JP2013514878A - 材料が低減され且つ容積生産性が増長された構造を有するマイクロチャンネルテクノロジー - Google Patents
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Abstract
Description
本発明によれば、従来の相当マイクロチャンネル装置と比較して必要材料の少ないマイクロチャンネル装置でプロセスを実行するマイクロチャンネル装置及び方法が提供される。本発明によれば、容積生産性の高い、即ち、装置容積(チャンネル容積+装置構成材料の容積を含む)当たりの製造量の大きい装置及び方法も提供される。
更には、本発明の装置は以下の特徴、即ち、マイクロチャンネル壁のセンター部が2つの主表面において共に窪み付けされ、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の20%(即ち、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の±10%)における全ポイント位置の厚さがマイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置におけるそれ以上であり、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルを分離するマイクロチャンネル壁の、当該マイクロチャンネル壁のセンター部がマイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分では、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルが、少なくとも2cmの長さに渡る一定断面部(例えば、当該部分に表面特徴部又は毛管性表面特徴部の無い)を有する前記特徴の1つ以上を有する。断面とは、動作中の装置における流れ方向であるところの長さと直交方向において測定したものである。上述した特徴の1つ以上を、第1及び第2の各マイクロチャンネルを異なる圧力で加圧する場合の、マイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力がマイクロチャンネル壁のエッジ部位置の最大曲げ応力の50〜100%の間である特徴と組み合わせることが好ましい。層は、代表的には(必ずしもそうでなくて良いが)、接合型装置におけるシートであり、当該装置が拡散接合型装置である場合は各シート間の境界は恐らく容易には判別できない。
好ましい実施例では、各第1マイクロチャンネルが各第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部(側部とは、水平方向における各エッジ部位値の側部のみに対して参照される)の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する。これは、第1及び第2の各マイクロチャンネルが等幅であること及び各エッジ部が精密に整列することを必要付けるものではない。
ある好ましい実施例では第2マイクロチャンネルの高さは不連続的に変化するが、これは例えば、幅の異なる整列長穴(第2マイクロチャンネル用の)を有するプレートを積層することで達成され得る。ある好ましい実施例では、各第2マイクロチャンネルの高さは中央部(幅方向での)が、マイクロチャンネルの他の部分より高い。ある実施例では、各第2マイクロチャンネルはそのセンター部位置が各エッジ部位置より高いが、当該センター部位置(幅方向で測定しての)はマイクロチャンネル(例えば、W字型のチャンネル)のその他ポイント位置より低い。好ましいW字型チャンネルは、センター部位置の方がチャンネルエッジ部位置より少なくとも5%以上(ある実施例では少なくとも10%以上)高く、センター部の各側位置の方がチャンネルのセンター部位置より少なくとも10%以上(好ましくは少なくとも25%以上)高い。ある実施例では第1及び第2の各マイクロチャンネル内には触媒又は吸着剤が存在する。ある実施例ではマイクロチャンネルの幅はその高さの少なくとも3倍であり、ある実施例ではマイクロチャンネルの長さは少なくとも5cmである。
ある好ましい実施例では、各第2マイクロチャンネルの断面は少なくとも4つの直角部を含み、ある実施例では各コーナー部に少なくとも6〜1つの、また金属厚の薄い部分に2つの各直角部を含む。本発明の他の様相における如く、直角の判定に際しては製造上の欠陥は無視され、かくして若干の偏差は無視される。
本発明には、隣り合う各チャンネル内に差圧を有する装置における単位操作の実施方法が含まれる。これら各方法ではここで説明する任意の装置を用い得る。本発明には、ここで説明する任意の装置に加え、マイクロチャンネル内の1つ以上の流体を含むシステムも含まれる。
本発明の利益には、マイクロチャンネル装置に関する必要材料の減少、装置容積当たりの容積増大、装置容積当たりの熱及びまたは物質移送量の増大、そして容積生産性の向上、が含まれる。
マニホルディングに関する構造における表面特徴部は2003年10月27日付提出の米国発行特許出願第20050087767号及び2006年4月11日付提出の米国特許出願番号第11/400,056号に定義される如くである。表面特徴部、構造壁、一般的な装置構成は米国発行特許出願第20070256736号及び20070017633号に記載され得る。これら構造の詳細については前記各公報を参照されたい。本明細書で述べる各定義が上記参照公報のそれと矛盾する場合は本明細書の定義が適用される。
