JP2009018280A - 流路構造体、リアクタ及びリアクタを用いた反応方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各流路に流れる流体の流量を均一にしながら、各流路の形状の自由度を向上させる。
【解決手段】第１流路構造体１ａの各反応流路２は、第１原料流体が導入される第１導入路１０と、第２原料流体が導入される第２導入路１２と、第１導入路１０と第２導入路１２の下流側に繋がり、第１原料流体と第２原料流体を合流させるための合流部１４と、この合流部１４の下流側に繋がり、第１原料流体と第２原料流体を互いに反応させるための反応路１６とを含む。そして、各反応流路２の第２導入路１２の流路長がそれぞれ異なるとともに、この各第２導入路１２の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、その各第２導入路１２の流路長に応じて当該各第２導入路１２の各部の相当直径が設定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、流路構造体、リアクタ及びリアクタを用いた反応方法に関するものである。

従来、流体が導入される微小な流路を内部に有する流路構造体が知られている。例えば、下記の特許文献１には、そのような流路構造体を備えたリアクタが示されている。

この特許文献１に示されたリアクタでは、その流路構造体内に複数の微小な流路が並列で設けられており、各流路にその端部から第１原料流体と第２原料流体が導入されるように構成されている。そして、この第１原料流体と第２原料流体を各流路の出口側へ流通させながら互いに反応させることにより、所望の生成物が製造されるようになっている。
特表２００５−５２５２２９号公報

ところで、上記のように流路構造体に複数の流路を設ける場合には、各流路に流れる流体の流量を均一にすることが望まれる。例えば、特開昭６４−３４９６号公報に示されている熱交換器では、各流路の流路長を揃えて各流路の圧力損失を等しくすることにより、各流路に流れる流体の流量を均一にしている。

しかしながら、このように各流路の流路長を揃える場合には、各流路の形状が著しく制約を受け、流路の自由な設計が困難になるという問題点がある。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、各流路に流れる流体の流量を均一にしながら、各流路の形状の自由度を向上させることである。

上記目的を達成するために、この発明の流路構造体は、流体が導入される複数の流路を形成する流路構造体であって、前記複数の流路は、互いに流路長の異なる流路を含み、前記各流路の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるようにその各流路の流路長に応じて前記各流路の各部の相当直径が設定されている。

この流路構造体では、各流路の全体の圧力損失が等しくなるように各流路の流路長に応じて各流路の各部の相当直径が設定されているので、各流路がそれぞれ異なる流路長を有する場合でも、各流路に流れる流体の流量を均一にすることができる。そして、この流路構造体では、各流路の流路長に応じて各流路の各部の相当直径が設定されているため、各流路の流路長及び各流路の各部の相当直径の両方をそれぞれ適切に設定して各流路の全体の圧力損失を均等化し、各流路に流れる流体の流量を均一にすることができる。このため、各流路の流路長を揃えることによって各流路に流れる流体の流量を均一にする場合と比べて、各流路の形状の自由度を向上させることができる。従って、この流路構造体では、各流路に流れる流体の流量を均一にしながら、各流路の形状の自由度を向上させることができる。

上記流路構造体において、前記各流路は、所定の相当直径を有する小径部と、その小径部の相当直径よりも大きい相当直径を有する大径部とを含み、前記各流路の全体の圧力損失が均等化されるように、前記各流路の流路長に応じて前記小径部の長さと前記大径部の長さの比率が設定されているのが好ましい。

流路長の異なる各流路の圧力損失を均等化する場合には、各流路の全体の相当直径をその各流路の流路長に応じて適切に設定することにより各流路の圧力損失の均等化を図ることも考えられる。しかしながら、この場合には、各流路の流路長に応じて各流路の全体の相当直径を微小な範囲で徐々に変える必要があり、そのように全体の相当直径が微小に異なるように各流路を精度良く形成することは非常に困難である。これに対して、上記構成のように各流路の流路長に応じて小径部と大径部の長さの比率を変えることで各流路の圧力損失を均等化する場合には、各流路の全体の相当直径を微小に変える場合に比べて、各流路の形状の調整が容易となる。このため、上記構成によれば、各流路を全体の圧力損失がそれぞれ等しくなる形状に容易に形成することができる。

この場合において、前記各流路は、並列に配置されているとともに、同じ方向に屈曲しており、その屈曲した部分において前記各流路のうち外寄りに配置された流路は、内寄りに配置された流路に比べて大きい流路長を有し、前記屈曲した部分において前記各流路のうち外寄りに配置されたものほど、前記小径部の長さの比率が小さくなるように設定されているのが好ましい。

このように構成すれば、各流路が同方向に屈曲しているにもかかわらず、各流路の全体の圧力損失を均等化し、各流路に流れる流体の流量を均一にすることができるとともに、流路形状の自由度を向上することができる。

本発明によるリアクタは、第１原料流体と第２原料流体とを反応させるための複数の反応流路を形成する流路構造体を備えたリアクタであって、前記各反応流路は、前記第１原料流体が導入される第１導入路と、前記第２原料流体が導入される第２導入路と、前記第１導入路と前記第２導入路の下流側に繋がり、前記第１原料流体と前記第２原料流体を合流させるための合流部と、この合流部の下流側に繋がり、前記第１原料流体と前記第２原料流体を互いに反応させるための反応路とを含み、前記各反応流路の第１導入路からなるグループまたは前記各反応流路の第２導入路からなるグループのうち少なくとも一方のグループは、互いに流路長の異なる導入路を含み、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、その各導入路の流路長に応じて当該各導入路の各部の相当直径が設定されている。

