JP5582670B2 - マイクロシステムの毛管分離 - Google Patents

Description

本発明は、毛管力を利用して流体を分離するプロセス及びデバイスに関する。本発明の実施形態の幾つかは、毛管力を利用するマイクロコンポーネント又はマイクロチャネルデバイスに限定されている。

従来技術

流体を捕捉及び／又は分離するための小型システムは、様々な用途で必要とされている。例えば、水素駆動車両は、水を再循環させる燃料電池を利用することができる。別の例として、宇宙船で水を再生し再利用するのための効率的で軽量なシステムは、人間の宇宙探査の必要条件として長く認識されてきた。本発明は効率的な流体捕捉及び分離のための方法及び装置を提供する。

課題を解決するための手段

本発明は、流体を分離するための方法及び装置、及び／又は熱交換のための方法及び装置を提供する。１つのプロセスは、第１流体及び第２流体から成る少なくとも２つの流体の混合物を、少なくとも１つのチャネルを有するデバイスに送ることによって流体を分離する。チャネルは、気体フローチャネルとウィッキング領域（ウィック）とを有している。第１流体は、ウィッキング領域で吸収される液体（液滴又は液体粒子のような）か、又は、分離状況下ではウィッキング領域内で液体となる気体の何れかである。第１液体は、ウィッキング領域を通って液体フローチャネルへ移動し、その後、液体出口チャネルを通ってデバイスを出る。第２流体は気体フローチャネルを通って気体出口へ移動し、気体出口からデバイスを出る気体である。

本発明は、更に、少なくとも２つの流体が少なくとも１つのチャネルを有するデバイスへ送られる、流体同士を接触させるプロセスを提供する。チャネルは、開放区域及びウィッキング領域と、ウィッキング領域と開放区域との間の界面とを有している。作動中に、少なくとも１つの流体はウィッキング領域を通って流れ、少なくとももう１つの流体は開放区域を通って流れる。ウィッキング領域と開放区域との間の界面で、１つの流体は、少なくとも１つの別の不混和性流体と接触し、ウィッキング領域を通って流れる少なくとも１つの流体と開放区域を通って流れる少なくとも１つの別の流体との間の界面を通して物質伝達が起こる。

本発明は、更に、気体が少なくとも１つのチャネルを有するデバイスに導かれ、液体に凝縮する方法を提供する。このチャネルは、開放区域及びウィッキング領域を有し、少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器と熱接触しており、熱交換流体がマイクロチャネル熱交換器を通して流される。作動中に、熱が気体ストリームから取り除かれ、その一部が凝縮して液体になる。このようにして形成された液体は、ウィッキング領域に吸収され、ウィッキング領域を通って液体フローチャネルへ移動し、その後、液体出口チャネルを通ってデバイスを出る。

本発明は、更に、開放区域とウィックを備えた少なくとも１つのチャネルを有する装置を提供する。チャネル内のウィックは出口ウィックと接続されており、開放区域は気体出口と接続されている。この装置は、本明細書に記載する多くのプロセスに有用である。

本発明は、更に、少なくとも１つのチャネルを有する液体凝縮器を提供するが、このチャネルは気体フローチャネルとウィックを備えている。このチャネルは、少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器と熱接触している。この装置と凝縮器は、共に、特に化学反応器内で用いるのに適している。

ウィック及び随意の細孔狭路と、捕捉構造体との存在は、本発明の複数の実施形態に共通している。ウィックは、毛管力によって湿潤流体を優先的に保持する材料であり、中には、液体が毛管の流れによって通過し移動する多数の連続したチャネルが通っている。このチャネルは、規則的に又は不規則的に形成することができる。液体は乾燥したウィックを通って移動することになるが、一方、液体を含んでいるウィック内の液体は、ウィックの一部又は複数の部分に吸込のような圧力差を掛けることによって移送することができる。ウィック内の毛管細孔のサイズは、液体の接触角とデバイス内の目標圧力勾配、並びに液体の表面張力に基づいて選択することができる。気体がウィック内に侵入する際の圧力は、作動中のウィックに掛かる圧力差より大きいのが望ましく、これによりウィックから気体を締め出す。

液体は、表面力、即ち湿潤性によってウィック内に留まり、界面張力によってそこに保持されるのが望ましい。液体は、気体チャネルよりもウィックを好み、ウィックに容量がある限り、液体は気体ストリームから除去され、気体ストリーム内に残存しない。

ウィックは、中を通して移送しようとする液体次第で、様々な材料で作ることができる。ウィックは、均一材料、混合材料、合成材料又は傾斜材料の何れであってもよい。例えば、ウィックを、孔のサイズ又は湿潤性によって格付けし、液体を所望の方向に排水するのに役立てることもできる。本発明で使用するに適したウィック材料の例としては、焼結金属、金属スクリーン、金属発泡材、セルロース系ファイバーを含むポリマーファイバー、その他の湿潤性多孔性材料が挙げられる。ウィック材料の毛管細孔サイズは、１０ｎｍから１ｍｍまでの範囲内にあるのが望ましく、１００ｎｍから０．１ｍｍにあれば更に望ましく、この孔サイズは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したウィック断面内の最大孔直径である。ある好適な実施形態では、ウィックは、マイクロチャネル構造体であるか、或いはマイクロチャネル構造体を含んでいる。マイクロチャネル内の液体は、毛管流によって移動する。マイクロチャネルはどんな長さでもよいが、深さは１乃至１０００ミクロン（μｍ）であるのが望ましく、１０乃至５００μｍであれば更に望ましい。マイクロチャネルは幅が１乃至１０００μｍであるのが望ましく、１０乃至１００μｍであれば更に望ましい。ある好適な実施形態では、マイクロチャネルはマイクログルーブであり、即ち、グルーブの頂部から底部までの幅が一定、又は減少している。別の実施形態では、マイクロチャネルは、液体移送用に、大きな直径の孔への口部を形成している。

