(57)【要約】  本発明は一般に、並流式熱交換器用のマニホルド、及びそのマニホルドを組み込んだ熱交換器に関する。マニホルドは、各々が、第１の方向を向く第１の開口部と、第１の方向とは異なる第２の方向を向く第２の開口部とを有する第１の複数の流路を含む。マニホルドは、第１の複数の流路と重ね合わせて配置され、第３の方向を向く第３の開口部と第１の方向を向く第４の開口部とを有する第２の複数の流路をさらに含み、第３の方向は第1の方向及び第２の方向とは異なる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向を向く開口部と前記第１の方向とは異なる第２の方向を向く開口部とを各々が有する第１の複数の流路と、
前記第１の複数の流路と重ね合わせて配置され、第３の方向を向く開口部と前記第１の方向を向く開口部とを有する第２の複数の流路と、を備え、
前記第３の方向は、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる、並流式熱交換器用のマニホルド。
【請求項２】
前記マニホルドが、１０７０℃〜１３５０℃の温度で動作するように適合されている、請求項１に記載のマニホルド。
【請求項３】
前記マニホルドが炭化ケイ素又は炭化ケイ素誘導体材料である、請求項１又は２に記載のマニホルド。
【請求項４】
第４の方向を向く開口部と第１の方向を向く開口部とを有する第３の複数の流路をさらに備え、前記第４の方向は、前記第１の方向、前記第２の方向、及び前記第３の方向と異なる、請求項１から３のいずれか一項に記載のマニホルド。
【請求項５】
前記第１組及び第２組の流路の各々からの所定数の重ね合わせられた流路が、前記第３組の流路からの連続した流路の間に配置される、請求項４に記載のマニホルド。
【請求項６】
前記所定の数が１より大きい、請求項６に記載のマニホルド。
【請求項７】
第５の方向を向く開口部と前記第１の方向を向く開口部とを有する第４の複数の流路をさらに備え、前記第５の方向は、前記第１の方向、前記第２の方向、前記第３の方向及び前記第４の方向とは異なる、請求項４から６のいずれか一項に記載のマニホルド。
【請求項８】
前記マニホルドを３Ｄプリントするステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のマニホルドを製造する方法。
【請求項９】
熱交換スタックの両側に接続された２つのマニホルドを備える熱交換器であって、
各マニホルドは請求項１から７のいずれか一項に記載のマニホルドであり、
前記熱交換スタックは、貫通する複数の流路を有する少なくとも１つの熱交換ブロックを備え、
前記熱交換ブロックの前記流路は、各マニホルドの前記流路と整列されて、マニホルドと熱交換スタックの両方にまたがる直列の気体経路を形成する、熱交換器。
【請求項１０】
各熱交換ブロックがガスケットを受容するように適応された挿入領域を含み、
前記挿入領域が、前記ブロックの表面上に配置され、前記ブロックの前記表面上で前記流路を囲む、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
第１の流体経路が一方のマニホルド内の前記第１の複数の流路及び他方のマニホルド内の前記第１の複数の流路を含み、
第２の流体経路が一方のマニホルド内の前記第２の複数の流路及び他方のマニホルド内の前記第２の複数の流路を含み、
前記熱交換器が、
前記第１の流体経路を第１の流体源に接続するように適合された第１のコネクタと、
前記第２の流体経路を第２の流体源に接続するように適合された第２のコネクタと、をさらに備える、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第１のコネクタとは反対側の前記第１の流体経路の端部で前記第１の流体経路を前記第２の流体源に接続するための第３のコネクタをさらに備える、請求項１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第１及び第２のコネクタが同じマニホルドに取り付けられる、請求項１１又は１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記第１及び第２のコネクタが異なるマニホルドに取り付けられる、請求項１１又は１２に記載の熱交換器。
【請求項１５】
複数の流体の流入を受け、それらを互いに別個に並行に流動させるための手段と、前記熱交換器から流出する際に前記複数の流体を分配するための手段と、を備える熱交換器。
【請求項１６】
前述の、又は添付の図面に示されるマニホルド。
【請求項１７】
前述の、又は添付の図面に示される熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並流式熱交換器用のマニホルド、及び該マニホルドを含む熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、自動車から空調ユニット、先端熱処理システムのエネルギ回収装置まで多くのシステムで使用されている。
【０００３】
従来、熱交換器は様々な要因を考慮に入れなければならない。例えば、ファウリング（汚れ）は、圧力損失の増大及び熱伝達率の低下を引き起こすことがあり、これは熱交換器の効率に悪影響を及ぼす可能性がある。別の考慮事項として、熱交換器はその性質上、温度変動の影響を受ける。加えて、熱交換器は、システムの特定の領域の磨耗率を高める微粒子負荷を伴う高速度の流体（気体又は液体）流を受ける可能性がある。熱交換器が高温で作動すると、浸食の問題が悪化する可能性がある。同様に、熱交換器を通過する流体は酸又は他の腐食性材料を含む可能性があり、それは高温で熱交換器の内部をさらに劣化させる可能性さえある。腐食及び浸食の問題は、金属製の熱交換器で特によく起こる。
【０００４】
