JP6496368B2 - 発泡体フィン付き熱交換器 - Google Patents

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本出願は、米国仮出願番号61/439562、出願日２０１１年２月４日の優先権を主張し、その全体の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示内容は一般に熱交換器に関し、より詳細には熱伝導性発泡体材料から作製されたフィンを用いる熱交換器に関する。

熱交換器は、単相、複相又は二相用途内の流体の間の熱伝達用の多くの異なる種類のシステム内で用いられる。プレートフィン、プレートフレーム、及びシェル＆チューブ熱交換器を含む多くの異なる種類の熱交換器が知られている。プレートフィン熱交換器内では、第一流体又はガスがプレートの一方の側を通過し、第二流体又はガスがプレートの他方の側を通過する。第一流体及び／又は第二流体は、プレートの一方の側に取り付けられたフィンの間の通路に沿って流動し、フィン及びプレートを介して、第一流体及び第二流体の間で熱エネルギが伝達される。チタン、高合金鋼、銅及びアルミニウム等の材料が、プレート、フレーム、及びフィンに一般に用いられる。

ＥＰ２１２４００９Ａ ＥＰ１５５３３７９Ａ ＵＳ２０１０／００６２７３Ａ

本明細書は、熱伝達性を改善するために、熱伝導性発泡体材料からなるフィンを用いる熱交換器に関する。発泡体フィンは、プレートフィン熱交換器、プレートフレーム熱交換器又はシェル＆チューブ熱交換器を含むが、それらには限定されない任意の種類の熱交換器内で使用できる。本明細書で説明される発泡体フィンを用いる熱交換器は、非常に効率的で、安価に構成でき、耐腐食性である。説明される熱交換器は、低熱駆動力用途、発電用途、並びに冷蔵及び低温等の非発電用途を含むが、それらには限定されない様々な用途で使用できる。フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含むが、それらには限定されない任意の熱伝導性発泡体材料から作製できる。更に、フィンは、グラファイト発泡体フィン、金属発泡体フィン、及び／又は金属（例えばアルミニウム）フィンの組合せであってもよい。

一実施形態では、熱交換ユニットは、互いに対面する面を含む対向する第一及び第二プレートを含み、複数のフィンが、第一及び第二プレートの間に配置されている。各フィンは、第一プレートの面に接続されて熱的に接触している第一端部と、第二プレートの面に接続されて熱的に接触している第二端部と、を備えている。フィンは、概して第二端部から第一端部まで延びている複数の流路を画定し、前記フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含んでいる。第一及び第二プレートは、例えば金属等の熱伝導材料から作製され、フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含んでいても、それから基本的に構成、又は構成されてもよい。

別の実施形態では、熱交換ユニットは、プレートの第一主面上に配置された複数のフィンを含んでいる。各フィンは、第一主面に接続されて熱的に接触している第一端部と、第一主面から離間している第二端部と、を備えている。フィンは、概して第二端部から第一端部まで延びている複数の流路を画定し、前記フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含んでいても、それから基本的に構成されてもよい。

別の実施形態では、プレートフィン熱交換ユニットは、対向する第一及び第二主面と、対向する第一及び第二端部と、を含むプレート又はフレームと、第一端部から第二端部まで前記プレート又はフレームを貫通して延びている複数の内部流路と、を含んでいる。内部流路は、第一及び第二主面を貫通しては延びていない。更に、プレートフィン熱交換ユニットは、第一主面上に配置されている複数のフィンを含み、各フィンは、第一主面に接続されて熱的に接触している第一端部と、第一主面から離間している第二端部と、を備え、前記フィンは、前記第二端部から第一端部まで概して延びている複数の流路を画定し、前記フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含んでいる。フレームは、金属から作製してもよく、フィンは、グラファイト発泡体又は金属発泡体を含んでいても、それから基本的に構成されてもよい。

プレートフィン熱交換器の一実施形態は、ハウジングと、第一流体用の第一流入口及び第一流出口と、第二流体用の第二流入口及び第二流出口と、前記ハウジング内に配置されるプレートフィン熱交換ユニットと、を含んでいてもよい。

