KR20140018102A - 직렬의 초고순도 열교환기 - Google Patents

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Abstract

열교환기는 복수 개의 튜브(20, 170, 210, 320)를 포함하며, 최소한 몇 개의 튜브는 단면이 타원형이거나 계란형이고 그리고 각각의 튜브는 세로축을 포함한다. 각각의 타원형 튜브는 장축(C) 및 단축(D)을 포함한다. 상기 복수 개의 튜브는 상기 열교환기의 중심선(CL)에 타원형 튜브의 장축이 교차되도록 방사상 패턴으로 정렬된다. 상기 복수 개의 튜브는 히터 받침대(12, 202, 312)에 열로 연결된다. 히터(46, 446)는 히터 받침대에 열로 연결된다. 고정요소(48)는 복수 개의 튜브, 히터 및 히터 받침대를 함께 고정한다. 튜브라이너(60, 82, 92, 112, 152)는 상기 복수 개의 튜브의 최소한 하나의 타원형 또는 계란형 튜브의 세로축을 따라 연장된다. 튜브라이너가 사용되는 경우, 퍼지유체 유동채널(purge fluid flow channel)(66, 86, 96, 118)은 상기 튜브라이너의 외부 주변 및 상기 복수 개의 튜브의 최소한 하나의 타원형 또는 계란형 튜브의 내부 주변 사이에 정해진다.

Description

직렬의 초고순도 열교환기{IN-LINE ULTRAPURE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 액체를 가열하기 위한 히터에 관한 것이다. 특히, 부식성 유체(corrosive fluid)를 가열하기 위해 사용되는 직렬의 열교환기에 관한 것이다. 원하는 경우, 가스퍼지(gas purge)가 또한 사용될 수 있다.
본 발명은 금속 열교환기의 표면을 보호하기 위해 히터 어셈블리로부터 침투를 제거하는 퍼지가스를 사용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 방식과 관련된 특허는 “Gas purged flexible cable type immersion heater and method for heating highly corrosive liquids”이라는 명칭의 미국특허 제4,553,024호이다. 다른 유사한 특허로는 “Purged grounded immersion heater”이라는 명칭의 미국특허 제5,875,283호가 있다. 상기 두 특허의 주제는 통째로 본 발명에 참고로 포함된다. 두 특허는 발열체를 둘러싸는 불소중합체 튜브(fluoropolymer tube)로부터 침투를 제거하기 위해 퍼지가스를 이용한다. 제1 발열체는 간단한 저항 와이어 히팅코일이다. 제2 발열체는 추가 안전성을 위해 기준 평면을 제공하는 발열체로 둘러싸인 금속이다.
같은 기능을 여전히 수행할 수 있으면서, 기존 설계에서 사용되는 고가의 불소중합체 물질의 양을 줄인다면 바람직할 것이다. 단위 부피당 면적을 최대화하고 장치의 간단한 어셈블리를 위해 방사상 어레이로 정렬된 열교환기 튜브를 제공한다면 또한 바람직할 것이다. 또한 가열되고 있는 공정유체의 가장 높은 순도를 제공하기 위해 열교환기를 통하는 차단되지 않는 유동경로를 유지할 수 있다면 바람직할 것이다.
본 발명의 하나의 구체예에 따르면, 열교환기는 단면이 타원형(elliptical)이거나 계란형(oval)이고 세로축을 갖는 튜브로 구성된다. 가열하기 위한 공정유체를 수용하기 위해 튜브라이너(tube liner)가 상기 튜브로 세로로 연장된다. 유동채널(flow channel)이 퍼지유체(purge fluid)를 수용하기 위해 상기 튜브 및 상기 라이너 사이에 세로로 연장된다. 히터는 동일한 가열을 위해 상기 튜브의 외부 표면에 열로 연결된다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 몇 개의 튜브는 단면이 타원형이거나 계란형이고 각각의 튜브는 세로축을 포함하는 복수 개의 튜브로 열교환기가 구성된다. 타원형이거나 계란형인 각각의 튜브는 장축 및 단축을 포함한다. 타원형 튜브의 장축이 열교환기의 중심선과 교차하도록 상기 복수 개의 튜브는 방사상 패턴(radial pattern)으로 정렬된다. 상기 복수 개의 튜브 중 최소한 두 개는 하나의 히터 받침대(heater mount)에 열로 연결된다. 하나의 고정요소(securing element)가 상기 복수 개의 튜브, 상기 히터 및 상기 히터 받침대를 함께 고정한다.
