(57)【要約】【課題】　本発明は織目加工された表面を有しているプレートフィン熱交換器とそのようなプレートフィン熱交換器の組立方法、およびプレートフィン熱交換器の性能改善方法も提供する。【解決手段】　隣接した仕切板（４０，４２）の間に配列された複数のフィン（２８）を有しているプレートフィン熱交換器において、少なくとも一つの該フィンの少なくとも一部が織目加工された表面（５０）を有している。織目加工された表面は、プレートフィン熱交換器に使用される材料の表面に成形又は加工された、溝あるいは縦溝の形状をしている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しているプレートフィン熱交換器において、少なくとも一つの該フィンの少なくとも一部が織目加工された表面を有している、プレートフィン熱交換器。
【請求項２】
　複数のほぼ平行な仕切板と、隣接する該仕切板との間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを具備しているプレートフィン熱交換器において、各々の前記波形フィンが少なくとも一つの表面を有していて、少なくとも一つの該波形フィンの該少なくとも一つの表面の少なくとも一部は、織目加工されている、プレートフィン熱交換器。
【請求項３】
　プレートフィン熱交換器が：
　第一仕切板と；
　該第一仕切板に隣接してほぼ平行な、第二仕切板と；
　該第一仕切板と該第二仕切板との間に配列された少なくとも一つの波形フィンであって、該波形フィンは少なくとも一つの表面を有していて、該表面の少なくとも一部に表面織目が加工されている、少なくとも一つの波形フィンと；
　を具備しているプレートフィン熱交換器。
【請求項４】
　該表面織目の少なくとも一部が、水平な縞溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項５】
　該表面織目の少なくとも一部が水平位置に対して角度をつけて加工されている、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項６】
　該角度が約０°より大きくて約７５°より小さい、請求項５に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項７】
　該角度が約０°より大きくて約５０°より小さい、請求項５に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項８】
　該表面織目の少なくとも一部が十字形に加工されている、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項９】
　該表面織目が、約０．５mmから約５mmの範囲の波長を有している溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１０】
　該表面織目が、約１mmから約３mmの範囲の波長を有している溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１１】
　該表面織目が、約０．０５mmから約０．７５mmの範囲の振幅を有している溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１２】
　該表面織目が、約０．１５mmから約０．５０mmの範囲の振幅を有している溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１３】
　該表面織目が、約０．５mmから約５mmの範囲の波長と、約０．０５mmから約０．７５mmの範囲の振幅とを有している溝の形状である、請求項３に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１４】
　該溝が、水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である、請求項９又は１０又は１３のいずれか一項に記載のプレートフィン熱交換器。
【請求項１５】
　請求項３に記載のプレートフィン熱交換器を有している、低温空気分離ユニット。
【請求項１６】
　隣接した仕切板の間に配列された少なくとも一つの波形フィン、を有しているプレートフィン熱交換器において、該波形フィンが少なくとも一つの表面を有していて、該少なくとも一の表面の少なくとも一部に表面織目を加工する改善が行なわれている、プレートフィン熱交換器。
【請求項１７】
　第一流体流れを輸送するようになっている、第一群の通路を有している複数の流体通路の、間接形熱交換器用プレートフィン熱交換器において；前記第一流体流れが、第一群の通路の少なくとも一部において二相流であり；前記第一群の通路の少なくとも一部がその中に配列された複数のフィンを有しており；前記フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；間接型熱交換器用プレートフィン熱交換器。
【請求項１８】
　リボイラ用あるいはコンデンサ用のプレートフィン熱交換器において、該プレートフィン熱交換器が、複数のほぼ平行な仕切板と、隣接した該仕切板の間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを含んでいる、平行六面体ボデーを備えていて；前記波形フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；リボイラ用あるいはコンデンサ用のプレートフィン熱交換器。