幾つかの従来のセラミック熱交換器では、管対管板（tube-to-tubesheet）構造が採用されている。第１の流体は一連の管の内側を流れ、第２の流体は管の外側を通って流れる。したがって、管と接触すると、第２の流体が停滞する可能性があり、これは多くの問題を引き起こす可能性がある。例えば、第２の流体が粒子状物質を含む場合、第２の流体の流れに対して垂直な管の表面の侵食が増大するであろう。また、状況によっては、管の周囲のよどみ点がファウリングを引き起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流体間の効率的な熱交換を可能にする方法及び装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、並流式熱交換器用のマニホルド、及びそのマニホルドを含む熱交換器に関する。
【０００７】
一態様では、並流熱交換器用のマニホルドは、各々が第１の方向を向く開口部と、第１の方向とは異なる第２の方向を向く開口部とを有する第１の複数の流路と、第１の方向及び第２の方向とは異なる第３の方向を向く開口部と第１の方向を向く開口部とを有する第２の複数の流路とを備えている。
【０００８】
有利には、並流式熱交換器を用いると、流体は互いに平行又は逆平行（すなわち、対向流の並流）に流れることができる。その結果、これは熱交換器内の流体の停滞の可能性を低減する。第１の流体が一連のパイプを通って移動し、第２の流体がそれらのパイプの外側の周囲で直交して流れる例では、第２の流体はパイプとの接触点で停滞し、それらパイプの他方の側で乱流作用を受ける。停滞／乱流によって引き起こされる圧力降下は、第１の流体と第２の流体間の熱伝達を非効率にする可能性がある。
【０００９】
加えて、たとえ第１及び第２の流体が直交する流路を流されたとしても、熱交換器は、伝熱面積を増大させるために二次元（長さと幅）で拡張されなければならないであろう。その結果、熱交換器の幅がより大きくなるため（ひいては、流路の断面積がより大きくなるため）、所定の体積の流体での圧力が低下する。したがって、その所定の体積で熱交換器を通って移動する流体の速度もまた減少するであろう。一方、並流式では、熱交換器は一次元的に拡大して（すなわち、幅を同じに保ちながら長さを長くして）伝熱面積を増大させることができる。他の寸法（すなわち幅及び高さ）は同じままに保たれ、したがって圧力及び速度への影響を最小にし得る。
【００１０】
幾つかの態様では、マニホルドは、１、０７０℃〜１３５０℃の温度で作動するように適応されている。このようにして、熱交換器によって処理可能な流体及び温度変化の範囲が増大する。
【００１１】
幾つかの態様では、マニホルドは炭化ケイ素又は炭化ケイ素誘導体材料（炭化ケイ素由来の材料／SiC derivative material）である。炭化ケイ素、又は炭化ケイ素誘導体材料は、マニホルドが高温で流体を処理することを可能にしつつ、マニホルドの侵食及び腐食耐性を高めることを可能にする。
【００１２】
幾つかの態様では、マニホルドはさらに、第４の方向を向く開口部と第１の方向を向く開口部とを有する第３の複数の流路をさらに含み、第４の方向は第１の方向、第２の方向、及び第３の方向とは異なる。このようにして、マニホルドは３つの異なる流体源からの流体を熱交換器の内側で並行で流動させることができる。３つの流体が異なる温度である場合、これは熱交換器から流出する流体の温度に対するより優れた制御を提供する。
【００１３】
幾つかの態様では、第１組及び第２組の流路の各々からの所定数の重ね合わせて配置された（interleaved／インターリーブされた／交互配置された）流路が、第３組の流路からの連続した複数の流路の間に配置される。好ましくは、所定数は１以上である。
【００１４】
幾つかの態様では、マニホルドは、第５の方向を向く開口部と第１の方向を向く開口部とを有する第４の複数の流路をさらに含み、第５の方向は第１の方向、第２の方向、第３の方向及び第４の方向とは異なる。そのような構成は、熱交換器から流出する第１及び第２の流体の温度に対してさらに優れた制御を提供する。例えば、４つの流体源からの流体では、第１及び第２の流体が処理されるように（すなわち、温度が増減されるように）提供されるのに対して、第３及び第４の流体は第１及び第２の流体の温度を調節するように提供され得る。幾つかの例では、第３の流体は冷却剤であってよく、第４の流体は加熱流体であってよい。
【００１５】
本発明はさらに、本明細書に記載のマニホルドの製造方法を含み、前記製造方法は、前記マニホルドを３Ｄプリント（3次元印刷）することを含む。
【００１６】
幾つかの態様では、熱交換器は、熱交換スタックの両反対面に接続された２つのマニホルドを含み、各マニホルドは本明細書に記載のマニホルドであり、熱交換スタックは複数の流路が貫通する少なくとも１つの熱交換ブロックを含み、熱交換ブロックの流路は各マニホルドの流路と整列されて、マニホルドと熱交換スタックの両方にまたがる一連の気体経路を形成する。
【００１７】
幾つかの態様では、熱交換ブロックは、ガスケットを受容するように適応された挿入領域を含み、前記挿入領域は、ブロックの表面上に配置され、ブロックの表面上で前記流路を囲む。そのような配置は、熱交換器内の流体の相互汚染の可能性を低減する。
【００１８】
幾つかの態様では、第１の流体経路は一方のマニホルド内の第１の複数の流路と他方のマニホルド内の第１の複数の流路とを含み、第２の流体経路は一方のマニホルド内の第２の複数の流路と他方のマニホルド内の第２の複数の流路とを含む。これらの態様の熱交換器はさらに、第１の流体経路を第１の流体源（流体源）に接続するようにされた第１のコネクタと、第２の流体経路を第２の流体源に接続するようにされた第２のコネクタとを含む。
【００１９】
幾つかの態様では、熱交換器は、第１のコネクタの反対側の第１の流体経路の端部で第１の流体経路を第２の流体源に接続するための第３のコネクタをさらに備えている。したがって、第１の流体として熱交換器に流入する流体は、熱処理され、次いで第２の流体として熱交換器に再流入される同じ流体と熱交換するために使用されることができる。
【００２０】
幾つかの態様では、第１及び第２のコネクタは同じコネクタに取り付けられている。他の態様では、第１及び第２のコネクタは異なるマニホルドに取り付けられる。
