マイクロデバイス及び液体混合方法
【課題】複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもない。
【解決手段】複数種類の液体Ｌ１，Ｌ２を供給流路部１２からマイクロ空間の合流部１４に合流させ、合流した合流液体ＬＭを排出流路部１６を介して合流部１４から排出するマイクロデバイスにおいて、供給流路部１２は、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように複数種類の液体Ｌ１，Ｌ２を合流させる３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを１組とした流路ユニット１８が合流部１４の回りに１組以上配置されると共に、流路ユニット１８から合流部１４に流入する液体の流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【解決手段】複数種類の液体Ｌ１，Ｌ２を供給流路部１２からマイクロ空間の合流部１４に合流させ、合流した合流液体ＬＭを排出流路部１６を介して合流部１４から排出するマイクロデバイスにおいて、供給流路部１２は、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように複数種類の液体Ｌ１，Ｌ２を合流させる３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを１組とした流路ユニット１８が合流部１４の回りに１組以上配置されると共に、流路ユニット１８から合流部１４に流入する液体の流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイス及び液体混合方法に係り、特に複数種類の液体をそれぞれ独立した供給流路を流通させて合流部に合流させ、液体同士の混合（混合による反応も含む）を行うマイクロデバイス及び液体混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小空間で液体を精密に制御しながら混合や反応を行ういわゆるマイクロデバイス（マイクロリアクター又はマイクロミキサーともいう）が最近注目されている。マイクロデバイスは、スケールダウンによって比表面積が増加し、その結果分子の移動が拡散によってのみ行われている。したがって、分子同士の衝突を精密に制御することが可能である。
【０００３】
また、例えば１段目で全ての分子を反応させ、２段目でその反応分子の凝集を抑えるという２段反応プロセスがある。この場合、１段目で瞬時に混合を完了させる必要がある。しかしながら、従来のマイクロデバイスでは、主流方向に対して垂直な方向の速度成分が分子拡散のみに頼っているため、このような反応を取り扱うのは困難であった。
【０００４】
そこで、複数種類の液体を効率的に混合するための装置の一つとして、例えば、特許文献１には、混合槽内において液体の旋回流が発生するように混合槽に液体を供給するマイクロミキサーが提案されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、合流部に液体の注入を行うための複数ノズルが設けられたサイクロンミキサーが提案されている。
【特許文献１】特開２００６−１６７６００号公報
【非特許文献１】「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」、Ｖ．Ｈｅｓｓｅｌ ｅｔ ａｌ、ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧａＡ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されているマイクロミキサーは、混合部にアクチュエーターなどの動力部を設ける構造であり、装置のコストアップ、また、混合部の大型化による反応制御性の悪化という問題がある。また、非特許文献１に記載されているサイクロンミキサーは、合流部を大きく設計する必要があるため、液体同士に作用する剪断力が弱くなり、液体の持つ運動エネルギーを効率的に旋回エネルギーへと変換することが困難であった。
【０００７】
また、複数種類の液体を合流部で瞬時に混合するには、合流部の径を小さくすること、及び複数液体を薄膜状で接触させることが好ましい。このことから、供給流路の合流部入口の径を縮径（細く絞る）させることも提案されている。しかし、供給流路の合流部入口の径を縮径することによって圧力損失が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもないマイクロデバイス及び液体混合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１は、前記目的を達成するために、複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出するマイクロデバイスにおいて、前記供給流路部は、１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を合流させる３本の供給流路を１組とした流路ユニットが前記合流部の回りに１組以上配置されると共に、前記流路ユニットから前記合流部に流入する液体の流入方向が前記合流部中心から偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００１０】
本発明のマイクロデバイスによれば、前記合流部の回りに１組以上配置される流路ユニットは、１つの液体を２つの液体で挟み込むように複数種類の液体を合流させる３本の供給流路で形成されているので、合流部には、縮流されて薄くなった真ん中の液体を両側の液体でサンドイッチ状に挟み込んだ縮流液体が形成される。これにより、縮流液体を形成する３つの液体が、薄膜状で合流し、混合効率が向上するので、３つの液体の瞬時混合が可能となる。また、本発明では、供給流路の径を絞ることによって縮流を形成するのではなく、２つの液体が真ん中の液体を挟み込むことで縮流液体を形成するので、供給流路での圧力損失が大きくなることなく混合効率を向上できる。
【００１１】
更に、流路ユニットから合流部に流入する液体、即ち縮流液体の流入方向が合流部中心から偏芯するように構成されているので、合流部には縮流液体の旋回流が発生する。この旋回流によって、縮流液体を構成する液体同士の間に高い剪断力を与えることができるだけでなく、合流部中心から排出流路部に吸い込まれる吸い込み流が発生する。これにより、流路ユニットによって形成された縮流液体が旋回流によって引っ張られ、縮流液体のうち特に２つの液体で挟まれた真ん中の液体が先細状に縮流する。これにより、縮流液体を形成する３つの液体が、更に薄膜状になるので、混合効率を一層向上でき、瞬時混合が可能となる。
【００１２】
このように、本発明では、流路ユニットによって形成した縮流液体を旋回流で更に縮流することにより、合流部には縮流状態が持続するので、合流部の径が比較的大きくても液体混合を効率的に行うことができる。更には、本発明のように、２つの液体が真ん中の液体を挟み込むことで縮流液体を形成する場合には、挟み込む２つの液体の流量バランスが不均一になる場合には、縮流効果が低減して混合効率が悪くなる傾向にあるが、旋回流と組み合わせることで、前記流量バランスが不均一の場合でも混合効率を低下しにくい。
【００１３】
なお、本発明では、縮流液体を構成する３つの液体のうち、挟み込む２つの液体Ａと、挟み込まれる１つの液体Ｂと、の２種類の液体で混合することが好ましいが、３つの液体全ての種類が異なってもよい。また、流路ユニットを２個設ける場合には、それぞれの流路ユニットの液体の種類構成を同じにすることが好ましいが、異なっていてもよい。流路ユニットを３個以上設ける場合も同様である。また、本発明は、合流部で液体同士を混合することで説明しているが、混合による反応も含む。
【００１４】
本発明のマイクロデバイスにおいては、前記流路ユニットを構成する３本の供給流路のうち、前記挟み込むための２本の供給流路の成す角度が鈍角であることが好ましい。これにより、挟み込む２本の液体の運動エネルギーを真ん中の液体の縮流に寄与する度合いを大きくできるので、縮流度合が大きくなり、一層混合効率を向上できる。
