JP2009233514A - マイクロ化学反応装置及びマイクロ化学反応システム - Google Patents

Abstract

【課題】目的物質の純度及び反応収率を向上させることができるマイクロ化学反応装置及びマイクロ反応システムを提供する。
【解決手段】第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄからそれぞれ導入された原料Ａの流体層及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄからそれぞれ導入された原料Ｂの流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路１６と、この合流流路１６の下流側に接続され原料Ａ及び原料Ｂが拡散混合して化学反応する混合流路１７とを有するマイクロ化学反応装置１において、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄのうち流路幅方向最外側に位置する第１導入溝１２Ａを流路幅方向内側に位置する第１導入溝１３Ｂ〜１３Ｄより流路抵抗が大きくなるように形成し、流路幅方向最外側に位置する第２導入溝１３Ｄを流路幅方向内側に位置する第２導入流路１３Ａ〜１３Ｃより流路抵抗が大きくなるように形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、化学合成や化学分析等の分野において複数種類の原料を化学反応させるマイクロ化学反応装置及びマイクロ化学反応システムに関する。

近年、化学合成や化学分析の分野では、微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）を用いて形成された断面寸法１〜１０００μｍの微細流路からなるマイクロ化学反応装置の利用が検討されている。このマイクロ化学反応装置は、マイクロリアクタ若しくはマイクロミキサと呼ばれ、下記（１）〜（３）の特徴を有するので、反応時間の短縮及び副反応抑制の観点から医薬品及びファインケミカルの合成プロセスへの適用が期待されている。
（１）拡散距離が小さいので、高速混合ができる。
（２）流路内で化学反応を行うので、滞留時間を精密に制御できる。
（３）流体の単位体積当たりの表面積が大きいので、精密な温度制御ができる。

ここで従来、マイクロミキサの一例として、第１種の流体を導入する複数の第１導入流路と、流路幅方向に第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路と、複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路と、この合流流路の下流側に接続され第１種の流体及び第２種の流体が混合する混合流路とを備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第６９３５７６８号公報

上記特許文献１に記載のマイクロミキサをマイクロ化学反応装置として適用した場合を想定する。この場合、図１４に示すように、複数の第１導入流路からそれぞれ導入された原料Ａの流体層及び複数の第２導入流路からそれぞれ導入された原料Ｂの流体層が流路幅方向（図中上下方向）に交互に積層した状態で合流して縮流した後、互いに隣り合う原料Ａの流体層と原料Ｂの流体層が界面にて拡散混合して化学反応する。このとき、複数の第１導入流路及び複数の第２導入流路のうち流路幅方向内側に位置する第１導入流路及び第２導入流路（これらを総称して内側導入流路と称す）からそれぞれ導入された内側流体層では、両隣に異種の流体層が存在するものの、流路幅方向外側に位置する第１導入流路及び第２導入流路（これらを総称して外側導入流路と称す）からそれぞれ導入された外側流体層では、片隣のみ異種の流体層が存在する。そのため、外側導入流路から導入された外側流体層においては、流路幅方向外側領域（言い換えれば、流路壁側領域）の原料が流路幅方向内側領域の原料に比べて混合及び反応の時間が遅れることになる。その結果、下記の式（１）（２）で表される逐次反応系では、副反応である式（２）のように目的物質Ｃと未反応の原料が反応して副生成物を生成し、反応液中の目的物質Ｃの純度及び反応収率が低下する。
原料Ａ＋原料Ｂ→目的物質Ｃ …（１）
目的物質Ｃ＋原料Ｂ→副生成物Ｄ …（２）
本発明の目的は、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができるマイクロ化学反応装置及びマイクロ反応システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、第１種の流体を導入する複数の第１導入流路と、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路と、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路と、前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路とを有するマイクロ化学反応装置において、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に前記第１導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第１導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第１導入流路より流路抵抗が大きくなるように形成し、流路幅方向最外側に前記第２導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第２導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第２導入流路より流路抵抗が大きくなるように形成する。

第１の本発明においては、例えば複数の第１導入流路への供給圧をほぼ均一とし、複数の第２導入流路への供給圧をほぼ均一とした場合、流路幅方向最外側に位置する外側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）における流量を、流路幅方向内側に位置する内側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）における流量より低下することができる。これにより、外側導入流路から導入された外側流体層の流路幅方向厚みを、内側導入流路から導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの流体を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

