(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口と、
流体入口に接続された開放チャネルおよびウィックを含み、流体入口に接続された、チャネルと、
ウィック内での液体混合を向上させるように適合されたミキサと、
液体出口とを含み、
液体出口または液体チャネルがウィックに接続され、
前記ミキサがスタティックミキサであり、ここで該スタティックミキサが、パターニングされた表面を含み、ウィックがパターニングされた表面上に配置されるか、またはウィックが、流れの延伸および曲げ、または分流および合流を生じさせる螺旋状のまたは交差した構造体を含む層状のウィックを含む、流体を接触させるための装置。
【請求項２】
開放チャネルおよびウィックを含むチャネルと、
ウィック内での液体混合を向上させるように適合されたミキサと
をそれぞれ含む少なくとも二つの本質的に平面な層を含む積層デバイスを含む、請求項1記載の装置。
【請求項３】
開放チャネルおよびウィックを含むチャネルと、
ウィック内での液体混合を向上させるように適合されたミキサと
をそれぞれ含む2〜600の本質的に平面な層を含む積層デバイスを含む、請求項2記載の装置。
【請求項４】
ウィックが本質的に平坦である、請求項2記載の装置。
【請求項５】
開放チャネルが0.1mm〜10mmの高さを有し、ウィックが5mmまたはそれ未満の高さを有する、請求項1記載の装置。
【請求項６】
パターニングされた表面がヘリンボーンパターンを含む、請求項１記載の装置。
【請求項７】
開放領域および向上した混合性能を備えるウィッキング領域を含む少なくとも一つのチャネルを有するデバイス内に、少なくとも二つの別々の流体ストリームを通す工程；
ウィッキング領域を通して少なくとも一つの流体を流し、開放領域を通して少なくとも一つの他の流体を流す工程；および
ウィッキング領域内で流体を混合する工程
を含む、流体を接触させる方法であって、
ウィッキング領域を通って流れる少なくとも一つの流体と、開放領域を通って流れる少なくとも一つの他の流体との間に生じる物質伝達があり、ここで、
前記混合が、周期的な流れの切り換え、電気浸透による流れの切り換え、音響的な流体振動、界面動電不安定性、および超音波／圧電膜作動からなる群から選択されるアクティブミキサを使用することによって生じるか、または
前記ウィッキング領域が、流れの延伸および曲げ、または分流および合流を生じさせる螺旋状のまたは交差した構造体を含む層状のウィックを含むか、または
ミキサがパターニングされた表面を含み、ここでウィックが、該パターニングされた表面上に配置され、ウィック内の液体流が旋回流を含む、
方法。
【請求項８】
混合が、スタティックミキサを使用することによって生じる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
混合が、周期的な流れの切り換え、電気浸透による流れの切り換え、音響的な流体振動、界面動電不安定性、および超音波／圧電膜作動からなる群から選択されるアクティブミキサを使用することによって生じる、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記混合する工程が、1) 二次的なまたは再循環の流れを誘発すること、および2) 分流および合流を誘発すること、ならびに3) 延伸することおよび曲げること、からなる群から選択される工程を含む、請求項７または８記載の方法。
【請求項１１】
前記混合する工程が流体力学的集束を含む、請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記ウィッキング領域が、流れの延伸および曲げ、または分流および合流を生じさせる螺旋状のまたは交差した構造体を含む層状のウィックを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ウィッキング領域が、ゆるやかに曲折されたブレードミキサ／ディフューザを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記ウィッキング領域内の流体が液体を含み、前記ウィッキング領域内で流体を混合する工程が、
ウィッキング領域内に液体を流し、流れが旋回流またはウィッキング領域内で分流して合流する流れのいずれかである、工程
を含む、請求項７記載の方法。
【請求項１５】
ウィックがミキサを含み、ウィック内の液体流が旋回流を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記ミキサがパターニングされた表面を含み、ここでウィックが、該パターニングされた表面上に配置され、ウィック内の液体流が旋回流を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも一つのチャネルに近接した熱交換チャネルをさらに含み、熱交換チャネルを通じて熱交換流体を通す工程をさらに含む方法であって、
熱交換チャネルと、少なくとも一つのチャネルとの間で熱が伝達される、
請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、チャネル内でウィックを利用するプロセスおよびデバイスに関する。
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた契約DE-AC0676RLO1830の下に、政府援助を得てなされた。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
緒言
