(57)【要約】高温処理におけるエネルギ効率を改善するために、高温に適し，大温度差にに対する耐性があり，かつ，逆流動作において80％以上の伝達効率を実現する平坦チューブ熱交換器（10）が提案される。この平坦チューブ熱交換器（10）は、高い充填密度，低い（例えば50mbar以下の）圧力損失，高耐久性，高い頑強性，及び，低い製造コストを有する。平坦チューブ熱交換器（10）は、平坦な熱交換部分と円形端部を有する平坦チューブ（22）を有する。この円形端部は、低い圧力損失で平坦チューブ（22）の平坦部分の間を通る熱ガスを均一に分配させる横断流入区域を形成する。このような平坦チューブ熱交換器（10）の効率は、プレート状熱交換器の効率と同等であるが、本発明における平坦チューブ熱交換器（10）のほうが、相当堅牢である。【選択図】図１
2014531011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にガス状媒質用の平坦チューブ熱交換器（10）であって、
互いに対向して配置された２つの側に、其々、管板（14,15）を備えた、閉じたハウジング（11,12,13）を含み、
前記２つの管板（14,15）は、前記ハウジング（11,12,13）を、入口側収集空間（16），チューブバンドル空間（17），及び，出口側収集空間（18）に分割し、
チューブバンドルの縦方向（23）を定め、かつ、少なくとも主に複数の平坦チューブ（22）から構成されるチューブバンドル（21）を含み、
前記平坦チューブ（22）は、一直線になるように取り付けられ，円形または多角形の端部（B）を含み，前記チューブバンドル（21）の縦方向（23）と平行に配置され，かつ，前記管板（14,15）に、これに対応する開口が固定されて、前記入口側及び出口側収集空間（16,18）と連通しており、
前記入口側及び出口側収集空間（16,18）の各々に、少なくとも１つの収集空間接続部（19,20）が設けられ、かつ、前記チューブバンドル空間（17）に、前記チューブバンドルの縦方向（23）において相互に距離を置いて配置される、少なくとも２つのチューブバンドル空間接続部（31,32）が設けられ、
前記チューブバンドル空間（17）は、３つの区域、すなわち、前記チューブバンドル空間接続部（31,32）において備えられる２つの横断フロー区域（29），及び，該２つの横断フロー区域（29）の間において備えられる１つの縦断フロー区域（30）、を含む、ことを特徴とする平坦チューブ熱交換器。
【請求項２】
前記横断フロー区域（29）は、前記管板（14,15）に直接的に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項３】
前記横断フロー区域（29）において、前記平坦チューブ（22）は、いずれの場合も、丸みのある，円形の，または，多角形状の横断面を含み、かつ、前記縦断フロー区域（30）において、平坦な横断面を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項４】
前記縦断フロー区域（30）において、前記平坦チューブ（22）は、平坦な肩部を有する平坦横断面を含むことを特徴とする請求項３に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項５】
前記チューブバンドル（21）が、前記横断フロー区域（29）において横断フロー方向（Q）における横断方向幅（C）を有し、かつ、前記横断フロー区域（29）が、前記チューブバンドル縦方向（23）において長さ（B）を有する場合、前記長さ（B）は、前記横断方向幅（C）に対して少なくとも0.5倍であることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項６】
前記ハウジング（11,12,13）は、横断面が環状に閉じた内壁（33），及び，横断面が環状に閉じた外壁（11）を含むことを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項７】
前記内壁（33）は、熱源（36）を取り囲むことを特徴とする請求項６に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項８】
前記複数の平坦チューブ（22）は、各々、同心円上に配置されることを特徴とする請求項６に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項９】
円周方向に測定される複数の平坦チューブ（22）間の其々の距離は、前記平坦チューブ（22）の平坦部分（A）におけるギャップ幅より小さいことを特徴とする請求項８に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１０】
