反応器、反応器収納用容器および反応装置
【課題】反応部で発生する熱が隣り合う反応部へ伝達することを抑制し、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器、反応器収納用容器および反応装置を提供すること。
【解決手段】複数の反応部７を備えた反応器６において、反応部７間に少なくとも一つの放射熱防止板１０を設けた。また、複数の反応部７を備えた反応器６’を収納するための収納容器Ａを具備する反応器収納用容器１２であって、収納容器Ａの内面に反応部７間に配置される放射熱防止板１０’を設けた。
【解決手段】複数の反応部７を備えた反応器６において、反応部７間に少なくとも一つの放射熱防止板１０を設けた。また、複数の反応部７を備えた反応器６’を収納するための収納容器Ａを具備する反応器収納用容器１２であって、収納容器Ａの内面に反応部７間に配置される放射熱防止板１０’を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマイクロ化学システムに用いられる反応器、および反応器を収納するための反応器収納用容器、ならびにこの反応器収納用容器を用いた反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密加工技術の進歩発展により、マイクロテクノロジーとよばれる新しい概念が登場してきた。特に、微小空間を活用して、液体や気体を高速、高精度で制御し反応させるマイクロ化学システムは、反応・分析の効率化・高速化のための革新的な技術としてだけでなく、新反応系の場としても注目を集めている。
【０００３】
このマイクロ化学システム（プラント）は、マイクロ加工技術によってつくられた幅数μｍから数百μｍのマイクロ流路を基本に、各種のマイクロ反応器（マイクロリアクター等）の機能デバイスから構成されるシステムである。そして、このマイクロ化学システムは熱移動や物質移動速度が格段に大きく、化学反応の効率を飛躍的に増大させる可能性が指摘されているとともに、化学反応を効率良く維持させるためには、反応部の温度を適切な状態で保持することが重要となる。
【０００４】
このマイクロ化学システムを、一つの反応だけに利用することはまれであり、一つのマイクロ化学システム内で段階的に複数の反応を経由することによって反応生成物を形成することや、あるいは複数の異なる反応によって、複数の反応生成物を得ることが多く行われている。これらの各反応を効率よく進め、目的とする反応生成物を高い収率で得る為には、各反応が起きる反応部を適切な温度でコントロールが求められる。
【特許文献１】特開２００３−５２６３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、隣り合う反応部で必要とされる反応温度が異なる場合、各反応部温度は隣り合う反応部の反応温度に大きく影響を受ける。例えば、ある反応部で必要とされる反応温度よりも隣り合う反応部の温度が高い場合、伝導や輻射により隣り合う反応部からの熱の伝達が行われ、ある反応部で必要とされる反応温度を大きく超えてしまい、結果、目的とする化学反応の効率を低下させてしまう恐れがある。
【０００６】
また逆に、ある反応部で必要とされる反応温度よりも隣り合う反応部の温度が低い場合、伝導や輻射により隣り合う反応部へ熱の伝達が行われ、ある反応部で必要とされる反応温度に達することができず、結果、目的とする化学反応の効率を低下させてしまう恐れがある。この場合、反応部を目的の反応温度に上昇させるために形成されたヒーターへ通電処理をおこない、発熱させることによって目的の反応温度を得ることは可能だが、通電処理による電気的損失が発生し、結果、マイクロ化学システム全体の効率を低下させてしまう恐れがある。
【０００７】
各反応部間の距離を大きくすることや、反応部間に空隙を設けることは、反応部間の伝導による熱の伝達を抑えることに効果はあるが、輻射や対流による熱の伝達には効果がなく、目的とする化学反応の効率を高めることができない恐れがある。
【０００８】
本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、反応部で発生する熱が隣り合う反応部へ伝達することを抑制し、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器、反応器収納用容器および反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の反応器は、複数の反応部を備えた反応器であって、前記反応部間に少なくとも一つの放射熱防止板を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板が、前記反応部の表面よりも高い熱反射率を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板の表面にめっき処理が施されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板の表面に電解研磨処理が施されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の反応器において好ましくは、前記反応部は、ヒーターによる加熱もしくは反応熱により発熱することを特徴とする。
【００１４】