本明細書で説明される熱交換器の一実施形態を示す図である。 図１に示した熱交換器の管束の一端を示す拡大図である。 図２Ａの管束の一端を示す側面図である。 プレートフィン熱交換ユニットの別の実施形態を示す図である。 プレートフィン熱交換ユニットの更に別の実施形態を示す図である。 プレートフィン熱交換ユニットの更に別の実施形態を示す図である。 図１の熱交換器内で利用可能なプレートフィン管束の別の例を示す図である。 邪魔板付きのプレートフィン管束を用いるシェル＆チューブ熱交換器を示す図である。 図７Ａの円７Ｂに含まれる部分の拡大図である。 シェル内の流路を示す図７Ａの熱交換器の側面図である。 管束の通路用のスロット付き半円形邪魔板の一例を示す図である。 図７Ｄと同様であるが、管束を取り除いた図である。 邪魔板付きプレートフィン管束を用いるシェル＆チューブ熱交換器の別の例を示す図である。 図８Ａの円８Ｂ内に含まれる部分の拡大図である。 シェル内の流路を示す図８Ａの熱交換器の側面図である。 管束の通路用のスリット付き円形邪魔板の一例を示す図である。 図８Ｄと同様であるが、管束を取り除いた図である。 シェル内の複数のプレートフィン管束の典型的な構成を示す図である。 プレートフィン熱交換ユニットの別の実施形態を示す図である。 熱交換ユニットの別の実施形態を示す図である。 積層型熱交換ユニットの一実施形態を示す図である。 積層型熱交換ユニットの別の実施形態を示す図である。 説明した熱交換ユニットと共に使用可能なフィン構成の追加の実施例を示す図である。

以降の記述では、熱伝達を改善するために、グラファイト発泡体から作製されたフィンを用いる熱交換器の例を説明する。フィンは、熱交換を促進するグラファイト発泡体又は他の種類の発泡体材料を含むことも、それから基本的に構成、又は構成されることもできる。グラファイト発泡体フィンは、プレートフィン熱交換器、プレートフレーム熱交換器又はシェル＆チューブ熱交換器を含むが、それらには限定されない任意の種類の熱交換器内で使用できる。

前記説明は、グラファイト発泡体フィンに着目しているが、前記フィンは代替的に金属発泡体からも作製できる。いくつかの実施形態では、フィンは、アルミニウムフィン等の金属フィンであってもよい。更に、いくつかの実施形態では、熱交換器及び熱交換ユニットは、グラファイト発泡体フィン、金属発泡体フィン及び／又は金属（アルミニウム等）のフィンの組合せを含むことができる。

本明細書の例で説明される流体は、液体又は蒸気／ガスであってもよく、流体の一方又は両方は、熱伝達中、それらの相を維持でき（例えば、液体又は蒸気のままである）、又は相を変化できる（例えば、液体が蒸気に変わる、蒸気が液体に変わる等）。

図１は、ハウジング１０２と、第一流体１０８用の第一流入口１０４及び第一流出口１０６と、第二流体１１４用の第二流入口１１０及び第二流出口１１２と、を含むシェル＆チューブ熱交換器１００の一実施形態を示している。熱交換器１００は、二つの流体が熱交換器１００を介して流動する際、第一流体１０８と第二流体１１４の間で熱を交換するように構成されている。

熱交換器１００は、ハウジング１０２の内側に配置されたプレートフィン管束１１６を含み、管束１１６は、一つ以上のプレートフィン熱交換ユニット１１８から作製される。熱交換ユニット１１８は、第一流体１０８が流動できる流路１２０を画定し、更に第二流体１１４が、第一流体１０８とは別個に流動できる流路１２６を画定する。

各熱交換ユニット１１８は、プレート１２４に接続され、熱的に接触している複数のフィン１２２から構成されている。以降で更に詳しく説明するように、各プレート１２４は、側面プレート及び中間プレートによって分離された一対の対向するプレートを含み、それらは共に流路１２６を画定する。フィン１２２は、対向するプレートの一方の外面に適切に取り付けられている。

フィン１２２は、例えば、用途及び熱伝達要件に依存する任意の数の構成を取ることができる。例えば、図１に示した実施形態では、フィン１２２は、複数の領域１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃに分離できる。各領域は、所定の熱伝達機能を行うように調整される。例えば、気化器用途では、領域１２３ａは、流体の一つを予備加熱するように機能する予備加熱領域として構成でき、領域１２３ｂは、液体蒸気伝達用の二相遷移領域として構成でき、領域１２３ｃは、蒸気が、ハウジングから流動する前に、蒸気への遷移を最大化する蒸気領域として構成できる。フィン１２２は、領域内に分離されるだけでなく、各領域のフィンの設計、構成及び材料は、その領域で必要な所定の作業を行うのに役立つように変更できる。図１は、三つの領域を示しているが、フィンは、より少ない又はより多い数の領域に分離できる。更に、フィンを領域内に分離する必要はなく、代わりに各熱交換ユニット１１８は、プレート１２４の長さ方向に沿って連続し、単一の領域を含むこともできる。

