JP4715403B2 - マイクロ化学反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、化学反応装置に係り、特に異なる２液を混合または反応させる微小流路が形成されるマイクロリアクタを用いた化学反応装置に関する。

従来のマイクロリアクタを有する化学反応装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の化学反応装置に用いるマイクロリアクタは、基本的なＹ字型やＴ字型のマイクロリアクタを改良したものであり、多層構造のマイクロリアクタである。すなわち、第１の溶液用、ついで第２の溶液用、また第１の溶液用、第２の溶液用…というように、平板上に第１、第２の溶液が交互に流れるように、複数の流路を空間配置している。

基本的なＹ字型やＴ字型のマイクロリアクタは、最も簡単な形状のマイクロリアクタであり、第１の溶液と第２の溶液とは分子拡散で混合して、反応が生じる。混合の時間は、マイクロリアクタの流路幅の２乗に比例し、流路幅が小さければ反応が効率的に進む。この基本的なマイクロリアクタの改良版である特許文献１に記載のマイクロリアクタでは、多層構造にしているので、反応流量を増大できる。

マイクロロアクタの他の例が、非特許文献１に開示されている。この文献に記載のマイクロリアクタは、中心衝突型とでも呼ぶべきものであり、円板の半径方向に形成された複数の流路の外周部から中心部に向けて、第１、第２の溶液を流し、中心部で２液を衝突させている。衝突時のせん断力で、２液を効率よく混合させている。

特願２００２−３１９６３８号公報

Hideharu Nagasawa, Nobuaki Aoki and Kazuhiro Mae, "Design of a New Micromixer for Instant Mixing Based on the Collision of Micro Segments," Chem. Eng. Technol., 28, pp. 324-331 (2005)

従来のＹ字型やＴ字型のマイクロリアクタを用いた２液の化学反応装置では、反応効率を向上させるために、数１０μｍ〜数１００μｍ程度に形成されたマイクロ流路に溶液を流しているので、流せる流量を十分に確保することが困難であった。混合性能と圧力損失はトレードオフの関係にあり、混合性能を向上させるためにはマイクロ流路の代表径を小さくするのが好ましい。一方、マイクロ流路の代表径を小さくすると、圧力損失が代表径の４乗に反比例して大きくなり、流動抵抗が増大して流量を増大させることが困難である。

この不具合を解消するための上記特許文献１に記載の化学反応装置では、多層構造のマイクロリアクタを採用しているので、流せる流量を多くすることは可能であるが、流路チップの大きさが大きくなるという、新たな不具合を生じている。

さらに、上記非特許文献１に記載の方法では、異なる２種の溶液の混合または反応を円板の中心部でしか行えず、マイクロリアクタの面積に比べて反応領域がわずかであり、反応流量を増大できない、という不具合を発生する。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、マイクロリアクタを用いた２液の化学反応装置において、高効率で反応させるとともに反応溶液を増大させることにある。本発明の他の目的は、反応溶液を増大させながらマイクロリアクタを小型化することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、前記複数個の流路溝の各々は、前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、更に、中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、前記第１の溶液及び第２の溶液は、前記入口筐体部材に設けられた入口部から導かれ、前記流出孔を経て前記出口筐体部材に形成された出口部から取り出されることにある。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、前記複数個の流路溝の各々は、前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、更に、中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、前記流路溝基板，前記流路蓋基板，前記入口筐体部材及び前記出口筐体部材は、接触面を鏡面上げされ、前記入口筐体部材と前記出口筐体部材とがボルトで締結されたことにある。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、前記複数個の流路溝の各々は、前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、更に、中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、前記流路溝基板及び前記流路蓋基板は円板の対向する２面に切り欠き部が形成され、前記凹部は対向する２辺を切り欠いた円柱形状とされたことにある。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、前記複数個の流路溝の各々は、前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、更に、中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、前記凹部上面の前記扇形状溝に対応し、外径が前記第１の分岐流入孔よりも外径側で前記の第２の分岐流入孔よりも内径側の位置に配置された第１の溶液用プール部と、前記第１の溶液用プール部間に形成された扇状の支持土手と、前記第１の溶液用プール部の外周側にリング状として形成され、内径位置が前記第１の分岐流入孔よりも外径側で、外径位置が前記第２の分岐流入孔よりも外径側とされた第２の溶液用プール部とを備えたことにある。