本発明の反応器収納用容器は、複数の反応部を備えた反応器を収納するための収納容器を具備する反応器収納用容器であって、前記収納容器の内面に前記反応部間に配置される放射熱防止板を設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の反応装置は、上記本発明の反応器を収納容器に気密に収納したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の反応装置は、上記本発明の反応器収納用容器に、複数の反応部を備えた反応器を、前記反応部間に前記放射熱防止板が位置するように収納したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の反応装置において好ましくは、前記収納容器の内部の圧力を１０Ｐａ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、各反応部で発生する放射熱が隣接する反応部へ伝達されるのを放射熱防止板で有効に抑制することができる。その結果、各反応部での必要とされる適切な温度を良好に保つことができ、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器、反応器収納用容器および反応装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の反応器、反応器収納用容器および反応装置を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態１の反応器およびこの反応器を用いた反応装置の実施の形態の一例を示す断面図である。７は反応部、８は反応部蓋体、９は流路、１０は放射熱防止板、３はヒーターであり、主にこれらで本発明の反応器６が構成されている。
【００２１】
また、Ａは収納容器、１は基体、２は蓋体、４ａは物質を供給する供給路としての供給管、４ｂは反応後の物質を排出する排出路としての排出管、５はリード端子であり、主にこれらで上記反応器６を収容することにより、本発明の反応装置１１が構成される。
【００２２】
本発明における基体１および蓋体２は、ともに反応器６を収納する収納容器Ａを構成する。それらは、例えば、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅等の金属材料、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されている。
【００２３】
基体１および蓋体２に適用可能なガラスセラミックスとしては、ガラス成分とフィラー成分とが挙げられる。
【００２４】
ガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００２５】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等が挙げられる。
【００２６】
基体１および蓋体２は、基体１および蓋体２で形成される空域部（不図示）に反応器６を収納できればよく、例えば図１に示したように、上側に凹部を有する基体１と板状の蓋体２のほか、板状の基体１と下側に凹部を有する蓋体２であってもよい。
【００２７】
この場合、基体１と蓋体２は、内部を気密に封止するため、はんだや金属ロウ材等で接合する方法や、基体１が凹部を有する場合には、凹部の上面に鉄合金等で作製されたシールリング等を接合して、シームウェルド、エレクトロンビームやレーザー等の方法にて接合してもよい。
【００２８】
例えば、Ａｕ−Ｓｎロウ材により接合する場合は、蓋体２に予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で枠状に形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体１と蓋体２との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体２を基体１に接合する。
【００２９】
また、基体１および蓋体２は、反応装置１１の小型化、低背化を可能とするために、厚さを薄くするのが好ましいが、基体１および蓋体２の強度を維持すべく、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上とするのが好ましい。例えば、曲げ強度が２００ＭＰａ以下の場合には、基体１および蓋体２の機械的強度が不足し、荷重が加わった際に変形が生じる可能性がある。
【００３０】
また、基体１および蓋体２が、相対密度が９５％以上の緻密質の酸化アルミニウム質焼結体で形成される場合、以下のようにして作製される。
【００３１】
まず酸化アルミニウム粉末に、希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加、混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加、混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の基体１および蓋体２を得る。なお、基体１および蓋体２の成形は粉末成形プレス法であっても良い。
【００３２】
一方、基体１および蓋体２が金属材料から成る場合は、切削法、プレス法、ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。
【００３３】
さらに、基体１および蓋体２が金属材料から成る場合には、腐食を防止するためにその表面は、例えばＡｕ、Ｎｉのめっき処理や、ポリイミド等の樹脂コーティング等の被覆コーティング処理が行なわれることが望ましい。例えばＡｕめっき処理の場合であれば、その厚さは０．１〜５μｍ程度であることが望ましい。
【００３４】
また、基体１および蓋体２で構成される収納容器Ａの少なくとも内側表面をＡｕやＡｌのめっき処理膜で覆うことにより、収容された反応器６で発生する輻射熱を効率良く反射させることができ、収納容器Ａの昇温を抑制することが可能となる。
【００３５】
容器（基体）１および容器（蓋体）２で形成される空域部（不図示）に、反応器６が収納される。
【００３６】
本発明の反応装置１１に用いられる反応器６は、反応器６に接合される供給管４ａから供給された物質を、反応部７において他の物質（反応生成物）に変化させ、排出管４ｂより排出するための装置である。
【００３７】
反応器６は、供給管４ａから供給された物質を反応部７へ供給、または反応部７において生成された反応生成物を排出管４ｂより排出するためにその内部または表面部に流路９を有する。
【００３８】
