JP5319911B2 - マイクロリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、微少な流路を用いて、流体の混合や、或いは反応を行うマイクロリアクタに関する。

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、分離などを行う生産設備であり、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、材料が容易に均一に混合されて、小規模な反応装置でも短時間で投入材料の全量の反応を終わらせることができること、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、必要な量に応じた装置の数の増加させることで容易に量産用設備とすることができること、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等である。このため、化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合や、或い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。

マイクロ化学プラントを構成するものは、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であり、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。従って、本発明のマイクロリアクタはマイクロミキサも含めている。

このような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の発明では、マイクロ流路内に流れる流体に超低周波振動を伝播することで、流体に流速変動を誘起して混合や反応の促進化を図ることができる。また、特許文献２には、筒部材とこれに切った螺旋ネジとにより反応流路を形成すると共に、反応流路内の温度を制御するための液が循環するジャケットを設けたマイクロリアクタが開示されている。

特開２００５−７７２１９号公報 特開２００５−４６６５２号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、超低周波振動発生手段を装置外部に設ける必要があり、それを駆動させるためのエネルギーが必要であり、大量の反応を行うにはそれだけ装置が大掛かりなものとなる。また、必要な量に応じた装置の数の増加させることによりデバイスの数が多くなった場合は、マイクロ化学プラントの製造コストが高くなり、大量のエネルギーも必要となるという問題があった。

一方で、特許文献２のリアクタでは、筒部材と螺旋ネジとの密閉性の確保が困難であり、流路途中での流体の漏れ出しという懸念があり、材料が混合され徐々に反応が進む中で反応させるべき材料の一部に漏れ出した流体が混じり込み適切な反応を阻害させるおそれがあるなどの問題があった。またジャケットをケーシングの外部に別途設ける形となり、この場合も装置の部品点数が増え、装置が大型化するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で混合及び／或いは反応を効率良く行うことのできるマイクロリアクタを提供することを目的とする。

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は、
微量の流体用の反応器であって、円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に時計方向の旋回を与える第１の微小流路と反時計方向の旋回を与える第２の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した混合ブロックを複数個同軸上にそれぞれの混合ブロックを９０度の位相差で連結した混合器の本体と、前記混合器本体の終端部に接続し、混合及び／或いは反応の進んだ流体を排出する吐出孔を形成したエンドナットと、前記混合器本体の流入側の２つの微小流路と９０度の位相差で一対の流体の流入路を形成した供給ブロックとよりなり、それぞれが気密性を持って接続されてなることを特徴とする。

請求項２のマイクロリアクタでは、
微量の流体用の反応器であって、円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に時計方向の旋回を与える第１の微小流路と第２の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した第１の混合ブロックと、円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に反時計方向の旋回を与える第３の微小流路と第４の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した第２の混合ブロックと、を複数個同軸上に組み合わせ、それぞれの混合ブロックを９０度の位相差で連結した混合器の本体と、前記混合器本体の終端部に接続し、混合及び／或いは反応の進んだ流体を排出する吐出孔を形成したエンドナットと、前記混合器本体の流入側の２つの微小流路と９０度の位相差で一対の流体の流入路を形成した供給ブロックとよりなり、それぞれが気密性を持って接続されてなることを特徴とする。

本発明によれば、前述した構成により供給ブロックでは混合及び／或いは反応する流体が独立した微小流路で混合ブロックに導かれ、混合ブロックに形成された円筒或いは円錐状空間において初めて合流し、混合の為の微小流路に導かれるため、混合部への流入前に不必要な混合及び／或いは反応が起こることがなく、混合ブロック内において２つの流体の混合及び／或いは反応を徐々に進めることが可能であり、２つの流体を混合及び／或いは反応を促進する適切な数の構成として混合ブロックを接続し、この系のなかでの複数の流体の互いの混合の程度や、或いは反応の進み具合を意図したものとする自由度が高いものを提供することができる。

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断面図、第２図は供給ブロックの接合面の外観図、第３図は流入側より第１の混合ブロックの接合面の外観図である。
マイクロリアクタ１は、母体である本体ケース２、エンドナット３、供給ブロック４、及び必要な数の混合ブロック５，６等で構成される。

図１により、本発明のマイクロリアクタの構成について詳述する。

混合器本体の本体ケース２は、必要な混合ブロックの数を設置可能な長さであり、流体入り側には供給ブロック４と同軸で接合可能な様に係合凹部と、接合のためのフランジと、流体吐出側にはパッキン（シール部材）７を間挿させる凹部や、エンドナット３の雌ねじと結合する雄ねじを円筒部外側に形成している。

