JP6309525B2 - 熱交換器アセンブリ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば低温技術ベースのガス分離ユニットなどの、一次流体と二次流体との間の接触を伴わない熱伝達ユニットを形成するように意図された熱交換器アセンブリに関する。さらに、本発明は、かかる熱交換器アセンブリを備える低温技術ベースのガス分離装置に関する。
本発明は、低温技術による例えば空気分離などのガス分離の分野において特に適応可能である。
先行技術では、低温技術ベースの空気分離ユニットは、低温技術ベースの空気分離ユニットの主要熱交換ラインを形成する、ろう付けプレートを有する主要熱交換器を一般的に備える。
これらの熱交換器は、一方の室温の空気と、他方の1つ又は複数の蒸留塔から入来する低温流体とを熱交換関係におく。かかる熱交換器の出力部にて、空気は、約−175℃の温度を有する一方で、再加熱された流体は、実質的に室温(約25℃)である。したがって、温度勾配は、熱交換器の入力部と出力部との間では約200Kとなり、平均対数温度偏差(mean logarithmic temperature deviation)は、2K〜10Kの間である。
各熱交換器は、流体通路を境界画定する平行プレートのスタックと、これらの流体用のチャネルを画定するスペーサ又は熱交換ウェーブとを備える。周囲閉鎖バーにより、流体通路の気密性が確保される。
それ自体が既知であるように、かかる熱交換器は、全体的に直方体の形状である。かかる熱交換器の長さは、典型的には4〜8mであり、幅は1〜1.5mであり、高さは1〜2mである。
従来的には、熱交換器の長さは、流体通路を境界画定する平行プレートの最大寸法となる。熱交換器の幅は、長さに対して直角に測定される。熱交換器の高さは、そのプレートの積層方向で測定される。
さらに、複数の個別にろう付けされた交換器を例えば並列に溶接することによってなど組み付けることによりかかる熱交換器の高さを増大させることもまた既知の手法であるが、これは長さ又は幅を増大させることができないものである。
かかる熱交換器の最新技術は、熱交換の作製するための最大寸法から利点を享受するために、流体流方向を長さ方向にした向流熱交換を作製するものである。
FR−A−2844040は、平行に配置されることとなる熱交換器の個数を大幅に(典型的には1/4〜1/6に)削減するために、流体流方向を幅方向にした交換器の使用を提案する。
しかし、低い温度差及びもっとも効率的な交換スペーサ−ウェーブ(例えば短いセレーション長及び非常に高い密度を有するいわゆるセレーションウェーブ)で、約200Kの温度勾配を達成することを可能にするためには、交換器の幅を2.5mに又はさらには3.5mに増大させることが必要となる。この場合、交換器のかかる幅は、いずれの既存のろう付け炉とも適合しない。さらに、ろう付け炉のサイズの増大により、技術的実現可能性の問題が持ち上がる。
この問題を解決するために、WO−A−2007149345は、2つの並置された熱交換器を備える熱交換器アセンブリを説明している。この場合には、ろう付けすべき交換器の個数は、1/2〜1/3へと削減されるに過ぎないが、この比率が、やはり非常に重要となる。
さらに、WO−A−2007149345の熱交換器アセンブリは、並置された熱交換器を流体連結するための手段を備える。この好例では、一次流体は高圧圧縮空気であり、二次流体は低圧二窒素である。
しかし、WO−A−2007149345の熱交換器同士の間において、一次流体は、傾斜したいわゆる分配スペーサにより収集される。これらの分配スペーサは、2つ(熱交換器の各側に1つ)の側方供給ボックスに二次流体を送り、小さな排出断面を有し、この排出断面が、著しい損失水頭を発生させる。同様に、一次流体は、2つの側方供給ボックス及び傾斜分配スペーサにより第2の熱交換器へと供給され、これが著しい損失水頭を発生させる。
したがって、損失水頭のこの増大を無効化するために、交換断面を増大させることが必要となる。しかし、熱交換器の寸法は、この熱交換器が中に製造されるろう付け炉の寸法により制限される。したがって、かかる熱交換器アセンブリは、より多数の交換器のろう付けと、交換器の作製に必要とされる材料の量の増加とを結果として伴う。
本発明は、上述の問題を完全に又は部分的に解消することを特に目的とする。
これを目的として、本発明の対象は、一次流体と二次流体との間の接触を伴わない熱伝達ユニットを形成するように意図された熱交換器アセンブリである。この熱交換器アセンブリは、2つの交換器を、すなわち例えば高圧圧縮空気などの少なくとも1つの一次流体と例えば低圧二窒素などの少なくとも1つの二次流体との間の熱交換に適した第1の交換器と第2の交換器とを備え、
各交換器は、i)一次流体流のために構成された一次通路とii)二次流体流のために構成された二次通路とを少なくとも境界画定するようにいわゆる積層方向に互いに平行に配置された複数のプレートのスタックを備え、一次通路及び二次通路は、所定の積層パターンにしたがって互いに続き、
第1の交換器のプレートのスタックは、第1の交換器の一次通路に流体連結された第1の連結面を画定し、第2の交換器のプレートのスタックは、第2の交換器の一次通路に流体連結された二次連結面を画定し、
熱交換器アセンブリは、第1の交換器及び第2の交換器が、第1の連結面が第2の連結面に隣接するように配置されることを特徴とし、
熱交換器アセンブリが、
第1の連結面によって、第2の連結面によって、及び第1の連結面と第2の連結面との間に延在する閉鎖体積によって境界画定された閉鎖体と、
第1の連結面及び第2の連結面を通して第1の交換器と第2の交換器との間に一次流体の全て又は一部を送るように閉鎖体積内に配置された少なくとも1つの一次コンパートメントと、
少なくとも1つの一次コンパートメントとは異なり、第1の連結面及び第2の連結面を通して第1の交換器と第2の交換器との間に二次流体の全て又は一部を送るように閉鎖体積内に配置された、少なくとも1つの二次コンパートメントと
をさらに備えることを特徴とする。
換言すれば、本発明は、二次流体と同一の連結面を通る一次流体路を有することにより一次流体供給ボックスの個数(厳密には3個以上の個数)を増加させることを伴う。
本願においては、「隣接する」という用語は、ある要素が別の要素の近傍に、したがってこの他の要素の付近に又は並んで位置することを表す。特に、2つの連結表面は、各辺又は各部分に沿って接触状態にある場合に隣接する。
