JP2023518233A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、熱交換器（１）に関する。熱交換器（１）は、積層方向（ＳＲ）に交互に重なって配置された複数の第１の流れチャンバ（２ａ）と複数の第２の流れチャンバ（２ｂ）とから作られた交換器ブロック（２）を備える。流れチャンバ（２ａ、２ｂ）は、ステンレス鋼合金で作られた壁によって外側が区切られ、互いに流体的に分離される。第１の媒体は第１の流れチャンバ（２ａ）を流れることができ、第２の媒体は、第２の流れチャンバ（２ｂ）を流れることができる。第２の流れチャンバ（２ｂ）は、波形構造プレート（５）を備え、その各々は第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に延在し、第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に隣接する複数の個々のリブ（６）から作製される。波形構造プレート（５）は、対をなす第２の流れチャンバ（２ｂ）の壁に接合される。本発明によれば、波形構造プレート（５）は、触媒コーティングを有する支持材で作られ、触媒工程によって第２の媒体を化学的に変換することができる触媒装置を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の熱交換器に関する。

触媒装置は、内燃機関用途及び燃料電池用途の両方で使用される。したがって、例えば、触媒装置、いわゆる改質器におけるバイオ燃料の燃料電池用途において、触媒工程によって、燃料、例えば水素及び／又はメタンを得ることができ、これは、その後、後続の燃料電池においてエネルギ生成のために使用される。通常、燃料電池内の燃料は完全に変換することができず、その結果、燃料の未使用の残余量が残る。次いで、燃料の残余量は、燃料電池の下流の触媒装置において、さらなる物質に化学的に変換することができる。また、内燃機関の用途において、例えば、廃ガスは、触媒装置において、化学的にさらなる物質に変換され得る。触媒装置における触媒工程は高温で行われるので、作動媒体は、通常、上流の熱交換器によって必要な温度に予熱される。あるいは、例えば、廃ガスの残留熱を下流の熱交換器で利用することができる。熱交換器と触媒装置とのこのような接続は、設置スペース、コスト、重量、及び効率に関して不利益をもたらす。

したがって、本発明の目的は、熱交換器と、一般的なタイプの触媒装置との接続のために、改良された、又は少なくとも別の実施形態を示すことであり、ここで、上述した不利益が克服される。

本発明によれば、この課題は、独立請求項１の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

熱交換器は、複数の第１の流れチャンバと複数の第２の流れチャンバとから作られた交換器ブロックを備え、これら第１の流れチャンバと複数の第２の流れチャンバは、積層方向に交互に重なって配置されている。第１の媒体は第１の流れチャンバを流れることができ、第２の媒体は第２の流れチャンバを流れることができ、その結果、交換器ブロック内の第１及び第２の媒体は、互いに熱交換することができる。それぞれの流れチャンバは、ステンレス鋼合金製の壁によって外側が区切られ、互いに流体的に分離されている。第２の流れチャンバは、波形構造プレートを備え、その各々は第２の媒体の流れ方向に延在し、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に隣接する複数の個々のリブから作製される。波形構造プレートは、ここでは対をなす第２の流れチャンバの壁に接合される。本発明によれば、波形構造プレートは、触媒コーティングを有する支持材で作られ、触媒工程によって第２の媒体を化学的に変換することができる触媒装置を形成する。したがって、本発明に係る熱交換器では、触媒装置がこのように一体化されるので、別個の熱交換器及び別個の触媒の従来の接続と比較して、コスト、設置スペース及び重量が低減され、効率が改善される。

本発明に係る熱交換器の交換器ブロックは、第１の媒体及び第２の媒体が通って流れることができる。ここで、第１の媒体又は第２の媒体はそれぞれ、液体、気体又は気液混合物であることができる。第１の媒体の流れ方向及び第２の媒体の流れ方向は、ここでは積層方向に対して横方向に調節される。第２の流れチャンバへの第２の媒体の流れは、波形構造プレートの個々のリブの実施態様によって予め決定される。説明を簡単にするために、以下では、第２の媒体の流れ方向が常に、積層方向に対して垂直であり、波形構造プレートの個々のリブの主範囲に沿っていると仮定する。さらに、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義される方向は常に、積層方向及び第２の媒体の流れ方向に対して垂直であると仮定される。第２の媒体の実際の流れは、定義された流れ方向とわずかに異なり得ることを理解されたい。

