(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのマニホールドと、該マニホールドに接続する複数の接続マイクロチャネルとを同じデバイス内に収容した、マイクロチャネル装置に関する。デバイス内の優れた熱流または物質移動流を実現するためには、接続マイクロチャネルの容量は、単一または複数のマニホールドの容量を上回らなければならない。また、マイクロチャネルを通じて、分裂流および非分裂流を同時に有するマイクロチャネルデバイスにおいて単位操作を実行する方法も開示する。
2009541053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合型マイクロチャネル装置の単位操作を実行する方法であって、
流体を装置内に通すステップであって、
前記装置は、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、
前記マニホールドの容量は、前記複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、
前記マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、または前記マニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在するステップと、
前記流体が、前記接続マイクロチャネルの少なくとも一部を通じて分裂流となるように、条件を制御するステップと、
前記接続マイクロチャネル内の前記流体に単位操作を実行するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記装置は、第１のマニホールドと、第２のマニホールドの、少なくとも２つのマニホールドを備え、前記第１のマニホールドは、第１の組の複数の接続マイクロチャネルに接続され、前記第２のマニホールドは、第２の組の複数の接続マイクロチャネルに接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の流体は、前記第１のマニホールドを通じて流れ、実質的に前記第１の組の接続マイクロチャネルを通じて分裂流で流れ、第２の流体は、前記第２のマニホールドを通じて流れ、実質的に前記第２の組の接続マイクロチャネルを通じて非分裂流で流れる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マニホールドはヘッダであり、前記ヘッダは流入口を有し、流体は、２２００を超えるレイノルズ数で前記ヘッダ流入口を通過する、請求項１〜３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記統合型マイクロチャネル装置は、０．０１ＭＷを超える熱負荷を有する、前記請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記統合型マイクロチャネル装置は、０．１ＭＷを超える熱負荷を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記統合型マイクロチャネル装置は、１ＭＷを超える熱負荷を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マニホールドを通じた圧力降下は、接続チャネルを通じた平均圧力降下以下である、前記請求項１〜７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記マニホールドは、ヘッダであり、前記マニホールドの圧力降下、すなわち、前記ヘッダ流入口と、最も低い圧力を有する前記接続チャネル流入口（ヘッダ流出口に相当する）との間の圧力降下は、（平均圧力降下として測定された）前記複数の接続チャネルを通じた圧力降下の５０％未満である、前記請求項１〜８いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記マニホールドは、ヘッダであり、前記マニホールドの圧力降下、すなわち、前記ヘッダ流入口と、最も低い圧力を有する前記接続チャネル流入口（ヘッダ流出口に相当する）との間の圧力降下は、（平均圧力降下として測定された）前記複数の接続チャネルを通じた圧力降下の２５％未満である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記マニホールド容量は、前記複数の接続チャネルの容量の５０％未満である、前記請求項１〜１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記マニホールド容量は、前記複数の接続チャネルの容量の２５％未満である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マニホールドと前記接続チャネルとの間には、流れを制御するオリフィスが存在せず、オリフィスの断面積は、前記接続チャネルの平均断面積の２０％未満である、前記請求項１〜１２いずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記マニホールドは、２つのセクションを備える、請求項１〜１３いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
２つの部分は、第１および第２のセクションを備え、前記第１のセクションは、開口マニホールドであり、前記第２のセクションは、サブマニホールド、ゲート、または格子を備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の接続チャネルを通じた流れは、遷移流または乱流である、請求項１〜１５いずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
前記マニホールドは、マニホールド流入口を備え、前記マニホールド流入口および前記複数の接続チャネルを通る流路を備え、さらに、前記流路は、オリフィス、ゲート、格子、または整流器を備えない、請求項１〜１７いずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
前記マニホールドは、マニホールド流入口を備え、前記マニホールド流入口および前記複数の接続チャネルを通る流路を備え、前記流路は、マニホールド、サブマニホールド、および接続チャネルのみから実質的に成る、請求項１〜１７いずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記マニホールドに接続された少なくとも２００の接続マイクロチャネルを備える、請求項１〜１８いずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記接続チャネルを通じた流れは、少なくとも２２００のレイノルズ数を有する、請求項１〜１９いずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記接続マイクロチャネルは、０．５〜１．５ｍｍの範囲の最小寸法を有する、請求項１〜２０いずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
層状のデバイス内で実行され、前記接続チャネル内の間隙は、０．５〜１．５ｍｍの範囲である、請求項１〜２１いずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
分裂流は、前記接続チャネルのうちの１つ以上の長さの少なくとも一部で生じる、請求項１〜２２いずれか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記複数の接続チャネルは、前記チャネル長の少なくとも一部で分裂流が生じる、少なくとも１０の接続チャネルを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の接続チャネルは、前記チャネル長の少なくとも一部で分裂流が生じる、少なくとも２０の接続チャネルを備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の接続チャネルは、前記チャネル長の少なくとも一部で分裂流が生じる、少なくとも１００の接続チャネルを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
分裂流は、少なくとも１つの接続チャネルの長さの少なくとも５％で生じる、請求項２３〜２６いずれか１項記載の方法。
【請求項２８】
分裂流は、少なくとも１つの接続チャネルの長さの少なくとも２０％で生じる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
分裂流は、少なくとも１つの接続チャネルの長さの少なくとも５０％で生じる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
分裂流は、少なくとも１つの接続チャネルの長さの少なくとも９０％で生じる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
分裂流は、前記複数の接続チャネルのうちの全てにおいて生じる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記接続マイクロチャネルの長さの少なくとも９０％を通じて分裂流が存在する、請求項１〜３１いずれか１項記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の接続チャネルは、滑らかな壁を有する、請求項１〜３２いずれか１項記載の方法。
【請求項３４】
前記複数の接続チャネルは、表面特徴を持たない、請求項１〜３３いずれか１項記載の方法。
【請求項３５】
前記複数の接続マイクロチャネルは、固体触媒を備える、請求項１〜３４いずれか１項記載の方法。
【請求項３６】
前記複数の接続マイクロチャネルは、０．５〜１．５ｍｍの範囲の最小寸法を有する、請求項１〜３５いずれか１項記載の方法。
【請求項３７】
前記マニホールドは、０．５〜１．５ｍｍの範囲の最小寸法を有する、請求項１〜３６いずれか１項記載の方法。
【請求項３８】
マイクロチャネル装置であって、
複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、
前記マニホールドの容量は、前記複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、
前記マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、または前記マニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在する、
装置。
【請求項３９】
少なくとも１０層の反応マイクロチャネルと相互接続した、少なくとも１０層の熱交換マイクロチャネルアレイを備え、前記反応マイクロチャネルは、触媒壁コーティングを含む、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
