(57)【要約】【課題】消費電力が小さく、かつ小型の反応装置を提供すること。【解決手段】外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部４と、第一の反応部４から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部３と、第一の反応部４及び第二の反応部３を収容する収容容器２とを備え、第一の反応部４は、少なくとも一部が第二の反応部３に対向しているとともに第二の反応部３に対向する表面が、第二の反応部３からの輻射熱を吸収する輻射熱吸収面５である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と、該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部及び前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに該第二の反応部に対向する表面が、前記第二の反応部からの輻射熱を吸収する輻射熱吸収面であることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記輻射熱吸収面は、黒色であることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記輻射熱吸収面は、前記第一の反応部の他の表面よりも表面が粗いことを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記第一の反応部は、管状であるとともに軸方向に前記第二の反応部の表面と平行に位置される表面を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の反応装置。
【請求項５】
前記第一の反応部は、管状であるとともに前記第二の反応部の表面に沿って延在し、該第二の反応部の表面に平行な面内で折れ曲がる少なくとも１つの屈曲部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の反応装置。
【請求項６】
前記第一の反応部は、管状であるとともに少なくとも前記第二の反応部に対向する部位が熱伝導性の高い材料からなり、該熱伝導性の高い材料からなる部位は、輻射熱吸収膜によって覆われることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項７】
外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と、該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部及び前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに該第二の反応部に対向する表面が熱を透過する熱透過面であり、前記第一の反応部の内表面における前記熱透過面に対向する面が輻射熱吸収面であることを特徴とする反応装置。
【請求項８】
前記第一の反応部は、前記収容容器の外部から前記第二の反応部に流体を供給する供給管の一部であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の反応装置。
【請求項９】
前記第一の反応部は外部から供給された流体を気化する気化部であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給された物質を別の物質に変換し出力する機能を有する反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密加工技術の進歩発展により、マイクロテクノロジーとよばれる新しい概念が登場してきた。すなわち、マイクロな微小空間を活用して、液体や気体を高速、高精度で制御し反応させるマイクロ化学システムは、反応・分析の効率化・高速化のための革新的な技術としてだけでなく、新反応系の場としても注目を集めている。特に、マイクロ化学プラントは従来の工業的物質生産の方式を変革するものとして、化学産業だけでなく関連する医療、製薬、バイオ関連、食品産業などからも大きな期待が寄せられている。
【０００３】
マイクロ化学システムにおいては、最適な温度環境下にて化学反応が生じる反応部から反応部を収納する収容容器への放熱を低減し、システムの小型化と熱効率を向上させた反応装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この反応装置では、収容容器の外壁を２重構造にして真空容器を構成する、あるいは２重構造にした内外壁間に断熱材を充填することにより、反応部の熱が外部へ伝導して反応部の温度が低下するのを防止している。
【特許文献１】特開２００３−２６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
携帯機器などの電子機器内に反応装置を収納するためには、更に小型化、低背化することが求められる。しかしながら、従来のように収容容器の外壁を２重構造にすることは、反応装置全体が複雑化して大型化するため、携帯機器内に収納するのが困難であるという問題点を有していた。
【０００５】
また、化学反応に必要な流体に対して、気化等の第一の反応を施す場合、第一の反応を施すための熱を別途供給する必要があり、反応装置自体の消費電力が大きくなるという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、消費電力が小さく、かつ小型の反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の反応装置は、外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と、該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部及び前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに該第二の反応部に対向する表面が、前記第二の反応部からの輻射熱を吸収する輻射熱吸収面であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の反応装置は好ましくは、前記輻射熱吸収面は、黒色であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部の他の表面よりも表面が粗いことを特徴とする。