Battelleの技術者は、相分離、相分離に伴う凝縮、気体の吸収および脱着、ならびに蒸留等のプロセスのための、ウィックを含むマイクロチャネルデバイスの開発の草分けである。ウィックは、積層デバイスのチャネル内に組み入れることができる。そのようなデバイスの一つの態様は、米国特許第6,666,909号(特許文献1)の図6に図示されている。この気液コンタクタの断面図が、図1に図示されている。このコンタクタは、端版54および56、ならびに互い違いになっているシム51および52を有する。T継手の入口60および62は、それぞれ気体および液体を通すためのものである。T継手の出口64および66は、それぞれ気体および液体を通すためのものである。図2には、シム51のトップダウン図が図示されている。気体は、気体入口ホール76を通って流れ込み、出口ホール72を通って流れ出る。図3には、シム52のボトムアップ図が図示されている。液体は、ウィックを通るウィックチャネル82を通って流れ込み、ウィックチャネル84を通って流れ出る。図4には、ウィック挿入部が図示されている。ウィック挿入部は、ウィックを通る気体流のためのスルーホール92を有する。挿入部の区域94は、連続したウィックにすることができるか、またはウィックチャネルを通る連続したウィックで充填されたホールにすることができる。ウィックの挿入部が区域94を覆っている場合、チャネル78、79、82および84内に、ディスクまたはウィッキング材料の他の挿入部を配置して、連続した毛管液体流経路を提供するべきである。シム52内でマイクロチャネルを用いることにより、ウィック挿入部の必要性をなくすことができる。端板54は、シム52内のウィックチャネルに対応するウィックチャネル(図示せず)を有する。端板56は、入口および出口ホール72および76に対応する、気体入口および出口ホール(図示せず)を有する。このデバイスは、液相および気相の好ましい向流を示す。液体を用いて、気相から成分を選択的に吸収する場合、向流構成が、最も低濃度の抽出可能な成分を有する気体を、最も純粋な液体と接触させ、これにより、気体成分の最大限の吸収が提供される。これは、技術および特許文献にて公表されている数多くのウィックを含むデバイスおよびこれらのデバイスを用いているプロセスのうちの、ほんの一例である。これらの刊行物は、以下に記載される本発明によって改変させて、高度なウィッキング構造を使用することができるデバイスおよびプロセスのいくつかの例に言及しているものがある。たとえば、米国特許第6,666,909号(特許文献1)、同第6,869,462号(特許文献2)、および同第6,875,247号(特許文献3)は、以下に完全に転載されているかのように、本明細書に組み入れられる。
【０００４】
先行特許では、ウィックは、均一な材料、材料の混合物、複合材料、または傾斜材料として記載されている。たとえば、ウィックを、細孔のサイズまたは湿潤性によって等級分けして、液体を所望の方向に排出させることを助けることができる。ウィック材料の例は、焼結金属、金属スクリーン、金属発泡体、セルロース系繊維を包含するポリマー繊維、または他の湿潤多孔質材料を包含する。ウィック材料の毛管の細孔サイズは、好ましくは10nm〜1mmの範囲内であり、より好ましくは100nm〜0.1mmであり、この場合、これらのサイズは、走査電子顕微鏡(SEM)によって観察されるウィックの断面のうちで、最も大きい細孔径である。好ましい態様では、ウィックは、マイクロチャネル構造であるか、またはそれを包含する。マイクロチャネル内の液体は、毛管流によって移動する。マイクロチャネルは、任意の長さにすることができ、好ましくは、マイクロチャネルは、1〜1000マイクロメートル(μm)の、より好ましくは10〜500μmの深さを有する。好ましい態様では、マイクロチャネルはマイクログルーブであり、すなわち、グルーブの上部から底部まで一定のまたは縮小する幅を有する。別の態様では、マイクロチャネルは、液体を移動させるための、より大口径の細孔への口を形成する。米国特許第6,666,909号(特許文献1)の実施例2は、細目のステンレス鋼メッシュに重ね合わせた焼結ステンレス鋼層を有するPall Supramesh(商標)材料を用いることを報告している。
【０００５】
先行技術で指摘されているように、気体がウィックを通って漏れる原因となる可能性があるため、ウィックは、好ましくは動作中に乾燥することを許されない。乾燥を避けるための一つの取り組みは、ウィック構造と接触する毛管内に、流れ絞りを付加することであり、たとえば、ウィック構造よりも小さい細孔サイズを備え、非湿潤相が流れ絞りから湿潤相を押し退けることができないように、吸引圧力の大きさを制限する多孔質構造である。このタイプの絞り部は、ポアスロート(pore throat)としても公知である。好ましい態様では、ポアスロートは、ウィックと、液体流チャネルおよび／または液体出口との間に設けられる。いくつかの態様では、ウィックは小さな細孔径を有することができ、気体チャネルから流体を移動させるために役立ち、また気体の浸入も防止するようになり、これによりウィックとポアスロートの二重の目的に役立つ。
【０００６】
理想的なウィッキング構造は、高い透過性を呈するので、高い流れ能力および低い圧力降下が生じるようになる。しかし、Young-LaPlace式によって書き表されるように、小さな細孔サイズは、良好な毛管圧送能力のために必要とされる。これら二つの特性は、互いに調和せずに現れるが、ヒートパイプ産業の技術者は、この問題を、モノグルーブ(monogroove) (G.P. Peterson,「An Introduction to Heat Pipes」, John Wiley and Sons, New York, 1994, p. 5(非特許文献1))か、またはオープンアーテリ(open artery) (A. Faghari,「Heat Pipe Science and Technology」, Taylor and Francis, 1995, p. 26(非特許文献2))のいずれかと言われる、特殊なウィッキング構造を作り出すことによって解決してきた。これらの構造では、環状グルーブによって良好な透過性が維持されながらも、狭窄したネックが高い圧送能力を作り出す。気体チャネルを取り囲むオープンアーテリを備えるヒートパイプの断面図が、図5に示される。しかし、この概念は、物質伝達の有効性がウィッキングの体積に対して小さいために、望ましくない物質伝達の遅さの原因をもたらすので、気液接触には望ましくない。
