(57)【要約】  対向流式熱交換器が、向かい合う流体同士を分離するプレナムを両端に有して作製され、そのチャネルは、任意の所与のチャネルが横方向両側と垂直方向上下の４辺を向かい合う流れのチャネルによって取り囲まれるように、チェッカー盤模様に配列されている。
2016512320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の複数のチャネルと第２の複数のチャネルとを含むチャネルの束であって、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の短手方向断面のほぼ全体にチェッカー盤模様を形成するように配置され、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通しており、第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通していない、チャネルの束と、
第１の流体受容部材と、
第２の流体受容部材であって、第１の流体受容部材、第２の流体受容部材、およびチャネルの束は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されている、第２の流体受容部材と、
を備えている、対向流式フロー１パス熱交換器であって、
第２の複数のチャネルは束の前記端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在しており、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通しており、収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している、対向流式フロー１パス熱交換器。
【請求項２】
チャネルの束の面密度が４００ｍ２／ｍ３よりも高い、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、表面粗さが増大した壁を含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、チャネル壁から延出するフィンを含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、その中に固定された多孔質媒体を含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
収集領域内の第２の複数のチャネルの少なくとも一部が、束内とは異なる断面サイズおよび／または形状を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状とは異なっている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積とは異なっている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
第２の複数のチャネルが、複数のシートに沿って間隔をとって細長い部材の列を形成する複数の細長い部材を含み、第１の複数のチャネルは、複数の空隙を含み、各空隙は、複数のシート中の隣接するシートと、細長い部材の列中の２つの隣接する細長い部材の壁とに閉じ込められてチャネルを形成している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
収集領域が、第１の流体受容部材を形成する壁によって画定されるチャンバ内に形成されており、第１の複数のチャネルの第１の流体受容部材内の軸方向フローが妨害されて、第１のフロー流を収集領域と流体接続している斜め通路に沿わせる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
第２の流体受容部材が、第２の複数のチャネルからの流体を収集するための空洞を画定しており、空洞は第２のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体連通している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
熱交換器のチャネルの束の製造方法であって、
第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルを追加工することを含み、
第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の短手方向断面の全体にチェッカー盤模様を形成するように配置され、第１の複数のチャネルと第２の複数のチャネルとは互いに流体的に分離しており、第２の複数の金属チャネルの各チャネルは、第１の複数のチャネルの端部を長さ方向に超えて延在しており、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの短手方向断面積のサイズまたは形状のうちの少なくとも一方が長手方向に沿って変化する、製造方法。
【請求項１３】
第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルが、インコネルを含んでいる、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルが、ステンレス鋼を含んでいる、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１５】
第２の複数のチャネルの個々のチャネルの壁厚さが、長手方向に沿って増大する、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１６】
対向流式１パス熱交換器において第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法であって、
チャネルの束内に第１の流体流と第２の流体流を互いに対向して流れるように流し、その結果として第１の流体流と第２の流体流は、束の内側領域内で束の長手方向軸線に沿って、１本のチャネルに対し４方向に、第１の流体流と第２の流体流が互いに混合することなく熱交換し、前記４方向は前記１本のチャネルの上方、前記１本のチャネルの下方、および前記１本のチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる、束内に第１の流体流と第２の流体流を対向流として流すことと、
第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集することであって、第２の流体流は第１の流体受容部材を通って延在する複数のチャネル内に閉じ込められて、第１の流体流と第２の流体流とを互いに分離している、第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集することと、
第２の流体受容部材内に第２の流体流を収集することと、
を含んでいる、熱伝達する方法。
【請求項１７】
さらに、第１の流体流の乱流を増加させて、第１の流体流の熱伝達係数を第２の流体流の熱伝達係数の１０倍以内の値に変更することを含んでいる、請求項１６に記載の第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法。
【請求項１８】
第１の流体流中で化学反応が生じ、そのエネルギーを第２の流体流が吸収する、請求項１６に記載の第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法。
【請求項１９】
第１の流体流中で化学反応が生じ、第２の流体流は第１の流体流に熱エネルギーを提供する、請求項１６に記載の第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法。
【請求項２０】
第１の複数のチャネルと、第２の複数のチャネルとを含むチャネルの束であって、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通しており、第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通しておらず、ここで第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の内側領域内で束の長手方向軸線に沿って各チャネルに対し４方向に、第１の流れの流れと第２の流れが混合することなく熱交換するように配置され、前記４方向は、内側領域の選択されたチャネルの上方、前記選択されたチャネルの下方、および前記選択されたチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる、チャネルの束と、
第１の流体受容部材と、
第２の流体受容部材であって、第１の流体受容部材、第２の流体受容部材、およびチャネルの束は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されている、第２の流体受容部材と、
を備えている、対向流式フロー１パス熱交換器であって、