横断フローダクト（26,27,28）が、前記複数の平坦チューブ（22）の円形端部の間に備えられることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１１】
前記チューブバンドル空間接続部（31,32）は、前記管板（14,15）を貫通するように配置されることを特徴とする請求項６に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１２】
前記平坦チューブ（22）に、スペーサ機構（35）が設けられることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１３】
前記複数の平坦チューブ（22）の少なくともいくつかに、乱気流生成機構（35）が設けられることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１４】
前記ハウジング（11,12,13）に、少なくとも１つの膨張補償要素（34）が設けられることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【請求項１５】
前記チューブバンドル空間（17）内に、触媒が配置されることを特徴とする上述した請求項のいずれか１つ，または，複数の請求項に記載の平坦チューブ熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にガス状媒質に用いる高温熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器が、可能な限り完全に、１つのガス流の熱容量を他のガス流へ伝達する場合、ガス／ガス熱交換器を用いると、高温工程におけるエネルギ効率は、かなり良いものとなる。ガス流は、例えば、化学反応の工程（例えば、燃焼工程の形式）における反応物及び生成物である。ここでの化学反応は、例えば、マイクロガスタービンまたは他の熱機関に用いられる、SOFC（固体酸化物形燃料電池）または他の燃料電池システムにおいて起こすことが可能である。従って、多くの場合、２つのガス（例えば、吸気と排気）の其々の質量または熱容量のフローは、およそ同じである。
【０００３】
本発明に対応する熱交換器は、ある程度の困難で兼ね備えることが可能な、様々な必要条件を満たさなければならない。この対応する熱交換器は、以下の全てに適していなければならない。
‐高温、特に熱交換器内部において、
‐大温度差、すなわち、２つの媒質の入り口温度間に大きな差があること。SOFCシステムの場合、この温度差は最大800Kまで。
‐80％以上の高い熱伝達効率。従って、可能であれば、
‐コンパクトな設計、
‐低い圧力損失、
‐低い製造コスト、及び、
‐高耐久性、
が同様に要求される。
‐さらに、２つのガス流間の圧力差が、耐えられるものであること。
さらに、例えば、
‐温度変化に対する高耐性を、頻繁にスイッチなどを入れたり切ったりするか、または、頻繁に起動停止するシステムにおいても有する条件も満たすこと。
【０００４】
様々な熱交換器が、熱を交換する媒質をもたらすものとして公知である。例えば、国際公開第96/20808号パンフレットに、容器の両端部に配置される丸形の端部キャップと管板によって閉じられた、ほぼ円筒形の閉じた容器を含んだ熱交換器が開示されている。容器の両端部に配置される２つの管板は、交換器内部を３つの分割した空間、すなわち、例えば、２つの収集空間と、これら２つの間にあるチューブバンドルの空間、に分ける。この２つの収集空間を接続するためには、例えば、端部キャップ自体が、円筒状のハウジングの長軸に対して同心上になるように配置される。チューブバンドルの流入口及び流出口は、例えば、円筒状のハウジングの側壁に半径方向に配置される。この実施形態によれば、例えば、チューブバンドルのチューブは、一直線になるように実施されるが、異なる断面形状で提供されてもよい。円形の横断面が、楕円形の横断面に取って代わってもよい。
【０００５】
