JP2008537904A5

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Publication number: JP2008537904A5
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Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-03-17
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Description

Strook他は更に２００２年にAnalytical Chemistry誌上で、チャンネル間隙対溝深さ比が最大で１．１７５であるレイノルズ数の流体混合物を混合するための、一定角度の一連の同じ斜めに角度を付けた構造部分について説明している。回転する流列（flow stream）のピッチを反映する流れのヘリシティに関する説明によると、スタガードヘリンボン溝パターンを使用するミキサーでは低レイノルズ数時にラグランジアンカオスが発生し、マイクロ流体装置の混合速度が上昇する。
Johnson及びLocascioは２００２年６月にAnalytical Chemistry誌上で、バルク流れチャンネルでの混合度を高めるための、角度を付けた４つの溝を使用するマイクロミキサーに関して説明している。それによるとチャンネルを横断する液体移送量は、ウェル又は溝深さを５０μｍまで増大させるに従い増大し、それ以上の深さ（流れ又は分子が混合されるのではなくむしろ捕捉されるデッドゾーンエリアとして説明される）では増大しない。レイノルズ数は１未満である。また、ウェル又は溝を持つチャンネルの軸方向分散度は、平坦な又はウェル無しの壁の軸方向分散度よりもずっと高い。溝間隙対溝深さ比は０．３２〜２．７４であるが、この比が１．６以上になるとそれ以上の改善効果はない。

“毛管性の表面機能構造部”とは、マイクロチャンネルに関連する、液体物質を保持するために使用する表面機能構造部のことを言い、マイクロチャンネルの壁内に凹形又は壁から突き出す凸形の、このマイクロチャンネル壁に隣り合う流路内に入る表面機能構造部を言う。この表面機能構造部は、２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ或いはそれ以下、更に好ましくは５００μｍ或いはそれ未満の空間を創出し、配置するマイクロチャンネルの任意の寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法を有する。毛管性の表面機能構造部は、毛管力により液体を維持するために使用する、長孔形式の構造又は穴の配列又はその他の凹形又は凸形の各構造形式において任意の角度を有し得る。
“毛管材料”とは、所望の反応に触媒作用を及ぼす材料のことを言い、その非限定例には金属、金属酸化物、酸性基が含まれる。
“触媒金属”とは、触媒材料の好ましい形態であり所望の反応に触媒作用を与える金属形態の材料のことを言い、特には、Pd、Rh、Re、Ir、Ptが好ましい。
“化学的な単位操作”とは、反応、化学的性質を利用した分離、加熱、冷却、蒸発、凝縮、混合、のことを言うものとする。
“連続するマイクロチャンネル”とは、実質的に途切れず又は開口部の無い単数或いは複数の壁によって包囲されたマイクロチャンネルのことを言い、実質的に途切れず又は開口部が無いとは、マイクロチャンネルの、開口部（もしあれば）を設ける単数あるは複数の壁の開口部の割合が２０％（ある実施例では５％未満であり、ある実施例では開口部が無い）を越えない場合を言う。

任意の所定のマイクロチャンネルの単数又は複数の壁内に、異なる深さの凹形の表面機能構造部を含む多数の表面機能構造部を配置し得る。各表面機能構造部間の間隔は０．０５ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍである。表面機能構造部はマイクロチャンネル全体又はその一部分に設け得るが、表面機能構造部を設ける部分は、調製領域（ｔａｉｌｏｒｅｄ−ｚｏｎｅｓ）での所望の反応又は単位操作を助成させるように間欠配置され得る。例えば、マイクロチャンネルの２．５ｃｍのセクションに表面機能構造部を密に配列し、次の１０ｃｍのセクションは平坦チャンネルとし、次の５ｃｍのセクションに表面機能構造部を広い間隔で配列することができる。広い間隔とは、表面機能構造部同士間の距離が、表面機能構造部の幅方向寸法の５倍以上であることを言うものとする。
１実施例では、表面機能構造部は実質的にマイクロチャンネルの長さ方向に渡り伸延される（流れ分与機能セクション又はマニホルド機能セクションを含まない）。ある実施例では、表面機能構造部の長さは、マイクロチャンネルの長さの５０％又はそれ未満、ある実施例では２０％以上又はそれ未満、また他の実施例では１０％〜１００％のものであり得る。ある実施例では、幾つかのチャンネル又はセクション内の圧力降下を中庸化して流れ分与を調整することにより、伝熱を調整又は流れ分与を調整するために、マニホルド機能セクション又は流れ分与機能セクションの内部に表面機能構造部を含むことが好ましい場合がある。

