TWI403359B - 流體處理過程擠製物體為主裝置及方法 - Google Patents

Description

流體處理過程擠製物體為主裝置及方法

本發明大致上是關於流體處理的裝置和方法，更特別的，關於用來處理流體之以擠製本體為主的裝置。

本發明依據2007年3月31日之美國第60/921053號專利申請案主張優先權，其發明名稱為HONEYCOMB CONTINUOUS FLOW REACTOR，並陸續提出下列申請案：2007年11月30日提出歐洲第07301613.1號專利申請案，其發明名稱為DURABLE FRIT COMPOSITION FOR FABRICATION OF ALUMINA MICROREACTOR COMPONENTS；2007年11月30日提出美國第61/018119號專利申請案，其發明名稱為DEVICES AND METHODS FOR HONEYCOMB CONTINUOUS FLOW REACTORS；2008年1月31日提出美國第61/063090號專利申請案，其發明名稱為DEVICES AND METHODS FOR HONEYCOMB CONTINUOUS FLOW REACTORS；2008年2月29日提出歐洲第08305041.9號專利申請案，其發明名稱為METHODS AND DEVICES FOR FALLING FILM REACTORS WITH INTEGRATED HEAT EXCHANGE；2008年8月29日提出美國第61/067,752號專利申請案，其發明名稱為METHOD FOR SEALING CELLS IN EXTRUDED MONOLITHS AND DEVICES RESULTING。

在本發明的另一個實施例中，提供了處理流體的裝置，此裝置包含擠製本體，其中含有多個延伸小室，此本體有第一流體通道貫穿其間，主要界定在至少一些小室內部，此第一通道有縱向彎曲路徑，沿著至小這一些小室來回。在本發明的另一個實施例中，提供了流體處理裝置的製造方法，此方法包括：提供含有延伸小室的擠製本體，並且讓其中至少一些小室互相連接，以便穿過此本體，形成主要界定在至少一些小室內部的第一流體通道，此流體通道有縱向彎曲路徑，沿著至少這一些小室來回。

在本發明另外一個實施例中，提供處理流體的方法，此方法包括底下步驟：提供含有多個延伸小室的擠製本體，此本體有流體通道貫穿其間，主要界定在第一組多數小室內部，此流體通道有縱向彎曲路徑沿著此第一組多數小室來回，至少有一部分的流體通道配置在垂直於小室的平面上，其路徑由非第一組多數的第二組多數小室圍住；並且將欲處理的流體流入流體通道中，同時讓另一種流體流入一或更多個第二組多數小室中。

在本發明另一個實施例中，提供處理流體的方法，此 方法包括底下步驟：提供含有多個延伸小室的擠製本體，此本體有流體通道貫穿其間，主要界定在第一組多數小室內部，此流體通道有縱向彎曲路徑沿著此第一組多數小室來回，至少有一部分的流體通道，配置在垂直於小室的平面上，其路徑由非第一組多數的第二組多數小室圍住；並且將欲處理的流體流入一個或更多個第二組多數小室中，同時將另一種流體流入流體通道中。

現在對本發明優先實施例詳細加以說明，其範例顯示於附圖中。

本發明是關於處理流體的裝置12，例如反應器或熱交換器，或是反應器和熱交換器的組合，包含擠製本體或單片20，其中含有多個延伸小室18，顯示在圖1的平面圖和圖2的透視圖中。此擠製本體20有第一流體通道28貫穿其間，主要界定在至少一些小室18內部，此第一流體通道28有縱向彎曲路徑，沿著至少這一些小室18來回，如圖2所看到的。第一流體通道28最好界定在第一組多數24的小室18內部，如圖1所示。至少有一部分的第一流體通道28配置在垂直於小室的平面上，如圖1所示，它的路徑29最好被非第一組多數24的第二組多數小室22圍住。為了達到最高的熱交換能力，路徑29的整個長度或者至少絕大部分，最好只有一 個或兩個小室寬，不過多個小室寬度的路徑也可以使用，在這個情形中所顯示的是一個小室的寬度。狹窄路徑讓通道28有大的接觸面積對體積比，也就是(1)通道28跟第二組多數小室22的接觸面積對(2)第一流體通道28體積的大比例。這種大的接觸面積對體積比，對於熱交換器，或者要求通道28跟小室22緊密鄰接的其他目的是有利的。在圖1和2所顯示的實施例中，第一組多數小室24也是連續的，這對於本體20內部空間的有效使用通常是較好的。

在圖1和2所示的特定實施例中，第一流體通道28有一部分是由位於本體20一個或多個末端的一個或多個栓塞26界定。從圖3截面的另一個實施例中可以看得更仔細。在壁板31上，將用來界定部分通道28之小室22分開的選定已經被除去之末端部分，而栓塞26的配置要讓形成栓塞26的材料，跟壁板31的剩餘部分間隔開來，以便讓小室22互相連接。因此，第一流體通道28是界定在第一組多數小室22內部，而部分也由栓塞或連續的栓塞材料26來界定。注意，通道28不需要像圖3一樣有那麼多的轉彎，才能符合其中所使用的彎曲一詞。通道在縱向，也就是沿著小室的方向，形成「S」形狀就已經足夠，如圖4所示。

第二組多個小室24可以全部平行地敞開，讓一個或多個流體可以沿著小室24直線地流過本體20，如圖1和2大致所顯示的。或者，如圖5和6中大致顯示的，其中 圖6的截面是沿著圖5所示的路徑23取得，至少有一個第二個流體通道27主要界定於第二組多個小室24的至少其中一些內部，此第二流體通道27也有縱向的彎曲路徑，沿著第二組多個小室24中至少這一些來回。在顯示的實施例中，第二流體通道27安置在垂直於本體20小室18的平面上，其路徑是23如圖5所示。

