(57)【要約】 【課題】  ＯＴＥＣシステム用の新規な熱交換器を提供する。【解決手段】  第１の流体と第２の流体との愛で熱交換するためのハイブリッドプレートフィン熱交換器である。この熱交換器は複数のプレートを有する。各プレートは第１の流体を搬送するための流路を構成する。フィンは各プレートにろう付けされている。フィンは第２の流体用の複数の流路を画成する。ろう付け領域が運転中に第１の流体から隔離されるように、プレートは互いに摩擦撹拌溶接法により接合されている。その結果、熱交換器は、ろう付け領域を腐食する海水又は地熱流体などのような第１の流体を使用する用途で使用するのに好適である。【選択図】  図３【特許請求の範囲】
【請求項１】
(1)第１のコアと、
この第１のコアは、
(a)第１の流体を搬送するための第１の流路を構成する第１の層と、
(b)第１の複数の流路を画成する複数のフィンからなる第２の層とから構成され、
前記第２の層は第１の層にろう付けされている、
(2)第１のコアの第１の端部に配置された第１のプレートと、
この第１のプレート及び第１のコアの第１の端部は、耐電食性継手である第１の継手を介して接合されている、及び 
(3)第１のコアの第２の端部に配置された第２のプレートと、  
この第２のプレート及び第１のコアの第２の端部は、耐電食性継手である第２の継手を介して接合されている、
からなることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
第１の継手及び第２の継手は摩擦撹拌溶接継目からなる、
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１のコアは、第１の流体を搬送するための第３の流路を更に有し、第２の層は第１の層及び第３の層の間に入っている、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
第１のコアは第１の部分と第２の部分を有する第１のバーを更に有し、前記第１の部分は第１の層及び第３の層の各々に摩擦撹拌溶接されており、前記第２の部分は第１の層及び第３の層の各々にろう付けされている、
ことを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
【請求項５】
第１のコアは第３の部分と第４の部分を有する第２のバーを更に有し、前記第３の部分は第３の層及び第１のプレートの各々に摩擦撹拌溶接されており、前記第４の部分は第３の層にろう付けされている、
ことを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
【請求項６】
第１の層は第２の層よりも第１のコアの長さに沿って更に延ばされており、第１の層及び第１のプレートは摩擦撹拌溶接継目である第３の継手により接合されており、第１の継手は第３の継手を包含する、
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
第２のコアを更に有し、第２のコアは、
(a)第１の流体を搬送するための第３の流路を構成する第３の層と、
(b)第２の複数の流路を画成する複数のフィンからなる第４の層と
からなり、
第４の層は第３の層にろう付けされており、
第１のプレート及び第２のコアの第１の端部は耐電食性継手である第４の継手により接合されており、
第２のプレート及び第２のコアの第２の端部は耐電食性継手である第４の継手により接合されている、
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項８】
(1)第１のコアと、
この第１のコアは、
(a)第１の複数の第１の層と、
(b)第１の複数の第２の層とからなり、
第１の複数の第１の層の各々は第１の流路を構成し、
第１の複数の第１の層の各々は、第１の複数の第２の流路を画成する複数のフィンからなり、
第１の複数の第２の層は少なくとも一つの第１の複数の第１の層にろう付けされており、
第１の複数の第１の層及び第１の複数の第２の層は交互に積重される態様で配列されている、
(2)コアの第１の端部に配置された第１のポートと、
第１のポートは第１のコアに第１の流体を供給する、
(3)第１のプレートとからなり、
第１のコア及び第１のプレートは摩擦撹拌溶接継目からなる第１の継手により接合されており、第１のプレート及び第１の継手は全体として、第１のポート及び第１の複数の第２の層を流体的に隔離するバリア（障壁）を画成する、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
第１のコアは第１の端部に配置された第１の複数のバーを更に有し、
第１の複数のバーの各々は第１のプレートに対して近位の第１の部分と、第１のプレートに対して遠位の第２の部分を有し、
各バーは一対の第１の層の間に入っており、第１の部分は一対の第１の層の各々に摩擦撹拌溶接されており、更に、第２の部分は一対の第１の層の各々にろう付けされており、
第１の複数のバー及び第１の複数の第１の層は全体として第１のコアの第１の面を画成し、
第１の面及び第１のプレートは第１の継手により接合されている、
ことを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
【請求項１０】
第１の複数の第１の層は第１の端部で第１の複数の第２の層を越えて突き出ており、第１の複数の第１の層は第１の端部において第１の複数の第２の継手により第１のプレートと接合されており、第１の複数の第２の継手の各々は摩擦撹拌溶接継目からなり、第１の継手は第１の複数の第２の継手を構成する、
ことを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
【請求項１１】
第１の複数の第１の層の各々は、第１の複数の第２の層の各々が間隙により第１のプレートから分離されるように、第１のプレートと接合されている、
ことを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