【００１５】
また、本発明のマイクロデバイスにおいて、前記流路ユニットは前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２組設けられていることが好ましい。これにより、合流部に２つの縮流液体の旋回流が合流部中心を点対称とした点対称位置に発生するので、混合効率を一層向上できる。
【００１６】
また、本発明のマイクロデバイスにおいては、前記マイクロ空間の合流部の直径は０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。本発明では、上記説明したように合流部の径を比較的大きくできるが、１０ｍｍ以上になると、混合効率が大きく低下する傾向にあるからである。
【００１７】
本発明の請求項５は、前記目的を達成するために、複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出する流体混合方法において、１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を前記供給流路部から前記合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を前記合流部に１つ以上形成すると共に、該縮流液体が前記合流部へ流入する流入方向を前記合流部中心から偏芯させることによって前記合流部に前記縮流液体の旋回流を発生させることを特徴とする液体混合方法を提供する。
【００１８】
本発明の液体混合方法によれば、合流部に縮流液体の旋回流を発生させるので、上記マイクロデバイスで説明した作用が生じ、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもない。
【００１９】
また、本発明の液体混合方法において、前記縮流液体は、前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２つ形成することが好ましい。これにより、合流部に２つの縮流液体の旋回流が合流部中心回りの１８０°反対位置に発生するので、混合効率を一層向上できる。
【００２０】
また、本発明の液体混合方法においては、旋回流の旋回中心と合流部中心とが一致するように、合流部に導入する複数種類の液体の流量を制御することが好ましい。これにより、上述した合流部中心から排出流路部に吸い込まれる吸い込み流による縮流液体の引っ張り力を大きくできるので、旋回流による縮流作用を効果的に発揮させることができる。
【００２１】
また、本発明の液体混合方法においては、前記液体は、粘度が３０ｃｐ以下の液体であることが好ましい。液体の粘度が３０ｃｐ以下の低粘度にすることにより、液体同士が一層混合し易くなると共に、圧力損失も一層小さくすることができるからである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のマイクロデバイス及び液体混合方法によれば、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイス及び液体混合方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２４】
図１は、本発明のマイクロデバイスの装置本体１０の斜視図であり、図２は図１の合流部近傍における断面図である。尚、本実施の形態では、２種類の液体Ａ，Ｂを混合する場合で説明する。尚、マイクロデバイスは、装置本体１０に、液体を供給する供給手段を少なくとも備えた装置として構成される。
【００２５】
図１及び図２に示すように、本発明のマイクロデバイスの装置本体１０は、２種類の液体Ａ，Ｂの供給流路部１２と、２種類の液体Ａ，Ｂが供給流路部１２を介して合流する合流部１４と、合流した合流液体ＬＭを排出する排出流路部１６と、で構成される。
供給流路部１２は、１つの液体Ａを２つの液体Ｂで挟み込むように合流させる３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを１組とした流路ユニット１８が、１端が閉成した円筒状の合流部１４の回りに２組配置される。流路ユニット１８の数としては、合流部１４の大きさ（断面積）を幾つに設定するかによって、合流部１４回りに配置できる流路ユニット１８数の上限が決まってくるが、２組以上４組以下であることが好ましい。
【００２６】
このように、流路ユニット１８によって、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように合流部に合流させることで、液体Ｌ２が液体Ｌ１を縮流する縮流液体Ｓが形成される。図２に示すように、流路ユニット１８を構成する３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃのうち、挟み込むための２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの成す角度αが鈍角（９０°より大きく１８０°より小さい）であることが好ましい。これにより、縮流の度合いを大きくできる。
２組の流路ユニット１８は、合流部１４の回りに、合流部中心１４Ａを対称点とした点対称位置に配置されると共に、２組の流路ユニット１８から合流部１４に流入するそれぞれの縮流液体Ｓの流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されている。流路ユニット１８で形成した縮流液体Ｓの流入方向を偏芯させることで合流部１４に旋回流が発生する。また、２組の流路ユニット１８を点対称位置に配置することで、合流部１４には旋回流を発生させるための２つの旋回エネルギーが１８０°反対位置に生じるので、旋回流の強さを増幅することができる。
【００２７】
このように、合流部１４に縮流液体Ｓによる旋回流を発生させることにより、縮流液体Ｓを構成する液体Ｌ１と液体Ｌ２とを瞬時混合することができる。
【００２８】
一方、排出流路部１６は１本の円筒状の排出流路２０構成され、円筒状の合流部１４に連続して形成される。排出流路２０の長さＬは、合流部１４で合流された合流液体ＬＭの混合率が上限に達して平衡状態になるまでの距離を確保できる長さであり、通常は１０ｍｍ程度が好ましい。即ち、合流部１４で合流した２種類の液体Ｌ１，Ｌ２は、合流部１４で混合を開始し、排出流路２０を１０ｍｍ流れる短時間の間に混合が完了する瞬時混合を行う。したがって、液体Ｌ１，Ｌ２が反応を伴う場合には、排出流路２０を流れる間に反応が完了する。
【００２９】
本発明のマイクロデバイスに用いられる流路寸法は、迅速に混合しつつも、反応を精密にコントロールするため、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの等価直径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下に設定されていることが好ましい。また、本発明では円筒状に形成された合流部１４の等価直径を比較的大きくできるが、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、排出流路２０は合流部１４で合流された合流液体ＬＭを速やかに排出できるように、合流部１４の等価直径と同じかそれ以上であることが好ましい。
【００３０】
等価直径（equivalent diameter）は、相当（直）径とも呼ばれ、機械工学の分野で用いられる用語である。任意断面形状の配管（本発明では流路）に対し等価な円管を想定するとき、その等価円管の直径を等価直径という。等価直径（ｄｅｑ）は、Ａ：配管の断面積、ｐ：配管のぬれぶち長さ（周長）を用いて、ｄｅｑ＝４Ａ／ｐと定義される。円管に適用した場合、この等価直径は円管直径に一致する。等価直径は等価円管のデータを基に、その配管の流動あるいは熱伝達特性を推定するのに用いられ、現象の空間的スケール（代表的長さ）を表す。等価直径は、一辺ａの正四角形管ではｄｅｑ＝４ａ２／４ａ＝ａ、一辺ａの正三角形管では、ｄｅｑ＝ａ／√３、流路高さｈの平行平板間の流れではｄｅｑ＝２ｈ、となる（例えば、（社）日本機械学会編「機械工学事典」１９９７年、丸善（株）参照）。
