(57)【要約】  本発明は、平行なプレートおよび平行に配置されたスペーサーを含み、熱を交換するように配置されたｉ）粗い一次チャネル（２１）およびｉｉ）二次チャネルを画定する熱交換器に関する。前記熱交換器は、一次液体ディスペンサーに流体的に接続される一次液体入口を含む。それぞれの粗い一次チャネル（２１）は、多角形の断面を有し複数の実質的に平坦な面からなる角柱の形状を有する。一次チャネルは粗い一次チャネルを含む。それぞれの粗い一次チャネル（２１）は、チャネル全体の長さに沿って分布し１μｍ〜３００μｍの間の寸法を有するミクロ構造要素（３０）を有する。【選択図】図３
2018511773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次液体（Ｏ２Ｌ）と二次流体（Ｎ２Ｇ）との間で熱の交換を引き起こすための熱交換器（１）であって、：
互いに平行に配置された数枚のプレート（１１）と、
ｉ）前記一次液体（Ｏ２Ｌ）の流れに適合した一次チャネル（２１、１２１、２２１、３２１）、およびｉｉ）前記二次流体（Ｎ２Ｇ）の流れに適合した二次チャネル（２２）を画定するように、前記プレート（１１）間に延在し、互いに平行に配置されたスペーサー（１２）であって、それぞれの一次チャネル（２１）が、少なくとも１つのそれぞれの二次チャネル（２２）との前記熱の交換が可能なように配置されるスペーサー（１２）と、
一次液体分配器（Ｏ２Ｌ）に流体的に連結するよう意図された一次液体入口（１４）とを含み、
それぞれの一次チャネル（２１）が多角形断面を有する全体的に角柱の形状を有し、前記角柱はいくつかの全体的に平坦な面から構成されることと、
前記一次チャネルが粗い一次チャネルを含み、それぞれの粗い一次チャネル（２１）は、１μｍ〜３００μｍの間、好ましくは１μｍ〜１００μｍの間の寸法を有するミクロ構造要素（３０、１３０、２３０、３３０）を有することと、
前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・Ｒａ・ε
（式中：
ｒは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネル（２１）の実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネル（２１）の幾何学的表面との比であり、
Ｒａ（単位ｍ）は、中線に対する算術平均偏差であり、
εは、それぞれの粗い一次チャネル（２１）の実際の表面の空隙率である）
となるように構成されることとを特徴とする熱交換器（１）。
【請求項２】
それぞれの多角形断面が１ｍｍ〜１０ｍｍの間、好ましくは３ｍｍ〜７ｍｍの間の寸法（Ｈ２１、Ｗ２１）を有し、たとえばおおよその長さが５ｍｍであり、おおよその幅が１．５ｍｍである長方形の多角形断面を有する、請求項１に記載の熱交換器（１）。
【請求項３】
ミクロ構造要素が、それぞれの粗い一次チャネルの実質的に内部周囲全体にわたって分布する、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して、前記ミクロ構造要素（３０）が、前記粗い一次チャネル（２１）の表面の少なくとも８０％にわたって分布する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記ミクロ構造要素（３０）が互いに同様の寸法および互いに同様の形態を有し、前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・ｈ・ε
（式中、ｈ（単位ｍ）は、前記ミクロ構造要素（３０）の平均高さである）
となるように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項６】
前記ミクロ構造要素（３０）が均一に分布する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項７】
前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
【数１】
2018511773.tif 000014
（式中：
ｄ（単位ｍ）は、隣接するミクロ構造要素（３０）の中心間の平均距離であり、前記中心は、前記粗い一次チャネル（２１）の前記幾何学的表面上に位置し、
Ｐ（単位ｍ）は、前記ミクロ構造要素（３０）の断面の平均周囲長さである）
となるように構成される、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
【数２】
2018511773.tif 000015
となるように構成され、前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
【数３】
2018511773.tif 000016
（式中、Ｓ（単位ｍ２）は、前記微細構造の断面の平均表面積である）
