JP5118272B2 - 流体を効果的に接触させるためのマイクロコンポーネントアセンブリ - Google Patents

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クラス，ディーン・イー
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、流体を有効に接触させるためのマイクロコンポーネントアセンブリに関する。該流体は、液体でも気体でもよく、また該流体は、液体、気体又は固体に接触してもよい。上記マイクロコンポーネントアセンブリは、ハウジング内にある多孔性接触器であり、該多孔性接触器と該ハウジングとの間に、少なくとも１個のマイクロプレナムを形成する。マイクロコンポーネントアセンブリは、化学的分離、特に界面拡散を含む分離に有用である。
【０００２】
【定義】
本願明細書において、「界面拡散（interfacial diffusion）」とは、界面（phase boundary）を横切る物質移動であり、吸収、吸着、脱着を包摂する収着；液−液抽出；蒸留及びこれらの組み合わせを含む。収着は、さらに、収着型サーマルマシーン（sorption thermal machine）において有用である。
【０００３】
本願明細書において、「サーマルマシーン（thermal machine）」とは、作動流体を介して、熱又は熱エネルギーを仕事に変換し若しくは仕事を熱エネルギー又は熱に変換する装置として定義する。
【０００４】
本願明細書において、「界面張力(boundary tension)」とは、表面張力(surface tension)、界面張力(interfacial tension)及び固体物質強度（solid material strength）を包摂するものとして定義する。一般に理解されているように、「表面張力(surface tension)」という語は気／液界面に関し、「界面張力（interfacial tension)）という語は液／液界面に関し、「固体強度（solid strength）」という語は固体／気体、固体／液体、固体／固体又はこれらの組み合わせに関する。
【０００５】
本願明細書において、「吸着（adsorption）」とは、気体又は液体から固体への溶質又は作用性の化合物の収着を含む。
本願明細書において、「境界層（boundary layer）」は、「物質移動境界層（mass transport boundary layer）」とも称され、対応する流体フロー及び熱移動のための境界層よりも一般的に小さい。境界からの距離の関数として、境界層の外側での溶質又は作用性の化合物に対する濃度勾配若しくは濃度の変化速度は、境界層内での濃度勾配又は濃度の変化速度に比較して小さく、流体及び固体の両者に対して実用的である。
【０００６】
【発明の背景】
別の物質内での一つの物質の界面拡散は、多くの化学的分離方法並びに選択されたエネルギー変換プロセスの基本である。収着プロセスは、吸収、吸着及び脱着を包摂する。収着は、単独で用いられても、若しくは、化学製品、冷却を含む空間気候調節、発電及びこれらの組み合わせを提供する熱交換、化学反応、ポンピング、及び膨張その他を含む他の単位操作との組み合わせで用いられてもよい。
【０００７】
化学的分離
化学的分離は、材料製品から不純物を除去するか又は物質を精製する用途、液体流及び気体流から汚染物を除去する用途、及び主産物流に対して副産物を再循環させるため又は使用するための物質の分離用途などにおいて、産業上重要なプロセスである。慣用の装置は、典型的には非常に大きく、10〜100m3で測定可能な容積であり、よってコスト的により有効な化学的分離を与えるためには、大きな化学処理プラントにおいて、工業経済規模（engineering economy of scale）の適用が必要である。
【０００８】
界面拡散プロセス
最も一般的に用いられている分離プロセスの多くは、収着（例えば、吸着、吸収、脱着）、蒸留、液−液抽出及びこれらの組合せを含む界面拡散の物理現象に依存する。
【０００９】
気体吸収プロセスは、気体の液体との接触を含む。このとき、気体の１以上の成分は、液体中に吸着される。相変化は、このプロセスで生じ、典型的に多量の熱を発する（すなわち吸着熱）。液体の収着は典型的には液体の温度に反比例するから、吸着熱が発生した際に吸着熱を除去するための方法を組み込まない限り、この熱は気体吸着ユニットの設計上、制限因子となり得る。
【００１０】
液−液抽出は、両方の媒体が液体である点を除いて、気体吸収と同様である。典型的には、一方の液体は、第１の溶媒若しくは溶質又は移動させられるべきあるいは抽出されるべき物質である作用性の化合物を含む第１の媒体であり、第２の液体若しくは第２の媒体は、溶質若しくは作用性の化合物を受け入れる溶媒と呼ばれることが多い。いかなる相変化も生じないので、化学反応などの別の単位操作がさらに生じない限り、通常は、液−液抽出プロセスにおいては非常にわずかな熱発生が認められるだけである。
【００１１】
吸着は、気体が固体媒体内に吸収されている点を除いて、液体中への気体の吸収によく似ている。気体吸収でのように、気体が吸着されるときに熱が発生し、このことは、気体が吸着媒体から迅速に除去されない限り、気体が吸着される速度を制限し得る。吸着は、さらに、イオン交換樹脂などの固体への液体吸着を含む。よって、本願明細書で用いられる流体吸着は、気体吸着及び液体吸着の両者を含む。
【００１２】
脱着は、気体として放出される液体フローからの又は固体媒体からの物質の除去として、一般に理解されており、脱着は吸収又は吸着の対語である。多くの化合物は、脱着器からの流出物中に観察され得る。例えば、アンモニアが水及びアンモニアの液体混合物から脱着される場合には、水及びアンモニアの両者が気体流出物中に存在する。脱着は、熱を加えること又は流体中の作用性の化合物の分圧を変化させることによって、達成され得る。本願明細書において、脱着は、脱水、ストリッピング及び脱水素と一般的に呼ばれるプロセスを含むことに注意されたい。
【００１３】
蒸留は、沸点の差に基づく混和性物質の分離である。これは、典型的には、気相及び液相が向流として流れる多重ステージで行われ、幾つか又は多くのステージにわたる正味の効果は、かなりの程度の分離又は精製であり得る。
【００１４】
界面拡散を含むこれらのプロセスのすべては、さらに、反応的蒸留などにおける化学反応を含むものでもよいし、化学反応を含まないものでもよい。
一般的に、界面拡散プロセスは、相界面（気体−液体、液体−液体、気体−固体又は液体−固体）及び少なくとも１の流体境界相を横断する作用性の化合物又は溶質の移動を含む。固体を含まないものとして、生じなければならない微視的ステップは、（ａ）多量の流体内での境界相への作用性の化合物分子の移動、（ｂ）境界相を通過する相界面への移動、（ｃ）相界面を横断する作用性の化合物分子の移動（おそらく相変化を必要とする）、（ｄ）溶媒の境界相を貫通する作用性の化合物分子の移動、及び（ｅ）流体境界相から離隔する方向への作用性の化合物分子の移動を含む。
【００１５】
界面拡散装置
多量の化学物質の分離のための界面拡散プロセスは、化学処理産業において、伝統的に、カラムを通して対向方向に２つの流体を移動させるカラムを利用して行われている。例えば、液−液抽出は、典型的には、カラム底部に導入されるより軽い流体と、カラム頂部に導入されるより重い流体と、の２つの非混和性の流体の間で行われている。この例において、より軽い流体は、溶質すなわち抽出されるべき物質を含有していると予想され、より重い流体は適当な溶媒を含有していると予想される。一般的に、多量の溶媒添加は、カラムの溶出に望ましいことが多い。ここで、重力は流体を流す誘因となり、２つの流体が互いに接触するので、溶質は供給された流れから溶媒に移動する。
【００１６】
装置例に関連する欠点は、カラムの不均一な流体フロー特性及び物質移動を可能とし次いで２つの流体の再分離（重力による）を可能とするために要する時間の長さにある。これらの理由により、分離装置の設計は、典型的には、仕事における現象学的処理、特に物質移動原理の適用を含む現象学的処理に大きな注意を払う必要がある。例えば、層流状態に対して、物質移動は拡散に起因し、分子の正味距離移動時間は、距離の２乗に比例し物質の拡散係数に反比例する。同様に、物質移動の全体量及び収着に要する滞留時間も同じ比例関係を有し、一般に、分離装置の所定要素の容量は、滞留時間に反比例する。よって、設計者は、短い滞留時間が装置の特徴となり、所定の設備の容積に対して高い処理率を可能とするような幾何学形状及びフロー状態を作るように試みる。
【００１７】
