JP2005515397A - 迅速応答電気熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の数種類の目的、特徴および利点の中に、従来技術のものよりもさらに効率的に流体を加熱する流体熱交換器を提供することがある。
【解決手段】中空外部チューブ（４２）によって囲繞される迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）を含み、流体加熱システム（１０）を通って循環するために内部チューブ（３０）と外部チューブ（４２）との間を流れる流体（１８）を加熱するために、流体加熱システム（１０）に使用される流体熱交換器（１２）が開示される。内部チューブ（３０）が迅速に加熱されるときには、循環流体（１８）は、流体加熱システム（１０）に使用されるための所定の温度に迅速に加熱される。

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳細には流体熱交換器に関する。より具体的には、本発明は、熱交換器の２つのチューブの間を通る流体を迅速に加熱するための流体熱交換器に関する。

例えば、流体加熱システムは、加熱要素と称される金属抵抗コイルから構成され、これは、中空チューブの外側に巻かれる。流体は、チューブを通って流れ、加熱要素によって加熱される。しかし、この構造には数種類の欠点がある。従来技術の加熱システムは、特に低流体流量では、流体を効率的に加熱しない。さらに、このような加熱システムは、コンパクトな形状には容易に形成されず、流体を流体加熱システムに使用されるために所望の温度へ加熱するためにはかなりの時間期間を必要とする。
従来技術は、リザベック（Ｒｅｚａｂｅｋ）に付与された米国特許第５，５９０，２４０号に見いだされるように、長手方向に進行する高効率管状熱交換器を含む絶縁ハウジングを含む流体加熱システムを開示している。これらの管状熱交換器は、内側および外側の螺旋状通路と、互いに流体連通している螺旋状通路を通って長手軸に沿って進む戻り通路と、を有する。超純水等の熱伝導流体は、戻り通路を通って進む前に、順次、螺旋状通路の各々を通る。内側螺旋状通路は、熱伝導流体を加熱するために周囲に間欠的に巻かれた抵抗コイルを有する。しかし、リザベック（Ｒｅｚａｂｅｋ）の加熱システムは、より大きな流体加熱効率を達成するために、少なくとも３倍のハウジングの長さを伝導する熱伝導流体を必要とする。加えて、チューブの間に必要な空間の量のため、リザベック（Ｒｅｚａｂｅｋ）のシステムは、コンパクトな構造を欠いており、また、リザベック（Ｒｅｚａｂｅｋ）のシステムは、製造が容易でもない。したがって、構造がコンパクトであり、製造が容易であり、効率的なやり方で流体温度を迅速に所望の温度レベルに達する流体加熱システムが必要である。

本発明の数種類の目的、特徴および利点の中に、従来技術のものよりもさらに効率的に流体を加熱する流体熱交換器を提供することがある。
本発明の他の特徴は、流体を流体加熱システムに使用されるために所望の温度レベルへ迅速に加熱する流体熱交換器を提供することである。
本発明のさらなる特徴は、コンパクトな構造の流体熱交換器を提供することである。
本発明の追加特徴は、製造が容易である流体熱交換器を提供することである。
本発明のさらなる特徴は、実質的にいずれの形状に形成されてもよい流体熱交換器を提供することである。
本発明の別のさらなる特徴は、流体を超臨界状態に維持することが可能である流体熱交換器を提供することである。
本発明のこれら及び他の目的は、例示したものに限定されるだけでなく本発明の好適な実施形態に実現され、これは、流体を加熱されたチューブと囲繞する外側チューブとの間を通らせることによって流体を加熱するための新規の配列を有する流体熱交換器を提供する。

簡単に要約すると、本発明は、中空の外部チューブによって囲まれた迅速に加熱可能な内部チューブを含む本体を覆うハウジングを備える流体加熱システムに使用される流体熱交換器を提供することによって、従来技術の欠陥を克服し実質的に軽減する。流体は、流体加熱システムを循環するために内部チューブと外部チューブとの間を通り、内部チューブは迅速に加熱され、そのため、流体はほぼ瞬時に、流体加熱システムに使用されるために所定の温度にされる。

流体の温度を所定の温度範囲内に規制するために、温度制御システムが利用されている。温度制御システムは、通過する流体の温度を検知するために流体熱交換器に沿って設けられた少なくとも１つのセンサを含んでいる。流体の温度レベルが、温度制御システムの設定した所定の温度範囲よりも低い場合には、温度制御システムは、内部チューブの対向側の位置する電源から電力を選択的に供給する。内部チューブは電気抵抗材料から構成されるため、電力の供給は内部チューブを励起し、これは、内部チューブを加熱させて、内部チューブと外部チューブとの間を通る流体の温度を上げる。流体の温度が所定の温度範囲内のレベルに上げられる際は、温度制御システムは、内部チューブの対向側から電力を除去し、これが内部チューブの動力源を断ち、内部チューブを冷却する。温度制御システムは、流体温度を継続してモニタし、流体温度を所定の温度範囲内に維持するために内側チューブを選択的に励起する。

流体熱交換器の一実施形態において、流体は、流体加熱システムに使用されるために超臨界状態に達してもよい。

本発明のさらなる目的、利点および新規特徴は、下記の説明に述べられており、下記のより詳細な説明および図面を検討すれば、当業者には明らかになり、本発明の類似要素には類似の参照符号が付されている。

図面を参照すると、本発明の流体加熱システムの好適な実施形態が、図４における１０として図示される。流体加熱システム１０は、ハウジング１３を具備し、これは、流体１８を所定の温度へ加熱するための手段を提供する流体熱交換器１２が中に配置されている細長い上部および下部部分２５、２６を形成する本体１７を覆っている。流体加熱システム１０の戻り側２２から上部部分２５に入る流体１８は、流体１８が上部および下部部分２５、２６に沿って流れるときに加熱される。加熱された流体１８は、次いで下部部分２６を出て、入口側２４に流れ込み、流体加熱システム１０の残りの部分を通る。ひとたび循環すると、流体１８は戻り側２２を通って流れ、一連の流れが再度繰り返される。流体１８の温度レベルは、温度制御システム２０によって維持される。

