CN104203516B - 包含片材孔遮掩的挤压本体设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种流体设备的制造方法。该方法包括将可熔化片材置于挤压本体的面上，该挤压本体包含在其中延伸的孔道。至少一些孔道通过熔化片材使得熔化后的片材流入所述至少一些孔道以形成流体通路来相互连接，该流体通路穿过该本体并限定在所述至少一些孔道内。该流体通路可具有沿所述至少一些孔道的前后纵向蜿蜒路径。

Description

包含片材孔遮掩的挤压本体设备

本申请根据U.S.C.§119要求2011年11月29日提交的美国临时申请第61/564417号的优先权益，本申请所依赖的内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明总体上涉及挤压本体设备，如蜂窝反应器，更具体地，涉及与挤压本体设备一起使用的设备和方法，特别涉及用于蜂窝连续流动反应器中或与蜂窝连续流动反应器结合的流体通路、流体端口、分支和密封件的设备和方法。

背景技术

已经提出了微反应器型化学处理单元，其中流体(液体或气体)在平坦衬底中或平坦衬底上蚀刻、模制、钻孔或以其它方式形成的流体通道中被引导。流体通道被构型有基本的流体结构(例如，混合器和停留时间段)，以形成回路，该回路提供更复杂的化学处理功能。平坦衬底可以堆叠成扩展单一反应单元的功能，提供了模块化的化学处理系统，该系统可实现多种应用。

发明内容

一个实施例中，提供了一种流体设备的制造方法。该方法包括将可熔化片材置于挤压本体的面上，该挤压本体包含在其中延伸的孔道。至少一些孔道通过熔化片材使得熔化后的片材流入所述至少一些孔道以形成流体通路来相互连接，该流体通路穿过该本体并限定在所述至少一些孔道内。该流体通路具有沿所述至少一些孔道的前后纵向蜿蜒路径。

另一个实施例中，提供了一种流体设备的制造方法。该方法包括将临时填充物置于挤压本体的至少一些孔道内。可熔化片材置于该挤压本体的面上。其它孔道通过熔化该片材使得熔化后的片材流入其它孔道以形成其它孔道内的塞子来相互连接。使用临时填充物来阻挡熔化后的片材进入所述至少一些孔道中。

另一个实施例中，提供了一种流体设备的制造方法。该方法包括形成填充材料，该填充材料包括在高达约1150℃的温度下不烧结在一起的粉末和粘合剂。该填充材料具有糊状稠度。该填充材料位于挤压本体的至少一些孔道内以形成临时填充物。其它孔道通过熔化可熔化材料使得熔化后的可熔化材料流入其它孔道以形成其它孔道内的塞子来相互连接。使用临时填充物来阻挡熔化后的可熔化材料进入所述至少一些孔道中。

将在以下详细描述中阐述所要求保护主题的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。

应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都描述了本发明的各实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的主题的性质和特征。包括附图以提供对各实施例的进一步理解，附图包括在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各实施例并与说明书一起用于解释本主题的原理和操作。

