JP2021520610A - インライン高純度ケミカルヒータ - Google Patents

Abstract

ヒータアセンブリは、比較的に薄い、熱可塑性導管と、導管の外周の周囲に巻回され、それと熱連通する、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンとを含む、加熱ホース構築物を含む。抵抗ワイヤまたは抵抗リボンによる導管の表面積の全体的な被覆面積は、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが導管を補強するように、導管の表面積の少なくとも５０％である。非伝導性編組層が、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって配置される。編組層は、導管から外に漏出する蒸気に対して透過性である。それによって加熱ホース構築物が支持される、支持部材が、提供される。支持部材は、それを通してパージガスが流動する、筐体の中に収容され得る。

Description

本開示は、ケミカルヒータに関する。より具体的には、これは、超高純度の化学物質を加熱することに対して現在市場で入手可能であるものよりもコスト効率の良い解決策を提供する、新しい、改良されたインラインケミカルヒータに関する。

従来のインラインケミカルヒータでは、加熱要素は、螺旋またはＵ字型等の小型形状に形成され、シールされた圧力容器の中に挿入される。加熱されるべき流体は、次いで、形成された加熱要素を封入するチャンバ内で流動する。したがって、流体は、加熱要素の周囲のある面積内に渦を作成する。そのような渦は、当然ながら、不利である。加えて、従来型のインラインケミカルヒータは、流体流路内に停滞面積を有し、これらの面積は、不利であることが公知である。他の従来型のヒータ設計は、過度に乱流性の面積を有する、流体流路を有し、そのような面積もまた、不利である。

多くの産業は、高純度および／または腐食性流体の温度を調整するために、熱交換器の使用を要求する。例えば、半導体産業におけるマイクロチップ加工プロセスは、シリコンウエハおよびマイクロ回路ラインをエッチングおよび／または洗浄するために使用される、エッチングおよび／または洗浄流体の加熱および温度調整を要求する。エッチング／洗浄流体のプロセス温度および熱容量は両方とも、比較的に高いため、かなり大量の熱が、エッチング／洗浄流体の温度を所望のレベルに上昇させ、維持するために要求される。また、これらの流体は、生来、腐食性であるため、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、ＤｕＰｏｎｔによって商標名Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）として販売される）または別の好適なポリマー等の化学的不活性材料が、使用され、流体を搬送するか、または抵抗加熱要素が腐食されないように保護するかのいずれかを行う必要がある。化学的に不活性であるが、ＰＴＦＥおよび他のそのようなポリマーは、非常に不十分な熱導体であるため、不利である。したがって、熱源と加熱されることが意図される流体との間の熱伝達が、そのような化学的不活性材料を採用する必要性によって限定される。

導管は、離間された場所間で液体およびガスを運搬する。用語「導管」は、任意の略管状の伸長部材を指し、一般的にはホース、管、パイプ、および同等物と称される、可撓性デバイスを含む。そのような導管は、熱可塑性材料から作製されてもよく、単一の壁または複数の壁による構築物であってもよく、補強されてもよい、または、補強されなくてもよい。本開示では、用語「導管」は、これらの部材またはデバイスの全てを包含する。

コストの視点から、そのような加熱アセンブリの最も高価な部分は、フッ素ポリマーまたは類似の化学的不活性熱可塑性管類材料である。したがって、全体として、加熱ユニットのコストを低減させるために、熱可塑性管類の厚さを低減させることが、有利であろう。しかしながら、管の壁が、過度に薄く作製される場合、これは、特に、流体が腐食性であり、本システムの他の構成要素に負の影響を及ぼし得る場合、破裂し、管を通して流動し、加熱されている流体の溢流につながらないように支持または補強される必要がある。管を補強するために、流体流路を構成する比較的に薄い熱可塑性管の周囲に、抵抗加熱ワイヤまたはリボンをコイル状に巻くことが、有利であろう。そのような構築物において、抵抗ワイヤまたはリボンは、管類を通して流動する流体のための熱源を提供するだけではなく、管類を補強することも行うであろう。同時に、抵抗ワイヤまたはリボンの連続コイル間に電気絶縁体を提供することも、有利であろう。

また、加熱されるべき流体が、いかなる停滞区分または過度に乱流性の区分も管内に位置することなく、管を通して継続的に流動するように、直線貫通流路を採用する加熱アセンブリを提供することが、望ましいであろう。直線貫通流路は、加熱アセンブリの長さを最小限にし、プロセス流体を所望の温度まで加熱するために要するホールドアップ時間を低減させるであろう。加えて、ヒータが通電されるとアース接地に接続されるように設計される、接地面を伴う加熱アセンブリを提供することが、望ましいであろう。このように、漏出が、発現する場合であっても、接地への電流経路が、提供され、ヒータが、次いで、停止されることを可能にするであろう。

