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技術 プレート熱交換器、製造方法、及び使用

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課題

解決手段

本発明は、好適には焼結セラミック材料から作られ、それぞれのプレート表面領域にわたって略蛇行した外形流体流が得られるように流路系としての流体流ガイド流路(2)が内部に形成され、当該ガイド流路(2)の側壁(3)は流体流の乱流を導く複数開口部を有する、複数のプレート(1)から成るプレート熱交換器に関する。本発明は、特に、プレートを接合して継ぎ目のない一体型ブロックを形成する拡散溶接プロセスによるプレート熱交換器の製造方法にも関する。本発明に係るプレート熱交換器は、特に高温時及び/又は腐食性媒体を伴うアプリケーション並び反応容器としても適切である。

背景

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熱交換器は、2つの媒体の間を独自に流れ熱移動を特に効果的にすることを目的としており、換言すれば熱交換領域を可能な限り最小にしながらも最大の熱を移動可能にすることを目的とする。同時に、これは、輸送用ポンプ動作に要する消費エネルギーを可能な限り最小にするため、物質の流れに対してごくわずかな抵抗しかもたらさないようになっている。極めて高い活性又は腐食性の媒体が、更に場合によっては200℃を超える高温で熱交換器を通過する場合、媒体と接触する熱交換器内の全ての物質は、腐食に対する適当な耐性をもたなければならない。これは熱交換領域だけでなく全ての密封ブッシングを含む。更に、熱交換器の構造は、必用であれば、例えばメンテナンス作業のために熱交換器を完全に空にすることが容易に可能であるように作られなければならない。

プレート熱交換器は熱交換器の特別な形態である。これは特定のコンパクトデザインにより区別される。プレート熱交換器のプレートは一般的に熱交換領域の範囲に、しばしば櫛歯(herringbone)パターン又は山形(chevron)パターンとも呼ばれるエンボス加工又は溝のある構造を有する。エンボス加工は2つの隣接するプレート間ギャップを流れて熱移動を伝導する媒体に強い乱流をもたらす。同時に、このような構造は、比較的に媒体に対してはほとんど流動抵抗を与えない。これにより可能な限り最小の圧力ロスで非常に効果的な熱移動を維持している。

通常、プレートは端部で互いにゆるく止められ、密閉材により分離されている。プラスチック封入材は、金属材料から作られるプレートを有する熱交換器の場合に300℃以下の温度でのみ用いられ、より高い動作温度又は圧力に対してはプレートは端部で互いにろう付け又は溶接される。

2つのそれぞれ隣接するプレート間のギャップは密封チャンバを形成する。プレートのエンボス加工に沿った、このチャンバの体積は、圧力ロス及び熱交換効率の決定における重要な要因である。大きなチャンバ体積であればこの両者に貢献するので好適である。しかしながら、これは動作の危険性という犠牲もある。チャンバ内支持セグメントを用いないと、隣接チャンバ間の大きな圧力差が不慮に蓄積し、金属プレートの強い変形、又はもろい材料の場合には容易にプレートの破断を生じる場合がある。この形態の熱交換プレートは金属材料、特に耐腐食鋼チタン、又はタンタルから作られる。グラファイト市販品に用いられる。

焼結SiCセラミックSSiC)は一般的に耐腐食性であるが、もろい材料であり、シリコン浸潤シリコンカーバイド(SiSiC)とは対照的に金属シリコンは含まない。SSiCは、その非常に高い熱伝導性のために熱交換器の熱交換領域用材料として理想的に適している。また、SSiCは1000℃をはるかに超える高温までも使用可能である。SiSiCに対して、SSiCは熱水又は強塩基性媒体中でも腐食に対して耐性である。

基本的には熱交換器に良好に適しているものの、焼結SiCセラミック(SSiC)はまだプレート熱交換器に用いられて市販されておらず、あるとしても多管式(shell−and−tube)熱交換器である。この理由は、適切な熱交換性能及び必用な低圧力損失を有する機器のための、セラミックに適しSSiCからプレート熱交換器構成要素製造可能にする、利用可能なデザイン及び利用可能な製造方法が現在までになかったことにある。

(従来技術) 独国特許発明第28 41 571号C2明細書は、L型媒体伝導体を有するセラミック材料の熱交換器を記載し、Si浸潤SiCセラミック(SiSiC)又は窒化シリコンが材料として好適に用いられる。これらの材料は、一般的には腐食に対して耐性のない点において不利である。熱水又は強塩基性媒体中においては、SiSiCへの浸透及び密封のための結合相として用いられる金属シリコンは溶出する漏れが流出し強度が失われる結果となる。窒化シリコンの場合は結晶境界が比較的早く攻撃されやすく、その表面は徐々に破砕される。

