JP2008246283A - Collision type micromixer - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a collision type mixer that utilizes the turbulent flow effect caused by the collision or flow change of a fluid in order to achieve a highly efficient mixing function required for a microchemical process. In particular, in Europe, for example, μ-TAS (Micro Total (Abbreviation of Analysis System), a collision type micromixer that mixes and agitates a small amount of fluid, which is suitable for microfluidic devices having a microstructure represented by a microreactor called Lab-on-A-Chip in the US It is about.
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。 “Mixing” is an important function required for devices for microchemical processes, but there are still few proposals for effective mixing devices (mixers). As a collision type mixing apparatus for a known microchemical process, there are proposals of an alternating flow method and a mechanical stirring method (see Patent Document 1). Therefore, the size and price are not suitable for microchemical processes.
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。
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。 However, with these pipe and tube connection methods and jet flow collision methods, the flow conditions such as changes in the flow characteristics of the target fluid, as well as dimensional conditions such as the posture, positional relationship, and length of the flow path are accurately set. It is very difficult to maintain the certainty and continuity of the turbulent flow state, which may cause instability of the flow characteristics and cause variations in the mixing characteristics.
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。 Also, if the combination of the above tube or tubes, increased in size inevitably device requires a unnecessary portion or joint portion, moreover a method and jet flow collisions method connecting the tube or tubes, mechanical stirrer Like the method and the alternating flow method, the structure is inevitably externally attached to the microreactor, making it difficult to downsize and integrate one of the features of the microreactor. When the microreactor is put into practical use, It is expected that it will be very difficult to increase the numbering by arranging multiple microreactors of the same type in parallel to secure the production volume.
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。 Therefore, the present invention generates a turbulent flow due to collision of a plurality of fluids to be mixed in the microchannel or changes in flow direction and speed, and uses it for the mixing function to enable miniaturization and integration of the microreactor. Another object is to propose a structure for intentionally and reliably generating the turbulent flow.
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。 The present invention advantageously solves the above problems, and the collision type micromixer according to the present invention is a microchannel (microgroove) or microslit having a width and depth of several tens of μm to several mm. In order to reliably generate turbulence in the liquid flowing inside the flow path and to obtain highly efficient mixing, the effect of the crossing angle of the flow path, the effect of the crossing direction of the flow path, various types of merging units or multiple stages of the same type Effect of combination, effect of asymmetry of flow path length of merging unit, effect of asymmetry of flow path cross-sectional area of merging unit, effect of shape of flow path inflection part (broken line, curved shape, etc.) of merging unit, merging The effect of the change in the cross-sectional area of the channel in the middle of the unit and the effect of the shielding in the channel in the middle of the merging unit are used independently or in combination.
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た第１の流入流路と第２の流入流路と流出流路とを具え、前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とは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し、前記流出流路は前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とが合流した点から前記第１の流入流路および前記第２の流入流路の両方と交差するかまたは、前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とが互いに対向する方向に延在している場合以外にそれらの何れか一方の延長方向に延在していることを特徴としている。 That is, the collision type micromixer of the present invention is configured by a slit formed in a plate sandwiched between two members or a groove formed on the surface of the member or the plate and covered with another member. A first inflow channel, a second inflow channel, and an outflow channel, wherein the first inflow channel and the second inflow channel extend in a direction facing or crossing each other; The first inflow channel and the second inflow channel from the point where the first inflow channel and the second inflow channel merge. Or the first inflow channel and the second inflow channel extend in any one of the extending directions other than the case where the first inflow channel and the second inflow channel extend in a direction facing each other. It is characterized by having.
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、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た流体が流出流路から流出する。 With this configuration, when the plate is sufficiently thin, the slit forms a minute flow path, and when the depth or width of the groove formed on the surface of the member or the plate is sufficiently small, the width is several tens of μm to several mm. Since a minute flow channel with a depth is formed, the first inflow channel and the second inflow channel formed by the slits and grooves extend in a direction facing or intersecting each other, The fluid flowing through the first inflow channel and the second inflow channel collide from the front or at an angle at the merging point of the channels to generate a turbulent flow. The fluid mixed with the fluid flowing through the flow path and the second inflow path flows out from the outflow path.