직렬의 고효율, 및 고순도 열교환기/히터는 고순도 또는 고부식성 유체용 효율적인 소형 히터/열교환기를 제공하는 많은 독특한 설계 특징을 포함할 수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 열교환기의 하나의 구체예의 분해 사시도이다;
제2도는 제1도의 열교환기의 크게 확대된 부분 사시도이다;
제3도는 제1도의 열교환기의 하나의 튜브의 확대 단면도이다;
제4도는 제1도의 열교환기에 사용되는 열교환기 튜브의 크게 확대된 사시도이다;
제5도는 본 발명에 따르는 열교환기 튜브의 다른 구체예의 단면도이다;
제6도는 본 발명에 따르는 열교환기 튜브의 또 다른 구체예의 단면도이다;
제7도는 본 발명에 따르는 열교환기 튜브의 또 다른 구체예의 단면도이다;
제8도는 본 발명의 다른 구체예에 따라 열교환기의 한쪽 끝의 분해 사시도이다;
제9도는 제1도의 열교환기의 한쪽 끝부분의 확대된 부분 사시도이다;
제10도는 본 발명의 세 번째 구체예에 따라 열교환기의 단면도이다.
제11도는 본 발명의 네 번째 구체예에 따라 열교환기의 사시도이다;
제12도는 열교환기의 추가 구성요소를 보여주는 제11도의 열교환기의 사시도이다;
제13도는 본 발명의 또 다른 구체예에 따라 부분적으로 조립된 상태의 열교환기의 사시도이다;
제14도는 히터 받침대가 더해진 제13도의 열교환기의 사시도이다; 그리고
제15도는 엔드캡(end caps) 및 히터가 더해진 제13도 및 제14도의 조립된 열교환기의 도면이다.
제1도를 참고하면, 본 발명의 하나의 구체예에 따라 열교환기 A는 하나 이상의 히터 받침대(heater mount)(12) 및 지지디스크(support discs) 쌍 또는 엔드플레이트(end plates)(14, 16)를 포함한다. 상기 히터 받침대는 상기 엔드플레이트와 마찬가지로 금속 물질로 이루어질 수 있다. 간격을 둔 복수 개의 열교환 튜브(20)는 엔드플레이트(14, 16) 사이에 연장된다. 예를 들어 용접, 납땜, 또는 연납함으로써 모든 튜브의 양끝은 상기 튜브의 각 끝 주위의 각각의 엔드플레이트에 연결된다.
제3도 및 제4도를 참고하면, 하나의 구체예에서, 큰 반경 측벽(22) 및 작은 반경 측벽(24)을 갖도록 각각의 열교환 튜브는 타원형(elliptical) 또는 계란형(oval)의 모양이 될 수 있다. 물론, 다른 튜브의 구성도 또한 고려되어야 한다. 제3도의 단면도에서 볼 수 있듯이, 일반적으로 상기 히터 튜브(20)의 타원형 단면 구성 때문에, 상기 히터 튜브는 장축(major axis) C 및 단축(minor axis) D를 포함한다. 도시된 구체예에서, 장축 C는 작은 반경 측벽(24)을 향해 배향되고 단축 D는 큰 반경 측벽(22)을 향해 배향된다. 상기 열교환 튜브의 상기 타원형 또는 계란형 구성은 유체 또는 상기 열교환기 튜브(20)를 통과하는 유동유체로/에서부터 효율적인 열전달을 하게 한다.
제1도를 다시 참고하면, 하나의 구체예에서 퍼지 매니폴드(purge manifolds)(26, 28)는 각각에 인접한 엔드플레이트(14, 16)에 제공될 수 있다. 각각의 유체 튜브피복(fluid tube sheath)이, 32에서처럼, 각각의 상기 퍼지 매니폴드의 맨 위에 위치할 수 있다. 각각의 엔드캡(end cap)(36, 38)은 각각의 퍼지 매니폴드의 맨 위에 배치될 수 있다. 그러나, 유체퍼지가 어떤 환경에서는 필요하지 않을 수 있다는 것은 인식되어야 한다. 그 경우에, 퍼지 매니폴드 및 튜브 피복은 필요 없다.
제2도에 따르면, 이 구체예에서, 카트리지 히터(cartridge heater)(46)가 될 수 있는 히터는 금속으로 만들어진 상기 히터 받침대(12)의 반대면 사이에 끼여있다. 하나의 구체예에서, 상기 히터 받침대는 압출 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 물론, 다른 적당한 금속 또한 사용될 수 있다. 같은 맥락에서, 알려진 다양한 히터 타입이 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 전기동력 히터 카트리지 또는 카트리지 히터 어셈블리(46)와 같이, 알려진 긴 발열체(heater element)를 수용하기 위해서 일반적으로 U자형 구멍이 히터 받침대의 두 다리 사이에 제공된다. 이러한 방법으로, 효율적인 열전도 경로는 상기 카트리지 히터 어셈블리(46)와 최소 두 개의 열교환 튜브(20) 사이에 제공된다. 상기 열교환 튜브(20)는 상기 히터 받침대(12)의 각각의 다리 바깥 표면에 밀접하게 접촉해 있고 그리고 상기 히터의 반대면은 상기 히터 받침대의 다리의 반대면 안쪽에 접촉해 있다.