本開示の一実施形態によると、ヒータアセンブリは、その導管を通して加熱されるべきプロセス流体が流動する、０．００３〜０．０４５インチ（０．００７６〜０．１１４３ｃｍ）の壁厚を有する熱可塑性導管を備える、加熱ホース構築物を備える。抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが、導管の外周の周囲に巻回され、それと熱連通する。抵抗ワイヤまたは抵抗リボンによる導管の表面積の全体的な被覆面積は、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが導管を補強または支持するように、導管の表面積の少なくとも５０％である。非伝導性編組層が、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって配置され、編組層は、導管から外に漏出する蒸気に対して透過性である。それによって加熱ホース構築物が支持される、支持部材が、提供される。

本開示の別の実施形態によると、ヒータアセンブリを製造するための方法が、提供される。本方法は、０．００３〜０．０４５インチ（０．００７６〜０．１１４３ｃｍ）の壁厚を有する、熱可塑性導管を提供することを含む。抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが、導管の周囲に位置付けられる。導管は、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンによる導管の外部表面積の全体的な被覆面積が、導管の外部表面積の少なくとも５０％であるように、抵抗ワイヤまたはリボンで補強される。非伝導性編組層が、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって位置付けられ、加熱ホース構築物を画定する。加熱ホース構築物は、支持部材上に搭載される。

そのようなヒータアセンブリの１つの利点は、熱可塑性導管が、比較的に薄い壁を有し、したがって、導管の熱可塑性材料の不十分な熱伝達性質が、軽減されることである。同時に、熱可塑性導管は、破裂する傾向を有しないように抵抗ワイヤまたはリボンによって適切に補強される。また、そのようなヒータアセンブリのコストは、導管内で使用される熱可塑性物質の量が低減されるため、低減される。また、編組層は、抵抗ワイヤまたはリボンにわたって配置され、編組層は、導管から外に漏出する蒸気に対して透過性であり得る。編組層は、抵抗ワイヤまたはリボンを電気的に絶縁するように非伝導性である。加えて、直線超高純度流路が、熱伝達アセンブリの全体的長さが、可能な限り短くなることを可能にし、それによって、加熱されるべき流体と熱可塑性導管との間の接触面積を最小限にし、したがって、また、加熱されるべき流体の純度を改良し、ホールドアップ時間を最小限にする、補強された熱可塑性導管によって提供される。

本開示は、ある部品および部品の配列における物理的形態を取り得、そのいくつかの実施形態は、本明細書に詳細に説明され、本明細書の一部を形成する、付随の図面に図示されるであろう。

図１は、本開示の一実施形態による、ヒータ構築物を通した断面図である。

図２は、図１のヒータ構築物を採用するヒータアセンブリを通した縮小断面図である。

図３は、本開示の別の実施形態による、ヒータ構築物の一部を通した断面図である。

図４は、本開示による、ヒータ構築物の一部のさらに別の実施形態を通した断面図である。

図５は、本開示のさらなる実施形態による、ヒータアセンブリを通した断面図である。

図６は、図５のヒータアセンブリの側面立面図である。

図７は、図６のヒータアセンブリの斜視図である。

図８は、本開示による、ヒータアセンブリのそのうえさらなる実施形態を通した断面図である。

図９は、付加的構成要素とともに図示される、図８のヒータアセンブリの縮小側面立面図である。

図１０は、本開示による、ヒータ構築物のいくつかの特性に関する図である。

図１１は、本開示のなおもさらなる実施形態による、ヒータアセンブリの断面図である。

ここで、表示が本開示のいくつかの実施形態を図示する目的のためにすぎず、それを限定する目的のためではない図面を参照すると、図１は、本開示による、ヒータアセンブリの一実施形態を示す。本実施形態では、ヒータアセンブリ１０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、ＤｕＰｏｎｔ（Ｄｅｌａｗａｒｅ）によって商標名Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）として販売される）、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、またはフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）材料等の好適な化学的不活化熱可塑性材料から作製される、管またはホース１２等の管状導管を含む。これらのフッ素ポリマーは、熱安定性であり、また、比較的に可撓性である。しかしながら、フッ素ポリマーを含有する導管は、典型的には、高い強度を保有していない。これは、導管が、拡張された長さであり、その自重を支持することが要求される場合、問題になる。また、フッ素ポリマー導管の強度が、導管が加熱され得る昇温状態によって悪影響を受け得る。さらに、そのようなフッ素ポリマー材料は、不十分な熱導体である。また、フッ素ポリマー管は、あるガス、特に、酸性ガスに対してある程度の透過性を呈する。