考えられる実施形態では、熱交換器を扁平管熱交換器とすることができる。次いで、交換器ブロックは、複数の扁平管から形成され、その間に中間空間が形成される。ここで、扁平管と中間空間とは、積層方向に交互に配置されている。そのうえ、第１の流れチャンバは中間空間によって形成することができ、また、第２の流れチャンバは、波形構造プレートを有する扁平管によって形成することができる。また、それら流れチャンバの壁は、扁平管によって形成される。扁平管は、第２の媒体が流れることができ、中間空間は、第１の媒体が流れることができ、その結果、２つの媒体は、交換器ブロック内で互いに流体的に分離される。それぞれの扁平管内に配置された波形構造プレートは、ここでは第２の媒体が外側から両側でその周りを流れることができ、その結果、第２の媒体は触媒コーティングと直接接触でき、触媒工程を、第２の媒体内で行うことができる。したがって、波形構造プレートは、触媒工程のための反応面を提供する。それぞれの波形構造プレートは、積層方向において、関連する扁平管の両側にかかる。目的によれば、それぞれの波形構造プレートは、接触点で扁平管に接合される。ここでは、これらの接触点において、液密接合接続は必要ない。しかしながら、接合接続によって、熱伝達及び熱交換器の動作安定性を向上させることができる。次いで、扁平管はステンレス鋼合金から形成され、波形構造プレートは触媒コーティングを有する支持材から形成される。

別の実施形態では、熱交換器を、積層シート熱交換器とすることができる。そのとき、熱交換器の交換器ブロックは、互いに積層された複数のシートから形成される。第１の流れチャンバと第２の流れチャンバとは、隣接するシートの間に交互に形成される。そのうえ、それらの流れチャンバは、シートによって互いに分離され、また、それらの流れチャンバの壁はシートによって形成される。２つの媒体はシートによって互いに流体的に分離したままとなり、互いに熱交換することができる。第２の流れチャンバにおいて、波形構造プレートは、隣接するシートに積層方向両側でかかるように配置される。また、波形構造プレートは、第２の媒体の触媒工程のための反応面を提供する。便宜上、それぞれの波形構造プレートは接触点で関連するシートに接合される。ここでは、これらの接触点において、流密接合接続は必要ない。しかしながら、接合接続によって、熱伝達及び熱交換器の動作安定性を向上させることができる。また、シートはステンレス鋼合金から形成され、波形構造プレートは触媒コーティングを有する支持材から形成される。

熱交換器の他の代わりの実施形態が、基本原理としてまた考えられる。

本発明に係る熱交換器では、流れチャンバの壁及び波形構造プレートが異なる材料から形成される。波形構造プレートの支持材を、ここでは触媒コーティングの接着に関して最適化することができる。一方、壁の互い、及び／又は熱交換器のさらなる構成要素への流密接続、例えば、はんだ付け又は溶接に関して、流れチャンバの壁のステンレス鋼合金を最適化することができる。流れチャンバの壁が、互い、及び／又は熱交換器のさらなる構成要素にはんだ付けされるとき、ステンレス鋼合金は、はんだの付着に関して最適化され得る。ここで、波形構造プレートの支持材と、流れチャンバの壁のステンレス鋼合金との間に、液密接合接続は必要ない。

有利には、ステンレス鋼合金は、１７～２０％のクロム含有量を有するフェライト系クロム鋼である。フェライトクロム鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４５２１鋼、又はドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４５２８鋼であり得る。あるいは、ステンレス鋼合金は、１７～２０％のクロム含有量及びニオブ被覆を有するフェライト系クロム鋼、又は１７～２０％のクロム含有量及びニオブ添加物を有するフェライト系クロム鋼であり得る。ニオブ被覆又はニオブ添加物によって、クロム鋼を、特にはんだの付着に関して最適化することができる。有利には、ステンレス鋼合金は、１７．５～１９．５％のクロム含有量を有し、８～１０．５％のニッケル含有量を有するオーステナイト系クロムニッケル鋼であり得る。オーステナイト系クロムニッケル鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４３０１鋼であってよい。あるいは、ステンレス鋼合金は、１６．５～１８．５％のクロム含有量を有し、１０～１３％のニッケル含有量を有し、２～２．５％のモリブデン含有量を有するオーステナイト系クロムニッケルモリブデン鋼とすることができる。オーステナイト系クロムニッケルモリブデン鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４４０４鋼であり得る。あるいは、ステンレス鋼合金は、１９～２１％のクロム含有量を有し、１１～１３％のニッケル含有量を有し、１．５～２．５％のケイ素含有量を有するオーステナイト系クロムニッケルケイ素鋼とすることができる。オーステナイト系クロムニッケルケイ素鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４８２８鋼であり得る。有利には、オーステナイト系クロムニッケルケイ素鋼は、温度安定化することができる。

