JP2008224205A - 流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置 - Google Patents

流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高粘度流体の混合の均質性を高めることができる装置を提供する。
【解決手段】流体の混合輸送及び熱交換のための装置はケース２を含み、その中に機器４が配置されている。機器４は第１の中空構造５を含み、第１の流体６は第１の中空構造５を通って流れることができ、第２の流体は第１の中空構造の周りを流れることができる。第２の流体７は、実質的にケースの長手方向軸３に沿って配設された主流方向７６に沿って流れる。第２の中空構造１０５が設けられており、その中を通って第１の流体６が流れることができ、その周りを第２の流体７が流れることができ、第２の中空構造は第１の中空構造に対して交差状に配置されている。中空構造５、１０５は第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１の向きはケースの長手方向軸３又は長手方向軸に平行な線及び中空構造５、１０５の軸を含む面に垂直である。
【選択図】図１

Description

本発明は流体、特に低粘度流体並びに高粘度流体の熱交換及び混合処理のための装置に関する。装置は、第１の流体及び少なくとも１つの他の流体が装置内を通って、熱交換機能及び混合機能を満たす。装置内での熱交換は、第１の流体、熱交換流体、及び少なくとも１つの他の流体の間で行われる。熱交換中に装置内の他の流体を混合する手段も、同時に提供される。他の流体の熱交換並びに混合は、請求項１の前文に従って、装置内で実行される。装置はさらに、化学反応を行うための反応器として設計することができる。
低粘度媒体並びに高粘度媒体の熱交換及び混合処理のための装置が、デンマーク国特許第２８３９５６４号に開示されている。
本発明の目的は、言及した装置の改良を提供することであり、装置は混合の均質性を高めることができ、特に高粘度流体の処理に適している。流体のより良い混合をさらに実施するべきである。
この目的は、流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置によって達成される。装置はケースを含み、ケース内に機器が配置されている。機器は第１の中空構造及び第２の中空構造を含む。第１の中空構造及び第２の中空構造を通して第１の流体を流すことができ、その周りに第２の流体を流すことができる。第１の中空構造及び第２の中空構造は、互いに交差状に配置されている。中空構造は第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１の向きはケースの長手方向軸又は長手方向軸に平行な線及び中空構造の軸を含む面に垂直である。したがって、流体を均質化するために中空構造を使用することによって、より良い滞留時間分布が達成される。装置は、混合器又は熱交換器として、又は複合熱交換反応器として機能する。好ましい実施例では、中空構造は、中空構造の内部を流れる第１の流体を強制的に屈折させる複数の連結部材を含む。他の実施例では、ケースは、二重のジャケットを構成する内壁体及び外壁体によって形成され、その中を流体が通過することができる。中空構造は内壁体の内部を延び交差形状に配置されており、第１の流体がこの中空構造を通って流れるように、第１の流体の部分流が内部へと流入される。第２の流体は中空構造の周りを流れ、中空構造を通る流体と二重管壁を通る流体の２つの流体の間で熱交換が行われる。
中空構造が連結部材を有する第１の実施例では、第２の流体がケースの入口横断面を通り、ケースの長手方向に沿って配設された主流方向に沿って流れる。第１の中空構造は、長手方向軸と平行に延び、中空構造内部を流れる第１の流体の強制屈折が行われる複数の連結部材を有する、第１のセクションを含む。第２のセクションは第１の連結部材と第２の連結部材の間に配置され、第１の流体の中間流方向の少なくとも一部が第２のセクションの長手方向軸に対して角度αで延びている。角度αは、主流方向と第１及び第２の連結部材の軸に対する共通接線のと間に設定されている。第２の中空構造は第１の中空構造に隣接して配置され、同様に連結部材によって連結されたセクションを含み、その中を第１の流体の中間流方向の少なくとも一部が長手方向軸に対して角度βで延びている。角度α及びβは、符号及び／又は大きさが異なる。第１及び第２の中空構造は実質的に互いに対称的であり、好ましい実施例では特に交差状に配置される。好ましい実施例では、角度α及びβは等しいが符号が異なる。第１及び第２の連結部材は実質的に半円形に設計されている。したがって、中空構造のセクションは平行に配置されている。他の実施例では、第１及び第２の連結部材はＶ字形又はＵ字形に設計されている。
好ましい実施例では、中空構造は１つの中空体又は互いに平行に配置された複数の中空体から構成されている。機器は４つ以上１２以下の中空構造から構成されている。第２の流体は、４から１２の中空構造を通り、通路に沿って十分な混合が行われる。
第１の中空構造及び／又は第２の中空構造は、実質的に平行に延びる管の束として構成され、管の束は互いに対してわずかにオフセットすることができ、及び／又は管の束の間に間隙を設けることができる。この間隙は非常に狭いため、第２の流体の少量だけがこの間隙を通って流れる。
