流体処理装置及びその方法
【解決手段】 直交流構成の、第１（１７１）及び第２（１５２）の交互に配された流路（１７１）を有する流体処理ユニット（１１０）が開示されている。第１流路（１７１）は、第２流路（１５２）より相当に長く、第２流路内の圧力低下を比較的低いレベルに維持し、第２流路に亘る温度変化を低減できるようになっている。１つ又は複数の流路は、マイクロチャネルとしてもよい。蒸発器及び／又は過熱器として用いる場合、長い方の第１流路（１７１）は、上流の液体流れ部分（１７２）と、断面積の拡大した下流の蒸気流れ部分（１７６）とを含んでいる。１つ又は複数の曲がりくねった流れチャネル（１７２ａ）を使って、上流の液体流れ部分に亘って、相当な圧力低下が維持される。ユニットは、長さ又は高さより相当に小さな幅を有する薄いパネルであり、他の薄い金属シートと共に、薄い金属シートが接合されたスタックとして製造される。個々のユニットは、接合後に、スタックから切り分けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体処理ユニット及びその製造方法に関する。より具体的には、限定するものではないが、本発明は、圧力低下の小さいマイクロチャネル熱交換器、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国政府の支援の下、米国エネルギー省承認の契約第ＤＥ−ＡＣ０６−７６ＲＬＯ１８３０号に基づいて成されたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を留保する。
【０００３】
二、三例を挙げると、軍用、自動車及び遠隔地での使用を含む様々な用途に対して、軽量で小型の流体処理ユニットが開発されてきた。しかし、そのようなユニットの運転及び
／又は製作の費用には制限の課されることも多い。特に、気体側の圧力低下を低く抑えて熱伝達を行えるマイクロチャネル流体処理システムが必要とされている。熱を効率的に、小型パッケージで伝達できる装置も必要とされている。装置内で相転移を行う流体の流れを高い信頼性で制御できる装置も必要とされている。経費効率に優れた方法で製造できる流体処理システムも必要とされている。具体的な幾つかの実施形態において、本発明は上記及びその他の要求を満たしている。
【０００４】
なお本出願は、２００１年６月６日付の米国仮特許出願第６０／２９６，２９５号、及び２００２年３月１１日付の米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号の恩典を請求し、同号の開示を、参考文献としてここに援用する。
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／２９６，２９５号
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号
【特許文献１】米国特許第６，１９２，５９６号
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の原理をよく理解頂くために、以下、添付図面に示す実施形態に言及し、説明に際しては規定された用語を使用する。但し、これによって本発明の範囲に限定を加える意図は無い旨理解頂きたい。本発明に関係する分野の当業者であれば、図示の実施形態に更に修正や変更を加え、ここに説明する本発明の原理を更に適用することは、容易に思慮できるものと考えられる。
【０００６】
図１Ａ−１Ｃに、本発明の実施形態による熱交換器アッセンブリ１００を示す。交換器アッセンブリ１００は、２つの流体ストリームの間で熱を伝達するよう構成されている。具体的には、アッセンブリ１００は、熱を気体ストリームから液体ストリームへ伝達し、蒸発器と呼ばれる熱交換器要素を使って液体ストリームを蒸発させる。更に具体的には、この代表的な実施形態では、高温の気体ストリームは燃焼ガスを含んでおり、液体ストリームは水を含んでいる。
【０００７】
交換器１００は、注入気体ヘッダー１２０に気体を供給する少なくとも１つの燃焼側気体注入口１０２と、少なくとも１つの気体排出口１０４に気体を供給する気体排出ヘッダー１２２を含んでいる。燃焼側ヘッダー１２０及び１２２は、燃焼ガスが、蒸発器１１０を通過して送られるよう構成されており、蒸発器１１０に入る前に気体側の速度分布を平準化するため拡散器要素即ちスクリーン（図示せず）を設けていてもよい。ヘッダー１２０及び１２２は、蒸発器の周囲１１６に接合されており、燃焼ガスを、略均一に蒸発器１１０の注入面１１２に送り、排出面１１４から出すように構成されている。それにより、流体が水注入口１０６から蒸発器１１０を通って蒸気排出口１０８から出る際に、熱が、燃焼ガスから蒸発器１１０内の水及び／又は蒸気へ伝達される。
【０００８】
図２に、蒸発器１１０の更に具体的な構造を示す。蒸発器１１０は、マイクロチャネル流体処理ユニットを形成する薄いシート即ちシムのスタックとして形成されている。シム１５０は、積み重ねられた対として配置され、シム１７０が、相対するシム１５０の対の間に交互に積み重ねられている。積み重ねられたシム１５０と１７０の配列は、蒸気側注入口及び排出口（１０６、１０８）と、気体側ヘッダー（１２０、１２２）への取付点を形成する端部キャップ１３０と１３２との間に保持されている。以下に詳細に説明するように、シム１５０のへこみ領域は、面１１４を貫通して伸張し燃焼ガスが蒸発器１１０を通過できるようにする複数の燃焼ガスマイクロチャネル１５２（図３Ａ参照）を形成している。シム１７０は、シム１５０の対の間に間隔を空けて配置されており、長さＬに亘って、面１１４に略平行な方向に水及び蒸気を運ぶ水及び蒸気のマイクロチャネル１７２及び１７６を備えている（図３Ｂ参照）。
【０００９】
本明細書では、マイクロチャネルは、約１０００マイクロメータより小さく、２５０マイクロメータより小さいことも多い（深さのような）少なくとも１つの寸法を有する流体流路を指す。マイクロチャネルの（長さや幅のような）残りの寸法は、どのような値でもよいが、幅は、通常、約２５０から約６０００マイクロメータの範囲にある。マイクロチャネルの流れの長さは、マイクロチャネル流れ長さと呼ばれる。
【００１０】
図３Ａ及び３Ｂに示すように、シム１５０は、略長方形の薄い部片（例えば、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）、長さ１１．４３ｃｍ（４．５インチ）、厚さ０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ））であり、両端部近くに、水ヘッダー穴１５６と蒸気ヘッダー穴１５８を備えている。穴１５６と１５８は、水と蒸気分配器を収容し、蒸発器１１０を通して均一な大きさになっている。シム１７０には、合わせ穴１５６、１５８も設けられている。別の構成では、注入口１０６及び排出口１０８からの距離が増すにつれて、シム１５０及び１７０の穴１５６及び１５８が徐々に小さくなっている。寸法低減は、シムスタックの穴１５６及び１５８の整列によって形成されているヘッダー内の速度変化に関係する圧力変動を減らすように選択することができる。
【００１１】
図３Ａの斜線領域で示すように、へこみ部分は、シム１５０の穴１５６と１５８の間に設けられている。これらのへこみ部分は、例えば深さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）である。蒸発器１１０では、シム１５０のこれらのへこみ領域のそれぞれが、シムの幅Ｗに亘る蒸発マイクロチャネル１５２の３つの側面の少なくとも一部を形成している。複数の異なるへこみ領域で示すように、燃焼ガスを運ぶようになっている複数の平行なマイクロチャネル１５２がある。図示の実施形態では、マイクロチャネル１５２は、穴１５６と１５８の中心を繋ぐ線に略垂直に向いている。別の実施形態では、マイクロチャネル１５２は、この線に対する垂線（９０度）から約６０度の範囲内にある。各マイクロチャネル１５２は、チャネル１５２への出入り口で先細になっている細い非へこみサポート部分１５４で分離されている。サポート１５４の幅は、へこみ部分の深さ（略０．０２５ｃｍ（０．０１インチ））とほぼ等しい。サポートは、製造及び使用の間に受ける荷重を支え合えるだけの距離、互いに離して配置されている。以下に説明するように、積み重ねられたシムを貼り合わせるために拡散接合法を採用している場合、蒸気が燃焼ガス内に漏れるのを防ぐために、サポートは、シム１７０とシム１５０の裏面との間に良好な拡散接合が行われるほど十分に近接して配置されている。満足できるように機能すると判定された間隔は、約０．０２３ｃｍ（０．０９０インチ）である。
【００１２】
シム１７０も、略長方形の薄い部片であり、水穴及び蒸気穴１５６、１５８を備えている。シム１７０は、更に、穴１５６と１５８との間に伸びるへこんだ蒸気及び水チャネル１７１を備えている。水部分１７２は、オリフィス１７４を介して蒸気部分１７６と連通している。オリフィス１７４は、シムが作られた後で追加される非常に小さなレーザー加工のへこみ領域であってもよい。以下に更に論じるように、チャネル１７１の水部分１７２には、オリフィス１７４に加えて、或いはその代わりに、例えば蛇行チャネル構造のような細長い流路を設けてもよい。蒸気部分１７６は、液体に比べて体積が膨張した蒸気を収容するため、例えば約１５−２０倍ほど、水部分１７２より相当幅広くなっている。蒸気部分１７６は、更に、蒸気マイクロチャネルの長さに亘って伸びるサポートリブ１７８を含んでおり、蒸気排出穴１５８付近には追加サポート１８０が設けられている。シム１７０の寸法は、シム１５０と同じでも異なっていてもよいが、或る好適実施形態では、シム１７０は、長さと幅がシム１５０と同じで、シム１５０より僅かに薄い（例えば、厚さが僅か０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、へこみ部分は０．０１３ｃｍ（０．００５インチ）へこんでいる）。
【００１３】
シム１５０と１７０の下側は、両方共、図３Ｃに示すように実質的に平坦である。上記のように、蒸発器１１０を形成する際、一対のシム１５０は、マイクロチャネル１５２と
サポート１５４が整列するように向かい合わせに配置され、１つの拡大チャネルを形成しており、対になったシム１５０とシム１７０とが交互になっている。使用時、マイクロチャネル１５２を流れる高温の流体は、熱を、マイクロチャネル１５２の床１５１（又は天井）を通して、シム１７０へ伝達する。この熱伝達は、シムの面及びマイクロチャネル１５２内の流体の流れの方向に略垂直に起こる。つまり、直接気体からチャネル１５２の床１５１（又は天井）を通過し、蒸気部分１７６までの熱伝導経路が存在する。或る実施形態では、この熱伝導経路は、一次熱伝導経路と考えることができ、シム１７０の蒸気部分１７６と重なる床１５１（又は天井）の部分によって画定される。
【００１４】
或る態様では、１つ又は複数の追加の熱伝達経路も存在している。この追加経路には、シム１７０の外周部１８２と、蒸気チャネル部分１７６の注入及び排出両側の外周部１８２と重なっているチャネルの床１５１の部分が含まれる。熱は、チャネル１５２を流れる気体から、床１５１（又は天井）を通り、外周部１８２の材料１８２へ伝達される。次いで、熱は外周部１８２からチャネル１７１内の流体へ伝達される。二次熱伝導経路と考えることのできるこの熱伝達経路では、外周部１８２が熱伝達フィンと同じ様に作用して、燃焼ガス側の有効熱伝達面積を増やし、熱をチャネル１７１の流体内に伝導する。このフィンは、シム１７０の外周部１８２と、外周部１８２と接触しているシム１５０の床１５１の該当部分とによって形成されると理解される。このフィンは、略平坦で、一次熱伝達面（上記の、部分１７６と重なっている床１５１）から、マイクロチャネル１５２内の流体の流れの方向と略平行な方向に伸張している。外周部１８２の幅として定義されるこのフィンの長さは、蒸気即ち水蒸気マイクロチャネル１７６の最小寸法より大きいか又は相当に大きく、例えば最小マイクロチャネル寸法の少なくとも２、５又は１０倍である。或る態様では、このフィンは、水蒸気マイクロチャネル１７６の２番目に小さい寸法（幅）程度である。或る実施形態では、蒸気チャネル部分１７６は幅約０．７６ｃｍ（０．３インチ）で、外周部１８２は、幅約０．２５ｃｍ（０．１インチ）であり、シム１７０の残り部分と同じ厚さである。
【００１５】
上記一次及び二次熱伝導経路の両方が在る場合、マイクロチャネル１５２を通過する流体（例えば高温燃焼ガス）は、第１伸張面上を通り、次に一次熱伝達面上を、次いで第２伸張面上を通る。以下に更に詳細に説明するが、蒸発器１１０は、薄いシート又はシムのスタックとして形成されており、一次及び二次熱伝達面は、それぞれ平坦である。別の実施形態では、一次及び二次熱伝達面は、それぞれ粗くても湾曲していてもよい。図示の実施形態では、各伸張面(二次熱伝達面)は、一次熱伝達面に平行である。別の実施形態では、熱伝達面は、互いの相対角度が、平行（１８０度）から数度以内、例えば平行から４５度内以内、３０度以内、又は１０度以内に配位されていてもよい。
【００１６】
総熱伝達面積（伸張面と一次熱伝達面の合計）に対する伸張面の形成する熱伝達面積の割合は、どの様な値でもよい。代表的な値は約１０％から約７５％で、例えば、総熱伝達面積の３０％から５０％が伸張面で形成される。満足できる値は約３３％である。
【００１７】
１つ又は複数のマイクロチャネル１７１又は１５２は、随意的に大規模流路でもよい。流路は、例えば約１ｃｍ未満又は約１ｍｍ未満の最小寸法を有する小さい寸法であるのが望ましい。或る態様では、流路の少なくとも１つ（例えば１７１又は１５２）の最小寸法は、その流路内の流れのレイノルズ数が、約３０００未満、例えば２０００未満、１０００未満、５００未満となるように選択される。レイノルズ数（Ｒｅ）は、流れている流体の粘性力に対する慣性力の割合に比例しており、通常、Ｒｅ＝Ｄ・ｖ・ｒｈｏ／ｍｕで定義され、ここにＤは流路の特性長であり、ｖは流れの速度であり、ｒｈｏは流体の密度であり、ｍｕは流体の粘性である。本明細書では、特性長Ｄは水力直径であり、通常、水力直径は、流れの断面積の４倍を濡れ縁で除したもので定義される。満杯の長方形パイプ又は管では、水力直径は２ａｂ／（ａ＋ｂ）に等しく、ここにａ及びｂは、長方形の各辺で
ある。水力直径に基づくレイノルズ数が約３０００未満の流れは、通常は層流であるが、流れチャネルへの入口における背景乱流の量に依っては、１０，０００を超えるレイノルズ数で層流を持続することができる。別の態様では、流路（１７１又は１５２）の寸法は、層流が、蒸発チャネルの液体流れ部分の相当部分及び気体側流路の相当部分のような異なる両方の流路の少なくとも一部分で発生するように選択される。相転移（蒸発）がある場合は、多重相の流れがあり、それは通常は層流と特徴付けられることはない。この多重相の流れは、蒸発流路の拡張された蒸気流部分の入口付近で発生することが多い。
【００１８】
別の様態では、シム１５０の幅Ｗ、具体的には蒸気側マイクロチャネル１５２の長さは、水／蒸気のマイクロチャネルの長さＬより遙かに短い。この態様では、蒸気側の圧力低下を低レベルに維持することができる。例えば、幅Ｗは、長さＬの約４０％未満、約２５％未満、又は約１２．５％未満に維持することができる。すなわち、蒸気側マイクロチャンネル１５２の長さは、穴１０６と穴１０８の間の距離の約２／５以下、約１／４以下、又は約１／８以下に維持することができる。或いは、水／蒸気マイクロチャンネルの長さは、蒸気側マイクロチャンネル１５２のマイクロチャンネル流れ長さの少なくとも２．５倍、少なくとも４倍、又は少なくとも８倍とすることができる。マイクロチャネル１５２の流路の距離は、蒸気部分１７６の長さよりも相当短く維持するのが望ましい。
【００１９】
上記のように燃焼ガスマイクロチャネル（１５２）が比較的短い場合、熱伝達密度を犠牲にすることなく、蒸気側圧力低下を低レベルに維持することができる。例えば、雰囲気（局所大気）圧近くで作動させる場合、約２５．４ｃｍ（１０インチ）水柱以下の圧力で効率的に作動させることができる。別の例では、周囲圧力において、絶対圧力低下が約１２．７ｃｍ（５インチ）水柱未満で、望ましくは約６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱未満で、更に望ましくは約２．５４ｃｍ（１インチ）水柱未満での作動でも、なお有用な熱伝達密度及び／又は効率を満足できる状態で提供することができる。周囲圧力近くでの作動の例には、燃焼ガス排出口が、直接に、或いは或る程度下流で処理した後に、流体を大気に向かって放出するシステムでの作動が含まれている。そのようなシステム内の蒸発器１１０での圧力低下は、ファン又はブロアーによってもたらされる。
【００２０】
加圧された環境での作動についても考慮しており、装置を通しての絶対圧力低下は、絶対圧力の関数になると理解頂きたい。理想気体が完全な層流状態にあると近似すれば、気体側の絶対圧力低下は、概略、気体の絶対圧力に逆比例する。従って、蒸発器１１０を、約１気圧で２５．４ｃｍ（１０インチ）水柱の圧力低下で或る効率で作動させる場合、約２気圧まで加圧されたシステム内では、約１２．７ｃｍ（５インチ）水柱の圧力低下で同様の性能を達成することができる。この様に、或る態様では、本装置は、パネルに亘る絶対圧力低下をセンチメートル水柱で測定して、大気中で測定される絶対圧力（注入口面で測定される）の逆数の約２５．４倍未満で作動する（ｄＰ＜２５．４／Ｐａｂｓ）。マイクロチャネル１５２に亘る圧力低下の絶対値は、マイクロチャネル１５２の長さに略比例するので、幅Ｗを、約５．０８ｃｍ（２インチ）未満か、約３．８１ｃｍ（１．５インチ）未満か、又は約０．７６ｃｍ（０．３インチ）と約２．５４ｃｍ（１インチ）の間に有用に維持することができる。
【００２１】
別の態様では、蒸発器１１０は、気体の流れを受け入れるために、面１１２及び１１４に比較的大きな断面積を有しており、面１１２、１１４は、蒸発器の、燃焼ガスが通過する部分を包含している。例えば、面１１２及び１１４は、長さ及び／又は幅が、蒸発器１１０の厚さＴの数倍、例えば５−１０倍以上大きいの方形又は長方形であってもよい。面１１２又は１１４の長さと幅は、随意的に互いの約５０％以内であってもよい。図示の実施形態では、蒸発器の厚さＴは、個々のシム１５０、１７０の幅Ｗと同じである。
【００２２】
別の態様では、蒸発器１１０の長さＬは、介在しているマイクロチャネルの高さより大
きい。図示の実施形態では、介在するマイクロチャネルの高さは、図２に示すようにシムスタックの高さＨであり、面１１２、１１４の寸法の１つである。この態様では、蒸発器１１０は、長さ方向（Ｌ）に細長く、液体注入口１０６と蒸気排出口１０８との間の物理的間隔が長くなっている。この態様では、高さＨに対する長さＬの割合Ｌ／Ｈは、１より相当に大きく、例えば１．５、２、２．５、３又はそれ以上である。蒸発器１１０の厚さＴを一定とすれば、長さ対高さの割合（Ｌ／Ｈ）が増すにつれ、長手方向の熱伝導（長さＬ方向）に利用できる断面積（ＨｘＴ）が減少する。或る態様では、長手方向の熱伝導に利用できる断面積は、液体が、蒸発チャネル１７６に達する前に、液体チャネル１７２、１７２ａ内で早過ぎる蒸発を起こさないように選択される。
【００２３】
個々のシムは、システムの作動状況に適合していれば、どの様な材料で作ってもよい。一般的には、温度及び／又は圧力が上がると、金属、例えば銅、ステンレス鋼又はインコネルのような高ニッケル合金を使用する必要がある。金属の場合、シムの切断又はへこみ形成方法には、光化学エッチングが適している。このパターン化工程は、表面にバリをつけることなく、非常に複雑なパターンを有するシムを作る能力を持っている。特定の用途又は大量生産でシムを作るのには、レーザー加工、電気化学加工又はスタンピングのような他のパターン化工程を用いることもできる。
【００２４】
積み重ねられたシム１５０、１７０を挟み、流体を相互接続させるのに用いられている端部ブロック即ち端部キャップ１３０、１３２は、部片毎ベースで機械加工されており、加工工程は、積み重ね装置を大量に製造するために自動化することができる。アッセンブリ前に、パターン化工程からの残留フォトレジスト及びその他の有機汚染物質を取り除くため、パターン化されたシムは、洗浄、望ましくは蒸気脱脂される。更に、シム１５０、１７０の一方又は両方は、例えば、ベネット他に発行の米国特許第６，１９２，５９６号に記載されている一連の積み重ねプレートとして形成することができ、同特許を、参考文献としてここに援用する。
【００２５】