図１において、フィン１２２は、対角直線構成を備えるように示されている。他の構成のフィンも可能であり、以降で詳しく説明する。流路１２０は、熱伝達ユニット１１８のプレート１２４上のフィン１２２によって画定される。フィン１２２とプレート１２４は、熱伝導材料から作製される。

図１、２Ａ及び２Ｂに示したように、管束１１６のプレート１２４の端部は、一方の端部において第一フェースシート１２８に固定され、対向端部において第二フェースシート１３０に固定されている。フェースシート１２８、１３０は、ハウジング１０２に対して密閉され、第二流体１１４は、通路１２６内に流入し、ハウジング１０２の内部空間を流動する流体１０８とは別個に流出端部１１２から流出する。流入口１０４と流出口１０６はフェースシート１２８、１３０の間のハウジング上に配置し、第一流体１０８は流路１２０を流動する際、フェースシート１２８、１３０の間に収容されるようにする。

各熱交換ユニット１１８の通路１２６は、第二流入口１１０における第一フェースシート１２８から及びそこを介して、第二流出口１１２における第二フェースシート１３０まで及びそこを介して延びている。通路１２６は、第一流体１０８から第二流体１１４を流体的に分離するように構成され、二つの流体の混合を防ぐ。しかし、各熱交換ユニット１１８は、流体１０８、１１４の間で熱交換を行うように構成されている。例えば、第二流体１１４が、第一流体１０８より高い温度であれば、各熱交換ユニット１１８は、プレート１２４及びフィン１２２を介して通路１２６内を流動する第二流体１１４から、流路１２０内を流動し、フィンと接触している第一流体１０８に熱を伝達するように構成されている。同様に、第一流体が、第二流体１１４より高温である場合、熱は、第一流体からフィン及びプレート１２４を介して、第二流体に伝達される。図７Ａ〜Ｅ及び図８Ａ〜Ｅについて以降で更に議論するように、管束１１６上で邪魔板を用いて、ハウジング１０２内の流体１０８の特定のパターンの流動を確保できる。

図２Ａと２Ｂは、熱交換器１００の第二流入口側における管束１１６の端部１３２の拡大上面斜視図及び側面図を各々示している。各プレート１２４は、通路１２６の流入口と流出口の各々を画定する各端部に、拡張部１３３を備えている。フェースシート１３０に接続されている端部の拡張部は、図１で視認できる。プレート１２４の拡張部１３３は、第一フェースシート１２８に取り付けられ、分離通路１２６に別個の流入口を画定する。同様に拡張部は、同様の方法で他方の端部において第二フェースシート１３０に取り付けられ、通路１２６用の別個の流出口を画定する。

熱交換ユニット１１８の拡張部１３３は、接合、蝋付け、溶接、及び／又は他の適切な取り付け方法によって、フェースシート１２８、１３０に取り付けられてもよい。一実施形態では、フェースシート１２８、１３０の拡張部１３３は、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）によって取り付けられる。

ＦＳＷは、同じ材料の接合要素用の既知の方法である。巨大な摩擦が前記要素に提供され、融点より低い温度まで接合領域の近傍を加熱する。これは、隣接する領域を軟化させるが、材料は固体状態のままであるので、元の材料特性が保持される。溶接ラインに沿っての移動又は撹拌は、前記要素からの軟化材料を後縁に向かって押し進め、隣接領域を溶融し、溶接部を形成する。ＦＳＷは、端部接合部における異なる金属の間の接触によるガルバニック腐食を低減又は除去する。更に、得られる溶接は、接合領域の材料の材料特性を保持している。ＦＳＷについての追加の情報は、米国特許出願公開番号2009/0308582、発明の名称「熱交換器」、出願日２００９年６月１５日に開示されており、参照によって本明細書に組み込まれる。

フェースシート１２８、１３０は、熱交換ユニット１１８のプレート１２４と同じ材料から形成される。プレート１２４及びフェースシート１２８、１３０を形成する際の使用に適した材料は、船舶用アルミニウム合金、アルミニウム合金、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、銅、青銅、プラスチック、及び熱伝導性高分子を含むが、それらには限定されない。

本明細書で説明されるフィンは、発泡体材料から部分的に又は全体的に作製できる。一例では、フィンは、発泡体材料で基本的に構成又は構成できる。発泡体材料は、独立気泡、開放気泡、粗い多孔性の網状構造、及び／又はそれらの組合せを備えていてもよい。一実施形態では、発泡体は、金属発泡体材料であってもよい。一実施形態では、金属発泡体は、アルミニウム、銅、青銅又はチタン発泡体を含んでいる。別の実施形態では、発泡体は、グラファイト発泡体であってもよい。一実施形態では、フィンは、例えば、アルミニウム、チタン、銅又は青銅等の金属を含んでいない。一実施形態では、フィンは、開放多孔性構造を備えているグラファイト発泡体のみから作製される。更に、いくつかの実施形態では、熱交換器及び熱交換ユニットは、グラファイト発泡体フィン、金属発泡体フィン及び／又は金属（アルミニウム等）のフィンの組合せを含むことができる。

