(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を複数の供給口を通してそれぞれ１本のミキシング流路内へ導入し、これらの流体を薄片状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散し、混合するマイクロミキサーであって、
外部から供給された流体が一端部から他端部へ向ってそれぞれ流通する複数の流体供給路と、
前記複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、前記流体供給路内における流体の流通方向と直交する所定の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設され、かつ前記拡散方向に沿った開口幅が１μm以上で５００μm以下とされた複数の供給口と、
一端部が前記複数の供給口に接続され、該複数の供給口を通して導入された流体を他端部から吐出するミキシング流路とを有し、
前記拡散方向に沿って互いに隣接する一対の前記供給口を通し前記ミキシング流路内へそれぞれ導入された流体層流の界面接触点から、ミキシング流路の終端までの前記流通方向に沿った実効路長をＰEF（ｍ）、
前記ミキシング流路内にそれぞれ導入された各流体の初期流速であって最大のものをＶMAX（ｍ／秒）、
前記ミキシング流路内における複数の流体を均一に混合するための各流体の前記拡散方向に沿った拡散距離であって最大のものをＴMAX（ｍ）、
前記ミキシング流路内にそれぞれ導入された各流体の拡散速度であって最小のものをＤMIN（ｍ2／秒）とした場合、
前記実効路長ＰEFを、下記（１）式を満たすように設定したことを特徴とするマイクロミキサー。
ＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMIN・・・（１）
【請求項２】
前記拡散方向に沿って互いに隣接する一対の前記供給口の前記流通方向及び前記拡散方向に直交する界面方向に沿った開口幅を、それぞれ前記拡散距離ＴMAX以上の長さに設定したことを特徴とする請求項１記載のマイクロミキサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を複数の流体供給路からそれぞれ１本のミキシング流路内へ導入し、これら流体を薄片状の層流としてミキシング流路内を流通させつつ、流体同士を混合し、又は混合及び反応させるマイクロミキサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、写真感光材料に用いられる乳剤等の製造に係る化学工業や医薬品、試薬等の製造に係る医薬品工業の分野では、マイクロミキサー又はマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いた新しい製造プロセスの開発が進められている。マイクロミキサー及びマイクロリアクターには、その断面を円形に換算した場合の等価直径が数μｍ〜数百μｍ程度の複数本のマイクロチャンネル及び、これらのマイクロチャンネルと繋がる微小な混合空間が設けられており、このマイクロミキサー及びマイクロリアクターでは、複数本のマイクロチャンネルを通して複数の溶液をそれぞれ混合空間へ導入することで、複数の溶液を混合し、又は混合と共に化学反応を生じさせる。なお、マイクロミキサーとマイクロリアクターとは基本的な構造が共通とされているが、特に、複数の溶液を混合する際に化学反応を伴うものをマイクロリアクターと言う場合がある。このことから、マイクロミキサーには、マイクロリアクターが含まれるものとして以下の説明を行う。このようなマイクロミキサーとしては、例えば、特表平９−５１２７４２号公報、ＰＣＴ国際公開ＷＯ  ００／７６６４８号公報に開示されているものがある。これらのマイクロミキサーは、何れも、２種類の溶液をそれぞれマイクロチャンネル等と呼ばれる微細な給液路を通し、極めて薄い薄片状の層流として混合空間内へ供給することで、この混合空間内で２種類の溶液同士を所定の方向へ流通させつつ混合及び反応させるものである。
【０００３】
次に、上記のようなマイクロミキサーによる混合及び反応がタンク等を用いたバッチ方式と異なる点を説明する。すなわち、液相の化学反応は、一般に反応液の界面において分子同士が出会うことによって反応が起こるので、微小空間内で反応を行うと相対的に界面の面積が大きくなり、反応効率は著しく増大する。また分子の拡散そのものも拡散時間は距離の二乗に比例する。このことは、スケールを小さくするに従って反応液を能動的に混合しなくても、分子の拡散によって混合が進み、反応が起こり易くなることを意味している。また、微小空間においては、スケールが小さいために層流支配の流れとなり、溶液同士が層流状態となって互いに拡散し、混合されて行く。
【０００４】
上記のような特徴を有するマイクロミキサーを用いれば、例えば、混合及び反応の場として大容積のタンク等を用いた従来のバッチ方式と比較し、溶液同士の反応時間及び温度の精密な制御が可能になる。またバッチ方式の場合には、特に、反応速度が速い溶液環間では混合初期の反応接触面で反応が進行し、さらに溶液間の反応により生成された一次生成物が容器内で引き続き反応を受けてしまうことから、生成物の不均一や混合容器内で凝集や析出が生じてしまうおそれがある。これに対して、マイクロミキサーによれば、溶液が混合容器内に殆ど滞留することなく連続的に流通するので、溶液間の反応により生成された一次生成物が混合容器内に滞留する間に引き続き反応を受けてしまうことを抑止でき、従来では取り出すことが困難であった純粋な一次生成物を取り出すことも可能になり、また混合容器内での凝集や析出も生じ難くなる。
【０００５】