となるようにも構成される、請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記ミクロ構造要素が不規則な形状を有し、前記ミクロ構造要素（３０）が不均一に、たとえば不規則に分布することもできる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記ミクロ構造要素（３０）が、前記それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
【数４】
2018511773.tif 000017
となるように構成される、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
それぞれの粗い一次チャネル（２１）が、前記粗い一次チャネル（２１）の少なくとも一部を除いて、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１２】
前記ミクロ構造要素（３０）が、長方形の底面の長辺（４４）上にのみ分布する、請求項６に記載の熱交換器（１）。
【請求項１３】
前記ミクロ構造要素（３０）が、それらの間に前記一次液体が流れる流路を画定する様に分布する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１４】
それぞれの粗い一次チャネル（２１）が１μｍ〜６０μｍの間の算術粗さＲａを有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１５】
それぞれの粗い一次チャネル（２１）が、その長さの少なくとも８０％にわたって分布するナノ構造要素を有し、それぞれのナノ構造要素が１ｎｍ〜５００ｎｍの間の寸法を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１６】
前記ミクロ構造要素（３０）が、それぞれの一次要素の表面の処理によって、たとえば陽極酸化、サンドブラスト、ショットブラスト、または化学エッチング、またはさらには粉末焼結、溶融金属噴射、レーザー、フォトリソグラフィ、またはロールがけ、刷毛塗り、もしくは印刷型の機械的エッチングによって形成される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１７】
前記熱交換器（１）が蒸発器−凝縮器を構成するために構成され、前記粗い一次チャネル（２１）の長さ（Ｌ２１）および前記二次チャネル（２２）の長さが、前記熱の交換によって、前記一次液体（Ｏ２Ｌ）を完全または部分的に気化させ、二次気体の形態で導入された前記二次流体（Ｎ２Ｇ）を完全にまたは部分的に凝縮させることが可能となるように決定される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１８】
前記熱交換器（１）の稼働中、前記一次液体入口（１４）が前記粗い一次チャネル（２１）よりも高い位置に配置され、それによって、前記一次液体分配器（Ｏ２Ｌ）によって前記一次液体（Ｏ２Ｌ）が膜の形態で導入され、重力によって前記少なくとも１つの一次液体入口（１４）から前記粗い一次チャネル（２１）の中まで流れる、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１９】
極低温技術によって気体を分離するための分離装置（２）であって、少なくとも１つの蒸発器−凝縮器を形成する請求項１３に記載の熱交換器を含み、前記蒸発器−凝縮器は、酸素含有液体と窒素含有気体との間で熱を交換できるように構成される、分離装置（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば酸素を含有する一次液体と、たとえば窒素を含有する二次流体との間の熱の交換に関する。さらに、本発明は、そのような熱の交換を含む極低温ガス分離装置に関する。
【０００２】
本発明は、一次液体と二次流体との間での熱交換が行われるように構成される熱交換器の分野に関する。特に、本発明は、極低温ガスの分離、特に、空気ガス、酸性気体、および天然ガスの分離の分野に適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
欧州特許出願公開第０１３０１２２Ａ１号明細書には、ｉ）一次チャネルおよびｉｉ）二次チャネルを画定する平行のプレート、平行のスペーサーと、分配器を介して一次液体浴に連結される入口とを一般に含む熱交換器が記載されている。一般に、それぞれの一次チャネルは、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有し、一次液体は、その角柱に沿って長方形の底面に対して直角の角度で循環する。
【０００４】
欧州特許出願公開第０１３０１２２Ａ１号明細書の熱交換器が稼働中の場合、一次チャネル中を循環する一次液体は、二次チャネル中を流れる二次流体と熱を交換する。極低温空気分離装置の場合、一次液体は酸素の大部分を含有し、二次流体は気体窒素の大部分を含有する。一次液体の流量は一次チャネル中では比較的少ない。
【０００５】