【００２１】
本発明の様々な実施形態及び態様は、添付の図面を参照して、限定されることなく以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】熱交換器の斜視図である。
【００２３】
【図２】熱交換器用のマニホルドの斜視図である。
【００２４】
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００２５】
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００２６】
【図５】マニホルド用のディフューザの斜視図である。
【００２７】
【図６】熱交換器用の熱交換器ブロックの斜視図である。
【００２８】
【図７】ハウジング又はシェルを含む熱交換器の斜視図である。
【００２９】
【図８】熱交換器を含む先端熱処理システムの概略図である。
【００３０】
【図９】熱交換器用のマニホルドの斜視図である。
【００３１】
【図１０Ａ】熱交換器用のマニホルドの斜視図である。
【００３２】
【図１０Ｂ】図１０ＡのＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【００３３】
【図１１Ａ】熱交換器のための熱交換器ブロックの斜視図である。
【００３４】
【図１１Ｂ】図１１ＡのＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【００３５】
【図１２Ａ】熱交換器用の端部部品の斜視図である。
【００３６】
【図１２Ｂ】図１２ＡのＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、熱交換器１のためのマニホルド２、及び前記マニホルド２を組み込んだ熱交換器１に関する。熱交換器１内では、２つの異なる流体源からの流体が、インターリーブ（重ね合わせて配置）され、隔離された平行流路を通って互いに流れる。熱交換器１は、先端熱処理システムで特に有用であるが、高温排ガス熱回収、高温プロセス流体エネルギ回収、腐食性の化学流体エネルギ回収、化学反応器節約、カーボンブラック生成プロセス、高温のエリクソンサイクル（間接燃焼ジュールサイクル）、鉄鋼産業、石油化学用途などの高温で化学的に侵食性の排ガスの回収などの他の分野に適用することができる。これらの分野は例示として提示されたものであり、熱交換器１の用途はこれらの分野に限定されない。
【００３８】
好ましい実施形態では、熱交換器１は、それ自体も第２のマニホルド２ｂに接続されている熱交換スタック３に接続された第１のマニホルド２ａからなる。熱交換スタック３は、少なくとも１つの熱交換ブロック４を備えている。熱交換器１の第１及び第２のマニホルド２ａ、２ｂは、実質的に同じ設計であるが、図１に示されてように、熱交換スタック３に接続される場合は向きが異なる。
【００３９】
マニホルド
図２を参照すると、マニホルド２は、２つの流体の流れが異なる方向から流入、流出することを可能にする重ね合わせて配置された流路５からなり、一方、マニホルド２の１つの入口／出口における２つの流体の両方の流れは、同じ軸に沿っている。図２に示された配置は台形の断面を有し、第１の流体の流れの入口／出口は台形の一方の非平行側（非平行側側辺）に位置するのに対して、第２の流体の流れの入口／出口は台形の他方の非平行側に位置する。図２のマニホルド２は、台形のより平行長辺で熱交換器スタック３に取り付けられるように意図されている。この配置では、非平行側に関連する面は、熱交換器スタック３に取り付けられる面の半数の流路を有することになる。したがって、マニホルド２は、熱交換器に流入、流出する流体の流れを平行に分配することができる。他の断面形状も可能であり、本発明は台形断面のマニホルドに限定されない。
【００４０】
マニホルド２は、全ての流路５、５ａ、５ｂが第１の方向（すなわち、熱交換スタックに向かう方向）に開口部を有する２組の流路５ａ、５ｂを含む。第１組の流路５ａは第２の方向（すなわち図２の左側）の別の開口部を有し、第２組の流路５ｂは第３の方向（すなわち図２の右側）に別の開口部を有している。第２の方向と第３の方向は互いに異なっている。好ましくは、第２及び第３の方向の両方とも第１の方向とは異なるが、マニホルドは、第２の方向と第３の方向の一方のみが第１の方向とは異なる必要がある。したがって、第１組の流路５ａと第２組の流路５ｂの各流路５は、流体（気体又は液体）が進行し得る密閉（囲われた）容積を形成する。この設計を有するマニホルド内では、１つの流路内の流体は他の任意の流路の内部の流体から隔離されている。
【００４１】
上記の構成は、第１の場所からの第１の（加熱された）流体が、第２の複数の流路５ｂに流入又はそこから流出する（以下、同様の場合、単に「流入又は流出する」と書く。）流体とは異なる供給源から第１の複数の流路５ａに流入又は流出するように流れることを可能にする。マニホルド２が熱交換器スタック３に取り付けられる場合、第１の複数の流路５ａを包囲する流体経路は、熱交換器スタック３内の第２の複数の流路５ｂを包囲する流体経路と平行になる。したがって、マニホルドは、異なる熱源からの流体が熱交換器スタック３内で平行に流れるようにすることを可能にする。
【００４２】
第１の複数の流路５ａ及び第２の複数の流路５ｂは、異なる流体源からの流体がマニホルド２内の交互の流路５を流れることを可能にするように重ね合わせて配置される。例えば、第１の複数の流路５ａのうちの第１の流路は、第２の複数の流路５ｂのうちの第１の流路の次に配置され、第２の複数の流路５ｂも第１の複数の流路５ａのうちの第２の流路の次に配置される。そして、第１の複数の流路５ａの第２の流路も第２の複数の流路５ｂのうちの第２の流路の次に配置され、以下同様である。第１の流体（例えば比較的高温の流体）が第１の複数の流路５ａを流れ、第２の流体（例えば比較的低温の流体）が第２の複数の流路５ｂを流れると、第１の流体と第２の流体間の熱交換がマニホルド２内で生じるであろう。
【００４３】