ウィックは、乾燥すると気体がウィックを通過して逃げることになるので、作動中は、乾燥しないようにするのが望ましい。乾燥を回避するための１つの方法は、孔サイズがウィック構造体よりも小さい多孔性構造体のような流体絞りを、ウィック構造体と毛管接触して追加し、非湿潤相（Ｓ）が流体絞りから湿潤相を追い出せないように吸い込み圧力の大きさを制限するというものである。このタイプの絞りは、細孔狭路としても知られている。好適な実施形態では、細孔狭路は、ウィックと液体フローチャネルとの間、及び／又は、液体出口に設けられている。幾つかの実施形態では、流体を気体チャネルから移送し、更に気体の侵入を防ぎ、ウィックと細孔狭路との２つの目的を果たすように、ウィックの孔の直径を小さくしている。

細孔狭路は、作動中に細孔狭路に掛かる最大圧力差よりも大きい泡立ち点を有している。このことは、毛管力（表面張力、湿潤性及び接触角依存性）による気体の細孔狭路への侵入を防ぐ。細孔狭路は液体の出口をシールすることになり、従って、気体が細孔狭路をバイパスしないようにするために、細孔狭路の周囲にシールされるか、或いは細孔狭路が出口を覆うべきである。細孔狭路は、細孔狭路を跨ぐ所定の圧力降下で、細孔狭路を通過する液体流量を最大にするため、非常に小さいのが望ましい。細孔狭路の孔サイズはウィックの孔サイズの半分未満で、細孔狭路の厚さはウィックの厚さの５０％以下であるのが望ましく、細孔狭路の孔サイズがウィックの孔サイズの２０％以下であれば更に望ましい。細孔狭路はウィッキング材料と毛管接触して、気体がウィックと細孔狭路との間でトラップされ出口を塞ぐことのないようにするのが望ましい。

フラッデイング(flooding)は、ウィックを通しての湿潤相のためのデバイスの流量容量を越えることから生じることもあり、流量容量は、ウィックの孔構造、流れのための断面積、又は、ウィック内の流れの方向における圧力降下に依って決まる。

捕捉構造体は、（少なくとも部分的には）気体フローチャネル内にウィックと液体接触させて挿入してもよい。捕捉構造体は、気体ストリームから液体を除去（捕捉）するのを支援する。捕捉構造体の１つの例はウィックから突出しているコーンであり、そのコーン上で液体が凝縮し、ウィック内へ移動するようになっており、この捕捉構造体の一例が米国特許第３，２８９，７５２号に示されており、参考文献としてここに援用する。その他の捕捉構造体としては、逆向きコーン、孔のサイズがウィックに向かって徐々に大きくなる孔サイズ勾配を有する液体不湿潤性多孔構造体、孔のサイズがウィックに向かって徐々に小さくなる孔サイズ勾配を有する液体湿潤性多孔構造体、及び市販のデミスター又はフィルター媒体内に見られるようなファイバーが挙げられる。拡散された液体粒子を捕捉するための機構としては、（障害物を取り巻く流れによる）衝突捕集、ブラウン捕捉（高表面積構造体内での長い滞在時間）、重力、遠心力（流れ内の高い曲率）、或いは、流れの場に対し煙霧質粒子運動を誘導するために、電界又は音響の場のような場を組み込むこと等が挙げられる。

不湿潤性表面は、気体フローチャネルの壁上に配置してもよい。この不湿潤性表面は、表面上に液体の薄膜が形成されるのを防ぐことができるし、ウィック又はウィック及び捕捉構造体と組み合わせると、流体混合物内に存在する液体を、凝縮している表面から毛管流れによってサイフォンで吸い上げ、コールドスポット又は再飛沫同伴のような滴状凝縮に伴う問題を回避することができる。

本発明は、様々な態様及び実施形態で、迅速な物質移送、高速熱伝達、低コスト、耐久性、及び小スペースでの高率液体分離を含む多くの利点を提供することができる。

本発明のデバイス及びプロセスには、高効率で高出力密度の熱交換を組み込むことができる。熱交換は、凝縮及び蒸発のような分離デバイス内での相変化を容易にすることができる。１つの例は、燃料電池から出るカソード排出気体ストリームから水を凝縮するような、凝縮可能な成分を回収するための気体ストリームの部分的な凝縮である。もう１つの随意の特徴は、湿潤性が低下しているか又は不湿潤性の壁を熱交換表面に隣接して配置し液体薄膜の形成を防ぐことである。熱伝達係数は、液体薄膜の抵抗を排除することによって実質的に増大する。