【請求項１９】
　ほぼ平行六面体のボデーを有する下降流リボイラにおいて；該ボデーが、ほぼ平行で垂直に延伸する通路のアセンブリにより形成されていて、該通路は、第一群の通路に導入される第一流体と、第二群の通路に導入される第二流体とを受け入れるようになっており；該第二群の通路における通路は、該第一群の通路における通路と位置が交互になっていて；該第一群の通路は、隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しており；該複数のフィンは、第一流体の流体分布用のハードウェイなフィンと、該ハードウェイなフィンの下流のイージーウェイな熱伝達フィンとを含んでいて；該熱伝達フィンが、漸次的に表面積を減少した一つ以上の熱伝達区画を形成しており；第一熱伝達区画における少なくとも一つの熱伝達フィンが、少なくとも一つの表面を有していて；該少なくとも一つの表面に表面織目を加工する改善が行なわれている；下降流リボイラ。
【請求項２０】
　ほぼ平行六面体のボデーを有する下降流リボイラにおいて；該ボデーが、ほぼ平行で垂直に延伸する通路のアセンブリにより形成されていて、該通路は、第一群の通路に導入される第一流体と、第二群の通路に導入される第二流体とを受け入れるようになっており；該第二群の通路における通路は、該第一群の通路における通路と位置が交互になっていて；該第二群の通路は、隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しており；該複数のフィンは、該第二流体を該第二群通路へ均一に流入する入口分配フィン、及び該第二流体を該第二群通路から均一に流出する出口分配フィンと、該入口分配フィンと該出口分配フィンとの間に少なくとも一つの熱伝達区画を形成する熱伝達フィンとを含んでおり；該少なくとも一つの熱伝達区画における少なくとも一つの熱伝達フィンが、少なくとも一つの表面を有していて；該少なくとも一つの表面に表面織目を加工する改善が行なわれている；下降流リボイラ。
【請求項２１】
　空気分離プラントにおける塔に取り付けられた請求項１９又は２０に記載の下降流リボイラにおいて；第二群通路における、窒素含有流れ及び／又はアルゴン含有流れに平行流で、液体酸素含有流れが、第一群通路を通過している；空気分離プラントにおける塔に取り付けられた請求項１９又は２０に記載の下降流ボイラ。
【請求項２２】
　分縮器用のプレートフィン熱交換器において、該プレートフィン熱交換器が、複数のほぼ平行な仕切板と、隣接した該仕切板の間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを含んでいる、平行六面体ボデーを備えていて；前記波形フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；分縮器用のプレートフィン熱交換器。
【請求項２３】
　プレートフィン熱交換器組立方法が：
　二つのほぼ平行な仕切板と、細長いシートとを準備する段階と；
　該細長いシートに表面織目を成形する段階と；
　該表面織目を有するフィンを成形するために該細長いシートを波形加工する段階と；
　該表面織目を有している該フィンを該仕切板の間に配列する段階と；
　を含んでいるプレートフィン熱交換器組立方法。
【請求項２４】
　該表面織目の少なくとも一部が、約０．５mmから約５mmの範囲の波長と、約０．０５mmから約０．７５mmの範囲の振幅とを有している少なくとも一つの溝の形状であって、該少なくとも一つの溝が、水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である、請求項２３に記載のプレートフィン熱交換器組立方法。
【請求項２５】
　隣接した仕切板の間に少なくとも一つのフィンを有しているプレートフィン熱交換器の性能改善方法が、該少なくとも一つのフィンの少なくとも一部に表面織目を加工する段階を含んでいる、性能改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、織目加工された表面を有するプレートフィン熱交換器と、そのようなプレートフィン熱交換器の組立方法とに関する。本発明による織目加工された表面を有するプレートフィン熱交換器は、空気分離のような低温プロセスにおいて、特定の用途があるけれども、他の熱伝達プロセス及び／又は物質移動プロセスに使用されてもよい。
【０００２】
　プレートフィン熱交換器は、一般的に、流れの加熱、冷却、沸騰又は凝縮のために、プロセス流れの間における熱交換に使用される。この場合それらはより特定的にプレートフィン形熱交換器と呼ばれる。これらの熱交換器におけるプロセス条件は、単相流熱伝達あるいは二相流熱伝達を含んでいて、流体流れは、ほぼ上昇方向あるいはほぼ下降方向（他の方向であってもよい）である。しかしながらある場合、プロセス流れが構成成分の混合体を含んでいて、熱伝達に加えて物質移動分離が行なわれるようになっている。後者の場合、通路内における向流である、蒸気流及び液体流と、熱／物質交換器が分縮器と呼ばれている。
【背景技術】
【０００３】
　従来技術において、熱交換器の性能を向上させるいくつかの方法が知られている。例えば非特許文献１参照。従来技術として公知の技術のいくつかは以下のものを含んでいる：
　・境界層における乱流を促進することにより、単層流における熱伝達性能を改善するために、熱交換器の表面が粗くされてもよい；
