JP4348676B2 - マイクロ化学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学工業や医薬品工業等の分野で流体の混合または混合を伴う反応で材料または製品を製造したり、分析機器工業の分野で測定対象の物質の拡散係数や反応速度定数を分析したりする機器の混合または混合を伴う反応を行う部品として用いられるマイクロ化学装置に関するものである。更に詳しくは、複数の流体をそれぞれの供給口を通して混合および混合を伴う反応を行う１本の流路（以下、混合反応流路）内へ導入し、これらを薄層の流れとしてその混合反応流路内を流通させつつ、流体同士を混合し、または混合および反応させるマイクロ化学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ化学装置は、装置サイズが小さく、単位体積あたりの表面積が大きいという特徴から、優れた物質・伝熱性能、安全性、試料消費量の削減といった利点を持つ。これらの利点から、マイクロ化学装置は、化学製品を製造したり、反応速度定数の測定や化学合成の手段として有用であると考えられる。
【０００３】
図１３に示すように、従来のマイクロ化学装置１０１は、流路１０２が側壁１０３で囲まれた構造であり、２つの入口と１つの出口が備わっている。マイクロ化学装置１０１内に、原料である流体Ａ、流体Ｂを原料投入口１０５ａ・１０５ｂから投入する。未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物は、排出口１０６から排出される。より詳しくは以下の通りである。すなわち、原料投入口１０５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口１０５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。１０４は供給壁である。
【０００４】
特許文献１は、２つの入口と２つの出口が備わっているマイクロ化学装置の例である。反応流路は、内径１００μｍ以下に形成されていて層流状態を維持できる範囲となっているが、排出口の形状等を変えられる構造となっていない。
【０００５】
特許文献２は、２つの流体を混合または分散するためのマイクロ化学装置の例である。
【０００６】
非特許文献１は、ＩＭＭ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｉｎｚ）社のシングルミキサーであり、２つの流体を混合または分散するためのマイクロ化学装置の例である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２８２６８２号公報（公開日平成１４年１０月２日）
【０００８】
【特許文献２】
特表２００３−５０２１４４号公報（公開日平成１５年１月２１日）
【０００９】
【非特許文献１】
Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｅｈｒｆｅｌｄ， Ｖｏｌｋｅｒ Ｈｅｓｓｅｌ Ｈｏｌｇｅｒ Ｌｏｗｅ著「Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ −Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−」出版元：ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ、２０００年３月出版、ｐ．６４−６５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のマイクロ化学装置は、高純度生成物または反応生成物の選択的な取り出しが困難であるという問題がある。
【００１１】
すなわち、マイクロ化学装置では、マイクロ空間において混合または混合を伴う反応を行うため、その特徴は、従来行われている乱流渦による混合でなく層流による秩序だった流れで反応物質の分子拡散による混合である点である。すなわち、流れと直交する方向のそれらの分子拡散速度によるため、導入した流体の混合および混合を伴う反応の全体的な完了時間は、混合反応流路の幅と長さに依存する。
【００１２】
従来のマイクロ化学装置では、混合反応流路に導入された流体はそれらの流体が持つ拡散速度や反応速度の特性により成り行きで混合および混合を伴う反応が行われている。そのため、図１３に示すように、その処理流量などの操作条件によっては、取り出される生成物が未反応物質を含んでいたり、全てを反応させるために十分に時間をとるばかりに、流路の初期段階で起こった混合や混合を伴う反応が逐次的に進行してしまい、結果的に不均−な生成物となってしまったりという問題がある。未反応物質が含まれていると、マイクロ化学装置から出た後で生成物と混合や反応をしてしまい、結果的に所望の生成物が得られない場合がある。
【００１３】
図１３でいえば、流体Ａは、分子拡散により、領域ａ、ｃに広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域ｂ、ｃに広がる。その結果、排出口１０６からは、未混合・未反応の流体Ａ、生成物、未混合・未反応の流体Ｂのいずれもが排出されることになる。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができるマイクロ化学装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係るマイクロ化学装置は、複数の原料流体をそれぞれの原料供給路を通して混合反応を行う１本の混合反応流路へ導入し、これらの原料流体を薄層の層流として流通させつつ、それぞれの原料流体に含有される原料を分子拡散によって混合反応させて生成物を得るマイクロ化学装置において、前記混合反応流路の水平面上を流れる原料流体の進行方向に垂直な面内であって、前記分子拡散によって生じる水平方向の物質分布が生じている混合反応流路の部位に、物理的な障壁となるガイド壁を前記進行方向に複数配列して前記混合反応流路に複数の排出路を形成し、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに未混合なそれぞれの原料流体及び前記生成物を含む反応流体に分かれるようにすると共に、前記複数のガイド壁で形成される前記排出路の数は前記原料供給路の数よりも前記混合反応によって生成される生成物の分だけ多いと共に、前記ガイド壁は前記物質分布に応じて各排出路を通る生成物又は原料の組成が排出路ごとに一番大きくなるように配置されていることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成により、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して物質の混合または混合を伴う反応を行う場合は、原料の進行方向に垂直な面内において、物質の組成は一様ではなく、物質分布が存在する。そのため、ここに、排出路ごとに組成が異なるように、物理的な障壁となるガイド壁を置いて排出路を複数に分けることで、組成ごとに取り出すことが可能になる。
【００１７】
例えば、原料Ａと原料Ｂとを混合、反応させて生成物Ｃを得る場合、後でＡとＣとの分離が容易であれば、マイクロ化学装置においてはＣにＡが混ざっていてもよく、Ｂが混ざらないような位置にガイド壁を設ければよい、とすることもできる。
【００１８】
したがって、生成物取り出し用に割り当てられた排出路からは、原料の割合が少ないまたは無い状態で生成物を排出させることができる。
【００１９】
それゆえ、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００２０】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、上記ガイド壁の先端が先細形状であることを特徴としている。
【００２１】
上記の構成により、上記ガイド壁の先端が先細（テーパー）形状である。
【００２２】
例えば、三角形である。また例えば、円柱形状部をえぐった形状である。
【００２３】
したがって、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって、予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、排出物同士をより効果的に分離することができる。
【００２４】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つ温度制御部を備えたことを特徴としている。
【００２５】
上記の構成により、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。
【００２６】
したがって、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、温度によって物質分布が変動するような混合または混合を伴う反応の場合であっても、排出路から、常に一定の組成の生成物を得ることができる。