エンドナット３には吐出孔１２を中心軸上にもつ隔壁と、流体を外部に導くための配管接続ニップルの受けネジを形成している。

供給ブロック４には、配管接続ニップルの受けネジを形成した一対の流体の供給孔１１が、混合ブロックへ繋がる流体の流入路である微小流路１１ａ，１１ｂを連通し形成して中心軸に対して同芯円径上で１８０度で対向して設けられ、また本体ケース２のフランジ部で互いに接合するためのボルト１０等の締結部材を受ける雌ネジが形成されている。

混合ブロックには、それぞれ中心軸の同芯円径上に一対の微小流路が形成され、例えば第１の混合ブロック５には、その微小流路に流れる流体に時計回りの旋回を与える捩れ翼を持つ第１の微小流路５ａと，その第１の微小流路と１８０度対向する同芯円径上に、流体に反時計方向の旋回を与える捩れ翼を持つ第２の微小流路５ｂを備え、軸方向両端面には、前記一対の微小流路５ａ，５ｂに流体を分流し、或いは前記一対の微小流路５ａ，５ｂからの流体を合流させる円筒或いは円錐状空間５Ａ，５Ｂを形成し、加えて例えば流体の流れ込む入側端面には円周方向の位相・位置合わせを可能にする係合ピン８を備え、他端面には、他の混合ブロックに備えた前記係合ピン８に係合する嵌合孔が形成されている。

そして、第２の混合ブロック６は、ほぼ同じ形状・構成であり、唯一第１の微小流路６ａに流れる流体に反時計方向の旋回を与える捩れ翼、第２の微小流路６ｂには流体に時計方向の旋回を与える捩れ翼を持つ構成となっている。

つまり双方の混合ブロックの微小流路及び捩れ翼の製作は同じ仕様でよく、唯一第１の微小流路５ａに対し第２の微小流路６ａが位相が９０度進むか、或いは遅れる角度の組合わせにするその設計意図に応じて所定の位置に係合ピン８を植立し、嵌合孔を形成することで済む。

供給ブロック４と内挿した第１の混合ブロック５及び、複数のそれぞれの混合ブロック同士を互いの端面に密着接合させる圧着力は、パッキン７を介してエンドナット３と本体ケース２の雌雄のネジを締め込む締結力により与えられる。

それぞれの微小流路の捩れ翼による流体の旋回方向の設計意図としては、短時間で複数の流体の混合及び／或いは反応を効率的に実行することを望む場合には流体の運動に連続性を持たせる、或いは比較的長い時間で複数の流体の混合及び／反応を混合ブロック間で進行させることを望む場合には流体の捩れの運動を反転させる旋回方向になるような捩れ翼の旋回方向の配置とした混合ブロックの接続にすることで可能であり、流体の混合及び／或いは反応について高い自由度を持ったマイクロリアクタとなる。

次に、本発明のマイクロリアクタの組立について詳述する。まず本体ケース２と供給ブロック４をボルト１０等の締結部材で締結する。この際、供給ブロック４と第１の混合ブロック５の接合面には、少なくともどちらかにシール部材を間挿する溝を備え、気密性の確保に十分な仕様のＯリング９等を挿入することが望ましい。

混合ブロック部の組立て準備は、必用な数の混合ブロックを、一方に備えた係合ピン８と、他方に備えた前記の係合ピン８に嵌め合うことのできる嵌合孔によって中心軸回りの円周方向の向きを所定の向きに合わせて積層して混合ブロック群とする。その積層した混合ブロック群を、同じように、第１の混合ブロックの係合ピン８と供給ブロック４に備えた嵌合孔が中心軸回り円周方向の位相が合わされ嵌め合い・接続され、それによって所定の深さまで混合ブロック群を供給ブロック４に挿入する。これにより、供給ブロック４に備えた一対の供給孔１１に連通し、中心軸の同心円径上で１８０度対向位置に形成された供給ブロック４の一対の微小流路１１ａ，１１ｂ（図３の破線で示す）と、第１の混合ブロック５の一対の微小流路５ａ，５ｂが意図どおり中心軸回りに９０度の位相差で接続される。

その上で、本体ケース２の端部にパッキン７を置き、エンドナット３の雌ネジと、本体ケース２に形成した雄ネジを噛み合わせ、エンドナット３を所定のトルクで締めつけることで組立てが完了する。

あとは、このマイクロリアクタの前後の配管、つまりマイクロリアクタに対する必用な流体の供給および排出の為の配管等を施すことでマイクロリアクタの使用するための準備が整う。