【請求項１２】
第２のコアを更に有し、第２のコアは、
(a)第２の複数の第１の層と、
(b)第２の複数の第２の層とからなり、
第２の複数の第１の層の各々は第１の流路を構成し、
第２の複数の第２の層の各々は第２の複数の第２の流路を画成する複数のフィンからなり、第２の複数の第２の層の各々は第２の複数の第１の層の少なくとも一つにろう付けされており、
第２の複数の第１の層及び第２の複数の第２の層は交互に積重される態様で配列されており、
第２のコア及び第１のプレートは摩擦撹拌溶接継目からなる第２の継手により接合されており、バリアは第２の継手からなり、バリアは第１のポート及び第２の複数の第２の層を流体的に隔離する、
ことを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
【請求項１３】
(1)第１のコアを形成するステップと、
(2)第１のプレートと第１のコアを第１のコアの端部で接合させるステップとからなり、
前記第１のコアは、
(a)第１の複数の第１の層と第１の複数の第２の層とを積重させ、
(b)第１の複数の第１の層と第１の複数の第２の層とを一緒にろう付けする、
操作により形成され、
各第１の層は第１の流路を構成し、各第２の層は複数の第２の流路を形成する複数のフィンからなり、第１の複数の第１の層及び第１の複数の第２の層は交互に積重される態様で配列されており、
第１のプレート及び第１のコアは第１の耐電食性継手により結合されており、第１のプレート及び第１のコアは全体として第１の複数の第２の層を第１の流体搬送用の第１のポートから流体的に隔離するバリアを画成する、
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１４】
第１の耐電食性継手は摩擦撹拌溶接法により形成される、
ことを特徴とする請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１５】
第１のプレートと各第２の層とが間隙により分離されるように、第１のプレートと第１のコアが接合される、
ことを特徴とする請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１６】
前記第１のコアの形成ステップ(1)は、
(i)第１のコアは更に複数のバーを提供するステップ、
各バーは第１の部分と第２の部分とを有し、各第２の部分はろう付け充填材でクラッディングされている、
(ii)第１の複数の第１の層及び複数のバーをインターリーブするステップ、
複数のバーの各々の第１の部分は第１の端部に対して近位であり、
(iii)第１の複数の第１の層及び複数のバーの各々の第２の部分をろう付けするステップ、及び
(iv)複数のバーの各々及びその対応する隣接する第１の層を摩擦撹拌溶接するステップ、
複数のバーの各々の第１の面及び複数の第１の層の各々の第２の面は全体として第１のコアの第１の面を画成する、
を更に有することを特徴とする請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１７】
第１の面と第１のプレートを摩擦撹拌溶接法により接合させるステップを更に有する、
ことを特徴とする請求項１６記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１８】
第１の複数の第１の層の各々の第２の端部が第１の端部のところの複数の第２の層を越えて延ばされるように、第１の複数の第１の層及び第１の複数の第２の層は積重され、
第１のコアと第１のプレートは、
(a)第１のプレートを通して各第１の層の第２の端部を挿入し、
(b)各第２の端部と第１のプレートを摩擦撹拌溶接法により接合させる、
ことからなる操作により接合される、
ことを特徴とする請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
【請求項１９】
(1)第２のコアを形成するステップと、
(2)第１のプレートと第２のコアを第２のコアの端部で接合させるステップとを更に有し、
前記第２のコアは、
(a)第２の複数の第１の層と第２の複数の第２の層とを積重させ、
(b)第２の複数の第１の層と第２の複数の第２の層とを一緒にろう付けする、
操作により形成され、
各第１の層は第１の流路を構成し、各第２の層は複数の第２の流路を形成する複数のフィンからなり、第２の複数の第１の層及び第２の複数の第２の層は交互に積重される態様で配列されており、
第１のプレート及び第２のコアは第２の耐電食性継手により結合されており、第１のプレート及びバリアは第２の耐電食性継手からなり、バリアは第２の複数の第２の層を第１のポートから流体的に隔離する、
ことを特徴とする請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
【請求項２０】
第１の耐電食性継手及び第２の耐電食性継手は摩擦撹拌溶接法により形成される、
ことを特徴とする請求項１９記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、海洋温度差発電(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)システム用の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＯＴＥＣは海水のような莫大な量の水の深い部分の水と浅い部分の水との間の温度差に基づいてエネルギーを発生させる方法である。ＯＴＥＣシステムは熱機関（すなわち、温度差に基づいて電気を発生する熱力学的装置又はシステム）を利用する。この熱機関は、比較的暖かな浅いところの水と比較的冷たい深いところの水との間に熱的に結合される。ＯＴＥＣシステムは例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
