特表 2022-546049 改良された熱交換流れ反応器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-02

(54)【発明の名称】改良された熱交換流れ反応器

(51)【国際特許分類】

   F28D 9/00 20060101AFI20221026BHJP

   F28F 3/04 20060101ALI20221026BHJP

   F28F 7/02 20060101ALI20221026BHJP

   F28F 21/04 20060101ALI20221026BHJP

【ＦＩ】

F28D9/00

F28F3/04 A

F28F7/02

F28F21/04

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022513204

(86)(22)【出願日】2020-08-31

(85)【翻訳文提出日】2022-04-19

(86)【国際出願番号】 US2020048718

(87)【国際公開番号】W WO2021042023

(87)【国際公開日】2021-03-04

(31)【優先権主張番号】62/894,784

(32)【優先日】2019-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(72)【発明者】

【氏名】グレメッツ，シルヴァン マキシム エフ

(72)【発明者】

【氏名】ラヴリック，エレナ ダニエラ

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA39

3L103BB25

3L103BB26

3L103DD15

3L103DD19

3L103DD57

3L103DD64

3L103DD92

3L103DD94

(57)【要約】

流れ反応器は、内面が処理流体モジュールの表面に封止された熱交換流体室を有する流れ反応器モジュールを備える。前記内面は流入口又は位置から流出口又は位置への熱交換流れ方向を横切る２つ以上の隆起部を有し、前記２つ以上の隆起部と前記処理流体モジュールの前記表面の間の隙間は０．１ｍｍより大きい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流れ反応器であって、
処理流体通路（Ｐ）が中を通る処理流体モジュール（１０）であって、幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）、及び前記長さ（Ｌ）より小さく前記幅（Ｗ）より小さい厚み（Ｔ）を有する本体（２２）を備え、該処理流体モジュール（１０）の互いに反対側にある前記厚み（Ｔ）の方向と垂直な第１及び第２主要面（１２、１４）を有する処理流体モジュール（１０）と、
前記処理流体モジュールの前記第１主要面（１２）に封止された第１熱交換流体室（１６）であって、前記第１主要面（１２）と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路（ＨＰ）を形成する内面（１７）と、熱交換流体を前記熱交換流体路（ＨＰ）に届けるための流入口又は位置（Ｉ）と、前記流入口又は位置（Ｉ）から第１方向に隔てられ前記熱交換流体路（ＨＰ）から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置（Ｏ）とを有する第１熱交換流体室（１６）と、
前記処理流体モジュール（１０）の前記第２主要面（１４）に封止された第２熱交換流体室（１８）であって、前記第２主要面（１４）と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路（ＨＰ）を形成する内面（１９）と、熱交換流体を前記熱交換流体路（ＨＰ）に届けるための流入口又は位置（Ｉ）と、前記熱交換流体路（ＨＰ）から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置（Ｏ）とを有する第２熱交換流体室（１８）と
を備える流れ反応器モジュール（１００）を備え、
前記内面（１７）は前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部（Ｒ）であって、該２つ以上の隆起部（Ｒ）のうち隣接する隆起部間の距離（Ｄ）及び該２つ以上の隆起部（Ｒ）と前記第１主要面（１２）の間の隙間（Ｇ）を有する２つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、
前記内面（１９）も前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部（Ｒ）であって、該２つ以上の隆起部（Ｒ）のうち隣接する隆起部間の前記距離（Ｄ）及び該２つ以上の隆起部（Ｒ）と前記第２主要面（１４）の間の前記隙間（Ｇ）を有する２つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、
前記隙間（Ｇ）は０．２～０．５ｍｍの範囲内であり、前記距離（Ｄ）は１０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内である、流れ反応器。

【請求項2】

前記流れ反応器モジュールはセラミックから成る、請求項１記載の流れ反応器。

【請求項3】

前記セラミックは炭化ケイ素から成る、請求項２記載の流れ反応器。

【請求項4】

前記流れ反応器モジュールは一体である、請求項２記載の流れ反応器。

【請求項5】

前記第１及び第２熱交換流体室（３２、５２）は金属から成る、請求項２記載の流れ反応器。

【請求項6】

前記金属はアルミニウムから成る、請求項５記載の流れ反応器。

【請求項7】

前記内面（１７）は３つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、前記内面（１９）は３つ以上の隆起部（Ｒ）を有する、請求項１～６のいずれかに記載の流れ反応器。

