JP4970959B2

JP4970959B2 - 反応装置及び反応方法

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Publication number: JP4970959B2
Application number: JP2007001120A
Authority: JP
Inventors: 浩之伴; 公二野一色; 和人岡田; 誠一山本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-01-09
Also published as: JP2008168173A

Description

本発明は、反応装置及び反応方法に関するものである。

従来、第１反応剤と第２反応剤の２つの反応剤を互いに接触させてそれらの接触界面で両反応剤を反応させることが行われている。そして、この場合に両反応剤の反応効率を向上させるため、両反応剤をそれぞれ層状に流しながら互いに接触させることにより両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増加させることが行われている。例えば、その一例として下記特許文献１に開示された反応装置では、薄膜状の反応流路内に第１反応剤と第２反応剤を層状に流通させながらそれら両反応剤を互いの接触界面で反応させて所望の反応生成物を生成するようにしている。具体的には、この特許文献１の反応装置内には反応剤を反応流路に導入するための導入路が設けられており、この導入路が整流板によって上下に２つに仕切られている。そして、整流板によって仕切られた導入路の一方に第１反応剤が流されるとともに他方に第２反応剤が流され、これら２つの反応剤が導入路の下流側に位置する反応流路において上下に分離した層流の状態で互いに接触し、その接触界面において両反応剤が反応するようになっている。
特開２００４−２９０９７１号公報

上記特許文献１の反応装置では、導入路の一方に導入された第１反応剤と他方に導入された第２反応剤がほぼその層厚のまま反応流路で互いに重なるようになっている。ところで、整流板で仕切られた導入路内の上下部分の層厚を小さく構成するにはその形成工程上において限界があり、それに起因して第１反応剤の層厚及び第２反応剤の層厚の縮小には限界がある。このため、上記特許文献１の構成では、反応流路における両反応剤の単位体積当たりの接触面積の増大にも限界があり、反応効率の向上に限界が生じる。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、第１反応剤と第２反応剤の導入路の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより向上させることである。

上記目的を達成するために、本発明による反応装置は、第１反応剤と第２反応剤を流通させながらそれらを反応させる反応装置であって、特定方向に延びるとともにその方向に沿って前記第１反応剤と前記第２反応剤を流通させる流路を内部に持つ流路構造体を備えている。そして、前記流路は、当該流路の入口側に配置されるとともに前記第１反応剤が導入される第１導入路と、前記流路構造体に設けられた仕切壁を挟んで前記第１導入路と離間して配置され、前記第２反応剤が導入される第２導入路と、前記第１導入路と前記第２導入路の下流側に繋がり、前記第１導入路を通じて流れる前記第１反応剤と前記第２導入路を通じて流れる前記第２反応剤を互いに分離した層流の状態で合流させる合流路と、この合流路の下流側に繋がり、前記第１反応剤の層流と前記第２反応剤の層流を両反応剤が互いに接触した状態で流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させる反応流路とを含み、前記反応流路の前記接触界面に垂直な層厚方向の寸法は、前記第１導入路の前記層厚方向の寸法と前記第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも小さく、かつ、前記合流路の前記層厚方向の寸法よりも小さく、前記合流路の前記層厚方向の寸法は、前記第１導入路の前記層厚方向の寸法と前記第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも大きく、前記第１導入路と前記反応流路は、直線的に延びるとともに均一な前記層厚方向の寸法をもつ単一の流路を用いて形成されており、前記合流路は、前記第２導入路から流れる前記第２反応剤の層流を前記第１導入路から直線的に流れる前記第１反応剤の層流に対して前記層厚方向から合流させて前記反応流路に導入するように構成されている。

この反応装置では、反応流路の第１反応剤と第２反応剤の接触界面に垂直な層厚方向の寸法が、第１導入路の前記層厚方向の寸法と第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも小さくなるように設定されているので、反応流路では第１導入路と第２導入路よりも薄い膜状で第１反応剤と第２反応剤を接触させることができる。このため、第１導入路と第２導入路の層厚方向の寸法を縮小しなくても、反応流路における両反応剤の層厚を縮小することができ、反応流路における両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大することができる。従って、この反応装置では、第１導入路と第２導入路の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより向上させることができる。また、この反応装置では、第１導入路と等しい前記層厚方向の寸法をもつ反応流路内に第１導入路を流れる第１反応剤に加えて第２導入路を流れる第２反応剤を合流させて流すことができるので、両導入路の層厚方向の寸法を縮小しなくても、反応流路において両反応剤の単位体積当たりの接触面積を確実に増大させることができる。さらに、この構成では、第１導入路から反応流路に至る過程で第１反応剤の流れが前記層厚方向に曲げられるのを抑制できるので、この第１反応剤の流れに掛かる抵抗を低減でき、第１反応剤をスムーズに流通させることができる。また、この構成では、流路構造体において第１導入路から反応流路までの流路を直線状に形成することができるので、この部分の流路が屈曲した形状となる場合に比べて、その形成工程を簡略化することができる。

