(57)【要約】  本発明は、チャネルをそれぞれ含む少なくとも２つの流体回路を有する熱交換器を作り出す新規な方法に関し、方法は、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）技法を使用して実現された拡散接合を用い、および、本発明は、この方法を使用して得られる熱交換器に関する。
2015512503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネルをそれぞれ含む少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器モジュールを作り出すための方法であって、
ａ／  金属チューブ（２；２Ａ、２Ｂ）の少なくとも２つの別々のグループを作り出すステップであって、それぞれのチューブは、細長い形状であり、少なくとも２つの直線的な端部を有しており、そのうちの一方の端部（２０；２０Ａ、２０Ｂ）は開口しており（開口端部）、他方の端部（２１、３；２１Ａ、３Ａ−２１Ｂ、３Ｂ）は非貫通になっている（非貫通端部）、ステップと、
ｂ／  １つのグループ当たりに少なくとも１つの横列（２．１、２．２、２．３、…２．ｉ−１、２．ｉ）の中の前記チューブを隣り合って位置決めすることによって、前記２つのグループのそれぞれを整合させるステップと、
ｃ／  互いの上部に横列を有するように、一方のグループの横列、および、他方のグループの横列を、逆さま向き合わせに位置決めすることによって、交互に積層するステップであって、一方のグループの前記チューブの前記非貫通端部が、前記他方のグループの前記チューブの前記開口端部と同じ積層体の横方向側部に配置される、ステップと、
ｄ／  前記他方のグループの前記横列に対して、一方のグループの前記横列を、積層方向に対して直角の方向にオフセットさせるステップであって、一方のグループの前記チューブの前記非貫通端部と、前記他方のグループの前記チューブの前記開口端部との間で、前記積層体のそれぞれの横方向側部にギャップを生成するようになっている、ステップと、
ｅ／  チューブの前記積層体の長手方向側部の上にそれぞれ１つの金属製ケーシング（４）を位置決めし、前記チューブの前記オフセットされた非貫通端部の前記端部に金属製ストリップ（５；５Ａ、５Ｂ）をそれぞれの生成されたギャップの中に位置決めすることによって、前記積層体をカプセル化するステップと、
ｆ／  前記ケーシング、それぞれのストリップ、および、前記チューブのそれぞれの開口端部の周辺部を溶接するステップであって、前記チューブの前記開口端部を自由にしたまま、前記カプセル化された積層体の内側をシールするようになっている、ステップと、
ｉ／  ガス抜きされた積層体に高い圧力で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）サイクルを適用するステップであって、加圧ガスが前記チューブのすべての中へ前記チューブの開口端部（２０；２０Ａ、２０Ｂ）を介して浸透することを可能にし、前記カプセル化された積層体の構成部品同士の間で、拡散による溶接を得るようになっており、拡散によって溶接されたそれぞれのグループの前記チューブが、前記熱交換器モジュールの流体回路の前記チャネルを形成する、ステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記ケーシングが、貫通開口部（４４）を含み、それによって、以下のステップ：
ｇ／  前記貫通開口部を介して、前記シールされた積層体の内部をガス抜きするステップと、
ｈ／  前記貫通開口部を閉鎖するステップと、
が、ステップｆ／とステップｉ／との間で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップａ／にしたがって作り出された前記チューブが、直線的なチューブである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記チューブが、すべて互いに同一である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つのグループの前記チューブが、直線的であり、その長さにわたって正方形断面になっている、請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのグループの前記チューブが、直線的であり、その長さの主要部にわたって円形断面であり、その開口端部および非貫通端部が、正方形断面である、請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
正方形断面の前記端部のうちの少なくとも１つが、前記チューブの前記円形断面を引き抜きすることによって形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
正方形断面の前記端部のうちの少なくとも１つが、正方形断面の端部（３０）を有するストッパー（３）を溶接することによって作り出される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ストッパーが、中実ストッパーであり、したがって、チューブの非貫通端部を形成している、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記中実ストッパーが、化学的な手段によって溶解させることが可能な材料から作製されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
正方形断面の前記端部のうちの少なくとも１つが、正方形断面の端部ピース（１２、１３）によって形成され、前記正方形断面の前記端部ピース（１２、１３）の中にチューブの前記円形断面が圧入されている、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
チューブの横列が前記端部ピースの内側にすべて圧入されるための、単一の端部ピースを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ステップｅ／が、４つの金属プレート（４０、４１、４２、４３）を含むケーシングによって実施され、それぞれが、前記積層体の４つの長手方向の縁部のうちの１つに対してプレスされ、前記ステップｆ／が、前記４つの金属プレートを対にして溶接することによって実施される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
ステップｉ／による前記ＨＩＰサイクルが、５００から２０００バールの間の圧力で、有利には１０００バールの圧力で実施される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
ステップｉ／に続いて、前記熱交換器モジュールを構成するコンポーネントの金属材料の特性を回復させるように設計された熱処理から構成されるステップｊ／を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
それぞれの横列の平面において、および、前記積層体の前記横方向側部の付近において、前記チューブの横断方向に穴開けするステップｌ／を含み、穴開けによって作り出されたチューブのそれぞれのグループのオリフィス（２２、４１０）は、前記積層体の１つの長手方向側部を、前記ケーシングを通して開口し、縦列を形成しており、オリフィス（２２、４１０）の前記２つの縦列は、それぞれ、前記積層体の一方の横方向側部の付近において、互いに反対側に配置されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
反対側に、および、オリフィスのそれぞれの縦列の周りに、流体コレクター（６、７）を前記ケーシングに溶接するステップｍ／を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガス抜きするステップｇ／の前に、前記カプセル化された積層体の構成部品を清浄するステップを含む、請求項２から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法によって得られる、少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器モジュール。
【請求項２０】
少なくとも前記チューブ（２；２Ａ、２Ｂ）、前記ストリップ（５；５Ａ、５Ｂ）、および前記ケーシング（４）が、３１６Ｌ鋼などのようなオーステナイト鋼から作製されている、請求項１９に記載の熱交換器モジュール。
【請求項２１】
一緒に接続されている請求項１９または２０に記載の複数の熱交換器モジュールを含む熱交換器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャネルをそれぞれ含む少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器に関する。
【０００２】
本発明は、より具体的には、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）技法を使用して実現される拡散による溶接によって、そのような交換器を製造するための新しい方法に関する。
【０００３】
公知の熱交換器は、内部流体循環チャネルを備える１つまたは少なくとも２つの回路を含む。単一の回路を備える交換器では、熱交換は、回路と取り囲む流体（回路は、流体の中に浸漬されている）との間で行われる。少なくとも２つの流体回路を備える交換器では、熱交換は、２つの流体回路の間で行われる。
【０００４】
