TW201006547A - Microreactor assembly incorporating interconnect backbone and diverse fluidic microstructures - Google Patents

Description

201006547 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明疋關於微反應器技術。微反應器一錢被稱為微 結構反應器，微通道反應器，或微流體裝置。 【先前技術】 不管使用何種名稱，微反應器就是一種將移動或靜止 - 目標樣本限制在其中來接受處理的裝置。在一些情況中， ❹ 此處理牵涉到化學反應的分析。在其他情況中，此處理是 牽涉到兩個相異反應物之製造處理的一部分。在又其他的 情況中，移動或靜止目標樣本被局限在微反應器中來作樣 本和相關之熱交換流體之間的熱交換。不管是哪一種情況 ，限制空間的尺寸通常都在大約1公釐的等級。微通道是這 類限制的最典型形式，而相較於批式反應器來說，微反應器 通常是連續流動反應器。微通道降低的内部尺寸在質量 和熱轉移速率上提供了大大的改進。此外，微反應器提供 ❿ 很多超越傳統規模反應器的優點，包括大大增進能源效率， 反應速度，反應產能，安全性，可靠性，擴充性等等。 微反應器通常包含多個相異的流體微結構彼此作流體 連通，且經過配置在微反應器中執行不同的功能。以非限 疋舉例來說，最初的微結構可以用來混合兩個反應物。接 下來的微結構可以用來作熱交換，驟冷，水解等等，或者僅 僅為混合反應物提供管控的滯留時間。這些各式各樣相異 微結構的放置通常彼此之間必須作序列或平行的流體連通 。在很多情況下，用來將反應物引導到網路内適當微通道 201006547 的相關元件都相當複雜。此外，這些元件還必須在高溫和 尚壓下運作。因此，微反應器構造，例如在-已出版之國際專 利申請WO-2007-036513中所提到的，應用各種流體管，配件 ，轉接器，0-環，夾子，和其他種類的連接元件，將微反應器 構造中的各種微結構互連。每一個各別元件都會增加系統 的複雜度，而且成為系統内滲漏或其他誤差的潛在來源。 * 【發明内容】 ❹ 本發明大致上是關於微反應器組件的設計，可以降低 很多前面提到之連接元件的使用，並且提供一個共同的流 體連通平台，來支撐各種栢異的微反應器結構，並且讓它們 彼此作流體連通。 根據本發明的一個實施例，提供了微反應器組件包含 " 流體互連背板和多個流體微結構。流體互連背板的互連輸 入/輸出埠，在多個非聚合物互連密封處跟流體微結構的 微通道輸入/輸出埠接合。互連微通道整個由流體互連骨 ❹ 幹界定出，延伸在非聚合物互連密封之間，中間沒有其他密 封介面的干擾。至少有一個流體微結構可以包含由模造處 理所形成的混合微結構。另一個流體微結構可以包含擠製 反應器本體。又另一個流體微結構可以包含由熱壓製方法 所形成的驟冷流或水解微反應器。 【實施方式】 參考圖1，顯示了根據本發明一個實施例的微反應器組 合100。一般來說，微反應器組件1〇〇包含流體互連背板1〇 和多個流體微結構20, 30, 40。流體互連背板1〇包含多個互 201006547 連微通遏15,每一互連微通道包含互連輸入/輸出埠12。同 樣的，每一流體微結構20, 30, 40包含多個流體徼通道，和各 別的微通道輸入/輸出埠14。 雖然本發明並不局限於使用特定的微反應器構造或特 定的微結構’但是在顯示的實施例中，第一個微結構20可以 配置來混合兩個反應物，並且提供反應物和熱流體之間的 熱父換。對於這方面，要指出的是，第一個微結構20通常包 ❻含流職猶，肖轉反絲分_乡槪趟流動路捏 。然後將每一反應物流動路徑依序導向第一個微結構2〇内 的混合區，讓反應物混合併反應。此外，第一個微結構2〇還 可以包含熱流體微通道用來在流體微通道中的反應物流體 和熱流體微通道中的熱流體之間作熱交換。或者，第一個 微結構20可以僅僅配置成單一功能的微結構，也就是流體 刀佈被構，熱父換微結構，或反應物混合微結構。