反応器６は、特に限定されるものではなく、例えば、シリコン等の半導体、石英、ガラス、金属、セラミックス等の無機材料の基材に、切削法、エッチング法、ブラスト法等により細い溝を形成して流路９を作製するとともに、操作中の物質の蒸発防止等を目的として、ガラス板、金属、セラミック等のカバーを陽極接合、ロウ付け、溶接、拡散接合等により表面に密着することにより形成される。反応器６がセラミックの場合、例えばグリーンシートの状態で流路９を形成し、グリーンシートを積層、焼成することによっても流路９を有する反応器６を形成することができる。
【００３９】
反応器６はその形状を特に限定されるものではなく、例えば四角形状等があげられる。
【００４０】
ことができる。
【００４１】
反応器６は、基体１に収納され、蓋体２が金属ロウ材やガラス材による接合やシームウェルド法等により基体１の凹部を覆って取着されることによって、収納容器Ａ内に収納される。
【００４２】
例えば、Ａｕ−Ｓｎロウ材により接合する場合は、蓋体２に予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体１と蓋体２との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体２を基体１に取着することにより、収納容器Ａの内部に反応器６を封止する。
【００４３】
反応器６は、反応部７での化学反応の効率を高めるためにヒーター３を有してもよい。ヒーター３は、反応部７の温度調節機能のために反応器６の内部や表面部に、薄膜や厚膜また、金属細線を埋め込むことによって形成される。ヒーター３は、反応部７の近傍に配置されることにより、ヒーター３から発生する熱を効率的に化学反応に用いることができる。
【００４４】
またヒーター３は、発熱時の抵抗値を測定することよって、反応部７の温度を知るセンサーとしての機能を持たせることもできる。
【００４５】
リード端子５は、このヒーター３を発熱させるために反応器６と収納容器Ａの外部とを電気的に接続させる機能を有する。このリード端子５へ電力を供給し、ヒーター３を発熱させることによって、反応部７を必要な温度条件に調整することで、供給管４ａから供給される原料を反応させ、得られる反応生成物排出管４ｂから排出する。
【００４６】
リード端子５は、基体１および蓋体２や反応器６の熱膨張係数と同一または近似した金属を用いるのが好ましく、温度変化に対する熱歪の発生を防止する上で、さらにはリード端子５と基体１との良好な封着性を有し、実装時に必要な強度と良好なはんだ付性や溶接性を確保できる上で、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＳＵＳ等を用いることが好ましい。
【００４７】
放射熱防止板１０は、反応部７で発生する放射熱が隣接する反応部７へ伝達されるのを有効に抑制し、各反応部７での必要とされる適切な温度を良好に保つことができる。放射熱防止板１０は、特に限定されるものではなく、例えば、金属、セラミックス等の無機材料や高温耐熱を有する有機材料を基材に、切削法、エッチング法、プレス法等により形成される。
【００４８】
放射熱防止板１０は、反応器６における、反応部７と隣り合う別の反応部７との間の部位に接合されて載置される。接合は、ロウ付け、連続や単発の溶接、拡散接合、高温耐熱を有する有機接合材等により行われる。
【００４９】
好ましくは、反応器６が図１に示すように反応部７同士の間において、間隙を形成するようにくびれており、このくびれた部位に反射熱防止板１０が接合されているのがよい。これにより、隣接する反応部７同士の間で、反射熱防止板１０によって放射熱の伝導を抑制するだけでなく、くびれた部位によって反応器６自身を伝って伝道する熱をも有効に抑制できる。
【００５０】
放射熱防止板１０の表面は、反応部７で発生する放射熱を効果的に反射し、隣り合う別の反応部への熱の伝達を防止するために、反応部７の表面よりも高い熱反射率を有することが望ましい。このような構成により、隣接する反応部７同士の間で、反射熱防止板１０によって放射熱の伝導を抑制するとともに、反射熱防止板１０から反射された熱は再度、発生もとの反応部７にもどりやすくなり、反応部７の熱損失を低減できる。
【００５１】
このように放射熱防止板１０の表面の熱反射率を高くするには、放射熱防止板１０の材質を熱反射率の高いＦｅ-Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系、ＳＵＳ等の金属材料等を用いればよい。あるいは、放射熱防止板１０の表面に熱反射率の高い金属等の被膜を形成してもよい。また、放射熱防止板１０の表面を鏡面状に加工してもよい。
【００５２】
好ましくは、熱反射率を高めるとともに容易に熱反射率の高い表面を形成するという観点からは、放射熱防止板１０の表面にめっき処理や研磨処理が施されていることが好ましい。めっき処理は、Ａｕめっき、Ｎｉめっき等、研磨処理は電解研磨処理等が好ましい。
【００５３】
供給管４ａおよび排出管４ｂは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系，ＳＵＳ等の金属材料や、Ａｌ２Ｏ３質焼結体，３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ３Ｎ４質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料で形成されている。
【００５４】
そして、これらの供給管４ａおよび排出管４ｂは、基体１に形成した貫通孔（不図示）に挿通して接合される。この接合方法として、供給管４ａおよび排出管４ｂと基体１を構成する材料により、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−ＳｉやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の各種方法が適宜用いられる。
【００５５】
