JP4877211B2 - Microreactor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロリアクター、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるためのマイクロリアクターとその製造方法に関する。 The present invention relates to a microreactor, and more particularly to a microreactor for advancing a desired reaction with a supported catalyst and a method for producing the same.
従来から、触媒を利用したリアクターが種々の分野で使用されており、目的に応じて最適な設計がなされている。
一方、近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器の小型化が種々検討されている。例えば、金属基板、シリコン基板、セラミックス基板等にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持した種々のマイクロリアクターが開発されている。
Conventionally, a reactor utilizing a catalyst has been used in various fields, and an optimum design is made according to the purpose.
On the other hand, in recent years, attention has been focused on using hydrogen as a fuel because no global warming gas such as carbon dioxide is generated and the energy efficiency is high from the viewpoint of protecting the global environment. In particular, fuel cells are attracting attention because they can directly convert hydrogen into electric power and have high energy conversion efficiency in a cogeneration system that uses generated heat. Up to now, fuel cells have been adopted under special conditions such as space development and marine development, but recently they have been developed for use in automobiles and household distributed power supplies, and fuel cells for portable devices have also been developed. ing.
Miniaturization is indispensable for fuel cells for portable devices, and various attempts have been made to reduce the size of reformers that produce hydrogen gas by steam reforming hydrocarbon fuels. For example, various microreactors have been developed in which a microchannel is formed on a metal substrate, a silicon substrate, a ceramic substrate, etc., and a catalyst is supported in the microchannel.
このような燃料電池に使用する水素生成用のマイクロリアクターは、炭化水素系燃料の水蒸気改質温度が高く、例えば、最も低温のメタノールでも250〜300℃となる。このため、高温となる反応部を筐体内に配置して外部と断熱することが必要となる。そして、筐体としてガラス製容器を使用し、反応部とガラス製容器との断熱手段として、断熱効率の最も高い真空断熱を使用したマイクロリアクターが開発されている(特許文献1、2)。このようなマイクロリアクターでは、ガラス製容器内に配置された反応部と外部との電気接続を行うためのリード線、および、原料供給管やガス排出管がガラス製容器を貫通する部位をガラス封止することによってガラス製容器内の真空が保たれている。
しかし、内部に反応部を配置するための筐体をステンレス鋼のような金属製とすると、熱膨張係数の小さいガラス部材と、熱膨張係数の大きな筐体との熱膨張差を考慮して、ガラス封止を確実なものとするために、筐体の厚みを1mm以上とすることが必要となる。この場合、金属材料を用いた絞り加工にて筐体を作製すると、筐体全体が均一な厚みになるため、上記のガラス封止に必要な1mm以上の厚みが筐体全体に要求され、マイクロリアクターの大型化、重量化を来たすという問題があった。
一方、封止部材をガラス材料ではなく、熱膨張係数が金属製の筐体に近い材料、例えば、はんだ等のろう材を用いて行うことが考えられるが、リード線の封止部材には電気絶縁性が要求されるためガラス部材が用いざるを得ず、上記の問題を解消するには至らない。
また、熱膨張係数がガラス部材に近い金属材料、例えば、42合金(Fe/Ni合金)を使用することにより筐体の厚みを薄くすることは可能であるが、この42合金は耐食性が不十分であり、水素生成用のマイクロリアクターへの実用に供し得ないという問題があった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、外部への熱の影響を抑制しながら高効率の触媒反応を可能とする信頼性の高いマイクロリアクターと、このようなマイクロリアクターを簡便に製造するための方法を提供することを目的とする。
However, if the housing for arranging the reaction part is made of a metal such as stainless steel, considering the difference in thermal expansion between the glass member having a small thermal expansion coefficient and the housing having a large thermal expansion coefficient, In order to ensure glass sealing, the thickness of the housing needs to be 1 mm or more. In this case, when the casing is manufactured by drawing using a metal material, the entire casing has a uniform thickness. Therefore, a thickness of 1 mm or more necessary for the glass sealing is required for the entire casing. There was a problem of increasing the size and weight of the reactor.
On the other hand, it is conceivable that the sealing member is not a glass material, but a material having a thermal expansion coefficient close to that of a metal housing, for example, a brazing material such as solder. Since insulation is required, a glass member must be used, and the above problem cannot be solved.
Moreover, although it is possible to reduce the thickness of the housing by using a metal material having a thermal expansion coefficient close to that of a glass member, for example, 42 alloy (Fe / Ni alloy), this 42 alloy has insufficient corrosion resistance. Therefore, there is a problem that it cannot be put to practical use for a microreactor for hydrogen generation.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a highly reliable microreactor that enables highly efficient catalytic reaction while suppressing the influence of heat to the outside, and such a microreactor. An object of the present invention is to provide a method for easily producing the above.
このような目的を達成するために、本発明のマイクロリアクターは、真空筐体と、該真空筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも1つの面に位置する発熱体とを備えるマイクロリアクターにおいて、前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は前記真空筐体を貫通する原料供給管により前記真空筐体の外部と接続され、該ガス排出口は前記真空筐体を貫通するガス排出管により前記真空筐体の外部と接続され、前記発熱体は、前記真空筐体を貫通するリードピンを介して外部電源と接続可能であり、前記真空筐体は、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなり、前記リードピン、原料供給管、ガス排出管が貫通している複数の貫通孔を有し、該貫通孔のうち、前記リードピンが貫通している貫通孔はガラス部材で封止されているとともに、リードピンの長さ方向に沿った前記ガラス部材の長さが0.5〜1.4mmの範囲となるように、前記真空筐体の前記貫通孔の周辺部位が肉厚部となっており、前記原料供給管、ガス排出管が貫通している前記貫通孔は溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止されているような構成とした。 In order to achieve such an object, a microreactor of the present invention includes a vacuum housing, a microreactor body disposed in a vacuum sealed cavity in the vacuum housing, and at least one surface of the microreactor body. The microreactor body has a raw material inlet and a gas outlet, and the raw material inlet is connected to the outside of the vacuum casing by a raw material supply pipe penetrating the vacuum casing. The gas exhaust port is connected to the outside of the vacuum casing by a gas exhaust pipe that penetrates the vacuum casing, and the heating element is connected to an external power source via a lead pin that penetrates the vacuum casing. The vacuum casing is made of stainless steel having a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm, and the lead pin, the raw material supply pipe, and the gas discharge pipe penetrate therethrough. A through hole through which the lead pin passes is sealed with a glass member, and the length of the glass member along the length direction of the lead pin. The peripheral part of the through-hole of the vacuum casing is a thick part so that the thickness is in a range of 0.5 to 1.4 mm, and the raw material supply pipe and the gas discharge pipe are penetrated. The through hole was configured to be sealed by welding, brazing, or a resin member.
本発明の他の態様として、前記肉厚部は、前記貫通孔の周囲に幅1.0〜2.0mmの範囲で形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記肉厚部は、前記貫通孔が形成されている箇所に比して肉薄の部位を周辺部に有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記マイクロリアクター本体は、1組の金属基板が接合された接合体と、前記1組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、該トンネル状流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記トンネル状流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であるような構成とした。
As another aspect of the present invention, the thick portion is configured to have a width of 1.0 to 2.0 mm around the through hole.
As another aspect of the present invention, the thick part is configured to have a thin part in the peripheral part as compared with the part where the through hole is formed.
As another aspect of the present invention, the microreactor main body includes a joined body in which a set of metal substrates is joined, and a fine groove formed on a joining surface of at least one of the set of metal substrates. A tunnel-shaped flow path, a catalyst supporting layer formed in the tunnel-shaped flow path, and a catalyst supported on the catalyst-supporting layer, wherein the raw material inlet and the gas outlet are the tunnel-shaped flow path The catalyst support layer is configured to be an inorganic oxide film.
