JP6827062B2 - マニホールドを含む熱交換器 - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、米国仮出願第６１／７２０，５９１号（２０１２年１０月３１日出願）および米国仮出願第６１／７１４，５３８号（２０１２年１０月１６日出願）の利益、およびそれらに基づく優先権を主張する。両出願は、それらの全体が参照により援用される。

（技術分野）
本発明は、流体間の熱の伝達に関し、より具体的には、熱交換プレートを使用した流体間の熱の伝達に関する。

世界中の熱帯海洋および海は、独自の再生可能エネルギー資源をもたらす。海洋熱エネルギー変換（「ＯＴＥＣ」）は、海洋の熱帯領域地方で熱として貯蔵された太陽エネルギーを使用して、再生可能エネルギーを産生する様式である。ＯＴＥＣプロセスは、表面熱帯水と深海熱帯水との間の温度差を使用して、熱機関を駆動し、電気エネルギーを産生する。ＯＴＥＣ熱機関のために必要とされる温水は、１００フィート以下の深度までの海洋の表面に見られる。ＯＴＥＣ機関を冷却するための一定の冷水源は、２７００フィート〜４２００フィートまたはそれ以上の深度で見られる。そのような深度は、典型的には、人口中心部または陸塊に近接しては見出されないため、海上発電所が、必要とされる。

高効率多段階熱交換システムを有する、浮遊式の上下浮動が少ないＯＴＥＣ発電所が提案されている。このシステムにおいて、温水および冷水供給導管ならびに熱交換器が、浮遊式プラットフォームの中に構造的に統合され、熱機関を駆動するために使用される。そして、熱機関が発電機を駆動し、それによって、電力が得られる。

いくつかの側面では、発電所は、エネルギー源として、海洋熱エネルギー変換プロセスを使用する。

さらなる側面は、海水および冷水供給導管ならびに熱交換器モジュールが、浮遊式プラットフォームまたは発電所の構造の中に構造的に統合される、高効率多段階熱交換システムを有する、浮遊式の上下浮動が少ないＯＴＥＣ発電所に関する。

本発明の例示的実装のいくつかの側面では、熱交換器は、各熱交換器プレートが隣接する熱交換器プレートから離間されるように、積層配列にある２つ以上の熱交換器プレートを含み、隣接する熱交換器プレート間の空間は、外部流体通路を画定し、各外部流体通路は、第１の流体を受け取るように構成される。各熱交換器プレートは、周辺縁と、第２の流体を受け取るように構成されている内部流体通路と、周辺縁に開放する内部流体通路内への入口と、各熱交換器プレートの入口との流体連通を有するマニホールドとを含む。

本発明の他の例示的実装では、熱交換器は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。マニホールドは、熱交換器プレートによって画定される平面と垂直な方向に延びるマニホールドチャンバを含む。マニホールドは、各熱交換器プレートの周辺縁の一部から突出しているタブを含み、各タブは、内部通路と流体連通するタブ通路を含み、各タブは、そのタブ通路を捕える開口部を含み、各タブの開口部は、熱交換器プレートによって画定される平面と垂直な方向に整列させられ、マニホールドチャンバを画定し、マニホールドチャンバの内面は、１つのタブのタブ通路の第１の表面と隣接するタブのタブ通路の第２の表面との間の接続に対応する接合部を含む。各プレートのタブは、硬質材料内に封入される。各プレートのタブは、流体不浸透性材料内に封入される。マニホールドは、少なくとも部分的に、硬質材料内に封入される。マニホールドは、それぞれのマニホールドが流体連通するように、第２の熱交換器のマニホールドに接続されるように構成される。

本発明のさらなる例示的実装は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。各プレートは、第１の外部熱交換表面と、第１の外部熱交換表面に対向する、第２の外部熱交換表面とを備え、第１および第２の外部熱交換表面は、熱交換器が使用時、第１の流体と流体接触する。熱交換器は、内部流体通路からの出口を備え、出口は、周辺縁に開放し、マニホールドは、各熱交換器プレートの出口との流体連通を有し、マニホールドは、第２の流体を内部流体通路の入口に供給するように構成されている第１のマニホールドチャンバと、内部流体通路の出口から第２の流体を受け取るように構成されている第２のマニホールドチャンバとを備え、第１のマニホールドチャンバは、第２のマニホールドチャンバから隔離される。第１のマニホールドチャンバは、第２のマニホールドチャンバと異なる体積を有する。内部通路は、熱交換器プレートの平坦内部表面と熱交換器プレートの非平坦内部表面との間に画定される。各熱交換器プレートは、非平面である第１の熱交換表面と、第１の熱交換表面に対向し平面である第２の熱交換表面とを備え、熱交換器プレートの積層配列は、積層の１つのプレートの第１の熱交換表面が、積層の隣接するプレートの第２の熱交換表面に面するように、熱交換器プレートを配列することを含む。内部流体通路は、プレートの片側のみから外向きに拡張し、それによって、プレートの第１の側は、内部流体通路の場所に対応する外向きに突出する領域を含み、プレートの第２の側は、変形させられない。内部流体通路は、いくつかのミニチャネルを含む。

いくつかの例示的実装では、２つ以上の熱交換器プレートが、垂直に積層される。他の側面では、２つ以上の熱交換器プレートが、水平に積層される。熱交換器プレートは、各個々の熱交換器プレート間に間隙が存在し、流体が、各熱交換器プレートを包囲し、それを越えて流動することを可能にする、任意の様式で配列されることができる。

さらなる例示的実装では、熱交換器は、積層配列にある熱交換器プレートを含み、各熱交換器プレートは、隣接する熱交換器プレートから離間され、隣接する熱交換器プレート間の空間は、外部流体通路を画定し、各外部流体通路は、第１の流体を受け取るように構成される。各熱交換器プレートは、周辺縁と、第２の流体を受け取るように構成されている内部流体通路と、内部流体通路の第１の端の中への入口であって、周辺縁において開放している、入口と、内部流体通路の第２の端からの出口であって、周辺縁において開放している、出口と、各熱交換器プレートの入口と流体連通する供給チャンバ、および各熱交換器プレートの出口と流体連通する放出チャンバを有するマニホールドとを含む。

本発明の他の例示的実装は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。マニホールド供給チャンバおよびマニホールド放出チャンバの各々は、熱交換器プレートによって画定される平面と垂直な方向に延びる。マニホールドは、各熱交換器プレートの周辺縁の一部から突出するタブを含み、各タブは、内部流体通路入口と流体連通するタブ入口通路と、内部流体通路出口と流体連通するタブ出口通路とを含み、各タブは、そのタブ入口通路を捕えるタブ入口開口部と、そのタブ出口通路を捕えるタブ出口開口部とを含み、各タブのタブ入口開口部は、マニホールド供給チャンバを画定し、マニホールドチャンバの内面は、１つのタブのタブ入口通路の第１の表面と隣接するタブのタブ入口通路の第２の表面との間の接続に対応する接合部を含み、各タブのタブ出口開口部は、マニホールド放出チャンバを画定し、マニホールド放出チャンバの内面は、１つのタブのタブ出口通路の第１の表面と隣接するタブのタブ出口通路の第２の表面との間の接続に対応する接合部を含む。各プレートのタブは、硬質材料内に封入される。各プレートのタブは、流体不浸透性材料内に封入される。マニホールドは、少なくとも部分的に、硬質材料内に封入される。マニホールドは、それぞれのマニホールドが流体連通するように、第２の熱交換器のマニホールドに接続されるように構成される。各プレートは、第１の外部熱交換表面と、第１の外部熱交換表面に対向する第２の外部熱交換表面とを備え、第１および第２の外部熱交換表面は、熱交換器が使用時、第１の流体と流体接触する。マニホールド供給チャンバは、マニホールド放出チャンバと異なる体積を有する。

本発明のさらなる例示的実装は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。内部通路は、熱交換器プレートの平坦内部表面と熱交換器プレートの非平坦内部表面との間に画定される。各熱交換器プレートは、非平面である第１の熱交換表面と、第１の熱交換表面に対向し、平面である第２の熱交換表面とを備え、熱交換器プレートの積層配列は、積層の１つのプレートの第１の熱交換表面が、積層の隣接するプレートの第２の熱交換表面に面するように、熱交換器プレートを配列することを含む。内部流体通路は、プレートの片側のみから外向きに拡張し、それによって、プレートの第１の側は、内部流体通路の場所に対応する外向きに突出する領域を含み、プレートの第２の側は、変形させられない。内部流体通路は、いくつかのミニチャネルを含む。

本発明のいくつかの例示的実装では、熱交換器は、積層熱交換器プレートを含み、各熱交換器プレートは、第１の流体を受け取るように構成されている内部流体通路と、第１の外面と、第１の外面に対向する第２の外面とを備えている。第１の外面は、平面であり、第２の外面は、熱交換器プレート内の内部通路の場所に対応する突出領域を含み、熱交換器プレートは、１つの熱交換器プレートの第１の外面が、隣接する熱交換器プレートの第２の外面に面するように、第１の外面に垂直な軸に沿って積層される。

さらなる例示的実装は、以下の特徴のうちの１つ以上を含む。熱交換器プレートは、１つの熱交換器プレートの第１の外面が、隣接する熱交換器プレートの第２の外面から離間されるように配列される。第１の外面および第２の外面の各々は、熱交換器が使用されている場合、第２の流体と流体接触する。

本発明のいくつかの側面では、熱交換器を製造する方法は、第１の外部熱交換表面を提供する第１の側と、第１の側と対向し、第２の外部熱交換表面を提供する第２の側と、内部流体通路とを有する熱交換器プレートを提供することと、切断開口部が内部通路を捕えるように、プレートに開口部を切断することと、前述のステップを繰り返し、複数の切断されたプレートを形成することと、切断されたプレートを整列軸に沿って積層し、整列させられた切断開口部を有するプレート積層を提供することと、１つのプレートの第１の側が、隣接するプレートの第２の側に接合されるように、およびマニホールドチャンバが、少なくとも部分的に、それぞれの接合された開口部によって画定される体積内に形成され、マニホールドチャンバが、各内部通路と流体連通するように、切断開口部の切断縁を接合することとを含む。

方法を含む本発明の例示的側面は、以下の追加の特徴のうちの１つ以上を含み得る。フランジをプレート積層の最外プレートの切断開口部に取り付けることと、接合されたプレートの一部およびフランジのフェルール部分をプラスチック内に封入すること。熱交換器はさらに、各プレートの周辺縁の一部から突出するタブを備え、各プレートの切断開口部は、タブ内に位置する。熱交換器のタブは、タブを形成するために使用される材料と異なる封入材料内に封入される。熱交換器のタブは、プラスチック内に封入される。積層することは、１つのプレートの片側が隣接するプレートの第２の側に面するように、プレートを配列することを含む。内部流体通路を有する熱交換器プレートを提供することは、第１のパネルおよび第２のパネルを提供することと、結合防止剤を第１のパネルの表面に所定のパターンで塗布することと、結合剤が第１のシートと第２のシートとの間に存在するように、第１のパネルおよび第２のパネルを積層することと、積層された第１および第２のパネルを圧延結合し、プレートを形成することと、所定のパターンに対応する内部通路を形成するように、プレートを拡張させることとを含む。プレートを拡張するステップの間、第２のパネルは、注入された空気の圧力によって変形させられ、第１のパネルは、注入された空気の圧力によって変形させられないままである。プレートを拡張することは、第１のパネルと第２のパネルとの間に空気を注入することを含む。切断開口部の切断縁を接合することは、１つのプレートの第１のパネルを隣接するプレートの第２のパネルに接合することを含む。プレートを積層することは、整列治具を提供することを含み、整列治具内へプレートを置くことによって、整列させられた周辺縁および切断開口部を有するプレート積層を提供する。積層後、整列治具は、プレート積層とともに残る。

例示的方法はまた、以下の追加の特徴のうちの１つ以上を含み得る。コネクタをプレート積層の最外プレートの外向きに面する側の切断開口部に接合すること。内部通路は、入口端と、出口端とを含み、プレート内に開口部を切断することは、内部通路の入口端を捕える入口開口部を切断することと、内部通路の出口端を捕える出口開口部を切断することとを含み、切断縁を接合することは、１つのプレートの第１の側が、隣接するプレートの第２の側に接合されるように、およびマニホールド供給チャンバが、少なくとも部分的に、それぞれの接合された入口開口部によって画定される体積内に形成され、マニホールド供給チャンバが、内部通路の入口端と流体連通するように、入口開口部の切断縁を接合することと、１つのプレートの第１の側が、隣接するプレートの第２の側に接合されるように、およびマニホールド放出チャンバが、少なくとも部分的に、それぞれの接合された出口開口部によって画定された体積内に形成され、マニホールド放出チャンバが、内部通路の出口端と流体連通するように、出口開口部の切断縁を接合することとを含む。マニホールド供給チャンバおよびマニホールド放出チャンバは、供給チャンバと放出チャンバとの間に流体連通が存在しないように、単一マニホールド内に存在する。本明細書に説明される熱交換器は、向上された熱伝達効率を提供し、したがって、例えば、最大効率および電力産生のために、高効率熱サイクルを使用するＯＴＥＣ熱機関の効率を向上させる。沸騰および凝縮プロセスにおける熱伝達ならびに熱交換器材料および設計は、温水ポンド当りから抽出され得るエネルギーの量を制限する。しかしながら、蒸発器および凝縮器内で使用される熱交換器は、寄生負荷を制限する低損失水頭で大量の温水および冷水流を使用する。熱交換器はまた、高熱伝達係数を提供し、効率を向上させる。熱交換器は、温水および冷水入口温度に合わせられた材料および設計を組み込み、効率を向上させる。熱交換器設計は、単純構造方法を採用し、材料量が少なく、コストおよび体積を低減させる。

本発明のいくつかの例示的実施形態では、作業流体は、入口および出口接続が、プレートと一体的に形成され、組立プロセス中に隣接するプレートに溶接されるマニホールドを使用して、プレート周辺側縁に沿って、熱交換器の各プレートに供給され、そこから放出される。溶接された接続を含むマニホールドは、マニホールド領域内のプレート間を流動するエポキシ内に囲まれ、構造補強をアセンブリに提供し、水が溶接された表面に接触することを防止する。これは、各管の各端が、熱交換器プレートまたは供給ラインに固定して接続されなければならないので、管を使用して供給されるいくつかのプレート熱交換器に優る改良点である。例えば、いくつかの実施形態では、４つもの入口および８つもの出口の接続が、熱交換器のプレート当り必要とされる。線形フィート当り約２０プレートの密度では、４８００もの個々の接続が、２０フィートモジュール内に必要とされ得る。これは、製造物流問題ならびに品質管理問題の両方を呈する。接続はまた、海水環境に曝されたままとなる。有利には、熱交換器の側面周辺縁にマニホールドを使用することによって、管接続の使用は、完全に排除され、対応する製造物流および品質管理問題は、回避される。

本発明の他の例示的実施形態では、本明細書に説明される熱交換器は、内部流体通路を形成するように拡張されるプレートから形成され、拡張された領域は、プレートの片側のみに突出し、他の側を本質的に平坦のまま残す。これは、拡張がプレート長に沿ってどこで生じるかにかかわらず、プレート間の間隙が、一貫した最大および最小隙間を有することを可能にする。拡張された領域がプレートの片側のみに突出するプレート（本明細書では、「片面型プレート」と称される）の使用は、プレートを形成するために使用される圧延結合製造プロセスに関連付けられた長さ寸法の非一貫性の影響を緩和させる。ローラ間の融解金属の圧延結合プロセスは、長さ寸法再現性の固有の問題を有するが、高さは、一貫している。拡張された領域がプレートの両側に突出する（本明細書では、「両面」プレートと称される）、圧延結合されたプレートが、熱交換器内に積層されると、寸法のばらつきが、隣接するプレートの拡張された区画が互に直接対向して位置付けられる構成をもたらし、予期されるものより圧力損失が多く、熱伝達が少ない、ピンチポイントをもたらし得る。片面型プレートを提供し、１つのプレートの突出側が隣接するプレートの平坦側に面するように、熱交換器内にプレートを配列することによって、寸法のばらつきの負の影響は、回避される。加えて、実験結果では、片面型プレートに対する圧力損失が、両面型プレートに等しい流量および公称間隔において、有意に低減されることが確認された。

