JP5399471B2 - チャネルシステム - Google Patents

Description

本発明は、圧力降下と、システムを通って流れる流体の熱、水分及び物質の少なくとも１つの移動と、の間の関係を最適化するチャネルシステムであって、このチャネルシステムは、少なくとも１つのチャネル壁を有する少なくとも１つのチャネルと、所定の高さを有する少なくとも１つの流れ案内器と、を具備し、前記流れ案内器は、流体流れ方向に、かつ前記チャネルを横切るように延び、また、前記流れ案内器は、上流部分と、下流部分と、前記上流部分と前記下流部分との間の中間部分と、を有し、前記上流部分は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁から前記チャネルへと内向きに逸れ、また、前記下流部分は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁に向かって戻り、前記中間部分と前記下流部分との間の移行部が、所定の半径で湾曲されているチャネルシステムに関する。

熱交換器／触媒は、しばしば、並列に配置された多くの小さなチャネルを有するようにして形成された本体を有するチャネルシステムであり、これらチャネルは、例えば、交換される流体又は流体混合物を、これらチャネルを通して流す。このようなチャネルシステムは、セラミックス材料又は金属、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムのような、さまざまな材料でできている。

セラミックス材料でできたチャネルシステムは、通常は、矩形か多角形、例えば、六角形であるチャネル横断面積を有する。このようなチャネルシステムは、押出成形によって形成され、これは、チャネルの横断面積がチャネルの全体の長さに沿って同じであり、また、チャネル壁が滑らかで平坦であることを意味している。

金属のチャネル本体の製造では、１つの波形ストリップと１つの平坦ストリップとが、通常、スプールの周りに巻き付けられる。これは、三角形か台形であるチャネルの横断面積をもたらす。市場で入手可能な金属のチャネルシステムのほとんどは、これらの全体の長さに沿って同じ横断面積の複数のチャネルを有しており、また、セラミックのチャネル本体のような、滑らかで平坦なチャネル壁を有する。これらの両方のタイプは、例えば、触媒的に活性な物質を含む触媒で、コーティングで覆われることができる。

背景中で最も重要なことは、このようなチャネルシステムの、チャネルを通って流れる流体又は混合流体とチャネル壁との間の、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動である。

上のタイプのチャネルシステムでは、例えば、乗物や産業の内燃機関で使用されており、これらの背景に一般的に使用されるのは、比較的小さな横断面積のチャネル及び比較的ゆっくりとした流体速度であり、流体は、これらチャネルに沿って、比較的規則的な層状に流れる。かくして、流れは、本質的に、層流となる。これらチャネルの入口のところで、短い距離に沿ってのみ、チャネル壁を横切る所定の流れが生じる。

技術的に一般に知られているように、境界層が、チャネル壁の隣の層状の流体の流れに形成され、この境界層では、速度は、本質的にゼロである。この境界層は、とりわけ、完全な発達した流れとして参照される場合、物質移動係数をかなり減少させ、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動が、主に、比較的遅い拡散によって生じる。物質移動係数は、物質移動速度の測定であり、熱交換と触媒交換との少なくとも一方の高い効率を得るように、大きくあるべきである。物質移動係数を増加させるために、流体は、境界層が縮小され、１つの層から他の層への流れの移動が増加されるように、チャネルの側面に向かって流れるように形成されなければならない。これは、乱流として参照されるものによって起こることができる。滑らかで平坦なチャネルでは、レイノルズ数がおよそ２０００よりも大きい値に達したとき、層流は乱流になる。ここに含まれるチャネルシステムのチャネルでこの大きさのレイノルズ数に達したいならば、これらの背景において通常よりもかなり速い流体速度が必要である。上に記載されたタイプのチャネルシステムに関する低いレイノルズ数では、それ故、チャネルの特別な流れ案内器を配置することによってのように、人工手段によって乱流を生成することが必要である。

ＵＳ４，１５２，３０２は、チャネルを備えた触媒を開示している。ここでは、流れ案内器は、ストリップから穿孔された横断金属フラップの形態で配置されている。流れ案内器を備えた触媒は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を著しく増加させる。しかしまた、同時に、圧力降下も、劇的に増加する。しかし、圧力降下の増加の影響は、増加された熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動の影響よりも大きいことが分かっている。圧力降下は、とりわけ、流れ案内器の形態、寸法及び配置に依存している。しかし、前記流れ案内器のタイプが過大な圧力効果を発生させることは、一般的に知られており、それ故、これらは、商業的には、あまり広い範囲では使用されていない。

ＥＰ０８６９８４４は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の改良された比率を得るために、触媒か、熱／水分交換器のダクトを横切って延びた
乱流発生器を開示している。

ＷＯ２００７／０７８２４０は、チャネルを横切って延びた流れコンバータを開示している。しかし、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率のさらなる改良は、常に、このようなシステムの製造業者に対する要望である。

本発明の目的は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率がさらに改良されたチャネルシステムを提供することである。

