JP2009202071A

JP2009202071A - 反応装置

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Publication number: JP2009202071A
Application number: JP2008045526A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Miyao; 貴幸宮尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】消費電力が小さく、かつ小型の反応装置を提供すること。
【解決手段】外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部２と第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部３と、第一の反応部および第二の反応部を収容する収容容器４とを備え、第一の反応部２は、少なくとも一部が第二の反応部３に対向しているとともに、第一の反応部２における第二の反応部３に対向する表面に、所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層５が設けられた反応装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給された流体に反応を施して排出する反応装置に関するものである。

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。すなわち、マイクロな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。特に、マイクロ化学プラントは従来の工業的物質生産の方式を変革するものとして、化学産業だけでなく関連する医療、製薬、バイオ関連、食品産業などからも大きな期待が寄せられている。

マイクロ化学システムにおいては、最適な温度環境下にて化学反応が生じる反応部から反応部を収納する収容容器への放熱を低減し、システムの小型化と熱効率を向上させた反応装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この反応装置では、収容容器の外壁を２重構造にして真空容器を構成する、あるいは２重構造にした内外壁間に断熱材を充填することにより、反応部の熱が外部へ伝導して反応部の温度が低下するのを抑制している。
特開２００３−２６０２号公報

しかし、携帯機器などの電子機器内に反応装置を収納するためには、更に小型化、低背化することが求められる。このような状況で、従来のように収容部の外壁を２重構造にすることは、反応装置全体が複雑化して大型化するため、携帯機器内に収納するのが困難であるという問題点を有していた。

また、反応部において化学反応を施す流体に対して、あらかじめ気化等の反応を施す場合、そのような反応を施すための熱を別途供給する必要があり、反応装置自体の消費電力が大きくなるという問題点を有していた。

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、消費電力が小さく、かつ小型の反応装置を提供することにある。

本発明の反応装置は、外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部および前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに、前記第一の反応部における前記第二の反応部に対向する表面に、所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層が設けられたことを特徴とする。
本発明の反応装置において、好ましくは、前記吸着層は、黒色であることを特徴とする。

本発明の反応装置において、好ましくは、前記第一の反応部は、前記第二の反応部に対向する部分において、少なくとも１つの屈曲部を有することを特徴とする。本発明の反応装置において、好ましくは、前記第一の反応部は、外部から供給された流体を気化する気化部であることを特徴とする。

本発明の反応装置において、好ましくは、前記第一の反応部の外表面において、前記吸着層が設けられた領域は、他の領域よりも表面粗さが粗いことを特徴とする。

本発明の反応装置において、好ましくは、前記第一の反応部は、ヒータを有することを特徴とする。

本発明の反応装置によれば、消費電力が小さく、かつ小型の反応装置を実現することができる。

本発明の実施の形態について以下に詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態による反応装置の構成例を示す断面図である。図１に示されるように、本実施の形態による反応装置１は、第一の反応部２、第二の反応部３、第一の反応部２および第二の反応部３を収容する収容容器４、及び吸着層５を備える。

第二の反応部３には、反応前の流体を供給する供給管２０と反応後の流体を排出する排出管２１がそれぞれ取り付けられている。第一の反応部２は、供給管２０の一部である。収容容器４は、ベース板４ａと凹形状の蓋体４ｂとから成り、第二の反応部３下面と収容容器４のベース板４ａ上面とを供給管２０及び排出管２１を介して接続し、さらに凹形状の蓋体４ｂを用いて第二の反応部３を封止することによって、第二の反応部３を収容容器４内に気密に封止した反応装置１が形成される。

収容容器４内の断熱性を高めるためには、収容容器４内を真空にすることが好ましく、第二の反応部３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などで行うと良い。

収容容器４は、第一の反応部２および第二の反応部３を収納する容器としての役割を有する。それらは、例えば、ＳＵＳ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，若しくはＦｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金、無酸素銅、またはアルミニウム等の金属材料であってもよいし、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）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（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体，若しくはガラスセラミックス等のセラミック材料、またはポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されていてもよい。

