JP5495843B2 - 多目的マイクロチャネルマイクロコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、マイクロコンポーネント（micro-component）熱交換器や化学反応を促進するためのマイクロチャンバ（micro-chamber）として有用な、装置、構造、並びに組立体に関する。本発明はさらに、連続的な処理、つまり、燃料電池に用いる水素ガスの生成に関連する反応物の改質と、反応物と生成物との微量化学（micro-chemical）処理とに有用なマイクロコンポーネントに関する。

従来の技術では、マイクロコンポーネント熱交換器と冷却機構とはマイクロプロセッサの設計分野において有用とされ、マイクロプロセッサの動作により生じた熱は、冷却剤を備えるか、電気回路処理の作用として生じた熱をこのシステムから回収するかの補助機構により放散される。このような装置の例は次の各米国特許に記載されている。すなわち米国特許第５，９８７，８９３号は、冷却剤が流動するマイクロチャネルを有したマイクロ冷却器を開示し、該マイクロ冷却器は、拡散結合により組立体に接合された複数の薄層金属を含んでいる。米国特許第５，７２７，６１８号は、チップなどマイクロ装置の加熱領域に対するモジュール式マイクロチャネル熱交換器に言及し、冷却剤は交換器に入り熱を吸収して退出する。米国特許第５，４５３，６４１号は、基板に形成されたＶ型、つまりテーパが付されたマイクロチャネルを記述し、米国特許第５，００２，１２３号も、チャネルを通る流体の流れの方向にテーパを付けたＶ型マイクロチャネルを記述している。米国特許第４，７７７，５６０号は、熱伝導材で一体要素を形成しているヒートシンク（heat sink）を開示している。

本発明の目的は、中間のセパレータ、つまりその対向する側に形成されたマイクロチャネルを有する波板、のいずれの側においても気相並びに液相の流体の流れを促進し、セパレータの両側における気相流体のエネルギー伝達は主に拡散により行われ、また、エネルギーがセパレータを介して伝導されるマイクロコンポーネント熱交換器組立体を提供することにある。本発明のさらなる目的は、互い違いの流れの間の中間セパレータが触媒を含み、装置を通過する流体に化学作用を促進することのできる装置を提供することにある。また他の目的は、拡大された表面積を各部分間に有してマイクロコンポーネント反応チャンバを設け、拡散による熱エネルギーの伝達の効率増大を達成するマイクロ装置を提供することにある。

本発明を図面を考慮しながら、好適な実施形態についての以下の説明によりさらに完全に述べる。

簡単に言えば、本発明は、熱交換器や化学反応チャンバとして有用な、薄いジグザグの波形の、つまり、互い違いに折り畳まれて形成されたセパレータを備えたマイクロコンポーネント組立体であり、該セパレータは、隣接して長手方向即ち縦方向に延在するマイクロチャネル（micro-channels）をその両側に形成し、気相や液相の流体を流動させる。セパレータは好適には断面がジグザグの状態になるように金属の薄板で形成され、かつ、互い違いの向きを持つ折畳み、つまり、波を一体部材に含むことができる。セパレータの断面における形状は、ほぼ正弦波形にすることができるが、セパレータが薄いシート材からつくられ、多様な形成／製造工程を経ることに留意する必要がある。積層構造において、セパレータは、流体をチャネルを通して流動させる為に、長手方向即ち縦方向に離間して横方向に延在しチャネルを横断する入口開口及び出口開口を有している、封止された、又は積層の包囲体の中間要素である。

その変形においては、当該装置はマイクロコンポーネント熱交換器であり、セパレータは、熱交換される別々の流体の流れのための隣接して長手方向即ち縦方向に延在するマイクロチャネルを形成する。マイクロコンポーネント反応チャンバの場合は、セパレータは触媒組成物を含み、そこに形成されたチャネルを流動する流体に化学反応を促進させることができる。多機能用途においては、セパレータで形成されたマイクロチャネルの両表面で別々の吸熱反応並びに放熱反応を促進させることができる。

その製作においては、矩形包囲体の上方部分か下方部分の一方及び２つの対向する側部を、Ｕ型溝形材（channel）から一体的に形成でき、また、包囲体の２つの追加の側部は側板から形成される。