本発明の他の態様として、前記マイクロリアクター本体は、3枚以上の金属基板が積層接合された接合体と、該接合体の内部に形成された流路と、該流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、少なくとも最外層に位置しない前記金属基板は少なくとも一方の接合面に形成された溝部と、該溝部に形成された貫通孔とを有し、前記溝部と前記貫通孔により前記流路が構成され、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部は隔壁を介して複数形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部に形成された貫通孔は複数であるような構成とした。
As another aspect of the present invention, the microreactor main body includes a joined body in which three or more metal substrates are laminated and joined, a channel formed inside the joined body, and a catalyst formed in the channel. The metal substrate having a support layer and a catalyst supported on the catalyst support layer, and at least the metal substrate not located in the outermost layer has a groove formed in at least one joining surface and a through hole formed in the groove. In addition, the flow path is constituted by the groove and the through hole, the raw material inlet and the gas outlet are communicated with the flow path, and the catalyst support layer is an inorganic oxide coating.
As another aspect of the present invention, a plurality of the groove portions are formed through partition walls.
As another aspect of the present invention, a plurality of through holes are formed in the groove.
また、本発明のマイクロリアクターの製造方法は、真空筐体と、該真空筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも1つの面に位置する発熱体とを備えるマイクロリアクターの製造方法において、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼を用いて、1つの開口面を有する開口筐体を作製する筐体作製工程と、該開口筐体の所望の壁面に原料供給管、ガス排出管およびリードピンを貫通するための複数の貫通孔を形成する穿設工程と、厚みが0.5〜1.4mmの範囲であるステンレス鋼からなる複数の肉厚小片にリードピン用の貫通孔を穿設し、該貫通孔にリードピンを貫通させてガラス部材で封止することにより、リードピン保持肉厚部材を作製する肉厚部材作製工程と、原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口およびガス排出口に原料供給管、ガス排出管が接続され、かつ、少なくとも1つの面に位置する発熱体を備えるマイクロリアクター本体を、前記原料供給管とガス排出管が前記貫通孔に挿入されるようにして前記開口筐体内に載置し、前記貫通孔を溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止する載置工程と、前記リードピンを前記開口筐体の対応する前記貫通孔に挿入するようにして、前記開口筐体の外側壁面に前記リードピン保持肉厚部材を接合するとともに、前記リードピンと前記発熱体の電極とを電気的に接続する接合工程と、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなる蓋材を、前記開口面を閉塞するように前記開口筐体に接合して、内部が真空密閉キャビティを構成する真空筐体を作製する真空筐体作製工程と、を備えるような構成とした。 In addition, the microreactor manufacturing method of the present invention includes a vacuum casing, a microreactor body disposed in a vacuum sealed cavity in the vacuum casing, and a heating element positioned on at least one surface of the microreactor body. And a manufacturing method of a microreactor including a casing manufacturing step of manufacturing an opening casing having one opening surface using stainless steel having a thickness of 0.1 to 0.5 mm, and the opening casing A plurality of drilling steps for forming a plurality of through holes for penetrating the raw material supply pipe, the gas discharge pipe and the lead pin on a desired wall surface of the body, and a plurality of stainless steels having a thickness in the range of 0.5 to 1.4 mm A thick portion for producing a lead pin holding thick member by drilling a lead pin through hole in a small piece of lead, and penetrating the lead pin through the through hole and sealing with a glass member A microreactor having a manufacturing process, a raw material inlet and a gas outlet, a raw material supply pipe and a gas outlet connected to the raw material inlet and the gas outlet, and a heating element located on at least one surface A placing step of placing the main body in the opening housing such that the raw material supply pipe and the gas discharge pipe are inserted into the through hole, and welding, brazing, or sealing the through hole with a resin member And joining the lead pin holding thick member to the outer wall surface of the opening housing so that the lead pin is inserted into the corresponding through hole of the opening housing, and the lead pin and the electrode of the heating element, And joining a lid made of stainless steel having a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm to the opening housing so as to close the opening surface, true A vacuum housing manufacturing step of manufacturing a vacuum enclosure constituting a closed cavity, and the like comprising configure.
本発明の他の態様として、前記筐体作製工程では、絞り加工によって開口筐体を作製するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記肉厚小片は、前記貫通孔を形成する箇所に比して肉薄の部位を周辺部に有するものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、真空チャンバー内において前記真空筐体作製工程を行うことにより、真空筐体内を真空密閉キャビティとするような構成とした。
本発明の他の態様として、前記真空筐体作製工程では、前記蓋材を前記開口筐体に接合した後、真空筐体に設けた吸引孔から吸引することにより真空筐体内を真空密閉キャビティとし、その後、前記吸引孔を密封するような構成とした。
As another aspect of the present invention, the casing manufacturing step is configured to manufacture an open casing by drawing.
As another aspect of the present invention, the thin piece is configured to have a thin portion in the peripheral portion as compared with a portion where the through hole is formed.
As another aspect of the present invention, the vacuum casing manufacturing process is performed in a vacuum chamber, thereby forming a vacuum sealed cavity in the vacuum casing.
As another aspect of the present invention, in the vacuum casing manufacturing step, after the lid member is joined to the opening casing, the inside of the vacuum casing is made into a vacuum sealed cavity by suction from a suction hole provided in the vacuum casing. Thereafter, the suction hole is sealed.
本発明のマイクロリアクターは、マイクロリアクター本体が真空筐体の真空密閉キャビティ内に位置しているので、マイクロリアクター本体が高温状態となっても、真空密閉キャビティがマイクロリアクター本体から外部への熱伝導を有効に遮断するとともに、この真空密閉キャビティによる断熱効果は、他の断熱材を使用した場合に比べて格段に高いものであり、真空筐体を大型化することなく、マイクロリアクター(真空筐体)外壁温度を常温〜50℃程度とすることができ、また、真空筐体は、リードピンを貫通するための貫通孔の周辺部位が肉厚部となっていて、この貫通孔の封止に用いられるガラス部材の長さが0.5〜1.4mmの範囲であるため、ガラス部材と真空筐体を構成するステンレス鋼との熱膨張差による気密性低下が確実に防止され、一方、真空筐体の他の部位は厚み0.1〜0.5mmの範囲であるため小型化、軽量化が可能であり、これにより、小型でありながら外部への熱の影響が抑制され、かつ、触媒反応の効率が高いものとなる。 In the microreactor of the present invention, the microreactor body is located in the vacuum sealed cavity of the vacuum casing, so that the vacuum sealed cavity can conduct heat from the microreactor body to the outside even when the microreactor body is in a high temperature state. The heat insulation effect of this vacuum-sealed cavity is much higher than when other heat insulating materials are used, and the microreactor (vacuum case) can be used without increasing the size of the vacuum case. ) The outer wall temperature can be set to room temperature to about 50 ° C., and the vacuum housing has a thick portion around the through hole for penetrating the lead pin, and is used for sealing the through hole. Since the length of the glass member to be obtained is in the range of 0.5 to 1.4 mm, the airtightness is reduced due to the difference in thermal expansion between the glass member and the stainless steel constituting the vacuum casing. On the other hand, the other part of the vacuum casing is in the range of 0.1 to 0.5 mm in thickness, so that it is possible to reduce the size and weight. The influence is suppressed and the efficiency of the catalytic reaction is high.
