マイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器
【課題】管壁と中間生成物、生成物との相互作用を絶ち、混合時間を抑制しながら複数の原料溶液を混合・反応を行わせて化合物を製造する方法と装置を提供する。
【解決手段】
溝を掘った薄層を積み重ねて作成した分流器を用い、２種以上の溶液を複数の細かいセグメントに細分化して適切に配置する方法を用いる。配置された溶液は下流において混合される。また、混合の際、乱流発生手段１７によってマイクロ流路１２を流れている溶液に乱流を起こし、マイクロ混合を行う。乱流の強さ（Ｒｅ数）および乱流が起きている時間を調節することにより、上記課題を解決する。
【解決手段】
溝を掘った薄層を積み重ねて作成した分流器を用い、２種以上の溶液を複数の細かいセグメントに細分化して適切に配置する方法を用いる。配置された溶液は下流において混合される。また、混合の際、乱流発生手段１７によってマイクロ流路１２を流れている溶液に乱流を起こし、マイクロ混合を行う。乱流の強さ（Ｒｅ数）および乱流が起きている時間を調節することにより、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の溶液をマイクロ流路内で反応させて、化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。更に詳しくは、溶液を複数のセグメントに細分化して化学反応用のマイクロ流路内に供給して、効率的に化学反応を行うための化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物の生産や製造においては、化学反応試料の供給、混合、反応活性化のための熱供給、熱除去、触媒反応の効率化等、化学反応の反応制御を向上させることに日々努力が重ねられている。反応制御の向上によって、生産安全性、反応生成物の収率、反応生成物の純度、有用な高活性中間生成物の単離の向上が可能になる。
【０００３】
従来から化学反応には大きな反応槽が用いられることが一般的である。近年は、微細な粒子を生成する装置として、マイクロリアクタ、又はマイクロミキサー等に代表される複数の溶液供給管に繋がったマイクロ流路内で、化学反応を行う装置の研究が行われている。これらの装置を用いた化学反応の効率化、新規化合物の創製等を目的とする研究が注目されている。このマイクロミキサー又はマイクロリアクタは、サブマイクロメータからミリメータまでのオーダーの内径を有する狭い流路内で、複数の流体の拡散、混合で化学反応を起こすものである。
【０００４】
複数の流体を混合する目的のものは、マイクロミキサーと定義されることが一般的である。マイクロリアクタは、複数の流体を拡散、混合し、又は混合しながら化学反応を行うためのものである。以後は、マイクロリアクタはマイクロミキサーを含むものとして説明する。
【０００５】
流路を小さくすると流路内の液体の熱容量が小さくなるので、マイクロリアクタを構成する他部から流路への熱交換を速やかに行うことが可能になる。これにより流路内の化学反応の温度制御が容易にできる。また、マイクロリアクタは高効率で、流路内を流れている溶液相間の化学反応を制御することが可能な点で、化学合成、新規化合物の造成、各種の試料の分析や解析等に革新的な変革をもたらすものとして大きく期待されている。
【０００６】
アクティブな化学反応制御装置としては、マグネチックスターラ等のような微小な領域を機械的に混合することにより、迅速な混合を行っているものがある。マグネチックスターラは、反応液が入っている容器の中に棒状、又は板状の撹拌用の永久磁石を配置している。容器の外側に配置された駆動用の永久磁石をモータによって駆動すると、その磁力を受けて撹拌用の永久磁石が回転して、反応液を撹拌し、その反応を促すものである。
【０００７】
特許文献１には、粒子径１μｍ〜１ｍｍのマイクロ流路を用いたナノ粒子の製造方法が開示されている。詳しくは、マイクロ流路内に粒子形成用の前駆体含有溶液を、連続的に供給しながら反応開始温度までに急速加熱し、反応を行わせたのち、急速冷却してナノ粒子を製造するものである。この製造方法は、加熱温度と時間制御をすることにより粒径を制御するものである。
【０００８】
特許文献２には、マイクロリアクタの構造が開示されている。マイクロリアクタのマイクロ流路に、流体Ａ、Ｂを流体導入部から合流させて分子拡散により複合反応を行わせている。このとき、マイクロ流路の入口の径方向断面において、流体Ａ、Ｂを複数の流体セグメントＡ、Ｂに分割して合流させ、これらの流体セグメントＡ、Ｂを層流として流通させつつ分子拡散により混合して複合反応を行わせる。
【０００９】
また、可動部、動力部を持たない化学反応制御装置としては、スタティックミキサー等がある。スタティックミキサーは、管内を流れる混合液の流れを複雑にして混合を促すためのものである。スタティックミキサーは、長方形の板状のエレメントをねじって管内に配置し、混合液はこのエレメントを通過するごとにその流れが変わるものである。例えば、混合液がこのエレメントを通過するとき分割されたり、エレメントのねじれに沿って管の中央部から壁部へ、または、壁部から中央部へと替えられる。
【００１０】
乱流ではなくカオス対流を用いた混合、反応器としてはカオス式ミキサーがある。特許文献３には、カオス式ミキサーを開示している。スタティックミキサー等では、基本的に、複数溶液の層流を交互に重ねることにより、混合を行う。カオス式ミキサーは、複数溶液の層流を３次元的に折り重ねることにより混合をおこなう。
【００１１】
非特許文献１のセラミックマイクロリアクタは、層流で流れている２種類の反応溶液でナノ粒子を生成している。非特許文献２のジグザグ形のチャネルは、２種類の溶液を注入して、ナノ粒子を生成している。
非特許文献３のマイクロリアクタは、２重管を用いて同心円状の液の流れを作り、内側の液の中のみで粒子を合成することにより、合成された粒子が管壁に付着するのを抑止している。
【特許文献１】特許公開２００３−２２５９００号公報
【特許文献２】特許公開２００５−２６２０５３号公報
【特許文献３】特許公開２００４−２８３７９１号公報
【非特許文献１】H.Wang et.al., Chem. Comm., pp. 1462-1463 (2002)
【非特許文献２】Paul J.A.Kenis et.al., Science, vol285,p83-85 (1999)
【非特許文献３】M.Takagi et.al., Chem. Eng.J., 101, 269 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
１秒以下の時間で反応が進行するようなナノ粒子合成反応、即ち、タンニン酸及びクエン酸を還元剤とする金ナノ粒子の合成反応や、貧溶媒の添加による晶析反応等では、混合が不均一な時点での反応の進行があると、反応が不均一になる。このため、析出速度が速く、沈殿剤と原料の反応時間に比べて十分に短時間で均一に混合する必要がある。しかし、従来から、反応器として攪拌タンク等を用いたバッチ方式の合成法では、容器の容積が大きくなると、溶液間の混合は、センチメーターオーダーのマクロ混合、ミリメーターオーダーのメゾ混合、マイクロメーターオーダーのマイクロ混合の順に混合がなされる。このために、溶液間の混合に時間がかかる。
【００１３】
一方で、最近開発されたマイクロリアクタによる拡散混合は、混合時間が反応種の拡散速度に規定される。層流下の溶液の拡散による混合速度は、次のペクレ数Ｐｅを用いて求めることができる。
Ｐｅ＝Ｄｔ／Ｌ２ …（式１）
ただし、Ｄ[ｍ２／s]は拡散係数、ｔ[s]は時間、Ｌ[ｍ]は拡散のための長さ（管径）である。
【００１４】
完全混合するためには、ペクレ数Ｐｅが１になることが条件であり、時間ｔが
ｔ＜Ｌ２／Ｄ …（式２）
の時間で完全に混合する。また、拡散係数Ｄは、次のストークス−アインシュタインの式で大まかに計算可能である。
Ｄ＝ｋＴ／（６πηα） …（式３）
ただし、ｋ[Ｊ／Ｋ]はボルツマン定数、Ｔ[Ｋ]は絶対温度、η[Pa・ｓ]は粘性係数、α[ｍ]は粒子径又は分子の拡散径である。
【００１５】
式３においては、拡散係数Ｄは粒子径αに反比例する。例えば、水中の（粒子径α＝）０．３ｎｍの大きさの分子の拡散係数Ｄは、約１０−９ｍ２／ｓになる。（粒子径α＝）３ｎｍのときは、拡散係数Ｄは１０−１０ｍ２／ｓになる。これから、２秒で完全混合させるための層幅は、０．３ｎｍの際には３０μｍ、３ｎｍの際には１０μｍになる。よって、低分子（大きさ０．３ｎｍ程度）の場合には、１０秒以下で完結する反応に関しては、３０μｍ以下の層厚であることが望ましい。
【００１６】
しかしながら、この場合でも数秒程度で反応が十分に（反応の種類にもよるが、例えば、最終的な収率の数１０％程度）進行するような場合では、式１から考えて、拡散長Ｌを数μｍ若しくはそれ以下のオーダーに低下させなければならない。このため、反応中間体又は反応生成物が副次的反応に関与する場合や、晶析速度がサブ秒以下の速い晶析反応等では、混合が不均一な時点が起こり、複生成物の生成、粒子径分布の増大や凝集等が起こりやすいという問題がある。
【００１７】
更に、管型反応器の場合、反応器の壁に生成物、原料物質、副生成物等が接触するとそれらが析出し、連続的操業が妨げられることもある。しかしながら、スタティックミキサーでは、流れ方向に垂直な方向でのフローパターンは、一次元的にしか制御できない。また、カオス式ミキサーは、基本的には層流を３次元的に折りたたむということを行うが、複雑な構造であるために、特に流速が高くなると部分的に乱流を起こしやすく、そのために、反応器壁への反応種の接触が起こりやすい。アクティブなマイクロミキサーは、基本的に乱流であり、反応器壁への反応種の接触を妨げることは難しい。
【００１８】
上記に挙げたスタティックミキサー等では、層界面が容器の壁面に接触するので、異なる溶液の接触により生じた界面も容器の壁面と接触する。このように容器の壁面と接触すると、層界面での反応により生じた生成物が管壁へ付着したり、この生成物と管壁の反応が起こることがある。このように、溶液の接触により生じた生成物が、容器の壁面との相互作用を起こし、それが全体の反応に影響を及ぼす場合がある。
【００１９】
一方、管壁と反応溶液の接触を断つためには、２流管を用いる方法がある（非特許文献３を参照）。この内部は基本的に層流であるために、混合が拡散で起こる。しかし、拡散時間を短くするには、中心部の反応溶液を細くする必要があり、そのために生産量が低下し、逆に生産量を向上させるために中心部の反応溶液の層を太くすれば、混合時間が長くなる。
【００２０】
さらに、特許文献１のナノ粒子の製造方法においては、ナノ粒子を合成する際、予め２液を混合したり、ナノ材料攪拌子によって、試料溶液と試薬溶液を強制的に攪拌したりし、その後加熱を行って生成物を得ている。この場合は、管の内壁と混合溶液が接触するために、上記の相互作用が起きる場合も多い。また、管内が層流であっても、壁との摩擦により流れと垂直な方向に流速分布が出来るため、加熱時間に若干のばらつきが生じて生成されたナノ粒子の粒度分布が広がる問題がある。
【００２１】
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、管壁と中間生成物、管壁と生成物との相互作用を絶ち、混合時間を抑制しながら複数の原料溶液を混合し、反応を行わせて化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。
【００２２】
本発明の他の目的は、管壁への生成物の析出を妨ぎながら、生成物の生産性を向上させるためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させて化合物を製造するマイクロリアクタによる製造方法において用いられるものであり、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせることを特徴とする。
【００２４】
本発明の発明２のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させることを特徴とする。
【００２５】
本発明の発明３のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の発明４のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせることを特徴とする。
【００２７】
本発明の発明５のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却することを特徴とする。
【００２８】
