(57)【要約】【課題】混合時間の短縮を図ることができるマイクロリアクタを提供する。【解決手段】微細流路にて複数種類の流体を導入し混合させるマイクロリアクタ１において、軸方向に延在する混合流路３６，４１，４４と、円周方向に離間して配置され第１種の流体を供給する第１供給流路３３Ａ，３４Ａ及び第１供給流路３３Ｂ，３４Ｂ，３９と、円周方向に離間して配置され、第２種の流体を供給する第２供給流路３５Ａ及び第２供給流路３５Ｂ，４０と、前記第１供給流路から供給された第１種の流体を前記混合流路に導入する第１導入流路３７，４２と、前記第２供給流路から供給された第２種の流体を前記混合流路に導入する第２導入流路３８，４３とを有し、第１導入流路３７，４２及び第２導入流路３８，４３は、軸方向に複数段で配置するとともに、各段において円周方向に交互に配置する。【選択図】図３
2010000428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細流路にて複数種類の流体を導入し混合させるマイクロリアクタにおいて、
一方向に延在する混合流路と、
前記混合流路を中心とする円周方向に互いに離間して形成され、第１種の流体を供給する複数の第１供給流路と、
前記混合流路を中心とする円周方向に互いに離間して形成され、第２種の流体を供給する複数の第２供給流路と、
前記混合流路にて初めて第１種の流体と第２種の流体が合流するように、前記複数の第１供給流路のそれぞれから供給された第１種の流体を前記混合流路に導入する複数の第１導入流路、及び前記複数の第２供給流路のそれぞれから供給された第２種の流体を前記混合流路に導入する複数の第２導入流路とを有し、
前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路は、前記混合流路の流れ方向に複数段で配置するとともに、各段において前記混合流路を中心とする円周方向に交互に配置したことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロリアクタにおいて、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路は、前記混合流路の流れ方向に交互に配置したことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロリアクタにおいて、前記混合流路内の流れが乱流となるように構成されたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のマイクロリアクタにおいて、前記複数の第１供給流路、前記複数の第２供給流路、及び前記混合流路を部分的に構成するとともに各段における前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路を構成する貫通孔が形成された少なくとも２つの合流流路部材と、前記複数の第１供給流路、前記複数の第２供給流路、及び前記混合流路をそれぞれ部分的に構成する複数の貫通孔が形成されるとともに、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路の流路壁を構成する少なくとも１つの隔壁部材とを備え、前記合流流路部材と前記隔壁部材とを交互に積層したことを特徴とするマイクロリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学合成や化学分析等に用いるマイクロリアクタに係わり、特に、微細流路にて複数種類の流体を導入し混合させるマイクロリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、流路断面寸法が数μｍ〜数百μｍの微細流路を有し、この微細流路にて複数種類の流体を導入して混合（接触）させ、化学反応を生じさせるマイクロリアクタ（反応器）が注目されている。このマイクロリアクタでは、流路断面寸法が小さくなることから、混合時間が短くなり、特に逐次反応系においては反応収率を高めるといった効果が期待できる。
【０００３】
例えば層流条件での流体同士の混合は分子拡散によるものが主となり、混合時間ｔｍ［ｓ］は下記の式（１）で表される。式（１）において、Ｗは拡散距離［ｍ］、Ｄは分子拡散係数［ｍ２／ｓ］である。
【０００４】
【数１】
2010000428.tif 000003
【０００５】
混合時間は、上記式（１）で示すように、拡散距離（言い換えれば、接触する複数種類の流体の中心間距離）の２乗に比例する。そのため、例えばＹ字型やＴ字型の合流流路を有するマイクロリアクタでは、流路断面寸法を小さくすれば拡散距離が小さくなり、混合時間を短くすることが可能となる。しかし、流路断面寸法を小さくすると、線流速が速くなって圧力損失が大きくなるため、流量を増大することが困難になる。
【０００６】
そこで、第１種の流体を導入する第１の導入流路（分岐流入孔）と第２種の流体を導入する第２の導入流路（分岐流入孔及び流路）を混合流路の幅方向に交互に配置して混合流路に接続し、その混合流路の幅寸法を流れ方向に徐々に小さくなるように形成したマイクロリアクタが提唱されている（例えば、特許文献１参照）。このマイクロリアクタの混合流路では、第１種の流体と第２種の流体を多層状に合流させて縮流させることにより、拡散距離を小さくすることができ、混合時間を短くすることができるようになっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１８０３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。すなわち、上記マイクロリアクタでは、第１の導入流路及び第２の導入流路を混合流路の幅方向に交互に配置して混合流路に接続しており、混合流路の上流側幅寸法を導入流路の数のぶんだけ拡大させている。そのため、合流直後の領域においては流路幅寸法が大きく、拡散距離が大きくなるため、混合時間の短縮の点で改善の余地があった。