第１及び第２の複数の流路５ａ、５ｂの流路の幾何構造（幾何学的形状）が、熱交換器１全体にわたって流速を常に高く維持することができるようなものであることも好ましい。各流路は、高温と低温の交互の流れがコアの熱交換器スタック３内に向けられれるように流れさせ、それを方向転換させることを可能にする緩やかな湾曲で構成される。例えば、図３及び図４では、熱伝達面（すなわち流路の壁）に沿った流体の流れ方向に対して直角（９０°）にあるポイントは存在しない。これがマニホルド２内の流体の停滞を防止し、それによって高い流速が可能になり、ファウリングの傾向が大幅に減少する。
【００４４】
停滞の可能性をさらに最小限に抑え、かつ高い流れを維持するため、流体のためのマニホルドへの入口は、流れを適切にチャネリングする（向ける）ための一組のディフューザ８を含み得る。そのようなディフューザ８は図５に示されている。
【００４５】
マニホルド２は次いで製造を容易にするため３Ｄプリントされ、硬化のために焼成されることが好ましい。この構成方法は、組み立て工程が単純な耐火物を基にした作業であり、専門の溶接又は他のそのような技能を必要としないので、費用効果が高い。
【００４６】
好ましいマニホルド２は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から製造される。したがって、好ましいマニホルドは、他の材料及び構成技術を適用することもできるが、ＳｉＣ又はＳｉＣ由来の材料（ＳｉＣの変種）から製造される。ＳｉＣ材料の耐高温性は、マニホルド２が１３５０℃までの腐食性及び侵食性が高い環境において連続的に動作することを可能にする。ＳｉＣの変種を変更することによって、この温度を１６００℃まで増加させることができる。
【００４７】
図２のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線にそれぞれ沿った断面を示す図３及び４に示されるように、マニホルド２内の流路の断面を見ると、第１の角部２０に隣接する２つの側面（側辺）に開口部を有し、第２の角部に隣接する２つの側面には開口部がないように、２つの対向する角部２０、２１がマニホルド２内に画定され得る。したがって、図３は第１組の流路５ａのうちの１つを示し、図４は第２組の流路５ｂのうちの１つを示す。第２の角部２１における曲率半径は、流路を通って流れる流体の停滞を回避するように選択される。幾つかの態様では、その曲率半径は９５ｍｍから１２５ｍｍの間である。好ましい態様では、曲率半径は１１０ｍｍである。しかし、マニホルドを通過することを意図した流体を含む多数の要因に応じて、異なる曲率半径が適用され得ることは明らかであろう。
【００４８】
熱交換器スタック
熱交換器スタック３は、１つ又は複数の熱交換器ブロック４を備える。各熱交換器ブロック４は、流体が流れることができる多数の平行流路６を有する。好ましい実施形態では、熱交換器ブロック４は直方体であり、各流路６は長方形の断面を有し、直方体の軸に沿って前記直方体の一方の面から反対側の面まで延在する。したがって、熱交換ブロック４内の流路６は互いに平行になる。これにより、複雑な又は過度に大きな熱交換器１を形成する必要なく、隣接する流路６内の流体間の熱交換が流路６全体に沿って確実に行われる。したがって、熱交換器ブロック４内の各流路は、流体（気体又は液体）がそれを通って移動し得る囲われた容積を形成する。本明細書に記載の熱交換ブロック４内では、１つの流路６内の流体は他の任意の流路６内の流体から隔離される。
【００４９】
熱交換ブロック４の頂部及び底部は、熱交換ブロック４とマニホルド２又は別の熱交換ブロック４との間のガスケット密封を可能にする挿入領域８を有する。幾つかの実施形態ではマニホルド２が同様の挿入領域を含み得ることは明らかである。挿入領域８は熱交換ブロック４の表面上にあり、熱交換ブロック４がマニホルド２及び／又は熱交換ブロック４と組み合わされた際に、挿入領域８に配置されたガスケットが流路６を包囲するように位置決めされる。好ましい配置では、セラミックファイバガスケットが利用され、これは、これらの要素間の接続部における熱交換ブロックとマニホルドの幾何構造の単純さによって可能になる。
【００５０】
粉末冶金を用いて熱交換ブロック４を製造することが好ましい。他の実施形態では、熱交換ブロック４は３Ｄプリントされ、次いで硬化のために焼成される。好ましい熱交換ブロック４は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から製造される。他の材料及び構築技術も適用可能である。さらに別の実施形態では、熱交換ブロック４は、その後、集合体として硬化される未焼成又は「グリーン」セラミックプレートを組み立てることによって構築され得る。他の製造技術も可能である。
【００５１】
熱交換器
図１に示される配置では、熱交換器１は、２つのマニホルド２ａ、２ｂと、（熱交換コアとも称される）熱交換スタック３とを含み、マニホルド２ａ、２ｂは、熱交換ブロック４の両端に取り付けられている。図１の配置では、６つの熱交換ブロック４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆが示されているが、熱交換ブロック４の数は熱交換器１が使用されるシステムの要件に応じて変わり得ることは明らかであろう。熱交換器１は、マニホルドをそれぞれの流体源に接続するためのコネクタをさらに含む。例えば、第１の流体経路に関連する第１のコネクタは、第１のマニホルド２ａを第１の流体源に接続し、第２の流体経路に関連する第２のコネクタは第２のマニホルド２ｂを第２の流体源に接続する。幾つかの態様では、第２の流体経路に関連する第３のコネクタもまた、第２のマニホルド２ｂを第２の流体源に接続する。
【００５２】
熱交換器の各要素（すなわち、マニホルド２ａ、２ｂ及び熱交換ブロック４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ）は、この熱交換器１の軸に沿って互いに組み合わされる。したがって、熱交換器１の軸は、熱交換器スタック３と、熱交換器スタック３の両端に配置されている両方のマニホルド２ａ、２ｂとを貫通する。前述のマニホルド２の向きを用いれば、各マニホルド２ａ、２ｂの第１の方向は熱交換器１の軸と整列されているが、一方のマニホルドは他方に対して反転している（すなわち、各マニホルド上に最も多くの開口部を有する面が他方のマニホルドに面している）。