本願においては、「低圧二窒素」という用語は、空気と比較して窒素を多く含む、及び熱交換器に進入する空気よりも実質的に低圧にて生成される流体を指す。
典型的には、所定の積層パターンが、2つの二次通路「S」により囲まれた一次通路「P」を有する「−S−P−S−」連続を備えることが可能である。この積層パターンは、対応する熱交換器の全高にわたって反復される。
代替的には、所定の積層パターンは、1つの一次通路「P」及び1つの二次通路「S」の連続を備えることが可能であり、二次通路は、熱交換の端部における不均衡を回避するための端部二次通路「S’」を除けば、一次通路よりも大きな高さを有する。これらの端部にて、この連続のパターンは、
「S’−P−S−P−S−P−S−」及び「−S−P−S−P−S」
となる。
したがって、一次コンパートメント及び二次コンパートメントは、第1の連結面及び第2の連結面を通して一方の熱交換器から隣接する熱交換器に全一次流体及び全二次流体を移送することが可能となる。結果として、かかる熱交換器アセンブリにより、製造工具、特にろう付け炉を変更することなく、一次流体と二次流体との間の交換表面積を増大させることが可能となる。
本発明の一変形例によれば、閉鎖体積は、閉鎖体積を包囲する閉鎖体壁部により画定される。
したがって、かかる閉鎖体壁部は、封止された又は準封止された閉鎖体積を画定する。
本願においては、「準封止された」という用語は、許容し得る、すなわち入来する流体の総体積の5%未満さらには1%未満の漏出率を有する体積を修飾する。
本発明の一実施形態によれば、第1の連結面は、全体的に平坦であり、第1の交換器の前記プレートに対して直角であり、第2の連結面は、全体的に平坦であり、第2の交換器のプレートに対して直角である。
換言すれば、各交換器は、全体的に直方体の形状である。
したがって、かかる熱交換器は、生産が比較的容易な形状を有する。
本発明の一実施形態によれば、第1の連結面は、全体的に平坦であり、第1の交換器の前記プレートに対して直角であり、第2の連結面は、全体的に平坦であり、第2の交換器のプレートに対して直角である。
本発明の一実施形態によれば、第1の連結面及び第2の連結面は、平行であり、互いに対向して配置される。
したがって、かかる熱交換器アセンブリは、一次流体及び二次流体の流れにおける損失水頭を低減させることが可能な最小限の閉鎖体積を有する非常にコンパクトなものとなり得る。
本発明の一実施形態によれば、第1の交換器及び第2の交換器は、並列に配置され、第1の連結面及び第2の連結面は、実質的に平行である各法線方向に配向され、第1の連結面及び第2の連結面は、好ましくは隣接し合う又は共有する辺を有するように配置される。
換言すれば、閉鎖体は、全体的に半円筒体又は半輪の形状である。したがって、かかる熱交換器アセンブリは、第1の連結面及び第2の連結面に対して直角な方向に比較的小さな寸法を有することが可能である。さらに、熱交換器のこの構成は、熱交換器を溶接及び連結するためのより多くの空間が存在することにより、熱交換器アセンブリの製造を簡素化する。
本発明の一実施形態によれば、第1の連結面及び第2の連結面は、互いに対して実質的に直交し、第1の連結面及び第2の連結面は、好ましくは隣接し合う又は共有の辺を有するように配置される。
換言すれば、閉鎖体は、全体的に四半円筒体又は四半輪の形状である。したがって、かかる熱交換器アセンブリは、いくつかの用途に適したバルクを有することが可能である。さらに熱交換器のこの構成は、熱交換器を溶接及び連結するためのより多くの空間が存在することにより、熱交換器アセンブリの製造を簡素化する。
本発明の一実施形態によれば、閉鎖体積は、二次コンパートメントを形成する。
したがって、二次流体を移送するための特定のダクトを用意する必要がなく、これにより、熱交換器アセンブリの構造が簡素化される。
この実施形態の一変形例においては、熱交換器アセンブリは、一方の閉鎖体と他方の第1の連結面及び第2の連結面との間に封止手段を備える。したがって、かかる封止手段が、閉鎖体の気密性を保証する。
本発明の一実施形態によれば、第1の連結面は、全体的に第1の交換器の長さによって及び積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状であり、第2の連結面は、全体的に第2の交換器の長さによって及び積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状である。
換言すれば、各交換器は、全体的に直方体の形状である。したがって、かかる熱交換器は、生産が比較的容易な形状を有する。
本発明の一実施形態によれば、各交換器に関して、長さは、積層方向で測定された高さよりも非常に大きく、好ましくは4倍超だけ大きい。
したがって、かかる寸法により、交換器の個数を削減することが可能となる。
本発明の一実施形態によれば、一次コンパートメントは、連結面間に及び積層方向に対して垂直にそれぞれ延在する一次ダクトにより形成され、一次ダクトは、積層方向に対して横方向である方向において所定の間隔で、好ましくは一定間隔をおいて分散配置され、一次ダクトは、熱交換器間での一次流体の流れを可能にするために各交換器の一次通路に流体連結され、各二次コンパートメントは、閉鎖体の壁部によって及び2つの連続する一次ダクトの壁部によって形成される。
したがって、一次コンパートメント及び二次コンパートメントのかかる配置により、組み付けられるべき構成要素の個数を制限することが可能となる。典型的には、一次ダクトは、高圧流体流のために構成され、二次コンパートメントは、低圧流体流のために使用される。
本発明の一変形例によれば、一次ダクトは、i)好ましくは円形断面の管形状の長手方向マニホルドと、ii)このマニホルドを第1の連結面に及び第2の連結面に流体連結する一次チューブとを備える。したがって、かかる一次ダクトにより、第1の交換器と第2の交換器との間で一次流体を効果的に移送することが可能となる。
本発明の一実施形態によれば、各一次ダクトは、矩形底面を有する角柱の形状か、又は曲線底面を有し積層方向に対して平行である母線を有する円筒体の形状である。
換言すれば、一次ダクトの壁部は、平坦であり、積層方向に対して平行である。したがって、かかる矩形断面は、一次コンパートメント及び二次コンパートメントにおける損失水頭を限定する。
本発明の一実施形態によれば、各一次ダクトは、機械的固定手段により共に固定された少なくとも2つの部分から構成され、機械的固定手段は、好ましくはねじ、フランジ、リベット、クリンプ要素、埋設要素、スナップ嵌め要素、焼嵌め要素、及び蟻ほぞなどの相補形状部からなる群より選択される。