独国特許発明第28 41 571号C2明細書に提案された構造設計は多数の異なるデザインの構成要素で熱交換器が作り上げられ、結果として複雑さを伴わずに拡張可能モジュール型構造を有していない点で不利である。更に、この種の構造には多数の接合部が必用となる。使用材料に対する焼結プロセスは無圧であるため、熱交換ブロック内に漏れが発生する危険が増す。更に、流路設計の選択によっては大きな圧力損失が生じ、熱交換器は低い熱移動性能を有するにすぎない。

代替の材料として、独国特許発明第197 17 931号C1明細書は、200から1600℃の高温及び/又はショック性媒体と共に用いるためのファイバー強化セラミック(C/SiC又はSiC/SiC)を開示している。これらの材料の製造はSSiCよりもはるかに複雑でコスト集中的(cost−intensive)である。また、セラミックファイバ複合材料であるC/SiC及びSiC/SiCは一般的に全体が多孔質であり、密封シーリングが不可能である。これらの不利な点は、複雑でより高価な表面浸透法追加によっても克服できない。

欧州特許出願公開第1 544 565号A2明細書の変形例として、特に高温プレート熱交換器のプレートのためのファイバー強化セラミック又はSiCの使用が記載されている。これに記載のプレートの流路構造フィン又はリブを有し、特に高熱ガス流通用、とりわけガスタービン用設計されている。この構造設計を液体媒体に用いる時には効率が良好ではなく、圧力損失が大きすぎると考えられる。このプレート熱交換器は溶液射出手段によっても製造され、ろう付け手段によって接合される。しかしながら、腐食性媒体使用時にろう付けされた結合部は常に弱点であり、このような熱交換器は、例えばアルカリ溶液等の高腐食性媒体を伴う使用には適切でない。

欧州特許第0 074 471号B1明細書は、溶液射出及びラミネート化手段によるセラミックプレート熱交換器のための製造方法を記載している。ラミネート化プロセスは、SiSiCを材料として製造中に液体シリコン化させる特定のデザインである。この特許明細書の図2は、流通流路内に均一な温度分布をもたらすことを目的として流通方向と直角に迂回路を設けたガス加熱熱交換器の実施形態を示している。しかしながら、この熱交換器の場合の熱移動性能及び圧力損失はまだ十分ではない。

概要

プレート熱交換器、製造方法及び使用本発明は、好適には焼結セラミック材料から作られ、それぞれのプレート表面領域にわたって略蛇行した外形流体流が得られるように流路系としての流体流ガイド流路(2)が内部に形成され、当該ガイド流路(2)の側壁(3)は流体流の乱流を導く複数開口部を有する、複数のプレート(1)から成るプレート熱交換器に関する。本発明は、特に、プレートを接合して継ぎ目のない一体型ブロックを形成する拡散溶接プロセスによるプレート熱交換器の製造方法にも関する。本発明に係るプレート熱交換器は、特に高温時及び/又は腐食性媒体を伴うアプリケーション並び反応容器としても適切である。

目的

そのため、本発明は、熱移動性能を改善し、圧力損失を低下し、必用であれば高温及び/又は腐食性媒体と共に用いるためにも適切な、プレート熱交換器提供することを目的とする。更に、このような熱交換器を製造するための方法を提供する。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項

請求項1

それぞれのプレート表面領域にわたって略蛇行した形状が得られるように流路系としての流体流ガイド流路(2)が内部に形成された複数のプレート(1)から成り、前記流体流ガイド流路(2)の側壁(3)は前記流体流乱流を導く複数の開口部(4)を有する、プレート熱交換器

請求項2

前記プレート(1)はセラミック材料好適には焼結シリコンカーバイドSSiC)、ファイバ強化シリコンカーバイド、窒化シリコン又はこれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のプレート熱交換器。

請求項3

前記焼結セラミック材料バイモーダル粒径分布を有する焼結シリコンカーバイドから選択され、選択に応じて、最大で35体積%までのグラファイトボロンカーバイド又は他のセラミック粒子等の更なる物質構成要素含有してもよい、請求項2に記載のプレート熱交換器。

請求項4

前記焼結シリコンカーバイドは、長さ100から1500μmのプリズム状小板状SiC微結晶を50から90体積%、及び長さ5から100μm未満のプリズム状、小板状SiC微結晶を10から50体積%で含むバイモーダルな粒径分布を有する、請求項3に記載のプレート熱交換器。