【００１０】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部は、管状であるとともに軸方向に前記第二の反応部の表面と平行に位置される表面を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部は、管状であるとともに前記第二の反応部の表面に沿って延在し、該第二の反応部の表面に平行な面内で折れ曲がる少なくとも１つの屈曲部を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部は、管状であるとともに少なくとも前記第二の反応部に対向する部位が熱伝導性の高い材料からなり、該熱伝導性の高い材料からなる部位は、輻射熱吸収膜によって覆われることを特徴とする。
【００１３】
本発明の反応装置は、外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と、該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部及び前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに該第二の反応部に対向する表面が熱を透過する熱透過面であり、前記第一の反応部の内表面における前記熱透過面に対向する面が輻射熱吸収面であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部は、前記収容容器の外部から前記第二の反応部に流体を供給する供給管の一部であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の反応装置は好ましくは、前記第一の反応部は外部から供給された流体を気化する気化部であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の反応装置は、第二の反応部で放出される熱を第一の反応部で効率良く回収し、そして流体の第一の反応に有効使用することができる。これにより、第一の反応部を加温するための電力を低減でき、反応装置の消費電力化が可能となる。また、第二の反応部の熱を外部へ伝導するのを有効に防止することができ、従来のように収容容器を２重構造にする必要がなく、反応装置の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について以下に詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による反応装置の構成例を示す断面図である。１は反応装置、２は収容容器、３は第二の反応部、４は第一の反応部、５は輻射熱吸収面である。図１に示されるように、本実施の形態１による反応装置１は、第二の反応部３、第二の反応部３を収容する収容容器２、第一の反応部４、及び輻射熱吸収面５を備える。
【００１９】
第二の反応部３には、反応前の流体を供給する供給管２０と反応後の流体を排出する排出管２１がそれぞれ取り付けられている。収容容器２は、ベース板２ａと凹形状の蓋体２ｂとから成り、第二の反応部３下面と収容容器２のベース板２ａ上面とを供給管２０及び排出管２１を介して接続し、さらに凹形状の蓋体２ｂを用いて第二の反応部３を封止することによって、第二の反応部３を収容容器２内に気密に封止した反応装置１が形成される。
【００２０】
収容容器２内の断熱性を高めるためには、収容容器２内を真空にすることが好ましく、第二の反応部３を封止する際、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内でのシームウェルド法などで行うと良い。
【００２１】
収容容器２は、第二の反応部３を収納する容器としての役割を有する。それらは、例えば、ＳＵＳ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅。アルミニウム等の金属材料、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されている。
【００２２】
なお、収容容器２に適用可能なガラスセラミックスは、ガラス成分とフィラー成分とから成る。そのガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００２３】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。
【００２４】
一方、収容容器２が、例えば相対密度が９５％以上の緻密質の酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合は、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加，混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加，混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形，圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の収容容器２を得る。なお、収容容器２の成形は粉末成形プレス法であっても良い。
【００２５】
他方、収容容器２が金属材料から成る場合は、切削法，プレス法，ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。
【００２６】
