(57)【要約】【課題】空間の利用効率が良く且つ精密な反応制御ができるマイクロリアクタを提供すること。【課題手段】被反応流体を導入するための入口ポート２２及び反応済流体を導出するための出口ポート３２を備えたケーシング１Ａと、ケーシング１Ａ内に着装され入口ポート２２及び出口ポート３２に連通する内径５００μ以下のチューブ体９１とを備えるマイクロリアクタにおいて、ケーシング１Ａ内に着装されるチューブ体９１を支持するためのチューブ体支持部６１Ｃを備えることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被反応流体を導入するための入口ポート及び反応済流体を導出するための出口ポートを備えたケーシングと、ケーシング内に着装され入口ポート及び出口ポートに連通する内径５００μ以下のチューブ体とを備えるマイクロリアクタにおいて、ケーシング内に着装されるチューブ体を支持するためのチューブ体支持部を備えることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
前記ケーシングは、厚み方向に直交する面同士が互いに着脱自在に接合された第１薄型基板と第２薄型基板とからなり、前記チューブ体支持部は、対向する第１薄型基板と第２薄型基板との面の少なくとも一方の面に、第１薄型基板と第２薄型基板とを接合した状態で前記チューブ体を嵌着可能とする溝により構成される請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
前記溝は、ジグザグ状に形成され、前記チューブ体は、前記溝と略同一形状のジグザグ状に折り曲げた状態で前記溝に嵌着される請求項１または請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
前記チューブ体は、可撓性材料から構成されると共に、被反応流体及び反応済流体に対して耐腐食性を有する材質で構成される請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微少な流路を用いて、流体の混合や反応を行うマイクロリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学プラントは、マイクロスケールの空間内での混合、化学反応、分離などを利用した生産設備であり、大型タンク等を用いた従来のバッチ方式のプラントと比較して多くの有利点を備える。例えば、複数の流体の混合や化学反応を短時間且つ微量の試料で行えること、装置が小型であるため実験室レベルで生成物の製造技術を確立できればナンバリングアップを行うことで容易に量産用の設備化ができること、爆発などの危険を伴う反応にも適用可能であること、多品種少量生産を必要とする化合物の生成などにも素早く適応できること、需要量に合わせた生産量の調整が容易にできることなどである。このため、化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合または反応を行い材料や製品を製造するための好適な装置として注目され、近年、その研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
マイクロ化学プラントは、材料供給装置、マイクロミキサ、熱交換装置、マイクロリアクタ、分離装置、これらの各装置を接続する配管、及び制御装置などを主構成要素とする。このうち、マイクロミキサ及びマイクロリアクタは、それぞれ流路幅が数μｍ〜１ｍｍ程度のオーダーである微少な流路を有し、この流路に導かれた複数種類の流体を互いに接触させることで混合または化学反応を生起するものである。マイクロミキサとマイクロリアクタとは、基本的には共通な構成とされ、一般にその用途が混合である場合はマイクロミキサと呼び、化学反応である場合はマイクロリアクタと呼ぶ。
【０００４】
