(57)【要約】【課題】熱交換反応装置における熱膨張の有害影響を最小化するための方法および装置【解決手段】ハウジング、ハウジング内に実装され第1の流体を運ぶように構成された複数の管、および複数の管を収容する複数の穴を有するバッフルを有している熱交換反応装置。バッフルは、ハウジングに導入された第２の流体を管にほぼ垂直な方向に流れるように構成されている。反応装置は、バッフルおよび管の熱膨張の有害影響を最小化するための様々な形状を含む。例えば、熱膨脹を考慮に入れるようにバッフルの穴に形状を与えることにより、動作状態および動作不可状態の両方における、バッフルと管との間の機械的干渉を最小化するような形状を、反応装置は有する。反応装置は、また、反応装置内の大きい温度勾配帯において管の長さに沿って、熱絶縁体を有している。反応装置は、更に、管のうち１つのみと接触する熱伝導フィンを有している。
2005520673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装されている複数の管と、
これら複数の管を中に受け入れる複数の穴を有し、前記複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように前記ハウジング内に与えられた第２の流体を案内するように構成されたバッフルと、
前記バッフルと前記複数の管とのうち少なくとも一方の熱膨張の有害影響を最小化するための手段とを具備する熱交換反応装置。
【請求項２】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内に実装している第1のヘッダプレートと、前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを更に具備し、熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記第1のヘッダプレートと、前記第２のヘッダプレートと、前記バッフルとの間の熱膨張差を軽減するための手段を有する請求項１に記載の熱交換反応装置。
【請求項３】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置の動作状態と前記熱交換反応装置の動作不可状態との両方における、前記バッフルと前記複数の管との間の機械的干渉を最小化するための手段を更に有する請求項２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置の動作状態および前記熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、前記バッフルおよび前記複数の管の間の機械的干渉を最小化するための手段を有する請求項１に記載の熱交換反応装置。
【請求項５】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を与えるための手段を更に有する請求項３に記載の熱交換反応装置。
【請求項６】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を与えるための手段を有する請求項１に記載の熱交換反応装置。
【請求項７】
前記複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンと、
この熱伝導フィンの熱膨張の有害影響を最小化するための手段とを更に具備する請求項５に記載の熱交換反応装置。
【請求項８】
前記複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンと、
この熱伝導フィンの熱膨張の有害影響を最小化するための手段とを更に具備する請求項１に記載の熱交換反応装置。
【請求項９】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装された複数の管と、
これら複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンと、
この熱伝導フィンと前記複数の管とのうち少なくとも１つの熱膨張の有害影響を最小化するための手段とを具備する熱交換反応装置。
【請求項１０】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内に実装している第1のヘッダプレートと、前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを更に備え、熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記第1のヘッダプレートと、前記第２のヘッダプレートと、前記熱伝導フィンとの間の熱膨張差を軽減するための手段を有する請求項９に記載の熱交換反応装置。
【請求項１１】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を与えるための手段を更に有する請求項１０に記載の熱交換反応装置。
【請求項１２】
熱膨張の有害影響を最小化するための前記手段は、前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を与えるための手段を有する請求項９に記載の熱交換反応装置。
【請求項１３】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装された複数の管と、
これら複数の管を通す複数の穴を有し、前記複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように前記ハウジング内に導入された第２の流体を案内するように構成されたバッフルと、
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内に実装している第1のヘッダプレート、および前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを具備する熱交換反応装置であって、
前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、前記第1の温度帯と前記第２の温度帯とは、異なる温度であり、前記第1のヘッダプレートは、前記第1の温度帯内に設けられ、前記バッフルは、前記第２の温度帯内に設けられ、
前記第1のヘッダプレートは、第1の熱膨張係数を有する物質から形成され、前記バッフルは、第２の熱膨張係数を有する物質から形成され、前記第1の熱膨張係数は、前記第２の熱膨張係数と異なっている熱交換反応装置。
【請求項１４】
前記第２のヘッダプレートは、前記第1の温度帯内に設けられている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項１５】
前記第２のヘッダプレートは、第1の熱膨張係数を有する物質から形成されている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項１６】
前記第1の温度帯は、前記第２の温度帯の温度よりも高い温度であり、前記第２の熱膨張係数は、前記第1の熱膨張係数よりも大きくなっている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項１７】
前記第1の温度帯は、前記第２の温度帯の温度よりも低い温度であり、前記第２の熱膨張係数は、前記第1の熱膨張係数よりも小さくなっている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項１８】
前記複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンを更に具備し、前記熱伝導フィンは、前記第２の温度帯内に設けられ、前記熱伝導フィンは、第２の熱膨張係数を有する前記物質から形成されている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項１９】
前記複数の穴のうち少なくとも１つは、前記熱交換反応装置の動作状態および前記熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、前記バッフルおよび前記それぞれの管の間の機械的干渉を最小化するための、前記少なくとも１つの穴を通って延びる前記複数の管の、それぞれの管の間の機械的干渉を最小化するように成形されている請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項２０】
