(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を送流する流路を有し、
該流路内に流体が通過する多孔質体を備え、
該流路の流路径が５０〜１，０００μｍであり、
該流路の多孔質体近傍内壁が片持ち梁部により形成されており、
該片持ち梁部は、流路の内壁と反対側に空間を有し、
該片持ち梁部の自由端は、多孔質体に接触するように形成され、
該片持ち梁部の自由端が流路の外側に向かって前記空間へ湾曲することによって、
該多孔質体と流体との接触面積が流体抵抗の変化に伴って増減することを特徴とする
反応装置。
【請求項２】
多孔質体と流体との接触面積が、多孔質体の流体抵抗の増加に伴う流体圧力の増加に伴って増加する、請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
多孔質体の配置部を視認する窓部を備える、請求項１又は２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、反応装置に関し、特に流路内に多孔質体を有する反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な反応装置にフィルタなどの多孔質体が使用されている。また、マイクロ流体システム（マイクロリアクタ装置）を構成する要素として、マイクロポンプ、マイクロバルブのようなマイクロ流体制御素子、フィルタ、サンプルインジェクタ、混合・反応器、分離器などのマイクロ流体要素が挙げられる（非特許文献１参照）。
このうちフィルタに関しては、メッシュ型のフィルタでは、フィルタリングを行えば必ず「詰まり」が発生することは避けられない。
フィルタの詰まりを回避する手段として、詰まりを検知して、フィルタに洗浄水を逆流させ洗浄するという装置が報告されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１２２４１１号公報
【非特許文献１】庄子習一、「マイクロ流体素子・要素とマイクロシステムへの応用動向」、計測と制御、２００３年１２月、第４２巻、第１２号、ｐ．１００５−１００８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、流路内に多孔質体を有する反応装置において、性能維持性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の＜１＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜４＞と共に以下に記載する。
＜１＞  流体を送流する流路を有し、該流路内に流体が通過する多孔質体を備え、該多孔質体と流体との接触面積が増減可能であることを特徴とする反応装置、
＜２＞  多孔質体と流体との接触面積が、流体抵抗の変化に伴って増減する、上記＜１＞に記載の反応装置、
＜３＞  流路の多孔質体近傍内壁が片持ち梁部により形成されており、該片持ち梁部は、流路の内壁と反対側に空間を有する、上記＜１＞又は上記＜２＞に記載の反応装置、
＜４＞  多孔質体の配置部を視認する窓部を備える、上記＜１＞〜上記＜３＞いずれか１つに記載の反応装置。
【発明の効果】
【０００６】
上記＜１＞に記載の発明によれば、流路内に設けられた多孔質体と流体との接触面積を増減することにより、性能維持性の高い反応装置を提供することができる。
上記＜２＞に記載の発明によれば、多孔質体と流体との抵抗の変化に伴って多孔質体と流体との接触面積が変化するので、この構成を有していない場合に比して、流速を一定の範囲内に保つことができる。
上記＜３＞に記載の発明によれば、より簡便な手段で多孔質体と流体との接触面積を増減することができる。
上記＜４＞に記載の発明によれば、多孔質体の配置部を視認することで、多孔質体と流体との接触面積を観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の反応装置は、流体を送流する流路を有し、該流路内に流体が通過する多孔質体を備え、該多孔質体と流体との接触面積が増減可能であることを特徴とする。
従来、フィルタ等の多孔質体の詰まりを解消するためには、洗浄水を逆流させる技術など、能動的に洗浄を行う手段を備えた装置が報告されている（特許文献１参照）。しかし、このような能動的洗浄手段を適用することは、構造の複雑さやコストの面で問題がある。流路径が小さい場合、さらに、流路が微小流路である場合には、能動的洗浄手段を適用することが困難である。
本発明においては、多孔質体と流体との接触面積を増減させることにより、このような接触面積の増減手段を有していない反応装置に比して、より長期間にわたって、安定に使用できる反応装置を提供するものである。
なお、本発明において、「反応装置」とは、化学反応に使用する装置に限定されるものではなく、多孔質体を使用する反応装置であれば特に限定されず、広く濾過装置をも含む意である。
【０００８】
＜流路＞
本発明において、流路の形状や幅は特に限定されず、目的に応じて適宜選択することが好ましいが、能動的洗浄手段を適用することが困難な、流路径の小さい流路に好適に使用することができる。
具体的には、流路径が１０ｃｍ以下の流路に好適であり、より好ましくは５ｃｍ以下であり、さらに好ましくは２ｃｍ以下であり、特に好ましくは１ｃｍ以下である。
【０００９】
また、本発明において、流路として、微小流路も好適に使用できる。
本発明において、微小流路とは、流路径が５，０００μｍ以下の流路をいう。なお、流路径とは、流路の断面積から求めた円相当径（直径）である。
