(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が供給される複数の供給口を有するベースプレート、各供給口からの流体が通る、各流体宛少なくとも１本、合計で少なくとも３本の分配流路を有する分配プレート、各分配流路からの流体を合流、混合させる少なくとも２本の混合流路を有する合流プレート、及び混合された流体を貯留する貯留部を有するトッププレートを積み重ねてなるマイクロミキサにおいて、
前記分配流路は、隣接する分配流路にて並列に延在する本流路と、該本流路から分岐し、対向する本流路に向かって延在する複数本の支流路とを具え、
該分配流路のうち、２本の分配流路に挟まれている分配流路である中央分配流路は、その支流路が、対向する前記２本の分配流路の本流路に向かって延在しており、
前記２本の分配流路に挟まれていない分配流路である外側分配流路は、その支流路が、対向する１本の中央分配流路の本流路に向かって延在しており、
該支流路は、隣接する一方の分配流路の支流路の少なくとも先端部と他方の分配流路の支流路の少なくとも先端部とが交互に並ぶ配置となり、
前記混合流路は、前記隣接する分配流路間にある全ての支流路を横切る方向に延在し、各支流路との交点から流体を導き、
前記中央分配流路の本流路の幅が、外側分配流路の本流路の幅よりも大きいことを特徴とするマイクロミキサ。
【請求項２】
前記分配流路の本流路及び支流路は、直線状に延在してなる、請求項１に記載のマイクロミキサ。
【請求項３】
前記混合流路は、直線状に延在してなる、請求項１又は２に記載のマイクロミキサ。
【請求項４】
前記中央分配流路の本流路の幅が、外側分配流路の本流路の幅の１２０〜３００％の範囲にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロミキサ。
【請求項５】
前記ベースプレート、分配プレート、合流プレート及びトッププレートを積層してなる積層体を、複数積層してなる、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロミキサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、欧州ではμ−ＴＡＳ(Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍの略)、米国ではＬａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐと称されるマイクロリアクターに代表される微細構造をもつマイクロ流体素子を用いて行う、複数種類の微量流体の混合・撹拌を可能にする新規なマイクロミキサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロミキサの構造に関する従来技術としては、例えば特許文献1に記載されているように、Ｙ字状に微小流路を形成した基板を用いたマイクロミキサや、特許文献２に記載されているように、Ｔ字状に微小流路を形成した基板を用いたマイクロミキサが知られている。
【特許文献１】特開２００６−２０５０８０号公報
【特許文献２】特開２００６−７０６３号公報
【０００３】
これらＹ字状やＴ字状の微小流路を形成したマイクロミキサ内では、流れは層流状態である。よって、２つの供給口から供給された溶液は、微小流路では２層の流れとなり、これら２層の撹拌・混合は拡散に支配されるため、完全混合を短時間で行うことは難しく、ある程度の時間が必要であるという問題がある。
【０００４】
また、混合時間の短縮を目的として、２液の界面の面積を大きくするための手段としては、例えば２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を形成し、混合・撹拌効率を向上させる方法が挙げられる。しかしながら、かかる方法は、流れを多数に分割するため、精密加工技術を用いて複雑なマルチ流路の形成が必要であり、これは、加工コストの高騰を招くため好ましくない。また、マルチ流路を用いた場合であっても、やはり平面的に形成された微小流路であるので、流体は依然として層流であり、撹拌・混合は拡散で支配されるため、混合効率に関して改良の余地があった。加えて、マルチ流路を平面上に形成するには、ある程度、大きな基板面積が必要となり、これは、マイクロミキサ全体を小型化する用途には使用できないという問題もあった。
【０００５】
さらに、他のマイクロミキサの従来技術としては、多孔フィルターを用いたミキサー、多層ミキサー、流体のらせん流れを利用したカオス混合によって混合を行うミキサー、流路壁に衝突させることで発生する擬似乱流を利用するミキサー、超音波、電場、磁場、微小な撹拌子を利用したマイクロミキサ（例えば特許文献３）等の多種多様なマイクロミキサが報告されているが、これらのマイクロミキサはいずれも、流路パターンや装置構成が複雑であるため、高価となり、大量生産には適さないという問題がある。
