(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体処理方法であって、
プロセスストリームをマニホルド内に送る工程を含み、
前記マニホルドは、少なくとも第１の流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２のＦＤＣに接続され、
各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
前記第１ＦＤＣは前記マニホルドを第１プロセスチャネルに接続し、
前記第２ＦＤＣは前記マニホルドを第２プロセスチャネルに接続し、
前記第１ＦＤＣを通って流れる前記プロセスストリームの部分は、だだ一つのプロセスチャネルのみと連通し、かついかなる他のＦＤＣとも連通せず、そのため、第１ＦＤＣに入るプロセスストリームの前記部分の全部が前記第１プロセスチャネル内へと流れ、
該方法は、
前記第１及び第２プロセスチャネルにおいて単位操作を実行する工程を含み、
前記第１プロセスチャネルにおける単位操作は、流体が前記第１プロセスチャネルを通過する際、該流体を部分沸騰させることを含む方法。
【請求項２】
各ＦＤＣは少なくとも三つのターンを備え、該三つのターン各々は少なくとも１３５度の角度を有する請求項１の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２ＦＤＣそれぞれは、複数の層を通る３次元に曲がりくねった通路を有する請求項１の方法。
【請求項４】
前記第１プロセスチャネルに入る前記プロセスストリームの０．５〜５０％が第１プロセスチャネル内で沸騰をこうむる請求項１の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２ＦＤＣは同じ長さを有する請求項１の方法。
【請求項６】
流れをマニホルドから複数のプロセスチャネルへと配送する方法であって、
プロセスストリームをマニホルド内に送る工程を含み、
前記マニホルドは、少なくとも第１の流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２のＦＤＣに接続され、
各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターン又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
前記第１ＦＤＣは前記マニホルドを第１プロセスチャネルに接続し、
前記第２ＦＤＣは前記マニホルドを第２プロセスチャネルに接続し、
前記第１ＦＤＣは前記第１プロセスチャネルと同じ平面上にあり、
前記第１ＦＤＣは、あらゆる地点で前記第１プロセスチャネルの断面積よりも小さい断面積を有する方法。
【請求項７】
前記第１ＦＤＣは、前記第１プロセスチャネル及び前記マニホルドと同じ平面上にある請求項６の方法。
【請求項８】
マイクロチャネルデバイスであって、
マニホルドを備え、
前記マニホルドは、少なくとも第１の流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２のＦＤＣに接続され、
各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
前記第１ＦＤＣは前記マニホルドを第１プロセスチャネルに接続し、
前記第２ＦＤＣは前記マニホルドを第２プロセスチャネルに接続し、
前記第１ＦＤＣは、複数の層を通る３次元に曲がりくねった通路を有し、
前記第１ＦＤＣは、だだ一つのプロセスチャネルのみと接続し、かついかなる他のＦＤＣとも接続せず、そのため、第１ＦＤＣに入るプロセスストリームの部分の全部が前記第１プロセスチャネル内へと流れるマイクロチャネルデバイス。
【請求項９】
マイクロチャネルデバイスであって、
マニホルドを備え、
前記マニホルドは、少なくとも第１の流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２のＦＤＣに接続され、
各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも八つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
前記第１ＦＤＣは前記マニホルドを第１プロセスチャネルに接続し、
前記第２ＦＤＣは前記マニホルドを第２プロセスチャネルに接続し、
前記第１ＦＤＣは前記第１プロセスチャネルと同じ平面上にあるマイクロチャネルデバイス。
【請求項１０】
複数の流体を組み合わせる方法であって、
第１流体をプロセスチャネルに通す工程と、
第２流体を流れ配送チャネル（ＦＤＣ）に通して前記プロセスチャネル内へと送る工程にして、該プロセスチャネル内で前記第１及び第２流体が組み合わされる該工程とを含み、
前記ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
前記第１及び第２流体は異なる方法。
【請求項１１】
前記プロセスチャネル内の前記プロセスストリームは、エマルジョン、分散、又は非ニュートン流体を含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記第１プロセスチャネルはオリフィスを備えるチャネル壁を有し、該第１プロセスチャネルは、第１相から成る第１流体と、第１流体中で不混和性の第２流体とを含み、第２流体は、前記オリフィスを通過して第１流体内に入ってエマルジョンを形成する請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記第１ＦＤＣ内の流れはニュートンの流れであり、前記第１プロセスチャネル内の流れは非ニュートンの流れである請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記プロセスチャネル内に入る前記第１流体の質量流量は、該プロセスチャネル内の第２流体の流量の５％以下である請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記ＦＤＣは、異なる角度を有する少なくとも二つのターンを備える請求項１０の方法。
【請求項１６】
前記プロセスチャネルは直線状であり、該プロセスチャネル内の流れは非ニュートンの流れである請求項１０の方法。
【請求項１７】
複数の流体を組み合わせるための装置であって、
プロセスチャネルと、
付加流体チャネルと、
前記流体チャネルを前記プロセスチャネルに接続する流れ配送チャネル（ＦＤＣ）とを備え、
前記ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える装置。
【請求項１８】
複数のＦＤＣを介して一つの付加流体チャネルに接続される複数のプロセスチャネルを備え、
各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える請求項１７の装置。
【請求項１９】
流体処理方法であって、
プロセスストリームをマニホルド内に送る工程を含み、
前記マニホルドは、少なくとも第１の流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２のＦＤＣに接続され、
前記第１ＦＤＣは、単一チャネルを有する第１部分と、一端部にて前記第１部分に、別の端部にて第１プロセスチャネルに接続される第２部分と、一端部にて前記第１部分に、別の端部にて第２プロセスチャネルに接続される第３部分とを備え、
前記第２ＦＤＣは、単一流路を有する第１チャネル部分と、一端部にて前記第１チャネル部分に、別の端部にて第３プロセスチャネルに接続される第２チャネル部分と、一端部にて前記第１チャネル部分に、別の端部にて第４プロセスチャネルに接続される第３チャネル部分とを備え、
