JP2009241001A

JP2009241001A - マイクロミキサ

Info

Publication number: JP2009241001A
Application number: JP2008093134A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Senoo; 典久妹尾; Shinzaburo Umeda; 眞三郎梅田
Original assignee: Okayama Prefecture Ind Promotion Foundation
Current assignee: Okayama Prefecture Ind Promotion Foundation
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】単純な装置構成でありながらも、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。
【解決手段】マイクロミキサ１は、流体が供給される供給口２と、かかる供給口２から供給された流体の流れを分断する向きに配置され、流体を通す複数の孔５を有する複数の分流板４とを具える。また、分流板４同士は離間しており、分流板４のうち、対向する分流板４の、一方の分流板４における孔５の軸線Ａは、他方の分流板４における孔５の軸線Ａと離間した位置にある。
【選択図】図３

Description

この発明は、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。

化合物の生産や製造においては、化学反応試料の供給、混合、反応活性化のための熱供給、熱除去、触媒反応の効率化等、化学反応の反応制御を向上させることに日々努力が重ねられている。反応制御の向上によって、生産安全性、反応生成物の収率、反応生成物の純度、有用な高活性中間生成物の単離の向上が可能になる。

従来、化学反応には大きな反応槽が用いられることが一般的である。近年は、微細な粒子を生成する装置として、マイクロミキサ等に代表される複数の溶液供給管に繋がったマイクロ流路内で、複数の流体を混合する装置の研究が行われている。これらの装置を用いた化学反応の効率化、新規化合物の創製等を目的とする研究が注目されている。このマイクロミキサは、サブマイクロメータからミリメータまでのオーダーの内径を有する狭い流路内で、複数の流体の拡散、混合で化学反応を起こすものである。

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。
特開２００６−２０５０８０号公報特開２００６−７０６３号公報

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。

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。

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。
特開２００６−３２０８７７号公報

この発明は、上述した問題点を鑑みなされたものであり、単純な装置構成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。

上記目的を達成するため、この発明に従うマイクロミキサは、流体が供給される供給口と、供給口から供給された流体の流れを分断する向きに配置され、流体を通す複数の孔を有する複数の分流板とを具え、分流板同士は離間しており、分流板のうち、対向する分流板の、一方の分流板における孔の軸線は、他方の分流板における孔の軸線と離間した位置にあることを特徴とする。なお、ここでいう「流体」とは液体または気体として扱える物体のことであり、「流体の流れ」とは、マイクロミキサ内に供給された流体が、その供給口から、排出口まで流れる方向をいうものとする。

また、各分流板において、孔は等間隔に離間してなることが好ましい。

更に、対向する分流板において、一方の分流板の孔の軸線に対し、１５〜４０°の範囲にて傾斜した位置に、他方の分流板の孔を設けてなることが好ましい。

更にまた、分流板の孔の口径は、０．０５〜３．００ｍｍの範囲にあることが好ましい。

加えて、上述したこの発明のマイクロミキサを複数連結してなることが好ましい。

この発明によれば、単純な装置構成でありながらも、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。

以下、図面を参照しつつこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明に従う代表的なマイクロミキサの側方断面図である。図２（ａ）は、図１に示すマイクロミキサの分流板の斜視図であり、図２（ｂ）は、かかる分流板の上面図であり、図２（ｃ）は、かかる分流板の孔を流体が通る際の流体の挙動を示す概念図である。図３は、この発明に従うマイクロミキサの分流板を示す部分拡大図である。図４は、この発明に従うマイクロミキサに流体を通した際の分流板間を流れる流体の挙動を示す概念図である。図５は、この発明に従うその他のマイクロミキサの側方断面図である。図６（ａ）は、図５に示すマイクロミキサの分流板の斜視図であり、図６（ｂ）は、かかる分流板のうち、対向する２つの分流板の上面図である。図７は、この発明に従うその他のマイクロミキサの側方断面図である。