在本發明的另一個實施例中，路徑不只在沿著小室的方向彎曲如圖2所示，而且也在垂直於小室的平面上彎曲如圖7的平面圖所示。在圖7的平面圖中，第一組多個小室22排列在垂直於小室18之平面上一個大致彎曲的路徑中。如此，流體通道28在縱向方向也就是進出圖7平面的方向以相對較高的頻率彎曲，而在垂直方向也就是圖中的平面內頻率相對較低。這種雙重彎曲路徑結構可以產生高的整體路徑體積，和長的整體路徑長度，同時在路徑和小室24之間維持大的表面積，並且允許裝置12有小的整體包裝尺寸。

第一組多個小室22的彎曲排列如圖7所示是本發明一個較好的實施例；也可以使用其他排列，或者甚至是必要的，其決定於應用情況。為了獲得最高的熱交換如上面所提到的，不管圖1、5和7平面內路徑的形狀如何，讓大部分路徑狹窄只有一個或兩個小室寬通常是較好的選擇。這可以讓第一流體通道28在緊密體積中擁有非常高的表面對體積比，以及長的長度，但是卻仍然很容易製造。

其他的小室18以超過一個小室的寬度分成群組25，如果想要的話，可以阻塞在通道28和路徑29之入口和出口埠30的周圍如圖1和5所示。這些額外的阻塞小室，可以提供O型環密封，加熱熔接密封，或其他密封系統的支撐以提供跟通道28的流體連接，而且可以選擇性地不形成通道28的一部分。一個選項顯示在圖8的實施例中，其中進出管36被密封到兩個阻塞小室群組25。

考慮到耐用和化學惰性，擠製本體或蜂巢體20最理想的是由擠製玻璃、玻璃-陶瓷、或陶瓷材料來形成，不過任何具有預期特性的可擠製材料潛在地也可以使用，包括相當廣泛的不同材料，像金屬，聚合物，石墨/碳等等。碳或金屬單體可以加上塗層，例如瓷漆或聚四氟乙烯(PTFE)塗層。氧化鋁陶瓷通常表現較好，因為它跟玻璃和一些陶瓷比較起來，具有優良的強度，良好的惰性，和較高的熱傳導性。多小室本體的孔穴密度可以多到每平方英吋200小室。較高的密度可以產生較高的熱交換效能裝置。每平方英吋含有300或更多，或甚至450或更多小室的本體對於形成具有高熱交換效能的裝置潛在上是較好的。

圖9是用於流體處理之流體連接裝置10的截面圖，其包含擠製多小室的本體20以及顯示出將流體連接到擠製本體20的一種選擇。在圖9的實施例中，流體外殼40透過密封42來支撐擠製本體。外殼40可以包含單一元件，圍住擠製本體，或者可以選擇性地排除部分40C， 使外殼包含兩個部分40A和40B。可以用來流入熱控制或其他流體的流體通道48是由第二組多個小室24(在這個情況中是敞開的如圖1和7所示)配合外殼40一起形成。本體20中的通道28透過流體耦合器46經由流體導管30進出。流體導管60傳送過外殼40的開口62，在開口62上採用密封44。

圖10是反應器12的分解透視圖，其包含擠製多小室的本體或蜂巢體，其中顯示了流體耦合器46用來耦合到擠製本體20側邊的輸入和輸出埠30。流體耦合器46包含流體耦合器本體50，它有隆起的同心環52圍繞著流體通道54。在組合時，由隆起環52固定彈性O型環56對著本體20側邊的平坦表面58壓縮。此平坦表面58可以經由在欲製造流體連接的區域內除去幾列小室18來形成。我們可以看出，每單位面積遺留在擠製本體20內部的大數量壁板結構可以提供足夠的支撐以對平坦表面58做堅固的壓縮密封。

如圖10的實施例中，裝置12的配置使得第一流體通道28透過擠製本體20的表面58跟擠製本體20的外部成大致上平行於小室18的流體連通，這為流體連接裝置10提供了較好的結構。如圖11所示，這種較好的配置顯示在連接裝置10的截面圖中，包含擠製多小室本體或蜂巢體20，跟本體20作流體連通。圖中對應圖9實施例的特性作了相對應的標記。圖9實施例的優點包括不使用密封44，並且不使用直接在兩個流體通道28與48 之間的任何密封(例如密封44或流體耦合器46)。因此可以針對每個路徑的流體，單獨對密封材料作最佳化，而如果有任何密封損壞的話，也不會造成兩個通道28與48的流體混合。

圖12和13是根據本發明另一個實施例之流體處理裝置12的平面圖，包含擠製多小室本體或蜂巢體20，在垂直於孔穴18的平面上顯示另一個流體路徑29。如圖中可以看到的，這些實施例的流體路徑29內部包含歧管，使得路徑29在垂直於小室的平面上劃分成平行路徑。圖14是第一組多數小室22的截面圖，在擠製本體20的一端或兩端封閉，顯示出本發明一個可用的方法以複製或劃分流體路徑29和通道28以達到圖12和13所顯示的路徑29，其中流體通道28的兩個流體通道或分支從平行於小室22與24平面上的一個通道劃分出來，並且開始在擠製本體20內部分支。

當想要降低流體移動過裝置的壓力降時，可以使用這種會產生多個路徑的歧管方式。圖15是擠製本體或蜂巢體結構一端的部分平面圖，顯示含有多個通道28和/或路徑29平行分支之歧管的方法或結構，從擠製本體一端的輸入埠30開始。這種歧管可以僅僅經由將埠30的未栓塞小室數目從一個增加到四個或是更多而達成，如圖中所示。

圖16是擠製本體或蜂巢體結構的部分側視圖，顯示多個通道28的另一實施例，在擠製本體內部從擠製本體一 側之壁板或平坦表面58上的輸入埠30開始如圖10所示。類似圖15的實施例，流體通道28和路徑29的2平行分支，可以經由提供埠30的大開口來達成，此開口相對於小室18的尺寸來說是大的。除了對多個平行小室(在圖中是四個)提供進出外，通道28也可以導向兩個方向如箭頭所示。另外，通道28的每個分支只使用一個方向，也是一種選擇。

