(57)【要約】  第１流体と第２流体との間の熱の伝達を可能にする単一部片熱交換器であって、製造の方向を考慮したときに底部から頂部へ、少なくとも２つの分配ゾーン（３ａ）及び（３ｂ）と、−  少なくとも２つの取集ゾーン（５ａ）及び（５ｂ）と、−  分配ゾーンに隣接する少なくとも２つの入口コネクタ（１１ａ）及び（１１ｂ）並びに取集ゾーンに隣接する少なくとも２つの出口コネクタ（１２ａ）及び（１２ｂ）と、−  各入口コネクタに位置する少なくとも１つの入口（１）と、−  各出口コネクタに位置する少なくとも１つの出口（２）と、−  第１流体のための管と第２流体のための管との間の熱の伝達を可能にする交換ゾーン（４）とを含み、各コネクタがそれらの内側上部に支持体を含む、単一部片熱交換器。【選択図】図１
2020512520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一構成要素交換器であって、第１流体と第２流体との間の熱の伝達を可能にするとともに、製造の方向において底部から頂部へ、
−  少なくとも２つの分配領域（３ａ）及び（３ｂ）と、
−  少なくとも２つの取集領域（５ａ）及び（５ｂ）と、
−  前記分配領域に隣接する少なくとも２つの入口コネクタ（１１ａ）及び（１１ｂ）並びに前記取集領域に隣接する少なくとも２つの出口コネクタ（１２ａ）及び（１２ｂ）と、
−  各入口コネクタに位置する少なくとも１つの入口（１）と、
−  各出口コネクタに位置する少なくとも１つの出口（２）と、
−  前記第１流体のチャネルと前記第２流体のチャネルとの間の熱の伝達を可能にする交換領域（４）と
を含み、
各コネクタがその内側上部に支持体を含む、単一構成要素交換器。
【請求項２】
前記交換器が多流体交換器であり、前記交換領域が、少なくとも第１流体、第２流体及び第３流体のチャネルの間の熱の伝達を可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の交換器。
【請求項３】
前記交換器が、少なくとも３つの入口コネクタ及び／又は少なくとも３つの出口コネクタを含むことを特徴とする、請求項２に記載の交換器。
【請求項４】
−  各分配領域（３）が、前記入口コネクタ（１１）に隣接するその面に、いくつかの垂直軸で配置されたフロー入口を含み、
−  前記入口コネクタ（１１）の前記内側上部に含まれる前記支持体が、前記分配領域（３）に隣接する１つの面と前記入口コネクタ（１１）の前記内側上部面に隣接する１つの面とを有し、
−  前記支持体が前記様々な垂直軸の間に挿入されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項５】
−  各取集領域（５）が、前記出口コネクタ（１２）に隣接するその面に、いくつかの垂直軸で配置されたフロー出口を含み、
−  前記出口コネクタ（１２）の前記内側上部に含まれた前記支持体が、前記取集領域（５）に隣接する１つの面と出口コネクタ（１２）の内側上部面に隣接する１つの面とを有し、
−  前記支持体が前記様々な垂直軸の間に挿入される
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項６】
前記支持体が、３０〜６０°、好ましくは４０〜５０°の角度を有する円盤の扇形の形状であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項７】
前記コネクタが内径「Ｄ」を有し、円盤の扇形の形状の前記支持体が半径「ｄ」を有し、
【数１】
2020512520.tif 000004
であるようになっていることを特徴とする、請求項６に記載の交換器。
【請求項８】
前記支持体が２５〜４５％の間隙率、好ましくは３５％〜４５％の間隙率を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項９】
前記支持体が、２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、より好ましくは０．８ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項１０】
前記分配領域の前記フロー入口及び／又は前記取集領域の前記フロー出口が、０．３〜４ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの水力直径を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項１１】
前記交換器が付加製造により一体のものとして製造されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の交換器。
【請求項１２】
酸素を予熱するための請求項１〜１１のいずれか一項に記載の交換器を使用する酸素燃焼プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一構成要素ミリ構造化交換器、すなわち組立接合部分の無いものに関する。
【背景技術】
【０００２】
