JP2023514363A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

シェルとシェル内の配管とを備えるシェルアンドチューブ型熱交換器。配管は、流管を備える。流管は、その長さに沿って複数の節点で分枝する。シェルアンドチューブ型熱交換器は、流管に流体結合された管マトリックスをさらに備える。【選択図】図１

Description

本開示は、シェルアンドチューブ型熱交換器およびそのような熱交換器の運転方法に関する。熱交換器は、ガスタービンエンジンおよびハイブリッドロケット型エンジンなどの航空宇宙システムにおける用途を有し得る。

既知の熱交換器は、シェルと、典型的にはシェル内に管束を備える配管とを含む。ある流体は管束を通過し、別の流体は管束の周りのシェルの容積を通過する。最初に異なる温度の流体を用いると、流体間の熱伝達が生じる。しかしながら、既知の構成は、材料およびそれに関連する質量に起因して、その用途に限界があり、そのため、軽量で効率的な設計を必要とする用途には適さない可能性がある。

本開示は、先行技術に関連する問題に対処し、および／または少なくともある程度改善することを目的とする。

本開示の第１の態様によれば、以下のものが提供される。

シェルアンドチューブ型熱交換器であって、
シェルと、
前記シェル内の配管であって、配管は流管を備え、前記流管はその長さに沿って複数の節点で分枝する、配管と、
前記流管に流体結合された管マトリックスと、
を備えるシェルアンドチューブ型熱交換器が提供される。

有利には、流管の連続的な分枝または分岐により、このような配管は、一方の端部で１つの入口に流体結合され、他方の端部で管マトリックスに流体結合された、究極的に極めて小さい断面、例えば１００μｍ未満の直径の断面を有する流管を提供することができる。

節点は、流管の長さに沿った、流管が分枝または分岐する位置である。

任意に、それぞれの節点または分岐点において、流管は複数の副管に分枝または分岐する。

シェルは、管マトリックスに隣接して形成され得、マトリックスの管は、１つ以上のウェブまたはフィンによってシェルに結合され得る。このような構成は、有利には、低圧熱交換器の用途のような１つのマトリックスのみが必要とされる用途を有し得る。シェルは、例えば、付加製造技術によってマトリックスと一体的に形成され得る。材料は、金属、例えば、３１６Ｌステンレス鋼を含み得る。

副管は、流管の先行部分よりも直径が小さく、管の直径は、その後続の分枝に伴ってサイズが次第に減少するようになっている。このような構成は、副管の数の増加による全表面積の増大に伴う性能上の利点を提供することができる。

流管の長さに沿った節点における流管の副管への漸進的な分枝は、準フラクタル形態を有し得る。これは、分枝パターンが各節点で同一または類似した形で繰り返すことを意味する。

各々のそれぞれの副管は、例えば副管の範囲に対して略垂直に延在する共通の平面において整列された節点で、さらに分枝または分岐し得る。

任意に、各々の副管において分枝または分岐が生じるそれぞれの対応する節点は、オフセットされてもよく、または湾曲面において整列されてもよい。そのような構成は、よりコンパクトな分岐構造を可能にし得る。

流管の内部断面積は、任意に、分枝または分岐節点を通して、またはその領域内で、一定または概ね一定に維持され得る。すなわち、節点または分岐点を通る流管の全断面積が、流管が細分化するときに一定またはほぼ一定に維持される。このことにより、流管の節点における圧力集中を回避することができる。

流管の断面は、節点間で略円形であり得る。流管の断面は、非円形の形状、例えば涙滴形状を有し得る。管は、涙滴の丸みを帯びた先端がシェルの容積内の流体の流れに面するように構成され得る。このことにより、シェルを通過する流体の圧力降下を低減することができる。

流管は、シェルの容積内でバッフルとして機能することができるウェブによって支持され得る。これらは、シェル内の流れまたは流体を有利に方向付けることができ、停滞流領域を回避することもできる。

配管は、熱伝達媒体を導入するための流体入口または出口を有し得る。

任意に、流管は、管入口が複数の副管に分枝する主分枝節点をさらに備える。

各節点において、流管は、例えば２本、３本または４本の副管に分枝または分岐し得る。後続の節点において、副管の各々は、等しいまたは異なる数の更なる副管にそれぞれ分枝または分岐し得る。この分枝または分岐パターンは、次々と増える副管を形成し続け得る。

任意に、前記配管は、管モジュールとして形成される。このことは、熱交換器のスケーリングを可能にし得る。加えて、モジュール設計は、モジュールの保守点検または保守点検中の交換を可能にする。

管モジュールは、モジュールの全ての副管用の共通の入口を有し得る。管モジュールは、モジュールの全ての副管用の共通の出口を有し得る。

任意に、熱交換器は複数の管モジュールを備える。このようにして、熱交換器は、モジュールの数を選択することによって、要件に従ってサイズ決定され得る。

任意に、複数の管モジュールの各々は実質的に同一である。

任意に、複数の管モジュールの各々は前記シェルの回転軸の周りに配置される。

任意に、複数の管モジュールの各々は前記シェルの長手方向軸の周りに角度を成して離間して配置される。

任意に、各々の管モジュールは共通の流体入口に接続される。共通流体入口は、各々のモジュールに流体結合する管のウェブに流体結合され得る。

任意に、複数の管モジュールは、略リング状構造体を形成する。

任意に、リング状構造体は、それを貫通して画定された開口部を備える。

任意に、開口部はシェルの長手方向軸上に位置する。

任意に、リング状構造体の開口部内にプラグが設けられる。プラグは、その点におけるシェルの全断面積の約１０％以下の表面積を有し得る。

任意に、前記管マトリックスは前記モジュール内に設けられる。各々のモジュールは、管マトリックスを備え得る。管マトリックスは、管の比較的密な配置、例えば、管マトリックス内の管の直径の２倍未満（例えば、管マトリックス内の管の直径と実質的に等しいかまたはそれ未満）の間隔を形成し得る。流管は、管マトリックスと流体連通している、より小さな副管へと次第に分枝し得る。流管が分枝するモジュールのセクションは、マトリックスへの流体送達のためのマニホールドを形成し得る。管マトリックスは、１００本、１０００本またはそれ以上の管を備え、用途に応じてサイズ決定され得る。マトリックスの管は、互いに等間隔で離間し得る。マトリックスの管は、例えばそれらの外縁に沿って、互いに結合され得る。マトリックスは、アレイ状に配置され得る管の塊を形成し得る。マトリックスは、シェル内の配管と共に配置され得る。