“含む”とは、“含まれ”ることを意味し、また何れの用語も、追加のまたは複数のコンポーネントの存在を除外するものではない。例えば、装置が積層体、シート等を含むとは、本発明の装置が多数の積層体、シート等を含むものと理解すべきである。他の実施例では“含む”は“から成る”または“から構成される”と言い換え得る。
材料の曲げ応力Sbは、当業者に既知の式から算出し得る。図1に示す矩形形状では曲げ応力は、「例」の記載セクションで説明及び例証される以下の式、即ち、
Sb=W/12(6Lx−L2−6x2)(6/t2)=W/2(6Lx−L2−6x2)(1/t2)
により算出し得る。複雑な幾何形状の場合は有限要素解析を含むその他計算法が適用され得る。本発明では曲げ応力をマイクロチャンネル壁に沿った各ポイント位置に関して算出する。
“ヘッダ”とは、流体を連結チャンネルに送達させるよう配置したマニホルドである。
“高さ”とは、長さ及び幅に直交する方向を言う。積層型装置では高さは積層方向である。長さ及び幅は各層の平面におけるものである。本発明の目的上、マイクロチャンネル高さは構造材が占有しない部分での高さ方向距離を言う。
“積層型装置”とは、装置内を通過して流動するプロセス流れに関する少なくとも1つの単位操作を実施し得る複数の積層体から作製したものを言う。
“長さ”とは、流れ方向でのチャンネルの(またはマニホルドの)軸方向距離を言う。
層流:Re<2000〜2200
遷移流:2000〜2200<Re<4000〜5000
乱流:Re>4000〜5000
“構造壁”とは、複数層からなり、各層がオーバーラップ孔を有する壁に対して参照される。各層のオーバーラップ孔は少なくとも0.01μm2、好ましくは0.01〜100,000μm2、より好ましくは5〜10,000μm2の開放面積を含み、構造壁については各層は、少なくとも10、より好ましくは少なくとも1000ののそれら孔を有すべきであるが、それら各層間に10未満の非常に大きい孔を有する中介層を含み得る。各孔は、滞留時間を大きく分散させること無く混合を支援すべきである。構造壁はバルク流路の側部側に位置付けられる。構造壁の例はTonkovich他の米国発行特許出願第2007/0256736号及び20060120213号に例示される。
“単位操作”とは、科学反応、気化、圧縮、化学分離、蒸溜、凝縮、混合、加熱、冷却、を意味する。“単位操作”は、当該単位操作と共にしばしば生じる単なる流体移送を意味しない。ある好ましい実施例では単位操作は単なる混合ではない。
チャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く算出する。
M=W/12(6Lx−L2−6x2)
ここで、Mは曲げモーメント(N−m)、Wは単位長さ当たりの力(N/m)、Lはチャンネルの全幅(m)、xは被支持エッジ部からの距離(m)である。
図2に示す如く、矩形断面を有するチャンネル床に行使される負荷に対する曲げモーメントは負荷支持壁の被支持エッジ部位置で最大となり、当該エッジ部から内方にかけてゼロへと減少し、センター部位置では50%である。チャンネル幅横断方向での当該曲げ応力変化によれば、マイクロチャンネル壁の支持材をマイクロチャンネルのエッジ部位置で最大化させ、センター部では合致する負荷条件に従い低下させ得ることが示唆される。エッジ部から全幅方向距離の約10%離れた位置の必要厚はエッジ部位置のそれと比較して僅か50%である。チャンネル幅の10〜90%の間のスパン長におけるチャンネル高さはチャンネルエッジ部位置のそれより高くされ得る。これにより追加されるチャンネルのセンター部の容積を、化学プロセス実施のために入手可能な反応容積を増大させるべく使用し得、更には、表面特徴部(有益にはその深さがエッジ部位値の壁厚の50%あるいはそれ未満である)を配置して熱及び物質遷移を増長させるためにも使用し得る。チャンネルの、エッジ部分ではなくセンター部(一方のチャンネルエッジ部の幅横断方向の9%及び他方のエッジ部の幅横断方向の9%)の操作容積を選択的に増大させることで、装置の全金属体容積比が、熱及び物質遷移を向上させつつ、一定厚の負荷支持壁(エッジ部位値の必要厚が同じ厚さの)を用いる設計のものと比較して著しく低減される。
本発明はマイクロチャンネル装置における表面特徴部の設計最適化のために使用し得る。“表面特徴部”は、マイクロチャンネル内の流れを改変させるところの、マイクロチャンネル壁の凹凸の各部分である。表面特徴部は深さ、幅と、非円形の表面特徴部の長さとを有する。何れにせよ、表面特徴部はマイクロチャンネル高さの決定上は無視されるが、これは各表面特徴部が壁強度に寄与しないと考えられるためである。かくして、チャンネル高さの測定目的上は表面特徴部は表面上の突出部と見なし得、チャンネル高さ又は壁厚には含めない。表面特徴部は(斜め上方から見て)、円、長円、四角、矩形(代表的には流れに直角を成す)、格子、山形、ジグザグ状その他の、バルク流れチャンネルに突出する各形状を含み得る。各表面特徴部は表面積を増大させると共に、分散ではなくむしろ対流を介してマイクロチャンネル壁に向かう対流性流れを創出する。流れパターンは渦流、回転流、乱流及びその他の規則的、不規則的なあるいはカオス的パターンを有し得るが、流れパターンがカオス的パターンである必要はなく、あるケースでは極めて規則的に見える場合がある。流れパターンの時間変化は安定であるが、二次的な過渡的回転を受ける場合もあり得る。表面特徴部は、表面を通過する正味流れ方向に非平行及び非直交の鈍角を成すことが好ましい。表面特徴部は、流れ方向に直交、即ち90°の角度を成し得るが、ある角度を成すことが好ましい。有効な表面特徴部は、少なくとも1つの軸方向位置のマイクロチャンネルの幅に沿った1つ以上の角度により画定されることが更に好ましい。