材料が低減され且つ容積生産性が増長された構造を有するマイクロチャンネルテクノロジー
マイクロチャンネルが、装置組み立てに要する材料量を低減させるよう賦形された、マイクロチャンネル装置の新規な設計形状が提供される。当該設計形状では幾つかのマイクロチャンネルの断面形状が、高応力部分における構造材を比較的多くする一方、比較的低応力を受ける装置部分では単位操作用の広い部分を残すように賦形される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルプロセシング用のマイクロチャンネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケミカルプロセシング用のマイクロチャンネル装置は、従来のケミカルプロセシングテクノロジーに勝る重要な利益を提供し、それら利益には、熱及び物質の移送量改善が含まれる。この利益故にマイクロチャンネルプロセシング及びマイクロチャンネル装置は長年に渡り関心の高いテーマとなって来ている。問題は、マイクロチャンネル装置のコストが未だにマイクロチャンネルプロセシングの使用を阻み続けていることである。超合金等の高価な材料で装置を製造することもある高温用途ではコストは特に重要な因子である。
本発明によれば、従来の相当マイクロチャンネル装置と比較して必要材料の少ないマイクロチャンネル装置でプロセスを実行するマイクロチャンネル装置及び方法が提供される。本発明によれば、容積生産性の高い、即ち、装置容積（チャンネル容積＋装置構成材料の容積を含む）当たりの製造量の大きい装置及び方法も提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国発行特許出願第２００５００８７７６７号
【特許文献２】米国特許出願番号第１１／４００，０５６号
【特許文献３】米国発行特許出願第２００７０２５６７３６号
【特許文献４】米国発行特許出願第２００７００１７６３３号
【特許文献５】米国特許第６，２００，５３６号明細書
【特許文献６】米国特許第６，２１９，９７３号明細書
【特許文献７】米国特許出願番号第１０／６９５，４００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
隣り合うマイクロチャンネル間の圧力差の大きい用途において特に有益な、使用材料の少ない且つチャンネル容積対装置容積比の高い、より経済的なマイクロチャンネル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、チャンネルの全幅ではない幅部分における横断圧力が相違する２流体を分離する負荷壁厚を低減させ得る。負荷壁厚が有効に低減されることで、チャンネル壁表面特徴部（ｆｅａｔｕｒｅｓ／以下、単に表面特徴部とも称する）の一体化、または圧力降下を低減させるチャンネル開口面積の増大化、あるいはその他利益が得られる。チャンネル壁の表面特徴部には、１つ以上の触媒を保持するもの、非積層流パターンを付与するもの、物質移送を支援するもの、流体流れを混合させるもの、相変化を支援するもの、あるいは熱移行を支援するものが含まれ得る。これらの非平坦な表面特徴部を含む構成は、本発明の使用を通し、チャンネル反復ユニット内のチャンネル壁厚増大を避ける上で重要な利点となる。例えば、これら非平坦な表面特徴部が無いと、２流体チャンネル間の壁＋表面特徴部の合計厚さが１．２５ｍｍである場合の負荷壁厚は１ｍｍ、表面特徴部の厚さは０．２５ｍｍとなり得る。本発明では壁の表面特徴部の厚さ（０．２５ｍｍ）は、当該表面特徴部をサイドチャンネル又はサイドリブから最小９％オフセットさせることで負荷壁内に埋入される。この実施例では、２流体間の全壁厚は１ｍｍに維持される一方、チャネルには深さ０．２５ｍｍの表面特徴部による追加機能も含まれる。
【０００６】
本発明の１様相によれば、積層型マイクロチャンネル装置であって、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、を含むマイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合い、複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い、且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つは第２マイクロチャンネルの１つと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上で当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列するが、これは第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であることや、各エッジ部の精密な整列を必要付けるものではない。前記直線は高さ方向におけるものであり、かくして当該直線部分が中実の固体構造材からなる縦方向支持梁となることが好ましい。前記高さ方向は各積層物の積層方向である。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。前記幅方向とは積層物と平行な平面内におけるものである。各マイクロチャンネル対の第１及び第２の各マイクロチャンネルはマイクロチャンネル壁により分離され、該マイクロチャンネル壁は第２マイクロチャンネルと同一伸延長において画定され、かくして、各マイクロチャンネル対のマイクロチャンネル壁の幅が、第２マイクロチャンネルのそれと同一幅を有するものとして画定される（言い換えるとマイクロチャンネル壁の幅は第２マイクロチャンネル幅と同一であり、各幅部分の幅方向における開始及び終了の各位置は同じである）。マイクロチャンネル壁のセンター部の平均厚（当該センター部全体平均での）はマイクロチャンネル壁の各エッジ部の平均厚未満である。
更には、本発明の装置は以下の特徴、即ち、マイクロチャンネル壁のセンター部が２つの主表面において共に窪み付けされ、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の２０％（即ち、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の±１０％）における全ポイント位置の厚さがマイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置におけるそれ以上であり、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルを分離するマイクロチャンネル壁の、当該マイクロチャンネル壁のセンター部がマイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分では、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルが、少なくとも２ｃｍの長さに渡る一定断面部（例えば、当該部分に表面特徴部又は毛管性表面特徴部の無い）を有する前記特徴の１つ以上を有する。断面とは、動作中の装置における流れ方向であるところの長さと直交方向において測定したものである。上述した特徴の１つ以上を、第１及び第２の各マイクロチャンネルを異なる圧力で加圧する場合の、マイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力がマイクロチャンネル壁のエッジ部位置の最大曲げ応力の５０〜１００％の間である特徴と組み合わせることが好ましい。層は、代表的には（必ずしもそうでなくて良いが）、接合型装置におけるシートであり、当該装置が拡散接合型装置である場合は各シート間の境界は恐らく容易には判別できない。
【０００７】
他の様相によれば、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層及び複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層を含む積層型マイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合う。複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列するが、これは第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であること及び各エッジ部が精密に整列することを必要付けるものではない。前記直線は高さ方向におけるものであり、かくして当該直線部分が中実の固体構造材からなる縦方向支持梁となることが好ましい。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い。また、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であり、つまり前記第１導関数は少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定である。第２マイクロチャンネルは表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない。第１導関数が変化するため、各第２マイクロチャンネルの断面は円形又は半円形ではない。バリ等の表面不整部はチャンネルの形状測定上は無視される。
【０００８】
他の様相によれば、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層及び複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層を含む積層型マイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合い、複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い、且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列する。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い。また、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向では非一定であり、つまり前記第１導関数は少なくとも１回変化し、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、また、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも３つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも３つの特異高さを含む）を有する。
【０００９】
前記各様相において、“含む”とは特定の表面特徴部が”含まれ“且つ要求されることを意味するが、追加的な表面特徴部の存在を排除するものではない。例えば、本装置は特定の表面特徴部を有するマイクロチャンネル対を含むが、装置内には特定の表面特徴部を有さないその他形式のマイクロチャンネル、例えば、対ではないまたは特定の表面特徴部を持たない幾つか（全部ではない）のマイクロチャンネル対を含み得る。好ましいある実施例では、必要な表面特徴部を装置内の全マイクロチャンネル対が有する。特に断りのない限り、本明細書で説明する種々の表面特徴部は長さ方向（即ち、作動中の装置における、流れと直交する断面での）に直交する断面において測定される。ある好ましい実施例では各チャンネルの断面積は、その長さの少なくとも５０％、ある実施例ではその長さの少なくとも９０％に沿って一定であり、また当該一定の断面積はマイクロチャンネルに沿って継続されるのが好ましい。その他表面特徴部の説明の如く、触媒等の非構造材は断面測定上無視される。積層型装置は層の積層体から構成される。各層は高さ、幅及び長さを有し、各幅及び長さは各層の高さの少なくとも５倍（代表的には少なくとも１００倍）大きい。代表的には、積層型装置はシートを積み重ね且つ接着して形成する。装置の製造法が未知である場合、装置の、例えば断面を顕微鏡で観察することで当該装置の積層特性を判定できる。
【００１０】
“マイクロチャンネルエッジ部”はマイクロチャンネルの幅に関して定義され、“エッジ部”とは、マイクロチャンネルの幅方向での各端部（または、本発明がマイクロチャンネル壁厚により部分的に画定される場合は、当該マイクロチャンネル壁の幅方向での各端部）の９％の長さ部分を言うものとする。センター部は中心から±４０％（即ち、幅方向での１０〜９０％の間の部分）の部分であり、ある実施例では中心から±２５％（即ち幅方向の２５〜７５％の間の部分）として定義され得、特に指定がなければ広義の定義が適用される。マイクロチャンネルと同延のマイクロチャンネル壁は、幅方向での長さ割合に相当するエッジ部及びセンター部を有するものとして定義される。好ましいある実施例では、マイクロチャンネルエッジ部位置のマイクロチャンネルの高さがセンター部のマイクロチャンネル高さ（センター部に渡る平均での）より少なくとも２０％（エッジ部に渡る平均での）低い。好ましいある実施例では、マイクロチャンネルエッジ部位置のマイクロチャンネルの高さがセンター部のマイクロチャンネル高さ（センター部に渡る平均での）より少なくとも４０％（エッジ部に渡る平均での）低い。
【００１１】
本発明のある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部上の全ポイント位置の高さが、当該第２マイクロチャンネルのチャンネル幅の中央５０％（センター部のポイントから±２５％の幅）の位置の高さより少なくとも２０％低い。
好ましい実施例では、各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部（側部とは、水平方向における各エッジ部位値の側部のみに対して参照される）の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する。これは、第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であること及び各エッジ部が精密に整列することを必要付けるものではない。
【００１２】
ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さ相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する。ある好ましい実施例では、確率分布関数上の任意のある高さモードの寄与率は、該当チャンネル内の全高さモードの９５％を超えない。代表的実施例では、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルにおける高さ相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する。
【００１３】
ある実施例では、第２マイクロチャンネルは表面特徴部を有さず、毛管性表面特徴部も有さない。ある実施例では第２マイクロチャンネルは表面特徴部を有する。
ある好ましい実施例では第２マイクロチャンネルの高さは不連続的に変化するが、これは例えば、幅の異なる整列長穴（第２マイクロチャンネル用の）を有するプレートを積層することで達成され得る。ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルの高さは中央部（幅方向での）が、マイクロチャンネルの他の部分より高い。ある実施例では、各第２マイクロチャンネルはそのセンター部位置が各エッジ部位置より高いが、当該センター部位置（幅方向で測定しての）はマイクロチャンネル（例えば、Ｗ字型のチャンネル）のその他ポイント位置より低い。好ましいＷ字型チャンネルは、センター部位置の方がチャンネルエッジ部位置より少なくとも５％以上（ある実施例では少なくとも１０％以上）高く、センター部の各側位置の方がチャンネルのセンター部位置より少なくとも１０％以上（好ましくは少なくとも２５％以上）高い。ある実施例では第１及び第２の各マイクロチャンネル内には触媒又は吸着剤が存在する。ある実施例ではマイクロチャンネルの幅はその高さの少なくとも３倍であり、ある実施例ではマイクロチャンネルの長さは少なくとも５ｃｍである。
【００１４】
ある実施例では交互する少なくとも１０対が高さ方向に積層され、整列するマイクロチャンネルの各対間の構造材が、各マイクロチャンネルの全高を超えて直線的に伸延する支持梁を構成する。
ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルの断面は少なくとも４つの直角部を含み、ある実施例では各コーナー部に少なくとも６〜１つの、また金属厚の薄い部分に２つの各直角部を含む。本発明の他の様相における如く、直角の判定に際しては製造上の欠陥は無視され、かくして若干の偏差は無視される。
【００１５】
本発明の他の様相によれば、ここに説明する装置を含むシステムであって、第１流体が第１圧力下に第１マイクロチャンネル内に存在し、第２流体が第２圧力下に第２マイクロチャンネル内に存在し、前記第１及び第２の圧力は相違するシステムが提供される。ある好ましい実施例では前記圧力差は少なくとも０．０１ＭＰａ、ある実施例では少なくとも１，０００，０００Ｐａ、ある実施例では０．０１ＭＰａ〜２０ＭＰａであり、またある実施例では装置は前記圧力差が一定、即ち２，５００，０００Ｐａである特徴を有し得る。ある実施例では第１及び第２の各流体は何れもガスである。
【００１６】
本発明の更に他の様相によれば、マイクロチャンネル装置における差圧プロセスの操作方法であって、第１マイクロチャンネル内に第１流体を第１圧力下に流動させ、第２マイクロチャンネル内に第２流体を第２圧力下に流動させることを含み、前記第１及び第２の各圧力が相違する方法が提供される。マイクロチャンネル装置はここに説明する任意の装置であり得る。第１または第２のマイクロチャンネルを通過する際に何れかの流体について単位操作が実施され得る。
【００１７】
本発明によれば、シートを積層することにより、ここに説明する任意の装置を形成する段階を含む装置製造法も提供される。本発明には更に、前接着構造（即ち、各シートを、相互に接合するに先立ち接着して積層型装置を形成する）が含まれる。ある好ましい実施例では各マイクロチャンネルは、装置構成上の利益が提供され得ることから、シートを（シートを部分食刻するのではなくむしろ）切断した各セクションから形成する。
本発明には、隣り合う各チャンネル内に差圧を有する装置における単位操作の実施方法が含まれる。これら各方法ではここで説明する任意の装置を用い得る。本発明には、ここで説明する任意の装置に加え、マイクロチャンネル内の１つ以上の流体を含むシステムも含まれる。
本発明の利益には、マイクロチャンネル装置に関する必要材料の減少、装置容積当たりの容積増大、装置容積当たりの熱及びまたは物質移送量の増大、そして容積生産性の向上、が含まれる。
【００１８】
用語解説
マニホルディングに関する構造における表面特徴部は２００３年１０月２７日付提出の米国発行特許出願第２００５００８７７６７号及び２００６年４月１１日付提出の米国特許出願番号第１１／４００，０５６号に定義される如くである。表面特徴部、構造壁、一般的な装置構成は米国発行特許出願第２００７０２５６７３６号及び２００７００１７６３３号に記載され得る。これら構造の詳細については前記各公報を参照されたい。本明細書で述べる各定義が上記参照公報のそれと矛盾する場合は本明細書の定義が適用される。
“含む”とは、“含まれ”ることを意味し、また何れの用語も、追加のまたは複数のコンポーネントの存在を除外するものではない。例えば、装置が積層体、シート等を含むとは、本発明の装置が多数の積層体、シート等を含むものと理解すべきである。他の実施例では“含む”は“から成る”または“から構成される”と言い換え得る。
