具有集成热交换的压制碳化硅陶瓷(SIC)流体模块的制作方法

具有集成热交换的压制碳化硅陶瓷(sic)流体模块
1.相关申请的交叉参考
2.本技术根据u.s.35u.s.c.
§
119，要求2020年6月30日提交的美国临时申请第63/046,676号的优先权权益并且还要求2020年8月13日提交的美国临时申请第63/065,072号的优先权权益，将它们各自的内容全文通过引用结合入本文。
技术领域
3.本公开内容涉及包含陶瓷的流反应器流体模块的制造方法，更具体来说，涉及低孔隙度单体式碳化硅陶瓷流反应器流体模块(具有延伸穿过模块的光滑表面的曲折内部通道)的制造方法，并且还涉及流体模块本身。


背景技术：

4.碳化硅陶瓷(sic)是对于用于流化学生产和/或实验室工作的流体模块而言合乎希望的材料。sic具有较高的导热系数，可用于执行和控制吸热或放热反应。sic具有良好的物理耐用性和抗热冲击性。sic还具有极佳的化学抗性。但是这些性质结合高硬度和耐磨性，使得sic流体模块的实际生产具有挑战性。
5.通常经由三明治装配件方案来制备由碳化硅陶瓷形成的流反应器。将生坯陶瓷体压制成板坯，然后成形，通常在一个主表面上采用cnc机械加工、模制或者压制操作等。在生坯体烧制之后，将两块经过烧制的板坯接合到一起，经成形表面面朝彼此，具有或者不具有陶瓷材料的中间接合层。在第二烧制步骤中，接合体熔凝(和/或接合层致密化)从而生产了具有一个或多个内部通道的主体。
6.三明治装配件接合方案会在制造得到的流体模块中引入问题。在具有中间层的接合的模块中，可能在接合层形成多孔界面。这些可能捕获液体，导致发生污染/难以清洁以及机械失效(例如，由于孔中的冻结)的可能性。没有中间接合层的接合的模块需要或者导致包含较粗的陶瓷晶粒，产生具有不合乎希望的粗糙度水平的内部通道表面。
7.在另一个方案中，可以生产多层生坯状态的sic片材并切割至片接片构建流体模块所需的形状。此类方案倾向于在内部通道的弯曲轮廓中产生小的步阶状结构。对于流体模块的清空以及清洁/吹扫，希望内部通道的壁轮廓是光滑的并且不含小的步阶状结构。
8.因此，存在对于sic流体模块和具有内部通道的sic流体模块的制造方法的需求，其具有改进的内部通道表面性质，具体来说：通常而言低的孔隙度，或者在密封位置没有明显的多孔界面，低的表面粗糙度，以及光滑壁轮廓。


