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公開番号2025108498
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-23
出願番号2025063310,2024067732
出願日2025-04-07,2019-06-21
発明の名称向上されたマイクロチャンネルデバイスまたはメソチャンネルデバイス、及びその添加製造方法
出願人バテル・メモリアル・インスティテュート,BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE
代理人アクシス国際弁理士法人
主分類B01J 19/00 20060101AFI20250715BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】製造ステップ数を低減すること、パーツ数を低減すること、及び/または組立てプロセスを簡略化することのためのアプローチを提供すること。
【解決手段】化学的プロセッサは、質量を低減すること、太陽熱集中装置に関連する作業を行うこと、及び/または、多孔性インサートを添加製造によって形成されたマイクロチャンネルまたはメソチャンネルデバイスに収容することと、をするように構成されている。添加製造によって多孔性インサートを含む化学的プロセッサを形成する方法も開示されている。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
凹状形状を有する太陽熱集中装置と、単位操作を実施するように適合されたドーム形状の化学的プロセッサであって、前記ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が前記太陽熱集中装置の前記凹状面に面するように、前記太陽熱集中装置と関連して配置されている、前記ドーム形状の化学的プロセッサと、を備え、前記化学的プロセッサの前記凸状面が、前記ドームの中心エリアへ、または前記中心エリアから前記ドームの周囲のエリアへの流体の通路のためのチューブまたは複数のチューブを備えている、
太陽電力装置。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記ドーム形状の化学的プロセッサの前記凸状面が、前記ドームの前記表面上に露出したチューブまたは複数のチューブを備えている、請求項１に記載の太陽電力装置。
【請求項３】
前記ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が、メタン改質触媒または逆水性ガスシフト触媒を含むチューブまたは複数のチューブを備えている、請求項１から請求項２のいずれかに記載の太陽電力装置。
【請求項４】
前記ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が、前記ドームの中心領域の近くの供給源入口または供給源マニホルドから、前記ドームの外辺部への径方向の流体流れを提供し、前記外辺部から受領用マニホルドへの径方向の流体流れを提供する複数のチャンネルを備えている、チューブまたは複数のチューブを備え、前記受領用マニホルドが、前記ドームの前記中心領域の近くに位置している、請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽電力装置。
【請求項５】
前記チューブまたは複数のチューブが、多孔性触媒インサート、好ましくはメタン改質触媒を備えている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の太陽電力装置。
【請求項６】
前記チューブまたは複数のチューブが、穴のない熱伝導性ディバイダによって分離された第１の部分と第２の部分との２つの部分を備え、前記第１の部分が触媒を備え、前記デバイスの前記外辺部が、前記ディバイダの開口を備え、それにより、前記第１の部分からの流れが前記第２の部分へ通ることができるようになっている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の太陽電力装置。
【請求項７】
供給源マニホルドから前記デバイスの外辺部に径方向の流体流れを提供する第１の部分と、前記外辺部から受領用マニホルドへの径方向の流体流れを提供する第２の部分と、を有し、前記供給源マニホルド及び前記受領用マニホルドが、前記デバイスの中心領域の近くに位置しており、前記デバイスが、単位プロセスのために構成されている、チャンネルまたは複数のチャンネルを備えた化学的プロセッサであって、
各チャンネルの前記第１の部分と前記第２の部分とが、穴のない熱伝導性ディバイダによって分離され、前記第１の部分が触媒を備え、前記デバイスの前記外辺部が、前記デバイスの前記外辺部の近くで前記ディバイダの開口を備え、それにより、前記第１の部分からの流れが前記第２の部分へ通ることができるようになっている、前記化学的プロセッサ。
【請求項８】
供給源マニホルドから前記デバイスの外辺部に径方向の流体流れを提供する第１の複数のマイクロチャンネルまたはメソチャンネルと、前記外辺部から受領用マニホルドへの径方向の流体流れを提供する第２の複数のチャンネルと、を備え、前記供給源マニホルド及び前記受領用マニホルドが、前記デバイスの中心領域の近くに位置しており、前記デバイスが、単位プロセスのために構成されている、マイクロチャンネルまたはメソチャンネルデバイスであって、