積み重ねたシム／端部ブロックアッセンブリを、金属製の単一の固体部片に接合するのは、減圧下で、高温／高圧拡散接合工程で行うことができる。積み重ねられたシムのアッセンブリを、事前酸化済みの高温合金クランプ装置内に配置して、整列及び側面支持を行う。次に、真空熱圧で接合を行う。合金端部プレート（モリブデン合金のような）及びラム拡張部を使って、熱圧ラムから積み重ねられたサブアッセンブリへ圧力を伝える。ステンレス鋼の場合、接合条件は、摂氏９２０度で、２８０ｋｇ／ｃｍ２（１平方インチ当たり４０００ポンド）の荷重を４時間加えることである。勿論、当業者には理解頂けるように、拡散接合は、時間、圧力及び温度可変の工程なので、様々な条件の下で行うことができる。例えば、別の条件では、温度を摂氏９５０度まで上げ、２１０ｋｇ／ｃｍ２（３０００ｐｓｉ）まで上げた圧力を８時間加える。
【００２６】
別の拡散接合工程では、外部ラムを使用しない。ラム無し工程は、サブアッセンブリ材料とクランプ装置材料の熱膨張係数の正差に依存して、高温での接合に必要な圧力を作り出す。超音波接合工程を用いてもよい。代わりに、金属接合には、拡散蝋付け、熱間静水圧圧縮成形及びそれらの組み合わせが含まれるが、それ等に限定されるわけではない。
【００２７】
シムの接合を促進するために、様々なコーティングを行ってもよい。例えば、ステンレス鋼製シムを接合するのに、拡散接合と組み合わせて、無電解ニッケルめっきを行ってもよい。この方法では、先ず接合する金属面を核生成薬剤に曝す。使用できる核生成薬剤の１つに、塩化第１スズ溶液（ＳｎＣｌ２）がある。次に表面を還元剤とニッケル塩の溶液に曝し、表面上に薄い金属ニッケル層を形成する。可能な選択として、塩としてＮｉＣｌ２を用い、還元剤として次亜リン酸ナトリウム（Ｈ２ＮａＰＯ２）を用いることができる。全工程は、約７０℃で行われる。別の実施形態では、別のタイプのめっきを、様々な条
件の下で、別の試薬を使って行うことができる。
【００２８】
拡散接合方法で接合する場合、各シム１５０及び１７０には、へこみ部分１６２を設けて、両端部にタブ１６０を形成するのが望ましい。隣接するシムのタブ１６０と接触していれば、拡散接合処理の間にタブ１６０は互いに接合し、部分１６２は接合しない。蒸発器１１０を蒸発ヘッダー部分に取り付けるために溶接又は取付部分として用いる場合、取付又は溶接によって生じる応力はタブ１６２に限定され、シムスタックに亘って容易に伝達されることはない。従って、取付又は取り扱いによって生じる拡散接合に関連する劣化は、犠牲タブ１６０に限定することができ、開口部１５８及び１５６の周りの接続部に容易に伝播されることはない。
【００２９】
特に、蒸気側圧力低下の低い用途に用いる場合、蒸発側ヘッダー１２０及び１２２は、シム縁部１１６に沿って及び／又はタブ１６０において金属対金属の非密封嵌めによって取り付けてもよい。そのような非密封接合部を通る漏れは、蒸発器１１０に亘る圧力低下が低いため非常に小さい。更に、漏れ経路がマイクロチャネル１５２よりも小さい寸法に維持されている限り、漏れ経路は、追加の気体側熱伝達面積として作用する。更に、作動時に、気体側の静圧が低い場合、気体側ヘッダー１２０及び１２２は、高い蒸気圧を入れなければならない拡散接合構造に必要な材料よりも相当薄い材料で作ることができる。
【００３０】
別の態様では、蒸発器１１０は、少なくとも部分的には別の蒸発器１１０と連結して形成されている。図４Ａ及びＢでは、相互接続されたシム２５０の配列を示している。シム２５０は、チャネル１５２ａにチャネル１５２ａ内に伸張する突出部１５４ａが設けられていることを除けば、シム１５０と全く同じである。突出部１５４ａは、形成された蒸発器内で水部分１７２ａに隣接して配置されるチャネル１５２ａを通る気体の流れを減じ、当該チャネルによる熱伝達を減少させる。水部分１７２ａへの熱伝達を減少させることにより、水部分１７２ａ内での流体の早すぎる蒸発を防ぐ助けとすることもできる。配列２０１内のシム２５０は、マイクロチャネル１５２及び１５２ａと同じ深さまでへこんでいる細いへこみ領域２０５によって分離されている。整列穴２１２は、８個の同じ形状のシム２５０の配列２０１の境界を成す金属部分２１０及び２２０内に設けられている。
【００３１】
図５Ａ及び５Ｂは、蒸気及び水シムを含むシム配列２０２を示している。シム２７０は、液体部分１７２ａが蛇行チャネルを含んでおり、部分１７２ａと部分１７６の間にオリフィスが無いことを除けば、シム１７０と同じである。更に具体的には、蒸気部分１７２ａは、流れ長さに沿って略一定寸法（断面）の一対の対応する蛇行即ち曲がりくねったチャネルを含んでおり、蛇行チャネルの寸法は、蒸気部分１７６の寸法より相当に小さい。蛇行チャネルは、その流れ長さに沿って明確に異なっており、共通の蒸気部分１７６へ繋がっている。液体部分１７２ａの流れ長さは、部分１７２ａを通って流れる液体が適切な圧力低下を維持するように選択され、蛇行パターンにより、シム１７０の単位長さ当たりの流れ長さが長くなっている。或る態様では、曲がりくねった流路は、それぞれが約６０度より大きい数多くの方向転換部を、例えば少なくとも３、５又は１０個、画定している。図示の実施形態では、液体部分１７２ａは、１６個の９０度方向転換部を含んでおり、１つの１８０度方向転換部は、流路内の一対の９０度方向転換部で構成されるよう考慮されている。配列２０２は、更に、両端部に整列穴２１２を備えた金属部分２１０及び２２０を含んでおり、個々のシム２７０は、へこみ部分２２５によって分離されている。
【００３２】
シムを作るのに用いられるエッチング、スタンピング又はコイニング加工の対象となるこれらの曲がりくねった流路は、液相の流れを通すと圧力低下を引き起こす。この圧力低下は、蒸発器チャネルの蒸発区画における圧力低下と比べ無視できないものである。或る態様では、曲がりくねったチャネルに亘る圧力低下は、蒸発器チャネルの幅広の蒸気流れ区画に亘る圧力低下と比べて、少なくともほぼ等しいか、或いは相当に大きい。各シムへ
の入口における曲がりくねったチャネル内での圧力低下の効果は、装置の異なる水準にある部位の間（即ち、スタック内の異なる高さにある各蒸発チャネル１７６の間）に生じる不安定な流れの振動を防ぐことになり、もしそうしなければ、流れの分配が巧く行かず、熱交換器の性能が劣ったものとなる。流れの分配が巧く行かないと、装置からの蒸気の流れが脈動したり不安定になったりする。
【００３３】
流れの不良分配の問題を回避する１つの伝統的な方法は、実際に蒸発できる量よりも相当多量の液体を送り、流れの不良分配とは関係なく、蒸発器の全てのチャネルに十分な水を確実に供給できるようにすることである。しかしながら、この伝統的な方法では、過剰な液体供給により装置を出る全ての蒸気が飽和状態になるので、蒸気の過熱を別のユニットで行う必要がある。更に、特に、通常は蒸発しなかった液体の分離と再循環が必要になるシステム圧力変動の間に蒸発速度を維持しようとする場合、過剰な液体の供給は過渡応答を鈍らせることになる。或る態様では、本発明は、蒸発チャネルへの入口で液体部分の相当な圧力低下を確立することによって、流れの不良分配を防ぐ。この態様では、本発明は、過剰な液体供給の必要性を避け、迅速な過渡応答が行えるようにし、単一のユニットで蒸発と過熱が行えるようにする。別の実施形態では、本発明は、過剰な液体を供給することによって、及び／又は蒸発した液体を過熱することなく、作動させることができる。
【００３４】
スタックを組み立てる際には、対になった向かい合うシムの配列２０１が、シム配列２０２の間に交互に積み重ねられ、最初と最後は向かい合う一対の配列２０１となる。端部部片１３２ａ（図６参照）には、シム配列２０１及び２０２の整列穴２１２と整列するように、受け入れポスト２１２ａが設けられている。スタック、例えば１２０シムのセットが形成された後、上部プレート（図７参照）が取り付けられ、ブロック３００が形成される（図８参照）。次に、全ブロック３００を拡散接合して１つの接合体とする。次に、蒸発器１１０の間の境界線に沿って切断することにより、個々の蒸発器１１０をスタックから分離する。
【００３５】
ブロック３００を拡散接合するための１つの方法は、外部ラムを使用して、上記条件の下でブロック３００に圧力を掛ける方法である。ブロック３００が、変形することなくラムの圧力に耐えられるほどの構造剛性を有している場合、例えば、図示の実施形態に構築されている場合、側面サポートは一般的に必要無い。
【００３６】
シムを配列２０１及び２０２のように整えて接合スタック３００を形成すると、幾つかの利点が生じる。個々に形成する方法と比べて、時間と無駄な金属が減る。更に、積層構造にすることによって個々の蒸発器１１０の構造剛性が上がり、拡散接合の厳しい条件に耐えられるようになり、高くて幅広だが薄い蒸発器要素を形成できるようになる。例えば蒸発器１１０は、幅と高さ１２．７ｃｍ（５インチ）、厚さ僅かに１．２７ｃｍ（０．５インチ）に作ることができる。
【００３７】
スタックから蒸発器を切り分ける１つの技法は、ワイヤＥＤＭである。各シムの端部まで伸張するへこみ又はエッチングされた部分２２５及び２０５が先に設けられているので、オペレーターは、エッチング部分２２５及び２０５の可視部分を利用して切断ワイヤを整列させ、確実に個々の蒸発器１１０を正確に切り離すことができる。部分２２５及び２０５の幅は、切断ワイヤの切断寸法に合わせて選択し、更に無駄な金属量を最小化することができる。更に、シム１６０の間のへこみ部分２０５を線ＥＤＭで切断すると、蒸気チャネル１５２への入口が、略丸み付形状になる。チャネル１５２への入口及び出口に鋭利な縁部を作らないようにすることにより、遷移領域効果に起因する圧力低下を、更に低減することができる。
【００３８】
代替シム材料としては、限定するわけではないが、プラスチック、セラミックス、ガラ
ス、炭素繊維複合材及びそれらの組み合わせを挙げることができ、それぞれ適した接合技術と組み合わせて使用することができる。例えば、アルミナのセラミックをアルミナシリカの生テープと交互に重ねたものは、燃焼で接合する。プラスチックは、熱接合してもよいし、糊接合してもよい。
【００３９】
接合した蒸発器１１０は、１つの固体材料部品として扱えるので、接合後は積層部分に追加の機械加工を施すこともできる。そのような機械加工は、Ｏリング又はガスケットシール用に面を滑らかにしたり、追加の流体注入口又は排出口ポートを設けたり、仕上がり部品の全体質量を減らしたり、外観を美しくするのに必要なものである。好適な実施形態では、蒸発器１１０の端部キャップ１３０、１３２は、アッセンブリ１００へ取り付ける前に、約０．２５ｃｍ（０．１インチ）厚さに機械加工される。
【００４０】
接合後、蒸発器１１０の流体注入及び排出ポートには、配管に相当する材料が取り付けられる。金属の場合は、ろう付け又は溶接が、密封接続部を作る好適な方法である。この接続方法は、仕上げ部品上の表面積が非常に少なくて済み、機械加工嵌め込みのような他の接続方法より材料深さも少なくて済む。
【００４１】
本発明による別の蒸発器を形成するためのシムのパターンを、図９Ａ−１１Ｂに示す。この蒸発器では、図９Ａ及び９Ｂの互いに向かい合うシム３５０の対を使って、気体側マイクロチャネルを形成する。図１１Ａ−１１Ｂのシム３８０と向かい合う図１０Ａ−１０Ｂのシム３７０は、一緒になって蒸気側マイクロチャネルを形成する。シムは、多数のシムシート３５１、３７１、３８１にそれぞれ設けられ、端部プレート３９０と３９６の間に、各蒸発排出穴がプレート３９０の蒸気排出口ヘッダー穴３９４と整列し、各第１液体注入穴３１２がプレート３９６の液体注入口ヘッダー穴３９８と整列した状態で挟まれている。次に、シムスタックは、上記のように接合され、個々の蒸発器要素に分離される。図１Ａと比較すると、この構成では、注入口１０６と排出口１０８は、装置の同じ側ではなく反対側にある。
【００４２】
蒸発マイクロチャネルは、液体流れ部分と、液体流れ部分の断面積より相当に広い断面積を有する蒸気流れ部分を含んでいる。液体流れ部分は、液体注入貫通穴３１０と連通する曲がりくねったチャネル３７２を含んでいる。チャネル３７２は、平行な流れとして配置されている複数の曲がりくねったチャネル３７６ａ―３７６ｅと連通するマイクロチャネルヘッダー部分３７４に繋がっている。曲がりくねったチャネル３７６ａ―３７６ｅは、それぞれ、チャネル３７６とチャネル３７８の間の接合部付近に追加のサポート３７９を有する、対応する蒸気流れ部分３７８ａ―３７８ｅと連通している。蒸気流れ部分３７８ａ―３７８ｅは、シム３７０の長さに沿って互いに分離されており、共通の蒸気排出口ヘッダー穴に開いている。シム３８０は、シム３７０の部分３７８ａ―３７８ｅに対応する蒸気流れ部分３８８ａ―３８８ｅを含んでおり、蒸気マイクロチャネルの蒸気流れ部分に追加の断面積を形成している。シム３８０は、シム３７０の液体流れ部分３７２、３７４及び３７６ａ―３７６ｅを覆うエッチングされていない平坦な領域を有している。
【００４３】
上記のように、シム３７０、３８０、３５０は、それぞれ、第２液体注入穴３１０を備えている。穴３１０と３１２は、各シムに独立して設けられ、端部プレート３９０には、２つの穴３１０、３１２の間に流体連通を形成するチャネル３９２が設けられている。また上記のように、シム３７０の蒸気マイクロチャネル３７８ａ―３７８ｅと流体連通しているのは第２穴３１０であり、一方第１穴３１２は、端部プレート３９６の液体注入穴３９８と流体連通している。従って、組み立てると、蒸発器への液体注入口は、先ず全ての穴３１２を通過し、その後、各蒸発シム３７０に分配するため穴３１０に送られる。従って、注入液体の全ストリームは各シム３７０を通過し、その後、液体は全て蒸発マイクロチャネル３７８ａ―３７８ｅへ送られる。注入液体は比較的冷たいのでシム３７０の液体
端部を冷却する手段となり、早過ぎる蒸発、又は各シム３７０の間の望ましくない温度変動を防ぐ手助けとなる。注入液体を同様の方法で追加して送り込むことによって、冷却効果を増すことができる。
【００４４】
液体がまだ液体流れ部分３７６ａ―３７６ｅ内にある間に液体の中に蒸気が存在することになる液体の早過ぎる蒸発を防ぐもう１つの方法は、液体流れ部分にある液体の直接加熱を避けることである。上記の多重通路自己冷却液体供給と組合わせて用いることも、組合せないで用いることもできるこの態様では、気体側マイクロチャネル３５２は、液体流れ部分３７６ａ―３７６ｅに亘ってシム３５０には無い。気体側マイクロチャネル３５２も、例えば蒸気流れ部分３７８の長さの最初の５−１０％のような、蒸気流れ部分の最初の部分には無い。図示の実施形態では、第１気体側チャネル３５２の前縁３５６は、チャネル３７８のサポートリブ３７９の下流端部とほぼ一列に並んでいる。
【００４５】
又別の実施形態では、蒸発器は、気体マイクロチャネル１５２を差し挟むことなく、蒸発マイクロチャネル１７１だけを有して形成することもできる。そのような構造の例が、シム１５０、２７０又は３７０を差し挟むことなく、シム１７０、２７０又は３７０のスタックで形成される蒸発器である。蒸発器への加熱は、蒸発マイクロチャネル１７１の側方に沿って配置されている加熱器によって供給される。この目的で電気カートリッジ加熱器を用いることができる。この変形例では、面１１２、１１４は、加熱流体流路を画定するのではなく、電気加熱器又は加熱要素の配列を含むことになる。これらの加熱要素は、加熱要素の外側に適切な断熱材料を施して、シム１７０、２７０、３７０の外周部１８２内に予め形成されている穴の中に差し込むことができる。この代替構造の１つの用途は、オンデマンド電気蒸気発生器である。
【００４６】
実施例
実施例１
図４及び５に示すシム設計に従い、１２１対のシム２５０を１２０個のシム２７０と交互に積み重ねて水蒸発器を構築した。シムは、全てステンレス鋼製で、長さ（タブ１６０からタブ１６０までの全長）１１．７６ｃｍ（４．４インチ）、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）であった。燃焼側シムは、厚さ０．０３９ｃｍ（０．０１５５インチ）で、蒸気チャネルを深さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）にエッチングしたものである。蒸気側シムは、厚さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、蒸気／水チャネルを深さ０．０１７ｃｍ（０．００５インチ）にエッチングしたものである。拡散接合後、ステンレス鋼の端部プレートを厚さ０．２５ｃｍ（０．１インチ）に機械加工し、蒸発器を、図１のアッセンブリ内に装着した。
【００４７】
周囲温度（約２０℃）で注入した水を蒸発させ周囲圧力で蒸気を排出させて得られた、合計パネル容積ベースの熱伝達は、立方センチメートル当たり１０ワット（Ｗ／ｃｍ３）であった。燃焼ガスは５００℃で注入し、流量は毎分約９００標準リットル（ｓｌｐｍ）とした。燃焼ガスの圧力低下は、大気への排出口で６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱であった。この実施例の熱伝達密度を計算するための容積は、機械加工した端部プレートを含み、気体側ヘッダーを含まない、蒸発器１１０の容積とした。端部プレートは、性能に悪影響を与えることなく、製作後に機械加工で除くこともできるし、最初からもっと小さくしておいてもよい。熱伝達密度を測定するための別の公式化は、活性領域の容積をベースとするものである。活性領域は、中で差し挟まれた流れのチャネルが熱的に接触している装置の容積である。図示の実施形態では、活性領域は、燃焼ガスが流れる断面積（面１１２又は１１４に相当）にシムの幅Ｗを掛けたものである。これをベースに測定すると、熱伝達の密度は、ここに報告する値より２１％高くなる。
【００４８】
実施例２
実施例１の装置を使い、周囲温度で毎秒１立方センチメートルの水を供給し、４８０℃の燃焼ガスを９００ｓｌｐｍで注入し開放放出したところ、気体側圧力低下は６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱よりも少ないく、蒸気の排出口温度は約４２５℃であった。
【００４９】
実施例３
実施例１の装置を使用すると、燃焼ガスによる水の蒸発に対する水圧低下１０１．６ｃｍ（４０インチ）で、合計パネル容積ベースで、約８０Ｗ／ｃｍ３の熱伝達が得られると推測される。
【００５０】
実施例４
実施例１の装置を使用すると、燃焼ガスから少なくとも約７０％の熱効率で、熱伝達を得ることができると期待される。ここで用いる「熱効率」は、通常通り、各注入口作動条件において無限に長い向流熱交換器内で生じるエネルギー伝達に対する実際に伝達されるエネルギーと定義する。熱伝達は、少なくとも約８０％の熱効率又は約７０％から９０％の間の熱効率で得ることができると予測される。
【００５１】
実施例５
図９−１１のシムを使い、６１対のシム３５０を向かい合うシム３７０、３８０の対と交互に積み重ねて、装置を構成した。端部プレート３９０、３９６と共に６つの装置を形成し、上記のように、拡散接合後に、ワイヤＥＤＭで分離した。シムは全てステンレス鋼製で、長さ２２．２ｃｍ（８．７４インチ）、幅１．７８ｃｍ（０．７インチ）であった。燃焼側シムは、厚さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、蒸気チャネルを深さ０．１３ｃｍ（０．００５インチ）にエッチングしたものである。蒸気側シムは、厚さ０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ）で、蒸気／水チャネルを全て深さ０．０１９ｃｍ（０．００７５インチ）にエッチングしたものである。この蒸発器の作動パラメーターの例を、２つの異なる作動条件に対して表１に示している。
【００５２】
【表１】
【００５３】
活性領域は、燃焼ガスが流れる断面積で定義される。これには、蒸発チャネルを密封するためのシム縁部の固体金属の体積が含まれる。この領域を測定すると、２５３ｃｍ３の
容積に対して、１７．８ｃｍｘ８．００ｃｍｘ１．７８ｃｍ（７インチｘ３．１５インチｘ０．７インチ）である。
【００５４】
合計パネル容積には、合計シム容量に、総容積４０１ｃｍ３に対して２２．２ｃｍｘ１０．２ｃｍｘ１．７８ｃｍ（８．７５インチｘ４インチｘ０．７インチ）の端部プレートを加えたものである。市販用途では、端部プレートを小型にしてもよいし、製作後に、性能に悪影響を与えることなく機械加工で除去することもできる。
【００５５】
燃焼排出温度の予測値は、注入水と燃焼ガスの流量及び温度と、最終蒸気温度とを用いて、熱平衡によって求めることができる。測定された燃焼排出温度が変わるのは、排出気体が完全に再混合する機会を得る前に、パネル排出口面に比較的近い１つの熱電対で排出温度を測定したという事実に起因している。測定した排出温度の値は、排出口面に沿う熱電対の位置によって、＋／−約１５℃の範囲で変動した。