前記複数の管のうち１つの管と接触し、前記複数の管のうち別の管に取り付けられず、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンを更に具備する請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項２１】
前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を規定し、前記複数の管を収容する複数の穴を有する熱絶縁体を更に具備する請求項１３に記載の熱交換反応装置。
【請求項２２】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装されている複数の管と、
これら複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンと、
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内に実装している第1のヘッダプレート、および前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを具備する熱交換反応装置であって、
前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、これら第1の温度帯および前記第２の温度帯は、異なる温度であり、前記第1のヘッダプレートは、前記第1の温度帯内に設けられ、前記熱伝導フィンは、前記第２の温度帯内に設けられ、そして
前記第1のヘッダプレートは、第1の熱膨張係数を有する物質から形成され、前記熱伝導フィンは、第２の熱膨張係数を有する物質から形成され、前記第1の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数と異なっている熱交換反応装置。
【請求項２３】
前記第２のヘッダプレートは、前記第２の温度帯内に設けられている請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２４】
前記第２のヘッダプレートは、第1の熱膨張係数を有する物質から形成されている請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２５】
前記第1の温度帯は、前記第２の温度帯の温度よりも高い温度であり、前記第２の熱膨張係数は前記第1の熱膨張係数よりも大きい請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２６】
前記第1の温度帯は、前記第２の温度帯の温度よりも低い温度であり、前記第２の熱膨張係数は、前記第1の熱膨張係数よりも小さい請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２７】
前記複数の管を収容する複数の穴を有するバッフルを更に具備し、このバッフルは、前記ハウジング内に設けられ、前記複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように第２の流体を案内するように構成され、前記熱交換反応装置の動作状態および前記熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、前記バッフルと前記それぞれの管との間の機械的干渉を最小化するための、前記少なくとも１つの穴を通って延びる前記複数の管の、それぞれの管の間の機械的干渉を最小化するように、前記複数の穴のうち少なくとも１つの穴が形状を有する請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２８】
前記熱伝導フィンは、前記複数の管の別の管に取り付けられていない請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項２９】
前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を規定し、前記複数の管を収容する複数の穴を有する熱絶縁体を更に具備する請求項２２に記載の熱交換反応装置。
【請求項３０】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装されている複数の管と、
これら複数の管を挿入させる複数の穴を有し、前記ハウジング内に設けられ、前記複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように第２の流体を案内するように構成されたバッフルとを具備する熱交換反応装置であって、
前記複数の穴のうち少なくとも１つの穴は、前記熱交換反応装置の動作状態および前記熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、前記バッフルと前記それぞれの管のと間の機械的干渉を最小化するための、前記少なくとも１つの穴を通って延びる前記複数の管の、それぞれの管の間の機械的干渉を最小化するように、成形されている熱交換反応装置。
【請求項３１】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第1のヘッダプレートと、前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第２のヘッダプレートとを更に具備する請求項３０に記載の熱交換反応装置。
【請求項３２】
前記複数の穴は、アレイ状に配設され、このアレイは、中心を有する請求項３０に記載の熱交換反応装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの穴は、この少なくとも１つの穴を通って延びる前記それぞれの管の部分の外側表面のサイズよりも大きい所定のサイズを有し、この所定のサイズは、前記少なくとも１つの穴の、前記アレイの前記中心からの距離に対応している請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項３４】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第1のヘッダプレート、と前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第２のヘッダプレートを更に具備し、前記所定のサイズは、前記第1のヘッダプレートと、前記第２のヘッダプレートと、前記バッフルとの間の熱膨脹差に更に対応している請求項３３に記載の熱交換反応装置。
【請求項３５】
前記バッフルの第1の穴は、前記バッフルの第２の穴よりも前記アレイの前記中心の近くに設けられ、前記第1の穴は、前記第２の穴の所定のサイズよりも小さい所定のサイズを有している請求項３３に記載の熱交換反応装置。
【請求項３６】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第1のヘッダプレート、および前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第２のヘッダプレートとを更に具備し、前記少なくとも１つの穴は、この少なくとも１つの穴を通って延びる前記それぞれの管の部分の外側表面のサイズよりも大きい所定のサイズを有し、この所定のサイズは、前記少なくとも１つの穴の、前記第1のヘッダプレートと、前記第２のヘッダプレートと、前記バッフルとの間の相対膨張の中心からの距離に対応している請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの穴は、前記アレイの前記中心からオフセットされ、前記熱交換反応装置が動作不可の周囲温度にある場合、前記少なくとも１つの穴および前記それぞれの管は同心円上に整列されている請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの穴は、前記アレイの前記中心からオフセットされ、前記熱交換反応装置が動作不可の周囲温度にある場合、前記少なくとも１つの穴および前記それぞれの管は非同心円上に整列されている請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項３９】