図１および４を参照すると、流体熱交換器１２は、遠位端および近位端７６、７８の両方の間を通過する流体１８を加熱するために類似した細長い外部チューブ４２に囲繞された遠位端７６および近位端７８を有する迅速に加熱可能な細長い内部チューブ３０から構成されている。流体熱交換器１２は、戻り側２２から流体１８を受け取るために上部取付金具（ｕｐｐｅｒ ｆｉｔｔｉｎｇ）１４に接続され、流体１８を流体加熱システム１０の入口側２４へ運ぶために下部取付金具１５に接続される。取付金具１４と１５との間の外部チューブ４２を、絶縁層１６が実質的に覆っている。加熱可能な内部チューブ３０は、冷却部分３２を含み、これは、電源（図示せず）に接続するために内部チューブ３０の遠位端および近位端７６、７８の両方から外向きに延在する。コイル状熱部分３４は、スプライス３３で各冷却部分３２の一方の端に取り付けられる。好ましくは、コイル状熱部分３４は、電気抵抗材料から構成され、そのため、熱部分３４は、両方の冷却部分３２に加えられている電流に応答して熱を生成する。電流のこの添加は、流体熱交換器１２を“励起”し、その後に電流を除去することが流体熱交換器１２の“動力源を断つ”。コイル状熱部分３４を囲繞し且つ各冷却部分３２を部分的に囲繞するのは、酸化マグネシウム等の熱伝導充填材３６である。外側シース３８は、流体１８に接触する外側表面４０を形成する充填材３６を囲繞する。好ましくは、外部チューブ４２は、外側シース３８の外側表面４０のまわりに近接して同心円状に間隔をおかれ、内部表面４４および外部表面４６を含む。外側表面４０および内部表面４４は共同して好ましくは小さな環状断面積の通路４８を形成し、これは、電力が各冷却部分３２に加えられるときに通路４８に沿って進むときにコイル状熱部分３４によって加熱される流体１８の流れ用である。

図２を参照すると、ワイヤ５０が、製造中に外部チューブ４２内に挿入される前に、内部チューブ３０の外側表面４０に沿ってコイル状に巻かれてもよい。好ましくは、ワイヤ５０の直径は、外部チューブ４２が内部チューブ３０上をかろうじてスライドするサイズであるべきである。内部チューブ３０と外部チューブ４２との間のワイヤ５０のコイル状配列は、流体熱交換器１２が特定の用途に必要であるような所望の形状に形成されるときに、内部チューブ３０と外部チューブ４２との間の同心性を実質的に維持する。さらに、ワイヤ５０は、流体１８が通路４８内を流れるための螺旋状経路を形成し、それによって、内部チューブ３０によって加熱されるときに流体１８の熱効率を増加する。

図３Ａを参照すると、内部チューブ３０と外部チューブ４２との間の同心性を維持するために、代替配列が使用されている。ワイヤ５０の代わりに、代替の実施形態は、多数の隆起領域５２を形成し、これは、内部チューブ３０の外側表面４０から半径方向に外向きに延在する。内部チューブ３０を外部チューブ４２の内部に挿入可能にするために、対向する隆起領域５２を含む内部チューブ３０に沿った外径は、内部表面４４の内径にわずかに短いものでなければならない。したがって、流体熱交換器１２は製造中に特定の用途のために形成されるため、内部チューブ３０と外部チューブ４２との間に実質的な同心性が維持される。同様に、図３Ｂおよび３Ｃは、図３Ａに示された構造の代替の実施形態を開示する。図３Ｂにおいて、外側表面３０から延在する隆起領域５２に加えて、外部チューブ４２から半径方向に内向きに延在する隆起領域５４が内部表面４４に沿って設けられる。図３Ｃには、隆起領域５４のみが外部チューブ４２の内部表面４４から延在する。しかし、各場合に、内部チューブ３０と外部チューブ４２との間に実質的な同心性が達成される。

図４および５を参照すると、下部取付金具１５は、本体１７の下部部分２６を入口側２４に連結するための手段を提供し、流体熱交換器１２の遠位端７６を受け取るために本体６０を具備する。本体６０は、流体加熱システム１０のそれぞれの入口側２４に接続するフランジ７２を有するコネクタ７０を固定するために、スリーブ６６内に延在する。本体６０は、さらに内腔６２を形成し、これは、減少した内腔６３内に延在する。別の内腔６５が形成され、Ｌ字型通路６４が本体６０を通って形成されるように、内腔６２に交差する。好ましくは、流体熱交換器１２の遠位端７６は、内部チューブ３０が本体６０から外向きに突出するように外部チューブ４２の一部を除去することによって、本体６０に係合するように適合される。組み立てられると、内部チューブ３０の露出した端は、外部チューブ４２が本体６０に接触するまで、内腔６２に沿って方向づけられ、減少した内腔６３を通る。次いで、好ましくは溶接操作によって、外部チューブ４２と本体６０との間に流体密封７４が設けられ、且つ、本体６０と内部チューブ３０との間に流体密封を維持する。

さらに示されるように、中空スリーブ６６が内腔６５から延在し、コネクタ７０を固定するためのフランジ６８を含む。スリーブ６６およびコネクタ７０は共同して、フランジ６８、７２に沿って流体密封を形成する。したがって、流体熱交換器１２内の通路４８に沿って流れる流体１８は、Ｌ字型通路６４、スリーブ６６、コネクタ７０を通り、入口側２４を通って進み、流体加熱システム１０の戻り側２２に到達する。図示されてはいないが、図５に示された下部取付金具１５と図４に示された上部取付金具１４との間の操作の唯一の差は、流体１８の流れ方向が逆であるということは明らかである。