上の目的は、添付の特許請求の範囲に規定された特徴を有するチャネルシステムによって達成される。

圧力降下と、システムを通って流れる流体の熱、水分及び物質の少なくとも１つの移動と、の間の関係を最適化する、本発明に従うチャネルシステムは、少なくとも１つのチャネル壁を有する少なくとも１つのチャネルと、所定の高さを有する少なくとも１つの流れ案内器と、を具備する。前記流れ案内器は、流体流れ方向に、かつ前記チャネルを横切るように延びている。さらに、前記流れ案内器は、上流部分と、下流部分と、前記上流部分と前記下流部分との間の中間部分と、を有する。前記上流部分は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁から前記チャネルに内向きに逸れ、また、前記下流部分は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁に向かって戻り、前記中間部分と前記下流部分との間の移行部が、所定の半径で湾曲されている。前記中間部分と前記下流部分との間の湾曲した移行部は、圧力降下を減少させ、この結果、チャネルシステムを通って流れる流体の、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率をさらに改良する。圧力降下の減少は、チャネルシステムを通る流体の流量が増加し、従って、システムのパワーの必要性が減少することに帰着する。これは、増加したか等しい熱と、水分と、物質との少なくとも１つの移動速度と共に、より効率的なシステムに帰着する。さらに、コーティングが必要とされたとき、底面へのコーティングの付着が増加され、チャネル全体のコーティングがより平坦であることができるので、湾曲した（カーブ）形状面がよい。コーティング処理中の閃光（flash）／大きな音（burr）の発生もまた、より少ない。閃光／機械音は、例えば、鋭いエッジ上に、所定のスポットのところの材料の蓄積によるものであり得る。高温中で、振動によってそれを使用したとき、コーティングの残りよりも厚い厚さであり得る蓄積は、減少されることができる。さらに、閃光は、圧力降下をほぼ増加させる。より滑らかな表面は、圧力降下を単に減少させるのではなく、必要とされる貴金属の量が減少することを示唆している。生産コストが必要とされる貴金属の量にかなり依存しているので、生産コストも縮小される。

この半径は、圧力降下の縮小により、システムの品質を改良するが、流体を案内することにより、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を増加させるので、渦が、すなわち、拡大した横断面積により引き起こされる流体の制御された乱流の移動が引き起こされることができる。この乱流の移動は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させるのに必要である。好ましくは、前記中間部分と前記下流部分の間の第１の移行部の半径は、０．１ｈ_１−２．１ｈ_１、好ましくは、０．３５ｈ_１−２．１ｈ_１、より好ましくは、０．３５ｈ_１−１．１ｈ_１である。

適切には、流れ案内器の高さは、第１の高さとして同様の方向に、前記チャネルの高さの０．３５倍よりも大きく取られている。この高さは、流体の流れ層を混合し、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させる乱流の移動を生成するために、チャネルを通って流れる流体の大部分に対する効果を有することが必要である。

前記流れ案内器の中間部分は、前記チャネルの１つのチャネル壁とほぼ平行である平坦部分を有することができる。この平坦部分は、前記チャネルと平行な方向に流体を導くために利用される。これは、チャネルと平行な方向への流体の速度を増加させる。平坦部分もまた、流れ案内器を製造することができるために必要とされることができる。効果的には、前記平坦部分の長さは、前記流体流れ方向に、０ないし２Ｈ、好ましくは、０ないし２ｈ_１、より好ましくは、０ないし１．０ｈ_１であることができる。

好ましくは、前記下流部分と前記チャネル壁との間の移行部が、所定の半径で湾曲されている。前記下流部分と前記チャネル壁との間の移行部の半径は、０．５ｈ_１−１．７ｈ_１である。この半径の目的は、第２の渦が前記流れ案内器の後に現われるのを防ぐことである。このような不適当な第２の渦は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を増加させることなく、圧力降下を増加させる。従って、このような渦を回避することによって、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率は、増加される。かくして、圧力降下は、さらに減少し、代わって、チャネルシステムの効率を増加させる。さらに、この滑らかな移行部は、コーティング処理中、閃光／大きな音の発生を防ぐ。それ故、この移行部は、閃光／大きな音の発生に関して、上に説明されるような中間部分と下流部分との間の移行部と同じ効果を有する。

好ましくは、前記上流部分と前記中間部分との間の第３の移行部が、所定の半径で湾曲されている。これは、上流部分を通過した後に、チャネルの一側面に平行な所定の方向に向かって流体を滑らかに向けるためである。滑らかな方向は、さらに、圧力降下を減少させる。前記上流部分と前記中間部分との間の前記移行部の半径は、０．２ｈ_１−０．５ｈ_１であることができる。さらに、この滑らかな移行部は、コーティング処理中、閃光／大きな音の生成を防ぐ。それ故、この移行部は、閃光／大きな音の発生に関して、上に説明されるような中間部分と下流部分との間の移行部と同じ効果を有する。代わって、前記上流部分と前記中間部分との間の前記移行部の半径は、前記中間部分と前記下流部分との間の移行部の半径と等しいことができる。等しい半径は、流体が上述の流体流れ方向の反対方向に流れることができるアプリケーションにとって、効果的である。

効果的には、前記流れ案内器の前記チャネルのチャネル壁と前記上流部分の間の移行部は、所定の半径で湾曲されている。これは、チャネルを横切る方向に、層状の流体流れを滑らかに導くためであり、横断面積が減少されるので、流体速度を増加させる。さらに、この滑らかな移行部は、コーティング処理中、閃光／大きな音の発生を防ぐ。従って、この移行部は、閃光／大きな音の発生に関して、上に説明されるような中間部分と下流部分との間の移行部と同じ効果を有する。好ましくは、前記チャネルのチャネル壁と前記上流部分の間の前記移行部の半径は、０．２ｈ_１−０．５ｈ_１であることができる。

適切には、前記上流部分の平坦部分は、前記チャネル壁の面に対して、この面から前記上流部分が逸れた第１の傾斜角度を有する。これは、チャネルと平行でない方向に流体を導くためであり、この結果、乱流は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を増加させるために発展されることができる。第１の傾斜角度は、１０°〜６０°、より好ましくは、３０°〜５０°であることができる。

好ましくは、前記下流部分の平坦部分は、前記チャネル壁の面に対して、この面に前記か流部分が戻る第２の傾斜角度を有する。これは、渦、すなわち、流体の制御された乱流の移動を引き起こすためであり、逸れた横断面積により引き起こされる。この乱流の移動は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させるために必要である。第２の傾斜角度は、好ましくは、５０°〜９０°、より好ましくは、６０±１０°である。