上記では、閉じた熱交換器が開示されているが、欧州特許第1995516号明細書には、片側のみが収容される複数の平坦なチューブを含んだ開放式の熱交換器が示されている。これら複数の平坦なチューブは、端部が円形になっており、また、中央部分の断面においては平坦であるように実施される。この平坦部において、チューブは、一方がギャップ幅を定め、他方が大きな半径で湾曲される２つの部分によって形成され、これらは、大きな半径で湾曲された部分によって、端部が互いに接続される。複数の平坦なチューブは、熱交換器と同心円上に配置され、これは、全体として、ほぼ回転対称になるように実施される。このため、各円上に同数のチューブが備えられる。また、波形のスペーサがチューブ間に配置されている。この平坦チューブ熱交換器は、熱ガスの流れに対して逆流で動作する。排出ガスに高速度をもたらすノズルが、燃焼チャンバに面する平坦チューブの端部に配置されている。具体的に言うと、この装置は、排出ガスを加熱する伝熱式熱交換器であり、この高速の排出ガスによって、接続された燃焼チャンバ内に無炎酸化をもたらす。
【０００６】
上述した条件を満たす熱交換器を明確に記述することが、本発明の課題である。具体的には、低い圧力損失と低い製造コストで、大温度差，高い伝達効率，高い実装密度，及び，長い耐用年数を兼ね備えることである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の課題は、請求項１に従った平坦チューブ熱交換器を用いることによって解決される。
【０００８】
本発明に従った平坦チューブ熱交換器は、２つの管板と、これらの管板の間に配置され、また、管板によって支持されるチューブバンドルと、が配置されている閉じたハウジングを含む。このチューブバンドルは、チューブバンドルの縦方向に延びる少なくともいくつかの平坦チューブを含む。これらの平坦チューブの両端部において、平坦チューブは、円形であり、また、中央部分においては平坦である。円形断面を有するこの平坦チューブの両端部は、円，または，別の円形要素のものであってもよい。
【０００９】
例えば、平坦チューブの両端部は、楕円形断面，長円形断面，または，さらに、円形と同じような（三角形，四角形，長方形，六角形，または同様のもの）断面を含んでもよい。円形部分（平坦チューブの端部）の断面は、平坦部分の断面の50％から70％の間になることが望ましい。この円形断面が、円形である一方で、平坦断面は、好ましくは、小さな半径を含む湾曲した端部部分と、湾曲がない真っ直ぐな壁部分から成る長円形状を有する。
【００１０】
例えば、このような平坦チューブは、より小さな直径を有する１つの円形断面を含んだ２つの部分間に、より大きな直径を有する１つの円形断面を含んだ部分を備えるチューブから製造される。この、より大きな直径から成る部分は、再形成処理（例えばローラー処理）、例えば、円筒状ローラー間に通すこと、により、平坦にされてもよい。上記のような平坦チューブの構造は、本発明に従った熱交換器のすべての実施形態に対して好適なものである。
【００１１】
好ましくは、３つの区域、すなわち、チューブバンドル空間接続部において設けられる２つの横断フロー区域，及び，これら２つの横断フロー区域の間において設けられる１つの縦断フロー区域が、チューブバンドル空間内で実施される。これら２つの横断フロー区域の其々は、好ましくは、いずれの場合も、管板に隣接する両側に形成され、また、平坦チューブは、丸みのある断面（好ましくは円形断面），または，円に類似した多角形状の断面を含み、そして、テーパが付けられて、横断フロー区域に対して、複数の平坦チューブを横断するガスの流入または流出を提供する。
【００１２】
好ましくは、この目的を実現するための複数のチャネルが、個々の平坦チューブ間に設けられる。これらのチャネルを、其々、流入方向または流出方向に方向づけることが望ましい。回転対称となる設計の場合、これらのチャネルは、好ましくは、半径方向に方向づけられる。この流入及び流出は、半径方向における内側から外側へ，または，外側から内側へ流れることが可能である。横断フロー区域によって定められる横断フロー方向は、好ましくは、平坦チューブの平坦面に直交するように方向づけられ、つまり、この平坦面の表面の法線方向と平行になる。このコンセプトは、さらに、本発明における熱交換器のすべての実施形態において適用される。
【００１３】
縦断フロー区域は、横断フローがこの区域内においてほぼ存在しないように形成される。平坦チューブによって仕切られた空間において生じるこの縦断フローは、平坦チューブ内を流れるフローと逆平行に流れる（逆流する）。特に、このフロー（逆流すること）は、好ましくは、複数の平坦チューブ間に存在している縦断フローダクトと異なる様態の縦断フローダクトの間においても変化しない。これは、隣接する平坦チューブが、互いに接触するか，または，わずかなギャップでほとんど接触しているように配置されることで実現される。
【００１４】
