(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向軸を有するチューブであって、断面が楕円形または長円形であるチューブと、
前記チューブ内で長手方向に延在し、加熱されるプロセス流体を受け入れるためのチューブライナーと、
前記チューブと前記チューブライナーとの間に長手方向に延在し、パージ流体を受け入れるための流路と、
前記チューブの外面に熱的に接触して、それを加熱するヒータと、
を備える、熱交換器。
【請求項２】
前記チューブは金属材料を含み、前記チューブライナーは熱可塑性材料を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
熱交換器であって、
複数のチューブであって、該チューブのうち少なくとも一部のものは断面が楕円形または長円形であり、また、各チューブは長手方向軸を有し、各楕円形チューブは長軸と短軸とを有し、該複数のチューブは、前記楕円形チューブの長軸が当該熱交換器の中心線と交差するように、放射状に配列されている、複数のチューブと、
前記複数のチューブのうち少なくとも２つが熱的に接続しているヒータマウントと、
前記ヒータマウントに熱的に接続されているヒータと、
前記複数のチューブ、前記ヒータ、前記ヒータマウントを一緒に保持するための固定要素と、
を備える、熱交換器。
【請求項４】
前記複数のチューブの各端部に隣接して配置されたエンドプレートまたは支持ディスクをさらに備える、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
エンドプレートまたは支持ディスクに取り付けられる分流器と、該分流器の上から取り付けられるエンドキャップと、をさらに備える、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記分流器は分流の設定を変更可能である、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
熱交換器であって、
複数のチューブであって、該チューブのうち少なくとも一部のものは断面が楕円形または長円形であり、また、各チューブは長手方向軸を有し、各楕円形チューブは長軸と短軸とを有し、該複数のチューブは、前記楕円形チューブの長軸が当該熱交換器の中心線と交差するように、放射状に配列されている、複数のチューブと、
前記複数のチューブのうち少なくとも２つが熱的に接続している細長いヒータマウントと、
前記ヒータマウントに熱的に接続され、前記ヒータマウントの溝の中に収容されているヒータ・カートリッジと、
前記複数のチューブ、前記ヒータ・カートリッジ、前記ヒータマウントを一緒に保持するための固定要素と、
を備える、熱交換器。
【請求項８】
前記複数のチューブの各端部に隣接して配置されたエンドプレートまたは支持ディスクをさらに備える、請求項７に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液体を加熱するためのヒータに関するものである。より具体的には、本開示は、腐食性流体を加熱するために用いることができるインライン熱交換器に関する。必要であれば、ガスパージを用いることもできる。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器の金属表面を保護する目的で、ヒータアセンブリから透過液を除去するために、パージガスを使用することが知られている。このような構成に関する特許の１つとして、“Gas purged flexible cable type immersion heater and method for heating highly corrosive liquids（可撓性ケーブル型ガスパージ式浸漬ヒータおよび強腐食性液体を加熱する方法）”という名称の特許文献１がある。他の類似の特許として、“Purged grounded immersion heater（接地型パージ式浸漬ヒータ）”という名称の特許文献２がある。これら両方の特許の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。これらの特許は、両方とも、発熱体を覆うフルオロポリマーチューブの内部から透過液を除去するために、パージガスを利用している。第１のエレメントは、単純な抵抗線加熱コイルである。第２のものは、金属で覆われた発熱体であり、安全性を高めるために接地面を提供している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４５５３０２４号
