专利名称：微通道器件、制造微通道器件的方法以及进行单元操作的工艺的制作方法
微通道器件、制造微通道器件的方法以及进行单元操作的工艺
本申请为国际申请日2005年6月30日、申请号CN200380108125.6(国际申请 号为PCT/US2003/037936)、标题为"微通道器件、制造微通道器件的方法以及进 行单元操作的工艺"的发明申请的分案申请。
背景技术：
近年来，实业界和科学界对研制用于化学处理工艺的微尺度器件有强烈的兴 趣。刊载于Trans. IChemE，Vol. 80, Part A， pp. 3-30(Jan. 2002)的由Gavrilidis等人撰 写的"Technology And Applications Of Microengineered Reactors"已经提供了包括 236个引文的关于微尺度反应器近况的综述。以流体通道尺寸约为5mm或更小为 特征的微尺度化学处理器，由于其很短的传热和传质距离以及其在某些情况中所具 有的不同流动特性，能够提供独特的优点。虽然这类器件具有许多优点，但是这样 的器件的制造存在着许多新的难点，因此需要有创新的制造方法。
近来的专利文献描述了微尺度器件的许多型式和/或制造方法。例如，Wegeng 等人在WO 01/95237 A2中描述了用多种不同设计的层叠薄板制造的集成反应器的 几种新颖型式。Benz等人在美国专利6,220,497中描述了用于把一叠微结构的板锡 銲成一个层叠的叠置体(stack)的方法，在其中锡銲层存在于每两个相邻的板之间。 锡銲是在真空或惰性气体条件下进行，然后施加热和压力而使各个板结合在一起。 Pence等人在US2002/0080563 Al中描述了用于传热的具有分支微通道网络的器 件。
各种不是微尺度的板式热交换器已早为人知。例如，Frolich在美国专利 3,176,763 (1965年公布)中揭示了一种热交换器，它是通过把间隔条粘结在平行 的几层板之间而制成的。Nicholson在美国专利4,183,403 (1980年公布)中揭示了 一种具有波纹板的热交换器，其中各波纹板由间隔条分离开。该专利描述了弧焊热 交换器组件的工艺，然后涂覆銲剂并通过一钎銲周期。Frauenfeld等人在美国专利 4,651,811 (1987年公布)中描述了一种热交换器，其中，板条状的间隔模制件点 焊于板式热交换器零件。
发明内容
在本发明的第一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件(laminated device)的方法，它包括以下步骤把一个薄的条形件放置在一个基板上；以及，把 一个对准销(alignmentpin)放进薄的条形件上的对准孔。薄条形件上具有一对准孔， 用对准销把薄的条形件对准在基板上。一个薄条形件的面积不超过它所在的叠置体 (stack)的面积的59X。在这种应用中，薄条形件的长度是其最长的尺寸。它的宽度 是垂直于它的长度和厚度。厚度是一个叠置体的叠置方向。在某些较佳实施例中， 随后用诸如钎銲、冲压、HIP (加热均衡施压)和/或焊接的技术方法把对准的条形 件和基板结合起来。或者，可以用本发明的任一方法，例如可以用扩散结合法 (diffusion bonding)。
一块状件、条形件或零件是指一个块、条或零件里的成为一体的全部材料。 与用冲制出一定形状的薄板或在薄板上蚀刻出图形的常规方法制造层叠器件相比， 本发明可以大大地节省成本和降低材料浪费。
在本发明的另一方面，本发明提供一种用于装配一种层叠的微通道器件 (microchanneldevice)的方法，它包括把一个第一块状件连接于一个第二块状件； 把第一块状件和第二块状件结合起来而形成一个微通道器件。在这种方法中，在微 通道器件成形之后，第一块状件就已形成至少一部分微通道壁。第一块状件构成微 通道器件的外周面的50%或更少；以及，第二块状件构成微通道器件的外周面的 50%或更少。在这一方面， 一个微通道器件的外周面不包括加上去的外表层或涂层 (诸如用HIP工艺加上去的)，而且也不包括诸如固定上去的分支管子之类的"外 部"结构。外周面是外部外周面而不是任何内部结构的外周面。外周面是围绕一个 叠置体测量并且是垂直于叠置方向测量。在某些实施例中，任一个块状件或两个块 状件构成微通道器件的外周面的30%或更少，在某些实施例中，构成其10%或更 少。在某些实施例中，第一块状件构成层叠器件的外周面的一部分，而第二块状件 不构成层叠器件的外周面的一部分。在某些实施例中，第二块状件是一个流动改变 件(flow modifier)。在某些实施例中，是先把第一块状件和第二块状件结合在一 起，而后进行叠置其它块状件的步骤。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包
10括把一个第一块状件连接于一个第二块状件，并将第一块状件结合于第二块状件 而形成一个层叠器件；其中，在结合之后，第一块状件和第二块状件给形成的层叠 器件提供结构支承。在这一方面，第一块状件不是连续的平板或波纹板，第二块状 件也不是连续的平板或波纹板。这一方面不同于已有技术的支承件把两个薄板分离 开的作法。在某些实施例中，该方法可以附加地包括一个把第一块状件连接于一个 连续的平板或波纹板的步骤。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括提供一个具有一个薄的部分和一个布置在所述薄的部分上的第一配对结构
(mating feature)的第一条形件；提供一个第二条形件或一个薄板，该第二条形件或 薄板具有布置在其上的一个第二配对结构；其中第一配对结构和第二配对结构以互 锁的方式配合在一起；以及把第一条形件上的第一配对结构连接于第二条形件或薄 板上的第二配对结构。"薄的部分"是指宽度并意味着所述条形件宽度小于用于成 形层叠器件的叠置体的宽度；较佳的是，所述薄的部分的宽度小于叠置体的宽度的 至少50%。 一个"薄的条形件"或"薄的部分"的宽度和长度垂直于其厚度并且 互相垂直；宽度可随意地选择为比长度短(当然就四方形而言，宽度等于长度)。 为了定义这一第二方面，在条形件配对于层叠器件里的第二条形件或薄板时，叠置 体的宽度定义为与条形件的宽度处于同一方向。在某些较佳实施例中，是用诸如钎 銲、冲压、HIP、和/或焊接等技术方法把第一条形件和第二条形件结合起来。在某 些较佳实施例中，第一条形件的一端连接于第二条形件的一端。在某些较佳实施例 中，第一条形件和第二条形件都是直的并且连接成使得第一条形件的第一端部、第 一条形件的第二端部、第二条形件的第一端部、和第二条形件的第二端部成一直线。 在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括提供一个第一薄板或薄的第一条形件；在第一薄板或薄的第一条形件的一部分 上压出一个第一凹痕；把第一薄板或薄的第一条形件放在一个具有一个第二凹痕的 基板上，使第一凹痕扣合于第二凹痕或第二凹痕扣合于第一凹痕；以及，把第一薄 板或薄的第一条形件结合于基板而形成一个层叠器件。在受压的条件下第一薄板或 薄的第一条形件不是弹性的，因此在压力撤销之后凹痕仍然存在。该方法还包括在 薄板和条形件里做出多个凹痕和/或隆起，并且在各较佳实施例中，多个凹痕和/或 隆起与对应的隆起和/或凹痕互相配对。在本发明的再一方面，本发明提供一种包括多个层状体(lamina)的层叠器件， 其中至少一个层状体包括一个第一部分和一个第二部分。至少一个层状体具有一外 周面；所述第一部分形成外周面的一部分但不是延伸于整个外周面，以及，所述第 二部分形成外周面的一部分但也不是延伸于整个外周面。还有一个把所述第一部分 连接于所述第二部分的结合段。诸如焊接或扩散结合的结合方法必然会产生一个结 合层或结合段，其具有与被结合的各零件不同的化学成份和/或不同的微观组织和/ 或不同的物理特性。在大多数情况中，结合层将存在于最终的器件中，但是在某些 例外的情况中，可以通过加长热处理周期来使材料均质化而消除结合层。不管是那 种情况，就这一方面所述的制品以及本文所述的所有制品都包括在制造过程中生产 出来的中间制品或中间器件以及最终得到的器件。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包
括把一个薄的第一条形件连接于一个薄的第二条形件以形成一个层状体的至少一 部分；并把这样形成的层状体结合于一个层叠器件。在一个较佳实施例中，用另一 个条形件把至少两个一组平行的条形件连接起来。在某些较佳实施例中，具有两个 平行的条形件，其中至少一个条形件大致垂直于各平行的条形件并连接于各条形件 之一以及向另一平行的条形件方向延伸但不是一直延伸到另一条形件。在某些较佳 实施例中，把两组平行的条形件连接成一个具有通孔的四方框；较佳的是，这个四 方框形成一个层叠器件的外周面。与用于制造层叠器件的任何方法一样，这一方法 还可包括用HIP工艺密封器件的外周面的步骤。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠器件，它包括 一个有宽度和长 度的薄板；设置在薄板上的流动改变件，其中流动改变件的厚度不超过5mm，流 动改变件的长度小于薄板的长度，流动改变件的宽度小于薄板的宽度；以及， 一个 处在流动改变件与薄板之间的结合层。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括:把一叠的诸层状体放在一个金属罐里;把所述金属罐压瘪到该叠的诸层状体上； 以及，撤销所加的压力以形成一个制品，该制品包括结合在该叠的诸层状体的各个 侧面上的一层金属薄板。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠器件，它包括 一叠的诸层状体 和一个围绕它们并与它们的外周面紧密接触的金属板。较佳的是，金属板为层叠器件的外面提供气密的密封。较佳的是，金属板是没有皱纹的。