この実施形態は、並行して作動する多数の気体フローチャネルを有する好適な実施形態を示している。この構成は、高い処理能力を可能とし、大きな体積比表面積割合を高効率のために提供する。幾つかの好適な実施形態では、層が積み重ねられて、２から６００までの、望ましくは４から４０までの別々の気体フローチャネルが構成されている。並行配列の代わりに、チャネルを一列に接続して長い流路を作ってもよい。

本発明の幾つかの好適な実施形態のもう１つの有利な特徴は、気体フローチャネル及び／又は液体フローチャネルが、流体分離領域内で本質的に平坦であるという点である。この構成は、非常に迅速且つ均一な物質及び熱の移送速度を可能にする。幾つかの好適な実施形態では、気体フローチャネル及び／又は液体フローチャネルは、幅及び長さが、高さ（正味気体流れに対して垂直）の少なくとも１０倍以上である。

本発明の主題は、本明細書の結論部分で明確に述べられている。しかし、作用の編成及び方法は、その更なる利点及び目的と共に、以下の説明を添付図面と関連付けて参照すれば更に良く理解されるであろう。なお、図中、類似の番号は同様の要素を示している。

（用語解説）
「捕捉構造体」とは、（少なくとも部分的には）気体フローチャネル内に配置されており、液体のウィックへ向かう動きを支援する構造体である。

「セル」とは、個別のコンポーネント、即ち少なくとも１つの単位操作が実行される統合されたデバイス内のある区域をいう。好適な実施形態では、セルは幅約２０ｃｍ未満、長さ約２０ｃｍ未満、高さ約３ｃｍ未満である。

「デバイス容積」とは、チャネル、ヘッダー及びシムを含むデバイスの全容積をいう。
「飛沫同伴」とは、気体出口へ向かう液体の移動をいう。

「フローマイクロチャネル」とは、装置の通常運転時に流体が流れるマイクロチャネルをいう。
「積層デバイス」とは、少なくとも２つの非同一層を有するデバイスのことであり、このデバイスでは、この少なくとも２つの非同一層が、熱伝達、凝縮などの単位操作を実行することができ、２つの非同一層はそれぞれ、その層を通して流体をすことができる。本発明で、積層デバイスは、流体媒体内のファイバーの束ではない。

「液体」とは、ウィック内で有効な操作状態下で、液相にある物質である。
「マイクロチャネル」とは、少なくとも１つの寸法が５ｍｍ以下のチャネルをいう。マイクロチャネルの長さは、通常運転時に壁にぶつかるまで流体が流れる最遠方向として定義づけられている。幅及び深さは長さに垂直であり且つ互いに対しても垂直で、図示の実施形態では、幅はシム又は層の面で測定される。

「マイクロコンポーネント」とは、作動時に単位プロセス操作の一部を成し、寸法が１ｍｍ以下のコンポーネントである。
「マイクロコンポーネントセル」とは、デバイス内のセルであり、セルはマイクロコンポーネントを保有している。

「細孔狭路」とは、非湿潤性流体が、通常運転状態下で、含有されている湿潤性流体を排出することを細孔狭路によって制限されるような、最大孔寸法を有する多孔性構造体をいう。

「滞留時間」とは、流体が所定の使用容量を占めている時間をいう。
「単位プロセス操作」とは、流体ストリームの化学的又は物理的特性が変更される操作をいう。単位プロセス操作（単位操作とも呼ばれる）には、流体ストリームの温度、圧力、又は構成の変更が含まれる。

「ウィッキング領域」とは、ウィック、又は溝状のマイクロチャネル表面のようなウィッキング表面で占められている領域である。
「作動容積」とは、デバイスの合計チャネル容積であり、ヘッダー及び固体シムとエンドプレート材は含まない。

第１の態様では、本発明は気体／液体分離器を提供する。そのようなデバイスの実施形態を図１に示す。図示のデバイスは、エンドプレート６、８と、交互に重なっている中心シム１、２とで構成されている。流体インレット９は、開放チャネル１２に接続されている。シム１は、開放気体フローチャネル１４を有している。中実部１６の表面１８は、気体フローチャネルの底部を形成している。気体フローチャネルの頂部は、シム２のウィック２２を形成している。気体／液体混合物がチャネル１４を流れるときに、液体成分はウィック２２で吸収される。ウィック内の液体は、ウィック出口チャネルまで移動して、液体アウトレット２９から流出する。液体を除去するために、ポンプ（図示せず）によって吸引を掛けられるようになっている。気体は、別のチャネルを通り、気体アウトレット１９から流出する。