本発明によれば、２液の化学反応装置に用いるマイクロリアクタにおいて、円板上に２液の流路を交互に配置した多層化構造とし、円板の外周部近傍から２液の混合を可能にしたので、高効率で２液を反応させることが可能になるとともに反応溶液を増大させることができる。また、反応液量を確保しながらマイクロリアクタを小型化できる。

以下、本発明に係るマイクロ化学反応装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１に、マイクロ化学反応装置が備えるマイクロリアクタ４００、７０１に用いる流路溝基板１０１の一実施例を、上面図で示す。図２に、図１に示した扇形状溝１０２の詳細を、斜視図で示す。また、図３に流路溝基板１０１と、この流路溝基板１０１に組み合わせる流路蓋基板３０１とを斜視図で示す。流路蓋基板３０１の中央部には、流路溝基板１０１の扇形状溝１０２で混合および／または反応した溶液を流出させる混合・反応溶液の流出孔３０２が形成されている。

流路溝基板１０１では、円板の対向する２面に切り欠き部１０１ａが形成されている。この切り欠き部１０１ａは、マイクロリアクタ７０１に流路溝基板１０１を収容するときの位置決めに用いられる。流路溝基板１０１の周方向複数箇所、本実施例では８箇所に、第１、第２の溶液１０、２０を導入し、混合・反応させる扇形状溝１０２が形成されている。扇形状溝１０２間には、円板の中心の極一部を除いた位置まで仕切り壁１０３が延びている。扇形状溝１０２の外縁部には、第１の溶液１０をこの扇形状溝１０２に導入するための複数個、本実施例では６個の分岐流入孔１０４が、周方向に間隔をおいて形成されている。この分岐流入孔１０４は、図の裏面側まで貫通している。

扇形状溝１０２の外縁部からは、第２の溶液２０を導入するために第２の溶液流路１０６が、複数個、本実施例では６個、半径方向外方に放射状に形成されている。この第２の溶液流路１０６の外縁部には、第２の溶液２０を導入する分岐流入孔１０５が、図の裏面側まで貫通して形成されている。第２の溶液流路１０６の周方向位置は、第１の溶液１０用の分岐流入孔１０４間に位置する。扇形状溝１０２の中心部は互いに連結しており、中心合流部１０７が形成されている。したがって、外延部から導入された第１、第２の溶液１０、２０は、扇形状溝１０２部を外径方向から内径側へ移動し、その途中において第１、第２の溶液１０、２０が混合・反応し、中心合流部１０７から流出する。

図２に、扇形状溝１０２部の詳細を示す。この図２では、１個の扇形状溝１０２のみを示しているが、他の扇形状溝１０２もほぼ同一に形成されている。ガラスやステンレス等でできた円形基板の対向する２辺を切り落として形成された流路溝基板１０１に、深さＨがほぼ１５０μｍの扇形状溝１０２を、周方向に８箇所、エッチング等で形成する。この扇形状溝１０２では、中心合流部１０７に接続する出口部分で最も周方向幅が狭くなる。この最挟部の流路幅Ｗｍｉｎは、約３００μｍである。

次に、図１〜３を用いて、流路溝基板１０１と流路蓋基板３０１により形成される空間内の溶液１０、２０の流れを、説明する。流路溝基板１０１に形成した１個の扇形状溝１０２には、第１の溶液１０用の分岐流入孔１０４が６個、直径５００μｍ程度に形成されている。同様に、第２の溶液２０用の分岐流入孔１０５が６個、直径５００μｍ程度に形成されている。