連続的な方法（それによれば、好ましくはミキサーが設けられている第１の流体回路の入口部において、少量の共反応物質（co-reactants）が、同時に注入される）を使用する化学反応器が知られており、得られる化学製品が、前記第１の回路の出口部において収集される。前記公知の化学反応器の間で、いくつかは、第２の流体回路（通常、ユーティリティー回路と呼ばれている）を含み、その機能は、反応に必要とされる熱を提供することによって、または、逆に、それによって放出される熱を排出することのいずれかによって、化学反応を熱的に制御することである。ユーティリティー回路を含む２つの流体回路を備えるそのような化学反応器は、通常、交換器−反応器と呼ばれている。
【０００５】
本発明は、熱交換の機能しか持たない熱交換器を作り出すことに関連するだけでなく、交換器−反応器を作り出すことにも関連する。また、「少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器」は、熱交換の機能だけを備える熱交換器としてだけでなく、交換器−反応器としても、本発明の範囲の中にあるということが理解されなければならない。
【背景技術】
【０００６】
既存の熱交換器（プレート式交換器と呼ばれている）は、有利には、高い表面−対−体積の熱交換比率に起因して、とりわけ、その熱効率およびそのコンパクトさにおいて、既存の熱交換器（チューブ式交換器と呼ばれている）に対して重要な利点を有している。
【０００７】
公知のチューブ式交換器は、例えば、チューブおよびカランドリア交換器であり、その中では、チューブのグループ（それは、直線的であるか、または、Ｕ字形状もしくは、らせん形状に曲げられている）が、プレートに固定され、プレートは、穿孔されており、カランドリアとして表されているケーシングの内側に配置されている。前記チューブおよびカランドリア交換器の中では、流体のうちの一方が、チューブの内側を循環し、一方、流体のうちの他方が、カランドリアの内側を循環する。前記チューブおよびカランドリア交換器は、大きい体積を有し、したがって、コンパクトさが低減されたものとなる。
【０００８】
公知のプレート式交換器は、よりコンパクトであり、チャネルを含むプレートを積層することによって得られ、一緒に組み立てられる。
【０００９】
プレートをスタンピングすることによって、必要である場合には、フィンの形態の折り畳まれたストリップを加えることによって、または、溝部を機械加工することによって、チャネルが作り出される。機械加工は、機械的な手段（例えば、フライス加工によって）、または、化学的な手段によって実施される。化学的な加工は、通常、化学的なまたは電気化学的なエングレービングと呼ばれる。
【００１０】
プレートを互いに対して組み立てることは、交換器のシールおよび／または機械的な強度、とりわけ、内部を循環する流体の圧力に対する抵抗力を提供する目的を有している。
【００１１】
いくつかのアッセンブリ技法が知られており、所望のプレート式交換器のタイプに応じて実行される。したがって、アッセンブリは、積層体の端部に配置されている２つの厚い剛体のプレートの間にクランプされた積層体を保持するタイロッドなどのような機械的な手段によって得ることが可能である。したがって、チャネルは、加えられるジョイントの圧縮によってシールされる。また、アッセンブリは、溶接（一般的に、プレートの周辺部に限定される）によって得ることも可能であり、それは、溶接に引き続いて、流体の圧力に対するその抵抗を可能にするために、カランドリアの中への交換器の挿入を必要とすることもある。また、アッセンブリは、とりわけ、フィンが加えられる交換器に関して、ろう付けによって得ることも可能である。アッセンブリは、最後に、拡散による溶接（拡散溶接）によって得ることが可能である。
【００１２】
挙げられている最後の２つの技法は、とりわけ、機械的な強度の観点から効率的な交換器が作り出されることを可能にする。より具体的には、これらの２つの技法に起因して、アッセンブリは、プレートの周辺部だけでなく、交換器の内側にも得られる。
【００１３】
拡散による溶接によって得られるプレート熱交換器は、ろう付けのために必要とされる追加的な金属が存在しないということに起因して、ろう付けによって得られる交換器のジョイントよりもさらに機械的に効率的なジョイントを有する。
【００１４】
拡散溶接は、組み立てられることとなるパーツに所与の時間にわたり圧力および熱を適用することによって、固体状態のアッセンブリを得ることから成る。適用される圧力は、二重の機能を有している。それは、表面が一緒になるように（すなわち、接触するように）溶接されることを可能にし、また、それは、フロー拡散（flow-diffusion）によって、ジョイント（インターフェース）の中に残存する間隙率（porosity）の取り除きを促進する。
【００１５】
圧力は、例えば、炉が備えられたプレスを使用して、または、組み立てられることとなるパーツの積層体の上部に配置されるウェイトを単純に使用して、単軸圧縮によって適用することが可能である。この方法は、一般に、単軸拡散溶接と呼ばれており、プレート熱交換器の製造のための産業的利用性を有する。
【００１６】
単軸拡散溶接方法の重要な限界は、それが、単軸圧縮圧力を適用する方向に対して任意の配向にジョイントを溶接することを可能にしないということである。
【００１７】
さらなる代替的な方法が、この欠点を修正する。この他の方法では、シールされたケーシングを使用して、ガスの圧力によって、圧力が適用される。この方法は、一般に、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）と呼ばれている。単軸拡散溶接方法と比較したときの、ＨＩＰによる拡散溶接方法のさらなる利点は、それが、産業規模でより広く受け入れられているということである。より具体的には、ＨＩＰは、粉末圧縮に加えて、鋳造パーツのバッチを処理するためにも使用されている。
【００１８】
また、現在知られている拡散による溶接によって得られるコンパクトなプレート式交換器は、主要な欠点を有しており、それは、以下のようにリストアップすることが可能である。
【００１９】
第１の主要な欠点は、とりわけ、機械加工されたチャネルを備えるプレートの場合、プレートを製造するコストである。化学的なエングレービングは、確かに、機械的な加工に対していくらかのコストの低減を可能にするが、それは、全体的に相対的なものである。より具体的には、所与の長さで比較して、化学的なエングレービングによって作り出されるプレート式交換器のチャネルのコストは、チューブ式交換器のものよりも大きい。そのうえ、化学的なエングレービングは、不十分な寸法精度、鋭い縁部が丸くなること（それは、拡散による溶接にとって不利である）、または、組み立てられることとなる表面の残存汚染（使用される酸洗製品およびマスキング製品の残留物による）などのような追加的な欠点を発生させる。
【００２０】
拡散によって溶接されるコンパクトなプレート式交換器の第２の主要な欠点は、得られるインターフェースジョイントの機械的な強度、チャネルの許容可能な変形、および、構造材料の粒子拡大の間の良好な妥協点を見出すことが難しいということである。
【００２１】
より具体的には、単軸拡散溶接方法では、プレートが密接に相互接触しているという条件で、および、インターフェースにおける間隙率を取り除くために、低い値の圧力が溶接温度の上昇によって補償されるという条件で、チャネルの小さい変形を引き起こす弱い圧力（または、非常に弱い圧力）を適用することが可能である。これらの条件は、材料の粒子の拡大を必然的に暗示しており、それは、即座に、腐食に対するその抵抗力、および、その機械的な特性に関する欠点になる。そのうえ、多数の用途では、２つの流体回路の間に位置付けされている材料の粒子の数は、リークのリスクを回避するために最小であるということが重要である。
【００２２】
ＨＩＰによる拡散溶接方法では、パーツの積層体が、シールされたコンテナの中に事前にカプセル化され、溶接されることとなる表面によって形成されるインターフェースの中へガスが浸透することを防止する。一般的に使用されるガス圧力は高く、５００から２０００バールのオーダー、典型的には１０００バールである。そして、ＨＩＰを実行することができる産業ケーシングの最小動作圧力は、４０から１００バールの間である。したがって、この圧力で溶接されるジョイントは、高い圧力（例えば、１０００バール）で得られるものよりも弱く、すべての他の条件は、同じである（材料、温度、表面条件など）。加えて、４０から１００バールの間のこの圧力は、高い密度のチャネルを有するプレート（すなわち、隣接するプレートとの特定の接触表面が、見ることが可能な表面に対して小さいプレート）にとって、依然として高過ぎる。より具体的には、このタイプのプレートに関して、数十バールの圧力でも、チャネルの許容不可能な変形を作り出すには十分である。１つの可能な解決策は、材料が圧力に対してより高い抵抗力を有するように、アッセンブリ温度を低減させることに存在し得るが、これは、ジョイントの強度をさらに弱くする。さらなる可能な解決策は、積層体を圧力に対してより高い抵抗力のあるものにするために、チャネルの設計を変更することに存在し得るが、これは、プレート式交換器をコンパクトでないものにする。
【００２３】
いくつかの解決策は、チャネルの幾何学形状およびインターフェースの品質を制御しながら、ＨＩＰ拡散溶接によって熱交換器を作り出すことで既に知られている。これらの解決策の共通点は、ＨＩＰサイクルの間にチャネルを開放したままにすることが可能であるように積層体を作り出すということである。したがって、加圧ガスが、チャネルのすべての内部スペースを占有し、結果として、前記チャネルは、変形されないか、または、非常に小さく変形される。したがって、高い圧力でＨＩＰを実施することが可能となる。