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。 Therefore, according to the collision type micromixer of the present invention, since the micromixer can be configured using the plate or the surface of the member, the microreactor can be miniaturized and integrated.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 10 show various embodiments of the collision type micromixer according to the present invention. In the figure,
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。
FIG. 1 shows an embodiment of a collision type micromixer according to the present invention, in which a
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。
FIG. 2 shows a multi-stage merging
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。
FIG. 3 shows a merging
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。
FIG. 4 shows the
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。
FIG. 5 shows the
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。
FIG. 6 shows the
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。
FIG. 7 shows the
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。
FIG. 8 shows a configuration in which three types of merging
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。
FIG. 9 shows an enlarged
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。
FIG. 10 shows a configuration in which a
There is a
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。
Next, an embodiment of the collision type micromixer of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIGS. 11A, 11B, and 11C are a plan view, a side view, and a dimension table illustrating the specific configuration of the merging unit shown in FIG. 1A. Here, the thickness is as illustrated. The
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。
As a result, the fluid that has flowed into the
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。
12A, 12B, and 12C are a plan view, a side view, and a dimension table illustrating the specific configuration of the merging unit shown in FIG. 1B, and the thickness is also illustrated here. The
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。
As a result, the fluid flowing into the
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。
FIGS. 13A, 13B, and 13C are a plan view, a side view, and a dimension table illustrating the specific configuration of the merging unit shown in FIG. 1C, and the thickness is also illustrated here. The
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。
As a result, the fluid flowing into the
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。
14A, 14B, 14C, 14D, and 14E are a plan view, an enlarged view, and an enlarged view illustrating a specific configuration of the micromixer shown in FIG. It is sectional drawing which each follows an AA line, a BB line, and CC line, and here is
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。
As a result, the fluid that has flowed into the
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。
15A, 15B, 15C, 15D, and 15E are a plan view, an enlarged view, and an enlarged view illustrating a specific configuration of the micromixer shown in FIG. It is sectional drawing which each follows an AA line, a BB line, and CC line, and here is
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。
In this micromixer as well, as in the example shown in FIG. 14, the fluid flowing into the
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。 16 (a), (b), (c), (d), and (e) are a plan view, an enlarged view, and an enlarged view illustrating a specific configuration of the micromixer shown in FIG. 2 (b). It is sectional drawing which each follows an AA line, a BB line, and CC line, and this micromixer has a slit width of 0.5 mm, 0.4 mm, 0.3 mm and the example shown in FIG. Only the point that the groove depth is 0.2 mm and the groove depth are 0.7 mm, 0.6 mm, and 0.5 mm are different, and the other points are similarly configured.
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。
In this micromixer as well, as in the example shown in FIG. 14, the fluid flowing into the
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。 17 (a), (b), (c), (d), and (e) are a plan view, an enlarged view, and an AA line in the enlarged view showing a modification of the micromixer shown in FIG. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along lines BB and CC, and this micromixer is different from the example shown in FIG. 16 in that not only the junction point I but also the branch point D branches at an angle of 60 degrees. The points are different, and the other points are configured similarly.
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。 In this micromixer, each branch point D branches off more smoothly than in the example shown in FIG. 16, so the flow resistance of the mixer as a whole is smaller than in the example shown in FIG.
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。 18A, 18B, 18C, 18D, and 18E are a plan view, an enlarged view, and an A- in the enlarged view of another modification of the micromixer shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view taken along lines A, B-B, and CC, respectively. This micromixer is different from the example shown in FIG. 17 in that it merges and branches at an angle of 90 degrees at a junction I and a branch D. The other points are configured similarly.
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。 19 (a), (b), (c), (d), and (e) are a plan view, an enlarged view, and A in the enlarged view showing still another modification of the micromixer shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the lines -A, BB, and CC, respectively. This micromixer merges with the example shown in FIG. It differs in that it branches at an angle of 90 degrees, and the other points are configured similarly.
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。 20 (a), (b), (c), (d), and (e) are a plan view, an enlarged view, and A in the enlarged view showing still another modification of the micromixer shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line -A, line B-B, and line CC, respectively. This example of the micromixer is different from the example shown in FIG. It is different in that it branches at an angle of 60 degrees, and the other points are similarly configured.
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。
21 (a), (b), (c), and (d) are plan views and enlarged views illustrating a specific configuration of a modification of the micromixer shown in FIG. 14 using the merging unit shown in FIG. It is sectional drawing in alignment with the AA line in (a), and sectional drawing in alignment with the BB line in (b), Here, as shown, thickness t is 10.0 mm as a member By forming a groove having a width of 0.5 mm and a depth of 0.5 mm on the surface of the
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。
In this micromixer as well, as in the example shown in FIG. 14, the fluid flowing into the
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。
22 (a), (b), (c), and (d) are plan views illustrating a specific configuration of another modification of the micromixer shown in FIG. 14 using the confluence unit shown in FIG. FIG. 21 is an enlarged view, a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5A, and a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 21B. This micromixer is different from the example shown in FIG. Is different in that the radius of the arc is 1.4 mm in the
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。
23 (a), (b), (c), and (d) are plan views showing a specific configuration of still another modified example of the micromixer shown in FIG. 14 using the merging unit shown in FIG. FIG. 21 is an enlarged view, a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5A, and a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 21B. This micromixer is different from the example shown in FIG. Is different in that the radius of the arc is 1.1 mm in the
