(57)【要約】  本発明は、ろう付けされたプレートを有する熱交換器に関し、フラットな全体形状の複数の流体循環通路を規定する平行なプレートのスタック、上記通路の境界を定めるクロージャー・バー、および第１の系統の通路の各通路に流体を分配するための分配手段、および第２の系統の通路に他の流体を送給するための手段を備え、ここで、少なくとも１つの通路は組織化された交換構造体（１５）を備え、これはその通路の幅内に複数の流路（１９）、また通路の高さ内に少なくとも３つの流路（１９）をも形成している。本発明は、低温蒸留による空気分離に有用である。
2008545946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう付けプレート熱交換器であって、フラットな全体形状の複数の流体循環通路（３、４、５）を規定する平行なプレート（２）のスタック、これらの通路の境界を定めるクロージャー・バー、および第１の系統の通路（３，５）の各通路に流体を分配するための分配手段、および第２の系統の通路（４）に他の流体を送給するための手段を備えるタイプのものであり、この熱交換器中少なくとも１つの通路（３）は、少なくとも１つの組織化された交換構造体（１５、１７、２１）を備えており、これはその通路の幅内に複数の流路を形成しており、各流路は少なくとも２つの他の流路または少なくとも１つの他の流路の１つのプレート（２、１３）のいずれかに接しており、前記構造体が前記通路の高さ内に少なくとも３つの流路をも形成していることを特徴とする交換器。
【請求項２】
前記構造体が、複数のシリンダ（２１）で構成されている請求項１に記載の交換器。
【請求項３】
通路（３）の内部に、前記通路を規定している前記プレート（２）と平行に、フラットな全体形状の少なくとも１つの第２のプレート（１３）を含む請求項１または２に記載の交換器。
【請求項４】
前記構造体が、重なり合ったコルゲート熱交換フィンの組（１５）から形成されており、各々の一対の隣り合うコルゲート熱交換フィンの組は第２のプレート（１３）により分離されている請求項１に記載の交換器。
【請求項５】
前記構造体が、複数の流路（１９）を含む単一の本体（１７）から形成されている請求項１に記載の交換器。
【請求項６】
流路（１９）が１〜６ｍｍの水力直径を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項７】
流路（１９）が２００μｍ〜１ｍｍの水力直径を有する請求項１〜５に記載の交換器。
【請求項８】
流路（１９）が２００μｍ未満の水力直径を有する請求項１〜５に記載の交換器。
【請求項９】
前記流路（１９）が、円形、楕円、正方形、長方形、三角形またはダイヤモンド形の断面を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの交換器（１）を含む低温分離装置。
【請求項１１】
メインの熱交換ラインおよび／または気化器−凝縮器および／または過冷却器が、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器である空気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、プレート・アンド・フィン熱交換器に関する。
【０００２】
種々のタイプのプレート・アンド・フィン熱交換器が存在し、それぞれ特定の使用分野に適している。特に本発明は、低温蒸留を用いて空気、またはＨ2／ＣＯ（水素／炭素）を分離するためのユニットの熱交換器に有利に適用される。
【０００３】
当該熱交換器は空気分離装置の主交換ラインであってよく、これは流入する空気を、蒸留カラム、過冷却器または気化器／凝縮器から生じる低温生成物との熱の間接交換により冷却する。
【０００４】
これらの交換器においてしばしば用いられる技術は、ろう付けプレート・アンド・フィンアルミニウム交換器の技術であり、大きな熱交換領域を有する非常にコンパクトな構成部品を得ることができる。
【０００５】
これらの熱交換器は複数のプレートから作製され、これらの間にはコルゲートシートまたはフィンが挿入されており、つまり「低温」通路として知られる通路と「高温」通路として知られる通路のスタックが形成されている。
【０００６】
一般に用いられる熱交換フィンはストレートフィン、穿孔フィンまたは鋸歯状フィンである。
【０００７】
これらのコルゲートフィンは、以下のパラメータを用いて特徴付けられる：