波形構造プレートの支持材は、１７～２０％のクロム含有量を有し、２～１０％、好ましくは３～７％のアルミニウム含有量を有するクロムアルミニウム鋼とすることができる。クロムアルミニウム鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４７３７鋼であり得る。あるいは、クロムアルミニウム鋼は、例えば、ドイツ工業規格１００８８（ＤＩＮ－ＥＮ－１００８８）に従って標準化された１．４７６７鋼であってもよい。支持材は、特に触媒コーティングの良好な接着性に関して最適化することができる。

触媒コーティングは、当技術分野の専門家に知られている触媒材料から作製することができる。

上述の鋼は、例えば鉄及び／又はモリブデン及び／又はチタン及び／又はケイ素及び／又は炭素等のさらなる成分を含み得ることを理解されたい。

熱交換器の有利な実施形態では、第２の流れチャンバの壁及び波形構造プレートがニッケル系はんだを介して互いにはんだ付けされ得る。好ましくは、ニッケル系はんだは、ニッケル系はんだ箔の形態で存在する。ニッケル系はんだは、例えば、ＢＮｉ－５（９％Ｃｒ－１０％Ｓｉ－Ｎｉ）はんだとすることができる。有利には、第２の流れチャンバの壁及び波形構造プレートは、リン含有量を有するはんだ、好ましくはＮｉＣｒＰｈＳｉはんだ合金を介して互いにはんだ付けすることができる。有利には、リン含有量を有するはんだは、ステンレス鋼合金と支持材との間のはんだ接続の安定性を明らかに改善することができる。あるいは、第２の流れチャンバの壁及び波形構造プレートは、互いに溶接することもできる。有利には、流れチャンバの壁は、リン含有量を有するはんだを介して、互いに、及び／又は熱交換器のさらなる構成要素にはんだ付けすることができる。リン含有量により、壁のステンレス鋼合金の濡れ性及びはんだ付け安定性を向上させることができる。特に、流れチャンバの壁の間、及び／又は流れチャンバの壁と熱交換器のさらなるコンポーネントとの間の隙間をより良好に充填することができ、それによって、はんだ接続の堅固さを改善することができる。ここで、熱交換器の製造において、最初に、波形構造プレートが第２の流れチャンバの壁に接続され、その後、適用可能な場合、流れチャンバの壁が、交換器ブロックに互いに接続され、続いて、交換器ブロックが熱交換器のさらなる構成要素に、接合された様式で接続されることが考えられる。あるいは、流れチャンバの壁、波形構造プレート、及び熱交換器のさらなる構成要素が、１つの手順で互いに接合されることも考えられる。ここで、接合接続は、はんだ付け又は溶接によって行うことができる。

熱交換器の有利な実施形態では、それぞれの波形構造プレートのリブ密度の二乗とそれぞれの波形構造プレートの壁厚との間の積が０．０５／ｍｍ～０．１５／ｍｍ、好ましくは０．０６／ｍｍ～０．１１／ｍｍであるという条件にされる。０．０８／ｍｍ未満の製品では、０．０８／ｍｍを超える製品よりも、波形構造プレートでより高い温度に達することができる。例えば、第２の媒体の触媒工程において高い変換レベルが必要であり、熱交換器内の媒体の１つ又は２つの媒体の温度によってこれを達成することができない場合、リブ密度及び壁厚を適宜適合させることができ、製品を０．０８／ｍｍ未満にすることができる。これは、例えば、内燃機関のコールドスタートにおける触媒工程の効率を改善するために、内燃機関用途において使用することができる。一方、０．０８／ｍｍを超える製品は、２つの媒体の温度が高く、触媒コーティングの作動温度を超え、熱交換器内の熱伝達に特に高い要求が存在する場合に好ましい。

波形構造プレートのリブ密度が増加すると、触媒工程に利用可能な波形構造プレートの反応面も拡大する。リブ密度を増加させると、それに応じて、熱交換器における触媒変換レベル及び熱伝達を増加させることができる。しかしながら、リブ密度が増加するにつれて、個々のリブの数も増加する。個々のリブの数が多いほど、流せる断面が小さくなり、その結果、遮断の危険性が増加する。流せる単一の個々のリブの断面は、第２の流れチャンバの壁との波形構造プレートのはんだ付け時、又は触媒コーティングの適用時に、すでに遮断され得る。波形構造プレートの壁厚は、ここでは技術的実現可能性のためにリブ密度に依存する。したがって、工程及びコストの理由のために高いリブ密度を用いて、壁厚を低減することができ、低いリブ密度及び大きい壁厚を用いて、熱伝達を改善するための複雑な幾何学的形状を実現することができる。