【００２７】
本発明に係るマイクロ化学装置においては、混合反応流路の下流にガイド壁を複数設け、混合反応流路内の流体を分流する。このガイド壁の形状、数、位置を変えることにより、適用する反応や流量などの操作条件に関わらず、所望の生成物を取り出すとともに、たとえば未反応の化合物や未混合の原料は回収して再利用するように構成することができる。これにより、高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態に係るマイクロ化学装置１は、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して原料の混合または混合を伴う反応を行うマイクロ化学装置であり、略直方体形状の流路２が側壁３で囲まれた構造を持っている。マイクロ化学装置１の一例として、図２の流路下部本体３１と図５の流路上部本体４１とを組み合わせる。流路下部本体３１は、底板３２、後部３３、側部３４を備えている。流路上部本体４１は、天板４２、側部４３を備えている。そして、流路下部本体３１の底板３２と流路上部本体４１の天板４２とが対向するとともに、流路下部本体３１の後部３３と流路上部本体４１の側部４３とが嵌り合うように組み合わせる。なお、この構造のバリエーションについては後述する。
【００３０】
マイクロ化学装置１は、図１（ａ）中、紙面表側に向かう方向を上にして設置する。
【００３１】
図１に示すように、マイクロ化学装置１は、原料としての複数の流体（Ａ・Ｂ）を供給する複数の原料供給路２ａと、混合および混合を伴う反応を行う流路としての混合反応流路２ｂと、反応流体を排出する複数の排出路２ｃとを有している。
【００３２】
原料供給路２ａは、供給壁４で仕切られ、原料供給路２ａの先端は原料投入口５ａ・５ｂとなっており、それぞれ、流体Ａ・Ｂの投入される開口部となっている。
【００３３】
そして、マイクロ化学装置１は、排出路２ｃを複数に分割するための物理的な障壁であるガイド壁９ａ・９ｂを有している。ガイド壁９ａ・９ｂは、平らで、流路下部本体３１の底板３２から、鉛直方向（図１（ａ）中、紙面表側に向かう方向）に立ち、流路上部本体４１の天板４２に達する壁である。すなわち、未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物が排出される部位（図１（ａ）中、流路２の右端）であって、原料の分子拡散により流体Ａ、流体Ｂの両者が混合・反応した部分のみが出てくるように、物理的な障壁であるガイド壁９ａ・９ｂを設けている。排出路２ｃは、このようにガイド壁９ａ・９ｂで仕切られ、その先端は排出口６ａ・６ｂ・６ｃとなっており、それぞれ、流体Ａ、流体ＡとＢとで生成する生成物、流体Ｂが排出される開口部となっている。
【００３４】
そのため、マイクロ化学装置１では、原料（流体Ａ・Ｂ）がそれぞれ原料投入口５ａ、原料投入口５ｂから原料供給路２ａへ入り、混合反応流路２ｂを、層流による秩序だった流れで分子拡散しながら一定の進行方向、すなわち原料投入口から排出口へ向かう向き（図１（ａ）中、左から右に向かう向き）に進行し、排出路２ｃの、原料の進行方向に垂直な方向（図１（ａ）中、縦方向）における両端部に設けられた排出口６ａ・６ｃからそれぞれ出ていき、一方、生成物が、排出路２ｃの、原料の進行方向に垂直な方向（図１（ａ）中、縦方向）における中央部に設けられた排出口６ｂから出ていくようになっている。
【００３５】
より詳しく述べると、本実施形態に係るマイクロ化学装置１は、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して物質の混合または混合を伴う反応を行うものであるため、マイクロ化学装置１内における、原料である流体Ａ・Ｂが流路２の混合反応流路２ｂを進行すると、原料の分子拡散によって、原料の進行方向に垂直（図１（ａ）中、縦方向）な面内においては物質の組成は一様ではなく、物質分布が生じる。すなわち、流路２の混合反応流路２ｂ内に存在する物質の種類は、後述の領域ａ、ｂ、ｃや領域Ｓ１ないしＳ６（図９参照）ごとに異なっているため、流体の進行方向に垂直な面で切ると、これらの領域に応じた物質分布が現れるのである。この物質分布は、本マイクロ化学装置１の厚み方向（鉛直方向、図１（ａ）中、紙面に垂直な方向）に平行な直線同士で仕切られた形状（縦ストライプ）である。したがって、本マイクロ化学装置１で設けているような、平らで鉛直方向に立つ壁であるガイド壁９ａ・９ｂで、物質分布の境界に沿ったものとすることが可能になっている。
【００３６】
本実施形態では、この物質分布に応じて、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに異なるように、その物質分布が生じている部位に物理的な障壁となるガイド壁を置いて該面を排出路として複数に分けている。これにより、組成ごとに取り出すことが可能になる。
【００３７】
本実施形態では、上記物質分布に応じて、当該生成物または原料の組成が排出路ごとに一番大きくなるように上記ガイド壁を置いている。
【００３８】
本実施形態では、原料および生成物のうちで生成物の割合が一番大きい排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、３つの排出路２ｃのうち、排出口６ｂから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、生成物の割合が一番大きい。
【００３９】
また、ここでは、上記ガイド壁を置くことにより、原料および生成物のうちで各原料の割合が一番大きい各排出路も形成される。すなわち、排出口６ａから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ａの割合が一番大きく、排出口６ｃから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ｂの割合が一番大きい。
【００４０】
そして、ここでは、原料および生成物のうちで生成物のみが含まれる排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、排出路２ｃのうち、排出口６ｂから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、生成物のみが含まれる。
【００４１】
また、ここでは、上記ガイド壁を置くことにより、原料および生成物のうちで各原料のみが含まれる各排出路も形成される。すなわち、排出口６ａから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ａのみが含まれ、排出口６ｃから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ｂのみが含まれる。
【００４２】
マイクロ化学装置１の動作の概略は以下の通りである。すなわち、マイクロ化学装置１内に、原料である流体Ａ、流体Ｂを原料投入口５ａ・５ｂからそれぞれ投入する。ここで、ガイド壁９ａ・９ｂは、上述した通り、未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物が排出される部位であって、原料の分子拡散により流体Ａ、流体Ｂの両者が混合・反応した部分のみが出てくるような位置に設けられている。その結果、この二つのガイド壁間に囲まれた範囲にあるのは、ちょうど生成物のみとなり、これを排出口６ｂから選択的に取り出すことができる。これにより、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００４３】
より詳しくは以下の通りである。すなわち、図１は、原料が２つでガイド壁が２つの例である。
【００４４】
原料投入口５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。流体Ａは、分子拡散により、領域ａ、ｂに広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域ｂ、ｃに広がる。すなわち、領域ａは、流体Ａのみが存在する領域であり、領域ｃは、流体Ｂのみが存在する領域であり、領域ｂは、すべての原料、すなわち流体Ａと流体Ｂとの両方が存在する領域である。
【００４５】
領域ａとｂとの境界に先端が来るように、ガイド壁９ａを設置する。領域ｃとｂとの境界に先端が来るように、ガイド壁９ｂを設置する。そのため、排出口６ａからは、未混合・未反応の流体Ａが排出される。排出口６ｂからは、生成物が排出される。排出口６ｃからは、未混合・未反応の流体Ｂが排出される。
【００４６】
なお、例えば、流体Ａと流体Ｂとを混合、反応させて生成物Ｃを得る場合、後でＡとＣとの分離が容易であれば、マイクロ化学装置においてはＣにＡが混ざっていてもよく、Ｂが混ざらないような位置にガイド壁を設ければよい、とすることもできる。
【００４７】
