(57)【要約】    本発明は、複数のラメラ（３、４）及び複数の分離プレート（５〜７）を有している、プロセスエンジニアリングシステム（２）用のプレート式熱交換器（１）に関し、ラメラ及び分離プレートは、交互に配置されており、少なくとも１つの分離プレート（６）は、光導波路（３５）を有しており、光導波路（３５）は、該光導波路（３５）の両面が、第１の方向（Ｒ１）及び第２の方向（Ｒ２）において、少なくとも１つの分離プレート（６）の材料によって覆われるように、少なくとも１つの分離プレート（６）に埋設されており、第１の方向（Ｒ１）及び第２の方向（Ｒ２）は、少なくとも１つの分離プレート（６）によって規定される平面（Ｅ）に対してそれぞれ垂直に配向されており、且つ相互に反対向きである。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のラメラ（３、４）及び複数の分離プレート（５〜７）を有している、プロセスエンジニアリングシステム（２）用のプレート式熱交換器（１）であって、前記ラメラ及び前記分離プレートは、交互に配置されており、少なくとも１つの分離プレート（６）は、光導波路（３５）を有しており、前記光導波路（３５）は、前記光導波路（３５）の両面が、第１の方向（Ｒ１）及び第２の方向（Ｒ２）において、前記少なくとも１つの分離プレート（６）の材料によって覆われるように、前記少なくとも１つの分離プレート（６）に埋設されており、前記第１の方向（Ｒ１）及び前記第２の方向（Ｒ２）は、前記少なくとも１つの分離プレート（６）によって規定される平面（Ｅ）に対してそれぞれ垂直に配向されており、且つ相互に反対向きである、プレート式熱交換器（１）。
【請求項２】
第１のラメラ（３）及び第２のラメラ（４）を含んでおり、前記少なくとも１つの分離プレート（６）は、前記第１のラメラ（３）と前記第２のラメラ（４）との間に配置されており、前記光導波路（３５）が、前記第１のラメラ（３）の方向（Ｒ１）及び前記第２のラメラ（４）の方向（Ｒ２）の両方向において前記少なくとも１つの分離プレート（６）の前記材料によって覆われるように、前記光導波路（３５）は、前記少なくとも１つの分離プレート（６）に埋設されている、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
【請求項３】
前記少なくとも１つの分離プレート（６）は、第１の分離プレート部分（３６）及び第２の分離プレート部分（３７）を有しており、前記第１の分離プレート部分（３６）と前記第２の分離プレート部分（３７）との間に前記光導波路（３５）が配置されている、請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
【請求項４】
前記第１の分離プレート部分（３６）及び前記第２の分離プレート部分（３７）は、はんだ（４３）によって相互に結合されている、請求項３に記載のプレート式熱交換器。
【請求項５】
前記光導波路（３５）は、前記はんだ（４３）に埋設されている、請求項４に記載のプレート式熱交換器。
【請求項６】
前記第１の分離プレート部分（３６）及び／又は前記第２の分離プレート部分（３７）は、溝（３８）を有しており、前記溝（３８）には前記光導波路（３５）が配置されている、請求項３〜５のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
【請求項７】
前記光導波路（３５）は、前記少なくとも１つの分離プレート（６）の材料によって完全に包囲されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの分離プレート（６）は、ワンピースで形成されている、請求項７に記載のプレート式熱交換器。
【請求項９】
前記光導波路（３５）は、スリーブ（４４）に受容されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器（１）を有している、プロセスエンジニアリングシステム（２）。
【請求項１１】
プロセスエンジニアリングシステム（２）用のプレート式熱交換器（１）を製造するための方法であって、
ａ）複数のラメラ（３、４）を提供する工程（Ｓ１）と、
ｂ）複数の分離プレート（５〜７）を提供する工程（Ｓ２）と、
ｃ）光導波路（３５）を提供する工程（Ｓ３）と、
ｄ）前記光導波路（３５）の両面が、第１の方向（Ｒ１）及び第２の方向（Ｒ２）において、前記少なくとも１つの分離プレート（６）の材料によって覆われるように、前記光導波路（３５）を前記少なくとも１つの分離プレート（６）に埋設させる工程（Ｓ４）であって、前記第１の方向（Ｒ１）及び前記第２の方向（Ｒ２）は、前記少なくとも１つの分離プレート（６）によって規定される平面（Ｅ）に対してそれぞれ垂直に配向されており、且つ相互に反対向きである、前記光導波路（３５）を前記少なくとも１つの分離プレート（６）に埋設させる工程（Ｓ４）と、
ｅ）前記ラメラ（３、４）及び前記分離プレート（５〜７）を交互に配置する工程（Ｓ５）と、を有する、方法。
【請求項１２】
工程ｄ）において、前記光導波路（３５）を、前記少なくとも１つの分離プレート（６）の第１の分離プレート部分（３６）と第２の分離プレート部分（３７）との間に配置する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
工程ｄ）において、前記第１の分離プレート部分（３６）及び前記第２の分離プレート部分（３７）を、はんだ（４３）によって相互に結合する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
工程ｄ）において、前記光導波路（３５）、又は前記光導波路（３５）を受容することができるスリーブ（４４）を、前記はんだ（４３）に埋設する、且つ／又は前記第１の分離プレート部分（３６）及び／若しくは前記第２の分離プレート部分（３７）を有している溝（３８）に配置する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