本発明における平坦チューブ熱交換器は、長方形状，または，円形状に設計されてもよい。長方形状の設計において、平坦チューブ熱交換器は、立方体状のチューブバンドル空間を含む。円形状の設計において、平坦チューブ熱交換器は、円筒状のチューブバンドル空間を含む。好ましくは、熱交換器は、環状の熱交換器として円形状に設計される。この場合、ハウジングは、円筒形状または多角形状に限定され、例えば、熱交換器のハウジングは、外壁に対して同心円上の内壁を含むことができる。この内壁は、例えば、バーナー，他の熱源，または，これらの併用による化学的工程を経て、供給される処理ガスが流れる、化学反応器の集合体を取り囲むことができる。
【００１５】
好ましい実施形態の場合、平坦チューブの平坦断面部分が存在している縦断フロー空間は、環状の様態（すなわち中空の円筒状）で実施される。その一方、２つの横断フロー空間の少なくとも１つは、好ましくは、円筒状の様態で実施され、また、中央部に開放されたガス分配空間（ガス収集空間）を含み、このガス空間からのガス流が、平坦チューブの円形部分において半径方向に外側へ導かれる（逆も同様である）。
【００１６】
横断フロー方向において、チューブバンドルは、好ましくは、チューブバンドルの縦方向において測定される横断流入区域の長さ（Ｂ）に対して最大で２倍の長さになるような幅を有する。これにより、ガス流の均一な分配が、平坦チューブ間の縦断フロー区域を流れる前に実現される。上述したこの寸法条件は、さらに、比較的密度の高い様態でチューブバンドル内の平坦チューブを配置することができる、優れた必要条件を作り出し、それ故に、空間の有効利用とコンパクトな設計をもたらす。平坦チューブの寸法を厳密に順守することは、さらなるこれらの貢献になる。
【００１７】
好ましくは、平坦チューブ間には、1mmから5mmの間，好ましくは1mmから3mmの間の幅を有する内部ギャップを有する。最適には、このギャップ幅は、2mmである。平坦チューブ自体の内部空間の幅は、好ましくは、7mmから20mmの間である。複数の平坦チューブは、好ましくは、0.2m2／dm3から0.9m2／dm3の間の充填密度ｐで配置される。
【００１８】
平坦チューブ間の距離を一定に保つために、例えば、節，リブ，または，フィン形状または同種の形状をしたものを取り付けることによって空間を確保する構造が、平坦チューブにおいて存在してもよい。平坦チューブ間の最大距離は、上述したギャップ幅の寸法が望ましい。このギャップ幅は、好ましくは、最善の状態で数mmである。平坦チューブの円形断面領域における平坦チューブ間の距離は、好ましくは、ギャップ幅より小さい。従って、この平坦チューブ間に形成される複数のチャネルは、互いにほぼ分離したものである。この横断フロー区域における均一なガス分配は、大いに重要である。
【００１９】
熱伝達が、乱気流の渦によって改善される場合、平坦チューブの代わりに、いわゆる構造化されたチューブが用いられてもよい。乱気流の渦を発生させるために、乱気流生成要素、例えば、リブ，突起部，歯，または同種の形状をしたものが、平坦チューブの内表面及び／または外表面に取り付けられる。
【００２０】
すべての平坦チューブは、好ましくは、同じ形状を有し、それ故に、一様に実施され、製造努力を低く保つ。
【００２１】
チューブは、ワンピースまたはいくつかのピースで実施される。これは、特に、極めて大きな温度差がある場合において有利である。異なった材料で作られたチューブは、具体的には溶接によって、直接的に互いに連結される。従って、熱気が通る区域より冷気が通る区域において、異なる複数の材料が用いられる。ハウジングとチューブバンドルとの間の膨張差を補償する膨張要素が、ハウジングに配置される。この膨張補償要素は、熱交換器の冷気側に配置されることが望ましい。
【００２２】
熱交換器のチューブが、中央領域を囲む１つの環状区域に配置される場合、燃焼チャンバを含んだバーナーが、例えば、備えられている化学反応器を加熱する位置に配置される。絶縁層が、好ましくは、燃焼チャンバと熱交換器との間に配置される。この熱交換器と燃焼チャンバの組み合わせは、例えば、SOFC燃料電池用のカソード空気を加熱するのに適している。
【００２３】
さらに、触媒反応体が、システム内部、具体的には熱交換器のチューブバンドル空間内に取り付けられてもよい。この触媒反応体は、例えば改質器として、SOFC燃料電池のアノードガスサイクル内に位置してもよい。
【００２４】
本発明に従った平坦チューブ熱交換器により、８０％より高い効率が実現される。好ましくは、加熱されることになるガスは、複数のチューブ内を通ることによって導かれ、また、熱を放出するガスは、複数のチューブ間にわたって導かれる。例えば1000℃のような極めて高温の入り口温度となるガスが、処理される。構成上の容量をふまえると、平坦チューブ熱交換器の伝熱率は、同程度のギャップ幅を有するプレート状熱交換器及び再生器の伝熱率と同程度である。
【００２５】