本発明の発明６のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、Ｒｅ数が２００以下であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の発明７のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から６中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記化合物は、粒子の代表長さが１ｎｍから１００ｎｍのナノ粒子であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の発明８のマイクロリアクタは、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）と、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路（１４）に接続された分流器（２０）と、前記セグメントを合流させるためのもので、分流器（２０）に接続された合流流路（１６）と、前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路（１２）と、隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段（１７、２６、３０、３１）と、及び前記マイクロ流路（１２）で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路（１２）と接続された試料排出流路（１８）とからなることを特徴とする。
【００３１】
本発明の発明９のマイクロリアクタは、発明８のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路（１６）は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部（１６）とを備えていることを特徴とする。
【００３２】
本発明の発明１０のマイクロリアクタは、発明８又は９のマイクロリアクタにおいて、前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板（２６）であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の発明１１のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼（３０）であることを特徴とする。
【００３４】
本発明の発明１２のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼（３１）であることを特徴とする。
【００３５】
本発明の発明１３のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路（１２）の管の内径の大きさを小さく／又は大きくしたものであることを特徴とする。
【００３６】
本発明の発明１４のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、超音波を発生させる装置であり、前記超音波を前記マイクロ流路（１２）に照射して、前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。
【００３７】
本発明の発明１５のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記合流流路（１６）の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。
【００３８】
本発明の発明１６のマイクロリアクタは、発明８から１５の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記マイクロ流路（１２）内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、前記温度を測定するための温度センサ手段とを有することを特徴とする。
【００３９】
本発明の発明１７のマイクロリアクタは、発明９から１４の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器（２０）から排出されて前記マイクロ流路（１２）に導入される前記セグメントは、１ｍｍ以下に細分化され、並列に配置されたことを特徴とする。
【００４０】
本発明の発明１８のマイクロリアクタは、発明８のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（２０）の断面積の直径は、前記絞りの後、１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００４１】
本発明の発明１９のマイクロリアクタ用の分流器は、発明８から１８の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器（２０）は、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）に接続され、前記試料供給流路（１４）それぞれに接続された導入部（２１、２２、５１、５２）と、前記導入部（２１、２２、５１、５２）に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部（２１、２２、５１、５２）からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）と、前記中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部（１６，２５、４０、５６）とからなることを特徴とする。
【００４２】
本発明の発明２０のマイクロリアクタ用の分流器は、発明１９のマイクロリアクタ用の分流器において、前記孔の大きさを調整して圧力損失を調整し、セグメント流量を調整することにより、前記排出部（１６、２５、４０、５６）から排出された後のセグメントの流れに垂直な方向の厚みを調整することを特徴とする。
【００４３】
本発明の発明２１のマイクロリアクタ用の分流器は、発明１９のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路（１６）は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路（１２）に連結された円錐形であることを特徴とする。
【００４４】
本発明の発明１から７のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、ナノ粒子を製造するための方法であると良い。更に、前記マイクロリアクタによる化合物の製造方法は、良溶媒に溶解させたナノ粒子原料を貧溶媒と短時間に混合してナノ粒子を製造する方法であると良い。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によると、次の効果が奏される。
本発明のマイクロリアクタは、化合物の製造に必要な反応溶液を細かいセグメントに細分化して均一に混合し、隣接するセグメント間の異種の反応溶液同士の接触反応によって化合物を製造する。また、マイクロリアクタ内を流れている反応溶液に乱流を発生させてマイクロ混合して化合物を製造する。これにより、反応溶液はマイクロ混合され、混合時間が抑制できるので、反応溶液の均一な混合ができる。
【００４６】
また、セグメントの大きさ、及び配置を制御してセグメントの最適化を図ることで、管壁への析出を妨ぎ、生成物の生産効率が向上した。
更に、セグメントの大きさ、及び配置を制御することで、品質の揃った、より粒度分布の細かいナノ粒子を連続的に生産することが可能になった。更に、本発明のマイクロリアクタ用の分流器は、通常の機械加工方法で製造可能であるから、大量生産も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器について、図に従って説明する。 図１は、本発明の実施の形態のマイクロリアクタ１０の全体を示す概略図である。このマイクロリアクタ１０は、複数の供給管１４から供給された化合物生成用の溶液を分流器２０内で複数のセグメントに分流し、合流部１６内で混合し、マイクロ流路１２内で反応させて化合物を生成する。
【００４８】
分流器２０は３次元的な流路配置を持ち、この内部は溶液を複数のセグメントに分流して、マイクロ流路１２に層流、又は乱流で供給する構造である。分流器２０は、溶液を流すための貫通した孔を空けた複数の平板を組み合わせて、流路に沿って積層して構成されており、３次元的な流路が形成されている。また、マイクロリアクタ１０は、マイクロ流路１２を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段１７を有する。
【００４９】
以下、本実施の形態のマイクロリアクタ１０、マイクロリアクタ１０の分流器２０、乱流を発生させるための乱流発生手段１７等を図面を参照しながら更に詳細に説明する。図２は、分流器２０を溶液の流れ線に沿ってある断面で切断したときの構造を示す断面図である。図３は、分流器２０を構成する各層の構造を示す図である。
【００５０】
〔マイクロリアクタ１０の構造〕
マイクロリアクタ１０の反応器としては、１μｍから１ｍｍの管路、空間を備えた反応器が利用される。例えば、本例では１μｍから１ｍｍの管内径を持つマイクロ流路１２を利用した。図１に図示するように、マイクロリアクタ１０は、溶液を供給する供給管１４、供給された溶液を複数のセグメントに分流するための分流器２０、溶液を絞るための合流部１６、反応を行わせるためのマイクロ流路１２、及び反応後の液体と生成粒子を取り出すための排出管１８を有する。また、マイクロ流路１２内には、この中を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段１７を有している。
【００５１】
供給管１４は、原料となる溶液をマイクロリアクタ１０に導入するためのものであり、１種、又は複数の溶液を同時又は、時間差をおいて供給するために互いに平行に複数本配置されている。供給管１４には、溶液を一定の圧力、流速で導入することが好ましい。そのためには、この供給管１４には、溶液を入れたシリンジと、シリンジを供給管１４と接続するためのシリンジコネクタと、シリンジから供給管１４に供給される溶液の注入量を調整するためのポンプ、流量調整弁（図示せず）等が連結されている。
【００５２】
本実施の形態においては、２種類の溶液（溶液Ａと溶液Ｂ）をマイクロリアクタ１０に導入し、その反応を行わせるものである。しかしながら、生成物の種類、反応の制御によっては、３以上の種類の溶液をマイクロリアクタ１０に導入し、全溶液同士、又はその一部の溶液同士の反応を、同時、又は時間差を置いて供給して反応を行わせても良い。
【００５３】
分流器２０は、反応溶液を細かいセグメントに分流するためのものである。溶液Ａと溶液Ｂは、供給管１４から分流器２０に供給される。分流器２０に供給された溶液Ａと溶液Ｂは、それぞれ複数の流れ、即ちセグメントに分流（分岐）されて、分流器２０から排出される。この流れを、セグメントと定義して説明を行う。セグメントの形状は、分流器２０の構造によるもので、分流器２０の構造を変えることで変更することができる。
【００５４】
図２に示すように、溶液Ａは、２以上のセグメントＡに分流される。同様に、溶液Ｂは、２以上のセグメントＢに分流される。分流器２０から排出されとき、セグメントＡとセグメントＢは、所定の配列をして配置される。例えば、セグメントＡと隣接するセグメントは全てセグメントＢになるように配置することができる。セグメントＢは同様である。この配置は、分流器２０の構造によるもので、その内部の区画を設計変更することによってセグメントＡとＢの互いの配置を変更することができる。
【００５５】
本実施の形態においては、図３（ｅ）に図示したように、最終的にはセグメントＡとセグメントＢが交互に配置されている構造になる。図２と図３に示すように、分流器２０は、積層された複数の層、言い換えると所定の厚みを有した隔壁からなる。分流器２０は、所定の形状の複数の貫通孔を空けた板を重ねたような構造になっている。これらの貫通孔は、溶液を通すための３次元的な流路を形成する。
【００５６】
図２には、分流器２０の断面図を示している。分流器２０は、溶液の流れに沿って第１層２１から第５層２５の５層に構成されている。第１層２１は、分流器２０を供給管１４に接続し、かつ分流器２０に２本の供給管１４から溶液を導入するためのものである。第１層２１は、２本の供給管１４から供給される溶液を貯留し、第２層２２に供給するように、供給管１４の本数に対応して２部屋に区画されている。
【００５７】
第２層２２から第４層２４は、溶液の流れる流路を分岐し、溶液を各セグメントに分流するための層である。第２層２２から第４層２４から形成される３次元的な流路によって、第１層２１から供給された溶液の流れの方向を変更、及びこの溶液を複数の流れに分流する。第５層２５は、複数のセグメントに分流された溶液を合流部１６に排出するためのものである。第５層２５の前端面は、円錐状の合流部１６の底面に接続されている。
【００５８】
第１層２１から第５層２５の構造を、図３（ａ）から図３（ｅ）に図示している。即ち、図３（ａ）は第１層２１の切断面図、図３（ｂ）は第２層２２の切断面図、図３（ｃ）は第３層２３の切断面図、図３（ｄ）は第４層２４の切断面図、図３（ｅ）は第５層２５の切断面図である。第１層２１は、区画された貫通孔である２つの三角形状の三角孔２１Ａ、及び三角孔２１Ｂとから構成されている。各第１層２１〜第５層２５は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「Ａ」、「Ｂ」の文字を示しているが、それぞれ溶液Ａ、溶液Ｂの通路を意味する。
【００５９】
文字「Ａ」は、溶液Ａがこの孔を通って流れることを意味する。文字「Ｂ」は、溶液Ｂがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器２０中の溶液の流れを理解しやすくするために、図３（ｂ）〜（ｅ）には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。例えば、図３（ａ）の三角孔２１Ａ、三角孔２１Ｂを図３（ｂ）に想像線で図示している。同様に、図３（ｃ）から図３（ｅ）には、前の層から各層に溶液が流れ込むとき、前の層の孔を各層に想像線で図示している。