第２の複数のチャネルは束の前記端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在しており、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通しており、収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している、対向流式フロー１パス熱交換器。
【請求項２１】
対向流式フローで流れる２種類の流体間で熱伝達する方法であって、
（ａ）向かい合う流れが、互いに混合することなく、互いに対向して流れて横方向両側と上下の４方向で熱交換するように、チャネルの束を通過し、
（ｂ）束（１）のいずれかの端部で、向かい合う流れのうちの一方は、開口プレナム領域（６）を貫通するチャネル内に閉じ込められたままであり、その結果として他方の向かい合う流れは自由に開口プレナム領域（６）および第１の流れを閉じ込めているチャネル間に流入し、他方の向かい合う流れは自由にプレナム領域（６）および第１の流れを閉じ込めているチャネル間に流入し、
（ｃ）プレナム領域（６）のいずれかの端部で、閉じ込められた流れはプレナム自体とは別の空洞（７）から流入または流出し、
（ｄ）前記プレナム領域（６）は、束（１）と、閉じ込められた流れが通って流れる空洞（７）との間に配置されている、熱伝達する方法。
【請求項２２】
チャネル束の面密度が４００ｍ２／ｍ３よりも高い、請求項２１に記載の熱伝達する方法。
【請求項２３】
前記方法によって、向かい合う流れのうちの少なくとも一方の熱伝達係数が向上し、その結果として両方の流れの熱伝達係数が互いの１０倍以内になる、請求項２１に記載の熱伝達する方法。
【請求項２４】
前記方法によって、向かい合う流れのうちの少なくとも一方における化学反応と同時に対向流式フローの２つの流れ間の熱交換が生じ、その結果として向かい合う流れのうちの一方が他方の流れにエネルギーを供給する、請求項２１に記載の熱伝達する方法。
【請求項２５】
対向流式フロー用に配置されたチャネルで構成されるデバイスであって、
流体がチャネルの束（１）内を向かい合う方向に対向流式に流れることによって、流体の向かい合う流れはチェッカー盤模様に配置され、その結果として所与のどのチャネルも、その横方向両側と上下の４方向に、もう一方の流体を収容するチャネルが沿って存在しており、
束（１）のいずれかの端部で、チャネルは、向かい合う流れのうちの一方をプレナム領域（６）全体にわたり閉じ込め、空洞（７）内へと延在し、流体はこの空洞（７）を通じて空洞壁にあるポートによりデバイスに流入または流出し、
開口したプレナム領域（６）を貫通する閉じ込めているチャネルのサイズか形状、またはサイズと形状を変えて、閉じ込めているチャネルの周り全体に自由スペースを確保してもよく、その結果として他方の向かい合う流れは、プレナム壁にあるポートに向けてまたはポートから、プレナム領域（６）および第１の流れを閉じ込めているチャネル間に自由に流入する、デバイス。
【請求項２６】
チャネル束の面密度が４００ｍ２／ｍ３よりも高い、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
熱伝達係数がチャネル壁の構造変化により向上し、流れている流れの乱流増加をもたらす、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
第１の組の半チェッカー盤チャネルの個々のチャネルの断面形状は、中空の４辺以下の多角形であるが、相補的半チェッカー盤模様の断面形状は、第１の組のチャネルの壁間に形成される空隙を含むあらゆる形状とサイズをとる、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２９】
チェッカー盤模様はシートと管の列との交互層により形成され、その前記管は断面が丸、卵形、または多角形であり空隙によって横方向に分離され得、これら列の上方と下方に配置されたシートは列を垂直方向に分離し、その結果として管の交互層は千鳥配列になっている、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３０】
片方または両方の端部における流れのいずれかのマニホルドが、半チェッカー盤模様の第１の組の相補的チャネルの軸方向フローを妨げ、その向きを、半チェッカー盤模様の第２の組の相補的チャネルのチャネル間を斜めに通るチャネルにより短手方向に変えることにより形成され、その結果として第１の組からのフローは管束の端部に沿う側部ポートに集まる、請求項２５に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６１／７８９，２３５号の利益と優先権を主張し、その全容を参照により援用する。
【０００２】
本発明は１パス対向流式熱交換器の分野に関し、より詳細には、本発明は高い面密度を示すようなデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
所与の体積中の流体間の熱伝達効率は、これら流体を案内するチャネルのサイズが減少し、チャネルの数が増加すると、より向上し得ることは周知である。「マイクロチャネル」のサイズと大抵みなされるチャネル寸法、つまり直径５ミリメートル未満、さらには２ミリメートル未満のチャネル寸法では、設計上の問題が急増する。たとえばヘッダーの設計（つまり、向かい合う流れ同士の分離）は、なかでも特に困難な問題のひとつである。対向流式フローの場合は特に、向かい合う流れ同士の分離を維持することは難しい。常套策として、向かい合う流れ同士をクロスフロー構成に配置する、つまり一方の流れがＸ軸方向に流れ、他方がＹ軸方向に流れ、したがってそれぞれの入口と出口が別々になる、というものがある。対向流式とクロスフロー式の設計を一体化したのが、マルチパスの蛇行構成のものを含むバッフル付きの従来のシェルアンドチューブ式熱交換器である。ところがこのようなアプローチは、温度差またはフロー配分のどちらかまたは両方の様式が悪いと熱伝達効率が悪くなる、という問題がある。理想的様式は、高温流が一端部から流入し、交換器の長手方向軸線などの同一の軸線に沿って低温流が他端部から流入するようにチャネルを配置するというものである。これが、どちらの流れもクロスフローの混合が皆無であるかほとんどない、１パス対向流式フローである。
【０００４】
シェルアンドチューブ式熱交換器では、一方の流れが、一般には向かい合う方向に流れる別の流体で満たされた容器内に延在する管（チューブ）から「管側」に流入する。向かい合う流体は、熱交換器のいわゆる「胴（シェル）側」を流れる。典型的には、流体は、管側から流入する流体とは反対側の端部から胴部に流入する。管は、容器内に胴側の流体を収容する「管板」を貫通し、そうすることで、管側の流体を管内にまたは管内から配分するヘッダー内に、胴側の流体が漏洩することが防止される。この構成で、胴側の流体が必ず管内の流体の流れとは反対方向に管の外側を流れるようにすることで、ある程度は対向流式フローが実現する。しかし、側部ポートから流体を導入するため、フロー配分がうまくいかない。フロー配分を向上させるために、内部のバッフルが直線的軸性ではなく蛇行性の通路に沿って流れを逸らせる。こうして、前述したように、対向流式とクロスフロー式が一体化される。バッフルの数が増加すると、対向流フローおよびそれに伴う熱伝達の度合が増大する。このことは、バッフル数の増加に伴う圧力降下の増大をもたらす。しかし、実際に用いることができるバッフルの数には限度がある。
【０００５】
シェルアンドチューブ構成は、典型的には溶融高分子から紡いだ中空糸を用いてマイクロチャネルレベルで実用されている。中空糸の塊を両端で絞ると、管板と同じ効果が得られる。しかしこの種の熱交換器は、温度と圧力の両方について限界がある。高温または高圧では、典型的には金属製のチャネルと金属製の管板が必要とされる。マイクロチャネル熱交換器では、管板を貫通するチャネルが高密度であるため、流れ同士の分離がさらに難しくなる。常套策は、向かい合う流れ同士が互い違いの層を通って流れる並列プレート構成にすることである。たとえば、チャネルパターンを薄プレートにエッチングまたはプレスで作製した後、そのプレートを別の平坦なプレートに接着することで、小型マイクロチャネルを作ることができる。マイクロチャネルの深さに応じて、プレート同士は蝋付けか拡散接着により接着され得る。小型マイクロチャネルを使用すればコンパクト設計における効率が向上するが、チャネルの下のエッチングしていない中実の金属が占めるスペースのせいで、デバイスの重量が重くなる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１パス対向流式フローで流れる２つの流体間の熱伝達方法を開示するものであり、向かい合う流れ同士が、横方向両側と上下の４方向で熱交換するように、束内に配置されている。束の各端部で、向かい合う流れのうちの一方は、開口プレナム領域を貫通する閉じたチャネル内に閉じ込められたままであり、他方の向かい合う流れは、プレナム領域および第１の流れを閉じ込めているチャネル間に自由に流入する。また、束の各端部で、閉じ込められた流れはプレナム領域自体とは別の空洞から流入または流出する。プレナム領域は、束と、閉じ込められた流れが通って流れる空洞との間に配置されている。管の断面積が減少するにつれて、チャネル束の面密度は増大する。たとえば、マイクロチャネルの範囲（５ミリメートル未満）のチャネル寸法は、４００ｍ２／ｍ３よりも大きい面密度（全体体積に対する全熱交換表面積の比）を実現することが必要とされる。向かい合う流れのうちの少なくとも一方の熱伝達係数は、乱流を増加させることで知られている諸手段のいずれかによって、両方の流れの熱伝達係数が互いの１０倍以内になるように好ましく向上させることができる。すなわち、いくつかの実施形態では、チャネルについての変更、改変および／または追加（たとえば、チャネル壁の粗面化、チャネルの内部形状の変更、多孔質媒体をチャネル内に追加、など）を、チャネルの一部に実施して、その内部における乱流を増大させることができる。