【００１９】
“隣り合う”とは、各マイクロチャンネルがマイクロチャンネル壁で分離され、第１及び第２の各マイクロチャンネルが負荷支持壁により分離されること、を意味する。マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、両側部の整列する同一幅を有し得、あるいは一方の側部のみが整列する異なる幅を有し得、あるいは第１及び第２の各マイクロチャンネルを共に高さ方向に超えて伸延する垂直方向（即ち高さ方向）の支持梁材が設けられる条件下において何れの側部も整列しない同一または異なる幅を有し得る。
材料の曲げ応力Ｓbは、当業者に既知の式から算出し得る。図１に示す矩形形状では曲げ応力は、「例」の記載セクションで説明及び例証される以下の式、即ち、
Ｓb＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（６／ｔ2）＝Ｗ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
により算出し得る。複雑な幾何形状の場合は有限要素解析を含むその他計算法が適用され得る。本発明では曲げ応力をマイクロチャンネル壁に沿った各ポイント位置に関して算出する。
【００２０】
“毛管性表面特徴部”は、液状物質保持用のマイクロチャンネルに関する表面特徴部である。毛管性表面特徴部はマイクロチャンネル壁内に後退され、またはマイクロチャンネル壁から当該マイクロチャンネル壁に隣り合う流路内に突出する。各毛管性表面特徴部は２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍあるいはそれ未満、尚好ましくは５００μｍあるいはそれ未満の間隙部を創出する。各毛管性表面特徴部は、当該表面特徴部を配置したマイクロチャンネルの任意のディメンションより小さい、少なくとも１つのディメンションを有する。各毛管性表面特徴部は、長孔タイプまたは孔列あるいは、毛管力で液体を保持するために使用するその他の後退あるいは突出構造に対し任意の角度を有し得る。
【００２１】
“連結チャンネル”とは、マニホルドに連結した各チャンネルを言う。代表的には単位操作は連結チャンネル内で実施される。連結チャンネルは入り口断面平面と、出口断面平面とを有する。ある単位操作または単位操作部分はマニホルド内で実施され得るが、好ましい実施例では単位操作の７０％（ある実施例では少なくとも９５％）が連結チャンネル内で実施される。“連結チャンネルマトリクス”とは、隣り合う、実質的に平行な連結チャンネル群を言う。好ましい実施例では連結チャンネル壁は直線的である。ある好ましい実施例では、各連結チャンネルは長さ方向または幅方向における偏差が実質的に無い状態下に直線的である。多連結チャンネル型システムに関する連結チャンネル圧力降下は、各連結チャンネル圧力降下の算術平均、つまり、各連結チャンネルの圧力降下合計値を連結チャンネル数で除した値である。“連結マイクロチャンネル”は、２ｍｍあるいはそれ未満、より好ましくは０．５〜１．５ｍｍ、尚好ましくは０．７〜１．２ｍｍの最小ディメンションと、少なくとも１ｃｍの長さとを有する。
【００２２】
各マイクロチャンネルは連続または間隙部を含み得るマイクロチャンネル壁により画定される。フォームまたはフェルトを貫く相互連結通路は連結チャンネルでもマイクロチャンネルでもない（チャンネル内にフォーム等を配置し得るが）。
“ヘッダ”とは、流体を連結チャンネルに送達させるよう配置したマニホルドである。
“高さ”とは、長さ及び幅に直交する方向を言う。積層型装置では高さは積層方向である。長さ及び幅は各層の平面におけるものである。本発明の目的上、マイクロチャンネル高さは構造材が占有しない部分での高さ方向距離を言う。
“積層型装置”とは、装置内を通過して流動するプロセス流れに関する少なくとも１つの単位操作を実施し得る複数の積層体から作製したものを言う。
“長さ”とは、流れ方向でのチャンネルの（またはマニホルドの）軸方向距離を言う。
【００２３】
“マニホルド”とは、流れを２つ以上の連結チャンネルに分与する容積部を言う。ヘッダマニホルドの入り口表面またはインレット表面は、ヘッダマニホルドジオメトリが上流側チャンネルジオメトリと著しく相違する表面として定義される。フッタマニホルドの出口表面またはアウトレット表面は、フッタマニホルドチャンネルが下流側チャンネルジオメトリと著しく相違する表面として定義される。矩形チャンネル及び大抵のその他形式のマニホルド幾何形状に対してはこれら表面は平面であるが、マニホルド及び連結チャンネル間の界面位置の半円形状等のある特定ケースでは湾曲面となる。
【００２４】
“マイクロチャンネル”とは、１０ｍｍあるいはそれ未満（好ましくは２．０ｍｍあるいはそれ未満）で且つ１μｍ以上（好ましくは１０μｍ以上）、ある実施例では５０〜５００μｍである少なくとも１つの内側ディメンション（触媒を除外した壁間の）を有し、少なくとも１ｃｍ、好ましくは少なくとも２０ｃｍの長さに渡り当該ディメンション以内に維持されるチャンネルを言う。マイクロチャンネルは、少なくとも１つの出口とは別の少なくとも１つの入り口を有することによっても定義される。マイクロチャンネルはゼオライトまたはメソ多孔質材を貫く単なるチャンネルではない。マイクロチャンネルの長さは当該マイクロチャンネル内における流体流れ方向に一致する。マイクロチャンネルの高さ及び幅は当該マイクロチャンネルの通過流れ方向に実質的に直交する。
【００２５】
レイノズルズ数値は流れの流動様式を表わす。レイノルズ数に基づく流動様式は流体速度、流体特性、チャンネル断面形状及びディメンションに依存するが、各マイクロチャンネルに対し代表的には以下の範囲を用いる。
層流：Ｒｅ＜２０００〜２２００
遷移流：２０００〜２２００＜Ｒｅ＜４０００〜５０００
乱流：Ｒｅ＞４０００〜５０００
【００２６】
“バルク流路”とは、マイクロチャンネル装置内の開放チャンネルであって、圧力を大きく降下させることなく反応チャンバ内の急速なガス流れを許容するものを言う。バルク流路は断面積が好ましくは５・１０-8〜１・１０-2ｍ2、より好ましくは５・１０-7〜１・１０-4ｍ2である。
“構造壁”とは、複数層からなり、各層がオーバーラップ孔を有する壁に対して参照される。各層のオーバーラップ孔は少なくとも０．０１μｍ2、好ましくは０．０１〜１００，０００μｍ2、より好ましくは５〜１０，０００μｍ2の開放面積を含み、構造壁については各層は、少なくとも１０、より好ましくは少なくとも１０００ののそれら孔を有すべきであるが、それら各層間に１０未満の非常に大きい孔を有する中介層を含み得る。各孔は、滞留時間を大きく分散させること無く混合を支援すべきである。構造壁はバルク流路の側部側に位置付けられる。構造壁の例はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／０２５６７３６号及び２００６０１２０２１３号に例示される。
【００２７】
“構造材”は、装置構造を支持する材料である。“構造材”はその定義上、表面特徴部（または毛管性表面特徴部）の構成材料を含まず、かくして、表面からの突出部は“構造材”には含めず且つ測定高さにも含めない。１例として、マイクロチャンネルのある断面の開放チャンネル高さ（バルク流路の高さ）が０．５ｍｍ、表面特徴部の高さが０．４ｍｍであれば、マイクロチャンネル高さが０．９ｍｍとなる。同様に、本発明の定義目的上、バリその他の表面小不整部（代表的にはマイクロチャンネル高さの２％あるいはそれ未満）は無視される。
【００２８】
“表面特徴部”とは、マイクロチャンネル壁から突出または後退してマイクロチャンネル内の流れを改変するものを言う。各表面特徴部は表面積を増大させると共に、分散ではなくむしろ対流を介してマイクロチャンネル壁に向かう対流性流れを創出する。本発明の表面特徴部または毛管性表面特徴部では、後退または突出間の間隙は０．０５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲のものである。表面特徴部及び毛管性表面特徴部はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／００１７６３３Ａ１に詳細が記載される。代表的には表面特徴部は混合を支援し、マイクロチャンネル壁に向かう流体を増大させる。本発明では表面特徴部または毛管性表面特徴部は、負荷坦持用のマイクロチャンネル壁の厚さ決定上には含めず、従って、後退のケースでは厚さは後退部の底部から測定する。
“単位操作”とは、科学反応、気化、圧縮、化学分離、蒸溜、凝縮、混合、加熱、冷却、を意味する。“単位操作”は、当該単位操作と共にしばしば生じる単なる流体移送を意味しない。ある好ましい実施例では単位操作は単なる混合ではない。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、使用材料が少なく且つチャンネル容積対装置容積比の高い、より経済的な装置が提供される。本発明は、隣り合うマイクロチャンネル間の圧力差が大きい用途において特に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、壁で分離した隣り合うチャンネル間の差圧を伴い動作するマイクロチャンネル装置における応力を示す略図である。
【図２】図２は、チャンネル幅に沿った絶対曲げモーメントの変動図である。
【図３−１】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−２】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−３】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−４】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−５】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−６】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図４】図４は、強度を維持しつつ材料を低減する設計のマイクロチャンネルの断面図の例示図である。
【図５】図５は、垂直及び水平の各支持梁の例示図である。
【図６】図６は、レイノルズ数の関数として示す、表面特徴部パターンに対する熱移行及び圧力降下の増大を示す図である。
【図７】図７は、チャンネルの円滑壁及び表面特徴部付き壁（新規の負荷支持壁設計形状を含む及び含まない）についての、反復単位断面比較図である。
【図８】図８は、金属量低減化概念を伴わない及び伴う、一体型蒸気メタン改質リアクター断面の各略図である。
【図９】図９は、金属量低減化壁に対する影響評価上、“燃焼”チャンネルを模すべく一体型蒸気メタン改質リアクターにインポーズした温度プロファイル図である。
【図１０】図１０は、曲げ応力計算のために使用した設計形状の例示図である。
【図１１−１】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【図１１−２】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【図１１−３】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
マイクロチャンネルテクノロジーに関わる熱及び物質の移動係数は、チャンネルディメンションが減少すると増大する。小ディメンションのマイクロチャンネル内の流れは代表的には、乱流様式のヌセルト数と比較して小さいヌセルト数に関わるところの、層流様式（Ｒｅ＜２０００）のものとなる。本発明の装置内の流れは代表的には層流であるが、ある実施例のそれは遷移または乱流様式内のものである。他の実施例ではある数の複合流れ様式が、単一の流体チャンネル内の異なる場所であるいは共通装置内の異なる流体内で生じ得る。一般に、マイクロチャンネル内の熱及び物質の移行量は、表面特徴部を用いて層流境界層を受動的に妨害することで増長される。
【００３２】
流体処理用装置内で複合型の平行マイクロチャンネルを使用し、これら装置の平行マイクロチャンネルを設計上増大させることで一定率で高容量化させ得る。各平行マイクロチャンネルは多数の平行マイクロチャンネル列を成す状態で配列され得る。マイクロチャンネル装置は多数の流れを処理し得、各処理流れは別個に集配され、前記多数の平行マイクロチャンネル列に分配される。第１流体流れを処理するマイクロチャンネルは第２流体流れを処理する第２マイクロチャンネルセットにインターリーブされ得る。マイクロチャンネル装置（等）当たりの平行マイクロチャンネル列は２列以上であり得る。
【００３３】
マイクロチャンネル装置では、別個の流体流れは相違温度及び圧力下に動作し、壁等を横断する差圧を発生し得る。２つ以上のマイクロチャンネルを有する大抵のマイクロチャンネル装置では流体流れは、各流れ間の作動温度及び差圧によりその厚さが定義されるところの負荷支持壁により分離される。図１には代表的なマイクロチャンネル装置が略示される。負荷支持壁上の低応力部分を利用して当該領域に表面特徴部を配置することで、マイクロチャンネル装置の全容積を著しく低減させ得ることが分かった。マイクロチャンネル型熱交換器の設計研究において、本発明を使用すると生産性を変化させることなく熱交換器の全容積が２５％減少することが分かった。
【００３４】
屈曲は負荷行使方向に直交する応力を生じさせる。固定支持体では引長応力は、負荷を行使したと同一側の被支持エッジ部位置において最大となり、圧縮応力は、負荷を行使したとは反対側の被支持エッジ部位置において最大となる。
チャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く算出する。
Ｍ＝Ｗ/１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）
ここで、Ｍは曲げモーメント（Ｎ−ｍ）、Ｗは単位長さ当たりの力（Ｎ／ｍ）、Ｌはチャンネルの全幅（ｍ）、ｘは被支持エッジ部からの距離（ｍ）である。
【００３５】
図２に示す如く、一様の圧力負荷に対する負荷支持壁の幅横断方向の応力は一様ではないため、チャンネル幅横断方向に異なるチャンネル高さを使用できる可能性がある。表面特徴部を用いる場合はチャンネルの幅横断方向でのその深さを変更させ得る。表面特徴部の深さを利用してチャンネルを通しての混合及び圧力降下をコントロールできる。
図２に示す如く、矩形断面を有するチャンネル床に行使される負荷に対する曲げモーメントは負荷支持壁の被支持エッジ部位置で最大となり、当該エッジ部から内方にかけてゼロへと減少し、センター部位置では５０％である。チャンネル幅横断方向での当該曲げ応力変化によれば、マイクロチャンネル壁の支持材をマイクロチャンネルのエッジ部位置で最大化させ、センター部では合致する負荷条件に従い低下させ得ることが示唆される。エッジ部から全幅方向距離の約１０％離れた位置の必要厚はエッジ部位置のそれと比較して僅か５０％である。チャンネル幅の１０〜９０％の間のスパン長におけるチャンネル高さはチャンネルエッジ部位置のそれより高くされ得る。これにより追加されるチャンネルのセンター部の容積を、化学プロセス実施のために入手可能な反応容積を増大させるべく使用し得、更には、表面特徴部（有益にはその深さがエッジ部位値の壁厚の５０％あるいはそれ未満である）を配置して熱及び物質遷移を増長させるためにも使用し得る。チャンネルの、エッジ部分ではなくセンター部（一方のチャンネルエッジ部の幅横断方向の９％及び他方のエッジ部の幅横断方向の９％）の操作容積を選択的に増大させることで、装置の全金属体容積比が、熱及び物質遷移を向上させつつ、一定厚の負荷支持壁（エッジ部位値の必要厚が同じ厚さの）を用いる設計のものと比較して著しく低減される。
【００３６】
従来より、プロセス／熱交換用チャンネルは単純なリアクター断面を使用して構成されて来ている。これらチャンネル間の厚さは、材料の応力、サイクル寿命考慮事項等の各許容度に基づいて決定する。この新規な金属低減概念を導入することで、各チャンネル間の壁厚が非一様で、流れチャンネルを大型化させるのみならず装置のチャンネル当たりの全金属使用量を低減させ得るマイクロチャンネル装置を設計可能である。
【００３７】
金属使用量の少ない断面は数学的には、先ず、マイクロチャンネル高さをチャンネル幅の関数として特徴付けし、次に、所定断面（チャンネル高さが高くなる順に並べた）の種々の高さの確率（発生の）分布関数を分析することで説明され得る。金属減少概念を適用することで、マイクロチャンネル幅に関する高さの第１導関数（傾斜）が一定ではなく、また前記マイクロチャンネル幅に関するマイクロチャンネル高さの第２導関数（曲率）も一定ではない新規のチャンネル断面を創出可能となる。また、金属減少概念の実施により、チャンネル高さ分布の確率分布関数もまた多モード化及び非単調化され得る。確率分布関数の各モードは、断面の所定チャンネル高さの発生確率を表す曲線上の明確な最大値に相当する。多モード関数とは２つ以上の“モード”を意味する。単調関数とは、値が連続的に増大、減少、あるいは一定である関数を意味する。従って、所定断面のチャンネル高さの確率分布関数が非単調的であれば、高くなる順に並べたチャンネル高さの発生確率は連続的には増大、減少しない、あるいは一定ではないはずである。
【００３８】
金属減少概念により選択可能となった新規のマイクロチャンネル断面と、代表的なチャンネル断面（金属減少概念を適用しない及び適用した）に対する“金属減少適用”の判定基準とを図３の表１に示す。
本発明はマイクロチャンネル装置における表面特徴部の設計最適化のために使用し得る。“表面特徴部”は、マイクロチャンネル内の流れを改変させるところの、マイクロチャンネル壁の凹凸の各部分である。表面特徴部は深さ、幅と、非円形の表面特徴部の長さとを有する。何れにせよ、表面特徴部はマイクロチャンネル高さの決定上は無視されるが、これは各表面特徴部が壁強度に寄与しないと考えられるためである。かくして、チャンネル高さの測定目的上は表面特徴部は表面上の突出部と見なし得、チャンネル高さ又は壁厚には含めない。表面特徴部は（斜め上方から見て）、円、長円、四角、矩形（代表的には流れに直角を成す）、格子、山形、ジグザグ状その他の、バルク流れチャンネルに突出する各形状を含み得る。各表面特徴部は表面積を増大させると共に、分散ではなくむしろ対流を介してマイクロチャンネル壁に向かう対流性流れを創出する。流れパターンは渦流、回転流、乱流及びその他の規則的、不規則的なあるいはカオス的パターンを有し得るが、流れパターンがカオス的パターンである必要はなく、あるケースでは極めて規則的に見える場合がある。流れパターンの時間変化は安定であるが、二次的な過渡的回転を受ける場合もあり得る。表面特徴部は、表面を通過する正味流れ方向に非平行及び非直交の鈍角を成すことが好ましい。表面特徴部は、流れ方向に直交、即ち９０°の角度を成し得るが、ある角度を成すことが好ましい。有効な表面特徴部は、少なくとも１つの軸方向位置のマイクロチャンネルの幅に沿った１つ以上の角度により画定されることが更に好ましい。表面特徴部の２つ以上の側部は物理的に連結又は断続され得る。マイクロチャンネルの幅方向に沿った１つ以上の角度付け部分が、直線的な層流ライン外に流体を優先的に押し出し及び引き込ませる。表面特徴部の好ましい深さは２ｍｍ未満であり、より好ましくは１ｍｍ未満であり、ある実施例では０．０１〜０．５ｍｍである。表面特徴部の好ましい横幅範囲は、マイクロチャンネル幅（ヘリンボン設計に於いて示す如き）をほぼ差し渡すに十分なものであるが、ある実施例（充填型表面特徴部の如く）では６０％あるいはそれ未満、ある実施例では４０％あるいはそれ未満、ある実施例ではマイクロチャンネル幅の約１０％〜約５０％である。好ましい実施例では、表面特徴部の少なくとも１つの角度が、マイクロチャンネル幅に関して１０°、好ましくは３０°あるいはそれ以上の角度を成すよう配向される（９０°は長さ方向と平行であり、０°は幅方向に平行である）。横方向幅はマイクロチャンネル幅と同一方向で測定する。表面特徴部の横方向幅は好ましくは０．０５ｍｍ〜１００ｃｍ、ある実施例では０．５ｍｍ〜５ｃｍ、ある実施例では１〜２ｃｍである。ある好ましい実施例では表面特徴部は直列する少なくとも３つの同一の表面特徴部を含む。表面特徴部の幾つかの例はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／００１７６３３に詳しく記載される。
