专利名称：微型器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型器件，特别是，涉及在化学工业及医药工业领域中，作为通过流体的混合或反应制造材料和制品的装置，更详细地说，涉及通过令多个流体流过各自的流体供应通路汇流在一个混合反应流路中，一面使这些流体作为薄片状的层流流动，一面使流体彼此向其接触界面的法线方向扩散，进行混合和反应的微型器件。
背景技术：
近年来，在化学工业或者有关医药、试剂等的制造的医药工业中，正在进行利用称之为微型混合器或者微型反应器的微小容器的新制造工艺的开发。在微型混合器或微型反应器上，设置与多个微细的流体供应通路连接的、在将其截面换算成圆形时的等价直径(相当于圆的直径)为几个μm～几百μm左右的微小空间(混合反应流路)，通过令流过多个流体供应通路的多个流体在微型的靠近内汇流，将多个流体混合，或者在混合的同时使之发生化学反应。微型混合器和微型反应器，其基本结构是相同的，但是，特别是，将混合多个流体的装置称之为微型混合器，而在将多个流体混合时伴随着化学反应的装置称之为微型反应器。从而，在本发明中，从具有既可以作为微型混合器使用也可以作为微型反应器使用的微小空间的装置的意义上，将其称之为微型器件。
作为这种微型器件，例如，在PCT国际公开公报WO00/62913号，特表2003-502144号公报，特开2002-282682号公报中进行过描述。这些微型器件都是令两种流体分别通过微细的流体供应通路，作为极薄的片状层流导入到微小空间内，在该微小空间内使两种流体彼此混合并使之发生反应。
下面，说明利用上述这种微型器件进行的混合及反应与利用搅拌槽等的间歇式的混合及反应的不同之处。即，由于化学反应，一般地是通过在反应流体的界面上分子彼此相遇引起的，所以，当在微小的空间内进行反应时，相对地界面的面积增大，反应效率显著增加。此外，分子扩散本身，其扩散时间与距离的平方成正比。这意味着，随着微小空间的尺寸的缩小，即使反应流体不主动地混合，也会由于分子的扩散进行混合，容易引起反应。此外，在微小空间内，由于尺寸小，所以变成以层流为主的流动，流体彼此之间变成层流状态，一面流动一面向与流体流垂直的方向扩散，进行混合或反应。
如果采用这种微型器件，例如，与作为混合或反应的场所利用大容积的槽等的现有技术的间歇式方式相比，能够高精度地控制流体彼此之间的混合时间及反应时间以及混合温度和反应温度。此外，在间歇式的情况下，特别是，在反应时间快的流体彼此之间，在混合初期的反应接触面上进行反应，进而，由于通过流体间的反应生成的初级生成物会在槽内进行继续反应，所以，有生成不均匀的反应生成物的危险。与此相对，在微型器件的情况下，由于流体几乎不滞留在微小空间内，连续地流动，所以，由流体间的反应生成的初级生成物不会在微小空间内继续进行反应。从而，可以提取出在现有技术中很难提取的纯的初级生成物。
此外，在将利用实验制造设备制造的少量的化学物质利用大规模的制造设备按比例放大，进行大量地制造时，在现有技术中，为了相对于实验设备而言、获得利用间歇式的大规模制造设备的再现性，需要花费大量的人力和时间。但是，通过采用根据制造量并列地增加采用微型器件的制造生产线数目，有可能大幅度地减少为了获得这种再现性所花费的人力和时间。
但是，由于微型器件需要几个μm～几百μm左右的极其狭窄的流体供应通路，所以，在其制作时，需采用光刻，放电加工技术，光造型法等特殊的精密微细加工技术，制作时，不仅花费时间，而且制作费用也很高。
但是，当不使用特殊的精密微细加工技术制作微型器件时，由于能够制作的流体供应通路的开口宽度存在一定的限度，所以，流过多个流体供应通路在作为微小空间的混合反应流路中汇流的各个流体的厚度会变厚。从而，由于将流体彼此向其接触界面的法线方向扩散的扩散时间加长，所以，存在着不能进行作为微型器件的特征的迅速且均匀地混合及反应的问题。
发明内容
本发明，鉴于上述情况，其目的是提供一种无需特殊的精密微细加工技术，可以使混合反应流路中的各个流体的厚度与使用精密微细加工技术时同样薄，而且能够缩短制作时间或降低制作费用，同时，与现有技术相比，能够迅速且均匀的混合或反应，进而，能够随着处理流量的变更容易且高精度地进行设计变更的微型器件。
本发明的第一个方面，为了达到前述目的，在一面使多个流体分别流过各自的流体供应通路，汇流到一个混合反应流路中，使这些流体作为层流流动，一面使流体彼此向其接触界面的法线方向扩散进行混合或反应的微型器件中，其特征在于，将前述流体供应通路制成同心轴的多重圆筒结构，使在前述混合反应流路中汇流的多个流体叠层成同心圆状，同时，将前述多个流体的汇流点附近的开口宽度缩径，将流体流缩流。
