JP2003509650A - 増強交差流熱伝達 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の導管（１２）の横に並べて配置されたバッフル（２０、２２）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は包括的には、熱源または吸熱源として作用することができる複数の軸
方向の向きの熱交換導管の外側伝熱シェルと接触するように交差方向に流れる流
体との間の熱伝達を増強する方法および関連装置に関する。流体流を交差方向に
向かわせ、熱交換導管の軸線にほぼ直交する方向に流し、スロット付きまたは穿
孔プレート、バッフルまたは包囲形スリーブ状部材を用いて熱交換導管の上流側
、下流側および／または周囲に、または横に並ぶように流体流の輪郭を定めるこ
とによって、流体流と伝熱表面との間に驚くほどより有効で効果的な熱伝達が実
現される。

【０００２】 ［発明の背景］ 液体または気体にすることができる処理流体を、上流側処理流体と異なった温
度に維持された熱伝達表面と接触するように流し、それによって（熱伝達表面を
流体より高温に、または低温に維持するかに応じて）処理流体へ、または処理流
体から熱伝達を行うことによって、処理流体を加熱または冷却することは周知で
ある。この技術のよく知られている形式では、熱源または吸熱源として作用する
熱伝達表面が、内部を軸方向に流れる液体によって加熱または冷却される熱伝達
管またはパイプなどの伝熱シェルの外側である。この技術の変形例では、米国特
許第５，２５５，７４２号および第５，４０４，９５２号に教示されているよう
に、燃料ガス（水素または炭化水素など）の無炎燃焼(flameless combustion)に
よって熱を直接的に熱交換導管内部に供給することができ、これらの特許は参照
として本明細書に援用される。

【０００３】 処理流体を熱伝達表面に沿って軸方向に、熱伝達管の内部の液体の流れ方向と
同じ方向または逆方向のいずれかで流すことや、処理流を熱伝達管の軸線に交差
する方向に流すことや、その２つの組み合わせも、当該技術分野では既知である
。交差流と熱交換導管との間の熱伝達の代表的な用途は、空気冷却器や、火力ヒ
ータまたは炉と組み合わされた節炭器(economizer)や、シェルまたは管形交換器
に見られる。さまざまな形式のいわゆる半径流または軸流／半径流リアクタ(rea
ctor)構造がさまざまな用途で既知であり、これでは、より一般的な軸流（すな
わち、端部から端部へ流れる）リアクタ構造と異なって、流体処理流の少なくと
も一部が、一部の点でリアクタ内を半径方向の交差流で（すなわち、内側から外
側へ、または外側から内側へ）移動する。少なくとも部分的に複数の軸方向の向
きの熱伝達管に対して半径方向の交差流形処理流体を具現したリアクタ構造の例
が、米国特許第４，２３０，６６９号、第４，３２１，２３４号、第４，５９４
，２２７号、第４，７１４，５９２号、第４，９０９，８０８号、第５，２５０
，２７０号および第５，５８５，０７４号に示されており、これらはそれぞれ参
照として本明細書に援用される。

【０００４】 多くの用途において処理流体が熱伝達表面と交差流形接触することは魅力的な
選択であろうが、実際に見られる一定の熱伝達非効率によって、産業適用例への
交差接触の使用が限定されてきた。交差流形では一般的に、処理流体の所与の部
分が熱伝達表面と接触する時間が、同程度の軸流構造の場合より短い。また、交
差流形処理流と熱伝達表面との間の接触が、処理流の分離および再循環のために
不均一になる。表面接触時間が短いこと、不均一な接触であること、さらに流体
混合が制限されることによって、非効率的で不十分かつ／または不均一な熱エネ
ルギ伝達になるであろう。

【０００５】 したがって、Ｉｎｔ．Ｊ．ヒート・マス・トランスファー(Heat Mass Transfe
r)第２７巻、第１２号、２２９７〜２３０６頁（１９８４年）に見られる「非オ
フセット形スロットジェットのオフセットによる円筒における衝突熱伝達」と題
する論文において、著者のスパロウ(Sparrow)およびアルホマウド(Alhomoud)は
、熱伝達管の上流側の一定距離に穿孔表面を配置してガスジェットを発生するこ
とによって、熱伝達管に対する処理ガスの交差流に関する熱伝達係数を変化させ
る実験成果を報告している。スパロウおよびアルホマウドは、ジェット誘発スロ
ットの幅、スロットと管との間の距離、およびレイノルズ数（流体乱流度）を変
化させ、また、スロットジェットを管に対して整合させるか、ずらした。著者は
、熱伝達係数は、スロット幅およびレイノルズ数に伴って増加するが、スロット
と管の離間距離およびずれに伴って減少するとの結論に達した。

【０００６】 スパロウおよびアルホマウドの研究は、熱伝達係数がスロット幅に伴って増加
するという結論に達しているため、これらの結果に基づくと、熱伝達を増加させ
るための上流側スロットの包括的な有用性がかなり曖昧である。スパロウおよび
アルホマウドが使用した実験構造では、相対的に幅が広いスロットの場合に相対
的に狭いスロットより熱伝達係数が高くなるとの結論に達することができるだけ
であり、上流側スロットがまったくない場合に、最高値が得られることになるで
あろう。複数の熱伝達管の各々の外表面と接触するように交差流流路を優先的に
定めるために、複数の熱交換管を使用するか、上流側および下流側の対、または
包囲形または横に並べた流れ狭窄手段を用いる試験はまったく行われておらず、
提示されている極めて限定的なデータに基づいてそのような非常に異なった形式
の構造および配置について妥当な推測を行うことはできない。