なお、マイクロ化学装置では、混合のみ行う場合と、混合して化学反応をも行う場合とがあるが、混合のみであっても、化学反応をも行う場合であっても、本実施の形態に係るマイクロ化学装置は、同じように使用することが可能である。
【００４８】
なお、混合または反応の状態に合わせて排出路２ｃの形状、数、位置が変えられるように構成してもよい。
【００４９】
また、上記の原料供給路２ａと混合反応流路２ｂとの合流部でのそれぞれの原料供給路２ａの等価直径、すなわち、図中、Ｗ１、Ｗ２で示す、供給壁の先端部４ｅ位置での等価直径は、例えば１μｍ〜１０００μｍであるように構成することができる。
【００５０】
このようなマイクロ化学装置を実際に製造するための加工技術としては、フォトリソエッジング加工、超微細放電加工、光造型法などの特殊な精密機械加工技術や汎用の旋盤、ボール盤を用いた機械加工技術でもよい。
【００５１】
マイクロ化学装置に用いられる材料としては、金属（鉄、アルミ、ステンレス、チタン、各種合金）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル）、ガラス（シリコン、石英）などを挙げることができる。
【００５２】
供給される流体としては、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等が対象であり、また、流体の種類が異なったり化学組成が異なったりする場合のみならず、例えば、温度、固液比などの状態が異なる場合も含まれる。
【００５３】
適用できる反応としては、無機物質や有機物質などを対象としたイオン反応、酸化還元反応、熱反応、触媒反応、ラジカル反応、重合反応など様々な反応形態に適用が可能である。
【００５４】
マイクロ化学装置１の形状、数、位置のバリエーションについて述べる。様々な流路上部本体４１と、様々な流路下部本体３１とを組み合わせることで、原料投入口５ａ・５ｂおよび排出口６ａ・６ｂ・６ｃの形状、数、位置を変えることができる。流路下部本体３１は、例えば、図２ないし図４に示すようなバリエーションがある。流路上部本体４１は、例えば、図５ないし図８に示すようなバリエーションがある。なお、これらの図において、各部位の厚みは省略して描いている。図２の流路下部本体３１と図５の流路上部本体４１との組み合わせが基本である。
【００５５】
図３は、原料としての流体Ａと流体Ｂとの入口である投入口５ａ・５ｂに角度を付けたものである。図４は、原料としての流体Ａと流体Ｂとの入口である投入口を５ａ・５ｂ・５ｃの３つにしたものである。
【００５６】
図６は、図５と比べて、排出口６ａ、６ｂ、６ｃの流路幅を変えたものである。ここでは、６ａ、６ｃを広く、６ｂを狭く変えている。図７は、図５と比べて、ガイド壁の長さを変えることで、混合反応流路２ｂの長さを狭く変えたものである。図８は、排出口を、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの４つにしたものである。
【００５７】
図９は、原料が３つで排出物が５つの例である。またここでは、ガイド壁が４つの例である。流路下部本体３１としては、図４に示すものを用いればよい。また、流路上部本体４１としては、図８の例にならい、排出口を、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅの５つにしたものを用いればよい。
【００５８】
この例では、原料および生成物のうちで生成物の割合が一番大きい排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、５つの排出路のうち、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における中央部に設けられた排出口６ｃから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、生成物の割合が一番大きい。
【００５９】
また、ここでは、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における一端部に設けられた排出口６ａから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ａの割合が一番大きく、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における他端部に設けられた排出口６ｅから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ｃの割合が一番大きい。
【００６０】
そして、ここでは、原料および生成物のうちで生成物のみが含まれる排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、排出路のうち、排出口６ｃから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、生成物のみが含まれる。
【００６１】
また、ここでは、排出口６ａから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ａのみが含まれ、排出口６ｅから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ｃのみが含まれる。
【００６２】
原料投入口５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。原料投入口５ｃからは、原料としての流体Ｃが投入される。流体Ａは、分子拡散により、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域Ｓ４、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ３に広がる。流体Ｃは、分子拡散により、領域Ｓ６、Ｓ５、Ｓ３に広がる。すなわち、領域Ｓ１は、流体Ａのみが存在する領域であり、領域Ｓ４は、流体Ｂのみが存在する領域であり、領域Ｓ６は、流体Ｃのみが存在する領域であり、領域Ｓ２は、流体Ａ・Ｂのみが存在する領域であり、領域Ｓ５は、流体Ｂ・Ｃのみが存在する領域であり、領域Ｓ３は、すべての原料、すなわち流体Ａ・Ｂ・Ｃが存在する領域である。
【００６３】
領域Ｓ１とＳ２との境界に先端が来るように、ガイド壁９ａを設置する。領域Ｓ２とＳ３との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｂを設置する。領域Ｓ３とＳ５との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｃを設置する。領域Ｓ５とＳ６との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｄを設置する。そのため、排出口６ａからは、未混合・未反応の流体Ａが排出される。排出口６ｂからは、未混合・未反応の流体Ａと、未混合・未反応の流体Ｂとが排出される。排出口６ｃからは、生成物が排出される。排出口６ｄからは、未混合・未反応の流体Ｂと、未混合・未反応の流体Ｃとが排出される。排出口６ｅからは、未混合・未反応の流体Ｃが排出される。
【００６４】
排出口６ａ・６ｅから排出された、流体Ａや流体Ｃは、そのまま原料として再利用すればよい。排出口６ｂ・６ｄから排出された、流体ＡとＢとの混合物や流体ＢとＣとの混合物は、分離してから原料として再利用すればよい。なお、生成物を得るという観点だけからいえば、排出口６ａと６ｂ、６ｄと６ｅを分ける必要はなく、したがってガイド壁は排出路内の中央の２つ、すなわち９ｂと９ｃだけを設けてもよい。
【００６５】
マイクロ化学装置、ガイド壁、流路上部本体、流路下部本体の形状、数、位置は、流体に特有な密度、粘度、比重、比熱、熱伝導度、拡散係数、反応速度定数、反応熱の流体特性パラメーター、および流速、温度、圧力の操作パラメーターを入力して、数値流体力学シミュレーションソフトウエアで計算することにより決定することができる。数値流体力学シミュレーションソフトウエアとしては、ＦＬＵＥＮＴ（登録商標）等を用いることができる。マイクロ化学装置１の形状に関していえば、例えば、図１に示す、マイクロ化学装置１の、原料の進行方向に沿う向きであって、供給壁４の先端部４ｅから排出口６ａ・６ｂ・６ｃの端までの長さＬや、混合反応流路２ｂの幅Ｗや、前述の原料供給路２ａと混合反応流路２ｂとの合流部でのそれぞれの原料供給路２ａの等価直径Ｗ１、Ｗ２などを決定すればよい。
【００６６】
ガイド壁９ａ、９ｂの先端は、平面とすることもできるし、図１０や図１１に示すように、先細（テーパー）形状（ナイフエッジ構造）とすることもできる。なお、図１０や図１１において、上下左右の方向は図１（ａ）と同じである。すなわち、流体の流れは、図１（ａ）同様、図中、左からであり、図中、紙面表側に向かう方向が上方向である。図１０は、先端が、上から見て、どの高さ位置でも合同な三角形となっている例である。図１１は、先端が、上から見て円柱形状部をえぐられた形状の例である。図５ないし図８の例では、図１０のものを採用している。
【００６７】