上記目的を達成するために、第２の本発明は、第１種の流体を導入する複数の第１導入流路と、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路と、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路と、前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路とを有するマイクロ化学反応装置において、前記第１導入流路と前記第２導入流路を流路幅方向にｍ本毎に交互に配置し、それらの流路幅方向外側に配置する前記第１導入流路又は前記第２導入流路の本数ｎをｍより小さくなるように構成する。

第２の本発明においては、例えば、複数の第１導入流路の流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように、かつ複数の第１導入流路への供給圧がほぼ均一となるように構成して、複数の第１導入流路のそれぞれにおける流量をほぼ同じとする。同様に、例えば、複数の第２導入流路の流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように、かつ複数の第２導入流路への供給圧がほぼ均一となるように構成して、複数の第２導入流路のそれぞれにおける流量をほぼ同じとする。このような場合に、流路幅方向外側に配置されたｎ本の外側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）から導入された外側流体層の流路幅方向厚みは、流路幅方向内側に配置されたｍ本の内側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）から導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの流体を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

上記目的を達成するために、第３の本発明は、第１種の流体を導入する複数の第１導入流路、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路、並びに前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路を有するマイクロ化学反応装置と、前記マイクロ化学反応装置に第１種の流体を供給する第１供給系統と、前記マイクロ化学反応装置に第２種の流体を供給する第２供給系統とを備えたマイクロ化学反応システムにおいて、前記第１供給系統及び前記第２供給系統のうち少なくとも一方は、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に位置する外側導入流路に流体を供給する外側供給系統と、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向内側に位置する内側導入流路に流体を供給する内側供給系統とを有し、前記外側供給系統及び前記内側供給系統は、各外側導入流路への流体の供給量が各内側導入流路への流体の供給量より少なくなるように構成する。

第３の本発明においては、外側供給系統及び内側供給系統によって、流路幅方向最外側に位置する外側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）における流量を、流路幅方向内側に位置する内側導入流路（第１導入流路又は第２導入流路）における流量より低下することができる。これにより、外側導入流路から導入された外側流体層の流路幅方向厚みを、内側導入流路から導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの流体を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

本発明によれば、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１の実施形態を図１〜図５により説明する。
図１は、本実施形態のマイクロ化学反応装置の全体構造を表す斜視図である。図２は、本実施形態のマイクロ化学反応装置を構成するバッファプレートの詳細構造を表す平面図であり、図３は、図２中断面III−IIIにおけるバッファプレートの断面図である。図４は、本実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する混合プレートの詳細構造を表す平面図であり、図５は、図４中断面Ｖ−Ｖにおける混合プレートの断面図である。

これら図１〜図５において、マイクロ化学反応装置１は、バッファプレート２、混合プレート３、及び上蓋プレート４を積層した構造となっている。バッファプレート２、混合プレート３、及び上蓋プレート４にはネジ穴（図示せず）が形成されており、それらのネジ穴にボルト５が挿通されてバッファプレート２、混合プレート３、及び上蓋プレート４が互いに締結されるようになっている。

バッファプレート２には、供給口６を介し供給された原料Ａを一旦貯留する第１バッファ７と、供給口８を介し供給された原料Ｂを一旦貯留する第２バッファ９とが形成されている。なお、バッファ７，９の上面側（図３中上側）の開口は、混合プレート３の底面で覆われるようになっている。また、バッファプレート２の上面に形成されたＯリング溝１０，１１にはＯリング（図示せず）が設けられており、バッファ７，９のシール性を高めるようになっている。

混合プレート３は、原料Ａを導入する例えば４つの第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄと、原料Ｂを導入する例えば４つの第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄとを有しており、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄは、流路幅方向（図４中上下方向）に１本毎に交互に配置されている。また、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄの上流側（図４中左側）と第１バッファ７とを連通する第１導入孔１４がそれぞれ形成されており、第１バッファ７から第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄへの供給圧はほぼ均一となっている。同様に、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄの上流側と第２バッファ９とを連通する第２導入孔１５がそれぞれ形成されており、第２バッファ９から第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄへの供給圧はほぼ均一となっている。なお、第１導入孔１４及び第２導入孔１５はバッファ７，９の位置に合わせて形成されているため、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄの流路長は第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄの流路長に比べて長くなっている。