熱交換マイクロチャネルアレイの各層は、マニホールドと、前記マニホールドに接続された熱交換接続マイクロチャネルアレイとを備える、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
各層の前記マニホールドは、実質的にその層のみに限定され、熱交換マイクロチャネルアレイの複数の層を越えて延在しない、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
マニホールドは、複数の層内の熱交換接続マイクロチャネルの複数のアレイが前記マニホールドに接続するように、熱交換マイクロチャネルアレイの複数の層を越えて延在する、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
デバイスおよび流体で構成されたマイクロチャネルシステムであって、
複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドであって、
前記マニホールドの容量は、前記複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、
前記マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、または前記マニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在するマニホールドと、
前記長さの少なくとも一部において分裂流で前記接続マイクロチャネルを通過する流体と、
を備える、システム。
【請求項４４】
統合型マイクロチャネル装置の単位操作を実行する方法であって、
流体を装置内に通すステップであって、
前記装置は、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、
前記マニホールドの容量は、前記複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、
前記流体が、実質的に少なくとも一部の前記複数の接続マイクロチャネルを通じて分裂流となるように条件を制御し、前記流体が、実質的に少なくとも他の一部の前記複数の接続マイクロチャネルを通じて非分裂流となるように条件を制御するステップと、
分裂流である前記接続マイクロチャネル内の前記流体に単位操作を実行し、非分裂流である前記接続マイクロチャネル内の前記流体に単位操作を実行するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学プロセスを実行するためのマイクロチャネル装置、および分裂流によって単位操作を実行する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロチャネル内で化学プロセスを実行することは、より良い熱および物質移動を実現する上で有利であることは既知である。多くの研究者が、寸法が小さくなるにつれて、マイクロチャネル内の物質移動が高められることを示している。Ｎｉｓｈｉｏ（２００３年）は、東京大学生産技術研究所での研究において、内径が０．１ｍｍより大きいマイクロチャネル管に対する結果が、従来の分析と十分に一致したことを発表した。当該論文はまた、従来の相関を用いて管径の関数として熱伝達係数を示し、管径が小さくなると熱伝達係数が大きくなることを示している。したがって、従来技術では、管径が小さくなると熱伝達性能が向上することを教示している。
【０００３】
Ｇｕｏら（２００３年）は、マイクロスケールでの単相流および熱伝達に対するサイズ効果に関する論文を発表した。研究の結論のうちの１つは、「測定誤差または入口効果による、摩擦係数の実験結果と、ヌッセルト数と、それらの標準値（従来の値）との間の相違は、マイクロスケールでの今までにない現象によって生じていると誤解される可能性がある」というものであった。彼はまた、チャネルの径が小さくなれば、体積に対する表面積の比が大きくなり、より高いヌッセルト数および摩擦係数を提供することを指摘した。
【０００４】
マイクロチャネルは、従来、層流領域の操作のために設計されていることが一般に認められている。Ｐａｎら（２００７年）は、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌに掲載された論文（オンラインで発表）で、「実際には、マイクロチャネル内の流速は、通常、１０ｍ／ｓ未満であり、水力直径は５００μｍを超えることはないので、レイノルズ数は２０００未満である」と述べた。また、０．０５ｍｍを超える臨界寸法を有するマイクロチャネルにおける、層から遷移流領域への流れ領域の遷移に対する臨界レイノルズ数は、従来の値（最大２０００）に従うことが、複数の研究者（Ｈｒｎｊａｋ他（２００６年））によって証明された。
【０００５】
Ｖｏｇｅｌは、２００６年に熱交換器の設計法を発表した。熱の増大は、高い熱伝達係数を提供する開発領域内に流れを保つことによって得られた。この方法は、より良好な熱伝達性能のために、Ｌ／Ｄ比率を１００以下に保持することを教示している。しかし、この手法では、接続チャネル長が短くなるため、連結チャネルの圧力降下が小さくなる。スケールアップデバイスの場合、該手法は、多数のチャネルと、それに対応する大きなマニホールドを必要とする場合がある。
【０００６】
Ｄｅｌｓｍａｎらは、２００４年に、計算流体力学モデルを通して、マニホールドのジオメトリおよび総流量の流れ分配に対する影響を研究した。接続チャネルの（断面）寸法は、０．４ｍｍ×０．３ｍｍに固定した。分析におけるチャネルの総数は１９であった。分析では、マニホールドの形状を変更して、均一な流れ分配を得ることに焦点を絞った。分析は、マニホールドを通る速度が増加すると、分配不良が増加することを明らかに示した。接続チャネルの総数を多くして（≧１００）、流量を増加した場合、この手法のスケールアップ設計に適用すると、マニホールドの容量が大きくなる。
【０００７】
Ｔｏｎｏｍｕｒａらは、２００４年に、計算流体力学モデルを使用してマイクロデバイスの最適化を研究した。分析では、チャネル総数を５とした。この研究は、成形したマニホールドが、所与の接続チャネルの寸法に対しては流れ分配を改善するが、マニホールドおよび接続チャネルが、この用途に対しては一緒に設計されなかったことを示した。該研究における最適化は、デバイス全体ではなく、マニホールドの流れ領域を減少させることに基づいていた。この手法に関しては、スケールアップユニット（長いマニホールド長（≧１５ｃｍ）、または多数の接続チャネルを有する）は、接続チャネルの設計が最適化に含まれないので、同様に、結局はマニホールドの寸法が大きくなる。
【０００８】
Ａｍａｄｏｒらは、２００４年に、電気抵抗ネットワーク手法を用いて、異なるマイクロ反応器のスケールアウトジオメトリにおける流れ分配を分析した。該論文は、連続した分岐マニホールド構造を分析するための連立方程式を提示した。提示された分析用の連立方程式は、層状領域にしか適用できない。該論文は、所要の寸法比を算出して、マニホールドおよび接続チャネルにおける層状領域に対する所与の流れ分配を達成する方法を提示した。
【０００９】
Ｗｅｂｂは、２００３年に、並列マイクロチャネル内の流れ分配に対するマニホールド設計の影響を研究した。論文では、全ての接続チャネルの流れ領域の合計以上のマニホールドの流れ領域を設計して、均一な流れ分配を得る手法を示した。この手法をスケールアップしたマイクロチャネルユニット適用すると、接続チャネル数の増加につれて、マニホールドが大きくなる。
【００１０】
Ｃｈｏｎｇらは、２００２年に、マイクロチャネルのヒートシンク設計を最適化するための、熱抵抗ネットワークを用いたモデリング手法を発表した。その結果は、層状領域内で作動するヒートシンク設計が、乱流領域におけるヒートシンク設計よりも優れていることを示した。該論文は、マニホールドサイズに関する設計の関わりについては述べていない。
【００１１】
【非特許文献１】Ｐａｎら、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ、２００７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術では、接続マイクロチャネルの寸法は、熱伝達または物質移動の要件に基づいて設定することができる。例えば、熱交換器ユニットの設計の場合、接続チャネルの寸法は、全体的な熱伝達要件に基づいて決定することができる。概して、層流のための間隔が小さくなると、熱伝達率が良好になり、接続チャネルのサイズがより小さくなるが、熱伝達の最大化には、接続チャネルの最小寸法は、約２ｍｍ以下であり、０．２５ｍｍ未満であることがより好ましい。その後、全体的な圧力降下の制約を満たしながら、複数のチャネル内に均一な流れ分配が得られるように、マニホールドを設計することができる。概して、マニホールドセクションで利用可能な最小寸法またはマニホールドの間隙は、接続チャネルの最小寸法に類似した寸法である。マイクロチャネル構造の利点は、寸法が小さいことであり、概して、駆動装置は、接続チャネル内の最小寸法をできるだけ小さく保つためのものである。
【００１３】
チャネルの間隙が小さくなると、マニホールドセクション内の速度が速くなり、運動量効果、マニホールドの圧力降下、および流れの分配不良が大きくなる。分配不良および圧力降下を削減する一般的な手法では、マニホールド内の開口流れ領域を増加させるが、これは、幅を広くすることとなり、マニホールドセクションのサイズが大きくなる。この手法を商用のユニットに適用すると、接続マイクロチャネルセクションに比較して、マニホールドセクションが大きくなる結果となる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、マイクロチャネル装置は、接続チャネルの少なくとも一部における分裂流による熱伝達および／または質量移動のために、接続チャネルおよびマニホールドの両方を制御するように設計される。
【００１５】
第１の側面では、本発明は、統合型マイクロチャネル装置の単位操作を実行する方法であって、流体を装置内に通すステップであって、装置は、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、マニホールドの容量は、複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、またはマニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在するステップと、流体が、接続マイクロチャネルの少なくとも一部を通じて分裂流となるように、条件を制御するステップと、接続マイクロチャネル内の流体に単位操作を実行するステップとを含む方法を提供する。分裂流は、接続チャネルのうちの１つ以上の長さの少なくとも一部で生じ、この部分は、接続チャネルの長さの少なくとも５％を含むことが好ましく、少なくとも２０％を含むことがより好ましく、少なくとも５０％を含むことがさらに好ましく、いくつかの実施形態では、接続チャネルの長さの少なくとも９０％を含む。複数の接続チャネルは、少なくとも１０の接続チャネルを備えることが好ましく、少なくとも２０を備えることがより好ましく、いくつかの実施形態では、少なくとも１００の接続チャネルを備え、各接続チャネルは、その長さの少なくとも５％（少なくとも２０％、少なくとも５０％、または少なくとも９０％）で生じる分裂流を有する（および、いくつかの実施形態では、複数の接続チャネルの長さの全てにおいて分裂流が存在する）。