【００２４】
第１の公知の解決策は、それぞれのチャネルについてチューブを使用すること、および、その少なくとも１つの端部をコンテナにシールされた様式で溶接し、そして、コンテナがシールされるということから成る。それぞれのチューブは、プレートの溝部の中へ事前に挿入され、次いで、同じプレートの溝部の中へ挿入されているチューブは、さらなるプレートによって挟まれ、さらなるプレートは、溝付きであるか、または、溝なしであり、また、さらなるプレートは隣接している。本出願の発明者のうちの１人は、この解決策を既に実行している［１］。それぞれのチューブの少なくとも１つの端部を、シールされたコンテナにシール溶接する先述の必要ステップは、本質的に、チューブの限定された数および密度を必要とする。この解決策の主要な欠点は、交換器のチャネルをチューブの形態で作り出すことが可能であり、それは、複雑な形状（曲げによって作り出すことができない方向の急激な変化を有する形状など）を除外するということを暗示しているということである。したがって、複雑な形状の代わりに、チャネルは、より単純でコンパクトでない形状で作り出されている。換言すれば、この第１の公知の解決策は、プリアンブルに記載されているように、先行技術にしたがって拡散によって溶接された溝付きプレートを備える熱交換器に対して、熱交換器のコンパクトさを低減させる。
【００２５】
第２の公知の解決策は、特許出願ＷＯ２００６／０６７３４９に開示されている。それは、本質的に、溶接されることとなるインターフェースがチャネルの中へ開放されることを防止することから成る。したがって、この特許出願による解決策は、金属プレートの中に、その頂部において開き断面の溝部を作り出し、次いで、薄い金属プレートを溶接することによって、前記溝部を個別にシールし、したがって、溝部の一方の端部または両方の端部を加圧ガスにアクセス可能なままにすることから成る。チャネルの端部を溶接することによる問題は、第１の公知の解決策に対して簡単化されるが、チャネルごとに１つのストリップを溶接しなければならないという代償を払うということである。これは、交換器当たりに多数のチャネルのある場合には、多くの時間と労力を要するものであり、費用がかかり、実行するのが困難である可能性があることが分かる。
【００２６】
第３の公知の解決策は、特許文献２に開示されている。以下のステップが実施される。すなわち、
−  溝付きプレートの上において、起伏がある材料の連続的なビードをそれぞれの溝部の周辺部に置き、同じく起伏があるさらなる連続的なビードをプレートの周辺部に置くステップと、
−  その連続的なビードを備える溝付きプレートを、開口端部を有する溝部なしで、コンテナの中に積層させるステップと、
−  コンテナをシールするステップと、
−  低い圧力でＨＩＰサイクルを適用するステップであって、その間に、少なくとも１つの溝部によって個別に境界を定められるそれぞれのチャネルのシールが、連続的なビードの拡散溶接を使用して得られる、ステップと、
−  加圧ガスがそれぞれのチャネルに浸透することを許容するようにチャネルを穴開けするステップと、
−  高い圧力でＨＩＰサイクルを適用し、連続的なビードによって境界を定められる表面を拡散溶接することによって、良好な機械的特性をジョイントに与えるステップである。
【００２７】
特許文献１による公知の解決策と同様に、この最後の公知の解決策は、交換器当たりに多数のチャネルのある場合には、多くの時間と労力を要するものであり、費用がかかり、実行するのが困難である可能性があることが分かる。
【００２８】
したがって、とりわけ、チャネルの過大な変形を引き起こすことなく、また、構造材料の粒子の許容不可能な拡大を引き起こすことなく、コンパクトな交換器を得て、そのジョイントの機械的な強度を改善し、許容可能な製造コストおよび実装形態の容易さを実現するために、拡散溶接によって熱交換器を作り出すための方法をさらに改善するという要求が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】国際公開第２００６／０６７３４９号
【特許文献２】国際公開第２０１１／０２６９２５号
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】Ｆｕｓｉｏｎ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｆｉｒｓｔ  ｗａｌｌ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  Ｇ．Ｌｅ  Ｍａｒｏｉｓ、Ｅ．Ｒｉｇａｌ、Ｐ．Ｂｕｃｃｉ、（Ｆｕｓｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ第６１〜６２頁（２００２）１０３−１１０  Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｂ．Ｖ）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３１】
この必要に応えるために、本発明の主題は、チャネルをそれぞれ含む少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器モジュールを作り出すための方法であって、
ａ／  金属チューブの少なくとも２つの別々のグループを作り出すステップであって、それぞれのチューブは、細長い形状であり、少なくとも２つの直線的な端部を有しており、そのうちの一方の端部は開口しており、他方の端部は非貫通（ｂｌｉｎｄ）になっている、ステップと、
ｂ／  １つのグループ当たりに少なくとも１つの横列の中のチューブを隣り合って位置決めすることによって、２つのグループのそれぞれを整合させるステップと、
ｃ／  互いの上部に横列を有するように、一方のグループの横列、および、他方のグループの横列を、逆さま向き合わせ（top-to-toe）に位置決めすることによって、交互に積層するステップであって、一方のグループのチューブの非貫通端部が、他方のグループのチューブの開口端部と同じ積層体の横方向側部に配置される、ステップと、
ｄ／  他方のグループの横列に対して、一方のグループの横列を、積層方向に対して直角の方向にオフセットさせるステップであって、一方のグループのチューブの非貫通端部と、他方のグループのチューブの開口端部との間で、積層体のそれぞれの横方向側部にギャップを生成するようになっている、ステップと、
ｅ／  チューブの積層体の長手方向側部の上にそれぞれ１つの金属製ケーシングを位置決めし、チューブのオフセットされた非貫通端部の端部に金属製ストリップをそれぞれの生成されたギャップの中に位置決めすることによって、積層体をカプセル化するステップと、
ｆ／  ケーシング、それぞれのストリップ、および、それぞれの開口チューブ端部の周辺部を溶接するステップであって、チューブの開口端部を自由にしたまま、カプセル化された積層体の内側をシールするようになっている、ステップと、
ｉ／  ガス抜きされた積層体に高い圧力で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）サイクルを適用するステップであって、加圧ガスがチューブのすべての中へチューブの開口端部を介して浸透することを可能にし、カプセル化された積層体の構成部品同士の間で、拡散による溶接を得るようになっており、拡散によって溶接されたそれぞれのグループのチューブが、モジュールの流体回路のチャネルを形成する、ステップと
を含む方法である。
【００３２】
本発明の有利な実施形態によれば、ケーシングが、貫通開口部を含み、以下のステップ：
ｇ／  貫通開口部を介して、シールされた積層体の内部をガス抜きするステップと、
ｈ／  貫通開口部を閉鎖するステップと
が、ステップｆ／とステップｉ／との間で実施される。
【００３３】
有利には、これらのステップｇ／およびｈ／は、積層体の構成部品の材料に応じて、および、拡散によって溶接するためのゾーンの機械的な強度の観点からの所望の性能に応じて実施される。
【００３４】
したがって、本発明は、本質的に、高い圧力でのＨＩＰを使用して拡散溶接することによって組み立てられたチューブから、少なくとも２つの流体を備える熱交換器を作り出すための方法である。流体循環チャネルを最終的に構成するチューブは、先行技術によるプレートの中に機械加工された溝部よりも低い製造コストを有する。本発明の方法によれば、溶接されることとなる表面は、チューブの中へ開口していないので、より高い組み立て圧力を適用することが可能であり、それは、良好な機械的特性、および、チャネルの低い変形を確実にする。加圧ガスがチューブの中へ浸透するので、チューブの圧縮のリスクは存在しない。したがって、高い圧力でＨＩＰ拡散溶接を使用することは、非常に高い溶接温度に頼ることを回避することが可能であり、したがって、構造材料の許容可能な粒子サイズの保持を促進する。
【００３５】
本発明による方法のステップｆ／によるシール溶接は、レーザー溶接、ＴＩＧ（「タングステン不活性ガス」溶接に関して使用される英語の頭字語）などのような任意の適当な手段によって実行することが可能である。
【００３６】
金属製ケーシングの中の貫通開口部は、ステップｇ／にしたがって積層体をガス抜きするように設計されているシール溶接孔部を溶接し、そのシールをテストすることを可能にする。積層体のすべてのコンポーネントパーツは、好ましくは効率的な拡散溶接を保証するために事前に清浄されている。シール溶接孔部を介して積層体をガス抜きした後に、前記積層体は、好ましくは、圧縮および溶接によって、シールされた様式で閉じられる。
【００３７】