前記各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、
該方法は、
前記第１、第２、第３及び第４プロセスチャネルにおいて単位操作を実行する工程を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利
本発明は、米国エネルギー省が授与した契約ＤＥ-ＦＥ３６-０４ＧＯ１４２７１下にて政府のサポートによりなされた。政府は、本発明にある権利を有する。
関連出願
３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．ｓｅｃｔ．１１９（ｅ）に従い、本出願は、２００６年４月２５日付け出願の仮特許出願シリアル第６０／７４５，６１４号に対する優先権を主張する。
発明の分野
本発明は、マイクロチャネルデバイス内の流れ制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのマイクロチャネルデバイスは、多数の平面の平行プロセスマイクロチャネルを含む。一つ又は複数のマニホルドからこれらの平行プロセスマイクロチャネル内への流れを制御することは、マイクロチャネルデバイスの機能を高める主要な課題であった。平行プロセスマイクロチャネル内の流れを制御する（典型的には流れを一様にする）技術の例は、米国公開特許出願第２００５／００８７７６７号及び第２００６／０２７５１８５号にFitzgerald（フィッツジェラルド）等より記述されている。これら両出願は、以下に完全に複写されるようにここに組み込まれる。これらの刊行物は、流れを制御するための非常に有益な技術を提供するが、より簡易なデバイス、又は、条件の範囲下でより大きい製造公差（許容誤差）もしくはより大きい操作性を持っての使用に適したデバイスが望まれ得る場合が依然としてある。
【０００３】
先行技術、例えば米国特許第６，８４５，７８７号は、マイクロチャネルを通じて流れを分割して再結合させる混合デバイスの多数の例を含む。
【特許文献１】米国公開特許出願第２００５／００８７７６７号
【特許文献２】米国公開特許出願第２００６／０２７５１８５号
【特許文献３】米国特許第６，８４５，７８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先行技術、例えば米国特許第６，８４５，７８７号等の特許は、平行プロセスチャネルのアレイ内へとマニホルドからの流れを制御するための適切な手段を提供しない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
マイクロチャネル反応器、分離器及び他の単位操作における流れ配送（分配）は、何十もしくは数百もしくは数千のチャネルに対して十分に均一な流れ配送を要求し得る。この十分に均一な流れ配送は、一般に、３０％未満、又は２０％未満、又はより好ましくは１０％未満、又は最も好ましくは５％未満、又は更に１％以下の品質指数によって特徴付けられ、該流れ配送を実現するため、流れ配送機能（流れ配送チャネル（ＦＤＣ）とも呼ばれる）が流れを配送するために使用される。いくつかの流れ配送機能において、圧力低下（圧力降下）の摩擦損失が主要原因であり得る（例えば、該機能を通じて損失の５０％以上、好ましくは７０％以上、更には９０％以上が摩擦喪失であり得る。）。本発明において、オリフィス及び多孔質プラグは流れ配送機能ではない。流れ配送チャネルは、単位操作が実行される接続マイクロチャネルの上流又は下流、好ましくは上流に導入される。流れ配送チャネルは、接続チャネルにおける（すなわち、接続チャネルの全長にわたる）圧力低下よりも大きい圧力低下を利用し、好ましくは、少なくとも２５％だけ又は５０％だけ大きく、より好ましくは２×又は４×又はより大きい分だけ大きい。単位操作が行われている接続チャネルにおける時間の不安定性及び／又は圧力低下の変動は、多くの平行マイクロチャネルに対する全流れ配送に影響を及ぼすことから軽減される。
【０００６】
本発明において、流れ配送機能を通じての圧力低下は、好ましくは、接続チャネルを通じてのものよりも大きい。対照的に、オリフィルを通る流れは、膨張及び収縮によって制御される（主に摩擦損失ではない）。本発明は、流れを制御する方法並びに装置（好ましくは、該装置は、各接続（すなわちプロセス）チャネルが、１ｃｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下の少なくとも一つの内部寸法を有するマイクロチャネル装置である）及び／又は装置の設計を含む。接続チャネルのセットは、共通ヘッダー及び／又はフッターに接続される、少なくとも２、好ましくは少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０の平行チャネルを含む。
【０００７】
一つの側面において、本発明は、流体処理の方法を提供し、該方法はプロセスストリームをマニホルド内へと送る工程を含む。（複数の）流れ配送チャネルＦＤＣはマニホルドとプロセスチャネルを接続する。マニホルドは、少なくとも第１流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２ＦＤＣに接続される。これらＦＤＣ各々は、少なくとも９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連のターンを備える。第１ＦＤＣチャネルはマニホルドを第１プロセスチャネルに接続する。第２ＦＤＣチャネルはマニホルドを第２プロセスチャネルに接続する。第１ＦＤＣを通過するプロセスストリーム部分は、ただ一つのプロセスチャネルのみと連通し、他のいかなるＦＤＣとも連通しない。そのため、第１ＦＤＣに入る前記プロセスストリーム部分のすべてが第１プロセスチャネル内へと流れる。単位操作（該操作は同じであっても異なっていてもよい）は、第１及び第２プロセスチャネル内で実行される。
【０００８】
更なる側面において、本発明はマイクロチャネルデバイスを提供し、該マイクロチャネルデバイスはマニホルドを備える。ここで、マニホルドは、少なくもと第１ＦＤＣ及び第２ＦＤＣに接続される。各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える。第１ＦＤＣチャネルはマニホルドを第１プロセスチャネルに接続する。第２ＦＤＣチャネルはマニホルドを第２プロセスチャネルに接続する。第１ＦＤＣは、ただ一つのプロセスチャネルのみと連通し、他のいかなるＦＤＣとも連通しない。そのため、第１ＦＤＣに入るプロセスストリーム部分のすべてが第１プロセスチャネル内へと流れる。
【０００９】
別の側面において、本発明は、マニホルドから複数のプロセスチャネル内へと流れを分配する方法を提供する。該方法は、プロセスストリームをマニホルド内へと送る工程を含む。マニホルドは、少なくとも第１ＦＤＣ及び第２ＦＤＣに接続される。各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える。第１ＦＤＣチャネルはマニホルドを第１プロセスチャネルに接続する。第２ＦＤＣチャネルはマニホルドを第２プロセスチャネルに接続する。この側面において、第１ＦＤＣチャネルは第１プロセスチャネルと同じ平面上にあり、第１ＦＤＣは、第１プロセスチャネルの断面積よりも全地点（全箇所）において小さい断面積を有する。「同じ平面上」とは、プロセスストリームがＦＤＣ及びプロセスチャネルの両方において同じ層内にとどまることを意味し、これは、該層外には流出せず、かつ該層内へと再流入しない。断面積はバルク流に垂直に測定される。好ましい実施形態において、第１ＦＤＣチャネルは、第１プロセスチャネル及びマニホルドと同じ平面上にある。
【００１０】
