JPH0461278B2 - - Google Patents

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JPH0461278B2
JPH0461278B2 JP61026074A JP2607486A JPH0461278B2 JP H0461278 B2 JPH0461278 B2 JP H0461278B2 JP 61026074 A JP61026074 A JP 61026074A JP 2607486 A JP2607486 A JP 2607486A JP H0461278 B2 JPH0461278 B2 JP H0461278B2
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tube
module
tubes
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gas
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Dabitsudo Dotei Efu
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Publication of JPH0461278B2 publication Critical patent/JPH0461278B2/ja
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1653—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は熱交換器、詳細には対向流型、モジユ
ラー型かつシエルアンドチユーブ型の単一相流体
用で、熱伝達増大手段を持たない熱交換器に関す
る。
従来の技術 熱交換器の分野における40年間にわたる工業的
及び商業的事業の成果として、特定用途向きの装
置と製造技術の発達により、特定の適用例に対し
てはある程度の利益が得られるようになつた。本
発明はいくつかの独特な領域において、従来の熱
交換器の設計指針から極端に逸脱することを基礎
としている。この結果、設計手法は多くの点で異
なつているが、最も顕著で革新的な特徴は表現し
にくい微妙なものであり、詳細な論理的説明を抜
きにしては明確に表現することができない。最も
重要な特徴はそのサイズ（寸法）にある。この変
形は、従来の技術の代表的なヌツセルト数及びレ
イノルズ数を用いて所定の値を基準とする手法か
ら革新的に逸脱していることを表わすものであ
る。次に、基準となる値及び全体像を示すために
従来技術について概略的に説明する。
モジユラー型、対向流型、シエルアンドチユー
ブ型の熱交換器の多数の例は、米国特許の中に見
出すことができる。初期の例の１つは、ロシの双
方向流デザインの特許第2839276号で、熱応力の
減少をその利点としている。最近の代表的なもの
ではバウムガルトナ等の特許第4221262号があり、
基礎をなすモジユールの複雑性を減少させた点で
初期のデザインよりも構造的な有利性がある。全
く定型外で非実際的ではあるがばくぜんとしたシ
ステム外観に関連性が見出せるのがジアルデイナ
の特許第4253516号で、巨大な箱形サイズのモジ
ユール（構成要素）を備えている。
ジヤブセン等の特許第4289196号とカルバーの
特許第4098329号は、モジユラーシステム内で高
い出力密度を達成するためのユニークなヘツド及
びマニホルドシステムを採用している。カニンガ
ム等の特許第2907644号は高温腐食の問題を提起
している。ラストネーダの特許第3444924号は軸
線方向の伝達損失の問題に着目しており、この問
題は明らかに多くの熱交換器設計技術者達が気付
かなかつた点である。
コルビー等の特許第2655346号は直交流型熱交
換器において渦に誘導される共振の問題を述べて
おり、仕切板を効果的に配置することで解決して
いる。シヤイドルの特許第3941188号はチユーブ
を支持する格子を用いてこれらの問題を解決して