しかし、本出願において図１に示されるように、欧州特許出願公開第０１３０１２２Ａ１号明細書の一次チャネルは、横方向の寸法が小さく、この場合はミリメートル規模であり、そのため一次液体は、それぞれの平滑な一次チャネル５０の長方形の周囲５１全体にわたって均一に分布することはない。したがって、一次液体は、メニスカス５２を形成し、それぞれの平滑な一次チャネル５０の長方形の周囲５１の角５３に集中し、それによってそれぞれの平滑な一次チャネル５０の長方形の周囲５１の長辺５４上に乾燥ゾーンの発生が誘導される。
【０００６】
平滑な一次チャネルの出口に向かって流れる一次液体が気化するときに、乾燥ゾーンの数および表面積が増加する。したがって、これらの乾燥ゾーンは熱交換には使用されず、そのため熱交換器の効率が低下する。さらに、これらの乾燥ゾーンは、不純物の堆積を引き起こす危険性があり、これによって作業員および設備の安全性の低下が最終的に発生し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、特に、従来の形状を有する一次および二次チャネルを維持し、さらなる水頭損失を発生させずに、熱交換器の熱伝達および安全性を増加させることが可能な熱交換器を提供することによって、前述の問題を全体的または部分的に解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本発明の主題は、一次液体と二次流体との間での熱交換を引き起こすための熱交換器であり、この熱交換器は、少なくとも：
互いに平行に配置された数枚のプレートと、
ｉ）一次液体の流れに適合した一次チャネルおよびｉｉ）二次流体の流れに適合した二次チャネルを画定するように、プレート間に延在し、互いに平行に配置されたスペーサーであって、それぞれの一次チャネルが、少なくとも１つのそれぞれの二次チャネルとの熱交換が可能なように配置されるスペーサーと、
一次液体分配器に流体的に連結するよう意図された一次液体入口とを含み、
熱交換器は、それぞれの一次チャネルが多角形断面を有する全体的に角柱の形状を有し、角柱はいくつかの全体的に平坦な面から構成されることと、
一次チャネルが粗い一次チャネルを含み、それぞれの粗い一次チャネルは、１μｍ〜３００μｍの間、好ましくは１μｍ〜１００μｍの間の寸法を有するミクロ構造要素を有することと、
ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・Ｒａ・ε
（式中：
ｒは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネルの実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネルの幾何学的表面との比であり、
Ｒａ（単位ｍ）は、中線に対する算術平均偏差であり、および
εとは、それぞれの粗い一次チャネルの実際の表面の空隙率である）
となるように構成されることとを特徴とする。
【０００９】
比ｒは、「粗さ係数」または「粗さ」と呼ばれる場合もある。算術平均偏差Ｒａ（単位ｍ）は、粗い一次チャネルの粗さを表す。本出願において、用語「中線」は、実際の表面の平均高さに位置する線を意味する。実際には、中線は、最小二乗法を使用することによって、表面の断面プロファイルの地形記録から計算することができる。
【００１０】
本出願において、用語「表面の空隙率」は、以下のように計算される比に相当する：厚さが、この表面の最高ピークの高さ（最低点を基準とする）に等しい薄片を考慮する。この薄片上、空隙率εは、ミクロ構造要素によって占有されない体積の、薄片の全体積に対する比に相当する。この比は以下のように表され：
【００１１】
【数１】
2018511773.tif 000003
【００１２】
式中：
Ｖｔｏｔ（単位ｍ３）は、実際の表面の最高点と最低点との間に含まれる体積であり、
Ｖｓｕｒｆ（単位ｍ３）は、実際の表面と実際の表面の最低点との間に含まれる体積である。
【００１３】
したがって：
【００１４】
【数２】
2018511773.tif 000004
【００１５】
であり、式中：
Ｒｚは、表面の最低点に対する最高ピークの高さであり、
ｚ（単位ｍ）は、実際の表面の最低点に対するそれぞれの点の高さであり、高さｚは点ごとに測定され、
【００１６】
【数３】
2018511773.tif 000005
【００１７】
は、点ごとに測定された高さｚの算術平均である。
【００１８】
たとえば、このような熱交換器によって、従来の形状を有する一次および二次チャネルが維持され、したがって製造および実施が単純になり、熱交換器の使用中に、さらなる水頭損失を発生させずに、熱交換器の熱伝達および安全性を増加させることが可能となる。実際には、ミクロ構造要素によって、交換表面積およびぬれた表面がより多くなるので、熱伝達を増加させることが可能となる。また、一次チャネルの高いぬれ性によって、酸素の乾燥蒸発の回避が可能となるので、熱交換器の安全性が向上する。さらに、多角形の底面を有する角柱形状は、たとえば円形の底面を有する管状形状よりも大きい熱伝達係数を示すことが測定によって示されている。
【００１９】
ミクロ構造要素を用いた表面処理によって、一次チャネルの周囲全体をぬらすことができ、したがって交換表面を増加させることができる。