【特許文献３】特開２００６−３２０８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した問題点を鑑みなされたものであり、小型でありながらも混合効率を有利に高めることができるマイクロミキサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に従うマイクロミキサは、流体が供給される複数の供給口を有するベースプレート、各供給口からの流体が通る、各流体宛少なくとも１本、合計で少なくとも３本の分配流路を有する分配プレート、各分配流路からの流体を合流、混合させる少なくとも２本の混合流路を有する合流プレート、及び混合された流体を貯留する貯留部を有するトッププレートを積み重ねてなるマイクロミキサであって、分配流路は、隣接する分配流路にて並列に延在する本流路と、本流路から分岐し、対向する本流路に向かって延在する複数本の支流路とを具え、分配流路のうち、２本の分配流路に挟まれている分配流路である中央分配流路は、その支流路が、対向する前記２本の分配流路の本流路に向かって延在しており、２本の分配流路に挟まれていない分配流路である外側分配流路は、その支流路が、対向する１本の中央分配流路の本流路に向かって延在しており、支流路は、隣接する一方の分配流路の支流路の少なくとも先端部と他方の分配流路の支流路の少なくとも先端部とが交互に並ぶ配置となり、混合流路は、隣接する分配流路間にある全ての支流路を横切る方向に延在し、各支流路との交点から流体を導き、中央分配流路の本流路の幅が、外側分配流路の本流路の幅よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
また、分配流路の本流路及び支流路は、直線状に延在してなることが好ましい。
【０００９】
更に、混合流路は、直線状に延在してなることが好ましい。
【００１０】
加えて、中央分配流路の本流路の幅が、外側分配流路の本流路の幅の１２０〜３００％の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、１５０〜２００％の範囲にある。なお、ここでいう「本流路の幅」は、本流路にて、その延在方向に対し直交する方向に測定した距離をいうものとする。
【００１１】
加えてまた、ベースプレート、分配プレート、合流プレート及びトッププレートを積層してなる積層体を、複数積層してなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、混合効率を格段に高めることができるマイクロミキサを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。図１〜３は、本発明に従うマイクロミキサの要部構成を示したものである。図１は、本発明に従う代表的なマイクロミキサの上面図であり、図２は、図１に示すマイクロミキサの側方断面図であり、図３は、図１に示すマクロミキサの分解図である。図４〜６は、図１〜３に示すマイクロミキサの、ベースプレート、分配プレート及び合流プレートを夫々に示した拡大図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明のマイクロプレートにより、流体を分配プレートから合流プレートへと導いたときの流体の混合パターンを概略的に説明した図である。図８は、図１〜３に示すマイクロミキサの、トッププレートの拡大図である。
【００１４】
図示のマイクロミキサ１は、複数の流体、この例では２種の流体Ａ及びＢを当該装置に導入するための供給口１ａ及び１ｂを個別に有するベースプレート２を基盤とする。ここで、供給口１ａ及び１ｂには、例えば口金１０を装着し、該口金１０に流体Ａ及びＢの供給管（図示せず）を接続して流体Ａ及びＢをそれぞれの供給口に供給する。
【００１５】
このベースプレート２の上に、各供給口１ａ及び１ｂからの流体Ａ及びＢを案内する、各流体宛１本または複数本であり（少なくとも３本以上の）、図示例で各２本の分配流路３０、すなわち流体Ａを通す分配流路３０Ａと、同様に流体Ｂを通す分配流路３０Ｂを有する分配プレート３を、載置する。ここで、前記の供給口１ａ及び１ｂからの流体は、供給孔１１ａ及び１１ｂ（図４参照）を介して、図５に示すように、分配プレート３に形成した貯留部１１に導かれ、ここから各流体宛２本の分配流路３０Ａまたは３０Ｂに導入される。
【００１６】