こうして構成されたマイクロリアクタを通過する流体の動きを実施例の中で説明する。

実施例として、混合ブロックに備える微小流路による流体の旋回方向の設定において、本発明のマイクロリアクタにおける「流体の挙動」に対する設計の自由度についても併せて詳述する。前記した混合ブロックの微小流路に備える捩れ翼による流体の旋回方向は、１つの混合ブロック内の一対の微小流路で互いに旋回方向の違う構成とし、その流体の旋回方向の連続性或いは非連続性を、組み合わせる混合ブロックの位相差によって変化を実現するバリエーションを説明した。

この場合には、混合ブロックを出た混合流体は、それぞれの微小流路を出た流体が、その旋回方向が逆の流体として混合ブロック出側の円筒或いは円錐状空間で合流し、一対の微小流路で得たそれぞれの流体の持つ旋回がぶつかり合い混合及び／或いは反応が促進される。そして、さらに連結され隣り合う混合ブロックの入り側の円筒或いは円錐空間部分で一対の微小流路に流れ込み流体に微小流路内の捩れ翼において旋回が与えられ、さらに混合及び／或いは反応が進行する。

これに対し、１つの混合ブロックの一対の微小流路例えば５ａ，５ｂにどちらも流体に与える旋回方向を同じ時計方向とする捩れ翼とし、これに連結する混合ブロックの一対の微小流路例えば６ａ，６ｂに、どちらも同じ反時計方向とする捩れ翼を備える構成とするものが開示できる。

これにより１つの混合ブロック内の流体の旋回方向が統一され、複数の流体に必用とされる流体の混合及び／或いは反応の時間や、度合いに応じて、マイクロリアクタ内に設置する混合ブロックの流体の旋回方向の変化の度数、つまり混合ブロックの数や、本体ケース２に納める混合ブロックそのものの必要数が設定し易くなる。

つまり、混合ブロック内の流体の混合及び／或いは反応の時間や度合いが、同じ旋回方向が２回で済む場合、或いはその間に１回の反対方向の旋回で十分となる場合等、様々な例が考えられる。

その他のケースとしては、数を増やすだけでなく、１つの混合ブロックにおける微小流路の距離を長くすることで、必用な混合及び／或いは反応が実行され、混合ブロックの総数が少なくて済む構成もそのバリエーションとして例示できる。

このように、流体の性質や、必要な混合及び／或いは反応速度等に応じて混合ブロックに形成する微小流路内の流体に与える旋回方向を組合わせることでリアクタとしての最高のパフォーマンスを最も小さな装置で得ることが可能となる。

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。

本発明に係るマイクロリアクタの断面図である。 供給ブロックの接合面の外観図である。 第１の混合ブロックの接合面の外観図である。 流体に時計方向の旋回を与える微小流路の混合ブロックの例の断面図である。 反時計方向の旋回を与える微小流路の混合ブロックの例の断面図である。

符号の説明

１ マイクロリアクタ
２ 本体ケース
３ エンドナット
４ 供給ブロック
５ 第１の混合ブロック
６ 第２の混合ブロック
１１ 一対の供給孔
１２ 吐出孔

Claims (2)

1. 微量の流体用の反応器であって、
   円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に時計方向の旋回を与える第１の微小流路と反時計方向の旋回を与える第２の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した混合ブロックを複数個同軸上にそれぞれの混合ブロックを９０度の位相差で連結した混合器の本体と、前記混合器本体の終端部に接続し、混合及び／或いは反応の進んだ流体を排出する吐出孔を形成したエンドナットと、前記混合器本体の流入側の２つの微小流路と９０度の位相差で一対の流体の流入路を形成した供給ブロックとよりなり、それぞれが気密性を持って接続されてなるマイクロリアクタ。
2. 微量の流体用の反応器であって、
   円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に時計方向の旋回を与える第１の微小流路と第２の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した第１の混合ブロックと、円筒形の母体の中心軸に対して１８０度対向する位置に、流体に反時計方向の旋回を与える第３の微小流路と第４の微小流路を持ち、２つの微小流路を含み２つの微小流路に流体を分流或いは合流させる円筒或は円錐状空間の分流部及び合流部を両端に形成した第２の混合ブロックと、を複数個同軸上に組み合わせ、それぞれの混合ブロックを９０度の位相差で連結した混合器の本体と、前記混合器本体の終端部に接続し、混合及び／或いは反応の進んだ流体を排出する吐出孔を形成したエンドナットと、前記混合器本体の流入側の２つの微小流路と９０度の位相差で一対の流体の流入路を形成した供給ブロックとよりなり、それぞれが気密性を持って接続されてなるマイクロリアクタ。

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