附图说明

图1是根据一个实施例的流体处理设备的平面图，诸如包括挤压多孔道本体或蜂窝的热交换器或热交换器和反应器组合，示出了垂直于该本体的孔道的平面中的流体路径；

图2是图1的包括挤压多孔道本体的装置的侧视立体图，示出根据一实施例的流体路径的附加细节；

图3是在挤压本体的一端或两端上封闭的孔道的横截面图，示出在孔道之间相互连接时有用的根据本发明的一个方法；

图4是类似于图3的剖视图，用于说明本文所使用的术语蜿蜒的意思；

图5是根据本发明的另一实施例的包括挤压多孔道本体或蜂窝的反应器的平面图，示出在垂直于孔道的平面中的第二流体路径；

图6是图5的设备的剖视图；

图7是根据本发明的实施例的包括挤压多孔道本体或蜂窝的反应器的平面图，示出在垂直于孔道的平面中的替代流体路径；

图8是图7的设备的侧视立体图，示出根据一个实施例的挤压本体上的流体联接件；

图9是流体连接设备的一个实施例的剖视图；

图10是包括挤压多孔道本体或蜂窝的设备的分解立体图，示出在挤压本体的侧面处联接到输入和输入端口的流体联接件；

图11是根据本发明的另一实施例的包括挤压多孔道本体或蜂窝的本发明的反应器的横截面图，示出到挤压本体的流体连接；

图12是根据本发明的实施例的包括挤压多孔道本体或蜂窝的设备的平面图，示出在垂直于孔道的平面中的又一流体路径；

图13是根据一实施例的包括挤压多孔道本体或蜂窝的设备的平面图，示出在垂直于孔道的平面中的又一流体路径；

图14是在挤压本体的一端或两端上封闭的孔道的横截面图，示出用于通过从一个路径开始且在挤压本体内开始的两个路径来分支或分开流体路径的可用于本发明的方法；

图15是挤压本体或蜂窝结构的一端的局部平面图，示出在挤压本体内在挤压本体的一端上的输入端口处开始的多个通道；

图16是挤压本体或蜂窝结构的局部侧视图，示出在挤压本体内在挤压本体边侧面的壁上的输入端口处开始的多个通道；

图17示出根据一实施例的形成诸如热交换器或热交换器和反应器组合的流体处理设备的系统和工艺，该流体处理设备包含具有流体路径的挤压多孔道本体或蜂窝；

图18示出图17的系统和工艺，其中熔化的片材进入挤压本体的至少一些孔道；

图19示出具有与至少一些孔道互连的永久塞子和阻止在其它孔道中形成堵塞的临时填充物的挤压多孔道本体或蜂窝；

图20示出根据一实施例的移除临时填充物的系统和工艺；

图21示出根据一实施例的形成图19和20的临时填充物的系统和方法；

图22示出临时填充物和用于在挤压多孔道本体或蜂窝体中形成临时填充物的遮掩件；以及

图23示出根据一实施例的形成图19和20的临时填充物的另一系统和方法。

详细描述

本文所描述的实施例总体涉及处理流体的设备12，诸如反应器或热交换器，或者反应器和热交换器组合，包括挤压本体或整料20，该挤压本体或整料20中具有多个细长孔道18，图1的平面图中和图2的立体图中示出其一个实施例。该设备包括由诸如玻璃的片材形成的一个或多个塞子26，其用于堵塞选定的孔道18。2008年3月31日提交的题为“EXTRUDED BODY DEVICES AND METHODS FOR FLUID PROCESSING”待审查美国专利申请系列号第12/593,521号以及2008年12月30日提交的题为“DEVICES AND METHODS FORHONEYCOMB CONTINUOUS FLOW REACTORS”待审查美国专利申请系列号第12/346,090号中详细描述了设备12，这两个专利申请的细节以引用的方式纳入本文。

挤压本体20具有穿过其的主要限定在至少一些所述孔道18内的第一流体通路28，第一流体通路28具有沿至少一些所述孔道18前后纵向蜿蜒的路径，如图2所示。第一流体通路28理想地限定在第一多个24孔道18内，如图1所看到的。第一流体通路28的至少一部分，相对于垂直于多个孔道的平面，如图1所示，理想地位于路径29中，路径29由第二多个孔道22而不是第一多个孔道24来界定。对于最高热交换能力，理想的是路径29在其全部长度或至少其大部分长度宽度上仅是一个或两个孔道宽度，在所示的情形中为一个孔道宽度，但是也可使用多个路径和多个孔道宽度。狭窄的路径可允许通路28的大的接触面积与容积之比－－即大的(1)通路28与第二多个孔道22的接触面积与(2)第一流体通路28的容积之比，对于热交换器或者要求通路28紧靠孔道22的其它目的来说，该大的接触面积与容积之比是有益的。图1和2所示的实施例中，第一多个孔道24也是连续的，这可在本体20内提供足够的使用空间。

