JP2018511773A - Heat exchanger comprising a microstructural element and separation device comprising such a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
本発明は、平行なプレートおよび平行に配置されたスペーサーを含み、熱を交換するように配置されたi)粗い一次チャネル(21)およびii)二次チャネルを画定する熱交換器に関する。前記熱交換器は、一次液体ディスペンサーに流体的に接続される一次液体入口を含む。それぞれの粗い一次チャネル(21)は、多角形の断面を有し複数の実質的に平坦な面からなる角柱の形状を有する。一次チャネルは粗い一次チャネルを含む。それぞれの粗い一次チャネル(21)は、チャネル全体の長さに沿って分布し1μm〜300μmの間の寸法を有するミクロ構造要素(30)を有する。【選択図】図3The present invention relates to a heat exchanger comprising parallel plates and spacers arranged in parallel and defining i) coarse primary channels (21) and ii) secondary channels arranged to exchange heat. The heat exchanger includes a primary liquid inlet that is fluidly connected to a primary liquid dispenser. Each rough primary channel (21) has a polygonal cross section and a prismatic shape consisting of a plurality of substantially flat surfaces. The primary channel includes a coarse primary channel. Each coarse primary channel (21) has a microstructure element (30) distributed along the length of the entire channel and having a dimension between 1 μm and 300 μm. [Selection] Figure 3
Description
本発明は、たとえば酸素を含有する一次液体と、たとえば窒素を含有する二次流体との間の熱の交換に関する。さらに、本発明は、そのような熱の交換を含む極低温ガス分離装置に関する。 The present invention relates to the exchange of heat between a primary liquid containing, for example, oxygen and a secondary fluid containing, for example, nitrogen. Furthermore, the present invention relates to a cryogenic gas separation apparatus including such heat exchange.
本発明は、一次液体と二次流体との間での熱交換が行われるように構成される熱交換器の分野に関する。特に、本発明は、極低温ガスの分離、特に、空気ガス、酸性気体、および天然ガスの分離の分野に適用することができる。 The present invention relates to the field of heat exchangers configured to perform heat exchange between a primary liquid and a secondary fluid. In particular, the present invention can be applied to the field of cryogenic gas separation, particularly air gas, acid gas, and natural gas separation.
欧州特許出願公開第0130122A1号明細書には、i)一次チャネルおよびii)二次チャネルを画定する平行のプレート、平行のスペーサーと、分配器を介して一次液体浴に連結される入口とを一般に含む熱交換器が記載されている。一般に、それぞれの一次チャネルは、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有し、一次液体は、その角柱に沿って長方形の底面に対して直角の角度で循環する。 EP 0130122 A1 generally includes i) primary channels and ii) parallel plates defining parallel channels, parallel spacers, and an inlet connected to the primary liquid bath via a distributor. Including a heat exchanger is described. In general, each primary channel has a generally prismatic shape with a rectangular bottom surface, and the primary liquid circulates along the prism at an angle perpendicular to the rectangular bottom surface.
欧州特許出願公開第0130122A1号明細書の熱交換器が稼働中の場合、一次チャネル中を循環する一次液体は、二次チャネル中を流れる二次流体と熱を交換する。極低温空気分離装置の場合、一次液体は酸素の大部分を含有し、二次流体は気体窒素の大部分を含有する。一次液体の流量は一次チャネル中では比較的少ない。 When the heat exchanger of EP-A-0130122A1 is in operation, the primary liquid circulating in the primary channel exchanges heat with the secondary fluid flowing in the secondary channel. In the case of a cryogenic air separator, the primary liquid contains the majority of oxygen and the secondary fluid contains the majority of gaseous nitrogen. The flow rate of the primary liquid is relatively low in the primary channel.
しかし、本出願において図1に示されるように、欧州特許出願公開第0130122A1号明細書の一次チャネルは、横方向の寸法が小さく、この場合はミリメートル規模であり、そのため一次液体は、それぞれの平滑な一次チャネル50の長方形の周囲51全体にわたって均一に分布することはない。したがって、一次液体は、メニスカス52を形成し、それぞれの平滑な一次チャネル50の長方形の周囲51の角53に集中し、それによってそれぞれの平滑な一次チャネル50の長方形の周囲51の長辺54上に乾燥ゾーンの発生が誘導される。
However, as shown in FIG. 1 in this application, the primary channel of EP-A-0130122A1 has a small lateral dimension, in this case millimeter-scale, so that the primary liquids There is no uniform distribution over the entire
平滑な一次チャネルの出口に向かって流れる一次液体が気化するときに、乾燥ゾーンの数および表面積が増加する。したがって、これらの乾燥ゾーンは熱交換には使用されず、そのため熱交換器の効率が低下する。さらに、これらの乾燥ゾーンは、不純物の堆積を引き起こす危険性があり、これによって作業員および設備の安全性の低下が最終的に発生し得る。 As the primary liquid flowing toward the outlet of the smooth primary channel evaporates, the number and surface area of the drying zones increase. Therefore, these drying zones are not used for heat exchange, thus reducing the efficiency of the heat exchanger. In addition, these drying zones can be at risk of depositing impurities, which can ultimately lead to a reduction in worker and equipment safety.
本発明の目的は、特に、従来の形状を有する一次および二次チャネルを維持し、さらなる水頭損失を発生させずに、熱交換器の熱伝達および安全性を増加させることが可能な熱交換器を提供することによって、前述の問題を全体的または部分的に解決することである。 The object of the present invention is in particular a heat exchanger capable of maintaining the primary and secondary channels having a conventional shape and increasing the heat transfer and safety of the heat exchanger without incurring further head losses. To solve the above-mentioned problems in whole or in part.