このリアクタでは、各反応流路の第１導入路からなるグループまたは各反応流路の第２導入路からなるグループの少なくとも一方のグループが互いに流路長の異なる導入路を含む場合でも、この流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、その各導入路の流路長に応じて各導入路の各部の相当直径が設定されているので、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路に流れる原料流体の流量を均一にすることができる。そして、このリアクタでは、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路の流路長に応じてその各導入路の各部の相当直径が設定されているため、前記各導入路の流路長及び各部の相当直径の両方をそれぞれ適切に設定して前記各導入路の全体の圧力損失を均等化し、前記各導入路に流れる原料流体の流量を均一にすることができる。このため、各導入路の流路長を揃えることによって各導入路の流量を均一にする場合と比べて、流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路の形状の自由度を向上させることができる。従って、このリアクタでは、流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路に流れる原料流体の流量を均一にしながら、その各導入路の形状の自由度を向上させることができる。

この場合において、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路は、所定の相当直径を有する小径部と、その小径部の相当直径よりも大きい相当直径を有する大径部とを含み、前記各導入路の全体の圧力損失が均等化されるように、前記各導入路の流路長に応じて前記小径部の長さと前記大径部の長さの比率が設定されているのが好ましい。

流路長の異なる導入路の圧力損失を均等化する場合には、各導入路の全体の相当直径をその各導入路の流路長に応じて適切に設定することにより各導入路の圧力損失の均等化を図ることも考えられる。しかしながら、この場合には、各導入路の流路長に応じて各導入路の全体の相当直径を微小な範囲で徐々に変える必要があり、そのように全体の相当直径が微小に異なるように各導入路を精度良く形成することは非常に困難である。これに対して、上記構成のように各導入路の流路長に応じて小径部と大径部の長さの比率を変えることで各導入路の圧力損失を均等化する場合には、各導入路の全体の相当直径を微小に変える場合に比べて、各導入路の形状の調整が容易となる。このため、上記構成によれば、流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路を全体の圧力損失がそれぞれ等しくなる形状に容易に形成することができる。

さらにこの場合において、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路は、並列に配置されているとともに、同じ方向に屈曲しており、その屈曲した部分において前記各導入路のうち外寄りに配置された導入路は、内寄りに配置された導入路に比べて大きい流路長を有し、前記屈曲した部分において前記各導入路のうち外寄りに配置されたものほど、前記小径部の長さの比率が小さくなるように設定されているのが好ましい。

このように構成すれば、流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路が同方向に屈曲しているにもかかわらず、その各導入路の全体の圧力損失を均等化し、各導入路に流れる原料流体の流量を均一にすることができるとともに、各導入路の形状の自由度を向上することができる。

この場合において、前記各第１導入路と前記各第２導入路は、互いに異なる位置に導入口を有し、この導入口から互いに異なる方向へ延びるとともに、前記合流部に同じ方向から合流し、前記各第１導入路または前記各第２導入路のうち少なくとも一方の各導入路は、その延びる方向を他方の各導入路と同じ方向に変更するための屈曲部を有していてもよい。

このように構成すれば、各第１導入路と各第２導入路が互いに異なる位置に導入口を有する場合でも、各第１導入路または各第２導入路のうち少なくとも一方の延びる方向を屈曲部によって変更させることにより、これら各第１導入路と各第２導入路を同じ方向から合流部に合流させることができる。これにより、第１原料流体と第２原料流体を互いに異なる位置から互いに異なる方向へ流しながらも、これら両原料流体を互いに同じ方向に合流させることが可能なリアクタを構成することができる。

上記リアクタにおいて、互いに積層された複数の前記流路構造体を備えるのが好ましい。このように構成すれば、リアクタ全体での流路数をより増加させることができるので、反応生成物をより大量生産することができる。

また、本発明によるリアクタを用いた反応方法は、上記いずれかのリアクタを用いた反応方法であって、前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路に原料流体を層流となる条件で流すものである。

この反応方法のように異なる流路長を有する各導入路に原料流体を層流となる条件で流せば、各導入路の流路長と各導入路の各部の相当直径とが所定の関係を満たす条件下において、各導入路の全体の圧力損失が均等であれば各導入路に流れる原料流体の流量が均一になるという関係を成立させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、各流路に流れる流体の流量を均一にしながら、各流路の形状の自由度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるリアクタを構成する流路装置Ｓの斜視図であり、図２は、流路装置Ｓを構成する第１流路構造体１ａの第１導入路１０及び反応路１６に沿った断面図である。図３は、第１導入路１０のグループと、第２導入路１２のグループと、合流部１４のグループと、反応路１６のグループの位置関係を概略的に示した図である。図４は、第１流路構造体１ａの分解斜視図である。図５は、第１流路構造体１ａを構成する流路プレート４の表面側の平面図であり、図６は、図５中のＡ部の拡大図である。図７は、第１流路構造体１ａを構成する流路プレート４の裏面側の平面図であり、図８は、図７中のＢ部の拡大図である。図９は、流路プレート４の図５中のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。まず、図１〜図９を参照して、本発明の一実施形態によるリアクタ及びそのリアクタを構成する第１流路構造体１ａの構造について説明する。

本実施形態によるリアクタは、図１に示すような流路装置Ｓを備えている。この流路装置Ｓは、原料流体を流通させる複数の反応流路２を形成する第１流路構造体１ａと、熱媒を流通させる複数の熱媒流路３０を形成する第２流路構造体１ｂとが交互に積層されることによって構成されている。なお、この第１流路構造体１ａが本発明における流路構造体に対応するものである。

