JP3694878B2 - マイクロ混合器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミキシング性能が良好で、その製作が容易な簡易な構造のマイクロ混合器に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
マイクロ混合器は、例えばマイクロマシンニング技術を用いてSi等の半導体基板を加工して製作される。
具体的にはこの種のマイクロ混合器は、例えば2種類の液(流体)A,Bを混合して2層の層流(A+B)を形成した後、この層流(A+B)をその層方向に(A+B)/2ずつ2分割し、更にこれらの2分割された2つの層流(A/2+B/2)を混合して4層の層流(A/2+B/2+A/2+B/2)を形成した後、この層流をその層方向に更に2分割すると言う処理を繰り返すことで、上記各液A,Bがなす層(大きさ)を徐々に細分化し、これによって前記各液A,Bの拡散を速めるように構成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のマイクロ混合器にあっては、流体(液)を混合・分配する為の流路自体が微細であり、クリティカルな製作精度が要求される。この為、その加工(製造)方法が複雑であり、しかも正確なアライメントを必要とするので製造コストが高いと言う問題がある。また流路自体が微細なので、その流路構造が複雑な場合、液体粒子による目詰まりを起こし易い。特に流体を分配する為の幅の狭いスリット部分において目詰まりが生じ易い。更には流体の流れが不均衡となって所要とするミキシング性能を得ることが困難となる等の欠点がある。
【0004】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ミキシング性能が良好で、その製作が容易な安価で簡易な構造のマイクロ混合器を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係るマイクロ混合器は、複数の混合分配ユニットを、例えば所定の曲率の円周をなすように所定の閉曲線上に周期的に配列した複数枚の流路モジュールを積層して上記各流路モジュール間の混合分配ユニットを順次連結し、各混合分配ユニットにそれぞれ供給された流体を順次混合分配していく流路を複数の層に亘って形成したものであって、
前記各混合分配ユニットは、該流路モジュールの上流面側に設けられた前記2個のインレットと、これらの2個のインレットとは該流路モジュールの面内での位置を異ならせて前記流路モジュールの下流面側に設けられた前記2個のアウトレットと、前記流路モジュールの面と平行な流路を形成して設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体を前記各アウトレットのそれぞれに向けて分配すると共に、分配された前記各インレットからの流体を混合して前記各アウトレットにそれぞれ導くチャネルとを備えた流路構造を有し、
前記各流路モジュールの1つの混合分配ユニットにおける2個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モジュールにおける2個の混合分配ユニットの各1個のインレットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴としている。
【0006】
即ち、本発明は、上流面側に2個のインレットを設けると共に、下流面側に2個のアウトレットを設け、これらのインレットとアウトレットとをチャネルを介して連結して流路を形成た混合分配ユニットを備えたもので、特に複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線をなして板状の流路モジュールに周期的に配列し、このような構造をなす複数枚の流路モジュールを積み重ねて多層構造化したマイクロ混合器を構築するものである。
【0007】
この際、前記各流路モジュールにおける混合分配ユニットの2個のアウトレットを、その下流側の流路モジュールにおける2個の混合分配ユニットの隣接する各1個のインレットにそれぞれ個別に連結する。そして各混合分配ユニットの2個のインレットからそれぞれ導入されて混合した流体を、その2個のアウトレットからそれぞれ分配して出力し、これらの2個のアウトレットからそれぞれ出力される流体を、下流側の流路モジュールにおける2つの混合分配ユニットにおける各1個のインレットに個別に導くようにしたことを特徴としている。
【0008】
本発明の好ましい態様は、前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、互いに隣り合う2つの混合分配ユニット間において隣接する各1個のアウトレットの配列間隔を、前記各混合分配ユニットにおける2個のインレットの配列間隔と等しく設定して配列される。更に前記各混合分配ユニットにおける2個のインレットの径、2個のアウトレットの径、およびチャネルの幅とその深さは、それぞれほぼ同じ大きさに形成される。尚、アウトレットの径については、該アウトレットに連結される下流側の流路モジュールにおけるインレットの径によって規定されるようにしても良い。