このため、本発明の主題は、一次液体と二次流体との間での熱交換を引き起こすための熱交換器であり、この熱交換器は、少なくとも:
互いに平行に配置された数枚のプレートと、
i)一次液体の流れに適合した一次チャネルおよびii)二次流体の流れに適合した二次チャネルを画定するように、プレート間に延在し、互いに平行に配置されたスペーサーであって、それぞれの一次チャネルが、少なくとも1つのそれぞれの二次チャネルとの熱交換が可能なように配置されるスペーサーと、
一次液体分配器に流体的に連結するよう意図された一次液体入口とを含み、
熱交換器は、それぞれの一次チャネルが多角形断面を有する全体的に角柱の形状を有し、角柱はいくつかの全体的に平坦な面から構成されることと、
一次チャネルが粗い一次チャネルを含み、それぞれの粗い一次チャネルは、1μm〜300μmの間、好ましくは1μm〜100μmの間の寸法を有するミクロ構造要素を有することと、
ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して:
r>1+1.3・103・Ra・ε
(式中:
rは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネルの実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネルの幾何学的表面との比であり、
Ra(単位m)は、中線に対する算術平均偏差であり、および
εとは、それぞれの粗い一次チャネルの実際の表面の空隙率である)
となるように構成されることとを特徴とする。
Thus, the subject of the present invention is a heat exchanger for causing heat exchange between the primary liquid and the secondary fluid, which heat exchanger is at least:
Several plates arranged parallel to each other;
spacers extending between the plates and arranged parallel to each other to define a primary channel adapted to the flow of the primary liquid and ii) a secondary channel adapted to the flow of the secondary fluid, respectively A spacer arranged such that the primary channel is capable of heat exchange with at least one respective secondary channel;
A primary liquid inlet intended to be fluidly coupled to the primary liquid distributor;
The heat exchanger has a generally prismatic shape with each primary channel having a polygonal cross section, the prisms being composed of several generally flat surfaces;
The primary channel comprises a coarse primary channel, each coarse primary channel having a microstructure element having a dimension between 1 μm and 300 μm, preferably between 1 μm and 100 μm;
The microstructure elements are for each coarse primary channel:
r> 1 + 1.3 · 10 3 · R a · ε
(Where:
r is the ratio of the actual surface of each coarse primary channel as the numerator to the geometric surface of each coarse primary channel as the denominator;
R a (unit m) is the arithmetic mean deviation with respect to the midline, and ε is the actual surface porosity of each coarse primary channel)
It is comprised so that it may become.
比rは、「粗さ係数」または「粗さ」と呼ばれる場合もある。算術平均偏差Ra(単位m)は、粗い一次チャネルの粗さを表す。本出願において、用語「中線」は、実際の表面の平均高さに位置する線を意味する。実際には、中線は、最小二乗法を使用することによって、表面の断面プロファイルの地形記録から計算することができる。 The ratio r may also be called “roughness factor” or “roughness”. The arithmetic average deviation R a (unit m) represents the roughness of the coarse primary channel. In this application, the term “midline” means a line located at the average height of the actual surface. In practice, the midline can be calculated from the topographic record of the cross-sectional profile of the surface by using the least squares method.
本出願において、用語「表面の空隙率」は、以下のように計算される比に相当する:厚さが、この表面の最高ピークの高さ(最低点を基準とする)に等しい薄片を考慮する。この薄片上、空隙率εは、ミクロ構造要素によって占有されない体積の、薄片の全体積に対する比に相当する。この比は以下のように表され: In the present application, the term “surface porosity” corresponds to a ratio calculated as follows: a slice whose thickness is equal to the height of the highest peak of this surface (relative to the lowest point) is considered. To do. On this flake, the porosity ε corresponds to the ratio of the volume not occupied by the microstructure elements to the total volume of the flake. This ratio is expressed as:
式中:
Vtot(単位m3)は、実際の表面の最高点と最低点との間に含まれる体積であり、
Vsurf(単位m3)は、実際の表面と実際の表面の最低点との間に含まれる体積である。
In the formula:
V tot (unit m 3 ) is a volume included between the highest point and the lowest point of the actual surface,
V surf (unit m 3 ) is a volume included between the actual surface and the lowest point of the actual surface.
したがって: Therefore:
であり、式中:
Rzは、表面の最低点に対する最高ピークの高さであり、
z(単位m)は、実際の表面の最低点に対するそれぞれの点の高さであり、高さzは点ごとに測定され、
And in the formula:
R z is the height of the highest peak relative to the lowest point of the surface,
z (unit m) is the height of each point relative to the lowest point of the actual surface, and the height z is measured point by point,
は、点ごとに測定された高さzの算術平均である。 Is the arithmetic mean of the height z measured point by point.
たとえば、このような熱交換器によって、従来の形状を有する一次および二次チャネルが維持され、したがって製造および実施が単純になり、熱交換器の使用中に、さらなる水頭損失を発生させずに、熱交換器の熱伝達および安全性を増加させることが可能となる。実際には、ミクロ構造要素によって、交換表面積およびぬれた表面がより多くなるので、熱伝達を増加させることが可能となる。また、一次チャネルの高いぬれ性によって、酸素の乾燥蒸発の回避が可能となるので、熱交換器の安全性が向上する。さらに、多角形の底面を有する角柱形状は、たとえば円形の底面を有する管状形状よりも大きい熱伝達係数を示すことが測定によって示されている。 For example, such a heat exchanger maintains primary and secondary channels with conventional shapes, thus simplifying manufacture and implementation, and without incurring additional head loss during use of the heat exchanger, It is possible to increase the heat transfer and safety of the heat exchanger. In practice, the microstructural elements allow for increased heat transfer because there is more exchange surface area and wet surfaces. In addition, the high wettability of the primary channel makes it possible to avoid dry evaporation of oxygen, thereby improving the safety of the heat exchanger. Furthermore, measurements have shown that a prismatic shape having a polygonal bottom surface exhibits a greater heat transfer coefficient than, for example, a tubular shape having a circular bottom surface.