いる。
ベイの特許第2537024号及びマレウイツの特許
第3452814号は熱の流れを増大させるいくつかの
例を示しているが、本発明によつて最適化された
気体一気体式熱交換器ではそれらが有効でないこ
とが容易に示される。
接合技術についての周知の例として、特殊真ち
ゆう合金を用いるコツトン及びサパシユタインの
特許第4274483号、冷間圧力溶接を用いるオルソ
ン及びウイルソの特許第4237971号、爆発溶接を
用いるハードウイツクの特許第3717925号、拡張
チユーブを用いるブリフ等の特許第4239713号、
及び関連した技術のヨシトミ等の特許第4142581
号がある。本発明における拡張技術にさらに密接
に関連したものとして、圧入方法を利用するノン
ネマン等の特許第4159741号、圧縮方法を利用す
るタカヤスの特許第3922768号がある。しかしな
がら、前述した技術は高度に完全な冶金学的結合
を形成させるには不足した点が多い。
フライの特許第4295522号はガラスチユーブと
シリコン鋳物樹脂を利用しており、寸法が表わさ
れていない外観からは、その基礎的なチユーブ組
立体モジユールと本発明との間にかなりの類似点
が見出される。そこで用いられているチユーブサ
イズもまた進歩的な設計の特徴となる直径約６mm
のものであり、前述した全ての従来特許で用いら
れている慣習的な直径1.5cm乃至2.5cmとは大きく
異なつている。しかしながらフライの設計は、材
料の選択によつて課される温度及び圧力の限界は
ともかくとして、そのマニホルド機構に必要とさ
れる直交流デザインに固有の低効率という欠点が
ある。
外径が約３mm以下の小直径チユーブを用いるこ
とは、これまで大勢として二相の直交流システム
に限定されていた。初期の例はアンダーソンの特
許第2449922号に見られるような航空機用のオイ
ルクーラであり、その後も出現している。外径１
mm以下のチユーブを用いた例としてはクリステン
等の特許第4098852号があり、浸透性又は限外濾
過性のポリマーチユーブと蒸発液体を利用してい
る。クリステン特許はまた従来の対向流型熱交換
器のうちでは最も小さいと見られるチユーブ長さ
約0.6ｍを利用しており、代表的な長さが約５ｍ
であるのとは異なつている。ローマの特許第
4030540号は従来技術による設計指針の代表例と
して引用され、結果としてチユーブ長さを最大に
するよう試みるという不合理な目的を生じるが、
正しい目的は常にいくつかの付加的規準を満足さ
せながらチユーブ長さを最小限にすることであ
る。
本発明に関連する理論的背景の資料として、本
発明とは全く異なるものではあるが、本発明者に
よる２つの米国特許を提示する。特許第4321962
号は太陽エネルギによる熱交換及び貯蔵システム
を開示し、特許第4456882号は高速タービン駆動
による空気軸受支持のサンプルつむぎ機について
述べている。
発明の概要 本発明はマイクロチユーブストリツプ（MTS
と略す）を備えた対向流型熱交換器であつて、好
適な実施例において平行に連結された多数の小さ
なモジユールから構成される。各モジユールは代
表的には各チユーブの外径が0.8mm、長さが0.16
ｍの100本のチユーブが７列に配置されているも
のを包含する。チユーブはその各端部で長方形の
ヘツダチユーブストリツプに冶金学的に接合され
ている。マニホルド（分岐管）として用いるに適
したキヤツプが端部上に溶接されている。シエル
側の流体をチユーブ長さの概ね全長にわたつて対
向流となるように流動させる手段が設けられ、モ
ジユールを平行に連結するために適当なマニホル
ドが設けられる。MTS熱交換器の単位温度差及
び単位体積当りの出力容量は、従来技術による代
表的設計を係数10乃至1000の割合で超えている。
MTS熱交換器の単位温度差及び単位コスト当り
の出力容量は、従来技術による設計をある場合に
おいて係数10以上の割合で超えることができる。
マイクロチユーブ内の流れの状態は、完全に層流
をなし音速よりはるかに遅い流れである。