表面特徴部の2つ以上の側部は物理的に連結又は断続され得る。マイクロチャンネルの幅方向に沿った1つ以上の角度付け部分が、直線的な層流ライン外に流体を優先的に押し出し及び引き込ませる。表面特徴部の好ましい深さは2mm未満であり、より好ましくは1mm未満であり、ある実施例では0.01〜0.5mmである。表面特徴部の好ましい横幅範囲は、マイクロチャンネル幅(ヘリンボン設計に於いて示す如き)をほぼ差し渡すに十分なものであるが、ある実施例(充填型表面特徴部の如く)では60%あるいはそれ未満、ある実施例では40%あるいはそれ未満、ある実施例ではマイクロチャンネル幅の約10%〜約50%である。好ましい実施例では、表面特徴部の少なくとも1つの角度が、マイクロチャンネル幅に関して10°、好ましくは30°あるいはそれ以上の角度を成すよう配向される(90°は長さ方向と平行であり、0°は幅方向に平行である)。横方向幅はマイクロチャンネル幅と同一方向で測定する。表面特徴部の横方向幅は好ましくは0.05mm〜100cm、ある実施例では0.5mm〜5cm、ある実施例では1〜2cmである。ある好ましい実施例では表面特徴部は直列する少なくとも3つの同一の表面特徴部を含む。表面特徴部の幾つかの例はTonkovich他の米国発行特許出願第2007/0017633に詳しく記載される。
負荷支持壁に埋設した表面特徴部の深さ範囲は、浅い(5〜50ミクロン)、中間(50〜250ミクロン)、あるいは深い(250ミクロン以上)のものであり得る。表面特徴部は単一深さを有し得、あるいはマイクロチャンネルの幅及びまたは長さ方向に沿って可変深さ(多数の明瞭な深さ又は徐々に変化する深さ)を有し得る。表面特徴部は、チャンネルコーナー部からオフセットさせる場合は、機械的強度又は一体性を損なうことなく負荷支持壁内に創出させ得る。50ミクロンまでの浅い表面特徴部の場合、チャンネル幅部分の側部から3%あるいはそれ以上オフセットさせると、壁厚0.5mmあるいはそれ以上の部分に任意の浅い表面特徴部を含ませ得る。同じ浅型の表面特徴部において、10%オフセットさせると0.25mmあるいはそれ以上の壁厚部分に任意の浅型の表面特徴部を含ませ得る。中間範囲の表面特徴部(平均深さが250ミクロンまでの)は、シムのセンター部内に、あるいは各コーナー部から凡そ10%オフセットさせた場合は最小厚0.5mmの壁内に収受され得る。
流れは各表面特徴部の内外を移動し、あるいは単に通過し、かくして分子が表面特徴部の窪みの内部あるいはその周囲に実質的に拡散される。流れは主チャンネル内で表面特徴部をその長手方向に貫いて、しかし平均流量に関して減少された流量下に移動し得る。表面特徴部は、触媒維持、マイクロチャンネル内における妨害流れの誘発、流れパターンの、層流から、レイノルズ数が従来からの2200未満(ある実施例では2000あるいはそれ未満)の遷移流への変更、吸収剤、蒸留構造、吸収構造、または相リジェクションまたは相コレクション構造、相変化構造、又はそれらの組み合わせ等の物質遷移剤の創出、のために用い得る。表面特徴部は、沸騰又は燃焼の開始又は安定化の支援に使用し得る。表面特徴部は、固体粒子又は生物学的薬剤の収集に使用し得る。
図5にはマイクロチャンネル装置の一部の断面が例示され、本発明のマイクロチャンネル82、84(チャンネルA)、86(チャンネルB)が図の左側に示されている。マイクロチャンネル対はマイクロチャンネル82及び84または84及び86の何れかの対で例示され得る。当該設計では垂直の支持梁(垂直線83で示す)と、水平な支持梁(水平線85で示す)とが含まれる。ある好ましい実施例では垂直及びまたは水平の各支持梁は装置全体を横断する。
本発明の装置は以下に説明する任意の表面特徴部を有し得る。マイクロチャンネルリアクターは、1cmあるいはそれ未満、好ましくは2mmあるいはそれ未満(ある実施例では約1.0mmあるいはそれ未満)であり且つ1μm以上、及びある実施例では50〜500μmであるところの少なくとも1つのディメンション(壁から壁までの、触媒を含めない)を有する少なくとも1つの反応チャンネルを有することで特徴付けられる。触媒反応チャンネルは、異種または同種であり得る触媒を含有するチャンネルを言う。同種触媒は反応物質と並流し得る。マイクロチャンネル装置は、触媒を保持する反応チャンネルが不要である点を除き、同様に特徴付けられる。マイクロチャンネルの間隙(または高さ)は約2mmあるいはそれ未満であることが好ましく、1mmあるいはそれ未満であることがより好ましい。反応チャンネルの長さは代表的にはもっと長く、好ましくは1cm以上、ある実施例では50cm以上、好ましい実施例では20cm以上、ある実施例では1〜100cmの範囲内のものである。マイクロチャンネルの各側部は反応チャンネル壁により画定される。各反応チャンネル壁はセラミック、鉄ベースの合金、例えばスチール、あるいはニッケル、炭素または鉄ベースの、モネル等のスーパアロイ等の硬質材料製であることが好ましい。反応チャンネル壁はプラスチック、ガラスあるいはその他の、銅、アルミニュームその他等の金属製としても良い。反応チャンネル壁は2つ以上の材料を熱接触させた複合材料製ともし得る。反応チャンネル壁用の材料は、リアクターの意図する反応に依存して選択され得る。ある実施例では反応チャンネル壁は、丈夫でしかも熱伝達性に優れるステンレススチールまたはインコネル(商標名)を含む。合金材は低硫黄性であり得、ある実施例では、当該合金材上にアルミニドコーティング等でコーティングを形成するに先立ち、脱硫処理を受ける。反応チャンネル壁は代表的には、マイクロチャンネル装置に対する一次構造支持を提供する材料から形成される。マイクロチャンネル装置は既知の方法により作製し得、ある実施例では、積層状にインターリーブしたプレート(“シム”としても知られる)により作製され、反応チャンネル用に設計したシムを熱交換用に設計したシムとインターリーブさせることが好ましい。あるマイクロチャンネル装置では、その内部に少なくとも10層が積層され、各層は少なくとも10のチャンネルを含み、あるマイクロチャンネル装置はチャンネル数がもっと少ないその他の層を含み得る。
