JP2009507202A - 流体の急速な加熱若しくは冷却のための熱交換装置 - Google Patents

Abstract

フィルム若しくはプレート（Ｆ）の積層体から構成される熱交換器（１）、特にマイクロ熱交換器であって、各前記プレート（Ｆ）では、前記プレートの面に延びる貫通孔（４、５、７、８）及び流路（２、３）が形成され、前記プレート（Ｆ）は連続する前記プレート（Ｆ）の前記流路（２、３）が交差するように互いに重なって配置され、第一流体（Ｐ）は前記プレート（Ｆ）の前記流路（２）を通って流れ、第二流体（Ｗ）は隣接する前記プレート（Ｆ）の前記流路（３）を通って流れ、交差する前記流路（２、３）からなるブロックの外側に供給・排出パイプが前記貫通孔（４、５、７、８）により形成され、２つの前記流体（Ｐ、Ｗ）の少なくとも一方は関連する前記プレートの前記流路を通り平行且つ逆向き、つまり互いに対向する向きに流れる。

Description

本発明は流体を急速且つ一様に冷却若しくは加熱することができる熱交換器に関する。

熱交換器は多数の産業上の用途において要求される。ここで、可能な限り小さな空間でより高い伝熱性能を求める傾向・要求が強まっている。このような要求はマイクロ熱交換器により特に十分に満たされる。処理技術では、十分に一様な伝熱が行われることが、制御されない温度上昇により製品の損傷を引き起こすいわゆるホットスポットの発生を防止するために望まれる。

グラファイト母体に設けられた小さなパイプ若しくは中空のファイバからなるマイクロ構造の熱交換器はドイツ特許出願公開ＤＥ１００２２９７２Ａ１により公知である。

さらに、マイクロ熱交換器は複数重なったマイクロ構造の層から構成され、各層は多数のマイクロ流路を有する。これら層は隣接する層のマイクロ流路が単純な直交流構造、平行流構造、若しくは対向流構造に配列されるように配置される。このようなマイクロ熱交換器はドイツ特許出願公開ＤＥ１９６０８８２４Ａ１により公知である。

対向流熱交換器は交換面当たり最も高い熱交換性能を達成する。しかし、許容されない高い温度差が高温側の流体の注入口において生じて、高温側の流体が熱の悪影響を受けた加熱流体になる可能性は排除できない。

一方、平行流熱交換器では、壁面温度は加熱面の全ての位置において中間の範囲のままである。しかし、隣接する流体間の温度差の急激な減少により、熱交換性能は比較的低い。

現在知られているようなマイクロ熱交換器のための単純な直交流熱交換器では、熱交換性能は平行流熱交換器の熱交換性能と対向流熱交換器の熱交換性能との間である。しかし、全熱交換面は十分に効率よく使われない。なぜなら、熱交換面の４分の１における温度差は極めて小さくなるか、なくなるからである。

さらに、公知のマイクロ熱交換器は周囲環境からの断熱が不十分であるか、全く断熱されていないので、モジュールのマイクロ相互作用・反応システム（例えば、ＤＥ２０２０１７５３Ｕ１により公知である）において特に不利益な効果を生ずる。なぜなら、これは隣接するモジュールと、とても大きな熱交換を生ずるからである。

本発明は可能な限り高い伝熱性能、つまり大きな伝熱面を提供することと共に、とても小さい圧力損失をプロセス流体と伝熱流体両方について達成することを目的としている。

本発明に基づけば、上記目的は熱交換器が、流体のための流路が互いに隣接するように形成されたフィルム（膜）若しくはプレート（板）の積層体から構成されることにより達成され、互いに重なるフィルム若しくはプレートの流路は交差している。ここで、伝熱流体は互いに隣接するフィルム若しくはプレートの流路に平行且つ逆向きの分岐流で流れる。一方、当該フィルム若しくはプレートの上方及び下方のフィルム若しくはプレートでは、プロセス流体は伝熱流体に対し交差して、互いに隣接する流路において平行に流れる。それぞれの場合において、線形の流路を形成することにより、熱交換器の圧力損失は最小化される。

