マイクロリアクタ

【課題】
大流量あるいは高粘度の流体であったり、異種流体、さらには流量，粘性に差があったりしても対応が可能なマイクロリアクタを得る。
【解決手段】
原料導入流路が形成されたベースプレート１及び原料導入プレート３と、ベースプレート１と原料導入プレート３との間に配置され混合流路９が形成された混合流路プレート２と、が積層され、複数の原料液を混合して排出するマイクロリアクタにおいて、混合流路プレート２に形成され幅方向に縮流された混合流路プレート混合流路９ｂと、ベースプレート１に形成され下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路９ａと、を備え、ベースプレート混合流路９ａは混合流路プレート混合流路９ｂに連通され、混合された原料液を排出する排出孔７に接続されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体や気体などの流体の混合及び化学反応を、１mm未満の微小なスケールで高効率に行うマイクロリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学合成や化学分析の分野において、混合・反応時間の短縮及び副反応抑制のために、微細加工技術を用いて製作された数十〜数百μｍの流路によって構成される流体混合器が使用されはじめている。このような混合器は、マイクロミキサ、又はマイクロリアクタと呼ばれる。マイクロミキサでは流路の代表長さが短いので、流体の慣性力と粘性力の比を表わす無次元数であるレイノルズ数が小さいため、流れは層流となる。したがって、多種類の流体を混合する場合、主に分子拡散によって混合が進む。
【０００３】
そこで、流路の代表長さを小さくするほど、拡散距離が短縮され、迅速な混合が可能となる。また、微小化することにより流路の体積当りの表面積が増えるため、流体への熱伝達率が向上する。これにより、マイクロリアクタで反応熱を伴う化学反応を行う際、反応液体の精密な温度制御が可能となり、反応効率を高めることが可能である。
【０００４】
また、流体の速度や流量に応じて、化学反応を安定に実現するため、流体の通流路をなすマイクロチャンネルに、通流方向に沿って複数のマイクロヒータを設け、加熱制御することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。
さらに、圧力損失を低減するため、異なる２液のノズルを交互に複数配置して２液が交互に流れる多層流を作り出すことが知られ、例えば特許文献２に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４７８３９号公報
【特許文献２】特開２００６−１０２６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術において、特許文献１に記載のマイクロリアクタは、単に化学反応の加熱領域長さを制御するだけなので、流路表面から受ける抵抗による圧力損失に関しては考慮されていなく、流量を増やすことや高粘度の液体を流すには困難である。
また、特許文献２に記載のマイクロリアクタは、多層流を形成するため、下流において縮流部を必須とし、単に、縮流するだけでは流速が上昇して圧力損失が増加しやすい。さらに、異なる流量や異なる粘度の２液を流した場合、交互に配置したノズル径を流量や粘度に応じて変更しなければならない。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、大流量あるいは高粘度の流体であったり、異種流体、さらには流量，粘性に差があったりしても対応が可能なマイクロリアクタを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、複数の原料液の一方を導入する原料導入流路が形成されたベースプレートと、他方を導入する原料導入流路が形成された原料導入プレートと、前記ベースプレートと前記原料導入プレートとの間に配置され前記原料液を混合させる混合流路が形成された混合流路プレートと、が積層され、前記複数の原料液を混合して排出するマイクロリアクタにおいて、前記混合流路プレートに形成され幅方向に縮流された混合流路プレート混合流路と、前記ベースプレートに形成され下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路と、を備え、前記ベースプレート混合流路は前記混合流路プレート混合流路に連通され、混合された原料液を排出する排出孔に接続されたものである。
【０００９】