【０００９】
本発明の目的は、混合時間の短縮を図ることができる反応器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、微細流路にて複数種類の流体を導入し混合させるマイクロリアクタにおいて、一方向に延在する混合流路と、前記混合流路を中心とする円周方向に互いに離間して形成され、第１種の流体を供給する複数の第１供給流路と、前記混合流路を中心とする円周方向に互いに離間して形成され、第２種の流体を供給する複数の第２供給流路と、前記混合流路にて初めて第１種の流体と第２種の流体が合流するように、前記複数の第１供給流路のそれぞれから供給された第１種の流体を前記混合流路に導入する複数の第１導入流路、及び前記複数の第２供給流路のそれぞれから供給された第２種の流体を前記混合流路に導入する複数の第２導入流路とを有し、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路は、前記混合流路の流れ方向に複数段で配置するとともに、各段において前記混合流路を中心とする円周方向に交互に配置する。
【００１１】
このように本発明においては、複数の第１導入流路及び複数の第２導入流路は、混合流路の流れ方向に複数段で配置するとともに、各段において混合流路を中心とする円周方向に交互に配置する。これにより、上記特許文献１に記載の従来技術とは異なり、混合流路の断面寸法を拡大することなく第１種の流体及び第２種の流体を多層状に合流させることができるため、合流直後の領域においても拡散距離を小さくすることができる。したがって、混合時間の短縮を図ることができる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路は、前記混合流路の流れ方向に交互に配置する。
【００１３】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記混合流路内の流れが乱流となるように構成される。
【００１４】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記複数の第１供給流路、前記複数の第２供給流路、及び前記混合流路を部分的に構成するとともに各段における前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路を構成する貫通孔が形成された少なくとも２つの合流流路部材と、前記複数の第１供給流路、前記複数の第２供給流路、及び前記混合流路をそれぞれ部分的に構成する複数の貫通孔が形成されるとともに、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路の流路壁を構成する少なくとも１つの隔壁部材とを備え、前記合流流路部材と前記隔壁部材とを交互に積層する。
【００１５】
このようなマイクロリアクタの構成により、導入流路の段数を容易に変更することができ、要望される反応流体の生産量に容易に対応することができる。また、合流流路部材等を複数段で共用することができ、製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、混合時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明のマイクロリアクタの一実施形態が適用されたマイクロリアクタシステムの構成を表す概略図である。
【００１９】
この図１において、マイクロリアクタシステムは、流路断面寸法が数μｍ〜数百μｍの微細流路にて第１種の流体及び第２種の流体を導入し混合させるマイクロリアクタ１と、このマイクロリアクタ１に第１種の流体を供給する第１供給系統２と、マイクロリアクタ１に第２種の流体を供給する第２供給系統３と、マイクロリアクタ１で混合された混合流体（反応流体）を排出する排出系統４とを備えている。
【００２０】
第１供給系統２は、第１種の流体を貯留するタンク５と、このタンク５に貯留された第１種の流体を配管６及び継手７等を介しマイクロリアクタ１に供給する送液ポンプ８とを有している。第２供給系統３は、第２種の流体を貯留するタンク９と、このタンク９に貯留された第２種の流体を配管１０及び継手１１等を介しマイクロリアクタ１に供給する送液ポンプ１２とを有している。排出系統４は、マイクロリアクタ１で混合された混合流体（反応流体）を継手１３及び配管１４等を介し排出するためのものであり、この排出された反応流体を貯留するタンク１５を有している。
【００２１】
第１供給系統２の配管６の途中には、第１種の流体を加熱又は冷却する予熱部１６が設けられており、第２供給系統３の配管１０の途中には、第２種の流体を加熱又は冷却する予熱部１７が設けられている。また、排出系統４の配管１４の途中には、混合流体の反応時間を調節するための滞留部１８が設けられている。そして、マイクロリアクタ１、予熱部１６，１７、及び滞留部１８等は、恒温水槽１９内に設置されて、その加熱・冷却源２０が温調器２１によって制御されることにより、所定温度に調節されるようになっている。