還有另一個可選擇的特性可以應用到本發明的所有實施例中，界定第一流體通道28或第二流體通道27一部分之栓塞26的功能可以由一個或多個放置在本體20一端或多端的蓋帽98與102來取代如圖17所示。蓋帽98與102的兩種變異顯示在圖17的截面中。蓋帽98包含凹溝或通道99，作為流體的相互連接，讓本體20的連續小室可以作流體交流。因此，本體20的壁板不需要縮短，這在其他使用栓塞26的實施例中通常是需要的。密封劑或襯墊材料100可以用來協助將蓋帽98密封到本體20。蓋帽102是平坦端板的形式，配合本體20的縮短壁板31形成穿過本體的流體路徑，同樣地也可以使用密封劑或襯墊104。

可以應用到本發明所有實施例的另一個變異是一部分的第一流體通道28或第二流體通道27或是兩者可以沿著多個含有兩個或更多平行小室的連續各別群組116行進，如圖18所示。在圖18的實施例中，多個連續群組116的每一個都包含第一組多數中的兩個小室22，而第 一流體通道28沿著連續的多對小室22行進，如圖所示。

圖19顯示擠製本體20的平面圖，其中流體通道28沿著多個含有三個平行小室的連續各別群組116行進。縮短壁板31必須依據它們的相對陰影被除去到各種不同的程度。路徑29在垂直於小室18的平面上彎曲。路徑29任一側的所有或最好至少大部分小室都是第二組多個小室24，而不是第一組多個小室22的一部分。路徑29的寬度最好是一個小室寬度。

圖20是針對圖19的本體，沿著線A-A展開的截面圖。從圖19的截面圖可以看出，在本體20一端的選定壁板31中有部分被除去。最好在連續小室群組116中間的中心壁板，比群組之間其他壁板所除去的材料還多。在圖20所示的實施例中，栓塞26是用來密封小室22的末端，在其中形成通道28。下一個連續群組16是由槽室126所合併的聯合流體，該槽室至少部分由群組116之間減小縱向範圍的壁板31以及由群組116閉合之栓塞以及通道28界定，該通道28由本體外部界定於其中。箭頭顯示通道28內部大致的流動方向以傳送反應物或其他流體，例如熱控制流體。代表通道48的箭頭顯示在第二組多數的開口小室24內部之流動方向的樣本可以用來流過另一個流體，像熱控制流體或反應物。

圖21是沿著圖19中的線B-B，所取得之本體的截面圖。栓塞26將通道28跟本體20的外部阻隔開來。如圖所示，栓塞26至少在一個剖面是狹窄的以便提供跟本體 20之間超過足夠的接觸面積以獲得良好的密封。

圖22顯示界定通道28之小室22群組116的另一種配置，其中連續群組116由各別的空小室134分隔。這些空小室134可以透過內栓塞136跟通道28阻隔開來如圖23所示。所產生的第一流體通道28部分由放置在流體通道28和本體20主要部分之間的一個或多個栓塞136界定。在栓塞136的位置可以選擇性地使用一個小蓋帽。如果需要的話，這些空小室134可以用來讓連續群組116彼此之間熱隔絕。

圖24是擠製本體的部分截面圖，其顯示出潛在地可以用在本發明所有其他實施例和變異的另一種密封方式。在這個實施例中，使用可移除的栓塞或端帽138。可移除栓塞或端帽138的材料包括耐化學性聚合物，諸如此類。可移除栓塞或端帽138對於清洗反應器裝置，或者更特別的對於輔助觸媒沉積、復原、或再生可能是有用的。端帽，例如端帽98和102也可以是可移除形式。

圖25是根據本發明另一個實施例，一個擠製多小室本體或蜂巢體20的概略平面圖，其顯示垂直於小室的平面上兩個交替路徑29，以及小室內部的流動方向。如圖25所示，連續的小室群組116不必受限在兩個或三個小室成組平行流動，作為通道28的一部分。每個群組116也可以使用較大數目的小室，例如圖形右邊顯示的五個，或者左邊顯示的十個，或者甚至潛在地可以更多。當預定通道28的流動阻力降低時，可以使用較大的群組 116。在通道28內部連續小室列140之間的互相連接142，也可以平行化，也就是說如果需要的話，它們可以是多個小室寬度以便降低通道28內部的流動阻力。這些特性可以結合一個或多個空小室134來使用。列140之間的平行化互連142會產生路徑29，在列140的主要長距離區段內是單小室寬。此路徑長度中，最好至少有一半是單小室寬度，更好的是至少超過70%，又更好的是80%，最理想的是90%。

圖26A和B顯示出栓塞，或連續栓塞材料26的另外一種圖樣，對應下方之路徑29和通道28的圖樣。在每個情形中，定義在封閉小室主要部分內部的流體路徑，沿著小室的方向彎曲(也就是進出圖形的方向)。在圖26A中，路徑平行於本體20內部的歧管，而在26B中路徑平行於本體20外部的歧管，如果有的話。

圖27A和B顯示本發明另一個實施例，由此實施例可以形成逆向流流動或並流流動的熱交換器或反應器。額外的栓塞或栓塞材料26F在本體20內形成多個平行的第二流體通道27，而留下多個進出埠或開口30。圖28A是穿過圖27A的栓塞26，在圖27水平方向的截面圖。栓塞26部分界定第一栓塞通道28。圖28B是穿過圖27A的栓塞26F，在圖27水平方向的截面圖。栓塞26F部分界定了第二流體通道27，此通道鄰接並沿著第一流體路徑的方向，使得本體20的鄰接小室可以在第一和第二流體通道內，相對於彼此產生並流或逆向流的流動。因此第 二流體路徑可以放置在相對第一流體通道28的逆向流動方向，或並流流動方向，其決定於供應到兩個通道之流體流動的相對方向。