また、本発明は、原料液を導入する原料導入流路が形成された原料導入プレートと、該原料導入プレートとの間に配置され前記原料液を混合させる混合流路が形成された混合流路プレートと、が積層され、前記複数の原料液を混合して排出するマイクロリアクタにおいて、前記原料導入プレートと、該前記原料導入プレートの間に配置され幅方向に縮流された混合流路プレート混合流路が形成された前記混合流路プレートと、が複数組重ね合わされ、前記混合流路プレート混合流路に連通され下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路を備えたベースプレートが最下段に配置されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、混合流路を下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状としたので、多層化した混合流を縮流すると共に縮流による圧力損失の増大を抑えることができる。したがって、大流量あるいは高粘度の流体であったり、異種流体、さらには流量，粘性に差があったりしても対応が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、一実施の形態によるマイクロリアクタの構造を示す分解斜視図である。図２は、図１のマイクロリアクタの構造を示す部分平面図とその拡大図である。図３は、図２の部分平面図における原料導入流路と混合流路重なり合い部分の流れ方向に平行な断面図であり、同図（а）は断面ａ−ａの断面図、同図（ｂ）は断面ｂ−ｂの断面図である。また、図４は、図２の部分平面図における絞り部の断面図であり、同図（ｃ）は断面ｃ−ｃの断面図、同図（ｄ）は断面ｄ−ｄの断面図である。
【００１２】
マイクロリアクタは、４枚のプレート１〜４を積層した構造となっている。一番下のプレートはベースプレート１であり、原料液の流入孔５，６及び排出孔７と、原料導入流路８ａ及び、幅方向を縮流すると同時に深さ方向に増大する絞り部と流路断面形状に変化のない混合部を備えるベースプレート混合流路９ａが形成されている。
二番目のプレートは、混合流路プレート２であり、２種類の原料液体を混合させるための混合流路プレート混合流路９ｂが形成される。
三番目のプレートは、原料導入プレート３であり、混合流路プレート２に原料を導入するための原料導入流路８ｂが形成されている。
四番目のプレートは、上蓋４である。
また、４つのプレートはそれぞれ位置合わせのための位置決め穴１０〜１３を備えている。位置決め穴１０は後記で説明する標準の位置であるが、位置決め穴１０〜１３はベースプレート１、及び原料導入プレート３の位置が流体の流れ方向に対し前後にずれ、かつそれぞれずれる量が異なる様に設定される。
【００１３】
標準の位置決め穴１０によって位置決めを行った場合について説明する。
原料導入流路８ａ，８ｂの下流端は、図２に示すように三角形の流路凸１５，１６が形成されており、また、ベースプレート１と原料導入プレート３では、流路凸部の頂点が幅方向に交互に重なるよう半ピッチずれて積層されるように形成してある。また、混合流路との重ね合わせも、流路凸部の上端と下端の間に合わさるように積層される。
原料液の流入孔５，６にそれぞれ異なる２種類の流体を投入すると、流体は原料導入流路８ａ，８ｂの流路凸部１５，１６を通って、図２の矢印１４の向きに混合流路９に流れ込む。
【００１４】
断面ａでは、図３（ａ）に示すように、原料導入流路８ａから混合流路９に流体が流れ込むが、原料導入流路８ｂからの流体は流れ込まない。一方、断面ｂでは、図３（ｂ）に示すように、原料導入流路８ｂから混合流路９に流体が流れ込むが、原料導入流路８ａからの流体は流れ込まない。したがって、原料導入流路端の流路凸部１５，１６の並びに合わせて原料導入流路８ａ、及び８ｂから混合流路９へ交互に流体が流れ込むので、混合流路９においては２種類の異なる流体が、幅方向に交互に配列した多層流を形成することになる。
【００１５】
混合流路９の下流では、混合流路縮流部１７で縮流により幅方向を減少させる。さらに、混合流路絞り部１８では縮流部同様に流路幅が減少する一方、図４に示すようにベースプレート１に形成されたベースプレート混合流路９ａと混合流路プレート２に形成された混合流路プレート混合流路９ｂとで混合流路９全体が構成されるので、深さ方向に増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路９ａにより、流路深さは増加する。さらに続く混合流路混合部１９は流路断面形状には変化は無い。また、ベースプレート混合流路９ａのみ深さが変化すれば良いので、加工は容易となる。
【００１６】
混合流路絞り部１８では、２種類の異なる流体の多層流の幅方向間隔が減少するため拡散距離が減少し、拡散による混合速度が向上する。また、深さ方向を増加させることで、幅方向のみの縮流に比べて流路の圧力損失を低く抑えられる。さらには、流路断面積が増えるために流速が低下し、同じ縮流幅で拡散による混合時間が同じであれば、混合のために必要な混合流路混合部１９の流路長さを短く取れるため、さらに圧力損失を低減することが出来る。