【００２２】
このようなマイクロリアクタシステムにおいては、流体の種類や濃度などを適宜選択することで、様々な化学反応が実施可能となる。なお、恒温水槽１９の温度や送液ポンプ８，１２の流量は、選択した反応系に応じて設定する。
【００２３】
図２は、上記マイクロリアクタ１の構成を表す斜視図であり、図３は、図２中断面III−IIIによる軸方向断面図である。図４〜図８は、第１バッファ部材、第２バッファ部材、第１段合流流路部材、第２段合流流路部材、及び混合流路部材の構造をそれぞれ表す平面図である。なお、図３において、実線の矢印は第１種の流体の流れを示し、点線の矢印は第２種の流体の流れを示し、白抜きの矢印は混合流体（反応流体）の流れを示している。また、図３〜図８においては、ボルト挿通孔等の図示を便宜上省略している。
【００２４】
図２〜図８において、略円柱形のマイクロリアクタ１は、第１バッファ部材２２、第２バッファ部材２３、第１段合流流路部材２４、第２段合流流路部材２５、及び混合流路部材２６が軸方向（図２及び図３中上下方向）に積層されて構成されている。各部材２２〜２６の対応する位置にはボルト挿通孔（図示せず）が形成されており、これら部材２２〜２６のボルト挿通孔にボルト２７が挿通されて部材２２〜２６を互いに締結するようになっている。また、部材２２〜２６の隙間からの流体の漏れを防止するため、部材２２〜２５の上面にはＯリング２８Ａ〜２８Ｇが設けられている。
【００２５】
第１バッファ部材２２は、上面に開口するように形成された第１バッファ室２９と、この第１バッファ室２９に連通して下面に開口するように形成された第１バッファ供給口３０とを有している。そして、上記第１供給系統２からの第１種の流体が第１バッファ供給口３０を経由して第１バッファ室２９に供給されて一時的に貯められるようになっている。また、第１バッファ部材２２の上面には、第１バッファ室２９の開口に対して外周側に位置する環状溝が形成されており、この環状溝にＯリング２８Ａが挿入されている。
【００２６】
第２バッファ部材２３は、上面に開口するように形成された第２バッファ室３１と、この第２バッファ室３１に連通して側面に開口するように形成された第２バッファ供給口３２とを有している。そして、上記第２供給系統３からの第２種の流体が第２バッファ供給口３２を経由して第２バッファ室３１に供給されて一時的に貯められるようになっている。また、第２バッファ部材２３の第２バッファ室３１は、第１バッファ部材２２の第１バッファ室２９と比べて径寸法が小さくなっている。そして、第２バッファ部材２３の外周側領域（言い換えれば、バッファ室３２に対して外周側に位置する領域）には、周方向に互いに離間して配置されて（言い換えれば、中心部からの距離がほぼ等しくなる位置に配置されて）、第１バッファ部材２２の第１バッファ室２９に連通するように軸方向に貫通した例えば８つの第１供給孔３３Ａ，３３Ｂ（ここで、３３Ａと３３Ｂは、周方向に交互に配置されたものとして称す）が形成されている。また、第２バッファ部材２３の上面には、第２バッファ室３１の開口に対して外周側に位置する環状溝が形成されており、この環状溝にＯリング２８Ｂが挿入されている。また、第２バッファ部材２３の上面には、第１供給孔３３Ａ，３３Ｂのそれぞれの開口に対し外周側に位置する８つの環状溝が形成されており、これら環状溝にＯリング２８Ｃが挿入されている。
【００２７】
第１段合流流路部材２４は、第２バッファ部材２３の第１供給孔３３Ａ，３３Ｂとほぼ同じ断面位置に配置されて、第１供給孔３３Ａ，３３Ｂにそれぞれ連通するように軸方向に貫通した８つの第１供給孔３４Ａ，３４Ｂ（ここで、第１供給孔３４Ａは第１供給孔３３Ａに連通し、第１供給孔３４Ｂは第１供給孔３３Ｂに連通するものとして称す）と、これら第１供給孔３４Ａ，３４Ｂより内側に位置し且つ周方向に互いに離間して配置されて（言い換えれば、中心部からの距離がほぼ等しくなる位置に配置されて）、第２バッファ部材２３の第２バッファ室３１に連通するように軸方向に貫通した８つの第２供給孔３５Ａ，３５Ｂ（ここで、３５Ａと３５Ｂは、周方向に交互に配置されたものとして称す）と、上面中心部に形成された混合溝３６とを有している。そして、第１段合流流路部材２４の上面には、４つの第１供給孔３４Ａのそれぞれと混合溝３６とを連通させる４つの第１導入溝３７と、４つの第２供給孔３５Ａのそれぞれと混合溝３６とを連通させる４つの第２導入溝３８とが形成されている。また、第１段合流流路部材２４の上面には、第１供給孔３４Ｂのそれぞれの開口に対して外周側に位置する４つの環状溝が形成されており、これら環状溝にＯリング２８Ｄが挿入されている。また、第１段合流流路部材２４の上面には、第２供給孔３５Ｂのそれぞれの開口に対して外周側に位置する４つの環状溝が形成されており、これら環状溝にＯリング２８Ｅが挿入されている。また、第１段合流流路部材２４の上面には、第１導入溝３７及び第２導入溝３８等に対して外周側に位置する環状溝が形成されており、この環状溝にＯリング２８Ｆが挿入されている。
【００２８】