請求項5

前記プレート内の前記ガイド流路(2)は、第1の流体のための第1の供給開口部(5)及び第1の排出開口部(6)に接続される、請求項1から3までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項6

前記プレートには、隣接するプレートに第2の流体を供給するための第2の供給開口部(7)及び第2の排出開口部(8)が設けられる、請求項5に記載のプレート熱交換器。

請求項7

第1のプレート形式のプレートは第1の流体のための流路系を含み、隣接する第2のプレート形式のプレートは第2の流体のための流路系を含む、請求項1から6までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項8

前記第1のプレート形式のプレート及び前記第2のプレート形式のプレートは任意所望順序で互いに積み重ねられる、請求項7に記載のプレート熱交換器。

請求項9

前記流路系は鏡像対称性を有する、請求項1から8までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項10

異なる流体の間に熱移動が発生するために少なくとも2つの分離した流路系が1つのプレート内に設けられる、請求項1から9までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項11

前記異なる流体は分離した流路系における対向輸送に導かれる、請求項10に記載のプレート熱交換器。

請求項12

前記プレート(1)は0.2から20mmの範囲の、好適には約3mmの基部厚さを有する、請求項1から11までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項13

前記ガイド流路(2)の前記側壁(3)は0.2から30mmの、好適には0.2から10mmの、より好適には0.2から5mmの範囲の高さを有する、請求項1から12までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項14

前記ガイド流路(2)の前記側壁(3)の前記開口部(4)は0.2から20mmの、好適には2から5mmの範囲の幅を有する、請求項1から13までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項15

前記プレート(1)は積み重ねられ、周辺密封手段により互いに接続される、請求項1から14までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項16

前記プレート(1)は積み重ねられ、統合的に接合されて継ぎ目のない一体のブロックを形成する、請求項1から14までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項17

それぞれの場合において前記プレートの少なくとも2つは積み重ねられ、統合的に接合されて継ぎ目のない一体のブロックを形成し、少なくとも2つの当該一体のブロックは周辺密封手段により互いに接続される、請求項1から16までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項18

前記プレート熱交換器の上面及び/又は底面に、流体の前記供給及び放出のためにセラミック又は金属フランジ系も含む、請求項1から17までの何れか1項に記載のプレート熱交換器。

請求項19

前記個々のプレート又は一体のブロックは積み重ねられ、それぞれ周辺密封手段により互いに接続される、請求項1から15及び17までの何れか1項に記載のプレート熱交換器の製造方法

請求項20

低くとも1600℃の温度での不活性ガス雰囲気存在又は真空中において、負荷印加を伴いうる拡散溶接プロセス中に、前記個々のプレートは積み重ねられ、接合されて継ぎ目のない一体のブロックを形成する、請求項1から14及び16の何れか1項に記載のプレート熱交換器の製造方法。

請求項21

高温熱交換器としての及び/又は腐食性媒体を伴う使用のための、請求項1から18までの何れか1項に記載のプレート熱交換器の使用。

請求項22

少なくとも2つの分離した流体回路を有する反応容器としての、請求項1から18までの何れか1項に記載のプレート熱交換器の使用。

請求項23

1以上の反応容器プレート(9)が前記プレート(1)間に追加して設けられ、前記反応容器プレート(9)は前記プレート(1)とは異なる流路系を有する、請求項1から18までの何れか1項に記載のプレート熱交換器の反応容器としての使用。

請求項24

請求項23に記載の、平行して配置される流体流ガイド流路を含み、側壁には開口のない反応容器プレート(9)の使用。

請求項25

請求項23に記載の、反応容器プレート(9)に形成され、少なくとも2つの最初は分離した流体流を混合しうる、流路系の使用。

請求項26

請求項23から25までの何れか1項に記載の、触媒コーティングされた反応容器プレート(9)の使用。

詳細

技術分野

0001

本発明は、好適には焼結セラミック材料から作られる複数プレートから成るプレート熱交換器、当該プレート熱交換器の製造方法並びに当該プレート熱交換器の高温熱交換器としての使用及び/又は腐食性媒体と共に用いる使用及び反応容器としての使用に関する。