一実施形態では、導管の厚さは、０．００３〜０．０４５インチ（０．００７６〜０．１１４３ｃｍ）であることができる。例えば、管またはホース１２の壁厚は、０．０１０〜０．０３０インチ（０．０２５〜０．０７６ｃｍ）、より好ましくは、０．０１８〜０．０２０インチ（０．０４６〜０．０５１ｃｍ）であることができる。導管１２のための比較的に薄い壁を提供することが、導管を通した熱伝達を向上させ、より効率的なヒータアセンブリを作製することを理解されたい。理解され得るように、加熱されることが意図されるプロセス流体は、導管１２を通して流動する。所望される場合に押出され得る、管またはホースは、流体流路１６を画定する内壁１４と、外壁１８とを含む。外壁１８の周囲に巻回されるものは、導管１２と熱伝達関係にある、抵抗ワイヤまたはリボン２０等の可撓性の加熱要素である。抵抗ワイヤまたはリボン２０は、導管１２に係合し、それを支持または補強する。

熱可塑性材料、特に、フッ素ポリマーは、熱伝達用途における使用のためにあまり効率的ではない。事実上、それらは、熱伝達材料としてではなく、絶縁体材料としてより良好に適している。しかしながら、腐食性化学物質に対するそれらの耐性は、それらの清浄性と同様に、非常に望ましい。結果として、熱可塑性管またはホースの比較的に大量の表面積が、採用され、有用であるほどの十分な熱を伝達しなければならない。そのような熱可塑性材料は、非常に不十分に熱を伝達するので、管またはホースを通して流動するプロセス流体に熱を伝導するものが、抵抗ワイヤの真下に直接位置する、導管のそれらの面積のみなので、抵抗コイルが、管またはホースの表面積の有意な割合を被覆する必要がある。

管またはホース１２の比較的に薄い壁に起因して、これは、管の破裂、および加熱ホース構築物内で加熱されている流体の結果として生じる放出を防止するために、抵抗ワイヤまたはリボンによって補強される必要がある。一実施形態では、抵抗ワイヤまたはリボンによる管またはホースの外側表面積の全体的な被覆面積は、抵抗ワイヤまたはリボンがまた、管を補強する役割を果たすように、管の外壁表面の５０％を上回る。抵抗ワイヤまたはリボンによる管またはホースの外壁の全体的な被覆面積が、管厚、および完成された加熱ホース構築物に関する温度および圧力定格に基づいて変化し得ることを認識されたい。

大部分の加熱ホース構築物は、適切なゲージおよび好適な合金の抵抗ワイヤの単一の螺旋を使用し、所与の印加電圧における、所望の加熱電力を達成する。大部分のヒータアセンブリの典型的な設計目標は、可能な限り少ない抵抗ワイヤを使用することである。対照的に、本開示では、典型的であるよりもはるかにより多くの抵抗ワイヤが、使用される。事実上、典型的な加熱ホース構築物設計と比較されると、重量の関数としてほぼ５倍もの抵抗ワイヤが、使用される。ある程度まで、これは、開示される管状導管内で採用される熱可塑性材料の不十分な熱伝達容量に起因する。但し、そのように多くの抵抗ワイヤまたはリボンの使用はまた、比較的に薄い壁のある管またはホースを支持するためにも必要である。

時として、抵抗ワイヤの二重螺旋が、ヒータ設計において使用される。使用される抵抗ワイヤまたはリボンの螺旋の数は、要求される電力および電圧に基づいて、より多い、またはより少なくあり得る。本開示の一実施形態では、比較的に小ゲージの抵抗ワイヤの三重螺旋設計が、採用される（図４参照）。そのような三重螺旋抵抗ワイヤまたはリボン設計は、典型的ヒータ要素において利用可能であるものよりもはるかに優れている。ワイヤの数を増加させ、ワイヤ間の間隔を減少させることの１つの利点は、そのような設計が、管またはホースに沿った熱勾配を減少させ、それによって、ヒータアセンブリの性能を改良するであろうということである。ある実施例として、２０ゲージ（直径０．３２インチ、すなわち、０．８１ｃｍ）抵抗ワイヤの三重螺旋は、導管長１インチ（２．５４ｃｍ）あたり５〜７巻の螺旋を提供するであろう。

述べられるように、リボンが、比較的に薄い熱可塑性管類のさらなる支持および被覆を提供するであろうため、リボンタイプワイヤもまた、考えられる。しかしながら、そのようなリボンは、管またはホースの周囲に巻回することが、より困難であり得る。抵抗ワイヤまたはリボンを用いた導管の外部表面の５０％〜７０％の被覆が、有利であろうと考えられる。５０％が、導管の表面積にわたるワイヤまたはリボンの最小被覆面積であろうと考えられる。しかしながら、被覆面積は、最大１００％であり得る。１００％の被覆を達成することは、抵抗コイルが、組立に先立って酸化され、その連続する巻の間における短絡を防止することを要求するであろう。一実施形態では、抵抗ワイヤまたはリボンのワット密度は、１平方インチあたり２ワット（０．３１ワット／ｃｍ^２）〜１平方インチあたり５０ワット（７．７５ワット／ｃｍ^２）であることができる。例えば、ワット密度は、１平方インチあたり５〜２０ワット（０．７８〜３．１０ワット／ｃｍ^２）であり得る。