ＯＴＥＣに好適な熱機関の一例はランキンサイクル(Rankine cycle)である。これは低圧タービンを使用する。低沸点を特徴とする“作動流体(working fluid)”（例えば、アンモニア）を含有する閉ループ導管は、作動流体が気化される第１の熱交換器で暖かな海水と熱的に結合される。膨張蒸気はタービンに送られ、タービン発電機を駆動する。タービンを出た後、気化作動流体は、閉ループ導管が冷たい海水と熱的に結合される第２の熱交換器で凝縮され、液体状態に戻される。次いで、凝縮作動流体はシステムに再循環される。
【０００４】
ＯＴＥＣシステムは技術的に有用であることが判明しているが、これらシステムの高い建設費が商業化を阻んでいる。熱交換器はＯＴＥＣプラント建設費に対する次ぎに大きな一因である（ＯＴＥＣプラント建設費の最大の一因は沖合係留船又はプラットフォームである）。従って、ＯＴＥＣプラントで必要とされる巨大な熱交換器の最適化は非常に重要であり、ＯＴＥＣ技術の商業的実現性に関して大きな影響を有する。
【０００５】
最も効率的で、対費用効果の高いタイプの工業用熱交換器の一つはプレートフィン熱交換器である。プレートフィン熱交換器は、常用のチューブ・外殻式、プレートフレーム式などのような他のタイプの熱交換器に較べて、（高いフィン充填密度に関するポテンシャルにより）非常に高い表面積を有することができる。その結果、プレートフィン熱交換器は、非常に高い伝熱効率を有することが出来、高い液体流速を有するがＯＴＥＣのような低温度差を特徴とする用途で使用するための魅力的な候補になり得る。
【０００６】
最高効率のプレートフィン熱交換器の一つは、ろう付けアルミニウムプレートフィン熱交換器である。これは、アルミニウム製フィンと、優れた熱伝導率を有する材料製のプレートとから構成されている。フィンとプレートはろう付け手法を用いて積重され、かつ結合され、流体搬送用の交互通路を形成する。操作時、温度差を有する流体は交互通路を通過され、熱エネルギーは流体とフィン・プレート材料間で移動される。
【０００７】
ろう付けは、機械要素類を結合するための周知の低コスト方法である。これははんだ付けと似ているが、ろう付けは、通常のはんだの融点（〜２５０℃−３００℃）よりも高い融点（一般的に、４５０℃以上）を有するろう付け充填材を使用する。多くの用途において、ろう付けははんだ付けよりも好ましい。なぜなら、ろう付け充填材は非常に高い構造強度を有するからである。実際、ろう付けされた接合部は、たとえ高温度であっても、これらが接合する部品類と殆ど同じくらい強い。
【０００８】
更に、多くのろう付け継手（ジョイント）を含む完全な組立体は、組立体を整列させ、各所望のろう付け継手位置にろう付け充填材を塗布することにより一度にろう付けすることができる。次いで、全体的集成装置を同時に加熱すると、ろう付け充填材が溶融し、その隣接要素類に融合する。その結果、ろう付けの使用は、融接などのような多くのその他の接合技術よりも顕著なコスト効果をもたらす。
【０００９】
運悪く、ろう付け継手は、海水、地熱流体、鉱水、汚染水及び塩水飛沫などのような高電導度物質に曝露された時に、電解腐食（電食）を極めて受け易い。代表的なろう付け方法は接合されるべ母体（基礎）金属よりも低い融点を有するアルミ合金充填材を使用する。従って、充填材金属は母体金属と異なる化学組成及び電位を有する。従って、非同類金属は継手部で電池を創成する。継手部における電食作用は、金属イオン移動（即ち、腐食）を誘発する。導電性媒体（例えば、海水）の存在下において、継手部における電食作用は、高められ、継手の崩壊が促進される。更に、電食関連崩壊のために作用しなくなったろう付け継手は通常、信頼可能的に又は対費用効果的に一新させることは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−３４０３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、従来技術の前記のような高コスト性及び欠点を有しないプレートフィン熱交換器を提供することである。
【００１２】
本発明の実施態様は、ＯＴＥＣシステムで使用するのに特に適しているが、原子炉、化学プラントなどのようなその他の熱交換器用途で使用するのにも適する
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するための本発明の代表的な実施態様は、複数のプレートを包含し、これら各プレートは熱交換器を介して海水を搬送するための複数本の流路を有する熱交換器コアからなる。プレートはフィン層により間挿されている。フィン層は全体として、熱交換器を介して搬送される作動流体用の流路を形成する。
【００１４】
従来技術と同様に、フィンはろう付け方法を用いてプレートに接合される。従来技術と異なり、本発明はろう付け継手を海水から流体的に隔離するシールを提供する。これらのシールは、プレートとコアの端部に配置された表面板とを耐電食性継手により結合することによりコアの各端部に形成される。ろう付け領域は海水に曝露されないので、ろう付け継手の腐食は軽減される。
【００１５】
耐電食性継手は、同じ材料からなるプレート及び表面板とにより、摩擦撹拌溶接される。従って、これら継手が非同類金属を含まないので、継手の耐電食性は高められる。
【００１６】
コアの各端部において、全体としてシールを画成するために、コアの各プレートは表面板に個別的に接合される。表面板及びフィンの各層が、これらの間に海水を捕獲（トラッピング）することを阻止するのに十分なギャップ（間隙）により分離されるように、プレートは表面板のところでフィン層を越えて延ばされている。従って、隙間腐食が軽減される。
【００１７】
ろう付け充填材で部分的に被覆されたバー（棒）がプレート間に間挿され、そして、被覆部分がコアの内部に向かって配置されるように配列される。バーはコアの各端部に配置される。バーとプレートは、各バーの被覆部分をその隣接プレートにろう付けすることにより、最初に接合される。ろう付け後、バーの非被覆部分をプレートに摩擦撹拌溶接させる。その結果、コアの全外面にはろう付け継手が存在しない。コアの各端部で、プレートとバーが全体として、ろう付け継手が存在しない端面を画成する。次いで、コアの各端面は、シールを画成するために、表面板に摩擦撹拌溶接される。
