CN102686304A - 具有槽形胞间孔的蜂窝状本体装置 - Google Patents

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Abstract

一种蜂窝状挤压本体（20）具有多个胞室（22），这些胞室沿着共同方向从本体的第一端延伸至本体的第二端。这些胞室（22）由胞室壁（30）分开，且本体具有至少一个限定在所述胞室中多个内的流体路径（32）。流体路径包括一个或多个孔（36），这些孔在所述多个胞室中一个或多个相应胞室对中的胞室之间穿过相应胞室壁。每个孔（36）具有垂直于共同方向测得的孔宽度，该孔宽度是垂直于该共同方向测得的相应胞室壁宽度的90％或更小。可选的是，多个胞室中的一个或多个具有至少两个胞室壁，这些胞室壁具有沿共同方向处于相同位置的孔。作为又一方案，这些孔可绕胞室的中心轴线、沿相同的转动方向偏离它们的相应壁的相应中心。

Description

具有槽形胞间孔的蜂窝状本体装置
本申请根据35USC 119(e)要求2009年11月30日提交的美国临时专利申请No.61/265,358的优先权权益。
背景技术
本发明涉及蜂窝状挤压本体的装置，并且更具体地涉及用于热交换、混合以及类似处理中一种或多种的蜂窝状挤压本体的装置。
发明内容
本发明人和/或他们的同事已事先研发出用于在蜂窝状挤压本体内形成蛇形通道的处理，以及使用这些通道来有益于各种流体处理需求的装置。通常在这些装置中，首先参见图14和15，如图14所示的蜂窝状挤压本体20包括胞室22，这些胞室22沿着共同方向D从本体20的第一端26延伸至第二端28。插塞或密封材料46用于关闭多个胞室22。蛇形流体通道32可形成在由插塞或密封材料46所关闭的多个胞室内。可如图14所示通过端面或者通过本体20的侧面上加工的平台33中的开口31来通达流体路径32。例如通过使待加热或冷却的反应剂或流体沿着流体路径32流动，同时使温度控制流体沿着许多未被关闭的胞室流动，可将所得到的装置12用作反应器和/或热交换器。关闭胞室和它们所容纳路径32的平面型式可采取各种形式，例如图14所示的平直路径或图15所示的蛇形路径。
在现有技术的附图16和17的剖视图中示出插塞或密封剂46如何有助于形成路径32的一些细节。在这些附图中可观察到，蜂窝状本体的胞室中的选择性下降壁允许沿着路径32形成U形弯曲部，在蛇形流体路径32中使本体20的相邻胞室彼此连结。
本发明人已认识到，希望改进蜂窝状挤压本体装置的使用性，用于热交换和混合以及相关处理的任何组合。本发明解决此种需求的一实施例采取具有多个胞室的蜂窝状挤压本体的型式，这些胞室沿着共同的方向从本体的第一端延伸至本体的第二端。这些胞室由胞室壁分开，且本体具有至少一个限定在所述胞室中多个内的流体路径。流体路径包括一个或多个孔，这些孔在所述多个胞室中一个或多个相应胞室对中的胞室之间穿过相应胞室壁。每个孔具有垂直于共同方向测得的孔宽度，该孔宽度是垂直于该共同方向测得的相应胞室壁宽度的90％或更小。
又一实施例包括：多个胞室中的一个或多个胞室具有至少两个胞室壁，这些胞室壁具有沿共同方向处于相同位置的孔。作为又一方案，这些孔可绕胞室的中心轴线、沿相同的转动方向偏离它们的相应壁的相应中心。
这些特征以及下文描述的其它特征通过诱导其中具有流体路径的胞室内的次级流来增强热交换性能、增强混合性能、增强乳液的存储性能等等。
在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过实践在此描述的实施例（包括下面的详细描述、权利要求书以及附图）而认识到。
应理解的是，上述总体说明和下面的详细说明都仅仅是示例性的，并且意在提供概况或框架以便理解权利要求书的性质和特征。包括附图以提供进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。这些附图示出一个或多个实施例，且与说明书一起来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1是具有槽形胞间孔的一个实施例的蜂窝状本体的一部分的剖除立体图；
图2是具有一种类型的槽形胞间孔的蜂窝状本体装置10的一个实施例的剖视图；
图3是具有类似于图1所示构造的蜂窝状本体的一部分的剖除立体图，但表示出可由本发明的装置和方法产生的对向转动流；
图4A-4D是用在本发明上下文中的孔36的一些变型的剖视平面图；
图5是根据本发明另一方面、具有类似于图1所示构造的蜂窝状挤压本体的一部分的剖除立体图，示出三个胞室，其中中部胞室具有处于相同位置P处的多个孔；
