JP4052587B2

JP4052587B2 - ２種類のガスを多経路一体式の構造体に流出入させる方法及び装置

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Publication number: JP4052587B2
Application number: JP2003536675A
Authority: JP
Inventors: ブルウン、トール; ウェルスウィック、ビョルナール; クリスティアンセン、コーレ; グリョンスタド、レイフ
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: NO321805B1; ES2286281T3; EP1444475B1; DE60221141D1; ATE366907T1; JP2005505743A; DE60221141T2; EP1444475A1; NO20015134L; WO2003033985A1; US7285153B2; DK1444475T3; NO20015134D0; US20040261379A1

Description

本発明は、２種類のガスを多経路一体式の構造体に流出入させる方法及び関連装置に関する。２種類のガスは通常、異なった化学的及び／または物理的特性を有する２つのガスである。

ここではガス１及びガス２と呼ぶガスは、それぞれガス１用の経路及びガス２用の経路に送り込まれる。ガス１及びガス２は、経路壁の少なくとも１つがガス１及びガス２用の共有または共通壁であるようにして、一体式構造体内で分配される。その場合、２種類のガス用の共通壁である壁は、物質及び／または熱交換に使用可能な２種類のガス間の接触領域を構成するであろう。このことは、一体式構造体の断面積全体に分布している経路内にガスを送り込まれなけらばならないことを意味する。本発明は、その全接触領域または一体式構造体の経路壁全体を直接的にガス１及びガス２間の熱及び／または物質移動に使用することができるようにする。このことは、一方のガス用の経路が、その経路壁の他方側に他方のガスを常に有する、すなわち、ガス１用の経路に近接または隣接したすべての経路がガス２を収容し、逆も同じであることを意味する。本発明は、高温のガスを処理しなければならないコンパクトなセラミック膜構造体及び／または熱交換器構造体の製造に特に適用可能である。代表的な用途は、酸素透過性セラミック膜、ガスタービン用の熱交換器、及び合成ガスの生成用の熱交換器の改質器(reformer)である。

多経路一体式の構造体固有の特徴は、それらが長手方向に伸びた平行な内部経路を多数有する本体からなることである。すべての経路を含めた一体式構造体全体を１つの作業で製造することができ、使用される製造技法は通常、押し出し成形である。一体式構造体の経路は通常、寸法が１〜６ｍｍ程度であり、壁厚が通常、０．１〜１ｍｍである。上記寸法の経路を有する多経路一体式の構造体は、単位体積当たりの表面積を大きくすることができる。上記経路寸法の一体式構造体の場合の通常値は、２５０〜１０００ｍ^２／ｍ^３であろう。一体式構造体の別の利点は、直線的な経路であり、これによるガスの流動抵抗は低い。一体式構造体は通常、高温に耐えるセラミックまたは金属材料で製造される。これにより、それらは頑強であり、特に高温処理に適用可能である。

産業または商業環境では、一体式構造体は主に、単一のガスだけが一体式構造体内のすべての経路を流れる状況で使用される。一体式構造体内の経路壁を、内部を流れるガスに化学反応を引き起こす触媒で被覆することができる。これの一例は、車両排気系統内の一体式の構造体である。排ガスが一体式構造体内の壁を、触媒が排ガス内の望ましくない成分の酸化を促進することができる温度まで加熱する。

一体式の構造体は、燃焼ガスまたは排ガスから燃焼処理用の流入空気に熱を伝達するためにも使用される。１つの方法では、一体式構造体内を交互に流れる２種類のガス、たとえば、高温及び低温ガスが関係する。そのような方法では、たとえば、排ガスが一体式の構造体を加熱し、その後、熱を低温空気に放出することができる。この時、空気は、構造体の材料内に蓄積された熱を受け取るであろう。熱が材料から放出される時、一体式構造体内を通るガス流が排ガスに戻り、サイクル全体が繰り返される。しかし、同一構造体内で２種類のガス（高温のもの、及び低温のもの）が交互するサイクルでのそのような再生熱交換処理は、２種類のガスの混合が望ましくない場合、または安定的で連続した熱及び／または物質交換が望ましい場合には適さない。一体式構造体の産業的使用は、主に１種類のガスだけが同時にすべての経路を流れる用例に限定される。

文献には、異なる２種類のガス流間で熱及び／または物質を移動させるために一体式構造体を好都合に使用することができる多くの処理及び用例が記載されている。小規模実験試験も、そのような処理で実行されてきた。これの一例は、合成ガス（ＣＯ及びＨ_２）の生成である。合成ガスは、通常は水蒸気改質を使用して生成される。これは、メタン及び水蒸気が反応して合成ガスを形成する吸熱反応である。そのような処理は、隣接経路内での発熱反応が熱を水蒸気改質に供給する一体式構造体内で好都合に実行することができる。

多くの用途において、２種類のガス間での物質及び／または熱交換用に一体式構造体を使用することが好都合であろうということがわかっているが、そのような用途に一体式構造体を産業的に使用することは、あまり一般的になっていない。一体式構造体がこれらの領域で使用されない不満または理由の最も重要な点の１つは、２種類のガスを一体式構造体の個々の経路に流出入させるための従来技術が複雑であり、特に一体式構造体内の経路が多数であることを考慮すると、大規模化（すなわち、幾つかの一体式構造体ユニットの相互接続）にはあまり適さないことである。

独国特許第ＤＥ１９６５３９８９号は、２種類のガスを供給パイプに流して一体式構造体の経路に送り込む装置及び方法を記載している。これらの供給パイプは、２種類のガスをそれぞれのガスのプレナムチャンバーから一体式構造体のそれぞれの経路へ送り込む。プレナムチャンバーは互いに外側にあり、外側のチャンバーからのパイプは、内側のチャンバーを通った後、一体式構造体の経路内へ送り込まれなければならない。一体式構造体の経路及びプレナムチャンバーの壁内の引き込み部(lead-throughs)からの漏出を防止するために、各パイプを封止しなければならない。

加熱時には一体式構造体、プレナム壁、パイプ及びシール材料が膨張し、冷却時にはそれらが収縮する。これにより、クラックの形成及び望ましくない漏れが発生し、その結果、２種類のガスが混合する可能性が増加する。この可能性は、パイプの引き込み部の数に伴って増加する。

独国特許第ＤＥ１９６５３９８９号では、低温の可撓性シール材料を使用できると共に、クラックの形成及び漏れの危険性を減少させることができるように、封止パイプの入口及び出口ゾーンを冷却する。当然ながら、冷却システムによって一体式の構造体がより高価になると共に、特に、一体式構造体が何千もの経路からなり、十分な表面積を得るために、多くの一体式の構造体を直列及び／または並列に並べて使用する必要もある大規模での用例では、より複雑になるであろう。

米国特許第４２７１１１０は、２種類のガスを流出入させる別の方法を記載している。この方法には、一体式の構造体内のそれぞれのガスのプレナムチャンバーから経路までのパイプ送り込みを完全になくすことができるという利点がある。これは、一体式構造体の端部の下に平行ギャップを切ることによって達成される。これらの切断部またはギャップは、一方のガス用の経路内へ、またはそれから通じている。ギャップの切断部は(The gaps cut)、そのギャップを切った経路列用のプレナムチャンバーに対応している。一体式構造体の端部の方に面するギャップ開口を封止することによって、一方のガスが流出入することができる開口が、一体式構造体の側壁に形成される。その場合、他方のガスは、一体式構造体の小口端部の残りの開放経路に流出入するであろう。この方法の最大の欠点は、一体式の構造体自体に必要な加工（切断及び封止）以外に、物質及び／または熱交換に使用可能な面積の半分しか利用できないことである。たとえば、一方のガス及び他方のガス用の正方形経路は、連続列をなしていなければならないであろうから、これらの２種類のガス用の経路構造体は、板形熱交換器に対応する。２種類のガス用の経路がチェックパターンに分散されて、黒領域が一方のガス用の経路に対応し、白領域が他方のガス用の経路に対応する場合、そのようなガス分散パターンでは、一方のガス用の経路のすべての壁が、他方のガス用のものとの共通または共有壁になるであろうから、その面積を最大限に利用することができるであろう。米国特許第４２７１１１０号のように、同一ガス用のガス経路が一列に並んでいる場合、経路壁のほぼ半分だけが、他方のガスのものに接触しているであろう。