【０００７】
対向流式フローの２つの流れ間で化学反応と同時に熱伝達する方法も開示されており、向かい合う流れのうちの少なくとも一方がチャネル束内で化学反応する。向かい合う流れのうちの一方は他方の流れにエネルギーを供給する。
【０００８】
対向流式フロー用に配置されたチャネルで構成されるデバイスも開示されており、流体がチャネルの束内を向かい合う方向に流れることによって、流体の向かい合う流れはチェッカー盤模様に配置され、その結果として所与のどのチャネルも、その横方向両側と上下の４方向に、もう一方の流体を収容するチャネルが沿って存在している。束の各端部で、チャネルは、向かい合う流れのうちの一方をプレナム領域全体にわたり閉じ込め、空洞内へと延在し、流れはこの空洞を通じて空洞壁にあるポートによりデバイスに流入または流出する。プレナム内でも連続しているチャネルのサイズと形状を変更して、他方の向かい合う流れからの流体が、プレナム壁にあるポートに向けてまたはポートから、それらの周りを流れることができるようにしてもよい。熱伝達係数は、チャネル壁の表面粗さの増大、チャネル壁から延出するフィン、チャネル内に固定される多孔質媒体を含む手段のうちの１つまたは複数によって、向上される。
【０００９】
このデバイスは、中空の４辺以下の多角形の形状の第１の組の半チェッカー盤チャネルにより形成することができ、相補的半チェッカー盤模様は形状もサイズも類似の多角形の形をとる。
【００１０】
中空の４辺以下の多角形の形状の第１の組の半チェッカー盤チャネルにより形成され、相補的半チェッカー盤模様はサイズではなく形状が類似の多角形の形をとるデバイスも開示される。
【００１１】
中空の４辺以下の多角形の形状の第１の組の半チェッカー盤チャネルにより形成され、相補的半チェッカー盤模様はサイズも形状も異なる多角形の形をとるかまたは第１の組のチャネル間に形成される空隙の形状をとるデバイスも開示される。
【００１２】
対向流式フロー用に同様に配置されたチャネルで構成されてはいるが、少なくとも一方の組のチャネルが軸方向に妨害されて、包囲された空洞とは不通の、前記端部の側に沿う収集区域に向けて向きを短手方向に変えられることにおいて異なるデバイスも開示される。軸方向に妨害される組のチャネルは、向かい合う組のチャネル間をそれらと交わることなく斜めに走り、収集区域の領域を形成する共通のヘッダー内で終了する。この収集区域の外壁は、流体がそこからデバイスに流入し流出できるポートを収容している。この熱伝達係数も同様に、チャネル壁の表面粗さの増大、チャネル壁から延出するフィン、チャネル内に固定される多孔質媒体を含む手段のうちの１つまたは複数によって、向上される。
【００１３】
本開示の実施形態は対向流式フロー１パス熱交換器に関する。いくつかの実施形態では、熱交換器はチャネルの束と、第１の流体受容部材と、第２の流体受容部材とを含んでいる。チャネルの束は、第１の複数のチャネルと、第２の複数のチャネルとを含んでいる。第１の複数のチャネルの個々のチャネルは、第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の短手方向断面のほぼ全体にチェッカー盤模様を形成するように、配置されている。第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通しており、第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通していない。束、第１の流体受容部材、および第２の流体受容部材は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されており、第２の複数のチャネルは束の端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在している。なお、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通している。収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している。
【００１４】
別の実施形態では、熱交換器はチャネルの束と、第１の流体受容部材と、第２の流体受容部材とを含んでいる。チャネルの束は、第１の複数のチャネルと、第２の複数のチャネルとを含んでいる。第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通している。第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通しておらず、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは、第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の内側領域（つまり束の外側境界／端を除くあらゆる領域）内で、束の長手方向軸線に沿って、各チャネルに対し４方向に、第１の流れと第２の流れが混合することなく、熱交換するように配置されている。４方向は、内側領域の選択されたチャネルの上方、選択されたチャネルの下方、および選択されたチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる。チャネルの束、第１の流体受容部材、および第２の流体受容部材は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されており、第２の複数のチャネルは束の端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在している。なお、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通している。収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している。
【００１５】
上記の熱交換器の実施形態は、以下の諸特徴を１つまたは複数含むことができる。いくつかの実施形態では、チャネルの束の面密度は４００ｍ２／ｍ３よりも高い。特定の実施形態では、チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、表面粗さが増大した壁を含んでいる。いくつかの実施形態では、チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、チャネル壁から延出するフィンを含んでいる。いくつかの実施形態はまた、チャネルの少なくとも一部の中に固定された多孔質媒体も含んでいる。多孔質媒体は乱流を増加させることができる。いくつかの実施形態では、多孔質媒体は反応用の触媒であり得る。いくつかの実施形態は、サイズまたは形状が変更されたかまたは変化するチャネルを含んでいる。たとえば、いくつかの実施形態では、収集領域内の第２の複数のチャネルの少なくとも一部が、束内とは異なる断面サイズおよび／または形状を有している。特定の実施形態では、第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状とは異なっている。いくつかの実施形態では、第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積とは異なっている。他の実施形態は、少なくとも部分的には細長い部材の列で形成されたチャネルを含んでいる。たとえば、いくつかの実施形態では、第２の複数のチャネルは、複数のシートに沿って間隔をとって細長い部材の列を形成する複数の細長い部材を含み、第１の複数のチャネルは、複数の空隙を含み、各空隙は、複数のシート中の隣接するシートと、細長い部材の列中の２つの隣接する細長い部材の壁とに閉じ込められてチャネルを形成している。特定の実施形態は斜め通路を特徴とする。たとえば、特定の実施形態では、収集領域は、第１の流体受容部材を形成する壁によって画定されるチャンバ内に形成されており、第１の複数のチャネルの第１の流体受容部材内の軸方向フローが妨害されて、第１のフロー流を収集領域と流体接続している斜め通路に沿わせる。いくつかの実施形態は、第２の複数のチャネルからの流体を収集するための空洞を含んでいる。空洞は、第２のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体連通しており、第２の流体受容部材によって画定されている。