したがって、組み立てるステップｉ／（換言すれば、ＨＩＰ拡散溶接によって組み立てるステップ）は、高い圧力でＨＩＰサイクルを積層体に適用することから成る。前記サイクルは、とりわけ、積層体の構成部品の材料に応じて選択される。とりわけ、使用されるＨＩＰケーシングの容量を考慮して、温度レベル、ならびに、加熱速度および加圧速度（それぞれ、冷却および減圧の速度）を選択することが可能である。有利には、ステップｉ／によるＨＩＰサイクルは、５００から２０００バールの間の範囲にある圧力で同時に加圧するとともに、１から４時間の期間にわたり加熱すること、次いで、１から４時間の期間にわたり温度および圧力のレベルを維持すること、および、最後に、１から１０時間の期間にわたり同時に減圧するとともに冷却することを含む。このＨＩＰステップｉ／の間に、積層体のそれぞれの部分は、拡散によって、それと接触しているパーツに溶接される。
【００３８】
本発明による方法は、ステップｉ／に続いて起こるステップｊ／を含むことが可能であり、ステップｊ／は、前記モジュールを構成するパーツの金属材料の特性を回復させるように設計された熱処理から構成される。それは、急速焼き入れ処理から構成され得る。
【００３９】
本発明による方法は、少なくとも２つの流体回路を備える熱交換器を得ることを可能にし、それは、コンパクトであり、高い圧力でのＨＩＰ拡散溶接によってそれを組み立てることは、チャネルが圧縮されること、または、許容不可能な粒子拡大による構造材料に対する過度の変更を可能にしない。
【００４０】
そのうえ、本発明による方法を実行するコストおよび容易性は、許容可能なものである。
【００４１】
有利な実施形態によれば、ステップａ／にしたがって作り出されたチューブは、直線的なチューブである。
【００４２】
チューブは、すべて互いに同一とすることが可能である。
【００４３】
したがって、有利な変形例によれば、少なくとも１つのグループのチューブが直線的であり、その長さにわたって正方形断面になっている。
【００４４】
少なくとも１つのグループのチューブが、直線的であり、その長さの主要部にわたって円形断面であり、その開口端部および非貫通端部が、正方形断面であることが可能である。
【００４５】
正方形断面の端部のうちの少なくとも１つは、チューブの円形断面を引き抜きすることによって形成することが可能である。
【００４６】
代替的に、正方形断面の端部のうちの少なくとも１つは、正方形断面の端部を有する中実ストッパーを溶接することによって作り出すことが可能である。
【００４７】
好ましくは、ストッパーは、中実ストッパーであり、したがって、チューブの非貫通端部を形成することが可能である。有利には、中実ストッパーは、化学的な手段によって溶解させることが可能な材料から作製することが可能である。
【００４８】
変形例によれば、正方形断面の端部のうちの少なくとも１つは、正方形断面の端部ピースによって形成することが可能であり、正方形断面の端部ピースの中にチューブの円形断面が圧入されている。好ましくは、単一の端部ピースが、前記端部ピースの内側にすべて圧入されるチューブの横列に提供されている。
【００４９】
有利な実施形態によれば、ステップｅ／が、４つの金属プレートを含むケーシングによって実施され、それぞれが、積層体の４つの長手方向の縁部のうちの１つに対してプレスされ、ステップｆ／が、４つの金属プレートを対にして溶接することによって実施される。プレートのうちの少なくとも１つは、貫通開口部を含むことが可能であり、貫通開口部を介して、ガス抜きをするためのステップｇ／が実行される。
【００５０】
好ましくは、ステップｉ／によるＨＩＰサイクルが、５００から２０００バールの間の圧力で、有利には１０００バールの圧力で実施される。
【００５１】
有利な実施形態によれば、本発明による方法は、ステップｉ／に続いて、前記モジュールを構成するパーツの金属材料の特性を回復させるように設計された熱処理から構成されるステップｊ／を含む。
【００５２】
有利な実施形態によれば、本発明による方法は、それぞれの横列の平面において、および、積層体の横方向側部の付近において、チューブの横断方向に穴開けするステップｌ／を含み、穴開けによって作り出されたチューブのそれぞれのグループのオリフィスは、積層体の１つの長手方向側部を、ケーシングを通して開口し、縦列を形成しており、オリフィスの２つの縦列は、それぞれ、積層体の一方の横方向側部の付近において、互いに反対側に配置されている。
【００５３】
有利な実施形態によれば、本発明による方法は、反対側に、および、オリフィスのそれぞれの縦列の周りに、流体コレクターをケーシングに溶接するステップｍ／を含む。
【００５４】
有利な実施形態によれば、本発明による方法は、ガス抜きするステップｇ／の前に、カプセル化された積層体の構成部品を清浄するステップを含む。
【００５５】
また、本発明の主題は、上記に開示されているような方法によって得られる、少なくとも２つの流体回路を有する熱交換器モジュールである。
【００５６】
有利には、少なくともチューブ、ストリップ、およびケーシングが、３１６Ｌ鋼などのようなオーステナイト鋼から作製されている。
【００５７】
最後に、本発明の主題は、一緒に接続されている、上記のような複数のモジュールを含む熱交換器システムである。
【００５８】
本発明のさらなる利点および特徴は、以下の図を参照して、例示目的および非限定的な例として作製された本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を読むことによって、より明確に明らかになることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による２つの流体回路を備える熱交換器モジュールを作り出すための方法の第１の例が実行されるコンポーネントのアッセンブリの斜視的な部分分解図である。
【図１Ａ】その端部のうちの１つが図１のアッセンブリにおいて使用される金属チューブの斜視分解図である。
【図１Ｂ】部分的に切り欠かれた図１のコンポーネントのアッセンブリから得られる熱交換器モジュールの斜視図であり、２つの流体のうちの１つのために、入口部コレクターおよび出口部コレクターを一体化していることを示す図である。
【図２】本発明による２つの流体回路を備える熱交換器モジュールを作り出すための方法の第２の例が実行されるコンポーネントのアッセンブリの斜視的な部分分解図である。
【図２Ａ】図２のアッセンブリにおいて使用される金属チューブの斜視図である。
【図２Ｂ】図２のアッセンブリにおいて使用される金属チューブの端部の斜視図である。
【図２Ｃ】図２のアッセンブリにおいて使用される金属チューブの端部の斜視図である。
【図３】本発明による熱交換器モジュールを作り出すための方法の第３の例が実行されるコンポーネントのアッセンブリの斜視的な部分分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下の説明では、「上側」および「下側」の用語は、本発明によるチューブを積層する方向Ｚを参照して考えられるべきである。
【００６１】
同様に、「長手方向の」および「横方向の」の用語は、積層体の幾何学的形状に関連して考慮されるべきであり、それ自身は、前記積層体を構成するチューブの細長い形状によって決定されている。したがって、積層体の４つの長手方向側部は、チューブの長手方向軸線Ｘに対して平行に延在している側部である。積層体の２つの横方向側部は、チューブの端部にある側部であり、それは、チューブの長手方向軸線Ｘに対して直角に延在している。
【実施例１】
【００６２】
ステップａ／：  ２つの流体回路を備える熱交換器モジュール１が、すべて互いに同一の複数の金属チューブ２から作り出される。
【００６３】
図１Ａに最も明確に図示されているように、それぞれの金属チューブ２は、長手方向軸線Ｘに直線的であり、その全体長さにわたって正方形断面であり、開口端部２０が、製造後に残されており、その端部のうちの他方の端部２１が、また正方形断面の中実ストッパー３によってシールされた様式で閉じられている。換言すれば、完成すると、それぞれの直線的なチューブ２は、その端部のうちの一方の端部２０で開口しており、反対側の端部２１、３で非貫通になっている。
【００６４】
例として、製造されたチューブ２は、３１６Ｌステンレス鋼から作製され、４００ｍｍの長さにわたって、６ｍｍ×６ｍｍの外部正方形断面を有し、１．５ｍｍの壁部厚さを有している。また、例として、中実ストッパー３も、３１６Ｌステンレス鋼から作製され、チューブ２の端部２１において、ＴＩＧ溶接によって溶接されている。
【００６５】
したがって、正方形断面のそれぞれの金属チューブ２は、以下に説明されているように、交換器の流体循環チャネルを画定している。
【００６６】
ステップｂ／からｄ／：  得られたチューブ２は、隣接する横列２．１、２．２．．．２．ｉ−１、２．ｉ．．．を形成して整合されており、すなわち、それぞれの横列は、同じ平面においてそれらの長手方向側部によって互いに接合された複数のチューブ２によって形成されている。すべての隣接する横列２．１、２．２．．．２．ｉ−１、２．ｉ．．．は、同じ数の直線的なチューブ２を有している。
【００６７】
隣接する横列２．１、２．２．．．２．ｉ−１、２．ｉ．．．は、逆さま向き合わせの位置決めで積層方向Ｚに交互に積層されており、互いの上部にすべての横列を有するようになっており、一方の横列２．１、２．３、．．．２．ｉ−１．．．のチューブの非貫通端部２１、３は、隣接する横列２．２、２．４、．．．２．ｉのチューブ２の開口端部２０と同じ、積層体の横方向側部に配置されている。
【００６８】