発明の論理的背景 熱交換器出力 熱伝達の問題に関して常用される解析手法は次
の公式から始まる。
Ph＝hAT〓 (1) ここにPhは熱伝達出力（単位Ｗ）、ｈは熱伝達
係数（Ｗ／m2Ｋ）、Ａは表面積（m2）、T〓は温度
差(K)を表わす。ここでの問題は各種の状態の下で
ｈをどのように表現して定めるかという点であ
る。不運なことに多くの技術者は、前記の公式(1)
を見た後では暗黙のうちに熱交換器の熱交換出力
は合計表面積に比例するものと考えてしまう。こ
の40年間の単一相熱交換器の設計における事実上
の進歩の停滞は、この誤つた仮定が根底に存在し
たためである。しばしば見落される事実は、複雑
な熱伝達係数ｈは常に熱交換器の特性寸法と反対
に依存する関係にあり、例えばPhが面積の平方
根に比例した分だけ増加するようなことがしばし
ば起る。ある場合には、Phは面積がいくらか変
化しても独立した値を保ち、また他の場合には
Phは面積が増大することにより実際に減少する
ようなことも起る。
例えば最初にチユーブ束から成る熱交換器がチ
ユーブの間に高度の乱流気体を通過させており、
チユーブは一定温度の流体中に浸漬されている場
合を考えてみる。従来の解析では熱伝達係数は次
元（デイメンシヨン）のないヌツセルト数Nuを
用いて表現される。
Nu＝hd／ｋ (2) ここにｄはチユーブ内径（ｍ）、ｋは気体の熱
伝導率（Wm-1K-1）である。ヌツセルト数はさ
らに２つの次元のない追加群すなわちプラントル
数Prとレイノルズ数Reを用いて表現される。
Pr＝Cpμ／ｋ (3) ここにCpは定圧比熱（Ｊ／KgＫ）、μは動粘性
係数（Kgm-1S-1）である。
Re＝ρvd／μ＝4G／πμd (4) ここにρは気体密度（Kg／m3）、ｖは気体の平
均速度（ｍ／ｓ）、Ｇはチユーブあたりの質量流
量（Kg／ｓ）である。次に高度の乱流に対しては Nu＝0.023Pr0.4Re0.8 (5) 式(2)〜(5)を組合せると熱伝達係数について次式
が成り立つ。
ｈ＝0.023（ｋ／ｄ）Pr0.4（4G／πμd）0.8(6
) かくして、チユーブ束の長さＬにわたつて与え
られた乱流質量流量に対し、公式(1)の熱交換出力
は長さに比例し、直径の0.8乗に反比例すること
がわかる。それゆえに、チユーブ直径を増大する
ことで面積を増大させることは実際上熱交換出力
を減少させることになり、小さな直径の短いチユ
ーブを用いることの利点が明らかとなる。
次にチユーブ型、対向流層流型の熱交換器で、
チユーブの中心間距離がチユーブ外径の1.4倍で
チユーブ内径の２倍である場合について考察す
る。ここでチユーブ材料の熱伝導率は流体の熱伝
導率よりもはるかに大きいものと仮定する。この
場合、熱交換出力はチユーブ直径には依存せず次
式で与えられる。
Ph＝4πnL（k1k2／0.7k1＋k2）T〓 (7) ここにｎはチユーブの数、k1は内側流体の熱伝
導率、k2は外側流体の熱伝導率である。
前述した議論から、従来の専門家及び特許文献
が常用してきた次元Wm-2K-1の熱交換係数を用
いて熱交換器を評価することは実用性に乏しいこ
とがわかる。一層有用な特性表示は合計有効流れ
長さnLである。nLをPhと一般化された関数k1、
k2の商として定義することにより、別種の設計例
えば表面を拡張したり粗面にしたりして熱伝達を
増大させるようにした設計との比較を行なう有用
な方法に到達することができる。
出力損失 熱交換器のチユーブを通じて流体を吸込むのに
必要な出力Pp1は次式で与えられる。
Pp1（Δp）Afｖ (8) ここにΔpは熱交換器を通過する際の圧力降下
（Pa）、Afは正面側流体面積（m2）、ｖは平均流体
速度（ｍ／ｓ）である。
単純化のために、長くて円滑なチユーブ内を層
流流体が流れる場合について考察する。この条件
はレイノルズ数Reが2000以下の時に存在する。
層流状態でチユーブを流れる流体内での圧力降下
Δpは次式で与えられる。
Δp＝32μLv／d2 (9) かくして Pp1＝8πμnLv2 (10) チユーブのまわりに流体を吸込むのに必要とさ