第１の溶液１０は、流路溝基板１０１の裏面側から分岐流入孔１０４に流入し、この分岐流入孔１０４から扇形状溝１０２に流れ込む。第２の溶液２０も同様に、流路溝基板１０１の裏面側から分岐流入孔１０５に流入する。そして、分岐流入孔１０５の直径とほぼ同程度の流路幅５００μｍを有する流路１０６を約４ｍｍ流れた後、扇形状溝１０２に流れ込む。１個の扇形状溝１０２には、第１の溶液１０の流れ２０１と第２の溶液２０の流れ２０２が、６対形成される。これらの６対の溶液の流れは、周方向に多層状態の溶液の流れを形成する。この多層流れは、扇形状溝１０２の中心合流部１０７に向けて流れる際に、縮流される。

ところで、扇形状溝１０２の流れ方向の流路幅Ｗは、中心合流部１０７の中心からの距離Ｒに比例して、徐々に狭くなる。したがって、急激な流路の縮小を防げるので、扇形状溝１０２内を流れる第１、第２の溶液１０、２０の圧力損失は非常に小さい。その結果、最も狭い流路溝幅Ｗｍｉｎを、約３００μｍまで低下させることができる。このことは、多層溶液流の中心合流部１０７の直前における流路幅が、各溶液流あたり平均で、約３００μｍ／１２(本)＝約２５μｍであるから、各溶液１０、２０の流路幅が５００μｍから約２５μｍまで、ほとんど圧力損失なく縮流されていることを示している。この状態では、第１の溶液と第２の溶液が短時間に分子拡散だけで混合される。

流路溝基板１０１上には８つの扇形状溝１０２が形成されているので、中心合流部１０７では、１２本×８＝９６本の溶液流が生じることになる。しかしながら、実際は扇形状溝１０２部で、上記分子拡散により混合されているので、混合された混合溶液と混合されていない溶液をも含んだ溶液流が多層状態になって、中心合流部１０７側に流れ込む。混合されずに残る溶液の割合等は、使用する溶液の種類、および環境により変化する。多くの場合、第１、第２の溶液１０、２０は、中心合流部１０７に流入する前に混合・反応が進んで、ほぼ混合された状態になる。混合・反応が進んだ混合・反応溶液３０は、中心合流部１０７から、流路蓋基板３０１に形成された流出孔３０２側へ流入し、取り出される。

このように構成した流路蓋基板３０１と流路溝基板１０１とを収容するマイクロリアクタ４００の一実施例を、図４〜図６を用いて説明する。図４はマイクロリアクタ４００の分解斜視図であり、図５はマイクロリアクタ４００の斜視図、そして図６はマイクロリアクタ４００の縦断面図であり、図５のＡ−Ａ断面図である。

図４および図６に示すように、マイクロリアクタ４００は、中央部に凹部が形成され下側に配置される入口筐体部材４０１の凹部に、上側に配置される出口筐体部材４０２の凸部が嵌合している。入口筐体部材４０１の凹部には、下側から順に流路溝基板１０１、次いで流路蓋基板３０１が収容されている。この流路溝基板１０１および流路蓋基板３０１を周方向に位置決めするために、入口筐体部材４０１の凹部は対向する２辺を切り欠いた円柱形状になっている。

入口筐体部材４０１の凹部上面の中心部には、流路溝基板１０１に形成した扇形状溝１０２に対応する位置に、ほぼ扇形状溝１０２と同形状の第１の溶液用プール部４０５が周方向に間隔をおいて配置されている。この第１の溶液用プール部間には、扇形の支持土手４０８が形成されている。第１の溶液用プール部４０５の外周側には、第１の溶液１０と第２の溶液２０の仕切り土手４０７を挟んで、リング状の第２の溶液用プール部４０６が形成されている。これら第１、第２の溶液用プール部４０５、４０６の深さは、流路溝基板１０１や流路蓋基板３０１の厚さに比べて十分大きい。