만약 가스 퍼지가 문제의 특정 열교환기에 요구된다면, 제3도 및 제4도의 테플론피복(Teflon sheath)과 같은, 플라스틱 라이너(60) 또는 화학적으로 비활성인 장벽(chemically inert barrier)이 상기 열교환 튜브(20) 내에 위치한다. 제3도에 잘 도시된 바와 같이, 유체 유동경로(fluid flow path)(62)는 상기 플라스틱 라이너 내에 정해지고 그리고 퍼지 유동경로(purge flow path)(66)는 상기 플라스틱 라이너의 작은 반경 끝과 상기 열교환 튜브 사이에 정해진다. 만약 상기 열교환 튜브(20)가 스테인리스 강으로 만들어진다면, 플라스틱 라이너는 가열하기 위한 특정 화학물질 또는 유체를 필요로 하지 않을 수 있다.
제1도를 다시 참고하면, 하나의 구체예에서, 상기 엔드캡(36)은, 가열하기 위한 공정유체의 흡입포트(inlet port)와 같은, 하나의 포트(70)를 포함한다. 하나의 배기포트(outlet port)(보이지 않는)가 반대편 엔드캡(38)에 정해질 것이다.
제1도에서 도시된 바와 같이, 상기 히터 카트리지(46)를 제자리에 고정하는 것은 하나 이상의 텐션밴드(tensioning bands)(48)이다. 상기 텐션밴드는 또한 하나 이상의 히터 받침대를 제자리에 고정시킬 수 있다. 테이퍼드 설계(tapered design)는 카트리지 A를 따라 간격을 둔 간단한 “텐션밴드”(48)와 함께 접합면에(mating surfaces) 균일한 힘이 적용되는 것을 보장한다.
제5도를 참고하면, 본 발명의 제2 구체예는 열교환 튜브 또는 외부 격납 용기(outer containment vessel) 또는 파이프 또는 적당한 금속 물질이나 다른 열전도성 물질의 종류로 만들어진 튜브(80)에 관한 것이다. 화학적으로 비활성인 장벽 또는 플라스틱 라이너(82)는 상기 외부 격납 용기(80) 내에 위치된다. 유체 유동경로(84)는 플라스틱 라이너 내에 정해지고 그리고 퍼지 유동경로(86)는 봉쇄 도관(containment conduit)의 내부 주변 또는 튜브(80)와 상기 플라스틱 라이너(82)의 외부 주변의 사이 도넛형의 갭(toroidal gap) 내에 정해진다.
제6도를 참고하면, 열교환 튜브의 다른 예는 외부 봉쇄 도관 또는 피복(90)을 포함한다. 화학적으로 비활성인 장벽 또는 플라스틱 라이너(92)는 피복(90) 내에 위치한다. 이 구체예에서, 지지브레이드(support braid)(94)는 상기 플라스틱 라이너와 외부 피복 사이에 사용된다. 유체 유동경로(96)는 상기 플라스틱 라이너 내에 정해지고 그리고 퍼지 유동경로(98)는 상기 지지브레이드에 의해 차지되는 도넛형의 영역(toroidal area) 내에서 정해진다. 동심원의 튜브(concentric tubes) 두 개 사이에 위치한 지지브레이드를 갖는 것은 퍼지 매질 유동(purge media flow)이 과도한 내부 압력에 의해 차단되지 않도록 한다.
제7도를 참고하면, 본 발명의 또 다른 구체예는 열교환 튜브에 고정된 외부 지지도관(110) 및 플라스틱 라이너(112)로 구성된 열교환 튜브와 관련이 있다. 이 구체예에서, 복수 개의 그루브(grooves)(114)가 상기 튜브(110)의 내부 주변에 정해진다. 상기 그루브는 가스와 같은 퍼지유체를 상기 튜브(110)를 따라 세로로 흐르게 한다. 이 끝으로, 상기 그루브는 나선형으로 상기 외부 튜브(110) 내부 주변에 연장할 수 있고 또는 일반적으로 세로로 간단히 연장할 수 있다. 특히 외부 튜브(110) 안에 정해진 그루브(114)에서, 유체 유동경로(116)는 상기 플라스틱 라이너(112) 내에 정해질 수 있고, 그리고 퍼지 유동경로(118)는 상기 플라스틱 라이너(112)의 외벽과 상기 튜브(110)의 내부 표면 사이에 정해질 수 있다. 동심원의 튜브 사이에 내부의 그루브를 갖는 금속 튜브가 퍼지 매질 유동이 과도한 내부 압력에 의해 차단되지 않도록 한다.
하나의 구체예에서, 상기 열교환기 튜브는 단위 부피당 면적을 최대화하기 위해 방사상 어레이로 정렬된다; 이러한 설계는 또한 전기 히터로 사용되는 경우 발열체의 설치를 간단하게 한다. 상기 열교환 튜브는 열교환 튜브에 부착된 열전도성 히터 받침대(12)를 포함한다. 상기 히터 받침대는 열교환기 튜브의 특이한 모양 및 부착된 상기 히터 카트리지(46)에 의해 생긴 빈 공간을 채운다. 상기 히터 받침대에 의해 생긴 면적의 모양은 쐐기 모양(wedge)이다. 상기 쐐기 모양은 상기 카트리지 히터가 상기 열교환기의 외주로부터 간단하게 삽입되게 한다. 상기 어셈블리 주변에 위치한 텐션밴드(48)의 사용은, 모든 히터가 제자리에 있을 때, 어레이의 중심을 향하는 힘 및 상기 히터 카트리지 및 상기 열교환기 사이의 양의 부하를 제공한다. 이 구성은 각각의 카트리지의 양쪽에서 열을 제거하고 마찬가지로 상기 교환 튜브의 양쪽에 추가하여 전체 효율을 향상시킨다.