したがって、かかる構成により、一次流体及び二次流体の流れ方向の変化により誘発される損失水頭を限定しつつ、拡張された交換表面積を得ることが可能となる。
本発明の一実施形態によれば、各二次通路内において、ブロック部材が、前記一次ダクト内における二次流体流を防止するために各一次ダクト上に配置される。
したがって、熱交換器アセンブリの組立は、実施が比較的迅速なものとなる。
本発明の一変形例によれば、各熱交換器は、全体的に直方体の形状であり、各連結面は、全体的に矩形の形状であり、前記いわゆる積層方向は、直方体の高さに対して平行であり、スペーサは、直方体の長さに対して平行に延在し、各連結面は、前記いわゆる積層方向に対して直角であり直方体の長さ及び幅に対して平行である平面を全体的に形成する。
したがって、かかる形状により、一次流体及び二次流体の流れ方向の変化により誘発される損失水頭を限定しつつ、拡張された交換表面積を得ることが可能となる。さらに、かかる形状により、ろう付け炉の占有率が最大化されるため、交換器アセンブリの寸法を最大化することが可能となる。
本発明の一実施形態によれば、一次コンパートメント及び二次コンパートメントは、可撓性材料から作製された壁部により完全に又は部分的に境界画定され、可撓性材料は、好ましくはステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、及びポリテトラフルオロエチレンなどの低温にて可撓性を有する有機材料からなる群より選択される。
したがって、かかる可撓性壁部により、気密性が最大化され(超静的システム)、各熱交換器の構造に対する応力集中が制限され得る。これは、大型寸法の場合に特に重要となる。
本発明の一実施形態によれば、本発明による熱交換器アセンブリは、過冷却器と呼ばれる追加の熱交換器をさらに備え、過冷却器は、並置された熱交換器の一方に流体連結される。
したがって、かかる過冷却器により、熱交換器アセンブリの効率を上昇させることが可能となる。なぜならば、過冷却器により、熱交換によって供給される液体をカラム出力部の残留冷温窒素で過冷却することが可能となるからである。残留窒素の流れ方向は、横方向であり、すなわち熱交換器の幅に対応する方向である。これらの液体について、流れ方向は、逆流又は向流であることが可能である。
本発明の一実施形態によれば、各熱交換器は、一次流体又は二次流体をそれぞれ一次通路又は二次通路の内又は外へと導入又は排出するように構成された一次供給ボックス及び二次供給ボックスを外周部に備え、一次供給ボックス及び二次供給ボックスは、好ましくは一次流体が二次流体とは逆方向に流れるように配置される。
したがって、一次供給ボックス及び二次供給ボックスは、いわゆる「向流」熱交換を考慮したものであり、これは特に有効である。
本発明の一実施形態によれば、各熱交換器は、一次通路又は二次通路を画定する及びセレーションタイプの交換ウェーブにより形成されたスペーサを備え、交換ウェーブは、メートル当たり800個のウェーブを上回る単位長さ当たりの密度を有し、5mm未満のセレーション長を有し、3mm〜20mmの、好ましくは5mm〜15mmのウェーブ高を有する。
したがって、かかるスペーサにより、熱交換器アセンブリに高い交換効率がもたらされる。
本発明の一実施形態によれば、各熱交換器は、各交換器内の一次流体及び二次流体の流れ方向が、熱交換器内で幅方向に延在する横方向であるように構成される。
さらに、本発明の対象は、一次流体が高圧圧縮空気であり、二次流体が低圧二窒素である、本発明による少なくとも1つの熱交換器アセンブリを備える低温技術ベースの空気分離装置である。
したがって、かかるユニットにより、低温技術による空気の多量の分離が可能となる。
上述の本発明の実施形態及び本発明の変形例は、個別に又は任意の技術的に可能な組み合わせで使用され得る。
専ら非限定的な例として提示された以下の説明を鑑みることにより及び添付の図面を参照とすることにより、本発明が良好に理解され、その利点も明らかになろう。
本発明の第1の実施形態による熱交換器アセンブリの斜視概略図。 図1の平面IIに沿った断面図。 図1の平面IIIに沿った断面図。 図2の細部IVのより大きな縮尺の図。 図3の細部Vのより大きな縮尺の図。 図4の代替形態の図4と同様の図。 図4の代替形態の図4と同様の図。 線VIII−VIIIに沿った断面図。 本発明の第2の実施形態による熱交換器アセンブリの斜視概略図。 本発明の第3の実施形態による熱交換器アセンブリの斜視概略図。 図10の平面XIの断面図。 本発明の第4の実施形態による熱交換器アセンブリの斜視概略図。
図1、図2、及び図3は、一次流体と二次流体との間の接触を伴わない熱伝達ユニット5を形成するための熱交換器アセンブリ1を示す。
図1〜図3の例においては、ユニット5は、低温技術ベースの空気分離装置に組み込まれるように意図される。この低温技術ベースの空気分離装置は、一次流体が高圧圧縮空気であり、二次流体が低圧二窒素である、熱交換器アセンブリ1を備える。圧縮空気は熱発生流体であり、二窒素は冷媒である。しかし、一次流体及び二次流体は、熱伝達ユニットの用途に応じて他の流体であることが可能である。
本発明の別の実施形態によれば、熱交換器アセンブリは、複数の熱発生流体及び/又は複数の冷媒を備える。
熱交換器アセンブリ1は、各隣接し合う表面11及び51により並置された2つの熱交換器10及び50を備える。隣接し合う表面11及び51は、平坦である。
熱交換器10は、複数のプレートのスタックを備え、それらの中のいくつかが図1で参照符号12により概略的に示される。同様に、熱交換器50は、複数のプレートのスタックを備え、それらの中のいくつかが図1で参照符号52により概略的に示される。
プレート12は、i)一次流体流のために構成された一次通路12Pと、ii)二次流体流のために構成された二次通路12Sとを境界画定するように、いわゆる積層方向Zにおいて互いに平行に配置される。一次通路12P及び二次通路12Sは、所定の積層パターン(ここでは「−一次−二次−一次−」)にしたがって互いに続く。
図1〜図3の例においては、各一次通路12Pは、二次通路12Sと交互に並ぶ。代替的には、積層パターンは、1つの一次通路を囲む2つの二次通路を備えるタイプ(「−二次−一次−二次−」)のものであることが可能である。
同様に、プレート52は、i)一次流体流のために構成された一次通路52Pと、ii)二次流体流のために構成された二次通路52Sとを境界画定するように、いわゆる積層方向Zにおいて互いに平行に配置される。一次通路52P及び二次通路52Sは、所定の積層パターンにしたがって互いに続く。図1〜図3の例においては、各一次通路52Pは、二次通路52Sと交互に並ぶ。
