JP5529138B2 - 好ましくは交換器／反応器タイプの、熱交換器システムを作製するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して熱交換器の分野に関し、特に、交換表面積と交換器体積と間の比率が高いことにより極めて十分な熱交換が得られるコンパクトなプレート交換器の分野に関する。

本発明は、より具体的には、プレートスタック方向に沿って交互に第１の流体循環区域および第２の流体循環区域を形成し、化学反応、任意には触媒反応が前記流体循環区域の少なくとも一方において生じるように設計された、モジュールまたはモジュールのスタックを備える熱交換器システムに関する。したがって、これらの区域の少なくとも一方において発生する化学反応により、かかる交換器は、反応器とも呼ばれる。より一般的には、かかる熱交換器は、交換器／反応器と呼ばれる。

例えば化学薬品もしくは薬剤または燃料電池装置の製造などの多数の用途を、このタイプの交換器システムに関して予期し得ることを指摘しておく。

いずれの作製方法も完全に満足のゆくものとはなっていないため、このタイプの交換器システムは、業界において広くは使用されていない。

この欠点を解消するために、本発明は、流体循環チャネルの列が横断する少なくとも１つのモジュールを備える熱交換器システムを作製するための方法に関し、前記モジュールの実施形態は、以下のステップ、すなわち
アセンブリを形成するステップであり、このアセンブリは、複数の金属導管を平行な状態で備え、これらの複数の金属導管はそれぞれ、金属導管の内方スペースにより、前記流体循環チャネルの中の１つを形成し、前記導管は、２つの金属プレートの間に配置され、直ぐ連続する導管および前記金属プレートにより画成されるスペースが、金属充填物質により満たされ、前記アセンブリは、２つの金属連結要素をさらに備え、これらの２つの金属連結要素の一方は、導管の２つの端部の一方をそれぞれ収容する複数の貫通オリフィスを備え、これらの２つの金属連結要素の他方は、導管の２つの端部の他方をそれぞれ収容する複数の貫通オリフィスを備える、ステップと、
前記アセンブリを処理して、前記金属充填物質、前記プレート、および２つの金属連結要素と導管との拡散溶接を達成するステップと、
により実装される。

有利には、得られるモジュールは、溶接部／はんだ部がこのモジュールにより画成された流体循環チャネルを通過する流体と接触しないため、腐食問題に対する感度が非常に低い。この理由により、この交換器システムの耐用年数は、長くなる。

さらに、得られるモジュールは、特に、存在する要素の拡散溶接により、完全に緊密となり、高い安全性をもたらす。

さらに、本発明による方法により、特に所望の熱交換に関して直面する要件に応じて選択された、種々のジオメトリのモジュールの実施形態が容易に可能となる。これは、例えば、チャネルの直径、またはチャネルの形状の選択を伴ってよく、本発明による方法の傑出したモジュール性を引き出す。

前記処理が実施されると、流体循環チャネルを画成する導管の周囲の固形物質が、この交換器システムモジュールに高い熱慣性を与え、それにより、発熱反応による熱を吸収する高い能力を与え、したがって後の使用の際の十分な信頼性および安全性をもたらす。この理由により、同デザインを有するモジュールは、複数のタイプの発熱反応に応じる可能性がある。

さらに、充填物質およびプレートについて高い熱伝導性を有する金属材料を使用することが可能であることにより、かかるモジュールを備える交換器システムの全体的な熱伝導性を大幅に上昇させることが可能となり、したがって熱をさらに良好に放散させることが可能となることを指摘しておく。

処理の実施がなされると、好ましくは直線状チューブ、ジグザグ状、または適切と見なされる任意の他の形状の導管が、充填物質および金属プレートから構成される、この導管を囲む集合体の中に組み込まれる。したがって、得られるモジュールは、一体型構造と比較すると、いかなる損傷の危険性を伴うこともなく、例えば数百バールなどの非常に高い圧力および／または差圧に耐えることが可能である。

有利なことには、本発明による方法の実施に付随する作製コストは、主に前記アセンブリの構成要素のそれぞれのコストが低いことにより、低いままに留まる。

上述のように、前記アセンブリは、２つの金属連結要素をさらに備えるように具現化され、２つの金属連結要素の一方は、導管の２つの端部の一方をそれぞれ収容する複数の貫通オリフィスを備え、２つの金属連結要素の他方は、導管の２つの端部の他方をそれぞれ収容する。例えばそれぞれがバーの形態であるこれらの２つの連結要素は、モジュールチャネル内の流体の入口／出口に対して専用のものである。

したがって、前記処理の実施により、導管の端部の各連結要素と導管の端部との拡散溶接がもたらされる。特に、端部の対応するオリフィス内における端部の溶接は、存在する要素の拡散溶接をもたらす処理の実施前に実施される。好ましくはＴＩＧタイプのこれらの先立つ溶接部は、好ましくは、特にアセンブリの後の処理に耐えることが可能となるように、二次真空に対して不透過性である。

好ましくは、材料除去が、２つの金属連結要素の一方に対して、２つの直ぐ連続するオリフィス間において実施されて、これらの２つのオリフィス間に接合チャネルを形成し、閉鎖プレートが、当該の前記連結要素の上に位置決めされて、２つの直ぐ連続するオリフィス間において前記接合チャネルをシールする。結局、結果的に得られる接合チャネルにより、当該のオリフィスの一方にそれぞれ開口するモジュールの２つの直ぐ連続するチャネルの流体連通が可能となる。第１のチャネル内を循環し、接合チャネル内に到達する流体は、次いで、反転されて、第２のチャネルに進む。