【０００７】
マイクロチャネル設計の内にミキサを備えたマイクロリアクタには、多数の例がある。これらのデバイスでは、2種またはそれ以上の流体が一つに混合される。マイクロミキサの概説は、Hesselらの「Micromixers - a review on passive and active mixing principles」, Chem. Eng. Sci. 60, 2479-2501 (2005)(非特許文献3)によって提供されている。そのようなミキサは、流れ分割および合流構造、パターニングされた表面(たとえばヘリンボーンパターン、Stroock et al.「Controlling Flows in Microchannels with Patterned Surface Charge and Topography」, Acc. Chem. Res. 36, 597-604 (2003)(非特許文献4)参照)；電気的にパターニングされた(Stroock et al.参照)ジグザグ状のチャネル；多孔板を介したサブストリームインジェクション、および螺旋体などのパッキン構造体を包含する。先行技術はいずれも、ウィック内にスタティックミキサを組み入れていない。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,666,909号
【特許文献２】米国特許第6,869,462号
【特許文献３】米国特許第6,875,247号
【非特許文献１】G.P. Peterson, "An Introduction to Heat Pipes," John Wiley and Sons, New York, 1994, p. 5
【非特許文献２】A. Faghari, "Heat Pipe Science and Technology," Taylor and Francis, 1995, p. 26
【非特許文献３】Hessel et al., "Micromixers - a review on passive and active mixing principles," Chem. Eng. Sci. 60, 2479-2501 (2005)
【非特許文献４】Stroock et al. "Controlling Flows in Microchannels with Patterned Surface Charge and Topography," Acc. Chem. Res. 36, 597-604 (2003)
【発明の開示】
【０００９】
発明の概要
第一の局面では、本発明は、下記を含む、流体を接触させるための装置を提供する：流体入口；流体入口に接続されたチャネル；および液体出口。チャネルは、流体入口に接続された開放チャネルとウィックとを含む。本装置はまた、ウィック内での流体混合を向上させるように適合されたミキサを包含する。液体出口または液体チャネルは、ウィックに接続される。好ましくは、本装置は積層デバイスである。
【００１０】
記載された任意の局面では、開放チャネルは、好ましくは0.1mm〜10mmの、より好ましくは0.5〜5mmの高さを有する。ウィックは、好ましくは5mmまたはそれ未満の、より好ましくは1mmまたはそれ未満の、およびいくつかの態様では0.1mm〜1mmの範囲内の高さを有する。チャネルの高さは、ウィックの高さと開放チャネルの高さとの合計である。構成要素の幅および長さは、いくつかの態様では、それほど重要ではなく、別記されたチャネル寸法を有する。
【００１１】
特許用語に多く見られるとおり、用語「含む」は、「包含する」を意味し、付加的な構成要素がある可能性があり、一つまたは複数の述べられた構成要素がある可能性がある。たとえば、流体入口を「含む」装置は、一つ、二つまたはそれ以上の流体入口を有するデバイスを包含することがある。
【００１２】
さらなる局面では、本発明は、下記の工程を含む、流体を接触させるプロセスを提供する：少なくとも一つのチャネルを有するデバイス内に、少なくとも二つの別々の流体ストリームを通す工程；ここで、チャネルは開放領域およびウィックを含む；ウィックを通して少なくとも一つの流体を流し、開放領域を通して少なくとも一つの他の流体を流す工程；ウィック内で液体を混合する工程。ウィックを通って流れる少なくとも一つの流体と、開放領域を通って流れる少なくとも一つの他の流体との間に生じる物質伝達がある。
【００１３】
別の局面では、本発明は、下記を含むウィッキング装置を提供する：流体入口；流体入口に接続されたチャネル；ここで、チャネルは流体入口および高度なウィッキング構造に接続された開放チャネルを含む；および液体出口または液体チャネル。液体出口または液体チャネルは、高度なウィッキング構造に接続される。本装置は、好ましくは積層デバイスである。
【００１４】
さらなる局面では、本発明は、下記の工程を含む、流体をウィッキングするプロセスを提供する：少なくとも一つのチャネルを有するデバイス内に、少なくとも一つの流体ストリームを通す工程；および、ウィック内に液体を通し、流れが旋回流またはウィック内で分流して合流する流れのいずれかである、工程。チャネルは、開放チャネルとウィックとを含む。この局面では、液体はウィック内を流れ、気体は開放チャネルを通って流れる。
【００１５】