本明細書に説明される本発明の実装、実施形態、および実施例は、前述のように、または開示される特徴の任意の他の組み合わせにおいて組み合わせられ得る。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
熱交換プレートであって、
第１の熱交換表面を画定する正面と、
前記正面と反対の前記プレートの片側の背面であって、前記背面は、第２の熱交換表面を画定する、背面と、
前記正面と前記背面との間に配置されている内部流体通路と
を備え、
前記内部流体通路の表面は、第３の熱交換表面を画定し、前記内部流体通路は、
入口面積を有する流体入口と、
前記入口面積と異なる出口面積を有する流体出口と、
平行流体チャネルと
を備え、
前記平行流体チャネルの各流体チャネルは、前記入口から前記出口まで平行に流体を向けるように構成され、前記平行流体チャネルは、前記流体入口と前記流体出口との間に少なくとも１つの遷移点を含み、前記遷移点において、流体チャネルの数が変化する、
熱交換プレート。
（項目２）
前記入口面積は、前記出口面積より小さく、前記流体チャネルの数は、前記少なくとも１つの遷移点において増加する、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目３）
前記入口面積は、前記出口面積より大きく、前記流体チャネルの数は、前記少なくとも１つの遷移点において減少する、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目４）
前記平行流体チャネルは、少なくとも４つの遷移点を備えている、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目５）
前記熱交換プレートは、
第１の縁と、
前記第１の縁から離間され、それと平行に延びている第２の縁と、
前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている第３の縁と、
前記第３の縁から離間し、それと平行に延びている第４の縁であって、前記第４の縁は、前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている、第４の縁と
を備え、
前記平行流体チャネルは、前記第１の縁と前記第２の縁との間の蛇行経路に沿って延び、前記平行流体チャネルは、
前記第１の縁と平行に延びている線形領域と、
隣接する線形領域を接続している湾曲領域であって、前記湾曲領域は、第３の縁または第４の縁に隣接して存在する、湾曲領域と、
湾曲領域と流体連通している分流チャネルであって、前記分流チャネルは、隣接する湾曲領域間に配置されている、分流チャネルと
を含む、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目６）
前記分流チャネルは、湾曲領域、隣接する湾曲領域、および対応する第３の縁または第４の縁間に画定される、略三角形領域を実質的に充填するように構成されている、項目５に記載の熱交換プレート。
（項目７）
前記熱交換プレートは、
第１の縁と、
前記第１の縁から離間され、それと平行に延びている第２の縁と
を備え、
前記平行流体チャネルは、前記第１の縁と前記第２の縁との間の蛇行経路に沿って延び、前記平行流体チャネルは、前記第１の縁と平行に延びている線形領域と、隣接する線形領域を接続する湾曲領域とを含み、少なくとも１つの湾曲領域は、隣接する湾曲領域間に存在する分流チャネルを含む、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目８）
前記分流チャネルは、対応する湾曲領域と流体連通している分流流体入口を有する、項目７に記載の熱交換プレート。
（項目９）
複数の湾曲領域が、分流チャネルを含み、各分流チャネルは、単一場所において前記内部流体通路と連通し、小型分流チャネルを提供するように分岐されている、項目７に記載の熱交換プレート。
（項目１０）
前記熱交換プレートは、
周辺縁と、
前記周辺縁から外向きに延び、前記第１の端に隣接して配置されているマニホールド領域と
を備え、
前記流体入口および前記流体出口は、前記マニホールド領域内に配置され、前記分流チャネル入口は、前記第１の端に向かって開放している、項目８に記載の熱交換プレート。
（項目１１）
前記熱交換プレートは、
周辺縁と、
前記周辺縁から外向きに延びているマニホールド領域と
を備え、
前記流体入口および前記流体出口は、前記マニホールド領域内に配置され、前記入口および出口の各々は、前記正面に平行な平面において開放している、項目１に記載の熱交換プレート。
（項目１２）
熱交換プレートであって、
第１の熱交換表面を画定する正面と、
前記正面と反対の前記プレートの片側の背面であって、前記背面は、第２の熱交換表面を画定する、背面と、
前記正面および前記背面を縁取る周辺縁と、
前記正面と前記背面との間に配置されている内部流体通路であって、前記内部流体通路の表面は、第３の熱交換表面を画定し、前記内部流体通路は、流体入口および流体出口を備えている、内部流体通路と、
前記周辺縁から外向きに延びているマニホールド領域と
を備え、
前記流体入口および前記流体出口は、前記マニホールド領域内に配置され、前記入口および出口の各々は、前記正面に平行な平面において開放している、熱交換プレート。
（項目１３）
前記周辺縁は、
少なくとも１つの線形側縁と、
前記線形側縁に沿って開放している切り欠き領域と
を備え、
前記マニホールド領域は、前記線形側縁と垂直な方向に、前記少なくとも１つの線形側縁から外向きに延び、前記切り欠き領域は、前記マニホールド領域に隣接している、項目１２に記載の熱交換プレート。
（項目１４）
周辺縁は、
第１の縁と、
前記第１の縁から離間され、それと平行に延びている第２の縁と、
前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている第３の縁と、
前記第３の縁から離間し、それと平行に延びている第４の縁であって、前記第４の縁は、前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている、第４の縁と
を備え、
前記マニホールド領域は、前記第３の縁から外向きに延び、前記第１の縁と整列させられている側面部分を含み、
切り欠き領域が、前記第３の縁内に形成され、前記切り欠き領域は、前記第３の縁から内向きに延び、前記切り欠き領域は、前記マニホールド領域に隣接している、項目１２に記載の熱交換プレート。
（項目１５）
前記切り欠き領域は、前記正面に面して見ると、略三角形である、項目１４に記載の熱交換プレート。
（項目１６）
熱交換プレートであって、
第１の熱交換表面を画定する正面と、
前記正面と反対の前記プレートの片側の背面であって、前記背面は、第２の熱交換表面を画定する、背面と、
前記正面と前記背面との間に配置されている内部流体通路であって、前記内部流体通路の表面は、第３の熱交換表面を画定する、内部流体通路と
を備え、
前記正面は、前記内部流体通路の場所に対応する外向きに突出する領域を備え、前記外向きに突出する領域は、所与の場所において前記内部流体通路の高さによって画定される範囲まで、前記所与の場所において突出し、高さは、前記正面と垂直な方向の寸法を指し、前記外向きに突出する領域は、
第１の内部流体通路高さに対応する第１のゾーンと、
第２の内部流体通路高さに対応する第２のゾーンと
を含み、前記第１の内部流体通路高さは、前記第２の内部流体通路高さより大きい、熱交換プレート。
（項目１７）
第３の内部流体通路高さに対応する第３のゾーンをさらに備え、前記第２の内部流体通路高さは、前記第３の内部流体通路高さより大きい、項目１６に記載の熱交換プレート。
（項目１８）
前記第３のゾーンは、前記内部流体通路が蛇行経路に沿って延びている区域内に配置されている、項目１７に記載の熱交換プレート。
（項目１９）
前記正面および前記背面を縁取る周辺縁と、
前記内部流体通路と連通している流体入口と、
前記内部流体通路と連通している流体出口と、
前記周辺縁から外向きに延びているマニホールド領域と
をさらに備え、
前記流体入口および前記流体出口は、前記マニホールド領域内に配置され、
前記第１のゾーンは、前記マニホールド領域内に配置され、前記第２のゾーンは、前記マニホールド領域の外側に配置されている、項目１６に記載の熱交換プレート。
（項目２０）
前記正面および前記背面を縁取る周辺縁をさらに備え、周辺縁は、
第１の縁と、
前記第１の縁から離間され、それと平行に延びている第２の縁と、
前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている第３の縁と、
前記第３の縁から離間し、それと平行に延びている第４の縁であって、前記第４の縁は、前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている、第４の縁と
を含み、
マニホールド領域が、前記第３の縁から外向きに延び、
前記第１のゾーンは、前記マニホールド領域内に配置され、
前記第２のゾーンは、前記マニホールド領域と前記第２の縁との間で前記第３の縁に沿って延びている、項目１６に記載の熱交換プレート。
（項目２１）
第３の内部流体通路高さに対応する第３のゾーンをさらに備え、前記第２の内部流体通路高さは、前記第３の内部流体通路高さより大きく、
前記第３のゾーンは、前記第１および第２のゾーンと前記第４の縁との間に延びている、項目２に記載の熱交換プレート。
（項目２２）
マニホールドコネクタであって、前記マニホールドコネクタは、管状本体を備え、
前記管状本体は、
第１の端であって、前記第１の端は、環状溝と前記溝内に配置されているシール部材とを含む、第１の端と、
前記第１の端に対向する第２の端であって、前記第２の端は、マニホールドに接合されるように構成されている、第２の端と、
前記第１の端と前記第２の端との間に延びている流体通路と、
前記第１の端から前記第２の端まで変化する外径と
を含む、マニホールドコネクタ。
（項目２３）
前記管状本体は、円錐台形形状であり、前記第１の端は、前記第２の端より大きい外径を有する、項目２２に記載のマニホールドコネクタ。
（項目２４）
前記第２の端は、段付き部分を備え、それによって、前記第２の端の外径は、前記第１の端の外径より小さい、項目２２に記載のマニホールドコネクタ。
（項目２５）
前記管状本体は、
前記第２の端と、前記第１の端と前記第２の端との間の中点との間に配置されている第１の段付き部分であって、前記第１の段付き部分における前記本体の外径は、前記第１の端の外径より小さいように構成されている、第１の段付き部分と、
前記第１の段付き部分と前記第２の端との間に配置されている第２の段付き部分であって、前記第２の段付き部分の本体の外径は、前記第１の段付き部分の外径より小さいように構成されている、第２の段付き部分と
を備えている、項目２２に記載のマニホールドコネクタ。
（項目２６）
熱交換器であって、前記熱交換器は、
積層配列にある２つ以上の熱交換器プレートであって、各熱交換器プレートは、隣接する熱交換器プレートから離間され、隣接する熱交換器プレート間の空間は、外部流体通路を画定し、各外部流体通路は、第１の流体を受け取るように構成され、各熱交換器プレートは、
周辺縁と、
第２の流体を受け取るように構成されている内部流体通路と
前記内部流体通路の中への入口であって、前記入口は、前記周辺縁において開放している、入口と、
を含む、熱交換器プレートと、
各熱交換器プレートの前記入口との流体連通を有するマニホールドと、
前記プレートの積層配列を包囲している筐体であって、前記筐体は、前記熱交換器プレートを離間関係で支持するように構成されている、筐体と
を備えている、熱交換器。
（項目２７）
前記筐体は、側壁と、開放した第１の端と、前記第１の端に対向する開放した第２の端とを備え、前記開放した第１の端は、前記それぞれの外部通路の中への前記第１の流体のための入口を画定し、前記開放した第２の端は、前記外部通路からの前記それぞれの第１の流体のための出口を画定する、項目２６に記載の熱交換器。
（項目２８）
前記筐体は、前記マニホールドを受け取るように構成されている開口部を備え、前記マニホールドは、前記開口部を通って延びている、項目２６に記載の熱交換器。
（項目２９）
前記筐体は、断面で見ると、長方形を形成するように配列されている４つの側面を備え、前記筐体の一対の対向側面の内面は、平行溝を有するように形成され、各溝は、熱交換器プレートを受け取り、支持するように構成されている、項目２６に記載の熱交換器。
（項目３０）
前記筐体は、第１の側壁部材および第２の側壁部材のアセンブリであり、各側壁部材は、Ｌ形状断面を有し、前記第１の側壁部材は、前記第２の側壁部材と同じである、項目２９に記載の熱交換器。
（項目３１）
前記筐体の外面上に配置されているハンドルをさらに備えている、項目２６に記載の熱交換器部材。
（項目３２）
前記ハンドルは、前記外面から選択的に切り離し可能である、項目３１に記載の熱交換器部材。
（項目３３）
プレート熱交換器を組み立てる方法であって、
熱交換器プレートを積層することであって、前記熱交換器プレートは、
第１の外部熱交換表面を提供する第１の側と、
前記第１の側と対向し、第２の外部熱交換表面を提供する第２の側と、
内部熱交換表面を提供する内部流体通路と、
前記内部流体通路と連通している開口部と
を有する、ことと、
隣接するプレートの前記開口部の縁を接合することと
を含み、
１つのプレートの第１の側は、隣接するプレートの第２の側に接合され、マニホールドチャンバが、少なくとも部分的に前記それぞれの接合された開口部によって画定された体積内に形成され、前記マニホールドチャンバは、各プレートの内部流体通路と流体連通している、方法。
（項目３４）
各熱交換器プレートは、周辺縁と、前記周辺縁から外向きに突出しているタブとを備え、前記開口部は、前記タブ内に配置され、前記方法は、前記タブをプラスチック内に封入することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目３５）
コネクタを前記プレート積層の最外プレートの前記開口部に取り付けることをさらに含み、前記タブをプラスチック内に封入するステップは、フランジの一部をプラスチック内に封入することを含む、項目３４に記載の方法。
（項目３６）
前記タブをプラスチック内に封入することは、
前記タブを筐体内に包囲することと、
非硬化エポキシを前記筐体と前記タブとの間に配置することと、
前記エポキシが少なくとも部分的に硬化した後、前記筐体を除去することと
を含む、項目３４に記載の方法。
（項目３７）
前記方法は、
コネクタを前記プレート積層の最外プレートの外向きに面する側の開口部に接続することと、
前記コネクタを含む前記積層の一部を筐体内に包囲することであって、前記筐体は、前記コネクタの各々の端が前記筐体外に存在するように構成されている、ことと、
前記開口部の接合された縁および前記コネクタの少なくとも一部が、エポキシによって封入されるように、エポキシを前記筐体と前記コネクタを含む前記積層の部分との間に配置することと
をさらに含む、項目３３に記載の方法。

１つ以上の実施形態の詳細が、添付図面および以下の説明に記載される。他の特徴、目的、および利点も、説明および図面から、ならびに請求項から明白となるであろう。

図１は、例示的ＯＴＥＣ熱機関を図示する。 図２は、例示的ＯＴＥＣ発電所を図示する。 図３は、別の例示的ＯＴＥＣ発電所を図示する。 図４は、図３のＯＴＥＣ発電所の熱交換配列の断面図を図示する。 図５は、シェルおよび管形熱交換器を図示する。 図６は、プレート熱交換器を図示する。 図７は、別のプレート熱交換器を図示する。 図８は、多段階熱交換器システムを図式的に図示する。 図９は、多段階熱交換システムの熱交換モジュールを図式的に図示する。 図１０は、４段階の熱交換器システムの斜視図を図示する。 図１１は、図１０の多段階熱交換システムの熱交換モジュールの斜視図を図示する。 図１２は、単一熱交換器アレイの斜視図を図示する。 図１３は、図１２の線１３−１３に沿って見られる、熱交換器アレイの斜視断面図を図示する。 図１３Ａは、図１３の一部の拡大図を図示する。 図１４は、熱交換プレートの平面図を図示する。 図１５Ａは、フランジコネクタの端面図を図示する。 図１５Ｂは、図１５Ａのフランジコネクタの分解側面図を図示する。 図１６は、フランジコネクタを含む、マニホールドの一部の側面断面図を図示する。 図１７は、クランプの斜視図を図示する。 図１８は、熱交換器アレイの一部の横断面図を図示する。 図１９は、従来の高圧力水蒸気サイクルのＰ−ｈ図を図示する。 図２０は、熱サイクルのＰ−ｈ図を図示する。 図２１は、両面型プレートの拡張された部分の横断面図を図示する。 図２２は、片面型プレートの拡張された部分の横断面図を図示する。 図２３は、マニホールドを含む熱交換器アレイを製造するための方法ステップのフロー図である。 図２４は、空気注入入口を含むプレートの基本構想図を図示する。 図２５は、空気注入入口を含む別のプレートの基本構想図を図示する。 図２６は、タブを含むプレートの一部の平面図を図示する。 図２７は、プレート積層と、積層内にプレートを整列させるために使用される整列治具を図示する。 図２８は、図２６の線２８−２８に沿った横断面図を図示する。 図２９は、プレートを切断および接合し、マニホールドチャンバを形成した後の図２８の横断面図を図示する。 図２９Ａは、重ね接合部を含むマニホールド供給チャンバの部分的断面図である。 図３０は、ポットの分解図を図示する。 図３１は、ポット内のタブ部分と配列される、熱交換器積層の概略側面図を図示する。 図３２は、マニホールドのフランジコネクタがクランプを使用して接続される、２つの熱交換器アレイの側面図を図示する。 図３３は、部分的に組み立てられた蒸発器ユニットの裁断斜視図を図示する。 図３４Ａは、別のフランジコネクタの端面図を図示する。 図３４Ｂは、図３４Ａのフランジコネクタの分解側面図を図示する。 図３５は、他のフランジコネクタを図示する、凝縮器マニホールドの断面図である。 図３６は、蒸発器熱交換プレートの上部斜視図である。 図３７は、線３７−３７に沿って見られる、図３６の熱交換プレートの一部の断面図である。 図３８は、図３６の熱交換プレートの上面図である。 図３９は、凝縮器熱交換プレートの上部斜視図である。 図４０は、線４０−４０に沿って見られる、図３８の熱交換プレートの一部の断面図である。 図４１は、図３９の熱交換プレートの上面図である。 図４２は、図３８および図４１の線４２−４２に沿って見られる、熱交換プレートの一部の断面図である。 図４３は、図３８および図４１の線４３−４３に沿って見られる、熱交換プレートの一部の断面図である。 図４４は、図３８および図４１の線４４−４４に沿って見られる、熱交換プレートの一部の断面図である。 図４５は、図３８および図４１の線４５−４５に沿って見られる、熱交換プレートの一部の断面図である。 図４６は、プレートに対するゾーン１、ゾーン２、およびゾーン３の場所を図示する、熱交換プレートの上面図である。 図４７は、コクーン内に包囲されたアレイの上端図である。 図４８は、図４７のアレイおよびコクーンの斜視図である。 図４９は、ハンドルを含む、図４８のアレイおよびコクーンの斜視図である。

種々の図面中の同一参照記号は、同一要素を示す。

高効率多段階の熱交換デバイスおよびシステムが、本明細書に説明される。熱交換デバイスおよびシステムがＯＴＥＣ発電所内で使用される例示的実施形態が、提供され、ＯＴＥＣにおいて、温水および冷水供給導管ならびに熱交換器が、浮遊式プラットフォームまたは地上ベースプラットフォームの中に構造的に統合され、熱機関を駆動するために使用される。前述のように、ＯＴＥＣは、地球の海洋内に貯蔵される太陽からの熱エネルギーを使用して、電気を発生させる、プロセスである。ＯＴＥＣプロセスは、熱帯領域に見られる温かい表面の水と冷たい深海の水との間の水温度差を使用して、ランキンサイクルに動力を供給し、温かい表面の水は、熱源としての役割を果たし、冷たい深海の水は、ヒートシンクとしての役割を果たす。ランキンサイクルタービンは、電力を産生する発電機を駆動する。