【００３９】
表面特徴部の深さを使用してチャンネルを通しての混合及び圧力降下をコントロールできる。高流速流れ混合用にはより深い表面特徴部が必要となる。また、新規の負荷支持壁設計により、単一マイクロチャンネルで多数の表面特徴部を使用可能である。
負荷支持壁に埋設した表面特徴部の深さ範囲は、浅い（５〜５０ミクロン）、中間（５０〜２５０ミクロン）、あるいは深い（２５０ミクロン以上）のものであり得る。表面特徴部は単一深さを有し得、あるいはマイクロチャンネルの幅及びまたは長さ方向に沿って可変深さ（多数の明瞭な深さ又は徐々に変化する深さ）を有し得る。表面特徴部は、チャンネルコーナー部からオフセットさせる場合は、機械的強度又は一体性を損なうことなく負荷支持壁内に創出させ得る。５０ミクロンまでの浅い表面特徴部の場合、チャンネル幅部分の側部から３％あるいはそれ以上オフセットさせると、壁厚０．５ｍｍあるいはそれ以上の部分に任意の浅い表面特徴部を含ませ得る。同じ浅型の表面特徴部において、１０％オフセットさせると０．２５ｍｍあるいはそれ以上の壁厚部分に任意の浅型の表面特徴部を含ませ得る。中間範囲の表面特徴部（平均深さが２５０ミクロンまでの）は、シムのセンター部内に、あるいは各コーナー部から凡そ１０％オフセットさせた場合は最小厚０．５ｍｍの壁内に収受され得る。
【００４０】
ある実施例では表面特徴部の深さがチャンネルの幅方向に沿って変化し、シムのコーナー部からの全オフセット量が減少され得る。前記深さの減少変化は図２に示す如き最大厚の絶対％値に関して常にそれ未満又は等値とすべきである。例えば、コーナー部位置で最大厚の５０％の金属厚が必要なのは、チャンネルのエッジ部から凡そ９％離れるスパン長部分または幅部分である。
流れは各表面特徴部の内外を移動し、あるいは単に通過し、かくして分子が表面特徴部の窪みの内部あるいはその周囲に実質的に拡散される。流れは主チャンネル内で表面特徴部をその長手方向に貫いて、しかし平均流量に関して減少された流量下に移動し得る。表面特徴部は、触媒維持、マイクロチャンネル内における妨害流れの誘発、流れパターンの、層流から、レイノルズ数が従来からの２２００未満（ある実施例では２０００あるいはそれ未満）の遷移流への変更、吸収剤、蒸留構造、吸収構造、または相リジェクションまたは相コレクション構造、相変化構造、又はそれらの組み合わせ等の物質遷移剤の創出、のために用い得る。表面特徴部は、沸騰又は燃焼の開始又は安定化の支援に使用し得る。表面特徴部は、固体粒子又は生物学的薬剤の収集に使用し得る。
【００４１】
図４には相違するチャンネル内圧力下に、強度低下を招くことなく追加的なマイクロチャンネル容積を提供する設計の、３例のマイクロチャンネルの平行セットが示される。斜線部４２は構造材料を示す。エッジ部４４、４６は両マイクロチャンネル５０、５２の高さを横断する支持梁４８が存在するように整列される。各マイクロチャンネルはその幅の端部１０％の位置にエッジ部５４、５６を有する。マイクロチャンネルの幅部分５８、６０の中央の８０％部分は“中央”セクションあるいはマイクロチャンネルの中間部と称する。“センター部”とはマイクロチャンネルの幾何学的中心軸６２、６４を指すものとする。マイクロチャンネルの高さ６６、６８も示される。エッジ部セクションの高さは、マイクロチャンネルの中間部の少なくとも１つのポイント位置の高さ６８の少なくとも２０％（好ましくは少なくとも３０％）未満である。好ましい実施例ではマイクロチャンネルのセンター部６２の高さは、マイクロチャンネルの中間部の少なくとも１つのポイント位置の高さ６８の少なくとも５％（好ましくは少なくとも１０％）未満である。
【００４２】
好ましい実施例ではマイクロチャンネル内に表面特徴部７０が設けられる。１つ以上の表面特徴部７０、７２が存在し得る。各表面特徴部さはエッジ部位置のマイクロチャンネル中間部位置の高さの方が高いことが好ましい。ある好ましい実施例の表面特徴部は、マイクロチャンネル中間部位置の高さの方がセンター部位置のそれより高い。図にはＷ字型のマイクロチャンネル７４も例示される。
図５にはマイクロチャンネル装置の一部の断面が例示され、本発明のマイクロチャンネル８２、８４（チャンネルＡ）、８６（チャンネルＢ）が図の左側に示されている。マイクロチャンネル対はマイクロチャンネル８２及び８４または８４及び８６の何れかの対で例示され得る。当該設計では垂直の支持梁（垂直線８３で示す）と、水平な支持梁（水平線８５で示す）とが含まれる。ある好ましい実施例では垂直及びまたは水平の各支持梁は装置全体を横断する。
【００４３】
マイクロチャンネル装置・・・・一般的考慮事項：
本発明の装置は以下に説明する任意の表面特徴部を有し得る。マイクロチャンネルリアクターは、１ｃｍあるいはそれ未満、好ましくは２ｍｍあるいはそれ未満（ある実施例では約１．０ｍｍあるいはそれ未満）であり且つ１μｍ以上、及びある実施例では５０〜５００μｍであるところの少なくとも１つのディメンション（壁から壁までの、触媒を含めない）を有する少なくとも１つの反応チャンネルを有することで特徴付けられる。触媒反応チャンネルは、異種または同種であり得る触媒を含有するチャンネルを言う。同種触媒は反応物質と並流し得る。マイクロチャンネル装置は、触媒を保持する反応チャンネルが不要である点を除き、同様に特徴付けられる。マイクロチャンネルの間隙（または高さ）は約２ｍｍあるいはそれ未満であることが好ましく、１ｍｍあるいはそれ未満であることがより好ましい。反応チャンネルの長さは代表的にはもっと長く、好ましくは１ｃｍ以上、ある実施例では５０ｃｍ以上、好ましい実施例では２０ｃｍ以上、ある実施例では１〜１００ｃｍの範囲内のものである。マイクロチャンネルの各側部は反応チャンネル壁により画定される。各反応チャンネル壁はセラミック、鉄ベースの合金、例えばスチール、あるいはニッケル、炭素または鉄ベースの、モネル等のスーパアロイ等の硬質材料製であることが好ましい。反応チャンネル壁はプラスチック、ガラスあるいはその他の、銅、アルミニュームその他等の金属製としても良い。反応チャンネル壁は２つ以上の材料を熱接触させた複合材料製ともし得る。反応チャンネル壁用の材料は、リアクターの意図する反応に依存して選択され得る。ある実施例では反応チャンネル壁は、丈夫でしかも熱伝達性に優れるステンレススチールまたはインコネル（商標名）を含む。合金材は低硫黄性であり得、ある実施例では、当該合金材上にアルミニドコーティング等でコーティングを形成するに先立ち、脱硫処理を受ける。反応チャンネル壁は代表的には、マイクロチャンネル装置に対する一次構造支持を提供する材料から形成される。マイクロチャンネル装置は既知の方法により作製し得、ある実施例では、積層状にインターリーブしたプレート（“シム”としても知られる）により作製され、反応チャンネル用に設計したシムを熱交換用に設計したシムとインターリーブさせることが好ましい。あるマイクロチャンネル装置では、その内部に少なくとも１０層が積層され、各層は少なくとも１０のチャンネルを含み、あるマイクロチャンネル装置はチャンネル数がもっと少ないその他の層を含み得る。
【００４４】
マイクロチャンネル装置（マイクロチャンネルリアクター等の）はマイクロチャンネル（複数のマイクロチャンネル反応チャンネル等の）と、隣り合う複数の熱交換マイクロチャンネルとを含むことが好ましい。複数のマイクロチャンネルは、例えば、２、１０、１００、１０００あるいはそれ以上の、並列作動可能なチャンネルを含み得る。好ましい実施例において、各マイクロチャンネルは、例えば少なくとも３列の平坦なマイクロチャンネル列として構成される。ある好ましい実施例では多数のマイクロチャンネルの各入り口が共通ヘッダに連結され及びまたは多数のマイクロチャンネルの各出口が共通フッタに連結される。作動中、熱交換マイクロチャンネル（もしあれば）は流動する加熱及びまたは冷却用流体を収納する。本発明で使用し得る、当該形式の非限定例の既知のリアクターには、米国特許第６，２００，５３６及び６，２１９，９７３の各号に例示されるマイクロコンポーネントシートアーキテクチャ用例（例えば、マイクロチャンネルを含む積層体）がある。本発明の目的上、当該形式のリアクターアーキテクチャ使用による性能上の利益には、熱及び物質の移行量が比較的高いこと及び、爆発限界が実質的に無いことが含まれる。圧力降下量が小さくなるためスループットが高くなる。異種触媒をチャンネル内に固定可能なため分離の必要性が排除される。触媒は粒状固体、壁コーティング、エンジニアードストラクチャ、及びそれら構造の組み合わせ構成を有し得る。ある実施例では反応マイクロチャンネル（または複数のマイクロチャンネル）はバルク流路を格納する。“バルク流路”とは、反応チャンバ内の開放通路（連続バルク流れ領域）を意味するものとする。連続バルク流れ領域により、流体は圧力を大きく降下させること無く反応チャンバ内を急速に流動し得る。各反応チャンネル内のバルク流れ領域面積は５×１０-8〜１×１０-2ｍ2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。バルク流れ領域は、１）マイクロチャンネルの内容積の、または２）マイクロチャンネルの断面の、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも５０％、またある実施例では３０〜９９％である。
【００４５】
多くの好ましい実施例において、マイクロチャンネル装置は多数のマイクロチャンネル、好ましくは少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０の、装置に一体化した共通マニホルド（後付け管ではない）に連結した平行チャンネル群を収納し、前記共通マニホルドが、当該マニホルドに連結した各チャンネル通過流れをイコライズする傾向を有する単数あるいは複数の表面特徴部を含む。当該マニホルドの例は、２００３年１０月２７日付で提出された米国特許出願番号第１０／６９５，４００号に記載される。ここで、“平行”とは直線的であることを必ずしも意味せず、むしろ各チャンネルが相互に一致することを意味するものとする。ある好ましい実施例では、マイクロチャンネル装置は少なくとも３つの平行なマイクロチャンネル群を含み、各群におけるマイクロチャンネルは共通マニホルドに連結され（例えば、マイクロチャンネルの４つの群が４つのマニホルドに）、好ましくは各共通マニホルドが、マニホルドに連結した各マイクロチャンネルの通過流れをイコライズする傾向を有する単数あるいは複数の表面特徴部を含む。
熱交換流体が、プロセスチャンネル（反応マイクロチャンネル等の）に隣り合う熱移行マイクロチャンネルを通して流動し得、前記熱交換流体はガスまたは液体であり得、また蒸気、オイル、あるいは任意の既知の熱交換流体を含み得、本システムは熱交換機内に相変化を有するよう最適化され得る。ある好ましい実施例では多数の熱交換層が多数の反応マイクロチャンネルにインターリーブされ、少なくとも１０の反応マイクロチャンネルとインターリーブされ、また好ましくは、１０層の熱交換マイクロチャンネル列が少なくとも１０層の反応マイクロチャンネルにインターリーブされる。他の好ましい実施例では、反応マイクロチャンネルまたはその層に対する熱交換マイクロチャンネルまたはその層の比は、範囲０．１〜１において、また１〜１０の範囲において変動し得る。各層は単純直線的なマイクロチャンネルを収納し得、あるいは１つの層内の各マイクロチャンネルがより複雑なジオメトリを有し得る。好ましい実施例では単数あるいは複数の熱交換マイクロチャンネルの１つ以上の内壁が表面特徴部を有する。
【００４６】
マイクロチャンネル装置を商業スケールで製造する一般的方法論は、エッチング、スタンピング等の異なる方法でシムにマイクロチャンネルを形成するというものである。それら技術は視界に既知のものである。例えば、シムは相互に積層され、化学的接着、溶接等の異なる方法で連結され得る。連結後、装置は加工を要するまたは要しない。装置の表面特徴部は単数または複数のシートを貫いてスタンピングまたはカッティングすることで作製し得、あるいは別様にはまたは追加的には、シートを部分エッチングあるいは材料除去してこれら装置の表面特徴部を作製し得、カッティング及びエッチングを組み合わせて使用しても良い。部分エッチング適用例では、各流れチャンネル間に介在する壁と、温度差による差圧から各壁を支持し且つ高アスペクト比のマイクロチャンネル（幅対間隙比＞２）を好ましく創出するリブとを残して、チャンネルの深さ部分をシートから除去する。
【００４７】
ある実施例では本発明の装置（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し得る。ある好ましい実施例では触媒の表面が、流体流れがそこを貫くところのバルク流路の少なくとも１つの壁を画定する。異種触媒プロセスの間、反応物質成分がマイクロチャンネルを通して流れ、触媒と接触し得る。
ある実施例では各連結マイクロチャンネルの幅はその長さ方向に沿って実質的に一定であり、連結マイクロチャンネルセットの各マイクロチャンネルが実質的に一定幅を有し、ここで”実質的に一定”とは、流れが幅部分の変化によっては本来影響されないことを意味するものとする。これらの例ではマイクロチャンネルの幅は実質的に一定に維持される。“一定”とは、各製造ステップの許容差範囲内のものとして定義される。
【００４８】
マイクロチャンネル（表面特徴部付きのまたは無しの）は触媒または溶剤等のその他材料でコーティングし得る。触媒は、ゾルあるいはコロイド懸濁液からのウォッシュコーティング等の、視界に既知の技法を用いてマイクロチャンネルの内側に被着され得る。ＣＶＤまたは無電解メッキ等の技法を使用しても良い。ある実施例では水性塩注入法が好ましい。当該注入後、視界に既知の如く熱処理及び活性化ステップを実施する。その他コーティングには、触媒プレカーサ及びまたは触媒サポートを含むゾルまたはスラリベースの溶液も含まれる。コーティングには、無電解メッキあるいはその他の表面流体反応等の、壁への反応性被着法も含まれ得る。
【００４９】
本発明には、ここで説明する装置における化学反応及びその他の単位操作の実施方法が含まれる。本発明には、記載した構造を有するあらかじめ接合した及びまたはここで説明する方法により形成したアセンブリ及び積層した装置も含まれる。積層型装置は光学的及び電子顕微鏡的あるいはその他既知の技法により非積層的デバイスとは区別され得る。本発明には、ここで説明する装置内の化学処理（化学反応等の）の実施方法も含まれる。ある実施例では当該方法には、マニホルドを通して流体を流動させ、連結マイクロチャンネル内で単位操作を実施する各ステップが含まれる（仮にマニホルドがヘッダであれば流体は連結マイクロチャンネルに入る前に当該マニホルドを通過し、マニホルドがフッタであれば流体は連結マイクロチャンネル通過後に当該マニホルドに流入する）。ある好ましい実施例では本発明は非反応性の単位操作を含み、当該単位操作には、熱交換、混合、化学的分離、あるいはマイクロチャンネル内の固体形成プロセス、沈殿及び蒸発等の相変化単位操作、を含み、それらプロセスは一般に化学的プロセスと称され、広義には（この用途での）熱交換を含むが、好ましい実施例では熱交換のみならず、熱交換及びまたは混合以外の単位操作が含まれる。
【００５０】
本発明には、本発明の任意の装置または方法の１つ以上の単位操作の実施方法も含まれる。単位操作を実施するための動作条件はルーチン的実験を介して確認可能である。本発明の反応には、アセチル化、追加反応、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、アリル化、オートサーマル改質、カルボニル化、脱カルボニル化、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、還元カップリング、濃縮、熱分解、水素化分解、環化、環状オリゴマ化、脱ハロゲン化、脱水素、オキシ脱水素、二量化、エポキシ化、エステル化、交換、フィッシャートロプシ法、ハロゲン化、ハロゲン化水素添加、ホモロゲーション、水和化、脱水、水素添加、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化反応、水素化分解、ヒドロメタル化、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、脱メチル反応、複分解、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト反応、サバティエ反応、スルホン化、テロマー化、エステル交換、三量体形成、水性ガスシフト反応、が含まれる。上述した各反応に対する触媒及び条件は当業者には既知のものであり、本発明にはこれら触媒を用いる装置及び方法が含まれる。例えば、本発明にはアミノ化触媒を介するアミノ化法と、アミノ化触媒を格納する装置とが含まれる。かくして、本発明は上述した各反応に関し、個別に（例えば、水素分解）または群において（例えば、ハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化及びヒドロシリル化の各触媒を伴うハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化及びヒドロシリル化）説明され得る。本発明の装置及び触媒を用いる各反応に関する好適なプロセス条件は、従来技術及びまたはルーチン実験の知見を介して認識され得る。本発明には、蒸気各反応の任意の１つまたは組み合わせが含まれる。１例を挙げれば、本発明は上述した設計上の各特徴部を１つ以上有する蒸気メタン改質反応用に設計したリアクターを提供する。
あるマイクロチャンネルまたは連結するマイクロチャンネルセットを通しての圧力降下は好ましくは５０００ｐｓｉ（３５０ｂａｌ）、より好ましくは５００ｐｓｉ（３５ｂａｌ）未満であり、ある実施例では０．１〜２００ｐｓｉ（０．００７〜１４ｂａｌ）である。
【００５１】
例１：熱交換機設計用の新規な応力坦持壁の用途
図６には、円滑壁に比較しての、表面特徴部及び圧力降下による熱移行係数の向上が要約される。当該データは米国特許出願番号２００７／００１７６３３号の図１３に示される装置を使用した試験により得られたものである。
３つのマイクロチャンネル熱交換機コアデザインが設計され、本発明の利益を評価するべく比較された。
ケース１：円滑なチャンネル壁を有するマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース２：表面特徴部を有するが本発明の負荷支持壁を用いないマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース３：負荷支持壁を利用する表面特徴部を備えるマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
【００５２】
熱交換機コアが、プロセス流体と冷却材との間を向流熱交換した。
熱交換機コアがプロセス流体を〜７５℃から４０℃に冷却した。使用したプロセス流体の物理特性は以下の如くであった。
プロセス流体の比熱：４２００Ｊ／ｋｇ／Ｋ
プロセス流体の密度：１０００ｋｇ／ｍ3
プロセス流体の粘度：０．００１ｋｇ／ｍ−ｓ
