JP4459246B2 - マイクロミキサー - Google Patents

Description

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。

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、特許文献１及び特許文献２
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種類の溶液同士を混合及び反応させるものである。

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。

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。

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。

しかし、上記のようなマイクロミキサーでは、複数本の給液路にそれぞれ供給される溶液の種類に応じて、これらの溶液が均一に混合するまでの時間（混合時間）、又は溶液の混合と共に化学反応が実質的に完了するまでの時間（反応時間）が変化する。すなわち、溶液の粘度が高い程、一般的には混合時間及び反応時間が遅延し、また溶液間の化学反応に伴って凝集や析出等が生じる場合には、凝集物や析出物等が混合の阻害要因となり、すなわち溶液に対する拡散力の低下を生じさせ、混合時間及び反応時間を変化させてしまう。

一方、マイクロミキサーでは、混合空間における溶液の流通方向に沿った路長が一定であることから、溶液の流速が一定の場合には溶液が混合空間を通過する時間（通過時間）は一定となる。従って、混合空間における溶液の混合時間又は反応時間が通過時間よりも長い場合には、混合空間内における溶液の流速を遅くする必要があるので、マイクロミキサーによる溶液の処理速度が低下してしまう。このとき、溶液の処理速度の低下を防止するには、混合空間の路長を延長することが考えられるが、このような対応を採った場合は、マイクロミキサーの大型化や製造コストの増加等を生じさせる。また混合空間の路長を必要以上に延長した場合には、却って溶液の凝集、析出等を助長して混合空間内に目詰まりを発生させ、マイクロミキサーのメンテナンスが煩瑣になるという問題も生じる。

上記のような問題を解決するため、上記した特許文献２に開示されたマイクロミキサーでは、それぞれ溶液の供給部から櫛歯状に分岐した給液路が形成されたブロック状のミキサ素子にアクチュエータを連結し、このアクチュエータによりミキサ素子に振動を与え、この振動により複数の溶液の混合を調整している。
特表平９−５１２７４２号公報、 ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ ００／６２９１３号

しかしながら、特許文献２記載のマイクロミキサーは、複数本の給液路が形成されたミキサ素子のみに振動を与え、この振動を給液路内の溶液を介して混合空間内の溶液に伝搬することで、混合空間内における溶液の混合を調整するものである。このため、このようなマイクロミキサーでは、混合空間内における溶液の混合の進行及び、混合に伴う化学反応の進行を高い精度で制御することは難しく、例えば、混合空間内における溶液間の化学反応を段階的に進行させたい場合や、混合空間の全長に亘って溶液及び反応生成物を拡散混合したい場合には、このような混合又は化学反応の進行を実現できない。

本発明の目的は、上記事実を考慮して、複数の供給口を通してミキシング流路内に導入された流体の混合及び化学反応の進行を効果的に促進でき、かつ十分に高い精度で制御できるマイクロミキサーを提供することにある。

本発明の請求項１に係るマイクロミキサーは、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、記ミキシング流路内を流通する流体に前記拡散方向に沿ってマイクロ波を照射する拡散制御手段と、を有し、少なくとも一対の前記拡散制御手段を、前記ミキシング流路の断面中心に対して対称的に配置したことを特徴とする。

上記請求項１記載の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それぞれ開口し、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た複数の供給口が設けられ、これら複数の供給口にミキシング流路の上流側の一端部が接続され、ミキシング流路内を流通する流体にマイクロ波を拡散方向に沿って照射することにより、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種類の流体が供給口の開口幅に対応する薄片状の成層流となってミキシング流路内を流通すると共に、互いに隣接する成層流間の界面では微小な流体塊の拡散方向の移動がマイクロ波により促進され、また各流体の分子運動が増大するので、複数の供給口の開口幅をそれぞれ十分微小な幅にしておけば、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微小な流体塊の移動により効率的に混合でき、さらにミキシング流路内を流通する流体の分子運動を拡散制御手段からのマイクロ波により主として流体間の拡散方向に沿って増大できるので、流体が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動を増大させ、ミキシング流路内における流体間の混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。