第1の交換器10のプレート12の積層体は、第1の交換器10の一次通路12Pに流体連結される第1の連結面12Fを画定する。同様に、第2の交換器50のプレート52の積層体は、第2の交換器50の一次通路52Sに流体連結される第2の連結面52Fを画定する。
本質的に既知であるように、熱交換器10又は50は、全体的に直方体の形状である。
この場合に、熱交換器10又は50の幅及び長さは、それぞれ軸X及びYに沿って測定される。
図1〜図3の例においては、第1の連結面12F及び第2の連結面52Fは、それぞれ全体的に矩形の形状である。第1の熱交換器10及び第2の熱交換器50は、それぞれ全体的に直方体の形状である。
第1の交換器10及び第2の交換器50は、第1の連結面12Fが第2の連結面52Fに隣接するように配置される。図1〜図3の例においては、第1の連結面12F及び第2の連結面52Fは、平行であり、互いに対向して配置される。
第1の連結面12Fは、全体的に平坦であり、第1の交換器10の平面12に対して直角である。同様に、第2の連結面52Fは、全体的に平坦であり、第2の交換器50のプレート52に対して直角である。
さらに、熱交換器10は、i)一次流体流のために構成された一次チャネル14Pを画定するようにプレート12間に延在するスペーサ14を備える。図2には図示しないが、2つの他の連続プレート12の間には、スペーサ14が、ii)示されないが、二次流体流のために構成された二次チャネルを画定する。スペーサは、通常は交換ウェーブ又は「フィン」と呼ばれる。
同様に、熱交換器50は、i)一次流体流のために構成された一次チャネル54Pか、又は図2の図には示されない二次チャネルを画定するようにプレート52間に延在するスペーサ54を備える。
以降で詳述するように、熱交換器10は、熱交換器10及び50を流体連結するための手段を備える。
各熱交換器10又は50は、全体的に直方体の形状である。積層方向Zは、この直方体の高さに対して平行である。スペーサ14又は54は、直方体の長さに対して平行に延在する。
第1の連結面12Fは、全体的に矩形の形状であり、この矩形の辺は、第1の熱交換器10の長手方向Xである長さによって、及び積層方向Zである高さによって画定される。
第2の連結面52Fは、全体的に矩形の形状であり、この矩形の辺は、第2の熱交換器50の長手方向Xである長さによって、及び積層方向Zにおける高さによって画定される。
第1の連結面12F及び第2の連結面52Fは、積層方向Zに対して直角である、及び第1の交換器10又は第2の交換器50が形成する直方体の長さ(方向X)と幅(方向Y)とに対して平行である平坦表面11又は51を、それぞれ全体的に形成する。
各熱交換器10又は50は、一次供給ボックス16又は56と二次供給ボックス18又は58とを外周部に備える。一次供給ボックス16又は56及び二次供給ボックス18又は58は、一次流体又は二次流体をそれぞれ一次通路12P又は二次通路12Sの内又は外へと導入又は排出するように構成される。ここでは、一次供給ボックス16又は56及び二次供給ボックス18又は58は、一次流体が二次流体とは逆方向に、換言すれば「向流」で流れるように配置される。
ユニット5は、一次マニホルド6と二次マニホルド7とをさらに備える。一次マニホルド6は、高圧にて一次流体の全て又は一部を送り、二次マニホルド7は、低圧にて二次流体の全て又は一部を送る。
図2、図3、図4、及び図5が示すように、2つの連続プレート12又は52の間には、一連のスペーサ14又は54が、少なくとも1つの各分配空間21P、21S又は61P、61Sを形成するように配置される。分配空間21P、21S又は61P、61Sは、スペーサ14又は54を有さず、この分配空間21P、21S又は61P、61Sがこの一連のスペーサ14又は54に画定された一次チャネル14P又は二次チャネル14Sの全て又は一部と流体連結されるように、2つの連続プレート12又は52により及び各連結面12又は52により境界画定される。長手方向Xにおける分配空間の寸法は、典型的には約50mm〜100mmである。
代替的には、1つ又は複数の分配空間が、スペーサを有さないことが可能であり、あるいはいわゆる分配スペーサ、すなわち一次供給ボックス16もしくは56及び/又は二次供給ボックス18もしくは58への流体の循環を可能にするスペーサを収容することが可能であり、あるいはさらには通路の平面内にて横方向への流体の自由な循環を維持しつつろう付けを可能にした機械的支持デバイスを備えることが可能である。例えば、分配空間は、剛性アルミニウムフォーム、耐圧性を有しつつ材料を最大限に削減するように機械加工されたバー、ピン、又はスパイクを有する鋼プレートを備え得る。
より具体的には、分配空間21P又は61Pは、一次チャネル14Pに流体連結され、分配空間21S又は61Sは、二次チャネル14Sの全て又は一部に流体連結される。
図1〜図3の例においては、各一連のスペーサは、2つの連続プレート12又は52の間に配置された全てのスペーサ14又は54を備える。換言すれば、分配空間21P又は61Pは、対応する一次通路12P又は52Pと同一の排出断面を有する。分配空間21P又は61Pは、対応する一次通路12P又は52Pよりも大きな排出断面を有することが可能である。同様に、分配空間21S又は61Sは、対応する二次通路12S又は52Sと同一の排出断面を有する。
さらに、熱交換器アセンブリ1は、第1の連結面12Fにより、第2の連結面52Fにより、及び第1の連結面12Fと第2の連結面52Fとの間に延在する閉鎖体積V30により境界画定された閉鎖体30を備える。閉鎖体積V30は、閉鎖体積を包囲する閉鎖体壁部により画定される。
閉鎖体30は、積層方向Zに対して横方向である方向Yにおいて互いに続く一次コンパートメント30Pと二次コンパートメント30Sとを有する。
さらに、熱交換器アセンブリ1は、第1の連結面12F及び第2の連結面52Fを通して第1の交換器10と第2の交換器50との間で一次流体の全て又は一部を送るように閉鎖体積V30内に配置された一次コンパートメント30Pを備える。
同様に、熱交換器アセンブリ1は、一次コンパートメント30Pとは異なる二次コンパートメント30Sを備える。二次コンパートメント30Sは、第1の連結面12F及び第2の連結面52Fを通して第1の交換器10と第2の交換器50との間で二次流体の全て又は一部を送るように閉鎖体積V30内に配置される。