管マトリックスは、モジュール内の最小直径の管を備え得る。管マトリックスは、最大表面積をもたらし、ひいては、熱交換器における熱伝達の大部分をもたらし得る。

マトリックスの外側輪郭は、用途に応じて成形され得る。例えば、マトリックスは、リング、四辺形、円形、または任意の他の形状のセグメントの形態にある外側輪郭または外周を有し得る。このことにより、マトリックスは、位置決めされるシェルまたは空間または容積の輪郭に有利に適合することができる。

マトリックスの容積の形状は、直方体、円柱または任意の他の形状であり得る。

任意に、管マトリックスは、複数の略平行な管を備える。マトリックスの管は、互いに離間して、例えばアレイ状に配置され得る。マトリックスの管は、実質的に直線状の列に配置され得る。列は平行であり得る。マトリックスの管の間隔は均一であり得る。隣接列の管は、互いにオフセットされ得る、および／または交互の列に整列され得る。

任意に、管マトリックスは、マトリックスの管がシェルに対して軸方向に延在するように整列される。

任意に、管マトリックスの範囲は、概ねシェルの軸に対して垂直な平面上に位置決めされる。

支持フィンまたはリブがマトリックス内の隣接する管の間に設けられ得る。フィンは、マトリックス内の管の全長に沿って延在し得る。

任意に、別個の支持フィンまたはリブが、マトリックス内の隣接する管の間に、マトリックスの管の長さに沿って間隔を置いて設けられ得る。フィンまたはリブのこのような配置は、マトリックスにおける熱勾配の適応を助けることができる。フィンまたはリブの間隔は、フィンまたはリブの幅とほぼ等しい間隔であり得る。

フィンは、実質的に平坦なストリップの形態にあり得る。

任意に、別個の支持フィンが、管のマトリックス全体にわたって互い違いに離間して設けられ得る。このような配置は、熱勾配の適応における利点を依然として提供しながら、質量を低減することができる。

任意に、管モジュールは、付加製造プロセスを使用して製造され得る。マトリックスは、分枝管セクションおよび／または集約管セクションと一体的に形成され得る。

モジュールの材料は、用途に応じて選択され得る。材料は、３１６Ｌステンレス鋼などのステンレス鋼、アルミニウムおよびチタンを含み得る。

任意に、管マトリックスの下流側において、各々の管は、その長さに沿って複数の節点で集約される。管のこの連続的な集約は、モジュールの分枝または分岐形態と同一または実質的に同一の形態を有し得、分枝に関連して説明した特徴は、副管の集約に等しく適用され得る。

任意に、管マトリックスは、分枝管セクションまたはマニホールドと集約管セクションまたはマニホールドとの間に配置され、それらに流体接続される。分枝管セクションおよび集約管セクションは、シェルの両側に位置決めされ得、マトリックスはシェル内のほぼ中央に位置合わせされる。

集約管セクションまたはマニホールドは、管のウェブに結合され得る。管のウェブは、管モジュールの各々に結合され得る。管のウェブは、共通の流体入口／出口を有し得る。

任意に、管のウェブ内の各々の管は、スパイラル状、例えば螺旋状に配置されたセクションを含み得る。この管のスパイラル配置は、熱交換器内の管モジュール（単数または複数）の熱膨張または収縮に対する適応をもたらし得るが、管の軸方向移動を可能にする。

スパイラルは、その回転軸が熱交換器シェルの中心長手方向軸と位置合わせされた状態で配置され得る。

任意に、モジュールの分枝管セクションは、集約セクションと実質的に同一の形態を有する。

任意に、シェルは丸みを帯びている。

任意に、シェルは略球形である。このことは、最大内容積を有するが、最小外表面積、ひいては最小限の材料のシェルを可能にする。このような形態はまた、内圧に耐える構造を提供することができる。

シェルは、ダクト、例えば円筒状ダクトとして形成され得る。マトリックスおよび流管は、前記ダクト内に設けられ得る。配管への入口および出口は、流管に対して非軸方向に、例えば実質的に垂直に延在し得る。入口および出口は、シェルの壁、たとえばダクトを貫通して延在し得、その中にマトリックスおよび配管が設けられる。

任意に、シェルは流体入口を備える。

任意に、シェルの入口は、ディフューザを介してシェルの内容積と流体連通している。ディフューザは、シェルの内面にほぼ一致する流路として形成され得る。

任意に、シェルはサーマルライナーを備える。このような配置により、シェルを均一な温度で維持することができ、ひいては熱応力を低減することができる。

任意に、サーマルライナーは、シェルの内面に実質的に一致し、シェルの内面から離間して、それらの間に流路を形成する。このことは、入口からシェルに流入する流体の少量のブリード流を可能にし得る。

本開示のさらなる態様によれば、第１の態様およびその任意の特徴に従うシェルアンドチューブ型熱交換器を運転する方法であって、
シェルに加熱剤または冷却剤を供給して前記シェルを満たすステップと、
前記シェル内の配管に流体を供給するステップと、
を含む方法が提供される。

加熱剤または冷却剤は、ディフューザを介して供給され得る。

加熱剤または冷却剤の少量のブリード流がサーマルライナーに供給され得る。このことにより、確実にシェルの上流側および下流側を等温にすることができる。

本開示の第３の態様によれば、第１の態様またはその任意の特徴に従う熱交換器を備えるエンジンまたは車両が提供される。

ここで、本開示について、以下の図面を参照ながら例を挙げて説明する。

シェルおよび配管を示す例示的な熱交換器の断面図である。 複数の管モジュールを示す図１の熱交換器の部分破断斜視図である。 ディフューザを示す図１の熱交換器の断面図である。 分岐マニホールドの漸進的な層を示す図である。 分岐マニホールドの斜視図である。 分岐マニホールドの平面図である。 分枝配管の複数の平坦な節点面を示す図である。 分枝配管の複数の湾曲した節点面を示す図である。 節点の第１の断面図を示す。 節点の一連の第２の断面図を示す。 連続的なフィン配列を有する管マトリックスの破断斜視図を示す。 離間したフィン配列を有する管マトリックスの破断斜視図を示す。 互い違いに離間されたフィン配列を有する管マトリックスの破断斜視図を示す。 一定温度での管マトリックスの破断図を示す。 熱勾配を受ける管マトリックスの破断図を示す。 モジュール取り付けの位置を強調した熱交換器の断面図を示す。 モジュール取り付けを示す熱交換器の拡大断面図を示す。 分岐マニホールドおよびマトリックスシェルによって取り囲まれたマトリックスセクションの斜視図を示す。 シェルおよび配管を示す例示的な熱交換器の断面図である。 代替のマトリックスの形態の一例を示す。 涙滴管断面の一例を示す図である。 熱交換器のシェル内に存在するバッフル支持体の一例を示す。

