JP4553291B2 - モジュール式ミクロ反応システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、流体の混合、冷却、加熱またはそれらの組合せに適した液相または気相反応を実施するためのモジュール式ミクロ反応システムに関する。
【０００２】
本発明によるミクロ反応システムは、ハウジングと、該ハウジング内に格納された機能的基本モジュールとを有し、前記ハウジングは少なくとも１つの流体入口と少なくとも１つの流体出口とを有し、前記基本モジュールは前記ハウジング内において直列に前後に配設され、かつ流体が前記基本モジュールを連続して貫流可能であるように形成される。前記基本モジュールの少なくともあるものは、フィルム積層を形成しつつ、固定または取り外し可能に互いに結合された板状の略長方形の互いに積み重ねた複数のフィルムから構成され、該フィルムの１つまたは複数は一方または両方の表面にミクロ構造のチャンネル、センサ要素、加熱要素またはそれらの組合せを備える。さらに、各フィルム積層は、表面にチャンネルが設けられた少なくとも１つのフィルムを備え、前記チャンネルは、流体ラインのためにフィルム積層の一方の側面からフィルム積層の対向するまたはそれに隣接する側面に通じるように形成される。
【０００３】
ＤＥ−ＯＳ１９７４８４８１から、不均一気相反応の実施に特に適したミクロ反応器が公知である。ミクロ反応器は、ハウジング側壁内に互いに向き合って配設された２つの気体入口を有する縦長のハウジングから構成される。気体入口は、案内部材の両側に配設された供給室にそれぞれ通じる。案内部材は、溝が設けられた少なくとも２つの種類ＡとＢのフィルムから構成され、これらのフィルムは積層時にそれぞれ一群のチャンネルを形成し、これらのチャンネルは、両側で気体流入開口部から案内部材の中に流入する気体を案内部材に隣接する混合室の方向に９０°方向転換し、この混合室で両方の供給されたガスを混合することができる。混合室には、同様に溝が設けられた互いに積み重ねた板状要素から構成された反応経路が接続され、混合室と反応経路の後方に設けられ流出室とを結合する。反応経路内の溝またはチャンネルは触媒材料が被覆されるか、あるいはこのような触媒材料から構成される。ミクロ反応器のハウジングは流出室の後方に流出開口部を備え、この開口部を通して生成気体が排出される。案内部材および反応経路の板状要素は、それらを個別にハウジングから取り出して、他の要素と交換することによって交換できる。板状要素のハウジングの縦方向または側方への移動を阻止するために、したがって貫流するガスが板状要素から成る積層の側を流れないように、ハウジング内室は板状要素の寸法に正確に整合される。ハウジングの略長方形の内室は、板状要素が組み込まれる位置に、内室を拡張する切欠きを備える。ハウジング内室の切欠きの長さと幅は、切欠きが板状要素を正確に収容するように寸法決めされる。したがって、ハウジングは板状要素の長さと幅に関して整合が正確な組込みのために設計される。
【０００４】
この公知のミクロ反応器の不都合は、ハウジング内に組み込むことができるのは、ハウジング内に設けられる切欠きにその長さと幅が正確に対応する板状要素のみであるという点にある。さらに、板状要素から成る積層の組込みはハウジング形状によって予め規定されるので、このようなハウジングに積層を組み込むことができない。この公知のミクロ反応器の別の不都合は、板状要素が操作時にしばしば膨張し、反り返るという点にある。膨張はハウジング壁およびその中に設けられた切欠きによって制約されるので、一方で、板状要素は膨張圧力の下で湾曲し、これによって個々の要素の間の気密封止はもはや保証されないことになる。さらに、板状要素はハウジング壁内に押し込まれるかまたは食い込み、その後にハウジングから取り出すことができないか、あるいは取り出しには大変な骨折りが伴う。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、従来の技術の上述の不都合を克服し、簡単に取り扱うことができる可変のミクロ反応システムを提供することである。
【０００６】
上記課題は、フィルム積層を具備する基本モジュールが、フィルム積層に固定または取り外し可能および液密に結合されたそれぞれ少なくとも１つのフレーム要素を有し、フィルム積層が、それと結合されたフレーム要素と共にユニットとしてハウジング内に組込み可能かつハウジングから取り出し可能であることを特徴とする、冒頭に述べた種類のモジュール式ミクロ反応システムによって解決される。
【０００７】