このようにして、簡単、安価、かつフレキシブルな態様で、モジュール内の流体滞在時間、所望の混合レベル、および所望の熱交換レベルなどの、選択される種々の基準に基づき、このモジュールを介した複数の流体分配構成を実現することが可能となる。

有利には、例えば温度、圧力、および／またはｐＨに関するデータを収集するためなどに、閉鎖プレート上に、１つまたは複数の測定機器を取り付けることが可能である。さらに、これらの閉鎖プレートにより、追加の試薬の導入を行う、および／または閉塞もしくは凝固した場合にチャネルを洗浄することが可能である。最後に、やはりこれらの閉鎖プレートにより、静的ミキサまたは任意の他の所要のインサート、特に触媒によって被覆されたインサートを追加することがさらに可能である。

材料除去は、好ましくは、この方法の任意の段階で、特にアセンブリ処理実施後に実施するのに適した機械加工によって実施される。

このようにして、連結要素に対して実施される機械加工の深さに応じて、接合チャネルの断面を調整することが可能となる。これらは、混合特性および熱交換特性からなり、したがって、混合特性および熱交換特性は、実施される機械加工の深さを単に適合化させることにより変更することができる。

当然ながら、本発明の範囲を逸脱することなく、モジュール内の流体を反転させる任意の他の解決策を予期することができる。

さらに、この交換システムが、それぞれがチャネルの列を有する２つのスタックモジュールを有する場合には、かかる接合チャネルは、第１のモジュールのチャネルと第２のモジュールのチャネルとの間に得ることができる。

好ましくは、前記アセンブリは、統合ケーシングをさらに備えるように具現化され、アセンブリの残りの部分が、この統合ケーシング内に挿入され、さらに、前記処理の実施により、アセンブリの残りの部分と前記ケーシングとの拡散溶接が実現される。このケーシングは、概して、中にスタックされる要素間の界面が、拡散溶接の際に外部から確実に隔離されるようにするために用意される。

特に、前記熱交換器システムは、第１の流体循環チャネルの列および第２の流体循環チャネルがそれぞれ横断する、少なくとも１つの第１のスタックモジュールおよび少なくとも１つの第２のスタックモジュールを単体状態において備え、前記第１および第２のモジュールの実施形態が、以下のステップ、すなわち
第１のアセンブリを形成するステップであって、この第１のアセンブリは、複数の第１の金属導管を平行な状態で備え、これらの複数の第１の金属導管はそれぞれ、第１の金属導管の内方スペースにより、前記第１の流体循環チャネルの中の１つを形成し、前記第１の導管は、２つの第１の金属プレートの間に配置され、直ぐ連続する第１の導管および前記第１の金属プレートにより画成されるスペースが、第１の金属充填物質により満たされる、ステップ、および、第２のアセンブリを形成するステップであって、この第２のアセンブリは、複数の第２の金属導管を平行な状態で備え、これらの複数の第２の金属導管はそれぞれ、第２の金属導管の内方スペースにより、前記第２の流体循環チャネルの中の１つを形成し、前記第２の導管は、２つの第２の金属プレートの間に配置され、直ぐ連続する第２の導管および前記第２の金属プレートにより画成されるスペースが、第２の金属充填物質により満たされ、前記第２のアセンブリは、第１のアセンブリの上にスタックされ、第１および第２の導管の間に位置する第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、同一のプレートから構成される、ステップと、
前記第１および第２のスタックアセンブリを同時に処理して、前記第１の金属充填物質および前記第１のプレートと第１の導管との拡散溶接と、前記第２の金属充填物質および前記第２のプレートと第２の導管との拡散溶接とを達成するステップと、
により実装される。

当然ながら、一代替形態は、２つのモジュールを別個に作製し、その後にそれらをスタックし組み立てるものであることが可能である。

さらに、好ましくは、第１および第２のアセンブリのそれぞれが、上述のものなどの金属連結要素を備える。

さらに、スタックモジュールの個数が２つ以上である設計を、やはり自明ながら予期することができ、またはそれは好ましいものでもある。

好ましくは、前記処理は、高温静水圧圧縮、または所望の拡散溶接をもたらす任意の他の技術である。

好ましくは、前記高温静水圧圧縮は、約１０４０℃の温度および約１２００バールの圧力にて約２時間にわたって実施される。

特に、導管は、ステンレス鋼から作製され、金属充填物質および前記プレートは、高い熱伝導性を有する合金から作製される。しかし、実施される化学反応のタイプに応じて、他の金属および／または合金を使用してもよい。

例えば、前記金属充填物質は、前記アセンブリ処理ステップの前に、金属粉末から作製される。したがって、この場合には、前記金属充填物質は、特に、粉末がその処理実施の際に統合されるようになされる。自明なように、一代替形態は、例えば相互の間に導管を収容するためのスペースを画成するストリップから形成される固形物質を用意することからなる。

好ましくは、流体循環チャネルの中の少なくとも１つが、前記チャネル内部における触媒化学反応を可能にする触媒により少なくとも部分的に被覆された、好ましくは金属から作製されるインサートを備える。