本発明においては、微小流路として、数〜数千μｍの流路径を有する反応装置（以下、微小流路を有する反応装置をマイクロリアクタ装置、又は、単にマイクロリアクタともいう。）が好ましく用いられる。該マイクロリアクタ装置の微小流路の流路径は、好ましくは５０〜１，０００μｍであり、さらに好ましくは５０〜５００μｍである。本発明において用いられるマイクロリアクタ装置は、マイクロスケールの複数の流路（チャネル）を有する反応装置である。マイクロリアクタ装置の流路は、マイクロスケールであるので、寸法及び流速がいずれも小さく、レイノルズ数は２，３００以下である。したがって、微小流路を有する反応装置は、撹拌、振動の付与、邪魔板の形成等を行わない限り、通常の反応装置のような乱流支配ではなく層流支配の装置である。
ここで、レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式で表されるものであり、２，３００以下のとき層流支配となる。
Ｒｅ＝ｕＬ／ν
（ｕ：流速、Ｌ：代表長さ、ν：動粘性係数）
【００１０】
＜流体＞
本発明において、送流する流体は液体及び気体のいずれでもよいが、液体であることが好ましい。また、前記流体は固体（例えば微粒子）を含有するものでもよく、特に限定されない。流体及び多孔質体を選択することにより、流体内の不純物の濾過、微粒子の除去、流体の処理（例えば、化学反応）等を行うことができる。
本発明に好適な流体としては水、エタノールなどの親水性有機溶媒、トルエンなどの親油性有機溶媒が例示でき、圧力損失などの観点から１００ｃＰ以下の粘度の溶液が好ましい。
【００１１】
＜多孔質体＞
本発明において、多孔質体としては公知の多孔質体から選択することができる。ガラス、金属、樹脂、シリコン多孔体など、いずれの材料のものを使用してもよい。
多孔質体として例えば、ポーラスアルミナ箔、ウッドパイル構造体、金網、メンブランフィルタ等が例示できるが、特に限定されない。
所望の用途に応じて、孔径や強度等を選択することが好ましい。
【００１２】
ウッドパイル構造体としては、Takayuki Yamada et al, '3D MICROFLUIDIC DEVICE FABRICATED BY USING SURFACE-ACTIVATED BONDING OF ELECTROPLATED Ni PATTERNS' IEEE Transducers, 2005, p.1485 に記載のウッドパイル構造体が好ましく例示できる。
また、金網としては、電鋳などによる微細目メッシュも例示できる。
【００１３】
また、本発明において、シリカ多孔質体等のメソポーラス体、フッ素系樹脂製の多孔質体、各種の不織布フィルタ、織布フィルタ、メンブレンフィルタなどが使用可能である。フッ素樹脂製の多孔質体としては、具体的には、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）製フィルタが例示できる。
【００１４】
なお、上記多孔質体は、メンブランフィルタとすることもできるが、本発明において、多孔質体には強度も要求されるため、使用によって変形を生じない多孔質体を選択することが好ましい。
【００１５】
当該多孔質体は、流体内の粒子や異物等を除去する濾過装置として使用することもできる。また、多孔質体に触媒を担持させて、又は、触媒で多孔質体を形成することにより、流体が多孔質体を通過することにより、反応や処理を行うこともできる。
【００１６】
＜多孔質体と流体との接触面積＞
本発明において、多孔質体と流体との接触面積が増減可能である。ここで、多孔質体と流体との接触面積とは、送流される流体と多孔質体の外表面の接触面積を意味し、多孔質体の内部における流体との接触面積を意味するものではない。なお、多孔質体の内部における流体との接触面積が増減することを排除するものではない。
【００１７】
多孔質体は使用により「詰まり」が生じるが、このような詰まりが生じると、圧力損失が増加し、流速が低下する。また、流速を一定に保とうとすれば、流体を送流するポンプ等への負担が高まる。接触面積を増減させることによって、流速を一定に保ち、また、送液装置への負担を減少させることができる。
【００１８】
また、接触面積は流体抵抗の変化に伴って増減することが好ましい。特に、流体抵抗の増加に伴って、接触面積が増加することが好ましい。多孔質体に詰まりが生じると、圧力損失の増加に伴って、流体抵抗が増加する。このような流体抵抗の増加に伴って多孔質体と流体との接触面積を増加させれば、流体の流量を増加させることができる。したがって、詰まりを生じても、流速の減少を抑制し、安定して流体を送流することができる。
一方、多孔質体と流体の接触面積を流体を送流する当初から大きくした場合には、多孔質体の送流域で流路径が大きくなるため、流速が遅くなり、多孔質体はより詰まりやすくなる。また、安定した層流の形成が困難である。
本発明においては、詰まりを生じてから接触面積を増加することが好ましく、これによって安定した流速を維持することができる。
【００１９】
多孔質体と流体の接触面積を増減させる手段としては、いずれの手段を用いてもよいが、流路の多孔質体近傍内壁が片持ち梁部により形成されており、該片持ち梁部は、流路の内壁と反対側に空間を有することが好ましい。
以下、図面を参照して説明する。なお、本発明において、同一の符号は同一の対象を示すものとする。
図１は、本実施例の反応装置の一例を示す模式的な斜視図である。また、図２及び図３は、図１における蓋体が透明である場合に、蓋体を通して上部から観察した模式的な平面図の部分拡大図である。
図１において、反応装置１００は、流体Ｌを送流する流路１０２を有している。図１において、基体１２０に流路１０２が設けられており、蓋体１２２が接合されている。