背景技術

0002

熱交換器は、2つの媒体の間を独自に流れ熱移動を特に効果的にすることを目的としており、換言すれば熱交換領域を可能な限り最小にしながらも最大の熱を移動可能にすることを目的とする。同時に、これは、輸送用ポンプ動作に要する消費エネルギーを可能な限り最小にするため、物質の流れに対してごくわずかな抵抗しかもたらさないようになっている。極めて高い活性又は腐食性の媒体が、更に場合によっては200℃を超える高温で熱交換器を通過する場合、媒体と接触する熱交換器内の全ての物質は、腐食に対する適当な耐性をもたなければならない。これは熱交換領域だけでなく全ての密封ブッシングを含む。更に、熱交換器の構造は、必用であれば、例えばメンテナンス作業のために熱交換器を完全に空にすることが容易に可能であるように作られなければならない。

0003

プレート熱交換器は熱交換器の特別な形態である。これは特定のコンパクトデザインにより区別される。プレート熱交換器のプレートは一般的に熱交換領域の範囲に、しばしば櫛歯(herringbone)パターン又は山形(chevron)パターンとも呼ばれるエンボス加工又は溝のある構造を有する。エンボス加工は2つの隣接するプレート間ギャップを流れて熱移動を伝導する媒体に強い乱流をもたらす。同時に、このような構造は、比較的に媒体に対してはほとんど流動抵抗を与えない。これにより可能な限り最小の圧力ロスで非常に効果的な熱移動を維持している。

0004

通常、プレートは端部で互いにゆるく止められ、密閉材により分離されている。プラスチック封入材は、金属材料から作られるプレートを有する熱交換器の場合に300℃以下の温度でのみ用いられ、より高い動作温度又は圧力に対してはプレートは端部で互いにろう付け又は溶接される。

0005

2つのそれぞれ隣接するプレート間のギャップは密封チャンバを形成する。プレートのエンボス加工に沿った、このチャンバの体積は、圧力ロス及び熱交換効率の決定における重要な要因である。大きなチャンバ体積であればこの両者に貢献するので好適である。しかしながら、これは動作の危険性という犠牲もある。チャンバ内支持セグメントを用いないと、隣接チャンバ間の大きな圧力差が不慮に蓄積し、金属プレートの強い変形、又はもろい材料の場合には容易にプレートの破断を生じる場合がある。この形態の熱交換プレートは金属材料、特に耐腐食鋼チタン、又はタンタルから作られる。グラファイト市販品に用いられる。

0006

焼結SiCセラミックSSiC)は一般的に耐腐食性であるが、もろい材料であり、シリコン浸潤シリコンカーバイド(SiSiC)とは対照的に金属シリコンは含まない。SSiCは、その非常に高い熱伝導性のために熱交換器の熱交換領域用材料として理想的に適している。また、SSiCは1000℃をはるかに超える高温までも使用可能である。SiSiCに対して、SSiCは熱水又は強塩基性媒体中でも腐食に対して耐性である。

0007

基本的には熱交換器に良好に適しているものの、焼結SiCセラミック(SSiC)はまだプレート熱交換器に用いられて市販されておらず、あるとしても多管式(shell−and−tube)熱交換器である。この理由は、適切な熱交換性能及び必用な低圧力損失を有する機器のための、セラミックに適しSSiCからプレート熱交換器構成要素製造可能にする、利用可能なデザイン及び利用可能な製造方法が現在までになかったことにある。

0008

(従来技術) 独国特許発明第28 41 571号C2明細書は、L型媒体伝導体を有するセラミック材料の熱交換器を記載し、Si浸潤SiCセラミック(SiSiC)又は窒化シリコンが材料として好適に用いられる。これらの材料は、一般的には腐食に対して耐性のない点において不利である。熱水又は強塩基性媒体中においては、SiSiCへの浸透及び密封のための結合相として用いられる金属シリコンは溶出する漏れが流出し強度が失われる結果となる。窒化シリコンの場合は結晶境界が比較的早く攻撃されやすく、その表面は徐々に破砕される。

0009

独国特許発明第28 41 571号C2明細書に提案された構造設計は多数の異なるデザインの構成要素で熱交換器が作り上げられ、結果として複雑さを伴わずに拡張可能モジュール型構造を有していない点で不利である。更に、この種の構造には多数の接合部が必用となる。使用材料に対する焼結プロセスは無圧であるため、熱交換ブロック内に漏れが発生する危険が増す。更に、流路設計の選択によっては大きな圧力損失が生じ、熱交換器は低い熱移動性能を有するにすぎない。

0010

代替の材料として、独国特許発明第197 17 931号C1明細書は、200から1600℃の高温及び/又はショック性媒体と共に用いるためのファイバー強化セラミック(C/SiC又はSiC/SiC)を開示している。これらの材料の製造はSSiCよりもはるかに複雑でコスト集中的(cost−intensive)である。また、セラミックファイバ複合材料であるC/SiC及びSiC/SiCは一般的に全体が多孔質であり、密封シーリングが不可能である。これらの不利な点は、複雑でより高価な表面浸透法追加によっても克服できない。