このようなマイクロミキサ及びマイクロリアクタは、マイクロ化学プラントにおいては非常に重要なデバイスであり、特許文献としてもいくつか提示されている。例えば特許文献１には、熱媒が流れる外部シェルと、外部シェルの内部にコイル状に巻回して設けられたチューブ体（毛管流路）とを備えるマイクロリアクタが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５０８９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、チューブ体をコイル状に巻回する方式のマイクロリアクタでは、コイル状体が中空形状となるため空間の利用効率が悪い。そして、振動や外部シェル内を熱媒が流れたときの流圧などにより、巻回されたチューブ体が互いに接触したり形が乱れたりすることがある。そのような場合、チューブ体を通過する被反応流体への熱交換特性が変動し、精密な反応制御ができなくなるという問題がある。また、チューブ体の流路長を長くするために、隣合うチューブ体同士を接触させた状態で巻回した場合は、チューブ体を通過する被反応流体への熱交換率が低下するという問題もある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、空間の利用効率が良く且つ精密な反応制御ができるマイクロリアクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、請求項１のマイクロリアクタ１は、被反応流体を導入するための入口ポート２２及び反応済流体を導出するための出口ポート３２を備えたケーシング１Ａと、ケーシング１Ａ内に着装され入口ポート２２及び出口ポート３２に連通する内径５００μ以下のチューブ体９１とを備えるマイクロリアクタにおいて、ケーシング１Ａ内に着装されるチューブ体９１を支持するためのチューブ体支持部６１Ｃを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２のマイクロリアクタでは、前記ケーシング１Ａは、厚み方向に直交する面同士が互いに着脱自在に接合された第１薄型基板６１と第２薄型基板６２とからなり、前記チューブ体支持部は、対向する第１薄型基板６１と第２薄型基板６２との面の少なくとも一方の面に、第１薄型基板６１と第２薄型基板６２とを接合した状態で前記チューブ体９１を嵌着可能とする溝６１Ｃにより構成される。
【０００９】
請求項３のマイクロリアクタでは、前記溝６１Ｃは、ジグザグ状に形成され、前記チューブ体９１は、前記溝６１Ｃと略同一形状のジグザグ状に折り曲げた状態で前記溝６１Ｃに嵌着される。
【００１０】
請求項４のマイクロリアクタでは、前記チューブ体９１は、可撓性材料から構成されると共に、被反応流体及び反応済流体に対して耐腐食性を有する材質で構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、ケーシング１Ａ内に着装されるチューブ体９１を支持するための支持部材６１Ｃを備えることにより、チューブ体９１が互いに接触したり形が乱れたりすることが防止され、熱交換特性の変動が少なくなり精密な反応制御が実現可能となる。この支持部材６１Ｃは、対向する第１薄型基板６１と第２薄型基板６２との面の少なくとも一方の面に、第１薄型基板６１と第２薄型基板６２とを接合した状態で前記チューブ体９１を嵌着可能とする溝により構成されることが好ましい。また、溝６１Ｃは、ジグザグ状に形成され、チューブ体９１は、溝６１Ｃと略同一形状のジグザグ状に折り曲げた状態で溝６１Ｃに嵌着されることが好ましい。これにより、チューブ体をコイル状に巻回する方式と比べて空間の利用効率が良い。このように、空間の利用効率が良く且つ精密な反応制御ができるマイクロリアクタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るマイクロリアクタの一部分解斜視図、図２はリアクタ本体を構成する各薄型基板の平面図、図３はリアクタ本体の分解斜視図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明に係るマイクロリアクタ１は、被反応液導入用プラグ２、被反応液導出用プラグ３、熱媒導入用プラグ４、熱媒導出用プラグ５、リアクタ本体６、ボルト７及びナット８から構成される。なお、これらの要素から、後述するチューブ体９１及びチューブ体９２を除いた部分が本発明のケーシング１Ａに相当する。