図１に図示されている例では、偶数２．２、２．４、．．．２．ｉによる添え字ｉを有するそれぞれの隣接する横列は、その開口端部２０を見せており、一方、奇数２．１、２．３、．．．２．ｉ−１．．．による添え字ｉ−１を有するそれぞれの隣接する横列は、その非貫通端部２１、３を見せているということを理解することが可能である。また、図１に図示されているように、それぞれの隣接する横列は、２０本の直線的なチューブ２と等しい数から構成されており、積層体は、２０個の横列２．１、２．２、２．３．．．２．２０の直線的なチューブと等しい数から構成されている。
【００６９】
図１に図示されている例では、２つの隣接する横列２．１、２．２、．．．２．ｉ−１、２．ｉ（すなわち、積層体の中で互いに接触している）は、上記のように逆さま向き合わせに位置付けされている。また、１グループの横列の逆さま向き合わせの位置決めを提供することも可能であり、それぞれのグループは、同じ配向に重ね合わせられた複数の隣接する横列から形成されている。したがって、例えば、２つの横列２．１、２．３のグループを提供することが可能であり、２つの横列２．１、２．３のグループは、互いの上部に交互に積層され、２つの横列２．２、２．４のグループと逆さま向き合わせに位置付けされ、そして、２つの横列２．２、２．４のグループは、互いの上部に積層される。
【００７０】
また、積層体の長手方向に、すなわち、積層方向Ｚに対して直角に、他の横列２．２、２．４、．．．２．ｉに対して、横列２．１、２．３、．．．２．ｉ−１をオフセットすることが実施され、積層体のそれぞれの横方向側部において、チューブの非貫通端部２１、３とチューブの開口端部２０との間にギャップを生成するようになっている。
【００７１】
図１に図示されている例では、生成されるギャップは、すべて等しい値である。例えば、オフセットによって得られる前記ギャップの値は、３ｍｍに等しい。
【００７２】
ステップｅ／：  したがって、それぞれ、チューブ２の積層体の長手方向側部の上に金属製ケーシング４を位置決めし、オフセットされたチューブの非貫通端部３（それぞれの中にはギャップが形成されている）の端に金属製ストリップ５を位置決めすることによって、積層体のカプセル化が作り出される。
【００７３】
図１に図示されている例では、金属製ケーシング４は、４つの金属プレート４０、４１、４２、４３から構成されており、積層体の上側および下側末端プレートをそれぞれ形成する２つの４０、４２を含み、他の２つの４１、４３は、積層体の閉鎖プレートを構成している。貫通開口部４４が、ケーシング４のプレートの１つの中へ穴開けされている。
【００７４】
例として、前記４つのプレート４０、４１、４２、４３は、３１６Ｌステンレス鋼から作製されており、それぞれ、４ｍｍの厚さを有している。
【００７５】
また、例として、すべての金属製ストリップ５は同一であり、作り出されたオフセットギャップに対して等しい厚さのものである。それらは、３１６Ｌステンレス鋼から作り出すことが可能である。
【００７６】
図１に図示されているように、貫通開口部４４は、上側末端プレート４０の中に作り出されている。
【００７７】
ステップｆ／：  すべてのパーツが清浄された後に、ケーシング４、それぞれのストリップ５、および、それぞれのチューブ２の開口端部２０の周辺部で溶接が実施され、チューブの開口端部２０を自由にしたまま、カプセル化された積層体の内部をシールするようになっている。溶接シームは、典型的に、ＴＩＧ溶接によって作り出され、積層体が完全にシールされるようにする。したがって、有利には、溶接シームは、４つの金属プレート４０、４１、４２、４３の重複シーム４００に沿って、対になって作り出され、さらに、溶接シームは、ストリップ５に沿って作り出され、最後に、さらに、溶接シームは、チューブ２の開口端部２０のインターフェースライン２００の上に、対になって作り出される。
【００７８】
ステップｇおよびｈ／：  シール溶接孔部（図示せず）が、貫通開口部４４の中に固定される。固定は、ＴＩＧ溶接によって実施することが可能である。例として、シール溶接孔部は、６ｍｍの内径を有することが可能である。
【００７９】
積層体の内部のガス抜きが、シール溶接孔部を介して実施され、次いで、シール溶接孔部の実際のシール溶接、すなわち、そのピンチング（ｐｉｎｃｈｉｎｇ）が実施され、ガス抜きされた積層体の内部を外側に対してシールされるようにする。
【００８０】
ステップｉ／：  ステップｇ／およびｈ／によるガス抜きおよびシール溶接の後に、ＨＩＰサイクルが、高い圧力で積層体に適用され、それは、１０８０℃まで加熱すること、２時間で１０００バールに加圧すること、２時間にわたり温度および圧力のレベルを維持すること、および、次いで、５時間で同時に冷却および減圧することを含む。このＨＩＰサイクルの間に、ガスが、その開口端部２０を介してすべてのチューブ２の中へ浸透するが、溶接されたストッパー３に起因して、ならびに、ケーシング４、それぞれのストリップ５、および、チューブ２のそれぞれの開口端部２０の周辺部の上に作り出されたシーリング溶接に起因して、積層体のパーツ同士の間のインターフェースには侵入しない。
【００８１】
ステップｊ／：  ステップｉ／に続いて起こるこの随意的なステップは、モジュールを形成するコンポーネントの金属材料の特性を回復させるように設計された熱処理をモジュールに適用することから成る。有利には、それは、３１６Ｌ鋼の特性を回復させるように設計された急速焼き入れの熱処理とすることが可能である。
【００８２】
ステップｋ／：  次いで、シール溶接孔部が、例えば、機械的な手段によって除去される。
【００８３】
方法のこの段階で、概して平行六面体形状の中間ブロックが得られる。例として、そのようなブロックは、２つの正方形の面を備える直方体とすることが可能である。そのようなブロックの寸法Ｌ×Ｗ×Ｈは、４０５ｍｍ×１２８ｍｍ×１２８ｍｍとすることが可能である。
【００８４】
ステップｌ／：  それぞれの横列の平面で、および、積層体の横方向側部の付近で、少なくとも１つの閉鎖プレート４１を通して、および、それぞれの横列２．１、２．２、．．．２．ｉのチューブ２の壁部を通して、反対側の閉鎖プレート４３に対抗して位置するチューブ２の壁部を除いて、横断方向の穴開けが実施される。
【００８５】
積層体の端部に溶接されている全部の金属製ストリップ５を残したまま、穴開け作業が実施される。実施される穴開け作業は、中実ストッパー３を部分的にまたは完全に取り除くことが可能である。結果として、金属製ストリップ５の厚さは、ストッパー３のすべてまたはいくつかによって提供される過度の厚さを有することなく、とりわけ、圧力に対する十分な機械的な抵抗力を、得られる交換器に最終的に与えるように選択される。例として、穴開けは、機械的な加工によって実施することが可能である。
【００８６】
図１Ｂに図示されているように、穴開け作業が実施されると、同じ横列２．１、２．２、．．．２．ｉのチューブ２のすべてが、オリフィス２２を介して互いに連通し、オリフィス２２は、チューブ２の軸線Ｘに対して横断方向に延在しており、関連する横列の金属製ストリップ５の付近で閉鎖プレート４１に穴開けされた同じオリフィス４１０の上に開口している。
【００８７】
図１Ｂに図示されているように、オリフィス２２および４１０は、長方形断面の細長いスロットとすることが可能である。
【００８８】
したがって、穴開けが実施されると、閉鎖プレート４１に穴開けされているオリフィス４１０のすべて、および、その上のステップｂ／からｄ／の間に同じ配向に位置付けされた１グループの横列２．１、２．３、．．．２．ｉ−１または２．２、２．４、．．．２．ｉのオリフィス２２が整合され、縦列を形成する。
【００８９】
換言すれば、１つの縦列において、２つの隣接するオリフィス４１０は、ステップｂ／からｄ／の間に逆さま向き合わせに位置付けされ、この点において穴開けされていないチューブ２の横列の厚さに等しい高さだけ、互いから分離されている。
【００９０】
したがって、穴開けが実施されると、オリフィス２２、４１０の２つの縦列が得られ、積層体の長手方向側部へ開口し、それぞれが、その２つの横方向側部のうちの１つの付近に配置される。
【００９１】
図１Ｂに図示されている例では、オリフィス２２、４１０の縦列は、積層体の一方の横方向側部の付近で閉鎖プレート４１を通して開口しており、他方の縦列は、積層体の他方の横方向側部の付近で、閉鎖プレート４１の反対側の閉鎖プレート４３を通して開口している。
【００９２】
代替的に、当然のことながら、単一の閉鎖プレート４１だけを通して開口する穴開け領域２２、４１０を作り出すことが可能である。したがって、この変形例によれば、オリフィスの２つの縦列は、同じ閉鎖プレートを通して開口し、縦列のうちの一方は、積層体の一方の横方向側部の付近に配置され、反対側の他方の縦列は、積層体の他方の横方向側部の付近に配置される。
【００９３】
したがって、穴開けステップｌ／が実施されると、交換器モジュールの流体循環チャネルは、１つの横列のチューブ２によって長手方向に境界を定められ、ストリップ５によって、および／または、関係のある横列の中実ストッパー３によって、端部において境界を定められ、最後に、関係のある横列のオリフィス２２および４１０を介して横断方向に境界を定められる。
【００９４】
ステップｍ／：  流体コレクター６、７が、オリフィス２２、４１０のそれぞれの縦列の周りに、反対側に、金属製ケーシングに溶接されている。
【００９５】
図１Ｂに図示されているように、それぞれのコレクター６、７は、半円筒形状の閉じた部分６０、７０と、半円筒形状の部分の中へ開口するチューブ状の部分６１、７１開口部とからそれぞれ構成されている。
【００９６】
図１Ｂに図示されているように、半円筒形状の閉じた部分６０、７０は、閉鎖プレート４１、４３のうちの１つだけに溶接されている。
【００９７】