熱交換流体が、プロセスチャンネル(反応マイクロチャンネル等の)に隣り合う熱移行マイクロチャンネルを通して流動し得、前記熱交換流体はガスまたは液体であり得、また蒸気、オイル、あるいは任意の既知の熱交換流体を含み得、本システムは熱交換機内に相変化を有するよう最適化され得る。ある好ましい実施例では多数の熱交換層が多数の反応マイクロチャンネルにインターリーブされ、少なくとも10の反応マイクロチャンネルとインターリーブされ、また好ましくは、10層の熱交換マイクロチャンネル列が少なくとも10層の反応マイクロチャンネルにインターリーブされる。他の好ましい実施例では、反応マイクロチャンネルまたはその層に対する熱交換マイクロチャンネルまたはその層の比は、範囲0.1〜1において、また1〜10の範囲において変動し得る。各層は単純直線的なマイクロチャンネルを収納し得、あるいは1つの層内の各マイクロチャンネルがより複雑なジオメトリを有し得る。好ましい実施例では単数あるいは複数の熱交換マイクロチャンネルの1つ以上の内壁が表面特徴部を有する。
ある実施例では各連結マイクロチャンネルの幅はその長さ方向に沿って実質的に一定であり、連結マイクロチャンネルセットの各マイクロチャンネルが実質的に一定幅を有し、ここで”実質的に一定”とは、流れが幅部分の変化によっては本来影響されないことを意味するものとする。これらの例ではマイクロチャンネルの幅は実質的に一定に維持される。“一定”とは、各製造ステップの許容差範囲内のものとして定義される。
あるマイクロチャンネルまたは連結するマイクロチャンネルセットを通しての圧力降下は好ましくは5000psi(350bal)、より好ましくは500psi(35bal)未満であり、ある実施例では0.1〜200psi(0.007〜14bal)である。
図6には、円滑壁に比較しての、表面特徴部及び圧力降下による熱移行係数の向上が要約される。当該データは米国特許出願番号2007/0017633号の図13に示される装置を使用した試験により得られたものである。
3つのマイクロチャンネル熱交換機コアデザインが設計され、本発明の利益を評価するべく比較された。
ケース1:円滑なチャンネル壁を有するマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース2:表面特徴部を有するが本発明の負荷支持壁を用いないマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース3:負荷支持壁を利用する表面特徴部を備えるマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
熱交換機コアがプロセス流体を〜75℃から40℃に冷却した。使用したプロセス流体の物理特性は以下の如くであった。
プロセス流体の比熱:4200J/kg/K
プロセス流体の密度:1000kg/m3
プロセス流体の粘度:0.001kg/m−s
プロセス流体は75℃の温度下に毎分少なくとも5リッター流動した。5℃の水を冷却剤として使用した。操作圧は周囲圧(〜14.7psig)であった。
図9には、上述した各ケースについての、断面において反復する単位ディメンションが示される。全ケースについて、反復するユニット数は40であった。負荷支持壁の最大厚は0.050インチ(0.127cm)であり、表面特徴部の深さは0.01インチ(0.025cm)であった。熱交換機の材料はステンレススチールSS304Lであった。
一体型メタン蒸気改質(SMR)リアクターに金属減少概念を使用する場合を想定する。このケースでは低圧燃焼側が高圧蒸気改質反応に直結される。これら2つのゾーン間の境界壁は装置の構造強度を提供する厚い壁である。金属減少概念を提供することにより、当該壁厚を薄くし得るために装置製造における使用金属量を低減させ得、かくしてコストが低下する。また、薄い壁により燃焼及び改質の各セクション間の熱移行が増長されるため、リアクターボックスからの生産性を高め得る。
反応物チャンネルの入り縁流量は9.8334×10-4kg/sであった。入り口流れの成分は、(10.9モル%CO2、21.8モル%CH4、58.8モル%H2O、3.8モル%H2、0.5モル%CO及び残余分としてのN2)であった。反応物流れは650℃の温度下に流入し、改質器は〜290psi(2MPa)の圧力下に作動した。改質用触媒(Rh−Mg−Al2O3)が反応物チャンネル全体の壁と、Uターン部と、生成物チャンネルの最初の21.6cm(8.5インチ)部分を除く全てに被着された。反応物及び生成物の各チャンネルは1つまたは多数の触媒保持性の特徴部を有し得る。メタン流れ改質(CH4+H2O→3H2+CO)及び水ガスシフト(CO+H2O←→H2+CO2)の各反応が改質器内で生じた。
燃焼サイドを模擬するべく付与した温度プロファイルを以下に要約する。実際は、当該温度プロファイルはH2、CO及びCH4の燃焼をコントロールすることにより達成し得る。
数値流体力学(CFD)によるシミュレーションを、FLUENT(商標名)ソフトウェアを使用して実行した結果を以下に要約するに、リアクター構造(本発明に従う)における金属容積減少により創出される追加反応容積が性能向上を導くことが示される。