本発明の製造方法は、1つの開口面を有する開口筐体の作製と、リードピン保持肉厚部材の作製とを別の工程で作製し、開口筐体内にマイクロリアクター本体を載置した後に、開口筐体にリードピン保持肉厚部材を接合するので、リードピンの貫通箇所の封止が確実に維持され、小型でありながら外部への熱の影響が抑制され、かつ、触媒反応の効率が高いマイクロリアクターの製造が可能となる。 In the manufacturing method of the present invention, the manufacturing of the opening housing having one opening surface and the manufacturing of the lead pin holding thick member are manufactured in different steps, and the microreactor body is placed in the opening housing, and then the opening is opened. The lead pin holding thick member is joined to the housing, so that the sealing of the lead pin penetrating part is reliably maintained, the influence of heat to the outside is suppressed while being small, and the catalytic reactor is highly efficient. Can be manufactured.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[マイクロリアクター]
図1は、本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図であり、図2は図1に示されるマイクロリアクターのI−I線における拡大縦断面図であり、図3は図1に示されるマイクロリアクターのII−II線における拡大縦断面図である。図1〜図3において、マイクロリアクター1は、真空筐体2と、この真空筐体2内の真空密閉キャビティ3内に載置されたマイクロリアクター本体4と、このマイクロリアクター本体4に配設された発熱体7とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Microreactor]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the microreactor of the present invention, FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view taken along line II of the microreactor shown in FIG. 1, and FIG. 3 is shown in FIG. FIG. 1 to 3, a
真空筐体2は、マイクロリアクター本体4の周囲に真空密閉キャビティ3を設けるためのものであり、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなる。真空筐体2の厚みが0.1mm未満であると、機械的強度が不足するおそれがあり、また、0.5mmを超えると、マイクロリアクター1の重量低減の効果が充分に得られない。真空筐体2の形状は、図示例では直方体形状であるが、これに限定されるものではない。この真空筐体2の内容積、形状は、マイクロリアクター本体4の形状と断熱作用とを考慮して適宜設定することができ、例えば、真空密閉キャビティ3の厚み(マイクロリアクター本体4と真空筐体2の内壁面との距離)が1mm以上、好ましくは2〜15mmの範囲となるように設定することができる。
The
マイクロリアクター本体4は、原料導入口29aおよびガス排出口29bを有し、原料導入口29aは原料供給管5Aにより真空筐体2の外部と接続され、ガス排出口29bはガス排出管5Bにより真空筐体2の外部と接続されている。また、発熱体7は絶縁膜6を介してマイクロリアクター本体4に配設されており、発熱体7には電極8,8が形成され、この電極8,8が露出するような電極開口部9a,9aを有する発熱体保護層9が、発熱体7を覆うように設けられている。
上記の真空筐体2は、貫通孔12,16を有している。2個の貫通孔12には、リードピン14が貫通しており、ガラス部材13で封止されている。また、2個の貫通孔16には、それぞれ原料供給管5A、ガス排出管5Bが貫通しており、溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止されている。
The
The
図4は、リードピン14が貫通している真空筐体2の貫通孔12近傍の部分拡大断面図である。図4に示されるように、本発明では、リードピン14が貫通している貫通孔12がガラス部材13で封止されているとともに、リードピン14の長さ方向に沿ったガラス部材13の長さが0.5〜1.4mmの範囲となるように、真空筐体2の貫通孔12の周辺部位が肉厚部11となっている。この肉厚部11は、貫通孔12の封止に用いられるガラス部材13と、真空筐体2を構成するステンレス鋼との熱膨張差による気密性低下を防止するためのものである。ガラス部材13の長さが0.5mm未満であると、真空筐体2を構成するステンレス鋼とガラス部材13との熱膨張差に起因した気密性低下が生じるおそれがあり、また、1.5mmを超えると、不要な重量増加を来たすことになり好ましくない。
FIG. 4 is a partially enlarged sectional view of the vicinity of the through
このような肉厚部11は、貫通孔12の周囲に、例えば、幅Wが1.0〜2.0mmの範囲となるように形成することができる。上記の幅Wが1.0mm未満であると、 肉厚部11の機械的強度が不十分な場合があり、また、2.0mmを超えると、不要な重量増加を来たすことになり好ましくない。上記の例では、1個の貫通孔12に1本のリードピン14が貫通し、貫通孔12の周辺部位が肉厚部11となっているが、例えば、貫通孔12を長円形状とし、この1個の貫通孔12に複数本のリードピン14が貫通し、貫通孔12の周辺部位が長円環状の肉厚部11となっていてもよい。さらに、複数の貫通孔12が隣接して配置され、各貫通孔12には1本のリードピン14が貫通し、これら複数の貫通孔の周辺部位が肉厚部11となっていてもよい。いずれの例であっても、貫通孔12の周囲の肉厚部11の幅Wは、上記の範囲となることが好ましい。
Such a
また、貫通孔12の内径は、使用するリードピン14の太さに応じて適宜設定できるが、例えば、0.5〜1.5mmの範囲となるように設定することができる。また、貫通孔12が上記の長円形状のように長短の内径が存在する場合、短内径を0.5〜1.4mmの範囲とすることができる。肉厚部11の周囲形状は、図示例では正方形であるが、これに限定されるものではなく、円形、多角形、三角形、長円形状、連設円形状等、適宜設定することができる。
本発明では、肉厚部11が、貫通孔12が形成されている箇所に比して肉薄の部位を周辺部に有するものであってもよい。図5はこのような肉厚部を示す図であり、この肉厚部11′は、貫通孔12が形成されている本体11aと、この周囲に形成された肉薄のフランジ部11bとを有している。この場合、本体11aの厚みは、上記の肉薄部11と同様に、リードピン14の長さ方向に沿ったガラス部材13の長さが0.5〜1.4mmの範囲となるように適宜設定することができる。また、フランジ部11bの厚みは、例えば、0.2〜1.1mmの範囲で適宜設定することができ、本体11aの幅Wは0.5〜1.4mmの範囲であることが好ましい。さらに、肉厚部11′の本体11aの周囲形状、フランジ部11bの周囲形状は特に制限はなく、正方形、円形、多角形、三角形、長円形状、連設円形状等、適宜設定することができる。
Moreover, although the internal diameter of the through-
In this invention, the
貫通孔12の封止に用いられるガラス部材13は、従来公知の封止用のガラス部材であってよく、例えば、市販のハーメチックガラス(例えば、旭硝子(株)製のASF粉末ガラス)を金型成型により作製したガラスビーズ等を使用することができる。
また、リードピン14は、例えば、コバール、42合金(Fe/Ni合金)、ステンレス鋼等の材質であってよく、直径は250〜1000μmの範囲で適宜設定することができる。
The
The
原料供給管5A、ガス排出管5Bの材質は、筐体2と同じステンレス鋼であってよく、また、マイクロリアクター本体4を構成する後述の接合体22と同じ材質であってもよく、さらに、これらと異なる材質であってもよい。筐体2と接合体22が同じ材質であってもよいことは勿論である。また、原料供給管5A、ガス排出管5Bが貫通している2個の貫通孔16を封止するための溶接としては、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接を用いることができる。また、貫通孔16をろう付けによって封止するためのろう材としては、例えば、Sn−Pbはんだ、Sn−Znはんだ、Cd−Znはんだ、銀ろう、銅ろう、黄銅ろう等の従来公知のろう材を用いることができる。さらに、本発明では、マイクロリアクター1の真空筐体2の外壁温度を常温〜50℃程度とすることができるので、貫通孔16は樹脂部材を用いて封止することもでき、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等の樹脂部材を使用することができる。
The material of the raw
図6は本発明のマイクロリアクター1を構成するマイクロリアクター本体4の一例を示す斜視図であり、図7は図6に示されるマイクロリアクター本体4のIII−III線における拡大縦断面図である。尚、図6および図7では、絶縁膜6、発熱体7、電極8,8、発熱体保護層9を省略している。図6および図7において、マイクロリアクター本体4は、一方の面24aに微細溝部25が形成された金属基板24と、一方の面26aに微細溝部27が形成された金属基板26とが、微細溝部25と微細溝部27が対向するように接合された接合体22を有している。この接合体22の内部には、対向する微細溝部25,27で構成されたトンネル状流路23が形成されており、このトンネル状流路23の内壁面の全面に触媒担持層28が配設されており、この触媒担持層28に触媒Cが担持されている。また、トンネル状流路23は、上記の接合体22の対向する端面に設けられている原料導入口29aとガス排出口29bに連通している。
FIG. 6 is a perspective view showing an example of the
図8は、図6に示されるマイクロリアクター本体4の金属基板24と金属基板26を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図8では、触媒担持層28を省略している。図8に示されるように、微細溝部25,27は、180度折り返して蛇行しながら連続する形状で形成されている。そして、微細溝部25と微細溝部27は、金属基板24,26の接合面に対して対称関係にあるパターン形状である。したがって、金属基板24,26の接合により、微細溝部25の端部25aが微細溝部27の端部27a上に位置し、微細溝部25の端部25bが微細溝部27の端部27b上に位置して、微細溝部25と微細溝部27が完全に対向している。このような微細溝部25,27で構成されるトンネル状流路23の端部が、図6に示されるように、原料導入口29aとガス排出口29bをなしている。尚、マイクロリアクター本体4のトンネル状流路23の形状、原料導入口29aおよびガス排出口29bの位置は、図示例に限定されるものではない。したがって、原料供給管5Aとガス排出管5Bの位置も、図1に示されるものに限定されない。