同様に、本発明はマイクロチャネルデバイスを提供し、該マイクロチャネルデバイスはマニホルドを備える。マニホルドは、少なくとも第１ＦＤＣ及び第２ＦＤＣに接続される。各ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える。第１ＦＤＣチャネルはマニホルドを第１プロセスチャネルに接続する。第２ＦＤＣチャネルはマニホルドを第２プロセスチャネルに接続する。第１ＦＤＣチャネルは第１プロセスチャネルと同じ平面上にある。「同じ平面上」とは、プロセスストリームが同じ層内にとどまることを意味し、これは、該層外には流出せず、かつ該層内へと再流入しない。本発明はまた、事前に接合された（又は後に接合された）組立体を含み、該組立体は、この形態（外形）を有する、複数シートの積み重ね（スタック）を含む。
【００１１】
更なる側面において、本発明は、（複数）流体を組み合わせる（合わせるもしくは一緒にする）方法を提供する。該方法は、第１流体をプロセスチャネルに通す工程と、第２流体をＦＤＣに通してプロセスチャネル内へと送る工程とを含み、該プロセスチャネルにおいて第１及び第２流体は組み合わされる。ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える。この側面において、第１及び第２流体は異なる。好ましい実施形態において、プロセスチャネル内への第１流体の質量流量は、プロセスチャネル内における第２流体の流量の５％以下（いくつかの実施形態において、１％以下又は０．１％以下）である。いくつかの好ましい実施形態において、平行プロセスチャネルのアレイ（配列）を備える層は、複数のＦＤＣによって一つ又は複数の付加流体チャネルに接続される。付加流体チャネルのアレイは平行層にあり得る。例えば、この方法を使用すると、エマルジョン（乳濁液）は、連続相を第１層におけるプロセスチャネルを通じて、分散相を第２層を通じて送ることによって形成され得る。いくつかの実施形態において、プロセスチャネルの数は、付加流体に対するチャネルの数よりも５ｘ（５倍）、１０ｘ、２０ｘ、１００ｘ大きい。
【００１２】
関連した側面において、本発明は、（複数）流体を組み合わせるための装置を提供し、該装置は、プロセスチャネルと、付加流体チャネルと、付加流体チャネルをプロセスチャネルに接続するＦＤＣとを備える。ＦＤＣは、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備える。
【００１３】
更なる側面において、本発明は流体処理の方法を提供し、該方法は、プロセスストリームをマニホルド内に送る工程を含む。マニホルドは、少なくとも第１流れ配送チャネル（ＦＤＣ）及び第２ＦＤＣに接続される。第１ＦＤＣは、単一のチャネルを有する第１部分と、一端部にて前記第１部分に接続され、かつ別の端部にて第１プロセスチャネルに接続される第２部分と、一端部にて前記第１部分に接続され、かつ別の端部にて第２プロセスチャネルに接続される第３部分とを含む。第２ＦＤＣは、単一の流路を有する第１チャネル部分と、一端部にて第１チャネル部分に接続され、別の端部にて第３プロセスチャネルに接続される第２チャネル部分と、一端部にて第１チャネル部分に接続され、別の端部にて第４プロセスチャネルに接続される第３チャネル部分とを含む。各ＦＤＣ部分は、９０度以下の少なくとも四つのターンを含むか又は９０度より大きい少なくとも二つのターンを含む一連の複数のターンを備え、第１、第２、第３及び第４プロセスチャネルにおいて単位操作を実行する。
【００１４】
ここに記述した方法及び装置のいずれかの好ましい実施形態において、ＦＤＣは、例えば角度が少なくとも１３５度のサーペンタイン形状を有する。別の好ましい実施形態において、プロセスストリームは、一つ又は複数のプロセスチャネルを通過する際、部分的に（不完全に）沸騰（部分沸騰）される。例えば、プロセスチャネル内で流体の０．５〜５０％が沸騰することができる。本発明の方法は、プロセスチャネル内のプロセスストリームがエマルジョン、分散又は非ニュートン流体から成る用途で特に有益である。例えば、上述した方法において、第１プロセスチャネルは、オリフィス付きのチャネル壁を有し得、第１相から成る第１流体が第１プロセスチャネルを通過し、第１流体中で不混和性の第２流体が前記オリフィスを通って第１流体中へと入り、エマルジョンを形成する。第２流体は、制御された流れのためのＦＤＣを通ってプロセスストリーム中へと入り得る。本発明の方法は、ＦＤＣを通る流れがニュートンの流れであり、プロセスチャネル（好ましくは直線状）における流れが非ニュートンの流れである用途に対して特に有益である。いくつかの実施形態において、マニホルドを複数の平行プロセスチャネルに接続する複数のＦＤＣは、ターンと同じ長さ及び／又は同じ数を有する。マニホルドは、ヘッダー又はフッターであり得る。いくつかの実施形態において、ＦＤＣは平面状であり得、例えば、シートにおけるエッチングパターン又はスタンピングパターン（サーペンタインパターン等）によって形成され得る。好ましくは、ＦＤＣにおける圧力低下は、プロセスチャネルを通じてのものよりも大きい。いくつかの好ましい実施形態において、ＦＤＣは、少なくとも４又は少なくとも８のターンを備える。いくつかの実施形態において、一つのＦＤＣは、マニホルドに対するただ一つの接続部を有すると共にプロセスチャネルに対する一つの接続部を有する。ＦＤＣは、（複数の）サブＦＤＣへと分岐することも可能である。本発明の目的では、これらはＦＤＣ部分と呼ばれる。流体は限定されないが、いくつかの実施形態において、液体、気体、又は流体と気体の両方が処理される。ＦＤＣは、同じＦＤＣ内において同じ角度のターン又は変化する角度のターンを有し得る。
【００１５】
ここに記述した装置のいずれかは、代わりに、複数シートの事前接合又は後接合の組立体の観点から、又は、装置内に流体ストリームを有する該装置を備える化学システムの観点から記述され得る。
【００１６】
本発明の種々の側面の重要な利点は、実現可能なコンパクトデバイスにある。好ましくは、マニホルドに接続するすべての流れ配送チャネルはターンを含み、より好ましくはサーペンタインターンを含む。好ましくは、マニホルドからプロセスチャネルへの距離はプロセスチャネルの長さよりも小さい。より好ましくは、プロセスチャネルの長さは、マニホルドからプロセスチャネルへの距離よりも少なくとも２ｘ、４ｘ、又は１０ｘ大きい。いくつかの実施形態において、プロセスチャネルの幅は、その高さよりも少なくとも３ｘ大きい。プロセスチャネルに接続される一つ又は複数のＦＤＣ（好ましくは接続されたマニホルドも）は、幅方向に平面を共有する。好ましくは、デバイスにおけるＦＤＣの面積（又はデバイスにおけるＦＤＣの体積）は、プロセスチャネルの面積（又は体積）よりも小さい。好ましくは少なくとも１０倍小さい。いくつかの実施形態において、マニホルドに接続されるか又は層内にある複数の（又はすべての）ＦＤＣの断面は同じである。
【００１７】
本発明に対するいくつかの非限定的な適用例は、とりわけ、相変化、例えば全体の又は一部の沸騰もしくは凝縮、多相混合用途、酸化、水素化、スルホン化、ニトロ化、改質を含む反応、又は他の任意の反応、エマルジョンもしくは分散の形成、又は他の混合用途、蒸留、吸着、相分離を含む分離を含む。この新規なアプローチは、単に熱伝達を含むいずれかの単位操作に対するマニホルド（多種多様の）熱伝達流体に使用され得る。
【００１８】
本発明の特徴（機能）は、システムのヘッダー及び／又はフッターにおける体積を低減するのに役立ち得る。この態様により、これらは、吸着等の迅速な過渡応答を要求する用途、又は迅速な態様にて入力パラメータの過渡変化に応答することが要求される他の用途に対するデッドボリュームを低減するのに役立つ。該特徴はまた、酸化、ニトロ化、水素化、固体形成反応、エマルジョン形成デバイスその他を含む選択反応からの生成物の形成のための滞留時間分布を広げるようなプロセスにおいて分散を増長するように動作し得るデッドボリュームを低減するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