また、収容容器２が金属材料から成る場合には、腐食を防止するためにその表面は、例えばＡｕ，Ｎｉのめっき処理や、ポリイミド等の樹脂コーティング等の被覆コーティング処理が行なわれることが望ましい。例えばＡｕめっき処理の場合であれば、その厚さは０．１〜５μｍ程度であることが望ましい。
【００２７】
また、収容容器２の少なくとも内側表面をＡｕやＡｌのめっき処理膜で覆うことにより、収容された第二の反応部３で発生する輻射熱が収容容器２に吸収されるのを効率良く防ぐことができ、反応装置１の昇温を抑制することが可能となる。
【００２８】
以上のような収容容器２は、反応装置１の小型化，低背化を可能とするためには厚さを薄くすべきであるが、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００２９】
さらには、収容容器２は、上記に述べた異種の材料の組合せでもよく、部分的に異なる材料を組合せて用いてもよい。
【００３０】
収容容器２を例えばベース板２ａと凹形状の蓋体２ｂとした場合、第二の反応部３下面と収容容器２のベース板２ａ上面を供給管２０および排出管２１を介して接続し、さらに凹形状の蓋体２ｂを用いて第二の反応部３を封止することによって、第二の反応部３を収容容器２内に気密に封止した反応装置１が形成される。封止方法としては、ベース板に、Ａｕ合金，Ａｇ合金，Ａｌ合金等の金属ロウ材やガラス材による接合やシームウェルド法等、または抵抗溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接等により蓋体を取着する方法が考えられる。
【００３１】
収容容器２に収納される第二の反応部３は、触媒等が担持された微細流路あるいは空隙を有しており、触媒等を用いて燃料を変性、転化、分解、混合し、別の物質に変換するための化学反応部として作用する。
【００３２】
第二の反応部３の形状は様々であり、例えば微小ケミカルデバイスとして、半導体製造技術等を適用して、例えば、シリコン等の半導体，石英，ガラス，金属、セラミックス等の無機材料の基材に、切削法，エッチング法，ブラスト法等により細い溝を形成することによって液体流路が作製され、操作中の液体の蒸発防止等を目的として、ガラス板、金属等のカバーを陽極接合、ロウ付け、溶接等により表面に密着させて使用される、例えば略四角形状のものが挙げられる。また、石英，ガラス，金属、セラミックス等の無機材料から成る管状であり、その内面に触媒が担持されているものでもよい。第二の反応部３内には、温度調節機構、例えば、抵抗層等から成る薄膜ヒータ（不図示）や厚膜ヒータ（不図示）を形成し、表面にはこのヒータへ電力を供給する電極端子（不図示）が形成される。この温度調節機構により、各用途の反応に最適な１００〜８００℃程度の温度条件に調整することで、気化部４が接続された燃料供給口から供給される燃料とその他反応に必要な燃料とを触媒等を介して反応させて、燃料排出口に接続された排出管から別の物質を発生させる化学反応を良好に促進することができる。
【００３３】
このようなヒータは、第二の反応部３における触媒が担持された流路内や空隙内、あるいはその近傍に配置される。これにより、ヒータから発生する熱を効率的に各種化学反応に用いることができる。
【００３４】
また、第二の反応部３は、第二の反応部３上の電極端子がボンディングワイヤやリード端子（不図示）を介して収容容器２に電気的に接続される。これにより、電極端子を通じて第二の反応部３の表面や内部に形成されたヒータを加熱することができる。その結果、第二の反応部３において反応温度の維持が可能となり燃料の化学反応を安定させることができる。
【００３５】
次に、第一の反応部４は、例えば、第二の反応部３での第二の反応を行なう前に施すべき第一の反応を行なうためのものである。第一の反応としては、例えば、第二の反応部３へ供給する流体を気化するような反応が挙げられ、その場合、第一の反応部４は気化部４として機能する。
【００３６】
本実施の形態１においては、以下、第一の反応部が気化部４である例について説明する。気化部４は供給管２０と第二の反応部３の間に位置し、第二の反応前の流体をガス化させるためのものである。そして、気化部４は第二の反応部３に対向するように配置される。なお、第二の反応部３に対向するように配置されるというのは、第二の反応部３からの輻射熱が放射される範囲内に間隔をあけ、間に物体を介さずに気化部４が配置されている状態である。また、好ましくは第二の反応部３からの輻射熱を有効に第一の反応に用いるという観点からは、気化部４と第二の反応部３との距離が０．１ｍｍ〜１ｍｍであるのがよい。
【００３７】
なお、第二の反応部３と気化部４との各対向面同士の成す角度は０〜９０°の範囲であれば効果があり、本発明でいう第二の反応部３と気化部４とが対向している関係に含まれる。好ましくは、第二の反応部３からの輻射熱を有効に第一の反応に用いるとともに第二の反応部３および気化部４を小スペースで収容するという観点からは、第二の反応部３と気化部４との各対向面同士の成す角度は０〜４５°の範囲であるのがよく、より好ましくは、０〜１５°のほぼ平行状態がよい。
【００３８】
気化部４は、第二の反応部３に対向する表面（輻射熱吸収面５）が第二の反応部３からの輻射熱を吸収する材料から成る。このような輻射熱を吸収する材料としては、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，ＳＵＳ等の金属材料、Ａｌ２Ｏ３質焼結体，３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ３Ｎ４質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料、または、ガラスが挙げられる。好ましくは、輻射熱を吸収し、この熱を気化部４の第一反応が生じる流路内へ効率よく伝達するという観点からは、金属から成るのがよい。
【００３９】