一体式の構造体の製造に押し出し成形技術を使用することによって、経路の幾何学的形状に大いに影響を及ぼすことができる。製造方法としての押出成形は、一体式の構造体全体が１動作で製造されることを意味する。経路の断面積は、形状及び寸法の両方が異なってもよい。経路の断面積は、寸法及び形状を均一にすることができ、形状は最も一般的には、たとえば、三角形、正方形または六角形である。しかし、幾つかの幾何学的形状の組み合わせも考えることができる。幾何学的形状は、経路の寸法と合わせて、機械的強度、及び単位体積当たりに得られる表面積に重要であろう。

本発明の主たる目的は、２種類のガスを多経路一体式の構造体に流出入させるための、最大限に面積を利用することを達成できる方法及び装置を得ることである。

本発明を使用すれば、米国特許第４２７１１１０号に記載されているような切断、または独国特許第１９６５３９８９Ｃ２号に記載されているようなパイプ送り込みを行う必要がない。

本発明の範囲は、最大の広義では、２種類のガスを一体式の構造体内の経路に流出入させるマニホルドヘッドであって、それらの経路の１つまたは複数が、そのマニホルドヘッド内の１つまたは複数のプレナムギャップと連通するマニホルドヘッドである。

さらに、それは、２種類のガス間の物質及び／熱移動用の一体式システムであって、内部経路を有する一体式の構造体と、マニホルドヘッドとを備えて、そのマニホルドヘッドが、その一体式の構造体の少なくとも一端部に密封接合される、一体式システムと、２種類のガス間の物質及び／熱移動を行う方法であって、これらの２種類のガスが、１つまたは複数の一体式システムを介して供給される、方法とを含む。

本発明は、化学プラントに組み込むことができる。

本発明は、すべての種類の形状及び寸法を使用する自由と、熱及び／または物質交換のために使用可能な最大限の表面積を使用する可能性とをユーザに与える。米国特許第４２７１１１０号に記載された方法では、同一ガスのすべての経路が、少なくとも１つの壁を共有し、それにより、共有壁を取り除くか、機械加工でなくした時、そのガス用の共通プレナムチャンバーを構成することになる接続ギャップが形成されるようにする必要がある。同一ガスの２つの隣接経路が少なくとも１つの共通経路壁を有していなければならないことは、使用可能な熱及び／物質交換面積が減少することを意味する。独国特許第ＤＥ１９６５３９８９Ｃ２号では、それぞれのガスのプレナムチャンバーから一体式構造体経路内へ送り込むパイプが使用されており、使用可能面積を最大限に使用することができるように、経路を分散させることができる、すなわち、一方のガスが常に他方のガスと経路壁を共有するか、共通経路壁を有するように、ガスを送り込んで分配する。２種類のガスは、チェックパターンに対応する経路内に分配される。これにより、使用可能な物質及び／または熱交換面積を最大限に利用することができる。

本発明は、効果的なやり方で、異なる２種類のガスを多経路一体式の構造体内のそれぞれの経路に流出入させることができる方法及び装置からなる。２種類のガス用の経路の開口を一体式構造体の断面積全体にわたって均一に分散または拡散させると共に、経路が共通壁を有することが必要である。本装置は、効果的かつ簡単なやり方で、同一種類のガス、たとえば、ガス１を、このガスを収容しているすべての経路から１つまたは複数のプレナムチャンバーに集め、それにより、ガス１をガス２から、またはその逆に分離させておくことができる。

さらに、可能な最小数の部品または部材、及びこれらの部品または部材及び一体式構造体の可能な最小限の処理及び適応は、頑丈さ、複雑さ及びコストの点で好ましいであろう。原則的に、個別部材または部品の数が少ないほど、大きい利益が得られるということは、本当である。これは、一体式構造体の経路に流出入させようとする２種類のガス間の封止を簡単にするのに役立つ。また、２種類のガスを一体式構造体構造体内のそれぞれの経路に流出入させる装置を、１つまたは２〜３の動作だけで事前に作製して一体式構造体自体に密封接合させることも、非常に好都合であろう。

さらに、一体式構造体内に一定の経路寸法で可能な最大の接触面積を得ることも、好ましいであろう。一体式の構造体または経路壁が、膜、たとえば、セラミック水素膜または酸素膜として使用される場合、このことが特に好都合であろう。

一体式の構造体の単位体積当たり可能な最大の関連ガス成分搬送能力を得るために、単位体積当たりに可能な最大接触面積を設けることが重要であろう。したがって、ある経路内をガスが流れる場合、その経路を構成する側壁のすべてに他方のガスが接することが望ましい。一例として正方形の経路を使用すると、２種類のガスは、チェス盤に対応する経路パターンで、すなわち、一方のガスが「白い」経路を、他方のガスが「黒い」経路を通るように、一体式構造体内を流れなければならない。可能な最大の直接接触面積は、２種類のガス間の物質移動に非常に重要であるのに加えて、熱移動効率にも重要であろう。

経路が小さいほど、一体式構造体内の比表面積が大きいであろう。したがって、コンパクトな解決手段を達成するために、実際に可能な限り最小の経路を有することが望ましいであろう。

一体式構造体の経路が入口及び出口を有する一体式構造体の端部で、マニホルドヘッドが、一体式構造体の経路の開口の上方に密封接合されている。一部の用例では、一体式構造体の一端部だけにマニホルドヘッドを密封接合することが必要であろう。マニホルドヘッドは、一体式構造体内の経路寸法に合わせた距離を置いてはめ付けられる分割プレートを有する。プレート間の距離または空間は、同一列上にある経路からガスを集める。この空間は、プレナムギャップと呼ばれる。経路列は、好ましくは一体式構造体の小口端部全体を横切る方向に延在し、同一ガス用の入口または出口経路のいずれかを有する。同一ガスのこれらのガス経路列は、マニホルドヘッド内の密封接合分割プレートによって分離されている。その場合、２種類のガスは、それぞれのプレナムギャップに集められるであろう。同一ガス用の経路列と共に、一方のガス用のプレナムギャップは、他方のガス用のプレナムギャップを分割プレートの他方側に有するであろう。正方形の経路を有し、同一ガスが列状に配置されている一体式構造体では、分割プレートを一体式構造体内の経路壁に密封接合させなければならないであろう。分割プレートを直接的に一体式構造体内の経路壁に密封接合させる代わりに、代替として１枚のプレートを最初に一体式構造体の小口端部に密封接合させることができる。これは、一体式構造体内の経路の開口が通じる穴を有するプレート（穴プレート）である、すなわち、それにより、同一ガスを収容しているさまざまな経路からのガスを、そのプレートの開口に通して送り出しプレナムギャップに送り込むことができる。このことは、マニホルドヘッド内の分割プレートが、直接的に２種類のガスを分離する一体式構造体の経路壁ではなく、穴プレートの穴列の間に密封接合されることを意味する。