第２段合流流路部材２５は、第１段合流流路部材２４の第１供給孔３４Ｂとほぼ同じ断面位置に配置されて、第１供給孔３４Ｂにそれぞれ連通するように軸方向に貫通した４つの第１供給孔３９と、第１段合流流路部材２４の第２供給通孔３５Ｂとほぼ同じ断面位置に配置されて、第２供給通孔３５Ｂにそれぞれ連通するように軸方向に貫通した４つの第２供給孔４０と、中心部に位置し、第１段合流流路部材２４の混合溝３６に連通するように軸方向に貫通した混合孔４１とを有している。そして、第２段合流流路部材２５の上面には、第１供給孔３９のそれぞれと混合孔４１とを連通させる４つの第１導入溝４２と、第２供給孔４０のそれぞれと混合孔４１とを連通させる４つの第２導入溝４３とが形成されている。このとき、混合孔４１における第１導入溝４２の連通位置は、上述した混合溝３６における第２導入溝３８の連通位置と重なるようになっている。また、混合孔４１における第２導入溝４３の連通位置は、上述した混合溝３６における第１導入溝３７の連通位置と重なるようになっている。また、第２段合流流路部材２５の上面には、第１導入溝４２及び第２導入溝４３等に対して外周側に位置する環状溝が形成されており、この環状溝にＯリング２８Ｇが挿入されるようになっている。
【００２９】
混合流路部材２６は、中心部に位置し、第２段合流流路部材２５の混合孔４１に連通するように軸方向に貫通した混合孔４４を有している。
【００３０】
なお、部材２２〜２６の材質は、流体の種類に応じて、例えば、ステンレス鋼等の金属、ガラス、シリコン、又は樹脂を用いればよい。また、部材２２〜２６の微細流路は、例えば、エンドミル等の機械加工、放電加工、エッチング、又は鋳型成型で加工して形成する。
【００３１】
以上のように構成されたマイクロリアクタ１においては、混合溝３６、混合孔４１、及び混合孔４４は、軸方向に延在する混合流路を構成している。また、第１導入溝３７は、第１種の流体を混合流路に導入する第１段の第１導入流路を構成し、第１供給孔３３Ａ，３４Ａは、第１バッファ室２９に供給された第１種の流体を第１段の第１導入流路に供給する第１供給流路を構成する。また、第１導入溝４２は、第１種の流体を混合流路に導入する第２段の第１導入流路を構成し、第１供給孔３３Ｂ，３４Ｂ，３９は、第１バッファ室２９に供給された第１種の流体を第２段の第１導入流路に供給する第１供給流路を構成する。
【００３２】
また、第２導入溝３８は、第２種の流体を混合流路に導入する第１段の第２導入流路を構成し、供給孔３５Ａは、第２バッファ室３１に供給された第２種の流体を第１段の第２導入流路に供給する第２供給流路を構成する。また、第２導入溝４３は、第２種の流体を混合流路に導入する第２段の第２導入流路を構成し、供給孔３５Ｂ，４０は、第２バッファ室３１に供給された第２種の流体を第２段の第２導入流路に供給する第２供給流路を構成する。
【００３３】
そして、第１段における第１導入流路３７と第２導入流路３８は周方向に交互に配置されており、第１導入流路３７及び第２導入流路３８から混合流路に導入された第１種の流体及び第２種の流体は、図９に示すように、混合流路内で周方向に多層状（本実施形態では、８つの層状）となるように合流する。また、第２段における第１導入流路４２と第２導入流路４３は周方向に交互に配置されており、第１導入流路４２及び第２導入流路４３から混合流路に導入された第１種の流体及び第２種の流体は、図１０に示すように、混合流路内の外周側領域で周方向に多層状（本実施形態では、８つの層状）となるように合流する。このとき、軸方向においては第１段の第１導入流路３７と第２段の第２導入流路４３が重なるように、第１段の第２導入流路３８と第２段の第１導入流路４２が重なるように配置されていることから、混合流路に導入された第１種の流体と第２種の流体は径方向に交互となるように合流する。
【００３４】
このように本実施形態においては、上記特許文献１に記載の従来技術とは異なり、混合流路の断面寸法を拡大することなく第１種の流体及び第２種の流体を多層状に合流させることができる。そのため、合流直後の領域においても拡散距離を小さくすることができ、混合時間の短縮を図ることができる。特に、逐次反応系では、反応収率を高めることができる。
【００３５】
また、本実施形態では、上述した第１供給流路、第２供給流路、第１導入流路、及び第２導入流路内の流れが層流条件（レイノルズ数が２３００未満）となるように、かつ混合流路内の流れが乱流条件（レイノルズ数が２３００以上）となるように、それらの流路断面寸法並びに第１種の流体及び第２種の流体の供給流量を設定している。これにより、第１供給流路、第２供給流路、第１導入流路、及び第２導入流路導入流路における圧力損失を小さくすることができる。また、混合流路における混合性能を高めることができる。すなわち、混合流路内の流れを乱流条件とした場合、混合時間を表す上記式（１）に含まれる分子拡散係数はそれより大きな乱流拡散係数に置き換わる。したがって、混合流路内の流れを層流条件とする場合と比べて、混合時間の短縮を図ることができる。
【００３６】
上述した本実施形態の効果を、数値解析を用いて説明する。まず、比較例として、第１導入流路及び第２導入流路を１段設けたマイクロリアクタを解析した。図１１は、比較例によるマイクロリアクタの解析体系を表す斜視図である。この図１１において、黒塗りの矢印は第１種の流体の流れを示し、白抜きの矢印は第２種の流体の流れを示し、点線の矢印は混合流体の流れを示している。この解析体系では、第１導入流路４５及び第２導入流路４６は、混合流路４７の流れ方向に１段で配置するとともに、混合流路４７を中心とする円周方向に交互に配置している。また、第１導入流路４５及び第２導入流路４６は、流路断面を２５０μｍ×２５０μｍの正方形とし、流路長を１３ｍｍとしている。また、混合流路４７は、流路断面を直径１ｍｍの円形とし、流路長を８０ｍｍとしている。また、第１種の流体及び第２種の流体の物性は同一とし、密度を１０３ｋｇ／ｍ３、粘度を１０−３Ｐａ・ｓとしている。そして、第１種の流体にトレーサとなる物質Ａを１ｋｍｏｌ／ｍ３の濃度で混合し、物質Ａの分子拡散係数を１０−９ｍ２／ｓとした。