適宜の式あるいは有限要素分析等のコンピューターツールを用いて、斯界に既知の曲げ応力計算を実行し得る。図10に示す設計に対してはチャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く計算する。
M=W/12(6Lx−L2−6x2)
ここで、Mは曲げモーメント(N/m)、Wは単位長さ当たりの力(N/m)、Lはチャンネルの全幅(m)、xは被支持エッジ部からの距離(m)である。
厚さt、及び単位長さ(長さ=1.0m:チャンネルの矩形断面と直交する方向)の矩形壁の場合、
Sbは曲げ応力、Pa=Mc/I、Mは曲げモーメント(N−m)、cは壁の中心から壁の最も外側のファイバーまでの距離であって、矩形壁ではc=t/2(m)、Iは矩形壁の慣性モーメント、m4=(1.0)t3/12、t=壁厚(m)として、
Sb=W/12(6Lx−L2−6x2)(6/t2)=W/2(6Lx−L2−6x2)(1/t2)
である。
これらディメンションは図12に例示される。
x=0〜L(m)までのチャンネル幅方向の距離
直線的な矩形壁例の壁厚、t=0.0005m
ステップ状の矩形壁例の壁厚、x=0〜x=x1及びx=x2〜x=L、t1=0.005m
ステップ状の矩形壁例の壁厚、x=x1〜x=x2、t2=0.000381m
x1=0.00125m
x1=0.00375m
差圧負荷は壁上において一様であり、P=2,500,000Pa
単位深さを有し、一様の圧力P、Paを負荷した矩形梁の場合、
W=P(1.0m)=P
Sb=P/2(6Lx−L2−6x2)(1/t2)
直線状及びステップ状の両壁の最大応力値は、x=0及びx=Lの場合の125,000,000Paである。
x1〜x2での応力はx=L/2で最高となり、直線状の壁の場合のSb=62,500,000Paであり、
x1〜x2での応力はx=L/2で最高となり、ステップ状の壁の場合のSb=107,639,104Paであり、
これは本発明の使用を反映するものである。
ステップ状の壁におけるx=L/2の応力の方が大きいが、当該値は尚、x=0及びx=Lの場合の最大値125,000,000Paより低い。図13を参照されたい。
44 エッジ部
48 支持梁
54 エッジ部
58 幅部分
62 センター部
70 表面特徴部
74 マイクロチャンネル
82 マイクロチャンネル
83 垂直線
85 水平線
Claims (20)
- 積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第1マイクロチャンネルを含む第1層、
複数の第2マイクロチャンネルを含む第2層、
を含み、
第1層が第2層に隣り合い、
複数の第1マイクロチャンネルが複数の第2マイクロチャンネルに平行状態で隣り合い、
第1マイクロチャンネルの少なくとも1つが第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上で当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
第1及び第2の各マイクロチャンネルが同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルがその幅方向に沿った各端部位置に1つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
前記マイクロチャンネル対の第1及び第2の各マイクロチャンネルがマイクロチャンネル壁により分離され、
該マイクロチャンネル壁が第2マイクロチャンネルと同延であり、かくして前記各マイクロチャンネル対の当該マイクロチャンネル壁の幅が第2マイクロチャンネルと同一幅を有するものとして画定され、
前記マイクロチャンネル壁のセンター部分の平均厚が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部のそれ未満であり、
マイクロチャンネル装置が以下の特徴、即ち、
各第2マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第2マイクロチャンネルのセンター部(チャンネル幅の中央80%)のポイント位置の高さより少なくとも20%低く、各第2マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第1導関数(幅の関数として表す)が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも1回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第2導関数も非一定であり、第2マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、またはマイクロチャンネル壁のセンター部がその両主表面上で窪み付けされ、またはマイクロチャンネル壁の幅部分の中央20%の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上であり、または、マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも2cmの長さにおける断面が一定である各特徴の1つ以上を含む積層型マイクロチャンネル装置。 - 前記第1及び第2の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力は当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の50〜90%の間であり、装置が以下の構成、即ち、