この発明に従うマイクロミキサ１は、図１に示すように、異種の流体を供給する２つの供給口２、及びマイクロミキサ１内にて混合された流体を排出する排出口３を有する。また、各供給口２から供給される流体の流れを分断する向きに２枚の分流板４が離間した配置にて取り付けられている。分流板４には、流体の混合を促進するための孔５が設けられており、流体が最初に通る側すなわち上流側の分流板４には図示例で４個の孔５が設けられており、流体が次いで通る側すなわち下流側の分流板４に図示例で５個の孔５が設けられている。また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、上流側の分流板４の孔５（図中にて実線で示す）の軸線Ａと、下流側の分流板４の孔５（図中にて点線で示す）の軸線Ａとは離間した位置にあり、相互に重なり合わない。
かかる構成を採用し、分流板４に孔５を設けると、流路が孔５にて狭くなることから、流体が孔５を通る際に、流体が集束されて流体圧が大きくなる。そうすると、孔５を通る流体が加速し、具体的にはベルヌーイの定理により、孔５の軸線を通る流体よりもその周囲を通る流体が加速するので、かかる流体が孔５から噴出したときに、孔５の下流側にて孔５の軸線Ａに沿って流れる流体の速度よりも、孔５の軸線Ａから傾斜した方向に流れる流体の速度の方が大きくなるので、孔５の下流側では、図２（ｃ）に示すような流体の挙動（図中にて矢印Ｘで示す）となり、乱流が発生することとなる。
その結果、孔５を介して乱流を発生させずに流体同士を混合させる場合に比べ、流体の混合が促進し、流体の混合効率を向上させることが可能となる。また、上記したように、孔５の下流側では、孔５の軸線Ａに沿って流れる流体の速度よりも、孔５の軸線Ａから傾斜した方向に流れる流体の速度の方が大きくなるので、その速度差に対応させて、上流側の分流板４の孔５の軸線Ａと、下流側の分流板４の孔５の軸線Ａとをずらすことで、孔５から噴出され、乱流により混合された状態の流体が下流側の分流板４の孔５へと円滑に流れることとなり、流体の混合が促進し、流体の混合効率を向上させることが可能となる。

また、図３に示すように、対向する分流板４において、上流側の分流板４の孔５の軸線Ａに対し、１５〜４０°の範囲にて傾斜した位置に、下流側の分流板４の孔５を設けてなることが好ましい。発明者は、孔５を通して流体を流したときに、孔５の下流側にて発生する乱流が、図４に示すよう渦構造を含む流体の挙動Ｘとなり、孔５から流れる流体の速度が、上流側の分流板４の孔５の軸線Ａに対し、１５〜４０°の範囲にて特に大きくなることを見出した。そのことから、それに対応させて、上流側の分流板４の孔５の軸線Ａに対し、１５〜４０°の範囲にて傾斜した位置に、下流側の分流板４の孔５を設けることで、渦構造を伴う乱流により混合された流体が円滑に流れ、流体の混合が促進され、流体の混合効率が更に向上する可能性がある。また、上流側の分流板４に設けられた孔５のうち、隣接する孔５から夫々流れる流体は、下流側の分流板４の孔５であって、かかる両孔５に対して上記角度範囲にある１個の孔５にて合流させることができるので、流体の混合が促進され、流体の混合効率が更に向上する可能性がある。
なお、混合に供される流体の種類や所望される混合効率に応じて、マイクロミキサ１に取り付けられる分流板４の枚数を増やしたり、夫々の孔５の数を増減させることができ、例えば、図５〜６に示すマイクロミキサ１のように、孔５の数が１２個と１３個の分流板４を交互に８枚並べた構成とすることができる。また、混合に供される流体の組み合わせとしては、例えば、水素と二酸化炭素などの気体の組み合わせや、水酸化ナトリウム水溶液と塩酸などの液体の組み合わせや、澱粉水溶液とアミラーゼなどの酵素反応（分解反応）を誘導する液体の組み合わせなどが挙げられる。

更に、各分流板４において、孔５は等間隔に離間してなることが好ましい。なぜなら、各分流板４において、孔５を等間隔に離間させることで、孔５の下流側にて孔５毎に発生する乱流が全体に類似した形状となることからから、各孔５を通る流体が全体に同じような流体の挙動となり、流体が各孔５の下流側にて同程度混合されるので、流体を全体として均質に混合するからである。

更にまた、分流板４の孔５の口径Ｗ１は、０．０５〜３．００ｍｍの範囲にあることが好ましい。分流板４の孔５の口径Ｗ１が０．０５ｍｍ未満の場合には、口径Ｗ１が小さくなり過ぎることから、流体の種類や密度によっては、単位時間当たりに孔５を通る流量が充分に確保されない。そのことから、孔５の下流側に流体が充分に流れずに、乱流を充分に発生させることができないので、流体の混合が有効に促進されずに、流体の混合効率が向上しない可能性がある。また、分流板４に、口径Ｗ１が０．０５ｍｍ未満の孔５を設けることが、加工そのものが相当に難しく、製造コストが高くなり、大量生産にそぐわない。一方、分流板４の孔５の口径Ｗ１が３．００ｍｍを超える場合には、口径Ｗ１が大きくなり過ぎることから、流体が孔５を通過する際に、流体が充分に集束、加速されず、乱流が充分に発生しないので、流体の混合が有効に促進されずに、流体の混合効率が向上しない可能性がある。