【００１８】
熱交換器は複数個のコアを有する。各コアは第１の端部と第２の端部を有する。各第１の端部は第１の表面板に接合され、各第２の端部は第２の表面板に接合される。その結果、本発明は熱交換器の大容量化を可能にする。
【００１９】
本発明の熱交換器は、
(1)第１のコア、
この第１のコアは、第１の流体を搬送するための第１の流路を構成する第１の層と、第１の複数の流路を画成する複数のフィンからなる第２の層とから構成され、前記第２の層は第１の層にろう付けされている、
(2)第１のコアの第１の端部に配置された第１のプレート、
この第１のプレート及び第１のコアの第１の端部は、耐電食性継手である第１の継手を介して接合されている、及び
(3)第１のコアの第２の端部に配置された第２のプレート、  
この第２のプレート及び第１のコアの第２の端部は、耐電食性継手である第２の継手を介して接合されている、
からなる。
【発明の効果】
【００２０】
以上述べたように、本発明の効果は、海洋温度差発電システムで使用されてきた従来の熱交換器が有する欠点を解消したことである。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術によるプレート・フィン熱交換器の一例の概要図である。
【図２】従来技術による熱交換器コアの一部の概要斜視図である。
【図３】本発明の一実施例による熱交換器の概要図である。
【図４】本発明の一実施例による熱交換器を製造するのに好適な方法の操作手順を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施例による熱交換器コアの概要斜視図である。
【図６Ａ】本発明の一実施例による層５０４の上面図である。
【図６Ｂ】本発明の別の実施例による熱交換器コアの上面図である。
【図７Ａ】本発明の別の実施例による表面板の一例の概要図である。
【図７Ｂ】コア３０２に接合された後の表面板３０６の概要図である。
【図７Ｃ】コア３０２に接合された後の表面板３０６の図７Ｂにおけるａ−ａ線に沿った概要横断面図である。
【図８】本発明の一実施例による表面板と熱交換器コアとを接続させるのに好適なサブメソッドの操作手順を示すブロック図である。
【図９Ａ】本発明の一実施例による完全に組み立てられた熱交換器の海水入口を示す概要横断面図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施例による完全に組み立てられた熱交換器の海水出口を示す概要横断面図である。
【図１０】本発明の別の実施例による熱交換器コアの概要斜視図である。
【図１１】バー１００２の概要斜視図である。
【図１２】本発明の別の実施例による熱交換器コアを製造するのに適した方法の操作手順を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳述する。
【００２４】
図１は従来技術によるプレート・フィン熱交換器の一例の概要図である。熱交換器１００は、コア１０２、一次流体入口１０４、マニホールド１０６、１０８、１１４及び１１６、一次流体出口１１０、二次流体入口１１２及び二次流体出口１１８からなる。
【００２５】
操作時、熱交換器１００は一次流体入口１０４で一次流体を受け入れる。一次流体入口１０４はマニホールド１０６に流体的に連結されている。マニホールド１０６は一次流体を、ｘ軸方向に整列させ、コア１０２内に画成される複数の流路に分配する。コア１０２を通過した後、一次流体はマニホールド１０８に集められ、そして、一次流体出口１１０に供給される。
【００２６】
同様な方法で、熱交換器１００は二次流体を二次流体入口１１２で受け入れる。二次流体入口１１２はマニホールド１１４に流体的に連結されている。マニホールド１１４は二次流体を、ｙ軸方向に整列させ、コア１０２内に画成される複数の流路に分配する。コア１０２を通過した後、二次流体はマニホールド１１６に集められ、そして、二次流体出口１１８に供給される。
【００２７】
図２は従来技術による熱交換器コアの一部の概要斜視図である。コア１０２は分割板２０２、フィン２０４及びスペーサー・バー２０８からなる。
【００２８】
分割板２０２は、フィン２０４及び２０６が接合される熱伝導性材料の薄い層である。フィン２０４及び２０６はろう付け継手２１０により分割板２０２に接合される。分割板２０２及びフィン２０４，２０６に使用するために多くの材料が検討されてきた。例えば、チタン、銅ニッケル合金及びアルミニウムなどである。しかし、ＯＴＥＣ用途の場合、アルミニウム（又はその合金類の幾つか）がこれらの要素のために一般的に使用されている。その理由は、アルミニウムは軽量であり、アンモニア及び海水（一次流体及び二次流体として最も一般的に使用されている）と低コストで優れた適合性を示すからである。
【００２９】
フィン２０４は流路２１２を画成する。流路２１２はコア１０２を介して一次流体を搬送する。フィン２０６は流路２１４を画成する。流路２１４はコア１０２を介して二次流体を搬送する。フィン２０４はｘ軸方向に沿って配向され、フィン２０６はｙ軸方向に沿って配向される。従って、熱交換器１００は直交流熱交換器として動作する。
【００３０】
スペーサー・バー２０８も分割板２０２にろう付けされている。スペーサー・バー２０８は流路２１２及び２１４の範囲を画成し、かつ、ｚ軸方向に沿った流路の寸法も決定する。
【００３１】
一次流体及び二次流体がコアを通過するにつれて、熱は分割板２０２及びフィン２０４，２０６の材料を介して流体間で交換される。
【００３２】
熱交換器１００のような、ろう付けされたアルミニウム製フィンを使用するプレート・フィン熱交換器は非常に優れた伝熱効率と低コスト建造性を示すが、ろう付け継手２１０はＯＴＥＣ用途ではその適用可能性が限定される。前記のように、ろう付け継手を形成するために使用されるろう付け充填材は接合されるべき材料よりも低い融点を有しなければならない。この低融点を獲得するために、ろう付け充填材の組成は接合される材料の組成と異なる。その結果、ろう付け継手は、特に海水などのような導電性媒体の存在下で電食を受け易い非同類金属を含有しなければならない。その結果、現時点における前記のような熱交換器は、ＯＴＥＣシステムで一般的に使用されていない。