そして、本実施形態によるリアクタは、第１流路構造体１ａ内に設けられた複数の微小な反応流路２に第１原料流体と第２原料流体の２種類の原料流体を流通させながらこの両原料流体を互いに反応させることにより所定の反応生成物を製造するものである。

具体的には、第１流路構造体１ａは、図４に示すように流路プレート４と一対の封止プレート６，８とからなる。この一対の封止プレート６，８間に前記流路プレート４が挟み込まれた状態でこれら封止プレート６，８及び流路プレート４が一体化されることによって第１流路構造体１ａが構成されている。そして、第１流路構造体１ａ内には、前記複数の反応流路２が当該第１流路構造体１ａの幅方向に等間隔で配設されている。各反応流路２は、第１原料流体が導入される第１導入路１０と、第２原料流体が導入される第２導入路１２と、第１導入路１０と第２導入路１２の下流側に繋がり、第１原料流体と第２原料流体とを合流させる合流部１４と、この合流部１４の下流側に繋がり、第１原料流体と第２原料流体とを互いに反応させるための反応路１６とによって構成されている。

前記各反応流路２は、流路プレート４に形成された溝部の開口が封止されることによって形成されている。すなわち、図５及び図６に示すように、複数の第１導入溝１８が流路プレート４の表面に開口するように形成されている一方、図７及び図８に示すように、複数の第２導入溝２０及び複数の反応溝２２が流路プレート４の裏面に開口するように形成されている。前記各第２導入溝２０は、後述する小径部１２ｅを構成する小径溝２０ａと、その小径溝２０ａよりも大きい幅を有し、後述する大径部１２ｆを構成する大径溝２０ｂとからなる。また、前記第１導入溝１８の下流側端部及び前記第２導入溝２０の下流側端部と、反応溝２２の上流側端部とを繋ぐ位置に流路プレート４を厚み方向に貫通する貫通孔２４が形成されている。

そして、図２に示すように流路プレート４の表面に前記封止プレート６が重ねられて第１導入溝１８の開口が封止されることにより、前記第１導入路１０が形成されている。一方、流路プレート４の裏面に前記封止プレート８が重ねられて第２導入溝２０の開口が封止されることにより、前記第２導入路１２が形成されているとともに、反応溝２２の開口が封止されることにより、前記反応路１６が形成されている。また、前記貫通孔２４の両開口が前記封止プレート６，８によって封止されることにより前記合流部１４が形成されている。

そして、第１流路構造体１ａにおいて、各反応流路２の第１導入路１０からなるグループと、各反応流路２の第２導入路１２からなるグループと、各反応流路２の合流部１４からなるグループと、各反応流路２の反応路１６からなるグループは、図３に示すような位置関係でそれぞれ配置されている。

各第１導入路１０は、第１流路構造体１ａの長手方向の一方端部からその長手方向に第１原料流体を流して各合流部１４に流入させる。各第２導入路１２は、第１流路構造体１ａの幅方向の一方端部からその幅方向に第２原料流体を流した後、途中で流通方向を９０°変更させて第２原料流体を前記第１原料流体と同じ第１流路構造体１ａの長手方向に流し、その第２原料流体を各合流部１４で前記第１原料流体に同方向から合流させる。そして、各反応路１６は、各合流部１４で合流した第１原料流体と第２原料流体を第１流路構造体１ａの長手方向に直線的に流しながら互いに反応させる。

具体的には、前記各第１導入路１０は、第１流路構造体１ａの長手方向の一方端部に導入口１０ａを有している。そして、各第１導入路１０は、その導入口１０ａから第１流路構造体１ａの長手方向に直線的に延び、対応する各合流部１４に繋がっている。各第１導入路１０の導入口１０ａには図略の原料供給部が接続され、その原料供給部から第１原料流体が各第１導入路１０に配分されて導入される。各第１導入路１０は、半円状の断面形状を有しているとともに、その全長にわたって一定の相当直径を有している。

そして、各第１導入路１０は、第１流路構造体１ａの幅方向に等間隔で並列配置されており、これら各第１導入路１０は、それぞれ等しい流路長及び等しい相当直径を有している。これにより、各第１導入路１０の全体の圧力損失が均等化されている。そして、各第１導入路１０の全体の圧力損失が均等化されることによって、前記原料供給部から各第１導入路１０に配分されて流れる第１原料流体の流量が均一化されている。

前記各第２導入路１２は、第１流路構造体１ａの幅方向の一方端部に導入口１２ａを有している。各第２導入路１２の導入口１２ａには、前記第１原料流体を供給する原料供給部とは別の図略の原料供給部が接続され、その原料供給部から第２原料流体が各第２導入路１２に配分されて導入される。

そして、各第２導入路１２は、図８に示すように、前記導入口１２ａから第１流路構造体１ａの幅方向、すなわち前記各第１導入路１０と直交する方向に直線的に延びる第１直線部１２ｂと、第１流路構造体１ａの長手方向、すなわち前記各第１導入路１０に沿って直線的に延び、対応する前記各合流部１４に繋がる第２直線部１２ｃと、これら両部分の間で前記各第１導入路１０に直交する方向から前記各第１導入路１０と同じ方向に導入路の方向を変更するための屈曲部１２ｄとを有する。すなわち、各第２導入路１２は、前記各第１導入路１０の導入口１０ａと異なる位置に導入口１２ａを有し、その導入口１２ａから前記各第１導入路１０と異なる方向に延びた後、屈曲部１２ｄによって方向が変更され、前記各第１導入路１０と同じ方向から対応する各合流部１４に合流している。