ｈ（ｍｍ）：コルゲートフィンの高さ（３〜１０ｍｍ）
ｅ（ｍｍ）：コルゲートフィンの厚さ（０．２〜０．６ｍｍ）
ｎ（ｍ-1またはｉｎｃｈ-1）：ユニット長さ当たりのコルゲートフィンの数（１７７〜１１０２波形／ｍ）
穿孔（％）：穿孔の程度（穿孔されたフィンについて５％）
ｌs（ｍｍ）：鋸歯状の長さ（鋸歯状のフィンの場合）
つまり、ろう付けプレート・アンド・フィン熱交換器において慣習的に用いられるフィンの水力直径（Ｄｈ）は、１〜６ｍｍの範囲にわたる。これらのコルゲート熱交換フィンはこれまでは成形機を用いて形成されている。
【０００８】
熱交換領域を拡張するための種々の方法がある。
【０００９】
２種の流体を分離する熱交換領域は、「第１領域」として知られる領域であって、２つの流体の間で平らな領域に対応する領域と、「第２領域」として知られる領域であって、上記第１領域に対して垂直なフィンから一般的に成り、コルゲート熱交換フィンを形成している領域とで構成されている。多くのフィンが挿入されており（フィン密度）、フィンの高さは熱交換領域を拡張する。
【００１０】
一連のフィンの密度が高いほど、熱交換領域は大きくなる。しかしながら製造上の制限があり、また方法に関連する制約がある。コルゲートフィンの組を製造するために用いられる成形ツールは、１メートルあたり１０２３〜１１０２の波形の最大密度を得ることを可能にする。圧力低下を制限するのが望ましい場合には、選択されるフィン密度が低い場合もある。さらにバス式の気化器／凝縮器のようなある種の操作条件下では、安全に関する制約により、１メートルあたりの波形の数が、製造で得ることができる最大値をはるかに下回る値に制限される。
【００１１】
フィンは温度勾配を有する。また、あるフィンの高さ以上では、フィンの中間の領域は殆ど熱を交換しない。従って、最適なフィン係数に対応する最適なフィン高さが存在する。通常用いられるフィンの高さは３〜１０ｍｍの範囲である。
【００１２】
また、熱交換係数を高めることも可能である。
【００１３】
流体が乱流であるほど、熱交換係数はより向上する。この乱流を流路の形を変えることにより、または乱流発生障害物（例えば穿孔したストレートフィン、鋸歯状フィン、山歯状フィン、ルーバー型フィン、または小さなフィン、装置等を挿入することにより）を挿入することにより起こすことができる。
【００１４】
流体を気化させる際に、多くの核形成部位を有する表面は、より向上した熱交換効率を示す。これらの核形成部位は、表面に、または多孔性の層の至る所に存在する種々のサイズおよび形のミクロキャビティ（凹キャビティ）である。
【００１５】
流体を凝縮させる場合に、液膜の厚さは熱交換係数に対して負の影響を有する。従って、溝、穿孔または逃げを用いて液体を排出することが有利である。
【００１６】
ミクロスケールの熱交換器として知られるあるタイプの熱交換器が最近登場した。
【００１７】
これは、ミリメートルよりも小さい水力直径を有する流路を有する交換器である。流路のサイズを小さくすると、熱交換領域を拡張することが可能である（装置をよりコンパクトに作製する）。その際、熱交換係数は水力直径に実質的に反比例するようになる。
【００１８】
“First International Conference on Microchannels and Minichannels 2003, <<Extending the applicability of the flow boiling correlation to low Reynolds number flows in microchannels>>”の中で S. Kandlikar は、流路の水力直径に基づいて以下の区分を提案している。  
ミニ流路：１ｍｍ＜Ｄｈ＜３ｍｍ（一般に知られるコルゲートフィンの組のＤｈ値に対応する）のようなもの
ミニ流路：２００μｍ＜Ｄｈ＜１ｍｍのようなもの
ミクロ流路：Ｄｈ＜２００μｍのようなもの。
【００１９】
ミニ流路（２００μｍ＜Ｄｈ＜３ｍｍ）について：従来型のパイプについての流体力学の法則がなお適用される。
【００２０】
ミクロ流路（Ｄｈ＜２００μｍ）について：表面効果がかなりの重要性を有するようになり、流体力学の従来の法則はもはや適用されない。
【００２１】
EP-A-1008826 はプレートタイプの熱交換器を記載しており、ここで、通路のうちの少なくとも１つはチューブ型の閉じた補助通路を含んでおり、この最大幅は、２つの隣接するプレート間の距離の５０％よりも大きい。