这里，在本发明中，在提到“反应”时，也包括伴随着混合的反应。作为反应的种类，包括以无机物质及有机物质等为对象的离子反应，氧化还原反应，热反应，催化反应，自由基的反应，聚合反应等各种反应形式。此外，所谓流体，包括液体，气体，在液体中分散金属微粒子等的固体液体混合物，在气体中分散金属微粒子等的固体气体混合物，在液体中不溶解气体而是分散气体的气体液体混合物等。所谓多个流体，不仅包括流体的种类不同或者化学组成不同时情况，也包括例如温度，固体液体的比例等的状态不同的情况。此外，所谓将汇流点附近的开口宽度缩径、将流体流缩流，除缩流的开始位置是流体的混合反应流路的情况之外，也包括汇流点前、即流体供应通路的后端部的时的情况。
根据本发明的第一个方面，由于通过多个流体供应通路、将汇流在一个混合反应流路的汇流点附近的开口宽度缩径将流体流缩流，所以，即使混合反应流路的开口宽度比较大，通过缩流，可以将在混合反应流路汇流的各个流体的厚度减薄。从而，与现有技术的微型器件相比，可以形成更大的流体供应通路的开口宽度。此外，由于通过将流体供应通路制成同心轴的多重圆筒结构，通过将多个圆筒管重叠成同心轴状可以形成流体供应通路，所以，与流体供应通路的开口宽度相比，各个圆筒管的直径可以大很多。从而，即使不像现有技术中那样使用特殊的精密微细加工技术，例如，采用车床及钻床等通用的机械加工技术，可以制作和采用特殊的精密微细加工技术同样的高性能的微型器件。不言而喻，采用光刻，放电加工技术，光造型法等特殊精密微细加工技术，也能制作本发明的微型器件，也可以将机械加工技术和精密微细加工技术组合起来进行制作。
此外，由于如果加大缩流程度的话，能够将混合反应流路中的各个流体的厚度尽可能地减薄，所以，与现有技术相比可以进一步增强作为微型器件的特征的迅速且均匀的混合或反应。
此外，在现有技术的微型器件中，在改变处理流量时，特别是从实验水平向制造水平过渡时，必须采用将多个微型器件并列配置、加大处理流量的增加数量的方案。从而，产生在各个微型器件上均匀分配流体的新的技术课题。
与此相对，像本发明的微型器件那样，在将流体供应通路制成同心轴的多重圆筒结构的情况下，如果不改变各个流体供应通路的开口宽度、而是加大多重圆筒结构的直径的话，会相应地加大作为流体供应通路的截面形状的圆形，所以，可以增大流体供应通路的容积。在这种情况下，由于流体供应通路的开口宽度不变，所以，在混合反应流路中，只有多个流体叠层的同心圆的直径增大，各个流体的厚度不会发生变化。从而，即使不增加数量也可以增加处理流量，所以，不存在现有技术中的流体分配的问题，可以容易且高精度地按比例放大。
本发明的第二个方面，在第一个方面中，其特征在于，前述缩径后的前述混合反应流路的开口宽度在1μm以上、1000μm以下。这具体地表示作为微小空间的混合反应流路的开口宽度的尺寸。在这种情况下，由于当不缩流时，需要多个(至少两个)流体供应通路，所以一个流体供应通路的开口宽度，必须小于混合反应流路的开口宽度。但是，如本发明所述，通过缩流，可以令一个流体供应通路的开口宽度比混合反应流路的开口宽度大，容易制作。
本发明的第三个方面，在第一个或第二个方面中，其特征在于，前述多重圆筒结构的流体供应通路，通过在形成中心轴的圆柱状的整流构件和形成外周壁的圆筒状的圆管部之间，中间经由对应于前述流体供应通路的开口宽度的间隔件将比前述整流构件及圆管部短的圆筒状的间隔壁构件配置成同心轴状制作而成，同时，在前述圆管部和前述整流构件的至少其中之一的前述汇流点附近，形成前述缩径用的锥形部。
根据本发明的第三个方面，将比前述整流构件及圆管部短的圆筒状的间隔壁构件，中间经由对应于流体供应通路的开口宽度的间隔件，在形成中心轴的圆柱状的整流构件和形成外周壁的圆筒状的圆管部之间的截面为圆环状的空间内，配置成同心轴状。借此，形成与圆筒状的圆管部之间的截面为圆环状的(垂直于流体的流动方向的截面)空间相比开口宽度小的截面为圆环状的空间，该空间成为流体供应通路。从而，即使流体供应通路是狭窄的，通过只将间隔件形成流体供应通路的厚度，可以形成较大的整流构件、圆管部、间隔壁构件的直径。从而，即使不像现有技术中那样使用特殊的精密微细加工，例如采用车床及钻床等通用的机械加工技术，就可以制作出和使用特殊的精密微细加工技术同样的高性能的微型器件。而且，在本发明中，在圆管部和整流构件的至少其中之一的流体汇流的汇流点附近，形成缩径用的锥形部。从而，由于可以通过缩流可以减薄在混合反应流路中汇流的各个流体的厚度，所以，可以进一步更大地形成流体供应通路的开口宽度。
