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技術 プレート熱交換器、製造方法、及び使用

以下の情報は公開日時点(2009年8月27日)のものです。

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。

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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

以下の情報は公開日時点(2009年8月27日)のものです。

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。

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