シム１の上面図を図２に示す。チャネル１４は、ランド３２によって分離されている。ランドは、ウィックの挿入を支援し、組み立て中にチャネルが壊れるのを防ぐ。気体はチャネル１４を通って気体出口穴３４へ流れる。ランド３２は、エッジ３６と同じ高さであるのが望ましい。表面１８からウィック表面２４迄の気体フローチャネル１４の高さは、約１０μｍ乃至５ｍｍであるのが望ましく、１００μｍ乃至１ｍｍであると更に望ましい。チャネルの高さは、可能性のある低い流量に対しても均衡の取れた、良好な熱伝達と物質伝達及び全体デバイスサイズのためにも、低い方が望ましい。出口ウィック４２までの経路は、ランド３８によって遮られていてもよい。効率的な相分離には、気体フローチャネルの容積に対するウィックの曝露表面積の割合が高い方が望ましい。この割合は、１乃至１０００ｃｍ²：ｃｍ³が望ましく、５乃至１００であれば更に望ましい。

シム２の下面図（ウィック無し）を図３に示す。シムは気体出口穴３４（開放スペース）と出口ウィック４２を含んでいる。ウィック（図示せず）は、開放スペース４２に挿入することができる（穴１２をブロックしないのが望ましい）。
代りに、シムの表面はマイクロチャンネルのようなウィック構造とすることができる。いずれにしろ、ウィック構造は出口ウィック４２と連続した液体流路を作るべきであるが、気体出口穴３４をブロックすべきではない。

図４はエンドプレート６の上面図であり、気体／液体入口１２と気体出口穴３４用のスペースを示している。図５は、出口ウィック４２を備えたエンドプレート８を示している。勿論、デバイスは垂直にして、同じ側から気体と液体の出口を出してもよいし、気体／液体入口を反対側のエンドプレート８に動かして、液体出口と、気体／液体入口をデバイスの同じ側に設けてもよい。

ウィックを備えたデバイスの作動時には、ウィックは、溢れさせてはならず、且つ乾燥させないのが望ましい。湿っているか又は飽和状態のウィックは、液体を、毛管を通して低圧側に、例えば吸引によって生成される低圧力のような低圧力ゾーンへ効果的に移送する。液体出口から気体が流れ出るのを防ぐために、細孔狭路を液体アウトレット２９に付加してもよい。

気体／液体接触器の断面を図６に示す。この接触器は、エンドプレート５４、５６と、交互に重なっているシム５１、５２を有している。Ｔ字型接合インレット６０、６２は、それぞれ気体及び液体の経路である。Ｔ字型接合アウトレット６４、６６は、それぞれ気体及び液体の経路である。シム５１の上面図を図７に示す。気体は、気体インレット穴７６から流れ込み、アウトレット穴７２を通って流れ出る。シム５２の下面図を図８に示す。液体は、ウィックチャネル８２に流れ込み、ウィックを通って、ウィックチャネル８４から流れ出る。ウィック挿入物を図９に示す。ウィック挿入物は、気体がウィックを通過するための貫通穴９２を有している。挿入物の領域９４は、連続したウィックでもよいし、ウィックチャネルを通して連続したウィックで満たされている穴であってもよい。ウィック挿入物が領域９４を覆っている場合、ウィッキング材料のディスク又は他の挿入物を、チャネル７８、７９、８２、８４内に配置して、連続した毛管液体流路を提供しなければならない。シム５２内にマイクロチャネルを使用すると、ウィック挿入の必要がなくなる。エンドプレート５４は、シム５２内のウィックチャネルに対応するウィックチャネル（図示せず）を有している。エンドプレート５６は、インレット及びアウトレット穴７２、７６に対応する気体インレット及びアウトレット穴（図示せず）を有している。このデバイスは、液体及び気体相の好適な向流を示している。気体相から成分を選択的に吸収するのに液体を用いる場合、向流構造は、抽出可能な成分が最低濃度となっている気体を最も純粋な液体と接触させ、それにより気体成分を最大限に吸収する。

向流熱交換凝縮器アッセンブリ１００の断面図を図１０に示す。アッセンブリは、シム１０１、１０２、１０３と、インレット１０４、１０５と、アウトレット１０６、１０８、１１０を含んでいる。シム１０２は、ウィック１１２と壁１２４を含んでいる。シム１０１は、気体フローチャネル１１４と壁１２６を有している。熱交換器シム１０３は、マイクロチャネル１１６と壁１２２を含んでいる。

シム１０１の上面図を図１１に示す。図示のシムは、気体フローチャネル１１８と、流体流インレット１１３と、ランド１１６と、気体出口穴１１７と、熱交換流体穴１１５と、液体出口穴１１９とを含んでいる。

図１２は、シム１０２の下面図である。図示のシムは、液体フローチャネル１２８と、流体流インレット１１３と、気体出口穴１２７と、熱交換流体穴１２５と、液体出口穴１２９とを含んでいる。

熱交換シムの上面図を図１３に示す。熱交換流体は、穴１３２から入り、マイクロチャネル１３４を通って移動し、穴１３６を通って出る。通路１３７、１３８、１３９は、流体混合物、気体及び液体が熱交換シムを通って流れるように設けられている。

エンドプレート１９０は、熱交換流体用のインレット及びアウトレット穴を有している。エンドプレート１１は、流体インレット穴、気体アウトレット穴及び液体出口穴を有している。

