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JP4381670B2 - Reactor - Google Patents

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JP4381670B2 JP2002294711A JP2002294711A JP4381670B2 JP 4381670 B2 JP4381670 B2 JP 4381670B2 JP 2002294711 A JP2002294711 A JP 2002294711A JP 2002294711 A JP2002294711 A JP 2002294711A JP 4381670 B2 JP4381670 B2 JP 4381670B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応装置に係り、特に微細な流路を備えている反応装置に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の気液混合溶解装置としては、特開2001−129377号公報に示されているように、液体に対する気体の溶解比率が良く、溶解時間が短縮でき、小型化が可能な気液混合溶解装置を提供するために、上方略中央部に形成された流入口、および下方側に形成された吐出口を備えた略円筒形の溶解タンクと、この溶解タンクの流入口から下方に向けて液体および気体が混合された気液混合体を噴出させ、この溶解タンクの内部に乱流泡渦を発生させてこの溶解タンクの内部にて形成される気泡を微細化させ、この溶解タンクの内部に滞留される前記液体の略全体に微細化された微細気泡が発生した状態を形成し、前記気体を前記液体に溶解させる噴出手段とを具備するものがある。前記気液混合体を噴出させる手段としては、液体を加圧して溶解タンクの流入口から噴出させるポンプと、このポンプにて加圧された液体にコンプレッサにて加圧された気体を攪拌混合させて気液混合体を形成し、この気液混合体を溶解タンクの流入口から噴出させるようにしたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の気液混合反応装置は、ポンプにて加圧された液体にコンプレッサにて加圧された気体を攪拌混合させて気液混合体を形成し、この気液混合体を溶解タンクに噴出させ、この溶解タンクの内部に乱流泡渦を発生させてこの溶解タンクの内部にて形成される気泡を微細化させるようにしているため、不均一な大きさの気泡が生成されてしまう。これによって、気液混合反応装置における気液混合比率が安定して得られないと共に気液混合速度が遅くなるという課題があった。
【0004】
本発明の目的は、安定した気液混合比率が得られると共に反応速度を速くできる反応装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の反応装置は、液体が導入される液体導入流路と、前記液体導入流路から同じ方向に液体が導入され、各々が並列に設けられた微細な流路断面積を有する複数の液体供給流路と、気体が導入される気体導入流路と、前記複数の液体供給流路の各々に対応して並列に設けられ、前記気体導入流路から同じ方向に気体が導入される微細な流路断面積を有する気体供給流路と、前記複数の液体供給流路の各々に対応して並列に設けられ、前記液体供給流路からの液体と前記気体供給流路からの気体とを合流して流路方向に沿って液体と気体とが交互になる二相流を生成する微細な流路断面積を有する複数の二相流路と、前記複数の二相流路の各々の出口に連通し、前記複数の二相流路からの液体と気体とが反応する反応流路と、前記反応流路で前記気体と反応した液体を排出するための液体排出流路と、前記反応流路で分離された気体を排出する気体排出流路とを備えたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例及び参考例を図を用いて説明する。なお、各実施例及び参考例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【0010】
本発明の第1実施例の反応装置を図1から図4を用いて説明する。
【0011】
まず、本実施例の反応装置の構成について説明する。
【0012】
反応装置60は装置本体50、ポンプ31〜34及び配管41〜44から構成されている。装置本体50は反応装置60の主要部を構成する。ポンプ31〜34は装置本体50に液体または気体を供給または排出するために設けられる。制御装置(図示せず)によりポンプ31〜34のオンオフ動作及び回転数などが制御される。配管41〜44は装置外部と装置本体50の各連通口とをポンプ31〜34を介して接続するように構成されている。
【0013】
なお、ポンプ32及び配管42は装置外部から装置本体50に液体を加圧して供給するための加圧手段として設けられている。ポンプ33及び配管43は装置外部から装置本体50に気体を加圧して供給するための加圧手段として設けられている。ポンプ31及び配管41は装置本体50から装置外部に気体を排出するための手段として設けられている。ポンプ34及び配管44は装置本体50から装置外部へ液体を排出する手段として設けられている。
【0014】
装置本体50は複数の基板を重ね合わせて接合した複数層の構造体で形成されている。具体的には、この装置本体50はガラス基板51、シリコン基板52及びガラス基板53からなる三層構造体である。このガラス基板51、シリコン基板52及びガラス基板53の流路や流通口などはマイクロマシニング技術を用いて所定形状に加工されている。この装置本体50は横幅15mm×高さ20mm×奥行き1.5mm程度の外法寸法の薄形直方体からなるマイクロカプセルで構成されている。
【0015】
ガラス基板51の下部には、気体排出口21及び液体注入口22が貫通して形成されている。気体排出口21の一側は気体吸引用ポンプ31に連通され、他側は気体排出流路6に連通されている。液体注入口22の一側は液体加圧用ポンプ32に連通され、他側は液体導入流路14に連通されている。ポンプ32は制御装置により所定の圧力に昇圧もしくは所定の流量に調節できるようになっている。
【0016】
シリコン基板52には、マイクロマシニング技術を用いて前後両側から流路が加工されている。シリコン基板52の一側(前側)には、液体導入流路14、液体供給流路1、気体供給流路2、気液二相流路3及び気泡反応流路4が下部から上部に配列されていると共に、これらの側方に気体排出流路6が形成されている。シリコン基板52の他側(後側)には、液体排出流路13及び気体導入流路12が上下に独立して形成されている。液体排出流路13は液体連通流路5を介して気泡反応流路4に連通されている。気体導入流路12は気体連通流路10を介して気体供給流路2に連通されている。このように液体連通流路5及び気体連通流路10は前後の流路を連通する穴として機能する。
【0017】
液体導入流路14の下部は液体注入口22に連通され、上部は液体供給流路1の下部に連通されている。液体供給流路1は液体導入流路14に複数連通されている。各液体供給流路1の上部には気体供給流路2が連通されている。気液二相流路3は液体供給流路1と気体供給流路2の連通部である気液合流部から上方に延びて気泡反応流路4の下部に連通されている。従って、液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3からなる二相流生成部は、液体導入流路14と気泡反応流路4との間に複数並列に設けられる。気泡反応流路4は縦長に形成されている。気泡反応流路4の上部は液体連通流路5及び気体排出流路6に連通されている。液体連通流路5の下端部は気体排出流路6の下端部より下方に位置され、液体連通流路5の上下寸法は気体排出流路6の上下寸法より大きく設定されている。気体排出流路6はシリコン基板52の上部から下部にわたって延びている。
【0018】
液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3は、流路断面積が1×10-72以下の微小流路で形成されている。この流路断面積の下限値は流路を製作することが可能な値である。本実施例では、液体供給流路1と気液二相流路3は同一流路断面積であり、気体供給流路2はこれらより小さい流路断面積にしている。なお、液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3の断面形状は長方形にしてあるが、台形、平行四辺形及び楕円などでもよい。気液二相流路3と液体供給流路1がなす角や、気液二相流路3と気体用流路1がなす角は、後述する動作を満足する角度であれば任意で良い。
【0019】
また、気体供給流路2が液体供給流路1に開口している形状は液体の流れる方向が交叉する方向より長くなっている。この開口形状は製作が容易な長方形にしているが、製作の容易性を考慮する必要がなければ台形、平行四辺形及び楕円などでもよい。
【0020】
液体排出流路13は連通される液体連通流路5より下方に延びてシリコン基板52の中央部に至っている。この液体排出流路13の中央部が液体排出口24に連通されている。気体導入流路12は連通される気体連通流路10よりそれぞれ下方に延びて下部で一つに纏まっている。この気体導入流路12の纏まった部分が気体注入口23に連通されている。
【0021】
ガラス基板5の上下部には液体排出口24及び気体注入口23が貫通して形成されている。液体排出口24の一側はポンプ34に連通され、他側は液体排出流路13に連通されている。気体注入口23の一側はポンプ33に連通され、他側は気体導入流路12に連通されている。ポンプ33は制御装置により所定の圧力に昇圧もしくは所定の流量に調節できるようになっている。
【0022】
次に、上述した反応装置60の動作について説明する。
【0023】
反応装置60により気液反応を行なうには、制御装置を動作させてポンプ31〜34の運転を行なう。これにより、気液反応させるための液体は装置外部から配管42、液体注入口22を介して液体導入流路14に導入され、さらにこの液体導入流路14から複数の液体供給流路1に分流して供給される。また、気液反応させるための気体は装置外部から配管43及び気体注入口23を介して気体導入流路12に導入され、さらに複数に分かれた気体導入流路12から複数の気体連通流路10を通して気体供給流路2に供給される。
【0024】
液体供給流路1に供給された液体と気体供給流路2に供給された気体とは合流され、図4に示すような二相流となって気液二相流路3を流れ、さらには気泡反応流路4に到達する。この気液二相流路3の二相流は微量な液体と微量な気体が交互になった状態である。このような二相流の状態を生成するには、微細な液体供給路1、微細な気体供給路2及び微細な気液二相流路で構成することにより可能である。そして、このような二相流の状態をより確実に生成するには、制御装置によりポンプ32とポンプ33を制御することにより可能である。即ち、液体供給流路1への液体の注入圧力を高くすると気液二相流路3を流れる気体の体積は減少し、逆に気体供給流路2への気体の注入圧力を高くすると気液二相流路3を流れる気体の体積が増大することとなるので、両圧力を制御することにより気液二相流路3を流れる気体の体積の調節及び二相流の生成ができる。なお、圧力の調節だけでなく流量の調節を行なうことでも同様の効果が得られる。また、ポンプ32、33を一定にして、流路1〜3の断面積を実験的に求めて二相流を生成することも可能である。
【0025】
各気体が気液二相流路3を流れる際に気体と液体との反応が開始される。即ち、気体の一部(液体との境界部分の気体)が周囲の液体に反応する。そして、液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3からなる二相流生成部は微細流路で形成されているので、二相流における気体は極めて小さく生成される。これによって気液二相流路3及び気泡反応流路4における気液反応速度が速くなる。マイクロマシニング技術を用いて微細な液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3が均一に形成されているので、気液供給、気液反応及び二相流の形成が安定して行われる。
【0026】
特に、気体供給流路2が液体供給流路1に開口している形状は液体の流れる方向の長さがこれに交叉する方向の長さより実質的に長くなっているので、気体供給流路2から液体供給流路1に流出される気体を小さくできる。即ち、流路2の出口で留まる気泡の表面張力が低下するため、合流部における気体の流入体積をより小さく設定できる。この点からも気液二相流路3及び気泡反応流路4における気液反応速度を速くできる。
【0027】
さらに、液体供給流路1よりも気体供給流路2の流路断面積が小さくなっているので、気体供給流路2から液体供給流路1に流出される気体を小さくできる。この点からも気液二相流路3及び気泡反応流路4における気液反応速度を速くできる。
【0028】
気液二相流路3から気泡反応流路4に流出される気体は気泡反応流路4の液体中に微細気泡となって押出される。この微細気泡は微細流路である気液二相流路3から液体と気体が交互になった二相流の状態で押出されるので、二相流の気体が均一な極めて微細な気泡となって順次押出される。二相流の気体の体積が特に小さくなるように設定されている場合には気液二相流路3から押出される気体が容易に押出され、より微細な気泡が気泡反応流路4に押出されることになる。微細気泡は気泡反応流路4の液体中を上昇し、気泡反応流路4の液体中に滞在している間に液体と反応する。
【0029】
気液二相流路3から押出される気泡が均一でかつ微細であることにより、気泡反応流路4における液体との反応は安定かつ迅速に行なわれる。即ち、大きな気泡の場合には気泡が気泡反応流路4中を直ぐに上昇して液体との接触時間が短くなると共に接触する比表面積が小さくなるために、気泡体積当たりの気液反応速度が遅くなってしまう。これに対し、小さな気泡の場合には気泡が気泡反応流路4中をゆっくり上昇して液体との接触時間が長くなると共に比表面積が大きくなるために、気泡体積当たりの気液反応速度が速くなる。そして、気泡の液体との接触時間が長くなっても、気泡が均一化されているために、安定した気液反応比率が得られる。従って、このようにして気液反応された液体を分析する場合にはその分析精度が格段に向上する。
【0030】
そして、気泡反応流路4に対して複数の二相流生成部が設けられているので、気泡反応流路4における単位体積あたりの気泡の生成数が増加する。これによって気泡反応流路4における気液反応量が増大し、反応装置60の気液反応効率が向上する。また、二相流生成部の気液二相流路3における気液反応量も増大し、この点からも反応装置60の気液反応効率が向上する。
【0031】
また、マイクロマシニング技術を用いて微細な液体供給流路1、気体供給流路2及び気液二相流路3が均一に形成されているので、気液供給、気液反応及び二相流の形成が安定して行われる。
【0032】
なお、直径100μm以下の気泡を生成させる場合には、流路1〜3の断面積は1×10-82以下とすることにより可能であり、さらには0.25×10-82以下とすることにより気泡の直径をその半分以下にできる。このように流路断面積を設定することによって気液二相流路3及び気泡反応流路4における気液反応速度を格段に速くできる。なお、この流路断面積の下限値は流路を製作することが可能な値である。
【0033】
微細気泡は液体と気体溜まりとの界面まで上昇し、気体溜まりと一緒になって液体から分離される。なお、気体溜まりにおける気体も液体と接しているので、両者の反応が行なわれるが、その界面の比表面積が微細気泡と比較して小さいためにこの反応割合は少ない。
【0034】
液体から分離された気体はポンプ31の吸引作用により気体排出流路6を通って下方に導かれ、さらに気体排出口21及び配管41を通って装置外部に排出される。一方、気体と反応した気泡反応流路4の上部の液体はポンプ34の吸引作用により液体連通流路5及び液体排出流路13を通って下方に導かれ、さらに液体排出口24及び配管44を通って装置外部に排出される。