チャンネルの長さ方向に沿って配置する類似構造の表面機能構造部の最小列数は、チャンネル間隙と、表面機能構造部の長さとに依存する。類似の又は“同様の”表面機能構造部は、チャンネル長さ方向に沿って相互に隣り合わせて配置した相互を複製したものであり、その一例が図１ｂに示される。こうした表面機能構造部により形成される流れパターンは、特にバルク流れに出入りする乱流ではないと考えられ、説明的には“方向付けされた積層”流れパターンとする方がよいものである。
表面機能構造部は、その各上部に２つ以上を積層した、又は３次元パターンとなるように折り合わせたものであり得る。各表面機能構造部層の表面機能構造部パターンは同じか又は異なるものであって良い。流れは各層内で又は一つの層のみの内部で回転し又は移流され得る。触媒を付着させる追加的な表面領域を創出する目的のみのために副層（バルク流れチャンネルには隣り合わないものとして定義される）を使用し得る。流体は第１の副層内で回転し、第２の副層又はそれ以上の副層内に流体分子が拡散され、かくして反応が助成される。金属注型法又はその他方法によって相互に積層させることによっても、変化するパターンが個別の平面に分離しない３次元形態の表面機能構造部を形成し得る。深さ、形状、位置が３次元的に変化する異なる表面機能構造部を、深さ、形状、位置の変化するパターンを伴う副−表面機能構造部と共に、バルク流れチャンネル内で隣り合って配置し得る。本発明のこの構成は触媒付着又は蒸留のような化学的性質を利用した分離のための追加的な表面領域を要する化学反応に対して有利である。
図４ｂには３次元的な表面機能構造部が例示され、バルク流れマイクロチャンネルに隣り合う界面位置には凹形の山形が設けられ、これらの山形部分の下側には、バルク流れの流路に隣り合う表面機能構造部に連結する一連の、しかし形状、深さ、位置の異なる３次元構造（薄い線で示される）が設けられている。バルク流れマイクロチャンネルに隣り合って開放する表面機能構造部の下方には直接向かわず、むしろ１つ以上の曲折した２次元又は３次元的な通路を連結する副層通路を生じさせるのが更に有益であるが、これは、反応上、滞留時間幅が狭いよりも広い方が望ましい場合に、滞留時間配分を調整するために有益である。

０型の表面機能構造部パターン（以下、ＳＦＧ-0パターン）（図３ａ参照）が、単位操作用マイクロチャンネルの長さ方向に沿って配置した山形又はＶ字形凹部状の表面機能構造部列により説明される。各山形の表面機能構造部を一定又は不規則な間隔の何れかで順次配置する。各表面機能構造部間の間隔は一定であることが好ましい。なぜなら、各表面機能構造部が一定間隔で存在することによって主チャンネル内のバルク流れが分断されることで、別の表面機能構造部による流れの分断が良好に補強されるからである。１側壁型の表面機能構造部はマイクロチャンネルの一方の側壁上にのみ表面機能構造部を有し、２側壁型のものはマイクロチャンネルの２つの側壁（対向する又は隣り合う各側壁）上に表面機能構造部を有する。幾つかの実施例では２側壁型の表面機能構造部は、シス又はトランスの何れかの配向形態を有し得る。対向する各側壁にシス配向した表面機能構造部を図３ａに示すが、両チャンネル側壁の各表面機能構造部は鏡像であるように配置される。トランス配置とは、２つ以上の側壁を有するマイクロチャンネルの表面機能構造部が、対向する各側壁同士間では整列しないが、第２側壁の表面機能構造部が第１側壁のそれと鏡像を成し、この第２側壁を１８０°回転させる（表面機能構造部のパターンが、平面図で見て第１側壁のそれに対して逆転させる）と各表面機能構造部がオフセットされた状態に配置される整列関係に対して参照される。マイクロチャンネルの、表面機能構造部を含む正味の面積をもっと広げるための充填用の表面機能構造部を追加し得、また、対向する各側壁の表面機能構造部がバルク流れ方向に沿って相互に幾分オフセットされていることから、第２側壁又は対向する側壁は、鏡像を完全に回転させたものでなくとも良い。所定の側壁上の各表面機能構造部移管する流れ方向はシスＡ（図３ａで底部から上部に向かう流れ方向）又はシスＢ（例えば、図３ａで上部から底部に向かう流れ方向）の何れかであり得る。代表的には、各表面機能構造部は対向する各側壁上に配置されるが、隣り合う各側壁に配置される場合もある。