0011

欧州特許出願公開第1 544 565号A2明細書の変形例として、特に高温プレート熱交換器のプレートのためのファイバー強化セラミック又はSiCの使用が記載されている。これに記載のプレートの流路構造フィン又はリブを有し、特に高熱ガス流通用、とりわけガスタービン用設計されている。この構造設計を液体媒体に用いる時には効率が良好ではなく、圧力損失が大きすぎると考えられる。このプレート熱交換器は溶液射出手段によっても製造され、ろう付け手段によって接合される。しかしながら、腐食性媒体の使用時にろう付けされた結合部は常に弱点であり、このような熱交換器は、例えばアルカリ溶液等の高腐食性媒体を伴う使用には適切でない。

0012

欧州特許第0 074 471号B1明細書は、溶液射出及びラミネート化手段によるセラミックプレート熱交換器のための製造方法を記載している。ラミネート化プロセスは、SiSiCを材料として製造中に液体シリコン化させる特定のデザインである。この特許明細書図2は、流通流路内に均一な温度分布をもたらすことを目的として流通方向と直角に迂回路を設けたガス加熱熱交換器の実施形態を示している。しかしながら、この熱交換器の場合の熱移動性能及び圧力損失はまだ十分ではない。


発明が解決しようとする課題

0013

そのため、本発明は、熱移動性能を改善し、圧力損失を低下し、必用であれば高温及び/又は腐食性媒体と共に用いるためにも適切な、プレート熱交換器提供することを目的とする。更に、このような熱交換器を製造するための方法を提供する。


課題を解決するための手段

0014

本発明によれば、上述の目的は、請求項1に係る複数のプレートから成るプレート熱交換器、請求項19及び20に係る当該プレート熱交換器の製造方法、及び請求項22及び23に係るプレート熱交換器の使用により達成される。明細書の主題の利点及び特定の好適な詳細は、従属項にて提供する。

0015

すなわち、本発明の主題は、それぞれのプレートの表面領域にわたって略蛇行した形状流体流が得られるような流路系として流体流ガイド流路が形成されるプレート熱交換器であり、ガイド流路側壁は流体流に乱れをもたらす複数の開口を有する。

0016

本発明の主題は、このようなプレート熱交換器の製造方法でもあり、個々のプレートは積み重ねられ、周辺密封(peripheral seals)によりそれぞれ互いに接続される。

0017

本発明の主題は、同様にこのようなプレート熱交換器の製造方法であり、個々のプレートは積み重ねられて接合し、低くとも1600℃の温度の不活性ガス雰囲気存在中又は真空中で、場合によっては負荷印加を伴う拡散溶接プロセスにおいて、継ぎ目のない一体化したブロックを形成する。

0018

本発明に係るプレート熱交換器は、高温熱交換として及び/又は腐食性媒体を伴う使用に適切である。

0019

本発明に係るプレート熱交換器は、同様に少なくとも2つの分離した流体回路を有する反応容器として用いうる。

0020

更に、本発明に係るプレート熱交換器は、反応容器、プレート間に追加して提供される1以上の反応容器プレート、これらのプレートと異なる流路系を有する反応容器プレートとして適切である。

0021

本発明に係るプレート熱交換器の個々のプレートにおいては、流体流を導く流路は、プレートの表面領域にわたって略蛇行した形状の流体流が得られるような流路系として形成され、導入流路側壁は流体流に乱れをもたらす複数の妨害路又は開口部を有する。このため、本発明は、例えばグラファイト又はガラス等のもろい材料から作られる、好適には焼結セラミック材料、とりわけSSiCから作られるプレートのための設計を利用可能とすることに成功しており、これは流通する媒体に強い乱流を与えて、これによって効率的な熱移動を可能にし、同時に低い圧力損失をもたらし、熱交換領域に十分な支持点を有して圧力差のある場合の変形又は脆性破断吸収し、メンテナンス作業のために完全に空にすることが可能で、容易に統合可能とするためのプラスチックシールが可能であると共に、拡散溶接プロセスにおいてプレートから継ぎ目のない一体型のブロックを製造することが可能である。

0022

本発明に係るプレート設計の更なる利点は、流体流のための供給及び放出開口部は、例えば内孔の形態でプレート内に統合しておくことが可能であることである。

0023

本発明に係るプレート熱交換器の場合の熱交換は、従来技術のプレート熱交換器と比較して約5%から30%高く、圧力損失は最大で30%低下する。とりわけ圧力損失は、必用なポンプ能力を対応して減少させることが可能であるため、熱交換器設計における重要な基準である。