【００５６】
実施例６
例５による装置は、約１１５０℃の送気管気体注入口温度、及び水飽和蒸気を作ることができる流量で供給される液体水で作動し、水を蒸発させることができると期待される。実施例５の装置によって提供される蒸気側への効率的熱伝達は、排出を維持するよう選択された受容可能な低レベルにシムの金属の温度を維持するよう期待されている。
【００５７】
上記実施形態では、使用されている個々のシムは全て、面１１２及び１１４が略平行になるように一定幅のシムとなっているが、別の構成も考えられる。例えば、シムは、蒸気の流れの方向に徐々に大きくなるテーパ付形状となっていてもよい。更に、蒸気チャネル１７６は、蒸気シムの幅が増すにつれ、徐々に寸法が大きくなってもよい。代わりに、又は加えて、何れかのマイクロチャネルの寸法は、１つのシムでそれを広く又は深くすることにより、或いは隣接するシムの向かい合う表面に対応するエッチングを施すことにより、変えてもよい。
【００５８】
また、アッセンブリ１２０を水の蒸発に関して説明してきたが、これを使えば、例えば燃料電池の用途に有用なように、ガソリン又は他の流体を蒸発させることもできる。迅速な始動を必要とする用途では、装置を通る流量を増すことによりこれを達成することも考えられる。迅速な始動を要する用途の１つの例は、自動車で使う蒸気改質器である。
【００５９】
例えば、気体側を冷却して蒸気を逆方向に流すことによる、気体と蒸発している液体との間の、又は気体と凝縮している液体との間の熱伝達も、相変化を含む熱伝達利用法の例と考えられる。相転移が起こらない熱伝達利用法も考えられる。例えば、本発明の熱交換器を用いて、気体と液体の間、気体と蒸発した液体の間、又は高圧気体と低圧気体の間で熱を伝達することもできる。これら又は他の用途では、マイクロチャネル１７１は、長さに沿って実質的に均一な断面であってもよい。限定するわけではないが、或る特定の用途では、本発明の熱交換器を、オンデマンドの水加熱器システムの一部として、蒸気過熱器として、或いはコンデンサーとして利用するものもある。
【００６０】
更に、本装置、或いは本装置と直列に連結されている別の装置では、追加のユニット作動を行わせることもできる。例えば、触媒を一方又は両方の流路に設け、一方又は両方の流体のストリームに、化学反応を起こさせることもできる。或る有用な態様では、化学反応は、温度に敏感で、及び／又は発熱性か吸熱性の何れかである。この態様では、加熱又は冷却流体を一方の流路に供給し、他方の流路で反応が起こるようにして、反応を制御することもできる。
【００６１】
本発明のパネル熱交換構成を利用すると、１つの反応又は競合する反応の温度を制御す
るための効率的な機構が構築される。可逆反応は、本発明によって制御するのに適した対象である。有用な発熱反応の例には、サバティエ、選択酸化、部分酸化及び水性ガス転化反応が含まれる。有用な吸熱反応の例には、蒸気改質、逆水性ガス転化を含む。この他に考えられる反応としては、アンモニア合成、メタノール合成、エステル化、オレフィン水和反応、ＭＴＢＥ合成及び選択性メタン化反応が挙げられる。マイクロチャネル内で触媒反応を行わせるための、ここに記載の技法及び代表的な技法による反応の熱制御のこの他の例は、「温度制御のためのマイクロチャネル反応器」と題し、本出願と同じ譲受人に譲渡されている２００２年３月１１日出願の米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号と、２００２年５月９日に出願の米国仮特許出願（未定）号に述べられている。
【００６２】
反応触媒は、粉末状又はペレット状で流路内に設けても、フェルト又は発泡体のようなシート状の工学的支持材上に堆積させても、流路の壁上に堆積させてもよい。適切な反応触媒は、各マイクロチャネルを通して概ね均一に分布させてもよいし、随意的に、各マイクロチャネルを通して、始めの位置又は離れた位置に局地的に集中させておくこともできる。例えば、短い流路内の燃焼反応を加熱に用いる（例えば、熱を、長い方の流路内で起こる吸熱反応に供給する）場合、燃焼触媒を気体注入面付近に集中させると有用である。
【００６３】
制御された温度反応を行わせるために本パネル流体処理装置を使う１つの形態は、反応を長い方の流路内で起こさせ、熱交換流体を短い方の流路に通してその反応を冷却（又は加熱）するものである。熱交換流体が短い方の流路内にある場合、相対的に安定した冷却流体温度を、長い方の流路である反応流路の全て又は少なくとも相当な部分で維持することができる。この様にすると、熱交換流体によって供給されるか又は取り除かれる熱を消費する（吸熱する）か又は発生させる（発熱する）反応が起こる多数の同じ反応流路の間で、比較的安定した温度プロファイルを維持することができる。この態様では、長い方の流路は、関連する流れ長さを通して一定の断面積にすることができる。熱交換流路は、装置を通して均一であってもよいし、例えば、反応パネルの異なる部分では更に大きな熱伝達密度となるように、寸法及び／又は離隔距離を変化させてもよい。
【００６４】
本発明による反応温度の制御を使えば、関心対象の特定の反応を最適化し、又は競合する反応がある場合には特定の反応を最適化することができる。代わりに、又は追加して、温度制御を使えば、反応器内の高温及び低温に関して極値を抑えて、腐食（低い方の最大温度）、硫黄中毒（高い方の最小温度）及び炭素堆積（硫黄中毒と、高い方の最小温度が下がる）のような別の要因に関する反応性能を改良することができる。
【００６５】
短い流路を通って流れる流体を利用する加熱又は冷却は、長い加熱又は冷却チャネルで使う場合よりも、より高温又は低温の流体を用いることができるため、システムの作動範囲を拡大することができる。理由の１つは、比較的短い流れ長さは、パネルの前面から背面までの熱伝導を促進して、熱を、注入口面から効果的に広げて、短い流路に亘る過剰な温度変化を防ぐということである。その結果、長い方の流路の幅Ｗに亘る温度勾配も最小になる。
【００６６】
燃焼ガスが短い流路内を流れる場合、燃焼は、反応器パネルの金属を高温に上げることなく、より高い温度で生じさせることができるので、システムは相当な効率利得を得ることができる。これらの効率利得は、多段燃焼の代替案に比べ複雑にすることなく入手できる。燃焼流路内の温度変化を抑えるのは、腐食の防止にも有用である。
【００６７】
長い方の流路内で発生する発熱反応を冷却するために、短い流路に冷却気体を流す場合も同様の状況となる。発熱反応の多くは、均衡又は生成物分配の要件のため冷却する必要があるが、反応が運動論的に抑制されるほど冷却してはならない。これらの反応の例は、水性ガス転位及び選択酸化反応である。このパネル構成では、運動論的挙動を維持するた
めの最低温度より遙かに冷たい少量の流れを用いて、冷却材にパネルの面を通過させ、冷却材の流れの方向の伝導により温度を平坦にして冷却材注入口付近の反応が抑制されるのを防ぐことにより、装置を冷却することができる。冷却材の流れの方向の伝導の効果で、反応と接触して反応の抑制を決めることになる金属壁は、冷却材温度が反応抑制温度より低くても、なお反応抑制温度より上に保つことができる。代わりに、冷却材温度を必要最低温度付近かそれ以上にして、より一般的な方法で反応の抑制を回避することもできる。
【００６８】
当業者には理解頂けるように、本発明の１つの形態は、第一流体を注入口から排出口へ運ぶための少なくとも１つの第１チャネルと、前記第１チャネルと関係付けて配置されている少なくとも１つの第２チャネルであって、２つのチャネル間で熱を伝達するためのものであり、前記第１チャネルより相当に短い長さを有している第２チャネルと、を備えている熱伝達装置である。好適な形態では、第２チャネルは、気体のような第２流体を、第１チャネルを横切って導くことができ、第２チャネルを流れる気体の圧力低下は、通常の作動条件下では低レベルに維持される。更に改良した又別の形態では、本装置は、熱交換器要素内に形成され、少なくとも第１面と第２面を有する複数の第１及び第２チャネルを備えている。更に改良した又別の形態では、前記複数の第１チャネルの少なくとも一部は、第１面と第２面の間の要素内に形成され、第１面と第２面の間に配置されている流路を通して第１流体を運ぶようになっている。更に改良した又別の形態では、前記複数の第２チャネルは、前記装置内に形成され、少なくとも第１から第２面に伸張しており、第２流体を第１から第２面へ導くようになっている。更に改良した又別の形態では、前記第２チャネルを、平行な第１チャネルの間に配置して、熱を、第２流体と前記平行な第１チャネル内の第１流体との間で伝導させることができる。更に改良した又別の形態では、熱伝導要素は、薄い金属シムの積み重ねた配列を接合することにより形成されている。隣接する流体壁を経由する熱伝導に加えて、第１チャネルの外周部の少なくとも一部を形成する熱伝導フィンを通して熱伝導を起こすこともできる。外周部の少なくとも一部を形成している熱伝導フィンは、拡散接合過程で要素を形成する間に、第１チャネルを密閉する接合面として働くこともできる。更に改良した又別の形態では、第２チャネルは、薄いシムの向かい合う面を接合させて形成されており、各面には、第２チャネルの一部を形成するへこみ部分が設けられている。更に改良した又別の形態では、第１チャネルの少なくとも一部は蛇行流路を含んでいる。更に改良した又別の形態では、第１及び第２チャネルは、直交流形熱交換器を形成する直交する流路を画定している。好適な形態では、１つ又は複数のチャネルはマイクロチャネルである。別の好適な形態では、熱交換器要素を形成する接合された積み重ねシムの容積を基に測定して、少なくとも約１０Ｗ／ｃｍ３の熱伝達が、気体側圧力低下約６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱未満で得られる。
【００６９】
又別の形態では、本発明は、一体化金属対金属接合によって接合された薄い金属シートのスタックから成る直交流形流体熱交換器であり、前記スタックは、互いに反対側の両端に穴を有するへこみ付シートを交互に配して構成され、へこみ付シートの内の第１シートは前記穴と穴の間の少なくとも１つの第１流路の少なくとも一部を画定し、へこみ付シートの内の第２シートは、前記穴から離れ前記２つの穴を繋ぐ線に略直交する方向の、少なくとも１つの第２流路の少なくとも一部を画定する。更に改良した又別の形態では、第２流路は、第１流路より相当に短く、シートの内の第２シート上の隣接する流路の間に複数のサポートが配置されている。更に改良した又別の形態では、１つの第１流路だけが第１シートの１つに形成されている。更に改良した又別の形態では、第１流路は、蛇行流路を含んでいる。更に改良した又別の形態では、第１流路は、第２へこみ付シートの内の１つのシートの面に接合することにより、少なくとも部分的には密閉されている。更に改良した又別の形態では、薄いシートの面に接合させるために、サポートが第１流路内に設けられている。更に改良した又別の形態では、穴が整列して、第１流路を通して流体を分配するためのヘッダーを形成しており、穴は、スタック全体に亘るヘッダー内の圧力の変動が少なくなるように、非均一な寸法となっている。
【００７０】
本発明の又別の形態では、流体処理装置を形成するための技術は、複数の個別流体処理ユニットを一体に形成する段階と、次に、そのユニットを、ある程度組み立てた後で分離する段階とを含んでいる。更に改良した又別の形態では、複数の薄いシートが２つの端部プレート間に積み重ねられており、各シートは、複数の個別流体処理ユニットの区画を有しており、複数の区画が組み合わされて、流体処理ユニット内に１つ又は複数のマイクロチャネルを画定している。更に改良した又別の形態では、端部プレートからの少なくとも１つの整列ポストを受け入れるために、整列穴がシートの両端の犠牲帯片内に設けられており、積み重ねられたシートの配列は端部プレートの間に配置され、側方サポート無しで拡散接合できるようになっている。更に改良した又別の形態では、接合後、各個別流体処理ユニットは、ユニット間で材料を切断することにより分離される。更に改良した又別の形態では、分離は、ワイヤＥＤＭを使って行われる。更に改良した又別の形態では、個別区画は、幅よりも相当に大きい長さと、シムの厚さよりも相当に大きい幅を有する薄いシムで形成されている。更に改良した又別の形態では、各区画が積み重ねられ、個々のシムの幅によって画定される幅より相当に大きい高さを有する個別流体処理ユニットを形成している。代わりに、或いはそれに加えて、個々の流体処理ユニットは、個々の流体処理ユニットの区画の間の境界に開口部を有するマイクロチャネルを備えることができ、ワイヤＥＤＭを使って個々の流体処理ユニットを分離すると、開口部を通って流れる気体の圧力低下を低レベルに維持できるように、マイクロチャネルの開口部は丸みの付いた形状となる。更に改良した又別の形態では、丸みの付いた形状を形成し易くするために、マイクロチャネルの開口部に隣接する個々の流体処理ユニットの区画の間の境界には、個々のユニットをＥＤＭを使って分離する前に形成され、マイクロチャネルに丸みの付いた開口部を形成するマイクロチャネル開口部部分と実質的に一致する形状を有している部分が設けられている。更に改良した又別の形態では、形成された流体処理ユニットは、複数のマイクロチャネルと流体連通する少なくとも２つの流体分配ヘッダーと、流体ヘッダーを備えていない第２複数のマイクロチャネルとを画定する積み重ねられたシムを含んでおり、本方法は、形成された流体処理ユニットを個別に形成された気体ヘッダーに取り付ける段階を含んでいる。
【００７１】
更に別の形態では、熱交換器システムを形成するための技術は、流体処理システムの一部を形成する薄いシートの積み重ねられた配列を形成する段階と、積み重ねられた配列を、積み重ねられた配列内の複数の個別の気体チャネルへ気体を分配するための個別に形成された気体ヘッダーと接続する段階とを含んでいる。更に改良した又別の形態では、積み重ねられた配列は、接合されて金属対金属接合を形成している。更に改良した又別の形態では、配列は、拡散接合工程で接合され、個別に形成された気体ヘッダーは無い。
【００７２】
以上、本発明を、添付図面と上記説明とで詳しく示し説明してきたが、これらは発明を分かり易くするためのものであり、発明の特徴を制限するものではなく、好適な実施形態のみを図示し説明しており、ここに記載する本発明の精神に当てはまる全ての変更、等価物及び修正は、保護されるものと理解戴きたい。ここに提供する全ての実験、実験例又は実験結果は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限し又は拘束するものではない。更に、ここに述べた何れの理論、作用の機構、証明又は発見も、本発明の理解を促進するためのものであり、本発明を、そのような理論、作用の機構、証明又は発見に制限する意図は全くない。本明細書に引用した全ての発行物、特許及び特許出願は、各個々の発行物、特許及び特許出願を具体的且つ個々に、参考文献として援用し、その全てをここで述べたかのように、参考文献として本明細書に援用するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１Ａは、本発明の１つの実施形態の熱交換器アッセンブリの側面立面図である。図１Ｂは、図１Ａの熱交換器アッセンブリの上面図である。図１Ｃは、図１Ａの熱交換器アッセンブリの端部立面図である。
【図２】図１Ａ−１Ｃのアッセンブリの熱交換器要素の側面立面図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、図２の熱交換器要素を形成するために積み重ねることのできる個々の薄いシートの上面図である。図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂの薄いシートの底面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の別の実施形態によるシム配列の上面図であり、Ｘは貫通穴を示している。図４Ｂは、図４Ａの配列の一部分の拡大詳細図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。
【図５】図５Ａは、本発明の又別の実施形態によるシム配列の上面図であり、Ｘは貫通穴を示している。図５Ｂは、図５Ａの配列の一部分の拡大詳細図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。
【図６】図６Ａ−６Ｃは、それぞれ、例１に示した図４及び図５のシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための底部プレートの図面である。
【図７】図７Ａ−７Ｃは、それぞれ、例１に示した図４及び図５のシム配列と図６の底部プレートとを備えた蒸発器要素を形成するための上部プレートの図面である。
【図８】個々の蒸発器要素に分離する前の積み重ねブロックの斜視図である。
【図９】図９Ａは、本発明の更に又別の実施形態による気体側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図９Ｂは、図９Ａの一部分の拡大詳細図である。
【図１０】図１０Ａは、本発明の更に又別の実施形態による蒸発器側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図１０Ｂは、図１０Ａの配列の一部分の拡大詳細図である。
【図１１】図１１Ａは、図１０Ａの蒸発器側シム配列と組み合わせて使用するための蒸発器側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図１１Ｂは、図１１Ａの配列の一部分の拡大詳細図である。
【図１２】例５に示した図９Ａ−１１Ｂのシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための端部プレートの斜視図である。
【図１３】例５に示した図９Ａ−１１Ｂのシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための端部プレートの斜視図である。
【図１４】個々の蒸発器要素に分離する前の、図１２−１３の端部プレートを備えた図９Ａ−１１Ｂのシム配列の積み重ねブロックの斜視図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体処理ユニット及びその製造方法に関する。より具体的には、限定するものではないが、本発明は、圧力低下の小さいマイクロチャネル熱交換器、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国政府の支援の下、米国エネルギー省承認の契約第ＤＥ−ＡＣ０６−７６ＲＬＯ１８３０号に基づいて成されたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を留保する。
【０００３】
二、三例を挙げると、軍用、自動車及び遠隔地での使用を含む様々な用途に対して、軽量で小型の流体処理ユニットが開発されてきた。しかし、そのようなユニットの運転及び
／又は製作の費用には制限の課されることも多い。特に、気体側の圧力低下を低く抑えて熱伝達を行えるマイクロチャネル流体処理システムが必要とされている。熱を効率的に、小型パッケージで伝達できる装置も必要とされている。装置内で相転移を行う流体の流れを高い信頼性で制御できる装置も必要とされている。経費効率に優れた方法で製造できる流体処理システムも必要とされている。具体的な幾つかの実施形態において、本発明は上記及びその他の要求を満たしている。
【０００４】
なお本出願は、２００１年６月６日付の米国仮特許出願第６０／２９６，２９５号、及び２００２年３月１１日付の米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号の恩典を請求し、同号の開示を、参考文献としてここに援用する。
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／２９６，２９５号
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号
【特許文献１】米国特許第６，１９２，５９６号
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の原理をよく理解頂くために、以下、添付図面に示す実施形態に言及し、説明に際しては規定された用語を使用する。但し、これによって本発明の範囲に限定を加える意図は無い旨理解頂きたい。本発明に関係する分野の当業者であれば、図示の実施形態に更に修正や変更を加え、ここに説明する本発明の原理を更に適用することは、容易に思慮できるものと考えられる。