工程ｄ）において、前記少なくとも１つの分離プレート（６）を、生成的な製造法を用いて、前記光導波路（３５）の周囲に構成する、請求項１１又は１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセスエンジニアリングシステム用のプレート式熱交換器、そのようなプレート式熱交換器を有しているプロセスエンジニアリングシステム、及びそのようなプレート式熱交換器を製造するための方法に関する。
【０００２】
いわゆるプレート式熱交換器は、複数のラメラ又はフィンを含んでおり、それらの間には、分離プレートが配置されている。伝熱通路間の材料の移動は阻止されるが、伝熱は実現されるように、分離プレートは、隣接する伝熱通路を相互に隔てる。しかしながら、微分温度差に由来する異なる熱膨張に起因する熱応力は、伝熱通路間の密性に機械的な損傷をもたらし、ひいてはプレート式熱交換器の周囲に関して、そのプレート式熱交換器の漏れをもたらす恐れがある。温度場を分析するために、そのようなプレート式熱交換器の外面の表面には、例えば、温度測定部を装備させることができる。しかしながら、外面の温度は、局所的な値しか提供しないので、そのような値を用いる場合、特定の仮定の下で、プレート式熱交換器の内部の温度を導き出すことができる。しかしながら、それらの温度測定は、外面の測定に起因して、環境影響によって左右される可能性がある。
【０００３】
国際公開第２０１４／０５６５８７（Ａ１）号には、温度測定用の光導波路を備えたプレート式熱交換器が開示されている。この場合の光導波路は、プレート式熱交換器のラメラ又は分離プレートのいずれかに設けられている開放された溝に位置決めされている。
【０００４】
この背景から、本発明の目的は、改善された熱交換器を提供することである。
【０００５】
このために、本発明は、プロセスエンジニアリングシステム用のプレート式熱交換器を提案する。本発明は、複数のラメラ及び複数の分離プレートを有しているプレート式熱交換器に関し、ラメラ及び分離プレートは、交互に配置されており、少なくとも１つの分離プレートは、光導波路を有しており、光導波路は、この光導波路が、第１の方向及び第２の方向において、少なくとも１つの分離プレートの材料によって覆われるように、少なくとも１つの分離プレートに埋設されており、第１の方向及び第２の方向は、少なくとも１つの分離プレートによって規定される平面に対してそれぞれ垂直に配向されており、且つ相互に反対向きである。
【０００６】
光導波路が分離プレート内に配置されているということに起因して、一方では、光導波路への損傷を防止することができる。他方では、温度を、分離プレートにおいて直接的に、したがってプレート式熱交換器の内部においても、高分解能で正確に測定することができる。光導波路は、分離プレート内に統合されているので、温度分布及び／又は膨張分布を検出するために、付加的な設置空間は要求されないか、又は少なくとも僅かな付加的な設置空間しか要求されない。分離プレートはプレート式熱交換器内に配置されているので、測定された温度は、周囲の影響によって左右されない。歪み測定及び温度測定の両方を、光導波路を用いて実行することができる。故障に対する、又は内側若しくは外側への漏れに対するコンポーネントの信頼性が向上する。
【０００７】
ラメラ及び分離プレートが「交互に」配置されているということは、分離プレートが２つのラメラの間に配置されており、ラメラが２つの分離プレートの間に配置されていることを意味している。ラメラの数及び分離プレートの数は、基本的に任意である。プレート及び分離プレートは、特に、プレート式熱交換器の２つのカバープレート間に位置決めされている。ラメラによって形成された層、いわゆるラメラ層は、いわゆる通路を形成し、特に伝熱通路を形成し、それらの通路は、縁部条片又はサイドバーによって周囲から隔てられている。光導波路は、好ましくは、光ファイバセンサケーブルである。したがって、光導波路は、プレート式熱交換器の測定装置のセンサ素子とすることができる。光導波路が少なくとも１つの分離プレートに「埋設されている」ということは、光導波路が完全に分離プレート内に配置されていることを意味している。少なくとも１つの分離プレートによって規定される平面は、少なくとも１つの分離プレートが平面に関して好ましくは鏡面対称に構成されるように、好ましくは少なくとも１つの分離プレートの中央を通って延びている。
【０００８】
少なくとも１つの分離プレートは、好ましくは、矩形の幾何学形状を有しており、分離プレートは、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚さを有することができる。したがって、少なくとも１つの分離プレートは、そのような光導波路を有していない分離プレートよりも厚くないか、又は僅かに厚い。分離プレートは、分離シートと呼ぶことができる。ラメラは、フィンと呼ばれてよい。種々の分離プレートにそのような光導波路を設けることができる。少なくとも１つの分離プレートは、好ましくは、少なくとも１つの光導波路を含む。更に、少なくとも１つの分離プレートは、種々の光導波路、特に異なる光導波路を含むことができる。ラメラは、波型又は段状の幾何学形状を有してよい。光導波路が埋設されていることに起因して、少なくとも１つの分離プレートは、インテリジェント分離プレートと呼ぶことができる。
【０００９】