【００６０】
前述したように、第１層２１は、図３（ａ）に図示するように、区画された空間である三角形の２つの三角孔２１Ａ、２１Ｂを有している。三角孔２１Ａには、溶液Ａが供給管１４から供給される。三角孔２１Ｂには、溶液Ｂが供給管１４から供給される。第２層２２は、図３（ｂ）に図示するように、第１層２１から第２層２２に分岐しており、供給された溶液Ａを３つの流れに分流している。同様に、第１層２１の三角孔２１Ｂから供給される溶液Ｂは、第２層２２で４つの流れに分流している。
【００６１】
この分岐のみでは、図３（ｂ）に示すように、溶液Ａ、溶液Ｂは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。第３層２３は、図３（ｃ）に図示するように、第２層２２の各孔から供給された溶液の一部を横方向（角度９０度曲げた方向）に方向変換して流れる。これによって、図３（ｃ）に示すように、第３層２３の溶液Ａは、細長い３本の流れとなり、溶液Ｂは４本の流れとなる。第４層２４は、図３（ｄ）に図示するように、小さい四角形の孔を複数個有し、第３層２３の各孔から供給された溶液それぞれを更に複数の流れに分流している。
【００６２】
第５層２５は、第４層２４の孔を１ないし２個をまとめるような構造になっている。結果的に溶液Ａと溶液Ｂは、交互に配置された複数のセグメントに分流されている。合流部１６の内部空間は、角錐状の形をしており、分流器２０の第５層２５に接続され固定されている。合流部１６は、内部は区画されておらず１つの流路からなる。分流器２０の第５層２５から排出される各セグメントは、全て合流部１６に供給される。
【００６３】
合流部１６の内径は、溶液の流れが下流になるほど細くなって、それにともない連続の理により溶液の流速が速くなる。マイクロ流路１２の後端は、合流部１６の前端に接続されている。マイクロ流路１２内では、溶液Ａと溶液Ｂ同士の反応が行われる。合流部１６に接続されていないマイクロ流路１２の前端は排出管１８に接続されている。排出管１８は、マイクロ流路１２の下流の一部とするものであっても良い。排出管１８からは、溶液Ａと溶液Ｂの反応生成物と、残留溶液が排出される。
【００６４】
なお、上述したように合流部１６の内径は溶液の流れが下流になるほど細くなる構造でなくても良い。合流部１６の内径は、反応に大きな影響を及ぼさない場合は、必ずしも溶液の流れが下流になるほど細くする必要はない。合流部１６は、分流器２０から排出された溶液をマイクロ流路１２内に導くためのものであるので、合流部１６の内径は、合流部１６の排出端の径と、マイクロ流路１２の内径をスムースに接続できるような構造になることが望ましい。
【００６５】
〔マイクロリアクタ１０の材質〕
マイクロリアクタ１０の材質は、基本的に原料溶液および副生成物との反応により操業に悪影響を与えない物を使用する。マイクロリアクタ１０のマイクロ流路１２、分流器２０、合流部１６、排出管１８等には、次ぎのような材質を使用する。例えば、ステンレス、ニッケル（Ｎｉ）、ハステロイ等の耐薬品制の高い金属材料、ガラス、アルミナ、ムライト、炭化珪素等のセラミックス製品等の無機材料、及びPTFE,PEEK、ポリイミド、ポリプロピレン等の高分子材料を、原料溶液、副産物との反応、及び、マイクロリアクタ１０の操作時の圧力、温度、更に、熱伝導等を勘案して選択する。
【００６６】
〔分流器２０の製造方法〕
分流器２０は、３次元的な流路を形成する第１層２１から第５層２５の５層からなる。第１層２１から第５層２５までをそれぞれ平板に孔を開け作成し、これを重ねてボルト、接着剤、溶接、拡散接合、圧着等で組み立てることにより、製造することが可能である。このために、低コストで大量生産が可能である。更に、第１層２１から第５層２５の各層を独立して設計することができ、分流器２０の設計変更も容易にできる。分流器２０は、
第１層２１から第５層２５を組み立てるとき、各層間の接合部から他のセルに溶液が流入したり、溶液の流れが大きく妨げられないようにする必要があることが好ましい。
【００６７】
〔分流器２０の大きさ〕
ここで、マイクロリアクタ１０の構成部分の代表的な大きさを示す。分流器２０によって分流されたそれぞれのセグメントは、１ｍｍ以下の直径であることが好ましい（図３（ｅ）を参照）。つまり、供給管１４から供給された溶液は、辺の長さが１ｍｍ以下の断面が円形、又は矩形の流れに細分化される。これらの細分化されたセグメント全てを合流部１６で合流させている。それから、合流部１６の内径を小さくすることで、合流された溶液を収縮させている。このとき、各セグメントの幅は狭い方が混合速度の向上には望ましく、１００μｍ以下になることが特に好ましい。
【００６８】
分流器２０の代表的なディメンジョンは、以下の通りである。外観は、１ｃｍ四方の立方体であり、これが上述のように６層に分割されている。各層の厚みは、２ｍｍである。マイクロリアクタ１０は、これらの大きさに制限されるものではなく、必要に応じて設計変更し、使用することが可能である。
【００６９】
〔様々なセグメントの配置〕
分流器２０から合流部１６に供給される各セグメントの形状は、第５層２５の設計変更によって決まるので、第５層２５の設計を変更して分流器２０を製造することで、様々形状のセグメントに対応できる。例えば、図３（ｅ）に図示した第５層２５の正方形の形状を、四角、円形、楕円形、三角形、その他の多角形に自由に変更することが可能である。
【００７０】
分流器２０から合流部１６に供給される各セグメントの断面配置は、基本的に第１層２１から第５層２５の設計を変更することで代えることができる。図３（ｅ）には、溶液Ａと溶液Ｂのセグメント同士が交互に配置されるように設計しているが、これを変更して、特定の形状に変更することが可能である。例えば、図５に図示したように断面が円形のセグメントにすることが可能である。
【００７１】
〔乱流発生手段１７について〕
セグメントを配列した溶液の束に乱流を生じさせることにより、直接ミクロ混合を施する。このミクロ混合により、混合時間を抑制し、均一な混合を達成する。乱流を発生させるための乱流発生手段１７としては、次のような手段をとる。
【００７２】
第１の乱流発生手段
マイクロ流路１２の管の内径の大きさを変えることにより、流体の線速(ｍ／ｓ)を調整し、乱流を発生させる。乱流の強さは、基本的にはＲｅ数に依存するので、それを制御することで溶液の混合を制御できる。マイクロ流路１２の内径、溶液の粘度からＲｅ数が計算できる。マイクロ流路１２の内径を大きくしたり小さくしたりする操作を繰り返すことで、乱流を発生させたりすることが可能である。Ｒｅ数が、例えば２００以下（Ｒｅ＜２００）の低い場合は、その乱流は抑えられ、溶液は元の層流になる。このように、マイクロ流路１２の一部にのみに乱流を生じさせることが可能である。
【００７３】
第２の乱流発生手段
図４に示すように、マイクロ流路１２の中にじゃま板２６や羽根車等の装置を配置する。マイクロ流路１２を流通している溶液は、これらの装置を通るときに、溶液の層流が局所的に乱れ乱流になる。上記と同様に、Ｒｅ数が、例えば２００以下（Ｒｅ＜２００）の低い場合は、乱流は元の層流になり、マイクロ流路１２の一部にのみに乱流を生じさせる。図４の（ａ）の断面図には、マイクロ流路１２の中にじゃま板２６を乱流発生手段１７として設置している概要を図示している。図４（ｂ）には、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図を図示している。領域２７は、マイクロ流路１２に乱流が起こる部分を示している。溶液がこの領域２７より下流になると層流になる。
【００７４】
第３の乱流発生手段
図５は、第３の乱流発生手段を示すマイクロ流路１２の断面図である。マイクロ流路１２内には、螺旋固定翼３０が固定配置されている。螺旋固定翼３０の中心線は、マイクロ流路１２の中心線と一致する位置に配置されている。螺旋固定翼３０は、板金材を螺旋状に捻って作られたものである。合流部１６から送られた混合された溶液Ａと溶液Ｂとは、固定螺旋翼３０でその翼に沿って螺旋状に捻られて送られている間に混合が促進される。
【００７５】
第４の乱流発生手段
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、回転するプロペラをマイクロ流路１２に配置した例である。近年は、微細な金属、合成樹脂等の機械加工が可能となり、マイクロ流路１２内でも回転するマイクロ機器である回転するプロペラ機構を製造できる。２枚の羽根を備えたプロペラ３１は、軸受３２で回転自在に支持されている。軸受３２は、支持部材３３でマイクロ流路１２内で固定されている。従って、溶液が流れてくると、プロペラ３１は回転を開始し、溶液を攪拌することになる。
【００７６】
第５の乱流発生手段
マイクロ流路１２を超音波で照射し、マイクロ流路１２を流通する溶液を擾乱させて乱流を発生させる。
【００７７】
第６の乱流発生手段
混合部１６の排出端の内径を溶液に乱流を発生するまでに絞って小さくする。上述した混合部１６の排出端は、各セグメントを０．１ｍｍ以下になるように絞っているが、それより細くなるまでに絞り、乱流を発生させる。
【００７８】
第７の乱流発生手段
混合部１６から排出された溶液は、スパイラル状又はカーブを形成しているマイクロ流路１２に導入される。溶液がマイクロ流路１２に流入し、すぐにスパイラル状又はカーブのところで乱流を発生させる。
【００７９】
第８の乱流発生手段
上記の第１から第７の乱流発生手段を繰り返して又は組み合わせて利用する。Ｒｅ数が低い場合は、乱流はすぐに層流になるので、溶液が更に分子拡散し、反応が行われる。第１から第７の乱流発生手段の一つを繰り返して又は組み合わせて実施すると、溶液に部分的に乱流を発生されてマイクロ混合を行い、それから分子拡散で反応を行わせてから再度乱流を発生されてマイクロ混合を行って反応を行うようになる。これによって、リアクター内での反応が均一になり、副生成物の生成量が低下し、製造される粒子の大きさが均一になる。
【００８０】
混合部１６と、マイクロ流路１２に設置されている乱流発生手段１７との間にはマイクロ流路１２を流れる溶液は、そのセグメント間に分子拡散を起こしながら反応が行われる。この混合部１６と乱流発生手段１７との距離を変更することで、反応の制御を行うこともできる。この距離が短くし、セグメントが混合されてからできるだけ短距離で乱流によってマイクロ混合されることが、生成物が単一大きさの粒子になる。
【００８１】
〔乱流の強さについて〕
Ｒｅ数で規定される乱流の強さを制御することにより、混合速度と、管壁への付着の抑止を両立させる。
【００８２】
〔加熱・冷却〕
マイクロリアクタ１０は、必要に応じて、熱交換板を配置し、温度分布の発生を防ぐことができる。また、所定の温度にしたオイルバス等の液体中にマイクロ流路１２を配置させて、反応溶液を加熱又は冷却することができる。
【００８３】
〔ナノ粒子〕
本実施の形態のマイクリアクタ１０は、粒径１ｎｍ〜１００ｎｍのナノ粒子を生成する反応に適応することができるものである。このナノ粒子を生成するためのものとしては、貧溶媒中での晶析反応、タンニン酸およびクエン酸を還元剤・保護材とする金ナノ粒子の合成、反応溶液を反応温度まで加熱した後に急速に混合する半導体ナノ粒子の合成が掲げられる。
【００８４】
〔他の実施の形態〕
以下に、本発明の他の実施の形態を示す。本発明の他の実施の形態は、本発明の実施の形態と基本的に同じであり、その異なる部分だけの説明を行う。
【００８５】
〔圧力損失の調整〕
図１０には、分流器２０の他の実施の形態の概要を図示している。図１０のぶんりゅう２０器の構成と構成部分の機能は図３の分流器２０と同じであり、次の点が異なる。図１０（ｂ）の第２層２２は溶液Ａが流れるための孔が５を備えている。これに伴い、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）、図１０（ｅ）にも溶液Ａ用の孔が備えられている。図１０では、孔の大きさを適切に調節することで、各孔を通過する溶液の分布を調節することができる。すなわち、孔の大きさが大きいほど孔通過時の圧力損失が小さくなるために、孔を通過する溶液の量は大きくなる。
【００８６】
第４層２４の後に孔の大きさを小さくする層を設けることで、圧力損失調整を行うことも可能である。例えば、図１０（ｆ）で図示した層４０を第５層２５の後に設ける。層４０では、孔の大きさを図１０（ｄ）の孔より小さくし、全体の圧力損失が大きくなりすぎない程度（操業に問題がない程度）とすることが望ましい。これにより、図１０（ａ）〜（ｄ）で生じる、各セグメント間の圧力損失の差を相対的に小さくすることが可能になる。
【００８７】
〔不活性な溶媒の活用〕
管壁への析出を妨ぎながら、生産性を向上させるために、セグメントの配置を最適化する。例えば、マイクロ流路１２の管内を流れる溶液の外周に不活性な溶媒（もしくは沈殿剤の溶媒）を配置しておき（図７を参照）、内側に原料と沈殿剤を市松模様のように交互に組み合わせて配置する。図７には、マイクロ流路１２の断面図を図示しており、円２８の外側が不活性溶媒Ｃ、円２８の内側が溶液Ａ、Ｂになっている。外側の不活性層の厚さは、分流器２０の構造により制御することができる。つまり、反応用の溶液Ａ、Ｂとは別に不活性溶媒Ｃを分流器２０に供給し、分流器２０から排出されるときに溶液Ａ、ＢのセグメントＡ、Ｂの外側に不活性溶媒のセグメントＣが配置されるようにする。