より正確には、これは、工業プロセスにおいて使用されるミリ構造化交換器であって、これらのデバイスが（ｉ）高温度／圧力の対で、（ｉｉ）最小限の圧力低下で作動し、（ｉｉｉ）酸素燃焼プロセスとの関連において使用される酸素を予熱するためのコンパクトなプレートタイプの交換器の使用などプロセスの強化を可能にすることを必要とするミリ構造化交換器に関する。
【０００３】
ミリ構造化交換器は、例えば、「ステージ」、「壁」、「分配領域」及び「取集領域」などの要素を含む交換器である。ミリ構造化交換器のチャネルはまた、熱の交換を向上させる狙いで立体形状、例えば泡で充填され得る。これらのデバイスの熱統合が、複数のステージに及ぶ流体の空間的分配並びに複数の分配器及び取集器の使用により、異なる温度でデバイスを流れる流体間の熱の交換を最適化するのに役立つ広範囲の最適化の対象となり得る。例えば、ガラス炉において酸素を予熱するための提案されたミリ構造化交換器は、様々なステージに配置されるとともに連結されたチャネルにより形成された多くのミリメートル規模の通路からなる。チャネルには、１つ又は複数の分配器により熱い流体（すなわち５００〜９５０℃の温度のもの）が供給され得る。冷却及び加熱された流体は、１つ又は複数の取集器によりデバイスを出るように運ばれる。
【０００４】
本発明が関連する交換器は、図１又は図２に示された様々な部品からなる単一構成要素ユニットである。「単一構成要素交換器」は、組立接合部分の無い交換器として理解されるべきである。交換器の入口１及び出口２は、それぞれ入口コネクタ１１及び出口コネクタ１２へ接続され、これらは、それら自体がそれぞれ分配領域３及び交換領域４に供給する取集領域５へ直接接続されている。交換領域４はチャネルからなり、熱い流体チャネルと冷たい流体チャネルとの間に区別が付けられる。
【０００５】
入口コネクタ１１及び出口コネクタ１２は、容積であって、少なくとも５０％空である、好ましくは少なくとも７０％空であるとともに、それぞれ入口及び分配領域、並びに取集領域及び出口に接続する容積として定義されてもよい。
【０００６】
「分配領域」は、交換領域のチャネルに出入りするフローを最良に分配するように配置された容積として理解されるべきである。
【０００７】
上述のとおりの交換器の単一ステージでの製造を可能にするために、入口コネクタ及び出口コネクタが、分配領域及び交換領域と同時に付加的方法により製造されることが必要である。
【０００８】
しかしながら、コネクタの位置決め又はサイズの可能性を制限すること無しに、交換領域及び分配領域と同時にコネクタを製造することを可能にする解決策は現在のところ無い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、交換領域及び分配領域と同時にコネクタを製造することが可能となる改良された交換器及び／又は改良されたプロセスを提供する必要性がある。
【００１０】
この装置は多流体（３つ以上の流体が熱を交換している）であり得、したがって同じ数の入口／出口コネクタが交換器の様々な面に配置されることを必要とするため、この点は特に重要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの解決策は、単一構成要素交換器であって、第１流体と第２流体との間の熱の伝達を可能にするとともに、製造の方向において底部から頂部へ、
−  少なくとも２つの分配領域３ａ及び３ｂと、
−  少なくとも２つの取集領域５ａ及び５ｂと、
−  分配領域に隣接する少なくとも２つの入口コネクタ１１ａ及び１１ｂ並びに取集領域に隣接する少なくとも２つの出口コネクタ１２と、
−  各入口コネクタに位置する少なくとも１つの入口１と、
−  各出口コネクタに位置する少なくとも１つの出口２と、
−  第１流体のチャネルと第２流体のチャネルとの間の熱の伝達を可能にする交換領域４と
を含み
各コネクタがその内側上部に支持体を含む、単一構成要素交換器である。
【００１２】
第１流体は概して「熱い」流体と呼ばれ、第２流体は概して「冷たい」流体と呼ばれる。
【００１３】
問題となっているチャネルはミリメートル規模のチャネルであることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】様々な部品からなる単一構成要素ユニットを示す。
【図２】様々な部品からなる単一構成要素ユニットを示す。
【図３】支持体を示す。
【図４】支持体を示す。
【図５】支持体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
場合により、本発明による交換器は以下の特徴の１つ又は複数を有してもよい。
−  前記交換器が多流体交換器であり、交換領域が、少なくとも第１流体、第２流体及び第３流体のチャネルの間の熱の伝達を可能にする。
−  前記交換器が、少なくとも３つの入口コネクタ及び／又は少なくとも３つの出口コネクタを含む。
−  各分配領域３が、入口コネクタ１１に隣接するその面に、いくつかの垂直軸で配置されたフロー入口を含み、入口コネクタ１１の内側上部に含まれる支持体が、分配領域３に隣接する１つの面と入口コネクタ１１の内側上部面に隣接する１つの面とを有し、支持体が前記様々な垂直軸の間に挿入される。
−  各取集領域５が、出口コネクタ１２に隣接するその面に、いくつかの垂直軸で配置されたフロー出口を含み、出口コネクタ１２の内側上部に含まれた支持体が、取集領域５に隣接する１つの面と出口コネクタ１２の内側上部面に隣接する１つの面とを有し、支持体が前記様々な垂直軸の間に挿入される。