在图1和2所示的特定实施例中，第一流体通路28部分地由定位在所述本体20的一端或多端处的一个或多个塞子26来限定。这可在图3的剖视图中的另一实施例更详细地看到。如下面更详细描述的，塞子26可以由诸如玻璃的片材形成。将相互配合以部分地限定通路28的、将孔道22分隔的壁31的选定端部已经被移除，且塞子26已经定位成使得形成塞子26的材料与壁31的其余部分间隔开，从而将孔道22互连。第一流体通路28由此限定在第一多个孔道22内，且还部分地由塞子或连续塞子材料26限定。注意，通道28不需要具有与图3一样多的弯曲，以形容本文所使用的术语蜿蜒。通路形成沿纵向即沿孔道的方向的“S”形状已足够，如图4所示。

第二多个孔道24可以都平行开口，从而一种或多种流体可以沿各孔道24直线流过本体20，如图1和2总体示出。或者，如图5和6总体示出，其中图6的横截面大致沿图5所示的路径23截取，至少一个第二流体通路27可以主要限定在第二多个孔道24的至少一些孔道内，第二流体通道27还具有沿至少一些所述第二多个孔道24的前后纵向蜿蜒路径。所示的实施例中，第二流体通路27，相对于垂直于本体20的孔道18的平面，位于图5所示的路径23中。

另一实施例中，路径不仅沿图2所示的孔道方向蜿蜒，而且还在垂直于孔道的平面上蜿蜒，如图7平面图所示。图7平面图中的第一多个孔道22布置在垂直于孔道18的平面的大致蜿蜒路径上。因此，流体路径28沿纵向以相对较高的频率蜿蜒进和出图7平面，并在该图的平面内沿垂直方向以相对较低的频率蜿蜒。这种双蜿蜒路径结构使得在路径与孔道24之间保持大表面面积的同时能够有高的总路径容积和长的总路径长度，并使得设备12能够有小的总包装尺寸。

图7中可看到的第一多个孔道22的蜿蜒布置是一个实施例；根据应用，其它布置是可能的或者甚至是理想的。对于最高热交换，如上面所提到的，无论图1、5和7的平面内的路径形状如何，理想的是大部分路径是窄的，仅一个或两个孔道是宽的。这导致第一流体通路28能够具有非常高的表面与容积比以及在紧凑容积下长的长度，而且有一点是仍然容易制造。

如图1和5所示，如果需要，可围绕通路28和路径29的进出口30堵塞在宽度上大于一个孔道的组25中的孔道18中的附加孔道。这些附加的被堵塞的孔道可为O形环密封件提供支承或者提供烧制熔合密封件或提供与通路28流体连接的其它密封系统，且可选地可以不形成通路28的一部分。图8的实施例示出一种替代方式，其中入口管36已经密封到两组堵塞孔道25。如可从该图中看到的，这具有通过挤压本体的一端将流体通路28与挤压本体20的外部流体连通的效果。如果需要，可同时使用两端。

为了耐久性和化学惰性，挤压本体或蜂窝体20理想地由挤压玻璃、玻璃陶瓷、或陶瓷材料形成，但是有可能使用具有所需性质的任何可挤压的材料，包括例如广泛不同的材料，如金属、聚合物、石墨/碳等。碳或金属整料可以例如用搪瓷或PTFE涂层涂覆。陶瓷材料可包括金属氧化物，如氧化铝，钛酸铝、氧化锆、氧化镁，或者非氧化物陶瓷，如碳化硅、氮化硅、氮化铝、硅氧氮化铝和二硼化钛，或者硅酸盐陶瓷，如堇青石、富铝红柱石、滑石瓷和瓷器。氧化铝陶瓷比玻璃和某些陶瓷具有好的强度、好的惰性以及更高的热传导性。多孔道本体可具有每平方英寸至少200孔道的孔道密度。更高密度可产生热交换性能更高的设备。具有每平方英寸300或更多、或甚至450或更多孔道的本体可具有形成高热交换性能设备的潜力。