第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄの下流側（図４中右側）には合流経路１６が形成され、この合流経路１６の下流側には混合流路１７が形成されている。合流流路１６では、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄからそれぞれ導入した原料Ａの流体層と第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄからそれぞれ導入した原料Ｂの流体層とを流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流するようになっている。混合流路１７では、互いに隣接する原料Ａの流体層と原料Ｂの流体層が界面で拡散混合して化学反応し、その生成物等が出口経路１８及び接続口１９を介し外部に流出するようになっている。なお、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄ、合流経路１６、並びに反応経路１７の上面側（図５中上側）の開口は、上蓋プレート４の底面で覆われるようになっている。また、混合プレート３の上面に形成されたＯリング溝２０にはＯリング（図示せず）が設けられており、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄ、合流流路１６、及び混合流路１７のシール性を高めている。

ここで本実施形態の大きな特徴として、第１導入路１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄのうち流路幅方向最外側（図４中上側）に位置する第１導入溝１２Ａは、流路幅方向内側に位置する第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに比べて溝幅寸法を小さくしている。これにより、第１導入溝１２Ａは、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに比べて流路抵抗（圧力損失）が大きくなっている。同様に、第１導入路１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄのうち流路幅方向最外側（図４中下側）に位置する第２導入溝１３Ｄは、流路幅方向内側に位置する第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃに比べて溝幅寸法を小さくしている。これにより、第２導入溝１３Ｄは、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃに比べて流路抵抗（圧力損失）が大きくなっている。

なお、本実施形態では、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃは、互いに溝幅寸法が同じであり、第１導入溝１２Ａ及び第２導入溝１３Ｄは、互いに溝幅寸法が同じとなっている。また、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄにそれぞれ対応する第１導入孔１４及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄにそれぞれ対応する第２導入孔１５は、互いに径寸法が同じとなっている。また、第１導入孔１４及び第２導入孔１５のそれぞれの断面積は、第１導入溝１２Ａ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｄのうちのいずれの断面積よりも小さくなっている。

以上のように構成された本実施形態においては、第１導入溝１２Ａにおける流量を第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄのそれぞれにおける流量より低下することができる。また、第２導入溝１３Ｄにおける流量を第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃのそれぞれにおける流量より低下することができる。これにより、流路幅方向最外側に位置する第１導入溝１２Ａ及び第２導入溝１３Ｄから合流流路１６にそれぞれ導入された外側流体層の流路幅方向厚みを、流路幅方向内側に位置する第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃから合流流路１６にそれぞれ導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの原料を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

なお、上記第１の実施形態においては、流路幅方向最外側に位置する第１導入溝１２Ａ及び第２導入溝１３Ｄの溝幅寸法を小さくして流路抵抗を大きくする場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば第１導入溝１２Ａ及び第２導入溝１３Ｄの深さ寸法を小さくして流路抵抗を大きくするようにしてもよい。また、例えば、第１導入溝１２Ａに対応する第１導入孔１４の径寸法を、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに対応する第１導入孔１４の径寸法に比べて小さくして、流路抵抗を大きくするようにしてもよい。同様に、第２導入溝１３Ｄに対応する第２導入孔１５の径寸法を、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃにそれぞれ対応する第２導入孔１５の径寸法に比べて小さくして、流路抵抗を大きくするようにしてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を図６により説明する。本実施形態は、流路幅方向最外側に位置する導入溝を、流路幅方向内側に位置する導入溝より流路長が長くなるように形成した実施形態である。

図６は、本実施形態による混合プレートの詳細構造を表す平面図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態の混合プレート３Ａにおいて、流路幅方向最外側に位置する第１導入溝１２Ａ’は、上記第１の実施形態同様、流路幅方向内側に位置する第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに比べて溝幅寸法を小さくしている。また、第１導入溝１２Ａ’は、流れ方向が屈曲（蛇行）するように形成されており、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに比べて流路長を長くしている。これにより、第１導入溝１２Ａは、第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄに比べて流路抵抗が大きくなっている。同様に、流路幅方向最外側に位置する第２導入溝１３Ｄ’は、上記第１の実施形態同様、流路幅方向内側に位置する第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃの導入溝１６に比べて溝幅寸法を小さくしている。また、第２導入溝１３Ｄ’の導入溝１６は、流れ方向が屈曲（蛇行）するように形成されており、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃの導入溝１６に比べて流路長を長くしている。これにより、第２導入溝１３Ｄは、第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃに比べて流路抵抗が大きくなっている。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態同様、第１導入溝１２Ａ’における流量を第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄのそれぞれにおける流量より低下することができる。また、第２導入溝１３Ｄ’における流量を第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃのそれぞれにおける流量より低下することができる。これにより、流路幅方向最外側に位置する第１導入溝１２Ａ’及び第２導入溝１３Ｄ’から合流流路１６にそれぞれ導入された外側流体層の流路幅方向厚みを、流路幅方向内側に位置する第１導入溝１２Ｂ〜１２Ｄ及び第２導入溝１３Ａ〜１３Ｃから合流流路１６にそれぞれ導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの原料を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