しかしながら、溶接されたプレート状熱交換器は、このような高温条件には適さない。従って、本発明において提案された平坦チューブ熱交換器は、特に、ローカルにエネルギを生成する場合、例えば、SOFC燃料電池またはマイクロガスタービンを用いる場合に適している。また、本発明においては、再生器を用いる場合に必要とされる切り替えバルブと制御システムが、必須でなくなる。
【００２６】
本発明における有利な実施形態のさらなる詳細は、従属クレーム，図面，または，発明を実施するための形態の記述内容に含まれている。この、発明を実施するための形態の記述は、本発明におけるいくつかの例示的な実施形態を示している。本発明が具体的な実施形態や例に限定されないことは、もちろんのことである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明に従った平坦チューブ熱交換器を示す概略縦断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ‐Ａ線に沿って切断された図１の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器を示す図である。
【図３】図３は、図１のＢ‐Ｂ線に沿って切断された図１の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器を示す図である。
【図４】図４は、本発明に従った平坦チューブ熱交換器の平坦チューブを示す概略平面図である。
【図５】図５は、図４の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器の平坦チューブを示す側断面図である。
【図６】図６は、図４及び５の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器の平坦チューブを示す斜視図である。
【図７】図７は、バーナーが取り付けられた平坦チューブ熱交換器を示す概略縦断面図である。
【図８】図８は、本発明に従った、変更された実施形態における平坦チューブ熱交換器を示す縦断面図である。
【図９】図９は、本発明に従った、さらに変更された実施形態における平坦チューブ熱交換器を示す側面の縦断面図である。
【図１０】図１０は、図９のＸ‐Ｘ線に沿って切断された図９の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器を示し、さらに、図９の切断面を示している切断線ＩＸ‐ＩＸを含む図である。
【図１１】図１１は、図９のＸＩ‐ＸＩ線に沿って切断された図９の実施形態に従った平坦チューブ熱交換器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、円筒形ハウジング１１内に収容された平坦チューブ熱交換器１０を示している。好ましくは、ハウジング１１に含まれ、そして、ハウジング１１の一部である、湾曲した覆蓋１２，１３が、例えば、ハウジング１１の両端部に取り付けられる。蓋１２，１３と協働するハウジング１１は、２つの管板１４，１５によって全体を３つの区間に分ける内空、すなわち、入口側の収集空間１６（図１の底部），チューブバンドル空間１７，及び，出口側の収集空間１８を含む。この収集空間１６，１８は、接続部１９，２０が、其々に与えられている。例えば、冷気が接続部１９に適用され、また、熱気が接続部２０に放出される。
【００２９】
チューブバンドル２１は、管板１４と１５の間に配置されている。このチューブバンドル２１は、好ましくは、互いに同一の多数の平坦なチューブ２２から構成される。この多数の平坦チューブ２２の横断面は、互いの間の内部ギャップ断面の範囲を定める真っ直ぐな肩部を取り囲む。この平坦な肩部は、わずかな半径で湾曲した部分によって互いに接続される。平坦チューブ２２の各々は、好ましくは、真っ直ぐで、かつ、ハウジング１１の仮想中心軸２３と平行に配置されるように実施される。平坦チューブ２２は、端部２４，２５が管板１４，１５に固定されている。端部２４，２５は、例えば、溶接，硬ろう，圧入，圧着，または異なる適切な方法で、管板１４，１５の其々に連結される。この連結は、流体密封性、及び、耐熱性のあるものが望ましい。
【００３０】
各々の平坦チューブ２２は、平坦な横断面を含んだ比較的長い中央部分Ａ，及び，２つの端部２４，２５において、横断面において円形部分を含んだより短い部分Ｂを含む。図２は、中央部分Ａの断面領域におけるチューブバンドル２１を示している。この図に示されているように、各々の平坦チューブ２２は、１mmから４mmの間，好ましくは２mmから３mmの間の幅を有する内部ギャップ断面を取り囲む。このギャップ断面の周囲は、好ましくは、２０mmから４０mmの長さを有する。図に示すように、平坦チューブ２２は、リング状に閉じた列として各々が配置され、各列は、円形（厳密に言えば多角形）であり、また、中心軸２３と同心円上に配置される。