用語解説
標準特許用語である「備える（comprising）」は「含む（including）」を意味し、これらの用語はいずれも追加の要素又は複数の要素の存在を排除しない。例えば、あるデバイスが、薄板、シート等を備える場合、該独創的デバイスは、複数の薄板、シート等を含み得ることが理解されるべきである。
【００２０】
「ヘッダー」は、接続（連結）チャネルに対して流体を送るために配置されたマニホルドである。
【００２１】
「高さ」は、長さに対し垂直な方向である。積層（ラミネート）デバイスにおいて、高さは積み重ね方向である。
【００２２】
チャネルの「水力直径」は、チャネルの潤辺（濡れ縁）の長さによって除されるチャネルの断面積の４倍として定義される。「積層デバイス」は、ラミネートから成るデバイスであり、かつ該デバイスは該デバイスを通って流れるプロセスストリームに対し単位操作（単位操作）を行うことができる。
【００２３】
「長さ」とは、チャネル（又はマニホルド）の軸線の方向における距離を意味する。該軸線方向は流れの方向にある。
【００２４】
「マイクロチャネル」は、１０ｍｍ以下（好ましくは２．０ｍｍ以下）でかつ１μｍより大きい（好ましくは１０μｍより大きい）少なくとも一つの内法（内部寸法）を有するチャネルであり、いくつかの実施形態において、５０〜５００μｍの少なくとも一つの内法を有する。
【００２５】
マイクロチャネルは、少なくとも一つの出口とは異なる少なくとも一つの入口の存在によっても定義される。マイクロチャネルは、ゼオライト又はメソポーラス材料を貫く単なるチャネルではない。マイクロチャネルの長さは、マイクロチャネルを通る流れの方向に一致する。マイクロチャネルの高さ及び幅は、該チャネルを通る流れの方向に対し実質的に垂直である。マイクロチャネルが二つの主要な面（例えば、積み重ねられかつ接合された（複数）シートによって形成される（複数）面）を有する積層デバイスの場合、高さは、主要な面から主要な面への距離であり、幅は高さに垂直である。
【００２６】
「ターン」は、チャネルの水力直径よりも大きい長さの流路として定義され、ターンは、流れの当初の方向に対して、１０°以上（好ましくは少なくとも９０°、より好ましくは少なくとも１３５°、いくつかの実施形態において約１８０°）だけ流体流の方向に変化をもたらし、流れの初期方向を用いる。図１はターンの例を示す。ターンの角度は、該ターンの入口での流体流方向と該ターンの出口での流体流方向との間に対する角度として定義される。角度範囲は、好ましくは１８０°以下である。図１（ａ）は、角度１８０°のターンを示す。図１（ｂ）は、角度範囲９０°のターンを示す。図１（ｃ）も９０°の角度範囲のターンを示す。
【００２７】
図２は、流れ配送機能（流速分布機能）のための流体路を形成するために共に結合されたマルチプル（多重）ターンを示す。図２（ａ）は、連続する四つのターンの例を示す。各ターンは１８０°の範囲であり、流れ配送機能を形成する。図２（ｂ）は四つのターンを示し、各ターンは１８０°の範囲であるが、直線区域によって分けられる。図２（ｃ）は７ターンを示し、各ターンは９０°の範囲である。二つのターン間の流体流方向の変化は、ターンとしては数えられない。その理由は、そのターンの長さがチャネルの水力直径未満であるためである。また、「ターン」となる湾曲区分では、それは、例えば図２（ｃ）（半円が一つだけの１８０°ターンを構成し、任意の数のより小さいターンを構成するのではない）に例示されるように、傾斜（勾配）の導関数（微分）における変化でなければならない。図３は、簡単にするために単一のターンと呼ぶ、二つのターンが結合され得る例を示す。図３において、寸法「ａ」が寸法「ｂ」の２倍以上の場合、ターン３とターン４は、一つのターンを形成するために共に結合され得る。本発明の好ましい実施形態は、少なくとも３のターンを備え、いくつかの実施形態において少なくとも６のターンを、またいくつかの実施形態において３〜１５のターンを備える。いくつかの実施形態において、ターンは、サーペンタイン（蛇行）形状を有するように構成される。
【００２８】
ターンはまた、単一のシム（shim）内における方向の変化により、又は、シムからシムへと方向を変化させることにより、実現され得る。例えば、流路は、一つのシムにおいてある距離進行し、次いで新規な層へと移動して９０°ターンを構成し、また、上記最初のシムと実質的に同じ角度又は新規な角度にて第２のシム内へと続行し得る。
【００２９】
「単位操作」は、化学反応、蒸発（気化）、圧縮、化学分離、蒸留、凝縮、混合（エマルジョンの形成を含む）、加熱、又は冷却を意味する。「単位操作」は、単なる流体移送を意味しないが、移送は単位操作と共にしばしば生じる。いくつかの好ましい実施形態において、単位操作は単なる混合ではない。
【００３０】
発明の詳細な説明
流れ配送チャネルは、いかなる物理的形態及び配向（向き）であってもよいが、好ましくは、ある与えられた流量に対する圧力低下（圧力降下）が接続チャネル（本出願において、用語「接続チャネル」は「プロセスチャネル」と同義である）におけるよりも配送チャネルにおいてより高いように、接続チャネルよりも小さい少なくとも一つの寸法（及び好ましくは水力直径）によって特徴付けられ得る。配送チャネルの一つの形態例は、接続チャネルのアレイ（配列）に接続されるサーペンタイン特性のアレイ（配列）である。サーペンタイン特性（サーペンタイン機能）は、シム（例えば、シートに刻印又はエッチングされた特徴）の厚さ、又は、部分的にエッチングされた特徴の場合、シム厚未満であるチャネル間隙（チャネル高さとも呼ばれる。何故なら、それが積層デバイスの積み重ね方向にあるからである。）のいずれかに等しいチャネルを有し得る。流れ配送機能の幅もしくはスパンは、接続チャネルの幅もしくはスパン未満であり得る。一実施形態における配送チャネルは、接続チャネルの体積（容積）に対してマニホルド領域全体の体積を最小にしつつ、それらチャネルの流路の有効長さを増長するために、サーペンタインであり得る。いくつかの実施形態において、（複数の）接続チャネルのセットの体積の１００％未満の体積、より好ましくは該接続チャネルの体積の２０％未満の体積を有するマイクロコンポーネント（超小型構成部品）内にマニホルドを有することが好ましい。
【００３１】
サーペンタイン特性は、単一のシムすなわち単一の平面にあり得る。サーペンタイン又は他の形状特性を含む流れ配送機能の他の実施形態では、積層デバイスの層から層へと流れを前後に移動させる態様で複数層を横切り得る。この実施形態では、一つを上回る（二つ以上の）シムが要求される。接続チャネルは、単一のシム又は複数のシムにあり得る。先に開示した例で既述したゲート及び格子とは異なり、この場合、複数シートを横切る特性を通じての圧力低下は、好ましくは、接続チャネルを通じての圧力低下よりも大きい。
【００３２】
流れ配送機能は、好ましくは、高さが５０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下であり、いくつかの実施形態において０．００５〜１０ｍｍ、いくつかの実施形態において少なくとも０．０５ｍｍであり、また、幅が好ましくは２ｍｍ以下、いくつかの実施形態において０．０５〜１ｍｍ、いくつかの実施形態において０．２５ｍｍ以下である。高さ及び幅は、典型的にはチャネル内の流体の流れに対して垂直である。いくつかの実施形態において、流れ配送機能の断面積は、プロセスチャネルの断面積よりも約１００倍小さい。いくつかの実施形態において、流れ配送機能の断面積は、プロセスチャネルの断面積よりも少なくとも２倍、又は少なくとも１０倍、又は少なくとも５０倍小さい。
【００３３】
