JP2012061452A - マイクロリアクターの流路デバイス及びこれを備えた加熱反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易且つ低コストに微細流路を形成することができ、プレートの接合面の加工精度も要求されず、材料選択の幅が広く、十分な耐圧強度も維持しつつ、流路長を長くとることができ、コンパクト化が実現できるマイクロリアクターの流路デバイス及びこれを備えた加熱反応装置を提供せんとする。
【解決手段】流路デバイス１は、金属製のデバイス本体１０に形成される内部空間１０ｓに、金属管２０を渦巻き状に屈曲変形させて構成される渦巻き管体２Ａ，２Ｂを装着して反応流路とした。加熱反応装置Ｓは、流路デバイス１と、該流路デバイス１に接続される導入管３１及び排出管３２と、流路デバイス１の外面に接触した状態で周囲を囲む金属製の加熱ブロック４と、加熱ブロック４の周囲を囲む断熱壁５と、該加熱ブロック４に付設される発熱手段６と、該加熱ブロックに外気又は冷風を当てて冷却するための送風手段７とを少なくとも備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、内部に液体、気体、粉体等の反応流体を流す微細な流路（マイクロチャンネル）を備えるマイクロリアクター用の流路デバイス、及びこれを備えた加熱反応装置に関する。

この種のマイクロリアクターは、熱交換効率が高く、微細な流路内で反応条件を精密に制御でき、副生成物が少ないメリットがあるとともに省エネルギー化を実現でき、反応時の安全性も向上させることができる利点を有している。このようなマイクロリアクターにおいては、その構成デバイスの１つとして、内部に流体の流路を有する流路デバイスが用いられ、この流路デバイスを適宜組み合わせる等して加熱、冷却のための微細な反応流路が形成される。

流路デバイスは、一般にステンレス等の金属プレートの表面にエッチング処理により微細な寸法の溝を形成した後、これを塞ぐように他の溝なしの金属プレートを溶接等で接合し、微細な溝からなる反応流路を形成していた（例えば、特許文献１、２ご参照。）。しかしながら、エッチング等による流路の微細加工には相当の加工コストが掛かるうえ、金属プレートの間の接合部分に流路が形成されることから、反応流路の耐圧強度（流路には反応によっては圧力が１０ＭＰａ（１００気圧）ほどかかる）を維持するためにプレート自体の接合面の加工精度も要求され、コストが嵩む。

また、同じく耐圧強度を維持するためには、プレート同士の接合部分となる流路間の壁部の厚みをある程度維持する必要があるが、壁部が厚いと熱交換効率が低下するほか、流路長を長くとるのに限界があり、プレート及び反応装置全体の大型化を招いてしまう。更に、プレート材料には微細加工性、耐熱性、耐薬品性、機械的強度が求められることから選択の幅は限られ、コスト低減に限界があった。

特表２００３−５２６３５９号公報 特開２００９−８２８０３号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、簡易且つ低コストに微細流路を形成することができ、プレートの接合面の加工精度も要求されず、材料選択の幅が広く、十分な耐圧強度も維持しつつ、流路長を長くとることができ、コンパクト化が実現できるマイクロリアクターの流路デバイス及びこれを備えた加熱反応装置を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、金属製のデバイス本体に形成される内部空間に、金属管を渦巻き状に屈曲変形させてなる渦巻き管体を装着してなり、該渦巻き管体の金属管内部を反応流体が流通する流路としてなることを特徴とするマイクロリアクターの流路デバイスを構成した（請求項１）。

ここで、前記内部空間に、互いに連結された二つ以上の前記渦巻き管体を、渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置したものが好ましい（請求項２）。

また、前記デバイス本体に、前記内部空間に連通する導入口及び排出口を設けるとともに、前記導入口には、デバイス外部から挿入される導入管と前記内部空間の渦巻き管体の導入側から延びる金属管とを連結する第１の継手を設け、前記排出口には、デバイス外部から挿入される排出管と前記内部空間の渦巻き管体の排出側から延びる金属管とを連結する第２の継手を設け、デバイス内外の金属管、導入管及び排出管よりなる一本の連続した管路を形成するものが好ましい（請求項３）。

更に、前記デバイス本体が、前記渦巻き管体を渦巻きの中心軸に沿った前後方向から挟み込む一対の分割板材よりなり、これら分割板材の一方又は双方の接合面に、前記内部空間を構成する溝として前記渦巻き管体の一部又は全部を嵌め込む嵌合溝を形成したものが好ましい（請求項４）。

また、前記デバイス本体の内部空間が、前記渦巻き管体を装着した状態で該渦巻き管体の渦巻き状に隣り合う金属管同士が互いに接触又は近接した状態を維持する嵌合溝よりなることが好ましい（請求項５）。