上記反応装置において、前記流路構造体は、中間基板と、その中間基板を前記層厚方向の表裏両側から挟む表側基板と裏側基板とによって構成され、前記中間基板の表面には、特定方向に延びる表面側溝部が形成されているとともに、前記中間基板の裏面には、前記表面側溝部に対応する位置に前記特定方向に延びる裏面側溝部が形成され、前記表面側溝部の開口部が前記表側基板によって覆われることにより前記第１導入路が形成されているとともに、前記裏面側溝部の開口部が前記裏側基板によって覆われることにより前記第２導入路が形成されており、前記中間基板の前記表面側溝部と前記裏面側溝部の間に挟まれた領域が前記仕切壁として用いられているのが好ましい。

流路構造体内に第１導入路と第２導入路を離間した状態で形成する方法としては、流路構造体に単一の流路を形成した後、その流路を層厚方向の中間で別部材の仕切板によって仕切ることにより両導入路を形成することも考えられる。しかしながら、この方法では、流路構造体の厚み方向の寸法が小さく、流路の層厚方向の寸法が微小となる場合に、その流路を仕切るように仕切板を取り付ける作業は非常に煩雑なものとなる。これに対して、上記の構成によれば、中間基板に先に仕切壁を形成した後、中間基板を層厚方向の表裏両側から表側基板と裏側基板で挟み込むことによって、仕切壁の表側の表面側溝部を第１導入路とすることができるとともに仕切壁の裏側の裏面側溝部を第２導入路とすることができるので、流路構造体の厚み方向の寸法が小さく、流路の層厚方向の寸法が微小なものとなる場合でも容易に第１導入路と第２導入路を形成することができる。従って、上記の構成では、流路構造体の厚み方向の寸法が小さい場合でも第１導入路と第２導入路の形成を容易に行うことができる。

上記反応装置において、前記合流路は、その前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に沿った長さが前記仕切壁の前記層厚方向の寸法よりも大きくなるように形成されているのが好ましい。このように構成すれば、合流路に第１導入路から第１反応剤が流れ込むとともに第２導入路から第２反応剤が流れ込んで合流する際に、第１反応剤の流れの前記層厚方向への移動及び／または第２反応剤の前記層厚方向への移動を少なくして、それら両反応剤を流通方向に沿ってスムーズに合流させることができる。これにより、第１反応剤と第２反応剤とを互いに分離した層流の状態で合流させやすくすることができる。

この場合において、例えば、前記合流路はその前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に沿った長さが前記仕切壁の前記層厚方向の寸法の１０倍以上になるように形成されているのが好ましい。

上記反応装置において、前記流路構造体は、前記流路を前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に直交する幅方向に複数に分割する分割壁を有するのが好ましい。このように構成すれば、流路全体として一定の反応剤の流量を確保しながら、分割された各流路では反応流路の幅方向の寸法と層厚方向の寸法との差を小さくすることができる。これにより、流路全体として一定の反応効率を確保しながら、流路構造体が流路の幅方向において傾いて設置される場合でも反応流路内における両反応剤間の反応効率の低下を抑制することができる。すなわち、流路構造体が流路の幅方向において傾いて設置された場合には、反応流路内において形成される上記両反応剤の接触界面が反応流路の層厚方向の両側面間を繋ぐような形態で形成される場合がある。この場合、流路が幅方向に分割されておらず、反応流路の幅方向の寸法に対して層厚方向の寸法がかなり小さい構造では、流路構造体が傾いていない状態で前記接触界面が反応流路の幅方向の両側面間を繋ぐように形成されている状態からの前記接触界面の面積の減少がかなり大きくなる。そして、この場合には上記両反応剤間の反応効率が著しく低下する。これに対して、上記構成のように反応流路の幅方向の寸法と層厚方向の寸法との差が小さくなれば、流路構造体が傾いて前記接触界面が反応流路の層厚方向の両側面間を繋ぐように形成されても、前記接触界面の面積の減少を小さくすることができる。このため、上記構成では、流路構造体が流路の幅方向において傾いて設置される場合でも反応流路内における両反応剤間の反応効率の低下を抑制することができる。

上記反応装置において、前記流路構造体が複数積層されているのが好ましい。このように構成すれば、より多くの第１反応剤と第２反応剤を流通させながら反応させることができるので、反応装置全体での反応生成物の生成効率をより向上させることができる。

本発明による反応方法は、上記いずれかの反応装置を用いた反応方法であって、前記第１導入路に第１反応剤を導入するとともに前記第２導入路に第２反応剤を導入し、その第１反応剤と第２反応剤とを前記合流路で互いに分離した層流の状態で合流させ、その後、合流した前記第１反応剤の層流と前記第２反応剤の層流を両反応剤が互いに接触した状態で前記反応流路に流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させる。