【００５３】
第１のマニホルド２ａ内の第１組の流路５ａは、熱交換スタック３内の第１組の流路６ａと整列され、これら自体は、第２のマニホルド２ｂの第１組の流路５ａと整列されて第１組の流体経路を形成する。同様に、第１のマニホルド２ａ内の第２組の流路５ｂは、熱交換スタック３内の第２組の流路６ｂと整列され、これら自体は、第２のマニホルド２ｂ内の第２組の流路５ｂと整列されて第２組の流体経路を形成する。したがって、第１及び第２の流体経路は重ね合わせて配置される。例えば、第１組の流体経路のうちの第１の流体経路は、第２組の流体経路のうちの第１の流体経路に隣接し、これは、また、第１組の流体経路の第２の流体経路に隣接する。さらに、第２組の流体経路のうちの第２の流体経路も、第２組の流体経路のうちの第２の流体経路に隣接し、以下同様である。
【００５４】
流路は、熱交換スタック３内にあるときは、熱交換器１の軸と平行である。各マニホルド２ａ、２ｂ内で、流体経路は軸と平行である方向から異なる方向へと方向転換する；第１組の流体経路は、軸と平行ではない一方向を向くように方向転換するのに対して、第２組の流体経路は、軸と平行ではなく、第１組の流体経路の方向とは異なる別の方向に向くように方向転換する。
【００５５】
このように、マニホルド２ａ、２ｂは、第１組の流体経路内の流体を第２組の流体経路内の流体から隔離することができる。これにより、熱交換器１は２つの異なる流体源から流体を流入させることが可能になる。第１組と第２組の流体経路が交互に重ね合わせて配置されるため、マニホルド２ａ、２ｂは流体をそれぞれの流体経路に隔離し、流体を熱交換スタック３内の隣接する流路に流動させ、そこで、マニホルド２及び熱交換ブロック４の材料を熱交換媒体として使用して、流体間の熱交換が起こり得る。
【００５６】
幾つかの実施形態では、流体経路の第１及び第２組の両方の中の流体は同じ方向に流れる。他の実施形態では、第１組の経路内の流体は、第２組の流体経路内の流体とは反対方向に流れる。
【００５７】
上述のヒートスタック３内の流体の並流の結果として、隣接する流路６内の流体間で熱交換が行われる熱交換器１の領域が最大化され、それによってより効率的な熱交換器が提供される。さらに、熱交換面を変更する必要がある場合（例えば、２つの流体間の熱交換のための追加の時間が必要な場合）には、熱交換器１は単一軸に沿って拡張するだけでよい。これに関して、熱交換ブロック４及びマニホルド２のモジュール式の性質は、熱交換ブロック４の数を迅速かつ簡単な方法で増減することによって熱交換器１の長さを変えることができるので利点を高める。さらに、そのようなモジュール式配置は、１つの要素が損傷した場合にそれを簡単かつ迅速に取り外して交換することができ、それによって熱交換器を組み込んだシステムの停止時間を最小限に抑えるという点で有利である。代表的な金属製の熱交換器では、構成要素は互いに溶接されているので、損傷した構成要素を取り外して交換するための単純な機構が不可能になる。溶接は、熱交換器内部へのアクセスをより困難にし、清掃が必要な場合に停止時間が長くなることがある。
【００５８】
マニホルド２内の流路内の流体はそのマニホルド２内の他の流路内の流体から隔離されており、熱交換ブロック４内の流路内の流体はその熱交換ブロック内の他の流路内の流体から隔離されることは前述の通りである。ブロック４間の、又はブロック４とマニホルド２間の接合部で流体が流路から漏れる可能性を最小限にするために、熱交換器はシェル又はハウジング内に配置され得る。そのような配置が図７に示されており、そこでは２つのマニホルド２ａ、２ｂ及び熱交換スタック３がハウジング（又はシェル）７内に封入される。
【００５９】
ハウジング７の内部寸法は、熱交換器１の軸に沿った２つのマニホルド２と熱交換スタック３との組み合わせの外形寸法と類似している。マニホルド２ａ、２ｂ及び熱交換スタック３がハウジング７内に配置されると、ハウジング７はマニホルド２ａ、２ｂ及び熱交換スタック３を軸に沿って圧縮する。このようにして熱交換器１の要素を圧縮すると、２つの要素間の接合部（すなわち、マニホルド２から熱交換器ブロック４への接合部、又は熱交換器ブロック４から熱交換器ブロック４への接合部）で流体が流体経路から漏れることが防止される。その結果、これによって第２組の流体経路を通って移動する流体による、第１組の流体経路を通って移動する流体の汚染が防止される。
【００６０】
ハウジング７は、流体源とマニホルド２ａ、２ｂとの間の接続部として機能するポート９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを含む。例えば、第１のマニホルド２ａ及び第１の流体経路に関連する第１のポート９ａは第１の流体源に接続し、第２のマニホルド２ｂ及び第２の流体経路に関連する第２のポート９ｂは第２の流体源に接続する。幾つかの態様では、第２のマニホルド２ｂ及び第２の流体経路に関連する第３のポート９ｃもまた第２の流体源１０に接続する。
【００６１】
好ましくは、ハウジング７は耐火物でライニングされた鋼鉄製ハウジングであり、熱交換ブロック４はライニング内の固定具によって適所に保持される。ハウジングが十分な強度の他の材料で作られてもよいことは当業者に明らかであろう。
【００６２】
熱交換器１は任意の適切な材料で製造することができるが、マニホルド２及び熱交換スタック３を製造するための好ましい材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はＳｉＣ由来の材料であることは上述した。この材料は、動作温度、耐食性、耐浸食性、及びメンテナンスに関して、従来の金属製熱交換器を超える多くの利点を提供する。
【００６３】