ハウジングの内壁は、個々の基本モジュールのための特別な切欠きが設けられず、本質的に滑らかであるか、あるいは前記内壁は、フレーム要素を位置決めするためのラスタを備える。このようなラスタは、ハウジング内壁の規則的に離間した突出部または窪部によって実現することができる。基本モジュールは、モジュール式システムに従って任意の数および任意の順序でハウジングの縦方向に組み込むことができる。組込み可能な基本モジュールの数はハウジングの全長によってのみ限定される。必要に応じて、同一のハウジング内に、例えば、種々の長さの反応経路を含むモジュールを使用することができる。このようにして、例えば、ミクロ反応システムの同一のハウジング内の反応経路に、異なる滞留時間を実現することができる。
【０００８】
フレーム要素の外周は、ハウジングの内部断面に一致し、ハウジング内壁に液密に当接することが有効である。フィルム積層もフレーム要素に液密に結合されるので、これによって、基本モジュールのフィルム積層を通過して流れる流体に対する封止を達成できる。追加して、フレーム周囲とハウジング内壁との間に、例えば黒鉛フィルムシールまたは差し込み封止要素のような封止材料をさらに設けることができる。
【０００９】
「フィルム」とは、本発明に関連して、通常略長方形の形態を有する板状要素を意味する。本発明のために使用されるフィルムまたは板状要素は、金属、金属合金またはステンレス鋼から構成されることが好ましく、この場合用途および規定に応じてケイ素または窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）製のフィルムも適切である。後者は、熱抵抗要素およびセンサ用のベースとして特に使用される。金属または金属合金としては、金、銀、銅、ニッケル、ニッケルとコバルトの合金およびニッケルと鉄の合金が特に好ましい。フィルム材料としては、セラミック、およびポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）またはシクロオレフィンコポリマ（ＣＯＣ）のようなプラスチックも適している。フィルムは、約０，０５ｍｍ〜数ｍｍの厚さを有する。
【００１０】
互いに積み重ねたフィルムの相互結合またはフレームとフィルム積層との間の結合は、溶接またはろう付け、好ましくはレーザ溶接、レーザろう付け、電子線溶接、マイクロ拡散溶接によって、あるいは例えばセラミックグリーンフィルムのようなセラミック中間層を介した接着または継ぎ合わせによって行うことが有効である。フィルムは、流体がそのために設けられたチャンネルのみを通して流れ、また２つのフィルムの間の望ましくない位置で飛び出すことができないように、フィルム積層内で互いに結合される。液密の結合は、フィルムの固定相互プレスによっても達成することができる。フィルムのミクロ構造化、特にフィルム表面へのチャンネルの付与はエッチング、フライス加工または放電加工によって行われる。特に適切な方法は、ＬＩＧＡまたはレーザＬＩＧＡである。ポリマ材料製のフィルムは型成形法によって製造されることが好ましい。
【００１１】
「チャンネル」または「ミクロチャンネル」とは、本発明に関連して、フィルムの一方または両方の表面の溝状の窪部を意味する。このようなチャンネルの幅は１〜１０００μｍ、好ましくは５〜５００μｍの範囲にある。通常、多数のチャンネルが互いに並んで、しばしば平行に、同時にいくつかの例では別の形態で延在して配設される。アスペクト比はチャンネル幅に対するチャンネルの深さの比率を表す。通常、ミクロチャンネルのアスペクト比は１以下である。
【００１２】
基本モジュール、フィルム積層等「の前」または「後方」という表示は、ハウジングの長手軸線に対する相対的位置を表し、この場合、流体出口の側面は前にあり、流体入口の側面は後方にある。
【００１３】
特に好ましいのは、フィルム積層を有する基本モジュールが、フィルム積層の対向側に配設された少なくとも２つのフレーム要素を具備する場合である。フレーム要素がフィルム積層の端部により広く配設された場合、ハウジング壁とフィルム積層との間の流体が流入できる隙間容積はそれだけ小さくなる。本発明による特に好ましい実施形態では、フレーム要素の外周は、少なくとも部分的に、好ましくは全周にわたって、フィルム積層の周囲よりも大きい。この実施形態では、フレーム要素は、さらに間隔保持器として機能し、この結果、フィルム積層はハウジング壁に部分的にのみ接触するか、あるいは全く接触しない。これによって、ハウジング壁に対するフィルム積層の優れた断熱および電気絶縁 が保証される。温度が非常に異なる場合、２つの基本モジュールを使用することがしばしば有効である。