図１は、熱交換器全体を１で示す。熱交換器はシェル２を備え、シェル２は、図示されている例では、略球形である。シェル２は、シェル入口３を備える。シェル２はさらに、シェル出口４を備える。シェル入口３およびシェル出口４はともに、略円形の断面を有する。シェルは２つの半球体、すなわち流体がシェル２の容積内に導入される入口半球体２７と、出口半球体２８とを備える。シェル入口３は、入口半球体２７の表面上に位置する。シェル出口４は、出口半球体２８の表面に位置する。シェル出口４の位置は、シェル入口３の正反対の位置である。

シェル２内には、配管５が位置している。図示されている例では、配管５はシェル２を完全に貫通して延在する。配管５は、流管６を備える。流管６は、流管入口ウェブ２９と流管出口ウェブ３０とを備える。流管入口ウェブ２９は、シェル２の出口半球体２８に位置し、流管出口ウェブ３０は、シェル２の入口半球体２８に位置する。配管５は、用途に応じて加熱剤または冷却剤を供給することができる管入口７をさらに備える。管入口７は、シェル出口４の中央に位置し、シェル出口４よりも小さい直径を有する。管入口７は、流管入口ウェブ２９にも流体接続される。流管６は、管出口８を有する。管出口８は、シェル入口３の中央に位置し、シェル入口３よりも小さい直径を有する。管出口８は、流管出口ウェブ３０に流体接続される。管入口７および管出口８はともに、略円形の断面を有する。

ここで図１および図２を参照すると、流管６の流管入口ウェブ２９と流管出口ウェブ３０との間のセクションは、複数の管モジュール９を備える。この例では、８つの管モジュール９が存在する。管モジュール９は、実質的に同一のモジュールである。複数の管モジュール９は、シェル２の長手方向軸の周りに角度を成して配置される。管モジュール９のこの角度配置は、リング状構造体または略トロイダル構造体を形成する。複数の管モジュール９がまとめて配置されるときに、それらは略円形の外側輪郭を形成する。この円形の外側輪郭の表面は、シェル２の長手方向軸から全ての点においてほぼ等距離にある。管モジュール９は、シェル入口３とシェル出口４との間で実質的に等距離に離間されるように、シェル２の中心平面内に位置する。管モジュール９のリング状構造体は、それを貫通して画定された開口部を有する。開口部は、略円形であり、シェルの長手方向軸上に位置する。開口部は、開口部を塞ぐ中心線プラグ１６によって覆われる、または封止される。このことにより、開口部によるシェル入口３とシェル出口４との流体接続が防止される。例えば、開口部は、シェル入口３とシェル出口４との間で等距離にあるシェル２の断面の約９分の１である。中心線プラグ１６の代わりに別の管モジュール（図示せず）が使用されてもよい。

各々の管モジュール９は、分枝管セクションまたはマニホールド１８を備える。各々の管モジュール９は、管マトリックス１３をさらに備える。各々の管モジュール９はさらに、集約管セクションまたはマニホールド１９を備える。分枝マニホールド１８は、管マトリックス１３に流体接続される。管マトリックス１３は、集約マニホールド１９に流体接続される。したがって、分枝マニホールド１８は、集約マニホールド１９に流体接続される。配管５は、複数の節点で分枝マニホールド１８内の複数の副管へと分枝する。配管５は、複数の節点で集約マニホールド１９内の単一の副管に集約される。このようにして、配管５の表面積は、分枝マニホールド１８において大幅に増加する。配管５の表面積は、管マトリックス１３において実質的に一定である。集約マニホールド１９において、配管５の表面積は大幅に減少する。

管モジュール９は、管モジュール入口１０備える。管モジュール入口１０は、出口半球体２８に位置する。管モジュール入口１０には、流管６が分枝し始める節点が位置する。この節点は、主分枝節点として知られる。管モジュール９は、管モジュール出口１１をさらに備える。管モジュール出口１１には、集約マニホールドの副管が１つの単一管に集約される節点が位置する。この節点は、主集約節点として知られる。管モジュール出口１１は、入口半球体２７に位置する。管モジュール入口１０および管モジュール出口１１は、互いに流体接続される。管モジュール入口１０および管モジュール出口１１は、シェル２の長手方向軸と略平行な軸上に整列される。管モジュール入口１０は、分枝マニホールド１９および集約マニホールド１８に流体接続される。

流管入口ウェブ２９は、管入口７から管モジュール入口１０までの流管６の長さを備える。流管入口ウェブ２９は、最初は単一管である。流管入口ウェブ２９は、次いで、分岐点１２において複数のモジュール供給管へと分岐する。

流管入口ウェブ２９はさらに、拡張螺旋体３１を備える。拡張螺旋体３１は、支持されている管モジュール９の軸方向の熱膨張または収縮を可能にする。すなわち、拡張螺旋体３１は、熱交換器がシェル２に対する管モジュール９の熱膨張に対処できるようにする。熱交換器１全体にわたる極端な温度勾配は、関連するエンジンの始動中に発生する可能性があり、したがって、配管５が、過度の熱歪み無しにそのような極端な温度勾配に適応できることが重要である。入口ウェブにおいて、モジュール供給管の各々は、螺旋状に配置される。モジュール供給管６の数に応じて、二重螺旋体、三重螺旋体が形成され得る。拡張螺旋体は、完全に出口半球体２８内に位置する。拡張螺旋体３１はさらに、全長にわたってシェルの長手方向軸から等距離にある。拡張螺旋体３１の後、流管入口ウェブ２９は、管モジュール入口１０に接続する。

図１を参照すると、管モジュール入口１０は、管マトリックス１３に流体接続される。各々の管モジュール９の管マトリックス１３は全て、シェル入口３とシェル出口４との間で実質的に等距離に離間されるように、シェル２の中心平面内に位置する。管マトリックス１３はさらに、管マトリックス入口１４を備える。この例では、管マトリックス入口１４は出口半球体２８に位置する。

