JP3777330B2 - 静力学的マイクロミキサー - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の混合室及び混合すべき又は分散すべき流体をこの混合室に別々に供給するための上流に接続されたガイド構成部を備えた、静力学的マイクロミキサーに関する。
【０００２】
ＤＥ４４１６３４３Ｃ２から、少なくとも１個の混合室及び混合すべき流体をこの混合室に別々に供給するための上流に接続されたガイド構成部を有するマイクロミキサーが公知であり、この際、このガイド構成部は、ｍｍ範囲でそれぞれ約１００μｍの厚さの複数の上下に層積されたシートから構成されて延びており、この中にマイクロ構造としての通路が設けられている。真っ直ぐに延びている断面で一様な供給通路が、マイクロミキサー縦軸に対して斜めに走り、この際、隣のシートの通路は、接触することなく交叉し、かつ共通の混合室中に開口している。これらの通路は、約７０μｍの高さ及び２つの通路間のウエブ厚さ約１５μｍで、２５０μｍよりも小さい幅を有する。個々のシートは、例えば拡散溶接（Diffusionsschweissen)により結合されて、均一な真空密で耐圧性のマイクロ構造体にすることができ、この際、終端として、それぞれの最初の及び最後のシート上にカバープレートが施与されているべきである。
【０００３】
類似のマイクロミキサーがＤＥ１９５４０２９２Ｃ１に記載されており、ここでは、その他は同じ構造及び機能原理で、２つの混合すべき又は分散すべき流体のための供給通路が、湾曲して延びている相互に平行して混合室中に開口している。この配置によって、混合室中での全流路断面にわたって一様な高くて迅速な混合が期待される。案内通路は、２５０μｍより小さい幅の一様な断面を有し、通路構造がその中に入れられるシートは約１００μｍの厚さを有する。
【０００４】
この混合プロセスを至適化するもう一つの可能性が、ＷＯ９７／１７１３０に記載されている。個々の通路をまとめてシート当たり１つのスリット状通路にすることにより、このマイクロミキサーは、個々の通路の間のウエブの排除によって流量と通路壁面との最適比及びそれに伴うガイド構成部中の摩擦圧損失の減少が得られる。
【０００５】
本発明の課題は、最後に記載の技術水準から出発して、当該分野の構造様式の静力学的ミキサーにおいて、混合すべき流体を混合室に供給するためのガイド構成部を、入口側と共通の出口側との間のガイド構成部中での流体の圧力損失を更に低めることが達成されるように構成することにある。この場合に、少なくとも一様な又はできるだけ改良された混合度（混合経過の効率）が得られるべきである。
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の特徴部分により解決され、更に従属請求項にこの解決の有利な実施態様形が記載されている。
【０００７】
このマイクロミキサーのガイド構成部は、この中に配置されている流体入口側と混合室との間にスリット状に延びている通路が、流体出口側の方向でその断面積が小さくなるように構成されている。この場合に、個々の供給通路は、少なくとも２つの流体供給室からマイクロミキサー縦軸に対して斜めに走り、この際、異なる供給室からの流体を含有する隣りの通路とは接触することなく交叉し、かつ共通の出口断面を経て混合室中に開口している。この混合ミキサーと境を接しているスリット状の通路の開口部は、一直線上に重なっている。流れを細分する構築体（例えば格子）の形状でのこの混合室中の第２の混合段の導入により、この混合室中の乱流が高められ、これに伴い混合効率が高められる。
【０００８】
入口側の方に向かって通路断面積を拡大することにより、この中を流れる流体の流速は、同じ流量の際には、通路の拡大に伴って減少する。より大きい通路断面積及びより低い流速により、ガイド構成部の入口側と出口側との間の流体中の摩擦圧損失は低下する。更に、この通路の局所的拡大により、不純物による閉塞の危険も減少する。
【０００９】
本発明によるマイクロミキサーの１実施例及びその製法を、次の図面につき説明する：
図１は、このマイクロミキサーのガイド構成部を、遠近法で拡大して、原理的スケッチとして示している。