【０００６】
図１Ａ−１Ｃに、本発明の実施形態による熱交換器アッセンブリ１００を示す。交換器アッセンブリ１００は、２つの流体ストリームの間で熱を伝達するよう構成されている。具体的には、アッセンブリ１００は、熱を気体ストリームから液体ストリームへ伝達し、蒸発器と呼ばれる熱交換器要素を使って液体ストリームを蒸発させる。更に具体的には、この代表的な実施形態では、高温の気体ストリームは燃焼ガスを含んでおり、液体ストリームは水を含んでいる。
【０００７】
交換器１００は、注入気体ヘッダー１２０に気体を供給する少なくとも１つの燃焼側気体注入口１０２と、少なくとも１つの気体排出口１０４に気体を供給する気体排出ヘッダー１２２を含んでいる。燃焼側ヘッダー１２０及び１２２は、燃焼ガスが、蒸発器１１０を通過して送られるよう構成されており、蒸発器１１０に入る前に気体側の速度分布を平準化するため拡散器要素即ちスクリーン（図示せず）を設けていてもよい。ヘッダー１２０及び１２２は、蒸発器の周囲１１６に接合されており、燃焼ガスを、略均一に蒸発器１１０の注入面１１２に送り、排出面１１４から出すように構成されている。それにより、流体が水注入口１０６から蒸発器１１０を通って蒸気排出口１０８から出る際に、熱が、燃焼ガスから蒸発器１１０内の水及び／又は蒸気へ伝達される。
【０００８】
図２に、蒸発器１１０の更に具体的な構造を示す。蒸発器１１０は、マイクロチャネル流体処理ユニットを形成する薄いシート即ちシムのスタックとして形成されている。シム１５０は、積み重ねられた対として配置され、シム１７０が、相対するシム１５０の対の間に交互に積み重ねられている。積み重ねられたシム１５０と１７０の配列は、蒸気側注入口及び排出口（１０６、１０８）と、気体側ヘッダー（１２０、１２２）への取付点を形成する端部キャップ１３０と１３２との間に保持されている。以下に詳細に説明するように、シム１５０のへこみ領域は、面１１４を貫通して伸張し燃焼ガスが蒸発器１１０を通過できるようにする複数の燃焼ガスマイクロチャネル１５２（図３Ａ参照）を形成している。シム１７０は、シム１５０の対の間に間隔を空けて配置されており、長さＬに亘って、面１１４に略平行な方向に水及び蒸気を運ぶ水及び蒸気のマイクロチャネル１７２及び１７６を備えている（図３Ｂ参照）。
【０００９】
本明細書では、マイクロチャネルは、約１０００マイクロメータより小さく、２５０マイクロメータより小さいことも多い（深さのような）少なくとも１つの寸法を有する流体流路を指す。マイクロチャネルの（長さや幅のような）残りの寸法は、どのような値でもよいが、幅は、通常、約２５０から約６０００マイクロメータの範囲にある。マイクロチャネルの流れの長さは、マイクロチャネル流れ長さと呼ばれる。
【００１０】
図３Ａ及び３Ｂに示すように、シム１５０は、略長方形の薄い部片（例えば、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）、長さ１１．４３ｃｍ（４．５インチ）、厚さ０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ））であり、両端部近くに、水ヘッダー穴１５６と蒸気ヘッダー穴１５８を備えている。穴１５６と１５８は、水と蒸気分配器を収容し、蒸発器１１０を通して均一な大きさになっている。シム１７０には、合わせ穴１５６、１５８も設けられている。別の構成では、注入口１０６及び排出口１０８からの距離が増すにつれて、シム１５０及び１７０の穴１５６及び１５８が徐々に小さくなっている。寸法低減は、シムスタックの穴１５６及び１５８の整列によって形成されているヘッダー内の速度変化に関係する圧力変動を減らすように選択することができる。
【００１１】
図３Ａの斜線領域で示すように、へこみ部分は、シム１５０の穴１５６と１５８の間に設けられている。これらのへこみ部分は、例えば深さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）である。蒸発器１１０では、シム１５０のこれらのへこみ領域のそれぞれが、シムの幅Ｗに亘る蒸発マイクロチャネル１５２の３つの側面の少なくとも一部を形成している。複数の異なるへこみ領域で示すように、燃焼ガスを運ぶようになっている複数の平行なマイクロチャネル１５２がある。図示の実施形態では、マイクロチャネル１５２は、穴１５６と１５８の中心を繋ぐ線に略垂直に向いている。別の実施形態では、マイクロチャネル１５２は、この線に対する垂線（９０度）から約６０度の範囲内にある。各マイクロチャネル１５２は、チャネル１５２への出入り口で先細になっている細い非へこみサポート部分１５４で分離されている。サポート１５４の幅は、へこみ部分の深さ（略０．０２５ｃｍ（０．０１インチ））とほぼ等しい。サポートは、製造及び使用の間に受ける荷重を支え合えるだけの距離、互いに離して配置されている。以下に説明するように、積み重ねられたシムを貼り合わせるために拡散接合法を採用している場合、蒸気が燃焼ガス内に漏れるのを防ぐために、サポートは、シム１７０とシム１５０の裏面との間に良好な拡散接合が行われるほど十分に近接して配置されている。満足できるように機能すると判定された間隔は、約０．０２３ｃｍ（０．０９０インチ）である。
【００１２】
シム１７０も、略長方形の薄い部片であり、水穴及び蒸気穴１５６、１５８を備えている。シム１７０は、更に、穴１５６と１５８との間に伸びるへこんだ蒸気及び水チャネル１７１を備えている。水部分１７２は、オリフィス１７４を介して蒸気部分１７６と連通している。オリフィス１７４は、シムが作られた後で追加される非常に小さなレーザー加工のへこみ領域であってもよい。以下に更に論じるように、チャネル１７１の水部分１７２には、オリフィス１７４に加えて、或いはその代わりに、例えば蛇行チャネル構造のような細長い流路を設けてもよい。蒸気部分１７６は、液体に比べて体積が膨張した蒸気を収容するため、例えば約１５−２０倍ほど、水部分１７２より相当幅広くなっている。蒸気部分１７６は、更に、蒸気マイクロチャネルの長さに亘って伸びるサポートリブ１７８を含んでおり、蒸気排出穴１５８付近には追加サポート１８０が設けられている。シム１７０の寸法は、シム１５０と同じでも異なっていてもよいが、或る好適実施形態では、シム１７０は、長さと幅がシム１５０と同じで、シム１５０より僅かに薄い（例えば、厚さが僅か０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、へこみ部分は０．０１３ｃｍ（０．００５インチ）へこんでいる）。
【００１３】
シム１５０と１７０の下側は、両方共、図３Ｃに示すように実質的に平坦である。上記のように、蒸発器１１０を形成する際、一対のシム１５０は、マイクロチャネル１５２と
サポート１５４が整列するように向かい合わせに配置され、１つの拡大チャネルを形成しており、対になったシム１５０とシム１７０とが交互になっている。使用時、マイクロチャネル１５２を流れる高温の流体は、熱を、マイクロチャネル１５２の床１５１（又は天井）を通して、シム１７０へ伝達する。この熱伝達は、シムの面及びマイクロチャネル１５２内の流体の流れの方向に略垂直に起こる。つまり、直接気体からチャネル１５２の床１５１（又は天井）を通過し、蒸気部分１７６までの熱伝導経路が存在する。或る実施形態では、この熱伝導経路は、一次熱伝導経路と考えることができ、シム１７０の蒸気部分１７６と重なる床１５１（又は天井）の部分によって画定される。
【００１４】
或る態様では、１つ又は複数の追加の熱伝達経路も存在している。この追加経路には、シム１７０の外周部１８２と、蒸気チャネル部分１７６の注入及び排出両側の外周部１８２と重なっているチャネルの床１５１の部分が含まれる。熱は、チャネル１５２を流れる気体から、床１５１（又は天井）を通り、外周部１８２の材料１８２へ伝達される。次いで、熱は外周部１８２からチャネル１７１内の流体へ伝達される。二次熱伝導経路と考えることのできるこの熱伝達経路では、外周部１８２が熱伝達フィンと同じ様に作用して、燃焼ガス側の有効熱伝達面積を増やし、熱をチャネル１７１の流体内に伝導する。このフィンは、シム１７０の外周部１８２と、外周部１８２と接触しているシム１５０の床１５１の該当部分とによって形成されると理解される。このフィンは、略平坦で、一次熱伝達面（上記の、部分１７６と重なっている床１５１）から、マイクロチャネル１５２内の流体の流れの方向と略平行な方向に伸張している。外周部１８２の幅として定義されるこのフィンの長さは、蒸気即ち水蒸気マイクロチャネル１７６の最小寸法より大きいか又は相当に大きく、例えば最小マイクロチャネル寸法の少なくとも２、５又は１０倍である。或る態様では、このフィンは、水蒸気マイクロチャネル１７６の２番目に小さい寸法（幅）程度である。或る実施形態では、蒸気チャネル部分１７６は幅約０．７６ｃｍ（０．３インチ）で、外周部１８２は、幅約０．２５ｃｍ（０．１インチ）であり、シム１７０の残り部分と同じ厚さである。
【００１５】
上記一次及び二次熱伝導経路の両方が在る場合、マイクロチャネル１５２を通過する流体（例えば高温燃焼ガス）は、第１伸張面上を通り、次に一次熱伝達面上を、次いで第２伸張面上を通る。以下に更に詳細に説明するが、蒸発器１１０は、薄いシート又はシムのスタックとして形成されており、一次及び二次熱伝達面は、それぞれ平坦である。別の実施形態では、一次及び二次熱伝達面は、それぞれ粗くても湾曲していてもよい。図示の実施形態では、各伸張面(二次熱伝達面)は、一次熱伝達面に平行である。別の実施形態では、熱伝達面は、互いの相対角度が、平行（１８０度）から数度以内、例えば平行から４５度内以内、３０度以内、又は１０度以内に配位されていてもよい。
【００１６】
総熱伝達面積（伸張面と一次熱伝達面の合計）に対する伸張面の形成する熱伝達面積の割合は、どの様な値でもよい。代表的な値は約１０％から約７５％で、例えば、総熱伝達面積の３０％から５０％が伸張面で形成される。満足できる値は約３３％である。
【００１７】
１つ又は複数のマイクロチャネル１７１又は１５２は、随意的に大規模流路でもよい。流路は、例えば約１ｃｍ未満又は約１ｍｍ未満の最小寸法を有する小さい寸法であるのが望ましい。或る態様では、流路の少なくとも１つ（例えば１７１又は１５２）の最小寸法は、その流路内の流れのレイノルズ数が、約３０００未満、例えば２０００未満、１０００未満、５００未満となるように選択される。レイノルズ数（Ｒｅ）は、流れている流体の粘性力に対する慣性力の割合に比例しており、通常、Ｒｅ＝Ｄ・ｖ・ｒｈｏ／ｍｕで定義され、ここにＤは流路の特性長であり、ｖは流れの速度であり、ｒｈｏは流体の密度であり、ｍｕは流体の粘性である。本明細書では、特性長Ｄは水力直径であり、通常、水力直径は、流れの断面積の４倍を濡れ縁で除したもので定義される。満杯の長方形パイプ又は管では、水力直径は２ａｂ／（ａ＋ｂ）に等しく、ここにａ及びｂは、長方形の各辺で
ある。水力直径に基づくレイノルズ数が約３０００未満の流れは、通常は層流であるが、流れチャネルへの入口における背景乱流の量に依っては、１０，０００を超えるレイノルズ数で層流を持続することができる。別の態様では、流路（１７１又は１５２）の寸法は、層流が、蒸発チャネルの液体流れ部分の相当部分及び気体側流路の相当部分のような異なる両方の流路の少なくとも一部分で発生するように選択される。相転移（蒸発）がある場合は、多重相の流れがあり、それは通常は層流と特徴付けられることはない。この多重相の流れは、蒸発流路の拡張された蒸気流部分の入口付近で発生することが多い。
【００１８】
別の様態では、シム１５０の幅Ｗ、具体的には蒸気側マイクロチャネル１５２の長さは、水／蒸気のマイクロチャネルの長さＬより遙かに短い。この態様では、蒸気側の圧力低下を低レベルに維持することができる。例えば、幅Ｗは、長さＬの約４０％未満、約２５％未満、又は約１２．５％未満に維持することができる。すなわち、蒸気側マイクロチャンネル１５２の長さは、穴１０６と穴１０８の間の距離の約２／５以下、約１／４以下、又は約１／８以下に維持することができる。或いは、水／蒸気マイクロチャンネルの長さは、蒸気側マイクロチャンネル１５２のマイクロチャンネル流れ長さの少なくとも２．５倍、少なくとも４倍、又は少なくとも８倍とすることができる。マイクロチャネル１５２の流路の距離は、蒸気部分１７６の長さよりも相当短く維持するのが望ましい。
【００１９】
上記のように燃焼ガスマイクロチャネル（１５２）が比較的短い場合、熱伝達密度を犠牲にすることなく、蒸気側圧力低下を低レベルに維持することができる。例えば、雰囲気（局所大気）圧近くで作動させる場合、約２５．４ｃｍ（１０インチ）水柱以下の圧力で効率的に作動させることができる。別の例では、周囲圧力において、絶対圧力低下が約１２．７ｃｍ（５インチ）水柱未満で、望ましくは約６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱未満で、更に望ましくは約２．５４ｃｍ（１インチ）水柱未満での作動でも、なお有用な熱伝達密度及び／又は効率を満足できる状態で提供することができる。周囲圧力近くでの作動の例には、燃焼ガス排出口が、直接に、或いは或る程度下流で処理した後に、流体を大気に向かって放出するシステムでの作動が含まれている。そのようなシステム内の蒸発器１１０での圧力低下は、ファン又はブロアーによってもたらされる。
【００２０】
加圧された環境での作動についても考慮しており、装置を通しての絶対圧力低下は、絶対圧力の関数になると理解頂きたい。理想気体が完全な層流状態にあると近似すれば、気体側の絶対圧力低下は、概略、気体の絶対圧力に逆比例する。従って、蒸発器１１０を、約１気圧で２５．４ｃｍ（１０インチ）水柱の圧力低下で或る効率で作動させる場合、約２気圧まで加圧されたシステム内では、約１２．７ｃｍ（５インチ）水柱の圧力低下で同様の性能を達成することができる。この様に、或る態様では、本装置は、パネルに亘る絶対圧力低下をセンチメートル水柱で測定して、大気中で測定される絶対圧力（注入口面で測定される）の逆数の約２５．４倍未満で作動する（ｄＰ＜２５．４／Ｐａｂｓ）。マイクロチャネル１５２に亘る圧力低下の絶対値は、マイクロチャネル１５２の長さに略比例するので、幅Ｗを、約５．０８ｃｍ（２インチ）未満か、約３．８１ｃｍ（１．５インチ）未満か、又は約０．７６ｃｍ（０．３インチ）と約２．５４ｃｍ（１インチ）の間に有用に維持することができる。
【００２１】
別の態様では、蒸発器１１０は、気体の流れを受け入れるために、面１１２及び１１４に比較的大きな断面積を有しており、面１１２、１１４は、蒸発器の、燃焼ガスが通過する部分を包含している。例えば、面１１２及び１１４は、長さ及び／又は幅が、蒸発器１１０の厚さＴの数倍、例えば５−１０倍以上大きいの方形又は長方形であってもよい。面１１２又は１１４の長さと幅は、随意的に互いの約５０％以内であってもよい。図示の実施形態では、蒸発器の厚さＴは、個々のシム１５０、１７０の幅Ｗと同じである。
【００２２】
別の態様では、蒸発器１１０の長さＬは、介在しているマイクロチャネルの高さより大
きい。図示の実施形態では、介在するマイクロチャネルの高さは、図２に示すようにシムスタックの高さＨであり、面１１２、１１４の寸法の１つである。この態様では、蒸発器１１０は、長さ方向（Ｌ）に細長く、液体注入口１０６と蒸気排出口１０８との間の物理的間隔が長くなっている。この態様では、高さＨに対する長さＬの割合Ｌ／Ｈは、１より相当に大きく、例えば１．５、２、２．５、３又はそれ以上である。蒸発器１１０の厚さＴを一定とすれば、長さ対高さの割合（Ｌ／Ｈ）が増すにつれ、長手方向の熱伝導（長さＬ方向）に利用できる断面積（ＨｘＴ）が減少する。或る態様では、長手方向の熱伝導に利用できる断面積は、液体が、蒸発チャネル１７６に達する前に、液体チャネル１７２、１７２ａ内で早過ぎる蒸発を起こさないように選択される。
【００２３】
個々のシムは、システムの作動状況に適合していれば、どの様な材料で作ってもよい。一般的には、温度及び／又は圧力が上がると、金属、例えば銅、ステンレス鋼又はインコネルのような高ニッケル合金を使用する必要がある。金属の場合、シムの切断又はへこみ形成方法には、光化学エッチングが適している。このパターン化工程は、表面にバリをつけることなく、非常に複雑なパターンを有するシムを作る能力を持っている。特定の用途又は大量生産でシムを作るのには、レーザー加工、電気化学加工又はスタンピングのような他のパターン化工程を用いることもできる。
【００２４】
積み重ねられたシム１５０、１７０を挟み、流体を相互接続させるのに用いられている端部ブロック即ち端部キャップ１３０、１３２は、部片毎ベースで機械加工されており、加工工程は、積み重ね装置を大量に製造するために自動化することができる。アッセンブリ前に、パターン化工程からの残留フォトレジスト及びその他の有機汚染物質を取り除くため、パターン化されたシムは、洗浄、望ましくは蒸気脱脂される。更に、シム１５０、１７０の一方又は両方は、例えば、ベネット他に発行の米国特許第６，１９２，５９６号に記載されている一連の積み重ねプレートとして形成することができ、同特許を、参考文献としてここに援用する。
【００２５】
積み重ねたシム／端部ブロックアッセンブリを、金属製の単一の固体部片に接合するのは、減圧下で、高温／高圧拡散接合工程で行うことができる。積み重ねられたシムのアッセンブリを、事前酸化済みの高温合金クランプ装置内に配置して、整列及び側面支持を行う。次に、真空熱圧で接合を行う。合金端部プレート（モリブデン合金のような）及びラム拡張部を使って、熱圧ラムから積み重ねられたサブアッセンブリへ圧力を伝える。ステンレス鋼の場合、接合条件は、摂氏９２０度で、２８０ｋｇ／ｃｍ２（１平方インチ当たり４０００ポンド）の荷重を４時間加えることである。勿論、当業者には理解頂けるように、拡散接合は、時間、圧力及び温度可変の工程なので、様々な条件の下で行うことができる。例えば、別の条件では、温度を摂氏９５０度まで上げ、２１０ｋｇ／ｃｍ２（３０００ｐｓｉ）まで上げた圧力を８時間加える。
【００２６】
別の拡散接合工程では、外部ラムを使用しない。ラム無し工程は、サブアッセンブリ材料とクランプ装置材料の熱膨張係数の正差に依存して、高温での接合に必要な圧力を作り出す。超音波接合工程を用いてもよい。代わりに、金属接合には、拡散蝋付け、熱間静水圧圧縮成形及びそれらの組み合わせが含まれるが、それ等に限定されるわけではない。
【００２７】
シムの接合を促進するために、様々なコーティングを行ってもよい。例えば、ステンレス鋼製シムを接合するのに、拡散接合と組み合わせて、無電解ニッケルめっきを行ってもよい。この方法では、先ず接合する金属面を核生成薬剤に曝す。使用できる核生成薬剤の１つに、塩化第１スズ溶液（ＳｎＣｌ２）がある。次に表面を還元剤とニッケル塩の溶液に曝し、表面上に薄い金属ニッケル層を形成する。可能な選択として、塩としてＮｉＣｌ２を用い、還元剤として次亜リン酸ナトリウム（Ｈ２ＮａＰＯ２）を用いることができる。全工程は、約７０℃で行われる。別の実施形態では、別のタイプのめっきを、様々な条
件の下で、別の試薬を使って行うことができる。
【００２８】
拡散接合方法で接合する場合、各シム１５０及び１７０には、へこみ部分１６２を設けて、両端部にタブ１６０を形成するのが望ましい。隣接するシムのタブ１６０と接触していれば、拡散接合処理の間にタブ１６０は互いに接合し、部分１６２は接合しない。蒸発器１１０を蒸発ヘッダー部分に取り付けるために溶接又は取付部分として用いる場合、取付又は溶接によって生じる応力はタブ１６２に限定され、シムスタックに亘って容易に伝達されることはない。従って、取付又は取り扱いによって生じる拡散接合に関連する劣化は、犠牲タブ１６０に限定することができ、開口部１５８及び１５６の周りの接続部に容易に伝播されることはない。
【００２９】
特に、蒸気側圧力低下の低い用途に用いる場合、蒸発側ヘッダー１２０及び１２２は、シム縁部１１６に沿って及び／又はタブ１６０において金属対金属の非密封嵌めによって取り付けてもよい。そのような非密封接合部を通る漏れは、蒸発器１１０に亘る圧力低下が低いため非常に小さい。更に、漏れ経路がマイクロチャネル１５２よりも小さい寸法に維持されている限り、漏れ経路は、追加の気体側熱伝達面積として作用する。更に、作動時に、気体側の静圧が低い場合、気体側ヘッダー１２０及び１２２は、高い蒸気圧を入れなければならない拡散接合構造に必要な材料よりも相当薄い材料で作ることができる。
【００３０】