マイクロチャンネル壁のセンター部が両主表面上で窪み付けされた構成、
マイクロチャンネル壁の幅部分の中央20%の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上である構成、または、
マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも2cmの長さにおける断面が一定である構成、
の1つ以上を有する請求項1に記載の積層型マイクロチャンネル装置。 - 各第1マイクロチャンネルが各第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、少なくとも一方の側面側の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項1及び2の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 第1及び第2の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の60〜90%の間である請求項1〜3の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 各第2マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第2マイクロチャンネルのセンター部(チャンネル幅の中央80%)のポイント位置の高さより少なくとも20%低く、
各第2マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第1導関数(幅の関数として表す)が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも1回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第2導関数も非一定であり、
第2マイクロチャンネルが表面特徴部及び毛管性特徴部も含まない請求項1〜4の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。 - 各第2マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第2マイクロチャンネルのセンター部(チャンネル幅の中央80%)のポイント位置の高さより少なくとも20%低く、
各第2マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第1導関数(幅の関数として表す)が、各第2マイクロ幅のチャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも1回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第2導関数も非一定であり、
各第2マイクロチャンネル(高くなる順に並べた)の高さの確率分布関数(所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数)が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも2つの異なるモードを含む多モード分布(即ち、チャンネル内に少なくとも2つの特異高さを含む)を有する請求項1〜4の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。 - 第2マイクロチャンネルの高さが不連続的に変化する請求項1〜5の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 第1流体が第1圧力下に第1マイクロチャンネル内に存在し、第2流体が第2圧力下に第2マイクロチャンネル内に存在し、前記第1圧力及び第2圧力が異なる請求項1〜7の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 請求項1〜8の何れかに記載の装置における差圧プロセスの操作方法であって、
複数の第1マイクロチャンネル内に第1流体を第1圧力下に流動させること、
複数の第2マイクロチャンネル内に第2流体を第2圧力下に流動させること、
を含み、
前記第1及び第2の各圧力が相違し、前記複数の第2の各マイクロチャンネルを通過する際に何れかの流体について単位操作を実施する方法。 - 積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第1マイクロチャンネルを含む第1層、
複数の第2マイクロチャンネルを含む第2層、
を含み、
前記第1層が第2層に隣り合い、
前記複数の第1マイクロチャンネルが複数の第2マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第1マイクロチャンネルの少なくとも1つが第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、(当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で)構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第1及び第2の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に1つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第2マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第2マイクロチャンネルのセンター部(チャンネル幅の中央80%)のポイント位置の高さより少なくとも20%低く、