【００２２】
交換器を通って交換される流量は以下の式により示される：
φ＝κ×Ｓ×ΔＴ
与えられるΔＴについて、交換は、熱交換係数（κ）を増加させることによって、および／または熱交換領域（Ｓ）を拡張することによってのみ改善することができる。
【００２３】
コルゲートプレート・アンド・フィン熱交換器の場合に、いわゆる「第２」領域を用いて熱交換領域を拡張していくと、方法に含まれる製造および／または制約のために、その限界に到達する。乱流を起こすことにより熱交換係数を増加させることが有利であるが、２つの主となる落とし穴がある。  
・乱流を強めると、圧力低下が大きくなる；
・含まれる形状の複雑さのために製造コストが増加する。
【００２４】
つまり、新しい形のコルゲートフィンの組を形成することは、現存するフィンの組において得られるレベルを遙かに超えた熱交換係数の増加を可能にしない。核形成部位および液体排出部位を形成することについては、これらの２つの方法は、特定のタイプの熱交換、主に気化または凝縮にのみに関連する。
【００２５】
従って、上記した通りの同じ方針で開発を進めることにより、ろう付けプレート・アンド・フィン熱交換器についての本質的な改善は困難であると思われる。
【００２６】
さらにミクロ流路タイプの技術は非常に費用が高く（流路のミクロマシン加工）、またこれまでは非常に小さいサイズの熱交換器となるしかなく、現在のところは処理能力が高く温度差が大きい空気分離のような用途に適用されていない。
【００２７】
提案する解決は、既に存在する（「第１の」および「第２の」）領域中に「第３の領域」として知られる第３の熱交換領域を取り込むことにより、熱交換領域を拡張することを目的とする。
【００２８】
本発明者等は、ろう付けプレート・アンド・フィン熱交換器においてこれまで用いられていたコルゲート熱交換フィンの組に「第３の」領域を加えることを可能とする３つのデバイスを提案する
・「多数のコルゲートフィンの組」熱交換器通路；
・「ミニ流路」熱交換フィンの組、押出しフィンの組；
・「ミニ流路」熱交換フィンの組、キャピラリチューブ。
【００２９】
本発明の１つの目的は、ろう付けプレート熱交換器に関し、フラットな全体形状の複数の流体循環通路を規定する平行なプレートのスタック、これらの通路の境界を定めるクロージャー・バー、および第１の系統の通路の各通路に流体を分配するための分配手段、および第２の系統の通路に他の流体を送給するための手段を備えるタイプのものであり、この熱交換器中の少なくとも１つの通路は、少なくとも１つの組織化された交換構造体を備えており、これはその通路の幅内に複数の流路を形成しており、各流路は少なくとも２つの他の流路または少なくとも１つの他の流路および１つのプレートのいずれかに接しており、上記構造体が通路の高さ内に少なくとも３つの流路、好ましくは少なくとも５つの流路をも形成していることも特徴とする。
【００３０】
好ましいものとして、各流路は、少なくとも３つの他の流路か、または１つのプレートと２つの他の流路に接している。このプレートは、通路を規定しているプレートであるか、またはこの通路内に位置する第２のプレートであってよい。
【００３１】
他の任意の態様によれば、
上記構造体は複数のシリンダから構成されており、
通路の内部には、通路を規定している上記プレートと平行に、フラットな全体形状の少なくとも１つの第２のプレートが存在しており、
上記構造体は、重なり合ったコルゲート熱交換フィンの組から形成されており、各々一対の隣り合うコルゲート熱交換フィンの組は、場合により、第２のプレートにより分離されており、
上記構造体は、複数の流路を備える単一の本体から形成されており、
流路は１〜６ｍｍの水力直径を有し、
流路は２００μｍ〜１ｍｍの水力直径を有し、
流路は２００μｍ未満の水力直径を有し、
通路は３〜１８ｍｍの高さを有し、
流路は円形、楕円、正方形、長方形、三角形またはダイヤモンド形の断面を有する。
【００３２】
本発明の他の対象は、上記で定義した少なくとも１つの交換器を備える低温分離装置である。
【００３３】
本発明の他の対象は、メインの熱交換ラインおよび／または気化器−凝縮器および／または過冷却器が上記した熱交換器である空気分離装置である。
【００３４】
本発明を、図面を参照しながらより詳細に記載する。
【００３５】