伝熱流体とプロセス流体との各交差部では、熱交換器の全体積にわたるプロセス流体の各分岐流のために、本発明の装置は伝熱流体とプロセス流体との間に公知の高い温度差を有する対向流熱交換器の入口の状態を有するようになる。伝熱流体とプロセス流体との多数の交差部のために、伝熱流体とプロセス流体との間の最適な温度差と、単位体積当たりのとても高い伝熱性能及び熱交換器の全体積にわたる完全に一様な伝熱とが熱交換器の全体積にわたって得られる。

本発明は対向流熱交換器の利点と直交流熱交換器の利点とを組み合わせている。

本発明の典型的な実施例は以下において、図面を参照してより詳しく説明される。

発明を実施するための形態

図１乃至図４はマイクロ熱交換器１の構造の概略図であり、図１は点線により示されるフィルム（膜）若しくは薄いプレート（板）Ｆの積層体を示している。各フィルム若しくはプレートでは、流路及び貫通孔が形成され、水平に延びる流路がフィルムＦに形成される。例えば、当該流路は隣接するフィルムＦの表面により覆われる（閉じられる）凹部により形成され、この結果（断面の上下左右を）閉ざされた流路が得られる。図１に基づく実施例では、フィルム積層体の一番下のフィルムは流路３の最下列のためのカバーフィルムとしてのみ示されている。しかし、各フィルム若しくはプレートＦにおいて流路を他の形状にしてもよく、例えば、それぞれの場合において、水平に延びる流路２及び３の中間に沿って２つの隣接するフィルムＦの間に隔壁を設けてもよい。

図１はプロセス流体Ｐが流路２を通って流れ、伝熱流体Ｗが流路３を通って流れるフローパターンの例を示しており、前記流路３は前記流路２に対して交差して延びている。流路３はフィルムＦにおいて互いに隣接するように配置され、一つおきのフィルムＦに流路の列３０を形成する。同様に、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図２に示されるように、プロセス流体Ｐのための流路２は互いに隣接するように形成され列２０となる。図５のフローパターンが概略を示すように、それぞれの場合において、プロセス流体Ｐは隣接する流路２を通り平行に流れ、一方、伝熱流体Ｗは隣接する流路３を通り平行且つ逆向きの２つの分岐流Ｗ₁及びＷ₂で流れる。伝熱流体の分岐流の平行且つ逆向きの流れは図１のＢ−Ｂ線に沿った断面を示している図４においても見ることでき、図４は部分断面図を示しており、熱交換ユニット１の上縁部及び下縁部は示されていない。

伝熱流体Ｗの供給はフィルムＦの貫通孔４を介して行い、図２では前記貫通孔は底部から頂部までパイプ４を形成し、水平に延びる流路２及び３に対して約９０°の角度で交差して延びる。伝熱流体Ｗの排出はパイプ４ａを通り反対側において行われ、当該パイプ４ａは互いに重なるフィルムＦの対応する貫通孔により形成され、同様に、図２の紙面において頂部から底部に延びるか、底部から頂部に延び、流路２及び３の各々に対し交差する。図２の隣接する流路３には貫通孔５により形成されるパイプにより分岐流Ｗ₂が供給され、当該流路を通り分岐流Ｗ₂は右から左に流れる。前記流路３はパイプ（管路）４ａの前後にある。図６からもわかるように、分岐流Ｗ₂の排出は図２のパイプ（管路）４の前後のパイプ５ａを通り行われる。

図１は交差する流路２及び３の両側に貫通孔により同様に形成されたパイプ（管路）７及び８を示しており、図示された実施例では、プロセス流体Ｐはパイプ７を通って上方から供給され、パイプ（管路）８を通って排出される。