在某些较佳实施例中，金属板包绕着该叠的所有侧面。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠的制品，它包括 一个包括由多个肋条组成的一第一肋条组的一薄板，诸肋条分隔成至少三个流动路径；以及，还包括至少一个流动改变件，这个流动改变件从下列一组中选择 一个偏置于第一肋条组的多个肋条的流动改变件，而第一肋条组布置成在穿过它的直的流动路径里的流体将会冲到这个流动改变件上，或者一个第二肋条组，其包含的肋条数比第一肋条组的肋条数少并且布置成比第一肋条组更靠近流体出口。多个肋条中的每一个的长度都比薄板的长度短，这样就存在使所述至少三个流动路径的端部流体连通的各开口。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠的微通道器件，它包括 一个包括一个第一层和一个第二层的第一段，而第一层包括一个微通道，第二层包括一个相邻于该微通道的通道(channd)，第一层基本上是平的，第二层也基本上是平的；一个连接于第一段的第二段，其中第二段包括一个第三层，而第三层包括--个直接连接于所述微通道的通道，其中第三层基本上是平的并且其厚度至少等于第一层的厚度和第二层的厚度之和。所述微通道和第三层里的通道连接成使得流体可以直接从所述微通道流进所述通道而不改变方向。第二段不是一约束头(header)或一约束脚(footer)，并且该器件被构造成在其工作过程中一个单元操作(unit operation)在所述第一段和所述第二段里同时进行。在某些较佳实施例中，所述微通道和通道里具有催化剂。在某些较佳实施例中， 一个或几个通道里具有流动改变件。在某些较佳实施例中，第二层里的微通道和通道具有交叉流动的关系。这些较佳实施例不是意在限制本发明，而是它们可以具有本发明的详细说明那一节中所描述的任何结构特点。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包括提供一个具有一个表面的基板，该表面具有一第一段和一第二段；把一个第一支承件叠置在所述基板的表面的第一段上，并把一个第一薄板叠置在所述第一支承件上，这样就在基板与薄板之间形成一个微通道，其中，该微通道的厚度由支承件
的表面和薄板的第一表面限定，其中，第一支承件的厚度大致等于微通道的厚度；把一个第二支承件叠置在所述基板的表面的第二段上，并把一个第二薄板叠置在所述第二支承件上，这样就在第一薄板的第二表面与第二薄板的一个表面之间形成一个第一通道，以及，如此在所述基板与所述第二薄板的表面之间形成一个第二通道，以及，其中第二支承件的厚度大于第一支承件的厚度；以及，把通道壁设置在所述基板的表面上并相邻于所述微通道，以使所述微通道与所述第二通道之间具有一个连续的流动路径，以及，其中所述第二通道的厚度大于所述微通道的厚度。所述设置通道壁是指通道壁可以是一个被放置的块状件的一部分或者可以被成形为一个零件。说一个厚度"大致"等于一个厚度，是允许厚度具有可以由粘结剂层或焊接层引起的某些偏差或其它轻微的偏差。这一方面的一个非限制性的例子表示于图15。在某些较佳实施例中，各流动改变件叠置在基板上。在某些较佳实施例中，基板是一个薄板。在某些较佳实施例中，是把一种催化剂添加于所述微通道和/或通道。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠器件，它包括 一个限定这个层叠器件里的一层的边界的第一薄板；一个限定这个层叠器件里的所述那一层的相反的边界的第二薄板；一个连接在所述第一薄板的一侧并连接在所述第二薄板的相反的一恻的第一支承件；以及， 一个连接在所述第一薄板的一侧并连接在所述第二薄板的相反的一侧的第二支承件。第一支承件的高度(厚度)大于第二支承件的高度。一个例子表示于图15。
在本发明的再一方面，本发明提供一种制造一种器件的方法，它包括提供一个第一薄板;把一个第一支承块连接于第一薄板的一侧并连接于一个第二薄板的
相反的一侧；以及，把一个第二支承块连接于所述第一薄板的一侧，并把这个第二支承件连接于一个第三支承件或一个第三薄板的相反的一侧，这个第三薄板是设置在所述第一薄板与第二薄板之间。在这一方面，每个薄板具有一个面积，如果所述第一薄板与第二薄板之间设置有一个第三薄板，那么这个第三薄板的面积是小于所述第一薄板的面积，同时也小于所述第二薄板的面积。
在本发明的再一方面，本发明提供一个在一个集成的、层叠的微通道器件里进行一个单元操作的工艺，该工艺包括使一工艺液流(processstream)进入一个层
叠器件的第一段里的一个微通道；以及，在所述工艺液流流经所述微通道时在所述工艺液流上进行单元操作，并进行在所述微通道里的所述工艺液流与相邻的热交换通道之间的热交换；在这一工艺中，所述微通道连接于一个位于所述层叠器件的一个第二段里的一个通道；以及，在所述工艺液流流经所述第二段时在所述工艺液流上进行单元操作(在某些较佳实施例中，是同样的单元操作)。在这一工艺中，在所述第二段里的所述通道的断面面积大于所述微通道的断面面积。所述第一段的热
交换容积百分数大于所述第二段的热交换容积百分数。热交换容积百分数(heatexchange volume percentage)是定义为各热交换通道所占用的那一段的容积百分比。在某些较佳实施例中，所述单元操作是一种放热反应。在某些较佳实施例中，所述第一段包括的微通道数至少是第二段里的通道数的两倍。在某些较佳实施例中(诸如单元操作是放热反应的情况)，所述第二段是在所述第一段的下游。在各较佳实施例中，所述第一段和所述第二段定位成化学连接，使得工艺液流可以在一个基本上直通的路径里从所述第一段流到所述第二段。在某些较佳实施例中，在所述第一段和所述第二段的边界处通道的断面面积呈阶梯式的(不连续的)增大。在某些实施例中，还具有第三段、第四段等等，连续的通道的断面面积逐渐增大。这些段是
"连接的"，其意思是流体从一段直接流到另一段，没有插在中间的约束头或约束脚。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种包括流动改变件的层叠器件的方法，它包括提供一个基板；把流动改变件放在所述基板上；用一夹具对准所述流动改变件，其中所述夹具上具有至少两个槽口，其中一个槽口的尺寸确定为可容纳所述流动改变件，另一个槽口可放在另一结构上，并且各槽口的相对位置可用于把所述流动改变件定位在一个层叠体上；以及，把所述流动改变件结合于所述基板而形成一个能够进行单元操作的层叠器件。在某些较佳实施例中，用一个或多个夹具同时定位至少两个流动改变件。在某些较佳实施例中，所述夹具用于对准一个流动改变件，这个流动改变件被一个或几个边缘件(edgepiece)围绕在一个基本上平的基板上，典型地(但不是独一无二地)这是那种一个边缘完全围绕一个基板的情况。
在本发明的再一方面，本发明提供一种层叠的微通道器件，它包括 一个包括多层的第一段，其中每一层的厚度大大地小于其宽度和长度，以及，其中每一层里具有至少一个微通道； 一个包括多层的第二段，其中每一层的厚度大大地小于其宽度和长度，以及，其中每一层里具有至少一个通道；所述第一段和所述第二子部件(second subassembly)是连接成使所述第一子部件(first subassembly)的所述多层垂直于所述第二段的所述多层。最一般地说，"段"是派生于子部件，但是本发明的 这一方面说的是器件而不是用于制造器件的方法。在某些较佳实施例中，器件是用
可互锁的子部件诸如具有互锁端板(interlocking end plate)的子部件制造。在某些较 佳实施例中，器件还包括下列中的一个或几个约束头和/或约束脚、在一个或两
个段里的与工艺通道交替布置的热交换通道、 一个连接于第二段的第三段和/或在
一个或几个段里的至少4个层。在某些较佳实施例中，第一段里的一个或几个通道 直接接触于第二段里的一个或几个通道。在某些较佳实施例中，第一子部件里的微 通道连接于第二子部件里的通道，其中第二子部件的通道的断面积大于第一子部件 的微通道的断面积。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种微通道器件的方法，它 包括使一个第一子部件与一个第二子部件接触；其中，第一子部件包括多个层， 其中每一层的厚度大大地小于其宽度和长度，以及其中每一层里具有至少一个微通 道；其中第二子部件也包括多个层，其中每一层的厚度大大地小于其宽度和长度， 以及其中每一层里具有至少一个通道；其中第一子部件与第二子部件接触，使得第 一子部件里的微通道接触第二子部件里的通道；以及，把第一子部件结合于第二子 部件，使第一子部件里的那些层垂直于第二子部件里的那些层。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括提供一个薄的第一条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度至少是 5cm;提供一个薄的第二条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度至少是 5cm;把所述第一条形件和所述第二条形件放在一个叠置体上，使这两个条形件处 在垂直于其厚度的同一平面内；以及，把第一条形件和第二条形件结合于所述叠置 体，使这两个条形件形成一个微通道的各壁，并使这两个条形件之间的距离在这两 个条形件的全长上的变化不超过0.5mm (较佳的是不超过0.2mm，更佳的是不超 过0.05mm)。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括提供一个薄的第一条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度是至少 5cm;提供一个薄的第二条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度是至少 5cm;以及，把所述第一条形件和所述第二条形件放在一个薄板上，使这两个条形 件处在垂直于其厚度的同一平面内。所述薄板的长度既大于所述第一条形件的长度也大于所述第二条形件的长度。所述薄板具有围绕其周边的诸边缘，以及其中所述 薄的第一条形件是放置成距离所述薄板的周边至少0.2cm。该方法还包括把所述第 一条形件和第二条形件结合在所述薄板上，以及把所述薄板结合于一个叠置体，使 所述各条形件形成一个微通道的各壁并且使所述各条形件之间的距离在它们的全