従来の界面拡散分離装置における短い滞留時間は、アクチュエータ又はパッキングのいずれかを組み込むことによって得られていることが多い。例えば、追加の機械的混合装置は、物質移動が迅速になされるであろう薄い流体の流れを強制的に作らせ及び密接に接触させるために、液−液抽出ユニット内で一般的に用いられている。あるいは、制限移動ステップが液体溶媒のもっと低い拡散率に起因することが多い気体吸収の場合には、気体は、溶媒液体のスプレイを通過するか又は溶媒流体の流下薄膜と接触するようになるかもしれない。こうして、気体又は気体の成分を流体膜内でより迅速に溶解させ得且つ移動させ得る。
【００１８】
加工パッキングも同様に、物質移動時間を減少させるために、収着分離装置において用いられる。例えば、ガーゼ又はシートメタルの構造体パッキングは、物質移動効率を改良するために、蒸留塔内で用いられることが多く、このタイプのパッキングに対する多数の設計が存在する。加工パッキングは、蒸留ユニット、液−液抽出ユニット、気体吸収ユニット用に設計され適用されている。流体の流れの厚さを減少するばかりでなく、パッキングはさらに、流体流れ場の均一性を改良するので、機械設備システム全体にわたり、処理速度は最適化される。しかし、流体の流れ厚さは一般的に境界層厚さよりも厚いので、上述のすべての移動ステップが維持される。
【００１９】
最近、進化したパッキングにおける開発は、収着ユニット容量（物質が処理される速度）及び効率（生成物純度）における顕著な改良を提供している。例えば、Humphrey and Keller（"Separation Process Technology", McGraw-Hill, 1997）は、吸収及びストリッピングに対するメンブラン相接触器に言及する。これらのユニットにおいて、中空ファイバーメンブランが組み込まれ、一方の流体の流れは該ファイバーのボア内を流れ、他方の流体の流れは該ファイバーの外側を流れる。これらの場合において、メンブランは、ランダムな微小孔を含み、微小孔は液相で充填され、典型的にはポリプロピレン等の物質から作られている。これらのユニットにおける物質移動に対する主抵抗はメンブラン材料内及びユニットの外側で生じる。メンブラン材料内では、拡散経路は、曲がりくねっており、詰まることもある。ユニットの外側では、拡散経路は、中空ファイバ内での経路よりも非常に長い。
【００２０】
一般に、化学的分離に対する界面拡散ユニットの性能は、物質移動に対する抵抗によって主として制限される。「デッドスペース」に加えて不均一な流れ場は、長い物質移動距離と組み合わせられることによって、分離装置を数分又は数時間として特徴付けられる滞留時間を有するようにして、こうして、多量の生成物容量を与えるために大きな機械設備を必要とする。これらの固有の制限ゆえに、多額の設備投資が必要になることが多い。しばしば、経済性は規模の経済を適用することによってのみ適用されるが、これは、分離装置の導入を正当化するために多量の生産物容量を必要とする。
【００２１】
ある操作（例えば、吸収、脱着、吸着、蒸留など）にとって、熱移動抵抗も、性能上の制限を与え得る。慣用の機械設備の継続的進化からわかるように、一般的に、効率的な流体接触、熱及び物質移動抵抗の減少、短い拡散経路、均一な流体流れ場、耐詰まり性（resistance to fauling）、溶媒への熱の直接的な追加能力及び溶媒からの熱の直接的な抽出能力が必要である。
【００２２】
現状の化学的分離技術は、集中管理システムとして対費用効果をより高くしようとする傾向があり、より小さなスケールの分散型システムにおいては対費用効果が低い。
【００２３】
空間気候状態調節
化学プロセス又は単位操作は、さらに、空間気候状態調節又は温度調節器機械設備において用いられる。微気候調節用途は、一人で移動可能な冷却用途及び分散型空間気候状態調節用途を含むがこれらに限定されるものではない。例えば、(1)車輌空間気候状態調節、(2)複数個の小さな熱ポンプを用いてダクトシステムの必要性を排除し得るビルの分散型冷却、これは、中央管理冷却システムにより得られる冷却効果の５０％を無駄にする、(3)軽量な空気移動可能な空間気候状態調節、(4)船舶に対する自立冷却及び(5)ポータブルコンテナに対する自立冷却等への適用を含む。
【００２４】
一人で持ち運び可能な冷却状態において、個人は、身体からの熱移動を大幅に減少させる保護服（protective clothing）を着用しなければならない。例示として、有害な物質例えば化学物質、煙及び／又は放射性核種に暴露される作業者、防護服（body armor）を着用する警察官、化学物質又は生物学的薬剤に潜在的に暴露される個人を含む。保護スーツ（protective suit）は、危険に対する保護を提供するけれども、個人の効率を大幅に減少させる。熱い環境（hot environment）において過酷な仕事を行う労働者は、特に保護服を着用している場合に、熱ストレスを受けやすい。熱障害を受ける前に、基本的な仕事を行うために消費し得る時間は、これらの条件下では制限されている。補助的な冷却は、熱い気候における危険な条件下で、効率を向上させ且つ熱ストレスを減少させながら、仕事を行い得るようにする。熱力学的には、冷却サイクルは、仕事サイクルの逆である。理論的には、選択可能な多くの熱力学サイクルがあるが、採用されている３つの傑出した熱力学冷却サイクルがある。(1)高い機械仕事インプット（電気的）を必要とし且つ冷却ユニット及びモータ（電気）の両者を必要とするので典型的には物理的に重い蒸気圧縮；２個のサブタイプの熱作動型熱ポンプ、(2)液体からの吸収及び液体への吸収並びに(3)固体からの吸着及び固体への吸着。もちろん、熱力学サイクルは、反転操作されて、熱エネルギーをシャフト仕事に変換するように操作され得る。
【００２５】
蒸気圧縮サイクル
蒸気圧縮サイクルは、機械コンプレッサを用いて、作動流体を蒸気相に圧縮する。機械コンプレッサは、電気モータによって駆動され得る。作動流体が圧縮されるにつれ、温度は上昇する。圧縮された作動流体は、周囲に熱を与えて作動流体の温度を低下させる熱交換器内で凝縮される。冷却された作動流体は、冷却されるべき空間の温度よりも低温まで温度を低下させる膨張弁又はオリフィスであってもよい膨張器を介して減圧される。減圧されて冷却された作動流体は、冷却されるべき空間から熱を受け取ることにより、蒸気相に戻って、機械コンプレッサに戻る。
【００２６】
現存の蒸気圧縮冷却システムは保護スーツ及び分散型冷却用スペースと一緒に一体化され得るが、現存の冷却システムは、長期間にわたり運搬するには重すぎる。典型的には、４時間の作業用の完全なシステムは、350Wの冷却容量及び10kgを越える重さを有する寸法である。蒸気圧縮サイクルは、作動流体の圧縮のために多くのシャフト仕事（又は電力）を必要とする。ゲインはマイクロコンポーネント、例えば凝縮器又は蒸発器によって作られ得るが、モーターを含む蒸気圧縮マイクロチャネル冷却システムの全体の重量及び寸法は、同じ熱負荷の収着サイクル（吸収又は吸着）に対するシステム全体の重量及び寸法よりも大きくなるであろう。
【００２７】
吸収サイクル
吸収型熱ポンプは、蒸気圧縮サイクルにおける機械コンプレッサが化学コンプレッサに置換されている点を除いて、蒸気圧縮熱ポンプと同様である。化学コンプレッサは、５個の要素を有する。２個の要素は、脱着器及び吸収器の化学的分離ユニットであり、膨張器、再生熱交換器及びポンプを含む。脱着器において、流体の混合物（循環する流体、例えば臭化リチウム、及び冷媒、例えば水）は、加熱されて、冷媒は蒸気として混合物から出る。冷媒は、凝縮器内で高圧下にあり、膨張器を通過して減圧された後、蒸発器内で冷却される。減圧された冷媒は、吸収器内で循環する流体内に再び吸収される。吸収された混合物は、ポンプで加圧されて、好ましくは再生熱交換器を通じて脱着器に戻る。混合物が液体であるから、ポンプ仕事は典型的には蒸気を圧縮するために必要な仕事量（電気的）の約1/100である。よって、吸収サイクルは、蒸気圧縮サイクルと比較した場合に、低電力要求である。しかし、吸収サイクルは、熱エネルギ源を必要としない。吸収サイクルには、限定されるわけではないが、シングルエフェクト（single effect）、ダブルエフェクト（double effect）、発生器（Generator）／吸収器（Absorber）／熱交換器（Heat Exchanger）（ＧＡＸ）、拡散吸収及びこれらの組み合わせなど多種のものがある。
【００２８】
慣用の吸収サイクルシステムは、吸収器及び脱着器内で液体を気体と接触させる流下薄膜を形成するための重力に依存する。このアプローチは、ポータブル空間気候状態調節用途において、２つの明確な欠点を有する。第一に、熱ポンプは、溶液が熱交換機チューブ全体に落下して薄膜を形成するように、方向付けられなければならない。正確な方向から外れると、熱ポンプが仕事をしなくなる。第二に、流下薄膜は、1mmオーダーの膜厚を有し、拡散による効果的な物質移動を阻害するから、結果的に物理的に大きな吸収器及び脱着器が必要になる。分散型空間冷却にとって、一人で持ち運べる冷却ほど重量は重要な因子ではないが、輸送用コンテナ及び航空機を含む車輌冷却にとっては、重量減少は重要な事項である。