【００８８】
〔反応温度のコントロールについて〕
複数の原料溶液および溶媒が接触したあと、（若しくは接触する前に）途中に適切な熱交換器を設置することにより、反応温度をコントロールすることが可能である。分流器２０よりも上流では、伝熱ヒーター、熱媒体や熱交換器等による加熱等、通常用いられている方法で熱交換してから分流器２０に流し込む方法が用いられる。分流器２０よりも下流では、マイクロ流路１２が細いので、適切な温度に設定したオイルバスの中をマイクロ流路１２を流通させる方法が用いられる。
【００８９】
また、分流器２０の出るセグメント全てを合流部１６によって合流させて、第２分流器３４によってこれを２以上に再度分流させて、それぞれ別々のマイクロ流路３５に供給し、それぞれのマイクロ流路３５を熱交換器３６によって温度制御することが可能である。この場合は、第２分流器３４の構造を適切に設計する（図８を参照）。
【００９０】
〔分流器２０の他の構成〕
図９は、分流器２０を構成する各層の構造を示す図である。分流器２０は、第１層５１から第６層５６の６層から構成される。第１層５１から第６層５６の構造を、図９（ａ）から図９（ｆ）に図示している。第１層５１は、区画された貫通孔である２つの三角形状の三角孔２１Ａ、及び三角孔２１Ｂとから構成されている。各第１層５１〜第６層５６は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「Ａ」、「Ｂ」の文字を示しているが、それぞれ溶液Ａ、溶液Ｂの通路を意味する。
【００９１】
文字「Ａ」は、溶液Ａがこの孔を通って流れることを意味する。文字「Ｂ」は、溶液Ｂがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器２０中の溶液の流れを理解しやすくするために、図９（ｂ）〜（ｆ）には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。第１層５１は、図９（ａ）に図示するように、区画された空間である三角形の２つの三角孔５１ａ、５１ｂを有している。
【００９２】
三角孔５１ａには、溶液Ａが供給管１４から供給される。三角孔５１ｂには、溶液Ｂが供給管１４から供給される。第２層５２は、図９（ｂ）に図示するように、第１層５１から第２層５２に分岐しており、供給された溶液Ａを５つの流れに分流している。同様に、第１層５１の三角孔５１ｂから供給される溶液Ｂは、第２層５２で４つの流れに分流している。この分岐のみでは、図９（ｂ）に示すように、溶液Ａ、溶液Ｂは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。
【００９３】
第３層５３は、図９（ｃ）に図示するように、第２層５２の各孔から供給された溶液の一部を横方向（角度９０度曲げた方向）に方向変換して流れる。これによって、図９（ｃ）に示すように、第３層５３の溶液Ａは、細長い５本の流れとなり、溶液Ｂは４本の流れとなる。第４層５４は、図９（ｄ）に図示している。第５層５５は、図９（ｅ）に図示している。 第４層５４と第５層５５は、溶液Ａ、Ｂの流れを大きくしたり、小さくしたりしている。
【００９４】
更に、溶液Ａ、Ｂを合流、分流している。第６層５６は、第５層５５の孔を流れる溶液を１以上に分流するような構造になっている。結果的に溶液Ａと溶液Ｂは、複数のセグメントに分流されている。合流部１６の内部空間は、分流器２０の第６層５６に接続され固定される。合流部１６は、内部は区画されておらず１つの流路からなる。分流器２０の第６層５６から排出される各セグメントは、全て合流部１６に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、新材料開発分野、バイオ技術分野、医療分野に利用すると良い。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態のマイクロリアクタ１０の概要を図示した図である。
【図２】図２は、マイクロリアクタ１０の分流器２０の構造を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、分流器２０を構成する各層の概略図である。図３（ａ）は図２のａ−ａ線の切断面図、図３（ｂ）は図２のｂ−ｂ線の切断面図、図３（ｃ）は図２のｃ−ｃ線の切断面図、図３（ｄ）は図２のｄ−ｄ線の切断面図、図３（ｅ）は図２のｅ−ｅ線の切断面図、図３（ｆ）は他の実施の形態の圧力損失の調整を行うための層の断面図である。
【図４】図４は、マイクロリアクタ内にじゃま板を設置した概要を示す断面図であり、図４（ａ）は、マイクロ流路１２の断面図、図４（ｂ）は、じゃま板２６の断面図である。
【図５】図５は、マイクロリアクタ内に固定螺旋翼を配置した例を示す断面図である。
【図６】図６は、マイクロリアクタ内に回転するプロペラを配置した例を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施の形態のマイクロリアクタ内に不活性な溶媒を活用する例を図示した図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施の形態のマイクロリアクタの概要を図示した図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｆ）は、分流器２０を構成する各層の概略図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｆ）は、その他の実施の形態の分流器２０を構成する各層の概略図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０…マイクロリアクタ
１２、３５…マイクロ流路
１４…供給管
１６…合流部
１７…乱流発生手段
１８…排出管
２０…分流器
２１、５１…第１層
２２、５２…第２層
２３、５３…第３層
２４、５４…第４層
２５、５５…第５層
２６…じゃま板
３０…固定螺旋翼
３１…プロペラ
３３…支持部材
３２…軸受
３６…熱交換器
３４…第２分流器
５６…第６層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の溶液をマイクロ流路内で反応させて、化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。更に詳しくは、溶液を複数のセグメントに細分化して化学反応用のマイクロ流路内に供給して、効率的に化学反応を行うための化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物の生産や製造においては、化学反応試料の供給、混合、反応活性化のための熱供給、熱除去、触媒反応の効率化等、化学反応の反応制御を向上させることに日々努力が重ねられている。反応制御の向上によって、生産安全性、反応生成物の収率、反応生成物の純度、有用な高活性中間生成物の単離の向上が可能になる。
【０００３】
従来から化学反応には大きな反応槽が用いられることが一般的である。近年は、微細な粒子を生成する装置として、マイクロリアクタ、又はマイクロミキサー等に代表される複数の溶液供給管に繋がったマイクロ流路内で、化学反応を行う装置の研究が行われている。これらの装置を用いた化学反応の効率化、新規化合物の創製等を目的とする研究が注目されている。このマイクロミキサー又はマイクロリアクタは、サブマイクロメータからミリメータまでのオーダーの内径を有する狭い流路内で、複数の流体の拡散、混合で化学反応を起こすものである。
【０００４】
複数の流体を混合する目的のものは、マイクロミキサーと定義されることが一般的である。マイクロリアクタは、複数の流体を拡散、混合し、又は混合しながら化学反応を行うためのものである。以後は、マイクロリアクタはマイクロミキサーを含むものとして説明する。
【０００５】
流路を小さくすると流路内の液体の熱容量が小さくなるので、マイクロリアクタを構成する他部から流路への熱交換を速やかに行うことが可能になる。これにより流路内の化学反応の温度制御が容易にできる。また、マイクロリアクタは高効率で、流路内を流れている溶液相間の化学反応を制御することが可能な点で、化学合成、新規化合物の造成、各種の試料の分析や解析等に革新的な変革をもたらすものとして大きく期待されている。
【０００６】
アクティブな化学反応制御装置としては、マグネチックスターラ等のような微小な領域を機械的に混合することにより、迅速な混合を行っているものがある。マグネチックスターラは、反応液が入っている容器の中に棒状、又は板状の撹拌用の永久磁石を配置している。容器の外側に配置された駆動用の永久磁石をモータによって駆動すると、その磁力を受けて撹拌用の永久磁石が回転して、反応液を撹拌し、その反応を促すものである。
【０００７】
特許文献１には、粒子径１μｍ〜１ｍｍのマイクロ流路を用いたナノ粒子の製造方法が開示されている。詳しくは、マイクロ流路内に粒子形成用の前駆体含有溶液を、連続的に供給しながら反応開始温度までに急速加熱し、反応を行わせたのち、急速冷却してナノ粒子を製造するものである。この製造方法は、加熱温度と時間制御をすることにより粒径を制御するものである。
【０００８】
特許文献２には、マイクロリアクタの構造が開示されている。マイクロリアクタのマイクロ流路に、流体Ａ、Ｂを流体導入部から合流させて分子拡散により複合反応を行わせている。このとき、マイクロ流路の入口の径方向断面において、流体Ａ、Ｂを複数の流体セグメントＡ、Ｂに分割して合流させ、これらの流体セグメントＡ、Ｂを層流として流通させつつ分子拡散により混合して複合反応を行わせる。
【０００９】
また、可動部、動力部を持たない化学反応制御装置としては、スタティックミキサー等がある。スタティックミキサーは、管内を流れる混合液の流れを複雑にして混合を促すためのものである。スタティックミキサーは、長方形の板状のエレメントをねじって管内に配置し、混合液はこのエレメントを通過するごとにその流れが変わるものである。例えば、混合液がこのエレメントを通過するとき分割されたり、エレメントのねじれに沿って管の中央部から壁部へ、または、壁部から中央部へと替えられる。
【００１０】
乱流ではなくカオス対流を用いた混合、反応器としてはカオス式ミキサーがある。特許文献３には、カオス式ミキサーを開示している。スタティックミキサー等では、基本的に、複数溶液の層流を交互に重ねることにより、混合を行う。カオス式ミキサーは、複数溶液の層流を３次元的に折り重ねることにより混合をおこなう。
【００１１】
非特許文献１のセラミックマイクロリアクタは、層流で流れている２種類の反応溶液でナノ粒子を生成している。非特許文献２のジグザグ形のチャネルは、２種類の溶液を注入して、ナノ粒子を生成している。
非特許文献３のマイクロリアクタは、２重管を用いて同心円状の液の流れを作り、内側の液の中のみで粒子を合成することにより、合成された粒子が管壁に付着するのを抑止している。
【特許文献１】特許公開２００３−２２５９００号公報
【特許文献２】特許公開２００５−２６２０５３号公報
【特許文献３】特許公開２００４−２８３７９１号公報
【非特許文献１】H.Wang et.al., Chem. Comm., pp. 1462-1463 (2002)
【非特許文献２】Paul J.A.Kenis et.al., Science, vol285,p83-85 (1999)
【非特許文献３】M.Takagi et.al., Chem. Eng.J., 101, 269 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
１秒以下の時間で反応が進行するようなナノ粒子合成反応、即ち、タンニン酸及びクエン酸を還元剤とする金ナノ粒子の合成反応や、貧溶媒の添加による晶析反応等では、混合が不均一な時点での反応の進行があると、反応が不均一になる。このため、析出速度が速く、沈殿剤と原料の反応時間に比べて十分に短時間で均一に混合する必要がある。しかし、従来から、反応器として攪拌タンク等を用いたバッチ方式の合成法では、容器の容積が大きくなると、溶液間の混合は、センチメーターオーダーのマクロ混合、ミリメーターオーダーのメゾ混合、マイクロメーターオーダーのマイクロ混合の順に混合がなされる。このために、溶液間の混合に時間がかかる。
【００１３】
一方で、最近開発されたマイクロリアクタによる拡散混合は、混合時間が反応種の拡散速度に規定される。層流下の溶液の拡散による混合速度は、次のペクレ数Ｐｅを用いて求めることができる。
Ｐｅ＝Ｄｔ／Ｌ２ …（式１）
ただし、Ｄ[ｍ２／s]は拡散係数、ｔ[s]は時間、Ｌ[ｍ]は拡散のための長さ（管径）である。
【００１４】
完全混合するためには、ペクレ数Ｐｅが１になることが条件であり、時間ｔが
ｔ＜Ｌ２／Ｄ …（式２）
の時間で完全に混合する。また、拡散係数Ｄは、次のストークス−アインシュタインの式で大まかに計算可能である。
Ｄ＝ｋＴ／（６πηα） …（式３）
ただし、ｋ[Ｊ／Ｋ]はボルツマン定数、Ｔ[Ｋ]は絶対温度、η[Pa・ｓ]は粘性係数、α[ｍ]は粒子径又は分子の拡散径である。
【００１５】
式３においては、拡散係数Ｄは粒子径αに反比例する。例えば、水中の（粒子径α＝）０．３ｎｍの大きさの分子の拡散係数Ｄは、約１０−９ｍ２／ｓになる。（粒子径α＝）３ｎｍのときは、拡散係数Ｄは１０−１０ｍ２／ｓになる。これから、２秒で完全混合させるための層幅は、０．３ｎｍの際には３０μｍ、３ｎｍの際には１０μｍになる。よって、低分子（大きさ０．３ｎｍ程度）の場合には、１０秒以下で完結する反応に関しては、３０μｍ以下の層厚であることが望ましい。