また、示されてはいないが、流体コレクターは、交換器モジュールの両方の側部の端において溶接され、チューブ２の開口端部２０の領域の中に流体を供給するようになっている。
【００９８】
ステップａ／からｍ／による方法に起因して、コンパクトであって、高い圧力でのＨＩＰ拡散溶接によって組み立てられる熱交換器モジュールが得られる。
【００９９】
例１／によるそのような熱交換器モジュールは、小さい寸法の流体循環チャネルを有するものとして考えることが可能である。
【０１００】
そのような熱交換器モジュールでは、それぞれの流体は、Ｌ字形状の経路をたどり、２つの流体のうちの一方から他方への熱伝達が、積層体の中の２つの隣接する横列の間で実施される。なぜなら、１つの流体が奇数のラインのチューブ２．１、２．３、．．．２．ｉの横列の中を循環し、一方、他方の流体が偶数のラインのチューブ２．２、２．４、…２．ｉの横列の中を循環するからである。
【０１０１】
そのような交換器モジュールは、並流型または向流型伝達モードにしたがって機能することが可能である。並流型伝達モードでは、流体のうちの一方が、積層体の一方の横方向側部から、チューブ２の開口端部２０を介して、モジュールに浸透し、他方の流体が、同じ横方向側部の付近で流体コレクター６または７を介して浸透する。向流型伝達モードでは、流体のうちの一方が、積層体の一方の横方向側部から、チューブ２の開口端部２０を介して、モジュールの中へ浸透し、他方の流体が、反対側の横方向側部の付近で、流体コレクター７または６を介して浸透する。
【０１０２】
したがって、閉鎖プレートのうちの一方に溶接されているコレクター６または７は、流体のうちの一方のための入口部コレクターまたは出口部コレクターとすることが可能である。
【実施例２】
【０１０３】
ステップａ／：  熱交換器は、すべて互いに同一である複数の金属チューブ２の２つの回路によって作り出されている。
【０１０４】
図２Ａに最良に図示されているように、それぞれの金属チューブ２は、直線的であって、長手方向軸線Ｘを有しており、その長さの主要部２’にわたって円形断面であり、その開口端部２０および非貫通端部３は、正方形断面である。
【０１０５】
図示されている例では、開口端部２０は、チューブの円形断面を引き抜きすることによって形成される。非貫通端部は、中実ストッパー３のＴＩＧ溶接によって作り出される。前記中実ストッパー３は、正方形セクション３０を含み、正方形セクション３０は、その溶接の前に、円形直線部２’の端部２１に位置付けされている円形チューブ状のセクション３１によって拡張されており、非貫通端部３を作り出す。
【０１０６】
例として、製造されたチューブ２は、３１６Ｌステンレス鋼から作製され、１２７．５ｍｍの長さにわたって、１ｍｍの壁部厚さ、および、外径４ｍｍの円形セクション２’を有しており、それには、４ｍｍの長さにわたって正方形幾何学形状４ｍｍ×４ｍｍで引き抜きすることによって形成された開口端部２０が加えられており、正方形断面と円形断面との間の移行ゾーンは、４ｍｍになっている。また、例として、ニッケルから作製されている中実ストッパー３は、４ｍｍの長さにわたる４ｍｍ×４ｍｍの正方形セクション３０と、正方形セクション３０と円形セクション３１との間の４ｍｍの移行ゾーン、および、５ｍｍの長さにわたる直径４ｍｍの円形セクションを有している。全体長さは、１３５．５ｍｍである。
【０１０７】
したがって、その長さの主要部にわたる円形断面のそれぞれの金属チューブ２は、以下に説明されているように、交換器の流体循環チャネルを画定している。
【０１０８】
また、ステップｂ／からｄ／が、例１／のときのように実施され、積層されたチューブ１グループ当たりに単一の横列が、他方のグループの単一の横列と交互になっている。
【０１０９】
それとは対照的に、この例２では、１つの横列の金属チューブ２が、それらの正方形セクションによって一緒に接合されており、隣接する横列のものも、それらの正方形セクションによって一緒に接合されている。
【０１１０】
図２に図示されている例では、それぞれの横列は、５つの直線的なチューブ２に等しい数から構成されており、積層体は、４つの横列の直線的なチューブに等しい数から構成されている。
【０１１１】
図２に図示されている例では、生成されるギャップは、すべて等しい値である。例えば、オフセットすることによって得られるこれらのギャップの値は、２ｍｍである。
【０１１２】
また、図２に図示されているように、例２／は、隣り合っている２つのチューブ２の間に残されたスペースの中に個別に挿入されたワイヤー８、９の存在によって、例１／から区別されている。
【０１１３】
ワイヤー８は、非常に良好な熱導体の材料から作製されている。それらは、有利には、銅から作製することが可能である。例として、ワイヤー８は、１２２ｍｍの長さにわたって、１ｍｍの直径を有している。
【０１１４】
ワイヤー９は、これらのワイヤー８のそれぞれの拡張部において、および、中実ストッパー３の側部において挿入され、その機能は、化学的な手段によって中実ストッパー３を溶解させる後続のステップの場合に、ワイヤー８を保護することとなる。これらのワイヤー９は、例えば、３１６Ｌステンレス鋼から作製することが可能である。例として、それぞれのワイヤー９は、１０ｍｍの長さにわたって、１ｍｍの直径を有している。
【０１１５】
ステップｅ／が、例１／のときのように実施され、それぞれ、チューブ２の積層体の長手方向側部の上に金属製ケーシング４を位置決めし、形成されているそれぞれのギャップの中に、チューブのオフセットされた非貫通端部３の端に金属製ストリップ５を位置決めすることによって、積層体のカプセル化を伴う。
【０１１６】
例として、図２／の例２／の４つのプレート４０、４１、４２、４３は、３１６Ｌステンレス鋼から作製されており、それぞれは、４ｍｍの厚さを有している。例１／のときのように、シール溶接孔部を収容するための貫通開口部が、上側プレート４０の中へ穴開けされている。例として、シール溶接孔部は、６ｍｍの内径を有している。
【０１１７】
また、例として、金属製ストリップ５のすべては同一であり、作り出されたオフセットギャップに等しい厚さになっている。それらは、３１６Ｌステンレス鋼から作り出すことが可能である。
【０１１８】
また、図２に図示されているように、例２／は、ＨＩＰステップｉ／の前に２つの閉鎖プレート４１、４３の中に穴開けされたオリフィス４１０の存在によって、例１／から区別されている。したがって、前記オリフィス４１０は、チューブ２のそれぞれの横列の両方の反対側の側部に穴開けされているが、中実ストッパー３の反対側だけに穴開けされている。穴開けによって作り出された前記オリフィス４１０のそれぞれの内側には、有利には相補的な形状のスタッド１０が挿入される。
【０１１９】
前記スタッド１０の機能は、ＨＩＰステップｉ／の間にオリフィス４１０の内部スペースを充填すること、および、化学的な手段によって溶解することによって、取り除かれることができるということである。
【０１２０】
前記スタッド１０は、好ましくは、中実ストッパー３と同じ材料から作製されている。それらは、有利には、ニッケルから作製されている。
【０１２１】
この例２／では、カプセル化ケーシングは、金属製ストリップ１１を含み、金属製ストリップ１１は、オリフィス４１０の中に収容されたスタッド１０をカバーする閉鎖プレート４１、４３に対抗して位置している。例として、ストリップ１１は、３１６Ｌステンレス鋼から作製されている。
【０１２２】
溶接ステップｆ／は、積層体のコンポーネントのそれぞれを清浄した後の例１／のときのように実行され、また、溶接シームによって、好ましくは、ＴＩＧ溶接によって、閉鎖プレート４１、４３の上の金属製ストリップ１１のそれぞれの周りに作り出され、また、積層体を完全にシールされた状態にする。
【０１２３】
ステップｈ／が、例１／のときのように実施される。
【０１２４】
ステップｉ／が、ＨＩＰサイクルを積層体に適用することによって実施され、ＨＩＰサイクルは、１０４０℃まで加熱すること、２時間にわたり１０００バールに同時に加圧すること、２時間にわたり温度および圧力のレベルを維持すること、次いで、５時間にわたり冷却および減圧することを含む。この作業の間、ガスが、それらの開口端部２０を介してチャネルの中へ浸透し、それは、チューブ２とワイヤー８との間に位置付けされているギャップの取り除きによって、それらの円形断面の幾何学形状をわずかに修正する結果を有する。
【０１２５】
３１６Ｌ鋼の特性を回復させるように設計された急速焼き入れの熱処理のステップｊ／が、必要である場合には、例１／のときのように実施される。
【０１２６】
ステップｋ／が、例１／のときのように実施されるが、金属製ストリップ１１なしで、好ましくは機械加工によって実施され、それは、化学的な手段を介して溶解されることが可能な材料（例えば、ニッケルなど）から作製された中実ストッパー３およびスタッド１０をアクセス可能にする効果を有する。
【０１２７】
ステップｌ／：  ここで、積層体が、硝酸の溶液槽の中に浸漬され、それは、すべての中実ストッパー３およびスタッド１０を溶解させる効果を有し、したがって、金属製ストリップ５を適切な場所に残しながら、チューブの端部が、それぞれの横列の平面において、横断方向に開口されることを可能にする。したがって、それぞれの横列の端部におけるシールは、溶接された金属製ストリップ５によって確保される。積層体の浸漬のこのステップの間に、ワイヤー９（例えば、３１６Ｌ鋼から作製されている）は、硝酸が熱導体ワイヤー８（例えば、銅から作製されている）（また、それは、拡散によってチューブ２に溶接されている）に到達することを防止する。
【０１２８】