　・核沸騰における性能を改善することのできる凹部キャビティーを作るために、熱交換器の表面が特殊コーティングあるいは修正した幾何学的形状的に処理されてもよい；
　・液滴状凝縮を促進することにより、あるいは凝縮物のドレンを容易にすることにより、性能を改善することのできる液体により、濡れ性を変更するために、熱交換器の表面が幾何学的形状的に処理されてもよい；
　・前述のすべての技術はプレートフィン熱交換器に適用可能であって、それらの性能は、穴あきフィン又はのこ歯状フィン又は波形フィンを利用することにより、平形フィンに比べて非常に簡単に改善される。
【０００４】
　しかしながら、当業者においては、各々の従来技術は一つ以上の方法に限定されている。例えば、実行可能な改善は単相流への適用、又は狭い流量条件及び運転条件の範囲、又は凝縮のような単一モードに限定されている。
【０００５】
　プレートフィン形熱交換器表面の修正例は、特許文献１（Gregory）に開示されている。このプレートフィン形熱交換器において、沸とう領域におけるフィンは、少なくとも二層で作られていて、それらの外層の少なくとも一つが複数の穴を有している。フィンの波形シートはお互いに近接していて、気泡の発生がシートの間で生じ、かつ気泡がシートの穴により放出されるようになっている。
【０００６】
　出願人は、フィンが（本発明に使用されているような）溝あるいは縦溝の形状をした表面織目を有する、いずれのプレートフィン熱交換器をも知らないけれども、そのような表面織目は、乱流を発生あるいは促進するために、かつ熱伝達を改善するために、他のタイプの熱交換器（例えばシェルアンドチューブ形熱交換器）に使用されてきた。例えば、特許文献１、２及び３を参照のこと。しかしながら、これらの特許はプレートフィン形熱交換器には適切なものではなくて、その教示は本発明の教示となるものではない。
【０００７】
　充てん物を使用した接触法の分野において、特許文献４に教示されるように、縦溝又は溝の形状の表面織目は、物質移動効果を改善することができる。同じく特許文献５及び６も参照のこと。これらの特許は、充てん物要素の波形プレートの表面におけるパッチに加工された細溝形状の両方向に兼用の表面織目の使用を教示していて、その織目は、ある領域においてほぼ水平であり、他の領域においてほぼ垂直である。しかしこれの改善は、特定の運転モードにおける経験にもとずくものであって、その運転モードは、下降流液体膜が、液体に対して向流である上昇流れの蒸気に対して物質移動を受けている。本発明はそれらより広範な用途を有している。さらに、プレートフィン熱交換器における全体的幾何学的形状及び流れ特性は、ほぼ同一の運転モード用の充てん物のそれとは非常に異なるものである。
【特許文献１】米国特許第４４３４８４２号明細書
【特許文献２】米国特許第６０１２５１４号明細書
【特許文献３】米国特許第５９６６８０９号明細書
【特許文献４】米国特許第４２９６０５０号明細書
【特許文献５】米国特許第５７３００００号明細書
【特許文献６】米国特許第５８７６６３８号明細書
【非特許文献１】Ｄ．Ａ．リー（D.A. Reay）著「熱伝達の改善−英国においてのエネルギ効率における、技術レビューと起り得るインパクト（Heat transfer enhancement − review of technics and their possible impact on energy efficieny in UK)」、Heat Recovery System & CHP, 1991年第10巻、第１号、p. 1-40
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　プレートフィン熱交換器の性能を改善することが所望されている。
【０００９】
　熱伝達性能を改善するために、プレートフィン熱交換器の通路における下降流の蒸気−液体流れの濡れ特性を改善することが所望されている。
【００１０】
　熱伝達性能を改善するために、プレートフィン熱交換器の通路における上昇流の蒸気−液体流れの濡れ特性を改善することが所望されている。
【００１１】
　熱伝達性能を改善するために、プレートフィン熱交換器の通路における単相流の乱流特性を改善することが所望されている。
【００１２】
　同一運転条件下で使用される従来形プレートフィン熱交換器に比較して物質移動効率を改善するために、向流形分縮器の流体通路における乱流特性を改善することが所望されている。
【００１３】
　溶解成分の沈殿傾向を最小化するように、プレートフィン熱交換器の通路における下降流の蒸気−液体流れの濡れ特性を改善することが所望されている。
【００１４】
　空気分離に使用されるような低温への用途における、及び他の熱伝達及び／又は物質移動への用途における高性能特性を示す、プレートフィン熱交換器又は分縮器を得ることが所望されている。
【００１５】
　よりすぐれたかつより多くの利点のある結果を提供するために、従来技術における多くの困難と欠点とに打ち勝つプレートフィン熱交換器を得ることが所望されている。
【００１６】
　従来技術に比較して、よりコンパクト及び／又はより効率のよい、プレートフィン熱交換器又は下降流リボイラを使用する、より効率的な空気分離プロセスを得ることが所望されている。
【００１７】
　下降流リボイラにおける、サイズ及び／又は重量及び／又はコスト、を最小化するプレートフィン熱交換器構造を得ることが所望されていて、そのプレートフィン熱交換器構造は、空気分離プロセスにおいて、単位製品当りのよりすぐれた効率及び／又はより安価なコストをもたらす。