また、前記金属管が、ステンレス鋼又は（５４．５〜６６．５）Ｎｉ（１５〜３０）ＭｏＣＦｅ（ＣｒＷ）系耐熱性ニッケル基合金よりなることが好ましい（請求項６）。

また、前記渦巻き管体が装着された内部空間の隙間に、熱伝導性物質を液状又は粉体として充填したものが好ましい（請求項７）。

また、前記内部空間に、前記渦巻き管体と略同一の外形形状を有する円盤状のシリコンラバーヒータを該渦巻き管体に接触した状態で共に内装したものが好ましい（請求項８）。

特に、前記内部空間に、互いに連結された２つ以上の前記渦巻き管体を、渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置し、これら渦巻き管体の重なりの間に前記シリコンラバーヒータを介装したものが好ましい（請求項９）。

また、本発明は、上記流路デバイスと、該流路デバイスに接続される導入管及び排出管と、前記流路デバイスの外面に接触した状態で周囲を囲む金属製の加熱ブロックと、前記加熱ブロックの周囲を囲む断熱壁と、該加熱ブロックに付設される発熱手段と、該加熱ブロックに外気又は冷風を当てて冷却するための送風手段とを備えたことを特徴とする加熱反応装置をも構成した（請求項１０）。

ここで、前記加熱ブロックを内部の流路デバイスに押し当てるための押圧手段を設けたものが好ましい（請求項１１）。

また、前記送風手段が、前記断熱壁の一部に、断熱壁内部に前記外気又は冷風を取り込んで加熱ブロックの表面に導くための吸気用開閉扉と、前記取り込んだ外気又は冷風を断熱壁外部に排出する排気用開閉扉とを設け、前記排気用開閉扉に対面する断熱壁外部に、前記外気又は冷気を吸引するための吸引ファンを設けたものが好ましい（請求項１２）。

具体的には、前記断熱壁の周囲を取り囲む筐体カバーを設け、該筐体カバーの前記吸気用開閉扉に対面する位置に吸気孔を設けるとともに、同じく筐体カバーの前記排気用開閉扉に対面する位置に排気孔及び前記吸引ファンを設けたものが好ましい（請求項１３）。

請求項１に係る流路デバイスによれば、金属管を渦巻き状に屈曲変形させた渦巻き管体をデバイス本体に装着して流路としたので、金属プレートにエッチング等の微細加工を施していた従来の流路デバイスに比べ、大幅に製造コストを低減できる。また、従来の流路デバイスは、流路がプレート間の接合により構成されるため耐圧強度を維持するためにプレートの加工精度が要求され、耐薬品性以外に熱による変形等も考慮したプレート材料を選択する必要があり、また、流路壁に接合部分が存在するために耐圧強度にある一定の限界があったが、本発明では、金属管のみで流路が形成されるためデバイス本体の加工精度や耐薬品性が要求されず、製造コストを更に低減できるとともに材料選択の幅も広げることができ、更に流路内にデバイス本体との接合部分が存在しないので、耐圧強度を更に高めることができる。

また、従来の流路デバイスでは、流路間の壁を薄くする微細加工が強度面で困難であり、壁自体の耐圧強度以外にプレート間の接合面も小さくなるため耐圧強度を維持できなかったが、本発明では金属管の肉厚を薄くするだけで渦巻き状に隣接する流路間の壁厚を薄くでき且つ管体であるため十分な耐圧強度を維持できるので、熱交換効率が高まるとともに、流路長を維持しつつデバイス全体をよりコンパクト化することができ、同一サイズでより長い流路を形成できる。

請求項２に係る流路デバイスによれば、互いに連結された二つ以上の渦巻き管体を渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置したので、従来の流路デバイスでは流路長を延長するためにデバイスを複数連結する必要があったが、本発明では、デバイスを複数用いることなく一つのデバイスで流路長を複数倍に延長したものを容易に構成でき、しかも内部空間の厚みが管外径分だけ厚くなるだけであることからデバイス全体のコンパクト化も維持できる。また、２つ以上の渦巻き管体自体は前後方向に重なるように効率よく配置され、相互の熱伝導も期待できることから流路全体の均一な熱分布も維持できる。

請求項３に係る流路デバイスによれば、デバイス本体に、内部空間に連通する導入口及び排出口を設けるとともに、導入口にはデバイス外部から挿入される導入管と前記内部空間の渦巻き管体の導入側から延びる金属管とを連結する第１の継手を設け、排出口にはデバイス外部から挿入される排出管と前記内部空間の渦巻き管体の排出側から延びる金属管とを連結する第２の継手を設け、デバイス内外の金属管、導入管及び排出管よりなる一本の連続した管路を形成したので、従来の流路デバイスでデバイス間の接合部分の精度が要求されていたのに比べ、金属管を導入管／排出管と第１、第２の継手を介して接続するだけで耐圧強度を維持しつつ容易に連結することができ、複数の流路デバイスを連結して流路長の延長を行なうことも容易となる。

