マイクロリアクタ
【課題】マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタを提供すること。
【解決手段】内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とする。
【解決手段】内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流路を用いて、流体の混合や反応を行うマイクロリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロリアクタの一つに、熱媒体を用いて、被反応液を反応に応じた温度に昇温させつつ反応を進行させるものがある。このようなマイクロリアクタとして、特許文献１に開示されたものを挙げることができる。
【０００３】
図８は従来のマイクロリアクタ１００の分解斜視図である。図６８に示すように、マイクロリアクタ１００は、外側シェル８０とその中に取り付けられた反応部９０とを備える。
【０００４】
外側シェル８０は、枠状体８１、シール部材８２及び蓋部材８３などを備える。枠状体８１は、熱媒体室８５を形成するための中空部を備えると共に、熱媒体入口ポート８１ａ、熱媒体出口ポート８１ｂ、被反応液入口ポート８１ｃ及び反応済液出口ポート８１ｄを備える。このような枠状体８１は、シール部材８２を介して蓋部材８３を取り付けることで、その中空部が密閉状態とされ、これにより熱媒体室８５が形成される。熱媒体室８５は、熱媒体入口ポート８１ａ及び熱媒体出口ポート８１ｂに連通している。
【０００５】
一方、反応部９０は、マイクロチューブ９１及びコア９２を備える。マイクロチューブ９１はコア９２に巻回された構成となっている。このマイクロチューブ９１は、内部にマイクロ流路を形成している。マイクロチューブ９１の一端は、枠状体８１の被反応液入口ポート８１ｃに連通し、他端は、枠状体８１の反応済液出口ポート８１ｄに連通している。
【０００６】
以上のように構成されるマイクロリアクタ１００は、マイクロ化学プラントに組み込まれて、次のようにして使用される。即ち、被反応液入口ポート８１ｃからは被反応液が導入される。一方、熱媒体入口ポート８１ａからは熱媒体が導入され、熱媒体室８５内で循環して、熱媒体出口ポート８１ｂから導出される。このとき熱媒体室８５内で循環する熱媒体により、マイクロチューブ９１が加熱される。マイクロチューブ９１が熱媒体から得た熱は、マイクロ流路内の被反応液に伝わり、これを昇温させる。このようにして、被反応液入口ポート８１ｃから導入された被反応液は、マイクロ流路を通過中に、熱媒体により昇温されつつ反応を進行させ、反応済液出口ポート８１ｄから反応済液として導出される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のマイクロリアクタ１００のように、マイクロ流路を流れる被反応液を、熱媒体を用いて反応に応じた温度に昇温させる形態では、次に示す問題がある。１つ目の問題は、マイクロリアクタ１００を組み込むマイクロ化学プラントの大型化とコストアップを招くことである。即ち、熱媒体室８５内で熱媒体を循環させるために、多くの装置を設ける必要がある。例えば、熱媒体を貯留するためのタンク、熱媒体を加熱するためのヒーター、熱媒体を圧送するためのポンプ、及びこれら各機器をマイクロリアクタ１００に接続するための配管などである。２つ目の問題は、伝熱効率が良くないことである。即ち、熱媒体室８５内で循環する熱媒体のうち、マイクロチューブ９１に直接に接触するものは一部であり、ほとんどの熱媒体はマイクロチューブ９１に直接に接触することなく熱媒体出口ポート８１ｂから導出されてしまう。つまり、加熱された熱媒体が持つ熱のうち、マイクロ流路内の被反応液を昇温させるために使われる熱は数パーセントに過ぎず、ほとんどの熱は捨てられてしまい無駄になることになる。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記の本発明により達成される。なお「特許請求の範囲」及びこの「課題を解決するための手段」の欄において各構成要素に付した括弧書きの符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
請求項１の発明は、内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によると、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタが提供される。その理由は次のとおりである。即ち、請求項１のマイクロリアクタ（１）は、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段として、熱媒体でなく、所定温度まで昇温可能なコア体を用いるため、熱媒体を循環させるための各種装置が必要とならないからである。また、加熱手段（３１）の熱は、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に巻回されることで生じる接触部（Ｐ１）を介して、直接にマイクロチューブ（３２）に伝わる。この接触部（Ｐ１）は、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に密に巻回されていることにより、広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に直接に接触する箇所が、一つの加熱手段（３１）について多く確保できる。これにより、熱媒体を用いる場合と異なり、加熱手段（３１）の熱をマイクロチューブ（３２）に損失少なく伝えることができる。このため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体を、伝熱効率良く加熱することができる。
【００１３】
請求項２の発明では、加熱手段（３１）は、３００°Ｃを超える温度に昇温可能とされる。
【００１４】
請求項２の発明によると、被反応流体として、その反応に必要な温度が、例えば３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象とする場合でも、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができる。その理由は次のとおりである。即ち、従来のように熱媒体を用いて被反応液を上記高温領域の温度に昇温させる形態では、一般に、熱媒体に合成系有機物を用いることが多い。この合成系有機物には、高温領域の温度に加熱した際に、揮発や発火の虞を伴うものが多いため、それらを防止する構成が更に必要となる。例えば、揮発防止のための加圧装置や、漏洩防止のための密閉構造などである。請求項２の発明では、高温加熱を必要とする被反応流体に対応するにあたり、マイクロチューブ（３２）を加熱する手段として、熱媒体を高温加熱するのではなく、コア体を高温加熱するため、高温の熱媒体を扱う上で必須な加圧装置や密閉構造などを必要としないからである。
【００１５】
請求項３の発明では、加熱手段（３１）は略円柱形状をなし、マイクロチューブ（３２）はこの加熱手段（３１）を巻芯としてコイル状に締結して巻回されてなる。
【００１６】
請求項３の発明によると、マイクロチューブ（３２）は、略円柱形状をなす加熱手段（３１）にコイル状に巻回され、巻回部に角部がないため、被反応流体は、マイクロ流路（５）内で滞留を起こすことなくスムーズに流れることができる。また、加熱手段（３１）が略円柱形状をなすことにより、例えば略角柱形状とした場合に比べて、マイクロチューブ（３２）を加熱手段（３１）に締結して巻回することができる。これにより、マイクロチューブ（３２）は加熱手段（３１）から浮き上がらずに確実に接触部（Ｐ１）を有するようにできる。その結果、加熱手段（３１）の熱をマイクロチューブ（３２）に損失少なく伝えることができるようになる。
【００１７】
請求項４の発明では、マイクロチューブ（３２）は、互いに隣り合うマイクロチューブ（３２，３２）の外周面同士が接触して接触部（Ｐ２）を有するように巻回される。
【００１８】
請求項４の発明によると、加熱手段（３１）の熱は、接触部（Ｐ１）を介してマイクロチューブ（３２）に伝わるのに加えて、接触部（Ｐ２）を介して隣のマイクロチューブ（３２）に伝わる。また、マイクロチューブ（３２）は、細いチューブ体であるため、互いに隣接するマイクロチューブ（３２，３２）と加熱手段（３１）とにより形成される空間（Ｓ１）は微小空間となる。このような微小空間の中で存在する空気は熱容量が極めて小さいため、容易に加熱される。マイクロチューブ（３２）はこの加熱空気からも加熱されるため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。
【００１９】