図２において、示す熱交換器１は平行な長方形のプレート２のスタックから成り、全て同一であり、これらの間に、間接的な熱交換関係で配置されている流体の複数の通路が規定されている。示す例において、これらの通路は、連続しかつ繰り返して、第１の流体のための通路３、第２の流体のための通路４、および第３の流体のための通路５である。本発明は、２種だけの流体が関与する熱交換器、または任意の数の流体が関与する熱交換器を対象とする。
【００３６】
各通路３〜５は、境界を定めるクロージャー・バー６に挟まれており、対応する流体のために流入／流出装置７を開けたままにしておく。各通路において、スペーサ波形またはコルゲートフィン８が存在し、これはサーマルフィン（thermal fin）としての、特にろう付け時のプレート間のスペーサとしての、および加圧下で流体を用いる際のプレートのいかなる変形をも防止する手段としての、および流体のフローを導くガイドとしての役割を果たす。
【００３７】
プレート、クロージャー・バー、およびスペーサ波形のスタックは、一般的にアルミニウムまたはアルミニウム合金から作製され、炉内ろう付けによって単一の操作で組み立てられる。
【００３８】
続いて、全体的に半円筒型形状の流体流入／流出ボックス９を交換器本体に溶接して、流入／流出装置の対応する列に渡ってフィットするように製造し、流体を供給し、除去するパイプ１０に接続する。
【００３９】
流路を、“Micro echangeurs thermiques” by Anton GRUSS in “Techniques de l’Ingenieur, 06-2002” に記載されているような種々の技術を用いて形成することができる。
【００４０】
図３Ｂにおける解決方法は、図３Ａにおいて用いられる従来のコルゲート熱交換フィンを、同じタイプの複数のコルゲート熱交換フィンの組であって、より短いフィンの高さを有するものと置き換えることである。熱交換器の同一の通路中に挿入されるこれらの新たな組は、ろう付け金属により覆われる薄いシート１３を用いて組み立てられる。「第３エリアシート」と呼ばれるこれらのシートは、いわゆる「第３」の加えられた領域を構成している。例において、３つのフィンの組を分離する２つのシートが存在する。
【００４１】
単にフィンの高さを改変し、適合させることによって、市販されているコルゲートフィンの組の全てのタイプを用いることができる。結果として、あるタイプのコルゲートフィンの組の形状を形成する全てのパラメータを適合させることができる（フィンの厚さ、密度、穿孔等）。他のパラメータは、
・通路高さ
・通路あたりの交換フィンの数
・第３エリアシートの厚さ（理論的には、コルゲートフィンの組の厚さと等しい）
・第３エリアシートの形状：固体、または注意深く位置合わせをした穿孔を伴う
である。
【００４２】
「複合的なコルゲートフィンの組」技術について、水力直径は、従来のコルゲートフィンにおける流路の幅と同じ桁のものである（１／ｎ−ｅ）。
【００４３】
種々のフィンの高さについての、および等価な密度ｎの従来のフィンの組と比較した熱交換領域の拡張率を以下に示す。
【表１】
2008545946.tif 000003
【００４４】
ｎ*＝通路の高さ（０．２ｍｍの第３エリアシートの厚さを伴う）に渡るフィンの数
ｗ＝流路の幅
ｈ流路＝流路の高さ
ここでは、流路の高さ（ｈ流路）を最小限で２ｍｍ（ろう付けのため）に制限している。
【００４５】
同じ体積では、熱交換器内に重なっているフィンの数が増加すると、これらの製造コストを上昇する。しかしながら、据え付け費は同じままである。
【００４６】
図４の解決方法は、図４Ａで用いられる従来のコルゲート熱交換フィンの組を、正方形の断面の複数のミニ流路１９を含む構造化されたコルゲートフィンの組１７で置き換えることである。このコルゲートフィンの組は、押出しにより製造することができる。
【００４７】
押出し製造方法とは、いずれの流路の断面も形成することができるものであることを意味する（長方形、三角形、円形、ダイヤモンド形等）。図４Ｃは、三角形の断面の流路を示す。
【００４８】
メインのパラメータは、通路の高さ、通路の高さあたりの流路の数、通路のメートル幅あたりの流路の数、および用いられる流路の幾何学的形状に関連する全てのパラメータ（流路の高さ、幅、直径等）である。
【００４９】
製造の方法は、また、さらに熱交換領域を拡張し、および／または液体を排出するために、流路の内部にミクロ−フィンまたはミニ−フィンを挿入する可能性を許容する。
【００５０】