【００１６】
しかしながら、この場合でも数秒程度で反応が十分に（反応の種類にもよるが、例えば、最終的な収率の数１０％程度）進行するような場合では、式１から考えて、拡散長Ｌを数μｍ若しくはそれ以下のオーダーに低下させなければならない。このため、反応中間体又は反応生成物が副次的反応に関与する場合や、晶析速度がサブ秒以下の速い晶析反応等では、混合が不均一な時点が起こり、複生成物の生成、粒子径分布の増大や凝集等が起こりやすいという問題がある。
【００１７】
更に、管型反応器の場合、反応器の壁に生成物、原料物質、副生成物等が接触するとそれらが析出し、連続的操業が妨げられることもある。しかしながら、スタティックミキサーでは、流れ方向に垂直な方向でのフローパターンは、一次元的にしか制御できない。また、カオス式ミキサーは、基本的には層流を３次元的に折りたたむということを行うが、複雑な構造であるために、特に流速が高くなると部分的に乱流を起こしやすく、そのために、反応器壁への反応種の接触が起こりやすい。アクティブなマイクロミキサーは、基本的に乱流であり、反応器壁への反応種の接触を妨げることは難しい。
【００１８】
上記に挙げたスタティックミキサー等では、層界面が容器の壁面に接触するので、異なる溶液の接触により生じた界面も容器の壁面と接触する。このように容器の壁面と接触すると、層界面での反応により生じた生成物が管壁へ付着したり、この生成物と管壁の反応が起こることがある。このように、溶液の接触により生じた生成物が、容器の壁面との相互作用を起こし、それが全体の反応に影響を及ぼす場合がある。
【００１９】
一方、管壁と反応溶液の接触を断つためには、２流管を用いる方法がある（非特許文献３を参照）。この内部は基本的に層流であるために、混合が拡散で起こる。しかし、拡散時間を短くするには、中心部の反応溶液を細くする必要があり、そのために生産量が低下し、逆に生産量を向上させるために中心部の反応溶液の層を太くすれば、混合時間が長くなる。
【００２０】
さらに、特許文献１のナノ粒子の製造方法においては、ナノ粒子を合成する際、予め２液を混合したり、ナノ材料攪拌子によって、試料溶液と試薬溶液を強制的に攪拌したりし、その後加熱を行って生成物を得ている。この場合は、管の内壁と混合溶液が接触するために、上記の相互作用が起きる場合も多い。また、管内が層流であっても、壁との摩擦により流れと垂直な方向に流速分布が出来るため、加熱時間に若干のばらつきが生じて生成されたナノ粒子の粒度分布が広がる問題がある。
【００２１】
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、管壁と中間生成物、管壁と生成物との相互作用を絶ち、混合時間を抑制しながら複数の原料溶液を混合し、反応を行わせて化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。
【００２２】
本発明の他の目的は、管壁への生成物の析出を妨ぎながら、生成物の生産性を向上させるためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させて化合物を製造するマイクロリアクタによる製造方法において用いられるものであり、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせることを特徴とする。
【００２４】
本発明の発明２のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させることを特徴とする。
【００２５】
本発明の発明３のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の発明４のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせることを特徴とする。
【００２７】
本発明の発明５のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却することを特徴とする。
【００２８】
本発明の発明６のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から３中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、Ｒｅ数が２００以下であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の発明７のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明１から６中から選択される１発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記化合物は、粒子の代表長さが１ｎｍから１００ｎｍのナノ粒子であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の発明８のマイクロリアクタは、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）と、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路（１４）に接続された分流器（２０）と、前記セグメントを合流させるためのもので、分流器（２０）に接続された合流流路（１６）と、前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路（１２）と、隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段（１７、２６、３０、３１）と、及び前記マイクロ流路（１２）で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路（１２）と接続された試料排出流路（１８）とからなることを特徴とする。
【００３１】
本発明の発明９のマイクロリアクタは、発明８のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路（１６）は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部（１６）とを備えていることを特徴とする。
【００３２】
本発明の発明１０のマイクロリアクタは、発明８又は９のマイクロリアクタにおいて、前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板（２６）であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の発明１１のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼（３０）であることを特徴とする。
【００３４】
本発明の発明１２のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼（３１）であることを特徴とする。
【００３５】
本発明の発明１３のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路（１２）の管の内径の大きさを小さく／又は大きくしたものであることを特徴とする。
【００３６】
本発明の発明１４のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、超音波を発生させる装置であり、前記超音波を前記マイクロ流路（１２）に照射して、前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。
【００３７】
本発明の発明１５のマイクロリアクタは、発明８又は９において、前記乱流発生手段（１７）は、前記合流流路（１６）の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。
【００３８】
本発明の発明１６のマイクロリアクタは、発明８から１５の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記マイクロ流路（１２）内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、前記温度を測定するための温度センサ手段とを有することを特徴とする。
【００３９】
本発明の発明１７のマイクロリアクタは、発明９から１４の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器（２０）から排出されて前記マイクロ流路（１２）に導入される前記セグメントは、１ｍｍ以下に細分化され、並列に配置されたことを特徴とする。
【００４０】
本発明の発明１８のマイクロリアクタは、発明８のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（２０）の断面積の直径は、前記絞りの後、１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００４１】
本発明の発明１９のマイクロリアクタ用の分流器は、発明８から１８の中から選択される１発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器（２０）は、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）に接続され、前記試料供給流路（１４）それぞれに接続された導入部（２１、２２、５１、５２）と、前記導入部（２１、２２、５１、５２）に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部（２１、２２、５１、５２）からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）と、前記中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部（１６，２５、４０、５６）とからなることを特徴とする。
【００４２】
本発明の発明２０のマイクロリアクタ用の分流器は、発明１９のマイクロリアクタ用の分流器において、前記孔の大きさを調整して圧力損失を調整し、セグメント流量を調整することにより、前記排出部（１６、２５、４０、５６）から排出された後のセグメントの流れに垂直な方向の厚みを調整することを特徴とする。
【００４３】
本発明の発明２１のマイクロリアクタ用の分流器は、発明１９のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路（１６）は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路（１２）に連結された円錐形であることを特徴とする。
【００４４】
本発明の発明１から７のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、ナノ粒子を製造するための方法であると良い。更に、前記マイクロリアクタによる化合物の製造方法は、良溶媒に溶解させたナノ粒子原料を貧溶媒と短時間に混合してナノ粒子を製造する方法であると良い。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によると、次の効果が奏される。
本発明のマイクロリアクタは、化合物の製造に必要な反応溶液を細かいセグメントに細分化して均一に混合し、隣接するセグメント間の異種の反応溶液同士の接触反応によって化合物を製造する。また、マイクロリアクタ内を流れている反応溶液に乱流を発生させてマイクロ混合して化合物を製造する。これにより、反応溶液はマイクロ混合され、混合時間が抑制できるので、反応溶液の均一な混合ができる。
【００４６】
また、セグメントの大きさ、及び配置を制御してセグメントの最適化を図ることで、管壁への析出を妨ぎ、生成物の生産効率が向上した。
更に、セグメントの大きさ、及び配置を制御することで、品質の揃った、より粒度分布の細かいナノ粒子を連続的に生産することが可能になった。更に、本発明のマイクロリアクタ用の分流器は、通常の機械加工方法で製造可能であるから、大量生産も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器について、図に従って説明する。 図１は、本発明の実施の形態のマイクロリアクタ１０の全体を示す概略図である。このマイクロリアクタ１０は、複数の供給管１４から供給された化合物生成用の溶液を分流器２０内で複数のセグメントに分流し、合流部１６内で混合し、マイクロ流路１２内で反応させて化合物を生成する。
【００４８】
分流器２０は３次元的な流路配置を持ち、この内部は溶液を複数のセグメントに分流して、マイクロ流路１２に層流、又は乱流で供給する構造である。分流器２０は、溶液を流すための貫通した孔を空けた複数の平板を組み合わせて、流路に沿って積層して構成されており、３次元的な流路が形成されている。また、マイクロリアクタ１０は、マイクロ流路１２を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段１７を有する。
【００４９】
以下、本実施の形態のマイクロリアクタ１０、マイクロリアクタ１０の分流器２０、乱流を発生させるための乱流発生手段１７等を図面を参照しながら更に詳細に説明する。図２は、分流器２０を溶液の流れ線に沿ってある断面で切断したときの構造を示す断面図である。図３は、分流器２０を構成する各層の構造を示す図である。