マイクロコンポーネント熱交換器や反応チャンバとして、装置は中間シートセパレータを囲繞する、上方部材と、下方部材と、側部部材とを含む積層体として形成され、該中間シートセパレータは、ジグザグ又は波形に形成または型打ちされ、長手方向即ち縦方向に別々に並置されたチャネル区分から成る２つの列（アレイ）に装置を分離し、各側に別々の流体を流動させる。中間セパレータのシートはそこを通過する流体により化学反応を促進する触媒、または、表面積を拡大する表面処理、または、反応の強化の為に、コーティング等を含むことができる。この方法により、装置はマイクロコンポーネント反応チャンバとして有用となり、表面積が拡大した反応チャンバで、試薬のマイクロチャネル通過時に反応物が例えば触媒と反応できる。

装置は、図面に示されており、また、上部シートと、下部シートと、装置を隣接した２組のチャネルに区分して流体を流動させる上部シートと下部シートの間にある中間シートとを含む。中間シートは、好適にはジグザグに折り畳まれた波、つまり、波形形態に形成または型打ちされ、該中間シートの両側で装置を通過する別個の流体の長手方向に並行する流れを促進する。中間シートはそこを通過する流体に化学反応を促進する触媒で被覆即ちコーティングされ、つまり、化学的または非化学的な処理により、流体が相互作用する表面領域を増すことができる。マイクロ反応チャンバとして用いると、触媒を被覆した中間シートの折畳み形態は、それ自身で、試薬が触媒と反応する有用な表面領域を増大する。

図１Ａを参照すると、装置１が平面図に示され、周縁側部２、３、４、５と上方平板部分６と下方平板部分９とがマイクロチャネルセパレータ７の包囲体を形成し、セパレータ７は上方平板と下方平板との間に挟まれている。上方部分６に形成されている入口開口６１及び出口開口６２が示されている。図１Ｂは、対向する側部３、５と、下方平板部分９とを形成しているＵ型溝形材（チャンネル）を示す側断面を示している。このようなＵ型溝形材を用いると、側部２、４の１０、１１で示したような個々の端部板により、装置の外周包囲体が完成する。マイクロチャネルが象徴的に示されている図１Ｃにおいて、面３、５、６、９により形成されている装置の包囲体が示されており、また、中間薄層（lamina）は７で示され、組立体を、中間セパレータの一方においてマイクロチャネルＡ１、Ａ２、Ａ３．．．．Ａｎと、反対側面においてマイクロチャネルＢ１、Ｂ２、Ｂ３．．．．Ｂｎとに分割している。第１の流体の流れは一方の側の入口と出口とを介してマイクロチャネルＡ１、Ａ２、Ａ３．．．．Ａｎを通るように方向付けられ、第２の流体の流れは他方の側で入口と出口とを介してマイクロチャネルＢ１、Ｂ２、Ｂ３．．．．Ｂｎへと方向付けられる。

図２Ａは、折畳みシートつまり波板の対向する側に互い違いのマイクロチャネル７１、７２、７３、７４、７ｎ．．．．を形成している中間シートつまりセパレータ７を示している。マイクロチャネルは波、つまりジグザグの断面形態で側部フランジ２０、２１を有するプレートの中央部分に形成され、該側部フランジ２０、２１は、Ｕ型基部部材を形成する下方平板部分９から延在する側縁部５、３と重なる。セパレータは上方平板と下方平板との間に層状にされた伝導材の、一体に形成された折畳みの列であり、側縁部５、３及び肩状フランジ２０、２１間にセパレータを封止するろう付け接点を有する。側縁部とフランジ間の封止はセパレータの両側の流体の流れを分離している。側部板１０、１１と上方平板６とを含む全体の組立体は好適には一緒にろう付けされる。ろう付けは低温で行われ隣接部材表面を接合するのに加圧を必要としないので、構成要素を拡散接合するより好ましい。（ろう付けは構成要素接合の好ましい方法である。ろう付けより高温を必要とする拡散接合は、いくつかの用途において、温度と耐久性にさまざまな要件を有する装置には有用である。）

図３ＡはＵ型溝形材(チャンネル)の基部部材の平面図を、図３Ｂは該部材の断面を示している。下方平板部分９もまた、セパレータの波板により形成されたマイクロチャネルの列に通じる、離間した入口開口９１と出口開口９２とを含む。完成した組立体においては、上方部分６に面した側と下方部分９に面した側とにおけるセパレータ７の両表面領域は、セパレータを介した伝導による熱エネルギーの交換を可能にする。流体は、装置の一方の側において入口６１から出口６２へ、反対側において入口９１から出口９２へ流動する。流れの方向は装置の使い方と用途により任意に決まる。好適な実施形態においては、流体とセパレータ間の気相熱は対流よりも拡散により交換される。両側の２流体間の熱はセパレータを介しての伝導により交換される。従来の微小規模のチャネルの熱交換器においては、チャネル中に乱流が発生し、熱の伝達は、セパレータの壁部との対流と、セパレータの壁部を介して第２の流体への伝導とにより行われている。本発明のマイクロチャネルは、マイクロチャネルを通過する層流が気相、液相の両方の流動に生じ、気相流では、流体からセパレータへの熱の伝達は拡散により、液層流では流体からセパレータへの熱の伝達は伝導による。両方の場合とも、セパレータを介しての熱の伝達は伝導である。