この反応方法では、上記の反応装置を用いて流通する第１反応剤と第２反応剤を反応させるので、第１反応剤と第２反応剤の導入路の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、第１反応剤と第２反応剤の導入路の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより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て説明する。

図１は、本発明の一実施形態による反応装置を構成する流路構造体２の斜視図であり、図２は、図１に示した流路構造体２の分解斜視図である。図３は、図１に示した流路構造体２の流路４ａに沿った断面図であり、図４は、流路４ａ内における第１反応剤と第２反応剤の流通状態を示した図３に対応する断面図である。まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態による反応装置の構成について説明する。

本実施形態による反応装置は、第１反応剤と第２反応剤の２種類の反応剤を後述する反応流路１６内に流通させながらそれら両反応剤同士を反応させて所望の反応生成物を生成するものである。この反応装置は、図１に示す流路構造体２を備えている。

流路構造体２は、平型の直方体状の外形を有しており、その長手方向が水平となるように設置されている。この流路構造体２の内部には、第１反応剤と第２反応剤を流通させる流路４が設けられている。流路４は、流路構造体２に設けられた分割壁２ａによってその幅方向に３つの流路４ａに分割されている。すなわち、同じ構成を有する３つの流路４ａが流路構造体２の幅方向に等間隔で設けられている。各流路４ａは、流路構造体２の長手方向に延びており、流路構造体２が設置された状態で流路４ａが水平方向に延びるようになっている。そして、各流路４ａは、図３に示すように、第１導入路１０と、第２導入路１２と、合流路１４と、反応流路１６とによって構成されている。

前記第１導入路１０と前記第２導入路１２は、共に流路４ａの入口側に配置されている。これら第１導入路１０と第２導入路１２は、それぞれ断面矩形状に形成されているとともに、等しい幅と等しい長さを有するように形成されている。そして、第１導入路１０と第２導入路１２は、流路構造体２に設けられた仕切壁２ｂを挟んで上下に離間して配置されており、互いに平行かつ水平方向に延びている。この第１導入路１０は、第１反応剤が導入される部分であり、第２導入路１２は、第２反応剤が導入される部分である。

前記合流路１４は、第１導入路１０と第２導入路１２の下流側に繋がっている。この合流路１４は、図４に示すように、第１導入路１０を通じて流れる第１反応剤と第２導入路１２を通じて流れる第２反応剤を互いに分離した層流の状態で合流させる部分である。そして、合流路１４は、その第１反応剤及び第２反応剤の流通方向に沿った長さｌ（図３参照）が前記仕切壁２ｂの前記層厚方向の寸法ｔ（図３参照）の１０倍以上になるように形成されている。この合流路１４は、第１導入路１０及び第２導入路１２の幅と等しい幅を有しており、断面矩形状に形成されている。

また、合流路１４は、第２導入路１２から流れる第２反応剤の層流を第１導入路１０から直線的に流れる第１反応剤の層流に対して第１反応剤と第２反応剤の接触界面に垂直な層厚方向から合流させるように構成されている。具体的には、第２導入路１２の延長線上に位置する合流路１４の下流側には仕切壁２ｂの上面と同じ高さ位置まで流路構造体２の封止壁２ｄが設けられており、合流路１４はこの封止壁２ｄと仕切壁２ｂの下流側端部との間の領域に形成されている。そして、第２反応剤の流れは、封止壁２ｄに当たって仕切壁２ｂの下流側端部と封止壁２ｄの間の空間を通じて上方へ移動し、第１導入路１０から合流路１４へ流れ込んだ第１反応剤の層流と合流するようになっている。

前記反応流路１６は、合流路１４の下流側に繋がっており、合流路１４で合流した第１反応剤と第２反応剤が流れ込むようになっている。この反応流路１６は、第１反応剤の層流と第２反応剤の層流とを両反応剤が互いに接触した状態で流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させるものである。そして、本実施形態では、図３に示すように、反応流路１６の前記接触界面に垂直な層厚方向の寸法ｄ３は第１導入路１０の前記層厚方向の寸法ｄ１と第２導入路１２の前記層厚方向の寸法ｄ２との和よりも小さくなるように設定されている。具体的には、反応流路１６は前記第１導入路１０とともに直線的に延び、かつ、均一な前記層厚方向の寸法をもつ単一の流路を用いて形成されている。すなわち、反応流路１６の前記層厚方向の寸法ｄ３と第１導入路１０の前記層厚方向の寸法ｄ１は互いに等しくなっている。そして、この第１導入路１０と均一の前記層厚方向の寸法を有する反応流路１６内に第１導入路１０から直線的に流れる第１反応剤に加えて第２導入路１２から流れる第２反応剤が合流して流れ込むようになっている。また、反応流路１６は、第１導入路１０及び合流路１４と等しい幅を有する断面矩形状に形成されている。