流れのコースを明確にするために、図１から図４では観察者から離れる流れの向きはＸにより表され、観察者の方へ流れる向きは点により表されている。

図５は交差する流路２及び３を有する熱交換器の中心部のフローパターンの概略図であり、伝熱流体Ｗは図１の流路３の第一列（最上列）３０のものであり、図１の前記最上列３０の下の流路２の列２０のプロセス流体Ｐが示されており、流路は示されていない。従って、図５は熱交換器の中心部の流れを矢印により示しているだけであり、それぞれの場合において、プロセス流体Ｐは平行列に配置された各流路２を通り平行に流れ、伝熱流体Ｗはプロセス流体の流れに対して交差して、平行且つ逆向きの分岐流Ｗ₁及びＷ₂で流れる。

図６は熱交換器ユニット１の概略斜視図である。熱交換器の中心部は交差する流路２及び３により形成され、各前記流路は列２０及び３０に配置され、伝熱流体Ｗは隣接する流路３において平行且つ逆向き、つまり対向流で導かれる。一方、プロセス流体Ｐは隣接する流路２を通り平行に流れる。それぞれの場合において、流体の供給及び排出はフィルムＦの貫通孔４、５、７、及び８により形成されたパイプを通り、交差する流路２及び３のブッロク状の構造の外側で行われる。従って、熱交換は交差する流路２、３のブロックの内部において行われ、供給・排出パイプ４、５、７、及び８はブロックの外側に設けられる。

図６には、図１及び３に示された熱交換器１の両側のパイプ６は示されていない。

代替実施例では、マイクロ熱交換器１がプロセス流体Ｐを冷却するために使用されるならば、最初に伝熱流体Ｗは図１においてプロセス流体Ｐのための供給・排出パイプ７及び８の外側に形成される貫通孔６を通って流れ、周囲環境に対する流路７及び８の高温側のプロセス流体Ｐの効率的な断熱が低温側の伝熱流体Ｗが流れるこれらパイプ６により達成される。次に、図１の上側及び下側の導管（図示せず）を通り、伝熱流体Ｗは貫通孔４を介して図２の紙面の外へ延びる流路３に供給され、この結果、伝熱流体は貫通孔８により形成されるパイプを介して現れる。この実施例では、それぞれの場合において、交差する流路２及び３のブロックはパイプ６の列により４つの外側の周囲環境から断熱される。図１では２つの外側部が示されているだけである。また、図１及び２の頂部及び底部にある熱交換器の中心部の外側部は流路３の列３０により形成され、伝熱流体Ｗは前記流路３を通って流れる。このように、流路２、７、及び８の低温側のプロセス流体Ｐは周囲環境から効率的にプロテクトされている。

マイクロ熱交換器１がプロセス流体Ｐを加熱するため若しくは蒸発器として使用される場合、伝熱流体Ｗ及びプロセス流体Ｐの供給パイプが交換されてもよい。この場合でも、低温側の流体は外側のパイプ６、７、及び８へ流れ、周囲環境からの断熱がなされる。この結果、低温側の流体が外側に設けられた流路の列３０を通って流れるように設計される。

上記された構造については、複数の変形例（それぞれの場合において、フィルムＦ及び流路２、３の数を変えること、及び望まれる流量に合わせてフィルム及び流路の数を変えること）が可能となる。フィルム若しくは薄いプレートＦの層を増やすことにより、マイクロ熱交換器１の容量を増大させることができる。

なお、プロセス流体Ｐと伝熱流体Ｗの両方が流路２，３の各々の列２０、３０を通り平行且つ逆向きに流れるようにすることも可能である。また、プロセス流体Ｐが隣接する流路２を通り平行且つ逆向き、つまり対向流で流れ、伝熱流体Ｗが流路３を一方向に流れ且つプロセス流体に対し交差して流れることが好ましい。