【０００７】 従来型の交差流形熱交換構造の上記および他の欠点および制限は、本発明の増
強交差流熱伝達方法および構造で完全に、または部分的に解決される。

【０００８】 ［発明の目的］ したがって、本発明の主たる目的は、処理流体および熱伝達表面間の交差流熱
伝達を増強するための方法および構造を提供することである。

【０００９】 本発明の包括的な目的は、流体および熱伝達表面間の熱伝達を増強できるよう
に、１つまたは複数の熱交換表面と接触するように交差流路の向きおよび形状を
特別に定める方法および構造を提供することである。

【００１０】 本発明の具体的な目的は、流体流および熱伝達表面間の熱伝達を増強できるよ
うに、熱伝達表面を交差方向に通過して流れる処理流体流の輪郭を優先的に定め
るために、熱交換表面の上流側、下流側および／または周囲に、または横に並べ
て流体流狭窄手段を設けることである。

【００１１】 本発明のさらなる具体的な目的は、改良された熱伝達を実現できるように、熱
交換導管配列内の各導管に対して、熱交換導管の各々の外側を交差方向に通過し
て流れる流体流の流路を優先的に定めるように配置された湾曲または平坦状穿孔
プレートまたは穿孔スリーブを提供することである。

【００１２】 本発明のさらに別の目的は、改良された熱伝達を実現できるように、熱伝達導
管の外側を交差方向に通過して流れる流体流部分の輪郭を優先的に定めるために
、各熱交換導管に対して導管の上流側、下流側および／または周囲に、または横
に並べて専用の流体流狭窄手段を設けた、さまざまな寸法および形状の熱伝達導
管配列を提供することである。

【００１３】 本発明の他の目的および利点は、一部は明白であり、また一部は以下に明らか
になるであろう。したがって、本発明は、制限的ではないが、以下の説明および
添付図面に示すように、幾つかの段階やさまざまな構成部材、および１つまたは
複数のそのような段階および構成部材と残りの各々との関係および順序を含む方
法および関連装置を有する。以下に記載する方法および装置のさまざまな変更お
よび変化が当該技術分野の専門家には明らかであろうし、そのような変更および
変化はすべて、本発明の範囲に入るものと見なされる。

【００１４】 ［発明の概要］ 本発明では、流体および表面間の熱伝達を増強できるように、交差方向または
ほぼ交差する方向に流れて熱交換表面と接触する処理流体の流路を優先的に定め
るために、少なくとも１対の流体流狭窄体を有するバッフル（反せ板）構造体を
用いている。本装置は、流体流のバイパスをほとんど抑制して、処理流体の大部
分が熱伝達表面を通過して流れることができるように構成されている。熱伝達表
面は一般的に、流体の流れ方向にほぼ直交する軸方向に配置された平行な軸線を
有する向きにした、伝熱シェルを有する１つまたは構成配列の熱交換導管である
。そのような各導管のシェルの外表面を上流側処理流体と異なった温度に維持す
ることによって、流体が熱交換導管の外表面を通過して流れてそれと接触する時
、伝熱、対流、放射またはそれらの組み合わせによって処理流体との間で熱エネ
ルギを移動させることができる。

【００１５】 本発明の熱交換導管またはダクトは、管、パイプ、あるいは熱源または吸熱源
を備えた他の包囲体を幅広く含むことができる。熱交換導管の外表面は、むき出
しでも、後述するように、フィン付きまたはその２つの組み合わせでもよい。導
管またはダクトの断面は、円形、楕円形または他の閉鎖形状でもよい。複数のそ
のような熱交換導管を使用する場合、それらは一般的に、設計選択および／また
は特定用途の要件に応じて、三角形配列、正方形配列、円形配列、環状配列、ま
たは他のそのようなパターンなどの所定形状に配列されるであろう。流体の流れ
方向に対して、隣接導管を整合、千鳥状配置または他の配置にすることができ、
やはり設計選択および／または用途要件によって決まる。

【００１６】 熱交換導管の寸法は、少なくとも部分的には熱伝達速度に必要な処理要件によ
って決定されるであろう。一般的に、（いずれの所与の導管配置でも）断面が大
きい導管ほど、表面積が大きく、したがって熱伝達能力がより高い。熱交換導管
の一部またはすべての外表面にフィン部材、バッフルまたは他の熱伝達増強構造
体を設けることによって、表面積をさらに増加させ、熱伝達特性を改善すること
ができる。好適な実施形態では、導管の外側長さに沿って螺旋状に取り付けた狭
い間隔の円周方向フィンが用いられる。この構造は、流れを妨害することなく交
差流に露出する熱伝達表面積を増加させる。処理流体の性質および流速や、熱交
換導管の上流側とその導管の下流側との間の流体の所望温度変化も、これらの設
計選択に影響を与えることは理解されるであろう。