用來提 供任意功能組合之流體微結構的特殊設計，可以從業界的 ❹ 各種所揭示内容，包括本公司在歐洲專利申請EP1679115A1 ，EP1854536A1，EP1604733A1，EP1720650A0,以及其他類似 分類歐洲專利及專利申請案中所提出的那些。 第二微結構30顯示在第一微結構2〇的下游，在顯示的 實施例中主要是作為迷你反應器用來提供實質積的微通道 ，延長在其中之反應物的滯留時間。或者，第二微結構30可 以用來實施參考第-微結構20所描述之各種功能的組合， 也就是流體分佈，熱交換，反應物混合。參考圖5_7,迷你反 應器30也可以考慮製作成擠製蜂寫結構6〇，含有特別^縱 201006547 向通道62分別作為熱流體和反應物的通道。如圖6和7所示 ，可汉藉W封讀選定乏嚴询蜂窩通道谠的末端64，1夏移除 部分蜂窩壁66,讓相鄰通道62在接近封鎖末端64處彼此連 通，而在蜂窩結構60中定義迂曲的流動路徑，如此來增進蜂 窩結構内的滯留時間。圖6和7中所示的流動路徑只是用來 作為說明，演練本發明的人可以瞭解到，選擇特定的封鎖通 道，並移除壁可以建構各式各樣更複雜或較不複雜的流動 路徑。 在圖1中，顯示〆第三微結構4〇在第一和第二微結構的 下游，在齡的實酬巾，主要作為通道相雌大的微反應 器通常用在低塵降和低流動阻力比較重要的操作，例如多 通道驟冷流或水解微反應器的情況。 ❹ 通萬’微結構20, 30, 40由兩個或更多相異的製造方法 來形成，特別是當各別的微結構是用來執行不同的功能或 不同的功驗合時。如果第—微結構2G主要絲作反應物 混合，那麼它可以由各種平面模造處理來形成;如果第二微 結構3M轉為逑你反絲它可以透過纏處理來形成； 而如果第_微雜40时作為驟冷流或轉微反應器，它 可以由熱壓製方法來形成，所有這些在上面所提的參考申 言月文件中都有提及。在這種潛在的多樣選擇性下其中所 顯不的各韻體錢她1G讓實施本 可 =^淑鳴⑽反輸件，㈣體= ^依據各種獨_絲料，這處 配適於共同互連背板的組合。 *概將無法 201006547 ^對於ί方面，^的微反應器組件_含有多個非聚 。互連岔50,跟亙蓮輪入/輪出埠12發奋。更真·說 ，流體互連背板1G的互連輪入/輸出琿12在其中-個非聚合 物互連密封5G處跟缝微結構2G，3MG的微通道輸入場 出埠14接合。絲合物互連密封5()可㈣各種方式來製造 ' 。在一個實施例中，非聚合物互連密封50的形式為流體互 .連背板10和流體微結構20, 30, 40的鄰接燒結玻璃部分。或 者，參考圖1A和1B，非聚合物互連密封50可以由提供分散， 罾或賴的餘_齡層52置賊體錢她1{)和流體微 結構20, 30, 40的鄰接玻璃部分之間而形成。 $使时散或連續峨結玻翻粒層來形成非聚合物 互連密封50時，所提供之燒結玻璃顆粒的受熱伸長係數，最 .好可以跟流體互連背板和流體微結構20, 30, 40之鄰接玻 璃部分的欠熱伸長係數相匹配。同時，所提供的燒結玻璃 顆粒層最好可以形成包含燒結玻璃顆粒和黏合劑，例如石 珍壤的糊狀物。在進-步的其他實施例中，非聚合物互連密 封50包含的禮封介面，由其中一個流體微结構的玻璃或陶 瓷部分，流體互連背板的玻璃或陶竞部分，和介入的非聚合 物黏合材料共同形成。不管情況如何互連密封5〇的密封 都是非聚合物，賤增進相對喊減低讀#溫度下的 效能，也就是聚合物密封會失效或劣化的溫度。 互連微通道15整個由流體互連背板界定出，延伸在非 聚合物互連密封50之間，㈣沒有受到例如使时道，連接 器，閥’或其他流體操作硬體來耦合流體微結構2〇, 3〇, 4〇時 201006547 會出現之其他密封介面的干擾。如圖i所示，每一流體互連 $板货的互建輸入/輸出琿12都在其中-個非聚合物互連 密封50處跟-個流體微結構2〇, 3〇, 4〇的對應微通道輸入/ 輸出槔14接合。結果，微反應器組件100利甩互連背板10來 提供流體微結構2G，3MG之間的高效能連接-由化學抗性， 和作業壓力及溫度的觀點來看。藉由顯著降低微結構，和 . 相關之固定及密封硬體之間的外部連接數目，互連背板j 〇 也簡化了微反應器組件1〇〇。 響 互連背板10可以增進微反應器組件中的處理控制，因 為它也可以合併熱互連微通道16。