【請求項8】

前記距離（Ｄ）及び前記隙間（Ｇ）は、選択された熱交換流体内で前記熱交換流体をポンプするための選択された熱交換ポンプ能力で前記熱交換流体路（ＨＰ）内の平均レイノルズ数を最大の８０％以内に最大化するように選択される、請求項１～７のいずれかに記載の流れ反応器。

【発明の詳細な説明】

【関連出願】

【0001】

本出願は、２０１９年８月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／８９４７８４号の米国特許法第１１９条の下の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体を本明細書に引用する。

【技術分野】

【0002】

本開示は概ね、流れ反応器及び流れ反応処理のための装置及び方法に関し、特に、中を通る通路と第１及び第２主外面を有する中央本体と、第１及び第２主外面とそれぞれ熱的接触する第１及び第２熱制御流体通路とを備え、特定の熱制御流体の供給のための特定のポンプを有する流れ反応器に関する。

【背景技術】

【0003】

流れ反応器のための高性能の流れモジュールは、望ましいことに非常に高い化学耐性、高い機械強度、及び妥当に高い熱伝導率の故にセラミック材料、特に炭化ケイ素から作られてきた。反応処理の厳しい熱制御が必要な場合、１つの解決法は図１に示すような２つの主外面１２、１４を有する概ね平面的な処理流体モジュール１０の使用であった。例は、一時的又は永久に接合された炭化ケイ素又は他のセラミックの２つの板から成りそれらの間に画定された処理流体通路Ｐを有する処理流体モジュールであり、図２に示すように熱交換室１６、１８が２つの主要面１２、１４にそれぞれ封止されそれぞれの主要面と共にその主要面と接触する熱交換流体通路ＨＰを画定している。そのような熱交換室の内面上の小さな突起又は撹拌体（不図示）が、熱交換流体通路を流れる熱交換流体内の乱流及び／又は二次流を増加させるために使用されてきた。

【発明の概要】

【0004】

実施形態によれば、流れ反応器は、内面が処理流体モジュールの表面に封止された熱交換流体室を有する流れ反応器モジュールを備える。前記内面は流入口又は位置から流出口又は位置への熱交換流れ方向を横切る２つ以上の隆起部を有し、前記２つ以上の隆起部と前記処理流体モジュールの前記表面の間の隙間は０．１ｍｍより大きい。

【0005】

より具体的には、より具体的な実施形態によれば、本開示に係る流れ反応器は流れ反応器モジュールを備え、流れ反応器モジュールは、処理流体通路が中を通る処理流体モジュールであって、幅、長さ、及び前記長さより小さく前記幅より小さい厚みＴを有する本体を備え、該処理流体モジュールの互いに反対側にある前記厚みの方向と垂直な第１及び第２主要面を有する処理流体モジュールと；前記処理流体モジュールの前記第１主要面に封止された第１熱交換流体室であって、前記第１主要面と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路を形成する内面と、熱交換流体を前記熱交換流体路に届けるための流入口又は位置と、前記流入口又は位置から第１方向に隔てられ前記熱交換流体路から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置とを有する第１熱交換流体室と；前記処理流体モジュールの前記第２主要面に封止された第２熱交換流体室であって、前記第２主要面と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路を形成する内面と、熱交換流体を前記熱交換流体路に届けるための流入口又は位置と、前記熱交換流体路から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置とを有する第２熱交換流体室とを備える。第１熱交換流体室の前記内面は、前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部であって、該２つ以上の隆起部のうち隣接する隆起部間の距離及び該２つ以上の隆起部と前記第１主要面の間の隙間を有する２つ以上の隆起部を有し、第２熱交換流体室の前記内面も前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部であって、該２つ以上の隆起部のうち隣接する隆起部間の前記距離及び該２つ以上の隆起部と前記第２主要面の間の前記隙間を有する２つ以上の隆起部を有し、前記隙間は０．２～０．５ｍｍの範囲内であり、前記距離は１０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内である。