各一次コンパートメント30Pは、図2又は図4で矢印により表象的に示されるように熱交換器10と50との間における一次流体の流れを可能にするために、2つの熱交換器10及び50のそれぞれに属する2つの各一次通路12P及び52Pに流体連結される。
同様に、各二次コンパートメント30Sは、図3又は図5で矢印により表象的に示されるように熱交換器10と50との間における二次流体の流れを可能にするために、2つの熱交換器10及び50のそれぞれに属する2つの各二次通路12S及び52Sに流体連結される。
図4が示すように、一次コンパートメント30Pは、隣接し合う表面11と51との間に及び積層方向Zに対して垂直にそれぞれ延在する一次ダクト31Pによって形成される。図2が示すように、一次ダクト31Pは、積層方向Zに対して横方向である方向Yに一定間隔をおいて分散配置される。
一次ダクト31Pは、熱交換器10と50との間における一次流体の流れを可能にするために、各熱交換器10又は50の一次通路12P及び52Pに流体連結される。
図1〜図3の例においては、各二次コンパートメント30Sは、閉鎖体30の壁部により及び2つの連続する一次ダクト31Pの壁部により形成される。
図4が示すように、各一次ダクト31Pは、矩形底面を有する及び積層方向Zに対して垂直である母線を有する角柱の形状である。結果として、一次ダクト31Pの壁部は、平坦であり、積層方向Zに対して平行となる。
図2及び図5が示すように、各二次通路12S又は52Sにおいて、ブロック部材122S又は162Sが、この一次ダクト131P内における二次流体流を防止するために、各一次ダクト131P上に配置される。
図6は、本発明の変形形態による熱交換器アセンブリ101の一部を示す。熱交換器アセンブリ101は、熱交換器アセンブリ1に類似するため、図1〜図4との関連において上記に示した熱交換器アセンブリ1の説明は、以下に挙げる顕著な相違点を除いて、熱交換器アセンブリ101に転用され得る。
構造又は機能が熱交換器アセンブリ1の構成要素と同一であるか又は対応する熱交換器アセンブリ101の構成要素は、100だけ数値の増加した同一の数字参照符号を有する。したがって、スペーサ114及び154と、分配空間121P及び161Pと、一次コンパートメント130P及び二次コンパートメント130Sと、一次ダクト131Pとが画定される。
熱交換器アセンブリ101は、各一次ダクト131Pがこの場合では蟻ほぞ133である相補形状部により共に固定される3つの部分から構成される点で、熱交換器アセンブリ1とは異なる。
図7及び図8は、本発明の別の変形形態によるものであり、前述の部分がスナップ嵌め要素を画定し得る相補形状部により固定される点で熱交換器アセンブリ101とは異なる、熱交換器アセンブリの一部を示す。
図9は、本発明の第2の実施形態による熱交換器アセンブリ301を示す。熱交換器アセンブリ301は、熱交換器アセンブリ1に類似するため、図1〜図4との関連において上記に示した熱交換器アセンブリ1の説明は、以下に挙げる顕著な相違点を除いて、熱交換器アセンブリ301に転用され得る。
構造又は機能が熱交換器アセンブリ1の構成要素と同一であるか又は対応する熱交換器アセンブリ301の構成要素は、300だけ数値の増加した同一の数字参照符号を有する。したがって、熱交換器310及び350が画定される。
熱交換器アセンブリ101は、熱交換器アセンブリ101が過冷却器370と呼ばれる追加の熱交換器を備える点で、熱交換器アセンブリ1とは異なる。過冷却器370は、熱交換器350に流体連結される。
図10及び図11は、本発明の第3の実施形態による熱交換器アセンブリ401を示す。熱交換器アセンブリ401は、熱交換器アセンブリ1に類似するため、図1〜図4との関連において上記に示した熱交換器アセンブリ1の説明は、以下に挙げる顕著な相違点を除いて、熱交換器アセンブリ401に転用され得る。
構造又は機能が熱交換器アセンブリ1の構成要素と同一であるか又は対応する熱交換器アセンブリ401の構成要素は、400だけ数値の増加した同一の数字参照符号を有する。したがって、第1の交換器410及び第2の交換器450と、第1の連結面412F及び第2の連結面452Fと、閉鎖体430と、一次ダクト431Pと、一次マニホルド406と、二次マニホルド407と、二次供給ボックス418又は458とが画定される。
図10及び図11が示すように、熱交換器アセンブリ401は、主に第1の交換器410及び第2の交換器450が並列に配置される点で、熱交換器アセンブリ1とは異なる。第1の連結面412F及び第2の連結面452Fは、平行である各法線方向N412F及びN452Fに配向される。したがって、閉鎖体430及びその閉鎖体積は、全体的に半円筒体の形状である。
さらに、熱交換器アセンブリ1とは異なり、第1の連結面412F及び第2の連結面452Fは、図10及び図11が示すように共有辺を有するように配置される。
さらに、熱交換器アセンブリ1とは異なり、一次ダクト431Pは、i)円形断面を有する管形状の長手方向マニホルド431Cと、ii)第1の連結面412Fに及び第2の連結面452Fにマニホルド431Cを流体連結する一次チューブ431Tとを備える。
さらに、熱交換器アセンブリ401は、閉鎖体430及びしたがって閉鎖体積が二次コンパートメントの全てを形成する点で、熱交換器アセンブリ1とは異なる。したがって、この二次コンパートメントは、一次ダクト431Pにより形成された一次コンパートメントの周囲に延在する。熱交換器アセンブリ401は、一方の閉鎖体と、他方の第1の連結面及び第2の連結面との間に封止手段を備える。
図12は、本発明の第4の実施形態による熱交換器アセンブリ501を示す。熱交換器アセンブリ501は、熱交換器アセンブリ1に類似するため、図1〜図4との関連において上記に示した熱交換器アセンブリ1の説明は、以下に挙げる顕著な相違点を除いて、熱交換器アセンブリ501に転用され得る。
構造又は機能が熱交換器アセンブリ1の構成要素と同一であるか又は対応する熱交換器アセンブリ501の構成要素は、500だけ数値の増加した同一の数字参照符号を有する。したがって、第1の交換器510及び第2の交換器550と、第1の連結面512F及び第2の連結面552Fと、閉鎖体530と、一次ダクト531Pとが画定される。
図12が示すように、熱交換器アセンブリ501は、主に第1の連結面512F及び第2の連結面552Fが互いに直交する点で、熱交換器アセンブリ1とは異なる。
第1の連結面512F及び第2の連結面552Fは、共有辺を有するように配置される。したがって、閉鎖体530は、全体的に四半円筒体の形状である。