有各種處理和組成可以用來形成栓塞26或連續栓塞材料26以便阻塞單體20的小室。所需要的是堅固且簡單的處理，而且所提供的栓塞在大到55巴或甚至更高的壓力下要防漏，而且對廣泛的酸、鹼、和溶劑具有抗化學性。本發明包含這樣的處理，它的一個實施例可以參考圖29來描述。

假設擠製單體20含有多個沿著共同方向延伸的小室，和一個或多個小室開口處的一個或多個端面，而且這些開口小室在特定密封步驟中，其中一些被密封而一些保留敞開，那麼參考圖29所顯示的栓塞方法，包括：使用包含玻璃料，而且通常含有有機黏結劑的栓塞240以填充欲密封之一個或多個小室的開口端，使得此栓塞的外部242延伸超過小室的末端，而且使得栓塞的外部242也延伸超過小室的寬度W，如圖29A顯示單體20的小室18所示。然後將單體20和栓塞240一起加熱到足夠使玻璃料固結，並且足夠溢流來密封各別小室如圖29B所示之代表性的加熱後栓塞剖面。

雖然不希望受限於理論，但是發明者提供底下說明作為對於此處理基本運作的瞭解：由圖30A形式的栓塞240開始，當栓塞一開始受熱時，玻璃料和黏結劑混合物的脫脂，以及/或玻璃料的固結使得栓塞240收縮，而沒有 顯著的玻璃流動或變形。這使得栓塞240跟欲栓塞之小室的一個或多個壁板拉開，留下圖30B顯示的間隙。因為栓塞240的外部242充分延伸超過小室的寬度W，栓塞242仍然接觸間隙244開口處之壁板的上表面。這使得當栓塞軟化而受到表面力影響開始變圓時，會流回到間隙開口處壁板，將此間隙密封，而且使用單一加熱步驟就可以提供堅固且防漏的密封。

根據本發明另一項，也可以利用軟化玻璃的流動特性以便在密封處理中提供大的誤差邊界。這可以由底下的步驟來完成：使用包含玻璃料的栓塞240以填充欲密封之一個或多個小室的開口端，使得栓塞的外部242延伸超過小室的末端，而且使得栓塞的外部242也延伸超過一個或多個小室壁板的外表面如圖31A所示單體20的小室，其中小室壁板外表面的位置由向外延伸的虛線來表示。未加熱栓塞的深度也可以視需要來調整，栓塞越深，例如圖31中的栓塞，通常可以提供越堅固的密封，但是會稍微降低內部體積。然後將單體和栓塞一起加熱到足夠使玻璃料固結，並且足夠溢流來密封各別小室，如圖31B所示之代表性的加熱後栓塞剖面。因為玻璃容易收縮並且拉向自己，因此欲保持敞開的鄰接小室在這個運作中不會被栓塞，但是圖31B中的完成栓塞240覆蓋了單體壁板原本的尖銳角，降低在壁板加上最終栓塞的結構中形成壓力集中的幾何形狀的可能。

有效地製造上面所描述之預加熱栓塞的有用方法顯示 在圖32中。圖32A顯示單體20端面的截面圖，其中所有小室除了中央一個之外都覆蓋厚遮罩280，例如膠帶遮罩。此厚遮罩280可以是1至2公釐厚，可以由一個或兩層厚的壓力靈敏性之膠帶材料，或是有彈性的模鑄遮罩材料，例如矽氧樹脂來形成。遮罩280邊緣的配置，不要完全將欲栓塞之末端小室任一側之單體壁板的頂部覆蓋住。

然後將以玻璃為主的栓塞材料施加到單體的端面，使它流過兩部分遮罩280的中間，而進入單體20小室的末端，如圖32B所示。此栓塞材料在室溫下可以是糊狀，使用抹刀塗在遮罩上方以便除去過量的栓塞材料。或者，可以將栓塞材料懸浮在石蠟黏結劑中，將一層栓塞材料塗在熱板上，使它形成均勻的薄層(1至2公釐厚)，然後將含有厚遮罩280的單體端面推進此熔解的栓塞材料薄層中。然後將此熱板冷卻，或讓它自行冷卻使栓塞材料凝固並粘附到單體和遮罩。

然後將厚遮罩280從單體的端面除去，留下以玻璃-為主的栓塞材料，其中栓塞240的外部242延伸超過小室的末端，也就是說超過單體的端面。栓塞240的外部242延伸超過欲栓塞之小室的寬度W，使它至少接觸到跟此小室相鄰之單體壁板的頂部一部分。

接下來將單體加熱，將以玻璃為主的栓塞材料黏合到單體而形成防漏密封。在燒結週期的最初加熱部分期間，栓塞材料聚合物黏結劑被燒掉，如同上面參考圖30 所描述的。這會造成栓塞材料的部分收縮。當燒結週期繼續時，重要的是，在這次和任何接下來的栓塞收縮期間要讓栓塞材料保持接觸，或相當靠近單體的壁板。這種接觸或靠近是需要的，以便當栓塞材料被加熱到高溫而流動時，它可以夠接近來弄濕所有四個鄰接的單體壁板，或者至少所有在任何先前的加工或其他處理選擇性地除去壁板之後，所保留下來的鄰接側壁。這種壁板弄濕可以避免形成間隙，而提供堅固的密封。