なお、分配流路３０は、隣接する分配流路３０Ａ、３０Ｂにて並列に延在する本流路３３と、かかる本流路３３から分岐し、対向する本流路３３に向かって延在する複数本の支流路３４とを具える。本流部３３は、離間した流体Ａの貯留部１１から対向する流体Ｂの貯留部１１側へとほぼ直線状に延び、かつ２本の同種分配流路に挟まれている異種分配流路が入り込む配置を採ることによって、４本の分配流路は異種流体の流路が交互に並ぶ配列となる。このとき、支流路３４は、隣接する一方の分配流路３０の支流路３４の少なくとも先端部３５と、他方の分配流路３０の支流路３４の少なくとも先端部３５とが本流路３３の延在方向へ交互に並ぶ配置となる。図示例では、隣接する一方の分配流路３０Ａの支流路３４の全体と、他方の分配流路３０Ｂの支流路３４の全体とが交互に並ぶ配置となる。また、分配流路３０のうち、２本の分配流路に挟みまれている分配流路３０である中央分配流路３６は、それを挟む２本の分配流路３０の双方に対し支流路３４を有するのに対し、挟まれていない外側の分配流路３０である外側分配流路３７では、中央分配流路３６と対向する側にのみ支流路３４を有する。
また、図示例のように、分配流路３０の本流路３３及び支流路３４を直線状とすることで、本流路３３及び支流路３４をジグザグ状や波状とする場合に比べ、流体を円滑に流すことができ、流体の迅速な混合を有利に達成することができるとともに、分配プレート３上にて分配流路３０が設けられている部分の面積を小さくして、マイクロミキサ１の小型化を図ることができる。なお、図示例では、支流路３４は本流路３３の延在方向に対し直交する方向に延在しているが、支流路３４の本流路３３に対する延在方向はその他の角度範囲とすることができる。また、図示例では支流路３４の先端部３５は、一定の曲率を有する形状となっているが、角部を有するような、その他の形状とすることもできる。
【００１７】
さらに、図３及び６に示すように、分配プレート３の上には、隣接する分配流路３０Ａ、３０Ｂ間にある全ての支流路３４を横切る方向に延在し、支流路３４との交点４１から流体を導く、混合流路４０を有する合流プレート４を、載置する。各混合流路４０は、隣接する分配流路３０Ａ及び３０Ｂ間の全ての支流路３４と直交する直線状であり、隣接する分配流路３０Ａ、３０Ｂ間の各支流路３４と各々交点４１をもって交わることになる。そして、各混合流路４０には、全ての支流路３４との交点４１を介して、流体Ａ及びＢが長手方向に交互に導入される。すなわち、流体Ａ及びＢは、多数の交点４１を介して微小な区分に分割されて、各混合流路４０内に供給され、ここで流体Ａ及びＢの各々が微小な流体区分間での分子の拡散により隣接区分間で相互に混合される。この分割された流体区分は、マイクロメートルからナノメートルオーダーと非常に小さいため、分子の拡散距離が短縮され、迅速な混合が行われる。また、混合流路４０を直線状とすることで、混合流路４０をジグザグ状や波状とする場合よりも、合流プレート４上にて混合流路４０が設けられている部分の面積が小さくなるので、分配流路３０の本流路３３を直線状とすることと組み合わせると、マイクロミキサ１の小型化を更に図ることができる。
【００１８】
かような混合原理によれば、上記した分配流路３０及び混合流路４０の幅や深さを調整することによって、上記の流体区分の大きさを制御でき、その結果、流体の混合特性を制御することができる。また、混合流路４０における流体区分の混合パターンは、例えば、図７（ａ）に示すような分配流路３０と混合流路４０の組合せを採用し、流体Ａと流体Ｂを供給した場合に、隣接する混合流路４０Ａ及び４０Ｂ（図７（ｂ）参照）だけを抜き出し、それらを全て組み合わせて、交点４１毎に導かれる流体を流体区分毎に概略的に示すと、図７（ｃ）のような混合パターンとなる。すなわち、交点４１毎に導かれる流体の微小な流体区分の周囲を異種の流体区分で囲むような混合パターンとなる。かような流体区分の混合パターンが実現されれば、流体の混合はより加速されることになる。
【００１９】
以上の流体Ａ及びＢの効果的な混合は、混合流路４０毎に行われ、混合後の混合流体は、図８に示すようなトッププレート５に形成した貯留部５０に集合、一旦貯められ、出口流路５１から排出される。
【００２０】
また、分配流路３０は３本以上であり、分配流路３０のうち、２本の分配流路間に挟まれている分配流路３０である中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１が、その他の分配流路３０、すなわち挟まれていない外側の分配流路３０である外側分配流路３７の本流路３３の幅Ｗ２よりも大きい。
外側分配流路３７からは１本の混合流路４０へと流体が導かれるのに対し、中央分配流路３６からは２本の混合流路４０へと流体が導かれる。そのことから、分配流路３０の本流路３３の幅が全て同一の場合には、外側分配流路３７から１本の混合流路４０に導かれる流体量が、中央分配流路３６から１本の混合流路４０に導かれる流体量よりも大きくなり、混合流路間における流体の混合比に大きな差が生じる。その結果、かかる混合比の差に起因して、流体同士を迅速に混合することができなくなる。