シスＡ配向は、２つ以上の側壁を有するマイクロチャンネルの表面機能構造部が、上部及び底部の各側壁において流れ方向と同じ方向に整列し、表面機能構造部における脚部が、前記流れ方向に沿って収束する整列関係に対して参照される。
シスＢ配向は、２つ以上の側壁を有するマイクロチャンネルの表面機能構造部が、上部及び底部の各側壁において流れ方向と同じ方向に整列され、表面機能構造部における脚部が、前記流れ方向に沿って拡開する整列関係に対して参照される。
Ｆａｎｅｌｌｉ部分とは、そうでなければ連結されている、表面機能構造部における脚部の不連続部又は小離断部のことを言う。不連続部はマイクロチャンネルの幅方向寸法の２０％未満であることが好ましく、より好ましくは１０％未満である。図３ｈにはＳＦＧ
-0パターンのＦａｎｅｌｌｉ部分付きの表面機能構造部パターンが示され、角度変化によって主チャンネル流路内にデッドスポット又は低速領域の何れかが生じないようにするために頂部が除去されている。２つの表面機能構造部同士間のＦａｎｅｌｌｉ部分は、ｖ字形の第１の半分側がチャンネルの長さ方向に沿った２つの各位置で出発及び終端し、ｖ字形の第２の半分側が、第１の半分側が出発及び終端する各位置よりも上方又は下方の何れかの位置に若干ずれるように配置しても良い。

マイクロチャンネル装置（マイクロチャンネル反応器のような）は、典型的に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のような）と、複数の、隣り合う熱交換マイクロチャンネルとを含み、複数のマイクロチャンネルは、例えば、２、１０、１００、１０００或いはそれ以上の、並列運転可能なチャンネルを含み得る。好ましい実施例では、マイクロチャンネルは平坦なマイクロチャンネルの平行列として、例えば、少なくとも３列状態で配置され得る。好ましい実施例では共通ヘッダに多数のマイクロチャンネル入口を結合し及び又は多数のマイクロチャンネル出口を共通フッタに結合する。運転中は、熱交換マイクロチャンネル（もしあれば）が加熱及び又は冷却用流体流れを保持する。このタイプの既知の反応器の、本発明で使用し得る非限定例には、米国特許第６，２００，５３６号や同第６，２１９，９７３号に説明されるようなマイクロコンポーネントシートアーキテクチャタイプ（例えば、積層型マイクロチャンネル）のものが含まれる。この形式の反応器アーキテクチャを本発明の目的状使用する際の性能上の利点には、熱及び物質の移動速度が比較的高いこと及び、爆発限界が実質的に存在しないことがある。圧力降下値が小さいのでスループットが高まり、チャンネル内に触媒を高アクセス性形態下に固定し得るので、触媒を分散配置する必要性が排除される。幾つかの実施例では反応用の単数又は多数のマイクロチャンネルがバルク流れ流路を含む。“バルク流れ流路”とは、反応チャンバ内の開放流路（連続バルク流れ領域）のことを言う。連続バルク流れ領域では、流体は圧力の大きな効果を来すことなく反応チャンバを通して急速に流れることができる。核反応チャンネル内のバルク流れ領域は、その断面が５×１０^-8〜１×１０^-2ｍ²であることが好ましく、もっと好ましくは５×１０^-7〜１×１０-⁴ｍ²である。バルク流れ領域は、１）マイクロチャンネルの内容積かまたは、２）マイクロチャンネルの断面積の、少なくとも５％であることが好ましく、より好ましくは少なくとも５０％、幾つかの実施例では３０〜９９％である。