前記チャンネル内の前記流れの方向が前記外辺部へ向かう方向から、前記外辺部から離れる方向に切り替わる、前記デバイスの前記外辺部周りに配置された、触媒インサートまたは複数の触媒インサートをさらに備え、また、前記触媒インサートまたは複数の触媒インサートを囲む前記デバイスの前記外周周りに配置されたリングと、前記チャンネル内の前記流れの方向が前記外辺部へ向かう方向から、前記外辺部から離れる方向に切り替わる流路とを備えている、前記マイクロチャンネルまたはメソチャンネルデバイス。
【請求項９】
前記触媒インサートが楔形状である、請求項８に記載のマイクロチャンネルまたはメソチャンネルデバイス。
【請求項１０】
円形形状を有する化学的プロセッサであって、前記プロセッサの中心領域の近くの供給源入口または供給源マニホルドから、前記プロセッサの外辺部へ径方向の流体流れを提供するチューブまたは複数のチューブであって、前記チューブまたは第１の複数のチューブが、前記デバイスの表面上で露出され、それにより、前記表面が平滑ではなくなっている、前記チューブまたは複数のチューブを備え、前記チューブまたは複数のチューブが、円形、卵形、または楕円形の断面を有し、前記プロセッサが単位プロセスのために構成されている、前記化学的プロセッサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
政府によるサポートの申告
本発明は、Ｕ．Ｓ．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙによって与えられたＣｏｎｔｒａｃｔＤＥ－ＡＣ０５７６ＲＬ０１８３０の下、及び、ＳＴＡＲＳＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎと、ＳｏｕｔｈｅｒｎＣａｌｉｆｏｒｎｉａＧａｓＣｏｍｐａｎｙと、ＯｒｅｇｏｎＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙと、ＰａｃｉｆｉｃＮｏｒｔｈｗｅｓｔＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙとの間の、ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙのために運用されるＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＡｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＣＲＡＤＡＮｏ．３８７）の下で、政府のサポートを伴って成されたものである。政府は、本発明において一定の権利を有する。
続きを表示（約 3,300 文字）【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／６８８，２１７号の優先権を主張する。
【０００３】
本発明のより広い態様において、本開示は、向上された化学的プロセッサ、好ましくはマイクロチャンネルデバイスまたはメソチャンネルデバイス、及びその添加製造方法に関する。より詳細な態様では、本発明は、太陽熱集中装置に関連する化学的プロセッサに関する。
【背景技術】
【０００４】
添加製造（ＡＭ）は、パウダー材料を固体に局所的に固めることによる、デバイスの「プリント」の新規の方法である。本デバイスの構造の設計の柔軟性は、一定のプロセスの制限の中にはあるが、複雑な構造を構築するための新たなツールを提供する。元来、ＡＭはプラスチックのために開発されたが、金属用に変化した。また、「プリント」できる金属のリストは増加し続け、現在はインコネル合金及びヘインズ合金を含む、高温の合金を含んでいる。金属の添加製造は、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、または、直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）と称される。本発明は、デバイスの一タイプである化学反応器を対象とし、より詳細には、吸熱化学反応を通して太陽熱を化学的エネルギに変換する太陽熱集中装置の焦点に配置された化学反応器を対象としている。特に関心が持たれている化学反応は、メタンの水蒸気改質である。この化学反応は、水Ｈ
2
Ｏ及びメタンＣＨ
4
を反応させて、水素Ｈ
2
、一酸化炭素ＣＯ、及び二酸化炭素ＣＯ
2
を発生させる。代替的な吸熱反応には、Ｈ
2
及びＣＯ
2
をＨ
2
Ｏ及びＣＯに変換する逆水性ガスシフト反応、及びアルカンのクラッキング（脱水素反応）が含まれる。
【０００５】
発熱反応の反応器も、吸熱反応と発熱反応との両方に対応するハイブリッド反応器本体が可能であるように、水性ガスシフト反応、Ｈ
2
及びＮ
2
からのアンモニア合成、サバティエプロセス反応、メタノール合成、ならびに燃焼反応などの反応に関し、ＡＭを使用して製造することができる。
【０００６】
ＡＭとほとんどの従来の作製プロセスとの間の重要な差異は、「添加」方法と「減法」方法との間で大きく異なる、材料の利用である。「減法」方法では、材料の固形ピースが機械加工されて、最終的な部品の構造を提供するように材料を除去する。ミリングまたは光化学反応による加工などの方法では、材料利用量を多くすることができる押出延伸加工、打抜き加工、及び圧印加工の方法とは対照的に、最初の材料のかなりの部分が無駄になる。ＡＭ部品に関する材料の費用は、パーツの総質量に比例する。