【0009】
また本発明の好ましい態様は、最下流の層をなす流路モジュールに、該流路モジュールにおける複数の混合分配ユニットの各アウトレットからそれぞれ出力される流体を1つの流路にまとめる集合部を設けることが望ましい。特にこの集合部については、前記各アウトレットからそれぞれ出力された流体を混合して拡散させるに必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長を有するものとして実現することが望ましい。また混合液がお互いに反応する場合には、その反応時間を十分確保するように設定することが望ましい。
【0010】
また前記混合分配ユニットについては、前記2個のインレットおよび2個のアウトレットを、その中央に設けられてチャネルの向きを定める島状の仕切部を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造を有するものとすることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について、2種類の液体A,Bを混合して逸早くそのマイクロ混合液を形成するマイクロ混合器を例に説明する。
図1はこの実施形態に係るマイクロ混合器の概略構成を示す分解斜視図で、図中1,2は上下一対のプレート体である。これらのプレート体1,2は、例えば厚みが5mm、一辺の長さが50mm程度の平板矩形状のAl材からなる。これらの各プレート体1,2の四隅部には、貫通孔1aとねじ孔2aとがそれぞれ設けられており、上部プレート体1の各貫通孔1aを通して下部プレート体2のねじ孔2aに螺合する4本のボルト3により、後述する複数枚の流路モジュールと集合部とをその間に挟んで結合一体化されるものとなっている。
【0012】
しかして上部プレート体1の中央部には、その中心位置から対角線方向に向けて3つの貫通孔(図示せず)が設けられており、これらの各貫通孔には流体導入用のコネクタ4a,4bと、流体取出用のコネクタ4cとがそれぞれ装着されている。また下部プレート体2の中央部には、前記流体導入用のコネクタ4a,4bがそれぞれ装着された2つの貫通孔にそれぞれ対応して、図2(a)に示すようにリング状および円形状をなす所定深さの流体導入チャネル5a,5bが形成されている。これらの流体導入チャネル5a,5bは、後述する流路モジュールに円周をなして配列される混合分配ユニットの並びに沿って設けられる所定厚みの隔壁5cを介して区画されている。またこの下部プレート体2には、後述する複数枚の流路モジュールを位置合わせして積み重ねる上でのガイドピン(図示せず)を垂直に植設する為のピン孔6が設けられている。
【0013】
さて上述したプレート体1,2間に積層して挟み込まれる複数枚(m枚)の流路モジュール7(71,72,〜7m)は、例えば厚みが0.8mm、一辺の長さ25mm程度の平板矩形状のAl材やSUS等からなる。これらの各流路モジュール7は、図2(b)に示すように前述した流体導入用のコネクタ4a,4bがそれぞれ装着された2つの貫通孔にそれぞれ対応する貫通孔8a,8bと、上述したガイドピンを挿通してその位置合わせに供せられる貫通孔9とをそれぞれ共通に備え、更に前記流体導入チャネル5a,5bを区画する隔壁5cに沿って配列された複数の混合分配ユニット10を備える。
【0014】
ちなみに上記混合分配ユニット10は、例えば図3にその概略構成を示すように、板状の流路モジュール7における上流面(下面)側に設けた2個のインレット11(11a,11b)と、上記流路モジュール7における下流面(上面)側に設けた2個のアウトレット12(12a,12b)とを備え、その上面側に穿いた深さ0.4mmの溝からなるチャネル13を介して上記各インレット11a,11bとアウトレット12a,12bとを連結して、流路モジュール7の上下面間に流路を形成した構造をなす。
【0015】
特にこの混合分配ユニット10においては、前記チャネル13の中央に位置付けられて該チャネル13の向きを定める島状の仕切部14が設けられている。そして前記2個のインレット11a,11b、および2個のアウトレット12a,12bを、上記仕切部14を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造となっている。またこの混合分配ユニット10におけるインレット11a,11bの径、アウトレット12a,12bの径、そしてチャネル13の幅とその深さは、例えば0.4mmとして互いに等しく設定され、更に2個のインレット11a,11bは0.4mmの間隔を隔てて、また2個のアウトレット12a,12bは1.2mmの間隔を隔てて設けられている。
【0016】