本発明の第３の実施形態を図７により説明する。本実施形態は、第１導入溝と第２導入溝を流路幅方向にｍ本毎に交互に配置し、それらの流路幅方向外側に配置する外側導入溝の本数ｎをｍより小さくなるように構成した実施形態である。なお、本実施形態において、上記第１及び第２の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７は、本実施形態による混合プレートの詳細構造を表す平面図である。

本実施形態では、混合プレート３Ｂには、１本の第１導入溝２１Ａ、２本の第２導入溝２２Ａ、２本の第１導入溝２１Ｂ、２本の第２導入溝２２Ｂ、２本の第１導入溝２１Ｃ、２本の第２導入溝２２Ｃ、２本の第１導入溝２１Ｄ、１本の第２導入溝２２Ｄがその順序で流路幅方向（図７中上下方向）に配置されている。言い換えれば、第１導入溝と第２導入溝を流路幅方向に２本毎に交互に配置し、それらの流路幅方向外側に配置する導入溝を１本としている。なお、本実施形態では、流路幅方向内側に配置する第１導入溝（又は第２導入溝）の１組の本数と流路幅方向外側に配置する第１導入溝（又は第２導入溝）の本数との比を２：１としているが、これに限られたものではない。すなわち、例えば流路形状や流体の粘性及び流速に応じて導入経路の本数等が変化するため、流体反応解析等を行って最適な導入経路の本数を設定することが望ましい。

第１導入溝２１Ａ〜２１Ｄ（及びそれらに対応する第１導入孔１４）は、流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように構成されており、また第１バッファ７からの供給圧がほぼ均一となっている。これにより、第１導入溝２１Ａ〜２１Ｄのそれぞれにおける流量がほぼ同じとなっている。同様に、第２導入溝２２Ａ〜２２Ｄ（及びそれらに対応する第２導入孔１５）は、流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように構成されており、また第２バッファ９からの供給圧がほぼ均一となっている。これにより、第２導入溝２２Ａ〜２２Ｄのそれぞれにおける流量がほぼ同じとなっている。

以上のように構成された本実施形態においては、流路幅方向外側に配置された１本の第１導入溝２１Ａから合流流路１６に導入された外側流体層の流路幅方向厚みは、流路幅方向内側に配置された２本の第１導入溝２１Ｂ（又は２１Ｃ，２１Ｄ）から合流流路１６に導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。同様に、流路幅方向外側に配置された１本の第２導入溝２２Ｄから合流流路１６に導入された外側流体層の流路幅方向厚みは、流路幅方向内側に配置された２本の第２導入溝２２Ａ（又は２２Ｂ，２２Ｃ）から合流流路１６に導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの流体を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

また本実施形態では、第１導入溝２１Ａ〜２１Ｄの流路抵抗が互いにほぼ同じでかつ第２導入溝２２Ａ〜２２Ｄの流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように構成されているため、例えばバッファ７，９からの供給圧を変化させた場合でも、各導入溝の流量比を一定とすることができる。したがって、目的物質の生産量を変更したい場合等に容易に対応することができる。

本発明の第４の実施形態を図８〜図１１により説明する。本実施形態は、各外側導入溝への流体の供給量が各内側導入溝への流体の供給量より少なくなるように供給系統を構成した実施形態である。なお、本実施形態において、上記第１〜第３の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図８は、本実施形態のマイクロ反応システムの全体構成を表す図である。図９は、本実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する混合プレートの詳細構造を表す平面図である。図１０は、本実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する上蓋プレートの詳細構造を表す平面図であり、図１１は、図１０中断面XI−XIにおける上蓋プレートの断面図である。