【００２０】
本実施例の反応装置の製造方法は特に限定されず、公知の製法から適宜選択して製造することができる。
本実施例の反応装置が、特にマイクロリアクタ装置である場合、リソグラフィー技術、例えば、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザー加工、ビーム加工等を用いて、又は射出成形により基板に微小流路を形成し、これに蓋体を接合することにより製造することが例示できる。
また、本実施例の反応装置は、薄膜パターンを積層して形成することもできる。薄膜パターンによる反応装置、特に、マイクロリアクタ装置の製造方法としては、特開２００６−１８７６８５号公報、特開２００６−１８７６８４号公報等に記載の製造方法が例示できる。
【００２１】
流路１０２は、流体Ｌが通過する多孔質体１１０を備える。多孔質体は上述の通り、必要とされる孔径や、強度等により適宜選択すればよい。また、多孔質体はフィルタであってもよいし、触媒を担持した多孔質体や、触媒により形成された多孔質体であってもよい。
【００２２】
＜片持ち梁部＞
図２において、流路の多孔質体近傍上流側内壁は、片持ち梁部１３５により形成されており、また、流路の多孔質体近傍下流側内壁は、片持ち梁部１３６により形成されている。片持ち梁部１３５、１３６は、内壁と反対側には、空間１５０、１５１をそれぞれ有する。
片持ち梁部は流路の多孔質体近傍に少なくとも１箇所設けられていることが好ましく、多孔質体近傍内壁の全面を片持ち梁部で形成することもできるし、一部を片持ち梁部で形成することもできる。例えば、断面矩形の流路である場合、上面、下面、及び両側面の全てを片持ち梁部で形成することもできるし、上面及び下面、又は両側面など、任意の面を片持ち梁部で形成することもできる。これらの中でも、流路断面が矩形である場合、多孔質体の保持の容易性から、対向する２面（上下面、又は、両側面）の多孔質体近傍内壁が片持ち梁部により形成され、該片持ち梁部は、流路の内壁と反対側に空間を有することが好ましい。
また、片持ち梁部は、上流側又は下流側の一方に形成することもできるが、両側に形成することが好ましい。
片持ち梁部１３５及び１３６の多孔質体側の端部は、多孔質体１１０と接触可能であることが好ましいが、多孔質体に詰まりが生じる等により、図３に示すように片持ち梁部が外周へ向かって広がった場合には、多孔質体と接触していなくてもよい。
【００２３】
片持ち梁部１３５は、弾性体によって形成されていることが好ましく、弾性体の種類は、流体の種類や、必要とされる弾性体のヤング率等を考慮して選択することが好ましい。弾性体としては、各種の弾性樹脂が例示でき、例えば、各種の汎用ゴム、エポキシ樹脂、シリコンゴム、ブチルゴム、ポリイミド樹脂、フッ素ゴム等が例示できる。これらの中でもシリコンゴムが好ましい。
【００２４】
図２においては、流路１０２の多孔質体保持部１３０全体が弾性体にて形成されているが、片持ち梁部のみを弾性体にて形成することもできる。また、図２では、基体１２０に設けられた切り欠き部１４０に多孔質体保持部１３０が嵌入されている。図２において、弾性体としてはシリコンゴムが使用されている。
【００２５】
図３は、詰まりが生じた多孔質体１１０を有する反応装置１００であり、図１における透明蓋体を通して、上部から観察した模式的な平面図の部分拡大図である。
多孔質体１１０を流体Ｌが通過するに伴い、多孔質体に詰まりが生じる場合がある。多孔質体１１０に詰まり１７２が生じると、流体Ｌが流れにくくなるため、同一の圧力で送流した場合、流体の多孔質体上流部１７０での流体圧力が高くなる。その結果、流路外側へと向かう流体の圧力が上昇する。
これにより、片持ち梁部１３５は外縁へと押され、多孔質体と流体との接触面積が増加する。図１では、多孔質体と流体との接触面積は、流路の幅Ｂ×流路の高さＨ（図１参照）で表される。一方、図３では、多孔質体と流体との接触面積は、外側に広がった片持ち梁部によって増加し、図３ではＤ×流路の高さＨとなっている。
【００２６】
本発明において、上記の片持ち梁部の変形量によって、多孔質体の長寿命化の程度が調整できる。
一例を挙げれば、図２において、Ａ＝Ｂ（流路幅）＋２×Ｃが成立している。
ここで、流路幅が５００μｍ、Ｃが３００μｍであるとし、片持ち梁部の厚みが１００μｍであるとすれば、多孔質体の最大表面積は、下記式で求められるように、当初の多孔質体と流体の接触面積の１．８倍（１８０％）となる。
｛（３００−１００）×２＋５００｝／５００＝１．８
多孔質体の寿命（使用可能な期間）が、多孔質体と流体との接触面積のみに依存すると考えれば、従来のマイクロリアクタ装置に比して、１．８倍の使用可能な期間となる。
【００２７】
また、本発明において、多孔質体の詰まりが解消されると、上記の流体圧力は減少するので、片持ち梁部は図２の状態に戻ることが好ましい。これにより、多孔質体と流体との接触面積が減少する。
多孔質体の詰まりを解消する手段としては、流体に含有される微粒子等の濾過を行った後、多孔質体にトラップされた該微粒子を溶解可能な流体を流して、多孔質体の詰まりを解消したり、温度を変化させて微粒子を溶解させることにより詰まりを解消する方法等が例示できる。
【００２８】
また、本発明において、多孔質体は交換可能であることが好ましい。多孔質体を交換可能とすることにより、反応装置全体を使い捨てとすることなく、多孔質体のみを交換して装置を使用することができるので好ましい。また、多孔質体及び多孔質保持部を交換可能な態様とすることも好ましい。
具体的に基体の上部の蓋材を開閉可能とし、流路に備えられた多孔質体又は多孔質体及び多孔質体保持部を合わせて交換する方法が例示できる。