熱交換デバイスおよびシステムは、ＯＴＥＣ発電所の用途に関して本明細書に説明されるが、熱交換デバイスおよびシステムは、ＯＴＥＣ発電所における使用に限定されない。例えば、本明細書に説明される熱交換デバイスおよびシステムは、水蒸気ダンプ凝縮器および他の廃熱変換デバイスや、核燃料発電所ならびに太陽熱脱塩発電所の受動冷却システム等、高効率熱交換を必要とする他の用途にも有用となるであろう。図１は、温かい海水入口１２と、蒸発器１４と、温かい海水出口１５と、タービン１６と、冷たい海水入口１８と、凝縮器２０と、冷たい海水出口２１と、作業流体導管２２と、作業流体ポンプ２４とを含む、典型的ＯＴＥＣランキンサイクル熱機関１０を図示する。

動作時、熱機関１０は、いくつかの作業流体のうちの任意の１つ、例えば、アンモニア等の市販の冷却剤を使用することができる。他の作業流体として、プロピレン、ブタン、Ｒ−２２およびＲ−１３４ａ、ならびにその代替品が挙げられ得る。約７５°Ｆ〜８５°Ｆまたはそれより温かい海水が、温かい海水入口１２を通して、海洋表面からまたは海洋表面直下で引き込まれ、そして、蒸発器１４を通過するアンモニア作業流体を加温する。アンモニアは、約９．３ａｔｍの蒸気圧まで沸騰する。蒸気は、作業流体導管２２に沿って、タービン１６まで搬送される。アンモニア蒸気は、タービン１６を通過するにつれて膨張し、発電機２５を駆動するための動力を産生する。アンモニア蒸気は、次いで、凝縮器２０に流入し、そこで、約３０００フィートの深い海深から引き込まれた冷たい海水によって液体に冷却される。冷たい海水は、約４０°Ｆの温度で凝縮器に流入する。凝縮器２０内で約５１°Ｆの温度におけるアンモニア作業流体の蒸気圧は、６．１ａｔｍである。したがって、有意な圧力差が、タービン１６を駆動し、電力を発生させるために利用可能である。アンモニア作業流体が凝縮するにつれて、液体作業流体は、作業流体導管２２を介して、作業流体ポンプ２４によって、蒸発器１４の中に戻される。

図１の熱機関１０は、本質的に、ほとんどの水蒸気タービンのランキンサイクルと同一であるが、ＯＴＥＣは、異なる作業流体ならびにより低い温度および圧力を使用することによって異なる。図１の熱機関１０はまた、商業用冷凍プラント（例えば、電力を使用する熱ポンプ）に類似するが、ＯＴＥＣサイクルは、熱源（例えば、温かい海洋水）および冷たいヒートシンク（例えば、深海海洋水）が電力を産生するために使用されるように、反対方向に起動される。

図２は、船舶またはプラットフォーム２１０と、温かい海水入口２１２と、温水ポンプ２１３と、蒸発器２１４と、温かい海水出口２１５と、ターボ発電機２１６と、冷水パイプ２１７と、冷水入口２１８と、冷水ポンプ２１９と、凝縮器２２０と、冷水出口２２１と、作業流体導管２２２と、作業流体ポンプ２２４と、パイプ接続２３０とを含む、従来の浮遊式ＯＴＥＣ発電所２００の構成要素を図示する。ＯＴＥＣ発電所２００はまた、発電、変電、および伝送システム、推進力、スラスタ、または係船システム等の位置制御システム、ならびに種々の補助および支援システム（例えば、職員宿泊施設、非常用電力、携帯用水、下水および排水、消防設備、被害対策、予備浮力、および他の一般的船上または船艇用システム）を含むことができる。

図１および２の基本的熱機関およびシステムを利用するＯＴＥＣ発電所の実装は、３％以下の比較的に低い全体的効率を有する。この低熱効率のため、ＯＴＥＣ動作は、発生される電力のキロワット当り電力システムを通した大量の水の流動を必要とする。これは、ひいては、大きな熱交換表面積を有する大型の熱交換器を必要とする。

本明細書に説明されるシステムおよびアプローチは、ＯＴＥＣ動作の効率を改善し、構造および動作のコストを削減するための技術的問題に対処する。

本明細書に説明されるＯＴＥＣ熱機関１０は、最大効率および電力産生のために、高効率熱サイクルを使用する。沸騰および凝縮プロセスにおける熱伝達ならびに熱交換器材料および設計は、温かい海水のポンド当りから抽出され得るエネルギーの量を制限する。蒸発器２１４および凝縮器２２０内で使用される熱交換器は、寄生負荷を制限するための低損失水頭を伴って、大量の温水および冷水の流動を使用する。熱交換器はまた、高熱伝達係数を提供し、効率を向上させる。熱交換器は、温水および冷水入口温度に合わせられた材料および設計を組み込み、効率を向上させる。熱交換器設計は、単純構造方法を使用し、材料量が少なく、コストおよび体積を低減させることができる。

ターボ発電機２１６は、低内部損失を伴う高効率であり、また、作業流体に合わせられ、効率を向上させ得る。

図３は、以前のＯＴＥＣ発電所の効率を向上させ、それに関連付けられた技術問題の多くを克服する、ＯＴＥＣシステムの実装を図示する。この実装は、船舶またはプラットフォームのためのスパーを備え、熱交換器ならびに関連付けられた温水および冷水配管は、スパーと一体型である。

スパー３１０は、ＯＴＥＣ発電所との使用のための一体型多段階熱交換システムを格納する。スパー３１０は、水線３０５の下方に存在する冠水部分３１１の上にある、プラットフォーム３６０を含む。冠水部分３１１は、温水取水口部分３４０と、蒸発器部分３４４と、温水放出部分３４６と、凝縮器部分３４８と、冷水取水口部分３５０と、冷水パイプ３５１と、冷水放出部分３５２と、機械デッキ部分３５４とを備えている。

動作時、７５°Ｆ〜８５°Ｆの温かい海水が、温水取水口部分３４０を通して引き込まれ、この海水は、構造的に一体型の温水導管（図示せず）を通ってスパー３１０を下方に流動する。ＯＴＥＣ熱機関の大量水流動要件により、温水導管は、５００，０００ｇｐｍ〜６，０００，０００ｇｐｍの流動を蒸発器部分３４４に向ける。温水導管は、６フィート〜３５フィートまたはそれより大きい直径を有する。このサイズにより、温水導管は、スパー３１０の垂直構造部材である。温水導管は、スパー３１０を垂直に支持するために十分な強度の大径パイプであることができる。代替として、温水導管は、スパー３１０の構造と一体型の通路であることができる。

次いで、温水は、蒸発器部分３４４を通って流動し、蒸発器部分３４４は、作業流体を蒸気まで加温するための蒸発器３１４として動作するように構成される、１つ以上の積層された多段階の熱交換器を格納する。温かい海水は、次いで、温水放出３４６を介して、スパー３１０から放出される。温水放出は、環境影響を制限するために、温水放出温度と略同一の温度である海洋熱層またはその近傍の深さに位置するか、またはそこまで温水放出パイプを介して、向かわせられることができる。温水放出は、温水取水口または冷水取水口のいずれかとの熱再循環を回避するために、十分な深度まで向かわせられることができる。

冷たい海水が、約４０°Ｆの温度において、冷水パイプ３５１を介して、２５００〜４２００フィートまたはそれより大きい深度から引き込まれる。冷たい海水は、冷水取水口部分３５０を介して、スパー３１０に流入する。ＯＴＥＣ熱機関の大量水流動要件により、冷たい海水導管は、５００，０００ｇｐｍ〜６，０００，０００ｇｐｍの流動を凝縮器部分３４８に向ける。そのような冷たい海水導管は、６フィート〜３５フィートまたはそれより大きい直径を有する。このサイズにより、冷たい海水導管は、スパー３１０の垂直構造部材である。冷水導管は、スパー３１０を垂直に支持するために十分な強度の大径パイプであることができる。代替として、冷水導管は、スパー３１０の構造と一体型の通路であることができる。

次いで、冷たい海水は、凝縮器部分３４８を通して上向きに流動し、凝縮器部分３４８は、冷たい海水が作業流体を液体まで冷却する凝縮器３２０として動作するように構成される、積層された多段階の熱交換器を格納する。冷たい海水は、次いで、冷たい海水放出３５２を介して、スパー３１０から放出される。冷水放出は、冷たい海水放出温度と略同一の温度の海洋熱層またはその近傍の深度に位置するか、または冷たい海水放出パイプを介して、そこに向かわせられることができる。冷水放出は、温水取水口または冷水取水口のいずれかとの熱再循環を回避するために、十分な深度まで向かわせられることができる。

機械デッキ部分３５４は、蒸発器部分３４４と凝縮器部分３４８との間に垂直に位置付けられることができる。機械デッキ部分３５４を蒸発器部分３４４の真下に位置付けることは、取水口から、多段階蒸発器を通して、放出口までの略直線温水流動を可能にする。機械デッキ部分３５４を凝縮器部分３４８の上方に位置付けることは、取水口から、多段階凝縮器を通して、放出口までの略直線冷水流動を可能にする。機械デッキ部分３５４は、ターボ発電機３５６を含む。動作時、蒸気まで加熱された温かい作業流体は、蒸発器部分３４４から１つ以上のターボ発電機３５６に流動する。作業流体は、ターボ発電機３５６内で膨張し、それによって、電力の産生のために、タービンを駆動する。作業流体は、次いで、凝縮器部分３４８に流動し、そこで、液体まで冷却され、蒸発器部分３４４に送出される。

図４は、いくつかの多段階の熱交換器４２０が、スパー３１０の周辺の周囲に配列されるシステムの実装を図示する。特に、熱交換器は、スポーク状構成において、スパー３１０の半径に沿って延びるように配列される。熱交換器４２０は、熱機関内で使用される、蒸発器または凝縮器であることができる。熱交換器の周辺レイアウトは、スパー３１０の蒸発器部分３４４または凝縮器部分３４８とともに使用されることができる。周辺配列は、任意の数の熱交換器４２０（例えば、１つの熱交換器、２〜８の熱交換器、８〜１６の熱交換器、１６〜３２の熱交換器、または３２以上の熱交換器）を支持することができる。１つ以上の熱交換器４２０が、スパー３１０の単一デッキまたは複数のデッキ（例えば、２、３、４、５、または６つ以上のデッキ）上の周辺に配列されることができる。１つ以上の熱交換器が、２つの熱交換器が互の上に垂直に整列させられないように、２つ以上のデッキ間で周辺でオフセットされることができる。１つ以上の熱交換器が、１つのデッキ内の熱交換器が別の隣接するデッキ上の熱交換器と垂直に整列させられるように、周辺で配列されることができる。

個々の熱交換器４２０は、多段階熱交換システム（例えば、２、３、４、５、または６以上の段階の熱交換システム）を構成することができる。いくつかの実施形態では、個々の熱交換器４２０は、熱交換器を通る温かい海水流、冷たい海水流、および作業流体流において低圧力損失を提供するように構築される。

多段階の熱交換器システムは、例えば、ＯＴＥＣ熱機関の比較的に低い利用可能な温度差内で、非作業流体（例えば、水）から作業流体への高エネルギー伝達を可能にすることが分かっている。ＯＴＥＣ発電所の熱力学効率は、作業流体の温度が水の温度にどれだけ近づくかの関数である。熱伝達の物理学は、エネルギーを伝達するために必要とされる面積が、作業流体の温度が水の温度に近づくにつれて増加することを示す。水の速度の増加は、熱伝達係数を増加させ、表面積の増加を相殺し得る。しかしながら、水の速度の増加は、送出のために必要とされる電力を大きく増加させ、それによって、ＯＴＥＣ発電所にかかる寄生電気負荷を増加させ得る。

いくつかの実施形態では、４段階ハイブリッドカスケード式熱交換サイクルが、採用され、熱機関熱力学効率を改善し、それによって、流体間で伝達される必要があるエネルギーの量を減少させる。これは、ひいては、必要とされる熱交換表面の量を減少させる役割を果たす。ハイブリッドカスケード式熱交換サイクルは、同時係属中の米国特許出願第１３／２０９，９４４号「Ｓｔａｖｅｄ Ｏｃｅａｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ − Ｃｏｌｄ Ｗａｔｅｒ ＰｉｐｅＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」、および同時係属中の米国特許出願第１３／２０９，８６５号「Ｏｃｅａｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ」に詳細に説明されており、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる。

熱交換器の性能は、流体間の利用可能な温度差ならびに熱交換器の表面における熱伝達係数によって影響される。熱伝達係数は、概して、熱伝達表面にわたる流体の速度に伴って変動する。より高い流体速度は、より高いポンプ能力を必要とし、それによって、発電所の正味効率を低減させる。ガスケットがない開放流プレート熱交換器アレイを採用する、ハイブリッドカスケード式多段階熱交換システムは、以下にさらに論じられるように、より高い流体速度およびより高い発電所効率を促進する。なぜなら、ガスケットがない開放流熱交換器アレイが、流体流の方向に沿って積層され、システムの中へ入りそれを通る流体の自由流動を可能にするからである。したがって、流体をプレート熱交換器アレイに送達することに関連付けられた圧力損失は、実質的に排除され、比較的に高流体速度が、アレイ内のプレートの熱伝達表面にわたって達成される。これは、高圧力損失が、流体をプレート、特に、送達ラインおよびラインとプレート熱交換器アレイとの間の開口部内に送達している間に生じる、いくつかの従来のプレート熱交換器アレイと比較されることができる。そのような従来のプレート熱交換器アレイでは、流体をプレートに送達している間に生じた圧力損失は、アレイ内のプレートの熱伝達表面にわたって比較的に低流体速度をもたらし、対応して、低熱伝達をもたらす。ハイブリッドカスケード式多段階の熱交換設計はまた、熱交換器を通してより低い圧力降下を促進し、垂直発電所設計は、システム全体にわたってより低い圧力降下を促進する。

統合式多段階ＯＴＥＣ発電所は、熱帯および亜熱帯地域における表面水と深海海洋水との間の温度差を使用して、電気を産生することができる。海水用の従来の配管設備は、海上船舶またはプラットフォームの構造を導管または流路として使用することによって排除されることができる。代替として、温かいおよび冷たい海水用配管設備は、十分なサイズおよび強度の導管またはパイプを使用して、垂直または他の構造支持を船舶またはプラットフォームに提供することができる。これらの一体型海水導管区画または通路は、船舶の構造部材としての役割を果たし、それによって、追加の鋼鉄の要求を低減させる。一体型海水通路の一部として、多段階の熱交換器システムは、外部水ノズルまたは配管接続の必要なしに作業流体蒸発の複数の段階を提供する。統合型多段階ＯＴＥＣ発電所は、温かいおよび冷たい海水が、その自然方向に流動することを可能にする。温かい海水は、海洋のより冷たいゾーンに放出される前に冷却されるにつれて、船舶を通して下向きに流動する。同様に、海洋の深海からの冷たい海水は、海洋のより温かいゾーンに放出される前に、加温されるにつれて、船舶を通して上向きに流動する。この配列は、海水流動方向の変化および関連付けられた圧力損失の必要性を回避する。この配列はまた、必要とされる送出エネルギーを低減させる。

多段階の熱交換器システムは、ハイブリッドカスケード式ＯＴＥＣサイクルの使用を可能にする。多段階の熱交換器システムでは、熱交換器は、積層され、海水を連続してそれを通過させ、必要に応じて、作業流体を沸騰または凝縮する、複数の熱交換器段階または区画を形成する。蒸発器区画では、温かい海水が、第１の段階を通過し、そこで、海水が冷却されるにつれて、作業流体の一部を沸騰させる。温かい海水は、次いで、積層を辿り、次の熱交換器段階の中へ流動し、若干、より低い圧力および温度において、追加の作業流体を沸騰させる。これは、積層全体を通して、連続して生じる。熱交換器システムの各段階または区画は、電力を発生させる専用タービンに作業流体蒸気を供給する。蒸発器段階の各々は、タービンの排出において対応する凝縮器段階を有する。冷たい海水は、蒸発器と逆順において、凝縮器積層を通過する。

ＯＴＥＣシステムは、その性質上、大量の水を必要とし、例えば、１００メガワットＯＴＥＣ発電所は、例えば、同様のサイズの燃焼式水蒸気発電所に必要とされるより数桁多い水を必要とし得る。例示的実装では、２５ＭＷ ＯＴＥＣ発電所は、約１，０００，０００ガロン／分の温水供給を蒸発器に、および約８７５，０００ガロン／分の冷水を凝縮器に必要とし得る。わずかな温度差（約３５〜４５度Ｆ）を有する水を一緒に送出するために必要とされるエネルギーは、効率を低下させ、構造のコストを上昇させるように作用をする。

現在利用可能な熱交換器は、ＯＴＥＣ熱交換動作のために必要とされる大量の水および高効率に対処するために不十分である。図５に示されるように、シェルおよび管形熱交換器は、一連の管から成る。管の１セットは、加熱されるか、または冷却されるかのいずれかがされなければならない作業流体を含む。第２の非作業流体は、熱を提供するか、または必要とされる熱を吸収するかのいずれかを行い得るように、加熱または冷却されている管にわたって流れる。管のセットは、管束と呼ばれ、いくつかのタイプの管、すなわち、平滑管、縦方向フィン付き管等から成り得る。シェルおよび管形熱交換器は、典型的には、高圧力用途のために使用される。これは、シェルおよび管形熱交換器が、その形状によりロバストであるためである。シェルおよび管形熱交換器は、ＯＴＥＣ動作の低温度差、低圧力、大量性質には理想的ではない。例えば、ＯＴＥＣ動作において必要とされる大量の流体を送達するために、従来のシェルおよび管形熱交換器は、高圧力損失および高送出エネルギーに関連付けられた複雑な配管配列を必要とするであろう。加えて、従来のシェルおよび管形熱交換器は、特に、海上プラットフォーム等の動的環境において、製作、設置、および維持することが困難である。シェルおよび管熱交換器はまた、特に、シェル／管接続、および内部支持のために、精密な組立を必要とする。さらに、シェルおよび管形熱交換器は、多くの場合、低熱伝達係数を有し、収容され得る水の体積において制限される。