このとき、少なくとも一対の拡散制御手段がミキシング流路の断面中心に対して互いに対称的に配置されていることから、ミキシング流路内へ供給された複数種類の流体が形成する成層流には、一対の拡散制御手段がそれぞれ発生するマイクロ波が照射されるので、流体が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動を、２方向から伝達されるマイクロ波により発生させることができる。

また、指向性が強いマイクロ波により流体の分子運動を増大させるので、マイクロ流路内の特定の領域に存在する流体の分子運動を集中的に増大させることも可能になり、極めて高い精度でミキシング流路内における流体間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を制御できるようになる。

この結果、ミキシング流路に導入される流体の種類、液温、粘度、流速等に応じ、拡散制御手段により流体に伝達されるマイクロ波の周波数、強度等を適宜制御することで、ミキシング流路内における流体間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。

ここで、混合の進行及び化学反応の進行を制御するとは、主として流体間の混合速度及び化学的な反応速度の制御を意味しているが、流体の混合に化学反応が伴う場合には、反応生成物の形状、サイズ等の性状や、反応生成物の合一又は凝集の促進及び抑制等を制御することも含まれる。

また本発明の請求項２に係るマイクロミキサーは、請求項１記載のマイクロミキサーにおいて、前記流通方向に沿って複数の前記拡散制御手段を配列し、該複数の拡散制御手段をそれぞれ独立して駆動及び制御可能としたことを特徴とする。

また本発明の請求項３に係るマイクロミキサーは、請求項１又は２記載のマイクロミキサーにおいて、前記複数の供給口の前記拡散方向に沿った開口幅を１μm以上で、５００μm以下としたことを特徴とする。

なお、請求項１乃至３の何れか１項記載の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。

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、複数の供給口を通してミキシング流路内に導入された流体の混合及び化学反応を効果的に促進でき、かつミキシング流路内における流体の混合及び化学反応の進行を十分に高い精度で制御できる。

以下、本発明の実施形態に係るマイクロミキサー及び、本発明には含まれない参考例に係るマイクロミキサーについてそれぞれ図面を参照して説明する。

（第１の参考例）
図１には第１の参考例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、本参考例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。

図１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、図中における直線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、これにより、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。

図１（Ａ）に示されるように、ミキサー本体１２の基端部は蓋板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。

図１（Ｂ）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、本参考例ではミキサー本体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。

図１（Ａ）に示されるように、ミキサー本体１２内には、流通方向に沿って給液路１６，１８の下流側に給液路１６，１８が合流する角柱状の空間が形成され、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、下流側の端部がミキサー本体１２の先端面に開口する出液口２８へ連通している。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。

ここで、第１給液口２２の拡散方向に沿った開口幅Ｗ１は、１μｍ以上で５００μｍ以下の範囲で、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。また給液口２２，２４の界面方向に沿った開口幅ＷＢは少なくとも開口幅Ｗ１，Ｗ２以上の寸法に設定される。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。これらの開口幅Ｗ１，Ｗ２，ＷＢのうち開口幅Ｗ１，Ｗ２については、例えば、給液口２２，２４を通してミキシング流路２６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。但し、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厚さも可能な限り薄くすることが望まれる。

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ＰＦ（図１（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。

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フルェール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。

ミキサー本体１２には、その上面部及び下面部の下流側それぞれ密着するように、肉厚板状の振動発生器３２が取り付けられている。これら一対の振動発生器３２は、流通方向に沿った長さがミキシング流路２６の長さと略等しくされ、界面方向に沿った幅がミキシング流路２６の開口幅と略等しくされている。ここで、振動発生器３２は、その上流端がミキシング流路２６の上流端と一致するように配置されている。これにより、一対の振動発生器３２は、ミキシング流路２６における上面部の全体及び下面部の全体にそれぞれ正対する。また振動発生器３２には、ミキサー本体１２との密着面に振動部３４が設けられており、この振動部３４は、振動発生器３２の駆動時に、ミキサー本体１２を介して所定周波数の振動をミキシング流路２６内の溶液Ｌ１，Ｌ２及び溶液ＬＭへ伝達する。このとき、振動部３４からの振動は、図１の矢印Ｖに示されるように、拡散方向に沿って溶液Ｌ１，Ｌ２及び溶液ＬＭに伝達され、この伝達振動により溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭの分子運動が拡散方向に沿って増大するので、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合又は混合に伴う化学反応が促進される。

