(57)【要約】新規な設計、方法及び手順が、「オルト」方式と呼ばれる方式で作製した積層装置で説明されている。オルト方式の装置を形成するために、プレート又はシートを加工して開口部を形成させた後で積み重ねて、これら開口部を連結し、流体をシムの厚み方向に概ね平行となる方向で装置に貫流させる。これらを用いた様々な積層装置及び手順もまた説明されている。例えば、非長方形のマイクロチャンネルを、反応チャンバの周囲の形状或いは加熱又は冷却の必要な他の本体の周囲の形状に一致させた装置が説明されている。境界層を分離又は浮き上がらせて伝熱を向上させる構成も説明されている。
2005516770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体に対して単位操作を実行するための装置を作製する手順であって、
連続的な流路が複数のシムを介して形成されるように前記シムを積み重ねる段階であって、
前記流路をシムの厚みに概ね平行方向に延ばして形成すると共に、
前記流路内で流体に対して単位操作を実行可能とするように前記複数のシムを構成した、前記積み重ね段階と、
流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合する段階と
を含む、流体に対して単位操作を実行するための装置を作製する手順。
【請求項２】
前記複数シムのそれぞれが、円、三角形、波形、楕円、不規則形状、及び角を丸めた長方形、正方形、又は三角形からなるグループから選択される少なくとも１つの開口部を含む、請求項１に記載の手順。
【請求項３】
前記複数の隣接するシムそれぞれが、円及び三角形からなるグループから選択される少なくとも１つの開口部を含み、
前記複数のシムを接合して、円筒形状又は角柱形状を備えたチャンネルを含む装置を形成する、請求項２に記載の手順。
【請求項４】
前記複数のシムそれぞれが同一である、請求項１乃至３の何れかに記載の手順。
【請求項５】
前記流路内に触媒又は吸着剤を配置する段階を更に含む、請求項１乃至４の何れかに記載の手順。
【請求項６】
前記複数のシム内の前記流路が他のどの流路とも合流しない、請求項１乃至５の何れかに記載の手順。
【請求項７】
前記複数のシム内の前記流路の最小寸法（高さ又は幅）を少なくとも１０μｍとする、請求項１乃至６の何れかに記載の手順。
【請求項８】
前記流路の最大寸法（高さ又は幅）の上限を５０００μｍとする、請求項１乃至７の何れかに記載の手順。
【請求項９】
前記複数のシム内に形成した前記流路の境界を前記複数のシム内の開口部のへりで定め、
前記複数のシムそれぞれに、流路の境界を定める、周長を備えたへりを設け、
各シムにおける前記周長の少なくとも２０％に縁部構成を設ける、請求項１乃至８の何れかに記載の手順。
【請求項１０】
前記複数のシム内に形成した前記流路の境界を前記複数のシム内の開口部のへりで定め、
前記複数のシムの少なくとも１枚に、流路の境界を定める、周長を備えたへりを設け、
各シムにおける前記周長の少なくとも２０％に縁部構成を設けると共に、
前記複数のシムのうち別の１枚に、流路の境界を定める滑らかなへりを設ける、請求項１乃至９の何れかに記載の手順。
【請求項１１】
前記装置が、蒸発、圧縮、化学分離、蒸留、反応及び凝縮からなるグループから選択される少なくとも１つの単位操作を実行できる、請求項１乃至１０の何れかに記載の手順。
【請求項１２】
前記装置が少なくとも２種類の単位操作を実行できる、請求項１乃至１１の何れかに記載の手順。
【請求項１３】
前記複数のシムそれぞれの開口部が空洞であり、前記開口部に静的ミキサーを挿入する、請求項１乃至１２の何れかに記載の手順。
【請求項１４】
前記複数のシムそれぞれの開口部が突起部を含む、請求項１乃至１２に記載の手順。
【請求項１５】
前記開口部に側面を形成すると共に、前記突起部を前記開口部の一方の側面から前記開口部の他方の側面へ延ばして形成する、請求項１４に記載の手順。
【請求項１６】
前記複数のシムが、内部に流路が形成された少なくとも３枚のシムを含み、直線的な遮られていない線が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路に存在する、請求項１乃至１５の何れかに記載の手順。
【請求項１７】
前記複数のシムが少なくとも４枚のシムを含む、請求項１乃至１６の何れかに記載の手順。
【請求項１８】
それぞれが流入口及び流出口を備えた第１組のマイクロチャンネルと、
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流入口に連結したヘッダーと、
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に連結したフッターと、
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流入口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記ヘッダーに形成するか、若しくは
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記フッターに形成するか、若しくは
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に連結した側面とは反対の前記フッターの側面に配置され、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に対して傾斜した屋根を前記フッターが含む、ヘッダー又はフッター構造と
を備えた積層装置として前記装置を形成する段階を含む、請求項１乃至１７の何れかに記載の手順。
【請求項１９】
前記第１組のマイクロチャンネルに隣接すると共に熱接触した第２組のマイクロチャンネルを更に含む、請求項１８に記載の手順。
【請求項２０】
前記装置に凝縮器又は蒸発器を備える、請求項１８及び１９の何れかに記載の手順。
【請求項２１】
前記第１組のマイクロチャンネルの前記流入口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記ヘッダーに備えるか、若しくは、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記フッターに備えると共に、
前記ヘッダー又は前記フッターの何れかに隣接した流路であって、前記マイクロチャンネルに対向した１つの表面と前記流路に対向した１つの表面とを有した湾曲壁によって前記ヘッダー又は前記フッターから分離された前記流路を更に備える、請求項１８乃至２０の何れかに記載の手順。
【請求項２２】
前記ヘッダーと前記フッターとの両方に、前記マイクロチャンネルに向かって湾曲した表面を形成する、請求項２１に記載の手順。
【請求項２３】
前記装置が蒸発器を含むと共に、少なくとも２面を１点に集めて頂点を形成した屋根を前記フッターに形成する、請求項１８乃至２２の何れかに記載の手順。
【請求項２４】
前記屋根が多数の流出口を含む、請求項２３に記載の手順。
【請求項２５】
２７９℃において２４７ＳＬＰＭで伝熱流体としての空気を流し、２８０ｐｓｉｇにおいて２０ｍＬ／分で水を流す試験において、前記部分的に沸騰した水に対する前記装置内の圧力降下の増分が５ｐｓｉｇ未満となるようにした蒸発器としての性能特性を備える、請求項１８乃至２４の何れかに記載の手順。
【請求項２６】
前記少なくとも１本のマイクロチャンネルを少なくとも１個のチャンバに隣接させ、
前記少なくとも１本のマイクロチャンネルと前記少なくとも１個のチャンバとを厚み５ｍｍ以下の壁で分離すると共に、
２７９℃で８ｐｓｉｇの第１流体の流れを前記少なくとも１本のマイクロチャンネルに通過させると共に、２１０℃で２８０ｐｓｉｇの第２流体の流れを前記少なくとも１個の他のチャンバに通過させ前記装置全体の雰囲気温度まで戻す温度サイクルを１０回行いつつ１０００時間動作させ、１０００時間の動作後に５０ｐｓｉｇまで各流体流路を加圧して２時間保持し、周囲へヘリウムの漏れる速度が毎秒１０−６標準立法センチメートル未満であると測定されるように圧力を概ね一定に維持し、更に前記少なくとも１本のマイクロチャンネルを大気に開放させたまま前記少なくとも１個の他のチャンバを５０ｐｓｉｇまで加圧して２時間保持し、ヘリウムの漏れ速度が最小内部漏れ速度を示す１０−６標準立法センチメートル／秒未満と測定されるように前記少なくとも１個の他のチャンバの圧力を一定に維持する、耐圧特性によって前記積層装置が特徴付けられる、請求項１８乃至２５の何れかに記載の手順。
【請求項２７】
２８０ｐｓｉｇ、流入口温度２１０℃、流速２０ｍＬ／分で前記第１組のマイクロチャンネルを通って流れ、総溶解固体物質の少なくとも７％がＣａ、１５％がＭｇ及び２％がＳｉを含む、１．５ｐｐｍ総溶解固体物質水と、８ｐｓｉｇ、２７９℃、流速２４７ＳＬＰＭで流れる流動空気とを用いて試験する時、４０％を超える水が、１０００時間の動作後に前記第１組のマイクロチャンネルにおける圧力降下の増分が５ｐｓｉｇ未満で沸騰する、性能特性を蒸発器が備える、請求項１８乃至２６の何れかに記載の手順。
【請求項２８】
２８０ｐｓｉｇ、流入口温度２１０℃、流速２０ｍＬ／分で前記第１組のマイクロチャンネルを通って流れ、総溶解固体物質の少なくとも７％がＣａ、１５％がＭｇ及び２％がＳｉを含む、１．５ｐｐｍ総溶解固体物質水と、８ｐｓｉｇ、２７９℃、流速２４７ＳＬＰＭで流れる流動空気とを用いて試験する時、４０％を超える水が、５０００時間の動作後に前記第１組のマイクロチャンネルにおける圧力降下の増分が５ｐｓｉｇ未満で沸騰する、性能特性を蒸発器に備える、請求項２７に記載の手順。
【請求項２９】
請求項１乃至２８に記載の前記手順によって形成した装置。
【請求項３０】
請求項２９の前記装置に流体を通過させる段階を含む、流体に対して単位操作を実行する方法。
【請求項３１】
流体が前記複数のシム内の前記流路を通過するように任意の請求項２９の前記装置内に前記流体を通過させる段階と、
前記流体が前記複数のシム内の前記流路を通過する際、前記流体に対して少なくとも１つの単位操作を実行する段階と
を含む、流体に対して単位操作を実行する方法。
【請求項３２】
前記流体が反応成分の少なくとも一部分を含むと共に、
前記複数のシム内の第２流路を通過する第２流体を更に含む、請求項３０及び３１の何れかに記載の方法。
【請求項３３】
前記流路内の前記流体と前記第２流路内の前記第２流体とが混合しない、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記流路における前記流体と前記複数のシム内の前記第２流路における前記第２流体とを５ｍｍ以下の距離で分離すると共に、前記流路と前記第２流路との差圧を少なくとも１気圧とする、請求項３２及び３３の何れかに記載の方法。