图6是根据本发明又一方面的蜂窝状本体中一些胞室的剖视平面图；
图7是根据本发明又一方面的蜂窝状本体中一些胞室的剖视平面图；
图8A-8D是单个胞室壁的示意平面图，示出用在本发明上下文中的各种替代形式；
图9是本发明挤压本体装置的另一实施例的平面图；
图10A-10D是沿图9中所示剖线剖取的图9所示本体20的替代剖视图；
图11A-11C和图12A-12C分别示出生产根据本发明蜂窝状本体装置的方法中某些步骤的剖视图和平面图；
图13是用于生产根据本发明的蜂窝状本体的激光器加工处理的一个实施例的立体图；
图14和15是由本发明人和/或他们的同事开发的现有技术蜂窝状本体的装置的立体图；以及
图16和17是由本发明人和/或他们的同事开发的现有技术蜂窝状本体的装置的剖视图。
具体实施方式
现将参照附图中所示的实例详细描述本发明的较佳实施例。只要有可能，就在所有附图中都用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。
在图1所示的蜂窝状挤压本体20的一部分的剖除立体图中示出用在本文所披露装置中的槽形胞间孔的一个实施例，且在图2的剖视图中示出具有一种类型的槽形胞间孔的装置10的一实施例。参见图1和2，蜂窝状挤压本体20包括多个胞室22，这些胞室22沿着共同方向D从本体20的第一端26延伸至第二端28。胞室22由胞室壁30分开。本体20具有至少一个限定在胞室22中多个胞室34内的流体路径32。流体路径32包括一个或多个孔36，这些孔在胞室22的多个胞室34中一个或多个相应胞室对40中的胞室22之间穿过相应胞室壁38。虽然如果需要的话、具有其它类型或尺寸的其它孔也可用在装置10内，但本文所述的一个或多个孔36所具有的垂直于共同方向测得的孔宽度42是相应胞室壁38垂直于该共同方向D测得的胞室壁宽度44的90％或更少，这在图1中示出。
图3是具有类似于图1所示构造的蜂窝状本体的一部分的剖除立体图，但表示出可由本发明的装置和方法产生的对向转动流CR。在可由本领域技术人员通过模拟或实验选定的合适流动条件下，在图3所示的结构内从左至右然后向下行进的流体产生如图粗略所示的对向转动流CR。此种对向转动流增强路径32中流体对于壁30的暴露度，在通过壁进行热交换的情形下改进热交换，并且在催化剂材料用在壁30上或中的情形中改进催化作用。对向转动流CR还可有助于反应剂的初始混合或者保存乳剂等等。
用在本发明上下文中的孔36可采用各种形式。在图4A-4D的剖视平面图中示出孔36的一些变型。对于用在本发明的上下文中的情形，孔所具有的孔宽42应是胞室壁宽度44的90％或更低，并且理想地如图4B所示例如是胞室壁宽度的75％或更低，或者如图4C所示是胞室壁宽度的50％或更低，或者如图4D所示甚至是胞室壁宽度的25％或更低。例如如图4C所示，孔36可在相应的胞室壁38内沿着垂直于共同方向D的方向对中，其中孔36位于相应胞室壁38的中心线C上。为了实现最佳性能，对中的孔通常应较小，例如是胞室壁宽度的75％或甚至是50％或更低。例如如图4A和图4B所示，孔36可在相应的胞室壁38内沿着垂直于共同方向D的方向偏心，甚至如图4D所示偏心成使相应胞室壁38的中心线C不包括在相应孔36内。如图4A和图4B所示，孔36还可偏心成沿着垂直于共同方向D的方向定位抵靠于相应胞室壁38的边缘39。
图5是根据本发明另一方面的蜂窝状挤压本体的一部分的剖除立体图，其中蜂窝状本体20的胞室22中多个胞室34的一个或多个具有至少两个胞室壁30，这些胞室壁具有沿共同方向D处于相同位置P的孔36。在图5所示实施例的情形中，示出本体20的三个胞室22，其中中部胞室具有沿共同方向D处于相同位置P的多个孔36，在该情形中是三个孔。
图6是示出本发明另一实施例的蜂窝状本体20中一些胞室22的剖除局部平面图，其中蜂窝状本体20的胞室22中多个胞室34的一个或多个具有至少两个胞室壁30，这些胞室壁具有沿方向D处于相同位置P的孔36。（方向D在该情形中进出图9n，因此无法观察到。）在图6所示的实施例中，多个孔36绕胞室的中心轴线A沿相同的转动方向50偏离它们相应壁30的相应中心线C。
根据在图7的平面剖视图中示出的本发明另一方面，具有处于相同位置P处的孔36的至少两个胞室壁30在胞室内面向彼此。此种结构可致使进入胞室的两种流体产生良好的混合，这是由于流体的缠绕螺旋（由中部胞室中的箭头所指代）会拉长它们之间的交界部。注意到，本发明装置的使用并不局限于附图中所示的流动方向。在一些装置中或者对于一些应用来说，例如使流体从单个胞室通过处于相同位置P的多个孔流出会是有益的。