図６は、プレートおよびフレーム熱交換器を描写する。プレートおよびフレーム熱交換器は、複数の薄いわずかに分離されたプレートを含むことができ、プレートは、非常に大きい表面積および熱伝達のための流体流路を有する。この積層されたプレート配列は、所与の空間内において、シェルおよび管形熱交換器より効果的であることができる。ガスケットおよびろう接技術の進歩は、プレートタイプ熱交換器をますます実践的にしている。開ループにおいて使用されるとき、これらの熱交換器は、通常、周期的分解、清掃、および検査を可能にするために、ガスケットタイプである。浸漬ろう接型枠および真空ろう接型プレート等の恒久的に結合されたプレート熱交換器は、多くの場合、冷凍等の閉ループ用途に特定化される。プレート熱交換器はまた、使用されるプレートのタイプおよびそれらのプレートの構成が異なる。いくつかのプレートは、「山形」または他のパターンが型押しされ得、その他は、機械加工されたフィンおよび／または溝を有し得る。

しかしながら、プレートおよびフレーム熱交換器は、ＯＴＥＣ用途においていくつかの有意な不利点を有する。例えば、これらのタイプの熱交換器は、ＯＴＥＣシステムで必要とされる大量の水を容易に収容しない複雑な配管配列を必要とし得る。多くの場合、ガスケットが、各プレート対間に精密に適合および維持されなければならず、ボルトを使用してプレートおよびガスケットに与えられる有意な圧縮力が、ガスケットシールを維持するために必要とされる。プレート熱交換器は、典型的には、１つの不具合プレートさえ、検査および修理するために、完全分解を必要とする。プレート熱交換器のために必要とされる材料は、コストがかかるチタンおよび／またはステンレス鋼に限定され得る。これらのタイプの熱交換器は、本質的に、作業流体と非作業流体との間で比較的に等しい流動面積を提供する。流体間の流量比は、典型的には、１：１である。図６から分かるように、供給および放出ポートが、典型的には、プレートの面に提供され、総熱交換表面積を低減させ、作業および非作業流体の各々の流路を複雑にする。さらに、プレートおよびフレーム熱交換器は、全プレートを貫通するノズルのために、複雑な内部回路網を含む。複雑な流路はまた、熱伝達に寄与しない、有意な圧力損失をもたらす。

図７を参照すると、プレートの面における妨害または作業流体による水流への障害を低減させるように、作業流体がプレートの側縁に接合された管を通して各プレートに供給され、そこから放出される熱交換器を提供することによって、前述のプレート熱交換器の限界のうちのいくつかを克服することが提案されている。そのような熱交換器プレートでは、各管の一端は、溶接接続を使用して、プレートに接合され、管の他端は、溶接または機械的接合接続を使用して、ヘッダに接合される。しかしながら、以下にさらに論じられるように、各プレートは、４つもの入口と８つもの出口接続とを必要とする。約２０プレート／線形フィートの密度では、４８００もの個々の接続が、２０フィートモジュールにおいて必要とされ得る。これは、製造物流問題ならびに品質管理問題の両方を呈する。ＯＴＥＣ熱機関１０内で採用されるとき、接続はまた、海水環境に曝されたままである。

前述の熱交換器の限界を克服するために、ガスケットがない開放流熱交換器が、提供される。いくつかの実装では、個々のプレートは、各プレート間に間隙が存在するように、キャビネット内に水平に整列させられる。作業流体のための流路は、高熱伝達を提供するパターン（例えば、交互蛇行、山形、ｚ−パターン等）における各プレートの内部を通って伸びる。作業流体は、以下にさらに論じられるように、プレートの面における妨害または作業流体による水流への障害を低減させるように、プレートの片側に提供されるマニホールドを通して、各プレートに流入する。水等の非作業流体は、キャビネットを通して垂直に流動し、開放流プレートの各々の間の間隙を充填する。いくつかの実装では、非作業流体は、開放流プレートの全側面に接触する、または開放流プレートの正面および背面だけと接触する。

作業流体の供給および放出のためのマニホールドを含む、ガスケットがない開放流熱交換器は、ヘッダへの管接続の使用を完全に排除する。ある場合には、入口および出口接続は、プレートと一体的に形成され、組立プロセスの間に隣接するプレートに溶接される。接続が溶接されると、アセンブリは、以下にさらに論じられるように、エポキシに包まれることができ、エポキシは、カートリッジ間を流動し、構造補強をアセンブリに提供し、海水が、溶接された表面に接触することを防止する。

図８を参照すると、多段階の熱交換器システム５２０の実施形態は、垂直に積層された構成における、複数の熱交換モジュール５２１、５２２、５２３、および５２４を含む。この実施形態では、各モジュール５２１、５２２、５２３、５２４は、システム５２０の段階に対応する。いくつかの実装では、例えば、スパー３１０内の蒸発器３１４として使用される場合、積層熱交換器モジュールは、システム５２０を通して、第１の蒸発器モジュール５２１から、第２の蒸発器モジュール５２２、第３の蒸発器モジュール５２３、第４の蒸発器モジュール５２４に下方に流動する温かい海水５７０を収容する（図８）。他の実装では、例えば、スパー３１０内の凝縮器３２０として使用されるとき、冷たい海水５７０は、システム５２０を通して、第１の凝縮器モジュール５３１から、第２の凝縮器モジュール５３２、第３の凝縮器モジュール５３３、第４の凝縮器モジュール５３４に上方に流動する。ある実施形態では、作業流体５８０は、温かい海水または冷たい海水の垂直流と比較して、各熱交換器モジュール内の作業流体導管を通して水平に流動する。熱交換器システム５２０の垂直多段階の熱交換設計は、統合型船舶および熱交換器設計（すなわち、スパー）を促進し、熱交換器段階間で配管を相互接続する必要を除去し、熱交換器システム圧力降下の事実上全てが、熱伝達表面にわたって生じることを確実にする。したがって、水の流動方向は、上部から底部または底部から上部であることができる。いくつかの実施形態では、流動方向は、水が加熱または冷却されている場合、水の自然方向であり得る。例えば、作業流体を凝縮する場合、水は、水が温められるので、対流の自然流において、垂直に積層されたモジュール配列を通して底部から上部に流動することができる。別の実施例では、作業流体を蒸発させる場合、水は、水が冷えるので、上部から底部に流動することができる。さらに他の実施形態では、非作業流体流は、システムにわたって水平に、すなわち、左から右または右から左に横切ることができる。他の実施形態では、流動方向は、垂直、水平、または垂直および水平方向の組み合わせであることができる。

図９は、多段階の熱交換器システム５２０の単一の熱交換器モジュール５２４の詳細を図式的に図示する。熱交換器モジュール５２４は、複数の熱交換プレート１０２２を支持する。非作業流体５７０は、熱交換器モジュール５２４を通って垂直に流動し、プレート１０２２の各々を越える。実線矢印は、この場合、水である、非作業流体５７０の流動方向を示す。

開放流熱交換モジュール５２４は、キャビネット面１０３０およびキャビネット側面１０３１を含む。キャビネット面１０３０の反対は、キャビネット面１０３２（図示せず）であり、キャビネット側面１０３１の反対は、キャビネット側面１０３３である。キャビネット面１０３０、１０３２および側面１０３１、１０３３は、プレナムまたは水導管を形成し、それを通って、非作業流体が、配管による圧力損失が殆どまたは全くない状態で流動する。図６に関する前述のガスケットを採用するプレート熱交換器とは対照的に、開放流熱交換器モジュール５２４は、プレート間のガスケットを使用して、非作業流体５８０を含む流動チャンバを形成するのではなく、キャビネット側面およびキャビネット面を使用して、非作業流体５７０（例えば、海水）を含む流動チャンバを形成する。したがって、開放流熱交換モジュール５２４は、事実上、ガスケットがない。本システムのこの側面は、ガスケットに依拠し、作業流体をエネルギー提供媒体（例えば、海水）から隔離する、他のプレートおよびフレーム熱交換器より有意な利点を提供する。例えば、１９８０年代および１９９０年代にＮＥＬＨＡにおいて行われたアルミニウムプレートおよびフレーム熱交換器の腐食試験は、ガスケットの周囲に非常の多くの漏出が見られ、生物学的堆積物が広範な腐食を生じさせたため、わずか６ヶ月後に停止しなければならなかった。ガスケットを使用するプレートおよびフレーム熱交換器は、ガスケットをプレートに対してシールするために、圧縮力に依拠する。ユニットを組み立てることは、プレートおよび非圧縮ガスケットを挿入し、次いで、ボルトのアレイを元の長さの約５０％まで緊締するために、追加の空間を必要とする。出願人は、ＯＴＥＣシステムにおいてプレートおよびフレーム設計を使用する主要な障害として、ガスケット問題を識別した。

加えて、熱交換プレートのための側縁搭載入口および出口ポートと組み合わせられたモジュールアプローチは、典型的には、プレート熱交換システムの面上に提供される供給および放出ポート（例えば、図５参照）の必要性を回避する。本アプローチは、各プレートの総熱交換表面積を増加させ、かつ作業および非作業流体の両方の流路を単純にする。プレート間のガスケットの除去はまた、流動に抵抗を生じさせ得る、有意な妨害を除去する。ガスケットがない開放流熱交換モジュールは、背圧および関連付けられた送出需要を低減させ、したがって、ＯＴＥＣ発電所の寄生負荷を減少させ、公益事業会社に送達され得る電力の増加をもたらし得る。

ＯＴＥＣ凝縮器３２０の場合、モジュール５２４は、底部において冷たい原水供給に開放され、上部において、上方のモジュール５２３と非妨害流体連通を提供するように開放する。垂直系内の最終モジュール５２１は、上部において、原水放出システムに開放する。

ＯＴＥＣ蒸発器３１４の場合、モジュール５２１は、上部において、温かい原水供給に開放され、底部において、下方のモジュール５２２と非妨害流体連通を提供するように開放する。垂直系内の最終モジュール５２４は、底部において、温かい原水放出システムに開放される。

図１０を参照すると、蒸発器３１４内で使用される多段階の熱交換器システム５２０の例示的実施形態は、４つの熱交換器モジュール５２１、５２２、５２３、５２４を含む。本実施形態では、各熱交換器モジュールは、４段階の熱交換器システム５２０のうちの１段階に対応する。４つの熱交換器モジュール５２１、５２２、５２３、５２４は、支持フレーム５４０上に支持され、そして、支柱５５０によって、蒸発器部分３４４内に支持される。４つの熱交換器モジュール５２１、５２２、５２３、５２４の各々は、同じであり、したがって、最も下段のモジュール５２４のみ、詳細に説明される。

図１１を参照すると、熱交換器モジュール５２４は、ラック１００２上に支持される、いくつかの熱交換器アレイ１０００を含む。ラック１００２は、多段階の熱交換器システム５２０の中に組み立てられると、支持フレーム５４０を協力的に係合するように構成される。

図９および１２−１３を参照すると、各熱交換器アレイ１０００は、複数の開放流熱交換プレート１０２２から形成される。各開放流プレート１０２２は、正面１０４０と、背面１０４２と、周辺縁１０４４とを有する。熱交換アレイ１０００の各々内には、熱交換プレート１０２２が、正面および背面１０４０、１０４２に垂直に延びる、整列軸１００５に沿って積層される。図示される実施形態では、整列軸１００５は、熱交換プレート１０２２が水平整列に配列されるように、水平に延びる。加えて、間隙１０２５が、隣接するプレート１０２２間に提供される。

正面１０４０および背面１０４２は、各プレート１０２２の非作業流体熱伝達表面を提供する。以下にさらに説明される、内部作業流体通路１０５５は、各プレート１０２２の作業流体熱伝達表面を提供する。熱伝達表面効率は、本明細書に説明されるように、表面形状、処理、および間隔を使用して改良されることができる。アルミニウムの合金等の材料選択は、従来のチタンベースの設計より優れた経済的性能をもたらす。熱伝達表面は、１００ Ｓｅｒｉｅｓ、３０００ Ｓｅｒｉｅｓ、または５０００ Ｓｅｒｉｅｓアルミニウム合金を備えていることができる。熱伝達表面は、チタンおよびチタン合金を備えていることができる。

各プレート１０２２の周辺縁１０４４は、図１４に示されるように、上縁１０４５と、底縁１０４６と、右（または、後）縁１０４７と、左（または、前）縁１０４８とを含む。本明細書で使用される場合、前、後、上、下、左、および右の用語を含む、方向の言及は、蒸発器構成を図示する、図１２に示されるアレイの方向に関して行われるものであり、限定ではない。例えば、熱交換モジュール５２４が、凝縮器構成において使用されるとき、反転される（プレートの上縁１０４５が底縁１０４５’（図示せず）となるように、整列軸１００５を中心として、空間内で１８０度回転される）。

プレート１０２２は、第１のプレート１０５１の背面１０４２が、第１のプレート１０５１に隣接しその直後にある第２のプレート１０５２の正面１０４０に面するように、水平整列において積層内に配列され、各プレート１０２２のそれぞれの周辺縁１０４４は、整列させられる。均一間隔が隣接するプレート１０５１、１０５２間に提供されることを保証するために（例えば、各間隙１０２５が同一の寸法であることを保証するために）、溝付きバッキングプレート１００６、１００８が、積層の前側および後側に提供される。第１のバッキングプレート１００６は、積層の前側に沿って配置され、プレート１０２２のタブ１０７０から底縁まで延びる。第２のバッキングプレート１００８は、積層の後側に沿って配置され、プレート１０２２の上縁から底縁まで延びる。バッキングプレート１００６、１００８の積層に面した表面は、積層内の各プレートのそれぞれの前側縁１０４８または後側縁１０４７を受け取る溝を含み、溝間隔は、所望のプレート間隔に対応する。

作業流体５８０は、マニホールド１０８０（図１２）を使用して、プレート１０２２の各々の周辺縁における作業流体通路１０５５に供給され、かつそこから放出され、非作業流体が、ラック１００２内の複数のプレート１０２２の正面および背面１０４０、１０４２を越えて流動する場合、間隙１０２５を通る原水の流動への障害を回避する。例えば、図示される実施形態では、マニホールド１０８０は、右縁１０４８に沿って提供される。

プレート１０２２の各々は、プレートの内部の作業流体通路１０５５を含む。マニホールド１０８０は、熱交換器アレイ１０００の各プレート１０２２の作業流体流路１０５５と流体連通し、作業流体を熱交換器アレイの各プレート１０２２に供給する。

図１４を参照すると、作業流体通路１０５５は、いくつかの平行ミニチャネル１９１２から形成され得る。各開放流プレート内に内部流路を提供する、ミニチャネルは、作業流体５８０の流動が、非作業流体５７０の流動方向に実質的に垂直または交差流であるように、交互蛇行パターンで配列される。加えて、蛇行パターンを通る作業流体５８０の前進は、非作業流体５７０の流動に略平行であるか、または非作業流体５７０の流動方向と反対であることができる。いくつかの実施形態では、ガイド羽根およびさまざまな流路寸法が実装され、流動方向が逆転される場合、平行チャネルの間で、流動分布をならし、流体を後続チャネルに平滑に向けることができる。これらおよび他のチャネル特徴ならびに構成は、同時係属中の米国特許出願第１３／２０９，９４４号「Ｓｔａｖｅｄ Ｏｃｅａｎ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ −
Ｃｏｌｄ Ｗａｔｅｒ Ｐｉｐｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」に説明されており、参照することによって、全体として組み込まれる。

作業流体は、流路に沿って、その位相を液体から蒸気に変化させ、その結果、同一の流路面積が、熱交換プレート全体を通して使用される場合、作業流体圧力降下が有意に増加するであろうことが分かっている。その蒸気質変化に関連付けられる、流動に沿った流体圧力降下の増加を低減させるために、通過当りの平行流路の数は、作業流体の流路に沿って増加されることができる。例えば、図１４における熱交換プレート１０２２は、各々が底縁１０４６に隣接する対応するミニチャネル１９１２に注ぐ２つの入口通路１９１１を有する。ミニチャネル１９１２は、蛇行方式でプレートに沿って延びる。２つのミニチャネルからの流動は、第１の遷移点１９１４において、４つのミニチャネルに注ぐ。４つのミニチャネルからの流動は、第２の遷移点１９１６において、６つのミニチャネルに注ぐ。６つのミニチャネルからの流動は、第３の遷移点１９２０において、８つのミニチャネルに注ぎ、８つのミニチャネルからの流動は、第４の遷移点１９２２において、１０のミニチャネルに注ぐ。１０のミニチャネルからの流動は、第５の遷移点１９２４において、１２のミニチャネルに注ぐ。結果として生じる１２のミニチャネルは、流体出口１９１８を通って出る。

２つの入口通路１９１１は、マニホールド１０８０によって、作業流体５８０を供給される。特に、マニホールド１０８０は、整列軸１００５に平行な方向に延び、熱交換アレイ１０００の各プレート１０２２の４つの入口通路１９１１の各々と流体連通する、マニホールド供給チャンバ１０８４を含む。加えて、マニホールド１０８０は、整列軸１００５に平行な方向に延び、マニホールド１０８０内のマニホールド放出チャンバ１０８６と別個かつそこから隔離される、マニホールド放出チャンバ１０８６を含む。熱交換器アレイ１０００の各プレート１０５１、１０５２の４つの出口通路１９１８の各々は、マニホールド放出チャンバ１０８６と流体連通し、作業流体５９０は、８つの出口通路から、マニホールド放出チャンバ１０８６の中に放出される。