【請求項３５】
前記流路と前記第２流路との差圧を少なくとも１０気圧とする、請求項３２乃至３４の何れかに記載の方法。
【請求項３６】
前記流路における前記流体と前記複数のシム内の前記第２流路における前記第２流体とを１ｍｍ以下の距離で分離すると共に、前記流路と前記第２流路との差圧を少なくとも１９気圧とする、請求項３２乃至３５の何れかに記載の方法。
【請求項３７】
前記第２流路における前記流体を熱交換流体とする、請求項３２乃至３６の何れかに記載の方法。
【請求項３８】
前記流路が、該流路にわたって延びる第１支持部を含むと共に、前記第２流路が、該第２流路にわたって延びる第２支持部を含み、
前記第１支持部の位置が前記第２支持部からずれている、請求項３２乃至３７の何れかに記載の方法。
【請求項３９】
前記第２流体が第２反応成分を含み、
前記反応成分を発熱反応させると共に、
前記第２反応成分を吸熱反応させる、請求項３２乃至３８の何れかに記載の方法。
【請求項４０】
前記装置で少なくとも２種類の異なる単位操作を実行する、請求項３０乃至３９の何れかに記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも２種類の異なる単位操作が、伝熱及び化学反応を含むと共に、更に前記流路で燃焼を行い、第２流路で蒸気改質反応を行う、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
二相流体混合物を請求項４７の前記装置内に通過させる段階を含む、請求項３０乃至４１の何れかに記載の方法。
【請求項４３】
前記装置の第１組のマイクロチャンネル内に液体を通過させる段階と、
同時に、前記装置の第２組のマイクロチャンネル内に流体を通過させる段階とを含むと共に、
前記流体を、前記液体の少なくとも一部分を蒸発させるのに十分な任意温度にする、請求項３０乃至４２の何れかに記載の方法。
【請求項４４】
前記液体を前記流体の流れとは反対の方向に流す、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
内部の流体通路へ又はから熱を移動可能な積載装置であって、
互いに接合したシムの積層体を含み、
前記シムの積層体が、高さ、幅及び厚みの寸法を有する第１構成要素を含み、
前記第１構成要素の前記高さの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第１構成要素の前記幅の少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第１構成要素の前記厚みの少なくとも一部分が１μｍを上回り、高さ、幅及び厚みが相互に垂直になるようにし、
前記シムの積層体が、高さ、幅及び厚みの寸法を有する第２構成要素を含み、
前記第２構成要素の前記高さの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記幅の少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記厚みの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記高さ又は幅又は厚みの少なくとも１つの寸法の少なくとも一部分が２ｍｍ未満であり、高さ、幅及び厚みの方向が前記第１構成要素と同じ方向となるようにし、
前記積層体がシムを含み、少なくとも３枚の隣接シムそれぞれに、少なくとも１つの開口部を内部に形成させ、前記開口部の境界を各シム内のへりで定めると共に、前記第２構成要素が、前記少なくとも３枚の隣接シムのそれぞれにおける前記少なくとも１つの開口部内にあるか若しくは該開口部で形成されるようにし、
前記第２構成要素を、高さ、幅及び厚み方向で前記第１構成要素の形状に一致させる、積層装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シートを積み重ねて装置を作製するための方法に関する。本発明は、そうした装置において流体に対して単位操作を実行するための方法にも関する。
導入
【０００２】
次の導入部は、本発明の明確な理解を意図したものであり、新規技術及び従来技術の両方の記載を含んでいる。
【０００３】
シムから作製するマイクロチャンネル装置は、複数シム方式を用いて設計及び製造できる。第１の方式では、フルフローチャンネルは薄い金属シムから直接切り取られる。金属の厚みが、マイクロチャンネルの寸法（典型的には２ｍｍ未満）となる。切り取りにより形成したチャンネルには壁面シムが隣接している。壁面シムは、同一流体の平行チャンネルを分離するフィンを形成する。これらチャンネルは、シムごとに一列に揃えた複数孔を用いて連結されている。連結された通路は、平行チャンネルグループのヘッダーとして、或いはチャンネルを通過した流体を収集するフッターとして機能する。熱交換、反応、又は分離のような単位操作は、上記第１組の平行チャンネルの下方に別の組の平行チャンネルを形成することにより実行される。チャンネルの配置方向は上下方向である。
【０００４】
こうした方法で積層した装置１０を図１ａに示す。シム１２、１４、１６、及び１８は互いに積み重ねられていて、各シムはシム１２に平行となっている。こうしたシムを必要に応じて同様に積み重ねていって、所望の数のチャンネルを形成する。これらシムは、拡散接合、反応性金属接合、又はレーザー溶接などの処理により互いに接合できる。典型的には、任意のシムは、チャンネル２２、２４に開口する開口部２０を備える。触媒を反応チャンバ１５に装入することもできる。この積層装置の動作時には、流体の流れ（矢印３０、３２、３４で示した）はシートの厚みに概ね直交している（シートの幅に概ね平行である）。開口部２０を通過する流れはシ―トの厚みに対して概ね平行だが、全体的な流れはシートの厚みに直交している。開口部２０は、この流路内で単位操作を実行するわけではなく、流動チャンネルを連結するヘッダー又はフッターとして機能する。典型的には、チャンネル２２、２４は熱交換を実現する。この設計は、接合及び強度をもたらす良好な支持領域を提供する。この設計では、チャンネルは長方形、台形、或いは波形でよいが、円形にはできない。これら微小構成（原語：microfeature）の最小寸法は、典型的にシートの厚みで制御する。
【０００５】
代替的な設計の配置方向を図１ｂに示した。貫通切り欠きをシムに設けて、流動チャンネルを形成する。別のシムをこの流動チャンネルに隣接して配置して、２つの別個の流動を分離する壁とする。第２流路は、上記壁面シムに隣接した第３シムにより形成する。これらの２つの流体の流れに挟まれた壁面シムは、熱交換又は反応などの単位操作での熱が移動する伝熱平面となる。第３シムも、流路を形成するための貫通切り欠きを備える。ヘッダー及びフッターは、２つの流体のそれぞれの流路に開口する、各シムにおける貫通孔により作製されている。この方式では、平行六面体又は他の平面壁を備えたチャンネルが安価に作製できる。この方式で作製された平面壁チャンネルの例は、米国特許第６，１２９，９７３号及び６，１９２，５９６号に示されている。チャンネルの配置方向は、交互差し込み配置と呼ばれる。
【０００６】
別の例としては、図２に示したように装置を作製してもよい。この図では、複数の薄片が、底部から上部へ薄片５１の配置方向で積み重ねられていることが図示されている。この構造の利点には、微小構成がシムの厚みで制御できること、圧力に耐えるため厚いシムプレート５２を使用できること、触媒チャンバ５４を寸法決めして熱交換器チャンネルの部分に一致させうること、更に、触媒チャンバ層に熱交換器層を差し挟んで交互配置できることが含まれる。チャンネルは長方形開口部を備えたシムから安価に作製できる。更に、波形又はその他の形状のチャンネルを薄片５１上に形成可能である。
【０００７】
「クラムシェル」設計（図示しない）と時に呼ばれる別の設計では、部分的にエッチングしたチャンネルを備えた複数シートを用いる。部分的にエッチングしたチャンネルが半円形状であれば、２枚の対応するシートを接合して、管状チャンネルを形成できる。ＷＯ  ０１／１０７７３  Ａ１に図示されたコンパクトな反応器は、クラムシェル設計から形成可能である。
【０００８】
有利な代替的設計を図３に示す。この構造では、シム７２の方向に配置したシムを積み重ね且つ互いに接合して、装置７０を作製する。この設計では、完成品の状態で、流れはシートの厚みに概ね平行となり（シートの幅に対して概ね直交する）、「オルト（原語：ortho）」設計と呼ばれる。開口部７４は反応チャンバを形成する一方、開口部７６及び７８は熱交換チャンネルを形成する。オルト設計の主要な利点は、例えば、複数シートに同一パターンを打ち抜くことで作製可能な極めて多数の開口部設計を備えたシムが安価に作製可能となることである。オルト設計の利用により実用的となる設計例は、図４及び５に示した。
【０００９】
ハイブリッドシム方式は、上述の方式を組み合わせることにより作製できる。一例としては準オルト方式がある。すなわち、シムの一定区間に、流れがシートの厚みに概ね平行となるオルト構成を付与して作製し、シムの他の区間には、流れがシートの厚みに概ね直交する代替的な構成を付与して作製する。このシム設計方式の一例は、図４ｇに示した。一番左の構成は交互配置した熱交換器を示すもので、１つの流れ（流体Ｃ）をそれ自身の排気で加熱し（復熱）、その後、反応器などの第２単位操作を通過させている。反応器区間では、流れはＵ字型に曲がって復熱式熱交換器まで戻り、よって流入反応流を予熱する。第２流体（流体Ｄ）は、各シムを通じて連続的に一列に揃えられ、オルト方式で作製された孔の内部を流動する。流体Ｄは熱交換流体として、熱を吸熱反応に与えたり、発熱反応から熱を除去させたりしてもよい。
【００１０】
図４ｇに示した４枚のシムは、所望の装置容量を得るのに必要な数のチャンネルを形成するため他の類似シムに加えて互いに積み重ねられる。単位操作の容量を大きくするためには、チャンネルの数を増加すなわちチャンネルを追加する必要がある。
発明の概要
【００１１】
本発明の第１局面では、流体に対して単位操作を実行するための装置を作製する手順であって、連続的な流路が複数のシムを介して形成されるように前記シムを積み重ねる段階を含むと共に、前記流路をシムの厚みに概ね平行方向に延ばして形成し、前記複数のシムのうち少なくとも３枚の隣接シム内に流路を形成し、直線的な遮られていない線が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路に存在するようにした手順を提供する。前記流路内で流体に対して単位操作を実行可能とするように前記３枚のシムを構成する。流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合する。