【００１６】
本開示の他の実施形態は、熱交換器のチャネルの束を製造する方法に関する。方法は、第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルを追加工することを含み、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の短手方向断面の全体にチェッカー盤模様を形成するように配置され、第１の複数のチャネルと第２の複数のチャネルとは互いに流体的に分離しており、第２の複数の金属チャネルの各チャネルは、第１の複数のチャネルの端部を長さ方向に超えて延在しており、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの短手方向断面積のサイズまたは形状のうちの少なくとも一方が長手方向に沿って変化する。
【００１７】
上記の製造方法の実施形態は、以下の諸特徴を１つまたは複数含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルは、（少なくとも部分的には）インコネルで追加工されている。他の実施形態では、第１の複数の金属チャネルおよび第２の複数の金属チャネルは、（少なくとも部分的には）ステンレス鋼で追加工されている。特定の実施形態では、熱交換器は、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの壁厚さが長手方向に沿って増大するように、追加工されている。
【００１８】
本開示の他の実施形態は、対向流式１パス熱交換器において第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法に関する。方法は、（ａ）チャネルの束内に第１の流体流と第２の流体流を互いに対向して流し、その結果として第１の流体流と第２の流体流は、束の内側領域内で束の長手方向軸線に沿って、個々のチャネルに対し４方向に、第１の流体流と第２の流体流が互いに混合することなく熱交換し、４方向は個々のチャネルの上方、個々のチャネルの下方、および個々のチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる、チャネルの束内に第１の流体流と第２の流体流を対向して流すステップと、（ｂ）第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集することであって、第２の流体流は第１の流体受容部材を通って延在する複数のチャネル内に閉じ込められて、第１の流体流と第２の流体流とを互いに分離している、第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集するステップと、（ｃ）第２の流体受容部材内に第２の流体流を収集するステップとを含んでいる。
【００１９】
上記の熱伝達する方法の実施形態は、以下の諸特徴を１つまたは複数含むことができる。いくつかの実施形態では、上記の方法は、第１の流体流の乱流を増加させて、第１の流体流の熱伝達係数を第２の流体流の熱伝達係数の１０倍以内の値に変更する、追加のステップを含むことができる。方法のいくつかの実施形態は、化学反応を含んでいる。たとえば、いくつかの実施形態では、第１の流体流中で化学反応が生じ、そのエネルギーを第２の流体流が吸収する。特定の実施形態では、第１の流体流中で化学反応が生じ、第２の流体流は第１の流体流に熱エネルギーを提供する。
【００２０】
上記の実施形態は、以下の諸利点を１つまたは複数含むことができる。本明細書に開示するタイプの熱交換器は、コンパクトであること、つまり小さいパッケージで高い熱伝達率が要求される多くの異なる用途において有用である。たとえば発電において、復熱装置が、タービン排ガスからの作業流体の熱を回収してそのエネルギーをタービン前方で加熱中の作業流体にリサイクルするのに、しばしば使用されている。これらの用途で、復熱の熱交換量は発電量の数倍になり得る。コンパクトな設計でなければ、このような復熱装置は経済的に実現不可能なほど巨大になり得る。この技術は、相変化材料（ＰＣＭ）の加熱および放熱用の熱交換器にも応用される。マイクロチャネルを使用して固液界面の境界を最小限化することで、熱伝達効率は最大限化され、作業流体の流量は最小限化される。これによって、出力サイクルの周囲の複数の点で、たとえば小型の太陽熱受熱器、小型の圧縮機、小型の復熱装置、および排熱の削減など、大幅な節約が促進される。本明細書に開示の製造技術はまた、マイクロチャネル構造の産業利用を、排熱利用において遭遇し得る空気対空気、空気対蒸気の熱交換器の商業用途を拡張するものである。
【００２１】
次に、実施形態を例示するための添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を例示するが、これは単なる一例であり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】１組のエンドキャップを含む、本開示による熱交換器の一実施形態の斜視図である。
【図１Ｂ】エンドキャップを取り外して仕切り板を露出した、本開示による熱交換器の一実施形態（図１Ａと同じ）の斜視図である。
【図２】図１Ａの熱交換器の一部の断面図（内側図）である。
【図３Ａ】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３Ｂ】図２のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図３Ｃ】図２のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図３Ｄ】図２のＤ−Ｄ線における断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｃの断面図を拡大した図である。
【図４Ａ】チェッカー盤模様を形成する相補的なチャネルの組同士でフロー断面積のサイズと形状が似ている、代表的な断面模様（つまりチェッカー盤模様）を例示する図である。
【図４Ｂ】チェッカー盤模様を形成する相補的なチャネルの組同士でフロー断面積のサイズと形状が似ている、別の代表的な断面模様（つまり別のチェッカー盤模様）を例示する図である。
【図４Ｃ】チェッカー盤模様を形成する相補的なチャネルの組同士でフロー断面積のサイズと形状が似ている、別の代表的な断面模様（つまり別のチェッカー盤模様）を例示する図である。
【図４Ｄ】チェッカー盤模様を形成する相補的なチャネルの組同士でフロー断面積のサイズと形状が似ている、別の代表的な断面模様（つまり別のチェッカー盤模様）を例示する図である。
【図５】チェッカー盤の一方の組を形成するチャネルがその相補的な組と類似の断面形状を有するが、各組のチャネルのサイズは異なっている、チャネルのチェッカー盤模様の別の実施形態を例示する図である。
【図６Ａ】チェッカー盤模様を形成する２組のチャネルの断面形状およびサイズが異なっている、実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】チェッカー盤模様を形成する２組のチャネルの断面形状およびサイズが異なっている、図６Ａとは別の実施形態の断面図である。
【図７】本開示による熱交換器の一部の別の実施形態の断面図である。
【図８Ａ】図７のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８Ｂ】図７のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図８Ｃ】図７のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図８Ｄ】図７のＤ−Ｄ線における断面図である。
【図９Ａ】第１の流れの流体収集領域における、本開示による熱交換器の一実施形態の断面図である。
【図９Ｂ】（図９Ａの）第１の流れの流体収集領域と、それに重なる、第１のフローの流れとは逆方向に流れる第２の流れの流体受容配分領域の両方を示す、本開示による熱交換器の一実施形態（図９Ａと同じ）の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の例示的熱交換器である熱交換器１０の例示図を図１Ａおよび図１Ｂに示す。図１Ａは、チャネル束１とヘッダー２およびエンドキャップ３の関係を示している。具体的には、チャネル束１は両ヘッダー２間に配置され、各ヘッダー２はチャネル束１の各端部に配置されている。エンドキャップ３はヘッダー２に隣接して配置されている。図１Ｂでは、仕切り板５内の開口を示すために、またさらにチャネル束１の端部を画定する終端面４を確認するために、エンドキャップ３は取り外されている。一般に、本開示による熱交換器は、互いに分離されている２つの向かい合う流体間の１パス対向流式熱交換を提供する。
【００２４】