【0035】
気泡反応流路4が縦長に形成され、液体連通流路5の下端部が気体排出流路6の下端部より下方に位置され、液体連通流路5の上下寸法が気体排出流路6の上下寸法より大きく設定されているので、分離された気体及び液体の排出が確実に行われる。即ち、液体及び気体の供給量や反応量などが変化しても、係る構成がこの変化を確実に吸収できる。
【0036】
なお、ポンプ32及びポンプ33の供給作用により気体と液体が自動的に分離されかつ取出される場合には、ポンプ31及びポンプ34を設けることを必要としない。
【0037】
排出された気体及び液体は分析装置などに導かれ、所定の分析が行なわれる。即ち、反応装置60は気体中に含まれる成分を特定の液体に溶け込ませて分析する場合または液体中に含まれる成分を特定の気体に分散させて分析する場合などに使用される。この二つの使用法は、使用する試薬が高価な場合または測定する被検査物質の量が微量の場合に特に有用である。さらには、反応装置60は液体と気体を反応させることで生成する薬品を製造する際などに適用できると共に、液体に含まれる酵素を利用して気体に存在する成分を変化させるときに適用できる。
【0038】
装置本体50は本実施例では縦型として用いられているが、横型として用いることも可能である。横型の装置本体50は据付高さ寸法に制約がある場合に有効である。横型として用いる場合には、気体を供給するための流路及び気体を排出するための流路が液体流路の上側に設けられることが必要である。
【0039】
また、装置本体50の流路は本実施例ではマイクロマシニング技術を用いて加工されているが、半導体の製造技術を用いて加工することも可能である。半導体の製造技術を用いて流路を形成することにより、安価に大量生産することが容易となる。さらには、マイクロマシニング技術を用いて作製したシリコン基板上の流路などを転写した樹脂を用いて装置本体50を製作してもよい。
【0040】
また、装置本体50の流路は本実施例ではシリコン基板52に形成されているが、ガラス基板51及びガラス基板53に流路が形成されていてもよく、さらにはガラス基板51、シリコン基板52及びガラス基板53に分担して流路が形成されていてもよい。
【0041】
次に、本発明の第2実施例の反応装置を図5を用いて説明する。この第2実施例は次に述べる通り第1実施例と相違するものであり、その他の点については第1実施例と基本的には同一である。
【0042】
この第2実施例では気液二相流路3の流路長が気泡反応流路4の流路長より長く形成されている。一般的な気液反応は第1実施例で示すように気液二相流路3の長さを短くして気泡反応流路4を長くする方が効率がよい。しかし、液体の粘度等の物理特性によっては、気液二相流路3内で行われる反応の方が効率のよい場合がある。このような場合にこの第2本実施例は有効である。
【0043】
次に、本発明の第3実施例の反応装置を図6を用いて説明する。この第3実施例は次に述べる通り第1実施例と相違するものであり、その他の点については第1実施例と基本的には同一である。
【0044】
この第3実施例では装置本体50が複数並列に接続されている。具体的には、ポンプ31〜34は各装置本体50に共通であり、各ポンプ31〜34の装置本体50側の配管41〜44が分岐されて装置本体50に接続されている。このように装置本体50が並列に接続されることにより、処理量を複数倍に増大させることができる。従って、同一の装置本体50を用いて処理量の異なる反応装置60を容易に得ることができる。なお、各装置本体50の処理量がばらついて気泡の発生効率が低下する場合には、ポンプ32と各注入口22との間の各配管42に流量調整バルブを設けると共に、ポンプ33と各注入口23との間の各配管43に流量調整バルブを設けることにより、各装置本体50の処理量を調節して気泡の発生効率を向上することが望ましい。
【0045】
次に、本発明の第4実施例の反応装置を図7を用いて説明する。この第4実施例は次に述べる通り第1実施例と相違するものであり、その他の点については第1実施例と基本的には同一である。
【0046】
この第4実施例では複数の装置本体50a、50b、50cが直列に接続されている。具体的には、一番目の装置本体50aに配管42a、43aが接続され、装置本体50aの配管44aが二番目の装置本体50bの配管42bに接続されると共に装置本体50aの配管41aが配管43bに接続されている。これにより一番目の装置本体50aで気液反応が行われた液体及び気体が二番目の装置本体50bに供給される。さらには装置本体50bの配管44bが三番目の装置本体50cの配管42cに接続されると共に装置本体50bの配管41bが装置本体50cの配管43cに接続されている。これにより二番目の装置本体50bで気液反応が行われた液体及び気体が三番目の装置本体50cに供給される。そして、三番目の装置本体50cで気液反応された液体及び気体が配管44c及び配管41cから取出される。
【0047】
このように装置本体50が直列に接続されることにより、気液反応時間が飛躍的に長くなり、気液反応率が飛躍的に高くなる。従って、同一の装置本体50a〜50cを複数用いて気液反応率の異なる反応装置60を容易に得ることができる。
【0048】
次に、本発明の第5実施例の反応装置を図8を用いて説明する。この第5実施例は次に述べる通り第4実施例と相違するものであり、その他の点については第4実施例と同一である。
【0049】
この第5実施例では複数の装置本体50a、50b、50cが直列に接続されているが、液体の流れる方向が第4実施例と逆である。この第5実施例でも第4実施例と同様に高い気液反応率が得られる。第4及び第5実施例を使い分けることにより、液体と気体の配管の配設上の制約を改善することができる。
【0050】
次に、本発明の参考例の混合システムを図9から図13を用いて説明する。
【0051】
まず、この混合システムの全体構成および動作を図9及び図10を参照しながら説明する。混合装置160は、専用のホルダー61に着脱可能に取り付けられている。混合装置160とホルダー61とは少なくとも何れか一方に弾性部を有して係脱可能に取り付けられるようになっており、取り付けた状態が確実に保持されると共に、容易に着脱できる。これによって、混合装置160に不具合が生じたときには簡単に予備品と交換できる。また、異なる構造を持った混合装置(図示せず)が2種類以上用意されており、目的の生成物を得るために必要に応じてマイクロ混合装置が手動もしくは自動で交換されるようになっている。
【0052】
ホルダー61は複数の配管80〜84に接続され、この複数の配管80〜84は入口配管80〜82、出口配管83、84で構成されている。入口配管80の一側は後述する液体注入口125に連通され、入口配管81の一側は後述する液体注入口122に連通され、入口配管82の一側は後述する流体注入口123に連通され、出口配管83の一側は後述する液体排出口124に連通され、出口配管84の一側は後述する流体排出口121に連通されるように設けられている。
【0053】
ここで、混合装置160と専用ホルダー161の接続について、図10を参照しながら説明する。専用ホルダー161はホルダー形成部品201、202、203および弾性体200で組み立てられている。混合装置160は、弾性体200を介してホルダー形成部品202、203によって挟み込まれている。さらに、ホルダー形成部品202、203は弾性体200を介してホルダー形成部品201と接続されている。
【0054】
また、専用ホルダー161内の流路180、181、182、183、184は入口配管80、81、82および出口配管83、84と接続されており、さらに専用ホルダー内部において、それぞれ接続配管280、281、282、283、284に分岐されている。
【0055】
ホルダー形成部品201、202、203および混合装置160は、図中の矢印の方向に力が掛けられる構造となっているため弾性体200が変形するので、専用ホルダー161内の流路は気密構造となるために外部と遮断されている。よって入口配管80、81、82から供給された流体は、専用ホルダー161によって混合装置160に供給され、出口配管83、84を通って、排出されるようになる。
【0056】
また、ここで利用される弾性体の形状は、シート状であっても良いしOリング状であっても良い。
【0057】
入口配管80と入口配管81の他側は複数の容器62、63に接続された配管85、86に流量調節バルブ91を介して接続され、入口配管82の他側は複数の容器62、63に接続された配管85、86に流量調節バルブ92を介して接続されている。入口配管80は入口配管81と並列的に設けられると共に、流量調節バルブ95を中間部に設けている。流量調整バルブ91、92、95は制御装置(図示せず)により開閉および開放量が制御されるようになっている。配管81、配管85、流量調整バルブ91およびポンプ93により二相流生成部に対する第1の加圧手段が構成され、配管82、配管85、流量調整バルブ92およびガスボンベ63により二相流生成部に対する第2の加圧手段が構成されている。
【0058】
流体が収納された複数の容器62、63は、混合に用いられる液体が収納された容器62と、混合に用いられる気体が収納された容器63とから構成されている。容器62は複数で構成され、それぞれに配管85が接続されている。これら配管85は流量調整バルブ91を有して配管81(および配管80)に集中するように接続されていると共に、流量調整バルブ92を有して配管82に集中して接続されている。流量調節バルブ91、92と容器62との間(換言すれば容器62の出口側)には、容器62内の液体を供給するためのポンプ93が設けられている。容器63は複数で構成され、それぞれに配管86が接続されている。これらの容器63はガスボンベで構成され、容器63内に収納された気体は封入されたガスの圧力により流出されるようになっている。
【0059】
また、出口配管83の他側は容器64に接続され、出口配管84の他側は流量調整バルブ94を介して容器65に接続されている。流量調整バルブ94は制御装置により開閉が制御される。
【0060】
制御装置が動作して選択された流量調整バルブ91が開くことにより、この流量調整バルブ91に対応する容器62の液体気体が配管81を通してホルダー61に至り(流量調整バルブ95が開いている場合には、配管80を通してもホルダー61に至り)、更に混合装置160に供給される。また、制御装置が動作して選択された流量調整バルブ92が開くことにより、この流量調整バルブ92に対応する容器62、63の液体または気体(この両方を総称して呼ぶときは流体という)が配管82を通してホルダー61に至り、更に混合装置160に供給される。容器62から液体が供給されるには、対応するポンプ93が同時に運転されることが必要である。このようにして、混合装置160で液体と気体または液体と液体との混合が開始される。
【0061】
この混合による目的生成物が一種類の場合には流量調節バルブ94が閉じられるようになっており、配管83を通じてすべてが容器64に回収されて製品として提供される。また、上記の混合による生成物が2種類の場合には流量調節バルブ94が開かれるようになっており、それぞれが配管83と配管84に別れて流出し、必要な物を回収して目的物を得ることができる。
【0062】
また、混合される液体または気体の種類によっては、流量調整バルブ95を開いて液体注入口125から混合流路104に液体を供給し、連通流路115の出口部に液体の流動を生じさせるようになっている。すなわち、連通流路115から混合流路104に押し出される二相流の流体が液泡または気泡が混合流路104内で停滞してしまう物体である場合に、液体注入口125から液体を供給することにより液泡または気泡が直ぐに混合流路104内で結合してしまうことを防止できる。
【0063】
混合装置160の具体的構成および動作を図11〜図13を参照しながら説明する。
【0064】
混合装置160は主要部を構成する装置本体150を備えている。装置本体150は複数の基板を重ね合わせて接合した複数層の構造体で形成されている。具体的には、この装置本体150はガラス基板151、シリコン基板152及びガラス基板153からなる三層構造体である。このガラス基板151、シリコン基板152及びガラス基板153の流路や流通口などはマイクロマシニング技術を用いて所定形状に加工されている。この装置本体150は横幅15mm×高さ20mm×奥行き1.5mm程度の外法寸法の薄形直方体からなるマイクロカプセルで構成されている。
【0065】
ガラス基板151の下部には、流体排出口121が貫通して形成されている。流体排出口121の一側は配管84に連通され、他側は流体排出流路106に連通されている。ガラス基板153の下部には液体注入口122が形成されている。第1の液体注入口122の一側は配管81に連通され、他側は液体導入流路114に連通されている。なお、上述したポンプ93は制御装置により所定の圧力に昇圧もしくは所定の流量に調節できるようになっている。また、ガラス基板153の中央部には、第2の液体注入口125が貫通して形成されている。この第2の液体注入口125の一側は配管80に連通され、その他側は混合流路104の下部、具体的には二相流路103と混合流路104との連通流路115より下方に連通されている。
【0066】
シリコン基板152には、マイクロマシニング技術を用いて前後両側から流路が加工されている。シリコン基板152の一側(前側)には、液体導入流路114、液体供給流路101、流体供給流路102、二相流路103が下部から上方に配列されていると共に、液体排出流路113が上部に独立して配列されている。シリコン基板152の他側(後側)には、流体導入流路112および混合流路104が上下に独立して形成されている。混合流路104の側方に流体排出流路106が形成されている。液体排出流路113は連通流路105を介して混合流路104に連通されている。流体導入流路112は連通流路110を介して流体供給流路102に連通されている。このように連通流路105及び連通流路110は前後の流路を連通する穴として機能する。
【0067】
液体導入流路114の下部は第1の液体注入口122に連通され、上部は液体供給流路101の下部に連通されている。液体供給流路101は液体導入流路114に複数連通されている。各液体供給流路101の上部には流体供給流路102が連通されている。二相流路103は液体供給流路101と流体供給流路102の連通部である流体合流部から上方に延びて混合流路104の下部に連通されている。従って、液体供給流路101、流体供給流路102及び二相流路103からなる二相流生成部は、液体導入流路114と混合流路104との間に複数並列に設けられる。混合流路104は縦長に形成されている。混合流路104の上部は連通流路105及び流体排出流路106に連通されている。連通流路105の下端部は流体排出流路106の下端部より下方に位置され、連通流路105の上下寸法は流体排出流路106の上下寸法より大きく設定されている。流体排出流路106はシリコン基板152の上部から下部にわたって延びている。
【0068】
液体供給流路101、流体供給流路102及び二相流路103は、流路断面積が1×10−7以下の微小流路で形成されている。この流路断面積の下限値は流路を製作することが可能な値である。本参考例では、液体供給流路101と二相流路103は同一流路断面積であり、流体供給流路102はこれらより小さい流路断面積にしている。
【0069】
また、流体供給流路102が液体供給流路101に開口している形状は液体の流れる方向が交叉する方向より長くなっている。この開口形状は製作が容易な長方形にしている。
【0070】