作業流体入口および出口のマニホールド１０８０への接続を促進するために、マニホールド１０８０は、プレート１０２２の右側縁１０７８に接続する、タブ１０７０を含む。各タブ１０７０は、対応するプレート１０２２と同一平面にあり、プレート１０２２の各作業流体入口通路１９１１と流体連通し、その延長部を形成する内部タブ入口通路１０７２を含む。加えて、各タブ１０７０は、プレート１０２２の各作業流体出口通路１９１８と流体連通し、その延長部を形成する内部タブ出口通路１０７４を含む。入口開口部１０７６は、以下に論じられるように、マニホールド供給チャンバ１０８４の一部を画定する、各タブ内に形成され、出口開口部１０７８は、マニホールド放出チャンバの一部を画定する、各タブ内に形成される。

マニホールド供給チャンバ１０８４およびマニホールド放出チャンバ１０８６は、構造的に類似するが、蒸発器として使用されている熱交換器アレイ１０００のためのマニホールド供給チャンバ１０８４は、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６より小さい。これは、タブ出口開口部１０７８より小さい直径を伴うタブ入口開口部１０７６を形成することによって達成される。このサイズ差は、作業流体５８０が、液体として蒸発器に流入し、同一の流体が、ガスとして蒸発器から流出するという事実を反映する。故に、熱交換器アレイ１０００が、凝縮器内で採用されるとき、マニホールド供給チャンバ１０８４は、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６より大きい。

使用時、蒸発器として使用されている熱交換器アレイ１０００のためのマニホールド供給チャンバ１０８４は、マニホールド放出チャンバ１０８６より下方に位置する（例えば、プレート上縁１０４５からより離れて位置する）。これは、作業流体５８０が、マニホールド供給チャンバ１０８４から液体としてプレート１０２２に流入し、ガスとして、マニホールド放出チャンバ１０８６から流出するためである。故に、熱交換器アレイ１０００が、凝縮器内で採用されるとき、マニホールド上縁１０４５に対するマニホールド供給チャンバ１０８４とマニホールド放出チャンバ１０８６との相対的位置は、逆転され、タブ１０７０は、プレートの底部に平行移動される。凝縮器上のポート１０８５は、次いで、作業流体ガスをチャネル１９１８と連通するカートリッジの上部に運ぶ、チャネル１９１１と連通する。ガスは、位相を変化させ、液体作業流体は、それを通して液体作業流体が放出されるポート１０８４と連通するチャネル１９１２において、カートリッジの底部に落下し、集中する。

マニホールド１０８０は、熱交換器アレイ１０００内のプレート１０２０の全タブ１０７０を包囲する、マニホールド筐体１０８８を含む。筐体１０８８は、ボックス形状の外側周辺を有し、ポリ硫酸系エポキシ樹脂（以下、「エポキシ」と称される）等の硬質材料から形成されることができる。マニホールド供給チャンバ１０８４およびマニホールド放出チャンバ１０８６（蒸発器；供給および放出は、凝縮器の場合、逆転される）含むタブ１０７０をエポキシ内に封入することによって、隣接するタブ１０７０間に提供される溶接が補強され、作業流体の漏出に対する二次障壁が提供される。加えて、タブ１０７０をエポキシ内に封入することは、エポキシが補剛材として作用するため、プレート間隔を設定および保持する役割を果たし、マニホールド１０８０を構造的に補強する。また、有利には、封入はまた、全接合部を非作業流体５８０（例えば、海水）との接触からシールする。

図１５Ａおよび１５Ｂを参照すると、熱交換器モジュール５２４内の隣接する熱交換器アレイ１０００のマニホールド１０８０は、フランジコネクタ２０００を使用して接続され、フランジコネクタ２０００は、隣接するマニホールド１０８０間の流体連通、または流体供給ラインへの接続を可能にする。特に、フランジコネクタ２０００は、マニホールド供給チャンバ１０８４の各端およびマニホールド放出チャンバ１０８６の各端に提供される。各フランジコネクタ２０００は、円錐台状管であり、この円錐台状管は、コネクタの第１の端２００２が、対向するコネクタの第２の端２０１０より寸法が大きいような側壁２０１６を含み、コネクタ側壁は、コネクタの第１の端２００２とコネクタの第２の端２０１０との間で湾曲されるように成形されている。

図１２、１５、１６および１７を参照すると、コネクタの第１の端２００２は、フランジコネクタ２０００を隣接するマニホールド１０８０の対応するフランジコネクタ２０００ａあるいは供給または放出ライン２０２０に接合するために使用される。コネクタの第１の端２００２は、リム２００４を含み、Ｏリング２００７が、コネクタの第１の端２００２の端面２００８上の溝２００６内に提供される。Ｏリング２００７は、接続表面における作業流体５８０の漏出を防止する、シールを提供する。使用時、クランプ２０２２（図１６および１７）は、１つのフランジコネクタ２０００のコネクタの第１の端２００２を隣接するフランジコネクタ２０００ａのコネクタの第１の端２００２に固定するために使用され、それぞれの第２の端面２００８は、当接し、流体連通が対応するマニホールドチャンバ間に提供される。この目的のための例示的クランプは、２ボルト式高圧サニタリークランプである。

コネクタの第２の端２０１０は、対応するマニホールド供給または放出チャンバ１０８４、１０８６より若干大きい外径を有し、コネクタの第２の端２０１０の端面２０１２から縦方向外向きに延びる、段付き部分またはフェルール２０１４を含む。段付き部分２０１４は、対応するマニホールド供給または放出チャンバ１０８４、１０８６の内径に対応する外径を有する。使用時、段付き部分２０１４は、対応するマニホールド供給または放出チャンバ１０８４、１０８６内に受け取られ、コネクタの第２の端２０１０は、マニホールド１０８０に固定される。いくつかの実施形態では、コネクタの第２の端２０１０は、マニホールド１０８０に溶接される。

各熱交換器モジュール５２４、５２３、５２２、および５２１は、同様の構成要素を有し、１つのモジュール内に水平に整列させられたプレート１０２２が、下方のモジュール内のプレートの上に垂直に整列するように垂直に整列させられることを理解されるであろう。１つのモジュール内のプレート１０２２間の間隙１０２５は、下方のモジュール内のプレート１０２２間の間隙１０２５の上に垂直に整列する。

熱交換モジュール５２４の一部の側面断面図を図示する、図１８を参照すると、熱交換器アレイ１０００内のプレート配列の例示的実装は、少なくとも正面１０４０および背面１０４２を含む外面を有する少なくとも１つの第１の開放流熱交換プレート１０５１を含む。使用時、外面は、冷たい原水等の非作業流体５７０と流体連通し、それによって包囲される。第１の開放流プレート１０５１はまた、マニホールド１０８０と流体連通し、マニホールド１０８０を介して、作業流体５８０を受け取るように構成される内部通路１０５５を含む。少なくとも１つの第２の開放流熱交換プレート１０５２は、第２のプレート１０５２の前外面１０４０が、第１のプレート１０５１の後外面１０４２に面するように、第１の開放流熱交換プレート１０５１と水平に整列させられる。第１の開放流プレート１０５１は、実質的に、第２の開放流プレート１０５２と同じである。すなわち、第１のプレート１０５１のように、第２のプレート１０５２の外面は、非作業流体５７０と流体連通し、それによって包囲される。加えて、第２のプレート１０５２は、マニホールド１０８０と流体連通し、作業流体５８０を受け取るように構成される、内部通路１０５５を含む。

第１の開放流熱交換プレート１０５１は、間隙１０２５によって、第２の熱交換プレート１０５２から分離され、非作業流体５７０は、間隙１０２５を通って流動する。作業流体５８０は、内部作業流体流路１０５５を通って流動する。

前述のように、いくつかの実装では、単一熱交換モジュール５２４が、ハイブリッドカスケード式ＯＴＥＣサイクルの単一段階専用であることができる。いくつかの実装では、４つの熱交換モジュール５２１、５２２、５２３、５２４が、図８および１０に描写および説明されるように、垂直に整列させられる。いくつかの実装では、モジュールは、各プレートの周辺縁１０４４に位置する、マニホールド１０８０に接続される作業流体供給および放出ラインを有する。これは、プレートの面１０４０、１０４２上に位置する作業流体導管を有し、プレートプレート１０５１、１０５２内の作業流体およびプレート面１０４０、１０４２に沿った非作業流体の両方の流動を妨害することを回避する。

例えば、ガスケットがない多段階熱交換システムは、１つ以上の開放流プレートの各々内の内部通路を通って流動する第１の作業流体と流体連通する１つ以上の開放流プレートを備えている、第１の段階の熱交換モジュールを含むことができる。作業流体は、第１のマニホールドを介して、各プレートに供給され、かつそこから放出されることができ、第１のマニホールドは、流体供給チャンバ１０８４および流体放出チャンバ１０８６を含み、各チャンバが、各個々のプレートの周辺縁に接続される。第１の段階の熱交換モジュールと垂直に整列させられる第２の段階の熱交換モジュールもまた、含まれる。第２の段階の熱交換モジュールは、１つ以上の開放流プレートの各々内の内部通路を通って流動する第２の作業流体と流体連通する１つ以上の開放流プレートを含む。再び、第２の作業流体は、第２のマニホールドを介して、各個々のプレートに供給されかつそこから放出され、第２のマニホールドは、流体供給チャンバ１０８４および流体放出チャンバ１０８６を含み、各チャンバが各個々のプレートの周辺縁に接続される。水等の非作業流体は、最初に、第１の段階の熱交換モジュールを通って、１つ以上の開放流プレートの各々の周囲を流動し、第１の作業流体との熱交換を可能にする。非作業流体は、次いで、第２の段階の熱交換モジュールを通って、開放流プレートの各々の周囲を通過し、第２の作業流体との熱交換を可能にする。

第１の段階の熱交換モジュールは、水平整列において複数の開放流プレートを含み、各プレート間に間隙を有する。第２の段階の熱交換モジュールもまた、水平整列において複数の開放流プレートを含み、第２の段階の熱交換モジュール内の各プレート間に間隙を有する。第２の段階の熱交換モジュール内の複数の開放流プレートおよび間隙は、第１の段階の熱交換モジュール内の複数の開放流プレートおよび間隙と垂直に整列させられる。これは、第１および第２の段階の熱交換モジュールを通して、非作業流体の流動中の圧力損失を低減させる。非作業流体中の圧力損失はまた、１つのモジュールから次のモジュールに非作業流体を直接放出させることによっても低減され、それによって、広範かつ大規模な配管システムの必要性を排除する。いくつかの実施形態では、バッキングプレート１００６、１００８が、アレイ１０００内に個々のプレート１０２２の間隔を維持するために使用され、バッキングプレート１００６、１００８は、プレート側縁１０４７、１０４８に隣接して位置付けられ、それを通して非作業流体が流動する導管を形成する。

例示的４段階ＯＴＥＣシステムの各段階の各アレイ内のプレートの開放流配列により、非作業流体と作業流体の流量比は、ほとんどの従来のプレート熱交換器システムの典型的１：１から増加される。いくつかの実装では、非作業流体の流量比は、１：１を上回る（例えば、２：１を上回る、１０：１を上回る、２０：１を上回る、３０：１を上回る、４０：１を上回る、５０：１を上回る、６０：１を上回る７０：１を上回る、８０：１を上回る、９０：１を上回る、または１００：１を上回る）。

熱交換モジュールの多段階配列が、凝縮器として使用されるとき、非作業流体（例えば、冷たい海水）は、概して、非作業流体が第２の段階の熱交換モジュールに流入するときより低い温度で、第１の段階の熱交換モジュールに流入し、非作業流体は、次いで、非作業流体が第３の段階の熱交換モジュールに流入するときより低い温度で、第２の段階の熱交換モジュールに流入し、非作業流体は、概して、第４の段階の熱交換モジュールに流入するときより低い温度で、第３の段階の熱交換モジュールに流入する。

熱交換モジュールの多段階配列が、蒸発器として使用されるとき、非作業流体（例えば、温かい海水）は、概して、非作業流体が第２の段階の熱交換モジュールに流入するときより高い温度で、第１の段階の熱交換モジュールに流入し、非作業流体は、次いで、非作業流体が第３の段階の熱交換モジュールに流入するときより高い温度で、第２の段階の熱交換モジュールに流入し、非作業流体は、概して、第４の段階の熱交換モジュールに流入するときより高い温度で、第３の段階の熱交換モジュールに流入する。

熱交換モジュールの多段階配列が、凝縮器として使用されるとき、作業流体（例えば、アンモニア）は、概して、作業流体が第２の段階の熱交換モジュールから流出するときより低い温度で、第１の段階の熱交換モジュールから流出し、作業流体は、作業流体が第３の段階の熱交換モジュールから流出するときより低い温度で、第２の段階の熱交換モジュールから流出し、作業流体は、概して、第４の段階の熱交換モジュールから流出するときより低い温度で、第３の段階の熱交換モジュールから流出する。

熱交換モジュールの多段階配列が、蒸発器として使用されるとき、作業流体（例えば、アンモニア）は、概して、作業流体が第２の段階の熱交換モジュールから流出するときより高い温度で、第１の段階の熱交換モジュールから流出し、作業流体は、概して、作業流体が第３の段階の熱交換モジュールから流出するときより高い温度で、第２の段階の熱交換モジュールから流出し、作業流体は、概して、第４の段階の熱交換モジュールから流出するときより高い温度で、第３の段階の熱交換モジュールから流出する。

４段階ＯＴＥＣサイクルの実装の例示的熱平衡が、本明細書に説明され、概して、これらの概念を例証する。

いくつかの実装では、４段階のガスケットがない熱交換システムは、１つ以上の開放流プレートを有する、第１の段階の熱交換モジュールを含み、各プレートは、少なくとも、非作業流体によって包囲される、正面および背面を有する、外面を含む。各プレートはまた、内部通路を通って流動する、第１の作業流体と流体連通する内部通路を含む。作業流体は、各プレートに専用の供給および放出ラインによって、各プレートに供給され、かつそこから放出される。

４段階の熱交換システムはまた、第１の熱交換モジュールと垂直に整列させられる第２の段階の熱交換モジュールを含み、第２の段階の熱交換モジュールは、第１の段階のものと実質的に類似し、第１の段階のプレートと垂直に整列させられる、１つ以上の開放流熱交換プレートを含む。

第１および第２の段階の熱交換モジュールと実質的に類似する第３の段階の熱交換モジュールもまた、含まれ、第２の段階の熱交換モジュールと垂直に整列させられる。第１、第２、および第３の段階の熱交換モジュールと実質的に類似する第４の段階の熱交換モジュールも含まれ、第３の段階の熱交換モジュールと垂直に整列させられる。

動作時、非作業流体は、各プレートの内部流路内を流動する第１の作業流体との熱相互作用のために、第１の段階の熱交換モジュールを通って流動し、各開放流プレートをその中に包囲する。非作業流体は、次いで、第２の作業流体との熱相互作用のために、第２の段階の熱交換モジュールを通って流動する。非作業流体は、次いで、第３の作業流体との熱相互作用のために、第３の段階の熱交換モジュールを通って流動する前に、第２の作業流体との熱相互作用のために、第２の段階の熱交換モジュールを通って流動する。非作業流体は、第４の作業流体との熱相互作用のために、第４の段階の熱交換モジュールを通って流動する前に、第３の作業流体との熱相互作用のために、第３の段階の熱交換モジュールを通って流動する。非作業流体は、次いで、熱交換システムから放出される。

ＯＴＥＣ動作の低温度差（典型的には、３５度Ｆ〜８５度Ｆ）は、非作業流体および作業流体の流動に妨害がない、熱交換プレート設計を必要とする。さらに、プレートは、作業流体の低温度リフトエネルギー変換に対応するために十分な表面積を提供しなければならない。

従来の発電システムは、典型的には、蒸気動力サイクル等の大温度リフトシステムとともに燃焼プロセスを使用する。環境問題および不均衡な化石燃料供給問題が、より一般的となるにつれて、本明細書に説明され、太陽熱および海洋熱等の再生可能エネルギー源を使用する、ＯＴＥＣシステムの実装等の低温度リフトエネルギー変換（ＬＴＬＥＣ）システムは、より重要となるであろう。従来の蒸気動力サイクルは、燃焼プロセスからの排ガスを使用し、通常、非常に高温であるが、ＬＴＬＥＣサイクルは、３０〜１００度Ｃの低温エネルギー源を使用する。したがって、ＬＴＬＥＣサイクルの熱源とヒートシンクとの間の温度差は、蒸気動力サイクルのものよりはるかに小さい。

図１９は、圧力−エンタルピー（Ｐ−ｈ）図において、従来の高温蒸気動力サイクルのプロセスを示す。蒸気動力サイクルの熱効率は、３０〜３５％の範囲内である。

対照的に、図２０は、ＯＴＥＣ動作において使用されるもの等のＬＴＬＥＣサイクルのＰ−ｈ図を示す。ＬＴＬＥＣサイクルのための典型的熱効率は、２〜１０％である。これは、従来の高温蒸気動力サイクルの略３分の１〜１０分の１である。故に、ＬＴＬＥＣサイクルは、従来の電力サイクルよりはるかに大きいサイズの熱交換器を必要とする。

