JP2009233561A - Micromixer - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention is carried out by using a microfluidic device having a microstructure represented by a microreactor represented by μ-TAS (abbreviation of Micro Total Analysis System) in Europe and Lab-on-A-chip in the United States, for example. The present invention relates to a novel micromixer that enables mixing and stirring of a plurality of types of microfluids.
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。
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。 In the micromixer in which these Y-shaped and T-shaped microchannels are formed, the flow is in a laminar flow state. Therefore, the solution supplied from the two supply ports becomes a two-layer flow in the microchannel, and the stirring / mixing of these two layers is governed by diffusion. Therefore, it is difficult to perform complete mixing in a short time. There is a problem that time is required.
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。 For the purpose of shortening the mixing time, as a means for increasing the area of the interface between the two liquids, for example, the flow of two layers is divided into a large number on a plane to form a large number of laminar flows. The method of improving stirring efficiency is mentioned. However, since such a method divides the flow into a large number, it is necessary to form a complicated multi-channel using a precision processing technique, which is not preferable because the processing cost increases. In addition, even when multi-channel is used, since it is a micro-channel formed in a plane, the fluid is still laminar and stirring / mixing is governed by diffusion. There was room for improvement. In addition, in order to form a multi-channel on a plane, a large substrate area is required to some extent, which has a problem that it cannot be used for the purpose of downsizing the entire micromixer.
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。
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。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a micromixer that can advantageously increase mixing efficiency while being small in size.
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導き、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り、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、分配流路のうち、2本の分配流路間に挟まれている分配流路の本流路の幅が、その他の分配流路の本流路の幅よりも大きいことを特徴とする。 To achieve the above object, a micromixer according to the present invention includes a base plate having a plurality of supply ports to which fluid is supplied, at least one distribution for each fluid through which the fluid from each supply port passes, and a total of at least three distributions. A distribution plate having a flow path, a merge plate having at least two mixing flow paths for merging and mixing fluid from each distribution flow path, and a top plate having a reservoir for guiding and storing the mixed fluid are stacked. The distribution flow path includes a main flow path extending in parallel between adjacent distribution flow paths, and a plurality of branch flow paths branched from the main flow path and extending toward the opposed main flow paths. The channel has an arrangement in which at least the tip of the branch channel of one adjacent distribution channel and at least the tip of the branch channel of the other distribution channel are alternately arranged, and the mixing channel is between the adjacent distribution channels. That extends in a direction transverse to all the tributary flow paths, guide the fluid from the intersection of the respective branch flow paths, among the distribution channel, the two widths of the main channel of the distribution channel, which is sandwiched between the distribution channel Is larger than the width of the main flow path of the other distribution flow path .
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。 Moreover, it is preferable that the main channel and the branch channel of the distribution channel extend linearly.
更に、混合流路は、直線状に延在してなることが好ましい。 Furthermore, the mixing channel preferably extends linearly.
加えて、分配流路間に挟まれている分配流路の本流路の幅は、その他の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。 In addition, the width of the main channel of the distribution channel sandwiched between the distribution channels is preferably in the range of 120 to 300% of the width of the main channel of the other distribution channels, more preferably 150. It is in the range of ~ 200%. The “width of the main channel” here refers to the distance measured in the direction perpendicular to the extending direction in the main channel.
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。 In addition, it is preferable that a plurality of stacked bodies each including a base plate, a distribution plate, a merging plate, and a top plate are stacked.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the micromixer which can raise mixing efficiency markedly.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 3 show the main configuration of a micromixer according to the present invention. 1 is a top view of a representative micromixer according to the present invention, FIG. 2 is a side sectional view of the micromixer shown in FIG. 1, and FIG. 3 is an exploded view of the macromixer shown in FIG. . 4 to 6 are enlarged views respectively showing a base plate, a distribution plate, and a confluence plate of the micromixer shown in FIGS. FIGS. 7A to 7C are diagrams schematically illustrating a fluid mixing pattern when the fluid is guided from the distribution plate to the junction plate by the microplate of the present invention. FIG. 8 is an enlarged view of the top plate of the micromixer shown in FIGS.