【００１２】
本発明の別の局面では、複数のシムからなる装置を作製し、流体を前記装置内部に通過させ、流体に対して単位操作を実行する手順を提供する。この手順では、連続的な流路が複数のシムを介して形成されるようにシムを積み重ねる。前記流路はシムの厚みに概ね平行方向である。前記複数のシムのうち少なくとも３枚のシム内に流路を形成し、直線的な遮られていない線が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路に存在している。前記少なくとも３枚のシム内の前記流路は、他の流路とは合流しない。流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合する。その後、流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過するように流体を前記装置内に流し、更に、前記流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過する際、流体に対して少なくとも一つの単位操作を実行する。
【００１３】
更に本発明では、流体に対して単位操作を実行する手順を提供し、その手順には、連続的な流路が複数のシムを介して形成されるようにシムを積み重ねる段階であって、前記流路はシムの厚みに概ね平行方向であると共に、前記複数のシムのうち少なくとも３枚のシム内に流路を形成し、直線的な遮られていない線が前記少なくとも３枚のシム内の流路に存在している、積み重ね段階と、流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合する段階と、流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過するように前記流体を前記装置内に流す段階と、流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過する際、流体に対して少なくとも一つの単位操作を実行する段階とが含まれる。
【００１４】
また、本発明は、流体に対して単位操作を実行する手順を提供し、その手順には、連続的な流路が複数のシムを介して形成されるようにシムを積み重ねる段階であって、前記流路はシムの厚みに概ね平行方向であると共に、前記複数のシムのうち少なくとも３枚のシム内に流路を形成し、前記少なくとも３枚のシム内の前記流路の最小寸法（高さ又は幅）を少なくとも１０μｍとした、積み重ね段階と、流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合する段階と、流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過するように前記流体を前記装置内に流す段階と、前記流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過する際、流体に対して少なくとも一つの単位操作を実行する段階とが含まれる。
【００１５】
本発明の別の局面では、複数のシムからなる装置を作製し、流体を前記装置内部に通過させ、流体に対して単位操作を実行する手順を提供する。この手順では、連続的な流路が複数のシムを介して形成されるようにシムを積み重ねる。前記流路はシムの厚みに概ね平行方向である。流体に対する単位操作を実行可能な装置を形成するように前記シムを接合すると共に、単位操作を蒸留、反応、吸着、加熱、冷却、圧縮、膨張、分離、吸収、蒸発、凝縮、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択する。流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過するように前記流体を前記装置内に流し、更に、前記流体が前記少なくとも３枚のシム内の前記流路を通過する際、流体に対して少なくとも一つの単位操作を実行する。
【００１６】
更に本発明は、構成要素を備えた積層装置を作製する方法を提供し、この方法には、少なくとも４枚の隣接シムを積み重ねる段階を含み、前記少なくとも４枚のシムがそれぞれ開口部を含み、前記少なくとも４枚の各シムの前記開口部が前記少なくとも４枚のシムを介して連続的な流路を形成し、前記少なくとも４枚の各シムの前記開口部が空洞か或いは混合用突起部で部分的に塞がれ、直線的な遮られていない線が前記連続流路に或いは前記連続流路と前記混合用突起部とに存在している。前記少なくとも４枚のシムは互いに接合される。本発明の関連する局面では、この方法で作製した器具も含む。更に本発明は、この方法で作製した前記器具を用いた、混合などの処理を含む。
【００１７】
開口部は、開口部の境界を定めるシムの内部縁部として、或いは開口部の境界を定める内部へりを備えるシムとして、代替的に記載される場合があることに注目されたい。
【００１８】
更に、本発明の別の局面では、それぞれに流入口及び流出口を形成した第１組のマイクロチャンネルと、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流入口に連結したヘッダーと、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に連結したフッターとを含む積層装置を提供する。前記装置は、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流入口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記ヘッダーに形成する、と共に／か若しくは、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口の少なくとも一部分に向かって湾曲した表面を前記フッターに形成する、と共に／か若しくは、前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に連結した側面とは反対の前記フッターの側面に配置され前記第１組のマイクロチャンネルの前記流出口に対して傾斜した屋根を前記フッターが含む、ヘッダー又はフッター構造を備える。
【００１９】
本発明はまた、水を蒸発させる器具を提供する。この器具は、液体が第１組のマイクロチャンネルへ流入するように導く流入口と、流体が貫流する第２組のマイクロチャンネルとを備え、前記第１組のマイクロチャンネルが前記第２組のマイクロチャンネルに隣接され、前記蒸発器が性能特性を備える。例えば、２８０ｐｓｉｇ、流入口温度２１０℃、流速２０ｍＬ／分で前記第１組のマイクロチャンネルを通って流れ、総溶解固体物質の少なくとも７％がＣａ、１５％がＭｇ及び２％がＳｉを含む、１．５ｐｐｍ総溶解固体物質（ＴＤＳ）水と、８ｐｓｉｇ、２７９℃、流速２４７ＳＬＰＭで流れる流動空気とを用いて試験する時、４０％を超える水が、１０００時間の動作後に前記第１組のマイクロチャンネルにおける圧力降下の増分が５ｐｓｉｇ未満で沸騰する、特性を蒸発器に備えることができる。これに代えて又は加えて、流速２４７ＳＬＰＭ、２７９℃で前記第２組のマイクロチャンネルを通る流動空気と、流速２０ｍＬ／分、２８０ｐｓｉｇで前記第１組のマイクロチャンネルを通る水とを流して試験する時、前記第１組のマイクロチャンネルにおける圧力降下が５ｐｓｉｇ以下となる、低い圧力降下によって器具を特徴付けることができる。好適には、マイクロチャンネルの長さは、少なくとも１ｃｍ（幾つかの実施形態では少なくとも５ｃｍ）である。溶解固体物質が１．５ｐｐｍ以上の水を蒸発させる器具及び方法において、１０００時間の動作後に水チャンネルにおける圧力降下の増分が５ｐｓｉｇ未満となることが望ましい。任意に例えば低い圧力降下などの他の特性を組み合わせることも含め、これに代えて又は加えて、１Ｗ／ｃｍ３以上の体積熱流束によって、この器具又は方法を特徴付けることができる。
【００２０】
更に本発明の別の局面は、内部の流体通路へ又はから熱を移動可能な積層装置を提供し、この装置が、互いに接合したシムの積層体を備え、前記シムの積層体が、高さ、幅及び厚みの寸法を有する第１構成要素を含み、前記第１構成要素の前記高さの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第１構成要素の前記幅の少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第１構成要素の前記厚みの少なくとも一部分が１μｍを上回り、高さ、幅及び厚みが相互に垂直になるようにし、前記シムの積層体が、高さ、幅及び厚みの寸法を有する第２構成要素を含み、前記第２構成要素の前記高さの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記幅の少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記厚みの少なくとも一部分が１μｍを上回り、前記第２構成要素の前記高さ又は幅又は厚みの少なくとも１つの寸法の少なくとも一部分が２ｍｍ未満であり、高さ、幅及び厚みの方向が前記第１構成要素と同じ方向となるようにし、前記積層体にシムを備え、少なくとも３枚の隣接シムそれぞれに、少なくとも１つの開口部を内部に形成させ、前記開口部の境界を各シム内のへりで定めると共に、前記第２構成要素が、前記少なくとも３枚の隣接シムのそれぞれにおける前記少なくとも１つの開口部内にあるか若しくは該開口部で形成されるようにし、前記第２構成要素を、高さ、幅及び厚み方向で前記第１構成要素の形状に一致させる。こうした装置を作製するために用いるシムが例えば図５（ｃ）及び６（ｃ）に示されている。構成要素は、例えば、熱交換器、反応チャンバ、又は熱交換の必要な任意の小型装置とすることができる。「形状に一致させる」という用語は、単に２つの２次元構成要素が存在することでなく、第２構成要素を２次元だけでなく３次元で形状一致させることを意味する。本発明はまた、こうした装置の作製方法と、伝熱処理などの単位操作を実行する装置を用いた手順とを含む。
【００２１】
本発明はまた、単位操作に関わる上記方法の何れかに代えた又は加えた流体処理の方法を含む。この「流体処理」は、混合又は任意の単位操作を含む。
【００２２】
勿論、上記何れかの局面を追加構成（例えば準オルト設計で）と組み合わせることができ、これらは上述の局面に含まれる。本発明は、ここに記載した特有構造の構成又は設計の何れかを備えた装置を含む。本発明は、ここに記載した構造的構成又は設計を用いる手順も含む。
【００２３】