例えば、動作温度及び耐食性に関して、２５３ＭＡ又はＩｎｃｏｌｎｅｌベースの合金などの特殊金属の代表的な材料限界は、環境が極めて侵食性である場合には１０００℃未満に制限される。ＳｉＣ又はＳｉＣ由来の材料を用いると、熱交換器は、最高１３５０℃までの高度の腐食性かつ侵食性の（過酷な）環境において連続的に動作され得る。ＳｉＣの変種を変更することによって、これを１６００℃まで上昇させることができる。高度の腐食性かつ侵食性の環境での悪影響をさらに最小限に抑えるために、熱交換器の動作は１０７０℃に制限されることがある。したがって、幾つかの態様では、熱交換器、ひいてはマニホルドは１０７０℃〜１３５０℃で動作する。幾つかの態様では、熱交換器は１０７０℃〜１６００℃で動作する。より高い動作温度は、熱交換器を必要とするより多様なシステムに熱交換器が適用されることを可能にする。
【００６４】
耐侵食性に関して、流れの中に個体がある場合、特に流れ形状がよどみ点を含む場合、浸食が問題となる。さらに、熱膨張の問題に対処するためには表面は薄肉でなければならず、連続的な固体衝撃に耐えるそれらの能力を使い果たしてしまう。しかし、ＳｉＣ又はＳｉＣ誘導体材料（又はＳｉＣ由来の材料）の使用は、より大きな耐浸食性を可能にする。その結果、これは熱交換要素２、３の耐久性を向上させ、メンテナンスに必要な時間を短縮する。
【００６５】
さらに、熱交換器１内に材料の堆積がある場合（例えば、炭化水素が一方又は両方の流体中に存在するとタールが堆積する可能性がある）、清掃が必要となる。好ましい熱交換器１を清掃するために、収着剤媒体を添加する手段が設けられ得る。収着剤媒体は、熱交換器１内で「サンドブラスト」剤として作用する。収着剤媒体は流路内に導入され、流路の幾何構造により流路の中に流速が常に高く保たれ、流路内で搬送される。したがって、収着剤媒体は、研磨作用によって内壁からファウリングを除去する。このような清掃は、ＳｉＣ材料の材料特性、特に硬度によって可能になる。代表的には、収着媒体は典型的にはアルミナサンドであり、これは回収され、再使用される。
【００６６】
金属熱交換器のコストもまた、Ｉｎｃｏｌｎｅｌベースの合金のコストの高騰のために法外なものとなっている。
【００６７】
使用例
一例では、上述したような熱交換器１は、先端熱処理システムにおいて実施され得る。例えば、図８に示されるように、第１の気体供給源からの比較的低温の気体は、第１の入口（すなわち第１のコネクタ）１０から熱交換器１に流入し、第１の出口（すなわち第３のコネクタ）１１に向かって流れる。出口１１の後、気体は先端熱処理装置１４に流入し、そこで処理中に気体が加熱される。先端熱処理装置１４から流出すると、加熱された気体は第２の入口（又は第２のコネクタ）１２で熱交換器１に再導入され、第２の出口（すなわち第４のコネクタ）１３に向かって流れる。熱交換器１の観点から見ると、先端熱処理装置１４は第２の気体供給源である。熱交換器１内では、第１の供給源からの比較的低温の気体は第１の気体経路（第１の流体経路）を流れ、一方、先端熱処理装置からの加熱された気体は第２の気体経路（第２の流体経路）を流れる。第２の気体経路は、上述したように第１の気体経路と平行で、重ね合わせて配置される。
【００６８】
有利には、熱交換器１をこのように使用することによって、先端熱処理装置１４に入る気体は予熱され、それによって処理のために気体を適切な温度まで上昇させるのに必要なエネルギを減少させると共に、先端熱処理装置からの加熱された気体を冷却して清掃及び処理を可能にする。
【００６９】
先端熱処理システムで使用され、マニホルドが台形の断面を有する場合、流路は、２つの開口部（１つは台形の非平行の側に沿った開口部、もう１つは台形の平行な側に沿った開口部）を有する。したがって、マニホルドの使用時に気体がそこで方向転換する第１の角部は、隣接する端部に開口部を有し、第２の角部は、隣接する端部に開口部を有しない。幾つかの態様では、開口部を有さない平行の側の内壁は、非平行の側の開口部から第２の角部に向かって僅かな角度をなしている。好ましくは、その平行側の壁とその内壁間の角度は４°であり、内壁の長さは２９５ｍｍである。第２の角部の曲率半径は１１０ｍｍであるが、下限は９５ｍｍ、上限は１２５ｍｍである。このような曲率半径は、流体が第２の角部で停滞することを防止する。
【００７０】
他の例では、カーボンブラックは、アセチレン、天然ガス及び石油由来オイルを含む炭化水素の部分酸化から製造される。酸化プロセスは、カーボンブラック製造プロセスを持続するのに必要な熱を発生するためにある割合の炭化水素を消費する。反応器（代表的には空気）への酸化剤の予熱温度が高いほど、最終生成物の収率が高い。反応器からの高温の排ガスから酸化剤を予熱するために、その用途のための金属製又はセラミック製のシェル・チューブ型熱交換器を利用することが現在の慣行である。空気の最高予熱温度は、ピークの空気予熱が制限されている金属製熱交換器の場合、（特に、例えば硫黄に富むオイルが使用される場合）腐食及び浸食の問題を含む冶金学的考察によって制限される。シェル・チューブ構成の現在のセラミック熱交換器については、現在の制限は、管と管板との間の全ての接合部で、低温の気体流と高温の気体流とを互いにシールすることが複雑であることに起因する。加えて、オイルは管内に堆積する灰生成物が含まれているため、定期的なメンテナンスのための停止が必要である。ここでの熱交換器は、（熱交換器のピンチポイント内で）実質的に無制限の予熱レベルを達成するための手段を提供して、プロセス効率の飛躍的（段階的）な変化をもたらす。さらに、この構成は、オンラインクリーニングを採用することを可能にし、停止時間を軽減する。より高い硫黄レベル、又はさらに選択されたプラスチック廃棄物を含むより侵食性の原料をプロセスに利用することができ、プロセスの経済性を改善する。
【００７１】
さらに別の例では、熱交換器１を使用して、閉ループ空気又は熱流体を加熱して安全で低コストのボイラー内の蒸気圧及び温度を上昇させ、それによってボイラー材料を問題の（例えば腐食性の）化学物質の凝縮物から隔離することができる。従来の焼却炉では、エネルギの回収は材料の腐食のために制限されている。例えば、ボイラ管を腐食させる問題のある化学物質の凝縮により、熱回収は流体を５７０℃未満に保つ。上述した熱交換器１は、流体経路内によどみ点がないことにより凝縮を最小限に抑える。したがって、問題のある化学物質が堆積する可能性は低くなる。さらに、好ましい熱交換器１は耐腐食性であり、熱交換器内を流れる流体中の腐食性化学物質の影響をさらに制限する。
