JP4313768B2 - 反応システム - Google Patents

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Description

本発明は、微細な流路から構成される反応部を備えた反応システムに関する。
近年、流路の幅と高さが数μmから数百μmの微細流路を有する構造体に、お互いに反応する2種類以上の流体を導入し、微細流路内でお互いに接触させて化学反応を生じさせるマイクロリアクタと呼ばれる反応装置が注目されている。
このようなマイクロリアクタ1つあたりに生成される化学物質は毎分数mL程度であるため、工業的に大量生産を行う場合には、1つの構造体に複数の微細流路を集積する方法、あるいは複数のマイクロリアクタを並列させる方法で実現させることが検討されている。このような方法をマイクロリアクタのナンバリングアップと呼んでいる。
マイクロリアクタに関する研究は盛んに行われているが、ナンバリングアップに関連した周辺機器との連携や制御方法といったプラントシステムとしての研究はあまり行われていない。なかでも、マイクロリアクタをナンバリングアップしたプラントの運転中に、微細流路が閉塞した場合、あるいは流路断面積が小さくなった場合の検出方法の開発が望まれている。
なお微細流路に関する特許文献としては例えば以下のものがあるが、これらの文献は本発明の構成を示唆するものではない。
特開2003−35611号公報 特開2004−243308号公報
本発明は、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて微細流路の閉塞を安価で精度の良く検出する方法を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するものとして、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する反応部(マイクロリアクタ、マイクロ反応チップなどと呼ばれることがある)を有する反応システムにおいて、流体の温度を指標として反応部内の微細流路の閉塞又は微細流路断面積の減少を検出することを特徴とする。
本発明はまた、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する反応部を有する反応システムにおいて、微細流路に流体を流した際の反応部の入口部から出口部までの圧力損失を測定することにより、反応装置の微細流路の閉塞を検出することを特徴とする。
すなわち本発明は以下の発明を包含する。
(1)本発明は、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路と、前記合流路内部の流体温度を測定するための手段とを有する反応部を複数備えた反応システムに関する。
ここで「合流路内部の流体温度を測定するための手段」は、合流路内部の流体温度を直接的に測定するものには限定されず、例えば反応部を構成する構成部材であって合流路の近傍の部分の温度を測定することにより合流路内部の流体の温度を間接的に測定するものであってもよい。かかる手段としては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ測温体等を用いることができる。
本発明のこの形態によれば、測定された各温度を指標にして、前記反応部内の流路の閉塞又は断面積の減少を検出することが可能である。なお「測定された各温度を指標にする」とは、反応部の各測定温度について、平常時の測定温度と比較して異状が見られた場合に流路の閉塞又は断面積の減少が発生していると判断すること、及び、各測定温度を複数の反応部間で相対的に比較して、他の反応部とは異なる温度変化を示す反応部について流路の閉塞又は断面積の減少が発生していると判断することの両方を含む。
(2)本発明は、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する反応部を用いて行う温度変化を伴う化学反応において、前記合流路内部の流体温度を測定し、測定された温度を指標にして、前記反応部内の流路の閉塞又は断面積の減少を検出する方法に関する。
この方法は、上記反応部が複数並列して配置された反応システムだけでなく、上記反応部が単独で用いられた反応システムにおいても適用することができる。
(3)本発明は、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、前記各反応部の合流路出口に接続された排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路と、前記各排出用流路から分岐した又は前記各反応部の合流路出口に接続された、少なくとも一部分が微細な流路からなる検査用流路と、前記各反応部から排出される反応流体の流路を前記排出用流路と前記検査用流路との間で切り替えることができる流路切り替え手段とを有する下流側流路系であって、前記検査用流路に流れた反応流体が前記下流側流路系のいずれかの場所に再合流できるように構成された前記下流側流路系と、前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、前記反応部又は前記検査用流路に含まれる微細な流路(反応部に含まれる供給流路もしくは合流路、又は検査用流路に含まれる微細流路)の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記検査用流路に流路を設定した際の前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システムに関する。