図２Ｂに示されているように、拡張部１３３によって形成される間隙１３４は、フィン１２２とフェースシート１２８の間に設けられる。同様の間隙は、対向端部に設けられる。従って、間隙１３４において、管束１１６は、フィン１２２を欠いているように示されている。拡張部１３３は、フェースシート１２８を貫通し、フェースシート１２８への取付けを容易にする。

管束１１６は、共に積層される複数の熱交換ユニット１１８から形成されている。熱交換ユニットが積層されると、プレート１２４によって画定される通路１２６は、管束１１６を介して、流入口１１０から流出口１１２に流動する流体１１４用の流路のアレイを構成する。更に、流体１０８用の流路１２０は、フィン１２２とプレート１２４の間に画定される。図２Ｂから明らかなように、管束１１６内の熱交換ユニット１１８の中間のものに対して、中間のプレート１２４のフィン１２２の自由端を隣接するプレートに取り付け、熱交換ユニット１１８の積層体が一体的なユニットを構成するようにする。しかし、熱交換ユニット１１８は、管束内に共に一体的に取り付けられる必要はないが、そうすると、いくつかの理由で、熱交換ユニットを交換する必要がある場合に熱交換ユニットの取替えが容易になる。

図１に示した熱交換ユニット１１８のフィン１２２は、対角直線構成を備えている。図３〜６は、プレートフィン管束内で使用可能なプレートフィン熱交換ユニットの追加の実施形態を示している。図３〜６の熱交換ユニットは、プレート１２４と同様のプレート１５０及び発泡体フィンを含むという点で、熱交換ユニット１１８と同様である。しかし、フィンの構成は異なっている。図３〜６は、プレート１５０の追加の詳細も示している。

図３〜６では、複数のフィンをプレート１５０に接合し、第一及び第二流体の流動の間に熱伝達路を形成する。フィン及びプレート１５０は、例えば、接着結合、溶接、蝋付け、エポキシ、及び／又は機械的取り付けを用いて接合できる。接着結合を用いる場合、接着剤は熱伝導性であってもよい。接着剤の熱伝導性は、高伝導性グラファイト発泡体の索を組み込むことによって増大でき、プレートの表面と接触している索、及び索の周りの基材を構成する接着剤は、索をプレートに緊密に接触させる。更に索は、剪断、剥離及び引張り負荷に対する抵抗を増大させることによって、接合強度を向上させる。

プレート１５０は、図３を参照しながら説明するが、図４〜６内のプレート１５０も、同様に構成されていると理解される。図３を参照すると、プレート１５０は、側面プレート１５６、１５８及び複数の中間プレート１６０によって互いに分離されている第一プレート１５２と第二対向プレート１５４を含んでいる。プレート１５２、１５４、側面プレート１５６、１５８及び中間プレート１６０は、全体としてフレームを画定する。第一プレート１５２と第二プレート１５４は、互いに対向している内部対向面を備え、前記対向面に対して、側面プレート１５６、１５８と中間プレート１６０を固定する。プレート１５２、１５４、側面プレート１５６、１５８及び中間プレート１６０は、フレームを介して第一端部１６４から第二端部１６６まで延びている複数の内部流路１６２を画定する。内部流路１６２は、プレート１５２、１５４又はその第一及び第二対向主面を介しては延びていない。プレート１５０は、押出し処理によって形成されてもよく、前記押出し処理では、プレート１５０は、単一材料の単一ユニットであるように形成される。従って、プレート１５０を、任意のガルバニックセル及び／又はガルバニック接合を備えないように形成できる。

フィン１７０は、プレート１５２の外側向きの第一主面１７２上に配置され、各フィン１７０は、プレート１５２の面１７２に接続され、熱的に接触している第一端部を備えている。更に、各フィン１７０は、面１７２から間隙を介している第二端部を備えている。流路は、フィン、及びフィンの第二端部から第一端部まで一般に延びている面１７２によって画定される。

図３では、フィン１７０は、細長い、直線状の長方形の形状として示されている。更に、フィン１７０は、他の熱交換ユニットと積層したとき、管束を構成するために、別の熱交換ユニットのプレート又はフレームの面と積層させるための実質的に平坦な上部を備えている。フィン１７０は、フィンを通過する流体の所望の又は主要な流動方向に一般に平行に延びている。しかし、フィン１７０は、例えば、流動方向から０°から９０°未満の、主要な流体の流動方向に対して任意の適切な角度で配置することもできる。