【００１７】 処理流体の交差流の輪郭を定める流体流狭窄手段は、熱交換導管の上流側、下
流側および／または周囲に、またはその横に並べて配置されたバッフル構造体内
のさまざまな形状および寸法の入口、出口および開口を含むことができる。さら
なる好適な実施形態では、各熱交換導管が、それ自体に対応した対の上流側およ
び下流側流体流狭窄体か、後述するような、それ自体の周囲の、または横に並べ
た流れ狭窄体を有する。流体流狭窄手段として機能する穿孔バッフル構造体は、
ほぼ平坦な表面、湾曲表面、または平坦および湾曲を組み合わせた表面を有する
プレート、スリーブまたは他のバッフルを有することができる。熱交換導管配列
の上流側および下流側に対にして配置されたこの形式の穿孔構造体は、熱伝達を
約１．５倍〜約２倍に増加させることがわかっている。一定用途に特に好都合な
実施形態では、流体流狭窄構造体は、管状熱交換導管配列内の各導管を少なくと
も部分的に包囲する大径でほぼ同心状のスリーブ形構造体であり、そのようなス
リーブ構造体はそれぞれ、中央に配置された熱交換管の上流側および下流側に開
口を有する。そのような導管配列内の個々の熱交換導管を少なくとも部分的に包
囲するこの形式の穿孔スリーブは、熱伝達を約５倍以上に増加させることがわか
っている。

【００１８】 流体流狭窄構造体内の開口は好ましくは、穿孔穴または軸方向スロット（すな
わち、熱交換導管の軸方向の向きにほぼ平行な長軸を有する細長開口）の組み合
わせを有する。装置の異なった部分の穴またはスロットは、曲率、寸法および形
状が同一でも、異なっていてもよい。入口および出口周りの縁部は、直線的、丸
み付き、ジグザグ形、またはそれらの組み合わせでもよい。

【００１９】 流体流狭窄構造体は好ましくは対応の熱交換導管に対して、上流側または下流
側開口の中心線と対応の熱交換導管の図心との間の距離が導管の外径（または非
円形導管の最大断面寸法）の約０〜約２．０倍、好ましくは約０．５０〜約１．
００倍になるように配置される。いずれの場合も、開口と導管との間の間隙は、
大幅に増強された熱伝達を実現できるように十分に狭くなければならない。細長
い流れ狭窄開口の幅（短辺）またはほぼ円形穴の狭窄開口の直径は好ましくは、
導管の外径（または非円形導管の最大断面寸法）の約０．０２〜約１．５倍、好
ましくは約０．０５〜約０．２５倍にすることができる。流体流狭窄構造体は好
ましくは対応の熱交換導管に対して、開口の中心と熱交換導管の図心との間のず
れが導管の外径（または非円形導管の最大断面寸法）の０〜０．５倍、好ましく
は０倍になるように配置される。

【００２０】 本発明の増強交差流形熱交換器は、（ａ）熱交換導管周囲の流体速度を増加さ
せる、（ｂ）熱交換導管の外表面の近くに沿って進むように流体を優先的に方向
づける、（ｃ）流体が熱交換導管の外表面から離れた領域に流れ込むか、その領
域を通ることを抑止する、（ｃ）「デッド」領域と、熱交換導管周りの流れの再
循環とを減少させる、（ｅ）流体乱流を促進する、（ｆ）流体の低温および高温
部分間の混合を高める機構の１つまたは複数によって、交差流と複数の熱交換導
体との間の熱伝達を高める。

【００２１】 ［好適な実施形態の詳細な説明］ 図１は、それぞれ共通中心点１４を有する内側円筒形壁２０および外側円筒形
壁２２によって画成された環状領域２８の内部に沿って分散させてほぼ円形配列
され軸方向に配置された熱交換導管１２を有する本発明に従った交差流熱交換器
１０を示している。図１に示すように、導管１２は、環状領域の半径方向幅より
小さいほぼ同一直径であり、互いにほぼ等間隔に配置されている。

【００２２】 各熱交換導管１２に対して、内壁２０に上流側開口２４が、外壁２２に下流側
開口２６が設けられている。図１に示すように、それぞれ対になった上流側開口
２４および下流側開口２６は、対応の導管１２および互いに対してほぼ半径方向
に整合している。したがって、図１において、処理流体３０は軸方向に流れて熱
交換器１０の内部円筒形領域１６に入り、それから半径方向外向きになって上流
側開口２４を通り、図１に流体流れ矢印で示すように、交差方向に流れて熱交換
導管１２と接触することによって、処理流の加熱または冷却が行われて熱的に調
節された流体流３２が形成されて、環状領域２８から下流側開口２６を通って流
出する。

【００２３】 図１は半径方向外向きの流体流路を示すが、同装置を使用して、半径方向内向
きに内部領域１６へ流れた後、領域１６から軸方向に引き込まれる処理流の熱的
処理を行うことができることは理解されるであろう。この形式の場合、外壁２２
の開口２６が上流側開口で、内壁２０の開口２４が下流側開口になるであろう。