即，本发明，通过将微型器件制成同心轴型圆筒形，并且将其设计成缩小混合反应流路的开口宽度使流过它的流体流缩流的结构，即使不采用特殊的精密微细加工技术，也可以制成减少流体彼此沿其接触界面的法线方向扩散的扩散距离，以更短的时间完成混合或反应的结构。
但是，当使流体流急剧缩流时，即使在被缩流的流路以下，流体流的收缩还会继续，产生流体流从壁面上的剥离，会产生涡流及滞流。同时，该涡流及滞流会引起流体和反应生成物的滞留，成为反应生成物的不均匀的重要原因，是不理想的。从而，对于进行缩流而言，重要的是，为了不产生流体流的剥离、涡流、滞留，不急剧地进行缩流。
因此，在本发明中，对于形成多重圆筒结构的中心轴的圆柱状的整流构件和形成外周壁的圆管部的至少其中之一，在前述流体汇流的汇流点附近，形成前述缩径用的锥形部。从而，由于不会急剧的缩径，流体流缓慢地缩流，所以，可以不发生流体流从壁面上的剥离，涡流以及滞流等。
本发明的第四个方面，在第三个方面中，其特征在于，前述锥形部的倾斜角度相对于微型器件的轴心在1°以上，不足90°。由它规定了锥形部的优选的倾斜角度，锥形部的倾斜角度，相对于微型器件的轴心，在1°以上，不足90°，优选地，在1°以上，60°以下，特别优选地，在1°以上，30°以下。
本发明的第五个方面，在第三个方面或第四个方面中，其特征在于，将前述锥形部制成流线型。这样，由于通过将锥形部制成流线型，流体顺滑地被缩径，所以，更加不会发生流体流从壁面上的剥离，涡流。滞流等。
本发明的第六个方面，在第一个～第五个方面的任何一个中，其特征在于，根据前述多个流体的混合特性或反应特性，相对于前述多个流体汇流的汇流点，将前述缩流的开始位置设定在汇流点之前或汇流点之后。这是按照多个流体在汇流前缩流时的情况，与汇流同时缩流时的情况，以及汇流之后缩流时的情况三种情况设定的，可以根据所处理的流体的混合特性(扩散速度)或反应特性(反应速度)进行设定。即，优选地，设定缩流相对于汇流点的开始位置，以便使得混合反应流路的流体厚度能够在流体彼此向接触界面的法线方向扩散结束时混合或反应完毕。
本发明的第七个方面，在第一个～第六个方面的任何一个中，其特征在于，在以三种以上的流体构成前述多个流体的同时，改变前述多个流体供应通路的汇流点的位置，以便分阶段地混合所述多个流体或使之发生反应。通过用三种以上流体构成多个流体，依次使之汇流，可以使之适应于各种各样的混合或反应过程。
本发明的第八个方面，在第七个方面中，其特征在于，与前述分阶段的混合或反应相适应地形成多级前述锥形部，将流体流进行多级缩流。这是将多级混合或多级反应及多级缩流组合起来，不仅能够适应于各种各样的混合或反应过程，而且可以按照多个流体的混合特性及反应特性，在流体彼此向接触界面的法线扩散完毕时，完成混合或反应。
本发明的第九个方面，在第一个～第八个方面的任何一个中，其特征在于，在形成同心轴的多重圆筒结构的各个流体供应通路的每一个上，沿前述多重圆筒结构的周向方向等间隔地配置多个流体供应口。借此，由于能够均匀地向流体供应通路供应流体，所以，能够可靠地形成在混合反应流路中汇流形成的叠层成同心圆状的环状层流。
本发明的第十个方面，在第一个～第九个方面的任何一个中，其特征在于，设置控制流过前述混合反应流路的流体的混合温度或反应温度的温度控制机构。借此，可以调整扩散速度及反应速度。
如上面说明的，根据本发明的微型器件，无需特殊的精密微细加工技术，可以使混合反应流路中的各个流体的厚度与使用精密微细加工技术时一样薄，而且，可以缩短制作时间，降低制作费用。此外，与现有技相比，可以进行更迅速且均匀的混合及反应，进而，伴随着处理流量的变更可以容易且高精度地进行设计变更。
图1、是说明本发明的微型器件的总体结构的剖面图；图2、是在三种流体在混合反应流路中汇流形成叠层成同心圆状的截面为圆环状的层流的状态下，混合反应流路的剖面图；图3、是组装本发明的微型器件前的分解简图；图4、是本发明的微型器件中的局部放大图；图5、是说明多个流体的缩流的形象的说明图；图6、是说明进行本发明的微型器件的缩流的锥形部的角度的说明图；图7、是说明缩流的图样的形式的说明图；图8、是说明多个流体的汇流点与缩流的开始位置的关系的说明图；图9、是说明混合、反应过程的例子的说明图；图10、是说明多级混合或多级反应、及多级缩流的说明图。
具体实施例方式