本明細書に説明される熱交換プレートは、高熱伝達性能およびまた、熱源流体側およびヒートシンク流体側における低圧力降下を提供し、システム効率に影響を及ぼすポンプ能力要求を制限する。ＯＴＥＣおよび他のＬＴＬＥＣサイクルのために設計されたこれらの熱交換プレートは、以下の特徴を含むことができる。
１） ミニチャネル設計を有する作業流体流路。これは、圧延結合されたアルミニウム熱交換プレート内に提供されることができ、作業流体と非作業流体との間に大きな活性熱伝達面積を提供する。
２） 熱源非作業流体およびヒートシンク非作業流体における圧力降下を有意に低減させるように、プレート間に提供される間隙。このように、電力サイクルの作業流体のための比較的に狭い流体流動面積を維持しながら、熱源流体側およびヒートシンク流体側のための比較的に広い流体流動面積が、提供されることができる。
３） 作業流体の流路内の通過当りのチャネル数を漸次的に変化させる構成は、流動に沿って位相変化する作業流体の圧力降下を低減させることができる。プレート内のチャネルの数は、作業流体、動作条件、および熱交換器幾何学形状に従って設計されることができる。
４） 起伏のある作業流体流路またはチャネル構成は、熱伝達性能を向上させることができる。
５） 作業流体流動チャネル内および平行チャネル間では、流動チャネルのチャネルの内壁の両端は、流動方向が逆転される場合に流体を後続チャネルに平滑に向かわせるように湾曲されることができ、チャネルの内壁の端から側壁までの非均一距離が、平行チャネル間で使用されることができる。

前述の特徴は、システム内で必要とされるポンプ能力を低減させ、熱伝達性能を向上させることができる。

再び、図１３、１３Ａ、および１８を参照すると、ミニチャネルが圧延結合された熱交換プレート１０５１および１０５２が、斜視図に示される。作業流体５８０と非作業流体５７０との間の直交反対流が、提供される。蒸発器として使用されるとき、非作業流体５７０（例えば、海水）は、プレート１０５１、１０５２の上縁１０４５において流入し、プレート１０５１、１０５２の底縁１０４６から流出する。作業流体５８０（例えば、アンモニア）は、液体状態において、マニホールド１０８０を介して、プレートの右側縁１０４８に流入し、蒸発し、最後に、より高い温度非作業流体５７０から熱エネルギーを吸収することによって、蒸気相になる。発生された蒸気は、マニホールドを介して、プレートの右側縁１０４８から流出する。

プレート１０５１、１０５２は、作業流体流動チャネル１０５５がプレート自体内に配置されるように、圧延結合プロセスを使用して形成されることができる。圧延結合は、熱および圧力によって、流動チャネルが２つのパネル間に生成されるように、２つの金属パネルが一緒に融合させられ、次いで、高圧力空気で拡張される、製造プロセスである。融合に先立って、炭素ベースの材料が、パネルのうちの第１のパネルの上側表面上に、作業流体流動チャネルの所望の経路に対応するパターンで印刷される。第２のパネルが、次いで、第１のパネルの上部に置かれ、２つのパネルは、次いで、高温圧延プレスを通して圧延され、単一プレートを形成し、２つのパネルが、炭素材料が存在する場所を除く、あらゆる場所で融合させられる。少なくとも１つのチャネルが、プレートの周辺縁に印刷され、振動マンドレルが、２つのパネル間に挿入され、その中に加圧された空気が注入されるポートを生成する。加圧された空気は、２つのパネルが一緒に融合することを防止された場所に内部チャネルが生成されるように、金属を変形および拡張させる。圧延結合が行われ得る、２つの方法が存在する：金属がシート金属のロールから高温圧延プレスを通して継続的に流される連続方法、または事前に切断されたパネルが個々に処理されるものである断続方法。

図２１を参照すると、いくつかの実施形態では、２つの同じパネル１０６０が、一緒に圧延結合され、プレート１０２２’を形成する。例えば、各パネル１０６０は、厚さ約１．０５〜１．２ｍｍ、長さ１５４５ｍｍ、および幅３５０ｍｍであり、同一の材料から形成される。チャネルは、前述のように、吹込成形によって、作業流体流動チャネルの所望の経路に対応するパターンを有する、接合された金属パネル間に形成される。チャネル１０５５は、１２〜１３．５ｍｍの幅ｗおよび約２ｍｍの高さｈを伴って形成される。プレート１０２２’を形成するために使用されるパネルは、同じであるので、両パネル１０６０は、内部チャネルを形成するための拡張の間、変形させられ、チャネルは、各パネル１０６０内で均等に外向きに拡張する。結果として生じるプレート１０５１の両面（例えば、前面１０４０および後面１０４２）は、輪郭が付けられ、作業流体流動チャネル１０５５の場所における拡張された区画に対応する外向きに突出する領域を含む。結果として生じるプレート構成は、両面型と称される。

各々が両面型プレート構成を有する第１のプレート１０５１および第２のプレート１０５２が、熱交換アレイ１０００内で積層構成において、互に隣接して置かれると、プレート１０５１、１０５２は、ネスト状構成に配列され得る。ネスト状構成では、プレート１０５１、１０５２は、１つのプレート１０５１の突出領域が、隣接するプレート１０５２の突出領域間の空間内に存在するように、互から若干オフセットされて配列され得る。しかしながら、圧延結合プロセスは、一貫した高さを有するプレートを提供するが、長さ方向寸法再現性の固有の問題を有する。その結果、チャネルの各部分の場所が、確実に制御されることができない。例えば、ある場合には、プレートの突出領域は、プレート１０５１の上縁１０４５から設計距離にない。両面型プレートを採用するプレートを採用する熱交換器の実験試験の間、寸法のばらつきが、隣接するプレートの突出領域が互に直接対向して位置付けられる結果をもたらし、プレート分離間隙１０２５内にピンチポイントをもたらし、予期されるものより高い圧力損失およびより低い熱伝達につながることが分かった。

図２２を参照すると、いくつかの実施形態では、同一の周囲形状の２つの非同一パネル１０６０、１０６２が、一緒に圧延結合され、両面型プレート構成に関して前述された寸法のばらつき問題に対処するプレート１０２２を形成する。２つのパネル１０６０、１０６２は、降伏強度が異なるという点において、非同一である。これは、例えば、異なる厚さを有するか、または異なる材料で形成されるパネル１０６０、１０６２を提供することによって達成されることができる。チャネルが、前述のように吹込成形によって、接合された金属パネ間に形成され、この金属パネは、作業流体流動チャネル１０５５の所望の経路に対応するパターンを有する。

作業流体流動チャネル１０５５は、熱交換プレート全体の体積を低減させながら、２つの流体間の活性熱伝達面積を増加させるために、比較的に広い幅ｗおよび比較的に低い高さｈを有する。チャネルの幅ｗは、約１０〜約１５ｍｍの範囲（例えば、１１ｍｍ超、１２ｍｍ超、１３ｍｍ超、１４ｍｍ未満、１３ｍｍ未満、および／または１２ｍｍ未満）であることができる。チャネルの高さｈは、約１〜約３ｍｍの範囲（例えば、１．２５ｍｍ超、１．５ｍｍ超、１．７５ｍｍ超、２ｍｍ超、２．７５ｍｍ未満、２．５ｍｍ未満、２．２５ｍｍ未満、および／または２ｍｍ未満）であることができる。チャネル間の間隔は、約４〜約８ｍｍ（例えば、４．５ｍｍ超、５ｍｍ超、５．５ｍｍ超、７．５ｍｍ未満、７ｍｍ未満、および／または６．５ｍｍ未満）であることができる。

プレートを形成するために使用されるパネルの降伏強度における差異は、内部チャネルを形成する拡張の間、パネル１０６０の１つのみが変形させられるように制御される。この場合、チャネルは、プレート１０２２の片側のみから外向きに拡張し、片側（すなわち、正面１０４０）が、作業流体流動チャネル１０５５の場所に対応する外向きに突出する領域を含み、他側（すなわち、後面１０４２）は、変形させられず、したがって、略平面のままである、プレート１０２２をもたらす。結果として生じるプレート構成は、片面型と称される。

図１０−１４に図示される実施形態では、プレート１０５１、１０５２は、片面型プレート構成を有するように形成される。プレート１０５１、１０５２が、熱交換アレイ１０００内で積層構成に互に隣接して置かれた場合、プレート１０５１、１０５２は、作業流体流動チャネルの場所における拡張された区画に対応する突出領域を有する１つのプレート１０５２の正面１０４０が、略平面である隣接するプレート１０５１の後面１０４２に面するように配列される。加えて、隣接するプレート１０５１、１０５２は、間隙１０２５が、１つのプレート１０５２の正面１０４０と隣接するプレート１０５１の後面１０４２との間に存在するように配列される。例示的実施形態では、プレート１０５１、１０５２は、８ｍｍの縁間隔を有し、突出領域に対応する場所で２．２ｍｍのプレート１０５１、１０５２間最小間隙寸法、および突出領域間の場所で４．８のプレート１０５１、１０５２間最大間隙寸法を提供する。

片面型プレート構成は、圧延結合プロセスによる長さ方向寸法の非一貫性の影響を緩和する。この構成では、隣接するプレート間の間隔は、長さに沿って生じる拡張の場所にかかわらず、一貫した最大および最小隙間を有する。実験結果では、圧力損失が、等しい流体流動および公称間隔に対して、両面型プレート構成と比較して有意に低減されることが確認された。

加えて、片面型プレート構成を有するプレートの熱交換器アレイを形成するとき、１つのプレート１０５１の突出領域が、隣接するプレート１０５２の突出領域間の空間内に存在するように、ネスト状にする必要はない。代わりに、片面型プレート１０５１、１０５２は、突出領域を有する１つのプレート１０５２の正面１０４０が、隣接するプレート１０５１の略平面後面１０４２に面するように配列される。加えて、突出領域は、整列軸１００５に平行方向に整列させられる。平面表面における熱伝達は、概して、突出領域を有する表面においてより低いが、この影響は、流体流路内の突出領域の存在によって生じるプレート間の間隙１０２５内の乱流によって少なくとも部分的に相殺され、乱流は、低圧力降下をもたらすが、間隙１０２５内での速度を向上させる。

全実施形態では、作業流体流動チャネル１０５５内の作業流体流動面積より広い非作業流体流動面積が、提供される。この配列は、熱源流体側およびヒートシンク流体側における圧力降下を低減させる。

ここで、図２３を参照して、熱交換器アレイ１０００を製造する方法が、説明される。

ステップ３０００では、本方法は、作業流体５８０の所望の流体流路に対応する所定のパターンに配列される内部流体通路１０５５を有する、熱交換器プレート１０２２を提供することを含む。いくつかの実施形態では、熱交換器プレート１０２２は、第１のパネル１０６０および第２のパネル１０６２を提供し、第１のパネル１０６０の表面に所定のパターンで結合防止剤を塗布することによって形成される。第１のパネルおよび第２のパネルは、次いで、結合剤が第１のパネルと第２のパネルとの間に存在するように積層される。積層された第１および第２のパネル１０６０、１０６２は、次いで、圧延結合され、単一プレート１０２２を形成する。

圧延結合されたプレート１０２２は、内部通路１０５５を有する拡張されたプレート１０２２を形成するように、第１のパネル１０６０と第２のパネル１０６２との間に空気を注入することによって拡張される。内部通路１０５５の拡張量（例えば、高さｈ）を制御し、プレート１０２２の異なる領域において異なる拡張量を可能にするために、プレート１０２２は、通路拡張の間、拡張治具（図示せず）内に置かれる。拡張治具は、平行に配列される一対の剛体プレートを含み、剛体プレートは、その間に異なる間隔のゾーンを有する。プレート１０２２は、空気が注入される間、剛体プレート間に挟まれるように治具内に置かれる。剛体プレートは、ゾーン配列に従って、空気注入の間、通路拡張の量を制限する。例えば、いくつかの実施形態では、タブ１０７０の場所に対応する第１のゾーンは、ミニチャネル１９１２の場所に対応する第２のゾーンの第２の高さｈ２より大きい第１の高さｈ１を有する。

図２４を参照すると、いくつかの実施形態では、空気注入入口１９３０が、プレート１０２２内に提供され、空気注入を促進する。空気注入入口１９３０は、プレート１０２２の周辺縁１０４４に位置する、空気注入タブ１９３２内に形成される。図示される実施形態では、空気注入タブ１９３２および空気注入入口１９３０は、プレート１０２２の側縁１０４８に位置する。この位置は、非作業流体５７０の流路の外側にあり、したがって、流体通過流圧力に負の影響を及ぼさないので、有利である。しかしながら、空気注入タブ１０３２および空気注入入口１０３０は、上端１０４５または底端１０４６（図２５に示される）を含む、周辺縁１０４４上の他の場所にも提供されることができる。

プレート１０２２が拡張された後、空気注入入口１９３０は、例えば、空気注入タブ１９３２を挟んで閉じることによって閉鎖され、次いで、例えば、溶接によって融合させられる。本手技は、積層の最外プレートを除く、積層を形成するために使用される全プレート１０２２に対して行われる（以下に論じられる）。積層の２つの最外プレートでは、空気注入入口は、開放されたままであり、ろう接等の後続製造ステップの間、プレート内に蓄積されるガスの通気を可能にする。しかしながら、空気注入入口は、続いて、閉鎖され、融合させられる。いくつかの実施形態では、空気注入タブ１０３２はまた、熱交換器アレイ１０００を熱交換器モジュール５２４内の搭載構造に接続するための接続場所としても使用される。

片面型プレート構成が採用される実施形態では、本方法はさらに、第２のパネル１０６２より低い降伏強度を有する第１のパネル１０６０を提供することを含む。次いで、プレートに空気を注入するステップの間、第１のパネル１０６０は、注入された空気の圧力によって変形させられ、第２のパネル１０６２は、注入された空気の圧力によって変形させられないままである。

ステップ３００１では、図２６を参照すると、内部通路１０５５を捕える、開口部が、拡張されたプレート１０２２において切断される。より具体的には、タブ入口開口部１０７６が、全タブ入口通路１０７２を捕える場所において、タブ１０７０内に形成される。加えて、タブ出口開口部１０７８が、全タブ出口通路１０７４を捕える場所において、タブ１０７０内に形成される。図２６に見られるように、結合防止剤が、正確なプレート切断を可能にするための適正な補強をもたらすパターン（陰影付き区域参照）で塗布される。例えば、出口および入口開口部の内部空間に対応する円形区域は、拡張されず、代わりに、結合された部分を含む。いくつかの実施形態では、切断は、例えば、切断の間、プレート整列を維持するために役立つパイロットドリルビットを有する、高速冠鋸を使用して、または切削または水噴射等の他の切断プロセスを使用して、達成される。

第１のパネル１０６０が第２のパネル１０６２に対して拡張する、片面型プレート構成を採用する、いくつかの実施形態では、切断開口部は、第２のパネル１０６２（例えば、プレート１０２２の非拡張側）内より第１のパネル１０６０（例えば、プレート１０２２の拡張側）内においてより大きく作製される。

ステップ３００２では、内部流体通路１０５５を有する熱交換器プレート１０２２を提供し、開口部をプレート１０２２において切断するステップは、所望の数の切断されたプレート１０２２が得られるまで、熱交換器アレイ１０００の各プレート１０２２に対して繰り返される。

ステップ３００３では、切断されたプレート１０２２は、熱交換器アレイ１０００を形成することにおける使用のために積層される。図示される実施形態では、４８のプレート１０２２が、正面１０４０が同一の方向かつ整列軸１００５に垂直に面して、１つのプレートが別のプレートの上に配列されるように積層される。特に、プレート１０２２は、整列治具内に配列され、整列させられた周辺縁１０４４および切断開口部１０７６、１０７８を有する、プレート積層２０３０を提供する。より多いまたはより少ない数のプレート１０２２が、積層されることができ、積層２０３０内のプレートの数は、具体的用途によって決定されることを理解されたい。

図２７を参照すると、プレート１０２２の精密な整列は、１つ以上の整列固定具を含む整列治具内に切断されたプレートを積層することによって、達成されることができる。図示される実施形態では、整列固定具は、治具内に戦略的に置かれた長方形ロッド２０３２および円筒形マンドレル２０３４を含む。プレート１０２２が、治具内に置かれると、切断開口部１０７６、１０７８は、マンドレル２０３４を覆って置かれ、周辺縁１０４４は、ロッド２０３２が各プレート１０２２の周辺縁１０４４内に提供される内隅２０３６に当接するように位置付けられる。

積層プレートが片面型プレート構成を採用する実施形態では、積層ステップはさらに、１つのプレートの第１の外部熱交換表面（すなわち、正面１０４０）が、隣接するプレートの第２の外部熱交換表面（すなわち、背面１０４２）に面するように、プレート１０２２を配列することを含む。均一間隔が、隣接するプレート間に提供されることを保証するために、溝付きバッキングプレート１００６、１００８が、前述のように、積層の表および後側に提供される。

切断されたプレート１０２２が、積層および整列させられると、マンドレル２０３４は、整列治具から除去され、ステップ３００４において論じられるように、対応する開口部内にマニホールド供給および放出チャンバ１０８４、１０８６の形成を可能にする。ロッド２０３２は、定位置に残され、後続ステップの間、積層２０３０を整列状態に維持する。加えて、整列治具も、積層アセンブリとともに残り、アレイ１０００のためのコクーン（ｃｏｃｏｏｎ）状の包装を形成し、アレイ１０００を損傷から保護し、バッキングパネル１００６、１００８と協働して、プレート１０２２間の間隙１０２５の中および活性熱伝達表面積の上に非作業流体の流動を向ける役割を果たす。