請求項５の発明は、マイクロチューブ（３２）のうち少なくとも加熱手段（３１）に巻回されている領域を取り囲むように断熱材（４）を設けてある。
【００２０】
請求項５の発明によると、断熱材（４）により、加熱手段（３１）の熱がマイクロチューブ（３２）の外部に逃げることを防止できるため、マイクロ流路を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。。特に、マイクロチューブ（３２）のうち加熱に係る領域の保温性を確保できるため、加熱手段（３１）から放出される熱の有効利用を図ることができる。また、マイクロチューブ（３２）を収容するためのケーシング（２）等が高温になることを防止できる。
【００２１】
請求項６の発明は、加熱手段（３１）がシースヒータである。
【００２２】
請求項６の発明によると、被反応流体として、その反応に必要な温度が、例えば３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象とする場合に特に好適である。その理由は次のとおりである。即ち、一般にシースヒータは、例えば３００°Ｃを超える高温になっても熱変形を起こしたり、動作の安定性を欠いたりすることがないからである。
【００２３】
請求項７の発明は、マイクロチューブ（３２）が金属を材質としている。
【００２４】
請求項７の発明によると、マイクロチューブ（３２）が金属を材質とすることにより、接触部（Ｐ１）における加熱手段（３１）からマイクロチューブ（３２）への熱伝導性、及び接触部（Ｐ２）で互いに隣接するマイクロチューブ（３２，３２）間での熱伝導性を良くすることができるため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体への伝熱速度を高めることができる。
【００２５】
請求項８の発明は、マイクロチューブ（３２）を冷却するための冷却手段（６）を備える。
【００２６】
請求項８の発明によると、マイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体が発熱反応を伴う場合でも、マイクロチューブ（３２）を冷却することができるため、被反応流体を過加熱とすることなく、最適の温度に保つことができる。
【００２７】
請求項９の発明は、マイクロチューブ（３２）と断熱材（４）との間に冷媒体を流通させるための冷媒空間（４２Ｍ′）を設け、更にこの冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の入口となる冷媒体入口ポート（６１）と、この冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の出口となる冷媒体出口ポート（６２）とを設け、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）で冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却するように構成される。
【００２８】
請求項９の発明によると、マイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体が発熱反応を伴うものである場合でも、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）に冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却することができ、延いてはマイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体を冷却することができる。このようにマイクロチューブ（３２）を強制的に冷却できるため、シースヒータ（３１）をオフにしただけでは得られない冷却効果を備える。つまり、被反応流体が発熱反応を伴う場合でも、過加熱とすることなく、速やかに最適の温度に保つことができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
以下、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態マイクロリアクタ１の外観斜視図、図２はリアクタ本体３を示す外観斜視図、図３はシースヒータ３１の内部構造を示す正面一部断面図、図４は本発明の要部を示す正面一部断面図、図５は本発明の第１実施形態に係るマイクロリアクタ１の側面一部断面図である。
【００３１】
図１に示すように、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１は、ケーシング２、リアクタ本体３及び断熱材４を備え、互いに直列接続され且つ並設された２本のリアクタ本体３が、断熱材４により取り囲まれた状態でケーシング２内に収容された構成とされる。
【００３２】
ケーシング２は、ケーシング本体２１と蓋体２２とを備える。ケーシング本体２１は、上方が開放され且つ外形が直方体を呈する中空箱状体であり、ステンレス鋼等の金属を材質としている。蓋体２２は、ケーシング本体２１の上部に蝶番２３を介して開閉自在となるように取り付けられ、ケーシング本体２１と同様にステンレス鋼等の金属を材質としている。蓋体２２はフック部材２４を有しており、蓋体２２を閉めた状態でこのフック部材２４をケーシング本体２１の留め部材２５に留めることでロック状態とすることができる。
【００３３】
リアクタ本体３は、図２に示すように、シースヒータ３１とマイクロチューブ３２とを備える。
【００３４】
シースヒータ３１は、図３に示すように、略円柱形状をなし、シース３１１、発熱体３１２、絶縁材３１３、リード部材３１４，３１７及び熱電対式温度センサ３１５を備える。このようなシースヒータ３１は、リード部材３１４を介して発熱体３１２に電力を供給することで発熱体３１２を発熱させ、この発熱体３１２の熱をシース３１１に伝えることで、その表面温度を９００°Ｃまで昇温可能とされる。なお、この表面温度は、図示しない制御装置により、所望する任意の値に設定可能とされる。
【００３５】
シースヒータ３１の各構成要素の詳細について記す。シース３１１は、ステンレス鋼等の金属からなる細長い有底円筒体からなる。このシース３１１は、マイクロチューブ３２をコイル状に巻回可能なコア体とされると共に、発熱体３１２の発熱により加熱可能な加熱表面を有する。発熱体３１２は、グラファイト、ニクロム、タンタル等の導電体粉末または粒体などを使用でき、シース３１１の内部における中心軸線まわりにほぼ均等となるように収納されている。絶縁材３１３は、マグネシア、アルミナ等の粉末からなり、発熱体３１２とシース３１１の内周面との間に充填されている。リード部材３１４は、シース３１１の一端部側において、発熱体３１２に接続された金属線等からなる。熱電対式温度センサ３１５は、感熱部としての熱電対３１６を先端に備えた細長体からなり、有底円筒形のシース３１１のほぼ中心軸上に挿設される。熱電対３１６はリード部材３１７に電気接続されている。この熱電対式温度センサ３１５は、熱電対３１６がシース３１１における長手方向中央付近に位置するように設けられる。この位置で熱電対３１６が検出した温度に基づいて、シース３１１が所望の設定温度に保たれるように、フィードバック制御されるようになっている。
【００３６】
マイクロチューブ３２は、長尺可撓性のチューブ体からなり、図２に示すように、シースヒータ３１にコイル状に巻回されている。マイクロチューブ３２は、図４に示すように、内径が０．５ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下の中空部を有し、この中空部がチューブ体の長手方向に連続することでマイクロ流路５を形成している。このマイクロ流路５は、被反応液が反応を進行させるためのマイクロ空間であるため、マイクロチューブ３２の材質は、マイクロ流路５を流れる被反応液、反応途中液及び反応済液により浸食または腐食されないものが適宜選択される。マイクロチューブ３２の一端は、図２に示すように入口ポート３２１とされ、他端は出口ポート３２２とされる。
【００３７】
上記巻回は、マイクロチューブ３２がシース３１１に締結するようになされている。これにより、巻回されたマイクロチューブ３２は、シース３１１から浮き上がることなく、全体に亘ってシース３１１の外周面と接触部Ｐ１で接触するようになっている。これによりシース３１１の熱を、接触部Ｐ１を介して直接にマイクロチューブ３２に伝えるようにしている。また、互いに隣り合うマイクロチューブ３２，３２の外周面同士が接触部Ｐ２を有するように巻回されている。これにより、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わった熱が、接触部Ｐ２を介して、当該マイクロチューブ３２に隣接するマイクロチューブ３２に伝わるようにし、伝熱効率を良くしている。