図４は、図３の熱交換ユニットと同様の熱交換ユニットを示しており、プレート１５０上に菱形のフィンを備え、前記フィンは、別の熱交換ユニットのプレート又はフレームの面と積層させるための実質的に平坦な上面を備えている。

図５は、図３の熱交換ユニットと同様の熱交換ユニットを示しており、フィンは、交差波状菱形構成を備え、別の熱交換ユニットのプレート又はフレームの表面と積層するために、実質的に平坦な上部を備えている。

「Ｘ」°の交差波状菱形構成は、本明細書では、上部斜視図から見たとき、フィンの第一直線部と、前記フィンの第二直線部が、実質的に菱形の孔を構成する十字構成で設けられることを意味するために用いられている。Ｘに対する数値は、フィンを上から見たとき、第一及び第二直線部の交差部における垂直角を示している。Ｘに対する値は、約０〜９０°未満の任意の範囲であってもよい。

図１４Ａ‐Ｍでは、以降で議論するように、他の構成のフィンも可能である。更に、フィンは、プレート１５０の片側のみから延びていることには限定されない。例えば、二つの隣接する対向プレートが、他方の対向プレートに向かって延びている各発泡体フィンを備えることもできると考えられる。対向プレート上のフィンは、それらの間に小さな間隙を備えた指状に共に適合できる。必要に応じて、固定分離体を設けて、フィンを分離して保持できる。

図６は、図１のハウジング１０２等の、シェル内に配置可能なプレートフィン管束２００の別の実施形態を示している。管束２００は、所望の構成に共に積層された複数の熱交換ユニットによって形成されている。図の実施形態では、管束２００は、単一の流路２０４を画定するプレート２０２と、前記プレートの上面の複数の発泡体フィン２０６とからなる熱交換ユニットを含んでいる。プレート２０２は、流路２０４を画定する非円形の管を基本的に形成する。更に、管束２００は、複数の流路２０４を画定する中央プレート２０８と、プレート２０８の逆向き外側対向面上の発泡体フィン２１０、２１２からなる中央熱交換ユニットを含んでいる。更に、管束２００は、単一の流路２０４を画定するプレート２０２の別のものと、前記プレートの下面の複数の発泡体フィン２０６からなる下側熱交換ユニットを含んでいる。使用中、熱交換ユニットは積層体内に共に固定されて管束を構成し、前記管束は、対向端部において、図１、２Ａ及び２Ｂに対して、上で議論したものと同様にフェースシートに固定されている。

管束２００は、シェル内で単独で用いることも、シェル内の他の管束共に配置することもできる。更に、他の構成の管束も可能である。例えば、図９は、シェル２２４内に配置された複数の別個のプレートフィン管束２２２を備えているシェル＆チューブ熱交換器２２０を示している。各管束２２２は、流体の流路を画定する複数のプレート２２６と、前記プレートの間に配置される発泡体フィン２２８を含んでいる。管束２２２は、一つの管束２２２の側面と、次の隣接する管束の側面との間の距離として定義される水平ピッチＰを備え、互いに間隙を介して配置される。更に、管束は、水平ピッチと同じか又は異なる垂直ピッチを備えることもできる。当業者には明らかなように、管束の数、各管束のサイズ、及び管束のピッチは、特定の用途の熱交換器の要件に部分的に基づいて変更できる。

図７Ａ〜Ｃは、邪魔板３０４を備えたプレートフィン管束３０２を用いるシェル＆チューブ熱交換器３００を示している。図の実施形態では、管束３０２は、図６の管束２００と同様である。しかし、邪魔板３０４は、図１のプレートフィン管束１１６、又は図９のプレートフィン管束２２２と共に用いることも、任意のプレートフィン管束構成と共に用いることもできる。

邪魔板３０４は、シェルに管束３０２を支持するために、及び前記シェル内の流体の所望の流動パターンを形成するために役立つプレートを含んでいる。任意の所望の流動パターンを実現するために、任意の種類又は構成の邪魔板を使用できる。邪魔板３０４は、例えばアルミニウム等の、邪魔板３０４の作業の実現に適した任意の材料から作製できる。

図の実施形態では、邪魔板３０４は、実質的に半円形の形状であり、シェルの内面に適合する外縁３０６を含み、外縁３０６とシェルの間の流体の流動を防止又は最小化する。更に、邪魔板３０４は、スロット３０８を含み、設置中、前記スロットを介して、管束の様々な部品を挿入できる。