分離プレートによって規定される平面は、分離プレートの主延在面である。つまり、分離プレートは、シート状又はプレート状に平面に延在している。平面は、特に、分離プレートの幅方向及び深さ方向によって規定される。平面は、特に、分離プレートの厚さ方向によって規定されない。むしろ、厚さ方向は、平面に対して垂直に配向されている。ここで、「垂直」とは、９０°±１０°、より好ましくは９０°±５°、より好ましくは９０°±１°、より好ましくは正確に９０°の角度を意味すると理解されるべきである。幅方向、深さ方向及び厚さ方向は、少なくとも１つの分離プレートの座標系を成す。この場合、厚さ方向は、平面に対して垂直に位置する方向のうちの１つと一致することができる。このことは、光導波路の２つの面又は両面が、特に分離プレートの厚さ方向において、分離プレートの材料によって覆われているか、又は遮蔽されていることを意味している。
【００１０】
光導波路の「両面」又は「２つの面」が分離プレートの材料によって覆われているということは、第１の方向及び第２の方向の両方向を考慮して、光導波路の上側の面及び下側の面の両面が分離プレートの材料によって覆われていることを意味していると理解される。第１の方向及び第２の方向が「反対方向に」配向されているということは、２つの方向が相互に離れる方向を示していることを意味していると理解される。特に、第１の方向は、第２の方向に平行に配向されている。特に、２つの方向は、相互に１８０°の角度で位置決めされている。
【００１１】
１つの実施形態においては、プレート式熱交換器が、第１のラメラ及び第２のラメラを含んでおり、少なくとも１つの分離プレートは、第１のラメラと第２のラメラとの間に配置されており、光導波路は、少なくとも１つの分離プレートに埋設されており、それによって光導波路は、第１のラメラの方向及び第２のラメラの方向の両方向において少なくとも１つの分離プレートの材料によって覆われている。
【００１２】
上述したように、ラメラの数は任意である。分離プレートは、それぞれ、２つのラメラの間に配置されており、またラメラは、２つの分離プレートの間に配置されている。光導波路が、第１のラメラの方向及び第２のラメラの方向の両方向において、少なくとも１つの分離プレートの材料によって覆われているということは、分離プレートが、第１のラメラと光導波路との間、及び第２のラメラと光導波路との間の両方に配置されていることを意味している。すなわち、光導波路は、ラメラのうちの１つと直接的には接触していない。
【００１３】
更なる実施形態においては、少なくとも１つの分離プレートが、第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分を有しており、それらの間に光導波路が配置されている。
【００１４】
第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分は、それぞれシートとして、特にアルミニウムシート又は鋼シートとして設計することができる。例えば、第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分は、同一の厚さ又は異なる厚さを有している。例えば、第１の分離プレート部分は、光導波路と第１のラメラとの間に位置決めされており、且つ第２の分離プレート部分は、光導波路と第２のラメラとの間に位置決めされているか、又はそれとは逆に位置決めされている。
【００１５】
別の実施形態においては、第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分が、はんだによって相互に結合されている。
【００１６】
結合接続の場合、接続パートナは、原子力又は分子力によって相互に保持されている。結合接続は、解除不可能な接続であり、接続手段、この場合にははんだ、又は接続パートナ、この場合には分離プレート部分を破壊することによってのみ相互に分離させることができる。分離プレート部分が相互に溶接されてもよい。
【００１７】
別の実施形態においては、光導波路がはんだに埋設されている。
【００１８】
この場合、第１の分離プレート部分と第２の分離プレート部分との間に配置される支持構造又はスペーサが設けられてよい。スペーサは、光導波路の直径よりも大きい厚さを有している。例えば、光導波路は、１２５μｍの直径を有している。はんだ又ははんだ層又はスペーサの厚さは、１７０μｍであってよい。スペーサは、はんだに埋設されてよい。
【００１９】
更なる実施形態においては、第１の分離プレート部分及び／又は第２の分離プレート部分が溝を有しており、この溝に光導波路が配置されている。
【００２０】
溝は、少なくとも１つの分離プレート内のキャビティを形成してよい。例えば、溝は、第１の分離プレート部分に設けられ、第２の分離プレート部分を用いて上方が閉鎖される。溝は、第２の分離プレート部分、又は両方の分離プレート部分に設けられてもよい。溝を自由に移動できるように、光導波路を収容することができる。代替的に、溝は、はんだで充填することもでき、それによって、光導波路は、はんだに埋設されている。溝は、直線状に、ジグザグ状に、又はメアンダ状に、少なくとも１つの分離プレートを通って延びることができる。
【００２１】
別の実施形態においては、光導波路が、少なくとも１つの分離プレートの材料によって完全に包囲されている。
【００２２】
この場合、好ましくは、はんだは設けられていない。このために、少なくとも１つの分離プレートが、光導波路の周囲に構成される。この場合、いわゆる生成的（generative）又は付加的（additive）な製造法、例えば選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）等を使用することができる。特に、粉末ベースの生成的な製造法が使用される。したがって、少なくとも１つの分離プレートは、付加的又は生成的に製造される。
【００２３】
別の実施形態においては、少なくとも１つの分離プレートがワンピースで形成されている。
【００２４】
つまり、少なくとも１つの分離プレートは、同一の材料から途切れなく作製されている。このために、少なくとも１つの分離プレートを、例えば、前述の生成的な製造法を用いて製造することができる。少なくとも１つの分離プレートが生成的な製造法を用いて製造されるということは、例えば、少なくとも１つの分離プレートの層状構造又はレイヤー・バイ・レイヤー構造によって、顕微鏡観察によって検出することができる。