이러한 설계의 하나의 구체예는, 12개의 튜브 어레이이다. 적용 유속 및 전체 필요 동력 요구는 최대 효율을 달성하기 위한 이러한 튜브의 숫자를 야기한다. 3만큼 적거나 또는 48만큼 많은, 분명히 많거나 또는 적은 튜브는 유사한 어레이에 사용될 수 있고 동일한 설계 이점을 제공할 수 있다. 사실, 매우 큰 어레이는 수백 개의 튜브로 설계될 수 있다. 하나의 구체예에서, 히터 교환기는 그들 주위에 지나가는 유체 내부 및 외부 어레이를 가질 수 있다. 내부 및 외부 카트리지 어레이는 내부로부터 로드된 카트리지 내부 배열을 가질 수 있다.
상기 구체예에서, 가열된 유체는 플라스틱(예를 들어, 불소중합체) 튜브(60, 82, 92, 112) 외부보다는 오히려 내부로 흐른다. 이 방법은 전체 튜브 구역의 표면에서 균일한 고속 유동 때문에 더 나은 열전달을 하게 한다. 이 방법은 또한 히터 어셈블리 내에 유체가 고여 있는 구역의 양을 감소시킴으로써 가열된 유체의 청결 유지를 향상시킨다. 화학적으로 비활성인 튜브는 외부에서 적절한 튜브로 지지된다. 상기 플라스틱 튜브는 상대적으로 얇기 때문에, 침투가 발생할 것이다. 히터 어셈블리의 길고 유용한 수명을 위해서, 내부 튜브 및 외부 지지튜브 사이에 가스퍼지 또는 액체퍼지가 흐른다. 상기 퍼지유체는 고리모양의 공간(annular space)으로부터 침투를 제거하고 부식 효과를 감소시킨다.
화학적으로 불활성인 장벽 또는 플라스틱 튜브를 둘러싼 금속 튜브의 모양은 열교환기 어셈블리의 효과적인 작동에 매우 중요하다. 설계 수행에 영향을 주는 모양의 네 가지 특징이 있다. 전체적인 설계에 관해서, 제3도에 보여지는 바와 같이, 제1 특징은 원형 튜브에 비해 단위 부피당 이용 가능한 열교환 구역을 크게 향상시키는 것이다. 이것은 케이스 내에서 사용되는 플라스틱 튜브에 대한 상대적으로 낮은 열전달률 때문에 중요하다. 제2 특징은 플라스틱 내부 튜브 및 지지케이스 가장 자리 사이에 밀접하게 접촉을 보장하는 것이다. 아치 모양의 더 큰 표면은 상기 플라스틱 튜브가 변화하는 온도에 팽창 및 수축함으로써 접촉력(contact force)을 유지한다. 열팽창속도의 차이는 이러한 유용한 특징을 만든다. 제3 특징은 “성능 지수(figure of merit)”로 나타낼 수 있다. 이것은 상기 열 전달률 및 튜브를 통하는 압력 강하 사이의 비율이다. 변경된 계란형 또는 타원형 모양은 상대적으로 낮은 압력 강하를 유지하면서 열전달을 최대화한다. 마지막으로 제4 특징은, 모양이 퍼지 매개를 플라스틱 및 금속 튜브 사이에 흐르게 한다는 것이다. 상기 퍼지 매개는 가스 또는 액체일 수 있다. 타원형의 작은 반경은 열교환기 튜브에 고정된 얇은 벽을 가진 플라스틱 튜브에 기계적 지지물을 제공하면서 퍼지 매개에 경로를 제공한다.
하나의 구체예에서, 제3도에 도시된 바와 같이, 금속 튜브 내에 플라스틱 튜브는 타원형의 모양을 갖는다. 상기 금속 튜브의 타원형의 모양은 퍼지 매개가 흐를 수 있게 작은 반경에 충분히 빈 공간을 남기면서 상기 플라스틱 튜브의 전적인 지지를 제공한다. 변경된 타원의 긴 반경 및 짧은 반경은 “성능 지수”를 최대한 좋게 만들기 위해 변화될 수 있을 뿐만 아니라 플라스틱 라이너의 변화하는 벽 두께를 수용할 수 있다. 짧은 반경은 퍼지유체에 공간을 제공하면서 라이너의 충분한 지지를 보장하기 위해 벽 두께에 비례한다.