【００１６】
いくつかの実施形態では、マニホールドは、ヘッダであり、ヘッダは流入口を有し、流体は、２２００（または少なくとも２０００、あるいは少なくとも２２００）を超えるレイノルズ数でヘッダ流入口を通過する。いくつかの実施形態では、接続チャネルを通じた流れは、少なくとも２２００のレイノルズ数を有する。いくつかの実施形態では、本発明の統合型マイクロチャネル装置（および／または方法）は、０．０１ＭＷを超える熱負荷を有する。いくつかの実施形態では、マニホールドを通じた圧力降下は、複数の接続チャネルを通じた平均圧力降下以下である。いくつかの実施形態では、マニホールドはヘッダであり、マニホールドの圧力降下、すなわち、ヘッダ流入口と、最も低い圧力を有する接続チャネル流入口（ヘッダ流出口に相当する）との間の圧力降下は、（平均圧力降下として測定された）複数の接続チャネルを通じた圧力降下の５０％未満（または２５％未満）である。いくつかの実施形態では、マニホールド容量は、複数の接続チャネルの容量の５０％未満（または２５％未満）である。いくつかの実施形態では、統合型マイクロチャネル装置は、０．１ＭＷを超える、好ましくは少なくとも１ＭＷの熱負荷を有する。好適な実施形態では、マニホールドと接続チャネルとの間には、流れを制御するオリフィスが存在しない。オリフィスの断面積は、接続チャネルの平均断面積の２０％未満、好ましくは１０％未満である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、マニホールドは、少なくとも２つのセクションを含む。いくつかの実施形態では、マニホールドは、開口マニホールドである第１のセクションと、サブマニホールド、ゲート、または格子を含む第２のセクションとを含む。
【００１８】
いくつかの好適な実施形態では、複数の接続チャネルを通じた流れは、遷移流または乱流である。いくつかの好適な実施形態では、複数の接続チャネルは、滑らかな壁を有し、表面特徴または他の障害物を持たないことが好ましく、また、いくつかの実施形態では、触媒を含まない。いくつかの好適な実施形態では、マニホールドは、マニホールド流入口を備え、マニホールド流入口および複数の接続チャネルを通る流路を備え、流路は、いかなるオリフィス、ゲート、格子、または整流器も含まない。
【００１９】
本発明の実施形態のうちのいずれも、より具体的には、一組の構成要素またはステップのみから実質的に成るか、またはこれらのみから成る。例えば、好適な一実施形態では、本発明は、マニホールド流入口と、マニホールド流入口および複数の接続チャネルを通る流路とを備え、流路は、マニホールド、サブマニホールド、および接続チャネルのみから実質的に成る。
【００２０】
いくつかの好適な実施形態では、マニホールドに接続された少なくとも２００の接続マイクロチャネルが存在する。いくつかの好適な実施形態では、接続マイクロチャネルは、０．５〜１．５ｍｍの範囲の最小寸法（一般的に層状のデバイス内の間隙）を有し、いくつかの実施形態では０．７〜１．２ｍｍの範囲の最小寸法を有する。いくつかの好適な実施形態では、マニホールドは、０．５〜１．５ｍｍの範囲の最小寸法を有し、一般的に、これは層状のデバイス内の１つの層の厚さの範囲内である。
【００２１】
いくつかの好適な実施形態では、複数の接続マイクロチャネルは、固体触媒を備える。
いくつかの実施形態では、接続チャネルの少なくとも９０％に乱流が存在し、いくつかの実施形態では、複数の接続チャネルのうちの全てに乱流が存在する。
関連する側面では、デバイスは、第１のマニホールドと、第２のマニホールドの、少なくとも２つのマニホールドを備え、第１のマニホールドは、第１の組の複数の接続マイクロチャネルに接続され、第２のマニホールドは、第２の組の複数の接続マイクロチャネルに接続される。この方法では、第１の流体は、第１のマニホールドを通じて、（少なくとも部分的に、好ましくは実質的に）第１の組の接続マイクロチャネルを通じて分裂流で流れることができ、第２の流体は、第２のマニホールドを通じて流れ、（少なくとも部分的に、好ましくは実質的に）第２の組の接続マイクロチャネルを通じて非分裂流で流れる。第１および第２の流体は、同じ種類、または異なる種類とすることができる。この場合、第１の側面とは異なり、マニホールドは、好適な実施形態では、１５ｃｍを超える長さ、および／または少なくとも１００の接続チャネルを有するが、あらゆる長さのものとし、いかなる数の接続チャネルをも有することができる。
【００２２】
別の側面では、本発明は、統合型マイクロチャネル装置の単位操作を実行する方法であって、流体を装置内に通すステップであって、
装置は、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、
マニホールドの容量は、複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、
流体が、複数の接続マイクロチャネルのうちの少なくともいくつかをを通じて（少なくとも部分的に、好ましくは実質的に）分裂流となるように条件を制御し、流体が、複数の接続マイクロチャネルのうちのすくなくとも他のいくつかを通じて（少なくとも部分的に、好ましくは実質的に）非分裂流となるように条件を制御するステップと、接続マイクロチャネルの流体に単位操作を（分裂流および非分裂流の両方で）実行するステップとを含む方法を提供する。例えば、マニホールドは、接続チャネルのうちのいくつかの表面特徴または障害物、および接続チャネルのうちの他のいくつかの滑らかな壁を使用するなどによって、６つ以上の分裂流および４つ以上の非分裂流の接続チャネルを備えた、少なくとも１０の接続チャネルを有することができる。
【００２３】
別の側面では、本発明は、マイクロチャネル装置であって、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドを備え、マニホールドの容量は、複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、またはマニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在する装置を提供する。好適な一実施形態では、装置は、少なくとも１０層の反応マイクロチャネルと相互接続した、少なくとも１０層の熱交換マイクロチャネルアレイを備える。いくつかの実施形態では、反応マイクロチャネルは、触媒壁コーティングを含む。好適な実施形態では、熱交換マイクロチャネルアレイの各層は、マニホールドと、マニホールドに接続された熱交換接続マイクロチャネルアレイとを備える。各層の前記マニホールドは、実質的にその層のみに限定され、熱交換マイクロチャネルアレイ、および／または反応マイクロチャネルアレイの複数の層を越えて延在しないことが好ましい。いくつかの実施形態では、マニホールドは、複数の層内の熱交換接続マイクロチャネルの複数のアレイが前記マニホールドに接続するように、熱交換マイクロチャネルアレイの複数の層を越えて延在する。
【００２４】
別の側面では、本発明は、デバイスおよび流体で構成されたマイクロチャネルシステムであって、複数の接続マイクロチャネルに接続されたマニホールドであって、マニホールドの容量は、複数の接続マイクロチャネルの容量未満であり、マニホールドの長さは、少なくとも１５ｃｍであるか、またはマニホールドに接続された少なくとも１００の接続チャネルが存在するマニホールドとを備え、また、システムは、長さの少なくとも一部で分裂流で接続マイクロチャネルを通過する流体も備える。本システムは、発明的方法のうちのいずれかに対して、本願明細書に記載された特徴のうちのいずれもを有することができる。
【００２５】
種々の実施形態において、本発明は、より高い熱流またはより高い物質移動を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
用語解説：
マニホールド化に関連する構造的特徴は、米国特許出願第２００５００８７７６７号（２００３年１０月２７日出願）、および米国特許第１１／４００，０５６号（２００６年４月１１日出願）に定義される。表面特徴および一般的なデバイス構造は、米国特許出願第１１／３８８，７９２号（２００６年３月２３日出願）に定義される。これらの特許出願の全ては、あたかも完全に下記に複写されたかのように、参照することにより本願明細書に組み込まれる。本願明細書に記載された定義が、上述した特許出願の定義と矛盾する場合は、本願明細書に記載された定義が優先する。
【００２７】
標準的な特許用語として、「備える」は、「含む」を意味し、これらの用語のどちらも追加的、または複数の構成要素の存在を除外しない。例えば、デバイスが、薄層、薄板等を備える場合は、発明的デバイスが複数の薄層、薄板等を含む場合もあると理解されたい。別の実施形態では、「備える」という用語は、より制限的な句「実質的に〜から成る」または「〜から成る」と置き換えることができる。
【００２８】
チャネルは、連続する、または間隙を含むことができるチャネル壁によって画定される。モノリスフォーム（ｆｏａｍ）またはフェルトを通じた相互接続経路は、（フォーム等は、チャネル内に配置される場合があるが）接続チャネルではない。
「接続チャネル」は、マニホールドに接続されたチャネルである。一般的に、単位操作は、接続チャネル内で生じる。接続チャネルは、入口断面と、出口断面とを有する。単位操作のいくつか、または単位操作の一部は、マニホールド内で生じる場合があるが、好適な実施形態では、単位操作の７０％超（いくつかの実施形態では、少なくとも９５％）が、接続チャネル内で生じる。「接続チャネルマトリクス」は、一群の隣接する、略並列の接続チャネルである。好適な実施形態では、接続チャネル壁は、まっすぐである。接続チャネルの圧力降下は、接続チャネルの入口断面の中心と、出口断面の中心との間の静的圧力差であり、全ての接続チャネルにわたって平均化される。いくつかの好適な実施形態では、接続チャネルは、実質的に方向または幅が変動しない、まっすぐなものである。複数の接続チャネルのシステムの接続チャネルの圧力降下は、個々の接続チャネル圧力降下の算術平均である。すなわち、各チャネルを通じた圧力降下の合計をチャネルの数で割ったものである。「接続マイクロチャネル」は、２ｍｍ以下、好ましくは０．５〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．７〜１．２ｍｍの最小寸法と、少なくとも１ｃｍの長さとを有する。