それぞれの波形構造プレートの壁厚は、積層方向に定義され、有利には０．０５ｍｍ～０．２ｍｍにできる。それぞれの波形構造プレートの壁厚は、好ましくは０．０８ｍｍ～０．１６ｍｍにできる。それぞれの波形構造プレートのリブ密度は、波形構造プレート内の個々のリブの数と、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義された波形構造プレートの幅との間の比によって決定される。

有利には、波形構造プレートのそれぞれの個々のリブが第２の媒体の流れ方向に対して横方向に整列した２つの側壁を有するという条件にできる。側壁は、ここでは積層方向に対して壁角度でそれぞれ整列する。壁角度は、有利には１°～６°、好ましくは２°～４°であり得る。便宜上、隣接する側壁はそれぞれ、互いに対して傾斜して形成され、壁角度の２倍に相当する互いに対する傾斜角度を有する。したがって、傾斜角度は２°～１２°、好ましくは４°～８°である。

波形構造プレートの実施形態では、特に、第２の媒体において可能な限り効率的な触媒工程を達成するために、高温が、波形構造プレートを対象とする。ここで、リブ密度及び壁厚に加えて、波形構造プレートの幾何学的形状も大きな役割を果たす。波形構造プレートのいくつかの有利な実施形態を以下に説明する。しかしながら、これらの実施形態は単なる例であり、波形構造プレートのさらなる実施形態も考えられることを理解されたい。

波形構造プレートの有利な実施形態では、波形構造プレートを、いくつかの波状部を有するウェブリブプレートとすることができる。波状部は、第２の媒体の流れ方向に互いに続き、第２の媒体の流れ方向を横切るいくつかの隣接する個々のリブからそれぞれ形成される。それぞれの隣接する波状部の個々のリブは、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に互いに対してオフセットされている。例えば、隣接する波状部の個々のリブのオフセットは、流れ方向に対して横方向に定義された個々のリブの幅の１／２又は１／３とすることができる。

有利には、第２の媒体の流れ方向に定義される波状部の長さは、１ｍｍ～５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ～２ｍｍであり得る。ここで、それぞれの波状部のリブ密度は、同一であってもよい。加えて、リブ密度は、ウェブリブプレートにおける遮断の危険性が低減され、ウェブリブプレートにおいて高温に達することができるように適合され得る。有利には、それぞれの波状部のリブ密度は、３５／ｄｍ～７５／ｄｍ、好ましくは４５／ｄｍ～６５／ｄｍであり得る。

それぞれの波状部の個々のリブの側壁が、上で定義された積層方向に対する壁角度を有するとき、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義されたそれぞれの個々のリブの幅の倍と壁角度との積は、１２０ｍｍ°未満、好ましくは６０ｍｍ°未満であり得る。１２０ｍｍ°未満の積に対応するウェブリブプレートの幾何学的形状は、熱間成形を伴うウェブリブプレートの製造において実現することができる。６０ｍｍ°未満の好ましい積に対応する幾何学的形状も、冷間成形を伴うウェブリブプレートの製造において実現することができる。有利には、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義されたそれぞれの個々のリブの幅と壁角度のサインとの積は、１と、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義されたそれぞれの波状部のリブ密度との比の半分未満にできる。

ウェブリブプレートのさらなる実施形態では、有利には、隣接する波状部の個々のリブが互いに対して入射角をなして整列するという条件にできる。有利には、入射角が１３６°～１７６°、好ましくは１４６°～１６６°であり得る。有利には、ここで、隣接する波状部の個々のリブが、第２の媒体の流れ方向に対して同一の角度を有することができる。この角度は、１８０°と入射角との間の差の半分に対応する。

波形構造プレートの有利な実施形態では、波形構造プレートが複数の個々のリブを有する波形リブ付きプレートとすることができる。個々のリブは、ここでは波形リブ付きプレートの全長にわたって第２の媒体の流れ方向に延在する。波形リブ付きプレートのリブ密度は、有利には５０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、好ましくは６０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、より好ましくは６０／ｄｍ～８０／ｄｍであり得る。

有利には、それぞれの個々のリブは、第２の媒体の流れ方向に定義された波形長さを有し、第２の媒体の流れ方向に対して横方向に定義された波形幅を有する波形を、第２の媒体の流れ方向に形成することができる。有利には、波形の長さは７ｍｍ～１２ｍｍ、好ましくは９ｍｍ～１０ｍｍであり得る。波形幅は、０．５ｍｍ～２ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～１．５ｍｍであり得る。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は従属請求項から、図面から、及び図面の助けを借りた関連する図の説明から、明らかになるのであろう。