表面機能構造部の作製方法：
表面機能構造部は、例えば、レーザー食刻、小径ワイヤを使用し導伝性のベース材を焼除することにより、意図する表面機能構造部を作成する放電加工（ＥＤＭ）によって、又は、貫通孔を有するシート材を相互に積み重ね且つ接着することにより製造され得る。表面機能構造部は、シート材の内部を部分的に食刻することにより、又は貫通する形態下においてシート材に形成し、このシート材を中実の側壁に隣り合わせて配置することにより作製し得、或いは、貫通形態の表面機能構造部を有する２枚以上のシート材を中実の又は食刻したシート材に隣り合わせて重ねることにより製造され得る。２つ以上に積層した各シート材の貫通形態の表面機能構造部のパターン及び又は寸法及び又は形状は異なるものであり得る。表面機能構造部は、３次元パターン化プロセス、例えば、金属粉を選択的に焼結させて複雑な三次元構造を作製するＳＬＳプロセスの如きによっても作製することができる。
表面機能構造部は、拡散接合するに先立って側壁シムに隣り合わせて積層した金属シムの貫通長孔又は貫通孔として形成し得る。こうして形成した構造はマイクロチャンネルの側壁における凹形の表面機能構造部と類似したものである。
表面機能構造部は、混合を調整する及び又は触媒又は任意のその他のウォッシュコート溶液触媒をマイクロチャンネル側壁の長さ方向に沿って塗布するために使用され得る。表面機能構造部は、マイクロチャンネル入口（ヘッダからの入口のような）付近において高密度に配置し得、又は、マイクロチャンネル出口付近の方に高密度に配置し得る。かくして、ある実施例では、各１つの入口及び出口を有する反応マイクロチャンネルは、その入口付近における方が出口付近におけるよりも毛管性の表面機能構造部の密度が高い、又はその逆である。

ここで、ｄｅｐｔｈ_SFは表面機能構造部の深さであり、ｇａｐは主流れチャンネルの間隙寸法であり、ＮＳＦは、壁当たりの、実質的に類似の表面機能構造部の最小連続反復数であり、Ｎfeatured wallsは、表面機能構造部を含む壁の数である。良好な混合パターンを確立するための表面機能構造部付き入口長さ部分での表面機能構造部数は５〜８０であることが好ましく、より好ましくは１０〜４０、更に好ましくは１０〜２０である。この表面機能構造部付き入口長さを超える部分では最少数よりも多い表面機能構造部を連続反復させ得るのは勿論であるが、表面機能構造部付き入口長さは、設計上のその他の様相（主チャンネルの間隙寸法のような）によっては妨げられないと仮定して、主流れチャンネルから活性の表面機能構造部内に新しいバルク流れを持ち来す流れパターンを確立させる上で必要な最小数の目安となるものである。