前記熱交換反応装置が動作不可の周囲温度にある場合、前記少なくとも１つの穴の中心は、前記それぞれの管の中心よりも前記アレイの前記中心から遠くなっている請求項３８に記載の熱交換反応装置。
【請求項４０】
前記熱交換反応装置が動作温度にある場合、前記少なくとも１つの穴の前記中心は、前記それぞれの管の前記中心よりも前記アレイの前記中心に近くなっている請求項３９に記載の熱交換反応装置。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの穴は円形である請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４２】
前記少なくとも１つの穴を通って延びる前記それぞれの管の部分は、円形横断面の外側表面を有する請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの穴は、非円形である請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの穴は、前記アレイの前記中心の径方向ラインに沿って延びる方向に引き延ばされている請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４５】
前記複数の管の第1の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第1のヘッダプレートと、および前記複数の管の第２の端部を前記ハウジング内にしっかりと実装している第２のヘッダプレートと、を更に具備し、前記少なくとも１つの穴は、前記第1のヘッダプレートと、前記第２のヘッダプレートと、前記バッフルとの間の相対膨張の中心の径方向ラインに沿って延びる方向に引き延ばされている請求項３２に記載の熱交換反応装置。
【請求項４６】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装されている複数の管と、
前記複数の管のうち１つの管と接触し、前記複数の管の別の管に取り付けられず、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンとを具備する熱交換反応装置。
【請求項４７】
前記熱伝導フィンは、
前記複数の管のうち前記１つの管の外側表面と接触しているカラー部分と、
前記カラー部分に結合され、前記複数の管のうち前記１つの管の軸と反対方向に延びているフィン部分とを有する請求項４６に記載の熱交換反応装置。
【請求項４８】
前記カラー部分は、前記複数の管のうち前記１つの管の前記軸と平行方向に延びている請求項４７に記載の熱交換反応装置。
【請求項４９】
前記複数の管のうち前記１つの管は、複数の熱伝導フィンを有する請求項４７に記載の熱交換反応装置。
【請求項５０】
前記複数の熱伝導フィンは、前記複数の管のうち前記１つの管の長さに沿って隣り合ったカラー部分に隣接するカラー部分を有する請求項４９に記載の熱交換反応装置。
【請求項５１】
前記複数の熱伝導フィンは、前記複数の管のうち前記１つの管の長さに沿って互いに離間されたカラー部分を夫々有する請求項４９に記載の熱交換反応装置。
【請求項５２】
前記複数の管の別の管と接触し、前記複数の管の前記別の管のみと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された付加的な熱伝導フィンを更に具備する請求項４６に記載の熱交換反応装置。
【請求項５３】
前記付加的な熱伝導フィンは、前記複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように、前記ハウジング内に導入された第２の流体を案内するように構成された請求項４６に記載の熱交換反応装置。
【請求項５４】
ハウジングと、
第1の流体を運ぶように構成され、前記ハウジング内に実装されている複数の管と、
前記熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において前記複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を規定し、前記複数の管を通す複数の穴を有する熱絶縁体とを具備する熱交換反応装置。
【請求項５５】
前記熱絶縁体は、絶縁物質の単一のユニット部材から形成されている請求項５４に記載の熱交換反応装置。
【請求項５６】
前記熱絶縁体は、弾性物質から形成されている請求項５４に記載の熱交換反応装置。
【請求項５７】
前記熱絶縁体は、積み重ねられた層から形成されている請求項５４に記載の熱交換反応装置。
【請求項５８】
前記複数の管のうち１つの外側表面のあたりに配置され、前記熱絶縁帯内に設けられた補足管断片を更に具備る請求項５４に記載の熱交換反応装置。
【請求項５９】
前記熱絶縁体は、これの第1の端部に設けられた第1のバッフルと、これの第２の端部に設けられた第２のバッフルとを有し、前記第1のバッフルおよび前記第２のバッフルは、それぞれ、前記複数の管を通す複数の穴を有し、前記補足管断片は、前記第1のバッフルおよび前記第２のバッフルの間に設けられている請求項５８に記載の熱交換反応装置。
【請求項６０】
前記補足管断片は、前記第1のバッフルおよび前記第２のバッフルの穴よりも大径を有する請求項５９に記載の熱交換反応装置。
【請求項６１】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管を通す複数の穴を有し、複数の管にほぼ垂直な方向に流れるように、ハウジング内に導入された第２の流体を案内するように構成されたバッフルとを具備し、前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、これら第1の温度帯と第２の温度帯とは異なる温度であり、前記方法は、
第1の温度帯または第２の温度帯内の物質の位置に基づいて、所定の熱膨張係数を有するバッフルのための物質を選択する工程を有する方法。
【請求項６２】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管を通す複数の穴を有し、複数の管にほぼ垂直な方向に流れるようにハウジング内に導入された第２の流体を案内するように構成されたバッフルと、複数の管の第1の端部をハウジング内に実装している第1のヘッダプレートと、複数の管の第２の端部をハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを具備し、前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、これら第1の温度帯と第２の温度帯とは異なる温度であり、前記方法は、
前記第1の温度帯または第２の温度帯内の物質の位置に基づいて、所定の熱膨張係数を有する、第1のヘッダプレート、第２のヘッダプレート、およびバッフルのための物質を選択することにより、第1のヘッダプレートと、第２のヘッダプレートと、バッフルとの間の熱膨脹差を軽減する工程を有する方法。
【請求項６３】
前記第1のヘッダプレートおよび第２のヘッダプレートは、第1の温度帯内に設けられ、バッフルは第２の温度帯内に設けられている請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
第1のヘッダプレートは、第1の熱膨脹係数を有する物質から形成され、前記バッフルは、第２の熱膨脹係数を有する物質から形成され、前記第1の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数と異なる請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管のうち少なくとも１つと接触し、ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンとを具備し、前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、これら第1の温度帯と第２の温度帯とは異なる温度であり、前記方法は、