分枝マニホールド１８は、管モジュール入口１０から管マトリックス入口１４までの管の長さを備える。分枝マニホールド１８において、配管５の流管は、その長さに沿った複数の点において、さらに多くの副管へと分枝する。配管５が分かれるまたは分岐するたびに、後続の副管はそれぞれ、分割前の管よりも小さい直径を有する。分枝マニホールド１８において、副管が分枝または分岐する角度は実質的に一定である。配管５は、管モジュール入口１０から管マトリックス入口１４に達するまで繰り返し分枝する。副管を分枝するパターンは、サイズを縮小しながら実質的に繰り返される。このパターンはフラクタルパターンに類似していると考えることができる。

管マトリックス１３はさらに、管マトリックス出口１５を備える。管マトリックス出口は、入口半球体２７に位置する。管マトリックス入口１４および管マトリックス出口１５は、互いに流体接続される。管マトリックス入口１４および管マトリックス出口１５は、シェルの長手方向軸と略平行な軸上に整列される。

マニホールドセクション１８、１９は、付加製造技術を用いて形成され得る。用途に応じた３１６Ｌステンレス鋼、アルミニウムおよびチタンなどの材料が、用途に応じて選択され得る。このことにより、配管の複雑な形態を可能にする。管のアスペクト比、すなわち管の外径に対する管の内径は、利用可能な製造公差、特に壁厚によって制限される。

付加製造技術が使用される場合、マニホールドセクションおよび管マトリックス１３は、１つの連続片として形成され得る、または別々に製造されて、例えばマニホールドセクションをマトリックス管にろう付けすることによって接合され得る。

管マトリックス１３は、複数の略平行な管を備える。管マトリックスの管は、配管５の最小直径の管である。管マトリックス１３は、その管がシェル２の長手方向軸と略平行になるように整列される。管マトリックス入口１４と管マトリックス出口１５との間では、管マトリックスの管は、分枝も集約もしない。この例では、モジュールのマトリックスは、１００を超える数のマトリックス管を備える。

管マトリックス出口１５には、複数の副管がある。集約マニホールド１９は、管マトリックス出口１５と管モジュール出口１１との間の配管５の長さを備える。集約マニホールド１９は、複数の節点で配管５を集約する。このようにして、配管５は、各々の管モジュール出口１１において、複数の副管から単一管に集約される。配管５が集約されるたびに、後続の副管はそれぞれ、副管を形成するために集約される管よりも大きい直径を有する。集約マニホールド１９において、副管が集約される角度は実質的に一定である。副管が集約される角度は、副管が分枝する角度と実質的に同じである。配管５は、管マトリックス出口から管モジュール出口１１まで繰り返し集約される。副管を集約するパターンは、サイズを拡大しながら実質的に繰り返される。

流管出口ウェブ３０は、管モジュール出口１１から管出口８までの流管６の長さを備える。流管出口ウェブ３０において、流管６は、最初は複数のモジュール出口管である。各々の管モジュール出口１１は、１つのモジュール出口管に対応する。すなわち、各々のモジュール出口管は、１つの管モジュール出口１１に対応する。流管出口ウェブ３０は、次いで、接合点１７において複数のモジュール出口管を１つの単一管に接合する。この例では、この単一管は、管出口８に到達する前に分岐せず、他の管と接合もしない。

図１、図２および図３を参照すると、シェル２は、ディフューザ２０をさらに備える。ディフューザ２０は、入口半球体２７に位置する。ディフューザ２０は、シェル２の内面とディフューザ表皮２１との間に通路を形成する。このディフューザは、低い圧力損失で入口流れを効率的に減速させるためのものである。ディフューザ表皮２１は、シェル２の湾曲に実質的に追従する。ディフューザ表皮２１は、シェル入口３を覆う。シェル２の内面とディフューザ表皮２１との間に形成されたディフューザ通路７９は、その長さの大部分にわたってほぼ一定の幅を有する。シェル２の内面とディフューザ表皮２１との間に形成されたディフューザ通路７９は、シェル入口３ではより厚みがある。これは、シェル入口３におけるシェル２が長手方向に延びているためである。シェル２の内面とディフューザ表皮２１との間のディフューザ通路７９は、ディフューザフィン２２によって分割される。これらのディフューザフィンは、ディフューザ通路７９を分流チャネルに分割する。これらの分流チャネルは、矩形断面を有する。この例では、チャネルの入口対出口面積比は１：４である。

ディフューザ２０は、ディフューザ出口８０をさらに備える。ディフューザ出口８０は、ディフューザ通路７９の端部に位置する。シェル２は、入口プレナム２３をさらに備える。ディフューザ２０は、ディフューザ出口８０を介して入口プレナム２３に流体接続される。シェル２は、出口プレナム２４をさらに備える。入口プレナムと出口プレナムとは流体接続される。入口プレナム２３および出口プレナム２４は、管マトリックス１３の管の間の空間を通して流体接続される。出口プレナム２４は、シェル出口４に流体接続される。

ここで図１および図２を参照する。シェル２は、サーマルライナー２５をさらに備える。サーマルライナー２５は、入口プレナム２３をシェル出口４と流体接続する。サーマルライナー２５は、シェルの外面の温度を維持する。サーマルライナー２５は、入口流体の少量のブリード流を供給することによって、確実に２つの半球体２７、２８を適度に等温にする。このことは、このようにしなければ生じることになる高い熱応力を除去する。サーマルライナー２５の大部分は、シェル２の出口半球体２８に位置する。サーマルライナー２５は、シェル２の内面とサーマルライナー表皮２６との間に通路を形成する。サーマルライナー表皮２６は、シェル２の湾曲に実質的に追従する。通路の第１の部分は、入口半球体２７内へと延在する。通路の第２の部分は、管モジュール９の構造体の外面とシェル２の内面との間にある。サーマルライナー表皮２６の第２の部分は、管モジュール９の略円形の外側輪郭に直接隣接している。サーマルライナー表皮２６の第３のセクションは、シェル出口４に流体接続される。