なお、第１の溶液用プール部４０５の外径は、第１の溶液の分岐流入孔１０４よりも外径側で第２の溶液の分岐流入孔１０５よりも内径側である。第２の溶液用プール部４０６は、内径位置が第１の分岐流入孔１０４よりも外径側で、外径位置が第２の溶液の分岐流入孔１０５よりも外径側である。

入口筐体部材４０１の中心部には、流路溝基板１０１の中心合流部１０７に対応する位置に、上面側から下方に止まり穴６０１が形成されている。入口筐体部材４０１は、円板を周方向複数箇所で切り欠いた形状をしている。この切り欠きにより形成された切り欠き面４１２ａ〜４１２ｃの１面４１２ａに形成した水平方向穴４１１ａが、この止まり穴６０１に連通している。これらの穴４１１ａ、６０１は、第１の溶液１０の流入路を形成する。

同様に、第２の溶液用プール部４０６には、入口筐体部材４０１の上面側から下方に止まり穴６０３ｂが形成されている。この止まり穴６０３ｂに、切り欠き面４１２ａに隣り合って形成された切り欠き面４１２ｂから入口筐体部材４０１の中心側に水平方向に延びる水平方向穴４１１ｂが、連通している。これらの穴６０３ｂ、４１１ｂは、第２の溶液２０の流入路を形成する。

出口筐体部材４０２の中央部には、下面側から上方に延びる止まり穴６０４が形成されている。この止まり穴６０４には、切り欠き面４１２ａ、４１２ｂとほぼ反対側に形成された切り欠き面４１２ｃから出口筐体部材４０２の中心部に水平方向に延びる水平方向穴４１１ｃが連通している。これらの穴６０４、４１１ｃは、流路蓋基板３０１の混合・反応溶液の流出孔３０２とともに、混合・反応溶液３０の流出路を形成する。

出口筐体部材４０２の外周近傍には、この出口筐体部材４０２と入口筐体部材４０１とを組み立てた後、ボルト５０１で固定するためのボルト穴４０１が周方向に間隔をおいて複数個形成されている。入口筐体部材４０１の対応する位置には、ねじ穴４１０ｂが形成されている。

図５に示すように、第１の溶液１０用の水平方向穴４１１ａの入口部４０３には、継ぎ手５０３が取り付けられている。継ぎ手５０３には、チューブ５０２が取り付け可能であり、第１の溶液１０をマイクロリアクタ４００に導く。第２の溶液２０用の水平方向穴４１１ｂの入口部４０４にも継ぎ手５０５が取り付けられており、この継ぎ手にチューブ５０４が接続されて第２の溶液２０をマイクロリアクタ４００に導く。混合・反応溶液３０用の水平方向穴４１１ｃの出口部４０９には継ぎ手５０７が取り付けられており、この継ぎ手５０７にチューブ５０６が接続されており、流路溝基板１０１で混合・反応した溶液がこのチューブ５０６から外部に流出可能になっている。

このように構成したマイクロリアクタ４００では、マイクロリアクタ４００外に保持された第１の溶液１０が、第１の溶液１０の入口部４０３から止まり穴６０１（図６参照）へ流入し、入口筐体部材４０１の中央部に位置する第１の溶液１０のプール部４０５に導かれる。その後、第１の溶液１０の分岐流入孔１０４を経て４８本の流れに分岐して中心合流部１０７に流れ込む。

それとともに、マイクロリアクタ４００外に保持した第２の溶液２０は、第２の溶液２０の入口部４０４から第２の溶液用プール部４０６に導かれる。その後、第２の溶液２０の分岐流入孔１０５を経て４８本の流れに分岐して中心合流部１０７に流れ込む。中心合流部１０７に流れ込む第１、第２の溶液１０、２０は、上述したように流路溝基板１０１に形成した流路溝１０２において混合および／または反応して、混合・反応溶液３０となる。