【００３８】
なお、マイクロチューブ３２の材質に金属を用いることにより、接触部Ｐ１におけるシースヒータ３１からマイクロチューブ３２への熱伝導性、及び接触部Ｐ２で互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２間での熱伝導性を良くすることができるため、マイクロ流路５を流れる被反応液への伝熱速度を高めることができる。このような金属としては例えば、ステンレス鋼やハステロイ（米国ヘインズ・インターナショナル社の登録商標）等を用いることができる。また、上記のように巻回することで、互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２とシース３１１とにより、微小な空間Ｓ１が形成される。このような微小な空間Ｓ１の中で存在する空気は熱容量が極めて小さいため、容易に加熱される。本マイクロリアクタ１では、シースヒータ３１の熱を、この加熱空気からもマイクロチューブ３２に伝えることができるようにしている。
【００３９】
このようなマイクロチューブ３２は、シース３１１に対して密に巻回される。具体的には、シース３１１の表面のうち８０パーセント以上をマイクロチューブ３２で巻回することが好ましい。これにより、接触部Ｐ１はシース３１１における広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ３２がシース３１１に直接に接触する箇所が、一つのシースヒータ３１について多く確保できる。これにより、シースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２に損失少なく伝えるようにしている。また、上記のように密に巻回することで、全長の長いチューブ体を省スペース内に収納するようにしている。
【００４０】
また、マイクロチューブ３２に形成されるマイクロ流路５は、上述したように、内径が０．５ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下という微小なものであるため、次に示す理由により、伝熱効率が良い。即ち、マイクロチューブ３２においてマイクロ流路５内の単位容積Ｖと、その単位容積Ｖに対する周面の表面積Ｓとしたとき、Ｖが非常に小さい分、Ｓ／Ｖの値を大きくすることができ、マイクロ流路５を流れる単位容積あたりの流体に伝わる熱量を大きく確保できるからである。
【００４１】
以上のように構成されたリアクタ本体３は、本実施形態では、２本並設されており、一方のマイクロチューブ３２における出口ポート３２２と他方のマイクロチューブ３２における入口ポート３２１とはジョイント部材３２３（図１，５参照）により直列接続されている。このように複数本のマイクロチューブ３２を直列接続することにより、マイクロ流路の長さを長く確保できるようにしている。また、リアクタ本体３を並設することにより、ケーシング２がリアクタ本体３の長手方向に必要以上に長くなるのを避けるようにしている。
【００４２】
また、図５に示すように、断熱材４が、上記２本のリアクタ本体３を取り囲むように設けられる。断熱材４は、第１断熱材４１と第２断熱材４２と第３断熱材４３とからなる。第１断熱材４１は、リアクタ本体３に密着すると共にこれを被覆するように設けられる。第２断熱材４２は、各リアクタ本体３を収容するための２本の収容溝空間４２Ｍを形成し且つ第１断熱材４１に密着してこれを取り囲むように設けられる。第３断熱材４３は、第２断熱材４２に密着してこれを取り囲むように設けられる。第１断熱材４１は例えばファインフレックス（株式会社ニチアス社の登録商標）ブランケットを材質とし、第２断熱材４２及び第３断熱材４３は、ファインフレックスハードボードからなる。なお、第１断熱材４１は、ファインフレックスブランケットに代えて、これよりも耐熱温度が高い、ロックウール製の保温筒であるマイティーカバーを使用してもよい。
【００４３】
上記断熱材４により、リアクタ本体３の保温性を確保し、シースヒータ３１から放射される熱の有効利用を図ると共に、ケーシング２が高温になることを防止している。なお、この断熱材４は、第１断熱材４１、第２断熱材４２、第３断熱材４３の順で、シースから遠ざかるに従って堅さが堅くなっている。このため、蓋体２２を閉状態とし且つロック状態としたときに、最も柔らかい第１断熱材４１が強く圧縮されることにより、リアクタ本体３と第１断熱材４１との間の空気層を極めて小さくすることができる。それと共に、隙間が殆ど無い状態でこれら各断熱材をケーシング２内に充填できる。これによりシースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２の巻回された領域に封じ込めることで、断熱効率を一層良くしている。なお、第１断熱材４１を設けずに、第２断熱材４２と第３断熱材４３とだけを設けるようにしても、適度な断熱効果を得ることができる。
【００４４】
次に、本発明に係るマイクロリアクタ１の使用例について説明する。マイクロリアクタ１は、蓋体２２をロックした状態でマイクロプラントに組み込まれて使用される。具体的には、マイクロリアクタ１における入口ポート３２１は、図示しない被反応液供給部に配管接続される。この被反応液供給部は、被反応液を所定の圧力で圧送可能に構成される。ここでの被反応液は、反応に必要とされる温度がＴ１（Ｔ１＞３００°Ｃ）の液体であるものとする。このような被反応液は、異なる複数種類の液体の混合液からなるものとする。また、出口ポート３２２は、図示しない反応済み液回収タンクに配管接続される。シースヒータ３１は、図示しない制御装置にリード部材３１４，３１７により電気接続され、シース３１１の温度がＴ２となるように設定される。この温度Ｔ２は、具体的には、マイクロ流路を流れる被反応液を、Ｔ１の温度に昇温できる温度であり、少なくともＴ１よりも高い値である。
【００４５】
このような構成・設定の下で、リアクタ本体３における入口ポート３２１（図１参照）からは被反応液が導入される。導入された被反応液は、一方のリアクタ本体３のマイクロチューブ３２から他方のリアクタ本体３のマイクロチューブ３２へと向かう。一方、シース３１１がＴ２の温度に昇温するようにシースヒータ３１を加熱する。これにより、次のようにして、マイクロチューブ３２が昇温する。即ち、Ｔ２の温度に昇温したシース３１１が持つ熱は、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わる。また、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わった熱は、接触部Ｐ２を介して、当該マイクロチューブ３２に隣接するマイクロチューブ３２に伝わる。また、シース３１１の熱は、微小空間Ｓ１に存在する空気を介してもマイクロチューブ３２に伝わる（図４参照）。このようにしてシースヒータ３１の熱がマイクロチューブ３２に伝わる。
【００４６】
マイクロチューブ３２に伝わった熱は、マイクロ流路５を流れる被反応液に伝わり、被反応液は、マイクロチューブ３２におけるマイクロ流路５を通過中に、温度Ｔ１に昇温されつつ反応を進行させて、反応済み液が出口ポート３２２（図１参照）から導出される。このような反応の進行中に、断熱材４により、シースヒータ３１の熱が外部に逃げることが防止される。これにより、特に、マイクロチューブ３２のうち加熱に係る領域の保温性を確保できるため、シースヒータ３１から放出される熱の有効利用を図ることができる。それと共にケーシング２が高温になることを防止することができる。
【００４７】
このようなマイクロリアクタ１によると、当該マイクロリアクタ１を組み込んだマイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができる。その理由は次のとおりである。即ち、マイクロリアクタ１は、マイクロチューブ３２を加熱する加熱手段として、熱媒体でなく、シースヒータ３１というコア体を用いるため、熱媒体を循環させるための各種装置が必要とならないからである。また、被反応流体として、その反応に必要な温度が、３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象としているが、上記高温加熱を必要とする被反応流体に対応するにあたり、マイクロチューブ３２を加熱する手段として、熱媒体を高温加熱するのではなく、コア体であるシースヒータ３１を高温加熱するため、高温の熱媒体を扱う上で必須な加圧装置や密閉構造などを必要としないからである。
【００４８】