(4)本発明は、前記検査用流路に含まれる微細な流路が、断面形状が同一であり流路断面の代表長さ又は流路長さの一方のみが検査用流路ごとに異なるものである、(3)に記載の反応システムに関する。
本発明の(3)及び(4)の形態は、以下に詳述する通り、複数の反応部のうち1つで閉塞が起こった場合の、並列して配置された複数の反応部全体による圧力損失(すなわち上記の上流側流路系の圧力と下流側流路系の圧力との差)が、閉塞が発生した反応部及びその他の流路系を構成する微細流路の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さに応じて決定されるという点に着目して完成されたものである。微細流路の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さは、どの反応部で閉塞が起こったかに応じて、並列して配置された複数の反応部全体による圧力損失の値が異なる値になるように設定されている。どのように設定されていればよいのかは、本明細書及び図面の内容から明らかであろう。
本発明のこの形態では、通常運転時は、反応部からの反応流体は排出用流路を経て排出される。このときに複数の反応部のうちの1つで流路の閉塞が発生すると、下記に詳述するとおり圧力損失が発生して、上流側流路系の圧力と下流側流路系の圧力との差が正常時よりも増大し、その変化が観察される。ただし、この時点ではどの反応部で流路閉塞が起こっているのかまでは特定できない。そこで、流路切り替え手段を用いて流路を排出用流路から検査用流路に切り替え、切り替え後の圧力差すなわち圧力損失の値を測定することにより、どの反応部において流路閉塞が起こっているかを特定することができる。
本明細書において「(流路断面の)代表長さ」とは、円形断面であればその直径であり、非円形断面であれば次式のDで表される値である。流体工学においては水力直径といわれることがある。
D=4×(流路の断面積)/(流路断面における周囲の長さ)
なお本明細書全体を通じて、各微細流路の断面形状又は断面代表長さは、流路の長手方向に沿って同一であっても変動するものであってもよい。
「上流側流路系の圧力と下流側流路系の圧力との差を測定するための手段」としては、上流側流路系と下流側流路系の圧力差を直接表示することができる差圧計のほか、各圧力をそれぞれ測定できる圧力計を使用することができる。各圧力が測定できれば圧力差は直ちに求めることができる。これらの測定手段の検出部の設置位置は、上流側流路系、下流側流路系の内部の圧力を測定できる限り特に限定されないが、上流側流路系では分岐点の上流側、下流側流路系では各反応部からの排出用流路の合流点の下流側に設置されるのが好ましい。
上流側流路系は、原料流体の種類の数に応じた数だけ存在するが、圧力の測定は任意の1つの上流側流路系について行えばよい。
本発明のこの形態において、検査用流路は、検査用流路に流れた反応流体が下流側流路系のいずれかの場所に再合流できるように構成されている。例えば、各検査用流路が合流して形成された流路が、各排出用流路が合流して形成された流路に合流するように構成されていてよい。また検査用流路が相互に合流することなく、各排出用流路又は各排出用流路が合流して形成された流路に接続されてもよい。
流路切り替え手段の設置位置は特に限定されない。例えば、各検査用流路が合流して形成された流路が、各排出用流路が合流して形成された流路に合流するように構成されている場合には、各検査用流路が合流して形成された流路と、各排出用流路が合流して形成された流路との合流点に流路切り替え手段を設置することができる。
(5)本発明は、流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、前記各反応部の合流路出口に接続された排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路とを有する下流側流路系と、前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、前記反応部に含まれる微細な流路(供給流路又は合流路)の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システムに関する。
(6)本発明は、前記合流路を構成する微細な流路が、断面形状が同一であり流路断面の代表長さ又は流路長さの一方のみが反応部ごとに異なるものである、(5)に記載の反応システムに関する。
本発明の上記(5)及び(6)の形態では、複数の反応部のうちの1つで流路の閉塞が発生した場合、検出された圧力差、すなわち圧力損失の値からただちに閉塞した反応部を特定することができる。
(7)流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、前記各反応部の合流路出口に接続された、少なくとも一部分が微細な流路からなる排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路とを有する下流側流路系と、前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、前記反応部又は前記検査用流路に含まれる微細な流路(反応部に含まれる供給流路もしくは合流路、又は排出用流路に含まれる微細流路)の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システムに関する。