別の態様では、蒸発器１１０は、少なくとも部分的には別の蒸発器１１０と連結して形成されている。図４Ａ及びＢでは、相互接続されたシム２５０の配列を示している。シム２５０は、チャネル１５２ａにチャネル１５２ａ内に伸張する突出部１５４ａが設けられていることを除けば、シム１５０と全く同じである。突出部１５４ａは、形成された蒸発器内で水部分１７２ａに隣接して配置されるチャネル１５２ａを通る気体の流れを減じ、当該チャネルによる熱伝達を減少させる。水部分１７２ａへの熱伝達を減少させることにより、水部分１７２ａ内での流体の早すぎる蒸発を防ぐ助けとすることもできる。配列２０１内のシム２５０は、マイクロチャネル１５２及び１５２ａと同じ深さまでへこんでいる細いへこみ領域２０５によって分離されている。整列穴２１２は、８個の同じ形状のシム２５０の配列２０１の境界を成す金属部分２１０及び２２０内に設けられている。
【００３１】
図５Ａ及び５Ｂは、蒸気及び水シムを含むシム配列２０２を示している。シム２７０は、液体部分１７２ａが蛇行チャネルを含んでおり、部分１７２ａと部分１７６の間にオリフィスが無いことを除けば、シム１７０と同じである。更に具体的には、蒸気部分１７２ａは、流れ長さに沿って略一定寸法（断面）の一対の対応する蛇行即ち曲がりくねったチャネルを含んでおり、蛇行チャネルの寸法は、蒸気部分１７６の寸法より相当に小さい。蛇行チャネルは、その流れ長さに沿って明確に異なっており、共通の蒸気部分１７６へ繋がっている。液体部分１７２ａの流れ長さは、部分１７２ａを通って流れる液体が適切な圧力低下を維持するように選択され、蛇行パターンにより、シム１７０の単位長さ当たりの流れ長さが長くなっている。或る態様では、曲がりくねった流路は、それぞれが約６０度より大きい数多くの方向転換部を、例えば少なくとも３、５又は１０個、画定している。図示の実施形態では、液体部分１７２ａは、１６個の９０度方向転換部を含んでおり、１つの１８０度方向転換部は、流路内の一対の９０度方向転換部で構成されるよう考慮されている。配列２０２は、更に、両端部に整列穴２１２を備えた金属部分２１０及び２２０を含んでおり、個々のシム２７０は、へこみ部分２２５によって分離されている。
【００３２】
シムを作るのに用いられるエッチング、スタンピング又はコイニング加工の対象となるこれらの曲がりくねった流路は、液相の流れを通すと圧力低下を引き起こす。この圧力低下は、蒸発器チャネルの蒸発区画における圧力低下と比べ無視できないものである。或る態様では、曲がりくねったチャネルに亘る圧力低下は、蒸発器チャネルの幅広の蒸気流れ区画に亘る圧力低下と比べて、少なくともほぼ等しいか、或いは相当に大きい。各シムへ
の入口における曲がりくねったチャネル内での圧力低下の効果は、装置の異なる水準にある部位の間（即ち、スタック内の異なる高さにある各蒸発チャネル１７６の間）に生じる不安定な流れの振動を防ぐことになり、もしそうしなければ、流れの分配が巧く行かず、熱交換器の性能が劣ったものとなる。流れの分配が巧く行かないと、装置からの蒸気の流れが脈動したり不安定になったりする。
【００３３】
流れの不良分配の問題を回避する１つの伝統的な方法は、実際に蒸発できる量よりも相当多量の液体を送り、流れの不良分配とは関係なく、蒸発器の全てのチャネルに十分な水を確実に供給できるようにすることである。しかしながら、この伝統的な方法では、過剰な液体供給により装置を出る全ての蒸気が飽和状態になるので、蒸気の過熱を別のユニットで行う必要がある。更に、特に、通常は蒸発しなかった液体の分離と再循環が必要になるシステム圧力変動の間に蒸発速度を維持しようとする場合、過剰な液体の供給は過渡応答を鈍らせることになる。或る態様では、本発明は、蒸発チャネルへの入口で液体部分の相当な圧力低下を確立することによって、流れの不良分配を防ぐ。この態様では、本発明は、過剰な液体供給の必要性を避け、迅速な過渡応答が行えるようにし、単一のユニットで蒸発と過熱が行えるようにする。別の実施形態では、本発明は、過剰な液体を供給することによって、及び／又は蒸発した液体を過熱することなく、作動させることができる。
【００３４】
スタックを組み立てる際には、対になった向かい合うシムの配列２０１が、シム配列２０２の間に交互に積み重ねられ、最初と最後は向かい合う一対の配列２０１となる。端部部片１３２ａ（図６参照）には、シム配列２０１及び２０２の整列穴２１２と整列するように、受け入れポスト２１２ａが設けられている。スタック、例えば１２０シムのセットが形成された後、上部プレート（図７参照）が取り付けられ、ブロック３００が形成される（図８参照）。次に、全ブロック３００を拡散接合して１つの接合体とする。次に、蒸発器１１０の間の境界線に沿って切断することにより、個々の蒸発器１１０をスタックから分離する。
【００３５】
ブロック３００を拡散接合するための１つの方法は、外部ラムを使用して、上記条件の下でブロック３００に圧力を掛ける方法である。ブロック３００が、変形することなくラムの圧力に耐えられるほどの構造剛性を有している場合、例えば、図示の実施形態に構築されている場合、側面サポートは一般的に必要無い。
【００３６】
シムを配列２０１及び２０２のように整えて接合スタック３００を形成すると、幾つかの利点が生じる。個々に形成する方法と比べて、時間と無駄な金属が減る。更に、積層構造にすることによって個々の蒸発器１１０の構造剛性が上がり、拡散接合の厳しい条件に耐えられるようになり、高くて幅広だが薄い蒸発器要素を形成できるようになる。例えば蒸発器１１０は、幅と高さ１２．７ｃｍ（５インチ）、厚さ僅かに１．２７ｃｍ（０．５インチ）に作ることができる。
【００３７】
スタックから蒸発器を切り分ける１つの技法は、ワイヤＥＤＭである。各シムの端部まで伸張するへこみ又はエッチングされた部分２２５及び２０５が先に設けられているので、オペレーターは、エッチング部分２２５及び２０５の可視部分を利用して切断ワイヤを整列させ、確実に個々の蒸発器１１０を正確に切り離すことができる。部分２２５及び２０５の幅は、切断ワイヤの切断寸法に合わせて選択し、更に無駄な金属量を最小化することができる。更に、シム１６０の間のへこみ部分２０５を線ＥＤＭで切断すると、蒸気チャネル１５２への入口が、略丸み付形状になる。チャネル１５２への入口及び出口に鋭利な縁部を作らないようにすることにより、遷移領域効果に起因する圧力低下を、更に低減することができる。
【００３８】
代替シム材料としては、限定するわけではないが、プラスチック、セラミックス、ガラ
ス、炭素繊維複合材及びそれらの組み合わせを挙げることができ、それぞれ適した接合技術と組み合わせて使用することができる。例えば、アルミナのセラミックをアルミナシリカの生テープと交互に重ねたものは、燃焼で接合する。プラスチックは、熱接合してもよいし、糊接合してもよい。
【００３９】
接合した蒸発器１１０は、１つの固体材料部品として扱えるので、接合後は積層部分に追加の機械加工を施すこともできる。そのような機械加工は、Ｏリング又はガスケットシール用に面を滑らかにしたり、追加の流体注入口又は排出口ポートを設けたり、仕上がり部品の全体質量を減らしたり、外観を美しくするのに必要なものである。好適な実施形態では、蒸発器１１０の端部キャップ１３０、１３２は、アッセンブリ１００へ取り付ける前に、約０．２５ｃｍ（０．１インチ）厚さに機械加工される。
【００４０】
接合後、蒸発器１１０の流体注入及び排出ポートには、配管に相当する材料が取り付けられる。金属の場合は、ろう付け又は溶接が、密封接続部を作る好適な方法である。この接続方法は、仕上げ部品上の表面積が非常に少なくて済み、機械加工嵌め込みのような他の接続方法より材料深さも少なくて済む。
【００４１】
本発明による別の蒸発器を形成するためのシムのパターンを、図９Ａ−１１Ｂに示す。この蒸発器では、図９Ａ及び９Ｂの互いに向かい合うシム３５０の対を使って、気体側マイクロチャネルを形成する。図１１Ａ−１１Ｂのシム３８０と向かい合う図１０Ａ−１０Ｂのシム３７０は、一緒になって蒸気側マイクロチャネルを形成する。シムは、多数のシムシート３５１、３７１、３８１にそれぞれ設けられ、端部プレート３９０と３９６の間に、各蒸発排出穴がプレート３９０の蒸気排出口ヘッダー穴３９４と整列し、各第１液体注入穴３１２がプレート３９６の液体注入口ヘッダー穴３９８と整列した状態で挟まれている。次に、シムスタックは、上記のように接合され、個々の蒸発器要素に分離される。図１Ａと比較すると、この構成では、注入口１０６と排出口１０８は、装置の同じ側ではなく反対側にある。
【００４２】
蒸発マイクロチャネルは、液体流れ部分と、液体流れ部分の断面積より相当に広い断面積を有する蒸気流れ部分を含んでいる。液体流れ部分は、液体注入貫通穴３１０と連通する曲がりくねったチャネル３７２を含んでいる。チャネル３７２は、平行な流れとして配置されている複数の曲がりくねったチャネル３７６ａ―３７６ｅと連通するマイクロチャネルヘッダー部分３７４に繋がっている。曲がりくねったチャネル３７６ａ―３７６ｅは、それぞれ、チャネル３７６とチャネル３７８の間の接合部付近に追加のサポート３７９を有する、対応する蒸気流れ部分３７８ａ―３７８ｅと連通している。蒸気流れ部分３７８ａ―３７８ｅは、シム３７０の長さに沿って互いに分離されており、共通の蒸気排出口ヘッダー穴に開いている。シム３８０は、シム３７０の部分３７８ａ―３７８ｅに対応する蒸気流れ部分３８８ａ―３８８ｅを含んでおり、蒸気マイクロチャネルの蒸気流れ部分に追加の断面積を形成している。シム３８０は、シム３７０の液体流れ部分３７２、３７４及び３７６ａ―３７６ｅを覆うエッチングされていない平坦な領域を有している。
【００４３】
上記のように、シム３７０、３８０、３５０は、それぞれ、第２液体注入穴３１０を備えている。穴３１０と３１２は、各シムに独立して設けられ、端部プレート３９０には、２つの穴３１０、３１２の間に流体連通を形成するチャネル３９２が設けられている。また上記のように、シム３７０の蒸気マイクロチャネル３７８ａ―３７８ｅと流体連通しているのは第２穴３１０であり、一方第１穴３１２は、端部プレート３９６の液体注入穴３９８と流体連通している。従って、組み立てると、蒸発器への液体注入口は、先ず全ての穴３１２を通過し、その後、各蒸発シム３７０に分配するため穴３１０に送られる。従って、注入液体の全ストリームは各シム３７０を通過し、その後、液体は全て蒸発マイクロチャネル３７８ａ―３７８ｅへ送られる。注入液体は比較的冷たいのでシム３７０の液体
端部を冷却する手段となり、早過ぎる蒸発、又は各シム３７０の間の望ましくない温度変動を防ぐ手助けとなる。注入液体を同様の方法で追加して送り込むことによって、冷却効果を増すことができる。
【００４４】
液体がまだ液体流れ部分３７６ａ―３７６ｅ内にある間に液体の中に蒸気が存在することになる液体の早過ぎる蒸発を防ぐもう１つの方法は、液体流れ部分にある液体の直接加熱を避けることである。上記の多重通路自己冷却液体供給と組合わせて用いることも、組合せないで用いることもできるこの態様では、気体側マイクロチャネル３５２は、液体流れ部分３７６ａ―３７６ｅに亘ってシム３５０には無い。気体側マイクロチャネル３５２も、例えば蒸気流れ部分３７８の長さの最初の５−１０％のような、蒸気流れ部分の最初の部分には無い。図示の実施形態では、第１気体側チャネル３５２の前縁３５６は、チャネル３７８のサポートリブ３７９の下流端部とほぼ一列に並んでいる。
【００４５】
又別の実施形態では、蒸発器は、気体マイクロチャネル１５２を差し挟むことなく、蒸発マイクロチャネル１７１だけを有して形成することもできる。そのような構造の例が、シム１５０、２７０又は３７０を差し挟むことなく、シム１７０、２７０又は３７０のスタックで形成される蒸発器である。蒸発器への加熱は、蒸発マイクロチャネル１７１の側方に沿って配置されている加熱器によって供給される。この目的で電気カートリッジ加熱器を用いることができる。この変形例では、面１１２、１１４は、加熱流体流路を画定するのではなく、電気加熱器又は加熱要素の配列を含むことになる。これらの加熱要素は、加熱要素の外側に適切な断熱材料を施して、シム１７０、２７０、３７０の外周部１８２内に予め形成されている穴の中に差し込むことができる。この代替構造の１つの用途は、オンデマンド電気蒸気発生器である。
【００４６】
実施例
実施例１
図４及び５に示すシム設計に従い、１２１対のシム２５０を１２０個のシム２７０と交互に積み重ねて水蒸発器を構築した。シムは、全てステンレス鋼製で、長さ（タブ１６０からタブ１６０までの全長）１１．７６ｃｍ（４．４インチ）、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）であった。燃焼側シムは、厚さ０．０３９ｃｍ（０．０１５５インチ）で、蒸気チャネルを深さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）にエッチングしたものである。蒸気側シムは、厚さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、蒸気／水チャネルを深さ０．０１７ｃｍ（０．００５インチ）にエッチングしたものである。拡散接合後、ステンレス鋼の端部プレートを厚さ０．２５ｃｍ（０．１インチ）に機械加工し、蒸発器を、図１のアッセンブリ内に装着した。
【００４７】
周囲温度（約２０℃）で注入した水を蒸発させ周囲圧力で蒸気を排出させて得られた、合計パネル容積ベースの熱伝達は、立方センチメートル当たり１０ワット（Ｗ／ｃｍ３）であった。燃焼ガスは５００℃で注入し、流量は毎分約９００標準リットル（ｓｌｐｍ）とした。燃焼ガスの圧力低下は、大気への排出口で６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱であった。この実施例の熱伝達密度を計算するための容積は、機械加工した端部プレートを含み、気体側ヘッダーを含まない、蒸発器１１０の容積とした。端部プレートは、性能に悪影響を与えることなく、製作後に機械加工で除くこともできるし、最初からもっと小さくしておいてもよい。熱伝達密度を測定するための別の公式化は、活性領域の容積をベースとするものである。活性領域は、中で差し挟まれた流れのチャネルが熱的に接触している装置の容積である。図示の実施形態では、活性領域は、燃焼ガスが流れる断面積（面１１２又は１１４に相当）にシムの幅Ｗを掛けたものである。これをベースに測定すると、熱伝達の密度は、ここに報告する値より２１％高くなる。
【００４８】
実施例２
実施例１の装置を使い、周囲温度で毎秒１立方センチメートルの水を供給し、４８０℃の燃焼ガスを９００ｓｌｐｍで注入し開放放出したところ、気体側圧力低下は６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱よりも少ないく、蒸気の排出口温度は約４２５℃であった。
【００４９】
実施例３
実施例１の装置を使用すると、燃焼ガスによる水の蒸発に対する水圧低下１０１．６ｃｍ（４０インチ）で、合計パネル容積ベースで、約８０Ｗ／ｃｍ３の熱伝達が得られると推測される。
【００５０】
実施例４
実施例１の装置を使用すると、燃焼ガスから少なくとも約７０％の熱効率で、熱伝達を得ることができると期待される。ここで用いる「熱効率」は、通常通り、各注入口作動条件において無限に長い向流熱交換器内で生じるエネルギー伝達に対する実際に伝達されるエネルギーと定義する。熱伝達は、少なくとも約８０％の熱効率又は約７０％から９０％の間の熱効率で得ることができると予測される。
【００５１】
実施例５
図９−１１のシムを使い、６１対のシム３５０を向かい合うシム３７０、３８０の対と交互に積み重ねて、装置を構成した。端部プレート３９０、３９６と共に６つの装置を形成し、上記のように、拡散接合後に、ワイヤＥＤＭで分離した。シムは全てステンレス鋼製で、長さ２２．２ｃｍ（８．７４インチ）、幅１．７８ｃｍ（０．７インチ）であった。燃焼側シムは、厚さ０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）で、蒸気チャネルを深さ０．１３ｃｍ（０．００５インチ）にエッチングしたものである。蒸気側シムは、厚さ０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ）で、蒸気／水チャネルを全て深さ０．０１９ｃｍ（０．００７５インチ）にエッチングしたものである。この蒸発器の作動パラメーターの例を、２つの異なる作動条件に対して表１に示している。
【００５２】
【表１】
【００５３】
活性領域は、燃焼ガスが流れる断面積で定義される。これには、蒸発チャネルを密封するためのシム縁部の固体金属の体積が含まれる。この領域を測定すると、２５３ｃｍ３の
容積に対して、１７．８ｃｍｘ８．００ｃｍｘ１．７８ｃｍ（７インチｘ３．１５インチｘ０．７インチ）である。
【００５４】
合計パネル容積には、合計シム容量に、総容積４０１ｃｍ３に対して２２．２ｃｍｘ１０．２ｃｍｘ１．７８ｃｍ（８．７５インチｘ４インチｘ０．７インチ）の端部プレートを加えたものである。市販用途では、端部プレートを小型にしてもよいし、製作後に、性能に悪影響を与えることなく機械加工で除去することもできる。
【００５５】
燃焼排出温度の予測値は、注入水と燃焼ガスの流量及び温度と、最終蒸気温度とを用いて、熱平衡によって求めることができる。測定された燃焼排出温度が変わるのは、排出気体が完全に再混合する機会を得る前に、パネル排出口面に比較的近い１つの熱電対で排出温度を測定したという事実に起因している。測定した排出温度の値は、排出口面に沿う熱電対の位置によって、＋／−約１５℃の範囲で変動した。
【００５６】
実施例６
例５による装置は、約１１５０℃の送気管気体注入口温度、及び水飽和蒸気を作ることができる流量で供給される液体水で作動し、水を蒸発させることができると期待される。実施例５の装置によって提供される蒸気側への効率的熱伝達は、排出を維持するよう選択された受容可能な低レベルにシムの金属の温度を維持するよう期待されている。
【００５７】
上記実施形態では、使用されている個々のシムは全て、面１１２及び１１４が略平行になるように一定幅のシムとなっているが、別の構成も考えられる。例えば、シムは、蒸気の流れの方向に徐々に大きくなるテーパ付形状となっていてもよい。更に、蒸気チャネル１７６は、蒸気シムの幅が増すにつれ、徐々に寸法が大きくなってもよい。代わりに、又は加えて、何れかのマイクロチャネルの寸法は、１つのシムでそれを広く又は深くすることにより、或いは隣接するシムの向かい合う表面に対応するエッチングを施すことにより、変えてもよい。
【００５８】
また、アッセンブリ１２０を水の蒸発に関して説明してきたが、これを使えば、例えば燃料電池の用途に有用なように、ガソリン又は他の流体を蒸発させることもできる。迅速な始動を必要とする用途では、装置を通る流量を増すことによりこれを達成することも考えられる。迅速な始動を要する用途の１つの例は、自動車で使う蒸気改質器である。
【００５９】
例えば、気体側を冷却して蒸気を逆方向に流すことによる、気体と蒸発している液体との間の、又は気体と凝縮している液体との間の熱伝達も、相変化を含む熱伝達利用法の例と考えられる。相転移が起こらない熱伝達利用法も考えられる。例えば、本発明の熱交換器を用いて、気体と液体の間、気体と蒸発した液体の間、又は高圧気体と低圧気体の間で熱を伝達することもできる。これら又は他の用途では、マイクロチャネル１７１は、長さに沿って実質的に均一な断面であってもよい。限定するわけではないが、或る特定の用途では、本発明の熱交換器を、オンデマンドの水加熱器システムの一部として、蒸気過熱器として、或いはコンデンサーとして利用するものもある。
【００６０】
更に、本装置、或いは本装置と直列に連結されている別の装置では、追加のユニット作動を行わせることもできる。例えば、触媒を一方又は両方の流路に設け、一方又は両方の流体のストリームに、化学反応を起こさせることもできる。或る有用な態様では、化学反応は、温度に敏感で、及び／又は発熱性か吸熱性の何れかである。この態様では、加熱又は冷却流体を一方の流路に供給し、他方の流路で反応が起こるようにして、反応を制御することもできる。
【００６１】
本発明のパネル熱交換構成を利用すると、１つの反応又は競合する反応の温度を制御す
るための効率的な機構が構築される。可逆反応は、本発明によって制御するのに適した対象である。有用な発熱反応の例には、サバティエ、選択酸化、部分酸化及び水性ガス転化反応が含まれる。有用な吸熱反応の例には、蒸気改質、逆水性ガス転化を含む。この他に考えられる反応としては、アンモニア合成、メタノール合成、エステル化、オレフィン水和反応、ＭＴＢＥ合成及び選択性メタン化反応が挙げられる。マイクロチャネル内で触媒反応を行わせるための、ここに記載の技法及び代表的な技法による反応の熱制御のこの他の例は、「温度制御のためのマイクロチャネル反応器」と題し、本出願と同じ譲受人に譲渡されている２００２年３月１１日出願の米国仮特許出願第６０／３６３，２６９号と、２００２年５月９日に出願の米国仮特許出願（未定）号に述べられている。