제8도를 참고하면, 본 발명의 다른 구체예는 제8도에 도시되어있다. 이 구체예에서, 하나의 엔드캡(130)이 하나의 흡입포트(132) 및 하나의 배기포트(134)를 제공받는다. 열교환 튜브 피복(140)이 상기 엔드캡에 인접하여 위치한다. 유체흐름이 변경 가능하도록 형성된 유동분할기(flow divider)(144)가 상기 튜브 피복(140) 위에 장착된다. 엔드캡(130)은 교환기의 끝을 매니폴드(manifold) 하는데 사용된다. 상기 매니폴드의 마지막 어셈블리 전의 상기 캡의 내부에 단순히 칸막이(baffles)를 추가함으로써 열교환기를 지나는 유체의 흐름을 변화시키는 방법으로 설계된다. 이것은 열교환기가 특정한 적용에 근거한 최대 효율에서 작동하게 한다. 상기 열교환기는 다중의 병렬의 경로로 구성된다. 하나의 구체예에서, 12개의 튜브는 방사상 어레이에 제공된다. 높은 유동 재순환 적용으로 사용하기 위해, 12개 튜브 모두는 압력 강하를 최소화하도록 병렬로 흐른다. 낮은 유동 단일패스 적용의 경우, 상기 12개의 튜브는 각각의 튜브를 지나는 충분한 유체속도를 보장하고 그러므로 좋은 열전달을 유지하기 위해 시리즈에서 작동될 수 있다. 유동은 특정한 적용에 맞게 “조정된(tuned)” 2개, 3개, 4개, 또는 6개의 병렬의 경로로 유사하게 나뉘어질 수 있다.
제8도의 도면은 동일한 끝 위의 흡입 및 배기포트와 함께 6개의 병렬의 열교환 튜브를 도시한다. 제8도에서 도시된 구체예에서, 다른 엔드캡은 어떤 흡입 또는 배기포트를 갖지 않을 것이고, 그러나, 오히려 유사한 유동분할기를 가질 것이다. 그리고 유동유체는 열교환기를 두 차례 지날 것이다. 첫 번째는 흡입포트(132)에서 떠나고 두 번째는 배기포트(134)를 향할 것이다.
제9도에서 도시된 구체예에서, 하나의 엔드플레이트(150)는 유사한 모양의 금속 튜브(보이지 않는다) 내로 연장된 간격을 둔 복수 개의 플라스틱 튜브(152)를 제공받는다. 각각의 플라스틱 튜브는 (154)에서처럼 마무리되고 상기 엔드플레이트(150) 맨 위에 위치한 플라스틱 튜브 피복(156)과 결합된다. 원하는 경우, 하나의 플라스틱 지지부속품(158)은 이 지점에 위치할 수 있다.
얇은 벽으로 둘러싸인 불소중합체 튜브를 같은 재료의 상대적으로 두꺼운 단면에 용접하는 것은 도전이다. 두꺼운 섹션이 두 개의 부분을 녹이기에 충분히 뜨겁기 훨씬 이전에 상기 불소중합체의 좋지 못한 열전달은 얇은 섹션을 “과열(overheat)”하는 경향이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 튜브의 얇은 단면은 용접을 위해 튜브 피복에 삽입되고, 그리고 추가의 두꺼운 벽으로 둘러싸인 튜브 섹션인 상기 부속품(158)은 효과적으로 튜브 피복의 유사한 단면을 만드는 얇은 벽으로 둘러싸인 튜브에 삽입된다. 이 포인트에서 타원형 튜브의 모양은 원형 튜브의 모양과 비슷하게 만들어지고, 그러므로 유동경로에 대한 유사한 단면 면적을 유지한다. 용접의 포인트에서 면적의 증가는 그렇지 않으면 오리피스 같은(orifice-like) 흐름의 제한을 형성하는 것을 예방한다.
제10도를 참고하면, 열교환기의 다른 구체예는 제10도에 도시되어 있다. 이 구체예에서, 열교환기의 열은 액체가 아닌 복수 개의 전기 동력 히터 카트리지에 의해 제공된다. 그러므로, 간격을 둔 관계로 정렬되고 반대되는 엔드플레이트(174, 176) 쌍과 연결되는 복수 개의 튜브 또는 도관(170)이 이 구체예에서 제공된다. 각각의 엔드캡(180, 182)은 상기 엔드플레이트를 둘러싼다. (184)에서와 같은, 공정유체를 가열하기 위한 흡입포트는, (180)에서와 같은, 하나의 엔드캡에 제공될 것이고, (186)에서와 같은, 하나의 배기포트는 다른 엔드캡(182)에 제공될 것이다. 이러한 방법으로, 공정유체는 열교환기의 세로축을 따라 여러 개의 도관 및 튜브(170) 중 하나를 통해 흐른다. 이러한 가열은 복수 개의 도관(170)을 둘러싸는 셸(shell)(190)을 통해 발생한다. 이 구체예에서, 상기 셸은 용접과 같은 방법으로 연결되거나 또는 엔드플레이트 쌍(174, 176)에 연결된다. 지지물(192)이 상기 셸(190) 및 여러 개의 튜브(170) 사이에 연장되는 것은 명백하다. 상기 지지물 또는 분할기 또는 칸막이(192)는 또한 상기 셸(190) 및 여러 개의 도관 또는 튜브(170)의 사이에 흐르도록 지시하는 유동 디렉터(flow director)의 기능을 한다. 원하는 경우, 하나 이상의 지지부재는 최소한 하나의 복수 개의 도관(170) 및 셸(190)에 연결되거나, 그 사이에 연장할 수 있다. 하나의 흡입포트(194)는 상기 셸의 하나의 끝 위에 제공되고, 하나의 배기포트(196)는 상기 셸의 다른 하나의 끝 위에 제공된다. 이러한 방법으로, 상기 튜브(170)를 통해 흐르는 공정유체를 가열하기 위해 가열 유체는 상기 셸에 도입된다. 이 구체예에서, 발생하는 가스퍼지가 없다는 것은 인식되어야 한다. 그러므로, 가스퍼지 시스템의 복잡성은 제거된다.