適切には、前記チャネルは、前記流れ案内器のところに、第１の横断面積Ａ_１と、第２の横断面積Ａ_２と、を有し、前記面積Ａ２に対する前記面積Ａ１の比率、すなわちＡ１／Ａ２は、１．５よりも大きい、好ましくは、２．５よりも大きい、より好ましくは、３よりも大きい。この比率Ａ１／Ａ２の大きさは、前記チャネルで流体の所望の乱流の移動を形成するために、かくして、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させるために必要な速度を得ることにとって不可欠である。

本発明に従う好ましい実施の形態では、前記中間部分は、前記上流部分が逸れているところから前記チャネル壁の内側面にとどまっている。これは、圧力降下をさらに減少させるためである。

前記チャネルは、前記流れ案内器に対してミラー反転された少なくとも１つの流れ案内器を有することができる。いくつかのチャネルが互いに関連して配置されたとき、このようなミラー反転された流れ案内器は、システム全体中の熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させる。

本発明の好ましい実施の形態によれば、前記チャネルの前記横断面積は、上向き形状であり、好ましくは、三角形であることができる。製造の観点からすると、このような形状は、好ましい。特に、等辺三角形の横断面積は、単位面積当たりのチャネル壁に沿った摩擦損を最小限にし、かくして、単位面積当たりの最大流量を与える。それ故、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させるために、等辺三角形の横断面積が好ましい。

一般的に、特許請求の範囲で使用される全ての用語は、他にここに明示的に規定されない限り、本技術分野でそれらの通常の意味に従って解釈される。全ての参照符号、定冠詞［要素、装置、構成要素、手段、工程、など］は、他に明示的に述べられない限り、前期要素、装置、構成要素、手段、工程などの少なくとも１つの例を参照して公然と解釈される。ここに開示される方法の工程は、明示的に述べられない限り、開示された正確な順序で実行される必要はない。

本発明の他の目的、特徴並びに効果は、以下の詳細な開示から、並びに、添付の独立請求項及び図面から明らかである。

上で述べた、本発明の目的、特徴、効果は、添付図面を参照して、以下に図示される本発明の好ましい実施の形態の限定的でない詳細な説明によって理解される。以下では、同じ参照符号は、同様の要素に使用される。

図１は、本発明に係るロールの斜視図である。 図２は、本発明に係るチャネルシステムの部分的に開けられたチャネルの斜視図である。 図３は、代わりの実施の形態のチャネルの断面図である。 図４は、互いに上部に配置された、図２の２つのチャネルの断面図である。 図５は、チャネルの一端部から見た、図２のチャネルの断面図である。 図６は、チャネルの長手方向にチャネルを備えた層を示す図である。

本発明は、好ましい実施の形態を図示する目的のための添付の概略的な図面を参照して、以下に詳細に説明される。

図１は、本発明に係るチャネルシステム２を備えたロール（回転体）１を示している。このロール１は、例えば、触媒として、熱ホイール、ガス冷却原子炉、ガスタービンブレード冷却又は他の適切なアプリケーションのような熱交換器中で使用されることができる。

複数のチャネル４を形成している少なくとも１つの平坦ストリップ１４と一体的な波形ストリップ１３が、シリンダを形成するように、所望の直径で巻き付けられており（図６参照）、ロール１のチャネルシステム２での実際のコアを構成している。波形ストリップ１３及び本質的に平坦なストリップ１４の凹凸部（indentation）１５（図６参照）は、形成されたロールの嵌まり込みを防ぐ、すなわち、これらは、ストリップ１３、１４の異なる層が互いに対して配置されるのを防ぐ。さらに、ケーシング３が、チャネルシステム２を囲んでおり、チャネルシステム２を一緒に保持し、隣接している構成体にこのチャネルシステムを固定する。

代わって、波形ストリップ１３及び平坦ストリップ１４の数は、チャネル４を形成するように、交代で層状に配列される（図６参照）。この構成体は、例えば、プレート熱交換器に適している。

図２は、第１の流れ案内器（director）７と、第１の流れ案内器７に対して、ミラー反転された流れ案内器８と、を有する部分的に開けられたチャネル４の斜視図である。しかし、各流れ案内器７、８の少なくとも１つは、チャネル４の長さ全体に沿って分配されることができる。さまざまなタイプの流れ案内器は、交互にのみならず、図２に示されるように、ランダムに配置することが可能である。代わって、２つのタイプの流れ案内器のうちの１つのみが使用されてもよい。この場合、また、案内器は、チャネル４の長さ全体に沿って分配される。これら流れ案内器７、８は、所定の方向に、入口５を通って導入される流体を導く。

チャネル４は、小さな寸法の、すなわち、通常は高さ４ｍｍ未満であるチャネルである。好ましくは、図３を参照すると、チャネルの高さＨは、１ｍｍないし３．５ｍｍである。チャネル４は、５ｍｍ未満であることができるチャネル壁６ａ、６ｂ、６ｃを有する等辺三角形の横断面積を有する。しかし、横断面積の形状は、等辺三角形に限定されず、このアプリケーションに適したいかなる形状も取ることができる。また、チャネル壁の数は、３までに限定されず、任意の適切な数であることができる。さらに、流体流れ方向で、チャネル壁６ａ、６ｂ、６ｃは、チャネル４を囲んでおり、これは、流体が１つのチャネル４から他のチャネルに流れなくてもよいことに帰着する。他方では、本発明は、チャネル壁によって囲まれたチャネルに限定されない。チャネル壁６もまた、チャネル４を部分的に囲むことができるので、流体は、１つのチャネル４から他のチャネルに流れることができる。

チャネル４の長さは、アプリケーションに依存して変化することができる。例えば、触媒に対しては、チャネル４の長さは、１５０〜２００ｍｍであることができ、また、熱交換器に対しては、チャネル４の長さは、１５０〜２５０ｍｍであることができる。しかし、本発明は、これらのチャネルの長さに限定されない。また、必要な長さを備えたシステムを形成するために、任意の数のチャネルシステム２を次々に配置することが可能である。