なお、収容容器４に適用可能なガラスセラミックスは、ガラス成分とフィラー成分とから成る。そのガラス成分としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は前記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は前記と同じである），Ｐｂ系ガラス，若しくはＢｉ系ガラス等が挙げられる。

また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，若しくはＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２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，またはコージェライト）等が挙げられる。

一方、収容容器４が、例えば相対密度が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ている場合は、例えば、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，若しくは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収容容器４を得る。なお、収容容器４の成形は粉末成形プレス法であっても良い。

他方、収容容器４が金属材料から成る場合は、切削法，プレス法，またはＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。

また、収容容器４が金属材料から成る場合には、腐食を抑制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。

また、収容容器４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、収容された第二の反応部３で発生する輻射熱が収容容器４に吸収されることを効率良く抑制することができ、反応装置１の昇温を抑制することが可能となる。

以上のような収容容器４は、反応装置１の小型化，低背化を可能とするためには厚さを薄くすべきであるが、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上であることが好ましい。

さらには、収容容器４は、上記に述べた異種の材料の組合せでもよく、部分的に異なる材料を組合せて用いてもよい。

ベース板４ａと蓋体４ｂとの接合方法としては、Ａｕ合金，Ａｇ合金，若しくはＡｌ合金等の金属ロウ材またはガラス材による接合、シームウェルド法、抵抗溶接、レーザー溶接、または電子ビーム溶接等により、ベース板４ａに蓋体を取着する方法が考えられる。

収容容器４に収納される第二の反応部３は、触媒等が担持された微細流路あるいは空隙を有しており、触媒等を用いて流体を変性、転化、分解、混合し、別の物質に変換するための化学反応部として作用する。例えば、第二反応部３は、メタノールガス（ＣＨ_３ＯＨ）および水蒸気を水素ガス（Ｈ_２）と二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）に改質する、携帯電話等に用いられる燃料電池用の燃料改質器であってよい。

第二の反応部３の形状は様々であり、例えば微小ケミカルデバイスとして、半導体製造技術等を適用して、例えば、シリコン等の半導体，石英，ガラス，金属、または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，またはブラスト法等により細い溝を形成することによって液体流路が作製され、操作中の液体の蒸発抑制等を目的として、ガラス板、若しくは金属等のカバーを陽極接合、ロウ付け、または溶接等により表面に密着させて使用される、例えば略四角形状のものが挙げられる。また、石英，ガラス，金属、またはセラミックス等の無機材料から成る管状であり、その内面に触媒が担持されているものでもよい。第二の反応部３内には、温度調節機構、例えば、抵抗層等から成る薄膜ヒータ（不図示）や厚膜ヒータ（不図示）を形成し、表面にはこのヒータへ電力を供給する電極端子（不図示）が形成される。この温度調節機構により、各用途の反応に最適な１００〜８００℃程度の温度条件に調整することで、供給管２０が接続された流体供給口から供給される流体とその他反応に必要な流体とを触媒等を介して反応させて、流体排出口に接続された排出管２１から別の性質を有する流体を排出させる化学反応を良好に促進することができる。

このようなヒータは、第二の反応部３における触媒が担持された流路内や空隙内、あるいはその近傍に配置される。これにより、ヒータから発生する熱を効率的に各種化学反応に用いることができる。

また、第二の反応部３は、第二の反応部３上の電極端子がボンディングワイヤやリード端子（不図示）を介して収容容器４に電気的に接続される。これにより、電極端子を通じて第二の反応部３の表面や内部に形成されたヒータを加熱することができる。その結果、第二の反応部３において反応温度の維持が可能となり流体の化学反応を安定させることができる。

次に、第一の反応部２は、例えば、第二の反応部３での第二の反応を行なう前に施すべき第一の反応を行なうためのものである。第一の反応としては、例えば、第二の反応部３へ供給する流体を気化するような反応が挙げられ、その場合、第一の反応部２は気化部２として機能する。