液体排出流路113は連通される連通流路105より下方に延びてシリコン基板152の中央上部に至っている。この液体排出流路113の中央上部が液体排出口124に連通されている。一方、流体導入流路112は連通される連通流路110よりそれぞれ下方に延びて下部で一つに纏まっている。この流体導入流路112の纏まった部分が流体注入口123に連通されている。
【0071】
シリコン基板151の中央上部には液体排出口124が貫通して形成されている。液体排出口124の一側は配管83に連通され、他側は液体排出流路113に連通されている。シリコン基板153の下部には流体注入口123が貫通して形成されている。流体注入口123の一側は配管82に連通され、他側は流体導入流路112に連通されている。
【0072】
係る混合装置160の動作について説明する。
【0073】
混合装置160により液体と流体との混合を行なうには、制御装置を動作させて混合対象になっている液体または気体が収納されている容器62、63に対応するポンプ93の運転および流量調整バルブ91の開放(流量調整を含む)を行なう。これにより、混合させるための一方の液体は容器62から配管81および第1の液体注入口122を介して液体導入流路114に導入され、さらにこの液体導入流路114から複数の液体供給流路101に分流して供給される。また、混合させるための他方の液体または気体は容器63または容器62から配管82及び流体注入口123を介して複数に分かれた流体導入流路112に導入され、さらにこれらの流体導入流路112から連通流路110を通して流体供給流路102に供給される。
【0074】
液体供給流路101に供給された一方の液体と流体供給流路102に供給された他方の液体または気体とは合流され、二相流となって二相流路103を流れ、さらには混合流路104に到達する。この二相流路103の二相流は微量な一方の液体と微量な他方の液体または気体が交互になった状態である。このような二相流の状態を生成するには、微細な液体供給流路101、微細な流体供給流路102及び微細な二相流路103で構成することにより可能である。そして、このような二相流の状態をより確実に生成するには、制御装置によりポンプ93および流量調整バルブ91、92を制御することにより可能である。即ち、一方の液体の注入圧力を高くまたは注入流量を多くすると二相流路103を流れる他方の液体または気体の体積は減少し、逆に他方の液体または気体の注入圧力を高くまたは注入流量を多くすると二相流路103を流れる他方の液体または気体の体積が増大することとなるので、これらを制御することにより二相流路103を流れる他方の液体または気体の体積の調節及び二相流の生成ができる。
【0075】
他方の液体または気体が二相流路103を流れる際に一方の液体との混合が開始される。この混合は、混合される両方の液体または気体の種類によって、他方の液体または気体が一方の液体に物理的に混合される場合と、他方の液体または気体が一方の液体に反応して混合される場合とが生ずる。後者の場合には、他方の液体または気体の一部が周囲の他方の液体に反応して混合される。
【0076】
そして、液体供給流路101、流体供給流路102及び二相流路103からなる二相流生成部は微細流路で形成されているので、二相流における他方の液体または気体は極めて小さく生成される。これによって二相流路103及び混合流路104における流体間の混合速度が速くなる。また、マイクロマシニング技術を用いて微細な液体供給流路101、流体供給流路102及び二相流路103が均一に形成されているので、流体供給、流体混合及び二相流の形成が安定して行われる。
【0077】
特に、流体供給流路102が液体供給流路101に開口している形状は液体の流れる方向の長さがこれに交叉する方向の長さより実質的に長くなっているので、流体供給流路102から液体供給流路101に流出される他方の液体または気体を小さくできる。即ち、流路2の出口で留まる他方の液体または気泡の表面張力が低下するため、合流部における他方の液体または気体の流入体積をより小さく設定できる。この点からも二相流路103及び混合流路104における流体間の混合速度を速くできる。
【0078】
さらに、液体供給流路101よりも流体供給流路102の流路断面積が小さくなっているので、流体供給流路102から液体供給流路101に合流される他方の液体または気体を小さくできる。この点からも二相流路103及び混合流路104における両流体間の混合速度を速くできる。
【0079】
二相流路103から連通流路115を介して混合流路104に流出される他方の液体または気体は、混合流路104の液体中に微細な液泡または気泡となって押出される。この微細な液泡または気泡は、微細流路である二相流路103から一方の液体と交互になった二相流の状態で押出されるので、均一で極めて微細な状態で順次押出される。二相流における他方の液体または気体の体積が特に小さくなるように設定されている場合には、二相流路103から押出される他方の液体または気体が容易に押出され、さらに微細な液泡または気泡が混合流路104に押出されることになる。この微細な液泡または気泡は、混合流路104の液体中を上昇し、混合流路104の液体中に滞在している間にこの液体と混合する。
【0080】
二相流路103から押出される液泡または気泡が均一でかつ微細であることにより、混合流路104における液体との混合は安定かつ迅速に行なわれる。即ち、大きな液泡または気泡の場合には、液泡または気泡が混合流路104中を直ぐに上昇して液体との接触時間が短くなると共に接触する比表面積が小さくなるために、気泡体積当たりの気液反応速度が遅くなってしまう。これに対し、小さな液泡または気泡の場合には、液泡または気泡が混合流路104中をゆっくり上昇して液体との接触時間が長くなると共に比表面積が大きくなるために、液泡または気泡の体積当たりの混合速度が速くなる。そして、液泡または気泡の液体との接触時間が長くなっても、液泡または気泡が均一化されているために、安定した混合比率が得られる。従って、このようにして混合された液体を分析する場合にはその分析精度が格段に向上する。
【0081】
そして、液体と液体とを混合した後に軽い液体と重い液体とになって取出される場合には、流量調整バルブ95が開いて軽い液体が流体排出口121から取出され、重い液体が液体排出流路113から取出される。また、気体と液体とを混合した後に気体と液体とが取出される場合には、流量調整バルブ95が開いて気体が流体排出口121から取出され、液体が液体排出流路113から取出される。また、液体と液体とが混合して一種類の液体となって取出される場合には、流量調整バルブ95が閉じて液体が液体排出流路113のみから取出される。
【0082】
二相流路103から混合流路104に流出される他方の液体または気体が混合流路104の液体中に微細な液泡または気泡となって押出される際に停滞しやすい種類のものである場合には、上述したように制御装置により流量調整バルブ95も開放されるようになっており、液体導入流路114に供給される液体と同じ液体が液体注入口125から混合流路104に供給され、混合流路104内の液体は液体注入口125から連通流路115の出口部を経由して液体排出口124への流動力が加えられることになる。これによって、混合流路104に押し出される液泡または気泡は停滞することなく液体排出口124側に流動され、これら同士が直ぐ結合してしまうことが抑制される。
【0083】
そして、混合流路104に対して複数の二相流生成部が設けられているので、混合流路104における単位体積あたりの液泡または気泡の生成数が増加する。これによって混合流路104における混合量が増大し、混合装置160の混合効率が向上する。また、二相流生成部の二相流路103における混合量も増大し、この点からも混合装置160の混合効率が向上する。
【0084】
また、マイクロマシニング技術を用いて微細な液体供給流路101、流体供給流路102及び二相流路103が均一に形成されているので、液体または気体の供給、液体と気体、または液体と液体との混合、二相流の形成が安定して行われる。
【0085】
なお、直径100μm以下の液泡または気泡を生成させる場合には、流路1〜3の断面積は1×10-82以下とすることにより可能であり、さらには0.25×10-82以下とすることにより液泡または気泡の直径をその半分以下にできる。このように流路断面積を設定することによって二相流路103及び混合流路104における混合速度を格段に速くできる。なお、この流路断面積の下限値は流路を製作することが可能な値である。
【0086】
微細な液泡または気泡は、液体と流体溜まりとの界面まで上昇し、流体溜まりの液体または気体と一緒になり、流体溜まりの下部の液体とは分離される。
【0087】
流体溜まりの液体または気体は、流体排出流路106を通って下方に導かれ、さらに流体排出口121及び配管84を通って容器65に取出される。ただし、流体溜まりの液体または気体が取出される場合には、上述したように流量調整バルブ94が開放される。
【0088】
一方、液泡または気泡と混合された混合流路104の液体は連通流路105及び液体排出流路113を通って液体排出口124に導かれ、配管83を通って容器64に排出される。
【0089】
混合流路104が縦長に形成され、連通流路105の下端部が流体排出流路106の下端部より下方に位置され、連通流路105の上下寸法が流体排出流路106の上下寸法より大きく設定されているので、分離された液体または気体及び液体の排出が確実に行われる。即ち、液体または気体及び液体の供給量や混合量などが変化しても、係る構成がこの変化を確実に吸収できる。
【0090】
液体排出口124から排出された液体は容器64に導かれると共に、流体排出口121から排出された液体または気体は容器65に導かれ、これらは分析のための混合物や、薬品、化粧品、栄養剤などの混合物や、その他の混合物などとして用いられる。すなわち、混合装置160は気体中に含まれる成分を特定の液体に溶け込ませて分析する場合または液体中に含まれる成分を特定の気体に分散させて分析するために使用される。この二つの使用法は、使用する試薬が高価な場合または測定する被検査物質の量が微量の場合に特に有用である。また、混合装置160は液体と気体を反応させることで生成する薬品を製造する際などに適用できると共に、液体に含まれる酵素を利用して気体に存在する成分を変化させるときに適用できる。さらには、混合装置160は、液体と液体との混合または液体と気体との混合を行なうことによって、化粧品や栄養剤などを製造するために用いられる。
【0091】
装置本体150は本参考例では縦型として用いられているが、横型として用いることも可能である。横型の装置本体150は据付高さ寸法に制約がある場合に有効である。横型として用いる場合には、気体を供給するための流路及び気体を排出するための流路が液体流路の上側に設けられることが必要である。
【0092】
また、装置本体150の流路は本参考例ではマイクロマシニング技術を用いて加工されているが、半導体の製造技術を用いて加工することも可能である。半導体の製造技術を用いて流路を形成することにより、安価に大量生産することが容易となる。さらには、マイクロマシニング技術を用いて作製したシリコン基板上の流路などを転写した樹脂を用いて装置本体150を製作してもよい。
【0093】
また、装置本体150の流路は本参考例ではシリコン基板52に形成されているが、ガラス基板151及びガラス基板153に流路が形成されていてもよく、さらにはガラス基板151、シリコン基板152及びガラス基板153に分担して流路が形成されていてもよい。
【0094】
また、本参考例では混合装置160を1個だけ用いられた例で説明したが、複数の混合装置160を用いて、第3実施例と同様に並列処理もしくは第4実施例または第5実施例と同様に直列処理を行っても良い。さらに、この並列処理と直列処理を複数組合せて、3種類以上の材料を順次混合しても良い。
【0095】
また、本参考例では液体容器62が3個、ガスボンベ63が3個示されているが、本発明ではこの数および組み合わせにこだわる必要はなく、最低必要数は2個であり、その組み合わせは液体容器62が1個とガスボンベ63が1個、もしくは液体容器62が2個のいずれかであればよい。また、ホルダー61に接続されている配管は5系統が図示されているが、本発明ではこの数にこだわる必要はなく、最低必要数が入口配管2系統、出口配管1系統の計3系統であり、この数以上であれば良い。
【0096】
また、専用ホルダー61に接続されている配管に流れる流体は1種類である必要が無く、流量調節バルブ91または92を複数個開き、それぞれの流量を任意の値に調節して混合装置に導いても良い。
【0097】
次に、本発明の第7実施例の反応装置を図14及び図15を用いて説明する。図14は本発明の第7実施例の図1のA−A断面に相当する反応装置本体の断面図である。図15は本発明の第7実施例の図1のB−B断面に相当する反応装置本体の断面図である。
【0098】
第7実施例は、基本的には第1実施例と同様であり、次の点が相違する。第7実施例では、第1実施例の液体排出流路13および液体排出口24が気体排出流路13および気体排出口24であり、第1実施例の気体排出流路6が液体排出流路6である。そして、気泡反応流路4と気体排出流路13との間に配置された液体連通流路5が気体連通路5である。この気体連通路5には、気液分離器54が配置されている。このように、第7実施例は、第1実施例と気体と液体の排出系が逆に形成されている。
【0099】
気液分離器54はシリコンで形成されており表面が撥水膜で覆われているために、気相は通過するが液体の通過を阻害する。このため、気相部分に液滴の含有を効果的に抑制することができる。この気液分離器54として、例えば、気液分離器54の前後の差圧が0.01MPa、使用する液体が水で撥水膜との接触角が100度である場合、20μm以下の細孔が主として形成されている多孔膜を使用する。なお、気液分離器54の前後の差圧がさらに小さい場合、もしくは使用する液体と撥水膜との接触角が大きい場合には、さらに細孔の直径を大きくしても良い。さらに、ここで用いる細孔の形状は円柱である必要はなく、同程度の断面積を有する四角柱でも良い。
【0100】
気液分離器54を通過して液体から分離された気体は、ポンプの吸引作用により気体排出流路13を通って下方に導かれ、さらに気体排出口24を通って装置外部に排出される。一方、気体と反応した気泡反応流路4の上部の液体はポンプの吸引作用により気体排出流路6を通って下方に導かれ、さらに気体排出口を通って装置外部に排出される。
【0101】
また、気液分離器54として、微細幅スリットを用いることができる。この微細幅スリットの断面の長辺は、気泡反応流路4の進行方向と垂直に配置され、長さは、ほぼ気泡反応流路4の流路幅と同等になっている。微細幅スリットの短辺の長さは、例えば、気液分離器54の前後の差圧が0.01MPa、使用する液体が水で撥水膜との接触角が100度である場合、10μm以下とするのが好ましい。なお、気液分離器54の前後の差圧がさらに小さい場合、もしくは使用する液体と撥水膜との接触角が大きい場合には、微細幅スリットの短辺の長さを大きくしても良い。さらに、微細幅スリットを通過する気体の流量が多い場合は、上記の微細幅スリットを並列に配置して単位時間当たりの処理量を増やしても良い。
【0102】
また気液分離器54の撥水膜を上流の気泡反応流路4の一部まで延長することで、液体の気液分離器54との接触頻度が低下するために気液分離性能を向上させることもできる。
【0103】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、安定した気液混合比率が得られると共に反応速度を速くできる反応装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の反応装置を分解的に示す構成図である。
【図2】図1のA−A線に相当する反応装置本体の断面図である。
【図3】図1のB−B線に相当する反応装置本体の断面図である。
【図4】図1のC部拡大図である。
【図5】本発明の第2実施例の反応装置のガラス基板を省略した構成図である。