図１０は、種々のワイヤサイズの種々のタイプの配線レイアウトを伴う表を示す。測定値が米国測定体系およびメートル法の両方で列挙される表では、ワット数、ボルト数、アンペア数、抵抗値、および管類外径が、実施例のそれぞれに関して同一である。より具体的には、ワット数は、２，０００ワットであり、ボルト数は、４６０ボルトであり、アンペア数は、４．３５アンペアであり、抵抗値は、１０５．８０オームである。管類の外径は、各場合において、０．５５１インチ（１．４ｃｍ）である。各場合で異なるものは、ワイヤまたはリボンの間隔、米国ワイヤゲージおよびパターンでのワイヤサイズ（ＸＸは、２つのワイヤを示し、ＸＸＸは、３つのワイヤを示す）、インチ／ｃｍでのワイヤ直径、１インチ／ｃｍあたりでのオーム、ワイヤの巻数、ピッチ、ｉｎ^２／ｃｍ^２での管面積、ワット／ｉｎ^２またはワット／ｃｍ^２でのワット密度、インチ／ｃｍでのコイル間間隙、インチ／ｃｍでの巻線長、インチ／ｃｍでの螺旋長、およびいったん配線が管上の定位置に置かれたときの管と配線との組み合わせのインチ／ｃｍでの最大外径である。

熱伝達を改良し、また、比較的に薄い壁のある導管の支持を改良するために、複数の平行螺旋を伴う、より小径のワイヤを使用することが、望ましくあり得る。言い換えると、ワイヤの直径が大きいほど、より少ない支持が、管またはホースの壁のためにワイヤによって提供され、あまり効果的ではない熱伝導面積が、管またはホースを通して流動するプロセス流体のために提供される。一実施形態では、ワイヤは、金属マンドレル上に巻回され、次いで、導管上にスリーブが付けられ得る。これは、比較的に薄い壁のある熱可塑性導管が導管上にワイヤを巻回させるプロセスの間にワイヤを支持する必要がないように有利であり得る。一実施形態では、ワイヤは、１０の最大ゲージ（直径０．１０２インチ、すなわち、０．２５ｃｍ）および３４の最小ゲージ（直径０．００６インチ、すなわち、０．０１５ｃｍ）を有することができる。典型的には、ワイヤは、１９（０．０４０インチ、すなわち、０．１１ｃｍ）〜２４（０．０２２インチ、すなわち、０．０５６ｃｍ）ゲージワイヤのいずれかである可能性が高い。

一実施形態では、ワイヤは、８０パーセントのニッケルと２０パーセントのクロムとであり得る、ニクロムタイプワイヤ（ＮｉＣｒ）であることができる、または他の要素または物質を含むことができる。そのような材料は、Ｓａｎｄｖｉｋ Ｇｒｏｕｐ（Ｓｗｅｄｅｎ）によって商標名ＮＩＫＲＯＴＨＡＬ（登録商標）として販売されている。Ｓａｎｄｖｉｋは、ワイヤまたはリボン（平坦ワイヤ）の形態で利用可能なニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金群に商標名ＮＩＫＲＯＴＨＡＬ（登録商標）を適用している。これは、多種多様な抵抗加熱ワイヤ用途において使用される。しかしながら、他の望ましい抵抗ワイヤ材料も、銅とニッケルと（ＣｕＮｉ）のワイヤ、または鉄と、クロムと、アルミニウムと（ＦｅＣｒＡｌ）のワイヤを含み得る。ニクロムは、良好な耐薬品性を提供し、高い相対的抵抗、および高温における安定性を有するという視点から有利である。

抵抗ワイヤまたはリボンは、全体的設計のワット密度を調節することによって導管１２を融解することを防止されることができる。典型的には、ワット密度は、管類表面１平方インチあたり９〜１７ワット（１．４０〜２．６４ワット／ｃｍ^２）であることができる。これは、コイルと導管内で加熱されているプロセス流体との間の通常の動作条件下で許容可能な温度差をもたらす。

加熱要素、すなわち、加熱コイルの温度上昇率を監視するために、あるソフトウェアが、使用されることができる。加熱構築物が、プロセス流体が導管内に存在しない状態で意図せずにオンにされ得る条件において、加熱要素温度は、異常に急速に上昇し、加熱要素の通常の温度限界に到達する前に安全装置を切るであろう。このように、加熱要素の中に蓄えられたエネルギーは、加熱要素が単にその温度限界において遮断されるようになっていた場合、遅延される、または導管を融解することを防止される。

一実施形態では、温度制御システムが、提供され、加熱要素の加熱および導管１２内のプロセス流体の結果として生じる加熱の程度を制御するために、可撓性加熱要素への電力の流動を制御し得る。例えば、温度制御システムは、そのように所望される場合、加熱ホース構築物上に一体的に搭載されることができる。