ガス１及びガス２用のガス経路を一体式構造体内にチェックパターンに分散させる場合、ガス１及びガス２用に適応させた開口を有する一体式構造体の端部に１つの穴プレートを密封接合させることによって、上記マニホルドヘッドを使用することができる。これは、２種類の別個のガスを流出入させるための、一体式構造体内の表面積を最大限に利用できるようにする方法及び装置を表す。ガスは、一体式構造体内のチェック分散パターンから、一体式構造体に密封接合されたプレートの穴列へ移送される。さらに、ガス１及びガス２は、これらの穴列から、ガス１及びガス２がチェックパターンとして分配され、一方のガスが「黒い」経路を通り、他方のガスが「白い」経路を通る一体式構造体の経路に流出入する。穴プレートは、チェックパターンに分配されたガスを、ガス１及びガス２を互いに分離することができる分割プレートによって分割されたプレナムギャップに送り込むことができる。プレートの穴は、それらを密封接合させる経路の開口よりわずかに小さい開口面積を有しなければならない。経路面積より小さい出口面積であることに加えて、一体式構造体の経路構造体に密封接合されるプレートの開口及びマニホルドヘッド内の分割プレートは、２種類のガスの経路へ通じるまたはそこから外に通じる穴の間の距離が、同一ガス用の入口及び／または出口を有する穴列間に分割プレートを配置することができる距離であるように、構成されて位置決めされていなければならない。２種類のガスをチェックパターンで分配する正方形経路の例を使用すると、２種類のガス間の分割プレートは、同一ガスの穴列間の真っ直ぐな対角線に沿って設けられる、すなわち、同一ガス用の正方形経路の開口は、コーナーに結合接触点を有する。

この時、一体式の構造体内の経路に分配された２種類のガスを個別のプレナムギャップに流出入させることが可能である。２種類のガスがマニホルドヘッド内のプレナムギャップに流出入する時、それらを分離させておくことができるように、同一ガスをマニホルドヘッドの一方の側縁部のプレナムギャップの開口に送ることができ、また、同様に、他方のガス用のすべてのプレナムギャップは、マニホルドヘッドの、第１ガスと反対の側縁部で外に通じる。

ガスを各経路からプレートの穴を通して直接的にマニホルドヘッドのプレナムギャップ（マニホルドヘッド内の分割プレート間の空間）内へ送り出す１つの穴プレートではなく、幾つかのプレートを、好ましくは斜めの貫通経路を設けた肉厚プレートを有するシステムでは、マニホルドヘッド内の分割プレート間の距離を、一体式構造体の経路の開口よりはるかに大きくすることができる。

これは、一体式構造体及びマニホルドヘッド間の穴プレートシステムの内部に形成された斜め経路を通して、１つの経路からのガスを隣接経路からの流れに送り込むことによって行われる。その時、一体式構造体内の１つまたは複数の隣接経路からのガスは、共通出口を通ってマニホルドヘッド内のプレナムギャップへ送られなければならない。これらの共通出口／入口は、同一ガス用の出口が互いに集まり、同様に他方のガス用の出口も互いに集まるようにして、システム内に配置される。同一ガス用の出口がこのように集められ、それにより、それらが形成するパターンによって、マニホルドヘッド内の分割プレート間の距離を、プレートを直接的にマニホルドヘッドに密封接合させて、一体式構造体内の個々の経路の側部がその距離を決定する場合より相当に大きくすることができる。

一体式の構造体の単位体積当たり最も効率的な熱移動は、小さい経路及びチェックパターンのガス分配で達成される。これは、一体式構造体内の使用可能な表面積のほぼ１００％を使用することができる。経路が小さいほど、単位体積当たりの比表面積が大きくなるが、小さい経路であると、マニホルドヘッドを通して一体式構造体経路にガスを流出入させることもより複雑になるであろう。上述のような穴プレートシステムは、小さい経路に対する流出入を簡単にすると共に、チェックパターンのガス分配を維持できるようにする。

以下に、やはり２種類のガスを小さい経路に流出入させることをより容易にする方法を記載する。これは、放熱効果を利用できるように、低温及び高温ガス経路を配置することによって達成される。これは、一体式の構造体内で、高温ガス経路から放熱を受けることができる壁を低温ガス用の経路の内部またはその間にはめることによって行われる。一体式の構造体内のガス経路をそのように分散させることは、一体式構造体を、好ましくはガス温度が高温の熱交換器として使用する場合に最も適切であり、それにより、最も効率的な放熱寄与が生じる。そのようなガス分配パターンは、２種類のガスを完全なチェックパターンで分配することはできないが、それでも、チェックパターンのガス分配で達成できるものに非常に近い熱交換器効率を得ることが可能であろう。放熱効果を利用する上述のような一体式の構造体内のガス経路の分散により、マニホルドヘッド内の分割プレートを、経路の断面寸法より大きい離隔距離で配置することができる。同時に、そのようなシステムは、同じ断面寸法の経路でのガス分配で達成することができるものに、低温及び高温ガス経路を簡単に分散させたシステムより近い熱移動効果を達成するであろう（例１を参照）。

上述したように、低温ガスを送る経路内の壁(wall internally in the channels)が、他方側で同一ガスを送る経路壁から放熱を受けることによって、放熱効果が利用される。低温ガスの経路内の壁の加熱は、低温ガスの加熱に役立つ。したがって、低温ガスは、そのような放熱壁がない場合よりも高温になる。低温ガス経路間の内部に複数の壁を有するそのようなシステムを使用することも考えられる、すなわち、高温ガス経路の壁から直接的に放熱を受け取る壁は、次の低温のガス経路間の内部の次の壁などの加熱に役立つ。もちろん、その場合に放熱効果は、低温ガス経路内の壁の数に応じて漸減するであろう。高温ガスを送る経路内に壁を挿入することによって、低温ガスについて記載した通りに放熱原理を利用することができる。

経路内のガス分配による放熱効果を利用する本方法は、マニホルドヘッドをさらに簡略化するための上記の穴プレートシステムの利点と組み合わせることができる、すなわち、マニホルドヘッド内の分割プレートの数を減少させ、それに応じてそれらの間の距離を増大させることができる。これにより、一体式の構造体内の非常に小さい単位の経路（＜２ｍｍ）の効果を利用することが可能になるであろう。

次に、マニホルドヘッドを用いないで２種類のガスを一体式の構造体に流出入させるシステムを記載する。この方法は、同一ガスのガス経路を、共通壁を共有する列状に配置することに基づく。米国特許第４２７１１１０号に記載されているものと同様にして、これらの共通壁を一体式構造体の一定深さで切り欠き、続いて端部で封止して、それにより、一方のガスが流出入することができる開口を一体式構造体の側壁に形成することができる。

しかし、米国特許第４２７１１１０号に記載されている方法とは異なって、本方法は、列状のガス経路が、側壁に沿って一方向に平行に延在するだけでなく、列パターンが（互いに直角をなす）両方向に形成されることに基づく。このことは、これらの交差列を切断して、（上述したように）封止した後、結果的に一体式構造体の４つの側壁すべてに開口が生じ、列が一方向だけに平行に延在する場合のように２つの側壁だけでないことを意味する。これにより、ガスを一体式構造体に流出入させる融通性を大きくすることができる。その場合、ガス経路を３×３の繰り返し単位で、一方のガスがコーナーの経路を通り、他方のガスが中央で交差する２列（十字）を通るように配置することが可能である。同様に、４×４経路の繰り返し単位にすることが可能であり、その場合、中央で交差する接続列(centrally intersecting connected rows)が十字を形成する。そして、残りの６個の経路も、各コーナー（十字の上部）に１つ、また、十字の底部の各側の対応の外縁部に２つ、配置される。