제11도 및 제12도를 참고하면, 금속 튜브 및 금속 튜브 내에 고정된 플라스틱 라이너 사이에 가스퍼지가 사용된다는 내용의 설계가 제11도 및 제12도에 도시되었다. 이 구체예는 히터 받침대(202)뿐만 아니라 복수 개의 열교환 튜브(210)로 구성되는 하우징(housing)(200)을 포함한다. 상기 하우징은 엔드플레이트(204)를 또한 포함한다. 여러 개의 열교환 튜브(210)가 상기 엔드플레이트(240)뿐만 아니라 보이지 않은 반대편 엔드플레이트에 용접되는 것은 인식되어야 한다. 엔드캡(218)은 퍼지 매니폴드(216) 위에 가로로 놓인다. 포트(220)는 상기 엔드캡 내에 정해진다. 상기 퍼지 매니폴드는 퍼지포트(226)를 포함한다. 이제 제 11도를 또한 참고로 하여, 퍼지 시스템은 퍼지 시스템의 흡입 아니면 배기의 역할을 하는 외부 퍼지유체 포트(outer purge fluid port)(226)를 포함할 뿐만 아니라 내부 퍼지유체 분배포트(inner purge fluid distribution port)(228)뿐만 아니라 복수 개의 퍼지 분배그루브(purge distribution grooves)(232)를 포함한다.
하나의 구체예에서, 열교환기가 튜브 피복에 용접되는 타원형의 튜브에 먼저 조립된다. 모든 튜브의 양끝은, 각각의 튜브 끝 주변에서 각각의 엔드플레이트 또는 튜브 피복에 완전히 용접된다. 이것이 완료되고, 튜브가 압력 시험을 받은 후에, 상하단 모두, 퍼지 포트 및 분배그루브를 포함하는 퍼지 매니폴드는 정렬되고 엔드플레이트에 용접된다. 이 어셈블리는 그런 다음 다시 압력 시험을 받는다. 만약 열교환기가 전기 동력 히터와 함께 사용된다면, 히터 받침대는 각각의 튜브에 부착될 것이다. 이 포인트에서, 가스퍼지 시스템이 특정 설치에 필요한 경우, 플라스틱 튜브라이너가 각각의 튜브에 삽입될 것이다. 오링(O-ring)은(도시되지 않았다) 퍼지 매니폴드 면에 위치할 것이고, 그리고 플라스틱 튜브 피복을 통해 연장되는 플라스틱 튜브라이너와 함께 추가의 플라스틱 피복은 퍼지 매니폴드의 맨 위에 위치 하게 된다. 각각의 튜브라이너는 그런 다음 튜브 피복에 용접되고 압력 시험을 받는다. 모든 플라스틱 튜브 용접 완료와 함께, 유체 매니폴드는 그런 다음 각각의 끝의 튜브 피복에 용접된다. 가열하기 위한 공정유체는 그런 다음 유체 매니폴드로 흐르고 그리고 단면이 타원형이 될 수 있는 각각의 플라스틱 라인 튜브에 분배 된다. 튜브를 통하는 유동 패턴은 적절한 유동분할기를 용접 이전에 유체 매니폴드에 삽입함으로써 변경될 수 있다. 제11도에서 도시된 구체예처럼, 가스 또는 액체가 될 수 있다고 언급된 퍼지유체는 수직 구멍을 통해 퍼지 포트로 들어갈 것이고 퍼지 매니폴드에 그루브를 통해서 각각의 튜브에 분배될 것이다. 퍼지가스는 그런 다음 튜브 벽 및 플라스틱 라이너의 벽 바깥쪽 사이에 흐를 것이다. 퍼지 유동은 모든 병렬의 지지튜브를 통해 히터의 한쪽 끝에서 다른 끝으로 흐를 것이라고 예상된다.
공정유체의 모든 가열은 전도를 통해 완료된다는 것은 명백하다. 특히, 히터 카트리지(46)는 차례로 열을 금속 열교환기 튜브(20)의 외부 표면으로 전도하는 히터 받침대(12)로 열을 전도한다. 상기 열교환기 튜브는, 차례로, 열을 플라스틱 라이너(60)로 전도한다. 상기 플라스틱 라이너는, 차례로, 열을 라이너 내로 흐르는 공정유체에 전도한다. 이러한 이유로, 여러 개의 부품이 상기 히터 어셈블리에서 서로 단단히 접촉하는 것은 중요하다.
