(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】反応器２と、反応器２を収容する収容容器３と、収容容器３の外部から反応器２内に反応前の流体を供給する供給管４と、反応器２内から収容容器３の外部に反応後の流体を排出する排出管５とを備え、排出管５は、外表面の少なくとも一部に所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層６が設けられた反応装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器と、該反応器を収容する収容容器と、該収容容器の外部から前記反応器内に反応前の流体を供給する供給管と、前記反応器内から前記収容容器の外部に反応後の流体を排出する排出管とを備え、前記排出管は、外表面の少なくとも一部に所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層が設けられた反応装置。
【請求項２】
前記排出管は、平面視して、前記反応器の中央部に接続されている請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記排出管は、前記少なくとも一部の外表面に対応する部分が少なくとも１つの屈曲部を有する請求項１または請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記排出管は、前記外表面における前記吸着層が設けられた領域は、他の領域よりも表面粗さが粗い請求項３に記載の反応装置。
【請求項５】
前記排出管は、前記供給管よりも熱伝導率が高い請求項４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、供給された流体に反応を施して排出する反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器用の反応装置については、反応器を収納する収容容器内を真空状態にすることにより、反応の際に発生する熱の外部への伝導を遮断し、熱損失の少ない反応装置が提案されている。また、反応器を収容容器内に封止した後には、収容容器の内面や反応器自体の表面など、各部品表面に吸着しているガスが収容容器内部に放出されるため、このガスを除去するために、収容容器の内部にガス吸着剤を設けるという方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このガス吸着剤は、ヒータによって加熱され活性化される。
【特許文献１】特開２００７−７３４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の構成では、ガス吸着材を加熱するヒータおよびリード線が必要となり、消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００４】
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、消費電力が小さい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】
【０００５】
本発明の反応装置は、反応器と、該反応器を収容する収容容器と、該収容容器の外部から前記反応器内に反応前の流体を供給する供給管と、前記反応器内から前記収容容器の外部に反応後の流体を排出する排出管とを備え、前記排出管は、外表面の少なくとも一部に所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層が設けられている。
【０００６】
本発明の反応装置において、好ましくは、前記排出管は、平面視して、前記の反応器の中央部に接続されている。
【０００７】
本発明の反応装置において、好ましくは、前記排出管は、前記少なくとも一部の外表面に対応する部分が少なくとも１つの屈曲部を有する。
【０００８】
本発明の反応装置において、好ましくは、前記排出管は、前記外表面における前記吸着層が設けられた領域が、他の領域よりも表面粗さが粗い。
【０００９】
本発明の反応装置において、好ましくは、前記排出管は、前記供給管よりも熱伝導率が高い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の反応装置によれば、消費電力が小さい反応装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態について以下に詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態による反応装置の構成例を示す断面図である。図１に示されるように、本実施の形態による反応装置１は、反応器２、反応器２を収容する収容容器３、供給管４、排出管５、及び吸着層６を備える。
【００１３】
反応器２には、反応前の流体を供給する供給管４と反応後の流体を排出する排出管５がそれぞれ取り付けられている。収容容器３は、ベース板３ａと凹形状の蓋体３ｂとから成り、反応器２下面と収容容器３のベース板３ａ上面とを供給管４及び排出管５を介して接続し、さらに凹形状の蓋体３ｂを用いて反応器２を封止することによって、反応器２を収容容器３内に気密に封止した反応装置１が形成される。
【００１４】
収容容器３内の断熱性を高めるためには、収容容器３内を真空にすることが好ましく、反応器２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。
【００１５】
収容容器３は、反応器２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，若しくはＦｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金、無酸素銅、またはアルミニウム等の金属材料であってもよいし、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，若しくはガラスセラミックス等のセラミック材料、またはポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されていてもよい。
【００１６】
なお、収容容器３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，若しくはＢｉ系ガラス等が挙げられる。
【００１７】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，若しくは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、または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，またはコージェライト）等が挙げられる。
【００１８】
一方、収容容器３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，若しくは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３を得る。なお、収容容器３の成形は粉末成形プレス法であっても良い。
【００１９】
他方、収容容器３が金属材料から成る場合は、切削法，プレス法，またはＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。
【００２０】
また、収容容器３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。
【００２１】
また、収容容器３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、収容された反応器２で発生する輻射熱が収容容器３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。
【００２２】
以上のような収容容器３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。
【００２３】
さらには、収容容器３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。
【００２４】
収容容器３を例えばベース板３ａと凹形状の蓋体３ｂとした場合、反応器２下面と収容容器３のベース板３ａ上面を供給管４および排出管５を介して接続し、さらに凹形状の蓋体３ｂを用いて反応器２を封止することによって、反応器２を収容容器３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，若しくはＡｌ合金等の金属ロウ材またはガラス材による接合、シームウェルド法、抵抗溶接、レーザー溶接、または電子ビーム溶接等により、ベース板３ａに蓋体３ｂを取着する方法が考えられる。
【００２５】