また、各第２導入路１２は、それぞれ流路長が異なっている。具体的には、各第２導入路１２は、第１流路構造体１ａの幅方向に等間隔で並列配置されているとともに、屈曲部１２ｄによって同じ方向に屈曲している。この各第２導入路１２の屈曲部１２ｄにおいて外寄りに配置された第２導入路１２は、内寄りに配置された第２導入路１２に比べて大きい流路長を有している。すなわち、各第２導入路１２の屈曲部１２ｄにおいて外寄りに配置された第２導入路１２ほど、流路長が増加するようになっている。

そして、本実施形態では、流路長の異なる各第２導入路１２の各部の相当直径が、各第２導入路１２の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるようにその各第２導入路１２の流路長に応じて設定されている。

具体的には、各第２導入路１２は、所定の相当直径を有する小径部１２ｅと、この小径部１２ｅよりも大きい相当直径を有する大径部１２ｆとによって構成されている。前記小径部１２ｅは、半円状の断面形状を有しており、この小径部１２ｅは、前記第１直線部１２ｂと、前記屈曲部１２ｄと、前記第２直線部１２ｃのうち前記屈曲部１２ｄ側から所定の長さの部分に相当する。前記大径部１２ｆは、半円状の断面形状を有しており、前記第２直線部１２ｃのうち前記小径部１２ｅ以外の部分に相当する。そして、小径部１２ｅと大径部１２ｆの接続部は、各第２導入路１２の屈曲部１２ｄにおいて外寄りに配置された第２導入路１２から内寄りに配置された第２導入路１２へ移るに従って前記合流部１４側へ徐々に移行するように配置されている。

各第２導入路１２の全体の圧力損失は、その第２導入路１２を構成する小径部１２ｅの圧力損失と大径部１２ｆの圧力損失との和によって求められる。すなわち、小径部１２ｅと大径部１２ｆの長さの比率に応じて各第２導入路１２の全体の圧力損失が変化する。そして、本実施形態では、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等化されるように、各第２導入路１２の流路長に応じて小径部１２ｅの長さと大径部１２ｆの長さの比率が設定されている。

具体的には、小径部１２ｅは、大径部１２ｆに比べて相当直径が小さいことに起因して、小径部１２ｅの圧力損失は、大径部１２ｆの圧力損失よりも大きくなっている。また、上記したように各第２導入路１２の屈曲部１２ｄにおいて外寄りに配置された第２導入路１２ほど大きい流路長を有しているため、その流路長に比例して前記外寄りに配置された第２導入路１２ほど圧力損失が大きくなる。そこで、本実施形態では、各第２導入路１２の屈曲部１２ｄにおいて外寄りに配置された第２導入路１２ほど、圧力損失の大きい前記小径部１２ｅの長さの比率を小さくすることによって、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等化されている。そして、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等化されることによって、各第２導入路１２を流れる第２原料流体の流量が均一化されている。

そして、各第２導入路１２の小径部１２ｅと大径部１２ｆの形状は、以下の原理に基づいて設定されている。

すなわち、流路内を流れる流体の圧力損失Δｐは、一般的に、以下のファニングの式で求められる。

Δｐ＝４ｆ（ρｖ^２／２）（Ｌ／Ｄ）・・・（１）
ただし、この式（１）において、ｆは流体摩擦係数、ρは流体の密度、ｖは流体の流速、Ｌは流路の流路長、Ｄは流路の相当直径をそれぞれ表す。

また、流体の乱れの状態を表すレイノルズ数Ｒｅは、以下の式（２）で表される。

Ｒｅ＝ρｖＤ／μ・・・（２）
ただし、この式（２）において、μは流体の粘性係数を表す。

そして、後述するように前記各第２導入路１２には第２原料流体を層流域にある状態で流す。流体の流れが層流域にあるのは、レイノルズ数ＲｅがＲｅ＜２１００の範囲にある場合であり、この場合には、流体摩擦係数ｆが次式（３）のように表される。

ｆ＝１６／Ｒｅ・・・（３）
この式（３）と上記式（２）を用いて上記式（１）を式変形することにより、流体の流れが層流域にあるときの流路内を流れる流体の圧力損失Δｐは、以下の式（４）のように表される。

Δｐ＝３２μ（Ｌ／Ｄ^２）ｖ・・・（４）
ここで、流体の流速ｖは、流路内を流れる流体の流量Ｆと流路の相当直径Ｄを用いて次式（５）のように表せる。

ｖ＝Ｆ／Ｄ^２・・・（５）
この式（５）を用いて上記式（４）は、以下の式（６）のように表せる。

Δｐ＝３２μ（Ｌ／Ｄ^４）Ｆ・・・（６）

そして、前記第２導入路１２の全体の圧力損失をΔｐ_１とすると、この圧力損失Δｐ_１は、その第２導入路１２を構成する小径部１２ｅの圧力損失Δｐ_２と大径部１２ｆの圧力損失Δｐ_３の和であるので、小径部１２ｅの流路長をＬ_２、相当直径をＤ_２とし、大径部１２ｆの流路長をＬ_３、相当直径をＤ_３とすれば、第２導入路１２の全体の圧力損失Δｐ_１は次式（７）のように表される。

Δｐ_１＝Δｐ_２＋Δｐ_３＝３２μＦ（Ｌ_２／Ｄ_２ ^４＋Ｌ_３／Ｄ_３ ^４）・・・（７）
この式（７）において、流体の粘性係数μは定数であるので、Ｌ_２／Ｄ_２ ^４＋Ｌ_３／Ｄ_３ ^４の値が一定であれば、第２導入路１２の全体の圧力損失Δｐ_１は、第２原料流体の流量Ｆに正比例した値となる。すなわち、Ｌ_２／Ｄ_２ ^４＋Ｌ_３／Ｄ_３ ^４の値が一定であれば、各第２導入路１２の全体の圧力損失Δｐ_１が等しいとき各第２導入路１２を流れる第２原料流体の流量Ｆが均等になるという関係が成り立つ。