부식성의 또는 민감한 유체의 가열 또는 냉각을 위한 초고순도, 고효율, 구성 가능한, 직렬의 열교환기는 함께 정렬되고 장착되는 열교환 튜브 세트를 포함한다. 열교환기의 열은 일반적인 전기 충전 저항 타입 발열체(electrically energized resistive type heating element), 발열체 기반 PCT(PTC based heating element), 펠티어 히터/냉각 장치(a Peltier heater/chiller device), 또는 외부에서 가열/냉각된 유체(externally heated/cooled fluid)를 포함하는 많은 소스로부터 제공된다. 열교환기는 폭 넓은 범위의 유체 및 적용을 효과적으로 수용하기 위해 구성될 수 있다.
하나의 구체예에서, 복수 개의 열교환기 튜브는 히터 카트리지의 양 측면으로부터 균일하게 열을 제거하고 그리고 열교환 튜브의 양 측면에 열을 전달하는 효율적인 수단을 동시에 제공하면서, 주어진 부피 내에서 열교환 표면을 최대화하기 위해 방사상 패턴으로 정렬된다. 열교환기의 벽은 최적의 열전달 및 화학적 융화성(chemical compatibility)을 제공하기 위해 다양한 물질로 구성될 수 있다. 초고순도 가열 또는 냉각을 제공하는 유체는 불소중합체(예를 들어, 테플론), 플라스틱, 유리 또는 세라믹 코팅과 같은 화학적으로 비활성인 적절한 장벽으로 안을 댄 열교환 튜브를 이용할 수 있다. 열교환 튜브의 모양은 압력 강하에 대한 열전달의 비율 또는 “성능 지수”를 최대화하기 위해 설계될 수 있다. 상기 모양은 열교환기의 온도 및 압력 단계의 폭 넓은 사용을 통해 불소중합체 라이너 및 열교환 튜브 사이에 최적의 접촉을 하게 한다. 게다가, 상기 모양은 화학적으로 비활성인 장벽/불소중합체 라이너의 벽을 통해 전달 할 수 있는 침투를 제거하기 위해 열교환기 벽 및 불소중합체 라이너 사이에 유체퍼지가 도입된다.
제13도를 참고하면, 본 발명의 또 다른 예에 따르는 열교환기 B는 제13도에 도시되어 있다. 이 구체예에서, 열교환기는 제1 및 제2 지지디스크 또는 엔드플레이트(314, 316)의 각각의 끝에 장착된 복수 개의 열교환기 튜브(320)로 구성된 바디를 포함한다. 상기 튜브(320)는 상기 지지디스크에 용접될 수 있거나 또는 적절하게 연결될 수 있다. 열교환 튜브의 끝이 지지디스크(314, 316)를 통해 열리는 것은 분명한 일이다. 열교환 튜브는 일반적으로 단면이 타원형이고, 그래서 장축 및 단축을 갖는다. 여러 개의 열교환 튜브(320)의 장축은 열교환기 바디의 중앙 세로 축(327)(제15도)을 향해 가리키고 중앙 세로 축(327)에서부터 퍼져 나오게 배향된다. 이러한 배열은 열 교환 튜브의 효율적인 간격이 열교환 튜브의 방사상 어레이로부터 성취될 수 있다는 장점이 있다. 제13도에 도시된 상기 방사상 어레이 구성은 알려진 열교환기 튜브 설계보다 열전달 측면에서 더 효율적이라고 생각된다. 상기 열교환 튜브(320)는 스테인리스 강 또는 티타늄과 같은 적절한 금속으로 만들어질 수 있다. 물론, 열교환기 튜브(320)를 통해 흐르고 가열 아니면 냉각을 위해 사용되는 공정유체의 화학적 성질에 따라 다른 금속 또한 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 상기 유체는 가열을 위해 사용된다.
제14도를 참고하면, 제14도는 히터 받침대(312)가 열교환기 튜브(320)의 각각의 쌍 사이에 배치된 것을 도시한다. 이 구체예의 히터 받침대는 일반적으로 U자형이고 그래서 히터 받침대는 인접하는 히터 튜브(320)의 쌍의 외부 표면에 접촉한다. 각각의 히터 받침대는 발열체(446)(제15도)를 수용하기 위해 일반적으로 U자형의 중앙 채널을 포함한다. 그러므로, 복수 개의 히터 받침대 및 히터는 제13도 내지 제15도에 도시된 열교환기 설계에 사용될 수 있다. 이러한 배열은 오작동하는 어떤 히터(446)가 다른 히터로 쉽게 교체될 수 있다는 하나의 장점이 있다. 유사하게, 히터 받침대 중 하나가 교체될 필요가 있는 경우, 이것은 또한 쉽게 교체될 수 있다. 제1도에서 도시된 고정요소 또는 텐션밴드와 같이, 히터 받침대를 고정하기 위한 고정요소 및 열교환기에 있는 히터가 제15도에서 누락되었다는 것이 인식되어야 한다.