作動中、流体混合物は、インレット１０５を通って入り、気体フローチャネル１１４を通過することができる。熱交換流体はインレット１０４を通って入り、マイクロチャネル層１１６を通過する。ある好適な実施形態では、流体混合物の１つの成分は、ウィック１１２内で凝縮する。熱は、熱交換流体によって、システムから除去される（又はシステムに加えられる）。システムの要件次第で、壁１０１又は壁１２２、１２４の何れかを断熱してもよい。ある好適な実施形態では、層（シム）は、ウィック、気体フローチャネル、壁、マイクロチャネル層、壁、気体フローチャネル、ウィックという順序の繰り返しで並べられている。

十字流熱交換器アッセンブリを図１４−１７に示す。気体及び液体インレット及びアウトレット及びランドは、上記と同じシェーディングを使って示している。この実施形態では、熱交換流体は、流体の流れに対して（直角に）十字流で気体フローチャネルを通って流れる。

図面は、液体フローチャネル内のウィックが液体出口チャネル内のウィックとの直接接触することによって、液体が流れる好適な実施形態を示している。しかし、別の実施形態では、液体は、ウィックに吸収された後、ウィックを含まない液体フローチャネル内に流れ込むことができる。その後、液体は、ウィックを通って流れ出てもよいし、ウィック無しに流体流れによって流れ出てもよい。

シムは、金属、プラスチック、セラミック又は合成材料で作ることができる。金属シムは、エッチング、従来型の切断及び機械加工、放電加工（ＥＤＭ）、レーザー加工、型押又は成型技術で作ることができる。プラスチックシムは、上記と同じ技術を使って、又は、射出成形、熱間エンボス加工、型押、鋳造、その他の成型技術を含む通常のプラスチック形成技術で作ることができる。セラミックシムは、固体酸化物燃料電池要素の製作に用いられる技術を含む、セラミック部品を製作するるための周知の技術を使って作ることができる。気体チャネルに面するシムの材料は、コーティング、表面処理又は材料の選択によって、疎水性にすることができる。エンドプレートは、シムと同じ材料で、同じ技術を使って作るのが望ましい。シムは、液体フローチャネル内に挿入されたウィックと共に積み重ねられるが、ウィックは、ランドと液体チャネル壁によって緩く保持されるか、或いは、液体チャネル壁に接着されるかの何れかである。ウィック又は細孔狭路は、気体が液体出口まで流れる開放経路を防がなければならない。このことは、ウィック又は細孔狭路構造体と壁との間の密接した許容隙間により、ウィック又は細孔狭路を装着するエポキシのようなシーラントを使うことにより、或いはガスケット又はＯリングを利用することによって、達成される。次に、エンドプレートが、シムスタックの頂部と底部に配置される。シム間の継目及びエンドプレートとシムとの間の継目は、接合又は圧縮シールによって密封される。接合は、拡散接合、エポキシ樹脂を使うような化学反応、又は接着剤材料を使った接着によって達成される。圧縮シールは、ガスケット、Ｏリングを使って、又は、表面同士の接触及びデバイス同士のボルト締めによって達成可能である。インレット及びアウトレットは、同じ方法によって、溶接によって、ねじ又はボルトによって、或いは他の既知の接続技術によって連結することができる。

容積の小さい所与のデバイスを作る場合、或いは、洗浄又は変更のためにデバイスを分解しなければならない場合、好適な組み立て技術とは、フライス加工のような通常の機械加工でシム及びエンドプレートを製作する技術である。シムとエンドプレートとの間のシールは、シール面の一方に機械加工で設けられた溝の中に配置されたＯリング、又はシール面の形状に適合するよう切断されたガスケット材の何れかを使って、圧縮シールによって実現されるのが望ましい。デバイスは、次に、ボルトを使って互いに圧縮状態に保持される。液体出口は、ウィック又は細孔狭路と壁との間にガスケット又はエポキシのようなシーラントを使って、気体フローチャネルから隔離されている。インレット及びアウトレットは、標準的なねじ式フィッティング又は他の既知の接続技術を使って取り付けることができる。

本明細書に記載のデバイス及びプロセスは、システム内の統合には特に望ましい。これらのシステムは、熱伝達、物質伝達、不均一反応、電気化学反応又は電界増強のような所望の機能を実現することができる。本発明のデバイスを化学反応器内の要素として組み込むと、プロセスを強化することになり（例えば、物質移送滞留時間が減る）、及び／又は化学反応では平衡転化率及び選択性を上回ることになる。熱交換器と組み合わせれば、多相吸熱又は発熱の化学反応を容易にすることができる。

活性触媒材料を、液相反応の場合にはウィックリング構造に、及び／又は、気相反応の場合には捕捉構造体に含ませることによって、提案されている構造の中で不均一触媒反応を実現することもできる。１つの例がフィッシャー−トロプス合成であり、凝縮性炭化水素が作られる。触媒構造体と接触させて液体炭化水素生成物を除去する構造体を組み込むことにより、反応器滞留時間を短縮することもできる。本デバイスは、統合型反応器−化学分離器内で用いることもできる。例えば、ウィック又はウィック内の吸収材料は、生成物の中の１つを選択的に除去することができる。このことは、平衡転化率、並びに改良された選択性に変化を生じさせる。限定する訳ではないが、他の例として低温水性ガス転化反応があり、この反応では、選択的なＣＯ除去が適切な変換を達成するための作動温度を下げることができると我々は考えている。この効果は、吸収性液体を流れている気体のストリームに向流として流すことによって強化することができる。