この形状は、流体の渦や淀みが発生しない形状であればよい。このようにナイフエッジ構造とすると、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができるので、排出物同士をより効果的に分離することができる。そのため、図１０中、角度αで示す、先端の鋭角度合いを表す角度は、より小さいほうがよい。また、流体の渦が発生しない程度であれば、先端部が丸みを帯びていてもよい。
【００６８】
また、上記の原料供給路２ａ、混合反応流路２ｂ、排出路２ｃを流れる流体の温度を制御する温度制御部が設けられているように構成してもよい。この温度制御部は、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つものである。このような温度制御部として、熱媒体（オイル、水等の液体等）を流通できるジャケットを有していてもよく、電気ヒーターを設置してもよい。温度をより精密に制御するために、反応混合部のジャケットなどを２分割以上にしてもよい。
【００６９】
すなわち、図１２に示すように、例えば、ジャケット５１でマイクロ化学装置１を覆うようにする。ジャケット５１は、原料供給路２ａ、混合反応流路２ｂ、排出路２ｃをそれぞれ覆う、前部５２、中間部５３、後部５４に分かれている。これ以外にも、前部、中間部、後部がつながった形状とすることもできる。
【００７０】
前部５２は、熱媒体供給管５２ａと熱媒体排出管５２ｂとそれらの中間の保温管５２ｃとを備えており、熱媒体供給管５２ａから所定温度の熱媒体Ｈ１を流し込み、保温管５２ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂを加温し、熱媒体排出管５２ｂから排出する。
【００７１】
同様に、中間部５３は、熱媒体供給管５３ａと熱媒体排出管５３ｂとそれらの中間の保温管５３ｃとを備えており、熱媒体供給管５３ａから所定温度の熱媒体Ｈ２を流し込み、保温管５３ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂおよび生成物を加温し、熱媒体排出管５３ｂから排出する。
【００７２】
同様に、後部５４は、熱媒体供給管５４ａと熱媒体排出管５４ｂとそれらの中間の保温管５４ｃとを備えており、熱媒体供給管５４ａから所定温度の熱媒体Ｈ２を流し込み、保温管５４ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂおよび生成物を加温し、熱媒体排出管５４ｂから排出する。
【００７３】
これにより、マイクロ化学装置１の流路２内を進行する流体Ａ・Ｂおよび生成物の温度が所望の温度に保たれる。
【００７４】
このように前部５２、中間部５３、後部５４とに分かれた構成では、熱媒体Ｈ１ないしＨ３としては、同じ物質でもよいし、異なる物質でもよい。また、温度も、同じでもよいし、異ならせることもできる。混合や反応の条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７５】
本発明に係るマイクロ化学装置は、複数の流体を供給する供給路と、混合反応流路と、反応流体を排出する複数の排出路とからなるマイクロ化学装置において、排出路を複数に分割するためのガイド壁を有し、混合または反応の状態に合わせて排出路の形状、数、位置が変えられるように構成してもよい。
【００７６】
また、上記ガイド壁の先端がナイフエッジ構造を有するように構成してもよい。
【００７７】
また、上記の供給路と反応流路との合流部でのそれぞれの供給路の等価直径が１μｍ〜１０００μｍであるように構成してもよい。
【００７８】
また、上記の供給路、反応流路、排出路を流れる流体の温度を制御する温度制御手段が設けられているように構成してもよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るマイクロ化学装置は、原料の分子拡散によって生じる、マイクロ化学装置内における原料の進行方向に垂直な面内における物質分布に応じて、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに異なるように、その物質分布が生じている部位に物理的な障壁となるガイド壁を置いて該面を排出路として複数に分ける構成である。
【００８０】
これにより、生成物取り出し用に割り当てられた排出路からは、原料の割合が少ないまたは無い状態で生成物を排出させることができる。
【００８１】
それゆえ、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができるという効果を奏する。
【００８２】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、上記ガイド壁の先端が先細形状である構成である。
【００８３】
これにより、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって、予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、排出物同士をより効果的に分離することができるという効果を奏する。
【００８４】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つ温度制御部を備えた構成である。
【００８５】
これにより、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、温度によって物質分布が変動するような混合または反応の場合であっても、排出路から、常に一定の組成の生成物を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ化学装置の一構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図２】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図３】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図４】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図５】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図６】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図７】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図８】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図９】本発明に係るマイクロ化学装置の他の構成例を示す断面図である。
【図１０】ガイド壁の一構成例を示す平面図である。
【図１１】ガイド壁の他の構成例を示す平面図である。
【図１２】本発明に係るマイクロ化学装置のさらに他の構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図１３】従来のマイクロ化学装置の一構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
１ マイクロ化学装置
２ 流路
２ａ 原料供給路
２ｂ 混合反応流路
２ｃ 排出路
３ 側壁
４、４ａ、４ｂ 供給壁
４ｅ 先端部
５ａ、５ｂ、５ｃ 原料投入口
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ 排出口
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ ガイド壁
３１ 流路下部本体
３２ 底板
３３ 後部
３４ 側部
４１ 流路上部本体
４２ 天板
４３ 側部
５１ ジャケット（温度制御部）
５２ 前部
５３ 中間部
５４ 後部
５２ａ、５３ａ、５４ａ 熱媒体供給管
５２ｂ、５３ｂ、５４ｂ 熱媒体排出管
５２ｃ、５３ｃ、５４ｃ 保温管
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ 熱媒体
ａ、ｂ、ｃ 領域
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６ 領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学工業や医薬品工業等の分野で流体の混合または混合を伴う反応で材料または製品を製造したり、分析機器工業の分野で測定対象の物質の拡散係数や反応速度定数を分析したりする機器の混合または混合を伴う反応を行う部品として用いられるマイクロ化学装置に関するものである。更に詳しくは、複数の流体をそれぞれの供給口を通して混合および混合を伴う反応を行う１本の流路（以下、混合反応流路）内へ導入し、これらを薄層の流れとしてその混合反応流路内を流通させつつ、流体同士を混合し、または混合および反応させるマイクロ化学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ化学装置は、装置サイズが小さく、単位体積あたりの表面積が大きいという特徴から、優れた物質・伝熱性能、安全性、試料消費量の削減といった利点を持つ。これらの利点から、マイクロ化学装置は、化学製品を製造したり、反応速度定数の測定や化学合成の手段として有用であると考えられる。