次に、上記した流路構造体２の具体的な構造について説明する。

流路構造体２は、図２に示すように中間基板２ｅと、この中間基板２ｅを前記層厚方向の表裏両側から挟む表側基板２ｆと裏側基板２ｇとによって構成されている。これら中間基板２ｅ、表側基板２ｆ及び裏側基板２ｇは、全てステンレス製の基板からなる。そして、中間基板２ｅの表面と表側基板２ｆの裏面が拡散接合されるとともに中間基板２ｅの裏面と裏側基板２ｇの表面が拡散接合されることにより、これら各基板が一体化されて流路構造体２が形成されている。

前記表側基板２ｆと裏側基板２ｇは、共にその表面及び裏面が平面状に形成された平板である。前記中間基板２ｅの表面には、その長手方向全体に亘って表面側溝部２ｈが形成されている。表面側溝部２ｈは、中間基板２ｅの幅方向に等間隔で３本形成されている。この表面側溝部２ｈは、上記第１導入路１０と合流路１４の上部と反応流路１６とを形成するためのものであり、上記第１導入路１０の前記層厚方向の寸法ｄ１及び反応流路１６の前記層厚方向の寸法ｄ３と等しい深さで形成されている。この表面側溝部２ｈの開口部が表側基板２ｆで覆われることによって上記第１導入路１０及び反応流路１６が形成されている。

また、中間基板２ｅの裏面には、その長手方向に沿って裏面側溝部２ｉが形成されている。この裏面側溝部２ｉは、前記各表面側溝部２ｈに対応する位置にそれぞれ形成されている。裏面側溝部２ｉは、上記第２導入路１２と合流路１４の下部とを形成するものであり、それら第２導入路１２と合流路１４を併せた長さの範囲に形成されている。そして、裏面側溝部２ｉは、上記第２導入路１２の前記層厚方向の寸法ｄ２に等しい深さで形成されている。この裏面側溝部２ｉの開口部が裏側基板２ｇで覆われることによって上記第２導入路１２が形成されている。

また、中間基板２ｅの表面側溝部２ｈと裏面側溝部２ｉの間に挟まれた領域によって上記仕切壁２ｂが形成されている。この仕切壁２ｂの上記合流路１４の形成領域に対応する部分が前記層厚方向に貫通するように開口されており、この部分を表裏両側から表側基板２ｆと裏側基板２ｇが覆うことによって上記合流路１４が形成されている。そして、この合流路１４を構成する開口部の反応流路１６側に位置するとともに前記層厚方向に延びる壁面をもつ部分によって上記封止壁２ｄが構成されている。また、表面側溝部２ｈと裏面側溝部２ｉからなる各対の隣り合うもの同士の間に残された部分が上記分割壁２ａとして用いられる。

上記中間基板２ｅの加工方法としては、まず平板状のステンレス基板の表面に長手方向全体に亘って上記表面側溝部２ｈをエッチングにより形成する。そして、そのステンレス基板の裏面の長手方向に沿って各表面側溝部２ｈに対応する位置に上記裏面側溝部２ｉをエッチングにより形成する。この際、裏面側溝部２ｉは、第２導入路１２と合流路１４を併せた長さの範囲に形成する。この後、表面側溝部２ｈと裏面側溝部２ｉの間に挟まれた仕切壁２ｂのうち上記合流路１４の形成領域に対応する部分をエッチングで除去することにより層厚方向に貫通するように開口させる。これにより、上記合流路１４を形成する。このようにして、上記中間基板２ｅの構造が形成される。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態による反応装置を用いた反応方法について説明する。

まず、図３に示すように上記第１導入路１０へ第１反応剤を導入するとともに、上記第２導入路１２へ第２反応剤を導入する。これにより、第１反応剤は第１導入路１０を通じて合流路１４へ流れ込むとともに、第２反応剤は第２導入路１２を通じて合流路１４へ流れ込む。

この際、合流路１４では、第１反応剤と第２反応剤が前記層厚方向に互いに分離した層流の状態で合流する。ここで、第１導入路１０から合流路１４を経て反応流路１６へ至る経路は直線的に繋がっているので、第１反応剤の層流は直線的に流れる。一方、第２導入路１２から反応流路１６へ至る経路は、合流路１４の部分で上方、すなわち第１反応剤の流通経路側へ屈曲している。このため、第２反応剤は合流路１４の部分で封止壁２ｄに当たりながら前記層厚方向において上方（第１反応剤側）へ移動し、第１反応剤の層流と合流する。

そして、この際、本実施形態では合流路１４の第１反応剤及び第２反応剤の流通方向に沿った長さｌ（図３参照）が第１導入路１０と第２導入路１２の間を仕切る仕切壁２ｂの前記層厚方向の寸法ｔ（図３参照）の１０倍以上に設定されていることに起因して第２反応剤の層流の前記層厚方向への移動はその下流側への移動に比べて非常に小さく抑えられる。これにより、第２反応剤は第１反応剤の層流に対して層流の状態でスムーズに合流する。