【００１４】
被反応液導入用プラグ２及び被反応液導出用プラグ３は、ステンレス鋼を材質とし、リアクタ本体６の長手方向一端側の上下にそれぞれ取付可能な有孔ブロック状体である。各プラグ２，３の四隅には、それぞれ厚さ方向に貫通する４本のボルト孔２１，３１が穿設され、中央部よりも所定距離離れた位置に厚さ方向に貫通する入口ポート２２または出口ポート３２が穿設される。入口ポート２２は先窄状に形成され、先窄状の先端部分の内径は、リアクタ本体６における挿通穴６１ａの内径と同じサイズとされる。出口ポート３２も先窄状に形成され、先窄状の先端部分の内径は、リアクタ本体６における挿通穴６５ａ（図２（Ｅ）参照）の内径と同じサイズとされる。
【００１５】
熱媒導入用プラグ４及び熱媒導出用プラグ５は、上述した被反応液導入用プラグ２及び被反応液導出用プラグ３と同様にステンレス鋼を材質とし、リアクタ本体６の長手方向他端側の上下にそれぞれ取付可能な有孔ブロック状体である。各プラグ４，５の四隅には、それぞれ厚さ方向に貫通する４本のボルト孔４１，５１が穿設され、中央部よりも所定距離離れた位置に厚さ方向に貫通する入口ポート４２または出口ポート５２が穿設される。入口ポート４２は先窄状に形成され、先窄部分の先端部分の内径は、リアクタ本体６における挿通穴６１ｂの内径と同じサイズとされる。出口ポート５２も先窄状に形成され、先窄状の先窄部分の内径は、リアクタ本体６における挿通穴６５ｂ（図２（Ｅ）参照）の内径と同じサイズとされる。
【００１６】
リアクタ本体６は、５枚の薄型基板６１〜６５、チューブ体９１及びチューブ体９２から構成される。
【００１７】
各薄型基板６１〜６５は、ステンレス鋼を材質とし、図２に示すように、平面視がそれぞれ同一サイズの長方形を呈する。各薄型基板６１〜６５の厚さは０．５ｍｍ程度であり、各薄型基板６１〜６５の長手方向についての両側には、それぞれ厚さ方向に貫通する４本のボルト孔６ｈが左右対称に穿設される。
【００１８】
薄型基板６１は、図２（Ａ）に示すように、平面視がジグザグ状の溝６１Ｃを片面に備える。これと反対側の面はフラット面とされる。また、薄型基板６１の厚さ方向に貫通し溝６１Ｃの一端に隣接する挿通孔６１ａが穿設される。また、薄型基板６１の厚さ方向に貫通し、次に述べる薄型基板６２の溝６２Ｃに連通する挿通孔６１ｂが穿設される。挿通孔６１ａはチューブ体９１への被反応流体の導入口となり、挿通孔６１ｂはチューブ体９２への熱媒の導入口となる。
【００１９】
薄型基板６２は、図２（Ｂ）に示すように、平面視がジグザグ状の溝６２Ｃを片面に備える。これと反対側の面はフラット面とされる。また、薄型基板６２の厚さ方向に貫通し溝６２Ｃの一端に隣接する挿通孔６２ｂが穿設される。また、薄型基板６２の厚さ方向に貫通し、次に述べる薄型基板６３の溝６３Ｃに連通する挿通孔６２ａが穿設される。
【００２０】
薄型基板６３は、図２（Ｃ）に示すように、平面視がジグザグ状の溝６３Ｃを片面に備える。これと反対側の面はフラット面とされる。また、薄型基板６３の厚さ方向に貫通し溝６３Ｃの一端に隣接する挿通孔６３ａが穿設される。また、薄型基板６３の厚さ方向に貫通し、次に述べる薄型基板６４の溝６４Ｃに連通する挿通孔６３ｂが穿設される。
【００２１】
薄型基板６４は、図２（Ｄ）に示すように、平面視がジグザグ状の溝６４Ｃを片面に備える。これと反対側の面はフラット面とされる。また、薄型基板６４の厚さ方向に貫通し溝６４Ｃの一端に連通する挿通孔６４ｂが穿設される。また、薄型基板６４の厚さ方向に貫通し、次に述べる薄型基板６５の挿通孔６５ａに連通する挿通孔６４ａが穿設される。
【００２２】
薄型基板６５は、両面ともフラット面であり、図２（Ｅ）に示すように、薄型基板６５の厚さ方向に貫通する２つの挿通孔６５ａ，６５ｂを備える。挿通孔６５ａはチューブ体９１からの反応済流体の導出口となり、挿通孔６５ｂはチューブ体９２からの熱媒の導出口となる。
【００２３】