さらに、チャネル４は、いかなる軸方向をとってもよい。すなわち、本発明は、水平なチャネルに限定されない。

第１の流れ案内器７は、チャネル４の１つのチャネル壁６ａに配置されており、かくして、入口５からの流体の流れ（矢印）は、２つの他のチャネルの側面６ｂ、６ｃに向かって導かれる。第１の流れ案内器７の対向側面には、膨らみ部（bulge）１２がある。互いに、及びチャネル４の入口から所定の距離のところに配置された特別な配置を有するこれら流れ案内器７、８を使用することによって、熱、水分及び物質の少なくとも１つの移動速度と、圧力降下と、の最適な関係が得られる。

入口５を正確に通過した後、流体の流れは、入口のところでの乱流（inlet turbulence）を有する。流体がチャネル４を通過するのに従って、この乱流は減少し、これは、チャネル４の内部の、一定の速度の層状の流体の流れに帰着する。流体が第１の流体案内器７に接近したとき、速度は、減少された横断面積に局所的に依存して増加する。第１の流体案内器７を通過した後、拡大した横断面積及び流体の速度により、渦が、すなわち、流体の制御された乱流の移動が、引き起こされる。流体案内器７は、チャネル４を通って流れる流体の主要な部分に影響を与え、流れる層の混合に帰着する。この乱流の移動は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を増加させるために必要である。

図３では、同じタイプの２つの流れ案内器７ａが、互いに隣に配置されている。チャネル４に内向きに延びた２つの流れ案内器７は、上流部分９と、中間部分１０と、下流部分１１と、を有する。これら流れ案内器７ａ、７ｂは、所定の高さｈ_１を有する。第１の流体案内器７ａは、入口５から所定の距離Ａのところに配置されている。第１の流れ案内器７ａの最適な配置は、運転条件に依存している。

上流部分９は、チャネル壁６ａの面に対して、所定の第１の傾斜角度α_１で、流体流れ方向に、傾斜した平坦部分２１を有する。第１の傾斜角度α_１は、チャネル壁６ａの面と、チャネル壁６ａの面に対する平坦部分２１の延長との間の角度として規定され、この角度は、平坦部分２１の延長部と、チャネル壁６ａの面との交差点の下流に位置されている。また、第１の傾斜角度α_１は、図３に角度α_１として規定されている。さらに、第１の傾斜角度α_１は、１０°〜６０°、好ましくは、３０°〜５０°である。

上流部分９の傾斜は、流体の速度を増加させ、流体を他の表面に向かって導き、この結果、制御された乱流の移動が、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を増加させるために開始される。

中間部分１０は、上流部分９と下流部分１１との間に配置されている。中間部分１０は、上流部分９が延びたチャネル壁６から側面に内向きに留まっている。代わって、中間部分１０は、チャネル壁６の内側及び外側の両方にあってもよい。

中間部分１０と上流部分９との間には、所定の半径Ｒ２を有する湾曲した移行部１９が配置されている。上流部分９と中間部分１０との間の移行部１９の半径Ｒ_２は、流れ案内器７の高さの０．１ないし２倍、すなわち、０．１ｈ_１−２ｈ_１である。これは、上流部分を通過した後、チャネルの１つの側面に平行な方向に向かって流体の流れを滑らかに導くためである。最小の好ましいチャネルの高さＨを有する実施の形態に対して、これは、０．０４〜１．０８ｍｍに等しい。最大の好ましいチャネルの高さＨを有する実施の形態に対して、これは、０．１４〜４．３１ｍｍに等しい。

中間部分１０は、チャネル４の１つのチャネル壁６ａに平行であり、上流部分９及び下流部分１１の長さに対して短い平坦部分１６を有する。また、流れ案内器７が延びたチャネル壁６に関して、流れ案内器７の最大の高さｈ_１は、中間部分１０の平坦部分１６のところにある。高さｈ_１は、好ましくは、チャネル４の高さＨの０．３５倍よりも大きい。最小の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、０．３５〜０．５４ｍｍに等しい。最大の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、１．４０〜２．１５ｍｍに等しい。しかし、平坦部分１６は、製造状の理由から設けられ得るが、対向壁６ｂの方へ導かれた後に、チャネル４の、すなわちチャネル壁６ａ、６ｂ、６ｃのチャネル４の方向に流れるように流体を導くのを助ける。平坦部分１６は、０ないし２Ｈ、好ましくは、０ないし２．０ｈ_１、より好ましくは、０ないし１．０ｈ_１の流体流れ方向に所定の長さを有することができる。上流部分９が延びたチャネル壁６と平行であることに代わって、中間部分１０の平坦部分１６は、チャネル壁６ａに対して所定の傾斜を有してもよい。傾斜は、チャネル４に内向きに、又はチャネル壁６ａに向かって、流体流れ方向であることができる。他の実施の形態では、中間部分１０は、わずかに湾曲した形状、例えば、凸形を有することができる。移行部１７、１９は、湾曲している必要はなく、これらは、直線状であることができる。

流れ案内器７の下流部分１１は、流体流れ方向に、所定の第２の傾斜角度α_２でチャネル壁６ａの面に対して、戻る平坦部分２２を有する。第２の傾斜角度α_２は、チャネル壁６ａの面と、チャネル壁６ａの面に対する平坦部分２２の延長との間の角度として規定され、この角度は、平坦部分２２の延長とチャネル壁６ａの面との交差点の上流に位置されている。第２の傾斜角度α_２もまた、図３に角度α_２として規定されている。さらに、第２の傾斜角度α_２は、５０°〜９０°、好ましくは、６０±１０°である。好ましくは、平坦部分２２は、十分に短いので、下流部分１１は、好ましくは、大きな半径Ｒ_４を有する平坦な移行部１８のチャネル壁６ａに戻ることができる。平坦部分２２は、拡大した横断面積により、制御された乱流の移動を形成することを可能にし、これは、熱、水分及び物質の少なくとも１つの移動と、圧力降下と、の間の比率を最適化する。