ミクロ構造要素を用いた表面処理によって、一次チャネルの周囲全体をぬらすことができ、したがって交換表面を増加させることができる。 Surface treatment with microstructural elements can wet the entire periphery of the primary channel and thus increase the exchange surface.
ほとんどの用途では、一次液体および二次流体は極低温流体である。熱交換器中に導入される一次液体および二次流体は、1つの相、すなわちすべて液体またはすべて気体であってよいし、または2つの相、すなわち液体および気体で構成されてもよい。それらが熱交換器中を流れる間、一次液体および二次流体の相の比率が変動する場合がある。 For most applications, the primary liquid and secondary fluid are cryogenic fluids. The primary liquid and secondary fluid introduced into the heat exchanger may be one phase, i.e. all liquid or all gas, or may be composed of two phases, i.e. liquid and gas. While they flow through the heat exchanger, the primary liquid and secondary fluid phase ratios may fluctuate.
本発明の一実施形態によると、それぞれの多角形断面は、1mm〜10mmの間、好ましくは3mm〜7mmの間の寸法を有し、たとえば、おおよその長さが5mmであり、おおよその幅が1.5mmである長方形の多角形断面を有する。 According to one embodiment of the present invention, each polygonal cross section has a dimension between 1 mm and 10 mm, preferably between 3 mm and 7 mm, for example an approximate length of 5 mm and an approximate width of It has a rectangular polygonal cross section that is 1.5 mm.
たとえば、このような横寸法によって、処理される一次液体および二次流体流量への熱交換器の適合が可能となる。 For example, such lateral dimensions allow the heat exchanger to be adapted to the primary liquid and secondary fluid flow rates being processed.
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルの内部周囲全体に実質的にわたってミクロ構造要素が分布する。 According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are distributed substantially throughout the interior perimeter of each coarse primary channel.
たとえば、このような分布によって、それぞれの粗い一次チャネルのすべての多角形断面のぬれが保証される。 For example, such a distribution ensures wetting of all polygonal cross sections of each coarse primary channel.
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルに関して、ミクロ構造要素は、粗い一次チャネルの表面の少なくとも80%にわたって分布する。 According to one embodiment of the invention, for each rough primary channel, the microstructure elements are distributed over at least 80% of the surface of the rough primary channel.
たとえば、それぞれの粗い一次チャネルは、交換表面積を増加させるミクロ構造要素で実質的に覆われている。 For example, each coarse primary channel is substantially covered with a microstructure element that increases the exchange surface area.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、互いに類似した寸法および互いに類似した形態を有し、その中にミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して:
r>1+1.3・103・h・ε
(式中、h(単位m)は、ミクロ構造要素の平均高さである)
となるように構成される。
According to one embodiment of the invention, the microstructure elements have dimensions similar to each other and forms similar to each other, in which the microstructure elements relate to each coarse primary channel:
r> 1 + 1.3 · 10 3 · h · ε
(Where h (unit m) is the average height of the microstructure elements)
It is comprised so that.
たとえば、このような類似のミクロ構造要素によって、それぞれの粗い一次チャネルがより高いぬれ性を得ることができ、一次液体膜の最小厚さを制御することができる。 For example, such a similar microstructure element allows each coarse primary channel to obtain higher wettability and control the minimum thickness of the primary liquid film.
たとえば、ミクロ構造要素の類似の寸法は、ミクロ構造要素間で20%の偏差を示すことができる。類似の形態を有する2つのミクロ構造要素は、それらのすべての寸法が類似している。 For example, similar dimensions of the microstructure elements can show a 20% deviation between the microstructure elements. Two microstructure elements with similar morphology are similar in all their dimensions.
本出願において、用語「実際の表面」は、特に、製造後に得られる表面を意味し、用語「幾何学的表面」は、特に、完全な表面、したがって存在するミクロ構造要素を除いた平滑な表面を意味し、幾何学的表面は、公称寸法によって幾何学的に完全に規定することができる。幾何学的表面は、1つの面内と見なされる場合に「投影表面」と呼ばれることがある。 In the present application, the term “actual surface” means in particular the surface obtained after production, and the term “geometric surface” particularly means a complete surface, and thus a smooth surface excluding existing microstructural elements. And the geometric surface can be completely defined geometrically by nominal dimensions. A geometric surface is sometimes referred to as a “projection surface” when considered to be in one plane.
本出願において、用語「表面」は、トポロジー的要素、またはこのトポロジー的要素の表面領域のいずれかを意味することができる。 In this application, the term “surface” can mean either a topological element or a surface area of this topological element.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は均一に分布する。特に、ミクロ構造要素は、類似しており均一に分布することができる。 According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are evenly distributed. In particular, the microstructural elements are similar and can be distributed uniformly.
たとえば、このような均一な分布によって、それぞれの粗い一次チャネルのより高いぬれ性を保証することができ、一次液体膜の最小厚さを制御することができる。 For example, such a uniform distribution can ensure higher wettability of each coarse primary channel and can control the minimum thickness of the primary liquid film.
上記実施形態とは別に、ミクロ構造要素は、類似しており、不均一、たとえば不規則に分布していてよい。 Apart from the above embodiments, the microstructure elements are similar and may be unevenly distributed, for example irregularly.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して: According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are for each coarse primary channel:
(式中:
d(単位m)は、隣接するミクロ構造要素の中心間の平均距離であり、これらの中心は、粗い一次チャネルの幾何学的表面上に位置し、
P(単位m)は、ミクロ構造要素の断面の平均周囲長さである)
となるように構成される。
(Where:
d (unit m) is the average distance between the centers of adjacent microstructure elements, which are located on the geometric surface of the coarse primary channel,
P (unit m) is the average perimeter of the cross section of the microstructure element)
It is comprised so that.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して: According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are for each coarse primary channel:
となるように構成され、ミクロ構造要素(30)は、それぞれの粗い一次チャネル(21)に関して: And the microstructure element (30) is for each coarse primary channel (21):
(式中、S(単位m2)は、微細構造の断面の平均表面積である)
となるようにも構成される。
(Wherein S (unit m 2 ) is the average surface area of the cross section of the microstructure)
It is also configured to be.
