ブロック１１には、前述した第１供給通路３１および第２供給通路３２の二等辺三角形状の頂点に連通する流入ポート１６，１７が形成されている。
流入ポート１６は、第１ブロック１１の上面に形成された傾斜部１６Ａに開口され、外部からの図示しない第１液配管が接続され、これにより第１液が第１供給通路３１に供給される。
流入ポート１７は、第１ブロック１１の上面に形成された傾斜部１７Ａに開口され、外部からの図示しない第２液配管が接続され、これにより第２液が第２供給通路３２に供給される。

図５および図６に示すように、第１ブロック１１の下面側には、マイクロミキサーエレメント２０の中間板材２３の中央部分に臨むミキシング通路３３が形成されている。ミキシング通路３３は、上方に向かって二等辺三角形状に縮小し、その頂点は第１ブロック１１の上面中央に形成された流出ポート１８に連通されている。
流出ポート１８は、外部からの図示しない混合液配管が接続され、これにより第１液と第２液との混合液が取り出される。

図９から図１５に示すように、マイクロミキサーエレメント２０は、３枚の板材つまり第１板材２１，第２板材２２，中間板材２３を重ね合わせたものである。
第１板材２１，第２板材２２，中間板材２３は、それぞれ同じ幅、高さおよび厚さを有するセラミックス製の板材である。
これらの板材のセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア等が利用できる。

これらの第１板材２１、第２板材２２、中間板材２３は、各々の第１ブロック１１側の端面が主端面２１Ａ，２２Ａ，２３Ａとされ、各主端面には各板材の表面から裏面まで連続する所定深さの第１溝２１Ｂ、第２溝２２Ｂ、中間溝２３Ｂが形成されている。
図１０および図１１に示すように、第１溝２１Ｂおよび第２溝２２Ｂは互いに同じ溝ピッチで形成され、中間溝２３Ｂは第１溝２１Ｂおよび第２溝２２Ｂのピッチの半分の溝ピッチで形成されている。
第１溝２１Ｂ、第２溝２２Ｂおよび中間溝２３Ｂは、それぞれ同じ溝幅および溝深さで形成されている。これらの溝深さは第１供給通路３１および第２供給通路３２の深さと略同じである。
これらの第１溝２１Ｂ、第２溝２２Ｂおよび中間溝２３Ｂは、それぞれ第１供給通路３１、第２供給通路３２、ミキシング通路３３の幅（図１０、図１１で横方向）の範囲内に複数が配列されている。

図１２および図１４に示すように、第１板材２１と中間板材２３とは、互いに接合された状態で、各々の第１溝２１Ｂと中間溝２３Ｂの一つおきのものとが互いに連通される。第１溝２１Ｂに連通する中間溝２３Ｂは、第１板材２１と反対側を第２板材２２によって閉鎖され、これらの第１溝２１Ｂおよび中間溝２３Ｂにより、第１供給通路３１から連通しかつ分岐状に細くなりながら第１板材２１を通って中間板材２３まで連続する第１分岐通路が形成される。
図１３および図１４に示すように、第２板材２２と中間板材２３とは、互いに接合された状態で、各々の第２溝２２Ｂと中間溝２３Ｂの他の一つおきのもの（第１溝２１Ｂが連通する中間溝２３Ｂとは別のもの）とが互いに連通される。第２溝２２Ｂに連通する中間溝２３Ｂは、第２板材２２と反対側を第１板材２１によって閉鎖され、これらの第２溝２２Ｂおよび中間溝２３Ｂにより、第２供給通路３２から連通しかつ分岐状に細くなりながら第２板材２２を通って中間板材２３まで連続する第２分岐通路が形成される。

図１４に示すように、このような第１分岐通路（第１溝２１Ｂおよび中間溝２３Ｂ）および第２分岐通路（第２溝２２Ｂおよび中間溝２３Ｂ）は、中間板材２３の主端面２３Ａにおいて互いに交互に配置され、これによりミキシング通路３３内において従来のマイクロミキサーと同様に流体の交互層流を形成することができる。

ところで、前述した第１分岐通路および第２分岐通路は、それぞれ他の第２板材２２および第１板材２１によって閉鎖されることで終端を形成される。このため、各板材２１〜２３においては、主端面２１Ａ〜２３Ａに溝を形成する際に微細な端部を形成する必要がない。
図１５に示すように、例えば、中間板材２３の主端面２３Ａに、数十ミリ以上の半径の円盤状砥石９を用いて切込みを入れれば、これを中間溝２３Ｂとすることができる。このような加工を行った中間板材２３を第１板材２１に接合すれば、中間溝２３Ｂの終端を第１板材２１（第１溝２１Ｂの間の領域）の側面で閉鎖することができ、これにより第２分岐通路の終端としてミクロンオーダーの立ち上がりを形成することができる。

同様にして、第１板材２１の主端面２１Ａに第１溝２１Ｂを形成し、第２板材２２の主端面２２Ａに第２溝２２Ｂを形成することができ、これらは他の板材との接合の際に、適宜他の溝と連通され、あるいは終端として閉鎖されるようにすることができる。
このような円盤状砥石９による各溝２１Ｂ〜２３Ｂの加工は、マイクロミキサーエレメント２０を３枚の板材２１〜２３に分割して組み立てるようにしたから可能になったものである。
さらに、このような円盤状砥石の利用により、第１板材２１、第２板材２２および中間板材２３に加工できる溝幅を２０μｍ程度まで微細化し、表面粗さを０．１４μｍＲｚ程度まで平滑化することが可能となる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態のマイクロミキサーエレメント２０における第１板材２１、第２板材２２および中間板材２３の材質、寸法は任意であり、適用する機器、適用する流体などに応じて適宜選択すればよい。
同様に、マイクロミキサーエレメント２０における各板材２１〜２３に形成される第１溝２１Ｂ、第２溝２２Ｂおよび中間溝２３Ｂの溝ピッチ、溝幅および溝深さも任意であり、適用する機器、適用する流体などに応じて適宜選択すればよい。