請求項４に係る流路デバイスによれば、デバイス本体が渦巻き管体を渦巻きの中心軸に沿った前後方向から挟み込む一対の分割板材よりなり、これら分割板材の一方又は双方の接合面に、内部空間を構成する溝として渦巻き管体の一部又は全部を嵌め込む嵌合溝を形成してなるので、デバイス本体に対する渦巻き管体の組み付け、取り外し作業が容易であるとともに、嵌合溝の加工も容易である。また、嵌合溝に渦巻き管体を装着して前後の分割板材により挟み込むだけで渦巻き管体をデバイス本体に対して確実に密着させることができ、デバイス本体から渦巻き管体への熱伝導も確実かつ管路全体に均一に行なうことができる。

請求項５に係る流路デバイスによれば、デバイス本体の内部空間が、渦巻き管体を装着した状態で該渦巻き管体の渦巻き状に隣り合う金属管同士が互いに接触又は近接した状態を維持する嵌合溝よりなるので、該嵌合溝の内部で渦巻き管体の金属管同士の熱伝導によって管路全体の熱分布の均一化が促進され、管路全体がほぼ同一温度になるように迅速に制御できる。

請求項６に係る流路デバイスによれば、金属管がステンレス鋼又は（５４．５〜６６．５）Ｎｉ（１５〜３０）ＭｏＣＦｅ（ＣｒＷ）系耐熱性ニッケル基合金よりなるので、流路となる金属管が耐熱、耐薬品性を備え、高温においても機械的強度が高く、肉厚を薄くしても耐圧強度も維持できる。

請求項７に係る流路デバイスによれば、渦巻き管体が装着された内部空間の隙間に、熱伝導性物質を液状又は粉体として充填してなるので、断熱空間となる隙間が無くなり、当該熱伝導性物質を介して渦巻き管体への熱伝導性の向上、熱の迅速な均一化、反応の効率化を図ることが可能となる。

請求項８に係る流路デバイスによれば、渦巻き管体と略同一の外形形状を有する円盤状のシリコンラバーヒータを該渦巻き管体に接触した状態で共に内装してなるので、渦巻き管体に対してデバイス本体を介して加熱するのではなく該シリコンラバーヒータから直接、渦巻き状の管路全体を加熱できるので、より確実・迅速に管路を所定温度に均一に加熱することができる。

請求項９に係る流路デバイスによれば、互いに連結された２つ以上の渦巻き管体を渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置して該重なりの間に前記シリコンラバーヒータを介装してなるので、シリコンラバーヒータからこれを挟んでいる前後の渦巻き管体を同時に効率よく均一に加熱できる。

請求項１０に係る加熱反応装置によれば、上記流路デバイスと、該流路デバイスに接続される導入管及び排出管と、前記流路デバイスの外面に接触した状態で周囲を囲む金属製の加熱ブロックと、前記加熱ブロックの周囲を囲む断熱壁と、該加熱ブロックに付設される発熱手段と、該加熱ブロックに外気又は冷風を当てて冷却するための送風手段とを備えたので、発熱手段を有する加熱ブロック及びこれを囲む断熱壁により流路デバイスを均一に且つ安定して加熱できるとともに、送風手段を備えることから流路デバイスを迅速に冷却することもでき、流路デバイスを所定の温度に迅速確実に制御して所定の反応を起こさせることができる。

請求項１１に係る加熱反応装置によれば、加熱ブロックを内部の流路デバイスに押し当てるための押圧手段を設けてなるので、流路デバイスの連結数を増減できるとともに加熱ブロックから流路デバイスへの伝熱を確実に行い、熱効率を向上させることができる。

請求項１２に係る加熱反応装置によれば、送風手段が、断熱壁の一部に、断熱壁内部に前記外気又は冷風を取り込んで加熱ブロックの表面に導くための吸気用開閉扉と、前記取り込んだ外気又は冷風を断熱壁外部に排出する排気用開閉扉とを設け、前記排気用開閉扉に対面する断熱壁外部に、前記外気又は冷気を吸引するための吸引ファンを設けてなるので、加熱時には各開閉扉を閉じて効率よく流路デバイスを加熱・保温できるとともに、冷却時には各開閉扉を開けて吸引ファンにより外気又は冷風を強制的に流通させることで加熱ブロック表面から吸熱して流路デバイスを迅速に冷却でき、流路デバイスの温度制御をより迅速・的確に行なうことができる。

請求項１３に係る加熱反応装置によれば、断熱壁の周囲を取り囲む筐体カバーを設け、該筐体カバーの前記吸気用開閉扉に対面する位置に吸気孔を設けるとともに、同じく筐体カバーの前記排気用開閉扉に対面する位置に排気孔及び前記吸引ファンを設けてなるので、筐体カバー外の外気を効率よく取り込んで上記各開閉扉を通じて吸熱し、筐体カバー外に排気することができ、冷却を効率よく行なう装置とすることができる。