根据本发明的另一方面，参见图8A-8D中各个胞室壁30的示意平面图，蜂窝状本体20中的一个或多个孔36具有平行于共同方向D测得的孔长度52和垂直于共同方向D测得的孔宽度42以及至少是1.5或更高的孔长度52与孔宽度42的比值。孔长度52与孔宽度的比值理想地是至少3或更高，且更理想地是至少5或更高。孔长度意指在插塞之后的敞开孔长度。在孔36于插塞之前具有开缘（在附图中未示出）的情形下，在图8A所示孔32的情形中，插塞或密封件46减小孔的长度52。在孔36于插塞之前并不具有开缘的情形下，如图8B-8D所示，插塞或密封件46较佳地定位在孔36中最近边缘处或附近，但并不定位在该最近边缘之上。如图8C和8D所示，用在根据本发明装置中的一个或多个孔中至少一些孔可以是组合孔56，每个组合孔由多个开口60的组58构成，这些开口60在相应的壁38中定位在一起形成相应的组合孔56，该组合孔56具有由相应壁38中单个开口62（如图8A和8B所示）构成的孔36的长度和宽度所限定的孔长度52和孔宽度42，这可理想地使流动阻力最小化，同时组合孔56如图8C和8D所示由多个开口60形成可理想地使相应壁38的强度最大化。
在本发明的上下文中，理想的是孔36各自定位成相对靠近插塞或密封件46，该插塞或密封件46在相应孔36的一侧将胞室22的相应胞室对40封闭，例如大体在图8A-8D中示出并且将图A和B结合在一起进行观察。通常，如图2所示，此种插塞或密封件46在本体26的第一端和本体28的第二端中一个端部处将成对胞室40中的胞室22封闭。如图2所示，根据本发明的一个实施例，至少一个流体路径32连续地包括多个孔36。
根据本发明的另一方面，在图9的平面图中示出，一个以上的流体路径32可容纳在单个蜂窝状挤压本体20内。不管是存在一个路径32还是一个以上的路径，对于不构成一个或多个路径32的一部分的胞室存在多种方案。在图10A-10D中示出这些方案中的一些，附图10A-10D是沿图9中指示的剖线剖取的图9所示本体20的替代剖视图。本发明的又一方面在附图中示出。
根据图9所示的实施例，本体20包括胞室22的附加多个胞室134，这些胞室134的至少一些胞室与胞室22中流体路径32所处于的多个胞室34相邻。胞室22的附加多个胞室134在本体20内理想地容纳在至少一个附加流体路径132处。在图10A-10D中示出这些路径132的示例。在图10A所示的实施例中，附加流体路径132包括从本体20的第一端26至第二端28的平行直通道180。在图10B所示的实施例中，附加的流体路径132包括一个或多个孔136，这些孔136在所述附加的多个胞室134的一个或多个相应胞室对之间延伸穿过相应的胞室壁，并且具有垂直于共同方向测得的孔宽度，且该孔宽度是相应胞室壁垂直于该共同方向测得的胞室壁宽度的90％或更小。图10B所示的该实施例还沿附加流体路径132连续地包括多个孔136。在图10C所示的实施例中，多个短路径构成附加流体路径132，且每个短路径具有其自身的孔。在图10D所示的实施例中，将沿着路径分开相邻胞室的一些壁完全移除，由此孔136沿着路径132的频率变化。从后面的两个实施例可观察到，如果需要的话，流体路径32和附加的流体路径132可在如下方面中的一个或两个上不同：（1）作为沿着路径32、132距离函数的孔36、136的频率，以及（2）路径长度。
根据本文所披露任一实施例的蜂窝状本体理想地由陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷材料形成，然而如果需要的话还可使用其它蜂窝状挤压本体。
将参见图11-13对形成根据本发明一些实施例的蜂窝状挤压本体装置10的方法进行描述。
图11A-11C和图12A-12C分别示出生产根据本发明蜂窝状本体装置的方法的一实施例中某些步骤的剖视图和平面图。首先提供一种蜂窝状挤压本体20，该蜂窝状挤压本体具有多个胞室22，这些胞室沿着共同方向D从本体20的第一端延伸至本体20的第二端并且由胞室壁30分开。接下来，形成一个或多个孔36，这些孔136在所述多个胞室的一个或多个相应胞室对之间穿过相应的胞室壁，使得每个孔36具有垂直于共同方向测得的孔宽度，且该孔宽度是相应胞室壁垂直于该共同方向测得的胞室壁宽度的90％或更小，这在上文参见图1进行了描述。如图11A和11B所示，可通过机械加工来实现孔成形，例如通过切入（plunge）切削工具或任何其它合适的机械方法。如果需要的话，还可使用诸如激光加工之类基于能量的加工或者诸如蚀刻之类的化学加工。