本発明の様々な実施形態は、以下の幾つかの或いは全ての利点を備えてもよい。その利点とは、低コスト、迅速な作製、容易な設計及び製造である。オルト設計のシムを用いることで円形の又は角の丸いマイクロチャンネルを作製できるため、ミクロデバイスを大きな流動間差圧で動作可能にする。差圧は、０乃至数百気圧の範囲であってもよい。長方形マイクロチャンネルを備えた類似設計は、直角な角を有し、より高い応力集中係数を備えるはずである。角が直角なマイクロチャンネルがこの応力集中係数に打ち勝つためには、流体の流れの間に金属がより必要になるか、若しくは差圧を支持するためにマイクロチャンネル内により多くの構造支持リブが必要となろう。
【００２４】
本発明の実施形態の幾つかが備える更なる利点は、流体を交互配置した非長方形のマイクロチャンネルを容易に作製できることである。例えば図４ｃに示した波形のチャンネルなどの、非長方形マイクロチャンネルは、伝熱の向上に有利となるようにしてもよい。これらチャンネルにおいて、対流伝熱係数を増加させる境界層の剥離を引き起こして、伝熱を向上させてもよい。境界層剥離を起こすと、より高い熱流束を得られることがある。従って、波形の又は不規則形状の構成を作製するオルト方式シムは有利となる。
【００２５】
オルト方式シム及び特に非長方形のマイクロチャンネルの他の利点は、冷却又は加熱が必要な装置の周囲に形状が一致したマイクロチャンネルを作製可能なことである。電子装置の冷却がその一例である。別の例は、オルト方式交換器で円筒形状の装置を加熱又は冷却することである。これらの場合では、オルト設計から作製した一致形状のマイクロチャンネルを熱交換の必要な物体のすぐ近傍に配置してもよい。図１ｂに示した交互配置方式を用いることで、半円形のシムが交互に並んだ一致形状の一列のマイクロチャンネル（米国特許第６，１２９，９７３号を参照）を作製できるものの、これら半円形で平面壁を備えたマイクロチャンネルが、所望の一致形状をした物体の上方のフィンにおける流路を方向付けてしまう。フィンでの伝熱は、フィン効率を利用して示した場合は壁での伝熱よりも必ず或いはほぼ必ず効率が悪い。これは、フィンの総表面積での効率が、２つの流体の流れを分離する壁よりも悪いからである。
【００２６】
オルトシム方式の他の利点は、伝熱用に構造化した又は凸凹にした表面を作製可能なことである。こうした構成によって境界層を分離又は浮き上がらせて、伝熱を向上できる。
【００２７】
様々な実施形態の応用例は、高発熱量の電子構成要素の冷却、高出力固体レーザーシステム、マイクロ推進システム及びマイクロ燃焼装置の熱交換、コンパクトな化学反応器又は処理システム、燃料電池、及び高密度な発熱を除去するために若しくは立体的な壁の温度を均一に維持するために熱源に冷却剤チャンネルを隣接させることが望ましい空調システムを含むが、これらに限定されない。
用語集
【００２８】
次の項は、請求項の用語の定義を述べたものである。
【００２９】
「接合」という用語は、拡散接合に限定するものではなく、シムを互いに固着するための任意適切な方法を含む。
【００３０】
「装置」は、積層装置全体又はより大きなシステム内に含まれうる積層構成要素を意味する。
【００３１】
流路「寸法（高さ又は幅）」は、厚みに対して直交する任意断面で測定した流路（流路は流体通路と呼ぶこともある）の寸法である。最小寸法とは、流路が、所定数のシートにわたる流路内の任意点で、この寸法を下回らないことを意味する。
【００３２】
「マイクロチャンネル」は、２ｍｍ以下の寸法を少なくとも１つ備えるものである。
【００３３】
「シム」とは、任意の幅及び高さを備えていてよいが、好適には５ミリメートル（ｍｍ）以下の厚み（最小寸法）を備え、幾つかの好適な実施形態では５０乃至１０００μｍの厚みを備えた概ね平面的なプレート又はシートである。本開示では、互いに接合された１組の同一シム（又はシート）を１枚のシムと呼ぶこともある。
【００３４】
「直線的な遮られていない線が流路（又は同義で流体通路）に存在する」という文言は、流路全体が直線的且つ遮られていないことや、流路の一部には全く突起部がないことを意味するわけではなく、流路の少なくとも一部が直線的で遮られておらず、直線状のロッド（有限の厚みを備えたロッド。すなわち、無限に薄くはないロッド）を、流路における所定数のシムの厚み全体にわたって配置できることを意味する。又、流路は、直線的で遮られていない流路を含むがそれには限定されない。膜、多孔質フィルム、又は穿孔シートを含む流路は、「遮られていない」とは見なされない。
【００３５】
「シート（又はシム）の厚みに概ね平行」とは、シート（又はシム）の幅に概ね直交し、幾らかの湾曲、或いはシムの幅に対する９０°からの多少若しくは部分的な振れが許容されることを意味する。シム表面上を流れながらシムの厚みと平行に流れ、そして隣接するシムの開口部を通過して別のシムの表面へ流れ、再度シムの厚みと平行に流れるようにした流路は、「シート（又はシム）の厚みに概ね平行」ではない。言い換えると、「シート（又はシム）の厚みに概ね平行」な状態は、第１シム方式におけるヘッダー／フッターを通過する流れを含まないのである。
【００３６】
「単位操作」とは、化学反応、蒸発、圧縮、化学的分離、蒸留、凝縮、加熱、及び冷却を意味する。単位操作に伴って混合及び移送が頻繁に実行されるが、「単位操作」は、混合又は流体移送だけを意味するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図４乃至５は、積層して装置（装置内の構成要素も含む）を形成可能な幾つかのシムを図示しているが、これらの例は例示的なものであって、本発明が、図示した実施形態に限定されると理解すべきではない。これら装置（構成要素も含む）は、積層手順に用いる従来のシム設計を用いて作製するのは困難或いは不可能である。
【００３８】
図４（ａ）のシムは、複数列の円形開口部４０２、４０４、及び４０６を備えている。典型的な動作では、これらのうち少なくとも２列が異なる温度となる。出来上がった管状チャンネルは、優れた耐圧性、強度、及び亀裂抵抗を備える。ここに記載した全ての設計と同様に、これらは、ミクロデバイスで用いるのに特に適している。例えば、各管状チャンネルは、好適には５ｍｍ未満で、より好適には２ｍｍ未満の断面径を備えてもよい。
【００３９】
図４ｂは、熱交換に特に適した構成を示している。三角形チャンネル４１２は、三辺全てに隣接チャンネル４１４が配置されている。従って、４１２がチャンネル４１４と異なる温度であれば、非常に効果的な伝熱が可能である。更に、対角線状の壁は容易に作製でき、高温のチャンネル４２０と低温のチャンネル４２２との間の壁のように表面積を大きくすることにより伝熱が向上する。
【００４０】
図４ｃは、不規則形状の開口部４３０及び４３３を示す。開口部４３３は、扇形（原語：scalloped）となっている。出来上がったチャンネルは、伝熱、吸着などの分離、及び／又は触媒作用（更に、実施形態によっては乱流）に適した表面積を提供できる。例えば、チャンネル４３３（複数のシムを積み重ねて形成する）に触媒成分（例えば、アルミナ薄め塗膜の後に金属含浸又は表面被覆を施す。図示しない）を塗布する一方、チャンネル４３０は熱交換チャンネルとする。好適な実施形態では、シムは、４３５、４３７などの形状が一致した隣接表面を備えた少なくとも２つの不規則形状（すなわち、長方形や規則的な波形などでない）開口部と、対応した特徴を備えたチャンネルを含む積層装置とを具備している。
【００４１】
図４ｄは、開口部４４０、４４２、４４４及びフィン４４１、４４３、４４５を示す。この図では、略長円形の開口部を、左から右へ或いは高温−低温−高温などの交互パターンで構成できる。
【００４２】
図４ｅは、図４（ｄ）の中央図に示したシムを積み重ねて作製する装置の立体図である。これらシムは、同一のシムを積み重ねてもよいし、交互配置設計、又は他の選択した若しくは無作為パターンで積み重ねてもよい。一般的に、所望の装置特性によるが、流体流動を実現するため幾つかの開口部を一列に揃えてシムを設計すれば、オルト設計の原理により、同一又は異なるシム（開口部を備えた任意種類のシム）の積み重ねは容易である。
【００４３】
図４ｆは、表面積を大きくするために多数の開口部４５０、４５２を設けたシムを示す。開口部グループ４５４、４５６は、異なるグループ間温度で動作可能である。
【００４４】
図４ｇは、反応体及び生成物の流れの一体的な復熱を含む反応器用の準オルト設計を示す。反応器区間の開口部４６２はオルト方式で形成されており、ここでは流れはシートの厚みに概ね平行である。反応器区間内のスロット４６４は、オープン流動チャンネルを生成するように一列に揃えられており、流れはシートの幅と概ね平行となる。熱交換区間（例えば、予熱区間）の開口部４６６は、復熱式熱交換器を形成するために壁と交互配置されており、この熱交換器では流れがシート幅と概ね平行となる。反応チャンネル４６４は、本発明の別の局面である準オルト設計の一例である。この実施形態では、直線状で遮られていない線が内部に存在する複数（少なくとも３本の）チャンネルが設けられている（図示した実施形態は、直通オープンチャンネルを備える）。この反応器チャンネル設計は（それ自体では）、チャンネル内部の流れがシート幅と概ね平行なのでオルト設計ではない。この設計は、複数シム間で多少の混合を伴う連通が可能になっているが、シート幅と概ね平行な流動を備えている。この設計は、単一装置内で複数の単位操作を統合するための１つの一般的アプローチを示すものである。
【００４５】
図５ａは、円形開口部を備えることを除けば図４ｆの構成に類似している。図５ｂは、孔５１０の列とスリット５１２の列が交互に設けられたシムを示す。孔とスロットなどのように幾何学形状を混在させるという利点は、より大きい開口部分が１つの流路には好ましく、且つ流動間に大きな差圧が存在するような実施形態でその効果が発揮できよう。より大きな開口部分は、触媒を挿入することや、流れの開口部分を拡大することによって圧力降下を低減することに有利であろう。
【００４６】
図５ｃは、第１構成要素（この場合は円形状の開口部５２０）と、それに形状が一致した第２構成要素（この場合は半球形状の開口部５２２）とを形成するのに使用可能なシムを示す。好適な一実施形態では、シムは、触媒を加える円筒管を形成するように積み重ねて反応チャンバを形成し、形状が一致した第２構成要素を熱交換チャンネル又は反対の熱特性（原語：thermicity）（例えば、円筒管の反応が発熱性であれば吸熱反応とする）を備えた反応を引き起こすように設計された第２反応チャンバとすることができる。
【００４７】