本発明は、簡単かつ効果的なやり方で、２種類のガスを多経路一体式の構造体内の個々の経路に流出入させることができるようにする。これは、一体式構造体の小口端部、すなわち、経路の開口がある側部に密封接合したマニホルドヘッドによって行われる。本方法は、２種類のガスを均一に分配する時、同一ガスを送る経路の開口が列状に並んだシステムを一体式構造体内に使用することに基づく。同一ガスの経路穴の列は、マニホルドヘッド内のプレナムギャップに通じている。２種類のガスがマニホルドヘッドのいずれかの側部から流出することができるように、プレナムギャップに開口を設けてもよい。これは、個々のガス流を別々のプレナムチャンバー（すなわち、２枚の分割プレート間に形成された空間）から一体式構造体内の個々の経路に流出入させることができることを意味する。このことは、２種類のガスを一体式構造体に流出入させるためにパイプを使用するか、一体式構造体自体に切断部またはギャップを設ける必要がないことを意味する。さらに、幾つかの一体式構造体を平行に、すなわち、側面同士を合わせて並べて、それにより、ガスをマニホルドヘッド上の傾斜壁によって形成された経路を通して外部容器に流入、かつ／または容器から流出させることが可能であろう。

マニホルドヘッドが矩形に形成されて、一体式構造体の側壁の延長上に直線壁がある場合、一方のガスがマニホルドヘッドの直線側壁で流出入することができるのに対して、他方のガスは、小口端部の開口で、すなわち、一体式構造体内の流れ方向のまさに延長上で流出入する。

一体式構造体を互いに一定の距離を置いて組み合わせて、ガスが側部開口で流出入できるようにしなければならない。一体式構造体間にシールプレートをはめて、さまざまな入口／出口開口からのガスが混合しないようにすることにより、ガスを個々の一体式構造体に流出入させるために使用することができるプレナムチャンバーが形成されるであろう。同様なシステムは、流動方向の延長上の小口端部、及び一体式構造体内の流動方向に垂直、すなわち一体式構造体の側壁の両方の開口をやはり生じる切断部付きの上記システムに使用することができる。

さらに、本発明は、以上に記載した通りに、上記マニホルドヘッドで、２種類のガスをチェックパターンでガス経路に、すなわち、一方のガスを「黒い」経路に、他方のガスを「白い」経路に分配して、多経路一体式構造体に流出入させることができるようにする。

マニホルドヘッドを一体式構造体に直接的に接続する場合、一体式構造体ヘッド内の分割プレート間の距離は、一体式構造体内の経路の開口より小さくなければならないであろう。したがって、分割プレート間の距離の下限が、一体式構造体内に形成される経路がどの程度まで小さくなるかを決定するであろう。一体式構造体及びマニホルドヘッド間に穴プレートを設けたシステムでは、マニホルドヘッドの分割プレート間の距離よりはるかに小さい寸法である一体式構造体の経路にガスを流出入させることができるであろう。また、この穴プレートシステムは、チェックパターンに分散しているガス経路を、同一ガス用の出口経路が一列に並ぶパターンに配置することも可能にする。

さらに、一体式構造体及びマニホルドヘッド間の穴プレートシステムは、分割プレート間の距離を一体式構造体内の経路の開口より大きくすることができるようにする。

ガス経路をチェックパターンに分散させることにより、一体式構造体内の２種類のガス間の接触面積を最大限に利用できるようになる。経路のすべてを覆うプレートを、一体式構造体の端部及びマニホルドヘッドに密封接合させる。このプレートにも、一体式構造体の経路パターンに対応した穴パターンが設けられている。一体式構造体の経路パターン及びプレートの穴パターンは、同一ガス用の穴が、プレナムギャップが上に重なる穴列を形成することができるように調節される。

小口端部の平面性が、穴プレートを一体式構造体の経路端部に密封接合させるための許容偏差要求条件を満たす場合、本発明は一体式構造体自体の処理をまったく必要としない。そうでない場合、穴プレートを一体式構造体の経路端部に密封接合させるための許容偏差要求条件を満たすまで、一体式構造体の端面を処理、たとえば、表面研磨すれば、本発明を使用できるであろう。

プレートの一方のガス用の穴列を通ったガスは、この時にマニホルドヘッドを構成するプレナムギャップを通って流入または流出し、また、同じマニホルドヘッドの側壁の開口を通って流出または流入する。したがって、他方のガスは、マニホルドヘッドの反対の側壁の開口を通って流入または流出する。このように、２種類のガスは、それらを別々のプレナムギャップ内に比較的容易に集めることができるように、一体式構造体内のそれぞれの経路から送り出される。

一体式構造体の経路の開口の上方に密封接合される上記の穴プレートは、一体式構造体自体と同一材料で製造することができる。これには、温度変化の際に、それらが一体式構造体自体と同程度に伸縮することができるという利点があるであろう。高温に耐えるシール材、たとえば、ガラスシールを使用することも可能であろう。シールは、一体式構造体及び穴プレートの材料に適合する膨張係数を有する材料で構成しなければならない。その場合、一体式構造体の入口及び出口端部のシールを冷却する必要がないであろう。

このことは、経路端部同士を突き合わせて一体式構造体を所望長さに設置するために、そのような穴プレートを使用することができることを意味する。結合すべき２つの一体式構造体が、異なった膨張係数の異なった材料製である場合、一体式構造体間に幾つかの穴プレートを置くことができる。これらのプレートは、他方の一体式構造体を結合しようとする一体式構造体に最も近い位置にある材料の膨張係数まで徐々に遷移する材料で構成される。

一体式構造体が上記マニホルドヘッドを備えている場合、２つの一体式構造体を、互いに当接させたマニホルドヘッドの上部によって結合することもできる。互いに当接させるマニホルドヘッドの緊密表面間に可撓性シール材料を使用することが可能でなければならない。

さらに、低温ガスの経路間の壁を加熱するために放熱効果を利用する、一体式構造体経路内のガス分配パターンが記載されており、これにより、低温ガスはより効率的に加熱される。これにより、低温ガス内にそのような壁がない場合に得られる加熱効率よりはるかに高い加熱効率を得ることができるであろう。

マニホルドヘッドを使用しないで、一体式構造体の４側壁すべての開口を通して２種類のガスを一体式構造体に流出入させることができるようにする、一体式構造体内の経路列パターンも示されている。

添付の図面及び例で本発明をさらに詳細に説明し、例示する。
［図１］
本図面は、正方形経路を有する多経路一体式構造体を示す。そのような一体式構造体は通常、押し出し成形によって製造されるであろう。経路が一体式構造体に入る一方の小口端部から斜視図で一体式構造体を見ている。経路の出口は、他方の小口端部にあるであろう。一体式構造体の経路構造は、押し出し加工具によって決まる。多くの異なった幾何学的形状の経路を製造することができる。たとえば、すべての経路を同一寸法の三角形、正方形または六角形にすることができるし、またはそれらを異なった形状及び寸法にすることもできる。一体式構造体用の経路は通常、一体式構造体の長手方向全体に沿って平行で、均一の形状である。本図面は、正方形経路の壁が一体式構造体の側壁に平行である一体式構造体を示している。これは、この形式の一体式構造体用の経路を構成する最も一般的な方法である。