第1の温度帯または第２の温度帯内の物質の位置に基づいて、所定の熱膨張係数を有する熱伝導フィンのための物質を選択する工程を有する方法。
【請求項６６】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管のうち少なくとも１つと接触し、ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンと、複数の管の第1の端部をハウジング内に実装している第1のヘッダプレートと、複数の管の第２の端部をハウジング内に実装している第２のヘッダプレートとを具備し、前記ハウジングは、第1の温度帯および第２の温度帯を有し、これら第1の温度帯と第２の温度帯とは異なる温度であり、前記方法は、
第1の温度帯または第２の温度帯内の物質の位置に基づいて、所定の熱膨張係数を有する、第1のヘッダプレート、第２のヘッダプレート、および熱伝導フィンのための物質を選択することにより、第1のヘッダプレート、第２のヘッダプレート、および熱伝導フィンの間の熱膨脹差を軽減する工程を有する方法。
【請求項６７】
第1のヘッダプレートおよび第２のヘッダプレートは、第1の温度帯内に設けられ、熱伝導フィンは第２の温度帯内に設けられている請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記第1のヘッダプレートは、第1の熱膨脹係数を有する物質から形成され、前記熱伝導フィンは、第２の熱膨脹係数を有する物質から形成され、前記第1の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数と異なる請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管を通す複数の穴を有し、複数の管にほぼ垂直な方向に流れるようにハウジング内に導入された第２の流体を案内するように構成されたバッフルとを具備し、前記方法は、
熱交換反応装置の動作状態および熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、バッフルとそれぞれの管との間の機械的干渉を最小化するための、少なくとも１つの穴を通って延びる複数の管の、それぞれの管の間の機械的干渉を最小化するように形状を有する、複数の穴のうち少なくとも１つの穴を与える工程を有する方法。
【請求項７０】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、これら複数の管のうち少なくとも１つと接触し、前記ハウジング内に導入された第２の流体に接触するように構成された熱伝導フィンとを具備し、前記方法は、
熱伝導フィンを複数の管のうち１つの管に熱結合させ、熱伝導フィンは複数の管のうち別の管に取り付けられない工程を有する方法。
【請求項７１】
熱交換反応装置内の熱膨脹の有害影響を最小化する方法であって、熱交換反応装置は、ハウジングと、このハウジング内に実装され、第1の流体を運ぶように構成された複数の管とを具備し、前記ハウジングは、第２の流体を運ぶような形状を有し、前記方法は、
熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において、複数の管の長さに沿って熱絶縁帯を規定する熱絶縁体を形成し、この熱絶縁体は、複数の管を収容する複数の穴を有する工程を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換反応装置および熱交換反応装置を構成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換反応装置は、著しい熱量が第1の反応流体から第２の熱伝送流体へ追加されるか、または取り除かれなければならない化学反応を実行するために、しばしば使用され、第２の熱伝送流体は反応するかもしれないし、反応しないかもしれない。これらの熱交換反応装置は単純な熱交換器としばしば非常に関係が似ているが、触媒の固定ベッド、特殊化された流路設計、外来物質、などのような付加的な特徴がしばしば備えられている。熱交換反応装置は、プレート−フィンおよび管のアレイを含む、多くの形状で形成されている。
【０００３】
熱交換反応装置に伝導される反応の一例は、水素含有ガス混合物を生成するための炭化水素原料の蒸気改質である。この工程において、熱い流体、通常燃焼産出物は、離れた流体回路を通って流れ、吸熱性の高い蒸気改質反応を促進するために、反応する第1の流体に熱を伝える一方、蒸気と炭化水素の混合物は１つの流体回路を通過する。プレート−フィン型炭化水素蒸気改質器の例が、Ｌｅｓｉｅｕｒによる米国特許第５，７３３，３４７号に示される。管形式の交換改質器のいくつかの例が、例えば、Ｂｕｓｗｅｌｌらによる米国特許第３，４４６，５９４号に明らかにされている。別の形状にまさる顕著な利点を与える進歩した管形式の改質器形状は、参照により全文がここに組み込まれる、Ｌｏｍａｘらによる米国特許出願第０９／６４２，００８号および同第０９／９２８，４３７号に開示されている。
【０００４】
本発明は、反応する第1の流体および第２の熱伝送流体の間の温度差による、深刻な機械設計への挑戦に、多くの熱交換反応装置が直面していることを限定している。これらの温度差は、熱交換反応装置の構造の物質の膨張差による熱ひずみか、または熱変位を生じる。熱交換反応装置の形状において自由膨張が許されない場合、従って実現されないひずみは熱応力を結果として生じる。温度勾配が一般的に極めて高いので、熱応力は炭化水素蒸気改質器において特に挑戦的である。更に、車両のようなスペースおよび重量に対して敏感な適用において、コストを軽減し、反応装置の使用を容易にするために、蒸気改質のための近代の熱交換反応装置において反応装置の物理的サイズを減少する努力がされている。物理的サイズの減少は、激しく増大する熱交換反応装置の熱勾配による熱応力の問題の悪化を生じる。
【０００５】
一般的な管形式の交換反応装置において、および特に米国特許出願第０９／６４２，００８号の改善された反応装置において、より小型な反応装置の達成への１つの道は、第２の流体の流れを実質的に正常な方向か、または管の軸に垂直な方向に案内するための、バッフル特徴の提供である。このような流れの整列はクロスフローと呼ばれている。いくつかのバッフル特徴を熱交換反応装置管の長さに沿って置くことにより、第２の熱交換流体は管アレイを横切る流れに何度か案内され得る。バッフルの数およびスペーシングの最適な選択により、管形式の交換反応装置の機械形状は、物理的サイズ、第２の流圧降下、および別の重要な特徴、のようなファクターに対し最適化され得る。
【０００６】
管のアレイ熱交換反応装置での特徴付けは、管の軸に沿った熱勾配による大きな挑戦にある。これらの挑戦は、所望の温度での熱膨張が、温度と、構造の物質と、物理的デイメンションとを含む３つのファクターに関係しているという事実による。αを構成の物質により決定される公称の定数（即ち、熱膨張係数）とし、ΔＴを目的とする温度と参照温度の間の相違量とし、Ｌ０を参照温度における形態体の初期の長さとした場合、熱膨張はΔＬ＝αΔＴＬ０の関係式により表現できる。バッフルは、管に対してほぼ垂直な極めて平面な部分であるので、温度変化を有するバッフルの膨張は管自体の膨張と比較して極めて大きく、これらは、管の軸にほぼ垂直な平面においてより小さい。
【０００７】
米国特許出願第０９／６４２，００８号に開示された形式の進歩した熱交換蒸気改質反応装置において、発明者達は、管のアレイが中央よりも両端において冷たいので、熱膨張に関連した問題点はいっそうひどくなることを決定している。管は、管の両端において硬直した圧力ヘッドのヘッダプレートに結合されているので、管の縦軸に垂直な平面における管の相対的膨張は、圧力ヘッドの温度により固定されている。管の端部の間の中央に置かれている高温帯において、管に垂直な平面部分（例えば、バッフルおよび平面フィン）は冷たい圧力ヘッドよりも比例的に大きい量において膨張する。この発明者は、反応装置全体が同様な熱膨張係数（α）を有する物質から構成されている場合、従って平面特徴は管の軸に垂直な激しい力を及ぼしやすいことを限定している。非常に強力な管が使用されないかぎり、これらの力は反応装置の早期の構造上の不能を引き起こすことが可能であり、このことは、反応装置の容量および重量における付随の増加のみならず、反応装置構造における物質の使用の不利な増加を含む、いくつかの理由により望ましくない。