更具體地說，同時參考 圖丨’ 3和4,如果任何一個流體微結構20, 30, 40中包含熱流 .體微通道用來在反應物流體，和流過此微結構相鄰微通道 的熱流體之間作熱交換，熱互連微通道16就可以透過額外 的非聚合物互連密封5Q來跟流體微結構2()，3()，4()的熱流體 微通道作流體連通。 ❹ 如圖1所示，流體互連背板10可以配置成多層歧管，包 含跨層開口和層内阻隔網路用來將多層歧管的各別層分離 成多個獨立的互連微通道。如此，流體互連背板10可以經 過配置，跟各種不同複雜度的流體微結構配對。跨層開口 的各別位置可以經過選擇，使得互連輸入和輸出埠12可以 跟各種微流體結構的標準1/〇(輸入/輸出）樣式，或是相當 獨特之應㈣s了製I/O樣式相配對。此外，藉由使用玻璃， 陶竟，或各祕改的綜合材料來建構互連背板丨Q跨層開口 的各別尺寸，位置和形狀就可以訂製與各種技術應用相匹 201006547 配 如上面所提的，流體微結構20, 30, 40可以界定出一組 多樣的流顧_，代表許乡獨_造_，包含例如射 出成形’平面模造，熱擠壓，擠製等等。在此文件中，非聚a 物互連㈣50可赠互雜人/輸料12跟乡樣流體 構20, 30, 40的對應微通道輸入/輸出璋14相接合即使^ =互連^輸糾12實質上贼也就是說它們是從相同 的^連背板10形成--種非多樣性結構。因此，在實施本發 明時，互連背板10可以絲形成具有流體微結構别，別仙 之非聚合物互連密封，其界定出各種不同結構配置和微反 應器功能，衫雜繼之流齡佈，熱交換，反應物混合 驟冷流，水解，滯留時間，及它們的組合。 口， Θ 在製造根據本發明的微反應器組件100時，特別是流體 微結構代表多種不同製造處理的那些通f都有機會可2 裁製製造機制，使得這許乡不賴造處理巾的每—個都包 含共同的燒結步驟。在這種航下，非聚合物互連密封可 以在製造共同燒結步辦來形成。更具體地說對於包含 流體互連背板1G和多個不同之流體微結構2Q, 3Mq的微反 應器組件100,首先可以透過將微通道輸入/輸出埠14跟適 當放置的互連輸入/輸出埠12對準，讓流體互連背板1〇跟流 體微結構20, 30’40對準。一旦對準之後，可以在此對準狀 態下將整個組件1〇〇燒結以形成非聚合物互連密封5〇,並完 成各種流體微結構2〇, 3〇, 40之未燒結或生的部分的製造。 參考圖4,為了協助前面提到的通用燒結流體互連骨 201006547 幹10和流體微結構20, 30, 40可以配置成讓選出的微結構界 定出支撐平面，微結構和背板可以沿著此平面受到支撐。

例如，在圖4中，一組流體微結構4〇放在互連背板/的下表 面界定出支撐平面。其餘的流體微結構2〇 3〇放在互連骨 幹10的上表面。在這樣，和類似這樣的結構下互連背板忉 '和越微結構2G，3G，40可以域結支撐板7G支#在组合狀 • 態，其中流體微結構的元件呈未燒結的生的狀態，而在如Z ^ 放置之後’可以接受前面提到的燒結步驟。 如那些熟悉微反應器技術的人所瞭解的，這裡所說明 之反應物和熱交換微通道的複雜度可以有相當大的變動， 其中僅僅疋以相當簡單的形式來作說明。例如，圖2中顯示 的是根據本發明，相當簡單的微反應器組件丨〇〇，而更複’無、 ’的組合議顯示在圖3和4中。在圖3中，使用通道相對較大 的微反應器40’ -對混合微結構20互連，而各別的迷你反應 器30推疊在對應的混合微結構上。 ‘ φ 要/主思’這裡陳述將本發明的元件以特定方式來"配置 -”，或包含特定性質，或以特定方式來作用，這些都是結構上 的陳述，而不是用途上的陳述。具體地說，這裡所提到元件 "配置的方式，是指出此元件現有的實體狀況，因此應該視 為此元件之結構特性的明確陳述。 為了說明以及界定本發明，人們了解在此所使用"實質 上”代表關於任何數量比較，數值，量測，或其他表示之本質 性不確定程度。 在詳細描述本發明並參考特殊實施例之後，我們可以 201006547 ❹ 變動是爛，但是都錢離申請專利範 圍所界定茁笨替明職圍 具體的說;讓熬未發萌的一也 員目在這裡被標識為較好，或特別有利# + 要局限在本發明這些較好的方面。