このように構成されるミクロ構造要素によって、熱交換方法に適合した液体伝播速度を有することが可能となる。 A microstructure element configured in this way makes it possible to have a liquid propagation velocity adapted to the heat exchange method.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、不規則な形態を有し、たとえば不規則な寸法を有し、ミクロ構造要素は、不均一に、たとえば不規則に分布することもできる。 According to an embodiment of the invention, the microstructure elements have an irregular shape, for example with irregular dimensions, and the microstructure elements can also be distributed unevenly, for example irregularly.
言い換えると、考慮される粗い一次チャネルの実際の表面全体にわたって、2つの隣接するミクロ構造要素の間の間隔は変動することができ、したがって一定ではない。 In other words, across the actual surface of the rough primary channel considered, the spacing between two adjacent microstructure elements can vary and is therefore not constant.
たとえば、このような不均一な分布では、ミクロ構造要素を有さない各ゾーンの表面領域を限定することによって、それぞれの粗い一次チャネルに粗って全体に一定のぬれ性を得ることができる。 For example, with such a non-uniform distribution, by limiting the surface area of each zone that does not have a microstructure element, it is possible to roughen each coarse primary channel and obtain a constant wetting property throughout.
この変形形態とは別に、それぞれのミクロ構造要素は、規則的な形態または形状を有することができ、たとえば全体的に円筒、角柱、円錐、または同様の形態を有することができる。この変形形態では、規則的な形態のミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して:
r>1+1.3・103・h・ε
となるように構成される。
Apart from this variant, each microstructure element can have a regular form or shape, for example it can have a generally cylindrical, prismatic, conical or similar form. In this variant, a regular form of microstructure element is associated with each coarse primary channel:
r> 1 + 1.3 · 10 3 · h · ε
It is comprised so that.
しかし、ミクロ構造要素が不規則な形態を有する一変形形態では、ミクロ構造要素は:
r>1+1.3・103・Raε
となるように構成される。
However, in one variation where the microstructure element has an irregular shape, the microstructure element is:
r> 1 + 1.3 · 10 3 · R a ε
It is comprised so that.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルに関して: According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are for each coarse primary channel:
となるように構成される。 It is comprised so that.
このようなミクロ構造要素は、特に、それぞれの粗い一次チャネルの表面のぬれ性を増加させる粗さを形成し、それによって、くぼみが存在する場合でさえも粗い一次チャネルの表面全体を液体がぬらすことができる。 Such microstructural elements in particular create a roughness that increases the wettability of the surface of each rough primary channel, so that the liquid wets the entire surface of the rough primary channel even in the presence of indentations. be able to.
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、粗い一次チャネルの少なくとも一部を除いて、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有する。 According to one embodiment of the present invention, each coarse primary channel has a generally prismatic shape with a rectangular bottom, except for at least a portion of the coarse primary channel.
形容詞の「全体的に」が示される場合、角柱は、ほぼ長方形の底面を有することができる。たとえば、角柱の底面を画定する長方形の辺は、たとえば蝋付けによって丸みを帯びていてよい。 When the adjective “overall” is indicated, the prism may have a generally rectangular base. For example, the rectangular sides that define the bottom surface of the prism may be rounded, for example by brazing.
たとえば、長方形の底面を有する粗い一次チャネルのこのような形態によって、従来の形状を有する粗い一次チャネルおよび二次チャネルを維持することができ、したがって熱交換器の組立体の製造およびそれにおける実施が簡単になりうる。 For example, such a form of a coarse primary channel having a rectangular bottom surface can maintain a coarse primary channel and a secondary channel having a conventional shape, thus making it possible to manufacture and implement a heat exchanger assembly. It can be easy.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、長方形の底面の長辺上にのみ分布する。 According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are distributed only on the long sides of the rectangular bottom.
言い換えると、長方形の周囲の短辺はミクロ構造要素を全く有さない。実際には、短辺は、長方形の周囲の角においてメニスカスが自然に形成されるため、ぬれることができる。 In other words, the short side around the rectangle does not have any microstructure elements. In practice, the short sides can be wetted because the meniscus is naturally formed at the corners around the rectangle.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それらの間で一次液体が流れる流路が画定されるように分布する。 According to one embodiment of the invention, the microstructure elements are distributed such that a flow path through which the primary liquid flows is defined therebetween.
言い換えると、ミクロ構造要素は、幾何学的表面の高さの上に全体的に延在する。 In other words, the microstructure element extends entirely above the height of the geometric surface.
たとえば、ミクロ構造要素は、開放された粗さ、すなわち山またはロック(lock)によって画定されるが狭い空隙は有さない粗さを有する表面状態が画定されるように分布する。空隙は、その周囲の山が互いに近すぎるため液体が循環できない場合に狭いと見なされる。 For example, the microstructure elements are distributed such that a surface condition is defined having an open roughness, i.e. a roughness defined by peaks or locks but without narrow voids. A void is considered narrow when the surrounding mountains are too close to each other to allow liquid to circulate.
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、1μm〜60μmの間の算術粗さRaを有する。 According to one embodiment of the present invention, each of the coarse primary channel has an arithmetic roughness R a of between 1Myuemu~60myuemu.
たとえば、このような算術粗さによって、粗い一次チャネルは高いぬれ性を得ることが可能となる。 For example, such arithmetic roughness enables a coarse primary channel to obtain high wettability.
本発明の一実施形態によると、それぞれの粗い一次チャネルは、その長さの少なくとも80%にわたって分布するナノ構造要素を有し、各ナノ構造要素は1nm〜500nmの間の寸法を有する。 According to one embodiment of the invention, each coarse primary channel has nanostructure elements distributed over at least 80% of its length, each nanostructure element having a dimension between 1 nm and 500 nm.