図６および７を参照すると、温度制御システム２０は、流体１８の温度を制御するための手段を提供する。好ましくは、温度制御システム２０は、流体１８の温度読取値を取るために複数のセンサ５６を含む。図７に示されるように、センサ５６は、流体１８の流れストリーム内で流体熱交換器１２に沿ったどの位置に設けてもよい。センサ５６は、熱電対、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）またはサーミスタであってもよく、センサ５６を温度制御システム２０に接続する電気リード線５７によって電気信号を提供する。流体１８の流れストリーム内の温度を検知するのに使用されるときに、センサ５６は、外部チューブ４２に沿って隆起領域６１を形成するサーモウェル５８に位置する。サーモウェル５８の寸法は、モニタされるべき流体１８の流れストリーム内の所望の場所に依存する。好ましくは、センサ５６は、流体１８の流れストリームに実質的に配置されるが、内部チューブ３０には接触しない。サーモウェル５８は、温度制御システム２０に接続するために電気リード線５７が外部チューブ４２を通って延在するように構成されてもよい。センサ５６の正確性および反応性を改良するために、酸化マグネシウムの液体形態であることが好ましいサーマルコンパウンド５９が、熱エネルギを通過流体１８からセンサ５６へ伝えるために各センサ５６に接触して配置される。プラグ材料６７はサーマルコンパウンド５９がサーモウェル５８から漏れるのを防止するためにセンサ５６の反対側に加えられる。

センサ５６が流体１８の流れストリームに配置されているのに加えて、参照としてジュリアーノ（Ｊｕｌｉａｎｏ）よって付与された米国特許第６，１０４，０１１号に開示されたセンサ配置のように、センサ５６が内部チューブ３０内に配置されてもよいことを企図し、本発明は、考案する。流体加熱システム１０はこれらのセンサ５６のいずれの組み合わせを組み込んでもよい。この種類の流体加熱システム１０において、温度制御システム２０は、冷却部分３２に加えられる電力のレベルを制御し、流体１８の温度を精密に制御する。操作において、流体熱交換器１２は完全にオンかオフのいずれかであるが、所望により、流体温度の精密な制御を維持するために、１秒に数回、これらのオンオフ設定の間を急速に往復してもよい。

図８を参照すると、温度制御システム２０は、所望の流体温度制御を達成するために、マイクロプロセッサ系コントローラ２１を含む公知の構造であることが好ましい。センサ５６は、コントローラ２１からのサンプリング照会信号２８に応答して電気信号２７を生成する。必要な温度制御の程度に依存して、コントローラ２１は、１秒当たり何百何千の信号２８をセンサ５６へ送ってもよい。コントローラ２１の信号の間を通過する時間量は、検知インターバルと称される。センサ５６からの信号２７が、温度制御システム２０に設定された所定のレベルより下の流体温度レベルに対応する場合には、温度システム２０は、冷却部分３２のそれぞれの端へリード線５７に沿って電力を提供し、冷却部分３２は流体熱交換器１２の長さ方向に沿って半径方向に外向きに熱を生成する。したがって、流体熱交換器１２に隣接して通路４８のその部分に沿って流れる流体１８が加熱される。ひとたびコントローラ２１が、温度制御システム２０に設定された所定のレベル内に入る流体温度レベルに対応するセンサ５６からの信号２７を受け取ると、温度制御システム２０は、リード線５７から電力を除去し、そのため、流体熱交換器１２はもはや熱を生成しない。この種類の流体熱交換器１２は、熱流束密度と称されるユニット長当たり高濃度の対流熱を提供するため、流体温度は、流体速度および熱特性に依存して、１０００分の１秒内に所望の温度範囲内に上がることもある。さらに、この種類の流体熱交換器１２は完全にオンかオフのいずれかであるため、電力の添加は、短いパルスで流体熱交換器１２に加えられることが好ましい。

流体熱交換器１２が励起されることができる前に、電気信号２７は、温度制御システム２０が信号２７を適切に評価することができる前に増幅されるか、および／または、訂正される必要があってもよい。抵抗温度検出器、または、他の適切な温度センサ、抵抗測定値に基づいて温度値を計算するＴ／Ｃサーミスタは、大抵、リード線５７の長さを補正するために抵抗測定値に対して訂正計算を行う必要がある。サーミスタは、温度変動に敏感な半導体チップであり、通常、信号２７が増幅されることを必要とする。したがって、リード線５７の長さが一定の長さを超えない限り、信号２７は増幅または訂正を必要としないため、熱電対が好ましい。さらに、熱電対は、流体加熱システム１０内に組み込むために安価である。

図１、４、７および８を参照すると、操作において、流体加熱システム１０を流れる流体１８は、上部取付金具１４を通って戻り側２２に入り、流体熱交換器１２の通路４８に沿って流れる。流体１８の温度が、コントローラ２１からサンプリング照会信号２８を受け取り応答して電気信号２７を生成するセンサ５６に基づいて所定のレベルより下になるときに、温度制御システム２０は、リード線５７に沿って電流をそれぞれの冷却部分３２に加え、これは、熱部分３４が熱を生成するようにする。通路４８によって提供される限定された断面積および内部チューブ３０から半径方向に外向きに発せられる高密度の対流熱のため、流体１８の温度は、ほぼ瞬時に所望の温度にされる。所望の温度に達すると、温度制御システム２０は、電流を冷却部分３２から除去する。流体加熱システム１０の入口側２４から通路４８を通って流れる流体１８の所望の温度レベルを維持するように要請されるため、温度制御システム２０は、次いで、継続してモニタし、電力を冷却部分３２に選択的に加える。

具体的に図４を参照すると、本発明の好適な構造は、０.６６０４ｃｍ（外径０．２６０インチ）の内部チューブ３０と外径１.２７ｃｍ（０．５インチ）の外部チューブ４２とを使用する。しかし、かなり多数の適切なサイズ変動が許される。この構造は、外部チューブ４２が、５，０００ｐｓｉに近づく用途でさえ、最小厚さを有するのを可能にする。１つの高圧用途の実施形態において、流体１８は、半導体製造用途で使用される超臨界状態に加圧及び加熱される二酸化炭素から構成される。さらに、外側表面４０および内部表面４４を電解研磨して、表面４０および４４に沿って粒子状物質を捕捉する可能性を最小限にしてもよい。このような用途において、大半の構成要素は、ステンレス鋼から構成されるが、本発明は、例えば食品業界等では、より低い温度、圧力および流体組成を使用してもよく、好ましくは、より低い温度および圧力を必要とする銅チューブを使用する。