【０００３】
図１３に示すように、従来のマイクロ化学装置１０１は、流路１０２が側壁１０３で囲まれた構造であり、２つの入口と１つの出口が備わっている。マイクロ化学装置１０１内に、原料である流体Ａ、流体Ｂを原料投入口１０５ａ・１０５ｂから投入する。未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物は、排出口１０６から排出される。より詳しくは以下の通りである。すなわち、原料投入口１０５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口１０５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。１０４は供給壁である。
【０００４】
特許文献１は、２つの入口と２つの出口が備わっているマイクロ化学装置の例である。反応流路は、内径１００μｍ以下に形成されていて層流状態を維持できる範囲となっているが、排出口の形状等を変えられる構造となっていない。
【０００５】
特許文献２は、２つの流体を混合または分散するためのマイクロ化学装置の例である。
【０００６】
非特許文献１は、ＩＭＭ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｉｎｚ）社のシングルミキサーであり、２つの流体を混合または分散するためのマイクロ化学装置の例である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２８２６８２号公報（公開日平成１４年１０月２日）
【０００８】
【特許文献２】
特表２００３−５０２１４４号公報（公開日平成１５年１月２１日）
【０００９】
【非特許文献１】
Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｅｈｒｆｅｌｄ， Ｖｏｌｋｅｒ Ｈｅｓｓｅｌ Ｈｏｌｇｅｒ Ｌｏｗｅ著「Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ −Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−」出版元：ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ、２０００年３月出版、ｐ．６４−６５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のマイクロ化学装置は、高純度生成物または反応生成物の選択的な取り出しが困難であるという問題がある。
【００１１】
すなわち、マイクロ化学装置では、マイクロ空間において混合または混合を伴う反応を行うため、その特徴は、従来行われている乱流渦による混合でなく層流による秩序だった流れで反応物質の分子拡散による混合である点である。すなわち、流れと直交する方向のそれらの分子拡散速度によるため、導入した流体の混合および混合を伴う反応の全体的な完了時間は、混合反応流路の幅と長さに依存する。
【００１２】
従来のマイクロ化学装置では、混合反応流路に導入された流体はそれらの流体が持つ拡散速度や反応速度の特性により成り行きで混合および混合を伴う反応が行われている。そのため、図１３に示すように、その処理流量などの操作条件によっては、取り出される生成物が未反応物質を含んでいたり、全てを反応させるために十分に時間をとるばかりに、流路の初期段階で起こった混合や混合を伴う反応が逐次的に進行してしまい、結果的に不均−な生成物となってしまったりという問題がある。未反応物質が含まれていると、マイクロ化学装置から出た後で生成物と混合や反応をしてしまい、結果的に所望の生成物が得られない場合がある。
【００１３】
図１３でいえば、流体Ａは、分子拡散により、領域ａ、ｃに広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域ｂ、ｃに広がる。その結果、排出口１０６からは、未混合・未反応の流体Ａ、生成物、未混合・未反応の流体Ｂのいずれもが排出されることになる。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができるマイクロ化学装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係るマイクロ化学装置は、複数の原料流体をそれぞれの原料供給路を通して混合反応を行う１本の混合反応流路へ導入し、これらの原料流体を薄層の層流として流通させつつ、それぞれの原料流体に含有される原料を分子拡散によって混合反応させて生成物を得るマイクロ化学装置において、前記混合反応流路の水平面上を流れる原料流体の進行方向に垂直な面内であって、前記分子拡散によって生じる水平方向の物質分布が生じている混合反応流路の部位に、物理的な障壁となるガイド壁を前記進行方向に複数配列して前記混合反応流路に複数の排出路を形成し、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに未混合なそれぞれの原料流体及び前記生成物を含む反応流体に分かれるようにすると共に、前記複数のガイド壁で形成される前記排出路の数は前記原料供給路の数よりも前記混合反応によって生成される生成物の分だけ多いと共に、前記ガイド壁は前記物質分布に応じて各排出路を通る生成物又は原料の組成が排出路ごとに一番大きくなるように配置されていることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成により、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して物質の混合または混合を伴う反応を行う場合は、原料の進行方向に垂直な面内において、物質の組成は一様ではなく、物質分布が存在する。そのため、ここに、排出路ごとに組成が異なるように、物理的な障壁となるガイド壁を置いて排出路を複数に分けることで、組成ごとに取り出すことが可能になる。
【００１７】
例えば、原料Ａと原料Ｂとを混合、反応させて生成物Ｃを得る場合、後でＡとＣとの分離が容易であれば、マイクロ化学装置においてはＣにＡが混ざっていてもよく、Ｂが混ざらないような位置にガイド壁を設ければよい、とすることもできる。
【００１８】
したがって、生成物取り出し用に割り当てられた排出路からは、原料の割合が少ないまたは無い状態で生成物を排出させることができる。
【００１９】
それゆえ、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００２０】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、上記ガイド壁の先端が先細形状であることを特徴としている。
【００２１】
上記の構成により、上記ガイド壁の先端が先細（テーパー）形状である。
【００２２】
例えば、三角形である。また例えば、円柱形状部をえぐった形状である。
【００２３】
したがって、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって、予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、排出物同士をより効果的に分離することができる。
【００２４】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つ温度制御部を備えたことを特徴としている。
【００２５】
上記の構成により、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。
【００２６】
したがって、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、温度によって物質分布が変動するような混合または混合を伴う反応の場合であっても、排出路から、常に一定の組成の生成物を得ることができる。
【００２７】