また、実験的な製造設備により製造された少量の化学物質を大規模の製造設備により多量に製造（スケールアップ）する際には、従来、実験的な製造設備に対し、バッチ方式による大規模の製造設備での再現性を得るために多大の労力及び時間を要していたが、必要となる製造量に応じてマイクロミキサーを用いた製造ラインを並列化することにより、このような再現性を得るための労力及び時間を大幅に減少できる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特表平９−５１２７４２号公報、ＰＣＴ国際公開ＷＯ  ００／７６６４８号公報には、混合空間及びこの混合空間にそれぞれ溶液を供給する複数本の微小給液路における幅（等価直径）や開口部の形状については開示されているが、これらの給液路から複数種類の溶液が供給される微小な混合空間の流通方向に沿った路長をどのような長さに設定するかについては具体的に記載されていない。
【０００７】
すなわち、マイクロミキサーでは、複数本の給液路から混合空間内に供給された複数種類の溶液が層流状態となって流通しつつ、これらの溶液の分子が拡散混合することで、溶液の混合及び混合に伴う化学反応が進行する。このとき、混合空間内で複数種類の溶液が均一に混合し、又は混合に伴う化学反応が略完了するまでの時間（以下、「混合／反応時間」という。）は、混合空間内における溶液の拡散速度及び拡散距離に応じて変化する。ここで、溶液を均一に混合するために必要となる拡散距離は、溶液の拡散方向に沿った混合空間の幅等に応じて一定の値になるが、拡散速度は混合空間内へ供給される溶液に応じて変化する。
【０００８】
従って、マイクロミキサーでは、混合空間に供給される溶液に応じて変化する混合/反応時間に対して、混合空間の溶液の流通方向に沿った路長が不足すると、複数種類の溶液が均一に混合された混合溶液を生成できず、又は化学反応が完了した反応溶液を生成できないという問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、上記事実を考慮して、ミキシング流路に供給される複数の溶液が均一に混合され、又は混合に伴う化学反応が略完了した溶液を確実に生成できるマイクロミキサーを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロミキサーは、外部から供給された流体が一端部から他端部へ向ってそれぞれ流通する複数の流体供給路と、前記複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、前記流体供給路内における流体の流通方向と直交する拡散方向に沿って互いに隣接するように配設され、かつ前記拡散方向に沿った開口幅が１μm以上で５００μm以下とされた複数の供給口と、一端部が前記複数の供給口に接続され、該複数の供給口を通して導入された流体を他端部から吐出するミキシング流路とを有し、前記拡散方向に沿って互いに隣接する一対の前記供給口を通し前記ミキシング流路内へそれぞれ導入された流体層流の界面接触点から、ミキシング流路の終端までの前記流通方向に沿った実効路長をＰEF（ｍ）、前記ミキシング流路内にそれぞれ導入された各流体の初期流速であって最大のものをＶMAX（ｍ／秒）、前記ミキシング流路内における複数の流体を均一に混合するための各流体の前記拡散方向に沿った拡散距離であって最大のものをＴMAX（ｍ）、前記ミキシング流路内にそれぞれ導入された各流体の拡散速度であって最小のものをＤMIN（ｍ2／秒）とした場合、前記実効路長ＰEFを、ＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMINを満たすように設定したことを特徴とする。
【００１１】
上記本発明に係るマイクロミキサーによれば、複数の流体供給路の他端部に設けられた複数の供給口が流体の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設され、かつ複数の供給口の拡散方向に沿った開口幅がそれぞれ１μm以上で５００μm以下とされると共に、これらの供給口に接続されたミキシング流路の実効路長ＰEFが、ＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMINを満たすように設定されることにより、複数の供給口を通してそれぞれミキシング流路内へ導入される複数の流体が供給口の開口幅（１μm〜５００μm）に対応する微小幅を有する薄片状の層流となってミキシング流路内を流通すると共に、互いに隣接する層流間の界面では各流体の分子が相互に拡散するので、複数の供給口をそれぞれ通してミキシング流路内へ導入された複数種類の流体を効率的に混合でき、又は複数種類の流体の混合に伴う化学反応を効果的に促進できる。このとき、ミキシング流路内で複数の流体が混合開始されてから均一に混合されるまでの時間（混合時間）は、ＴMAX2／ＤMINにより算出される。従って、ミキシング流路の実効路長ＰEFを、（ＴMAX2／ＤMIN）×ＶMAX以上の長さにすれば、複数の流体を確実に混合時間以上に亘ってミキシング流路内に保持できる。またＶMAXが経時的に変化する場合には、ＶMAXの平均値を求めて上記演算を行うことにより、必要となる実効路長ＰEFを算出できる。
【００１２】
なお、ミキシング流路内における流体の混合に化学反応が伴う場合、複数の流体が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了していると見なすことができるときは、上記演算に従って実行路長ＰEFを設定すれば問題は生じない。しかし、複数の流体が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了したと見なすことができないときや、ミキシング流路内で二次的な化学反応も継続的に行わせたいときには、これらの化学反応に要する時間に対応する路長を上記演算により算出される実効路長の最小値に加算して、実効路長ＰEFを設定する必要がある。
【００１３】