たとえば、このようなナノ構造要素によって、それぞれの粗い一次チャネルのぬれ性を最大化することができる。 For example, such nanostructured elements can maximize the wettability of each coarse primary channel.
本発明の一変形形態によると、ナノ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネルの表面にわたって分布する。本発明のこの変形形態とは別に、またはこれに加えて、ナノ構造要素は、ミクロ構造要素の表面にわたって分布することができる。 According to a variant of the invention, the nanostructure elements are distributed over the surface of each rough primary channel. Apart from or in addition to this variant of the invention, the nanostructure elements can be distributed over the surface of the microstructure elements.
本発明の一変形形態によると、コーティングは、金属材料および/または無機材料、たとえばセラミック材料で構成される。コーティングは、それぞれの粗い一次チャネルの表面上への粒子および/または繊維の噴霧堆積(場合により「噴霧」と記載される)によって得ることができる。 According to a variant of the invention, the coating is composed of a metallic material and / or an inorganic material, for example a ceramic material. The coating can be obtained by spray deposition of particles and / or fibers (sometimes referred to as “spray”) onto the surface of each rough primary channel.
本発明の一実施形態によると、ミクロ構造要素は、それぞれの一次要素の表面の処理によって、たとえば、陽極酸化、サンドブラスト、ショットブラスト、または化学エッチング、またはさらには粉末焼結、溶融金属噴霧、レーザー、フォトリソグラフィ、またはロールがけ、刷毛塗り、もしくは印刷型の機械的エッチングによって形成される。 According to one embodiment of the invention, the microstructural elements are produced by treatment of the surface of the respective primary element, for example by anodic oxidation, sand blasting, shot blasting or chemical etching, or even powder sintering, molten metal spray, laser , Photolithography, or rolling, brushing, or printing mechanical etching.
さらに、ミクロ構造要素は、含浸、噴霧堆積 プラズマ堆積、付加製造方法、たとえば三次元印刷によって得られるコーティングによって形成することができる。 Furthermore, the microstructure elements can be formed by impregnation, spray deposition, plasma deposition, additive manufacturing methods such as coatings obtained by three-dimensional printing.
本発明の一変形形態によると、プレートおよび/またはスペーサーは、アルミニウム、銅、ニッケル、クロム、鉄、ならびにアルミニウムの合金、銅の合金、ニッケルの合金、クロムの合金、鉄の合金、たとえばニッケル−クロム合金、またはニッケル−クロム−鉄合金からなる群から選択される材料から構成される。 According to a variant of the invention, the plates and / or spacers are made of aluminum, copper, nickel, chromium, iron and aluminum alloys, copper alloys, nickel alloys, chromium alloys, iron alloys, such as nickel- It is made of a material selected from the group consisting of a chromium alloy or a nickel-chromium-iron alloy.
たとえば、このようなプレートおよび/またはスペーサーによって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気ガス、酸性気体、および天然ガスを分離するための酸素含有液体酸素および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。 For example, such plates and / or spacers contain oxygen-containing liquid oxygen and nitrogen containing to separate standard primary liquids and secondary fluids in the field of cryogenic technology, such as air gas, acid gas, and natural gas Gas handling becomes possible.
本発明の一実施形態によると、熱交換器は、蒸発器−凝縮器を形成するために構成され、粗い一次チャネルの長さおよび二次チャネルの長さは、熱の交換によって、一次液体を完全または部分的に気化させ、二次気体の形態で導入された二次流体を完全にまたは部分的に凝縮させることが可能となるように決定される。 According to one embodiment of the invention, the heat exchanger is configured to form an evaporator-condenser, wherein the length of the coarse primary channel and the length of the secondary channel are obtained by exchanging the primary liquid by heat exchange. It is determined that it is possible to fully or partially vaporize and fully or partially condense a secondary fluid introduced in the form of a secondary gas.
たとえば、このような蒸発器−凝縮器によって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気の成分を分離するための酸素含有液体および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。 For example, such an evaporator-condenser allows the handling of standard primary liquids and secondary fluids in the field of cryogenic technology, such as oxygen-containing liquids and nitrogen-containing gases to separate air components. .
本発明の一実施形態によると、熱交換器の稼働中、前記一次液体入口は、粗い一次チャネルよりも高い位置に配置され、それによって一次液体分配器によって導入される膜の形態の一次液体は、前記少なくとも1つの一次液体入口から粗い一次チャネル中まで重力によって流れる。 According to one embodiment of the invention, during operation of the heat exchanger, the primary liquid inlet is located higher than the coarse primary channel, whereby the primary liquid in the form of a membrane introduced by the primary liquid distributor is , By gravity from the at least one primary liquid inlet into the coarse primary channel.
本発明の一変形形態によると、二次チャネルは粗い二次チャネルを含み、それぞれの粗い二次チャネルは、粗い一次チャネルと類似の方法で形成される。特に、粗い二次チャネルは、1μm〜300μmの間、好ましくは1μm〜100μmの間の寸法を有し、粗い一次チャネルに適用できる式を満たすミクロ構造要素を有することができる。より一般的には、粗い一次チャネルに関して前述した特徴のそれぞれを粗い二次チャネルに適用することができる。しかし、本特許出願の解釈が容易になるよう、これらの特徴はここでは繰り返さない。 According to a variant of the invention, the secondary channels comprise coarse secondary channels, each coarse secondary channel being formed in a manner similar to the coarse primary channel. In particular, the coarse secondary channel can have a microstructure element having a dimension between 1 μm and 300 μm, preferably between 1 μm and 100 μm, and satisfying the formula applicable to the coarse primary channel. More generally, each of the features described above for the coarse primary channel can be applied to the coarse secondary channel. However, these features are not repeated here to facilitate interpretation of this patent application.