【００２９】
吸収サイクル及び蒸気圧縮サイクルは圧縮をする方法が異なるが、両方のシステムとも、熱吸収及び廃熱に対する同じアプローチをとる。両方のサイクルにおいて、過熱された冷媒は、凝縮熱交換器に入り、ここで定圧廃熱を行う。得られる凝縮物又は凝縮物と蒸気との混合物は、次いで、絞り弁又は毛細管の何れかを通して断熱膨張する。次いで、混合物は、定圧熱吸収用の蒸発熱交換器に流される。圧縮は、貫通型シングルエフェクト熱化学コンプレッサ（through single effect thermochemical compressor）又は吸収剤、溶液ポンプ、再生熱交換器及び脱着器（ガス発生器）からなるデシケーター（dessicator）を有する吸収型熱ポンプシステム内で達成される。
【００３０】
吸収サイクルは、流体の組み合わせ及びサイクルの配列に基づいてグループ化され得る。最も広範に使用される流体の組み合わせは、臭化リチウム（LiBr）及び水（水は冷媒である）、水及びアンモニア（NH3）（アンモニアは冷媒である）である。サイクルの配列は、上述のシングルエフェクトサイクルや、革新的に効率を向上できるが複雑になる多重エフェクト例えばダブルエフェクトサイクルを含む。
【００３１】
シングルエフェクトLiBr/H2Oサイクルは、低圧溶液ポンプ（約41kPa(6psi)圧力上昇）を必要とするが、サイクルはダブルエフェクトサイクルよりも効率が落ちる。より効率的であるが、ダブルエフェクトLiBr/H2Oサイクルは、高圧ポンプ（約410kPa(60psi)圧力上昇）を必要とし、且つシングルエフェクトサイクルよりも複雑である。H2O/NH3溶液ポンプ（2400kPa, 350psi）のために必要とされる圧力上昇は、現在入手可能な小さなポンプにとって高すぎるので、結果的に重く非効率的なシステムになってしまう。よって、シングルエフェクト及びダブルエフェクトLiBr/H2O吸収サイクルの双方とも、重量及び寸法が鍵となる冷却用途に好ましい候補である。H2O/NH3システムは、加熱及び冷却の両者を要する場合又は０℃（３２°Ｆ）以下まで冷却することを要する場合に必要である。
【００３２】
マイクロチャネル凝縮器及び蒸発器は、本願に参照として組み込まれているCuta, J. M., C.E. McDonald及びA.Shekarriz.1996 "Forced Convention Heat Transfer in Parallel Channel Array Microchannel Heat Exchangers".Advances in Energy Efficiency, Heat/Mass Transfer Enhancement PID-Vol.2 HTD-Vol.338, American Society of Mechanical Engineering, New York,及び米国特許第5,611,214号によって示されている。簡単に述べると、マイクロチャネル凝縮器は、100-300ミクロンの間のチャネル幅及び1mmまでのチャネル深さを有するマイクロチャネルの列からなる。30W/cm2を越える熱伝達速度は、小さな温度差及び低い圧力降下で達成された。マイクロチャネル蒸発器もまた、100-300ミクロンのチャネル幅及び1mmまでのチャネル深さを有するマイクロチャネルの列からなる。結果は、1.0-2.0W/cm2-Kの対流熱伝達係数が容易に達成可能であり、100W/cm2までの熱伝達速度が小さな温度差で達成され得る、ことを示す。これらの熱伝達係数及び熱伝達速度は、4-6倍だけ(by a factor of 4 to 6)、慣用の蒸発器の熱伝達係数及び熱伝達速度を凌駕する。圧力降下は、典型的には6kPa(1psi)よりも小さかった。
【００３３】
吸収システムは、脱着器用の熱源を必要とする。本願に参照として組み込まれているカルフォルニア、サンタバーバラで、８月８日〜１０日に開催されたMolecular and Microscale Transport Phenomena 第２回日米セミナーでのDrost, M.K. C.J. Call, J.M. Cuta及びR.S. Wegeng. 1996 "Microchannel Integrated Evaporator/Combustor Thermal Processes" 及び米国特許出願08/883,643号明細書に開示されている。マイクロチャネル燃焼器は、少なくとも30W/cm2の速度で熱エネルギーを発生し、熱効率は82-85% の間である。
【００３４】
吸収システム効率は、作動流体又は熱伝達流体のいずれにも相変化が生じない再生熱交換器によって増加する。相変化を伴わないマイクロチャネル熱伝達は、周知である。例えば、American Society of Mechanical Engineers 1995 National Heat Transfer Conference でのRavigururajan, T.S., J.Cuta, C. McDonald及びM.K. Drost, 1995 "Single Phase Flow Thermal Perfomance of a Parallrl Micro-Channel Heat Exchanger"参照。100-300ミクロンのチャネル幅及び1mmまでのチャネル深さを有するマイクロチャネルは、1.0-1.2W/cm2-Kの熱伝達係数の単相マイクロチャネル熱伝達を与える。これらの熱伝達係数は、慣用の再生熱交換器の性能を3-6倍だけ凌駕する。
【００３５】
吸着サイクル
吸着サイクルシステムは、冷媒の固体への吸着に依存して、熱ポンピングを与える。典型的なシステムは、吸着剤で充填されている２個の圧力容器を含むであろう。一方の容器における吸着剤は、冷媒を吸着している。この容器が加熱されるとき、冷媒は、高圧下で固体吸着剤から脱着して、冷媒は大気温まで冷却され、次いで、膨張器（オリフィス又は膨張弁）を通過する。膨張器で冷媒の圧力（従って温度）は減少する。次いで、熱エネルギは、冷却された空間から冷媒に伝達されて、次いで、冷媒は第２の圧力容器内で吸着剤に吸着される。第２の容器は、冷却されて吸着剤の熱を除去し、低圧に維持する。この工程を、残りの冷媒のすべてが第１のタンクを出て、第２のタンク内で吸着されるまで、続ける。このポイントにおいて、プロセスを反転させて、第２のタンクを加熱し、冷却を与え、第１のタンクに戻される冷媒を追い出す。多種類の吸着サイクルがあり、吸着剤及び冷媒として広範囲の物質が研究されている。しかし、これらのシステムのすべては、一つの形態又は他の形態における吸着に依存する。吸着サイクルは、米国及びその他の国で広範囲に研究されているが、コンセプトは実用上のインパクトに欠け、２，３の市販されているシステムがあるだけである。吸着システムに伴う問題は、吸着剤からの熱エネルギーを加えること及び除去することの困難性、必要とされる吸着剤が多量であること、及びサイクルを繰り返すことによる吸着剤の劣化などを含む。
【００３６】
必要性
従来の化学的分離の固有の熱伝達及び／又は物質移動の制限を解消する基本的な方法及び装置並びに、よりコンパクトな分散型化学的分離を可能とし且つ一人で運搬可能な冷却システムを実現し得る冷却システムが必要とされている。
【００３７】
【発明の概要】
本発明は、従来の化学的分離の固有の熱伝達及び／又は物質移動の制限を克服する微小孔構造の接触器アセンブリの基本的な方法及び装置である。
【００３８】
化学的分離のために、多孔性接触器の少なくとも一側部にあるマイクロプレナムを有する多孔性接触器が用いられて、物質移動における実質的な改良を提供し、こうして短縮された滞留時間及び一定の機械設備の容積に対するより高い処理速度を提供する。本願において、マイクロプレナムとは、物質移動境界相厚さよりも小さいか又は等しい断面高さ又は厚さを有するプレナムとして、規定される。これは、大容量からの物質移動境界相への物質移動又は物質移動境界相からの物質移動を排除し、こうして、分離プロセスに寄与しない「デッド容積」の量を減少させることによって、機械設備の容積を減少させる、という利点を提供する。慣用の分離機械設備と比較して、実質的な機械設備容量の減少が得られる（典型的には1/10〜1/00(one or two orders of magnitude)）。固体又は液体のいずれか若しくは両方が、マイクロプレナムに存在する。
【００３９】