図２は熱交換器１０の半分または一端部の断面図である。（図示しない熱交換器１０の残り半分は、鏡像になっている）。この断面図は内側面におけるものであり、そこを通過する様々な流路を示している。具体的には、熱交換器１０はチャネル束１を含み、ここでチャネル１２Ａ、１２Ｂが向かい合う流れ１４、１６を（それぞれ）案内する。チャネル１２Ａと１２Ｂは、流れが一軸方向（Ｚ）つまり交換器１０の長手方向軸にのみ流れるように、壁１８内に閉じ込められている。チャネル束１の端部１Ａには２つのヘッダー２のうちの一方が配置されている。ヘッダー２内では流れ１４はチャネル１２Ａによって閉じ込められていないので、側部ポート６に向けてプレナム領域９を短手方向（Ｔ）に自由に流れる。しかし流れ１６はチャネル１２Ｂ内に閉じ込められているので、プレナム領域９内でも流れ１４から分離されたままである。ヘッダー２に続いて、２つのエンドキャップ３のうちの一方がある。向かい合う流れ１６は、エンドキャップ３内の軸方向ポート７から熱交換器１０に注入され、収集区域２２に流入して、該向かい合う流れ１６をチャネル束１を通って熱交換器１０の他端部の軸方向ポート（図示せず）まで軸方向に運ぶチャネル１２Ｂに供給される。このように、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、チャネル束１は、２つの流体１４および１６を輸送し分離するための、２組の長手方向に延在するチャネル１２Ａおよび１２Ｂを有する。チャネル束１は２つの終端面４の間に延在している（図１Ｂでは終端面を２つとも示すが、図２では終端面４を１つだけ示している）。チャネル束１の端部１Ａからヘッダー２が延出し、ここで流れ１４はプレナム９に流入してポート６から流出する。（図示しない熱交換器１０の鏡像の半分では、ポート６は、流れ１４の出口ではなく入口である）。２つの流れを分離しておくために、チャネル１２Ｂはヘッダー２を通り抜けて仕切り板５を通過しエンドキャップ内へと延びている。チャネル１２Ｂ内を輸送される流体１６は、エンドキャップ３のポート７から熱交換器１０に流入する。流体１６は、収集区域２２内に収容されて、各チャネル１２Ｂに流れ１６が配分される（この場合は熱交換器の端部１０Ａ）。図２では図示しない端部１０Ｂでは、流体１６はチャネル１２Ｂを通過して収集区域２２へと移動してから、出口７を通ってデバイス外に流出する。チャネル１２Ａと１２Ｂは熱交換器１０内でチェッカー盤模様を作るように配置されている。すなわち、チャネル１２Ａと１２Ｂは、図２に示すように短手方向（Ｔ）に垂直方向だけでなく水平方向にも交互になるタイプのチャネル（たとえば１２Ａまたは１２Ｂ）なので、束の内側にある各チャネルは、４辺をもう一方のタイプのチャネルで囲まれて、チェッカー盤模様を作ることになる。
【００２５】
この熱交換器の設計の際立った特徴は、半チェッカー盤の各組のどのチャネルも、隣のチャネルのフローと混ざることがない、独自の流体を受けることである。従来のシェルアンドチューブ式熱交換器では、１つまたは複数の水平バッフルが、胴側フローの別々のコンパートメントを仕切る役割を果たす場合もある（これは通常はコンパートメント間で胴側のフローを逆流させる目的である）が、１パス軸方向対向流フローを確保する目的ではない。
【００２６】
以下に、本発明を説明するのに本明細書で使用される用語を定義する。
【００２７】
チェッカー盤とは、流体特性などの反対の特徴をもつ区域が、４方向（横方向両側、上下）に隣り合って、ゲームのチェッカー盤の色の並びと同じようにして存在する模様（ｐａｔｔｅｒｎ）である。
【００２８】
半チェッカー盤とは、完全なチェッカー盤模様を構成する２つの相補的模様のうちの一方だけを意味する。
【００２９】
チャネル束とは、チェッカー盤模様に配列されたチャネルの集合である。
【００３０】
ヘッダーとは、向かい合う流体が一方または他方の半チェッカー盤模様のチャネルに別々に配分される区域である。ヘッダーは、互いに不通の別々の２つのスペースで構成されている。
【００３１】
仕切り板とは壁であり、２つの半チェッカー盤模様のうちの一方に専用の１組のチャネルによってのみ貫通される。従来のシェルアンドチューブ式熱交換器の設計の「管板」と同義である。
【００３２】
面密度とは、２つのチャネル模様のうち断面周囲が小さいほうのチャネルの全内表面積の、チャネル束の全外体積寸法に対する割合であり、平方メートル／立方メートルとして表される。
【００３３】
プレナムとは、２つ以上のチャネルに対し開口しているスペースである。チャネルに流入するまたはチャネルから流出する流体の配分ポイントとして用いることができる。本開示の目的では、プレナムは、チャネル束に直に隣接したスペースであり、チャネル束の長手方向軸線に交差するように熱交換器に流入するまたは熱交換器から流出する流体を配分する。
【００３４】
上述したように、図２は、２つのエンドキャップ３のうちの一方、２つの仕切り板５のうちの一方、２つのプレナム６のうちの一方、およびチャネル束１の一部を含む、熱交換器の一端部（端部１０Ａ）の断面を示している。向かい合う流れ１４、１６の対向流式フローは、チャネル１２Ａ、１２Ｂを右から左へ、または左から右へ（それぞれ）走る、向かい合う矢印で表されている。図２では、チャネル１２Ａ、１２Ｂの垂直面が１つだけ表されている。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄは、熱交換器１０の長手方向軸線上の異なる箇所における垂直面と水平面の両方を含む断面図を提供している。図３Ａ〜図３Ｄは、実証目的で、１２Ｂタイプのチャネルの５×５アレイを含む一実施形態を示している。なお、チャネル１２Ａ、１２Ｂの数に理論上限界はなく、模様も図示の同一の四角形に限定されるものではない。製造機の能力による限界はあるが、数百または数千も可能である。図３Ａ〜図３Ｄでは、チャネル１２Ａ、１２Ｂ間の壁１８を黒色で示す。開放領域２４は白色である。図２および図３Ａ〜図３Ｄの目的は、向かい合う流れ１４、１６を互いに分離しておく手段を示すことである。
【００３５】
具体的には、図２のＡ−Ａ断面を図３Ａに示し、チャネル束１内に存在しているチャネルアレイ２６の一実施形態を例示している。個々のチャネル１２Ａを四角形で示しているが、丸、卵形、台形、または半月形でもよく、また隅肉を取ってあってもよい。向かい合うチャネル１２Ｂは相補形であり、チャネル１２Ａの周りで４方向（上下、左右）に配置されてチェッカー盤模様を形成する。
【００３６】
チャネル束１は終端面４のところで終わり、図２のＢ−Ｂ断面として示され、図３Ｂとして断面図で表されている。ここでチャネル１２Ａは突然終わり、ヘッダー２のプレナム領域９に開口している。プレナム領域９内には、向かい合う流れ１６を閉じ込める連続するチャネル１２Ｂ間に非妨害スペース２４が存在し、複数のチャネル１２Ａからの流れ１４は混ざり合ってプレナム流体２８を形成することができる。チャネル１２Ｂは、プレナム領域９を通って仕切り板５まで延在している。連続するチャネル１２Ｂの重要な要件は、プレナム流体２８が、連続するチャネル１２Ｂ間をプレナム領域９を通って側部ポート６まで流れることができるように、一体化または合体しないことである。プレナム流体２８（つまりチャネル１２Ａから収集された流体１４）は、ポート６へまたはポート６から、この連続チャネル１２Ｂの迷路を通り抜けていく。（図３Ｃおよび図３Ｅも参照のこと。図３Ｃは図２のＣ−Ｃ線における断面図であり、プレナム領域の一部を表している。図３Ｅは図３Ｃを拡大してプレナム流体２８の流路を例示する図である）。このため、連続するチャネル１２Ｂの輪郭は、プレナム領域９を通過する部分では、まだそうなっていなければ円形、卵形、または何らかの他の形に変化し得る。また、基本的輪郭は同じままで面積が縮小してもよい。あるいはその両方、つまりサイズが縮小し、形状も変化してもよい。このような変形はいずれも、閉じ込めているチャネル１２Ｂの周り全体に自由スペースを確保するためであり、その結果として他方の向かい合う流れ１４は、プレナム壁３０のポート６に向けてまたはポート６から、プレナム領域９内および流れ１６を閉じ込めているチャネル１２Ｂ間に自由に流入する。このことは図３Ｂに示されており、この面で終わる流れ１４のチャネル１２Ａは四角形として示されているが、流れ１６の連続するチャネル１２Ｂは丸い。連続するチャネル１２Ｂの輪郭は、図３Ｃ（図２の線Ｃ−Ｃにおける断面図）に示すようにプレナム領域９内も、図３Ｄ（図２の線Ｄ−Ｄにおける断面図）に示すように仕切り板５中も、丸いか卵形のままである。エンドキャップ３は、軸方向ポート７を備え、開口チャンバである収集区域２２を包囲し、流体は収集区域２２を通ってチャネル１２Ｂからまたはチャネル１２Ｂに流れる。このデバイスを包囲する容器（図示せず）を含め追加の収容手段を用いて熱交換器１０全体の周囲の圧力を保持してもよい。
【００３７】