【０００８】
これらの問題点を除去するための努力において、本発明者らは、下に説明するような熱膨張の有害影響を最小化するように構成された熱交換反応装置を構成している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って本発明は、熱交換反応装置内の熱応力を軽減し、熱交換反応装置の管に高められた腐食耐性を与え、熱交換反応装置の管の強度を増大し、および、別の形状と比較して全体の管の物質の使用を軽減するための方法および形態を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ハウジングと、ハウジングに実装され第1の流体を運ぶように構成された複数の管と、管を収容する複数の穴を有するバッフルと、を有している熱交換反応装置を有利に提供する。バッフルは、管にほぼ垂直な方向に流れるようにハウジング内に入れられた第２の流体を案内するように構成されている。熱交換反応装置は、バッフルおよび複数の管のうち少なくとも１つの熱膨張の有害影響を最小化するための様々な手段を、更に有利に有している。
【００１１】
本発明の実施形態において、熱交換反応装置は、管の第1の端部をハウジング内に実装している第1のヘッダプレート、および管の第２の端部をハウジング内に実装している第２のヘッダプレート、を更に有している。この実施形態において、熱膨張の有害影響を最小化するための手段は、第1のヘッダプレート、第２のヘッダプレート、およびバッフルの間の熱膨張差を軽減するための手段を有している。例えば、ファクターがハウジング内に実装されている特定の温度帯に対応している、同様の熱膨張を与えるこれらのファクターのための物質を選択することにより、熱膨張差は軽減されることができる。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、熱交換反応装置は、熱膨張の有害影響を最小化するための手段が、熱交換反応装置の動作状態および熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、バッフルおよび複数の管の間の機械的干渉を最小化するための手段を有するように構成されている。例えば、様々なファクターが熱膨張した場合の、熱交換反応装置の動作状態および熱交換反応装置の動作不可状態の両方における、バッフルおよび管それぞれの間の機械的干渉を最小化するための、少なくとも１つの穴を通って延びる管それぞれの間の機械的干渉を最小化するように、複数の穴のうち少なくとも１つの穴が形状を有することができる。
【００１３】
本発明の更なる実施形態において、熱膨張の有害影響を最小化するための手段が、熱交換反応装置内の大きい温度勾配帯において管の長さに沿って熱絶縁帯を与えるための手段を有するように、熱交換反応装置は構成されている。
【００１４】
本発明の更なる実施形態において、熱交換反応装置は、熱伝導フィンがハウジング内に入れられた第２の流体と接触するように構成されているように、管のうち少なくとも１つと接触する熱伝導フィンを更に有している。熱交換反応装置は、熱伝導フィンの熱膨張の有害影響を最小化するための手段を有している。例えば、熱伝導フィンが複数の管のうち別の管に取り付けられないように、熱伝導フィンは複数の管のうち１つの管と接触することが可能である。
【００１５】
本発明のより完全な理解およびその付随の利点の多くは、特に添付の図面に関連して考察される場合、下記の詳細な説明を参照に、容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、管形式の交換反応装置１０のコアを示している。この反応装置１０は、１つの端部が第1のマニホールドアセンブリ３０のヘッダプレート３４に機械的に結合され、反対側の端部が第２のマニホールドアセンブリ４０のヘッダプレート４４に機械的に結合されている複数の管５０を囲む、ハウジング２０を有している。第1のマニホールドアセンブリ３０は第1の流体注入口ポート３２が備えられ、第２のマニホールドアセンブリは出口ポート４２が備えられている。第1の流体は注入口３２を通って第1のマニホールドアセンブリ３０へ流れ、第1のマニホールドアセンブリ３０は第1の流体を通って第２のマニホールドアセンブリ４０への複数の管５０へ分配し、次いで第1の流体は出口４２を通って流れる。管５０を通って流れる第1の流体は、ハウジング２０内に入れられ、管５０の（図５に示されている）外側表面５１と接触する、少なくとも１つの第２の流体と熱交換接触する。
【００１７】
熱交換反応装置１０は、管の縦軸に実質的に垂直な方向に流れるようにハウジング２０内の１つ以上の付加的な流体の流れを案内する、ハウジング２０の壁２２のスロット内にゆるく実装されているバッフル６０を有している。図１において、第1の温度における第２の流体は注入口２４の中に流れ、第２の流体がバッフル６０、熱交換反応装置壁２２および隔壁２３により案内される曲がりくねった様式で流れる際、管５０の壁を通して第1の流体からの熱を引き抜き、第２の高温において出口２５においてコアを出る。第２の流体が加熱されるか、第３流体が注入口２６において更に高い第３の温度で導入されるかのどちらかが成され、流体は従って、バッフル６０により案内されるように、いくつかの連続したクロスフロー通路の管５０を横切って流れる。注入口２６を通って入る流体は管５０の壁を通して熱を第1の流体に伝え、出口２７で低い第４の温度においてハウジング２０を出る。第1のおよび第２の（または第３）流体の流れの間の熱交換は、延張熱伝導表面７０の使用により高められてよい。図１において、延張表面領域はプレート−フィン型であり、機械的延張、ろう付け、はんだ付け、または当業者にとって容易に明らかである別の方法により、複数の管５０に取り付けられている平面熱交換表面を有している。
【００１８】
図１の熱交換反応装置１０のコアにおいて、このコアの平均金属温度は高温注入口２６において最も高く、フローマニホールドアセンブリ３０および４０において、より低い。図１は米国特許出願第０９／６４２，００８号に説明されているものと同一の全体のフロー幾何学を示すが、しかしながら、本発明で扱われる熱勾配を生じる別のフロー幾何学も考えられてよい。例えば、反応装置の中心帯は２つの端部よりも低温であってよい。図１はまた、米国特許出願第０９／９２８，４３７号に説明されているものに類似した反応装置壁２２も示すが、しかしながら、シェル型壁のような別の反応装置壁型が代わりに使用されることができ、本発明はまたこのような形状に有利に適用される。
【００１９】
図２は組み立てられた時の動作不可の周囲の状態における、図１の管５０およびバッフル６０の平面図を示す。管５０のアレイ５２はバッフル６０の穴６２を通って置かれている。図２に示されているバッフル６０は平面であり、図１の反応装置のコアの長さに沿って置かれていることを特徴とする。管５０を収容する穴６２は管５０の外径よりも直径がわずかに大きいが、しかしながら流体がバッフル６０をバイパスし穴６２を通って進むのを防ぐために、穴６２と管５０の間のクリアランスは小さいことに留意されたい。延張熱交換表面７０は平面図においてバッフル６０に類似しているが、しかしながら効果的な熱伝導を与えるために熱交換表面７０は管５０に密接に結合され、従って図２に示されている管壁とバッフルプレート穴との間の環状スペースは、延張プレート−フィン熱伝導表面において存在しない。
【００２０】
図３は、加熱された動作状態における図１の反応装置のコアの高温領域のバッフル６０の平面図を示す。バッフルプレート６０は図２に示されている動作不可状態と比較して温度の増加のために延張する。熱膨張は、管５０と、管５０のアレイ５２の中心軸５４から離されて置かれている管５０の穴６２との間に、機械的干渉６３を引き起こすことができる。穴６２がアレイ５２の中心５４に近ければ近いほど、相対運動および機械的干渉６３は従って、管５０とバッフルプレート穴６２の間で比例的に少なくなることが分かる。実際、図３に示されている相対運動は、バッフルプレート６０および管５０の間の機械接触を結果として生じ、このことは両方の構成要素に対し顕著な応力を発生する。物質選択によって、結果として生じる応力は、管５０か、バッフルプレート６０か、またはその両方の永久的な変形を生じることができる。更に、局所の応力は熱交換反応装置１０の使用可能な動作寿命を著しく短くすることができる。図１に示されているように、全ての管５０に最初から接触している延張プレート−フィン熱交換表面７０の場合、膨張差影響が比較的小さい温度勾配においてでさえ応力を生じるように、熱膨張差の影響はプレート−フィン７０の管５０への直接結合により更により顕著である。