前記中間部分１０と前記下流部分の間の移行部１７の所定の半径Ｒ_３は、流れ案内器７の高さの０．１〜２．１倍、すなわち、０．１ｈ_１−２．１ｈ_１、好ましくは、流れ案内器７の高さの０．３５〜２．１倍、すなわち、０．３５ｈ_１−２．１ｈ_１、より好ましくは、流れ案内器７の高さの０．３５〜１．１倍、すなわち、０．３５ｈ_１−１．１ｈ_１である。最大の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、それぞれ、０．１４〜４．５２ｍｍ、０．４９〜４．５２ｍｍ及び０．４９〜２．３７ｍｍに等しい。この半径は、拡大している断面により引き起こされる渦、すなわち流体の制御された乱流の移動を形成するチャネル壁６ａに向かう流体の大部分を導く。この乱流の移動は、熱と、水分と、物質との少なくとも１つの移動速度を増加させるために必要である。

代わって、前記上流部分９と前記中間部分１０の間の移行部１９の前記半径Ｒ_２は、前記中間部分１０と前記下流部分１１の間の移行部１７の半径Ｒ_３と等しいことができる。すなわち、流れ案内器７の高さの０．１〜２．１倍、すなわち、０．１ｈ_１―２．１ｈ_１、好ましくは、流れ案内器７の高さの０．３５〜２．１倍、すなわち、０．３５ｈ_１―２．１ｈ_１、より好ましくは、流れ案内器７の高さの０．３５−１．１倍である。最小の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、それぞれ、０．０４〜１．１３ｍｍ、０．１２〜１．１３ｍｍ及び０．１２〜０．５９ｍｍに等しい。また、最大の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、それぞれ、０．１４〜４．５２ｍｍ、０．４９〜４．５２ｍｍ、０．４９〜２．３７ｍｍに等しい。等しい半径は、流体が上述の流体流れ方向の反対にさらに方向に流れることができるいくつかのアプリケーションにおいて効果的である。

チャネル４のチャネル壁６ａと、上流部分９との間には、所定の半径Ｒ_１を有する滑らかな移行部２０がある。チャネル４のチャネル壁６ａと、上流部分９との間の移行部２０半径Ｒ_１は、チャネル４に向かって上向きに流体を導くのを助け、また、流れ案内器７の高さｈ_１の０．１〜２倍の高さ、すなわち、０．１ｈ_１−２ｈ_１である。最小の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、０．０４〜１．０８ｍｍに等しい。最大の好ましいチャネル高さＨを有する実施の形態に対して、これは、０．１４〜４．３１ｍｍに等しい。

チャネル壁６ａと上流部分９との間の移行部の最適な半径Ｒ_１と、上流部分９と中間部分１０との間の最適な半径Ｒ_２とは、それぞれ、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率に関して、いくつかの経験的なパラメータの使用により決定されることができる。このようなパラメータは、例えば、チャネル４の横断面積Ａ _１ と流れ案内器７、８のところでのチャネル４の横断面積Ａ_２（即ち、図５に示されているようにチャネル４の横断面積Ａ _１ から流れ案内器の横断面積を引いた横断面積）との比率、前記横断面積Ａ_１に対する流れ案内器７、８のところでのチャネル４の横断面積の変化の比率、上流部分９及び下流部分１１の第１の傾斜角度α_１及び第２の傾斜角度α_２である。チャネル４の横断面積Ａ_１は、チャネル４の入口５のところに、横断面積として規定されている。また、チャネル４の横断面積Ａ_１も、図５にＡ_１として規定されている。流れ案内器７、８の所でのチャネル４の横断面積Ａ_２は、高さｈ_１のところで中間部分１０のところの横断面積として規定されている。チャネル４の横断面積Ａ_２も、図５にＡ_２として規定されている。チャネル壁６と平行ではないか、上流部分９がここから延びた中間部分の場合には、横断面積Ａ_２は、中間部分１０のところの平均横断面積として規定されている。

下流部分１１とチャネル４のチャネル壁６ａとの間には、半径Ｒ_４を有する滑らかな移行部１８がある。下流部分１１とチャネル４のチャネル壁６ａとの間の移行部１８の半径Ｒ_４は、第２の渦の形成を縮小し、圧力降下を増加させることができる。半径Ｒ_４は、流れ案内器７の高さの０．２〜２倍、すなわち、０．２ｈ_１−２ｈ_１、好ましくは、流れ案内器７の高さの０．５〜１．５倍、すなわち、０．５ｈ_１−１．５ｈ_１である。最小の好ましいチャネルの高さＨを有する実施の形態に対して、これは、それぞれ、０．０１〜２．１５ｍｍ及び０．１８〜０．８１ｍｍに等しい。最大の好ましいチャネルの高さＨを有する実施の形態に対して、これは、それぞれ、０．０３〜８．６２ｍｍ及び０．７０−３．２３ｍｍに等しい。しかし、これら移行部１８、２０は、所定の半径を有することに限定されず、これらは直線状であることができる。

滑らかな移行部１８、１９、２０、２１は、流れ案内器７全体にわたる滑らかな流体流れに帰着する。また、同時に、移行部は、流体を所定の方向に導く。圧力降下が、流体と、チャネルの壁との間の摩擦によって確立されるので、滑らかな移行部もまた、圧力降下を減少させる。

図２並びに図３では、流れ案内器が有する上流部分９は、平坦部分２１を有する。図示されない他の実施の形態では、上流部分９は、これらの間に、平坦部分なく、互いに湾曲した２つの部分を有することができる。すなわち、上流部分９は、上流部分９と中間部分１０との間の凸状の移行部１９に連続している、チャネル壁６ａと上流部分との間の凹状の移行部２０によって形成されてもよい。この場合、第１の傾斜角度α_１は、２つの湾曲部分の、横断面積に見られる、交差点による接線と、チャネル壁６ａの面との間の角度を参照する。他の態様では、第１の傾斜角度は、平坦部分２１を有する場合に同様に規定される。