【００２０】
ほとんどの用途では、一次液体および二次流体は極低温流体である。熱交換器中に導入される一次液体および二次流体は、１つの相、すなわちすべて液体またはすべて気体であってよいし、または２つの相、すなわち液体および気体で構成されてもよい。それらが熱交換器中を流れる間、一次液体および二次流体の相の比率が変動する場合がある。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、それぞれの多角形断面は、１ｍｍ〜１０ｍｍの間、好ましくは３ｍｍ〜７ｍｍの間の寸法を有し、たとえば、おおよその長さが５ｍｍであり、おおよその幅が１．５ｍｍである長方形の多角形断面を有する。
【００２２】
たとえば、このような横寸法によって、処理される一次液体および二次流体流量への熱交換器の適合が可能となる。
【００２３】
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルの内部周囲全体に実質的にわたってミクロ構造要素が分布する。
【００２４】
たとえば、このような分布によって、それぞれの粗い一次チャネルのすべての多角形断面のぬれが保証される。
【００２５】
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルに関して、ミクロ構造要素は、粗い一次チャネルの表面の少なくとも８０％にわたって分布する。
【００２６】
たとえば、それぞれの粗い一次チャネルは、交換表面積を増加させるミクロ構造要素で実質的に覆われている。
【００２７】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、互いに類似した寸法および互いに類似した形態を有し、その中にミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・ｈ・ε
（式中、ｈ（単位ｍ）は、ミクロ構造要素の平均高さである）
となるように構成される。
【００２８】
たとえば、このような類似のミクロ構造要素によって、それぞれの粗い一次チャネルがより高いぬれ性を得ることができ、一次液体膜の最小厚さを制御することができる。
【００２９】
たとえば、ミクロ構造要素の類似の寸法は、ミクロ構造要素間で２０％の偏差を示すことができる。類似の形態を有する２つのミクロ構造要素は、それらのすべての寸法が類似している。
【００３０】
本出願において、用語「実際の表面」は、特に、製造後に得られる表面を意味し、用語「幾何学的表面」は、特に、完全な表面、したがって存在するミクロ構造要素を除いた平滑な表面を意味し、幾何学的表面は、公称寸法によって幾何学的に完全に規定することができる。幾何学的表面は、１つの面内と見なされる場合に「投影表面」と呼ばれることがある。
【００３１】
本出願において、用語「表面」は、トポロジー的要素、またはこのトポロジー的要素の表面領域のいずれかを意味することができる。
【００３２】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は均一に分布する。特に、ミクロ構造要素は、類似しており均一に分布することができる。
【００３３】
たとえば、このような均一な分布によって、それぞれの粗い一次チャネルのより高いぬれ性を保証することができ、一次液体膜の最小厚さを制御することができる。
【００３４】
上記実施形態とは別に、ミクロ構造要素は、類似しており、不均一、たとえば不規則に分布していてよい。
【００３５】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
【００３６】
【数４】
2018511773.tif 000006
【００３７】
（式中：
ｄ（単位ｍ）は、隣接するミクロ構造要素の中心間の平均距離であり、これらの中心は、粗い一次チャネルの幾何学的表面上に位置し、
Ｐ（単位ｍ）は、ミクロ構造要素の断面の平均周囲長さである）
となるように構成される。
【００３８】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
【００３９】
【数５】
2018511773.tif 000007
【００４０】
となるように構成され、ミクロ構造要素（３０）は、それぞれの粗い一次チャネル（２１）に関して：
【００４１】
【数６】
2018511773.tif 000008
【００４２】
（式中、Ｓ（単位ｍ２）は、微細構造の断面の平均表面積である）
となるようにも構成される。
【００４３】
このように構成されるミクロ構造要素によって、熱交換方法に適合した液体伝播速度を有することが可能となる。
【００４４】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、不規則な形態を有し、たとえば不規則な寸法を有し、ミクロ構造要素は、不均一に、たとえば不規則に分布することもできる。
【００４５】
言い換えると、考慮される粗い一次チャネルの実際の表面全体にわたって、２つの隣接するミクロ構造要素の間の間隔は変動することができ、したがって一定ではない。
【００４６】