以下に、出願時の特許請求の範囲の記載事項を付記する。
[1] 一次流体と二次流体との間の接触を伴わない熱伝達ユニット(5)を形成するように意図された熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)であって、前記熱交換器アセンブリ(1)は、2つの交換器(10、50、410、450、510、550)を、すなわち、例えば高圧圧縮空気などの少なくとも1つの一次流体と例えば低圧二窒素などの少なくとも1つの二次流体との間の熱交換に適した、第1の交換器(10、410、510)と第2の交換器(50、450、550)とを備え、
各交換器(10、50)は、i)一次流体流のために構成された一次通路(12P、52P)とii)二次流体流のために構成された二次通路(12S、52S)とを少なくとも境界画定するようにいわゆる積層方向(Z)に互いに平行に配置された複数のプレート(12、52)のスタックを備え、前記一次通路(12P、52P)及び前記二次通路(12S、52S)は、所定の積層パターンにしたがって互いに続き、
前記第1の交換器(10、410、510)の前記プレート(12)の前記スタックは、前記第1の交換器(10、410、510)の前記一次通路(12P)に流体連結された第1の連結面(12F、412F、512F)を画定し、前記第2の交換器(50、450、550)の前記プレート(52)の前記スタックは、前記第2の交換器(50、450、550)の前記一次通路(52P)に流体連結された第2の連結面(52F、452F、552F)を画定し、
前記熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)は、前記第1の交換器(10)及び前記第2の交換器(50)が、前記第1の連結面(12F)が前記第2の連結面(52F)に隣接するように配置されることを特徴とし、
前記熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)が、
前記第1の連結面、前記第2の連結面、及び前記第1の連結面(12F、412F、512F)と前記第2の連結面(52F、452F、552F)との間に延在する閉鎖体積(V30)、によって境界画定された閉鎖体(30、430、530)と、
前記第1の連結面(12F、412F、512F)及び前記第2の連結面(52F、452F、552F)を通して前記第1の交換器(10)と前記第2の交換器(50)との間に前記一次流体の全て又は一部を送るように前記閉鎖体積(V30)内に配置された少なくとも1つの一次コンパートメント(30P)と、
前記少なくとも1つの一次コンパートメントとは異なり、前記第1の連結面(12F、412F、512F)及び前記第2の連結面(52F、452F、552F)を通して前記第1の交換器(10)と前記第2の交換器(50)との間に前記二次流体の全て又は一部を送るように前記閉鎖体積(V30)内に配置された、少なくとも1つの二次コンパートメントと
をさらに備えることを特徴とする、熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)。
[2] 前記第1の連結面(12F、412F、512F)は、全体的に平坦であり、前記第1の交換器の前記プレート(12)に対して直角であり、前記第2の連結面(52F、452F、552F)は、全体的に平坦であり、前記第2の交換器の前記プレート(52)に対して直角である、[1]に記載の熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)。
[3] 前記第1の連結面(12F)及び前記第2の連結面(52F)は、平行であり、互いに対向して配置される、[2]に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[4] 前記第1の交換器(410)及び前記第2の交換器(450)は、並列に配置され、前記第1の連結面(412F)及び前記第2の連結面(452F)は、実質的に平行である各法線方向に配向され、前記第1の連結面(412F)及び前記第2の連結面(452F)は、好ましくは隣接し合う又は共有の辺を有するように配置される、[2]に記載の熱交換器アセンブリ(401)。
[5] 前記第1の連結面(512F)及び前記第2の連結面(552F)は、互いに対して実質的に直交し、前記第1の連結面(512F)及び前記第2の連結面(552F)は、好ましくは隣接し合う又は共有の辺を有するように配置される、[2]に記載の熱交換器アセンブリ(501)。
[6] 前記閉鎖体積(V30)は、前記二次コンパートメントを形成する、[1]から[5]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[7] 前記第1の連結面(12F)は、全体的に前記第1の交換器(10)の長さによって及び前記積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状であり、前記第2の連結面(52F)は、全体的に前記第2の交換器(50)の長さによって及び前記積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状である、[1]から[6]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[8] 各前記交換器(10、50)に関して、長さは、前記積層方向(Z)で測定された高さよりも非常に大きく、好ましくは4倍超だけ大きい、[1]から[7]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[9] 前記一次コンパートメント(30P)は、前記連結面(12、52)間に及び前記積層方向(Z)に対して垂直にそれぞれ延在する一次ダクト(31P)により形成され、一次ダクト(31P)が、前記積層方向(Z)に対して横方向である方向(Y)において所定の間隔で、好ましくは一定間隔をおいて分散配置され、前記一次ダクト(31P)は、前記熱交換器(10、50)間での前記一次流体の流れを可能にするために各交換器(101)の前記一次通路(12P、52P)に流体連結され、