また、供給管４ａおよび排出管４ｂの内径はφ０．１ｍｍ以上として流体の圧力損失を抑えることが好ましい。
【００５６】
供給管４ａおよび排出管４ｂの接合部分の断面形状としては、通常は円形とすればよいが、これに限定されない。すなわち、円形の他には、楕円形や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる角状のもの、例えば、正方形，長方形が挙げられる。また、肉厚は物質供給や反応物質排出の圧力で変形しない厚みが必要であり、上記の材料から成る場合には、携帯機器等に使用するものでは通常は０．１ｍｍ以上であれば良い。また、流れ方向の長さは、反応器８で発生する熱を発電セルに伝えにくくするためには長い程よいが、反応装置システム全体の大きさを考慮した長さにすべきである。
【００５７】
次に、本発明の実施形態２について説明する。図２は本発明の実施形態２の反応器収納用容器およびこの反応器収納用容器を用いた反応装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００５８】
実施形態２において、実施形態１と同じ部位については図１と同じ符号を示しており、具体的な説明は実施形態１で説明したものと同じであるので省略する。Ａは収納容器、１は基体、２は蓋体、４ａは物質を供給する供給路としての供給管、４ｂは反応後の物質を排出する排出路としての排出管、５はリード端子、１０’は放射熱防止板であり、主にこれらで本発明の反応器収納用容器１２が構成される。
【００５９】
また、上記反応器収納用容器１２に反応器６’を、反応部７間に放射熱防止板１０’が位置するように収容することにより、本発明の反応装置１１’が構成される。
【００６０】
実施形態２の実施形態１と異なる点は、実施形態１では、放射熱防止板１０が反応器６に接合されているのに対し、実施形態２では、放射熱防止板１０’が反応器収納用容器１２に接合されている。よって、実施形態２では、収納する反応器６’は、複数の反応部を有する反応器を用いてもよく、実施形態１の放射熱防止板１０が接合された本発明の反応器６を用いてもよい。
【００６１】
そして、本発明の反応器収納用容器１２に接合された反射熱防止板１０’は、基体１に接合されていてもよく、蓋体２に接合されていてもよい。また、基体１と蓋体２の両方に接合されていてもよい。反応器収納用容器１２には、反応部７同士の間に反射熱防止板１０’が位置するように反応器６’が収納される。このような構成により、各反応部７で発生する放射熱が隣接する反応部７へ伝達されるのを放射熱防止板１０’で有効に抑制することができる。その結果、各反応部７での必要とされる適切な温度を良好に保つことができ、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器収納用容器１２および反応装置１１’を提供することができる。
【００６２】
また、本発明の反応装置１１，１１’において、収納容器Ａの内部の圧力を１０Ｐａ以下とすることが好ましい。これにより、反応器６，６’からの放射熱によって基体１や蓋体２に熱が伝わるのを有効に防止することができる。収納容器Ａの内圧を１０Ｐａ以下にするために、反応器６，６’を封止する際、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内でのシームウェルド法で行なえば良い。また、ガス吸着材等（不図示）を用いて収納容器Ａの内圧を低減してもよい。
【００６３】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、図１，２に示した例においては、供給管４ａおよび排出管４ｂは反応器６，６’の側面に接合されているが、これらは反応器６，６’の仕様に応じて上面や下面に接合しても良い。また、リード端子５は反応器６，６’の下面に接合されているが、これらは反応器６，６’の仕様に応じて側面や上面に接合しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の反応器およびそれを用いた反応装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の反応器収納用容器およびそれを用いた反応装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
Ａ・・・・・・・・・収納容器
６，６’・・・・・・反応器
７・・・・・・・・・反応部
１０,１０’・・・・・放射熱防止板
１１，１１’・・・・反応装置
１２・・・・・・・・反応器収納用容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマイクロ化学システムに用いられる反応器、および反応器を収納するための反応器収納用容器、ならびにこの反応器収納用容器を用いた反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密加工技術の進歩発展により、マイクロテクノロジーとよばれる新しい概念が登場してきた。特に、微小空間を活用して、液体や気体を高速、高精度で制御し反応させるマイクロ化学システムは、反応・分析の効率化・高速化のための革新的な技術としてだけでなく、新反応系の場としても注目を集めている。
【０００３】
このマイクロ化学システム（プラント）は、マイクロ加工技術によってつくられた幅数μｍから数百μｍのマイクロ流路を基本に、各種のマイクロ反応器（マイクロリアクター等）の機能デバイスから構成されるシステムである。そして、このマイクロ化学システムは熱移動や物質移動速度が格段に大きく、化学反応の効率を飛躍的に増大させる可能性が指摘されているとともに、化学反応を効率良く維持させるためには、反応部の温度を適切な状態で保持することが重要となる。
【０００４】
このマイクロ化学システムを、一つの反応だけに利用することはまれであり、一つのマイクロ化学システム内で段階的に複数の反応を経由することによって反応生成物を形成することや、あるいは複数の異なる反応によって、複数の反応生成物を得ることが多く行われている。これらの各反応を効率よく進め、目的とする反応生成物を高い収率で得る為には、各反応が起きる反応部を適切な温度でコントロールが求められる。