たとえば、このような不均一な分布では、ミクロ構造要素を有さない各ゾーンの表面領域を限定することによって、それぞれの粗い一次チャネルに粗って全体に一定のぬれ性を得ることができる。
【００４７】
この変形形態とは別に、それぞれのミクロ構造要素は、規則的な形態または形状を有することができ、たとえば全体的に円筒、角柱、円錐、または同様の形態を有することができる。この変形形態では、規則的な形態のミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・ｈ・ε
となるように構成される。
【００４８】
しかし、ミクロ構造要素が不規則な形態を有する一変形形態では、ミクロ構造要素は：
ｒ＞１＋１．３・１０３・Ｒａε
となるように構成される。
【００４９】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して：
【００５０】
【数７】
2018511773.tif 000009
【００５１】
となるように構成される。
【００５２】
このようなミクロ構造要素は、特に、それぞれの粗い一次チャネルの表面のぬれ性を増加させる粗さを形成し、それによって、くぼみが存在する場合でさえも粗い一次チャネルの表面全体を液体がぬらすことができる。
【００５３】
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、粗い一次チャネルの少なくとも一部を除いて、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有する。
【００５４】
形容詞の「全体的に」が示される場合、角柱は、ほぼ長方形の底面を有することができる。たとえば、角柱の底面を画定する長方形の辺は、たとえば蝋付けによって丸みを帯びていてよい。
【００５５】
たとえば、長方形の底面を有する粗い一次チャネルのこのような形態によって、従来の形状を有する粗い一次チャネルおよび二次チャネルを維持することができ、したがって熱交換器の組立体の製造およびそれにおける実施が簡単になりうる。
【００５６】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、長方形の底面の長辺上にのみ分布する。
【００５７】
言い換えると、長方形の周囲の短辺はミクロ構造要素を全く有さない。実際には、短辺は、長方形の周囲の角においてメニスカスが自然に形成されるため、ぬれることができる。
【００５８】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それらの間で一次液体が流れる流路が画定されるように分布する。
【００５９】
言い換えると、ミクロ構造要素は、幾何学的表面の高さの上に全体的に延在する。
【００６０】
たとえば、ミクロ構造要素は、開放された粗さ、すなわち山またはロック（ｌｏｃｋ）によって画定されるが狭い空隙は有さない粗さを有する表面状態が画定されるように分布する。空隙は、その周囲の山が互いに近すぎるため液体が循環できない場合に狭いと見なされる。
【００６１】
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、１μｍ〜６０μｍの間の算術粗さＲａを有する。
【００６２】
たとえば、このような算術粗さによって、粗い一次チャネルは高いぬれ性を得ることが可能となる。
【００６３】
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、その長さの少なくとも８０％にわたって分布するナノ構造要素を有し、各ナノ構造要素は１ｎｍ〜５００ｎｍの間の寸法を有する。
【００６４】
たとえば、このようなナノ構造要素によって、それぞれの粗い一次チャネルのぬれ性を最大化することができる。
【００６５】
本発明の一変形形態によると、ナノ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルの表面にわたって分布する。本発明のこの変形形態とは別に、またはこれに加えて、ナノ構造要素は、ミクロ構造要素の表面にわたって分布することができる。
【００６６】
本発明の一変形形態によると、コーティングは、金属材料および／または無機材料、たとえばセラミック材料で構成される。コーティングは、それぞれの粗い一次チャネルの表面上への粒子および／または繊維の噴霧堆積（場合により「噴霧」と記載される）によって得ることができる。
【００６７】
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの一次要素の表面の処理によって、たとえば、陽極酸化、サンドブラスト、ショットブラスト、または化学エッチング、またはさらには粉末焼結、溶融金属噴霧、レーザー、フォトリソグラフィ、またはロールがけ、刷毛塗り、もしくは印刷型の機械的エッチングによって形成される。
【００６８】
さらに、ミクロ構造要素は、含浸、噴霧堆積  プラズマ堆積、付加製造方法、たとえば三次元印刷によって得られるコーティングによって形成することができる。
【００６９】