他の実施の形態では、下流部分１１は、凹形状又は凸形状を有することができ、又は、下流部分１１は、これらの間に、平坦部分２２なく、互いに湾曲した２つの部分を有することができる。すなわち、下流部分１１は、下流部分とチャネル壁の間の凹状の移行部１８に連続している、中間部分と下流部分の間の凸状の移行部１７によって形成されることができる。この場合、第２の傾斜角度α_２は、２つの湾曲部分の、横断面積に見られる、交差点による接線と、チャネル壁６ａの面との間の角度を参照する。他の態様では、第２の傾斜角度は、平坦部分２２を有する場合に同様に規定される。

図３では、第２の流れ案内器７ｂは、第１の流れ案内器７ａからの所定の距離Ｂのところに位置されており、第２の流れ案内器７ｂは、流れ案内器７ａと同じ配置形状を有する。第２の流れ案内器７ｂもまた、第１の流れ案内器７ａの配置形状と比較して異なる配置形状を有することができる。距離Ｂは、十分に大きくあるべきであるので、第１の流れ案内器７ａを通過した後に形成された乱流の移動は、最大に利用されることができ、また、流体は、チャネル４の方向を、すなわち、チャネル４、チャネル壁６ａ〜６ｃに平行な方向を取ることができる。この距離によって、不必要な圧力降下は、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動速度を減少させることなく、防がれる。本発明は、互いに等しい距離Ｂのところに流れ案内器を有することに限定されていない。それどころか、互いに任意の距離のところに流れ案内器を配置することが可能である。

流れ案内器７ａ、７ｂの上には、膨らみ部１２が配置されている。好ましくは、膨らみ部１２の高さｈ_２は、流れ案内器７の高さｈ_１未満である。これは、膨らみ部１２中の不要な乱流を減少させる。さらに、好ましくは、膨らみ部１２は、第２のチャネルの底面に、流れ案内器によって規定された、対応する膨らみ部１２に十分に適合した形状を有する（図４参照）。膨らみ部１２の高さには、層状にチャネルを配置したとき、安定したアセンブリが得られるように、好ましくは非常に高く、これは、嵌まり込むことを防ぐためである。ここで、嵌まり込みは、互いに対するチャネル層の望まれない移動を参照する。本発明は、各流れ案内器７のところに１つの膨らみ部を有することに限定されない。代わりに、例えば、第１の流れ案内器７と、最後の流れ案内器７のところに、流体流れ方向に、１つの膨らみ部があることができる。

図４は、チャネルシステム２でのように、互いに関連して配置された２つのチャネル４を示しており、各々が、第１の流れ案内器７と、この第１の流れ案内器７に対してミラー反転された第２の流れ案内器８と、を有する。もし、チャネルへ延びた流れ案内器のみが使用されるのであれば、これらが一緒に巻き付けられるか、図６に示すように、互いに関連して配置されたとき、チャネルの半分のみが流れ案内器を有する。さらに、熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動を増加させるために、各第２の流れ案内器が、第１の流れ案内器７に対してミラー反転された流れ案内器８であることが適切であるので、全てのチャネルには、それぞれ流れ案内器が設けられている。第１の流れ案内器７に対してミラー反転された第２の流れ案内器８は、第１の流れ案内器７から所定の距離Ｂのところに位置されている。この距離Ｂは、第１の流れ案内器７を通過した後に形成された乱流の移動が、チャネル４の方向を、すなわち、チャネル４、チャネル壁６ａに平行な方向を取ることができるように、かなり大きくあるべきである。ミラー反転された第２の流れ案内器により接近している流体は、大きな拡大面積を得て、速度は、局所的に減少する。

チャネルの一端部から見た図２のチャネルの横断面積である図５は、横断面積が両側面からの凹凸部１５によってどのように影響されるかを示している。第１の流れ案内器７と、ミラー反転された流れ案内器８との両方が、図面に示されており、これらは、チャネル壁６ａ（図１も参照）全体にわたって延びている。チャネルの横断面積は、三角形であるが、いかなる上向き形状（top-shaped）の断面形状も適している。従って、さらに、台形断面も実現可能である。

所望の乱流の移動を形成するために、流れ案内器７の中間部分１０のところで、流体の所定の速度Ｖ_２が必要である。この速度Ｖ_２は、中間部分１０のところでのチャネルの横断面積Ａ_２、例えば、チャネルの入口のところでのチャネル４の横断面積Ａ_１及び横断面積Ａ_１を有するチャネルの部分での速度Ｖ_１に依存している。式Ａ_２＝Ａ_１（ｖ_１）^２／ｖ_２を使用することによって、面積Ａ_２に対する面積Ａ_１、すなわち、Ａ_２／Ａ_１の最も効果的な比率がアプリケーションに依存して計算されることができる。面積Ａ_２に対する面積Ａ_１の比率は、１．５よりも大きい、好ましくは、２．５よりも大きい、より好ましくは、３よりも大きい。