その対策として、中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１を、外側分配流路３７の本流路３３の幅Ｗ２よりも大きくすることで、中央分配流路３６の本流路３３の容積を、外側分配流路３７の本流路３３の容積よりも大きくして、中央分配流路３６に供給される流体の総量を、外側分配流路３７に供給される流体の総量よりも大きくすることができる。そうすることで、中央分配流路３６から混合流路４０１本当たりに導かれる流体量を大きくすることができるので、混合流路間における流体の混合比の差が小さくなる。その結果、上記したような流体の迅速な混合を抑制することなく、迅速な混合が可能となる。
このとき、中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１は、外側分配流路３７の本流路３３の幅Ｗ２の１２０〜３００％の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、１５０〜２００％の範囲にある。中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１が、外側分配流路３７の本流路３３の幅Ｗ２の１２０％未満の場合には、中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１が小さくなり過ぎることから、中央分配流路３６の本流路３３の容積を充分に確保することができずに、中央分配流路３６から混合流路４０へと導かれる流体量を有効に確保することができない。そのことから、混合流路間における流体の混合比の差を充分に小さくすることができずに、流体を迅速に混合することができない可能性がある。一方、中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ１が、外側分配流路３７の本流路３３の幅Ｗ２の３００％を超える場合には、中央分配流路３６の本流路３３の幅Ｗ２が大きくなり過ぎて、中央分配流路３６の本流路３３の容積が大きくなり過ぎることから、外側分配流路３７から混合流路４０に導かれる流体量に対し、中央分配流路３６から混合流路４０に導かれる流体量が大きくなり過ぎる。その結果、混合流路間における流体の混合比に大きな差が生じ、かかる混合比の差に起因して、流体同士を迅速に混合することができない可能性がある。
【００２１】
さらにまた、前記ベースプレート２、分配プレート３、合流プレート４及びトッププレート５の積層体を１つのエレメントとして、該エレメントを複数積み重ねて使用することによって、混合を複数回繰り返して更なる混合効率の向上を図ることも可能である。あるいは、上記エレメントを並列に使用し、３種以上の流体の混合を行うことも可能である。勿論、エレメント内で導入する流体数を上述の２種から３種以上にすることも可能である。
【００２２】
なお、上述したところは本発明の実施形態の一部を示したに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、これらの構成を交互に組み合わせたり、種々の変更を加えたりすることができる。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明に従うマイクロミキサ（実施例マイクロミキサ）、及び比較のため従来技術のマイクロミキサ（従来例マイクロミキサ）を夫々試作し、それらの性能評価を行ったので、以下に説明する。
【００２４】
実施例マイクロミキサ１は、図３に示すように、ベースプレート２の各供給口１ａ及び１ｂからの流体が通る、本流路（長さ：１５.３２ｍｍ、幅：０．１８ｍｍ、深さ：５ｍｍ）及び支流路（長さ：０．３ｍｍ、幅：０．０８ｍｍ、深さ：５ｍｍ、）からなる４本の分配流路３０Ａ及び３０Ｂを有する分配プレート３と、隣接する分配流路間にある全ての支流路を横切る方向に延在する３本の混合流路４０（各流路サイズ：長さ１３．５ｍｍ、幅０．１ｍｍ、深さ３ｍｍ）を有する合流プレート４と、各分配流路４０にて合流、混合した混合流体の貯留部５０を有するトッププレート５と、の積み重ねに成る。また、出口流路５１からの混合流体は、紫外可視分光光度計に混合水溶液が直接流入するように構成した。
【００２５】