【００３７】
そして、例えば第１導入流路４５及び第２導入流路４６における入口での流速を１．８１ｍ／ｓに設定すると、第１導入流路４５及び第２導入流路４６でのレイノルズ数は４５２となって層流条件となり、混合流路４７でのレイノルズ数は１１５０となって層流条件となる。一方、例えば第１導入流路４５及び第２導入流路４６における入口での流速を３．６１ｍ／ｓに設定すると、第１導入流路４５及び第２導入流路４６でのレイノルズ数は９０３となって層流条件となり、混合流路４７でのレイノルズ数は２３００となって乱流条件となる。このようにして混合流路４７内の流れを層流条件又は乱流条件に設定して数値解析を行ったところ、図１３に示すような解析結果が得られた。
【００３８】
図１３は、混合流路４７の流れ方向に、すなわち滞留時間の経過に応じて流体の濃度ムラが減少していく様子を表している。なお、濃度ムラは、下記の式（２）で定義している。式（２）において、Ｃａｖは流路断面での物質Ａの平均濃度［ｋｍｏｌ／ｍ３］、Ｃは流路断面での物質Ａの局所濃度［ｋｍｏｌ／ｍ３］、ｕは流路断面での局所流速［ｍ／ｓ］である。また、式（２）における積分記号は流路断面について積分することを意味する。
【００３９】
【数２】
2010000428.tif 000004
【００４０】
図１３において、第１種の流体と第２種の流体の合流直後では滞留時間が０であり、濃度ムラが１である。そして、滞留時間が経過して（言い換えれば、混合流路４７の流れ方向に進んで）第１種の流体と第２種の流体が完全に混合すると、濃度が均一となって濃度ムラが０となる。図１３に示すように、混合流路４７内の流れを層流条件とする場合に比べ、乱流条件とする場合のほうが、濃度ムラの変化率（曲線の傾き）が大きく、混合時間を短縮できることがわかる。
【００４１】
次に、上記一実施形態に相当するものとして、第１導入流路及び第２導入流路を２段設けたマイクロリアクタを解析した。図１２は、上記一実施形態に相当するマイクロリアクタの解析体系を表す斜視図である。この図１２において、黒塗りの矢印は第１種の流体の流れを示し、白抜きの矢印は第２種の流体の流れを示し、点線の矢印は混合流体の流れを示している。この解析体系では、第１導入流路４５及び第２導入流路４６は、混合流路４７の流れ方向に２段で配置するとともに、各段において混合流路４７を中心とする円周方向に交互に配置し、さらに混合流路４７の流れ方向に交互に配置している。また、上記比較例と同様、第１導入流路４５及び第２導入流路４６は、流路断面を２５０μｍ×２５０μｍの正方形とし、流路長を１３ｍｍとしている。また、混合流路４７は、上記比較例と同様、流路断面を直径１ｍｍの円形とし、流路長を８０ｍｍとしている。第１種の流体及び第２種の流体の物性は同一とし、密度を１０３ｋｇ／ｍ３、粘度を１０−３Ｐａ・ｓとしている。そして、第１種の流体にトレーサとなる物質Ａを１ｋｍｏｌ／ｍ３の濃度で混合し、物質Ａの分子拡散係数を１０−９ｍ２／ｓとした。
【００４２】
そして、例えば第１導入流路４５及び第２導入流路４６における入口での流速を１．８１ｍ／ｓに設定すると、第１導入流路４５及び第２導入流路４６でのレイノルズ数は４５２となって層流条件となり、混合流路４７でのレイノルズ数は２３００となって乱流条件となる。このようにして混合流路４７内の流れを乱流条件に設定して数値解析を行ったところ、前述の図１３に示すような解析結果が得られた。図１３に示すように、第１導入流路４５及び第２導入流路４６を１段設けた場合に比べ、２段設けた場合のほうが、濃度ムラの変化率が大きくなり、混合時間を短縮できることがわかる。
【００４３】
なお、上記一実施形態においては、ボルト２７を介して部材２２〜２６を互いに締結し、部材２２〜２６の隙間からの流体の漏れを防止するためにＯリング２８Ａ〜２８Ｇを設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、Ｏリングに代えて、例えば部材２２〜２６の間にシール材を挟み込むようにしてもよい。また、Ｏリングやシール材を設けないで、例えば部材２２〜２６の接触面を鏡面仕上げにして密着性を高めるようにしてもよい。これらの場合も、上記一実施形態と同様、ボルト２７を取り外して部材２２〜２６を分解することが可能なため、流路の点検や洗浄を容易に行うことができる。一方、例えば流路の点検や洗浄が不要であるならば、接着剤、レーザ接合、拡散接合、又は溶着等の方法によって部材２２〜２６を互いに接着してもよい。
【００４４】
また、上記一実施形態においては、第１導入流路及び第２導入流路を２段で配置し、各段において第１導入流路及び第２導入流路を４つずつ配置した構造を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば第１導入流路及び第２導入流路を３段以上で配置してもよい。また、例えば各段において第１導入流路及び第２導入流路が少なくとも２つずつあれば、幾つにしてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００４５】
次に、他の実施形態を図１４〜図２２により説明する。