上述の熱交換器１０の実施形態では、流れ１４および１６の流路はポート６または７の一方から交換器に流入し流出する、として例示した。たとえば、流れ１４は、端部１０Ｂのポート６から熱交換器に流入し（図１Ａ参照）、端部１０Ａのポート６を通って（長手方向軸線に交差する方向に）交換器１０から流出し、流れ１６は、端部１０Ａのポート７から交換器１０に流入し、端部１０Ｂのポート７を通って（長手方向軸線に平行な方向に）流出する、と例示した。しかし、他の実施形態も可能である。たとえば、交差および平行構成要素を各流れの入口／出口フローに含めることが好ましい場合がある。たとえば、いくつかの実施形態では、流れ１４は、端部１０Ｂのポート７から交換器１０に流入し、複数のチャネル１２Ａを通過して、端部１０Ａのポート６から流出し、流れ１６は、端部１０Ａのポート７から交換器１０に流入し、複数のチャネル１２Ｂを通過して、端部１０Ｂのポート６から流出する。この実施形態では、束の複数のチャネル１２Ａおよび１２Ｂは、それぞれのポートと流体接続して、流体の入口および出口フローを可能にすることになる。すなわち、チャネル１２Ａは、端部１０Ｂのエンドキャップ３から端部１０Ｂのヘッダー２および束１を通って延在し、端部１０Ａのヘッダー２の流体受容領域／プレナム領域９と流体連通することになる。同様に、この実施形態では、チャネル１２Ｂは、端部１０Ａのエンドキャップ３から端部１０Ａのヘッダー２および束１を通って延在し、端部１０Ｂのヘッダー２の流体受容領域／プレナム領域９と流体連通することになる。
【００３８】
チェッカー盤模様の範囲および定義内に収まる様々なチャネル束の構成が、図４Ａ〜図４Ｄで例示されている。ここで例示されている模様には、一見チェッカー盤模様には見えないものがあるかもしれない。
【００３９】
図４Ａ〜図４Ｄは、一続きのチャネル３２を示すが、これは隣接するチャネル同士が同じ壁３４を共有していることを意味する。一続きのチャネル３２は円形、三角形、または（台形を含む）四辺形のどれでもよい。図では向かい合うチャネル同士を濃淡で区別して、フローのチェッカー盤模様を強調している。四辺形チャネル（図４Ａ、図４Ｂ）の場合は、横方向両側、上下で４辺に接する向かい合うチャネルの存在がよくわかる。三角形チャネル（図４Ｃ）の場合は、四辺形の４辺のうちの１辺が縮んで点になったと想像すれば、この模様が明白になろう。円形チャネル（図４Ｄ）の場合は、（第１の流れを収容する）チャネル４６および（第２の別の流れを収容する）チャネル４８の外周が円形であっても、その全周で熱伝達が生じるので、４辺または４辺に相当する部分が提供されている。
【００４０】
一続きのチャネル３２は同一の断面積を有する必要がなく、一方の組のチャネルは他方の組のチャネルよりも小さい場合がある。図５は、互いに隣接しているがサイズが異なる円形の一続きのチャネル３２を示す。（第１の流れを収容するチャネル４６のサイズと第２の流れを収容するチャネル４８のサイズは互いに異なっている）。一続きのチャネル３２は円形、三角形、または四辺形（台形も含む）のどれでもよい。
【００４１】
図６Ａと図６Ｂは、形状およびサイズが異なる一続きのチャネル３２を示す。実際にはあらゆる管形状、つまり円形（図６Ａ）、卵形および任意の辺数の多角形（図６Ｂ）を向かい合う流れ１６のうちの一方に適用してもよく、次いでシート４０で仕切って複数層で組み立ててもよい。チャネル４４、たとえば管の間の空隙４２が、流れ１４のチャネルになる。図６Ａおよび図６Ｂのチャネルの濃淡差から、全体のチェッカー盤模様は明白である。シートで仕切ったチャネル構成３８では、仕切りシート４０のいくつかの区分が、向かい合う流れではなく同じ流れのチャネル同士によって共有されることになる。しかしそのような区分は非常に短いか、またはフローが幾何学的不規則性により制限されるような点に生じがちである。仕切りシート４０間に保持される管４４の場合（図６Ａ）、このような領域は鋭く尖った楔の形をとる。
【００４２】
たとえば、流れ１６は、金属シート４０の間に管４４が挟まれたサンドイッチを形成するように薄シート４０の上下に溶接され得る、（チャネルの働きをする）丸または卵形の管４４を通って案内され得る。そうすると、管４４間のスペース４２を、他方の流れ１４を対向流式に運ぶのに用いることができる。その場合、管４４間の空隙４２は何か砂時計のような形に見えることになる。この砂時計の断面積に対する相対的な管の断面積は、管間のピッチまたは距離により変化し得る。基本的なチェッカー盤模様は、各チャネルが向かい合うフローのチャネルに近接して存在して、横方向両側と上下の４方向で熱交換する、という意味で保持されている。
【００４３】
シートで仕切ったチャネル構成３８の例示的実施形態では、流れ１４と１６はそれぞれ、側部ポート６から流入し他端の軸方向ポート７から流出するか、またはその逆ということになる。この構成では、温度、圧力、および粘性といった条件によっては、圧力降下が改善され得る。あるいは、流れ１４および１６を、ヘッダー２を通って短手方向に流れる流体を扱うため側部に位置するものであれ熱交換器１０のエンドキャップ３のところに軸方向に位置するものであれ、同タイプのコレクターを通じて流入させ流出させる。
【００４４】
図７および図８Ａ〜図８Ｄに示す構成では、異なるヘッダーの設計が示されている。（図２に示すような）チャネル束１の軸方向端部１Ａのところの開口プレナムの代替として、斜めチャネル５２がチャネル束１の端部１Ａ付近に切られて一方の組の半チェッカー盤チャネル４６だけが交わるようにされている。チャネル束１の端部１Ａは次に相補的組の半チェッカー盤チャネル４８専用の穴を有する板５を被せられ、もう一方の組のチャネル４６は、図８Ｃで例示するように、チャネル束内の収集区域５４内で、束の端部に沿うマニホルド５８へと向きを変えられる。図７は、図２と同様に、向かい合う流れ１４、１６の流路を例示している。この２つの設計間の１つの違いは、連続しているチャネル１２Ｂの形状が、一続きのチャネル３２の場合とは違って、収集区域６を通過する際に変化する必要がないことであり、これは、この場合は側部ポート６０を流れる流れ１４がチャネル束１内で切られた斜めチャネル５２によって案内されるからである。したがって、図７の線Ａ−Ａおよび線Ｂ−Ｂにおける、それぞれ図８Ａおよび図８Ｂとして示される断面図は、同一になる。斜め案内チャネル５２が存在する収集区域５４およびマニホルド５８の断面図を図８Ｃ（図７の線Ｃ−Ｃにおける断面図）に示す。熱交換器１０の外寸（Ｘ）は、収集区域５４およびマニホルド５８を収容するように多少拡大することになる。この追加の周囲寸法も図７に示されている。図８Ｃに示すマニホルド５８は流れ１４をポート６０に向ける。収集区域６のすぐ後ろには仕切り板７２（図７の線Ｄ−Ｄにおける断面図である図８Ｄを参照）があり、向かい合う流れ１６の半チェッカー盤アレイ６６のチャネル４８だけが、該仕切り板７２を貫通または通過できる。図７の仕切り板７２は、図２の仕切り板５と似ている。これらのチャネル４８は、最終的には熱交換器のエンドキャップ３の空洞２２内へと移動する。
【００４５】
図８Ｃを参照すると、一方の流れが軸方向に熱交換器に流入または流出し、他方の流れが側部ポートから流出する場合のフロー様式が示されている。図９Ａはこの実施形態を繰り返すものであり、一方の流体流が収集区域５４に流れてポート６０から流出する。図９Ｂは両方の流れが斜めチャネルを通じて熱交換器に流入または流出する実施形態を例示する図である。２つの流れのマニホルドのフロー様式は互いに鏡像関係になっている。すなわち、図９Ｂは、第１のフロー流は側部ポート６０と流体連通しているマニホルド５８の収集区域５４に集められ、第１のフロー流から分離された第２のフロー流は側部ポート５９と流体接続している収集区域５５内に溜まることを示している。
【００４６】
本発明１０は、前述のどの構成でも、向かい合う流れ１４、１６のうちの少なくとも一方における化学反応を促進するのと同時に対向流式フローの２つの流れ１４、１６間の熱交換を行って、向かい合う流れのうちの一方が他方の流れにエネルギーを供給するようにも利用できる。そのような反応の一例は、メタンと水から一酸化炭素と水素を生成する吸熱合成ガスプロセスである。一実施形態では、供給原料混合物を一方の相補的組の半チェッカー盤チャネル（たとえば図２Ａの１２）に供給し、高温流体（たとえば排熱燃焼流）が他方の相補的組の半チェッカー盤チャネル（たとえば図２の１２Ｂ）を対向流式に流れて合成ガス反応で生じた熱を提供する。本開示のデバイス（たとえば熱交換器）内で実施可能な化学反応の別の例は、一酸化炭素と水素の供給混合物から様々な鎖長の炭化水素を生成する放熱性フィッシャートロプシュプロセスである。この実施形態では、相補的流れは、反応で生じた熱を吸収することになる。すなわち、一方の流体流（つまり反応流）は流路内で（つまり一方の組の半チェッカー盤の長手方向軸線に沿って）化学反応し、相補的組の半チェッカー盤チャネルは反応で生じた熱を吸収する流体を収容することになる。目的とする反応のタイプによっては、フィッシャートロプシュ合成の場合のように、反応流を搬送するチャネルに多孔質触媒材料を置く必要が生じ得る。加えて、本発明の一実施形態では、吸熱反応流が一方の組の半チェッカー盤チャネルに供給され、放熱反応流が他方の相補的組の半チェッカー盤チャネルを通して供給され得る。
【００４７】