本発明のこの形態でもまた、複数の反応部のうちの1つで流路の閉塞が発生した場合、検出された圧力差、すなわち圧力損失の値からただちに閉塞した反応部を特定することができる。
以上に説明した、本発明に係る反応システムにおいて、反応部又は下流側流路系における微細流路の流路断面の代表長さは、1cm以下であることが好ましく、1mm以下であることがより好ましい。下限は特に限定されないが通常は1μm以上、より典型的には数10μm以上であろう。
本発明によれば、ナンバリングアップしたマイクロリアクタによるプラントシステムにおいて微細流路の閉塞を安価で精度の良く検出する方法を提供することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を図を用いて説明する。
実施形態1
本発明に係る反応システムの第一の実施形態を図1から図3を用いて説明する。
まず、本実施形態の反応システムの構成について説明する。
図1は、本実施形態の反応システム1の構成の概略図である。
反応システム1は、並列配置された反応部10、微細な合流路11、微細な供給流路12、温度計測部13、上流側流路21、22、排出用流路23、原料流体貯留用タンク31、32、反応流体貯留用タンク33、ポンプ41、42、バルブ51、52、流量計61、62から構成されている。ポンプ41、42は、タンク31、32から上流側流路21、22を通って、反応部10へ流体を供給するために設けられており、その流量は、バルブ51、52と流量計61、62により調整される。反応部10で反応した流体は、排出用流路23を通って、タンク33へ排出される。
図2及び図3は、反応部10の構成の概略図である。
反応部10に含まれる合流路11及び供給流路12の断面形状については、長方形、台形、円形、楕円形など、加工が可能であれば特に限定されない。
微細流路を有する反応部の材質としてはガラス、ステンレス鋼などの金属、樹脂などを用いることができる。
微細流路は、板状の基板にエンドミル、ワイヤカットなどの機械加工、放電加工、エッチング或いは鋳型成型などで溝状の加工をすることで形成される。微細流路を加工した基板と、流体の出入り口となる貫通穴を加工した基板とを接合することにより反応部を形成することができる。また、基板同士を接合することなく、加圧することにより反応部を形成することもできる。
なお図1〜3は、反応部内の微細流路の配置及び機能を示すために簡略化した図である。反応部10は通常は上記の通り、微細流路を加工した基板と流体の出入り口となる貫通穴を加工した基板とが組合わされて形成される。
流路断面の代表長さは、流体が流れることのできる範囲であれば特に限定されないが、典型的には数μmから数百μmの範囲であり、大きくても数cmまでの範囲である。温度計測部13には、熱電対などを用いる。図2のように温度を感知する先端を合流路11内部の流体中に設置したり、図3のように反応部の構造体中で合流路11のごく近傍に設置したりすることにより、直接的又は間接的に流体の温度を測定する。図2又は図3において温度計測部13は、1点しか設置されていないが、流路に沿って複数個設置しても良い。
図1に示す反応システム1では、反応部10は3個で構成されているが、2個以上の複数あれば良い。
次に、上述した反応システム1の動作について説明する。
反応システム1において、化学物質Xと化学物質Yが反応して化学物質Zが生成する反応を行わせる場合を考える。
[数1]
X + Y → Z 式(1)
タンク31に化学物質Xを含む流体を、タンク32に化学物質Yを含む流体をそれぞれ同じ濃度で用意する。タンクより流体をそれぞれ同じ流量で反応部10の供給流路に供給する。式(1)で表される反応が発熱反応であれば、反応部10の合流部で化学物質Xと化学物質Yが反応し、反応熱により合流部の下流側の流路(合流路11)で流体温度が上昇する。3個ある反応部10へ流体が同じ流量で流れていれば、それぞれの反応部での流体温度は等しくなる。
流量計61、62で示される流量が一定となるように運転している場合に、3個ある反応部10のうち、ある1個の反応部内の合流路11が閉塞した場合を考える。閉塞した反応部へは流体が供給されなくなるので、式(1)で表される反応が起こらず、閉塞した反応部の合流部下流側での流体温度上昇がなくなる。
また、流量計61、62で示される流量が一定となるように運転している場合に、ある1個の反応部内の微細合流路11の流路断面積が小さくなった場合を考える。流路断面積が小さくなった反応部への流量は、他の反応部への流量と比べて小さくなり、式(1)で表される反応が相対的に起こらなくなる。よって、単位時間当たりの発熱量が減少し、流路断面積が小さくなった反応部の合流部下流側での流体温度上昇も小さくなる。
なお、ここでは式(1)で表される反応が発熱反応の場合を考えたが、吸熱反応でも良く、その場合は反応により温度が下降する。
以上のように、合流路11での流量が小さいため、流路が閉塞したり流路断面積が小さくなったりすることによる流体の温度変化が顕著に現れる。よって、流体の温度を測定することにより、反応部内の微細流路の閉塞、あるいは流路断面積が小さくなった場合の検出が可能となり、さらにはその反応部の特定が可能となる。
実施形態2
本発明に係る反応システムの第二の実施形態を図4を用いて説明する。
まず、本実施形態の反応システムの構成について説明する。
図4は、本実施形態の反応システム2の構成の概略図である。