【００２５】
更なる実施形態においては、光導波路がスリーブに収容されている。
【００２６】
スリーブは、好ましくは、金属スリーブである。スリーブは、はんだに埋設されてよい。光導波路は、好ましくは、直線的に軸方向に変位可能に、スリーブに収容されている。
【００２７】
本発明は、そのようなプレート式熱交換器を有しているプロセスエンジニアリングシステムにも関する。
【００２８】
プロセスエンジニアリングシステムは、例えば、空気分離用若しくは液体ガス生成用のシステム、又は石油化学産業において使用されるシステムであってよい。プロセスエンジニアリングシステムは、そのようなプレート式熱交換器を複数含んでよい。
【００２９】
本発明は、プロセスエンジニアリングシステム用のプレート式熱交換器を製造するための方法にも関する。本方法は、以下の工程を有する：ａ）複数のプレートを提供する工程、ｂ）複数の分離プレートを提供する工程、ｃ）光導波路を提供する工程、ｄ）光導波路の両面が、第１の方向及び第２の方向において、少なくとも１つの分離プレートの材料によって覆われるように、光導波路を少なくとも１つの分離プレートに埋設させる工程であって、第１の方向及び第２の方向は、少なくとも１つの分離プレートによって規定される平面に対してそれぞれ垂直に配向されており、且つ相互に反対向きである、光導波路を少なくとも１つの分離プレートに埋設させる工程、及びｅ）ラメラ及び分離プレートを交互に配置する工程。
【００３０】
工程ｃ）においては、特に、少なくとも１つの光導波路が提供される。しかしながら、種々の光導波路、特に異なる光導波路を提供することもできる。工程ｄ）は、代替的に、前述のスリーブの両面が第１の方向及び第２の方向において少なくとも１つの分離プレートの材料によって覆われるように、スリーブを埋設させることを含んでもよい。スリーブは、光導波路と一緒に埋設させることもできる。この場合、光導波路は、スリーブの埋設の前に、スリーブ内に挿入される。代替的に、光導波路は、スリーブの埋設後に、スリーブ内に導入することもできる。工程ａ）から工程ｅ）は、アルファベット順に実施する必要はない。例えば、特に少なくとも１つの光導波路、又はスリーブの少なくとも１つの分離プレート内への埋設を、既に工程ｂ）において、すなわち複数の分離プレートが提供された際に実施することができる。複数の分離プレートを提供することができ、各分離プレート内に、光導波路又はスリーブが埋設される。しかしながら、好ましくは、少なくとも１つのそのような分離プレートが提供される。
【００３１】
１つの実施形態においては、工程ｄ）において、光導波路が、少なくとも１つの分離プレートの第１の分離プレート部分と第２の分離プレート部分との間に配置される。
【００３２】
少なくとも１つの分離プレートによって規定される平面に対して垂直に配向されている方向において、第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分が、光導波路の２つの面又は両面を覆うことによって、光導波路の両面が分離プレートの材料によって覆われるか、又は遮蔽される。
【００３３】
更なる実施形態においては、工程ｄ）において、第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分が、はんだによって相互に結合される。
【００３４】
この場合、光導波路、又は光導波路が収容されるスリーブを、はんだに埋設させることができる。分離プレート部分が一緒に溶接されてもよい。
【００３５】
更なる実施形態においては、工程ｄ）において、光導波路、又は光導波路を受容することができるスリーブがはんだに埋設される、且つ／又は第１の分離プレート部分及び／若しくは第２の分離プレート部分が有している溝に配置される。
【００３６】
溝は、はんだで充填されてよい。溝は、はんだを含まなくてもよいので、その場合、光導波路は、溝内を移動可能である。溝は、第１の分離プレート部分若しくは第２の分離プレート部分に設けられてよいか、又は第１の分離プレート部分及び第２の分離プレート部分の両方に設けられてよい。溝は、矩形であってよい。しかしながら、溝は、他の任意の幾何学形状を有することもできる。
【００３７】
更なる実施形態においては、工程ｄ）において、少なくとも１つの分離プレートが、生成的な製造法を用いて、光導波路の周囲に構成される。
【００３８】
生成的な製造法は、付加的な製造法と呼ばれてもよい。生成的な製造法の例は、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、又は類似の方法である。少なくとも１つの分離プレートは、好ましくは、いわゆる粉床法によって製造される。つまり、少なくとも１つの分離プレートは、粉末から構成される。特に、３Ｄプリンティング法をこのために使用することができる。しかしながら、他の生成的な製造法が使用されてもよい。
【００３９】
プレート式熱交換器、プロセスエンジニアリングシステム、及び／又は方法の別の可能な実現形態は、例示的な実施形態に関して上記において説明した、又は下記において説明する特徴又は実施形態の明示的には言及していない組み合わせも含む。当業者であれば、プレート式熱交換器、プロセスエンジニアリングシステム、及び／又は方法のそれぞれの基本形態の改善又は補完として個々の態様も追加するであろう。
【００４０】
プレート式熱交換器、プロセスエンジニアリングシステム、及び／又は方法の別の有利な実施形態及び態様は、下記において説明する、プレート式熱交換器、プロセスエンジニアリングシステム、及び／又は方法の従属請求項及び例示的な実施形態の対象である。更に、プレート式熱交換器、プロセスエンジニアリングシステム、及び／又は方法を、好適な実施形態に基づいて、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】プレート式熱交換器の実施形態の概略的な斜視図を示す。