【００２９】
「分裂流」は、滑らかなマイクロチャネル内の遷移流または乱流を意味し、また、表面特徴を有するマイクロチャネルを通じた流れも含む。分裂流は、接続チャネルの長さの少なくとも一部で生じ、接続チャネルの長さの少なくとも５％で生じることが好ましく、少なくとも２０％で生じることがより好ましく、少なくとも５０％で生じることがより好ましく、いくつかの実施形態では、接続チャネルの長さの少なくとも９０％で生じる。表面特徴は、米国特許第１１／３８８，７９２号に開示されており、一般的にＶ形、またはチャネル壁内へくぼんだ他の形状を含み、高レイノルズ数の乱流または遷移流を生じることなく良好な混合が生じるように、流体の混合を補助する。表面特徴は、２２００を超えるレイノルズ数に、または、遷移流または乱流に使用することもできる。分裂流は、流体運動を典型的な層状流またはまっすぐな流れのプロファイルから外れさせる、主チャネル内の障害物、凸部、または凹部によって形成することもできる。分裂流は、流れの主方向に対する、流れの回転、二次渦、または他の傾斜または直交する流れのベクトルを形成する、接続チャネル内の三次元的な蛇行流路によって形成することもできる。流れの偏向、またはまっすぐでない流路は、壁への熱伝達、壁への物質移動、または壁での、または液相内での均一的な化学反応を高めるのに特に有利である。
【００３０】
「実質的に接続チャネルを通じた分裂流」は、単位操作が生じるマイクロチャネルの領域内の長さに対して、流れが実質的に分裂することを意味する（単位操作が生じるマイクロチャネルの領域内の長さの少なくとも９０％が好ましい）。分裂流は、単に、出口効果または入口効果（すなわち、速度分布が変化し、流体力学的境界層が生じる長さ）によって生じるわけではない。
【００３１】
「ゲート」は、マニホールドと２つ以上の接続チャネルとの間の相互接続部を備える。ゲートは、ゼロでない容量を有する。ゲートは、接続チャネルへの入口の断面積を変化させることによって、複数の接続チャネルへの流れを制御する。ゲートは、ゲートを通じて流れる流体がゲートを通過するときに、マニホールド内の流れの方向、および接続チャネル内の流れの方向の両方の正の運動量を有するという点で、単純なオリフィスとは異なる。対照的に、オリフィスを通じた流れの正の運動量ベクトルの７５％超は、オリフィスの軸の方向にある。ゲートを通じた流れの断面積の典型的な比率は、ゲートによって制御された接続チャネル間の壁の断面積を含む、ゲートによって制御された接続チャネルの断面積の２〜９８％（いくつかの実施形態では、５％〜５２％）の範囲である。２つ以上のゲートを使用することによって、マニホールドの曲がり損失を調整する手段として、マニホールドインターフェースの断面積を使用することができ、ゲート間の流量を等しくすることができる。これらのゲートの曲がり損失を用いて、どちらもマニホールドの圧力プロファイルに対して効果を有する、摩擦圧力損失および運動量の補正によって生じるマニホールド圧力プロファイルの変化の補正を行うことができる。断面積の最大変動を最小面積で割ったものは、Ｒａ数で与えられ、８未満が好ましく、６未満がより好ましく、さらに、より好適な実施形態では４未満である。
【００３２】
「格子」は、マニホールドと単一のチャネルとの間の接続部である。格子は、ゼロでなない接続容量を有する。シム構造では、第１のシム内のクロスバーが、隣接する第２シム内のクロスバーと整列せず、流れが、第１のシム内のクロスバーの上および第２のシム内のクロスバーの下を通過するときに格子が形成される。
「熱負荷」は、デバイス内で伝達される、ワットで測定される総熱量で定義され、選択的に１０ｋＷを超え、統合型マイクロチャネルユニット装置では、１０ｋＷ〜１００ＭＷの範囲が好ましい。
【００３３】
「ヘッダ」は、接続チャネルに流体を送達するように配列されたマニホールドである。
「高さ」は、長さに垂直な方向である。層状のデバイスでは、高さは、積層方向である。
チャネルの「水力直径」は、チャネルの断面積を４倍して、流体に接する周辺部の長さで割ったものとして定義される。
「Ｌ形マニホールド」は、１つのマニホールドへの流れ方向が、接続チャネルの軸に垂直であり、一方で、対抗するマニホールド内の流れ方向が、接続チャネルの軸と平行である、マニホールド設計を表す。例えば、ヘッダＬ形マニホールドは、接続チャネルの軸に垂直なマニホールドの流れを有し、一方で、フッタマニホールドの流れは、デバイスから外への接続チャネルの軸の方向へ移動する。流れは、接続チャネルを通じて、デバイスから外へ、マニホールド流入口から「Ｌ形」の転向を生じる。２つのＬ形マニホールドをまとめて接続チャネルマトリクスとして機能させて、ヘッダが、マニホールドの両端に流入口を有するか、またはフッタがマニホールドの両端からの流出口を有するとき、このマニホールドは、「Ｔ形」マニホールドと呼ばれる。
【００３４】
「層状のデバイス」は、デバイスを通じて流れるプロセスストリームに単位操作を実行することができる、薄層で作製されたデバイスである。
「長さ」は、チャネルの（またはマニホールドの）軸の方向、流れの方向の距離のことである。
「Ｍ２Ｍマニホールド」は、マクロ−ミクロマニホールド、すなわち、１つ以上の接続マイクロチャネルへ／からの流れを分配する、マイクロチャネルマニホールドである。Ｍ２Ｍマニホールドは、次に、マクロマニホールドとしても知られている別のより大きな断面積の送達源へ／から流れを取り込む。マクロマニホールドは、例えば、パイプ、ダクトまたは開口貯蔵容器とすることができる。
【００３５】
「マニホールド」は、流れを２つ以上の接続チャネルに分配する容量である。ヘッダマニホールドの入口、すなわち流入口表面は、ヘッダマニホールドジオメトリにおいて、上流側のチャネルとは大きく異なる表面として定義される。フッタマニホールドの出口、すなわち流出口表面は、フッタマニホールドチャネルにおいて、下流側のチャネルとは大きく異なる表面として定義される。矩形チャネルおよび大部分の他の典型的なマニホールドジオメトリの場合、表面は平面である。しかし、マニホールドと接続チャネルとの間の相互接続部における半円のような、いくつかの特殊な場合では、湾曲した表面となる。マニホールドの大きな差は、流れ方向および／または物質移動流速度の大きな差を伴う。サブマニホールド化によって、流れ方向および／または物質移動流速度に大きな差を生じない場合、マニホールドはサブマニホールドを含む。マイクロチャネルヘッダのマニホールドの入口面は、平面であり、そこでマイクロチャネルヘッダは、フランジ溶接または他の接続方法を通じて、マイクロチャネルデバイスに取り付けられた、パイプまたはダクトのような、より大きな送達ヘッダマニホールドをと相互接続する。ほとんどの場合、当該技術の当業者には、一群の接続チャネルとして機能するマニホールドの境界が容易に認識されよう。
【００３６】
マニホールドは、Ｌ、ＵまたはＺ形とすることができる。「Ｕ形マニホールド」では、ヘッダおよびフッタ内の流体は、接続チャネルの軸に対する角度はゼロではないが、反対方向に流れる。
ヘッダの場合、「マニホールドの圧力降下」は、ヘッダマニホールドの流入口面の領域平均の中心圧力の算術平均（ヘッダ流入口が１つだけしかない場合は、流入口面も１つだけである）と、各々の接続チャネルの流入口面の中心圧力の算術平均との間の、静的圧力差である。ヘッダマニホールドの圧力降下は、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を含む、ヘッダマニホールドの流入口面に基づいており、それらのヘッダマニホールドの流入口面を通じた流れが、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を占める必要がない場合は、最も低い流れを有するヘッダマニホールドの流入口面は、算術平均には考慮されない。ヘッダ（またはフッタ）マニホールドの圧力降下はまた、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を含む、接続チャネルの入口（または出口）面の中心圧力だけに基づいており、それらの接続チャネルを通じた流れが、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を占める必要がない場合は、最も低い流れを有する接続チャネルの入口（または出口）面は、算術平均には考慮されない。フッタの場合、マニホールドの圧力降下は、それぞれの接続チャネルの出口面の中心圧力の算術平均と、フッタマニホールドの流出口面の領域平均の中心圧力の算術平均（ヘッダ流出口が１つだけしかない場合は、流出口面も１つだけである）との間の、静的圧力差である。フッタマニホールドの圧力降下は、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を含む、フッタマニホールドの出口面に基づいており、それらの出口面を通じた流れが、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を占める必要がない場合は、最も低い流れを有するフッタマニホールドの流出口面は、算術平均には考慮されない。マニホールドが２つ以上のサブマニホールドを備えている場合、マニホールドの圧力降下は、サブマニホールドの値の数平均に基づく。
【００３７】
「マイクロチャネル」は、１０ｍｍ以下（好ましくは２．０ｍｍ以下）かつ１μｍ（好ましくは１０μｍを超える）、いくつかの実施形態では５０〜５００μｍの、少なくとも１つの内部寸法（壁から壁まで、触媒含まず）を有するチャネルである。マイクロチャネルはまた、少なくとも１つの流出口とは異なる、少なくとも１つの流入口の存在によっても画定される。マイクロチャネルは、単にゼオライトまたはメソ多孔性材料を通じたチャネルではない。マイクロチャネルの長さは、マイクロチャネルを通じた流れの方向に相当する。マイクロチャネルの高さおよび幅は、チャネルを通じた流れの方向に対して略垂直である。マイクロチャネルが２つの主要面（例えば、積層および接着した薄板によって形成された表面）を有する、層状のデバイスの場合、高さは、主要面から主要面までの距離であり、幅は、高さに対して垂直である。
【００３８】
レイノルズ数の値は、ストリームの流れ領域を表す。レイノルズ数への領域の依存性は、チャネルの断面形状およびサイズの関数であり、チャネルには一般的に以下の範囲が用いられる。
層流：Ｒｅ＜２０００〜２２００
遷移流：２０００−２２００＜Ｒｅ＜４０００〜５０００
乱流：Ｒｅ＞４０００〜５０００
【００３９】
「サブチャネル」は、より大きなチャネル内にあるチャネルである。チャネルおよびサブチャネルは、チャネル壁によってそれらの長さに沿って画定される。
「サブマニホールド」は、少なくとも１つの他のサブマニホールドと連動して作動して、面内に１つの大きなマニホールドを形成する、マニホールドである。サブマニホールドは、連続壁によって互いに分離される。
【００４０】