プロセス流体は７５℃の温度下に毎分少なくとも５リッター流動した。５℃の水を冷却剤として使用した。操作圧は周囲圧（〜１４．７ｐｓｉｇ）であった。
図９には、上述した各ケースについての、断面において反復する単位ディメンションが示される。全ケースについて、反復するユニット数は４０であった。負荷支持壁の最大厚は０．０５０インチ（０．１２７ｃｍ）であり、表面特徴部の深さは０．０１インチ（０．０２５ｃｍ）であった。熱交換機の材料はステンレススチールＳＳ３０４Ｌであった。
【００５３】
図８の、ケース２及びケース３（表面特徴部付きの）に関する熱移行及び圧力降下向上を用いた。表２ではこれら各ケースに関する熱交換機コア容積及び圧力が比較される。
【００５４】
【表１】
新規な負荷支持壁が熱交換機コア容積を２５％減少させた。
【００５５】
例２：一体化した蒸気改質器における材料低減設計
一体型メタン蒸気改質（ＳＭＲ）リアクターに金属減少概念を使用する場合を想定する。このケースでは低圧燃焼側が高圧蒸気改質反応に直結される。これら２つのゾーン間の境界壁は装置の構造強度を提供する厚い壁である。金属減少概念を提供することにより、当該壁厚を薄くし得るために装置製造における使用金属量を低減させ得、かくしてコストが低下する。また、薄い壁により燃焼及び改質の各セクション間の熱移行が増長されるため、リアクターボックスからの生産性を高め得る。
【００５６】
本例の例示上、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを実行した。入り口断面が０．１０２ｃｍ（０．０４０インチ）×０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の反応マイクロチャンネルをモデルとした。反応物チャンネルはその端部位置においてＵターンされ、同じ０．１０２ｃｍ（０．０４０インチ）×０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の断面の生成物チャンネルとなって連続する。反応物チャンネルと生成物チャンネルとを分離する壁は厚さ０．０８９ｃｍ（０．０３５インチ）であった。反応物及び生成物の各チャンネルは、低圧燃焼側から高圧改質側を分離する０．２０３ｃｍ（０．０８０インチ）の厚壁で境界付けられた。壁圧は、これに限定しないが、壁の各側における差圧、許容応力、動作温度等を含む多数の因子により決定した。一体型メタン蒸気改質（ＳＭＲ）リアクターの場合、低圧燃焼側から高圧改質側を分離する０．２０３ｃｍ（０．０８０インチ）の厚壁を横断する差圧は約２９０ｐｓｉ（２ＭＰａ）であった。燃焼側は厚壁に沿った温度輪郭を付与することで模擬された。４１．９ｃｍ（１６．５インチ）及び５４．６ｃｍ（２１．５インチ）の異なる２つの長さのリアクターについて調査した。Ｕターン部の長さは０．２５４ｃｍ（０．１インチ）であり、１．２７ｃｍ（０．５インチ）厚の金属壁が、Ｕターン部を超えるシムの周囲部分を模擬された。各流れチャンネルの各側の０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）部分が、シムの外側周囲部分の０．０７６ｃｍ（０．０３インチ）部分を模擬した。この場合、壁厚の金属容積への貢献率は〜５０％である。
【００５７】
金属減少概念のオプションを、幅０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の入り口／出口チャンネルの各側において、チャンネル幅の〜１５％、即ち、０．０６１ｃｍ（０．０２４インチ）に全厚壁を残すことで実施した。金属減少セクションでは金属壁厚は全厚の〜７０％、即ち０．１４２ｃｍ（０．０５６インチ）に減少された。この金属減少概念の実施により、以下に例示する２つのケースに関する使用金属堆積は約〜１０．５％節約された。
【００５８】
図１０には壁の全厚及び減少厚が示される。図１１には温度プロファイルが示される。
反応物チャンネルの入り縁流量は９．８３３４×１０-4ｋｇ／ｓであった。入り口流れの成分は、（１０．９モル％ＣＯ2、２１．８モル％ＣＨ4、５８．８モル％Ｈ2Ｏ、３．８モル％Ｈ2、０．５モル％ＣＯ及び残余分としてのＮ2）であった。反応物流れは６５０℃の温度下に流入し、改質器は〜２９０ｐｓｉ（２ＭＰa）の圧力下に作動した。改質用触媒（Ｒｈ−Ｍｇ−Ａｌ2Ｏ3）が反応物チャンネル全体の壁と、Ｕターン部と、生成物チャンネルの最初の２１．６ｃｍ（８．５インチ）部分を除く全てに被着された。反応物及び生成物の各チャンネルは１つまたは多数の触媒保持性の特徴部を有し得る。メタン流れ改質（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）及び水ガスシフト（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ←→Ｈ2＋ＣＯ2）の各反応が改質器内で生じた。
燃焼サイドを模擬するべく付与した温度プロファイルを以下に要約する。実際は、当該温度プロファイルはＨ2、ＣＯ及びＣＨ4の燃焼をコントロールすることにより達成し得る。
数値流体力学（ＣＦＤ）によるシミュレーションを、ＦＬＵＥＮＴ（商標名）ソフトウェアを使用して実行した結果を以下に要約するに、リアクター構造（本発明に従う）における金属容積減少により創出される追加反応容積が性能向上を導くことが示される。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
金属減少壁のケースでは改質チャンネルに遷移する高い熱量がＣＨ4変換量を増大させる。この場合、新規の負荷支持壁が反応コア（金属）容積を〜１０．５％減少させる。
【００６１】
例２において、図１１に例示する温度プロファイルを伴う反応セクションを横断しての差圧〜２９０ｐｓｉ（２ＭＰa）に対し、〜１０．５％の金属容積が減少された。また、例１の熱交換機に関し、金属減少概念の適用により熱交換機の容積が〜２５％減少した。全体的に、本発明は、種々の単位操作（熱交換、反応、混合等の）を実施するマイクロチャンネル装置における金属必要量を少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、更に好ましくは少なくとも２５％、あるケースでは少なくとも５０％減少させるために使用可能である。
【００６２】
例３：曲げ応力の計算例
適宜の式あるいは有限要素分析等のコンピューターツールを用いて、斯界に既知の曲げ応力計算を実行し得る。図１０に示す設計に対してはチャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く計算する。
Ｍ＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）
ここで、Ｍは曲げモーメント（Ｎ／ｍ）、Ｗは単位長さ当たりの力（Ｎ／ｍ）、Ｌはチャンネルの全幅（ｍ）、ｘは被支持エッジ部からの距離（ｍ）である。
厚さｔ、及び単位長さ（長さ＝１．０ｍ：チャンネルの矩形断面と直交する方向）の矩形壁の場合、
Ｓbは曲げ応力、Ｐａ＝Ｍｃ／Ｉ、Ｍは曲げモーメント（Ｎ−ｍ）、ｃは壁の中心から壁の最も外側のファイバーまでの距離であって、矩形壁ではｃ＝ｔ／２（ｍ）、Ｉは矩形壁の慣性モーメント、ｍ4＝（１．０）ｔ3／１２、ｔ＝壁厚（ｍ）として、
Ｓb＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（６／ｔ2）＝Ｗ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
である。
これらディメンションは図１２に例示される。
【００６３】
例：チャンネル幅Ｌ＝０．００５ｍ
ｘ＝０〜Ｌ（ｍ）までのチャンネル幅方向の距離
直線的な矩形壁例の壁厚、ｔ＝０．０００５ｍ
ステップ状の矩形壁例の壁厚、ｘ＝０〜ｘ＝ｘ1及びｘ＝ｘ2〜ｘ＝Ｌ、ｔ1＝０．００５ｍ
ステップ状の矩形壁例の壁厚、ｘ＝ｘ1〜ｘ＝ｘ2、ｔ2＝０．０００３８１ｍ
ｘ1＝０．００１２５ｍ
ｘ1＝０．００３７５ｍ
差圧負荷は壁上において一様であり、Ｐ＝２，５００，０００Ｐａ
単位深さを有し、一様の圧力Ｐ、Ｐａを負荷した矩形梁の場合、
Ｗ＝Ｐ（１．０ｍ）＝Ｐ
Ｓb＝Ｐ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
【００６４】
壁の各側における張力（＋）及び圧縮（−）応力の大きさが等しいため、曲げ応力を算出し、応力の絶対値と比較する。
直線状及びステップ状の両壁の最大応力値は、ｘ＝０及びｘ＝Ｌの場合の１２５，０００，０００Ｐａである。
ｘ1〜ｘ2での応力はｘ＝Ｌ／２で最高となり、直線状の壁の場合のＳb＝６２，５００，０００Ｐａであり、
ｘ1〜ｘ2での応力はｘ＝Ｌ／２で最高となり、ステップ状の壁の場合のＳb＝１０７，６３９，１０４Ｐａであり、
これは本発明の使用を反映するものである。
ステップ状の壁におけるｘ＝Ｌ／２の応力の方が大きいが、当該値は尚、ｘ＝０及びｘ＝Ｌの場合の最大値１２５，０００，０００Ｐａより低い。図１３を参照されたい。
【符号の説明】
【００６５】
４２ 斜線部
４４ エッジ部
４８ 支持梁
５４ エッジ部
５８ 幅部分
６２ センター部
７０ 表面特徴部
７４ マイクロチャンネル
８２ マイクロチャンネル
８３ 垂直線
８５ 水平線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルプロセシング用のマイクロチャンネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケミカルプロセシング用のマイクロチャンネル装置は、従来のケミカルプロセシングテクノロジーに勝る重要な利益を提供し、それら利益には、熱及び物質の移送量改善が含まれる。この利益故にマイクロチャンネルプロセシング及びマイクロチャンネル装置は長年に渡り関心の高いテーマとなって来ている。問題は、マイクロチャンネル装置のコストが未だにマイクロチャンネルプロセシングの使用を阻み続けていることである。超合金等の高価な材料で装置を製造することもある高温用途ではコストは特に重要な因子である。
本発明によれば、従来の相当マイクロチャンネル装置と比較して必要材料の少ないマイクロチャンネル装置でプロセスを実行するマイクロチャンネル装置及び方法が提供される。本発明によれば、容積生産性の高い、即ち、装置容積（チャンネル容積＋装置構成材料の容積を含む）当たりの製造量の大きい装置及び方法も提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国発行特許出願第２００５００８７７６７号
【特許文献２】米国特許出願番号第１１／４００，０５６号
【特許文献３】米国発行特許出願第２００７０２５６７３６号
【特許文献４】米国発行特許出願第２００７００１７６３３号
【特許文献５】米国特許第６，２００，５３６号明細書
【特許文献６】米国特許第６，２１９，９７３号明細書
【特許文献７】米国特許出願番号第１０／６９５，４００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
隣り合うマイクロチャンネル間の圧力差の大きい用途において特に有益な、使用材料の少ない且つチャンネル容積対装置容積比の高い、より経済的なマイクロチャンネル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、チャンネルの全幅ではない幅部分における横断圧力が相違する２流体を分離する負荷壁厚を低減させ得る。負荷壁厚が有効に低減されることで、チャンネル壁表面特徴部（ｆｅａｔｕｒｅｓ／以下、単に表面特徴部とも称する）の一体化、または圧力降下を低減させるチャンネル開口面積の増大化、あるいはその他利益が得られる。チャンネル壁の表面特徴部には、１つ以上の触媒を保持するもの、非積層流パターンを付与するもの、物質移送を支援するもの、流体流れを混合させるもの、相変化を支援するもの、あるいは熱移行を支援するものが含まれ得る。これらの非平坦な表面特徴部を含む構成は、本発明の使用を通し、チャンネル反復ユニット内のチャンネル壁厚増大を避ける上で重要な利点となる。例えば、これら非平坦な表面特徴部が無いと、２流体チャンネル間の壁＋表面特徴部の合計厚さが１．２５ｍｍである場合の負荷壁厚は１ｍｍ、表面特徴部の厚さは０．２５ｍｍとなり得る。本発明では壁の表面特徴部の厚さ（０．２５ｍｍ）は、当該表面特徴部をサイドチャンネル又はサイドリブから最小９％オフセットさせることで負荷壁内に埋入される。この実施例では、２流体間の全壁厚は１ｍｍに維持される一方、チャネルには深さ０．２５ｍｍの表面特徴部による追加機能も含まれる。
【０００６】
本発明の１様相によれば、積層型マイクロチャンネル装置であって、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、を含むマイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合い、複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い、且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つは第２マイクロチャンネルの１つと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上で当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列するが、これは第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であることや、各エッジ部の精密な整列を必要付けるものではない。前記直線は高さ方向におけるものであり、かくして当該直線部分が中実の固体構造材からなる縦方向支持梁となることが好ましい。前記高さ方向は各積層物の積層方向である。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。前記幅方向とは積層物と平行な平面内におけるものである。各マイクロチャンネル対の第１及び第２の各マイクロチャンネルはマイクロチャンネル壁により分離され、該マイクロチャンネル壁は第２マイクロチャンネルと同一伸延長において画定され、かくして、各マイクロチャンネル対のマイクロチャンネル壁の幅が、第２マイクロチャンネルのそれと同一幅を有するものとして画定される（言い換えるとマイクロチャンネル壁の幅は第２マイクロチャンネル幅と同一であり、各幅部分の幅方向における開始及び終了の各位置は同じである）。マイクロチャンネル壁のセンター部の平均厚（当該センター部全体平均での）はマイクロチャンネル壁の各エッジ部の平均厚未満である。
更には、本発明の装置は以下の特徴、即ち、マイクロチャンネル壁のセンター部が２つの主表面において共に窪み付けされ、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の２０％（即ち、マイクロチャンネル壁の幅のセンター部の±１０％）における全ポイント位置の厚さがマイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置におけるそれ以上であり、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルを分離するマイクロチャンネル壁の、当該マイクロチャンネル壁のセンター部がマイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分では、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルが、少なくとも２ｃｍの長さに渡る一定断面部（例えば、当該部分に表面特徴部又は毛管性表面特徴部の無い）を有する前記特徴の１つ以上を有する。断面とは、動作中の装置における流れ方向であるところの長さと直交方向において測定したものである。上述した特徴の１つ以上を、第１及び第２の各マイクロチャンネルを異なる圧力で加圧する場合の、マイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力がマイクロチャンネル壁のエッジ部位置の最大曲げ応力の５０〜１００％の間である特徴と組み合わせることが好ましい。層は、代表的には（必ずしもそうでなくて良いが）、接合型装置におけるシートであり、当該装置が拡散接合型装置である場合は各シート間の境界は恐らく容易には判別できない。
【０００７】
他の様相によれば、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層及び複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層を含む積層型マイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合う。複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列するが、これは第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であること及び各エッジ部が精密に整列することを必要付けるものではない。前記直線は高さ方向におけるものであり、かくして当該直線部分が中実の固体構造材からなる縦方向支持梁となることが好ましい。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い。また、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であり、つまり前記第１導関数は少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定である。第２マイクロチャンネルは表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない。第１導関数が変化するため、各第２マイクロチャンネルの断面は円形又は半円形ではない。バリ等の表面不整部はチャンネルの形状測定上は無視される。
【０００８】
他の様相によれば、複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層及び複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層を含む積層型マイクロチャンネル装置が提供される。第１層は第２層に隣り合い、複数の第１マイクロチャンネルは複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い、且つ平行である。第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列する。第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有する。各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い。また、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向では非一定であり、つまり前記第１導関数は少なくとも１回変化し、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、また、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも３つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも３つの特異高さを含む）を有する。
【０００９】