［図２］
図２．１、図２．２及び図２．３は、図１のものと同様な一体式構造体を示すが、この場合、一体式構造体の小口端部に面する真正面から見ている、すなわち、経路の開口だけを見ることができる。この図面には、ガス分配パターンが示されている。暗色すなわち陰影経路は一方のガス、ここではガス１として示されているもの用であり、白経路は他方のガス、ここではガス２として示されているもの用である。これらのガスは、互いに同一方向及び逆方向の両方に流れることができる。好適な流動パターンは一般的に、逆方向に流れる場合である。

図２．１では、ガスが連続列に分配される、すなわち、そのため、同一ガス用の経路が１つの共通壁を有する。これにより、一体式構造体の一定深さで各側に同一ガスを有する壁を機械加工で取り除き、それにより、形成されたプレナムギャップ内に同一ガスを集めることができる。これは、米国特許第４２７１１１０号で使用され、それにさらに詳細に記載されているシステムである。同一ガス用の経路が共通壁を共有する場合、他方ガスとの接触面積の損失がある。図２．１が示すように、壁の２つが同一ガスのガス経路によって共有される時、２種類のガス間の接触面積が、理論的に可能であるもののほぼ半分になるであろう。

図２．２は、図２．１のものと同一の一体式構造体を示すが、この場合、ガスがチェックパターンに分配される。２種類のガスがそのように分配されることにより、一体式構造体内の使用可能な接触面積が最大限に使用される。ガス１用の経路は、ガス２との共通壁を有する、すなわち、図２．１に示されているような同一ガスとの共通壁はまったくない。

図２．２と同様に、図２．３は、一体式構造体内の使用可能な接触面積を最大限に使用できるようにするチェックパターンに分配される２種類のガスを示す。図２．３の一体式構造体を図２．２の一体式構造体と区別する特徴は、一体式構造体の内部経路の壁が、一体式構造体の外壁に平行でなくなっており、一体式構造体の側壁に対して４５°回転していることである。図２．２において対角線であった線が、図２．３では一体式構造体の側壁に平行に配置されていることがわかるであろう。これは、同一ガスの経路が、側壁に平行な列をなしているが、同一経路からのガスは、この場合にはコーナーの点で接触しているだけであることを意味する。そのため、図２．１のものと同様であるが、使用可能な接触面積を減少させない配置にすることができる。図２．３が示すように、壁が直線的である場合、一体式構造体の外壁に接触する経路は、二等辺三角形の形状を有するであろう。壁は必ずしも直線的でなくてもよく、その壁がフルサイズの外側経路の壁に沿うようにすることが考えられる。これは、幾つかの一体式構造体を互いに並べて(stacked together)、一体式構造体壁間を密封接合する必要がある時に好都合である。図３は、そのようなシステムを示している。

［図３］
図３．１は、外壁が一体式構造体のフルサイズの経路の壁に沿っている一体式構造体を示す。図示のように配置された正方形経路では、正方形経路が側壁の全長に沿ってそれに平行な列をなしているので、一体式構造体の壁はジグザグパターンをなす。この場合、同一ガスの経路の接触点は、コーナーにあるであろう。

図３．１に示されたように押し出し成形された一体式構造体の場合、図３．２に示されているように、幾つかの独立的な一体式構造体を合わせて配置することが可能である。図３．２は、一体式構造体の外壁だけを示した構成を示している。そのようなシステムは、一体式構造体を安定させる、すなわち、それらを互いに「ロック」しながら、すべてのガス経路を使用できるようにする。

［図４］
図４は、図２．３に示されているものと同様な一体式構造体及び分配を示している。図２．３の場合のように、ガス１用の経路は暗色である一方、ガス２用の経路は明色すなわち白である。図面はまた、一体式構造体の経路の開口の上方に一致する開口を有する２枚の穴プレートも示している。これらの穴プレートは、一体式構造体に密封接合されて、２種類のガス（ここでは、ガス１及びガス２で示されるもの）が、図面の矢印で示されるように、これらの穴に対して流入かつ／または流出するであろう。図４には、穴が楕円形に示されている。穴は、丸形でも、別の形状でもよい。重要な要素は、ガス１及びガス２用の穴列の間に分割プレートを配置することができるように、２種類のガス用の穴を互いに配置することである。２種類のガス間の漏れが発生しないようにするために、穴の外縁部が、分割壁によって設定される範囲内に位置すべきである。

［図５］
図５は、図４に示されているものと同一の穴プレートシステムを有する同様な一体式構造体を示している。図５．１は、一体式構造体を、その小口端部に密封接合させるべき穴プレートと共に示している。プレートの開口は、１つの経路からのガスが一定の穴から流れ出すように、すなわち、プレートを一体式構造体の端部に密封接合した時、経路の開口からのガスがそれぞれの穴を通って流出することができる位置にすべての穴があるように、配置される。図５．２は、穴プレートを経路の開口の上方で一体式構造体の小口端部に密封接合した一体式構造体を示している。

［図６］
図６は、図５のものと同様な一体式構造体を示している。穴プレートに加えて、本図面は、ガス１及びガス２を穴プレートのそれぞれの穴列に流出入させることができるマニホルドヘッドの形状を示している。（同一種類のガスの流出入を行う）各穴列が、２つの壁の間に囲まれており、壁間の距離は、穴の大きさに対応する。分割プレート間に形成されるこの空間は、１種類のガスだけを収容し、プレナムギャップと呼ばれる。プレートは個別に製造することができ、図６に示されているように、２枚以上を結合して、プレナムギャップを形成することができる。これにより、１つ、または図６ａに示されているように合わせられた複数のプレナムギャップが、図６ｂに示されているようなマニホルドヘッドを形成する。

図６ａは、マニホルドヘッド内で外壁になり、それにより、個々の分割プレートを互いに密封接合させた時、プレナムギャップを画成するスペーサまたは縁部つきのプレートを示している。図６ａは、プレートの一方側に縁部またはスペーサが設けられていないことを示している。プレートは１つ置きに、この側縁部が反対側部で欠落している。分割プレートを互いに密封接合させると、欠落した側縁部が開口を形成し、そこを通ってガスが流出入する。その場合、隣接のプレナムギャップ内のガスは、反対の側縁部で開放しており、そこを通って他方のガスが流出入する。したがって、この時、一方のガスは一方側で流出入するのに対して、他方のガスは他方側で流出入するであろう。マニホルドヘッド内において、ガス１及びガス２は、マニホルドヘッドのいずれかの側部に出口を有しており、図７及び図８を参照されたい。

マニホルドヘッドは、必ずしも互いに密封接合させたプレートで形成しなくてもよい。他の製造技法、たとえば、押し出し成形を使用することもできる。重要なことは、ガスを混合させることなく、異なった穴列からのガスを集めて分離させるようにマニホルドヘッドを形成し、また、ガスを別々にマニホルドヘッドから送り出すことである。

［図７］
図７は、一体式システム内を通る２つの選択ガス列内のガス流動、すなわち、経路を有する一体式構造体そのものと、２種類のガスを一体式構造体に流出入させるための、各小口端部のマニホルドヘッドとを示す。ガス流動をさらにわかりやすく示すために、図面では部材を互いに分離しており、一方のガス（ガス１）用の経路が暗色で、他方のガス（ガス２）用の経路が明色である。ガス流動を矢印で示しており、図面では、ガスが互いに逆方向に流れる。図面はまた、ガスが流入側と反対側から流出することを示している。一方のマニホルドヘッドを反対向きにすれば、同一ガスの入口及び出口側が、一体式構造体の同一側になるであろう。