【００２１】
本発明は、バッフル６０およびフィン７０の温度がマニホールドアセンブリ３０および４０の温度よりも高い場合の、ヘッダプレート３４および４４に関するバッフル６０およびフィン７０の少なくとも一方の相対熱膨張か、または熱膨張差の大きさを軽減するための方法を、有利に提供する。方法は、ヘッダプレート３４および４４を形成するのに使用されている物質の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数（α）を有する、バッフル６０およびフィン７０の少なくとも一方を構成するのに使用されている物質の選択を含む。同様に、バッフル６０およびフィン７０がマニホールドアセンブリ３０および４０より低い温度にある場合、バッフル６０およびフィン７０は、ヘッダプレート３４および４４を形成するのに使用されている物質の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する物質を使用して構成されている。異なる熱膨張係数の物質を使用する高温操作のための複合アセンブリの構造は、従来技術の教示と全く反対であり、米国特許出願第０９／６４２，００８号に説明されている形式の管形式の交換反応装置の構造に特に有利である。熱交換反応装置１０を構成するこの第1の方法は、バッフル６０、フィン７０、およびヘッダプレート３４および４４の間の相対運動または動作差の大きさを軽減するが、しかし除去しない。従ってこの方法は、熱膨脹差の有害影響を更に軽減するための、下記に説明される別の方法と組み合わせられることが望ましい。
【００２２】
バッフルをマニホールドするための熱膨張差の問題を除去するための更なる好ましい方法は、図４に示されている。図４は、バッフル６０と、硬直したマニホールド３０および４０のヘッダプレート３４および４４、との間の熱膨張差の有害影響を最小化するための手段の３つの異なる形状を含む、バッフル６０の平面図である。図４は、高温帯に置かれているバッフル６０と、低温帯に置かれているマニホールドアセンブリ３０および４０を有する、米国特許出願第０９／６４２，００８号のフロー幾何学を使用する管形式の交換反応装置の場合に対して描かれ、動作不可の周囲の状態（即ち、膨張差のない状態）において開示されている。
【００２３】
図４に示されている形状の全ては、本発明の別の方法なしに単一で使用される場合、バッフル６０と管５０との間の機械的干渉を完全に除去することが可能である。図４に表される形状が、熱膨張差を軽減するために適切な熱膨張係数を有する物質を選択する方法と、組み合わせられて使用される場合、バッフル穴６２を通る軽減されたフローバイパスの付加的な利益は、機械的干渉を防ぐために必要な穴６２の全体のサイズにおける減少により達成される。
【００２４】
機械的干渉を除去するために使用される第1の形態は、穴６４を通って延びる管５０と同心円である、バッフル６０を貫通した大径の穴６４の提供である。大径の穴６４の直径は、動作状態および動作不可状態の両方において、穴６４とそこを通って延びる管５０との間の機械的干渉を防ぐよう選択されている。バッフル６０と、マニホールド３０および４０のヘッダプレート３４および４４との間の温度勾配と、問題の管５０と管のアレイ５２の中心５４との間の距離と、バッフル６０とマニホールドアセンブリ３０および４０のヘッダプレート３４および４４を構成するのに使用される物質の熱膨張係数とに基づき、直径は実験的に、または理論的に、のいずれかにおいて選択されている。従って、大径の穴が、管のアレイの中心線から最も遠い管のために形成され、小径の穴は、管アレイ中心線の近くで選択され得る。図４は、１つのより大きな直径の穴６４を示すのみであるが、バッフル６０の残りの穴６２もまた、機械的干渉を防ぐために上記の方法で拡大されることも可能であることに留意されたい。任意の所望の管のために循環する温度上の機械的干渉を完全に回避する最小直径の穴の選択は、熱交換反応装置の熱伝導性能を軽減する、バッフルのフローバイパスの最良の制御に好適である。
【００２５】
上に説明した実施形態において、バッフルプレートの穴のサイズは、管のアレイの中心に対する穴の位置に基づいて決定されている。しかしながら、管アレイの中心と一致しない幾何学的中心を有するバッフル６０のような構成要素に対して、本発明による方法は、バッフルの幾何学的中心に対するバッフルの膨張と、ヘッダプレートの幾何学的中心に対するバヘッダの膨張とにおける差異に対応するためにわずかに変更される。ヘッダプレートの中心と、問題のバッフルプレートの中心と、管のアレイの中心との間のオフセットは、動作状態および動作不可状態の両方の間、管およびバッフルプレート穴の間の干渉を防ぐのに必要なバッフルプレートの穴のサイズを決定するために、膨張の間の構成要素の相対運動の計算において説明されることができる。この形態において、バッフルプレート穴は、ヘッダプレートとバッフルプレートとの間の相対膨張の中心に対応して形成されることができる。実際に、差異は一般的に小さいが、大きい管のアレイまたは大径の管を使用して形成されるアレイにおいて、差異はより重要になる。
【００２６】
循環する温度上の機械的干渉を除去するより好ましい手段は、管アレイ５２の中心６４に向かってオフセットする中心を有する円形穴６６を与えることである。同じ量の相対熱膨張に対し、より好ましい穴６６は穴６４よりも小さいように構成されることができ、このために穴６４と比較して穴６６を通るバッフル６０をバイパスする不利な流れを軽減する。バイパスする流れは、管アレイ５２の中心線５４のより近くに置かれている管５０のためのより小さい穴を使用することにより更に減少され得る。図４は、１つのオフセット穴６６を示すのみであるが、バッフル６０の残りの穴６２もまた、機械的干渉を防ぐために上記の方法で形状を有することも可能であることに留意されたい。
【００２７】
バイパスする望ましくない流れは、問題の管５０の中心と管アレイ５２の中心５４との間で延びている径方向ライン５６、即ち、膨張軸線に沿って引き延ばされている非円形穴６８を与えることにより、更に軽減され得る。バッフル中心とヘッダプレート中心との少なくとも一方と、管のアレイの中心との間に差異がある場合、膨張軸線は、上に論じた方法における相対膨張の中心にシフトされ得る。また、大きいアレイが使用されない限り、またはオフセットが明らかである場合、シフトの効果は一般的に小さい。非円形穴６８の全体の領域は、同心円の円形穴６４の領域よりもそれ自体少ない、非同心円の円形穴６６よりも、有利に少ない。バッフルの製造方法により、非円形穴の供給は、円形穴を使用する方法に対して、製造経費を不利に増大するかもしれない。従って、最も好ましい方法は、バッフル製造コストおよび熱伝導性能の相対的な重要性に依存し、１つ目は非同心円の円形穴の方法を使用することにより最適化され、２つ目は、非円形穴の方法の使用により最適化される。図４は、１つの引き延ばされた穴６８を示すのみであるが、バッフル６０の残りの穴６２もまた、機械的干渉を防ぐために上記の方法で形状を有することも可能であることに留意されたい。
【００２８】
管５０およびバッフル６０の穴６２の形状、サイズ、および位置は、所望により変更されることが可能であることが判る。
【００２９】
熱膨張による機械的干渉を除去するための、上に説明した方法は、流れをマニホールドするバッフル６０と、構成要素とアレイ５２における個々の管５０の間の直接機械接触を必要としない別の構成要素、とに適用可能である。熱交換改質器における延張熱伝導表面として機能する上に説明したフィン７０は、熱伝導を与えるために全ての管と密接機械接触を必要とする。図４に示されている形態は、熱応力を軽減するための延張された熱伝導表面７０との使用に適当ではない。
【００３０】