图9是用于流体处理的流体连接设备10的剖视图，包括挤压多孔道本体20，并示出为该挤压本体20提供流体连接的一个替代方式。在图9实施例中，流体壳体40通过密封件42支承挤压本体。壳体40可包括封围挤压本体的单一单元或可选配地省略部分40C，使得壳体包括两个部分40A和40B。可用于流过热控制流体或其它流体的流体通路48由第二多个孔道24与壳体40配合形成，在该情形中，所述第二多个孔道开口，如图1和7所示。因此，流体通路48构成另一类型第二流体通路，包括单次穿过本体、并行穿过第二多个孔道的多个孔道，与图5的第二通路27相反。如果需要的话，两种类型都可用于相同的本体20中。

图9的设备10中，本体20内的通路28经由流体导管60通过流体联接器46到达。流体导管60穿过壳体40内的开口62，其中开口62内采用密封件44。

图10是包括挤压多孔道本体或蜂窝本体的反应器12的分解立体图，示出流体联接件46，流体联接件46布置成用于在挤压本体20的侧面处联接到输入和输出端口30。流体联接件46包括围绕流体通路54的具有凸起的同心环52的流体联接件本体50。组装时，弹性O形环56由凸起环52保持压靠形成在本体20的侧面上的平坦表面58。该平坦表面58可以通过在形成流体连接的区域中移除几排孔道18来形成。挤压本体20内剩余的每单位面积的大量壁结构示出为密封件强力压靠平坦表面58提供了足够支承。

布置成使得第一流体通路28通过挤压本体20的大致平行于孔道18的表面58与挤压本体20外部流体连通的，诸如图10的实施例的设备的设备12，实现了流体连接设备10的所需要构造。如图11所示，在已连接的设备10的剖视图中示出了该所需要的布置，该已连接的设备10包括挤压多孔道本体或蜂窝20，具有至本体20的流体连接。与图9实施例相应的特征相应地标记。优点可包括无密封件44以及没有直接在两个流体通路28、48之间的任何密封件(诸如密封件44或流体联接件46)。因此，对每个路径的流体，可独立地优化密封件材料，且密封件失效(如果存在的话)不会致使两个通路28、48的流体相互混合。

图12和13是根据本发明的附加的替代实施例的示出在垂直于孔道18的平面中的又一个流体路径29的包括挤压多孔道本体或蜂窝20的设备12的平面图。如在图中可看到的，这些实施例包括在流体路径29内的分支，使得路径29在垂直于孔道的平面内分成平行路径。图14是在挤压本体20的一端或两端闭合的第一多个孔道22的剖视图，示出在本发明中用于将流体路径29和通路28分支或分开以实现图12和13的路径29的一个方法，其中流体通路28的两个流体通路或者分支在平行于孔道22、24的平面中从一个流体通路分开并开始在挤压本体20内分支。

在需要时，可使用具有所得到的多个路径的分支，来降低流体流过该设备的压降。图15是挤压本体或蜂窝结构的一端的局部平面图，示出用于分支的方法和结构，具有在挤压本体的一端上的输入端口30处的在挤压本体内开始的通路28和/或路径29的多个平行分支。这种分支通过简单地增加端口30处未堵塞的孔道数量来实现，如图所示从一个到四个，或更多。

图16是挤压本体或蜂窝结构的局部侧视图，示出在如图10所示的挤压本体侧面上的壁或平坦表面58上的输入端口30处的在挤压本体内开始的多个通路28的另一实施例。类似于图15的实施例，通过提供相对于孔道18的大小大的端口开口30来实现流体通路28和路径29的多个平行分支。除了提供通向平行的多个孔道(图中为4个)的道路，作为一种替代方式，如箭头所示，通路28可沿两个方向延伸。对于通路28的每个分支，仅使用一个方向也是一种替代方式。

参考图17，如上面所指示的，塞子26用于将至少一些孔道18互连(图1和2)。塞子26可以指的是永久的，其中塞子26可以形成使得需要某种形式的破坏或损坏塞子26和/或周围挤压本体20才能移除塞子26，并旨在形成最终设备12的一部分。图17示出使用片材100(例如由玻璃形成)来形成永久塞子26的系统和方法。在将片材100放置在挤压本体20上之前，在仍然开口的至少一些或所有孔道18(例如见图1的孔道22)中插入填充物102。填充物102可以指暂时作为可从孔道22移除而不损坏周围挤压本体20并且不旨在形成最终设备12的一部分的填充物。