表面張力效應也可以作用來使栓塞材料跟單體壁板更近地接觸。例如，栓塞材料的最初直角，在燒結期間會變圓，可以將栓塞材料有限地向下傳送到接近栓塞-壁板介面的位置。

另一個讓製造更容易的實施例是，可以在將單體和栓塞一起加熱來形成密封的相同步驟中，讓膠帶或其他有機材料形式的遮罩280燒掉或變成灰燼。

本發明的一個較好實施例可以由擠製並燒結包含玻璃料的本體，例如7761 Pyrex玻璃料來製造，接著將此擠壓燒結本體重新拉製成平行柱形狀，然後修整小室開口處的末端以獲得平坦的頂部和底部以及預定的長度。

然後可以將所產生的擠製本體僅僅用平板密封，此平板最好由跟本體相同的材料來製造以便允許簡單的玻璃對玻璃熱密封。

此平板可以含有雕刻凹口，讓鄰接小室之間可以有簡單的「U形轉彎」連通，例如上面所描述之圖17中端帽 98的形式。這種雕刻可以採用樹脂遮罩之後化學蝕刻的形式、熱玻璃壓紋、玻璃熔體微模鑄、或更傳統方法的形式，例如加工和噴砂法。凹口的尺寸對應小室的尺寸，例如對於單一尺寸的重新拉製擠製本體可以是0.5公釐深。此本體的小室尺寸範圍可以從例如10微米大到1公釐，其決定於所使用的重新拉製比。

重新拉製的玻璃小室腹板對1平方公釐剖面通常是100微米厚，而對0.01平方公釐情況通常為小於20微米。因此，冷卻和加熱方式，例如其他液體或加熱元件可以非常接近欲作熱控制的區域。在各別切割和磨光兩端-例如做表面處理以便在小室壁板上提供非濕性表面之前，可以對細胞式的本體小室賦予化學功能。

當需要相當小的小室時，例如一些生物學和製藥學的處理，這種重新拉製玻璃的實施例可能是較好的。

我們選擇氧化鋁擠製單體來作研究，因為它們的強度、惰性、和相當好的熱傳導性。我們發展並選用一種玻璃組成來使用，因為它的熱膨脹係數跟氧化鋁相當匹配，而且具有非常好的抗化學性。玻璃組成份列出於底下表1中。

此玻璃組成是玻璃料形式，以17重量%跟石蠟-為主的黏結劑(Cerdec MX4462石蠟，由CerdecFrance,S.A.公司製造)混合以形成最終的栓塞組成份。接下來將遮罩施加到預先切割端壁之氧化鋁單體的端面。此膠帶遮罩的放置要讓兩個長小室區域不被膠帶遮蔽。同時，在125℃的熱板上將栓塞材料加熱，使它熔解散佈成1至2公釐厚的薄層。然後將氧化鋁單體的端面放到此熔解的栓塞材料上，使此栓塞材料流過遮罩的間隙，並進入單體小室的末端。在栓塞材料和氧化鋁單體冷卻之後將遮罩除去。

然後在875℃下將氧化鋁單體燒結30分鐘。將單體水平(在它的側邊上)放在燃燒爐中，使得兩個栓塞脊平行於燃燒爐的地板。在燒結期間，栓塞材料會倒下，使它維持跟氧化鋁單體的壁板接觸。在所產生之栓塞和氧化鋁單體之間的長膠合線產生在無縮短壁板的兩端上。栓塞的一些非對稱形狀，是因為氧化鋁單體在燒結時擱在一側，但是目標小室仍然成功地被密封。對於玻璃栓塞材料，和氧化鋁單體端面壁板之間介面的目視檢查，確認了整個沿著栓塞脊兩側都有良好的潤溼。116栓塞材料延伸過氧化鋁單體的壁板頂端沿著栓塞-壁板介面看不見問隙。同時，跟氧化鋁單體的熱膨脹係數也相當匹 配，而沿著栓塞材料的整個長度內，也沒有收縮裂痕或其他缺陷出現。

當所使用的玻璃組成份在下列以莫耳百分比(莫耳%)表示之組成限制的範圍內時，相信將產生令人滿意的結果：2<B₂ O₃ <7莫耳%

75<SiO₂ <80莫耳%

3<Al₂ O₃ <5莫耳%

2<ZrO₂ <5莫耳%

9<Na₂ O+K₂ O<15莫耳%

0<鹼土金屬+鑭系元素<15莫耳%以及其中SiO₂ ,Al₂ O₃ 及ZrO₂ 莫耳百分比總和大於82但是小於86%，以及其中B₂ O₃ 、Na₂ O、K₂ O、鹼土金屬及鑭系元素莫耳百分比總和大於13以及小於18%。

將重新拉製600-8 Pyrex擠製本體的一部分切割成20毫米長度。將兩面磨光，並將1公釐的壁板末端除去(例如參考圖17的縮短壁板31所顯示的)，以便簡化原型上的小室連通，而不需要端板的構造。將頂板鑽孔，以便安裝兩個入口和一個出口。然後在780℃的烤箱中，將端板再加熱組裝於擠製小室Pyrex上歷時20分鐘。如果需要的話，可以使用黏合劑來保持任何的表面處理。

然後注入兩種有顏色的流體，兩者都依循彎曲路徑，上下交替從小室通到小室，一直到通道接合的混合區，在其中流體很快擴散到彼此中，這都要感謝有很多呈現 局部區段改變的U形轉彎。

如果需要的話，可以使用交替的較大和較小小室區段以增進混合，例如使用一個小室，接著使用幾個平行小室。

兩英吋(5.08公分)直徑400/4以及200/6基板使用雙螺旋擠製器利用下列組成份加以擠製：

無機物(100總重量%)：

氧化鋁-A3000F(Alcoa),7.5重量%

煆燒氧化鋁A3000(Alcoa),25重量%

固體黏接劑/有機(相對於無機材料總重量之重量%)：

甲基纖維素-(Methocel F240,Dow)5重量%

油酸，2重量%

水份要求：(相對於無機材料總重量之目標9.5重量%)