在图11A中，示出对于本体20施加加工的方法的两个实施例。两种方法都通过本体20的端部26、28中的一个（或两个）施加加工能量或力，然而由工具T1所示的第一方法将加工能量或力沿着共同方向D正向下施加到胞室壁上。由工具T2示出的第二方法以一定角度将加工力或能量向下施加到胞室的开端内部，从而以一定角度对胞室壁进行加工，而非对胞室壁在本体20的第一端26或第二端28处的端部进行加工。例如在图11B的右侧上示出，第一种方法致使孔36在本体的第一端和第二端中的一个处具有开缘。例如在图11B的左侧上示出，第二种方法致使孔成形为不具有开缘。如图11B所示，孔可形成在本体20的两个端部处。如图12A和12B所示，这些孔还可从左至右交替。
不管使用何种孔成形方法，接下来通过形成或使用插塞或密封件46在相关联孔的一侧处对相应的胞室对进行插塞或密封。如果这些孔事先具有开缘，则开缘由插塞或密封件46封闭，使得孔的最终长度部分地由此种插塞或密封处理所确定。
如果需要的话，还可类似于第一和第二工具T1和T2而使用激光器，但对于如同图1A所示利用第二工具T2那样在对角上进行加工尤其有用。
作为另一替代，如图31所示，激光器200还可用于通过本体20的侧面而非端部一次对一个或多个孔进行切削。然后，一些孔会多余，通过插塞或密封处理或通过其它方式填充。
在此披露的方法和/或装置大体用于在微结构内执行如下任何过程，包括混合、分离、萃取、结晶、沉淀或者以其它方式处理流体或流体混合物，而流体混合物包括流体的多相混合物（包括流体或包括包含固体的多相流体混合物的流体混合物）。所述处理可以包括物理处理，化学反应，其中有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化，生物化学处理，或者任意其它形式的处理。可利用所披露的方法和/或装置来执行以下非限制列出的反应：氧化；还原；置换；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更确切地说，可利用所披露的方法和/或装置来执行任何以下非限制列出的反应：聚合；烷基化；脱烷作用；硝化作用；过氧化反应；磺化氧化作用；环氧化作用；氨氧化作用；氢化作用；脱氢作用；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化作用；硫代羰基化作用；烷氧基化作用；卤化作用；脱氢卤化作用；脱卤作用；加氢甲酰化作用；羧化作用；脱羧作用；胺化作用；芳基化作用；肽耦合；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化作用；酯化作用；酰胺化作用；杂环合成；脱水作用；醇解；水解作用；氨解作用；醚化作用；酶催化合成；缩酮反应；皂化作用；异构化；季胺化作用；甲酰化作用；相转移反应；硅烷化作用；腈合成；磷酸化作用；臭氧分解；叠氮化物；复分解作用；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶促反应。

Claims (24)

1.一种蜂窝状挤压本体，所述蜂窝状挤压本体具有多个胞室，所述多个胞室沿着共同方向从所述本体的第一端延伸至第二端并且由胞室壁分开，且所述本体具有至少一个限定在所述胞室的多个胞室内的流体路径，所述流体路径包括一个或多个孔，而所述一个或多个孔在所述多个胞室的一个或多个相应胞室对的胞室之间穿过相应的胞室壁，并且每个孔具有垂直于所述共同方向测得的孔宽度，而所述孔宽度是所述相应胞室壁垂直于所述共同方向测得的胞室壁宽度的90％或更小。
2.如权利要求1所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔所具有的孔宽度是所述胞室壁宽度的75％或更小。
3.如权利要求1所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔所具有的孔宽度是所述胞室壁宽度的50％或更小。
4.如权利要求1所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔所具有的孔宽度是所述胞室壁宽度的25％或更小。
5.如权利要求1-4中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔都定位成靠近插塞或密封件，且所述插塞或密封件在相应孔的一侧处将相应的成对胞室封闭。
6.如权利要求5所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述插塞或密封件在所述本体的第一端和所述本体的第二端中的一个端部处将相应的胞室封闭。
