JP5577257B2 - ハニカム連続流動反応装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本発明は、「ハニカム連続流動反応装置および方法」と題して２００８年１月３１日付けで提出された米国仮特許出願第６１／０６３,０９０号および本願と同じ題名により２００７年１２月３１日付けで提出された米国仮特許出願第６１／０１８,１１９号に関する。

本発明は、ハニカム連続流動反応装置に関し、より具体的には、ハニカム連続流動反応装置とともに用いられる装置および方法に関し、特に、ハニカム連続流動反応装置におけるまたは関連する流体の経路設定、流体の出入、分岐、および封止のための装置および方法に関するものである。

本発明の一つの実施の形態による、連続的に流れる、または間歇的に流れる流体等の流体を反応させるための反応装置は、成形体の第１端から第２端に向かう方向に平行に延びるセル群を有する多セル押出し成形体を備え、この成形体は、この成形体の両端において開口する第１の複数のセルと、成形体の一端または両端において閉塞された第２の複数のセルとを有し、第２の複数のセルは隣接するセル群であり、かつ成形体を少なくとも部分的に通って延びる流体通路の少なくとも一部を画成するために協働するものである。上記流体通路は、上記第２の複数のセルに沿って往復する蛇行通路を有し、この流体通路は、成形体の両端またはそれらの近傍において、上記第２の複数のセルの内部においてセルからセルを横方向に接続している。

セル群と直交する平面内の流体通路を示す、本発明の一つの実施の形態による多セル押出し成形体を備えた反応装置の平面図である。 流体通路のさらなる詳細を示す、図１の多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の斜視図である。 チャンネル間の相互接続のための本発明に関連して有用な一つの方法を示す、押出し成形体の一端または両端において閉塞されたチャンネル群の断面図である。 チャンネル間の相互接続のための本発明に関連して有用な別の方法を示す、押出し成形体の一端または両端において閉塞されたチャンネル群の断面図である。 本発明の他の実施の形態による、セル群と直交する平面内の別の流体通路を示す多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の平面図である。 押出し成形体の一端において入出力ポートに結合された流体連結器を示す、図５の多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の斜視図である。 本発明の一つの実施の形態による押出し成形体に対する流体の接続を示す、多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた本発明の反応装置の断面図である。 押出し成形体の側部における入出力ポートに結合される流体連結器を示す、多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の分解斜視図である。 本発明の別の実施の形態による押出し成形体に対する流体の接続を示す、多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた本発明の反応装置の断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態による、セル群と直交する平面内の別の流体通路を示す多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態による、セル群と直交する平面内の別の流体通路を示す多セル押出し成形体すなわちハニカムを備えた反応装置の平面図である。 押出し成形体の内部で始まる１本の流体通路から始まって２本の流体通路に分岐させるための本発明に関連して有用な一つの方法を示す、押出し成形体の一端または両端において閉塞されたチャンネル群の断面図である。 押出し成形体の一端上の入力ポートにおいて押出し成形体の内部で始まる多数の通路を示す押出し成形体すなわちハニカムの一端の部分的平面図である。 押出し成形体の一側における壁上の入力ポートにおいて押出し成形体の内部で始まる多数の通路を示す押出し成形体すなわちハニカムの部分的側面図である。 深い位置にある栓を示す押出し成形体すなわちハニカムの断面図である。 押出し成形体の一側における入力ポートにおいて押出し成形体から始まる２本の通路を示す押出し成形体すなわちハニカムの断面図である。 押出し成形体の一側の入力ポートにおいて押出し成形体の内部で始まる４本の通路を有する押出し成形体すなわちハニカムの断面図である。 押出し成形体の一側の入力ポートにおいて押出し成形体の内部で始まる４本の通路を有する押出し成形体すなわちハニカムの断面図である。