更に、マイクロリアクタ１は、伝熱効率にも優れる。その理由は次のとおりである。即ち、シースヒータ３１の熱は、マイクロチューブ３２がシースヒータ３１に巻回されることで生じる接触部Ｐ１を介して、直接にマイクロチューブ３２に伝わる。しかもマイクロチューブ３２がシースヒータ３１に密に巻回されていることにより、この接触部Ｐ１は、シース３１１における広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ３２がシースヒータ３１に直接に接触する箇所が、一つのシースヒータ３１について多く確保できる。これにより、熱媒体を用いる場合と異なり、シースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２に損失少なく伝えるようにできる。このため、マイクロ流路を流れる被反応流体を、伝熱効率良く加熱することができる。
【００４９】
また、シースヒータ３１の熱は、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わるのに、接触部Ｐ２を介して隣のマイクロチューブ３２に伝わる。また、マイクロチューブ３２は、細いチューブ体であるため、互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２とシースヒータ３１とにより形成される空間Ｓ１は微小空間となる。このような微小空間の中で存在する空気は熱容量が極めて小さく、容易に加熱される。マイクロチューブ３２はこの加熱空気からも加熱されるため、マイクロ流路を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。
【００５０】
また、略円柱形状をなすシースヒータ３１において、シース３１１が細長い有底円筒体とされ、発熱体３１２は、シース３１１の内部における中心軸線まわりにほぼ均等となるように収納されていることにより、発熱体３１２とシース３１１との距離がシース３１１全体について一定となるため、シース３１１の温度ムラが少ない。
【００５１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａの外観斜視図、図７は本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａの側面一部断面図である。図６，７に示す第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａにおいて、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａと同一の構成要素には、それらと同一符号を付してある。
【００５２】
第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａは、基本的には、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１に、マイクロチューブ３２を冷却する冷却手段６を設けたことを特徴としている。この冷却手段６は、具体的には、次のようにして設けられる。即ち、マイクロリアクタ１Ａは、図６，７に示すように、マイクロリアクタ１における第２断熱材４２に代えて第２断熱材４２′を有し、且つマイクロチューブ３２の周りに第１断熱材４１を設けずに、リアクタ本体３と第２断熱材４１′とにより形成される空間を収容溝空間４２Ｍ′として中空状態のまま残しておく。そして、この収容溝空間４２Ｍ′に連通する冷却空気入口ポート６１及び冷却空気出口ポート６２を設けている。このような構成は、並設される２つのリアクタ本体３について適用される。これら冷却空気入口ポート６１は、バルブ及び加圧ポンプを介して冷却空気貯留タンクの供給側に配管接続される。また、冷却空気出口ポート６２は、冷却空気貯留タンクのリターン側に配管接続される。
【００５３】
マイクロリアクタ１Ａが奏する作用効果について説明する。マイクロチューブ３２を流れる被反応液が発熱反応を伴う場合、被反応液の温度が目的温度よりも上昇することがある。このような反応の場合には、冷却空気入口ポート６１から冷却空気を加圧導入して収容溝空間４２Ｍを循環させることにより、マイクロチューブ３２を冷却することができ、延いてはマイクロチューブ３２を流れる被反応液を冷却することができる。このようにマイクロチューブ３２を強制的に冷却できるため、シースヒータ３１をオフにしただけでは得られない冷却効果を備える。つまり、被反応液が発熱反応を伴う場合でも、過加熱とすることなく、速やかに最適の温度に保つことができる。
【００５４】
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明を行ったが、上に開示した２つの実施形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこの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。即ち、マイクロリアクタ１の全体または一部の構造、形状、サイズ、材質、個数などは、本発明の趣旨に沿って種々に変更することができる。また、上に開示した実施形態では、被反応流体は液体として例示したが、気体とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマイクロリアクタの外観斜視図である。
【図２】リアクタ本体を示す外観斜視図である。
【図３】シースヒータの内部構造を示す正面一部断面図である。
【図４】本発明の要部を示す正面一部断面図である。
【図５】本発明に係るマイクロリアクタの側面一部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタの外観斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタの側面一部断面図である。
【図８】従来のマイクロリアクタの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ マイクロリアクタ
４ 断熱材
５ マイクロ流路
６ 冷却手段
３２ マイクロチューブ
３１ シースヒータ（加熱手段）
６１ 冷却空気入口ポート（冷媒体入口ポート）
６２ 冷却空気出口ポート（冷媒体出口ポート）
Ｐ１ 接触部
Ｐ２ 接触部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流路を用いて、流体の混合や反応を行うマイクロリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロリアクタの一つに、熱媒体を用いて、被反応液を反応に応じた温度に昇温させつつ反応を進行させるものがある。このようなマイクロリアクタとして、特許文献１に開示されたものを挙げることができる。
【０００３】
図８は従来のマイクロリアクタ１００の分解斜視図である。図６８に示すように、マイクロリアクタ１００は、外側シェル８０とその中に取り付けられた反応部９０とを備える。
【０００４】
外側シェル８０は、枠状体８１、シール部材８２及び蓋部材８３などを備える。枠状体８１は、熱媒体室８５を形成するための中空部を備えると共に、熱媒体入口ポート８１ａ、熱媒体出口ポート８１ｂ、被反応液入口ポート８１ｃ及び反応済液出口ポート８１ｄを備える。このような枠状体８１は、シール部材８２を介して蓋部材８３を取り付けることで、その中空部が密閉状態とされ、これにより熱媒体室８５が形成される。熱媒体室８５は、熱媒体入口ポート８１ａ及び熱媒体出口ポート８１ｂに連通している。
【０００５】
一方、反応部９０は、マイクロチューブ９１及びコア９２を備える。マイクロチューブ９１はコア９２に巻回された構成となっている。このマイクロチューブ９１は、内部にマイクロ流路を形成している。マイクロチューブ９１の一端は、枠状体８１の被反応液入口ポート８１ｃに連通し、他端は、枠状体８１の反応済液出口ポート８１ｄに連通している。
【０００６】