流路の長さ（流体交換長さ）を、数ミリメートルの間隔をあけていくつかの押出したコルゲートフィンの組のモジュールに分割することができ、内部流路の連絡を可能とした。
【００５１】
流路の水力直径（Ｄｈ）に関して差別化される流路の幾何学的形状の３つのカテゴリがある：
Ｄｈが、従来のコルゲートフィンの組における流路の幅（ｗ＝１／ｎ−ｅ）と同じ桁のものであるような流路；
Ｄｈが２００ミクロン〜１ｍｍの範囲にあるような流路（ミニ流路）；
Ｄｈが２００ミクロン未満であるような流路（ミクロ流路）。
【００５２】
上記した３つのカテゴリについて得られる熱交換領域の拡張は以下の通りである。
【００５３】
Ｄｈが、従来のコルゲートフィンの組における流路の幅（ｗ＝１／ｎ−ｅ）と同じ桁のものであるような流路については、種々のフィンの高さについての、および同じ高さで同等の密度ｎの従来のフィンの組に対しての熱交換領域（ｓｅ）の拡張率を挙げる。
【表２】
2008545946.tif 000004
【００５４】
Ｄｈが２００ミクロン〜１ｍｍの範囲にあるような流路（ミニ流路）については、種々のフィンの高さについての、および同じ高さで高い密度ｎを有する従来のフィンの組に対しての熱交換領域（ｓｅ）の拡張率を挙げる。
【表３】
2008545946.tif 000005
【００５５】
Ｄｈが２００ミクロン未満であるような流路（ミクロ流路）については、種々のフィンの高さについての、および同じ高さで高い密度ｎを有する従来のフィンの組に対しての熱交換領域（ｓｅ）の拡張率を挙げる。
【表４】
2008545946.tif 000006
【００５６】
図５Ｂの解決方法は、図５Ａで用いられる従来のコルゲート熱交換フィンの組を、適切な数のキャピラリーチューブに置き換えることである。キャピラリーチューブを、その形状のために規則正しい様式で容易に配列させることができる。キャピラリーチューブは
ろう付け金属で覆われ、機械的に全体が組み合わされている。
【００５７】
調節可能なパラメータは、通路の高さ、キャピラリーチューブの直径、キャピラリーチューブの厚さ、またはｍ2あたりのキャピラリーチューブの数である。
【００５８】
種々のフィンの高さについての、および等価な密度の従来のコルゲートフィンの組に対しての熱交換領域の拡張率を示す。Ｄextは、キャピラリーチューブの外径である。
【表５】
2008545946.tif 000007
【００５９】
各例において、キャピラリーチューブの直径は、従来の解決方法に対して熱交換領域の拡張を達成するために最大の直径に相当する。より小さい直径であると、熱交換領域の明白な拡張はだいぶ抑制されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】記載なし。
【図２】本発明が適用される従来の構造体のこのような熱交換器の一例を、部分的な断面図と共に透視図で示す図。
【図３】図３Ａは従来技術による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。図３Ｂは本発明による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。
【図４】図４Ａは従来技術による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。図４Ｂは本発明による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。図４Ｃは本発明による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。
【図５】図５Ａは従来技術による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。図５Ｂは本発明による流体のフロー方向で示される熱交換器の通路を示す図。
【図１】
2008545946.tif 000008
【図２】
2008545946.tif 000009
【図３】
2008545946.tif 000010
【図４】
2008545946.tif 000011
【図５】
2008545946.tif 000012
【国際調査報告】
2008545946.tif 000013
2008545946.tif 000014
2008545946.tif 000015
2008545946.tif 000016
2008545946.tif 000017
2008545946.tif 000018