【特許文献２】米国特許第５８７５２８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
同様の機能を果たすことを依然として可能としながら、従来の設計で採用している高価なフルオロポリマー材料の量を削減することが望ましいであろう。また、単位体積あたりの面積を最大化するとともに、ユニットの組み立てを簡単化するために、放射状アレイに整列された熱交換チューブを提供することが望ましいであろう。さらに、プロセス流体すなわち加熱されている流体を最高純度とするために、熱交換器を通る流路を停滞なく維持することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様により、長手方向軸を有するチューブを備える熱交換器を提供し、該チューブは、断面が楕円形または長円形である。加熱されるプロセス流体を受け入れるためのチューブライナーが、チューブ内で長手方向に延在する。パージ流体を受け入れるための流路が、チューブとライナーとの間に長手方向に延在する。ヒータがチューブの外面に熱的に接触して、それを加熱する。
【０００６】
本開示の別の態様によれば、熱交換器は、複数のチューブを備え、該チューブのうち少なくとも一部のものは断面が楕円形または長円形であり、各チューブは長手方向軸を有する。楕円形または長円形の各チューブは長軸と短軸とを有する。複数のチューブは、楕円形チューブの長軸が熱交換器の中心線と交差するように、放射状に配列されている。複数のチューブのうち少なくとも２つが、ヒータマウントに熱的に接続されている。ヒータが、ヒータマウントに熱的に接続されている。固定要素が、複数のチューブ、ヒータ、ヒータマウントを一緒に保持している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示に係る熱交換器の一実施形態の分解斜視図である。
【図２】図１の熱交換器の一部を大きく拡大した斜視図である。
【図３】図１の熱交換器のチューブの１つを大きく拡大した断面図である。
【図４】図１の熱交換器で採用している熱交換チューブの拡大斜視図である。
【図５】本開示に係る熱交換チューブの別の実施形態の断面図である。
【図６】本開示に係る熱交換チューブのさらに別の実施形態の断面図である。
【図７】本開示に係る熱交換チューブのさらに別の実施形態の断面図である。
【図８】本開示の別の実施形態による熱交換器の一方の端部の分解斜視図である。
【図９】図１の熱交換器の端部の部分拡大斜視図である。
【図１０】本開示の第３の実施形態による熱交換器の断面図である。
【図１１】本開示の第４の実施形態による熱交換器の斜視図である。
【図１２】図１１の熱交換器の斜視図であり、その追加構成要素を示している。
【図１３】本開示のさらに別の実施形態による熱交換器の、部分的に組み立てられた状態の斜視図である。
【図１４】ヒータマウントが追加された後の、図１３の熱交換器の斜視図である。
【図１５】図１３および１４の熱交換器の、エンドキャップとヒータが追加された後の組立図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
高効率の高純度インライン熱交換器／ヒータは、いくつかの独特な設計特徴を含むことが可能であり、これによって、高純度または強腐食性の流体で使用するための効率的かつコンパクトなヒータ／熱交換器を提供する。
【０００９】
以下、図１を参照して、本開示の一実施形態による熱交換器Ａは、１つまたは複数のヒータマウント１２と、一対の支持ディスクまたはエンドプレート１４、１６と、を有する。ヒータマウントは金属材料で構成することができ、エンドプレートも同様である。複数の離間した熱交換チューブ２０が、エンドプレート１４と１６との間に延在している。すべてのチューブの両端部は、チューブの各端の周囲で、それぞれのエンドプレートに対して、それに溶接、ろう付け、または半田付けされるなどして接続されている。