【００５０】
〔マイクロリアクタ１０の構造〕
マイクロリアクタ１０の反応器としては、１μｍから１ｍｍの管路、空間を備えた反応器が利用される。例えば、本例では１μｍから１ｍｍの管内径を持つマイクロ流路１２を利用した。図１に図示するように、マイクロリアクタ１０は、溶液を供給する供給管１４、供給された溶液を複数のセグメントに分流するための分流器２０、溶液を絞るための合流部１６、反応を行わせるためのマイクロ流路１２、及び反応後の液体と生成粒子を取り出すための排出管１８を有する。また、マイクロ流路１２内には、この中を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段１７を有している。
【００５１】
供給管１４は、原料となる溶液をマイクロリアクタ１０に導入するためのものであり、１種、又は複数の溶液を同時又は、時間差をおいて供給するために互いに平行に複数本配置されている。供給管１４には、溶液を一定の圧力、流速で導入することが好ましい。そのためには、この供給管１４には、溶液を入れたシリンジと、シリンジを供給管１４と接続するためのシリンジコネクタと、シリンジから供給管１４に供給される溶液の注入量を調整するためのポンプ、流量調整弁（図示せず）等が連結されている。
【００５２】
本実施の形態においては、２種類の溶液（溶液Ａと溶液Ｂ）をマイクロリアクタ１０に導入し、その反応を行わせるものである。しかしながら、生成物の種類、反応の制御によっては、３以上の種類の溶液をマイクロリアクタ１０に導入し、全溶液同士、又はその一部の溶液同士の反応を、同時、又は時間差を置いて供給して反応を行わせても良い。
【００５３】
分流器２０は、反応溶液を細かいセグメントに分流するためのものである。溶液Ａと溶液Ｂは、供給管１４から分流器２０に供給される。分流器２０に供給された溶液Ａと溶液Ｂは、それぞれ複数の流れ、即ちセグメントに分流（分岐）されて、分流器２０から排出される。この流れを、セグメントと定義して説明を行う。セグメントの形状は、分流器２０の構造によるもので、分流器２０の構造を変えることで変更することができる。
【００５４】
図２に示すように、溶液Ａは、２以上のセグメントＡに分流される。同様に、溶液Ｂは、２以上のセグメントＢに分流される。分流器２０から排出されとき、セグメントＡとセグメントＢは、所定の配列をして配置される。例えば、セグメントＡと隣接するセグメントは全てセグメントＢになるように配置することができる。セグメントＢは同様である。この配置は、分流器２０の構造によるもので、その内部の区画を設計変更することによってセグメントＡとＢの互いの配置を変更することができる。
【００５５】
本実施の形態においては、図３（ｅ）に図示したように、最終的にはセグメントＡとセグメントＢが交互に配置されている構造になる。図２と図３に示すように、分流器２０は、積層された複数の層、言い換えると所定の厚みを有した隔壁からなる。分流器２０は、所定の形状の複数の貫通孔を空けた板を重ねたような構造になっている。これらの貫通孔は、溶液を通すための３次元的な流路を形成する。
【００５６】
図２には、分流器２０の断面図を示している。分流器２０は、溶液の流れに沿って第１層２１から第５層２５の５層に構成されている。第１層２１は、分流器２０を供給管１４に接続し、かつ分流器２０に２本の供給管１４から溶液を導入するためのものである。第１層２１は、２本の供給管１４から供給される溶液を貯留し、第２層２２に供給するように、供給管１４の本数に対応して２部屋に区画されている。
【００５７】
第２層２２から第４層２４は、溶液の流れる流路を分岐し、溶液を各セグメントに分流するための層である。第２層２２から第４層２４から形成される３次元的な流路によって、第１層２１から供給された溶液の流れの方向を変更、及びこの溶液を複数の流れに分流する。第５層２５は、複数のセグメントに分流された溶液を合流部１６に排出するためのものである。第５層２５の前端面は、円錐状の合流部１６の底面に接続されている。
【００５８】
第１層２１から第５層２５の構造を、図３（ａ）から図３（ｅ）に図示している。即ち、図３（ａ）は第１層２１の切断面図、図３（ｂ）は第２層２２の切断面図、図３（ｃ）は第３層２３の切断面図、図３（ｄ）は第４層２４の切断面図、図３（ｅ）は第５層２５の切断面図である。第１層２１は、区画された貫通孔である２つの三角形状の三角孔２１Ａ、及び三角孔２１Ｂとから構成されている。各第１層２１〜第５層２５は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「Ａ」、「Ｂ」の文字を示しているが、それぞれ溶液Ａ、溶液Ｂの通路を意味する。
【００５９】
文字「Ａ」は、溶液Ａがこの孔を通って流れることを意味する。文字「Ｂ」は、溶液Ｂがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器２０中の溶液の流れを理解しやすくするために、図３（ｂ）〜（ｅ）には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。例えば、図３（ａ）の三角孔２１Ａ、三角孔２１Ｂを図３（ｂ）に想像線で図示している。同様に、図３（ｃ）から図３（ｅ）には、前の層から各層に溶液が流れ込むとき、前の層の孔を各層に想像線で図示している。
【００６０】
前述したように、第１層２１は、図３（ａ）に図示するように、区画された空間である三角形の２つの三角孔２１Ａ、２１Ｂを有している。三角孔２１Ａには、溶液Ａが供給管１４から供給される。三角孔２１Ｂには、溶液Ｂが供給管１４から供給される。第２層２２は、図３（ｂ）に図示するように、第１層２１から第２層２２に分岐しており、供給された溶液Ａを３つの流れに分流している。同様に、第１層２１の三角孔２１Ｂから供給される溶液Ｂは、第２層２２で４つの流れに分流している。
【００６１】
この分岐のみでは、図３（ｂ）に示すように、溶液Ａ、溶液Ｂは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。第３層２３は、図３（ｃ）に図示するように、第２層２２の各孔から供給された溶液の一部を横方向（角度９０度曲げた方向）に方向変換して流れる。これによって、図３（ｃ）に示すように、第３層２３の溶液Ａは、細長い３本の流れとなり、溶液Ｂは４本の流れとなる。第４層２４は、図３（ｄ）に図示するように、小さい四角形の孔を複数個有し、第３層２３の各孔から供給された溶液それぞれを更に複数の流れに分流している。
【００６２】
第５層２５は、第４層２４の孔を１ないし２個をまとめるような構造になっている。結果的に溶液Ａと溶液Ｂは、交互に配置された複数のセグメントに分流されている。合流部１６の内部空間は、角錐状の形をしており、分流器２０の第５層２５に接続され固定されている。合流部１６は、内部は区画されておらず１つの流路からなる。分流器２０の第５層２５から排出される各セグメントは、全て合流部１６に供給される。
【００６３】
合流部１６の内径は、溶液の流れが下流になるほど細くなって、それにともない連続の理により溶液の流速が速くなる。マイクロ流路１２の後端は、合流部１６の前端に接続されている。マイクロ流路１２内では、溶液Ａと溶液Ｂ同士の反応が行われる。合流部１６に接続されていないマイクロ流路１２の前端は排出管１８に接続されている。排出管１８は、マイクロ流路１２の下流の一部とするものであっても良い。排出管１８からは、溶液Ａと溶液Ｂの反応生成物と、残留溶液が排出される。
【００６４】
なお、上述したように合流部１６の内径は溶液の流れが下流になるほど細くなる構造でなくても良い。合流部１６の内径は、反応に大きな影響を及ぼさない場合は、必ずしも溶液の流れが下流になるほど細くする必要はない。合流部１６は、分流器２０から排出された溶液をマイクロ流路１２内に導くためのものであるので、合流部１６の内径は、合流部１６の排出端の径と、マイクロ流路１２の内径をスムースに接続できるような構造になることが望ましい。
【００６５】
〔マイクロリアクタ１０の材質〕
マイクロリアクタ１０の材質は、基本的に原料溶液および副生成物との反応により操業に悪影響を与えない物を使用する。マイクロリアクタ１０のマイクロ流路１２、分流器２０、合流部１６、排出管１８等には、次ぎのような材質を使用する。例えば、ステンレス、ニッケル（Ｎｉ）、ハステロイ等の耐薬品制の高い金属材料、ガラス、アルミナ、ムライト、炭化珪素等のセラミックス製品等の無機材料、及びPTFE,PEEK、ポリイミド、ポリプロピレン等の高分子材料を、原料溶液、副産物との反応、及び、マイクロリアクタ１０の操作時の圧力、温度、更に、熱伝導等を勘案して選択する。
【００６６】
〔分流器２０の製造方法〕
分流器２０は、３次元的な流路を形成する第１層２１から第５層２５の５層からなる。第１層２１から第５層２５までをそれぞれ平板に孔を開け作成し、これを重ねてボルト、接着剤、溶接、拡散接合、圧着等で組み立てることにより、製造することが可能である。このために、低コストで大量生産が可能である。更に、第１層２１から第５層２５の各層を独立して設計することができ、分流器２０の設計変更も容易にできる。分流器２０は、
第１層２１から第５層２５を組み立てるとき、各層間の接合部から他のセルに溶液が流入したり、溶液の流れが大きく妨げられないようにする必要があることが好ましい。
【００６７】
〔分流器２０の大きさ〕
ここで、マイクロリアクタ１０の構成部分の代表的な大きさを示す。分流器２０によって分流されたそれぞれのセグメントは、１ｍｍ以下の直径であることが好ましい（図３（ｅ）を参照）。つまり、供給管１４から供給された溶液は、辺の長さが１ｍｍ以下の断面が円形、又は矩形の流れに細分化される。これらの細分化されたセグメント全てを合流部１６で合流させている。それから、合流部１６の内径を小さくすることで、合流された溶液を収縮させている。このとき、各セグメントの幅は狭い方が混合速度の向上には望ましく、１００μｍ以下になることが特に好ましい。
【００６８】
分流器２０の代表的なディメンジョンは、以下の通りである。外観は、１ｃｍ四方の立方体であり、これが上述のように６層に分割されている。各層の厚みは、２ｍｍである。マイクロリアクタ１０は、これらの大きさに制限されるものではなく、必要に応じて設計変更し、使用することが可能である。
【００６９】
〔様々なセグメントの配置〕
分流器２０から合流部１６に供給される各セグメントの形状は、第５層２５の設計変更によって決まるので、第５層２５の設計を変更して分流器２０を製造することで、様々形状のセグメントに対応できる。例えば、図３（ｅ）に図示した第５層２５の正方形の形状を、四角、円形、楕円形、三角形、その他の多角形に自由に変更することが可能である。
【００７０】
分流器２０から合流部１６に供給される各セグメントの断面配置は、基本的に第１層２１から第５層２５の設計を変更することで代えることができる。図３（ｅ）には、溶液Ａと溶液Ｂのセグメント同士が交互に配置されるように設計しているが、これを変更して、特定の形状に変更することが可能である。例えば、図５に図示したように断面が円形のセグメントにすることが可能である。
【００７１】
〔乱流発生手段１７について〕
セグメントを配列した溶液の束に乱流を生じさせることにより、直接ミクロ混合を施する。このミクロ混合により、混合時間を抑制し、均一な混合を達成する。乱流を発生させるための乱流発生手段１７としては、次のような手段をとる。
【００７２】
第１の乱流発生手段
マイクロ流路１２の管の内径の大きさを変えることにより、流体の線速(ｍ／ｓ)を調整し、乱流を発生させる。乱流の強さは、基本的にはＲｅ数に依存するので、それを制御することで溶液の混合を制御できる。マイクロ流路１２の内径、溶液の粘度からＲｅ数が計算できる。マイクロ流路１２の内径を大きくしたり小さくしたりする操作を繰り返すことで、乱流を発生させたりすることが可能である。Ｒｅ数が、例えば２００以下（Ｒｅ＜２００）の低い場合は、その乱流は抑えられ、溶液は元の層流になる。このように、マイクロ流路１２の一部にのみに乱流を生じさせることが可能である。
【００７３】
第２の乱流発生手段
図４に示すように、マイクロ流路１２の中にじゃま板２６や羽根車等の装置を配置する。マイクロ流路１２を流通している溶液は、これらの装置を通るときに、溶液の層流が局所的に乱れ乱流になる。上記と同様に、Ｒｅ数が、例えば２００以下（Ｒｅ＜２００）の低い場合は、乱流は元の層流になり、マイクロ流路１２の一部にのみに乱流を生じさせる。図４の（ａ）の断面図には、マイクロ流路１２の中にじゃま板２６を乱流発生手段１７として設置している概要を図示している。図４（ｂ）には、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図を図示している。領域２７は、マイクロ流路１２に乱流が起こる部分を示している。溶液がこの領域２７より下流になると層流になる。
【００７４】
第３の乱流発生手段
図５は、第３の乱流発生手段を示すマイクロ流路１２の断面図である。マイクロ流路１２内には、螺旋固定翼３０が固定配置されている。螺旋固定翼３０の中心線は、マイクロ流路１２の中心線と一致する位置に配置されている。螺旋固定翼３０は、板金材を螺旋状に捻って作られたものである。合流部１６から送られた混合された溶液Ａと溶液Ｂとは、固定螺旋翼３０でその翼に沿って螺旋状に捻られて送られている間に混合が促進される。
【００７５】
第４の乱流発生手段