「表面特徴」は、マイクロチャネル内の流れを変更する、マクロチャネルからの突起、またはこれへの凹部である。特徴の上部の面積が、特徴の基部における面積と同じか、またはこれを超えている場合、その特徴は凹状であるとみなすことができる。特徴の基部の面積が、特徴の上部における面積を超えている場合、その特徴は凸状であるとみなすことができる（後述するＣＲＦを除く）。表面特徴は、非円形の表面特徴に対して深さ、幅、および長さを有する。表面特徴には、主チャネルの壁内へくぼんだ、円形、長方形、正方形、チェック、Ｖ形、ジグザグ等が挙げられる。特徴は、表面積を増加させ、拡散ではなく移流によって流体をマイクロチャネルへ導く、対流を形成する。流れのパターンは、流れのパターンを渦巻き、回転、転倒させて、他の規則的、変則的、および／または無秩序なパターンを有することができるが、無秩序とする必要はなく、場合によっては極めて規則的に現れる場合がある。流れのパターンは、二次的な一過性の回転運動を受ける場合もあるが、経時的に安定している。
【００４１】
表面特徴は、斜角（表面を通過する正味の流れの方向に対して、平行でも垂直でもない）であることが好ましい。表面特徴は、流れの方向に対して直交する、すなわち９０°の角度とすることができるが、傾斜させることが好ましい。能動的な表面特徴は、少なくとも１つの軸の位置において、マイクロチャネルの幅に沿って、２つ以上の角度によって画定されることがさらに好ましい。表面特徴の２つ以上の側部は、物理的に接続または分離することができる。マイクロチャネルの幅に沿った１つ以上の角度は、まっすぐな層状のストリームラインから、流体を選択的に出し入れする。表面特徴の深さの範囲は、２ｍｍ未満が好ましく、１ｍｍ未満がより好ましく、いくつかの実施形態では、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍである。表面特徴の横幅の好適な範囲は、（ヘリボーン設計に見られるような）マイクロチャネルの幅をほぼ占めるのに十分であるが、（充填特徴のような）いくつかの実施形態では、マイクロチャネルの幅の６０％以下を占め、いくつかの実施形態では４０％以下であり、いくつかの実施形態では、約１０％〜約５０％である。好適な実施形態では、表面特徴のパターンの少なくとも１つの角度は、マイクロチャネルの幅に対して、１０°、好ましくは３０°、またはそれ以上の角度で配向される（９０°は、長さ方向に平行であり、０°は幅方向に平行である）。横幅は、マイクロチャネルの幅と同じ方向に測定される。表面特徴の横方向の幅は、０．０５ｍｍ〜１００ｃｍが好ましく、いくつかの実施形態では、０．５ｍｍ〜５ｃｍの範囲であり、いくつかの実施形態では、１〜２ｃｍである。
【００４２】
「単位操作」は、化学反応、蒸発、圧縮、化学分離、蒸留、凝結、混合、加熱、または冷却を意味する。移送は単位操作とともにしばしば生じるが、「単位操作」は、単に流体の移送だけを意味するものではない。いくつかの好適な実施形態では、単位操作は、単に混合だけではない。
接続チャネルまたはマニホールドの容量は、空間に基づいている。容量は、表面特徴の凹部を含む。ゲートの容量または格子特徴（組み込まれた公開特許出願に開示されているような、流れ分配の均一化を助力する）は、マニホールドの容量に含まれる。これは、マニホールドと接続チャネルとの間の境界線が、方向の大きな変化によって示されるという規則に対する例外である。チャネル壁は、容量の算出には含まれない。同様に、オリフィスの容量（一般的に、ごくわずかである）および整流器（存在する場合）は、マニホールドの容量に含まれる。
【００４３】
「Ｚ形マニホールド」では、ヘッダおよびフッタ内の流体は、接続チャネルの軸に対する角度はゼロではないが、同じ方向に流れる。マニホールドシステムに入る流体は、それが入ったデバイスの反対側から出る。流れは、基本的に、流入口から流出口への「Ｚ」方向を形成する。
【００４４】
発明を実施するための最良の形態：
マイクロチャネル装置
マイクロチャネル反応器は、２ｍｍ以下（いくつかの実施形態では約１．０ｍｍ以下）かつ１μｍを超える、いくつかの実施形態では５０〜５００μｍの、少なくとも１つの寸法（壁から壁まで、触媒含まず）を有する少なくとも１つの反応チャネルが存在することを特徴とする。触媒反応チャネルは、触媒を収容するチャネルであり、触媒は、不均一または均一触媒とすることができる。均一触媒は、反応物質とともに流すことができる。マイクロチャネル装置は、触媒を収容した反応チャネルが不要であることを除き、同じように特徴付けられる。マイクロチャネルの間隙（または高さ）は、約２ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましい。反応チャネルの長さは、一般的により長い。長さは、１ｃｍを超えることが好ましく、いくつかの実施形態では５０ｃｍを超え、いくつかの実施形態では２０ｃｍを超え、いくつかの実施形態では１〜１００ｃｍの範囲である。
【００４５】
マイクロチャネルの側部は、反応チャネル壁によって画定される。これらの壁は、セラミック、鋼のような合金ベースの鉄、モネルのようなＮｉベース、Ｃｏベース、またはＦｅベースの超合金のような硬質材料で作製されることが好ましい。また、プラスチック、ガラス、または銅、アルミニウム等のような他の金属で作製することもできる。反応チャネルの壁の材料の選択は、反応器が目的とする反応に依存する。いくつかの実施形態では、反応チャンバ壁は、耐久性があり、かつ良好な熱伝導率を有するステンレス鋼またはインコネル（商標）で構成される。合金は、低硫黄でなければならず、いくつかの実施形態では、アルミナイドの形成前に、脱硫処理を受ける。一般的に、反応チャネル壁は、一次構造支持体をマイクロチャネル装置に提供する材料で形成される。マイクロチャネル装置は、既知の方法によって作製することができ、いくつかの好適な実施形態では、交互配置したプレート（「シム」としても知られる）を積層することによって作製され、反応チャネル用に設計されたシムが、熱交換用に設計されたシムと交互配置されることが好ましい。いくつかのマイクロチャネル装置は、デバイス内に少なくとも１０層が積層され、これらの層のそれぞれが少なくとも１０のチャネルを含む。デバイスは、チャネルがより少ない他の層を収容することができる。
【００４６】
マイクロチャネル装置（例、マイクロチャネル反応器）は、マイクロチャネル（例、複数のマイクロチャネル反応チャネル）と、複数の隣接する熱交換マイクロチャネルとを含むことが好ましい。複数のマイクロチャネルは、例えば、並行して作動することができる２、１０、１００、１０００、またはそれ以上のチャネルを収容することができる。好適な実施形態では、マイクロチャネルは、平坦なマイクロチャネルの並列アレイ、例えば平坦なマイクロチャネルの少なくとも３つのアレイに配列される。いくつかの好適な実施形態では、複数のマイクロチャネルの流入口が、共通のヘッダに接続され、および／または複数のマイクロチャネルの流出口が、共通のフッタに接続される。動作中、熱交換マイクロチャネル（存在する場合）は、流動加熱流体および／または冷却流体を収容する。本発明に使用可能なこの種の既知の反応器の非限定的な実施例には、米国特許第６，２００，５３６号および第６，２１９，９７３号（どちらも参照することにより組み込まれる）に例示された、マイクロコンポーネントの薄板構造の類（例、マイクロチャネルとの積層体）が挙げられる。本発明の目的に対してこの種の反応器の構造を使用する性能優位性には、比較的大きな熱伝達および物質移動の速度、および、実質上いかなる爆発限界も存在しないことが挙げられる。圧力降下を低くすることができるので、高スループットが可能となり、触媒は、アクセスしやすい形態でチャネル内に固定して、分離する必要性を排除することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、反応マイクロチャネル（または複数のマイクロチャネル）は、バルク流路を収容する。「バルク流路」という用語は、反応チャンバ内の開口経路（連続的なバルク流領域）のことである。連続的なバルク流領域によって、圧力降下を大きくせずに、反応チャンバを通じた急速な流体の流れが可能となる。各反応チャネル内のバルク流領域は、５×１０-8〜１×１０-2ｍ2の断面積であることが好ましく、５×１０-7〜１×１０-4ｍ2であることがより好ましい。バルク流領域は、１）マイクロチャネルの内部容積、または２）マイクロチャネルの断面のいずれかの、少なくとも５％で構成されることが好ましく、少なくとも５０％であることがより好ましく、いくつかの実施形態では３０〜９９％である。
【００４８】
多数の好適な実施形態では、マイクロチャネル装置は、好ましくは少なくとも５つの群の、より好ましくは少なくとも１０の群の複数のマイクロチャネルの並列チャネルを含み、該チャネルは、デバイス（後に取り付けられた管ではない）に統合された、共通マニホールドに接続され、共通マニホールドは、マニホールドに接続されたチャネルを通じた流れを均一にする傾向のある、１つまたは複数の特徴を含む。このようなマニホールドの実施例は、米国特許出願第１０／６９５，４００号（２００３年１０月２７日出願）に開示されており、本願明細書に組み込まれる。この文脈では、「並列」は、必ずしもまっすぐであることを意味するわけではなく、むしろ、チャネルは互いに合致する。いくつかの好適な実施形態では、マイクロチャネルデバイスは、少なくとも３つの群の並列マイクロチャネルを含み、各群内の該チャネルは、共通マニホールドに接続され（例えば、４つの群のマイクロチャネル、および４つのマニホールド）、好ましくは、各共通マニホールドは、マニホールドに接続されたチャネルを通じた流れを均一にする傾向のある、１つまたは複数の特徴を含む。
【００４９】
複数のマニホールドを備えたデバイスにおいて、本発明は、接続チャネルに対する１つのマニホールドの体積比を特徴とするか、または複数のマニホールドおよびそれらの接続マイクロチャネルの容量合計を特徴とすることができる。しかし、接続チャネルがヘッダおよびフッタに接続された場合は、ヘッダおよびフッタの両方をマニホールド容量の算出に含めなければならない。サブマニホールドの容量は、マニホールドの容量に含まれる。
【００５０】
熱交換流体は、プロセスチャネル（例、反応マイクロチャネル）に隣接する熱伝達マイクロチャネルを通じて流すことができ、また、ガスまたは液体とすることができ、蒸気、油、または他の既知の熱交換流体を含むことができる。システムは、熱交換器内に相変化を有するように最適化することができる。いくつかの好適な実施形態では、複数の熱交換層は、複数の反応マイクロチャネルと交互配置される。例えば、少なくとも１０の熱交換器が、少なくとも１０の反応マイクロチャネルと交互配置され、少なくとも１０層の反応マイクロチャネルと相互接続した１０層の熱交換マイクロチャネルアレイが存在することが好ましい。これらの層のそれぞれは、単純でまっすぐなチャネルを含むか、または層内のチャネルがより複雑なジオメトリを有することができる。好適な実施形態では、１つまたは複数の熱交換チャネルの１つ以上の内壁は、表面特徴を有する。