また本発明に係るマイクロミキサーにおいて、外部から複数の流体供給路に供給される流体としては、例えば、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等も対象となり、また流体の種類が異なるとは、化学組成が異なる場合のみならず、例えば、温度、固液比等の状態が異なる場合も含まれる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るマイクロミキサーについて図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１及び図２には、本発明の第１の実施形態に係るマイクロミキサーの一例が示されている。このマイクロミキサー１０は、２種類の溶液Ｌ１、Ｌ２を混合し、これらの溶液Ｌ１、Ｌ２が均一に混合された溶液ＬＭを外部へ供給するためのものである。ここで、マイクロミキサー１０により溶液Ｌ１、Ｌ２を混合する際には、溶液Ｌ１、Ｌ２間に化学反応が生じる場合と生じない場合とが考えられるが、本実施形態に係るマイクロミキサーは何れの場合にも用いることができる。
【００１６】
図１及び図２に示されるように、マイクロミキサー１０は外形形状が全体として略角柱状に形成されており、装置の外殻部を構成する薄肉筒状のミキサー本体１２を備えている。ここで、図中の直線Ｓはミキサー本体１２の断面中心を結んだ軸心を示している。ミキサー本体１２は軸直角断面が長方形とされており、このミキサー本体１２内には、軸方向に沿った基端側（図１では左側）にミキサー本体１２の内部空間を区画した隔壁板１４が配置されている。この隔壁板１４は、ミキサー本体１２内の空間を断面の短手方向において略２等分して、ミキサー本体１２内に軸方向に沿って直線的に延在する第１給液路１６及び第２給液路１８を形成している。
【００１７】
図１に示されるように、ミキサー本体１２の基端面は蓋板２０により閉塞されており、この蓋板２０には２本の給液配管３８，３９が接続されている。これらの給液配管３８，３９を通して、給液路１６，１８内には、それぞれマイクロミキサー１０の上流側に設置された２個の給液源（図示省略）から加圧状態とされた溶液Ｌ１及び溶液Ｌ２が給送される。これらの給液源は、例えば、溶液Ｌ１，Ｌ２を生成する他のマイクロミキサーや、溶液Ｌ１，Ｌ２を貯えた貯留タンク及びポンプ等からなる。
【００１８】
図２に示されるように、ミキサー本体１２内の２本の給液路１６，１８の先端面には、それぞれ略長方形の第１給液口２２及び第２給液口２４がそれぞれ開口しており、これらの給液口２２，２４は、溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散方向（矢印Ｄ方向）に沿って互いに隣接している。ここで、拡散方向は、給液路１６，１８内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流通方向（矢印Ｆ方向）に直交する方向であり、本実施形態ではミキサー本体１２の軸直角断面における短手方向と一致している。また給液口２２，２４は、それぞれ拡散方向に直交する界面方向（矢印Ｂ方向）へ細長い長方形とされている。
【００１９】
図１に示されるように、ミキサー本体１２内には、給液路１６，１８の下流側に給液路１６，１８が合流する空間が形成され、この空間は給液路１６，１８からそれぞれ供給された溶液Ｌ１，Ｌ２の混合又は、混合に伴う化学反応が行われるミキシング流路２６とされている。このミキシング流路２６は、流通方向に沿った上流側の端部が給液口２２，２４に接続され、下流側の端面にはミキサー本体１２の先端面に開口する出液口２８が設けられている。またミキサー本体１２の先端部には、出液口２８の外周側に延出するように環状のフランジ部３０が設けられている。
【００２０】
ここで、第１給液口２２の拡散方向に沿った開口幅Ｗ１（図２参照）は、１μｍ以上で５００μｍ以下の範囲内で、第１給液路１６への溶液Ｌ１の供給量、種類等に応じて適宜設定される。また第２給液口２４の拡散方向に沿った開口幅Ｗ２（図２参照）も、１μｍ以上で５００μｍ以下の範囲で、第２給液路１８への溶液Ｌ２の供給量、種類等に応じて適宜設定される。これらの開口幅Ｗ１，Ｗ２，ＷＢはそれぞれ給液口２２，２４の開口面積を規定し、この給液口２２，２４の開口面積と溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量に応じて、給液口２２，２４を通してミキシング流路２６内へ導入される溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速が定まる。なお、溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合するまでの時間（混合時間）の短縮を考えた場合には、当然、開口幅Ｗ１，Ｗ２は狭いほど有利となり、また隔壁板１４の拡散方向に沿った板厚も可能な限り薄くすることが望まれる。このことから、本実施形態のマイクロミキサー１０では、隔壁板１４として板厚が十分に薄い（好ましくは、２０μｍ以下）ものが用いられている。また、界面接触点ＣＰで渦流が発生しないように、図１に示されるように、隔壁板１４の終端形状を流線形とすることが望まれる。
【００２１】
マイクロミキサー１０では、ミキシング流路２６内で溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が行われ、又は混合と共に化学反応が行われた溶液ＬＭが出液口２８から吐出される。溶液ＬＭが溶液Ｌ１，Ｌ２の混合のみにより生成される場合には、ミキシング流路２６の出口部までに溶液Ｌ１，Ｌ２が略均一に混合されている必要があり、また溶液ＬＭが溶液Ｌ１，Ｌ２の混合に伴う化学反応により生成される場合には、ミキシング流路２６の出口部までに溶液Ｌ１，Ｌ２が略均一に混合され、しかも溶液Ｌ１，Ｌ２間の化学反応も略完全に完了している必要がある。従って、ミキシング流路２６の流通方向に沿った路長Ｐ（図１参照）は、溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が完了し、又は混合に伴う化学反応が略完了するような長さに設定する必要があり、この路長Ｐの具体的な設定方法については後述する。なお、ミキサー本体１２内には、常に、溶液Ｌ１，Ｌ２及びこれらが混合された溶液ＬＭが隙間なく充填され、給液路１６，１８内から出液口２８側へ流通しているものとする。