これら図８〜図１１において、マイクロ化学反応システムは、マイクロ化学反応装置１Ａと、このマイクロ化学反応装置１Ａに原料Ａを供給する第１供給系統２３と、マイクロ化学反応装置１Ａに原料Ｂを供給する第２供給系統２４とを備えている。マイクロ化学反応装置１Ａは、バッファプレート２、混合プレート３C、及び上蓋プレート４Ａを積層した構造となっている。

混合プレート３Cは、原料Ａを導入する例えば４つの第１導入溝２５Ａ〜２５Ｄと、原料Ｂを導入する例えば４つの第２導入溝２６Ａ〜２６Ｄとを有しており、第１導入溝２５Ａ〜２５Ｄ及び第２導入溝２６Ａ〜２６Ｄは、流路幅方向（図９中上下方向）に１本毎に交互に配置されている。

第１導入路２５Ａ〜２５Ｄ及び第２導入溝２６Ａ〜２６Ｄのうち流路幅方向内側に位置する第１導入溝２５Ｂ〜２５Ｄに対しては、それらの上流側（図９中左側）とバッファプレート２の第１バッファ７とをそれぞれ連通する第１導入孔１４が混合プレート３Ｃに形成されている。同様に、流路幅方向内側に位置する第２導入溝２６Ａ〜２６Ｃに対しては、それらの上流側とバッファプレート２の第２バッファ９とをそれぞれ連通する第２導入孔１５が混合プレート３Ｃに形成されている。一方、第１導入路２５Ａ〜２５Ｄ及び第２導入溝２６Ａ〜２６Ｄのうち流路幅方向最外側に位置する第１導入溝２５Ａに対しては、その上流側に連通する供給口２７が上蓋プレート４Ａに形成されている。同様に、流路幅方向最外側に位置する第２導入溝２６Ｄに対しては、その上流側に連通する供給口２８が上蓋プレート４Ａに形成されている。

第１供給系統２３は、原料Ａを供給するポンプ２９と、このポンプ２９からマイクロ化学反応装置１Ａの供給口６に配管接続された内側供給系統３０と、この内側供給系統３０から分岐されてマイクロ化学反応装置１Ａの供給口２７に配管接続された外側供給系統３１とを有している。そして、ポンプ２９からの原料Ａが内側供給系統３０を介しマイクロ化学反応装置１Ａの第１バッファ７に供給されて、第１導入溝２５Ｂ〜２５Ｄに供給されるようになっている。また、ポンプ２９からの原料Ａが外側供給系統３１を介しマイクロ化学反応装置１Ａの第１導入溝２５Ａに供給されるようになっている。

第２供給系統２４は、原料Ｂを供給するポンプ３２と、このポンプ３２からマイクロ化学反応装置１Ａの供給口８に配管接続された内側供給系統３３と、この内側供給系統３３から分岐されてマイクロ化学反応装置１Ａの供給口２８に配管接続された外側供給系統３４とを有している。そして、ポンプ３２からの原料Ｂが内側供給系統３３を介しマイクロ化学反応装置１Ａの第２バッファ９に供給されて、第２導入溝２６Ａ〜２６Ｃに供給されるようになっている。また、ポンプ３２からの原料Ｂが外側供給系統３４を介しマイクロ化学反応装置１Ａの第２導入溝２６Ｄに供給されるようになっている。

そして、本実施形態の大きな特徴として、第１供給系統２３における内供給系統３０及び外側供給系統３１は、流路幅方向最外側に位置する第１導入流路２５Ａへの原料Ａの供給量が、流路幅方向内側に位置する第１導入流路２５Ｂ〜２５Ｄへのそれぞれの原料Ａの供給量より少なくなるように配管構成されている。同様に、第２供給系統２４における内供給系統３３及び外側供給系統３４は、流路幅方向最外側に位置する第２導入流路２６Ｄへの原料Ｂの供給量が、流路幅方向内側に位置する第２導入流路２６Ａ〜２６Ｃへのそれぞれの原料Ｂの供給量より少なくなるように配管構成されている。