図２及び図３では、多孔質体１１０は、上部から挿入可能なスライド式となっており、詰まりの程度等によって交換可能となっている。
【００２９】
本発明において、反応装置は、多孔質体の配置部を視認できる窓部を備えることも好ましい。ここで、多孔質体の配置部とは、少なくとも多孔質体と、流体との接触面を視認できる窓部であることが好ましい。また、視認とは、肉眼に限られるものではなく、拡大鏡等により視認することをも含む意である。また、視認には、ＣＣＤカメラ、光学センサ、ビデオカメラ等による観察をも含む。
【００３０】
上記の窓部を設けることにより、微小流路と多孔質体の接触面積を確認することができ、多孔質体の詰まりの程度を外部から把握することができるので好ましい。
具体的には多孔質体が設けられている配置部の基体をポリメタクリル酸メチル樹脂等の透明性を有する樹脂で形成する方法が例示できる。また、無機ガラス、強化ガラス、その他の有機ガラス等で形成してもよく、反応装置に要求される強度を達成できれば特に限定されない。
【００３１】
本発明の他の好ましい実施態様について以下に説明する。
図４は、光応答性ゲルにて作製した片持ち梁部を有する反応装置の一例を示す模式図である。図４（ａ）は、上部から観察した多孔質体配置部の平面図を、図４（ｂ）は、蓋体全体を透明とした場合に観察した同部分を示している。本実施態様において、上記の片持ち梁部を光感応性ゲルで作製している。この場合、基体の蓋部を透明樹脂等で製造し、外部から片持ち梁部に向けて光を照射することにより、外部から能動的に（すなわち、圧力損失等の内部の状況によらず）多孔質体と流体との接触面積を増減させることができる。すなわち、図４（ａ）に示す窓部１８０から、片持ち梁部が応答する波長の光を照射し、片持ち梁部を収縮又は膨張させることにより、多孔質体と流体との接触面積を増減させることができる。
なお、図４では、片持ち梁部１３５及び１３６のみが光応答性ゲルで作製されている。
光応答性ゲルとして光の吸収によって膨潤するゲルを用いた場合、窓部から光を照射することにより、光を照射した部分の光応答性ゲルが液体を吸収して膨潤し、流体と多孔質体の接触面積を減少させることができる。
【００３２】
光応答性ゲルとしては、トリアリールメタン誘導体やスピロベンゾピラン誘導体などの光によってイオン解離する基を有する親水性高分子化合物の架橋物が好ましく、その例として、ビニル置換トリアリールメタンロイコ誘導体と（メタ）アクリルアミドとの共重合体の架橋物などが挙げられる。
また、光応答性ゲルとしては、アゾ基（特にアゾベンゼン構造）を有する化合物などの光によってシス−トランス異性化を生じる基を有する高分子化合物の架橋物が好ましい。その例としては、（メタ）アクリロイル基含有アゾベンゼンと（メタ）アクリルアミドとの共重合体の架橋物などが挙げられる。
【００３３】
なお、本発明において、光以外の刺激応答性ゲルにより片持ち梁部を作製し、外部から刺激応答性ゲルが応答する刺激を付与することもできる。ゲルに与える刺激としては、磁場、電流又は電界、熱等が例示できる。
磁場の付与によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、強磁性体粒子や磁性流体を含有するポリビニルアルコールの架橋物等が挙げられるが、磁場の刺激に応答するゲルであれば、ゲル自体は特に限定されるものではなく、ゲルの範疇に含まれるものであればよい。
【００３４】
電流又は電界の付与によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、カチオン性高分子ゲルと電子受容性化合物とのＣＴ錯体（電荷移動錯体）が好ましく、ジメチルアミノプロピル（メタ）アクリルアミドなどアミノ置換（メタ）アクリルアミドの架橋物；ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレートやジメチルアミノプロピルアクリレートなどの（メタ）アクリル酸アミノ置換アルキルエステルの架橋物；ポリスチレンの架橋物；ポリビニルピリジンの架橋物；ポリビニルカルバゾールの架橋物；ポリジメチルアミノスチレンの架橋物などが挙げられ、特に、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノプロピル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノプロピル（メタ）アクリレートなどのジアルキルアミノアルキル（メタ）アクリレート系高分子が好ましい。これらは、ベンゾキノン、７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）、テトラシアノエチレン、クロラニル、トリニトロベンゼン、無水マレイン酸やヨウ素などの電子受容性化合物とを組み合わせて使用することができる。
【００３５】
熱（温度変化）によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、ある温度以上で疎水性相互作用によって凝集し水溶液中から析出してくる性質を持つＬＣＳＴ（下限臨界共融温度）をもつ高分子の架橋体、及びＵＣＳＴ（上限臨界共融温度）をもつ高分子の架橋体や、互いに水素結合する高分子鎖を持つ高分子ゲル、又は互いに水素結合する２成分の高分子のＩＰＮ体（相互侵入網目構造体）、結晶性などの凝集性の側鎖を持つ高分子ゲルなどが好ましい。これらの中でも疎水性相互作用を利用したＬＣＳＴゲルは特に好ましい。ＬＣＳＴゲルは高温において収縮し、ＵＣＳＴゲルやＩＰＮゲル、結晶性ゲルでは、逆に高温で膨潤する特性をもっている。