反応システム2は、並列配置された反応部10、微細な合流路11、微細な供給流路12、上流側流路21、22、下流側の排出用流路23、検査用流路24a〜24c、原料流体貯留用タンク31、32、反応流体貯留用タンク33、ポンプ41、42、バルブ51、52、切り替えバルブ53、流量計61、62、差圧計71から構成されている。ここで検査用流路24a〜24cはそれぞれ分岐点から合流点までが微細流路で構成されている。ポンプ41、42は、原料流体貯留用タンク31、32から上流側流路21、22を通って、反応部本体10へ流体を供給するために設けられており、その流量は、バルブ51、52と流量計61、62により調整される。反応部10で反応した流体は、排出用流路23を通って、タンク33へ排出される。また、切り替えバルブ53を切り替えることにより反応部10で反応した流体は、検査用流路24a〜24cを通って、タンク33へ排出される。
反応部10については、温度計測部を除いて実施形態1に示した反応部と同じである。
図4に示す反応システム2では、反応部10は3個で構成されているが、2個以上の複数個あれば良い。
次に、上述した反応システム2の動作について説明する。
微細流路に流体を流すと、流れは層流となる。層流の場合の圧力損失は、流路の断面が円形であれば、次式のようなハーゲン−ポアズイユの式で表される。
[数2]
ΔP = kQL/D 式(2)
ここで、ΔPは圧力損失、kは比例定数、Qは流量、Lは流路長さ、Dは流路直径である。また、流路の断面が他の形状であっても、流路直径の代わりに流路断面の代表長さを用いることで、圧力損失は式(2)で表される。
流量計61、62で示される流量が一定となるように運転している場合に、3個ある反応部10のうち、ある1個の反応部内の微細流路が閉塞した場合を考える。閉塞した反応部へは流体が供給されなくなるので、残りの反応部への流量が大きくなる。圧力損失は、式(2)で表されるので流量が大きくなった分だけ差圧計71に示される圧力損失も大きくなる。圧力損失が大きくなったことにより、閉塞した反応部が存在することは検知できるが、閉塞した反応部の特定はできない。
そこで、切り替えバルブ53を切り替えることにより反応部10で反応した流体を検査用流路24a〜24cを通って、タンク33へ排出するようにする。検査用流路24a〜24cは、流路断面の代表長さを同じとしているが流路長さが異なる。
反応部10の合流路11の流路長さをL0、流路断面の代表長さをD0、検査用流路24a〜24cの流路長さをそれぞれLa〜Lc、流路断面の代表長さをD1、反応システム2での全流量をQ、検査用流路24a〜24cでの流量をそれぞれQa〜Qc、差圧計71に示される圧力損失をΔPとする。なお反応部10の供給流路12での圧力損失は、差圧計71に示される圧力損失ΔPと比較して十分小さいと仮定する。また、各微細流路の断面形状及び断面積は長手方向に沿って変動しないものとする。
微細流路が閉塞する前での、流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数3]
Q = Qa + Qb + Qc 式(3)
[数4]
ΔP = kQaL0/D0 + kQaLa/D1
= kQbL0/D0 + kQbLb/D1
= kQcL0/D0 + kQcLc/D1 式(4)
検査用流路24cにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。記号に「‘」を付けて表す。
[数5]
Q = Q‘a + Q‘b 式(5)
[数6]
ΔP‘ = kQ‘aL0/D0 + kQ‘aLa/D1
= kQ‘bL0/D0 + kQ‘bLb/D1 式(6)
式(3)〜式(6)より、閉塞前後での圧力損失の比は次式のようになる。
[数7]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+La/D1)+1/(L0/D0+Lb/D1)
+1/(L0/D0+Lc/D1)}
/{1/(L0/D0+La/D1)+1/(L0/D0+Lb/D1)}
式(7)
同様にして、検査用流路24bにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数8]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+La/D1)+1/(L0/D0+Lb/D1)
+1/(L0/D0+Lc/D1)}
/{1/(L0/D0+La/D1)+1/(L0/D0+Lc/D1)}
式(8)
同様にして、検査用流路24aにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数9]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+La/D1)+1/(L0/D0+Lb/D1)
+1/(L0/D0+Lc/D1)}
/{1/(L0/D0+Lb/D1)+1/(L0/D0+Lc/D1)}
式(9)
式(7)〜(9)より差圧計71に示される圧力損失は、閉塞した反応部によって値が異なるため、閉塞した反応部の特定が可能となる。
また図4の実施形態に類似する本発明の別の形態として、図4における検査用流路24a〜24cについて、流路長さを同じとし流路断面の代表長さが異なるようにした場合(図示はしていない)を考える。
反応部10の合流路11の流路長さをL0、流路断面の代表長さをD0、検査用流路24a〜24cの流路長さL1を、流路断面の代表長さをそれぞれDa〜Dc、反応システム2での全流量をQ、検査用流路24a〜24cでの流量をそれぞれQa〜Qc、差圧計71に示される圧力損失をΔPとする。なお反応部10の供給流路12での圧力損失は、差圧計71に示される圧力損失ΔPと比較して十分小さいと仮定する。また、各微細流路の断面形状及び断面積は長手方向に沿って変動しないものとする。