长上的变化不超过它们之间的平均距离的5%，更佳的是，不超过2%或1%。在 某些实施例中，薄的第二条形件也以0.2cm的边距放置，以及在某些实施例中，第 一条形件和第二条形件放置成到所述薄板的周边的距离是至少0.5cm。在某些实施 例中，具有材料围绕着所述薄板的周边，使得在平行于薄板观看以及从薄板的周边 的外面观看时看不见所述薄板，这使得条形件的对准更难了，因为围绕着周边的材 料可能妨碍各种对准工具的使用。例如，在图21的实施例中，在周边材料已经就 位之后才能把各肋条放在并对准在薄板上。
在本发明的再一方面，本发明提供一种用于制造一种层叠器件的方法，它包 括叠置多个零件以形成一叠的诸零件；以及，通过逐渐加热和冷却使该叠的诸零 件结合起来，而且加热和冷却是在至少下列一种条件下进行加热和冷却速率为1 "C每分钟或更小；或加热和冷却该叠的热力周期至少是18小时。
在本发明的再一方面，本发明提供一种包含一管子的层叠器件，它包括一个 放置在层叠器件的一个通道里的管子。所述通道基本上平行于层叠器件里的叠置方
向；或者，所述通道基本上平行于叠置方向并且所述管子穿过层叠器件的至少五层。 一些例子表示于图19一20。在某些较佳实施例中，所述通道是微通道。在某些较 佳实施例中，所述管子是螺旋管子，其中心轴线基本上垂直于层叠器件的叠置方向。 与本发明的其它各方面一样，本发明也包括各种制造方法和使用各个器件的工艺。 从本文的说明可以明了这些方法，可把包含管子的层叠器件的各零件装配起来并随 后进行结合。
在某些较佳实施例中，各层叠器件是能够处理各种流体的化学反应器。本发 明还包括那些具有本文所述的任何结构特点或设计结构的器件。例如，本发明包括 一种具有放热反应通道的器件，其中冷却剂通道和放热反应通道交替地布置；并且
各反应通道里具有一个或几个流动改变件和/或包括互相成直角关系的一些子部 件。在某些较佳实施例中，可把本发明的各个方面组合起来，例如可以选择本文所 述的任一种催化剂并将其放进本文所述的任一层叠的设计结构里的反应通道。在本发明的一可替代实施例中，可以用不连续的诸层状体叠或条形件为定向 流动建立连续的通道和内部连通通路。 一不连续的层状体是在一个平面里不连续的 一层状体，但却是用互相连接的材料制成的。作为一个例子，可把一个条形件结合 于一个平的层状体或平板或结合于一个第二条形件，而后再结合于一个平板，以形 成一个微通道的至少一个侧壁。条形件的长度可小于它所在的平的层状体或平板的 长度。这种作法的一个例子表示于图21。可以在结合于平的层状体或平板的一个 或几个薄的条形件的端部留出一个空隙2112，以建立可将流体分布于多个平行且 相邻的微通道的敞开区域(即内部连通通路)。或者，可把一个第二条形件结合在 第一条形件的一端，以形成一个连续的流动通道的至少一侧。
在各条形件或层状体的端部建立用于连通的敞开区域，这对于把流体分布于 多个平行的微通道是特别有利的。典型地，流体是通过一个连接件，或者是一个粗 管子、 一个细管子、 一个导管，或者是其它流动管道，进入微通道部件。然后必须 把流体流分开成分支并使它们分别进入微通道部件里的许多平行的微通道。流体流 的分开是通过建立敞开的约束头内部空间来达到，就是把一股流分开成许多股流。 或者，也可以用在一个以上不连续的层状体或条形件结合于一个第二层状体之后形 成的敞开的空间把许多股流集合在约束脚里而成为一股流体流。用不连续的诸层状 体或条形件是有利的，因为微通道的端头或开始处可重合于结合于平的薄板或第二 条形件的第一条形件的端头。可以用至少一个第三条形件来限定用于把一股流体流 分成至少两股支流的敞开区域或流动空隙。用这种方式，可把一个流体流在进口处 分布进多个通道。或者，可以以分支的方式把流体流发散，把一个进来的流体流分 成多个分支流。然后再把每一分支流分成两倍或几倍数量的支流而供入许多平行的 微通道。
对于本文所述的各种器件的所有制造方法，本发明还包括用这些方法制造的 各层叠器件。本发明还包括用本文所述的任一器件、任一结构特点、任一设计结构 或任一系统进行一个(或几个)单元操作的工艺。
本文所述的制造技术可应用于所有用于进行各种化学单元操作的器件，包括 化学反应器、燃烧器、分离器、热交换器、乳状液生成器以及混合器。可以用于处 理气态的和液态的流体。液态的流体处理还可包括在连续的液相里具有悬浮的固体 颗粒。在某些实施例中，可用由不同材料构成的两个或多个块状件制成一个单层。 例如，可以用第一种类型的材料成形所述一个单层的大部分，再用其它的材料成形 特殊用途的结构细节；其中特殊用途的结构细节是定义为那些需要用不同的材料性 质来提高器件的性能的结构细节。特殊用途的结构细节的例子包括采用有不同的 强度特性的材料，以支援高应力区域；采用具有不同的传热系数的材料，以增强或 阻止器件的各段里的传热；采用具有不同的化学成份的材料，以改善催化剂的附着 力或改善材料性质对周围气氛的匹配。在某些较佳实施例中，器件的外周部分用致 密的材料制造，而某些或所有内部结构用多孔材料制造，以增加通道里的表面积。 较佳的是，本发明的各个制品和/或方法不含有和/或采用脱离层。 在商业性生产中，预料本发明的许多方法可以由机器人来进行。 本文所述的任一制品都可以具有许多层和重复的层组(重复的单元)，例如， 一个层叠体里可以具有2个、10个、50个或更多个重复的单元。这种层的多重性 或称"层上加层"可增加微通道器件的容量。
本发明的各实施例具有下列优点成本低、浪费少、流动特性极好以及能够 在相当大的器件里叠置零件而制成非常小的结构细节(例如可使O.lmm宽的多根 肋条以0.1mm的肋条间距延伸30cm或更长)。在某些较佳实施例中，本发明的方 法的特点是可以有效地利用材料，例如在生产具有内部微通道的制品中不采用铸造 工艺，也几乎不浪费材料(不超过30%)，这与用需要去除材料的冲制或烧蚀方 法制造器件相比，材料节省得多。
术语汇编
拿标准的专利用语来说，"包含"意味着"包括"，这类术语中没有哪一个 会排除附加的或复数的成份的存在。例如，在一个器件包括一层状体、 一薄板等等 的情况下，应该理解这个创造性的器件可能包括多个层状体、多个薄板等等。 "结合"意味着固定或粘结，并包括扩散结合、粘合、钎銲和焊接。 一个叠置体的"外周面"是围绕一层叠体(laminate)的长度和宽度的尺寸，是 在垂直于叠置体的厚度的平面上(即垂直于叠置方向)测量的。
"进行连接"意味着达到直接接触。在一个层叠的器件中"被连接了的"意 味着被结合了的。"板"是指基本上平的板或薄板，其可以具有任何宽度和长度，其厚度较佳
的是2mm以下，更佳的是0.040英寸(lmm)以下，在某些较佳实施例中是在50 和500 p m之间。宽度和长度是互相垂直的并且都垂直于厚度。在各较佳实施例中， 板的长度和宽度和由这些板叠成的叠置体的长度和宽度是一致的。板的长度是处在 流动的方向，但是在流动方向不能确定的情况中，长度是板的最长的尺寸。
"薄的条形件"是指厚度不超过5mm的条，较佳的是不超过2mm，更佳的是 不超过lmm， 一个薄的条形件的长度是它最长的尺寸，宽度是垂直于长度和厚度。 面积是长度乘以宽度。一个薄的条形件的面积是这个薄的条形件所放在上面的那个 板、基板或层叠的叠置体的面积的50%或更小，较佳的是30%或更小，并且在某 些实施例中是10%或更小。在某些较佳实施例中，薄的条形件的长度对宽度之比 是10或更大、50或更大以及IOO或更大。薄的条形件的断面可以是圆的(例如金 属丝)、方的、长方的等等。
"单元操作"是指化学反应、蒸发、压縮、化学分离、蒸馏、凝结、混合、 乳化、再生、加热或冷却。"单元操作"不是仅指流体转移，尽管单元操作往往伴 随具有流体转移发生。在某些较佳实施例中，单元操作不仅是混合。
在通过叠置薄板而形成的一个器件中， 一 "层状体"是一板。在一个通过叠 置诸条形件或其它零件而形成的器件中，一层状体可以是一个或几个流动路径流过 的一组零件。 一层状体可以是在一个平面内不连续的，但又可以是通过结合制成为 连续的。一层状体在其一端相邻于一个用于把流动分布于多个平行的微通道的开着 的区域时可以仍是在一个平面内不连续的。一个不连续的层状体可以通过把第二个 不连续的层状体接合于其一端而形成一个连续的连接体或壁。
一个"层叠的器件"是一个用层叠体制成的器件，其能够在流过该器件的工 艺液流上进行单元操作。"几个层叠的器件"是通过叠置一些零件制成的几个器件。 在某些情况中，各零件是薄板，但在其它实施例中，各零件是条形件或块状件。在 详细说明那一节描述的所有器件都是层叠的器件(或几个层叠的器件连接起来形成 的层叠器件组)。 一个层叠体可以由几个子部件层叠体构成，见图15。
一个"微通道"具有至少一个5mm或更小的内部尺寸。 一个微通道具有高度、 宽度和长度。高度和/或宽度较佳的是约为2mm或更小，更佳的是lmm或更小。 通常其长度是较长的。长度较佳的是大于lcm，更佳的是在1到50cm范围内。微通道的断面可以是沿着其长度变化的，但是一个微通道不仅仅是一个诸如进口小孔 之类的小孔。
"开着的通道"是一个至少0.05mm的空隙，其贯穿过一个反应通道，因而气
体可以以相当低的压力降流过该反应通道。
"工艺通道容积"是一个工艺通道内部容积。这一容积包括催化物的容积(如 果存在)和开着的流动容积(如果存在)。这一容积不包括通道的各壁。例如，一
个包括2cm X2cm X O.lcm的催化物和2cm X 2cm X 0.2cm的用于直接接触 催化物的流体的敞开容积的反应室具有1.2cm3的总容积。