【００２２】
ここで、ミキサー本体１２の先端部には、フランジ部３０と対になるフランジ部を有する出液配管（図示省略）が連結され、ミキサー本体１２の出液口２８から吐出された溶液ＬＭは、出液配管を通して一時貯留用の貯留容器、溶液ＬＭに対して次の処理を行うための他のマイクロミキサー等へ送られる。ここで、ミキサー本体１２のフランジ部３０と出液配管のフランジ部とは、ボルト及びナットを用いたねじ継手、一対のフランジ部の外周側からリング状の連結部材を嵌挿する継手等の各種の継手構造により連結することができ、また溶接、接着等により連結するようにしても良い。なお、出液配管としては、その下流側の端部に設けられたフランジ部がマイクロミキサー１０のフランジ部３０の形状と整合しているものならば、一般的な円筒状の金属パイプ等を用いることができる。
【００２３】
上記のように構成されたマイクロミキサー１０では、給液口２２，２４の開口幅Ｗ１，Ｗ２が１μｍ〜５００μｍという微小幅とされていることから、給液口２２，２４を通してミキシング流路２６内へ導入される溶液Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ開口幅Ｗ１，Ｗ２に対応する幅を有する薄片状の層流となって出液口２８側へ向って流れつつ、各層流の接触界面ではその法線方向に沿って分子拡散が生じて溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が進行する。
【００２４】
このとき、一対の給液口２２，２４を通してミキシング流路２６内へ導入された溶液Ｌ１，Ｌ２によりそれぞれ形成される層流同士の界面接触点をＣＰ、この界面接触点ＣＰからミキシング流路２６の終端までの流通方向に沿った長さである実効路長をＰEF（ｍ）、ミキシング流路２６内にそれぞれ導入された溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速であって最大のものをＶMAX（ｍ／秒）、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するための各Ｌ１，Ｌ２の拡散方向に沿った拡散距離であって最大のものをＴMAX（ｍ）、ミキシング流路２６内に導入された各溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散速度であって最小のものをＤMIN（ｍ2／秒）とした場合、本実施形態に係るマイクロミキサー１０では、ミキシング流路２６の実効路長ＰEFが下記（１）式を満たすような長さに設定され、この実行路長ＰEFに基づいて、ミキシング流路２６の路長Ｐが決められる。
【００２５】
ＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMIN・・・（１）
次に、上記（１）式で用いられた各物理量の意味を図１及び図２を参照して説明する。先ず、界面接触点ＣＰとは、溶液Ｌ１により形成される層流と溶液Ｌ２により形成される層流とがミキシング流路２６内で接触する点であり、主として隔壁板１４の板厚、溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速等に応じて変化するが、本実施形態のように隔壁板１４の板厚がミキシング流路２６の路長Ｐに対して十分に薄い場合には、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流は、溶液Ｌ１，Ｌ２がミキシング流路２６内に流入すると同時に接触すると見なせる。従って、本実施形態では、ミキシング流路２６の実行路長ＰEFが路長Ｐと一致するもの見なす。
【００２６】
初期流速ＶMAX（ｍ／秒）とは、ミキシング流路２６内に導入された溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速であって最大のものを言い、これらの初期流速は、給液口２２，２４の開口面積と給液路１６，１８内への溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量によりそれぞれ決まる。また拡散距離とは、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するために必要となる溶液Ｌ１，Ｌ２の分子の拡散方向に沿った最小移動量であり、本実施形態では、ミキシング流路２６の拡散方向に沿った開口幅をＷMIX（図２参照）とした場合、溶液Ｌ１の拡散距離は（ＷMIX−Ｗ１）により算出され、溶液Ｌ２の拡散距離は（ＷMIX−Ｗ２）により算出され、これらのうち最大のものが拡散距離ＴMAX（ｍ）とされる。
【００２７】
拡散速度とは、フィックの拡散方程式（第２法則）における拡散係数を意味し、拡散分子の質量、拡散物質の温度、圧力等に応じて変化し、さらに拡散物質に外力が作用する場合には外力の影響によっても変化する。このことから、十分な精度で理論的に求めることは難しいが、例えば、ミキシング流路２６内における各種の溶液の拡散状態を観察することにより、溶液の種類、それらの組合毎に予め十分な精度で求めることができる。このようにして求めた各溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散速度であって最小のものが拡散速度ＤMIN（ｍ2／秒）とされる。
【００２８】