高温において収縮するゲルの具体的な化合物としては、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドなどのＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミドの架橋体やＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミドと（メタ）アクリル酸及びその塩、又は（メタ）アクリルアミド、又は（メタ）アクリル酸アルキルエステルなどの２成分以上の共重合体の架橋体、ポリビニルメチルエーテルの架橋物、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのアルキル置換セルロース誘導体の架橋体などが挙げられる。これらの中でも、ポリＮ−イソプロピル（メタ）アクリルアミドは好ましい。
【００３６】
一方、高温において膨潤するゲルの具体的な化合物としては、ポリ（メタ）アクリルアミドの架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体からなるＩＰＮ体及びその部分中和体（アクリル酸単位を部分的に塩化したもの）、ポリ（メタ）アクリルアミドを主成分とする共重合体の架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体からなるＩＰＮ体及びその部分中和体などが挙げられる。より好ましくは、ポリＮ−アルキル置換アルキルアミドの架橋体、ポリ（メタ）アクリルアミドの架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体とのＩＰＮ体及びその部分中和体などが挙げられる。
また、前記結晶性ゲルとしては、オクチル基、デシル基、ラウリル基、ステアリル基等の長鎖アルキル基を有する（メタ）アクリル酸エステルと（メタ）アクリル酸との共重合体の架橋体やその塩があげられる。この熱応答性高分子ゲルの体積変化を示す温度（相転移温度）は、高分子ゲルの構造、組成により種々の設計が可能である。なお、好ましい相転移温度は溶媒の沸点や凝固点内であることが好ましく、より好ましくは−３０〜３００℃の範囲であり、さらに好ましくは−１０〜１５０℃の範囲であり、特に好ましくは０〜６０℃の範囲である。
【００３７】
熱によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては前記例示した具体例の他に、温度変化に応じて複数の相転移点を示すゲルも好適に使用することができる。具体的に例示すると、ポリＮ−イソプロピル（メタ）アクリルアミドなどのポリアルキル置換（メタ）アクリルアミドの架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体とのＩＰＮ体などがあげられる。これらのゲルは、温度上昇に伴い膨潤−収縮−膨潤という２つの相転移点を示すことが知られている。
【００３８】
また、熱によって刺激応答する刺激応答性ゲルの体積変化量を増大させる目的でイオン性官能基を高分子ゲル中に含有させることも好ましい。イオン性官能基としてはカルボン酸、スルホン酸、アンモニウム基、りん酸基などが挙げられる。イオン性官能基はゲルを調製する際にこれら官能基をもつモノマーを共重合する、合成後の刺激応答性ゲルにモノマーを含浸させて重合しＩＰＮ（相互侵入網目構造体）体とする、前記刺激応答性ゲル中の官能基を部分的に加水分解や酸化反応などの化学反応によって変換するなどの方法で含有させることができる。
【００３９】
＜片持ち梁部の設計＞
片持ち梁部の設計について、一例を挙げて説明する。
本実施例における設計の手順は、「多孔質構造の決定」、「多孔質が既定量閉塞した場合の圧力損失変化の計算」、「圧力損失変化量に対する片持ち梁部のたわみ量計算」の３段階である。
本実施例では、まず、多孔質構造を図８に示すウッドパイル構造に決定した。
ウッドパイル構造とは４層１周期で構成される多孔質形状であり、本実施例のようなマイクロフィルタ以外に、ブラッグ反射を利用した光学素子などに用いられる構造である。本実施例では、多孔質体の開口部は７５０μｍ×３００μｍ（即ち、使用開始時の矩形流路断面の高さ及び幅）、多孔質体全体の厚みは４００μｍ、ウッドパイルの格子ピッチは１００μｍ（開口部２５μｍ、リブ部７５μｍ、１層の厚み２５μｍ）である。本デバイスは１６層（４周期）で形成され、圧力損失を求める際に必要な多孔質断面積：多孔質側壁の比は１：５６である。
【００４０】
次に、想定する流量、溶液の温度及び粘度、多孔質の形状から、定常流状態（詰まりが一切ない状態）のレイノルズ数、流速、水力直径、管摩擦係数、多孔質体の圧力損失を計算する。圧力損失は多孔質の穴ひとつひとつをそれと等価な摩擦係数をもつ円筒管と近似し（その近時した円筒の径が水力直径）、また管摩擦係数はレイノルズ数の値によりその関係が変化するが、一義的に決定できる。
層流場（レイノルズ数：Ｒｅ≦２，３００）の場合、圧力損失（ΔＰ）は、以下の式１〜式４により決定され、最終的には式５より求めることができる。
【００４１】
【数１】
0004992655.tif 000002
【００４２】
本実施例の多孔質体の場合、流量を２５ｍｌ／ｍｉｎとした時のレイノルズ数は約４００であり、多孔質体を通過する液体は層流として送液されている。また、構造から求められる水力直径は約３０μｍであり、層流下においては、式２の通り、６４／Ｒｅで決定される。
なお、多孔質体が、本フィルタ構造の場合、計算値によれば、約１５０ｍｌ／ｍｉｎまで層流場を保つことができる。
【００４３】