流路２、３及びパイプ４乃至８は全長において同じ断面積を有するように形成されてもよい。この結果、通過流体が熱交換器を通る間の圧力損失は最小となる。しかし、流路２及び３よりも大きな断面積を有するパイプ４乃至８を形成してもよい。

図８はプロセス流体Ｐ及び伝熱流体Ｗの供給及び排出のためのパイプが形成されるハウジング１００のフィルム積層体ＦＳの概略図である。図示されるように、ハウジング１００はプロセス流体Ｐの処理のために他のモジュールと結合され得るモジュールとして構成される。しかし、図１乃至図４により説明された熱交換器１はハウジング１００を用いずに使用されてもよく、それぞれの場合において、図１の上側および下側にパイプ４、５、６、７、及び８のための接合部を有する導管装置が設けられる。

図７は分配器プレート若しくはフィルムＦ１乃至Ｆ３の実施例の分解図であり、フィルム積層体の下側からの伝熱流体Ｗの供給と分岐流Ｗ₁及びＷ₂への分配とを示している。一番下のフィルムＦ１では、貫通孔１０が形成され、当該貫通孔を通って伝熱流体Ｗが供給される。貫通孔１０から、流路１０ａはフィルム面に延び、２つの流路１０ｂに分岐し、この流路（１０ｂ）はさらに２つの流路１０ｃ等に順次分岐し、図７の右側において熱交換器の中心部の列３０の流路３に伝熱流体を供給するために要求されるパイプ１０ｅの数が得られるまで分岐する。フィルムＦ１上にあるフィルムＦ２では、貫通孔５は一列に形成され、各パイプ１０ｅの端と向かい合い、点線で示されたように伝熱流体Ｗは貫通孔５を通り上方へ流れることができる。フィルムＦ２では、一つおきの貫通孔５から、パイプ１１が分岐して形成され、フィルム面に沿って延び熱交換器ユニット１の中心部の反対側まで至る。フィルムＦ２の上にあるフィルムＦ３では、パイプ１１の端と向かい合う貫通孔４の列が形成され、伝熱流体の分岐流Ｗ₁が貫通孔４を通り上方へ流れる。フィルムＦ３の反対側の貫通孔５の列は分岐パイプ１１のないフィルムＦ２の孔５と向かい合い、分岐流Ｗ₂が貫通孔５を通って上方へ流れる。

フィルムＦ３の上には、図４に対応した流路配置が次のフィルム面に形成されてもよく、２つの分岐流Ｗ₁及びＷ₂が流路３を通って対向流で流れる。図示を簡略化するために、フィルムＦ１乃至Ｆ３では、リターンパイプ４ａ及び５ａは示されていない。前記リターンパイプはフィルムの対応する貫通孔により形成することができ、フィルムＦ１及びＦ２に対応して、リターン伝熱流体Ｗは集められて、貫通孔１０に対応する共通の排出口を通って排出される。

図示された実施例のプロセス流体Ｐの供給は図７の分配器プレートに対応した分配器プレートの配置により上方から行われ、図７の一番下のプレートＦ１がプロセス流体を導くために一番上のプレートを形成する。プロセス流体Ｐは流路２を通って平行流で流れるので、分配器プレートＦ２に対応する分配器プレートを設ける必要はない。むしろ、フィルムＦ１に対応する一番上のフィルムには、フィルムＦ３に対応する貫通孔を有するフィルムが接合されてもよく、図７に示される貫通孔４及び５の列の代わりに貫通孔７及び８の列が形成される。

図７では、図示を簡略化するために、図１及び図３において外側にあるパイプ６は示されておらず、前記パイプは各フィルムＦの貫通孔により形成される。

図７では、フィルムＦ１乃至Ｆ３は円板状に示されており、一方、図１乃至図４及び図６では、それぞれの場合において、流路２、３及びパイプ４乃至８が１つのブロック状に配置されたものだけが示されている。同様に、図１乃至図４及び図６に示された流路及びパイプが円形フィルムに形成されてもよく、図８に示されるように、フィルムＦの円筒状の積層体ＦＳが得られることができる。