本発明の一変形形態によると、プレートおよび／またはスペーサーは、アルミニウム、銅、ニッケル、クロム、鉄、ならびにアルミニウムの合金、銅の合金、ニッケルの合金、クロムの合金、鉄の合金、たとえばニッケル−クロム合金、またはニッケル−クロム−鉄合金からなる群から選択される材料から構成される。
【００７０】
たとえば、このようなプレートおよび／またはスペーサーによって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気ガス、酸性気体、および天然ガスを分離するための酸素含有液体酸素および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。
【００７１】
本発明の一実施形態によると、熱交換器は、蒸発器−凝縮器を形成するために構成され、粗い一次チャネルの長さおよび二次チャネルの長さは、熱の交換によって、一次液体を完全または部分的に気化させ、二次気体の形態で導入された二次流体を完全にまたは部分的に凝縮させることが可能となるように決定される。
【００７２】
たとえば、このような蒸発器−凝縮器によって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気の成分を分離するための酸素含有液体および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。
【００７３】
本発明の一実施形態によると、熱交換器の稼働中、前記一次液体入口は、粗い一次チャネルよりも高い位置に配置され、それによって一次液体分配器によって導入される膜の形態の一次液体は、前記少なくとも１つの一次液体入口から粗い一次チャネル中まで重力によって流れる。
【００７４】
本発明の一変形形態によると、二次チャネルは粗い二次チャネルを含み、それぞれの粗い二次チャネルは、粗い一次チャネルと類似の方法で形成される。特に、粗い二次チャネルは、１μｍ〜３００μｍの間、好ましくは１μｍ〜１００μｍの間の寸法を有し、粗い一次チャネルに適用できる式を満たすミクロ構造要素を有することができる。より一般的には、粗い一次チャネルに関して前述した特徴のそれぞれを粗い二次チャネルに適用することができる。しかし、本特許出願の解釈が容易になるよう、これらの特徴はここでは繰り返さない。
【００７５】
さらに、本発明の主題は、極低温技術により気体を分離するための分離装置であり、この分離装置は、少なくとも１つの蒸発器−凝縮器を形成する本発明による熱交換器を含み、この蒸発器−凝縮器は、酸素含有液体と窒素含有気体との間で熱を交換できるように構成される。
【００７６】
たとえば、このような極低温ガス分離装置によって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気の成分を分離するための酸素含有液体および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。
【００７７】
前述の実施形態および変形形態は、独立して取り扱うことができる、またはあらゆる技術的に許容できる組合せにより取り扱うことができる。
【００７８】
添付の図面を参照しながら単に非限定的な例として提供される以下の説明を考慮すれば、本発明が十分に理解され、その利点も明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】従来技術の平滑な一次チャネルの横断面である。
【図２】本発明による熱交換器を含む本発明による分離装置の概略斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による粗い一次チャネルの横断面である。
【図４】図１の粗い一次チャネルの上に配置されるミクロ構造要素を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による粗い一次チャネルの上に配置されるミクロ構造要素を示す斜視図である。
【図６】図４の粗い一次チャネルのミクロ構造要素を形成するパターンの断面概略図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による粗い一次チャネルのミクロ構造要素を形成するパターンの断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
図２、３、および４は、一次液体と二次流体との間で熱の交換を引き起こすための熱交換器１を示している。熱交換器１は、極低温技術によって空気の成分を分離するための分離装置２に属する。
【００８１】
図２〜４の例では、熱交換器１は、酸素含有液体と窒素含有気体との間で熱を交換できるように構成される蒸発器−凝縮器が形成されるように構成される。したがって、プレート熱交換器１は、付随して凝縮される窒素に富む気体と熱を交換することによって酸素に富む液体を気化させるために使用することができる。
【００８２】
熱交換器１は、互いに平行に配置される数枚のプレート１１と、プレート１１の間に延在し、これも互いに平行に配置されるスペーサー１２とを含む。図２〜４の例では、プレート１１およびスペーサー１２はアルミニウム合金でできている。プレート１１は、周知の方法で互いに蝋付けされる。