前記各様相において、“含む”とは特定の表面特徴部が”含まれ“且つ要求されることを意味するが、追加的な表面特徴部の存在を排除するものではない。例えば、本装置は特定の表面特徴部を有するマイクロチャンネル対を含むが、装置内には特定の表面特徴部を有さないその他形式のマイクロチャンネル、例えば、対ではないまたは特定の表面特徴部を持たない幾つか（全部ではない）のマイクロチャンネル対を含み得る。好ましいある実施例では、必要な表面特徴部を装置内の全マイクロチャンネル対が有する。特に断りのない限り、本明細書で説明する種々の表面特徴部は長さ方向（即ち、作動中の装置における、流れと直交する断面での）に直交する断面において測定される。ある好ましい実施例では各チャンネルの断面積は、その長さの少なくとも５０％、ある実施例ではその長さの少なくとも９０％に沿って一定であり、また当該一定の断面積はマイクロチャンネルに沿って継続されるのが好ましい。その他表面特徴部の説明の如く、触媒等の非構造材は断面測定上無視される。積層型装置は層の積層体から構成される。各層は高さ、幅及び長さを有し、各幅及び長さは各層の高さの少なくとも５倍（代表的には少なくとも１００倍）大きい。代表的には、積層型装置はシートを積み重ね且つ接着して形成する。装置の製造法が未知である場合、装置の、例えば断面を顕微鏡で観察することで当該装置の積層特性を判定できる。
【００１０】
“マイクロチャンネルエッジ部”はマイクロチャンネルの幅に関して定義され、“エッジ部”とは、マイクロチャンネルの幅方向での各端部（または、本発明がマイクロチャンネル壁厚により部分的に画定される場合は、当該マイクロチャンネル壁の幅方向での各端部）の９％の長さ部分を言うものとする。センター部は中心から±４０％（即ち、幅方向での１０〜９０％の間の部分）の部分であり、ある実施例では中心から±２５％（即ち幅方向の２５〜７５％の間の部分）として定義され得、特に指定がなければ広義の定義が適用される。マイクロチャンネルと同延のマイクロチャンネル壁は、幅方向での長さ割合に相当するエッジ部及びセンター部を有するものとして定義される。好ましいある実施例では、マイクロチャンネルエッジ部位置のマイクロチャンネルの高さがセンター部のマイクロチャンネル高さ（センター部に渡る平均での）より少なくとも２０％（エッジ部に渡る平均での）低い。好ましいある実施例では、マイクロチャンネルエッジ部位置のマイクロチャンネルの高さがセンター部のマイクロチャンネル高さ（センター部に渡る平均での）より少なくとも４０％（エッジ部に渡る平均での）低い。
【００１１】
本発明のある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部上の全ポイント位置の高さが、当該第２マイクロチャンネルのチャンネル幅の中央５０％（センター部のポイントから±２５％の幅）の位置の高さより少なくとも２０％低い。
好ましい実施例では、各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部（側部とは、水平方向における各エッジ部位値の側部のみに対して参照される）の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する。これは、第１及び第２の各マイクロチャンネルが等幅であること及び各エッジ部が精密に整列することを必要付けるものではない。
【００１２】
ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さ相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する。ある好ましい実施例では、確率分布関数上の任意のある高さモードの寄与率は、該当チャンネル内の全高さモードの９５％を超えない。代表的実施例では、各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルにおける高さ相違の発生確率の関数）は非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する。
【００１３】
ある実施例では、第２マイクロチャンネルは表面特徴部を有さず、毛管性表面特徴部も有さない。ある実施例では第２マイクロチャンネルは表面特徴部を有する。
ある好ましい実施例では第２マイクロチャンネルの高さは不連続的に変化するが、これは例えば、幅の異なる整列長穴（第２マイクロチャンネル用の）を有するプレートを積層することで達成され得る。ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルの高さは中央部（幅方向での）が、マイクロチャンネルの他の部分より高い。ある実施例では、各第２マイクロチャンネルはそのセンター部位置が各エッジ部位置より高いが、当該センター部位置（幅方向で測定しての）はマイクロチャンネル（例えば、Ｗ字型のチャンネル）のその他ポイント位置より低い。好ましいＷ字型チャンネルは、センター部位置の方がチャンネルエッジ部位置より少なくとも５％以上（ある実施例では少なくとも１０％以上）高く、センター部の各側位置の方がチャンネルのセンター部位置より少なくとも１０％以上（好ましくは少なくとも２５％以上）高い。ある実施例では第１及び第２の各マイクロチャンネル内には触媒又は吸着剤が存在する。ある実施例ではマイクロチャンネルの幅はその高さの少なくとも３倍であり、ある実施例ではマイクロチャンネルの長さは少なくとも５ｃｍである。
【００１４】
ある実施例では交互する少なくとも１０対が高さ方向に積層され、整列するマイクロチャンネルの各対間の構造材が、各マイクロチャンネルの全高を超えて直線的に伸延する支持梁を構成する。
ある好ましい実施例では、各第２マイクロチャンネルの断面は少なくとも４つの直角部を含み、ある実施例では各コーナー部に少なくとも６〜１つの、また金属厚の薄い部分に２つの各直角部を含む。本発明の他の様相における如く、直角の判定に際しては製造上の欠陥は無視され、かくして若干の偏差は無視される。
【００１５】
本発明の他の様相によれば、ここに説明する装置を含むシステムであって、第１流体が第１圧力下に第１マイクロチャンネル内に存在し、第２流体が第２圧力下に第２マイクロチャンネル内に存在し、前記第１及び第２の圧力は相違するシステムが提供される。ある好ましい実施例では前記圧力差は少なくとも０．０１ＭＰａ、ある実施例では少なくとも１，０００，０００Ｐａ、ある実施例では０．０１ＭＰａ〜２０ＭＰａであり、またある実施例では装置は前記圧力差が一定、即ち２，５００，０００Ｐａである特徴を有し得る。ある実施例では第１及び第２の各流体は何れもガスである。
【００１６】
本発明の更に他の様相によれば、マイクロチャンネル装置における差圧プロセスの操作方法であって、第１マイクロチャンネル内に第１流体を第１圧力下に流動させ、第２マイクロチャンネル内に第２流体を第２圧力下に流動させることを含み、前記第１及び第２の各圧力が相違する方法が提供される。マイクロチャンネル装置はここに説明する任意の装置であり得る。第１または第２のマイクロチャンネルを通過する際に何れかの流体について単位操作が実施され得る。
【００１７】
本発明によれば、シートを積層することにより、ここに説明する任意の装置を形成する段階を含む装置製造法も提供される。本発明には更に、前接着構造（即ち、各シートを、相互に接合するに先立ち接着して積層型装置を形成する）が含まれる。ある好ましい実施例では各マイクロチャンネルは、装置構成上の利益が提供され得ることから、シートを（シートを部分食刻するのではなくむしろ）切断した各セクションから形成する。
本発明には、隣り合う各チャンネル内に差圧を有する装置における単位操作の実施方法が含まれる。これら各方法ではここで説明する任意の装置を用い得る。本発明には、ここで説明する任意の装置に加え、マイクロチャンネル内の１つ以上の流体を含むシステムも含まれる。
本発明の利益には、マイクロチャンネル装置に関する必要材料の減少、装置容積当たりの容積増大、装置容積当たりの熱及びまたは物質移送量の増大、そして容積生産性の向上、が含まれる。
【００１８】
用語解説
マニホルディングに関する構造における表面特徴部は２００３年１０月２７日付提出の米国発行特許出願第２００５００８７７６７号及び２００６年４月１１日付提出の米国特許出願番号第１１／４００，０５６号に定義される如くである。表面特徴部、構造壁、一般的な装置構成は米国発行特許出願第２００７０２５６７３６号及び２００７００１７６３３号に記載され得る。これら構造の詳細については前記各公報を参照されたい。本明細書で述べる各定義が上記参照公報のそれと矛盾する場合は本明細書の定義が適用される。
“含む”とは、“含まれ”ることを意味し、また何れの用語も、追加のまたは複数のコンポーネントの存在を除外するものではない。例えば、装置が積層体、シート等を含むとは、本発明の装置が多数の積層体、シート等を含むものと理解すべきである。他の実施例では“含む”は“から成る”または“から構成される”と言い換え得る。
【００１９】
“隣り合う”とは、各マイクロチャンネルがマイクロチャンネル壁で分離され、第１及び第２の各マイクロチャンネルが負荷支持壁により分離されること、を意味する。マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、両側部の整列する同一幅を有し得、あるいは一方の側部のみが整列する異なる幅を有し得、あるいは第１及び第２の各マイクロチャンネルを共に高さ方向に超えて伸延する垂直方向（即ち高さ方向）の支持梁材が設けられる条件下において何れの側部も整列しない同一または異なる幅を有し得る。
材料の曲げ応力Ｓbは、当業者に既知の式から算出し得る。図１に示す矩形形状では曲げ応力は、「例」の記載セクションで説明及び例証される以下の式、即ち、
Ｓb＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（６／ｔ2）＝Ｗ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
により算出し得る。複雑な幾何形状の場合は有限要素解析を含むその他計算法が適用され得る。本発明では曲げ応力をマイクロチャンネル壁に沿った各ポイント位置に関して算出する。
【００２０】
“毛管性表面特徴部”は、液状物質保持用のマイクロチャンネルに関する表面特徴部である。毛管性表面特徴部はマイクロチャンネル壁内に後退され、またはマイクロチャンネル壁から当該マイクロチャンネル壁に隣り合う流路内に突出する。各毛管性表面特徴部は２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍあるいはそれ未満、尚好ましくは５００μｍあるいはそれ未満の間隙部を創出する。各毛管性表面特徴部は、当該表面特徴部を配置したマイクロチャンネルの任意のディメンションより小さい、少なくとも１つのディメンションを有する。各毛管性表面特徴部は、長孔タイプまたは孔列あるいは、毛管力で液体を保持するために使用するその他の後退あるいは突出構造に対し任意の角度を有し得る。
【００２１】
“連結チャンネル”とは、マニホルドに連結した各チャンネルを言う。代表的には単位操作は連結チャンネル内で実施される。連結チャンネルは入り口断面平面と、出口断面平面とを有する。ある単位操作または単位操作部分はマニホルド内で実施され得るが、好ましい実施例では単位操作の７０％（ある実施例では少なくとも９５％）が連結チャンネル内で実施される。“連結チャンネルマトリクス”とは、隣り合う、実質的に平行な連結チャンネル群を言う。好ましい実施例では連結チャンネル壁は直線的である。ある好ましい実施例では、各連結チャンネルは長さ方向または幅方向における偏差が実質的に無い状態下に直線的である。多連結チャンネル型システムに関する連結チャンネル圧力降下は、各連結チャンネル圧力降下の算術平均、つまり、各連結チャンネルの圧力降下合計値を連結チャンネル数で除した値である。“連結マイクロチャンネル”は、２ｍｍあるいはそれ未満、より好ましくは０．５〜１．５ｍｍ、尚好ましくは０．７〜１．２ｍｍの最小ディメンションと、少なくとも１ｃｍの長さとを有する。
【００２２】
各マイクロチャンネルは連続または間隙部を含み得るマイクロチャンネル壁により画定される。フォームまたはフェルトを貫く相互連結通路は連結チャンネルでもマイクロチャンネルでもない（チャンネル内にフォーム等を配置し得るが）。
“ヘッダ”とは、流体を連結チャンネルに送達させるよう配置したマニホルドである。
“高さ”とは、長さ及び幅に直交する方向を言う。積層型装置では高さは積層方向である。長さ及び幅は各層の平面におけるものである。本発明の目的上、マイクロチャンネル高さは構造材が占有しない部分での高さ方向距離を言う。
“積層型装置”とは、装置内を通過して流動するプロセス流れに関する少なくとも１つの単位操作を実施し得る複数の積層体から作製したものを言う。
“長さ”とは、流れ方向でのチャンネルの（またはマニホルドの）軸方向距離を言う。
【００２３】
“マニホルド”とは、流れを２つ以上の連結チャンネルに分与する容積部を言う。ヘッダマニホルドの入り口表面またはインレット表面は、ヘッダマニホルドジオメトリが上流側チャンネルジオメトリと著しく相違する表面として定義される。フッタマニホルドの出口表面またはアウトレット表面は、フッタマニホルドチャンネルが下流側チャンネルジオメトリと著しく相違する表面として定義される。矩形チャンネル及び大抵のその他形式のマニホルド幾何形状に対してはこれら表面は平面であるが、マニホルド及び連結チャンネル間の界面位置の半円形状等のある特定ケースでは湾曲面となる。
【００２４】
“マイクロチャンネル”とは、１０ｍｍあるいはそれ未満（好ましくは２．０ｍｍあるいはそれ未満）で且つ１μｍ以上（好ましくは１０μｍ以上）、ある実施例では５０〜５００μｍである少なくとも１つの内側ディメンション（触媒を除外した壁間の）を有し、少なくとも１ｃｍ、好ましくは少なくとも２０ｃｍの長さに渡り当該ディメンション以内に維持されるチャンネルを言う。マイクロチャンネルは、少なくとも１つの出口とは別の少なくとも１つの入り口を有することによっても定義される。マイクロチャンネルはゼオライトまたはメソ多孔質材を貫く単なるチャンネルではない。マイクロチャンネルの長さは当該マイクロチャンネル内における流体流れ方向に一致する。マイクロチャンネルの高さ及び幅は当該マイクロチャンネルの通過流れ方向に実質的に直交する。
【００２５】
レイノズルズ数値は流れの流動様式を表わす。レイノルズ数に基づく流動様式は流体速度、流体特性、チャンネル断面形状及びディメンションに依存するが、各マイクロチャンネルに対し代表的には以下の範囲を用いる。
層流：Ｒｅ＜２０００〜２２００
遷移流：２０００〜２２００＜Ｒｅ＜４０００〜５０００
乱流：Ｒｅ＞４０００〜５０００
【００２６】
“バルク流路”とは、マイクロチャンネル装置内の開放チャンネルであって、圧力を大きく降下させることなく反応チャンバ内の急速なガス流れを許容するものを言う。バルク流路は断面積が好ましくは５・１０-8〜１・１０-2ｍ2、より好ましくは５・１０-7〜１・１０-4ｍ2である。
“構造壁”とは、複数層からなり、各層がオーバーラップ孔を有する壁に対して参照される。各層のオーバーラップ孔は少なくとも０．０１μｍ2、好ましくは０．０１〜１００，０００μｍ2、より好ましくは５〜１０，０００μｍ2の開放面積を含み、構造壁については各層は、少なくとも１０、より好ましくは少なくとも１０００ののそれら孔を有すべきであるが、それら各層間に１０未満の非常に大きい孔を有する中介層を含み得る。各孔は、滞留時間を大きく分散させること無く混合を支援すべきである。構造壁はバルク流路の側部側に位置付けられる。構造壁の例はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／０２５６７３６号及び２００６０１２０２１３号に例示される。
【００２７】
“構造材”は、装置構造を支持する材料である。“構造材”はその定義上、表面特徴部（または毛管性表面特徴部）の構成材料を含まず、かくして、表面からの突出部は“構造材”には含めず且つ測定高さにも含めない。１例として、マイクロチャンネルのある断面の開放チャンネル高さ（バルク流路の高さ）が０．５ｍｍ、表面特徴部の高さが０．４ｍｍであれば、マイクロチャンネル高さが０．９ｍｍとなる。同様に、本発明の定義目的上、バリその他の表面小不整部（代表的にはマイクロチャンネル高さの２％あるいはそれ未満）は無視される。
【００２８】
“表面特徴部”とは、マイクロチャンネル壁から突出または後退してマイクロチャンネル内の流れを改変するものを言う。各表面特徴部は表面積を増大させると共に、分散ではなくむしろ対流を介してマイクロチャンネル壁に向かう対流性流れを創出する。本発明の表面特徴部または毛管性表面特徴部では、後退または突出間の間隙は０．０５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲のものである。表面特徴部及び毛管性表面特徴部はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／００１７６３３Ａ１に詳細が記載される。代表的には表面特徴部は混合を支援し、マイクロチャンネル壁に向かう流体を増大させる。本発明では表面特徴部または毛管性表面特徴部は、負荷坦持用のマイクロチャンネル壁の厚さ決定上には含めず、従って、後退のケースでは厚さは後退部の底部から測定する。
“単位操作”とは、科学反応、気化、圧縮、化学分離、蒸溜、凝縮、混合、加熱、冷却、を意味する。“単位操作”は、当該単位操作と共にしばしば生じる単なる流体移送を意味しない。ある好ましい実施例では単位操作は単なる混合ではない。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、使用材料が少なく且つチャンネル容積対装置容積比の高い、より経済的な装置が提供される。本発明は、隣り合うマイクロチャンネル間の圧力差が大きい用途において特に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、壁で分離した隣り合うチャンネル間の差圧を伴い動作するマイクロチャンネル装置における応力を示す略図である。
【図２】図２は、チャンネル幅に沿った絶対曲げモーメントの変動図である。
【図３−１】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−２】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−３】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−４】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−５】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図３−６】図３は、表１としてマイクロチャンネルの種々タイプの断面図及びその形状的特性の例示図である。
【図４】図４は、強度を維持しつつ材料を低減する設計のマイクロチャンネルの断面図の例示図である。
【図５】図５は、垂直及び水平の各支持梁の例示図である。
【図６】図６は、レイノルズ数の関数として示す、表面特徴部パターンに対する熱移行及び圧力降下の増大を示す図である。
【図７】図７は、チャンネルの円滑壁及び表面特徴部付き壁（新規の負荷支持壁設計形状を含む及び含まない）についての、反復単位断面比較図である。
【図８】図８は、金属量低減化概念を伴わない及び伴う、一体型蒸気メタン改質リアクター断面の各略図である。
【図９】図９は、金属量低減化壁に対する影響評価上、“燃焼”チャンネルを模すべく一体型蒸気メタン改質リアクターにインポーズした温度プロファイル図である。
【図１０】図１０は、曲げ応力計算のために使用した設計形状の例示図である。