【００４２】
【図２】図１によるプレート式熱交換器の更なる概略的な斜視図を示す。
【００４３】
【図３】図１によるプレート式熱交換器の更なる概略的な断面図を示す。
【００４４】
【図４】図１によるプレート式熱交換器用の分離プレートの実施形態の概略図を示す。
【００４５】
【図５】図４の切断線Ｖ−Ｖに沿ったプレート式熱交換器の概略的な断面図を示す。
【００４６】
【図６】図１によるプレート式熱交換器用の分離プレートの別の実施形態の概略図を示す。
【００４７】
【図７】図６の切断線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った分離プレートの概略的な断面図を示す。
【００４８】
【図８】図１によるプレート式熱交換器用の分離プレートの別の実施形態の概略図を示す。
【００４９】
【図９】図８の切断線ＩＸ−ＩＸに沿った分離プレートの概略的な断面図を示す。
【００５０】
【図１０】図１によるプレート式熱交換器を製造するための方法の実施形態の概略的なブロック図を示す。
【００５１】
各図において、特に明記しない限り、同一又は機能的に等価の要素には、同一の参照符号を付している。
【００５２】
図１及び図２は、それぞれ、プレート式熱交換器１の実施形態の概略的な斜視図を示す。図３は、プレート式熱交換器１の概略的な部分断面図を示す。以下では、図１〜図３を同時に参照する。
【００５３】
プレート式熱交換器１は、特に、プレートフィン型熱交換器（ＰＦＨＥ）であるか、又はそのように呼ぶことができる。プレート式熱交換器１は、プロセスエンジニアリングシステム２の一部とすることができる。プロセスエンジニアリングシステム２は、例えば、空気分離用若しくは液化天然ガス（ＬＮＧ）の製造用のシステム、石油化学産業において使用されるシステム等とすることができる。プロセスエンジニアリングシステム２は、そのようなプレート式熱交換器１を複数含むことができる。
【００５４】
プレート式熱交換器１は、平行六面体又はブロック型の構造であり、複数のラメラ３、４（図３）及び複数の分離プレート５〜７を含む。ラメラ３、４は、いわゆるフィン、特に伝熱フィンであるか、又はフィンと呼ぶことができる。ラメラ３、４は、波型又はリブ付きのシートとして、例えばアルミニウムシート又は鋼シート、特にステンレス鋼シートとして設計することができる。分離プレート５〜７は、分離シートであるか、又は分離シートと呼ぶことができる。分離プレート５〜７は、例えば、アルミニウム又は鋼から、特にステンレス鋼から作製することができる。ラメラ３、４及び分離プレート５〜７の数は任意である。
【００５５】
プレート式熱交換器１は、カバープレート８、９を更に含み、それらのカバープレートの間に、複数のフィン３、４及び複数の分離プレート５〜７が配置される。カバープレート８、９は、分離プレート５〜７と同一の構造とすることができる。更に、プレート式熱交換器１は、いわゆるサイドバー又は縁部条片１０、１１を含み、これらは横方向においてラメラ３、４を画定する。縁部条片１０、１１は、分離プレート５〜７、及び／又はラメラ３、４に結合することができ、例えばはんだ付け又は溶接することができる。結合接続の場合、接続パートナは、原子力又は分子力によって一体に保持される。結合接続は、解除不可能な接続であり、接続手段を破壊することによってのみ分離させることができる。
【００５６】
ラメラ３、４及び分離プレート５〜７を用いて、プレート式熱交換器１は、複数の平行な伝熱通路を形成し、プロセス媒体は、それらの伝熱通路内を流れることができ、また隣接する伝熱通路内で案内されているプロセス媒体に熱を間接的に伝達することができる。個々の伝熱通路には、それぞれ、ノズル１２〜１８及びいわゆるヘッダ１９〜２８を用いて、プロセス媒体を流すことができる。ヘッダ１９〜２８は、マニホールドと呼んでもよい、又はマニホールドである。
【００５７】
図３が示すように、ラメラ３、４及び分離プレート５〜７は交互に配置されている。すなわち、分離プレート５〜７は、それぞれ、２つのプレート３、４間に位置決めされており、各プレート３、４は、２つの分離プレート５〜７間に位置決めされている。ラメラ３、４及び分離プレート５〜７は、結合方式で相互に接続することができる。例えば、ラメラ３、４及び分離プレート５〜７は、相互にはんだ付け又は溶接されてよい。上述したように、ラメラ３、４の数及び分離プレート５〜７の数は任意である。この場合、カバープレート８、９は、それぞれ最も外側のラメラ３、４の外面に位置決めされており、したがって、図１及び図２の向きにおいて、プレート式熱交換器１の前後を閉鎖する。図３においては、２つのラメラ３、４、特に第１のラメラ３及び第２のラメラ４、及び３つの分離プレート５〜７のみが示されている。ラメラ３、４は同一に構成されている。
【００５８】
各分離プレート５〜７は、平面Ｅを規定する。図３においては、分離プレート６に対応付けられた１つの平面Ｅのみが示されている。平面Ｅは、分離プレート６の中央を通って、図３の紙面に対して垂直に延びている。ここで、平面Ｅに対して垂直に配向されている第１の方向Ｒ１と、同様に平面Ｅに対して垂直に配向されている第２の方向Ｒ２とが、平面Ｅに対応付けられている。ここで、「垂直」とは、９０°±１０°、より好ましくは９０°±５°、より好ましくは９０°±１°、より好ましくは正確に９０°の角度を意味すると理解されるべきである。方向Ｒ１、Ｒ２は、平面Ｅから離れる方向に配向されており、また相互に反対向きである。図３の向きにおいて、第１の方向Ｒ１は、下方に配向されており、第２の方向Ｒ２は、上方に配向されている。しかしながら、これとは逆に、第１の方向Ｒ１を上方に配向させ、第２の方向Ｒ２を下方に配向させることもできる。
【００５９】