中空構造は第１の表面を含み、その上に第２の流体が入射し、少なくとも２つの部分流を形成し、第１の部分流は表面に沿って導かれ、第２の部分流は表面を離れ、１つ又は複数の流体容積内へと向かう。流体容積は、第１及び第２の中空構造並びに第３の中空構造の周辺部から形成された６つの長方形の面を有するプリズム体として形成され、底面及び上面並びに第１及び第２の側面が開口するようになっており、他の側面は第１及び第２の面の一部から形成され、第２の流体が底面、上面並びに第１及び第２の側面を通って流れることができるようになっている。部分流の連続的な分割及び結合が行われ、第２の流体の再配置及び混合が行われる。
任意でケースの第２の端部に収集要素を取り付けることができ、又はケースの第２の端部で２つの中空構造又は中空構造の２つの個別の中空体を互いに連結することができる。
中空構造のいくつかは収集要素へと開口しており、第１の流体は中空構造を通って流れた後、収集要素に入るようになっている。収集要素の少なくとも一部が分布要素の機能を有するように、中空構造のいくつかは収集要素から入る第１の流体で充填することができる。任意でケースの第１の端部に収集要素を取り付けることができ、又はケースの第１の端部で２つの中空構造又は中空構造の２つの個別の中空体を互いに連結することができる。
したがって、第１及び第２の流体は、対流又は交差対流及び平行流又は交差平行流として互いに導くことができる。
第２の流体は、成分間で化学反応が起きるような成分を含むことができる。２つの隣接する中空構造の間に間隔が設けられ、それにより成分の再配置及び混合が改善され、その適用には装置容積に対する熱交換のための面積を小さくする必要がある。
流体媒体のための熱交換及び混合処理のための方法が、ケースの内部に機器が配置された装置で行われ、機器は第１の中空構造及び第２の中空構造を形成する。第１の段階では第１の流体が第１の中空構造及び第２の中空構造を通って流れ、第２の流体が第１の中空構造及び第２の中空構造の周りを流れ、第１の中空構造及び第２の中空構造は互いに交差状に配置されている。中空構造は第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１の向きはケースの長手方向軸又は長手方向軸に平行な線及び中空構造の軸を含む面に垂直であることから、第２の流体は中空構造によって屈折し、中空構造の周りを流れる間に流体が混合されるようになっている。
装置は、特にポリマー又は食品など高粘度流体の熱交換及び混合処理に使用される。
本発明を、添付の図面を参照しながら説明する。
熱交換中の流体の混合が、本発明による装置とともに、図１に示す第１の特に好ましい実施例に従って示されている。装置はケース２を含み、ケース内に機器４が配置されている。図１では、内部空間が見えるようにするためにケース２が部分的に破断されている。機器４は第１の中空構造５及び第２の中空構造１０５を含む。第１の流体６は第１の中空構造５及び第２の中空構造１０５を通って流れることができ、第２の流体７は第１の中空構造及び第２の中空構造の周りを、装置の構造に応じて主流方向７６に向かって又は主流方向７６と反対に流れることができる。中空構造（５、１０５）はそれぞれ複数の中空体（７１、７２、７３、１７１、１７２、１７３）から構成されており、これらは互いに隣接して配置され、実質的に互いに平行に延び、第２の流体７の流れに対して単一の流体障害としての効果を有するものであると理解される。図１では、中空体（７１、７２、７３、１７１、１７２、１７３）は円形横断面を有する管として形成されている。中空体７１は第１の端部７４で基部６０に固定され、ケース２の内部空間へと延びている。中空体７１は屈折要素５９で終端し、中空体７１と平行に配置され屈折要素５９から基部６０まで延びる中空体７２内へと開口している。中空体７１及び７２は、ループの形態でケース２の内部空間を通して第１の流体６を導く。したがって、中空体７１を通って中空体７２へと反対方向に流れる第１の流体６のための閉通路が、中空体７１によって形成されている。或いは屈折要素５９は別の中空体（７３、１７１、１７２、１７３又はその他）で開口することもでき、特に、図２に示すように、長手方向軸３に対して垂直な部分をより長くすることもできる。中空体は、ループとして配置する代わりに、ＥＰ０６１１８６０９と同様に配置することもできる（図示せず）。
基部６０は、中空体が内部へと突出又は開口し、第１の流体６が流入及び／又は流出するチャンバを含むことができる。さらに、基部６０は第２の流体７がケース内へと流入又はケースから流出するときに通る開口部を含むことができる。これらの開口部は図示されていない。
第１の中空構造５及び第２の中空構造１０５は互いに交差状に配置されている。第１の中空構造５は、長手方向軸３と平行に延びる第１のセクション８及び第１の中空構造の内部を流れる第１の流体６の強制屈折が行われる複数の連結部材（９、１１、１３、１５、１７、１９）を含む。第２のセクション１０は第１の連結部材９と第２の連結部材１１の間に配置され、第１の流体の中間流方向の少なくとも一部が第２のセクションの長手方向軸３に対して角度α６１で延びており、角度αは長手方向軸３と第２のセクション１０又はそれと平行に延びる第３のセクション１２の間で設定されている。第２のセクション１０が直線状ではなく、所望の形状の湾曲部品である場合、隣接する連結部材（９、１１）の２つの端部は第１の中空構造５の軸上で互いに連結される。この想像上の直線状結合線と長手方向軸３との間で設定された角度は、角度６１に対応する。第２の中空構造１０５は、第１の流体６が中を通って流れることができ、第２の流体７が周りを流れることができるように、ケース２の内部に配置されている。第２の中空構造１０５は、長手方向軸３と平行に延びる第１のセクション１０８及び中空体１０５の内部を流れる第１の流体６の強制屈折が行われる複数の連結部材（１０９、１１１、１１３、１１５、１１７）を含む。