【００３３】
本発明は、ろう付け継手に付随する高い電食性を軽減又は解消し、同時に、低コスト熱交換器コアを形成するためのろう付け方法を開発する手段を提供する。従来技術と同様に、本発明も熱交換器コアを形成するために、フィンとプレートを結合するろう付け法を使用する。しかし、従来技術と異なり、本発明は熱交換器コアの端部に表面板を接合させるのに摩擦撹拌溶接を使用し、これにより、海水への曝露からろう付け継手を流体的に隔離するシールを創成する。
【００３４】
図３は本発明の一実施例による熱交換器の概要図である。熱交換器３００は、熱交換器コア３０２−１及び３０２−２、外殻３０４、表面板３０６−１及び３０６−２、海水入口ポート３０８、海水出口ポート３１０、作動流体入口３１２，作動流体出口３１４及び邪魔板３１６からなる。
【００３５】
図４は本発明の一実施例による熱交換器を製造するのに好適な方法の操作手順を示すブロック図である。方法４００は操作ステップ４０１で開始される。ステップ４０１において、熱交換器コア３０２を形成するためにコア３０２−１及び３０２−２を整列させる。図３をを参照しながら、かつ、図５〜９を参照しながら方法４００を引き続き説明する。
【００３６】
図５は本発明の一実施例による熱交換器コアの概要斜視図である。熱交換器コア３０２は層５０２−１〜５０２−３（全体的に層５０２と呼ぶ）と層５０４−１〜５０４−２（全体的に層５０４と呼ぶ）とからなる。熱交換器コア３０２は各熱交換器コア３０２−１及び３０２−２を代表する。
【００３７】
層５０２及び５０４は交互配列により積重され、各隣接する一対の層５０２は層５０４により間挿されている。例えば、層５０２−１及び５０２−２は層５０４−１により間挿されている。
【００３８】
各コア３０２−１及び３０２−２（全体的にコア３０２と呼ぶ）は、海水と作動流体（例えば、アンモニア）との間で熱を移動させるのに好適な熱交換器コアである。コア３０２−１及び３０２−２は実質的にコア３０２と同一である。別の実施態様では、コア３０２−１及び３０２−２は異なる設計特徴を有する。
【００３９】
各層５０２は、各層５０２を介して海水を搬送するための複数の流路５０６を構成する押出アルミニウム合金板である。更に各層５０２は、その上面と下面（図５には図示されていない）に配置されたろう付け充填材層を更に包含する。好ましくは、層５０２は熱交換器３００における電食を軽減するために、表面板３０６と同じ材料から構成されている。通路５０６は全体として、コア３０２の第１の端部５１２に海水入口５０８と、コア３０２の第２の端部５１４に海水出口５１０を画成する。図５では層５０２は５本の流路５０８を有するように図示されているが、これは単なる一例であり、これに限定されない。当業者には、１個以上の層５０２が任意の実際的本数の流路（１本の流路の事例も含む）から構成できることは自明である。
【００４０】
各層５０４は全体として、コア３０２を介して作動流体を搬送するための複数の流路を画成する。
【００４１】
図６Ａは本発明の一実施例による層５０４の上面図である。層５０４はフィン５１６からなる。フィン５１６は波形のアルミニウム製フィンである。フィン５１６は全体として、複数の流路６０２を画成する。波形流路６０４は、作動流体が流路６０４内を通過するにつれて、作動流体の流れに乱流を引き起こすことにより熱交換器内における伝熱を促進させる。更に、波形流路６０４はコア３０２の機械強度を増大させる。
【００４２】
流路部６０６において、フィン５１６は、互いに概ね平行に、かつ、軸５２２と並行な概ね直線状のパス（路）を画成するように、配列されている。その結果、層５０２及び５０４は概ね平行な流れ配列で配置されており、海水及び作動流体は軸５２２と一直線上の方向に沿って同じ方向に流れる。しかし別の実施態様では、海水及び作動流体は軸５２２と一直線上の方向に沿って反対方向に流れる。別の実施態様では、フィン５１６は、流路５０６と概ね直交しており、コア３０２は交差流れ配列で配置されている。また、別の実施態様では、フィン５１６は波形ではない。
【００４３】
第１の端部５１２付近で、フィン５１６は全体として、一対の作動流体入口５１８を画成する。第２の端部５１４付近で、フィン５１６は全体として、一対の作動流体出口５２０を画成する。フィン５１６、作動流体入口５１８及び作動流体出口５２０は、各流路への作動流体の分配に伴う圧力低下を軽減するために、軸５２２に対して対称的に分布されている。別の実施態様では、フィン５１６により画成される全ての流路が作動流体入口５１８から出て、そして、単一の作動流体出口５２０で終わる。別の実施態様では、フィン５１６はアルミニウム以外の材料から構成されている。フィン５１６は、熱交換器３００により搬送される作動流体に対して高い熱伝導性と優れた耐性を有する材料から構成されていることが好ましい。
【００４４】
第１の端部５１２及び第２の端部５１４の各々において、層５０２は、距離ｄ１だけ軸５２２の方向に沿って層５０４を越えて突き出た突出部５２４を有する。突出部５２４は、摩擦撹拌溶接のような耐電食性継手により各表面板３０６−１及び５０６−２への層５０２の接合を容易にする。別の実施態様では、フィンと表面板との間の汚染トラッピングを軽減する間隙により層５０４及び表面板３０６−１及び５０６−２が確実に分離されるように、ｄ１の値が選択される。
【００４５】
図６Ｂは本発明の別の実施例による熱交換器コアの上面図である。熱交換器コア６０８は本発明によるフィン５１６の層の多くの代替的配列の一例を示す。コア３０２を介して流れる海水と作動流体との間の満足な伝熱を実行するための様々な異なる任意の方法でフィン５１６を配列させることができる。例えば、フィン５１６は流路５０６に対して、並行流れ配列、対向流れ配列、交差流れ配列などで配置させることができる。例えば、熱交換器６０８は交差流れ配列を示す。フィン５１６は４個の流れ領域６１０に配置され、フィンは流路６０４を画成する。流路６０４が流路５０６と概ね直交するように、フィン５１６が配列される。更に、各流れ領域６１０は、作動流体入口５１８と作動流体出口５２０を画成する。