【００４６】
図１４は、本実施形態によるマイクロリアクタの構成を表す斜視図であり、図１５は、図１４中断面XV−XVによる軸方向断面図である。また、図１６〜図２２は、第１バッファ部材、第２バッファ部材、第１隔壁部材、前段合流流路部材、第２隔壁部材、後段合流流路部材、及び混合流路部材の構造をそれぞれ表す平面図である。なお、図１５において、実線の矢印は第１種の流体の流れを示し、点線の矢印は第２種の流体の流れを示し、白抜きの矢印は混合流体（反応流体）の流れを示している。また、図１５〜図２２においては、ボルト挿通孔等の図示を便宜上省略している。
【００４７】
本実施形態において、略円柱形のマイクロリアクタ１Ａは、第１バッファ部材４８、第２バッファ部材４９、第１隔壁部材５０、前段合流流路部材５１、第２隔壁部材５２、後段合流流路部材５３、及び混合流路部材５４が軸方向（図１４及び図１５中上下方向）に積層されて構成されている。なお、第１隔壁部材５０、前段合流流路部材５１、第２隔壁部材５２は、及び後段合流流路部材５３は、薄板部材である。また、各部材４８〜５４の対応する位置にはボルト挿通孔（図示せず）が形成されており、これら部材４８〜５４のボルト挿通孔にボルト５５が挿通されて部材４８〜５４を互いに締結するようになっている。また、部材４８〜５４の隙間からの流体の漏れを防止するため、部材４８〜５４の接触面を鏡面仕上げにして密着性が高められている。
【００４８】
第１バッファ部材４８は、上面に開口するように形成された第１バッファ室５６と、この第１バッファ室５６に連通して下面に開口するように形成された第１バッファ供給口５７とを有している。そして、第１供給系統２からの第１種の流体が第１バッファ供給口５７を経由して第１バッファ室５６に供給されて一時的に貯められるようになっている。
【００４９】
第２バッファ部材４９は、上面に開口するように形成された第２バッファ室５８と、この第２バッファ室５８に連通して側面に開口するように形成された第２バッファ供給口５９とを有している。そして、上記第２供給系統３からの第２種の流体が第２バッファ供給口５９を経由して第２バッファ室５８に供給されて一時的に貯められるようになっている。また、第２バッファ部材４９の第２バッファ室５８は、第１バッファ部材４８の第１バッファ室５６と比べて径寸法が小さくなっている。そして、第２バッファ部材４９の外周側領域（言い換えれば、第２バッファ室５８に対して外周側に位置する領域）には、周方向に互いに離間して配置されて（言い換えれば、中心部からの距離がほぼ等しくなる位置に配置されて）、第１バッファ部材４８の第１バッファ室５６に連通するように軸方向に貫通した例えば４つの第１供給孔６０が形成されている。
【００５０】
第１隔壁部材５０は、第２バッファ部材４９の第１供給孔６０とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第１供給孔（貫通孔）６１と、これら第１供給孔６１より内側に位置し且つ周方向に互いに離間して形成された（言い換えれば、中心部からの距離がほぼ等しくなる位置に形成された）４つの第２供給孔（貫通孔）６２とを有している。
【００５１】
前段合流流路部材５１には貫通孔が形成されており、この貫通孔は、第１隔壁部材５０の第１供給孔６１とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第１供給孔６３、第１隔壁部材５０の第２供給孔６２とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第２供給孔６４、中心部に形成された混合孔６５、４つの第１供給孔６３のそれぞれと混合孔６５とを連通させる４つの第１導入孔６６、及び４つの第２供給孔６４のそれぞれと混合孔６５とを連通させる４つの第２導入孔６７を構成している。
【００５２】
第２隔壁部材５２は、前段合流流路部材５１の第１供給孔６３とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第１供給孔（貫通孔）６８と、前段合流流路部材５１の第２供給孔６４とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第２供給孔（貫通孔）６９と、前段合流流路部材５１の混合孔６５とほぼ同じ断面位置（中心部）に形成された混合孔（貫通孔）７０とを有している。
【００５３】
後段合流流路部材５３には貫通孔が形成されており、この貫通孔は、第２隔壁部材５２の第１供給孔６８とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第１供給孔７１、第２隔壁部材５２の第２供給孔６９とほぼ同じ断面位置に形成された４つの第２供給孔７２、第２隔壁部材５２の混合孔７０とほぼ同じ断面位置（中心部）に形成された混合孔７３、４つの第１供給孔７１のそれぞれと混合孔７３とを連通させる４つの第１導入孔７４、及び４つの第２供給孔７２のそれぞれと混合孔７３とを連通させる４つの第２導入孔７５を構成している。なお、前段合流流路部材５１及び後段合流流路部材５３は共通部材であり、裏返しすることで対応するようになっている。このとき、混合孔７３における第１導入孔７４の連通位置は、上述した混合孔６５における第２導入孔６７の連通位置と重なるようになっている。また、混合孔７３における第２導入孔７５の連通位置は、上述した混合孔６５における第１導入溝６６の連通位置と重なるようになっている。