【００７２】
他の態様、実施形態及び修正
幾つかの態様では、熱交換器は、並流式多管式熱交換器であり得る。高速の流体の流れは、ファウリングの傾向を減らす効果がある。高速度はまた、熱伝達率の増加にも寄与する。したがって、熱交換器は、（例えば、熱交換器スタック内の流路の壁に沿って）熱伝達領域のサイズを増大させるために長く狭くされつつ、流路内の高い気体速度を可能にする配置をも提供する。したがって、特定の環境では、熱交換器のアスペクト比は好ましくない（すなわち、過度に高い／長い又は直列の複数の熱交換器もまた高コストにつながる）。並流式、多経路式熱交換器配置は、狭い流路（ひいては高い気体速度）を維持しつつ、単一の熱交換器本体内の経路数を交換器の長さで効果的に乗算する（熱交換器の長さを単一の熱交換器本体内の経路数倍にする）ことによってこれらの問題に対処する。単管式配置と比較して、多管式配置の熱交換器は、全体を通して並流式構成を維持しつつ気体の滞留時間（すなわちドエルタイム）を増加させ、それによってよどみ点及び再循環ゾーンを回避するという利点を維持する。以下に記載するこれらの態様の説明は、二重管配置に焦点を合わせている。当業者は、同様の原理が３管式（又はそれ以上の）配置を作製するために適用され得ることを理解するであろう。
【００７３】
並流二重経路熱交換器は、熱交換スタック３ａの端部にマニホルド２ａを備えている。マニホルドが接続されている端部以外の熱交換スタックの端部には端部部品が設けられている。並流二重パス熱交換器は、熱交換器内の気体の滞留時間（すなわちドエルタイム）を増加させる。二重管配置では、高温気体と低温気体とは熱接触により多くの時間を費やし、したがって、高温気体から低温気体へより多くの熱が伝達される。
【００７４】
図１０Ａを参照すると、マニホルド１０２は４つのポート１５０、１５２、１５４、１５６を備えている。これらのポート１５０、１５２、１５４、１５６は、第１及び第２の入力ポート、及び対応する第１及び第２の出力ポートを含む。各入力ポートは、マニホルド１０２内のそれぞれの複数の流路１０５に接続されている。好ましくは、この態様のマニホルドでは、入力ポートは、ポート１５０に関連して図２に示されるように、（「副流路」とも称される）２つの流路１６０、１６２に接続される。これらの流路及び／又は副流路は、熱交換スタック内の対応する流路に気体を向けるように動作可能である。このようにして、マニホルド１０２は、単一の入力ポートを通って気体を流入させて熱交換スタック内の２つの別個の平行な流路を通って流動させる。同様に、各出力ポートは、マニホルド１０２内のそれぞれの複数の流路１０５に接続されている。図１０では、流路の始端はポート１５６を通して見ることができる。
【００７５】
「副流路」構成は、有利には、ハウジング内で圧縮された場合に熱交換器にさらなる強度を提供する（例えば、図７を参照）。図１０Ａ、１１Ａ及び１２Ａに見られるように、「副流路」配置は（それぞれ線Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ及びＥ−Ｅに対して垂直に延びる）中央リブを可能にする。そのリブは、熱交換器の構成要素が座屈するのを防止するためのブレースとして機能する。さらに、図６に示されるように流路と比較して断面積が変化するため、副流路配置は僅かに増加した速度を生じ、それによってファウリングの減少に関して好ましい効果を有する。
【００７６】
図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、熱交換スタック１０３内の流路は、複数の気体戻り流路と重ね合わせて配置された複数の気体入口流路を有すると見なされ得る。気体入口流路は、入力ポートに接続されているマニホルド１０２の流路に接続されている。気体入口流路は、マニホルド１０２の流入ポートと端部部品２００の間に配置されている。気体戻り流路は、流出ポートに接続されているマニホルド１０２の流路に接続されている。気体戻り流路は、端部部品２００とマニホルド１０２の流出ポートとの間に配置されている。
【００７７】
図１１Ａの相互配置された入口流路及び戻り流路は、図６の第１組の流路６ａ及び第２組の流路６ｂと同様である。図１１Ａの配置は、単一の流路の代わりに２つの副流路１７０、１７２を備えていることで図６の配置とは異なっている。図１０Ａ及び図１０Ｂのマニホルド１０２が副流路１６０、１６２を含まず、副流路１６０、１６２の代わりに単一の流路を含む配置では、熱交換スタック１０３は、図６に示され、また上述した通りである。
【００７８】
図１１Ｂは、図１１Ａの線Ｄ−Ｄで切断された断面図を示す。副流路配置は、図１１Ｂで明確に分かる。図１１Ｂに示される配置は、入口流路又は戻り流路のいずれにも適用可能である。
【００７９】
図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、端部部品２００は、熱交換器スタック１０３内の対応する気体入口及び気体出口流路に接続する副流路を含む。端部部品は、実質的に端部部品の幅（すなわち線ＥＥに垂直な方向）に渡る（を差し渡す）単一流路を含み得ることが理解されよう。
【００８０】
端部部品２００内の流路（又は副流路）は、熱交換器スタック１０３の気体入口流路（又は副流路）を熱交換器スタック１０３の対応する気体戻り流路（又は副流路）と相互接続する。したがって、端部部品２００内の流路は、マニホルド１０２の入力ポートと対応する出力ポート間の単一の気密封止された気体経路の一部である。気密封止された気体経路は、マニホルド１０２の入力ポートに接続されたマニホルド１０２内の流路、熱交換器スタック１０３内の気体入口流路、端部部品２００内の流路、熱交換器スタック１０３内の気体出口流路、及びマニホルド１０２の出力ポートに接続された、マニホルド１０２内で接続された流路を備えている。