可通过将临时填充物102插入旨在在最终设备12中仍然开口的所有孔道18中来完成选择性的挤压本体20的孔道18的玻璃板密封。一些实施例中，该临时填充物102可以由碳化硅粉末或在片材堵塞工艺使用的温度(例如950℃)下不烧结的诸如陶瓷粉末的一些其它粉末。可使用适于形成临时填充物102的示例性耐火陶瓷材料包括氧化铝、氧化锆和富铝红柱石。临时填充物102的颗粒大小可以相对大，诸如可使用直径至少约50μm的颗粒、诸如直径至少约100μm、诸如直径至少约150μm、甚至更小颗粒大小的颗粒。形成临时填充物102的颗粒也可具有锯齿形或长圆形(即非球形)形状。这种非球形形状可有助于临时填充物102保持其形状且在已经移除有机粘合剂后不崩溃或分解。这种非球形颗粒形状也可在塞子形成工艺期间，当临时填充物102在玻璃软化并在临时填充物102周围流动时在压力下放置临时填充物102时，帮助阻止填充物102形状变化。该临时填充物102初始可以呈糊状，该糊通过混合填充物粉末(例如约85重量比)与有机粘合剂，诸如妥尔油或其它一些类型的油来形成。所得到的填充物糊可以具有150,000～2,000,000cps的粘度，因此它散布并在散布后保持其形状。

在将临时填充物102置于各个孔道18内时，片材100可以位于挤压本体20的顶端面104上方。另一个片材100可以置于挤压本体20的下方(或在与顶端面相反的端面106处)。片材102可以由热膨胀系数(CTE)匹配于形成挤压本体20材料的玻璃形成。作为一个示例，对于氧化铝挤压本体20，对于片材102可使用1.0mm厚的玻璃片。各个片102可以由相同或不同的材料形成。耐火毡层108可以放置在上片材100上方。耐火毡层108可以提供片材100和质量块110之间的屏障。耐火毡层108可以用于防止在高温成形工艺之后，片材100粘至质量块110。在下部片材100与支撑表面112之间可设置类似的毡层108。毡层108可以由氧化铝毡层(例如约1.5mm厚)形成。质量块110可以是每平方厘米的挤压本体20端面面积至少约45克。

参考图18，在塞子成形工艺期间(例如在惰性气体氛围下，在仅仅约1150℃下、在仅仅约1723℃下)，玻璃材料片材100软化并由于质量块110的力而被迫使进入未堵塞的孔道18。临时填充物102防止玻璃片材流入由该临时填充物102阻塞的孔道18中。该临时填充物102形成成使得它们不由于玻璃流动而移位至相邻的孔道18。

参考图19，因为远离具有临时填充物102的孔道18的流动玻璃的转向，在由片材100形成永久塞子26之后，在与具有临时填充物102的孔道18相邻的孔道18中，永久塞子26可通常更厚。一些实施例中，可通过调节跨越挤压本体20的端面的临时填充物102的面积密度和/或通过变化或改变片材100的厚度，来调节塞子的厚度，变化或改变片材的厚度通过使用堆叠在分散区域内的多个薄片，或热压来改变其在选定区域中的厚度的片来实现。

参考图20，在形成永久塞子26之后，通过任何数量的方式来移除临时填充物102。例如，可以使用手动探测器或吹空气或使用其它材料来破坏和从孔道18移除临时填充物102，而不损坏塞子26或周围挤压本体20。挤压本体20的端面可以被抛光来移除可能已经与临时填充物102熔为一体的任何玻璃片材，以提供最终本体20。

可使用任何合适的工艺来为选定的孔道18提供临时填充物102。例如，参考图21，遮掩件120可以设有开口阵列122，该开口阵列相对应于临时填充物102所要放置在其内的孔道18。作为一个示例，遮掩件120可以具有施加至其的压敏粘合层，以将该遮掩件粘合至挤压本体20的端面。在将遮掩件120置于挤压本体20上之前，可以例如使用计算机控制的遮掩件切割机来在遮掩件120中切割开口阵列122。或者，可以在遮掩件120被施加至挤压本体20之后，例如使用在所需位置刺穿遮掩件120的激光遮掩件切割机或者热工具来在遮掩件120上形成有开口阵列122。形成开口122的各种方法包括模板切割、剥离胶带、激光切割和光刻图案化。