【００８３】
スペーサー１２は：
ｉ）この場合は液体二酸素（Ｏ２Ｌ）を含有する一次液体の流れに適合し、粗い一次チャネル２１を含む一次チャネルと；
ｉｉ）この場合は気体二窒素（Ｎ２Ｇ）を含有する二次流体の流れに適合する二次チャネル２２と、
を画定するように配置される。
【００８４】
それぞれの粗い一次チャネル２１は、２つのそれぞれの二次チャネル２２と熱を交換できるように配置される。このため、粗い一次チャネル２１および二次チャネル２２は、プレート１１の積層方向Ｄに互いに交互に配置される。ここで、粗い一次チャネル２１および二次チャネル２２は向流構成で取り付けられる。あるいは、粗い一次チャネル２１および二次チャネル２２は並流構成で取り付けることができる。
【００８５】
熱交換器１は、分離装置２に属する一次液体分配器６に流体的に連結される一次液体入口１４も含む。一次液体Ｏ２Ｌは一次液体分配器６の上で浴を形成する。
【００８６】
熱交換器１の稼働中、入口１４は粗い一次チャネル２１よりも高い位置に配置される。高さは、上向き垂直方向を基準にして通常の方法で測定される。したがって、一次液体分配器６によって一次液体が膜の形態で導入され、重力によって入口１４から粗い一次チャネル中まで流れる。
【００８７】
さらに、それぞれの粗い一次チャネル２１は、多角形断面を有する全体的に角柱の形状であり、長手方向Ｘに沿って延在する。この角柱は、いくつかの全体的に平坦な面で構成される。角柱の底面を画定する長方形の辺は、ここでは蝋付けによってわずかに丸みを帯びている。角柱のそれぞれの多角形断面または多角形周囲は、ここでは１ｍｍ〜５ｍｍの間の寸法を有する。
【００８８】
図３に示されるように、それぞれの粗い一次チャネル２１は、この場合、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有し、長手方向Ｘに沿って延在する。この場合、長方形断面は、おおよその高さＨ２１が４．５ｍｍに等しく、おおよその幅Ｗ２１が１．５ｍｍに等しい。熱交換器１の稼働中、一次液体は、角柱に沿って、長方形の底面に対して直角に流れる。
【００８９】
さらに、図３に示されるように、それぞれの粗い一次チャネル２１はミクロ構造要素３０を有する。ミクロ構造要素３０は、考慮される粗い一次チャネル２１の長さＬ２１の少なくとも８０％にわたって分布または配置される。分離装置２の寸法を示すため、粗い一次チャネル２１の長さＬ２１および二次チャネル２２の長さは、熱交換によって一次液体のすべてまたは一部を気化させ、二次気体の形態で導入される二次流体のすべてまたは一部を凝縮させることが可能となるように決定される。
【００９０】
それぞれのミクロ構造要素３０は１μｍ〜３００μｍの間の寸法を有する。それぞれのミクロ構造要素３０は、ここでは全体的に狭い円筒の形態を有する。図４に示されるように、ミクロ構造要素３０は、互いに同様の寸法および形態を有する。ミクロ構造要素３０は、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・Ｒａ・ε
（式中：
ｒは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネル２１の実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネル２１の幾何学的表面との比であり、
Ｒａ（単位ｍ）は、中線に対する算術平均偏差であり、および
εは、それぞれの粗い一次チャネル２１の実際の表面の空隙率である）
となるように構成される。
【００９１】
図１〜４の例ではミクロ構造要素３０は規則的で均一に分布しており、これらは、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・ｈ・ε
（式中、ｈ（単位ｍ）は、ミクロ構造要素３０の平均高さであり、この平均高さは、それぞれのミクロ構造要素３０の高さＨ３０から計算される）
となるように構成される。
【００９２】
図４の例では、ミクロ構造要素３０は、それぞれの粗い一次チャネル２１の長方形断面全体には分布していない。それどころか、ミクロ構造要素３０は、それぞれの粗い一次チャネル２１の長方形断面の長辺４４の上にのみ分布し、短辺４５上には分布していない。言い換えると、短辺４５はミクロ構造要素３０を全く有さない。実際には、短辺４５はぬれるが、その理由は長方形断面の角においてメニスカスが自然に形成されるためである。
【００９３】
ミクロ構造要素３０は、それらの間に一次液体Ｏ２Ｌが流れる流路を画定するように分布し、それによって開放された粗さを有する表面状態が画定される。さらに、ミクロ構造要素３０は均一に分布する。言い換えると、２つの連続するミクロ構造要素３０の間の間隔は、あらゆる方向で実質的に一定である。したがってミクロ構造要素３０は、均一で規則的なマトリックスにより配列される。
【００９４】
ミクロ構造要素３０は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・ｈ・ε