【００６２】
反応触媒は、粉末状又はペレット状で流路内に設けても、フェルト又は発泡体のようなシート状の工学的支持材上に堆積させても、流路の壁上に堆積させてもよい。適切な反応触媒は、各マイクロチャネルを通して概ね均一に分布させてもよいし、随意的に、各マイクロチャネルを通して、始めの位置又は離れた位置に局地的に集中させておくこともできる。例えば、短い流路内の燃焼反応を加熱に用いる（例えば、熱を、長い方の流路内で起こる吸熱反応に供給する）場合、燃焼触媒を気体注入面付近に集中させると有用である。
【００６３】
制御された温度反応を行わせるために本パネル流体処理装置を使う１つの形態は、反応を長い方の流路内で起こさせ、熱交換流体を短い方の流路に通してその反応を冷却（又は加熱）するものである。熱交換流体が短い方の流路内にある場合、相対的に安定した冷却流体温度を、長い方の流路である反応流路の全て又は少なくとも相当な部分で維持することができる。この様にすると、熱交換流体によって供給されるか又は取り除かれる熱を消費する（吸熱する）か又は発生させる（発熱する）反応が起こる多数の同じ反応流路の間で、比較的安定した温度プロファイルを維持することができる。この態様では、長い方の流路は、関連する流れ長さを通して一定の断面積にすることができる。熱交換流路は、装置を通して均一であってもよいし、例えば、反応パネルの異なる部分では更に大きな熱伝達密度となるように、寸法及び／又は離隔距離を変化させてもよい。
【００６４】
本発明による反応温度の制御を使えば、関心対象の特定の反応を最適化し、又は競合する反応がある場合には特定の反応を最適化することができる。代わりに、又は追加して、温度制御を使えば、反応器内の高温及び低温に関して極値を抑えて、腐食（低い方の最大温度）、硫黄中毒（高い方の最小温度）及び炭素堆積（硫黄中毒と、高い方の最小温度が下がる）のような別の要因に関する反応性能を改良することができる。
【００６５】
短い流路を通って流れる流体を利用する加熱又は冷却は、長い加熱又は冷却チャネルで使う場合よりも、より高温又は低温の流体を用いることができるため、システムの作動範囲を拡大することができる。理由の１つは、比較的短い流れ長さは、パネルの前面から背面までの熱伝導を促進して、熱を、注入口面から効果的に広げて、短い流路に亘る過剰な温度変化を防ぐということである。その結果、長い方の流路の幅Ｗに亘る温度勾配も最小になる。
【００６６】
燃焼ガスが短い流路内を流れる場合、燃焼は、反応器パネルの金属を高温に上げることなく、より高い温度で生じさせることができるので、システムは相当な効率利得を得ることができる。これらの効率利得は、多段燃焼の代替案に比べ複雑にすることなく入手できる。燃焼流路内の温度変化を抑えるのは、腐食の防止にも有用である。
【００６７】
長い方の流路内で発生する発熱反応を冷却するために、短い流路に冷却気体を流す場合も同様の状況となる。発熱反応の多くは、均衡又は生成物分配の要件のため冷却する必要があるが、反応が運動論的に抑制されるほど冷却してはならない。これらの反応の例は、水性ガス転位及び選択酸化反応である。このパネル構成では、運動論的挙動を維持するた
めの最低温度より遙かに冷たい少量の流れを用いて、冷却材にパネルの面を通過させ、冷却材の流れの方向の伝導により温度を平坦にして冷却材注入口付近の反応が抑制されるのを防ぐことにより、装置を冷却することができる。冷却材の流れの方向の伝導の効果で、反応と接触して反応の抑制を決めることになる金属壁は、冷却材温度が反応抑制温度より低くても、なお反応抑制温度より上に保つことができる。代わりに、冷却材温度を必要最低温度付近かそれ以上にして、より一般的な方法で反応の抑制を回避することもできる。
【００６８】
当業者には理解頂けるように、本発明の１つの形態は、第一流体を注入口から排出口へ運ぶための少なくとも１つの第１チャネルと、前記第１チャネルと関係付けて配置されている少なくとも１つの第２チャネルであって、２つのチャネル間で熱を伝達するためのものであり、前記第１チャネルより相当に短い長さを有している第２チャネルと、を備えている熱伝達装置である。好適な形態では、第２チャネルは、気体のような第２流体を、第１チャネルを横切って導くことができ、第２チャネルを流れる気体の圧力低下は、通常の作動条件下では低レベルに維持される。更に改良した又別の形態では、本装置は、熱交換器要素内に形成され、少なくとも第１面と第２面を有する複数の第１及び第２チャネルを備えている。更に改良した又別の形態では、前記複数の第１チャネルの少なくとも一部は、第１面と第２面の間の要素内に形成され、第１面と第２面の間に配置されている流路を通して第１流体を運ぶようになっている。更に改良した又別の形態では、前記複数の第２チャネルは、前記装置内に形成され、少なくとも第１から第２面に伸張しており、第２流体を第１から第２面へ導くようになっている。更に改良した又別の形態では、前記第２チャネルを、平行な第１チャネルの間に配置して、熱を、第２流体と前記平行な第１チャネル内の第１流体との間で伝導させることができる。更に改良した又別の形態では、熱伝導要素は、薄い金属シムの積み重ねた配列を接合することにより形成されている。隣接する流体壁を経由する熱伝導に加えて、第１チャネルの外周部の少なくとも一部を形成する熱伝導フィンを通して熱伝導を起こすこともできる。外周部の少なくとも一部を形成している熱伝導フィンは、拡散接合過程で要素を形成する間に、第１チャネルを密閉する接合面として働くこともできる。更に改良した又別の形態では、第２チャネルは、薄いシムの向かい合う面を接合させて形成されており、各面には、第２チャネルの一部を形成するへこみ部分が設けられている。更に改良した又別の形態では、第１チャネルの少なくとも一部は蛇行流路を含んでいる。更に改良した又別の形態では、第１及び第２チャネルは、直交流形熱交換器を形成する直交する流路を画定している。好適な形態では、１つ又は複数のチャネルはマイクロチャネルである。別の好適な形態では、熱交換器要素を形成する接合された積み重ねシムの容積を基に測定して、少なくとも約１０Ｗ／ｃｍ３の熱伝達が、気体側圧力低下約６．３５ｃｍ（２．５インチ）水柱未満で得られる。
【００６９】
又別の形態では、本発明は、一体化金属対金属接合によって接合された薄い金属シートのスタックから成る直交流形流体熱交換器であり、前記スタックは、互いに反対側の両端に穴を有するへこみ付シートを交互に配して構成され、へこみ付シートの内の第１シートは前記穴と穴の間の少なくとも１つの第１流路の少なくとも一部を画定し、へこみ付シートの内の第２シートは、前記穴から離れ前記２つの穴を繋ぐ線に略直交する方向の、少なくとも１つの第２流路の少なくとも一部を画定する。更に改良した又別の形態では、第２流路は、第１流路より相当に短く、シートの内の第２シート上の隣接する流路の間に複数のサポートが配置されている。更に改良した又別の形態では、１つの第１流路だけが第１シートの１つに形成されている。更に改良した又別の形態では、第１流路は、蛇行流路を含んでいる。更に改良した又別の形態では、第１流路は、第２へこみ付シートの内の１つのシートの面に接合することにより、少なくとも部分的には密閉されている。更に改良した又別の形態では、薄いシートの面に接合させるために、サポートが第１流路内に設けられている。更に改良した又別の形態では、穴が整列して、第１流路を通して流体を分配するためのヘッダーを形成しており、穴は、スタック全体に亘るヘッダー内の圧力の変動が少なくなるように、非均一な寸法となっている。
【００７０】
本発明の又別の形態では、流体処理装置を形成するための技術は、複数の個別流体処理ユニットを一体に形成する段階と、次に、そのユニットを、ある程度組み立てた後で分離する段階とを含んでいる。更に改良した又別の形態では、複数の薄いシートが２つの端部プレート間に積み重ねられており、各シートは、複数の個別流体処理ユニットの区画を有しており、複数の区画が組み合わされて、流体処理ユニット内に１つ又は複数のマイクロチャネルを画定している。更に改良した又別の形態では、端部プレートからの少なくとも１つの整列ポストを受け入れるために、整列穴がシートの両端の犠牲帯片内に設けられており、積み重ねられたシートの配列は端部プレートの間に配置され、側方サポート無しで拡散接合できるようになっている。更に改良した又別の形態では、接合後、各個別流体処理ユニットは、ユニット間で材料を切断することにより分離される。更に改良した又別の形態では、分離は、ワイヤＥＤＭを使って行われる。更に改良した又別の形態では、個別区画は、幅よりも相当に大きい長さと、シムの厚さよりも相当に大きい幅を有する薄いシムで形成されている。更に改良した又別の形態では、各区画が積み重ねられ、個々のシムの幅によって画定される幅より相当に大きい高さを有する個別流体処理ユニットを形成している。代わりに、或いはそれに加えて、個々の流体処理ユニットは、個々の流体処理ユニットの区画の間の境界に開口部を有するマイクロチャネルを備えることができ、ワイヤＥＤＭを使って個々の流体処理ユニットを分離すると、開口部を通って流れる気体の圧力低下を低レベルに維持できるように、マイクロチャネルの開口部は丸みの付いた形状となる。更に改良した又別の形態では、丸みの付いた形状を形成し易くするために、マイクロチャネルの開口部に隣接する個々の流体処理ユニットの区画の間の境界には、個々のユニットをＥＤＭを使って分離する前に形成され、マイクロチャネルに丸みの付いた開口部を形成するマイクロチャネル開口部部分と実質的に一致する形状を有している部分が設けられている。更に改良した又別の形態では、形成された流体処理ユニットは、複数のマイクロチャネルと流体連通する少なくとも２つの流体分配ヘッダーと、流体ヘッダーを備えていない第２複数のマイクロチャネルとを画定する積み重ねられたシムを含んでおり、本方法は、形成された流体処理ユニットを個別に形成された気体ヘッダーに取り付ける段階を含んでいる。
【００７１】
更に別の形態では、熱交換器システムを形成するための技術は、流体処理システムの一部を形成する薄いシートの積み重ねられた配列を形成する段階と、積み重ねられた配列を、積み重ねられた配列内の複数の個別の気体チャネルへ気体を分配するための個別に形成された気体ヘッダーと接続する段階とを含んでいる。更に改良した又別の形態では、積み重ねられた配列は、接合されて金属対金属接合を形成している。更に改良した又別の形態では、配列は、拡散接合工程で接合され、個別に形成された気体ヘッダーは無い。
【００７２】
以上、本発明を、添付図面と上記説明とで詳しく示し説明してきたが、これらは発明を分かり易くするためのものであり、発明の特徴を制限するものではなく、好適な実施形態のみを図示し説明しており、ここに記載する本発明の精神に当てはまる全ての変更、等価物及び修正は、保護されるものと理解戴きたい。ここに提供する全ての実験、実験例又は実験結果は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限し又は拘束するものではない。更に、ここに述べた何れの理論、作用の機構、証明又は発見も、本発明の理解を促進するためのものであり、本発明を、そのような理論、作用の機構、証明又は発見に制限する意図は全くない。本明細書に引用した全ての発行物、特許及び特許出願は、各個々の発行物、特許及び特許出願を具体的且つ個々に、参考文献として援用し、その全てをここで述べたかのように、参考文献として本明細書に援用するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１Ａは、本発明の１つの実施形態の熱交換器アッセンブリの側面立面図である。図１Ｂは、図１Ａの熱交換器アッセンブリの上面図である。図１Ｃは、図１Ａの熱交換器アッセンブリの端部立面図である。
【図２】図１Ａ−１Ｃのアッセンブリの熱交換器要素の側面立面図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、図２の熱交換器要素を形成するために積み重ねることのできる個々の薄いシートの上面図である。図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂの薄いシートの底面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の別の実施形態によるシム配列の上面図であり、Ｘは貫通穴を示している。図４Ｂは、図４Ａの配列の一部分の拡大詳細図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。
【図５】図５Ａは、本発明の又別の実施形態によるシム配列の上面図であり、Ｘは貫通穴を示している。図５Ｂは、図５Ａの配列の一部分の拡大詳細図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。
【図６】図６Ａ−６Ｃは、それぞれ、例１に示した図４及び図５のシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための底部プレートの図面である。
【図７】図７Ａ−７Ｃは、それぞれ、例１に示した図４及び図５のシム配列と図６の底部プレートとを備えた蒸発器要素を形成するための上部プレートの図面である。
【図８】個々の蒸発器要素に分離する前の積み重ねブロックの斜視図である。
【図９】図９Ａは、本発明の更に又別の実施形態による気体側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図９Ｂは、図９Ａの一部分の拡大詳細図である。
【図１０】図１０Ａは、本発明の更に又別の実施形態による蒸発器側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図１０Ｂは、図１０Ａの配列の一部分の拡大詳細図である。
【図１１】図１１Ａは、図１０Ａの蒸発器側シム配列と組み合わせて使用するための蒸発器側シム配列の上面図であり、クロスハッチングはへこみ部分を示している。図１１Ｂは、図１１Ａの配列の一部分の拡大詳細図である。
【図１２】例５に示した図９Ａ−１１Ｂのシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための端部プレートの斜視図である。
【図１３】例５に示した図９Ａ−１１Ｂのシム配列を備えた蒸発器要素を形成するための端部プレートの斜視図である。
【図１４】個々の蒸発器要素に分離する前の、図１２−１３の端部プレートを備えた図９Ａ−１１Ｂのシム配列の積み重ねブロックの斜視図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ第１及び第２流体を運ぶための複数の第１マイクロチャネルと複数の第２マイクロチャネルとを備えている熱交換器において、
前記第１マイクロチャネルは、前記第２マイクロチャネルと、少なくとも第１値のマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第２マイクロチャネルは、前記第１マイクロチャネルと、第２値より大きくないマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第１値は、前記第２値の少なくとも４倍であリ、前記複数の第１マイクロチャンネルは蒸発マイクロチャンネルであって、各該蒸発マイクロチャンネルは対応する蒸気通路と流体連通している各液体流路を有し、該蒸気通路は対応する液体流路の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、
前記液体流路は該液体流路内に圧力低下を確立して前記複数の第１マイクロチャネル間の前記第１流体の分配を少なくとも部分的に制御するために曲がりくねった部分を含んでいる、熱交換器。
【請求項２】
前記複数の第２マイクロチャネルは、前記第１マイクロチャネルの間に挟まれている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１マイクロチャネルと熱接触する一次熱伝達表面と、前記一次熱伝達表面から、前記第１マイクロチャネルの最小寸法を相当に上回る距離だけ伸張している、少なくとも１つの二次熱伝達表面と、を更に備えている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記二次熱伝達表面は、前記一次熱伝達表面から、前記一次熱伝達表面に実質的に平行な方向に伸張している、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１値は、前記第２値の少なくとも８倍である、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項６】
一体に接合された薄いシートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２マイクロチャネルの少なくとも一部分を画定している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第１の複数のマイクロチャネルは前記穴と穴の間に流路を画定し、前記第２の複数のマイクロチャネルは、前記穴とは分離された流路を、前記穴と穴とを繋ぐ線に略直交する方向に画定する、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１マイクロチャネルは、反応触媒を含む反応マイクロチャネルである、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記反応触媒は、サバティエ反応、選択酸化反応、水蒸気改質反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、逆水性ガス転化反応、アンモニア合成反応、メタノール合成反応、エステル化反応、オレフィン水和反応、ＭＴＢＥ合成反応、又は選択性メタン化反応のための触媒である、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第２流路は、反応触媒を含む反応マイクロチャネルである、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第２流路内の前記反応触媒は燃焼触媒である、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１２】
蒸発する流体を運ぶための複数の略平行な第１蒸発流路が、熱交換流体を運ぶための複数の第２の略平行な流路に挟まれ、これと熱接触するように構成されている蒸発器において、
前記第１蒸発流路は、それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と対応する蒸気流れ部分を含んでいて、前記蒸気流れ部分は対応する前記液体流れ部分の断面積より相当に大きい断面積を有しており、
前記各液体流れ部分は、複数の第１蒸発流路間の流れの分配を制御するために、前記各液体流れ部分に亘る相当な圧力低下を確立すべく、６０度より大きい少なくとも３つの方向転換部を有する少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、蒸発器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルは、９０度の少なくとも５個の方向転換部を含んでいる、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルは、９０度の少なくとも１０個の方向転換部を含んでいる、請求項１３に記載の蒸発器。
【請求項１５】
第２熱交換流体用の前記第２流路は、前記第２流路と熱接触する前記第１蒸発流路の部分の流れ長さよりも相当に短いマイクロチャネル流れ長さを有するマイクロチャネルである、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１６】
前記第１蒸発流路それぞれの前記液体流れ部分は、平行に流れ、それぞれが少なくとも６０度の少なくとも３個の方向転換部を有する複数の曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１７】
前記複数の曲がりくねったマイクロチャネルは、共通の曲がりくねったマイクロチャネルと流体連通している、請求項１６に記載の蒸発器。
【請求項１８】
前記複数の曲がりくねったマイクロチャネルは、前記曲がりくねったマイクロチャネルとの連結点付近で互いに離れて対応する複数の蒸気流れ部分と連通している、請求項１６に記載の蒸発器。
【請求項１９】