そして、合流した第１反応剤の層流と第２反応剤の層流は、その状態で反応流路１６に導入される。そして、両反応剤は、反応流路１６内を流通しながら互いの接触界面において反応し、所望の反応生成物が生成される。以上のようにして、本実施形態による第１反応剤と第２反応剤の反応が行われる。

以上説明したように、本実施形態では、反応流路１６の前記層厚方向の寸法ｄ３が第１導入路１０の前記層厚方向の寸法ｄ１と第２導入路１２の前記層厚方向の寸法ｄ２との和よりも小さくなるように設定されているので、反応流路１６では第１導入路１０と第２導入路１２よりも薄い膜状で第１反応剤と第２反応剤を接触させることができる。このため、第１導入路１０と第２導入路１２の層厚方向の寸法を縮小しなくても、反応流路１６における両反応剤の層厚を縮小することができ、反応流路１６における両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大することができる。従って、本実施形態では、第１導入路１０と第２導入路１２の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、第１導入路１０と反応流路１６が直線的に延び、かつ、均一な前記層厚方向の寸法をもつ単一の流路を用いて形成されているとともに、合流路１４が第２導入路１２からの第２反応剤の層流を第１導入路１０から直線的に流れる第１反応剤の層流に対して前記層厚方向から合流させて反応流路１６に導入するように構成されている。これにより、第１導入路１０と等しい前記層厚方向の寸法をもつ反応流路１６内に第１導入路１０を流れる第１反応剤に加えて第２導入路１２を流れる第２反応剤を合流させて流すことができるので、両導入路の層厚方向の寸法を縮小しなくても、反応流路１６において両反応剤の単位体積当たりの接触面積を確実に増大させることができる。さらに、上記の構成により、第１導入路１０から反応流路１６に至る過程で第１反応剤の流れが前記層厚方向に曲げられるのを抑制できるので、第１反応剤の流れに掛かる抵抗を低減でき、第１反応剤をスムーズに流通させることができる。また、流路構造体２において第１導入路１０から反応流路１６までの流路を直線状に形成することができるので、この部分の流路が屈曲した形状となる場合に比べて、その形成工程を簡略化することができる。

また、本実施形態では、流路構造体２を構成する中間基板２ｅの表面側溝部２ｈの開口部が表側基板２ｆによって覆われることにより第１導入路１０が形成されているとともに、中間基板２ｅの裏面側溝部２ｉの開口部が裏側基板２ｇによって覆われることにより第２導入路１２が形成されており、中間基板２ｅの表面側溝部２ｈと裏面側溝部２ｉの間に挟まれた領域が仕切壁２ｂとして用いられている。

流路構造体内に２つの導入路を離間した状態で形成する方法としては、流路構造体に単一の流路を形成した後、その流路を層厚方向の中間で別部材の仕切板によって仕切ることにより両導入路を形成することも考えられる。しかしながら、この方法では、流路構造体の厚み方向の寸法が小さく、流路の層厚方向の寸法が微小となる場合に、その流路を仕切るように仕切板を取り付ける作業は非常に煩雑なものとなる。これに対して、上記の構成によれば、中間基板２ｅに先に仕切壁２ｂを形成した後、中間基板２ｅを前記層厚方向の表裏両側から表側基板２ｆと裏側基板２ｇで挟み込むことによって、仕切壁２ｂの表側の表面側溝部２ｈを第１導入路１０とすることができるとともに仕切壁２ｂの裏側の裏面側溝部２ｉを第２導入路１２とすることができるので、流路構造体２の前記厚み方向の寸法が小さく、流路４ａの前記層厚方向の寸法が微小となる場合でも容易に第１導入路１０と第２導入路１２を形成することができる。従って、流路構造体２の前記厚み方向の寸法が小さい場合でも第１導入路１０と第２導入路１２の形成を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、合流路１４の第１反応剤及び第２反応剤の流通方向に沿った長さｌが仕切壁２ｂの前記層厚方向の寸法ｔの１０倍以上になるように構成されているので、合流路１４に第１導入路１０から第１反応剤が流れ込むとともに第２導入路１２から第２反応剤が流れ込んで合流する際に、第２反応剤の流れの前記層厚方向への移動を小さくして両反応剤を流通方向に沿ってスムーズに合流させることができる。これにより、第１反応剤と第２反応剤とを互いに離した層流の状態で合流させやすくすることができる。

また、本実施形態では、流路構造体２が流路４を幅方向に分割する分割壁２ａを有しているので、流路４全体として一定の反応剤の流量を確保しながら、分割された各流路４ａでは反応流路１６の幅と前記層厚方向の寸法ｄ３との差を小さくすることができる。これにより、流路４全体として一定の反応効率を確保しながら、流路構造体２が流路４の幅方向において傾いて設置された場合でも反応流路１６内における両反応剤間の反応効率の低下を抑制することができる。