本発明の他の利点および特徴が、以下の非限定的な詳細な説明において明らかになろう。

この説明は、添付の図面を参照として行われる。

本発明の好ましい一実施形態による方法の実施後に得られる流体循環モジュールの概略斜視図である。 処理前の、図１における前記モジュールを形成するように意図されたアセンブリの分解斜視図である。 図２に示されるアセンブリの拡大された一部分を示す図である。 図２および図３に示されるアセンブリの一部分の上面図である。 図４における線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。 処理すべきアセンブリに属する金属プレートおよび金属充填物質を形成するための代替の一実施形態を示す部分断面図である。 モジュールの２つの平行チャネル間に接合チャネルを形成するためのステップの概略図である。 モジュールの２つの平行チャネル間に接合チャネルを形成するためのステップの概略図である。 モジュールの２つの平行チャネル間に接合チャネルを形成するためのステップの概略図である。 連結要素のオリフィスが、その両側に直ぐ連続して設けられた２つのオリフィスに、それぞれ２つの接合チャネルによって連結される、代替の一実施形態を示す図である。 本発明の他の好ましい一実施形態による方法の実施後に得られる２つの流体循環モジュールの斜視図である。 処理前の、図１１におけるモジュールを形成するように意図された２つのアセンブリの分解斜視図である。 ２つのモジュールに関する代替の一実施形態を示す図である。 ２つのモジュールのチャネル間において１つのまたは複数の接合チャネルを形成するためのステップの概略図である。 本発明の他の好ましい一実施形態による方法の実施後に得られる熱交換器システムの概略図である。 本発明の他の好ましい一実施形態による方法の実施後に得られる熱交換器システムの概略図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。 実装の一段階における、本発明の他の実施形態による作製方法を示す図である。

図１を参照すると、例えば化学薬品または薬剤を製造するためなどに用意される、好ましくは交換器／反応器のタイプの熱交換器システムモジュール１を見ることができる。典型的には、このモジュールは、約３０ｃｍの長さ、約１３ｃｍの幅、および約２ｃｍの厚さを有する。しかし、任意のタイプの設計を予期することが可能であり、このシステムの応用例に応じて任意のタイプの設計が可能である。

以下において本発明に関してその特定の作製方法が説明されることとなるモジュール１は、好ましくは平行であり基礎チャネルと呼ばれる複数の流体循環チャネル２が横断する、実質的に平行六面体の、またはプレートの形状を有する。しかし、これらのチャネル２は、図１において破線により概略的に表されるように円筒状では必ずしもなく、後に説明される湾曲形状またはジグザグ形状など、適切と見なされる任意の形状をとってよい。さらに、これらのチャネル２の断面は、直面する要件に応じて適合化され得る。

前記モジュール１を作製するために、スタック要素アセンブリが、初めに作製される。前記アセンブリは、図２において参照符号４により全体的に示される。

このスタックは、好ましくは水平の従来的な基板の上に作製されてよく、この基板の上には、例えばＣｕＣｌ合金などの銅に富む合金などの、好ましくは高い熱伝導性を有する合金から作製された金属プレート６が、初めに位置決めされる。

前記プレート６の表面上には、プレート６と同一の材料から作製される、充填物質と呼ばれる金属物質８が、位置決めされ、例えば３１６Ｌステンレス鋼などのステンレス鋼から作製される金属導管１０が中に収容されるスペースを画成する。

図３において、物質８が、好ましくは互いに離間された複数のストリップ１２から作製され、これらのストリップ１２間に形成されるスペース１４が、導管１０のジオメトリに対して相補的なジオメトリを有し、それにより、これらの導管がプレート６上において専用スペース１４内に位置決めされた場合にこれらの要素間に小さなギャップのみがもたらされるのが分かる。チューブとも呼ばれる導管１０は、この例においては、湾曲形状またはジグザグ形状を有する。これらはそれぞれ、その内方スペース１６により、流体循環チャネルの中の１つを形成する。前記導管１０の断面は、矩形、正四方形、円形、または適切と見なされる任意の他の形状である。示される例においては、矩形断面が、約４ｍｍの高さおよび約２ｍｍの幅を有する。

導管１０の端部には、２つのバー形状連結要素２０が配置され、例えば一方が流体入口に対して、他方が流体出口に対して配置される。これらのバー２０はそれぞれ、導管１０の主方向に対して、すなわち後のこのモジュール内の流体の主流れ方向に対して実質的に横方向に、アセンブリ４の端部に配置される。

図３を再度参照すると、各バー２０が、導管の個数と同一個数の複数の貫通オリフィス２２を有する。これは、導管１０の各端部が、オリフィス２２の中の１つの中に収容されるためである。より具体的には、オリフィス２２のジオメトリは、導管１０の端部のジオメトリに対して相補的であり、それにより、導管が両バー２０のオリフィス２２内に挿入された場合に、これらの要素間に小さなギャップのみがもたらされる。図４に示されるように、破線により表される導管１０の端部は、完全に満たされるまで、すなわち導管１０の端部の縁部がバー２０の外方表面２５に揃うまで、オリフィス２２内に挿入されてよい。一代替形態は、後に説明される図７の図において予期されるように、オリフィス２２内に部分的にのみこれらの端部を挿入することからなることが可能である。いずれの場合においても、特に、導管端部の縁部は、前記縁部の周囲部全体に沿って、対応するオリフィス２２内において溶接される。好ましくはＴＩＧタイプのこれらの溶接部は、二次真空に対して不透過性のものであることが予期される。