【図１１−１】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【図１１−２】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【図１１−３】図１１は、図１０の設計形状用の曲げ応力図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
マイクロチャンネルテクノロジーに関わる熱及び物質の移動係数は、チャンネルディメンションが減少すると増大する。小ディメンションのマイクロチャンネル内の流れは代表的には、乱流様式のヌセルト数と比較して小さいヌセルト数に関わるところの、層流様式（Ｒｅ＜２０００）のものとなる。本発明の装置内の流れは代表的には層流であるが、ある実施例のそれは遷移または乱流様式内のものである。他の実施例ではある数の複合流れ様式が、単一の流体チャンネル内の異なる場所であるいは共通装置内の異なる流体内で生じ得る。一般に、マイクロチャンネル内の熱及び物質の移行量は、表面特徴部を用いて層流境界層を受動的に妨害することで増長される。
【００３２】
流体処理用装置内で複合型の平行マイクロチャンネルを使用し、これら装置の平行マイクロチャンネルを設計上増大させることで一定率で高容量化させ得る。各平行マイクロチャンネルは多数の平行マイクロチャンネル列を成す状態で配列され得る。マイクロチャンネル装置は多数の流れを処理し得、各処理流れは別個に集配され、前記多数の平行マイクロチャンネル列に分配される。第１流体流れを処理するマイクロチャンネルは第２流体流れを処理する第２マイクロチャンネルセットにインターリーブされ得る。マイクロチャンネル装置（等）当たりの平行マイクロチャンネル列は２列以上であり得る。
【００３３】
マイクロチャンネル装置では、別個の流体流れは相違温度及び圧力下に動作し、壁等を横断する差圧を発生し得る。２つ以上のマイクロチャンネルを有する大抵のマイクロチャンネル装置では流体流れは、各流れ間の作動温度及び差圧によりその厚さが定義されるところの負荷支持壁により分離される。図１には代表的なマイクロチャンネル装置が略示される。負荷支持壁上の低応力部分を利用して当該領域に表面特徴部を配置することで、マイクロチャンネル装置の全容積を著しく低減させ得ることが分かった。マイクロチャンネル型熱交換器の設計研究において、本発明を使用すると生産性を変化させることなく熱交換器の全容積が２５％減少することが分かった。
【００３４】
屈曲は負荷行使方向に直交する応力を生じさせる。固定支持体では引長応力は、負荷を行使したと同一側の被支持エッジ部位置において最大となり、圧縮応力は、負荷を行使したとは反対側の被支持エッジ部位置において最大となる。
チャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く算出する。
Ｍ＝Ｗ/１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）
ここで、Ｍは曲げモーメント（Ｎ−ｍ）、Ｗは単位長さ当たりの力（Ｎ／ｍ）、Ｌはチャンネルの全幅（ｍ）、ｘは被支持エッジ部からの距離（ｍ）である。
【００３５】
図２に示す如く、一様の圧力負荷に対する負荷支持壁の幅横断方向の応力は一様ではないため、チャンネル幅横断方向に異なるチャンネル高さを使用できる可能性がある。表面特徴部を用いる場合はチャンネルの幅横断方向でのその深さを変更させ得る。表面特徴部の深さを利用してチャンネルを通しての混合及び圧力降下をコントロールできる。
図２に示す如く、矩形断面を有するチャンネル床に行使される負荷に対する曲げモーメントは負荷支持壁の被支持エッジ部位置で最大となり、当該エッジ部から内方にかけてゼロへと減少し、センター部位置では５０％である。チャンネル幅横断方向での当該曲げ応力変化によれば、マイクロチャンネル壁の支持材をマイクロチャンネルのエッジ部位置で最大化させ、センター部では合致する負荷条件に従い低下させ得ることが示唆される。エッジ部から全幅方向距離の約１０％離れた位置の必要厚はエッジ部位置のそれと比較して僅か５０％である。チャンネル幅の１０〜９０％の間のスパン長におけるチャンネル高さはチャンネルエッジ部位置のそれより高くされ得る。これにより追加されるチャンネルのセンター部の容積を、化学プロセス実施のために入手可能な反応容積を増大させるべく使用し得、更には、表面特徴部（有益にはその深さがエッジ部位値の壁厚の５０％あるいはそれ未満である）を配置して熱及び物質遷移を増長させるためにも使用し得る。チャンネルの、エッジ部分ではなくセンター部（一方のチャンネルエッジ部の幅横断方向の９％及び他方のエッジ部の幅横断方向の９％）の操作容積を選択的に増大させることで、装置の全金属体容積比が、熱及び物質遷移を向上させつつ、一定厚の負荷支持壁（エッジ部位値の必要厚が同じ厚さの）を用いる設計のものと比較して著しく低減される。
【００３６】
従来より、プロセス／熱交換用チャンネルは単純なリアクター断面を使用して構成されて来ている。これらチャンネル間の厚さは、材料の応力、サイクル寿命考慮事項等の各許容度に基づいて決定する。この新規な金属低減概念を導入することで、各チャンネル間の壁厚が非一様で、流れチャンネルを大型化させるのみならず装置のチャンネル当たりの全金属使用量を低減させ得るマイクロチャンネル装置を設計可能である。
【００３７】
金属使用量の少ない断面は数学的には、先ず、マイクロチャンネル高さをチャンネル幅の関数として特徴付けし、次に、所定断面（チャンネル高さが高くなる順に並べた）の種々の高さの確率（発生の）分布関数を分析することで説明され得る。金属減少概念を適用することで、マイクロチャンネル幅に関する高さの第１導関数（傾斜）が一定ではなく、また前記マイクロチャンネル幅に関するマイクロチャンネル高さの第２導関数（曲率）も一定ではない新規のチャンネル断面を創出可能となる。また、金属減少概念の実施により、チャンネル高さ分布の確率分布関数もまた多モード化及び非単調化され得る。確率分布関数の各モードは、断面の所定チャンネル高さの発生確率を表す曲線上の明確な最大値に相当する。多モード関数とは２つ以上の“モード”を意味する。単調関数とは、値が連続的に増大、減少、あるいは一定である関数を意味する。従って、所定断面のチャンネル高さの確率分布関数が非単調的であれば、高くなる順に並べたチャンネル高さの発生確率は連続的には増大、減少しない、あるいは一定ではないはずである。
【００３８】
金属減少概念により選択可能となった新規のマイクロチャンネル断面と、代表的なチャンネル断面（金属減少概念を適用しない及び適用した）に対する“金属減少適用”の判定基準とを図３の表１に示す。
本発明はマイクロチャンネル装置における表面特徴部の設計最適化のために使用し得る。“表面特徴部”は、マイクロチャンネル内の流れを改変させるところの、マイクロチャンネル壁の凹凸の各部分である。表面特徴部は深さ、幅と、非円形の表面特徴部の長さとを有する。何れにせよ、表面特徴部はマイクロチャンネル高さの決定上は無視されるが、これは各表面特徴部が壁強度に寄与しないと考えられるためである。かくして、チャンネル高さの測定目的上は表面特徴部は表面上の突出部と見なし得、チャンネル高さ又は壁厚には含めない。表面特徴部は（斜め上方から見て）、円、長円、四角、矩形（代表的には流れに直角を成す）、格子、山形、ジグザグ状その他の、バルク流れチャンネルに突出する各形状を含み得る。各表面特徴部は表面積を増大させると共に、分散ではなくむしろ対流を介してマイクロチャンネル壁に向かう対流性流れを創出する。流れパターンは渦流、回転流、乱流及びその他の規則的、不規則的なあるいはカオス的パターンを有し得るが、流れパターンがカオス的パターンである必要はなく、あるケースでは極めて規則的に見える場合がある。流れパターンの時間変化は安定であるが、二次的な過渡的回転を受ける場合もあり得る。表面特徴部は、表面を通過する正味流れ方向に非平行及び非直交の鈍角を成すことが好ましい。表面特徴部は、流れ方向に直交、即ち９０°の角度を成し得るが、ある角度を成すことが好ましい。有効な表面特徴部は、少なくとも１つの軸方向位置のマイクロチャンネルの幅に沿った１つ以上の角度により画定されることが更に好ましい。表面特徴部の２つ以上の側部は物理的に連結又は断続され得る。マイクロチャンネルの幅方向に沿った１つ以上の角度付け部分が、直線的な層流ライン外に流体を優先的に押し出し及び引き込ませる。表面特徴部の好ましい深さは２ｍｍ未満であり、より好ましくは１ｍｍ未満であり、ある実施例では０．０１〜０．５ｍｍである。表面特徴部の好ましい横幅範囲は、マイクロチャンネル幅（ヘリンボン設計に於いて示す如き）をほぼ差し渡すに十分なものであるが、ある実施例（充填型表面特徴部の如く）では６０％あるいはそれ未満、ある実施例では４０％あるいはそれ未満、ある実施例ではマイクロチャンネル幅の約１０％〜約５０％である。好ましい実施例では、表面特徴部の少なくとも１つの角度が、マイクロチャンネル幅に関して１０°、好ましくは３０°あるいはそれ以上の角度を成すよう配向される（９０°は長さ方向と平行であり、０°は幅方向に平行である）。横方向幅はマイクロチャンネル幅と同一方向で測定する。表面特徴部の横方向幅は好ましくは０．０５ｍｍ〜１００ｃｍ、ある実施例では０．５ｍｍ〜５ｃｍ、ある実施例では１〜２ｃｍである。ある好ましい実施例では表面特徴部は直列する少なくとも３つの同一の表面特徴部を含む。表面特徴部の幾つかの例はＴｏｎｋｏｖｉｃｈ他の米国発行特許出願第２００７／００１７６３３に詳しく記載される。
【００３９】
表面特徴部の深さを使用してチャンネルを通しての混合及び圧力降下をコントロールできる。高流速流れ混合用にはより深い表面特徴部が必要となる。また、新規の負荷支持壁設計により、単一マイクロチャンネルで多数の表面特徴部を使用可能である。
負荷支持壁に埋設した表面特徴部の深さ範囲は、浅い（５〜５０ミクロン）、中間（５０〜２５０ミクロン）、あるいは深い（２５０ミクロン以上）のものであり得る。表面特徴部は単一深さを有し得、あるいはマイクロチャンネルの幅及びまたは長さ方向に沿って可変深さ（多数の明瞭な深さ又は徐々に変化する深さ）を有し得る。表面特徴部は、チャンネルコーナー部からオフセットさせる場合は、機械的強度又は一体性を損なうことなく負荷支持壁内に創出させ得る。５０ミクロンまでの浅い表面特徴部の場合、チャンネル幅部分の側部から３％あるいはそれ以上オフセットさせると、壁厚０．５ｍｍあるいはそれ以上の部分に任意の浅い表面特徴部を含ませ得る。同じ浅型の表面特徴部において、１０％オフセットさせると０．２５ｍｍあるいはそれ以上の壁厚部分に任意の浅型の表面特徴部を含ませ得る。中間範囲の表面特徴部（平均深さが２５０ミクロンまでの）は、シムのセンター部内に、あるいは各コーナー部から凡そ１０％オフセットさせた場合は最小厚０．５ｍｍの壁内に収受され得る。
【００４０】
ある実施例では表面特徴部の深さがチャンネルの幅方向に沿って変化し、シムのコーナー部からの全オフセット量が減少され得る。前記深さの減少変化は図２に示す如き最大厚の絶対％値に関して常にそれ未満又は等値とすべきである。例えば、コーナー部位置で最大厚の５０％の金属厚が必要なのは、チャンネルのエッジ部から凡そ９％離れるスパン長部分または幅部分である。
流れは各表面特徴部の内外を移動し、あるいは単に通過し、かくして分子が表面特徴部の窪みの内部あるいはその周囲に実質的に拡散される。流れは主チャンネル内で表面特徴部をその長手方向に貫いて、しかし平均流量に関して減少された流量下に移動し得る。表面特徴部は、触媒維持、マイクロチャンネル内における妨害流れの誘発、流れパターンの、層流から、レイノルズ数が従来からの２２００未満（ある実施例では２０００あるいはそれ未満）の遷移流への変更、吸収剤、蒸留構造、吸収構造、または相リジェクションまたは相コレクション構造、相変化構造、又はそれらの組み合わせ等の物質遷移剤の創出、のために用い得る。表面特徴部は、沸騰又は燃焼の開始又は安定化の支援に使用し得る。表面特徴部は、固体粒子又は生物学的薬剤の収集に使用し得る。
【００４１】
図４には相違するチャンネル内圧力下に、強度低下を招くことなく追加的なマイクロチャンネル容積を提供する設計の、３例のマイクロチャンネルの平行セットが示される。斜線部４２は構造材料を示す。エッジ部４４、４６は両マイクロチャンネル５０、５２の高さを横断する支持梁４８が存在するように整列される。各マイクロチャンネルはその幅の端部１０％の位置にエッジ部５４、５６を有する。マイクロチャンネルの幅部分５８、６０の中央の８０％部分は“中央”セクションあるいはマイクロチャンネルの中間部と称する。“センター部”とはマイクロチャンネルの幾何学的中心軸６２、６４を指すものとする。マイクロチャンネルの高さ６６、６８も示される。エッジ部セクションの高さは、マイクロチャンネルの中間部の少なくとも１つのポイント位置の高さ６８の少なくとも２０％（好ましくは少なくとも３０％）未満である。好ましい実施例ではマイクロチャンネルのセンター部６２の高さは、マイクロチャンネルの中間部の少なくとも１つのポイント位置の高さ６８の少なくとも５％（好ましくは少なくとも１０％）未満である。
【００４２】
好ましい実施例ではマイクロチャンネル内に表面特徴部７０が設けられる。１つ以上の表面特徴部７０、７２が存在し得る。各表面特徴部さはエッジ部位置のマイクロチャンネル中間部位置の高さの方が高いことが好ましい。ある好ましい実施例の表面特徴部は、マイクロチャンネル中間部位置の高さの方がセンター部位置のそれより高い。図にはＷ字型のマイクロチャンネル７４も例示される。
図５にはマイクロチャンネル装置の一部の断面が例示され、本発明のマイクロチャンネル８２、８４（チャンネルＡ）、８６（チャンネルＢ）が図の左側に示されている。マイクロチャンネル対はマイクロチャンネル８２及び８４または８４及び８６の何れかの対で例示され得る。当該設計では垂直の支持梁（垂直線８３で示す）と、水平な支持梁（水平線８５で示す）とが含まれる。ある好ましい実施例では垂直及びまたは水平の各支持梁は装置全体を横断する。
【００４３】
マイクロチャンネル装置・・・・一般的考慮事項：
本発明の装置は以下に説明する任意の表面特徴部を有し得る。マイクロチャンネルリアクターは、１ｃｍあるいはそれ未満、好ましくは２ｍｍあるいはそれ未満（ある実施例では約１．０ｍｍあるいはそれ未満）であり且つ１μｍ以上、及びある実施例では５０〜５００μｍであるところの少なくとも１つのディメンション（壁から壁までの、触媒を含めない）を有する少なくとも１つの反応チャンネルを有することで特徴付けられる。触媒反応チャンネルは、異種または同種であり得る触媒を含有するチャンネルを言う。同種触媒は反応物質と並流し得る。マイクロチャンネル装置は、触媒を保持する反応チャンネルが不要である点を除き、同様に特徴付けられる。マイクロチャンネルの間隙（または高さ）は約２ｍｍあるいはそれ未満であることが好ましく、１ｍｍあるいはそれ未満であることがより好ましい。反応チャンネルの長さは代表的にはもっと長く、好ましくは１ｃｍ以上、ある実施例では５０ｃｍ以上、好ましい実施例では２０ｃｍ以上、ある実施例では１〜１００ｃｍの範囲内のものである。マイクロチャンネルの各側部は反応チャンネル壁により画定される。各反応チャンネル壁はセラミック、鉄ベースの合金、例えばスチール、あるいはニッケル、炭素または鉄ベースの、モネル等のスーパアロイ等の硬質材料製であることが好ましい。反応チャンネル壁はプラスチック、ガラスあるいはその他の、銅、アルミニュームその他等の金属製としても良い。反応チャンネル壁は２つ以上の材料を熱接触させた複合材料製ともし得る。反応チャンネル壁用の材料は、リアクターの意図する反応に依存して選択され得る。ある実施例では反応チャンネル壁は、丈夫でしかも熱伝達性に優れるステンレススチールまたはインコネル（商標名）を含む。合金材は低硫黄性であり得、ある実施例では、当該合金材上にアルミニドコーティング等でコーティングを形成するに先立ち、脱硫処理を受ける。反応チャンネル壁は代表的には、マイクロチャンネル装置に対する一次構造支持を提供する材料から形成される。マイクロチャンネル装置は既知の方法により作製し得、ある実施例では、積層状にインターリーブしたプレート（“シム”としても知られる）により作製され、反応チャンネル用に設計したシムを熱交換用に設計したシムとインターリーブさせることが好ましい。あるマイクロチャンネル装置では、その内部に少なくとも１０層が積層され、各層は少なくとも１０のチャンネルを含み、あるマイクロチャンネル装置はチャンネル数がもっと少ないその他の層を含み得る。
【００４４】
マイクロチャンネル装置（マイクロチャンネルリアクター等の）はマイクロチャンネル（複数のマイクロチャンネル反応チャンネル等の）と、隣り合う複数の熱交換マイクロチャンネルとを含むことが好ましい。複数のマイクロチャンネルは、例えば、２、１０、１００、１０００あるいはそれ以上の、並列作動可能なチャンネルを含み得る。好ましい実施例において、各マイクロチャンネルは、例えば少なくとも３列の平坦なマイクロチャンネル列として構成される。ある好ましい実施例では多数のマイクロチャンネルの各入り口が共通ヘッダに連結され及びまたは多数のマイクロチャンネルの各出口が共通フッタに連結される。作動中、熱交換マイクロチャンネル（もしあれば）は流動する加熱及びまたは冷却用流体を収納する。本発明で使用し得る、当該形式の非限定例の既知のリアクターには、米国特許第６，２００，５３６及び６，２１９，９７３の各号に例示されるマイクロコンポーネントシートアーキテクチャ用例（例えば、マイクロチャンネルを含む積層体）がある。本発明の目的上、当該形式のリアクターアーキテクチャ使用による性能上の利益には、熱及び物質の移行量が比較的高いこと及び、爆発限界が実質的に無いことが含まれる。圧力降下量が小さくなるためスループットが高くなる。異種触媒をチャンネル内に固定可能なため分離の必要性が排除される。触媒は粒状固体、壁コーティング、エンジニアードストラクチャ、及びそれら構造の組み合わせ構成を有し得る。ある実施例では反応マイクロチャンネル（または複数のマイクロチャンネル）はバルク流路を格納する。“バルク流路”とは、反応チャンバ内の開放通路（連続バルク流れ領域）を意味するものとする。連続バルク流れ領域により、流体は圧力を大きく降下させること無く反応チャンバ内を急速に流動し得る。各反応チャンネル内のバルク流れ領域面積は５×１０-8〜１×１０-2ｍ2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。バルク流れ領域は、１）マイクロチャンネルの内容積の、または２）マイクロチャンネルの断面の、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも５０％、またある実施例では３０〜９９％である。
【００４５】
多くの好ましい実施例において、マイクロチャンネル装置は多数のマイクロチャンネル、好ましくは少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０の、装置に一体化した共通マニホルド（後付け管ではない）に連結した平行チャンネル群を収納し、前記共通マニホルドが、当該マニホルドに連結した各チャンネル通過流れをイコライズする傾向を有する単数あるいは複数の表面特徴部を含む。当該マニホルドの例は、２００３年１０月２７日付で提出された米国特許出願番号第１０／６９５，４００号に記載される。ここで、“平行”とは直線的であることを必ずしも意味せず、むしろ各チャンネルが相互に一致することを意味するものとする。ある好ましい実施例では、マイクロチャンネル装置は少なくとも３つの平行なマイクロチャンネル群を含み、各群におけるマイクロチャンネルは共通マニホルドに連結され（例えば、マイクロチャンネルの４つの群が４つのマニホルドに）、好ましくは各共通マニホルドが、マニホルドに連結した各マイクロチャンネルの通過流れをイコライズする傾向を有する単数あるいは複数の表面特徴部を含む。