図２９を参照すると、ステップ３００４では、第１のプレート１０５１の切断開口部１０７６、１０７８の切断縁は、隣接するプレート１０５２の対応する切断縁に接合される。プレートが、ステップ３００３において整列させられると、タブ入口通路１０７２およびタブ出口通路１０７４に対応する拡張された領域もまた、整列軸１００５に平行方向に整列させられる。加えて、図２６および２８−２９を参照すると、プレートの拡張の間、プレートを形成する少なくとも１つのパネル１０６０は、それぞれのパネル１０６０、１０６２が局所的に離間され、作業流体通路１０５５を提供するように変形させられる。その結果、第１のプレート１０５１の背面１０４２は、第１のプレート１０５１に隣接し、その下方にある第２のプレート１０５２の正面１０４０に当接または略当接する。積層２０３０内の各プレート１０２２に対して、正面１０４０は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って、その上方のプレートの背面１０４２に接合される。加えて、積層２０３０内の各プレートの背面は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って、その下方にあるプレートの正面１０４０に接合される。それぞれの面１０４０、１０４２は、連続的に接合され、例えば、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、自生ＴＩＧ溶接、スパッタＴＩＧ溶接またはレーザ溶接によって、環状流体不浸透性接合部１０８２を形成する。図２９では、溶接は、ジグザグ線によって表される。

本手技は、部分的に、入口切断開口部１０７６に沿って各隣接するプレートの接続部に形成される一連の環状接合部１０８２によって画定される、積層２０３０内のマニホールド供給チャンバ１０８４と、部分的に、出口切断開口部１０７８に沿って各隣接するプレートの接続部に対応する環状接合部１０８２によって画定される、マニホールド放出チャンバ１０８６（図２９に示される）とをもたらす。積層２０３０の各プレートにおいて、切断開口部の各々における拡張された領域が、前述のように、作業流体通路１０５５のチャネル１９１２と流体連通する。例えば、マニホールド供給チャンバ１０８４は、タブ入口通路１０７２を介して、入口通路１９１１と流体連通する。加えて、マニホールド放出チャンバ１０８６は、タブ出口通路１０７４を介して、出口通路１９１８と流体連通する。環状接合部１０８２のシールされた性質のため、内部通路１０５５とプレート１０２２の外面との間、したがって、また、作業流体５７０と非作業流体５７０との間の流体連通は、防止される。

図２９Ａを参照すると、切断開口部が、第２のパネル１０６２（例えば、背面１０４２上）内におけるより第１のパネル１０６０（例えば、正面１０４０上）内において大きく作製される実施形態では、プレートが積層されると、重ね接合部Ｌが、形成される。積層２０３０内の各プレート１０２２に対して、正面１０４０は、重ね接合部Ｌにおいてその上方のプレートの背面１０４２に接合される（例えば、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って）。加えて、積層２０３０内の各プレートの背面１０４２は、重ね接合部Ｌにおいてその下方のプレートの正面１０４０に接合される（例えば、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って）。それぞれの面１０４０、１０４２は、例えば、溶接によって、連続的に接合され、環状流体不浸透性接合部１０８２を形成する。

前述のように、少なくとも、切断開口部１０７６、１０７８の近傍のタブ１０７０内のタブ通路１０７２、１０７４の拡張の量は、プレート１０２２内の作業流体通路１０５５のものより大きく作製される（例えば、より高いチャネル高さｈを有する）。この配列によって、隣接するプレート１０２２（すなわち、プレート１０５１、１０５２）間の間隔は、維持される一方、環状接合部が形成されることを可能にする。

ステップ３００５では、再び、図１６を参照すると、フランジコネクタ２０００が、積層２０３０を形成するために使用される、最外プレート１０２２の外向きに面する表面上に形成される、タブ入口開口部１０７６およびタブ出口開口部１０７８に溶接される。

最上プレート１０２２ｕの場合、フランジコネクタ２０００は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の両方において、正面１０４０に固定される。例えば、フランジコネクタ２０００は、流体不浸透性接続を提供するように、各開口部１０７６、１０７８内に置かれ、各それぞれの開口部１０７６、１０７８の全周に沿って、切断縁に溶接される。加えて、最上プレート１０２２ｕの背面１０４２は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って、その下方のプレートの正面１０４０に接合される。それぞれの面１０４０、１０４２は、連続的に接合され、環状流体不浸透性接合部１０８２を形成する。

最下プレート１０２２ｌも、同様に、処理される。すなわち、最下プレート１０２２ｌの場合、フランジコネクタ２０００は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の両方において、後面１０４２に固定される。例えば、フランジコネクタ２０００は、流体不浸透性接続を提供するように、各開口部１０７６、１０７８内に置かれ、各それぞれの開口部１０７６、１０７８の全周に沿って、切断縁に溶接される。加えて、最下プレート１０２２ｌの正面１０４０は、入口切断開口部１０７６および出口切断開口部１０７８の各々の全周に沿って、その上方のプレートの背面１０４２に接合される。それぞれの面１０４０、１０４２は、連続的に接合され、環状流体不浸透性接合部１０８２を形成する。

ステップ３００６では、マニホールド１０８０の形成は、熱交換器アレイ１０００の接合されたタブ１０７０をエポキシ等のプラスチック材料内に封入し、プレート１０２０の全タブ１０７０を熱交換器アレイ１０００内に包囲するマニホールド筐体１０８８を形成することによって完成される。マニホールド筐体１０８８は、エポキシの外面によって画定される。

封入は、積層２０３０の接合されたタブをポット２０５０内に置き、エポキシがポット２０５０の内部と接合されたタブ１０７０の外面との間の空間を充填するように、ポット２０５０をエポキシで充填し、エポキシを硬化させ、次いで、ポット２０５０をアセンブリの一部として残すことによって達成される。

図３０を参照すると、各プレートの側縁１０４８から延び、各プレートの外面から外向きに延びるフランジコネクタ２０００を含むタブ１０７０の複雑な形状により、ポット２０５０は、タブ１０７０を覆い、かつフランジコネクタ２０００の周囲に組み立てられ得る多部品構造として形成される。特に、ポット２０５０は、ポリカーボネート等のプラスチックから形成され、容器を形成するように一緒に組み立てられ得る、第１の側壁部分２０５２と、第２の側壁部分２０５４と、第３の側壁部分２０５６とを有する。

第１の側壁部分２０５２は、３つの側面２０５２ａ、２０５２ｂ、２０５２ｃと、底部２０５２ｄとを含む。３つの側面２０５２ａ、２０５２ｂ、２０５２ｃは、互に隣接し、また、底部２０５２ｄにも隣接し、底部２０５２ｄから上向きに延びる。第１の側壁部分２０５２の上側縁２０５２ｅは、フランジコネクタ２０００の側壁２００６をその中に受け取るように寸法決定される、半円形切り欠き部分２０５２ｆを含む。第２の側壁部分２０５４は、３つの側面２０５４ａ、２０５４ｂ、２０５４ｃを含む。３つの側２０５４ａ、２０５４ｂ、２０５４ｃは、互に隣接する。加えて、第２の側壁部分２０５４の下側縁２０５４ｅは、フランジコネクタ２０００の側壁２００６をその中に受け取るように寸法決定される、半円形切り欠き部分２０５２ｆを含む。第３の側壁部分２０５６は、第１の縁２０５６ａ、第２の縁２０５６ｂ、第３の縁２０５６ｃ、および第４の縁２０５６ｄを有する平坦パネルの形態の単一側面を含む。

ポット２０５０の組立の間、熱交換器ユニット１０００は、接合されたタブ１０７０が、３つの側面２０５２ａ、２０５２ｂ、２０５２ｃおよび底部２０５２ｄによって画定される空間の中に延び、フランジ２０００が、切り欠き部分２０５２ｆ内に配置されるように、第１の側壁部分の上に位置付けられる。第２の側壁部分２０５４は、次いで、第１の側壁部分の第１の側２０５２ａが、第２の側壁部分の第１の側２０５４ａに隣接し、第１の側壁部分の第２の側２０５２ｂが、第２の側壁部分の第２の側２０５４ｂに隣接し、第１の側壁部分の第３の側２０５２ｃが、第２の側壁部分の第３の側２０５４ｂに隣接し、フランジ２０００が、第２の側壁部分の切り欠き部分２０５２ｆ内に受け取られるように、第１の側壁部分の上側縁２０５２ｅに沿って置かれる。最後に、第３の側壁部分２０５６は、第３の側壁部分第１の縁２０５６ａが、第１および第２の側壁部分２０５２、２０５４の第１の側２０５２ａ、２０５４ａに隣接し、第３の側壁の第２の縁２０５６ｂが、第１の側壁部分２０５２の底部２０５２ｄに隣接し、第３の側壁第３の縁２０５６ｃが、第１および第２の側壁部分２０５２、２０５４の第３の側２０５２ｃ、２０５４ｃに隣接するように、第１および第２の側壁部分２０５２、２０５４に隣接して置かれる。したがって、ポット２０５２が、組み立てられると、接合されたタブ１０７０は、側壁部分２０５２、２０５４、２０５６によって包囲される。

組み立てられた構成における、図３１を参照すると、ポット２０５０は、開放上側端を含み、必要とされる注入エポキシ充填剤の量を最小限にしながら、接合されたタブ１０７
０を包囲するように寸法決定される。ポット２０５０は、底部からエポキシで充填され、プレート間隔を設定および保持し、全接合部を海水からシールし、熱交換器アレイ１０００を補強する。加えて、エポキシは、補完的溶接された接合部支持およびアセンブリ補強、溶接された接合部からの内部流体漏出が万一生じた場合、それに対する補完的障壁、ならびに接合されたプレートのアレイのための固体搭載支持表面を提供する。封入の間、フランジコネクタ２０００の各々の流体通路は、封入材料によるマニホールドチャンバ１０８４、１０８６の汚染を回避するように閉鎖される。封入の完了に応じて、これらの流体通路は、それぞれのフランジコネクタ２０００の適切な機能を可能にするように、特に、それを通して流体流動を可能にするようにきれいにされる。フランジコネクタ２０００が、きれいにされると、熱交換器ユニット１０００は、完成する。

図１１および３２を参照すると、いくつかの熱交換器アレイ１０００を含む、熱交換器モジュール５２４を形成する場合、各個々の熱交換器アレイ１０００のマニホールド１０８０は、隣接する熱交換器アレイ１０００のマニホールド１０８０に接合される。特に、隣接する熱交換器アレイ１０００のマニホールド供給チャンバ１０８４のそれぞれのフランジコネクタ２０００は、マニホールド供給チャンバ１０８４がモジュール５２４の各熱交換器アレイ１０００と流体連通するように接合される。同様に、隣接する熱交換器アレイ１０００のマニホールド放出チャンバ１０８６のそれぞれのフランジコネクタ２０００は、マニホールド放出チャンバ１０８６がモジュール５２４の各熱交換器アレイ１０００と流体連通するように接合される。隣接する熱交換器アレイ１０００のフランジコネクタ２０００は、クランプ２０２０を使用して接合される。図示される実施形態では、１２の熱交換器アレイ１０００が、共通マニホールドを使用して接続され、熱交換器モジュール５２４を提供する。しかしながら、より多いまたはより少ない数の熱交換アレイ１０００が、モジュール５２４を形成するために使用されることができ、採用される数は、具体的用途の要件に依存することを理解されたい。

図１０および３３を参照すると、共通マニホールド１０８０によって接続される、熱交換器アレイ１０００は、ラック１００２上に支持される。熱交換器アレイ１０００、接続されるマニホールド１０８０、およびラック１００２は、一緒に、熱交換器段階を形成する。図示される実施形態では、多段階の熱交換器システム５２０は、ハイブリッドカスケード式ＯＴＥＣサイクルの使用を可能にし、したがって、４つの熱交換器モジュール５２１、５２２、５２３、５２４（第２のおよび第４の段階のみ、図３３に示される）を含む、４段階モジュール熱交換器である。各モジュールは、熱交換器システム５２０の中に組み立てられると、支持フレーム５４０内に受け取られ、その上に支持される。いくつかの実施形態では、各熱交換器モジュールのラック１００２は、レール（図示せず）を具備し、このレールは、支持フレーム５４０内に含まれる対応するレール２０８０と係合し、熱交換器システム５２０内の熱交換器モジュール５２１、５２２、５２３、５２４の組立を促進する。例えば、ラック１００２は、連続プラスチック接触表面を伴うレール上に搭載されると、個々のアレイ１０００の除去および保守のための線形抽出を可能にする。加えて、アレイ保守の間、一時的ヘッダコネクタが、アレイ１０００が交換されるまで、モジュール５２４内のアレイ１０００に取って代わり、エネルギー伝達にわずかな部分的減少のみ伴って、熱交換器の持続的平衡動作を可能にすることができる。

図示される実施形態では、スパー３１０の蒸発器部分３４４は、中心支柱５５０と、支柱５５０の対向側面５５２、５５４の各々上に支持される、支持フレーム５４０とを含む。同様の配列が、凝縮器部分３２０内にも提供される。

フランジコネクタ２０００は、マニホールド１０８０に溶接されるように、本明細書に説明され、マニホールドチャンバ内に存在する、段付き部分２０１４を含み、整列を提供し、溶接された接合部の強度を改善する。しかしながら、フランジコネクタ２０００は、溶接によってマニホールド１０８０に固定されることに限定されない。例えば、フランジコネクタ２０００は、接着剤結合によって、マニホールド１０８０に固定されることができる。図３４Ａおよび３４Ｂを参照すると、接着剤結合を使用する、いくつかの実施形態では、コネクタの第２の端２０１０は、結合表面がより大きい面積を有するように修正されることができる。特に、修正されたフランジコネクタ２０００’は、半径方向外向きに突出し、大結合表面積を提供するリップ２０１８’を有する、コネクタの第２の端２０１０’を含み得る。

図３５を参照すると、入口フランジコネクタ２０００’’が、凝縮器のマニホールド供給チャンバ１０８４に接続され、出口フランジコネクタ２０００’’’が、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６に接続される。入口フランジコネクタ２０００’’は、出口フランジコネクタ２０００’’’より小さい直径を有するが、その他の点では、類似する。この理由から、入口フランジコネクタ２０００’’のみ、説明される。入口フランジコネクタ２０００’’は、図１５Ｂに図示される前述のフランジコネクタ２０００のように、対応するマニホールド供給または放出チャンバ１０８４、１０８６の内径に対応するように寸法決定された外径を有する第１の段付き部分２０１４を含む。加えて、入口フランジコネクタ２０００’’は、コネクタの第２の端２０１０の端面２０１２に隣接して配置される第２の段付き部分２０１５を含み、端面２０１２は、第１の段付き部分２０１４と第２の段付き部分２０１５との間に段を画定する。第２の段付き部分２０１５は、コネクタの第１の端２００２より小さく、第１の段付き部分２０１４より大きい外径を有する。アレイの製造の間、第１の段付き部分２０１４は、タブ入口（または、出口）開口部の中に挿入され、そこに溶接される。本手技の間、第２の段付き部分２０１５は、熱交換プレート１０２２のタブ１０７０と入口フランジコネクタ２０００’’との間のヒートシンクを平衡化させる役割を果たす。

図３６−３８を参照すると、蒸発器内で使用するために構成される、代替熱交換プレート３０２２は、図１４に関して前述された熱交換プレート１０２２に類似する。類似性に照らして、同一特徴は、同一参照番号で参照される。熱交換プレート３０２２は、交互蛇行パターンを有するいくつかの平行ミニチャネル１９１２を含む、作業流路３０５５を含む。作業流体の位相変化（例えば、液体から蒸気への変化）に対応するために、通過当りの平行流路の数は、通路入口から通路出口までの作業流体の流路に沿って増加される。例えば、図３６における熱交換プレート３０２２は、４つの入口通路１９１１を有し、それぞれ、底縁１０４６に隣接する対応するミニチャネル１９１２に注ぐ。ミニチャネル１９１２は、底縁１０４６から上縁１０４５に蛇行方式で、プレートに沿って延びる。ここでは、「上部」または「底部」の言及は、通常動作位置における熱交換プレートの配向を指す。図３８では、蒸発器熱交換プレート３０２２は、上縁１０４５が底縁１０４６の上にある、その動作位置に図示される。４つのミニチャネルからの流動は、第１の遷移点３９１４において、６つのミニチャネルに注ぐ。６つのミニチャネルからの流動は、第２の遷移点３９１６において、８つのミニチャネルに注ぐ。８つのミニチャネルからの流動は、第３の遷移点３９２０において、１０のミニチャネルに注ぎ、１０のミニチャネルからの流動は、第４の遷移点３９２２において、１２のミニチャネルに注ぐ。結果として生じる１２のミニチャネルは、流体出口１９１８を通して出る。

４つの入口通路１９１１は、タブ入口通路１０７２を介して、マニホールド供給チャンバ１０８４によって、液体状態における作業流体５８０を供給され、１２の出口通路１９１８は、タブ出口通路１０７４を介して、マニホールド放出チャンバ１０８６の中に、蒸気状態における作業流体を放出する。

マニホールド供給チャンバ１０８４およびマニホールド放出チャンバ１０８６は、構造的に類似するが、マニホールド供給チャンバ１０８４は、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６と異なるサイズを有する。例えば、蒸発器内のアレイ１０００の一部として使用するために構成される熱交換器プレート３０２２（図３６−３８）の場合、マニホールド供給チャンバ１０８４は、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６より小さい。これは、タブ出口開口部１０７８より小さい直径を伴うタブ入口開口部１０７６を形成することによって達成される。このサイズ差は、作業流体５８０が、入口において、液体として蒸発器に流入し、したがって、出口において、ガスとして蒸発器から流出する場合の同一の流体より少ない全体的通過体積を必要とするという事実を反映する。故に、凝縮器内でアレイ１０００の一部として使用するために構成される熱交換器プレート４０２２（図３９−４１）の場合、マニホールド供給チャンバ１０８４は、対応するマニホールド放出チャンバ１０８６より大きい。