技术实现要素：

9.根据本公开内容的一些方面，提供了单体式的基本封闭孔隙度的碳化硅流体模块，其具有延伸穿过模块的曲折流体通道，所述曲折流体通道具有内表面，所述内表面具有0.1至80μm ra的表面粗糙度。
10.根据本公开内容的一些其他方面，提供了形成单体式的基本封闭孔隙度碳化硅流
体模块的工艺，该工艺包括：将流体通道阳模具放置在一定体积的碳化硅粉末中，该粉末涂覆了粘结剂；压制该一定体积的碳化硅粉末使得内部的模具形成压制体；加热压制体以去除模具；以及烧结压制体以形成单体式碳化硅流体模块，其具有延伸穿过其的曲折流体通道。
11.本公开内容的模块具有非常低的开放孔隙度(低至0.1％或更低)以及低粗糙度的曲折通道内表面(低至0.1μm ra)。这提供了流体模块抵抗流体的渗透，简单的易清洁性，具有使用过程中的低压降。在使用过程中，靠近光滑内壁表面的流体边界层是薄的(相对于源自较粗糙表面的边界层而言)，提供了更好的混合和热交换性能。
12.在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
13.要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解本公开和所附权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
14.所含附图用于进一步理解本公开内容的原理，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了本公开内容的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来说明例如本公开内容的原理和操作。要理解的是，在本说明书和附图中揭示的本公开内容的各种特征可以以任意和所有的组合使用。作为非限制性例子，本公开内容的各种特征可根据如下实施方式相互组合。
附图说明
15.以下是结合附图进行的附图说明。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可以按比例放大显示或示意性显示。
16.在附图中：
17.图1是可用于流反应器流体模块的一种类型的流体通道的图解平面图轮廓，显示了流体通道的某些特征；
18.图2是本公开内容的流体模块实施方式的外部立体图；
19.图3是本公开内容的流体模块实施方式的图解横截面图；
20.图4的流程图显示用于生产本公开内容的流体模块的方法的一些实施方式；
21.图5是图4所述的方法的一些实施方式的横截面代表的分步系列；
22.图6显示可用于实践本公开内容方法的压缩释放曲线；
23.图7是本公开内容的流体模块的另一个实施方式的横截面图解图；
24.图8a和8b是本公开内容的流体模块的额外实施方式的图解图；
25.图9a和9b是本公开内容的流体模块的更多额外实施方式的图解图；
26.图10是数码图像，显示根据本公开内容实施方式的内部通道模具；以及
27.图11a和11b是数码图像，显示根据本公开内容另两个实施方式的内部通道模具。
具体实施方式
28.在以下的详细描述中提出了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图所述实施实
施方式而被认识。
29.如本文所用，术语“和/或”当用于列举两个或更多个项目时，表示所列项目中的任意一个可以单独采用，或者可以采用所列项目中的两个或更多个的任意组合。例如，如果描述组合物含有组分a、b和/或c，则组合物可只含有a；只含有b；只含有c；含有a和b的组合；含有a和c的组合；含有b和c的组合；或含有a、b和c的组合。
30.在本文件中，关系术语，例如第一和第二、顶部和底部等，仅仅用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区分开来，没有必然要求或暗示此类实体或行为之间的任何实际的此类关系或顺序。
31.本领域技术人员以及利用和使用本公开内容的人会进行本公开内容的改进。因此，要理解的是，附图所示和上文所述的实施方式仅仅是示意性目的而不是旨在限制本公开内容的范围，本公开内容的范围由所附权利要求书所限定，根据专利法的原理解读为包括等同原则。
32.出于本公开内容的目的，术语“相连”(其所有形式：连接、相连接、连接的等)通常表示两个组件相互直接或间接接合到一起。此类接合自然可以是静态或者自然可以是可移动的。可以通过这两个组件以及任何额外的中间元件实现此类接合，所述任何额外的中间元件相互整体形成单个单体件或者与所述两个组件整体形成单个单体件。除非另有说明，否则此类接合自然可以是永久的，或者自然可以是可去除或者可脱离的。
33.如本文所用，术语“约”表示量、尺寸、制剂、参数和其他变量和特性不是也不需要是确切的，而是可以按照需要是近似的和/或更大或更小的，反映了容差、转换因子、舍入和测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素。当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开内容包括所参考的具体值或者端点。无论本说明书的数值或者范围的端点有没有陈述“约”，该数值或者范围的端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，一种没有用“约”修饰。还会理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。
34.本文所用术语“基本”、“基本上”及其变化形式旨在表示所描述的特征与数值或描述相等同或近似相同。例如，“基本平坦”表面旨在表示平坦或近似平坦的表面。此外，“基本上”旨在表示两个值是相等或者近似相等的。在一些实施方式中，“基本上”可以表示数值相互在约为10％之内，例如相互在约为5％之内，或者相互在约为2％之内。