下面，按照附图详细说明根据本发明的微型器件的优选实施形式。
图1是表示本发明的同心轴圆筒型的微型器件的结构的剖面图，是表示将三种流体L1、L2、L3混合或使之反应的情况。此外，流体的数目并不局限于三种，只要是两种以上即可，此外，在多个流体中，也可以有相同种类的流体。
如图1所示，微型器件10，作为一个整体，形成大致的圆柱状，包括构成装置的外壳部的圆筒状的圆管部22。这里，图中的直线S，表示装置的轴心，将沿着该轴心方向作为装置的轴向方向，进行下面的说明。在该圆管部22的前端面上开口流体L1、L2、L3混合或反应后的流体LM的排出口26，此外，在圆管部22的前端部上，以向排出口26的外周侧伸出的方式，设置环状的凸缘部28。该凸缘部28连接到向对混合反应流体LM进行后面的处理的另外的微型器件送液的配管等上。
圆管部22的基端面用圆盘状的盖板30闭塞，在该盖板30的中心部穿透设置圆形的插入孔32。在圆管部22内，以从其基端部侧向圆管部22内插入的方式，同轴地设置圆柱状整流构件34，整流构件34的基端部嵌插支承在盖板30的插入孔32内。此外，在整流构件34的前端部上，形成向前端侧缩径的圆锥部37。
在圆管部22内，将沿轴向方向划分圆管部22内的空间的圆筒状的第一间隔壁构件43及第二间隔壁构件44设置成多重筒状，各个间隔构件43、44的基端面固定在盖板30上。这些间隔壁构件43、44，分别与圆管部22及整流构件34同轴地配置，将圆管部22与整流构件34之间的截面为圆环状的空间以同轴地分割成三部分的方式进行划分。这种分割的比例，根据流体L1、L2、L3的供应量之比决定。此外，这些间隔壁构件43、44的前端，一直延伸设置到圆管部22的后面描述的锥形部22A、即微型器件10的缩流位置附近。同时，在圆管部22的内周面与第一间隔壁构件43的外周面之间加装多个(在本实施形式中为4个)间隔件58，同时，在第一间隔构件43与第二间隔构件44之间，加装多个(在本实施形式中为4个)间隔件60。进而，在第二间隔构件44的内周面与整流构件34的外周面之间，加装多个(在本实施形式中为4个)间隔件62。这些多个间隔件58、60、62，分别形成矩形形状，以其表面背面部平行于圆管部22内的流体L1、L2、L3的流动方向(箭头F方向)的方式被支承。这些间隔件58、60、62，将两个间隔壁构件43、44及整流构件34相对于圆管部22连接固定，设定流体供应通路50、52、54的径向方向(与流体的流动方向垂直的方向)的开口宽度W1、W2、W3(参照图4(A))。借此，两个隔壁构件43、44及整流构件34分别以足够强度连接到圆管部22上，防止由于流体L1、L2、L3的液压或重力的影响从规定的位置偏移，以及变形，同时，可靠地将开口宽度W1、W2、W3保持在预先设定的尺寸。
这里，将利用第一及第二间隔壁构件43、44划分的截面为圆环状的空间，从外侧起，依次作为第一流体供应通路50，第二流体供应通路52及第三流体供应通路54。此外，在设于圆管部22的基端面上的盖板30上，穿透设置与各个流体供应通路50、52、54连通的插入孔，在该插入孔内连接向所述第一～第三流体供应通路50、52、54供应流体L1、L2、L3的流体供应配管38、40、42。借此，通过这些流体供应配管38、40、42，向第一～第三流体供应通路50、52、54上，从设置在微型器件10的上游侧的三个流体供应源(图中未示出)供应处于被加压状态的流体L1、L2及L3。
此外，在圆管部22内，形成比间隔壁构件43、44更靠近前端侧，比整流构件34的圆锥部37更靠近基端部侧的与流体供应通路50、52、54连通的截面为圆环状的空间，将该截面为圆环状的空间作为从流体供应通路50、52、54分别供应的流体L1、L2及L3汇流进行混合或反应的混合反应流路56。
如图1(B)所示，在第一流体供应通路50及第二流体供应通路52及第三流体供应通路54的前端部上，分别形成向混合反应流路56内开口的第一流体供应口64及第二流体供应口66和第三流体供应口68。这些流体供应口64、66、68，以分别以轴心S为中心沿圆轨迹开口成截面圆环状、相互成同心圆状的方式配置。这里，开口宽度W1、W2、W3，分别限定流体供应口64、66、68的开口面积，根据该流体供应口64、66、68的开口面积和流体L1、L2、L3的供应量，决定通过流体供应口64、66、68被导入到混合反应流路56内的流体L1、L2、L3的初始速度。这些开口宽度W1、W2、W3，例如，以使通过流体供应口64、66、68向混合反应流路56内供应的流体L1、L2、L3的流速相互相等的方式设定。