FIG. 8 is a perspective view showing a state in which the
マイクロリアクター本体4を構成する金属基板24,26は、トンネル状流路23の壁面を構成する微細溝部25,27の加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。ステンレス基板の場合、微細溝部25,27の精密加工が容易であるとともに、拡散接合により強固な接合体22が得られる。また、銅基板の場合、微細溝部25,27の精密加工が容易であるとともに、レーザー溶接、抵抗溶接、ろう付けにより強固な接合体22が得られる。金属基板24,26の厚みは、マイクロリアクター本体4の大きさ、使用する金属の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部25,27の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。
For the
金属基板24,26に形成される微細溝部25,27は、図8に示されるような形状に限定されるものではなく、微細溝部25,27内に担持する触媒Cの量が多くなり、かつ、原料が触媒Cと接触する流路長が長くなるような任意の形状とすることができる。
また、トンネル状流路23の流体の流れ方向に垂直な断面における微細溝部25,27の内壁面の形状は、円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状が好ましい。このような微細溝部25,27からなるトンネル状流路23の径は、例えば、100〜2000μm程度の範囲内で設定することができ、流路長は30〜300mm程度の範囲とすることができる。
The
Further, the shape of the inner wall surface of the
触媒担持層28は無機酸化物被膜であり、例えば、溶射により形成したアルミナ(Al2O3)被膜、ムライト(Al2O3・2SiO2)被膜、シリカ(SiO2)皮膜、ジルコニア(ZrO2)皮膜、チタニア(TiO2)皮膜、セリア(CeO2)被膜等とすることができる。このような触媒担持層28の厚みは、例えば、10〜50μm程度の範囲で適宜設定することができる。
触媒Cとしては、マイクロリアクター1の使用目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水素製造に使用する場合、触媒CとしてCu−Zn系、Pd−Zn系等の改質触媒、Pt、Pd、NiO、Co2O3、CuO等の燃焼触媒を使用することができる。
The
The catalyst C can be appropriately selected according to the purpose of use of the
図9は、マイクロリアクター本体4を構成する発熱体7を説明するための平面図である。図3および図9に示されるように、発熱体7は、180度折り返して蛇行しながら連続する形状で電気絶縁層6上に形成されており、発熱体7の両端部には電極8,8が配設されている。
電気絶縁層6は、例えば、ポリイミド、セラミックス(Al2O3、SiO2)等とすることができる。また、電気絶縁層6は、接合体22の陽極酸化により形成した金属酸化膜であってもよい。このような電気絶縁層6の厚みは、使用する材料の特性等を考慮して適宜設定することができ、例えば、0.5〜150μm程度の範囲で設定することができる。
FIG. 9 is a plan view for explaining the
The electrical
発熱体7は、吸熱反応である原料の触媒反応に必要な熱を供給するためのものであり、カーボンペースト、ニクロム(Ni−Cr合金)、W、Mo、Au、Ti等の材質を使用することができる。この発熱体7の形状は、図9に示されるように、例えば、幅10〜200μm程度の細線を電気絶縁層6上に引き回したような形状とすることができるが、このような形状に限定されず、適宜設定することができる。
発熱体7に形成された通電用の電極8,8は、Au、Ag、Pd、Pd−Ag等の導電材料を用いて形成することができ、また、発熱体7と同じ材質であってもよい。この電極8,8は、図2、図3に示されるように、配線15,15を介してリードピン14に接続されている。
The
The current-carrying
上述のような本発明のマイクロリアクター1は、マイクロリアクター本体4が真空筐体2の真空密閉キャビティ3内に位置しているので、マイクロリアクター本体4が高温状態となっても、真空密閉キャビティ3がマイクロリアクター本体4から真空筐体2への熱伝導を有効に遮断し、この真空密閉キャビティ3による断熱効果は、他の断熱材(例えば、ガラスウール、セラミックス材料等)を使用した場合に比べて格段に高いものであり、真空筐体2を大型化することなく、マイクロリアクター1(真空筐体2)外壁温度を常温〜50℃程度とすることができる。また、真空筐体2は、リードピン14を貫通するための貫通孔12の周辺部位が肉厚部11となっていて、この貫通孔12の封止に用いられるガラス部材13の長さが0.5〜1.4mmの範囲となるので、ガラス部材13と真空筐体2を構成するステンレス鋼との熱膨張差による気密性低下が確実に防止される。一方、真空筐体2の他の部位は厚み0.1〜0.5mmの範囲であるため小型化、軽量化が可能である。
In the
[マイクロリアクターの製造方法]
次に、本発明のマイクロリアクターの製造方法について説明する。
図10および図11は本発明の製造方法を説明するための工程図であり、図1〜図4に示されるマイクロリアクター1を例とした図3相当の図面である。
本発明では、筐体作製工程において、厚みT1が0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼を用いて、1つの開口面2aを有する開口筐体2Aを作製し、穿設工程において、この開口筐体2Aの所望の壁面にリードピン用の2個の貫通孔2b、原料供給管、ガス排出管用の貫通孔2cをそれぞれ穿設する(図10(A))。開口筐体2Aの作製は、例えば、絞り加工、切削加工、鋳造、拡散接合、ろう付け等により行うことができる。また、貫通孔2b、2cの穿設は、ドリル加工等により行うことができる。上記の厚みT1が0.1mm未満であると、開口筐体2Aの機械的強度が不足するおそれがあり、また、0.5mmを超えると、マイクロリアクター1の重量低減の効果が充分に得られない。
[Microreactor manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the microreactor of this invention is demonstrated.
10 and 11 are process diagrams for explaining the production method of the present invention, and are drawings corresponding to FIG. 3 taking the
In the present invention, in the housing production process, an opening
一方、上記の開口筐体2Aの作製とは別に、肉厚部材作製工程において、ステンレス鋼からなる肉厚小片18にリードピン用の貫通孔12を穿設し、この貫通孔12にリードピン14を貫通させてガラス部材13で封止することにより、リードピン保持肉厚部材17を作製する(図10(B))。使用する肉厚小片18は、厚みT2が0.5〜1.4mmの範囲であり、その外形形状は特に制限はなく、円形、矩形、多角形、三角形、長円形状、連設円形状等、適宜設定することができる。この肉厚小片18の厚みT2が0.5mm未満であると、リードピン14の長さ方向に沿ったガラス部材13の長さが不足し、封止部位においてステンレス鋼とガラス部材13との熱膨張差に起因した気密性低下が生じるおそれがある。また、T2が1.4mmを超えると、マイクロリアクターに不要な重量増加を来たすことになり好ましくない。尚、貫通孔12の内径は、使用するリードピン14の太さに応じて適宜設定できるが、例えば、0.5〜1.5mmの範囲となるように設定することができる。また、貫通孔12が、例えば、長円形状のように長短の内径が存在する場合、短内径を0.5〜1.5mmの範囲とすることができる。
On the other hand, in addition to the manufacturing of the above-described
本発明では、肉厚小片18として、貫通孔12が形成されている箇所に比して肉薄の部位、例えば、図5に示されるようなフランジ部を周辺に備えるものを使用してもよい。このような肉厚小片18を使用したリードピン保持肉厚部材17は、フランジ部の存在によって、後述する開口筐体2Aの外側壁面への溶接が容易なものとなり好ましい。
また、上記の開口筐体2Aの作製、リードピン保持肉厚部材17の作製とは別に、原料導入口29aおよびガス排出口29bを有し、この原料導入口29aおよびガス排出口29bに原料供給管5A、ガス排出管5Bが接続されたマイクロリアクター本体4を作製する。このマイクロリアクター本体4は、その1つの面に絶縁膜6を介して発熱体7が配設されており、発熱体7には電極8,8が形成され、この電極8,8が露出するような電極開口部9a,9aを有する発熱体保護層9が、発熱体7を覆うように設けられている。次いで、載置工程において、このマイクロリアクター本体4を、原料供給管5Aとガス排出管5Bが貫通孔2cに挿入されるようにして開口筐体2A内に載置し、貫通孔2cを溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止する(図10(C))。
In the present invention, as the small-
In addition to the production of the above-described
次に、接合工程において、上記のリードピン保持肉厚部材17を、リードピン14が開口筐体2Aの2個の貫通孔2bにそれぞれ挿入されるようにして外側壁面に接合する(図11(A))。この接合は、例えば、拡散接合により行うことができ、接合された肉厚小片18は肉厚部11を構成する。この肉厚部11では、リードピン14の長さ方向に沿ったガラス部材13の長さが、肉厚小片18の厚みT2に相当した長さとなっている。その後、2本のリードピン14と発熱体7の電極9,9とを配線15,15を介して電気的に接続する。
Next, in the joining step, the lead pin holding
次に、真空筐体作製工程において、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなる蓋材2Bを、開口面2aを閉塞するように開口筐体2Aに接合して、内部が真空密閉キャビティ3を構成する真空筐体2を作製して本発明のマイクロリアクター1とする(図11(B))。この真空筐体作製工程では、蓋材2Bで開口筐体2Aの開口面2aを閉塞した後、開口筐体2Aあるいは蓋材2Bに設けた吸引口(図示せず)から吸引することにより真空筐体2内部を真空密閉キャビティ3とし、吸引口を密封することができる。また、上記の吸引口を設けることなく、真空筐体2の開口部2aの閉塞を真空チャンバー内部で行うことにより真空筐体2を作製することも可能である。
尚、上述のマイクロリアクター、およびその製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
Next, in the vacuum casing manufacturing step, the
In addition, embodiment of the above-mentioned microreactor and its manufacturing method is an illustration, and this invention is not limited to these.