となるように構成され、その中に。
【００９５】
ミクロ構造要素３０は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
【００９６】
【数８】
2018511773.tif 000010
【００９７】
（式中：
ｄ（単位ｍ）は、隣接するミクロ構造要素３０の中心間の平均距離であり、これらの中心は、粗い一次チャネル２１の幾何学的表面上に位置し、上記平均距離は、隣接するミクロ構造要素３０の中心を２つずつ分離するそれぞれの距離ｄ３０から計算され、
Ｐ（単位ｍ）は、ミクロ構造要素３０の断面の平均周囲長さである）
となるように構成され、および
さらに、ミクロ構造要素３０は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
【００９８】
【数９】
2018511773.tif 000011
【００９９】
となるように構成される。
【０１００】
さらに、ミクロ構造要素３０は、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
【０１０１】
【数１０】
2018511773.tif 000012
【０１０２】
（式中、Ｓ（単位ｍ２）は、微細構造の断面の平均表面積である）
となるように構成される。
【０１０３】
ミクロ構造要素３０が存在するので、それぞれの粗い一次チャネル２１は、１μｍ〜６０μｍの間の算術粗さＲａを有する。算術粗さＲａは、考慮される粗い一次チャネル２１の表面の中線に対する算術平均偏差を表す統計パラメーターの１つである。
【０１０４】
さらに、それぞれの粗い一次チャネル２１は、その長さＬ２１の少なくとも８０％にわたって分布するナノ構造要素（図示せず）を有することができる。それぞれのナノ構造要素は１ｎｍ〜１００ｎｍの間の寸法を有する。ナノ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネル２１の表面、およびミクロ構造要素３０の表面にわたって分布することができる。
【０１０５】
さらに、ミクロ構造要素３０は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル２１の表面上への粒子の噴霧堆積（場合により用語「噴霧」で記載される）によって得られるコーティングを形成する。このコーティングを形成する粒子は、この場合、金属材料で構成される。
【０１０６】
図５および６は、本発明の第２の実施形態による熱交換器に属する粗い一次チャネル１２１の一部を示している。粗い一次チャネル１２１は粗い一次チャネル２１と類似しているので、後述の顕著な差を除けば、図１〜４に関連して前述した熱交換器および粗い一次チャネル２１の説明を、粗い一次チャネル１２１およびその熱交換器に置き換えることができる。
【０１０７】
実質的にミクロ構造要素１３０が比較的幅広で高い円筒形であり、２つのミクロ構造要素３０の間の間隔よりも広いという点で、粗い一次チャネル１２１は粗い一次チャネル２１とは異なる。
【０１０８】
図７は、本発明の第３の実施形態による熱交換器に属する粗い一次チャネル２２１の一部の面ｘ−ｚにおける断面を示している。粗い一次チャネル２２１は粗い一次チャネル２１と類似しているので、後述の顕著な差を除けば、図１〜４に関連して前述した熱交換器および粗い一次チャネル２１の説明を、粗い一次チャネル２２１およびその熱交換器に置き換えることができる。
【０１０９】
特に、ミクロ構造要素２３０が不規則であり、したがって互いに異なる形状および寸法を有するという点で、粗い一次チャネル２２１は粗い一次チャネル２１とは異なる。さらに、特にミクロ構造要素２３０が不均一に分布し、この場合は不規則に分布しているという点で、粗い一次チャネル２２１は粗い一次チャネル２１とは異なる。言い換えると、粗い一次チャネル２２１の実際の表面全体にわたって、２つの隣接するミクロ構造要素２３０の間の間隔が変動し、したがって一定ではない。
【０１１０】
ミクロ構造要素２３０は、それぞれの粗い一次チャネル２１に関して：
ｒ＞１＋１．３・１０３・Ｒａ・ε
となるように構成される。
【０１１１】
図７中、中線
【０１１２】
【数１１】
2018511773.tif 000013
【０１１３】
は、たとえば高さｚ１、ｚ２、ｚ３、ｚ４、およびｚ５などの点ごとに測定された高さｚの算術平均を表す。Ｒｚは、表面の最低点に対する最高ピークの高さである。
【０１１４】
明らかに、本発明は、本特許出願に記載の特定の実施形態、または当業者の理解範囲内の実施形態に限定されるものではない。本特許出願に示される要素と同等のあらゆる要素から、本発明の範囲から逸脱しない別の実施形態を想定することができる。
【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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【国際調査報告】
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