前記実施形態では、各溝２１Ｂ〜２３Ｂを同じ溝幅および溝深さとしたが、これらを異なる寸法としてもよい。但し、揃えておくことで、第１分岐通路および第２分岐通路としての内面の連続性を確保できる。
前記実施形態では、第１溝２１Ｂと第２溝２２Ｂとを同じ溝ピッチで配列し、中間溝２３Ｂを半分のピッチとすることで、第１溝２１Ｂおよび第２溝２２Ｂが中間溝２３Ｂの一つおきに交互に連通するようにしたが、これらの配列パターンは変更することができる。例えば、中間溝２３Ｂの配列に対して第１溝２１Ｂが２つ連通したのち第２溝２２Ｂが１つ連通するパターンで配列してもよい。このような配列により、第１液が２／３で第２液が１／３となるように混合する等の設定も可能である。

前記実施形態のマイクロミキサー１における第１ブロック１１、第２ブロック１２、第３ブロック１３の材質、寸法も任意であり、適用する機器、適用する流体などに応じて適宜選択すればよい。
マイクロミキサー１の本体ブロック１０は、３つのブロック１１〜１３による構成に限らず、例えば第２ブロック１２と第３ブロック１３を一体化し、その上面にスリット１２Ａを加工してマイクロミキサーエレメント２０を収容してもよい。あるいは内部構成によっては、更に多数のブロックに分割してもよい。

本発明は、複数の流体を精密に混合するためのマイクロミキサー、マイクロミキサーエレメントおよびその製造方法として利用できる。

１…マイクロミキサー
９…円盤状砥石
１０…本体ブロック
１０Ａ…挿通孔
１１…第１ブロック
１２…第２ブロック
１２Ａ…スリット
１３…第３ブロック
１４，１５，１９…ボルト
１５Ａ…ボルト孔
１６，１７…流入ポート
１６Ａ，１７Ａ…傾斜部
１８…流出ポート
２０…マイクロミキサーエレメント
２１…第１板材
２１Ａ…主端面
２１Ｂ…第１溝
２２…第２板材
２２Ａ…主端面
２２Ｂ…第２溝
２３…中間板材
２３Ａ…主端面
２３Ｂ…中間溝
３１…第１供給通路
３２…第２供給通路
３３…ミキシング通路

Claims (6)

1. マイクロミキサーに組み込まれて交互配置された分岐通路を形成するマイクロミキサーエレメントであって、
   第１板材と、第２板材と、第１板材および第２板材の間に挟まれた中間板材とを有し、
   前記第１板材、前記第２板材および前記中間板材は、それぞれ主端面に各板材の表面から裏面まで連続する所定深さの溝が形成され、
   前記第１板材の溝は前記中間板材の溝の一つおきに連通され、
   前記第２板材の溝は前記中間板材の溝のうち前記第１板材の溝が連通しないものに連通されていることを特徴とするマイクロミキサーエレメント。
2. 請求項１に記載のマイクロミキサーエレメントにおいて、
   前記第１板材の溝および前記第２板材の溝は、それぞれ同じ溝ピッチに形成され、
   前記中間板材の溝は、前記第１板材の溝の半分の溝ピッチで形成されていることを特徴とするマイクロミキサーエレメント。
3. 請求項２に記載のマイクロミキサーエレメントにおいて、前記第１板材の溝、前記第２板材の溝および前記中間板材の溝は、互いに同じ溝幅および同じ溝深さに形成されていることを特徴とするマイクロミキサーエレメント。
4. マイクロミキサーに組み込まれて交互配置された分岐通路を形成するマイクロミキサーエレメントの製造方法であって、
   第１板材、第２板材および中間板材の主端面に、各板材の表面から裏面まで連続する所定深さの溝を形成する工程と、
   前記第１板材、前記中間板材、前記第２板材を順次重ね合わせ、この際に前記第１板材の溝は前記中間板材の溝の一つおきに連通させ、前記第２板材の溝は前記中間板材の溝のうち前記第１板材の溝が連通しないものに連通させる工程と、を有することを特徴とするマイクロミキサーエレメントの製造方法。
5. 請求項４に記載したマイクロミキサーエレメントの製造方法において、前記溝を形成する工程では、第１板材、第２板材および中間板材の主端面に、円盤状砥石で切込みを入れて前記溝を形成することを特徴とするマイクロミキサーエレメントの製造方法。
6. 請求項１から請求項３の何れかに記載したマイクロミキサーエレメントを収容する本体ブロックを有し、
   前記本体ブロックには、前記マイクロミキサーエレメントを収容するエレメント収容部と、前記マイクロミキサーエレメントの前記第１板材の溝に面して配置された第１流入通路と、前記マイクロミキサーエレメントの前記第２板材の溝に面して配置された第２流入通路と、前記マイクロミキサーエレメントの前記中間板材の溝に面して配置されたミキシング通路と、を有することを特徴とするマイクロミキサー。

Images