［図８］
図８は、図７のものと同様なシステムを示すが、図８は、正方形経路が、同一列の経路が共通壁を有するようにした列状に配置された一体式構造体を示している。これらの経路列が同一ガスを収容する場合、穴プレートを用いないで、分配ヘッドを直接的に経路壁に密封接合させることができる。図面では、分配ヘッドを一体式構造体から分離させて、ガスがどのように流れるかをよりわかりやすく示している。一方のガスが、明色または白経路の開口を通して送られるのに対して、他方のガスは、暗色開口または陰影付き経路の開口を通して送られる。２つの選択経路列について、矢印を使用して、２種類のガスがどのように流れるかを示している。本例は、逆方向に流れるガスを示す。そのようなガス分配システムの欠点は、上述したように、２種類のガス間の接触面積が、チェックパターンのガスの分散の場合の半分になることである。利点は、穴プレートを使用しない時、システム内の圧力損失が減少することである。大きい圧力降下が大きな問題になる処理に適用する場合、図８に示されたようなシステムが有用であろう。また、システム部品数を最小限に抑えることも、利点である。

［図９］
多くの異なった形状のマニホルドヘッドが考えられる。ガスの流れ方向も変えることができる。図９は、（ここではＡ及びＢと呼ぶ）対向方向に流れる２種類のガスを示す。しかし、ガスは、同一方向に流れることもできる。マニホルドヘッド内の側壁は、一体式構造体の壁に平行及び斜めのどちらでもよい。ガスを１つの一体式構造体だけに直接的に流出入させる場合、矩形などの直線壁が最も適切であろう。多くの一体式構造体を結合しようとする時、互いに隣り合わせて並べた(stacked next to each other)一体式構造体間に長手経路が形成されるため、斜め壁を有するマニホルドヘッドが最も適するであろう。ガスは、これらの経路を通って一体式構造体に流出入することができる。

本システムは、一体式構造体の対向端部でガス１及びガス２を切り換える自由を与える、すなわち、ガス１を入口と反対の側壁のギャップに、またはその逆に送り出すことができる。

［図１０］
図１０は、幾つかの一体式構造体を経路の長手方向に互いに密封接合させるために、穴プレートをどのように使用することができるかを示している。これは、同一の基準サイズの一体式構造体を結合する自由を与え、それにより、合計経路長さを任意の所望長さにすることができる。その時、原則的に結合一体式構造体を１つの一体式構造体として見なすことができ、図７及び図８に１つの一体式構造体について示されている方法と同様にして、プレナムチャンバーを結合「一体式構造体コラム」の各端部に取り付けることができる。

［図１１］
図１１．１は、図１０に示されたような結合一体式システムを示すが、この場合、マニホルドヘッドが取り付けられている。そのような一体式システムは、圧力タンクなどの閉鎖容器内に設置することができる。２種類のガスを単一一体式構造体の場合と同じ方法でマニホルドヘッドに流出入させる可能性を保持しながら、どのようにして多数の一体式構造体を壁同士で合わせて結合するかがわかる。したがって、上記マニホルドヘッドは、容易に大規模化する可能性、すなわち、多くの単一一体式構造体を互いに結合して、ガスをすべての結合一体式構造体に流出入させることができるシステムを与える。これは、大量のガスを処理できるようにするために重要である。図１１．２は、図１１．１と同一であるが、高さが１一体式構造体分だけであるシステムを示す。

［図１２］
図１１と同様に、図１２は、結合一体式構造体のシステムを示している。ここでは、矢印を使用して、２種類のガスがマニホルドヘッド間の経路からどのように流出し、また、各側で１種類が流出することができるかを示している。完成システムでは、完全な一体式構造体構造体を閉鎖絶縁反応器／タンク／容器内に設置しなければならない。この容器は、ガス１用の入口及び出口と、ガス２用の対応の入口及び出口を備えていなければならない。図面は、壁同士を合わせて一体式構造体を並べた時、マニホルドヘッドの傾斜壁が同一ガス用の経路をどのように形成するかを示している。完成一体式の構造体が設置される容器の内部には、４つのガス流（各ガスについて入口及び出口）用に、容器／一体式の構造体に流出入するガス用の個別のプレナムギャップがあるであろう。これらのプレナムギャップは、容器内でガスが一方のプレナムギャップから他方に漏れないように、緊密状に(tight)形成される。

図面はまた、経路端部同士を合わせて一体式構造体を結合する（図１０に示されたものに対応する）変更方法も示している。ここでは、マニホルドヘッドを使用して、一体式構造体を結合していることがわかる。使用されるのが、一体式構造体の小口端部に平行な緊密表面(tight surface)であることがわかる。図示のようにマニホルドヘッドの底部及び上部を互いに突き合わせて配置すると、これが２種類のガス間の緊密表面を構成するであろう。たとえば、２つの表面間に可撓性シールを配置することができると考えられる。そのような結合技法によれば、膨張係数が異なった一体式構造体を互いに結合することが可能であろう。すなわち、本システムは、異なった材料の一体式構造体が、たとえば、セラミック膜構造体及び熱交換器構造体を結合できるようにする。

［図１３］
図面は、一体式構造体とマニホルドヘッドの分割プレートとの間の５枚のプレートが、ガス１及びガス２を個別列で送って、２つのガス流間の距離を増加させる方法を示している。これは、隣接経路からのガスを共通出口または入口に合わせて送り込み、それにより、同一ガス用の出口または入口を合体させることによって行われる。その場合、同一ガスの出口または入口のそのような列は、一体式構造体に直接的に接続する場合よりも、分割プレート間の距離を大きくしたマニホルドヘッドで、互いに分離することができる。図１３は、少数の一体式構造体経路を示しているだけである。通常、実際の一体式構造体には、はるかに多数の経路があるであろう。図面では、穴が円形に示されている。しかし、他の穴形状も考えられ、たとえば、断面積によりうまく適応する正方形の穴が可能であろう。そのような穴は、大きい断面積を有し、生じる圧力降下が少ない。図面は、５枚のプレートを示しているが、プレート２及び３を１枚のプレートにすることも考えられ、同じことがプレート４及び５にも当てはまる。

［図１４］
図１４は、６枚のプレートを使用して、プレート６のチェックパターンの出口経路の面積を、一体式構造体の個々の面積のほぼ４倍にすることができる方法を示している。これにより、マニホルドヘッド内の分割プレート間の距離を、一体式構造体に直接的に密封接合する時より増大させることができる。さらに、図１３のプレート２〜５をプレート６上に配置し、それにより、出口及び入口穴を列状に配置することも考えられる。これにより、マニホルドヘッド内の分割プレート間の距離がさらに増大し、それらの数が減少するであろう。

化学処理では、成分の搬送、混合、化学反応、分離及び熱移動は、主要な単位操作であり、それに対して、財政的に好都合であるより効果的な解決策が常に求められている。

［図１５］
図１５は、経路の長手方向に平行な一体式構造体の断面を示している。ガス流が、太線矢印で表されている。Ｔ４が高温ガスの温度を表し、Ｔ３が低温ガスの温度を表す。高温及び低温ガス間の壁が温度Ｔ１で表されている一方、低温ガスの２つの経路間の壁が温度Ｔ２で表されている。やはり図示されているように、温度は、Ｔ４＞Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３のように高温から低温になるであろう。壁Ｔ２は、高温壁Ｔ１からの放熱（Ｐ３）によって加熱され、この高温壁Ｔ１は、高温ガスＴ４によって加熱されるであろう。低温ガスＴ３は、細線矢印Ｐ１及びＰ２で表されるように、高温壁Ｔ１及び加熱された壁Ｔ２の両方によって加熱されるであろう。