【００１８】
　従来技術よりすぐれた性能を提供するものであり、さらによりすぐれたより多くの利点をもたらすべく従来技術の多くの困難と欠点とに打ち勝つものである、表面織目を有するフィンを使用するプレートフィン熱交換器又は下降流リボイラの組立方法が所望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
　本発明は織目加工された表面を有しているプレートフィン熱交換器である。本発明はそのようなプレートフィン熱交換器の組立方法、およびプレートフィン熱交換器の性能改善方法も提供している。“表面織目”を得るために、本発明に使用される“織目加工された表面”は、プレートフィン熱交換器に使用されるフィン材料の表面に成形あるいは加工された溝又は縦溝の形状をしている。
【００２０】
　本発明の第一実施態様は、隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しているプレートフィン熱交換器において、少なくとも一つの該フィンの少なくとも一部が織目加工された表面を有している、プレートフィン熱交換器である。
【００２１】
　本発明の第二実施態様は、複数のほぼ平行な仕切板と、隣接する該仕切板との間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを具備しているプレートフィン熱交換器において、各々の前記波形フィンが少なくとも一つの表面を有していて、少なくとも一つの該波形フィンの該少なくとも一つの表面の少なくとも一部は、織目加工されている、プレートフィン熱交換器である。
【００２２】
　本発明の第三実施態様において、プレートフィン熱交換器が：
　第一仕切板と；
　該第一仕切板に隣接してほぼ平行な、第二仕切板と；
　該第一仕切板と該第二仕切板との間に配列された少なくとも一つの波形フィンであって、該波形フィンは少なくとも一つの表面を有していて、該表面の少なくとも一部に表面織目が加工されている、少なくとも一つの波形フィンと；
　を具備している。
【００２３】
　プレートフィン熱交換器の第三実施態様にはいくつかの変更がある。その一つの変更において、該表面織目の少なくとも一部が、水平な縞溝の形状である。
　他の変更において、該表面織目の少なくとも一部が水平位置に対して角度をつけて加工されている。
　その変更の修正において、該角度が約０°より大きくて約７５°より小さい。
　他の修正において、該角度が約０°より大きくて約５０°より小さい。
【００２４】
　他の変更において、該表面織目の少なくとも一部が十字形に加工されている。
　他の変更において、該表面織目が、約０．５mmから約５mmの範囲の波長を有している溝の形状である。
　変更の修正において、該溝が水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である。
【００２５】
　他の変更において、該表面織目が、約１mmから約３mmの波長を有している溝形状である。さらに他の変更において、該表面織目が、約０．０５mmから約０．７５mmの振幅を有している溝の形状である。この変更の修正において、該溝が水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である。
【００２６】
　他の変更において、該表面織目が、約０．０５mmから約０．７５mmの振幅を有している溝の形状である。この変更の変形において、該溝が水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である。
【００２７】
　他の変更において、該表面織目が、約０．１５mmから約０．５mmの振幅を有している溝の形状である。さらに他の変更において、該表面織目が、約０．５mmから約５mmの波長を有している溝形状である。この変更の変形において、該溝が水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である。
【００２８】
　本発明の他の実施態様において、低温空気分離ユニットが、前述の実施態様あるいはこれらの実施態様の変更のいずれかと同じような、プレートフィン熱交換器を有している。
【００２９】
　本発明の第四実施態様は、隣接した仕切板の間に配列された少なくとも一つの波形フィン、を有しているプレートフィン熱交換器において、該波形フィンが少なくとも一つの表面を有していて、該少なくとも一の表面の少なくとも一部に表面織目を加工する改善が行なわれている、プレートフィン熱交換器である。
【００３０】
　本発明の第五実施態様は、第一流体流れを輸送するようになっている、第一群の通路を有している複数の流体通路の、間接形熱交換器用プレートフィン熱交換器において；前記第一流体流れが、第一群の通路の少なくとも一部において二相流であり；前記第一群の通路の少なくとも一部がその中に配列された複数のフィンを有しており；前記フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；間接型熱交換器用プレートフィン熱交換器である。
【００３１】
　本発明の第六実施態様は、リボイラ用あるいはコンデンサ用のプレートフィン熱交換器において、該プレートフィン熱交換器が、複数のほぼ平行な仕切板と、隣接した該仕切板の間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを含んでいる、平行六面体ボデーを備えていて；前記波形フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；リボイラ用あるいはコンデンサ用のプレートフィン熱交換器である。