さらに、本発明の主題は、極低温技術により気体を分離するための分離装置であり、この分離装置は、少なくとも1つの蒸発器−凝縮器を形成する本発明による熱交換器を含み、この蒸発器−凝縮器は、酸素含有液体と窒素含有気体との間で熱を交換できるように構成される。 Furthermore, the subject of the present invention is a separation device for separating gases by cryogenic techniques, which separation device comprises a heat exchanger according to the invention forming at least one evaporator-condenser, The vessel-condenser is configured to exchange heat between the oxygen-containing liquid and the nitrogen-containing gas.
たとえば、このような極低温ガス分離装置によって、極低温技術の分野における標準的な一次液体および二次流体、たとえば空気の成分を分離するための酸素含有液体および窒素含有気体の取り扱いが可能となる。 For example, such cryogenic gas separation devices allow the handling of standard primary liquids and secondary fluids in the field of cryogenic technology, such as oxygen-containing liquids and nitrogen-containing gases to separate air components. .
前述の実施形態および変形形態は、独立して取り扱うことができる、またはあらゆる技術的に許容できる組合せにより取り扱うことができる。 The foregoing embodiments and variations can be handled independently or in any technically acceptable combination.
添付の図面を参照しながら単に非限定的な例として提供される以下の説明を考慮すれば、本発明が十分に理解され、その利点も明らかとなるであろう。 The present invention will be fully understood and its advantages will become apparent when considering the following description, provided solely by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings.
図2、3、および4は、一次液体と二次流体との間で熱の交換を引き起こすための熱交換器1を示している。熱交換器1は、極低温技術によって空気の成分を分離するための分離装置2に属する。 2, 3 and 4 show a heat exchanger 1 for causing heat exchange between the primary liquid and the secondary fluid. The heat exchanger 1 belongs to a separation device 2 for separating air components by cryogenic technology.
図2〜4の例では、熱交換器1は、酸素含有液体と窒素含有気体との間で熱を交換できるように構成される蒸発器−凝縮器が形成されるように構成される。したがって、プレート熱交換器1は、付随して凝縮される窒素に富む気体と熱を交換することによって酸素に富む液体を気化させるために使用することができる。 In the example of FIGS. 2-4, the heat exchanger 1 is configured to form an evaporator-condenser that is configured to exchange heat between an oxygen-containing liquid and a nitrogen-containing gas. Thus, the plate heat exchanger 1 can be used to vaporize an oxygen-rich liquid by exchanging heat with a nitrogen-rich gas concomitantly condensed.
熱交換器1は、互いに平行に配置される数枚のプレート11と、プレート11の間に延在し、これも互いに平行に配置されるスペーサー12とを含む。図2〜4の例では、プレート11およびスペーサー12はアルミニウム合金でできている。プレート11は、周知の方法で互いに蝋付けされる。
The heat exchanger 1 includes
スペーサー12は:
i)この場合は液体二酸素(O2L)を含有する一次液体の流れに適合し、粗い一次チャネル21を含む一次チャネルと;
ii)この場合は気体二窒素(N2G)を含有する二次流体の流れに適合する二次チャネル22と、
を画定するように配置される。
i) a primary channel which in this case is adapted to the flow of a primary liquid containing liquid dioxygen (O2L) and which includes a coarse
ii) a
Are arranged to define
それぞれの粗い一次チャネル21は、2つのそれぞれの二次チャネル22と熱を交換できるように配置される。このため、粗い一次チャネル21および二次チャネル22は、プレート11の積層方向Dに互いに交互に配置される。ここで、粗い一次チャネル21および二次チャネル22は向流構成で取り付けられる。あるいは、粗い一次チャネル21および二次チャネル22は並流構成で取り付けることができる。
Each coarse
熱交換器1は、分離装置2に属する一次液体分配器6に流体的に連結される一次液体入口14も含む。一次液体O2Lは一次液体分配器6の上で浴を形成する。 The heat exchanger 1 also includes a primary liquid inlet 14 that is fluidly connected to the primary liquid distributor 6 belonging to the separation device 2. The primary liquid O2L forms a bath on the primary liquid distributor 6.
熱交換器1の稼働中、入口14は粗い一次チャネル21よりも高い位置に配置される。高さは、上向き垂直方向を基準にして通常の方法で測定される。したがって、一次液体分配器6によって一次液体が膜の形態で導入され、重力によって入口14から粗い一次チャネル中まで流れる。
During operation of the heat exchanger 1, the inlet 14 is positioned higher than the coarse
さらに、それぞれの粗い一次チャネル21は、多角形断面を有する全体的に角柱の形状であり、長手方向Xに沿って延在する。この角柱は、いくつかの全体的に平坦な面で構成される。角柱の底面を画定する長方形の辺は、ここでは蝋付けによってわずかに丸みを帯びている。角柱のそれぞれの多角形断面または多角形周囲は、ここでは1mm〜5mmの間の寸法を有する。
Furthermore, each coarse
図3に示されるように、それぞれの粗い一次チャネル21は、この場合、長方形の底面を有する全体的に角柱の形状を有し、長手方向Xに沿って延在する。この場合、長方形断面は、おおよその高さH21が4.5mmに等しく、おおよその幅W21が1.5mmに等しい。熱交換器1の稼働中、一次液体は、角柱に沿って、長方形の底面に対して直角に流れる。
As shown in FIG. 3, each coarse
さらに、図3に示されるように、それぞれの粗い一次チャネル21はミクロ構造要素30を有する。ミクロ構造要素30は、考慮される粗い一次チャネル21の長さL21の少なくとも80%にわたって分布または配置される。分離装置2の寸法を示すため、粗い一次チャネル21の長さL21および二次チャネル22の長さは、熱交換によって一次液体のすべてまたは一部を気化させ、二次気体の形態で導入される二次流体のすべてまたは一部を凝縮させることが可能となるように決定される。
Further, as shown in FIG. 3, each coarse
それぞれのミクロ構造要素30は1μm〜300μmの間の寸法を有する。それぞれのミクロ構造要素30は、ここでは全体的に狭い円筒の形態を有する。図4に示されるように、ミクロ構造要素30は、互いに同様の寸法および形態を有する。ミクロ構造要素30は、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
r>1+1.3・103・Ra・ε
(式中:
rは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネル21の実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネル21の幾何学的表面との比であり、
Ra(単位m)は、中線に対する算術平均偏差であり、および
εは、それぞれの粗い一次チャネル21の実際の表面の空隙率である)
となるように構成される。
Each
r> 1 + 1.3 · 10 3 · R a · ε
(Where:
r is the ratio of the actual surface of each coarse
R a (unit m) is the arithmetic mean deviation relative to the midline, and ε is the actual surface porosity of each coarse primary channel 21)
It is comprised so that.