また本実施形態に係るマイクロミキサー１０では、給液口２２，２４の界面方向に沿った開口幅ＷＢが拡散距離ＴMAX以上の長さに設定されている。ここで、ミキシング流路２６内で溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触線長は前記開口幅ＷＢと略等しくなる。このことから、この開口幅ＷＢと拡散距離ＴMAXとの比は、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触面積を増加するため、ある程度、大きく設定したほうが好ましく、具体的には、ＷＢ：ＴMAXは、５：１以上とすることが好ましく、１０：１以上とすることが更に好ましい。
【００２９】
上記のように構成されたマイクロミキサー１０によれば、給液口２２，２４を通してそれぞれミキシング流路２６内へ導入される溶液Ｌ１，Ｌ２が給液口２２，２４の開口幅（１μm〜５００μm）に対応する微小幅を有する薄片状の層流となってミキシング流路２６内を流通すると共に、互いに隣接する層流間の界面では各溶液Ｌ１，Ｌ２の分子が相互に拡散するので、給液口２２，２４をそれぞれ通してミキシング流路２６内へ導入された複数種類の溶液Ｌ１，Ｌ２を効率的に混合でき、又は複数種類の溶液Ｌ１，Ｌ２の混合に伴う化学反応を効果的に促進できる。
【００３０】
このとき、ミキシング流路２６内で溶液Ｌ１，Ｌ２が混合開始されてから均一に混合されるまでの時間（混合時間）ＳMIXは、ＴMAX2／ＤMINにより算出される。従って、ミキシング流路２６の実効路長ＰEFを、（ＴMAX2／ＤMIN）×ＶMAX以上の長さにすれば、溶液Ｌ１，Ｌ２を確実に前記混合時間ＳMIX以上に亘ってミキシング流路２６内に保持できる。またＶMAXが経時的に変化する場合には、ＶMAXの平均値を求めて上記演算を行うことにより、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するために必要となる実効路長の最小値を算出できるので、ミキシング流路２６の実行路長ＰEF（＝路長Ｐ）を前記最小値以上の長さに設定すれば、溶液Ｌ１，Ｌ２をミキシング流路２６内で均一に混合して溶液ＬＭを生成できる。
【００３１】
なお、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合に化学反応が伴う場合、複数の溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了していると見なすことができるときは、上記演算に従って実行路長ＰEFを設定すれば良く、また複数の溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了したと見なすことができないときや、ミキシング流路２６内で二次的な化学反応も継続的に行わせたいときには、これらの化学反応に要する時間ＳADDに対応する路長、すなわち（ＳADD×ＶMAX）により算出される路長を上記実効路長の最小値に加算し、ミキシング流路２６の実行路長ＰEFを設定する必要がある。
【００３２】
また、本実施形態に係るマイクロミキサー１０では、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される接触界面に対して拡散方向に沿った内壁部２６Ａ（図２参照）の面積が過大になると、ミキシング流路２６の内壁部２６Ａ付近で溶液Ｌ１，Ｌ２の粘性の影響により分子拡散が抑制される現象が生じ、実行路長ＰEFを上記（１）式に従って設定しても、溶液Ｌ１，Ｌ２の粘度が大きい場合等は、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合できなくなる。そこで、本実施形態に係るマイクロミキサー１０では、給液口２２，２４の界面方向に沿った開口幅ＷＢが拡散距離ＴMAX以上の長さ（好ましくは、ＴMAXの５倍以上、更に好ましくは１０倍以上の長さ）に設定されている。これにより、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触面積に対して内壁部２６Ａの面積が過大になることを防止できるので、溶液Ｌ１，Ｌ２の粘性影響により溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が不完全になることを防止でき、また溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触面積も十分に大きくできるので、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合を効果的に促進できる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図３には本発明の第１の実施形態に係るマイクロミキサーが示されている。このマイクロミキサー１１０は、第１の実施形態に係るマイクロミキサー１０と同様に、２種類の溶液Ｌ１、Ｌ２を同時に混合し、これらの溶液Ｌ１、Ｌ２が均一に混合又は、混合に伴う化学反応が完了した溶液ＬＭを外部へ供給するためのものである。
【００３４】
図３に示されるように、マイクロミキサー１１０は全体として略円柱状に形成されており、装置の外殻部を構成する円筒状のミキサー本体１１２を備えている。ここで、図中における直線Ｓは装置の軸心を示しており、この軸心Ｓに沿った方向を装置の軸方向として以下の説明を行う。ミキサー本体１１２は、その軸方向に沿った基端部が先端側に対して大径とされた大径部１１４とされており、この大径部１１４内には、外部から溶液Ｌ１及びＬ２の供給を受ける一対の第１ヘッダ部１１６及び第２ヘッダ部１１８が設けられている。ミキサー本体１１２は、大径部１１４に対して先端側が内径一定の円管部１２０とされており、この円管部１２０の先端面には溶液ＬＭの出液口１２２が開口し、また円管部１２０の先端部には出液口１２２の外周側に延出するようにリング状のフランジ部１２４が設けられている。
【００３５】
ここで、ミキサー本体１１２の先端部には、フランジ部１２４と対になるフランジ部を有する出液配管（図示省略）が連結され、第１の実施形態の場合と同様に、ミキサー本体１１２の出液口１２２から吐出された溶液ＬＭは、出液配管を通して貯留用の貯留容器、溶液ＬＭに対して次の処理を行うための他のマイクロミキサー等へ送られる。