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、回転するプロペラをマイクロ流路１２に配置した例である。近年は、微細な金属、合成樹脂等の機械加工が可能となり、マイクロ流路１２内でも回転するマイクロ機器である回転するプロペラ機構を製造できる。２枚の羽根を備えたプロペラ３１は、軸受３２で回転自在に支持されている。軸受３２は、支持部材３３でマイクロ流路１２内で固定されている。従って、溶液が流れてくると、プロペラ３１は回転を開始し、溶液を攪拌することになる。
【００７６】
第５の乱流発生手段
マイクロ流路１２を超音波で照射し、マイクロ流路１２を流通する溶液を擾乱させて乱流を発生させる。
【００７７】
第６の乱流発生手段
混合部１６の排出端の内径を溶液に乱流を発生するまでに絞って小さくする。上述した混合部１６の排出端は、各セグメントを０．１ｍｍ以下になるように絞っているが、それより細くなるまでに絞り、乱流を発生させる。
【００７８】
第７の乱流発生手段
混合部１６から排出された溶液は、スパイラル状又はカーブを形成しているマイクロ流路１２に導入される。溶液がマイクロ流路１２に流入し、すぐにスパイラル状又はカーブのところで乱流を発生させる。
【００７９】
第８の乱流発生手段
上記の第１から第７の乱流発生手段を繰り返して又は組み合わせて利用する。Ｒｅ数が低い場合は、乱流はすぐに層流になるので、溶液が更に分子拡散し、反応が行われる。第１から第７の乱流発生手段の一つを繰り返して又は組み合わせて実施すると、溶液に部分的に乱流を発生されてマイクロ混合を行い、それから分子拡散で反応を行わせてから再度乱流を発生されてマイクロ混合を行って反応を行うようになる。これによって、リアクター内での反応が均一になり、副生成物の生成量が低下し、製造される粒子の大きさが均一になる。
【００８０】
混合部１６と、マイクロ流路１２に設置されている乱流発生手段１７との間にはマイクロ流路１２を流れる溶液は、そのセグメント間に分子拡散を起こしながら反応が行われる。この混合部１６と乱流発生手段１７との距離を変更することで、反応の制御を行うこともできる。この距離が短くし、セグメントが混合されてからできるだけ短距離で乱流によってマイクロ混合されることが、生成物が単一大きさの粒子になる。
【００８１】
〔乱流の強さについて〕
Ｒｅ数で規定される乱流の強さを制御することにより、混合速度と、管壁への付着の抑止を両立させる。
【００８２】
〔加熱・冷却〕
マイクロリアクタ１０は、必要に応じて、熱交換板を配置し、温度分布の発生を防ぐことができる。また、所定の温度にしたオイルバス等の液体中にマイクロ流路１２を配置させて、反応溶液を加熱又は冷却することができる。
【００８３】
〔ナノ粒子〕
本実施の形態のマイクリアクタ１０は、粒径１ｎｍ〜１００ｎｍのナノ粒子を生成する反応に適応することができるものである。このナノ粒子を生成するためのものとしては、貧溶媒中での晶析反応、タンニン酸およびクエン酸を還元剤・保護材とする金ナノ粒子の合成、反応溶液を反応温度まで加熱した後に急速に混合する半導体ナノ粒子の合成が掲げられる。
【００８４】
〔他の実施の形態〕
以下に、本発明の他の実施の形態を示す。本発明の他の実施の形態は、本発明の実施の形態と基本的に同じであり、その異なる部分だけの説明を行う。
【００８５】
〔圧力損失の調整〕
図１０には、分流器２０の他の実施の形態の概要を図示している。図１０のぶんりゅう２０器の構成と構成部分の機能は図３の分流器２０と同じであり、次の点が異なる。図１０（ｂ）の第２層２２は溶液Ａが流れるための孔が５を備えている。これに伴い、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）、図１０（ｅ）にも溶液Ａ用の孔が備えられている。図１０では、孔の大きさを適切に調節することで、各孔を通過する溶液の分布を調節することができる。すなわち、孔の大きさが大きいほど孔通過時の圧力損失が小さくなるために、孔を通過する溶液の量は大きくなる。
【００８６】
第４層２４の後に孔の大きさを小さくする層を設けることで、圧力損失調整を行うことも可能である。例えば、図１０（ｆ）で図示した層４０を第５層２５の後に設ける。層４０では、孔の大きさを図１０（ｄ）の孔より小さくし、全体の圧力損失が大きくなりすぎない程度（操業に問題がない程度）とすることが望ましい。これにより、図１０（ａ）〜（ｄ）で生じる、各セグメント間の圧力損失の差を相対的に小さくすることが可能になる。
【００８７】
〔不活性な溶媒の活用〕
管壁への析出を妨ぎながら、生産性を向上させるために、セグメントの配置を最適化する。例えば、マイクロ流路１２の管内を流れる溶液の外周に不活性な溶媒（もしくは沈殿剤の溶媒）を配置しておき（図７を参照）、内側に原料と沈殿剤を市松模様のように交互に組み合わせて配置する。図７には、マイクロ流路１２の断面図を図示しており、円２８の外側が不活性溶媒Ｃ、円２８の内側が溶液Ａ、Ｂになっている。外側の不活性層の厚さは、分流器２０の構造により制御することができる。つまり、反応用の溶液Ａ、Ｂとは別に不活性溶媒Ｃを分流器２０に供給し、分流器２０から排出されるときに溶液Ａ、ＢのセグメントＡ、Ｂの外側に不活性溶媒のセグメントＣが配置されるようにする。
【００８８】
〔反応温度のコントロールについて〕
複数の原料溶液および溶媒が接触したあと、（若しくは接触する前に）途中に適切な熱交換器を設置することにより、反応温度をコントロールすることが可能である。分流器２０よりも上流では、伝熱ヒーター、熱媒体や熱交換器等による加熱等、通常用いられている方法で熱交換してから分流器２０に流し込む方法が用いられる。分流器２０よりも下流では、マイクロ流路１２が細いので、適切な温度に設定したオイルバスの中をマイクロ流路１２を流通させる方法が用いられる。
【００８９】
また、分流器２０の出るセグメント全てを合流部１６によって合流させて、第２分流器３４によってこれを２以上に再度分流させて、それぞれ別々のマイクロ流路３５に供給し、それぞれのマイクロ流路３５を熱交換器３６によって温度制御することが可能である。この場合は、第２分流器３４の構造を適切に設計する（図８を参照）。
【００９０】
〔分流器２０の他の構成〕
図９は、分流器２０を構成する各層の構造を示す図である。分流器２０は、第１層５１から第６層５６の６層から構成される。第１層５１から第６層５６の構造を、図９（ａ）から図９（ｆ）に図示している。第１層５１は、区画された貫通孔である２つの三角形状の三角孔２１Ａ、及び三角孔２１Ｂとから構成されている。各第１層５１〜第６層５６は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「Ａ」、「Ｂ」の文字を示しているが、それぞれ溶液Ａ、溶液Ｂの通路を意味する。
【００９１】
文字「Ａ」は、溶液Ａがこの孔を通って流れることを意味する。文字「Ｂ」は、溶液Ｂがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器２０中の溶液の流れを理解しやすくするために、図９（ｂ）〜（ｆ）には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。第１層５１は、図９（ａ）に図示するように、区画された空間である三角形の２つの三角孔５１ａ、５１ｂを有している。
【００９２】
三角孔５１ａには、溶液Ａが供給管１４から供給される。三角孔５１ｂには、溶液Ｂが供給管１４から供給される。第２層５２は、図９（ｂ）に図示するように、第１層５１から第２層５２に分岐しており、供給された溶液Ａを５つの流れに分流している。同様に、第１層５１の三角孔５１ｂから供給される溶液Ｂは、第２層５２で４つの流れに分流している。この分岐のみでは、図９（ｂ）に示すように、溶液Ａ、溶液Ｂは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。
【００９３】
第３層５３は、図９（ｃ）に図示するように、第２層５２の各孔から供給された溶液の一部を横方向（角度９０度曲げた方向）に方向変換して流れる。これによって、図９（ｃ）に示すように、第３層５３の溶液Ａは、細長い５本の流れとなり、溶液Ｂは４本の流れとなる。第４層５４は、図９（ｄ）に図示している。第５層５５は、図９（ｅ）に図示している。 第４層５４と第５層５５は、溶液Ａ、Ｂの流れを大きくしたり、小さくしたりしている。
【００９４】
更に、溶液Ａ、Ｂを合流、分流している。第６層５６は、第５層５５の孔を流れる溶液を１以上に分流するような構造になっている。結果的に溶液Ａと溶液Ｂは、複数のセグメントに分流されている。合流部１６の内部空間は、分流器２０の第６層５６に接続され固定される。合流部１６は、内部は区画されておらず１つの流路からなる。分流器２０の第６層５６から排出される各セグメントは、全て合流部１６に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、新材料開発分野、バイオ技術分野、医療分野に利用すると良い。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態のマイクロリアクタ１０の概要を図示した図である。
【図２】図２は、マイクロリアクタ１０の分流器２０の構造を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、分流器２０を構成する各層の概略図である。図３（ａ）は図２のａ−ａ線の切断面図、図３（ｂ）は図２のｂ−ｂ線の切断面図、図３（ｃ）は図２のｃ−ｃ線の切断面図、図３（ｄ）は図２のｄ−ｄ線の切断面図、図３（ｅ）は図２のｅ−ｅ線の切断面図、図３（ｆ）は他の実施の形態の圧力損失の調整を行うための層の断面図である。
【図４】図４は、マイクロリアクタ内にじゃま板を設置した概要を示す断面図であり、図４（ａ）は、マイクロ流路１２の断面図、図４（ｂ）は、じゃま板２６の断面図である。
【図５】図５は、マイクロリアクタ内に固定螺旋翼を配置した例を示す断面図である。
【図６】図６は、マイクロリアクタ内に回転するプロペラを配置した例を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施の形態のマイクロリアクタ内に不活性な溶媒を活用する例を図示した図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施の形態のマイクロリアクタの概要を図示した図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｆ）は、分流器２０を構成する各層の概略図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｆ）は、その他の実施の形態の分流器２０を構成する各層の概略図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０…マイクロリアクタ
１２、３５…マイクロ流路
１４…供給管
１６…合流部
１７…乱流発生手段
１８…排出管
２０…分流器
２１、５１…第１層
２２、５２…第２層
２３、５３…第３層
２４、５４…第４層
２５、５５…第５層
２６…じゃま板
３０…固定螺旋翼
３１…プロペラ
３３…支持部材
３２…軸受
３６…熱交換器
３４…第２分流器
５６…第６層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させて化合物を製造するマイクロリアクタによる製造方法において、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、
隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、
前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものである
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項５】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却する
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項６】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記乱流は、Ｒｅ数が２００以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記化合物は、粒子の代表長さが１ｎｍから１００ｎｍのナノ粒子である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項８】
複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）と、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路（１４）に接続された分流器（２０）と、
前記セグメントを合流させるためのもので、分流器（２０）に接続された合流流路（１６）と、
前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路（１２）と、
隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段（１７、２６、３０、３１）と、及び