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。
FIGS. 24A, 24B, and 24C are a plan view, a side view, and an enlarged view showing a specific configuration of a modification of the merging unit shown in FIG. 11, and this merging
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。
25 (a), (b), and (c) are a plan view, a side view, and an enlarged view showing a specific configuration of another modification of the merging unit shown in FIG. The example shown in FIG. 14 differs from the example shown in FIG. 14 in that the width of the
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。
FIG. 26 is a plan view showing a specific configuration of still another modification of the micromixer shown in FIG. 14, and FIGS. 27A and 27B are an enlarged view of the micromixer of the modification and a detailed view of the groove. 28 (a), (b), and (c) are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC in FIG. 27 (a), respectively. In the example shown in FIG. 14, the groove is not formed in the
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。
FIG. 29 is a plan view showing a specific configuration of still another modification of the micromixer shown in FIG. 14, and FIGS. 30A and 30B are an enlarged view and a detailed view of the groove of the micromixer of the modification. 31 (a), (b), and (c) are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC in FIG. 30 (a), respectively. The examples shown in FIGS. 26 to 28 are tangent to the circular part formed in the inflection part in the merging
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。
FIG. 32 is a plan view showing a specific configuration of still another modified example of the micromixer shown in FIG. 14, and FIGS. 33A and 33B are an enlarged view and a detailed view of a groove portion of the modified micromixer. 34 (a), (b), and (c) are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC in FIG. 33 (a), respectively. The example shown in FIGS. 26 to 28 is slightly offset from the center of the circular portion to the circular portion formed in the inflection portion in the second and
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。
FIG. 35 is a plan view showing a specific configuration of still another modified example of the micromixer shown in FIG. 14, and FIGS. 36A and 36B are an enlarged view of the micromixer of the modified example and a detailed view of the groove portion. 37 (a), (b), and (c) are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC in FIG. 36 (a), respectively. The example shown in FIGS. 26 to 28 is slightly offset inward from the center of the circular portion to the circular portion formed at the inflection portion in the merging
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。
38 (a) and 38 (b) are a plan view and an enlarged view illustrating a specific configuration of a merging unit as still another embodiment of the collision type micromixer of the present invention. A
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。
As a result, the fluid that has flowed into the
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。 Although the present invention has been described based on the illustrated examples, the present invention is not limited to the above-described examples, and can be appropriately changed within the scope of the claims. For example, the merging units are connected in series or in parallel. Thus, the number of stages to be combined is not limited to four, and can be increased or decreased as appropriate. In addition, the material and dimensions of the plate forming the slit and groove and the member forming the groove can be appropriately changed as necessary, and the collision type micromixer or The provided microreactor or the like may be configured three-dimensionally. And the application object of the collision type micromixer of this invention is not restricted to the mixing of liquids, Gas (reaction gas, an inert gas, etc.) or mixing of a liquid and gas may be sufficient.
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。 Thus, according to the collision type micromixer of the present invention, the micromixer can be constructed using the plate or the surface of the member, so that the microreactor can be miniaturized and integrated.
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
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とは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し、
前記流出流路は前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とが合流した点から前記第１の流入流路および前記第２の流入流路の両方と交差する方向に延在していることを特徴とする、衝突型マイクロミキサー。 A first inflow channel and a second inflow respectively formed by a slit formed in a plate sandwiched between two members or a groove formed on the surface of the member or the plate and covered with another member Comprising a flow channel and an outflow channel,
The first inflow channel and the second inflow channel extend in a direction facing or intersecting each other, and merge at their collision point or intersection,
The outflow channel extends in a direction intersecting with both the first inflow channel and the second inflow channel from the point where the first inflow channel and the second inflow channel merge. Collision-type micromixer, characterized by
前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とは互いに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し、
前記流出流路は前記第１の流入流路と前記第２の流入流路とが合流した点から前記第１の流入流路および前記第２の流入流路の何れか一方の延長方向に延在していることを特徴とする、衝突型マイクロミキサー。 A first inflow channel and a second inflow respectively formed by a slit formed in a plate sandwiched between two members or a groove formed on the surface of the member or the plate and covered with another member Comprising a flow channel and an outflow channel,
The first inflow channel and the second inflow channel extend in a direction intersecting each other and merge at their collision point or intersection,
The outflow channel extends in the extending direction of one of the first inflow channel and the second inflow channel from the point where the first inflow channel and the second inflow channel merge. Collision-type micromixer characterized by existing.
前記合流ユニットは、複数段直列に組み合わされてい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。 The first inflow channel, the second inflow channel, and the outflow channel constitute a merging unit,
The collision type micromixer according to claim 1, wherein the merging unit is combined in a plurality of stages in series.
前記合流ユニットは、複数列並列に組み合わされ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。 The first inflow channel, the second inflow channel, and the outflow channel constitute a merging unit,
The collision type micromixer according to any one of claims 1 to 3, wherein the merging units are combined in a plurality of rows in parallel.
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。 An angle formed by the first inflow channel and the second inflow channel facing each other is 180 degrees,
The angle formed by the first inflow channel and the second inflow channel intersecting each other is any angle from 5 degrees to 350 degrees except 180 degrees. 5. The collision type micromixer according to any one of 1 to 4.
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６までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。 At least one of the first inflow channel and the second inflow channel has an inflection part,
The collision type micromixer according to any one of claims 1 to 6, wherein the inflection part has a polygonal line shape.
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６までの何れか１項記載の衝突型マイクロミキサー。 At least one of the first inflow channel and the second inflow channel has an inflection part,
The collision type micromixer according to claim 1, wherein the inflection portion is curved.
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