在圆管部22内比混合反应流路56更靠近前端侧的空间，构成在混合反应流路56内、进行流体L1、L2、L3的混合或反应的混合反应的流体LM向排出口26流动的出液通路70。这里，在流体LM通过流体L1、L2、L3的混合或反应生成的情况下，有必要在混合反应流路56内的出口部完成流体L1、L2、L3的混合或反应。从而，有必要将沿着混合反应流路56的流体L1、L2、L3的流动方向的路径的长度PL(参照图1(A))，设定成完成流体L1、L2、L3的混合或反应的长度。此外，在微型器件10内，通常没有间隙地填充流体L1、L2、L3及它们混合或反应的混合反应流体LM，从集流部16、18、20向排出口侧26流动。
此外，如图1(A)所示，在圆管部22的外周上，卷绕水或油等热容量比较大的载热体C2、C3流过的两个套管72、74，套管72、74连接到图中未示出的载热体供应装置上。从载热体供应装置，向套管72、74供应控制圆管部22内的流体L1、L2、L3的混合温度或反应温度的载热体C2、C3，并使之在载热体供应装置内再次循环。供应给套管72、74的载热体C2、C3的温度T2、T3，优选地，根据混合温度及反应温度或流体L1、L2、L3的种类等适当设定，也可以改变温度T2、T3。此外，整流构件34，其外轮廓部为薄壁状，内部呈中空状，从其基端侧将直径比整流构件34的内径小的载热体供应管76，插入到整流构件34内，载热体供应管76由闭塞整流构件34的基端侧的开口的闭塞板(图中未示出)及多个间隔件78与整流构件34同轴地支承。载热体供应管76的前端开口77，达到圆锥部37的根部附近，在其前端面上开设将载热体C1供应到整流构件34内的供应口80。同时，还从该供应口80向载热体供应管76，由载热体供应装置供应温度为T1的载热体C1，控制混合温度或反应温度。
作为用于微型器件10的接液部的材料，可以使用铁，铝，不锈钢，钛，各种合金等金属材料，氟系树脂及丙烯酸树脂等树脂材料，硅及玻璃等的玻璃材料。
在如上面所述构成的微型器件10中，在恰当的混合温度或反应温度的条件下，流过流体供应通路50、52、54的流体L1、L2、L3，如图2所示，在混合反应流路56中汇流，成为叠层成同心圆状的截面为圆环状的层流进行流动。并且，在混合反应流路56内流过的三个流体L1、L2、L3，在相互邻接的层流间的接触面上，各个流体L1、L2、L3的分子相互扩散，进行混合或反应。借此，流体L1、L2、L3可以在短时间内完成均匀的混合或反应。在这种情况下，使混合反应流路56中的流体的厚度很薄、缩短扩散距离是很重要的，混合反应流路56的开口宽度Wa(参照图4)有必要在1μm以上、1000μm以下。
图3是在组装如上所述构成的微型器件10之前的分解简图，在图中省略了形成在整流构件34内的载热体C1的流路等。同时，为了组装微型器件10，在将圆筒状的第二间隔壁构件44插入到圆柱状的整流构件34的外侧的同时，将第二间隔壁构件44的内周面配合到与整流构件34成一整体地形成的间隔件62上。借此，在整流构件34的外周面与第二间隔壁构件44的内周面之间，形成相当于间隔件62的厚度的间隙，该间隙成为第三流体供应通路54的开口宽度W3。其次，将圆筒状的第一间隔壁构件43插入第二间隔壁构件44的外侧，并且，将第一间隔壁构件43的内周面配合到成一整体地形成在第二间隔壁构件44上的间隔件60上。借此，在第二间隔壁构件44的外周面与第一间隔壁构件43的内周面之间，形成相当于间隔件60的厚度的间隙，该间隙成为第二流体供应通路52的开口宽度W2。其次，将圆管部22插入到第一间隔壁构件43的外侧，同时，将圆管部22的内周面配合到成一整体地形成在第一间隔壁构件43上的间隔件58上。借此，在第一间隔壁构件43的外周面与圆筒部22的内周面之间，形成相当于间隔件58的厚度的间隙，该间隙成为第一流体供应通路50的开口宽度W1。这样，通过将微型器件10制成同心轴圆筒型的结构，可以简单地形成狭窄的流体供应通路50、52、54。在这种情况下，如可以从图3看出的，即使流体供应通路50、52、54的开口宽度W1、W2、W3很狭窄，也可以形成粗的圆管部22、第一及第二间隔壁构件43、44的管径。而且，在本发明中，如图4的局部放大图所示，在圆管部22上形成锥形部22A，将多个流体的汇流点附近24的混合反应流路56前端部的开口宽度缩径，进行缩流。在这种情况下，如图4(A)所示，优选地，在第一及第二间隔壁构件43、44的前端部上，形成与圆筒部22的锥形部22A的倾斜大致平行的倾斜的锥形部43A、44A。