前記マイクロ流路（１２）で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路（１２）と接続された試料排出流路（１８）と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項９】
請求項８に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記合流流路（１６）は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部（１６）と
を備えている
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板（２６）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１１】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼（３０）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１２】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼（３１）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１３】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路（１２）の管の内径の大きさを小さく／又は大きくしたものである
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１４】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、超音波を発生させる装置であり、
前記超音波を前記マイクロ流路（１２）に照射して、前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１５】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記合流流路（１６）の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１６】
請求項８から１５の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（１２）内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、
前記温度を測定するための温度センサ手段と
を有することを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１７】
請求項９から１４の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記分流器（２０）から排出されて前記マイクロ流路（１２）に導入される前記セグメントは、１ｍｍ以下に細分化され、並列に配置された
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１８】
請求項８に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（２０）の断面積の直径は、前記絞りの後、１ｍｍ以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１９】
請求項８から１８の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記分流器（２０）は、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）に接続され、前記試料供給流路（１４）それぞれに接続された導入部（２１、２２、５１、５２）と、
前記導入部（２１、２２、５１、５２）に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部（２１、２２、５１、５２）からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）と、
前記中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部（１６，２５、４０、５６）と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【請求項２０】
請求項１９に記載のマイクロリアクタ用の分流器において、前記孔の大きさを調整して圧力損失を調整し、セグメント流量を調整することにより、前記排出部（１６、２５、４０、５６）から排出された後のセグメントの流れに垂直な方向の厚みを調整する
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【請求項２１】
請求項１９に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記合流流路（１６）は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路（１２）に連結された円錐形である
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【請求項１】
複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させて化合物を製造するマイクロリアクタによる製造方法において、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、
隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、
前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものである
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項５】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却する
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項６】
請求項１から３中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記乱流は、Ｒｅ数が２００以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６中から選択される１項に記載のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、
前記化合物は、粒子の代表長さが１ｎｍから１００ｎｍのナノ粒子である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。
【請求項８】
複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）と、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路（１４）に接続された分流器（２０）と、
前記セグメントを合流させるためのもので、分流器（２０）に接続された合流流路（１６）と、
前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路（１２）と、
隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段（１７、２６、３０、３１）と、及び
前記マイクロ流路（１２）で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路（１２）と接続された試料排出流路（１８）と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項９】
請求項８に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記合流流路（１６）は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部（１６）と
を備えている
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板（２６）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１１】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼（３０）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１２】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼（３１）である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１３】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記マイクロ流路（１２）の管の内径の大きさを小さく／又は大きくしたものである
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１４】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、超音波を発生させる装置であり、
前記超音波を前記マイクロ流路（１２）に照射して、前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１５】
請求項８又は９において、
前記乱流発生手段（１７）は、前記合流流路（１６）の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１６】
請求項８から１５の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（１２）内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、
前記温度を測定するための温度センサ手段と
を有することを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１７】
請求項９から１４の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記分流器（２０）から排出されて前記マイクロ流路（１２）に導入される前記セグメントは、１ｍｍ以下に細分化され、並列に配置された
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１８】
請求項８に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路（２０）の断面積の直径は、前記絞りの後、１ｍｍ以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項１９】
請求項８から１８の中から選択される１項に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記分流器（２０）は、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路（１４）に接続され、前記試料供給流路（１４）それぞれに接続された導入部（２１、２２、５１、５２）と、
前記導入部（２１、２２、５１、５２）に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部（２１、２２、５１、５２）からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）と、
前記中間部（２３、２４、５３、５４、５５、５６）から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部（１６，２５、４０、５６）と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【請求項２０】
請求項１９に記載のマイクロリアクタ用の分流器において、前記孔の大きさを調整して圧力損失を調整し、セグメント流量を調整することにより、前記排出部（１６、２５、４０、５６）から排出された後のセグメントの流れに垂直な方向の厚みを調整する
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【請求項２１】
請求項１９に記載のマイクロリアクタにおいて、
前記合流流路（１６）は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路（１２）に連結された円錐形である
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２５２９７９（Ｐ２００７−２５２９７９Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７７０５８（Ｐ２００６−７７０５８）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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