【0006】

実施形態によれば、前記流れ反応器モジュールはセラミックから成りうる。実施形態によれば、前記セラミックは炭化ケイ素から成りうる又はでありうる。

【0007】

実施形態によれば、前記流れ反応器モジュールは一体でありえ、即ち、単一体として形成されたもの、又は複数の部分から形成される場合、永久に相互接合された複数の部分から形成され切断、粉砕、又は破砕以外では分離されえないモジュールでありうる。

【0008】

実施形態によれば、前記第１及び第２熱交換流体室は主に又は完全に金属から成りうる。実施形態によれば、前記金属はアルミニウムから成りうる又はでありうる。

【0009】

実施形態によれば、第１熱交換流体室の前記内面は３つ以上の隆起部を有し、第２熱交換流体室の前記内面は３つ以上の隆起部を有する。

【0010】

実施形態によれば、前記距離及び前記隙間は、選択された熱交換流体内で前記熱交換流体をポンプするための選択された熱交換ポンプ能力を使って前記熱交換流体路内の平均レイノルズ数を達成されうる最大の８０％以内に最大化するように選択されうる。

【0011】

追加の実施形態及び様々な利点は下記の説明、図、及び請求項から明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】（従来技術）処理流体モジュールの概略斜視図である。

【図2】（従来技術）処理流体モジュール及び熱交換室を備える流体モジュールの概略立面図である。

【図3】（従来技術）処理流体モジュールと（内部）処理流体路の実施形態の詳細を示す斜視図である。

【図4】（従来技術）熱交換室の実施形態の斜視図である。

【図5】本開示に係る逸板を有する熱交換室の実施形態の平面図である。

【図6】本開示に係る逸板を有する熱交換室の実施形態の平面図である。

【図7】本開示に係る逸板を有する熱交換室の追加の実施形態Ａ～Ｆの平面図である。

【図8】本開示の実施形態に係る流れ反応器モジュールの図であり、熱交換室と処理流体モジュールの断面図を示す。

【図9】３つの異なる距離Ｄ（矢印の方向に減少する）についての熱交換流体路内で特定の熱交換流体で特定のポンプ能力で得られた相対レイノルズ数（Ｒｅ）の隙間Ｇの関数としてのグラフであり、レイノルズ数は距離Ｄを調整し（減少させ）、隙間Ｇを調整（間隔に必要な隙間を超えて大きく）することで特定のポンプ能力及び熱交換流体に対して最適化されうることを示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１及び２（従来技術）が上記で説明された。図３（従来技術）は処理流体モジュール１０の斜視図を示し、本開示の文脈で使用されうるような（内部）処理流体路Ｐの実施形態の細部を示す。図４（従来技術）は一般的形状（本開示で使用するために想像された形状）の熱交換室の実施形態の斜視図を示す。

【0014】

本開示は特に図５～８に示されるようにこれらの従来構造と異なる。本開示の１つの態様によれば、図５～７を特に参照して、隆起部Ｒが熱交換室１６、１８の内面１７、１９に設けられている。隆起Ｒは封止Ｓ（例えば、オーリング又は他の封止）によって画定された領域内で逸板として働くように配置される。隆起は図５及び６の実施形態に見られるように様々な構成を取りうり、６つのバリエーションが図７に示されている。全ての実施形態に共通するのは、隆起Ｒの数は少なくとも２であり、隆起Ｒは流入口又は位置Ｉから流出口又は位置Ｏへの第１方向を少なくとも部分的に横切る方向（第２方向）に延在することである。