上で述べられ、下でさらに説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ示される組み合せのみならず、他の組み合せ又は単独でも、使用されることができることを理解されたい。

本発明の好ましい例示的な実施形態は図面に示され、以下の説明においてより詳細に説明される。ここで、同じ参照番号は同一若しくは類似又は機能的に同一の構成要素を参照する。

図１は、本発明に係る熱交換器の分解図を概略的に示す。 図２は、第２の流れチャンバで区分した、本発明に係る熱交換器の分解図を概略的に示す。 図３は、第１の流れチャンバで区分した、本発明に係る熱交換器の分解図を概略的に示す。 図４は、本発明に係る熱交換器の波形構造プレートの、波形リブ付きプレートの形態の図を概略的に示す。 図５は、断面Ａ－Ａを有する図４の波形リブ付きプレートの平面図を概略的に示す。 図６は、断面Ｂ－Ｂを有する図４の波形リブ付きプレートの側面図を概略的に示す。 図７及び図８は、断面Ａ－Ａ及び断面Ｂ－Ｂにおける図４の波形リブ付きプレートの断面図を概略的に示す。 図７及び図８は、断面Ａ－Ａ及び断面Ｂ－Ｂにおける図４の波形リブ付きプレートの断面図を概略的に示す。 図９は、本発明に係る熱交換器の波形構造プレートの、ウェブリブプレートの形態の図を概略的に示す。 図１０は、断面Ｃ－Ｃを有する図９のウェブリブプレートの平面図を概略的に示す。 図１１は、断面Ｃ－Ｃにおける図９のウェブリブプレートの断面図を概略的に示す。 図１２は、本発明に係る熱交換器の波形構造プレートの、異なる構成のウェブリブプレートの形態の図を概略的に示す。 図１３は、断面Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅを有する図１２のウェブリブプレートの平面図を概略的に示す。 図１４及び図１５は、断面Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅにおける図１３のウェブリブプレートの断面図を概略的に示す。 図１４及び図１５は、断面Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅにおける図１３のウェブリブプレートの断面図を概略的に示す。

図１は、本発明に係る熱交換器１の分解図を示す。熱交換器１は、複数の第１の流れチャンバ２ａ及び複数の第２の流れチャンバ２ｂを有する交換器ブロック２を備える。ここでは、流れチャンバ２ａ及び２ｂは積層方向ＳＲに交互に重なって配置される。第１の媒体は、第１の流れチャンバ２ａを流れることができ、第２の媒体は、第２の流れチャンバ２ｂを流れることができる。流れチャンバ２ａ及び２ｂは、壁によって外側が区切られ、互いに流体的に分離されている。図２には、本発明に係る熱交換器１の分解図が示されており、それは第２の流れチャンバ２ｂの１つで区分されている。図３は本発明による熱交換器１の分解図を示しており、それは第１の流れチャンバ２ａの１つで区分されている。

ここに示される実施形態では、熱交換器１が扁平管熱交換器であり、交換器ブロック２は複数の扁平管４ｂから形成される。扁平管４ｂは、積層方向ＳＴに互いに間隔を空けて列をなして配置されており、扁平管４ｂ間に中間空間４ａが形成されている。中間空間４ａは第１の媒体が流れ、それにより、第１の流れチャンバ２ａに対応することができる。扁平管４ｂは、第２の媒体が流れ、第２の流れチャンバ２ｂに対応することができる。波形構造プレート５、ここでは、波形リブ付きプレート５ａが扁平管４ｂ内に配置されている。波形構造プレート５は、複数の個々のリブ６を有し、第２の媒体が外部から周りを流れることができる。より良く理解できるように、図１では扁平管４ｂのうちの１つが、波形構造プレート５を交換器ブロック２の外側に有する状態で示されている。

図示の実施形態では、熱交換器１が更に、交換器ブロック２を収容するハウジング１１を有する。ハウジング１１には、第１の媒体のための第１の入口１２ａ及び第１の出口１２ｂが配置されている。その結果、第１の媒体は第１の入口１２ａを介して熱交換器１に流入し、ハウジング１１内で中間空間４ａ内に分配される。図３に関して、このために、中間空間４ａ内に、第１の媒体を第１の入口１２ａから第１の出口１２ｂに導くガイド構造１３を設けることができる。ガイド構造１３は例えば、別個のリブによって実現することができる。ガイド構造１３によって、熱交換器１の効率を高めることができる。第１の媒体は、中間空間４ａから第１の出口１２ｂを介して熱交換器１から流出する。