【００３６】
ミキサー本体１１２における大径部１１４の基端面は円板状の蓋板１２６により閉塞されており、この蓋板１２６の中心部には円形の嵌挿穴１２８が穿設されている。ミキサー本体１１２には、その大径部１１４内から円管部１２０内へ突出するように丸棒状の整流部材１３０が同軸的に配設されている。整流部材１３０の基端部は蓋板１２６の嵌挿穴１２８に嵌挿されて支持されている。また整流部材１３０の先端部には先端側へ向って縮径する円錐部１３２が形成されている。ここで、整流部材１３０の外径は円管部１２０の内径よりも小径とされ、この円管部１２０の内径との寸法差が円管部１２０内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流通量に基づいて設定される。
【００３７】
ミキサー本体１１２の大径部１１４内には、この大径部１１４内の空間を軸方向に沿って略２等分するように区画する円板状の仕切板１３４が配置されており、この仕切板１３４により区画された基端側及び先端側の空間は、それぞれ第１ヘッダ部１１６及び第２ヘッダ部１１８とされている。これらのヘッダ部１１６，１１８には、それぞれ給液配管１３６，１３８が接続されている。これらの給液配管１３６，１３８を通して、ヘッダ部１１６，１１８には、マイクロミキサー１１０の上流側に設置された２個の給液源（図示省略）から加圧状態とされた溶液Ｌ１及び溶液Ｌ２が供給される。これらの給液源は、例えば、溶液Ｌ１，Ｌ２を生成する他のマイクロミキサーや、溶液Ｌ１，Ｌ２を貯えた貯留タンク及びポンプ等からなる
仕切板１３４の中心部には、開口径が円管部１２０の内径と整流部材１３０の外径との中間寸法とされた円形の開口部が穿設されており、仕切板１３４には、開口部の周縁部から円管部１２０内へ突出するパイプ状の隔壁部材１４０が一体的に形成されている。この隔壁部材１４０は、円管部１２０及び整流部材１３０とそれぞれ同軸的に配置されており、円管部１２０と整流部材１３０との間の空間を内周側と外周側とに区画している。ここで、隔壁部材１４０により区画された外周側及び内周側の空間はそれぞれ第１給液路１４２及び第２給液路１４４とされ、これらの給液路１４２，１４４は、それぞれ基端部側でヘッダ部１１６，１１８に連通している。またミキサー本体１１２の円管部１２０内には、隔壁部材１４０よりも先端側であって整流部材１３０の円錐部１３２よりも基端側に給液路１４２，１４４に対して肉厚とされた円筒状の空間が形成され、この円筒状の空間は、給液路１４２，１４４からそれぞれ供給された溶液Ｌ１と溶液Ｌ２との混合又は混合及び化学反応が行われるミキシング流路１４６とされている。
【００３８】
ミキサー本体１１２内には、円管部１２０の内周面と隔壁部材１４０の外周面との間に複数個（本実施形態では４個）のスペーサ１４８が介装されると共に、隔壁部材１４０の内周面と整流部材１３０の外周面との間にも複数個（本実施形態では４個）のスペーサ１５０が介装されている。これら複数個のスペーサ１４８，１５０はそれぞれ矩形プレート状に形成され、その表裏面部が円管部１２０内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流通方向（矢印Ｆ方向）と平行となるように支持されている。また複数個のスペーサ１４８，１５０は、それぞれ軸心Ｓを中心とする周方向に沿って９０°間隔で配置され、周方向における位置が互いに一致している。ここで、外周側のスペーサ１４８は隔壁部材１４０を円管部１２０に連結し、内周側のスペーサ１５０は整流部材１３０を隔壁部材１４０に連結すると共に、給液路１４２，１４４の径方向に沿った開口幅Ｗ１，Ｗ２（図３（Ａ）参照）を設定している。これにより、隔壁部材１４０及び整流部材１３０がそれぞれ十分な強度で円管部１２０に連結固定され、溶液Ｌ１，Ｌ２の液圧や重力の影響により所定の位置から変移したり、変形することが防止されると共に、開口幅Ｗ１，Ｗ２が予め設定された寸法に確実に維持される。
【００３９】
図３（Ｂ）に示されるように、第１給液路１４２及び第２給液路１４４の先端部には、それぞれミキシング流路１４６内へ開口する第１給液口１５２及び第２給液口１５４が形成されている。これらの給液口１５２，１５４は、それぞれ軸心Ｓを中心とする円軌跡に沿って開口し、互いに同心状となるように配設されている。ここで、第１給液口１５２の径方向に沿った開口幅Ｗ１は、１μｍ以上で５００μｍ以下の範囲で、第１ヘッダ部１１６への溶液Ｌ１の供給量、種類等に応じて適宜設定される。また第２給液口１５４の径方向に沿った開口幅Ｗ２も、１μｍ以上で５００μｍ以下の範囲で、第２ヘッダ部１１８への溶液Ｌ２の供給量、種類等に応じて適宜設定される。
【００４０】
ここで、開口幅Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ給液口１５２，１５４の開口面積を規定し、この給液口１５２，１５４の開口面積と溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量に応じて、給液口１５２，１５４を通してミキシング流路１４６内へ導入される溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速が定まる。これらの開口幅Ｗ１，Ｗ２は、例えば、給液口１５２，１５４を通してミキシング流路１４６内へ供給される溶液Ｌ１，Ｌ２の流速が互いに等しくなるように設定される。なお、溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合するまでの時間（混合時間）の短縮を考えた場合には、当然、開口幅Ｗ１，Ｗ２は狭いほど有利となり、また隔壁部材１４０の径方向に沿った厚さも可能な限り薄くすることが望まれる。このことから、本実施形態のマイクロミキサー１１０では、隔壁部材１４０として板厚が十分に薄い（好ましくは、２０μｍ以下）ものが用いられている。また、界面接触点ＣＰで渦流が発生しないように、図３に示されるように、隔壁板１４０の終端形状を流線形とすることが望まれる。
