JP2011501097A - 一つまたは複数の伝達要素を介する伝達の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、装置中の少なくとも第一の流体へのまたは第一の流体からの、熱、物質、放射線などの伝達を制御する方法に関する。装置は、伝達要素（2）および回転可能なインペラ（3）を含むステージを含み、インペラ（3）は、インペラから流れ出る第一の流体が伝達要素（2）の面に沿って流れるように配設されている。伝達要素の面に沿う第一の流体の流れは、半径方向速度成分（Vr）および接線速度成分（Vt）を有するらせん流パターンを含み、装置はさらに、装置を通過する第一の流体の流れを絞るための一つまたは複数の絞り手段を含む。インペラの回転スピードおよび絞りは、1）伝達量が半径方向速度成分（Vr）の関数および接線速度成分（Vt）の関数であり、2）半径方向速度成分（Vr）と接線速度成分（Vt）とが実質的に独立するように、相互に制御される。

Description

本発明は、とりわけ、流体処理装置中、一つまたは複数の伝達要素を通過する、または一つまたは複数の伝達要素からのエネルギー、放射線および／または質量の伝達を制御する方法であって、処理が、一つまたは複数の流体、好ましくは液体への／液体からのエネルギー、熱、放射線、物質などの追加または削減を含む方法に関する。

発明の背景
本発明は広い意味で適用可能であるが、本発明の背景は、主に熱交換器を参照しながら開示される。本発明の他の適用は、たとえば、流体への物質および放射線の伝達を含む。

今日、熱交換器のような多くの伝達装置は、プレートまたはチューブとして形成され、そのプレートまたはチューブの各側を異なる温度の流体が流れて、プレートまたはチューブを介する流体間の熱の伝達を生じさせるようになっている。そのような熱交換器は、熱交換器を通過する流量を変化させることなしには局所速度を変化させることができないようなやり方で熱交換器内部の局所速度が交換器を通過する流量（m³/h）に相関するように設計されている。

特に、加熱システム中の熱交換器は、従来、ピーク負荷条件を満たす流量（m³/h）に合わせて設計されている。部分負荷状況においては、熱交換器内部の速度を高く維持するために、熱交換器を通過するピーク負荷流量を維持することが必要である。そうしなければ、流量の減少が熱伝達の低下を生じさせ、それにより、冷却または加熱の要件を満たすことができなくなる。したがって、熱伝達を実質的に一定または同様なスケールに維持しながらも熱交換器を通過する流量を減らすことができるならば、加熱システム中、部分負荷状況において圧力損失の減少を達成することができる。

米国特許出願2003/0209343（特許文献1）をそのような例として見ることができる。この参考文献は、流体入口および流体出口を備えたポンプチャンバを有する、熱交換用途において使用するためのポンプシステムを開示している。冷却される面上で流体を動かすための回転装置がポンプチャンバ内に含まれている。面は、流体が、回転装置を通過するとき、面上をも通過して、面と流体との間で熱伝達を生じさせるようなやり方で、ポンプチャンバの一体部分を形成している。この発明のもう一つの局面は、冷却される面がポンプチャンバと一体的に接続されており、熱交換用途の流体回路を乱すことなくポンプチャンバが冷却される面から切り離し可能であることを含む。また、回転装置を駆動するための手段が、流体を冷却するための手段をも駆動するように構成されることもできる。米国特許出願2003/0209343（特許文献1）の図3の態様においては、冷却のための流体を通路に通して、冷却される面上で流体を誘導するための羽根を有するインペラに入れることができることが開示されている。目的が、熱交換用途のためのコンパクトかつ効率的なポンプを設計することであることを考慮すると、インペラの回転スピードと流量（および事実上、得られる冷却）との間の最適な相関または依存性が望ましいかもしれない。しかし、インペラの回転スピードをとりわけ流量に依存させることができるということは短く述べられているだけであり、この依存性がいかなるものでありうるのかの具体的な記述はない。

従来の熱交換器は、熱伝達が、熱交換器を通過する流体の流量と強く相関するという欠点を抱えていると思われることがわかった。たとえば、流量の変化は熱伝達の変化を生じさせ、それが他方で、熱伝達を有意に変化させることなく熱交換器を通過する流量が変更可能である状況と比べ、所与の熱交換器の作動寿命を制限する結果を招く。

したがって、本発明の目的は、たとえば熱、物質および／または放射線のより制御しやすい伝達を得るために、流量と局所速度との間の強い相関が少なくとも緩和される、装置のための方法を提供することである。

米国特許出願2003/0209343

発明の開示
したがって、第一の局面において、本発明は、装置中、少なくとも第一の流体への、または第一の流体からの熱、物質、放射線などの伝達を制御する方法に関し、装置は、一つの伝達要素および回転可能なインペラを含む少なくとも一つのステージを含み、インペラは、インペラから流れ出る第一の流体が伝達要素の面に沿って流れるように配設されており、伝達要素の面に沿う第一の流体の流れは、半径方向速度成分（Vr）および接線速度成分（Vt）を含むらせん流パターンを含み、装置はさらに、装置を通過する第一の流体の流れを絞るための一つまたは複数の絞り手段を含み、インペラの回転スピードおよび絞りは、
i）伝達量が半径方向速度成分（Vr）の関数および接線速度成分（Vt）の関数であり、ならびに
ii）半径方向速度成分（Vr）と接線速度成分（Vt）とが実質的に独立する
ように相互に制御される。

本発明の方法の使用により、伝達量ATは、
AT＝f₁（Vr）＋f₂（Vt）
として表すことができ、
式中、f₁およびf₂は、それぞれ接線速度Vtおよび半径方向速度Vrと伝達量ATとの間の相関を示すために使用される関数である。