【特許文献１】特開２００３−５２６３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、隣り合う反応部で必要とされる反応温度が異なる場合、各反応部温度は隣り合う反応部の反応温度に大きく影響を受ける。例えば、ある反応部で必要とされる反応温度よりも隣り合う反応部の温度が高い場合、伝導や輻射により隣り合う反応部からの熱の伝達が行われ、ある反応部で必要とされる反応温度を大きく超えてしまい、結果、目的とする化学反応の効率を低下させてしまう恐れがある。
【０００６】
また逆に、ある反応部で必要とされる反応温度よりも隣り合う反応部の温度が低い場合、伝導や輻射により隣り合う反応部へ熱の伝達が行われ、ある反応部で必要とされる反応温度に達することができず、結果、目的とする化学反応の効率を低下させてしまう恐れがある。この場合、反応部を目的の反応温度に上昇させるために形成されたヒーターへ通電処理をおこない、発熱させることによって目的の反応温度を得ることは可能だが、通電処理による電気的損失が発生し、結果、マイクロ化学システム全体の効率を低下させてしまう恐れがある。
【０００７】
各反応部間の距離を大きくすることや、反応部間に空隙を設けることは、反応部間の伝導による熱の伝達を抑えることに効果はあるが、輻射や対流による熱の伝達には効果がなく、目的とする化学反応の効率を高めることができない恐れがある。
【０００８】
本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、反応部で発生する熱が隣り合う反応部へ伝達することを抑制し、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器、反応器収納用容器および反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の反応器は、複数の反応部を備えた反応器であって、前記反応部間に少なくとも一つの放射熱防止板を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板が、前記反応部の表面よりも高い熱反射率を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板の表面にめっき処理が施されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の反応器において好ましくは、前記放射熱防止板の表面に電解研磨処理が施されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の反応器において好ましくは、前記反応部は、ヒーターによる加熱もしくは反応熱により発熱することを特徴とする。
【００１４】
本発明の反応器収納用容器は、複数の反応部を備えた反応器を収納するための収納容器を具備する反応器収納用容器であって、前記収納容器の内面に前記反応部間に配置される放射熱防止板を設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の反応装置は、上記本発明の反応器を収納容器に気密に収納したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の反応装置は、上記本発明の反応器収納用容器に、複数の反応部を備えた反応器を、前記反応部間に前記放射熱防止板が位置するように収納したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の反応装置において好ましくは、前記収納容器の内部の圧力を１０Ｐａ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、各反応部で発生する放射熱が隣接する反応部へ伝達されるのを放射熱防止板で有効に抑制することができる。その結果、各反応部での必要とされる適切な温度を良好に保つことができ、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器、反応器収納用容器および反応装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の反応器、反応器収納用容器および反応装置を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態１の反応器およびこの反応器を用いた反応装置の実施の形態の一例を示す断面図である。７は反応部、８は反応部蓋体、９は流路、１０は放射熱防止板、３はヒーターであり、主にこれらで本発明の反応器６が構成されている。
【００２１】
また、Ａは収納容器、１は基体、２は蓋体、４ａは物質を供給する供給路としての供給管、４ｂは反応後の物質を排出する排出路としての排出管、５はリード端子であり、主にこれらで上記反応器６を収容することにより、本発明の反応装置１１が構成される。
【００２２】
本発明における基体１および蓋体２は、ともに反応器６を収納する収納容器Ａを構成する。それらは、例えば、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅等の金属材料、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されている。
【００２３】
基体１および蓋体２に適用可能なガラスセラミックスとしては、ガラス成分とフィラー成分とが挙げられる。
【００２４】
ガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００２５】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等が挙げられる。
【００２６】