【００２４】 図２Ａおよび図２Ｂは、ほぼ円形配列され軸方向に配置された熱交換導管１１
２の各々を、上流側開口１２４および下流側開口１２６か、後述するオフセット
開口対１７４、１７６、１８４、１８６のいずれかを有する穿孔スリーブ１２０
によって包囲した本発明による特に好適な交差流形熱交換器１１０を示す。個々
のスリーブ１２０は、連結壁１２２によって互いに連結されて、大型のリング状
または円筒形構造体になっている。開口１２４および１２６は、導管１１２と半
径方向に整合した縦列状の軸方向の向きの穿孔穴または細長スロットを有するこ
とができる。あるいは、やはり図２Ａの一部に示された好適な実施形態では、開
口対１７４、１７６および１８４、１８６が、半径方向整合位置からずれて千鳥
状に配置されている。開口対１７４、１７６および１８４、１８６の千鳥状スロ
ット配置が、図２Ａに示されていると共に、図２Ｂにさらに詳細に示され、（開
口対１２４、１２６に代わる）オフセットスロット対１７４、１７６および１８
４、１８６が高さ方向に千鳥状に配置され、中心点１１４から等しい角度θをな
して半径方向線からわずかにずれている。図２Ｂは、好適な千鳥状スロット配置
を備えた円筒形スリーブ１２０を有する熱交換導管１１２の図２Ａの２Ｂ−２Ｂ
線に沿った側面図を示す。図２Ａに示されたこの千鳥状配置のスロット導管／ス
リーブの組み合わせの平面図は、図２Ｂの２Ａ−２Ａ線に沿った断面図である。
互い違いにずれたスロット対のスロットの端部をわずかに重合させるか、同じ高
さにすることによって、熱交換器の軸方向に沿った流れが遮断されないようにす
ることができる。このようにオフセットスロットを分離しながら重合させた構造
は、隣接したオフセットスロットの軸方向に重合した部分間に、図２Ｂに参照番
号１９０で全体的に示す連結領域を残して、流体流を遮断することなく、円周方
向の機械的一体性を高めたスリーブ１２０を生じることができる。図面を簡略化
するために、図２Ａでは、２対オフセット開口構造を有する１つの穿孔スリーブ
１２０が示され、その他のスリーブは１対整合開口構造を有する。しかし、実際
には、一般的に個々の装置１１０のすべての穿孔スリーブが、同一の開口構造を
有するであろう。

【００２５】 したがって、図２Ａでは、処理流体１３０は軸方向に流れて熱交換器１１０の
中心点１１４を有する内部円筒形領域１１６に入り、それから半径方向外向きに
なって上流側開口１２４を通り、図２Ａに流体流れ矢印で示すように、交差方向
に流れて熱交換導管１１２と接触することによって、処理流の加熱または冷却が
行われて熱的に調節された流体流１３２が形成されて、スリーブ１２０によって
画成された内部領域から下流側開口１２６を通って流出する。千鳥状配置された
スロットの実施形態では、半径方向外向きに流れる流体は、上流側開口１７４を
通って流れて導管１１２と接触してから、下流側開口１７６を通って流出するか
、軸方向高さによっては、開口対１８４、１８６を通って流れる。図２Ａは半径
方向外向きの流体流路を示すが、同装置を使用して、半径方向内向きに内部領域
１１６へ流れた後、領域１１６から軸方向に引き込まれる処理流の熱的処理を行
うことができることは理解されるであろう。この形式の場合、開口１２６（また
は１７６および１８６）が上流側開口で、開口１２４（または１７４および１８
４）が下流側開口になるであろう。

【００２６】 図３は、図２に示した交差流形熱交換器１１０の変形例である交差流形熱交換
器１６０を示す。装置１６０は、図２の単一円形配列の代わりに、二重同心円配
列された熱交換導管を使用している点で、装置１１０と異なっている。図３から
わかるように、それぞれが第１円形配列の対応導管１１２と半径方向に整合した
第２円形配列の熱交換導管１４２が設けられている。各導管１４２は、上流側開
口１６４および下流側開口１６６を有する穿孔スリーブ１５０によって包囲され
ている。個々の導管１４２に対応したそれぞれのスリーブ１５０の開口１６４お
よび１６６は、対応の半径方向に隣接した導管１１２のスリーブ１２０の開口１
２４および１２６と半径方向にほぼ整合しているように図示されている。個々の
スリーブ１５０は、壁１５２によって互いに連結されて、大型のリング状または
円筒形構造体になっている。図３は第２円形配列の熱交換導管の１つの導管１４
２だけを示しているが、第１円形配列の各導管１１２に対して第２円形配列の対
応導管１４２が設けられていることは理解されるであろう。

【００２７】 したがって、図３では、スリーブ１２０の第１下流側開口１２６から出た部分
的熱的調節済み流体流１３２が半径方向外向きに送られて第２上流側開口１６４
を通り、交差方向に流れて第２配列の熱交換導管１４２と接触することによって
、処理流がさらに加熱または冷却されて、完全に熱的調節された流体流１６２が
形成され、スリーブ１５０によって画成された内部領域から第２下流側開口１６
６を通って流出する。図３は半径方向外向きの流体流路を示すが、同装置を使用
して、半径方向内向きに内部領域１１６へ流れた後、領域１１６から軸方向に引
き込まれる処理流の熱的処理を行うことができることは理解されるであろう。こ
の形式の場合、開口１６６および１２６がそれぞれ第１および第２上流側開口で
、開口１６４および１２４がそれぞれ第１および第２下流側開口になるであろう
。

【００２８】 図４は、本発明に従った別の交差流形熱交換器２１０の一部を示す。図４では
、上流側の第１列の導管２１２および下流側の第２列の導管２１６を有する２列
の軸方向に配置された熱交換導管がほぼ矩形配列されており、開口２２６を有す
る上流側の第１穿孔プレート２２０、第１および第２列の導管を分離させる、開
口２２８を有する中間の第２穿孔プレート２２２、および開口２３０を有する下
流側の第３穿孔プレート２２４と組み合わされている。上流側／下流側の隣接対
の導管２１２および２１６に対応した各組の開口２２６、２２８および２３０が
、互いに、また対応対の上流側および下流側導管２１２および２１６にほぼ線形
整合しているように図示されている。