本発明の代表的実施形態に係る流路デバイスを示す斜視図。 同じく流路デバイスの左右縦断面図。 同じく流路デバイスの分解斜視図。 同じく流路デバイスを２つ連結した状態を示す斜視図。 同じく流路デバイスを有する代表的実施形態に係る加熱反応装置を示す斜視図。 同じく加熱反応装置の前後縦断面図。 同じく加熱反応装置の別の前後縦断面図。 同じく加熱反応装置の加熱ブロックの構成を示す一部省略斜視図。 同じく加熱反応装置の左右縦断面図。 流路デバイスを３つ連結した状態を示す斜視図。 流路デバイスの変形例を示す分解斜視図。 同じく左右縦断面図。 流路デバイスの他の変形例を示す分解斜視図。 同じく外観斜視図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１〜４は、本発明に係る流路デバイスの代表的実施形態を示し、図５〜９は、同流路デバイスを用いた加熱反応装置の代表的実施形態を示している。図中符号１は流路デバイス、２Ａ，２Ｂは渦巻き管体、Ｓは加熱反応装置、４は加熱ブロック、５は断熱壁、６は発熱手段、７は送風手段をそれぞれ示している。

本発明の流路デバイス１は、図１〜３に示すように、金属製のデバイス本体１０に形成される内部空間１０ｓに、金属管２０を渦巻き状に屈曲変形させて構成される渦巻き管体２Ａ，２Ｂを装着して反応流路としたものである。この流路デバイス１は、渦巻き管体２Ａ，２Ｂを構成している金属管２０の内部を流路とするためエッチング等の微細加工で流路を形成していた従来の流路デバイスに比べて大幅に製造コストを低減できるとともに、耐圧強度の向上及びコンパクト化を実現でき、同サイズで流路を長くできるといった特徴を有している。流路デバイス１は、後述する加熱反応装置Ｓにセットされ、マイクロミキサー３３とともにマイクロリアクターＭを構成することができる。

本例では、図３に示すようにデバイス本体１０の内部空間１０ｓに、流路を連結した二つの渦巻き管体２Ａ、２Ｂが渦巻きの中心軸に沿った前後方向に互いに重なるように配置されており、相互の熱伝導も期待できることから流路全体の均一な熱分布が維持されている。

各渦巻き管体２Ａ（２Ｂ）は、図示しない治具に金属管２０を同一平面状に巻き付けて隣り合う金属管同士が密接して全体として中空円盤状の渦巻き構造に構成したものである。尚、同一平面状とすること以外に軸方向に若干ずらして螺旋状の渦巻きに構成してもよい。外周側の金属管２０の端部からは上方に向けて後述する継手１３Ａ，１３Ｂを介してデバイス外部の導入管３１又は排出管３２と接続される金属管２１が延設され、また内周側の金属管２０の端部からは、上方に向けて連結用の金属管２２が延設されている。金属管２１、２２は、別途の管として金属管２０の各端部に連結されて延設されているが、連続した金属管２０の各端部自体を金属管２１、２２と同じ形に形成してもよい。

渦巻き管体２Ａ（２Ｂ）を構成する金属管２０は、耐薬品性、耐熱性及び強度の観点から、ステンレス鋼や（５４．５〜６６．５）Ｎｉ（１５〜３０）ＭｏＣＦｅ（ＣｒＷ）系耐熱性ニッケル基合金からなるものを好適に使用できるが、その他の素材からなる管を用いてもよく、内面に当該耐薬品性、耐熱性に優れるコーティング層を施したものでもよい。（５４．５〜６６．５）Ｎｉ（１５〜３０）ＭｏＣＦｅ（ＣｒＷ）系耐熱性ニッケル基合金としては、「ハステロイ」（Haynes International, Inc登録商標）を用いることができる。金属管２０の断面形状は、円形以外に角形、楕円形、その他の形状でもよい。

デバイス本体１０は、渦巻き管体２Ａ，２Ｂを前後から挟み込む一対の金属製の分割板材１１Ａ、１１Ｂより構成され、本例ではこれらは互いに略同じ形状、寸法とされている。また本例では、分割板材１１Ａ，１１Ｂを互いに接合させた状態で、更にその上部に双方の上面にわたり組み付けられる金属製の上部カバー材１１Ｃが設けられる。各分割板材１１Ａ，１１Ｂの接合面には、内部空間１０ｓを構成する溝としてそれぞれ渦巻き管体２Ａ又は２Ｂを嵌め込む嵌合溝１４ａ〜１４ｃが設けられ、上部カバー材１１Ｃの下面側の接合面には、各分割板材１１Ａ，１１Ｂ側の上面に開放される嵌合溝１４ｃ、１４ｃに連通する嵌合溝１４ｄが設けられている。