導管１０の厚さは、物質８の厚さと実質的に同一であり、それにより、図２および図５に示されるように、第１のものと実質的に同一の別のプレート６の平坦な基板表面を共に形成する。したがって、図５においては、２つのプレート６間のスペースが、物質および導管により完全に満たされ、プレート６によりスタック方向に、および２つの直ぐ連続する導管１０によりバーの直交方向に画成される各スペース１７が、物質のストリップ１２により満たされることが分かる。

バー２０の厚さは、均一な厚さのスタックを得ることが目的であることを考慮すると、プレート６により覆われるか否かに応じて予期される。このようにすることで、１つの示唆としては、プレート６が、バー２０を覆うことなくバー２０に対して接線方向に位置する場合には、前記バーは、物質の厚さおよび２つのプレート６の厚さの合計に実質的に相当する厚さを有する。さらに、これらのバー２０は、導管１０の端部にて、上述のスペース１７を画成する。

次いで、均一な厚さのこのスタックは、３６０°にわたって閉鎖された状態で、統合ケーシング２６内に挿入される。この統合ケーシング２６の内部は、上述のスタックの形状に対して相補的な形状を有する。図２において分かるように、この統合ケーシング２６は、２つの対向し合う開口２８を有し、これらの開口２８にて、バー２０がそれぞれ収容されることとなる。換言すれば、２つのバーは、図１におけるモジュール１に関するものの場合において分かるように、ケーシングの２つの開口を閉鎖する。

図６において、金属プレート６および金属充填物質８を形成するための代替的な一実施形態を見ることができる。この例においては、２つのプレート６はそれぞれ、突出突起部１２’を、対向し、対において接触した状態で固定的に支持し、前記突起部１２’が、物質８を形成する。したがって、導管を収容するためのスペース１４は、突起部１２’とプレート６との間に形成される。このスタックの２つの部分のそれぞれを作製するためには、中実プレートから開始し、このプレートの面の一方に関してこのプレートを機械加工することにより突起部１２’を出現させることが可能である。この点において、他の一代替形態は、好ましくは一体の状態で２つのプレートの一方の上に固定され、先の図面において示されるものと同様の他方のプレートを備える物質全体を用意することからなることが可能である。

最後に、１つのオプションは、さらに、上述の固体ストリップを、以下において説明される後の処理実施の際に統合されることとなる金属粉末に置き換えることから構成される。

モジュール１の作製は、好ましくは高温静水圧圧縮によりアセンブリ４を処理することによって引き続く。圧縮前に、図１に示されるように、ケーシングの壁部中に作製されたオリフィス３０を介してポンピングを行うことにより、スタックの脱気が実施される。脱気が完了すると、オリフィス３０はしっかりとシールされ、約２時間にわたり高圧および高温を、すなわち約１０４０℃の温度および約１２００バールの圧力でかけることにより、圧縮が実施される。

この圧縮の際に、ギャップが、連続する要素間から除去され、これらの連続する要素が、固相溶接または拡散溶接を受ける。

その結果、導管１０は、ストリップ１２、バー２０、およびプレート６に対して拡散溶接され、さらにプレート６は、ストリップ１２、ケーシング２６、およびバー２０に拡散溶接される。最後に、さらに、ケーシング２６が、一体型モジュールが得られるように、バー２０に拡散溶接される。例えばマルチマテリアル（ｍｕｌｔｉ−ｍａｔｅｒｉａｌ）などの中実ブロックに相当するこのいわゆるモノリシックモジュールには、チャネルが横断する。

さらに、物質を形成する粉末が選択される場合には、この高温静水圧圧縮の際に、かかる粉末の統合がなされる。

熱交換器システム内においてこのモジュールを使用する際には、流体が、例えば２つのバー２０のいずれかの上に位置決めされる吸入ライン（図示せず）によって搬送されて、導管の内方スペース１６により形成されるチャネル２のそれぞれの中に流体が分配される。流体は、平行チャネル２のそれぞれの中において同一方向に循環し、その後、そこから排出され、例えば他方のバー２０の上に位置決めされる排出ライン（図示せず）などに進む。

しかし、所望の混合特性および熱交換特性によっては、例えば第１の流れ方向に沿ってモジュールの１つのチャネル内に流体を循環させ、この流体をモジュールから除去する前に、第１の流れ方向とは逆の第２の流れ方向に前記モジュールの別のチャネル内に流体を循環させることにより、モジュール内においてより長い時間にわたり流体を循環させることが有利である場合がある。

このために、流体反転のための任意の手段が使用されてよいが、図７から図９を参照として後に説明される手段が好ましい。

図７において、高温静水圧圧縮実施後のモジュール１を見ることができる。上述のように、図示されるこの例では、導管１０の端部がバー２０の端部の各オリフィス２２を完全には満たさないことが予期される。

このステップは、図面の左側の２つのオリフィス２２を接合することからなる。このために、図８に図示されるように当該の２つのオリフィス間において接合チャネル３２を得るために、当該の２つのオリフィス間に位置するバー２０の部分に機械加工が施される。自明なことであるが、機械加工深さ「Ｐ」は、所望の接合チャネルサイズにより決定される。このようにすることで、この接合チャネル３２のサイズに応じて、混合特性および熱交換特性が影響される。

図８および図９を参照すると、前記接合チャネル３２をシールするために、閉鎖プレート３４が、バー２０の外方表面２５上に位置決めされて、当該の２つのオリフィス２２と、プレート３４により画成される接合チャネル３２とを覆う。プレート３４は、例えば溶接またはねじ要素によってなど、任意の既知の態様により装着される。さらに、プレート３４を作製するために使用される材料は、好ましくは、導管１０およびバー２０の材料と同一である。