非伝導性編組層２４が、接触関係において抵抗ワイヤまたはリボンにわたって配置されることができる。一実施形態では、非伝導性編組層は、繊維ガラス編組であることができる。編組層のための他のタイプの非伝導性材料もまた、考えられる。編組層の厚さは、ヒータが設計される電圧に若干依存する。編組層の厚さが、０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）以上、かつ０．０６０インチ（０．１５２ｃｍ）以下であろうことが考えられる。一実施形態では、編組層は、約０．０１５インチ（０．０３８ｃｍ）の厚さであり得る。編組層は、いくつかの理由のために有利であると見なされる。第１に、編組層は、これが、管に適用される際にコイル状に巻かれたワイヤまたはリボンが伸展することを防止するために、組立の間に抵抗ワイヤまたはリボンに機械的支持を提供する。言い換えると、編組層は、コイル状に巻かれた抵抗ワイヤまたはリボンをヒータアセンブリの製造の間にしっかりと保つ。これは、熱分散および導管の支持の両方のための抵抗ワイヤの一様な間隔を確実にする。第２に、編組層は、中心支持部の周囲のコイル状に巻かれた加熱ホース構築物の後続の巻からの、加熱ホース構築物のコイルの電気的絶縁を提供する。第３に、編組層は、損傷された薄い壁のある導管から漏出している場合がある、任意のプロセス流体を吸収するための芯として作用することによって、漏出検出を可能にする。言い換えると、編組層または要素は、導管１２を通したプロセス流体の漏出の場合に、接地フォルトをもたらすための手段を提供する。最後に、編組層は、下記に説明されるであろうように、パージガスを介して容易に除去されるべき透過物のための経路を提供する。

ここで図２を参照すると、ヒータアセンブリ３０は、その周囲に加熱ホース構築物１０が巻回され得る、支持部材３４を含む。より具体的には、加熱ホース構築物１０は、支持部材３４の外部表面３６の周囲に巻回され得るほど十分に可撓性である。本実施形態では、支持部材３４は、第１の端部４０と、第２の端部４２とを含む、円柱物等の中実部材であることができる。締結具４６が、支持部材３４の第１および第２の端部内に画定される、好適なボアの中に延在することができる。支持部材が、ヒータアセンブリが使用される加熱設備の空間要件に応じて、円柱として以外に幾何学的に成形され得ることを理解されたい。しかしながら、加熱ホース構築物１０が、最小の曲げ半径を有する必要があるため、支持部材が、丸みを付けられた縁を有することが望ましい。したがって、支持部材３４は、卵形または楕円形の断面、および円形の断面を有し得る。他の実施形態では、支持部材３４は、内部チャンバを含むように、中空であることができる。一実施形態では、支持部材３４上で加熱ホース構築物１０をコイル状に巻くことは、導管のループが、相互に接触する、または相互にタッチするようであることができる。この場合、編組層２４は、加熱ホース構築物の巻の間に電気的絶縁を提供することができる。

支持部材３４は、菫青石または凍石等の安価なセラミックから作製されることができる。代替として、支持部材は、接地面としても作用し得る、中空金属構造であることができる。しかしながら、そのような中空部材の端部は、コイル状に巻かれたヒータ構築物にわたってパージガスの流動を指向するために、閉鎖される必要性があるであろう。一実施形態では、支持部材３４の直径は、導管１２の直径の最低４倍であることができる。

支持部材は、筐体またはエンクロージャ５０内に封入されることができる。ある実施形態では、エンクロージャは、ガス等の流体が、画定された場所を除いては、エンクロージャの中または外に流動することを防止するようにシールされたエンクロージャであることができる。筐体は、第１の端部キャップ５２、第２の端部キャップ５４、および対向される端部キャップの対に搭載される、環状の側壁５６を含むことができる。一実施形態では、筐体はまた、円筒形であることができる。当然ながら、筐体は、再び、用途の空間要件に応じて、他の形状を有することができる。第１の端部キャップ５２に搭載されるものは、熱可塑性管または導管１２に流体的に接続され、プロセス流体が、接続部を通して、続いて、熱可塑性管を通して流動することを可能にする、プロセス流体入口または接続部６０であることができる。プロセス流体は、次いで、本図では不可視である接続部を介して、管の他端から外に流出する。

筐体は、熱可塑性ポリプロピレン等の好適な塑性材料から作製されることができる。他の実施形態では、筐体は、そのように所望される場合、他の熱可塑性物質またはコーティングされた鋼材料、またはステンレス鋼材料から作製されることができる。筐体のコストは、筐体の主要機能が、熱損失を低減させながら、同時に、パージガスが筐体を通して流動することを可能にするために、ヒータアセンブリを封入し、絶縁材料を収容するための空間を提供することであるため、それから筐体が構築される材料を決定することにおいて最も重要な要因であると考えられるであろう。