さらに、図示の実施形態では、熱交換器１が２つの管ベース３ａ及び３ｂを有し、それらの中に向かってそれぞれの扁平管が両側で開口している。第２の媒体のために、分配ボックス９ａが管ベース３ａ上に配置され、回収ボックス９ｂが管ベース３ｂ上に配置される。分配ボックス９ａには第２の入口１０ａが形成され、回収ボックス９ｂには第２の出口１０ｂが形成される。その結果、第２の媒体は第２の入口１０ａを介して熱交換器１に流入し、分配ボックス９ａを介して扁平管４ｂ内に分配される。回収ボックス９ｂにおいて、第２の媒体は、扁平管４ｂから回収され、第２の出口１０ｂを介して熱交換器１から導出される。図２の矢印によって示されるように、第２の媒体は、扁平管４ｂ内で方向転換せず、それぞれの波形構造プレート５を通って流れ方向ＭＲに流れる。第２の媒体の流れ方向ＭＲは、ここでは積層方向ＳＲに対して横方向に調節され、かつそれぞれの波形構造プレート５の個々のリブ６の主範囲、又はそれぞれ交換器ブロック２の長手方向、又はそれぞれ扁平管４ｂの長手方向に対応する。これにより、第２の媒体の触媒工程に十分な反応領域を提供することができる。

扁平管４ｂはここではステンレス鋼合金から形成され、波形構造プレート５は触媒コーティングを有する支持材から形成される。波形構造プレート５は、触媒工程によって第２の媒体を化学的に変換することができる触媒装置を熱交換器１に形成する。

ステンレス鋼合金は例えば、ニオブ被覆又はニオブ添加物を用いて適用可能な場合、フェライト系クロム鋼１．４５２１とすることができる。波形構造プレート５の支持材は、例えば、クロムアルミニウム鋼１．４７３７又は１．４７６７とすることができる。あるいは、ステンレス鋼合金がオーステナイト系クロムニッケル鋼１．４３０１又はオーステナイト系クロムニッケルモリブデン鋼１．４４０４又はオーステナイト系クロムニッケルケイ素鋼１．４８２８であってもよい。扁平管４ｂ及び波形構造プレート５は、ニッケル系はんだ、例えばＢＮｉ－５（９％Ｃｒ－１０％Ｓｉ－Ｎｉ）はんだを介して互いにはんだ付けすることができる。あるいは、扁平管４ｂと波形構造プレート５とを互いに溶接することができる。扁平管４ｂは、リン含有量を有するはんだを介して管ベース３ａ及び３ｂにはんだ付けすることができる。

それぞれの波形構造プレート５はここでは少なくとも、図にのみ示されるリブ密度ＲＤ、及び壁厚Ｄによって特徴付けられる。壁厚Ｄは積層方向ＳＲにおいて決定され、０．０５ｍｍ～０．２ｍｍ、好ましくは０．０８ｍｍ～０．１６ｍｍである。それぞれの波形構造プレート５のリブ密度ＲＤは、流れ方向ＭＲに対して横方向の個々のリブ６の数と、流れ方向ＭＲに対して横方向の波形構造プレート５の幅Ｂとの比によって決定される。波形構造プレート５、ここでは波形リブ付きプレート５ａのリブ密度ＲＤは、５０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、好ましくは６０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、より好ましくは６０／ｄｍ～８０／ｄｍである。さらに、リブ密度ＲＤの二乗と壁厚Ｄとの積ＲＤ^２＊Ｄは、０．０５／ｍｍ～０．１５／ｍｍ、好ましくは０．０６／ｍｍ～０．１１／ｍｍである。

図４は、熱交換器１の波形構造プレート５の、波形リブ付きプレート５ａの形態の図を示し、波形リブ付きプレート５ａは、図１及び図２にも示されている。図５は、断面Ａ－Ａを有する波形リブ付きプレート５ａの平面図を示す。図６には、断面Ｂ－Ｂを有する波形リブ付きプレート５ａの側面図が示されている。図７及び図８は、断面Ａ－Ａ及び断面Ｂ－Ｂにおける波形リブ付きプレート５ａの断面図を示す。波形リブ付きプレート５ａは、個々のリブ６が波形リブ付きプレート５ａの全長Ｌにわたって延在し、波形であるという点で区別される。それぞれの個々のリブ６によって形成される波形の波形長さＷＬは、流れ方向ＭＲに定義され、７ｍｍ～１２ｍｍ、好ましくは９ｍｍ～１０ｍｍである。この波形の波形幅ＷＢは、流れ方向ＭＲに対して横方向に定義され、０．５ｍｍ～２ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～１．５ｍｍである。波形リブ付きプレート５ａのリブ密度ＲＤは、５０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、好ましくは６０／ｄｍ～１５０／ｄｍ、より好ましくは６０／ｄｍ～８０／ｄｍであり得る。図８に見られるように、それぞれの個々のリブ６は、流れ方向ＭＲに対して横方向に整列した２つの側壁８ａ及び８ｂを有する。側壁８ａ及び８ｂは積層方向ＳＲに対して壁角度Ｗでそれぞれ整列しており、互いに傾斜している。ここで、壁角度Ｗは、１°～６°、好ましくは２°～４°である。