基体１および蓋体２は、基体１および蓋体２で形成される空域部（不図示）に反応器６を収納できればよく、例えば図１に示したように、上側に凹部を有する基体１と板状の蓋体２のほか、板状の基体１と下側に凹部を有する蓋体２であってもよい。
【００２７】
この場合、基体１と蓋体２は、内部を気密に封止するため、はんだや金属ロウ材等で接合する方法や、基体１が凹部を有する場合には、凹部の上面に鉄合金等で作製されたシールリング等を接合して、シームウェルド、エレクトロンビームやレーザー等の方法にて接合してもよい。
【００２８】
例えば、Ａｕ−Ｓｎロウ材により接合する場合は、蓋体２に予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で枠状に形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体１と蓋体２との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体２を基体１に接合する。
【００２９】
また、基体１および蓋体２は、反応装置１１の小型化、低背化を可能とするために、厚さを薄くするのが好ましいが、基体１および蓋体２の強度を維持すべく、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上とするのが好ましい。例えば、曲げ強度が２００ＭＰａ以下の場合には、基体１および蓋体２の機械的強度が不足し、荷重が加わった際に変形が生じる可能性がある。
【００３０】
また、基体１および蓋体２が、相対密度が９５％以上の緻密質の酸化アルミニウム質焼結体で形成される場合、以下のようにして作製される。
【００３１】
まず酸化アルミニウム粉末に、希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加、混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加、混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の基体１および蓋体２を得る。なお、基体１および蓋体２の成形は粉末成形プレス法であっても良い。
【００３２】
一方、基体１および蓋体２が金属材料から成る場合は、切削法、プレス法、ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。
【００３３】
さらに、基体１および蓋体２が金属材料から成る場合には、腐食を防止するためにその表面は、例えばＡｕ、Ｎｉのめっき処理や、ポリイミド等の樹脂コーティング等の被覆コーティング処理が行なわれることが望ましい。例えばＡｕめっき処理の場合であれば、その厚さは０．１〜５μｍ程度であることが望ましい。
【００３４】
また、基体１および蓋体２で構成される収納容器Ａの少なくとも内側表面をＡｕやＡｌのめっき処理膜で覆うことにより、収容された反応器６で発生する輻射熱を効率良く反射させることができ、収納容器Ａの昇温を抑制することが可能となる。
【００３５】
容器（基体）１および容器（蓋体）２で形成される空域部（不図示）に、反応器６が収納される。
【００３６】
本発明の反応装置１１に用いられる反応器６は、反応器６に接合される供給管４ａから供給された物質を、反応部７において他の物質（反応生成物）に変化させ、排出管４ｂより排出するための装置である。
【００３７】
反応器６は、供給管４ａから供給された物質を反応部７へ供給、または反応部７において生成された反応生成物を排出管４ｂより排出するためにその内部または表面部に流路９を有する。
【００３８】
反応器６は、特に限定されるものではなく、例えば、シリコン等の半導体、石英、ガラス、金属、セラミックス等の無機材料の基材に、切削法、エッチング法、ブラスト法等により細い溝を形成して流路９を作製するとともに、操作中の物質の蒸発防止等を目的として、ガラス板、金属、セラミック等のカバーを陽極接合、ロウ付け、溶接、拡散接合等により表面に密着することにより形成される。反応器６がセラミックの場合、例えばグリーンシートの状態で流路９を形成し、グリーンシートを積層、焼成することによっても流路９を有する反応器６を形成することができる。
【００３９】
反応器６はその形状を特に限定されるものではなく、例えば四角形状等があげられる。
【００４０】
ことができる。
【００４１】
反応器６は、基体１に収納され、蓋体２が金属ロウ材やガラス材による接合やシームウェルド法等により基体１の凹部を覆って取着されることによって、収納容器Ａ内に収納される。
【００４２】
例えば、Ａｕ−Ｓｎロウ材により接合する場合は、蓋体２に予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体１と蓋体２との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体２を基体１に取着することにより、収納容器Ａの内部に反応器６を封止する。
【００４３】
反応器６は、反応部７での化学反応の効率を高めるためにヒーター３を有してもよい。ヒーター３は、反応部７の温度調節機能のために反応器６の内部や表面部に、薄膜や厚膜また、金属細線を埋め込むことによって形成される。ヒーター３は、反応部７の近傍に配置されることにより、ヒーター３から発生する熱を効率的に化学反応に用いることができる。
【００４４】
またヒーター３は、発熱時の抵抗値を測定することよって、反応部７の温度を知るセンサーとしての機能を持たせることもできる。
【００４５】
リード端子５は、このヒーター３を発熱させるために反応器６と収納容器Ａの外部とを電気的に接続させる機能を有する。このリード端子５へ電力を供給し、ヒーター３を発熱させることによって、反応部７を必要な温度条件に調整することで、供給管４ａから供給される原料を反応させ、得られる反応生成物排出管４ｂから排出する。
【００４６】