例えば、反応経路を含む基本モジュール内の反応がしばしば非常に高温で実施される場合、特に反応生成物が熱的に不安定である場合には、次に反応生成物を反応システムの後続の領域で強く冷却しなければならない。基本モジュールのフィルム積層およびハウジング壁の両方が通常金属製で熱良導体であり、それら両方が接触する場合、ハウジング壁を介してモジュール間の強力な熱交換が行われる。フレーム要素の形態によって保証されるフィルム積層とハウジング壁との間の間隔は、このような熱交換を著しく低減する。したがって、断熱材料からフレーム要素を製造することも特に有効である。特に適切なのは、セラミック材料である。
【００１４】
特に好ましいのは、ハウジング内で前後に配設された２つの基本モジュールの２つのフレーム要素が互いに当接し、この際に空洞部を形成して、この空洞部の４つの側面がフレーム開口部の内面によって、また２つの側面がフレームに結合されたフィルム積層のそれぞれ１つの側面によって画定される場合である。このような空洞部は、複数の流体が基本モジュールを通して同時に流れる場合、混合モジュールの場合に当てはまるように、例えば２つの基本モジュールの間の複数の流体を混合するために使用することができる。このような空洞部は、以下に拡散経路とも呼ぶ。このような空洞部またはこのような拡散経路の容積は、フレーム開口部の大きさとフレーム開口部に固定されたフィルム積層までのフレーム開口部の深さによって決定される。フレームが少なくとも部分的に１つのフィルム積層にわたって移動されるか、あるいは１つのフィルム積層がフレーム開口部の中に組み込まれる場合、この領域のフレーム開口部の大きさはフィルム積層の外周によって予め設定される。したがって、空洞部または拡散経路を縮小するためには、フィルム積層が組み込まれる領域から、次の基本モジュールのフレーム要素と接触する領域までのフレーム開口部の周囲を縮小するかまたは薄化することが有効である。このことは、フレーム開口部の段階的縮小によって有効に行われる。次に、フィルム積層は、より大きな内周のフレーム開口部の領域に位置し、またこの際にフレーム開口部内の段部の前面に位置する。さらに、追加の当接面によって、フレーム要素とフィルム積層との間の流体封止が改善される。
【００１５】
しばしば、基本モジュールの前または後のシステムを流れる流体の圧力および／または温度のパラメータを単に検出するためにまたは同様に制御するために、前記パラメータを決定することが必要である。本発明の好ましい実施形態では、フレーム要素は、このために加圧センサおよび／または温度センサを具備する。圧力および温度センサは、フレーム内の孔を通してフレーム開口部の領域に案内することができる。
【００１６】
本発明によるミクロ反応システムの機能的基本モジュールは、種々の課題を実施するために設計されている。さらに、フィルム積層内の個々の基本モジュールは、基本モジュール内で異なる機能を果たす同様に種々の機能的要素を含む。フィルム積層内の個々の下部要素の機能は、追加の機能的構成要素、例えば熱抵抗要素またはセンサのミクロ構造化および構造のような個々のフィルムの構造によって決定される。個々の基本モジュールが果たす機能は、種々のフィルムまたは下部機能要素の選択および層順序によって達成され、また規定の要件に個別に適合させることができる。また、多くの非常に異なる機能的基本モジュールは市場で調達することができ、この結果、ユーザは、その必要性に応じて選択肢の大きな個々の要素からミクロ反応システムを組み立てることができる。ハウジングのみがユーザに必要であり、このハウジングはユーザの要件に応じて機能的基本モジュールに結合される。したがって、各要件を満たすために専用の完全なシステムは必要でないので、本発明によるミクロ反応システムは最高の可変性を提供し、費用を著しく節約する。
【００１７】
以下に、基本モジュール内のフィルム積層のための本発明による特に有効な下部機能要素について説明する。下部機能要素は、単一に、あるいは他の機能的要素と組み合わせて任意の層順序でフィルム積層内にそれぞれ含ませることができる。例えば、混合モジュール、反応経路あるいは純粋な冷却または加熱モジュールのためにも、フィルム積層内の１つまたは複数のフィルムを、表面にチャンネルを備える流体ライン要素として形成することが有効であり、前記流体ライン要素は、流体入口からまたは隣接した基本モジュールから流れる流体を、流れがぶつかるフィルム積層の側面からチャンネルを通して対向側に導き、およびこの対向側から導出するように配設される。