流れ配送機能は、特許文献において「表面特徴（surface features）」と呼ばれるものとは異なる。表面特徴は、チャネル壁上の凹凸である。表面特徴を有するチャネルは、二つの流体域、すなわち、図４に示すように表面特徴内部の流体域と、主チャンネル域とも呼ばれ得る表面特徴外部の流体域である。図４は、表面特徴を有するチャネルの断面図を示す。これらの流体域間の流れは、表面特徴付きチャネル内において実質的に交換される。主チャネル内の流体は、図４に示す面と同じ面から表面チャネル流体域に出入りする。しかしながら、流れ配送機能においては、一般に一つだけの流体域が存在する。他の流体域、例えば角の再循環域が作り出された場合、流体は、再循環域間において実質的に交換されない。流体は一つの面にて流れ配送機能に入り、別の面から流れ配送機能を出る。
【００３４】
流れ配送チャネルは、平面（すなわち単一層における）であり得、又は、単位操作が生じている接続チャネルにおける対流れ抵抗よりも大きい対流れ抵抗を好ましくは作り出す複数の層を通る３次元に曲がりくねった通路を有し得る。
【００３５】
流れ配送チャネルは、技術的に記述されるマイクロチャネルデバイスを構成するための任意の方法を用いて構成され得る。一つの実施液体は、積み重ねられて接合される（複数の）薄いシート材のエッチング又は切断を含む。本発明はまた、積み重ねられたシートの組立体（すなわち、事前に接合されたか又は接合されたシートの積み重ね）を含む。
【００３６】
配送チャネルの使用は、単位操作が生じる接続チャネルの最終寸法のばらつき（変動）から生じ得る流れの不確実性を改善する。ばらつきは、触媒の導入、触媒の性能、多相混合物の性能、非ニュートン混合物の形成、泡の形成、又は何らかの相転移から生じ得る。反応を含む多相接触はまた、このアプローチによって特に有利となり得、ここで、相すなわち気体−液体又は液体−液体のいずれかに対する圧力低下は予測が難しいか、又は、本質的にもしくは他の不定期機構において一時的であり得る。配送機能の使用はまた、複数のプロセスに対して又は複数の製品（もしくは生成物（products））を製造するために同じ装置が用いられる実施形態に有益である。配送機能の使用は、流体物理特性が接続チャネル又はプロセスチャネルの長さに沿って著しく変化する（２０％以上、好ましくは５０％以上）プロセスにとって特に有益である。プロセスチャネルの長さに沿って変化し得る流体物理特性の例としては、一の相における不混和性の別の相（例えば液体−液体プロセス、液体−気体プロセス、液体−固体プロセス等）の割合、粘性の変化、流体濃度の変化、及び他の物理特性の変化を含む。
【００３７】
流れ配送機能は、流体と壁間に圧力低下を望ましくは作り出し、これは、プロセスチャネルの圧力低下よりも大きい（例えば、＞２ｘ（２倍以上）、＞５ｘ、又は、更に＞１０ｘ）。そのようなものとして、流れ配送機能における制限は、全チャネル間にほぼ均一な流れ配送を維持し、ここで、品質指数（後に定義される）は３０％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満、更に好ましくは５％未満、最も好ましくは１％以下である。いくつかの実施形態において、プロセスチャネルにおける圧力低下は、滞留時間０．１〜１０秒の間の流れ長さ１〜５０ｃｍに対して０．０１ｐｓｉ〜１ｐｓｉのオーダーである。いくつかの実施形態において、流れ配送機能における圧力低下は０．１〜１０ｐｓｉのオーダーである。いくつかの実施形態において、流れ配送機能における圧力低下は、１〜１００ｐｓｉのオーダーである。
【数１】
0005427603.tif 000002
【００３８】
部分沸騰は、配送チャネルの使用によって特に有利である一つの用途であり、ここでは、沸騰温度（沸点）から過冷（サブクール）される単一相流体により大きい圧力低下が達成される。沸騰が開始されると、接続マイクロチャネルにおける圧力低下は、沸騰の始まりと共にチャネルからチャネルへと局所的に変化し得、そのようなものとして、各チャネルに対する流れを調整するための手段が好ましい。
【００３９】
より多くの流れが反応器の上部（該上部で熱負荷又は熱流束が最高であり、反応器の端部付近でそれが最低になる）に対して優先的に計測（計測供給）されるように、チャネルのアレイ内において流れ配送を調整することも好ましいであろう。
【００４０】
配送チャネルは、単一の相単位操作又は複数の単位操作又はこれらの任意の組合わせに使用され得る。配送チャネルは、接続チャネルに粒子を形成するために用いられる反応物質を正確に計測するために使用され得る。
【００４１】
配送チャネルは、接続チャネルを通って流れる非ニュートン流体が存在する場合に特に有益である。その理由は、流れ配送機能が、変化する条件を伴う流体の変化する見掛け粘度の影響を軽減するためである。例えば、接続チャネルは、マイクロチャネルに用いられるチャネル構成又は材料の変化を通じての重合、エマルジョンの形成、固体の形成、変化する温度、圧力、局所速度等による流れている流体の変化する見掛け粘度を含み得る。流れ配送機能は、流れ配送におけるこれらの変動の影響を軽減するための頑強な設計を提供する。好ましくは、非ニュートン流れは、直線状チャネルを通る流れに制限される。好ましい実施形態において、流れ配送機能を通って流れている流体ストリームはニュートン性であり、次いで、接続チャネルにおいて非ニュートン性になる（例えば組成変化により）。これは、例えば、流れがプロセスチャネルにおいて生じている場合（箇所）に発生し得、また、第２の相はオリフィスを通ってプロセスチャネルに入る。
【００４２】
流れ配送機能は、例えば選択酸化において、一つの反応物質の第２の反応物質への追加を調整するためにも使用され得る。該機能は、流れが所望により反応器の長さに沿って均一な方式あるいは調整された方式にて計測されるように、酸化体又は他の反応物質に対して十分な制限を与えるために使用され得る。この態様において、計測機能すなわち流れ配送チャネルは、触媒等のコーティングの適用（塗布）が、コーティングが適用される際に栓をしそうにない、すなわち詰まらないように反応器内の入口とは別個であり得る。配送チャネルは、一旦流体が流れ配送チャネルに入ると、これが単に一つのプロセスチャネルへと出て、追加の再配送を受けないように、デバイスのマニホルド区域内に優先的に配置され得る。一例として、一つの流れ配送チャネルは導管を作り出し得、該導管は、単一のマイクロチャネル内の単一の導入ポイントへと酸化体（又は他の反応物質もしくは流体）を供給する一方、第２及びことによると第３もしくはそれ以上の配送チャネルが、マイクロチャネル反応器又は他の単位操作の長さに沿って酸化体（又は他の反応物質もしくは流体）を第２又は第３もしくはそれ以上の導入ポイントへと供給する。配送チャネルの形態の配送機能は、単位操作から除去又は物理的に分離される。
【００４３】
配送チャネルはまた、小スケール又は大スケールの用途に使用され得る。配送チャネルは、低出力燃料電池もしくは燃料プロセッサを含む燃料電池、マイクロフルイディクス、血液又は流体分析、又は、流れの計測が特に難しい他の用途を含む種々の用途のための流れを計測するのに役立ち得る。配送チャネルは、任意のマイクロチャネル又はマイクロフルイディクス用途のための流れを計測するために使用され得る。
【００４４】
配送チャネルの使用の一つの利点は、固定された条件もしくは設計ポイントに対してのみならず、単位操作もしくはプロセスの上昇（上向き（turn up））及び下降（下向き（turn down））の期間に対しても流れ配送を改善する点である。特に、流れ配送は、選択した設計ポイントに対して流れが５０％だけ下降するか又は２０％だけ上昇する場合、絶対全体品質指数ファクタにおいて２０％未満又は１０％未満又は５％未満変化し得る。別の実施形態において、配送機能は、デバイスの上昇及び下降が＋５０％〜−８０％まで変化することを許容する。第３の実施形態において、新規な配送機能は、目標容量を達成するために平行に動作する１０チャンネル以上を含む多チャネル単位操作に対する通常の操作設計ポイントにわたる−９５％の下降及び２００％の上昇を可能にする。
