JP5259228B2

JP5259228B2 - 反応装置

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Publication number: JP5259228B2
Application number: JP2008093963A
Authority: JP
Inventors: 隆二森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009241029A

Description

本発明は、反応装置に関する。

近年、精密加工技術の進歩発展によって、マイクロテクノロジと呼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容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（たとえば、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って、反応部の熱が外部へ伝達して反応部の温度が低下することを防止している。

特開２００３−２６０２号公報

このような従来の技術では、携帯機器などの電子機器内に反応装置を収容するためには、さらに小型化、低背化することが求められる。しかしながら、従来のように収容容器の外壁を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、携帯機器内に収容するのが困難であるという問題を有する。

また、反応器を安定に稼動させるためには、反応温度を所定の一定温度に維持する必要がある。しかしながら、反応器で発生する熱が収容容器に伝導することによって、反応器の温度が低下しやすいという問題を有する。

また、他の方法として、反応器を収容する収容容器内を真空状態にすることによって、反応の際に発生する熱の外部への伝導を遮断し、熱損失の少ない反応装置が提案されている。ただし、反応器の温度がより高温になると、輻射熱によって反応器に発生する熱が収容容器に伝導することによって、反応器の温度が低下しやすくなり、ヒータの発熱量を増加させなければならず、同様に反応装置システム全体の発電損失が増加するという問題がある。
そこで、熱損失が小さくかつ小型化を図ることができる反応装置が望まれていた。

本発明は、高温側反応器と低温側反応器とを有する基体と、
前記高温側反応器に設けられ、前記高温側反応器の壁部よりも低い輻射率を有する第１輻射部材と、
前記高温側反応器に設けられ、前記高温側反応器の壁部よりも高い輻射率を有する第２輻射部材と、を含み、
前記高温側反応器と前記低温側反応器とが対向して配置されるとともに、前記第２輻射部材は、前記低温側反応器と対向する前記高温側反応器の面にのみ設けられており、
前記第１輻射部材は、前記高温側反応器の複数の面のうち、前記低温側反応器と対向する面以外の面に設けられることを特徴とする反応装置である。

本発明に従えば、基体の高温側反応器には、高温側反応器の壁部よりも低い輻射率の輻射部材が設けられるので、高温側反応器の熱が低温側反応器によって吸収されることを抑制し、以って熱損失を低減することができる。

本発明によれば、高温側反応器の壁部よりも低い輻射率の輻射部材が高温側反応器に設けられるので、高温側反応器における輻射の発生を抑制できる。それゆえ、温度の維持が容易となり、高温側反応器の温度を維持するために必要な消費電力を抑制することができる。

図１は本発明の一実施形態の反応装置１を示す断面図である。
本実施形態の反応装置１は、高温側反応器４及び低温側反応器５を有する基体３ａと、高温側反応器４に設けられた第１輻射部材６と、を有する。

また、高温側反応器４に設けられた第２輻射部材７、低温側反応器５に設けられた第３輻射部材８、または低温側反応器５に設けられた第４輻射部材９を有している。

原料をそれぞれ供給するための供給管１０a、生成された反応生成物を排出するための排出管１０ｂを備え、供給管１０a及び排出管１０ｂは、基体３ａを貫通する。

なお、図１では、基体３ａに供給管１０a及び排出管１０ｂが貫通する例を示したが、これに限定されるものではなく、蓋体３ｂ側に貫通してもよい。この場合、蓋体３ｂが基体３ａとなる。

前記高温側反応器４および低温側反応器５は、中空でかつ大略的に直方体状であって、互いに対向する各側面および各上面に第１〜第４の輻射部材６〜９がそれぞれ取着される。これら収容容器２（基体３ａ、蓋体３ｂ）、高温側反応器４、低温側反応器５、第１輻射部材６、第２輻射部材７、第３輻射部材８、第４輻射部材９、供給管１０ａおよび排出管１０ｂ、リード端子１１を含んで、前記反応装置１が構成される。

基体３ａおよび蓋体３ｂは、ともに高温側反応器４および低温側反応器５を収容する容器としての役割を有する。それらは、たとえば、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅等の金属材料、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、ガラスセラミックス等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成され、断熱性の観点から、特にはセラミック材料からなるのが好ましい。