リード端子５は、基体１および蓋体２や反応器６の熱膨張係数と同一または近似した金属を用いるのが好ましく、温度変化に対する熱歪の発生を防止する上で、さらにはリード端子５と基体１との良好な封着性を有し、実装時に必要な強度と良好なはんだ付性や溶接性を確保できる上で、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＳＵＳ等を用いることが好ましい。
【００４７】
放射熱防止板１０は、反応部７で発生する放射熱が隣接する反応部７へ伝達されるのを有効に抑制し、各反応部７での必要とされる適切な温度を良好に保つことができる。放射熱防止板１０は、特に限定されるものではなく、例えば、金属、セラミックス等の無機材料や高温耐熱を有する有機材料を基材に、切削法、エッチング法、プレス法等により形成される。
【００４８】
放射熱防止板１０は、反応器６における、反応部７と隣り合う別の反応部７との間の部位に接合されて載置される。接合は、ロウ付け、連続や単発の溶接、拡散接合、高温耐熱を有する有機接合材等により行われる。
【００４９】
好ましくは、反応器６が図１に示すように反応部７同士の間において、間隙を形成するようにくびれており、このくびれた部位に反射熱防止板１０が接合されているのがよい。これにより、隣接する反応部７同士の間で、反射熱防止板１０によって放射熱の伝導を抑制するだけでなく、くびれた部位によって反応器６自身を伝って伝道する熱をも有効に抑制できる。
【００５０】
放射熱防止板１０の表面は、反応部７で発生する放射熱を効果的に反射し、隣り合う別の反応部への熱の伝達を防止するために、反応部７の表面よりも高い熱反射率を有することが望ましい。このような構成により、隣接する反応部７同士の間で、反射熱防止板１０によって放射熱の伝導を抑制するとともに、反射熱防止板１０から反射された熱は再度、発生もとの反応部７にもどりやすくなり、反応部７の熱損失を低減できる。
【００５１】
このように放射熱防止板１０の表面の熱反射率を高くするには、放射熱防止板１０の材質を熱反射率の高いＦｅ-Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系、ＳＵＳ等の金属材料等を用いればよい。あるいは、放射熱防止板１０の表面に熱反射率の高い金属等の被膜を形成してもよい。また、放射熱防止板１０の表面を鏡面状に加工してもよい。
【００５２】
好ましくは、熱反射率を高めるとともに容易に熱反射率の高い表面を形成するという観点からは、放射熱防止板１０の表面にめっき処理や研磨処理が施されていることが好ましい。めっき処理は、Ａｕめっき、Ｎｉめっき等、研磨処理は電解研磨処理等が好ましい。
【００５３】
供給管４ａおよび排出管４ｂは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系，ＳＵＳ等の金属材料や、Ａｌ２Ｏ３質焼結体，３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ３Ｎ４質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料で形成されている。
【００５４】
そして、これらの供給管４ａおよび排出管４ｂは、基体１に形成した貫通孔（不図示）に挿通して接合される。この接合方法として、供給管４ａおよび排出管４ｂと基体１を構成する材料により、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−ＳｉやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の各種方法が適宜用いられる。
【００５５】
また、供給管４ａおよび排出管４ｂの内径はφ０．１ｍｍ以上として流体の圧力損失を抑えることが好ましい。
【００５６】
供給管４ａおよび排出管４ｂの接合部分の断面形状としては、通常は円形とすればよいが、これに限定されない。すなわち、円形の他には、楕円形や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる角状のもの、例えば、正方形，長方形が挙げられる。また、肉厚は物質供給や反応物質排出の圧力で変形しない厚みが必要であり、上記の材料から成る場合には、携帯機器等に使用するものでは通常は０．１ｍｍ以上であれば良い。また、流れ方向の長さは、反応器８で発生する熱を発電セルに伝えにくくするためには長い程よいが、反応装置システム全体の大きさを考慮した長さにすべきである。
【００５７】
次に、本発明の実施形態２について説明する。図２は本発明の実施形態２の反応器収納用容器およびこの反応器収納用容器を用いた反応装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００５８】
実施形態２において、実施形態１と同じ部位については図１と同じ符号を示しており、具体的な説明は実施形態１で説明したものと同じであるので省略する。Ａは収納容器、１は基体、２は蓋体、４ａは物質を供給する供給路としての供給管、４ｂは反応後の物質を排出する排出路としての排出管、５はリード端子、１０’は放射熱防止板であり、主にこれらで本発明の反応器収納用容器１２が構成される。
【００５９】
また、上記反応器収納用容器１２に反応器６’を、反応部７間に放射熱防止板１０’が位置するように収容することにより、本発明の反応装置１１’が構成される。
【００６０】
実施形態２の実施形態１と異なる点は、実施形態１では、放射熱防止板１０が反応器６に接合されているのに対し、実施形態２では、放射熱防止板１０’が反応器収納用容器１２に接合されている。よって、実施形態２では、収納する反応器６’は、複数の反応部を有する反応器を用いてもよく、実施形態１の放射熱防止板１０が接合された本発明の反応器６を用いてもよい。
【００６１】