【００３１】
また、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの断面形状は、図１においては、四角形であるが、特に限定されず、円形、半円形、逆台形等の様々な形状をとることができる。また、排出流路２０の断面形状は、上記のように合流部１４を円筒形状にした場合には、合流部１４で発生した旋回流を効率よく伝搬させることができるように、合流部１４と同じ円形であることが好ましい。排出流路２０を円形にすることにより、デッドスペースも減らすことができる。
【００３２】
液体Ｌ１，Ｌ２の供給流路１８Ａ〜１８Ｃへの供給手段としては、例えばマイクロシリンジポンプを好適に使用できる。また、必要に応じてマイクロデバイスの装置本体１０を加熱する加熱手段（図示せず）が設けられる。このような加熱手段としては、金属抵抗線やPolysilicon等のヒータ構造を装置本体に作り込む方法等がある。金属抵抗線やPolysilicon等のヒータ構造の場合、加熱についてはこれを使用し、冷却については自然冷却でサーマルサイクルを行うことで温度を制御する。この場合の温度のセンシングについては、金属抵抗線の場合には同じ抵抗線をもう一つ作り込んでおき、その抵抗値の変化に基づいて温度検出を行い、Polysiliconの場合には、熱電対を用いて温度検出を行う方法が一般的に採用されている。また、ペルチェ素子を用いた温度制御機能を装置本体に組み込んでもよい。
【００３３】
また、本実施の形態で使用される液体Ｌ１，Ｌ２の種類としては、具体的には、水、酸性溶液、アルカリ性溶液、メタノール、エタノール、ジメチルスルホキシドなどの有機溶剤、または上記液体の混合液、さらには上記液体または混合溶液中に微粒子が分散した分散液を好適に用いることができる。ここで、微粒子とは、直径１μｍ以下の粒子のことをいう。
【００３４】
液体Ｌ１，Ｌ２は、混合性能及び圧力損失の観点から低粘度のものが好ましく、具体的には、３０ｃｐ以下の液体が好ましい。液体Ａ，Ｂの流量は１〜１０００ｃｃ／ｍｉｎの範囲で用いることが好ましい。
【００３５】
尚、本実施の形態では、縮流液体Ｓを構成する３つの液体のうち、挟み込まれる１つの液体Ｌ１と、挟み込む２つの液体Ｌ２と、の２種類の液体を使用するようにしたが、縮流液体Ｓを構成する３つの液体全ての種類が異なってもよい。また、流路ユニット１８を２個設ける場合には、それぞれの流路ユニット１８に流す液体の種類構成を同じにすることが好ましいが、異なっていてもよい。即ち、１つの流路ユニット１８に流す液体の種類と、もう１つの流路ユニット１８に流す液体の種類が異なっていてもよい。流路ユニット１８を３個以上設ける場合も同様である。
【００３６】
次に、上記の如く構成されたマイクロデバイスの作用について説明する。
【００３７】
上記の如く構成されたマイクロデバイスによれば、合流部１４の回りに２組配置された流路ユニット１８は、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように合流させる３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃで形成されているので、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、合流部１４には、真ん中の液体Ｌ１を両側の液体Ｌ２でサンドイッチ状に挟み込んだ縮流液体Ｓが形成される。更に、流路ユニット１８から合流部１４に流入する液体Ｌ１，Ｌ２、即ち縮流液体Ｓの流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されているので、合流部１４には縮流液体Ｓの旋回流が発生する。図３（Ａ）は、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃを流れる液体Ｌ１及び液体Ｌ２の供給速度を全て同じ１ｍ／ｓ（秒）にしたもので、合流部中心１４Ａを中心として縮流液体Ｓの旋回流が形成される。図３（Ｂ）は、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃを流れる液体Ｌ１及び液体Ｌ２の供給速度を異なるようにしたもので、旋回流中心が合流部中心１４Ａからズレた位置に形成される。図３において、一番薄い色が液体Ｌ２の流れであり、次に薄い色が液体Ｌ１の流れを示す。そして、一番濃い色が液体Ｌ１と液体Ｌ２とが混合状態にあることを示す。
【００３８】
この旋回流によって、縮流液体Ｓを構成する液体Ｌ１，Ｌ２同士の間に高い剪断力を与えることができるだけでなく、合流部中心１４Ａから排出流路２０に吸い込まれる吸い込み流が発生する。この吸い込み流によって、縮流液体Ｓが引っ張られ、縮流液体Ｓのうち特に真ん中の液体Ｌ１が先細状に縮流する。
【００３９】
ちなみに、流路ユニット１８で形成された縮流液体Ｓの流入方向を、合流部中心１４Ａに向けた場合には、供給流路１８Ａ〜１８Ｃよりも径の大きな合流部１４において縮流液体Ｓが拡流し易くなり、縮流液体Ｓの縮流状態が維持されにくい。これに対して、縮流液体Ｓを合流部１４で旋回させることで、縮流液体Ｓは合流部１４の内壁に押さえつけられて拡流しにくくなるだけでなく、縮流を更に促進できる。
【００４０】
このように、流路ユニット１８によって形成した縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、合流部１４には２つの液体Ｌ２で挟まれた真ん中の液体Ｌ１が先細状に縮流することで液体Ｌ１、Ｌ２の混合率が向上する。また、縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、合流部１４から排出流路２０にかけて縮流状態が持続するので、合流部１４の径が比較的大きくても高い混合効率を得ることができる。また、縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、縮流液体Ｓを構成する３つの流体Ｌ１，ｌ２の流量比が同じでなくても、即ち流量バランスが変動した場合であっても、混合性能に影響がでにくいようにできる。更には、流路ユニット１８は液体Ｌ２が液体Ｌ１を縮流する構造を有していることから、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの合流部入口を絞る必要もないので、圧力損失も大きくなることがない。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明のマイクロデバイス及び流体混合方法の混合性能及び圧力損失を評価するために実施したシミュレーション試験について説明する。シミュレーション試験に使用した解析ソフトは、アンシス・ジャバン株式会社の「ＦＬＵＥＮＴ：バージョン６．３」を使用した。
【００４２】
［混合性能試験］
（本発明）
シミュレーションは、図１に示すように、装置本体１０に、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃで構成された２つの流路ユニット１８と、１つの排出流路２０を備えたマイクロデバイス（リアクターという場合もある）を用いた。
【００４３】
流路ユニット１８を構成する３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃは、断面形状が四角形のものを用い、その寸法は縦０．４ｍｍ×横０．４ｍｍに設定した。供給流路１８Ａ〜１８Ｃのうち、液体Ｌ１を流す１本の供給流路１８Ｂの長さを３ｍｍとし、液体Ｌ２を流す２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの長さを５．３ｍｍとした。また、挟み込むための２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの角度αは１２０°とした。