一个层的断面积不包括通道壁的面积但包括流动改变件的面积。 一个层通常 包括由多个通道壁分隔开的多个通道。一个通道的断面积不包括流动改变件所占的 面积。
"支承块"是一个能提供层叠器件里的结构支承的块状件。典型的例子是可 把薄板分隔开的金属丝或梁。在某些实施例中，支承块直接接触(也就是连接于) 两块薄板，但是在某些实施例中， 一个支承块不是直接接触两块薄板，而是连接于 其它的支承块。基本上延伸于一个层叠器件整个断面积的各个薄板可提供结构支 承，但就术语的定义而言它们不是支承块。在某些实施例中，各支承块基本上是平 的。
"厚度"是在叠置方向上测量的尺寸。
图1是一个被压凹的零件的剖面图。
图2是用对准销装配的一个层叠器件的分解立体图。
图3表示施加于两个可互锁的条形件的均衡的压力。
图4A-C表示用像梳子一样的夹具把各个条形件对准的装配技术。
图5表示出一个在基板上的浮动肋条。
图6是两个有焊缝的子部件的分解立体图。
图7是有约束头和约束脚的两个层的部分分解立体图。
图8—11是用于表示在一个基板上的各种流动改变件形状的俯视图。
图12A-C是一个具有交叉流动通道的弧形反应器的俯视图，图12A中表示的
21那一层是叠置在图12B中表示的那一层上而形成一个器件。
图13表示出可被沿着所示的方向弄到一起的两个子部件。
图14表示出可被沿着所示的方向弄到一起的且带有互锁基板的两个子部件。
图15A是一个层叠的器件的分解立体图。
图15B是一个装配起来的器件的立体图。
图16是在一个管子里的一个层叠的立方体的分解立体图。
图17是各例子中所描述的装配起来的器件的立体图。
图18是一个由块状件装配起来的通道的分解立体图，这些块状件可改变通道 的构造。
图19表示一个嵌在一个通道里的管子，它的中心轴线垂直于叠置方向。
图20A表示一个有许多管子的层叠器件，这些管子的中心轴线平行于叠置方向。
图20B表示出可组合成图20A所示的结构的各零件。
图21表示一个薄板，其上的各个条形件分隔开几个微通道，流体可沿着这些 微通道从约束头流到约束脚。
具体实施例方式
用于构成层叠器件的薄板和条形件可以用下列加工工艺来成形常规的机械 加工、金属丝放电加工、柱塞放电加工、激光切割、模制、精密压制、水力切割、 冲制、纵向切割、拉制、辊轧成形、蚀刻(例如化学蚀刻、光化学蚀刻和等离子蚀 刻)以及这些加工工艺的组合。为了降低成本，用冲制工艺在薄板或条形件上冲出 通孔是特别合适的。如图l所示，可以用精确压制的方法，使一个可变形的薄板或
条形件承受力2而变成一定形状的薄板或条形件3。任何成形工艺都可以组合附加
的步骤，例如，可把图1中的阴影部分机械加工掉而切割成平表面。本发明的方法 中的某些方法还具有这样的特点，就是不需要某些成形技术，例如某些较佳的方法 不采用蚀刻、冲制、铸造、熔化粉末、模制、化学或物理沉积等等。
在某些情况中，为得到完好的结果必须避免用某些技术方法。例如，镍和镍 合金不适于用蚀刻加工，因而用蚀刻不能以很好的重复性生产出高精度的结构物。
类似地，对于在薄板上成形出尺寸小于板厚的1.5倍的通孔，冲制也不是很有效的技术方法。本发明的技术方法可以克服这些难点。
本发明的另一个明显的优点是能够成形结构物而浪费非常小。在各较佳实施 例中，成形的层叠器件中通过去除材料(诸如蚀刻或冲制)产生的空的容积不超过 50%，更佳的是不超过10% (不包括连通区域)。
为了成形一个层叠器件，可把薄板或条形件叠置在一个基板上。就本发明中 的用法而言，基板被广义地定义为是另一个薄板或条形件或一个较厚的零件，它们
可能是例如一个已经结合的板叠(sheetstack)。较佳的是，可以在结合之前把各个薄 板或条形件对准成一叠。在某些实施例中，把銲剂放在一个薄板或条形件(或多个 薄板和/或多个条形件)的一个或多个表面上来帮助结合。可以用同样的技术方法 把流动改变件(下面将描述)用在层叠器件里。
应把各个薄板或条形件对准成一叠。可以在各个薄板和/或条形件上加工出对 准孔并在其中插入对准销来把各个薄板和/或条形件对准成一叠。图2示出了一个 例子，其表示出用对准销来制成一个具有集成的热交换的微通道反应器。第一薄板 202放在下面，诸条形件204放在其周边上。用对准销206来定位各条形件。把第 二薄板208套放在对准销上，而完成一个长方形的3维断面的反应通道214的成形， 其中，微通道的尺寸是第一薄板与第二薄板之间的距离。随后继续进行叠置工艺， 就是把不同的另一组周边条形件210、 211套在对准销上。这些条形件210、 211 的尺寸使得可由它们形成在这种"画框" 一样的结构上的进口 212和出口 216。可 把一个可以是微孔物质的并且是一个成形的块状件(诸如具有波纹的块状件)的插 入件(未示)插进反应通道214里，插入件可以含有或不含有催化剂。这一插入件 的用途可以是作为一个催化物，来增大诸如用于传热的表面面积，或者提供结构支 承。可在由条形件210、 211形成的画框内放一个插入件。在所示的实施例中，把 两个不平行的薄板220装配进画框里。两个薄板220上具有供流体流动的槽，这两 个薄板是不平行的(上面那块薄板的边缘211邻接条形件221，而边缘223邻接条 形件210)而提供一个用作进口的上空间和一个用作出口的下空间。还可把第三个 薄板(未示)套在各对准销上，使第二薄板与第三薄板之间的距离成为在这一器件 里的第二个流体流的微通道尺寸。可以把一叠板件(包括一个子部件，而这个子部 件不包括最终器件的全部零件)提起离开对准销，或者拆下对准销(诸如把它们烧 掉或拔出来)，或者使对准销变成结合在这一叠板里。另一个对准方法是采用模具来对准薄板和/或条形件，这一方法特别适用于定位诸如肋条的流动改变件。在某 些实施例中，用模具把叠板零件保持在位，而后通过焊接、加热粘结或扩散结合把 各叠板零件固定在位，随后去掉模具。在其它实施例中，可以先去掉模具而后使各 零件结合起来。模具可以是可重复使用的，也可以是一次性使用的，例如每次使用 时通过烧毁而去掉。
应该注意到这种成形方法、层叠的器件以及通过图2中和本文中的每一个 图所示的器件进行单元操作的方法,尽管是本发明的概述那一节讨论的各个方面的 子项目，但也都是本发明的独立的方面。
另一种把薄板和/或条形件对准的作法是用能够互锁的薄板和/或条形件。这类 块状件可以用诸如图1和3所示的匹配块互相锁合(配对)。可以通过例如成形出 凹槽和对应的凸起部来制成互锁结构。凹槽可以是缺口，而凸起部可以是可配合入 缺口的对应脊条。较佳的是，凸起部可通过精压(压制)步骤来成形，但在一些不 是优选的实施例中，凸起部可以是结合到薄板或条形件上的。类似地，凹槽可以是 通过压制、切割或剥离而成形。当然，为了更好地配对， 一个薄板或条形件上可以
既有凹槽又有凸起部。图3表示出条形件32和34的结合，其中的箭头表示使它们
结合的压力。
另一种对准方法如图4A-4C所示。可拆装的夹具112有槽口 114，其尺寸能容 纳条形件116。在所示的例子中，用夹具112可将各条形件精确定位。定位之后， 可把夹具从表面上拿开而留下精确地定位在基板118上的条形件116 (见图4C)。 对于把很长且很低的流动改变件定位在基板上，这种方法特别有利，例如可以把7 英寸(18cm)长(或更长)、非常细(例如直径仅为0.01英寸(0.03cm)或更小) 的金属丝精确地定位在一个基板上，其间距的误差不超过0.001英寸(0.003cm)。 可以用这种方法解决的另一个挑战性的问题如图5所示，其表示出把一个浮动的肋 条122对准在具有边框124的基板126上，这是其它的定位方法难以做到的。尽管 图4表示出用夹具把条形件互相对准，但是应该理解也可以用夹具把一个结构相对 于另一个结构诸如一台装配机器的边缘或外部零件(未示)定位。
在本文所述的任一技术方法中，可以在一单个步骤中或通过把各叠置的子部 件(子部件可以是例如焊接的)结合起来而使一个层叠的叠板结合起来。所谓"子 部件"是定义为从各薄板、条形件和流动改变件中选择的两个或几个零件。图6表示出两个具有焊缝的子部件402、 404，这些焊缝用于使两个子部件结合在一起。 在某些较佳实施例中，是把一组薄板和/或条形件(较佳的是在一单个步骤中)结 合起来，而后把所形成的结合了的一大块制品切割成多个器件。
可以用扩散结合法，诸如冲头施压或加热均衡施压(HIP)，把各个薄板、条 形件和子部件结合在一起。也可以通过活性金属键合(reactive metal bonding)、钎銲 或能建立端面密封的其它方法把它们结合在一起。也可以用焊接方法，诸如TIG(钨 极惰性气体保护电弧焊)焊接、激光焊接或电阻焊接。或者，器件也可以用粘结剂 结合起来。
在需要全长都密封起来以便容纳流体的情况中，可以采用缝隙焊接，以形成 基板、条形件和/或流动改变件之间的完全密封。可以用间断焊或点焊来把条形件、 流动改变件或子部件保持在位，而不建立沿着整个边缘的完全密封。通常，对间断 焊接的部件还要进行随后的结合步骤。
钎銲技术及其成份是已知的并可用于成形本发明的器件。己经惊人地发现 用约10小时以上、更佳的是至少18小时以上的钎銲周期，可制成明显较好的器件， 其几乎没有扭曲变形并具有较好的结合牢度。钎銲周期是从加热开始一直到銲成的 制品冷却到一个明显低于銲料固化温度的温度的时间。或者换一种说法，已经惊人
地发现在钎銲工艺中以rc/分钟的加热和冷却速度可以制成明显较好的器件，其
几乎没有扭曲变形并具有较好的结合牢度。为了避免氧化，钎銲(以及其它加热金 属的方法)最好是在真空或惰性气体环境中进行。
在某些较佳实施例中，预结合的零件具有一个低熔点材料(例如镍磷合金或 镍硼合金)的镀层，这一镀层在加热过程中形成对第二个零件的一种熔合。例如， 可对薄板加以镀覆，并在薄板上冲压出所需的结构。在某些实施例中，可把各零件 叠置起来并用激光从上面聚焦在几个关键区域来仅仅熔化镀层，叠置和局部加热可 连续进行，直到把制品装配好。为了对付局部加热工艺中可能产生的扭曲变形，可 以用夹具或施加压力。另一种作法是把激光聚焦在叠置体的各侧边上，使銲料熔化