微細流路が閉塞する前での、流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数10]
Q = Qa + Qb + Qc 式(10)
[数11]
ΔP = kQaL0/D0 + kQaL1/Da
= kQbL0/D0 + kQbL1/Db
= kQcL0/D0 + kQcL1/Dc 式(11)
検査用流路24cにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。記号に「‘」を付けて表す。
[数12]
Q = Q‘a + Q‘b 式(12)
[数13]
ΔP‘ = kQ‘aL0/D0 + kQ‘aL1/Da
= kQ‘bL0/D0 + kQ‘bL1/Db 式(13)
式(10)〜式(13)より、閉塞前後での圧力損失の比は次式のようになる。
[数14]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+L1/Da)+1/(L0/D0+L1/Db)
+1/(L0/D0+L1/Dc)}
/{1/(L0/D0+L1/Da)+1/(L0/D0+L1/Db)}
式(14)
同様にして、検査用流路24bにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数15]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+L1/Da)+1/(L0/D0+L1/Db)
+1/(L0/D0+L1/Dc)}
/{1/(L0/D0+L1/Da)+1/(L0/D0+L1/Dc)}
式(15)
同様にして、検査用流路24aにつながる反応部10の合流路11が閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数16]
ΔP‘/ΔP
={1/(L0/D0+L1/Da)+1/(L0/D0+L1/Db)
+1/(L0/D0+L1/Dc)}
/{1/(L0/D0+L1/Db)+1/(L0/D0+L1/Dc)}
式(16)
式(14)〜(16)より差圧計71に示される圧力損失は、閉塞した反応部によって値が異なるため、閉塞した反応部の特定が可能となる。
以上のように、反応部入口から検査用の微細流路出口までの圧力損失を測定することにより、反応部内の微細流路の閉塞の検出が可能となり、さらにはその反応部の特定が可能となる。
実施形態3
本発明に係る反応システムの第三の実施形態を図5を用いて説明する。
まず、本実施形態の反応システムの構成について説明する。
反応システム3は、並列配置された反応部10a〜10c、微細な合流路11a〜11c、微細な供給流路12、上流側流路21、22、排出用流路23、原料流体貯留用タンク31、32、反応流体貯留用タンク33、ポンプ41、42、バルブ51、52、流量計61、62、差圧計71から構成されている。ポンプ41、42は、タンク31、32から流路21、22を通って、反応部本体10a〜10cへ流体を供給するために設けられており、その流量は、バルブ51、52と流量計61、62により調整される。反応部10a〜10cで反応した流体は、下流側の排出用流路23を通って、タンク33へ排出される。
反応部10a〜10cについては、温度計測部及び合流路11a〜11cの長さを除いて実施形態1に示した反応部と同じである。合流路11a〜11cは、それぞれ流路長さが異なるように形成する。なお図5において11a〜11cは蛇行させることによりそれぞれの流路長さを変えているが、流路長さを変える方式はこの形態には限定されない。例えば合流路は直線状であっても反応部全体の長さを変えることにより合流路の長さを変えることができる。
図5に示す反応システム3では、反応部10は3個で構成されているが、3個以上であっても良い。
次に、上述した反応システム3の動作について説明する。
流量計61、62で示される流量が一定となるように運転している場合に、3個ある反応部10a〜10cのうち、ある1個の反応部内の微細流路が閉塞した場合を考える。
反応部10a〜10cの合流路11a〜11cの流路長さをそれぞれLa〜Lc、流路断面の代表長さをD0、流量をそれぞれQa〜Qc、反応システム3での全流量をQ、差圧計71に示される圧力損失をΔPとする。なお反応部10a〜10cの供給流路12での圧力損失は、差圧計71に示される圧力損失ΔPと比較して十分小さいと仮定する。また、各微細流路の断面形状及び断面積は長手方向に沿って変動しないものとする。
微細流路が閉塞する前での、流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数17]
Q = Qa + Qb + Qc 式(17)
[数18]
ΔP = kQaLa/D0
= kQbLb/D0
= kQcLc/D0 式(18)
反応部10cの合流路11cが閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。記号に「‘」を付けて表す。
[数19]
Q = Q‘a + Q‘b 式(19)
[数20]
ΔP‘ = kQ‘aLa/D0
= kQ‘bLb/D0 式(20)
式(17)〜式(20)より、閉塞前後での圧力損失の比は次式のようになる。
[数21]
ΔP‘/ΔP
={1/(La/D0)+1/(Lb/D0)+1/(Lc/D0)}
/{1/(La/D0)+1/(Lb/D0)}
式(21)