使用下列處理過程：手動混合水份。開始利用17重量%水份以及減少2%。當原料達到改正水份要求時，使用400/4及200/6模完成擠製。

在1650℃燒結過程中保持基板形狀(具有7%收縮)。高的長寬比基板(長度=2.7x直徑)成功地站立地燒結於端部而沒有下垂或「象腳」效應。對於兩英吋直徑基板燒結循環：由20℃以50℃/分鐘快速地上昇至300℃(5.8小時)；由300℃以21℃/分鐘快速地上昇至550℃(12.1小時)；由550℃以100℃/分鐘快速地上昇至1700℃(11.0小時)；保持在1700℃歷時4小時；由1700℃以100℃/分鐘快速地下降至20℃(16.8小時)。

燒結氧化鋁基板之SEM影像確認閉合孔隙之結構。基板收縮11.0%以及為可見光之黃色而非在1750℃燒結時產生之白色基板。

已探討多種礬土及玻璃栓塞組成份。有用的組成份以及方法包含：(1)有機栓塞可使用於預先燒結氧化鋁基板能夠作低溫固化(20至150℃)(2)礬土栓塞可使用來栓塞未煆燒氧化鋁基板，接續在1700℃燒結以及(3)玻璃為主栓塞使用於預先燒結氧化鋁基板以及在700至800℃燒結。

矽氧樹脂黏合劑可以提供良好的抗化學性，而且可以在廣泛的溫度範圍下運作。它們也可以達到簡單的膠帶遮罩處理，和室溫固化。各別的栓塞已經測試到6.8巴的壓力，而沒有洩漏或損壞。

有各種單組和雙組配方的未填充環氧樹脂可以使用。這些低黏滯係數環氧樹脂可以自行保持水平，消除了在小室角落形成針孔的問題。栓塞模數可以經過修改來提供堅硬的栓塞，以便增加強度供高壓下運作。在廣大的溫度範圍下，它們也提供適度的抗化學性，並且可以在室溫或稍高溫度下固化。膠帶遮罩可以讓栓塞材料方便運送。其中顯示的是氧化鋁擠製本體的防漏栓塞。使用玻璃填充環氧樹脂來密封的單一小室，已經測試大到55巴而沒有破損。

將以油為主的氧化鋁栓塞填充入跟上面提到之基板所使用的相同AA4/AA5氧化鋁，其中Durasyn 162 (Innovene,Naperville Illinois USA)和PIB(聚異丁烯)作為有機黏結劑。栓塞透過手動注射器注射和膠帶遮罩，形成在氧化鋁基板中。此栓塞材料糊跟氧化鋁基板的熱膨脹係數互相匹配，因此在燒結之後看不到裂縫。各別的栓塞測試到6.8巴壓力，而沒有洩漏或損壞。

栓塞材料之組成份：玻璃料：90重量%無機物

67.5重量%AA5氧化鋁

22.5重量%AA4氧化鋁

10.0重量%聚合物黏接劑

9.0重量%Durasyn 162

0.8重量%油酸

0.2重量%PIB。

將石蠟-為主的氧化鋁栓塞填充入跟基板所使用的相同AA4/AA5氧化鋁。石蠟黏結劑用來降低糊狀物的黏滯係數，並促進高溫(100℃)下流入小室的速度。栓塞材料在冷卻之後凝固在適當位置。在每個端面栓塞之後所執行的脫脂步驟(250℃下30分鐘)，使得栓塞在整個燒結加強期間可以保留它的形狀。各別的栓塞測試到6.8巴而沒有洩漏或損壞。

填充氧化鋁玻璃栓塞材料使用相鄰栓塞組成份製造出 13.55% Cerdec MX-4462石蠟

8.64% 63微米玻璃料之玻璃組成份包含：70.2%矽石

20.4%氧化硼

3.4%氧化鋁

1.4%氧化鋰

2.3%氧化鈉

1.1%氧化鈣

1.3%氟化物

22.23% 63微米玻璃料之玻璃組成份包含：60.4%矽石

12.4%氧化硼

6.1%氧化鋁

2.7%氧化鋰

9.1%氧化鈉

1.2%氧化鉀

4.4%氧化鈣

3.2%氧化鎂

0.6%氧化鋯

22.23% A-3000氧化鋁(Alcoa)

33.33% KC#50氧化鋁(KC研磨劑，Kansas City，Kansas)

相對於全-玻璃的栓塞材料，填充50重量%氧化鋁的這種組成份顯現出體積收縮大大地減少。石蠟黏結劑在高溫下可以產生一些水平或流動。此栓塞材料被栓塞到預-燒結的氧化鋁基板中，在790℃下燒結兩個小時，而沒有體積收縮的間隙。其他的實驗證實小室的膠帶遮罩成功。

我們針對像圖8的氧化鋁裝置使用水-水熱交換來測量整體的熱交換係數。對於彎曲路徑之流量大到245毫升/分鐘，而冷卻劑通過第二組多個小室24之流量大到10公升/分鐘的情形，所測得的U大到2600至3400瓦/平方公尺-絕對溫度(W/m² -K)。

本發明的裝置和方法在相當小的體積內提供非常長的長度及高表面積的流體通道，而且相當容易製造。對於第一個通道沒有使用的小室，一個選擇是當作用流體或反應物在第一通道中流動時，可以形成非常高輸出的熱控制通道。或者，對於要求非常短駐留時間的流體來說，作用流體或反應物可以流經第一通道未使用的小室，而第一通道可以作為熱控制或其他流體的通道。