【図6】本発明の第3実施例の反応装置の構成図である。
【図7】本発明の第4実施例の反応装置の構成図である。
【図8】本発明の第5実施例の反応装置の構成図である。
【図9】参考例の混合システムの構成図である。
【図10】図9の混合システムに用いられるホルダー部の断面拡大図である。
【図11】図9の混合システムに用いられる混合装置の正面構成図である。
【図12】図11のC−C断面図である。
【図13】図11のD−D断面図である。
【図14】図1のA−A断面に相当する本発明の第7実施例の反応装置本体の断面図である。
【図15】図1のB−B断面に相当する本発明の第7実施例の反応装置本体の断面図である。
【符号の説明】
1…液体供給流路、2…気体供給流路、3…気液二相流路、4…気泡反応流路、5…液体連通流路、6…気体排出流路、10…気体連通流路、12…気体導入流路、13…液体排出流路、14…液体導入流路、21…気体排出口、22…液体注入口、23…気体注入口、24…液体排出口、31〜34…ポンプ、41〜44…配管、50…装置本体、51…ガラス基板、52…シリコン基板、53…ガラス基板、60…反応装置、61…ホルダー。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reaction apparatus, and in particular, a reaction apparatus having a fine flow path. In place Is preferred.
[0002]
[Prior art]
As a conventional gas-liquid mixing and dissolving apparatus, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-129377, a gas-liquid mixing and dissolving apparatus that has a good gas-to-liquid dissolution ratio, can shorten the dissolution time, and can be miniaturized. A substantially cylindrical dissolution tank having an inflow port formed in a substantially upper central portion and a discharge port formed in a lower side, and a liquid and a downward flow from the inflow port of the dissolution tank. A gas-liquid mixture mixed with gas is ejected, turbulent bubble vortices are generated inside the dissolution tank, the bubbles formed inside the dissolution tank are refined, and the gas stays inside the dissolution tank. And a jetting means for forming a state in which fine bubbles are generated in substantially the entire liquid, and for dissolving the gas in the liquid. As a means for ejecting the gas-liquid mixture, a pump that pressurizes the liquid and ejects it from the inlet of the dissolution tank, and a gas pressurized by the compressor is stirred and mixed with the liquid pressurized by the pump. Thus, a gas-liquid mixture is formed, and this gas-liquid mixture is ejected from the inlet of the dissolution tank.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional gas-liquid mixing reaction apparatus stirs and mixes the gas pressurized by the pump with the liquid pressurized by the pump to form a gas-liquid mixture, and this gas-liquid mixture is put into the dissolution tank. Since bubbles are generated and turbulent bubble vortices are generated inside the dissolution tank so as to make the bubbles formed inside the dissolution tank fine, bubbles with non-uniform sizes are generated. . As a result, there has been a problem that the gas-liquid mixing ratio in the gas-liquid mixing reactor cannot be stably obtained and the gas-liquid mixing speed becomes slow.
[0004]
An object of the present invention is to provide a reaction apparatus capable of obtaining a stable gas-liquid mixing ratio and increasing the reaction rate.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the reaction apparatus of the present invention includes a liquid introduction channel into which a liquid is introduced, and a fine liquid in which liquid is introduced in the same direction from the liquid introduction channel, and each is provided in parallel. A plurality of liquid supply channels having a channel cross-sectional area, a gas introduction channel into which a gas is introduced, and a plurality of liquid supply channels are provided in parallel corresponding to each of the plurality of liquid supply channels. A gas supply channel having a fine channel cross-sectional area into which gas is introduced in a direction and a plurality of liquid supply channels provided in parallel corresponding to each of the liquid supply channel and the liquid from the liquid supply channel Combine the gas from the supply channel Along the flow path direction A plurality of two-phase flow paths having a fine channel cross-sectional area that generates a two-phase flow in which a liquid and a gas alternate; and a plurality of two-phase flow paths communicating with the respective outlets of the plurality of two-phase flow paths A reaction channel in which the liquid and gas from the channel react, a liquid discharge channel for discharging the liquid that has reacted with the gas in the reaction channel, and a gas separated in the reaction channel A gas discharge channel.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention And reference examples Will be described with reference to the drawings. Each example And reference examples The same reference numerals in the drawings indicate the same or equivalent.
[0010]
A reactor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0011]
First, the structure of the reaction apparatus of a present Example is demonstrated.
[0012]
The reaction apparatus 60 includes an apparatus main body 50, pumps 31 to 34, and pipes 41 to 44. The apparatus main body 50 constitutes a main part of the reaction apparatus 60. The pumps 31 to 34 are provided for supplying or discharging liquid or gas to the apparatus main body 50. The on / off operation of the pumps 31 to 34, the rotational speed, and the like are controlled by a control device (not shown). The pipes 41 to 44 are configured to connect the outside of the apparatus and the communication ports of the apparatus body 50 via pumps 31 to 34.
[0013]
The pump 32 and the pipe 42 are provided as pressurizing means for pressurizing and supplying the liquid to the apparatus main body 50 from the outside of the apparatus. The pump 33 and the pipe 43 are provided as pressurizing means for pressurizing and supplying the gas to the apparatus main body 50 from the outside of the apparatus. The pump 31 and the pipe 41 are provided as means for discharging gas from the apparatus main body 50 to the outside of the apparatus. The pump 34 and the pipe 44 are provided as means for discharging liquid from the apparatus main body 50 to the outside of the apparatus.
[0014]
The apparatus main body 50 is formed of a multi-layer structure in which a plurality of substrates are stacked and joined. Specifically, the apparatus main body 50 is a three-layer structure including a glass substrate 51, a silicon substrate 52, and a glass substrate 53. The glass substrate 51, the silicon substrate 52 and the glass substrate 53 have their flow paths and distribution ports processed into a predetermined shape using a micromachining technique. The apparatus main body 50 is composed of microcapsules made of a thin rectangular parallelepiped having an outer dimension of about 15 mm in width, 20 mm in height, and 1.5 mm in depth.
[0015]
A gas discharge port 21 and a liquid injection port 22 are formed through the lower portion of the glass substrate 51. One side of the gas discharge port 21 communicates with the gas suction pump 31, and the other side communicates with the gas discharge channel 6. One side of the liquid inlet 22 communicates with a liquid pressurizing pump 32, and the other side communicates with the liquid introduction channel 14. The pump 32 can be increased to a predetermined pressure or adjusted to a predetermined flow rate by a control device.