様々な実施形態では、所望のシムは、正方形、長方形、平行四辺形、円、三角形、不規則形状（すなわち対称又は繰り返し単位がない形状）、波形、角を丸めた長方形、正方形、又は三角形、及び楕円のうち１つ又は複数の形状が含まれる。これらシムを積み重ねて接合して、円筒、角柱、及び波形などの形状の三次元開口部（管）を形成できる。幾つかの好適な実施形態では、３枚以上の同一シムを互いに隣接させて積み重ねる。高圧を用いる応用例では、円筒管が特に好まれる。伝熱を向上させるためには、伝熱を必要とする装置の部分への表面接触を最大化する一致形状で熱交換チャンネルを作製するのが好ましく、例としては、統合型吸熱／発熱反応器、気化器、レキュペレーターなどが可能である。伝熱に関して、シムが、第１開口部と第１開口部の形状に一致する第２開口部とを備えるのが望ましい。幾つかの例としては、等距離で離間された２つの波形開口部、円とその円の一部を囲む円弧、及び底辺同士を隣接させた２つの三角形状の開口部が含まれる。
【００４８】
湾曲したチャンネルは、様々な積層装置において望ましい特性を提供できる。湾曲チャンネル内の流れは、凹み側に向かう壁部付近で高速成分を備えている。例えば化学反応器、流体相分離器、又は薬剤分配器用の流体ミキサーの応用例では、この流動パターンで物質移動速度を高くして混合処理を向上させている。
【００４９】
マイクロチャンネル凝縮器におけるような二相強制対流においては、湾曲流路は、スラグ流れから層状混相流すなわち環状流動様式への移行を助け、図６ａに示したように別個の蒸気通路を形成する。しかし、直線状の流動チャンネルでは、チャンネルの間隙の大きさが十分に小さな値まで減少すると、毛管力が液面を上昇させて液体架橋を形成し、チャンネル全体を遮断して、流れが図６ｂに示したスラグ流れ様式に移行する。スラグ流れでは、毛管作用が、更なる圧力降下を引き起こすと共に、比較的大きく厚い液膜が維持され且つ蒸気速度が低く維持されることで、凝縮の熱抵抗を増加させてしまう。凝縮器の設計における主要な目標は、表面から迅速に凝縮物を除去し、蒸気と壁部の接触を維持することであり、湾曲したマイクロチャンネルは、液体を一方の側に追いやって、一定の流動状態及び一定形状とした蒸気が通過する道を開く優れた方法を提供する。
【００５０】
直線状のヘッダー又はフッターは、望ましくない圧力降下特性に加え、不均一な流れ場又は大きな不均一流れ分布を引き起こすので、ヘッダー及びフッターの断面積を変化させることにより性能を向上させることができる。図６ｃは、先ず領域Ａ及びＢを含むシムを形成することにより作製可能な積層装置の断面図を示し、その作製では、図面ページに直交した状態で流れの方向に向けて配置するように設計され、湾曲ヘッダー（又はフッター）６０４、６０６に接合した（例えば拡散接合により）シムを用いたオルト設計を用いる。このヘッダーは、非オルト方向に湾曲した開口部を備えた同一シムを積層することで作製できる。ヘッダーから分岐チャンネルへの縮小及び急角度で方向転換することによる流入口水頭損失は、湾曲シムが形成するスムーズなチャンネル流入口により軽減される。湾曲ヘッダー（又はフッター）６０６は、特に他の構成要素により束縛されている時は、熱負荷が他のチャンネルとは異なり且つ異なる流速を必要とする熱交換器チャンネルに流体を別個に供給するという柔軟性を実現する。これら湾曲チャンネルは、化学反応器（例えば領域Ａの内部）と、反応に関わる流動を加熱又は冷却するか或いは生成物の熱を回収するレキュペレーター（領域Ｂ）との間に過渡領域を形成できる。
【００５１】
開口部が複数シムを介して形成され、縁部構成が開口部縁部に設けられた（すなわち、縁部構成が開口部の縁部により形成された内部へりに設けられた）オルト設計を備えた積層装置は、縁部構成を備えていない開口部に比べて大きな利点を提供しうる。縁部構成を備えた開口部は、図９ａ乃至９ｃに示した。縁部構成とは、開口部のへりに位置した構造体であって、開口部の直径に少なくとも０．１％の、より好適には少なくとも１％の変化を及ぼす構造体である。例えば、開口部のへりが１ｃｍの直径と、へりから０．０５ｍｍ突出する隆起を除いては滑らかな縁部とを備える場合は、この隆起は縁部構成とはならないが、０．１ｍｍの隆起であれば縁部構成となる。幾つかの好適な実施形態では、開口部の回りのへりの周長の少なくとも２０％に、より好適には少なくとも５０％に、又、幾つかの実施形態では、少なくとも９０％又は１００％に縁部構成が設けられている。縁部構成７１２、７２２が周長の１００％に設けられたへりを、図９ａ及び９ｂに示した。縁部構成は任意形状としてよく、例えば、正方形（図９ａ及び９ｂに示した）、三角形、円、長方形などが可能である。特に好ましい形状は図９ｃの突起に示されており、これら突起は、基部（へりに取り付けられている）の断面径が、開口部（の平均径）の縁部から突出する突起の一部分の断面径より狭いことが図示されている。縁部構成を備えた開口部を有するこれらシムは、各構成をそれに対応する構成に隣接させて積み重ねて、チャンネル又は溝（例えば、図９ｂを参照）を形成するか、若しくは、対応する構成を具備しないシムを隣接して積み重ねて、チャンネル（又はチャンバ）の壁に突起を形成する（例えば図９ａを参照）。
【００５２】
単層の物質及び熱交換器では、図９ａに示したシムから形成した波形表面が、層流における温度境界層の形成を阻み、温度勾配が大きい領域を形成し（境界層が薄くなる）、更に、物質及び熱移動過程を向上させる。乱流様式では、この構造は乱流混合を増大する。こうした構造のマイクロチャンネル表面により伝熱領域が増大する。
【００５３】
沸騰流熱交換器では、マイクロチャンネルの滑らかな表面に蒸気気泡が形成されると、この蒸気気泡の下方の薄い液膜が乾燥してしまうことにより、高温の熱点が形成される可能性が高くなる。図９ａに示したシムから作製した構造化チャンネル表面は、図９ｃに示したように、気泡底部への液体供給を向上することにより、この問題が発生する可能性を減少させる。これら溝及び波形の微細構造は、毛管力によって気泡底部に向かう液体の流れを増大する。気化作用は滑らかな表面よりもより効率的に行われるので、図９ｃに示したような突起構造は、気泡の下方にあり且つ液体と接触した立体的な壁の面積を増大する。従って、滑らかな表面と比べて壁の温度が低く且つ熱流束が高くなり、伝熱全体はかなり向上する。
【００５４】
本発明の別の実施形態では、図８ａ及び８ｂに示したような静的ミキサーを含む積層装置を提供する。図８ａは、３枚のシム８０２、８０４、及び８０６を示す。各シムは、細片８１２により半分に分割された開口部８０８を備える。図示したシムは、中央に位置した細片を示しているが、細片は、開口部内の任意の突起であって中央に位置する必要がないと理解されたい。良好に混合するためには、任意突起は、開口部の直径に対して少なくとも５％突出させるものとする。この（これら）突起（細片（複数可）を含む）は、開口部が流路を形成するように互いに接合した少なくとも３枚のシムにおいて異なる位置に形成されるものとする。これら少なくとも３枚のシムが隣接していることが好ましい。図８ｂに、バネ８２２などの混合用挿入体を積層装置の孔８２４に挿入した別のミキサー８２０を示す。この積層装置をオルト方法で形成することが好ましい。この混合用挿入体は、流動を交差させて混合する任意構造であってもよく、好適な構造として、螺旋状、二重螺旋状、渦巻状、交互の渦巻パターンなどがある。
【００５５】
シムの好適な材料は、所望の特性にもよるが、プラスチック、金属、セラミックス、ガラス及び複合材である。幾つかの好適な実施形態では、シムは非多孔質材料からなるが、多孔質な又は部分的に多孔質な材料を交互に用いてシムを作製してもよい。流体流動及び単位操作に対して開口部の存在を強調してきたが、本発明の装置を他の装置、流体供給源（原語：fluid sources）、反応器などに連結するための連結体（例えば流体管の流入口及び流出口）やヘッダーなどの追加構成と、接合前に複数のシムを揃えるための位置決め孔とを更にシムに備えてもよい。加えて、構成要素（これらに限定するものではないが、例えば、触媒、ミキサー及び吸着剤）を開口部に挿入してもよい。幾つかの好適な実施形態では、個々の開口部（流路の境界を定める開口部など）の面積は、２０ｃｍ２未満であり、また、幾つかの実施形態では、個々の開口部の面積は、１０―８乃至１０―２ｍ２の範囲である。例えば、開口部は、幅を８０ｃｍと大きくし、厚みを０．２５ｃｍか更に小さくしてもよい。
【００５６】
開口部を含んだシムは、従来の機械加工、ワイヤー放電加工、レーザー切断、光化学加工、電解加工、成形加工、ウォータージェット加工、打ち抜き加工、エッチング（例えば、化学、光化学及びプラズマエッチング）及びこれらの組み合わせを含んだ手順で形成できる。コスト低減のためには、打ち抜き加工が特に望ましい。ラムプレス又はＨＩＰ装置などの拡散接合方法でシムを互いに接合してもよい。また、反応性金属接合又は面固着（原語：face seal）を形成する他の方法でこれらシムを接合してもよい。また、レーザー溶接でシムを接合してもよい。これに代えて接着剤を使用して装置を接合することもできる。好適な実施形態では、単一ステップで装置を積層するが、それよりは好ましくない実施形態では、第１組のシムを互いに接合した後に、第２（又はそれ以上の）組のシムを接合する。幾つかの好適な実施形態では、１組のシムを単一ステップで接合した後に、その接合体を複数の装置に切り分ける。
【００５７】
オルト設計は、多数の統合型装置の作製に利用できる。装置の例として、化学反応器（例えば、水蒸気改質器、統合型改質／燃焼器など）、凝縮器又は蒸発器などの相変化のための器具、蒸留器、温度又は圧力スイング吸着器、及び選択的膜分離器などの化学分離器、及び化学検出器又は分析器が含まれるが、これらには限定されない。流体通路は、触媒（好適な実施形態では、２種類の触媒を隣接する流体通路内に配置する）、吸着剤、吸収剤、及び熱交換流体（例えば、水、液体金属など）などの材料を含んでもよい。従って、流体通路に配置可能な材料が非常に多くある。流体通路に使用可能な材料の例を少しだけ挙げると、金属膜（例えばＮｉ，Ｐｄなどを含有する）、及び金属又は酸化物担持の金属触媒がある。幾つかの好適な実施形態では、１本、２本又はそれ以上の熱交換流体通路（動作中、熱交換流体を含む）が、触媒、吸着剤、又は吸収剤を含む１本、２本又はそれ以上の流体通路に隣接している。幾つかの好適な実施形態では、発熱反応が１本の流体通路で行われる一方、吸熱反応が隣接した流体通路で行われる。
【００５８】