第２のセクション１１０は第１の連結部材１０９と第２の連結部材１１１の間に配置され、第１の流体の流れ方向の少なくとも一部が第２のセクションで長手方向軸３に対して角度β１６１で延びており、角度βは長手方向軸３と第２のセクション１１０又はそれと平行に延びる第３のセクション１１２の間で設定されている。上記の第１の中空構造に関する記述は、所望の形状の湾曲部品として形成されたセクション（１１０、１１２）にも同様にあてはまる。上記の記述はセクション（１４、１６、１８、２０、１１４、１１６、１１８）にも同様にあてはまる。したがって、隣接する中空構造（５、１０５）の第２のセクション（１０、１１０）及び第３のセクション（１２、１１２）は、図１では互いに交差状に配置されている。これは他のすべてのセクションにも同様にあてはまる。図１の実施例では、角度α６１及びβ１６１は、実質的に同じ大きさであるが逆の符号である。図１では、連結部材（９、１１、１３、１５、１７、１９、１０９、１１１、１１３、１１５、１１７）は半円形に設計されており、又は円弧の形状を有する。中空構造（５、１０５）は、第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する中空構造のセクションの軸に対して垂直に配置された断面で流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１はケースの長手方向軸３又は長手方向軸と平行な線及び中空構造（５、１０５）の軸を含む面に対して垂直である。これに関して、幅Ｂ１とは、第１の中空構造５に属するすべての中空体（７１、７２、７３）又は第２の中空構造１０５に属するすべての中空体（１７１、１７２、１７３）の幅を意味する。幅Ｂ２は、中空構造の中空体の横断面寸法又は中空構造の最小横断面寸法である。幅Ｂ１はＢ２に垂直に配置された中空構造の横断面寸法である。この実施例では、中空構造５及び中空構造１０５の幅Ｂ１は同一である。中空構造５に属する中空体（７１、７２、７３）は、中空体の群（例えば７１、７２、７３の群又は１７１、１７２、１７３の群）が第２の流体７の流れに対する障害となるように、互いに実質的に隣接するように配置されている。或いは、中空構造の中空体は、互いにわずかにオフセットして配置することもできる。図示されていないが、中空体の間に間隙を残すこともできる。この間隙を通って流れるのは少量の第２の流体７に過ぎず、第２の流体の大部分は中空体に入射する前に屈折し、第２の流体の大部分は中空構造の周りを流れ、又は中空構造に沿って流れるようになっている。同じことが中空構造１０５に属する中空体（１７１、１７２、１７３）にも同様にあてはまる。間隔は、隣接する中空構造（５、１０５）間に同様に設けることができる。
ケース２付近にある中空構造（５、１０５）の連結部材は、図１には示されていないが、混合及び熱交換空間のより良い利用を可能にするためにオフセットして配置されている。このことは、特に周辺部に近い第１の中空構造５の連結部材（９、１１、１３、１５、１７、１９）又は第２の中空構造１０５の連結部材（１０９、１１１、１１３、１１５、１１７）が、図５に示すように、ケース２の形状に一致するために互いにオフセットして配置された管ベンドとして設計されていることを意味する。このオフセットによって管ベンドとケース間の間隔が最小限になる。
図２は第２の実施例による装置を示す図である。図１による実施例と異なる特徴のみを以下で参照する。第１の中空構造５は幅Ｂ１及び幅Ｂ２を有し、Ｂ１対Ｂ２の比は１より大きく、これにより実質的に楕円形の横断面を有する流路を中空体の内部に形成する。これは第２の中空構造１０５にも同様にあてはまる。図１に関連して詳細に説明された角度α６１及びβ１６１は、符号及び／又は大きさが異なる。
図３は、第１の実施例による装置を通る長手方向断面を示す。この場合、隣接する中空体（３７１、３７２、３７３）が、観察者から見て連続的に配置されている。図３は、長手方向軸３を含み、図１による第１の中空構造５を含む面と平行な断面に沿った断面である。中空構造３０５は長手方向軸３に対して角度β１６１で配置されている。長手方向軸に対して角度α６１で配置された中空構造４０５は、一部が中空構造３０５の後方に見えている。この特別な場合では、角度α６１及び角度β１６１は大きさが等しく、約４５°である。図１と対照的に、実質的により多くの連結部材が設けられている。変形例によれば、中空構造の少なくとも一部を、内部中空空間を備えない、又は第１の流体が流れない内部中空空間を有する構造に置き換えることができる。これらの変形例は、必要な熱交換面が小さいときに特に使用される。
図４は、図３の断面に対して垂直に配置された断面で、図３による装置を通る他の長手方向断面を示す。この実施例では、中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５）は中空体、特に円形横断面を備えた管の束として形成されている。中空構造はそれぞれ、第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を備えた流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１はケースの長手方向軸３又は長手方向軸と平行な線及び中空構造（５、１０５）の軸を含む面に垂直である。これに関して、幅Ｂ１とは中空構造に属する中空体の束の幅を意味する。この特別な場合では、中空構造（１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）のＢ１／Ｂ２の比は正確に３である。周辺部にある中空構造では、Ｂ１／Ｂ２の比は正確に２である。