すなわち、流路構造体２が流路４の幅方向において傾いて設置された場合には、反応流路１６も同様にその幅方向において傾く。図５〜図１０には、反応流路１６の反応剤の流通方向に対して垂直な断面が示されている。そして、これらの図のうち図５〜図７には、流路４が幅方向に分割されていない場合に反応流路１６の幅方向における傾斜角度θが増加していくに従って当該反応流路１６内の第１反応剤と第２反応剤の接触界面がどのように変化するかが示されている。一方、図８〜図１０には、本実施形態のように流路４が幅方向に分割されている場合の上記図５〜図７に対応する接触界面の変化が示されている。

流路４が幅方向に分割されていない場合には、図５に示すように反応流路１６の幅が前記層厚方向の寸法に比べて非常に大きくなる。この場合には、図５の状態から図６の状態を経て図７の状態へ反応流路１６の傾斜角度θが徐々に増加していくと、図７の状態で反応流路１６内において前記接触界面が反応流路１６の前記層厚方向の両側面間を繋ぐような形態で形成される。この場合には、接触界面が反応流路１６の幅方向の両側面間を繋いでいる図６の状態に比べて接触界面の面積が大きく減少する。

これに対して、本実施形態のように流路４が分割壁２ａで分割されていると、分割された各流路４ａでは反応流路１６の幅と前記層厚方向の寸法との差が上記の流路４が分割されていない場合に比べて小さくなっている。この場合には、図８〜図１０に示すように上記と同様に反応流路１６の傾斜角度θが増加しても両反応剤の接触界面が反応流路１６の幅方向の両側面間を繋いでいる状態を保持しており、接触界面の面積の減少が生じにくい。さらに、図１０の傾斜角度θ以上に反応流路１６が傾いて接触界面が反応流路１６の前記層厚方向の両側面間を繋ぐような形態で形成されたとしても、反応流路１６の幅と前記層厚方向の寸法との差が小さくなっていることに起因して図１０の状態からの接触界面の面積の減少率を小さく抑えることができる。このため、本実施形態の構成では、流路構造体２が流路４の幅方向において傾いて設置される場合でも反応流路１６内における両反応剤間の反応効率の低下を抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、合流路１４の第１反応剤及び第２反応剤の流通方向に沿った長さｌが仕切壁２ｂの前記層厚方向の寸法ｔの１０倍以上になるように構成したが、この構成に限らない。すなわち、合流路１４の第１反応剤及び第２反応剤の流通方向に沿った長さｌは、仕切壁２ｂの前記層厚方向の寸法ｔよりも大きければどのような長さでもよい。

また、上記実施形態では、反応装置が単一の流路構造体２のみを有する場合を例にとって説明したが、これに限らず、図１１に示す上記実施形態の第１変形例のように複数の流路構造体を積層させてもよい。このように構成すれば、より多くの第１反応剤と第２反応剤を流通させながら反応させることができるので、反応装置全体での反応生成物の生成効率をより向上させることができる。

また、参考例として、図１２に示す流路構造体２２のように反応流路１６を前記層厚方向において第１導入路１０の延長線上からずらして設けてもよい。すなわち、反応流路１６を前記層厚方向において第１導入路１０と第２導入路１２の中間領域に形成してもよい。この場合にも、反応流路１６の前記層厚方向の寸法ｄ３は、第１導入路１０の前記層厚方向の寸法ｄ１と第２導入路１２の前記層厚方向の寸法ｄ２との和よりも小さくなるように設定する。このように構成すれば、反応流路１６内において第１反応剤と第２反応剤の単位体積当たりの接触界面の面積を増加させることができるので、第１導入路１０及び第２導入路１２の層厚方向の寸法を縮小することなく、両反応剤の単位体積当たりの接触面積を増大させて反応効率をより向上させることができるという上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、参考例として、図１３に示す流路構造体３２のように反応流路１６を流路構造体３２の前記厚み方向の中間位置に設ける場合に、仕切壁２ｂの合流路１４側の端部３３の表面側及び裏面側をそれぞれ当該仕切壁２ｂの厚みが下流側に向かって徐々に小さくなるような斜面状に形成してもよい。さらに、この参考例において、表側基板２ｆの合流路１４の下流側端部に対応する領域３４と、裏側基板２ｇの合流路１４の下流側端部に対応する領域３５を下流側に向かって前記層厚方向において互いに接近する方向に傾斜する斜面状に形成してもよい。このように構成すれば、第１導入路１０を通じて流れる第１反応剤の層流と第２導入路１２を通じて流れる第２反応剤の層流とを合流路１４においてスムーズに合流させることができるとともに、その合流した層流を反応流路１６へスムーズに導入することができる。