次に、フィルタの３０％が閉塞した場合の各パラメータを同様に計算する。こうして求められた圧力損失の差が、流路閉塞ときに流路の断面積を増加させる駆動力となる。
本実施例では、約０．００２４ＭＰａの圧力損失差が発生している。求められた結果を以下の表１に示す。
【００４４】
【表１】
0004992655.tif 000003
【００４５】
最後に、開孔に詰まりが生じ、圧力損失差（約０．００２ＭＰａ）が発生した場合の開口部（多孔質膜近傍の片持ち梁部）の変形を計算する。
ポリイミド樹脂で形成されたヒンジ部分を弾性体で形成された片持ち梁部と仮定し、一様荷重（圧力損失差の約０．００２ＭＰａ）が、印加された場合の変形量を算出する。
本実施例において、
片持ち梁の長さＬ（＝８００μｍ）
断面係数（Ｚ＝ｂＤ2／０．０００５）
（ただしｂ＝梁の幅＝１００μｍ、Ｄ＝梁の高さ＝多孔質の高さ＝３００μｍ）
断面２次モーメント（Ｉｘ＝ｂＤ3／１２＝０．００００２５）
となり、ポリイミド樹脂のヤング率を４．７ＭＰａとすると、たわみ量は両側の梁合計で約２４０μｍとなる。
多孔質の幅が７５０μｍであるから、２４０μｍはその約３０％にあたり、この結果、詰まった分とほぼ等量の開口部（多孔質体と流体との接触面積）を新たに得たことと等しくなる。よって、詰まりによる多孔質体の流体との接触面積低下を抑制できる。
本設計は上記の計算に基づくものに限られるものではなく、流体シミュレーション（ＣＦＤ）や有限要素法（ＦＥＭ）のような計算を用いて設計するのが望ましい。
【実施例】
【００４６】
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
（実施例１）
図５を用いて以下に説明する。
図５は、実施例１で使用した反応装置の構成を示す概念模式図であり、多孔質体として冷却水用フィルタを使用したマイクロリアクタ装置の一例である。
図５に示すマイクロリアクタ装置５００は、積層型のマイクロリアクタ装置であり、第１層を図５（ａ）、第２層を図５（ｂ）に示している。本実施例のマイクロリアクタ装置は、濃硫酸を純水で希釈し、希硫酸を作製する装置である。第１層には、濃硫酸Ｓの導入口５０１及び純水（希釈用の純水）Ｗの導入口５０２が設けられており、それぞれ導入流路５０５及び５０６に送流される。
導入流路は、その下流で合流し、濃硫酸及び純水は１つの合流流路５０８を層流状態で送液される。合流流路５０８において、濃硫酸及び純水は、その界面において徐々に拡散し、次第に均一な希釈硫酸となり、排出口５０９から排出される。
【００４８】
濃硫酸及び純水を混合すると、希釈熱が発生する。また、場合によっては、マイクロリアクタ装置内で突沸等を生じる場合がある。
本実施例では第２層に冷却水Ｃを送流することにより、合流流路及び内部の流体を冷却している。第２層の合流流路に相当する領域には、蛇行する微小流路５５０が設けられ、第１層に設けられた冷却水Ｃの導入口５０３から冷却水が導入され、第２層に設けられた冷却水Ｃの導入口５０３’を介して該微小流路５５０に冷却水が送流される。また、冷却水Ｃは、第２層に設けられた排出口５０４を通って、第一層に設けられた排出口５０４’から排出されている。
本実施例において、冷却水を送流する微小流路の上流側には、多孔質体であるフィルタ５１０が設けられている。冷却水として、安価な水道水を使用することが好ましいが、流路内に水垢が溜まったり、水道水内の微粒子が微小流路で詰まりを発生すると、冷却水を送流するポンプ等への負荷が大きくなる。また、冷却水が流れなくなると、マイクロリアクタが過度な加熱により破損したり、混合液の突沸を生じることがあり、いずれも好ましくない。
本実施例では、第２層の冷却域の上流側に多孔質体で形成されたフィルタを配置することにより、微小流路の詰まりを抑制している。
また、前記フィルタが目詰まりした場合にも、ポンプへの負荷増大、マイクロリアクタの過度の加熱といった同様の問題が生じる。本実施例においては、フィルタの上流及び下流の近傍内壁が片持ち梁部５３５、５３６で形成されており、水道水の濾過によってフィルタが目詰まりを生じると、流体圧力の増加に伴って図５に示すように片持ち梁部が外側に広がり、フィルタと冷却水の接触面積が増加する。なお、片持ち梁部５３５及び５３６の流路の内壁と反対側には、空間を有している。
【００４９】
このような接触面積の増加により、水道水を安定的に送液することができる。また、フィルタの寿命が長くなり、長期にわたって使用することができる。
一方、フィルタを設けていない場合には、マイクロリアクタ装置の微小流路の目詰まりの問題が発生する場合があり、また、フィルタ面積が増加しない場合には、フィルタの寿命が短い。
【００５０】
（実施例２）
実施例２は、本発明の他の反応装置の実施例であり、マイクロリアクタ装置又はセンチメートルオーダの化学反応装置を用いた接触改質の一例である。
接触改質（catalytic reforming）とは、石油精製において原油を蒸留することで得られたガソリン留分のオクタン価を触媒反応によって高めるプロセスであり、リフォーミング(Reforming)とも呼ばれている。
原油を蒸留することで得られた重質ナフサ留分は、オクタン価の低いパラフィン、シクロアルカンが主成分であり、オクタン価が４０〜５０程度とガソリン燃料に好適ではない。そこで上記の重質ナフサ留分を水素化脱硫処理して接触改質触媒の触媒毒となるナフサ中の硫黄、窒素、金属などの不純物を除去した上で接触改質装置に供給する。
【００５１】
接触改質触媒としては、従来から固体酸の一種である焼成ゼオライトを担体とした白金やレニウムの貴金属触媒に塩素を添加したものが主流として使用されている。