混合・反応溶液３０は、中心合流部１０７から、流路蓋基板３０１に形成した流出孔３０２を経て、混合・反応溶液の止まり穴６０４（図６参照）を垂直上方に流れる。その後水平方向に９０°向きを変えて、出口筐体部材４０２に形成された混合・反応溶液の出口部４０９から、マイクロリアクタ４００外に取り出される。

ここで、図５に示す流路溝基板１０１、流路蓋基板３０１、入口筐体部材４０１および出口筐体部材４０２は、接触面を鏡面仕上げにしており、入口筐体部材４０１と出口筐体部材４０２とをボルト５０１締結することにより、これら各部材１０１、３０１、４０１、４０２間を圧着させる。これにより、シール性が確保される。流路溝基板１０１や流路蓋基板３０１に使用する基板の材質や、マイクロリアクタ４００に加わる圧力に応じて、流路溝基板１０１と流路蓋基板３０１との接触方法を変えることができる。すなわち、それらの基板がガラスであれば溶着し、それらの基板が金属であれば拡散接合して、シール性を確保してもよい。

上述したマイクロリアクタ４００を用いた実験システムの一実施例を、図７に模式図で示す。マイクロリアクタ７０１には、第１の溶液１０を導入するための継ぎ手５０３にチューブ５０２が取り付けられている。チューブ５０２の途中には、チューブ５０２内を流通する第１の溶液１０を加熱するコイル状に形成された予熱部７０２が設けられている。同様に、第２の溶液２０を導入する継ぎ手５０５にはチューブ５０４が取り付けられており、チューブ５０４の途中にはチューブ５０４内を流通する第２の溶液２０を加熱するコイル状に形成された予熱部７０３が設けられている。さらに、混合・反応溶液３０をマイクロリアクタ３０から排出するために継ぎ手５０７にチューブ５０６が取り付けられており、チューブ５０６の途中にはコイル状に形成された反応時間調整部７０４が設けられている。

マイクロリアクタ７０１および予熱部７０２、７０３、反応時間調整部７０４は、恒温水槽７０５内に収容される。恒温水槽７０５には、水温調節部７０６が付設されており、常に恒温水槽７０５内の水を、図示しない加熱源および冷却源を用いて、所定温度に調節する。恒温水槽７０５内で、マイクロリアクタ７０１全体が液に漬かるように、恒温水槽７０５内の液量を調節して液面７０７を監視する。

第１の溶液１０をマイクロリアクタ７０１に送液するために、チューブ５０２は恒温水槽７０５外に配置したシリンジポンプ等の送液ポンプ７０８に接続されている。送液ポンプ７０８は、第１の溶液タンク７１１にもチューブで接続されている。第２の溶液２０をマイクロリアクタ７０１に送液するために、チューブ５０４は恒温水槽７０５外に配置したシリンジポンプ等の送液ポンプ７０９に接続されている。送液ポンプ７０９は、第２の溶液タンク７１２にもチューブで接続されている。送液ポンプ７０８、７０９はともに、プランジャー７１０を２個づつ有しており、プランジャー７１０の動作タイミングを調整して脈動を低減する。

マイクロリアクタ７０１内で生成された混合・反応溶液は、反応時間調整部７０４を経た後、高温水槽７０５外に配置されたタンク７１３にチューブで導かれる。本実験システムでは、第１、第２の溶液１０、２０の種類とその濃度等を選択することにより種々の化学反応系の実験が可能であり、これら選択した化学反応系に応じて、恒温水槽７０５の温度や送液ポンプ７０８、７０９の送液量を、図示しない制御手段が制御する。