以下に本発明の好ましい実施の形態が添付図面を参照して詳細に説明されている。全図を通じて、同一または類似の要素には、可能な限り同一の符号が用いられている。

本発明は、その一実施の形態が図１に平面図で示されている押出し成形された多セル体２０を備えた反応装置１２に関する。上記成形体２０は、その一端から他端まで平行に延びる多数のセルを有し、これらのセルの一端が図１に示されている。これらのセルは、成形体の両端に開口する第１の複数のセル２２と、一つまたは複数の栓２６によって、または、上記成形体の一端にまたはその近傍に配置されかつ第２の複数のセルのチャンネルの内部に少なくとも部分的に配置された多少なりとも連続する施栓材料によって、上記成形体の一端または両端において閉塞された第２の複数のセル２４とを備えている。これらの第２の複数のセル２４（閉塞されたセル群）は隣接するセル群であり、成形体２０を通って延びる流体通路を画成するのに一役買うために協働する。この通路は、概略的な方向が図１および図２に矢印２８で示されているように、セル２４に沿って上下に蛇行した通路を形成しており、成形体２０の両端３２，３４およびそれらの近傍のみにおいてはセル２４と直角に横方向に延びており、その場合、セル２４間の壁が短縮され、または孔が開けられ、さもなければ切開されて、セル２４間の流体の連通を可能にしている。

本発明の別の実施の形態においては、通路が、図２に示されているようにセルに沿った方向のみでなく、図５の平面図に示されているように、セルと直交する平面内でも蛇行している。図５の平面図における複数の閉塞されたセル２４は、セル２４および２２と直交する平面内において蛇行した通路として配置されている。したがって、流体通路２８は、図５の平面を出入する方向には比較的高い周波数で蛇行し、図５の平面内においては比較的低い周波数で蛇行している。この二重の蛇行構造は、これらの通路と開放通路２２との間に広い表面積を維持しながら、高い総通路容積および長い総通路長を持つことを可能にし、かつ反応装置１２が小さい総梱包サイズを持つことを可能にしている。

図５に見られる閉塞されたセルの蛇行構造は、本発明の一つの好ましい実施の形態であり、用途に応じて別の構造も可能であり、または望ましくもある。しかしながら、図１または図５の平面内の通路の形状に関係なく、通路の大部分がセル１個分の幅しか備えていないことが望ましい。このことは、極めて高い表面積対体積比を備えることが可能な流体通路を容易に製造することができる結果となる。

図１および図５に示されているように、セル２４の追加のセルが、必要に応じて、通路の入出力ポート３０の周囲において閉塞されて、２個以上のセル幅を有するセル集団２５が形成されている。これらの付加的な閉塞されたセルは、通路２８に対する流体の接続部を提供するためのＯリング・シールまたは焼成されたフリット・シールまたはその他の封止システムのための支持部を提供することができる。一つの変形が図６の実施の形態に示されており、ここでは接続チューブ３６が二つの閉塞されたセル集団２５に封着されている。

押出し成形体、すなわちハニカム２０は、耐久性および化学的不活性に関して、押出し成形されたガラス、ガラスセラミックまたはセラミック材料で形成されるのが望ましい。アルミナ・セラミックは、ガラスおよび他のセラミックよりも良好な強度、良好な不活性および高い熱伝導性を有するものとして一般的に好ましい。この多セル体は少なくとも１平方インチ（６．４５ｃｍ^２）当たり２００セルのセル密度を有することが望ましい。セル密度が高い程、高い熱交換性能を有するデバイスを得ることができる。１平方インチ（６．４５ｃｍ^２）当たり３００セル以上、または４５０セル以上のセル密度を有する成形体が高性能デバイスを形成するために関心を惹く可能性がある。

通路２８は、図３に示されているように、セル２４に沿う方向に１本のセルに追随して上下するものでもよい。あるいは、通路２８は、図４に示されているように、セル２４に沿う方向に平行な２本以上のセルからなる群のそれぞれに順次追従するものであってもよい。