また、図１４に示す第４変形例による流路構造体４２のように、上記実施形態と同様の構成において仕切壁２ｂの合流路１４側の端部４３の裏面を下流側に向かって表面に近づくように傾斜する斜面状に形成してもよい。さらに、この構成において、上記封止壁２ｄの合流路１４側の壁面を下流側へ行くにしたがって流路構造体４２の表面側へ近づくように傾斜する斜面状に形成してもよい。この場合には、第２導入路１２を通じて流れる第２反応剤の層流を合流路１４において第１反応剤の層流に対してよりスムーズに合流させながら反応流路１６へスムーズに導入することができる。

また、参考例として、図１５に示す流路構造体５２のように、図１２に示した参考例と同様の構成において仕切壁２ｂの合流路１４側の端部５３の表裏両側の角部を丸みをもって形成するとともに、表側基板２ｆと裏側基板２ｇのうち合流路１４の下流側端部に対応する領域の角部を丸みをもって形成してもよい。

また、図１６に示す第６変形例による流路構造体６２のように、上記実施形態と同様の構成において仕切壁２ｂの合流路１４側の端部６３の表裏両側の角部を丸みをもって形成するとともに、上記封止壁２ｄの表面側の角部を丸みをもって形成してもよい。

また、参考例として、図１７に示す流路構造体７２のように、図１３に示した参考例と同様の構成において仕切壁２ｂの合流路１４側の端部７３の表裏両側の角部を丸みをもって形成するとともに、表側基板２ｆと裏側基板２ｇのうち合流路１４の下流側端部に対応する領域の角部を丸みをもって形成してもよい。

また、図１８に示す第８変形例による流路構造体８２のように、図１４に示した上記第４変形例と同様の構成において仕切壁２ｂの合流路１４側の端部８３の裏面側角部を丸みをもって形成するとともに、封止壁２ｄの表面側の角部を丸みをもって形成してもよい。

上記図１５〜図１８に示した例のように各角部に丸みを持たせることによって、合流路１４における第１反応剤の層流と第２反応剤の層流との合流がよりスムーズになるとともに、合流路１４から反応流路１６への両反応剤の導入がよりスムーズになる。

また、上記実施形態では、流路構造体２を構成する中間基板２ｅ、表側基板２ｆ及び裏側基板２ｇを全てステンレス製としたが、これら各基板を他の材料で形成してもよい。例えば、チタン、ガラス、セラミックスまたは樹脂等の材料を用いて上記各基板を形成してもよい。

また、上記実施形態では、流路構造体２を構成する中間基板２ｅ、表側基板２ｆ及び裏側基板２ｇの相互間の接合を拡散接合によって行ったが、本発明はこの構成に限らない。すなわち、ろう付け、溶接または接着剤を用いた接合等の拡散接合以外の接合方法により上記各基板間の接合を行ってもよい。

また、上記実施形態では、中間基板２ｅの表面側溝部２ｈ及び裏面側溝部２ｉの形成、合流路１４を形成するための仕切壁２ｂの開口を全てエッチングによって行ったが、これら各部の形成をエッチング以外の加工方法で行ってもよい。例えば、機械加工、レーザー加工または電解研磨等の加工方法により上記各部を中間基板２ｅに形成してもよい。

また、上記実施形態では、第１導入路１０、第２導入路１２、合流路１４及び反応流路１６を全て断面矩形状に形成したが、本発明はこの構成に限らない。例えば、これら各部を円形やその他の矩形状以外の断面形状を有するように形成してもよい。

また、第１導入路１０、第２導入路１２及び反応流路１６は、それぞれ、その幅と前記層厚方向の寸法が任意の寸法比となるように形成してもよい。例えば、幅に対して前記層厚方向の寸法が非常に小さい薄膜状や、幅と前記層厚方向の寸法が略等しい形状等に第１導入路１０、第２導入路１２及び反応流路１６をそれぞれ形成してもよい。