図７Ａ〜Ｃでは、邪魔板は、交互に１８０°の場所において、管束３０２上の間隙を介した場所に配置される。その結果、図７Ｃの矢印によって示されているように、邪魔板３０４は、管束３０２の軸に対して交差流方向に流体を流動させる（つまり、側面間の流動）。邪魔板３０４の特定の場所、間隔、及び形状は、シェル内で実現したい流動パターンの種類に部分的に著しく依存して変更できる。

図７Ｄ〜Ｅは、管束の通路用のスロットを備えた半径形の邪魔板を示しており、図７Ｅの矢印は、前記邪魔板を通過する流体の流路の概要を示している。

図８Ａ〜Ｃは、邪魔板３２２と共に、図７Ａ〜Ｃのプレートフィン管束３０２を用いるシェル＆チューブ熱交換器３２０の別の例を示している。邪魔板３２２は、切欠き領域３２４と固体領域３２６を備えている一般に円形のプレートを含んでいる。邪魔板は、交互に配置し、一つの邪魔板の切欠き領域が、次の隣接する邪魔板の固体領域と交互になるようにする。その結果、図８Ｃの矢印によって示される流動パターンとなり、流体が、一つの邪魔板の切欠き領域３２４を介して流動し、次の邪魔板の切欠き領域３２４に流動する際（つまり、側面上部側面又は渦巻き流）、管束３０２の軸に一般に平行で、流動方向に小さな変化を備えている流動となる。

図８Ｄ〜Ｅは、管束を通過させることができる切欠きを備えた円形邪魔板を示しており、図８Ｅの矢印は、前記邪魔板を通過する流体の流路の概要を示している。

本明細書で説明される発泡体フィンは、流路を画定するプレートに固定されていることには限定されない。図１０は、菱形構成のフィン３５２を備えているプレートフィン熱交換ユニット３５０の一実施形態を示している。フィン３５２は、プレート３５４に接合され、第一流体と第二流体の間の熱伝達路を形成する。フィン３５２とプレート３５４は、接合、溶接、蝋付け、エポキシ、及び／又は機械的取り付けを用いて接合できる。

菱形のフィン３５２は、上面斜視図から見たとき、菱形の端面３５６を備え、前記端面は、例えば、別の熱交換ユニット３５０のプレートの面等の、別の面と積層及び接触させるために実質的に平坦である。フィン３５２は、プレート３５４の主面３５８上に配置され、各フィン３５２は、プレート３５４の面３５８に接続され、熱的に接触している第一端部３６０を備えている。各フィン３５２は、プレート３５４の面３５８から間隙を介した第二端３６２を備え、前記端部３６２は、端面３５６を画定する。流体の流路３６４は、フィン３５２及びプレート３５４によって画定される。

当業者には明らかなように、フィン３５２のアスペクト比（つまり、端面３５６の長辺と短辺の比率）、高さ、幅、間隔及び他の寸法パラメータは、用途及び所望の熱伝達特性に部分的に依存して変更できる。

図１１は、プレートフィン熱交換ユニット６００の別の実施形態を示している。熱交換ユニット６００は、複数のフィン６０６によって分離されている第一プレート６０２と、第二プレート６０４を含んでいる。フィン６０６は、第一プレート６０２と第二プレート６０４に熱的に接触している。フィン６０６は、流体の流動用の複数の流路を画定する。更に、図１１に示した熱交換ユニット６００の実施形態は、側面プレート６０８、６１０を含み、第一及び第二プレート６０２、６０４と側面プレート６０８、６１０が共に、フレーム６１２を画定し、フィン６０６は、フレーム６１２の内側に配置されるようにする。別の実施形態では、フィン６０６は、フレーム６１２の外側に配置され、第一、第二、又は両方のプレート６０２、６０４に接続される。別の実施形態では、フィン６０６は、フレーム６１２の内側と外側の両方に配置される。

図１２は、図１１に示した複数のプレートフィン熱交換ユニット６００から構成されている熱交換積層体６２０を示している。前記ユニット６００は、隣接するレベルに対して各レベルを９０°回転させて互いに積層される。従って、積層体は、一方向に一つ以上の流路６３４を画定し、流路６３４に対して約９０°の別の方向に延びている一つ以上の流路６３６を画定する。図の実施例では、ユニット６００を配置し、流路６３４、６３６が、交差流パターンで互いに交互になるようにする。第一流体は、流路６３４を介して導くことができるが、第二流体は、交差流の関係で前記第一流体と熱交換するための流路６３６を介して導くことができる。積層されたとき、各ユニット６００は、隣接するユニット６００を備えたプレート６０２、６０４を共有でき、又は各ユニット６００は、それ自体のプレート６０２、６０４を備えることができる。