流体熱交換器１２の長さ方向に沿ったワイヤ５０の単位長さ当たりのコイルの数は、曲げの大きさ、曲げ半径および流体熱交換器１２に使用される材料に依存して、かなり変動してもよいことは、当業者には明らかである。さらに、1本以上のワイヤ５０が流体熱交換器１２の長さ方向に沿って巻かれてもよいことも明らかである。

それぞれの表面４０、４４の周囲に沿って対照的に示されているが、隆起領域５２、５４は必ずしも対照的である必要はなく、領域５２、５４は必ずしもチューブの中心線に沿って長手方向に進まなくてもよい。言い換えると、隆起領域５２、５４は、ワイヤ５０の経路に類似して螺旋状に進んでもよい。さらに、隆起領域５２、５４は、台形形状に示されているが、かなり多数の異なるプロファイルを有することができ、本発明の範囲内である。

比較テスト
本発明の迅速応答流体加熱システムは、控えめな結果を提供するために絶縁層１６のないもので、各々がワトロー・エレクトリック・マニュファクチャリング社（Ｗａｔｌｏｗ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって設計された従来の循環熱交換器１００（図９）およびキャストイン循環熱交換器２００（図１０）を比較してテストされた。

図９および図９Ａを参照すると、従来技術の循環熱交換器１００は、中空円筒形本体１０２を形成し、その中に、流体１１２を加熱するためにキャップ１０５から延在する多数の加熱要素１０６を有する加熱要素部分１０４が挿入される。流体１１２は、入口チューブ１０８を通って本体１０２に入り、流体１１２が、出口チューブ１１０を通って本体１０２を出る前に本体１０２を沿って流れるときに、加熱要素１０６によって加熱される。循環ヒーター１００の効率を改良するために、絶縁層１１４が本体１０２を囲繞する。

図１０を参照すると、従来技術のキャストイン循環熱交換器２００が円筒形本体２０２を形成する。流体２０８は、入口チューブ２０６を通って本体２０２に入り、出口２０４を通って出る前に本体２０２の長さ方向に沿って流れる。流体２０８が本体２０２に沿って流れるときに流体２０８を加熱する加熱要素（図示せず）は、本体２０２の壁内に形成される。

各加熱構成に共通なテストパラメータは下記の通りである。
１）入口水温は、華氏５７．５度である。
２）出口水温は、華氏９０度である。
３）水流量は、３リットル／分である。
４）熱交換器のワット密度は、６０ワット／平方インチである。
５）熱交換器は４キロワットで作動する。
６）検知装置は、毎秒１回水温をモニタする。
７）電源装置は、＋／−１ボルトでインクリメントでＡＣ電圧を供給する。

ワット密度は、熱交換器の定格ワット量を加熱要素の長さ（加熱された長さ、ＨＬ）、加熱要素の直径（Ｄ）およびパイ（π）の積で割ることによって計算されてもよい：
ワット密度＝ワット／（π×Ｄ×ＨＬ）
共通のテスト状態を確実にするために、熱交換器の各々は、同一のワット量に対応する同一の電圧で励起されるように設計された。熱交換器が作動するワットまたは電力の量が、水を加熱する加熱要素の温度を指令する。ワット密度は、熱交換器が熱交換器長さの１平方インチごとにまたは熱交換器要素の応答ごとに分散する電力の量を指令する。
ワット密度が同一であるように各熱交換器が励起されるのであれば、応答時間の差、すなわち、水を初期温度から所望の温度へ加熱するのに必要な時間は、熱交換器構成によってのみ影響される。

図１１を参照すると、各熱交換器構成が水を華氏５７．５度から華氏９０度にするための応答時間が描かれている。テスト１は、本発明の迅速応答熱交換器に対応し、テスト２は、循環熱交換器に対応し、テスト３は、キャストイン熱交換器に対応する。容易に明らかになるように、迅速応答熱交換器の応答時間（１０秒）は、他の熱交換器の応答時間よりも大幅に短い（それぞれ３０秒および３７１秒である）。

図１２を参照すると、迅速応答熱交換器（テスト１）と循環熱交換器（テスト２）との間の応答時間の差が、よりはっきりと示される。従来技術の循環熱交換器は、本発明の迅速応答熱交換器に比べて、水を所望の温度へ加熱するために３倍の時間がかかったことに注意されたい。さらに、迅速応答熱交換器が水を所望の温度へ加熱した時間に、華氏３２．５度の温度上昇であったが、従来技術の循環熱交換器は、およそ華氏３．５度しか水温を上げられず、すなわち、迅速応答熱交換器のおよそ１０％であった。さらに、調和しない水加熱傾向とは異なり記録時間中は循環熱交換器によって示され、迅速応答熱交換器は、実質的に直線方向で水を加熱し、したがって、より安定した加熱構成を提供した。最後に、迅速応答熱交換器によって施された応答時間の大幅な改良は、外側チューブを囲繞する絶縁層１６（図４）の恩恵なしで得られた。循環熱交換器１００（図９）には、絶縁層１１４が設けられていた。流体加熱システム１０に絶縁層１６を加えると、応答時間は１０％以上改良されると推定される。

したがって、本発明の迅速応答熱交換器の、特により低い流体流量で大幅に改良された応答時間、および、均一な加熱プロファイルは、大部分が、その効率的でコンパクトな設計による。本発明は、流体熱交換器の他の構成要素を加熱するためにあまり熱エネルギを使用しないように、内部加熱チューブと外部チューブとの間を通る流体へ直接、内部加熱チューブによって生成された熱エネルギに焦点を当てている。