図1〜4の例ではミクロ構造要素30は規則的で均一に分布しており、これらは、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
r>1+1.3・103・h・ε
(式中、h(単位m)は、ミクロ構造要素30の平均高さであり、この平均高さは、それぞれのミクロ構造要素30の高さH30から計算される)
となるように構成される。
In the example of FIGS. 1-4, the
r> 1 + 1.3 · 10 3 · h · ε
(Where h (unit m) is the average height of the
It is comprised so that.
図4の例では、ミクロ構造要素30は、それぞれの粗い一次チャネル21の長方形断面全体には分布していない。それどころか、ミクロ構造要素30は、それぞれの粗い一次チャネル21の長方形断面の長辺44の上にのみ分布し、短辺45上には分布していない。言い換えると、短辺45はミクロ構造要素30を全く有さない。実際には、短辺45はぬれるが、その理由は長方形断面の角においてメニスカスが自然に形成されるためである。
In the example of FIG. 4, the
ミクロ構造要素30は、それらの間に一次液体O2Lが流れる流路を画定するように分布し、それによって開放された粗さを有する表面状態が画定される。さらに、ミクロ構造要素30は均一に分布する。言い換えると、2つの連続するミクロ構造要素30の間の間隔は、あらゆる方向で実質的に一定である。したがってミクロ構造要素30は、均一で規則的なマトリックスにより配列される。
The
ミクロ構造要素30は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
r>1+1.3・103・h・ε
となるように構成され、その中に。
The
r> 1 + 1.3 · 10 3 · h · ε
It is configured to be in it.
ミクロ構造要素30は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
The
(式中:
d(単位m)は、隣接するミクロ構造要素30の中心間の平均距離であり、これらの中心は、粗い一次チャネル21の幾何学的表面上に位置し、上記平均距離は、隣接するミクロ構造要素30の中心を2つずつ分離するそれぞれの距離d30から計算され、
P(単位m)は、ミクロ構造要素30の断面の平均周囲長さである)
となるように構成され、および
さらに、ミクロ構造要素30は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
(Where:
d (unit m) is the average distance between the centers of
P (unit m) is the average perimeter of the cross section of the microstructure element 30)
And, in addition, the
となるように構成される。 It is comprised so that.
さらに、ミクロ構造要素30は、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
Furthermore, the
(式中、S(単位m2)は、微細構造の断面の平均表面積である)
となるように構成される。
(Wherein S (unit m 2 ) is the average surface area of the cross section of the microstructure)
It is comprised so that.
ミクロ構造要素30が存在するので、それぞれの粗い一次チャネル21は、1μm〜60μmの間の算術粗さRaを有する。算術粗さRaは、考慮される粗い一次チャネル21の表面の中線に対する算術平均偏差を表す統計パラメーターの1つである。
Due to the presence of the
さらに、それぞれの粗い一次チャネル21は、その長さL21の少なくとも80%にわたって分布するナノ構造要素(図示せず)を有することができる。それぞれのナノ構造要素は1nm〜100nmの間の寸法を有する。ナノ構造要素は、それぞれの粗い一次チャネル21の表面、およびミクロ構造要素30の表面にわたって分布することができる。
Furthermore, each coarse
さらに、ミクロ構造要素30は、この場合、それぞれの粗い一次チャネル21の表面上への粒子の噴霧堆積(場合により用語「噴霧」で記載される)によって得られるコーティングを形成する。このコーティングを形成する粒子は、この場合、金属材料で構成される。
Furthermore, the
図5および6は、本発明の第2の実施形態による熱交換器に属する粗い一次チャネル121の一部を示している。粗い一次チャネル121は粗い一次チャネル21と類似しているので、後述の顕著な差を除けば、図1〜4に関連して前述した熱交換器および粗い一次チャネル21の説明を、粗い一次チャネル121およびその熱交換器に置き換えることができる。
5 and 6 show a part of the coarse
実質的にミクロ構造要素130が比較的幅広で高い円筒形であり、2つのミクロ構造要素30の間の間隔よりも広いという点で、粗い一次チャネル121は粗い一次チャネル21とは異なる。
The coarse
図7は、本発明の第3の実施形態による熱交換器に属する粗い一次チャネル221の一部の面x−zにおける断面を示している。粗い一次チャネル221は粗い一次チャネル21と類似しているので、後述の顕著な差を除けば、図1〜4に関連して前述した熱交換器および粗い一次チャネル21の説明を、粗い一次チャネル221およびその熱交換器に置き換えることができる。
FIG. 7 shows a cross section at a part xz of a rough
特に、ミクロ構造要素230が不規則であり、したがって互いに異なる形状および寸法を有するという点で、粗い一次チャネル221は粗い一次チャネル21とは異なる。さらに、特にミクロ構造要素230が不均一に分布し、この場合は不規則に分布しているという点で、粗い一次チャネル221は粗い一次チャネル21とは異なる。言い換えると、粗い一次チャネル221の実際の表面全体にわたって、2つの隣接するミクロ構造要素230の間の間隔が変動し、したがって一定ではない。
In particular, the coarse
ミクロ構造要素230は、それぞれの粗い一次チャネル21に関して:
r>1+1.3・103・Ra・ε
となるように構成される。
The
r> 1 + 1.3 · 10 3 · R a · ε
It is comprised so that.