振動発生器３２は、例えば、振動発生源としてピエゾ素子を用いており、このピエゾ素子への交流電流の供給により電流周波数に対応する振動を振動部３４から発生させる。このとき、振動部３４から発生する振動周波数としては、１ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内、すなわち高周波及び超音波の帯域で制御される。具体的には、主として、ミキシング流路２６内を流通する溶液Ｌ１，Ｌ２が混合又は混合と共に化学反応する際に、所望とする溶液Ｌ１，Ｌ２の混合速度又は化学的な反応速度に応じて振動周波数は適宜設定される。このとき、振動が伝達されるミキサー本体１２及び溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭにおける共振効果を考慮しなければ、通常、振動周波数が高い程、振動エネルギ（運動エネルギ）が大きくなるので、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合及び化学反応の進行は促進されることになる。

図１（Ａ）に示されるように、マイクロミキサー１０には、一対の振動発生器３２の駆動を制御する駆動制御部３６が設けられている。この駆動制御部３６は、ミキシング流路２６内を溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭが流通する際に、振動発生器３２のオン及びオフ状態、オン時間及びオフ時間の比であるデューティ比、振動周波数を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。この制御条件は、基本的には、溶液Ｌ１，Ｌ２の種類、すなわち溶液Ｌ１，Ｌ２の化学成分、液温、粘度等や、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生成物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量の変化、すなわちミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー１０が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。

上記のように構成されたマイクロミキサー１０では、給液配管３８，３９を通して給液路１６，１８にそれぞれ加圧状態の溶液Ｌ１，Ｌ２が供給されることにより、これらの溶液Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ給液路１６，１８内を流通し、給液口２２，２４を通して所定の流速を有する液流としてミキシング流路２６内へ導入される。このとき、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成層流となって出液口２８側へ向って流れつつ、各成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。これと同時に、マイクロミキサー１０では、一対の振動発生器３２からの振動がミキシング流路２６内の溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭに拡散方向に沿って伝達されることから、ミキシング流路２６内を流れる溶液Ｌ１，Ｌ２の微小な流体塊の拡散方向の移動及び分子運動を伝達振動により増大できるので、溶液Ｌ１，Ｌ２，が形成する成層流間の接触界面付近における分子の拡散方向の移動速度を増大させ、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。

従って、本参考例に係るマイクロミキサー１０によれば、ミキシング流路２６に導入される溶液Ｌ１，Ｌ２の種類、液温、粘度等に応じ、振動発生器３２により溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭに伝達される振動の周波数等を適宜制御することで、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。この結果、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合速度及び化学的な反応速度を所望の速度に精密に制御することが可能になり、特に、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合に化学反応が伴う場合には、混合速度及び反応速度を精密に制御し、又は溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭ中の反応生成物にも振動を伝達することで、この反応生成物の形状、サイズ等の性状や、反応生成物の合一又は凝集の促進及び抑制等を制御することも可能になる。

またマイクロミキサー１０では、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合及び化学反応を振動発生器３２からの振動により促進できるので、振動発生器３２が無い場合と比較し、溶液Ｌ１，Ｌ２を均一に混合し、又は混合に伴う化学反応を完了させるために必要となるミキシング流路２６の路長ＰＦを短縮して装置を小型化できる。