しかして前述したm枚の流路モジュール7(71,72,〜7m)は、それぞれ上述した構造をなす複数の混合分配ユニット10を所定の曲率をなす円周上に、所定の間隔で配列した構造を有する。そしてこれらの各流路モジュール7(71,72,〜7m)を、隣接する流路モジュール7(71,72,〜7m)間において前記混合分配ユニット10のインレット11a,11bとアウトレット12a,12bとを順に連結して積み重ねて、多層構造化された流路を形成する。
【0017】
特に各流路モジュール7(71,72,〜7m)における1つの混合分配ユニット10は、その2個のアウトレット12a,12bを、隣接する下流側の流路モジュール7における2つの混合分配ユニット10,10の各1個のインレット11a,11bにそれぞれ個別に連結されるようになっている。換言すれば各流路モジュール7(71,72,〜7m)における1つの混合分配ユニット10の、2個のインレット11a,11bを、隣接する上流側の流路モジュール7における2つの混合分配ユニット10,10の各1個のアウトレット12a,12bにそれぞれ個別に連結されている。
【0018】
そして各流路モジュール7(71,72,〜7m)における1つの混合分配ユニット10は、その上流側の流路モジュール7における互いに異なる2つの混合分配ユニット10の各1個のアウトレット12a,12bからそれぞれ出力された流体を、その2個のインレット11a,11bからそれぞれ導入して混合し、その混合した流体を2個のアウトレット12a,12bから、その下流側の流路モジュール7における互いに異なる2つの混合分配ユニット10の各1個のインレット11a,11bに対してそれぞれ分配して導出するようになっている。
【0019】
具体的にはこの実施形態に係るマイクロ混合器においては、m枚の流路モジュール7(71,72,〜7m)における複数の混合分配ユニット10は、例えば図4に5段(5層)の流路を形成した例を示すように、前記各流路モジュール7において、その下流側(上段側)の1つの混合分配ユニット10における2個のインレット11a,11bの各位置に、互いに隣接する2つの混合分配ユニット10の各1個のアウトレット12a,12bがそれぞれ位置付けられるレイアウト(間隔)でそれぞれ配列されている。
【0020】
換言すれば各流路モジュール7において互いに隣接する2つの混合分配ユニット10は、その一方の混合分配ユニット10におけるアウトレット11aが、その下流側(上段側)の1つの混合分配ユニット10における一方のインレット11aの位置に位置付けられ、他方の混合分配ユニット10におけるアウトレット11bが、その下流側(上段側)の上記混合分配ユニット10における他方のインレット11bの位置に位置付けられるように配列されている。この結果、m枚の流路モジュール7(71,72,〜7m)を前述したように位置合わせして積層するだけで、隣接する流路モジュール7間において上記混合分配ユニット10のインレット11a,11bとアウトレット12a,12bとが上述した関係を以て互いに連結されるようになっている。
【0021】
かくして上述したように前記混合分配ユニット10を所定個数ずつ閉曲線(円周)をなして配列したm枚の流路モジュール7(71,72,〜7m)を積み重ねて構成されるマイクロ混合器によれば、前述した如く下部プレート体2に設けられた2つの流体導入チャネル5a,5bに2種類の流体(液体)A,Bを所定の圧力を以て導入すれば、図4に示すように一方の流体(液体)Aは、最上流(最下段)の流路モジュール7m(75)における複数の混合分配ユニット10のそれぞれに、その一方のインレット11aを介して導入される。また他方の流体(液体)Bは、最上流(最下段)の流路モジュール7m(75)における複数の混合分配ユニット10のそれぞれに、その他方のインレット11bを介して導入される。そしてこれらの流体(液体)A,Bは、各混合分配ユニット10におけるチャネル13にてそれぞれ混合され、2個のアウトレット12a,12bを介してそれぞれ分配して出力される。
【0022】
すると次段の流路モジュール74においては、上記流路モジュール76の各混合分配ユニット10におけるアウトレット12a側から出力される流体(液体)[A+B/2]を新たに混合すべき一方の流体(液体)A1として、その混合分配ユニット10における一方のインレット11aを介して導入する。また流路モジュール75の各混合分配ユニット10における他方のアウトレット12b側から出力される流体(液体)[A+B/2]を新たに混合すべき一方の流体(液体)B1として、その混合分配ユニット10における他方のインレット11bを介して導入する。そしてこれらの流体(液体)A1,B1を、チャネル13にてそれぞれ混合し、その混合液(層流)を2個のアウトレット12a,12bを介してそれぞれ分配して出力する。
【0023】