【００１０】
次に図３および４を参照して、それぞれの熱交換チューブは、一実施形態において、より大半径の側壁２２と、より小半径の側壁２４と、を有するように、楕円形状または長円形状とすることができる。当然のことながら、他のチューブ構成も企図されることは認識されなければならない。図３の断面図から分かるように、ヒータチューブ２０の略楕円形の断面形状により、ヒータチューブは、長軸Ｃと短軸Ｄとを有する。図示の実施形態では、長軸Ｃは、小半径側壁２４に向かう方向になっており、短軸Ｄは、大半径側壁２２に向かう方向になっている。熱交換チューブの楕円形または長円形の構成によって、熱交換チューブ２０を通って流れる流体（複数の場合もある）との間での効率的な熱伝達が可能となる。
【００１１】
図１を再び参照して、一実施形態において、エンドプレート１４、１６のそれぞれに隣接して、パージ・マニホールド２６、２８を設けることができる。パージ・マニホールドの各々の上に、３２にあるような流体チューブシースをそれぞれ配置することができる。パージ・マニホールドの各々の上に、エンドキャップ３６、３８がそれぞれ配置される。ただし、流体パージは、当然のことながら、状況によって必要でないことがある。その場合、パージ・マニホールドとチューブシースは不要である。
【００１２】
次に図２を参照して、本実施形態では、カートリッジ・ヒータ４６とすることができるヒータが、金属製のヒータマウント１２の対向面の間に挟まれている。一実施形態では、ヒータマウントは、押し出しアルミニウムで構成することができる。他の適当な金属を用いることもできることは言うまでもない。同じく、周知の様々なヒータタイプを採用することができる。開示する実施形態では、電気式のヒータ・カートリッジまたはカートリッジ・ヒータアセンブリ４６のような周知の細長い発熱体を収容するように、ヒータマウントの２つの脚部の間に略Ｕ字状の開口部が設けられている。このようにして、カートリッジ・ヒータアセンブリ４６と、少なくとも２つの熱交換チューブ２０との間に、効率的な熱伝導経路が提供される。熱交換チューブ２０は、ヒータマウント１２の脚部のそれぞれの外側の面と密接に接触しており、また、ヒータの両側は、ヒータマウントの脚部の内側の対向面と接触している。
【００１３】
対象となる特定の熱交換器が、ガスパージを必要としている場合には、図３および４に示すテフロン（登録商標）・シースなどのプラスチックライナー６０または化学的に不活性なバリアが、熱交換チューブ２０内に配置される。図３に最も良く示されているように、流体流路６２が、プラスチックライナー内に形成されており、パージ流路６６が、プラスチックライナーと熱交換チューブの小半径端部の間に形成されている。熱交換チューブ２０がステンレス鋼で構成されている場合には、加熱される化学物質または流体によっては、プラスチックライナーが必要ないことがある。
【００１４】
図１を再び参照して、一実施形態では、エンドキャップ３６は、加熱されるプロセス流体のための流入ポートなどのポート７０を有している。この場合、反対側のエンドキャップ３８に、流出ポート（図示せず）が形成される。
【００１５】
図１に示すように、ヒータ・カートリッジ４６を所定位置に保持するのは、１つまたは複数のテンションバンド４８である。テンションバンドは、１つまたは複数のヒータマウント１２を所定位置に保持することもできる。カートリッジＡの長さに沿って離間した単純な「テンションバンド」４８によって、合わせ面に均一な力が作用することが、テーパ設計によって確保される。
【００１６】
次に図５を参照して、本開示の第２の実施形態は、適当な金属材料もしくは他のタイプの熱伝導性材料で構成することができる熱交換チューブ、または外側格納ベッセルもしくはパイプもしくはチューブ８０に関するものである。外側格納ベッセル８０内に配置されるのは、化学的に不活性なバリアまたはプラスチックライナー８２である。流体流路８４が、プラスチックライナー内に形成されており、パージ流路８６が、プラスチックライナー８２の外周面と格納パイプもしくはチューブ８０の内周面との間のドーナツ状の隙間に形成されている。