基体３ａおよび蓋体３ｂに適用可能なガラスセラミックスとしては、ガラス成分とフィラー成分とが挙げられる。

ガラス成分としては、たとえば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（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（ただし、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（ただし、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（ただし、Ｍ^３はＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（ただし、Ｍ^３は前記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。

また、フィラー成分としては、たとえばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、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（たとえばスピネル、ムライト、コージェライト）等が挙げられる。

基体３ａおよび蓋体３ｂは、基体３ａおよび蓋体３ｂで形成される収容容器２の空域部（内部）１４に各反応器４，５を収容できればよく、たとえば図１に示すように、板状の基体３ａと断面が逆凹状蓋体３ｂから成ってもよく、本発明の実施の他の形態では、凹部を有する枠状の基体３ａと板状の蓋体３ｂとによって構成されてもよい。

この場合、基体３ａと蓋体３ｂとは、内部を気密に封止するため、半田や金属ロウ材等で接合する方法や、基体３ａが凹部を有する場合には、凹部の上面に鉄合金等で作製されたシールリング等を接合して、シームウェルド、またはレーザビーム溶接などの等の方法によって接合してもよい。

たとえば、Ａｕ−Ｓｎロウ材によって接合する場合は、蓋体３ｂに予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で枠状に形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体３ａと蓋体３ｂとの間に載置した後、封止炉あるいはシーム溶接によって蓋体３ｂを基体３ａに接合する。

また、基体３ａおよび蓋体３ｂは、反応装置１の小型化、低背化を可能とするために、厚さを薄くするのが好ましいが、基体３ａおよび蓋体３ｂの強度を維持するために、機械的強度としての曲げ強度は２００ＭＰａ以上とするのが好ましい。たとえば、曲げ強度が２００ＭＰａ以上の場合は、基体３ａおよび蓋体３ｂの機械的強度が充分となり、荷重が加わった際に変形または破壊することを抑制できる。

また、基体３ａおよび蓋体３ｂが、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る場合、以下のようにして作製される。

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、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、たと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基体３ａおよび蓋体３ｂを得る。なお、基体３ａおよび蓋体３ｂの成形は粉末成形プレス法であってもよい。

一方、基体３ａおよび蓋体３ｂが金属材料から成る場合は、切削法、プレス法、ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等によって所定の形状に形成される。

そして、基体３ａおよび蓋体３ｂで形成される収容容器２の空域部（内部）１４に、高温側反応器４および低温側反応器５が収容される。また、基体３ａは、高温側反応器４および低温側反応器５に接合される供給管１０ａおよび排出管１０ｂが貫通するための貫通孔１５ａ、および電極１２と接合されるリード端子１３が貫通するための貫通孔１５ｂを有する。

なお、貫通孔１５ａ、１５ｂは、切削法、プレス法、エッチング法、またはブラスト法等によって所定の形状に作製される。

さらには、高温側反応器４および低温側反応器５を収容する収容容器２は、上記に述べた異種の材料の組合せであってもよく、部分的に異なる材料を組合せて用いてもよい。

高温側反応器４および低温側反応器５は、高温側反応器４および低温側反応器５に接合される供給管１０ａから供給された物質を、他の物質に変化させ、排出管１０ｂより排出するための装置であり、その供給された物質を他の物質に変化させるための微細流路あるいは空隙を内部に有しており、担持された触媒等を用いて、供給された物質を変性、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。

高温側反応器４および低温側反応器５は、特に限定されるものではなく、たとえば、シリコン等の半導体、石英、ガラス、セラミックス等の無機材料、または金属の基材に、切削法、エッチング法、ブラスト法等によって細い溝を形成して液体流路を作製するとともに、操作中の液体の蒸発防止等を目的として、ガラス板、金属等のカバーを陽極接合、ロウ付け、溶接等によって表面に密着することによって形成される。またその形状も特に限定されるものではなく、たとえば四角形状等が挙げられる。また、石英、ガラス、セラミックス等の無機材料、または金属から成り、その内面に原料を反応生成するための触媒を担持した管状部材などによって実現されてもよい。