図４ではさらに、複数の中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５）を設けることができることが分かる。４から１２の中空構造を使用すると、混合効果には理想的であることが明らかになっている。少なくともいくつかの中空構造を、図２による実施例に従って設計することもできる。すべての中空構造は、この図には示されていないケース内に配置されている。ケースは好ましくは、特に、装置を通して第２の流体７を高圧下で輸送しなければならないとき、円形横断面を有する。利用可能な混合空間を最適に利用するために、中空構造は好ましくは、直径Ｄ１を有する包囲円筒内に配置される。特に、内部圧力が周囲圧力と実質的に異ならない場合、円形の代わりに正方形又は長方形のケース形状を使用することもできる。したがって、図４による中空構造全体の直径Ｄ１に対する幅Ｂ１の比は１／１２から１／４である。間隔又はガイド要素７５はここでは考慮されていない。混合の均質性に負の効果をもたらす周辺効果を避けるために、直径Ｄ１とケース内径との差は可能な限り小さいものとする。周辺効果を避けるために、周辺部に配設された中空体に扇形状のガイド要素７５を取り付けることができ、それにより周辺流も検出され屈折する。
図１、３又は４による装置は、内部に配置された筒状のループによって形成される中空構造を有する筒状のケースから形成される。中空構造は図７では、表示を簡略化するために帯として示されている。帯の幅は上記で定義した値Ｂ１に対応する。以下でより詳細に説明するが、帯の形成により第２の流体７の流れが屈折することによって、上述の包囲円筒の横断面全体にわたる混合の質及び熱交換に関して最適な均質性が達成される。ケースを通って流れる第２の流体７の顕著な栓流動作を観察することができ、これは図６に示す試験シリーズによって図示されている。栓流動作を伴う本発明による装置は特に、とりわけ文献ではチャンネリング及び不均衡分布として知られる効果も生じる傾向にあり、及び／又は大量の熱産生又は大量の熱消費をともなう反応の滞留時間にとって重要な動作をする高粘度のニュートン液体及び非ニュートン液体に適している。特に上記で挙げた種類の流体における混合効果及び熱伝導力は、４〜１２の中空構造の配置によって最適となる。
図５は、装置の長手方向軸に垂直な平面に配置された、図３による装置を通る断面を示す。図５では特に、そのような断面によって切断された、第１の中空構造４０５の２つ以上のセクション（４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４、４３６）が示されている。中空構造４０５のそのような部品要素４７７は、例えば中空構造のセクション４３２及び４３４によって側面が囲まれている。第２の流体は、この部品要素４７７並びに同じ中空構造４０５の隣接する部品要素並びに隣接する中空構造（５、１０５、２０５、３０５、５０５、６０５、７０５）の同様の部品要素（７７、１７７、２７７、３７７、５７７、６７７、７７７）を通って流れる。この部品要素４７７の図は、図８に示すプリズム体の２つの側面の突出部に対応する。側面が、第２の流体の主流方向７６（図８）に対して大きさが同じであるが符号が逆である角度α及びβだけ傾斜している場合、この突出面はプリズム体の対角線を含む。したがって、第２の流体７は各部品要素４７７を通って比例的に流れる。中空構造４０５の中空体によって側面が形成される部品要素４７７は、図５に示す部品要素３７７又は５７７からオフセットされて配置されている。この場合、中空構造４０５並びに他の図示された中空構造（５、１０５、２０５、４０５、５０５、６０５、７０５）の２つ以上のセクション（４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４、４３６）もまた、断面に示されている。この実施例で図５に示される最上部及び最下部の周辺領域の周辺要素（７７、７７７）は、部品要素（１７７、２７７、３７７、４７７、５７７、６７７）より表面積が小さい。周辺領域は扇形状のガイド要素７５を含んでおり、第２の流体７の大部分が混合されず、開口している周辺領域に沿って実質的にケースの内壁に沿って流れることがないようになっている。そのような流れ動作は、図６の従来技術による熱交換反応器でも行うことができる。その混合は十分に均質ではなく、熱交換も十分な温度が確保されない。
図６は、装置の長手方向軸に沿って、２つの成分から構成される第２の流体の段階的な混合を示す図である。第２の流体７は、２つ以上の成分から構成することもできる。図４の実施例による装置１の上部が示されている。２列の断面がそれぞれの下に配置され、装置の接続線で示された位置に形成されている。上列の断面は、色の異なる２つの成分から構成される第２の流体７の混合の進行を示す。下列は、従来技術による装置での２つの成分の混合を示す。装置による成分の混合は混合路の約半分より後に見られ、混合路の前半で起きるストランド形成の大部分が消失するように、混合路の後半では混合の段階的な均質化が行われることが、図から特に明らかである。装置の直径Ｄ１の値の少なくとも約２．５倍である混合路の後で、実質的な均質化が見られる。Ｂ１対Ｂ２の比が１より大きい中空構造を含まず、管が互いに交差状に配置されている従来技術の装置では、混合路に沿って２つの成分の実質的な混合は行われず、４５°から９０°の角度で特定の再配置が行われるだけである。流出領域においてさえも、黒色の成分が大部分を占める部分と白色の成分が大部分を占める部分が存在する。したがって、図６は本発明による装置によって達成される顕著な効果を明確に示している。