本発明に係るマイクロ化学装置においては、混合反応流路の下流にガイド壁を複数設け、混合反応流路内の流体を分流する。このガイド壁の形状、数、位置を変えることにより、適用する反応や流量などの操作条件に関わらず、所望の生成物を取り出すとともに、たとえば未反応の化合物や未混合の原料は回収して再利用するように構成することができる。これにより、高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態に係るマイクロ化学装置１は、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して原料の混合または混合を伴う反応を行うマイクロ化学装置であり、略直方体形状の流路２が側壁３で囲まれた構造を持っている。マイクロ化学装置１の一例として、図２の流路下部本体３１と図５の流路上部本体４１とを組み合わせる。流路下部本体３１は、底板３２、後部３３、側部３４を備えている。流路上部本体４１は、天板４２、側部４３を備えている。そして、流路下部本体３１の底板３２と流路上部本体４１の天板４２とが対向するとともに、流路下部本体３１の後部３３と流路上部本体４１の側部４３とが嵌り合うように組み合わせる。なお、この構造のバリエーションについては後述する。
【００３０】
マイクロ化学装置１は、図１（ａ）中、紙面表側に向かう方向を上にして設置する。
【００３１】
図１に示すように、マイクロ化学装置１は、原料としての複数の流体（Ａ・Ｂ）を供給する複数の原料供給路２ａと、混合および混合を伴う反応を行う流路としての混合反応流路２ｂと、反応流体を排出する複数の排出路２ｃとを有している。
【００３２】
原料供給路２ａは、供給壁４で仕切られ、原料供給路２ａの先端は原料投入口５ａ・５ｂとなっており、それぞれ、流体Ａ・Ｂの投入される開口部となっている。
【００３３】
そして、マイクロ化学装置１は、排出路２ｃを複数に分割するための物理的な障壁であるガイド壁９ａ・９ｂを有している。ガイド壁９ａ・９ｂは、平らで、流路下部本体３１の底板３２から、鉛直方向（図１（ａ）中、紙面表側に向かう方向）に立ち、流路上部本体４１の天板４２に達する壁である。すなわち、未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物が排出される部位（図１（ａ）中、流路２の右端）であって、原料の分子拡散により流体Ａ、流体Ｂの両者が混合・反応した部分のみが出てくるように、物理的な障壁であるガイド壁９ａ・９ｂを設けている。排出路２ｃは、このようにガイド壁９ａ・９ｂで仕切られ、その先端は排出口６ａ・６ｂ・６ｃとなっており、それぞれ、流体Ａ、流体ＡとＢとで生成する生成物、流体Ｂが排出される開口部となっている。
【００３４】
そのため、マイクロ化学装置１では、原料（流体Ａ・Ｂ）がそれぞれ原料投入口５ａ、原料投入口５ｂから原料供給路２ａへ入り、混合反応流路２ｂを、層流による秩序だった流れで分子拡散しながら一定の進行方向、すなわち原料投入口から排出口へ向かう向き（図１（ａ）中、左から右に向かう向き）に進行し、排出路２ｃの、原料の進行方向に垂直な方向（図１（ａ）中、縦方向）における両端部に設けられた排出口６ａ・６ｃからそれぞれ出ていき、一方、生成物が、排出路２ｃの、原料の進行方向に垂直な方向（図１（ａ）中、縦方向）における中央部に設けられた排出口６ｂから出ていくようになっている。
【００３５】
より詳しく述べると、本実施形態に係るマイクロ化学装置１は、原料が進行しながら分子拡散する現象を利用して物質の混合または混合を伴う反応を行うものであるため、マイクロ化学装置１内における、原料である流体Ａ・Ｂが流路２の混合反応流路２ｂを進行すると、原料の分子拡散によって、原料の進行方向に垂直（図１（ａ）中、縦方向）な面内においては物質の組成は一様ではなく、物質分布が生じる。すなわち、流路２の混合反応流路２ｂ内に存在する物質の種類は、後述の領域ａ、ｂ、ｃや領域Ｓ１ないしＳ６（図９参照）ごとに異なっているため、流体の進行方向に垂直な面で切ると、これらの領域に応じた物質分布が現れるのである。この物質分布は、本マイクロ化学装置１の厚み方向（鉛直方向、図１（ａ）中、紙面に垂直な方向）に平行な直線同士で仕切られた形状（縦ストライプ）である。したがって、本マイクロ化学装置１で設けているような、平らで鉛直方向に立つ壁であるガイド壁９ａ・９ｂで、物質分布の境界に沿ったものとすることが可能になっている。
【００３６】
本実施形態では、この物質分布に応じて、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに異なるように、その物質分布が生じている部位に物理的な障壁となるガイド壁を置いて該面を排出路として複数に分けている。これにより、組成ごとに取り出すことが可能になる。
【００３７】
本実施形態では、上記物質分布に応じて、当該生成物または原料の組成が排出路ごとに一番大きくなるように上記ガイド壁を置いている。
【００３８】
本実施形態では、原料および生成物のうちで生成物の割合が一番大きい排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、３つの排出路２ｃのうち、排出口６ｂから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、生成物の割合が一番大きい。
【００３９】
また、ここでは、上記ガイド壁を置くことにより、原料および生成物のうちで各原料の割合が一番大きい各排出路も形成される。すなわち、排出口６ａから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ａの割合が一番大きく、排出口６ｃから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ｂの割合が一番大きい。
【００４０】
そして、ここでは、原料および生成物のうちで生成物のみが含まれる排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、排出路２ｃのうち、排出口６ｂから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、生成物のみが含まれる。
【００４１】
また、ここでは、上記ガイド壁を置くことにより、原料および生成物のうちで各原料のみが含まれる各排出路も形成される。すなわち、排出口６ａから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ａのみが含まれ、排出口６ｃから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂおよび生成物のうちで、流体Ｂのみが含まれる。
【００４２】
マイクロ化学装置１の動作の概略は以下の通りである。すなわち、マイクロ化学装置１内に、原料である流体Ａ、流体Ｂを原料投入口５ａ・５ｂからそれぞれ投入する。ここで、ガイド壁９ａ・９ｂは、上述した通り、未混合の原料である流体Ａ、流体Ｂ、および生成物が排出される部位であって、原料の分子拡散により流体Ａ、流体Ｂの両者が混合・反応した部分のみが出てくるような位置に設けられている。その結果、この二つのガイド壁間に囲まれた範囲にあるのは、ちょうど生成物のみとなり、これを排出口６ｂから選択的に取り出すことができる。これにより、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができる。
【００４３】
より詳しくは以下の通りである。すなわち、図１は、原料が２つでガイド壁が２つの例である。
【００４４】
原料投入口５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。流体Ａは、分子拡散により、領域ａ、ｂに広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域ｂ、ｃに広がる。すなわち、領域ａは、流体Ａのみが存在する領域であり、領域ｃは、流体Ｂのみが存在する領域であり、領域ｂは、すべての原料、すなわち流体Ａと流体Ｂとの両方が存在する領域である。
【００４５】
領域ａとｂとの境界に先端が来るように、ガイド壁９ａを設置する。領域ｃとｂとの境界に先端が来るように、ガイド壁９ｂを設置する。そのため、排出口６ａからは、未混合・未反応の流体Ａが排出される。排出口６ｂからは、生成物が排出される。排出口６ｃからは、未混合・未反応の流体Ｂが排出される。
【００４６】
なお、例えば、流体Ａと流体Ｂとを混合、反応させて生成物Ｃを得る場合、後でＡとＣとの分離が容易であれば、マイクロ化学装置においてはＣにＡが混ざっていてもよく、Ｂが混ざらないような位置にガイド壁を設ければよい、とすることもできる。
【００４７】
なお、マイクロ化学装置では、混合のみ行う場合と、混合して化学反応をも行う場合とがあるが、混合のみであっても、化学反応をも行う場合であっても、本実施の形態に係るマイクロ化学装置は、同じように使用することが可能である。
【００４８】
なお、混合または反応の状態に合わせて排出路２ｃの形状、数、位置が変えられるように構成してもよい。
【００４９】
また、上記の原料供給路２ａと混合反応流路２ｂとの合流部でのそれぞれの原料供給路２ａの等価直径、すなわち、図中、Ｗ１、Ｗ２で示す、供給壁の先端部４ｅ位置での等価直径は、例えば１μｍ〜１０００μｍであるように構成することができる。
【００５０】
このようなマイクロ化学装置を実際に製造するための加工技術としては、フォトリソエッジング加工、超微細放電加工、光造型法などの特殊な精密機械加工技術や汎用の旋盤、ボール盤を用いた機械加工技術でもよい。
【００５１】