図８に示される熱交換器では、伝熱流体Ｗは下方から供給されて上方から排出され、熱交換器に含まれる空気は全て上方に排出される。プロセス流体は上方から供給されて下方から排出される。しかし、流体Ｐ及びＷを他の流れの向きにしてもよい。例えば、伝熱流体Ｗが上方から供給されて上方から排出されてもよく、プロセス流体Ｐが下方から供給されて下方から排出されてもよい。

図９は各熱交換器ユニット１の配置の概略図であり、当該熱交換器ユニットの１つは図６に示されている。とても大きな伝熱性能若しくは大きな流量のために、図９に示されるように、複数の前記熱交換器ユニット１が互いに隣接し且つ重なるように配置され、下層の熱交換ユニット１ａの上には、熱交換器ユニット１ｂ及び１ｃのさらなる層が配置されている。この結果、伝熱性能は全体的な圧力損失をほとんど大きくすることなく増大され、熱交換器ユニット１の各々には平行に流体が供給される。つまり、各熱交換器ユニット１には図７に対応する分配器プレートにより流体が供給されてもよく、異なる分配器プレートには追加の分配器プレートにより中央に流体が供給されてもよい。熱交換器ユニット１ａ、１ｂ、及び１ｃの層の各々の間には、垂直上方へ延びるパイプを熱交換ユニット１ａの間に形成するために貫通孔が作られた分配器プレートが設けられ、前記パイプを通り熱交換器ユニット１ｂ及び１ｃには流体Ｗ若しくはＰが供給される。同様に、分配器プレートが複数の熱交換器ユニットのブロックの上部に設けられてもよい。

より簡単な実施例に基づけば、伝熱性能を向上させるために、熱交換器ユニット１ａのグループにだけ平行に供給する。このグループは図９の下部層の熱交換ユニットに対応する。このような実施例では、図７の上部及び下部に示される分配器プレートに加え、貫通孔１０の各々に流体を供給する追加の分配器プレーが設けられ、追加された当該分配器プレートは中央に流体供給源を有し、前記流体供給源から流路が各熱交換器ユニット１ａの各貫通孔１に延びる。この分配器プレートは図７に示されるフィルムＦ１に対応する。

流体の温度を検出するために、温度センサが前記マイクロ構造フィルム若しくは薄いプレート近傍に直接結合されるとよい。

用語「流体」若しくは「プロセス流体」は本発明に基づき幅広く理解されるべきであり、液体、気体、乳濁液、分散剤、エアロゾルを含んでいる。装置は冷却と加熱とに使用することができる。

マイクロ構造流路は空間寸法の少なくとも１つにおいて１ｍｍよりも小さい構造を意味する。マイクロ構造流路間の壁部の厚さは１０μｍと５００μｍとの間の厚みであることが好ましい。

マイクロ熱交換器が互いに接合されたフィルム若しくは薄いプレートは十分に不活性な材料から構成されるとよく、当該材料は金属、半導体、合金、高品質のスチール、複合材料、ガラス、石英ガラス、セラミック材料、ポリマー材料、若しくはこれらの材料の組み合わせであるのが好ましい。

フィルム若しくは薄いプレートの流体漏れを防止する接合として適切であると考えられる方法は、例えば、プレス加工、リベット締め、接着、はんだ付け、溶接、拡散はんだ付け、拡散溶接、及び陽極若しくは共晶接合（ボンディング）である。

フィルム若しくは薄いプレートの製造・加工方法は、例えば、ミル加工、レーザ切断、エッチング、ＬＩＧＡ法、電気鋳造、焼結、ダイス切断（打抜き加工）、金属加工により行われる。

当業者ならば、本装置はマイクロ熱交換器として使用することができるだけでなく、例えば蒸発器、凝縮器・冷却器若しくはこれらの組み合わせ（精留器）としても使用することが可能であることを容易に理解するだろう。