【００５１】
商用スケールのマイクロチャネルデバイスを構築するための一般的な方法では、エッチング、スタンピング等のような異なる方法によって、シム内にマイクロチャネルを形成する。これらの手法は、従来技術において既知である。例えば、シムは、化学結合、ブレージング等のような異なる方法によって、互いに積層して接合することができる。接合の後、デバイスには機械加工が必要になる場合もあり、必要でない場合もある。
【００５２】
いくつかの実施形態では、本発明の装置（または方法）は、触媒材料を含む。触媒は、バルク流路の少なくとも１つの壁の少なくとも一部を画定することができる。いくつかの好適な実施形態では、触媒の表面は、流体のストリームが通るバルク流路の少なくとも１つの壁を画定する。不均一触媒作用のプロセス中、反応組成物は、マイクロチャネルを通じて流れ、触媒を通過してこれと接触することができる。
【００５３】
好適な実施形態では、各接続マイクロチャネルの幅は、その長さに沿って略一定であり、一組の接続チャネル内の各チャネルは、略一定の幅を有する。「略一定」は、いかなる幅の変動によっても、基本的に流れが影響を受けないことを意味する。これらの実施例の場合、マイクロチャネルの幅は、略一定に保持される。「略一定」は、加工ステップの許容範囲内で定義される。マイクロチャネルの幅は、一定に保持することが好ましいが、これは、マイクロチャネルの幅の両側に関連する支持リブを備えたマイクロチャネルの幅と、異なる温度および圧力で作動している場合のある隣接する薄層またはマイクロチャネルを分離する材料の厚さとの組み合わせ、および最終的に、選択した材料および対応する材料の強度が、デバイスの機械的一体性または許容可能な温度および動作圧力を定める、という点で、この幅がデバイスの機械的設計において重要なパラメータだからである。
【００５４】
いくつかの好適な実施形態では、接続マイクロチャネルは、表面特徴を持たない。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルデバイスは、接続チャネルへの流れを調整するゲート、格子、整流器、またはオリフィスを持たない。いくつかの好適な実施形態では、流れは、サブマニホールドを介して複数の接続チャネルに分配される。
【００５５】
マイクロチャネル（表面特徴の有無に関わらず）は、触媒、または吸着剤のような他の材料でコーティングすることができる。触媒は、洗浄コーティングのような従来技術において既知である手法を使用して、マイクロチャネルの内部へ適用することができる。ＣＶＤまたは無電解めっきのような手法を利用することもできる。いくつかの実施形態では、含水塩類による含浸が好適である。いくつかの実施形態では、Ｐｔ、Ｒｈ、および／またはＰｄが好ましい。一般的に、この後には、従来技術において既知である熱処理および活性化ステップが行われる。他のコーティングには、ゾル、または触媒前駆体および／または担体を含むスラリーベースの溶液が挙げられる。コーティングには、無電解めっきまたは他の表面流体反応のような、壁に適用する反応法も挙げられる。
【００５６】
積層したシム構造内にＭ２Ｍマニホールドを備えたマイクロチャネルデバイスの場合、Ｍ２Ｍマニホールドが、デバイスの容量全体を増加させるので、マニホールドの収容量を最大化するのに望ましい。本発明の好適な実施形態では、Ｍ２Ｍは、少なくとも０．１ｋｇ／ｍ3／ｓ、好ましくは１ｋｇ／ｍ3／ｓ以上、より好ましくは少なくとも１０ｋｇ／ｍ3／ｓを分配し、いくつかの好適な実施形態では、３０〜５０００ｋｇ／ｍ3／ｓ、いくつかの実施形態では、３０〜１０００ｋｇ／ｍ3／ｓを分配する。
【００５７】
本発明は、本願明細書に記載の装置内で化学反応および他の単位操作を実行するプロセスを含む。本発明は、記載された構造の、および／または本願明細書によって形成された、予接合したアセンブリおよび積層デバイスも含む。積層デバイスは、光学および電子顕微鏡検査、または他の既知の手法によって、非積層デバイスと区別することができる。本発明は、本願明細書に記載された装置内で化学プロセスを実行する方法も含み、該方法は、マニホールドを通じて流体を流すステップと、接続チャネル内で単位操作を実行するステップとを含む（マニホールドがヘッダである場合、流体は、接続チャネルに入る前にマニホールドを通過し、マニホールドがフッタである場合、流体は、接続チャネルを通過した後に流入する）。いくつかの好適な実施形態では、本発明は、熱交換器、攪拌器、化学分離器、接続チャネル内での固体形成プロセス、凝結および蒸発のような相変化の単位操作等を含む、非反応性の単位操作を含む。このようなプロセスは、概して化学プロセスと称され、その最も広義の意味（本明細書において）では熱交換を含むが、好適な実施形態では、単に熱交換だけでなく、熱交換および／または混合以外の単位操作も含む。
【００５８】
本発明は、本発明の設計または方法のうちのいずれかにおいて、１つ以上の単位操作を実行するプロセスも含む。単位操作を実行するための好適な作動条件は、ルーチン実験を通じて特定することができる。本発明の反応には、アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元的アルキル化、アミノ化、アンモ酸化芳香族化、アリール化、自己熱改質、カルボニル化、脱カルボニル、還元的カルボニル化、カルボキシル化、還元的カルボキシル化、還元的カップリング、凝結、分解、水素化分解、環化、シクロオリゴマー化、脱ハロゲン化、脱水素化、オキシ脱水素化、二量体化、エポキシ化、エステル化、交換、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ、ハロゲン化、ハロゲン化水素添加、同族体化、水化、脱水、水素化、脱水素化、ハイドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ハイドロメタル化、ヒドロシリル化、加水分解、水素化処理（水素化脱硫  ＨＤＳ／ＨＤＮを含む）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、再形成、逆水性ガスシフト、Ｓａｂａｔｉｅｒ、スルホン化、テロメリゼーション、エステル交換反応、三量体形成、および水性ガスシフトが挙げられる。上述した反応のそれぞれに対して、当業者に既知の触媒および条件が存在する。また、本発明は、これらの触媒を用いた装置および方法を含む。例えば、本発明は、アミノ化触媒を通じたアミノ化の方法、およびアミノ化触媒を収容する装置を含む。したがって、本発明は、個々に（例、水素化分解）、または群で（例、それぞれ、ハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化およびヒドロシリル化触媒による、ハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化およびヒドロシリル化）、上述の反応のそれぞれに対して開示することができる。本発明の装置および触媒を用いた、各反応に対する好適なプロセス条件は、従来技術の知識、および／またはルーチン実験を通じて特定することができる。一例を挙げれば、本発明は、本願明細書に記載の設計特徴のうちの１つ以上を有するデバイス（具体的には、反応器）を使用した、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ反応を提供する。
【００５９】
一組の接続チャネルを通じた圧力降下は、５００ｐｓｉ未満であることが好ましく、５０ｐｓｉ未満であることがより好ましく、いくつかの実施形態では、０．１〜２０ｐｓｉの範囲である。いくつかの実施形態では、マニホールドがヘッダであり、マニホールド内の圧力降下は、ヘッダの流入口と接続チャネルの流入口（ヘッダ流出口に相当）との間のｐｓｉで測定したときに、複数の接続チャネルを通じた圧力降下（複数の接続チャネルにわたる平均圧力降下として測定される）未満である（より好ましくはその８０％未満、より好ましくは半分（５０％）未満であり、いくつかの実施形態では２０％未満である）。
【００６０】
いくつかの好適な実施形態では、マニホールド容量は、複数の接続チャネルの容量の８０％未満または５０％（半分）未満であり、いくつかの実施形態では４０％以下、また、いくつかの実施形態では２０％未満である。いくつかの実施形態では、マニホールド容量は、複数の接続チャネルの容量の１０％〜８０％である。積層デバイス内の全てのマニホールドの組み合わせ容量は、デバイス内の全ての接続チャネルの組み合わせ容量の５０％以下であることが好ましく、いくつかの実施形態では４０％以下であり、いくつかの実施形態では１０％〜４０％である。
【００６１】
品質指数因子「Ｑ1」は、マニホールドが、流れの分配においてどの程度効果的なのかを示す測度である。それは、接続チャネルの最高速度と最低速度との差を、最高速度で割った比率である。一定のチャネル寸法を有する接続チャネルのシステムの場合、しばしば、チャネルごとの質量流量を等しくするよう求められる。この場合の式を下記に示し、Ｑ1で定義される。
【００６２】
【数１】
2009541053.tif 000003
【００６３】
式中、
ｍmax［ｋｇ／秒］は、接続チャネルの最大質量流量であり、
ｍmin［ｋｇ／秒］は、接続チャネルの最少質量流量である。
接続チャネルの寸法が変動する場合、所望の単位操作の負荷が達成されるように、滞留時間、接触時間、速度、または質量流束速度は、チャネルからチャネルまでの変動が最小であることがしばしば望まれる。そのような場合は、品質指数因子Ｑ2を定義する。
【００６４】
【数２】
2009541053.tif 000004
【００６５】
式中、Ｇは、質量流束速度である。（本発明のいくつかの実施形態のように）全ての接続チャネルが同じ断面積である場合、Ｑ2の式はＱ1に簡約される。品質指数因子は、接続チャネルの流量の範囲を表し、０％で完全な分配となり、１００％は、少なくとも１つのチャネルでの停滞（流れ無し）を示し、１００％を越えた値は、少なくとも１つのチャネルでの逆流（所望の流れ方向の逆方向への流れ）を示す。Ｑ1およびＱ2は、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を含むチャネルに基づいて定義され、それらのチャネルを通じた流れが、接続チャネルを通じた正味の流れの９５％を占める必要が無い場合は、最も低い流れのチャネルは考慮しない。本発明の方法では、品質係数は、１０％以下であることが好ましく、５％がより好ましく、１％以下がさらに好ましく、いくつかの実施形態では、０．５％〜５％の範囲である。
【００６６】
品質係数Ｑ値は、メトリックとして使用して、接続チャネルを収容する装置を特徴付けることもできる。好適な実施形態では、本発明の装置は、１０％以下、好ましくは５％以下、または２％以下の品質係数Ｑ値（Ｑ1）を特徴とすることができ、いくつかの実施形態では、０．５〜５％の範囲である。デバイスの品質係数Ｑ値の特性を決定するために、２０℃およびＭｏ＝０．５で、デバイスを通じて空気を流す。接続チャネルを通じた分配は、直接測定するか、または計算流体力学（ＣＦＤ）モデリングによって測定することができる。