かかる設計により、図８においては、流体は、左チャネル２を経由して第１の循環方向へと送られ、接合チャネル３２を通過する際に反転され、次いで、この接合チャネル３２により連続するチャネル２内に搬送されて、第１の循環方向とは逆の第２の循環方向に進む。この点に関して、前記第２のチャネルの他方の端部に到達すると、流体は、モジュール２から引き出され得るか、または上述の接合チャネルと同一または同様の接合チャネルを経由して２回目の反転を受けて、その後第１の流体循環方向へと第３のチャネルを進み得ることが指摘される。

導管端部がそのそれぞれのオリフィスを完全に満たす他の場合においては、各接合チャネルは、当該の２つのオリフィス間のバーだけでなく、さらに２つの導管端部の一部分を機械加工することによって作製されるべきである。

例えばチャネルを通過する流体の温度、圧力、および／またはｐＨに関するデータを収集するためになど、１つまたは複数の測定機器を使用することにより、１つまたは複数の機能が、プレート３４に加えられてよい。さらに、前記閉鎖プレート３４により、追加の試薬供給を行う、および／または閉塞もしくは凝固した場合にチャネルの洗浄を実施することが可能である。さらに、静的ミキサまたは任意の他の所要のインサート、特に１つまたは複数の触媒により被覆されたインサートを追加することが可能である。

最後に、本発明の範囲から逸脱することなく、機械加工以外の任意の技術を利用して、所望の材料除去を達成し得ることを指摘しておく。

図１０は、バー２０のオリフィス２２、このオリフィス２２を直ぐ連続するオリフィス２２に連結する第１の接合チャネル３２、およびこのオリフィス２２を直ぐ連続する他のオリフィス２２に連結する第２の接合チャネル３２を有する、関連する代替形態を示す。このようにすることで、単一のオリフィス２２が、それぞれ２つの接合チャネル３２により、特に連続的にその両側に配置されたオリフィス２２に連結される。これらの３つのオリフィス２２および前記２つのチャネル３２は、緊密さを与える同一のプレート３４によって覆われる。

かかる設計により、左の基礎チャネルからの流体は、上述の２つの接合チャネル３２に続く、隣の２つの基本チャネル内に並列に反転される。

図１１は、本発明の他の好ましい一実施形態による方法の実施後に得られる２つの流体循環モジュール１ａ、１ｂの斜視図を示す。

一体型アセンブリを形成するこれら２つのモジュール１ａ、１ｂはそれぞれ、第１の平行チャネル２ａの列と、第２の平行チャネル２ｂの列とを有する。結局のところ、これらは、先述の図を参照として説明されたように２つのモジュール１をスタックすることからなる。

第１のチャネル２ａは、第１の流体循環区域を形成する一方で、第２のチャネル２ｂは、第２の流体循環区域を形成し、任意には、これらの区域の一方またはそれぞれが、これらの区域における触媒化学反応を可能にする１つまたは複数の触媒を備える。上述のように、これらの触媒は、インサート上に施されるコーティングの形態をとってよい。有利には、このインサートは、その補助機能により、交換器システムの寿命の間に交換され得るものであり、特に、貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、等々）の形態をとり得る触媒により被覆された、ステンレス鋼またはセラミックチューブの形態をとる。

自明なように、それぞれ第１のモジュール１ａおよび第２のモジュール１ｂを経由して循環する両方の別個の流体は、並流において（すなわち同一循環方向に）または対向流において、案内され得る。別の代替形態は、一方または両方のモジュールにおいて、上述のタイプの流体の１回または複数回の反転を生じさせることからなる。

これらの２つのモジュールを得るためには、結局のところ上述のアセンブリ４と実質的に同一であるスタックアセンブリ４ａ、４ｂが、それぞれ２つのモジュール１ａ、１ｂを形成するように意図されて作製される。実際には、図１２を参照すると、例えばＣｕＣｌ合金などの好ましくは高い熱伝導性を有する合金から作製される第１の金属プレート６ａが、初めに基板の上に配置される。

前記プレート６ａの表面上には、充填物質８ａと呼ばれる第１の金属物質８ａが、位置決めされ、平行に配置された例えば３１６Ｌステンレス鋼などのステンレス鋼から作製される第１の金属導管１０ａが中に収容されるスペースを画成する。この例においては、物質８ａは、上述の物質８と実質的に同一である。しかし、この方法のモジュール性により、交換器システムの意図される用途に応じて物質の性質を変更することが任意に可能となることを指摘しておく。

導管１０ａの端部に、２つのバー形状連結要素２０ａが配置され、例えば一方が流体入口に対して、他方が流体出口に対して配置される。これらのバー２０ａのそれぞれは、導管１０ａの主方向に対して実質的に横方向に、アセンブリ４ａの端部に配置される。上述のように、各バー２０ａは、導管の個数と同一個数の複数の貫通オリフィスを有する。これは、導管１０ａの各端部が、オリフィスの中の１つの中に収容され、その中において溶接されるためである。

導管１０ａの厚さは、物質８ａの厚さと実質的に同一であり、それにより、図１２に示されるように、第１のものと実質的に同一の別のプレート６ａの平坦な基板表面を共に形成する。