図７は、押出し成形された多セル体すなわちハニカムを備えた接続された本発明の反応装置１０の断面図であり、本発明の他の実施の形態による押出し成形体への流体の接続状態を示す。図７の実施の形態において、流体ハウジング４０はシール４２を介して押出し成形体を支持している。このハウジング４０は、押出し成形体を囲む単一体からなり、または、部分４０Ｃが随意的に取り除かれて、ハウジングが二部分４０Ａおよび４０Ｂからなる。一般に熱制御用流体を流すための流体通路４８は、ハウジング４０と協働する、図１および図５に示されているような開放チャンネル２２によって形成されている。成形体２０内の通路２８は、流体連結器４６を通る流体導管６０を介して接続される。流体導管６０は、ハウジング４０の開口部６２を貫通し、これらの開口部６２にはシール４４が使用されている。

図８は、押出し成形体２０の両側において入出力ポート３０に結合するように構成された流体連結器４６を示す、押出し成形された多セル体すなわちハニカムを備えた反応装置１２の分解斜視図である。流体連結器４６は、流体通路５４を取り囲む突出した接続リング５２を有する流体連結器本体５０を備えている。組み付けられると、成形体２０の両側上に形成された平坦な表面上に、エラストマーからなるＯリング５６が突出した接続リング５２によって圧着される。押出し成形体２０内の多数の壁構造が、平坦な表面５８に対する頑強な圧着シールのための十分な支持を提供する。

図８の実施の形態に示されているような反応装置１２は、本発明の接続された反応装置１０の断面図である図９に示されているような、好ましい構造を有する接続された反応装置１０を可能にし、この反応装置１０は、押出し成形された多セル体すなわちハニカム２０を備え、かつ本発明の他の好ましい実施の形態による、押出し成形体２０への流体の接続状態を示す。図８の実施の形態を上回る利点は、シール４４が存在しないことであり、かつ二つの通路２８，４８間にシール（シール４４または液体連結器４６等）が直接的に存在しないことである。したがって、シール材料は各通路の流体に対して最適のものが選ばれ、シールの不良が二つの通路の流体の相互混合を生じさせることはない。

図１０および図１１は、本発明のさらなる実施の形態による、押出し成形された多セル体すなわちハニカムを備えた反応装置１２の平面図であり、セルすなわちチャンネル２２，２４と直交する平面内のさらに他の流体通路２８を示している。双方の図に見られるように、これらの実施の形態は、セルと直交する平面内で通路２８が平行な複数の通路に分岐した態様の、通路２８内におけるマニホールド構造を有する。図１２は、押出し成形体２０の一端または両端が閉塞されたチャンネル２４の断面図であり、セルすなわちチャンネル２２，２４に平行でかつ押出し成形体２０の内部で始まる１本の通路から２本の通路に分岐させる、本発明との関連で有用な流体通路の分岐方法を示している。

図１３は、押出し成形体の一端の入力ポート３０において、押出し成形体の内部で始まる多数の平行通路への分岐方法または構造を示す押出し成形体すなわちハニカム構造の一端の部分的平面図である。

図１４は、押出し成形体の一側の入力ポート３０において、押出し成形体の内部で始まる多数の平行通路２８の別の実施の形態を示す押出し成形体すなわちハニカム構造の部分的側面図である。

図１５の断面図に示されているように、押出し成形体の側部に入力ポート３０を有する実施の形態においては、通路２８に沿ったデッドスペースを阻止または低減するために、必要に応じて、入力ポート３０において通路２８を仕切る深い位置にある栓２７が有用であろう。

図１６の断面図に示されているように、セルすなわちチャンネル２２，２４の１本分以下の幅を有する単一の入力ポート３０が、押出し成形体２０の側部の入力ポート３０において押出し成形体２０の内部で始まる２本の通路２８に接続されている。図１６〜図１８において、「Ｘ」の記号は、観察者から図の面内へ遠ざかる通路２８を表す。