混合流路絞り部１８の上流断面の深さに対し、最下流の深さは２倍以上、また、最下流断面における深さ：流路幅の比は１：１程度以上であることが望ましい。また、絞り部の断面形状は、断面積が常に一定となることが望ましい。これにより、比較的圧力損失の低いマイクロリアクタを提供でき、従来よりも大流量や高粘度の対象に対応することが可能となる。
【００１７】
プレートの積層位置を変えた例として、位置決め穴１２によって積層位置を設定した場合を例に取り説明する。図５はこのときのマイクロリアクタの構造を示す部分平面図とその拡大図である。図６は、図５の部分平面図におけるノズル部分の流れ方向に平行な断面図であり、同図（а）は断面ａ−ａの断面図、同図（ｂ）は断面ｂ−ｂの断面図である。図２の場合に比べ、位置決め穴１２を用いた場合、混合流路プレート２を基準とすると、ベースプレート１は流体の流れ方向と逆方向に移動し、原料導入プレート３は流体の流れ方向に移動している。この結果、原料導入流路８ａから混合流路９への流れ込む開口部は減少し、原料導入流路８ｂから混合流路９へ流れ込む開口部は増加する。
【００１８】
そして、２種類の異なる流体を複数の開口部から交互に混合流路に導入する場合、双方の流体の開口部、すなわち多層流の開始点における圧力は等しい。そのため、２種類の流体の流量や粘性によって多層流の各流体の幅が一意に決まるが、この幅と前記開口部の幅が著しく異なっていては、多層流を安定に形成することが困難になる。例として、２種類の流体の流量が大きく異なる場合、流量の少ない流体の導入部位の開口量は、流量の多い方に比べて小さくなくてはならない。
【００１９】
本例の場合、特に設計や加工を変更することなく、位置決め穴の選択によって、２種類の異なる流体の導入部の開口量を調整可能であり、２つの異なる流体に対し、異なる流量や異なる粘度の組み合わせに対して柔軟に対応が可能となる。
【００２０】
他の実施例について図を用いて説明する。実施例１において、原料導入流路の下流端にある流路凸部の形状を変えたものである。図７は、本実施例の積層したプレートの部分平面とその拡大図である。
原料導入流路の下流端に、半円形の流路凸部２１，２２を備えている。矢印２０の向きに従って、原料導入流路８ａ，８ｂから交互に２種類の異なる流体が混合流路に流れ込み、幅方向に多層流を形成する。これにより、加工方法がドリル等により容易となる。原料導入流路の下流端は、幅方向に並ぶ凹凸形状であれば同様の効果が得られるが、積層位置を変えることで開口量を変化させる場合、下流方向に向かって先細りした形状であることが望ましい。
【００２１】
図８は、他の実施例によるマイクロリアクタの構造を示す分解斜視図である。図９は、図８のマイクロリアクタの構造を示す部分平面図とその拡大図である。図１０は、図８の部分平面図における原料導入流路と混合流路重なり合い部分の流れ方向に平行な断面図であり、同図（а）は断面ａ−ａの断面図、同図（ｂ）は断面ｂ−ｂの断面図である。
【００２２】
一番下のベースプレート３０の上に、原料導入プレート４０，混合流路プレート５０，原料導入プレート６０が繰り返し重ね合わせ、一番上に上蓋７０が積層されている。また、原料導入プレート４０，混合流路プレート５０，原料導入プレート６０を２回繰り返し積層されている。
ベースプレート３０は原料液の流入孔３１，３２及び排出孔３３と、幅方向を縮流すると同時に深さ方向に増大する絞り部と流路断面形状に変化のない混合部を備える混合流路３４が形成されている。
原料導入プレート４０は、原料液の流入孔４１と、原料導入流路４２と、混合流路４３が形成されている。
混合流路プレート５０は、原料液の流入孔５１，５２と、混合流路５３が形成されている。原料導入プレート６０は、原料導入流路６１と、原料液の流入孔６２と、混合流路
６３が形成されている。
原料導入流路４２，６１の下流端は、流路凸部４５，５５が形成されており、また、原料導入プレート４０と原料導入プレート６０では、流路凸部の頂点が幅方向に交互に重なるよう半ピッチずれて積層されるように形成してある。さらに、混合流路プレート５０の混合流路５３との重ね合わせも、流路凸部の上端と下端の間に合わさるように積層される。
【００２３】
ベースプレート３０の原料の流入孔３１，３２にそれぞれ異なる２種類の流体を投入すると、流体は原料導入流路４２，６１の流路凸部４５，６５を通って、図９の矢印１４の向きに混合流路プレート５０の混合流路５３に流れ込む。
断面ａでは、図１０（ａ）に示すように、原料導入流路４２から混合流路５３に流体が流れ込むが、原料導入流路６１からの流体は流れ込まない。一方、断面ｂでは、図１０
（ｂ）に示すように、原料導入流路６１から混合流路５３に流体が流れ込むが、原料導入流路４２からの流体は流れ込まない。このように、原料導入流路端の流路凸部４５，６５の並びに合わせて原料導入流路４２、及び６１から混合流路３３へ交互に流体が流れ込む。さらに下流では混合流路５３は、混合流路４３，６３と合流し混合流路８３となる。このため混合流路８３においては２種類の異なる流体が、幅方向に交互に配列した多層流を形成する。