【００２９】 したがって、図４では、処理流体２３２が、図４に流体流れ矢印で示されるよ
うに、開口２２６を通って交差方向に流れて上流側の第１熱交換導管２１２と接
触し、それによって処理流が部分的に加熱または冷却されて、部分的熱的調節済
み流体流２３４が形成される。この流体流２３４は次に開口２２８を通り、交差
方向に流れて下流側の第２熱交換導管２１６と接触し、それによって処理流がさ
らに加熱または冷却されて、完全に熱的調節された流体流２３６が形成され、出
口開口２３０を通って装置２１０から流出する。

【００３０】 図５は、本発明に従った交差流形熱交換器３１０の別の実施形態に従ってオフ
セットすなわち三角形配列された多重列の熱交換導管３１２を通る２つの選択可
能な流体流路を示している。したがって、図４および図６に示されているように
隣接列の導管がほぼ線形整合しているのではなく、図５では、熱交換導管列が互
い違いに隣接列からずれている。この構造では、隣接した２列の隣接した３つの
導管の中心点が等辺三角形３４０を形成している。図５には示されていないが、
図５の装置は、第１列の導管の前および最後列の導管の後にそれぞれ上流側およ
び下流側穿孔プレートを含むと共に、隣接列の導管を分離する中間穿孔プレート
を含むことは理解されるであろう。あるいは、他の図面で先に示したように、各
導管３１２を穿孔スリーブ状構造体で包囲してもよい。

【００３１】 図５の流体流れ矢印３３２は、装置３１０の三角形導管配列で利用することが
できる第１の可能な流れ向きを示す。図５の流体流れ矢印３３４は、装置３１０
の三角形導管配列で利用することができる第２の可能な流体流れの向きを示す。
図５は三角形配列された４列の熱交換導管を示しているが、この構造の導管列の
数を増減しても、適切に用いることができる。

【００３２】 図６は、本発明に従った交差流形熱交換器４１０のさらに別の実施形態に従っ
て正方形配列された多重列の熱交換導管４１２を通る代替の２つの可能な流体流
路を示している。したがって、図６では、隣接列の導管４１２がほぼ線形整合し
ている。この構造では、隣接した２列の隣接した４つの導管の中心点が正方形４
４０を形成している。図６には示されていないが、図６の装置は、第１列の導管
の前および最後列の導管の後にそれぞれ上流側および下流側穿孔プレートを含む
と共に、隣接列の導管を分離する中間穿孔プレートを含むことは理解されるであ
ろう。あるいは、他の図面で先に示したように、各導管４１２を穿孔スリーブで
包囲してもよい。

【００３３】 図６の流体流れ矢印４３２は、装置４１０の正方形導管配列で利用することが
できる第１の可能な流体流れの向きを示す。図６の流体流れ矢印４３４は、装置
４１０の正方形導管配列で利用することができる第２の可能な流れ向きを示す。
図６は正方形配列された５列の熱交換導管を示しているが、この構造の導管列の
数を増減しても、適切に用いることができる。

【００３４】 図７は、本発明による増強交差流形熱交換器５１０の別の変形例を示す。図７
では、各熱交換導管５１２に１つまたは複数の側方流れ狭窄プレート５２０、５
２２、５２４、５２６および５２８が組み合わされており、これらは導管５１２
の横に並ぶ位置にあって、矢印５３０および５３２で示す流体の流れ方向にほぼ
直交する向きにある。側方プレート５２０、５２２、５２４、５２６および５２
８の導管５１２に最も近い縁部が、導管５１２の外壁から離隔配置されて、各導
管５１２の各側部に沿って１つずつ、２つの流体開口またはチャネルをプレート
縁部と導管壁との間に形成できるようにしている。熱伝達が最大になるように流
体流路の輪郭を最適化するために、プレート縁部と導管壁との間の間隙を定期実
験によって調整することができる。各導管５１２に対して複数の側方流れ狭窄プ
レートを使用する場合、流体流路の輪郭を最適化するために、プレート縁部と導
管壁との間の間隙が同一でも、異なってもよい。

【００３５】 図７からわかるように、側方流れ狭窄プレートは、導管５１２の横に並んで、
プレートの平面が導管５１２の図心５１８を通るように配置する（たとえば、プ
レート５２４）か、プレートの平面が図心５１８の上流側（たとえば、プレート
５２０および５２６）または図心５１８の下流側（たとえば、プレート５２２お
よび５２８）で導管５１２と交差するように配置するか、それらを組み合わせて
配置することができる。開口と導管図心５１８との間の距離５４２は、図示のよ
うに、直径５４４の半分より小さく、たとえば、プレート５２４では距離が限界
のゼロに近づく。これは、開口と導管図心との間の距離が導管の直径の半分より
大きい図１〜図４に示したバッフル構造体と異なっている。ここで使用する表現
「熱交換導管の横に並んで配置された側方プレート」とは、流体流れ方向にほぼ
直交する向きの図７の５２０、５２２、５２４、５２６および５２８などのプレ
ートを表し、プレートの平面が熱交換導管のいずれかの部分と交差する。

【００３６】 図８は、本発明による増強交差流形熱伝達器６１０の別の変形例であり、図２
に示した穿孔スリーブ構造の変形形を示す。図８では、各熱交換導管６１２が、
導管６１２の外壁の曲率にほぼ一致する１対の対向湾曲プレート６２０によって
クラムシェル形に部分的に包囲されている。各湾曲プレート６２０は、矢印６３
０および６３２で示す流体の流れ方向にほぼ直交する位置にある壁すなわち側方
プレート６２２に連結されている。