液体について、境界層が、境界すなわちパラメータ的な空間勾配が存在する表面と接触していることは、よく理解されるであろう。パラメータ的な空間勾配は、温度、速度、濃度又はこれらの組合せであってもよい。境界層の外側は、バルク又はバルクフローであると考えられ、パラメータ的な空間勾配がほぼ０になる、すなわち換言すれば、パラメータはほぼ一定である。ここで、物質移動境界層は、濃度パラメータに対するものである。
【００４０】
固体について、特に、多孔性接触器の背面側にとどまっている固体について、固体は滞留しているすなわち流れていない流体によって囲まれていることが必要である。よって、吸着及び脱着は、固体及び流体の間の界面拡散によって、及び多孔性接触器を通過する流体から固体と反対側のプレナムを通過して流れる流体に至る直接的な拡散によって生じる。この場合において、物質移動境界層は、複合物質移動境界層である。よって、物質移動境界層の厚さ、すなわちマイクロプレナムの深さは、吸着剤物質に対して、固体吸着剤又は流体のいずれか単独での物質拡散率だけを考慮するのではなく、むしろ固体の物質拡散率及び流体の物質拡散率の組合せである「効果的な物質移動境界層」を考慮することによって決定される。
【００４１】
好ましい実施形態は、基本的に曲がりくねっていない非常に正確である微小孔構造を得る微細加工技術を用いて、微小孔接触器として製造される多孔性接触器を含む。この結果、微小孔接触器は、拡散物質移動に対する抵抗が低く、詰まりに対する抵抗が高くなる。
【００４２】
界面拡散に関連する多数の化学的分離は、多孔性接触器アセンブリによって可能となる。これらは、吸収、吸着、液−液抽出、脱着及び蒸留用の多重ステージを含むユニットを含む。２つの媒体を接触させるばかりでなく、多孔性接触ユニットは、追加的に、運動量輸送に対するバリアとなり、例えば向流型液−液抽出などのような向流作用が有利な場合にはそれを可能として、接触器の多重ステージの必要性を減少させる。
【００４３】
分離プロセスが、同程度又は低い物質拡散率の２つの流体、例えば２つの不混和性の流体を生じさせる場合、ポアは、約1ミクロン〜約30ミクロンの範囲のサイズの微小孔（マイクロポーラス）であり、ユニットは、微小孔接触器の各側部にあるマイクロプレナムと共に組み立てられるので、微小孔内に相界面に対する安定な位置を与え、コンパクトな機械設備容積内で高度の分離を達成する。加えて、気体吸収、吸着、脱着、又は蒸留におけるなど分離プロセスを促進するために、多量の熱を発生させ、又は必要とする場合、ユニットは、加工されたマイクロチャネル熱交換器と密接に接触するか又は該熱交換器と一体的に製造され得るようになるので、コンパクトな機械設備ユニットにより高い分離速度が再び認められるようになる。
【００４４】
多くの場合において、例えば、気体の流れを精製するための吸収ユニットと、捕捉された気体を除去するための脱着器など、２つの分離プロセスを順番に係合して、吸収器に溶媒を再循環可能とすることが望ましい。ポンプを含む場合には、このシステムは、熱化学コンプレッサとなり、流出気体を吸収された際の圧力よりも高圧で放出する。これは、吸収ユニットに変えて吸着ユニットで達成することもできる。温度変動及び圧力変動吸収／吸着の双方ともこの態様で可能である。同様に、液−液抽出ユニットを別の分離ユニットと組み合わせることが望ましく、この場合も溶媒の再循環を可能とする。
【００４５】
多孔性接触器アセンブリに対する多くの化学的分離用途がある。例えば、燃料電池型自動車用の燃料処理システムを開発する重要な研究が進められている。自動車の燃料処理システムに対する必要性の一つは、燃料電池又は他の燃料処理用搭載型触媒反応器の性能を劣化させないように、燃料フローからの触媒毒（例えば、硫化水素、一酸化炭素及びこれらの組み合わせ）の除去にある。搭載型気体吸収ユニット又は吸着ユニットは、この機能を提供し得る。なぜなら、必要とされる処理速度に比較して小さく作ることができるからである。
【００４６】
別の用途は、沖合のプラットホーム上での化石燃料の製造からの二酸化炭素の捕捉である。地球温暖化のリスクを減少させるために、二酸化炭素の環境中への放出量を減少すべき場合には、終局的には、深海中又は化石燃料が得られる場所と同じ（又は類似の）地質層中のCO2を封鎖することが必要であろう。CO2注入は、事実、オイルフィールド製造収率を増加させる一般的な方法である。現在の所、慣用の分離ユニットは、沖合のオイルプラットフォーム上に載せられるほど小さな空間に置くことは合理的ではなく、したがって、多量の物質を処理できるにもかかわらず非常にコンパクトな気体分離ユニットが必要とされている。
【００４７】
冷却について、多孔性接触器は、熱交換器及びポンプとの組み合わせで用いられて、好ましくはミニチュア吸収型熱ポンプ又はミニチュア吸着型熱ポンプの何れかの形態である微気候制御用のマイクロチャネル収着型サーマルマシーンを作る。本発明のマイクロチャネル収着型サーマルマシーンは、コンパクトであり、角砂糖と同じくらい小さいと考えられる。こうして、電子要素の冷却用にシステムを用いることができるようになる。より大きなサイズにおいて、システムは、分散型空間気候状態調節（加熱又は冷却）、特に例えば、一人で運搬可能な用途、自動車、航空機その他の運搬容器など重量が主要な考慮事項になる分散型空間気候状態調節に有用である。
【００４８】
吸収型熱ポンプ
ミニチュア吸収型熱ポンプは、例えば、350W冷却能力、9cm×9cm×6cmの寸法、約0.65kgの重量を有するものとして提供されてもよい。大きなサイズの吸収型熱ポンプと対比して、これは、1/60だけ、容積を減少する。完全なマイクロコンポーネント冷却システムは、熱ポンプ、空冷熱交換器、バッテリを含み、燃料は、別のシステムの10kgと対比して、4-5kgの範囲と推定される。寸法及び重量における減少は、エネルギ変換（すなわち、電力作動型ポンピング）を効率的に行うために充分な大きさであるが微小スケールの構造体内で達成し得る高い熱伝達速度及び高い物質移動速度の利点を同時に奏し得る装置を開発することによって得られる。減少した重量及び寸法は、典型的には2W/cm2-Kを越える熱伝達係数を有するマイクロチャネル熱交換器及び微小スケールの吸収器と脱着器と精留塔と分析器とにおける高速の熱伝達速度及び物質移動速度を有する微小孔接触器アセンブリを用いることによって、可能となる。典型的には、微小スケールの構成要素及びシステムの寸法及び重量は、同じ性能のマクロスケールの装置と対比して約1/10〜1/100に減少し得る。
【００４９】
装置は、好ましくは、熱エネルギによって駆動される。熱エネルギは、例えば液体炭化水素燃料の組み合わせなどのエネルギ源から得られ得る。液体燃料のエネルギ貯蔵密度は、慣用のバッテリで達成し得るエネルギ貯蔵密度を130倍ほど（バッテリに対して100ワット電気（We/kg）と比較した場合に液体炭化水素燃料に対して13,000ワット熱（Wt/kg））越える。吸収冷却システムは、液体ポンプ及びファンを作動させるために電力を必要とするが、全体の電力要求は、慣用の蒸気圧縮システムに対して約1/10程度と低い。減少された電力要求及び液体燃料の使用量を組み合わせることで、蒸気圧縮サイクルなどの大きなシャフト仕事を必要とする冷却スキームに比較して、吸収エネルギ源の重量は大幅に減少する。
【００５０】
ミニチュア吸収型熱ポンプは、微小構造体において達成し得る非常に高い熱伝達速度及び物質移動速度に依存して、冷却能力及び効率を維持しながら、その寸法を革新的に減少させる。その性能は、最終的には、1ミクロン程度の小さな個体特徴を有する微小構造体に依存する。熱ポンプは、ミニチュア装置であり、小さいが慣用の溶液ポンプに使用することができるほど十分に大きい。
【００５１】
これらの装置の特徴は、ミニチュアサイズ範囲の装置の利点の説得力のある例である。ミニチュア熱ポンプの比冷却（単位容積当たりの冷却）は、マクロスケールの装置に対して、60倍だけ（0.02W/cm3に対比して1.25W/cm3）慣用のマクロスケール吸収型熱ポンプの比冷却よりも高い。吸収型熱ポンプはさらに、蒸気圧縮熱ポンプよりも大幅に少ない電力を必要とする（120Wに対比して10W）。これは、微気候調節システムを作動させるための一人で運搬可能な発電機又はバッテリの必要性を減少させる。
【００５２】
シングルエフェクト、ダブルエフェクト、発生器／吸収器／熱交換器（GAX）サイクル及び拡散吸収サイクルを含むがこれらに制限されるものではない熱ポンプサイクルは、微小孔接触器ユニットを用いてもよい。
【００５３】
吸着型熱ポンプ