本発明は、管５０の軸に沿った温度勾配を有する管形式の交換反応装置１０における適用に対して改善された延張熱伝導表面８０を与える。本発明の熱伝導表面８０のいくつかの実施形態は、図５に示され、この図は、本発明に従って、取り付けられた延張熱伝導表面８０の３つの異なる形状（８４、８６、および８８）を有する、２つの管５０の横断面図を示す。
【００３１】
図５を参照すると、単一の管に結合され、従ってアレイの別の管に結合されない複数の延張熱伝導部材８０が、管５０に備えられている。管それぞれは、別の管の熱伝導表面から独立した、延張熱伝導表面８０を有するので、熱膨張による管の相対運動はフィン８０上に応力をかけない。平面形状において、個々の延張熱伝導部材、即ち、フィン８０は円形か、卵形か、多角形か、またはいずれの別の形状でよい。図５に示されている添付の形態において、フィン８０は、管５０の外側表面５１とほぼ平行であり接触するカラー部分８１と、カラー部分８１に結合され管５０の軸と反対方向に延びるフィン部分８２とを有している。フィン８０は図５に図解されるように、隣接する管のフィンに重ならないように構成されることができるか、あるいはフィン８０は隣接する管のフィンと重なるようなサイズを有することができる。
【００３２】
前記延張熱伝導表面８０は、ハイドロフォーミング、レーザ切断、機械加工、およびスタンピング加工のような様々な方法により形成され得る。スタンピング加工は、スクラップ産出を最小化する一方、非常に迅速な製造を供給するので、この方法は好ましい製造方法である。熱伝導表面８０は、はんだ付け、ろう付け、接着工法、溶接、または機械的延張により、管５０の外側表面５１に取り付けられてよい。適用は蒸気改質器であるので、機械的延張は好ましい取り付け方法である。
【００３３】
図５に示されている第1の形態のフィンにおいて、下側の管５０の外側表面５１のセクションが、管の外側を流れる熱伝送流体にさらされるように、フィン８４は管の軸に沿って互いに離間されている。この形態は、管の長さごとに少ない数の熱伝導フィンを利用するという利点を有し、別の形状よりも低い圧力降下を与えることができる。上に言及したように、管それぞれは、別の管の熱伝導表面から独立した、延張熱伝導表面８０を有するので、熱膨張による管の相対運動はフィン８０上に応力をかけず、管５０上にも応力をかけない。このことは、任意の所望の厚さの管が、低い全体の応力の状態において動作するのを許容している。所望の管壁の厚さを有する蒸気改質器のような高温適用において、熱交換反応装置１０は、低い全体の応力において動作される場合、より長い使用可能な動作寿命を達成する。あるいは、熱交換反応装置の熱伝導性能を改善しながら、管材料のコストを軽減するために管壁の厚さは軽減され得る。
【００３４】
管壁の厚さの選択は、所望の物質が一定の外径の管５０に対して考察される場合、３つのファクターにより規定される。管壁の厚さを決定するのに使用されるファクターは、平均金属温度、全体の応力状態、および腐食許容度を含む。更に、腐食速度は管表面温度に密接につながり、一般的に増加される温度と共に急激に増大する。従って、米国特許出願第０９／６４２，００８号のフロー幾何学を使用する蒸気改質器のための熱交換反応装置において、高温帯（図１の流体注入口２６）は、ピーク温度がこの帯で実現されるとき、反応装置全体のための壁の厚さの必要条件を設定する。熱応力の発生を軽減するか、または除去するための本発明の改善された方法を実施することにより、応力状態が最小化されることを確保することが有利である。腐食の影響と戦うため、および、下に説明されるように、最高温帯における管材料を機械的に支持するための手段を与えることもまた望ましい。
【００３５】
上の考察に照らして、本発明の延張熱伝導表面８０のより好ましい実施形態は、管壁の外側表面５１をフィン８６の金属カラー部分８１で完全に覆うために、管５０の長さに沿って互いに密接に接触して置かれているフィン８６を有している。最も好ましい実施形態は、管の軸線と平行なフィン８８のカラー部分８１が重なるように置かれているフィン８８を有している。図５に示されるようなカラー部分８１とフィン部分８２との間のエルボー結合における増加する径を与えることにより、または、管壁の外側表面５１と、管の機械的延張の作用によるフィン８８の相手、とをぴったりとはめ込むように後に形成される、円錐形に先細になるカラーを与えることにより、この重なりは促進される。フィン８６および８８の形態の両方は、高温腐食性の第２の工程流体と管壁の外側表面５１との間に連続バリアを与える。重なるカラーを備えたフィン８８を有する最も好ましい実施形態において、この保護バリアは、腐食作用により劣化されない。実施形態が互いに接触するフィン８６を与える場合、流体の腐食作用は、結局は保護層を侵食し外側表面５１に接触するが、それはかなりの期間が経過した後のみである。フィン８６および８８の形態の両方は、フィンが互いに接触しないフィン８４の形態と比較して、顕著に高められた腐食耐性を与えることができる。
【００３６】
フィン物質の適切な選択は、管自体の腐食耐性および強度の少なくとも一方よりも、顕著に高められた腐食耐性および顕著に高い強度の少なくとも一方を与えることができる。このことは、従来技術の反応装置と比較して、管壁の厚さにおける早い減少を容易にすることができる。管壁の厚さにおける減少は、管の外径が固定値である場合、管材料のユニットの長さごとの増加された内部容積を生じる、という付加的な利点を有する。熱交換反応装置蒸気改質器の形状において、ユニットの長さごとの管の内部容積における増加は、管を通って流れる流体に対する第1の流圧降下における減少のみならず、要求される管材料の長さにおける更なる顕著な減少を促進する。フィン８０は好ましくは、極めて高い強度および腐食耐性を持つ第1の物質から構成される。管５０は次いで、第1の流体と接触する管５０の内側の動作環境のために最適化される、低い強度および腐食耐性の少なくとも一方を有する第２の物質から構成されることができる。好ましくは、第２の物質はまた第1の物質よりも、費用がかからず、より簡単に管材料に製造でき、容易に機械的延張される。
【００３７】
米国特許出願第０９／６４２，００８号のフロー幾何学を有する管形式の交換反応装置における管の軸線に沿った熱勾配は、バッフル６０および延張熱伝導表面７０と、マニホールドヘッダプレート３４および４４、との間の膨張差による熱応力を生じる。ポート２５および２６における第２の流体の温度によって、特に厳密な縦の熱勾配が確立され得ることが、図１から認識できる。これらの勾配は、所望の管の厚さに対し管の寿命の減少を導く、管５０の壁における顕著な内部応力を引き起こすかもしれない。
【００３８】
本発明は、図６に示されている、これらの勾配を軽減するための手段を備えている。図６は、図１に示される反応装置と同様な管形式の交換反応装置を示す。主要な違いは、注入口２６に近い最高温度帯および排出口２５に近い低温度帯の間の、大きい温度勾配帯において熱バリアを引き起こす、熱絶縁帯または熱絶縁体９０の供給である。これら２つの帯の間に熱絶縁体９０を与えることにより、帯の間の熱伝導の減少は、よって管５０上への内部熱応力の発生を軽減する、温度における段階的な変化を引き起こす。
【００３９】
熱絶縁帯９０は、動作条件と合致するいずれの適当な絶縁物質からユニット化された単一の部材として形成され得る。熱絶縁帯９０はその両側上のバッフルプレート９４および９６が備えられていることができる。熱絶縁体９０は、図６の熱絶縁体の部分横断面図に示されている、管５０を収容するためにそこを通って延びる穴９２を有している。しかしながら、ユニット化された絶縁の集まりとマニホールドヘッダプレート３４および４４の間の熱膨張差は、熱絶縁体９０のための（例えば、図４および対応する本文に開示される）特大の穴の供給を必要とするかもしれない。しかしながら、これらの特大の穴は、帯２５から帯２６への直接な流体バイパスのためのルートを不利に与える。より好ましくは、反応装置１０内の動作条件と合致し、および、動作状態および動作不可状態の両方の間、絶縁体９０の穴と管５０の外側表面５１との間にクリアランスがほとんどないか、またはクリアランスがない穴を有している弾性絶縁物質から熱絶縁帯９０が形成されている。このような弾性絶縁物質は、熱絶縁体９０の永続的な変形か、または管５０上への大きい応力なしに、ヘッダプレート３４および４４の膨張を、好ましくは可能にしている。このような物質の例は、耐火繊維フェルト、マット、およびブランケットを有している。これらの物質は、製造費用が極めて少ないシートから容易にダイカットされることが可能である、という付加的な利点を与える。代替の実施形態において熱絶縁体９０は、複数の絶縁物質の層から形成されることができ、例えば、熱絶縁帯の要求される全体の厚さは、複数のダイカット準拠層を積み重ねることにより、達成されることができる。好ましくは、これらの準拠層は、管５０にぴったりと合い、帯の間の流体のバイパスを実質的に減少する。