更に図３が示すように、ラメラ３、４は、波型の幾何学形状を有し、それによって、複数の平行なチャネル２９が形成される。プロセス媒体は、上述したように、第１のラメラ３のチャネル２９内を流れることができ、続いて、平行なラメラ３、４、この場合には第２のラメラ４内で案内されているプロセス媒体と間接的に熱交換を行うことができる。隣接するラメラ３、４のチャネル２９は、相互に平行に、相互に斜めに、又は相互に垂直に配向することができる。
【００６０】
ラメラ３、４の波型の幾何学形状は、各ラメラ３、４が複数の脚部３０、３１を有するように形成されており、それらの脚部は、相互に平行に配置されており、特に分離プレート５〜７に対して垂直に延びている。更に、ラメラ３、４はそれぞれ第２の脚部３２、３３を含み、それらの第２の脚部３２、３３は、相互に平行に位置決めされており、図３の向きにおいて、それぞれ交互に上と下で第１の脚部３０、３１に接続されている。この場合、脚部３０〜３３は、相互に丸みを有することができ、その結果、波型の幾何学形状が生じる。代替的に、脚部３０〜３３は、丸みを有することなく相互に接続することもでき、その結果、ラメラ３、４の段状の幾何学形状が生じる。
【００６１】
上記において説明したようなプレート式熱交換器１は、熱応力に対して敏感であってよい。それらの熱応力は、熱交換器内のプロセス媒体の異なる温度によって惹起され得る。熱応力は、プレート式熱交換器１に機械的な損傷をもたらす恐れがあり、また特に、個々の伝熱通路間の漏れが生じて、プレート式熱交換器１の周囲環境への漏れまでもたらす恐れがある。この理由から、測定装置３４が設けられており、この測定装置は、プレート式熱交換器１内の温度分布及び／又は歪み分布の時間曲線を、特に空間分解式に測定又は検出するように設定されている。ここで、測定装置３４は、センサ素子としての光導波路３５（図４）を含んでいる。光導波路３５は、特に、光ファイバセンサケーブルである。
【００６２】
分離プレート６に基づいて図４及び図５が示すように、（図４において破線で示された）光導波路３５は、分離プレート６に埋設されている。必須ではないが、分離プレート５、７もそのような光導波路３５を含むことができる。つまり、分離プレート５〜７は、同一に構成することができる。しかしながら、下記では、分離プレート６についてのみ言及する。
【００６３】
分離プレート６は、第１の分離プレート３６部及び第２の分離プレート部分３７を含むことができる。光導波路３５は、第１の分離プレート部分３６と第２の分離プレート部分３７との間に配置されている。分離プレート部分３６、３７は、シート状に形成されている。したがって、例えば、分離プレート６は、約１．４ｍｍの厚さｄ６を有している。光導波路３５自体は、約１２５μｍの直径ｄ３５を有することができる。第１の分離プレート部分３６は、厚さｄ３６を有しており、また第２の分離プレート部分３７は、厚さｄ３７を有している。厚さｄ３６、ｄ３７は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、厚さｄ３６は、厚さｄ３７よりも大きい。平面Ｅは、好ましくは、分離プレート６の中央を通って延びている。
【００６４】
光導波路３５が受容される溝３８が、第１の分離プレート部分３６及び／又は第２の分離プレート部分３７に設けられている。図５に示したように、溝３８の断面は矩形であってよい。しかしながら、溝３８は、任意の幾何学形状を有してよい。溝３８は、深さｔ３８を有している。深さｔ３８は、例えば０．２ｍｍであってよい。図４に示したように、溝３８は、ジグザグ状又はメアンダ状の形状を有しており、分離プレート部分３６、３７の内の少なくとも１つを通って延在している。分離プレート６は、４つの側縁３９〜４２を含むが、溝３８は、側縁３９〜４２のうちのただ１つの側縁、すなわち側縁４０から、分離プレート部分３６、３７内へと延び、またその１つの側縁から再び出てくるように延びている。つまり、光導波路３５は、側縁４０において分離プレート６内に案内されて、また側縁４０において分離プレート６から再び出てくる。
【００６５】
分離プレート６は、ｘ方向又は幅方向ｘ、ｘ方向に対して垂直に配向されているｙ方向又は深さ方向ｙ、幅方向ｘ及び深さ方向ｙの両方向に対して垂直に配向されているｚ方向又は厚さ方向ｚを有している。方向ｘ、ｙ、ｚは、分離プレート６の座標系を形成している。厚さｄ６、ｄ３６、ｄ３７及び深さｔ３８は、厚さ方向ｚにおいて測定されている。厚さ方向ｚは、第２の方向Ｒ２と一致することができる。側縁３９、４１は、幅方向ｘに延びており、また側縁４０、４２は、深さ方向ｙに延びている。平面Ｅは、特に分離プレート６の幅方向ｘ及び深さ方向ｙによって規定されている。厚さ方向ｚは、方向Ｒ１、Ｒ２と同様に、平面Ｅに対して垂直に配向されている。
【００６６】
第１の分離プレート部分３６及び第２の分離プレート部分３７は、はんだ４３によって相互に結合されている。はんだ４３は、第１の分離プレート部分３６と第２の分離プレート部分３７との間に面状に設けられている。はんだ４３は、分離プレート部分３６、３７間の溝３８によって形成された空所を充填してもよい。光導波路３５は、スリーブ４４を有することもでき、このスリーブ４４内に光導波路３５が収容される。光導波路３５は、摺動可能にスリーブ４４内に受容される。例えば、スリーブ４４は、金属から作製されてよい。
【００６７】
ここで、光導波路３５は、方向Ｒ１、Ｒ２の両方向に見て、光導波路３５の２つの面又は両面が分離プレート６の材料によって覆われるように、分離プレート６に埋設されている。つまり、図５の向きにおいて、光導波路３５は、下方では、すなわち第１の方向Ｒ１においては、第２の分離プレート部分３６によって覆われているか、又は遮蔽されており、また上方では、すなわち第２の方向Ｒ２においては、第１の分離プレート部分３７によって覆われているか、又は遮蔽されている。換言すれば、図５の向きにおいて、第１の分離プレート部分３６は、下から分離プレート６を見る方向で、光導波路３５を覆っており、また第２の分離プレート部分３７は、上から分離プレート６を見る方向で、光導波路３５を覆っている。特に、光導波路３５は、分離プレート６の材料によって、すなわち、２つの分離プレート部分３６、３７によって、第１のラメラ３の方向Ｒ１及び第２のラメラ４の方向Ｒ２（図３）の両方向において覆われている。光導波路３５が埋設されていることに起因して、分離プレート６は、インテリジェント分離プレートと呼ぶことができる。