【００４５】
別の実施形態において、配送チャネルの第１セットは接続チャネルの上流で使用され得、他方、配送チャネルの第２セットは、あるチャネルの質量流量の大きさ及び該チャネルの全体圧力の両方を調整するため、下流あるいは中間の任意のポントで使用され得る。このアプローチは、部分沸騰が反応器の長さに沿う異なる軸方向位置にて異なる温度を作り出し得る用途に対して流量及び温度を調整するために特に有利であり得る。
【００４６】
いくつかの好ましい実施形態において、流れ配送機能は、流れ配送チャネルごとに１ｍＬ／ｍｉｎを超える流量にて流体（気体を含む）を配送するために使用される。独創的な配送チャネルを使用する別の例は、チップもしくはマイクロフルイディクス用途のラボのためのものであり、そこでは、少なくとも二つ以上のチャネルに対して又はチャネルの長さに沿う少なくとも二つ以上の位置に対して低い流れが測定される。低流量の測定は、特に規製造公差からのチャネル寸法のあまり大きくない変化により、制御が特に難しい。別の用途例は、過酸化水素の製造のためのものであり、これは、水素化等の触媒反応及び／又は酸化等の非触媒反応を含み、ここでは、二つのストリームが好ましい比率で互いに対して計測供給されなければならない。反応器の任意の位置での少なくとも二つ以上の反応物質の局所濃度に対して厳しい要求が存在し得る。該反応は、一の反応、例えば過酸化水素の製造で使用されるアントラキノンベースの動作溶液の酸化等において触媒作用が及ぼされないかもしれない。
【００４７】
本発明の別の実施形態は、流れ配送機能を通る小さい流れを大きな流れへと計量することであり、例えば、該大きい流れストリームの少なくとも２０％未満、いくつかの実施形態において５％未満もしくは０.０１％未満、及び／又は少なくとも０.００１％未満を成す助触媒、添加剤、流動触媒、活性成分、顔料、防腐剤、香料、又は他の種類の使用等である。
【００４８】
本発明の別の実施形態は、二つ以上の流体ストリームのマイクロミキサーに対するものであり、二つ以上の流体ストリームは、気体／気体、気体／液体、液体／液体、固体もしくは二相混合物を構成する流体中への気体又は液体を含む。他の好ましい実施形態において、流れ配送機能は、混合以外の単位操作、例えば熱交換に対して用いられる。いくつかの実施形態において、サーペンタイン流れ配送機能は流体を混合しない。いくつかの好ましい実施形態において、接続チャネルの長さは、該チャネルが接続される流れ配送機能よりも少なくとも３倍、好ましくは５倍長く、いくつかの実施形態において少なくとも１０倍長い。
【００４９】
流れ配送機能設計
接続マニホルドにおける小さい圧力低下（主マニホルド区域における圧力低下以下）を有するプロセスのためのマニホルドは、取り組みがいがあり得る。マニホルド圧力分布における小さな変化は、接続マイクロチャネルにおける大きな不均衡配送に至り得る。一般に、そのようなプロセスのためのマニホルドの寸法は、均一な流れ配送のために大きいであろう。そのようなプロセスのために均一な流れ配送を実現しつつマニホルド寸法を縮小する一般的な方法は、マニホルドと接続マイクロチャネルとの間のオリフィスを用いることによる。しかしながら、オリフィスを通じての圧力低下は（速度）nとして変化する。ここでｎ＞１。従って、圧力低下が小さい接続マイクロチャネルに対するオリフィスの設計は、マニホルド流量に影響されやすく、流量が変わる場合、良好な流れ配送を提供しないかもしれない。流れの不均衡配送は、マイクロチャネルデバイスの性能を低下させ得る。要するに、マニホルドは、拡大及び縮小流れ条件において均一な配送を提供しないかもしれない。
【００５０】
流れ配送機能は、好ましくは、マイクロ（微小）寸法チャネル（１ｃｍ以下の少なくとも一つの寸法、より好ましくは２ｍｍ以下の少なくとも一つの寸法を有する）であり、図５に示すように主マニホルド区域を接続（プロセス）マイクロチャネルに接続する。流れ配送機能の寸法、すなわち流れ断面積及び長さは、好ましくは、主マニホルド区域又は接続マイクロチャネルよりも小さい。流れ配送機能の寸法は、好ましくは、流れ配送機能における圧力低下が接続チャネルの圧力低下の少なくとも２倍であるように選択される。流れ配送機能は、全接続チャネル圧力を高め、流れ配送のためのマニホルド寸法に対する要求を小さくし得る。更には、配送機能における流れは、好ましくは層状である。流れ配送機能を通じての圧力低下は、（速度）nとして変化する。ここでｎ＝１。流れ配送機能が設計されるマニホルドは、スケールアップ及びスケールダウン流れ条件に対する影響されやすさは低下するであろう。
【００５１】
流れ配送は、小さい圧力低下又は大きい圧力低下（これらは主マニホルド区域における圧力低下よりもそれぞれ小さい又は大きい。）の接続チャネルに使用され得る。
【００５２】
プロセスチャネルは、好ましくはマイクロチャネルである。いくつかの好ましい実施形態において、ＦＤＣが接続するマニホルドはマイクロチャネル寸法を有する。
【００５３】
図６は、流れ配送機能形状のためのいくつかの設計を例示する。図６（ａ）は、８ターンを示す。該機能は２次元平面又は３次元にあり得る。
【００５４】
以下のすべての例は計算された例である。
例１：流れ配送機能を有する流れ配送
ケーススタディが、流れ配送機能を用いて流れ配送の改善を見るために行われた。デバイスの全体概要が図５に示されるが、これは底部マニホルドを有する。上部及び底部主マニホルド区域は、断面が１２．７ｍｍ×２．５４ｍｍであった。接続チャネルの寸法は５．０８ｍｍ×０．７６ｍｍであった。接続チャネルの長さは１２７ｍｍであった。接続チャネルは、０．５０８ｍｍの壁により分けられた。接続チャネルの数は１９であった。図４は流れ配送機能の寸法を示す。流れ配送機能はサーペンタイン形状であった。流れ配送チャネルの断面は０．７６ｍｍ×０．３８ｍｍであった。マニホルド、流れ配送チャネル及び接続（プロセス）チャネルは共通平面にあった。
【００５５】
使用された流体は、２３０ｐｓｉｇで−３０℃のエチレンであった。主マニホルド区域に入る総流量は０．４８７ｋｇ／時間であった。流れ配送の性能は、次に定義される線質係数によって定義される。
【数２】
0005427603.tif 000003
【００５６】
上部主マニホルド区域の圧力低下は、０．０００５ｐｓｉであり、接続チャネルの圧力低下は０．０００２ｐｓｉであった。流れ配送機能の圧力低下は０．００９ｐｓｉであった。図７に示す流れ配送機能設計では、Ｑ係数は３．０％と見積もられた。パラメトリックスタディが、流れ配送に対する流れ配送機能の長さの影響を見るために行われた。設計された流れ配送機能は、図７に示すように１２の曲がりを有していた。流れ配送機能の長さを短縮するため、曲がりの数は、ステップが縮小され、流れ配送が見積もられた。図８は、Ｑ係数に対する流れ配送機能のターンの数の影響を示す。
【００５７】
接続チャネルにおける圧力低下は、マニホルドと同じオーダーである。図８から分かるように、流れ配送機能におけるターンの数が増えるにつれ、流れ配送は改善される。
【００５８】
例２：流れ配送機能が、公称（基準）からの上昇及び下降の流量の広い範囲にわたって均一な流れ配送を提供する
流れ配送機能が、上昇及び下降流量に対して比較的均一な流れを提供することを示すために例１と同じ形態が用いられた。流れ配送の結果は、流れ配送機能を伴わない同一の形態にて得た流れ配送と比較された。流体は、温度及び出口温度条件は両ケース、すなわち流れ配送機能を有するケースと有さないケースに対し保たれた。用いた流体は、２３０ｐｓｉｇ及び−３０℃のエチレンであった。主マニホルド区域に入る公称総流量は０．４８７ｋｇ／時間であった。
【００５９】