流体ライン要素を通して流れる流体を冷却または加熱するために、それらの表面にチャンネルと冷却または加熱流体用の少なくとも１つの流入開口部および流出開口部とを備えるフィルム積層内のフィルムの１つまたは複数を熱伝達要素として形成することも有効であり、この場合熱伝達要素の流体案内領域は、流体ライン要素の流体案内領域からの流体の進入に対し封止される。このような熱伝達要素は、フィルム積層内の流体ライン要素の上方および／または下方に直接配設することが有効である。モジュールを通して流れる液体を加熱するために、例えば電気熱抵抗要素等のような他の加熱装置をフィルム上に取り付けることもできる。基本モジュール内部の温度または圧力を測定または調整する場合、このために、対応するセンサ要素を有するフィルムを設けることができる。温度センサとしては電気抵抗要素および熱電対が適しているが、このようなミクロ技術用途のための光ファイバ温度測定要素および膜赤外線要素も公知であり、また適切である。さらに、貫流する流体量を検出および／または調整するマスフローセンサをフィルム積層内に格納することができる。公知のミクロ技術のマスフローセンサは、第１の温度センサから流れる流体を加熱する電気熱抵抗要素を流体の流れの中の２つの温度センサの間に配設することを根拠とし、流体温度は第２の温度センサの下流側で測定される。両方の温度測定の比較は、チャンネル断面を考慮してマスフローに関する基準を提供する流速の基準を提供する。
【００１８】
本発明のさらに好ましい実施形態では、ハウジングの流体入口および／または出口にマスフロー調整器が配設される。マスフロー調整器はマスフローセンサと、マスフローを制御するための弁と、対応する制御回路または調整電子回路とから構成される。このことは基礎モジュールのフィルム積層内部に当てはまるが、流入入口および出口のより大きな寸法のため、本実施形態では小型化したマスフローセンサを組み込むことができる。
【００１９】
複数の流体抽出物との反応を実施するため、あるいは１つまたは複数の流体抽出物と坦体としての不活性流体とを混合する場合、あるいは希釈のためにそれらを混合する場合、少なくとも１つの基本モジュールを反応システム内の流体混合機として形成することが有効であり、この流体混合機は、フィルム積層内にハウジングの流体入口から混合室に通じるチャンネルを備え、この混合室は、好ましくは流体混合機とその後にハウジング内に配設された基本モジュールとの間の空洞部または拡散経路である。種々の流体入口からシステム内に流入する複数の流体を混合するために、流体混合機として形成された複数の基本モジュールを前後に配設することができる。しかし、流体混合機は、同時に３つ以上の流体がこの流体混合機に流入して、混合室に導くことができるように構成することもできる。
【００２０】
反応経路として形成された基本モジュールは、ハウジング内の反応経路の前に配設された基本モジュールからその後に配設された基本モジュールに、室にまたは流体出口に通じるチャンネルをフィルム積層内に備える。本発明によるミクロ反応システムの特に好ましい用途は、不均一接触の気相反応の検査および実施である。このために、反応経路のチャンネルには、好ましくは触媒、場合によっては触媒を含む坦体被覆が設けられることが好ましい。触媒としては、貴金属、特にプラチナが適している。このため、反応経路のチャンネルに触媒材料を被覆することが有効である。代わりに、フィルムはまた、完全に触媒金属から製造することができる。チャンネル表面と触媒との間の坦体層は、触媒とフィルム材料との間を接合するためにおよび／または触媒の表面を拡大するために適している。坦体層としては特に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が適しているが、従来の技術から他の多くの坦体材料も公知であり、本発明に従って組み込むことができる。
【００２１】
反応経路用のフィルム積層の本発明による特に好ましい層構造体は、ａ）交互の熱伝達要素および流体ライン要素と、ｂ）交互の熱伝達要素、流体ライン要素およびセンサ要素、またはｃ）交互の熱伝達要素、流体ライン要素および組み合わせたセンサ／加熱要素を具備する。
【００２２】
電気熱抵抗要素は、ワイヤとしてまたは薄い金属層としてフィルムに付与することができる。温度センサとしては、同様の方法で構成される抵抗要素または熱電対が適しているが、ミクロ技術の形態の光ファイバ温度センサも公知である。
【００２３】