【００３２】
　本発明の第七実施態様は、ほぼ平行六面体のボデーを有する下降流リボイラにおいて；該ボデーが、ほぼ平行で垂直に延伸する通路のアセンブリにより形成されていて、該通路は、第一群の通路に導入される第一流体と、第二群の通路に導入される第二流体とを受け入れるようになっており；第二群の通路における通路は、該第一群の通路における通路と位置が交互になっていて；該第一群の通路は、隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しており；該複数のフィンは、第一流体の流体分布用のハードウェイ（hard way）なフィンと、該ハードウェイなフィンの下流のイージーウェイ（easy way）な熱伝達フィンとを含んでいて；該熱伝達フィンが、漸次的に表面積を減少した一つ以上の熱伝達区画を形成しており；第一熱伝達区画における少なくとも一つの熱伝達フィンが、少なくとも一つの表面を有していて；該少なくとも一つの表面に表面織目を加工する改善が行なわれている；下降流リボイラである。
【００３３】
　本発明の他の実施態様は、空気分離プラントにおける塔に取り付けられた第七実施態様による下降流リボイラにおいて；第二群通路における、窒素含有流れ及び／又はアルゴン含有流れに平行流で、液体酸素含有流れが、第一群通路を通過している；下降流リボイラである。
【００３４】
　本発明の第八実施態様は、ほぼ平行六面体のボデーを有する下降流リボイラにおいて；該ボデーが、ほぼ平行で垂直に延伸する通路のアセンブリにより形成されていて、該通路は、第一群の通路に導入される第一流体と、第二群の通路に導入される第二流体とを受け入れるようになっており；第二群の通路における通路は、該第一群の通路における通路と位置が交互になっていて；該第二群の通路は、隣接した仕切板の間に配列された複数のフィンを有しており；該複数のフィンは、第二流体を第二群通路へ均一に流入する入口分配フィン、及び第二流体を第二群通路から均一に流出する出口分配フィンと、該入口分配フィンと該出口分配フィンとの間に少なくとも一つの熱伝達区画を形成する熱伝達フィンとを含んでおり；該少なくとも一つの熱伝達区画における少なくとも一つの熱伝達フィンが、少なくとも一つの表面を有していて；該少なくとも一つの表面に表面織目を加工する改善が行なわれている；下降流リボイラである。
【００３５】
　本発明の他の実施態様は、空気分離プラントにおける塔に取り付けられた第八実施態様による下降流ボイラにおいて；第二群通路における、窒素含有流れ及び／又はアルゴン含有流れに平行流で、液体酸素含有流れが、第一群通路を通過している；下降流リボイラである。
【００３６】
　本発明の第九実施態様は、分縮器用のプレートフィン熱交換器において、該プレートフィン熱交換器が、複数のほぼ平行な仕切板と、隣接した該仕切板の間に配列された複数の波形フィンとのアセンブリを含んでいる、平行六面体ボデーを備えていて；前記波形フィンの少なくとも一つが、隣接した仕切板の間に配列され、かつ表面織目を有している；分縮器用のプレートフィン熱交換器である。
【００３７】
　本発明はプレートフィン熱交換器組立方法も含んでいる。
　プレートフィン熱交換器組立方法が：二つのほぼ平行な仕切板と、細長いシートとを準備する第一段階と；該細長いシートに表面織目を成形する第二段階と；該表面織目を有するフィンを成形するために該細長いシートを波形加工する第三段階と；該表面織目を有している該フィンを該仕切板の間に配列する第四段階と；を含んでいる。
【００３８】
　プレートフィン熱交換器組立方法の変更において、該表面織目の少なくとも一部が、約０．５mmから約５mmの範囲の波長と、約０．０５mmから約０．７５mmの範囲の振幅とを有している少なくとも一つの溝の形状であって、該少なくとも一つの溝が、水平位置に対して、約０°より大きくて約７５°より小さい角度である。
【００３９】
　本発明は、該少なくとも一つのフィンの少なくとも一部に表面織目を加工する段階を含んでいる、隣接した仕切板の間に少なくとも一つのフィンを有しているプレートフィン熱交換器の性能改善方法をも具備している。
【００４０】
　添付図面を参照して、例を用い本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
　本発明は、熱伝達及び物質移動を改善するためにプレートフィン熱交換器に織目加工された表面を使用するものである。特に、“表面織目”を得るために本発明において使用された“織目加工された表面”は、プレートフィン熱交換器に使用されるフィン材料の表面に成形あるいは加工され溝あるいは縦溝の形状である。
【００４２】
　織目加工された表面は、平形フィン、穴あきフィン、波形フィン、のこ歯形フィン又は他のタイプのフィンに適用することができる。織目は、縦溝あるいは溝を備えたメタルストックを、フィン加工に先行してプレスすることにより容易に成形される。縦溝は、水平、一方向への傾斜、又はＴ字形配置を含んでいる種々な方向への傾斜であってもよい。織目加工されたプレートフィン形熱交換器は、加熱、冷却、沸とう、蒸発又は凝縮を含んだ広範な運転条件と、単相流、二相流、上昇流又は下降流を含んだ広範な流れの条件とにおける、プロセス流れに使用することができる。本発明は熱伝達に加えて、物質移動による分離を受けるプロセス流れに使用することもできる。