以下に、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を例示して説明する。
図12は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図7相当の縦断面図である。図12において、マイクロリアクター本体4Aは、一方の面34aに微細溝部35が形成された金属基板34と、微細溝部35を覆うように金属基板34の面34aに接合された金属基板(カバー部材)36とからなる接合体32を有している。この接合体32の内部には、微細溝部35と金属基板36とで構成されたトンネル状流路33が形成されており、微細溝部35の内壁面に触媒担持層38が配設され、この触媒担持層38に触媒Cが担持されている。また、接合体32の少なくとも1つの面には、上述のマイクロリアクター本体4と同様に、発熱体(図示せず)が配設されている。
金属基板34の微細溝部35は、図8に示される微細溝部25,27と同様に、180度折り返して蛇行しながら連続する形状であってよいが、これに限定されるものではない。また、微細溝部35の断面形状は円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状等であってよい。そして、トンネル状流路33の一方の開口端が原料導入口(図示せず)となり、他方の開口端がガス排出口(図示せず)となっている。
Hereinafter, another embodiment of the microreactor body constituting the microreactor of the present invention will be described as an example.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view corresponding to FIG. 7 showing another form of the microreactor body constituting the microreactor of the present invention. In FIG. 12, the
The
このようなマイクロリアクター本体4Aを構成する金属基板34、金属基板(カバー部材)36は、上述の実施形態の金属基板24,26と同様の材料を使用することができる。また、金属基板34の厚みは、マイクロリアクター本体4Aの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部35の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板36の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Aを構成する触媒担持層38は、上述の実施形態の触媒担持層28と同様とすることができる。
For the
The
また、図13は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図であり、図14は図13に示されるマイクロリアクター本体のIV−IV線における拡大縦断面図であり、図15は図13に示されるマイクロリアクター本体のV−V線における拡大縦断面図である。図13〜図15において、マイクロリアクター本体4Bは、5枚の金属基板44,45,46,47,48が積層接合された接合体42を有している。そして、接合体42の少なくとも1つの面には、上述のマイクロリアクター本体4と同様に、発熱体(図示せず)が配設されている。
FIG. 13 is a perspective view showing another form of the microreactor body constituting the microreactor of the present invention, and FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view taken along line IV-IV of the microreactor body shown in FIG. FIG. 15 is an enlarged longitudinal sectional view taken along line VV of the microreactor body shown in FIG. 13 to 15, the
接合体42を構成する5枚の金属基板44,45,46,47,48のうち、一方の最外層である金属基板44はカバー部材として機能し、所定の位置に3個の貫通孔44Bを備えている。また、最外層に位置しない3枚の金属基板45,46,47と、最外層の金属基板48は、それぞれ隔壁を介して分離された3列の溝部45A,46A,47A,48Aを一方の面(金属基板44側)に備え、各溝部45A,46A,47A,48Aには貫通孔45B,46B,47B,48Bがそれぞれ設けられている。そして、3列の溝部45A,46A,47A,48Aは、それぞれ貫通孔45B,46B,47Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板44の貫通孔44Bから、溝部45A→貫通孔45B→溝部46A→貫通孔46B→溝部47A→貫通孔47B→溝部48A→貫通孔48Bに至るジグザグ形状の流路43が3本(43A,43B,43C)形成されている。
Of the five
また、上記のように3本の流路43A,43B,43Cを構成する4枚の金属基板45,46,47,48の各溝部45A,46A,47A,48Aと、3枚の金属基板45,46,47の貫通孔45B,46B,47Bの内壁面には触媒担持層50が配設されており、この触媒担持層50に触媒Cが担持されている。そして、金属基板44の3個の貫通孔44Bは、3本の流路43A,43B,43Cの原料導入口49aであり、最外層の金属基板48の3個の貫通孔48Bは、3本の流路43A,43B,43Cのガス排出口49bとなっている。
Further, as described above, the
図16は、図13に示されるマイクロリアクター本体4Bを構成する5枚の金属基板44,45,46,47,48を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図16では、触媒担持層50を省略している。図16に示されるように、金属基板45,46,47,48には、それぞれ隔壁を介して3列の溝部45A,46A,47A,48Aが形成されており、各溝部45A,46A,47A,48Aの一方の端部には貫通孔45B,46B,47B,48Bがそれぞれ設けられている。図示例では、ジグザグ形状の3本の流路43のうち、流路43Aと流路43Cは、溝部45A,46A,47A,48A内での流体の流れ方向が同一であり、流路43Bは流体の流れ方向が逆となっている。
FIG. 16 is a perspective view showing a state in which five
マイクロリアクター本体4Bを構成する5枚の金属基板44,45,46,47,48は、上述の実施形態の金属基板24,26と同様の材料を使用することができる。また、金属基板45,46,47,48の厚みは、マイクロリアクター本体4Bの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部45A,46A,47A,48Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板44の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Bを構成する触媒担持層50は、上述の実施形態の触媒担持層28と同様とすることができる。
The five
The
尚、上述のマイクロリアクター本体4Bにおいて、各流路43A,43B,43Cの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板48から基板44へ向かうものであってもよい。この場合、3個の原料導入口49aと、3個のガス排出口49bとが逆となる。また、3個の原料導入口49aの位置、3個のガス排出口49bの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板44の表面(溝部45A側に露出している面)にも触媒担持層50を配設し、この触媒担持層50に触媒Cを担持してもよい。さらに、各金属基板45,46,47の表面(溝部46A,47A,48Aに露出している面)にも触媒担持層50を配設し、この触媒担持層50に触媒Cを担持してもよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
In the
Further, the
図17は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図であり、図18は図17に示されるマイクロリアクター本体のVI−VI線における拡大縦断面図である。図17、図18において、マイクロリアクター本体4Cは、6枚の金属基板54,55,56,57,58,59が積層接合された接合体52を有している。そして、接合体52の少なくとも1つの面には、上述のマイクロリアクター本体4と同様に、発熱体(図示せず)が配設されている。また、図19は、図17に示されるマイクロリアクター本体4Cを構成する6枚の金属基板54,55,56,57,58,59を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図19では、後述する触媒担持層61を省略している。
FIG. 17 is a perspective view showing another form of the microreactor body constituting the microreactor of the present invention, and FIG. 18 is an enlarged vertical sectional view taken along line VI-VI of the microreactor body shown in FIG. 17 and 18, the
上記の6枚の金属基板54,55,56,57,58,59のうち、一方の最外層である金属基板54はカバー部材として機能し、ほぼ中央に1列に3個の貫通孔54Bを備えている。また、最外層に位置しない4枚の金属基板55,56,57,58と、最外層の金属基板59は、それぞれ隔壁を介して配列された3列の溝部55A,56A,57A,58A,59Aを一方の面(金属基板54側)に備えている。また、3枚の金属基板55,57,59の各溝部55A,57A,59Aには、ほぼ中央部に1個の貫通孔55B,57B,59Bがそれぞれ設けられている。一方、2枚の金属基板56,58の各溝部56A,58Aには、両端部に1個、計2個の貫通孔56B,58Bがそれぞれ設けられている。そして、3列の溝部55A,56A,57A,58A,59Aは、それぞれ貫通孔55B,56B,57B,58Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板54の各貫通孔54Bから、溝部55A→1個の貫通孔55B→溝部56A→2個の貫通孔56B→溝部57A→1個の貫通孔57B→溝部58A→2個の貫通孔58B→溝部59A→1個の貫通孔59Bに至る集中・分離を繰り返すような流路53が3本(53A,53B,53C(図18では流路53Aが示されている))形成されている。
Of the six