本開示による熱交換器１０は、４００ｍ２／ｍ３よりも高い面密度になるように製造され得る。適用される形態によっては、面密度は２，０００ｍ２／ｍ３にもなり得、さらに高くもされ得る。そのような熱交換器は、圧力降下に関して従来のシェルアンドチューブ式熱交換器よりも優れた性能を示す。従来のシェルアンドチューブ式熱交換器の胴側では特に、チャネルサイズが減少するにつれて圧力降下は急増する。表１は、本発明の一実施形態にしたがい設計された仮想的な熱交換器、すなわち、１パス対向流式フローを提供し、分離されている向かい合うフローと一緒にチェッカー盤模様を形成するようにチャネルが中に配置されているチャネル束を有する、仮想的マイクロチャネル熱交換器について計算したデータを提供する。表１は、本開示によるマイクロチャネル熱交換器の仮想的事例と、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器の事例とを記載しており、両者の外寸とフロー条件は等しい。マイクロチャネル対向流式熱交換器は各列で長手方向にバッフルを備え、短手方向にバッフルを備える様々な管径のシェルアンドチューブ式熱交換器と比較するためのベースライン事例とされる（下の表２を参照）。これらの事例は、二酸化炭素の向かい合う流れ（一方の流れは他方の流れよりも高温であり圧力も異なるが、流量はどちらも同じ）による復熱を例示するものである。このベース事例のマイクロチャネル熱交換器の管の外径は、１．０７ｍｍである。外被は、そのような管４０，０００本の束を十分に収容できる大きさである。
【００４８】
表２は、長手方向にバッフルを備える「固定」管径（直径１ｍｍ）のマイクロチャネル熱交換器と、短手方向にバッフルを備える、管サイズが外径２０ｍｍから最小１ｍｍまで「変化する」のシェルアンドチューブ式熱交換器との圧力降下を比較したものである。束ねた管の外寸は表１にしたがい一定しているので、シェルアンドチューブの事例の管数は、管の外径が増大するにつれて減少することになる。管サイズが外径約１２ｍｍ（およそ１／２インチ）では、従来の熱交換器の胴側の圧力降下は、表１に示す仮想的マイクロチャネルデバイスの「胴側」での圧力降下に等しい。圧力降下は２つの交換器同士で均等かもしれないが、面密度は表１に記載の本開示による交換器のほうが５倍以上高い（１，４９３ｍ２／ｍ３と２８９ｍ２／ｍ３とを比較）。サイズが１ｍｍでは、短手方向にバッフルを備えたシェルアンドチューブ式熱交換器（バッフルを５個有する）の圧力降下は、表１に記載の本開示の一実施形態による交換器の１８倍大きい。（しかし、面密度はこの２つの異なる交換器同士でほぼ等しいことに着目されたい）。所与の胴部寸法では、面密度は管外径が減少すると増大する。このように、原則として、本開示による熱交換器１０は、圧力降下がより少なく、４００ｍ２／ｍ３以上の面密度で動作する。
【００４９】
また、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換能力は、面密度が４００ｍ２／ｍ３を上回らない限りは、本開示による対向流式マイクロチャネル熱交換器１０にかなわない（表３を参照）。見方を変えれば、本開示によるマイクロチャネル熱交換器１０は、従来のシェルアンドチューブ設計で生じがちな大幅な圧力降下なしに、小型の外被でも高い熱交換量を得ることができる。表３から明らかなように、（バッフル５個の）従来のシェルアンドチューブ式熱交換器は、管の外径が４ｍｍ未満でないとマイクロチャネル熱交換器と同等の熱交換性能を発揮できないが、このサイズでは、長手方向にバッフルを設ける設計と比べて胴側の圧力降下がかなり大きくなる。したがって、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器（つまり１個または複数の短手方向バッフルを含む）は、許容可能範囲の圧力降下を維持しながら同様または同等の熱交換性能を提供することはできない。
【００５０】
表１
ベースライン仕様：
長手方向にバッフルを設けたマイクロチャネル熱交換器
管束外径  ０．３３メートル
管束長  １．５メートル       
管外径  １．０７ミリメートル
管数  ４０，０００
面密度  １，４９３ｍ２／ｍ３
熱交換量  二酸化炭素（両側）
流量  １５ｋｇ／ｓ（両側）
熱交換量  ２，７８３ｋＷ
【表１】
2016512320.tif 000003
【００５１】
表２
性能比較：圧力降下
ベースライン管数４０，０００本の水平方向にバッフルを設けたマイクロチャネル熱交換器（Ａ）
対  管サイズが変化する短手方向にバッフルを設けたシェルアンドチューブ式熱交換器（Ｂ）
【表２】
2016512320.tif 000004
【００５２】
表３
性能比較：熱交換量
ベースライン管数４０，０００本の長手方向にバッフルを設けたマイクロチャネル熱交換器（Ａ）
対  管サイズが変化する短手方向にバッフルを設けたシェルアンドチューブ式熱交換器（Ｂ）
【表３】
2016512320.tif 000005
【００５３】
例１
図１に示す熱交換器を、それぞれの内高および内幅が０．６ｍｍの四角形のチャネル２５×２５のアレイを含み、１インチ×１インチの外寸を占める、一続きのチャネル構成にしたがい作製した。第１の流れ（１４）を収容するチャネルのサイズおよび形状（図２の１２Ａを参照）は、長手方向軸線（ｚ）に沿ってほぼ同じである。チャネル（１２Ｂ）のサイズおよび形状は、図３Ｂ〜図３Ｄに示されているように変更されている。熱交換器を追加工した。具体的には、インコネル７１８を用いてチャネル（１２Ａと１２Ｂの両方）を形成した。束の全長は６．５７インチであった。２つの対向流のうちの一方の全内表面積は０．１２０２ｍ２である。したがって全体の面密度（表面積を全体体積で割ったもの）は１，１１６ｍ２／ｍ３である。水を０．３８〜１．０８ガロン／分の流量による試験（表４を参照）では、出力密度は２５．１〜３２．４ＭＷ／ｍ３の範囲であった。
【００５４】
表４
熱交換量：水での試験
２５ｘ２５チャネル、外寸１”ｘ１”ｘ６．５７”
【表４】
2016512320.tif 000006
【００５５】
例２
本開示にしたがい作製した束体積６５．７立方インチでの面密度１，３５１ｍ２／ｍ３、重量８．５ポンドのステンレス鋼のマイクロチャネル熱交換器を、表５に記載の条件で試験した。これらの事例の出力密度は１０〜１１ＭＷ／ｍ３の範囲である。
【００５６】
表５
熱交換量：二酸化炭素での試験
３２ｘ２０チャネル、外寸１．０４”ｘ２．１５５”ｘ２９．４３”
【表５】
2016512320.tif 000007
【００５７】
本開示を詳細に、特定の実施形態を参照して例示したが、当業者にとっては、これら実施形態の精神および範囲を逸脱することなく様々な変化および変更が可能であることは明白であろう。したがって本開示は、本開示の変更および変形が添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内であれば、それらを包含するものとする。
【図１Ａ】
2016512320.tif 000008
【図１Ｂ】
2016512320.tif 000009
【図２】
2016512320.tif 000010
【図３Ａ】
2016512320.tif 000011
【図３Ｂ】
2016512320.tif 000012
【図３Ｃ】
2016512320.tif 000013
【図３Ｄ】
2016512320.tif 000014
【図３Ｅ】
2016512320.tif 000015
【図４Ａ】
2016512320.tif 000016
【図４Ｂ】
2016512320.tif 000017
【図４Ｃ】
2016512320.tif 000018
【図４Ｄ】
2016512320.tif 000019
【図５】
2016512320.tif 000020
【図６Ａ】
2016512320.tif 000021
【図６Ｂ】
2016512320.tif 000022
【図７】
2016512320.tif 000023
【図８Ａ】
2016512320.tif 000024
【図８Ｂ】
2016512320.tif 000025
【図８Ｃ】
2016512320.tif 000026
【図８Ｄ】
2016512320.tif 000027
【図９Ａ】
2016512320.tif 000028
【図９Ｂ】
2016512320.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月17日(2015.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の複数のチャネルと第２の複数のチャネルとを含むチャネルの束であって、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の短手方向断面のほぼ全体にチェッカー盤模様を形成するように配置され、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通しており、第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通していない、チャネルの束と、