可以通过使用刀片将一薄层填充材料(例如约1.5mm厚)分散在板上并然后将挤压本体20的遮掩端向下压入填充材料层，来将填充材料插入孔道18。也可使用刀片将该填充材料直接分散在挤压本体20的遮掩端。不需要实现填充材料的精确的厚度控制，因为临时填充物102将被从其孔道18移除。图22示出具有临时填充物102和遮掩件120的挤压本体20。该遮掩件任何可被移除且片材100用于堵塞工艺。

参考图23，填充材料可被插入选定的孔道18或例如使用填充物喷嘴130直接注射入选定的孔道18。填充物喷嘴130大小可以设置成将填充材料直接注入单个孔道18，并可例如使用计算机控制XYZ载物台和存储在存储器中的孔道位置来自动地控制位置。可以例如使用扫描设备来获得孔道位置数据，该扫描设备扫描挤压本体20的端面。

在将填充材料插入孔道18之后，包含填充材料的挤压本体20可被加热(例如加热至约450℃)以脱脂填充材料。剩余的填充材料形成紧凑的临时填充物102，该临时填充物102保持其形状且不掉入孔道18中。可单独地进行该脱脂工艺或者与塞子成形工艺组合进行该脱脂工艺。

对本领域技术人员显而易见的是，可对本文所描述的实施例做出各种修改和变型而不偏离所要求保护主题的精神和范围。由此，假如这种修改和变型落入所附权利要求书及其等同物的范围内，说明书旨在覆盖本文所描述各种实施例的修改和变型。

Claims (14)

1.一种流体设备的制造方法，所述方法包括：

提供挤压本体，所述挤压本体包括在所述挤压本体的顶端面和与所述顶端面相对的端面之间延伸的多个细长孔道；

将临时填充物定位在所述多个细长孔道中的至少一些孔道内；

在塞子形成过程中，在其它多个细长孔道内形成永久塞子，所述其它多个细长孔道是不同于所述多个细长孔道中至少一些孔道的其它孔道，所述永久塞子通过以下步骤形成：

将玻璃片材定位在所述挤压本体的所述顶端面上；

软化所述玻璃片材使得所述软化的玻璃片材流入所述其它多个细长孔道以形成穿过所述挤压本体的流体通路，其中所述临时填充物阻挡所述软化的玻璃片材流入所述至少一些多个细长孔道；以及

硬化所述软化的玻璃片材以形成所述其它多个细长孔道内的塞子；以及

从所述挤压本体的至少一些孔道中的至少一个移除所述临时填充物。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述挤压本体包括陶瓷。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：使所述片材的热膨胀系数与所述挤压本体的热膨胀系数匹配。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过质量块迫使所述玻璃片材抵靠所述顶端面，使得所述质量块迫使所述软化片材的玻璃材料进入所述其它多个细长孔道。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述塞子形成过程还包括：将耐火毡材料置于所述质量块与所述片材之间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流体通路具有沿所述多个孔道中的至少一些孔道的前后纵向蜿蜒路径。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将遮掩件施加至所述挤压本体的相对端面中的至少一个上，所述遮掩件具有相对应于所述多个细长孔道中至少一些孔道的一个或多个开口。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过模板切割、剥离胶带、激光切割和光刻图案化中的一种或多种来在所述遮掩件中形成所述一个或多个开口。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：将填充材料散布在所述遮掩件上，所述填充材料通过所述遮掩件的一个或多个开口进入所述多个细长孔道中的至少一些孔道。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述填充材料包括碳化硅粉末和粘合剂。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：在软化所述玻璃片材之前将所述粘合剂从所述填充材料移除。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述填充材料包括陶瓷粉末和粘合剂。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述填充材料具有在150,000和2,000,000cps之间的粘度。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使用探测器和流体流中的一种或多种来移除所述临时填充物。