各第2マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第1導関数(幅の関数として表す)は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも1回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第2導関数も一定ではなく、
第2マイクロチャンネルは表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない積層型マイクロチャンネル装置。 - 各第2マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第2マイクロチャンネルのチャンネル幅の中央50%のポイント位置の高さより少なくとも20%低い請求項10に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 各第1マイクロチャンネルが各第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項10及び11の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 各第2マイクロチャンネル(高くなる順に並べた)の高さの確率分布関数(所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数)が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも2つの異なるモードを含む多モード分布(即ち、チャンネル内に少なくとも2つの特異高さを含む)を有する請求項10〜12の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 確率分布関数上の任意のある高さモードの寄与率が、該当チャンネル内の全高さモードの95%を超えない請求項10〜13の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 第1及び第2の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の60〜90%の間である請求項10〜14の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第1マイクロチャンネルを含む第1層、
複数の第2マイクロチャンネルを含む第2層、
を含み、
前記第1層が第2層に隣り合い、
前記複数の第1マイクロチャンネルが複数の第2マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第1マイクロチャンネルの少なくとも1つが第2マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、(当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で)構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第1及び第2の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に1つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第2マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第2マイクロチャンネルのセンター部(チャンネル幅の中央80%)のポイント位置の高さより少なくとも20%低く、
各第2マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第1導関数(幅の関数として表す)は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも1回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第2導関数も一定ではなく、
各第2マイクロチャンネル(高くなる順に並べた)の高さの確率分布関数(該当チャンネルの高さの相違の発生確率の関数)が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも3つの異なるモードを含む多モード分布(即ち、チャンネル内に少なくとも3つの特異高さを含む)を有する積層型マイクロチャンネル装置。 - 前記各第2マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない請求項16に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 前記各第2マイクロチャンネルが表面特徴部を含む請求項17に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 前記センター部が第2マイクロチャンネルの幅の25〜75%の間の範囲である請求項16〜18の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
- 請求項1、10、16の何れかに記載の構造を形成するよう積層したシートを含む前接着型構造。
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