吸着サイクルシステムの欠点は、多孔性接触器及び迅速な吸着剤への及び吸着剤からの物質移動を可能とする薄い吸着剤（マイクロプレナム）を用いることによって解消される。繰り返し循環した後で吸着剤が破過した場合であっても、破過した吸着剤は多孔性接触器に含まれている。「迅速」とは、時間が1/10に減少したこととして定義される。なぜなら、収着時間は収着剤の厚さの２乗に半比例するからである。よって、本発明において達成可能な収着剤厚さが1/10に減少することは、従来技術に比較して、収着時間を1/100に減少させることになる。加えて、非常に早い循環速度を有するマイクロバルブを利用することで、吸着剤の迅速な循環を可能とする。したがって、本発明は、(1)熱伝達を改良するために微小構造体を用い、(2)吸着剤の劣化の影響を減少させるために微小構造体を用い、(3)非常に早い循環速度を可能とするために微小アクチュエータ及びバルブを用い、及び(4)熱慣性（吸着剤及び圧力容器の繰り返される加熱及び冷却）に起因する損失を減少させるために小型の微小構造体及び少量の吸着剤を用いる。
【００５４】
迅速に循環する吸着剤は、小さなサイズで高い効率を可能とする本発明の重要な特徴である。迅速な循環は、薄い断面を有する吸着剤物質を用いて、マイクロプレナムを形成するシートの間に該吸着剤物質を入れることによって達成される。ここで、一方のシートは、多孔性又は穿孔されていて、例えば、構造的欠陥すなわち吸着剤物質の破過が生じたとしても吸着剤物質が含有されている多孔性接触器である。吸着剤の薄膜は、マイクロチャネル熱交換器と組み合わせることで、吸着剤の迅速な加熱及び冷却を達成する。マイクロチャネル熱交換器はさらに、冷媒の加熱及び冷却用に用いられる。
【００５５】
固体吸着剤内での物質拡散は、流体（液体又は気体）内での物質拡散よりも実質的に低いので、流体が固体吸着剤の大部分と接触するように、吸着剤物質を構成することが好ましい。例えば、固体吸着剤は、小さい球体の形態とされているか若しくは反復的な又はランダムなユニット構造体とされていてもよく、流体が構造体を取り囲むことができるようにマイクロプレナム内に充填されていてもよい。しかし、固体構造体からの流体への物質移動及び多孔性接触器を通しての物質移動が拡散によりなされるように、構造体を取り囲む流体は滞留すなわち流れていないことに注意されたい。かような例として、有効物質移動境界層は、非常に増加して、流体内での物質移動境界層の有効性に近づく。
【００５６】
本発明はさらに、熱力学サイクルの反転を含み、作動流体を加圧するために収着サイクルが用いられ、次いで、作動流体は仕事取り出し器（タービン又はピストン）を介して膨張してシャフト仕事への熱エネルギの変換を達成する。
【００５７】
【課題】
本発明の目的は、流体を効率的に接触させるためのマイクロコンポーネントアセンブリを提供することにある。
【００５８】
本発明の別の目的は、機械的に拘束された（constrained）薄膜吸着器、脱着器、精留器又は分析器を提供することにある。
本発明のまた別の目的は、界面拡散を用いるコンパクトな化学的分離ユニットを提供することにある。
【００５９】
本発明のまた別の目的は、分散型化学的分離器を提供することにある。
本発明の目的は、マイクロチャネル収着型サーマルマシーンを提供することにある。
【００６０】
本発明の更なる目的は、軽量ポータブル冷却マシーンを提供することにある。
本発明の別の目的は、軽量収着熱ポンプを提供することにある。
本発明の更なる目的は、吸着剤の迅速な循環のために非常に頻繁にマイクロバルブを用いることにある。
【００６１】
本発明の要旨は、特許請求の範囲に特に記載されている。しかし、構造及び操作方法の双方とも、本発明の更なる利点及び目的と一緒に、以下の説明並びに図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。図面においては、同じ要素には同じ参照符号を付す。
【００６２】
【好ましい実施形態の説明】
本発明のマイクロコンポーネントアセンブリは、ハウジング内に置かれた多孔性接触器であり、多孔性接触器とハウジングとの間に少なくとも１個のマイクロプレナムを提供する。
【００６３】
化学的分離において、厚さ方向に貫通して延在する複数のポアを有する多孔性接触器又は多孔性メンブランは、ポアが第１の媒体及び第２の媒体の何れか一方又は双方の界面張力と共働して、多孔性接触器を貫通する何れか一方の媒体又は双方の媒体の浸透を防止して、溶質又は作用性の化合物の通過を可能とするように選択される。
【００６４】
よって、例えば臭化リチウム水溶液系において、吸収器は、水を作用性の化合物として、水蒸気を第１の媒体（非湿潤）として受け取り、臭化リチウムの水溶液を第２の媒体（湿潤）として受け取る。固体収着吸着器において、第１の媒体は固体収着剤であり、第２の媒体は気体キャリアであり、作用性の化合物は収着されたか又は脱着された化合物である。
【００６５】
多孔性接触器
多孔性接触器100（図１ａ、図１ｂ）は、多孔性又は穿孔された材料である。ここで「微小孔物質」とは、拡散は生じるがバルクフロー又は「滲出性」フローを阻止する物質をいう。ポア又は孔がバルクフローを又は滲出性フローを可能とするようなサイズである場合には、本願明細書において、穿孔された材料と称する。穿孔された材料は、２つの流れを混合するために用いられ得る。「多孔性」とは、微小孔及び穿孔されたことの両者を含む。多孔性又は穿孔された材料は、固体物質であるか又はその上に固体物質を有するものである。多孔性物質において、ポア102又は孔は、厚さ方向にまっすぐに貫通するものでも、相互に連結された空隙としてまっすぐでないものでも、よい。
【００６６】
微小孔接触器100は、金属、セラミック又はプラスチックを、例えば、LiGA（Lithographyリソグラフィー、Galvanoformungガルバノ形成（電着）、Abforming（射出成形））、レーザー微細加工、又は電気化学的微細加工などの微細加工によって加工してもよい。微細加工された微小孔接触器の利点は、微小孔接触器全体のポアサイズの正確な制御を含む。焼結は、ランダムなポア幾何学形状及び方向性を作る。
【００６７】
多孔性接触器100は、活性なマイクロコンポーネント、例えば、流体に運動を与えるマイクローアクチュエータと組み合わせられてもよく、物質移動速度を増加させる。
【００６８】
吸収（液−気）にとって、又は液−液抽出にとって、微小孔接触器100は、第１の媒体又は溶媒が多孔性接触器を湿潤させないが、第２の媒体又は溶媒が微小孔接触器を湿潤させ、作用性の化合物が第１の媒体及び第２の媒体の間で微小孔接触器を通して移動するように、選択される。ポア幾何学形状は、第１及び第２の媒体のいずれか一方又は双方の界面張力が、第１の媒体又は第２の媒体の何れか一方又は双方がポアを通過することを防止するように選択される。ポア幾何学は、ポアのサイズ（例えば直径又は断面積）及びポアの形状（例えば、円形、正多角形及び例えばスリット、クロスなど不規則な多角形を含む多角形）の双方である。よって、ポア幾何学は、非湿潤流体の通過又はバルクフローを防止する。ポアは、最大拡散のためほぼ同じ幾何学を有していることが好ましい。ゆえに、微小孔接触器は、溶媒又は媒体を通しての滲出又はバルクフローを許さない。好ましくは、ポア幾何学は、できるだけ大きく、非湿潤媒体の通過をいまだ阻止する。例えば、液体又は固体用のポア幾何学は、微細加工能力の制限（すなわち約1ミクロン〜約30ミクロン）の直径を有する円形の孔であってもよい。小さなポアサイズは、シート貫通速度又は圧力勾配に対して強い抵抗を与える。液−液溶媒抽出において、溶媒の一方又は両者が微小孔に入ってもよい。しかし、ポア内での接触点における界面張力は、溶媒の混合を防止し、溶質を両者の間に移動させ得る。
【００６９】
マイクロプレナムの厚さが液体又は固体の物質移動境界層の厚さよりも薄いので、作用性の化合物が一方の媒体から他方の媒体にほぼ完全に移動するために要する時間は、従来の収着と比較して実質的に減少する。滞留時間は、流体厚さ（プレナム深さ）の２乗に比例し、流体拡散率に反比例する。したがって、溶媒フロー経路の深さ又は厚さは、小さく作られ、液体又は固体に対して約1ミクロン〜約300ミクロンであり、気体に対して1mm未満である。強められた物質移動速度ゆえに、滞留時間は、慣用のシステムに比較して実質的に減少する。微小孔接触器ユニットは、図２に示されているように、カバーシート又はラミネートの間におかれている微小孔接触器シートである。各カバーシート又はラミネートは、微小孔接触器シート及びラミネートの間にあるマイクロプレナム又は流体フローが横断することを可能とするが微小孔接触器を通過することを許さない入り口及び出口を有する少なくとも１個のマイクロコンポーネントを有するか又は画定される。次いで、物質移動は、微小孔接触器シートを介して生ずる。
【００７０】
マイクロコンポーネント、例えば微小な溝は、微小孔接触器シートの一方の側又は両側に作られてもよい。加えて、微小孔接触器シートは、マイクロコンポーネント自体を有していなくてもよいが、カバーシート又はラミネートは微小孔接触器シートを横断するように流体フローを方向付けるマイクロコンポーネントを有するものでもよい。さらなる実施形態は、単純に、微小孔接触器シートのいずれかの側にある流体マイクロプレナムであってもよい。