【００３１】
この列において、平坦チューブ２２は、少なくとも好ましくは、其々の平坦チューブ２２の大きく湾曲した部分が互いに接触しないように、配置される。しかしながら、列内の平坦チューブ２２間に残されたギャップは小さい。別の方法では、平坦チューブ２２は、さらに、あらゆる温度か，または，特定の温度のみにおいてに互いに接触してもよい。平坦チューブ２２の平坦面は、円周方向に方向づけられており、それ故に、平坦チューブ２２の平坦面は、各円の接線方向に沿って配置されることになる。
【００３２】
列間に形成されるリング状の空間、つまり、列が異なる平坦チューブ２２の境界域は、比較的狭い。これらの空間は、他の構成要素が概して存在しない複数のリング状フローダクトとなる。これら複数のリング状フローダクトの其々は、複数の平坦チューブ２２の輪によって、互いに大きく離れている。
【００３３】
他の平坦チューブ構造が用いられてもよいことを指摘しておく。例えば、複数の平坦チューブが、コイルのように巻回された単一の列として配置されてもよい。これら複数の平坦チューブは、さらに、円周方向に対して少し傾斜していてもよく、それ故に、複数の平坦チューブ其々の縦軸が少し回転したものとなってもよい。その結果、複数の平坦チューブは、円の接線方向に対して鋭角をなす。しかしながら、上記の断面形状及びチューブ間の距離に関する説明は、状況に応じて適用される。
【００３４】
好ましくは、図２に示されている、いずれもがリング状列として配置されているチューブの数は、可能であれば、閉じた列が生じるように設計される。好ましくは、各列における平坦チューブ２２の数が、互いに一致しない。チューブの数は、好ましくは、半径方向において内側から外側につれて増加する。好ましくは、隣接したリング状列のチューブの数は、１本から３本、好適には２本、異なる。
【００３５】
図３に示すように、平坦チューブ２２は、そのＢ部分において、図２におけるＡ部分の配列より、少なくとも、より高い透過性で半径方向に流れを通すことができる配列を形成する。半径方向に流れることを提供するフローダクト２６，２７，２８が、形成されている。それ故に、平坦チューブ２２の円形Ｂ部分においては、横断流入区域２９が、形成される。これは、上部管板１４に隣接する平坦チューブ２２の端部２４，及び，下部管板１５に隣接する平坦チューブ２２の端部２５に適用される。
【００３６】
横向きに流入する方向において、チューブバンドル２１は、好ましくは、横方向流入区域となるＢ部分の長さに対して最大２倍の長さである、厚みＣを含む。また特に、横断流入を、平坦部分Ａの平坦面に対して平行または鋭角にすることができる場合、平坦チューブ２２の平坦部分Ａは、横断流入区域２９にまで延ばしてもよい。これは、全ての実施形態に適用される。
【００３７】
２つの横断フロー区域２９の間に配置される平坦チューブ２２の部分Ａは、実際に熱交換をする縦断フロー区域３０を形成する。
【００３８】
中心軸２３と同心円上に配置され、例えばこの場合、覆蓋１２，１３及び管板１４，１５を貫通する、チューブバンドル空間接続部３１，３２は、チューブバンドル空間１７内に流体を取り入れ、熱交換するように機能する。さらに、チューブバンドル接続部３１，３２は、他の場所に配置されてもよいことを指摘しておく。例えば、チューブバンドル接続部３１，３２は、ハウジング１１を貫通する一方で、ハウジング１１のＢ領域に対して半径方向または接線方向に取り付けられるように実施される。その上、内側ハウジング壁３３が、中心軸２３と同心円上に配置される。この内側ハウジング壁３３は、中実ボディまたは中空のボディによって形成されている。このハウジング３３は、さらに、システムの部品，熱貯蔵容器，またはそのようなものを取り囲むか、あるいは、中を空にしてもよい。
【００３９】
ハウジング１１には、適当な位置に膨張補償要素３４が設けられる。好ましくは、この構成要素３４は、管板１４，１５間のハウジング１１の円筒領域、好ましくは、より冷たいほうの管板の近辺、すなわち、入口側の接続部１９の近辺に、取り付けられる。膨張補償要素３４は、許容限度内でのハウジング１１の軸方向の膨張と圧縮を可能にし、管板１４，１５間の距離が、温度，ひいては，チューブバンドル２１の長さにより定められる。ハウジング１１は、それに応じて適合される。
【００４０】
本明細書において説明される平坦チューブ熱交換器１０は、以下のように機能する。
【００４１】