例１
２分の１インチのポリカーボネートを機械加工して、深さ３０００μｍｘ幅２ｃｍｘ長さ８ｃｍの長いチャネルを作った。１／８”ＮＰＴ逆目管継手をチャネルの端部から１ｃｍのところに配して液体アウトレットとした。マックマスター・カール社から入手可能な７０×７０ステンレス鋼メッシュの２ｃｍｘ８ｃｍの材料片を、チャネル内の、５□ｍ細孔を備えた焼結ニッケル（モット社）の１／１６”ｘ２ｃｍｘ８ｃｍの材料片の下に配置した。焼結ニッケルは、Ｌｏｃｔｉｔｅ^TRＲＴＶシリコン接着剤を使って適所に密封接着した。

０．２５”のポリカーボネート材料片を機械加工して、２つの１／８”ＮＰＴ逆目管継手を６ｃｍ離れた穴にねじ込めるようにした。このポリカーボネート材料片は、事前に、２つのステンレス鋼の並行電極（直径２５ｃｍ）を使った容量結合ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）プラズマ反応器（６６ｘ６６ｘ９１ｃｍ³）内で処置して、疎水性とした。電極は１０ｃｍ離し、両方とも水で冷却した。ＲＦ電力を上側電極に掛け、サンプルは下側の接地電極上に置いた。２つの空気可変コンデンサ付きの自動Ｌ型整合ネットワークで、プラズマの複雑なインピーダンスを５０抵抗率に変換した。選択可能スケーリング付き直流自己バイアスメーターを使って、整合／室環境に関して正確に制御することができた。システムは、先ず、拡散ポンプを使って１０^-5トールのベース圧力まで排気した。次に、システムにＣＦ₄ガスを導入し、拡散ポンプと室との間に配置された絞り弁の開度を調整して１００ｍトールの圧力とした。数分間の安定時間の後、プラズマを始動した。処理は、電力１００ワット、圧力１００ｍトール、及びガス流量５０ｓｃｃｍ・５分間で実行した。（「ＰＥＴ及びアクリルフィルムのプラズマ誘起エッチングの現地・リアルタイムモニタリング」Ｍ．Ｋ．Ｓｈｉ、Ｇ．Ｌ．グラフ、Ｍ．Ｅ．グロス及びＰ．Ｍ．マーティン著、プラズマ及びポリマー出版、を参照）。プラズマ処理後の基体上の水の新しい接触角は１１０度を上回った。

２分の１インチと４分の１インチのポリカーボネート材料片を、３０００μｍのチャネルと疎水性の表面が互いに向かい合うように、ボルトで締め、Ｏリングで密封した。デバイスの容積は９０ｃｍ³であった。デバイスは、液体アウトレットが下方向に向くように配置した。１／８”管の３”片を液体アウトレットに取り付け、サイホン吸引ができるようにした。液体アウトレット上の１／２”ポリカーボネート材料片の管継手を気体アウトレットとし、１／２”ポリカーボネート材料の別の管継手を空気と水との混合物用のインレットとした。様々な空気の流れを装置に送った。水の流量は、気体出口において水の飛沫同伴が生じない最大流量に調整した。この最大流量を、気体の流量の関数としてグラフ（図１８ではＭｏｔｔで示している）で示す。見て分かるように、空気流量が５００から１２５０ミリリッター／秒（ｍＬ／ｍｉｎ）の間では、水の最大流量は約６．５ｍＬ／ｍｉｎで一定であった。空気流量１５００ｍＬ／ｍｉｎで液体の顕著な飛沫同伴が生じ、液体流量が２．６ｍＬ／ｍｉｎまで下がった。気体が液体チャネルを出るのは観察されなかった。チャネルの作動容積が４．８ｃｍ³とすれば、滞留時間は最高流量で０．２秒である。
例２
デバイスは、３０００μｍチャネルを１４００μｍチャネルに代えた以外は、上記と同じである。このチャネルには、Ｐａｌｌ社製の０．００１１”Ｓｕｐｒａｍｅｓｈの８ｃｍｘ２ｃｍ材料片を底部に配置した。この材料は、細かなステンレスメッシュ上に焼結ステンレス鋼を重ねてできている。１．５ｃｍｘ７．５ｃｍの穴が付いた平らなガスケット材料を、チャネルの内側に配し、両ポリカーボネート材料片を共にシールし、ガスが多孔性材料に侵入するのを防いだ。

ここでも、気体の流量を、気体出口において水の飛沫同伴が生じない最大液体流量に対してプロットした。このデータを、図１８にＰａｌｌで示す。見て分かるように、気体の流量が２００から１５００ｍＬ／ｍｉｎの間では、水の流量はほぼ１０ｍＬ／ｍｉｎである。気体流量１７５０ｍＬ／ｍｉｎでは空気出口で飛沫同伴が生じ、液体の流量が５ｍＬ／ｍｉｎまで下がった。