発明を実施するための最良の形態

0024

本発明に係るプレート熱交換器は、好適には焼結セラミック材料から作られるいくつかのプレートが他のものの上に積み重なる構造を有する。焼結シリコンカーバイド(SSiC)、ファイバ強化シリコンカーバイド、窒化シリコン又はこれらの組み合わせは焼結セラミック材料として好適であり、SSiCは特に好適である。

0025

好適には、バイモーダル粒径分布を有するSSiCが用いられ、選択に応じて、最大で35体積%(vol%)までのグラファイト、ボロンカーバイド又は他のセラミック粒子等の更なる物質構成要素を含有してもよく、当該材料は特に高温プレス過程における拡散接合プロセス(拡散溶接プロセス)に適切である。好適には、バイモーダルな粒径分布を有する焼結シリコンカーバイドは、100から1500μmの長さのプリズム状小板状(platelet−shaped)SiC微結晶を50から90体積%、及び5から100μm未満の長さの小板状SiC微結晶を10から50体積%まで含む。SiC微結晶の粒径又は長さの測定は、例えば粒子の最大フェレット径計測する画像評価プログラム補助により、光学顕微鏡像に基づいて決定されてもよい。

0026

本発明に従って用いられるプレートの場合において、プレート内のガイド流路は第1の流体のために第1の供給開口部及び第1の放出開口部に接続される。更に、第2の流体を隣接するプレートに供給するための第2の供給開口部及び第2の放出開口部が提供されてもよく、これらの開口部はボアによる単純なやり方で提供可能である。

0027

好適な実施形態によれば、第1のプレート型は第1の流体のための流路系を含み、隣接プレートである第2のプレート型は第2の流体のための流路系を含む。この実施形態の場合において、第1のプレート型のプレート及び第2のプレート型のプレートは、様々な速度適応が可能となるように、任意所望順序で互いに追随してもよい。これについては、取り扱う物質の流れを所定の流速でプレートを通じて流すために、平行に又は熱交換器の2つの流路の一方を他方の後方配列されるプレートは二重又は三重とする。その結果、熱交換器プレートの積み重ねの順序は、例えば、A−BB−A−BB...又はA−BBB−A−BBB単位のようになる。

0028

しかしながら、本発明に係る熱交換器プレートのデザインは、二重又は多重の動作も可能にする。これについては、並列とする代わりに1つの流路は他の背面に配列される。結果的に流通する媒体には加熱又は冷却中の距離がより長くなりうる。

0029

更に好適な実施形態の場合においては、プレートの流路系は鏡像対称である。この鏡像対称デザインにより、プレートがそれぞれ交互に180°回転しているように1つのプレートを他の上に積み重ねることが可能となるので、供給開口部は左側と右側の交互となる。この配列により、熱交換器は全てのプレートについて単一のデザインで構成が可能となり、製造工学観点からの利点が提供される。

0030

一実施形態において、少なくとも2つの分離した流路系を1つのプレート内に提供してもよく、異なる流体の間で熱移動が発生する。この観点においては、異なる流体は分離した流路系内対向輸送に導かれることが好適である。

0031

本発明に従って用いられるプレートは、好適には0.2から20mmの範囲内の基部厚さを有し、特に好適には約3mmである。本発明に従って用いられる流路系に基づいて、プレートの熱交換領域内の流体又は物質の流れは、可能な最長滞留時間を得られるようにするために、曲がりくねった様式で導かれる。熱交換領域内のガイド流路の側壁又はガイド壁は、好適にはプレート基部から図って0.2から30mm、より好適には0.2から10mmの範囲の高さを有し、特に好適には0.2から5mmである。クモの巣状に形成されるガイド流路の側壁は切削手段により製造しうるが、網目形状のプレス手段により製造してもよい。所定の場所に、ガイド流路の側壁は妨害路又は開口部を有し、これは好適には0.2から20mmの幅を有し、より好適には2から5mmである。これらの開口部は、略蛇行した流通形状によって流体流に大きな乱流を発生し、熱移動効率をより高く改善することが可能である。更に、これらの開口部により、通常のプレート熱交換器の場合に発生する大きな圧力損失を顕著に低下させることが可能である。圧力損失は開口部の数及び幅により所望のように設定可能である。開口部は、熱交換器を直立位置として完全に空にしうる役目もある。