収容容器３に収納される反応器２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、触媒等を用いて流体を変性、転化、分解、若しくは混合し、性質の異なる流体に変化させるための化学反応部として作用する。例えば、反応器２は、メタノールガス（ＣＨ３ＯＨ）および水蒸気を水素ガス（Ｈ２）と二酸化炭素ガス（ＣＯ２）に改質する、携帯電話等に用いられる燃料電池用の燃料改質器であってよい。
【００２６】
反応器２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、または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，または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抑制等を目的として、ガラス板、若しくは金属等のカバーを陽極接合、ロウ付け、または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、または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。反応器２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、供給管４が接続された流体供給口から供給される流体とその他反応に必要な流体とを触媒等を介して反応させて、流体排出口に接続された排出管５から別の物質を排出させる化学反応を良好に促進することができる。
【００２７】
このようなヒータは、反応器２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。
【００２８】
また、反応器２は、反応器２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３に電気的に接続される。これにより、電極端子を通じて反応器２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、反応器２において反応温度の維持が可能となり流体の化学反応を安定させることができる。
【００２９】
供給管４および排出管５は、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，若しくは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，若しくは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、反応後の流体の熱を効率よく壁面に伝達するという観点からは、金属から成るのがよい。
【００３０】
また、排出管５の表面の少なくとも一部に吸着層６が設けられている。吸着層６は、化学的に活性な金属粉等から成る。吸着層６の材料としては、例えば、ジルコニア（Ｚｒ）、鉄（Ｆｅ）、若しくはバナジウム（Ｖ）等を主成分とするものになる。
【００３１】
吸着層６は、排出管５に流れる反応後の高温流体の熱を利用し、ある温度で活性化すると、その製造プロセスにおいて表面に形成された酸化膜が除去され、新しいガス吸着面が現れ、周囲に存在するＣＯやＮ２、Ｈ２といったガス類を吸着させる機能を発現させる。活性化する温度は、使用する金属粉の種類によって異なる。この吸着層６は、収容容器３の内面や反応器２自体の表面などの各部品表面に吸着しているガスが、反応器２を収容容器３内に封止した後に、反応時の温度の影響や時間の経過に伴ってアウトガスとして放出された場合、そのアウトガスを吸着することができる。吸着層６は、活性化し始める温度（活性化温度）以上であって、活性化状態を維持できる所定の温度において、気体を吸着する。この温度は、例えば３５０℃から９００℃の範囲である。
【００３２】
本実施の形態による反応装置１によれば、排出管５の外表面に吸着層６が設けられていることより、反応器２から排出される流体の熱を利用して吸着層６を活性化させることから、吸着層６の活性化のために外部から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。よって、反応装置１の消費電力を低減することができる。また、単純な構成で、アウトガス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１を実現することができる。更には、ガス吸着層６の活性化を反応後の高温流体の熱により持続でき、収容容器３内の真空状態を長期に渡って保つことが出来る。
【００３３】
排出管５は、製造工程の簡略化という観点からは、全体が吸着層６と同じ材料からなるのがよい。より好ましくは、収容容器３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３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，または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、排出管４と収容容器３、および排出管４と反応器２とをＡｕ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｉ合金，Ａｕ−Ｇｅ合金，若しくは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。
【００３４】
本実施の形態による反応装置１によれば、吸着層６は、排出管５の反応器２に対する接合部付近に設けられているのがよい。排出管５を流れる流体は、反応器２に近いほど高温であることから、吸着層６はより早くより効率よく活性化が行われる。また、排出管５は、平面視して、反応器２の中央部に接続されていることが好ましい。このような構成であれば、排出管５を流れる流体はより高温となるため、吸着層６はより早くより効率よく活性化される。
【００３５】
また、本実施の形態による反応装置１において、排出管５は、吸着層６が設けられる外表面に対応する部分が少なくとも１つの屈曲部を有するのがよい。このような構成により、排出管４の長さが長くなり、その結果排出管４から収容容器３への伝熱距離が長くなるため、排出管５の温度を高温に維持することが可能となる。また、吸着層６が接触する排出管５の表面積が増えるため、吸着層６の活性化に必要な熱を効率よく吸収することが出来る。例えば、反応器２に平行な面において、例えば、排出管５をジグザグに折れ曲がるように構成するのが好ましい。
【００３６】
また、排出管５の外表面において、吸着層６が設けられた領域は、他の領域よりも表面粗さが粗く形成されているのがよい。これにより、排出管５と吸着層６との密着性が向上する。更には、排出管５の内表面における吸着層６に対応する位置の表面粗さが粗い場合には、その位置において排出管５を流れる反応後の高温流体と排出管５の内表面との接触面積が増えるため、吸着層６との熱交換がより効率良く行われる。
【００３７】
また、排出管５は、供給管４よりも熱伝導率が高いのがよい。これにより、排出管の熱抵抗が小さくなるため、吸着層６への伝熱効率がよくなる。反応装置１の起動時においても、排出管５の昇温が早くなるため、吸着層６での反応が効率よく行われる。
【００３８】
以上から、吸着層６の配置に追加のスペースを設けることなく、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。
【００３９】
なお、排出管５は、ヒータを有していてもよい。これにより、反応装置１の起動時においても、排出管５の昇温が補助されるため、排出管５の表面に設けられた吸着層６の予備加熱を行うことができ、その活性化を起動後早い段階で実現することができる。その際に供給する電力は、吸着層６に直接電力を供給する場合よりも低くできるので、反応装置１全体としては消費電力を低減することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態による反応装置１では、供給管４及び排出管５が同一側に配置され、平面視して、供給管４及び排出管５を収容容器３の端部に配置したが、供給管４、排出管５の配置は任意であってよい。
【００４１】
また、供給管４および排出管５の形状は任意であってよいが、排出管５は、吸着層６を構成する金属が付着しやすいように、流体の流れる方向に垂直な断面が矩形状となる形状であればより好ましい。
【００４２】
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】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態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】
【００４４】
１：反応装置
２：反応器
３：収容容器
４：供給管
５：排出管
６：吸着層
【図１】
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