さらなる比較テスト
迅速応答ヒーターの熱効率をさらに例示するために、対流熱伝達係数を使用してもよい。
対流熱伝達係数（ｈ_ｃ）は、熱エネルギを交換する主要手段として対流を使用する熱交換システムの効率の尺度である。この係数は、熱交換システムを通って循環する作業流体に接触する加熱要素の外側周囲表面に沿って測定される。本発明の目的のために、対流熱伝達係数は、ディタスベルターの式の変形から導き出される。
Ｎｕ_Ｄ＝０．０２３×Ｒｅ_Ｄ０．８×Ｐｒ^ｎ
Ｎｕ_Ｄは、局所熱伝達係数であるヌセルト数を表し、Ｒｅ_Ｄは、粘性力に対する流体における慣性力の大きさの尺度であるレイノルズ数を表し、Ｐｒは、動粘度の温度拡散率に対する率を規定するプラントル数を表す。定数“ｎ”は、式が加熱のために使用される場合は０．４に等しく、冷却のために使用される場合は０．３に等しい。

プラントル数は、さらに下記のように表される。
Ｐｒ＝μ×Ｃ_ｐ／Ｋ
ただし、μは絶対粘度を表し、（ｌｂ／ｆｔ−ｈｒ）として表されてもよく、Ｃ_ｐは比熱容量を表し、（ＢＴＵ／ｌｂ−°Ｆ）として表されてもよく、Ｋは、熱伝導率を表し、（ＢＴＵ／ｆｔ−ｈｒ−°Ｆ）として表されてもよい。

レイノルズ数は、さらに下記のように表される。
Ｒｅ_Ｄ＝Ｇ×Ｄ_ｅ／μ
ただし、Ｇは質量流量を表し、（ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ）として表されてもよく、Ｄ_ｅは液圧または等価の直径を表し、（ｆｔ）として表されてもよく、μは絶対粘度を表す。
Ｒｅ_ＤおよびＰｒを置き換えると、ｈ_ｃが生じる。
Ｈ_ｃ＝０．０２３×Ｇ^０．８×Ｃ_ｐ ^０．３３×Ｋ^０．６７／（Ｄ_ｅ ^０．２×μ^０．４７）
本発明の迅速応答流体加熱システム１０（図１３、１４）は、それぞれの対流熱伝達係数を比較することによって、キャストイン循環熱交換器２００（図１５、１６）とテストされ、各々がワトロー・エレクトリック・マニュファクチャリング社によって設計されたものであった。
図１３および１４を参照すると、本発明の迅速応答加熱システム１０は、下部取付金具１５に接続する遠位端７６と上部取付金具１４に接続する近位端７８とを有するコイル状の細長い本体１７を形成する。本体１７は、直径８０を有する流体１８を加熱するための加熱可能な内部チューブ３０を形成し、これは、内径８２を有する中空の外部チューブ４２によって囲繞される。流体１８は、取付金具１４に入り、内部チューブ３０と外部チューブ４２との間に形成された通路４８に沿って進む。流体１８は、通路４８に沿って進んだ際に、下部取付金具１５に到達したり本体１７を出る前に加熱される。

図１５および１６を参照すると、従来技術のキャストイン循環熱交換器は、有効自由断面積（Ａ_Ｆ）４１２を有する円筒形本体４０２を形成する。流体４０８は、入口チューブ４０６を通って本体４０２に入り、出口４０４を通って出る前に本体４０２の長さ方向４１０に沿って流れる。流体４０８が本体４０２に沿って流れるにつれて流体４０８を加熱する加熱要素（図示せず）が、本体４０２の壁内に見いだされる。「加熱された長さ」という用語は、流体を加熱するのに必要な加熱要素の長さ全体を意味する。

各加熱構成に共通なテストパラメータは、下記の通りである。

１）流体１８、４０８は空気である。
２）入口空気温度（Ｔ_ｉｎ）は６８°Ｆである。
３）出口空気温度（Ｔ_ｏｕｔ）は５００°Ｆである。
４）容量流体流量（Ｆ_Ｒ）は、１分当たり１００立方フィート（ＣＦＭ）である。ＣＦＭは、標準温度および圧力（ＳＴＰ）で測定され、（ＳＣＦＭ）として表されてもよい。
５）各熱交換器構成用の合計エネルギ（Ｑ）は同一である。
６）加熱要素シース温度（Ｔ_ｓ）は、１，０００°Ｆに維持される。
７）流体（空気）は、５００ｐｓｉｇに加圧される。