図８に、図７に示した実験システムを用いて実験したときの、マイクロリアクタ７０１内の流れ状態の一例を示す。扇形状溝１０２内で、第１の溶液１０の層状流れ８０１（網掛け部）と第２の溶液の層状流れ８０２（白紙部分）は、周方向に多層化状態で流れ、徐々にその流れ幅を減少した縮流となって中心部に向かう。第１の溶液１０と第２の溶液２０は、中心部に向かうに従い、幅方向の端側から混合および／または反応して、中心合流部１０７のかなり上流側８０３で、すでに第１の溶液１０および第２の溶液２０全体が、混合および／または反応する。したがって、効率よく、混合・反応が推進される。

上記実施例においては、扇形状溝を設けているが、第１の溶液と第２の溶液とが流れ方向に直角な方向の端部である幅方向端面で混合するような構造であれば、扇形状溝に限るものではなく、例えば流れの途中をより絞ったベル状やラッパ状であってもよい。ただしその場合においても、流路の拡大や急激な縮流の発生を防止する必要があることはいうまでもない。

また、扇形状溝の個数は８個にしているが、これもマイクロリアクタの大きさや第１、第２の溶液の性状、反応条件に応じて変更することができる。そして、比較的圧力が低い条件で反応させるときは、扇形状溝間の隙間に対応する支持土手の負荷が小さくなるから、支持土手の割合を低減して、扇形状溝の割合を多くすることが可能になる。また、第１、第２の溶液の層状流れの幅に深く関係する分岐流入孔の径やそれに続く流路の幅を、上記実施例では５００μｍにしたが、これもそれに限るものではない。第１、第２の溶液の流動抵抗を無視できるような大きさまで、低減することが望ましい。このように流路幅を低減できれば、第１、第２の溶液の混合または反応の均一度が早期に高まり、より効果的に混合・反応させることができるとともに、マイクロリアクタを小径化できる。さらに上記実施例では、１個の扇形状溝に設ける分岐流入孔を６個ずつ計１２個としたが、上述したように第１、第２の溶液の性状等に応じて変更可能である。

以上述べたように、本発明によれば、マイクロリアクタを用いた２液の化学反応装置において、２液を円周上に交互に配置する多層化構造とし、さらに基板の中心からの距離Ｒに応じて流路幅が徐々に減少する溝構造としたので、流路チップの大きさをコンパクトにしても圧力損失が少なく、処理流量を従来の構造に比べて増大可能である。

本発明に係るマイクロリアクタが有する流路溝基板の一実施例の上面図。 図１に示した流路溝基板の流路溝部Ｂの詳細斜視図。 流路蓋基板と図１に示した流路溝基板との係合を示す斜視図。 本発明に係るマイクロリアクタの一実施例の分解斜視図。 図４に示したマイクロリアクタの斜視図。 図５のＡ−Ａ断面図。 本発明に係る反応装置の一実施例のブロック図。 マイクロリアクタの流路溝部内の流れを説明する図。

符号の説明

１０１…流路溝基板、１０２…扇形状溝、１０３…仕切り壁、１０４…（第１の）分岐流入孔、１０５…（第２の）分岐流入孔、１０６…第２の溶液の流路、１０７…中心合流部、２０１…第１の溶液の流れ、２０２…第２の溶液の流れ、３０１…流路蓋基板、３０２…混合・反応溶液の流出孔、４０１…入口筐体部材、４０２…出口筐体部材、４０３…第１の溶液の入口部、４０４…第２の溶液の入口部、４０５…第１の溶液のプール部、４０６…第２の溶液のプール部、４０７…仕切り土手、４０８…支持土手、４０９…混合・反応溶液の出口部、４１０…ボルト孔、５０１…ボルト、５０２…チューブ、５０３…継ぎ手、５０４…チューブ、５０５…継ぎ手、５０６…混合・反応溶液のチューブ、５０７…継ぎ手、６０１…止まり穴、６０２…第１の溶液の流れ、６０３…第２の溶液の流れ、６０４…止まり穴、６０５…混合・反応溶液の流れ、７０１…マイクロリアクタ、７０２、予熱部、７０４…反応時間調整部、７０５…恒温水槽、７０６…水温調節部、７０７…液面、７０８、７０９…送液ポンプ、７１０…プランジャー、７１１〜７１３…タンク、８０１…第１の溶液の層状流れ、８０２…第２の溶液の層状流れ、８０３…反応・混合溶液。