0032

更に、ガイド流路の開口側壁は支持点としても作用し、圧力差のあるときにプレートの好ましくない変形を防ぎ、同様にプレートの破断を妨げる。

0033

本発明に係るプレート熱交換器の一実施形態によれば、個々のプレートは積み重ねられ周辺密封手段により接続される。最高で約300℃までの温度で用いられる通常のプラスチックシールはこれに好適である。密封手段により接続される構造形式は非常に安価であり、サービス目的のための熱交換器の分解及び洗浄を要する場合に常に特に有利である。

0034

本発明に係るプレート熱交換器の別の実施形態によれば、個々のプレートは積み重ねられ統合的に接合されて継ぎ目のない一体のブロックを形成する。この一体化構造形式は、継ぎ目のない連結手段によりシールなしに密封封入の様式でプレートを接合し、特に高温でのアプリケーション及び環境毒性又は腐食性媒体を伴うアプリケーションに有利である。

0035

本発明に係るプレート熱交換器のさらなる実施形態によれば、少なくとも2個のプレートが積み重ねられ、統合的に接合されて継ぎ目のない一体のブロックを形成し、少なくとも2個のこのような一体型のブロックが周辺密封により互いに結合される。このいわゆる半密封の実施形態は、1つの物質流路に腐食性媒体が、他の物質流路に沈殿生成する傾向のある媒体が用いられるときに好都合な場合がある。この目的のために、本発明は、腐食性媒体用のプレートは少なくともペアで互いに焼結され、これにより得られる一体化したプレートブロックが、例えば弾性材料から作られる適切なプラスチックシールにより密封されるように積み重ねられることを提供する。この形式のプレート熱交換器は、例えば生成した沈殿物を密封チャンバから清掃するため、常に分解可能である。

0036

上述の用に一体化したブロックを製造するために、個々のプレートは、低くとも1600℃、好適には1800℃を超え、特に好適には2000℃を超える温度での不活性ガス存在下又は真空における、場合によっては負荷印加を伴う拡散溶接プロセスにおいて、積み重ねられ連結されて継ぎ目のない一体のブロックを形成し、接合される構成要素は導入される力の方向に好適には5%未満、より好適には1%未満の可塑的な変形を受ける。拡散溶接プロセスとして特に適切であるのは、セラミックシート又は焼結SiC(SSiC)、特に好適には上述のようなバイモーダルな粒径分布を有する粗粒子SSiCを用いるホットプレス過程であり、これは最大で35体積%までのグラファイト、ボロンカーバイド又は他のセラミック微粒子等のさらなる材料構成要素を含んでもよい。

0037

高温領域における可塑的な変形への抵抗は、材料科学において高温クリープ抵抗と呼ばれる。クリープ速度として公知であるものは、クリープ抵抗の尺度として用いられる。驚くべきことに、連結されるセラミックシートのクリープ速度は、焼結セラミックシートを継ぎ目なく接合するための連結プロセスにおける可塑的な変形を最小化する中心的パラメータであることが見出されてきた。最も市販入手可能な焼結SiC材料はモノモーダルな粒径分布の微小構造を有し、粒径は約5μmである。従って、これらは結合温度が1700℃を超える適切な焼結活性を有するが、変形の小さい接合のためにはクリープ抵抗は低すぎる。そのため、現状ではこのような成分には拡散溶接プロセスにおいて大きな可塑的な変形が見られる。SSiC材料のクリープ抵抗は一般的に特に差はないため、クリープ速度は現状ではSSiCの接合に対して使用可能な可変パラメータとは見なされていない。

0038

そのため、SSiCのクリープ速度は、多様な微小構造の形成により広範囲にわたって変化しうることが見出された。そのため、SSiC材料のための変形の小さい接合は、バイモーダルな粒径分布を有するもの等の、特定の形式のみの使用により達成しうるものである。本発明によれば、好適には接合されるセラミックシートは接合プロセスにおいて常に2×10−4/秒未満、好適には常に8×10−5/秒未満、特に好適には2×10−5/秒未満のクリープ速度のSSiC材料から成る。

0039

本発明に従って用いられる拡散溶接の場合においては、好適には10kPaを超える、特に好適には1MPaを超える、より好適には10MPaを超える負荷が印加され、低くとも1600℃の温度での温度保持時間は好適には10分間、特に好適には30分間である。

0040

従って、本発明に係る製造プロセスでは、これまでの密封又はろう付けの接合部では弱点が生じるプレート熱交換器が、継ぎ目のない一体構造として製造可能となる。そのため、この方法で焼結SiCセラミックから製造されるプレート熱交換器は、極めて高い耐熱性及び耐腐食性を有する。