そこで、本実施形態では、各第２導入路１２の小径部１２ｅの相当直径Ｄ_２が等しく、かつ、各第２導入路１２の大径部１２ｆの相当直径Ｄ_３が等しいという条件下で、各第２導入路１２においてＬ_２／Ｄ_２ ^４＋Ｌ_３／Ｄ_３ ^４の値が一定となるように小径部１２ｅの流路長Ｌ_２と大径部１２ｆの流路長Ｌ_３の比率が設定されている。

前記各合流部１４は、対応する前記第１導入路１０及び前記第２導入路１２の下流側に連続して設けられているとともに、その第１導入路１０及び第２導入路１２の第２直線部１２ｃと同方向に直線的に延びている。この合流部１４は、第１導入路１０を通過した第１原料流体と第２導入路１２を通過した第２原料流体とを第１流路構造体１ａの長手方向に流しながら合流させる。そして、各合流部１４は、図８に示すように、２つの半円が円弧の頂点近傍で互いに結合したような断面形状を有するとともに、前記第１導入路１０及び前記第２導入路１２の相当直径よりも大きい相当直径を有する。

前記各反応路１６は、対応する前記合流部１４の下流側に連続して設けられているとともに、その合流部１４と同方向、すなわち第１流路構造体１ａの長手方向に直線的に延びている。この各反応路１６は、合流部１４で合流させた第１原料流体と第２原料流体を第１流路構造体１ａの長手方向に流しながら互いに反応させる。そして、各反応路１６は、等しい流路長を有している。また、各反応路１６は、半円状の断面形状を有するとともに、前記第２導入路１２の大径部１２ｆの相当直径よりも大きい相当直径を有する。

前記第２流路構造体１ｂは、上記したように熱媒を流通させる複数の熱媒流路３０を形成するものであり、この第２流路構造体１ｂは、熱媒用流路プレート２６と、その熱媒用流路プレート２６の表面上に積層された封止プレート２８とによって構成されている。前記複数の熱媒流路３０は、図１に示すように、第２流路構造体１ｂ内において当該第２流路構造体１ｂの幅方向に等間隔で配設されている。各熱媒流路３０は、前記第１流路構造体１ａの各第１導入路１０、各第２導入路１２の第２直線部１２ｃ、各合流部１４及び各反応路１６に対応する位置にそれら各部と同方向に直線的に延びるように設けられている。そして、熱媒用流路プレート２６の表面に開口するように複数の溝部３２が形成されており、この溝部３２の開口が封止プレート２８で封止されることによって前記熱媒流路３０が形成されている。なお、前記封止プレート２８は、第１流路構造体１ａを構成する封止プレート８と兼用されている。

そして、第２流路構造体１ｂの熱媒流路３０に図略の熱媒供給部から熱媒が流されることによって、その熱媒と前記第１流路構造体１ａの反応路１６を流れる第１原料流体及び第２原料流体との熱交換が行われ、反応路１６における第１原料流体と第２原料流体の反応が促進されるようになっている。

次に、本実施形態によるリアクタを用いた反応方法について説明する。

本実施形態によるリアクタを用いた反応方法では、まず、原料供給部から第１原料流体を各反応流路２の第１導入路１０に導入するとともに、前記原料供給部とは別の原料供給部から第２原料流体を各反応流路２の第２導入路１２に導入する。この際、第１原料流体を第１導入路１０に層流となる条件で流すとともに、第２原料流体を第２導入路１２に層流となる条件で流す。第１原料流体は、各第１導入路１０の全体の圧力損失が均等化されていることに起因して、各第１導入路１０に均一の流量で配分されて流れる。また、第２原料流体は、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等化されていることに起因して、各第２導入路１２に均一の流量で配分されて流れる。

そして、第１導入路１０を通過した第１原料流体と、第２導入路１２を通過した第２原料流体とが合流部１４で合流し、この合流した第１原料流体と第２原料流体が合流部１４から反応路１６へ流れるとともに互いに反応することにより所定の反応生成物が製造される。

以上説明したように、本実施形態では、各反応流路２の第２導入路１２の流路長がそれぞれ異なる場合でも、この各第２導入路１２の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるようにその各第２導入路１２の流路長に応じて各第２導入路１２の各部の相当直径が設定されているので、異なる流路長を有する各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量を均一にすることができる。

さらに本実施形態では、流路長の異なる各第２導入路１２の流路長に応じて各第２導入路１２の各部の相当直径が設定されているため、各第２導入路１２の流路長及び各第２導入路１２の各部の相当直径の両方をそれぞれ適切に設定して各第２導入路１２の全体の圧力損失を均等化し、各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量を均一にすることができる。このため、各第２導入路１２の流路長を揃えることによって各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量を均一にする場合と比べて、各第２導入路１２の形状の自由度を向上させることができる。従って、本実施形態では、流路長の異なる各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量を均一にしながら、その各第２導入路１２の形状の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、各第２導入路１２の流路長に応じて小径部１２ｅと大径部１２ｆの長さの比率を変えることにより、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等化されているので、各第２導入路１２の全体の相当直径を微小に変えることで各第２導入路１２の全体の圧力損失を均等化する場合に比べて、各第２導入路１２の形状の調整が容易となる。このため、流路長の異なる各第２導入路１２を全体の圧力損失がそれぞれ等しくなる形状に容易に形成することができる。