7.如权利要求1-6中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔中至少一些孔在相应的胞室壁内沿着垂直于所述共同方向的方向对中。
8.如权利要求1-6中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔中至少一些孔在相应的胞室壁内沿着垂直于所述共同方向的方向偏心，使得所述相应胞室壁的中心线不包括在所述相应孔内。
9.如权利要求1-6中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔沿着垂直于所述共同方向的方向定位成抵靠于相应胞室壁的边缘。
10.如权利要求1-9中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述多个胞室中的一个或多个胞室具有至少两个胞室壁，所述胞室壁具有沿共同方向处于相同位置的孔。
11.如权利要求10所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述多个胞室中的一个或多个胞室在至少两个胞室壁中具有沿所述共同方向处于相同位置的孔，且所述孔绕所述胞室的中心轴线沿相同转动方向偏离它们相应壁的相应中心。
12.如权利要求10和11中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少两个胞室壁在所述多个胞室的一个或多个胞室内面向彼此。
13.如权利要求1-12中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔具有平行于所述共同方向测得的孔长度和垂直于所述共同方向测得的孔宽度以及至少是1.5的孔长度与孔宽度比值。
14.如权利要求13所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述孔长度与孔宽度比值至少是3。
15.如权利要求14所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述孔长度与孔宽度比值至少是5。
16.如权利要求13-15中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔中至少一些孔是组合孔，每个组合孔由多个开口的开口组构成，所述多个开口在相应的壁中定位在一起以形成相应的组合孔，而所述相应的组合孔具有由所述开口组的长度和宽度所限定的孔长度和孔宽度。
17.如权利要求13-15中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述一个或多个孔中的至少一些孔由相应壁中的单个开口构成。
18.如权利要求1-17中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少一个流体路径连续地包括多个孔。
19.如权利要求1-18中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述本体还包括附加的多个胞室，所述附加的多个胞室中至少一些胞室与所述流体路径所处于的所述多个胞室相邻，且所述附加的多个胞室在所述本体内包含至少一个附加的流体路径。
20.如权利要求19所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少一个附加的流体路径包括从所述本体的第一端至所述第二端的平行直通道。
21.如权利要求19或20中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少一个附加的流体路径包括一个或多个孔，所述孔在所述附加的多个胞室的一个或多个相应胞室对之间延伸穿过相应的胞室壁，并且具有垂直于所述共同方向测得的孔宽度，且所述孔宽度是所述相应胞室壁垂直于所述共同方向测得的胞室壁宽度的90％或更小。
22.如权利要求19-21中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少一个附加的流体路径连续地包括多个孔。
23.如权利要求19-22中任一项所述的蜂窝状本体，其特征在于，所述至少一个流体路径和所述至少一个附加的流体路径在如下方面中的一个或两个上不同：（1）作为沿着所述路径距离的函数的孔频率，以及（2）路径长度。
24.如权利要求1-23中任一项所述的蜂窝状挤压本体，其特征在于，所述蜂窝状本体的胞室壁包括玻璃、玻璃陶瓷以及陶瓷中的一种。
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