第１の端部キャップ５２に搭載されるものは、プロセス流体入口接続部６０から離間される、パージ流体入口接続部６６である。第２の端部キャップ５４に搭載されるものは、パージ流体出口接続部６８である。環状空間またはパージチャンバ７２が、筐体５０内に画定される。ヒータ構築物１０を通して透過し得る任意の流体を効果的に除去することが要求される、流率は、非常に小さくあり得ると考えられる。一実施形態では、流率は、１時間あたり０．５〜５標準立方フィート（０．０１４〜０．１４２ｍ^３／時）のパージガスのいずれかであり得る。低流率、典型的には、１時間あたり１〜２標準立方フィート（０．０３〜０．０５６ｍ^３／時）のエンクロージャまたは筐体５０を通した不活化パージガスが、熱可塑性熱交換導管または管類を通して透過する場合がある、任意のプロセス流体を除去することが予期される。ヒータ設計におけるパージガスの使用に関するさらなる開示が、米国特許第４，５５３，０２４号、第５，８７５，２８３号、および第５，９１９，３８６号（その開示は全て、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる）に見出され得る。コイル状に巻かれた管類の外部表面と筐体の内壁との間の間隙、または絶縁材料のために要求される空間は、非常に小さくあることができる。絶縁部の開放面積は、管類から外へのいかなる漏出物の効果的なパージにも十分であろう。筐体またはエンクロージャ５０は、したがって、構造的部材を提供し、構成要素の全てを固着させ、かつ漏出の検出および長時間のヒータ寿命の両方を可能にする、不活化環境を提供する。抵抗コイルまたはリボン２０による管１２の１００パーセントの被覆においても、パージが、抵抗コイルが透過または漏出に対して管１２をシールしないであろうため、依然として効果的であろうと考えられる。

一実施形態では、接地面または部材８０が、ヒータ構築物１０を封入することができる。加えて、接地面は、好適な締結具８４を介して支持部材３４に固着されることができる。他の実施形態では、接地部材は、支持部材と管との間に位置し得る。１つを上回る接地面が、任意の潜在的なフォルト条件に対する反応時間を最小限にするために、組立において提供され得ることが考えられる。例えば、接地部材は、そのように所望される場合、複数の管の間に位置し得る。

一実施形態では、絶縁層９０が、接地面８０と筐体５０の内壁との間に提供されることができる。絶縁層は、繊維ガラス等のセラミック材料であることができる。ケイ酸カルシウム、セラミック繊維、またはアルミナシリケート等の他のタイプの断熱材もまた、考えられる。事実上、シリコーン発泡体等のゴム材料もまた、そのように所望される場合、絶縁材料として採用され得る。

一実施形態では、ヒータアセンブリは、直径０．５インチ（１．２７ｃｍ）の管を使用して１分あたり１〜１０リットルの流率を有することができる。別の実施形態では、１分あたり０．１〜１．０リットルの流率が、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の直径を有する管の中に提供されることができる。

過温条件の場合に、ヒータ構築物１０への動力を遮断するための制御を可能にするために、抵抗ワイヤまたはリボン２０上に温度センサを提供することが、有利であり得る。ヒータワイヤまたはリボンの全体的設計のワット密度を調節することによって、抵抗ワイヤまたはリボン２０が管類１２を融解することを防止することが、明らかに望ましい。述べられるように、抵抗ワイヤまたはリボンは、管類表面１平方インチあたり約９〜１７ワット（５９〜１０９．７ワット／ｃｍ^２）を達成するように動作されることができる。

ここで図３および４を参照すると、これらは、２つの等価抵抗ヒータ要素設計を図示する。図３は、その周囲に１２２におけるように単一の螺旋にコイル状に巻かれた抵抗ワイヤ１２０が巻回される導管１１２を備える、ヒータ構築物１１０を示す。対照的に、図４は、その周囲に第１、第２、および第３のコイル１４２、１４４、および１４６を含む、三重螺旋コイルの形態に抵抗ワイヤ１４０が巻回される導管１３２を備える、ヒータ構築物１３０を示す。抵抗またはヒータワイヤ１２０および１３０が、個別の導管の軸に沿って等しい長さにわたって等しい抵抗を有し得ることを理解されたい。したがって、それらは、個別の導管１１２、１３２を通して流動しているプロセス流体に同一の量の熱を提供するであろう。しかしながら、図４に示されるコイル構築物は、図３に図示されるコイル構築物と比較されると、２倍を上回る導管１３２との接触面積を有する。したがって、図４に図示される抵抗ワイヤ構築物は、図３に図示される抵抗ワイヤ１２０がその導管１１２を支持することが可能であるよりも導管１３２をより良好に支持することが可能であり、導管１３２を通して流動するプロセス流体により良好に熱を伝達することが可能である。