并在冷却时重新固化。如果愿意，可把焊接的制品放在烘箱里令其进行扩散结合， 对于镍基合金，烘箱的温度最好是保持在100(TC — 105(TC。在预结合的零件上镀 覆一个结合层对于钎銲銲料合金是一种替代，但是也可以把镀覆与钎銲銲料合金并 用。我们已注意到热梯度对层叠的微通道器件的影响比对常规尺度的器件的影 响大得多。已经出乎预料地发现在把一个叠置体里的两个或多个部分结合到一起 之前，给这个叠置的器件固定一个约束头或一个约束脚(最好是两者)可以大大降
低由结合过程产生的扭曲变形。图7给出了这种作法的一个例子。零件92和94 叠置在一起，其间夹有任选的钎銲銲料96。零件92和94可以是例如其上具有微 通道的子部件，而96是钎銲銲料成份。在进行结合之前，把约束头或约束脚或最 好是两者焊接或用其它方法固定于各零件，然后加热整个部件以达到结合，各零件 被保持在位，因而不会产生很大的扭曲变形。
应该避免采用会使微通道有尖锐的内角的结合方法，因为其可能产生应力集 中。相反，为了使压力分布均匀，希望在各零件的结合部位形成圆角。用能够形成 弯曲的表面而不是尖锐的内角的结合方法把两个或多个零件结合起来，有助于防止 裂纹的出现和扩展，这可使器件更稳定。因此，在各较佳实施例中，在本文所述的 任一方法和器件中，通道或微通道里具有一个或多个内部接头，而这些接头具有弯 曲的表面。
用于器件的装配和/或结合的各种方法可以采用同样的方法或各种方法的组 合。例如， 一个子部件可以是焊接到一起的，然后再焊接于也是通过焊接成形的第 二个子部件。或者，例如， 一个子部件可以是点焊在一起的，而后焊接于第二个子 部件，并对这一组合的部件进行扩散结合。
对于成形高精度的器件，各种结合方法都可能是重要的。 一个较佳的结合方 法是加热均衡施压(HIP)，以达到固态扩散结合。典型地，HIP是这样进行的 把一叠的层状体封闭在一个金属罐里并在高温下施加压力，施加的结合压力使表面 粗糙部分足够紧密地移动到一起，而发生固体扩散。虽然不会产生大范围的宏观塑 性变形，但是在表面粗糙部分进入接触的那些点却会产生局部塑性流(plastic flow)。 由于接触面积小，接触点的压力将是非常高，以至可能局部地超过屈服点，这就可 形成一结合的层状体。在某些实施例中，把所述金属罐从层叠体上取下。但是在某 些较佳实施例中，所述金属罐保留在层叠体的外表面上并形成包围层叠体的外周的 一气密密封。例如，可把外表面的某些部分通过机械加工去掉，以形成诸进口和出 口。或者，器件可能已经具有进口和出口，并且如果金属罐没有挡住进口和出口， 就不必进行机械加工。另一个替代作法是可以通过撕掉一些部位来形成进口和出
26口。在某些较佳实施例中，可在HIP工艺中对层叠体内部的一个或几个空穴加压， 这可帮助阻止空穴空间的变形以及帮助把结合压力传递给在空穴的任一侧的层状 体。
另一个较佳的结合方法是通过加热均衡加压来达到瞬间液相(TLP)扩散结合。 与固态扩散结合不同， 一个钎銲銲料层用在诸层状体之间。这层钎銲銲料很薄，因 此就在其熔化温度之上向着和来自诸层状体的扩散可引起足够的将要固化的浓度 的变化，。作为一个瞬间液相，钎銲銲料合金能够在诸层状体之间流动，以至大大 增加相邻的镀层之间的接触。一旦固化，钎銲銲料也经历与层状体之间的固态扩散。
可以用本文所述的零件和/或本文所述的结构和/或用本文所述的方法制造许 许多多微通道和层叠器件。这样的层叠器件可以是例如热交换器、反应器(集成的 燃烧反应器是反应器的一种较佳的型式)、分离器、混合器、这些东西的组合以及 能够进行单元操作的其它微通道和层叠器件。术语"层叠的制品"涵盖层叠的器件 以及层叠的子部件。
尽管层状体个体是非常薄的，但是器件的尺寸是不受特殊限制的，因为可以 把许许多多的层状体(具有所需要的长度和宽度)叠置到任何所需要的高度(厚度)。 在某些较佳的实施例中，本发明的制品可包括至少5个层状体，更佳的是至少10 个，在某些实施例中甚至是50个以上。在某些较佳实施例中，这种制品包括至少 2个重复的单元，在某些实施例中是至少5个重复的单元(每个重复的单元包括至 少3个不同的层状体)。
本发明的零件包括薄板、条形件和流动改变件。可以存在于本发明的层叠制 品里的其它零件包括流体约束头和/或约束脚以及流体进口和/或出口。在某些实施 例中，至少一种流体流过这种层叠制品，并且在某些实施例中，这种流体是液体。 约束头或约束脚可构形为能配合子部件的端部，例如，约束头/约束脚上的四方端 头可匹配于一个立方体子部件的一个侧面。
流动改变件是位于流动路径(较佳的是微通道路径，就是说，流动路径有至 少一个尺寸是5mm或更小)里的固体物体，它能使流动发生变化。较佳的是，这 种制品设计成具有可改善流动特性的流动改变件。但是在某些实施例中，流动改变 件的一个用途(在某些情况中，是唯一的用途)是提供结构支承，这样的例子包括 支承柱和支承肋条。层叠的器件里的流动改变件的例子表示于图8—11。通道壁502、 602、 702、 802不是流动改变件，因为它们包围并限定了一个完整的流动路 径。流动改变件504、 604、 614、 616 (其可以是延伸于底板(下薄板)与天棚(上 薄板)之间的支承肋条)可以有不同的长度。不是延伸于流动路径的整个长度的肋 条，诸如504、 506、 614、 616，有时被称为"浮动的肋条"。浮动肋条可以延伸 于例如流动路径长度的80%或更小、50%或更小、20%或更小。浮动肋条的至少 一端不是固定于同一层里的另一结构(例如一个横杆)。"流动路径"的距离d 是沿着通道从进口到出口的距离。流动改变件可以从进口开始延伸而终止于达到出 口之前(如图8所示)；也可以是在进口之后开始并延伸到出口；或者是在进口之 后开始并延伸到出口之前(例如肋条612)。肋条组610和肋条组612是错开的， 以使流线(flow line)重新分布。在这几个图中，厚度是沿着垂直于纸面的方向，长 度是肋条的较长的那个尺寸。在某些较佳实施例中，流动路径里中间区域的流动改 变件704的个数比约束头区域(靠近进口)和/或约束脚区域(靠近出口)的多， 见图10。在本发明的这一方面，流动改变件的个数是沿着一条垂直于经过流动路 径的流体流的线来计数，并且包括在每一段里的最多流动改变件数目。这种配置允 许用较短的约束头和/或约束脚，这可降低结构材料的消耗和成本。在某些较佳实 施例中，中间区域的流动改变件数目比约束头或约束脚区域的流动改变件数目至少 多2个，并且在某些实施例中是至少多5个。另一种任选的流动改变件布置方式是 以变化的角度布置基本上直的(典型的是大致长方形的)流动改变件，如图10所 示。
对于许多实施例，流动改变件最好是很长但不是很宽，例如用于提供结构支 承，同时其对流动的障碍为最小，而使流动空间为最大。典型地，这些流动改变件 是长方体(长度比宽度大得多)，如图8和9所示，或者是有一定锥度的大致长方
体。但是，在某些较佳实施例中，流动改变件的形状可从下列中选择一种或几种
三角形804、菱形(非90°角)806、圆形808或不规则的形状。所表示的这些形状 仅用于长度和宽度；但是在某些实施例中，流动改变件的厚度也可以是变化的。流 动改变件的宽度和/或厚度也可以是变化的，例如，在某些较佳实施例中，流动改 变件包括放在流动路径里的金属丝。流动改变件也可以具有诸如螺旋或开软木塞的 螺旋起子那样的形状。在某些实施例中，流动改变件是放在流动路径里的静止的混 合器。在某些较佳实施例中，流动改变件连续地延伸于流动路径的、从进口 (或约束头)到出口 (或约束脚)的全长。在某些较佳实施例中，流动改变件是弧形的。
一种较佳的反应器形状表示于图12。 一个弧形的热交换器层(heat exchanger layer)160有流动改变件/支承物162，其可以是通过把弧形的流动改变件放在薄板 164上来形成。反应器层(reactor layer)165相邻于热交换器层160。在图12b所示的 较佳实施例中，支承肋条167从进口约束头区域169向外辐射。在各较佳实施例中， 多个反应器层和多个热交换器层以交替的方式叠置并结合而形成一个层叠体。在各 较佳实施例中，放热反应成份172流进反应器层并在其中发生放热反应，而冷却剂 或吸热反应成份174流过热交换器层。从工艺观点来看，工艺液流在行进通过反应 区域时遇到断面积增大的流动路径，这可使工艺液流流过反应区域时的接触时间增 加。与本文所述的其它反应器层一样，可在反应器层里放置催化剂，可以以从旁边 流过的型式放置，也可以以直通流过的型式放置。在所示的实施例中，工艺液流的 流动是向外的辐射流，但是在某些其它实施例中，工艺液流可以是沿着相反的方向 流动。
本发明的另一方面表示于图13 — 14，其表示出把两个子部件组合在一起而形 成的器件。图13表示出含有工艺通道层(layer of process channel)132的子部件131 被夹置在诸热交换通道134之间。可把这一子部件连接于第二子部件135。在所示 的实施例中，第二子部件里的工艺通道137的断面积比工艺通道136的大得多。热 交换器139 (具有热交换通道140)给子部件135提供温度控制。在所示的实施例 中，第二子部件里的工艺通道的断面流通面积比(相对于部件的断面，或者说是， 相对于热交换通道的断面)大于第一子部件里的工艺通道的断面流通面积比。在以 所示的方式把第一子部件和第二子部件组合在一起而构成的器件中，从工艺通道流 出的流体遇到了较大的容积，相应地，其在第二子部件的工艺通道里的接触时间增 大了。部分地由于传热距离较短，第一子部件里的传热速率较快。采用这种型式的 结构的方法可为在反应的初始阶段要求高传热速率而在反应的较后阶段要求较少 的传热的高放热工艺提供特殊的优点。可以对传热距离和流动容积的设计进行精确 地剪裁，以满足将在每一个子部件里进行的过程的反应需要。
由于允许的允差很小，把各子部件连接成具有平行的微通道是极难的。把各 子部件连接成它们的各层垂直地定向，这样的一个特殊的优点是能够直接地(也就 是邻近地)把各微通道连接起来。在某些实施例中，可把各子部件连接在重复的单元里或连接成通道断面有变化，诸如 一个第一子部件具有(即包括)几个平均断 面积很小的层，把这些层连接于一个第二子部件，而这个第二子部件的层数很少并 具有较大的平均断面积，再把第二子部件连接于一个第三子部件，这个第三子部件 的层数更少并具有更大的平均断面积。