［図１６］
図１６は、低温ガスの２つの経路を分離する壁が、高温ガスによって加熱された壁から放熱を受けることができる放熱効果をすべてが利用するさまざまなガス分配パターンを示している。本文に記載されているように、図面は、低温ガス経路間の内部に幾つかの分割壁を有する可能性も示している。放熱効果は漸減するが、それでも、低温ガス経路間に内部壁がない場合より大きく加熱に寄与する。

［図１７］
この図面は、マニホルドヘッドを設けないでガスを一体式構造体の内部に流出入させることができる経路内のガス分配構成を示している。本文に記載されているように、一体式構造体の側壁に開口を形成するために、列状に並んだ同一ガスの経路間の壁を一体式構造体の一定深さで切断してから、切断した深さより浅い深さで封止しなければならない。白経路で示されているように、この場合には同一ガスが、互いに交差する（垂直な）列状に並び、したがって、一体式構造体の４つの側壁すべてに開口を形成することが可能である。

［例１］
表１は、２つの低温ガス経路間の内部の壁が高温の壁から放熱を受ける時の放熱効果を示すために計算した２つの選択肢(alternatives)を示す。Ｔ_３及びＴ_４は、それぞれ低温ガス及び高温ガスの平均ガス温度を表す。

壁温度Ｔ_１が高温及び低温ガス温度の中間であると仮定し、以下を算出する。

λ＝０．１Ｗ／ｍＫ（ガスの熱容量）
ｂ＝２．０ｍｍ（壁間の距離）
ε_ｏ＝５．６７１０^−８Ｗ／ｍ^２Ｋ（シュテファン−ボルツマン定数）
ε_ｒ＝０．９（壁の放熱率）
Ｐ_１＝λ／ｂ^＊３．７５^＊（Ｔ_１−Ｔ_３）＝３．２ｋＷ／ｍ^２
Ｐ_２＝λ／ｂ^＊３．７５^＊（Ｔ_２−Ｔ_３）
Ｐ_３＝ε_ｏ ^＊ε_ｒ ^＊（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）
Ｐ_２＝Ｐ_３である場合、選択肢１の場合にＰ_２＝Ｐ_３＝２．４ｋＷ／ｍ^２でＴ_２＝１４０６°Ｋ（１１３３°Ｃ）、選択肢２の場合にＰ_２＝Ｐ_３＝３．６ｋＷ／ｍ^２でＴ_２＝１０１９°Ｋ（７４６°Ｃ）が得られる。

２平方ｍｍの経路を有する一体式構造体を押し出し成形して、同一ガスの経路を２列に並べることによって、４平方ｍｍの経路に相当する端部を得ることが可能である。本例が示すように、一体式の構造体内及び端部内には、２平方ｍｍの経路の単一列と比較して、それぞれ８８％及び７６％の熱移動効率が達成される。

本例は、低温ガスの経路間の壁に基づいている。壁全体での温度勾配は無視する。したがって、壁からガスへの直接的な放熱による熱交換も無視する。しかし、これらの効果は両方とも、ほとんど重要性がない。

本発明は、一体式の構造のコンパクト性（すなわち、小さい経路での単位体積当たりの表面積が大きいこと）、ガスの流動抵抗が低いこと、及び触媒で被覆することができるセラミック材料の高温耐性を利用することによって、熱及び物質移動（分離）のための単位操作の改善及び簡略化を行う可能性を与える。

改良は、２種類のガス間の物質及び熱移動に一体式構造体を使用すること、及び一体式の構造内のこれらの単位操作を化学反応と一体化できることに関連するであろう。一体式構造体内での物質及び熱移動と化学反応とのそのような組み合わせ（単位操作）は、搬送及び分離が簡単であるコンパクトな解決手段の作製に役立つであろう。１つの用例は、吸熱及び発熱反応の組み合わせ、たとえば、触媒被覆経路内での吸熱水蒸気改質及び隣接経路内での発熱燃焼（ガスは逆方向に流れる）で天然ガス、または炭化水素を含有する他の物質を合成ガス（水素及び一酸化炭素）に水蒸気改質することであろう。そのような一体式の構造体は、非常にコンパクトな改質器を形成し、たとえば、小規模水素生成に使用することができる。しかし、合成ガスをさらに処理して、多くの他の生成物、たとえば、メタノール、アンモニア及び合成ガソリン／ディーゼルにすることもできる。

別の例は、天然ガスまたは他の炭化水素の部分酸化に使用されるコンパクトな改質器であろう。この場合、空気または酸素が、マニホルドヘッドを介して一体式構造体内の対応の外側経路に送り込まれて、隣接の戻り経路内の流出合成ガスによって加熱されるであろう。合成ガスは、流入する空気または酸素から分離された状態で、マニホルドヘッドから流出する。一体式構造体の、マニホルドヘッドが配置されている他端部に、空気／酸素を天然ガスと混合させる混合及び逆転室が存在していなければならないであろう。この混合ガスが、戻り経路の触媒被覆領域に流入し、そこで混合ガスが反応（部分酸化）して、合成ガスを生成する。反応が熱を発生し、したがって、戻り経路内の合成ガスが、外側経路内の空気／酸素を加熱するであろう（ガスは逆方向に流れる）。

平衡または熱力学の点で、多くの化学反応は、反応器／熱交換器内の金属材料が動作することができる温度（８〜９００°Ｃ）より高温によって促進される。そのような処理では、触媒を被覆することができると共に、高温に耐えることができるセラミック一体式構造体が非常に好都合であろう。合成ガスを生成するための天然ガスの水蒸気改質処理及び部分酸化は、そのような高温が好都合である処理の例である。

別の適当の用例は、アンモニアの生成であり、これには、水ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＜＝＞ＣＯ_２＋Ｈ_２）が含まれる。この反応は、アンモニアの生成において、アンモニアの合成自体の前に合成ガスからＣＯを除去するために使用される。この反応は、わずかに発熱性（−４１．１ｋｊ／ｋｍｏｌ）である。このことは、平衡定数が温度と共に減少し、したがって、反応の増加が低温によって促進されることを意味する。触媒ベッド内が断熱状態にある場合、反応は温度を上昇させ、したがって、平衡関連の反応速度を制限するであろう。今日の処理では、反応を２段階、いわゆる高温（ＨＴ）及び低温（ＬＴ）シフトで実行することによって、この問題が回避される。最後の段階であるＬＴシフトをより高い反応速度で行うことができるように、反応熱がＨＴ及びＬＴ反応体間で除去される。一体式構造体ベースのシステムでは、反応が起きている場所に隣接した経路（触媒被覆）内に冷却ガスを通すことによって、反応熱を直接的に除去することが可能であろう。したがって、現在の２部システムよりもっと好ましい平衡状態下で動作することができるコンパクトな反応器を作製することができる。

アンモニアはまた、水素の生成に適した原材料になりえ、たとえば、水素を生成するための吸熱アンモニア分解(ammonia splitting)用に、一体式の構造体を使用することができる。一体式の反応体または改質器は、触媒被覆アンモニアガス経路と、アンモニア分解用のエネルギを供給する隣接経路内の高温ガスとを交互させて構成されている。

一体式の構造体はまた、エネルギ市場（動力発生）で、たとえば、エネルギ効率を高めるためにマイクロタービン内の熱交換器として使用することもできる。したがって、そのような熱交換器は、陸上、海上及び空中の固定動力発生施設及びすべてのタービン駆動式発生設備の両方に適用可能であろう。それらは、熱効率を高めた動作用のコンパクトな一体式のセラミック熱交換器の恩恵を受けるであろう。一体式の熱交換器は、排ガスから燃焼室への流入空気／酸素に熱を移動させ、それにより、燃料消費量を減少させるであろう。