借此，可以进行顺滑的缩流。图5是用锥形部22A将流体L1、L2、L3缩流时的形象图，当令缩流前的各流体供应通路50、52、54的开口宽度W1、W2、W3作为总和Wb(等于缩流前的流体L1、L2、L3的厚度的总和)，缩流后的混合反应流路56的开口宽度Wa(等于缩流后的流体L1、L2、L3的厚度的总和)时，令Wb/Wa＜1。在这种情况下，当像现有技术中那样制作不缩流的微型器件时，由于流体供应通路50、52、54必须有多个(至少两个)，所以，一个流体供应通路的开口宽度必须小于混合反应流路56的开口宽度Wa。但是，如本发明那样，通过缩流，可以加大一个流体供应通路的开口宽度，例如，可以大于混合反应流路56的开口宽度Wa。
从而，即使不像现有技术那样采用特殊的精密微细加工技术，例如采用车床及钻床等通用的机械加工技术，可以制作和采用特殊的精密微细加工技术同样的高性能的微型器件。实际上，使用丙烯酸树脂材料用车床(通用机械加工技术)制作了本发明的同心轴圆筒型并且具有缩流的锥形部22A的四种流体的流体供应通路(图1为三种流体供应通路)型的微型器件，可以制作混合反应流路56的开口宽度Wa为225μm，四种流体供应通路的开口宽度的总和Wb为2230μm，Wa/Wb约为0.1的微型器件。这里，作为缩流后的混合反应流路56的开口宽度Wa，优选在1μm以上，1000μm以下。
此外，如图4(B)所示，由于流体供应通路50、52、54是多重圆筒结构，所以，优选地，沿多重圆筒结构的周向方向等间隔地配置多个流体供应配管38、40、42，以便向流体供应通路50、52、54上均匀地供应流体。图4(B)表示对于各个流体供应通路50、52、54分别以90°的间隔设置四个流体供应配管38、40、42。此外，在多个流体供应通路50、52、54为多重圆筒结构的情况下，当流体供应通路50、52、54的开口宽度W1、W2、W3相同时，由于越靠外侧的流体供应通路向混合反应流路56的给液量越多，所以，为了使向混合反应流路56的给液量相同，有必要使外侧流体供应通路的开口宽度比内侧的流体供应通路的开口宽度小。
图6表示锥形部22A的倾斜角度，如图6(A)所示，锥形部22A的倾斜角度θ，相对于轴心S在1°以上、不足90°，优选地在1°以上，60°以下，特别优选地，在1°以上，30°以下。借此，由于不将流体流急剧缩流，而是缓慢地缩流，所以，不会发生流体流从壁面上的剥离，涡流，滞流等。在这种情况下，更优选地，使锥形部22A的开始位置22a(缩流开始位置)和结束位置22b(缩流结束位置)成弧形，将锥形部22A制成流线型。这样，由于通过将锥形部22A制成流线型，能够将流体顺滑地缩流，所以，更加不会发生流体流从壁面上的剥离，涡流，滞流等。另一方面，如图6(B)所示，当锥形部22A的倾斜角度θ相对于轴心S为90°或90°以上时，在图6(B)的O位置82处，容易产生流体流从壁面的剥离，涡流，滞流等。
图7表示缩流的三种类型，图7(A)是在圆管部22上形成锥形部22A缩流的类型，图7(B)是在整流构件34上形成锥形部34A缩流的类型，图7(C)是在圆管部22和整流构件34两者上形成锥形部22A、34A缩流的类型。从制作的观点出发，图7(B)的类型容易获得高的制作精度，但在缩流时，希望尽可能地不产生倾斜梯度的情况下，图7(C)所示的在圆管部22和整流部34两者上形成锥形部22A、34A的类型更为理想。使用这三种类型的哪一种，可以考虑到缩流的程度，所处理的流体的混合特性给反应特性，微型器件10的制作难易程度等加以选择。在这种情况下，形成于间隔壁构件43、44前端的锥形部43A、44A，在圆管部22上形成锥形部22A的情况下，优选地与锥形部22A的倾斜大致平行，在整流构件34上形成锥形部34A的情况下，优选地与锥形部34A的倾斜大致平行。标号G是流体的汇流点。