#u—疋本發明不一疋 【圖式簡單說明】 ▲下列本發明特定實施例之詳細說明 了 讀時將能夠最佳地瞭解，其中相 m w 、 號說明。 、再_ 圖1示意性地顯示出依據本發明_ 益組件。 以相同的參考符 項實施例之微反應 之部份微反應器 圖1A及1B顯示出包含非交互連結密 的其他配置。 應器:犧娜崎她树施例之微反 微反應器組件中 圖5-7顯示出適合使用於依據本發明 參 微反應器結構之特定項目。 【主要元件符號說明】 流體互連背板1〇;互連輸入/輸出璋12;微通道輸入/ 輸出槔14;互賴通道15;熱互輕通道流微社 别歲40;非聚合物互連密封5{);燒結玻 製蜂窩結構60;縱向通道62;通道的末端64;蜂窩壁66; 燒結支撐板70;微反應器組件ι〇〇。 ° ’

Claims (1)

1. 201006547 七、申請專利範圍： 1. 一種微反應器組件[loo],其包含流ϋ互ϋ背板[ίο]以及 多個流體微結構[20, 30,40 ]，其中： 每一流體微結構[20, 30, 40]包含多個流體微通道，其包 含各別的微通道輸入/輸出埠[14]; ' 流體互連背板[10]至少包含一個互連微通道[15]，其包 含互連輸入/輸出埠[12]; 微反應器組件[100 ]包含多個跟互連輸入和輸出埠[12 ] 〇 相關之非聚合物互連密封[50]; 流體互連背板[10]的互連輸入/輸出埠[12]在一個非聚 合物互連密封[50]處跟流體微結構[20, 30,40]的微通道輸 入/輸出璋[14]形成介面；以及 互連微通道[15]完全地由流體互連背板[10]界定出以及 配置成使得其延伸在非聚合物互連密封[50]之間而沒有其 他密封介面的干擾。 〇 2·依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中： 多個流體微結構之至少一個流體微結構包含由模造處理 過程形成之混合微結構； 多個流體微結構之至少一個流體微結構包含擠製反應器 物體；以及 多個流體微結構之至少一個流體微結構包含由熱壓製方 法所形成的驟冷流或水解微反應器。 3.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中： 多個流體微結構界定出多樣的流體微結構組件，其包含 12 201006547 代表多__製造處理過程之微結構配置； 的=板之互_竭鱗的各福_ _相同 非聚合物互連密聽置成讓實質上_互連輪入 蜂與多樣流體微結構組件之相對應微通道輸入/輸出2 成介面。 H

   5·依據申請專利範圍第1項之微反應ϋ組件，其中： 多個流»結構界定出多樣微反應器功能組件，其包含 多個不同的微反應器功能； ，、 互連背板之互連輸入/輸出埠的各別配置實質上為相同 的；以及 非聚合物互連㈣@&置成讓實質上相同的互連輸入/輸 e 出埠與錢流體微結構崎之相對應微通道輸人/輸出埠 形成介面6 6.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中： 多個不同的微反應器功能包含流體分佈，熱交換，反應物 混合，驟冷流，水解，滯留時間，及其組合。 7·依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中： 多個流體微結構界定出多樣的流體微結構組件，其包含 代表多個不同的結構配置； 互連背板之互it輸入/輸出埠的各別配置實質上為相同 13 201006547 的；以及 非聚合物互連密封配置成讓實質上相同的互連輸入/輸 出槔與多樣微結構組件之相對應微通道輸入/輸出璋形成 介面。 8.依據申請專·_ 7項之微反應驗件，其中多個不同 的結構配置包含流體分佈微結構，熱交換微結構反應物混 合微結構，料祕、轉，水概結構，及其組合。 ❹9.依射請專概圍帛丨項域反應驗件，其中： 夕個流體微結構界定出多樣的流體微結構組件，其包含 代表多個不_製造處理_之各職結構配置 多個不同的製造處理過程之每一處理過程包含共同的燒 結步驟；以及 a 非聚合物互連密封配置成讓實質上相同互連輸入/輸出 埠與多樣流體微結構組件之相對應微通道輸入/輸出埠由 於實施共同的燒結步驟而形成介面。 © i〇.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中非聚合 物互連密封包含流體微結構以及流體互連背板之燒結玻璃 部份。 u.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中非聚合 物互連密封包含一層燒結玻璃顆粒置於流體互連背板以及 流體微結構的鄰接玻璃部分之間。 12.依據申請專利範圍第11項之微反應器組件，其中燒結玻 璃顆粒呈現域伸長係數跟紐互連背板以及流體 之鄰接玻璃部分的熱伸長係數相匹配。、Ό 201006547 13·依據申請專利範圍第η項之微反應器組件，其中燒結玻 璃顆杈層由包含燒結玻璃顆粒以及黏合齊彳之糊狀物形成。 14. 依據申請專利範圍第1項之微反應盗組件，其中非聚合 物互連密封包含密封之介面，其由其中一個流體微結構的 破璃部分，流體互連背板的玻璃部分，以及介入的非聚合物 黏合材料共同形成。 15. 依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中非聚合 〇 物互連密封包含密封之介面，其由其中一個流體微結構的 破璃或陶瓷部分，流體互連背板的玻璃或陶瓷部分，以及介 入的非聚合物黏合材料共同形成。 • 16·依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中非聚合 物互連密封包含玻璃/陶瓷密封之介面，其由流體互連背板 或流體微結構的玻璃部份以及流體互連背或流體微結構 的陶瓷部份形成。 17·依據申請專利範圍第丨項之微反應器組件其中非聚合 . 物互連街封包含密封之介面，其由其中-個流體微結構的 - 陶瓷部分以及流體互連背板的陶瓷部分共同形成。 18. 依據申請專利範圍第丨項之微反應器組件，其中流體互 連背板以及多個流贿結構配置成使得經選擇之多個流體 ，結構界定蚊撐平面，沿著該平面微反應胁件之互連 背板以及流體微結構能夠被支撐。 19. 依據申請專利範圍第18項之微反應器組件，其中: 界定出支撐平面之流體微結構位於互連背板之一個面上 ;以及 15 201006547 微反應器之其餘流體微結構位於互連背板另一面上。 . _____…一 ^0·* __L_丨. 20·依據申請ΐ利範ilf l9項i微反i器la件，其中：— 位於互連背板兩面上之流體微結構包含各別微結構配置 ，其代表具有共同燒結步驟之多個不同的製造處理過程;及 當互連背板以及流體微結構沿著由經選擇多個流體微結 構界定出支撐平面加以支撐時，非聚合物互連密封配置成 ' 讓互連輸入/輸出埠與流體微結構之相對應微通道輸入/輸 n 出埠由於實施共同的燒結步驟形成介面。 21.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中流體微 結構包含由互連背板共同面所支撐之堆疊流體微結構。 • 22.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件，其中流體微 結構包含至少一個相對侧互連流體微結構，配置成放置兩 個流體微結構為彼此流體連通。 23. —種製造微反應器組件之方法該微反應器組件包含流 體互連背板以及多個流體微結構，其中每一流體微結構包 ❹ 含多個流體微通道，其包含各別的微通道輸入/輸出埠，流 體互連背板至少包含一個互連微通道，其包含互連輸入/輸 出埠，以及該方法包含： 藉由將微通道輸入/輸出埠跟互連輸入/輸出埠對準，讓 流體互連背板跟流體微結構對準；以及 在此對準狀態下燒結互連背板以及流體微結構以形成與 互連輸入及輸出埠相關之非聚合物互連密封，使得流體互 連者板之互連輸入/輸出埠在一個非聚合物互連密封處與 流體微結構之微通道輪入/輸出槔形成介面。 16 201006547 24. 依據申請專圍第23項之方法其中在燒結過程中互 連背板減讀微、轉祕結支撐奴雜纟麵_微 結構界定出之支撐平面中。 25. 依據申請專利範圍第％項之方法其中在組裝狀態下互 連背板以錢贿賴峨結切板支撐，其巾流體微結 構之組件為未燒結生的狀態。