熱交換流体が、プロセスチャンネル（反応マイクロチャンネル等の）に隣り合う熱移行マイクロチャンネルを通して流動し得、前記熱交換流体はガスまたは液体であり得、また蒸気、オイル、あるいは任意の既知の熱交換流体を含み得、本システムは熱交換機内に相変化を有するよう最適化され得る。ある好ましい実施例では多数の熱交換層が多数の反応マイクロチャンネルにインターリーブされ、少なくとも１０の反応マイクロチャンネルとインターリーブされ、また好ましくは、１０層の熱交換マイクロチャンネル列が少なくとも１０層の反応マイクロチャンネルにインターリーブされる。他の好ましい実施例では、反応マイクロチャンネルまたはその層に対する熱交換マイクロチャンネルまたはその層の比は、範囲０．１〜１において、また１〜１０の範囲において変動し得る。各層は単純直線的なマイクロチャンネルを収納し得、あるいは１つの層内の各マイクロチャンネルがより複雑なジオメトリを有し得る。好ましい実施例では単数あるいは複数の熱交換マイクロチャンネルの１つ以上の内壁が表面特徴部を有する。
【００４６】
マイクロチャンネル装置を商業スケールで製造する一般的方法論は、エッチング、スタンピング等の異なる方法でシムにマイクロチャンネルを形成するというものである。それら技術は視界に既知のものである。例えば、シムは相互に積層され、化学的接着、溶接等の異なる方法で連結され得る。連結後、装置は加工を要するまたは要しない。装置の表面特徴部は単数または複数のシートを貫いてスタンピングまたはカッティングすることで作製し得、あるいは別様にはまたは追加的には、シートを部分エッチングあるいは材料除去してこれら装置の表面特徴部を作製し得、カッティング及びエッチングを組み合わせて使用しても良い。部分エッチング適用例では、各流れチャンネル間に介在する壁と、温度差による差圧から各壁を支持し且つ高アスペクト比のマイクロチャンネル（幅対間隙比＞２）を好ましく創出するリブとを残して、チャンネルの深さ部分をシートから除去する。
【００４７】
ある実施例では本発明の装置（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し得る。ある好ましい実施例では触媒の表面が、流体流れがそこを貫くところのバルク流路の少なくとも１つの壁を画定する。異種触媒プロセスの間、反応物質成分がマイクロチャンネルを通して流れ、触媒と接触し得る。
ある実施例では各連結マイクロチャンネルの幅はその長さ方向に沿って実質的に一定であり、連結マイクロチャンネルセットの各マイクロチャンネルが実質的に一定幅を有し、ここで”実質的に一定”とは、流れが幅部分の変化によっては本来影響されないことを意味するものとする。これらの例ではマイクロチャンネルの幅は実質的に一定に維持される。“一定”とは、各製造ステップの許容差範囲内のものとして定義される。
【００４８】
マイクロチャンネル（表面特徴部付きのまたは無しの）は触媒または溶剤等のその他材料でコーティングし得る。触媒は、ゾルあるいはコロイド懸濁液からのウォッシュコーティング等の、視界に既知の技法を用いてマイクロチャンネルの内側に被着され得る。ＣＶＤまたは無電解メッキ等の技法を使用しても良い。ある実施例では水性塩注入法が好ましい。当該注入後、視界に既知の如く熱処理及び活性化ステップを実施する。その他コーティングには、触媒プレカーサ及びまたは触媒サポートを含むゾルまたはスラリベースの溶液も含まれる。コーティングには、無電解メッキあるいはその他の表面流体反応等の、壁への反応性被着法も含まれ得る。
【００４９】
本発明には、ここで説明する装置における化学反応及びその他の単位操作の実施方法が含まれる。本発明には、記載した構造を有するあらかじめ接合した及びまたはここで説明する方法により形成したアセンブリ及び積層した装置も含まれる。積層型装置は光学的及び電子顕微鏡的あるいはその他既知の技法により非積層的デバイスとは区別され得る。本発明には、ここで説明する装置内の化学処理（化学反応等の）の実施方法も含まれる。ある実施例では当該方法には、マニホルドを通して流体を流動させ、連結マイクロチャンネル内で単位操作を実施する各ステップが含まれる（仮にマニホルドがヘッダであれば流体は連結マイクロチャンネルに入る前に当該マニホルドを通過し、マニホルドがフッタであれば流体は連結マイクロチャンネル通過後に当該マニホルドに流入する）。ある好ましい実施例では本発明は非反応性の単位操作を含み、当該単位操作には、熱交換、混合、化学的分離、あるいはマイクロチャンネル内の固体形成プロセス、沈殿及び蒸発等の相変化単位操作、を含み、それらプロセスは一般に化学的プロセスと称され、広義には（この用途での）熱交換を含むが、好ましい実施例では熱交換のみならず、熱交換及びまたは混合以外の単位操作が含まれる。
【００５０】
本発明には、本発明の任意の装置または方法の１つ以上の単位操作の実施方法も含まれる。単位操作を実施するための動作条件はルーチン的実験を介して確認可能である。本発明の反応には、アセチル化、追加反応、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、アリル化、オートサーマル改質、カルボニル化、脱カルボニル化、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、還元カップリング、濃縮、熱分解、水素化分解、環化、環状オリゴマ化、脱ハロゲン化、脱水素、オキシ脱水素、二量化、エポキシ化、エステル化、交換、フィッシャートロプシ法、ハロゲン化、ハロゲン化水素添加、ホモロゲーション、水和化、脱水、水素添加、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化反応、水素化分解、ヒドロメタル化、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、脱メチル反応、複分解、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト反応、サバティエ反応、スルホン化、テロマー化、エステル交換、三量体形成、水性ガスシフト反応、が含まれる。上述した各反応に対する触媒及び条件は当業者には既知のものであり、本発明にはこれら触媒を用いる装置及び方法が含まれる。例えば、本発明にはアミノ化触媒を介するアミノ化法と、アミノ化触媒を格納する装置とが含まれる。かくして、本発明は上述した各反応に関し、個別に（例えば、水素分解）または群において（例えば、ハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化及びヒドロシリル化の各触媒を伴うハロゲン化水素添加、ヒドロメタル化及びヒドロシリル化）説明され得る。本発明の装置及び触媒を用いる各反応に関する好適なプロセス条件は、従来技術及びまたはルーチン実験の知見を介して認識され得る。本発明には、蒸気各反応の任意の１つまたは組み合わせが含まれる。１例を挙げれば、本発明は上述した設計上の各特徴部を１つ以上有する蒸気メタン改質反応用に設計したリアクターを提供する。
あるマイクロチャンネルまたは連結するマイクロチャンネルセットを通しての圧力降下は好ましくは５０００ｐｓｉ（３５０ｂａｌ）、より好ましくは５００ｐｓｉ（３５ｂａｌ）未満であり、ある実施例では０．１〜２００ｐｓｉ（０．００７〜１４ｂａｌ）である。
【００５１】
例１：熱交換機設計用の新規な応力坦持壁の用途
図６には、円滑壁に比較しての、表面特徴部及び圧力降下による熱移行係数の向上が要約される。当該データは米国特許出願番号２００７／００１７６３３号の図１３に示される装置を使用した試験により得られたものである。
３つのマイクロチャンネル熱交換機コアデザインが設計され、本発明の利益を評価するべく比較された。
ケース１：円滑なチャンネル壁を有するマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース２：表面特徴部を有するが本発明の負荷支持壁を用いないマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
ケース３：負荷支持壁を利用する表面特徴部を備えるマイクロチャンネル熱交換機コアデザイン
【００５２】
熱交換機コアが、プロセス流体と冷却材との間を向流熱交換した。
熱交換機コアがプロセス流体を〜７５℃から４０℃に冷却した。使用したプロセス流体の物理特性は以下の如くであった。
プロセス流体の比熱：４２００Ｊ／ｋｇ／Ｋ
プロセス流体の密度：１０００ｋｇ／ｍ3
プロセス流体の粘度：０．００１ｋｇ／ｍ−ｓ
プロセス流体は７５℃の温度下に毎分少なくとも５リッター流動した。５℃の水を冷却剤として使用した。操作圧は周囲圧（〜１４．７ｐｓｉｇ）であった。
図９には、上述した各ケースについての、断面において反復する単位ディメンションが示される。全ケースについて、反復するユニット数は４０であった。負荷支持壁の最大厚は０．０５０インチ（０．１２７ｃｍ）であり、表面特徴部の深さは０．０１インチ（０．０２５ｃｍ）であった。熱交換機の材料はステンレススチールＳＳ３０４Ｌであった。
【００５３】
図８の、ケース２及びケース３（表面特徴部付きの）に関する熱移行及び圧力降下向上を用いた。表２ではこれら各ケースに関する熱交換機コア容積及び圧力が比較される。
【００５４】
【表１】
新規な負荷支持壁が熱交換機コア容積を２５％減少させた。
【００５５】
例２：一体化した蒸気改質器における材料低減設計
一体型メタン蒸気改質（ＳＭＲ）リアクターに金属減少概念を使用する場合を想定する。このケースでは低圧燃焼側が高圧蒸気改質反応に直結される。これら２つのゾーン間の境界壁は装置の構造強度を提供する厚い壁である。金属減少概念を提供することにより、当該壁厚を薄くし得るために装置製造における使用金属量を低減させ得、かくしてコストが低下する。また、薄い壁により燃焼及び改質の各セクション間の熱移行が増長されるため、リアクターボックスからの生産性を高め得る。
【００５６】
本例の例示上、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを実行した。入り口断面が０．１０２ｃｍ（０．０４０インチ）×０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の反応マイクロチャンネルをモデルとした。反応物チャンネルはその端部位置においてＵターンされ、同じ０．１０２ｃｍ（０．０４０インチ）×０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の断面の生成物チャンネルとなって連続する。反応物チャンネルと生成物チャンネルとを分離する壁は厚さ０．０８９ｃｍ（０．０３５インチ）であった。反応物及び生成物の各チャンネルは、低圧燃焼側から高圧改質側を分離する０．２０３ｃｍ（０．０８０インチ）の厚壁で境界付けられた。壁圧は、これに限定しないが、壁の各側における差圧、許容応力、動作温度等を含む多数の因子により決定した。一体型メタン蒸気改質（ＳＭＲ）リアクターの場合、低圧燃焼側から高圧改質側を分離する０．２０３ｃｍ（０．０８０インチ）の厚壁を横断する差圧は約２９０ｐｓｉ（２ＭＰａ）であった。燃焼側は厚壁に沿った温度輪郭を付与することで模擬された。４１．９ｃｍ（１６．５インチ）及び５４．６ｃｍ（２１．５インチ）の異なる２つの長さのリアクターについて調査した。Ｕターン部の長さは０．２５４ｃｍ（０．１インチ）であり、１．２７ｃｍ（０．５インチ）厚の金属壁が、Ｕターン部を超えるシムの周囲部分を模擬された。各流れチャンネルの各側の０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）部分が、シムの外側周囲部分の０．０７６ｃｍ（０．０３インチ）部分を模擬した。この場合、壁厚の金属容積への貢献率は〜５０％である。
【００５７】
金属減少概念のオプションを、幅０．４０６ｃｍ（０．１６インチ）の入り口／出口チャンネルの各側において、チャンネル幅の〜１５％、即ち、０．０６１ｃｍ（０．０２４インチ）に全厚壁を残すことで実施した。金属減少セクションでは金属壁厚は全厚の〜７０％、即ち０．１４２ｃｍ（０．０５６インチ）に減少された。この金属減少概念の実施により、以下に例示する２つのケースに関する使用金属堆積は約〜１０．５％節約された。
【００５８】
図１０には壁の全厚及び減少厚が示される。図１１には温度プロファイルが示される。
反応物チャンネルの入り縁流量は９．８３３４×１０-4ｋｇ／ｓであった。入り口流れの成分は、（１０．９モル％ＣＯ2、２１．８モル％ＣＨ4、５８．８モル％Ｈ2Ｏ、３．８モル％Ｈ2、０．５モル％ＣＯ及び残余分としてのＮ2）であった。反応物流れは６５０℃の温度下に流入し、改質器は〜２９０ｐｓｉ（２ＭＰa）の圧力下に作動した。改質用触媒（Ｒｈ−Ｍｇ−Ａｌ2Ｏ3）が反応物チャンネル全体の壁と、Ｕターン部と、生成物チャンネルの最初の２１．６ｃｍ（８．５インチ）部分を除く全てに被着された。反応物及び生成物の各チャンネルは１つまたは多数の触媒保持性の特徴部を有し得る。メタン流れ改質（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）及び水ガスシフト（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ←→Ｈ2＋ＣＯ2）の各反応が改質器内で生じた。
燃焼サイドを模擬するべく付与した温度プロファイルを以下に要約する。実際は、当該温度プロファイルはＨ2、ＣＯ及びＣＨ4の燃焼をコントロールすることにより達成し得る。
数値流体力学（ＣＦＤ）によるシミュレーションを、ＦＬＵＥＮＴ（商標名）ソフトウェアを使用して実行した結果を以下に要約するに、リアクター構造（本発明に従う）における金属容積減少により創出される追加反応容積が性能向上を導くことが示される。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
金属減少壁のケースでは改質チャンネルに遷移する高い熱量がＣＨ4変換量を増大させる。この場合、新規の負荷支持壁が反応コア（金属）容積を〜１０．５％減少させる。
【００６１】
例２において、図１１に例示する温度プロファイルを伴う反応セクションを横断しての差圧〜２９０ｐｓｉ（２ＭＰa）に対し、〜１０．５％の金属容積が減少された。また、例１の熱交換機に関し、金属減少概念の適用により熱交換機の容積が〜２５％減少した。全体的に、本発明は、種々の単位操作（熱交換、反応、混合等の）を実施するマイクロチャンネル装置における金属必要量を少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、更に好ましくは少なくとも２５％、あるケースでは少なくとも５０％減少させるために使用可能である。
【００６２】
例３：曲げ応力の計算例
適宜の式あるいは有限要素分析等のコンピューターツールを用いて、斯界に既知の曲げ応力計算を実行し得る。図１０に示す設計に対してはチャンネル幅を横断する曲げモーメントは以下の如く計算する。
Ｍ＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）
ここで、Ｍは曲げモーメント（Ｎ／ｍ）、Ｗは単位長さ当たりの力（Ｎ／ｍ）、Ｌはチャンネルの全幅（ｍ）、ｘは被支持エッジ部からの距離（ｍ）である。
厚さｔ、及び単位長さ（長さ＝１．０ｍ：チャンネルの矩形断面と直交する方向）の矩形壁の場合、
Ｓbは曲げ応力、Ｐａ＝Ｍｃ／Ｉ、Ｍは曲げモーメント（Ｎ−ｍ）、ｃは壁の中心から壁の最も外側のファイバーまでの距離であって、矩形壁ではｃ＝ｔ／２（ｍ）、Ｉは矩形壁の慣性モーメント、ｍ4＝（１．０）ｔ3／１２、ｔ＝壁厚（ｍ）として、
Ｓb＝Ｗ／１２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（６／ｔ2）＝Ｗ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
である。
これらディメンションは図１２に例示される。
【００６３】
例：チャンネル幅Ｌ＝０．００５ｍ
ｘ＝０〜Ｌ（ｍ）までのチャンネル幅方向の距離
直線的な矩形壁例の壁厚、ｔ＝０．０００５ｍ
ステップ状の矩形壁例の壁厚、ｘ＝０〜ｘ＝ｘ1及びｘ＝ｘ2〜ｘ＝Ｌ、ｔ1＝０．００５ｍ
ステップ状の矩形壁例の壁厚、ｘ＝ｘ1〜ｘ＝ｘ2、ｔ2＝０．０００３８１ｍ
ｘ1＝０．００１２５ｍ
ｘ1＝０．００３７５ｍ
差圧負荷は壁上において一様であり、Ｐ＝２，５００，０００Ｐａ
単位深さを有し、一様の圧力Ｐ、Ｐａを負荷した矩形梁の場合、
Ｗ＝Ｐ（１．０ｍ）＝Ｐ
Ｓb＝Ｐ／２（６Ｌｘ−Ｌ2−６ｘ2）（１／ｔ2）
【００６４】
壁の各側における張力（＋）及び圧縮（−）応力の大きさが等しいため、曲げ応力を算出し、応力の絶対値と比較する。
直線状及びステップ状の両壁の最大応力値は、ｘ＝０及びｘ＝Ｌの場合の１２５，０００，０００Ｐａである。
ｘ1〜ｘ2での応力はｘ＝Ｌ／２で最高となり、直線状の壁の場合のＳb＝６２，５００，０００Ｐａであり、
ｘ1〜ｘ2での応力はｘ＝Ｌ／２で最高となり、ステップ状の壁の場合のＳb＝１０７，６３９，１０４Ｐａであり、
これは本発明の使用を反映するものである。
ステップ状の壁におけるｘ＝Ｌ／２の応力の方が大きいが、当該値は尚、ｘ＝０及びｘ＝Ｌの場合の最大値１２５，０００，０００Ｐａより低い。図１３を参照されたい。
【符号の説明】
【００６５】
４２ 斜線部
４４ エッジ部
４８ 支持梁
５４ エッジ部
５８ 幅部分
６２ センター部
７０ 表面特徴部
７４ マイクロチャンネル
８２ マイクロチャンネル
８３ 垂直線
８５ 水平線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
第１層が第２層に隣り合い、
複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに平行状態で隣り合い、
第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上で当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
第１及び第２の各マイクロチャンネルが同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルがその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
前記マイクロチャンネル対の第１及び第２の各マイクロチャンネルがマイクロチャンネル壁により分離され、
該マイクロチャンネル壁が第２マイクロチャンネルと同延であり、かくして前記各マイクロチャンネル対の当該マイクロチャンネル壁の幅が第２マイクロチャンネルと同一幅を有するものとして画定され、
前記マイクロチャンネル壁のセンター部分の平均厚が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部のそれ未満であり、
マイクロチャンネル装置が以下の特徴、即ち、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、またはマイクロチャンネル壁のセンター部がその両主表面上で窪み付けされ、またはマイクロチャンネル壁の幅部分の中央２０％の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上であり、または、マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも２ｃｍの長さにおける断面が一定である各特徴の１つ以上を含む積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力は当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の５０〜９０％の間であり、装置が以下の構成、即ち、