图14表示出一种诸如用互锁块把子部件结合到一起的较佳方法，在所示的例
子中，是把互锁基板142 (在这一图中是端板)互锁于基板144。所谓"互锁基板"
是一个子部件，它的长度和/或宽度比同一叠置体中的其它零件的大，并且可以互 锁或配合于(互锁基板无需锁在一起，而是各基板可配合在一起并随后结合起来而
形成一流体连接(fluid connection))另一个子部件的互锁基板而在这两个子部件之
间形成连接(包括一个或几个流体流动路径)。同一个叠置体或不同叠置体的各层
之间的间距可以是相同的或不同的。可以用本文所讨论的任一种结合技术把各子部
件结合起来。对于两个以上子部件的连接，互锁基板可以搭叠于两侧(延伸超过其
它零件的长度或宽度)。可将各子部件设计成当它们正确地互锁在一起时各子部件
里的通道直接对准。或者，可将各子部件设计成具有诸互锁基板，使它们可留出一
能在其中发生混合的内部通道空间。典型地，可将用于工艺或热交换流体的各约束
头(未示)连接于各开着的端面。所示的实施例表示出各基板带有侧面和长方形的
边缘，但是应该理解各基板可以具有其它的形状，例如，第一子部件和第二子部 件可以具有能够互相配对的斜边缘。
图15A和15B表示出一个集成的层叠器件，其制成为具有布置在其内部的多 层通道。图15A表示的是包括基板162、流动改变件164和169、通道块168和薄 板166的分解立体图。图15B表示出装配起来的器件，它包括第一段165和第二 段167。在某些较佳实施例中，工艺液流在各薄板166之间流动并绕流过诸流动改 变件164。热交换流体(或第二个工艺液流)在基板162与薄板166之间垂直于这 一工艺液流流动。这种配置也使得能够为最需要的地方提供传热，同时能给不需要 进行高度传热的地方留出较大的单元操作空间。典型地，各连续的流动通道的断面 面积将以阶梯形式改变。
图16表示出一个做成为具有六个侧面的层叠器件，所有六个侧面上都有开口 。 可把这个层叠器件180装在用两个管子半体182和184密封在一起而形成的一个管 子里。这样做的优点是，只要求两个密封处就能把这个器件的四个侧面封闭起来。在一个较佳实施例中，这个层叠器件的至少两个相反的边缘接触管子的内壁并密封 于管子的内部。在工作中，第一工艺液流可从侧面184流向侧面182，而第二工艺
液流垂直于器件流过并可被收集在约束脚186里。表示出了一个四方的端面，应该 认识到可把约束头和约束脚设计成能够匹配于任一子部件的形状。器件180可以是 一单个部件，或者是几个子部件互锁在一起的集合体。
图18表示出用本发明的某些方法可以达到的一些设计灵活性。各个分离的块 状件182可以各自成形并定位在薄板183和184之间。各个块状件形成具有许多个 块状件的有梯度的通道壁185以及沿着通道的长度变化的通道几何形状。在某些较 佳实施例中，用至少4个块状件(在某些实施例中是至少IO个)建造一个具有变 化的通道几何形状的通道。层叠的通道壁块状件186可有向通道内突出的格板187。 这些格板可用于例如增加催化剂涂层的接触面积。
图19表示出一个器件，其中一个螺旋管子192嵌在微通道里。在一种较佳构 造中，是在进行形成一个层叠器件的结合步骤之前把管子嵌入。在一种较佳的作法 中，是让第一种流体(例如流体B， 一种传热流体)流经螺旋管子的内部，而让第 二种流体(例如流体A， 一种反应物)流过通道并与流体B发生热交换。在各较 佳实施例中，螺旋管子的内径为lmm或更小。
图20A表示出一个层叠体，其中多个管子穿过层叠体上的多个通孔。这些管 子可阻止各薄板之间可能发生的流体泄漏。用常规的方法或本发明的方法，可将这 一层叠体成形为具有供附加的流体流动的通道。图20B是一个分解立体图，其表 示出那些管子和两个完全相同的子部件，它们提供了穿过这个整体的交叉流动通 道，两个子部件都垂直于管子的中心轴线。
可以对任何薄板、条形件和流动改变件进行蚀刻以形成所需的结构特点。但 是，为了降低成本和增加选材的多样性，在某些较佳实施例中是把某些结构(诸如 流动改变件)焊接或粘结于一个表面。在某些较佳实施例中不是用蚀刻制备各零件 和器件。
根据所需的特性，可以用诸如塑料、金属、陶瓷、玻璃和复合材料或它们的 组合来制作各种制品。在某些较佳实施例中，本文所述的制品是用硬材料制造，诸 如陶瓷、铁基合金(例如钢、蒙奈尔合金)或高温镍基超耐热合金(例如因考奈尔 625、因考奈尔617或海纳合金230)。在某些较佳实施例中，这类器件可由耐久性和热传导性都好的材料制成。在某些实施例中，这类器件可以用诸如塑料、玻璃 和复合材料之类的其它材料制造。当然，钎銲銲剂、粘结剂和催化剂之类的材料可 用在本发明的某些实施例中。
本发明包括可在本文所述的任何器件里或用本文所述的发生反应的方法进行 的化学反应。如所周知，小的尺寸由于其传热和传质距离短可给出极高的效率。各
种反应可以不用催化剂进行，但最好是用均质的或非均质的催化剂进行。非均质的 催化剂可以是粉末、涂在反应室壁上的涂层或内置物(像箔片一样的固体内置物或 微孔内装物)。适用于催化某一特定的反应的催化剂是本技术领域已知的，近年来 己经研制出了多种特别适用于微通道反应器的催化剂。在本发明的某些较佳实施例 中，催化剂可以是微孔催化剂。本文所说的"微孔催化剂"是指一种微孔材料，它
的孔的容积占整个微孔材料的容积的5—98%，较佳的是30 — 95%。材料的孔的容 积的至少20% (较佳的是50%)是由直径为0.1—300微米、较佳的是0.3—200 微米、更佳的是1一100微米的微孔构成。微孔容积和微孔尺寸分布是用水银灌注 法(Mercury porisimetry)(假定微孔是圆柱形的)和氮气吸收法来测量。如所周 知，水银灌注法和氮气吸收法是两个互补的方法，对于测量尺寸大于30纳米的微 孔，水银灌注法比较精确；而对于尺寸小于50纳米的微孔，氮气吸收法比较精确。 在大多数气相催化剂条件下，在0.1—300微米范围内的微孔尺寸可使分子产生穿 过材料的分子扩散。微孔材料本身可以是催化剂，但微孔材料最好包含金属、陶瓷 或复合材料的支承物，这些支承物上具有沉积在其上的一种或几种催化剂材料的一 层或多层。微孔性可以是几何学上规则的、诸如蜂房形的或平行的孔构造，微孔性 也可以是几何学上曲折的或随机的。在某些较佳实施例中，微孔材料的支承物是泡 沫金属、泡沫陶瓷、金属毡(即像席子一样的非纺织纤维)或金属丝网。微孔构造 可定向为流体是从旁边流过的或直通流过的。催化剂也可以采取细金属丝网的形 式，其在旁边流过的催化剂配置中平行于流动方向。
或者，催化剂支承物可以用重金属薄片或箔片来成形。可以把微孔催化剂层 涂在重金属上，以便为反应提供足够活化的表面部分。然后，或者依次地或者同时 地进行活性的催化剂金属或金属氧化物的洗涂，以形成活性催化剂结构。或者在结 合或形成微通道结构之前或者在其之后，重金属箔片或薄片将形成被放在反应器内 部的一插入结构。可以在已经把一种催化剂放进去之后把它沉积在插入物上，较佳的是，要使催化剂插入物接触靠近吸热和放热反应室的一个或几个壁。
或者可以通过涂覆工艺把微孔催化剂附着于反应器的壁。涂层可包含第一微 孔层，以增加活性区域的数目。较佳的是，催化剂的容积平均微孔直径是从10纳 米量级(例如10或20纳米)到10微米量级(例如10到50微米)。然后，可以 依次地或同时地把活性金属或金属氧化物催化剂洗涂到第一微孔涂层上。
催化剂的较佳的主要活性成份包括IUPAC (国际理论化学和应用化学联合
会)规定的IIA、 IVA、 VA、 VIA、 VIIA、 VIIIA、 IB、 IIB、 IVB各组的元素，镧 系元素和锕系元素。催化剂层，如果存在，最后也是微孔的。如果采用微孔的支承 物，催化剂层的平均微孔尺寸(容积平均值)最好是小于支承物的平均微孔尺寸。 分布在支承物上的催化剂层的平均微孔尺寸最好是从10—9m到10—7m，这是指用 BET方法(布鲁瑙厄一埃梅特一泰勒测定法)进行的氮气吸收量测量的。更佳的 是，总的微孔容积的至少50%容积是由直径为10—Vi到10—7111的微孔构成。催化 剂层里的这些小的微孔内部的扩散在性质上是努森(Knudsen)扩散，这对气相系 统是典型的，其中分子与微孔壁的碰撞比分子与其它气相分子的碰撞频繁得多。
在某些较佳实施例中，催化剂是采取可以方便地插入和取出反应室的插入物 的形式。可以用多种类型的催化剂把几个反应室(相同型式或不同型式的)串连地 组合起来。例如，可以让各反应物通过含有第一种类型的催化剂的第一反应室，并 且再让从第一反应室出来的产物通过后续的一个含具有第二种类型的催化剂的反 应室(或者同一反应室的后续阶段)，在其中把所述产物(更确切地说是中间体) 转变成更希望得到的产物。如果愿意，可以向所述后续的反应室加入附加的反应物。
也可以用诸如涂敷修补基面涂层(wash coating)的其它方法来施加某种催化剂 (不必是微孔的)。较佳的是利用化学气相淀积、热氧化等方法先在诸金属表面上 涂敷一缓冲剂层，这样就改善了此后的修补基面涂层(wash coat)的粘附性。
用于扩散结合的牺牲薄片(sacrificial shim)
在薄片的扩散结合期间被施加的压力能造成不希望的通道压縮。由于扩散结合 要求高温，在结合所需要的时间内受载荷作用的材料可能由于载荷超过了它的屈服 强度而发生某一程度的非弹性变形和蠕变。可以用放置在薄片叠置体的任一侧(或 可以是仅一侧)的、并由至少一个壁薄片或壁板分离于流动通道的牺牲薄片减轻通
33道的压縮。牺牲薄片一般是描述为一个大的开口袋子，它包盖着在薄片叠置体(shim stack)里的另几个开口袋子。牺牲薄片袋子(sacrificial shim pocket)承受由结合力产 生的变形的一部分并且通常是在结合周期之后被压縮。薄片叠置体的没有材料的那 些段将不传递任何力。