嵌合溝１４ａは中空円盤状の渦巻き状の金属管２０を嵌め込むことで渦巻き状に隣り合う金属管２０同士が互いに接触又は近接した状態を維持する寸法の同じく円盤状の嵌合溝であり、嵌合溝１４ｂ、１４ｃはそれぞれ金属管２０の端部から延びる１本の金属管２１、２２が嵌り込む幅の溝である。渦巻き管体２Ａ，２Ｂは、いずれも上記嵌合溝１４ａ〜１４ｃに装着された状態で各分割板材１１Ａ，１１Ｂの接合面と略面一になるように嵌め込まれることで、各分割板材１１Ａ，１１Ｂを取付ボルト１１ａにより接合して閉じた状態において渦巻き管体２Ａ，２Ｂ同士が密着するように構成されている。

渦巻き管体２Ａ，２Ｂは、内周側から上方に延びる前記金属管２２の端部同士を連結管２３を介して溶接等で連結することにより互いの流路が漏れを生じることなく容易に接続され、一本の連続した反応流路として機能する。具体的には、例えば長さ１．５ｍ、内径５００μｍ、肉厚２５０μｍ、外径１ｍｍの断面円形の金属管を渦巻き状に巻いた渦巻き管体２Ａ，２Ｂを２つ形成し、これを連結管２３で連結し、デバイス本体１０に装着することにより当該流路デバイス一つあたり約３ｍの流路が確保されている。この連結部分は各分割板材１１Ａ，１１Ｂの嵌合溝１４ｃと上部カバー材１１Ｃ下面側の嵌合溝１４ｄに装着される。この上部カバー材１１Ｃは、分割板材１１Ａ，１１Ｂを取付ボルト１１ａで組み付けた後、該上部カバー材１１Ｃの通孔を貫通して各分割板材１１Ａ，１１Ｂの上面に穿設したネジ孔に螺合する取付ボルト１１ｂ、１１ｂによって組み付けられる。

このような流路デバイス１では、後述する加熱反応装置Ｓに装着して用いる際、加熱ブロックからの熱が分割板材１１Ａ，１１Ｂから内部の渦巻き管体２Ａ，２Ｂの金属管２０よりなる流路全体を均一且つ効率よく加熱／冷却でき、管路全体がほぼ同一温度になるように迅速に反応を制御できる。また、渦巻き管体２Ａ，２Ｂの組み付け、取り外し作業は取付ボルト１１ａ，１１ｂにより分割板材１１Ａ，１１Ｂを組み付け、分離することで容易に行うことができる。

上部カバー材１１Ｃには各分割板材１１Ａ，１１Ｂの嵌合溝１４ｂに連通し、金属管２１、２１を下側から受け入れる導入口１２Ａ及び排出口１２Ｂが設けられている。導入口１２Ａには、デバイス外部から挿入される導入管３１と渦巻き管体２Ａの金属管２１とを連結する第１の継手１３Ａが設けられ、排出口１２Ｂには、デバイス外部から挿入される排出管３２と渦巻き管体２Ｂの金属管２１とを連結する第２の継手１３Ｂが設けられている。これによりデバイス内外の管を接続した一本の連続した管路が形成されている。このように本発明の流路デバイス１では、導入管／排出管と内部の金属管とを第１、第２の継手を介して接続するだけで耐圧強度を維持しつつ容易に連結することができ、複数の流路デバイス１を連結して流路長の延長を行なうことが容易である。

渦巻き管体２Ａ，２Ｂが装着された内部空間１０ｓに隙間があると該隙間が断熱空間となり熱伝導性が部分的に低下し、内部流路の熱分布が不均一化する原因になる。そこで、本実施形態ではできるだけ隙間を無くす内部空間とされているが、更に、熱伝導性物質を液状又は粉体として充填することが好ましい例である。熱伝導性物質としては、はんだ、油、粉体、シリコーングリスなどが好適である。特に、各分割板材１１Ａ，１１Ｂを組み付け、上部カバー材１１Ｃを取り付ける前の上面に開口する嵌合溝１４ｃの隙間から、液状に熱したはんだを流し込んだもの等が好ましい。

図１１、１２は、渦巻き管体２Ｂを一つのみ設けた流路デバイス１の変形例を示している。上記実施形態では渦巻き管体２Ａ，２Ｂの２つをつなげていたが、流路長さが短くてよい場合には、本例のように構成すればよい。この場合、分割板材１１Ａ、１１Ｂのうち一方（１１Ｂ）のみに嵌合溝１４ａ〜１４ｃを設け、渦巻き管体２Ｂを当該嵌合溝によって分割板材１１Ｂ側に嵌めこみ、他方の分割板材１１Ａには嵌合溝が省略されている。尚、双方に半分の深さの嵌合溝を設けて渦巻き管体２Ｂを前後から挟み込んではめ込むように構成することも可能である。