[0016]
The silicon substrate 52 is processed with flow paths from both the front and rear sides using a micromachining technique. On one side (front side) of the silicon substrate 52, a liquid introduction channel 14, a liquid supply channel 1, a gas supply channel 2, a gas-liquid two-phase channel 3 and a bubble reaction channel 4 are arranged from the bottom to the top. In addition, a gas discharge channel 6 is formed on the sides of these. On the other side (rear side) of the silicon substrate 52, the liquid discharge channel 13 and the gas introduction channel 12 are formed independently in the vertical direction. The liquid discharge channel 13 is communicated with the bubble reaction channel 4 via the liquid communication channel 5. The gas introduction channel 12 communicates with the gas supply channel 2 via the gas communication channel 10. Thus, the liquid communication channel 5 and the gas communication channel 10 function as holes that communicate the front and rear channels.
[0017]
The lower part of the liquid introduction channel 14 is communicated with the liquid inlet 22, and the upper part is communicated with the lower part of the liquid supply channel 1. A plurality of liquid supply channels 1 communicate with the liquid introduction channel 14. A gas supply channel 2 communicates with an upper portion of each liquid supply channel 1. The gas-liquid two-phase flow path 3 extends upward from a gas-liquid confluence portion, which is a communication portion between the liquid supply flow path 1 and the gas supply flow path 2, and communicates with the lower part of the bubble reaction flow path 4. Accordingly, a plurality of two-phase flow generation units including the liquid supply channel 1, the gas supply channel 2, and the gas-liquid two-phase channel 3 are provided in parallel between the liquid introduction channel 14 and the bubble reaction channel 4. . The bubble reaction channel 4 is formed vertically long. The upper part of the bubble reaction channel 4 communicates with the liquid communication channel 5 and the gas discharge channel 6. The lower end of the liquid communication channel 5 is positioned below the lower end of the gas discharge channel 6, and the vertical dimension of the liquid communication channel 5 is set larger than the vertical dimension of the gas discharge channel 6. The gas discharge channel 6 extends from the upper part to the lower part of the silicon substrate 52.
[0018]
The liquid supply channel 1, the gas supply channel 2, and the gas-liquid two-phase channel 3 have a channel cross-sectional area of 1 × 10. -7 m 2 It is formed with the following microchannels. The lower limit value of the cross-sectional area of the flow path is a value at which a flow path can be manufactured. In this embodiment, the liquid supply channel 1 and the gas-liquid two-phase channel 3 have the same channel cross-sectional area, and the gas supply channel 2 has a smaller channel cross-sectional area. In addition, although the cross-sectional shape of the liquid supply flow path 1, the gas supply flow path 2, and the gas-liquid two-phase flow path 3 is rectangular, a trapezoid, a parallelogram, an ellipse, etc. may be sufficient. The angle formed by the gas-liquid two-phase flow path 3 and the liquid supply flow path 1 and the angle formed by the gas-liquid two-phase flow path 3 and the gas flow path 1 may be arbitrary as long as the angle satisfies an operation described later.
[0019]
The shape in which the gas supply channel 2 is open to the liquid supply channel 1 is longer than the direction in which the liquid flows cross. The opening shape is a rectangle that is easy to manufacture, but may be a trapezoid, a parallelogram, an ellipse, or the like if it is not necessary to consider the ease of manufacturing.
[0020]
The liquid discharge channel 13 extends downward from the liquid communication channel 5 to be communicated with and reaches the center of the silicon substrate 52. The central portion of the liquid discharge channel 13 is communicated with the liquid discharge port 24. The gas introduction channel 12 extends downward from the gas communication channel 10 to be communicated with each other, and is integrated into one at the lower part. The gathered portion of the gas introduction channel 12 is communicated with the gas inlet 23.
[0021]
Glass Substrate 5 3 A liquid discharge port 24 and a gas injection port 23 are formed through the upper and lower portions. One side of the liquid discharge port 24 communicates with the pump 34, and the other side communicates with the liquid discharge channel 13. One side of the gas inlet 23 is in communication with the pump 33, and the other side is in communication with the gas introduction channel 12. The pump 33 can be increased to a predetermined pressure or adjusted to a predetermined flow rate by a control device.
[0022]
Next, operation | movement of the reaction apparatus 60 mentioned above is demonstrated.
[0023]
In order to perform the gas-liquid reaction by the reaction device 60, the control device is operated and the pumps 31 to 34 are operated. As a result, the liquid for the gas-liquid reaction is introduced from the outside of the apparatus into the liquid introduction channel 14 via the pipe 42 and the liquid inlet 22, and further separated from the liquid introduction channel 14 into the plurality of liquid supply channels 1. Supplied by flowing. In addition, a gas for gas-liquid reaction is introduced from the outside of the apparatus into the gas introduction channel 12 through the pipe 43 and the gas inlet 23, and further divided into a plurality of gas communication channels 10 from the divided gas introduction channel 12. To the gas supply channel 2.
[0024]
The liquid supplied to the liquid supply channel 1 and the gas supplied to the gas supply channel 2 are merged to form a two-phase flow as shown in FIG. The bubble reaction channel 4 is reached. The two-phase flow of the gas-liquid two-phase flow path 3 is a state in which a minute amount of liquid and a minute amount of gas are alternated. Such a two-phase flow state can be generated by configuring with a fine liquid supply path 1, a fine gas supply path 2, and a fine gas-liquid two-phase flow path. In order to generate such a two-phase flow state more reliably, it is possible to control the pump 32 and the pump 33 by the control device. That is, when the liquid injection pressure into the liquid supply flow path 1 is increased, the volume of the gas flowing through the gas-liquid two-phase flow path 3 is decreased. Conversely, when the gas injection pressure into the gas supply flow path 2 is increased, the gas-liquid flow is increased. Since the volume of the gas flowing through the two-phase channel 3 increases, the volume of the gas flowing through the gas-liquid two-phase channel 3 can be adjusted and the two-phase flow can be generated by controlling both pressures. The same effect can be obtained by adjusting not only the pressure but also the flow rate. It is also possible to generate a two-phase flow by experimentally determining the cross-sectional areas of the flow paths 1 to 3 while keeping the pumps 32 and 33 constant.
[0025]
When each gas flows through the gas-liquid two-phase flow path 3, the reaction between the gas and the liquid is started. That is, a part of the gas (the gas at the boundary with the liquid) reacts with the surrounding liquid. And since the two-phase flow production | generation part which consists of the liquid supply flow path 1, the gas supply flow path 2, and the gas-liquid two-phase flow path 3 is formed in the fine flow path, the gas in a two-phase flow is produced | generated very small. . As a result, the gas-liquid reaction rate in the gas-liquid two-phase channel 3 and the bubble reaction channel 4 is increased. Since the fine liquid supply channel 1, the gas supply channel 2, and the gas-liquid two-phase channel 3 are uniformly formed using the micromachining technology, the gas-liquid supply, the gas-liquid reaction, and the two-phase flow can be formed. It is performed stably.
[0026]
In particular, the shape in which the gas supply channel 2 is open to the liquid supply channel 1 is substantially longer than the length in the direction in which the liquid flows in the direction in which the liquid flows. The gas flowing out from the liquid supply channel 1 can be reduced. That is, since the surface tension of the bubbles remaining at the outlet of the flow path 2 is reduced, the gas inflow volume at the junction can be set smaller. Also from this point, the gas-liquid reaction rate in the gas-liquid two-phase channel 3 and the bubble reaction channel 4 can be increased.
[0027]
Further, since the cross-sectional area of the gas supply channel 2 is smaller than that of the liquid supply channel 1, the gas flowing out from the gas supply channel 2 to the liquid supply channel 1 can be reduced. Also from this point, the gas-liquid reaction rate in the gas-liquid two-phase channel 3 and the bubble reaction channel 4 can be increased.
[0028]
The gas flowing out from the gas-liquid two-phase channel 3 to the bubble reaction channel 4 is extruded into the liquid in the bubble reaction channel 4 as fine bubbles. Since these fine bubbles are extruded from the gas-liquid two-phase flow channel 3 which is a fine flow channel in a two-phase flow state in which the liquid and the gas are alternated, the two-phase flow gas becomes uniform and extremely fine bubbles. Are extruded sequentially. When the volume of the two-phase flow gas is set to be particularly small, the gas extruded from the gas-liquid two-phase flow path 3 is easily pushed out, and finer bubbles are pushed into the bubble reaction flow path 4. Will be. The fine bubbles rise in the liquid in the bubble reaction channel 4 and react with the liquid while staying in the liquid in the bubble reaction channel 4.
[0029]
Since the bubbles extruded from the gas-liquid two-phase flow path 3 are uniform and fine, the reaction with the liquid in the bubble reaction flow path 4 is performed stably and rapidly. That is, in the case of a large bubble, the bubble immediately rises in the bubble reaction channel 4 and the contact time with the liquid is shortened and the specific surface area to be contacted is small, so the gas-liquid reaction rate per bubble volume is slow. turn into. On the other hand, in the case of small bubbles, since the bubbles slowly rise in the bubble reaction channel 4 and the contact time with the liquid becomes long and the specific surface area becomes large, the gas-liquid reaction rate per bubble volume is high. Become. And even if the contact time with the liquid of bubbles becomes long, since the bubbles are made uniform, a stable gas-liquid reaction ratio can be obtained. Therefore, when analyzing the liquid subjected to the gas-liquid reaction in this way, the analysis accuracy is remarkably improved.
[0030]
And since the several two-phase flow production | generation part is provided with respect to the bubble reaction flow path 4, the production | generation number of the bubbles per unit volume in the bubble reaction flow path 4 increases. As a result, the amount of gas-liquid reaction in the bubble reaction channel 4 is increased, and the gas-liquid reaction efficiency of the reaction device 60 is improved. In addition, the amount of gas-liquid reaction in the gas-liquid two-phase flow path 3 of the two-phase flow generation unit is increased, and the gas-liquid reaction efficiency of the reaction device 60 is also improved from this point.
[0031]
Moreover, since the fine liquid supply channel 1, the gas supply channel 2, and the gas-liquid two-phase channel 3 are uniformly formed using the micromachining technology, the gas-liquid supply, gas-liquid reaction, and two-phase flow are controlled. Formation is stable.
[0032]
In addition, when producing bubbles having a diameter of 100 μm or less, the cross-sectional area of the flow paths 1 to 3 is 1 × 10. -8 m 2 This is possible by setting the following to 0.25 × 10 -8 m 2 By making the following, the diameter of the bubbles can be reduced to half or less. By setting the channel cross-sectional area in this way, the gas-liquid reaction rate in the gas-liquid two-phase channel 3 and the bubble reaction channel 4 can be remarkably increased. Note that the lower limit value of the cross-sectional area of the flow path is a value at which a flow path can be manufactured.
[0033]
The fine bubbles rise to the interface between the liquid and the gas reservoir, and are separated from the liquid together with the gas reservoir. Since the gas in the gas reservoir is also in contact with the liquid, the reaction of both occurs, but the reaction rate is small because the specific surface area of the interface is smaller than that of the fine bubbles.
[0034]
The gas separated from the liquid is guided downward through the gas discharge passage 6 by the suction action of the pump 31, and is further discharged to the outside of the apparatus through the gas discharge port 21 and the pipe 41. On the other hand, the liquid in the upper part of the bubble reaction channel 4 that has reacted with the gas is guided downward through the liquid communication channel 5 and the liquid discharge channel 13 by the suction action of the pump 34, and further passes through the liquid outlet 24 and the pipe 44. It is discharged out of the device.
[0035]
The bubble reaction channel 4 is formed in a vertically long shape, the lower end portion of the liquid communication channel 5 is positioned below the lower end portion of the gas discharge channel 6, and the vertical dimension of the liquid communication channel 5 is the upper and lower dimensions of the gas discharge channel 6. Since it is set to be larger than the dimension, the separated gas and liquid are surely discharged. That is, even if the supply amount of liquid and gas, the reaction amount, or the like changes, such a configuration can reliably absorb this change.
[0036]
In addition, when gas and liquid are automatically separated and taken out by the supply action of the pump 32 and the pump 33, it is not necessary to provide the pump 31 and the pump 34.