第１の流体受容部材と、
第２の流体受容部材であって、第１の流体受容部材、第２の流体受容部材、およびチャネルの束は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されている、第２の流体受容部材と、
を備えている、対向流式フロー１パス熱交換器であって、
第２の複数のチャネルは束の前記端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在しており、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通しており、収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している、対向流式フロー１パス熱交換器。
【請求項２】
チャネルの束の面密度が４００ｍ２／ｍ３よりも高い、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、表面粗さが増大した壁を含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、チャネル壁から延出するフィンを含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
チャネルの束中のチャネルの少なくとも一部が、その中に固定された多孔質媒体を含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
収集領域内の第２の複数のチャネルの少なくとも一部が、束内とは異なる断面サイズおよび／または形状を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面形状とは異なっている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
第１の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積が、第２の複数のチャネルの個々のチャネルの断面積とは異なっている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
収集領域が、第１の流体受容部材を形成する壁によって画定されるチャンバ内に形成されており、第１の複数のチャネルの第１の流体受容部材内の軸方向フローが妨害されて、第１のフロー流を収集領域と流体接続している斜め通路に沿わせる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
対向流式１パス熱交換器において第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法であって、
チャネルの束内に第１の流体流と第２の流体流を互いに対向して流れるように流し、その結果として第１の流体流と第２の流体流は、束の内側領域内で束の長手方向軸線に沿って、１本のチャネルに対し４方向に、第１の流体流と第２の流体流が互いに混合することなく熱交換し、前記４方向は前記１本のチャネルの上方、前記１本のチャネルの下方、および前記１本のチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる、束内に第１の流体流と第２の流体流を対向流として流すことと、
第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集することであって、第２の流体流は第１の流体受容部材を通って延在する複数のチャネル内に閉じ込められて、第１の流体流と第２の流体流とを互いに分離している、第１の流体受容部材内に第１の流体流を収集することと、
第２の流体受容部材内に第２の流体流を収集することと、
を含んでいる、熱伝達する方法。
【請求項１１】
さらに、第１の流体流の乱流を増加させて、第１の流体流の熱伝達係数を第２の流体流の熱伝達係数の１０倍以内の値に変更することを含んでいる、請求項１０に記載の第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法。
【請求項１２】
第１の流体流中で化学反応が生じ、第２の流体流はそのエネルギーを吸収するか、または熱エネルギーを第１の流体流に提供する、請求項１０に記載の第１の流体流と第２の流体流間で熱伝達する方法。
【請求項１３】
第１の複数のチャネルと、第２の複数のチャネルとを含むチャネルの束であって、第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第１のフロー流ポートと流体連通し、第２の複数のチャネルの個々のチャネルは第２のフロー流ポートと流体連通しており、第１のフロー流ポートと第２のフロー流ポートとは互いに分離され流体連通しておらず、ここで第１の複数のチャネルの個々のチャネルは第２の複数のチャネルの個々のチャネルに対し、束の内側領域内で束の長手方向軸線に沿って各チャネルに対し４方向に、第１の流れの流れと第２の流れが混合することなく熱交換するように配置され、前記４方向は、内側領域の選択されたチャネルの上方、前記選択されたチャネルの下方、および前記選択されたチャネルの横方向両側の少なくとも一部沿いを含んでいる、チャネルの束と、
第１の流体受容部材と、
第２の流体受容部材であって、第１の流体受容部材、第２の流体受容部材、およびチャネルの束は、第１の流体受容部材が第２の流体受容部材と束の端部の間に位置するように配置されている、第２の流体受容部材と、
を備えている、対向流式フロー１パス熱交換器であって、
第２の複数のチャネルは束の前記端部を通過して第１の流体受容部材を通って延在しており、第１の複数のチャネルは束を通って延在し第１の流体受容部材の収集領域と流体連通しており、収集領域は第１のフロー流ポートのうちの少なくとも１つと流体接続している、対向流式フロー１パス熱交換器熱交換器。
【請求項１４】
対向流式フロー用に配置されたチャネルで構成されるデバイスであって、
流体がチャネルの束（１）内を向かい合う方向に対向流式に流れることによって、流体の向かい合う流れはチェッカー盤模様に配置され、その結果として所与のどのチャネルも、その横方向両側と上下の４方向に、もう一方の流体を収容するチャネルが沿って存在しており、
束（１）のいずれかの端部で、チャネルは、向かい合う流れのうちの一方をプレナム領域（６）全体にわたり閉じ込め、空洞（７）内へと延在し、流体はこの空洞（７）を通じて空洞壁にあるポートによりデバイスに流入または流出し、
開口したプレナム領域（６）を貫通する閉じ込めているチャネルのサイズか形状、またはサイズと形状を変えて、閉じ込めているチャネルの周り全体に自由スペースを確保してもよく、その結果として他方の向かい合う流れは、プレナム壁にあるポートに向けてまたはポートから、プレナム領域（６）および第１の流れを閉じ込めているチャネル間に自由に流入する、デバイス。
【請求項１５】
チャネル束の面密度が４００ｍ２／ｍ３よりも高い、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
熱伝達係数がチャネル壁の構造変化により向上し、流れている流れの乱流増加をもたらす、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
第１の組の半チェッカー盤チャネルの個々のチャネルの断面形状は、中空の４辺以下の多角形であるが、相補的半チェッカー盤模様の断面形状は、第１の組のチャネルの壁間に形成される空隙を含むあらゆる形状とサイズをとる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
チェッカー盤模様はシートと管の列との交互層により形成され、その前記管は断面が丸、卵形、または多角形であり空隙によって横方向に分離され得、これら列の上方と下方に配置されたシートは列を垂直方向に分離し、その結果として管の交互層は千鳥配列になっている、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
片方または両方の端部における流れのいずれかのマニホルドが、半チェッカー盤模様の第１の組の相補的チャネルの軸方向フローを妨げ、その向きを、半チェッカー盤模様の第２の組の相補的チャネルのチャネル間を斜めに通るチャネルにより短手方向に変えることにより形成され、その結果として第１の組からのフローは管束の端部に沿う側部ポートに集まる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
チェッカー盤模様はシートと管の列との交互層によって形成され、その前記管は断面が丸、卵形、または多角形であり空隙によって横方向に分離され得、これら列の上方と下方に配置されたシートは列を垂直方向に分離し、その結果として管の交互層は千鳥配列になっている、請求項１に記載の熱交換器。
【国際調査報告】
2016512320.tif 000030
2016512320.tif 000031
2016512320.tif 000032
2016512320.tif 000033