【０００７】
図１は、従来の「減法」加工と、ＤＭＬＳとを使用した、ＴＲＬ６Ｈａｙｎｅｓ２３０ＳＴＡＲＳの反応器の設計に関し、毎年１０００ユニットで見積もった製造コスト間の比較を示している。これらコストは、全体としては評価されず、コストの構成要素が変化するにつれて経時的に導き出されるボトムアップモデルで得られたものである。このため、これらコストは、実際のものよりもより有益である。ＤＭＬＳのより低いコストは、ＤＭＬＳパウダーのポンド毎の費用が高いことに関わらず、より低い材料のコストに大きく起因する。慣習的な加工コストも、高温合金では高い。図１は、ＤＭＬＳ化学反応器のコストを低減させる、主題となる本発明の動機を示している。対処されるべき第１のコスト増大要因は、反応器の質量である。反応器の質量を低減することには、パウダーのコスト（材料費）を低減することと、製造時間を短縮することとの両方の利点がある。製造時間の短縮により、処理量が増大し、パーツ毎のツールのコスト（ＤＭＬＳマシンの償却される資本費用）が低減される。材料のコストとツールのコストとがともに、図１において製造されたＤＭＬＳのコストの６３％を占めている。
【０００８】
第２のコスト増大要因は、反応器内に触媒構造を挿入することに関連する部品数及び組立てステップ数である。我々の従来の反応器の設計の１つは、個別に機械加工され、触媒フォーム構造がチャンネル内に挿入されたのちに高温拡散ろう付けステップでともに組立てられる３つのプレートで構成されている。図１のレーザーカッティング及び拡散ろう付けステップは、製造コストの２８％をさらに占めている。本発明には、製造ステップ数を低減すること、パーツ数を低減すること、及び／または組立てプロセスを簡略化することのためのアプローチが含まれる。
【０００９】
性能及び耐用年数に関する新たな反応器の設計の他の潜在的な利点が存在する。反応器の外壁は、内圧に耐えるために十分な厚さでなければならず、より厚い壁は、同じ熱フラックスのために、壁の両側でさらなる温度差を必要とする。太陽熱集中装置からの熱など、反応器の壁を通して熱を受領する吸熱反応に関し、より大きな温度差は、反応器の表面温度を反応器の冶金学的限界より低く維持するために、より低温の触媒ベッド温度を意味する。メタンの水蒸気改質などの吸熱反応に関しては、より高い反応温度は、より高い平衡転化率及びより迅速な運動に繋がる。反応器の壁を薄くすることは、ＤＭＬＳに関する構造の材料及び構築時間を節約するのみならず、触媒がより高温となり、ひいてはよりアクティブになることを可能にする。これにより、触媒のコストが節約され、反応器のサイズが低減される。より厚い壁は、反応器の耐用年数に不利益でもある。この理由は、温度差と構造的剛性との両方の増大に起因して、熱ストレスが高くなるためである。さらに、ＤＭＬＳにより、熱膨張をより良好に許容することができる３Ｄ構造の設計がより柔軟になり、それにより、太陽電池の動作の間の構造の、日々のまたはより頻繁な加熱及び冷却のサイクルに関連する内部の応力及び低サイクルの疲労破壊が低減される。
【発明の概要】
【００１０】
第１の態様では、本発明は、凹状形状を有する太陽熱集中装置と、単位操作を実施するように適合されたドーム形状の化学的プロセッサであって、ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が太陽熱集中装置の凹状面に面するように、太陽熱集中装置と関連して配置されている、ドーム形状の化学的プロセッサと、を備え、化学的プロセッサの凸状面が、ドームの中心エリアへ、または中心エリアからドームの周囲のエリアへの流体の通路のためのチューブまたは複数のチューブを備えている、太陽電力装置に関する。いくつかの好ましい実施形態では、本装置は、以下の特徴の１つまたは任意の組合せを含む場合がある。ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が、ドームの表面上に露出したチューブまたは複数のチューブを備えている。ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が、メタン改質触媒または逆水性ガスシフト触媒を含むチューブまたは複数のチューブを備えている。ドーム形状の化学的プロセッサの凸状面が、ドームの中心領域近くの供給源入口または供給源マニホルドから、ドームの外辺部への径方向の流体流れを提供し、外辺部から受領用マニホルドへの径方向の流体流れを提供する複数のチャンネルを備えている、チューブまたは複数のチューブを備え、受領用マニホルドが、ドームの中心領域の近くに位置している。チューブまたは複数のチューブが、多孔性触媒インサート、好ましくはメタン改質触媒を備えている。チューブまたは複数のチューブが、穴のない熱伝導性ディバイダによって分離された第１の部分と第２の部分との２つの部分を備えている。第１の部分が触媒を備え、デバイスの外辺部が、ディバイダの開口を備え、それにより、第１の部分からの流れが第２の部分へ通ることができるようになっている。
（【００１１】以降は省略されています）

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