チューブ体９１は、例えばテフロン（登録商標）樹脂、軟質ポリ塩化ビニール樹脂、ゴムなどの可撓性部材を材質とする。なお、この材質については、被反応液及び反応済液に対して耐腐食性を有する材質で構成されることが好ましく、それらの液に応じて適宜選択されることが好ましい。チューブ体９１の内径は、５００μ以下であり、長さは、図２（Ａ）及び図２（Ｃ）にそれぞれ示すジグザグ状の溝６１Ｃ，６３Ｃの長さの和よりも若干長い程度とされる。その外径は、薄型基板６１の溝６１Ｃと薄型基板６２のフラット面との間にチューブ体９１を配置してこれら２つの面を重ね合わせたとき、及び薄型基板６３の溝６３Ｃと薄型基板６４のフラット面との間にチューブ体９１を配置してこれら２つの面を重ね合わせたとき、それぞれの有溝面とフラット面とが密着可能なサイズとされる。
【００２４】
チューブ体９２は、チューブ体９１と同様に、可撓性部材を材質とする。チューブ体９２の内径は、５００μ程度であり、長さは、図２（Ｂ）及び図２（Ｄ）にそれぞれ示すジグザグ状の溝６２Ｃ，６４Ｃの長さの和よりも若干長い程度とされる。その外径は、薄型基板６２の溝６２Ｃと薄型基板６３のフラット面との間にチューブ体９２を配置してこれら２つの面を重ね合わせたとき、及び薄型基板６４の溝６４Ｃと薄型基板６５のフラット面との間にチューブ体９２を配置してこれら２つの面を重ね合わせたとき、それぞれの有溝面とフラット面とが密着可能なサイズとされる。
【００２５】
チューブ体９１及びチューブ体９２は、リアクタ本体６内に次のように着装される。すなわち、図３に示すように、まず、薄型基板６１から薄型基板６５をそれぞれ有溝面とフラット面とが対向するように順次配置する。続いて、薄型基板６１から薄型基板６５のそれぞれに穿設された挿通孔６１ａ，６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａにこの順でチューブ体９１を挿通させる。続いて、薄型基板６１から薄型基板６５のそれぞれに穿設された挿通孔６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６４ｂ，６５ｂにこの順でチューブ体９２を挿通させる。
【００２６】
次に、薄型基板６１と薄型基板６２との間でチューブ体９１を溝６１Ｃと同じ形状、すなわちジグザグ状に折り曲げて、溝６１Ｃに嵌着する。この状態で薄型基板６１を薄型基板６２の上に重ねる。これによりチューブ体９１は薄型基板６１と薄型基板６２との間に挟持される。続いて、薄型基板６２と薄型基板６３との間でチューブ体９２を溝６２Ｃと同じ形状、すなわちジグザグ状に折り曲げて、溝６２Ｃに嵌着する。この状態で薄型基板６２を薄型基板６３の上に重ねる。これによりチューブ体９２は薄型基板６２と薄型基板６３との間に挟持される。薄型基板６３と薄型基板６４との間、及び薄型基板６４と薄型基板６５との間でも同様な作業を行う。
【００２７】
ここで、チューブ体９１の一端部は、その外周面が薄型基板６１における挿通孔６１ａの内周面に密着するように取り付けられる。つまり、チューブ体９１の一端部を挿通孔６１ａの貫通方向に沿うように折り曲げた状態で且つチューブ体９１の一端部の先端と薄型基板６１のフラット面とが面一になるように取り付けられる。これにより、供給された被反応液は全てチューブ体９１の内部に入るようになる。また、チューブ体９１の他端部は、その外周面が薄型基板６５における挿通孔６５ａの内周面に密着するように取り付けられる。つまり、チューブ体９１の他端部を挿通孔６５ａの貫通方向に沿うように折り曲げた状態で且つチューブ体９１の他端部の先端と薄型基板６５のフラット面（外側）とが面一になるように取り付けられる。
【００２８】
同様に、チューブ体９２の一端部は、その外周面が薄型基板６１における挿通孔６１ｂの内周面に密着するように取り付けられる。つまり、チューブ体９２の一端部を挿通孔６１ｂの貫通方向に沿うように折り曲げた状態で且つチューブ体９２の一端部の先端と薄型基板６１のフラット面（外側）とが面一になるように取り付けられる。これにより、供給された熱媒は全てチューブ体９２の内部に入るようになる。また、チューブ体９２の他端部は、その外周面が薄型基板６５における挿通孔６５ｂの内周面に密着するように取り付けられる。つまりチューブ体９２の他端部を挿通孔６５ｂの貫通方向に沿うように折り曲げた状態で且つチューブ体９２の他端部の先端と薄型基板６５のフラット面（外側）とが面一になるように取り付けられる。このような作業により、内部にチューブ体９１とチューブ体９２とを備えたリアクタ本体６が形成できる。