伝達量は、インペラの回転スピードを変化させることにより、装置を通過する処理される第一の流体の流量に実質的に影響することなく、変更可能であることができる。

流量は、インペラの回転スピードを変化させることにより、装置中の第一の流体の伝達量に実質的に影響することなく、変更可能であることができる。

これに関連して、絞りとは抑制に等しい。パイプ中の流れは圧力差によって駆動されるため、絞りは、相応に、出口側で逆圧を発生させる、すなわち入口圧を下げることを要する。したがって、絞り手段は、絞り弁、絞りのための一つまたは複数の専用キャビティ、ダイヤフラム、第一の流体のパイプの狭窄部、逆流または粘度制御手段を含むことができる。物理的遮断または障害物の配置により、流れの運動エネルギーが受動的に逆圧に移される。したがって、能動的な絞り方法は専用ポンプによって逆圧を提供することができるであろうが、エネルギーを消費する。特殊な場合として、たとえばエレクトロレオロジーによって液体の性質を変化させて絞り効果を生じさせることもできる。

インペラの回転スピードを増減させることによって接線速度を増減させることもできる。インペラの回転スピードの増減は圧力増減を生じさせることができ、それが、半径方向速度成分、ひいては装置を通過する流量を増減させることができる。本発明において、流量は、半径方向速度成分とは相関するが、接線速度成分とは、相関するとしてもわずかにしか相関しないと考えられる。通常、インペラの回転スピードの変化による接線速度の変化は、流量の変化を無視することができるほど大きい。

らせん流パターンは固定式のフローガイドによって発生させることができるが、本発明は、インペラがらせん流パターンを発生させるという他ならぬ利点を有する。

しかし、半径方向速度成分に影響することなく接線速度を増減させることを望むならば、絞りを適用して、インペラの回転スピードの増減による圧力の増減を補正してもよい。

このように、本発明は、装置を通過する流量を変化させることなく、たとえば熱交換器である装置内部の局所速度を変化させ、それにより、装置を通過する流量を変化させることなく、たとえば熱伝達の変化を可能にする方法を提供すると考えられる。

以下、添付図面を参照しながら本発明、特にその好ましい態様をさらに詳細に開示する。
図1aは、本発明の装置の第一の態様の略断面図である。 図1bは、図1bにおけるインペラを離れる流体のらせん流を概略的に示す。 図1cは、本発明の作動原理を示す、典型的なインペラのヘッドフロー特性の概略グラフである。 図1dは、本発明の利点を示すための、ポンプの摩擦損失を流量の関数として示すグラフである。 本発明の態様の熱交換ユニットの熱伝達要素を示す。熱伝達要素は、それぞれ斜め上（図2a）および斜め下（図2b）から示されている。 図2に示す熱伝達要素を三つ備えた熱処理ユニットのチャネル中を流れる第一の流体の流路を示す。わかりやすく示すため、要素は、離間した状態で示されているが、実際には、図5に示すように互いに当接する。さらには、熱伝達要素を見せるために、ケーシングの一部が切り欠かれている。 図2に示す熱伝達要素の間を流れる第二の流体の流路を示す。わかりやすく示すため、要素は、離間した状態で示されているが、実際には、図5に示すように互いに当接する。さらには、熱伝達要素を見せるために、ケーシングの一部が切り欠かれている。 熱交換ユニットの好ましい態様の一部を概略的に示す。図5aは平面図であり、図5bは図5aのA-A線から見た断面図である。 本発明の熱交換ユニットの側面を概略的に示す。 流体の一つを熱交換ユニットに通してポンピングするための加圧ステージを備えた本発明の熱交換ユニットの一部の断面図を概略的に示す。 いずれもインペラによって流れが提供される二つの流体の間で熱交換するための熱交換器の好ましい態様を概略的に示す。 インペラによって流れが提供される三つの流体の間で熱交換するための熱交換器の好ましい態様を概略的に示す。 流体から粒子、物質などをろ過するための本発明の伝達要素を概略的に示す。 放射線を流体に放出するための本発明の態様を概略的に示す。図1aは断面図であり、図11bは態様のいくつかの部品の三次元図である。 伝達要素がチューブ形状である本発明の態様を概略的に示す。

発明の好ましい態様の詳細な説明
図1は、本発明の装置1の好ましい態様を概略的に示す。装置1は、一つまたは複数の伝達要素2（図1には二つの伝達要素が示されている）、一つまたは複数のインペラ3（二つが示されている）およびその回転がインペラ3の回転を生じさせるようにインペラ3が配設されているシャフト4を含む。図2に開示された装置は、伝達要素2およびインペラ3をそれぞれ含む二つのステージを有し、処理される流体がインペラから吐出されて伝達要素2の面を通過して流れると考えられる。装置1は円柱形であり、入口要素6および出口要素7を含む円柱形のケーシング5を含む。伝達要素2は円形である。図1に示すように、ケーシング5の内面と伝達要素2の縁との間には通路が残されており、二つの伝達要素2の間にはフロア要素8が配設されている。

処理される流体は、入口要素6を介して装置に流れ込み、回転するインペラ3に向かって流れる。処理される流体はインペラを離れ、伝達要素2の一つの面に沿って伝達要素2の縁に向かって流れ、伝達要素2の縁とケーシング5の内面との間の通路を通過する。縁とケーシング5との間の通路に代えて、またはそれに加えて、流体が通過して流れることができる一つまたは複数の貫通孔が伝達要素2に設けられてもよい。