【００１０】
図２は、それぞれ通路入口側（図２ａ）及び通路出口側（図２ｂ）からみたガイド構成部の平面図を示している。
【００１１】
図３は、流れ方向に合わされた案内ウエブを備えている通路出口側の３種の異なる実施形の３例を示している。
【００１２】
図４は、ガイド構成部、混合室及び導入部及び排出部を有するマイクロミキサーを示している。通路出口側の後で流体流れの中に、付加的に１つの格子が配置されている。
【００１３】
図５は、ガイド構成部の詳細な製造法を図示している。
【００１４】
図６は、平均総エネルギー密度Ｅ［Ｊ／ｍ^３］上にプロットされた、マイクロミキサーの混合度の測定のために使用された試験反応の製品Ｑの製品選択性Ｘ（Ｑ）［−］を公知のマイクロミキサー実施形と比べて示している図表である。
【００１５】
図１〜４によれば、ガイド構成部１は、金属、プラスチック又はセラミックから成っている。個々の流体ａ及びｂの流れ方向は、通路入口側２ａ及び２ｂから通路出口側３ａ及び３ｂまで延びて、共通の混合室４中に入り、共通の流体流れｃを形成する。通路５ａ及び５ｂは、図６中に記載の測定曲線のデータの調査のために利用される実施形の出口側に９ｍｍのスリット幅で約１５０μｍの高さを有し、入口側上にスリット幅約１１ｍｍで約１．５ｍｍの高さを有する。この場合に、出口側上の２つの通路の間の壁厚は約１５０μｍである。
【００１６】
通路出口側３ａ及び３ｂのところの流体ａ及びｂの流れの所望の案内のために、これらの通路は、流体の流れ方向（矢印ａ及びｂ）に合わされたウエブ６を備えていよい。図３は、通路出口側のこれら案内ウエブの種々の３つの設計を示している。更に、図４に記載のマイクロミキサーの全設計で記載されている様に、混合室４中には、流れを細分する、例えば格子１３の形の構築物が配置されていてよい。
【００１７】
ガイド構成部が金属又は電導性のセラミックから成っている場合には、これは、例えば図５に示されているように、電食（Drahterosion)を用いて流体流れａ又はｂに対して１つのみの断面を有して製造することができる。この製造法のために、ガイド構成部１を得るための導電性で自由旋回性のつかみ装置７を備えることができる。このために先ず流体流れの各々の通路群５ａ又は５ｂを得るために、この電食法のための出発点として穴８ａ又は８ｂを備えており、この中にワイヤ９が通し入れられる。後の使用のために、この穴８ａ及び８ｂ並びに補助的切断面１０ａ又は１０ｂは、入口側でも又は出口側でもそれぞれ１つのプレート１１又は１２で被われるべきであり、この際に、この通路入口側２ａ及び２ｂ及び通路出口側３ａ又は３ｂの領域がこの中に空けられている（図４参照）。
【００１８】
種々のタイプのマイクロミキサーの混合効率の比較評価のために、１つの試験法で１−又は２−ナフトール（物質ｘ又はｘ’）と４−スルホン酸ベンゾールジアゾニウム塩（物質ｙ）とのアゾカップリング反応を用いた。この反応は次に記載の反応式の平行反応である：
ｘ ＋ ｙ → Ｒ
ｘ’＋ ｙ → Ｑ
第２の生成物Ｑは、簡単に吸収スペクトルを用いて分析することができる。この場合に、この混合経過の度合いは、生成物Ｑの選択性Ｘ（Ｑ）により評価され：全ての関与物質ｘ、ｘ’及びｙのただちのかつ完全な混合を１つの混合室中で行うと、選択された濃度割合での選択性Ｘ（Ｑ）に関して０.１の値が生じる。生成物Ｑから生成物Ｒの不都合が多く形成されるほど、混合度は悪くなる。
【００１９】
平均総エネルギー密度Ｅ：
Ｅ＝Δ_ｐ１・_{（Ｖ１／Ｖｇｅｓ）}＋Δ_ｐ２・_{（Ｖ２／Ｖｇｅｓ）} ［Ｊ／ｍ^３］