【0015】

図８を参照すると分かるように、本開示の別の態様によれば、第１主要面１４の内面１７上の２つ以上の隆起部Ｒの間に隙間Ｇがある。隙間Ｇは、処理流体モジュール１０の（望ましくは）セラミック構造に引き起こされる傷又は応力からの保護を提供するので望ましい。しかし、本開示によれば、隙間Ｇは処理流体モジュール１０の主要面１２、１４と関連する隆起部Ｒの間の信頼できる機械的分離を提供するのに必要であるより意図的に大きい（例えば、０．１ｍｍより大きい）。これは、熱交換性能は隙間を機械的分離に必要であるより大きくすることで特定の熱交換流体及び特定のポンプ能力に対して最適化されうるからである。望ましくは、隙間は０．１ｍｍより大きい、望ましくは０．２ｍｍより大きいか又は０．３ｍｍもしくは０．４ｍｍより更に大きい一方、隆起部が大量の流れを逸らすように十分小さいままであり、例えば、１ｍｍより小さい、望ましくは０．９ｍｍより、０．８ｍｍより、０．７ｍｍより、０．６ｍｍより、０．５ｍｍより、又は適切な場合では０．４ｍｍさえより小さい。

【0016】

図９は、３つの異なる距離Ｄ（矢印の方向に減少する）についての熱交換流体路内で選択された熱交換流体で選択された最大ポンプ能力で得られた相対レイノルズ数（ｙ軸のＲｅ）の隙間Ｇ（ｘ軸）の関数としてのグラフである。このグラフは熱交換流体路ＨＰ内のレイノルズ数（従って、熱交換性能）は、距離Ｄを調整し（減少させ）隙間Ｇを調整（機械的間隔に必要な隙間を超えて大きく）することで特定のポンプ能力及び熱交換流体に対して最適化されうることを示す。望ましくは、距離Ｄ及び隙間Ｇは、選択された熱交換流体内で熱交換流体をポンプするための選択された熱交換ポンプ能力で熱交換流体路ＨＰ内の平均レイノルズ数を可能な最大の８０％、９０％、又は９５％さえ以内に最大化するように選択されうる。

【0017】

本書に開示される方法及び／又は装置は、流体又は流体の混合物の混合、分離、抽出、結晶化、沈殿、又は他の処理を含むどんな処理も実行するのに概ね有用である。流体又は流体の混合物は微細構造内の固形物も含む流体の多相混合物を含む。処理は物理的処理、有機種、無機種、又は有機種及び無機種両方の相互変換を引き起こす処理として定義される化学反応、生化学処理、又は任意の他の形態の処理を含んでもよい。次の非限定のリストの反応は開示された方法及び／又は装置を使って実行されてよい。酸化、還元、置換、脱離、付加、配位子交換、金属交換、及びイオン交換。より具体的には、次の非限定のリストの反応のいずれも、開示された方法及び／又は装置を使って実行されてよい。重合、アルキル化、脱アルキル、ニトロ化、過酸化、スルホキシド化、エポキシ化、アンモ酸化、水素添加、脱水素、有機金属反応、貴金属化学／均一触媒反応、カルボニル化、チオカルボニル化、アルコキシル化、ハロゲン化、脱水素ハロゲン化、脱ハロゲン化、ヒドロホルミル化、カルボキシル化、脱カルボキシル化、アミノ化、アリル化、ペプチド結合、アルドール縮合、シクロ縮合、脱水素環化、エステル化、アミド生成、複素環合成、脱水、アルコール分解、加水分解、アンモノリシス、エーテル化、酵素合成、ケタール化、鹸化、異性化、四級化、ホルミル化、相間移動反応、シリル化、ニトリル合成、リン酸化、オゾン分解、アジド化学、複分解、ヒドロシリル化、結合反応、及び酵素反応。

【0018】

本開示で少しだけの実施形態を詳細に説明したが、本書に記載された主題の新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの部分変更が可能である（例えば、様々な部品のサイズ、寸法、構造、形状、及び比率又は位置、パラメータの値、取り付け方、材料の使用、向きのバリエーション）。例えば、平坦なガラス物品と曲がったガラス物品両方が本書に記載された方法に従って硬化されてよい。一体に形成されているように示された幾つかの部品は複数の部品から構成されていてもよく、複数の部品の位置は逆にされるか又は他のやり方で変更されてよく、個別部品の性質又は数又は位置を変えてもよい。どんなプロセス、論理アルゴリズム、又は方法ステップの順序も他の実施形態に応じて変更又は並べ直されてよい。本発明の範囲から逸脱することなく、他の置換、部分変更、変更、及び省略も様々な代表的な実施形態の構成、動作条件、及び配置に行ってもよい。