【００４４】
一方、合流部１４については、円筒形状とし、直径が１．１ｍｍ、深さが０．４ｍｍに設定した。排出流路２０は円筒形状とし、直径が合流部１４と同じ１．１ｍｍとし、長さが１０ｍｍに設定した。
【００４５】
（比較例）
また、比較のため、図４に示す従来のリアクターとしてＫＭリアクター３０を使用した。ＫＭリアクター３０の装置本体３１は、図４から分かるように、液体Ｌ１を流す３本の供給流路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃと、液体Ｌ２を流す３本の供給流路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃが合流部３６で合流し、排出流路３８から排出されるように構成される。しかし、６本の流路３２Ａ〜３２Ｃ、３４Ａ〜３４Ｃが合流部３６の中心３６Ａから放射状に延設されていると共に、各流路同士の角度は全て６０°に形成されており、６本の流路３２Ａ〜３２Ｃ、３４Ａ〜３４Ｃから合流部３６に流入する液体Ｌ１、Ｌ２は合流部中心３６Ａで衝突するように構成されている。即ち、ＫＭリアクター３０は、本発明のように合流部１４に流入する液体の流入方向が合流部中心から偏芯するようにはなっていない。
【００４６】
使用したＫＭリアクター３０の流路は、液体Ｌ１を流す３本の供給流路３２Ａ〜３２Ｃの寸法を縦０．４×横０．２ｍｍ、長さを３ｍｍとした。また、液体Ｌ２を流す３本の供給流路３４Ａ〜３４Ｃの寸法を縦０．４×横０．４ｍｍ、長さを５．３ｍｍとした。合流部３６については円筒形状とし、直径が０．８ｍｍ、深さが０．４ｍｍに設定した。排出流路３８は円筒形状とし、直径が合流部１４と同じ０．８ｍｍとし、長さが１０ｍｍに設定した。
【００４７】
（試験条件）
本発明及び比較例ともに、シミュレーション条件として、液体Ｌ１をジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）とし、その流量を５００ｃｃ／分に設定した。また、液体Ｌ２を水とし、その流量を１０００ｃｃ／分に設定した。
【００４８】
（試験結果）
試験結果を図５に示す。なお、混合性能試験では、本発明のマイクロデバイス１０を使用した場合の混合率と従来のＫＭリアクター３０を使用した場合の混合率との対比比較に加え、本発明のマイクロデバイス１０における流量にバラツキがある場合の混合率についても試験した。即ち、本発明の特徴である、縮流と旋回の二つの作用を併用することで、流量バラツキが混合率に与える影響を低減できるか否かを確認した。なお、混合率とは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが完全に混合した場合１００％としたときの、混合率の割合をいう。
【００４９】
図５の本発明のリアクター（流量バラツキ無）は、液体Ｌ１の２本の供給流路に同流量の５００ｃｃ／分を流し、液体Ｌ２の４本の供給流路に同流量の１０００ｃｃ／分を流し、それぞれの供給流路に均等に液体Ｌ１、液体Ｌ２が供給されるようにした。
【００５０】
また、本発明のリアクター（流量バラツキ有）は、液体Ｌ１を流す２本の供給流路１８Ｂのうち一方の流量を３７５ｃｃ／分に設定し、他方を６２５ｃｃ／分に設定し、２５％のバラツキが生じるようにした。また、液体Ｌ１を挟み込む液体Ｌ２の２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃのうち、一方の流量を５００ｃｃ／分に設定し、他方の流量を１５００ｃｃ／分に設定し、５０％のバラツキが生じるようにした。
【００５１】
その結果、図５から分かるように、本発明のリアクター（流量バラツキ無）は、従来のＫＭリアクターと比較し、同等以上の混合率を達成できた。また、本発明のリアクター（流量バラツキ有）のように、流量にバラツキを与えても、混合率への影響が余り無いことも確認できた。
【００５２】
［圧力損失試験］
また、本発明のマイクロデバイスの特徴である圧力損失の低下を確認する圧力損失試験を実施し、従来のＫＭリアクターと比較した。なお、圧力損失試験に使用したリアクターの構成は、本発明及び比較例ともに混合性能試験の場合と同様である。
【００５３】
試験で使用した液体Ｌ１をジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）とし、流量を１００ｃｃ／分に設定した。また、液体Ｌ２を水とし、その流量を２００ｃｃ／分に設定し、実際に送液を行って圧力損失を測定した。
【００５４】
その結果を図５に示す。ここで、図６は、液体Ｌ２のみを流し、液体Ｌ１流す直前の圧力損失である。また、図７は液体Ｌ１のみを流し液体Ｌ２を流す直前の圧力損失の結果である。
【００５５】
図６及び図７から分かるように、本発明のマイクロデバイスは、従来のＫＭリアクターと比較し、圧力損失が顕著に低下していることが確認できた。即ち、本発明のマイクロデバイスは、１つの液体を２つの液体で挟み込むように合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を合流部に形成するので、圧力損失が大きくなるのを効果的に抑制しているものと考察される。
【００５６】
以上より、本発明のマイクロデバイスは、従来のＫＭリアクターと比べて、高い混合性を維持しつつ、流量のバラツキに混合性が影響されず、更には圧力損失を低下することができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のマイクロデバイスの装置本体の一例を示す斜視図
【図２】図１の供給流路及び合流部を説明する断面図
【図３】本発明の作用を説明する説明図
【図４】従来のＫＭリアクターの装置本体を示す斜視図
【図５】本発明のマイクロデバイスの混合率を従来と対比した実施例の説明図
【図６】本発明のマイクロデバイスの圧力損失を従来と対比した実施例の説明図
【図７】本発明のマイクロデバイスの圧力損失を従来と対比した別の実施例の説明図
【符号の説明】
【００５８】
１０…マイクロデバイスの装置本体、１２…供給流路部、１４…合流部、１４Ａ…合流部中心、１６…排出流路部、１８…流路ユニット、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…３本の供給流路、２０…排出流路、Ｌ１…挟み込まれる液体、Ｌ２…挟み込む２本の液体、ＬＭ…合流液体、Ｓ…縮流液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイス及び液体混合方法に係り、特に複数種類の液体をそれぞれ独立した供給流路を流通させて合流部に合流させ、液体同士の混合（混合による反応も含む）を行うマイクロデバイス及び液体混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小空間で液体を精密に制御しながら混合や反応を行ういわゆるマイクロデバイス（マイクロリアクター又はマイクロミキサーともいう）が最近注目されている。マイクロデバイスは、スケールダウンによって比表面積が増加し、その結果分子の移動が拡散によってのみ行われている。したがって、分子同士の衝突を精密に制御することが可能である。
【０００３】
また、例えば１段目で全ての分子を反応させ、２段目でその反応分子の凝集を抑えるという２段反応プロセスがある。この場合、１段目で瞬時に混合を完了させる必要がある。しかしながら、従来のマイクロデバイスでは、主流方向に対して垂直な方向の速度成分が分子拡散のみに頼っているため、このような反応を取り扱うのは困難であった。
【０００４】
そこで、複数種類の液体を効率的に混合するための装置の一つとして、例えば、特許文献１には、混合槽内において液体の旋回流が発生するように混合槽に液体を供給するマイクロミキサーが提案されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、合流部に液体の注入を行うための複数ノズルが設けられたサイクロンミキサーが提案されている。
【特許文献１】特開２００６−１６７６００号公報