熱交換器１の１つの典型的な動作において、配管５は加熱剤流体で満たされる。加熱剤流体は、管入口７を通って配管５に入り、管出口８を通って配管５から出る。この加熱剤流体は、例えばヘリウムであり得る。この加熱剤流体は、約６００Ｋの温度で配管５に入る。シェル２は冷却剤流体で満たされる。この冷却剤流体は、シェル入口を通ってシェルに入り、シェル出口を通ってシェルから出る。冷却剤流体は、例えば液体水素であり得る。冷却剤流体は、例えば、約５０Ｋの温度および約マッハ２の流速でシェル２に入る。加熱剤流体は、冷却剤流体よりも高圧である。加熱剤流体は、シェル流体に対して反対方向に流れ、向流構成を形成する。このことは、流体の流れが同じ方向である場合と比較して、熱交換率を高める。典型的には、加熱剤流体は、管マトリックスを通って最も遅く流れ、起こり得る熱交換量を増加させる。

分枝マニホールド１８および集約マニホールド１９は、分岐マニホールドの形態として考えることができる。ここで図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照する。図４は、図５Ａおよび図５Ｂに示される分岐マニホールド３２の漸進的な断面層を示す。その最も単純な形態では、分岐マニホールド３２は、入口管または出口管を取り入れ、それを４本のより小さい管に分岐させ、次いで、これらの分岐の各々が４本に分割されるなど、漸進的層において同様にして分割される。分岐は、管マトリックス４４の管直径に達するまで続けられる。具体的には、分岐マニホールド３２の第１の層３３は、単一の入口または出口管を示す。分岐マニホールド３２の第２の層３４は、点線で示されているこの単一管がどのようにして４本の副管に分かれるかを示している。これら４本の副管の直径は等しい。分岐マニホールド３２の第３の層３５は、これらの４つの副管の各々をそれらの独自の４本の副管に分割し、合計１６本の副管を形成する。これらの１６本の副管の直径は等しい。次いで、第４の層３６は、これらの１６本の副管の各々をそれらの独自の４本の副管に分割し、合計６４本の副管を形成する。第５の層３７は、これらの６４本の副管の各々がどのようにして４本に分割されて２５６本の副管を形成するかを示している。これらの２５６本の副管それぞれの直径は等しい。第６の層３８は、これらの２５６本の副管の各々がどのようにして４本にさらに分割されて１０２４本の副管を形成するかを示している。これらの１０２４本の副管それぞれの直径は等しい。各層において、副管は、互いに規則的な間隔で離間され、格子状パターンを形成する。例えば、第１の層３３において、単一の入口管または出口管は、仮想正方形の中心に円として描かれる。第２の層３４では、仮想正方形は４つの小正方形に分割され、小正方形の各々は各々の小正方形の中心に円として描かれる。分岐パターンは、その後の層３５～３８の各々について繰り返される。これは、管の直径が各層において一定であることを意味する。異なるスケールで繰り返される分岐パターンは、「フラクタル」として知られる。管は、層を層３３から層３８まで順番に見るときに、分枝していると考えることができる。あるいは、管は、層を層３８から層３３へと逆の順序で見るときに、集約していると考えることができる。管の表面積は、管が第１の層３３から第６の層３８へと順番に分枝するにつれて増大する。あるいは、管の表面積は、管が第６の層３８から第１層３３へと逆の順序で集約されるにつれて減少する。

ここで図６を参照する。上述の分岐マニホールド３２は、分岐または分枝／集約節点が位置する分岐マニホールド３２の各層に対する２Ｄ（ｘ，ｙ）座標のセットを形成する。これらの層は、一連の平面３９～４２上に位置すると仮定することができる。第１の平面３９は、図４の第１の層３３に対応すると考えることができる。第２の平面４０は、図４の第２の層３４に対応すると考えることができる。第３の平面４１は、図４の第３の層３５に対応すると考えることができる。第４の平面４２は、第４の層３６に対応すると考えることができる。残りの平面４３は、第５の層３７およびそれ以降の層に対応すると考えることができる。平面３９～４３は平坦である。第１の平面３９には、単一の入口管または出口管がある。この管は、複数の副管に分枝しており、そのうちの２つがこの２次元断面で見られる。分岐は、管マトリックス４４の管直径に達するまで、各平面で継続される。図６から分かるように、各層間の節点の間隔は次第に小さくなる。発散角は、副管が管から分岐する角度である。発散角は、転向角または分枝角としても知られている。各平面における分岐は、一定の発散角で生じる。

ここで図７を参照する。分岐マニホールド３２の全容積および管長を短くし、マニホールドの全質量を減少させる方法を模索することが望ましい。これは、節点間の距離を最小化することによって達成され得る。熱交換器の分岐マニホールドセクションは、典型的には、供給する表面積が増大した管マトリックスよりも重い。節点間の距離を短くする１つの方法は、節点座標を操作することである。このことを念頭に置いて、節点間の横方向距離を短くすることができ、このことにより、所与の発散角に対する節点の軸方向距離が短くなる。このことは、節点の座標平面を一連の湾曲面に再成形することによって達成され得る。これらの湾曲面は、２次元または３次元において湾曲し得る。すなわち、節点の各平面間の距離を短くすることにより、分岐マニホールド３２の管長を短くすることができる。節点の平面を湾曲させることは、節点の各平面間の横方向距離を短くする。節点面を湾曲させることによって各節点間の管長を短くすることにより、発散角を増加させずに、全マニホールド質量を減少させることができる。熱交換器が節点面の湾曲により利益を得るために、節点面の全てが湾曲していなければならないわけではない。図７に示す例では、第１の平面３５は平坦なままである。第２の平面４６、第３の平面４７、第４の平面４８および残りの平面４９は、いずれも湾曲している。第２の平面４６は最も湾曲しており、曲率は第３の平面４７から残りの平面４９まで減少している。この構成は、各節点における発散角を最小にする。この構成はまた、そうでなければ収容するために最も大きな空間を必要とする初期分岐段を短縮する。この構成は、同様の発散角を有する同等の平面節点システムと比較して、管長を約３分の１だけ短くする。湾曲面技術は、分枝マニホールドおよび集約マニホールドの両方において管長を短くするために利用され得る。

ここで図８および図９を参照する。節点は、管がさらなる副管へと細分化される点または位置である。図８は、節点５１の断面図である。図９は、１つの管がいくつかの副管へと分かれるときの節点５１のいくつかの断面を示す。節点は、高い内圧に耐え、使用時に生じ得る内部流動条件を最適化するように設計されなければならない。付加製造プロセスを使用して節点を製造することができることも重要である。配管の断面積が節点間の断面積の漸増と比較して節点で増大している場合、配管全体にわたる圧力降下は増大する。