图8是表示多个流体汇流的汇流点G与开始缩流的锥形部2A的开始位置22a的关系的概念图，特别是，在本发明的微型器件10中，在处理由扩散混合进行的反应时，该关系变得很重要。即，根据所处理的流体的混合特性(扩散速度)和反应特性(反应速度)，相对于多个流体汇流的汇流点G，将开始缩流的锥形部22A的开始位置22a设定在汇流点G之前，汇流点G之后(汇流点和汇流点后)。之所以这样按照流体的特性改变相对于汇流点G的缩流的开始位置22a，是由于优选地，调整混合反应流路56中的流体的厚度，以便在排出口26处，流体彼此向法线方向的扩散混合及反应结束。这是因为，尽管不像利用槽等间歇式进行的混合和反应那样成为问题，但在微型器件10的混合及反应的情况下，在相对于扩散而言反应比较慢的所谓反应速度占支配地位的流体之间，在汇流点G附近不能进行反应，所以，可以使之缓慢地缩流。从而，在这种情况下，可以如图8(A)所示，使汇流点G和缩流开始位置22a相同，或者，如图8(B)所示，将缩流开始位置22a设定在汇流点G之后。但是，在相对于扩散而言反应速度快的所谓扩散速度占支配地位支配的流体之间，在扩散还没有充分进行的期间内，只在汇流点G附近的接触界面上引起反应，由此生成的初级生成物会继续进行反应，有生成不均匀的反应生成物的危险，所以，有必要在尽可能提前的部位使之缩流。从而，在这种情况下，与图8(A)所示的汇流点G和缩流的开始位置22a相同相比，如图8(C)所示，将缩流开始位置22a设定在汇流点G之前。
此外，在进行三种以上的流体的混合或反应合成物质时，大多将混合或反应结合起来，或分成多个阶段进行反应。图9表示多级混合、多级反应的过程的例子，图9(A)是将包含物质A的流体和包含物质B的流体混合后，施加热、光、振动等能量，使之发生反应，合成物质C时的情况。图9(B)是利用能量和催化剂等使包含物质A的流体发生反应，生成包含物质B和C的初级生成物，进而使物质B和C发生反应，合成物质D和E时的情况。图9(C)是使包含物质A的流体与包含物质B的流体混合反应，生成包含物质C和D的初级生成物，进而使物质C和D发生反应，合成物质E和F时的情况。图9(D)是一面使包含物质A的流体与包含物质B的流体混合反应，一面添加包含物质C的流体，进而使之混合反应，合成物质D时的情况。
图10是适合应用于具有多个流体彼此间的汇流点G的多级混合及多级反应的器件，是在依次使三种以上的流体汇流进行多级混合或多级反应的同时，将多级混合或多级反应和缩流组合起来时的情况。在这种情况下，优选地，不只进行一次缩流，而是适合于多级混合或多级反应，分多个阶段地进行缩流。图10(A)的多级混合或多级反应是表示，首先使流体L1和流体L2汇流的同时，开始缩流，进行第一次混合或反应，其次，在缩流的过程中，使流体L3汇流到流体L1、L2中，进行第二次的混合或反应的情况。图10(B)的多级混合或多级反应是表示，首先使流体L1和流体L2汇流进行第一次混合或反应，其次，将流体L3汇流到流体L1、L2中，同时开始缩流，进行第二次的混合或反应时的情况。图10(C)的多级混合或多级反应是表示，首先流体L2和流体L3汇流进行第一次混合或反应，其次，使流体L1汇流到流体L2、L3中，同时开始缩流进行第二次混合或反应时的情况。图10(D)是将多级混合或多级反应和多级缩流组合，首先使流体L1和流体L2汇流，同时，使之进行第一阶段的缩流并进行第一次的混合或反应，在这种混合或反应结束后，使流体L3与之汇流，同时使之进行第二阶段的缩流，进行第二次混合或反应。在这种情况下，可以根据处理的流体的混合特性及反应特性，相对于汇流点G，将缩流开始位置22a设定在汇流点之前或者之后。
此外，图中没有示出，也可以在本发明的微型器件10上，设置振动发生器和微波发生器，以便促进混合或反应。此外，本发明的微型器件，除进行混合或反应之外，也可以作为进行热交换处理，供热处理，散热处理等的微型热传导器使用，也可以作为分离处理、吸附处理，萃取处理，吸收处理等的微型分离器使用。
(实施例1)利用氟气的反应实施例作为微型器件，采用具有形成同心轴的多重圆筒结构的三个流体供应通路的图2所示的哈司特镍基合金(Hastelloy)制的微型反应器(反应流路56的开口宽度225μm)，进行氟化反应。
作为图1所示的载热体C1，为了控制反应温度，循环-20℃的制冷剂，作为图2的流体L1和L3，流过氮气中含有10％体积的氟气(5ml/min)，作为流体L2，以5ml/h的流速，流过用F-113(1，1，2-三氯三氟乙烷)稀释的乙酰醋酸乙酯(浓度10重量％)。
利用高效液相色谱法分析所获得的反应液LM，可以看出，以80％的变换收获率，95％的选择率，获得2-氟代乙酰醋酸乙酯。此外，在现有技术的烧瓶反应中以不能忽略的量生成的2，2-二氟代乙酰醋酸乙酯的生成，在本实施例中减少到5％以下。
(实施例2)有机颜料合成的实施例在本实施例中，进行下面所示的反应式的有机颜料的合成。
作为微型器件，采用具有形成同心轴的多重结构的三个流体供应通路的图2所示的不锈钢制的微型反应器(反应流路56的开口宽度225μm)，进行有机颜料合成反应。
作为图1所示的载热体C1，为了控制反应温度，循环加热到180℃的硅油，作为图8的流体L2，流过作为溶媒的1，2-二氯苯。