一例では、装置は金属合金から作られる。組立体の全構成要素は一緒にろう付けされて圧力下で検査を受け、特に、両側面のマイクロチャネルを区分する封止が確認される。装置は略９００℃程度の高い操作温度に耐えなければならない。寸法は個々のマイクロコンポーネントの用途に対する、反応と熱伝達との要件に依存する。一般に、長さは、用途により求められる滞留時間と熱移送とに関して、マイクロチャネルを通過する層流の圧力降下を最適化するように決められる。幅は全体的な能力要件により決まる。最小の厚さは最適化の目標ではあるが、機械的な耐久性への配慮を必要とする。代表的なマイクロ処理の用途に対する、マイクロ装置の代表的寸法は、用途の要件により、約１．０ミリメートルから約２０．０ミリメートルの範囲の全体の厚さと、約１０．０ミリメートルから約３００．０ミリメートルの範囲の全長と、約１０．０ミリメートルから約１００．０ミリメートルの範囲の全幅とを含む。中間セパレータつまり波板は、約０．０１ミリメートルから約１．０ミリメートルの範囲の厚さの金属合金材から形成され、公称折畳み半径は約０．５ミリメートル以下で隣接するピークの間に約０．０１ミリメートルから約１．０ミリメートルの範囲のチャネル間隔を含む。波形において、約０．００５ミリメートルの範囲の波のピークと谷に対する半径は最小限度に近づく。中間波板セパレータを形成する為の適当な材料は、ステンレス鋼やその合金、インコネルなどのニッケル合金、クロムとニッケルとその他の添加物を含む鋼金属とを含む。一例として、高温で安定しており高いニッケル含有量を有する膨張係数の低い鋼の一種であるインコネル合金で、セパレータが形成されている。ＢＮｉ−２は、セパレータを側壁に接合するのに用いられる好適なろう付け材である。ＢＮｉ−２は鉄、ホウ素、クロム、ケイ素と、ニッケルとの化合物である。

要するに、装置は熱交換器や化学反応チャンバとして有用な、隣接して長手又は縦方向に延在するマイクロチャネルを対向する側に形成して、流体を流動させるセパレータを備えたマイクロコンポーネントである。セパレータは、チャネルに対して交差する向きの入口開口及び出口開口を有する封止包囲体内で、チャネルを通して流体を流動させる伝導性の中間要素とすることができる。同様の組立体は多くの用途に対して有用である。単一の設計で種々の用途、すなわち熱交換器、反応チャンバ、気化チャンバに適用できる。マイクロチャネル装置は、マイクロチャネルの両側を流動する気体間、液体間、気体液体間の熱を交換するのに用いることができる。反応チャンバとしては、セパレータのマイクロチャネルの壁部が触媒又は助触媒（promoter）を含み、これと接触してマイクロチャネルを流動する流体に所定の反応を誘発することができる。気化チャンバとしては、一方の側を流動する流体からセパレータを介して伝達された熱が、他方の側の流体において導入液体から退出気体への相の変化を促進する。

本発明を詳細に記述したが、当業者は諒解するように、記述した本発明の着想の精神から逸脱することなく、本開示から本発明に変形をなすことができる。従って、本発明の範囲が、図示し記述した特定の好適な実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は添付クレームにより定まるものである。

マイクロチャネル装置の切欠き平面図である。 マイクロチャネル装置の切欠き側面図である。 マイクロチャネル装置の断面図である。 マイクロチャネル組立体の断面詳細図である。 マイクロチャネル組立体の断面詳細図である。 マイクロチャネル装置組立体の下方すなわち底部構成要素の平面図である。 マイクロチャネル装置組立体の下方すなわち底部構成要素の断面図である。

Claims (21)