このような2系統の流体(液体)の混合とその分配を、前記各流路モジュール7において順に繰り返し実行することで、前述した2種類の流体(液体)A,Bの細分化(マイクロ混合)が進められ、最下流(最上段)の流路モジュール71の各混合分配ユニット10から前記2種類の液体A,Bを混合したマイクロ混合液が取り出されることになる。そしてこれらの各混合分配ユニット10からそれぞれ取り出されたマイクロ混合液は、その上部(下流側)の集合部20に導入され、これらのマイクロ混合液を拡散反応させるに十分な滞留時間の下で更に混合された後、1つの流路にまとめられて前記流体取出用のコネクタ4cから出力される。即ち、上記集合部20については、前記複数の混合分配ユニット10における各アウトレット12a,12bからそれぞれ出力されたマイクロ混合液を十分に混合するに必要な滞留時間を十分に確保し得る流路長Lを有するものとして実現することが望ましい。また混合液がお互いに反応する場合には、その反応時間を十分確保するように設定することが望ましい。
【0024】
従ってこの実施形態に係るマイクロ混合器によれば、複数の混合分配ユニット10を設けた平板状の複数の流路モジュール7(71,72,〜7m)を積み重ねただけの簡単な構造で、2種類の液体A,Bを逸早く均質に混合したマイクロ混合液をを効果的に形成することができる。しかも上記流路モジュール7(71,72,〜7m)については、Al板やSUS板等を用いて簡易に製作することができ、混合分配ユニット10の形成(加工)自体も容易なので、その製作コストが安価である。更には複数の流路モジュール7(71,72,〜7m)間のアライメント精度についても容易に高めることができ、その組み立て自体も簡単なので、この点でもその製作コストの低廉化を図り得る等の利点がある。
【0025】
また前述した混合分配ユニット10におけるインレット11a,11bの径、アウトレット12a,12bの径、そしてチャネル13の幅が互いにほぼ等しく設定されているので、混合液による目詰まりが生じ難い。しかも混合分配ユニット10における2個のインレット11a,11b、およびアウトレット12a,12bが互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けられているので、流体(液体)の流れ(層流)に対する対称性を良好に確保して流体の不均一化を効果的に防止することができ、更にはそのスループットを十分に高めることができる。従ってそのミキシング性能(ミキシング効率)を十分に高め、均質で品質の高いマイクロ混合液を容易に生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【0026】
尚、前述した混合分配ユニット10については、例えば図5(a)〜(c)にそれぞれ示す構造のものとして実現することも可能である。図5(a)に例示する混合分配ユニット10は、2個のアウトレット12a,12b間の幅を広くしたものであり、また図5(b)に例示する混合分配ユニット10は、チャネル13の向きを定める島状の仕切部14を省略し、2個のアウトレット12a,12b間の幅を狭くしたものである。そして図5(c)に示す混合分配ユニット10は、2個のインレット11a,11b、および2個のアウトレット12a,12bをチャネル13の向きを定める島状の仕切部14を中心として点対称に平行四辺形状に配置したものである。
【0027】
このような各構造の混合分配ユニット10であっても、隣接する2つの混合分配ユニット10におけるアウトレット12a,12bが、各混合分配ユニット10における2個のインレット11a,11b間の間隔と等しくなるように配列すれば、複数の流路モジュール7(71,72,〜7m)間において、そのインレット11a,11bとアウトレット12a,12bの位置をそれぞれ正確に合わせることが可能となるので、先の実施形態と同様な効果が奏せられる。
【0028】
また上述した実施形態においては、各流路モジュール7(71,72,〜7m)において複数の混合分配ユニット10(混合ユニット15)を1列の円周上に配列したが、例えば図6に示すように複数の混合分配ユニット10を複数本からなる同心円上に配列するようにしても良い。また或いは、図7に示すように複数の混合分配ユニット10を、所定の閉曲線をなしてジグザグ状に配列することも可能である。
【0029】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば複数の流路モジュール7の積層枚数や、各流路モジュール7に設ける混合分配ユニット10の数、更には各混合分配ユニット10におけるインレット11a,11bおよびアウトレット12a,12bの径等については、混合対象とする流体の粒子の大きさや、マイクロ混合器に要求されるミキシング性能等に応じて定めるようにすれば良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多層に積層される複数の流路モジュールに2個のインレットおよび2個のアウトレットを備えた複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線をなして配列し、上記各流路モジュール間で上記各混合分配ユニットのインレットとアウトレットとを所定の配列で順次結合した構造を有するので、その構造自体でが簡単であり、容易に精度良く、しかも安価に製作することができる。