本発明はまた、流体が接触するプロセスを提供し、少なくとも二つの流体が、少なくとも一つのチャネルを有するデバイス内に通される。チャネルは、開放領域と、ウィッキング区域とを有し、向上した混合性能を備え、スタティックな、または高度なウィッキング構造が備えられることが可能になる。動作中、少なくとも一つの流体がウィッキング区域を通って流れ、少なくとも一つの他の流体が開放領域を通って流れ；一つの流体は、少なくとも一つの他の非混和性流体に接触し、ウィッキング区域を通って流れる少なくとも一つの流体と、開放領域を通って流れる少なくとも一つの他の流体との間に生じる物質伝達がある。
【００１６】
流体の接触は、吸収、脱着、蒸発、溶媒抽出、除去および整流のために有用である。他の用途は、反応性の化学的分離技術、たとえば反応蒸留を包含する。
【００１７】
本発明では、物質および／または熱の移動は、ウィック内で混合することによって向上し、これにより細いウィックと流れチャネルを作ることによって達成することができるものと同様のプロセス強化が達成される。物理的プロセスでの物質伝達は、シャーウッド数
0005530100.tif 000002
を特徴とし、ここでhmは物質伝達係数であり、dは物質伝達の長さスケールであり、Dは分子拡散率である。物質伝達係数の一つの定義は、物質伝達推進力特性で除された物質の流束(単位領域ごとの物質の流れ)であり、薄膜内への物質拡散は、表面濃度からバルク平均濃度を引いたものにすることができる。一定のシャーウッド数には、ウィックの厚さに対応する物質伝達の長さスケールdの縮小によって、物質伝達係数hmが増大し、これにより物質伝達が向上し、プロセスが強化される。本発明に記載されるように、ウィック内に、混合または流動挙動を誘発する構造を取り入れることができ、同じ厚さの構造化されていないウィックが呈する移動の間の有効拡散率またはシャーウッド数が向上する。
【００１８】
ウィックに加え、本発明に、任意のポアスロートおよび任意のキャプチャ構造を存在させてもよい。ウィックは、毛管力によって湿潤流体を優先的に保留する材料であり、これを通る複数の連続したチャネルがあり、それを通して液体が毛管流によって進行することができる。チャネルは、規則的または不規則的に成形することができる。液体は、乾燥したウィックを通って移動し、一方で液体を含有するウィック内の液体を、差圧、たとえば吸引を適用することによって、ウィックの一部または複数の部分に移動させることができる。ウィックは、典型的な金属酸化物ウォッシュコーティングのような単なる壁のコーティングではない。適正な流量を援助するためには、透過性が十分であることが必要であり、ウォッシュコーティングではそのことを果たさない。ウィック内の毛管の細孔サイズは、液体の接触角度、およびデバイスの意図される圧力勾配、ならびに液体の表面張力に基づいて選択することができる。好ましくは、ウィック内に気体が浸入するときの圧力は、動作中のウィック全体の差圧よりも大きくあるべきであり、これにより気体をウィックから排除する。
【００１９】
液体は、表面力、すなわち湿潤性によってウィック内に優先的に滞留し、界面張力によってそこに保持される。液体は、気体チャネルよりもウィックを好み、ウィックに容量がある限り、液体はウイック内に留まるか、または気体ストリームから離脱し、気体ストリーム内には放置されない。
【００２０】
いくつかの好ましい態様では、ウィックはマイクロチャネル内に配置される。マイクロチャネルは、任意の長さにすることができ、好ましくは、マイクロチャネルは、1〜1000マイクロメータ(μm)の、より好ましくは10〜500μmの深さを有する。好ましくは、マイクロチャネルは、1〜1000ミリメートルの、より好ましくは10〜100ミリメートルの幅を有する。好ましい態様では、マイクロチャネルはマイクログルーブであり、すなわち、グルーブの上部から底部まで一定であるか、または漸狭幅を有する。
【００２１】
さらに、ウィックは、液体を湿潤させ、表面張力によって液体を保留する細孔または開口を有する気体流チャネル(表面層)に近接した少なくとも一つの層を備える、異なる構造の層で構成することができる。表面層は、ウィックを通る液体流を生成する、ウィック内での横方向の圧力勾配を援助する。そのようなウィックのその他の層(内層)は、通常動作中は十分に飽和した状態にとどまり、液体のバルク流れに適応する。層状ウィックの一つの態様では、内層は、マイクログルーブまたはマイクロチャネルと、多孔質材料のシートからなる表面層とからなり、多孔質材料には、スクリーン紗、エキスパンドメタルスクリーン、フェルト材料、または焼結金属が挙げられる。別の態様では、一つまたは複数の内層は、表面層よりも高い多孔性および／または大きな細孔サイズを備える多孔質材料である。
【００２２】
ポアスロート内の液体は、動作中のポアスロート全体の最大差圧よりも大きいバブルポイントを有する。このことは、毛管力(表面張力、湿潤性、および接触角度に依存する)によるポアスロート内への気体の浸入を防ぐ。ポアスロートを用いて液体出口をシールすることができ、これは、気体がポアスロートを迂回することを防止するために、ポアスロートの周囲にシールがあるべきであるか、またはポアスロートが出口を覆うべきであるためである。ポアスロートは、好ましくは非常に薄く、ポアスロート全体において所与の圧力降下でポアスロートを通る液体流を最大にする。好ましくは、ポアスロートは、ウィックのものの半分未満の細孔サイズと、ウィックの厚さの50％またはそれ未満の厚さとを有し；より好ましくは、ポアスロートは、ウィックのものの20％またはそれ未満の細孔サイズを有する。好ましくは、ポアスロートはウィッキング材料と接触する毛管内にあり、気体がウィックとポアスロートとの間に閉じ込められて、出口を塞ぐことを防止する。
【００２３】
フラッディングは、ウィックを通る湿潤相が、デバイスの流れ能力を超えることに起因する場合があり、流れ能力は、ウィックの細孔構造、流れの断面領域、または流れの方向のウィックの圧力降下によって決定される。
【００２４】