【００８１】
マニホルド１０２の入力ポートを通って入る気体経路は、熱交換スタック１０３を通過して端部部品２００内に入り、次いで再び熱交換スタック１０３内に戻る。端部部品２００内の流路は、熱交換スタック１０３の気体入口流路から端部部品２００に流入する気体の方向を、熱交換スタック１０３の気体出口流路に流出するように変えるように湾曲されている。
【００８２】
副流路が存在する図１２Ａ及び１２Ｂに示される配置では、気体はマニホルド１０２上の入力ポートを介して装置に流入し、マニホルド１０２内の２つの副流路１６０、１６２に隔離する。その後、気体は熱交換スタック１０３に向けられ、そこでマニホルド１０２内のそれぞれの副流路１６０、１６２に接続されている副流路１７０、１７２に沿って移動する。次いで、気体は端部部品２００内の対応する副流路１８０、１８０’に向けられ、その後、気体は再び熱交換スタック１０３に向けられる。より具体的には、気体は熱交換スタック１０３内の対応する戻り副流路１７０’、１７２’に向けられる。気体は、熱交換スタックの戻り副流路１７０’、１７２’に沿って移動し、マニホルドの副流路１６０’、１６２’内に向けられる。次いで副流路１６０’、１６２’内の気体は出力ポートを経てマニホルドから流出する前に再結合される。気体はマニホルド内で隔離されるが、気体経路自体は入力ポートと出力ポートとの間で気密封止されたままであることに留意されたい。
【００８３】
端部部品２００の流路（又は副流路１８０、１８０’）は、熱交換器スタック１０３の入口気体流路（又は副流路）から端部部品２００に流入する気体が方向転換して、入口気体流路に対応する熱交換スタック１０３の戻り気体流路に流入するように湾曲される。好ましくは、端部部品２００の曲率（湾曲）は、流路（又は副流路）の壁に沿って流体の流れの方向に対して直角（９０°）なポイントがないような湾曲である。これが、端部部品内での流体の停滞を防止し、それによって高い流速が可能になり、ファウリング傾向を大幅に減少させる。これが停滞の回避を可能にする。好ましくは、端部部品の流路はＵ字形である。図１２Ｂに示される配置では、端部部品内の副流路は気体の方向を１８０°変えさせる。他の湾曲度は当業者には明らかであろう。気体が、中間装置を介して熱交換スタック１０３の対応する流路又は副流路に向けられ得ることもまた明らかであろう。同様に、気体は、熱交換スタック１０３から中間装置を介して端部部品２００の対応する流路又は副流路に向けられ得ることも明らかであろう。
【００８４】
幾つかの態様では、マニホルド２は、熱交換器１が３つ以上の流体源から流体を受け取ることを可能にするように適合され得る。これにより、熱交換器内部の温度、ひいては熱交換器を出る流体の温度に対するより優れた制御が可能になる。この態様によるマニホルド２は３組の流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含み、これら３組の各流路は第１の方向に開口部を有する。第１組の流路１５ａ内の流路は第２の方向にも開口を有し、第２組の流路１５ｂ内の流路は第３方向にも開口を有し、第３組の流路１５ｂ内の流路は同様に第４の方向にも開口部を有する。
【００８５】
マニホルド２が、熱交換器１が上述のように２つ以上の流体源から流体を受けることを可能にすると、重ね合わせて配置された流路のための異なる配置が適用され得る。例えば、第３組の流路１５内の流路は、第１組及び第２組の流路５ａ、５ｂからの重ね合わせて配置された所定数の流路の後にのみ配置され得る。−第３組の流路１５の連続した流路の間に第１組と第２組の各流路からのＮ個の重ね合わせて配置された流路があり、ここでＮは所定の数である。幾つかの態様では、Ｎは１より大きい。流路の正確な配置は、熱交換器１が適用されるシステムに依存して変わり得る。
【００８６】
先端熱処理システムで処理するため、気体を予熱するために熱交換器１が使用される例では、第３の気体源は熱源であり得よう。例えば、先端熱処理装置１４から熱交換器１に再流入する加熱された気体が、先端熱処理装置１４に流入しようとしている気体を予熱するのに十分な温度ではない場合、熱交換器内で気体の温度を上昇させるため、上記熱源からの専用の加熱流体が熱交換器を通過するようにされ得る。熱交換器を通過させ。その中の気体の温度を上昇させるために熱交換器を通過させることができる。同様に、加熱気体が十分に冷却されていない場合、専用の加熱流体の代わりに冷却剤が使用され得る。
【００８７】
もちろん、４つの流体源（及びマニホルド及び熱交換ブロック内の関連する組の流路）を有する配置では、専用の加熱流体と冷却剤の両方が使用され得る。この態様によるマニホルドは４組の流路を含み、それら４組の各流路は第１の方向に開口部を有する。第１組の流路内の流路は第２の方向にも開口部を有し、第２組の流路内の流路は第３の方向にも開口部を有し、第３組の流路内の流路もまた第４の方向にも開口部を有し、また第４組の流路内の流路も第５の方向にも開口部を有し、第１の方向から第５の方向は互いに異なる。
【００８８】
本発明は、２つの異なる流体源からの流体を熱交換器内で平行方向に流動させるための手段を提供することが理解されよう。
【００８９】
本発明は、複数の流体の流入を受け、それらを互いに別個に並行して流動させるための手段と、前記熱交換器からの出口で前記複数の流体を分配するための手段とを備える熱交換器を提供する。前述のように、熱交換器は、対向流（すなわち、反平行流）又は順方向流／同方向流（すなわち、平行流）のいずれかでも可能である。
【００９０】
本発明は、熱が高温流体から比較的低温の流体に伝達されるように、複数の高温流体源と単一の比較的低温の流体源とを受容するように動作可能な並流式熱交換器を提供することがさらに理解されよう。
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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