節点は、２つのフェーズ、フェーズ１およびフェーズ２に分割されていると考えることができる。フェーズ１は、分岐が分かれる前の単一の直線状圧力容器である。フェーズ２は、節点５１の元の中心線から分岐するいくつかの圧力容器である。これらの２つのフェーズは、確実に節点の壁における応力集中を制限することができる。フェーズ１では、１組のフィンが節点５１の内壁から徐々に延びて中央で合流する。これは、流れを複数のセクタに分割する。この例では、４つのセクタがある。このフェーズの間、管の全径は、フィンが占める断面積を考慮して増加しなければならない。全ての圧力負荷を節点５１の壁が受けるので、断面は円形のままである。フィンが中央で結合すると生じるフェーズ２では、分離した流れセクタが発散する。幾何学的には、各々のチャネルの重心は、節点の元の中心線から離れて円形経路をたどる。このことにより、断面は、外半径が小さくなるにつれてローブ形状をとる。このフェーズの間、圧力負荷がフィンに伝達される。このことにより、節点の壁厚を減少させることができる。したがって、節点は、単一の円形断面管から複数の円形断面管への移行を可能にする。

図８および図９に示す節点断面は、流れ面積が節点を通して一定のまま維持されるようにスケーリングされる。マニホールドの断面がその入口からそのマトリックスセクションまで増大する場合、これは、熱交換器の入口とマトリックスの始端との間の増大した全断面積が、節点間の直線状の管セクションに収容されることを意味する。あるいは、マニホールド全体の断面積は、その入口からマトリックスの始端まで直線的にスケーリングされ得る。

セクション５２～５７は、節点５１のフェーズ１に対応する。セクション５２の断面は円形であり、セクションの周囲に比較的薄い節点壁６４を有する。セクション５３の断面は、節点壁６４の４つの角から突出し始める４つのフィン６５を有する。節点は、セクション５４からセクション５５およびセクション６６を通って、セクション５７で節点の中央で結合するまで成長し続ける。結合したフィン６５は、節点５１の中央で「ｘ」形状を形成し、結合したフィン６５と節点壁６４との間で互いから閉鎖された４つの空のセクションを有する。５７において、結合したフィン６５は節点壁６４よりも厚い。セクション５８～セクション６３は、節点５１のフェーズ２に対応する。節点５１のセクション５８の断面は、以前の断面よりも薄い節点壁６４を特徴とする。節点壁６４は、断面５９、６０を通して薄くなり、その後、断面６１において、中央の円形キャビティが４つのキャビティを囲む結合フィン６５の「ｘ」の中央に形成される。断面６２では、４つのキャビティが分離され、４つの別個の円形管を形成する。これら４つの円形管の各々の節点壁は、最初の部分５２の節点壁６４よりも薄い。これら４つの円形管は、断面６３では互いからさらに離れて位置する。断面５２～断面６３の各々は、２本の垂直軸に関して対称である。

ここで、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃを参照する。製造を容易にし、規則的な管間隔にするのを助けるために、複数のマトリックス管６８がそれらの長さに沿って支持される。最も基本的な実施形態では、これは、図１０Ａに示すように、全ての規則的なグリッド方向の連続フィン６５によって達成され得る。連続フィンでは、フィンの厚さが管壁の厚さと同様であると仮定すると、マトリックス全体の質量が増加する可能性がある。入口半球体から出口半球体まで管マトリックスを通過するシェル内の流体の圧力降下もまた、流れ面積の減少により増大し得る。

フィンの質量は、連続的な支持フィン６５を等間隔に離間された別個の支持フィン（図１０Ｂに示されている離間フィン６５として知られる）と置き換えることによってさらに低減され得る。このことにより、支持フィンの製造に使用するのに必要な材料の体積および質量が減少する。図１０Ｂに示す実施例では、離間フィンは、概ね長方形の形状である。各管の長さの約５０％が、離間フィンによって使用される。

この重量低減の原理はさらに、各管の長さに沿った各点における単一のグリッド方向に沿って支持するために支持フィンを互い違いに配置することによって実現され得る。図１０Ｃに示される互い違いの支持フィン６７は、各管の長さに沿って順にグリッド方向を周期的に切り替える。図示されている例では、事前に６つのフィンが互い違いに配置されているときには、１つの離間フィンのみが必要である。互い違いに配置された支持フィンは、離間フィン６５と比較して、マトリックスセクション支持体の容積および質量を６分の５、すなわちは８３％減少させる可能性がある。

離間フィン６６の使用はまた、熱勾配のより容易な適応を可能にする。このことは、非線形始動過渡事象に関して、特に有益である。熱膨張に適応できることは、機能が破壊されるのを防止するために、管マトリックスセクションに関して非常に重要である。図１１Ａは、マトリックスセクションの２次元断面を示しており、複数のマトリックス管６８が互いに実質的に平行に延び、離間フィン６６によって接続されている。図１１Ｂは、同じマトリックスセクションであるが、非線形熱勾配６９を有する２次元断面を示す。非線形熱勾配６９は、示された方向における温度の増加を示す。温度が上昇するにつれて、マトリックス管６８間の離間フィン６６のサイズが大きくなる。離間フィン６６は、このようにして拡張することができ、その結果、連続的なフィン配列６５と比較して熱応力が低くなる。このことにより、管６８間の間隔は、高温の支持フィン６６によって増大する。