（ｐｉ＝通過ｉの圧力損失、Ｖｉ＝通過ｉの流量、Ｖ_ｇｅｓ＝総流量）上にプロットされる生成物Ｑの選択性Ｘ（Ｑ）［−］が、図６中で、後続の格子１３を有する又は有しない請求項１に記載のマイクロミキサー（点群Ｂ又はＣ）に関して、ＤＥ４４１６３４３Ｃ２からのマイクロミキサー（点群Ａ）と比較してプロットされている。高い効率を有するマイクロミキサーは、一方では混合経過でのできるだけ低い圧力損失、エネルギー消費又は総エネルギー密度に関する尺度により証明され、他方では、生成物Ｑの低い選択性Ｘ（Ｑ）により証明されている。本発明によるマイクロミキサーの特定の選択性Ｘ（Ｑ）又は特定の混合度は、公知のマイクロミキサーコンセプトの場合よりも著しく僅かな総エネルギー密度Ｅの場合に既に達成されることが明らかに認められる。混合経過の効率は、ガイド構成部の出口側の後で格子１３が貫通する場合になお高めることができる。この変更は、完全なマイクロミキサーの設計で図４に記載されている。使用されている格子１３は、約２００μｍの網目幅を有し、混合室４中にガイド構成部１の通路出口側３ａ、ｂに対して約１０００μｍの間隔をとって存在する。更に、図４には、導管１４ａ及び１４ｂ、流体流れａ及びｂ並びに流出導管１５が記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロミキサーのガイド構成部を、遠近法で拡大して、原理的スケッチとして示している図。
【図２】 それぞれ通路入口側（図２ａ）及び通路出口側（図２ｂ）からみたガイド構成部の平面図。
【図３】 流れ方向に合わされた案内ウエブを備えている通路出口側の３種の異なる実施形を示している図。
【図４】 ガイド構成部、混合室及び導入部及び排出部を有するマイクロミキサーを示している図。
【図５】 ガイド構成部の詳細な製造法を示している図。
【図６】 平均総エネルギー密度Ｅ［Ｊ／ｍ^３］上にプロットされた、マイクロミキサーの混合度の測定のために使用された試験反応の製品Ｑの製品選択性Ｘ（Ｑ）［−］を、公知のマイクロミキサー実施形と比べて示している図表。
【符号の説明】
１ ガイド構成部、 ２ａ、２ｂ スリット状通路入口側、 ３ａ、３ｂ 通路出口側、 ４ 混合室、 ５ａ、５ｂ スリット状通路、 ６ ウエブ、 １３ 格子

Claims (6)

1. 静力学的マイクロミキサーであって、少なくとも１つの混合室（４）及び混合すべき又は分散すべき流体（ａ）及び（ｂ）を別々に供給するための上流に接続されたガイド構成部（１）を有し、前記構成部がマイクロミキサー縦軸に対して斜めに走っている液体当たり２以上のスリット状の通路（５ａ）及び液体当たり２以上のスリット状の通路（５ｂ）で貫通されていて、ここで通路（５ａ）及び（５ｂ）は接触することなく互いに交叉し、混合室（４）内に開口しており、そこに共通の出口断面を形成し、かつ出口側（３ａ、ｂ）に、５００μｍより小さい隣の出口通路の間の壁厚を有している、静力学的マイクロミキサーにおいて、混合すべき物質流（ａ）及び（ｂ）の少なくとも一部分のためのガイド構成部（１）中の通路（５ａ）及び（５ｂ）は、その断面で通路入口側（２ａ）及び（２ｂ）を含みその方向に向かって連続的に断面積を拡大しており、通路入口側（２ａ）及び（２ｂ）で再び縮小していないことを特徴とする、静力学的マイクロミキサー。
2. スリット状の通路（５ａ）及び（５ｂ）は通路出口側（３ａ、３ｂ）で、全長又は部分長にわたり流れ方向に合わされている案内ウエブ（６）を有している、請求項１に記載のマイクロミキサー。
3. 流れ方向で見てガイド構成部（１）の出口開口部（３ａ）又は（３ｂ）の後に格子（１３）、ネット又は同様な作用の流れを細分する構築物が配置されている、請求項１に記載のマイクロミキサー。
4. ガイド構成部（１）は、金属粉末の層状レーザ融解により製造されていて、この際、通路領域（５ａ）及び（５ｂ）は融解されず、かつ、この融解されなかった粉末の後の除去により形成されている、請求項１又は２に記載のマイクロミキサー。
5. ガイド構成部（１）は、レーザーステレオリソグラフィ法（迅速プロトタイピング）を用いてプラスチックの層状硬化によりプラスチックから製造されており、この際、通路領域（５ａ）及び（５ｂ）には光照射されず、従って硬化されず、かつ、この光照射されずに硬化されなかったプラスチックの後の除去により形成されている、請求項１又は２に記載のマイクロミキサー。
6. ガイド構成部（１）は、セラミック粉末の層状レーザー焼結により製造されており、この際、通路領域（5ａ）及び（５ｂ）は、かつ、焼結されず、この焼結されなかったセラミック粉末の後の除去により形成されている、請求項１又は２に記載のマイクロミキサー。

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