ここにおいて、各二次コンパートメント(30S)が、前記閉鎖体(30)の壁部によって及び2つの連続する一次ダクト(31P)の壁部によって形成される、[1]から[8]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[10] 各一次ダクト(31P)が、矩形底面を有する角柱の形状か、又は曲線底面を有する円筒体の形状であり、前記積層方向(Z)に対して垂直である母線を有する、[3]に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[11] 各一次ダクト(31P、131P、231P)は、機械的固定手段(133、233)により共に固定された少なくとも2つの部分から構成され、前記機械的固定手段は、好ましくはねじ、フランジ、リベット、クリンプ要素、埋設要素、スナップ嵌め要素、焼嵌め要素、及び蟻ほぞなどの相補形状部からなる群より選択される、[3]又は[4]に記載の熱交換器アセンブリ(1、101)。
[12] 各二次通路(12S、52S)内において、ブロック部材(122S、162S)が、前記一次ダクト(31P)内の二次流体流を防止するために、前記各一次ダクト(31P)上に配置される、[1]から[11]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[13] 前記一次コンパートメント及び前記二次コンパートメントは、可撓性材料から作製された壁部により完全に又は部分的に境界画定され、前記可撓性材料は、好ましくはステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、及びポリテトラフルオロエチレンなどの低温にて可撓性を有する有機材料からなる群より選択される、[1]から[12]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ。
[14] 追加の交換器、いわゆる過冷却器(370)をさらに備え、前記過冷却器(370)は、並置された熱交換器(310、350)の一方に流体連結される、[1]から[13]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(301)。
[15] 各交換器(10、50)が、一次流体又は二次流体をそれぞれ前記一次通路(12P、52P)又は前記二次通路(12S、52S)の内又は外へと導入又は排出するように構成された一次供給ボックス(16、56)及び二次供給ボックス(18、58)を外周部に備え、前記一次供給ボックス(16、56)及び前記二次供給ボックス(18、58)は、好ましくは前記一次流体が前記二次流体とは逆方向に流れるように配置される、[1]から[14]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[16] 各熱交換器は、一次通路又は二次通路を境界画定する及びセレーションタイプの交換ウェーブにより形成されたスペーサを備え、前記交換ウェーブは、メートル当たり800個のウェーブを上回る単位長さ当たりの密度を有し、5mm未満のセレーション長を有し、3mm〜20mmの、好ましくは5mm〜15mmのウェーブ高を有する、[1]から[15]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
[17] 各熱交換器は、各交換器内の前記一次流体及び前記二次流体の流れ方向が、熱交換器内で幅方向に延在する横方向(Y)である、[1]から[16]のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。

Claims (17)

  1. 一次流体と二次流体との間の接触を伴わない熱伝達ユニット(5)を形成するように意図された熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)であって、前記熱交換器アセンブリ(1)は、2つの交換器(10、50、410、450、510、550)として、例えば高圧圧縮空気などの少なくとも1つの一次流体と例えば低圧二窒素などの少なくとも1つの二次流体との間の熱交換に適した、第1の交換器(10、410、510)と第2の交換器(50、450、550)とを備え、
    各交換器(10、50)は、i)一次流体流のために構成された一次通路(12P、52P)とii)二次流体流のために構成された二次通路(12S、52S)とを少なくとも境界画定するように積層方向(Z)に互いに平行に配置された複数のプレート(12、52)のスタックを備え、前記一次通路(12P、52P)及び前記二次通路(12S、52S)は、所定の積層パターンにしたがって互いに続き、
    前記第1の交換器(10、410、510)の前記プレート(12)の前記スタックは、前記第1の交換器(10、410、510)の前記一次通路(12P)に流体連結された第1の連結面(12F、412F、512F)を画定し、前記第2の交換器(50、450、550)の前記プレート(52)の前記スタックは、前記第2の交換器(50、450、550)の前記一次通路(52P)に流体連結された第2の連結面(52F、452F、552F)を画定し、
    前記熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)は、前記第1の交換器(10)及び前記第2の交換器(50)が、前記第1の連結面(12F)が前記第2の連結面(52F)に隣接するように配置されることを特徴とし、
    前記熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)が、
    前記第1の連結面前記第2の連結面、及び前記第1の連結面(12F、412F、512F)と前記第2の連結面(52F、452F、552F)との間に延在する閉鎖体積(V30)、によって境界画定された閉鎖体(30、430、530)と、
    前記第1の連結面(12F、412F、512F)及び前記第2の連結面(52F、452F、552F)を通して前記第1の交換器(10)と前記第2の交換器(50)との間に前記一次流体の全て又は一部を送るように前記閉鎖体積(V30)内に配置された少なくとも1つの一次コンパートメント(30P)と、
    前記少なくとも1つの一次コンパートメントとは異なり、前記第1の連結面(12F、412F、512F)及び前記第2の連結面(52F、452F、552F)を通して前記第1の交換器(10)と前記第2の交換器(50)との間に前記二次流体の全て又は一部を送るように前記閉鎖体積(V30)内に配置された、少なくとも1つの二次コンパートメントと
    をさらに備えることを特徴とする、熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)。