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。
The illustrated
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。
On the
なお、分配流路30は、隣接する分配流路30A、30B間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本の同種分配流路間に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本の分配流路間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、図示は省略したが、分配プレートに設けられた分配流路30が2本の場合には、2本の分配流路30は、互いに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。
The
Further, as shown in the example, the
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。
Further, as shown in FIGS. 3 and 6, on the
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。
According to such a mixing principle, the size of the fluid section can be controlled by adjusting the width and depth of the
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。
The above-described effective mixing of the fluids A and B is performed for each mixing
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。
Further, there are three or
The fluid is guided from the
As a countermeasure, by making the width W1 of the
At this time, the width W1 of the
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。
Furthermore, by using the laminated body of the
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。 The above description shows only a part of the embodiment of the present invention, and these configurations can be combined alternately or various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
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。 Next, a micromixer according to the present invention (example micromixer) and a conventional micromixer (conventional example micromixer) were prototyped and their performance was evaluated for comparison, and will be described below.
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
As shown in FIG. 12, the
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。 Using these microphone mixers, the mixing characteristics of two types of fluids were evaluated. The two fluids mixed were KI: KIO 3 : H 3 BO 3 : 2% sulfuric acid aqueous solution (fluid A), 1.60% KI aqueous solution, 0.41% KIO 3 aqueous solution, 3.34% H 3 BO 3 aqueous solution and 0.80% NaOH aqueous solution are mixed at a ratio of 1: 1: 1: 1 by volume ratio, which is a four-type mixed aqueous solution (fluid B). These fluids were supplied at a flow rate of 0.5 to 7.5 mL / min from the respective supply ports of the example micromixer and the conventional micromixer. Then, the mixing characteristics of fluid A and fluid B were evaluated using the Villermuux / Dushman reaction. That is, when two types of fluids are mixed, a fast reaction is preferentially advanced when the mixing characteristics are good, and conversely, a slow reaction is also advanced when the mixing characteristics are poor. The mixing characteristics can be evaluated by measuring the concentration of the substance. Specifically, when mixing the fluids A and B, acid - alkali neutralization reaction or mixing characteristic reactions occur at a I 2 formation reaction worse case, if this I 2 formation reaction occurred, generating The I 2 partly becomes I 3 − , but this I 3 − has an absorption peak at a wavelength of 353 nm, and thus its absorbance was measured to evaluate the mixing characteristics. In addition, it has shown that the mixing characteristic is excellent, so that the absorption peak in the wavelength of 353 nm is small.
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。 As a result, the example micromixer had a small absorption peak at a wavelength of 353 nm and excellent mixing characteristics at any flow rate compared with the conventional micromixer.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it became possible to provide the micromixer which can improve mixing efficiency markedly though it is small. Since mixing can be performed with such extremely high efficiency, the technique is advantageously adapted to fields such as μ-TAS, a microchemical plant, and a gradient mixer for high performance liquid chromatography.
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
1 Micromixer A, B Fluid 1a,
Claims (6)
前記分配流路は、隣接する分配流路間にて並列に延在する本流路と、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くことを特徴とするマイクロミキサ。 A base plate having a plurality of supply ports to which fluid is supplied, a distribution plate having at least two distribution channels in total, at least one for each fluid through which the fluid from each supply port passes, and a fluid from each distribution channel In a micromixer formed by stacking a merging plate having at least one mixing channel for merging and mixing, and a top plate having a reservoir for storing the mixed fluid,
The distribution channel includes a main channel extending in parallel between adjacent distribution channels, and a plurality of branch channels branched from the main channel and extending toward the opposing main channel, The branch channel is an arrangement in which at least the tip of the branch channel of one adjacent distribution channel and at least the tip of the branch channel of the other distribution channel are alternately arranged,
The micromixer characterized in that the mixing channel extends in a direction crossing all the branch channels between the adjacent distribution channels, and guides a fluid from an intersection with each branch channel.
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