この比較用に作成された一般想定の中に、下記が含まれる。
１）従来技術の熱交換器のすべてのチューブ、加熱要素および本体４０２の断面プロファイルは、円形である。
２）図１７を参照すると、５００ｐｓｉｇで様々な温度で空気の比熱容量Ｃ_ｐ、熱伝導率Ｋ、絶対粘度μ、および密度ρの値をリストする表を使用して、この情報を下記に提供する。
空気に対してそれぞれの加熱システムが必要な合計エネルギ（Ｑ）を計算する。
Ｑ＝Ｍ×Ｃ_ｐ×ΔＴ
ただし、Ｍは、ＳＴＰにおける空気の質量流量を表し、Ｃ_ｐは比熱容量を表し、ΔＴは温度の変化を表す。
Ｍ＝Ｆ_Ｒ×ρ＝（１００ｆｔ^３／分）×（６０分／ｈｒ）×（０．０７５ｌｂ／ｆｔ^３）＝４５０ｌｂ／ｈｒ
比熱容量は、下記のように、対数平均温度差（ΔＴ_ＬＭ）から計算される。
ΔＴ_ＬＭ＝（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）／ｌｎ（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）＝（５００−６８°Ｆ）／ｌｎ（５００−６８°Ｆ）＝２１６°Ｆ
したがって、次に合計エネルギが計算されてもよい。
Ｑ＝Ｍ×Ｃｐ×ΔＴ＝（（４５０ｌｂ／ｈｒ）×（０．２４３ＢＴＵ／（ｌｂ−°Ｆ）×（５００−６８°Ｆ）／（３４１２ＢＴＵ／ｈｒ／１ｋＷ））＝１３．８４ｋＷ−ｈｒ
図１５、１６を参照すると、対流熱伝達係数（ｈ_ｃ）は、有効断面積４１２（Ａ_Ｆ）の典型的な値として０．０４４ｆｔ^２、および、液圧直径（Ｄ_ｅ）の典型的な値として０．１７ｆｔを選択することによって、従来技術のキャストイン循環熱交換器用に計算されてもよい。この計算は、まず質量流量（Ｇ）を計算し次いでレイノルズ（Ｒｅ_Ｄ）を計算することによって達成される。
Ｇ＝Ｍ／Ａ_Ｆ＝４５０ｌｂ／ｈｒ／０．０４４ｆｔ^２＝１０，２２７ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ
Ｒｅ_Ｄ＝Ｇ×Ｄ_ｅ／μ（１０，２２７ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ）×（０．１７ｆｔ）／０．０９７７ｌｂ／ｆｔ−ｈｒ
＝１７，７９５
上記に計算されたレイノルズ数は２，３００よりも大きいため、流れは乱れとみなされ、対流熱伝達係数用の公式を当てはめることができる。
ｈ_ｃ＝０．０２３×Ｇ^０．８×Ｃ_ｐ ^０．３３×Ｋ^０．６７／（Ｄ_ｅ ^０．２×μ^０．４７）
＝（０．０２３）×（１０，２２７ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ）^０．８×（０．２６４ＢＴＵ／ｌｂ−°Ｆ）^０．３３×（０．０１８０ＢＴＵ／ｆｔ−ｈｒ−°Ｆ）^０．６７／（（０．１７ｆｔ）^０．２×（０．０９７７ｌｂ／ｆｔ−ｈｒ）^０．４７）
＝６．８９ＢＴＵ／ｆｔ^２−ｈｒ−°Ｆ
ひとたび従来技術の熱交換器用の対流熱伝達係数が計算されると、ワット密度とも称され典型的にワット／ｉｎ^２（ＷＳＩ）で測定される最大熱流束が、計算されてもよい。次いで、加熱要素の直径（ＤＩＡ）を考慮することによって、この場合は１.２０６５ｃｍ（０．４７５インチ）であるが、加熱要素の加熱された長さ（ＨＬ）も計算されてもよい。
Ｈｅａｔ ｆｌｕｘ_ｍａｘ＝（ｈ_ｃ）×（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｏｕｔ）
＝（６．８９ＢＴＵ／ｆｔ^２−ｈｒ−°Ｆ）×（１０００−５００°Ｆ）／（（３．４１２ＢＴＵ／ｈｒ／１Ｗ）×（１４４ｉｎ^２／１Ｆｔ^２））
＝７．０１ＷＳＩ
ＨＬ＝Ｑ／（ＤＩＡ）×π×Ｈｅａｔ ｆｌｕｘ_ｍａｘ
＝１３，８４０Ｗ／（１.２０６５ｃｍ（０．４７５iｎｃｈ）×（π）×（７．０１ＷＳＩ）
＝３３６０.５２１６ｃｍ（１，３２３．０４ｉｎ）
図１３、１４を参照すると、本発明の迅速応答流体加熱システムの対流熱伝達係数（ｈ_ｃ）は、ひとたび有効自由断面積（Ａ_Ｆ）が計算されると、他のすべてのパラメータがこの情報を必要とするため、計算されてもよい。通路４８によって形成される有効自由断面積は、加熱可能なチューブ３０の直径８０（Ｄ_１）として０.６６０４ｃｍ（０．２６インチ）、および、外部チューブ４２の内径８２（Ｄ_２）として１.２５７３ｃｍ（０．４９５インチ）を選択することによって、計算されてもよい。
Ａ_Ｆ＝π／４×（（Ｄ_２）^２−（Ｄ_１）^２）
＝（０．７８５４）×（（１.２５７３ｃｍ（０．４９５ｉｎ））^２−（０.６６０４ｃｍ（０．２６０ｉｎ））^２）／１４４ｉｎ^２／１ｆｔ^２
＝９．６４Ｅ−０４ｆｔ^２
Ｄ_ｅ＝Ｄ_２−Ｄ_１＝１.２５７３ｃｍ（０．４９５ｉｎ）−０.６６０４ｃｍ（０．２６０ｉｎ）
＝０.５９６９ｃｍ（０．２３５ｉｎ）＝０．０１９５ｆｔ
Ｇ＝Ｍ／Ａ_Ｆ＝４５０ｌｂ／ｈｒ／９．６４Ｅ−０４ｆｔ^２＝４６６，８０５ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ
Ｒｅ＝（４６６，８０５ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ）×（０．０１９５ｆｔ）／０．０９７７ｌｂ／Ｆｔ−ｈｒ＝９３，１６９
ｈ_ｃ＝０．０２３×Ｇ^０．８×Ｃ_ｐ ^０．３３×Ｋ^０．６７／（Ｄ_ｅ ^０．２×μ^０．４７）
＝（０．０２３）×（４６６，８０５ｌｂ／ｆｔ^２−ｈｒ）^０．８×（０．２６４ＢＴＵ／ｌｂ−°Ｆ）^０．３３×（０．０１８０ＢＴＵ／ｆｔ−ｈｒ−°Ｆ）^０．６７／（（０．０１９５ｆｔ）^０．２×（０．０９７７ｌｂ／ｆｔ−ｈｒ）^０．４７）
＝２２６．０５ＢＴＵ／ｆｔ^２−ｈｒ−°Ｆ
ひとたび対流熱伝達係数が計算されると、次いで最大熱流束および加熱要素の加熱された長さ（ＨＬ）が計算されてもよい。
Ｈｅａｔ ｆｌｕｘ_ｍａｘ＝（ｈ_ｃ）×（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｏｕｔ）
＝（２２６．０５ＢＴＵ／ｆｔ^２−ｈｒ−°Ｆ）×（１０００−５００°Ｆ）／（（３．４１２ＢＴＵ／ｈｒ／１Ｗ）×（１４４ｉｎ^２／１ｆｔ^２））
＝２３０．０５ＷＳＩ
ＨＬ＝Ｑ／（Ｄ_１）×π×Ｈｅａｔ ｆｌｕｘ_ｍａｘ
＝１３，８４０Ｗ／（（０.６６０４ｃｍ（０．２６０ｉｎ））×（π）×（２３０．０５ＷＳＩ）
＝１８７.０７１ｃｍ（７３．６５ｉｎ）
これらのテスト状態が示すように、本発明の迅速応答加熱システムは、従来技術のキャストインヒーターが必要とする長さのおよそ１８分の１の加熱長さを必要とする。したがって、類似の低流量状態下で、迅速応答ヒーターは、従来技術の熱交換器に対して大幅に改良された安定した応答時間を提供する。しかし、同様に重要に、迅速応答ヒーターは、ほぼいずれの形状でチューブを形成することができることに加えて、加熱された長さが大幅に減少したため、かなり減少した空間でこれらの予期されない重要な改良を達成する。