【００１７】
次に図６を参照して、熱交換チューブの別の実施形態は、外側格納パイプもしくはシース９０を備えるものである。シース９０内に配置されるのは、化学的に不活性なバリアまたはプラスチックライナー９２である。本実施形態では、プラスチックライナーと外側シースとの間に、支持編組体９４が採用されている。流体流路９６が、プラスチックライナー内に形成されており、パージ流路９８は、支持編組体が占めるドーナツ状領域内に形成されている。２つの同心チューブの間に支持編組体を配置することによって、パージ媒体流が過度の内圧で妨げられることがないようにしている。
【００１８】
以下、図７を参照して、本開示のさらに別の実施形態は、外側支持パイプ１１０と、その中に保持されたプラスチックライナー１１２と、を備える熱交換チューブに関するものである。本実施形態では、チューブ１１０の内周面に、複数の溝１１４が形成されている。これらの溝によって、ガスなどのパージ流体が、チューブ１１０に沿って長手方向に流れることが可能である。この目的のために、溝は、外側チューブ１１０の内周面に沿って螺旋状に延びるものとすることができ、あるいは単純に略長手方向に延びるものとすることができる。プラスチックライナー１１２内に、流体流路１１６が形成されており、また、プラスチックライナー１１２の外壁とチューブ１１０の内面との間に、具体的には外側チューブ１１０に形成された溝１１４に、パージ流路１１８が形成されている。２つの同心チューブ間に内部溝を備える金属チューブによって、パージ媒体流が過度の内圧で妨げられることがないようにしている。
【００１９】
一実施形態において、熱交換チューブは、単位体積あたりの面積を最大化するように、放射状アレイに整列されており、また、このような設計によって、電気ヒータとして使用される場合の発熱体の取り付けも簡単となる。熱交換チューブは、それらに装着される熱伝導性のヒータマウント１２を備えている。独特の形状の熱交換チューブと、装着されるヒータ・カートリッジ４６とによって生じる空隙を、ヒータマウントが埋めることになる。こうしてヒータマウントによって形成される領域の形状は、楔形である。この楔形によって、カートリッジ・ヒータを熱交換器の外周から単に挿入することが可能である。すべてのヒータが所定位置に配置されてからアセンブリの周囲に配置されるテンションバンド４８を用いることによって、アレイの中心に向かう力が与えられ、これによって、ヒータ・カートリッジと熱交換器との間に正負荷が与えられる。さらに、この構成により、各カートリッジの両側から熱を取り出し、また同様に、その熱を熱交換チューブの両側に加えることによって、全体効率も向上する。
【００２０】
このような設計の一実施形態は、１２チューブのアレイである。流量および総所要電力の要件を適用すると、その結果、最大効率を得られるのはこの数のチューブとなる。言うまでもなく、わずか３本のもの、または場合によって４８本もの数のものなど、より多数またはより少数のチューブを同様のアレイで用いて、同様の設計効果を得ることができる。実際には、数百のチューブで非常に大型のアレイを設計することができる。一実施形態では、熱交換器は、流体が順に回る内側アレイと外側アレイとを備えることができる。内側カートリッジアレイと外側カートリッジアレイには、カートリッジが内側から装着される内側アレイを含むことができる。
【００２１】
開示する実施形態では、加熱される流体が、プラスチック（フルオロポリマーなど）のチューブ６０、８２、９２、１１２の外ではなく内部を流れる。本方法は、チューブ面積全体の表面で均一な高速流が得られることによって、より良好な熱伝達が可能である。また、本方法によると、ヒータアセンブリ内の停滞領域の量が低減することによって、加熱される流体の清浄度の維持も向上する。化学的に不活性なチューブが、その外側で適当なチューブによって支持されている。プラスチックチューブは比較的薄いので、透過が生じる。ヒータアセンブリの長い有効寿命を確保するために、ガスパージまたは液体パージが、内側チューブと外側支持チューブとの間を流れる。パージ流体は、環状空間から透過液を除去して、腐食作用を抑える。
【００２２】