図７は、機器の混合効果を説明するために、装置の概略図を示す。中空構造の周りでの第２の流体７の流れ動作は、図７に示すような帯の周りでの流れ動作と同様である。第２の流体は、実質的にケース２の長手方向軸３に沿って配設された主流方向７６に沿って、ケース２の入口横断面を通って流れる。第２の流体７が中空構造（５、１０５、２０５、３０５）へと屈折する場合、流れが屈折し、その後熱交換が行われて、第２の流体７は加熱又は冷却される。したがって、第２の流体７は幅Ｂ１を有する中空構造（５、１０５、２０５、３０５）の表面へと入射する。図７では、中空構造のそのような配置の断面のみが示されており、図を簡略化し明確性を高めるために、４つの隣接する中空構造（５、１０５、２０５、３０５）のみが示されている。第１の中空構造５は、長手方向軸３に対して角度α６１で配置された複数のセクション（１０、１２、１４、１６、１８）及びセクション（８、１０、１２、１４、１６、１８）間に配置された複数の連結部材（９、１１、１３、１５、１７）を含む。第２の中空構造（１０５、３０５）は、長手方向軸３に対して角度β１６１で配置された複数のセクション（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０）及びセクション（１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０）間に配置された複数の連結部材（１０９、１１１、１１３、１１５、１１７、１１９、１２１）を含む。中空構造２０５は中空構造５と同じ設計であり、中空構造３０５は中空構造１０５と同じ設計であり、これらの２つの中空構造の詳細な説明は行わない。
図８は図１、７、１１及び１２の４つの中空構造（５、１０５、２０５、３０５）の断面を示し、第２の流体７の流れを説明するために流体容積の図も示す。第２の流体７の主流方向７６が矢印によって概略的に示されている。中空構造５のセクション１０及びセクション１２の一部並びに中空構造１０５のセクション１１２及びセクション１１４の一部が互いに交差状に配置されている。中空構造２０５のセクション２１０及びセクション２１２の一部並びに中空構造３０５のセクション３１２及びセクション３１４の一部が互いに交差状に配置されている。セクション（１０、１２、１１２、１１４、２１０、２１２）の交差点が、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈによって示されている。セクションを平坦で非常に薄い帯（すなわち、Ｂ２をゼロに近づけたもの）として簡略な形態で示す場合、プリズムとして、特に、図８の右側に示すように頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを有する平行管として形成された、交差点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈによって流体容積が囲い込まれる。流体容積７０は、頂点Ａ、Ｄ、Ｈ、Ｅによって囲まれ、第２の中空構造１０５の第２のセクション１１２の一部によって形成される、第１の表面６８を有する。流体容積７０は、頂点Ｂ、Ｃ、Ｇ、Ｆによって囲まれ、中空構造１０５のセクション１１４の一部によって形成される、第２の表面６９を有する。したがって中空構造（５、１０５）は第１の側面６８を有し、そこに第２の流体７が入射し、それに沿って第１の部分流６６が導かれる。第２の部分流６７は側面６８から出て、流体容積７０内へ、その下に配設された流体容積１７０へ、又はその上に配設された流体容積内へと導かれる。流体容積７０は頂点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを有する底面６２、及び頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する上面６３、並びに頂点Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆを有する第３の側面６４及び頂点Ｃ、Ｄ、Ｇ、Ｈを有する第４の側面６５を含み、側面６４及び６５は開口しており、第１の側面６８はセクション１１２から形成され、第２の側面６９はセクション１１４から形成される。したがって第２の流体７は、部分流の連続的な分割及び結合が行われるように、底面６２、上面６３、並びに第３及び第４の側面（６４、６５）を通って流れることができ、それにより第２の流体７の再配置及び混合が行われる。図をより明確にするために、図８の右側の装置では、流体容積７０に隣接する流体容積１７０は本来の位置からオフセットされている。流体容積１７０は流体容積７０の真下に配設されている。流体容積１７０は同様に長方形のプリズムとして形成され、頂点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌによって囲まれている。流体容積７０及び流体容積１７０は、頂点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈによって設定される共通の底面又は上面６２を有する。頂点Ｅ、Ｆ、Ｉ、Ｊを有する側面１６４はセクション２１２によって形成され、頂点Ｇ、Ｈ、Ｋ、Ｌを有する側面１６５は中空構造２０５のセクション２１０によって形成される。第２の流体７は頂点Ｅ、Ｈ、Ｉ、Ｌを有する開口側面１６８を通って流入し、第１の部分流１６６は、セクション２１０が長手方向軸３（図７に示す）の方向に延びる第２の流体７の主流方向７６を含む角度６１で屈折する。他の部分流１６７は頂点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを有する上面６２を通って流出し、他の部分流１８０は流体容積１７０の頂点Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌを有する底面１６２を通って流出する。したがって部分流（６７、１６７）の流入及び流出は、第２の流体７の混合が行われるように、この上面又は底面６２を通って同時に行われる。