フィンは、付加製造技術を用いてマトリックス管６８と一体的に形成され得る。

ここで図１２Ａおよび図１２Ｂを参照する。熱交換器１は、図１に示すものと同じ構造である。図１２Ａは、熱交換器１の断面を示す。図１２Ｂは、図１２Ａにおいて７８で囲まれた部分の拡大図である。複数の管モジュール９の管マトリクス１３の角において、管モジュール９は、シェル２の内面に取り付けられる。図１２Ｂは、分枝マニホールド１８の管７０を示す。次いで、これらの分枝マニホールド管７０は、管マトリックス１３に入る。分枝マニホールド管７０は、複数の管マトリックス管７１として管マトリックス１３内で続いている。管マトリックス１３は、離間したフィン構成７２を特徴とする。離間フィン７２は、管マトリックス管７１を支持する。管モジュール９の外縁部において、離間フィンはモジュールジャケット７６に接合される。このモジュールジャケットにより、管モジュール９を熱交換器１のシェル７９に取り付けることができる。管モジュール９は、管マトリックス１３の全長にわたってモジュールジャケット７６によって取り囲まれる。このことにより、確実に、シェル２を通過する流れが管マトリックス１３を通らざるを得なくなる。モジュールジャケット７６は、モジュールジャケットフランジ７３を特徴とする。モジュールジャケットフランジ７３は、管マトリックス１３から垂直に延在する。モジュールジャケットフランジ７３は、管マトリックス１３の全長に延びるモジュールジャケット７６のセクションよりも厚い壁を有する。モジュールジャケットフランジ７３とモジュールジャケット７６との間の角度は９０度である。モジュール取付フレーム７５がシェル７９の内面から延在する。モジュールジャケットフランジ７３は、モジュール取付フレーム７５に隣接している。モジュールジャケットフランジ７３とモジュール取付フレーム７５との間には隙間がある。この隙間は、ガスケット７４または同様のシールによって充填される。このシールは気密シールである。

ここで図１３を参照すると、図１に示され、図５Ａにおいてより詳細に示される例の分枝マニホールド１８および集約マニホールド１９と同様の分岐構造を有する代替の分岐マニホールド１３２が示されている。しかしながら、図１３に示す構成は、単一モジュールを有する熱交換器１００であり、低圧の用途を有し得る。

管マトリックス１１３は、複数のマトリックス管を備え、それらは、この例では、略平行に配置された管である。管マトリックス１１３の外縁または外周に位置するマトリックス管は、外側マトリックス管と見なされる。管マトリックス１１３は、マトリックスシェル１８１によって取り囲まれる。マトリックスシェル１８１は、管マトリックス１１３の外縁または輪郭に実質的に一致する。このことは、マトリックスシェル１８１の第１の側に入り、マトリックスシェル１８１の第２の側から出る冷却剤流体が、管マトリックス１１３の管の間でマトリックスシェル１８１の第１の側から第２の側へ流れるときに、実質的に管マトリックス１１３の外側限界内に留まることを確実にする。マトリックスシェル１８１は、比較的薄い材料層であり、管マトリックス１１３に平行に走る複数の実質的に平行なリッジ１８３および溝１８４を有する波形外面１８２を有する。波形外面１８２は、マトリックスシェル１８１に、滑らかな外面を有するマトリックスシェルの例よりも高い、さらなる剛性および強度を付与する。

マトリックスシェル１８１は、複数のウェブまたはフィンを介して管マトリックス１１３に接続される。マトリックスシェル１８１は、複数のウェブまたはフィンを介して外側マトリックス管に接続され得る。ウェブまたはフィンは、連続構成、離間構成、および／または互い違いの構成であり得る。マトリックスシェル１８１はさらに、１つの管マトリックスに限定されるシェルアンドチューブ熱交換器構成で使用されてもよい。図１のマトリックスと同様に、管マトリックス１１３は、付加製造技術を用いて製造され得る。加えて、シェル１８１は、付加製造技術を用いて管マトリックス１１３と一体的に形成され得る。

図１４は、略円筒形の管マトリックス２１３を有する単一マトリックス熱交換器モジュールを備える、さらなる熱交換器配置全体を２０１で示している。この熱交換器は、図示されている例では、略円筒形状を有するシェル２０２を備える。シェル２０２は、シェル２０２の両端に位置する、シェル２０２の容積内へのシェル入口２０３とシェル出口２０４とを備える。シェル入口２０３およびシェル出口２０４は、シェル２０２の両端で実質的に軸方向に整列される。

図１４の配置は、図１の配置と同様の分岐構成を有する。配管２０５は、管入口２０７と、管モジュール入口２１０と、分枝マニホールド２１８と、管マトリックス２１３と、集約マニホールド２１９と、管モジュール出口２１１と、管出口２０８とを備える。分枝マニホールド２１８、管マトリックス２１３、および集約マニホールド２１９は、図１の例の分枝マニホールド１８、管マトリックス１３、および集約マニホールド１９と形態において同様である。管入口２０７は、管出口２０８に流体接続される。この例は、１つの管マトリックスのみを備え、したがって、第１の例に見られるような接合点または分岐点は存在しない。したがって、管入口２０７は管モジュール入口２１０に直接接続され、管出口２０８は管モジュール出口２１１に直接接続される。管入口２０７および管出口２０８は、管マトリックス２１３に対して軸方向に整列される。管入口２０７は、半楕円形の端部を有する円筒形であるシェル２０２の側壁を通ってシェル２０２に入る。さらに、管出口２０８は、前記シェルの側壁を通ってシェル２０２から出る。管入口２０７および管出口２０８は、それぞれシェル２０２の同じ側壁を通って前記シェル２０２に出入りし得る。管マトリックス２１３は、シェル２０２に取り付けられる。この取り付けは、図１２Ａおよび図１２Ｂの例に関して説明したものと同様の方法の取り付けであり得、この取り付けにより、確実に、シェル２０２を通過する流れが管マトリックス２１３を通らざるを得なくなる。図示されていないが、熱交換器２０１は、本出願において説明する任意の特徴の全て、例えば、拡張螺旋、節点構造、およびマトリックス支持フィンを有し得る。

ここで図１５を参照すると、円筒形の管マトリックスの一例が示されている。この例は、３つのセクション、すなわち、分枝マニホールド３１８、管マトリックス３１３、および集約マニホールド３１９を備える配管を示す。明確にするために、部品は分解された形で示されているが、部品は部品間を流体結合するように隣接していることを理解されたい。分枝マニホールド３１８、管マトリックス３１３、および集約マニホールド３１９は、図１の例の分枝マニホールド１８、管マトリックス１３、および集約マニホールド１９と構造において同様である。管マトリックス３１３は、管マトリックス入口３１４および管マトリックス出口３１５をさらに備える。管マトリックス３１３は、必要に応じて、任意の画定された空間に適合することができ、その空間を効果的に満たすことができるように成形され得る。例えば、管マトリックス３１３は、管に適合するように成形され、管輪郭を埋め得る。管マトリックス３１３は、軸方向に見られるときに、湾曲した側面を有する輪郭、直線状の側面を有する輪郭、または直線と湾曲との組み合わせである輪郭を有し得る。この例では、管マトリックス３１３は、実質的に円筒形状を有する。分枝マニホールド３１８は、管マトリックス３１３と流体連通している。集約マニホールド３１９は、管マトリックス３１３と流体連通している。したがって、分枝マニホールド３１８は、マトリックス３１３を介して集約マニホールド３１９と流体連通している。分枝マニホールド３１８および集約マニホールド３１９は、管マトリックス３１３の両側に位置する。分枝マニホールド３１８は、複数の副管を備える。最小直径の分枝マニホールド副管は、管マトリックス３１３に隣接して流体連通し、マトリックス入口面３８５を形成する。集約マニホールド３１９は、複数の副管を備える。最小直径の集約マニホールド副管は、管マトリックス３１３に隣接して流体連通し、マトリックス出口面３８６を形成する。