【００７１】
操作に際して、溶媒又は媒体としての流体は、平行に流れても、向流に流れても、又は交差して流れてもよい。平行流の場合は、物質流動又は抽出は少ないが、微小孔接触器を横断する圧力差又は圧力勾配は小さくなる。気体が流体の一方であり、気体又は気体成分が液体に吸収される場合には、気体又は気体成分は微小孔接触器を通過するが、液体は微小孔接触器を通過しないことが好ましい。したがって、微小孔接触器は、液体が微小孔接触器を湿潤化させないように被覆されているか又は液体が界面張力によって支持され且つ液体がポアを通過して流ないようにポアが十分に小さいことが好ましい。
【００７２】
微小孔接触器がカバーの間で十分に自己支持できない場合には、カバーは、微小孔接触器を支持するための突起又はランドを有するように作られていてもよい。あるいは、上述したように、微小孔接触器は、溝又はマイクロコンポーネントを有するものでもよい。いずれの場合にも、突起又はランドは、微小孔接触器を支持する。
【００７３】
多くの実用システムにおいて、速い吸収／脱着速度を達成するために、吸収／脱着場へ又は吸収／脱着場から熱を移動させることが必要である。したがって、熱移動、好ましくはマイクロチャネル熱交換器による熱移動は、微小孔接触器ユニットと組み合わせられてもよい。
【００７４】
微小孔接触器ユニットを図２に示す。微小孔接触器200は、２つのカバー202,204の間に置かれ、各カバーは端部ブロック206及び内側薄シート208を有し、組立られると、微小孔接触器200及び端部ブロック206の間にマイクロプレナムを形成する。この実施形態において、入り口及び出口は、内側薄シート208の側部を貫通することに注意されたい。
【００７５】
高分子の微小孔接触器を用いるアセンブリにおいて、金属製内側薄シート及び外側薄シートを用いることは可能であるが、高分子のシーリング用のマージンに依存してクランプ又はボルト締めによって結合することになる。あるいは、内側薄シート及び外側薄シートは、高分子であってもよく、この場合、アセンブリ全体を熱結合又は化学的に結合することになる。
【００７６】
化学的分離
本願明細書において、化学的分離は、いかなる界面拡散若しくは溶質又は作用性の化合物の一方の溶媒又は媒体から他方の溶媒又は媒体への交換を含む。ここで、媒体は、液体、気体、固体又はこれらの組合せであり得る。例えば、吸収システムにおいて、微小孔接触器は、第１の媒体が作用性の化合物を含み、第２の媒体が作用性の化合物を受け取るように選択される。媒体の一方又は双方は、微小孔接触器を湿潤させ、作用性の化合物は２つの媒体の間の界面にて及び微小孔接触器を通して移動する。液−液抽出において、一方又は双方の溶媒が微小孔接触器を湿潤させてもよい。界面張力（boundary tension）は、２つの媒体の混合を阻止する。
【００７７】
吸着システムにおいて、接触器は、多孔性接触器であってもよく、多孔性接触器を介して第１の媒体（気体又は液体）が通過し、第２の媒体を含むマイクロプレナムにおける第２の媒体を取り囲む。第２の媒体は、固体吸着剤である。スタートアップ中など過渡的な操作の間、第１の媒体は、第２の媒体を含むマイクロプレナムに出入りしてもよいが、定常状態の操作中には、第１の媒体は第２の媒体を含むマイクロプレナム内に留まるであろう。
【００７８】
吸収器
吸収器を用いる場合には、気体は入り口210を介してカバー202に導入される。溶質が希薄な溶液（循環流体）は、入り口212を介してカバー204に流入し、溶質が濃い溶液は、出口214を介して流出する。吸収器が吸収型熱ポンプの一部である場合には、溶質又は作用性の化合物は、冷媒である。
【００７９】
精製器及び／又は分析器
精製器及び／又は分析器は、流れを精製するため、例えばアンモニア気体流から水蒸気を除去するために用いられ得る。よって、混合した気体流入流れ、精製された気体流出流れ及び液体流出流れを有していてもよい。
【００８０】
【実施例１】
実験は、液体への気体の吸収の形態の分離を示すために行った。特に、アンモニア蒸気を液体水中に吸収させた。焼結ステンレススチールで、微小孔接触器を製造し、公称厚さ4mm（1/16インチ）、ポア直径範囲約5-30ミクロン及び多孔度30-50％とした。カバーシートに、厚さすなわち微小孔接触シートからカバーシートの内面に至る距離（膜圧）が約100-300ミクロンの範囲のマイクロプレナムを設けた。微小孔接触器上の液膜内で、アンモニアは、水に吸収される。アンモニア流速は、水の流速が0-33g/minで、0-4g/minの範囲で変動した。等温試験及び断熱試験のために、温度は20-50℃の範囲とした。吸収器内の圧力は、15-30psiとした。データは、10-30W/cm2の範囲の速度で、アンモニアが水に吸収され得ることを示す。この吸収速度は、慣用の吸収器の性能を10倍よりも多く、超越している。結果を図３に示す。断熱テストに対する第１の測定結果を考察すると、ポイント300は、膜厚100ミクロン及び300ミクロンにおけるアンモニア濃度の実測値を示す。断熱テストに対する理論的な最大吸収すなわち「平衡」（温度の関数である）を計算して、ポイント302で示した。吸収膜厚が減少するにつれ、実測アンモニア濃度は理論的な最大値に近づく。
【００８１】
同様の結果を、等温テストに対して、実測ポイント304及び平衡ポイント306を用いて示す。テストが真の等温で行われたとしたならば、等温線は水平になっていたであろう。線の僅かな傾斜は、異なる膜厚における温度差を示す。
【００８２】
断熱データと等温データとを比較すると、熱除去なし（断熱）よりも熱除去あり（等温）の場合のほうがより大きな吸収を示すことが明らかである。
酸性気体吸収
酸性気体、例えば二酸化炭素、硫化水素及びこれらの組み合わせなどの吸収は、気体流を浄化する際に、利点がある。
【００８３】
【実施例２】
実験は、本発明の微小孔接触器を二酸化炭素（CO2）気体相を液体ジエタノールアミン（DEA）に吸収させること（気−液吸収）に用いることを示すために行った。
【００８４】
高分子（カプトン）微小孔接触器を、マスクパターン方法によって製造した。市販のエキシマレーザー装置（Resonetics, Inc., Nashura, NH）は、瞬時に多数の孔をマスクに通すことができるので、全体の加工時間を大幅に減少することができる矩形ビームプロファイル（約8mm×約25mm）を有する。10mm×80mmマトリックス内に61.5μmの間隔で直径31μmの孔を約20分間で作った。KrFエキシマレーザー（248nm）は、パルスエネルギ257mJを有しており、パルス速度100Hzを用いた。
【００８５】
テストは、29-34ミクロン直径の孔及び1×8cmの活性領域を有する微細加工された25ミクロン厚のカプトン微小孔接触器の両側上の流体膜厚400ミクロンを利用した。DEA流速を、0.1ml/minにて一定に保持し、DEA濃度を0％から40％（脱イオン化された水のv/v）まで変動させた。気体の濃度を20％CO2（N2のv/v）にて一定に保持し、気体流速を0.67ml/minから26.9ml/minまで変動させた。
【００８６】
結果は、CO2の99-100％程度が吸収されたことを示した。対照において、DEAを含まない脱イオン化された水によって、わずか少量のCO2だけが吸収されたことが観察された。
【００８７】
脱着器
収着ユニットが脱着器として用いられる場合には、リッチな溶液（rich solution）及び循環流体が入り口に流入する。リッチな溶液は加熱され、作用性の化合物は、作用性の化合物の気化によって循環流体から出て、接触器を通過して、出口に至る。一方、循環流体は別の出口から出る。
【００８８】
吸着型熱ポンプにおいて、作用性の化合物は、冷媒である。
【００８９】
【実施例３】
実験は、本発明に従って脱着器の性能を示すために行った。
LiBr/H2Oを用いた。プロトタイプテスト装置の図を図４に示す。脱着器400は、３個のリザーバ402、404、406の間で垂直になされている図２に示す微小孔接触器である。抵抗ヒーター408を脱着器400上に置いた。真空ポンプ（図示せず）で流体フローに対する差圧を与えた。凝縮器409を用いて、脱着器400からの水蒸気を捕捉した。低濃度LiBrリザーバ402及び凝縮水リザーバ404を物質収支を決定するためのスケール410上にセットした。機器は、圧力センサＰ、温度センサＴ、電力センサＷ、密度センサＤ、物質フローセンサＭ、導電率センサＣ及び差圧センサＤＰを含む。
【００９０】
結果は、水が溶液から0.3g/cm2/minの速度で脱着されたことを示す。これは、従来の脱着器の性能を２０倍ほど凌駕する。
液−液抽出