以上のように構成されるマイクロリアクタ１００は、マイクロ化学プラントに組み込まれて、次のようにして使用される。即ち、被反応液入口ポート８１ｃからは被反応液が導入される。一方、熱媒体入口ポート８１ａからは熱媒体が導入され、熱媒体室８５内で循環して、熱媒体出口ポート８１ｂから導出される。このとき熱媒体室８５内で循環する熱媒体により、マイクロチューブ９１が加熱される。マイクロチューブ９１が熱媒体から得た熱は、マイクロ流路内の被反応液に伝わり、これを昇温させる。このようにして、被反応液入口ポート８１ｃから導入された被反応液は、マイクロ流路を通過中に、熱媒体により昇温されつつ反応を進行させ、反応済液出口ポート８１ｄから反応済液として導出される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のマイクロリアクタ１００のように、マイクロ流路を流れる被反応液を、熱媒体を用いて反応に応じた温度に昇温させる形態では、次に示す問題がある。１つ目の問題は、マイクロリアクタ１００を組み込むマイクロ化学プラントの大型化とコストアップを招くことである。即ち、熱媒体室８５内で熱媒体を循環させるために、多くの装置を設ける必要がある。例えば、熱媒体を貯留するためのタンク、熱媒体を加熱するためのヒーター、熱媒体を圧送するためのポンプ、及びこれら各機器をマイクロリアクタ１００に接続するための配管などである。２つ目の問題は、伝熱効率が良くないことである。即ち、熱媒体室８５内で循環する熱媒体のうち、マイクロチューブ９１に直接に接触するものは一部であり、ほとんどの熱媒体はマイクロチューブ９１に直接に接触することなく熱媒体出口ポート８１ｂから導出されてしまう。つまり、加熱された熱媒体が持つ熱のうち、マイクロ流路内の被反応液を昇温させるために使われる熱は数パーセントに過ぎず、ほとんどの熱は捨てられてしまい無駄になることになる。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記の本発明により達成される。なお「特許請求の範囲」及びこの「課題を解決するための手段」の欄において各構成要素に付した括弧書きの符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
請求項１の発明は、内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によると、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタが提供される。その理由は次のとおりである。即ち、請求項１のマイクロリアクタ（１）は、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段として、熱媒体でなく、所定温度まで昇温可能なコア体を用いるため、熱媒体を循環させるための各種装置が必要とならないからである。また、加熱手段（３１）の熱は、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に巻回されることで生じる接触部（Ｐ１）を介して、直接にマイクロチューブ（３２）に伝わる。この接触部（Ｐ１）は、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に密に巻回されていることにより、広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ（３２）が加熱手段（３１）に直接に接触する箇所が、一つの加熱手段（３１）について多く確保できる。これにより、熱媒体を用いる場合と異なり、加熱手段（３１）の熱をマイクロチューブ（３２）に損失少なく伝えることができる。このため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体を、伝熱効率良く加熱することができる。
【００１３】
請求項２の発明では、加熱手段（３１）は、３００°Ｃを超える温度に昇温可能とされる。
【００１４】
請求項２の発明によると、被反応流体として、その反応に必要な温度が、例えば３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象とする場合でも、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができる。その理由は次のとおりである。即ち、従来のように熱媒体を用いて被反応液を上記高温領域の温度に昇温させる形態では、一般に、熱媒体に合成系有機物を用いることが多い。この合成系有機物には、高温領域の温度に加熱した際に、揮発や発火の虞を伴うものが多いため、それらを防止する構成が更に必要となる。例えば、揮発防止のための加圧装置や、漏洩防止のための密閉構造などである。請求項２の発明では、高温加熱を必要とする被反応流体に対応するにあたり、マイクロチューブ（３２）を加熱する手段として、熱媒体を高温加熱するのではなく、コア体を高温加熱するため、高温の熱媒体を扱う上で必須な加圧装置や密閉構造などを必要としないからである。
【００１５】
請求項３の発明では、加熱手段（３１）は略円柱形状をなし、マイクロチューブ（３２）はこの加熱手段（３１）を巻芯としてコイル状に締結して巻回されてなる。
【００１６】
請求項３の発明によると、マイクロチューブ（３２）は、略円柱形状をなす加熱手段（３１）にコイル状に巻回され、巻回部に角部がないため、被反応流体は、マイクロ流路（５）内で滞留を起こすことなくスムーズに流れることができる。また、加熱手段（３１）が略円柱形状をなすことにより、例えば略角柱形状とした場合に比べて、マイクロチューブ（３２）を加熱手段（３１）に締結して巻回することができる。これにより、マイクロチューブ（３２）は加熱手段（３１）から浮き上がらずに確実に接触部（Ｐ１）を有するようにできる。その結果、加熱手段（３１）の熱をマイクロチューブ（３２）に損失少なく伝えることができるようになる。
【００１７】
請求項４の発明では、マイクロチューブ（３２）は、互いに隣り合うマイクロチューブ（３２，３２）の外周面同士が接触して接触部（Ｐ２）を有するように巻回される。
【００１８】
請求項４の発明によると、加熱手段（３１）の熱は、接触部（Ｐ１）を介してマイクロチューブ（３２）に伝わるのに加えて、接触部（Ｐ２）を介して隣のマイクロチューブ（３２）に伝わる。また、マイクロチューブ（３２）は、細いチューブ体であるため、互いに隣接するマイクロチューブ（３２，３２）と加熱手段（３１）とにより形成される空間（Ｓ１）は微小空間となる。このような微小空間の中で存在する空気は熱容量が極めて小さいため、容易に加熱される。マイクロチューブ（３２）はこの加熱空気からも加熱されるため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。
【００１９】
請求項５の発明は、マイクロチューブ（３２）のうち少なくとも加熱手段（３１）に巻回されている領域を取り囲むように断熱材（４）を設けてある。
【００２０】
請求項５の発明によると、断熱材（４）により、加熱手段（３１）の熱がマイクロチューブ（３２）の外部に逃げることを防止できるため、マイクロ流路を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。。特に、マイクロチューブ（３２）のうち加熱に係る領域の保温性を確保できるため、加熱手段（３１）から放出される熱の有効利用を図ることができる。また、マイクロチューブ（３２）を収容するためのケーシング（２）等が高温になることを防止できる。
【００２１】
請求項６の発明は、加熱手段（３１）がシースヒータである。
【００２２】
請求項６の発明によると、被反応流体として、その反応に必要な温度が、例えば３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象とする場合に特に好適である。その理由は次のとおりである。即ち、一般にシースヒータは、例えば３００°Ｃを超える高温になっても熱変形を起こしたり、動作の安定性を欠いたりすることがないからである。
【００２３】
請求項７の発明は、マイクロチューブ（３２）が金属を材質としている。
【００２４】
請求項７の発明によると、マイクロチューブ（３２）が金属を材質とすることにより、接触部（Ｐ１）における加熱手段（３１）からマイクロチューブ（３２）への熱伝導性、及び接触部（Ｐ２）で互いに隣接するマイクロチューブ（３２，３２）間での熱伝導性を良くすることができるため、マイクロ流路（５）を流れる被反応流体への伝熱速度を高めることができる。
【００２５】
請求項８の発明は、マイクロチューブ（３２）を冷却するための冷却手段（６）を備える。
【００２６】
請求項８の発明によると、マイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体が発熱反応を伴う場合でも、マイクロチューブ（３２）を冷却することができるため、被反応流体を過加熱とすることなく、最適の温度に保つことができる。
【００２７】
請求項９の発明は、マイクロチューブ（３２）と断熱材（４）との間に冷媒体を流通させるための冷媒空間（４２Ｍ′）を設け、更にこの冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の入口となる冷媒体入口ポート（６１）と、この冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の出口となる冷媒体出口ポート（６２）とを設け、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）で冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却するように構成される。
【００２８】