また、上記実施形態では、第１導入路１０と第２導入路１２が上下に配置された構成を例にとって説明したが、本発明はこれに限らない。すなわち、第１導入路１０と第２導入路１２が上下方向以外の種々の方向に仕切壁２ｂを挟んで離間して配置された構成でも、本発明を適用することが可能である。例えば、第１導入路１０と第２導入路１２が左右方向に離間して配置された構成でも本発明を適用することができる。また、上記実施形態の構成を表裏（上下）逆に配置して流路構造体２を形成してもよい。すなわち、流路構造体２の裏面側に第１導入路１０とその第１導入路１０と直線的に繋がる反応流路１６を配置する一方、表面側に第２導入路１２を配置し、第２導入路１２から流れる第２反応剤の層流を第１導入路１０から直線的に流れる第１反応剤の層流に対して前記層厚方向において裏面側へ移動させながら合流させて反応流路１６に導入するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による反応装置を構成する流路構造体の斜視図である。図１に示した流路構造体の分解斜視図である。図１に示した流路構造体の流路に沿った縦断面図である。流路内における第１反応剤と第２反応剤の流通状態を示した図３に対応する断面図である。流路が幅方向に分割されていない場合に、反応流路が水平状態のときの第１反応剤と第２反応剤の接触界面の状態を示した反応流路の流通方向に垂直な断面図である。図５の反応流路の幅方向における傾斜角度が増加した状態を示した断面図である。図６の反応流路の幅方向における傾斜角度がさらに増加した状態を示した断面図である。本発明の一実施形態のように流路が幅方向に分割された場合に、反応流路が水平状態のときの第１反応剤と第２反応剤の接触界面の状態を示した反応流路の流通方向に垂直な断面図である。図８の反応流路の幅方向における傾斜角度が増加した状態を示した断面図である。図９の反応流路の幅方向における傾斜角度がさらに増加した状態を示した断面図である。本発明の一実施形態の第１変形例による反応装置の流路構造体の構成を示した分解斜視図である。本発明の一実施形態の第２変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第３変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第４変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第５変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第６変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第７変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。本発明の一実施形態の第８変形例による反応装置を構成する流路構造体の流路に沿った断面図である。

符号の説明

２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２流路構造体
２ａ分割壁
２ｂ仕切壁
２ｅ中間基板
２ｆ表側基板
２ｇ裏側基板
２ｈ表面側溝部
２ｉ裏面側溝部
４ａ流路
１０第１導入路
１２第２導入路
１４合流路
１６反応流路

Claims

第１反応剤と第２反応剤を流通させながらそれらを反応させる反応装置であって、
特定方向に延びるとともにその方向に沿って前記第１反応剤と前記第２反応剤を流通させる流路を内部に持つ流路構造体を備え、
前記流路は、当該流路の入口側に配置されるとともに前記第１反応剤が導入される第１導入路と、前記流路構造体に設けられた仕切壁を挟んで前記第１導入路と離間して配置され、前記第２反応剤が導入される第２導入路と、前記第１導入路と前記第２導入路の下流側に繋がり、前記第１導入路を通じて流れる前記第１反応剤と前記第２導入路を通じて流れる前記第２反応剤を互いに分離した層流の状態で合流させる合流路と、この合流路の下流側に繋がり、前記第１反応剤の層流と前記第２反応剤の層流を両反応剤が互いに接触した状態で流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させる反応流路とを含み、
前記反応流路の前記接触界面に垂直な層厚方向の寸法は、前記第１導入路の前記層厚方向の寸法と前記第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも小さく、かつ、前記合流路の前記層厚方向の寸法よりも小さく、
前記合流路の前記層厚方向の寸法は、前記第１導入路の前記層厚方向の寸法と前記第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも大きく、
前記第１導入路と前記反応流路は、直線的に延びるとともに均一な前記層厚方向の寸法をもつ単一の流路を用いて形成されており、
前記合流路は、前記第２導入路から流れる前記第２反応剤の層流を前記第１導入路から直線的に流れる前記第１反応剤の層流に対して前記層厚方向から合流させて前記反応流路に導入するように構成されている、反応装置。
前記流路構造体は、中間基板と、その中間基板を前記層厚方向の表裏両側から挟む表側基板と裏側基板とによって構成され、
前記中間基板の表面には、特定方向に延びる表面側溝部が形成されているとともに、前記中間基板の裏面には、前記表面側溝部に対応する位置に前記特定方向に延びる裏面側溝部が形成され、
前記表面側溝部の開口部が前記表側基板によって覆われることにより前記第１導入路が形成されているとともに、前記裏面側溝部の開口部が前記裏側基板によって覆われることにより前記第２導入路が形成されており、
前記中間基板の前記表面側溝部と前記裏面側溝部の間に挟まれた領域が前記仕切壁として用いられている、請求項１に記載の反応装置。
前記合流路は、その前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に沿った長さが前記仕切壁の前記層厚方向の寸法よりも大きくなるように形成されている、請求項１又は２に記載の反応装置。
前記合流路は、その前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に沿った長さが前記仕切壁の前記層厚方向の寸法の１０倍以上になるように形成されている、請求項３に記載の反応装置。
前記流路構造体は、前記流路を前記第１反応剤及び前記第２反応剤の流通方向に直交する幅方向に複数に分割する分割壁を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の反応装置。
前記流路構造体が複数積層されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の反応装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の反応装置を用いた反応方法であって、
前記第１導入路に第１反応剤を導入するとともに前記第２導入路に第２反応剤を導入し、その第１反応剤と第２反応剤とを前記合流路で互いに分離した層流の状態で合流させ、その後、合流した前記第１反応剤の層流と前記第２反応剤の層流を両反応剤が互いに接触した状態で前記反応流路に流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させる、反応方法。