また、図１３、１４は、デバイス本体１０の内部空間１０ｓに、渦巻き管体２Ａ，２Ｂと略同一の外形形状を有する円盤状のシリコンラバーヒータ１５を渦巻き管体２Ａ，２Ｂに接触した状態で共に内装した変形例を示している。シリコンラバーヒータとは、シリコーンラバーでニッケル-クロム系金属などの発熱体を挟み、表裏から面発熱を行うヒータをいい、特に本例では、互いに連結された２つの渦巻き管体２Ａ、２Ｂの重なりの間に一枚のシリコンラバーヒータ１５が挟み込まれた状態に配置され、一枚で双方の渦巻き管体を加熱できるように構成されている。シリコンラバーヒータ１５の絶縁被覆されたリード線１５ａは、上部カバー材１１Ｃの通孔１１ｄを通じてデバイス外部に取り出されている。

次に、図４〜１０に基づき、上記流路デバイス１を用いた加熱反応装置Ｓについて説明する。

加熱反応装置Ｓは、図６〜９に示すように、流路デバイス１と、該流路デバイス１に接続される導入管３１及び排出管３２と、前記流路デバイス１の外面に接触した状態で周囲を囲む金属製の加熱ブロック４と、前記加熱ブロック４の周囲を囲む断熱壁５と、該加熱ブロック４に付設される発熱手段６と、該加熱ブロックに外気又は冷風を当てて冷却するための送風手段７とを少なくとも備えている。

本例では、図４に示すように流路デバイス１を前後に２つ重ねた状態で、接続用金属管３４を介して２つの流路を連結することにより、２倍の長さの反応流路を形成し、これを加熱反応装置Ｓの加熱ブロック４内に装着している。尚、流路デバイスの接続数は必要な反応流路の長さに応じて変更でき、更に長い流路が必要な場合は図１０に示すように３つを重ねた状態で金属管３５、３６を用いて流路を連結したものを用いることもできる。また、流路デバイス１を一つのみ用いることも勿論可能であるし、上記した図１１、１２に示した流路デバイス１と図１〜３に示した流路デバイスを組み合わせて用いることもできる。

また、本実施形態の加熱反応装置Ｓは、断熱壁５の周囲を取り囲む金属製の筐体カバー８０が設けられており、該カバーの外面には、図９に示すようにマイクロミキサー３３がブラケット３３ａに内蔵のマグネット３３ｂで適宜自由な位置に配置できるように着脱可能に取付けられている。マイクロミキサー３３から延びる導入管３１は流路デバイス１に接続されている。これらマイクロミキサー３３と流路デバイス１によりマイクロリアクターＭが構成されている。マイクロミキサー３３は２種又は３種以上の物質を混合するものであるが、このようなマイクロミキサーを省略し、流路デバイスの流路内面に形成した触媒と１種の流体を反応させる等の用途に用いることもできる。

加熱ブロック４は、流路デバイス１が載置される底面ブロック４０と、流路デバイス１を前面側から左右にわたって取り囲む平面視略コ字状の本体ブロック４１と、流路デバイス１の後面側から該デバイスを押付けるように当接する前後に移動可能な後面ブロック４２よりなり、図８からも分かるように本体ブロック４１の外面、および後面ブロック４２の外面、すなわち加熱ブロック４の前後左右の外面には凹凸状に冷却用のフィンが形成されている。このフィンは後述するように送風手段７により外気又は冷風が加熱ブロック４の前後左右の外面上を流通する際に該ブロックから熱を効率よく放出するためのものである。

符号９は後面ブロック４２を内部の流路デバイス１に押し当てるための押圧手段である。押圧手段９は、筐体カバー８０の上面に突出した操作軸９１の先端に回転ハンドル９０が設けられ、操作軸９１の下端にトグル機構９２が設けられている。トグル機構９２から前方に、後面ブロック４２を流路デバイス１に押し当てるためのトグル軸９３が設けられ、加熱ブロック４と流路デバイス１の密着度を高め、最加圧時に固定の感触が得られる様に構成されている。加熱ブロック４を構成する底面ブロック４０、本体ブロック４１の前板部、及び後面ブロック４２には、それぞれ発熱手段６としてカートリッジヒータ６０、６１、６２が挿入した状態に埋め込まれており、流路デバイス１を効率よく均一に加熱できるように構成されている。

断熱壁５は、加熱ブロック４の外側を覆う断熱材からなる複数の断熱パネルよりなり、具体的には、底面ブロック４０の下面に当接した状態に設けられる底面パネル５０と、本体ブロック４１の前板部の外面に当接した状態に設けられる前面パネル５１と、後面ブロック４２の後面側に間隔をあけて配置される後面パネル５２と、本体ブロック４１の左右の壁部外面にそれぞれ当接した状態に設けられる側面パネル５３、５４と、本体ブロック４１の上面に当接した状態に設けられる上面パネル５５とより構成され、更に、前面パネル５１、後面パネル５２の外面にそれぞれ当接する後述の吸気用開閉扉７１と排気用開閉扉７２についても断熱材からなる断熱パネルであって同じく断熱壁５を構成する。