マイクロ化学装置に用いられる材料としては、金属（鉄、アルミ、ステンレス、チタン、各種合金）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル）、ガラス（シリコン、石英）などを挙げることができる。
【００５２】
供給される流体としては、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等が対象であり、また、流体の種類が異なったり化学組成が異なったりする場合のみならず、例えば、温度、固液比などの状態が異なる場合も含まれる。
【００５３】
適用できる反応としては、無機物質や有機物質などを対象としたイオン反応、酸化還元反応、熱反応、触媒反応、ラジカル反応、重合反応など様々な反応形態に適用が可能である。
【００５４】
マイクロ化学装置１の形状、数、位置のバリエーションについて述べる。様々な流路上部本体４１と、様々な流路下部本体３１とを組み合わせることで、原料投入口５ａ・５ｂおよび排出口６ａ・６ｂ・６ｃの形状、数、位置を変えることができる。流路下部本体３１は、例えば、図２ないし図４に示すようなバリエーションがある。流路上部本体４１は、例えば、図５ないし図８に示すようなバリエーションがある。なお、これらの図において、各部位の厚みは省略して描いている。図２の流路下部本体３１と図５の流路上部本体４１との組み合わせが基本である。
【００５５】
図３は、原料としての流体Ａと流体Ｂとの入口である投入口５ａ・５ｂに角度を付けたものである。図４は、原料としての流体Ａと流体Ｂとの入口である投入口を５ａ・５ｂ・５ｃの３つにしたものである。
【００５６】
図６は、図５と比べて、排出口６ａ、６ｂ、６ｃの流路幅を変えたものである。ここでは、６ａ、６ｃを広く、６ｂを狭く変えている。図７は、図５と比べて、ガイド壁の長さを変えることで、混合反応流路２ｂの長さを狭く変えたものである。図８は、排出口を、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの４つにしたものである。
【００５７】
図９は、原料が３つで排出物が５つの例である。またここでは、ガイド壁が４つの例である。流路下部本体３１としては、図４に示すものを用いればよい。また、流路上部本体４１としては、図８の例にならい、排出口を、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅの５つにしたものを用いればよい。
【００５８】
この例では、原料および生成物のうちで生成物の割合が一番大きい排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、５つの排出路のうち、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における中央部に設けられた排出口６ｃから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、生成物の割合が一番大きい。
【００５９】
また、ここでは、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における一端部に設けられた排出口６ａから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ａの割合が一番大きく、排出路の、原料の進行方向に垂直な方向（図９中、縦方向）における他端部に設けられた排出口６ｅから排出される排出路においては、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ｃの割合が一番大きい。
【００６０】
そして、ここでは、原料および生成物のうちで生成物のみが含まれる排出路が形成されるように上記ガイド壁を置いている。すなわち、排出路のうち、排出口６ｃから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、生成物のみが含まれる。
【００６１】
また、ここでは、排出口６ａから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ａのみが含まれ、排出口６ｅから排出される排出路では、流体Ａ・Ｂ・Ｃおよび生成物のうちで、流体Ｃのみが含まれる。
【００６２】
原料投入口５ａからは、原料としての流体Ａが投入される。原料投入口５ｂからは、原料としての流体Ｂが投入される。原料投入口５ｃからは、原料としての流体Ｃが投入される。流体Ａは、分子拡散により、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に広がる。流体Ｂは、分子拡散により、領域Ｓ４、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ３に広がる。流体Ｃは、分子拡散により、領域Ｓ６、Ｓ５、Ｓ３に広がる。すなわち、領域Ｓ１は、流体Ａのみが存在する領域であり、領域Ｓ４は、流体Ｂのみが存在する領域であり、領域Ｓ６は、流体Ｃのみが存在する領域であり、領域Ｓ２は、流体Ａ・Ｂのみが存在する領域であり、領域Ｓ５は、流体Ｂ・Ｃのみが存在する領域であり、領域Ｓ３は、すべての原料、すなわち流体Ａ・Ｂ・Ｃが存在する領域である。
【００６３】
領域Ｓ１とＳ２との境界に先端が来るように、ガイド壁９ａを設置する。領域Ｓ２とＳ３との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｂを設置する。領域Ｓ３とＳ５との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｃを設置する。領域Ｓ５とＳ６との境界に先端が来るように、ガイド壁９ｄを設置する。そのため、排出口６ａからは、未混合・未反応の流体Ａが排出される。排出口６ｂからは、未混合・未反応の流体Ａと、未混合・未反応の流体Ｂとが排出される。排出口６ｃからは、生成物が排出される。排出口６ｄからは、未混合・未反応の流体Ｂと、未混合・未反応の流体Ｃとが排出される。排出口６ｅからは、未混合・未反応の流体Ｃが排出される。
【００６４】
排出口６ａ・６ｅから排出された、流体Ａや流体Ｃは、そのまま原料として再利用すればよい。排出口６ｂ・６ｄから排出された、流体ＡとＢとの混合物や流体ＢとＣとの混合物は、分離してから原料として再利用すればよい。なお、生成物を得るという観点だけからいえば、排出口６ａと６ｂ、６ｄと６ｅを分ける必要はなく、したがってガイド壁は排出路内の中央の２つ、すなわち９ｂと９ｃだけを設けてもよい。
【００６５】
マイクロ化学装置、ガイド壁、流路上部本体、流路下部本体の形状、数、位置は、流体に特有な密度、粘度、比重、比熱、熱伝導度、拡散係数、反応速度定数、反応熱の流体特性パラメーター、および流速、温度、圧力の操作パラメーターを入力して、数値流体力学シミュレーションソフトウエアで計算することにより決定することができる。数値流体力学シミュレーションソフトウエアとしては、ＦＬＵＥＮＴ（登録商標）等を用いることができる。マイクロ化学装置１の形状に関していえば、例えば、図１に示す、マイクロ化学装置１の、原料の進行方向に沿う向きであって、供給壁４の先端部４ｅから排出口６ａ・６ｂ・６ｃの端までの長さＬや、混合反応流路２ｂの幅Ｗや、前述の原料供給路２ａと混合反応流路２ｂとの合流部でのそれぞれの原料供給路２ａの等価直径Ｗ１、Ｗ２などを決定すればよい。
【００６６】
ガイド壁９ａ、９ｂの先端は、平面とすることもできるし、図１０や図１１に示すように、先細（テーパー）形状（ナイフエッジ構造）とすることもできる。なお、図１０や図１１において、上下左右の方向は図１（ａ）と同じである。すなわち、流体の流れは、図１（ａ）同様、図中、左からであり、図中、紙面表側に向かう方向が上方向である。図１０は、先端が、上から見て、どの高さ位置でも合同な三角形となっている例である。図１１は、先端が、上から見て円柱形状部をえぐられた形状の例である。図５ないし図８の例では、図１０のものを採用している。
【００６７】
この形状は、流体の渦や淀みが発生しない形状であればよい。このようにナイフエッジ構造とすると、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができるので、排出物同士をより効果的に分離することができる。そのため、図１０中、角度αで示す、先端の鋭角度合いを表す角度は、より小さいほうがよい。また、流体の渦が発生しない程度であれば、先端部が丸みを帯びていてもよい。
【００６８】
また、上記の原料供給路２ａ、混合反応流路２ｂ、排出路２ｃを流れる流体の温度を制御する温度制御部が設けられているように構成してもよい。この温度制御部は、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つものである。このような温度制御部として、熱媒体（オイル、水等の液体等）を流通できるジャケットを有していてもよく、電気ヒーターを設置してもよい。温度をより精密に制御するために、反応混合部のジャケットなどを２分割以上にしてもよい。