本実施の形態においては、以下、第一の反応部２が気化部である例について説明する。気化部２は供給管２０の一部であり、第二の反応前の流体をガス化させるためのものである。そして、気化部２は第二の反応部３に対向するように配置される。なお、第二の反応部３に対向するように配置されるというのは、第二の反応部３からの輻射熱が放射される範囲に間隔をあけて配置されている状態をいう。好ましくは第二の反応部３からの輻射熱を有効に第一の反応に用いるという観点からは、気化部２と第二の反応部３との距離が０．１ｍｍ〜３ｍｍであるのがよい。

気化部２は、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，若しくはＳＵＳ等の金属材料、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ_３Ｎ_４質焼結体，若しくはガラスセラミック焼結体等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料、または、ガラスが挙げられる。好ましくは、輻射熱を吸収し、この熱を気化部２の第一反応が生じる流路内へ効率よく伝達するという観点からは、金属から成るのがよい。

また、第二の反応部３に対向する気化部２の表面には、吸着層５が設けられる。吸着層５は、金属粉等から成り、第二の反応部３からの輻射熱を吸収して、ある温度以上で化学的に活性となる。吸着層５の材料としては、例えば、Ｚｒ、Ｆｅ、若しくはＶ等を主成分とするものになる。吸着層５がある温度以上で活性化すると、その製造プロセスにおいて表面に形成された酸化膜が除去され、新しいガス吸着面が現れ、周囲に存在するＣＯやＮ_２、Ｈ_２といったガス類を吸着させる機能を発現させる。活性化する温度は、使用する金属粉の種類によって異なる。吸着層６は、活性化し始める温度（活性化温度）以上であって、活性化状態を維持できる所定の温度において、気体を吸着する。この温度は、例えば３５０℃から９００℃の範囲である。

本実施の形態による反応装置１によれば、第二の反応部３で発生した熱が輻射熱として気化部２へ伝播し、気化部２における第二の反応部３と対向する表面には吸着層５が配置されているため、輻射熱を効率よく吸収して吸着層５の活性化に用いることが出来る。また、収容容器４の内部に気化部２を設け、単純な構成で流体の気化に必要な熱を効率よく吸収することが可能であるため、小型の反応装置を実現することができる。更には、ガス吸着層５の活性化を第二の反応部３からの輻射熱により持続でき、さらに高いガス吸着能力を維持する事が可能となると同時に、ガス吸着時に発生する熱を第一の反応部２の加熱に利用できるため、外部から流体の気化に必要なエネルギーを少量だけ供給すればよいか、あるいは供給する必要がない。すなわち、反応装置１自体の電力を低減する事が可能となる。さらに、ガス吸着時に発生する熱を第二の反応部３の加熱に利用することも可能である。

また、本実施の形態による反応装置１において、吸着層５は黒色であるのがよい。これにより、第二の反応部３からの輻射熱を更に効率よく吸収することが出来る。このような黒色の材料としては、吸着層５を構成する材料として黒色の顔料等を混ぜることにより構成できる。

また、気化部２は、第二の反応部３に対向する部分において、少なくとも１つの屈曲部を有するのがよい。このような構成により、流体の量が多い場合も、流体の気化に必要な熱を効率よく吸収する事が出来る。そして、好ましくは、第二の反応部３に平行な面において、例えば、気化部２をジグザグに折れ曲がるように構成すると、第二の反応部３との対向面積が増加し、吸熱効率が向上する。