【００４６】
熱交換器コア６０８は幾つかのポイントで作動流体を層６０８に入れたり出したりできる。操作時には、一般的に邪魔板をポイントＡ，Ｂ及びＣに配置し、コア６０８の外面に沿って作動流体が流れることをブロックする。邪魔板は、作動流体がコア６０８を通過するにつれて、作動流体が流路６１２を確実に流れるようにする。換言すれば、邪魔板は、作動流体が流路６１２に沿ってコア６０８の内外に“編み込まれる”ように、作動流体を振り向ける。
【００４７】
再び図４を参照する。操作ステップ４０２において、集積された層５０２及び５０４はろう付け炉内で加熱され、ろう付け充填材は溶融され、層５０２の上面及び底面に配置される。ろう付け充填材は常法により、各層５０４のフィン５１６をその対応する隣接層５０２の各々に接合する。層５０２及び５０４が概ね硬質な構造体を形成するように、結合された構造体を次いで冷却する。別の実施態様では、層５０２及び５０４を接合させるために融接法が使用される。
【００４８】
図示された実施態様では、２個の層５０４が３個の層５０２に間挿されているが、本発明の熱交換器は任意の個数の層５０２及び任意の個数の層５０４を包含することもできる。更に、熱交換器コアの一方又は両方の外層は層５０２及び層５０４の何れであることもできる。
【００４９】
操作ステップ４０３において、邪魔板３１６をコア３０２−１及び３０２−２に取り付ける。作動流体入口５１８が第１の邪魔板３１６と第１の端部５１２の間に配置されるように、第１の邪魔板３１６を配置させる。作動流体出口５２０が第２の邪魔板３１６と第２の端部５１４の間に配置されるように、第２の邪魔板３１６を配置させる。邪魔板３１６は常用の邪魔板であり、作動流体が外殻３０４内を通過する間、作動流体をコア３０２内に送り込みかつ通過させる。換言すれば、邪魔板３１６はコア３０２の外面に沿って作動流体が流れることをブロックする。その結果、邪魔板３１６、外殻３０４及び作動流体入口３１２は全体として、作動流体を各コア３０２に供給するためのマニホールドを画成する。同様に、邪魔板３１６、外殻３０４及び作動流体出口３１４は全体として、各コア３０２からの作動流体を受け入れるためのマニホールドを画成する。
【００５０】
操作ステップ４０４において、コア３０２−１及び３０２−２の周囲に外殻３０４を配置させる。
【００５１】
外殻３０４はコア３０２−１及び３０２−２を内包するための円筒状閉鎖容器である。外殻３０４は作動流体入口３１２及び作動流体出口３１４を有し、これにより、作動流体は外殻３０４及びコア３０２−１，３０２−２内部に流入し、かつこれらから流出できる。外殻３０４は、その展開位置で運転中に、熱交換器３００に長期にわたって持続的に加えられる圧力に耐えるのに適した材料により製造される。図示された実施態様では、熱交換器３００は円形横断面を有する外殻を有するが、矩形、長方形、楕円形又は異形のような円形以外の横断面形状を有することもできる。外殻３０４の設計、製造及び使用方法は当業者に自明である。
【００５２】
操作ステップ４０５において、表面板３０６−１及び３０６−２は耐電食性継手によりコア３０２−１及び３０２−２に接合される。
【００５３】
図７Ａは本発明の別の実施例による表面板の一例の概要図である。表面板３０６は各表面板３０６−１及び３０６−２を代表している。
【００５４】
表面板３０６はアルミニウム合金の概ね硬質な板であり、熱交換器３００内を搬送される海水及び作動流体の各々への曝露に適する。表面板３０６はプレート７０２とフランジ７０６からなる。フランジ７０６はプレート７０２に強固に結合されている。プレート７０２は、層５０２の突出部５２４をぴったりと収容するためのサイズに成形された開口部７０２を有する。
【００５５】
図８は本発明の一実施例による表面板と熱交換器コアとを接続させるのに好適なサブメソッドの操作手順を示すブロック図である。操作４０３は副操作８０１で開始される。副操作８０１において、表面板３０６の開口部７０２内に突出部５２４が挿入される。
【００５６】
副操作８０２において、各突出部５２４は表面板と結合され、耐電食性継手７１０を形成する。図７Ｂはコア３０２に接合された後の表面板３０６の概要図である。
【００５７】
耐電食性継手７１０は摩擦撹拌溶接継目であり、各層５０２の壁７１２の材料及びこれらの壁を取り囲むプレート７０２の材料と混ざり合い、各突出部５２４の周囲に効果的な漏れ止めシールを形成する。
【００５８】
摩擦撹拌溶接法は同じ材料の２つの要素を接合させるための周知の方法である。常用の摩擦撹拌溶接法は２つの要素間の界面に押し当てられる回転プローブを使用する。プローブと材料との間の巨大な摩擦力は、プローブの直近の材料をその融点以下の温度にまで加熱する。これにより、相接する部分が軟化される。しかし、材料は固相状態のままなので、その元の材料特性は維持される。溶接ラインに沿ってプローブが移動すると、２個のピースから軟化材料が後縁（トレーリングエッジ）に向かって押し当てられて隣接領域が溶融され、その結果、溶接継目が形成される。
【００５９】
融接、ろう付けなどのようなその他の常用の結合技法と異なり、摩擦撹拌溶接法は幾つかの性能優位性を有する。特に、得られた溶接継目は結合部分と同じ材料から構成されている。その結果、結合部における非同類金属間の接触による電食は軽減されるか又は全く無くなる。更に、得られた溶接継目は結合部における材料の材料特性を維持する。摩擦撹拌溶接法は米国特許出願第１２／４８４，５４２号明細書（出願日：２００９年６月１５日）に詳述されている。別の実施態様では、摩擦撹拌溶接法以外の接合技術を使用して、耐電食性継手と共に構成部品類を結合する。別の実施態様における適当な接合方法は例えば、或るタイプの融接法、ゴム状、熱可塑性、熱硬化性又はエポキシ系接合化合物の使用などである。しかし、これらのみに限定されることはない。