[0037]
The discharged gas and liquid are guided to an analyzer and the like, and a predetermined analysis is performed. That is, the reaction device 60 is used when analyzing a component contained in a gas by dissolving it in a specific liquid or when analyzing a component contained in a liquid dispersed in a specific gas. These two methods of use are particularly useful when the reagent used is expensive or when the amount of the substance to be inspected is very small. Furthermore, the reaction device 60 can be applied when producing a chemical produced by reacting a liquid and a gas, and can be applied when changing components present in the gas using an enzyme contained in the liquid.
[0038]
The apparatus main body 50 is used as a vertical type in this embodiment, but can also be used as a horizontal type. The horizontal apparatus main body 50 is effective when the installation height is limited. When used as a horizontal type, it is necessary to provide a flow path for supplying gas and a flow path for discharging gas on the upper side of the liquid flow path.
[0039]
Further, in the present embodiment, the flow path of the apparatus main body 50 is processed by using a micromachining technique, but can also be processed by using a semiconductor manufacturing technique. By forming the flow path using a semiconductor manufacturing technique, mass production at low cost becomes easy. Furthermore, the apparatus main body 50 may be manufactured using a resin in which a flow path on a silicon substrate manufactured using a micromachining technique is transferred.
[0040]
In addition, the flow path of the apparatus main body 50 is formed in the silicon substrate 52 in this embodiment, but the flow path may be formed in the glass substrate 51 and the glass substrate 53, and further, the glass substrate 51 and the silicon substrate 52. In addition, the flow path may be formed by being shared by the glass substrate 53.
[0041]
Next, the reaction apparatus of 2nd Example of this invention is demonstrated using FIG. The second embodiment is different from the first embodiment as described below, and is basically the same as the first embodiment in other points.
[0042]
In the second embodiment, the gas-liquid two-phase channel 3 is formed so that the channel length is longer than the bubble reaction channel 4. In general gas-liquid reaction, as shown in the first embodiment, it is more efficient to shorten the length of the gas-liquid two-phase channel 3 and lengthen the bubble reaction channel 4. However, depending on physical properties such as the viscosity of the liquid, the reaction performed in the gas-liquid two-phase flow path 3 may be more efficient. In such a case, the second embodiment is effective.
[0043]
Next, a reaction apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is different from the first embodiment as described below, and is basically the same as the first embodiment in other points.
[0044]
In the third embodiment, a plurality of apparatus main bodies 50 are connected in parallel. Specifically, the pumps 31 to 34 are common to each apparatus main body 50, and the pipes 41 to 44 on the apparatus main body 50 side of each pump 31 to 34 are branched and connected to the apparatus main body 50. In this way, the apparatus main body 50 is connected in parallel, so that the processing amount can be increased several times. Therefore, it is possible to easily obtain reaction apparatuses 60 having different throughputs using the same apparatus main body 50. In addition, when the processing amount of each apparatus main body 50 varies and the bubble generation efficiency decreases, a flow rate adjusting valve is provided in each pipe 42 between the pump 32 and each inlet 22, and each pump 33 and each note. It is desirable to improve the bubble generation efficiency by adjusting the processing amount of each apparatus body 50 by providing a flow rate adjusting valve in each pipe 43 between the inlet 23.
[0045]
Next, the reaction apparatus of 4th Example of this invention is demonstrated using FIG. The fourth embodiment is different from the first embodiment as described below, and the other points are basically the same as those of the first embodiment.
[0046]
In the fourth embodiment, a plurality of apparatus main bodies 50a, 50b, 50c are connected in series. Specifically, the pipes 42a and 43a are connected to the first apparatus main body 50a, the pipe 44a of the apparatus main body 50a is connected to the pipe 42b of the second apparatus main body 50b, and the pipe 41a of the apparatus main body 50a is connected to the pipe 43b. It is connected to the. As a result, the liquid and gas that have undergone the gas-liquid reaction in the first apparatus main body 50a are supplied to the second apparatus main body 50b. Furthermore, the pipe 44b of the apparatus main body 50b is connected to the pipe 42c of the third apparatus main body 50c, and the pipe 41b of the apparatus main body 50b is connected to the pipe 43c of the apparatus main body 50c. Thereby, the liquid and gas in which the gas-liquid reaction was performed in the 2nd apparatus main body 50b are supplied to the 3rd apparatus main body 50c. Then, the liquid and gas subjected to the gas-liquid reaction in the third device main body 50c are taken out from the pipe 44c and the pipe 41c.
[0047]
Thus, by connecting the apparatus main body 50 in series, the gas-liquid reaction time is remarkably increased, and the gas-liquid reaction rate is remarkably increased. Therefore, it is possible to easily obtain a reaction apparatus 60 having a different gas-liquid reaction rate by using a plurality of the same apparatus main bodies 50a to 50c.
[0048]
Next, the reaction apparatus of 5th Example of this invention is demonstrated using FIG. The fifth embodiment is different from the fourth embodiment as described below, and is otherwise the same as the fourth embodiment.
[0049]
In this fifth embodiment, a plurality of apparatus main bodies 50a, 50b, 50c are connected in series, but the direction of liquid flow is opposite to that of the fourth embodiment. In the fifth embodiment, a high gas-liquid reaction rate can be obtained as in the fourth embodiment. By properly using the fourth and fifth embodiments, restrictions on the arrangement of liquid and gas pipes can be improved.
[0050]
Next, the present invention reference An example mixing system will be described with reference to FIGS.
[0051]
First, the overall configuration and operation of this mixing system will be described with reference to FIGS. The mixing device 160 is detachably attached to a dedicated holder 61. At least one of the mixing device 160 and the holder 61 has an elastic portion and is detachably attached, so that the attached state is securely held and can be easily detached. Thus, when a malfunction occurs in the mixing device 160, it can be easily replaced with a spare part. In addition, two or more types of mixing devices (not shown) having different structures are prepared, and the micro-mixing device can be replaced manually or automatically as necessary to obtain the desired product. Yes.
[0052]
The holder 61 is connected to a plurality of pipes 80 to 84, and the plurality of pipes 80 to 84 includes inlet pipes 80 to 82 and outlet pipes 83 and 84. One side of the inlet pipe 80 communicates with a liquid inlet 125 described later, one side of the inlet pipe 81 communicates with a liquid inlet 122 described later, and one side of the inlet pipe 82 communicates with a fluid inlet 123 described later. One side of the outlet pipe 83 is connected to a liquid discharge port 124 described later, and one side of the outlet pipe 84 is connected to a fluid discharge port 121 described later.
[0053]
Here, the connection between the mixing device 160 and the dedicated holder 161 will be described with reference to FIG. The dedicated holder 161 is assembled by holder forming parts 201, 202, 203 and an elastic body 200. The mixing device 160 is sandwiched between the holder forming parts 202 and 203 via the elastic body 200. Further, the holder forming components 202 and 203 are connected to the holder forming component 201 through the elastic body 200.
[0054]
Further, the flow paths 180, 181, 182, 183, 184 in the dedicated holder 161 are connected to the inlet pipes 80, 81, 82 and the outlet pipes 83, 84, and the connection pipes 280, 281 are respectively provided inside the dedicated holder. , 282, 283, and 284.
[0055]
Since the holder forming parts 201, 202, 203 and the mixing device 160 have a structure in which force is applied in the direction of the arrow in the figure, the elastic body 200 is deformed, so the flow path in the dedicated holder 161 has an airtight structure. In order to become, it is cut off from the outside. Therefore, the fluid supplied from the inlet pipes 80, 81, 82 is supplied to the mixing device 160 by the dedicated holder 161 and is discharged through the outlet pipes 83, 84.
[0056]
In addition, the shape of the elastic body used here may be a sheet shape or an O-ring shape.
[0057]
The other side of the inlet pipe 80 and the inlet pipe 81 is connected to pipes 85 and 86 connected to the plurality of containers 62 and 63 via the flow rate adjusting valve 91, and the other side of the inlet pipe 82 is connected to the plurality of containers 62 and 63. The pipes 85 and 86 are connected to each other via a flow rate adjusting valve 92. The inlet pipe 80 is provided in parallel with the inlet pipe 81, and a flow rate adjusting valve 95 is provided at an intermediate portion. The flow rate adjusting valves 91, 92, and 95 are controlled to be opened and closed and opened by a control device (not shown). The pipe 81, the pipe 85, the flow rate adjusting valve 91, and the pump 93 constitute a first pressurizing unit for the two-phase flow generating unit, and the pipe 82, the pipe 85, the flow rate adjusting valve 92, and the gas cylinder 63 are used for the two-phase flow generating unit. A second pressurizing means is configured.
[0058]
The plurality of containers 62 and 63 in which the fluid is stored include a container 62 in which the liquid used for mixing is stored and a container 63 in which the gas used for mixing is stored. A plurality of containers 62 are formed, and a pipe 85 is connected to each. These pipes 85 have a flow rate adjusting valve 91 and are connected so as to concentrate on the pipe 81 (and the pipe 80), and have a flow rate adjusting valve 92 and are connected to the pipe 82 in a concentrated manner. A pump 93 for supplying the liquid in the container 62 is provided between the flow rate adjusting valves 91 and 92 and the container 62 (in other words, on the outlet side of the container 62). A plurality of containers 63 are formed, and a pipe 86 is connected to each. These containers 63 are constituted by gas cylinders, and the gas accommodated in the containers 63 flows out by the pressure of the enclosed gas.
[0059]
The other side of the outlet pipe 83 is connected to the container 64, and the other side of the outlet pipe 84 is connected to the container 65 via the flow rate adjustment valve 94. The flow rate adjusting valve 94 is controlled to be opened and closed by a control device.
[0060]
When the selected flow rate adjusting valve 91 is opened by the operation of the control device, the liquid gas in the container 62 corresponding to the flow rate adjusting valve 91 reaches the holder 61 through the pipe 81 (when the flow rate adjusting valve 95 is open). Also reaches the holder 61 through the pipe 80) and is further supplied to the mixing device 160. Further, when the selected flow rate adjustment valve 92 is opened by the operation of the control device, the liquid or gas in the containers 62 and 63 corresponding to the flow rate adjustment valve 92 (referred to as fluid when these are collectively referred to). It reaches the holder 61 through the pipe 82 and is further supplied to the mixing device 160. In order to supply the liquid from the container 62, the corresponding pumps 93 must be operated simultaneously. In this way, mixing of liquid and gas or liquid and liquid is started in the mixing device 160.
[0061]
When there is only one kind of target product resulting from this mixing, the flow rate control valve 94 is closed, and everything is collected in the container 64 through the pipe 83 and provided as a product. In addition, when there are two types of products resulting from the above mixing, the flow rate control valve 94 is opened, and each of them flows separately into the pipe 83 and the pipe 84, collects the necessary products, and collects the desired products. Can be obtained.
[0062]
Depending on the type of liquid or gas to be mixed, the flow rate adjusting valve 95 is opened to supply the liquid from the liquid inlet 125 to the mixing channel 104, and the liquid flows at the outlet of the communication channel 115. It has become. That is, when the two-phase fluid pushed out from the communication channel 115 to the mixing channel 104 is an object in which liquid bubbles or bubbles stagnate in the mixing channel 104, the liquid is supplied from the liquid inlet 125. As a result, liquid bubbles or bubbles can be prevented from being immediately combined in the mixing channel 104.
[0063]
A specific configuration and operation of the mixing device 160 will be described with reference to FIGS.
[0064]
The mixing device 160 includes a device main body 150 constituting a main part. The apparatus main body 150 is formed of a multi-layer structure in which a plurality of substrates are stacked and joined. Specifically, the apparatus main body 150 is a three-layer structure including a glass substrate 151, a silicon substrate 152, and a glass substrate 153. The flow paths and distribution ports of the glass substrate 151, the silicon substrate 152, and the glass substrate 153 are processed into a predetermined shape using a micromachining technique. The apparatus main body 150 is composed of microcapsules made of a thin rectangular parallelepiped having an outer dimension of about 15 mm wide × 20 mm high × 1.5 mm deep.