【００５４】
混合流路部材５４は、中心部に位置し、後段合流流路部材５３の混合孔７３に連通するように軸方向に貫通した混合孔７６を有している。
【００５５】
なお、部材４８〜５４の材質は、流体の種類に応じて、例えば、ステンレス鋼等の金属、ガラス、シリコン、又は樹脂を用いればよい。また、部材２２〜２６の微細流路は、例えば、エンドミル等の機械加工、放電加工、エッチング、又は鋳型成型で加工して形成する。
【００５６】
以上のように構成されたマイクロリアクタ１Ａにおいては、混合孔６５，７０，７３，７６は、軸方向に延在する混合流路を構成している。また、第１導入孔６６は、第１種の流体を混合流路に導入する第１段の第１導入流路を構成し、第１導入孔７４は、第１種の流体を混合流路に導入する第２段の第１導入流路を構成し、第１供給孔６１，６３，６８，７１は、第１バッファ室５６に供給された第１種の流体を第１段及び第２段の第１導入流路に供給する第１供給流路を構成する。また、第２導入孔６７は、第２種の流体を混合流路に導入する第１段の第２導入流路を構成し、第２導入孔７５は、第２種の流体を混合流路に導入する第２段の第２導入流路を構成し、第２供給孔６２，６４，６９，７２は、第２バッファ室５８に供給された第２種の流体を第１段及び第２段の第２導入流路に供給する第２供給流路を構成する。
【００５７】
そして、第１段における第１導入流路６６と第２導入流路６７は周方向に交互に配置されており、第１導入流路６６及び第２導入流路６７から混合流路に導入された第１種の流体及び第２種の流体は、混合流路内で周方向に多層状（本実施形態では、８つの層状）となるように合流する。また、第２段における第１導入流路７４と第２導入流路７５は周方向に交互に配置されており、第１導入流路７４及び第２導入流路７５から混合流路に導入された第１種の流体及び第２種の流体は、混合流路内の外周側領域で周方向に多層状（本実施形態では、８つの層状）となるように合流する。このとき、軸方向においては第１段の第１導入流路６６と第２段の第２導入流路７５が重なるように、第１段の第２導入流路６７と第２段の第１導入流路７４が重なるように配置されていることから、混合流路に導入された第１種の流体と第２種の流体は径方向に交互となるように合流する。
【００５８】
このように本実施形態においても、上記一実施形態と同様、混合流路の断面寸法を拡大することなく第１種の流体及び第２種の流体を多層状に合流させることができる。そのため、合流直後の領域においても拡散距離を小さくすることができ、混合時間の短縮を図ることができる。特に、逐次反応系では、反応収率を高めることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、上述した第１供給流路、第２供給流路、第１導入流路、及び第２導入流路内の流れが層流条件（レイノルズ数が２３００未満）となるように、かつ混合流路内の流れが乱流条件（レイノルズ数が２３００以上）となるように、それらの流路断面寸法並びに第１種の流体及び第２種の流体の供給流量を設定している。これにより、第１供給流路、第２供給流路、第１導入流路、及び第２導入流路における圧力損失を小さくすることができる。また、混合流路における混合性能を高めることができる。
【００６０】
また、本実施形態においては、要望される反応流体の生産量に対応して、導入流路の段数を容易に変更することができる。具体的に説明すると、例えば第１導入流路及び第２導入流路を４段とする場合は、第１バッファ部材４８、第２バッファ部材４９、第１隔壁部材５０、前段合流流路部材５１、第２隔壁部材５２、後段合流流路部材５３、第２隔壁部材５２、前段合流流路部材５１、第２隔壁部材５２、後段合流流路部材５１、及び混合流路部材５４を、その順序で積層して構成すればよい。また、前段合流流路部材５１及び後段合流流路部材５３は共通部材であり、段数に応じて使用することができる。また、導入流路の隔壁を構成する共通の第２隔壁部材５２を段数の増加に応じて使用することができる。したがって、製造コストを低減することができる。
【００６１】
なお、上記他の実施形態においては、ボルト５５を介して部材４８〜５４を互いに締結するとともに、流体の漏れを防止するために部材４８〜５４の接触面を鏡面仕上げにして密着性を高めた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばＯリング又はシール材を設けてもよい。また、例えば流路の点検や洗浄が不要であるならば、部材４８〜５４を互いに接着してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のマイクロリアクタの一実施形態が適用されたマイクロリアクタシステムの構成を表す概略図である。
【図２】本発明のマイクロリアクタの一実施形態の構成を表す斜視図である。
【図３】図２中断面III−IIIによる軸方向断面図である。
【図４】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する第１バッファ部材の構造を表す平面図である。
【図５】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する第２バッファ部材の構造を表す平面図である。
【図６】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する第１段合流流路部材の構造を表す平面図である。