このデバイスの効率を典型的な遠心分離器と比較すると、本発明の大きさと重さにおける経済性が実証される。既知の燃料処理ストリームは、３５５Ｌ／ｍｉｎの気体に３００ｍＬ／ｍｉｎの水を含んでいる。このストリームを処理するためのライト・オースティン社のＴ型鋳鉄気体／液体分離器のサイズは、約２１００ｃｍ³で、重量が１４ポンドである。デバイス内の滞留時間は０．３５秒である。対照的に、本発明では、作動容積約４５０ｃｍ³で、滞留時間０．０８秒となる。ライト・オースティンシステムでの圧力降下は、水頭１．３８インチと推定され、一方、本発明の圧力降下は、水頭０．０７５インチと推定される。
結び
以上、本発明の好適な実施形態を図示し説明してきたが、当業者には自明であるように、本発明の幅広い態様から逸脱することなく、多様な変更及び修正を加えることができる。従って、特許請求の範囲に述べる事柄は、本発明の真の精神と範囲の中にある全てのそのような変更及び修正を包含することを意図しているものである。

気体／液体分離器の断面図である。 気体／液体分離器の気体フローチャネル層の上面図である。 気体／液体分離器の液体フローチャネル層の下面図である。 気体／液体分離器のエンドプレートの上面図である。 気体／液体分離器のもう１つのエンドプレートを示す。 気体／液体接触器の断面図である。 気体／液体接触器の気体フローチャネル層の上面図である。 気体／液体接触器の液体フローチャネル層の下面図である。 ウィックの挿入を示している。 向流熱交換凝縮器アッセンブリの断面図である。 向流熱交換凝縮器アッセンブリの気体フローチャネル層の上面図である。 向流熱交換凝縮器アッセンブリの液体フローチャネル層の下面図である。 向流熱交換凝縮器アッセンブリの熱交換層の上面図である。 十字流熱交換凝縮器アッセンブリの断面図である。 十字流熱交換凝縮器アッセンブリの、気体フローチャネル層の上面図である。 十字流熱交換凝縮器サアッセンブリの、液体フローチャネル層の下面図である。 十字流熱交換凝縮器アッセンブリの熱交換層の上面図である。 飛沫同伴のない最大水流量を気体流量の関数として示している例からの、データプロットである。

Claims (29)

1. 流体を分離するプロセスにおいて、
   第１流体及び第２流体の少なくとも２つの流体の混合物を、少なくとも１つのチャネル
   と細孔狭路を有するデバイスへ送る段階であって、前記チャネルは少なくとも１つの寸法
   が５mm以下のマイクロチャネルである気体フローチャネルとウィックとを備えており、前
   記細孔狭路は前記ウィックよりも小さな細孔寸法を有する多孔質構造体であり、前記第１
   流体が前記ウィックによって吸収されるようになっている段階から成り、
   前記第１流体は、前記ウィック内にあり液体出口まで移動する液体であって、前記第１
   流体は前記液体出口を通って前記デバイスを出てゆき、前記液体は、前記デバイスを出る
   前に前記細孔狭路を通って流れ、
   前記第２流体は、前記気体フローチャネルを通って気体出口まで行く気体であって、前
   記気体は前記気体出口を通って前記デバイスを出てゆく、プロセス。
   
2. 前記液体は、前記ウィックを離れることなく、前記ウィックを通って、前記液体出口の
   ウィックまで移動する、請求項１に記載のプロセス。
   
3. 前記液体は、前記ウィックを通過して液体フローチャネルまで移動し、続いて前記液体
   フローチャネルを通って、前記液体出口まで流れる、請求項１又は２に記載のプロセス。
   
4. 前記細孔狭路は、前記ウィックと直接接触している、請求項１〜３のいずれかに記載の
   プロセス。
   
5. 前記気体フローチャネル内に捕捉構造体が配置されている、請求項１〜４のいずれかに
   記載のプロセス。
   
6. 前記捕捉構造体はランダムファイバーメッシュである、請求項５に記載のプロセス。
   
7. 前記ランダムファイバーメッシュは、液体の流れを前記ウィックへ向けて導くための非
   対称構造を有している、請求項６に記載のプロセス。
   
8. 前記捕捉構造体は、前記気体フローチャネル内に配置されていて、気体が前記構造体の
   周囲に流れるようにする規則的な配列の構造体である、請求項５に記載のプロセス。
   
9. 前記規則的な配列の構造体は、流れを前記ウィックへ向けて導く形状である、請求項８
   に記載のプロセス。
   
10. 前記捕捉構造体は、気体を曲線経路に流し、遠心力によって液体を壁又は前記ウィック
    構造体に向けて動かすようにする、請求項５に記載のプロセス。
    
11. 前記気体フローチャネルは、少なくとも部分的には、前記第１流体に対して非湿潤性の
    壁によって画定されている、請求項１に記載のプロセス。
    
12. 前記気体フローチャネルは、マイクロチャネル熱交換器と熱接触している、請求項１に
    記載のプロセス。
    
13. 前記第１流体は水であり、前記第２流体は、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及び水素
    から成る群から選択される、請求項２に記載のプロセス。
    