また、本実施形態では、各第２導入路１２が屈曲部１２ｄにおいて同じ方向に屈曲しているとともに、その屈曲部１２ｄにおいて各第２導入路１２のうち外寄りに配置されたものほど、小径部１２ｅの長さの比率が小さくなるように設定されている。このため、各第２導入路１２が同方向に屈曲しているにもかかわらず、その各第２導入路１２の全体の圧力損失を均等化し、各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量を均一にすることができるとともに、各第２導入路１２の形状の自由度を向上することができる。

また、本実施形態では、互いに異なる位置に設けられた導入口１０ａと導入口１２ａから各第１導入路１０と各第２導入路１２が互いに異なる方向へ延びるとともに、各第２導入路１２に設けられた屈曲部１２ｄが第２導入路１２の延びる方向を対応する第１導入路１０と同じ方向に変更しているので、各第１導入路１０と各第２導入路１２が互いに異なる位置に導入口１０ａ（１２ａ）を有する場合でも、これら各第１導入路１０と各第２導入路１２を同じ方向から合流部１４に合流させることができる。これにより、第１原料流体と第２原料流体を互いに異なる位置から互いに異なる方向へ流しながらも、これら両原料流体を互いに同じ方向に合流させることができる。

また、本実施形態のリアクタは、互いに積層された複数の第１流路構造体１ａを備えるので、リアクタ全体での流路数をより増加させることができ、反応生成物をより大量生産することができる。

また、本実施形態では、第２原料流体を各第２導入路１２に層流となる条件で流すので、各第２導入路１２の小径部１２ｅの流路長及び相当直径と大径部１２ｆの流路長及び相当直径とが所定の関係を満たす条件下において、各第２導入路１２の全体の圧力損失が均等であれば各第２導入路１２に流れる第２原料流体の流量が均一になるという関係を成立させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均一の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

すなわち、第１導入路、第２導入路、合流部及び反応路の形状及び配置は、上記実施形態で示したものに限らず、上記以外の種々の構成で第１導入路、第２導入路、合流部及び反応路を配置してもよい。

例えば、図１０及び図１１に示す上記実施形態の第１変形例のように流路プレート３４の表面側に第１導入路３６と第２導入路３８を両方とも設けるとともに、流路プレート３４の裏面側に反応路４０を設け、前記第１導入路３６の下流側端部と前記第２導入路３８の下流側端部と前記反応路４０の上流側端部とを繋ぐように合流部４２を設けてもよい。

具体的には、図１０にこの第１変形例による流路プレート３４の表面の構造が示されており、図１１にその流路プレート３４の裏面の構造が示されている。

この第１変形例では、流路プレート３４の表面に複数の第１導入路３６を構成する複数の第１導入溝４４と、複数の第２導入路３８を構成する複数の第２導入溝４６とが形成されている。また、流路プレート３４の裏面には、複数の反応路４０を構成する複数の反応溝４８が形成されている。そして、各第１導入溝４４の下流側端部及び各第２導入溝４６の下流側端部と、各反応溝４８の上流側端部とを繋ぐように合流部４２を構成する貫通孔５０が設けられている。この貫通孔５０は、流路プレート３４を厚み方向に貫通するように形成されている。

そして、流路プレート３４の表面が図略の封止プレートで覆われることにより、第１導入溝４４の開口及び第２導入溝４６の開口が封止されて第１導入路３６及び第２導入路３８が形成されている。一方、流路プレート３４の裏面が図略の封止プレートで覆われることによって反応溝４８の開口が封止されて反応路４０が形成されている。また、前記貫通孔５０の両開口が前記両封止プレートで封止されることにより合流部４２が形成されている。

各第１導入路３６の導入口３６ａ及び各第２導入路３８の導入口３８ａは、共に第１流路構造体１ａ（図１参照）の長手方向の一方端部に設けられている。そして、各第１導入路３６は、その導入口３６ａから第１流路構造体１ａの長手方向に直線的に延びる第１直線部３６ｂと、第１流路構造体１ａの幅方向に直線的に延び、対応する合流部４２に繋がる第２直線部３６ｃと、これら両直線部３６ｂ，３６ｃ間で第１流路構造体１ａの長手方向から幅方向に導入路の方向を変更するための屈曲部３６ｄとを有する。また、各第１導入路３６は、所定の相当直径を有する小径部３６ｅと、その小径部３６ｅよりも大きい相当直径を有する大径部３６ｆとからなる。小径部３６ｅは、前記第１直線部３６ｂと、前記屈曲部３６ｄと、前記第２直線部３６ｃのうち前記屈曲部３６ｄ側から所定の長さの部分を構成し、大径部３６ｆは、前記第２直線部３６ｃのうち前記小径部３６ｅ以外の部分を構成する。

そして、各第１導入路３６は、上記実施形態の第２導入路１２と同様、その屈曲部３６ｄにおいて外寄りに配置されたものほど、小径部３６ｅの長さの比率が小さくなるように構成されている。これによって、流路長の異なる各第１導入路３６の全体の圧力損失が均等化されるとともに、各第１導入路３６を流れる第１原料流体の流量が均一化されている。

そして、各第２導入路３８は、流路プレート３４の幅方向の中心線に対して前記各第１導入路３６を反転させた構造を有している。すなわち、各第２導入路３８は、前記第１直線部３６ｂ、前記第２直線部３６ｃ及び前記屈曲部３６ｄに対応する第１直線部３８ｂ、第２直線部３８ｃ及び屈曲部３８ｄを有する。また、各第２導入路３８は、所定の相当直径を有する小径部３８ｅと、その小径部３８ｅよりも大きい相当直径を有する大径部３８ｆとからなり、前記屈曲部３８ｄにおいて外寄りに配置されたものほど、小径部３８ｅの長さの比率が小さくなるように構成されている。これによって、流路長の異なる各第２導入路３８の全体の圧力損失が均等化されるとともに、各第２導入路３８を流れる第２原料流体の流量が均一化されている。