1. 上方部分、下方部分及び端部を有する包囲体と、該包囲体内に配置され該包囲体と協働して流体を層流にする隣接して長手方向に延在する２組の複数のマイクロチャネルを画定するシート材からなるセパレータシートと、を備えたマイクロコンポーネント組立体において、
   前記包囲体の該上方部分、下方部分及び端部はそれぞれ、前記セパレータシートの上方部分、下方部分及び端部と封止され、前記包囲体と前記セパレータシートが協働して、前記２組の複数のマイクロチャネル内を流れる流体を互いから分離させるとともに、前記セパレータシートの各側に前記２組の複数のマイクロチャネルの内の一つを配置し、
   前記セパレータシートは、前記２組の複数のマイクロチャネルの中を流れる流体それぞれとの接触面をその両側に画定し、該接触面間において熱伝導による熱伝達経路を形成し、
   前記２組の複数のマイクロチャネルは、該包囲体の長手方向の全長に渡る平行な直線に沿って延在し、それにより、前記セパレータシートの両側を流れ、互いに該セパレータシートを介する熱伝達の関係にある分離された流体を画定し、
   前記包囲体の前記上方部分及び前記下方部分はそれぞれ、前記複数のマイクロチャネルを横切るように延在する長手方向に離間した入口開口及び出口開口を含み、
   前記包囲体の上方部分にある長手方向において互いに離間した前記入口開口及び前記出口開口は、前記セパレータシートの一方の側の隣接する長手方向に延在する複数のマイクロチャネルを介して互いに流体連通し、前記包囲体の下方部分にある長手方向において互いに離間した前記入口開口及び前記出口開口は、前記セパレータシートの他方の側の隣接する長手方向に延在する複数のマイクロチャネルを介して互いに流体連通する、
   ことを特徴とするマイクロコンポーネント組立体。
2. 該セパレータシートは触媒成分を含んで該セパレータシートを流動する流体に化学反応を促進する、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロコンポーネント組立体。
3. 前記両側のマイクロチャネルは、その一方の側ではマイクロチャネルを通る加熱流体の流動に適応し、他方の側では液相流体のマイクロチャネルの入口への流動と、気相流体のマイクロチャネルから出口への流動とに適応している、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロコンポーネント組立体。
4. 気相流体と該セパレータシートとの間の拡散により熱が交換される請求項１に記載のマイクロコンポーネント組立体。
5. 液相流体と該セパレータシートとの間の伝導により熱が交換される請求項３に記載のマイクロコンポーネント組立体。
6. 該包囲体の該上方部分と該下方部分のうちの一方は縦方向に延在するほぼＵ型の溝形部材から形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
7. 該Ｕ型溝形部材を横切る包囲体の側部部分は側板から形成される請求項６に記載のマイクロコンポーネント組立体。
8. 該セパレータシートはその各側部にフランジ端部を含み、該フランジ端部は該Ｕ型溝形部材の上方に延在する縁端部に接合される請求項６に記載のマイクロコンポーネント組立体。
9. 該接合はろう付け接合である請求項８に記載のマイクロコンポーネント組立体。
10. 該接合は拡散接合である請求項８に記載のマイクロコンポーネント組立体。
11. 該セパレータシートは、互い違いの方向を向いた折畳みのジグザグパターンにより形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
12. 該セパレータシートは、形状がほぼ正弦波形の波パターンにより形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
13. １．０ミリメートルから２０．０ミリメートルの範囲の厚さと、１０．０ミリメートルから１００．０ミリメートルの範囲の長さと、１０．０ミリメートルから３００．０ミリメートルの範囲の幅とを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
14. 該セパレータシートは金属合金から形成される波板である請求項１３に記載のマイクロコンポーネント組立体。
15. 該金属合金はステンレス鋼である請求項１４に記載のマイクロコンポーネント組立体。
16. 該金属合金はニッケル成分を含む請求項１４に記載のマイクロコンポーネント組立体。
17. 該金属合金はクロム成分を含む請求項１４に記載のマイクロコンポーネント組立体。
18. 該セパレータシートは、０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの範囲の厚さを有する材料を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
19. 該セパレータシートは成形加工されたシートを備え、該シートにより形成された個々のチャネルは０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの範囲の幅を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
20. 該セパレータシートは波形の折畳みシートを備え、隣接する折畳みを形成する該シートの側部間の間隔は０．０１ミリメートルから１．０ミリメートルの範囲である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロコンポーネント組立体。
21. 該折畳みは０．５ミリメートルまでの範囲の半径を有する請求項２０に記載のマイクロコンポーネント組立体。

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