Claims

マイクロチャンネル内での流体処理方法であって、
レイノルズ数が１００以上である状態下に流体を、類似構造の、少なくとも１０列の表面機能構造部にして、少なくとも１つの角度を有する表面機能構造部を含むマイクロチャンネルを通して流すこと、
表面機能構造部の内部で流体の単位操作を実施すること、
を含み、
前記単位操作が、化学反応、蒸発、圧縮、化学的性質を利用した分離、蒸留、凝縮、加熱、冷却、からなる群から選択した１つ以上のものを含む方法。
マイクロチャンネル装置であって、
表面機能構造部を含むマイクロチャンネルと、
その入口長さ部分に１０列以上の、反復された、類似構造の表面機能構造部を含む少なくとも一つのセクションにして、該セクションの前記入口長さ部分が少なくとも１ｃｍであり、各表面機能構造部が少なくとも１つの角度を有するセクションと、を含むマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネルが内側周囲部分を含み、反復された、類似構造の表面機能構造部が、該内側周囲部分の大半を占める請求項２のマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネル装置であって、
少なくとも３つのマイクロチャンネル壁によって画定されるマイクロチャンネルと、
その入口長さ部分に１０列以上の表面機能構造部を含む少なくとも一つのセクションにして、該セクションの前記入口長さ部分が少なくとも１ｃｍであり、複数の、反復された、類似構造の表面機能構造部を含み、各表面機能構造部が少なくとも１つの角度を有するセクションと、を含むマイクロチャンネル装置。
表面機能構造部が、マイクロチャンネル壁の表面積を増大させるサブパターンを含み、触媒成分が、少なくとも、サブパターンを含む前記表面機能構造部に配置される請求項４のマイクロチャンネル装置。
表面機能構造部のサブパターン上に配置した、マイクロチャンネルの表面積増大用の金属付着物を更に含む請求項５のマイクロチャンネル装置。
触媒配合物が、金属酸化物の層上に付着させた触媒金属を含む請求項５のマイクロチャンネル装置。
反復された、類似構造の表面機能構造部を１５列以上含むマイクロチャンネル壁を含み、各表面機能構造部が少なくとも１つの角度を有するマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネルが、対向する２つの壁と、壁同士間の間隙とを有し、各壁が表面機能構造部を有し、表面機能構造部の深さ寸法対間隙寸法比が０．３以上である請求項８のマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネルの壁が、長さが少なくとも７ｃｍの、反復された、類似構造の表面機能構造部を１５列以上含んでいる請求項８のマイクロチャンネル装置。
少なくとも１０のマイクロチャンネルが、チャンネル当たりの質量流量差が３５％未満である状態下に並列運転され、前記少なくとも１０のマイクロチャンネルが、反復する、類似構造の表面機能構造部を１５列以上含み、各表面機能構造部が、少なくとも１つの角度を有している請求項８のマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネル内で流体を処理する方法であって、
マイクロチャンネルを含むマイクロチャンネル装置を提供すること、
マイクロチャンネルを通して、レイノルズ数が１００以上である状態下に流体を流すこと、
を含み、
マイクロチャンネルが、対向する２つの壁と、該２つの壁同士間の間隙とを有し、
前記壁の少なくとも一方が、類似構造の、少なくとも１０列の表面機能構造部を有し、
各表面機能構造部が少なくとも１つの角度及び、少なくとも０．４である表面機能構造部深さ寸法対マイクロチャンネル間隙寸法比を有する方法。
類似構造の、少なくとも１０列の表面機能構造部が、各表面機能構造部上に付着させた触媒を含んでいる請求項１２の方法。
１００ミリ秒未満の接触時間においてマイクロチャンネルを通してメタンを流すメタン蒸気改質法を含む請求項１３の方法。
触媒が燃焼触媒を含み、流体を、レイノルズ数が少なくとも１０００である状態下にマイクロチャンネルを通して流すことを含む請求項１３の方法。
流体が、１００ミリ秒未満の接触時間においてマイクロチャンネルを通して送られる請求項１２〜１５の何れかの方法。
マイクロチャンネル内で流体を処理するための方法であって、
マイクロチャンネルを含むマイクロチャンネル装置を提供すること、
マイクロチャンネルを通して流体を流し、少なくとも１つのマイクロチャンネル壁を通して流体と熱源又はヒートシンクとの間で熱交換させること、
を含み、
マイクロチャンネルが、類似構造の、少なくとも１０列の表面機能構造部にして、少なくとも１つの角度を有する表面機能構造部を含むセクションを含むマイクロチャンネル壁にして、熱源又はヒートシンクと熱的に接触するマイクロチャンネル壁を有し、
表面機能構造部を含む前記セクションにわたる圧力降下が生じ、
前記セクションに移行される熱量を、表面機能構造部を含まないセクションでの同一条件下での移行熱量で除した値（ｈ_sf/ｈ₀）が、前記セクションに移行される圧力降下値を、表面機能構造部を含まないセクションでの同一条件下での圧力降下値で除した値（ｄＰ_sf/ｄＰ₀）よりも少なくとも１．１大きい方法。
マイクロチャンネルが、対向する２つの側壁を有し、各側壁が、鏡像であるように配置した表面機能構造部を有する請求項１の方法。
マイクロチャンネルが、対向する２つの側壁を有し、各側壁が、流れの方向に於いて相互にオフセットされる点を除き、鏡像であるように配置した表面機能構造部を有する請求項１の方法。
前記表面機能構造部が、マイクロチャンネルの流れの方向において収束する脚部を有する請求項１８または１９の方法。
マイクロチャンネルが、対向する２つの側壁を有し、各側壁が、鏡像であるように配置した表面機能構造部を有する請求項２のマイクロチャンネル装置。
マイクロチャンネルが、対向する２つの側壁を有し、各側壁が、流れの方向に於いて相互にオフセットされる点を除き、鏡像であるように配置した表面機能構造部を有する請求項２のマイクロチャンネル装置。
表面機能構造部が、隣り合うチャンネルに壁を貫いて連結するシースルー型のものである請求項２のマイクロチャンネル装置。