そして、本発明の反応器収納用容器１２に接合された反射熱防止板１０’は、基体１に接合されていてもよく、蓋体２に接合されていてもよい。また、基体１と蓋体２の両方に接合されていてもよい。反応器収納用容器１２には、反応部７同士の間に反射熱防止板１０’が位置するように反応器６’が収納される。このような構成により、各反応部７で発生する放射熱が隣接する反応部７へ伝達されるのを放射熱防止板１０’で有効に抑制することができる。その結果、各反応部７での必要とされる適切な温度を良好に保つことができ、高い反応効率を有するとともに消費電力が小さい反応器収納用容器１２および反応装置１１’を提供することができる。
【００６２】
また、本発明の反応装置１１，１１’において、収納容器Ａの内部の圧力を１０Ｐａ以下とすることが好ましい。これにより、反応器６，６’からの放射熱によって基体１や蓋体２に熱が伝わるのを有効に防止することができる。収納容器Ａの内圧を１０Ｐａ以下にするために、反応器６，６’を封止する際、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内でのシームウェルド法で行なえば良い。また、ガス吸着材等（不図示）を用いて収納容器Ａの内圧を低減してもよい。
【００６３】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、図１，２に示した例においては、供給管４ａおよび排出管４ｂは反応器６，６’の側面に接合されているが、これらは反応器６，６’の仕様に応じて上面や下面に接合しても良い。また、リード端子５は反応器６，６’の下面に接合されているが、これらは反応器６，６’の仕様に応じて側面や上面に接合しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の反応器およびそれを用いた反応装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の反応器収納用容器およびそれを用いた反応装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
Ａ・・・・・・・・・収納容器
６，６’・・・・・・反応器
７・・・・・・・・・反応部
１０,１０’・・・・・放射熱防止板
１１，１１’・・・・反応装置
１２・・・・・・・・反応器収納用容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反応部を備えた反応器であって、前記反応部間に少なくとも一つの放射熱防止板を設けたことを特徴とする反応器。
【請求項２】
前記放射熱防止板が、前記反応部の表面よりも高い熱反射率を有することを特徴とする請求項１記載の反応器。
【請求項３】
前記放射熱防止板の表面にめっき処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の反応器。
【請求項４】
前記放射熱防止板の表面に電解研磨処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の反応器。
【請求項５】
前記反応部は、ヒーターによる加熱もしくは反応熱により発熱することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の反応器。
【請求項６】
複数の反応部を備えた反応器を収納するための収納容器を具備する反応器収納用容器であって、前記収納容器の内面に前記反応部間に配置される放射熱防止板を設けたことを特徴とする反応器収納用容器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の反応器を収納容器に気密に収納したことを特徴とする反応装置。
【請求項８】
請求項６記載の反応器収納用容器に、複数の反応部を備えた反応器を、前記反応部間に前記放射熱防止板が位置するように収納したことを特徴とする反応装置。
【請求項９】
前記収納容器の内部の圧力を１０Ｐａ以下としたことを特徴とする請求項７または請求項８記載の反応装置。
【請求項１】
複数の反応部を備えた反応器であって、前記反応部間に少なくとも一つの放射熱防止板を設けたことを特徴とする反応器。
【請求項２】
前記放射熱防止板が、前記反応部の表面よりも高い熱反射率を有することを特徴とする請求項１記載の反応器。
【請求項３】
前記放射熱防止板の表面にめっき処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の反応器。
【請求項４】
前記放射熱防止板の表面に電解研磨処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の反応器。
【請求項５】
前記反応部は、ヒーターによる加熱もしくは反応熱により発熱することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の反応器。
【請求項６】
複数の反応部を備えた反応器を収納するための収納容器を具備する反応器収納用容器であって、前記収納容器の内面に前記反応部間に配置される放射熱防止板を設けたことを特徴とする反応器収納用容器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の反応器を収納容器に気密に収納したことを特徴とする反応装置。
【請求項８】
請求項６記載の反応器収納用容器に、複数の反応部を備えた反応器を、前記反応部間に前記放射熱防止板が位置するように収納したことを特徴とする反応装置。
【請求項９】
前記収納容器の内部の圧力を１０Ｐａ以下としたことを特徴とする請求項７または請求項８記載の反応装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−２３８０８５（Ｐ２００８−２３８０８５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８３９３８（Ｐ２００７−８３９３８）
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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