フロア要素8の存在のおかげで、流体5は、縁とケーシングとの間を通過したのち、第二のインペラに向かって流れる。第二のインペラ3を通過したのち、流体は、第二の伝達要素2の面に沿って縁に向かって流れ、縁とケーシング8との間の通路を通過し、最後に出口要素7に向かい、それを通って装置1を離れる。流路は矢印で概略的に示されている。

伝達要素2は、処理される流体へとまたは処理される流体から、熱が伝達されるときに通過する熱伝達要素、処理される流体へとまたは処理される流体から、質量が伝達されるときに通過する質量伝達要素、放射線を流体に放出する、または放射線が流体に放出されるときに通過する放射要素またはそれらの組み合わせであることができる。伝達要素2の面に沿って流れるときの処理される流体の流れパターンは、図1bに示すように、伝達要素2の半径方向の半径方向速度成分Vrおよび伝達要素2の接線方向の接線速度成分Vtを含むらせん流パターンである。当然、VrおよびVtに対して垂直な速度成分が存在してもよい。下面（図中の向きに関して）の流れパターンもまた、一般にらせん動を含むが、上面のらせん動とは異なるかもしれない。Vrは、装置を通過する流量（m³/h）と相関し、とりわけ、装置1を通しての圧力損失に依存する。Vtはインペラの回転スピードと相関する。圧力損失とインペラの回転スピードとが相関してもよいということを述べておくべきである。

流体から伝達要素2への（またはその逆の）たとえばエネルギーおよび物質の伝達は、とりわけ、伝達要素2の面の境界流および流体が伝達要素2の面に沿って流れるときの処理される流体の滞留時間、すなわち流量によって支配される。同様に、放射線が放出されて伝達要素2から伝達要素2の面に沿って流れるならば、とりわけ、境界層流および滞留時間が、処理される流体に放出される線量を支配する。

少なくとも、伝達要素2を通過する渦流に関連して（図1に関連して説明したとおり）、伝達要素への（またはその逆の）エネルギー、物質などの伝達の一般伝達式は、
伝達量＝K＊滞留時間
として表すことができ、
式中、「伝達量」とは、処理される流体から伝達要素（またはその逆）に伝達される量であり、Kは、
K［ε/m²s］
として表される。

εは、たとえばQ（熱）またはm（質量）である。εは、主に伝達要素2の面に近い境界層における、たとえば温度、濃度などの勾配に相関し、Kのε/m²は、Vtのみと相関すると考えられる。滞留時間／流量は、Vrのみと相関すると考えられる。

したがって、VrとVtとは非相関であると考えられるため、伝達量は、
伝達量＝f₁（Vr）＋f₂（Vt）
として表すことができる。

f₁およびf₂は、接線速度および半径方向速度と伝達量との間の相関を示すために使用される関数である。したがって、本発明にしたがって、伝達量は、インペラの回転スピードを変化させることにより、処理装置を通過する処理される流体の流量に影響することなく、変更することができる。

上記考察はどうにか理想的な状況を反映するが、たとえばインペラスピードの増大は、インペラを通過するときの流体の全圧を増大させる傾向を有する。他の手段が処理装置1に組み込まれていないならば、この全圧の増大はより高い流量を生じさせて、より短い滞留時間を与えることができる。これを考慮に入れるために、例えば入口要素6および／または出口要素7の中に配設された絞り弁6aおよび7aにより、処理される流体の流れの絞りを適用することができる。さらには、通常、処理装置を通過する実流量を測定するために、一つまたは複数の流量センサが絞り弁と接続されて配設されて、たとえばインペラの回転スピードの増大が流量の望まれない増大を生じさせるならば、装置を絞って流量を減らすことができるようにする。

絞りが適用される場合、制御法は、インペラの回転スピードを維持しながら絞りを増減するステップを含むことができる。

図1cは、本発明の作動原理を示す典型的なインペラのヘッドフロー特性w1およびw2の概略グラフである。曲線Pはポンプ曲線を示す。水平スケールに流量Qが示され、垂直スケールはヘッドまたは対応する測度全圧を示す。インペラ3がはじめに指定流量Q2で作動し、流量を流量Q1まで減らすことが望まれる場合、それを実行する二つの方法がある。

まず、実線の矢印Aによって示すように、回転スピード（インペラ3の）を下げることによって単にインペラを通過する流量Qを減らすことが可能である。しかし、これは、作動曲線w1をたどるとき、対応するヘッドが低めの流量Q1でいくぶん減少するという欠点を抱えている。

第二に、矢印Bによって示すように、絞りを使用して流れを値Q1まで減らすことが可能である。これは、このプロセスBによるさらなるヘッド（ひいてはエネルギー損失）を補償するために必要である比較的大きな圧力損失という欠点を抱えている。

本発明は、半径方向速度成分（Vr）と接速度成分（Vt）とが実質的に独立するように流量Qおよび絞りが相互に制御されて、その結果、ヘッドの比較的小さな変化（増減）で流量Qを変化させる（Q2からQ1まで）ことを容易にする。これが矢印Cによって示されている。

本発明は、半径方向速度成分（Vr）と接線速度成分（Vt）とが実質的に独立するように流量Qおよび絞りが相互に制御されて、その結果、クロスフロー速度、すなわち伝達面上の速度の比較的小さな変化（増減）、ひいては面への、または面からの伝達率の比較的小さな変化で流量Qを変化させることを容易にする。よりさらに好ましくは、クロスフロー速度および／または伝達率の変化は実質的に変化なしであってもよい。たとえば、生じるクロスフロー速度または伝達率を実質的に変化させることなく、流量を少なくとも×10、少なくとも×5または少なくとも×2.5の率で変化させることができる。これまで公知であった解決手段に比べて、これは、出願人の知識の及ぶ限りでは前例がない。