実際的には、各用途は、独特であってもよい加熱システム形状、加熱パラメータおよび作業流体の種類を考慮に入れるため、本願に含まれるような「低流体流量」の正確な意味を規定することは不可能である。しかし、流体流量が増加するにつれ、および、通路４８（図１４）の断面積が、特に加熱可能な内部チューブ３０の有効長さに比較して、増えるにつれ、本発明の迅速応答ヒーターは、従来技術の構成に類似し始める。この点で、サイズおよび全体的な効率に関する利点の大半は、大幅に減少される。

上記実施形態から理解されるべきではあるが、本発明の特定の実施形態が例示され説明される間では、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それらに対して様々な修正を行うことができる。したがって、本発明は、明細書によって限定されることは意図されない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるように意図される。

本発明による流体熱交換器の部分破断斜視図である。 本発明による流体熱交換器の部分切欠斜視図である。 本発明による流体熱交換器の代替の実施形態の断面図である。 本発明による流体熱交換器の代替の実施形態の断面図である。 本発明による流体熱交換器のさらなる代替の実施形態の断面図である。 本発明による流体加熱システムの斜視図である。 本発明による図４内の線５−５に沿って取られた取付金具の断面図である。 本発明による流体加熱システムの内部構成要素を例示する透明斜視図である。 本発明の温度制御システムの作動を示す図である。 本発明の温度制御システムの作動を示すさらなる図である。 従来技術の循環熱交換器の斜視図である。 従来技術の循環熱交換器内に挿入される加熱要素部分の斜視図である。 従来技術のキャストイン熱交換器の斜視図である。 数種類の熱交換器構成の間で熱交換器応答を比較する時間間隔で測定された温度レベル読取値を例示するグラフである。 従来技術の循環熱交換器と本発明による流体熱交換器との間で熱交換器応答読取値を比較するためのより狭い時間間隔で測定された温度レベル読取値を例示するグラフである。 本発明による絶縁層のない流体加熱システムの斜視図である。 本発明による図１３の線１４−１４に沿って取られた内部チューブおよび外部チューブの断面図である。 従来技術のキャストイン熱交換器の側面図である。 従来技術のキャストイン熱交換器の端面図である。 ５００ｐｓｉｇで空気の様々な温度レベルにおける様々な流体パラメータ値を例示する表である。

対応する参照符号は数枚の図面にわたって対応する要素を識別する。

Claims (34)