제15도를 참고하면, 제1 엔드캡(336) 및 제2 엔드캡(228)이 각각의 히터 지지디스크(314 및 316)에 위치된다. 도시된 설계에서, 흡입포트(370)는 제1 엔드캡(336)에 위치되고, 그리고 배기포트(372)는 제2 엔드캡(338)에 위치된다.
이 구체예에서, 유체퍼지가 제공되지 않는다. 오히려, 공정유체는 흡입포트(370)를 통해 들어와 열교환 튜브(320)를 통해 흐르고 제2 엔드캡(338) 쪽으로 향해 배기포트(372)를 통해 나간다. 공정유체는 여러 개의 열교환 튜브를 통해 흐르면서 발열체(446)에 의해 가열된다. 이러한 목적을 위해, 상기 발열체는 전도를 통해 히터 받침대 또는 열싱크(heat sinks)(312)로 열을 전달하고, 상기 발열체는 차례로 열교환 튜브(320)에 열을 전도한다. 열교환 튜브(320)의 타원형 구성 때문에, 열교환 튜브의 주면은 인접한 히터 받침대 또는 열싱크(312)의 쌍의 각각의 다리에 밀접하게 접촉해 있고, 그러므로 발열체(446)에서부터 공정유체까지 열교환 튜브(320)를 통해 흐르는 효율적인 열전달 경로를 생성한다.
복수 개의 분리된 히터 받침대(312)가 도시되어 있지만, 히터 받침대 구조 또는 열싱크 설계의 다른 구체예가 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 열싱크 반쪽의 쌍은 열교환기 B의 절반의 튜브를 각각 수용하기 위해 열교환기의 각각의 측면에 장착될 수 있다. 대신에, 히터 받침대는 제1 및 제2 지지디스크를 내장할 수 있고 그리고 열교환기 튜브 제1 작업에서 만들어진다. 그 다음에 제2 작업에서 히터 받침대의 플랜지(flanges) 사이에 지지디스크를 장착한다. 발열체는 또한 히터 받침대 구조에 고정되도록 설계될 수 있다. 이러한 설계에서, 제1도에서 도시된 텐션밴드는 어쩌면 필요 없다.
본 발명은 여러 가지 구체예를 참고하여 설명되었다. 물론, 수정 및 개조는 앞의 상세한 설명을 읽고 이해함에 따라 다른 사람에게 떠오를 것이다. 첨부된 특허 청구 범위 또는 그와 동등한 범위 내에 드는 한 본 발명은 이러한 모든 수정 및 개조를 포함하도록 구성된다.

Claims (8)

  1. 단면이 타원형이거나 계란형인, 세로축을 갖는 튜브;
    가열하기 위한 공정유체(process fluid)를 수용하기 위해 상기 튜브에 세로로 연장된 튜브라이너(tube liner);
    퍼지유체(purge fluid)를 수용하기 위해 상기 튜브와 상기 튜브라이너 사이에 세로로 연장된 유동채널(flow channel); 및
    동일한 가열을 위해 상기 튜브의 외부 표면과 열로 접촉하는 히터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 금속 물질을 포함하고, 상기 튜브라이너는 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 최소한 몇 개의 튜브는 단면이 타원형이거나 또는 계란형이고, 각각의 튜브는 세로축을 포함하며, 그리고 각각의 타원형 튜브는 장축 및 단축을 포함하고, 타원형 튜브의 장축은 열교환기의 중심선과 교차되도록 방사상 패턴(radial pattern)으로 정렬된 복수 개의 튜브;
    상기 복수 개의 튜브 중 최소한 두 개가 열로 연결된 히터 받침대(heater mount);
    상기 히터 받침대와 열로 연결된 히터; 및
    상기 복수 개의 튜브, 상기 히터 및 상기 히터 받침대를 함께 고정하기 위한 고정요소;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수 개의 튜브의 각각의 끝에 인접하여 위치한 엔드플레이트(end plate) 또는 지지디스크(support disc)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 엔드플레이트 또는 지지디스크에 장착된 유동분할기(flow divider) 및 유동분할기 위에 장착된 엔드캡(end cap)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유동분할기는 유체흐름이 변경 가능하도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 최소한 몇 개의 튜브는 단면이 타원형이거나 또는 계란형이고, 각각의 튜브는 세로축을 포함하며, 그리고 각각의 타원형 튜브는 장축 및 단축을 포함하고, 타원형 튜브의 장축은 열교환기의 중심선과 교차되도록 방사상 패턴(radial pattern)으로 정렬된 복수 개의 튜브;
    상기 복수 개의 튜브 중에 최소한 두 개가 열로 연결된 길쭉한 히터 받침대;
    상기 히터 받침대와 열로 연결되고 상기 히터 받침대의 채널에 수용되는 히터 카트리지(heater cartridge); 및
    상기 복수 개의 튜브, 상기 히터 카트리지 및 상기 히터 받침대를 함께 고정하기 위한 하나의 고정요소;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수 개의 튜브의 각각의 말단에 인접하게 위치한 엔드플레이트 또는 지지디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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