ここで図５を参照すると、本開示の別の実施形態による加熱ホース構築物１５０を含む、ヒータアセンブリは、外壁１５６、およびチャンバ１６０を画定する内壁１５８を有する、支持部材１５４を含むことができる。本実施形態では、支持部材は、金属材料から作製されることができ、接地部１６２を形成する。加えて、本実施形態では、加熱ホース構築物１５０は、支持部材１５４の周囲に三重螺旋にコイル状に巻かれることができ、次いで、それ自体にわたってコイル状に巻き戻されることができる。より具体的には、加熱ホース構築物１５０は、第１の層、すなわち、内部コイル層１７４に、また、第２の層、すなわち、外部コイル層１７６にも形成される、第１、第２、および第３のコイル１６６、１６８、および１７０を含む。２つの層１７４および１７６は、そのように所望される場合、公知の絶縁材料のフィルムまたはシートによって相互から分離されることができる。また提供されるものは、加熱ホース構築物１５０を通して流動しているプロセス流体のための入口マニホールド１８０および出口マニホールド１８２である。図５に示されるように、筐体１９０は、支持部材１５４、および支持部材の周囲に巻回される、加熱ホース構築物１５０を封入する。環状空間１９２が、支持部材１５４と筐体１９０との間に提供され、管類層１７４および１７６を収容し、かつパージ流体が筐体１９０を通して流動することを可能にする。

本開示によるヒータアセンブリのそのうえさらなる実施形態では、図８および９に図示されるように、加熱ホース構築物２１０が、支持部材２１４の周囲に巻回される。本実施形態では、支持部材は、その周辺上に、その中にヒータ構築物２１０が巻回され得るチャネルを画定する複数の離間されたリブを含む、中実要素であることができる。支持部材の第１の端部が、第１のベース部材２２２の中に搭載され、支持部材の第２の端部が、第２のベース部材２２６の中に搭載される。２つのベース部材２２２および２２６および支持部材２１４は、筐体２３０の中に保持される。筐体は、第１のベース部材２２２に隣接して位置する、第１の端部キャップ２３２と、第２のベース部材２２６に隣接して位置する、第２の端部キャップ２３４とを含む。２つの端部キャップ２３２と２３４との間に保持されるものは、筐体２３０の環状側壁２３６である。筐体２３０の中に画定されるものは、パージチャンバ２４２である。筐体２３０の中に延在しているものは、抵抗ワイヤまたはリボンのための電力リード線２４８である。ここで図９も参照すると、第１の端部キャップ２３２は、パージ流体入口接続部２５６を収容し、第２の端部キャップ２３４は、パージ流体出口接続部２５８を収容する。第１の端部キャップ２３２に搭載されるものは、プロセス流体入口接続部２６６である。第２の端部キャップ２３４に搭載されるものは、プロセス流体出口接続部２６８である。

開示されているものは、支持部材上に巻回される、加熱ホース構築物である。加熱ホース構築物は、導管、すなわち、任意の好適な熱可塑性ホースまたは管状部材と、管状部材と熱連通する電気抵抗要素を有する、ヒータデバイスと、ヒータデバイスにわたって配置される、編組層とを含む。所望される場合、熱可塑性導管の感知される温度に基づいてヒータデバイスを通して電流の流動を制御する、熱調整デバイスもまた、提供されることができる。

ここで図１１を参照すると、加熱ホース構築物の別の実施形態が、そこに開示されている。本実施形態では、加熱ホース構築物３１０は、その周囲に１つ以上の抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが巻回され、非伝導性編組層が抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって配置される、比較的に薄い壁のある導管を含むことができる。異なるタイプの支持部材３２０が、加熱ホース構築物が概して自立型ではないため、加熱ホース構築物のために本実施形態に提供される。したがって、加熱ホース構築物を保持する、支承する、担持する、支える、または留め付けるための部材が、要求される。本実施形態では、支持部材は、それによって加熱ホース構築物の線形延在長が支持される、谷部または同等物の形態にあることができる。上記に議論される実施形態に開示されるように、中心支持構造の周囲に加熱ホース構築物を巻回させることは、所与の容積の中に充塞され得る熱交換面積の量を最大限にするために有益であるが、ある用途では、有益な結果が、加熱ホース構築物の連続的直線長を採用することから取得され得る可能性が非常に高い。事実上、加熱ホース構築物は、そのように所望される場合、レール等の支持体に結び付けられ得る。しかしながら、接地面または部材もまた、要求される可能性が高いであろう。

加えて、自立型の加熱ホース構築物が、所望される場合、薄い壁のある管または導管を巻着することが、可能性として考えられ得、ともに層形成する非伝導性編組の１つ以上の外部層において、その周囲に巻回される抵抗ワイヤまたは抵抗リボンは、自立型であり得るように、加熱ホース構築物に十分な堅性を提供するために十分に厚い。図１１に図示される線形実施形態と同様に、本実施形態は、接地面が加熱ホース構築物のために提供される限り、実行可能である。