【００２４】
混合流路の上下から、原料導入流路を経由して交互に複数の異なる流体を導入し幅方向に多層流を形成する場合、各層流の幅が混合流路の深さよりも小さくなると、深さ方向に均等な多層流を形成することが困難になる。このため、多層流を形成する混合流路の上流部分の深さは、各層流の幅に比べて小さくせざるを得ず、圧力損失が大きくなる原因のひとつとなる。
【００２５】
本例によれば、多層流を形成する部分では十分に深さの小さい混合流路のまま、これを積層して合流することで、深さ方向が大きくとも安定した多層流を形成することが可能となり、圧力損失を低減することが可能である。
【００２６】
また、この混合流路８３の下流（図示しない）は、混合流路縮流部と、混合流路絞り部と、混合流路混合部とを備えることで、さらに圧力損失を抑えて短時間で拡散混合を行うことが可能であり、高流量や高粘性の流体の混合に適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による一実施の形態を示す斜視図。
【図２】図１の部分平面図。
【図３】図２における断面図。
【図４】図２における断面図。
【図５】一実施の形態において積層位置を変えたときの部分平面図。
【図６】図５における断面図。
【図７】他の実施の形態を示す部分平面図。
【図８】他の実施の形態を示す斜視図。
【図９】図８の部分平面図。
【図１０】図９における断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１ベースプレート
２混合流路プレート
３原料導入プレート
４上蓋
５，６原料液の流入孔
７排出孔
８ａ，８ｂ原料導入流路
９混合流路
９ａベースプレート混合流路
９ｂ混合流路プレート混合流路
１０，１１，１２，１３位置決め穴
１５，１６流路凸部
１７混合流路縮流部
１８混合流路絞り部
１９混合流路混合部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の原料液の一方を導入する原料導入流路が形成されたベースプレートと、他方を導入する原料導入流路が形成された原料導入プレートと、前記ベースプレートと前記原料導入プレートとの間に配置され前記原料液を混合させる混合流路が形成された混合流路プレートと、が積層され、前記複数の原料液を混合して排出するマイクロリアクタにおいて、
前記混合流路プレートに形成され幅方向に縮流された混合流路プレート混合流路と、
前記ベースプレートに形成され下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路と、
を備え、前記ベースプレート混合流路は前記混合流路プレート混合流路に連通され、混合された原料液を排出する排出孔に接続されたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記ベースプレートに前記原料液の流入孔と、混合された液体の排出孔と、が設けられたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記原料導入流路の下流端に三角形状の流路を形成し、前記ベースプレートと前記原料導入プレートとの積層位置を変えて前記原料導入流路から前記混合流路への開口量を調整可能としたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、前記原料導入流路の下流端に半円形の流路を形成し、前記ベースプレートと前記原料導入プレートとの積層位置を変えて前記原料導入流路から前記混合流路への開口量を調整可能としたことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項５】
原料液を導入する原料導入流路が形成された原料導入プレートと、該原料導入プレートとの間に配置され前記原料液を混合させる混合流路が形成された混合流路プレートと、が積層され、前記複数の原料液を混合して排出するマイクロリアクタにおいて、
前記原料導入プレートと、該前記原料導入プレートの間に配置され幅方向に縮流された混合流路プレート混合流路が形成された前記混合流路プレートと、が複数組重ね合わされ、前記混合流路プレート混合流路に連通され下流に向けて深さ方向が増大する流路断面形状とされたベースプレート混合流路を備えたベースプレートが最下段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６】
請求項１又は５に記載のいずれかのものにおいて、前記ベースプレート混合流路の断面積が略一定とされ深さ方向が増大することを特徴とするマイクロリアクタ。

【図１】