なお、ミキシング流路２６への溶液Ｌ１，Ｌ２の供給時に、振動発生器３２を常に駆動する必要はなく、溶液Ｌ１，Ｌ２間の化学反応を緩慢に行いたい場合等は、振動発生器３２を駆動停止させても良い。またミキサー本体１２は、化学的な安定性が高く、振動の減衰が少ないステンレスや、銅、チタニウム合金、アルミニウム合金、金、白金等の金属材料を素材として形成されており、また耐腐食性を考慮して溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭとの接触部がガラス、セラミックス等の他の物質をコーティング又はメッキするようにしても良い。またミキサー本体１２を十分に薄肉化できない場合や、振動の減衰が大きい素材により形成する必要がある場合には、ミキサー本体１２にミキシング流路２６へ面するように開口部を形成し、この開口部からミキシング流路２６内へ振動部３４が挿入されるように振動発生器３２を配置しても良い。

次に、第１の参考例に係るマイクロミキサーの変形例について説明する。図２には第１の参考例に係るマイクロミキサーの変形例が示されている。構造上、図２に示されるマイクロミキサー４０が図１に示されるマイクロミキサー１０と異なる点は、流通方向に沿って３個の振動発生器４２，４４，４６がミキサー本体１２に取り付けられ、振動発生器の個数が増加している点のみであり、他の点についてはマイクロミキサー１０，４０の構造は共通化されている。また振動発生器４２，４４，４６の構造自体も振動発生器３２と共通化されている。

上述したように、ミキサー本体１２には、その上面部及び下面部の下流側にそれぞれ密着するように振動発生器４２，４４，４６が３個ずつ取り付けられている。これら振動発生器４２，４４，４６は流通方向に沿って互いに隣接しており、その流通方向に沿った長さがミキシング流路２６の長さの略１／３程度とされ、界面方向に沿った幅がミキシング流路２６の開口幅と略等しくされている。ここで、最上流側に配置された振動発生器４２の上流端はミキシング流路２６の上流端と一致するように配置され、最下流側に配置された振動発生器４６の下流端はミキシング流路２６の下流端と略一致するように配置されている。これにより、上下３個ずつの振動発生器４２，４４，４６は、ミキシング流路２６における上面部の全体及び下面部の全体にそれぞれ正対する。

図２（Ａ）に示されるように、マイクロミキサー４０には、振動発生器４２，４４，４６の駆動を制御する駆動制御部４８が設けられている。この駆動制御部４８は、ミキシング流路２６内を溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭが流通する際に、振動発生器４２，４４，４６のオン及びオフ状態、オン時間及びオフ時間の比であるデューティ比、振動周波数を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。このとき、駆動制御部４８は、流通方向に沿って異なる位置にある振動発生器４２，４４，４６をそれぞれ異なる制御条件に従って制御できる。

駆動制御部３６に設定される制御条件は、基本的には図１に示されるマイクロミキサー１０と同様に、溶液Ｌ１，Ｌ２の種類、すなわち溶液Ｌ１，Ｌ２の化学成分、液温、粘度等や、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量の変化、すなわちミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー１０が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。

上記のように構成されたマイクロミキサー４０では、給液配管３８，３９を通して給液路１６，１８にそれぞれ加圧状態の溶液Ｌ１，Ｌ２が供給されることにより、図１に示されるマイクロミキサー１０と同様に、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成層流となって出液口２８側へ向って流れつつ、各成層流の接触界面ではその法線方向に沿って微小な流体塊の移動が促進され、また分子運動が増大して溶液Ｌ１，Ｌ２の混合が進行し、これと同時に振動発生器４２，４４，４６からの振動がミキシング流路２６内の溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭに拡散方向に沿って伝達されるので、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の分子の拡散方向の移動速度を増大させて混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。

さらに、マイクロミキサー４０では、流通方向に沿ってそれぞれ異なる位置に配置された振動発生器４２，４４，４６をそれぞれ異なる制御条件で駆動できるので、ミキシング流路２６内を流通する溶液Ｌ１，Ｌ２及び溶液ＬＭに伝達される振動を流通方向に沿って段階的に変化させることができる。この結果、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合又は混合に伴う化学反応を３個の振動発生器４２，４４，４６にそれぞれ対応して異なる振動条件で促進できるので、図１に示されるマイクロミキサー１０と比較し、ミキシング流路２６内における溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を更に精密に制御できるようになる。