35.本文所用的方向术语，例如上、下、左、右、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来表示绝对的取向。
36.如本文所用，术语“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，并且不应限制为“仅一个”，除非另有明确相反说明。因此，例如，提到的“一种组件”包括具有两种或更多种这类组件的实施方式，除非文本中有另外的明确表示。
37.如本文所用，“曲折”通道指的是没有直接穿过通道的视线并且通道的中心路径轨迹是沿着不止一个曲率半径的通道。基于典型机械加工的成形技术通常不足以形成此类通道。
38.如本文所用，“单体式”碳化硅结构当然不暗示在陶瓷结构中的所有规格下都具有零非均匀性。“单体式”碳化硅流体模块，如本文对于术语“单体式”所定义的那样，指的是具有延伸穿过其的曲折通道的碳化硅流体模块，其中，不存在尺寸足以从流体模块的外表面
延伸到曲折通道的表面的陶瓷结构的非均匀性。
39.参见图1-3，公开了碳化硅流反应器流体模块300。模块300包括单体式封闭孔隙度碳化硅主体200和延伸穿过碳化硅主体200的曲折流体通道p。曲折流体通道p具有内表面210。内表面210具有如下范围的表面粗糙度：0.1至80μm ra，或者0.1至50，0.1至40，0.1至30，0.1至20，0.1至10，0.1至5，或者甚至0.1至1μm ra，这低于先前实现的碳化硅流体模块。
40.根据其他实施方式，流体模块300的碳化硅主体200具有碳化硅的理论最大密度的至少95％的密度，或者甚至理论最大密度的至少96、97、98或99％。
41.根据其他实施方式，流体模块300的碳化硅主体200具有小于1％或者甚至小于0.5％、0.4％、0.2％或0.1％的开放孔隙度。
42.根据其他实施方式，模块300的碳化硅主体200具有加压水测试下至少50巴或者甚至至少100巴或150巴的内部压力抗性。
43.根据实施方式，曲折流体通道p包括被高度h分开的底板212和天花板214，以及接合了底板212和天花板214的两个相对侧壁216。侧壁被宽度w(图1)分开，以垂直于高度h测量且沿着通道的方向(对应于使用时的主要流动方向)。此外，在对应于一半高度h的位置测量宽度w。根据实施方式，曲折流体通道的高度h的范围是0.1至20mm或者0.2至15或0.3至12mm。
44.根据实施方式，流体通道p的内表面210在侧壁216与底板212会合的地方具有大于或等于0.1mm或者大于或等于0.3或者甚至0.6mm的曲率半径(标记218)。
45.参见图4和5，根据实施方式，形成用于流反应器的具有这些或者其他所需性质中的一种或多种的碳化硅模块的工艺可以包括步骤20：获得或制造通道模具和粘结剂涂覆的sic粉末(此类粉末市售可得自各种供应商)。可以通过模制、机械加工、3d打印或者其他合适的成形技术或其组合来获得通道模具。通道模具的材料希望是相对不可压缩的材料。通道模具的材料可以是热塑性材料。
46.工艺还可以包括用粘结剂涂覆的sic粉末120对压机外壳(或模头)100进行(部分)填充的步骤，压机外壳100用塞子110封闭，如图4的步骤30所述以及如图5a的横截面中所代表的那样。接着，将通道模具130放在sic粉末120上/中(图5b)，以及将额外量的sic粉末放在模具130的顶部上，从而使得sic粉末120围绕模具130(图5c，图4的步骤30)。接着，将活塞140插入压机外壳100中并施加作用力af以压缩内部具有模具130的粉末120(图5d和图4的步骤40)以形成压制体150。(在这个步骤期间，在塞子110处供给对于作用力af的抗性(未示出))。接着，现如今塞子110自由移动，通过施加到活塞140的(较小的)作用力af去除压制体150(图5e，图4的步骤50)。
47.接着，(现从压机外壳100取出的)压制体150在选定的位置进行机械加工，例如通过钻孔以形成从压制体150的外侧延伸到模具130的孔或流体端口160(图5f，图4的步骤54)。
48.接着，加热压制体150，优选以较高的速率进行，例如模具130熔化并通过从压制体150流出而从压制体150去除，和/或此外通过吹走和/或吸走。(图5g，图4的步骤60)。如果需要的话，可以在部分真空下加热。
49.最后，压制体150烧制(烧结)以将压制体致密化和进一步固结至单体式碳化硅主体200。(图5h，图4的步骤70)。
50.如图4的流程图所示，额外步骤或替代步骤可以包括：步骤72，脱粘结；步骤82，对外表面进行成形或者初步成形，例如通过烧结之前的喷砂或者其他机械加工；以及步骤84，对外表面进行精整，例如通过烧结之后的研磨。
51.图6显示可用于实践本公开内容方法的压缩释放曲线图，具体来说，显示了sic粉末120的压缩释放性质与通道模具130之间合乎希望的关系。具体来说，sic粉末材料的压缩释放曲线170(图示单位为距离(x轴)与作用力(y轴)(所示任意单位)的关系(时间演变为向下且向左))应该优选位于高于通道模具130的材料的压缩释放曲线180的上方。压缩曲线(未示出)不是特别明显。但是，使用较为不可压缩的模具材料从而使得sic压缩释放曲线170位于通道模具压缩释放曲线180的上方帮助维持了后续进行压制步骤期间的压制体的结构完整性。此外，为了实现光滑内部通道壁，优选通常具有较小粒度的经涂覆的sic粉末，因为通道模具材料通常具有更高硬度。
52.虽然为了说明给出了示例性实施方式和例子，但是上文的描述并不旨在以任何方式限制本公开内容和所附权利要求书的范围。因此，可以对上文所述的实施方式和例子进行改变和改进，而不明显背离本公开内容的精神和各个原理。所有此类变化和修改旨在包括在本文中，位于本公开内容的范围内和受到所附权利要求的保护。