【００４１】
円管部１２０内におけるミキシング流路１４６よりも先端側の空間は、ミキシング流路１４６内で溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が行われ、又は混合及び化学反応が行われた溶液ＬＭが出液口１２２へ向って流れる出液路１５６とされている。ここで、溶液ＬＭが溶液Ｌ１，Ｌ２の混合のみにより生成される場合には、ミキシング流路１４６の出口部で溶液Ｌ１，Ｌ２が略均一に混合されている必要があり、また溶液ＬＭが溶液Ｌ１，Ｌ２の混合及び化学反応により生成される場合には、ミキシング流路１４６の出口部で溶液Ｌ１，Ｌ２が略均一に混合され、しかも溶液Ｌ１，Ｌ２間の化学反応も略完全に完了している必要がある。従って、ミキシング流路１４６の溶液Ｌ１，Ｌ２の流通方向に沿った路長Ｐ（図３（Ａ）参照）は、溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が完了し、又は混合及び化学反応が略完了するような長さに設定する必要がある。なお、ミキサー本体１１２内には、常に、溶液Ｌ１，Ｌ２及びこれらが混合された溶液ＬＭが隙間なく充填され、ヘッダ部１１６，１１８から出液口１２２側へ流通しているものとする。
【００４２】
上記のように構成された本実施形態に係るマイクロミキサー１１０では、第１の実施形態に係るマイクロミキサー１０と同様に、給液口１５２，１５４を通してそれぞれミキシング流路１４６内へ導入される２種類の溶液Ｌ１，Ｌ２が給液口１５２，１５４の開口幅Ｗ１，Ｗ２にそれぞれ対応する薄片状の層流となってミキシング流路１４６内を流通すると共に、互いに隣接する層流間の界面で各溶液Ｌ１，Ｌ２の分子が相互に拡散するので、ミキシング流路１４６内へ導入された２種類の溶液Ｌ１，Ｌ２を短時間で均一に混合し、又は混合に伴う化学反応を完了させ、溶液ＬＭを外部へ供給できる。
【００４３】
このとき、一対の給液口１５２，１５４を通してミキシング流路１４６内へ導入された溶液Ｌ１，Ｌ２によりそれぞれ形成される層流同士の界面接触点をＣＰ、この界面接触点ＣＰからミキシング流路１４６の終端までの流通方向に沿った長さである実効路長をＰEF（ｍ）、ミキシング流路１４６内にそれぞれ導入された溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速であって最大のものをＶMAX（ｍ／秒）、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するための各Ｌ１，Ｌ２の拡散方向に沿った拡散距離であって最大のものをＴMAX（ｍ）、ミキシング流路１４６内に導入された各溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散速度であって最小のものをＤMIN（ｍ2／秒）とした場合、本実施形態に係るマイクロミキサー１１０でも、第１の実施形態に係るマイクロミキサー１０と同様に、ミキシング流路１４６の実効路長ＰEFが下記（１）式を満たすような長さに設定され、この実行路長ＰEFに基づいて、ミキシング流路１４６の路長Ｐが決められる。
【００４４】
ＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMIN・・・（１）
次に、上記（１）式で用いられた各物理量の意味を、図３を参照して説明する。先ず、界面接触点ＣＰとは、溶液Ｌ１により形成される層流と溶液Ｌ２により形成される層流とがミキシング流路１４６内で接触する点であり、主として隔壁部材１４０の板厚、溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速等に応じて変化するが、本実施形態のように隔壁部材１４０がミキシング流路１４６の路長Ｐに対して十分に短い場合には、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流は、溶液Ｌ１，Ｌ２がミキシング流路１４６内に流入すると同時に接触すると見なせる。従って、本実施形態では、ミキシング流路１４６の実行路長ＰEFが路長Ｐと一致するもの見なす。
【００４５】
初期流速ＶMAX（ｍ／秒）とは、ミキシング流路１４６内に導入された溶液Ｌ１，Ｌ２の初期流速であって最大のものを言い、これらの初期流速は、給液口１５２，１５４の開口面積と給液路１４２，１４４内への溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量によりそれぞれ決まる。また拡散距離とは、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するために必要となる溶液Ｌ１，Ｌ２の分子の拡散方向に沿った最小移動量であり、本実施形態では、ミキシング流路１４６の径方向に沿った開口幅をＷMIX（図３（Ａ）参照）とした場合、溶液Ｌ１の拡散距離は（ＷMIX−Ｗ１）により算出され、溶液Ｌ２の拡散距離は（ＷMIX−Ｗ２）により算出され、これらのうち最大のものが拡散距離ＴMAX（ｍ）とされる。本実施形態では、軸心Ｓを中心とする径方向が溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散方向と一致している。また溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散速度ＤMINについては、第１の実施形態の場合と同様であるので説明を省略する。
【００４６】