【非特許文献１】「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」、Ｖ．Ｈｅｓｓｅｌ ｅｔ ａｌ、ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧａＡ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されているマイクロミキサーは、混合部にアクチュエーターなどの動力部を設ける構造であり、装置のコストアップ、また、混合部の大型化による反応制御性の悪化という問題がある。また、非特許文献１に記載されているサイクロンミキサーは、合流部を大きく設計する必要があるため、液体同士に作用する剪断力が弱くなり、液体の持つ運動エネルギーを効率的に旋回エネルギーへと変換することが困難であった。
【０００７】
また、複数種類の液体を合流部で瞬時に混合するには、合流部の径を小さくすること、及び複数液体を薄膜状で接触させることが好ましい。このことから、供給流路の合流部入口の径を縮径（細く絞る）させることも提案されている。しかし、供給流路の合流部入口の径を縮径することによって圧力損失が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもないマイクロデバイス及び液体混合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１は、前記目的を達成するために、複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出するマイクロデバイスにおいて、前記供給流路部は、１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を合流させる３本の供給流路を１組とした流路ユニットが前記合流部の回りに１組以上配置されると共に、前記流路ユニットから前記合流部に流入する液体の流入方向が前記合流部中心から偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００１０】
本発明のマイクロデバイスによれば、前記合流部の回りに１組以上配置される流路ユニットは、１つの液体を２つの液体で挟み込むように複数種類の液体を合流させる３本の供給流路で形成されているので、合流部には、縮流されて薄くなった真ん中の液体を両側の液体でサンドイッチ状に挟み込んだ縮流液体が形成される。これにより、縮流液体を形成する３つの液体が、薄膜状で合流し、混合効率が向上するので、３つの液体の瞬時混合が可能となる。また、本発明では、供給流路の径を絞ることによって縮流を形成するのではなく、２つの液体が真ん中の液体を挟み込むことで縮流液体を形成するので、供給流路での圧力損失が大きくなることなく混合効率を向上できる。
【００１１】
更に、流路ユニットから合流部に流入する液体、即ち縮流液体の流入方向が合流部中心から偏芯するように構成されているので、合流部には縮流液体の旋回流が発生する。この旋回流によって、縮流液体を構成する液体同士の間に高い剪断力を与えることができるだけでなく、合流部中心から排出流路部に吸い込まれる吸い込み流が発生する。これにより、流路ユニットによって形成された縮流液体が旋回流によって引っ張られ、縮流液体のうち特に２つの液体で挟まれた真ん中の液体が先細状に縮流する。これにより、縮流液体を形成する３つの液体が、更に薄膜状になるので、混合効率を一層向上でき、瞬時混合が可能となる。
【００１２】
このように、本発明では、流路ユニットによって形成した縮流液体を旋回流で更に縮流することにより、合流部には縮流状態が持続するので、合流部の径が比較的大きくても液体混合を効率的に行うことができる。更には、本発明のように、２つの液体が真ん中の液体を挟み込むことで縮流液体を形成する場合には、挟み込む２つの液体の流量バランスが不均一になる場合には、縮流効果が低減して混合効率が悪くなる傾向にあるが、旋回流と組み合わせることで、前記流量バランスが不均一の場合でも混合効率を低下しにくい。
【００１３】
なお、本発明では、縮流液体を構成する３つの液体のうち、挟み込む２つの液体Ａと、挟み込まれる１つの液体Ｂと、の２種類の液体で混合することが好ましいが、３つの液体全ての種類が異なってもよい。また、流路ユニットを２個設ける場合には、それぞれの流路ユニットの液体の種類構成を同じにすることが好ましいが、異なっていてもよい。流路ユニットを３個以上設ける場合も同様である。また、本発明は、合流部で液体同士を混合することで説明しているが、混合による反応も含む。
【００１４】
本発明のマイクロデバイスにおいては、前記流路ユニットを構成する３本の供給流路のうち、前記挟み込むための２本の供給流路の成す角度が鈍角であることが好ましい。これにより、挟み込む２本の液体の運動エネルギーを真ん中の液体の縮流に寄与する度合いを大きくできるので、縮流度合が大きくなり、一層混合効率を向上できる。
【００１５】
また、本発明のマイクロデバイスにおいて、前記流路ユニットは前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２組設けられていることが好ましい。これにより、合流部に２つの縮流液体の旋回流が合流部中心を点対称とした点対称位置に発生するので、混合効率を一層向上できる。
【００１６】
また、本発明のマイクロデバイスにおいては、前記マイクロ空間の合流部の直径は０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。本発明では、上記説明したように合流部の径を比較的大きくできるが、１０ｍｍ以上になると、混合効率が大きく低下する傾向にあるからである。
【００１７】
本発明の請求項５は、前記目的を達成するために、複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出する流体混合方法において、１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を前記供給流路部から前記合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を前記合流部に１つ以上形成すると共に、該縮流液体が前記合流部へ流入する流入方向を前記合流部中心から偏芯させることによって前記合流部に前記縮流液体の旋回流を発生させることを特徴とする液体混合方法を提供する。
【００１８】
本発明の液体混合方法によれば、合流部に縮流液体の旋回流を発生させるので、上記マイクロデバイスで説明した作用が生じ、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもない。
【００１９】
また、本発明の液体混合方法において、前記縮流液体は、前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２つ形成することが好ましい。これにより、合流部に２つの縮流液体の旋回流が合流部中心回りの１８０°反対位置に発生するので、混合効率を一層向上できる。
【００２０】
また、本発明の液体混合方法においては、旋回流の旋回中心と合流部中心とが一致するように、合流部に導入する複数種類の液体の流量を制御することが好ましい。これにより、上述した合流部中心から排出流路部に吸い込まれる吸い込み流による縮流液体の引っ張り力を大きくできるので、旋回流による縮流作用を効果的に発揮させることができる。
【００２１】
また、本発明の液体混合方法においては、前記液体は、粘度が３０ｃｐ以下の液体であることが好ましい。液体の粘度が３０ｃｐ以下の低粘度にすることにより、液体同士が一層混合し易くなると共に、圧力損失も一層小さくすることができるからである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のマイクロデバイス及び液体混合方法によれば、複数種類の液体の混合を迅速且つ効率的に行うことができると共に、圧力損失が大きくなることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイス及び液体混合方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２４】