図1dは、本発明の利点を示すための、典型的なポンプの摩擦損失を流量（水平スケール）の関数として示すグラフである。曲線上に示された二つの値、2370RPMおよび1230RPMは、二つの終点状況における毎分回転数（RPM）として記されたインペラの回転スピードである。ポンプは、一定の乱流レベルを発生させるように作動する。乱流は、流体の速度Vに比例し、レイノルズ数Reにより、
Re＝V/（d・ny）
として求められ、
式中、dは、ポンプの作用面間の典型的な距離であり、nyは粘度であり、Vは、
V=sqrt（Vr²＋Vt²）
によって求められる速度である。

図1dのグラフから、接線速度成分（Vt）と半径方向速度成分（Vr）との指定の比、Vt/Vrで、インペラを備えたポンプが最低のパワー損失のための最適な値で非常に有利に作動するということが明らかである。本発明を用いると、半径方向速度成分（Vr）と接線速度成分（Vt）とが実質的に独立するようなやり方でポンプを作動させることができるため、これはより容易に達成されることができる。

また、図1dから、本発明にしたがって、実質的に変化のないクロスフロー速度または伝達率を維持しながらも、インペラの回転スピードをおよそ×2の率で変化させることができることが注目されるべきである。

以下、上記に開示した制御戦略を適用する場合に特に有用であることが証明された態様のいくつかを開示する。

本発明の適用は、流体が、少なくとも熱伝達が始まるところでは異なる温度を有する別の流体からの熱伝達によって冷却または加熱される熱交換器のための適用である。図2aおよび図2bは、熱伝達要素2の形態の伝達要素の態様を示す。熱伝達要素2は、それぞれ斜め上および斜め下から示され、「上」および「下」とは、図5の熱交換ユニットの向きに関する。熱伝達要素2は、チャネル14の内面であり、したがってこの図では直接は見えない第一の流体接触面に沿って第一の流体を誘導するためのチャネル14を有する。図から見てとれるように、チャネル14は、一つの幾何学面でカーブしながら延びる。各チャネル14は、第一の流体がチャネル14に入るときに通過するチャネル入口9および第一の流体がチャネル14を出るときに通過するチャネル出口12を含む。チャネル出口12およびチャネル入口9は、熱伝達要素2が積み重ね可能であるように接続可能である接続スタブ17（図3を参照）の形態の流体ガイドを含み、第一の流体は、一つの熱伝達要素2のチャネル14から続いて配設された熱伝達要素2のチャネル14に流れることができる。これを以下さらに詳細に説明する。熱伝達要素2は、好ましくは、支持ボス10で互いに当接し、それによって互いを支持するが、チャネル入口9およびチャネル出口12のみで当接することも本発明の範囲内で可能である。熱伝達要素2は、インペラ3を配置するための中央の穴11（図3を参照）を含み、その機能を以下に説明する。

図3は、伝達要素2が図2に関連して開示されたような熱伝達要素である、本発明の熱交換装置の部分を示す。図3に示す装置は、熱伝達要素2どうしが離間した状態で示されているが、実際には、熱伝達要素は、図5に示すように互いに当接している。各熱伝達要素2は、第一の流体が通過して流れるチャネル14を含む。熱伝達要素14は、第一の流体が一つの熱伝達要素のチャネル14から流れ出し、隣接する熱伝達要素2のチャネルに流れ込むように隣接する二つの熱伝達要素2のチャネル14を互いに接続する接続スタブ17を含む。この部分は、部分の内部を見せるために図3には一部分しか示されていないケーシング22によって封入されている。

熱交換ユニット1を通過する第一の流体の流路が図3に破線によって示されている。入口パイプ15の形態の入口を通過して熱交換装置1に入り、その入口から、絞り弁15aを通過して流れて、一つまたは複数の接続スタブ17を介して上の熱伝達要素2のチャネル14に到達する。第一の流体は、図示するように連続する熱伝達要素2を通過して流れ、最後の熱伝達要素2から、出口パイプ16の形態の出口から絞り弁16aを通過して流れ出る。第一の流体の流れは、通常、熱交換ユニット1に対して外部に配置されたポンプ（図示せず）によって引き起こされるが、ポンプはまた、たとえば図7に開示されるやり方（加圧ステージ29）と同様なやり方で熱交換ユニット1に統合されてもよい。第一の流体は、熱伝達要素2の間を流れる、すなわちそれらの第二の流体接触面に沿って流れる第二の流体とで熱／エネルギーを交換する。

第二の流体の流路が図4に概略的に示されている。図4に示す態様は、図3に示すものと同じであるが、見る角度が異なり、ケーシングが図面から完全に除かれている。第二の流体が、たとえばモータ駆動シャフト（図示せず。図6、7を参照）によって回転可能である第一のインペラ3の中央領域に入る。シャフトの中心軸はインペラ3の中心軸と合致し、第二の流体は、好ましくは、シャフトの全周に沿ってインペラ3に向かって流れる。これは、図中、説明のためだけに、一つの中央の矢印で示されている。縁35がケーシングに対してシールされて、隣接する二つの熱伝達要素2の間にチャネルを画定する。

インペラ3は、第二の流体へのエネルギーを誘発し、そのエネルギーが第二の流体を熱伝達要素2の縁35に向けて流れさせる。ここから、第二の流体は、ガイドプレート36（図2には示さず）によって部分的に画定された空間に流れ込む。この流れは、主に、連続する熱伝達要素2の中に配置されたインペラ3からの引き込みによって得られ、そこから流れパターンが繰り返される。