流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置の他の実施例が、図９に示されている。図９ではケース２が破断して示されており、機器の下側部分が垂直方向にオフセットされて示されており、第１及び第２の中空構造（５、１０５、２０５、３０５）として形成された機器４の少なくとも一部が見えるようになっている。機器の一部の図は、簡略化のために省略されている。連結部材（１１、１３、１５、１１１、２１１、２１３、３１１、３１３）がＶ字形に形成されている。この実施例では、中空構造（５、１０５、２０５、３０５）内部を流れる第１の流体６を、いくつかの中空体（７１、７２、７３）の内部で反対方向に導くことも可能である。或いは、第１の流体６がケースの第１の端部で中空体へ流入し、図示されていないが反対側に配設されたケースの第２の端部で流出することもできる。角度α６１及び角度γ９１は、ケース２の長手方向軸３と第１の中空構造（５、２０５）のセクション（１０、１２、１４、２１０、２１２、２１４）によって形成されるＶ字形セクションの脚との間に交互に設定される。角度β１６１及び角度δ１９１は、ケース２の長手方向軸３と第１の中空構造（１０５、３０５）のセクション（１１０、１１２、３１０、３１２、３１４）によって形成されるＶ字形セクションの脚との間に交互に設定される。角度α及びγ又はβ及びδは、ここでは同じ中空構造のセクションと長手方向軸の平行線によって交互に設定されていることが明らかであるが、図７及び８に示す第２の流体７の流体流のモデルはこの実施例及び以下に述べる図１０による変形例でも同じように使用される。第１の流体６を収集ユニット又はコレクタへと流出させることからなる他の可能性も考えられる。第１の流体６の少なくとも部分流が、この収集ユニット内で互いに導かれ、次いで、図示されていないが、第１及び第２の中空構造（５、１０５、２０５、３０５）へと再分布される。
図１０は、図９による実施例の変形例を示す図であり、図２の中空構造が使用されている。図７及び８に示す混合原理はまた、長手方向軸３に対して異なる角度α６１及びγ９１並びにβ１６１及びδ１９１で配置された脚を有するＶ字形部分で実現される。
図１１は、第３の実施例による流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置の図であり、第１の中空構造（５、２０５、４０５、６０５）及び第２の中空構造（１０５、３０５、５０５）が互いに交差状に配置されている。中空構造の番号については図１２の左側を参照されたい。ケース２は二重のジャケットとして形成されており、第１の流体６がその内部を流れる。二重ジャケットの２つの壁体（７９、８１）の間に分離要素７８が配置され、これにより二重ジャケット内部で反対流方向の領域を互いに分離することができる。図１１では、実際に二重ジャケットの壁体（７９、８１）の長手方向軸３を含む面で、二重ジャケットが破断して示されている。この実施例の壁体（７９、８１）は同心の円筒として示されている。複数の第１及び第２の中空構造（４０５、５０５）が内壁体７９に取り付けられており、その周りを第２の流体７が流れることができる。流体７の主流方向は長手方向軸３の方向に配設されている。流体７は、壁体７９の内部を延びる中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）に入射することから、これらの機器４、すなわち第１及び第２の中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）全体によって屈折する。第１の中空構造（５、２０５、４０５、６０５）及び第２の中空構造（１０５、３０５、５０５）は、図１、３、４、５、９に示すように、それぞれ複数の中空体から構成することができる。第１の中空構造（５、２０５、４０５、６０５）は長手方向軸との角度α６１を有し、第２の中空構造（１０５、３０５、５０５）は長手方向軸との角度β１６１を有する。角度α６１及びβ１６１は、好ましい変形例によれば、同じ大きさで異なる符号を有することができる。第１の流体６は、ここでは図１で示したように基部６０にわたって中空構造内へと流入することはせず、内壁体７９の内壁にわたって流れる。隣接する中空構造が交差状に配置されているので、図８の図及び関連する説明の内容を、この実施例にもあてはめることができる。
図１２は、図１１に示す実施例の装置を通る２つの断面を示す。図１２の左側は、ケース２を通る径方向断面を示す。内壁体７９及び外壁体８１が破断されて示されている。第１の流体の流入及び流出のための突出部（８２、８３）は、この断面では見ることができない。分離要素７８が、内壁体７９と外壁体８１の間に配置されている。