図7中、中線 Middle line in FIG.
は、たとえば高さz1、z2、z3、z4、およびz5などの点ごとに測定された高さzの算術平均を表す。Rzは、表面の最低点に対する最高ピークの高さである。 Represents the arithmetic mean of the height z measured for each point, e.g. height z1, z2, z3, z4, and z5. R z is the height of the highest peak relative to the lowest point of the surface.
明らかに、本発明は、本特許出願に記載の特定の実施形態、または当業者の理解範囲内の実施形態に限定されるものではない。本特許出願に示される要素と同等のあらゆる要素から、本発明の範囲から逸脱しない別の実施形態を想定することができる。 Obviously, the present invention is not limited to the specific embodiments described in this patent application, or embodiments within the purview of those skilled in the art. Alternative embodiments can be envisaged from any element equivalent to that shown in this patent application without departing from the scope of the invention.
Claims (19)
互いに平行に配置された数枚のプレート(11)と、
i)前記一次液体(O2L)の流れに適合した一次チャネル(21、121、221、321)、およびii)前記二次流体(N2G)の流れに適合した二次チャネル(22)を画定するように、前記プレート(11)間に延在し、互いに平行に配置されたスペーサー(12)であって、それぞれの一次チャネル(21)が、少なくとも1つのそれぞれの二次チャネル(22)との前記熱の交換が可能なように配置されるスペーサー(12)と、
一次液体分配器(O2L)に流体的に連結するよう意図された一次液体入口(14)とを含み、
それぞれの一次チャネル(21)が多角形断面を有する全体的に角柱の形状を有し、前記角柱はいくつかの全体的に平坦な面から構成されることと、
前記一次チャネルが粗い一次チャネルを含み、それぞれの粗い一次チャネル(21)は、1μm〜300μmの間、好ましくは1μm〜100μmの間の寸法を有するミクロ構造要素(30、130、230、330)を有することと、
前記ミクロ構造要素(30)が、それぞれの粗い一次チャネル(21)に関して:
r>1+1.3・103・Ra・ε
(式中:
rは、分子としてのそれぞれの粗い一次チャネル(21)の実際の表面と、分母としてのそれぞれの粗い一次チャネル(21)の幾何学的表面との比であり、
Ra(単位m)は、中線に対する算術平均偏差であり、
εは、それぞれの粗い一次チャネル(21)の実際の表面の空隙率である)
となるように構成されることとを特徴とする熱交換器(1)。 A heat exchanger (1) for causing heat exchange between a primary liquid (O2L) and a secondary fluid (N2G) comprising:
Several plates (11) arranged parallel to each other;
i) defining a primary channel (21, 121, 221, 321) adapted to the flow of the primary liquid (O2L); and ii) defining a secondary channel (22) adapted to the flow of the secondary fluid (N2G). Spacers (12) extending between the plates (11) and arranged parallel to each other, each primary channel (21) being in contact with at least one respective secondary channel (22) A spacer (12) arranged to allow heat exchange;
A primary liquid inlet (14) intended to be fluidly coupled to a primary liquid distributor (O2L);
Each primary channel (21) has a generally prismatic shape with a polygonal cross section, said prisms being composed of several generally flat surfaces;
Said primary channels comprise coarse primary channels, each coarse primary channel (21) comprising a microstructure element (30, 130, 230, 330) having a dimension between 1 μm and 300 μm, preferably between 1 μm and 100 μm. Having
Said microstructure element (30) for each coarse primary channel (21):
r> 1 + 1.3 · 10 3 · R a · ε
(Where:
r is the ratio of the actual surface of each coarse primary channel (21) as a numerator to the geometric surface of each coarse primary channel (21) as a denominator;
R a (unit m) is the arithmetic mean deviation with respect to the middle line,
ε is the actual surface porosity of each rough primary channel (21))
It is comprised so that it may become. The heat exchanger (1) characterized by the above-mentioned.
r>1+1.3・103・h・ε
(式中、h(単位m)は、前記ミクロ構造要素(30)の平均高さである)
となるように構成される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。 Said microstructure elements (30) have similar dimensions and shapes to each other, said microstructure elements (30) for each coarse primary channel (21):
r> 1 + 1.3 · 10 3 · h · ε
(Where h (unit m) is the average height of the microstructure element (30))
The heat exchanger (1) according to any one of claims 1 to 4, configured to be
d(単位m)は、隣接するミクロ構造要素(30)の中心間の平均距離であり、前記中心は、前記粗い一次チャネル(21)の前記幾何学的表面上に位置し、
P(単位m)は、前記ミクロ構造要素(30)の断面の平均周囲長さである)
となるように構成される、請求項6に記載の熱交換器。 Said microstructure element (30) for each coarse primary channel (21):
d (unit m) is the average distance between the centers of adjacent microstructure elements (30), which centers are located on the geometric surface of the rough primary channel (21);
P (unit m) is the average perimeter of the cross section of the microstructure element (30))
The heat exchanger of claim 6, wherein the heat exchanger is configured to be
となるようにも構成される、請求項7に記載の熱交換器。 Said microstructure element (30) for each coarse primary channel (21):
The heat exchanger of claim 7, wherein the heat exchanger is also configured to be.
Separation device (2) for separating gases by cryogenic techniques, comprising a heat exchanger according to claim 13, forming at least one evaporator-condenser, the evaporator-condenser comprising Separation device (2) configured to be able to exchange heat between an oxygen-containing liquid and a nitrogen-containing gas.
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