上記図は、第一および第二の流体が全体的に反対の方向、すなわち図に関して上方向および下方向に流れることを示す。しかし、二つの流体を全体的に同じ方向に流れさせることもまた、本発明の範囲内で可能である。

図5は、本発明の熱交換ユニット1の態様の部分を示す。図5aには、熱交換ユニット1の部分が上から示されており、図5bは、図5aのA-A線から見た断面図である。最後の熱伝達要素2のチャネル14は、図5bに示すように出口パイプ16に接続されるため、他のものよりもわずかに長い。第二の流体接触面に沿う第二の流体の流れは、半径方向速度成分および接線速度成分を有する。さらには、インペラから流れ出る第二の流体は、第二の流体接触面と直接接触し、面と流体との間の接触が起こる前に動的圧力が静的圧力に変換されることはない。

このように、上記で概説した制御法を適用することにより、インペラの回転スピードを変化させ、それにより、少なくとも第二の流体の接線速度を変化させることにより、熱伝達係数を変化させることができる。装置を通過する流量はさらに、絞りによって、たとえば、熱交換ユニットの出口および／または入口に絞り弁を配設することによって制御することができる。

図6は、本発明の熱交換ユニットの好ましい態様を示す。熱交換ユニット1は、三つのケーシング要素、すなわち第一のケーシング要素21、中間ケーシング要素22および第二のケーシング要素23を有するケーシングを含む。「中間」とは、要素の場所、すなわち第一のケーシング要素21と第二のケーシング要素23との間を指すために使用される。

熱伝達要素2は、両端が開口した円柱として形成されている中間ケーシング要素22の内部に配設される。第一の流体を熱伝達要素2に導く入口パイプ15および第一の流体を熱伝達要素2から導く出口パイプ16が、図6に示すように、第一のケーシング要素21の壁を貫通して延びている。第一のケーシング要素21はさらに、第一のケーシング要素21の第一の突出部24に配設された、第二の流体のための出口20を含む。モータ26をユニットに接続するための取付け具25が第一の突出部24に配置されている。モータ26は、熱交換ユニット1の内部に配設されたインペラ3を駆動するために使用され、インペラ3は、モータ26から突出部24の壁を貫通して通常は第二のケーシング要素23に入る（貫通はしない）シャフト27に配設されている。

第二のケーシング要素23は、図6に示すように、第二の流体のための入口19を含み、第二の流体を、中間ケーシング要素22中に配設された熱伝達要素2に導く。第二のケーシング要素23の中には、第二の流体を絞るための絞り弁が配設されてもよい。

図6に示す熱交換ユニットは、図7に示すように、中間ケーシング要素22を第一および第二のケーシング要素21、23に挿入することによって組み立てられる。中間ケーシング要素22と第一および第二のケーシング要素21、23それぞれとの間のシールは、Oリングのようなシール（図示せず）を互いに当接する面中の溝（図示せず）の中に配設することによって達成することができる。

本発明の好ましい態様において、ケーシングは、熱交換ユニット1内の流体の圧力と周囲圧、すなわち熱交換ユニット1の外の圧力との間の圧力差に抵抗するように適合された耐圧ケーシングである。

望むならば、第二の流体が熱伝達要素2を通過する前に、第二の流体の圧力が熱交換ユニット1内で増大することを保証することが本発明の範囲内で可能である。そのような圧力の増大は、たとえば、本発明の熱交換ユニット1の詳細の断面図を示す図7に示すようにして確立することができる。図示される詳細は、中間ケーシング要素22の一部、第二のケーシング要素23および積み重ねられた四つのインペラ3付き熱伝達要素2を含む。第二のケーシング要素23は、三つのインペラ3およびすべてのインペラ3が配設されているシャフト27を有する加圧ステージ29を含む第二の突出部28を有する。シャフト27は、図6に示すように配設されたモータ26によって回転させられる。加圧ステージは、好ましくは、熱交換ユニットを通過する流れによる損失に打ち勝つために必要であるよりも強く流体を加圧するために使用されることができる。

図8は、内部に配置されたインペラ3の使用によって両流体がユニット1に通してポンピングされるさらなる態様を示す。この図は、この態様を、熱交換ユニットの内部が見えるようにするために熱伝達要素2どうしが離間し、ケーシング（末端ケーシング部品34a、34b以外）が除かれた状態の分解図で示す。熱交換ユニット1は、図示するように、隣接する要素2の間にチャネル31を提供するために積み重ねられたディスクとして形成された多数の熱伝達要素2を含む。この構成により、チャネルに面する熱伝達要素2の面が、第一および第二の流体それぞれのための流体接触面を構成する。

流体を一つのチャネル31から隣接するチャネルの上流に位置する別のチャネル31に導く接続スタブ32が設けられている。これらは、図示するように、要素のいくつかの上に配設されてもよいし、要素2に設けられた嵌め合い接続部に嵌め込まれる別個の部品であってもよい。各熱伝達要素2は縁33でケーシングに当接する。縁33は、好ましくは、ケーシングに対してシールされる。

二つの流体の流路が図8に示され、図中、第一の流体が、入口スタブを介して下から（図8の向きに関して）熱交換ユニット13に入り、接続スタブ32を通ってチャネル31に流れ込む。チャネル31は接続スタブ32を介してインペラ3に接続されている。インペラ3によって第一の流体中の全圧が増大したのち、流体は、渦動として接続スタブ32に向かって流れ、それを通過し（接続スタブ32を通過するとき流れが直線的になることができることに留意すべきである）、次のチャネル31に入る。この次のチャネル中で、流体は、インペラに通じる次の接続スタブ32に向かって流れ、それを通過する。より多くの熱伝達要素2を積み重ねることによってこのパターンが何度も繰り返されたのち、第一の流体が出口スタブを介してユニットから流れ出ることができる。