在加压结合中，牺牲薄片吸收变形力并帮助保持内部尺寸与用于工作的开着的 区域一致。这样，内部的空穴可不受影响，而外部空穴(牺牲槽(sacrificial slot)) 将明显变形。
对于任何结合方法(轴向加压法或均衡加压法)，如果牺牲薄片上的开着的区 域延伸得比工作通过宽，通道的端部就不直接承受载荷，并且工作通道内的长度变 化可减小。因此，牺牲空穴最好延伸得比它们保护的工作通道远一些(例如长一些)。
牺牲薄片可以采取一个或多个薄片的形式，多个薄片可以叠在一起或由固体的 壁分隔开。各牺牲薄片可以贴近所需的薄片叠置体并由厚度(高度)为0.25mm或 更小的单个薄片分隔开。或者，各牺牲薄片可放置成至薄片叠置体具有一个较大的 距离，例如大于6mm。虽然各牺牲薄片最好是在工艺通道的外面(即更靠近表面)， 但是牺牲薄片也可以放置在薄片叠置体里的别的地方。可使牺牲薄片里的各通道不 与在器件工作工艺中参与器件的所需的单元操作的任何流体相接触。各反应室是空 的，或者以后充以流体，以使散失于环境的热损失为最小，或促进沿着器件的长度 的轴向传热。
也可以把牺牲薄片的概念应用于3-D (3维)结合方法的应用，诸如应用于HIP 法，这种方法也对薄片施加垂直于结合方向的载荷。各薄片的侧面可以覆盖一个护 罩或一个开口的袋子，以便在结合工艺中承担压缩而不使所需的各通道变形。在替 代的构造中，可把袋子成形为固定于薄片叠置体的侧面的外部零件，或者可把各袋 子成形在叠置体里的每一薄片上以形成牺牲护罩(sacrificial shroud)。
本发明还包括在本发明的任一个层叠器件里进行一项或多项单元操作的工艺。 适于进行一项单元操作的操作条件可通过例行的实验来确定。本发明的各种反应包 括乙酰化反应、加成反应、垸化反应、脱垸基反应、加氢脱垸基反应、还原性垸 化反应、胺化反应、氨氧化反应、芳构化反应、芳基化反应、自供热重整反应、羟 基化反应、脱羟反应、还原性羟基化反应、羰化反应、还原性羰化反应、还原性耦 合、凝结作用、裂化反应、加氢裂化反应、环化反应、环齐聚作用、脱卤反应、脱氢反应、氧化脱氢反应、二聚作用、环氧化反应、酯化反应、交换作用、
Fischer-Tropsch (费歇尔一特罗普希)反应、卤化反应、氢卤化反应、均化作用、 水合作用、脱水作用、氢化反应、脱氢反应、加氢羧化反应、加氢甲酰化反应、加 氢分解作用、加氢金属取代作用、硅氢化反应、水解作用、加氢处理(包括加氢脱 硫反应HDS/HDN)、异构化作用、甲醇化反应、脱甲基反应、置换反应、氮化反 应、氧化反应、部分氧化反应、聚合反应、还原反应、重组反应、反向的水气体转 化、萨巴蒂埃(Sabatier)催化有机合成、硫化作用、调节聚合反应、转酯基反应、 三聚合作用以及水气体转化。对于以上所列的每一反应，熟悉本技术领域的人都知 道，需要具有催化剂和反应条件，而本发明包括采用这些催化剂的装置和方法。例 如，本发明包括用胺化催化剂和装有胺化催化剂的装置进行胺化的方法。本发明可 以这样地针对以上所列每一反应进行描述，或者个别地(例如加氢分解作用)，或 者成组地(例如分别用氢卤化反应催化剂、加氢金属取代作用催化剂和硅氢化反应 催化剂的氢卤化反应、加氢金属取代作用和硅氢化反应)。适用于采用本发明的装 置的每一反应的工艺条件和催化剂可以通过已有技术的知识和/或例行实验来确 定。作为一个例子，本发明给出用本文所述的一个层叠器件(具体地说是一个反应 器)进行的Fischer-Tropsch反应。
例子
用下列零件(以层叠方向的厚度进行描述，并且标号对应于图17)制造了一
个试验器件
标号52，肋条，0.06英寸宽X O.l英寸厚X 3.685英寸长； 标号54，肋条，0.06英寸宽X 0.2英寸厚X 3.130英寸长；
肋条，0.06英寸宽X 0.200英寸厚X 2.14英寸长(肋条的第二种型式)； 标号56，薄板，3.140英寸宽X 0.020英寸厚X 3.690英寸长； 标号58，底板，3.140英寸宽X 0.5英寸厚X 3.690英寸长； 标号60，边缘条形件，0.500英寸宽X 0.2英寸厚X 3.140英寸长； 标号62，边缘条形件，0.500英寸宽X O.l英寸厚X 3.690英寸长；以及 标号64，钎銲薄片，放在每一边缘条形件的上面和下面。 在制造工艺中，用前面所述的像梳子一样的夹具把各肋条对准在薄板上并把各边缘条形件也放在薄板上。用间断焊接把各肋条和边缘条形件固定在位。较佳的是， 焊接步骤用电阻焊或激光焊接(点焊)。以这一方式，制成了各个子部件。把各个 子部件叠置起来，使钎銲箔片在边缘条形件的端面上，并放到一个钎銲烘箱里在真 空中加热到800。C。
各通道与外面之间的压力差要求把边缘条形件的周边密封于相邻的壁薄片。可 以在叠置工艺中用激光焊接密封各外面部分。对于暴露在部分地装配的叠置体的表 面上的边缘条形件，可把边缘条形件的下部激光焊接于它所在的薄板。在把一个薄 板叠置在边缘条形件上之后，可通过穿透薄板而达接头的局部加热把上面的边缘条 形件的周边激光焊接于就在其上面的薄板。
第二个器件是用同样的方法制成的，但是用的是下列零件
金属丝(肋条)，0.01英寸直径X 7英寸长
肋条，0.04英寸宽X 0.04英寸厚X 5.0英寸长； 薄板，5.0英寸宽X 0.015英寸厚X 7.0英寸长； 底板，5.0英寸宽X 0.5英寸厚X 7.0英寸长； 边缘条形件，0.5英寸宽X 0.01英寸厚X 7.0英寸长； 边缘条形件，0.5英寸宽X 0.04英寸厚X 5.0英寸长；以及
钎銲箔片。
在第二个器件中，各金属丝是以0.03英寸的空隙对准在每一层里的各金属丝 与99根金属丝之间。
这些试验器件是用304或316不锈钢和BAg8或BAg8a Cu-Ag(或Cu-Ag-Li)
钎銲銲料制造的。含具有锂的钎銲銲料能够更好地进入接头并可抵抗表面氧化。
曾经发现采用长的钎銲周期可生产出明显较好的器件。根据常规的做法，曾 经预料用4一8小时的钎銲周期将能得到好的结果，但是，出乎意料地发现更长
的钎銲周期，例如18小时，达到了某些更好的结果，而用24小时的钎銲周期可达
到最好的结果。换一种说法，曾发现采用rc/分钟或更小的加热或冷却速率达到
了出乎意料的极好结果，而较快的加热或冷却速率会使叠置体扭曲和变形。
还曾发现与不采用焊接的约束头和约束脚的叠置体相比，在把叠置体放进钎 銲烘箱之前给叠置体焊接上一个约束头和一个约束脚可使层叠体的扭曲明显减小。 用这些例子中所述的各方法制成的各块状件都作过漏泄试验并且未发现漏泄。
权利要求
1. 一种用于装配一种层叠的微通道器件的方法，它包括把一个第一块状件连接于一个第二块状件；把所述第一块状件和第二块状件结合起来而形成一个微通道器件其中，在制成微通道之后，所述第一块状件已经成为微通道壁的至少一部分，以及其中，所述第一块状件构成所述微通道器件的外周面的50％或更小；以及其中，所述第二块状件构成所述微通道器件的周边的50％或更小。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一块状件构成所述层叠器件的外周面部分，而所述第二块状件不构成所述层叠器件的外周面部分。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二块状件是流动改变件。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，先把所述第一块状件和所述第二 块状件结合起来而后进行叠置其它块状件的步骤。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一块状件包括一个具有一个薄的部分和一个布置在所述薄的部分上的第一配对结构的第一条形件，以及所述 第二块状件包括一个第二条形件或一个薄板，该第二条形件或薄板具有布置在其上的一个第二配对结构；其中，所述第一配对结构和所述第二配对结构以互锁的方式配合在一起；以及所述方法包括把所述第一条形件上的所述第一配对结构连接于所述第二条形 件或薄板上的所述第二配对结构。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一条形件和所述第二条形 件是用下列技术方法中之一结合在一起钎銲、冲压、HIP (加热均衡施压)以及 焊接。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一条形件具有长度和宽度 以及一个第一端部和一个第二端部，其中每一端部都是位于其长度的极点处；其中，所述第二条形件具有长度和宽度以及一个第一端部和一个第二端部， 其中每一端部都是位于其长度的极点处；其中，所述第一条形件的一个端部连接于所述第二条形件的一个端部。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一条形件是直的以及所述 第二条形件也是直的，并且所述第一条形件和所述第二条形件连接成使得所述第一 条形件的第一端部、所述第一条形件的第二端部、所述第二条形件的第一端部以及 所述第二条形件的第二端部成一直线。
9. 一种用权利要求5所述的方法制造的层叠器件。
10. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一块状件包括一个具有一 个薄的部分的第一条形件，以及所述第二块状件包括一个所述第二条形件，所述方法包括把所述第一薄的条形件连接于所述第二薄的条形件而形成一个层叠体的至少 一部分；以及把所形成的层叠体结合于一个层叠器件。
11. 如权利要求IO所述的方法，该方法包括第一、第二、第三和第四条形件， 其中所述第一条形件和所述第三条形件是平行的，并且该方法还包括把所述第二条 形件连接于所述第一条形件和所述第三条形件的步骤。
12. 如权利要求IO所述的方法，它还包括一个HIP步骤，借以密封层叠器件 的外周面。
13. 如权利要求1所述的方法，它包括 把所述第一块状件连接于所述第二块状件；其中，所述第一块状件不是连续的平板或波纹板，并且其中所述第二块状件 也不是连续的平板或波纹板；以及进行结合而形成一个层叠器件，其中，所述第一块状件结合于所述第二块状 件；其中，在结合之后所述第一块状件和所述第二块状件给所述层叠器件提供结构 支承。