本発明の代わりの形態によれば、流れ案内器は、上流部分と下流部分との間の中間部分が、流れ案内器が延びた側面から、チャネルの三角形の横断面積の三角形の側面に平行であるようにして配置される。他の代わりの形態では、流れ案内器は、前記上流部分と下流部分との間の中間部分が、チャネルの三角形の横断面積の三角形の側面の１つに垂直である。これは、上流部分と下流部分とが、それぞれ、流れ案内器がここから逸れた側面のみならず、隣接側部でも、チャネルの２つの側面に対して傾斜を有することを意味している。さらに、代わりの実施の形態では、流れ案内器は、中間部分の側部が、流れ案内器から逸れている側部に対して所定の傾斜を有する、すなわち、流れ案内器は、４つの傾斜面を備えた凸状面を形成している。代わって、１つの流れ案内器が、１つのチャネル壁６ａから延び、他のチャネル壁６ｂに戻ってもよいし、流れ案内器は、任意のオーダの異なるチャネル壁６ａ〜６ｃから延び、戻ってもよい。例えば、第３の流れ案内器全てが、チャネル壁６ａから延びてもよいし、チャネル壁６ａからの間の流れ案内器は、代わって、２つの残りのチャネル壁６ｂ、６ｃから延びてもよい。さらに、代わりの実施の形態では、流れ案内器は、チャネル４の入口から、又はチャネル４の流れ案内器７、８から、同じ距離のところに、２つ又はいくつかのチャネル壁６ａ〜６ｃから上流に延びることができる。これは、複数の壁からの狭細なチャネルに帰着する。このタイプの流れ案内器は、図面に示される流れ案内器７、８と組み合わせられることができる。

図６は、本発明に係るチャネルの長手方向にチャネルシステム２のチャネル４を有する層を示している。１つの波形ストリップ１３は、好ましくは、流れ案内器７、８が、折られたエッジのところの凹部１５と、内側の折られたエッジのところの押出部分と、の両方を形成するように、一方から押圧されるようにして使用される。凹部１５は、ここでは、上に説明された流れ案内器７、８と同じである。この実施の形態では、さらに、波形ストリップ１３の凹凸部に対応する凹凸部１５が形成されたほぼ平坦なストリップ１４が使用される。平坦ストリップ１４と波形ストリップ１３とは、一方の上部に他方を押圧し、この結果、平坦ストリップの凹凸部が、波形ストリップの凹凸部に嵌合する。

熱と、水分と、物質と、の少なくとも１つの移動をさらに増加させるために、下向きに尖った三角形の横断面積の先端を有するチャネル及び上向きに尖った三角形の横断面積の先端を有するチャネルには、凹部／押出部分が設けられていることが便利であり、これは、全てのチャネルに流れ案内器が設けられていることに帰着する。

流れ案内器が設けられた全てのチャネルに関して、両側から凹部／押出部分を形成することが利便的であり、この結果、チャネルの横断面積である三角形のベースは、内向きに押圧され、これによって、横断面積の減少を達成する。内向き及び外向きにとがっている三角形の横断面積の先端を有するチャネルの凹部／押出部分は、それぞれ、チャネルに沿って互いに対してオフセットされ、好ましくは、互いに等距離に離間されている。同じに沿った異なる点の全く同一のチャネルの横断面積には、かくして、三角形の先端の三角形／押出部分のベースの凹部、及び三角形のベースの三角形／押出部分の先端の凹部がある。これは、主として、乱流が発生されるのを助ける横断面積の減少である。これは、横断面積が縮小されるので、ベースがチャネルの中心に向かって内向きに押圧されて、乱流を形成することを意味している。三角形の先端がチャネルの中心に向かって内向きに押圧され、ベースが外向きに押圧されたとき、これらの部分のところで、代わって、横断面積が増加する。

上記の発明は、本発明の好ましい実施の形態に関連して説明されてきたが、特許請求の範囲によって規定されるような本発明から逸脱することなく、いくつかの変更が想到されることは、当業者にとって明白であろう。例えば、上に説明されるように、波形ストリップは、他のチャネルの輪郭形状（プロファイル）が得られるような他の方式で波形にされることができる。流れ案内器の構成体が嵌まり込むことに対する障害を構成しなければ、例えば、上流部分と下流部分との角度が、チャネルの長手方向に比べて小さければ、チャネルの長手方向に対する鋭角がよりわずかに小さい特別な凹部／押出部分を形成することが可能である。そして、このような嵌まり込みの障害は、圧力降下を最小にするために、流れ案内器と比較して、チャネルの横断面積に比べて小さくあるべきである。このような嵌まり込みの障害は、もちろん、予め障害を嵌め込むように機能する補足的な流れ案内器であってもよい。凹部／流れ案内器の数は、チャネルの長さ及びチャネルの横断面積Ａ_１に依存している。熱、水分及び物質の少なくとも１つの移動に対する圧力降下の比率を最適化するために、より小さな横断面積を有するチャネルが、流れ案内器間のより短い距離を必要とし、この結果、より大きな横断面積を有するチャネルよりも多くの流れ案内器が必要である。さらに、製造の観点から、異なるアプリケーションに再使用可能な所定の距離を有することが適切である。好ましい実施の形態に対して、流れ案内器の数は、長さ１５０ｍｍのチャネル５つ〜６つであることができる。しかし、流れ案内器の数は、この数に全く限定されない。

Claims (27)