0041

既に上述のように、本発明に従って構成される熱交換プレートを有するプレート熱交換器は、例えば蒸留及び濃縮等の反応容器としても適切であるが、例えば特に選ばれる結晶化プロセス等の他の方面変換に対しても適切である。蒸留及び濃縮に用いられる場合は、相互からの導入流路の側壁間隔流体入口から出口に大きく又は小さくなれば、圧力損失が低下されるために好適である。

0042

本発明に従って構成される熱交換器プレートの間に反応容器プレートを適合させ、次いで熱交換器プレートが反応容器プレート温度を制御する役割を果たすことは、反応容器としての特に効果的な使用に寄与する。反応容器プレートは様々な寸法を有してもよい。例えば特に選ばれる結晶化プロセス等のような、滞留時間が制御され沈殿物が定義されるものに対しては、例えば貫通する真っ直ぐな流路を有する反応容器プレートを用いることが有利である。しかしながら、最初に少なくとも2つの分離した流体流を、反応容器プレートにおいて所定の温度で互いに混合することも可能である。この目的のためには、反応容器プレートの所定の領域に互いに物質の流れを運び、激しく混合する流路構造が用いられる。反応容器プレートは触媒コーティングを有する場合もあり、これは特に化学反応加速する

0043

本発明に係る密封封入された熱交換器ブロックでは、適当な位置クランプするための通常の重いフレーム接続フランジは必要ではないが、供給ボアの場所で対応するフランジ系との接続のみが必要である。そのため、本発明の実施形態の場合においては、プレート熱交換器は、プレート熱交換器の上面及び/又は底面カバー及び/又は基部)に流体の供給及び放出のためのセラミック又は金属フランジ系も含む。高温アプリケーションのためには、好適にはフランジ系のシーリングのために、マイカシーリング材料を用いる。

0044

以下の実施例は本発明を更に説明するために用いる。

0045

(熱交換器の応用例図1の様式の熱交換プレートを有するセラミック熱交換器を製造した。プレートは長さ500mm、基部厚さ3mm及び高さ3.5mmのガイド流路を有する。側壁は幅3mmの開口部を有する。4個の熱交換プレート及び1個のカバープレートを熱交換ブロックの製造に用い、全ての構成要素はバイモーダルな粒径分布を有する焼結シリコンカーバイドから成る。全てのセラミックプレートは積み重ねて統合的に継ぎ目なく接合され、一体のブロックを形成した。プレートは2つの物質の流れが対向輸送中に熱を交換しうるようにブロック内に配置した。シリコンカーバイドから作られた密封封入熱交換ブロックに、4個の内径50mmの金属フランジを設けた。熱交換装置水性媒体で動作させた。1000リットル/時のスループットにおいて圧力損失は10000Pa(100mbar)であり、6000W/m2Kを移動した。


図面の簡単な説明

0046

本発明に従って用いられ焼結セラミック材料から作られるプレート熱交換器を示す平面図である。 本発明に従って用いられる反応容器プレートを示す平面図である。 図3a及び3bは本発明に係るプレート熱交換器の写真であり、フランジ系を含む。図1に示すように、本発明に従って用いられるプレート1は、ガイド流路2により形成される流路系を有し、プレートの表面領域にわたって流体流を略蛇行した形状とすることが可能である。この実施形態においては、ガイド流路2の側壁3は幅3mmのクモの巣を含み、これは幅3.5mmの開口部4を多重に有するものである。プレートは流体流のために第1の供給開口部5及び第1の放出開口部6を有し、それぞれは半径30mmのボア形状である。更に、第2の供給開口部7及び第2の放出開口部8がプレートに設けられ、珍説チャンバに別の媒体を供給するための通路の役割をする。第2の供給開口部及び第2の放出開口部はそれぞれ半径32mmのボアを含む。この実施形態の場合におけるプレートの全長は500mmであり、幅は200mmである。図示のように、この実施形態の場合の流路系は鏡像対称性を有する。この鏡像対称性により、プレートがそれぞれ交互に180°回転しているように1つのプレートを他の上に積み重ねることが可能となるので、供給開口部は左側と右側の交互となる。図2は、本発明に従って用いられる、第1の流体流のための第1の供給開口部10及び第2の流体流のための第2の供給開口部11を伴う、反応容器プレート9を示す。次いで2つの流体流は、流体流の激しい混合が発生するように、迂回路12により互いに運ばれる。次いで混合された流体流は放出開口部13を介して放出される。図3a及び3bは、金属フランジがセラミック一体構造上にクランプされることを示す。


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