【００６８】
ここで、測定装置３４は、埋設されている光導波路３５を用いて、特に空間分解式に、分離プレート６における温度分布及び／又は歪み分布を検出又は測定することに適している。例えば、温度測定は、ラマン散乱によって生じるような光信号の評価を介して実施することができる。上記において説明したような光導波路３５は、一般的に、ドープされた石英ガラス（主に二酸化ケイ素の非晶質固体構造）から作製されている。そのような非晶質固体構造では、格子振動が、熱作用によって誘導される。そのような格子振動は、温度に依存する。光導波路３５内の分子又は粒子に入射する光は、分子の電子と相互作用する。これらの相互作用は、ラマン散乱と呼ばれる。後方散乱光は、３つのスペクトルグループに分類することができる。
【００６９】
導入された光と同じ波長を有しているレイリー散乱の他に、いわゆるストークス成分及び反ストークス成分が存在する。より高い波長へとシフトされ、且つ温度に依存しないストークス成分とは対照的に、より低い波長へとシフトされる半ストークス成分は温度に依存する。したがって、ストークス成分と反ストークス成分の強度比は、温度測定に使用することができる。２つの成分の強度は、光導波路３５の長さにわたり、それら２つの後方散乱成分のフーリエ変換を介して、基準信号のフーリエ変換と比較して取得される。したがって、光導波路３５の各点の温度は、２つの強度を比較することによって決定することができる。
【００７０】
代替的に、温度測定は、光導波路３５のブリルアン散乱によって生じるような光信号の評価を介して実施することができる。この場合、温度測定は、光導波路３５に結合される一次光波と、ブリルアン散乱の結果として光導波路３５に誘導されて後方散乱されており、且つ温度の関数として一次波に対して低減された周波数を有している波と差周波数の空間分解式の決定に基づいている。パルス化されて照射される一次光波では、周波数シフトは、温度変化に起因して、異なる周波数差に関する信号光の時間分解式の検出及びパルス伝搬時間の知識によって、空間分解式に決定することができる。したがって、この場合にも、光導波路３５の任意の点における温度も、光信号の分析によって決定することができる。
【００７１】
更に、温度測定は、ブラッグ格子における散乱によって生じるような、光信号の評価を介して実施することができる。ブラッグ格子は、光導波路３５に書き込まれる光学バンドフィルタであり、このバンドフィルタは、ほぼ所望の頻度で光導波路３５に配置することができる。バンドストップの中心波数は、いわゆるブラッグ条件から生じる。バンドストップのスペクトル幅は、格子長及び屈折率に依存するだけでなく、温度にも依存する。したがって、光導波路３５にわたり異なる所定の格子長及び屈折率について、バンドストップの幅にわたるブラッグ格子の各位置における温度を決定することができる。
【００７２】
図６及び図７は、分離プレート６の別の実施形態を示す。分離プレート６のこの実施形態においては、上記において説明したような溝３８は存在しない。分離プレート６は、上記において説明したような第１の分離プレート部分３６及び第２の分離プレート部分３７を含んでおり、それらの分離プレート部分の間に、光導波路３５が配置されている。ここで、光導波路３５は、前述のスリーブ４４（図７には図示せず）を含むことができる。第１の分離プレート部分３６及び第２の分離プレート部分３７は、はんだ４３によって相互に結合されており、光導波路３５又はスリーブ４４は、はんだ４３に直接的に埋設されている。
【００７３】
支持構造又はスペーサ４５は、第１の分離プレート部分３６と第２の分離プレート部分３７との間に設けることができ、これによって、分離プレート６の組み立て中の光導波路３５の損傷が阻止される。スペーサ４５は、光導波路３５の直径ｄ３５（図５）よりも大きい厚さｄ４５を有している。スペーサ４５は、鋼条片であってよい。スペーサ４５は、はんだ４３に埋設されている。スペーサ４５は、はんだ４３の厚さｄ４３も決定する。厚さｄ４５は、例えば１７０μｍであってよい。つまり、はんだ４３の厚さｄ４３も相応に１７０μｍであってよい。
【００７４】
図８及び図９は、分離プレート６の別の実施形態を示す。分離プレート６のこの実施形態においては、前述の分離プレート６が、相互に隔てられており、且つはんだ４３によって相互に接続されている２つの分離プレート部分３６、３７を含んでいない。むしろ、２つの分離プレート部分３６、３７は、一体的に、特にワンピースで設けられている。つまり、分離プレート部分３６、３７は、同一の材料から途切れなく形成されており、したがって、相互に分離不可能に接続されている。
【００７５】
分離プレート６のこの実施形態においては、光導波路３５が、分離プレート６の材料によって完全に包囲されている。分離プレート６は、一体的に、特にワンピースで形成されている。このために、分離プレート６は、付加的又は生成的な製造法によって製造されている。例えば、粉末ベースの生成的な製造法、特に３Ｄプリンティング法を使用することができる。このために、分離プレート６は、粉状材料から構成されている。この粉状材料を、例えば、レーザビームを用いて層毎に溶融させて、分離プレート６を形成することができる。例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）等が、生成的な製造法として使用されてよい。分離プレート６が生成的な製造法を用いて製造されているということは、分離プレート６の層状構造又はレイヤー・バイ・レイヤー構造によって、顕微鏡観察により実証することができる。
【００７６】