【００６９】
すなわち、図１２に示すように、例えば、ジャケット５１でマイクロ化学装置１を覆うようにする。ジャケット５１は、原料供給路２ａ、混合反応流路２ｂ、排出路２ｃをそれぞれ覆う、前部５２、中間部５３、後部５４に分かれている。これ以外にも、前部、中間部、後部がつながった形状とすることもできる。
【００７０】
前部５２は、熱媒体供給管５２ａと熱媒体排出管５２ｂとそれらの中間の保温管５２ｃとを備えており、熱媒体供給管５２ａから所定温度の熱媒体Ｈ１を流し込み、保温管５２ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂを加温し、熱媒体排出管５２ｂから排出する。
【００７１】
同様に、中間部５３は、熱媒体供給管５３ａと熱媒体排出管５３ｂとそれらの中間の保温管５３ｃとを備えており、熱媒体供給管５３ａから所定温度の熱媒体Ｈ２を流し込み、保温管５３ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂおよび生成物を加温し、熱媒体排出管５３ｂから排出する。
【００７２】
同様に、後部５４は、熱媒体供給管５４ａと熱媒体排出管５４ｂとそれらの中間の保温管５４ｃとを備えており、熱媒体供給管５４ａから所定温度の熱媒体Ｈ２を流し込み、保温管５４ｃにおいて熱伝導によりマイクロ化学装置１内の流路２を進行する各流体Ａ・Ｂおよび生成物を加温し、熱媒体排出管５４ｂから排出する。
【００７３】
これにより、マイクロ化学装置１の流路２内を進行する流体Ａ・Ｂおよび生成物の温度が所望の温度に保たれる。
【００７４】
このように前部５２、中間部５３、後部５４とに分かれた構成では、熱媒体Ｈ１ないしＨ３としては、同じ物質でもよいし、異なる物質でもよい。また、温度も、同じでもよいし、異ならせることもできる。混合や反応の条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７５】
本発明に係るマイクロ化学装置は、複数の流体を供給する供給路と、混合反応流路と、反応流体を排出する複数の排出路とからなるマイクロ化学装置において、排出路を複数に分割するためのガイド壁を有し、混合または反応の状態に合わせて排出路の形状、数、位置が変えられるように構成してもよい。
【００７６】
また、上記ガイド壁の先端がナイフエッジ構造を有するように構成してもよい。
【００７７】
また、上記の供給路と反応流路との合流部でのそれぞれの供給路の等価直径が１μｍ〜１０００μｍであるように構成してもよい。
【００７８】
また、上記の供給路、反応流路、排出路を流れる流体の温度を制御する温度制御手段が設けられているように構成してもよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るマイクロ化学装置は、原料の分子拡散によって生じる、マイクロ化学装置内における原料の進行方向に垂直な面内における物質分布に応じて、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに異なるように、その物質分布が生じている部位に物理的な障壁となるガイド壁を置いて該面を排出路として複数に分ける構成である。
【００８０】
これにより、生成物取り出し用に割り当てられた排出路からは、原料の割合が少ないまたは無い状態で生成物を排出させることができる。
【００８１】
それゆえ、所望の高純度生成物または反応生成物を選択的に取り出すことができるという効果を奏する。
【００８２】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、上記ガイド壁の先端が先細形状である構成である。
【００８３】
これにより、排出物がガイド壁の壁の厚み部分に当たって、予想とは異なる方向に進行してしまうことを効果的に抑えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、排出物同士をより効果的に分離することができるという効果を奏する。
【００８４】
また、本発明に係るマイクロ化学装置は、上記の構成に加えて、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つ温度制御部を備えた構成である。
【００８５】
これにより、マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度が所望の温度に保たれる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、温度によって物質分布が変動するような混合または反応の場合であっても、排出路から、常に一定の組成の生成物を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ化学装置の一構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図２】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図３】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図４】流路下部本体の一構成例を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図５】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図６】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図７】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図８】流路上部本体の一構成例を示す斜視図である。
【図９】本発明に係るマイクロ化学装置の他の構成例を示す断面図である。
【図１０】ガイド壁の一構成例を示す平面図である。
【図１１】ガイド壁の他の構成例を示す平面図である。
【図１２】本発明に係るマイクロ化学装置のさらに他の構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図１３】従来のマイクロ化学装置の一構成例を示すものであり、（ａ）は矢視断面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
１ マイクロ化学装置
２ 流路
２ａ 原料供給路
２ｂ 混合反応流路
２ｃ 排出路
３ 側壁
４、４ａ、４ｂ 供給壁
４ｅ 先端部
５ａ、５ｂ、５ｃ 原料投入口
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ 排出口
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ ガイド壁
３１ 流路下部本体
３２ 底板
３３ 後部
３４ 側部
４１ 流路上部本体
４２ 天板
４３ 側部
５１ ジャケット（温度制御部）
５２ 前部
５３ 中間部
５４ 後部
５２ａ、５３ａ、５４ａ 熱媒体供給管
５２ｂ、５３ｂ、５４ｂ 熱媒体排出管
５２ｃ、５３ｃ、５４ｃ 保温管
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ 熱媒体
ａ、ｂ、ｃ 領域
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６ 領域
Claims (3)
- 複数の原料流体をそれぞれの原料供給路を通して混合反応を行う１本の混合反応流路へ導入し、これらの原料流体を薄層の層流として流通させつつ、それぞれの原料流体に含有される原料を分子拡散によって混合反応させて生成物を得るマイクロ化学装置において、
前記混合反応流路の水平面上を流れる原料流体の進行方向に垂直な面内であって、前記分子拡散によって生じる水平方向の物質分布が生じている混合反応流路の部位に、物理的な障壁となるガイド壁を前記進行方向に複数配列して前記混合反応流路に複数の排出路を形成し、各排出路を通る排出物の組成が排出路ごとに未混合なそれぞれの原料流体及び前記生成物を含む反応流体に分かれるようにすると共に、
前記複数のガイド壁で形成される前記排出路の数は前記原料供給路の数よりも前記混合反応によって生成される生成物の分だけ多いと共に、
前記ガイド壁は前記物質分布に応じて各排出路を通る生成物又は原料の組成が排出路ごとに一番大きくなるように配置されていることを特徴とするマイクロ化学装置。 - 上記ガイド壁の先端が先細形状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学装置。
- マイクロ化学装置内を進行する原料または生成物の温度を所望の温度に保つ温度制御部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ化学装置。
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