溶接のステップｍ／が、例１／のときのように実施されるが、ここで、１つの回路ごとに２つの流体コレクターが、それぞれ反対側に、および、縦列のオリフィス４１０の周りに取り付けられている。したがって、この場合では、１つの流体回路に対して、２つのコレクターが、互いに反対側に、および、積層体の両方の側部に溶接されている。
【０１２９】
ステップａ／からｍ／による方法に起因して、コンパクトであって、高い圧力でのＨＩＰ拡散溶接によって組み立てられる熱交換器モジュールが得られる。
【０１３０】
例２／によるそのような熱交換器モジュールは、熱導体ワイヤー９（それは、積層体の内側にあり、拡散によってチャネルに溶接されている）の存在によって、小さい寸法の流体循環チャネル、および、改善された熱的性能を有するものとして考えることが可能である。
【実施例３】
【０１３１】
ステップａ／：  ２つの異なるタイプの複数の金属チューブ２Ａ、２Ｂの２つの回路を備える熱反応器−交換器である。
【０１３２】
図３に図示されているように、より大きい断面のチューブ２Ａが、反応器の反応部を構成し、一方、より小さい断面のチューブ２Ｂが、ユーティリティー部と通常呼ばれる部分を構成している。
【０１３３】
図３に最良に図示されているように、それぞれの金属チューブ２Ａは、直線的であり、その全体長さにわたって円形断面であり、開口端部２０が、製造後に残されており、その端部のうちの他方の端部２１が、また円形断面の中実ストッパー３Ａによってシールされた様式で閉じられている。換言すれば、完成すると、それぞれの直線的なチューブ２Ａは、その端部のうちの一方の端部２０Ａで開口しており、反対側の端部２１Ａ、３Ａで非貫通になっている。
【０１３４】
例として、製造されたチューブ２Ａは、３１６Ｌステンレス鋼から作製され、４５０ｍｍの長さにわたって、１２ｍｍの外径を有し、１ｍｍの壁部厚さを有している。また、例として、中実ストッパー３Ａは、ニッケルペレットであり、チューブ２Ａの端部２１Ａにおいて、ＴＩＧ溶接によって溶接されている。例として、ペレット３Ａは、４ｍｍの厚さのものであり、２ｍｍまで低減する。
【０１３５】
それぞれのチューブ２Ｂは、直線的であり、その全体長さにわたって正方形断面であり、開口端部２０Ｂが、製造後に残されており、その端部のうちの他方の端部２１Ｂが、また正方形断面の中実ストッパー３Ｂによってシールされた様式で閉じられている。
【０１３６】
例として、製造されたチューブ２Ｂは、３１６Ｌステンレス鋼から作製され、４５０ｍｍの長さにわたって、４ｍｍ×４ｍｍの正方形断面を有し、１ｍｍの壁部厚さを有している。また、例として、中実ストッパー３Ｂは、ニッケルから作製され、チューブ２Ｂの端部２１Ｂにおいて、ＴＩＧ溶接によって溶接されている。例として、中実ストッパー３Ｂは、４ｍｍ×４ｍｍ×２２ｍｍの寸法を有しており、２ｍｍまで低減する。
【０１３７】
ステップｂ／からｄ／：  ここでは、円形断面のチューブ２Ａのグループの単一の横列２．３が、正方形断面のチューブ２Ｂのグループの２つの横列２．１、２．２と交互に積層されているので、それらは、例１／および２／のものとは異なっている。
【０１３８】
換言すれば、図３に図示されているように、正方形断面のチューブ２Ｂの２つの横列２．１、２．２は、互いの上部に積層されており、両方とも、逆さま向き合わせの位置決めで、円形断面のチューブ２Ａの単一の横列２．３と交互に積層されている。
【０１３９】
図３に図示されているように、同じ横列２．３の円形断面のチューブ２Ａの端部２０Ａおよび２１Ａは、正方形に形成されており、それぞれが、正方形断面の端部ピース１２、１３の内側に圧入されている。好ましくは、端部ピース１２、１３は、円形断面のチューブ２Ａと同じ材料（例えば、３１６Ｌステンレス鋼）から作製されている。
【０１４０】
したがって、この例３では、１つの横列のチューブ２Ａは、端部ピース１２、１３の壁部厚さに起因して、完全に一緒に接合されてはいない。
【０１４１】
また、図３に図示されているように、円形断面の直線的なチューブ２Ａのグループのそれぞれの横列は、１０本のチューブに等しい数から構成されており、正方形断面の直線的なチューブ２Ｂのグループのそれぞれの横列は、３２本のチューブに等しい数から構成されている。
【０１４２】
円形断面の直線的なチューブ２Ａのグループのそれぞれの横列は、２つの有利には同一の溝付きプレート１４、１５の間に挿入されている。前記２つの溝付きプレート１４、１５は、１つの横列のチューブ２Ａの周りで半割シェルとしての役割を果たす。換言すれば、同じ横列の直線的なチューブ２Ａの周りに位置付けされているので、プレート１４、１５の溝部は、円形断面それぞれの直線的なチューブ２Ａの形状を個別に支持している。
【０１４３】
したがって、図３に図示されているように、積層体の中において、２つの溝付きプレート１４、１５は、円形断面のチューブ２Ａの１つの横列２．３に接触することによってカプセル化し、正方形断面のチューブ２Ｂのグループの隣接する横列２．２とそれぞれ表面接触している。
【０１４４】
溝付きプレート１４、１５は、非常に良好な熱導体の材料から作製されている。有利には、それらは、銅合金ＣｕＣｒＺｒから作製することが可能である。
【０１４５】
好ましくは、プレート１４、１５は、積層体の中で、すべて互いに同一である。
【０１４６】
例として、溝付きプレート１４または１５は、７ｍｍの厚さを有し、１２．７ｍｍのピッチで作り出された１２．２ｍｍの直径を有する溝部を有している。
【０１４７】
したがって、例として、円形断面のチューブ２Ａの横列の寸法は、４５２ｍｍ×１２８ｍｍ×１４ｍｍである。
【０１４８】
例として、および、上記に示された数字の付されたデータと比較すると、正方形断面のチューブ２Ｂのグループの互いの上部に積層されている２つの横列２．１、２．２の寸法は、４７０ｍｍ×１２８ｍｍ×８ｍｍである。
【０１４９】
したがって、正方形断面のチューブ２Ｂのグループの横列２．１、２．２は、円形断面のチューブ２Ａのグループの横列２．３よりも１８ｍｍだけ長い。
【０１５０】
したがって、図３に図示されている例では、円形断面のチューブ２Ａの非貫通端部２１Ａ、３Ａに生成されるギャップは、正方形断面のチューブ２Ｂの非貫通端部２１Ｂ、３Ｂのギャップよりも大きい値を有している。
【０１５１】
ここで、円形断面のチューブ２Ａの非貫通端部２１Ａ、３Ａにおいて、および、正方形断面のチューブ２Ｂの非貫通端部２１Ｂ、３Ｂにおいて、異なる値のギャップを充填するために、バー１６が、円形断面のチューブ２Ａのそれぞれの非貫通端部２１Ａ、３Ａの端部に加えられている。バー１６は、化学的な手段によって溶解させることが可能な材料から作製されている。例として、それは、ニッケルから作製されている。その寸法は、１８ｍｍ×１２８ｍｍ×１４ｍｍとすることが可能である。
【０１５２】
ステップｅ／：  これは、例１／のときのように実施され、それぞれ、チューブ２Ａ、２Ｂの積層体の長手方向側部の上に金属製ケーシング４を位置決めするが、チューブ２Ａおよび２Ｂそれぞれのオフセットされた非貫通端部３の端に異なる高さの金属製ストリップ５Ａおよび５Ｂを位置決めすることによって、積層体のカプセル化を伴う。
【０１５３】
例として、図３／の例３／の４つのプレート４０、４１、４２、４３は、３１６Ｌステンレス鋼から作製されており、それぞれは、４ｍｍの厚さを有している。すべて例１／のときのように、上側プレート４０は、シール溶接孔部を収容する貫通開口部によって穴開けされている。例として、シール溶接孔部は、６ｍｍの内径を有している。
【０１５４】
例として、金属製ストリップ５Ａは、１０ｍｍ×１２８ｍｍ×１４ｍｍの寸法を有しており、金属製ストリップ５Ｂは、１０ｍｍ×１２８ｍｍ×８ｍｍの寸法を有している。
【０１５５】
溶接ステップｆ／が、積層体のコンポーネントのそれぞれを清浄した後の例１／および２／のときのように実施され、また、溶接シームによって、好ましくは、ＴＩＧ溶接によって、それぞれの端部１２、それぞれのストリップ５Ａおよび５Ｂ、ならびに、円形断面のチューブの開口端部２０Ａのそれぞれの周りに作り出され、積層体完全にシールされた状態にする。
【０１５６】
ステップｉ／が、ＨＩＰサイクルを積層体に適用することによって実施され、ＨＩＰサイクルは、１０４０℃まで加熱すること、２時間にわたり１０００バールに同時に加圧すること、３時間にわたり温度および圧力のレベルを維持すること、次いで、５時間にわたり同時に冷却および減圧することを含む。この作業の間、ガスが、それらの開口端部２０Ａ、２０Ｂを介してチューブ２Ａ、２Ｂ浸透するが、ストリップ５Ａ、５Ｂおよび周辺のシーリング溶接部に溶接されている中実ストッパー３Ａ、３Ｂに起因して、積層体のコンポーネント同士の間のインターフェースには侵入しない。
【０１５７】
熱処理ステップｊ／は、急速焼き入れ処理から成り、銅合金ＣｕＣｒＺｒおよび３１６Ｌ鋼の溶解を同時に可能にし、ＣｕＣｒＺｒの時効処理が後に続く。
【０１５８】
ステップｋ／が、例１／のときのように実施される。
【０１５９】
ステップｌ／：  例１／のときのように、少なくとも１つの閉鎖プレート４１が、一方では、バー１６および中実ストッパー３Ａの反対側に、ならびに、他方では、中実ストッパー３Ｂの反対側に、機械加工によって穴開けされている。
【０１６０】
したがって、積層体が、例２のときのように硝酸の溶液槽の中に浸漬され、それは、すべての中実ストッパー３Ａおよび３Ｂならびにバー１６を溶解させる結果を有し、したがって、金属製ストリップ５Ａ、５Ｂを適切な場所に残しながら、チューブ２Ａ、２Ｂの端部が、それぞれの横列の平面において、横断方向に開口されることを可能にする。したがって、それぞれの横列の端部におけるシールは、溶接された金属製ストリップ５Ａまたは５Ｂによって確保される。積層体の浸漬のこのステップの間に、端部ピース１２、１３（例えば、３１６Ｌ鋼から作製されている）は、硝酸が溝付きプレート１４、１５に到達することを防止し、溝付きプレート１４、１５は、非常に良好な熱導体であり、例えば、ＣｕＣｒＺｒから作製されており、また、拡散によってチューブ２Ａおよび２Ｂに溶接されている。スタティックミキサーを反応チューブ２Ａの中へ挿入することが可能である。