図１は、本発明のマイクロデバイスの装置本体１０の斜視図であり、図２は図１の合流部近傍における断面図である。尚、本実施の形態では、２種類の液体Ａ，Ｂを混合する場合で説明する。尚、マイクロデバイスは、装置本体１０に、液体を供給する供給手段を少なくとも備えた装置として構成される。
【００２５】
図１及び図２に示すように、本発明のマイクロデバイスの装置本体１０は、２種類の液体Ａ，Ｂの供給流路部１２と、２種類の液体Ａ，Ｂが供給流路部１２を介して合流する合流部１４と、合流した合流液体ＬＭを排出する排出流路部１６と、で構成される。
供給流路部１２は、１つの液体Ａを２つの液体Ｂで挟み込むように合流させる３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを１組とした流路ユニット１８が、１端が閉成した円筒状の合流部１４の回りに２組配置される。流路ユニット１８の数としては、合流部１４の大きさ（断面積）を幾つに設定するかによって、合流部１４回りに配置できる流路ユニット１８数の上限が決まってくるが、２組以上４組以下であることが好ましい。
【００２６】
このように、流路ユニット１８によって、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように合流部に合流させることで、液体Ｌ２が液体Ｌ１を縮流する縮流液体Ｓが形成される。図２に示すように、流路ユニット１８を構成する３本の供給流路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃのうち、挟み込むための２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの成す角度αが鈍角（９０°より大きく１８０°より小さい）であることが好ましい。これにより、縮流の度合いを大きくできる。
２組の流路ユニット１８は、合流部１４の回りに、合流部中心１４Ａを対称点とした点対称位置に配置されると共に、２組の流路ユニット１８から合流部１４に流入するそれぞれの縮流液体Ｓの流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されている。流路ユニット１８で形成した縮流液体Ｓの流入方向を偏芯させることで合流部１４に旋回流が発生する。また、２組の流路ユニット１８を点対称位置に配置することで、合流部１４には旋回流を発生させるための２つの旋回エネルギーが１８０°反対位置に生じるので、旋回流の強さを増幅することができる。
【００２７】
このように、合流部１４に縮流液体Ｓによる旋回流を発生させることにより、縮流液体Ｓを構成する液体Ｌ１と液体Ｌ２とを瞬時混合することができる。
【００２８】
一方、排出流路部１６は１本の円筒状の排出流路２０構成され、円筒状の合流部１４に連続して形成される。排出流路２０の長さＬは、合流部１４で合流された合流液体ＬＭの混合率が上限に達して平衡状態になるまでの距離を確保できる長さであり、通常は１０ｍｍ程度が好ましい。即ち、合流部１４で合流した２種類の液体Ｌ１，Ｌ２は、合流部１４で混合を開始し、排出流路２０を１０ｍｍ流れる短時間の間に混合が完了する瞬時混合を行う。したがって、液体Ｌ１，Ｌ２が反応を伴う場合には、排出流路２０を流れる間に反応が完了する。
【００２９】
本発明のマイクロデバイスに用いられる流路寸法は、迅速に混合しつつも、反応を精密にコントロールするため、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの等価直径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下に設定されていることが好ましい。また、本発明では円筒状に形成された合流部１４の等価直径を比較的大きくできるが、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、排出流路２０は合流部１４で合流された合流液体ＬＭを速やかに排出できるように、合流部１４の等価直径と同じかそれ以上であることが好ましい。
【００３０】
等価直径（equivalent diameter）は、相当（直）径とも呼ばれ、機械工学の分野で用いられる用語である。任意断面形状の配管（本発明では流路）に対し等価な円管を想定するとき、その等価円管の直径を等価直径という。等価直径（ｄｅｑ）は、Ａ：配管の断面積、ｐ：配管のぬれぶち長さ（周長）を用いて、ｄｅｑ＝４Ａ／ｐと定義される。円管に適用した場合、この等価直径は円管直径に一致する。等価直径は等価円管のデータを基に、その配管の流動あるいは熱伝達特性を推定するのに用いられ、現象の空間的スケール（代表的長さ）を表す。等価直径は、一辺ａの正四角形管ではｄｅｑ＝４ａ２／４ａ＝ａ、一辺ａの正三角形管では、ｄｅｑ＝ａ／√３、流路高さｈの平行平板間の流れではｄｅｑ＝２ｈ、となる（例えば、（社）日本機械学会編「機械工学事典」１９９７年、丸善（株）参照）。
【００３１】
また、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの断面形状は、図１においては、四角形であるが、特に限定されず、円形、半円形、逆台形等の様々な形状をとることができる。また、排出流路２０の断面形状は、上記のように合流部１４を円筒形状にした場合には、合流部１４で発生した旋回流を効率よく伝搬させることができるように、合流部１４と同じ円形であることが好ましい。排出流路２０を円形にすることにより、デッドスペースも減らすことができる。
【００３２】
液体Ｌ１，Ｌ２の供給流路１８Ａ〜１８Ｃへの供給手段としては、例えばマイクロシリンジポンプを好適に使用できる。また、必要に応じてマイクロデバイスの装置本体１０を加熱する加熱手段（図示せず）が設けられる。このような加熱手段としては、金属抵抗線やPolysilicon等のヒータ構造を装置本体に作り込む方法等がある。金属抵抗線やPolysilicon等のヒータ構造の場合、加熱についてはこれを使用し、冷却については自然冷却でサーマルサイクルを行うことで温度を制御する。この場合の温度のセンシングについては、金属抵抗線の場合には同じ抵抗線をもう一つ作り込んでおき、その抵抗値の変化に基づいて温度検出を行い、Polysiliconの場合には、熱電対を用いて温度検出を行う方法が一般的に採用されている。また、ペルチェ素子を用いた温度制御機能を装置本体に組み込んでもよい。
【００３３】
また、本実施の形態で使用される液体Ｌ１，Ｌ２の種類としては、具体的には、水、酸性溶液、アルカリ性溶液、メタノール、エタノール、ジメチルスルホキシドなどの有機溶剤、または上記液体の混合液、さらには上記液体または混合溶液中に微粒子が分散した分散液を好適に用いることができる。ここで、微粒子とは、直径１μｍ以下の粒子のことをいう。
【００３４】
液体Ｌ１，Ｌ２は、混合性能及び圧力損失の観点から低粘度のものが好ましく、具体的には、３０ｃｐ以下の液体が好ましい。液体Ａ，Ｂの流量は１〜１０００ｃｃ／ｍｉｎの範囲で用いることが好ましい。
【００３５】
尚、本実施の形態では、縮流液体Ｓを構成する３つの液体のうち、挟み込まれる１つの液体Ｌ１と、挟み込む２つの液体Ｌ２と、の２種類の液体を使用するようにしたが、縮流液体Ｓを構成する３つの液体全ての種類が異なってもよい。また、流路ユニット１８を２個設ける場合には、それぞれの流路ユニット１８に流す液体の種類構成を同じにすることが好ましいが、異なっていてもよい。即ち、１つの流路ユニット１８に流す液体の種類と、もう１つの流路ユニット１８に流す液体の種類が異なっていてもよい。流路ユニット１８を３個以上設ける場合も同様である。
【００３６】
次に、上記の如く構成されたマイクロデバイスの作用について説明する。
【００３７】