同时，利用活塞泵，分别以6ml/min的流速，作为流体L1，流过将上述化合物(A)37.9g(0.1mol)在1，2-二氯苯300ml于80℃时的悬浮液，作为流体L3，流过将上述化合物(B)8.9g(0.05mol)溶解在1，2-二氯苯300ml中加热到80℃的溶液。反应液LM从图1的排出口26中排出后，被注入到碱的水溶液中，分析反应液，所获得的上述化合物的颜料(C)的收获率在85％以上。
(反应例3)有机银盐合成的实施例作为微型器件，采用具有形成同心轴的多重结构的三个流体供应通路的图2所示的不锈钢制的微型反应器(反应流路56的开口宽度225μm)，进行有机银盐合成反应。
作为图1所示的载热体C1，为了控制反应温度，循环35℃的水，分别以10ml/min的流速用活塞泵，作为流体L1，流过以保温在75℃的山萮酸为主成分的脂肪酸钠水溶液(将2.6摩尔的脂肪酸与蒸馏水4.2L，5mol/L浓度的NaOH水溶液500ml，t-丁醇1.2L混合，在75℃搅拌调制1小时)，作为流L2流过40℃的蒸馏水，作为流体L3流过在10℃保温的硝酸银水溶液(将硝酸银400g溶解在蒸馏水中，制成2.1L的水溶液，pH4.0)。从图1的排出口26排出的有机银分散液(LM)，比较稳定地存在，基本上均匀地分散。
权利要求
1.一种微型器件，一面使多个流体分别流过各自的流体供应通路，汇流到一个混合反应流路中，使这些流体作为薄片状的层流流动，一面使流体彼此向其接触界面的法线方向扩散进行混合或反应，其特征在于，将前述流体供应通路制成同心轴的多重圆筒结构，使在前述混合反应流路中汇流的多个流体叠层成同心圆状，同时，将前述多个流体的汇流点附近的开口宽度缩径，将流体流缩流。
2.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，前述缩流后的前述混合反应流路的开口宽度在1μm以上、1000μm以下。
3.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，前述多重圆筒结构的流体供应通路，通过在形成中心轴的圆柱状的整流构件和形成外周壁的圆筒状的圆管部之间，夹持对应于前述流体供应通路的开口宽度的间隔件，将比前述整流构件及圆管部短的圆筒状的间隔壁构件配置成同心轴状制作而成，同时，在前述圆管部和前述整流构件的至少其中之一的前述汇流点附近，形成前述缩径用的锥形部。
4.如权利要求3所述的微型器件，其特征在于，前述锥形部的倾斜角度相对于微型器件的轴心在1°以上，不足90°。
5.如权利要求3所述的微型器件，其特征在于，将前述锥形部制成流线型。
6.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，根据前述多个流体的混合特性或反应特性，相对于前述多个流体汇流的汇流点，将前述缩流的开始位置设定在汇流点之前或汇流点之后。
7.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，在以三种以上的流体构成前述多个流体的同时，改变前述多个流体供应通路的汇流点的位置，以便分阶段地混合该多个流体或使之发生反应。
8.如权利要求7所述的微型器件，其特征在于，与前述分阶段的混合或反应相适应地形成多级前述锥形部，将流体进行多级缩流。
9.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，在形成为同心轴的多重圆筒结构的各个流体供应通路的每一个上，沿前述多重圆筒结构的周向方向等间隔地配置多个流体供应口。
10.如权利要求1所述的微型器件，其特征在于，设置控制流过前述混合反应流路的流体的混合温度或反应温度的温度控制机构。
全文摘要
本发明提供一种微型器件，令多个流体(L1、L2、L3)分别通过各自的供应通路，汇流到一个混合反应流路中，一面令这些流体成为薄片状的层流流动，一面流体彼此向其接触界面的法线方向扩散进行混合或反应，将供应通路制成同心轴的多重圆筒结构，使在混合反应流路中汇流的流体(L1、L2、L3)叠层成同心圆状，同时将多个溶液的汇流点附近的开口宽度缩径，将流体流缩流。
文档编号B01J19/00GK1572365SQ20041004641
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月30日
发明者长泽英治, 前一广 申请人:富士胶片株式会社