図９は、ウェブリブプレート５ｂの形態の波形構造プレート５の図を示す。図１０には、断面Ｃ－Ｃを有するウェブリブプレート５ｂの平面図が示されている。図１１は、断面Ｃ－Ｃにおけるウェブリブプレート５ｂの断面図を示す。ウェブリブプレート５ｂは、流れ方向ＭＲに互いに続く複数の波状部７によって区別される。それぞれの波状部７は、流れ方向ＭＲに対して横方向に隣接する個々のリブ６を有する。しかしながら、隣接する波状部７は、流れ方向ＭＲに対して横方向にオフセットＶだけオフセットされる。それによって、隣接する波状部７の個々のリブ６も、互いに対してオフセットＶを有する。ここで、オフセットＶは、特に図１１に見られるように、個々のリブ６の幅ＢＲの１／２に相当する。

波状部７の長さＬＡは、流れ方向ＭＲに定義され、２ｍｍ～６ｍｍ、好ましくは２ｍｍ～４ｍｍであってもよい。それぞれの個々のリブ６の幅ＢＲは、流れ方向ＭＲに対して横方向に定義され、１ｍｍ～５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～３ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ～２ｍｍである。それぞれの波状部７のリブ密度ＲＤは同一であり、３５／ｄｍ～７５／ｄｍ、好ましくは４５／ｄｍ～６５／ｄｍである。特に図１１に見られるように、それぞれの個々のリブ６の側壁８ａ及び８ｂは、積層方向ＳＲに対してそれぞれ壁角度Ｗを有する。壁角度Ｗは、ここでは１°～６°、好ましくは２°～４°である。ここで、幅ＢＲの倍と壁角度Ｗとの積２＊ＢＲ＊Ｗは、１２０ｍｍ°未満、好ましくは６０ｍｍ°未満とすることができる。さらに、幅ＢＲと壁角度Ｗのサインとの積ＢＲ＊ｓｉｎ（Ｗ）は、１とリブ密度ＲＤとの比の半分１／（２＊ＲＤ）未満であり得る。

図１２は、異なる構成のウェブリブプレート５ｃの形態の波形構造プレート５の図を示す。図１３は、断面Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅを有するウェブリブプレート５ｃの平面図を示す。図１４及び図１５には、断面Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅにおけるウェブリブプレート５ｃの断面図が示されている。ここで、ウェブリブプレート５ｃは、隣接する波状部７の個々のリブ６、又は隣接する波状部７の個々のリブ６の長手方向中心軸それぞれが、互いに対して入射角Ａをなして整列する点で区別される。入射角Ａは１３６°～１７６°、好ましくは１４６°～１６６°であり得る。そうでなければ、ここに示されるウェブリブプレート５ｃは、図９－１１のウェブリブプレート５ｂに対応する。

Claims (15)