【００２９】
最後に、図１に示すように、リアクタ本体６の一端部の上下にそれぞれ被反応液導入用プラグ２及び被反応液導出用プラグ３を配置し、更にリアクタ本体６の他端部の上下にそれぞれ熱媒導入用プラグ４及び熱媒導出用プラグ５を配置し、ボルト７を挿通孔２１，６ｈ，３１及び挿通孔４１，６ｈ，５１に挿通させナット８により締結し一体物とする。
【００３０】
以上のように構成されたマイクロリアクタ１の使用例及び動作について、図４を参照して説明する。図４はマイクロリアクタの使用例及び動作を示す図である。
【００３１】
図４に示すように、マイクロリアクタ１は、マイクロミキサ１０及び熱媒循環装置１１に接続して使用される。マイクロミキサ１０とマイクロリアクタ１とは、マイクロミキサ１０の出口ポート１０ｂとマイクロリアクタ１の入口ポート２２とを配管によりまたは直接に接続する。図４では、直接に接続した場合を示している。マイクロリアクタ１と熱媒循環装置１１とは、マイクロリアクタ１の入口ポート４２と熱媒循環装置１１の出口ポート１１ｂとを配管によりまたは直接に接続し、マイクロリアクタ１の出口ポート５２と熱媒循環装置１１の入口ポート１１ａとを配管によりまたは直接に接続する。図４では、配管により接続した場合を示している。
【００３２】
図４において、マイクロミキサ１０の入口ポート１０ａから導入された複数種類の被混合液は、マイクロミキサ１０に形成されたマイクロ流路１０ｃ内で混合され、混合済液として出口ポート１０ｂから導出される。導出した混合済液は、被反応液としてマイクロリアクタ１の入口ポート２２に導入され、チューブ体９１の内部を通り、図４の太線矢印Ｍ１の略経路を辿るようにして流れる。
【００３３】
一方、熱媒循環装置１１から供給された熱媒は、マイクロリアクタ１の入口ポート４２に導入される。入口ポート４２から導入された熱媒は、チューブ体９２の内部を通り、図４の一点鎖線矢印Ｍ２の略経路を辿るようにして流れる。このように、被反応液が流れるチューブ体９１と熱媒が流れるチューブ体９２とが交互に配置されるため、熱媒は被反応液に効率良く熱を伝達することができる。なお、被反応液への伝熱効果を更に高めたい場合には、熱媒の流路となるチューブ体９２を用いずに、チューブ体９２を収納するための溝６２Ｃ，６４Ｃに直接に熱媒を流すようにしてもよい。
【００３４】
マイクロリアクタ１において、第１薄型基板６１，６３に形成された溝６１Ｃ，６３Ｃは、第１薄型基板６１，６３と第２薄型基板６２，６４とを接合した状態でチューブ体９１を嵌着可能とするように構成され、チューブ体９１を支持するための支持部材として機能する。このため、チューブ体９１が互いに接触したり形が乱れたりすることが防止され、熱交換特性の変化が少なくなり精密な反応制御が実現可能となる。また、チューブ体９１は、積層した第１薄型基板６１，６３と第２薄型基板６２，６４との間に埋め込まれるように且つジグザグ状に配設される。このためコイル状に巻回する方式と比べて空間の利用効率が良い。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るマイクロリアクタの一部分解斜視図である。
【図２】リアクタ本体を構成する各薄型基板の平面図である。
【図３】リアクタ本体の分解斜視図である。
【図４】マイクロリアクタの使用例及び動作を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  マイクロリアクタ
１Ａ  ケーシング
２２  入口ポート
３２  出口ポート
６１  薄型基板（第１薄型基板）
６２  薄型基板（第２薄型基板）
６３  薄型基板（第１薄型基板）
６４  薄型基板（第２薄型基板）
６１Ｃ  溝（チューブ体支持部）
６３Ｃ  溝（チューブ体支持部）
９１  チューブ体
【図１】
2007007570.tif 000003
【図２】
2007007570.tif 000004
【図３】
2007007570.tif 000005
【図４】
2007007570.tif 000006