−  支持体は、３０〜６０°、好ましくは４０〜５０°の角度を有する円盤の扇形の形状である。
−  コネクタが内径「Ｄ」を有し、円盤の扇形の形状の支持体が半径「ｄ」を有し、
【００１６】
【数１】
2020512520.tif 000003
【００１７】
であるようになっている。
−  支持体が２５〜４５％の間隙率、好ましくは３５％〜４５％の間隙率を有する。
−  支持体が、２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、より好ましくは０．８ｍｍ未満の厚さを有する。
−  分配領域のフロー入口及び／又は取集領域のフロー出口が、０．３〜４ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの水力直径を有する。
−  前記交換器が付加製造により一体のものとして製造される。
【００１８】
交換領域のチャネルは、いくつかのステージにわたって広がっている。「ステージ」は同じレベルに位置するチャネルのセットとして理解されるべきである。チャネルは壁により分離される。「壁」は２つの連続的チャネル間の分離仕切りとして理解されるべきである。チャネルの数、それらの寸法及びそれらの配置構成は、課せられた圧力低下を守りながら熱伝達に関して予期される性能を達成することができるように決められる。
【００１９】
分配領域と呼ばれる領域を介してフローはチャネル内を運ばれる。分配領域はそれに対して開いたチャネル間のフローの均一な分配を可能にする。
【００２０】
付加製造プロセスは、複雑な３次元形状を有する完成品を製造するために１つ又は複数のレーザにより溶融されるマイクロメーター規模の金属粉末を使用し得る。部品は一層ずつ重ねられ、望ましい形状及び望ましい積層速度の精度に依存して、層はおよそ５０μｍである。溶融される金属は、粉末層によるか又は噴霧ノズルによるかのいずれかにより供給され得る。粉末を局所的に溶融するために使用されるレーザはＹＡＧ、繊維又はＣＯ２レーザであり、粉末は不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）下で溶融される。本発明は単一の付加製造技術に限定されず、全ての既知の技術に当てはまる。
【００２１】
付加製造技術は、最終的に、「一体型」であると言われる部品を作ることを可能にするとともに、拡散ろう付け又は拡散溶接などの施工技術とは対照的に、各刻まれたプレート間に組立接合部分が無い。この性質は、デバイスが組み立てられる方法が脆弱ラインを無くし、したがって潜在的な欠陥の原因を無くすため、デバイスの機械強度を増す。
【００２２】
付加製造による一体型部品の製造、及び拡散ろう付け又は溶接接合部分を無くすことは、あり得る構造欠陥、例えば、ろう付けされた結合部又は拡散溶接接合部分における不連続性の影響を限定するために研究されてきた壁の幾何学的形状に限定すること無しに、数多くの設計可能性を構想することを可能にする。
【００２３】
付加製造は、従来の製造方法では信じられないであろう形状を作ることを可能にし、したがって、ミリ構造化交換器のコネクタの製造はデバイスの本体の製造に続いて実施され得る。これは今度は、コネクタを本体へ溶接する作業を実施しないことを可能にし、したがって、装置の構造的一体性を弱める原因を無くすことを可能にする。
【００２４】
コネクタの内側上部における支持体は、交換器のコネクタを付加的方法により製造することを可能にするが、これは交換器のレベルでのコネクタの位置に関して限定されるものではない。実際、図１は、交換器の様々な位置にコネクタを有する可能性を示している。
【００２５】
例えば、図２に示されるとおり、付加的方法により垂直に構築される交換器の場合、支持体は、付加的方法による製造が支持体を必要とする点でコネクタに位置付けられなければならない。簡潔さのために、図２は２つのコネクタのみを示している。
【００２６】
コネクタの支持体はコネクタの内側上部に位置する。
【００２７】
製造方法への影響を最小化するために、フローの循環、取集領域及び分配領域のフロー入口及び出口でのそのフローの分配及び取集を妨げないために、支持体は入口と出口との間に位置付けられ、このことはそれらの厚さを規定する（図３、４及び５を参照）。
【００２８】
さらに、フローの循環を妨げないために、支持体は、好ましくは穿孔されるとともに２５〜４５％の高い間隙率を有し、理想的な値は４０％である（支持体が占める総容積に対する支持体の穴の組み合わされた容積の比として計算される）。
【００２９】
本発明はまた、酸素を予熱するためのクレームの１つに請求された交換器を使用する酸素燃焼プロセスに関する。
【図１】
2020512520.tif 000005
【図２】
2020512520.tif 000006
【図３】
2020512520.tif 000007
【図４】
2020512520.tif 000008
【図５】
2020512520.tif 000009
【国際調査報告】
2020512520.tif 000010
2020512520.tif 000011
2020512520.tif 000012
2020512520.tif 000013