請求項９の発明によると、マイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体が発熱反応を伴うものである場合でも、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）に冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却することができ、延いてはマイクロチューブ（３２）を流れる被反応流体を冷却することができる。このようにマイクロチューブ（３２）を強制的に冷却できるため、シースヒータ（３１）をオフにしただけでは得られない冷却効果を備える。つまり、被反応流体が発熱反応を伴う場合でも、過加熱とすることなく、速やかに最適の温度に保つことができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、マイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができると共に伝熱効率に優れるマイクロリアクタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
以下、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態マイクロリアクタ１の外観斜視図、図２はリアクタ本体３を示す外観斜視図、図３はシースヒータ３１の内部構造を示す正面一部断面図、図４は本発明の要部を示す正面一部断面図、図５は本発明の第１実施形態に係るマイクロリアクタ１の側面一部断面図である。
【００３１】
図１に示すように、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１は、ケーシング２、リアクタ本体３及び断熱材４を備え、互いに直列接続され且つ並設された２本のリアクタ本体３が、断熱材４により取り囲まれた状態でケーシング２内に収容された構成とされる。
【００３２】
ケーシング２は、ケーシング本体２１と蓋体２２とを備える。ケーシング本体２１は、上方が開放され且つ外形が直方体を呈する中空箱状体であり、ステンレス鋼等の金属を材質としている。蓋体２２は、ケーシング本体２１の上部に蝶番２３を介して開閉自在となるように取り付けられ、ケーシング本体２１と同様にステンレス鋼等の金属を材質としている。蓋体２２はフック部材２４を有しており、蓋体２２を閉めた状態でこのフック部材２４をケーシング本体２１の留め部材２５に留めることでロック状態とすることができる。
【００３３】
リアクタ本体３は、図２に示すように、シースヒータ３１とマイクロチューブ３２とを備える。
【００３４】
シースヒータ３１は、図３に示すように、略円柱形状をなし、シース３１１、発熱体３１２、絶縁材３１３、リード部材３１４，３１７及び熱電対式温度センサ３１５を備える。このようなシースヒータ３１は、リード部材３１４を介して発熱体３１２に電力を供給することで発熱体３１２を発熱させ、この発熱体３１２の熱をシース３１１に伝えることで、その表面温度を９００°Ｃまで昇温可能とされる。なお、この表面温度は、図示しない制御装置により、所望する任意の値に設定可能とされる。
【００３５】
シースヒータ３１の各構成要素の詳細について記す。シース３１１は、ステンレス鋼等の金属からなる細長い有底円筒体からなる。このシース３１１は、マイクロチューブ３２をコイル状に巻回可能なコア体とされると共に、発熱体３１２の発熱により加熱可能な加熱表面を有する。発熱体３１２は、グラファイト、ニクロム、タンタル等の導電体粉末または粒体などを使用でき、シース３１１の内部における中心軸線まわりにほぼ均等となるように収納されている。絶縁材３１３は、マグネシア、アルミナ等の粉末からなり、発熱体３１２とシース３１１の内周面との間に充填されている。リード部材３１４は、シース３１１の一端部側において、発熱体３１２に接続された金属線等からなる。熱電対式温度センサ３１５は、感熱部としての熱電対３１６を先端に備えた細長体からなり、有底円筒形のシース３１１のほぼ中心軸上に挿設される。熱電対３１６はリード部材３１７に電気接続されている。この熱電対式温度センサ３１５は、熱電対３１６がシース３１１における長手方向中央付近に位置するように設けられる。この位置で熱電対３１６が検出した温度に基づいて、シース３１１が所望の設定温度に保たれるように、フィードバック制御されるようになっている。
【００３６】
マイクロチューブ３２は、長尺可撓性のチューブ体からなり、図２に示すように、シースヒータ３１にコイル状に巻回されている。マイクロチューブ３２は、図４に示すように、内径が０．５ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下の中空部を有し、この中空部がチューブ体の長手方向に連続することでマイクロ流路５を形成している。このマイクロ流路５は、被反応液が反応を進行させるためのマイクロ空間であるため、マイクロチューブ３２の材質は、マイクロ流路５を流れる被反応液、反応途中液及び反応済液により浸食または腐食されないものが適宜選択される。マイクロチューブ３２の一端は、図２に示すように入口ポート３２１とされ、他端は出口ポート３２２とされる。
【００３７】
上記巻回は、マイクロチューブ３２がシース３１１に締結するようになされている。これにより、巻回されたマイクロチューブ３２は、シース３１１から浮き上がることなく、全体に亘ってシース３１１の外周面と接触部Ｐ１で接触するようになっている。これによりシース３１１の熱を、接触部Ｐ１を介して直接にマイクロチューブ３２に伝えるようにしている。また、互いに隣り合うマイクロチューブ３２，３２の外周面同士が接触部Ｐ２を有するように巻回されている。これにより、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わった熱が、接触部Ｐ２を介して、当該マイクロチューブ３２に隣接するマイクロチューブ３２に伝わるようにし、伝熱効率を良くしている。
【００３８】
なお、マイクロチューブ３２の材質に金属を用いることにより、接触部Ｐ１におけるシースヒータ３１からマイクロチューブ３２への熱伝導性、及び接触部Ｐ２で互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２間での熱伝導性を良くすることができるため、マイクロ流路５を流れる被反応液への伝熱速度を高めることができる。このような金属としては例えば、ステンレス鋼やハステロイ（米国ヘインズ・インターナショナル社の登録商標）等を用いることができる。また、上記のように巻回することで、互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２とシース３１１とにより、微小な空間Ｓ１が形成される。このような微小な空間Ｓ１の中で存在する空気は熱容量が極めて小さいため、容易に加熱される。本マイクロリアクタ１では、シースヒータ３１の熱を、この加熱空気からもマイクロチューブ３２に伝えることができるようにしている。
【００３９】
このようなマイクロチューブ３２は、シース３１１に対して密に巻回される。具体的には、シース３１１の表面のうち８０パーセント以上をマイクロチューブ３２で巻回することが好ましい。これにより、接触部Ｐ１はシース３１１における広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ３２がシース３１１に直接に接触する箇所が、一つのシースヒータ３１について多く確保できる。これにより、シースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２に損失少なく伝えるようにしている。また、上記のように密に巻回することで、全長の長いチューブ体を省スペース内に収納するようにしている。
【００４０】
また、マイクロチューブ３２に形成されるマイクロ流路５は、上述したように、内径が０．５ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下という微小なものであるため、次に示す理由により、伝熱効率が良い。即ち、マイクロチューブ３２においてマイクロ流路５内の単位容積Ｖと、その単位容積Ｖに対する周面の表面積Ｓとしたとき、Ｖが非常に小さい分、Ｓ／Ｖの値を大きくすることができ、マイクロ流路５を流れる単位容積あたりの流体に伝わる熱量を大きく確保できるからである。
【００４１】
以上のように構成されたリアクタ本体３は、本実施形態では、２本並設されており、一方のマイクロチューブ３２における出口ポート３２２と他方のマイクロチューブ３２における入口ポート３２１とはジョイント部材３２３（図１，５参照）により直列接続されている。このように複数本のマイクロチューブ３２を直列接続することにより、マイクロ流路の長さを長く確保できるようにしている。また、リアクタ本体３を並設することにより、ケーシング２がリアクタ本体３の長手方向に必要以上に長くなるのを避けるようにしている。