【００６０】
一般的に、副操作８０２の最中、溶接ツールは実線を刻設し、一回のステップで層５０２とプレート７０２との間の全ての溶接継目を形成する。これにより、図７Ｂに示されるような連続的継手７１０が残される。しかし、別の実施態様では、溶接ツールは各層５０２がプレート７０２に接合された後、プレート７０２から取り除かれる。しかし、これは通常望ましからざる技法である。なぜなら、別の摩擦撹拌溶接継目の形成に長時間を要し、費用が掛かり過ぎ、かつ、多数の射出孔を残置するからである。射出孔の一つはプレート７０２からの溶接ツールの引っ込め用であり、この射出孔は粒子を捕獲し、生物汚損を誘発し、かつ、隙間腐食を促進する。
【００６１】
図７Ｃはコア３０２に接合された後の表面板３０６の図７Ｂにおけるａ−ａ線に沿った概要横断面図である。
【００６２】
突出部５２４の長さｄ１は表面板３０６の厚さｔ１よりも長いので、ギャップ（間隙）ｇが生じる。ギャップｇは、常用の熱交換器内に発見される隙間に典型的に発生する作動流体の淀み領域の形成を防止するのに十分な大きさである。その結果、本発明の実施態様では隙間腐食は軽減され、本発明による熱交換器の運用寿命は著しく長くなる。
【００６３】
別の実施態様では、熱交換器３００は、作動流体以外の一次流体と海水以外の二次流体（例えば、地熱流体など）との間で熱を移動させる。或る実施態様では、表面板３０６は、アルミニウム、チタン、黒鉛複合材、銅ニッケル合金などのような、アルミニウム合金以外の材料から形成されている。各表面板３０６は、各表面板及び各コアと耐電食性継手との接合を容易にするような態様で、コア３０２を収容するためのホール（孔）を有する。
【００６４】
図４の操作ステップ４０６において、外殻３０４、海水入口ポート３０８、海水出口ポート３１０、及び表面板３０６−１及び３０６−２が結合される。
【００６５】
図９Ａ及び９Ｂは本発明の一実施例による完全に組み立てられた熱交換器の海水入口を示す概要横断面図である。
【００６６】
図９Ａは熱交換器３００の海水入口端部を示す。海水入口ポート３０８は海水入口端部のところで熱交換器３００に取り付けられており、導管９０２、ディフューザー（拡散体）９０４及びフランジ９０６から構成されている。海水入口３０８はディフューザー９０４を介して各コア３０２の層５０２に流体的に連結されている。
【００６７】
海水入口ポート３０８はフランジ７０６及び９０６を介して表面板３０６−１に機械的に連結されている。フランジ７０６及び９０６にはガスケット９０８が間挿されている。ガスケット９０８はフランジ間の流体密封構造の形成を助ける。フランジ７０６及び９０６は締結具９１０により一体的に保持される。
【００６８】
耐電食性継手７１０が漏れ止めシールであるという事実により、表面板３０６−１及び層５０２は全体として、層５０４から海水入口ポート３０８を流体的に隔離するバリア（障壁）を画成する。
【００６９】
図９Ｂは熱交換器３００の海水出口端部を示す。海水出口ポート３１０は海水出口端部のところで熱交換器３００に取り付けられており、導管９０２、ディフューザー（拡散体）９０４及びフランジ９０６から構成されている。海水出口ポート３１０はディフューザー９０４を介して各コア３０２の層５０２に流体的に連結されている。
【００７０】
海水出口ポート３１０はフランジ７０６及び９０６を介して表面板３０６−２に機械的に連結されている。フランジ７０６及び９０６にはガスケット９０８が間挿されている。ガスケット９０８はフランジ間の流体密封構造の形成を助ける。
【００７１】
耐電食性継手７１０が漏れ止めシールであるという事実により、表面板３０６−２及び層５０２は全体として、層５０４から海水出口ポート３１０を流体的に隔離するバリア（障壁）を画成する。
【００７２】
或る実施態様では、ディフューザー（拡散体）９０４は、コア３０２における各海水流路５０６における海水の圧力及び流速を概ね一様にするように設計されている。
【００７３】
図１０は本発明の別の実施例による熱交換器コアの概要斜視図である。熱交換器コア１０００は層５０２−１〜５０２−３、層５０４−１〜５０４−２及びバー１００２から構成されている。
【００７４】
図１１はバー１００２の概要斜視図である。バー１００２は表面板５０２及び表面板３０６と同じアルミニウム合金からなる長方形バーである。バー１００２は上面１１０２と底面１１０４を有する。バー１００２はバー部分１１０６とバー部分１１０８を包含する。バー部分１１０６は摩擦撹拌溶接法により隣接層５０２に接合させるのに適したバー１００２の部分である。バー部分１１０８はろう付け法により隣接層５０２に接合させるのに適したバー１００２の部分である。
【００７５】
上面１１０２は上面部分１１１０と１１１２を包含する。これらはそれぞれバー部分１１０６及び１１０８の上面である。底面１１０４は底面部分１１１４及び１１１６を包含する。これらはそれぞれバー部分１１０６及び１１０８の底面である。
【００７６】
バー部分１１０８の上面１１１２及び底面１１１６の各々は、クラッド（外装）１１１８を有する。バー部分１１０６の上面１１１０及び底面１１１４はろう付け充填材で外装仕上（クラッディング）されていない。
【００７７】
クラッド（外装）１１１８は常用のろう付け充填材から構成されており、常法により表面上に配置される。或る実施態様では、クラッド（外装）１１１８が各表面１１１０及び１１１４と概ね同一面であるために、バー部分１１０８の上面及び底面は（機械加工などにより）レリーフ加工されている。本発明で使用するのに適した常用のろう付け充填材はアルミニウム合金、銅チタン合金、合金鋼などである。しかし、これらに限定されない。好適なろう付け充填材の設計、製造及び使用法は当業者に自明である。或る実施態様では、バー部分１１０８は常用のろう付け充填材以外の材料で外装仕上（クラッディング）されている。これらの表面上のクラッド（外装）として使用するのに好適な材料はエポキシ類、熱硬化性接着剤、金属充填エポキシ類などである。しかし、これらに限定されない。