また、上記の3本の流路53A,53B,53Cを構成する5枚の金属基板55,56,57,58,59の各溝部55A,56A,57A,58A,59Aと、4枚の金属基板55,56,57,58の貫通孔55B,56B,57B,58Bの内壁面には、触媒担持層61が配設されており、この触媒担持層61に触媒Cが担持されている。そして、金属基板54の3個の貫通孔54Bは、3本の流路53A,53B,53Cの原料導入口60aであり、最外層の金属基板59の3個の貫通孔59Bは、3本の流路53A,53B,53Cのガス排出口60bとなっている。
このようなマイクロリアクター本体4Cを構成する6枚の金属基板54,55,56,57,58,59は、上述の実施形態の金属基板24,26と同様の材料を使用することができる。また、金属基板55,56,57,58,59の厚みは、マイクロリアクター本体4Cの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部55A,56A,57A,58A,59Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板54の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
Further, the
For the six
このマイクロリアクター本体4Cを構成する触媒担持層61は、上述の実施形態の触媒担持層28と同様とすることができる。
尚、上述のマイクロリアクター本体4Cにおいて、各流路53A,53B,53Cの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板59から基板54へ向かうものであってもよい。この場合、3個の原料導入口60aと、3個のガス排出口60bとが逆となる。また、3個の原料導入口60aの位置、3個のガス排出口60bの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板54の表面(溝部55A側に露出している面)にも触媒担持層61を配設し、この触媒担持層61に触媒Cを担持してよく、さらに、各金属基板55,56,57,58の表面(溝部56A,57A,58A,59Aに露出している面)にも触媒担持層61を配設し、この触媒担持層61に触媒Cを担持してよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
The
In the above-described
Further, a
図20は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図14、図18相当の縦断面図である。図20において、マイクロリアクター本体4Dは、5枚の金属基板74,75,76,77,78が積層接合された接合体72を有している。そして、接合体72の少なくとも1つの面には、上述のマイクロリアクター本体4と同様に、発熱体(図示せず)が配設されている。また、図21は、図20に示されるマイクロリアクター本体4Dを構成する5枚の金属基板74,75,76,77,78を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図21では、後述する触媒担持層80を省略している。
FIG. 20 is a longitudinal sectional view corresponding to FIGS. 14 and 18 showing another embodiment of the microreactor body constituting the microreactor of the present invention. In FIG. 20, the
上記の5枚の金属基板74,75,76,77,78のうち、一方の最外層である金属基板74はカバー部材として機能し、後述する金属基板75の6個の溝部75Aに跨るような1個の溝部74Aと、略中央に1個の貫通孔74Bを備えている。また、最外層に位置しない3枚の金属基板75,76,77は、それぞれ6個の溝部75A,76A,77Aを一方の面(金属基板74側)に備えている。一方、最外層の金属基板78は、金属基板74の溝部74Aに対応した1個の溝部78Aを一方の面(金属基板74側)に備えている。また、3枚の金属基板75,76,77の各溝部75A,76A,77Aには、貫通孔75B,76B,77Bがそれぞれ設けられている。また、金属基板78の溝部78Aには、1個の貫通孔78Bが設けられている。そして、各溝部75A,76A,77A,78Aは、それぞれ複数の貫通孔75B,76B,77Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板74の1個の貫通孔74Bから溝部74Aに入った後は、溝部75A→貫通孔75B→溝部76A→貫通孔76B→溝部77A→貫通孔77B→溝部78Aに至る6個の独立した流路73が形成されている。
Of the five
また、上記の6個の独立した流路73を構成する4枚の金属基板75,76,77,78の各溝部75A,76A,77A,78Aと、3枚の金属基板75,76,77の貫通孔75B,76B,77Bの内壁面には、触媒担持層80が配設されており、この触媒担持層80に触媒Cが担持されている。そして、金属基板74の1個の貫通孔74Bは、流路73の原料導入口79aであり、最外層の金属基板78の1個の貫通孔78Bは、流路73のガス排出口79bとなっている。
このようなマイクロリアクター本体4Dを構成する5枚の金属基板74,75,76,77,78は、上述の実施形態の金属基板24,26と同様の材料を使用することができる。また、金属基板75,76,77,78の厚みは、マイクロリアクター本体4Dの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部75A,76A,77A,78Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板74の厚みは、使用する材料、必要とされる溝部74Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができ、例えば、50〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
Further, each of the
For the five
このマイクロリアクター本体4Dを構成する触媒担持層80は、上述の実施形態の触媒担持層28と同様とすることができる。
尚、上述のマイクロリアクター本体4Dにおいても、流路73の流体の流れ方向には制限はなく、図示例とは逆に、流体の流れ方向が基板78から基板74へ向かうものであってもよい。この場合、原料導入口79aとガス排出口79bとが逆となる。また、原料導入口79aの位置、ガス排出口79bの位置も図示例に限定されるものではない。
The
Also in the
また、金属基板74の溝部74Aにも触媒担持層80を配設し、この触媒担持層80に触媒Cを担持してよく、さらに、各金属基板75,76,77の表面(溝部76A,77A,78Aに露出している面)にも触媒担持層80を配設し、この触媒担持層80に触媒Cを担持してよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
また、図20,21の例では、独立した流路73が6個存在するものであるが、各金属基板75,76,77に形成する溝部75A,76A,77Aの数を増やすことにより、更に多数の流路を形成してもよい。
Further, the
20 and 21, there are six
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[筐体作製工程]
厚み0.3mmのSUS316L基板を用いて、内則が35mm×35mm×4.1mmの直方体であり、35mm×35mmの面が開口部とされている開口筐体を絞り加工によって作製した。
Next, the present invention will be described in more detail by showing more specific examples.
[Case manufacturing process]
Using a SUS316L substrate having a thickness of 0.3 mm, an open casing having a rectangular parallelepiped having an internal rule of 35 mm × 35 mm × 4.1 mm and having a 35 mm × 35 mm surface as an opening was produced by drawing.
[穿設工程]
上記の開口筐体の35mm×4.1mmの1つの壁面に原料供給管を挿入するための1個の円形の貫通孔(直径2.0mm)と、配線を挿入するための円形の貫通孔(直径1.5mm)を、また、この壁面に対向する35mm×4.1mmの壁面にガス排出管を挿入するための1個の円形の貫通孔(直径2.0mm)と、配線を挿入するための1個の円形の貫通孔(直径1.5μm)とを穿設した。この貫通孔の穿設はドリル加工を用いて行った。また、上記の開口部を閉塞するために、34mm×34mmの蓋材を作製し、この蓋材に円形の吸引口(直径1.0mm)を形成した。
[Punching process]
One circular through-hole (diameter 2.0 mm) for inserting the raw material supply pipe into one 35 mm × 4.1 mm wall surface of the above-mentioned open housing, and a circular through-hole for inserting wiring ( 1.5 mm in diameter), and a circular through hole (diameter 2.0 mm) for inserting a gas discharge pipe into a 35 mm × 4.1 mm wall facing this wall, and a
[肉厚部材作製工程]
厚み1.0mmのSUS316Lに、リードピンを挿入するための円形の貫通孔(直径1.5mm)をドリル加工を用いて穿設し、この貫通孔が中心となるようにSUS316Lをワイアー放電で切断して肉厚小片(3.0mm×3.0mm)を準備した。次いで、直径1.0mmのリードピン(材質:コバール)を上記の貫通孔に挿入し、ガラス部材(旭硝子(株)製 ASF700G)を用いて貫通孔を封止して、リードピン保持肉厚部材を作製した。
[Thick member manufacturing process]
A circular through hole (diameter 1.5 mm) for inserting a lead pin is drilled in SUS316L with a thickness of 1.0 mm using a drilling process, and SUS316L is cut by wire discharge so that this through hole is at the center. A thick piece (3.0 mm × 3.0 mm) was prepared. Next, a lead pin (material: Kovar) having a diameter of 1.0 mm is inserted into the above through hole, and the through hole is sealed using a glass member (ASF700G manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) to produce a lead pin holding thick member. did.