図１２の右側はケース２を通る長手方向断面を示し、第１の流体６の流方向を示す。入口突出部８２を通って内壁体７９と外壁体８１の間の中間空間へと入る第１の流体６は、この中間空間を通って流れ、交差状に配置された第１及び第２の中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）の内部へと入る。第１の流体６は中空構造を通って交差状に流れ、部分流が内壁体７９と外壁体８１によって囲まれた中間空間でケース２の下半分に流入し、出口突出部８３を通って流出される。第２の流体７は内壁体７９の内部を流れ、中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）によって屈折される。中空構造に沿って、また内壁体７９の表面にわたって、同時に熱交換が行われる。第１の流体６の大部分が側流を形成し、中空構造（５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５）内を通らずに装置から再び流出することを回避できる場合、収集要素はここでは感知のみが可能である。収集要素８４がケース２の第２の端部に取り付けられている。いくつかの中空構造は収集要素８４へと開口しており、第１の流体６は中空構造を通って流れた後で収集要素８４に入るようになっている。収集要素の少なくとも一部が分布要素の機能を有するように、中空構造のいくつかは収集要素から入る第１の流体で充填することができる。収集要素は遮断要素８５を有し、第１の流体６が中空構造内を通って流れずに側流を形成することを防ぐ。遮断要素８５はリング状で第２の流体７が入るための通路を有するように形成することもでき、それにより第２の流体７は二重ジャケット内で導かれて第１の流体６の対流として流れ、又は中空構造内で導かれて第１の流体６の交差流として流れる。
反対に、第２の流体７が遮断要素内に配置された通路を通って出る場合、第１の流体６及び第２の流体７の流れは、二重ジャケット内で流れを考慮する場合は互いに平行な流れとなって、中空構造を通る第１の流体の流れを考慮する場合は互いに交差した流れとなって流れる。図１２では、Ｂ１／Ｂ２の比は１より大きい。したがって、第２の流体７の混合及び熱交換は大幅に向上する。
第１の実施例による装置を示す図である。 第２の実施例による装置を示す図である。 第１の実施例による装置を通る長手方向断面の図である。 図３の断面に対して垂直に配置された断面で、図３による装置を通る他の長手方向断面の図である。 装置の長手方向軸に垂直な平面に配置された、図３による装置を通る断面の図である。 装置の長手方向軸に沿って、２つの成分から構成される第２の流体の段階的な混合を示す図である。 機器の混合効果を説明するための装置の概略図である。 図７の詳細とともに流れを説明するための流体容積の図を示す図である。 Ｖ字形に屈折する第１の実施例を示す図である。 Ｖ字形の屈折を有する図９の実施例の変形例を示す図である。 第３の実施例による装置を示す図である。 第３の実施例による装置を通る２つの断面を示す図である。
符号の説明
２ ケース
３ 長手方向軸
４ 機器
５ 第１の中空構造
６ 第１の流体
７ 第２の流体
８ 第１のセクション
９ 第１の連結部材
１０ 第２のセクション
１１ 第２の連結部材
１２ 第３のセクション
５９ 屈折要素
６０ 基部
６１ 角度α
６２ 底面
６３ 上面
６４ 第３の側面
６５ 第４の側面
６８ 第１の側面
６９ 第２の側面
７０ 流体容積
７４ 第１の端部
７５ ガイド要素
７６ 主流方向
７７ 周辺要素
７８ 分離要素
７９ 内壁体
８１ 外壁体
８４ 収集要素
８５ 遮断要素
９１ 角度γ
１０５ 第２の中空構造
１０８ 第１のセクション
１０９ 第１の連結部材
１１０ 第２のセクション
１１１ 第２の連結部材
１１２ 第３のセクション
１６１ 角度β
１７０ 流体容積
１９１ 角度δ

Claims (22)

  1. 流体媒体の熱交換及び混合処理のための装置であって、ケース（２）を含み、その中に機器（４）が配置されており、前記機器（４）は第１の中空構造（５）及び第２の中空構造（１０５）を有し、前記第１の中空構造（５）及び前記第２の中空構造（１０５）を通って第１の流体（６）が流れることができ、前記第１の中空構造及び前記第２の中空構造の周りを第２の流体（７）が流れることができ、前記第１の中空構造（５）及び前記第２の中空構造（１０５）は互いに交差状に配置されており、前記中空構造（５、１０５）は第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１の向きは前記ケースの長手方向軸（３）又は前記長手方向軸に平行な線及び前記中空構造（５、１０５）の軸を含む面に垂直であることを特徴とする装置。
  2. 前記第２の流体（７）が、実質的に前記ケースの長手方向軸（３）に沿って配設された主流方向（７６）に沿って前記ケース（２）の入口横断面を通って流れる、請求項１に記載の装置。
  3. 前記機器（４）が４つ以上１２以下の中空構造（５、１０５）から形成される、請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記中空構造（５、１０５）が、前記中空構造（５、１０５）の内部を流れる第１の流体（６）の強制屈折が行われる複数の連結部材（９、１１、１３、１５、１７、１９から５１、１０９、１１１、１１３、１１５、１１７、１１９から１５１）を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記第１の中空構造（５）が、前記長手方向軸（３）と平行に延びる第１のセクション（８）及び前記第１の中空構造の内部を流れる前記第１の流体（６）の強制屈折が行われる複数の連結部材（９、１１、１３、１５、１７、１９から５１）を含み、第２のセクションが第１の連結部材と第２の連結部材の間に配置され、第２のセクション内で第１の流体（６）の中間流方向の少なくとも一部が長手方向軸（３）に対して角度α（６１）で延びている、請求項４に記載の装置。
  6. 第２の中空構造（１０５）が前記第１の中空構造（５）に隣接して配置され、前記第２の中空構造（１０５）が連結部材（１０９、１１１、１１３、１１５、１１７、１１９から１５１）によって連結されたセクション（１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８から１５２）を含み、前記第１の流体の前記中間流方向の少なくとも一部が前記長手方向軸（３）に対して角度β（１６１）でセクション内を延びる、請求項５に記載の装置。