図２９は、流れ配送機能を有する設計及びそれを有しない設計に対する公称流量からの異なる上昇及び下降係数を有する線質係数を示す。上昇／下降比０．８は公称流量の８０％を意味する。上昇／下降比１．３は公称流量の１３０％を意味する。図２９に示すように、流れ配送機能を伴わないケースでは、流量が公称流量を超えて増加した際、流れ不均衡配送が増す。流れ配送機能を有するケースでは、公称流量を超えて流量が増加する際、流れ配送は変化なしであるか又は改善（向上）する。該例は、流れ配送機能が上昇及び下降流量に対する設計に対し頑強性を提供することを示す。
【００６０】
例３：エマルジョンに対する配送
エマルジョンは、多孔質媒体を通じて連続相液体と分散相液体を混合することによって形成される。製造にとって望ましくは、連続相及び分散相が混合される多孔質媒体は、直交流（クロスフロー）方向に流れながらの連続相と分散相の混合に好ましく交換可能であるべきである。しかしながら、要求に応じて、連続相及び分散相は、並流又は互いに対する向流（逆流）にて流れながら混合され得る。この例において、反復単位のみがデバイスの性能を記述するために成形される。該反復単位は、共に積み重ねられた三つの層を有する。連続相は、図９に概略的に示すように第１層に入る。該流れは入口マニホルド区域に入る。マニホルドの断面は、幅２５．４ｍｍ×深さ５．０８ｍｍであった。接続チャネルの寸法は、幅１２．７ｍｍ×深さ２．０３ｍｍ×長さ３０５ｍｍであった。総計１６の接続チャネルが存在した。接続チャネル間のリブは１．２７ｍｍであった。入口マニホルドは、流れ配送機能を通じて接続（プロセス）チャネルに接続される。流れ配送チャネル寸法は図１０に示される。接続チャネルにおいて、分散相はエマルジョンを形成するために連続相に付加される。エマルジョンは、図９に示す出口マニホルドを通じて反復単位を去る。
【００６１】
反復単位の第２層は多孔質媒体であった。この例で用いた多孔質媒体は、媒体グレード＝０．２のモット社ウィッキング（吸上）構造（Mott Corporation Wicking structure）であった。透過係数（ＫL*）は１４０であり、上記媒体を通じての液体圧力低下は次式で与えられる。
【数３】
0005427603.tif 000004
【００６２】
多孔質媒体の寸法は、第１層において接続チャネルによって占有される面積を覆うように選択された。多孔質媒体の厚さは、０．０３９インチであった。多孔質媒体のための物質仕様は以下に列記される。
物質仕様
泡立ち点、ｉｎ. ｏｆ Ｈｇ：５．０〜６．９
引っ張り強さ、ｋｐｓｉ：３０．０
降伏強さ、ｋｐｓｉ：２６．０
【００６３】
分散相は図１１に示す反復単位の第３層に入る。分散相流は、入口マニホルド内へと入る。マニホルドの断面は幅１２．７ｍｍ×深さ５．０８ｍｍであった。接続チャネル寸法は、幅４２．４２ｍｍ×深さ１．２７ｍｍ×長さ２２２．２５ｍｍであった。総計７の接続チャネルが存在した。接続チャネル間のリブは１．２７ｍｍであった。入口マニホルドは、流れ配送機能を通じて接続チャネルに接続される。流れ配送機能寸法は図１２に示される。反復単位の複数層の組立体の概略が図１３に示される。
【００６４】
連続流量の流量がｌＬ／ｍｉｎ／接続チャネルであるのに対し、分散相の総流量は連続相流量の総流量の２０％であった。連続相の濃度及び粘度はそれぞれ１０００ｋｇ／ｍ3及び１ｃＰであった。分散相の濃度及び粘度はそれぞれ８５０ｋｇ／ｍ3及び１０ｃＰであった。流れ均一性は、図９及び１１にそれぞれ示す位置１、２及び３の連続相接続チャネル及び分散相接続チャネルにおいて見積もられた（図１４及び１５参照）。連続相チャネルにおける流れ配送は位置１にあって０．５４％であったのに対し、分散相チャネルにおける流れ配送は位置１にあって０．０３％であった。
【００６５】
表１は、流れ配送機能の有する流れ配送及びそれを有さない流れ配送の性能の比較を示す。
【００６６】
【表１】
0005427603.tif 000005
【００６７】
上記表から分かるように、流れ配送機能は分散相の流れ配送には影響を及ぼさない。しかしながら、流れ配送機能は、連続チャネルにおける流れ配送を改善し、これは、均一なエマルジョン品質の向上をもたらす。非ニュートン流体のずり速度の関数として変化する粘度が考慮されるケースでは、流れ配送機能の使用を伴わない流れ不均衡配送は、ずり速度独立粘度が想定されたこの例に記述したものよりも高くなると予想される。
【００６８】
例４−流れ配送チャネルにおける損失（ロス）係数
計算流体動力学モデルは、流れ配送機能をシミュレートしかつ損失係数を見積もるため、フルーエント（Fluent（登録商標））Ｖ６．２．１６において発展した。用いた流体はエチレン蒸気であった。流量は、レイノルズ数が層状レジームから乱流レジームまでの範囲にあるように変更された。粘度は一定であると仮定され、均一な入口流プロフィル（分布もしくは断面）が想定された。流れ機能は表１に列記される。形態は図１６に示すとおりである。流れ配送機能の断面は０．３８ｍｍ×０．３８ｍｍであった。該機能の全幅は３．５６ｍｍ、二つの連続するターン間の最小間隔は１．７８ｍｍであった。乱流モデルでは、フルーエント（登録商標）のデフォルトｋ−εモデルが用いられた。
【００６９】
これは、Sprenger, H., Druckverluste in ９０ o Krummern fur rechteckrohre, Schweiz. Bauztg, 第８７巻、第１３号、第２２３〜２３１頁、１９６９年による文献相関性と比較された。
【００７０】
Ｒｅが層流から乱流へと増長して漸近値１．４１へと変化するにつれ、喪失係数Ｋは低減することが分かった。第１ターンは、常に、より大きい圧力低下（＞３．０）を有することも分かった。
【００７１】
仮定及び参照
計算流体動力学モデルは、流れ配送機能をシミュレートするためにフルーエントＶ６.２.１６において発展した。粘度は一定であると仮定され、均一な入口流れプロフィルが想定された。形態は図１に示すとおりである。流れ配送機能の断面は０．０１５インチ×０．０．０１５インチであった。該機能の全幅は０．１４ｍｍであり、二つの連続するターン間の最小間隔は０．０７インチであった。該研究の目的は、流れ配送機能のあるターンにおける静圧損失を見積もることであった。定義された総ターン数は１２であった。圧力損失は次のように定義される。
【数４】
0005427603.tif 000006
ここで、Ｋlossは損失係数として知られている。
【００７２】
【表２】
0005427603.tif 000007
【００７３】
ＣＦＤモデルは、入口において異なるレイノルズ数に対して実行される。図１７〜１９は、流体としてエチレン蒸気を用いるＣＦＤモデルを使用してシミュレートされる小さいレイノルズ数の一つの例である。図１７〜１９は、各ターンにおける損失係数を示す。第１ターンの損失係数は、その後のターンの損失係数よりも著しく高かった。これは入口効果のためかもしれない。平均損失係数は、入口効果を示したターンを除外し、残りのターンの損失係数を単純平均することによって見積もられる。
【００７４】
図２０は、レイノルズ数の関数として平均ターン損失係数を示す。レイノルズ数が増加するにつれ、損失係数Ｋlossは低下する。乱流のレイノルズ数範囲（直線状管において定義される）において、Ｋloss値は、漸近数１．４１に近付く。この発見は、流れ配送機能を用いる流れ配送システムの設計に非常に役立ち得る。
【００７５】
例５−大規模相分離デバイスにおける計算された流れ配送
流れ配送機能（例４に示す）の圧力低下は、フルーエントを用いるＣＦＤモデルから見積もられる。流れ配送機能の寸法は例４で論じたものと同じであった。
【００７６】
サブマニホルド及び流れ配送機能から成る内部マニホルドの概要が図２１に示される。全マイクロチャネルは、流れ配送機能によりサブマニホルドに接続される。簡易のため、流れ配送機能は図面において直線で表される。流れ配送における均一性は、流れ配送機能を適切に設計することにより実現する。