平坦チューブ熱交換器１０の動作中において、例えば、高温の、好ましくはガス状流体のマイクロガスタービンまたは同様のものの排出ガスが、チューブバンドル空間接続部３１を経由して平坦チューブ熱交換器１０に供給される。ハウジング１１の内壁３３によって包まれるほぼ円筒形の中央ボディの上方において、この流れは、ほぼ半径方向に屈折する。この流れは、図３に見られるチャネル２６，２７，２８に到達し、そして、チューブバンドル２１において半径方向及び円周方向に分配される。
【００４２】
熱ガスの流れが横断流入区域２９において始まり、その後、熱ガス流が、図２に見られる平坦チューブ２２の間のリング状区域を経由して、中心軸２３とほぼ平行の縦方向に流れる。熱ガス流内に含まれる熱が、平坦チューブ２２の壁に伝達される。
【００４３】
それと同時に、冷却ガス、例えば外気温から成る空気、が、入口側の接続部１９を経由して収集空間１６内に導かれる。そこから、この冷却ガスは、平坦チューブ２２の下側の円形端部内に入り、また、平坦チューブ２２の内部ギャップ容積を経由して反対側に位置する収集スペース１８内へ流れる。従って、冷却ガスは、流入温度がおよそ1000℃の熱ガスの流れに対して逆向きに流れ、例えば、供給される冷却空気は、熱の大部分を吸収し、例えば収集空間１８において、800℃から900℃に到達することが可能である。その後、熱を吸収した冷却ガスは、出口側における接続部２０を経由して排出される。
【００４４】
上記において説明された流れの構造により、本発明における平坦チューブ熱交換器１０は、熱ガス流及び冷却ガス流に対してわずかな圧力差の要求のみを有する。結果として生じる圧力損失は低い。平坦チューブ２２間の狭いギャップ幅と緊密な配列により、高い熱利用が実現される。チューブバンドル空間接続部３２を経由してチューブバンドル空間１７から出る排出ガスは、例えば、数百度、例えば200℃から300℃の低温に冷却される。
【００４５】
図４から６は、平坦チューブ２２の選択的な実施形態の詳細を示している。上記において断面図を用いてすでに説明したように、平坦チューブ２２は、Ａ及びＢ部分において、好ましくは、異なる外周を有する。
【００４６】
さらに選択的な実施形態として、特に、各平坦チューブ２２のＡ部分の平坦面に、例えば、節，リブ，フィン，または，これらと同種の形状をした突起部３５を設けることができる。この突起部３５は、スペーサとして機能することができ、平坦チューブ２２の異なる列が互いに近づき過ぎて、それらの間に存在しているフローダクト２６，２７，２８を閉鎖してしまうことを防止する。さらに、平坦チューブ間２２を流れる熱ガスの平坦チューブ２２への熱伝達を改善するために、乱気流を発生させる要素として、これら突起部３５を用いることも可能である。
【００４７】
図７は、本発明における平坦チューブ熱交換器１０の変更された実施形態を示している。この変更された実施形態における平坦チューブ熱交換器１０は、熱ガスを発生させるために、バーナー３６と構造的に結合される。このため、チューブバンドル空間接続部３１は、燃焼用空気のための給気ダクトとして実施、すなわち、用いられる。この給気ダクトにおいて、燃料ダクト３７が、チューブバンドル空間接続部３１と同心円上に配置され、この燃料ダクト３７によって、例えば、残留アノードガスまたは他の燃料が、燃焼チャンバ３８内に導かれる。この燃焼チャンバ３８は、内側ハウジング壁３３によって囲まれている容器内に配置される。
【００４８】
例えば、燃料ダクト３７を通って延びることが可能である始動電極３９が、バーナー３６を完成させる。内側ハウジング壁３３の内側には、断熱ライニング４０が設けられている。これは、燃焼チャンバ３８の範囲を定めるチューブと共に、横断フロー空間２９の方に通じる環状チャネル４１を形成する。環状チャネル４１から、バーナー３６によって発せられた熱ガスが、縦断フロー区域３０（チューブ２２の部分Ａ）内に流れ、環状チャネル４１内に存在している熱を放出する。
【００４９】
冷却された排出ガスは、横断フロー区域２９（図７の左側参照）とチューブバンドル空間接続部３２を経由して平坦チューブ熱交換器１０から再び出る。接続部１９を経由して供給される外気は、平坦チューブ２２を経由して熱ガスの流れに対して逆流に導かれ、それにより、高温に加熱され、高温，つまり，７００℃から８００℃よりかなり高い温度で、収集空間１８を経由して接続部２０へ放出される。この構造において、平坦チューブ熱交換器１０は、内部に熱源を含んだ熱交換器を形成する。バーナーが熱源として機能する。さもなければ、同様の実施形態を有することで、他の熱源が、さらに、熱交換器１０に組み込まれる。
【００５０】