  7. 前記角度α（６１）及びβ（１６１）は符号及び／又は大きさが異なる、請求項５又は６に記載の装置。
  8. 前記角度α（６１）及びβ（１６１）は実質的に等しいが符号が異なる、請求項７に記載の装置。
  9. 少なくともいくつかの連結部材が実質的に半円形に形成されている、請求項５から８までのいずれか一項に記載の装置。
  10. 少なくともいくつかの連結部材がＶ字形又はＵ字形に形成されている、請求項５から８までのいずれか一項に記載の装置。
  11. 前記第１の中空構造（５）が１つの第１の中空体又は複数の第１の中空体（７１、７２、７３）を含み、前記第２の中空構造（１０５）が１つの第２の中空体又は複数の第２の中空体（１７１、１７２、１７３）を含む、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記第１の中空体（７１、７２、７３）及び／又は前記第２の中空体（１７１、１７２、１７３）がそれぞれ実質的に平行に延びる管の束として形成される、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記第１の中空体（７１、７２、７３）の束が互いにわずかにオフセットされている、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記第１の中空体（７１、７２、７３）の束の間に間隙が画成される、請求項１２又は１３に記載の装置。
  15. 前記中空構造（１０５）が第１の表面（６８）を含み、第２の流体（７）がその上に入射し、第１の部分流（６６）がそれに沿って導かれ、第２の部分流（６７）が表面（６８）を離れ、流体容積（７０）内へ、或いはその上又はその下に配設された流体容積（１７０）内へと向かい、前記流体容積（７０）は、３つの隣接する中空構造の周辺部から形成され、頂点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）によって囲まれた６つの長方形の面を有するプリズム体として形成され、底面（６２、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）及び上面（６３、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）並びに第１及び第２の側面（６４、Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆ及び６５、Ｃ、Ｄ、Ｇ、Ｈ）が開口するようになっており、他の側面は前記第１の面（６８）及び前記第２の面（６９）の一部から形成されるようになっており、第２の流体（７）は、部分流の連続的な分割及び結合が行われるように、前記底面（６２）、前記上面（６３）、並びに第１及び第２の側面（６４、６５）を通って流れることができ、それにより前記第２の流体（７）の再配置及び混合が行われる、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の装置。
  16. 前記ケース（２）の第２の端部に収集要素（８４）が取り付けられ、少なくともいくつかの中空構造（５、１０５）がその中へと開口している、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の装置。
  17. いくつかの中空構造（５、１０５）を、前記収集要素（８４）から入る第１の流体（６）で充填することができる、請求項１４に記載の装置。
  18. 前記第１及び第２の流体が、互いに対流として又は互いに交差対流として、或いは互いに平行流又は交差平行流として導かれる、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の装置。
  19. 前記第２の流体（７）は化学反応を起こす成分を含む、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の装置。
  20. ２つの隣接する中空構造（５、１０５）間に間隔が設けられる、請求項１から１９までのいずれか一項に記載の装置。
  21. ケース（２）を有する装置で行われる流体媒体のための熱交換及び混合処理のための方法であって、機器（４）が内部に配置され、前記機器（４）は第１の中空構造（５）及び第２の中空構造（１０５）を形成し、第１の段階では第１の流体（６）は前記第１の中空構造（５）及び前記第２の中空構造（１０５）を通って流れ、第２の流体（７）は前記第１の中空構造及び前記第２の中空構造の周りを流れ、前記第１の中空構造（５）及び前記第２の中空構造（１０５）が互いに交差状に配置されており、中空構造（５、１０５）は第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２を有する流体横断面を有し、Ｂ１／Ｂ２は１より大きく、Ｂ１の向きはケースの長手方向軸（３）又は前記長手方向軸に平行な線及び前記中空構造（５、１０５）の軸を含む面に垂直であることから、前記第２の流体（７）は前記中空構造を通って屈折し、前記中空構造の周りを流れる間に前記流体（７）が混合されるようになっていることを特徴とする方法。
  22. 特にポリマー又は食品など高粘度流体の熱交換及び混合処理に使用される、請求項１から２１までのいずれか一項に記載の装置の使用。
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