図３９−４１を参照すると、凝縮器内で使用するために構成される、熱交換プレート４０２２は、図３６−３８に関して前述された蒸発器熱交換プレート３０２２と類似する。類似性に照らして、同一特徴は、同一参照番号で参照される。熱交換プレート４０２２は、交互蛇行パターンを有するいくつかの平行ミニチャネル１９１２を含む、作業流路４０５５を含む。非作業流体の流動方向に平行な軸と整列させられる、作業流体入口通路１９１１の数は、蒸発器内の入口における流体（例えば、液体）より比較的により大きい凝縮器内の入口における流体（例えば、ガス）の体積に対応するために、蒸発器熱交換プレート３０２２内より凝縮器熱交換プレート４０２２内において多い。作業流体内の位相変化（例えば、ガスから液体への変化）に対応するために、通過当りの平行流路の数は、通路入口から通路出口への作業流体の流路に沿って減少される。例えば、図３９における熱交換プレート４０２２は、各々が上縁１０４５に隣接する１２の対応するミニチャネル１９１２に注ぐ８つの入口通路１９１１を有する。ミニチャネル１９１２は、上縁１０４５から底縁１０４６に蛇行方式で、プレートに沿って延びる。図４１では、凝縮器熱交換プレート４０２２は、底縁１０４６が上縁１０４５の上にある、その動作位置に対して上下逆に図示される。１２のミニチャネルからの流動は、第１の遷移点４９１４において、１０のミニチャネルに注ぐ。１０のミニチャネルからの流動は、第２の遷移点４９１６において、８つのミニチャネルに注ぐ。８つのミニチャネルからの流動は、第３の遷移点４９２０において、６つのミニチャネルに注ぎ、６つのミニチャネルからの流動は、第４の遷移点４９２２において、４つのミニチャネルに注ぐ。結果として生じる４つのミニチャネルは、流体出口１９１８を通して出る。

８つの入口通路１９１１は、タブ入口通路１０７２を介して、マニホールド供給チャンバ１０８４によって、蒸気状態における作業流体５８０が供給され、４つの出口通路１９１８は、タブ出口通路１０７４を介して、マニホールド放出チャンバ１０８６の中に、液体状態における作業流体を放出する。

凝縮器熱交換プレート４０２２および蒸発器熱交換プレート３０２２の両方において、ミニチャネル１９１２は、上縁１０４５から底縁１０４６に蛇行方式で、プレートに沿って延びる。ミニチャネル１９１２は、線形領域１９１２ａと、湾曲領域１９１２ｂと、分流チャネル１９１２ｃとを含む。線形領域１９１２ａは、上縁１０４５に平行に延びる。湾曲領域１９１２ｂは、隣接する線形領域１９１２ａに接続し、プレート右縁１０４７または左縁１０４８に隣接して存在する。分流チャネル１９１２ｃは、対応する湾曲領域１９１２ｂにおいてミニチャネルから分岐する、チャネルである。分流チャネル１９１２ｃは、プレート３０２２、４０２２のマニホールド端に向かって開放する分流流体入口１９１２ｄを介して、対応する湾曲領域１９１２ｂと流体連通する。特に、各分流チャネル１９１２ｃは、単一場所（例えば、分流流体入口１９１２ｄ）において、ミニチャネル１９１２と連通し、各分流チャネル１９１２は、隣接する湾曲領域１９１２ｂおよび対応するプレート縁１０４７または１０４８によって画定される、略三角形領域内に配置される。各分流チャネル１９１２ｃは、略三角形領域を充填するように構成される、小型分流チャネルを提供するように分岐される。分流チャネルは、他の実施形態では、作業流体流路によって覆われなかったプレート３０２２、４０２２の区域内、例えば、蛇行ミニチャネル１９１２とプレート縁１０４５、１０４６、１０４７、１０４８との間の空間内に置かれることに留意されたい。分流チャネルをこれらの区域内に置くことによって、より大きい熱交換表面積が、作業流体のために提供される。加えて、分流チャネルをこれらの区域内に置くことによって、実質的に、正面全体が、ミニチャネル１９１２によって覆われ、それによって、非作業流体未使用区域のプールが生じることが防止され、損失が、低減される。

凝縮器熱交換プレート４０２２および蒸発器熱交換プレート３０２２の各々は、プレート右縁１０４７内に形成される切り欠き３０６６、４０６６を具備する。切り欠き３０６６、４０６６は、タブ１０７０に隣接する場所において、プレート右縁１０４７において開放し、正面１０４０に面して見ると、略Ｖ−形状である。アレイの製造の間、ポット２０５０は、切り欠き３０６６、４０６６内に受け取られる。切り欠き３０６６、４０６６を提供することによって、熱交換アレイ１０００の製造のポッティングステップの間、ポット２０５０は、各タブ１０７０のより大きい部分を包囲し、エポキシが、プレート１０２２がＶ形状切り欠きを伴わずに形成されるアレイより各タブ１０７０の大きい部分の周囲に置かれることを可能にすることができる。

前述のように、プレート１０２２は、複数のゾーンを含み、各ゾーンは、ミニチャネル１９１２が特定の高さに拡張させられる領域に対応する。蒸発器熱交換プレート３０２２および凝縮器熱交換プレート４０２２の各々は、３つのゾーンを具備する。例えば、図３８および４２−４６を参照すると、蒸発器熱交換プレート３０２２は、タブ１０７０内に配置される、第１のゾーンＺ１（例えば、マニホールド領域、図３８、４２、４５、および４６参照）と、タブ１０７０と底縁１０４６との間の第１の縁１０４７に沿って延びる、第２のゾーンＺ２（例えば、入口通路領域、図３８、４３および４６参照）と、第１および第２のゾーンＺ１、Ｚ２と第２の縁１０４８との間に延びている第３のゾーンＺ３（例えば、活性面積、図３８、４４、および４６参照）とを含む。３つのゾーンのうち、第１のゾーンＺ１内のミニチャネル１９１２は、最大高さを有する。第２のゾーンＺ２内のミニチャネル１９１２は、第１のゾーンＺ２内のミニチャネルより小さく、第３のゾーンＺ３内のミニチャネル１９１２の高さより大きい高さを有する。

凝縮器熱交換プレート４０２２も、３つのゾーンを含む。図４１−４６を参照すると、蒸発器熱交換プレート３０２２のように、凝縮器熱交換プレートは、タブ１０７０内に配置される、第１のゾーンＺ１（例えば、マニホールド領域、図４１、４２、および４５参照）と、タブ１０７０と底縁１０４６との間の第１の縁１０４７に沿って延びる、第２のゾーンＺ２（例えば、入口通路領域、図４１および４３参照）と、第１および第２のゾーンＺ１、Ｚ２と第２の縁１０４８との間に延びている第３のゾーンＺ３（例えば、活性面積、図４１および４４参照）とを含む。３つのゾーンのうち、第１のゾーンＺ１内のミニチャネル１９１２は、最大高さを有する。第２のゾーンＺ２内のミニチャネル１９１２は、第１のゾーンＺ２内のミニチャネルより小さく、第３のゾーンＺ３内のミニチャネル１９１２の高さより大きい高さを有する。

例えば、いくつかの実施形態では、第１のゾーンＺ１内のミニチャネル１９１２の高さは、約５ｍｍであり、第２のゾーンＺ２内のミニチャネル１９１２の高さは、約３ｍｍであり、第３のゾーンＺ３内のミニチャネル１９１２の高さは、約２ｍｍである。アレイ１０００内に配列されると、プレート３０２２、４０２２の第１のゾーンＺ１のミニチャネルは、実質的に、第１のゾーンＺ１内の隣接するプレート間に間隙１０２５が存在しないように、隣接するプレートに当接する。第２のゾーンＺ２内には、約２ｍｍの間隙１０２５が、隣接するプレート間に提供される一方、約４ｍｍの間隙１０２５が、第３のゾーンＺ３内の隣接するプレート間に提供される。ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３の高さおよびゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３の配列は、熱交換器プレートの「活性面積」内における非作業流体の流動を維持するために役立つように構成される。活性面積は、実質的に、熱伝達の大部分が、作業流体と非作業流体との間で生じる、プレートの面積であり、概して、蛇行流動チャネルおよび分流チャネルの場所に対応する。したがって、図４６に見られるように、熱交換器プレートの「活性面積」は、概して、第３のゾーンＺ３内に位置する。第３のゾーンＺ３は、第１および第２のゾーンＺ１、Ｚ２内のものと比較して低い高さを有するミニチャネルから形成され、積層されると、隣接するプレート間に比較的に大きい間隙１０２５をもたらすため、この面積内の流動に抵抗が殆どなく、したがって、非作業流体は、この面積を通って流動する傾向となる。

図４７−４９を参照すると、いくつかの側面では、熱交換プレート１０２２、３０２２、４０２２のアレイ１０００は、アレイ１０００を包囲する、略管状筐体（例えば、「コクーン（ｃｏｃｏｏｎ）」）５０００によって包囲され得る。コクーン５０００は、側壁５００２と、開放した第１の端５００４と、第１の端５００４に対向する開放した第２の端５００６とを含む。開放した第１の端５００４は、コクーン５０００の入口を画定し、非作業流体がアレイ１０００の隣接するプレート１０２２、３０２２、４０２２間の間隙１０２５の中に向かわせられることを可能にする。開放した第２の端５００６は、コクーン５０００の出口を画定し、非作業流体が、プレート正面および後面１０４０、１０４２にわたって通過した後、間隙１０２５から流出することを可能にする。側壁５００２はまた、アレイがコクーン５０００によって包囲されると、マニホールド１０８０が開口部５００８を通して延びるように、マニホールド１０８０を受け取るように構成される、開口部５００８を含む。

コクーン側壁５００２は、第１の側壁部材５０１２および第２の側壁部材５０１４のアセンブリである。各側壁部材５０１２、５０１４は、断面で見ると、Ｌ形状を有し、第１の側壁部材５０１２は、第２の側壁部材５０１４と同じである。特に、第１の側壁部材５０１２は、第１の側５０１２ａと、第１の側５０１２ａの端に配置され、第１の側５０１２ａに垂直に延びている第２の側５０１２ｂとを含む。同様に、第２の側壁部材５０１４は、第１の側５０１４ａと、第１の側５０１４ａの端に配置され、第１の側５０１４ａに垂直に延びている第２の側５０１４ｂとを含む。組み立てられると、第１の側壁部材５０１２は、第２の側壁部材５０１４と協働し、長方形断面を有する管を形成し、側面５０１２ａ、５０１２ｂ、５０１４ａ、５０１４ｂを含む。熱交換プレート１０２２、３０２２、４０２２は、コクーン側壁５００２の対向側面５０１２ａ、５０１４ａの内面上に形成される、溝５０１０内に支持される。溝５０１０は、互に平行であり、整列軸１００５に平行方向に等しく離間される。溝間隔は、プレート１０２２、３０２２、４０２２間の所望の距離に対応する。各溝５０１０は、熱交換器プレートを受け取り、支持するように構成される。第１および第２の側壁部材５０１２、５０１４は、Ｌ−形状であり、かつ同じ
であるため、コクーンの組立は、簡略化され、コクーン５０００の対向側面５０１２ａ、５０１４ａ上の溝５０１０の整列は、保証される。

図４９を参照すると、いくつかの側面では、コクーンは、片側５０１２ａの外面上に配置されるハンドル５０３０を含む。ハンドル５０３０は、側面５０１２ａに選択的に取り付けられること、およびそれから切り離されることができ、特に、熱交換モジュール５２４内への設置の間、アレイ１０００の取扱を促進するために使用される。

コクーン５０００は、いくつかの利点を提供する。例えば、コクーン５０００は、熱交換器プレート１０２２、３０２２、４０２２を支持し、アレイ組立の間および動作時の両方において、それらを平行離間関係に維持するために役立つように構成される。例えば、コクーン５０００は、熱交換器プレートを所望のプレート間隔を有する平行積層配列に保持し、それによって、熱交換アレイ１０００を製造する方法のステップ３００３に関して前述された整列治具および／またはマンドレルは、必要とされず、製造プロセスを簡略化し得る。コクーン５０００は、出荷および熱交換モジュール５２４内における他のアレイとの組立の間、熱交換器プレート１０２２、３０２２、４０２２を外部構造からの損傷から保護する。使用の間、コクーン５０００は、非作業流体をアレイ１０００の中に向けられ、アレイ内および活性面積にわたる非作業流体の流動を維持する。

加えて、熱交換デバイスおよびシステムは、ＯＴＥＣ発電所の蒸発器および凝縮器への適用に関して本明細書に説明されるが、熱交換デバイスおよびシステムは、本願に限定されない。例えば、本明細書に説明される熱交換デバイスおよびシステムは、水蒸気ダンプ凝縮器および他の廃熱変換デバイスならびに核燃料発電所の受動冷却システム等の高効率熱交換を必要とする他の用途にも有用となるであろう。

熱交換器デバイスおよび製造方法の選択された例証的実施形態は、ある程度詳細に前述されている。実施形態を明確化するために必要と考えられる構造のみ、本明細書に説明されていることを理解されたい。システムの他の従来の構造ならびに付随および補助構成要素のものは、公知であると仮定され、当業者によって理解される。さらに、デバイスおよび方法の発明の実施に関わる実施例が前述されたが、デバイスおよび方法は、前述の発明の実施に関わる実施例に限定されず、種々の設計改変が、実施され得る。

Claims (12)

1. 熱交換プレートであって、
   第１の熱交換表面を画定する正面と、
   前記正面と反対の前記プレートの片側の背面であって、前記背面は、第２の熱交換表面を画定する、背面と、
   前記正面および前記背面を縁取る周辺縁であって、周辺縁は、
   第１の縁と、
   前記第１の縁から離間され、前記第１の縁と平行に延びている第２の縁と、
   前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている第３の縁と、
   前記第３の縁から離間され、前記第３の縁と平行に延びている第４の縁であって、前記第４の縁は、前記第１の縁と前記第２の縁との間に延びている、第４の縁と
   を含む、周辺縁と、
   前記正面と前記背面との間に配置されている内部流体通路であって、前記内部流体通路の表面は、第３の熱交換表面を画定する、内部流体通路と
   を備え、
   前記正面は、前記内部流体通路の場所に対応する外向きに突出する領域を備え、前記外向きに突出する領域は、所与の場所において前記内部流体通路の高さによって画定される範囲まで、前記所与の場所において突出し、高さは、前記正面と垂直な方向の寸法を指し、前記外向きに突出する領域は、
   第１の内部流体通路高さに対応する第１のゾーンと、
   第２の内部流体通路高さに対応する第２のゾーンであって、前記第１の内部流体通路高さは、前記第２の内部流体通路高さより大きい、第２のゾーンと、
   第３の内部流体通路高さに対応する第３のゾーンであって、前記第２の内部流体通路高さは、前記第３の内部流体通路高さより大きく、前記第３のゾーンは、前記第１および第２のゾーンと前記第４の縁との間に延びている、第３のゾーンと
   を含む、熱交換プレート。
2. 第３の内部流体通路高さに対応する第３のゾーンをさらに備え、前記第２の内部流体通路高さは、前記第３の内部流体通路高さより大きい、請求項１に記載の熱交換プレート。
3. 前記第３のゾーンは、前記内部流体通路が蛇行経路に沿って延びている区域内に配置されている、請求項２に記載の熱交換プレート。
4. 前記正面および前記背面を縁取る周辺縁と、
   前記内部流体通路と連通している流体入口と、
   前記内部流体通路と連通している流体出口と、
   前記周辺縁から外向きに延びているマニホールド領域と
   をさらに備え、
   前記流体入口および前記流体出口は、前記マニホールド領域内に配置され、
   前記第１のゾーンは、前記マニホールド領域内に配置され、前記第２のゾーンは、前記マニホールド領域の外側に配置されている、請求項１に記載の熱交換プレート。
5. マニホールド領域が、前記第３の縁から外向きに延び、
   前記第１のゾーンは、前記マニホールド領域内に配置され、
   前記第２のゾーンは、前記マニホールド領域と前記第２の縁との間で前記第３の縁に沿って延びている、請求項１に記載の熱交換プレート。
6. 前記内部流体通路と連通している流体入口と、
   前記内部流体通路と連通している流体出口と
   をさらに備え、
   前記流体入口および前記流体出口は、前記第１のゾーン内に配置されている、請求項１に記載の熱交換プレート。
7. 前記第１のゾーン内のミニチャネルの前記第１の内部流体通路高さは、約５ｍｍであり、前記第２のゾーン内のミニチャネルの前記第２の内部流体通路高さは、約３ｍｍである、請求項６に記載の熱交換プレート。
8. 第３の内部流体通路高さに対応する第３のゾーンをさらに備え、前記第３の内部流体通路高さは、約３ｍｍである、請求項７に記載の熱交換プレート。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換プレートを備える熱交換器であって、前記プレートは、プレートの前記第１のゾーンのミニチャネルが、前記第１のゾーンＺ１内の隣接するプレート間に実質的に間隙が存在しないように、前記隣接するプレートに当接するように、アレイ内に配列される、熱交換器。
10. 前記第２のゾーンＺ２内には、約２ｍｍの間隙１０２５が、隣接するプレート間に提供される、請求項９に記載の熱交換器。
11. 前記第３のゾーン内には、約４ｍｍの間隙１０２５が、隣接するプレート間に提供される、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記第１のゾーン、前記第２のゾーン、および前記第３のゾーンの高さ、ならびに、前記第１のゾーン、前記第２のゾーン、および前記第３のゾーンの配列は、蛇行流動チャネルおよび分流チャネルの場所に概して対応する前記熱交換器プレートの活性面積内における非作業流体の流動を維持するために役立つように構成される、請求項１１に記載の熱交換器。