図１６を参照すると、涙滴形状の外周を有する管断面が示されている。涙滴形状は、略半円形である第１の部分を有し、第１の部分は一点で収束する第２の部分に隣接する。涙滴形状は、典型的には、第２の部分の点における１本の対称線を有する。

シェルを通過するシェル流体の圧力降下を減少させる方法を模索することが望ましい。上述した例の分岐マニホールド、例えば分枝マニホールド１８、３１８および集約マニホールド１９、３１９は、複数の管を備え、典型的にはシェル内に位置し、関係する熱交換器が作動しているときにシェル流体がシェル内を流れる。分岐マニホールドは、シェル流体の圧力降下に寄与する抗力を発生させ得る。

分岐マニホールドの管は、涙滴（または翼）形状の断面外周を有し得る。これらの管は、シェルの容積内のシェル流体流の方向に対して配向され得るので、抗力が低減され、そのことによりシェル流体の圧力降下が低減される。

涙滴形状の管を有する分岐マニホールドの概念は、シェルのいかなる形状にも限定されない。

ここで図１７を参照すると、図１の熱交換器が示されているが、複数のバッフル支持体８８を備える。

複数のバッフル支持体８８は、シェルの容積内へと延在し、シェルの内面に取り付けられ得る。複数のバッフル支持体８８は、各々の管モジュール９の分岐マニホールド（分枝マニホールド１８および集約マニホールド１９）の間に位置し得る、またはそれらに取り付けられ得る。この例では、バッフル支持体８８は略直線状のストリップであるが、バッフル支持体８８は、シェル内の流体の流れを方向付けるための代替的な形状および形態を有し得る。好ましくは、複数のバッフル支持体は、シェル流体流に対する抵抗を最小にして、シェル流体流の圧力降下を最小にするように成形される。この例では、各々のバッフル支持体８８は、実質的に平坦であり、シェルの容積を通って中央開口部まで延在する。複数のバッフル支持体８８は、シェル流体のためのターニングベーンとしての機能を果たす。

熱交換器の用途は、例えば航空宇宙用途のためのガスタービンエンジンおよびハイブリッドロケット型エンジンなどを含み得る。

Claims (30)

1. シェルアンドチューブ型熱交換器であって、
   シェルと、
   前記シェル内の配管であって、前記配管は流管を備え、前記流管はその長さに沿って複数の節点で分枝する、配管と、
   前記流管に流体結合された管マトリックスと、
   を備える、シェルアンドチューブ型熱交換器。
2. それぞれの節点において、前記流管は複数の副管に分枝する、請求項１に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
3. 前記配管は、管モジュールとして形成される、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
4. 複数の管モジュールを備える、請求項３に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
5. 前記複数の管モジュールは、前記シェルの回転軸の周りに配置される、請求項４に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
6. 前記複数の管モジュールは、略リング状構造体を形成する、請求項５に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
7. 前記リング状構造体は、貫通して画定された開口部を備え、前記開口部内にプラグが設けられる、請求項６に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
8. 前記管マトリックスは、前記モジュール内に設けられる、請求項３に従属するときの先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
9. 前記管マトリックスは、複数の略平行な管を備える、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
10. 前記管マトリックスの下流側において、各々の流管は、その長さに沿って複数の節点で集約される、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
11. 前記管マトリックスは、分枝管セクションまたはマニホールドと集約管セクションまたはマニホールドとの間に配置され、それらに流体接続される、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
12. 前記分枝管セクションは、前記集約管セクションと形態において実質的に同様である、請求項１１に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
13. 前記流管の長さに沿った節点における前記流管の副管への漸進的な分枝は、フラクタル形態または準フラクタル形態を有する、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
14. 前記流管の内部断面積は、分枝または分岐節点を通して、一定または概ね一定に維持される、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
15. 前記流管は、整列される節点において副管へと連続的に分枝する、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
16. 分枝または分岐が各々の副管において生じるそれぞれの節点は、前記副管の範囲に対して略垂直に延在する共通の平面において整列され得る、請求項１５のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
17. 分枝または分岐が各々の副管において生じるそれぞれの節点は、湾曲面において整列され得る、請求項１５に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
18. 支持フィンまたはリブが、前記マトリックス内の隣接する管の間に、離間してまたは互い違いに設けられ得る、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
19. 前記流れ配管の一部は、螺旋管を含む、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
20. 前記シェルは、丸みを帯びている、例えば、球形である、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
21. 前記シェルの入口は、ディフューザを介して前記シェルの内容積と流体連通している、請求項１～請求項２０のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
22. 前記シェルは、前記シェルの内面に実質的に一致するサーマルライナーを備える、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
23. 前記流管は、節点間において実質的に涙滴様の断面を有する、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
24. １つ以上のバッフルが前記シェル内に設けられて、前記流管および／または配管を支持する、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
25. 前記マトリックスは、湾曲した、または円形の外周を有する、先行する請求項に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
26. 前記マトリックスは、その外周に隣接するシェルを含む、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
27. 前記流管および前記マトリックスは、例えば付加製造技術を使用して、一体的に形成される、先行する請求項のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
28. 請求項１乃至２７のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器を運転する方法であって、
    シェルに加熱剤または冷却剤を供給して前記シェルを満たすステップと、
    前記シェル内の配管に流体を供給するステップと、
    を含む、シェルアンドチューブ型熱交換器を運転する方法。
29. 前記加熱剤または前記冷却剤のブリード流がサーマルライナーに供給され得る、請求項２９に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器を運転する方法。
30. 請求項１乃至２７のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器を備えるエンジンまたは車両。

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