微小孔接触器ユニット（図２）を溶媒抽出に用いる場合には、溶媒は、入り口210にてカバー202に入り、出口216にて出る。供給物は、入り口212に入り、出口214から出る。吸収又は液−液抽出のいずれについても、熱が除去されるか若しくは与えられなければならない場合には、マイクロチャネル熱交換器シート218を図示するように用い得る。
【００９１】
例えば、液体有機物の部分酸化など、化学反応器として用いる場合には、気体は酸素であり、酸素は微小孔接触器シート200を通過する。
【００９２】
【実施例４】
２つの実験を、液−液溶媒抽出用微小孔接触器ユニットを示すために行った。第１の実験において、全溶質濃度の範囲にわたって平衡濃度比を測定して、理論値との比較において、平衡分配係数を定量化した。第２の実験において、シクロヘキサノールを水流に添加して、シクロヘキサノールを抽出剤として用いた。
【００９３】
微細加工された焼結プラスチックの２種類の微小孔接触器を用いた。プラスチックを微細加工した微小孔接触器の２種の厚さをマイクロチャネル装置に用いた。プラスチックを微細加工した微小孔接触器は、幅1-cm長さ8-cmの領域を覆うカプトン高分子の1-mil及び2-mil（25-μm及び50-μm）膜を貫通する孔のマトリックスにレーザードリルを用いて製造した。孔は、円錐形であり、25μm厚さの膜の一方の側では平均直径25μmであり、他方の側では平均直径35μmである。多孔度は、26％と推定された。プラスチックを微細加工した微小孔接触器をテフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン）で被覆して、水に対する湿潤性をより少なくして、通過圧力を高めた。
【００９４】
プラスチックを微細加工した微小孔接触器の性能を比較するために、Gelman 3-μm Zefluor PTFE（テフロン）微小孔メンブランをプラスチック焼結微小孔接触器として、実験を行った。このプラスチック複合微小孔接触器は、165-μm厚さのテフロン微小孔基板上に載置された約15-μm厚さの微小孔テフロン層を有し、総厚さは180μmである。Gelmanから得られた空隙容積情報に基づいて、15-μmの微小孔層の多孔度は、44％であると計算した。プラスチック複合微小孔接触器は、すべての実験において、有機物液体側に向かって置かれたテフロン層で矛盾なく置換できた。
【００９５】
微小孔接触器ユニットを用いて、チャネル高さ及び流速を変えて、微細加工された接触器プレート又は微小孔テフロンメンブランを横断して、フローを分配する実験を行った。ハウジングすなわち積層体におけるチャネルは、長さ10-cm、幅1-cmで、種々のチャネル高さに合わせることができ、供給物側及び溶媒側で変えることができる。本願明細書に報告されているすべての実験において、微細孔接触器の両側で同じチャネル高さ及び等しい流速を用いた。用いたチャネル高さは、200μm、300μm、400μm、及び500μmであった。プラスチックを微細加工した微細孔接触器は、8cmの活性多孔性領域を有し、一方、チャネルの全長10cmは、プラスチックを微細加工した微小孔接触器に利用した。
【００９６】
Harvard装置モデル#22シリンジ注入ポンプを用いて、一定流速で、液体を微小孔接触器ユニットを貫通してポンプで汲み上げた。微小孔接触器ユニットの排出口のすぐ下流側の管内での２つの液体流れの間の差圧を水マノメータを用いて測定した。水流排出圧力をシクロヘキサン流排出圧力よりも僅かに高圧に維持したが、差圧は、水カラムの１インチよりも一般的に低かった。
【００９７】
シクロヘキサンを有する水中で、1000mg/Lシクロヘキサノールのストック溶液を混合することによって、平衡分配係数データを収集した。混合物は、数日間にわたり平衡状態であり得た。次いで、サンプルを水相から取り出して、ガスクロマトグラフィーによって分析した。平衡分配データは、計測の精度内で、分配係数が実験されたすべての濃度範囲にわたり、実際に一定であったことを示した。1.3±0.2の平衡分配係数を次の理論値計算に用いた。
【００９８】
プラスチック複合微小孔接触器での実験においては３つのチャネル高さを用い、プラスチックを微細加工した微小孔接触器での実験においては１つのチャネル高さを用いて、抽出剤としてシクロヘキサノールを用いて、溶媒抽出データを得た。抽出サンプル間で、いくつかのパージ容積で流速を変えることによって、各データを連続的に得た。
【００９９】
プラスチック複合微小孔接触器でのテストは、フローチャネル高さを400μmから300μmに減少させた場合に、400μmチャネルでのフローチャネルにおいてかなりの物質移動抵抗を示し、顕著な性能の改善を示した。しかし、チャネル高さをさらに200μmまで減少させても、このより小さなチャネル高さにおいて微小孔における物質移動抵抗が支配することを示し、認識できるほどの改善は見られなかった。プラスチックを微細加工した微小孔接触器は、少なくともプラスチック複合微小孔接触器と同等の性能であった。
【０１００】
吸着器
吸着器の吸着剤は、気体を収着し得る固体物質であればいかなるものでもよい。カーボンが一般的な吸着剤である。吸着器において、固体吸着剤物質強度及び幾何学形状は、幾何学形状（サイズ及び形状）との組み合わせにおける物質強度がポア及び多孔性接触器を貫通する通過を阻止する限りにおいて、本願明細書において規定された「界面張力（boundary tension）」とみなした。図５に示す個々の固体収着セル又はスタックは、(1)マイクロチャネル504を有する200ミクロン厚さの金属シート502からなるマイクロチャネル熱交換器500と、(2)吸着剤（カーボン）506の薄い領域（100〜1000ミクロン）と、(3)微細加工により作られてもよい多孔性接触器100と、(4)流体プレナム508と、からなる。
【０１０１】
流体が気体である場合には、排出（脱着）中、熱い熱伝達流体はマイクロチャネル504を通過して、吸着剤506を加熱するので、気体を脱着させる。気体は、多孔性接触器100内のポア102を通過して、プレナム508に至り、気体はプレナム508を介してセルから出る。多孔性接触器100は、吸着剤506が繰り返されるサイクルの間に小さな粒子に破過してしまったとしても、吸着剤506を含有する。吸着剤の装填及び取り出しもまた、圧力変化並びに温度変化により達成され得る。
【０１０２】
吸着中、気体は、多孔性接触器100を通過して、吸着剤506内に拡散する。マイクロチャネル熱交換器内の冷却用流体は、吸着中に放出される熱を除去する。
在庫すなわち吸着剤の量は、システムを迅速に循環させることによって少量に維持され、一方、熱サイクル損失は吸着セルの熱量を少量に維持することによって最小化される。吸着剤は、約1mmまでの厚さを有する固体の初期幾何形状を有する。吸着剤は、一対のシート又はカバーによって囲まれ又は包囲される。一対のシート又はカバーの少なくとも一方は、多孔性又は穿孔された多孔性接触器であり、ここを通過して吸着剤まで物質拡散を可能とする。吸着剤は、たとえサイクルが繰り返された後で吸着剤が破過しても、吸着剤はシート間に効果的に含まれており、吸着剤への及び吸着剤からの迅速な物質移動を達成する。
【０１０３】
吸着剤の迅速な循環は、吸着器の小型化又は最小化にとって重要である。迅速なアクチュエーション用のマイクロバルブ、迅速な（対流熱伝達係数1.0-2.0W/cm2-K及び100W/cm2までの熱伝達速度）吸着剤の加熱／冷却用のマイクロチャネル、及び機械的に抑制された／阻止された吸着剤の薄膜吸着器物質循環、１時間あたり約１サイクルから１秒間あたり約１サイクルへ、又は１時間あたり約１０サイクルから１分間あたり約１０サイクルへ、好ましくは従来の循環時間の約1/10程度に短縮された循環。これは、吸着剤の必要量を減少させ又は最小化させる。システムの低い熱量は、熱慣性に関連する損失を減少させ又は最小化させる。
【０１０４】
吸着剤がイオン交換樹脂である場合には、溶質の脱着は、溶出化学物質の導入によって有効となる。
マイクロチャネル収着サーマルマシーン
本願明細書において用いられているマイクロチャネル収着型サーマルマシーンは、熱エネルギ（熱）を機械的仕事に変換若しくは機械的仕事を熱に変換するための作用性のある流体を用いるいかなる装置をも含む。収着型サーマルマシーンは、作用性のある流体と相互作用するために収着を用いるサーマルマシーンである。例として、熱化学コンプレッサがある。熱化学コンプレッサは、次いで、追加の構成要素と一緒に用いられて、吸収サイクル冷蔵システムを作る。
【０１０５】
マイクロチャネル収着型サーマルマシーンは、多孔性接触器を収着剤（吸収剤又は吸着剤）及び熱と作動流体とを交換するユニットを組み合わせることによって、作られる。多孔性接触器もまた、作動流体へ仕事を与え又は作動流体から仕事を抽出するための圧力装置と組み合わせることもできる。圧力装置は、ポンプ、タービン、油圧ラム又はこれらの組み合わせである。
【０１０６】
【実施例５】