キャプチャ構造は、気体流チャネル内、およびウィックに接触する液体内に(少なくとも部分的に)挿入することができる。キャプチャ構造は、気体ストリームから液体を取り除く(キャプチャする)ことを支援する。キャプチャ構造の一例は、ウィックから突出するコーンであり；コーン上で液体を凝縮させ、ウィック内に移動させることができる。このキャプチャ構造の例は、米国特許第3,289,752号に示され、参照により本明細書に組み入れられる。他のキャプチャ構造は逆コーンを包含し、液体非湿潤多孔構造は、細孔サイズがウィックに向かって徐々に大きくなる細孔サイズ勾配を有し、液体湿潤多孔構造は、細孔サイズがウィックに向かって徐々に小さくなる細孔サイズ勾配と、市販のデミスタまたはフィルタ媒体に見られるような繊維とを有する。分散した液体粒子をキャプチャする機構は、衝突(障害物の周囲の流れによる)、ブラウン(Brownian)キャプチャ(高い表面領域構造での長い滞留時間)、重力、遠心力(流れにおける強い湾曲)、または流れの場に対するエアロゾル粒子運動を誘発するために組み入れている場、たとえば電場または音場を包含する。
【００２５】
好ましい態様では、ウィックは、気体流チャネルと、流体分離区域内の本質的に平坦であるウィッキング区域とを備える積層デバイス内に配置される。この構成は、ハイスループットで、迅速かつ均質な物質および熱移動率を可能にし、高効率な容積率のための広い表面積を提供する。いくつかの好ましい態様では、層は積み重ねられて、2〜600の分離層の分離気体流チャネルを、より好ましくは気体流チャネルを含む4〜40の分離層を有する。平行な配列の代替として、チャネルを一続きに接続して、より長い流れ経路を作り出すことができる。いくつかの好ましい態様では、気体流チャネルおよび／または液体流チャネルは、高さ寸法(正味の気体流に対して垂直である)の少なくとも10倍の大きさの幅および長さ寸法を有する。
【００２６】
本発明はまた、本明細書に記載された任意の構造および装置を用いる、流体処理(好ましくは流体に接触する)方法を包含する。
【００２７】
本発明は、多様な局面および態様において、迅速な物質移動、高い熱伝達率、低コスト、耐久性、およびコンパクトな空間での改善された流れの性質(より高い透過性および圧送圧力が組み合わせられる)を包含する多数の利点を提供することができる。
【００２８】
用語解説
「アクティブミキサ」は、エネルギー、たとえば電気または音響エネルギーを適用することによって、混合を向上させる。
【００２９】
「高度なウィッキング構造」とは、以下に記載された試験結果を満たす構造のことである。
【００３０】
「キャプチャ構造」とは、気体流チャネル内に(少なくとも部分的に)配置され、ウィック内への液体の動きを支援する構造のことである。
【００３１】
「デバイス体積」とは、チャネル、ヘッダ、およびシムを包含するデバイスの全体積を指す。
【００３２】
「エントレインメント」とは、気体の出口内への液体の移動を指す。
【００３３】
「流れマイクロチャネル」とは、装置の通常動作中、それを通って流体が流れるマイクロチャネルを指す。
【００３４】
「積層デバイス」とは、少なくとも二つの同一でない層を有するデバイスのことであり、これらの少なくとも二つの同一でない層は、単位動作、たとえば熱伝達、凝縮等を行うことができ、ここで、二つの同一でない層はそれぞれ、流体流に層を通過させることを可能にする。本発明では、積層デバイスは、流体媒体内の繊維束ではない。
【００３５】
「液体」とは、適切な動作状態下でのウィック内の、液相状態にある物質のことである。
【００３６】
「マイクロチャネル」とは、5mmまたはそれ未満の、少なくとも一つの直径を有するチャネルを指す。マイクロチャネルの長さは、流体が、通常動作中に壁に当たる前に流れることができる最長方向として定義される。幅および深さは、長さに対して、かつ互いに対して垂直であり、図示された態様では、幅は、シムまたは層の平面で測定される。
【００３７】
「マイクロ部品」とは、動作中、単位プロセス動作の一部であり、かつ1mmまたはそれ未満である直径を有する部品のことである。
【００３８】
「ポアスロート」とは、通常動作状態下で、非湿潤流体が、ポアスロートに含有される湿潤流体を押し退けることを制止するような最大細孔寸法を有する多孔質構造を指す。
【００３９】
「滞留時間」とは、流体が、所与の作業体積を占める時間を指す。
【００４０】
「スタティックミキサ」とは、ウィックの内の、またはそれに近接した構造体のことであり、ウィック内での混合を向上させる。マイクロチャネル内で混合するための公知のスタティックミキサは多くあり、本発明では、これらをウィックと併せて用いて、ウィック内での流体の混合を促進してもよい。
【００４１】
「物質」とは、化学物質または分子のことである。
【００４２】
「単位プロセス動作」とは、流体ストリームの化学的または物理的性質が改変される動作を指す。単位プロセス動作(単位動作とも呼称される)は、流体ストリームの温度、圧力または組成の改変を包含する場合がある。
【００４３】
「ウィッキング領域」とは、ウィックまたはウィッキング表面、たとえばグルーブを付けたマイクロチャネルの表面が占める体積のことである。
【００４４】
「作業体積」とは、デバイスのチャネルの総体積を指し、ヘッダ、固体シムおよび端板材料は除外する。
【００４５】
詳細な説明