以上のように構成された本実施形態においては、第１導入溝２５Ａにおける流量を第１導入溝２５Ｂ〜２５Ｄのそれぞれにおける流量より低下することができる。また、第２導入溝２６Ｄにおける流量を第２導入溝２６Ａ〜２６Ｃのそれぞれにおける流量より低下することができる。これにより、流路幅方向最外側に位置する第１導入溝２５Ａ及び第２導入溝２６Ｄから合流流路１６にそれぞれ導入された外側流体層の流路幅方向厚みを、流路幅方向内側に位置する第１導入溝２５Ｂ〜２５Ｄ及び第２導入溝２６Ａ〜２６Ｃから合流流路１６にそれぞれ導入された内側流体層の流路幅方向厚みに比べて薄くすることができる。したがって、外側流体層で生じやすい混合及び反応遅れの原料を低減することができる。その結果、目的物質の純度及び反応収率を向上させることができる。

また本実施形態では、例えば第１供給系統２３の外側供給系統３１における配管を交換して流路抵抗を変更すれば、供給量を調節することが可能である。したがって、第１導入流路２５Ａと第１導入流路２５Ｂ（又は２５Ｃ，２５Ｄ）との流量比の調整作業を容易に行うことができる。同様に、例えば第２供給系統２４の外側供給系統３４における配管を交換して流路抵抗を変更すれば、供給量を調節することが可能である。したがって、第１導入流路２６Ｄと第２導入流路２６Ａ（又は２６Ｂ，２６Ｃ）との流量比の調整作業を容易に行うことができる。

なお、上記第４の実施形態においては、特に説明しなかったが、例えば図１２に示すように、第１供給系統２３の外側供給系統３１にバルブ３５を設け、第２供給系統２４の外側供給系統３４にバルブ３６を設けてもよい。このような場合は、バルブ３５，３６によって外側供給系統３１，３４の供給量を容易に調節することができる。

また、上記第４の実施形態においては、第１供給系統２３における内側供給系統３０及び外側供給系統３１は共通のポンプ２９から分岐配管され、第２供給系統２４における内側供給系統３３及び外側供給系統３４は共通のポンプ３２から分岐配管された構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば図１３に示すように、第１供給系統における内側供給系統３０Ａ及び外側供給系統３１Ａは、個別にポンプ２９Ａ，２９Ｂを設け、互いに独立するように構成してもよい。同様に、第２供給系統における内側供給系統３３Ａ及び外側供給系統３４Ａは、個別にポンプ３２Ａ，３２Ｂを設け、互いに独立するように構成してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、マイクロ化学反応装置１，１Ａは、流路幅方向外側一方に第１導入流路を配置し、流路幅方向外側他方に第２導入流路を配置した構造を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば流路幅方向両外側に第１導入流路を配置した構造としてもよいし、また例えば流路幅方向両外側に第２導入流路を配置した構造としてもよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態のマイクロ化学反応装置の全体構造を表す斜視図である。 本発明の第１の実施形態のマイクロ化学反応装置を構成するバッファプレートの詳細構造を表す平面図である。 図２中断面III−IIIにおけるバッファプレートの断面図である。 本発明の第１の実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する混合プレートの詳細構造を表す平面図である。 図４中断面Ｖ−Ｖにおける混合プレートの断面図である。 本発明の第２の実施形態による混合プレートの詳細構造を表す平面図である。 本発明の第３の実施形態による混合プレートの詳細構造を表す平面図である。 本発明の第４の実施形態のマイクロ反応システムの構成を表す図である。 本発明の第４の実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する混合プレートの詳細構造を表す平面図である。 本発明の第４の実施形態のマイクロ化学反応装置を構成する上蓋プレートの詳細構造を表す平面図である。 図１０中断面XI−XIにおける上蓋プレートの断面図である。 本発明の一変形例のマイクロ反応システムの構成を表す図である。 本発明の他の変形例のマイクロ反応システムの構成を表す図である。 従来技術の課題を説明するための図である。