本実施形態に係るマイクロミキサー１１０では、第１給液口１５２の周方向に沿った開口幅ＷＢ１（＝ｂ１×４）及び第２給液口１５４の周方向に沿った開口幅ＷＢ２（＝ｂ２×４）（ｂ１及びｂ２については図３（Ｂ）参照）がそれぞれ拡散距離ＴMAX以上の長さに設定されている。ここで、ミキシング流路１４６内で溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触線長は前記開口幅ＷＢと略等しくなる。このことから、この開口幅ＷＢ１，ＷＢ２と拡散距離ＴMAXとの比は、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触面積を増加するため、ある程度、大きく設定したほうが好ましく、具体的には、ＷＢ１，ＷＢ２：ＴMAXは、５：１以上とすることが好ましく、１０：１以上とすることが更に好ましい。
【００４７】
上記のように構成されたマイクロミキサー１１０によれば、給液口１５２，１５４を通してそれぞれミキシング流路１４６内へ導入される溶液Ｌ１，Ｌ２が給液口１５２，１５４の開口幅（１μm〜５００μm）に対応する微小幅を有する薄片状の層流となってミキシング流路１４６内を流通すると共に、互いに隣接する層流間の界面では各溶液Ｌ１，Ｌ２の分子が相互に拡散するので、給液口１５２，１５４をそれぞれ通してミキシング流路１４６内へ導入された複数の溶液Ｌ１，Ｌ２を効率的に混合でき、又は複数種類の溶液Ｌ１，Ｌ２の混合に伴う化学反応を効果的に促進できる。
【００４８】
このとき、ミキシング流路１４６内で溶液Ｌ１，Ｌ２が混合開始されてから均一に混合されるまでの時間（混合時間）ＳMIXは、ＴMAX2／ＤMINにより算出される。従って、ミキシング流路１４６の実効路長ＰEFを、（ＴMAX2／ＤMIN）×ＶMAX以上の長さにすれば、溶液Ｌ１，Ｌ２を確実に前記混合時間ＳMIX以上に亘ってミキシング流路１４６内に保持できる。またＶMAXが経時的に変化する場合には、ＶMAXの平均値を求めて上記演算を行うことにより、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合するために必要となる実効路長の最小値を算出できるので、ミキシング流路１４６の実行路長ＰEF（＝路長Ｐ）を前記最小値以上の長さに設定すれば、溶液Ｌ１，Ｌ２をミキシング流路１４６内で均一に混合して溶液ＬＭを生成できる。
【００４９】
なお、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合に化学反応が伴う場合、複数の溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了していると見なすことができるときは、上記演算に従って実行路長ＰEFを設定すれば良く、また複数の溶液Ｌ１，Ｌ２が均一に混合された時点で化学反応（一次反応）が略完了したと見なすことができないときや、ミキシング流路１４６内で二次的な化学反応も継続的に行わせたいときには、これらの化学反応に要する時間ＳADDに対応する路長、すなわち（ＳADD×ＶMAX）により算出される路長を上記実効路長の最小値に加算し、ミキシング流路１４６の実行路長ＰEFを設定する必要がある。
【００５０】
また、本実施形態に係るマイクロミキサー１１０では、給液口１５２，１５４の周方向に沿った開口幅ＷＢ１，ＷＢ２が拡散距離ＴMAX以上の長さ（好ましくは、ＴMAXの５倍以上、更に好ましくは１０倍以上の長さ）に設定されている。これにより、溶液Ｌ１，Ｌ２により形成される層流間の接触面積も十分に大きくできるので、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合を効果的に促進できる。
【００５１】
なお、以上説明した本発明の実施形態に係るマイクロミキサー１０，１１０は、２種類の溶液Ｌ１，Ｌ２をミキシング流路２６，１４６内で混合又は、混合と共に化学反応させるものであったが、３種類以上の溶液をミキシング流路内で混合又は、混合と共に化学反応させるマイクロミキサーおいても、本発明と同様な考え方、すなわちＰEF≧（ＶMAX×ＴMAX2）／ＤMINという演算式に基づいてミキシング流路の実効路長ＰEFを設定することで、ミキシング流路内で３種類以上の溶液が確実に混合可能になる。
【００５２】
また本実施形態に係る説明では、マイクロミキサー１０，１１０に溶液Ｌ１，Ｌ２のみを供給する場合のみについて説明したが、溶液Ｌ１，Ｌ２に代えて他の流体、例えば、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物をマイクロミキサー１０，１１０に供給した場合も、これらの流体が均一に混合され、又は混合に伴う化学反応が完了した流体が得られるという効果が得られる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るマイクロミキサーによれば、ミキシング流路に供給される複数の溶液が均一に混合され、又は混合に伴う化学反応が略完了した溶液を確実に生成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係るマイクロミキサーの一例についての構成を示す軸方向に沿った断面図である。
【図２】  図１に示されるマイクロミキサーの軸直角方向に沿った断面を示す断面図である。
【図３】  本発明の第２の実施形態に係るマイクロミキサーについての構成を示す軸方向及び軸直角方向に沿った断面図である。
【符号の説明】
１０      マイクロミキサー
１２      ミキサー本体
１６      第１給液路（流体供給路）
１８      第２給液路（流体供給路）
２２      第１給液口（供給口）
２４      第２給液口（供給口）
２６      ミキシング流路
１１０    マイクロミキサー
１１２    ミキサー本体
１４２    第１給液路（流体供給路）
１４４    第２給液路（流体供給路）
１４６    ミキシング流路
１５２    第１給液口（供給口）
１５４    第２給液口（供給口）
【図１】
0003745281.tif 000002
【図２】
0003745281.tif 000003
【図３】
0003745281.tif 000004