図１３は、ユニット６００を配置し、各ユニットによって画定される流体の流路６４４、６４６が、互いに平行になるようにする熱交換積層体６４０を示している。第一流体は、流路６４４を介して導くことができるが、第二流体は、前記第一流体と熱交換するための流路６４６を介して導くことができる。流路６４４、６４６内の流体は、同じ方向に流動することも（平行又は並流）、又は矢印６４８によって示されているように、逆方向に流動することもできる（逆行流）。

図の実施例のプレートは、長方形又は正方形のプレートである。しかし、フィンは、円形、楕円形、三角形、菱形、又はそれらの任意の組合せを含むが、それらには限定されない任意の形状のプレートと共に使用でき、前記フィンは、（図３〜５又は１０と同様に）プレート上に配置することも、又は（図１１〜１３と同様に）プレートの間に配置することも、シェル内で用いることも、シェル無しで用いることもできる。例えば、発泡体フィンは、円形のプレートの間に配置でき、前記プレートは、米国特許7013963に開示されている種類の熱交換器の、シェル内に配置されている。

図１４Ａ‐Ｍは、本明細書で説明される熱交換ユニットと共に使用可能なフィン構成の別の実施形態を示している。図１４Ａ‐Ｍのフィン構成の全ての実施形態では、アスペクト比、間隔、高さ、幅等の、フィンの様々な寸法パラメータは、前記フィン及び熱交換ユニットの用途及び所望の熱伝達特性に部分的に依存して変更できる。

図１４Ａは、フィン４００が邪魔板オフセット構成で配置されている、フィン４００の平面図を示している。図１４Ｂは、フィン４０２がオフセット構成で配置されている、フィン４０２の別の実施形態の平面図を示している。上から見たとき、各フィン４０２は、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、菱形、又はそれらの任意の組合せの形状を備えてもよいが、それらには限定されない。図１４Ｃは、フィン４０４が三角波構成で配置されている、フィン４０４の別の実施形態の平面図を示している。矩形波、正弦波、ノコギリ波、及び／又はそれらの組合せ等の、他の種類の波構成も可能である。

図１４Ｄは、フィン４０６がオフセット山形構成で配置されている、フィン４０６の別の実施形態の平面図を示している。図１４Ｅは、フィン４０８が長方形の直線構成で配置されている、フィン４０８の一実施形態の平面図を示している。図１４Ｆは、フィン４１０が湾曲波構成で配置されている、フィン４１０の一実施形態の平面図を示している。湾曲波構成の一例は、正弦波構成である。

フィンの構成は、上から見たとき、流体の流動方向を必ずしも画定する必要はない。図１４Ａ〜Ｆを参照すると、フィンを介した流体の流動方向は、上から下、下から上、右から左、左から右、及びそれらの任意の方向であってもよいことを当業者は理解できる。

図１４Ｇは、熱交換ユニットのプレートによって画定される面に垂直な方向において、長方形の断面形状を備えているフィン４１２を示している。図１４Ｈは、熱交換ユニットのプレートによって画定される面に垂直な方向において、三角形の断面形状を備えているフィン４１４を示している。

図１４Ｉは、熱交換ユニットのプレートによって画定される面に垂直な方向に、ピン状の形状を備えているフィン４１６を示している。ピン状の形状は、本明細書では、シャフト部と拡大された頭部を備えている形状を意味するために用いられ、前記頭部は、シャフト部の断面積より大きな断面積を備えている。しかし、ピン状の形状は、拡大された頭部を備えていないシャフト部だけを備えている形状を含むこともできる。上から見たとき、フィン４１６は、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、菱形、又はそれらの任意の組合せを含むが、それらには限定されない形状を備えていてもよい。フィン４１６は、例えば、ピン状の形状を形成するために発泡体を押印することによって形成できる。

図１４Ｊは、オフセットされた長方形のフィンを備えているフィン４１８を示している。図１４Ｋは、波状の起伏している形状のフィン４２０を示している。図１４Ｌは、フィン４２２の主方向に沿って画定される通路の間の流体の交差流を可能とするルーバ面４２４を備えているフィン４２２を示している。図１４Ｍは、フィンの主方向に沿って画定される通路の間の流体の交差流を可能にする貫通孔４２８を備えているフィン４２６を示している。

本明細書で説明される様々なフィン構成は、熱交換器内の流動様式、面積及び流路等の要素、並びに前記熱交換器の用途に基づいて、互いに組み合わせて、及び本明細書で説明される任意の熱交換ユニット内で用いてもよいことを、当業者は理解できる。