【００６７】
部分エッチングまたは材料の積層体からの除去を使用して作製された熱交換器は、本出願に特に有利である。チャネル間隙は、０．５〜１．５ｍｍの範囲であることが好ましく、したがって、製造中には、最小数の積層体が必要とされる。チャネルの深さは、流れチャネル間に介在する壁を残して、好ましくは、温度における差圧に対して壁を支持し、好ましくは高アスペクト比のマイクロチャネル（間隙に対する幅の比率が２を超える）を形成するリブを残して、積層体から除去される。いくつかの実施形態では、整流器および流れ変更子が、Ｍ２Ｍセクションに配置される。
【００６８】
図１は、マニホールド、接続チャネル、およびシム上のそれらの間の接続部の一般的概念の概略図である。シムは、あらゆる材料（金属、ポリマー等）から、部分エッチングによって作製することができる。一実施形態では、シムは、片側だけしかエッチングされない。別の実施形態では、シムは、図２のセクションＡ−Ａの断面図で示されるように、両側からエッチングされる。化学エッチング以外の方法でも、同様の特徴を形成することができると理解されたい。シムの両側がエッチングされたときの実施形態では、シムの片側のエッチングの深さは、反対側のエッチングの深さと異ならせるか、または同様にすることができる。
【００６９】
流体は、複数の小さな断面の開口部である２を通じてシムに入る。流れは、次いで、流入口サブマニホールドと称される３に入る。流入口サブマニホールドは、リブ９を介して互いに分離される。
【００７０】
いくつかの実施形態では、流入口サブマニホールドは、図１に示されるように、矩形断面である。別の実施形態では、流入口サブマニホールドは、図３に示されるように、徐変断面を有する。流入口サブマニホールドの断面の変化は、連続的（図３に示す）とするか、またはステップ型とすることができる。流入口サブマニホールドは、接続チャネルへ向かう長さ方向において、断面積を増減させることができる。一実施形態では、流入口サブマニホールドは、鋭利なコーナー部を有する。別の実施形態では、サブマニホールドは、図４に示されるように、丸みを帯びたコーナー部を有する。
シム内のサブマニホールドの所与の空間に関して、シム内の流入口サブマニホールドの数は、サブマニホールド間のリブを減らすことによって、増加させることができる。
【００７１】
各流入口サブマニホールド内には、圧支特徴７を存在させることができるが、これは必要となる場合もあり、必要としない場合もある。圧支特徴は、あらゆる形状またはサイズとすることができるが、これらの特徴の高さは、エッチングの深さと同じである。これらの特徴は、流入口サブマニホールドセクション内のストリーム間の差圧を支持する。また、特徴は、障害物としての役割を果たし、圧力降下を高めることができる。圧支特徴の形状、サイズ、および数は、全体的な圧力降下要件および応力要件から決定すべきである。
【００７２】
流入口サブマニホールドからの流れは、流入口整流器５が後に続く、流入口ゲート４に入ることができる。一実施形態では、１つの流入口サブマニホールドは、２つの流入口ゲートを有する。別の実施形態では、１つの流入口サブマニホールドは、接続チャネルの数６（図示せず）に等しい流入口ゲートの数を有する。流入口ゲートのサイズは、接続チャネル内に極めて均一な流れ分配を提供するように制御されることが好ましい。
【００７３】
流入口の整流器は、接続チャネルに垂直な流れのあらゆる方向成分を除去する。したがって、必要となる場合や必要とならない場合がある。一実施形態では、流入口ゲートから接続チャネルへの流れの遷移は、図１に示されるように、流入口整流器を通じて階段状である。別の実施形態では、流入口ゲートから接続チャネルへの流れの遷移は、図５に示されるように、緩やかであり、サブマニホールドから接続チャネルへ向かって、断面積が増加することが好ましい。上述のように、ゲート容量は、マニホールド容量の一部とみなされる。流入口ゲートおよび流入口整流器のコーナー部は、鋭利とするか、または丸みを帯びさせることができる。
【００７４】
流れは、次いで、接続マイクロチャネルに入る。接続チャネルの数は、サブマニホールドによって異なるか、またはシムの幅全体で同様とすることができる。接続チャネルは、プロセスチャネル内で流れを連通させないリブによって、互いに分離される。別の実施形態では、リブを不連続にして、並列マイクロチャネル間でいくらか流体連通させるようにすることができる。本実施形態では、流体連通は、流れの再分配、および品質指数の改善または低下を可能にする。次いで、流れは、出口整流器８、出口ゲート１０、出口サブマニホールド１１、および出口開口部１２を通じてデバイスから出る。図示の実施形態では、出口整流器、出口ゲート、および出口サブマニホールドは、それぞれ流入口整流器、流入口ゲート、および流入口サブマニホールドと同じ特徴を有する。接続チャネルは、図６に示されるように、出口サブマニホールドに直接接続することができる。別の実施形態では、流入口サブマニホールドは、チャネルに直接接続され、一方で、出口整流器、出口ゲート、出口サブマニホールドは、デバイスの出口で使用される。
図７は、壁シムを示す図である。図８は、マニホールドおよび壁シムを積み重ねることによって、デバイススタックを作成する、アセンブリを示す図である。マニホールドシムおよび壁シムは、スタックにおいて同じように繰り返して、デバイススタックを形成する。一実施形態では、少なくとも１つのマニホールドシムは、スタック内の他のマニホールドシムとは異なる。別の実施形態では、全てのマニホールドシムは、他のマニホールドシムとは設計が異なる。
【００７５】
一実施形態では、スタックアセンブリ内の壁シムは、マニホールドシムとともにスタッキングした後に、マニホールドシム内のサブマニホールドと、壁シムとが整列するように、マニホールドシムに類似したサブマニホールドを有する。このような壁シムの実施形態の一実施例を図９に示す。流れは、マニホールドシムのサブマニホールドセクションおよび壁シムに入り、次いで、マニホールドシム内へ分かれて、ゲートおよび接続チャネル内を流れる。出口サブマニホールドでは、２つのサブマニホールドシム内の流れが再結合してデバイスを出る。
【００７６】
一実施形態では、ゲート、格子、ポスト、整流器等を含む、１つの流体ストリームの流れ分配特徴およびマニホールドは、マルチストリーム熱交換器内の少なくとも１つの第２のストリーム、または他の単位操作の流れ分配特徴およびマニホールドに対応しない、デバイスの長さに沿った位置に配置することができる。例えば、隣接する層内の流体流路は、層間に対応しない流れ分配特徴およびマニホールドを有することができる。
【００７７】
いくつかの好適な実施形態では、３つ以上の流体ストリームを本発明のデバイス内で使用して、熱伝達、流体混合、反応、および／または分離を実行する。マイクロマニホールドセクションは、好ましくは、接続チャネルのチャネル間隙よりも大きいチャネル間隙（「間隙」は、積層方向内に測定される）を備えて作製できるように、類似した流体ストリームがプロセスチャネル内で互いに隣接することが好ましい場合がある。
【００７８】
いくつかの好適な実施形態では、サブマニホールドの数は、層流が保持されるように、あらゆるサブマニホールド内の総流量を削減するように設定される。サブマニホールド内の層だけの流れでは、単位長さあたりの圧力降下は、遷移流または乱流よりも低くなる。
【００７９】
化学反応、分離、または混合への分裂流の使用は、接続チャネルの長さの少なくとも５％である接続チャネルの一部において特に有利である。質量交換の単位操作（反応、分離、および／または混合）に適用するときに、分裂流を用いることによって、好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲のプロセスチャネルの間隙による性能を高めることができ、同時に、接続チャネルにおいて層流で動作する小型マイクロチャネルによる質量交換用途よりもコンパクトなＭ２Ｍを可能にする。不均一反応の一例として、反応物質を触媒に導く層流拡散に対して、反応物質を壁上の触媒に導く分裂流の使用は、物質移動の限界を克服する。触媒の実効性能は、層のみの流れの、２倍以上、５倍、１０倍、１００倍、または１０００倍以上となり得る。触媒に対するより有効な物質移動性能によって、接続チャネルの容量をより小さくすることができ、一方で、Ｍ２Ｍ内のチャネル間隙を０．５〜１．５ｍｍの好適な領域内に保持することも可能にし、したがって、Ｍ２Ｍの容量が最小限に抑えられる。化学的分離には、吸収、吸着、蒸留、膜等も挙げられる。化学的分離、混合または化学反応は、接続チャネルの少なくとも一部が分裂流である場合に、Ｍ２Ｍに接続チャネルの容量を加えた総容量の最小化に対して、特に最適化される。
【実施例】
【００８０】
実施例―２つの熱交換器設計の算出比較：
一方は大型マイクロチャネルを備え、他方は小型マイクロチャネルを備えた、２つの熱交換器設計を比較した。熱交換器は、図１０に示されるように、２ストリームの逆流熱交換器とした。表１（熱交換器の流入口条件および流出口要件）は、２つのストリームの流入口条件および流出口要件のリストである。
【００８１】
【表１】
2009541053.tif 000005
【００８２】
ストリームＡおよびストリームＢの組成を、下記表２（ストリームＡおよびストリームＢのモル組成）に要約する。
【００８３】
【表２】
2009541053.tif 000006
【００８４】
ストリームＡおよびストリームＢの熱物理特性（比熱、熱伝導率、粘度）は、ＣｈｅｍＣＡＤ  Ｖ５．５ｘを使用して算出した。ストリームＡおよびストリームＢの密度は、理想気体法則で算出した。
【００８５】
設計１：小型マイクロチャネル設計：
コアセクションの設計  コアセクションの繰り返しユニット内の２つのストリームの配置を下記に示す。
2009541053.tif 000007
【００８６】
単一の繰り返しユニットの寸法を図１１に示す。流れ方向は、図の面に垂直である。接続チャネルの開口部は、ストリームＡが０．０５インチ×０．００６インチであり、ストリームＢが０．０５インチ×０．００５インチであった。壁の厚さは、繰り返しユニット内いずれの場所においても０．００４インチであった。繰り返しユニットは、コアセクションを形成するように、流れに垂直な方向に展開する。
【００８７】
熱伝達に必要な熱交換器コアの長さは、３．４インチであった。シムのスタック方向における繰り返しユニットの数は７３５８であり、シム内の繰り返しユニットの数は５９３であった。ストリームの予測流出口温度も図１２に示す。高温ストリームの平均レイノルズ数は７２２であり、低温ストリームの平均レイノルズ数はほぼ７６２であった。ストリームＡおよびストリームＢの予測圧力降下を表３（設計１の予測圧力降下―コアセクション）に示す。
【００８８】
【表３】
2009541053.tif 000008
【００８９】
コアセクション内で移送された総熱量は、１３．７ＭＷであった。
【００９０】