【０１６１】
溶接ステップｍ／が、例１／のときのように実施される。
【０１６２】
ステップａ／からｍ／による方法に起因して、コンパクトであって、高い圧力でのＨＩＰ拡散溶接によって組み立てられる熱交換器−反応器モジュールが得られる。
【０１６３】
例３／によるそのような熱交換器モジュールは、プレート１４、１５（それは、非常に良好な熱導体であり、拡散によってチャネルに溶接されており、好ましくは反応チャネルを構成する円形断面のチューブ２Ａを取り囲んでいる）の存在によって、小さい寸法の流体循環チャネル、改善された熱的性能、および、連続的な反応を有するものとして考えることが可能である。
【０１６４】
当然のことながら、本発明は、説明されている変形例、ならびに、例示目的および非限定的な例として提供されている実施形態に限定されない。
【０１６５】
したがって、また、例えば、円形、正方形、長方形、六角形の断面、または、所望の交換器の用途に適切な任意の他の断面幾何学形状のチューブが使用され、流体循環チャネルを作り出すことも可能である。また、チューブは、ジグザグ形状などの幾何学形状を有することも可能であり、すべてが、細長い形状、および、直線的なセクションの端部を有しており、この場合では、追加的な金属製ストリップをチューブの横列の両方の側部に加えることが可能であり、その間のスペース、および、金属カプセル化ケーシングを構成する金属プレート同士の間のスペースを充填するようになっている。
【０１６６】
チューブの開口端部は、現在の長さの断面幾何学形状とは異なる断面幾何学形状に適合された任意の手段によって形状付けされ、または、穴開けされたストッパーに溶接することが可能であり、例３／のときのようにチューブをクランプするプレートの存在または不存在に応じて、および、チューブを形状付けする設備に応じて（材料の性質、壁部厚さなど）、溶液が保持される。
【０１６７】
チューブの非貫通端部は、ピンチングによって、ストッパー、ペレットの溶接によって、または、任意の他の適切な手段によって得ることが可能である。
【０１６８】
例３／に示されているように、流体回路のそれぞれのためのチャネルのサイズは、輸送されることとなる流体の性質および特性、ロード（ｌｏａｄ）の許容損失、ならびに、所望の流量にしたがって、異なるものとすることが可能である。同じ回路の循環チャネルのいくつかの（少なくとも２つの）横列は、交換器の機能性（例えば、熱交換、または、流体のうちの１つの流量）を最適化する目的とともに積層することが可能である。
【０１６９】
隣り合って配置されているチューブ同士の間のスペースは、自由状態に残しておくことが可能であり（この場合には、ＨＩＰの間にチューブわずかな膨張が存在することが可能である）、または、固体材料（例２のワイヤー８、９、および、例３の溝付きプレート１４、１５）または粉末材料の使用によって、全体的にまたは部分的に充填することが可能である。これらのスペースを充填する可能性によって得られる利点は、一方では、ＨＩＰステップｉ／の間に破壊するリスクなしに、円形断面のチューブを使用する可能性であり、ならびに、他方では、異なる材料をコンポーネントの中へ挿入し、例２／および３／のときのように、その機能（例えば、熱交換性能）のうちの１つを改善するか、または、チューブを構成する材料よりも機械的に強い材料を挿入することによって機械的な強度を改善するようになっている可能性である。
【０１７０】
図示されている例１／から３／は、具体的には２つの流体回路を有する交換器に関連しているが、端部のうちの一方でシールされたチューブを含む追加的な横列を積層体の中に挿入することによって、３つ以上の流体回路を備える交換器を製造することが可能である。
【０１７１】
図示されている例１／から３／では、金属製カプセル化ケーシングは、４つのプレートから構成されているが、事前に製造されたコンテナによってそれを交換することが可能であり、シーリング溶接を簡単化する利点を伴う。そして、前記コンテナは、スリーブを形成し、その中にチューブの横列が事前に積層される。
【０１７２】
図示されている例１／では、２つのコレクターが、積層体の両方の側部に配置されているが、同じ閉鎖プレート４１または４３の上にそれらを配置ことも可能である。
【０１７３】
例３／では、反応部（円形断面のチューブ２Ａ）の流体回路にスタティックミキサーを装備することが完全に可能であり、その幾何学形状は、チューブ２Ａの中の反応物質の最も効果的混合にとって適切になっている。そのようなミキサーは、本発明によるＨＩＰステップｉ／の後に、チューブ２Ａの中へ個別に挿入することが可能である。その固定は、例えば、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接などによって実施することが可能である。
【０１７４】
ステップｄ／に到達するために、チューブは、チューブごとに、または、グループの横列ごとに設置することが可能である。
【０１７５】
本発明の方法により得られる熱交換器モジュールは、例えば、フランジを使用することによって、または、流体を供給するためのパイプを溶接することによって、互いに組み立てることが可能である。したがって、一緒に接続されているいくつかのモジュールを備える熱交換器システムを作り出すことが可能であり、その中では、交換が、モジュールごとの異なる平均温度または温度差（それらは、材料の中の熱応力を低下させるのに十分に低減されている）で、いくつかのステップで実施される。例えば、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達することが望ましい熱交換器の場合に、モジュラー交換器システムを考えることが可能であり、モジュラー交換器システムでは、それぞれのモジュールが、第１の流体の温度が所与の値だけ低減されることを可能にし、したがって、より大きい温度差を有する単一のモジュールを備える設計に対して応力を限定している。これを実現するために、第２の流体の入口温度は、モジュールごとに異なることが可能である。さらなる例では、反応器−交換器モジュールシステムは、複雑な化学反応が段階的に実施されることを可能にし、それぞれの段階で反応温度を正確に制御し、リスクを最小化し、効率を最大化する。
【０１７６】
また、いくつかのモジュールを備える熱交換器のシステムは、メンテナンスのコストが低減されることを可能にし、故障したモジュールの別々の交換を可能にし、または、モジュールを標準化することによって製造のコストが低減されることも可能にする。
【０１７７】
引用文献
［１］  Ｆｕｓｉｏｎ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｆｉｒｓｔ  ｗａｌｌ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  Ｇ．Ｌｅ  Ｍａｒｏｉｓ、Ｅ．Ｒｉｇａｌ、Ｐ．Ｂｕｃｃｉ、（Ｆｕｓｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ第６１〜６２頁（２００２）１０３−１１０  Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｂ．Ｖ）
【符号の説明】
【０１７８】
１  熱交換器モジュール
２  金属チューブ
２’  主要部、円形直線部、円形セクション
２．１、２．３、．．．２．ｉ−１  奇数のラインのチューブ
２．２、２．４、．．．２．ｉ  偶数のラインのチューブ
２Ａ  金属チューブ
２Ｂ  金属チューブ
３  中実ストッパー、非貫通端部
３Ａ  中実ストッパー
３Ｂ  中実ストッパー
４  金属製ケーシング
５  金属製ストリップ
５Ａ  金属製ストリップ
５Ｂ  金属製ストリップ
６  流体コレクター
７  流体コレクター
８  ワイヤー
９  ワイヤー
１０  スタッド
１１  金属製ストリップ
１２  端部ピース
１３  端部ピース
１４  溝付きプレート
１５  溝付きプレート
１６  バー
２０  開口端部
２０Ａ  開口端部
２０Ｂ  開口端部
２１  非貫通端部
２１Ａ  非貫通端部
２１Ｂ  非貫通端部
２２  オリフィス
３０  正方形セクション
３１  円形セクション
４０  金属プレート
４１  金属プレート
４２  金属プレート
４３  金属プレート
４４  貫通開口部
６０  半円筒形状の閉じた部分
６１  チューブ状の部分
７０  半円筒形状の閉じた部分
７１  チューブ状の部分
２００  インターフェースライン
４００  重複シーム
４１０  オリフィス
【図１】
2015512503.tif 000003
【図１Ａ】
2015512503.tif 000004
【図１Ｂ】
2015512503.tif 000005
【図２】
2015512503.tif 000006
【図２Ａ】
2015512503.tif 000007
【図２Ｂ】
2015512503.tif 000008
【図２Ｃ】
2015512503.tif 000009
【図３】
2015512503.tif 000010
【国際調査報告】
2015512503.tif 000011
2015512503.tif 000012
2015512503.tif 000013
2015512503.tif 000014
2015512503.tif 000015
2015512503.tif 000016