本発明によるプロトタイプ吸収サイクル熱ポンプを示すために、実験を行った。実験装置を図６に示す。脱着器400、抵抗ヒーター408及び設備は実施例２とほぼ同じである。吸収器600は、脱着器400と同じ構成であるが、加熱される代わりに冷却される。凝縮器602及び蒸発器604は、同じ構成であり、両側向流マイクロチャネル熱交換器である。
【０１０７】
【実施例６】
本発明による冷却器として用いられるプロトタイプ吸収サイクル熱ポンプを示すために、実験を行った。脱着器及び吸着器テスト（実施例１及び２）から得られるデータは、コンピュータシミュレーションと共に、350Wの冷却を与えるようなサイズになされたシングルエフェクト、LiBr/H2O吸収型熱ポンプの性能を予測するために用いた。システムは、水冷凝縮器及び吸収器と、蒸発器用の水熱源と、脱着器熱源として２５０℃で排気するマイクロチャネル燃焼器と、を含む。多くの用途において、水冷は可能である（車輌の冷却用の車輌ラジエータから、及び空間気候状態調節用の冷却塔から）。他の用途、例えば一人で運搬可能な冷却等は、システムからの最終的な熱除去用の空冷された熱交換器を必要とする。
【０１０８】
一方は一人で運搬可能な冷却用途に適し、他方は車両又は空間の気候調節に適する２つのシステムに対して、重量及び性能特性に基づく計画又はシミュレーション。一人で運搬可能な冷却用途に対して、冷却水は15℃（60°Ｆ）の温度を有し、凝縮器からの熱排出温度は46℃（115°Ｆ）と推定される。車両又は空間の気候調節用途に対して、冷却水は7℃（45°Ｆ）の低温を有し、32℃（90°Ｆ）の低温熱排出温度を有すると推定される。２つのシステムは、ほぼ同一であり、従来のLiBr熱ポンプの容積の1/60である容積で約650gの総熱ポンプ重量を有し、一人で運搬可能な用途の設計に対しては0.68の性能効率（COP）で、空間の気候調節のための設計に対しては、0.71のCOPである。COPは、与えられた冷却量を脱着器に供給された熱エネルギで割った比率である。一人で運搬可能な用途設計に対して、燃料を燃焼させることによって与えられる1Wの熱は、0.68Wの冷却能力を与えるであろう。ポンピング用の電力は、蒸気圧縮熱ポンプに比較して、1/7に減少する。
【０１０９】
吸着熱ポンプ
上述の多孔性接触器は、気体用の冷媒及び図７に示す追加の構成要素と一緒に用いられて、本発明による吸着サイクル熱ポンプを作る。マイクロコンポーネント吸着熱ポンプは、２つのマイクロチャネル固体溶媒スタック700,702と、２つのマイクロチャネル熱交換器704,706と、膨張器708とを有する。熱は、脱着器として作用する第１の固体溶媒スタックに供給されて、固体溶媒から冷媒を取り除く。冷媒は、マイクロチャネル熱交換器の一方において冷却され、減圧バルブ708を横断して膨張し、他方のマイクロチャネル熱交換器において加熱され、第２の固体溶媒スタックにおいて吸着される。システムは、バルブ710（慣用のバルブ又はマイクロバルブ）を備えていてもよく、システムを反転させて、第２のスタックにおいて脱着し、第１のスタックにおいて吸着するようにしてもよい。あるいは、反転可能ポンプ（図示せず）を用いてもよい。
【０１１０】
固体収着スタックは、１個又は多数の固体溶媒セルを有するものでもよい。固体溶媒スタックは、多数の固体溶媒セルを有するものであることが好ましい。
【０１１１】
【結び】
本発明の好ましい実施形態を図示して説明したが、当業者には、広い範囲において本発明から逸脱しない限り、変化及び変更をなし得ることは理解されるであろう。よって、特許請求の範囲は、本発明の範囲内にあるすべての変化及び変更をカバーすることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、一体に取りつけられた微小孔接触器を有する外側の薄シートの等角投影図である。
図１ｂは、微小孔接触器の拡大図である。
【図２】 図２は、微小孔接触器を有する液体／気体収着器の分解図である。
【図３】 図３は、実施例１におけるアンモニア濃度対吸収膜圧のグラフである。
【図４】 図４は、実施例２における液体／気体脱着器を示す実験装置の概略図である。
【図５】 図５は、固体収着セルの断面図である。
【図６】 図６は、実施例３におけるマイクロチャネル吸収型熱ポンプを示す実験装置の概略図である。
【図７】 図７は、固体収着吸着型熱ポンプの概略図である。

Claims (8)

  1. 第１の媒体から第２の媒体へ、作用性の化合物を物質移動させるための多孔性接触器アセンブリにおける蒸留方法であって、
    （ａ）厚さを有し、さらに該厚さを貫通して延在する複数のポアを有する多孔性接触器を備え、上記ポアの幾何学形状は、上記第１の媒体及び上記第２の媒体の一方又は他方若しくは双方の界面張力と共働して、該多孔性接触器を通過する上記第１の媒体及び上記第２の媒体の一方又は他方若しくは双方の移動を阻止するが上記作用性の化合物を上記複数のポアに通過可能とするようになされていて、上記多孔性接触器は、（ｂ）第１の積層体と（ｃ）カバーシートとの間に配置されており、
    上記（ｂ）第１の積層体は、上記多孔性接触器と該第１の積層体との間に、上記第１の媒体を受け入れる第１のマイクロプレナムを画定し、該第１のマイクロプレナムは、上記第１の媒体の物質移動境界層の深さよりも浅い深さを有し、
    上記（ｃ）カバーシートは、上記多孔性接触器と該カバーシートとの間に、上記第２の媒体を受け入れる第２のプレナムを画定し、
    上記複数のポアは各々が1μｍ〜30μｍの範囲の寸法の断面を有する複数の微小孔である第１及び第２の微小孔接触器であって、
    操作中に、微小孔接触器アセンブリを通過する作用性の化合物が第１の多成分液体から気化する第１の微小孔接触器アセンブリと、
    上記作用性の化合物が上記第１の多成分液体と同じ成分を有する第２の多成分液体内で接触し且つ凝縮され得る第２の微小孔接触器アセンブリと、
    を具備する、蒸留ユニットにおいて
    該第１の媒体を該第１のマイクロプレナムに通過させることを含み、
    該第１の媒体は異なる沸点を有する混和性物質の液体溶液であり、該作用性の化合物は蒸気として該多孔性接触器を通過移動する
    ことを特徴とする蒸留方法。
  2. 前記ポアは、ランダムに方向付けられていることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 前記微小孔は、平行に方向付けられていることを特徴とする請求項２記載の方法。
  4. 前記第１の媒体は、水溶液であり、
    上記水溶液は、前記複数の微小孔を通過できないが、前記作用性の化合物は前記複数の微小孔を通過できるようになされている、
    請求項２記載の方法。
  5. 前記第１のマイクロプレナムの深さは、500μｍよりも小さいか又は等しいことを特徴とする、請求項１記載の方法。
  6. 前記多孔性接触器アセンブリと接触しているマイクロチャネル熱交換器から、前記第１の媒体に熱が加えられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. （ａ）厚さを有し、さらに該厚さを貫通して延在する複数のポアを有する多孔性接触器を備え、上記ポアの幾何学形状は、第１の媒体及び第２の媒体の一方又は他方若しくは双方の界面張力と共働して、該多孔性接触器を通過する上記第１の媒体及び上記第２の媒体の一方又は他方若しくは双方の移動を阻止するが作用性の化合物を上記複数のポアに通過可能とするようになされていて、上記多孔性接触器は、（ｂ）第１の積層体と（ｃ）カバーシートとの間に配置されており、
    上記（ｂ）第１の積層体は、上記多孔性接触器と該第１の積層体との間に、上記第１の媒体を受け入れる第１のマイクロプレナムを画定し、該第１のマイクロプレナムは、上記第１の媒体の物質移動境界層の深さよりも浅い深さを有し、
    上記（ｃ）カバーシートは、上記多孔性接触器と該カバーシートとの間に、上記第２の媒体を受け入れる第２のプレナムを画定し、
    上記複数のポアは各々が1μm〜30μmの範囲の寸法の断面を有する複数の微小孔である第１及び第２の微小孔接触器であって、
    操作中に、微小孔接触器アセンブリを通過する作用性の化合物が第１の多成分液体から気化する第１の微小孔接触器アセンブリと、
    上記作用性の化合物が上記第１の多成分液体と同じ成分を有する第２の多成分液体内で接触し且つ凝縮され得る第２の微小孔接触器アセンブリと、
    を具備する、請求項１に記載の方法を実施するための蒸留ユニット。
  8. さらに、前記微小孔接触器アセンブリと接触しているマイクロチャネル熱交換器を具備する、請求項７記載の蒸留ユニット。
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