なお、ミキシング流路２６への溶液Ｌ１，Ｌ２の供給時に、３個の振動発生器４２，４４，４６全てを同時に駆動する必要はなく、３個の振動発生器４２，４４，４６の何れかを選択的に駆動又は駆動停止させるようにしても良い。また本参考例にマイクロミキサー１０，４０では、ピエゾ素子を振動発生源とする振動発生器３２，４２，４４，４６を用いているが、１ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の振動を発生できるものならば、どのような振動発生源を用いるものでも良く、例えば、モータにより駆動される偏心カム、電磁式アクチュエータ、空気圧力式アクチュエータ等を振動発生源として用いても良い。また本参考例に係るマイクロミキサー１０，４０では、ミキシング流路２６内へ溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭへ伝達する振動の強度（振動エネルギ）を変化させるために、振動発生器３２，４２，４４，４６により発生する振動の周波数を変化させていたが、振動の振幅を変化させることにより、振動エネルギを変化させるようにしても良い。

（第１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の参考例に係るマイクロミキサー１０，４０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。

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の部分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、大径部に対して先端側の部分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。

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、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１１２のフランジ部１２４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フルェール継手等の各種の継手構造により連結することができ、また溶接により連結するようにしても良い。

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。

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、これらの第１及び第２給液路１４２，１４４は、それぞれ基端部側で第１及び第２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。

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。

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。

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。但し、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。

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ＰＦ（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。

図３（Ａ）に示されるように、ミキサー本体１１２の円管部１２０には、ミキシング流路１４６に面するように複数の開口部１５８が穿設されている。これらの開口部１５８は、流通方向へはミキシング流路１４６の上流部、中間部及び下流部にそれぞれ対応する部位に穿設され、また軸心Ｓを中心とする周方向へは９０°間隔で配置されている。従って、円管部１２０には、ミキシング流路１４６の上流部、中間部及び下流部にそれぞれ対応する部位に４個ずつ開口部１５８が穿設され、合計で１２個の開口部１５８が設けられている。また円管部１２０の外周面上には、複数個のマイクロ波発生器１６０が開口部１５８にそれぞれ対応するように取り付けられている。これらのマイクロ波発生器１６０には、その内周側に円柱突起状の嵌挿部１６２が設けられており、マイクロ波発生器１６０は、嵌挿部１６２を開口部１５８内へ嵌挿し、嵌挿部１６２の先端面をミキシング流路１４６内へ露出させている。

マイクロ波発生器１６０は、駆動時に嵌挿部１６２の先端面からマイクロ波をミキシング流路１４６内の溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭへ照射する。このとき、マイクロ波発生器１６０からのマイクロ波は、図３の破線で示されるように、溶液Ｌ１，Ｌ２の拡散方向と一致する径方向に沿って溶液Ｌ１，Ｌ２及び溶液ＬＭに照射される。このマイクロ波により溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭの分子運動が拡散方向に沿って増大するので、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合又は混合に伴う化学反応が促進される。

マイクロ波発生器１６０は、例えば、マイクロ波の発生源としてマグネトロンを用いており、このマグネトロンへの駆動電流の供給により電流値に対応する強度のマイクロ波を発生する。このとき、マイクロ波発生器１６０が発生するマイクロ波としては、周波数が１０ＭＨｚ以上のものが選択される。具体的には、マイクロ波の周波数は、ミキシング流路１４６内を流通する溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭに過度の発熱現象を発生させることなく、溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭの分子運動を効率的に増加できる周波数が選択される。