Claims (4)

1. 所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、
   前記複数個の流路溝の各々は、
   前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、
   前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、
   前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、
   前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、
   前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、
   前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、
   更に、
   中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、
   前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、
   前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、
   前記第１の溶液及び第２の溶液は、前記入口筐体部材に設けられた入口部から導かれ、前記流出孔を経て前記出口筐体部材に形成された出口部から取り出されることを特徴とするマイクロ化学反応装置。
2. 所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、
   前記複数個の流路溝の各々は、
   前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、
   前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、
   前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、
   前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、
   前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、
   前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、
   更に、
   中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、
   前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、
   前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、
   前記流路溝基板，前記流路蓋基板，前記入口筐体部材及び前記出口筐体部材は、接触面を鏡面上げされ、前記入口筐体部材と前記出口筐体部材とがボルトで締結されたことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
3. 所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、
   前記複数個の流路溝の各々は、
   前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、
   前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、
   前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、
   前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、
   前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、
   前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、
   更に、
   中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、
   前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、
   前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、
   前記流路溝基板及び前記流路蓋基板は円板の対向する２面に切り欠き部が形成され、前記凹部は対向する２辺を切り欠いた円柱形状とされたことを特徴とするマイクロ化学反応装置。
4. 所定の面側に所定の深さで半径方向に形成された複数個の流路溝を有する円盤状の流路溝基板と、前記複数個の前記流路溝を密封し中心部に流出孔が形成された流路蓋基板とを備え、第１及び第２の溶液を前記流路溝の外周側から中心部に向けて流し、前記中心部に設けられた中心合流部を介して前記流出孔から流出させるマイクロ化学反応装置であって、
   前記複数個の流路溝の各々は、
   前記流路溝基板の周方向に形成され、前記中心合流部で互いに連結され、流路の幅が前記流路基板の外周側から前記中心合流部に至るまで徐々に狭くなるように形成された扇形状の流路溝で構成された複数個の第１の溶液流路溝と、
   前記第１の溶液流路溝の外縁部から外方へ放射状かつ半径方向に形成された複数個の第２の溶液流路溝と、
   前記複数個の第１の溶液流路溝の各々の外縁部において、周方向に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第１の溶液が導入される第１の分岐流入孔と、
   前記複数個の第２の溶液流路溝の各々の外縁部に設けられ、前記流路溝基板の裏面側まで貫通し、前記第２の溶液が導入される第２の分岐流入孔とを備え、
   前記複数個の流路溝の各々の間に、円板状基板の中心の極一部を除いた位置まで延伸された仕切り壁が形成され、
   前記第１の分岐流入孔から導入された前記第１の溶液と前記第２の分岐流入孔から導入された前記第２の溶液とは、前記流路溝を外径側から内径側へ移動し、その途中において混合反応し、前記中心合流部を介して前記流出孔から流出するものであって、
   更に、
   中央部に凹部が形成された入口筐体部材と、
   前記入口筐体部材の上側に配置された前記凹部に凸部が嵌合する出口筐体部材とを備え、
   前記入口筐体部材の凹部には、下側から順に前記流路溝基板，前記流路蓋基板が収容され、
   前記凹部上面の前記扇形状溝に対応し、外径が前記第１の分岐流入孔よりも外径側で前記の第２の分岐流入孔よりも内径側の位置に配置された第１の溶液用プール部と、
   前記第１の溶液用プール部間に形成された扇状の支持土手と、
   前記第１の溶液用プール部の外周側にリング状として形成され、内径位置が前記第１の分岐流入孔よりも外径側で、外径位置が前記第２の分岐流入孔よりも外径側とされた第２の溶液用プール部とを備えたことを特徴とするマイクロ化学反応装置。

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