本開示は、いくつかの実施形態を参照して説明されている。明白なこととして、改変および修正が、本明細書の熟読および理解に応じて当業者に想起されるであろう。添付の請求項またはそれらの均等物の範囲内に該当する限りにおいて、そのような修正および改変全てを含むことが意図される。

Claims (15)

1. ヒータアセンブリであって、
   加熱ホース構築物であって、
   熱可塑性導管であって、前記熱可塑性導管は、その導管を通して加熱されるべきプロセス流体が流動する０．００３〜０．０４５インチ（０．００７６〜０．１１４３ｃｍ）の壁厚を有する、熱可塑性導管と、
   抵抗ワイヤまたは抵抗リボンであって、前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンは、前記導管の外周の周囲に巻回され、それと熱連通し、前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンによる前記導管の表面積の全体的な被覆面積は、前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンが前記導管を補強または支持するように、前記導管の表面積の少なくとも５０％である、抵抗ワイヤまたは抵抗リボンと、
   非伝導性編組層であって、前記非伝導性編組層は、前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって配置され、前記編組層は、前記導管から外に漏出する蒸気に対して透過性である、非伝導性編組層と
   を備える、加熱ホース構築物と、
   前記加熱ホース構築物のための支持部材と
   を備える、ヒータアセンブリ。
2. 前記熱可塑性導管は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、およびフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
3. 前記加熱ホース構築物に接触する接地部材をさらに備える、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒータアセンブリ。
4. 前記接地部材は、前記編組層に接触する金属箔、および前記支持部材の金属部分のうちの少なくとも一方を含む、請求項３に記載のヒータアセンブリ。
5. 前記支持部材は、断面において、円形、卵形を画定するか、または、楕円形状を有する、請求項１−４のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
6. 前記支持部材は、内部チャンバを含む、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記抵抗ワイヤの直径または前記抵抗リボンの厚さは、０．００６インチ（０．０１５ｃｍ）〜０．１０２インチ（０．２５ｃｍ）である、請求項１−６のいずれか１項に記載のアセンブリ。
8. 前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンのワット密度は、２ワット／ｉｎ^２（０．３１ワット／ｃｍ^２）〜５０ワット／ｉｎ^２（７．７５ワット／ｃｍ^２）、より好ましくは、５〜２０ワット／ｉｎ^２（０．７８〜３．１０ワット／ｃｍ^２）、最も好ましくは、９〜１７ワット／ｉｎ^２（１．４０〜２．６４ワット／ｃｍ^２）である、請求項１−７のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
9. 前記編組層の厚さは、０．０１０〜０．０６０インチ（０．０２５〜０．１５２ｃｍ）、より好ましくは、約０．０１５インチ（０．０３８ｃｍ）である、請求項１−８のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
10. 筐体をさらに備え、前記筐体は、前記支持部材と、それによって支持される前記加熱ホース構築物とを封入し、前記筐体は、前記支持部材を収容するチャンバと、前記チャンバと連通するパージ流体入口と、前記チャンバ連通するパージ流体出口と、前記加熱ホース構築物と連通するプロセス流体入口と、前記加熱ホース構築物と連通するプロセス流体出口とを含む、請求項１−９のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
11. 前記筐体のチャンバの中に配置され、前記筐体の内壁と前記編組層の外部表面との間に位置する絶縁層をさらに備える、請求項１０に記載のヒータアセンブリ。
12. 前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンの少なくとも１つの螺旋が、前記導管の周囲に巻回される、請求項１−１１のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
13. 前記加熱ホース構築物の第１のコイルが、前記支持部材の周囲に巻回され、前記加熱ホース構築物の第２のコイルによって覆われる、請求項１−１２のいずれか１項に記載のヒータアセンブリ。
14. ヒータアセンブリを製造するための方法であって、
    ０．００３〜０．０４５インチ（０．００７６〜０．１１４３ｃｍ）の壁厚を有する熱可塑性導管を提供することと、
    前記導管の周囲に抵抗ワイヤまたは抵抗リボンをコイル状に巻くことと、
    前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンによる前記導管の外部表面積の全体的な被覆面積が、前記導管の外部表面積の少なくとも５０％であるように、前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンで前記導管を補強することと、
    前記抵抗ワイヤまたは抵抗リボンにわたって非伝導性編組層を位置付け、加熱ホース構築物を画定することと、
    支持部材上にまたはそれに対して前記加熱ホース構築物を搭載することと
    を含む、方法。
15. 前記支持部をそれによって支持される前記加熱ホース構築物と共にエンクロージャ内に位置付けることと、
    前記エンクロージャを通してパージ流体を伝導することと
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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