【００４３】
　当業者は多数の運転モードにおける熱伝達及び／又は物質移動を改善するために、単一の手段の強化だけを期待するものではない。従って、フィン材料に表面織目を付加することが、前述したような多数の運転モードにおける熱伝達及び／又は物質移動を改善するということは、本発明の驚くべきかつ予期だにしない結果である。
【００４４】
　図１において、従来形プレートフィン熱交換器が複数の通路を備えていて、各通路は仕切板（４０，４２）と端部バー（２４Ａ，２４Ｂ）との間に配列されたフィン材料２８で作られている。最も一般的なタイプのフィンは、図２のＡ，Ｂ，Ｃ及びＤにそれぞれ示すような、平形、穴あき、のこ歯形及び波形である。
【００４５】
　図１のＢに示すように、本発明は、従来形フィンのかわりに、織目加工された表面５０を備えたフィンを使用している。図３のＡ，Ｂ，Ｃ及びＤは、使用可能な織目加工表面５０のタイプの例のいくつかを示している。溝あるいは縦溝により形成された縞は、好ましくはほぼ真すぐに揃っている（シートを波形加工する以前）直前形状であるけれど、当業者においては縞が直線である必要のないことは理解されるであろう。例えば、各縞が曲っているか、ジグザグか又は他の形状であってもよい。図３のＡ，Ｂ及びＣにおける線５２は、一様なパターンを形成するべく、とぎれずにほぼ平行であるけれども、当業者においては、溝あるいは縦溝線はとぎれていてもよいし、かつ他のパターンを形成していてもよくて、揃っていても揃っていなくてもよい。
【００４６】
　特殊な製造方法に限定されることが所望されない場合、メタルをフィン形状に成形する直前に、プレスのような操作で、平らなメタルシートに表面織目を加工することが最も利点のあることである。例えば、本発明の表面織目を穴あきフィンに加工するために、以下の手順が使用されてもよい：
　・平らなメタルシートの穴あけ；
　・プレスのような操作による表面織目の加工；
　・表面織目を損傷することなく、穴あきフィンをプロセスにおいて成形（特殊工具の使用が必要かもしれない）；
　・プレートフィン熱交換器へフィンのろう付。
　本発明を他のタイプのフィン（すなわち穴あきフィン以外）に加工する手順は、同様のステップを必要とするであろうが、操作の正確な手順は違っていてもよいことは、同業者において理解されるであろう。
【００４７】
　図３のＡ，Ｂ及びＣに示す表面織目は、図３のＤに示すように断面において、ほぼ正弦曲線の、溝あるいは縦溝５２で構築されていてもよい。
　これに限定するものではないが、他の適切な形状が、ゆるい波形、とがった波形、のこ歯形又は角型波形を含んでいることは、当業者において理解されるであろう。出願者は以下の寸法範囲が最適であることを確定した：
　・波長Ａ（図３のＤ参照）は、好ましくは約０．５mmから約５mm最も好ましくは約１mmから約３mmの範囲である；
　・振幅のピークトゥピークｈ（図３のＤ参照）は、シートの一方側だけで見る場合、好ましくは約０．０５mmから約０．７５mm、最も好ましくは約０．１５mmから約０．５mmの範囲である。本寸法（ｈ）の選択は、隣接するフィン間の物理的なスペース及び／又はメタル厚さ（ｔ）（図３のＤに示す）により限定されるかも知れない。隣接するフィン間の非常に密なスペース、厚いメタル厚さ又は両者が使用できる溝又は縦溝の深さを限定しているかも知れない。
【００４８】
　傾斜織目（図３のＢ）及び十字形織目（図３のＣ）の場合、水平に対する縦溝の角度αは、好ましくは約０°から約７５°、最も好ましくは約０°から約５０°の範囲である。図３のＣは、図における両側で等しい角度（α＝α）となっているけれど、当業者においては、この角度を等しくする必要がないこと（すなわち一方側の角度がαであって他方側の角度はαより大きくても小さくてもよい）は理解されるであろう。
【００４９】
　表面の改善に関する従来技術の教示は、異なる流量条件と異なる幾何学的形状とに適用可能なように、異なる実施態様を導入することであるのに対し、本発明における、溝形状あるいは縦溝形状の表面織目は、プレートフィン熱交換器のすべての運転モード、単相流又は二相流と、上昇流又は下降流と、加熱又は冷却と、蒸発又は凝縮とにおける性能を向上できることは、出願人にとって驚きであった。この予期せぬ結果は他の当業者にとっても驚きであろう。
【００５０】
　本発明には重要な価値がある。というのはプレートフィン熱交換器は、フィン材料に表面織目を使用することにより従来形プレートフィン熱交換器に対してよりコンパクトに作ることができるからである。このことが、空気分離プラントのようなプラントにおける資本費と運転コストとの組合せにおいてメリットがある。本発明は、下降流において蒸発する流れにおけるファウリングを低減可能である。低温における空気分離において、このことは酸素を含有している流れを蒸発する下降流リボイラに対して特に価値のあるものである。
【実施例】
【００５１】
　後述する実施例は、本発明の適切な使用方法を説明するために提供するものである。当業者においては、他の実施例を思いつくことが可能であろう。
【００５２】
　実施例１
　本実施例は、本発明の教示による表面織目の適用により得られた、単相流熱伝達の向上を教示するものである。本実施例における比較は、プレートフィン形熱交換器に一般的に使用されている、穴あきフィンと平形フィンとに対してのものである。図４は実験サンプルの概略図であり、図５は性能の比較を示している。
【００５３】