本発明によるミクロ反応システムのハウジングは、ハウジング下部とハウジングカバーとによって略箱状に有効に形成される。基本モジュールをハウジング下部の中に組み込んだ後、ハウジングはカバーによって確実に閉鎖され、この結果基本モジュールのフレーム要素は、ハウジング下部の内室と同一の方法で、ハウジングカバーに対して正確に整合かつ液密に接触する。固定のために、ハウジングカバーは下部にボルト止めされるかまたは他の方法でプレスすることができる。ハウジングは本質的に金属から製造されることが好ましいが、特に断熱および／または電気絶縁が要求される場合にはセラミックも適している。
【００２４】
加熱または冷却流体の供給のため、ならびに電気加熱要素およびセンサ用の給電および導電のため、ハウジングは、ハウジング壁内に対応する接続部を有する。好ましくは、これらの接続部は、ハウジングの部分または全長を介して延在して、多数の互いに並んで配設された接続部を有する接続ストリップとして形成され、前記接続部は、必要に応じてまたその後にハウジング内に配設された基本モジュールに使用することができる。しかし、複数の接続ストリップ、例えば電気接点用の接続ストリップおよび熱伝達要素用の供給および誘導ラインを有する別の接続ストリップをハウジング壁に設けることもできる。
【００２５】
本発明のさらなる利点、特徴および実施形態について、いくつかの好ましい実施例および対応する図面の以下の説明を参考にして明らかにする。
【００２６】
図１は、本発明によるミクロ反応システムの個々の要素の構成を概略的に示している。破線で示されたハウジング１は、３つの気体抽出物入口７と不活性ガス入口８と気体生成物出口９とを具備する。ハウジング内室には、機能的基本モジュール２、２’、２”、すなわち混合モジュール２、反応経路２’およびクエンチモジュール（冷却または加熱モジュール）２”が前後に配設されている。ハウジング１の入口および出口７、８、９には、ガス流を測定して、バルブ制御によってガス流を調整するマスフロー調整器５がそれぞれ設けられている。さらに、個々の基本モジュール２、２’、２”の前後には、圧力および温度パラメータの検出および／または調整に使用される圧力および温度センサ６が設けられている。図示した基本モジュール２、２’、２”の各々には熱伝達要素が装備され、この熱伝達要素には、基本モジュール内の温度を調整するために流入路および流出路４を介して冷却または加熱流体（ガスまたは液体）を供給することができる。さらに、図示した基本モジュール２、２’、２”の各々は電気熱抵抗要素３を装備している。
【００２７】
図２は、図１に示したモジュール式ミクロ反応システムの本発明による具体的な形態を側面縦断面で示している。図１に示した流体入口７は、図２に示した実施形態の場合、観測者と反対側のハウジング１の側面にあり、したがって図２では見えない。図２のハウジング１には、図１と同様に、５つの基本モジュール、すなわち流体入口８から流体出口９の方向に３つの連続する混合モジュール２、反応経路２’およびクエンチモジュール２”が格納されている。基本モジュールの各々は、板状の重ねて配設されたフィルム１２、１３、１４、１５を有するフィルム積層と、前面と後面（主流体流動方向に関して）においてフィルム積層に結合された２つのフレーム要素１０とから構成される。フレーム要素１０の外周はハウジング１の内部断面に一致し、したがってフレーム要素はハウジング内壁に正確に、また本質的に液密に接する。フレーム要素１０は、それらと結合されたフィルム積層をフレーム開口部の領域で包囲するが、同時に主流体流動方向においてもフィルム積層の前まで延在するように形成されている。この場合、フィルム積層の前のフレーム開口部の内部断面積は、フィルム積層を包む領域の内部断面積よりも小さく、この場合、より大きな内部断面からより小さな内部断面への移行部は段部を介して延在する。２つの隣接する基本モジュールは、フレーム要素の前面が積み重なるように並んで配設され、この場合、隣接する基本モジュールの間には空洞部または拡散経路１１が形成される。図２に示した実施形態の混合モジュール２は、連続する層のそれぞれ異なる種類の３つのフィルム、すなわち熱伝達要素１３と流体ライン要素１４と流体抽出物供給要素１５とを具備する。流体抽出物供給要素１５は、図２に示していないが、図１に参照番号７で示した抽出物入口を通して、対応する混合モジュール２の後方の拡散経路１１に流体を導く。流体ライン要素１４は、流体入口８を通して導入される別の流体を、フィルム積層を通して同様に拡散経路１１に導く。熱伝達要素１３には、混合モジュールを通して流れる流体を冷却または加熱するために、図示していない流体流入路を介して加熱または冷却流体を供給することができる。拡散経路１１において、モジュールを通して導かれる流体は、次の基本モジュールに流入する前に混合される。第２および第３の混合モジュールでは、第１の混合モジュールを介して導入された流体は、さらなる流体抽出物と、選択的に不活性流体とも混合することができる。