1. 流体加熱システム（１０）に使用される流体熱交換器（１２）であって、
   迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）と、
   前記内部チューブ（３０）を囲繞する中空外部チューブ（４２）と、
   前記流体加熱システム（１０）を通って循環するために前記内部チューブ（３０）と前記外部チューブ（４２）との間を通る流体（１８）と、
   を備え、
   前記内部チューブ（３０）は迅速に加熱され、そのため、前記流体（１８）が、前記流体加熱システム（１０）に使用されるために所定の温度に迅速に加熱される流体熱交換器（１２）。
2. 前記外部チューブ（４２）は薄壁である、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
3. 前記内部チューブ（３０）および前記外部チューブ（４２）は、それぞれ、円形断面を有する、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
4. 前記外部チューブ（４２）は、前記内部チューブ（３０）を同心的に囲繞している、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
5. 前記外部チューブ（４２）を囲繞する絶縁層（１６）をさらに備える、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
6. 前記内部チューブ（３０）は、この内部チューブ（３０）内を長手方向に延在する迅速に加熱可能な熱部分（３４）をさらに備える、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
7. 前記外部チューブ（４２）は内部表面（４４）を形成し、前記内部チューブ（３０）は外部表面（４０）を形成し、前記内部および外部表面（３０、４０）は、電解研磨される、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
8. 前記流体（１８）は、前記迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）によって超臨界状態へ上昇してもよい、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
9. 前記流体熱交換器（１２）はコンパクトな構造である、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
10. 前記流体（１８）と検知連通して前記流体熱交換器（１２）に沿って位置する少なくとも１つのセンサ（５６）を有する温度制御システム（２０）をさらに備え、前記温度制御システム（２０）は、前記温度制御システム（２０）によって取られた流体（１８）の温度読取値に基づいて所定の範囲内に前記流体（１８）の温度を規制することによって前記加熱可能な内部チューブ（３０）の作動を制御し、
    前記内部チューブ（３０）は、前記流体（１８）が前記流体加熱システム（１０）に使用されるために前記所定の範囲内に迅速に加熱されるように、前記温度制御システム（２０）によって迅速に加熱される、請求項１に記載の流体熱交換器（１２）。
11. 前記内部チューブ（３０）と前記外部チューブ（４２）との間に差し挟まれ、前記内部および外部チューブ（３０、４２）の間に同心性を維持するために、少なくとも１つのコイル状ワイヤをさらに備える、請求項４に記載の流体熱交換器（１２）。
12. 前記内部チューブ（３０）は、同心性が前記内部および外部チューブ（３０、４２）の間に維持されるように、外向きに延在する長手方向に間隔をおいた隆起領域（５２）を有する外部表面（４０）を形成する、請求項４に記載の流体熱交換器（１２）。
13. 前記熱部分（３４）は、前記内部チューブ（３０）内に長手方向にコイル状になる、請求項６に記載の流体熱交換器（１２）。
14. 前記流体（１８）は、二酸化炭素を備える、請求項８に記載の流体熱交換器（１２）。
15. 前記隆起領域（５２）は、前記外部チューブ（４２）に沿って螺旋状に進む、請求項１２に記載の流体熱交換器（１２）。
16. 前記外部チューブ（４２）は内部表面（４４）を形成し、前記内部表面（４４）は、前記内部および外部チューブ（３０、４２）の間に同心性を維持するために、内向きに延在する長手方向に間隔をおいた隆起領域（５４）を有する、請求項１２に記載の流体熱交換器（１２）。
17. 前記内部チューブ（３０）は、対向する近位端および遠位端（７６、７８）を有する冷却部分（３２）をさらに備え、前記冷却部分（３２）の前記遠位端（７８）は前記内部チューブ（３０）の対向する端から外向きに延在し、前記熱部分（３４）は、前記内部チューブ（３０）内で前記冷部分（３２）のそれぞれの前記近位端（７６）に接続するために前記冷却部分（３２）の間に差し挟まれ、
    前記冷却部分（３２）は前記内部チューブ（３０）を迅速に加熱するために電源から電力を受け取る、請求項１３に記載の流体熱交換器（１２）。
18. 前記隆起領域（５２）は、前記外部チューブ（４２）に沿って螺旋状に進む、請求項１６に記載の流体熱交換器（１２）。
19. 流体加熱システム（１０）であって、
    迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）を形成する流体熱交換器（１２）と、
    前記内部チューブ（３０）を囲繞する中空外部チューブと、
    前記流体加熱システム（１０）を通って循環するために前記内部チューブ（３０）と前記外部チューブ（４２）との間を通る流体（１８）と、
    前記流体（１８）と検知連通して前記流体熱交換器（１２）に沿って位置する少なくとも１つのセンサ（５６）を有する温度制御システム（２０）であって、前記温度制御システム（２０）によって取られた流体（１８）の温度読取値に基づいて所定の範囲内に前記流体（１８）の温度を規制することによって前記加熱可能な内部チューブ（３０）の作動を制御する温度制御システム（２０）と、
    を備え、
    前記内部チューブ（３０）は、前記流体（１８）が前記流体加熱システム（１０）に使用されるために所定の範囲内に迅速に加熱されるように、前記温度制御システム（２０）によって迅速に加熱される流体加熱システム（１０）。
20. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、流体の流れに位置する、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
21. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、前記内部チューブ（３０）内に位置する、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
22. 前記温度制御システム（２０）は、さらに、マイクロプロセッサベースのコントローラを備える、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
23. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、流体の流れストリームに、および、前記内部チューブ（３０）内に位置してもよい、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
24. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、サーミスタを具備する、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
25. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、抵抗温度検出器を備える、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
26. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、熱電対を備える、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
27. 前記流体加熱システム（１０）は、前記流体（１８）の温度レベルを、単位時間当たり実質的に線形傾向に上昇させる、請求項１９に記載の流体加熱システム（１０）。
28. 前記少なくとも１つのセンサ（５６）は、前記外部チューブ（４２）に沿って形成された隆起領域（６１）に位置する、請求項２０に記載の流体加熱システム（１０）。
29. 流体加熱システム（１０）に使用される流体熱交換器（１２）であって、
    迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）と、
    前記内部チューブ（３０）をしっかりと囲繞する中空外部チューブ（４２）であって、前記内部および外部チューブ（３０、４２）は、共同して多数の形状に形成可能である中空外部チューブ（４２）と、
    を備え、
    前記内部チューブ（３０）および前記外部チューブ（４２）は、前記流体加熱システム（１０）を通って循環するためにその間を通る流体（１８）用の通路（４８）を形成し、
    前記内部チューブ（３０）は、前記流体加熱システム（１０）に使用されるために所定の温度に前記流体（１８）を迅速に加熱するために、迅速に加熱される、流体熱交換器（１２）。
30. 前記通路（４８）は、前記流体（１８）が通るために小さな断面積を形成する、請求項２９に記載の流体加熱システム（１０）。
31. 前記内部および外部チューブ（３０、４２）と共同して形成可能である前記形状は、コンパクトな構造を形成する、請求項２９に記載の流体加熱システム（１０）。
32. 前記通路（４８）は、環状断面積を形成する、請求項３０に記載の流体加熱システム（１０）。
33. 前記迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）の外側周囲（４０）に沿った対流熱伝達係数は大きな値である、請求項３０に記載の流体加熱システム（１０）。
34. 流体加熱システム（１０）に使用される流体熱交換器（１２）であって、
    外側周囲表面（４０）を有する迅速に加熱可能な内部チューブ（３０）と、
    実質的に同心的に前記内部チューブ（３０）を近接して囲繞する中空外部チューブ（４２）であって、前記内部および外部チューブ（３０、４２）は、共同して多数の形状に形成可能であり、
    前記内部チューブ（３０）および前記中空外部チューブ（４２）は、その間に小さな断面積を有する通路（４８）を形成する中空外部チューブ（４２）と、
    前記流体加熱システム（１０）を通って循環するために低流量で前記通路（４８）に沿って進む流体（１８）と、
    前記流体（１８）と検知連通して前記流体熱交換器（１２）に沿って位置する少なくとも１つのセンサ（５６）を有する温度制御システム（２０）であって、前記温度制御システム（２０）によって取られた流体（１８）の温度読取値に基づいて所定の範囲内に前記流体（１８）の温度を規制することによって前記加熱可能な内部チューブ（３０）の作動を制御する温度制御システム（２０）と、
    を備え、
    高対流熱伝達係数値を有する前記内部チューブ（３０）の前記外側周囲表面（４０）は、前記流体（１８）が前記流体加熱システム（１０）に使用されるために前記所定の範囲内に迅速に加熱されるように、前記温度制御システム（２０）によって迅速に加熱される流体熱交換器（１２）。

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