上記の如く構成されたマイクロデバイスによれば、合流部１４の回りに２組配置された流路ユニット１８は、１つの液体Ｌ１を２つの液体Ｌ２で挟み込むように合流させる３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃで形成されているので、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、合流部１４には、真ん中の液体Ｌ１を両側の液体Ｌ２でサンドイッチ状に挟み込んだ縮流液体Ｓが形成される。更に、流路ユニット１８から合流部１４に流入する液体Ｌ１，Ｌ２、即ち縮流液体Ｓの流入方向が合流部中心１４Ａから偏芯するように構成されているので、合流部１４には縮流液体Ｓの旋回流が発生する。図３（Ａ）は、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃを流れる液体Ｌ１及び液体Ｌ２の供給速度を全て同じ１ｍ／ｓ（秒）にしたもので、合流部中心１４Ａを中心として縮流液体Ｓの旋回流が形成される。図３（Ｂ）は、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃを流れる液体Ｌ１及び液体Ｌ２の供給速度を異なるようにしたもので、旋回流中心が合流部中心１４Ａからズレた位置に形成される。図３において、一番薄い色が液体Ｌ２の流れであり、次に薄い色が液体Ｌ１の流れを示す。そして、一番濃い色が液体Ｌ１と液体Ｌ２とが混合状態にあることを示す。
【００３８】
この旋回流によって、縮流液体Ｓを構成する液体Ｌ１，Ｌ２同士の間に高い剪断力を与えることができるだけでなく、合流部中心１４Ａから排出流路２０に吸い込まれる吸い込み流が発生する。この吸い込み流によって、縮流液体Ｓが引っ張られ、縮流液体Ｓのうち特に真ん中の液体Ｌ１が先細状に縮流する。
【００３９】
ちなみに、流路ユニット１８で形成された縮流液体Ｓの流入方向を、合流部中心１４Ａに向けた場合には、供給流路１８Ａ〜１８Ｃよりも径の大きな合流部１４において縮流液体Ｓが拡流し易くなり、縮流液体Ｓの縮流状態が維持されにくい。これに対して、縮流液体Ｓを合流部１４で旋回させることで、縮流液体Ｓは合流部１４の内壁に押さえつけられて拡流しにくくなるだけでなく、縮流を更に促進できる。
【００４０】
このように、流路ユニット１８によって形成した縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、合流部１４には２つの液体Ｌ２で挟まれた真ん中の液体Ｌ１が先細状に縮流することで液体Ｌ１、Ｌ２の混合率が向上する。また、縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、合流部１４から排出流路２０にかけて縮流状態が持続するので、合流部１４の径が比較的大きくても高い混合効率を得ることができる。また、縮流液体Ｓを旋回流で更に縮流することにより、縮流液体Ｓを構成する３つの流体Ｌ１，ｌ２の流量比が同じでなくても、即ち流量バランスが変動した場合であっても、混合性能に影響がでにくいようにできる。更には、流路ユニット１８は液体Ｌ２が液体Ｌ１を縮流する構造を有していることから、供給流路１８Ａ〜１８Ｃの合流部入口を絞る必要もないので、圧力損失も大きくなることがない。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明のマイクロデバイス及び流体混合方法の混合性能及び圧力損失を評価するために実施したシミュレーション試験について説明する。シミュレーション試験に使用した解析ソフトは、アンシス・ジャバン株式会社の「ＦＬＵＥＮＴ：バージョン６．３」を使用した。
【００４２】
［混合性能試験］
（本発明）
シミュレーションは、図１に示すように、装置本体１０に、３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃで構成された２つの流路ユニット１８と、１つの排出流路２０を備えたマイクロデバイス（リアクターという場合もある）を用いた。
【００４３】
流路ユニット１８を構成する３本の供給流路１８Ａ〜１８Ｃは、断面形状が四角形のものを用い、その寸法は縦０．４ｍｍ×横０．４ｍｍに設定した。供給流路１８Ａ〜１８Ｃのうち、液体Ｌ１を流す１本の供給流路１８Ｂの長さを３ｍｍとし、液体Ｌ２を流す２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの長さを５．３ｍｍとした。また、挟み込むための２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃの角度αは１２０°とした。
【００４４】
一方、合流部１４については、円筒形状とし、直径が１．１ｍｍ、深さが０．４ｍｍに設定した。排出流路２０は円筒形状とし、直径が合流部１４と同じ１．１ｍｍとし、長さが１０ｍｍに設定した。
【００４５】
（比較例）
また、比較のため、図４に示す従来のリアクターとしてＫＭリアクター３０を使用した。ＫＭリアクター３０の装置本体３１は、図４から分かるように、液体Ｌ１を流す３本の供給流路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃと、液体Ｌ２を流す３本の供給流路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃが合流部３６で合流し、排出流路３８から排出されるように構成される。しかし、６本の流路３２Ａ〜３２Ｃ、３４Ａ〜３４Ｃが合流部３６の中心３６Ａから放射状に延設されていると共に、各流路同士の角度は全て６０°に形成されており、６本の流路３２Ａ〜３２Ｃ、３４Ａ〜３４Ｃから合流部３６に流入する液体Ｌ１、Ｌ２は合流部中心３６Ａで衝突するように構成されている。即ち、ＫＭリアクター３０は、本発明のように合流部１４に流入する液体の流入方向が合流部中心から偏芯するようにはなっていない。
【００４６】
使用したＫＭリアクター３０の流路は、液体Ｌ１を流す３本の供給流路３２Ａ〜３２Ｃの寸法を縦０．４×横０．２ｍｍ、長さを３ｍｍとした。また、液体Ｌ２を流す３本の供給流路３４Ａ〜３４Ｃの寸法を縦０．４×横０．４ｍｍ、長さを５．３ｍｍとした。合流部３６については円筒形状とし、直径が０．８ｍｍ、深さが０．４ｍｍに設定した。排出流路３８は円筒形状とし、直径が合流部１４と同じ０．８ｍｍとし、長さが１０ｍｍに設定した。
【００４７】
（試験条件）
本発明及び比較例ともに、シミュレーション条件として、液体Ｌ１をジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）とし、その流量を５００ｃｃ／分に設定した。また、液体Ｌ２を水とし、その流量を１０００ｃｃ／分に設定した。
【００４８】
（試験結果）
試験結果を図５に示す。なお、混合性能試験では、本発明のマイクロデバイス１０を使用した場合の混合率と従来のＫＭリアクター３０を使用した場合の混合率との対比比較に加え、本発明のマイクロデバイス１０における流量にバラツキがある場合の混合率についても試験した。即ち、本発明の特徴である、縮流と旋回の二つの作用を併用することで、流量バラツキが混合率に与える影響を低減できるか否かを確認した。なお、混合率とは、液体Ｌ１と液体Ｌ２とが完全に混合した場合１００％としたときの、混合率の割合をいう。
【００４９】
図５の本発明のリアクター（流量バラツキ無）は、液体Ｌ１の２本の供給流路に同流量の５００ｃｃ／分を流し、液体Ｌ２の４本の供給流路に同流量の１０００ｃｃ／分を流し、それぞれの供給流路に均等に液体Ｌ１、液体Ｌ２が供給されるようにした。
【００５０】
また、本発明のリアクター（流量バラツキ有）は、液体Ｌ１を流す２本の供給流路１８Ｂのうち一方の流量を３７５ｃｃ／分に設定し、他方を６２５ｃｃ／分に設定し、２５％のバラツキが生じるようにした。また、液体Ｌ１を挟み込む液体Ｌ２の２本の供給流路１８Ａ，１８Ｃのうち、一方の流量を５００ｃｃ／分に設定し、他方の流量を１５００ｃｃ／分に設定し、５０％のバラツキが生じるようにした。
【００５１】
その結果、図５から分かるように、本発明のリアクター（流量バラツキ無）は、従来のＫＭリアクターと比較し、同等以上の混合率を達成できた。また、本発明のリアクター（流量バラツキ有）のように、流量にバラツキを与えても、混合率への影響が余り無いことも確認できた。