[0065]
A fluid discharge port 121 is formed through the lower portion of the glass substrate 151. One side of the fluid discharge port 121 communicates with the pipe 84, and the other side communicates with the fluid discharge channel 106. A liquid inlet 122 is formed below the glass substrate 153. One side of the first liquid inlet 122 communicates with the pipe 81, and the other side communicates with the liquid introduction channel 114. The pump 93 described above can be increased to a predetermined pressure or adjusted to a predetermined flow rate by a control device. Further, a second liquid inlet 125 is formed through the center of the glass substrate 153 so as to penetrate therethrough. One side of the second liquid inlet 125 is communicated with the pipe 80, and the other side is below the mixing channel 104, specifically below the communication channel 115 between the two-phase channel 103 and the mixing channel 104. It is communicated to.
[0066]
In the silicon substrate 152, the flow path is processed from both the front and rear sides using a micromachining technique. On one side (front side) of the silicon substrate 152, a liquid introduction flow path 114, a liquid supply flow path 101, a fluid supply flow path 102, and a two-phase flow path 103 are arranged upward from the bottom, and a liquid discharge flow path. 113 are arranged independently at the top. On the other side (rear side) of the silicon substrate 152, the fluid introduction channel 112 and the mixing channel 104 are formed independently in the vertical direction. A fluid discharge channel 106 is formed on the side of the mixing channel 104. The liquid discharge channel 113 communicates with the mixing channel 104 through the communication channel 105. The fluid introduction channel 112 communicates with the fluid supply channel 102 via the communication channel 110. Thus, the communication flow path 105 and the communication flow path 110 function as holes that connect the front and rear flow paths.
[0067]
The lower part of the liquid introduction channel 114 is communicated with the first liquid inlet 122, and the upper part is communicated with the lower part of the liquid supply channel 101. A plurality of liquid supply channels 101 communicate with the liquid introduction channel 114. A fluid supply channel 102 communicates with the upper portion of each liquid supply channel 101. The two-phase flow path 103 extends upward from a fluid confluence portion, which is a communication portion between the liquid supply flow path 101 and the fluid supply flow path 102, and communicates with the lower portion of the mixing flow path 104. Accordingly, a plurality of two-phase flow generation units including the liquid supply channel 101, the fluid supply channel 102, and the two-phase channel 103 are provided in parallel between the liquid introduction channel 114 and the mixing channel 104. The mixing channel 104 is formed in a vertically long shape. The upper part of the mixing channel 104 communicates with the communication channel 105 and the fluid discharge channel 106. The lower end portion of the communication flow path 105 is positioned below the lower end portion of the fluid discharge flow path 106, and the vertical dimension of the communication flow path 105 is set larger than the vertical dimension of the fluid discharge flow path 106. The fluid discharge channel 106 extends from the upper part to the lower part of the silicon substrate 152.
[0068]
The liquid supply channel 101, the fluid supply channel 102, and the two-phase channel 103 have a channel cross-sectional area of 1 × 10. -7 m 2 It is formed with the following microchannels. The lower limit value of the cross-sectional area of the flow path is a value at which a flow path can be manufactured. Book reference In the example, the liquid supply channel 101 and the two-phase channel 103 have the same channel cross-sectional area, and the fluid supply channel 102 has a smaller channel cross-sectional area.
[0069]
Further, the shape in which the fluid supply channel 102 is open to the liquid supply channel 101 is longer than the direction in which the liquid flows intersect. The opening shape is a rectangle that is easy to manufacture.
[0070]
The liquid discharge channel 113 extends below the communication channel 105 to be communicated with and reaches the upper center of the silicon substrate 152. A central upper portion of the liquid discharge channel 113 communicates with the liquid discharge port 124. On the other hand, the fluid introduction flow path 112 extends downward from the communication flow path 110 to be communicated with each other, and is unified at the lower part. The gathered portion of the fluid introduction channel 112 is communicated with the fluid inlet 123.
[0071]
A liquid discharge port 124 is formed through the center upper portion of the silicon substrate 151. One side of the liquid discharge port 124 is connected to the pipe 83, and the other side is connected to the liquid discharge channel 113. A fluid inlet 123 is formed through the lower portion of the silicon substrate 153. One side of the fluid inlet 123 communicates with the pipe 82, and the other side communicates with the fluid introduction channel 112.
[0072]
The operation of the mixing device 160 will be described.
[0073]
In order to mix the liquid and the fluid by the mixing device 160, the operation of the pump 93 and the flow rate adjusting valve corresponding to the containers 62 and 63 in which the liquid or gas to be mixed is stored by operating the control device. 91 is opened (including flow rate adjustment). Thereby, one liquid to be mixed is introduced from the container 62 into the liquid introduction channel 114 via the pipe 81 and the first liquid inlet 122, and a plurality of liquid supply channels from the liquid introduction channel 114. 101 is divided and supplied. The other liquid or gas to be mixed is introduced from the container 63 or the container 62 into the fluid introduction passage 112 divided into a plurality of parts through the pipe 82 and the fluid inlet 123, and further from these fluid introduction passages 112. The fluid is supplied to the fluid supply channel 102 through the communication channel 110.
[0074]
One liquid supplied to the liquid supply flow channel 101 and the other liquid or gas supplied to the fluid supply flow channel 102 are merged to form a two-phase flow through the two-phase flow channel 103, and further, a mixed flow The road 104 is reached. The two-phase flow in the two-phase flow path 103 is a state in which a minute amount of one liquid and a minute amount of the other liquid or gas are alternated. Such a two-phase flow state can be generated by configuring the fine liquid supply channel 101, the fine fluid supply channel 102, and the fine two-phase channel 103. In order to generate such a two-phase flow state more reliably, it is possible to control the pump 93 and the flow rate adjusting valves 91 and 92 by the control device. That is, when the injection pressure of one liquid is increased or the injection flow rate is increased, the volume of the other liquid or gas flowing through the two-phase flow path 103 decreases, and conversely, the injection pressure of the other liquid or gas is increased or the injection flow rate is increased. If the number is increased, the volume of the other liquid or gas flowing through the two-phase flow path 103 is increased. Therefore, by controlling these, the volume of the other liquid or gas flowing through the two-phase flow path 103 is adjusted and the two-phase flow is increased. Can be generated.
[0075]
When the other liquid or gas flows through the two-phase flow path 103, mixing with one liquid is started. Depending on the type of both liquids or gases to be mixed, the other liquid or gas is physically mixed with one liquid and the other liquid or gas is reacted and mixed with one liquid. There are some cases. In the latter case, a part of the other liquid or gas reacts with the other surrounding liquid and is mixed.
[0076]
And since the two-phase flow generation part which consists of the liquid supply flow path 101, the fluid supply flow path 102, and the two-phase flow path 103 is formed with the fine flow path, the other liquid or gas in a two-phase flow is produced | generated very small. Is done. This increases the mixing speed between the fluids in the two-phase channel 103 and the mixing channel 104. In addition, since the fine liquid supply channel 101, the fluid supply channel 102, and the two-phase channel 103 are uniformly formed using the micromachining technology, the fluid supply, the fluid mixing, and the formation of the two-phase flow are stabilized. Done.
[0077]
In particular, the shape in which the fluid supply channel 102 is open to the liquid supply channel 101 is substantially longer than the length in the direction in which the fluid flows in the direction in which the fluid flows. The other liquid or gas flowing out from the liquid supply channel 101 can be reduced. That is, since the surface tension of the other liquid or bubble remaining at the outlet of the flow path 2 is reduced, the inflow volume of the other liquid or gas at the junction can be set smaller. Also from this point, the mixing speed between the fluids in the two-phase channel 103 and the mixing channel 104 can be increased.
[0078]
Furthermore, since the cross-sectional area of the fluid supply channel 102 is smaller than that of the liquid supply channel 101, the other liquid or gas that joins the fluid supply channel 102 to the liquid supply channel 101 can be made smaller. Also from this point, the mixing speed between the two fluids in the two-phase channel 103 and the mixing channel 104 can be increased.
[0079]
The other liquid or gas that flows out from the two-phase channel 103 to the mixing channel 104 via the communication channel 115 is extruded into the liquid in the mixing channel 104 as fine liquid bubbles or bubbles. Since these fine liquid bubbles or bubbles are extruded in a two-phase flow state alternately with one liquid from the two-phase flow path 103 which is a fine flow path, they are sequentially extruded in a uniform and extremely fine state. In the case where the volume of the other liquid or gas in the two-phase flow is set to be particularly small, the other liquid or gas extruded from the two-phase flow path 103 is easily extruded, and fine liquid bubbles or Air bubbles are pushed out into the mixing channel 104. The fine liquid bubbles or bubbles rise in the liquid in the mixing channel 104 and mix with the liquid while staying in the liquid in the mixing channel 104.
[0080]
Since the liquid bubbles or bubbles extruded from the two-phase flow path 103 are uniform and fine, mixing with the liquid in the mixing flow path 104 is performed stably and rapidly. That is, in the case of a large liquid bubble or bubble, the liquid bubble or bubble immediately rises in the mixing channel 104 to shorten the contact time with the liquid and reduce the specific surface area to be contacted. The reaction rate becomes slow. On the other hand, in the case of small liquid bubbles or bubbles, the liquid bubbles or bubbles slowly rise in the mixing channel 104 and the contact time with the liquid becomes longer and the specific surface area becomes larger. The mixing speed becomes faster. And even if the contact time with the liquid of a liquid bubble or a bubble becomes long, since the liquid bubble or a bubble is equalized, the stable mixing ratio is obtained. Therefore, when analyzing the mixed liquid in this way, the analysis accuracy is remarkably improved.
[0081]
When the liquid and the liquid are mixed and then taken out as a light liquid and a heavy liquid, the flow rate adjusting valve 95 is opened, the light liquid is taken out from the fluid discharge port 121, and the heavy liquid is discharged from the liquid discharge flow. It is taken out from the road 113. When the gas and the liquid are taken out after mixing the gas and the liquid, the flow rate adjusting valve 95 is opened, the gas is taken out from the fluid discharge port 121, and the liquid is taken out from the liquid discharge channel 113. . When the liquid and the liquid are mixed and taken out as one type of liquid, the flow rate adjusting valve 95 is closed and the liquid is taken out only from the liquid discharge channel 113.
[0082]
When the other liquid or gas flowing out from the two-phase flow path 103 to the mixing flow path 104 is of a type that tends to stagnate when being extruded as fine liquid bubbles or bubbles in the liquid of the mixing flow path 104 As described above, the flow rate adjusting valve 95 is also opened by the control device, and the same liquid as the liquid supplied to the liquid introduction channel 114 is supplied from the liquid inlet 125 to the mixing channel 104. The liquid in the mixing channel 104 is applied with a fluid force from the liquid inlet 125 to the liquid outlet 124 via the outlet of the communication channel 115. As a result, the liquid bubbles or bubbles pushed out to the mixing channel 104 are flowed to the liquid discharge port 124 side without stagnation, and are prevented from being immediately coupled to each other.
[0083]
And since the some two phase flow production | generation part is provided with respect to the mixing flow path 104, the production | generation number of the liquid bubble or bubble per unit volume in the mixing flow path 104 increases. As a result, the amount of mixing in the mixing channel 104 is increased, and the mixing efficiency of the mixing device 160 is improved. In addition, the amount of mixing in the two-phase flow path 103 of the two-phase flow generating unit is increased, and the mixing efficiency of the mixing device 160 is improved from this point.
[0084]
In addition, since the fine liquid supply channel 101, the fluid supply channel 102, and the two-phase channel 103 are uniformly formed by using micromachining technology, supply of liquid or gas, liquid and gas, or liquid and liquid And the formation of a two-phase flow is performed stably.
[0085]
In addition, when producing | generating the liquid bubble or bubble of diameter 100 micrometers or less, the cross-sectional area of the flow paths 1-3 is 1 * 10. -8 m 2 This is possible by setting the following to 0.25 × 10 -8 m 2 By making the following, the diameter of the liquid bubbles or bubbles can be reduced to half or less. By setting the channel cross-sectional area in this way, the mixing speed in the two-phase channel 103 and the mixing channel 104 can be remarkably increased. Note that the lower limit value of the cross-sectional area of the flow path is a value at which a flow path can be manufactured.
[0086]
The fine liquid bubbles or bubbles rise to the interface between the liquid and the fluid reservoir, and together with the liquid or gas in the fluid reservoir, are separated from the liquid below the fluid reservoir.