従来の改質反応は、水素存在下において５００℃程度で行われている。反応機構は以下のように考えられている。
（１）貴金属によって直鎖アルカンが脱水素されアルケンに変化する。
（２）生成したアルケンに触媒からプロトンが供与されることでカルボカチオンが生成する。
（３）カルボカチオンは水素原子やアルキル基の転位を起こしたり、環化したりする。この転位反応では安定性の高いアルキル基の置換の多いカルボカチオンが生成しやすいため、分岐の多いアルケンが多く得られる。また環化したものの一部はさらに脱水素されて芳香族炭化水素となる。
（４）生成した分岐アルケンが貴金属によって再び水素化され分岐アルカンとなる。
上記の反応によって、芳香族炭化水素を主成分とする改質ガソリン、水素、分解生成物であるＣ４以下の炭化水素が生成する。
【００５２】
図６は、実施例２で使用した反応装置の構成を示す概念模式図である。
本実施例では、倒立型の気液円筒リアクタを用いた。なお、実施例２で使用した反応装置６００は、原料油改質部６１０及び冷却・分離部６５０を有している。
原料油である直留あるいは分解ガソリンＯは、前蒸留塔（不図示）によって適当な沸点範囲に調整されたのち、原料油導入口６０１から導入される。また、水素を含むガス（図６においてＨ2で示している。）が、ガス導入口６０２から導入され、原料油は、水素を含むガスとともに原料油加熱炉６１２で加圧下（例えば５０気圧）に熱せられる。図６では、原料油加熱炉６１２において、バブリング部６１４にて水素を含むガスによるバブリングが行われ、その後、第１多孔質体６２０〜第３多孔質体６２２にこの順に送流される。
【００５３】
本実施例では、第１〜第３多孔質体として、多孔質ゼオライトに白金レニウムを担持させたフィルタ構造体を使用している。
原料油は、多孔質体の通過に伴い、改質を受ける。
なお、改質反応は吸熱反応であるため、系の温度が下がるので、ヒーター６３０を設けて温度を一定としている。
また、本実施例では、３段の改質が行われているが、これに限定されるものではなく、所望の改質度が得られるまで段数を変更すればよい。本実施例では、多段とすることにより、一回の送流での改質を効率よく行うことができる。
【００５４】
多孔質体６２０〜６２２の上流及び下流の近傍内壁は、片持ち梁部６３５によって形成されており、該片持ち梁部は流路の内壁と反対側に空間を有する。また、本実施例において、改質工程は加熱下に行われるので、片持ち梁部６３５は、耐熱性の高いポリイミド樹脂で形成している。
【００５５】
改質を受けた原料油は、次に冷却・分離部６５０へと送られ、冷却されると共に、ガス分離が行われ、改質原油と生成ガスに分離され、それぞれ改質原油排出口６８０、生成ガス排出口６８２から排出される。なお、生成ガスは、水素、メタン〜ブタン（Ｃ４以下の炭化水素）を含む。また、改質原油は、原料油に比して芳香族含有率が増加している。
本実施例において、冷却装置として、実施例１で用いたのと同様の冷却システムを採用している。すなわち、冷却水Ｃとして水道水を使用し、冷却水導入口６５１から送液する。また、冷却水Ｃが送流される微小流路の上流部に、表面及び裏面が片持ち梁部６６０によって支持されたフィルタ６７０を有している。なお、冷却水Ｃは、排出口６５７から排出される。
冷却水中に存在する微小粒子や水垢等をフィルタによって除去することができるため、微小流路の詰まりを抑制することができる。さらに、フィルタ６７０に詰まりが発生すると、図６に示すように片持ち梁部６６０が外部へと広がり、冷却水とフィルタとの接触面積が増加するため、フィルタが長寿命化すると共に、安定して冷却水を送流することができた。
【００５６】
本実施例では、改質工程における加熱温度はマイクロリアクタ装置を用いた系では３７５℃である。従来は、約５００℃程度の加熱が必要であったが、改質工程を微小流路を用いて行っているため、高い触媒活性を得ることができ、加熱温度を３７５℃まで下げることができた。また、ひとつのリアクタで反応量を多く得るために、センチメートルオーダのリアクタを使用した場合であっても、加熱を４５０〜４８０℃まで下げることができ、環境負荷低減に効果があった。
【００５７】
触媒上には、改質反応に伴って炭素質のコークが徐々に析出して、触媒活性の低下の原因となる。本実施例においては、触媒上にコークが析出した場合には、原料油の圧力損失が増えるため、図６に示すように片持ち梁部６３５が外側へと広がり、新たな触媒面が露出するため、触媒効果の耐久性が向上した。
【００５８】
（実施例３）
実施例３は、本発明の反応装置を使用した他の実施例であり、触媒反応を利用したトリアリールアミンの合成例である。
トリアリールアミン化合物は有機ＥＬなどの有機エレクトロニクス材料として、近年大変注目されている。
図７は、本実施例で使用した反応装置の構成を示す概念模式図である。
図７において、反応装置７００に、下記表２に示すＡ液を、シリンジポンプで０．０５ｍｌ／ｍｉｎで導入口７０１から送液した。一方、導入口７０２からは窒素ガス（Ｎ2）を導入し、混合流路７１０にて溶液Ａと窒素ガスを混合し、さらに、ヒーター７１５により、１１０℃に加熱した。本実施例においては、窒素ガス（Ｎ2）を使用したが、Ａ液を不活性ガス雰囲気とすることが重要であり、他の不活性ガスを使用することもできる。
混合流路７１０には、余分な窒素ガス（Ｎ2）を除去するための分離流路７２０及び窒素ガス（Ｎ2）の排出口７２２が設けられている。導入した窒素ガスを超音波素子（不図示）などで撹拌すると、なお望ましい。
【００５９】
余分な窒素ガスが除去された溶液Ａを、加熱した状態で銅製の多孔質体７３０を通過させた。銅は触媒として作用し、銅製の多孔質体を通過することにより、溶液Ａ中には反応生成物であるジトリナフチルアミンが生成する。この方法は、銅を触媒としたウルマン反応である。