引き続き、先の要素の上方へのスタックにより、第１のアセンブリと実質的に同一の第２のアセンブリ４ｂが形成される。したがって、このアセンブリ４ｂは、第１のスタック４ａのものと同等の態様で、第２の金属プレート６ｂ、第２の流体循環導管１０ｂが中に平行に配置されるスペースを画成する第２の充填物質８ｂ、２つのバー形状連結要素２０ｂ、および他の第２の金属プレート６ｂを備える。

代替的には、本発明の範囲から逸脱することなく、２つのスタックバー２０ａ、２０ｂを単一のバーを使用して作製することができることを指摘しておく。

図１２に図示されるように、スタック内の最上の第１のプレート６ａおよびスタック内の最下の第２のプレート６ｂは、両スタックアセンブリ４ａ、４ｂに同時に属し、第１の導管１０ａおよび第２の導管１０ｂが両面上に配置される、単一の金属プレートから構成されるような構成とすることができる。

上述の単一モジュールの場合におけるように、２つのアセンブリ４ａ、４ｂから構成される均一厚さのこのスタックは、次いで、３６０°にわたって閉鎖された状態で、統合ケーシング２６内に挿入される。この統合ケーシング２６の内部は、上述のスタックの形状に対して相補的な形状を有する。

全ての要素の接触状態における拡散溶接を達成するために、次いで、上述のように高温静水圧圧縮からなる処理が実施されて、それにより、２つのスタックされ剛体的に連結されたモジュール１ａ、１ｂを得ることが可能となる。

さらに、１つまたは複数の接合チャネルが、これらのモジュール上に設けられて、流体反転がなされてもよい。これらの接合チャネルは、好ましくは、上述のタイプのものである。

２つのモジュール１ａ、１ｂがスタックされるこのケースは、図１１に図示されるように平行な第１のチャネル２ａおよび第２のチャネル２ｂを用いて、または代替的には、図１３に図示されるように第２のチャネル２ｂに対して実質的に直交する第１のチャネル２ａを用いて実現され得る。後者の設計は、それぞれ２つのモジュールを通過する流体のいわゆる交差流を実現する。これは、導管１０ａ、１０ｂをそれらの各スタックアセンブリ内に適切に配置することにより、容易に得られる。

全てのこれらの例は、２つの別個の流体がそれぞれ２つのモジュール１ａ、１ｂ内を循環されることとなる応用例に関するが、これらのモジュールにおいて単一の流体のみをチャネル２ａ、２ｂの全てまたはいくつかのみの中に循環させることを予期することが可能である。

図１４の例において、流体は、図面におけるモジュール１ｂの最も左側のオリフィス２２ｂを介してモジュール１ｂ内に案内される。次いで、この流体は、機械加工および閉鎖プレート３４により得られる接合チャネル３２を使用して１回または複数回の反転を受けつつ、第２のモジュール１ｂのチャネル２ｂ内に留まり得る。第２のチャネル２ｂの中の１つおよびその上にスタックされる第１のチャネル２ａにおいて同時に流体を循環させることが決定された場合には、接合チャネル３２は、好ましくは単一モジュールにおいて接合チャネル３２を作製するために採用される態様と同様の態様において、当該の２つのオリフィス２２ａ、２２ｂ間に作製される。次いで、閉鎖プレート３４が、この接合チャネル３２をシールするように配置され、したがって、モジュールを形成させる要素のスタック方向に沿って延在するように配置される。図１４に図示される場合においては、２つのオリフィス２２ａ、２２ｂのそれぞれが、対応するモジュールに直ぐに続くチャネル内の流体を反転させるための対応する接合チャネル３２をさらに有する。３つのチャネル３２をシールするために、単一のプレート３４が、当該の４つのオリフィス２２ａ、２２ｂの全てを覆ってもよい。このようにすることで、流体は、このプレート３４により覆われたオリフィスの中の最も左のオリフィス２２ｂを経由して到来すると、３つの接合チャネル３２および３つのオリフィス２２ａ、２２ｂの後に、３つの他のチャネル２ａ、２ｂ内に並行して分配される。この反転された流体は、次いで、これら３つの基礎チャネル２ａ、２ｂ内を同一の循環方向へと循環する。

一般的には、モジュールアセンブリの同一面の任意の２つのオリフィス２２ａ、２２ｂ間の任意の接合チャネルを予期することができる。

当然ながら、スタックモジュールの個数は、直面する要件に応じて２つ以上であってよい。図１５の例において、３つのモジュール１ａ、１ｂ、１ｃが、１つの交換器／反応器に属するものとしてスタックされる。この場合に、中間モジュール１ｂは、好ましくは、発熱触媒燃焼を引き起こすために用意される好ましくはインサート上の触媒を備えるが、中間モジュール１ｂの両側に配置される他の２つのモジュール１ａ、１ｃは、吸熱触媒反応を引き起こして、次いで中間モジュール１ｂと端部モジュール１ａ、１ｃとの間において熱の伝達を十分に生じさせるために用意されるやはりインサート上の触媒を備えてよい。逆の状態を予期することも可能であり、その場合、中間モジュール１ｂは、端部モジュール１ａ、１ｃにおいて引き起こされる発熱触媒燃焼により放出される熱を抽出するように、吸熱触媒燃焼を生じさせるために用意される触媒を備える。