一体式の熱交換器はまた、精錬産業（アルミニウム、マグネシウム、鋼、ガラスなど）に使用して、炉頂ガス（燃焼ガス）からバーナー用の空気に熱を移動させ、それによって、エネルギ節約に役立つことができる。

一体式の熱交換器は、高温で起きる有機成分の破壊（たとえば、ダイオキシンの破壊）に使用することもできる。望ましくない成分を有するガスをそれぞれの経路に送り込む一方、熱供給ガスを隣接経路に送り込む。

正方形経路を有する多経路一体式構造体を示す図である。図１の一体式構造体を小口端部に面する真正面から見た図である。外壁が一体式構造体のフルサイズの経路の壁に沿っている一体式構造体を示す図である。図２の２．３に示されているものと同様な一体式構造体及び分配を示す図である。図４に示されているものと同一の穴プレートシステムを有する同様な一体式構造体を示す図である。図５のものと同様な一体式構造体を示す図である。一体式システム内を通る２つの選択ガス列内のガス流動、すなわち、経路を有する一体式構造体そのものと、２種類のガスを一体式構造体に流出入させるための、各小口端部のマニホルドヘッドとを示す図である。図７のものと同様なシステムであって、同一列の経路が共通壁を有するようにした列状に配置された一体式構造体を示す図である。対向方向に流れる２種類のガスを示す図である。幾つかの一体式構造体を経路の長手方向に互いに密封接合させるために、穴プレートをどのように使用することができるかを示す図である。図１０に示されるような結合一体式システムを示す図である。結合一体式構造体のシステムを示す図である。一体式構造体とマニホルドヘッドの分割プレートとの間の５枚のプレートが、ガス１及びガス２を個別列で送って、２つのガス流間の距離を増加させる方法を示す図である。６枚のプレートを使用して、プレート６のチェックパターンの出口経路の面積を、一体式構造体の個々の面積のほぼ４倍にすることができる方法を示す図である。経路の長手方向に平行な一体式構造体の断面を示す図である。低温ガスの２つの経路を分離する壁が、高温ガスによって加熱された壁から放熱を受けることができる放熱効果をすべてが利用するさまざまなガス分配パターンを示す図である。マニホルドヘッドを設けないでガスを一体式構造体の内部に流出入させることができる経路内のガス分配構成を示す図である。

Claims

経路の開口が一体式構造体の断面積全体にわたって均等に分散され、また、前記経路が共通壁を有する多経路一体式の構造体の前記経路に、異なった化学的及び／または物理的特性を有する２種類のガスを流出入させる方法であって、
前記ガスを、前記一方のガス用の１つまたは複数のプレナムギャップ内、及び前記他方のガス用の１つまたは複数のプレナムギャップ内の開口にそれぞれ送り込み、前記プレナムギャップは、前記一体式の構造体の一方側に密封接合されたマニホルドヘッド内に設けられていることと、
前記２種類のガスを、前記ギャップから前記一体式構造体の経路内へ、前記経路壁の少なくとも１つが前記２種類のガスで共有されるようにして、分配することと、
その後、前記２種類のガスを、前記一方のガス用の１つまたは複数のプレナムギャップ内、及び前記他方のガス用の１つまたは複数のプレナムギャップ内にそれぞれ集め、前記プレナムギャップは、前記マニホルドヘッドを密封接合させた前記一体式構造体の反対側に密封接合されたマニホルドヘッド内に設けられていることと、
その後、前記ガスを後者のプレナムギャップ内のそれぞれの開口から流出させることと
を特徴とする方法。
経路の開口が一体式構造体の断面積全体にわたって均等に拡散され、また、前記経路が共通壁を有する多経路一体式の構造体の前記経路に、異なった化学的及び／または物理的特性を有する２種類のガスを流出入させる方法であって、
前記一方のガスを、前記一体式の構造体の一方側に密封接合された第１マニホルドヘッド内に設けられている１つまたは複数のプレナムギャップ内の開口に送り込むことと、
前記他方のガスを、前記マニホルドヘッドを密封接合させた前記一体式の構造体の反対側に密封接合された第２マニホルドヘッド内に設けられている１つまたは複数のプレナムギャップ内の開口に送り込むことと、
前記２種類のガスを、前記ギャップから前記一体式構造体の経路内へ、前記経路壁の少なくとも１つが前記２種類のガスで共有されるようにして、分配することと、
その後、前記第１ガスを、前記第２マニホルドヘッド内に設けられている１つまたは複数のプレナムギャップ内に集めることと、
その後、前記第２ガスを、前記第１マニホルドヘッド内に設けられている１つまたは複数のプレナムギャップ内に集めることと、
前記２種類のガスを、それぞれ前記第１及び第２マニホルドヘッド内の前記プレナムギャップの前記開口から流出させることと
を特徴とする方法。
前記ギャップからの前記２種類のガス流は、前記一方のガスが、ある経路に流れ込むと、前記他方のガスが隣接経路のすべてに流れ込むようにして、前記一体式構造体の経路内に分配されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記ギャップからの前記２種類のガスは、前記一体式構造体の経路内に分配されて、一方のガスが送り込まれる経路と、他方のガスが送り込まれる経路とが、チェックパターンを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記２種類のガス流は、同一のマニホルドヘッドに流出入することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
経路の開口が一体式構造体の断面積全体にわたって均等に拡散され、また、前記経路が共通壁を有する多経路一体式の構造体の前記経路に、異なった化学的及び／または物理的特性を有する２種類のガスを流出入させるマニホルドヘッドであって、
少なくとも３枚の平行な分割プレートを備えており、前記分割プレートは、前記プレートの側部の１つまたは２つにスペーサを有して互いに密封接合され、それにより、開口を有する少なくとも２つの隣接プレナムギャップが形成され、前記開口を通して前記２種類のガスを前記一体式の構造体内の前記経路に流出入させることができ、また、前記スペーサの幅は、前記一体式の構造体の経路の寸法に合わせて調節されることを特徴とするマニホルドヘッド。
異なった化学的及び／または物理的特性を有する２種類のガス間で物質及び／または熱の交換を行う一体式システムであって、
経路の開口が、前記一体式構造体の断面積全体にわたって均等に分散され、また、前記経路が共通壁を有する一体式の構造体と、前記一体式の構造体の側部の少なくとも１つに密封接合されたことを特徴とする請求項６に記載のマニホルドヘッドを備えた一体式システム。
前記一体式の構造体内の前記経路壁の１つまたは複数を、１つまたは複数の触媒活性成分で被覆することを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
前記一体式の構造体内の前記２種類のガス用の前記経路の開口は、前記一体式構造体の断面積全体にわたって、一方のガスが通る経路と、他方のガスが通る経路とがチェックパターンを形成するように均一に分散されていることを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
前記プレナムギャップは、前記マニホルドヘッド及び前記一体式構造体間に配置された、一定の穴形状を有する１つまたは複数の穴プレートによって前記経路と連通することを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
前記マニホルドヘッド内の前記分割プレートは、隣接した前記穴プレートに密封接合されることを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
前記分割プレートは、直接的に前記一体式構造体の経路壁に密封接合されることを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
前記マニホルドヘッドは、前記一体式の構造体の、前記経路の開口が位置する側部に密封接合されることを特徴とする請求項７に記載の一体式システム。
異なった化学的及び／または物理的特性を有する２種類のガス間で物質及び／または熱の交換を行う方法であって、
前記２種類のガスは、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の１つまたは複数の一体式システムを通して送られることを特徴とする方法。
化学組成物の製造プラントであって、
請求項７〜１３のいずれか一項に記載の１つまたは複数の一体式システムを組み込んでいるプラント。