【００３７】 導管６１２の各側を取り囲む対の湾曲プレート６２０は互いに接触せず、導管
６１２の外壁の上流側または下流側のいずれにも延出していない。したがって、
図８に説明のために示すように、１対の湾曲プレート６２０の上流側または下流
側縁部を結ぶ線または平面が導管６１２と交差するであろう。対になった湾曲プ
レート６２０の間の上流側および下流側開口は、処理流体流の優先的な輪郭を実
現するために処理流体流が通る開口である。開口と導管図心６１８との間の距離
６４２は、図示のように、直径６４４の半分より小さく、たとえば、湾曲プレー
ト６２０の長さがゼロに近づき、側方プレート６２２だけが残り、単一プレート
５２４を備えた場合の図７に対応する構造の時、距離が限界のゼロに近づく。こ
れは、開口と導管図心との間の距離が導管の直径の半分より大きい図１〜図４に
示したバッフル構造体と異なっている。

【００３８】 各導管６１２の側部を取り囲む各対の湾曲プレート６２０を設けた図８のクラ
ムシェル構造は、図８では上流側および下流側流体開口の縁部を結ぶ線または平
面が導管６１２と交差するが、図２Ａに示す穿孔スリーブはそうでない点で、図
２の穿孔スリーブ構造と異なっている。ある意味では、図８の実施形態は、熱交
換導管の横に並べて配置された個々の側方プレートが、図７に示すように、離隔
配置されておらず、互いに接するように配置されて、導管側縁部が図８の湾曲プ
レート６２０を形成するようにした、図７の実施形態の極端な形であると見なす
ことができる。

【００３９】 本発明の範囲から逸脱することなく交差流形熱交換を増強するための上記装置
および方法に他の変化および変更を加えることができることは、当該技術分野の
専門家には明らかであり、上記説明に含まれるすべての事項は説明であって、制
限的意味合いを持たないものと解釈されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った熱伝達増強を伴った交差流形熱交換器の第１実施形態の概略的
な上部断面図であり、ほぼ円形配列された軸方向の向きの熱交換導管が流体流狭
窄環状部の内部に配置されている。

【図２Ａ】 本発明に従った熱伝達増強を伴った交差流形熱交換器の第２実施形態の概略的
な平面図であり、ほぼ円形配列された軸方向の向きの熱交換導管の各々をほぼ同
心状の流体流れ狭窄管状スリーブで包囲した状態を示すと共に、幾つかの流体流
れ狭窄スリーブを互いに連結して第１リング状構造体にした状態を示している。

【図２Ｂ】 好適な千鳥状にずらしたスロット配置を示す１つの導管／スリーブ組み合わせ
体の側面図である。

【図３】 図２の構造体の変更例であって、半径方向に隣接した導管を整合状態に示し、
これらの半径方向に整合した導管に対応したそれぞれの流れ狭窄スリーブの流体
流狭窄開口も半径方向に整合した状態にあるようにした、二重同心円配列された
熱交換導管を示す。

【図４】 本発明に従った熱伝達増強を伴った交差流形熱交換器の別の実施形態の概略的
な上部断面図であり、ほぼ矩形配列された二重列の軸方向の向きの熱交換導管と
、第１上流側流体流狭窄バッフルと、第１および第２列の導管を分離する第２中
間流体流狭窄バッフルと、第２列の導管の後に設けられた第３下流側流体流狭窄
バッフルとを示し、第１、第２および第３バッフルの対応開口がそれぞれの導管
および互いにほぼ整合した状態に示されている。

【図５】 本発明に従った増強交差流形熱伝達装置の別の実施形態を示し、多重列（すな
わち、３列以上）の熱交換導管を三角形ピッチに配置した配列を示すと共に、配
列内を通る２つの選択的な流体流路を示す。

【図６】 本発明に従った増強交差流形熱伝達装置の別の実施形態を示し、多重列（すな
わち、３列以上）の熱交換導管を正方形ピッチに配置した配列を示すと共に、配
列内を通る２つの選択的な流体流路を示す。

【図７】 本発明に従った増強交差流形熱伝達装置の別の実施形態を示し、１つまたは複
数のプレートを各熱交換導管の２側部の横に並べて配置することによって、増強
熱伝達特性を得るための交差流体流れの優先的輪郭を定める方法を示す。

【図８】 本発明に従った増強交差流形熱伝達装置の別の実施形態を示し、各熱交換導管
の２側部の周囲に導管の２側部に対応した輪郭を有する湾曲プレートを配置して
、増強熱伝達特性を得るための交差流体流れの優先的輪郭を定めることができる
ようにして形成された変更形式のスリーブ構造体を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ， ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｓ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ， ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ジャヤスワル，ウメシュ，ケー． アメリカ合衆国 02472−1567 マサチュ ーセッツ，ウォータータウン，マウント アウバーン ストリート 808，アパート メント ３ Ｆターム(参考） 3L065 DA05