[0087]
The liquid or gas in the fluid pool is guided downward through the fluid discharge channel 106 and further taken out to the container 65 through the fluid discharge port 121 and the pipe 84. However, when the liquid or gas in the fluid pool is taken out, the flow rate adjustment valve 94 is opened as described above.
[0088]
On the other hand, the liquid in the mixing channel 104 mixed with the liquid bubbles or bubbles is guided to the liquid outlet 124 through the communication channel 105 and the liquid discharge channel 113, and is discharged to the container 64 through the pipe 83.
[0089]
The mixing flow path 104 is formed in a vertically long shape, the lower end portion of the communication flow path 105 is positioned below the lower end portion of the fluid discharge flow path 106, and the vertical dimension of the communication flow path 105 is larger than the vertical dimension of the fluid discharge flow path 106. Since it is set, the separated liquid or gas and the liquid are surely discharged. That is, even if the supply amount or mixing amount of liquid or gas and liquid changes, such a configuration can reliably absorb this change.
[0090]
The liquid discharged from the liquid discharge port 124 is guided to the container 64, and the liquid or gas discharged from the fluid discharge port 121 is guided to the container 65, which is a mixture for analysis, chemicals, cosmetics, nutrients. Etc., and other mixtures. In other words, the mixing device 160 is used to analyze a component contained in a gas by dissolving it in a specific liquid, or to disperse and analyze a component contained in a liquid in a specific gas. These two methods of use are particularly useful when the reagent used is expensive or when the amount of the substance to be inspected is very small. The mixing device 160 can be applied when producing a chemical produced by reacting a liquid and a gas, and can be applied when changing a component present in the gas using an enzyme contained in the liquid. Furthermore, the mixing device 160 is used for manufacturing cosmetics, nutrients, and the like by mixing liquids or liquids or mixing liquids and gases.
[0091]
The device body 150 is a book reference In the example, it is used as a vertical type, but it can also be used as a horizontal type. The horizontal apparatus main body 150 is effective when there is a restriction on the installation height. When used as a horizontal type, it is necessary to provide a flow path for supplying gas and a flow path for discharging gas on the upper side of the liquid flow path.
[0092]
Further, the flow path of the apparatus main body 150 is the main flow path. reference In the example, processing is performed using micromachining technology, but processing using semiconductor manufacturing technology is also possible. By forming the flow path using a semiconductor manufacturing technique, mass production at low cost becomes easy. Furthermore, the apparatus main body 150 may be manufactured using a resin in which a flow path on a silicon substrate manufactured using a micromachining technique is transferred.
[0093]
Further, the flow path of the apparatus main body 150 is the main flow path. reference In the example, it is formed on the silicon substrate 52, but a flow path may be formed on the glass substrate 151 and the glass substrate 153, and further, the flow path is shared by the glass substrate 151, the silicon substrate 152, and the glass substrate 153. It may be formed.
[0094]
Also book reference In the example, only one mixing device 160 is used, but a plurality of mixing devices 160 are used to perform parallel processing as in the third embodiment or in series as in the fourth or fifth embodiment. Processing may be performed. Further, a plurality of these parallel processing and serial processing may be combined to sequentially mix three or more kinds of materials.
[0095]
Also book reference In the example, three liquid containers 62 and three gas cylinders 63 are shown. However, in the present invention, it is not necessary to stick to this number and combination, and the minimum necessary number is two. One piece and one gas cylinder 63 or two liquid containers 62 may be used. In addition, five pipes connected to the holder 61 are shown in the figure. However, in the present invention, it is not necessary to be particular about this number, and the minimum required number is three lines, two inlet pipes and one outlet pipe. Or more.
[0096]
Further, the fluid flowing through the pipe connected to the dedicated holder 61 does not need to be one type, and a plurality of flow rate adjusting valves 91 or 92 are opened, and the flow rate is adjusted to an arbitrary value and led to the mixing device. Also good.
[0097]
Next, the reaction apparatus of 7th Example of this invention is demonstrated using FIG.14 and FIG.15. FIG. 14 is a cross-sectional view of the reactor main body corresponding to the AA cross section of FIG. 1 of the seventh embodiment of the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view of the reactor main body corresponding to the BB cross section of FIG. 1 of the seventh embodiment of the present invention.
[0098]
The seventh embodiment is basically the same as the first embodiment except for the following points. In the seventh embodiment, the liquid discharge passage 13 and the liquid discharge port 24 of the first embodiment are the gas discharge passage 13 and the gas discharge port 24, and the gas discharge passage 6 of the first embodiment is the liquid discharge passage. 6. The liquid communication channel 5 disposed between the bubble reaction channel 4 and the gas discharge channel 13 is the gas communication channel 5. A gas-liquid separator 54 is disposed in the gas communication path 5. As described above, the seventh embodiment has the gas and liquid discharge systems formed in reverse to the first embodiment.
[0099]
Since the gas-liquid separator 54 is formed of silicon and the surface is covered with a water-repellent film, the gas phase passes through but obstructs the passage of the liquid. For this reason, inclusion of droplets in the gas phase portion can be effectively suppressed. As the gas-liquid separator 54, for example, when the differential pressure before and after the gas-liquid separator 54 is 0.01 MPa, the liquid used is water and the contact angle with the water-repellent film is 100 degrees, the pores are 20 μm or less. A porous membrane in which is mainly formed is used. If the differential pressure before and after the gas-liquid separator 54 is even smaller, or if the contact angle between the liquid to be used and the water repellent film is large, the diameter of the pores may be further increased. Furthermore, the shape of the pores used here need not be a cylinder, but may be a quadrangular prism having a similar cross-sectional area.
[0100]
The gas separated from the liquid through the gas-liquid separator 54 is guided downward through the gas discharge channel 13 by the suction action of the pump, and is further discharged to the outside of the apparatus through the gas discharge port 24. On the other hand, the liquid in the upper part of the bubble reaction channel 4 that has reacted with the gas is guided downward through the gas discharge channel 6 by the suction action of the pump, and is further discharged out of the apparatus through the gas discharge port.
[0101]
A fine slit can be used as the gas-liquid separator 54. The long side of the cross section of the fine width slit is disposed perpendicular to the direction of travel of the bubble reaction channel 4, and the length is substantially equal to the channel width of the bubble reaction channel 4. The length of the short side of the fine slit is, for example, 10 μm or less when the differential pressure before and after the gas-liquid separator 54 is 0.01 MPa, the liquid used is water and the contact angle with the water-repellent film is 100 degrees. Is preferable. If the differential pressure before and after the gas-liquid separator 54 is even smaller, or if the contact angle between the liquid to be used and the water repellent film is large, the length of the short side of the fine slit may be increased. . Further, when the flow rate of the gas passing through the fine width slit is large, the fine width slit may be arranged in parallel to increase the processing amount per unit time.
[0102]
Further, by extending the water-repellent film of the gas-liquid separator 54 to a part of the upstream bubble reaction channel 4, the contact frequency of the liquid with the gas-liquid separator 54 is reduced, so that the gas-liquid separation performance is improved. You can also.
[0103]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a reaction apparatus that can obtain a stable gas-liquid mixing ratio and increase the reaction rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded structural view showing a reactor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a reactor main body corresponding to the line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a reaction apparatus main body corresponding to the line BB in FIG.
4 is an enlarged view of a portion C in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a configuration diagram in which a glass substrate is omitted from a reactor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a reaction apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a reaction apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a reaction apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 reference It is a block diagram of an example mixing system.
10 is an enlarged cross-sectional view of a holder portion used in the mixing system of FIG.
FIG. 11 is a front configuration diagram of a mixing device used in the mixing system of FIG. 9;
12 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
13 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a reactor main body according to a seventh embodiment of the present invention corresponding to the AA cross section of FIG.
15 is a cross-sectional view of a reactor main body according to a seventh embodiment of the present invention corresponding to the BB cross section of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid supply flow path, 2 ... Gas supply flow path, 3 ... Gas-liquid two-phase flow path, 4 ... Bubble reaction flow path, 5 ... Liquid communication flow path, 6 ... Gas discharge flow path, 10 ... Gas communication flow path , 12 ... Gas introduction channel, 13 ... Liquid discharge channel, 14 ... Liquid introduction channel, 21 ... Gas outlet, 22 ... Liquid inlet, 23 ... Gas inlet, 24 ... Liquid outlet, 31-34 ... Pumps, 41 to 44 ... pipes, 50 ... device main body, 51 ... glass substrate, 52 ... silicon substrate, 53 ... glass substrate, 60 ... reactor, 61 ... holder.

Claims (6)

液体が導入される液体導入流路と、
前記液体導入流路から同じ方向に液体が導入され、各々が並列に設けられた複数の微細な流路断面積を有する液体供給流路と、
気体が導入される気体導入流路と、
前記複数の液体供給流路の各々に対応して並列に設けられ、前記気体導入流路から同じ方向に気体が導入される微細な流路断面積を有する気体供給流路と、
前記複数の液体供給流路の各々に対応して並列に設けられ、前記液体供給流路からの液体と前記気体供給流路からの気体とを合流して流路方向に沿って液体と気体とが交互になる二相流を生成する複数の微細な流路断面積を有する二相流路と、
前記複数の二相流路の各々の出口に連通し、前記複数の二相流路からの液体と気体とが反応する反応流路と、
前記反応流路で前記気体と反応した液体を排出するための液体排出流路と、
前記反応流路で分離された気体を排出する気体排出流路とを備えたことを特徴とする反応装置。
A liquid introduction channel through which liquid is introduced;
A liquid supply channel having a plurality of fine channel cross-sectional areas in which liquid is introduced in the same direction from the liquid introduction channel, each provided in parallel;
A gas introduction channel through which gas is introduced;
A gas supply channel provided in parallel corresponding to each of the plurality of liquid supply channels, and having a fine channel cross-sectional area in which gas is introduced in the same direction from the gas introduction channel;
Corresponding to each of the plurality of liquid supply flow paths, the liquid from the liquid supply flow path and the gas from the gas supply flow path are merged to form a liquid and a gas along the flow path direction. A two-phase flow path having a plurality of fine flow path cross-sectional areas that generate a two-phase flow alternating between,
A reaction channel that communicates with an outlet of each of the plurality of two-phase channels, and in which liquid and gas from the plurality of two-phase channels react;
A liquid discharge channel for discharging the liquid that has reacted with the gas in the reaction channel;
A reaction apparatus comprising a gas discharge channel for discharging the gas separated in the reaction channel.
請求項1に記載の反応装置であって、前記気体供給流路の流路断面積は、前記液体供給流路の流路断面積より小さいことを特徴とする反応装置。2. The reaction apparatus according to claim 1 , wherein a cross-sectional area of the gas supply channel is smaller than a cross-sectional area of the liquid supply channel. 請求項1または2に記載の反応装置であって、
前記液体供給流路に合流する前記気体供給流路の開口の液体が流れる方向の長さをこれに交叉する方向の長さより実質的に長くしたことを特徴とする反応装置。
The reactor according to claim 1 or 2 ,
The reaction apparatus according to claim 1, wherein a length of a liquid flowing in an opening of the gas supply flow path that joins the liquid supply flow path is substantially longer than a length in a direction crossing the opening.
請求項1からの何れかに記載の反応装置であって、前記複数の二相流路の各々の長さは、前記反応流路の長さより長いことを特徴とする反応装置。A reactor according to any one of claims 1 to 3, the length of each of the plurality of two-phase flow path, a reaction apparatus characterized by longer than a length of the reaction channel. 請求項1からの何れかに記載の反応装置であって、前記反応流路と前記液体排出流路との間に気液分離器を設置したことを特徴とする反応装置。A reactor according to any one of claims 1 to 3, the reactor being characterized in that established the gas-liquid separator between said reaction flow path and the liquid discharge flow path. 請求項1からの何れかに記載の反応装置であって、前記複数の液体供給流路、前記複数の気体供給流路及び前記二相流路の各々は、流路断面積が1×10−7以下で形成されたことを特徴とする反応装置。A reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the plurality of liquid supply channel, each of the plurality of the gas supply channel and the two-phase flow path, the flow path cross-sectional area of 1 × 10 A reactor characterized by being formed at -7 m 2 or less.
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