したがって、単一の流体が、２つの端部モジュール１ａ、１ｃを通過し、単一の入口および単一の出口が、吸入ラインおよび排出ラインのそれぞれの上に設けられてよい。他の流体が、中間モジュール１ｂ内を循環する。流体反転は、図１５において中間モジュール１ｂに関して図示されるように実施され得る。実際のところ、この例においては、端部モジュール１ａ、１ｃの各チャネルに進む流体は、その対応するモジュールからチャネルからその出口から引き出されるが、中間モジュール１ｂにおいては、流体は、これらのチャネルの中の１つの中に案内されて、その後複数回の反転を受けて、モジュールの全ての他の基礎チャネルを進み、その後そこから引き出される。

上記の図面を参照として説明された方法を用いて得られる可能性のあるこのタイプのモジュールアセンブリにおいては、種々のモジュールのチャネルの配向は、直面する要件に応じて適合化され得る。

最後に、図１６は、他の代替形態を示し、交換器／反応器は、モジュール１およびモジュール１’を交互に備え、第１のものは、発熱触媒反応の箇所として意図され、第２のものは、吸熱触媒反応の箇所として意図されるか、またはそれらの逆となる。好ましくは、モジュール１は、上述のような方法により得られるが、モジュール１’は、当業者には既知のプレートなどのより従来的な設計を有することが予期される。この例示的な実施形態においては、分配ライン５０が、モジュール１に第１の流体を供給し、他の分配ライン５２が、モジュール１’に第２の流体を供給する。さらに、排出ライン５４が、モジュール１から第１の流体を回収し、他の排出ライン５６が、モジュール１’から第２の流体を回収する。

以下の図面を参照すると、図１に図示されるモジュール１を得るための他の好ましい一実施形態を見ることができる。

図１７において、図２に図示されるものと同様のスタック要素のアセンブリ４が示され、統合ケーシングが、取り除かれ、複数の導管１０の両側にそれぞれ配置された２つの側部ブロック２６’に置き換えられている。これら２つのストリップ形状ブロック２６’は、２つのプレート６のそれぞれの上に押しつけられ（明瞭化のために図１８においては上方プレートが省略されている）、連結要素２０と共に複数の導管１０を囲む四辺形を形成するように位置決めされる。

２つのブロック２６’の一方が、複数の導管が中に配置されるスペース内部へのアクセスを可能にする２つのオリフィス２７により穿孔され、これらのオリフィス２７はそれぞれ、チューブ２９を備える。特に、これらのチューブおよびオリフィスは、金属充填物質を形成する粉末を後に挿入するための役割を果たす。これは、かかる物質が、初めはアセンブリ４において予期されないためである。

実際には、アセンブリ４の構成要素間において、好ましくはＴＩＧ溶接である溶接ステップが、図１９に図示されるように初めに実施される。このために、導管の端部は、連結要素２０に溶接され、次いでブロック２６’およびプレート６に溶接され、さらにプレート６は、ブロック２６’に溶接される。

図２０に図示されるように、次いで、粉末が、チューブ２９の中の１つを介して、要素６、２０、２６’により画成された閉鎖スペース内に挿入されて、導管同士の間に空部として残されたギャップを満たす。したがって、この粉末は、金属充填物質を形成し、アセンブリ４は、スペース内での最良の分散を確実にするために、振動テーブル３１の上に垂直方向に位置決めされる。

次いで、アセンブリ４が高温静水圧圧縮ステップにかけられる前に図２１に図示されるように引き続いてシール固定され屈曲されたチューブ２９をやはり使用して、真空が、ほぼ１２時間にわたりアセンブリ４に対してかけられる。これは、以下のプロトコルにしたがって実施されてよい。

高温静水圧圧縮ステップ後に、アセンブリ４の外方表面上に見られる変形を、機械加工により再調整することが可能である。

次いで、閉鎖プレート３４が、図８および図９を参照として上述したのと同等の態様において、要素２０上に位置決めされる。このように、図２２は、閉鎖プレート３４を有して得られるモジュール１を示し、閉鎖プレート３４はそれぞれ、２つの直ぐ連続する導管を連結して、それらの導管を直列に連結する。したがって、このモジュールを通過する流体は、第１の導管に入り、最終の導管からようやく出ることが可能となる。

この例においては、各閉鎖プレート３４は、画成される接合チャネルと連結する導管３７を備え、前記導管により、温度をモニタリングするための熱電対の挿入が可能となる。

自明であるが、当業者は、単なる非限定的な例として上述した本発明に対して、種々の修正をなすことができる。特に、説明された全ての特徴は、予期される任意の好ましい実施形態に対して適用するのに適したものである。

１ 熱交換器システムモジュール
１ａ 第１の流体循環モジュール、端部モジュール
１ｂ 第２の流体循環モジュール、中間モジュール
１ｃ 端部モジュール
１’ モジュール
２ 流体循環チャネル
２ａ 第１の平行チャネル
２ｂ 第２の平行チャネル
４ スタック要素アセンブリ
４ａ 第１のスタックアセンブリ
４ｂ 第２のスタックアセンブリ
６ 金属プレート
６ａ 第１の金属プレート
６ｂ 第２の金属プレート
８ 充填物質
８ａ 第１の金属物質、充填物質
８ｂ 第２の充填物質
１０ 金属導管、チューブ
１０ａ 第１の金属導管
１０ｂ 第２の流体循環導管
１２ ストリップ
１２’ 突出突起部
１４ スペース
１６ 内方スペース
１７ スペース
２０ バー形状連結要素
２０ａ バー形状連結要素
２０ｂ バー形状連結要素
２２ 貫通オリフィス
２２ａ オリフィス
２２ｂ オリフィス
２５ 外方表面
２６ 統合ケーシング
２６’ 側部ブロック
２７ オリフィス
２８ 開口
２９ チューブ
３０ オリフィス
３１ 振動テーブル
３２ 接合チャネル
３４ 閉鎖プレート
３７ 導管
５０ 分配ライン
５２ 分配ライン
５４ 排出ライン
５６ 排出ライン
Ｐ 機械加工深さ