[載置工程]
まず、以下のようにしてマイクロリアクター本体を作製した。
金属基板として厚み1mmのSUS316L基板(25mm×25mm)を準備し、このSUS316L基板の両面に感光性レジスト材料(東京応化工業(株)製OFPR)をディップ法により塗布(膜厚7μm(乾燥時))した。次に、SUS316L基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、幅1500μmのストライプ状の遮光部がピッチ2000μmで左右から交互に突出(突出長20mm)した形状のフォトマスクを配した。また、上記と同様のSUS316L基板を準備し、同様に感光性レジスト材料を塗布し、SUS316L基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、フォトマスクを配した。このフォトマスクは、SUS316L基板面に対して、上記のフォトマスクと面対称となるものとした。
[Placement process]
First, a microreactor body was produced as follows.
A SUS316L substrate (25 mm × 25 mm) having a thickness of 1 mm is prepared as a metal substrate, and a photosensitive resist material (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is applied to both surfaces of the SUS316L substrate by a dipping method (
次いで、上記の1組のSUS316L基板について、それぞれフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、各SUS316L基板の一方の面には、幅500μmのストライプ状の開口部がピッチ2000μmで配列され、隣接するストライプ状の開口部が、その端部において交互に連続するようなレジストパターンが形成された。
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でSUS316L基板をエッチング(3分間)した。
(エッチング条件)
・温度 : 50℃
・エッチング液(塩化第二鉄溶液) 比重濃度: 45ボーメ(°B’e)
Next, the resist coating film was exposed through a photomask for each of the above set of SUS316L substrates, and developed using a sodium hydrogen carbonate solution. As a result, a resist pattern in which stripe-shaped openings having a width of 500 μm are arranged at a pitch of 2000 μm on one surface of each SUS316L substrate and adjacent stripe-shaped openings are alternately continued at the end portions thereof. Been formed.
Next, using the resist pattern as a mask, the SUS316L substrate was etched (for 3 minutes) under the following conditions.
(Etching conditions)
・ Temperature: 50 ℃
・ Etching solution (ferric chloride solution) Specific gravity concentration: 45 Baume (° B'e)
これにより、1組のSUS316L基板は、その一方の面に、幅1000μm、深さ650μm、長さ20mmのストライプ形状の微細溝が2000μmのピッチで形成され、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような形状(図8に示されるような180度折り返しながら蛇行して連続する形状)の微細溝部(流路長220mm)が形成された。この微細溝部の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略半円形状であった。
上述のように微細溝部が形成された1組のSUS316L基板の微細溝部形成面に対して、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。次いで、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。このレジストパターン除去により、不要なアルミナ溶射膜がリフトオフされ、微細溝部内に触媒担持層(厚み30μm)が形成された。
As a result, a pair of SUS316L substrates has stripe-shaped fine grooves having a width of 1000 μm, a depth of 650 μm, and a length of 20 mm formed on one surface thereof at a pitch of 2000 μm, and alternately at the ends of adjacent fine grooves. A fine groove (flow path length: 220 mm) having a continuous shape (a shape meandering and continuous while being folded back by 180 degrees as shown in FIG. 8) was formed. The shape of the inner wall surface in a cross section perpendicular to the fluid flow direction of the fine groove portion was substantially semicircular.
As described above, alumina spraying was performed by a plasma spray method on the fine groove forming surface of the pair of SUS316L substrates on which the fine groove was formed. Next, the resist pattern was removed using a sodium hydroxide solution and washed with water. By removing the resist pattern, an unnecessary alumina sprayed film was lifted off, and a catalyst support layer (thickness 30 μm) was formed in the fine groove.
次いで、上記の1組のSUS316L基板を、互いの微細溝部が対向するように下記の条件で拡散接合して接合体を作製した。この接合では、1組の基板の微細溝部どうしが完全に対向するように位置合わせをした。これにより、接合体の対向する端面に原料導入口とガス排出口とが存在するトンネル状流路が接合体内に形成された。
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :1000℃
・接合時間 :12時間
Subsequently, the above-mentioned set of SUS316L substrates was diffusion bonded under the following conditions so that the fine groove portions were opposed to each other to produce a joined body. In this bonding, alignment was performed so that the fine groove portions of one set of substrates completely face each other. As a result, a tunnel-like flow path in which the raw material introduction port and the gas discharge port exist on the opposing end surfaces of the joined body was formed in the joined body.
(Diffusion bonding conditions)
-Atmosphere: in vacuum-Joining temperature: 1000 ° C
-Joining time: 12 hours
次に、接合体の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置(15分間)し、その後、触媒懸濁液を抜き、120℃、3時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒を担持させた。
(触媒懸濁液の組成)
・Al … 5.4重量%
・Cu … 2.6重量%
・Zn … 2.8重量%
・Siバインダー(日産化学工業(株)製 スノーテックスO)
… 5.0重量%
・水 … 残部
Next, the catalyst suspension having the following composition is filled in the flow path of the joined body and allowed to stand (15 minutes). Thereafter, the catalyst suspension is removed and subjected to a dry reduction treatment at 120 ° C. for 3 hours. The catalyst was supported on the entire surface of the flow path.
(Composition of catalyst suspension)
・ Al: 5.4 wt%
Cu: 2.6% by weight
Zn: 2.8% by weight
・ Si binder (Snowtex O, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.)
… 5.0 wt%
・ Water… the rest
次に、上記の接合体を構成する一方のSUS316L基板上に、絶縁膜用塗布液としてポリイミド前駆体溶液(東レ(株)製フォトニース)をスクリーン印刷により印刷し、350℃で硬化させて厚み20μmの絶縁膜を形成した。次いで、この絶縁膜上に下記組成の発熱体用ペーストをスクリーン印刷により印刷し、200℃で硬化させて発熱体を形成した。形成した発熱体は、線幅100μmで図9に示されるように180°折り返すように線間隔100μmで引き回したような形状とした。
(発熱体用ペーストの組成)
・カーボン粉末 … 20重量部
・微粉末シリカ … 25重量部
・キシレンフェノール樹脂 … 36重量部
・ブチルカルビトール … 19重量部
Next, a polyimide precursor solution (Photo Nice manufactured by Toray Industries, Inc.) as an insulating film coating solution is printed on one SUS316L substrate constituting the joined body by screen printing and cured at 350 ° C. to obtain a thickness. A 20 μm insulating film was formed. Next, a heating element paste having the following composition was printed on the insulating film by screen printing and cured at 200 ° C. to form a heating element. The formed heating element had a shape with a line width of 100 μm and drawn around at a line interval of 100 μm so as to be turned 180 ° as shown in FIG.
(Composition of paste for heating element)
Carbon powder: 20 parts by weight Fine powder silica: 25 parts by weight Xylene phenol resin: 36 parts by weight Butyl carbitol: 19 parts by weight
また、下記組成の電極用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体の所定の2ヶ所に電極(0.5mm×0.5mm)を形成した。
(電極用ペーストの組成)
・銀めっき銅粉末 … 90重量部
・フェノール樹脂 … 6.5重量部
・ブチルカルビトール … 3.5重量部
次に、発熱体上に形成された2個の電極を露出するように、下記組成の保護層用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体保護層(厚み20μm)を発熱体上に形成した。
(保護層用ペーストの組成)
・樹脂分濃度 … 30重量部
・シリカフィラー … 10重量部
・ラクトン系溶剤(ペンタ1−4−ラクトン) … 60重量部
In addition, electrodes (0.5 mm × 0.5 mm) were formed at predetermined two locations of the heating element by screen printing using an electrode paste having the following composition.
(Composition of electrode paste)
Silver-plated copper powder: 90 parts by weight Phenolic resin: 6.5 parts by weight Butyl carbitol: 3.5 parts by weight Next, the following composition is used to expose the two electrodes formed on the heating element. Using the protective layer paste, a heating element protective layer (thickness 20 μm) was formed on the heating element by screen printing.