【００２８】
同様に、反応経路２は３つの種類のフィルム、すなわち熱伝達要素１３、流体ライン要素１４ならびにセンサ／加熱要素１２を備える。反応経路２’の流体ライン要素１４は、反応経路２の前後の拡散経路１１を互いに結合し、選択的に触媒材料を含むことができる。この場合、ミクロ構造のチャンネルを備えたフィルム１４は、貴金属のような触媒材料から完全に製造できるか、あるいはミクロ構造のチャンネルには触媒材料が被覆される。熱伝達要素１３は、混合モジュール２の場合と同一の方法で形成される。センサ加熱要素１２は、必要に応じて、温度センサ、電気熱抵抗要素またはその両方が装備される。センサ加熱要素はミクロ技術の加圧センサも含むことができる。反応経路２’に接続されるクエンチモジュール２”は、混合モジュール２と同様に、すなわち熱伝達要素１３、流体ライン要素１４および流体供給要素１５から本質的に構成され、この場合反応経路から流れる反応生成物は流体ライン要素１４を通して流体出口９の直前の室１１’に案内される。クエンチモジュール２”内の流体供給要素１５を通して、例えば、反応生成物の急速冷却、希釈または安定化のために使用できるクエンチ流体を追加供給することができる。クエンチ流体および反応生成物は室１１’に収集され、ハウジングから流体出口９を通して流出する前にそこで混合される。
【００２９】
種々の基本モジュール２、２’、２”はハウジングから簡単に取り出すことができ、また他の基本モジュールと交換することができる。反応経路２’を交換することによって、残りの基本モジュールを交換または完全に新しい反応システムを使用する必要なしに、例えば異なる触媒または他の反応条件を調べることができる。基本モジュールも、例えば混合モジュール２の１つまたは２つを省略することができる。このため、ハウジング１の後に残る空きスペースを充填するために、他のより長い構造の基本モジュール２、２’または２”を使用することができる。代わりに、空きスペースを充填するために、他の要素、例えば簡単なフレーム要素１０またはフレーム要素と同様の間隔保持器も使用することができる。
【００３０】
図３は、本発明によるミクロ反応システムのさらなる実施形態を前から斜めの斜視図で示している。ミクロ反応システムは、図２による実施形態と同一の種類の基本モジュール、すなわち混合モジュール２、反応経路２’およびクエンチモジュール２”を本質的に具備する。クエンチモジュール２”の領域には、クエンチ流体をクエンチモジュール２”の中に導入するための流体供給路７’が追加して設けられる。ハウジング１の側壁の接続ストリップ１６には、互いに並んで配設された多数の接続部１７が設けられる。接続部１７を介して、その背後に配設された基本モジュールに、例えば電気熱抵抗要素のための電流と、例えば熱伝達要素のための流体とを供給することができる。
【００３１】
図４は本発明によるフレーム要素１０を示し、本図ではセンサ６はフレーム内の孔を通してフレーム開口部に導入される。センサ６は、圧力および／または温度センサであり得る。図５は、フィルム積層と、フィルム積層の前面および後面の配設された図４のフレーム要素１０とを有する本発明による基本モジュールを示している。フィルム積層は、フィルム積層の前面から背面に一群で平行かつ直線に延在するミクロ構造のチャンネルを有する流体ライン要素１４から構成される。さらに、フィルム積層はセンサ／加熱要素１２と熱伝達要素１３とを含む。図５の基本モジュールは反応経路として適している。
【００３２】
図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、フィルム積層内に共に配設するために適切な加熱要素１２’、流体ライン要素１４’および熱伝達要素１３’を示している。図６ａの加熱要素１２’は、本質的に長方形のプレートから構成され、その表面を電気熱抵抗加熱ワイヤが通る。加熱ワイヤは、接続部１８の加熱要素１２の一方の側面に終端し、そこで加熱ワイヤに電流が供給される。好ましくは、接続部１８はいわゆるボンドパッドとして形成される。図６ｂの流体ライン要素１４’は、流体ライン要素の片側から対向側に延びる一群の平行に延在する溝状のミクロチャンネル２０を備える。フィルム積層内の流体ライン要素の上方に配設されたフィルムによって、個々の溝状のチャンネルは上から液密に閉じられ、隣接したチャンネル内への流体の進入またはフィルム積層から側方への流出を阻止する。図６ｃに示した熱伝達要素１３’の場合、冷却または加熱流体は供給路４’を通して導入され、ミクロ構造の熱伝達体チャンネル２１を通して熱伝達要素１３’を通して導かれ、また流出路４”を通して再び排出される。