　図４に示すように、実験サンプルは九つのフィン通路の水平スタック６０で組立られている。その幅は約８０mmで、長さは約２８０mmである。サンプルは、約２５．４mm（１in）当り二十二個のフィンを含むものであって、フィンの等価直径は約１．６５mmであった。この値は公知の公式を用いて計算されたものであって、フィンにより囲まれた体積を穴あるいは織目の効果を除外した基本となる表面積で割った値を四倍したものである。穴あきサンプルは約１０％の開口部を有していた。すべてのサンプルのシート厚さは０．２mmであった。表面織目を使用した場合、表面織目は、図３のＤの概略図にもとずく、０．２mmに等しい振幅ｈと１．７５mmに等しい波長Ａとを有する正弦曲線であった。二つの異なる表面織目の傾斜が、図５の説明文に注記した角度で試験された。値９０は、フィン方向に垂直な織目方向を表わしていて、値４５は、フィンに対して（４５°）で傾斜している表面織目を表わしている。
【００５４】
　実験は風洞内のテストセンクションで行なわれた。第一に、サンプルが空気流れにおいて定常運転条件に得られた。流入空気６２の温度をステップ変化させ、出口応答６４がヒートパルスイメージとして測定された。熱伝達係数は、ロックの処理方法（Locke, G.L.著「多孔質固体の熱伝達及び流体摩擦特性」1950年、Tr. No. 10、カリフォルニア州、スタンフォード、スタンフォード大学、機械工学科）により、最大出口温度勾配にもとずいて計算された。圧力損失は傾斜形Ｕチューブマノメータを用いて測定された。摩擦圧力損失は、Kays, W.M 及びLondon, A.L.著「コンパクト熱交換器」第三版、1985年、ニューヨークMcGraw-Hill社発行入口及び出口の影響を考慮して、流れの加速にもとずいて計算された。
【００５５】
　図５はポンプエネルギに対して熱伝達係数をプロットしたものである。このようなプロットにおいて、より上の曲線は性能がよりすぐれていることに相当する。従来技術において公知であるように、穴あきフィンが平形フィンよりすぐれていることがわかるであろう。傾斜した表面織目（４５）の追加は穴あきフィンの性能を改善している。しかしながら、垂直な表面織目（９０）の追加は、同一ポンプエネルギにおいて３０〜５０％の熱伝達係数の改善をもたらしている。（プロットは対数スケールであることに注意）。これらの結果は、定性的にも定量的にも、出願人にとって驚きであり、予期していなかったことであり、他の同業者においても同感であろう。
【００５６】
　実施例２
　本実施例は、本発明の教示による表面織目の適用により得られた、種々の条件下における単相流熱伝達の向上を教示するものである。本実施例における比較は、プレートフィン形熱交換器に一般的に使用されている、穴あきフィンに対してのものである。
【００５７】
　図６は試験装置の概略図であり、図７〜１４は性能の比較を示している。フィンの試験通路の方向はすべてのケースにおいて垂直であり、表面織目を使用する場合、その方向はフィン方向に垂直であった。すなわち、表面織目の方向は、実験室において水平であり、図３のＡにおける角度αが０°に対応するものである。
【００５８】
　図６に示すように、各テストサンプル７０はアルミニウムキャップシートの間にろう付けされた一つのフィン通路で作られた。流体流れを垂直方向にするために、サンプルは、上部と下部で開となっていて、かつ側面で閉となっていた。各通路は約７０mmの幅で約２８０mmの長さであり、両側面における、高熱伝導率のマスチック銅プレート７２とペルチェ継手（Peltier junction）７４と水の流路７６との間にサンドイッチ状に保持されていた。ペルチェ継手は、熱伝達係数がそのような小さなサンプルにおいても高精度で測定できるように、温度による駆動力を押えるために使用された。
【００５９】
　蒸気／液体流れは、蒸気−液体入口７８に流入し、蒸気−液出出口８０から流出した。冷却水は、冷却水入口８２から流入し、出口８４から流出した。圧力は圧力プローブ８６により測定された。
【００６０】
　実験は、上昇流及び下降流での二つの異なる質量流量における蒸発及び凝縮を含む広範なモードで、フレオン２１を用いて行なわれた。サンプルが小サイズであるために、いずれの実験においても、クオリティーを狭い範囲で変化させるだけであった。なおクオリティーは、蒸気相における二相流混合体の割合を表わしている。実験は、重要である広範囲を調査するために何回も繰返された。
【００６１】
　図７〜１４に示すように、織目加工された穴あきフィンのサンプルの性能が穴あきフィンのサンプルに比較して終始一貫してすぐれている。この効果はすべての図におけるあらゆる運転条件で見られる。改善度は条件の違いにより異なるけれど、表面織目を追加することにより改善されることは全体的な現象である。全体的に改善度の範囲は約１０％〜約５０％である。
【００６２】
　他の重要な効果は蒸発においてのみ生じている。それはドライアウトとして知られているもので、熱伝達面のドライアウトが始まる結果として、熱伝達の低下が、クオリティーが非常に大きいところで生じる。これは凝縮においては生じない。下降流蒸発の結果を図７及び８に、上昇流蒸発の結果を図１０に示すように、織目加工された穴あきフィンが、穴あきフィンに比較して高クオリティーにおいてすぐれた熱伝達率となっている。このことは、実施例２の表面織目が、穴あきフィンの濡れ特性に良い効果をもたらしていることを示している。
【００６３】