化学的に不活性なバリアの形状、またはプラスチックチューブを取り巻く金属チューブの形状は、熱交換器アセンブリの効果的な運用にとって重要である。設計性能に影響を及ぼす４つの具体的な形状属性がある。図３に示すものなどの全体的設計に関して、第１に、円形チューブと比較して、単位体積あたりの使用可能な熱交換面積が大きく向上していることである。このことは、ケーシング内に用いられるプラスチックチューブの熱伝導率が比較的低いことから、重要である。第２の特徴は、内側プラスチックチューブと周囲の支持ケーシングとの間に密接な接触を確保していることである。温度変化によってプラスチックチューブが膨張および収縮した場合に、大きいほうのアーチ形表面によって接触力が維持される。このことは、熱膨張率に相違があることから、有用な特徴である。第３の属性は、「性能指数」と呼ぶことができるものである。これは、熱伝導率と、チューブを通した圧力損失との比である。改良された長円形状または楕円形状は、圧力損失を比較的低く維持しながら熱伝達を最大化するものである。最後に、この形状によって、パージ媒体が、プラスチックチューブと金属チューブとの間に流れることが可能である。パージ媒体は、ガスまたは液体とすることができる。楕円形における小半径によって、熱交換チューブ内に保持されている薄肉プラスチックチューブのための機械的支持を提供しながら、パージ流体の通路が提供される。
【００２３】
一実施形態では、図３に示すように、金属チューブ内に収容されるプラスチックチューブは、楕円形状である。金属チューブが楕円形状であることによって、パージ媒体が流れることを可能にする十分な開口面積を小半径で残しながら、プラスチックチューブの完全な支持を提供する。改良された楕円形の大半径および小半径は、「性能指数」を最適化するため、さらには様々な肉厚のプラスチックライナーを収容するために、変更することができる。小半径は、パージ流体のための空間を提供しながらライナーの十分な支持を確保するためのライナーの肉厚に比例する。
【００２４】
次に図８を参照すると、これは本開示の別の実施形態を示している。本実施形態では、流入ポート１３２と流出ポート１３４とを備えたエンドキャップ１３０が設けられる。エンドキャップに隣接して、熱交換チューブシース１４０が配置される。チューブシース１４０には、設定変更可能な（configurable）分流器１４４が取り付けられている。エンドキャップ１３０は、熱交換器の端部をマニホールド化するために用いられる。マニホールドを最終的に組み付ける前に、キャップの内側にバッフルを単に追加することで、熱交換器を通る流体の流れを変化させることができるように設計されている。これにより、熱交換器は、特定の用途に応じて最大効率で作動することが可能である。熱交換器は、複数の並列経路で構成されている。一実施形態では、１２本のチューブが放射状アレイで配設される。極めて高流量で再循環させる用途に使用される場合は、圧力損失を最小限とするために、１２本すべてのチューブで並流が可能とされる。低流量で単回通過させる用途の場合には、１２本のチューブを直列に作動させることで、各チューブで適切な流体速度を確保し、これにより良好な熱伝達を維持することができる。同様に、流れは、特定の用途に「合わせた」２つ、３つ、４つ、または６つの並列経路に分割することができる。
【００２５】
図８に示す図面は、６つの並列な熱交換チューブを示しており、流入ポートと流出ポートが同じ端部にある。図８に示す実施形態では、他方のエンドキャップは、流入ポートまたは流出ポートを備えることなく、単に同様の分流器を備え、すべての流体の流れは、熱交換器を２度通過することになり、１回目は流入ポート１３２から離れるように、そして２回目は流出ポート１３４に向かうように流れる。
【００２６】
図９に示す実施形態では、複数の離間したプラスチックチューブ１５２を備えたエンドプレート１５０が設けられており、それらのプラスチックチューブは、同様の形状の金属チューブ（図示せず）の中に延びている。各プラスチックチューブは、１５４にあるような終端を有し、そこに、エンドプレート１５０の上に配置されたプラスチックチューブシース１５６が接合されている。必要であれば、この点に、プラスチック支持インサート１５８を配置することができる。
【００２７】