上面パネル５５には、流路デバイス１に接続される導入管３１及び排出管３２が外部に取り出されるとともに該流路デバイス１の取付け／取り出しするための開口５５ａが設けられており、筐体カバー８０の前記開口５５ａに対応する位置にも、同様に開口８０ｂが形成されるとともに、該開口８０ｂを塞いで熱の逃げを防止する金属製の蓋ケース８１が、ヒンジ部８１ａを介して開閉自在に設けられている。蓋ケース８１の内面には上記熱の逃げをより防ぐための断熱材よりなるパネル８１ｂ又はシートが貼り付けられている。

送風手段７は、断熱壁５の一部に断熱壁５内部に外気又は冷風を取り込んで加熱ブロック４の表面に導くための吸気用開閉扉７１と、取り込んだ外気又は冷風を断熱壁５外部に排出する排気用開閉扉７２とを設け、
筐体カバー８０の吸気用開閉扉７１に対面する位置に吸気孔８０ａを設けるとともに、排気用開閉扉７２に対面する断熱壁外部に、本例では筐体カバー８０の後壁に、外気又は冷気を吸引するための吸引ファン７０が設けられている。これにより、図７に示すように各開閉扉７１、７２を開けて吸引ファン７０により外気又は冷風を強制的に流通させて加熱ブロック４表面から熱を強制的に吸熱することにより、流路デバイス１を迅速に冷却でき、流路デバイス１の温度制御をより迅速・的確に行なうことができる。

より詳しくは、例えば流路デバイス１の反応流路を加熱又は保温する場合、図６に示すように前記開閉扉７１、７２の双方を閉じた状態とし、流路デバイス１や加熱ブロック４の熱を逃がさないようにする。状況に応じてファン７０を回転させ、吸気孔８０ａから取り込んだ外気を上面パネル５５と筐体カバー８０上面との間の隙間や側面パネル５３、５４と筐体カバー８０側面との間の隙間に流通させ、筐体カバー８０自体や蓋ケース８１、筐体カバー８０内部の図示しない電気配線部などを冷却することが好ましい実施例である。蓋ケース８１のヒンジ部８１ａも蓋ケース８１の内面側にあり冷却されるため、蓋ケース８１を開閉操作する際に火傷する虞もなくすることができる。

流路デバイス１の反応流路を冷却、すなわち温度を下げたい場合、カートリッジヒータ６０〜６２の温度を下げると同時に、図７に示すように前記開閉扉７１、７２の双方を開いた状態とし、筐体カバーの吸気孔８０ａから外気を内部に取り込み、前面パネル５１に形成されている外気取り込み用の多数の貫通孔５１ａから本体ブロック４１外面の冷却フィンの隙間を後方に流れた後、該本体ブロック４１の側壁後端部に形成されている外気取り込み用の長穴４１ａから後面ブロック４２外面と後面パネル５２との間の余剰空間５ｓに引込んだ後、下方の排気用開閉扉７２により開放された後面パネル５２の開口５２ａから排出するルートと、同じく本体ブロック４１の側壁上端部に形成され、上面パネル５５の開口５５ａに連通する切欠孔４１ｂから該開口５５ａを通じて筐体カバー８０の上壁と上面パネル５５との隙間に排出するルートに分かれ、加熱ブロック４全体及び流路デバイス１、ひいては内部の反応流路を迅速に冷却することができる。

尚、図示しない温度センサーが出来るだけ流路デバイス１に近い位置に配置されている。例えば流路デバイス１と加熱ブロック４の界面（底面からの差込）や加圧用の後面ブロック４２の上部（側面からの差込）などに設けることが好ましい。また、開閉扉７１、７２はレバー７１ａ，７２ａを操作して筐体カバー８０の外部から開閉操作可能に構成されており、これを手動で操作してもよいし或いはコンピュータ制御で自動的に開閉するように構成することも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら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において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１ 流路デバイス
２Ａ，２Ｂ 管体
４ 加熱ブロック
５ 断熱壁
５ｓ 余剰空間
６ 発熱手段
７ 送風手段
９ 押圧手段
１０ デバイス本体
１０ｓ 内部空間
１１Ａ，１１Ｂ 分割板材
１１Ｃ 上部カバー材
１１ａ，１１ｂ 取付ボルト
１１ｄ 通孔
１２Ａ 導入口
１２Ｂ 排出口
１３Ａ，１３Ｂ 継手
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 嵌合溝
１５ シリコンラバーヒータ
１５ａ リード線
２０ 金属管
２１ 金属管
２２ 金属管
２３ 連結管
３１ 導入管
３２ 排出管
３３ マイクロミキサー
３３ａ ブラケット
３３ｂ マグネット
３４ 接続用金属管
３５ 金属管
４０ 底面ブロック
４１ 本体ブロック
４１ａ 長穴
４１ｂ 切欠孔
４２ 後面ブロック
５０ 底面パネル
５１ 前面パネル
５１ａ 貫通孔
５２ 後面パネル
５２ａ 開口
５３ 側面パネル
５５ 上面パネル
５５ａ 開口
６０、６１、６２ カートリッジヒータ
７０ ファン
７１ 吸気用開閉扉
７１ａ，７２ａ レバー
７２ 排気用開閉扉
８０ 筐体カバー
８０ａ 吸気孔
８０ｂ 開口
８１ 蓋ケース
８１ａ ヒンジ部
８１ｂ パネル
９０ 回転ハンドル
９１ 操作軸
９２ トグル機構
９３ トグル軸
Ｍ マイクロリアクター
Ｓ 加熱反応装置