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の離隔配置された熱伝達表面を交差方向に横切って流れ
   てそれと接触する処理流体の流路を優先的に定めるバッフル構造体であって、前
   記熱伝達表面に対応したほぼ交差方向の流路を定める少なくとも１対の流体流狭
   窄体を備え、該流体流狭窄体はそれぞれ、互いに、また対応の前記熱伝達表面に
   少なくとも部分的に上流側および下流側で整合した位置にあるか、対応の前記熱
   伝達表面の両側に沿って配置されるか、その両方であって、前記熱伝達表面周り
   を回るように前記処理流体の流路を定めることによって表面との熱接触を改善で
   きるようにしたバッフル構造体。
2. 【請求項２】 前記熱交換表面に対応した前記流体流狭窄体は、前記熱伝達
   表面からそれぞれ上流側または下流側に間隔を置いたバッフル内の複数対の流体
   流狭窄開口を含む請求項１記載のバッフル構造体。
3. 【請求項３】 前記熱伝達表面は、平行軸線を有するように配向された熱交
   換導管配列の外表面を含み、該熱交換導管に対応した複数対の開口は、対応導管
   の軸線に平行な縦列に並べられている請求項２記載のバッフル構造体。
4. 【請求項４】 前記熱伝達表面は、平行軸線を有するように配向された、少
   なくとも１つのほぼ円形配列の熱交換導管の外表面を含み、熱交換導管から上流
   側および下流側に間隔を置いた前記バッフルは、軸方向に配置された縦列状の開
   口を有する同心状穿孔円筒形プレートを含み、各熱交換導管配列は、前記穿孔円
   筒形プレートの２つの間の環状領域内に配置されている請求項２記載のバッフル
   構造体。
5. 【請求項５】 各対の流体流狭窄開口は、前記同心状円筒形プレートの軸線
   に半径方向に整合した穴を含む請求項４記載のバッフル構造体。
6. 【請求項６】 各対の流体流狭窄開口は、それぞれが対応の前記熱交換導管
   の軸線にほぼ平行な長軸を有する細長スロットを含む請求項４記載のバッフル構
   造体。
7. 【請求項７】 細長スロット対は、半径方向に整合している請求項６記載の
   バッフル構造体。
8. 【請求項８】 熱交換導管に２対の細長スロットが対応し、各スロット対は
   、前記同心状円筒形プレートの軸線との半径方向整合位置からずれている請求項
   ６記載のバッフル構造体。
9. 【請求項９】 熱交換導管に対応した２つの上流側細長スロットおよび２つ
   の下流側細長スロットは、互いに軸方向にずれている請求項８記載のバッフル構
   造体。
10. 【請求項１０】 前記熱伝達表面は、平行軸線を有するように配向された、
    少なくとも１つのほぼ円形配列の熱交換導管の外表面を含み、外表面の少なくと
    も一部が、対応導管の軸線に平行な縦列状に上流側および下流側開口対を有する
    ほぼ同心状の穿孔スリーブによって少なくとも部分的に包囲されており、さらに
    、各同心状のシェルは、プレート部材によって、隣接する同心状のシェルに円形
    配列で固定されて、より大きな円筒形構造体を形成する請求項１記載のバッフル
    構造体。
11. 【請求項１１】 開口対は、それぞれが前記対応の熱交換導管の軸線にほぼ
    平行な長軸を有する細長スロットを含む請求項１０記載のバッフル構造体。
12. 【請求項１２】 細長スロット対は、半径方向に整合している請求項１１記
    載のバッフル構造体。
13. 【請求項１３】 熱交換導管に２対の細長スロットが対応し、各スロット対
    は、大きい方の円筒形構造体の軸線との半径方向整合位置からずれている請求項
    １１記載のバッフル構造体。
14. 【請求項１４】 熱交換導管に対応した２つの上流側細長スロットおよび２
    つの下流側細長スロットは、互いに軸方向にずれている請求項１３記載のバッフ
    ル構造体。
15. 【請求項１５】 前記熱伝達表面は、少なくとも２つのほぼ同心状配列の熱
    交換導管の外表面を含む請求項１０記載のバッフル構造体。
16. 【請求項１６】 開口対は、それぞれが前記対応の熱交換導管の軸線にほぼ
    平行な長軸を有する、半径方向に整合している細長スロットを含む請求項１５記
    載のバッフル構造体。
17. 【請求項１７】 前記熱伝達表面は、平行軸線を有するように配向された、
    整合した少なくとも２列を有するほぼ矩形配列の熱交換導管の外表面を含み、さ
    らに、第１列の熱交換導管の上流側、最後列の前記熱交換導管の下流側、および
    各列の前記熱交換導管の間に位置する穿孔プレート部材を備えた請求項２記載の
    バッフル構造体。
18. 【請求項１８】 前記流体流狭窄開口は、前記プレート部材の縦列状の開口
    を含み、該縦列状の開口は、対応の熱交換導管のそれぞれの軸線に整合している
    請求項１７記載のバッフル構造体。
19. 【請求項１９】 前記熱伝達表面は、平行軸線を有する向きの、整合した少
    なくとも３列を有するほぼ矩形配列の円筒形熱交換導管の外表面を含み、さらに
    、（ａ）第１列の前記熱交換導管の上流側、最後列の前記熱交換導管の下流側、
    および各列の前記熱交換導管の間に位置する穿孔プレート部材か、（ｂ）上流側
    および下流側開口対を有する穿孔スリーブ部材のいずれかを備えた請求項２記載
    のバッフル構造体。
20. 【請求項２０】 前記熱伝達表面は、少なくとも３列を有するほぼ矩形配列