【図７】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する第２段合流流路部材の構造を表す平面図である。
【図８】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する混合流路部材の構造を表す平面図である。
【図９】第１段の第１導入流路及び第２導入流路から第１種の流体及び第２種の流体が導入された直後の流体分布を表す混合流路の断面図である。
【図１０】第２段の第１導入流路及び第２導入流路から第１種の流体及び第２種の流体が導入された直後の流体分布を表す混合流路の断面図である。
【図１１】比較例として第１導入流路及び第２導入流路を１段設けたマイクロリアクタの解析体系を表す斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態に相当するものとして第１導入流路及び第２導入流路を２段設けたマイクロリアクタの解析体系を表す斜視図である。
【図１３】マイクロリアクタの混合性能の解析結果を表す図である。
【図１４】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態の構成を表す斜視図である。
【図１５】図１４中断面XV−XVによる軸方向断面図である。
【図１６】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する第１バッファ部材の構造を表す平面図である。
【図１７】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する第２バッファ部材の構造を表す平面図である。
【図１８】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する第１隔壁部材の構造を表す平面図である。
【図１９】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する前段合流流路部材の構造を表す平面図である。
【図２０】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する第２隔壁部材の構造を表す平面図である。
【図２１】本発明のマイクロリアクタの他の実施形態を構成する後段合流流路部材の構造を表す平面図である。
【図２２】本発明のマイクロリアクタの一実施形態を構成する混合流路部材の構造を表す平面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１      マイクロリアクタ
１Ａ    マイクロリタクタ
３３Ａ，３３Ｂ  第１供給孔（第１供給流路）
３４Ａ，３４Ｂ  第１供給孔（第１供給流路）
３５Ａ，３５Ｂ  第２供給孔（第２供給流路）
３６    混合溝（混合流路）
３７    第１導入溝（第１導入流路）
３８    第２導入溝（第２導入流路）
３９    第１供給孔（第１供給流路）
４０    第２供給孔（第２供給流路）
４１    混合孔（混合流路）
４２    第１導入溝（第１導入流路）
４３    第２導入溝（第２導入流路）
４４    混合孔（混合流路）
５０    第１隔壁部材
５１    前段合流流路部材
５２    第２隔壁部材
５３    後段合流流路部材
６０    第１供給孔（第１供給流路）
６１    第１供給孔（第１供給流路）
６２    第２供給孔（第２供給流路）
６３    第１供給孔（第１供給流路）
６４    第２供給孔（第２供給流路）
６５    混合孔（混合流路）
６６    第１導入孔（第１導入流路）
６７    第２導入孔（第１導入流路）
６８    第１供給孔（第１供給流路）
６９    第２供給孔（第２供給流路）
７０    混合孔（混合流路）
７１    第１供給孔（第１供給流路）
７２    第２供給孔（第２供給流路）
７３    混合孔（混合流路）
７４    第１導入孔（第１導入流路）
７５    第２導入孔（第１導入流路）
７６    混合孔（混合流路）
【図１】
2010000428.tif 000005
【図２】
2010000428.tif 000006
【図３】
2010000428.tif 000007
【図４】
2010000428.tif 000008
【図５】
2010000428.tif 000009
【図６】
2010000428.tif 000010
【図７】
2010000428.tif 000011
【図８】
2010000428.tif 000012
【図９】
2010000428.tif 000013
【図１０】
2010000428.tif 000014
【図１１】
2010000428.tif 000015
【図１２】
2010000428.tif 000016
【図１３】
2010000428.tif 000017
【図１４】
2010000428.tif 000018
【図１５】
2010000428.tif 000019
【図１６】
2010000428.tif 000020
【図１７】
2010000428.tif 000021
【図１８】
2010000428.tif 000022
【図１９】
2010000428.tif 000023
【図２０】
2010000428.tif 000024
【図２１】
2010000428.tif 000025
【図２２】
2010000428.tif 000026