図１７および図１８の断面図に示されているように、セルすなわちチャンネル２２，２４の１本分よりも広く、かつセルすなわちチャンネルの２本分のよりも狭い幅を有する単一の入力ポート３０が、押出し成形体２０の側部の入力ポート３０において押出し成形体２０の内部で始まる４本の通路２８に接続されている。

１０，１２ 反応装置
２０ 押出し成形体（ハニカム）
２２ 第１の複数のセル（開放チャンネル）
２４ 第２の複数のセル（閉塞チャンネル）
２６ 栓
２８，４８，５４ 流体通路
３０ 入出力ポート
３６ 接続チューブ
４０ 流体ハウジング
４２，４４ シール
４６ 流体連結器
５０ 流体連結器本体
５２ 接続リング
５６ Ｏリング
６０ 流体導管
６２ 開口部

Claims (10)

1. 流体を反応させるための反応装置であって、
   成形体の第１端から第２端に向かう方向に平行に延びるセル群を有する多セル押出し成形体を備え、該成形体は、該成形体の両端において開口する第１の複数のセルと、前記成形体の一端または両端において閉塞された第２の複数のセルとを有し、
   該第２の複数のセルは、該第２の複数のセル同士が互いに隣接している構造のセル群であり、かつ前記成形体を少なくとも部分的に通って延びる流体通路の少なくとも一部が、前記第２の複数のセルの内部に形成されているものであり、
   前記流体通路は、前記第２の複数のセルに沿って該第２の複数のセルの内部を前記セル群の延びる方向に往復しつつ、その往復が前記セル群の延びる方向に対して直交する平面内において蛇行する蛇行通路を有し、
   該蛇行通路は、前記第２の複数のセルにおいて、前記互いに隣接する前記セルそれぞれの内部を前記セル群の延びる方向へ通るように形成されている前記流体通路の一部分と前記成形体の前記閉塞された一端またはそれらの近傍において前記セル群の延びる方向に対して直交する横方向に前記互いに隣接する前記セル間をセルからセルへ接続している前記流体通路の他部分とで構成されていることを特徴とする反応装置。
2. 前記蛇行通路は、前記成形体のセル群の延びる方向に直交する一平面内のセル１本分の幅を有することを特徴とする請求項１記載の反応装置。
3. 前記蛇行通路は、前記第２の複数のセルのセル群の延びる方向に沿って少なくとも２回往復することを特徴とする請求項１または２記載の反応装置。
4. 前記蛇行通路は、入力ポートおよび出力ポートを通じて前記成形体の外部から接続可能であり、前記入力ポートは前記成形体の前記第１端に配置されかつ該成形体の第１端において栓によって閉塞されたセル群によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の反応装置。
5. 前記入力ポートに結合された流体連結器をさらに備え、該流体連結器は圧着シールを備え、該圧着シールは、前記入力ポートを取り囲む前記栓に対し圧着され、または前記セル群内の栓によって支持された面に対し圧着されていることを特徴とする請求項４記載の反応装置。
6. 前記入力ポートに結合された流体連結器をさらに備え、該流体連結器は、前記入力ポートを取り囲む前記栓群に接着され、または前記セル群内の栓群によって支持された面に接着されていることを特徴とする請求項４記載の反応装置。
7. 前記流体連結器は、焼結されたフリットによって前記栓群に接着され、または前記栓群によって支持された面に接着されていることを特徴とする請求項６記載の反応装置。
8. 前記蛇行通路は、入力ポートおよび出力ポートを通じて前記成形体の外部から接続可能であり、前記入力ポートは前記成形体の一側における壁に配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の反応装置。
9. 前記入力ポートに結合された流体連結器をさらに備え、該流体連結器は圧着シールを備え、該圧着シールは、前記成形体の一側における壁に対し圧着されていることを特徴とする請求項８記載の反応装置。
10. 前記入力ポートに結合された流体連結器をさらに備え、該流体連結器は、前記成形体の一側における壁に接着されていることを特徴とする請求項８記載の反応装置。

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