    の円筒形熱交換導管の外表面を含み、列が互い違いに隣接の上流側および下流側
    列からずれており、前記熱交換導管は、平行軸線を有する向きであり、さらに、
    （ａ）第１列の前記熱交換導管の上流側、最後列の前記熱交換導管の下流側、お
    よび各列の前記熱交換導管の間に位置する穿孔プレート部材か、（ｂ）上流側お
    よび下流側開口対を有する穿孔スリーブ部材のいずれかを備えた請求項２記載の
    バッフル構造体。
21. 【請求項２１】 前記熱伝達表面に対応した流体流狭窄体は、縁部を熱伝達
    表面に近接した位置でその２側部の横に並べて対に配置されたほぼ平坦なプレー
    ト部材を含み、該プレート部材は、前記流路にほぼ直交する向きに設けられてい
    る請求項１記載のバッフル構造体。
22. 【請求項２２】 前記熱伝達表面に対応した流体流狭窄体は、該熱伝達表面
    に近接した位置でその２側部のそれぞれの横に並べて対に配置されたプレート部
    材を含み、該プレート部材は、熱伝達表面の２側部のそれぞれに対応した輪郭を
    有して、上流側および下流側開口を有するチャネルを熱伝達表面の２側部に沿っ
    て形成することができ、前記プレート部材は、隣接の熱伝達表面に対応した別の
    プレート部材に連結されている請求項１記載のバッフル構造体。
23. 【請求項２３】 さらに、前記熱伝達表面は、熱伝達増強構造体を含む請求
    項１記載のバッフル構造体。
24. 【請求項２４】 前記熱伝達増強構造体は、フィン部材を含む請求項２３記
    載のバッフル構造体。
25. 【請求項２５】 軸方向の向きの複数の熱交換導管の外表面と接触するよう
    に交差方向に流れる流体との間での熱伝達を増強する方法であって、流体が前記
    熱交換導管の軸線にほぼ直交する方向で前記熱交換導管に対応した少なくとも１
    対の流体流狭窄体を通って流れ、該流体流狭窄体が互いに、また対応の熱伝達表
    面に少なくとも部分的に上流側および下流側で整合した位置にあるか、対応の熱
    伝達導管の２側部に沿って配置されるか、その両方であるようにすることによっ
    て、外表面を横切る流体流の輪郭を優先的に定める段階を含む方法。
26. 【請求項２６】 前記流体は、前記熱交換導管の上流側のバッフルの少なく
    とも１つの開口を通って流れて対応の前記熱交換導管と接触した後、前記熱交換
    導管の下流側のバッフルの少なくとも１つの開口を通って流れる請求項２５記載
    の方法。
27. 【請求項２７】 前記バッフルの開口は、細長スロットを含む請求項２６記
    載の方法。
28. 【請求項２８】 前記流体は、前記熱交換導管の上流側のバッフルの、それ
    ぞれ流体の流れ方向からずれた２つの開口を通って流れて対応の前記熱交換導管
    と接触した後、前記熱交換導管の下流側のバッフルの、それぞれ流体の流れ方向
    からずれた２つの開口を通って流れる請求項２６記載の方法。
29. 【請求項２９】 前記流体は、少なくとも１つの上流側列および１つの下流
    側列の前記熱交換導管を有する配列内を通って流れ、各熱交換導管に少なくとも
    １対の流体流狭窄体が対応している請求項２５記載の方法。
30. 【請求項３０】 ３列以上の熱交換導管を含み、前記流体流れ狭窄体は、（
    ａ）第１列の前記熱交換導管の上流側、最後列の前記熱交換導管の下流側、およ
    び各列の前記熱交換導管の間に位置する穿孔プレート部材か、（ｂ）上流側およ
    び下流側開口対を有する穿孔スリーブのいずれかを含む請求項２９記載の方法。
31. 【請求項３１】 前記熱交換導管列は整合して、配列内を通るほぼ線形チャ
    ネルを形成する請求項３０記載の方法。
32. 【請求項３２】 前記流体は、前記熱交換導管列に直交する方向で配列内を
    通って流れる請求項３１記載の方法。
33. 【請求項３３】 前記流体は、前記熱交換導管列の平面に対して斜めの方向
    で配列内を通って流れる請求項３１記載の方法。
34. 【請求項３４】 前記熱交換導管列は互い違いにずれている請求項３０記載
    の方法。
35. 【請求項３５】 前記流体は、前記熱交換導管列の平面に直交する方向で配
    列内を通って流れる請求項３４記載の方法。
36. 【請求項３６】 前記流体は、前記熱交換導管列の平面に対して斜めの方向
    で配列内を通って流れる請求項３４記載の方法。
37. 【請求項３７】 前記流体は、前記熱交換導管の２側部のそれぞれに沿って
    チャネルを通って流れ、該チャネルは、縁部を前記熱交換導管の外表面に近接し
    た位置でその２側部のそれぞれの横に並べて配置された少なくとも１対のほぼ平
    坦なプレート部材によって定められており、該プレート部材は、前記流体の流れ
    方向にほぼ直交する向きに設けられている請求項２５記載の方法。
38. 【請求項３８】 前記流体は、前記熱交換導管の２側部のそれぞれに沿って
    チャネルを通って流れ、該チャネルは、前記熱交換導管の外表面に近接した位置
    でその２側部のそれぞれの横に並べて配置された１対のプレート部材によって定
    められており、該プレート部材は、前記熱交換導管の２側部のそれぞれに対応し
    た輪郭を有すると共に、隣接の前記熱交換導管に対応した別のプレート部材と連
    結されている請求項２５記載の方法。