Claims (9)

1. 流体循環チャネル（２）の列が横断する少なくとも１つのモジュール（１）を備える熱交換器システムを作製するための方法であって、前記モジュールの実施形態が、以下のステップ、すなわち
   アセンブリ（４）を形成するステップであり、前記アセンブリ（４）は、複数の金属導管（１０）を平行な状態で備え、前記複数の金属導管（１０）はそれぞれ、前記金属導管の内方スペース（１６）により、前記流体循環チャネル（２）の中の１つを形成し、前記導管は、２つの金属プレート（６、６）の間に配置され、直ぐ連続する導管および前記金属プレートにより画成されるスペース（１７）が、金属充填物質（８）により満たされ、前記アセンブリ（４）は、２つの金属連結要素（２０、２０）をさらに備え、前記２つの金属連結要素（２０、２０）の一方は、前記導管の２つの端部の一方をそれぞれ収容する複数の貫通オリフィス（２２）を備え、前記２つの金属連結要素（２０、２０）の他方は、前記導管の２つの端部の他方をそれぞれ収容する複数の貫通オリフィス（２２）を備える、ステップと、
   前記アセンブリ（４）を処理して、前記金属充填物質（８）、前記プレート（６、６）、および前記２つの金属連結要素（２０、２０）と前記導管（１０）との拡散溶接を達成するステップと、
   により実装される、方法。
2. 材料除去が、前記２つの金属連結要素（２０）の一方に対して、２つの直ぐ連続するオリフィス（２２）間において実施されており、これらの２つのオリフィス間に接合チャネル（３２）を形成し、閉鎖プレート（３４）が、当該の前記連結要素（２０）の上に位置決めされて、前記２つの直ぐ連続するオリフィス間において前記接合チャネル（３２）をシールする、請求項１に記載の方法。
3. 前記アセンブリ（４）は、統合ケーシング（２６）をさらに備えるように具現化され、前記アセンブリの残りの部分が、前記統合ケーシング（２６）内に挿入され、さらに、前記処理の実施により、前記アセンブリの残りの部分と前記ケーシング（２６）との拡散溶接が得られる、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記熱交換器システムは、第１の流体循環チャネル（２ａ）の列および第２の流体循環チャネル（２ｂ）の列がそれぞれ横断する、少なくとも１つの第１のスタックモジュール（１ａ）および少なくとも１つの第２のスタックモジュール（１ｂ）を単体状態において備え、前記第１および第２のモジュールの実施形態が、以下のステップ、すなわち
   第１のアセンブリ（４ａ）を形成するステップであって、前記第１のアセンブリ（４ａ）は、複数の第１の金属導管（１０ａ）を平行な状態で備え、前記複数の第１の金属導管（１０ａ）はそれぞれ、前記第１の金属導管の内方スペースにより、前記第１の流体循環チャネル（２ａ）の中の１つを形成し、前記第１の導管（１０ａ）は、２つの第１の金属プレート（６ａ、６ａ）の間に配置され、直ぐ連続する第１の導管および前記第１の金属プレートにより画成されるスペースが、第１の金属充填物質（８ａ）により満たされる、ステップ、および、第２のアセンブリ（４ｂ）を形成するステップであって、前記第２のアセンブリ（４ｂ）は、複数の第２の金属導管（１０ｂ）を平行な状態で備え、前記複数の第２の金属導管（１０ｂ）はそれぞれ、前記第２の金属導管の内方スペースにより、前記第２の流体循環チャネル（２ｂ）の中の１つを形成し、前記第２の導管（１０ｂ）は、２つの第２の金属プレート（６ｂ、６ｂ）の間に配置され、直ぐ連続する第２の導管および前記第２の金属プレートにより画成されるスペースが、第２の金属充填物質（８ｂ）により満たされ、前記第２のアセンブリは、前記第１のアセンブリの上にスタックされ、前記第１および第２の導管の間に位置する前記第１の金属プレート（６ａ）および前記第２の金属プレート（６ｂ）は、同一のプレートから構成される、ステップと、
   前記第１および第２のスタックアセンブリ（４ａ、４ｂ）を同時に処理して、前記第１の金属充填物質（８ａ）および前記第１のプレート（６ａ、６ａ）と前記第１の導管（１０ａ）との拡散溶接と、前記第２の金属充填物質（８ｂ）および前記第２のプレート（６ｂ、６ｂ）と前記第２の導管（１０ｂ）との拡散溶接とを達成するステップと、
   により実装される、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記処理は、高温静水圧圧縮である、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記高温静水圧圧縮は、約１０４０℃の温度および約１２００バールの圧力にて約２時間にわたって実施されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記導管（１０）は、ステンレス鋼から作製され、前記金属充填物質（８）および前記プレート（６、６）は、高い熱伝導性を有する合金から作製されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記金属充填物質（８）は、前記アセンブリ処理ステップの前に、金属粉末から作製されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記流体循環チャネル（２）の中の少なくとも１つが、前記チャネル内部における触媒化学反応を可能にする触媒により少なくとも部分的に被覆されたインサートを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の方法。

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