たとえば、高温側反応器４および低温側反応器５内には、温度調節機構、たとえば、抵抗層等から成る薄膜ヒータ（図示せず）や厚膜ヒータ（図示せず）を形成し、表面にはこのヒータへ電力を供給する端子として、電極１２が形成される。この温度調節機構によって、高温側反応器４および低温側反応器５を、原料反応条件に相当する２００℃〜８００℃程度の温度雰囲気に調整することによって、供給管１０ａが接続された原料供給口から供給される原料を化学反応させて、原料排出口に接続された排出管１０ｂから、前記反応生成物を発生させる原料反応を良好に促進して反応生成物を排出することができる。

なお、高温側反応器４および低温側反応器５において、ヒータは、触媒が担持され原料反応をおこなう流路内や空隙内、あるいはその近傍に配置されることによって、ヒータから発生する熱を効率的に原料反応に用いることができる。

また、高温側反応器４および低温側反応器５は、リード端子１１を有する場合には、高温側反応器４および低温側反応器５上の電極１２とリード端子１１をロウ付けやボンディングワイヤ等（図示せず）によって電気的に接続することによって、高温側反応器４および低温側反応器５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、高温側反応器４および低温側反応器５において反応温度の維持が可能となり、原料を安定に化学反応させることができる。

本実施の形態による反応装置１によれば、高温側反応器４および低温側反応器５の表面に低い輻射率を有する第１輻射部材６および第３輻射部材８を有する。

第１輻射部材６および第３輻射部材８は、たとえばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどを成分とする金属膜、またはこれらの珪素添加物、または炭素添加物を成分とする金属膜、あるいはＩＴＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などを成分とする金属酸化膜などから成る。第１輻射部材６および第３輻射部材８は周知のめっき法および気相法、たとえばスパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤなどのＣＶＤ法、また溶射法によって容易に形成することができる。

本実施の形態による反応装置１によれば、高温側反応器４および低温側反応器５の表面に高い輻射率を有する第２輻射部材７および第４輻射部材９を有する。

第２輻射部材７および第４輻射部材９は、たとえば熱酸化ステンレス鋼、アルマイト処理したAl、炭素系材料または炭素系複合材料、セラミック、珪酸化合物，チタン酸化合物，ジルコン酸化合物等などから成る。第２輻射部材７および第４輻射部材９は周知のめっき法および気相法、たとえばスパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤなどのＣＶＤ法、また溶射法によって容易に形成することができる。

供給管１０ａおよび排出管１０ｂは、たとえば、Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系，ＳＵＳ等の金属材料や、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，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料によって形成される。

そして、これらの供給管１０ａおよび排出管１０ｂは、基体３ａに形成した貫通孔１５ａに挿通して接合される。この接合方法として、供給管１０ａおよび排出管１０ｂと基体３ａを構成する材料によって、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−ＳｉやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の各種方法が適宜用いられる。

また、供給管１０ａおよび排出管１０ｂの内径φは０．１ｍｍ以上として流体の圧力損失を抑えるとともに、小型化，低背化のためには、供給管１０ａおよび排出管１０ｂの内径φは５ｍｍ以下とすることが好ましい。

供給管１０ａおよび排出管１０ｂの接合部分の断面形状としては、通常は円形とすればよいが、これに限定されない。すなわち、円形の他には、楕円形や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる多角形状のもの、たとえば、正方形，長方形が挙げられる。また、肉厚は物質供給や反応物質排出の圧力で変形しない厚みが必要であり、上記の材料から成る場合には、携帯機器等に使用するものでは通常は０．１ｍｍ以上であればよい。また、流れ方向の長さは、高温側反応器４および低温側反応器５で発生する熱を発電セルに伝えにくくするためには長い程よいが、反応装置システム全体の大きさを考慮した長さにすべきである。

また、高温側反応器４および低温側反応器５の物質供給口，物質排出口と供給管１０ａ，排出管１０ｂとの接続には、石英ガラス，ホウ珪酸ガラス等のガラスや各種セラミックス，無機ポリマーを含む無機接着剤、ポリイミドアミド等の高耐熱性有機材料を含む接着剤、シリコーンゴムや珪素樹脂等の有機珪素化合物、Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｉ，Ａｕ−Ｇｅ，Ａｇ−Ｃｕ合金等の各種ロウ材から成るものを用いる接続方法を適用することができ、これによって気密封止される。