しかもそのアライメント精度を十分に高くすることも容易であり、流路の対称性を確保して混合流体に対するスループットを十分に高めることができる。従ってそのミキシング性能(ミキシング効率)を十分に高め、均質で品質の高いマイクロ混合液を逸早く容易に生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るマイクロ混合器の概略構造を示す分解斜視図。
【図2】図1に示すマイクロ混合器に組み込まれる下部プレート板に設けられる流体導入チャネルの構造と、複数の流路モジュールの概略的な構造を示す図。
【図3】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの概略的な構造を示す部分斜視図。
【図4】複数の流路モジュールにそれぞれ組み込まれる混合分配ユニット間のインレットとアウトレットとの結合構造と、これらの混合分配ユニットによる流体の混合分配作用を説明するための図。
【図5】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの別の構成例を示す図。
【図6】流路モジュールに組み込まれる複数の混合分配ユニットの別の配列構造の例を示す図。
【図7】最下流の流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの別の配列構造を示す図。
【符号の説明】
5a,5b 流体導入チャネル
7,71,72,〜7m 流路モジュール
10 混合分配ユニット
11a,11b,11c インレット
12a,12b,12c アウトレット
13 チャネル
14 仕切部
20 集合部
Claims (6)
- 複数の混合分配ユニットを所定の閉曲線上に配列した複数枚の流路モジュールを積層して上記各流路モジュール間の混合分配ユニットを順次連結し、各混合分配ユニットにそれぞれ供給された流体を順次混合分配していく流路を複数の層に亘って形成したマイクロ混合器であって、
前記各流路モジュールにおける前記各混合分配ユニットは、該流路モジュールの上流面側に設けられた前記2個のインレットと、これらの2個のインレットとは該流路モジュールの面内での位置を異ならせて前記流路モジュールの下流面側に設けられた前記2個のアウトレットと、前記流路モジュールの面と平行な流路を形成して設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体を前記各アウトレットのそれぞれに向けて分配すると共に、分配された前記各インレットからの流体を混合して前記各アウトレットにそれぞれ導くチャネルとを備えた流路構造を有し、
前記各流路モジュールの1つの混合分配ユニットにおける2個のアウトレットを、隣接する下流側の流路モジュールにおける2個の混合分配ユニットの各1個のインレットにそれぞれ個別に連結してなることを特徴とするマイクロ混合器。 - 前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、互いに隣り合う2つの混合分配ユニット間において隣接する各1個のアウトレットの配列間隔を、前記各混合分配ユニットにおける2個のインレットの配列間隔と等しく設定して配列されている請求項1に記載のマイクロ混合器。
- 前記各流路モジュールにそれぞれ設けられる複数の混合分配ユニットは、所定の曲率の円周をなして配列されている請求項1に記載のマイクロ混合器。
- 前記各混合分配ユニットにおける2個のインレットの径、2個のアウトレットの径、およびチャネルの幅とその深さは、それぞれほぼ同じ大きさに形成されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ混合器。
- 最下流に配される流路モジュールは、該流路モジュールにおける複数の混合分配ユニットの各アウトレットからそれぞれ出力される流体を1つの流路にまとめる集合部を備え、
該集合部は、前記各アウトレットからそれぞれ出力された流体を混合するに必要な滞留時間を確保し得る流路長を有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロ混合器。 - 前記混合分配ユニットは、前記2個のインレットおよび2個のアウトレットを、その中央に設けられてチャネルの向きを定める島状の仕切部を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造を有するものである請求項1に記載のマイクロ混合器。
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