第二の流体は、入口スタブを介して上から熱交換ユニットに流れ込み、接続スタブ32を介してインペラ3に到達する。インペラ3ののち、第二の流体は、渦動しながらチャネル31に流れ込み、流体を次のチャネル31に導く接続スタブに向かって流れる。流体は次のチャネル31を通過して、流体をインペラ3に導く接続スタブ32に向かって流れ、それを通過する。より多くの熱伝達要素を積み重ねることによってこのパターンが何度も繰り返されたのち、第二の流体が出口スタブを通ってユニットから流れ出ることができる。

図8から理解することができるように、第一の流体が中を流れるチャネルは、第二の流体が通過して流れるチャネル31どうしの間に配設されており（または、どちからの流体から状況を見るかに依存して逆も同様）、両流体は異なる温度を有するため、熱伝達要素2を介して流体間で熱交換が起こる。

図8に示す態様は、上から見たとき八角形の断面を有するように示されている。しかし、断面は、他の形状、たとえば正方形または円形を与えられてもよい。外ケーシングは、好ましくは、チューブとして作られ、図8で34aおよび34bとして示すようなプレートの形態の末端ケーシング部品がチューブの両端に配設される。末端ケーシング部品は、第一および第二の流体がユニットに送り込まれ、ユニットから流れ出るときに通過する入口／出口として働く接続スタブを含み、たとえば図6に示すような形状であることができる。末端ケーシング部品34aはまた、インペラが配設されるシャフト27が通過して延びる貫通孔を含む。シャフト27の懸垂は、末端ケーシング中に配設されたベアリング（図示せず）によって提供されることができ、シャフト27と、シャフト27が通過して延びる末端ケーシングとの間には、ユニットからの流体の漏れを避けるために、シールが提供される。

図9は、内部に配置されたインペラ3の使用によって三つの流体がユニット1に通してポンピングされる態様を示す。この図は、この態様を、熱伝達ユニットの内部が見えるようにするために熱伝達要素2どうしが離間し、ケーシング（末端ケーシング部品34a、34b以外）が除かれた状態の分解図で示す。末端ケーシング部品34a、34bは、たとえば図6に示すような形状であることができる。熱交換ユニット1は、図示するように、隣接する要素2の間にチャネル31を提供するために積み重ねられた、縁33のあるディスクとして形成された多数の熱伝達要素2を含む。熱伝達要素2は、その縁33がケーシングに対してシールされている。この構成により、チャネルに面する熱伝達要素2の面が流体のための流体接触面を構成する。

また、この態様において、熱伝達ユニットは、流体がユニット1に流れ込み、ユニット1から流れ出るときに通過する入口および出口スタブを含む。この図には、三つの流体の流路が示されている。図8と同様に、ユニットは、インペラを回転させるためのモータに接続されたシャフト27を含み、これらのシャフトはベアリングによってユニット中に配設されている。

インペラ3が二つ以上のシャフト27に配設される場合、それらのシャフト27は、同じまたは異なるモータ26によって駆動することができる。

もう一つの態様において、本発明はろ過装置に関する。この態様において、伝達要素2は、図10に示すようなディスク形状の質量伝達要素である。図10aは、上から見た質量伝達要素2を示し、図10bは、図10aのA-A線から見た断面を示す。質量伝達要素2は、所与の粒径未満の粒子が内部チャネル37に流れ込むことを許す多孔性材料でできている。内部チャネル37は、外面に沿って流れる流体とチャネル37に沿って流れる流体との間で圧力差を提供するために、ポンプのような吸引装置に接続されている。図では矢印によって示すように、これは、所与の粒径未満の粒子を有する流体の、チャネル37中への流れおよびチャネルを出てポンプに向かう流れを提供する。流体は、インペラ3によって加圧され、らせん流パターンでインペラから流れ出して伝達要素2の縁に向かう。

このような伝達要素2は、先の図に示した熱伝達要素に代わることができ、そのような場合、チャネル37の開口38が、粒子を含む流体をポンプに誘導するフローチャネルに接続される。たとえば図3に示す熱伝達装置に関連して開示したように、インペラ3を中央貫通孔38に配設することにより、ろ過される流体はろ過装置に通してポンピングされる。さらには、図1に関連して開示したように、ケーシングと質量伝達要素2の縁との間に通路を残しておくことができる。

また、質量伝達要素2およびインペラに関連して、質量伝達要素2の面に沿う流れは、接線速度成分および半径方向速度成分を含むらせん動である。質量伝達要素2を介する質量伝達は、質量伝達要素2の外面に沿う流体流の圧力とチャネル37中の圧力との間の圧力差ならびに質量伝達要素2の外面に沿う流体の半径方向および接線速度成分と相関する。したがって、インペラのスピードによって接線および半径方向速度を制御する制御法ならびに場合によっては絞りを使用することにより、質量伝達を制御することができる。

または、チャネル14（図2を参照）を画定する材料が、所与の粒径未満の粒子がチャネル14に流れ込むことを許す多孔性材料でできているならば、たとえば図2に示す熱伝達要素を質量伝達要素2として使用することもできる。したがって、この構成においては、たとえば図5に示す熱交換ユニットをろ過ユニットとして使用することができる。

さらなる態様において、制御法は、放射線、特に紫外線を流体に放出することに関する。そのような態様が図11に概略的に示されている。図11aは、図1および6に示すユニットとして配設されることができる処理部分の断面図を示す。たとえば、図1および6の伝達要素のスタックに代えて図11に示す構造を用いてもよい。図11bは、四つのフロア要素および放射線源の周囲の処理部分で処理される流体の流路の三次元図である。