1. 圧力降下と、システムを通って流れる物質の流体と熱と水分との少なくとも１つの移動と、の間の関係を最適化するチャネルシステム（２）であって、
   このチャネルシステムは、
   第１のチャネル壁（６ａ）を含んだ少なくとも１つのチャネル壁（６ａ）を有する少なくとも１つのチャネル（４）と、
   前記チャネル中に前記第１のチャネル壁（６ａ）から突設され、所定の高さ（ｈ_１）を有する少なくとも１つの流れ案内器（７ａ、７ｂ）と、を具備し、
   前記流れ案内器は、流体流れ方向に、かつ前記チャネルを横切るように延び、また、
   前記流れ案内器は、
   上流部分（９）と、
   下流部分（１１）と、
   前記上流部分（９）と前記下流部分（１１）との間の中間部分（１０）と、を有し、
   前記上流部分（９）は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁（６ａ）から前記チャネル（４）の上方に傾斜して延び、また、
   前記下流部分（１１）は、前記流体流れ方向に、前記チャネル壁（６ａ）に向かって下方に延びたチャネルシステムにおいて、
   前記中間部分（１０）と前記下流部分（１１）との間の第１の移行部（１７）が、所定の半径（Ｒ_３）で凸に湾曲されており、
   前記中間部分（１０）と前記下流部分（１１）との間の前記第１の移行部（１７）の前記半径（Ｒ _３ ）は、０．１ｈ _１ −２．１ｈ _１ であり、
   前記下流部分（１１）と前記チャネル壁（６ａ）との間の第２の移行部（１８）は、所定の半径（Ｒ _４ ）で凹に湾曲されていることを特徴とするチャネルシステム（２）。
2. 前記第１の移行部（１７）の半径（Ｒ _３ ）は、０．３５ｈ_１−２．１ｈ _１ である請求項１のチャネルシステム（２）。
3. 前記第１の移行部（１７）の半径（Ｒ _３ ）は、０．３５ｈ _１ −１．１ｈ _１ である請求項２のチャネルシステム（２）。
4. 前記少なくとも１つの流れ案内器の前記高さ（ｈ_１）は、前記流れ案内器の前記高さ（ｈ_１）と同じ方向の前記チャネル（４）の高さ（Ｈ）の０．３５倍よりも大きい請求項１ないし３のいずれか１のチャネルシステム（２）。
5. 前記中間部分（１０）は、前記チャネル（４）の前記第１のチャネル壁（６ａ）にほぼ平行な平坦部分（１６）を有する請求項１ないし４のいずれか１のチャネルシステム（２）。
6. 前記平坦部分（１６）は、前記流体流れ方向に、０ないし２Ｈの長さを有する請求項５のチャネルシステム（２）。
7. 前記平坦部分（１６）は、前記流体流れ方向に、０ないし２ｈ _１ の長さを有する請求項６のチャネルシステム（２）。
8. 前記平坦部分（１６）は、前記流体流れ方向に、０ないし１．０ｈ _１ の長さを有する請求項７のチャネルシステム（２）。
9. 前記下流部分（１１）と前記チャネル壁（６ａ）との間の前記第２の移行部（１８）の前記半径（Ｒ_４）は、０．２ｈ_１−２ｈ _１ である請求項１ないし８のいずれか１のチャネルシステム（２）。
10. 前記下流部分（１１）と前記チャネル壁（６ａ）との間の前記第２の移行部（１８）の前記半径（Ｒ _４ ）は、０．５ｈ _１ −１．５ｈ _１ である請求項９のチャネルシステム（２）。
11. 前記上流部分（９）と前記中間部分（１０）との間の第３の移行部（１９）は、所定の半径（Ｒ_２）で湾曲されている請求項１ないし１０のいずれか１のチャネルシステム（２）。
12. 前記上流部分（９）と前記中間部分（１０）との間の前記第３の移行部（１９）は、０．１ｈ_１−２ｈ_１である請求項１１のチャネルシステム（２）。
13. 前記上流部分（９）と前記中間部分（１０）との間の前記第３の移行部（１９）の前記半径（Ｒ_２）は、前記中間部分（１０）と前記下流部分（１１）との間の前記第１の移行部（１７）の前記半径（Ｒ_３）に等しい請求項１１のチャネルシステム（２）。
14. 前記チャネル（４）の前記第１のチャネル壁（６ａ）と前記少なくとも１つの流れ案内器（７ａ、７ｂ）の前記上流部分（９）との間の第４の移行部（２０）は、所定の半径（Ｒ_１）で湾曲されている請求項１ないし１３のいずれか１のチャネルシステム（２）。
15. 前記チャネルの前記チャネル壁と前記上流部分（８）との間の前記第４の移行部（２０）の前記半径（Ｒ_１）は、０．１ｈ_１−２ｈ_１である請求項１４のチャネルシステム（２）。
16. 前記上流部分（９）の平坦部分（２１）が、前記上流部分（９）が前記第１のチャネル壁（６ａ）に対して、第１の傾斜角度（α_１）で傾斜している請求項１ないし１５のいずれか１のチャネルシステム（２）。
17. 前記第１の傾斜角度（α_１）は、１０°ないし６０°である請求項１６のチャネルシステム（２）。
18. 前記第１の傾斜角度（α _１ ）は、３０°ないし５０°である請求項１７のチャネルシステム（２）。
19. 前記下流部分（１１）の平坦部分（２２）が、前記第１のチャネル壁（６ａ）に対して、第２の傾斜角度（α_２）で傾斜している請求項１ないし１８のいずれか１
    のチャネルシステム（２）。
20. 前記第２の傾斜角度（α_２）は、５０°ないし９０°である請求項１９のチャネルシステム（２）。
21. 前記第２の傾斜角度（α _２ ）は６０°±１０°である請求項２０のチャネルシステム（２）。
22. ．
    前記チャネル（４）は、第１の横断面積Ａ _１ と、前記流れ案内器（７ａ、７ｂ）のところでの第２の横断面積Ａ_２と、を有し、
    前記面積Ａ_２に対する前記面積Ａ_１の比率は、１．５よりも大きい請求項１ないし２１のいずれか１のチャネルシステ
    ム（２）。
23. 前記面積Ａ _２ に対する前記面積Ａ _１ の比率は、２．５よりも大きい請求項２２のチャネルシステム（２）。
24. 前記面積Ａ _２ に対する前記面積Ａ _１ の比率は、３よりも大きい請求項２３のチャネルシステム（２）。
25. 前記中間部分（１０）は、前記チャネル壁（６ａ）の内面側に位置している請求項１ないし２４のいずれか１のチャネル
    システム（２）。
26. 前記チャネル（４）は、前記流れ案内器（７）に対してミラー反転された少なくとも１つの流れ案内器（８）を有する請求項１ないし２５のいずれか１のチャネルシステム（２）。
27. 前記チャネル（４）の横断面は、上方に頂点を有する三角形である請求項１ないし２６のいずれか１のチャネルシステム（２）。

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