図３（Ａ）に示されるように、マイクロミキサー１１０には、マイクロ波発生器１６０の駆動を制御する駆動制御部１６４が設けられている。この駆動制御部１６４は、ミキシング流路１４６内を溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭが流通する際に、マイクロ波発生器１６０のオン／オフ状態、マイクロ波の強度を内部メモリ等に予め設定された制御条件に従うように制御する。この制御条件は、基本的には、溶液Ｌ１，Ｌ２の種類、すなわち溶液Ｌ１，Ｌ２の化学成分、液温、粘度等や、溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合に化学反応を伴う場合には、反応生成物の性質等に応じて異なるものになり、また溶液Ｌ１，Ｌ２の供給量の変化、すなわちミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の流速によっても異なるものになる。このような制御条件は、例えば、マイクロミキサー１１０が配置された製造ラインのオペレータが操作端末等を用いて設定したり、製造ライン全体を制御する上位のプロセスコンピュータが生産予定等に基づいて自動的に設定する。また駆動制御部１６４は、流通方向に沿って異なる位置にあるマイクロ波発生器１６０をそれぞれ異なる制御条件に従って制御できる。

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の参考例に係るマイクロミキサー１０，４０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。このとき、マイクロ波発生器１６０からのマイクロ波がミキシング流路１４６内の溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭに照射されるので、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の分子の拡散速度を増大させて混合及び混合に伴う化学反応を効率的に促進できる。

さらに、マイクロミキサー１１０では、流通方向に沿ってそれぞれ異なる位置に配置されたマイクロ波発生器１６０をそれぞれ異なる制御条件で駆動できるので、ミキシング流路１４６内を流通する溶液Ｌ１，Ｌ２及び溶液ＬＭに照射されるマイクロ波を流通方向に沿って段階的に変化させることができる。この結果、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２の混合又は混合に伴う化学反応をそれぞれ異なる位置にあるマイクロ波発生器１６０にそれぞれ対応して異なる振動条件で促進できるので、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２間の混合及び混合に伴う化学反応の進行を精密に制御できるようになる。このとき、マイクロ波は、振動と比較して指向性が強いので、流通方向に沿って、ある位置にあるマイクロ波発生器１６０に対応する領域に存在する溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭが他の位置にあるマイクロ波発生器１６０からのマイクロ波の影響を受けることを抑制できる。この結果、第１の実施形態に係るマイクロミキサー１０、４０と比較して、ミキシング流路１４６内における溶液Ｌ１，Ｌ２，ＬＭの混合及び混合に伴う化学反応の進行を更に精密に制御できるようになる。

なお、以上説明した第１の参考例に係るマイクロミキサー１０，４０及び第１の実施形態に係るマイクロミキサー１１０は、それぞれ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においても、ミキシング流路内を流通する３種類以上の溶液に振動又はマイクロ波を作用させることで、溶液の混合及び化学反応を促進できると共に、振動発生器又はマイクロ波発生器を適宜制御することで、ミキシング流路内における溶液の混合又は化学反応の進行を精密に制御できるようになる。

本発明の第１の参考例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。 本発明の第１の参考例に係るマイクロミキサーの変形例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。 本発明の第１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
１８ 第２給液路
２２ 第１給液口
２４ 第２給液口
２６ ミキシング流路
３２ 振動発生器
３６ 駆動制御部
４０ マイクロミキサー
４２ 振動発生器
４４ 振動発生器
４６ 振動発生器
４８ 駆動制御部
１１０ マイクロミキサー
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）
１６０ マイクロ波発生器（拡散制御手段）
１６４ 駆動制御部（拡散制御手段）

Claims (3)

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、
   前記ミキシング流路内を流通する流体に前記拡散方向に沿ってマイクロ波を照射する拡散制御手段と、を有し、
   少なくとも一対の前記拡散制御手段を、前記ミキシング流路の断面中心に対して対称的に配置したことを特徴とするマイクロミキサー。
   することを特徴とするマイクロミキサー。
2. 前記流通方向に沿って複数の前記拡散制御手段を配列し、該複数の拡散制御手段をそれぞれ独立して駆動及び制御可能と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。
3. 前記複数の供給口の前記拡散方向に沿った開口幅を１μm以上で、５００μm以下としたことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロミキサー。

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