薄肉フルオロポリマーチューブを、同様の材料の比較的厚い断面に溶接することは、難題である。フルオロポリマーの熱伝達が不十分であることから、厚い断面が、２つの部品が融合するのに十分な熱さになるよりはるかに前に、薄い断面が「過熱」する傾向がある。この問題を克服するため、薄い断面のチューブを溶接のためにチューブシースに挿入してから、追加の厚肉チューブ部分であるインサート１５８を薄肉チューブ内に挿入することで、それを効果的にチューブシースと同様の断面にしている。この点での楕円形チューブの形状は、より円形チューブの形状に近くなっており、これによって流路のための断面積を同様に維持している。溶接点で面積を増加させることによって、そうでなければ形成されるであろう流れを制限するオリフィスのようなものを防いでいる。
【００２８】
次に図１０を参照すると、これは、熱交換器の他の実施形態を示している。本実施形態では、熱交換用の熱は、複数の電気式ヒータ・カートリッジではなく、液体によって提供される。そこで、本実施形態では、複数のチューブまたはパイプ１７０が設けられており、これらは離間した関係で配置されて、一対の対向するエンドプレート１７４、１７６に接続されている。エンドプレートは、それぞれのエンドキャップ１８０、１８２によって囲われている。プロセス流体を加熱するための１８４にあるような流入ポートが、１８０にあるような一方のエンドキャップに設けられ、１８６にあるような流出ポートが、他方のエンドキャップ１８２に設けられる。これによって、プロセス流体は、加熱される複数のパイプまたはチューブ１７０のいずれかを通って熱交換器の長手方向軸に沿って流れることになる。そのような加熱は、複数のパイプ１７０を取り囲むシェル１９０で行われる。本実施形態では、シェルは、溶接などによって、一対のエンドプレート１７４、１７６に接続されている。シェル１９０と複数のチューブ１７０との間にサポート１９２が延在していることが分かる。サポートまたは分流器またはバッフル１９２は、シェル１９０と複数のパイプまたはチューブ１７０との間で流れを誘導する流れディレクタとして機能することも可能である。必要であれば、１つまたは複数の支持部材を、複数のパイプ１７０のうち少なくとも１つとシェル１９０との間に延在させて、それらに接続することができる。シェルの一方の端部に、流入ポート１９４が設けられており、その他方の端部に流出ポート１９６が設けられている。このようにして、加熱流体をシェル内に導入して、チューブ１７０を通って流れるプロセス流体を加熱することができる。なお、当然のことながら、本実施形態では、ガスパージは行われない。従って、ガスパージ系の複雑さが排除される。
【００２９】
次に図１１および１２を参照すると、これらは、パージ流体が、金属チューブと、その金属チューブ内に保持されたプラスチックライナーとの間に用いられる設計を示している。本実施形態では、ハウジング２００を備え、これは、ヒータマウント２０２と、さらに複数の熱交換チューブ２１０を有している。ハウジングは、さらに、エンドプレート２０４を有している。なお、言うまでもなく、複数の熱交換チューブ２１０は、エンドプレート２０４と、さらに、図示していない反対側のエンドプレートとに溶接されている。エンドキャップ２１８が、パージ・マニホールド２１６を覆っている。エンドキャップには、ポート２２０が形成されている。パージ・マニホールドは、パージポート２２６を備えている。以下、図１１も参照して、パージ系は、パージ系の入口または出口のどちらかとして機能することができる外側パージ流体ポート２２６を備えるだけではなく、さらに、内側パージ流体分配ポート２２８と、複数のパージ分配溝２３２とを備える。
【００３０】