上述した原理は、さらに、リング状でない，または，円筒形でない熱交換器において其々実施されてもよい。図８は、そのような平坦チューブ熱交換器１０を示している。平坦チューブ２２によって形成されるチューブバンドル２１は、長方形または正方形の断面を含んだハウジング１１によって囲まれている。この複数の平坦チューブ２２は、互いに平行になるように複数列として配置されており、上述したように実施される。平坦チューブ２２の円形部分Ｂが、横断フロー区域を形成する。例えば、熱ガスは、１つまたは複数の接続部３１を経由してチューブバンドル空間１７に供給される。
【００５１】
冷却された熱ガスは、１つまたは複数の接続部３２を経由してチューブバンドル空間１７から放出される。収集空間１６，１８は、箱型の様態で実施される。この実施形態及び上述した実施形態が実施された場合、平坦チューブ２２によって形成されるチューブバンドル２１は、横断フロー方向に、好ましくは、Ｂ部分の長さ、すなわち横断流入区域の長さに対して最大で２倍の厚みを含む。これは、平坦チューブ間において均一にガスを分配することを実現する働きをする。
【００５２】
図８に従った平坦チューブ熱交換器１０の実施形態の場合における横断流入方向（図８において紙面に垂直な方向）が、接続部３１，３２の縦方向によって定められるのに対して、上述した実施形態の場合における横断流入方向は、半径方向となる。従って、図１から３に従った例示的な実施形態におけるチューブバンドル２１の厚みＣは、ハウジング１１の外壁と内側ハウジング壁３３との距離によって定められる。この距離Ｃは、好ましくは、最大で、Ｂ部分の横断流入区域の長さの1.5倍から2倍の長さである。
【００５３】
さらに変更された熱交換器１０が、図９から図１１に示されている。図８の実施形態に従った熱交換器１０，及び，より広範な意味で、図１から７の実施形態に従った熱交換器１０と、構造的及び／または機能的な一致がある場合、本発明の基礎としてすでに説明している同様の参照番号が用いられ、その構造及び／または機能は、上述内容と同様のものである。
【００５４】
さらに、この実施形態では、平坦チューブ２２の平坦部分Ａを厚くするものとして、上記で実施された突起部３５が、用いられる。この厚みは、スペーサとして機能する。0.5mから1mの長さを有する平坦チューブ２２は、例えば、数dm（数十cm），例えば２dm（20cm）間隔においてこのような突起部３５を複数含むことができる。これら複数の突起部３５は、平坦チューブ２２間の距離を一定に保ち、また、熱交換器１０を、例えば温度差によって熱変形させない。
【００５５】
高温処理におけるエネルギ効率を改善するために、高温に適し，大温度差に対する耐性があり，かつ，逆流動作において80％以上の伝達効率を実現する平坦チューブ熱交換器１０が提案された。さらに、本発明における平坦チューブ熱交換器１０は、高い充填密度，低い（例えば50mbar以下の）圧力損失，高耐久性，高い頑強性，及び，低い製造コストを有する。
【００５６】
この平坦チューブ熱交換器１０は、平坦チューブ熱交換部分と円形端部を有する平坦チューブを含む。この円形端部は、低い圧力損失で平坦チューブ２２の平坦部分の間を通る熱ガスを均一に分配させる横断流入区域を形成する。このような平坦チューブ熱交換器の効率は、プレート状熱交換器の効率と同程度であるが、本発明における平坦チューブ熱交換器のほうが、相当に堅牢である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…平坦チューブ熱交換器、  １１…ハウジング、  １２，１３…覆蓋、
１４，１５…管板、  １６…入口側の収集空間、  １７…チューブバンドル空間、
１８…出口側の収集空間、  １９…入口側の接続部、  ２０…出口側の接続部、
２１…チューブバンドル、  ２２…平坦チューブ、  ２３…中心軸、
Ａ…平坦チューブ２２の平坦部分、  Ｂ…平坦チューブ２２の円形部分、
Ｃ…チューブバンドル２１の厚み、  ２４，２５…平坦チューブ２２の端部、
２６，２７，２８…チャネル、  ２９…横断フロー区域、  ３０…縦断フロー区域、
３１，３２…チューブバンドル空間接続部、  ３３…内側ハウジング壁、
３４…膨張補償要素、  ３５…突起部、  ３６…バーナー、  ３７…燃料ダクト、
３８…燃焼チャンバ、  ３９…始動電極、  ４０…ライニング、
４１…環状チャネル、  Ｑ…横断フロー方向
【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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【国際調査報告】
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