作製を単純且つ容易にするため、幾つかの好適な実施形態では、装置は、３０種類以下、更に好ましくは１０種類以下のシム設計で作製する。幾つかの好適な実施形態では、この装置の全ての部分（ヘッダー及びフッターを除く）を通過する流れは、概ねオルト方向である。他の設計では、装置は、オルト方向と非オルト方向との両方の流路を備える。幾つかの好適な実施形態では、オルト方向の流路と非オルト方向の流路とは、別個の流路である。他の幾つかの実施形態では、同じ流路は、少なくとも３枚の（又は少なくとも５枚の）隣接シムを通過するオルト流れの区間と、少なくとも１枚の（又は少なくとも３枚の隣接）シムを通過する非オルト流れの区間とを備える。例えば、幾つかの装置では、オルト方向で少なくとも３枚の（又は少なくとも５枚の）隣接シムを通過する流れ（言い換えれば、流路）があり、それに続いて、少なくとも１枚の（又は少なくとも３枚の隣接）シムを通過する非オルト方向の流れがあり、再び少なくとも３枚の（又は少なくとも５枚の）隣接シムをオルト方向に通過する流れがある。
【００５９】
また、本発明を、内部流体通路間の差圧に耐える能力など、一定の特性によって特徴付けることができる。例えば、ある高圧蒸発器は、全てがステンレス３１６製で作られた厚みが僅か５００ミクロンの壁によって分離されており、差圧がゲージ圧２７２ｐｓｉｇで、且つ２１０℃を超える温度で動作している。圧力は、位置を互いにずらしたリブと角の丸い縁部とを備えるマイクロチャンネルを用いて閉じこめ可能である。従って、幾つかの好適な実施形態では、本発明の装置若しくは手順は、チャンネルを分離する網の厚み１０００ミクロンにつき少なくとも１００ｐｓｉｇ（ゲージ圧で、平方インチあたりのポンド）の、より好ましくは少なくとも２００ｐｓｉｇ／１０００ミクロンの、更に好ましくは少なくとも５００ｐｓｉｇ／１０００ミクロンの隣接チャンネル間の差圧に耐え且つ／若しくはその差圧で動作する能力で特徴付けられる。角の丸い縁部及び／又は位置を互いにずらした支持部などの設計構成は、こうした差圧に耐えるという点で有用である。
【００６０】
本発明はまた、本明細書に記載した任意の設計を用いた手順を提供する。手順の例として、蒸留、反応、吸着、加熱、冷却、圧縮、膨張、分離、吸収、蒸発、凝縮、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。本発明内容に適用可能な反応器の種類、触媒、反応、及び処理条件及びパラメーター（生産性など）の例は、米国特許出願０９／６４０，９０３に記載されており、それを以下に記載したこととして本明細書に援用する。
例
例１
【００６１】
統合型吸熱／発熱反応器３００は、流れがシムの厚みに概ね平行であるオルトシム方式を用いて設計した。シムは、金属、プラスチック、セラミックス、又は複合材料の薄片と定義する。シムの厚みは、５０ミクロン乃至５０００ミクロンとしてもよい。好適なシム厚みは、２５０ミクロン乃至２０００ミクロンである。マイクロチャンネルは、一列に揃えた構成を備えたシムを組み立てて形成できる。構成は、シムから切り取って形成され、これらに限定されないが、例えば、円、正方形、長方形、平行四辺形、波形、不規則形状、角を丸めた形状、三角形及びこれらの組み合わせなどを含む形状となっている。
【００６２】
オルト方式の統合型吸熱／発熱反応器の基本設計を図７ａに示した。このシムを切り欠いた構成は、スロットと孔である。各０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の２３０枚のシムを揃えて、５つのスロットを吸熱反応チャンバ用に形成する。これらシムの幾つかを反応区間外で用いて、流動を多岐に分岐し一列に揃える。各反応スロットは、幅１．５インチ（３．８ｃｍ）で長さ２インチ（５ｃｍ）である。このスロット内に、複数の開放入口スロットを加工後、側面から触媒を挿入する。また、これらシムを揃えて接合して、発熱反応用の長さ５．１ｃｍの孔を形成する。吸熱反応のスロット内での圧力より低い圧力で、孔内において燃焼などの発熱反応が動作するような流動間差圧を生ずるように、上述の幾何学的形状を選択する。メタン水蒸気改質は、この設計で用いる吸熱反応の一例である。燃焼触媒は、孔の壁へ随意挿入若しくは塗布してもよい。代替設計では、接合後に触媒を挿入できる。反応器の炉心を作製するには一種類のシム設計のみしか必要としない。追加したシムは、流入管から反応器内のスロット又は孔への流れを多岐に分岐させ合流させる。シム及びこれらに対応した構成と流れとを合流部から流入管まで記載した。
【００６３】
カバーシム３０２は、燃料及び空気など発熱反応の両方の反応体用に別個の開口部を備える。このカバーシムは、吸熱反応混合物用の開口部も備える。一番左の開口部は燃料用である。右に向かって、その隣の２つの開口部３０６は空気用である。カバーシムの右側の２つの開口部３０８は、吸熱反応混合物用である。このカバーシムにこれら３つの流れのための管をそれぞれ溶接により接続してもよい。このシムすなわちカバープレートの厚みは、０．２５インチ（０．６４ｃｍ）である。
【００６４】
この隣のシム３１０は、流量分配に用いる。シム３１０は、各０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の２０枚のシムで構成する。燃料は、このシムを通って次の隣接したシムへ流れる。空気と吸熱反応混合物との両方は、類似シムからなるこのグループ内で横に流れて、シム表面を均等に広がる。空気及び吸熱反応混合物は、交互チャンネル３１２，３１４を通って流れる。
【００６５】
シム３２０は、流量分配に用いる。シム３２０は、０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１枚のシムで構成する。燃料は、このシムを通って、次の隣接したシムへ流れる。小孔３２２は、隣接シム内でこれら流体が均等に分布するように十分な背圧をもたらすための開口プレートを表している。
【００６６】
シム３３０は、空気及び吸熱反応混合物のためのスロット３３２、３３４を構成する。ここでの流れは、各スロットにわたってより均等に分配されている。またこのシムに燃料用の貫通孔を形成する。シム３３０は、０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１枚のシムで構成する。
【００６７】
シム３４０は、孔とスロットを備える。吸熱反応混合物は、シム３３０のスロット３３２からこのシムの孔３４２へ流れる。孔を用いて高圧流動を更に含むようにしている。燃焼用空気は、スロット３４４へ流入し続ける。燃料は、シムの右側の貫通孔３４６を通って流れ続ける。シム３４０は、０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１枚のシムで構成する。
【００６８】
シム３５０は、シム表面にわたって燃料を分配するために用いる。燃料は、シムの右側の開口部３５２から流れ、空気スロット３５５に隣接したスロット３５４を通って分配される。吸熱反応混合物は、孔３５２を通って流れ続ける。シム３５０は、各０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の２０枚のシムで構成する。
【００６９】
シム３６０は、燃料と燃焼用空気とを混合するために用いる。燃料スロット３５４と空気スロット３５５とに重なる短い長円形のスロット３６２で混合される。吸熱反応混合物は、孔３６６を通って流れ続ける。シム３６０は、０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１枚のシムで構成する。
【００７０】
シム３７０は、均質炎燃焼（原語：homogeneous flame combustion）を最小にする消炎直径未満或いはそれに近い大きさまで、燃焼流の流動開口サイズを下げるために用いる。シム３７０は、各０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の２０枚のシムで構成する。
【００７１】
シム３８０は、シム３６０と同一設計である。シム３８０は、０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１枚のシムで構成する。
【００７２】
吸熱反応混合物は、吸熱器区間３９０内の孔からスロットへ広がる。スロット３９２は、反応触媒を容易に挿入できるので好適である。このブロックの接合後、側面溝を加工して各反応スロットを開口する。その後、触媒を何れかの側面から挿入し、側面プレートでスロットを再密封して、装置の周囲に対して密閉する。燃焼反応は、吸熱反応スロット間で散在した２列の孔３９４において行う。流動間の大きな差圧による金属応力を最小にするように孔を選択する。この差圧は、例えば、０．１乃至９００気圧としてもよい。好適には、２乃至１００気圧である。２列の燃焼孔は、燃焼流の反応領域及び流れを大きくするために用いる。これによって反応時間を長くすることができると共に、燃焼流の圧力降下を低減できる。反応器３９０は、各０．０２インチ（０．０５ｃｍ）厚の１００枚のシムで構成するので、反応流の長さが２インチ（５ｃｍ）になる。
【００７３】
反応器シムの孔は直径０．０４インチ（０．１ｃｍ）で、スロット間隙が０．０３５インチ（０．０８９ｃｍ）であった。このスロットには、触媒が挿入若しくは塗布されており、反応流が生成物に変わる。スロット幅は、この設計では任意の幅でよいが、ここでは１．５インチ（３．８ｃｍ）とした。
【００７４】
シム４００は、シム３８０と同一である。反応器からの流出物、すなわち生成物は、スロットから孔へ流入する。燃焼排気は、２列の孔から長円形スロットへ流入する。ここでは同一のシム設計を用いて、特有なシム設計の数を最小にした。
【００７５】
シム４１０は、シム３７０と同一である。異なるシム設計を用いれば、圧力降下などの装置性能を向上できるが、ここでは対称になったシムを選択することで、特有なシムの枚数を減らして、シムを間違えて積み重ねたり揃えたりすることを防止している。
【００７６】
シム４２０は、シム３６０と同一である。
【００７７】
シム４３０は、燃料スロットを備えていない点を除いてシム３５０と同一である。燃料は、シム３５０内で空気と混合して、反応器で消費或いはほぼ消費される。
【００７８】
残りのシムは、燃料孔を備えていない点を除いてそれぞれ３４０、３３０、３２０、３１０、及び３０２と同一である。シムの厚み及び枚数は、シム３４０乃至３０２と同一であり、ほぼ対称的な装置を作成する。こうして作製時間及び費用を削減できる。
【００７９】