ウィックを含むデバイスは、金属、プラスチック、セラミックまたは複合材料で作ることができる。金属シム(積層デバイス製造用)は、エッチング；従来の切削、研磨、および機械加工；放電加工(EDM)；レーザ加工；スタンピングまたは圧印；押出；成形技術；または付着技術、たとえばラピッドプロトタイピング、化学蒸着、または電着によって作ることができる。プラスチックシムは、同じ技術を用いるか、または射出形成、熱エンボス加工、スタンピング、鋳造、および他の成形技術を包含する従来のプラスチック形成技術によって作ることができる。セラミックシムは、固体酸化物形燃料電池エレメントの製造に用いられるものを包含する、セラミックパーツを製造するための周知の技術を用いて作ることができる。気体チャネルに面しているシム材料は、材料のコーティング、処置を通して、または材料の選択によって、疎水性にすることができる。シムは、平坦部およびチャネル壁の近くにゆるやかに保持されるか、または液体チャネル壁にウィックを接着することのいずれかによって、流体流チャネル内に設置されたウィックと積み重ねることができる。ウィックまたはポアスロートは、気体を液体出口へ流す開放経路を防止しなければならない。このことは、ウィックまたはポアスロート構造と壁との間の公差を近くするか；シール材、たとえばエポキシ、ポリマー、またはろう付け材料を用いて、ウィックまたはポアスロートを設置することによるか；あるいはガスケットまたはOリングを用いることによるかのいずれかで達成することができる。シム間の、および端板とシムとの間の継ぎ目は、接合または圧縮シールによってシールすることができる。接合は、拡散接合によるか、ろう付けもしくは半田付けによるか、超音波溶接によるか、燃焼合成によるか、エポキシ樹脂を用いるなどの化学反応によるか、または接着材料での糊付けによって、達成することができる。圧縮シールは、ガスケット、Oリングを用いて、または表面と表面との接触およびデバイスを一緒にボルト留めすることによって、達成することができる。入口および出口は、同じ方法によって、溶接によって、ねじもしくはボルトによって、または他の公知の接続技術によって、接続することができる。
【００４６】
小体量の所与のデバイスを作る場合、または清掃もしくは改変のためにデバイスを分解する必要がある場合、好ましい製造技術は、シムおよび端板を、従来の機械加工、たとえばフライス加工によって、またはEDMによって製造することである。シムと端板との間のシールは、好ましくは、シーリング面の一つに機械加工されたグルーブ内に置かれたOリングを用いるか、またはシーリング面のプロファイルに一致するように切削されたガスケット材料を用いるかのいずれかにより圧縮シールによって達成される。そして、デバイスは、ボルトを用いて、圧縮状態で一緒に保持される。液体出口は、ウィックまたはポアスロートと壁との間に、ガスケットまたはシール材、たとえばエポキシを用いて、気体流チャネルから隔離される。入口および出口は、標準的な螺合する取付具または他の公知の接続技術、たとえばろう付け継合を用いて、設置することができる。
【００４７】
本デバイスおよびプロセスは、システムへの組み込みに特に望ましい。これらのシステムは、所望の機能、たとえば熱伝達、物質伝達、不均一反応、電気化学反応、または電場増強を達成することができる。化学反応器のエレメントとして組み込まれた場合、本発明のデバイスは、プロセス強化(たとえば、物質移動滞留時間の減少)、および／または化学反応のための平衡転化率および選択性を上回ることをもたらす。熱交換器との組合せは、多相の吸熱または発熱化学反応を容易にすることができる。
【００４８】
不均一な触媒反応は、活性触媒材料を、液相反応のためにウィッキング構造に、および／または気相反応のためにキャプチャ構造に含浸させることによって達成することができる。一つの例は、Fischer-Tropsch合成であり、この場合、凝縮可能な炭化水素が生成される。反応器の滞留時間は、触媒構造と接触している液体炭化水素生成物を取り除く構造の組み込みによって減少させることができる。本デバイスはまた、一体型の反応器−化学的分離器で用いることもできる。たとえば、ウィックまたはウィック内の吸収性材料は、生成物の一つを選択的に取り除くことができる。このことは、平衡転化率のシフトに加え、改善された選択性をもたらす。他の限定的でない例は、低温水性ガスシフト反応を包含し、この場合、COを選択的に取り除くことにより、適当な転換を達成するために、動作温度を低くすることができる。流れている気体ストリームに対向して吸収液を流すことによって、この効果を向上させることができる。
【００４９】
所与の物理的プロセスに関する物質伝達のシャーウッド数または熱伝達のヌセルト数は、液体の形状および流動挙動に左右される。たとえば、2100を上回るレイノルズ数における乱流のシャーウッド数は、2100を下回るレイノルズ数における層流のものよりもかなり大きい。しかし、レイノルズ数2100を下回る層流のシャーウッド数(またはヌセルト数)は、形状の改変によって増大させることができ、マイクロミキサに関する文献(Hessel, V., H. Lowe, F. Schonfeld, Chemical Engineering Science, 60 (2005) 2479-2501)から周知のとおりである。これらの構造を用いて典型的には2種の混和性流体を一緒に混合するのに対して、この概念はまた、ウィックによる移動プロセスに関連するシャーウッド数またはヌセルト数を増大させるためにも有用である。
【００５０】
本発明では、マイクロミキサを用いて混和性流体を混合するための公知の概念を適用して、細いウィッキング構造を通って流れる液体の中への、または液体の外への物質または熱の伝達を加速させることができる。スタティックミキサを用いて向上した熱および物質伝達に影響を与える原理的機構は、1) 二次的なまたは再循環の流れを誘発すること、および2) 分流および合流(SAR)を誘発すること、ならびに3) 延伸することおよび曲げることである。アクティブな混合機構は、電気のまたは超音波の力を使用することを包含する。ウィック内に、移動を向上させるための構造を導入する、いくつかの限定的でない態様が、以下に記載される。
【００５１】
一つの態様では、表面層およびヘリンボーンパターンを成す一つの側面を備える開放されたマイクロチャネルからなるウィック(Hesselの図15)では、反対側に、気体流チャネルに近接した表面を導入した。流体は、ウィックの表面層から遠く離れた表面層に最初に流体を運ぶマイクロチャネルを流下するときに、二次的な旋回流セルを生じさせ、表面層では、表面層で液相と接触している気相によって、熱または物質伝達がより容易に生じることができる。同様に、熱伝達が、ヘリンボーン構造が位置付けられた壁を通して生じている場合、最初は壁から遠く離れている流体は、熱伝達がより容易に生じることが可能であるその壁に向かって動く。