【００４２】
また、図５に示すように、断熱材４が、上記２本のリアクタ本体３を取り囲むように設けられる。断熱材４は、第１断熱材４１と第２断熱材４２と第３断熱材４３とからなる。第１断熱材４１は、リアクタ本体３に密着すると共にこれを被覆するように設けられる。第２断熱材４２は、各リアクタ本体３を収容するための２本の収容溝空間４２Ｍを形成し且つ第１断熱材４１に密着してこれを取り囲むように設けられる。第３断熱材４３は、第２断熱材４２に密着してこれを取り囲むように設けられる。第１断熱材４１は例えばファインフレックス（株式会社ニチアス社の登録商標）ブランケットを材質とし、第２断熱材４２及び第３断熱材４３は、ファインフレックスハードボードからなる。なお、第１断熱材４１は、ファインフレックスブランケットに代えて、これよりも耐熱温度が高い、ロックウール製の保温筒であるマイティーカバーを使用してもよい。
【００４３】
上記断熱材４により、リアクタ本体３の保温性を確保し、シースヒータ３１から放射される熱の有効利用を図ると共に、ケーシング２が高温になることを防止している。なお、この断熱材４は、第１断熱材４１、第２断熱材４２、第３断熱材４３の順で、シースから遠ざかるに従って堅さが堅くなっている。このため、蓋体２２を閉状態とし且つロック状態としたときに、最も柔らかい第１断熱材４１が強く圧縮されることにより、リアクタ本体３と第１断熱材４１との間の空気層を極めて小さくすることができる。それと共に、隙間が殆ど無い状態でこれら各断熱材をケーシング２内に充填できる。これによりシースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２の巻回された領域に封じ込めることで、断熱効率を一層良くしている。なお、第１断熱材４１を設けずに、第２断熱材４２と第３断熱材４３とだけを設けるようにしても、適度な断熱効果を得ることができる。
【００４４】
次に、本発明に係るマイクロリアクタ１の使用例について説明する。マイクロリアクタ１は、蓋体２２をロックした状態でマイクロプラントに組み込まれて使用される。具体的には、マイクロリアクタ１における入口ポート３２１は、図示しない被反応液供給部に配管接続される。この被反応液供給部は、被反応液を所定の圧力で圧送可能に構成される。ここでの被反応液は、反応に必要とされる温度がＴ１（Ｔ１＞３００°Ｃ）の液体であるものとする。このような被反応液は、異なる複数種類の液体の混合液からなるものとする。また、出口ポート３２２は、図示しない反応済み液回収タンクに配管接続される。シースヒータ３１は、図示しない制御装置にリード部材３１４，３１７により電気接続され、シース３１１の温度がＴ２となるように設定される。この温度Ｔ２は、具体的には、マイクロ流路を流れる被反応液を、Ｔ１の温度に昇温できる温度であり、少なくともＴ１よりも高い値である。
【００４５】
このような構成・設定の下で、リアクタ本体３における入口ポート３２１（図１参照）からは被反応液が導入される。導入された被反応液は、一方のリアクタ本体３のマイクロチューブ３２から他方のリアクタ本体３のマイクロチューブ３２へと向かう。一方、シース３１１がＴ２の温度に昇温するようにシースヒータ３１を加熱する。これにより、次のようにして、マイクロチューブ３２が昇温する。即ち、Ｔ２の温度に昇温したシース３１１が持つ熱は、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わる。また、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わった熱は、接触部Ｐ２を介して、当該マイクロチューブ３２に隣接するマイクロチューブ３２に伝わる。また、シース３１１の熱は、微小空間Ｓ１に存在する空気を介してもマイクロチューブ３２に伝わる（図４参照）。このようにしてシースヒータ３１の熱がマイクロチューブ３２に伝わる。
【００４６】
マイクロチューブ３２に伝わった熱は、マイクロ流路５を流れる被反応液に伝わり、被反応液は、マイクロチューブ３２におけるマイクロ流路５を通過中に、温度Ｔ１に昇温されつつ反応を進行させて、反応済み液が出口ポート３２２（図１参照）から導出される。このような反応の進行中に、断熱材４により、シースヒータ３１の熱が外部に逃げることが防止される。これにより、特に、マイクロチューブ３２のうち加熱に係る領域の保温性を確保できるため、シースヒータ３１から放出される熱の有効利用を図ることができる。それと共にケーシング２が高温になることを防止することができる。
【００４７】
このようなマイクロリアクタ１によると、当該マイクロリアクタ１を組み込んだマイクロ化学プラントの小型化及び低コスト化を図ることができる。その理由は次のとおりである。即ち、マイクロリアクタ１は、マイクロチューブ３２を加熱する加熱手段として、熱媒体でなく、シースヒータ３１というコア体を用いるため、熱媒体を循環させるための各種装置が必要とならないからである。また、被反応流体として、その反応に必要な温度が、３００°Ｃを超えるような高温領域のものを対象としているが、上記高温加熱を必要とする被反応流体に対応するにあたり、マイクロチューブ３２を加熱する手段として、熱媒体を高温加熱するのではなく、コア体であるシースヒータ３１を高温加熱するため、高温の熱媒体を扱う上で必須な加圧装置や密閉構造などを必要としないからである。
【００４８】
更に、マイクロリアクタ１は、伝熱効率にも優れる。その理由は次のとおりである。即ち、シースヒータ３１の熱は、マイクロチューブ３２がシースヒータ３１に巻回されることで生じる接触部Ｐ１を介して、直接にマイクロチューブ３２に伝わる。しかもマイクロチューブ３２がシースヒータ３１に密に巻回されていることにより、この接触部Ｐ１は、シース３１１における広範囲に亘って存在することになる。つまり、マイクロチューブ３２がシースヒータ３１に直接に接触する箇所が、一つのシースヒータ３１について多く確保できる。これにより、熱媒体を用いる場合と異なり、シースヒータ３１の熱をマイクロチューブ３２に損失少なく伝えるようにできる。このため、マイクロ流路を流れる被反応流体を、伝熱効率良く加熱することができる。
【００４９】
また、シースヒータ３１の熱は、接触部Ｐ１を介してマイクロチューブ３２に伝わるのに、接触部Ｐ２を介して隣のマイクロチューブ３２に伝わる。また、マイクロチューブ３２は、細いチューブ体であるため、互いに隣接するマイクロチューブ３２，３２とシースヒータ３１とにより形成される空間Ｓ１は微小空間となる。このような微小空間の中で存在する空気は熱容量が極めて小さく、容易に加熱される。マイクロチューブ３２はこの加熱空気からも加熱されるため、マイクロ流路を流れる被反応流体への伝熱効率が更に良くなる。
【００５０】
また、略円柱形状をなすシースヒータ３１において、シース３１１が細長い有底円筒体とされ、発熱体３１２は、シース３１１の内部における中心軸線まわりにほぼ均等となるように収納されていることにより、発熱体３１２とシース３１１との距離がシース３１１全体について一定となるため、シース３１１の温度ムラが少ない。
【００５１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａの外観斜視図、図７は本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａの側面一部断面図である。図６，７に示す第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａにおいて、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａと同一の構成要素には、それらと同一符号を付してある。
【００５２】
第２実施形態に係るマイクロリアクタ１Ａは、基本的には、第１実施形態に係るマイクロリアクタ１に、マイクロチューブ３２を冷却する冷却手段６を設けたことを特徴としている。この冷却手段６は、具体的には、次のようにして設けられる。即ち、マイクロリアクタ１Ａは、図６，７に示すように、マイクロリアクタ１における第２断熱材４２に代えて第２断熱材４２′を有し、且つマイクロチューブ３２の周りに第１断熱材４１を設けずに、リアクタ本体３と第２断熱材４１′とにより形成される空間を収容溝空間４２Ｍ′として中空状態のまま残しておく。そして、この収容溝空間４２Ｍ′に連通する冷却空気入口ポート６１及び冷却空気出口ポート６２を設けている。このような構成は、並設される２つのリアクタ本体３について適用される。これら冷却空気入口ポート６１は、バルブ及び加圧ポンプを介して冷却空気貯留タンクの供給側に配管接続される。また、冷却空気出口ポート６２は、冷却空気貯留タンクのリターン側に配管接続される。