  2. 前記第1の連結面(12F、412F、512F)は、全体的に平坦であり、前記第1の交換器の前記プレート(12)に対して直角であり、前記第2の連結面(52F、452F、552F)は、全体的に平坦であり、前記第2の交換器の前記プレート(52)に対して直角である、請求項1に記載の熱交換器アセンブリ(1、101、301、401、501)。
  3. 前記第1の連結面(12F)及び前記第2の連結面(52F)は、平行であり、互いに対向して配置される、請求項2に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  4. 前記第1の交換器(410)及び前記第2の交換器(450)は、並列に配置され、前記第1の連結面(412F)及び前記第2の連結面(452F)は、実質的に平行である各法線方向に配向され、前記第1の連結面(412F)及び前記第2の連結面(452F)は、隣接する又は共有する辺を有するように配置される、請求項2に記載の熱交換器アセンブリ(401)。
  5. 前記第1の連結面(512F)及び前記第2の連結面(552F)は、互いに対して実質的に直交し、前記第1の連結面(512F)及び前記第2の連結面(552F)は、隣接する又は共有する辺を有するように配置される、請求項2に記載の熱交換器アセンブリ(501)。
  6. 前記閉鎖体積(V30)は、前記二次コンパートメントを形成する、請求項1から5のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  7. 前記第1の連結面(12F)は、全体的に前記第1の交換器(10)の長さによって及び前記積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状であり、前記第2の連結面(52F)は、全体的に前記第2の交換器(50)の長さによって及び前記積層方向の高さによって画定された辺を有する矩形の形状である、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  8. 各前記交換器(10、50)に関して、長さは、前記積層方向(Z)で測定された高さよりも4倍超だけ大きい、請求項1から7のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  9. 前記一次コンパートメント(30P)は、前記連結面(12、52)間に及び前記積層方向(Z)に対して垂直にそれぞれ延在する一次ダクト(31P)により形成され、一次ダクト(31P)が、前記積層方向(Z)に対して横方向である方向(Y)において所定の間隔で分散配置され、前記一次ダクト(31P)は、前記熱交換器(10、50)間での前記一次流体の流れを可能にするために各交換器(101)の前記一次通路(12P、52P)に流体連結され、
    ここにおいて、各二次コンパートメント(30S)が、前記閉鎖体(30)の壁部によって及び2つの連続する一次ダクト(31P)の壁部によって形成される、請求項1から8のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  10. 各一次ダクト(31P)が、矩形底面を有する角柱の形状か、又は曲線底面を有する円筒体の形状であり、前記積層方向(Z)に対して垂直である母線を有する、請求項3に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  11. 各一次ダクト(31P、131P、231P)は、機械的固定手段(133、233)により共に固定された少なくとも2つの部分から構成され、前記機械的固定手段はねじ、フランジ、リベット、クリンプ要素、埋設要素、スナップ嵌め要素、焼嵌め要素、及び蟻ほぞなどの相補形状部からなる群より選択される、請求項3又は4に記載の熱交換器アセンブリ(1、101)。
  12. 各二次通路(12S、52S)内において、ブロック部材(122S、162S)が、一次ダクト(31P)内の二次流体流を防止するために、前記各一次ダクト(31P)上に配置される、請求項1から11のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  13. 前記一次コンパートメント及び前記二次コンパートメントは、可撓性材料から作製された壁部により完全に又は部分的に境界画定され、前記可撓性材料はステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、及びポリテトラフルオロエチレンなどの低温にて可撓性を有する有機材料からなる群より選択される、請求項1から12のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ。
  14. 追加の交換器、いわゆる過冷却器(370)をさらに備え、前記過冷却器(370)は、並置された熱交換器(310、350)の一方に流体連結される、請求項1から13のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(301)。
  15. 各交換器(10、50)が、一次流体又は二次流体をそれぞれ前記一次通路(12P、52P)又は前記二次通路(12S、52S)の内又は外へと導入又は排出するように構成された一次供給ボックス(16、56)及び二次供給ボックス(18、58)を外周部に備え、前記一次供給ボックス(16、56)及び前記二次供給ボックス(18、58)は前記一次流体が前記二次流体とは逆方向に流れるように配置される、請求項1から14のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  16. 各熱交換器は、一次通路又は二次通路を境界画定する及びセレーションタイプの交換ウェーブにより形成されたスペーサを備え、前記交換ウェーブは、メートル当たり800個のウェーブを上回る単位長さ当たりの密度を有し、5mm未満のセレーション長を有し、3mm〜20mmウェーブ高を有する、請求項1から15のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
  17. 各熱交換器は、各交換器内の前記一次流体及び前記二次流体の流れ方向が、熱交換器内で幅方向に延在する横方向(Y)である、請求項1から16のいずれか一項に記載の熱交換器アセンブリ(1)。
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