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。たとえば、図１に示した例においては、供給管１０ａおよび排出管１０ｂは高温側反応器４および低温側反応器５の下面に接合されているが、これらは高温側反応器４および低温側反応器５の仕様に応じて、たとえば上面に接合されてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、高温側反応器４と低温側反応器５とを有する基体３ａと、高温側反応器４に設けられ、高温側反応器４の壁部よりも低い輻射率を有する第１輻射部材６と、を備えたことにより、第１輻射部材６によって、高温側反応器４からの熱逃げを抑制することができる。これによって、高温側反応器４での発電損失を増やすことを抑制し、その結果、反応装置システム全体の発電損失を低減できる。

また、高温側反応器４からの熱逃げを抑制することで、高温側反応器４の温度維持が容易となるとともに、断熱によって収容容器２の表面温度を低温で維持することができ、機器内の他の部品および対人要因への熱的影響を受けることを有効に抑制することができる。

また反応装置１は、低温側反応器５の複数の面のうち、前記高温側反応器４と対向する面以外の面に設けられ、低温側反応器５の壁部よりも低い輻射率を有する第３輻射部材８をさらに有することによって、第３輻射部材８によって、低温側反応器５からの熱逃げを抑制することができる。これによって、低温側反応器５での発電損失を増やすことがなくなり、その結果、反応装置システム全体の発電損失を低減することができる。

また反応装置１は、高温側反応器４と対向する低温側反応器５の面にのみに設けられ、低温側反応器５の壁部よりも高い輻射率を有する第４輻射部材９をさらに有することによって、指向性を持たせて低温側反応器５の熱放射エネルギを基体内部の加熱必要箇所に供給することができる。

また反応装置１は、高温側反応器４と低温側反応器５とが対向配置されるとともに、第４輻射部材９は、高温側反応器４と対向する低温側反応器５の側面に設けられてなることによって、高温側反応器４の熱放射エネルギを低温側反応器５側で効率よく受けることができる。

また反応装置１は、基体３ａの内表面、または蓋体３ｂの内表面に設けられた断熱部材をさらに有することによって、高温側反応器４および低温側反応器５からの伝熱を抑制でき、収容容器２の表面温度を低温で維持することができ、機器内の他の部品および対人要因への熱的影響を受けることを有効に防止することができ、従来のように収容容器２を２重構造にする必要がなく、反応装置１の小型化が可能となる。

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収容容器
３ａ基体
３ｂ蓋体
４高温側反応器
５低温側反応器
６第１輻射部材
７第２輻射部材
８第３輻射部材
９第４輻射部材
１０ａ供給管
１０ｂ排出管

Claims

高温側反応器と低温側反応器とを有する基体と、
前記高温側反応器に設けられ、前記高温側反応器の壁部よりも低い輻射率を有する第１輻射部材と、
前記高温側反応器に設けられ、前記高温側反応器の壁部よりも高い輻射率を有する第２輻射部材と、を含み、
前記高温側反応器と前記低温側反応器とが対向して配置されるとともに、前記第２輻射部材は、前記低温側反応器と対向する前記高温側反応器の面にのみ設けられており、
前記第１輻射部材は、前記高温側反応器の複数の面のうち、前記低温側反応器と対向する面以外の面に設けられることを特徴とする反応装置。
前記低温側反応器の複数の面のうち、前記高温側反応器と対向する面以外の面に設けられ、前記低温側反応器の壁部よりも低い輻射率を有する第３輻射部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
前記高温側反応器と対向する前記低温側反応器の面にのみ設けられ、前記低温側反応器の壁部よりも高い輻射率を有する第４輻射部材をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の反応装置。
前記第４輻射部材は、前記高温側反応器と対向する前記低温側反応器の側面に設けられることを特徴とする請求項３に記載の反応装置。
前記基体の内表面には、断熱部材が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の反応装置。