(Composition of protective layer paste)
Resin content concentration: 30 parts by weight Silica filler: 10 parts by weight Lactone solvent (penta-4-lactone): 60 parts by weight
これにより、マイクロリアクター本体(外形寸法25mm×25mm×約2.1mm)を作製した。
次に、上記のマイクロリアクター本体の原料導入口とガス排出口に、それぞれ原料供給管とガス排出管を接続し、この原料供給管とガス排出管を上記の貫通孔に挿入するようにして、マイクロリアクター本体を開口筐体内に配設した。そして、原料供給管とガス排出管が貫通している貫通孔をろう付けにより封止した。
As a result, a microreactor body (
Next, the raw material supply pipe and the gas discharge pipe are connected to the raw material introduction port and the gas discharge port of the microreactor main body, respectively, and the raw material supply pipe and the gas discharge pipe are inserted into the through holes, The microreactor body was placed in an open housing. And the through-hole which the raw material supply pipe and the gas exhaust pipe penetrated was sealed by brazing.
[接合工程]
上記のリードピン保持肉厚部材を2個、それぞれリードピンが開口筐体の2個の貫通孔に挿入されるようにして外側壁面に拡散接合によって接合した。次いで、開口筐体内部に位置する2本のリードピンと発熱体の電極とを金線によって接続した。
[Jointing process]
Two of the above lead pin holding thick members were joined to the outer wall surface by diffusion bonding so that the lead pins were inserted into the two through holes of the open housing. Next, the two lead pins located inside the open housing and the electrode of the heating element were connected by a gold wire.
[真空筐体作製工程]
上記の蓋材を開口筐体の開口部に拡散接合して閉塞し真空筐体とした。拡散接合の条件は上記の拡散接合と同様とした。この状態で、筐体の内壁とマイクロリアクター本体とは幅1〜5mmの空間を介して非接触状態であった。
次いで、吸引口から吸引して真空筐体の内部を10-2Paの真空度とし、その後、吸引口を溶接で密封して真空密閉キャビティを形成した。
これにより、本発明のマイクロリアクターを得ることができた。
[Vacuum enclosure manufacturing process]
The lid material was diffusion bonded to the opening of the open housing and closed to form a vacuum housing. The conditions for diffusion bonding were the same as those for the diffusion bonding described above. In this state, the inner wall of the housing and the microreactor main body were not in contact with each other through a space having a width of 1 to 5 mm.
Next, suction was performed from the suction port so that the inside of the vacuum casing had a degree of vacuum of 10 −2 Pa, and then the suction port was sealed by welding to form a vacuum sealed cavity.
Thereby, the microreactor of the present invention could be obtained.
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造等、担持した触媒によって所望の反応を進行させる用途に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for applications in which a desired reaction is advanced by a supported catalyst, such as hydrogen production including reactions such as methanol reforming and carbon monoxide oxidation removal.
1…マイクロリアクター
2…真空筐体
2A…開口筐体
3…真空密閉キャビティ
4,4A,4B,4C,4D…マイクロリアクター本体
5A…原料供給管
5B…ガス排出管
7…発熱体
11,11′…肉厚部
12,16…貫通孔
13…ガラス部材
14…リードピン
17…リードピン保持肉厚部材
18…肉厚小片
22,42,52,72…接合体
23,33…トンネル状流路
25,27,35…微細溝部
28,38,50,61,80…触媒担持層
29a,49a,60a,79a…原料導入口
29b,49b,60b,79b…ガス排出口
C…触媒
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は前記真空筐体を貫通する原料供給管により前記真空筐体の外部と接続され、該ガス排出口は前記真空筐体を貫通するガス排出管により前記真空筐体の外部と接続され、
前記発熱体は、前記真空筐体を貫通するリードピンを介して外部電源と接続可能であり、
前記真空筐体は、厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなり、前記リードピン、原料供給管、ガス排出管が貫通している複数の貫通孔を有し、該貫通孔のうち、前記リードピンが貫通している貫通孔はガラス部材で封止されているとともに、リードピンの長さ方向に沿った前記ガラス部材の長さが0.5〜1.4mmの範囲となるように、前記真空筐体の前記貫通孔の周辺部位が肉厚部となっており、前記原料供給管、ガス排出管が貫通している前記貫通孔は溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止されていることを特徴とするマイクロリアクター。 In a microreactor comprising a vacuum casing, a microreactor body disposed in a vacuum sealed cavity in the vacuum casing, and a heating element located on at least one surface of the microreactor body,
The microreactor body has a raw material inlet and a gas outlet, the raw material inlet is connected to the outside of the vacuum casing by a raw material supply pipe penetrating the vacuum casing, and the gas outlet is connected to the vacuum casing. Connected to the outside of the vacuum housing by a gas exhaust pipe penetrating the body,
The heating element can be connected to an external power source through a lead pin that penetrates the vacuum casing,
The vacuum casing is made of stainless steel having a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm, and has a plurality of through holes through which the lead pin, the raw material supply pipe, and the gas discharge pipe pass. The through hole through which the lead pin passes is sealed with a glass member, and the length of the glass member along the length direction of the lead pin is in the range of 0.5 to 1.4 mm. Further, the peripheral portion of the through hole of the vacuum casing is a thick portion, and the through hole through which the raw material supply pipe and the gas discharge pipe pass is welded, brazed, or sealed with a resin member A microreactor characterized by being made.
厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼を用いて、1つの開口面を有する開口筐体を作製する筐体作製工程と、
該開口筐体の所望の壁面に原料供給管、ガス排出管およびリードピンを貫通するための複数の貫通孔を形成する穿設工程と、
厚みが0.5〜1.4mmの範囲であるステンレス鋼からなる複数の肉厚小片にリードピン用の貫通孔を穿設し、該貫通孔にリードピンを貫通させてガラス部材で封止することにより、リードピン保持肉厚部材を作製する肉厚部材作製工程と、
原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口およびガス排出口に原料供給管、ガス排出管が接続され、かつ、少なくとも1つの面に位置する発熱体を備えるマイクロリアクター本体を、前記原料供給管とガス排出管が前記貫通孔に挿入されるようにして前記開口筐体内に載置し、前記貫通孔を溶接、ろう付け、あるいは樹脂部材により封止する載置工程と、
前記リードピンを前記開口筐体の対応する前記貫通孔に挿入するようにして、前記開口筐体の外側壁面に前記リードピン保持肉厚部材を接合するとともに、前記リードピンと前記発熱体の電極とを電気的に接続する接合工程と、
厚みが0.1〜0.5mmの範囲であるステンレス鋼からなる蓋材を、前記開口面を閉塞するように前記開口筐体に接合して、内部が真空密閉キャビティを構成する真空筐体を作製する真空筐体作製工程と、を備えることを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。 In a method of manufacturing a microreactor comprising a vacuum casing, a microreactor body disposed in a vacuum sealed cavity in the vacuum casing, and a heating element located on at least one surface of the microreactor body,
Using a stainless steel having a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm, a housing manufacturing process for manufacturing an open housing having one opening surface,
A drilling step of forming a plurality of through holes for penetrating the raw material supply pipe, the gas discharge pipe and the lead pin on a desired wall surface of the open housing;
By punching through holes for lead pins in a plurality of small pieces made of stainless steel having a thickness in the range of 0.5 to 1.4 mm, and penetrating the lead pins into the through holes and sealing with glass members , A thick member production process for producing a lead pin holding thick member;
A microreactor body having a raw material inlet and a gas outlet, a raw material supply pipe and a gas outlet connected to the raw material inlet and the gas outlet, and a heating element located on at least one surface, A raw material supply pipe and a gas discharge pipe are placed in the opening housing so as to be inserted into the through hole, and the through hole is welded, brazed, or sealed with a resin member,
The lead pin holding thick member is joined to the outer wall surface of the opening housing so that the lead pin is inserted into the corresponding through hole of the opening housing, and the lead pin and the electrode of the heating element are electrically connected. A joining process to connect to each other,
A lid made of stainless steel having a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm is joined to the open housing so as to close the open surface, and a vacuum housing whose inside constitutes a vacuum sealed cavity A manufacturing method of a microreactor comprising: a vacuum casing manufacturing step to be manufactured.
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