【００５２】
［圧力損失試験］
また、本発明のマイクロデバイスの特徴である圧力損失の低下を確認する圧力損失試験を実施し、従来のＫＭリアクターと比較した。なお、圧力損失試験に使用したリアクターの構成は、本発明及び比較例ともに混合性能試験の場合と同様である。
【００５３】
試験で使用した液体Ｌ１をジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）とし、流量を１００ｃｃ／分に設定した。また、液体Ｌ２を水とし、その流量を２００ｃｃ／分に設定し、実際に送液を行って圧力損失を測定した。
【００５４】
その結果を図５に示す。ここで、図６は、液体Ｌ２のみを流し、液体Ｌ１流す直前の圧力損失である。また、図７は液体Ｌ１のみを流し液体Ｌ２を流す直前の圧力損失の結果である。
【００５５】
図６及び図７から分かるように、本発明のマイクロデバイスは、従来のＫＭリアクターと比較し、圧力損失が顕著に低下していることが確認できた。即ち、本発明のマイクロデバイスは、１つの液体を２つの液体で挟み込むように合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を合流部に形成するので、圧力損失が大きくなるのを効果的に抑制しているものと考察される。
【００５６】
以上より、本発明のマイクロデバイスは、従来のＫＭリアクターと比べて、高い混合性を維持しつつ、流量のバラツキに混合性が影響されず、更には圧力損失を低下することができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のマイクロデバイスの装置本体の一例を示す斜視図
【図２】図１の供給流路及び合流部を説明する断面図
【図３】本発明の作用を説明する説明図
【図４】従来のＫＭリアクターの装置本体を示す斜視図
【図５】本発明のマイクロデバイスの混合率を従来と対比した実施例の説明図
【図６】本発明のマイクロデバイスの圧力損失を従来と対比した実施例の説明図
【図７】本発明のマイクロデバイスの圧力損失を従来と対比した別の実施例の説明図
【符号の説明】
【００５８】
１０…マイクロデバイスの装置本体、１２…供給流路部、１４…合流部、１４Ａ…合流部中心、１６…排出流路部、１８…流路ユニット、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…３本の供給流路、２０…排出流路、Ｌ１…挟み込まれる液体、Ｌ２…挟み込む２本の液体、ＬＭ…合流液体、Ｓ…縮流液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出するマイクロデバイスにおいて、
前記供給流路部は、
１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を合流させる３本の供給流路を１組とした流路ユニットが前記合流部の回りに１組以上配置されると共に、前記流路ユニットから前記合流部に流入する液体の流入方向が前記合流部中心から偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項２】
前記流路ユニットを構成する３本の供給流路のうち、前記挟み込むための２本の供給流路の成す角度が鈍角であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記流路ユニットは前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２組設けられていることを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記マイクロ空間の合流部の等価直径は０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
【請求項５】
複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出する流体混合方法において、
１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を前記供給流路部から前記合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を前記合流部に１つ以上形成すると共に、該縮流液体が前記合流部へ流入する流入方向を前記合流部中心から偏芯させることによって前記合流部に前記縮流液体の旋回流を発生させることを特徴とする液体混合方法。
【請求項６】
前記縮流液体は、前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２つ形成することを特徴とする請求項５の液体混合方法。
【請求項７】
前記旋回流の旋回中心と前記合流部中心とが一致するように、前記合流部に導入する複数種類の液体の流量を制御することを特徴とする請求項５又は６の液体混合方法。
【請求項８】
前記液体は、粘度が３０ｃｐ以下の液体であることを特徴とする請求項５〜７の何れか１の液体混合方法。
【請求項１】
複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出するマイクロデバイスにおいて、
前記供給流路部は、
１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を合流させる３本の供給流路を１組とした流路ユニットが前記合流部の回りに１組以上配置されると共に、前記流路ユニットから前記合流部に流入する液体の流入方向が前記合流部中心から偏芯するように構成されていることを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項２】
前記流路ユニットを構成する３本の供給流路のうち、前記挟み込むための２本の供給流路の成す角度が鈍角であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記流路ユニットは前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２組設けられていることを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記マイクロ空間の合流部の等価直径は０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
【請求項５】
複数種類の液体を供給流路部からマイクロ空間の合流部に合流させ、合流した合流液体を排出流路部を介して合流部から排出する流体混合方法において、
１つの液体を２つの液体で挟み込むように前記複数種類の液体を前記供給流路部から前記合流部に合流させることによって縮流した縮流液体を前記合流部に１つ以上形成すると共に、該縮流液体が前記合流部へ流入する流入方向を前記合流部中心から偏芯させることによって前記合流部に前記縮流液体の旋回流を発生させることを特徴とする液体混合方法。
【請求項６】
前記縮流液体は、前記合流部中心を対称点とした点対称位置に２つ形成することを特徴とする請求項５の液体混合方法。
【請求項７】
前記旋回流の旋回中心と前記合流部中心とが一致するように、前記合流部に導入する複数種類の液体の流量を制御することを特徴とする請求項５又は６の液体混合方法。
【請求項８】
前記液体は、粘度が３０ｃｐ以下の液体であることを特徴とする請求項５〜７の何れか１の液体混合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−８２４９１（Ｐ２０１０−８２４９１Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５０８９２（Ｐ２００８−２５０８９２）
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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