10‧‧‧流體連接裝置

12‧‧‧處理流體的裝置

16‧‧‧群組

18‧‧‧小室

20‧‧‧本體

22‧‧‧第二組多個小室

23‧‧‧路徑

24‧‧‧第一組多個小室

25‧‧‧群組

26‧‧‧栓塞

26F‧‧‧栓塞材料

27‧‧‧第二流體通道

28‧‧‧第一流體通道

29‧‧‧路徑

30‧‧‧輸入和輸出埠

31‧‧‧壁板

40、40A、40B、40C‧‧‧流體外殼

42、44‧‧‧密封

46‧‧‧流體耦合器

48‧‧‧流體通道

50‧‧‧流體耦合器本體

52‧‧‧同心環

54‧‧‧流體通道

56‧‧‧O型環

58‧‧‧平坦表面

60‧‧‧流體導管

62‧‧‧開口

98、102‧‧‧蓋帽

99‧‧‧凹溝

100、104‧‧‧密封劑或襯墊材料

116‧‧‧群組

126‧‧‧室槽

134‧‧‧空小室

136‧‧‧內栓塞

138‧‧‧可移除栓塞

140‧‧‧小室列

142‧‧‧互相連接

240‧‧‧栓塞

242‧‧‧栓塞外部

244‧‧‧間隙

280‧‧‧厚遮罩

圖1為依據發明流體處理過程例如熱交換器或熱交換器及反應器組合之裝置平面圖，其包含擠製多個小室或蜂巢體，其顯示出垂直於本體小室之平面中流動路徑。

圖2為依據本發明圖1裝置之側視平面圖，其包含擠製多個小室本體，其顯示出流動路徑詳細細節。

圖3為在擠製本體一個或兩個端部處閉合小室之斷面圖，其顯示出一種方法可使用於本發明中作為小室間之相互連接。

圖4為類似於圖3之斷面圖，其有用於作為顯示在此 所使用彎曲之意義。

圖5為依據本發明另一實施例包含擠製多個小室或蜂巢體的反應器平面圖，其顯示出在垂直於本體小室之平面中第二流動路徑。

圖6為圖5裝置之斷面圖

圖7為依據本發明另一實施例包含擠製多個小室或蜂巢體的反應器平面圖，其顯示出在垂直於本體小室之平面中其他流動路徑。

圖8為圖7裝置之側視平面圖，其顯示出依據本發明一項實施例在擠製本體上流動耦合器。

圖9為本發明流體連接裝置實施例之斷面圖。

圖10為包含擠製多個小室或蜂巢體的裝置之分解透視圖，其顯示出耦合至擠製本體側邊入口及出口之流體耦合器。

圖11為本發明包含擠製多個小室或蜂巢體的反應器之斷面圖，其顯示出依據本發明另一實施例流體連接至擠製本體。

圖12為包含擠製多個小室或蜂巢體的裝置之平面圖，其顯示出依據本發明一項實施例在垂直於小室平面中另一流動路徑。

圖13為包含擠製多個小室或蜂巢體的裝置之平面圖，其仍然顯示出依據本發明一項實施例在垂直於小室平面中另一流動路徑。

圖14為擠製本體一個或兩個端部處閉合小室之斷面 圖，其顯示出一種方法可使用於分歧或區分流體通道，其具有兩個通道，啟始處為一個通道以及啟始於技術本體內。

圖15為擠製本體或蜂巢體結構端部之部份平面圖，其顯示出多個通道啟始於擠製本體內之擠製本體一個端部的輸入端埠處。

圖16為擠製本體或蜂巢體結構端部之部份側視圖，其顯示出多個通道啟始於擠製本體內之擠製本體側邊壁板上輸入端埠處。

圖17為擠製本體或蜂巢體結構端部之斷面圖，其顯示出本體內小室間流體相互連接之其他實施例。

圖18為擠製本體一端或兩端處閉合小室之斷面圖，其顯示出使用於本發明方法另一方法中使小室間相互連接。

圖19為擠製本體或蜂巢體之示意平面圖，其顯示出依據本發明一項其他實施例之流動路徑。

圖20為沿著圖19中直線A-A展開之本體斷面圖。

圖21為沿著圖19中直線B-B展開之本體斷面圖。

圖22為擠製多個小室本體或蜂巢體之示意平面圖，其顯示出依據本發明另一項其他實施例在垂直小室平面中之流動路徑以及小室內流動方向。

圖23為顯示於在20中部份結構之其他實施例的部份斷面圖。

圖24為顯示於在20中部份結構之另一其他實施例的 部份斷面圖。

圖25為擠製多個小室本體或蜂巢體之示意平面圖，其顯示出依據本發明另一項其他實施例在垂直小室平面中兩個其他流動路徑以及小室內流動方向。

圖26A及26B為在垂直於擠製本體小室之平面中流動路徑其他實施例之平面圖。

圖27A及27B為在垂直於擠製本體小室之平面中多個流動路徑其他實施例之平面圖。

圖28A為圖27中經由圖27A栓塞26水平方向之斷面圖。

圖28B為圖27中經由圖27A栓塞26F水平方向之斷面圖。

圖29為圖27中單一栓塞或一列栓塞材料之斷面圖，其依據本發明方法形成。

圖30A-30C為類似於圖6A-6B之斷面圖，其顯示出依據本發明方法形成之栓塞。

圖31A-31B為類似於圖29A-29B之斷面圖，其顯示出依據本發明方法另一實施例形成之栓塞。

圖32A-32D為類似於圖29A-29B之斷面圖，其顯示出依據本發明方法另一實施例形成之栓塞。

12‧‧‧處理流體的裝置

18‧‧‧小室

20‧‧‧本體

22‧‧‧第二組多個小室

24‧‧‧第一組多個小室

25‧‧‧群組

26‧‧‧栓塞

29‧‧‧路徑

30‧‧‧輸入和輸出埠

Claims (23)