光導波路３５が受容されているチャネル４６は、分離プレート６内に形成されている。ここで、光導波路３５は、上述したように、スリーブ４４に収容することができる。例えば、図９の向きにおいて分離プレート６の下側の部分、すなわち第１の分離プレート部分３６が、先ず分離線４７まで製造されるように、分離プレート６を製造するための製造方法が実行されるように、分離プレート６を製造することができる。続いて、光導波路３５用のチャネル４６が、第１の分離プレート部分３６に設けられる。任意選択的に、光導波路３５が、チャネル４６に挿入され、このチャネル４６が、第２の分離プレート部分３７の製造による製造方法を用いて閉鎖される。続いて、このようにして製造された一体型の分離プレート６には、例えば、はんだ層を設けることができ、また分離プレート６を、上記において説明したようなプレート式熱交換器１を製造するための慣例の製造プロセスに組み込むことができる。
【００７７】
前述の分離プレート６を用いて、分離プレート６自体の表面又は内部における温度及び／若しくは伸長の高分解能で正確な測定を実行することができる。付加的な設置空間は必要とされないか、又は僅かな付加的な設置空間しか必要とされない。分離プレート６は、プレート式熱交換器１の内部に位置決めされているので、環境の影響に起因する、測定された温度への不所望な影響は存在し得ない。伸長測定及び温度測定の両方が可能である。このために、光導波路３５に対して異なるファイバタイプを選択することができる。分離プレート６に種々の光導波路３５、特に異なる光導波路３５を設けることもできる。したがって、分離プレート６でもって、故障に対する、又は内部及び外部への漏れに対するコンポーネントの信頼性の向上を達成することができる。分離プレート６の可用性が向上する。分離プレート６に設けられるチャネル（図示せず）は、それらのチャネルが対応する伝熱通路に接続されていれば、材料サンプルを除去するために使用することもできる。
【００７８】
図１０は、上記において説明したようなプレート式熱交換器１を製造するための方法の実施形態の概略的なブロック図を示す。工程Ｓ１においては、複数のラメラ３、４が提供される。ラメラ３、４が提供されると、変形されていない未加工のシートを成形して、波型又は段状のラメラ３、４にすることができる。工程Ｓ２においては、複数の分離プレート５〜７が提供される。
【００７９】
工程Ｓ３においては、少なくとも１つの光導波路３５が提供される。更なる工程Ｓ４においては、光導波路３５が、分離プレート５〜７のうちの少なくとも１つに、すなわち、例えば分離プレート６に埋設され、それによって、光導波路３５の２つの面又は両面が、第１の方向Ｒ１及び第２の方向Ｒ２に見て、少なくとも１つの分離プレート６の材料によって覆われる。続く工程Ｓ５においては、プレート式熱交換器１を形成するために、ラメラ３、４及び分離プレート５〜７を交互に配置することができる。この場合、ラメラ３、４及び分離プレート５〜７を相互にはんだ付け又は溶接することができる。
【００８０】
光導波路３５の埋設は、第１の分離プレート部分３６と第２の分離プレート部分３７との間に光導波路３５を配置することによって達成することができる。２つの分離プレート部分３６、３７は、はんだ４３によって接合されるように、相互に接続することができる。この過程において、光導波路３５をはんだ４３に埋設することができるか、又は光導波路は、２つの分離プレート部分３６、３７をはんだ付け又は溶接する前に、分離プレート部分３６、３７のうちの少なくとも１つに設けられた溝３８に挿入される。代替的に、分離プレート６は、生成的な製造法を用いて、光導波路３５の周囲に構成することもできる。
本発明を、例示的な実施形態を参照して説明したが、それらの実施形態を種々に修正することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  プレート式熱交換器
２  プロセスエンジニアリングシステム
３  ラメラ
４  ラメラ
５  分離プレート
６  分離プレート
７  分離プレート
８  カバープレート
９  カバープレート
１０  縁部条片
１１  縁部条片
１２  ノズル
１３  ノズル
１４  ノズル
１５  ノズル
１６  ノズル
１７  ノズル
１８  ノズル
１９  ヘッダ
２０  ヘッダ
２１  ヘッダ
２２  ヘッダ
２３  ヘッダ
２４  ヘッダ
２５  ヘッダ
２６  ヘッダ
２７  ヘッダ
２８  ヘッダ
２９  チャネル
３０  脚部
３１  脚部
３２  脚部
３３  脚部
３４  測定装置
３５  光導波路
３６  分離プレート部分
３７  分離プレート部分
３８  溝
３９  側縁
４０  側縁
４１  側縁
４２  側縁
４３  はんだ
４４  スリーブ
４５  スペーサ
４６  チャネル
４７  分離線
ｄ６  厚さ
ｄ３５  直径
ｄ３６  厚さ
ｄ３７  厚さ
ｄ４３  厚さ
ｄ４５  厚さ
Ｅ  平面
Ｒ１  方向
Ｒ２  方向
Ｓ１  工程
Ｓ２  工程
Ｓ３  工程
Ｓ４  工程
Ｓ５  工程
ｔ３８  深さ
ｘ  幅方向
ｙ  深さ方向
ｚ  厚さ方向
【図１】
2021524009.tif 000003
【図２】
2021524009.tif 000004
【図３】
2021524009.tif 000005
【図４】
2021524009.tif 000006
【図５】
2021524009.tif 000007
【図６】
2021524009.tif 000008
【図７】
2021524009.tif 000009
【図８】
2021524009.tif 000010
【図９】
2021524009.tif 000011
【図１０】
2021524009.tif 000012
【国際調査報告】
2021524009.tif 000013
2021524009.tif 000014
2021524009.tif 000015
2021524009.tif 000016