本明細書で説明される熱交換器は、海洋熱エネルギ変換等の低熱駆動力用途、発電用途、及び冷蔵や低温等の非発電用途を含むが、それらには限定されない任意の数の用途で使用できる。

本明細書で説明される熱交換器は全て、次のように動作する。第一流体が、プレートのフィン側のフィンを介して流動し、前記フィンと接触している。同時に、第二流体が、前記プレートの逆側に存在している。第二流体は、第一流体に対して主に逆方向で、第一流体と同じ方向で、第一流体の流動方向に対して交差流方向で、又はそれに対して任意の角度で流動できる。第一及び第二流体は、異なる温度であり、従って、第一及び第二流体の間で熱が交換される。用途に応じて、第一流体は、第二流体より高い温度であってもよく、その場合、フィン及びプレートを介して、第一流体から第二流体に熱が伝達される。もしくは、第二流体は、第一流体より高い温度であってもよく、その場合、プレート及びフィンを介して、第二流体から第一流体に熱が伝達される。

本出願で開示される例は、全ての点において、例示的であり、限定的ではないものと考えられる。本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の請求項によって示されており、前記請求項の等価物の意味及び範囲内にある全ての変更は、本明細書に含まれるものとする。

Claims (11)

1. 複数の熱交換ユニットの形成を含む熱交換器の作成方法であって、
   前記複数の熱交換ユニットにおける各熱交換ユニットの形成は、押出し処理により複数の内部流路を有する金属製プレートを形成し、その際に、各内部流路が前記金属製プレートの第一端部から第二端部まで当該金属製プレートを完全に貫通して延びるものであり、しかも前記金属製プレートが接合部を有しないものとすること、及び、前記金属製プレートの第一主面に複数のフィンを接合することを含んでおり、
   前記複数の熱交換ユニットを相互に隣接して配置して管束を形成し、その際に隣接する熱交換ユニットが相互に接合されないようにし、
   第一群の開口部が形成された第一フェースシートを、当該第一群の開口部が前記金属製プレートの複数の内部流路と整列するように、当該金属製プレートの第一端部に摩擦撹拌溶接により接合し、
   第二群の開口部が形成された第二フェースシートを、当該第二群の開口部が前記金属製プレートの複数の内部流路と整列するように、当該金属製プレートの第二端部に摩擦撹拌溶接により接合する、ことを含む熱交換器の作成方法。
2. 流体の流入口及び流出口を有するハウジングを前記熱交換ユニットの周りに配置し、
   前記第一フェースシート及び前記第二フェースシートを前記ハウジングに対して封止することをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
3. 前記複数の熱交換ユニットのうちの少なくとも一つは、他の熱交換ユニットよりも内部流路の数が多くなるようにし、
   前記複数の熱交換ユニットを相互に隣接するように積層して熱交換ユニット積層体を形成し、その際に、内部流路の数の多い熱交換ユニットが積層体の中央側に位置し、内部流路の数の少ない熱交換ユニットが積層体の端側に位置するようにし、
   前記第一群の開口部が形成された前記第一フェースシートを、当該第一群の開口部が前記積層体の複数の内部流路と整列するように、当該金属製プレートの第一端部に摩擦撹拌溶接により接合する、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
4. 前記フィンはグラファイト発泡体から作製されており、前記複数のフィンを前記金属製プレートの第一主面に接合することは、前記グラファイト発泡体を接着剤にて前記金属製プレートの第一主面に接合することを含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
5. 前記フィンは多孔性の構造を有するグラファイト発泡体から作成されており、前記フィンは、当該フィンの第一端から第二端まで延びる一定幅の複数の流路を形成している、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
6. 前記フィンは多孔性の構造を有するグラファイト発泡体から作成されており、前記フィンは、当該フィンの第一端から第二端まで延びるとともに、相互に交差する一定幅の複数の流路を形成している、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
7. 前記複数のフィンを前記金属製プレートの第一主面に接合することは、前記複数のフィンを前記金属製プレートの第一主面に蝋付けすることを含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
8. 前記複数のフィンを前記金属製プレートの第一主面に接合することは、前記金属製プレートの第一端部及び第二端部がフィンを含まない拡張部を有するように、前記複数のフィンを前記金属製プレートの第一主面に接合することを含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
9. 前記各フィンは、隣接する熱交換ユニットに接触する平坦な端面を有している、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
10. 流体を前記熱交換ユニットの軸心に交差する方向に流動させる複数の邪魔板を前記熱交換ユニットに配置することをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。
11. 金属発泡体を加工して前記複数のフィンを形成することをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器の作成方法。

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