従来技術マイクロミキサ２０１は、図１２に示すように、第１管状部材２０２と第２管状部材２０３とを対向させて設け、第１管状部材２０２内を通る第１流体７と、第２管状部材２０３内を通る第２流体８とを対流で衝突させて混合流体とした後、この混合流体９は、第３管状部材２０６を通って排出される構成の有する。第１管状部材２０２及び第２管状部材２０３のサイズはともに、長さ３５ｍｍ、外径１．６ｍｍ及び内径０．４８ｍｍとし、第３管状部材２０６のサイズは、長さ５０ｍｍ、外径１．６ｍｍ及び内径０．４８ｍｍとした。また、実施例マイクロミキサと同様に、出口流路からの混合流体は、紫外可視分光光度計に混合水溶液が直接流入するように構成した。
【００２６】
これらマイクミキサを用いて、２種類の流体の混合特性を評価した。混合させた２種類の流体は、ＫＩ：ＫＩＯ３：Ｈ３ＢＯ３：２％の硫酸水溶液（流体Ａ）、並びに１．６０％ＫＩ水溶液、０．４１％ＫＩＯ３水溶液、３．３４％Ｈ３ＢＯ３水溶液及び０．８０％ＮａＯＨ水溶液を、体積比で、１：１：１：１の割合で混合した４種混合水溶液（流体Ｂ）である。これら流体を、実施例マイクロミキサ及び従来例マイクロミキサの夫々の供給口から０．５〜７．５ｍＬ／ｍｉｎの流量にて供給した。そして、流体Ａと流体Ｂの混合特性を、Ｖｉｌｌｅｒｍａｕｘ／Ｄｕｓｈｍａｎ反応を利用して評価した。すなわち、２種の流体を混合するとき、混合特性が良い場合には速い反応が優先的に進み、逆に混合特性が悪い場合には遅い反応も進む現象を利用して、遅い反応により生成される物質の濃度を測定することで混合特性を評価することができる。具体的には、上記流体Ａと流体Ｂとを混合すると、酸−アルカリ中和反応あるいは混合特性が悪い場合の反応であるＩ２生成反応が起こり、このＩ２生成反応が起こった場合、生成したＩ２は一部Ｉ３−となるが、このＩ３−は３５３ｎｍの波長で吸収ピークを持つため、その吸光度を測定することで混合特性を評価した。なお、３５３ｎｍの波長での吸収ピークが小さいほど、混合特性が優れていることを示している。
【００２７】
その結果、実施例マイクロミキサは、従来例マイクロミキサに比べ、いずれの流速においても、３５３ｎｍの波長での吸収ピークが小さく、混合特性に優れていた。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、小型でありながら混合効率を格段に高めることができるマイクロミキサを提供することが可能になった。かような極めて高い効率の下に混合を行うことができることから、μ−ＴＡＳやマイクロ化学プラント，高速液体クロマトグラフィー用グラジエントミキサーなどの分野に有利に適合する技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従うマイクロミキサの上面図である。
【図２】図１に示すマイクロミキサの側断面図である。
【図３】図１に示すマイクロミキサの分解図である。
【図４】図１に示すマイクロミキサのベースプレートの上面図である。
【図５】図１に示すマイクロミキサの分配プレートの上面図である。
【図６】図１に示すマイクロミキサの合流プレートの上面図である。
【図７】分配流路及び混合流路の組合せを示す概略図である。
【図８】図１に示すマイクロミキサのトッププレートの上面図である。
【図９】従来例マイクロミキサを説明する概念図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  マイクロミキサ
Ａ、Ｂ  流体
１ａ、１ｂ  供給口
２  ベースプレート
１０  口金
３  分配プレート
３０、３０Ａ、３０Ｂ  分配流路
３３  本流路
３４  支流路
３５  支流部の先端部
３６  中央分配流路
３７  外側分配流路
１１  貯留部
４０、４０Ａ、４０Ｂ  混合流路
４  合流プレート
４１  交点
５  トッププレート
５０  貯留部
５１  出口流路
【要約】
【課題】小型でありながら混合効率を有利に高めることができるマイクロミキサを提供する。
【解決手段】マイクロミキサは、流体が供給される複数の供給口を有するベースプレート、各供給口から流体が通る、各流体宛少なくとも１本、合計で少なくとも２本の分配流路を有する分配プレート、各分配流路からの流体を合流、混合させる少なくとも１本の混合流路を有する合流プレート、及び混合された流体を貯留する貯留部を有するトッププレートを積み重ねてなる。かかる分配流路は、隣接する分配流路間にて並列に延在する本流路と、本流路から分岐し、対向する本流路に向かって延在する複数本の支流路とを具え、支流路は、隣接する一方の分配流路の支流路の少なくとも先端部と他方の分配流路の支流路の少なくとも先端部とが交互に並ぶ配置となる。また、混合流路は、隣接する分配流路間にある全ての支流路を横切る方向に延在し、各支流路との交点から流体を導く。
【選択図】図３【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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