【００５３】
マイクロリアクタ１Ａが奏する作用効果について説明する。マイクロチューブ３２を流れる被反応液が発熱反応を伴う場合、被反応液の温度が目的温度よりも上昇することがある。このような反応の場合には、冷却空気入口ポート６１から冷却空気を加圧導入して収容溝空間４２Ｍを循環させることにより、マイクロチューブ３２を冷却することができ、延いてはマイクロチューブ３２を流れる被反応液を冷却することができる。このようにマイクロチューブ３２を強制的に冷却できるため、シースヒータ３１をオフにしただけでは得られない冷却効果を備える。つまり、被反応液が発熱反応を伴う場合でも、過加熱とすることなく、速やかに最適の温度に保つことができる。
【００５４】
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明を行ったが、上に開示した２つの実施形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこの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。即ち、マイクロリアクタ１の全体または一部の構造、形状、サイズ、材質、個数などは、本発明の趣旨に沿って種々に変更することができる。また、上に開示した実施形態では、被反応流体は液体として例示したが、気体とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマイクロリアクタの外観斜視図である。
【図２】リアクタ本体を示す外観斜視図である。
【図３】シースヒータの内部構造を示す正面一部断面図である。
【図４】本発明の要部を示す正面一部断面図である。
【図５】本発明に係るマイクロリアクタの側面一部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタの外観斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るマイクロリアクタの側面一部断面図である。
【図８】従来のマイクロリアクタの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ マイクロリアクタ
４ 断熱材
５ マイクロ流路
６ 冷却手段
３２ マイクロチューブ
３１ シースヒータ（加熱手段）
６１ 冷却空気入口ポート（冷媒体入口ポート）
６２ 冷却空気出口ポート（冷媒体出口ポート）
Ｐ１ 接触部
Ｐ２ 接触部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、
加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、
マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
加熱手段（３１）は、３００°Ｃを超える温度に昇温可能とされた請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
加熱手段（３１）は略円柱形状をなし、マイクロチューブ（３２）はこの加熱手段（３１）を巻芯としてコイル状に締結して巻回されてなる請求項１または請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
マイクロチューブ（３２）は、互いに隣り合うマイクロチューブ（３２，３２）の外周面同士が接触して接触部（Ｐ２）を有するように巻回された請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
マイクロチューブ（３２）のうち少なくとも加熱手段（３１）に巻回されている領域を取り囲むように断熱材（４）を設けてある請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項６】
加熱手段（３１）がシースヒータである請求項１から請求項５のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項７】
マイクロチューブ（３２）が金属を材質としている請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項８】
マイクロチューブ（３２）を冷却するための冷却手段（６）を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項９】
マイクロチューブ（３２）と断熱材（４）との間に冷媒体を流通させるための冷媒空間（４２Ｍ′）を設け、更にこの冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の入口となる冷媒体入口ポート（６１）と、この冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の出口となる冷媒体出口ポート（６２）とを設け、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）で冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却するように構成された請求項８に記載のマイクロリアクタ。
【請求項１】
内部にマイクロ流路（５）が形成されたマイクロチューブ（３２）と、マイクロチューブ（３２）を加熱する加熱手段（３１）とを備え、加熱手段（３１）によりマイクロチューブ（３２）を加熱することでマイクロ流路（５）内の被反応流体を加熱させつつ被反応流体の反応を進行させるマイクロリアクタ（１）において、
加熱手段（３１）は、所定温度まで昇温可能なコア体とされ、
マイクロチューブ（３２）は、加熱手段（３１）を巻芯として密に巻回されてなることを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
加熱手段（３１）は、３００°Ｃを超える温度に昇温可能とされた請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
加熱手段（３１）は略円柱形状をなし、マイクロチューブ（３２）はこの加熱手段（３１）を巻芯としてコイル状に締結して巻回されてなる請求項１または請求項２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
マイクロチューブ（３２）は、互いに隣り合うマイクロチューブ（３２，３２）の外周面同士が接触して接触部（Ｐ２）を有するように巻回された請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
マイクロチューブ（３２）のうち少なくとも加熱手段（３１）に巻回されている領域を取り囲むように断熱材（４）を設けてある請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項６】
加熱手段（３１）がシースヒータである請求項１から請求項５のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項７】
マイクロチューブ（３２）が金属を材質としている請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項８】
マイクロチューブ（３２）を冷却するための冷却手段（６）を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項９】
マイクロチューブ（３２）と断熱材（４）との間に冷媒体を流通させるための冷媒空間（４２Ｍ′）を設け、更にこの冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の入口となる冷媒体入口ポート（６１）と、この冷媒空間（４２Ｍ′）に連通して冷媒体の出口となる冷媒体出口ポート（６２）とを設け、冷媒体入口ポート（６１）から供給した冷媒体を冷媒体出口ポート（６２）から排出させることで冷媒空間（４２Ｍ′）で冷媒体を流通させることにより、マイクロチューブ（３２）を冷却するように構成された請求項８に記載のマイクロリアクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−９４６６０（Ｐ２０１０−９４６６０Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３５６１９（Ｐ２００８−３３５６１９）
【出願日】平成２０年１２月２９日（２００８．１２．２９）
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２９日（２００８．１２．２９）
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]