【００７７】
接続チャネル圧力低下は、１ｐｓｉの平均圧力低下であると見積もられた。慣用の急膨張関係性を用いたＦＤＦから接続チャネルへの膨張損失は次のとおりである。
【数５】
0005427603.tif 000008
【００７８】
次の想定が計算に使用された。すなわち、ヘッダーのみが成形され（フッターは成形されない）；一定の出口圧力＝２３０ｐｓｉｇ；入口流体は７５．５％エチレンと２４．５％エタンのガス状混合物；特性は２４５ｐｓｉｇ及び−２６．８℃にて計算され；サブマニホルドの入口での損失；マニホルド区域において熱移動はない。１−Ｄモデルにおける想定は、総計１００マイクロチャネル；一定の粘度；図２２に示すＳＲＫ平衡関連性を用いてケムキャド（ChemCAD）からの曲線の当てはめ濃度予測によって見積もられる濃度である。
【００７９】
数値モデルは、図２１に示す形態を通る流れをシミュレートするために開発された。該モデルは、直列及び並列に接続された流れ抵抗に基づいていた。該形態におけるサブマニホルドの総数は５であった。各サブマニホルドは、流れ配送機能によって２０のマイクロチャネルに接続された。サブマニホルドの寸法及び数は任意であり、流れ配送機能におけるターンの数によって流れ配送が制御され得ることを示すように選択された。下記の表は、数値モデルで用いた寸法を要約する。
【００８０】
【表３】
0005427603.tif 000009
【００８１】
該モデルは、全流れ配送機能におけるターンの数を見積もるために用いられた。図２３は、流れ配送機能のためのターンの数に対する要求を示す。図２３に示す流れ配送機能に対するターンの設計数は、マイクロチャネルに対してＱ＝４．５％を与える。品質指数ファクタ（Quality Index Factor）の定義がサブマニホルドにおける流れ配送に適用された場合、Ｑは２．３％であった。総圧（全圧）は５．９ｐｓｉと見積もられた。チャネル−チャネル流量は図２４に示される。
【００８２】
チャネル形態におけるでこぼこのため、たびたび、マイクロチャネルを通る同じ流量に対し、チャネル圧力低下は変化し得る。チャネル圧力低下の変動は、不均衡配送をまねくであろう。流れ配送に対するチャネルの圧力低下変動の影響を見るために研究が行われた。チャネル圧力低下における±５％の変動が該モデルに適用された。適用されたチャネル圧力低下プロフィルが図２５に示される。
【００８３】
マイクロチャネルに対する品質指数ファクタは６．２％であった。これはチャネル圧力低下変動のない流れ配送に非常に近い。全圧力低下は５．８ｐｓｉであった。サブマニホルドに対するる品質指数ファクタは４．９％であった。図２６は、マイクロチャネルを横切る質量流れ配送を示す。
【００８４】
該モデルは、１ｐｓｉの平均圧力低下で＋／−５％のチャネル圧力低下の四つのよりランダムな変動に対して実行された。下記の表は、Ｑファクタ、サブマニホルドＱファクタ、及び得られた全圧力低下を列記する。
【００８５】
【表４】
0005427603.tif 000010
【００８６】
該例は、接続チャネルにおける圧力変動に対する、流れ配送機能を有する流れ配送設計の頑強性を示す。
【００８７】
例６：プロセスチャネルにおける部分沸騰に対する流れ配送機能の適用
流れ配送形態の概要が図２７に示される。該流れは、１９．０５ｍｍ×１２．７ｍｍの主ヘッダーに入る。主マニホルドから、該流れは二次ヘッダー内へと配送される。二次ヘッダーの断面寸法は、１．７８ｍｍ×５．０８ｍｍであった。二次ヘッダーの総数は４４であった。各二次ヘッダーは、該流れを、流れ配送機能を通じて三つの接続冷却液チャネルへと配送する。簡易に表示するため、図面において配送機能は直線状通路で示されて「ＦＤＦ」として参照される。接続チャネル寸法は、２．５４ｍｍ×０．５１ｍｍ×１９０．５ｍｍであった。流れ配送機能の断面は０．７６ｍｍ×０．２５ｍｍであった。
【００８８】
流体は水である。主マニホルドに入る総体積流量は２．２Ｌ／分であった。主ヘッダー、二次マニホルド及び流れ配送機能における冷却液の温度は２２８℃である。冷却液チャネルの出口における圧力は、冷却液チャネルの入口における水が飽和した状態にあるようにされた。冷却液チャネルの壁上において、変化する熱流束（熱フラックス）が適用される。各二次ヘッダーにおいて、中央冷却液チャネルは全四つの壁に適用される熱流束を有するのに対し、出口冷却液チャネルはただ一つの壁に適用される熱流束を有する。熱流束プロフィルは、１．０Ｗ／ｃｍ2（流れ配送機能付近）から０．２５Ｗ／ｃｍ2（出口付近）へと直線的（線形）に変化する。該熱は冷却液チャネル内に部分沸騰を引き起こす。図２８に示すような二つの異なるタイプの流れ配送機能が考慮された。図２８（ａ）の流れ配送機能は「鋭い角流れ配送機能」と呼ばれ、図２８（ｂ）の流れ配送機能は「丸い角流れ配送機能」と呼ばれた。ＣＦＤは、レイノルズ数の関数として損失係数を決定するために作られた。
【００８９】
レイノルズ数の関数としての鋭い角流れ配送機能及び丸い角流れ配送機能と流れ配送機能の幅に対する損失係数相性が次に示される。
【数６】
0005427603.tif 000011
【００９０】
次の表は、流れ配送機能を有する場合及び有さない場合の流れ配送性能を要約する。
【００９１】
【表５】
0005427603.tif 000012
上記表から流れ配送機能の付加が流れ配送を改善するのに役立ったことを理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】ターンの例を示す。
【図２】流れ配送機能を形成する同時ターンの例を示す。
【図３】ターンの組合せを示す。
【図４】流体域、及び表面特徴（表面機能）における流れ変化を示す。
【図５】いくつかの流れ配送機能の位置を示す。
【図６】流れ配送機能形状の例を示す。
【図７】例１の流れ配送機能寸法を示す。
【図８】Ｑファクタに対する流れ配送機能長さの影響（効果）を示す。
【図９】例３のデバイスの反復ユニットの第１層の概要である。
【図１０】例３のための機能寸法を示す。
【図１１】例３のデバイスの反復ユニットの第３層の概要である。
【図１２】例３における分散相分布に対する流れ配送機能寸法を示す。
【図１３】マイクロチャネルデバイスを形成するエマルジョンのための組立ユニットを示す。
【図１４】連続相流れ分布を示す。
【図１５】分散相分布を示す。
【図１６】例４における流れ配送機能寸法を示す。
【図１７】例４におけるＲｅ＝９５１での損失係数を示す。
【図１８】例４におけるＲｅ＝１２１７２での損失係数を示す。
【図１９】例４におけるＲｅ＝３６５１７での損失係数を示す。
【図２０】例４におけるＣＦＤからのＲｅの関数としての損失係数Ｋを示す。
【図２１】例５に形作られたデバイスの概要である。
【図２２】例５のための濃度対圧力のグラフである。
【図２３】例５の流れ配送機能におけるターンの数を示す。
【図２４】例５のマイクロチャネルにおける予測流れ配送を示す。
【図２５】例５における設計感度分析に対するチャネル圧力低下変動を示す。
【図２６】例５のための設計感度分析に対する質量流れ分布を示す。
【図２７】例６における流れ配送マニホルド及び流れ配送機能の概要である。
【図２８】例６からの鋭い角及び丸い角を有する流れ配送機能を示す。
【図２９】流れ配送機能の有無による線質係数の比較を示す。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８（ａ）】
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【図２８（ｂ）】
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【図２９】
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