一実施形態において、熱交換器の組み立てでは、最初に楕円形チューブがチューブシースに溶接される。すべてのチューブの両端が、チューブの各端の周囲で、それぞれのエンドプレートまたはチューブシースに完全に溶接される。これが完了して、チューブの圧力試験を行ったら、パージポートと分配溝とを備えるパージ・マニホールドを、上部と下部の両方のエンドプレートに対して位置合わせして溶接する。次に、このアセンブリの圧力試験を再度実施する。熱交換器が電気式ヒータで用いられる場合は、各チューブにヒータマウントが装着される。特定の導入において、ガスパージ系が要求される場合には、この時点で、各チューブにプラスチックチューブライナーが挿入される。次に、パージ・マニホールドの面内にＯリング（図示せず）が配置され、さらに、追加のプラスチックチューブシースがパージ・マニホールドの上に、そのプラスチックチューブシースを通ってプラスチックチューブライナーが延びるように配置される。そして、各チューブライナーがチューブシースに溶接されて、圧力試験が行われる。すべてのプラスチックチューブの溶接が完了したら、次に流体マニホールドが、チューブシースに各端部で溶接される。その後、加熱されるプロセス流体が、流体マニホールドに流入すると、これは、楕円形の断面とすることができるプラスチックライナー付きチューブの各々に分配される。適当な分流器を、もし採用するのであれば溶接の前に流体マニホールド内に挿入することによって、チューブを通る流れパターンを変更することができる。前述のようにガスまたは液体とすることができるパージ流体が、クロスドリル穴を通ってパージポートに入ると、これは、図１１に示す実施形態にあるようなパージ・マニホールド・プレートの溝によって各チューブに分配される。そして、パージガスは、チューブ壁とプラスチックライナーの外壁との間に流れる。パージ流は、ヒータ系の一端から他端まで、すべての支持チューブを通って並流すると予想される。
【００３１】
プロセス流体の加熱が、すべて伝導によって行われることは明らかである。具体的には、ヒータ・カートリッジ４６からヒータマウント１２に熱を伝え、そしてこれが、次に金属製の熱交換チューブ２０の外面に熱を伝える。そして、熱交換チューブは、次にプラスチックライナー６０に熱を伝える。プラスチックライナーは、次に、ライナー内を流れるプロセス流体に熱を伝える。このような理由から、ヒータアセンブリにおいて、これらいくつかの要素がしっかりと相互に接触していることが重要である。
【００３２】
開示しているのは、腐食性または敏感な流体を加熱または冷却するための高効率かつ構成可能な超高純度インライン熱交換器であり、これは熱交換チューブのセットを備え、それらは、整列されて一緒に取り付けられている。熱交換用の熱は、共通の電気エネルギー源を持つ抵抗型発熱体、ＰＴＣ系発熱体、ペルチェ加熱／冷却素子、または外部で加熱／冷却された流体を含むいくつかのソースから供給することができる。熱交換器は、幅広い流体および用途に効率的に適応させるように構成することができる。
【００３３】
一実施形態では、複数の熱交換チューブは放射状に配列されており、これによって、所与の体積における熱交換面を最大化すると同時に、ヒータ・カートリッジの両側から熱を均一に取り出して熱交換チューブの両側に熱を伝達するための効率的な手段を提供している。熱交換器の壁は、最適な熱伝達および化学的適合性を提供するように、様々な材料で構成することができる。超高純度加熱または冷却を必要とする流体は、フルオロポリマー（例えば、テフロン（登録商標））、プラスチック、ガラス、またはセラミックのコーティングなど、化学的に不活性な適当なバリアによるライナー付きの熱交換チューブを利用することができる。熱交換チューブの形状は、圧力損失に対する熱伝達の比、または「性能指数」を最大化するように設計することができる。形状は、熱交換器の使用温度および圧力定格の全範囲にわたって、フルオロポリマーライナーと熱交換チューブとの間の最適な接触を可能にするものであることが望ましい。また、形状は、化学的に不活性なバリア／フルオロポリマーライナーの壁を通って移動することがある透過液を除去するために、流体パージを、熱交換器壁とフルオロポリマーライナーとの間に導入することを可能とするようにすることができる。
【００３４】