同様にして、反応部10bの合流路11bが閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数22]
ΔP‘/ΔP
={1/(La/D0)+1/(Lb/D0)+1/(Lc/D0)}
/{1/(La/D0)+1/(Lc/D0)}
式(22)
同様にして、反応部10aの合流路11aが閉塞した場合の流量と圧力損失の関係は次式のようになる。
[数23]
ΔP‘/ΔP
={1/(La/D0)+1/(Lb/D0)+1/(Lc/D0)}
/{1/(Lb/D0)+1/(Lc/D0)}
式(23)
式(21)〜(23)より差圧計71に示される圧力損失は、閉塞した反応部によって値が異なるため、閉塞した反応部の特定が可能となる。
以上のように、反応部入口から出口までの圧力損失を測定することにより、反応部内の微細流路の閉塞の検出が可能となり、さらにはその反応部の特定が可能となる。
第1の実施形態における反応システムの構成の概略図 第1の実施形態における反応部の構成の概略図 第1の実施形態における反応部の構成の概略図 第2の実施形態における反応システムの構成の概略図 第3の実施形態における反応システムの構成の概略図
符号の説明
1、2、3…反応システム
10…反応部
11…微細な合流路
12…微細な供給流路
13…温度計測部
21、22…上流側流路
23…排出用流路
24…検査用流路
31、32…原料流体貯留用タンク
33…反応流体貯留用タンク
41、42…ポンプ
51、52…バルブ
53…切り替えバルブ
61、62…流量計
71…差圧計

Claims (6)

  1. 流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、
    供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、
    前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、
    前記各反応部の合流路出口に接続された排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路と、前記各排出用流路から分岐した又は前記各反応部の合流路出口に接続された、少なくとも一部分が微細な流路からなる検査用流路と、前記各反応部から排出される反応流体の流路を前記排出用流路と前記検査用流路との間で切り替えることができる流路切り替え手段とを有する下流側流路系であって、前記検査用流路に流れた反応流体が前記下流側流路系のいずれかの場所に再合流できるように構成された前記下流側流路系と、
    前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、
    前記反応部又は前記検査用流路に含まれる微細な流路の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記検査用流路に流路を設定した際の前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システム。
  2. 前記検査用流路に含まれる微細な流路が、断面形状が同一であり流路断面の代表長さ又は流路長さの一方のみが検査用流路ごとに異なるものである、請求項に記載の反応システム。
  3. 流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、
    供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、
    前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、
    前記各反応部の合流路出口に接続された排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路とを有する下流側流路系と、
    前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、
    前記反応部に含まれる微細な流路の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システム。
  4. 前記合流路を構成する微細な流路が、断面形状が同一であり流路断面の代表長さ又は流路長さの一方のみが反応部ごとに異なるものである、請求項に記載の反応システム。
  5. 流体を供給するための複数の微細な供給流路と、前記複数の供給流路が合流して形成される微細な合流路とを有する複数の反応部と、
    供給される流体の種類ごとに設けられた流体貯留部と、
    前記各流体貯留部から分岐部を経て前記各反応部の供給流路入口に連結された上流側流路系と、
    前記各反応部の合流路出口に接続された、少なくとも一部分が微細な流路からなる排出用流路と、前記排出用流路が合流して形成される流路とを有する下流側流路系と、
    前記上流側流路系の圧力と前記下流側流路系の圧力との差を測定するための手段とを備え、
    前記反応部又は前記排出用流路に含まれる微細な流路の断面形状、断面の代表長さ又は流路長さが、前記複数の反応部のうちどの反応部内の流路が閉塞したかに応じて前記圧力差が異なる値となるように設定されている反応システム。
  6. 微細流路の流路断面の代表長さが1cm以下であることを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の反応システム。
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