処理部分は、その長手軸（図11の向きに関して垂直）に沿って円柱形であり、チューブ状かつ円柱形の外ケーシング18を含み、その内側に多数の要素が配設されている。処理部分の内側では、三つのインペラ3がシャフト23に配設されている。また、フロア要素39、40が処理部分中に配設され、これらのフロア要素39、40が、たとえばインペラ3と組み合わさって、処理部分を通過する流れ通路を画定する。流れ通路を通過する流路は図11aで点線によって示されている。

放射線源41が放射線源シールド42の内側に配設されている。放射線源41は、好ましくは、UV線を放出するUV線源であり、放射線源シールド42は、好ましくは、UV線にとって透過可能であるチューブ状部材である。好ましくは石英でできている。放射線源41および放射線源シールド42は、図11に示すように、フロア要素に正接して配設されているが、放射線源およびシールドの数多くの他の構成が本発明の範囲内で考えられる。

フロア要素39、40は、二つの異なる形状である。フロア要素39は、その縁と外ケーシング18との間に通路を残し、フロア要素40は、その縁がケーシング18に対してシールされ、流体をインペラ3に向けて流し、インペラに流れ込ませるための中央の貫通孔を含む。したがって、この構造は、図1に示す構造に類似している。したがって、シャフト23が回転すると、インペラ3が流体をポンピングして、流体が入口から流れ、処理部分中、入口に向けてもっとも上流に位置するインペラである第一のインペラ3に入る流れパターンで処理部分に通す。流体は、第一のインペラ3を離れ、第一のフロア要素39の縁に向かって流れ、縁を越えたのち、第一のインペラ3の下流に位置する第二のインペラ3に向かって流れる。流体が処理部分を離れるまでこのパターンが繰り返される。

流体が処理部分を通過する間、流体は、放射線源シールド42中に位置するUV線源のすぐ近くを流れる。さらには、フロア要素39、40は、好ましくは、UV線にとって透過可能である材料、たとえば石英でできており、放射線は、流体の減衰特性に依存しながら、放射線源シールド42に近接して位置しない処理部分の領域に透過する。処理部分は、多数の接続されたチャネルがフロア要素39、40によって画定されるように設計されており、そのうち、チャネル44は、放射線源が放射線を直接その中に放出する直接曝露チャネルであり、チャネル43は、放射線が一つまたは複数のフロア要素39、40を通過したとき放射線源が放射線を間接的にその中に放出する間接曝露チャネルである。これに関して、放射線源は、チャネル44の中に直接放出すると考えられるが、放射線源は放射線源シールド42によってシールドされる。

間接曝露チャネルが放射線を受けるかどうかは、とりわけ、流体の減衰特性に依存するということが留意されるべきである。たとえば、流体が放射線を高度に減衰させるならば、放射線は流体を透過せず、間接曝露チャネルに入ることはできない。しかし、処理部分は、流体からの減衰が無視しうる程度であるとき、UV線源からの放射線が間接曝露チャネル43に入るように設計されている。

インペラ3を出た流体は、上記態様に関連して開示したらせん流パターンで流れる。この態様において、放射線シールドは、放射線源とともに、本発明の伝達要素であると考えられる。さらには、一つまたは複数のフロア要素39、40が、放射線源から放出される放射線に対して透過性である場合、これらの要素は放射線を流体に伝達するものと考えられるため、これらの要素もまた、本発明の伝達要素であると考えられる。したがって、放射線シールド、ひいては放射線源および伝達要素（放射線透過性材料でできている場合）を通過する流体もまた、半径方向速度成分V_rおよび接線速度成分V_tを含むらせん流パターンで流れる。本発明の制御法は、半径方向および接線速度を制御するように適用されることができる。

上記の制御法は、半径方向および接線速度成分の大きさを互いに独立して制御することができるという利点を有する。この制御法を使用することにより、接線速度成分の大きさを維持しながらも、装置を通過する流量をたとえば増減させることができる。または、流量を変化させることなく、接線速度成分の大きさを増すことができる。この制御法を使用することにより、放射線源に対する汚損を除くことができ、接線速度成分を増すことによってテーリング効果（粒子が互いを遮る）を小さくすることができるという利点を得ることができる。

本制御法は、インペラの回転速度と、たとえば熱、物質または放射線の伝達との間の関係に関する情報の使用を含むことができる。この情報は、流体の接線速度との相関に関する定量的または定性的情報を含むことができ、その相関は流体の物性に依存することができる。情報は、たとえば、実験またはコンピュータシミュレーションから得ることができる。通常、データベースまたは他のコンピュータ読み取り可能媒体に記憶され、そこから、本発明の制御法の適用で使用される制御システムによって検索されることができる。また、制御法の一部としてマニュアル式の対話を必要とする方法で記憶されてもよい。制御法は、一つの流体または二つ以上の流体に関連するインペラの速度の制御を含むことができる。制御法は、追加的または代替的に、一つまたは複数の絞り手段、たとえば絞り弁の制御を含むことができる。

上記態様において、半径方向および接線速度は、伝達要素の面に対して平行な平面にあるとみなすことができる。図12は、伝達要素2がチューブ形状である態様を示す。第一の流体が伝達要素2の内側を流れ、第二の流体が伝達要素2の外側かつケーシング18の内側を流れる。両流体は、らせん流パターンで流れるように示されており、図示するように、接線速度成分V_tが流れの回転部分であると考えられ、半径方向速度成分V_rが縦方向の速度成分（図中、rと標識した矢印によって示す）であると考えられる。半径方向成分を、流量と相関する成分と見なすことができ、接線速度成分を、流量とは相関しない成分とみなすことができるため、この構成は上記と合致する。