1. 一種處理流體之裝置，該裝置包含：一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小室，該本體具有一第一流體通道貫穿該本體，該第一流體通道主要界定於至少一些該小室內，該第一流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著至少一些該小室來回，其中由位於該本體的一或多個端部處的一或多個蓋帽部分地界定該第一流體通道。
2. 一種處理流體之裝置，該裝置包含：一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小室，該本體具有一第一流體通道貫穿該本體，該第一流體通道主要界定於至少一些該小室內，該第一流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著至少一些該小室來回，其中由位於該本體的一或多個端部處的一或多個栓塞部分地界定該第一流體通道。
3. 如請求項1或2所述之裝置，其中該第一流體通道界定於一第一組小室內，以及相對於垂直該些小室的一平面，至少一部份的該第一流體通道位於由一第二組小室而不是該第一組小室所圍繞的路徑中。
4. 如請求項3所述之裝置，其中該路徑為一個小室寬。
5. 如請求項3所述之裝置，其中一第二流體通道主要界定於至少一些該第二組小室內，該第二流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著至少一些該第二組小室來回。
6. 如請求項5所述之裝置，其中至少一部份的該第二流體通道接續多個連續各別群組之兩個或多個平行小室。
7. 如請求項1或2所述之裝置，其中至少一部份的該第一流體通道接續多個連續各別群組之兩個或多個平行小室。
8. 如請求項1或2所述之裝置，其中該第二流體通道相鄰於且沿著該第一流體路徑的方向，使得在該本體的相鄰小室的該第一與第二流體通道中可能存在相同方向或逆方向之流動。
9. 如請求項3所述之裝置，其中該第一組小室為連續的。
10. 如請求項1或2所述之裝置，其中由位於該流體通道與該本體間之一個或多個栓塞或蓋帽部分地界定該第 一流體通道。
11. 如請求項1或2所述之裝置，其中該第一流體通道經由一般平行於該小室的該擠製本體之一表面與該擠製本體之外部流體連通。
12. 如請求項1或2所述之裝置，其中該擠製本體包含玻璃、玻璃陶瓷、或陶瓷。
13. 如請求項1或2所述之裝置，其中該擠製本體主要由氧化鋁所構成。
14. 如請求項13所述之裝置，其中該裝置更包含多個密封或栓塞，該些密封或栓塞包含一玻璃，該玻璃具有下列以莫耳百分比(莫耳%)表示之組成限制：2<B₂ O₃ <7莫耳% 75<SiO₂ <80莫耳% 3<Al₂ O₃ <5莫耳% 2<ZrO₂ <5莫耳% 9<Na₂ O+K₂ O<15莫耳% 0<鹼土金屬+鑭系元素<15莫耳%以及其中SiO₂ 、Al₂ O₃ 及ZrO₂ 的莫耳百分比總和大於82但小於86，以及其中B₂ O₃ 、Na₂ O、K₂ O、鹼土金屬及鑭系元素的莫耳百分比總和大於13且小於18。
15. 如請求項13所述之裝置，其中該裝置更包含多個密封或栓塞，該些密封或栓塞包含一燒結填充玻璃料。
16. 一種製造處理流體用的一裝置之方法，該方法包含：提供一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小室；相互連接至少一些該小室，以形成一第一流動通道穿過該本體，該第一流動通道主要界定於至少一些該小室內，該流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著至少一些該小室來回，其中該相互連接至少一些該小室的步驟包含：選擇性地去除區分該本體的兩個小室的一個壁板的一端部，以及栓塞該兩個小室，使得形成該栓塞的材料與該一個壁板的殘餘部份分隔開來，以相互連接該兩個小室。
17. 如請求項16所述之方法，其中該提供一擠製本體之步驟包含：提供一未煅燒的擠製本體，以及其中該栓塞步驟更包含一起燒結該些栓塞與該擠製本體。
18. 如請求項16所述之方法，其中該提供一擠製本體之步驟包含：提供一燒結擠製本體，該燒結擠製本體包含氧化鋁或其他具有一第一軟化點的其他材料，以及其中該栓塞步驟更包含利用一玻璃料進行栓塞以及將該玻璃 料燒結，該玻璃料含有低於該第一軟化點之一第二軟化點溫度的材料。
19. 如請求項18所述之方法，其中該栓塞步驟更包含：利用包含一玻璃料的一材料來填充要被栓塞的至少一個小室的敞開端部，使得該材料的一外側部份延伸超過該小室之該端部，以及使得該材料的該外側部份亦在不被栓塞的一小室之方向中延伸超過該小室的寬度，以及將該擠製本體及包含該玻璃料的該材料充分地加熱，以促使該玻璃料固結以及充份地流動以密封其中一個小室。
20. 如請求項16所述之方法，其中該栓塞步驟更包含遮蓋不被栓塞之該些小室，栓塞未遮蓋的該些小室，以及在燒結該栓塞期間或開始燒結該栓塞時，將遮罩灰化。
21. 一種製造處理流體用的一裝置之方法，該方法包含：提供一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小室；相互連接至少一些該小室，以形成一第一流動通道穿過該本體，該第一流動通道主要界定於至少一些該小室內，該流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著至少一些該小室來回，其中該相互連接至少一些該小室之步驟包含加蓋帽。
22. 一種處理一流體之方法，該方法包含：提供一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小 室，該本體具有一流體通道穿過該本體，且該流體通道主要界定於一第一組小室內，該流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著該第一組小室來回，相對於垂直該些小室的一平面，至少一部份的該流動通道位於由一第二組小室而不是該第一組小室所圍繞之路徑中；以及在該流體通道中流動要被處理之一流體，同時在一個或多個該第二組小室中流動另一流體。
23. 一種處理一流體之方法，該方法包含：提供一擠製本體，該擠製本體中具有多個延伸小室，該本體具有一流體通道穿過該本體且該流體通道主要界定於一第一組小室內，該流體通道具有一縱向彎曲路徑，該縱向彎曲路徑沿著該第一組小室來回，相對於垂直該些小室的一平面，至少一部份的該流動通道位於由一第二組小室而不是該第一組小室所圍繞之路徑中；以及在一個或多個該第二組小室中流動要被處理之一流體，同時在該流體通道中流動另一流體。