【００４０】
本発明は、絶縁帯９０を通過する、異なる支持されていない管５０の機械的強化を扱う。管形式の反応装置１０が管の機械的延張の好ましい技術を使用して組み立てられる場合、スリーブのような形状の管９８の短い断片は、アレイ５２の管５０それぞれの周りの、熱絶縁帯９０の内側に置かれてよい。機械的延張の後、管材料９８のこれらの断片に、管外側壁の外側表面５１との密接な接触が生じる。管断片９８の物質および厚さの適切な選択により、本発明のフィン８０について上に説明したように、管５０の機械的強度および腐食耐性が高められる。
【００４１】
本発明の補足管断片９８は、熱絶縁帯９０の両表面に置かれるバッフルプレート９４および９６の間の負荷を伝導するのに十分な壁の厚さを好ましくは有しており、補足管断片９８は、管断片９８がバッフルプレート９４および９６の穴を通過するのを防ぐ、外径を有する外側表面９９を好ましくは有している。この形状は、２つの驚くべき利点を与える。第1のに、補足管断片９８はバッフル９４および９６の穴を通過することができないので、補足管断片９８を有している管５０と、バッフル９４および９６の穴の内部表面との間の熱循環の間、機械的干渉の偶然的な発生を防ぎ、本発明の改善されたバッフル穴の利点を無効にする。第２の利点は、製造の間、関係式の環状反応装置のコアの全体のアセンブリを通して機械的負荷を伝導する能力である。平坦変動は機械的負荷がアセンブリ全体へかかることにより取り除かれてよいので、このことは、バッフルおよび延張熱伝導表面に対する平坦許容誤差の緩和を可能にする。このことは、従来技術の方法に対し、改善された容易な製造を顕著に与える。
【００４２】
本発明の利点は、次の３つの詳細な説明を参照に、より明白に理解されることができる。
【００４３】
第1の例において、管形式の交換反応装置は、２つの外径と等しい距離により間隔が離される中心に適応し、四角ユニット型か、またはアレイに適応する、１００個の０．５インチ(約１．２７ｃｍ)外径の管が備えられている。管形式の交換反応装置は、４５０℃のマニホールドヘッダプレート温度および９５０℃のピークバッフル温度で動作する。バッフルを通る穴のそれぞれは、組み立て目的のために少なくとも０．０１０インチ(約０．０３ｃｍ)の径方向のクリアランスを必要とする。４つのコーナー管の中心線は、管アレイの中心から７．７０１インチ(約１９．５９ｃｍ)である。管のアレイの中心において中心が置かれる対称バッフルプレートが、ここに考察される。更に管アレイは、同様にヘッダプレートに中心が置かれることが仮定される。管アレイの中心に最も近い４つの管の中心は、アレイの中心から０．７０７インチ(約１９．５９ｃｍ)である。構造の物質が０．００００１８ｍ／ｍ℃の熱膨張係数を有し、および反応装置全体が同じ物質で構成される場合、マニホールドヘッダプレートおよびバッフルの間の膨張差は、関係式ΔＬ＝αΔＴＬ０を使用して算出され得る。最も外側のコーナー管について、膨張差は０．０６３インチ(約０．１６ｃｍ)である。最も内側の管について、膨張差は０．００６インチ(約０．０２ｃｍ)である。従ってこの例において、室温で構成された後、管がバッフルの穴に名目上中心が置かれた場合、コーナー管は、管直径の１０パーセントである０．０５３インチ(約０．１３ｃｍ)の機械的干渉（膨張差マイナス径方向のクリアランス）を処理しなければならないが、最も内側の管は、バッフルの穴を有するどんな干渉も示さない。
【００４４】
第２の例において、第1の例の管形式の反応装置に、本発明の第1の方法による低い熱膨張物質から製造されるバッフルが備えられている場合、反応装置内の熱差異による膨張差は軽減される。マニホールドヘッダプレートを構成するために使用される物質がオーステナイト合金の場合、０．００００１３５ｍ／ｍ℃の熱膨張係数を有するバッフルを構成するために、代表的なフェライト合金が選択されることができる。２５℃から４５０℃までの加熱において、マニホールドヘッダプレートにおけるコーナー管の中心位置は、ヘッダプレートの熱膨張のため、０．０５４インチ(約０．１４ｃｍ)移動する。バッフルにおける対応する管の穴の中心は、２５℃から９５０℃まで加熱される場合、０．０８８インチ(約０．２２ｃｍ)移動する。従って、２つの中心の間の最終の差（膨張差）は、第1の例の０．０６３インチ(約０．１６ｃｍ)を超える著しい改善である、０．０３４(約０．０９ｃｍ)インチである。管アレイ中心に最も近い管について、全体の膨張差は０．００３インチ(約０．０１ｃｍ)に減少される。
【００４５】
第３の例において、第1のおよび第２の例で明らかな熱膨張による機械的干渉は、本発明による図４に表される形状（即ち、管の軸線と同心円でありサイズが増加された円形バッフル穴の提供、管と同心円でなくサイズが増加された円形バッフル穴の提供、並びに／もしくは非円形バッフル穴の提供）を適用することにより、完全に除去されることができる。これらの形態の各々は、異なる穴面積域、かくして、異なる漏れ通路面積、をもたらす。穴のディメンションおよび穴ごとの断片開口面積（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｏｐｅｎ  ａｒｅａ  ｐｅｒ  ｈｏｌｅ）は、第1のおよび第２の例の管形式の反応装置のための最も外側のコーナー管のために算出され、その結果は、表１に表されている。表１は、本発明で教示されているバッフル物質の選択の方法と、バッフルの引き延ばされた穴の方法とを組み合わせた相乗効果を示す。全ての場合において、０．０１０インチ(約０．０３ｃｍ)の径方向のクリアランスは、動作中および室温における組み立ての間、維持されている。
【表１】
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これらの穴面積および開口面積は、最も外側の管において最悪の場合の値である。穴のサイズは本発明の教示による、管アレイの中心の近くに置かれる管のために軽減され得る。
【００４６】
ここに表され説明された例示の実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明するものであり、本特許請求の範囲の限定を意図するものではないことに、留意されたい。
【００４７】
上記の教示に照らして、本発明の多数の修正および変形が可能である。従って、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、ここに明確に説明されるよりも別の方法で実施され得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】管ヘッダの間の熱勾配と、管ヘッダの間の管の軸に沿って位置された帯とを有する、従来技術の管形式の交換反応装置の概略側面図である。
【図２】管形式の反応装置アレイおよび図１に示されている反応装置のバッフルの平面図である。
【図３】バッフルの熱膨張により生じる、図１のバッフルと管との間の機械的干渉の問題を表す図である。
【図４】バッフルと管との間の機械的干渉を緩和する、本発明による様々なバッフルの穴形状を表す図である。
【図５】本発明による熱伝導フィンの様々な実施形態を有する２つの管の断面図である。
【図６】熱絶縁層を有している、本発明による熱交換反応装置の概略図である。
【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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【国際調査報告】
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