　濡れ特性は、熱伝達の改善に加えて、ファウリングを低減するという非常に重要な二次的効果もある。空気分離プラントに使用されるリボイラコンデンサは、窒素含有流れあるいはアルゴン含有流れに対して、酸素含有流れを蒸発している。現在の空気分離プラントは、低温蒸留による分離に先行して空気からほとんどの汚染物質を除去するために、モレキュラーシーブ吸着ベッドを有しているけれど、吸着ベッドを通りぬけた汚染物質が蒸発流に濃縮される傾向にある。これらが、二酸化炭素及び酸化窒素のような不活性汚性物質を、炭化水素のような活性汚染物質と同様に含んでいる。ファウリングは、多量の炭化水素が酸素含有流れに蓄積されると、危険な状態をもたらす可能性もあるのと同様に、効率の低下をもたらし、織目加工されたフィンの使用は、濡れ特性を改善することによりプレートフィン形熱交換器のファウリングを低減することができ、高クオリティー下でのすぐれた熱伝達を提供する。
【００６４】
　トレードオフなしでの、そのような大きな改善（実施例１において３０〜５０％、実施例２において１０〜５０％）は、驚くべきものであり予期せぬものである。織目表面を用いることにより達成されたこれらの性能結果は、出願人にとって驚きであり予期せぬことであり、他の同業者においても同感であろう。
【００６５】
　前述の説明、図面および実施例により、同業者においては、本発明が、従来技術において教示されたプレートフィン熱交換器にまさる、多くの長所と利点とを有していることが理解されるであろう。
【００６６】
　本発明にもとずいて作られた熱交換器及び分縮器は、従来技術の装置の同等品と比較してより小さくてより軽量である。空気分離プロセスにおけるそのような装置を入れるコールドボックスの体積をも減少し、全体資本費の低減をもたらしている。
【００６７】
　さらに、本発明にもとずいて作られた熱交換器及び分縮器は、よりすぐれた効率のために、同一資本費に対する運転コストの低減をもたらしている。
【００６８】
　種々の利点のある、前述の二つの効果の組合せも可能である。
【００６９】
　本発明はプレートフィン形熱交換器のファウリングをも低減することができ、従って時間当りの全体運転効率を改善している。このことが、特に下向きに流れている時に蒸発する流れを含んでいるプレートフィン形熱交換器に適用可能なものとなっている。
【００７０】
　本発明の種々の実施態様は、前述した図面と実施例とを参照して説明されてきた。しかしながら、前述の特許請求の範囲に規定した本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、変更と修正とがこれらの実施態様、図面及び実施例に対して行なわれてよいことは、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１のＡは、従来形プレートフィン熱交換器の基本要素又はサブアセンブリの分解斜視図である。　図１のＢは、本発明による織目加工された表面を有しているフィンを備えた、プレートフィン熱交換器の基本要素又はサブアセンブリの分解斜視図である。
【図２】図２のＡ〜Ｄは、一般的にプレートフィン熱交換器に使用されている四つのタイプそれぞれを示している。
【図３】図３のＡは、本発明による水平縞を用いた織目加工された表面を示す概略図である。　図３のＢは、水平に対して角度αの縞を用いた他の織目加工された表面を示す概略図である。　図３のＣは、十字形の縞を用いた他の織目加工された表面を示す概略図である。　図３のＤは、図３のＡにおける線３Ｄ−３Ｄで切断した概略断面図である。
【図４】図４は、フィン通路水平スタックで作られた実験用サンプルを示す概略図である。
【図５】図５は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、ポンプエネルギに対する単相流熱伝達における熱伝達係数で示すグラフで、従来形の平形フィン及び穴あきフィンと比較したものである。
【図６】図６は、従来形フィンと、本発明による織目加工された表面を有しているフィンとの性能を測定するために使用した試験装置の構成を示す概略図である。
【図７】図７は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図８】図８は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図９】図９は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図１０】図１０は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図１１】図１１は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図１２】図１２は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図１３】図１３は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【図１４】図１４は、本発明による織目加工されたフィンの性能を、グラフに注記した条件下における、蒸気クオリティーに対する熱伝達係数で示すグラフで、従来形フィンの性能と比較したものである。
【符号の説明】
【００７２】
２４Ａ，２４Ｂ…端部バー
２８…フィン材料
４０，４２…仕切板
５０…織目加工された表面
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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