14. 如权利要求13所述的方法，它还包括一个把所述第一块状件连接于一个 连续的平板或波纹板的步骤。
15. —种层叠的器件，它包括一个第一薄板，其限定了所述层叠器件里的一层的边界； 一个第二薄板，其限定了所述层叠器件里的所述层的相反的边界；一个第一支承块，其连接在所述第一薄板的一侧上并连接在所述第二薄板的 相反的一侧上；一个第二支承块，其连接在所述第一薄板的一侧上而不连接在所述第二薄板 的相反的一侧上；其中，所述第一支承件的高度大于所述第二支承件的高度。
16. —种用于制造一种器件的方法，它包括 提供一个第一薄板；把一个第一支承块连接在所述第一薄板的一个侧面上并且连接在一个第二薄 板的相反的侧面上；把一个第二支承块连接在所述第一薄板的一个侧面上，并且把这个第二支承 块连接在一个布置在所述第一薄板与所述第二薄板之间的第三支承件或第三薄板 的相反的侧面上；其中，每个薄板具有一个面积，并且，如有一个第三薄板布置在所述第一薄 板与所述第二薄板之间，那么所述第三薄板的面积小于所述第一薄板的面积，以及， 所述第三薄板的面积也小于所述第二薄板的面积。
17. —种用于制造一种包括一流动改变件的层叠器件的方法，它包括 提供一个基板；把流动改变件放在所述基板上；用一种夹具对准所述流动改变件，其中，所述夹具上具有至少两个槽口，其 中一个槽口的尺寸确定为可容纳所述流动改变件，另一个槽口可放在另一结构上， 并且各槽口的相对位置可用于把所述流动改变件定位在一个层叠体上；以及，把所 述流动改变件结合于所述基板而形成能够进行单元操作的层叠器件。
18. —种用权利要求17所述的方法制成的器件。
19. 如权利要求17所述的方法，它还包括用至少两个夹具对准所述流动改变 件，其中每个夹具具有至少两个槽口。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述夹具是梳状的并且用于同 时定位至少两个流动改变件。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于， 一个或几个边缘件把至少两个 流动改变件围绕在一个基本上平的基板上。
22. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括提供一个薄的第一条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度至少是5cm5提供一个薄的第二条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度至少是5cm;把所述第一条形件和所述第二条形件放在一个叠置体上，让这两个条形件形 成一个微通道的各壁，并使这两个条形件之间的距离在这两个条形件的全长上的变 化不超过0.5mm。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，先把所述第一和第二条形件结 合于一个薄板，而后把所述第一和第二条形件结合于一个叠置体；以及其中，所述把所述第一和第二条形件结合于一个叠置体的步骤包括把所述薄 板结合于所述叠置体。
24. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述结合是用逐渐加热和冷却 进行的，而且加热和冷却是在至少下列一种条件下进行加热和冷却速率为rc/分钟或更小；或加热和冷却所述叠置体的热周期至少是18小时。
25. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二条形件是一个浮动肋条。
26. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括提供一个薄的第一条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度是至少 提供一个薄的第二条形件，其长度对宽度之比至少是10并且其长度是至少5cm;把所述第一条形件和所述第二条形件放在一个薄板上，使这些条形件处在垂 直于厚度的同一平面内；其中，所述第一条形件具有第一长度以及所述第二条形件具有第二长度，以及，其中所述薄板的长度平行于所述第一长度和第二长度；其中，所述薄板的长度既大于所述第一长度也大于所述第二长度；其中，所 述薄板具有围绕其周边的诸边缘，其中所述薄的第一条形件是放置成距离所述薄板的所述周边至少0.2cm;以及把所述第一条形件和所述第二条形件结合在所述薄板上，以及，把所述薄板 结合于一个叠置体，使所述各条形件形成一个微通道的各壁并且使所述各条形件之间的距离在所述条形件的全长上的变化不超过所述各条形件之间的平均距离的5 %。
27. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括提供一个具有一个薄的部分和一个布置在所述薄的部分上的第一配对结构的第一条形件；提供一个第二条形件或一个薄板，其包括布置在其上的一个第二配对结构； 其中，所述第一配对结构和所述第二配对结构以互锁的方式配合在一起； 把所述第一条形件上的所述第一配对结构连接于所述第二条形件或薄板上的 所述第二配对结构。
28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一条形件和所述第二条 形件是用下列技术方法中之一结合在一起钎銲、冲压、HIP (加热均衡施压)以 及焊接。
29. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述第一条形件具有长度和宽 度以及一个第一端部和一个第二端部，其中，每一端部都是位于其长度的极点处；其中，所述第二条形件具有长度和宽度以及一个第一端部和一个第二端部， 其中，每一端部都是位于其长度的极点处；以及其中，所述第一条形件的一个端部连接于所述第二条形件的一个端部。
30. 如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一条形件是直的以及所 述第二条形件也是直的，并且，所述第一条形件和所述第二条形件连接成使得所述 第一条形件的第一端部、所述第一条形件的第二端部、所述第二条形件的第一端部 以及所述第二条形件的第二端部成一直线。
31. —种用权利要求27所述的方法制造的层叠器件。
32. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括把一个薄的第一条形件连接于一个薄的第二条形件以形成一个层叠体的至少 一部分；以及把这样形成的层叠体结合于一个层叠器件。
33. 如权利要求32所述的方法，该方法包括第一、第二、第三和第四条形件, 其中，所述第一条形件和所述第三条形件是平行的，并且该方法还包括把所述第二 条形件连接于所述第一条形件和所述第三条形件的步骤。
34. 如权利要求32所述的方法，它还包括用HIP方法密封所述层叠器件的外 周面的步骤。
35. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括 把一个第一块状件连接于一个第二块状件；其中，所述第一块状件不是连续的平板或波纹板，并且其中所述第二块状件 也不是连续的平板或波纹板；以及进行结合而形成一个层叠器件，其中所述第一块状件结合于所述第二块状件; 其中，在结合之后所述第一块状件和所述第二块状件给所述层叠器件提供结构支 承。
36. 如权利要求35所述的方法，它还包括一个把所述第一块状件连接于一个 连续的平板或波纹板的步骤。
37. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括 把一叠的诸层状体放在一个金属罐里； 把所述金属罐压瘪到该叠的诸层状体上；降低所加的压力以形成一个制品，该制品包括结合在该叠的诸层状体的各个 侧面上的一层金属薄板。
38. 如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述叠的诸层状体包括由各通 道壁限定的并包括各通道壁之间的尖角的一个内部通道，以及，该方法还包括在对 所述金属罐加压之前把所述尖角倒圆的步骤。
39. —种用权利要求37所述的方法制成的器件。
40. —种用于制造一种层叠器件的方法，它包括 把多个零件叠置成一个零件的叠置体；以及通过逐渐加热和冷却进行所述零件叠置体的结合，而且加热和冷却是在至少 下列一种条件下进行加热和冷却速率为rc/分钟或更小；或加热和冷却所述叠置体的热周期至少是18小时。
41. 一种包含管子的层叠器件，它包括 一个设置在一个层叠器件里的一个通道内的管子；其中，所述通道基本上垂直于所述层叠器件里的叠置方向；或者其中，所述通道基本上平行于所述叠置方向，并且所述管子穿过所述层叠器 件的至少五层。
42. 如权利要求41所述的含具有管子的层叠器件，其特征在于，所述通道是 一个微通道。
43. 如权利要求41所述的含具有管子的层叠器件，其特征在于，所述管子是 一个螺旋管子，其中心轴线大致垂直于所述层叠器件里的叠置方向。
全文摘要
本发明揭示了多种用于制造层叠的微通道器件的新颖方法。给出的例子包括用薄的条形件而不是完全用薄板制造；用加热均衡施压(HIP)工艺制成具有气密密封的壁的器件。还描述了具有新颖的结构特点的层叠的微通道器件。本发明还包括用所述的各个制品中的任一制品进行的各种工艺。
文档编号B23K31/02GK101480598SQ20081018897
公开日2009年7月15日 申请日期2003年11月26日 优先权日2002年11月27日
发明者A·L·同克维齐, A·古普塔, D·J·库尔曼, G·B·查德威尔, G·罗伯茨, J·A·马西亚斯, M·B·施米特, R·J·卢森斯基, S·P·费茨杰拉尔德, T·D·尤斯查克, T·M·温纳 申请人:维罗西股份有限公司