【００７８】
図１２は本発明の別の実施例による熱交換器コアを製造するのに適した方法の操作手順を示すブロック図である。方法１２００は操作ステップ１２０１で開始される。層５０２，５０４及びバー１００２は、層５０４及びバー１００２が間挿された層５０２の各隣接対が積重されるように配列されている。
【００７９】
操作ステップ１２０２において、この積重体をろう付け炉内で加熱し、各バー部分１１０８の上面及び底面をその隣接層５０２に接合させる。操作ステップ１２０２の後、層５０２及び５０４とバー１００２の積重体は概ね硬質な構造体となる。
【００８０】
操作ステップ１２０３において、各バー部分１１０６と隣接層５０２は摩擦撹拌溶接法により接合され、継手１００４を形成する。操作ステップ１２０３の後、コア１０００の各端部は流路５０６によってのみ中断される概ね連続的な端面１００６を有する。或る実施態様では、端面１００６はこれらの表面を機械加工（例えば、エンドミルなどによる加工）により、平坦化される。
【００８１】
ｘ軸方向に沿ったバー部分１１０６の長さは、上面部分１１１２及び底面部分１１１６からのクラッド材料の流れが上面部分１１１０及び下面部分１１１４上を著しく蚕食しないことを確保するのに十分である。その結果、摩擦撹拌溶接施工中にクラッド材料が継手１００４内に取り込まれることは避けられる。或る実施態様では、バー１００２は上面部分１１１２及び底面部分１１１６から上面部分１１１０及び底面部分１１１４にクラッド材料が流れることを阻止するための障壁（バリア）（例えば、溝、濠及び畝など）を構成する。
【００８２】
操作ステップ１２０３完了後、方法１２００は方法４００の操作ステップ４０３〜４０６と同様な操作を継続する。表面板３０６−１及び３０６−２は、端面１００６の外周周辺のみに摩擦撹拌溶接継目を形成することによりコア１０００に接合させることもできる。
【００８３】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
【符号の説明】
【００８４】
１００  従来技術によるプレート・フィン熱交換器
１０２  コア
１０４  一次流体入口
１０６，１０８，１１４，１１６  マニホールド
１１０  一次流体出口
１１２  二次流体入口  
１１８  二次次流体出口
２０２  分割板
２０４，２０６  フィン
２０８  スペーサー・バー  
２１０  ろう付け継手
２１２，２１４  流路
３００  本発明の熱交換器
３０２  コア
３０４  外殻
３０６  表面板
３０８  海水入口ポート
３１０  海水出口ポート
３１２  作動流体入口
３１４  作動流体出口
３１６  邪魔板
図４の翻訳
４００  本発明の熱交換器製造方法
４０１  層５０２及び５０４を配列する
４０２  層５０２及び５０４をろう付けし、熱交換器コア３０２−１及び３０２−２を形        成する
４０３  邪魔板３１８をコア３０２−１及び３０２−２に取り付ける
４０４  コア３０２−１及び３０２−２を外殻内に配置する
４０５  表面板３０６−１及び３０６−２をコア３０２−１及び３０２−２に接合する
４０６  外殻３０４、海水入口ポート３０８、海水出口ポート３１０及び表面板３０６−        １，３０６−２を接合する
５０２，５０４  層
５０６  表面板
５０８  海水入口
５１０  海水出口
５１２  第１の端部
５１４  第２の端部
５１６  フィン
５１８  作動流体入口
５２０  作動流体出口
５２２  軸
５２４  突出部
６０２  流路
６０４  波形流路
６０６  流路部
６０８  熱交換器コア
６１０  流れ領域
６１２  流路
７０２  プレート
７０６  フランジ
７１０  耐電食性継手
７１２  壁
図８の翻訳
８００  表面板と熱交換器コアを接続させるサブメソッド
８０１  図４における操作ステップ４０３から入り、突出部５２４を表面板３０６の開口部７０２に挿入する
８０２  突出部５２４と表面板３０６との間で耐電食性継手を形成する、その後図４にお        ける操作ステップ４０５へ進む
９０２  導管
９０４  ディフューザ
９０６  フランジ
９０８  ガスケット
９１０  締結具
１０００  本発明の別の実施態様による熱交換器コア
１００２  バー
１００４  継手
１００６  端面
１１０２  上面
１１０４  底面
１１０６，１１０８  バー部分
１１１０、１１１２  上面部分
１１１４，１１１６  底面部分
１１１８  クラッド
図１２の翻訳
１２００  本発明の別の実施態様による熱交換器コアの製造方法
１２０１  層５０２を層５０４及びバー１００２に間挿する
１２０２  層５０４及びバー部分１１０８を層５０２にろう付けする
１２０３  バー部分１１０６を層５０２に摩擦撹拌溶接し、端面１００６を形成する
【図１】
2012533723.tif 000002
【図２】
2012533723.tif 000003
【図３】
2012533723.tif 000004
【図４】
2012533723.tif 000005
【図５】
2012533723.tif 000006
【図６Ａ】
2012533723.tif 000007
【図６Ｂ】
2012533723.tif 000008
【図７Ａ】
2012533723.tif 000009
【図７Ｂ】
2012533723.tif 000010
【図７Ｃ】
2012533723.tif 000011
【図８】
2012533723.tif 000012
【図９Ａ】
2012533723.tif 000013
【図９Ｂ】
2012533723.tif 000014
【図１０】
2012533723.tif 000015
【図１１】
2012533723.tif 000016
【図１２】
2012533723.tif 000017
【国際調査報告】
2012533723.tif 000018
2012533723.tif 000019