本実施例において、銅製の多孔質体７３０の上流及び下流の内壁は、その対面する２側面が片持ち梁部７３５及び７３６により形成され、多孔質体と溶液Ａの接触面積が増減可能である。また、片持ち梁部７３５及び７３６の内壁と反対側には、空間を有している。
【００６０】
次に、銅製の多孔質体を通過した溶液を、冷却ファン７４０により、４０℃まで冷却した。
本実施例においては、冷却ファン７４０を使用して冷却を行ったが、多孔質体７３０より下流側に、実施例１のように冷却水を送流する層を配置して冷却してもよい。
【００６１】
冷却後、蒸留水導入口７５０から、導入流路７５１を介して蒸留水（Ｈ2Ｏ）を導入した。反応後の溶液Ａ（有機相）と蒸留水（水相）とを、層流の状態で合流流路７６０に送液した。
合流流路を送液される間に、有機相と水相の間に拡散が生じ、親水性の原料は蒸留水に移動する。その結果、生成物であるジトリナフチルアミンは、相対的に有機相に多く含まれることとなる。
その後、有機相（図７において、Ｂで示している。）を分離流路７７０を介して排出口７８０から回収し、水相（図７において、Ｈ2Ｏで示している。）を分離流路７７１を介して排出口７８１から回収した。
【００６２】
排出口７８０から回収した有機相（溶液Ｂ）からバッチ処理にてトルエンを揮発させ、さらに、濃縮した溶液にメタノールを滴下し、再結晶させることで、目的とするジトリルナフチルアミン２．３５重量部を得た。収率は６６％であった。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
本実施例では、マイクロリアクタ装置中に担持された触媒多孔質体により効率よくウルマン反応が進行したために、このような良好な収率を得ることができたものであると推察される。
また、従来、導入した窒素ガスが多孔質体まで達すると、多孔質体に詰まりが生じるという問題があった。バブリングにより導入した窒素ガスを多孔質体の上流で分離（気液分離）する必要があるが、溶液Ａは有機溶媒（有機相）であるため、親水・撥水処理での気液の分離が困難であり、導入した窒素ガスにより、流路に詰まりが生じるという問題があった。
本実施例では、微量の窒素ガスが多孔質体まで達しても、多孔質体の近傍に、片持ち梁部が設けられているため、多孔質体と溶液Ａの接触面積が増えるため、良好な収率が得られたと推察される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施例の反応装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１における透明蓋体を通して、上部から観察した模式的な平面図の部分拡大図である。
【図３】図１における透明蓋体を通して、上部から観察した模式的な平面図の部分拡大図である。
【図４】光応答性ゲルにて作製した片持ち梁部を有する反応装置の一例を示す模式図である。
【図５】実施例１で使用した反応装置の構成を示す概念模式図である。
【図６】実施例２で使用した反応装置の構成を示す概念模式図である。
【図７】実施例３で使用した反応装置の構成を示す概念模式図である。
【図８】ウッドパイル構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００    反応装置
１０２    流路
１１０    多孔質体
１２０    基体
１２２    蓋体
１３０    多孔質体保持部
１３５、１３６    片持ち梁部
１４０    切り欠き部
１７０    多孔質体上流部
１７２    詰まり
５００    マイクロリアクタ装置
５０１    濃硫酸の導入口
５０２    純水の導入口
５０３、５０３’    冷却水の導入口
５０４、５０４’    排出口
５０５    濃硫酸の導入流路
５０６    純水の導入流路
５０８    合流流路
５０９    排出口
５１０    フィルタ
５３５、５３６  片持ち梁部
５５０    微小流路
６００    反応装置
６０１    原料油導入口
６０２    ガス導入口
６１２    原料油加熱炉
６１４    バブリング部
６２０、６２１、６２２    多孔質体
６３０    ヒーター
６３５    片持ち梁部
６５０    冷却・分離部
６５１    冷却水導入口
６５５    微小流路
６５７    排出口
６６０    片持ち梁部
６７０    フィルタ
６８０    改質原油排出口
６８２    生成ガス排出口
７００    反応装置
７０１、７０２    導入口
７１０    混合流路
７１５    ヒーター
７２０    分離流路
７２２    排出口
７３０    多孔質体
７３５、７３６    片持ち梁部
７４０    冷却ファン
７５０    蒸留水導入口
７５１    導入流路
７６０    合流流路
７７０、７７１    分離流路
７８０、７８１    排出口
Ｈ    微小流路の高さ
Ｌ    流体
【図１】
0004992655.tif 000005
【図２】
0004992655.tif 000006
【図３】
0004992655.tif 000007
【図４】
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【図５】
0004992655.tif 000009
【図６】
0004992655.tif 000010
【図７】
0004992655.tif 000011
【図８】
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