1. 複数の第１の流れチャンバ（２ａ）及び複数の第２の流れチャンバ（２ｂ）を有し、それらが積層方向（ＳＲ）に交互に重なって配置された交換器ブロック（２）を備え、
   前記第１及び第２の流れチャンバ（２ａ、２ｂ）は、ステンレス鋼合金の壁によって外側が区切られ、互いに流体的に分離され、
   第１の媒体は前記第１の流れチャンバ（２ａ）を流れることができ、第２の媒体は前記第２の流れチャンバ（２ｂ）を流れることができ、その結果、前記第１及び第２の媒体は前記交換器ブロック（２）において互いに熱交換することができ、
   複数の個々のリブ（６）からそれぞれ作製された波形構造プレート（５）が、前記第２の流れチャンバ（２ｂ）内に配置され、対をなす前記第２の流れチャンバ（２ｂ）の壁に接合され、
   前記個々のリブ（６）が前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に延在し、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に隣接している熱交換器（１）であって、
   前記波形構造プレート（５）は、触媒コーティングを有する支持材から形成され、触媒工程によって前記第２の媒体を化学的に変換することができる触媒装置を形成することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記ステンレス鋼合金は、１７～２０％のクロム含有量を有するフェライト系クロム鋼、１７～２０％のクロム含有量を有し、かつニオブ被覆を有するフェライト系クロム鋼、又は１７～２０％のクロム含有量を有し、かつニオブ添加物を有するフェライト系ニオブクロム鋼であることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記ステンレス鋼合金は、１７．５～１９．５％のクロム含有量を有し、８～１０．５％のニッケル含有量を有するオーステナイト系クロムニッケル鋼、又は１６．５～１８．５％のクロム含有量を有し、１０～１３％のニッケル含有量を有し、２～２．５％のモリブデン含有量を有するオーステナイト系クロムニッケルモリブデン鋼、又は１９～２１％のクロム含有量を有し、１１～１３％のニッケル含有量を有し、１．５～２．５％のケイ素含有量を有するオーステナイト系クロムニッケルケイ素鋼であることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記支持材は、１７～２０％のクロム含有量を有し、２～１０％、好ましくは３～７％のアルミニウム含有量を有するクロムアルミニウム鋼であることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記第２の流れチャンバ（２ｂ）の壁、及び前記波形構造プレート（５）は、好ましくはニッケル系箔の形態のニッケル系はんだを介して、又はリン含有量を有するはんだを介して互いにはんだ付けされ、
   かつ／又は前記第１及び第２の流れチャンバ（２ａ、２ｂ）の壁は、リン含有量を有するはんだを介して互いにはんだ付けされるか、又は互いに溶接されることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   それぞれの前記波形構造プレート（５）のリブ密度（ＲＤ）の二乗とそれぞれの前記波形構造プレート（５）の壁厚（Ｄ）との積（ＲＤ^２＊Ｄ）は、０．０５／ｍｍ～０．１５／ｍｍ、好ましくは０．０６／ｍｍ～０．１１／ｍｍであることを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記波形構造プレート（５）のそれぞれの前記個々のリブ（６）は、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に整列した２つの側壁（８ａ、８ｂ）を有し、これらはそれぞれ、前記積層方向（ＳＲ）に対して壁角度（Ｗ）で整列することを特徴とする熱交換器。
8. 請求項７に記載の熱交換器において、
   前記壁角度は、１°～６°、好ましくは２°～４°であることを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の熱交換器において、
   前記波形構造プレート（５）は、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に互いに続く複数の波状部（７）を有するウェブリブプレート（５ｂ、５ｃ）であり、
   それぞれの隣接する前記波状部（７）の個々のリブ（６）は、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に互いに対してオフセットされていることを特徴とする熱交換器。
10. 少なくとも請求項７及び９に記載の熱交換器であって、
    前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に定義されたそれぞれの個々のリブ（６）の幅（ＢＲ）の倍と前記壁角度（Ｗ）との積（２＊ＢＲ＊Ｗ）は、１２０ｍｍ°未満、好ましくは６０ｍｍ°未満であることを特徴とする熱交換器。
11. 少なくとも請求項７及び９に記載の熱交換器であって、
    前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に定義されたそれぞれの個々のリブ（６）の幅（ＢＲ）と前記壁角度のサイン（ｓｉｎ（Ｗ））との積（ＢＲ＊ｓｉｎ（Ｗ））は、１と、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に定義されたそれぞれの壁部分（７）のリブ密度（ＲＤ）との比の半分（１／（２＊ＲＤ））未満であることを特徴とする熱交換器。
12. 少なくとも請求項９に記載の熱交換器であって、
    隣接する波状部（７）の個々のリブ（６）は、互いに対して入射角（Ａ）をなして整列することを特徴とする熱交換器。
13. 請求項１２に記載の熱交換器において、
    前記入射角（Ａ）は、１３６°～１７６°、好ましくは１４６°～１６６°であることを特徴とする熱交換器。
14. 請求項１～８のいずれか１項に記載の熱交換器において、
    前記波形構造プレート（５）は、波形リブ付きプレート（５ａ）であり、前記波形リブ付きプレート（５ａ）の個々のリブ（６）は、前記波形リブ付きプレート（５ａ）の全長（Ｌ）にわたって前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に延在することを特徴とする熱交換器。
15. 請求項１４に記載の熱交換器において、
    それぞれの前記個々のリブ（６）は、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に定義された波形長さ（ＷＬ）と、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に対して横方向に定義された波形幅（ＷＢ）とを有する波形を、前記第２の媒体の流れ方向（ＭＲ）に形成することを特徴とする熱交換器。

Images