【００３３】
図７ａ、図７ｂ、図７ｃは、ミクロ構造のフィルム要素の代わりの形態、すなわちフィルム積層内に共に配設するために適切な熱伝達要素１３”、流体供給要素１５’および流体ライン要素１４”を示している。フィルム要素１３”、１５’、１４”は、フィルム積層内で重なって、フィルム積層を通して上から下に延在するそれぞれ３つの孔を備えている。孔２４および２４’は、伝熱媒体の流入路または流出路として使用され、また熱伝達要素１３”のミクロ構造の領域とのみ結合し、流体供給要素１５’および流体ライン要素１４”のミクロ構造の領域とは結合していない。図７ａ、図７ｂ、図７ｃのフィルム要素は、上からフィルム積層内への流体供給のために設けられている。冷却または加熱流体は、熱伝達体流入路２４を通して導入され、フィルム積層内に設けられた熱伝達要素１３”の１つまたは複数を通してのみ貫流し、また熱伝達体流出路２４’を通してフィルム積層を離れる。流体抽出物は流体供給孔２７を通してフィルム積層の中に導入され、前記供給孔を通してフィルム積層内のそれぞれの流体供給要素１５の中に流れ、次の隣接した基本モジュールの方向にフィルム積層を離れる。流体ライン要素１４”には、図７ｃの左側から流れがぶつかり、また流体は右側に導かれ、隣接する拡散経路において流体供給要素１５’からの流出する流体と混合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるミクロ反応システムの種々の要素の構成概略図である。
【図２】 本発明によるミクロ反応システムの縦断面図である。
【図３】 本発明によるミクロ反応システムの前から斜めの別の実施形態である。
【図４】 センサ付きの本発明によるフレーム要素である。
【図５】 フィルム積層とフレーム要素とを有する本発明による基本モジュールである。
【図６】 図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、加熱要素、流体ライン要素および熱伝達要素である。
【図７】 図７ａ、図６ｂ、図７ｃは、代替実施形態の熱伝達要素、抽出物供給要素および流体ライン要素である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 混合モジュール
２’ 反応経路
２” クエンチモジュール
３ 加熱ワイヤ
４、４’、４” 熱伝達体の流入／流出
５ マスフロー調整器
６ 圧力／温度センサ
７、７’、７” 流体抽出物供給
８ 不活性流体供給
９ 流体出口
１０ フレーム要素
１１ 拡散経路
１２、１２’、１２” センサ−／加熱要素
１３、１３’、１３” 熱伝達要素
１４、１４’、１４” 流体ライン要素
１５、１５’ 流体供給要素
１６ 接続ストリップ
１７ 接続部
１８ 加熱要素接続部
２０ 反応チャンネル
２１ 熱伝達チャンネル
２２ 収集器
２４、２４’ 熱伝達体流入／流出孔
２７ 流体抽出物供給孔

Claims (16)

1. ハウジングと、該ハウジング内に格納された機能的基本モジュールとを有するモジュール式ミクロ反応システムであって、前記ハウジングが少なくとも１つの流体入口と少なくとも１つの流体出口とを有し、前記基本モジュールは前記ハウジング内において直列に前後に配設され、流体が前記基本モジュールを連続して貫流可能であるように形成され、前記基本モジュールの少なくともあるものは、フィルム積層を形成しつつ、固定または取り外し可能に互いに結合された板状の略長方形の互いに積み重ねた複数のフィルムから構成され、該フィルムの１つまたは複数は一方または両方の表面にミクロ構造のチャンネル、センサ要素、加熱要素またはそれらの組合せを備え、および各フィルム積層が、表面にチャンネルが設けられた少なくとも１つのフィルムを備え、前記チャンネルが流体ラインのためにフィルム積層の一方の側面からフィルム積層の対向するまたはそれに隣接する側面に通じるように形成される、システムにおいて、前記基本モジュール（２、２’、２”）が、前記フィルム積層に固定または取り外し可能におよび液密に結合されたそれぞれ少なくとも１つのフレーム要素（１０）を有し、前記フィルム積層が前記フレーム要素と共にユニットとしてハウジング（１）内に組込み可能かつ該ハウジングから取り外し可能であることを特徴とするシステム。