前記対応する複数の蒸気流れ部分は、共通の蒸気排出口ヘッダーと流体連通しているマイクロチャネルである、請求項１８に記載の蒸発器。
【請求項２０】
前記蒸気流路は、共通の蒸気排出口ヘッダーと流体連通している、請求項１９に記載の蒸発器。
【請求項２１】
熱交換流体を運ぶための前記第２流路は、前記液体流れ部分の前記曲がりくねったマイ
クロチャネルとは直接熱接触してはおらず、前記蒸発する流体が前記曲がりくねったマイクロチャネルを通って流れるときには、前記蒸発する流体の蒸発を実質的に防ぐようになっている、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２２】
蒸発する流体は、前記蒸発マイクロチャネル内にあり、前記第１流路の前記液体流れ部分に亘る圧力低下は、前記第１流路の前記蒸気流れ部分に亘る圧力低下と、少なくともほぼ等しい、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２３】
一体に接合された薄いシートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２流路の少なくとも一部分を画定している、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２４】
一体に接合された薄いシートのスタックを備えている蒸発器において、
前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、第１及び第２の別々の流路の少なくとも一部分を画定しており、
前記第１流路は、蒸発する流体を穴と穴の間で運ぶように機能し、互いに連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は増大した特定の容積の蒸気相を受け入れるために前記液体流れ部分の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、前記各液体流れ部分は複数の第１の流路間の流れの分配を制御するために各液体流れ部分を介して相当大きな圧力低下を確立すべく少なくとも１つの対応する曲がりくねったマイクロチャネルを含んでおり、
前記各第２流路は、前記穴から分離されており、対応する前記第１流路の前記蒸気流れ部分の少なくとも一部分と熱接触している、蒸発器。
【請求項２５】
前記第１流路の前記液体流れ部分は、それぞれ、平行な流れ配置に形成された複数の曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２６】
前記第２流路それぞれの長さは、前記穴と穴の間の距離より相当に短い、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２７】
前記第２流路それぞれの長さは、前記穴と穴の間の距離の１／８より短い、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２８】
第１流路と第２流路を交互に配して構成され、前記第１及び第２流路の少なくとも一方はマイクロチャネルを含んでいるワンパス直交流熱交換器を準備する段階と、
第１流体を前記第１流路に流す段階と、
燃焼ガスを前記第２流路に前記熱交換器の活性高温気体流れ領域を通して流し、熱を前記第１流路に伝達する段階と、から成る方法において、
前記活性高温気体流れ領域の容積に基づく容積熱伝達度は、少なくとも３０Ｗ／ｃｍ３であり、各流体注入条件下における、無限に長い向流熱交換器に対して定義される熱効率は、少なくとも７０％であり、
前記第２流路に亘る燃焼ガスの圧力低下は、センチメートル水柱で、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の２５．４倍未満である、方法。
【請求項２９】
前記容積熱伝達度は、少なくとも４０Ｗ／ｃｍ３である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
センチメートル水柱での圧力低下は、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の１２．７倍より小さい、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
センチメートル水柱での圧力低下は、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の１２．７倍より小さい、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記熱交換器内の高温気体の流れのレイノルズ数は、５００より小さい、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１流体は液体を含んでおり、前記第１流路は、互いに連通している液体流れ区画と蒸気流れ区画を含む蒸発流路であり、前記蒸気流れ区画は前記液体流れ区画より相当に大きな断面積を有している、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１及び第２流路は、それぞれ少なくとも１つのマイクロチャネルを含んでいる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
液体を蒸発させる方法において、
それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積よりも相当大きな断面積を有し、前記各液体流れ部分は複数の第１蒸発マイクロチャンネル間の第１ストリームの分配に影響を与えるべく前記液体流れ部分に亘る圧力低下を確立するための曲がりくねったマイクロチャネル液体流路を含むように構成されている前記複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含んでいる第１ストリームを流す段階と、
前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルの前記蒸気流れ部分と熱接触する第２流路を通って流れる第２流体によって加熱し、前記蒸気流れ部分内の前記第１ストリームの少なくとも一部分を蒸発させる段階と、
前記第１ストリームを加熱する際に、前記複数の第１蒸発マイクロチャネルそれぞれの前記液体流れ部分に亘る圧力低下を、少なくとも前記蒸気流れ部分に亘る圧力低下とほぼ等しく維持して、前記複数の第１蒸発マイクロチャネル間の前記第１ストリームの流れの分配を制御する段階と、から成る液体を蒸発させる方法。
【請求項３６】
前記曲がりくねったマイクロチャネルの液体流路から最も近い第２流路までの距離は、前記第１蒸発マイクロチャネルの前記蒸気流れ部分から最も近い第２流路までの距離より相当に大きく、前記曲がりくねったマイクロチャネル液体流路と前記第２流路との間の直接の熱接触を避け、前記曲がりくねったマイクロチャネル液体流路内の前記第１ストリームの蒸発を実質的に防ぐことができるようになっている、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１ストリームは水を含んでおり、前記第１ストリームを加熱する段階は、前記水を蒸気に蒸発させる段階を含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１ストリームは、前記第１蒸発マイクロチャネルの出口では、実質的に液体の水を含んでいない、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１ストリームを加熱する段階は、前記蒸気を相当程度過熱する段階を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
液体を蒸発させる方法において、
それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積よりも相当大きな断面積を有するように構成されている複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含んでいる第１ストリームを流す段階と、
前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルと熱接触する第２熱交換マイクロチャネルを通って流れる第２流体によって加熱し、前記第１ストリームの少なくとも一
部分を蒸発させる段階と、から成り、
前記第２熱交換マイクロチャネル内の前記第２流体の流れのレイノルズ数は、１０００未満であり、前記第２熱交換マイクロチャネルを通る前記第２流体の圧力低下は、センチメートル水柱で、前記第２熱交換マイクロチャネルへの注入口における大気中での前記第２流体の圧力の逆数の２５．４倍未満である、方法。
【請求項４１】
一体化金属対金属接合により接合された薄い金属シートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２マイクロチャネルの少なくとも一部分を画定するように構成されている蒸発器を準備する段階を更に備えている、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
複数の個別流体処理ユニットを一体で形成する段階と、或る程度組み立てた後で前記ユニットを個々の部分間の境界に沿って切断することにより個別ユニットに分離する段階とから成る方法において、
前記複数の個別ユニットを一体で形成する段階は、へこみ付シートを交互に含み、前記シートの前記へこみが前記個別流体処理ユニット用の流路の少なくとも一部分を画定するように構成されている、薄い金属シートのスタックとして一体化金属対金属接合を形成する段階を含んでおり、
分離した後の前記個別ユニットの幅は、前記薄い金属シートのスタックの高さよりも相当に小さくなる、方法。
【請求項４３】
前記一体化金属対金属接合を形成する段階は、拡散接合段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記一体化金属対金属接合を形成する段階は、前記薄い金属シートのスタックに圧力を掛ける段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記ユニットを分離する段階は、前記ユニットとユニットの間で材料を切断する段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記切断する段階は、ワイヤＥＤＭによって実行される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記シートの前記へこみは、第１及び第２の略直交する流路の少なくとも一部分を画定し、前記第２流路は前記個別ユニットの全幅に亘っており、前記第１流路は前記ユニットのほぼ全長に亘っており、前記ユニットの長さは、前期ユニットの幅の少なくとも４倍はある、請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１及び第２流路はマイクロチャネルである、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
液体を蒸発させて過熱蒸気を生成する方法において、
マイクロチャネル注入口とマイクロチャネル排出口との間に配置されている、それぞれが互いに流体連結している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積より相当に大きな断面積を有するように構成されている、複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含む第１ストリームを流す段階と、
前記第１蒸発マイクロチャネル内の前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルのマイクロチャネル流れ長さに沿って前記第１蒸気マイクロチャネルと熱接触している第２熱交換マイクロチャネルを通って流れる第２流体により第１ストリームを加熱することによって、蒸発させ実質的に過熱する段階と、から成り、
各液体流れ部分は各液体流れ部分間にわたる圧力低下を各蒸気流れ部分にわたる圧力低
下とほぼ等しくしするように形状づけられた曲がりくねった部分を有し、これにより複数の第１蒸発マイクロチャンネル間の第１ストリームを所望に分配するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項５０】
前記第１蒸発マイクロチャネルの前記マイクロチャネル流れ長さは、前記第２熱交換マイクロチャネルのマイクロチャネル流れ長さの少なくとも４倍はある、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１及び第２マイクロチャネルは、それぞれ長さと高さを有する第１及び第２面を有するパネル内に形成されており、前記第２熱交換マイクロチャネルは、前記第１面と前記第２面の間に伸張しており、前記第１面と前記第２面の間の前記パネルの幅は、各面の長さ及び高さよりも相当に短くなっている、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１ストリームを流す段階は、前記第１ストリームを、曲がりくねったマイクロチャネルを通して流し、前記液体流れ部分で相当な圧力低下を維持する段階を含んでいる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
一体に接合された薄いシートのスタックであって、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有する複数のへこみ付シートを含んでおり、前記シートの前記へこみは、それぞれ、前記穴と穴の間で蒸発する流体を運ぶように機能し、互いに連通する液体流れ部分と蒸気流れ部分を含む複数の概ね平行な第１蒸気流路の少なくとも一部を画定しており、前記蒸気流れ部分は、前記液体流れ部分の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、前記各第１蒸発流路の前記液体流れ部分は、前記第１蒸発流路の前記液体流れ部分に亘る圧力低下を確立するために、少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいるように構成されたスタックを準備する段階と、
液体を含んでいる第１流体を、前記液体流れ部分内で、前記第１流体の前記各第１蒸発流路への分配を制御できるほどの圧力低下を維持させながら、前記各第１蒸発流路に流す段階と、
前記第１流体を流す間に、前記第１流体を加熱し、前記蒸気流れ部分内にある間に、前記液体の少なくとも一部を蒸発させる段階と、から成る方法。
【請求項５４】
前記第１流体を加熱する段階は、前記第１流路の間に挟まれ、前記積み重ねられたシートの前記へこみで形成されている第２流路を通って流れる第２流体によって、前記第１流体を加熱する段階を含んでいる、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１流体を加熱する段階は、電気加熱器で加熱する段階を含んでいる、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
流体処理装置において、
１ｃｍより小さい最小寸法を有しており、反応触媒を含んでいる複数の第１反応流路と、
間に挟まれており、前記第１反応流路のマイクロチャネルと熱接触する複数の第２熱交換マイクロチャネルと、を備えており、
前記第１流路は、前記第２マイクロチャネルと少なくとも第１値の流れ長さに亘って熱接触し、
前記第２マイクロチャネルは、前記第１流路と第２値より大きくないマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第１値は、前記第２値の少なくとも８倍であり、前記第２熱交換マイクロチャネルの各々は各マイクロチャネルを通る流れのレイノルズ数が１０００以下となるように寸法づけられており、前記第１反応流路と第２熱交換マイクロチャネルとの間の熱接触は内部で生ずる感熱反応を制御すべく一つ以上の第一反応流路の間で比較的安定した温度プロファイルを維持することを特徴とする、装置。
【請求項５７】
熱交換器システムを形成するための方法において、
流体処理システムの複数の個々の部分を形成する薄いシートの積み重ねられた配列を形成する段階と、
個々の部分の間の境界に沿って切断することにより個々の部分を分離する段階であって、個々の部分の少なくとも一つが複数の別個の気体マイクロチャネルを間に有する第１及び第２面を画定するように分離する段階と、
前記少なくとも一つの個々の部分を、前記該少なくとも一つの個々の部分内の前記複数の別個の気体マイクロチャネルに気体を分配するための別に形成された気体ヘッダーに接続する段階と、から成り、
前記第１及び第２面は、それぞれ、前記面と面の間の距離より相当に大きな長さと幅を有している、方法。
【請求項５８】
前記積み重ねられた配列が接合され金属対金属接合を形成している、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記配列が拡散接合処理で接合され、別に形成された気体ヘッダーは無い、請求項５７に記載の方法。
【請求項１】
それぞれ第１及び第２流体を運ぶための複数の第１マイクロチャネルと複数の第２マイクロチャネルとを備えている熱交換器において、
前記第１マイクロチャネルは、前記第２マイクロチャネルと、少なくとも第１値のマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第２マイクロチャネルは、前記第１マイクロチャネルと、第２値より大きくないマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第１値は、前記第２値の少なくとも４倍であリ、前記複数の第１マイクロチャンネルは蒸発マイクロチャンネルであって、各該蒸発マイクロチャンネルは対応する蒸気通路と流体連通している各液体流路を有し、該蒸気通路は対応する液体流路の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、
前記液体流路は該液体流路内に圧力低下を確立して前記複数の第１マイクロチャネル間の前記第１流体の分配を少なくとも部分的に制御するために曲がりくねった部分を含んでいる、熱交換器。
【請求項２】
前記複数の第２マイクロチャネルは、前記第１マイクロチャネルの間に挟まれている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１マイクロチャネルと熱接触する一次熱伝達表面と、前記一次熱伝達表面から、前記第１マイクロチャネルの最小寸法を相当に上回る距離だけ伸張している、少なくとも１つの二次熱伝達表面と、を更に備えている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記二次熱伝達表面は、前記一次熱伝達表面から、前記一次熱伝達表面に実質的に平行な方向に伸張している、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１値は、前記第２値の少なくとも８倍である、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項６】
一体に接合された薄いシートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２マイクロチャネルの少なくとも一部分を画定している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第１の複数のマイクロチャネルは前記穴と穴の間に流路を画定し、前記第２の複数のマイクロチャネルは、前記穴とは分離された流路を、前記穴と穴とを繋ぐ線に略直交する方向に画定する、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１マイクロチャネルは、反応触媒を含む反応マイクロチャネルである、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記反応触媒は、サバティエ反応、選択酸化反応、水蒸気改質反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、逆水性ガス転化反応、アンモニア合成反応、メタノール合成反応、エステル化反応、オレフィン水和反応、ＭＴＢＥ合成反応、又は選択性メタン化反応のための触媒である、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第２流路は、反応触媒を含む反応マイクロチャネルである、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第２流路内の前記反応触媒は燃焼触媒である、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１２】