そして、各第１導入路３６と各第２導入路３８は、対応する合流部４２に互いに反対側から合流している。各合流部４２は、第１流路構造体１ａの幅方向の中心位置に設けられている。すなわち、この第１変形例では、第１流路構造体１ａの長手方向の一方端部の導入口３６ａから各第１導入路３６に導入された第１原料流体と、第１流路構造体１ａの同端部の導入口３８ａから各第２導入路３８に導入された第２原料流体が、共に第１流路構造体１ａの長手方向に流れた後、第１流路構造体１ａの幅方向内側へ互いに接近するように流れ、第１流路構造体１ａの幅方向の中心位置にある合流部４２で合流するようになっている。

そして、各合流部４２に繋がるように流路プレート３４の裏面側に各反応路４０が設けられている。従って、前記各合流部４２で合流した第１原料流体と第２原料流体は、その合流部４２を通って流路プレート３４の裏面側の各反応路４０へ抜け、この各反応路４０を流通しながら互いに反応するようになっている。そして、各反応路４０は、複数回屈曲しながら延びており、その導出口４０ａが第１流路構造体１ａの幅方向の側面に設けられている。各反応路４０は、その流路長が等しくなるように構成されている。これにより、各反応路４０の圧力損失が均等化されるとともに、各反応路４０の流量が均一化されている。

この第１変形例では、流路長の異なる各第１導入路３６の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、各第１導入路３６の流路長に応じて小径部３６ｅと大径部３６ｆの長さの比率が設定されているとともに、流路長の異なる各第２導入路３８の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、各第２導入路３８の流路長に応じて小径部３８ｅと大径部３８ｆの長さの比率が設定されているので、上記実施形態と同様の原理により、各第１導入路３６に流れる第１原料流体の流量を均一にしながら、その各第１導入路３６の形状の自由度を向上させることができるとともに、各第２導入路３８に流れる第２原料流体の流量を均一にしながら、その各第２導入路３８の形状の自由度を向上させることができる。

この第１変形例における各第１導入路３６及び各第２導入路３８に関する上記以外の効果は、上記実施形態における第２導入路１２に関する効果と同様である。

また、この第１変形例の構成に限らず、各第１導入路３６または各第２導入路３８のいずれか一方の各導入路を第１流路構造体１ａの側端部から幅方向に直線的に延びるように構成し、屈曲して延びる他方の各導入路と合流部４２で合流させるようにしてもよい。この場合、第１流路構造体１ａの幅方向の側端部から直線的に延びる各導入路は、全長にわたって相当直径が均一となるように形成する。

また、上記実施形態では、流路プレート４の表面側に設けた各第１導入路１０を第１流路構造体１ａの長手方向に直線的に延びるように形成するとともに、流路プレート４の裏面側に設けた各第２導入路１２を屈曲した形状に形成したが、この構成に限らず、前記各第１導入路１０を前記各第２導入路１２と同様に屈曲した形状に形成するとともに、小径部と大径部とによって構成してもよい。

また、上記実施形態では、第１導入路１０と第２導入路１２を合流部１４で合流させる形態の第１流路構造体１ａを例にとって説明したが、本発明はこの構成に限らない。すなわち、１つの導入路から他の導入路と合流することなく延びる流路を形成する流路構造体にも本発明を適用することができる。例えば、この形態の一例として図１２に上記実施形態の第２変形例による流路構造体６１が示されている。

この第２変形例による流路構造体６１は、流路プレート６４と封止プレート６６とからなり、流路プレート６４の裏面側にのみ複数の流路６８が設けられている。各流路６８の導入口６８ａは、流路構造体６１の幅方向の一方端部に設けられている。そして、各流路６８は、図１３に示すように第１直線部６８ｂと、第２直線部６８ｃと、屈曲部６８ｄとを有する。第１直線部６８ｂは、導入口６８ａから流路構造体６１の幅方向に直線的に延びる部分であり、第２直線部６８ｃは、流路構造体６１の長手方向に直線的に延びる部分である。そして、屈曲部６８ｄは、第１直線部６８ｂと第２直線部６８ｃとの間で流路構造体６１の幅方向から長手方向に流路６８の方向を変更するための部分である。

また、各流路６８は、所定の相当直径を有する小径部６８ｅと、その小径部６８ｅよりも大きい相当直径を有する大径部６８ｆとからなる。小径部６８ｅは、前記第１直線部６８ｂと、前記屈曲部６８ｄと、前記第２直線部６８ｃのうち前記屈曲部６８ｄ側から所定の長さの部分を構成し、大径部６８ｆは、前記第２直線部６８ｃのうち前記小径部６８ｅ以外の部分を構成する。

各流路６８の小径部６８ｅは、上記実施形態の各第２導入路１２の小径部１２ｅと同様の構造を有している。各流路６８の大径部６８ｆは、上記実施形態の各第２導入路１２の大径部１２ｆをそのまま下流側に流路構造体６１の端部まで直線的に延ばした構造を有している。そして、この第２変形例においても、上記実施形態と同様、各流路６８の屈曲部６８ｄにおいて外寄りに配置された流路６８ほど、小径部６８ｅの長さの比率が小さくなっており、それによって流路長の異なる各流路６８の全体の圧力損失が均等化されている。