次に図１３を参照すると、これは、本開示のさらに別の実施形態による熱交換器Ｂを示している。本実施形態では、熱交換器は、第１と第２の支持ディスクまたはエンドプレート３１４、３１６にそれぞれの端部で取り付けられた複数の熱交換チューブ３２０を有する本体を備える。チューブ３２０は、支持ディスクに溶接するか、または他の適当な方法で接続することができる。熱交換チューブの端部が、支持ディスク３１４、３１６を通して開口していることは明らかである。熱交換チューブは、長軸と短軸とを持つように、略楕円形の断面を有している。複数の熱交換チューブ３２０の長軸は、熱交換器本体の長手方向の中心軸３２７（図１５）の方向を指しており、そこから放射状に離れて延びるような向きになっている。この構成による効果は、熱交換チューブを効率的に離間させることが、開示の熱交換チューブの放射状アレイによって実現できることである。図１３に示す放射状アレイ構成は、熱伝達の観点から、従来の熱交換チューブ設計よりも効率的であると考えられる。熱交換チューブ３２０は、ステンレス鋼またはチタンなどの適当な金属で構成することができる。言うまでもなく、加熱または冷却されるものとして熱交換チューブ３２０を流れるプロセス流体の化学的性質に応じて、他の一般的な金属を用いることもできる。開示する実施形態では、流体は加熱されるものとしている。
【００３５】
次に図１４を参照すると、熱交換チューブ３２０の各ペアの間にヒータマウント３１２が配置されていることが分かる。本実施形態のヒータマウントは、本質的に略Ｕ字形状になっており、これによって、両隣りのヒータチューブ３２０の外面に接触する。それぞれのヒータマウントは、発熱体４４６（図１５）を収容するための略Ｕ字形の中心溝を有している。このようにして、複数のヒータマウントとヒータを、図１３〜１５に示す熱交換器設計に採用することができる。この構成による効果の１つは、正常に機能しないヒータ４４６を、他のヒータと交換することが容易に可能なことである。同様に、ヒータマウントのいずれかを取り換える必要がある場合に、これも容易に達成することができる。なお、言うまでもなく、図１５からは、図１に示す固定要素またはテンションバンドのような、熱交換器上でヒータマウントおよびヒータを所定位置に固定するための固定要素が抜け落ちている。
【００３６】
次に図１５を参照して、第１のエンドキャップ３３６と第２のエンドキャップ３３８が、ヒータ支持ディスク３１４、３１６上にそれぞれ配置されている。図示の設計では、第１のエンドキャップ３３６に流入ポート３７０が配置されており、第２のエンドキャップ３３８に流出ポート３７２が配置されている。
【００３７】
本実施形態では、流体パージは提供されていない。正確には、単にプロセス流体が、流入ポート３７０を通って流入し、複数の熱交換チューブ３２０を通って第２のエンドキャップ３３８に向かって流れ、流出ポート３７２から流れ出る。プロセス流体は、複数の熱交換チューブを通って流れる間に、発熱体４４６により加熱される。この目的のため、発熱体は、ヒータマウントまたはヒートシンク３１２に熱を伝導によって提供し、そこから次に熱交換チューブ３２０に熱が伝えられる。熱交換チューブ３２０の楕円形の構成によって、それらの主面は、両隣りのヒータマウントまたはヒートシンク３１２のそれぞれの脚部と密接に接触し、これによって、発熱体４４６から、熱交換チューブ３２０を通って流れるプロセス流体への効率的な熱伝達経路が得られる。
【００３８】
複数の別個のヒータマウント３１２を図示しているが、これに代えて、ヒータマウント構造またはヒートシンク設計の他の実施形態を採用することができることは明らかである。例えば、ヒートシンクの半分からなるペアを、それぞれが熱交換器Ｂのチューブの約半分に適応するように、熱交換器の両側にそれぞれ取り付けることができる。あるいは、ヒータマウントを、第１および第２の支持ディスクと一体とすることができ、そして、熱交換チューブを、まず支持ディスクに通し、次にヒータマウントのフランジ間に装着することができる。また、発熱体は、ヒータマウント構造に固定されるように設計することもできる。そのような設計では、場合によって図１に示すテンションバンドが必要なくなる。
【００３９】
本開示について、いくつかの実施形態に関して記載している。前述の詳細な説明を読み、理解した者が、変形および変更を思いつくであろうことは、言うまでもない。そのような全ての変形および変更は、添付の請求項またはその均等物の範囲内にある限り、本開示に含まれると解釈されるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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