【0019】

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

【0020】

実施形態１
流れ反応器であって、
処理流体通路（Ｐ）が中を通る処理流体モジュール（１０）であって、幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）、及び前記長さ（Ｌ）より小さく前記幅（Ｗ）より小さい厚み（Ｔ）を有する本体（２２）を備え、該処理流体モジュール（１０）の互いに反対側にある前記厚み（Ｔ）の方向と垂直な第１及び第２主要面（１２、１４）を有する処理流体モジュール（１０）と、
前記処理流体モジュールの前記第１主要面（１２）に封止された第１熱交換流体室（１６）であって、前記第１主要面（１２）と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路（ＨＰ）を形成する内面（１７）と、熱交換流体を前記熱交換流体路（ＨＰ）に届けるための流入口又は位置（Ｉ）と、前記流入口又は位置（Ｉ）から第１方向に隔てられ前記熱交換流体路（ＨＰ）から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置（Ｏ）とを有する第１熱交換流体室（１６）と、
前記処理流体モジュール（１０）の前記第２主要面（１４）に封止された第２熱交換流体室（１８）であって、前記第２主要面（１４）と対面して熱交換流体を収容するための熱交換流体路（ＨＰ）を形成する内面（１９）と、熱交換流体を前記熱交換流体路（ＨＰ）に届けるための流入口又は位置（Ｉ）と、前記熱交換流体路（ＨＰ）から熱交換流体を受け取るための流出口又は位置（Ｏ）とを有する第２熱交換流体室（１８）と
を備える流れ反応器モジュール（１００）を備え、
前記内面（１７）は前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部（Ｒ）であって、該２つ以上の隆起部（Ｒ）のうち隣接する隆起部間の距離（Ｄ）及び該２つ以上の隆起部（Ｒ）と前記第１主要面（１２）の間の隙間（Ｇ）を有する２つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、
前記内面（１９）も前記第１方向を少なくとも部分的に横切る第２方向に延在する２つ以上の隆起部（Ｒ）であって、該２つ以上の隆起部（Ｒ）のうち隣接する隆起部間の前記距離（Ｄ）及び該２つ以上の隆起部（Ｒ）と前記第２主要面（１４）の間の前記隙間（Ｇ）を有する２つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、
前記隙間（Ｇ）は０．２～０．５ｍｍの範囲内であり、前記距離（Ｄ）は１０ｍｍ～３０ｍｍの範囲内である、流れ反応器。

【0021】

実施形態２
前記流れ反応器モジュールはセラミックから成る、実施形態１記載の流れ反応器。

【0022】

実施形態３
前記セラミックは炭化ケイ素から成る、実施形態２記載の流れ反応器。

【0023】

実施形態４
前記流れ反応器モジュールは一体である、実施形態１～３のいずれかに記載の流れ反応器。

【0024】

実施形態５
前記第１及び第２熱交換流体室（３２、５２）は金属から成る、実施形態１～４のいずれかに記載の流れ反応器。

【0025】

実施形態６
前記金属はアルミニウムから成る、実施形態５記載の流れ反応器。

【0026】

実施形態７
前記内面（１７）は３つ以上の隆起部（Ｒ）を有し、前記内面（１９）は３つ以上の隆起部（Ｒ）を有する、実施形態１～６のいずれかに記載の流れ反応器。

【0027】

実施形態８
前記距離（Ｄ）及び前記隙間（Ｇ）は、選択された熱交換流体内で前記熱交換流体をポンプするための選択された熱交換ポンプ能力で前記熱交換流体路（ＨＰ）内の平均レイノルズ数を最大の８０％以内に最大化するように選択される、実施形態１～７のいずれかに記載の流れ反応器。

【符号の説明】

【0028】

１０ 処理流体モジュール
１２ 第１主要面
１４ 第２主要面
１６ 第１熱交換流体室
１７、１９ 内面
１８ 第２熱交換流体室
１００ 流れ反応器モジュール
ＨＰ 熱交換流体路
Ｉ 流入口
Ｏ 流出口
Ｐ 処理流体通路
Ｒ 隆起
Ｓ 封止

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】