また、気化部２の外表面において、吸着層５が設けられた領域は、他の領域よりも表面粗さが粗く形成されているのがよい。これにより、吸着層５の密着性が向上し、長期に渡って安定したガス吸着の特性を得ることができる。このような気化部２の外表面の表面粗さ（Ｒｚ）は、他の表面の表面粗さの３倍〜１０倍であるのがよい。この構成により、吸着層５が設けられた領域以外の領域においては表面積を小さくして熱が放射されるのを有効に抑制し、収容容器４に熱が伝達するのを有効に抑制できる。また、上述の粗面は例えば、エッチングやブラスト処理、研磨処理により構成できる。なお、吸着層５の表面は、粗面となるのがよい。このようにすると、吸着層５の粗面で輻射熱を効率よく吸収するとともに、輻射熱が反射されにくくなり、輻射熱を更に吸収しやすくすることができる。

また、気化部２は、ヒータを有しているのがよい。これにより、反応装置１の起動時においても、気化部２の昇温が補助されるため、気化部２での反応が十分に行われる。その結果、第二の反応部３に安定してガス化した流体を供給できる。加えて、ヒータにより、気化部２の表面に設けられた吸着層５の予備加熱を行うことができ、その活性化を起動後早い段階で実現することができる。
以上から、本実施の形態による反応装置１によれば、気化部２を別途設けることなく、小型で低消費電力の反応装置を実現することができる。

本実施の形態による反応装置１によれば、第二の反応部３で放出される熱を吸着層６の活性化に用いることができ、更には吸着層６がガス類を吸着する際の反応熱を、流体の第一の反応に利用することができる。これにより、吸着層６の加熱および第一の反応部２を加熱するための電力を低減でき、反応装置１の低消費電力化が可能となる。更には、吸着層６の活性化を第二の反応部３からの熱により持続でき、収容容器４内の気体（アウトガス）を吸着させることが可能になるため、収容容器４内の真空状態を長期に渡って保つことが出来る。これにより、第二の反応部３の熱を外部へ伝導するのを有効に抑制することができ、従来のように収容容器４を２重構造にするといったことが必要でなくなり、反応装置１の小型化が可能となる。

なお、本実施の形態による反応装置１では、供給管２０および排出管２１を、収容容器２に関して同一側に配置し、平面視して、収容容器２の端部にそれぞれ配置したが、供給管２０および排出管２１の配置は任意であってよい。ただし、供給管２０の一部を気化部４とする場合には、気化部４が第二の反応部３からの熱を吸収できる位置に配置する必要がある。

また、本実施の形態よる反応装置１では、気化部２を、収容容器４の外部から第二の反応部３に流体を供給する供給管２０の一部として構成している。このように供給管２０の一部を気化部２として構成すると、製造工程が簡略化できる。

なお、本実施の形態による反応装置１では、第一の反応部２を流体の気化部とし、さらにその気化部を第二の反応部３に接続された供給管２０の一部としたが、第一の反応部２の形態、および第一の反応部２における反応の種類はこれに限らない。第一の反応部２の少なくとも一部が、第二の反応部３に対向し、その対向する表面に所定の温度で気体を吸着する吸着層が設けられていればよい。

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。

本発明の実施の形態による反応装置の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１：反応装置
２：第一の反応部（気化部）
３：第二の反応部
４：収容容器
５：吸着層

Claims

外部から供給された流体を内部で所定の第一の反応を施す第一の反応部と該第一の反応部から供給された流体に所定の第二の反応を施す第二の反応部と、前記第一の反応部および前記第二の反応部を収容する収容容器とを備え、前記第一の反応部は、少なくとも一部が前記第二の反応部に対向しているとともに、前記第一の反応部における前記第二の反応部に対向する表面に、所定の温度で気体を吸着する金属からなる吸着層が設けられた反応装置。
前記吸着層は、黒色である請求項１に記載の反応装置。
前記第一の反応部は、前記第二の反応部に対向する部分において、少なくとも１つの屈曲部を有する請求項１または請求項２に記載の反応装置。
前記第一の反応部は、外部から供給された流体を気化する気化部であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の反応装置。
前記第一の反応部の外表面において、前記吸着層が設けられた領域は、他の領域よりも表面粗さが粗いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の反応装置。
前記第一の反応部は、ヒータを有する請求項１から請求項５のいずれかに記載の反応装置。