マイクロチャンネル壁のセンター部が両主表面上で窪み付けされた構成、
マイクロチャンネル壁の幅部分の中央２０％の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上である構成、または、
マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも２ｃｍの長さにおける断面が一定である構成、
の１つ以上を有する請求項１に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項３】
各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、少なくとも一方の側面側の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項１及び２の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項４】
第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の６０〜９０％の間である請求項１〜３の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項５】
各第２マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、
第２マイクロチャンネルが表面特徴部及び毛管性特徴部も含まない請求項１〜４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項６】
各第２マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、各第２マイクロ幅のチャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する請求項１〜４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項７】
第２マイクロチャンネルの高さが不連続的に変化する請求項１〜５の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項８】
第１流体が第１圧力下に第１マイクロチャンネル内に存在し、第２流体が第２圧力下に第２マイクロチャンネル内に存在し、前記第１圧力及び第２圧力が異なる請求項１〜７の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の装置における差圧プロセスの操作方法であって、
複数の第１マイクロチャンネル内に第１流体を第１圧力下に流動させること、
複数の第２マイクロチャンネル内に第２流体を第２圧力下に流動させること、
を含み、
前記第１及び第２の各圧力が相違し、前記複数の第２の各マイクロチャンネルを通過する際に何れかの流体について単位操作を実施する方法。
【請求項１０】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
前記第１層が第２層に隣り合い、
前記複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、（当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で）構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も一定ではなく、
第２マイクロチャンネルは表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１１】
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのチャンネル幅の中央５０％のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い請求項１０に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１２】
各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項１０及び１１の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１３】
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する請求項１０〜１２の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１４】
確率分布関数上の任意のある高さモードの寄与率が、該当チャンネル内の全高さモードの９５％を超えない請求項１０〜１３の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１５】
第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の６０〜９０％の間である請求項１０〜１４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１６】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
前記第１層が第２層に隣り合い、
前記複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、（当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で）構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も一定ではなく、
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも３つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも３つの特異高さを含む）を有する積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１７】
前記各第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない請求項１６に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１８】
前記各第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含む請求項１７に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１９】
前記センター部が第２マイクロチャンネルの幅の２５〜７５％の間の範囲である請求項１６〜１８の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項２０】
請求項１、１０、１６の何れかに記載の構造を形成するよう積層したシートを含む前接着型構造。
【請求項１】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
第１層が第２層に隣り合い、
複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに平行状態で隣り合い、
第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上で当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
第１及び第２の各マイクロチャンネルが同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルがその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
前記マイクロチャンネル対の第１及び第２の各マイクロチャンネルがマイクロチャンネル壁により分離され、
該マイクロチャンネル壁が第２マイクロチャンネルと同延であり、かくして前記各マイクロチャンネル対の当該マイクロチャンネル壁の幅が第２マイクロチャンネルと同一幅を有するものとして画定され、
前記マイクロチャンネル壁のセンター部分の平均厚が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部のそれ未満であり、
マイクロチャンネル装置が以下の特徴、即ち、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、またはマイクロチャンネル壁のセンター部がその両主表面上で窪み付けされ、またはマイクロチャンネル壁の幅部分の中央２０％の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上であり、または、マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも２ｃｍの長さにおける断面が一定である各特徴の１つ以上を含む積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力は当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の５０〜９０％の間であり、装置が以下の構成、即ち、
マイクロチャンネル壁のセンター部が両主表面上で窪み付けされた構成、
マイクロチャンネル壁の幅部分の中央２０％の全ポイント位置の厚さが当該マイクロチャンネル壁のセンター部のその他ポイント位置の厚さ以上である構成、または、
マイクロチャンネル壁のセンター部が当該マイクロチャンネル壁のエッジ部より薄い部分において、マイクロチャンネル対の一方又は両方のマイクロチャンネルの少なくとも２ｃｍの長さにおける断面が一定である構成、
の１つ以上を有する請求項１に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項３】
各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、少なくとも一方の側面側の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項１及び２の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項４】
第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の６０〜９０％の間である請求項１〜３の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項５】
各第２マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、
第２マイクロチャンネルが表面特徴部及び毛管性特徴部も含まない請求項１〜４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項６】
各第２マイクロチャンネルのエッジ部の全ポイント位置における高さが、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）が、各第２マイクロ幅のチャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も非一定であり、
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する請求項１〜４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項７】
第２マイクロチャンネルの高さが不連続的に変化する請求項１〜５の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項８】
第１流体が第１圧力下に第１マイクロチャンネル内に存在し、第２流体が第２圧力下に第２マイクロチャンネル内に存在し、前記第１圧力及び第２圧力が異なる請求項１〜７の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の装置における差圧プロセスの操作方法であって、
複数の第１マイクロチャンネル内に第１流体を第１圧力下に流動させること、
複数の第２マイクロチャンネル内に第２流体を第２圧力下に流動させること、
を含み、
前記第１及び第２の各圧力が相違し、前記複数の第２の各マイクロチャンネルを通過する際に何れかの流体について単位操作を実施する方法。
【請求項１０】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
前記第１層が第２層に隣り合い、
前記複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、（当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で）構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も一定ではなく、
第２マイクロチャンネルは表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１１】
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのチャンネル幅の中央５０％のポイント位置の高さより少なくとも２０％低い請求項１０に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１２】
各第１マイクロチャンネルが各第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を構成し、当該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルが水平軸上で同一位置を取り、かくして、マイクロチャンネル対の各エッジ位置の少なくとも一方の側部の構造材が、支持材料から成る垂直方向ピラーを形成する請求項１０及び１１の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１３】
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（所定チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも２つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも２つの特異高さを含む）を有する請求項１０〜１２の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１４】
確率分布関数上の任意のある高さモードの寄与率が、該当チャンネル内の全高さモードの９５％を超えない請求項１０〜１３の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１５】
第１及び第２の各マイクロチャンネルが異なる圧力下に加圧された場合のマイクロチャンネル壁のセンター部における最大曲げ応力が、当該マイクロチャンネル壁のエッジ部位値の最大曲げ応力の６０〜９０％の間である請求項１０〜１４の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１６】
積層型マイクロチャンネル装置であって、
複数の第１マイクロチャンネルを含む第１層、
複数の第２マイクロチャンネルを含む第２層、
を含み、
前記第１層が第２層に隣り合い、
前記複数の第１マイクロチャンネルが複数の第２マイクロチャンネルに隣り合い且つ平行であり、
前記第１マイクロチャンネルの少なくとも１つが第２マイクロチャンネルと整列してマイクロチャンネル対を形成し、該マイクロチャンネル対の各マイクロチャンネルは、各マイクロチャンネルの少なくとも一方の側面上において、（当該マイクロチャンネルの長さ方向と直交する方向で）構造材を貫く直線を引ける如く整列し、
前記第１及び第２の各マイクロチャンネルは同一方向に伸延する平行長さを有し、各マイクロチャンネルはその幅方向に沿った各端部位置に１つのマイクロチャンネルエッジ部を有し、
各第２マイクロチャンネルのマイクロチャンネルエッジ部の全ポイント位置の高さは、当該第２マイクロチャンネルのセンター部（チャンネル幅の中央８０％）のポイント位置の高さより少なくとも２０％低く、
各第２マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第１導関数（幅の関数として表す）は全チャンネル幅の横断方向において非一定であって少なくとも１回変化し、各マイクロチャンネルの幅方向に沿った高さの第２導関数も一定ではなく、
各第２マイクロチャンネル（高くなる順に並べた）の高さの確率分布関数（該当チャンネルの高さの相違の発生確率の関数）が非単調的であり且つ、高さ分布関数が、少なくとも３つの異なるモードを含む多モード分布（即ち、チャンネル内に少なくとも３つの特異高さを含む）を有する積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１７】
前記各第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含まず、毛管性表面特徴部も含まない請求項１６に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１８】
前記各第２マイクロチャンネルが表面特徴部を含む請求項１７に記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項１９】
前記センター部が第２マイクロチャンネルの幅の２５〜７５％の間の範囲である請求項１６〜１８の何れかに記載の積層型マイクロチャンネル装置。
【請求項２０】
請求項１、１０、１６の何れかに記載の構造を形成するよう積層したシートを含む前接着型構造。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図３−４】
【図３−５】
【図３−６】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図３−４】
【図３−５】
【図３−６】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【公表番号】特表２０１３−５１４８７８（Ｐ２０１３−５１４８７８Ａ）
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４４９５１（Ｐ２０１２−５４４９５１）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１３９５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７５７４６
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５０４４５５２４１）ヴェロシス インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１３９５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７５７４６
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５０４４５５２４１）ヴェロシス インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
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