蒸発する流体を運ぶための複数の略平行な第１蒸発流路が、熱交換流体を運ぶための複数の第２の略平行な流路に挟まれ、これと熱接触するように構成されている蒸発器において、
前記第１蒸発流路は、それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と対応する蒸気流れ部分を含んでいて、前記蒸気流れ部分は対応する前記液体流れ部分の断面積より相当に大きい断面積を有しており、
前記各液体流れ部分は、複数の第１蒸発流路間の流れの分配を制御するために、前記各液体流れ部分に亘る相当な圧力低下を確立すべく、６０度より大きい少なくとも３つの方向転換部を有する少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、蒸発器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルは、９０度の少なくとも５個の方向転換部を含んでいる、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルは、９０度の少なくとも１０個の方向転換部を含んでいる、請求項１３に記載の蒸発器。
【請求項１５】
第２熱交換流体用の前記第２流路は、前記第２流路と熱接触する前記第１蒸発流路の部分の流れ長さよりも相当に短いマイクロチャネル流れ長さを有するマイクロチャネルである、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１６】
前記第１蒸発流路それぞれの前記液体流れ部分は、平行に流れ、それぞれが少なくとも６０度の少なくとも３個の方向転換部を有する複数の曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１７】
前記複数の曲がりくねったマイクロチャネルは、共通の曲がりくねったマイクロチャネルと流体連通している、請求項１６に記載の蒸発器。
【請求項１８】
前記複数の曲がりくねったマイクロチャネルは、前記曲がりくねったマイクロチャネルとの連結点付近で互いに離れて対応する複数の蒸気流れ部分と連通している、請求項１６に記載の蒸発器。
【請求項１９】
前記対応する複数の蒸気流れ部分は、共通の蒸気排出口ヘッダーと流体連通しているマイクロチャネルである、請求項１８に記載の蒸発器。
【請求項２０】
前記蒸気流路は、共通の蒸気排出口ヘッダーと流体連通している、請求項１９に記載の蒸発器。
【請求項２１】
熱交換流体を運ぶための前記第２流路は、前記液体流れ部分の前記曲がりくねったマイ
クロチャネルとは直接熱接触してはおらず、前記蒸発する流体が前記曲がりくねったマイクロチャネルを通って流れるときには、前記蒸発する流体の蒸発を実質的に防ぐようになっている、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２２】
蒸発する流体は、前記蒸発マイクロチャネル内にあり、前記第１流路の前記液体流れ部分に亘る圧力低下は、前記第１流路の前記蒸気流れ部分に亘る圧力低下と、少なくともほぼ等しい、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２３】
一体に接合された薄いシートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２流路の少なくとも一部分を画定している、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項２４】
一体に接合された薄いシートのスタックを備えている蒸発器において、
前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、第１及び第２の別々の流路の少なくとも一部分を画定しており、
前記第１流路は、蒸発する流体を穴と穴の間で運ぶように機能し、互いに連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は増大した特定の容積の蒸気相を受け入れるために前記液体流れ部分の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、前記各液体流れ部分は複数の第１の流路間の流れの分配を制御するために各液体流れ部分を介して相当大きな圧力低下を確立すべく少なくとも１つの対応する曲がりくねったマイクロチャネルを含んでおり、
前記各第２流路は、前記穴から分離されており、対応する前記第１流路の前記蒸気流れ部分の少なくとも一部分と熱接触している、蒸発器。
【請求項２５】
前記第１流路の前記液体流れ部分は、それぞれ、平行な流れ配置に形成された複数の曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいる、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２６】
前記第２流路それぞれの長さは、前記穴と穴の間の距離より相当に短い、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２７】
前記第２流路それぞれの長さは、前記穴と穴の間の距離の１／８より短い、請求項２４に記載の蒸発器。
【請求項２８】
第１流路と第２流路を交互に配して構成され、前記第１及び第２流路の少なくとも一方はマイクロチャネルを含んでいるワンパス直交流熱交換器を準備する段階と、
第１流体を前記第１流路に流す段階と、
燃焼ガスを前記第２流路に前記熱交換器の活性高温気体流れ領域を通して流し、熱を前記第１流路に伝達する段階と、から成る方法において、
前記活性高温気体流れ領域の容積に基づく容積熱伝達度は、少なくとも３０Ｗ／ｃｍ３であり、各流体注入条件下における、無限に長い向流熱交換器に対して定義される熱効率は、少なくとも７０％であり、
前記第２流路に亘る燃焼ガスの圧力低下は、センチメートル水柱で、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の２５．４倍未満である、方法。
【請求項２９】
前記容積熱伝達度は、少なくとも４０Ｗ／ｃｍ３である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
センチメートル水柱での圧力低下は、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の１２．７倍より小さい、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
センチメートル水柱での圧力低下は、前記第２流路への注入口における大気中での燃焼ガスの圧力の逆数の１２．７倍より小さい、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記熱交換器内の高温気体の流れのレイノルズ数は、５００より小さい、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１流体は液体を含んでおり、前記第１流路は、互いに連通している液体流れ区画と蒸気流れ区画を含む蒸発流路であり、前記蒸気流れ区画は前記液体流れ区画より相当に大きな断面積を有している、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１及び第２流路は、それぞれ少なくとも１つのマイクロチャネルを含んでいる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
液体を蒸発させる方法において、
それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積よりも相当大きな断面積を有し、前記各液体流れ部分は複数の第１蒸発マイクロチャンネル間の第１ストリームの分配に影響を与えるべく前記液体流れ部分に亘る圧力低下を確立するための曲がりくねったマイクロチャネル液体流路を含むように構成されている前記複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含んでいる第１ストリームを流す段階と、
前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルの前記蒸気流れ部分と熱接触する第２流路を通って流れる第２流体によって加熱し、前記蒸気流れ部分内の前記第１ストリームの少なくとも一部分を蒸発させる段階と、
前記第１ストリームを加熱する際に、前記複数の第１蒸発マイクロチャネルそれぞれの前記液体流れ部分に亘る圧力低下を、少なくとも前記蒸気流れ部分に亘る圧力低下とほぼ等しく維持して、前記複数の第１蒸発マイクロチャネル間の前記第１ストリームの流れの分配を制御する段階と、から成る液体を蒸発させる方法。
【請求項３６】
前記曲がりくねったマイクロチャネルの液体流路から最も近い第２流路までの距離は、前記第１蒸発マイクロチャネルの前記蒸気流れ部分から最も近い第２流路までの距離より相当に大きく、前記曲がりくねったマイクロチャネル液体流路と前記第２流路との間の直接の熱接触を避け、前記曲がりくねったマイクロチャネル液体流路内の前記第１ストリームの蒸発を実質的に防ぐことができるようになっている、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１ストリームは水を含んでおり、前記第１ストリームを加熱する段階は、前記水を蒸気に蒸発させる段階を含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１ストリームは、前記第１蒸発マイクロチャネルの出口では、実質的に液体の水を含んでいない、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１ストリームを加熱する段階は、前記蒸気を相当程度過熱する段階を含んでいる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
液体を蒸発させる方法において、
それぞれ、互いに流体連通している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積よりも相当大きな断面積を有するように構成されている複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含んでいる第１ストリームを流す段階と、
前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルと熱接触する第２熱交換マイクロチャネルを通って流れる第２流体によって加熱し、前記第１ストリームの少なくとも一
部分を蒸発させる段階と、から成り、
前記第２熱交換マイクロチャネル内の前記第２流体の流れのレイノルズ数は、１０００未満であり、前記第２熱交換マイクロチャネルを通る前記第２流体の圧力低下は、センチメートル水柱で、前記第２熱交換マイクロチャネルへの注入口における大気中での前記第２流体の圧力の逆数の２５．４倍未満である、方法。
【請求項４１】
一体化金属対金属接合により接合された薄い金属シートのスタックとして形成され、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有するへこみ付シートを交互に含んでおり、前記シートの前記へこみは、前記第１及び第２マイクロチャネルの少なくとも一部分を画定するように構成されている蒸発器を準備する段階を更に備えている、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
複数の個別流体処理ユニットを一体で形成する段階と、或る程度組み立てた後で前記ユニットを個々の部分間の境界に沿って切断することにより個別ユニットに分離する段階とから成る方法において、
前記複数の個別ユニットを一体で形成する段階は、へこみ付シートを交互に含み、前記シートの前記へこみが前記個別流体処理ユニット用の流路の少なくとも一部分を画定するように構成されている、薄い金属シートのスタックとして一体化金属対金属接合を形成する段階を含んでおり、
分離した後の前記個別ユニットの幅は、前記薄い金属シートのスタックの高さよりも相当に小さくなる、方法。
【請求項４３】
前記一体化金属対金属接合を形成する段階は、拡散接合段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記一体化金属対金属接合を形成する段階は、前記薄い金属シートのスタックに圧力を掛ける段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記ユニットを分離する段階は、前記ユニットとユニットの間で材料を切断する段階を含んでいる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記切断する段階は、ワイヤＥＤＭによって実行される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記シートの前記へこみは、第１及び第２の略直交する流路の少なくとも一部分を画定し、前記第２流路は前記個別ユニットの全幅に亘っており、前記第１流路は前記ユニットのほぼ全長に亘っており、前記ユニットの長さは、前期ユニットの幅の少なくとも４倍はある、請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１及び第２流路はマイクロチャネルである、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
液体を蒸発させて過熱蒸気を生成する方法において、
マイクロチャネル注入口とマイクロチャネル排出口との間に配置されている、それぞれが互いに流体連結している液体流れ部分と蒸気流れ部分を含んでおり、前記蒸気流れ部分は前記液体流れ部分の断面積より相当に大きな断面積を有するように構成されている、複数の第１蒸発マイクロチャネルを通して、液体を含む第１ストリームを流す段階と、
前記第１蒸発マイクロチャネル内の前記第１ストリームを、前記第１蒸発マイクロチャネルのマイクロチャネル流れ長さに沿って前記第１蒸気マイクロチャネルと熱接触している第２熱交換マイクロチャネルを通って流れる第２流体により第１ストリームを加熱することによって、蒸発させ実質的に過熱する段階と、から成り、
各液体流れ部分は各液体流れ部分間にわたる圧力低下を各蒸気流れ部分にわたる圧力低
下とほぼ等しくしするように形状づけられた曲がりくねった部分を有し、これにより複数の第１蒸発マイクロチャンネル間の第１ストリームを所望に分配するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項５０】
前記第１蒸発マイクロチャネルの前記マイクロチャネル流れ長さは、前記第２熱交換マイクロチャネルのマイクロチャネル流れ長さの少なくとも４倍はある、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１及び第２マイクロチャネルは、それぞれ長さと高さを有する第１及び第２面を有するパネル内に形成されており、前記第２熱交換マイクロチャネルは、前記第１面と前記第２面の間に伸張しており、前記第１面と前記第２面の間の前記パネルの幅は、各面の長さ及び高さよりも相当に短くなっている、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１ストリームを流す段階は、前記第１ストリームを、曲がりくねったマイクロチャネルを通して流し、前記液体流れ部分で相当な圧力低下を維持する段階を含んでいる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
一体に接合された薄いシートのスタックであって、前記スタックは、互いに反対側の両端部に穴を有する複数のへこみ付シートを含んでおり、前記シートの前記へこみは、それぞれ、前記穴と穴の間で蒸発する流体を運ぶように機能し、互いに連通する液体流れ部分と蒸気流れ部分を含む複数の概ね平行な第１蒸気流路の少なくとも一部を画定しており、前記蒸気流れ部分は、前記液体流れ部分の断面積よりも相当に大きい断面積を有しており、前記各第１蒸発流路の前記液体流れ部分は、前記第１蒸発流路の前記液体流れ部分に亘る圧力低下を確立するために、少なくとも１つの曲がりくねったマイクロチャネルを含んでいるように構成されたスタックを準備する段階と、
液体を含んでいる第１流体を、前記液体流れ部分内で、前記第１流体の前記各第１蒸発流路への分配を制御できるほどの圧力低下を維持させながら、前記各第１蒸発流路に流す段階と、
前記第１流体を流す間に、前記第１流体を加熱し、前記蒸気流れ部分内にある間に、前記液体の少なくとも一部を蒸発させる段階と、から成る方法。
【請求項５４】
前記第１流体を加熱する段階は、前記第１流路の間に挟まれ、前記積み重ねられたシートの前記へこみで形成されている第２流路を通って流れる第２流体によって、前記第１流体を加熱する段階を含んでいる、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１流体を加熱する段階は、電気加熱器で加熱する段階を含んでいる、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
流体処理装置において、
１ｃｍより小さい最小寸法を有しており、反応触媒を含んでいる複数の第１反応流路と、
間に挟まれており、前記第１反応流路のマイクロチャネルと熱接触する複数の第２熱交換マイクロチャネルと、を備えており、
前記第１流路は、前記第２マイクロチャネルと少なくとも第１値の流れ長さに亘って熱接触し、
前記第２マイクロチャネルは、前記第１流路と第２値より大きくないマイクロチャネル流れ長さに亘って熱接触し、
前記第１値は、前記第２値の少なくとも８倍であり、前記第２熱交換マイクロチャネルの各々は各マイクロチャネルを通る流れのレイノルズ数が１０００以下となるように寸法づけられており、前記第１反応流路と第２熱交換マイクロチャネルとの間の熱接触は内部で生ずる感熱反応を制御すべく一つ以上の第一反応流路の間で比較的安定した温度プロファイルを維持することを特徴とする、装置。
【請求項５７】
熱交換器システムを形成するための方法において、
流体処理システムの複数の個々の部分を形成する薄いシートの積み重ねられた配列を形成する段階と、
個々の部分の間の境界に沿って切断することにより個々の部分を分離する段階であって、個々の部分の少なくとも一つが複数の別個の気体マイクロチャネルを間に有する第１及び第２面を画定するように分離する段階と、
前記少なくとも一つの個々の部分を、前記該少なくとも一つの個々の部分内の前記複数の別個の気体マイクロチャネルに気体を分配するための別に形成された気体ヘッダーに接続する段階と、から成り、
前記第１及び第２面は、それぞれ、前記面と面の間の距離より相当に大きな長さと幅を有している、方法。
【請求項５８】
前記積み重ねられた配列が接合され金属対金属接合を形成している、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記配列が拡散接合処理で接合され、別に形成された気体ヘッダーは無い、請求項５７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２５７７５５（Ｐ２００９−２５７７５５Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７２７８３（Ｐ２００９−１７２７８３）
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【分割の表示】特願２００３−５３６６７４（Ｐ２００３−５３６６７４）の分割
【原出願日】平成１４年６月６日（２００２．６．６）
【出願人】（５０００３７４８１）バッテル・メモリアル・インスティチュート (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【分割の表示】特願２００３−５３６６７４（Ｐ２００３−５３６６７４）の分割
【原出願日】平成１４年６月６日（２００２．６．６）
【出願人】（５０００３７４８１）バッテル・メモリアル・インスティチュート (18)
【Ｆターム（参考）】
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