【００５２】
別の態様では、層状のウィックの内層は、螺旋状のまたは交差した構造体(Hesselの図14を参照)を含み、これは、流れの延伸および曲げ、または分流および合流をそれぞれ生じさせ、これらにより、最初にウィックの表面層の近くにある流体が、表面層から離れた流体と混じり合うことが生じる。このことは、混じり合った液体内での拡散移動を向上させる。
【００５３】
層状のウィック内で、螺旋状のまたは交差した流れ構造を実現するための一つの手法は、エキスパンドメタルスクリーンの四面体ワイヤ構造、たとえばDelker, Inc.によって供給されているものを用いることである。これらの構造体の平面を流れる流体の流れ経路は、流れの方向に対するスクリーンの向きに、大きく依存する。2方向の場合、流れ経路は、比較的まっすぐで妨げるものがなく、まっすぐな流れのラインは、所望どおりに、二次的な流動挙動を誘発しない。しかし、流れの方向によって、流体がワイヤの周囲を流れることが必要とされる場合、流れ経路はさらに蛇行したものとなり、二次的な流動挙動が可能となる。四面体ワイヤスクリーンの複数の層からウィックを構築し、交じり合いまたは螺旋状の流動挙動を特別に誘発するようにワイヤを向けることにより、所望の向上した移動を達成することができる。
【００５４】
ウィック構造内に導入することができる他の分流および合流構造は、キャタピラ構造(Schonfeld, F., V. Hessel, and C. Hofmann, 2004, Lab on a Chip. 4. 65-69)、フォーク型(Schwesinger, N. and T. Frank, 1995, WO 96/30113, Merck Patent GmbH, Darmstadt, Germany)、傾斜型(Branebjerg, J., U.D. Larsen, and G. Blankenstein, Eds. 1996, Proc. of 2nd Int. Symp. On Miniaturized Total Analysis Systems; Analytical Methods & Instrumentation, Special Issue microTAS'96, Basel, 228-230 and Lowe et al., 2000, 4th Int. Conf. on Microreaction Tech., IMRET 4, Atlanta, USA, AIChE Topical Conf Proc., 31-47)、および湾曲型設計を包含する(しかし、これらに限定されない)。混合するウィッキングチャネルは、流れを別々に分流させて合流させるウィックから構築することができ、たとえば、繊維性のウィックを含む、パターニングされたチャネル(たとえばチャネル壁がエッチングされている場合)である。別の態様では、ウィッキングされ、開放されたマイクロチャネル(マイクロチャネル内に付加的なウィックがなく、任意で、ポアスロートによって気体チャネルから間隔を置かれている)は、マイクロチャネル内で流れを分流させて合流させる。これらの構造は、ウィックの表面層の近くにある流体を、残りの流体と混ぜ合わせて、拡散性の熱および物質伝達を向上させる。
【００５５】
混合を向上させるための別の公知の機構は、流体力学的集束であり、これはベンチュリと同様に、流れの領域が減少し、対流的−拡散的な長さスケールで、局部的な減少を起こさせる。周期的な集束構造を含むウィッキング構造の場合、流れの領域が増大し、物質伝達の長さスケールが増大し、かつ流れがより遅くなった区域は、流れの領域が減少し、物質伝達の長さスケールが減少し、かつ速度が速くなった区域と互い違いになるであろう。前者の区域は、ウィック内の液相と近接する気相との間の物質伝達を容易にし、後者は、ウィック内の液体内での物質伝達を容易にするであろう。
【００５６】
導入可能であるマイクロミキサのさらに別の態様は、より小さなチャネルとより大きな蛇行チャネルとの組合せである(He, B. et al., 2001, Analytical Chemistry, 73(9), 1942-1947)。より大きなチャネルへの流体の供給は、正味の流れ方向への軸方向分散の効果と、より短いチャネル内でのより小さな移動長さスケールおよびより長い滞留時間との両方を与える、より小さなチャネルによって分散される。
【００５７】
ウィック内での向上した輸送の他の態様は、アクティブな混合構造を用いることを包含し、この場合、混合のためのエネルギーは、外部のエネルギー源によって供給され、流体力学的な圧力ではない。これらのアクティブな混合手法は、周期的な流れの切り換え(Glasgow, I. and N. Aubry, 2003, Lab on a Chip, 3, 114-120)、電気浸透による流れの切り換え、(Qian S. and H.H. Bau, 2002, Analytical Chemistry, 74(15), 3616-3625)、音響的な流体振動(Liu, R.H. et al., 2002, Lab on a Chip, 2, 151-157)、界面動電不安定性(Oddy, M.H., J.G. Santiago, J.C. Mikkelsen, 2001, Analytical Chemistry, 73(24), 5822-5832)、および超音波／圧電膜作動(Yang, Z., et al., 2001, Sensors and Actuators A, 93, 266-272)を包含する。
【００５８】