2. 前記フレーム要素（１０）の外周がハウジング（１）の内部断面に一致し、ハウジング内壁に液密に当接することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記基本モジュール（２、２’、２”）が少なくとも２つのフレーム要素（１０）を備え、該フレーム要素が、フィルム積層の対向側に配設されることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記フレーム要素（１０）の外周およびハウジング（１）の内部断面が長方形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記フレーム要素（１０）の外周が、少なくとも部分的に、前記ハウジングの長手軸線の方向の前記フィルム積層の周囲よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記フレーム要素（１０）が断熱材料から製造されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記ハウジング（１）内で前後に配設された２つの基本モジュール（２、２’、２”）の隣接したフレーム要素（１０）が、互いに当接して空洞部（１１）を形成し、該空洞部の４つの側面がフレーム開口部の内面によって、かつ、２つの側面がフレームに結合されたフィルム積層のそれぞれ１つの側面によって画定されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記フレーム要素（１０）が、フレーム開口部内に加圧センサおよび／または温度センサ（６）を具備することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記フィルムの１つまたは複数がフィルム積層内に流体ライン要素として形成され、該流体ライン要素がその表面に、流体が流れてぶつかるフィルム積層の側面から前記フィルム積層を通してフィルム積層の対向側に通じるチャンネルを備え、
   およびフィルム積層内のフィルムの１つまたは複数が熱伝達要素として形成され、該熱伝達要素が、それらの表面にチャンネルと、冷却または加熱流体用の少なくとも１つの流入開口部および流出開口部とを備え、前記熱伝達要素の流体案内領域が、前記流体ライン要素の流体案内領域からの流体の進入に対し封止され、
   および／またはフィルム積層内のフィルムの１つまたは複数が温度および／または圧力センサ要素、加熱要素またはそれらの組合せとして形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 少なくとも１つの基本モジュールが流体混合機として形成され、該流体混合機が、前記フィルム積層内に前記ハウジングの流体入口から混合室に通じるチャンネルを備え、該混合室は、前記流体混合機とその後に前記ハウジング内に配設された別の基本モジュールとの間の空洞部であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記流体混合機が、前記ハウジングの別の流体入口からおよび／または前記ハウジング内の前記流体混合機の前に配設された基本モジュールから混合室に通じるチャンネルをさらに備えることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. 少なくとも１つの基本モジュールが反応経路として形成され、該反応経路が、前記ハウジング内の前記反応経路の前に配設された基本モジュールからその後に配設された基本モジュールにまたは流体出口に通じるチャンネルを前記フィルム積層内に備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記反応経路のチャンネルに、触媒が設けられ、およびチャンネル表面と前記触媒との間に配設される坦体被覆が設けられることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記ハウジングが金属またはセラミックから製造されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. ハウジング壁に、前記基本モジュール（２、２’、２”）に電気および／または流体を供給するための接続部（１７）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記ハウジング壁に設けられた接続部（１７）が、ハウジング（１）の縦方向に延在する接続ストリップ（１６）として形成されることを特徴とする、請求項１５に記載のシステム。

Images