本発明の好ましい態様にしたがって、装置を通過して流れる流体の一つまたは複数に再循環を適用してもよい。そのような再循環は、装置の出口から流れ出す流体のすべてまたは一部を装置の入口に導くことによって具現化することができる。

Claims (26)

1. 装置中で、少なくとも第一の流体へのまたは少なくとも第一の流体からの、熱、物質、放射線などの伝達を制御する方法であって、
   該装置が、一つの伝達要素（2）および回転可能なインペラ（3）を含む少なくとも一つのステージを含み、該インペラが、該インペラから流れ出る該第一の流体が該伝達要素（2）の面に沿って流れるように配設されており、該伝達要素の該面に沿う該第一の流体の流れが、半径方向速度成分（Vr）および接線速度成分（Vt）を有するらせん流パターンを含み、
   該装置がさらに、該装置を通過する該第一の流体の流れを絞るための一つまたは複数の絞り手段を含み、
   該インペラの回転スピードおよび該絞りが、
   i）伝達量が該半径方向速度成分（Vr）の関数および該接線速度成分（Vt）の関数であり、かつ
   ii）該半径方向速度成分（Vr）と該接線速度成分（Vt）とが実質的に独立する
   ように相互に制御される、方法。
2. 伝達量ATが、
   AT＝f₁（Vr）＋f₂（Vt）
   として表すことができ、
   式中、f₁およびf₂は、接線速度Vtおよび半径方向速度Vrのそれぞれと、伝達量ATとの間の相関を示すために使用される関数である、
   請求項1記載の方法。
3. インペラの回転スピードを変化させることにより、装置を通過する処理される第一の流体の流量に実質的に影響することなく、伝達量が変更可能である、請求項1記載の方法。
4. インペラの回転スピードを変化させることにより、装置中の第一の流体の伝達量に実質的に影響することなく、流量が変更可能である、請求項1記載の方法。
5. 絞り手段が、絞り弁、絞りのための一つまたは複数の専用キャビティ、ダイヤフラム、第一の流体のパイプの狭窄部、向流または粘度制御手段を含む、請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
6. 伝達の要求の増大に応答してインペラの回転スピードを上げ、伝達の要求の減少に応答してインペラの回転スピードを下げる、請求項1記載の方法。
7. 伝達の要求の増大に応答してインペラの回転スピードを下げ、伝達の要求の増大に応答してインペラ回転スピードを下げる、請求項1記載の方法。
8. 装置が、第二の流体が通過して流れる一つまたは複数のチャネルを含み、該チャネルが、第一の流体と第二の流体との間で伝達要素を介して伝達が起こるように配設されている、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
9. 第二の流体が通過して流れる一つまたは複数のチャネルが伝達要素中に設けられている、請求項8記載の方法。
10. 装置が、第一の流体のためのインペラおよび第二の流体のためのインペラを含み、方法が、所与の伝達の要求に応答して、該第一および第二の流体のための該インペラの回転スピードを制御する工程を含む、請求項8または9記載の方法。
11. 第一および第二の流体のためのインペラの回転スピードが独立して制御可能である、請求項10記載の方法。
12. 第一および第二の流体のためのインペラの回転スピードが、共通のドライブシャフトに配設されるなどして、共通に回転させられる、請求項10記載の方法。
13. 装置が、第三の流体が通過して流れる一つまたは複数のチャネルを含み、該チャネルが、伝達要素を介して流体間の伝達が起こるように配設されている、請求項8〜12のいずれか一項記載の方法。
14. 装置が、各流体のためのインペラを含み、方法が、所与の伝達の要求に応答して、各流体のための該インペラの回転スピードを制御する工程を含む、請求項8〜13のいずれか一項記載の方法。
15. 装置がさらに、一つまたは複数の絞り手段、たとえば該装置を通過する第一の流体および／または、請求項8〜12に従属する場合、第二の流体および／または、請求項13〜14に従属する場合、第三の流体の流れを絞るための一つまたは複数の絞り弁を含み、方法がさらに、伝達の要求の増大または減小に応答して該絞り手段によって該流れの絞りを増大または減小させて、それにより、該絞り手段にかかる圧力低下を増大または減小させる工程を含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
16. インペラの回転スピードの増大に応答して絞りを増す、請求項15記載の方法。
17. インペラの回転スピードの増大の結果として、装置を通過する流体の一つまたは複数の流量が実質的に変化しない、たとえば5％未満しか変化しないように絞りの増大を制御する、請求項16記載の方法。
18. インペラの回転スピードの低下に応答して絞りを減らす、請求項15記載の方法。
19. インペラの回転スピードの減少の結果として、装置を通過する流体の一つまたは複数の流量が実質的に変化しない、たとえば5％未満しか変化しないように絞りの減少を選択する、請求項18記載の方法。
20. 伝達要素が、一定の粒径よりも小さい粒子のみをフィルタ要素中に通過させる孔を有する該フィルタ要素を含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
21. 伝達要素が熱伝達要素を含む、請求項1〜19のいずれか一項記載の方法。
22. 熱伝達要素が、冷却／加熱流体が通過して流れることができる内部チャネルを含む、請求項21記載の方法。
23. 伝達要素が、放射線源を含む、または、放射線が該伝達要素の面から一つまたは複数の流体に放出されるような放射線ガイドを含む、請求項1〜19のいずれか一項記載の方法。
24. 装置が複数のステージを含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
25. ステージの伝達要素が互いに類似している、たとえば互いに同一である、請求項24記載の方法。
26. ステージの伝達要素が異なる伝達に適合されている、請求項24記載の方法。

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