任意の向上した混合ウィックは、比較的小細孔の材料の表面層によって、開放チャネルから分離することができる(この場合でさえも、ウィックはやはり開放チャネルに「近接している」と称される)。たとえば、一つのウィッキング構造では、狭窄したネックを介して気体流チャネルに接続された液体流アーテリを包含する(たとえば、本発明の図5参照すると、ここでは代替的に、ネックを備える平面構造と、平面なチャネルの一方または両方の側面上のアーテリとを有する)。液体流アーテリは、混合を向上させるための構造、たとえば、パターニングされた表面、バッフル、または混合チャネルを含む。ウィックは、開放チャネル(すなわち、気体流チャネル)と、ウィック(微細孔膜よりも比較的大きな細孔微を含む)との間の界面に、細孔膜を含んでもよい。微細孔膜の平均的な細孔サイズ(体積平均)は、配置されているウィックの体積平均細孔サイズよりも、少なくとも30％小さい。この場合の「ウィック」は、たとえば、ビーズの集合体か、または小細孔膜から短い距離だけ離したパターニングされた表面であり、表面と膜との間に毛管効果が発生するようにすることができる。以前は、開放チャネルとウィックとの間に微細孔膜を介在させることを用いることは、物質伝達を遅くするため、望ましくないと見なされていたであろう。微細孔膜の利点は、毛管の圧送圧力を増大させると同時に、混合を提供するための内層(ここではウィック)を構成するような柔軟性を提供することである。
【００５９】
図6は、ゆるやかに曲折されたブレードミキサ／ディフューザを図示する。好ましい態様では、少なくとも三つのウィックが絡み合って、ゆるやかなブレードを形成しているが、絡み合ったウィックは、締め付けられない。十字型のデザインは、ウィッキング材料のすべての側面を露出させ、これによって気相に対して液体がより早く拡散することが可能になる。湾曲したウィッキングストランドは、湾曲した細孔を作り出し、これにより、ディーン渦を作り出すことによる液体のカオス的混合を可能にすることができる。マイクロチャネル内での単一相の混合のためのカオス的なミキサは、Jiangら、AICHE J. 50(9), 2297-2305 (2004)によって実証されている。彼らは、ウィッキング構造を組み入れておらず、単一相に限定していた。本発明のブレード様のウィックでは、十字型のウィッキングストランド(特に、ストランドどうしの接触点で)が液体を混合し、また分流および合流手法(ストランドが気体流を分流させて、その後、気体を複数回合流させる)をさらに用いて気相の混合も生じさせる。ブレードを記載するための用語「ストランド」を用いることは、ウィックを繊維ベースの材料に限定することを意図しないが、任意の前述のウィック材料を包含する場合がある。ブレードは、少なくとも二つの、好ましくは少なくとも三つの絡み合ったストランドを含む。このように、本発明は、チャネル内のブレード様のウィックと、ブレード様ウィックを通して液体を移動させる方法とを包含する。
【００６０】
「高度なウィッキング構造」は、「高度なウィッキング構造試験」によって定義され、それは以下のとおりである。ウィックは、既存のデバイスで試験されるか、または気体流のための開放区域を有する、ちょうど一致するチャネル内に置かれる。チャネルは、ウィック幅に一致する幅を有し、開放区域は、ウィックの体積の2倍の体積である。通常は、パターニングされた表面に近接して動作するウィックは、同一にパターニングされた表面に近接して試験される(かつ、平滑な表面に近接したウィックと比較される)。疎水性でないウィック(室温および室圧で水に触れたときに湿る)では、約20℃の20wt%アンモニア水が、フーリエ数1.0でウィックを通過する一方で、約20℃のアンモニアが、1.0気圧で気体チャネルを通過する。ウィックを通る流れは、所望の流れ方向であり、典型的には最も大きい寸法である。チャネルに存在する液体のアンモニア濃度が測定される。これは、同一条件下で実施されるウィックと比較するためであり、但し、任意の混合構造を除く(これは「標準」と称される)。結果として標準よりも少なくとも20％多いアンモニアを含有するウィックは、「高度なウィッキング構造」と称される。不均質な組成を備えるウィックでは、標準のウィックは、開放チャネルに面している表面層と同じ組成であり、たとえば、鋼メッシュが被せられた焼結金属面を備えるウィックは、全体的に同じウィックの厚さまで開放チャネルに重ね合わせた焼結金属のみで形成された標準のウィックと比較される。疎水性のウィックでは、比較は同じであるが、但し、ウィック内の液体が65℃のシクロヘキサノールであり、気体が1気圧で約65℃のシクロヘキサンである。
【００６１】
試験手順には、実施可能な限り細密に従うべきであり、いくつかの構造を試験するために、いくらかの変形が必要とされる場合があり、変形は、マイクロコンタクタを用いて作業する当業者によって、ウィックの混合の程度を正確に測定するために適応させることができることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】米国特許第6,666,909号に記載されているコンタクタの断面図である。
【図２】気液コンタクタの気体流チャネル層のトップダウン図である。
【図３】気液コンタクタの液体流チャネル層のボトムアップ図である。
【図４】ウィック挿入部を図示する。
【図５】流体流のためにネックを介してオープンアーテリに接続された気体流チャネル(最大中央チャネル)の断面図である。
【図６】三つのウィッキングストランドからなるゆるやかなブレード様のウィックを含むチャネルを図示する。
【図１】
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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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