改質器チャンネルで用いた触媒は、吸熱反応熱を発生するために、スロット内でメタン水蒸気改質を行うと共に孔内で燃焼を行う場合において、フロリダ州デランド市のテクネティクス社から入手したＦｅＣｒＡｌＹ合金の金属製フェルトに担持した１３．８％−Ｒｈ／６％−ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３の触媒を含む。この改質触媒は、０．０１インチ厚で多孔性９０％のＦｅＣｒＡｌＹフェルトに基づいた薄め塗膜技術を用いて準備した。薄め塗膜前に、金属製フェルトを空気内で２時間９００℃まで急加熱して前処理をした。金属表面と触媒との間の接着性を向上するために、先ず有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）で酸化したＦｅＣｒＡｌＹフェルトに高密度で小孔のない境界層を塗膜した。この境界層は、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２、又はＴｉＯ２などとすることができる。例えば、ＴｉＯ２を塗膜する時は、チタニウムイソプロポキシド（マサチューセッツ州ニューベリポート市のストレム・ケミカル社）を、２５０乃至９００℃の範囲の温度で０．１乃至１００トルの圧力において気相蒸着した。気泡への密着性が優れたチタニア塗膜は、６００℃の堆積温度で３トルの反応器圧力において得られた。この層は、金属製フェルトと触媒との間の密着性を高めるだけでなく、水蒸気改質反応中の腐食からＦｅＣｒＡｌＹを保護できる。１３．８質量％Ｒｈ６質量％ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３の粉末触媒を以下の手順で調製した。（１）表面積の大きいγ―アルミナを５００℃で５時間焼成し、（２）硝酸マグネシウム水溶液を用いた初期濡れ（原語：incipient wetness）法によりγ―アルミナをＭｇＯに含浸して、ＭｇＯ修飾（原語：modified）γ―アルミナ担体を得て、（３）修飾担体を１１０℃で４時間乾燥し、（４）第２回目の焼成を９００℃で２時間行い、（５）硝酸ロジウム水溶液を用いた初期濡れ法により修飾担体をＲｈ２Ｏ３に含浸した後、（６）１１０℃で４時間最終乾燥し、そして（７）担持触媒の粉末を得るために最終焼成を５００℃で３時間行うことによって調製する。塗膜した触媒のスラリーは、１：６の比率で上述の粉末触媒とイオン除去水とを混合させて準備する。混合物を２４時間ボールミルして、１ミクロン未満の触媒粒子を含む塗膜スラリーを得る。熱処理されＣＶＤ法で塗膜したフェルトを触媒スラリーに浸けて薄め塗膜を行う。薄め塗膜手順は、所望の重量を得るように繰り返してもよい。各塗膜手順の間に、触媒で塗膜したフェルトを乾燥炉において１００℃で１時間乾燥させた。塗膜手順は、所望の塗膜厚み又は触媒充填量になるまで繰り返される。最終塗膜段階の後、触媒を乾燥炉において１００℃で一晩中乾燥させ、空気内で３００乃至５００℃の温度範囲まで２℃／分の低速加熱により焼成する。塗膜した触媒の量は、フェルトの１平方インチ（６．５ｃｍ２）あたり０．１グラムの触媒があると測定された。水蒸気改質試験の前に、調製した触媒フェルトを好適には３００乃至４００℃に下げて、活性化処理を行う。
【００８０】
統合型燃焼触媒は、ＩＣＲ装置の内部インコネル壁に直接塗布した薄め塗膜触媒とすることができる。先ずインコネル表面をヘキサン、硝酸（２０％）及びアセトン（又はプロパノール）で、できれば超音波を用いて洗浄する。洗浄液をインコネル表面上に流すことが好ましい。その後、空気内で（できれば流動空気内で）５００℃まで３．５℃／分で加熱し、５００℃で２時間加熱維持して、酸化天然クロム層を形成する。それから、温度を３．５℃／分で９５０℃まで上げ、９５０℃で２時間維持する。その後、インコネルをわずか５℃／分の速度で室温まで冷却する。そして、必要な蒸着部分を１０質量％の硝酸パラジウム溶液中に沈めて、クロミア層に活性化パラジウム成分を塗布する。これは、静かに沈めても、又は必要液面まで装置に流体を注入してもよい。次に、２分間溶液を蒸着表面に接触した状態にする。そして、インコネル表面から溶液を除去し、差分測定方法を使ってパラジウムの残量を計算する。チャンネル塗膜の場合には、確実に汚れの付着を起こさないようにするため、チャンネルに窒素を流す。それから、触媒を１００℃で１時間、できれば真空で乾燥させる。その後、８５０℃まで３．５℃／分で加熱し、８５０℃で１時間加熱維持して触媒を焼成する。その後、触媒をわずか５℃／分の速度で室温まで冷却する。
例２
【００８１】
高圧蒸発器２００は、高温空気の流れを用いて、逆流方向に流れる水を加熱して部分的に蒸発させるように作製した。この水は２０気圧まで圧力がかけられる一方、この空気は大気圧近くとなっている。水の設計流速は、流入口圧２８０ｐｓｉｇにおいて流入口温度２１０℃で２０ｍＬ／分であり、また空気の設計流速は、若干大気圧より大きい圧力（流入口圧８ｐｓｉｇ）において流入口温度２７９℃で２４７ＳＬＰＭである。通常動作温度は２１５℃である。流出口における水蒸気特性の設計値は５０％である。
【００８２】
蒸発器の中央部分は、各厚みが０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）で積層厚が１．７インチ（４．３ｃｍ）の同一シム２１０を含む。１枚のシム内の個々のチャンネルは、その上下にあるチャンネルから幅半分ずれている。層が１つおきに高圧であることから、支持部２１４の数が少なくても荷重に対する支持を得ることができる。ここでは、支持部２１４（又はリブとも呼ぶ）は、チャンネルの間でその幅（つまり、各チャンネルの最長寸法方向で、或いは最長寸法がない場合には厚みに直交した最短寸法方向で、測ったチャンネル間の１枚のシム内での距離、）方向にある部材として定義するが、チャンネル間の高さ方向に配置した網厚みを含まない。同じ応力において、各チャンネルの幅は、一列に揃えた支持部網を備えた場合よりも広くなる。こうして、開口領域を広くして圧力降下、汚れの付着を低減できると共に、層の間に必要な厚みを最小にして伝導熱抵抗を減少できる。
【００８３】
本体の構成は、ステンレス３１６製の平板を光化学エッチングして作製した。オルト設計で構成を作製することによって、スロットの端の全半径部における応力集中を直角な角又は丸まった角よりも減らすことができる。また、水流内に再循環領域が発生すると、汚れの付着を引き起こす表面堆積物が増加しうるが、この全半径部構成によって再循環領域が発生する可能性を最小にすることができる。
【００８４】
水は、流入口ヘッダー２０２からチャンネルを介して流出口ヘッダー２０４へ流れる。水に対しては、６本の同一チャンネルからなる層２１６が１７列ある。空気に対しては、層２１８が１８列ある。各空気流層２１８は、５本の同一チャンネルを備えると共に、両端には半分の幅のチャンネルを２本備える。層２１６と層２１８との間には、網層２２０がある。この構成では、各層２１６、２１８の高さは、各層内の各支持部２１４の高さと同一である。各チャンネルの高さは０．６ｍｍで、網層２２０はチャンネル間の距離０．７６ｍｍである。
【００８５】
２枚の分配プレートを用いて蒸発器内へ水流を分配することで、１０２本の水チャンネルへ均等に流量分配できる。第１プレート２３０は、中央流入口２１５からの流れを外側の縁部へ偏向させた孔２２７を通して分配する。円２２５は、この試験設計に用いた熱電対用の穴を示す一方、円２２９は、流入口の寸法を示すが、プレート２２６又は２３０の構成を表すものではない。第１組の孔を通過した後、第２プレート２２６は、チャンネルのレイアウトに合ったパターンで流れを分配する。流入口からこれらチャンネルへの水の非直線的な通過距離が比較的等しくなるように、第２プレートの通過で平均化した流れを、チャンネル間に繋がった網に対して揃える。
【００８６】
二相水／水蒸気流は、フッター２４０のヘッダー空間部２４１に集まって中央口２４２から流出する。この装置の方向付けは、この流出口を頂部に置くこととする。チャンネル出口から流出口までの空間部で傾斜した（囲った）屋根形状２４４は、蒸気を収集すると共に分離状態の蒸気及び液体を断続的に流して脈動を引き起こす可能性のあるポケットを無くす。
【００８７】
この蒸発器では、空気はＺ字状に、つまり、Ｖ字状の流入口多岐部２０３から、５本の同一チャンネルと２本の半分の幅のチャンネルを介して、Ｖ字状の流出口多岐部２０５へ流れる。Ｖ字形状は、流入口と流出口とのそれぞれの内部に形成される。ヘッダー及びフッターの幅は、流入口及び流出口の圧力降下の合計によって、これら全幅チャンネルの流速が同一になり、２本の半幅チャンネルの流速が同一になるように選択する。（たとえ蒸発器の本体における空気の流れと平行しない方向に空気が入る場合であっても）空気が全ての空気流動チャンネルを均等に流れるように、ヘッダー及びフッターを設計する。空気流入口／流出口ヘッダー／フッター設計を図１０ｅ乃至１０ｉに示す。これら図の右側からシムに入る空気は、液体流動チャンネル１０６２と交互配置された空気スロット１０６０に流入する。ヘッダーシムは、蒸発器本体に積層されると共に、空気スロットの面積を蒸発器本体に向かって増大していき、空気流入口に最も近い空気流入口スロットの面積が最大となるようにして配置される。このシムのパターンは、フッターとは逆（空気流出口に最も近い空気流出口スロットの面積が最大）であるため、蒸発装置の全てのチャンネルにおいて空気の流速が等しくなる。空気は流入とは反対の面から流出する。
【００８８】
蒸発器本体は、各断面部において所望のチャンネル形状を備えた平坦な金属シムを光化学加工し、組立て部材一式を拡散接合し立体的にして作製する。シムは、リン酸ニッケル層間メッキし、正しい順序で積み重ね、加熱加圧下で接合した。接合後、空気多岐部につながるように本体を加工し、それから空気及び水ヘッダー及びフッターを溶接により接続した。図１２に示すように、各シムは同一な４組の構成を備える。４個の蒸発器本体は、接合後に切断してできた各積層体２５０から作製する。１７４枚の同一中央シム、ヘッダーシム（例えば２５２）、及び各空気多岐部区間を形成する６つの形状を有した３３枚のシム（図示せず）がある。全ての空気多岐部シムは、最初に同一に作製した後、各形状に対する独特の構成を放電加工した。端プレートは、空気チャンネルから水チャンネルを隔離し、ヘッダー及びフッターを本体に溶接するための厚い立体区間をもたらす。
【００８９】
非対称の位置決め穴で、同じ方向に同一シムを維持して誤配置を減らす。位置決め穴は、高精度の放電加工で加工される。
【００９０】
空気多岐部シムは、装置の外側へ開口していない。短い端の区間を加工により除去して、空気が出入りできるようにする。空気多岐部シムは、狭い外側境界部を備え、作製中の形状を維持する。接合後、出入り経路として層を広げてポケットを加工する。熱逃がし溝は、空気ヘッダー及びフッター側面プレートが溶接される側面と平行に加工する。
【００９１】
水ヘッダー及びフッターは、端プレートで本体に溶接する。空気ヘッダー及びフッターを取り付けるための全幅側面プレートを、端プレート及び本体に溶接する。これら側面プレートは、シムの接合継ぎ目に沿った溶接を省く。その後、空気ヘッダー及びフッターを側面プレートに溶接する。
【００９２】