14. 流体を接触させるプロセスにおいて、
    少なくとも２つの流体を、少なくとも１つのチャネルを有するデバイスへ送る段階から
    成り、
    前記チャネルは、気体フローチャネル及びウィックと、前記ウィックと前記気体フロー
    チャネルとの間の界面とを備えており、
    前記ウィックは、相互に垂直な関係にある幅、長さ及び高さを有しており、前記高さは
    前記界面に垂直であり、前記ウィックの高さは、前記ウィックの幅及び長さの両方より少
    なくとも５倍小さく、
    少なくとも１つの流体は前記ウィックを通って流れ、少なくとも１つの別の流体は前記
    気体フローチャネルを通って流れ、
    前記ウィックと前記気体フローチャネルとの間の界面で、１つの流体が少なくとも１つ
    の別の流体と接触し、更に、前記ウィックを通って流れる前記少なくとも１つの流体と、
    前記気体フローチャネルを通って流れる前記少なくとも１つの別の流体との間の前記界面
    を通して物質伝達が発生する、プロセス。
    
15. 前記気体フローチャネルは平坦であり、前記流体は、前記デバイスを出るまでウィック
    を通って移動する、請求項１４に記載のプロセス。
    
16. 前記気体フローチャネルは、少なくとも部分的には、前記ウィックを通って移動する流
    体に対して非湿潤性である壁によって画定されるマイクロチャネルを備えている、請求項
    １４に記載のプロセス。
    
17. 前記気体フローチャネルはマイクロチャネルを備えており、前記気体フローチャネル内
    の流体の流れは、前記ウィック内の流体の流れとは向きが逆である、請求項１４に記載の
    プロセス。
    
18. 前記デバイスは、前記気体フローチャネルと熱接触するマイクロチャネル熱交換器を備
    えている、請求項１７に記載のプロセス。
    
19. 気体を凝縮させるプロセスにおいて、
    気体を、デバイスの、少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器と熱接触している少
    なくとも１つのチャネルへ流し込む段階と、
    前記少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器を通して熱交換流体を流す段階と、か
    ら成り、
    前記少なくとも１つのチャネルと前記熱交換器との間で熱が伝達され、
    前記気体の少なくとも一部は、前記チャネル内で液体に凝縮され、
    前記チャネルは、気体フローチャネルとウィックとを備えており、前記凝縮された液体
    は前記ウィックによって吸収され、
    前記ウィック内の前記凝縮された液体は液体出口へ移動し、前記凝縮された液体は前記
    液体出口を通って前記デバイスを出る、ことを含み
    ここで前記デバイスは、気体フローチャネル内に設けられた捕捉構造体を備えるか、前
    記デバイスは、前記ウィックよりも小さい細孔寸法を有する多孔質構造である細孔狭路を
    備え、デバイスを出る前に液体が細孔狭路を通過するか、又は前記チャネルは少なくとも
    １のマイクロチャネル熱交換器に隣接し湿潤性が低い壁を備える、プロセス。
    
20. 前記凝縮している流体の熱伝達係数は、前記熱交換流体の熱伝達係数より小さい、請求
    項１９に記載のプロセス。
    
21. 気体を、デバイスの少なくとも２つのチャネルへ流し込む段階を更に含んでおり、
    前記２つのチャネルはそれぞれ、気体フローチャネルとウィックとを備えており、
    マイクロチャネル熱交換器は、前記２つのチャネルの間に配置されており、前記熱交換
    器と前記２つのチャネルそれぞれとの間で熱交換が行われる、請求項１９に記載のプロセ
    ス。
    
22. 少なくとも２つのチャネルを有する積層デバイスを備えている、気体を液体に凝縮する
    凝縮器において、前記少なくとも２つのチャネルはそれぞれ、気体フローチャネルとウィ
    ックとを備えており、前記少なくとも２つのチャネルはそれぞれ、少なくとも１つのマイ
    クロチャネル熱交換器と熱接触しており、さらに、気体フローチャネル内に設けられた捕
    捉構造体を備えるか、又は、前記ウィックと液体フローチャネルとの間もしくは前記ウィ
    ックと液体出口との間に設けられ、前記ウィックよりも小さい細孔寸法を有する多孔質構
    造である細孔狭路を備えるか、又は前記少なくとも２つのチャネルは少なくとも１つのマ
    イクロチャネル熱交換器に隣接しており湿潤性が低い壁を備える、凝縮器。
    
23. 請求項２２の凝縮器を備えている化学反応器。
    
24. 前記熱交換流体は、前記少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器を通って、前記少
    なくとも１つのチャネル内の気体の流れの方向と垂直な方向に流れる、請求項１９に記載
    のプロセス。
    
25. 前記熱交換流体は、前記少なくとも１つのマイクロチャネル熱交換器を通って、前記少
    なくとも１つのチャネル内の気体の流れの方向と反対方向に流れる、請求項１９に記載の
    プロセス。
    
26. 前記少なくとも１つのチャネル内で化学反応が起こる、請求項１４に記載のプロセス。
    
27. 前記化学反応はフィッシャー−トロプス反応である、請求項２６に記載のプロセス。
    
28. 前記化学反応は脱水素反応である、請求項２６に記載のプロセス。
    
29. 前記化学反応は炭化水素改質反応である、請求項２６に記載のプロセス。

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