加えて、上述したこの発明のマイクロミキサ１を複数連結してなることが好ましい。なぜなら、この発明のマイクロミキサ１を複数連結して、流体の混合を複数回繰り返すことで、より混合された流体とすることが可能となるからである。あるいは、マイクロミキサ１ごとに異なる流体を混合させた後に、それら混合された流体同士をマイクロミキサ１を用いて更に混合させることが可能となるからである。

なお、上述したところはこの発明の実施形態の一部を示したに過ぎず、この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。例えば、図示例の分流板４の孔５を上面から見た形状は円形となっているが、孔５の形状はこれに限定されず、楕円形や矩形などの任意の形状とすることができる。また、図示例のマイクロミキサ１は２つの供給口２を有するが、供給口２の数は任意に設定することができ、例えば、図７に示すように、供給口２を３個とすることで、３種の流体を同時に混合させることが可能である。更に、図示例では、流体が分流板４に到達する前に、流路が徐々に狭くなるような形状のネック部６を有するが、かかるネック部６を設けるかどうかは任意の選択事項である。なお、ネック部６を設けると、流体が流れる方向に沿って流体が徐々に集束・加速し、その通過後に乱流を発生するので、分流板４に到達する前に、流体がある程度混合された状態となるので、流体の混合が促進され、流体の混合効率が更に向上することとなる。

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。

実施例マイクロミキサ１は、図５に示すように、流体を供給する２個の供給口２及び１個の排出口３を有し、１２個又は１３個の孔５が設けられた分流板４が交互に８枚取り付けられている。孔５の口径は全て０．３ｍｍであり、対向する分流板４において、孔５の配置は、上流側の分流板４の孔５の軸線Ａに対し１８°傾斜した位置に下流側の分流板４の孔５があるような配置となっている。また、排出口３からの混合流体が、紫外可視分光光度計に直接流入するように構成した。

従来技術マイクロミキサ２０１は、図８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、排出口からの混合流体は、紫外可視分光光度計に直接流入するように構成した。

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：ＫＩＯ_３：Ｈ_３ＢＯ_３：２％の硫酸水溶液（流体Ａ）、並びに１．６０％ＫＩ水溶液、０．４１％ＫＩＯ_３水溶液、３．３４％Ｈ_３ＢＯ_３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０．５０〜８．７５ｍＬ／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Ｉ_２生成反応が起こり、このＩ_２生成反応が起こった場合、生成したＩ_２は一部Ｉ_３ ⁻となるが、このＩ_３ ⁻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。その評価結果を、グラフにまとめ、図９に示す。

図９の結果から明らかなように、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。

以上のことから明らかなように、この発明により、単純な装置構成でありながらも、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となった。

この発明に従う代表的なマイクロミキサの側方断面図である。（ａ）は、図１に示すマイクロミキサの分流板の斜視図であり、（ｂ）は、かかる分流板の上面図であり、（ｃ）は、かかる分流板の孔を流体が通る際の流体の挙動を示す概念図である。この発明に従うマイクロミキサの部分拡大図である。この発明に従うマイクロミキサに流体を通した際の流体の挙動を示す概念図である。この発明に従うその他のマイクロミキサの側方断面図である。（ａ）は、図５に示すマイクロミキサの分流板の斜視図であり、（ｂ）は、かかる分流板のうち、対向する２つの分流板の上面図である。この発明に従うその他のマイクロミキサの側方断面図である。従来例マイクロミキサを説明する概念図である。実施例マイクロミキサと従来例マイクロミキサについて混合流体の流速に対する３５３ｎｍの波長での吸光度を測定した評価結果を示すグラフである。

符号の説明

１マイクロミキサ
２供給口
３排出口
４分流板
５孔
６ネック部
Ａ分流板の孔の軸線
Ｘ流体の挙動
Ｗ１分流板の孔の口径
Ｗ２分流板の厚さ

Claims

流体が供給される供給口と、該供給口から供給された流体の流れを分断する向きに配置され、流体を通す複数の孔を有する複数の分流板とを具え、該分流板同士は離間しており、該分流板のうち、対向する分流板の、一方の分流板における孔の軸線は、他方の分流板における孔の軸線と離間した位置にあることを特徴とするマイクロミキサ。
前記各分流板において、孔は等間隔に離間してなる、請求項１に記載のマイクロミキサ。
前記対向する分流板において、一方の分流板の孔の軸線に対し、１５〜４０°の範囲にて傾斜した位置に、他方の分流板の孔を設けてなる、請求項１又は２に記載のマイクロミキサ。
前記孔の口径は、０．０５〜３．００ｍｍ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１〜４のいずれかに記載のマイクロミキサを複数連結してなるマイクロミキサ。