マイクロチャネル内の流れを分配するマニホールドセクションの設計：
マニホールドセクションの設計上の前提条件を下記に記載する。
１．マニホールドセクション内に熱伝達がない。
２．図１３に示されるように、ストリームＡはＺ形マニホールド設計を有し、ストリームＢはまっすぐ進む。したがって、内部マニホールドは、ストリームＡに対してのみ設計した。
３．コアは、図１４に示されるように、３２．０インチの寸法（５９３の繰り返しユニット）に沿って４つのセクションに分割し、次いで、各セクションに内部マニホールドを設計する。
【００９１】
図１５に示されるように、マニホールドセクション内の流れに利用可能な間隙は、主チャネル間隙と同じである。図１６は、デバイスの４つのコアセクションのうちの１つへの、流れの入口および出口のスケッチである。
流れは、サブマニホールドに入り、熱交換器のコアセクション内の接続チャネル内で流れを分配する。４つのコアセクションのうちの１つにおいて流れを分配するには、２つ以上のサブマニホールドが必要である。４つのコアセクションのうちの１つにおけるストリームＡの均一な分配のための寸法要件を示す、マニホールド設計の状況を図１７に示す。
【００９２】
図１７に示されるジオメトリは、シムにエッチングすることができ、単一のコアセクションのフットプリントとなる。周辺部においてシムに０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）の金属の許容量が与えられた場合、端板の厚さに０．２５インチが与えられた場合、マニホールドを備えた単一の熱交換器コアの全体的な寸法は、２５．０インチ×８．５インチ×１４０．３インチとなる。熱交換器（４つのコア）の総容量は、１１９，２６０立方インチとなる。Ａの接続チャネルの容量は、マニホールド容量を含む総容量のわずか１４％であった。
【００９３】
設計２：大型マイクロチャネル設計：
同じ設計方法を用いて、より大きなマイクロチャネルを備えた熱交換器を設計した。コアセクション内の反復ユニットを下記に示す。
2009541053.tif 000009
【００９４】
単一の繰り返しユニットの寸法を図１８に示す。流れ方向は、図の面に垂直である。チャネルの寸法は、ストリームＡが０．０５インチ×０．０３インチ、ストリームＢが０．０５インチ×０．０３インチであった。壁の厚さは、繰り返しユニット内いずれの場所においても０．００４インチであった。繰り返しユニットは、コアセクションを形成するように、流れに垂直な方向に展開する。
【００９５】
推定されるコアの全体的なサイズを図１９に示す。シムのスタック方向における繰り返しユニットの数は１０１３であり、シム内の繰り返しユニットの数は５９３であった。必要な熱交換器コアの長さは、２５．８インチであった。ストリームの予測流出口温度も図１９に示す。高温ストリームの平均レイノルズ数は３６７０であり、低温ストリームの平均レイノルズ数はほぼ３８１０であった。０．０３インチのチャネルの間隙内の層流の熱伝達係数と比較して、０．０３インチより大きなマイクロチャネルの間隙が許容されるように、マイクロチャネル内で低い乱流への遷移を用いることによって、より高い熱伝達係数が生じる。ストリームＡおよびストリームＢの予測圧力降下を表４（設計２の予測圧力降下―コアセクション）に示す。
【００９６】
【表４】
2009541053.tif 000010
【００９７】
コアセクション内で移送された総熱量は、１３．７ＭＷであった。
【００９８】
４つのコアのうちの１つにおいてストリームＡを分配する設計を図２０に示す。
周辺部においてシムに０．２５インチの金属リムが与えられた場合、マニホールドを備えた単一の熱交換器コアの全体的な寸法は、３３．１インチ×８．５インチ×６９．４インチとなる。熱交換器（４つのコア）の総容量は、７８，１００立方インチとなる。接続チャネルの容量は、マニホールド容量を含む総容量の７９％であった。
【００９９】
設計３：大型マイクロチャネル設計−２：
同じ設計方法を用いて、さらに大きなマイクロチャネルを備えた熱交換器を設計した。コアセクション内の反復ユニットを下記に示す。
2009541053.tif 000011
【０１００】
単一の繰り返しユニットの寸法を図２１に示す。流れ方向は、図の面に垂直である。チャネルの寸法は、ストリームＡが０．０５インチ×０．０５” インチ、ストリームＢが０．０５インチ×０．０５インチであった。壁の厚さは、繰り返しユニット内いずれの場所においても０．００４インチであった。繰り返しユニットは、コアセクションを形成するように、流れに垂直な方向に展開する。
【０１０１】
推定されるコアの全体的なサイズを図２２に示す。シムのスタック方向における繰り返しユニットの数は６４１であり、シム内の繰り返しユニットの数は５９３であった。必要な熱交換器コアの長さは、３６．２インチであった。ストリームの予測流出口温度も図２１に示す。高温ストリームの平均レイノルズ数は４６５０であり、低温ストリームの平均レイノルズ数はほぼ４８００であった。ストリームＡおよびストリームＢの予測圧力降下を表５（設計２の予測圧力降下―コアセクション）に示す。
【０１０２】
【表５】
2009541053.tif 000012
【０１０３】
コアセクション内で移送された総熱量は、１３．７ＭＷであった。
【０１０４】
４つのコアのうちの１つにおいてストリームＡを分配する設計を図２３に示す。
周辺部においてシムに０．２５インチの金属リムが与えられた場合、マニホールドを備えた単一の熱交換器コアの全体的な寸法は、４４．３インチ×８．５インチ×６９．８インチとなる。熱交換器（４つのコア）の総容量は、１０５，１３３立方インチとなる。接続チャネルの容量は、マニホールド容量を含む総容量の８２％であった。
表６は、小型のマイクロチャネルおよび大型マイクロチャネルによる設計のサイズおよび性能を比較したものである。
【０１０５】
【表６】
2009541053.tif 000013
【０１０６】
要約すれば、文献によって教示されているような小型チャネルの間隙は、必ずしも最良の設計をもたらすとは限らない。０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲のマイクロチャネルは、良好な対流熱伝達特性を提供する遷移流または乱流領域を有するのに十分な大きさとすることができ、より大きな間隙は、比較的小容量での流れをマニホールド化させるのに十分な空間を提供する。上述の実施例に関して、チャネル間隙の関数としての総デバイス容量の変動を、図２４に示す。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】図１は、マニホールド、接続チャネル、およびシム上のそれらの間の接続部を概略的に示す図である。
【図２】図２は、（ａ）シムの片側を部分エッチングするか、または（ｂ）シムの両側を部分エッチングした、図１のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図３】図３は、徐変断面を有するサブマニホールドを示す図である。
【図４】図４は、サブマニホールドの丸みを帯びたコーナー部を示す図である。
【図５】図５は、ゲートから接続チャネルへの緩やかな遷移を示す図である。
【図６】図６は、出口サブマニホールドへの接続チャネルの別の接続を示す図である。
【図７】図７は、壁シムを示す図である。
【図８】図８は、デバイススタックを形成する、マニホールドおよび壁シムのアセンブリを示す図である。
【図９】図９は、サブマニホールドを備えた壁シムを示す図である。
【図１０】図１０は、熱交換器の設計要件を示す図である。
【図１１】図１１は、小型のマイクロチャネルのための単一の繰り返しユニットの寸法を示す図である。
【図１２】図１２は、小型のマイクロチャネルの設計１の中心的な寸法を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例におけるストリームＡおよびストリームＢのマイクロチャネルユニット内の流れ方向を示す図である。
【図１４】図１４は、設計したコアをマニホールド化するために用いる方法の概略図である。
【図１５】図１５は、マニホールド設計の概略図である。
【図１６】図１６は、実施例における４つのコアセクションのうちの１つでの流出入の概略図である。
【図１７】図１７は、小型マイクロチャネルのための４つのコアセクションのうちの１つでの、ストリームＡの分配のためのマニホールド設計を示す図である。
【図１８】図１８は、大型マイクロチャネルのための単一の繰り返しユニットの寸法を示す図である。
【図１９】図１９は、大型マイクロチャネルを備えた設計２のコア寸法を示す図である。
【図２０】図２０は、大型マイクロチャネルのための４つのコアセクションのうちの１つを流れるストリームを分配するためのマニホールド設計を示す図である。
【図２１】図２１は、実施例に由来する大型マイクロチャネルのための単一の繰り返しユニットの寸法を示す図である。
【図２２】図２２は、大型マイクロチャネルを備えた設計２コア寸法を示す図である。
【図２３】図２３は、４つのコアのうちの１つのストリームを分配するための設計を示す図である。
【図２４】図２４は、実施例から計算した、チャネル間隙の関数としての総デバイス容量のグラフである。
【図１】
2009541053.tif 000014
【図２】
2009541053.tif 000015
【図３】
2009541053.tif 000016
【図４】
2009541053.tif 000017
【図５】
2009541053.tif 000018
【図６】
2009541053.tif 000019
【図７】
2009541053.tif 000020
【図８】
2009541053.tif 000021
【図９】
2009541053.tif 000022
【図１０】
2009541053.tif 000023
【図１１】
2009541053.tif 000024
【図１２】
2009541053.tif 000025
【図１３】
2009541053.tif 000026
【図１４】
2009541053.tif 000027
【図１５】
2009541053.tif 000028
【図１６】
2009541053.tif 000029
【図１７】
2009541053.tif 000030
【図１８】
2009541053.tif 000031
【図１９】
2009541053.tif 000032
【図２０】
2009541053.tif 000033
【図２１】
2009541053.tif 000034
【図２２】
2009541053.tif 000035
【図２３】
2009541053.tif 000036
【図２４】
2009541053.tif 000037
【国際調査報告】
2009541053.tif 000038
2009541053.tif 000039
2009541053.tif 000040
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