Claims (13)

1. 金属製のデバイス本体に形成される内部空間に、金属管を渦巻き状に屈曲変形させてなる渦巻き管体を装着してなり、該渦巻き管体の金属管内部を反応流体が流通する流路としてなることを特徴とするマイクロリアクターの流路デバイス。
2. 前記内部空間に、互いに連結された二つ以上の前記渦巻き管体を、渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置してなる請求項１記載の流路デバイス。
3. 前記デバイス本体に、前記内部空間に連通する導入口及び排出口を設けるとともに、前記導入口には、デバイス外部から挿入される導入管と前記内部空間の渦巻き管体の導入側から延びる金属管とを連結する第１の継手を設け、前記排出口には、デバイス外部から挿入される排出管と前記内部空間の渦巻き管体の排出側から延びる金属管とを連結する第２の継手を設け、デバイス内外の金属管、導入管及び排出管よりなる一本の連続した管路を形成する請求項１又は２記載の流路デバイス。
4. 前記デバイス本体が、前記渦巻き管体を渦巻きの中心軸に沿った前後方向から挟み込む一対の分割板材よりなり、これら分割板材の一方又は双方の接合面に、前記内部空間を構成する溝として前記渦巻き管体の一部又は全部を嵌め込む嵌合溝を形成してなる請求項１〜３の何れか１項に記載の流路デバイス。
5. 前記デバイス本体の内部空間が、前記渦巻き管体を装着した状態で該渦巻き管体の渦巻き状に隣り合う金属管同士が互いに接触又は近接した状態を維持する嵌合溝よりなる請求項１〜４の何れか１項に記載の流路デバイス。
6. 前記金属管が、ステンレス鋼又は（５４．５〜６６．５）Ｎｉ（１５〜３０）ＭｏＣＦｅ（ＣｒＷ）系耐熱性ニッケル基合金よりなる請求項１〜５の何れか１項に記載の流路デバイス。
7. 前記渦巻き管体が装着された内部空間の隙間に、熱伝導性物質を液状又は粉体として充填してなる請求項１〜６の何れか１項に記載の流路デバイス。
8. 前記内部空間に、前記渦巻き管体と略同一の外形形状を有する円盤状のシリコンラバーヒータを該渦巻き管体に接触した状態で共に内装してなる請求項１〜７の何れか１項に記載の流路デバイス。
9. 前記内部空間に、互いに連結された２つ以上の前記渦巻き管体を、渦巻きの中心軸に沿った前後方向に重なるように配置し、これら渦巻き管体の重なりの間に前記シリコンラバーヒータを介装してなる請求項８記載の流路デバイス。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の流路デバイスと、
    該流路デバイスに接続される導入管及び排出管と、
    前記流路デバイスの外面に接触した状態で周囲を囲む金属製の加熱ブロックと、
    前記加熱ブロックの周囲を囲む断熱壁と、
    該加熱ブロックに付設される発熱手段と、
    該加熱ブロックに外気又は冷風を当てて冷却するための送風手段と、
    を備えたことを特徴とする加熱反応装置。
11. 前記加熱ブロックを内部の流路デバイスに押し当てるための押圧手段を設けてなる請求項１０記載の加熱反応装置。
12. 前記送風手段が、前記断熱壁の一部に、断熱壁内部に前記外気又は冷風を取り込んで加熱ブロックの表面に導くための吸気用開閉扉と、前記取り込んだ外気又は冷風を断熱壁外部に排出する排気用開閉扉とを設け、前記排気用開閉扉に対面する断熱壁外部に、前記外気又は冷気を吸引するための吸引ファンを設けてなる請求項１０又は１１記載の加熱反応装置。
13. 前記断熱壁の周囲を取り囲む筐体カバーを設け、該筐体カバーの前記吸気用開閉扉に対面する位置に吸気孔を設けるとともに、同じく筐体カバーの前記排気用開閉扉に対面する位置に排気孔及び前記吸引ファンを設けてなる請求項１２記載の加熱反応装置。

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