この第２変形例による流路構造体６１の上記以外の構成は、上記実施形態による第１流路構造体１ａの構成と同様である。

この第２変形例では、流路長の異なる各流路６８の全体の圧力損失が等しくなるように各流路６８の流路長に応じて小径部６８ｅと大径部６８ｆの長さの比率が設定されており、上記実施形態と同様の原理により、各流路６８に流れる流体の流量を均一にしながら、その各流路６８の形状の自由度を向上させることができる。

この第２変形例における各流路６８に関する上記以外の効果は、上記実施形態における第２導入路１２に関する効果と同様である。

また、上記実施形態では、リアクタに本発明を適用した例について説明したが、本発明はこの構成に限らない。すなわち、リアクタ以外の流体を扱う各種装置、例えば、熱交換器等に本発明の流路構造体を用いてもよい。この熱交換器の場合には、上記第２変形例による流路構造体６１を適用すればよい。

本発明の第１実施形態によるリアクタを構成する流路装置の斜視図である。 図１に示した流路装置を構成する第１流路構造体の第１導入路及び反応路に沿った断面図である。 第１流路構造体における第１導入路のグループと、第２導入路のグループと、合流部のグループと、反応路のグループの位置関係を概略的に示した図である。 第１流路構造体の分解斜視図である。 図４に示した第１流路構造体を構成する流路プレートの表面側の平面図である。 図５中のＡ部の拡大図である。 図４に示した第１流路構造体を構成する流路プレートの裏面側の平面図である。 図７中のＢ部の拡大図である。 流路プレートの図５中のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例による流路プレートの表面側の平面図である。 図１０に示した第１変形例による流路プレートの裏面側の平面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例による流路構造体の斜視図である。 図１２に示した第２変形例による流路構造体における流路の構造を示した平面図である。

符号の説明

１ａ 第１流路構造体（流路構造体）
２ 反応流路
１０、３６ 第１導入路
１０ａ、３６ａ 導入口
１２、３８ 第２導入路
１２ａ、３８ａ 導入口
１２ｄ、３６ｄ、３８ｄ 屈曲部
１２ｅ、３６ｅ、３８ｅ 小径部
１２ｆ、３６ｆ、３８ｆ 大径部
１４、４２ 合流部
１６、４０ 反応路
６１ 流路構造体
６８ 流路
６８ｄ 屈曲部
６８ｅ 小径部
６８ｆ 大径部

Claims (9)

1. 流体が導入される複数の流路を形成する流路構造体であって、
   前記複数の流路は、互いに流路長の異なる流路を含み、
   前記各流路の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるようにその各流路の流路長に応じて前記各流路の各部の相当直径が設定されている、流路構造体。
2. 前記各流路は、所定の相当直径を有する小径部と、その小径部の相当直径よりも大きい相当直径を有する大径部とを含み、
   前記各流路の全体の圧力損失が均等化されるように、前記各流路の流路長に応じて前記小径部の長さと前記大径部の長さの比率が設定されている、請求項１に記載の流路構造体。
3. 前記各流路は、並列に配置されているとともに、同じ方向に屈曲しており、
   その屈曲した部分において前記各流路のうち外寄りに配置された流路は、内寄りに配置された流路に比べて大きい流路長を有し、
   前記屈曲した部分において前記各流路のうち外寄りに配置されたものほど、前記小径部の長さの比率が小さくなるように設定されている、請求項２に記載の流路構造体。
4. 第１原料流体と第２原料流体とを反応させるための複数の反応流路を形成する流路構造体を備えたリアクタであって、
   前記各反応流路は、前記第１原料流体が導入される第１導入路と、前記第２原料流体が導入される第２導入路と、前記第１導入路と前記第２導入路の下流側に繋がり、前記第１原料流体と前記第２原料流体を合流させるための合流部と、この合流部の下流側に繋がり、前記第１原料流体と前記第２原料流体を互いに反応させるための反応路とを含み、
   前記各反応流路の第１導入路からなるグループまたは前記各反応流路の第２導入路からなるグループのうち少なくとも一方のグループは、互いに流路長の異なる導入路を含み、
   前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路の全体の圧力損失がそれぞれ等しくなるように、その各導入路の流路長に応じて当該各導入路の各部の相当直径が設定されている、リアクタ。
5. 前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路は、所定の相当直径を有する小径部と、その小径部の相当直径よりも大きい相当直径を有する大径部とを含み、
   前記各導入路の全体の圧力損失が均等化されるように、前記各導入路の流路長に応じて前記小径部の長さと前記大径部の長さの比率が設定されている、請求項４に記載のリアクタ。
6. 前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路は、並列に配置されているとともに、同じ方向に屈曲しており、
   その屈曲した部分において前記各導入路のうち外寄りに配置された導入路は、内寄りに配置された導入路に比べて大きい流路長を有し、
   前記屈曲した部分において前記各導入路のうち外寄りに配置されたものほど、前記小径部の長さの比率が小さくなるように設定されている、請求項５に記載のリアクタ。
7. 前記各第１導入路と前記各第２導入路は、互いに異なる位置に導入口を有し、この導入口から互いに異なる方向へ延びるとともに、前記合流部に同じ方向から合流し、
   前記各第１導入路または前記各第２導入路のうち少なくとも一方の各導入路は、その延びる方向を他方の各導入路と同じ方向に変更するための屈曲部を有する、請求項６に記載のリアクタ。
8. 互いに積層された複数の前記流路構造体を備える、請求項４〜７のいずれか１項に記載のリアクタ。
9. 請求項４〜８のいずれか１項に記載のリアクタを用いた反応方法であって、
   前記流路長の異なる導入路を含むグループの各導入路に原料流体を層流となる条件で流す、リアクタを用いた反応方法。