さらに、本発明に基づく熱交換器の構造はマイクロ構造に適切であるだけでなく、大きな寸法の熱交換器にも使用することができる。例えば、前記大きな寸法の熱交換器はより厚みのあるプレートから構成される。当該プレートには流路がスタンプ加工されるか、ミル加工されるか、インプリント加工されて、穴が貫通孔の代わりに形成される。このような構造は放電加工によりプレートに形成されてもよい。

プレート若しくはフィルムＦの材料は不活性な材料若しくは使用される流体に対して十分に不活性な材料からなることが好ましい。

図１はフィルムの積層体の概略断面図である。 図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。 図３は図１及び図２のＣ−Ｃ線に沿った断面を示している。 図４は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面を示している。 図５は重なる２層流路におけるフローパターンの概略図である。 図６は熱交換器の流路及びパイプの配置の概略斜視図である。 図７は分配器プレートの分解図である。 図８はフィルムの積層体からなるマイクロ熱交換器を有するハウジングの一部破断斜視図である。 図９はより大きな容量の熱交換器を形成する図６に基づく複数の熱交換器ユニットの配置の概略図である。

Claims (7)

1. フィルム若しくはプレート（Ｆ）の積層体から構成される熱交換器（１）、特にマイクロ熱交換器であって、
   各前記プレート（Ｆ）では、前記プレートの面に延びる貫通孔（４、５、７、８）及び流路（２、３）が形成され、前記プレート（Ｆ）は連続する前記プレート（Ｆ）の前記流路（２、３）が交差するように互いに重なって配置され、
   第一流体（Ｐ）は前記プレート（Ｆ）の前記流路（２）を通って流れ、第二流体（Ｗ）は隣接する前記プレート（Ｆ）の前記流路（３）を通って流れ、
   交差する前記流路（２、３）からなるブロックの外側に供給・排出パイプが前記貫通孔（４、５、７、８）により形成され、
   ２つの前記流体（Ｐ、Ｗ）の少なくとも一方は関連する前記プレートの前記流路を通り平行且つ逆向き、つまり互いに対向する向きに流れることを特徴とする熱交換器。
2. 前記各流路（２、３）はプレートの列（２０、３０）において互いに隣接するように配置され、交差する流路（２、３）のブロックの外側に供給・排出パイプの列が前記貫通孔（４、５、７、８）により形成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 少なくとも戦記交差する流路（２、３）の前記ブロックの２つの両外側及び前記供給・排出パイプ（７、８）の外側には、それぞれの場合において、パイプ（６）の列が各前記フィルム若しくはプレート（Ｆ）の貫通孔により形成され、前記パイプを通る前記流体の一方が前記熱交換器（１）を流れる前記流体の他方を周囲環境からの熱に対して断熱するために流れることを特徴とする請求項１若しくは２記載の熱交換器。
4. フィルム若しくはプレート（Ｆ）の前記積層体の上側及び下側には、分配器プレート（Ｆ１乃至Ｆ３）が配置され、当該分配器プレートを通り前記流体（Ｐ、Ｗ）の中心供給源（１０）は分岐流路に分割され、前記プレート（Ｆ）において貫通孔（４、５）を通り各前記流路（２、３）に導かれることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の熱交換器。
5. フィルム若しくは薄いプレート（Ｆ）の前記積層体は２つの前記流体（Ｗ、Ｐ）のための供給・排出パイプが設けられたハウジング（１００）に配置されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の熱交換器。
6. 複数の前記熱交換器（１）が結合されてブロック状の集合体になり、各熱交換器（１）には２つの前記流体（Ｗ、Ｐ）が別々に供給され、前記流体は共通の供給パイプから各前記熱交換器（１）に分配されて共通の排出パイプを通り排出されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の熱交換器。
7. 前記フィルム若しくはプレート（Ｆ）は前記流体に対して十分に不活性である材料からなることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の熱交換器。

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