符号の説明

１ マイクロ化学反応装置
１Ａ マイクロ化学反応装置
７ 第１バッファ
９ 第２バッファ
１２Ａ〜１２Ｄ 第１導入溝（第１導入流路）
１３Ａ〜１３Ｄ 第２導入溝（第２導入流路）
１４ 第１導入孔（第１導入流路）
１５ 第２導入孔（第２導入流路）
１６ 合流流路
１７ 混合流路
２１Ａ〜２１Ｄ 第１導入溝（第１導入流路）
２２Ａ〜２２Ｄ 第２導入溝（第２導入流路）
２３ 第１供給系統
２４ 第２供給系統
２５Ａ〜２５Ｄ 第１導入溝（第１導入流路）
２６Ａ〜２６Ｄ 第２導入溝（第２導入流路）
２９ ポンプ
３０ 内側供給系統
３０Ａ 内側供給系統
３１ 外側供給系統
３１Ａ 外側供給系統
３２ ポンプ
３３ 内側供給系統
３３Ａ 内側供給系統
３４ 外側供給系統
３４Ａ 外側供給系統
３５ バルブ
３６ バルブ

Claims (9)

1. 第１種の流体を導入する複数の第１導入流路と、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路と、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路と、前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路とを有するマイクロ化学反応装置において、
   前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に前記第１導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第１導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第１導入流路より流路抵抗が大きくなるように形成し、流路幅方向最外側に前記第２導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第２導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第２導入流路より流路抵抗が大きくなるように形成したことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
2. 請求項１記載のマイクロ化学反応装置において、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に前記第１導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第１導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第１導入流路より流路断面形状が小さくなるように形成し、流路幅方向最外側に前記第２導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第２導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第２導入流路より流路断面形状が小さくなるように形成したことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
3. 請求項１又は２記載のマイクロ化学反応装置において、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に前記第１導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第１導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第１導入流路より流路長が長くなるように形成し、流路幅方向最外側に前記第２導入流路が位置する場合は、流路幅方向最外側に位置する前記第２導入流路を、流路幅方向内側に位置する前記第２導入流路より流路長が長くなるように形成したことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のマイクロ化学反応装置において、前記複数の第１導入流路への第１種の流体の供給圧をほぼ均一にする第１バッファと、前記複数の第２導入流路への第２種の流体の供給圧をほぼ均一にする第２バッファとを備えたことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
5. 第１種の流体を導入する複数の第１導入流路と、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路と、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路と、前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路とを有するマイクロ化学反応装置において、
   前記第１導入流路と前記第２導入流路を流路幅方向にｍ本毎に交互に配置し、それらの流路幅方向外側に配置する前記第１導入流路又は前記第２導入流路の本数ｎをｍより小さくなるように構成したことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
6. 請求項５記載のマイクロ化学反応装置において、前記複数の第１導入流路への第１種の流体の供給圧をほぼ均一にする第１バッファと、前記複数の第２導入流路への第２種の流体の供給圧をほぼ均一にする第２バッファとを備え、前記複数の第１導入流路の流路抵抗が互いにほぼ同じでかつ前記複数の第２導入流路の流路抵抗が互いにほぼ同じとなるように構成したことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
7. 第１種の流体を導入する複数の第１導入流路、流路幅方向に前記第１導入流路と交互に配置され第２種の流体を導入する複数の第２導入流路、前記複数の第１導入流路からそれぞれ導入された第１種の流体層及び前記複数の第２導入流路からそれぞれ導入された第２種の流体層を流路幅方向に交互に積層した状態で合流させて縮流する合流流路、並びに前記合流流路の下流側に接続され、互いに隣接する第１種の流体層及び第２種の流体層が界面にて拡散混合して化学反応する混合流路を有するマイクロ化学反応装置と、前記マイクロ化学反応装置に第１種の流体を供給する第１供給系統と、前記マイクロ化学反応装置に第２種の流体を供給する第２供給系統とを備えたマイクロ化学反応システムにおいて、
   前記第１供給系統及び前記第２供給系統のうち少なくとも一方は、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向最外側に位置する外側導入流路に流体を供給する外側供給系統と、前記複数の第１導入流路及び前記複数の第２導入流路のうち流路幅方向内側に位置する内側導入流路に流体を供給する内側供給系統とを有し、
   前記外側供給系統及び前記内側供給系統は、各外側導入流路への流体の供給量が各内側導入流路への流体の供給量より少なくなるように構成したことを特徴とするマイクロ化学反応システム。
8. 請求項７記載のマイクロ化学反応システムにおいて、前記外側供給系統及び前記内側供給系統は、共通のポンプから分岐配管されるように構成したことを特徴とするマイクロ化学反応システム。
9. 請求項８記載のマイクロ化学反応システムにおいて、前記外側供給系統は、供給量を調節可能なバルブを設けたことを特徴とするマイクロ化学反応システム。

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