気化部４は、製造工程の簡略化という観点からは、全体が第二の反応部３に対向する輻射熱吸収面５と同じ材料からなるのがよい。より好ましくは、収容容器２の熱膨張係数と同一または近似した金属が用いられるのがよく、例えば、収容容器２でセラミック材料を用いている箇所に接続する場合、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金よりなるものが、実用時の温度変化に対して熱歪の発生を防止できるので好ましい。その場合、気化部４と収容容器２および第二の反応部３をＡｕ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｉ合金，Ａｕ−Ｇｅ合金，Ａｇ−Ｃｕ合金等の各種ロウ材で接合すると、良好な封着性が得られるとともに、良好な接続強度が得られる。
【００４０】
本実施の形態１による反応装置１によれば、気化部４は、第二の反応部３で発生した熱が輻射熱として気化部４へ伝播し、第二の反応部３と対向する表面には輻射熱吸収面５が配置されているため、輻射熱を効率よく吸収して第一の反応に用いることが出来る。そのため、外部から流体の気化に必要なエネルギーを少量だけ供給すればよいか、あるいは供給する必要がない。収容容器２の内部に気化部４を形成し、単純な構成で流体の気化に必要な熱を効率よく吸収することが可能であるため、小型の反応装置を実現することができる。
【００４１】
また、本実施の形態１による反応装置１において、輻射熱吸収面５は黒色であるのがよい。これにより、輻射熱を更に効率よく吸収することが出来る。このような黒色の材料としては、輻射熱吸収面５を構成する材料として黒色の顔料等を混ぜることにより構成できる。
【００４２】
また、第一の反応部４の輻射熱吸収面５の表面は他の表面よりも表面が粗く形成されているのがよい。これにより、輻射熱が反射されにくくなり、輻射熱を更に吸収しやすくすることができる。このような輻射熱吸収面５の表面の表面粗さ（Ｒｚ）は、他の表面の表面粗さの３倍〜１０倍であるのがよい。この構成により、輻射熱吸収面５の表面の粗面で輻射熱を効率よく吸収するとともに、輻射熱吸収面５以外の面では表面積を小さくして熱が放射されるのを有効に抑制し、収容容器２に熱が伝達するのを有効に抑制できる。このような粗面は例えば、エッチングやブラスト処理、研磨処理により構成できる。
【００４３】
また、気化部４は管状であり、軸方向に第二の反応部３の表面と平行に位置される表面を備えているのがよい。このような構成とすれば、高温の第二の反応部３と気化部４とを近接させることができ、外部への熱損失を低減し、気化に必要な熱を効率よく得る事が出来る。
【００４４】
また、気化部４は管状であり、管状の気化部４は、第二の反応部３の表面に沿って延在し、第二の反応部３の表面に平行な面内で折れ曲がる少なくとも１つの屈曲部を有するのがよい。このような構成により、流体の量が多い場合も、流体の気化に必要な熱を効率よく吸収する事が出来る。つまり、第二の反応部３に平行な面において、例えば、気化部４をジグザグに折れ曲がるように構成すると、第二の反応部３との対向面積が増加し、吸熱効率が向上する。
【００４５】
また、気化部４は管状であり、気化部４は、少なくとも第二の反応部３に対向する部位が熱伝導性の高い材料からなり、この熱伝導性の高い材料からなる部位は、輻射熱吸収膜によって覆われているのがよい。このような構成により、輻射熱吸収膜で吸収した熱を熱伝導性の高い材料で均等に気化反応部に伝導されるため、流体の気化においてバラツキが生じにくく、安定して第二の反応部３に気化された流体を供給することが可能である。このような熱伝導性の高い材料としては、銅やアルミニウムなどの金属が挙げられる。また輻射熱吸収膜の材料としては、黒色の顔料が挙げられる。
【００４６】
以上から、流体の気化部３を収容容器２内に配置しても、小型で低消費電力の反応装置１を提供することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態１による反応装置１では、気化部６は、収容容器２の内面において、供給管２０及び排出管２１が接続された部位と同一側に配置され、平面視して、供給管２０及び排出管２１を収容容器２の端部に配置したが、気化部４が第二の反応部３からの熱を吸収できる位置にあれば、供給管２０、排出管２１、及び気化部４の配置は任意であってよい。
【００４８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２による反応装置の構成例を示す断面図である。なお、図２において図１と同一の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。図２に示された反応装置１１が図１に示された反応装置１と異なる点は、外部から供給された流体を内部で気化（第一の反応）する気化部４（第一の反応部）と、気化部４から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部３と、気化部４及び第二の反応部３を収容する収容容器２とを備え、気化部４は、少なくとも第二の反応部３に対向する表面が熱を透過する熱透過面６であり、気化部４の内表面における熱透過面に対向する面が輻射熱吸収面５である点である。
【００４９】
これにより、熱透過面６を通じて熱が透過し、流体に直接供給されるため、第二の反応部３と対向する気化部４表面での熱損失が抑制され、効率的に熱が供給されるため、気化のバラツキが有効に防止できる。
【００５０】
なお本発明の実施の形態１においても実施の形態２においても、気化部４を、収容容器２の外部から第二の反応部３に流体を供給する供給管の一部として構成してもよい。このように供給管２０の一部を気化部４として構成すると、製造工程が簡略化できる。
【００５１】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１による反応装置の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による反応装置の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：反応装置
２：収容容器
３：第二の反応部
４：第一の反応部（気化部）
５：輻射熱吸収面
６：熱透過面
【図１】
2008238084.tif 000003
【図２】
2008238084.tif 000004