流量分配を評価するために、単一層の各チャンネルでの速度を計測する空気流動試験を行った結果、偏向は極小であることが確認された。５０００時間を超えて動作させて性能試験を行った。
【００９３】
図１１に示すように、高圧蒸発器は、劣化の兆候なしで約５０００時間（２１１日）動作し続けた。この蒸発器は、４４乃至４６％蒸気特性で動作し、総溶解固体物質（ＴＤＳ）濃度が約１．５ｐｐｍの水が供給された。この水の中の主要な無機固体成分は、Ｍｇ、Ｃａ、及びＳｉである。これら３つの固体はそれぞれ、１．５総ｐｐｍ固体中におよそ７％、１５％、及び２％存在する。図１１にデータを示した。圧力降下は若干増加するものの、流出口空気温度が一定であるため、明らかな劣化は認められない。約３２４０時間から３７８０時間までに見られる変化は、圧力を制御困難にする問題を備えたニードル弁によるものであった。このシステムは、性能に大きな変化をもたらすことなく、その時点で１０回を超える処理不調を経験していた。
【００９４】
空気は、化学処理用に水蒸気を発生するように、水を部分的に沸騰させることに用いることができる。空気は、２４７ＳＬＰＭ（標準リットル／分）で供給され、２７９℃で流入した。平均流出口空気温度は２１２℃であった。水の流速は２０ｍＬ／分である。これらの条件では、２８２ワットの熱が伝達され、平均熱流束が０．４９Ｗ／ｃｍ２であった。容積に基づくと、流れの長さが１．７４インチ、高さ１．９８５インチ、幅１．５５３インチのコア容積内でこの熱が伝達される。従って、容積測定の熱流束は３．４Ｗ／ｃｍ３を超える。これら流路は装置内で互いに反対方向に流れるよう形成され、水が底部から上昇して空気が頂部から下降する。この装置では測定した熱損失は約５％であった。
【００９５】
５０００時間を超えた後も、マイクロチャンネル装置内で汚れの付着は検出されなかった。流出口気体温度を用いて汚れの付着を測定する。垢が蓄積するにつれて、チャンネルの伝熱抵抗が増加し、流出口気体温度も増加すると予想されることから、気体から部分的に沸騰した水への伝熱が減ることが分かる。マイクロチャンネル内の見掛け速度が高いので、従来ボイラーと比べて汚れの付着速度を低くすることに役立つと期待される。
例３
【００９６】
挟み方式によるマイクロチャンネルの代替設計及び作製配置方向はまた、図１３に示した位置のずれたリブ構造の作製に用いられる。この構造は、オルト方式が容易にマイクロチャンネルの縁部を丸められることを除き、オルト方式で作製した図１０ｂに類似する。図１３に示す挟み方式マイクロチャンネルは、４種類のシムを用いて少なくとも６枚のシムを１組として繰り返して積み重ねることを含む。
【００９７】
第１シム１３０２は、周囲から、別のマイクロチャンネルから、或いはヘッダー及びフッターにチャンネル流動を連結するために用いる速度抑制段差シムから、マイクロチャンネルを分離する壁面シムを表す。
【００９８】
積層体の第２シム１３０４は、シム１３０２のヘッダー又はフッターと共に、シム１３０８の流体Ａのマイクロチャンネル１３０６を連結することで流路を形成する速度抑制段差シムである。
【００９９】
第３シム１３０８は、流体が流れると共に単位操作が実行される平行マイクロチャンネルの列を備える。これに代えてこのシートにマイクロチャンネルを１本のみ備えてもよい。
【０１００】
積層体の第４シム１３１０は、シム１３０２と同一であり、流体の流れを分離する。
【０１０１】
積層体の第５シム１３１２は、シム１３０４と同一である。このシムは、この積層体の隣となる（且つシム１３０２と同一である）流入口／流出口ヘッダー／フッターと共に、第６シムのマイクロチャンネルを連結することで流路を形成する。
【０１０２】
第６シム１３１４は、流体が流れると共に単位操作が実行される平行マイクロチャンネル１３１６の列を備える。これに代えてシート１３１４にマイクロチャンネルを１本のみ備えてもよい。
【０１０３】
図１３に示したこのシム設計は、（一列に揃えず）ずらした支持部をマイクロチャンネルに備えた耐圧構造を作製する。この設計方法は、各流動チャンネルの角を丸められない可能性があるために、より厚い壁面シム（シム１３０２）が必要となりうるという点においては、他の方法より望ましくない。しかし、この方法は、シムを容易に揃えられることに加え、シムに小さな微小構成を作製する必要性が減るという利点を備える。異なる設計方式を用いて異なる応用例を最適化してもよい。
【０１０４】
本発明は、図１３に示した構成を１つ又はそれ以上備えた装置に加えて、こうした構成を備えたシムを用いて装置を作製する方法と、図示した設計構成を１つ又はそれ以上備えた装置を用いて単位操作を実行する方法とを含む。
【０１０５】
本発明の幾つかの好適な装置を特徴付ける圧力試験測定。
【０１０６】
例えば反応、分離、熱交換、蒸発、凝縮などの単位操作用のマイクロチャンネル装置は、高い流動間差圧で動作するように設計されてきた。例２の高圧蒸発器は、差圧２７２ｐｓｉｇにおいて２１０℃を超える温度で５０００時間を超えて動作した。
【０１０７】
圧力試験
【０１０８】
少なくとも１つの重要なチャンネル寸法が約２ｍｍ未満となるマイクロチャンネル単位操作に対して、少なくとも２つの流入流体の流れを用いて動作させる。第１流体の流れは、２７９℃で８ｐｓｉｇでなければならない。第２流体の流れは、２１０℃で２８０ｐｓｉｇでなければならない。用いる流速は任意でよい。装置全体の雰囲気温度まで戻す温度サイクルを１０回行いつつ１０００時間、装置を動作させる。１０００時間の動作後、５０ｐｓｉｇまで各流体流路を加圧し、２時間保持する。圧力が一定に維持されることで、周囲に対する流路における漏れが最小であることが示されなければならない。その後、第１流体流路を大気に開放させたまま、第２流体流路を５０ｐｓｉｇまで加圧し、２時間保持する。圧力が一定に維持されることで、内部流路における漏れが最小であることが示されなければならない。最小漏れ流路は、最終漏れ試験用の流体としてヘリウムを用いる場合、ヘリウム１０−６標準立法センチメートル／秒未満の漏れ速度として定義される。
【０１０９】
本発明はまた、上述した耐圧特性を備えた装置で単位操作を実行する方法も含む。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】（Ａ）流れがシートの厚みに概ね直交する積層装置を示す。  （Ｂ）流れがシートの厚みに概ね直交する別の積層装置を示す。
【図２】流れがシートの厚みに概ね直交する別方式の積層装置を示す。
【図３】オルト方式で作製した積層装置の１種類を示す。
【図４】（Ａ）シム材を暗く、同一シムを積み重ねて管状チャンネルを形成できる開口部を明るく表したシムの上面図を示す。  （Ｂ）角柱又は半球チャンネルを形成するように積層可能な三角形又はクラムシェル形状の開口部を備えたシムを示す。  （Ｃ）不規則形状チャンネルを形成するように積層可能な不規則形状の開口部を備えたシムを示す。  （Ｄ）フィンを備えた長い管を形成するように積層可能なフィン付き長円形開口部を備えたシムを示す。  （Ｅ）図４ｄの中央に示したタイプのシムを積層して形成した立体装置を表す。  （Ｆ）楕円形状の管グループを形成するように積層可能な楕円形状の開口部グループを備えたシムを示す。  （Ｇ）準オルト概念を示す。図示した特定の設計では、反応器は、反応器の統合復熱及び生成物流動を含む。
【図５】（Ａ）円筒管グループを形成するように積層可能な円形の開口部グループを備えたシムを示す。  （Ｂ）円筒管及び長方形スロットの列を交互に形成するように積層可能な円形開口部及びスロットの列を交互に備えたシムを示す。  （Ｃ）円筒管を形状が一致した半球の通路に隣接して形成するように、形状が一致した半円で囲まれた円形開口部を備えたシムを示す。
【図６】（Ａ乃至Ｂ）同一径の湾曲チャンネル及び直線チャンネルにおける凝縮を示す。  （Ｃ）湾曲したマイクロチャンネルヘッダー又はフッターを示す。
【図７】（Ａ）シムから形成した反応器の分解組立図である。  （Ｂ乃至Ｄ）図７ａに示した反応器内のシムの上面図である。
【図８】（Ａ）異なる角度で回転したフィンで二分された円形開口部を備えた３枚のシムを示す。シムを積み重ねて静的ミキサーを形成する。  （Ｂ）静的ミキサーを形成するように、円筒形状の開口と、その円筒形状の開口内に配置可能な渦巻状の挿入体とを備えたブロックを示す。
【図９】（Ａ）縁部構成を有した開口部を備えたシムと滑らかなへりを有したシムとを交互に積層して作製した積層装置の分解組立図を示す。分解図でない上面図（チャンネルを見下ろして）７１１及び断面図７１３も示す。  （Ｂ）縁部構成を有する開口部を備えた隣接シムで作製した積層装置の分解組立図を示す。分解図でない上面図（チャンネルを見下ろして）７２１及び断面図７２３も示す。  （Ｃ）縁部構成を備えた表面の上面に形成した蒸気気泡を示す。
【図１０】（Ａ）蒸発装置を示す。  （Ｂ）蒸発器本体を形成するように繰り返して積層できるシムを示す。  （Ｃ）蒸発器本体内へ液体の水を流すヘッダーを形成するために用いるシムを示す。  （Ｄ）蒸発器本体から水蒸気を収集するフッターを形成するために用いるシムを示す。  （Ｅ乃至Ｉ）蒸発器の空気流入口及び／又は流出口に利用可能なヘッダー及び／又はフッター設計を示す。
【図１１】蒸発器性能の経時変化データ図である。
【図１２】蒸発器本体を４個形成するように切断可能な４組のシムの積層体を示す。
【図１３】異なる圧力で流体と動作する装置を製造するための１組のシムを示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ−ｆ】
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【図４ｇ】
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【図５ａ−ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ−ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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【図１０ｇ】
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【図１０ｈ】
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【図１０ｉ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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