れるシエル側ポンピング出力損失Pp2は類似の式
で表わされる。
Pp2＝fμnLv2 (11) ここに気体パラメータμ及びｖは外部気体に関
するもので、係数ｆはチユーブ直径及び間隔の複
雑な関数である。チユーブ中心間距離がチユーブ
外径の1.4倍であるような標準の六角形密封パタ
ーンでは、ｆは概ね200に等しい。
ポンピング出力損失に加えて、対向流型熱交換
器に存在するもう１つの内部損失があり、これが
熱力学的効率を限定する。すなわちチユーブ金属
の軸線方向熱伝導出力Pnである。
Pn＝πdnwkn（TH−TC）／Ｌ (12) ここにｗはチユーブの壁厚（ｍ）、knはチユー
ブ金属の熱伝導率（Wm-1K-1）、THは高温端部
での平均温度、TCは低温端部での平均温度であ
る。
最適化 入力された気体からの入手可能出力Piは Pi＝GCp（TH−TC） (13) ここにCpは定圧比熱（Ｊ／KgＫ）、Ｇは質量流
量（Kg／ｓ）でρAfｖに等しい。消費される熱Pp
は Pp＝GCpT〓 (14) ここにT〓は既に定義されたように対向流気体
間の平均温度差である。
損失を計算に入れると入手可能な熱交換出力
PEは PE＝4πnLT〓（k1k2／0.7k1＋k2）＋Pp1−Pn／２ (15) 入口側出力と出口側出力とを等式にすれば Pi＋2Pp1＝PE＋Pp (16) 上式は質量流量の定義とｗ＝ｄ／３という仮定
を用いてT〓について解くことができる。
T〓＝（TH−TC）（GCp＋nd2kn／2L）＋128L
μG2／nπρ2d4／4πnL（k1k2／0.7k1＋k2）＋GCp(17) この式はわずか３つの幾何学的変数ｎ、Ｌ、ｄ
に依存しており、前述した仮定に従つてチユーブ
タイプ、対向流層流型熱交換器に対し合理的に有
効となる。これにより与えられた熱力学及び幾何
学的条件の下で出力損失及び入手可能な熱交換器
出力を計算することができる。設計値は目的とす
る関数FCを最大にする線状プログラミング手法
例えば次式を用いて最適化することができる。
FC＝（PE−aPp−bPp）／（全コスト） (18) ここにａ及びｂはそれぞれ10と２の値をとるこ
とができる。式(18)の線状プログラミング手法を練
習した後では次のことが明らかになる。すなわ
ち、チユーブ切断、端部処理、ヘツダ穴あけ、チ
ユーブ組立、及び挿入方法等と協調してコストを
最小限にするよう適当な注意を払うことにより、
最適化された高出力単一相の熱交換器が全く新規
な外観を表わすようになる。この熱交換器は数百
又は数千の小さなモジユールから成り、各モジユ
ールは数百の小さくて短いチユーブから成る。こ
れら最適化された設計によるマイクロチユーブ内
部でのレイノルズ数は、従来技術の標準的な値が
10000〜100000であるのに対し25〜400になる。ヌ
ツセルト数は従来技術の代表的な値が20〜400で
あるのに対し５以下となる。その結果チユーブ側
及びシエル側で完全に発達した層流となり、流速
は音速の10分の１以下になる。
代替的な式として目的関数Fvは次のように選
ぶこともできる。
Fv＝（PE−aPp−bPp）／（全容積） (19) 非常に驚くべきことにこの関数には限界がな
い。換言すれば、チユーブの直径と長さを減少さ
せチユーブの数を無限に増加させることができる
ならば、出力対容積の比をポンピング損失を増加
させることなしに無限に増大させることが可能だ
ということである。
チユーブ配置 現在用いられているチユーブタイプで対向流型
の熱交換器チユーブは誘導溶接による鋼、銅又は
アルミのチユーブで、直径10〜25mm、長さ１〜６
ｍ、壁厚が１〜３mmのものが一般的である。しか
しながら、最近進歩した高速レーザ溶接技術を用
いれば、非常に低いコスト例えばメートルあたり
20円以下で、以上に小さいステンレス鋼製皮下チ
ユーブを作ることが可能である。かくして内径１
mm以下のチユーブを利用することも実用可能と考
えられる。
チユーブの直径を10分の１以下にすることはチ
ユーブの長さを30〜100分の１に減少させること
を必要とする。一方では、同一の熱交換器出力及
びポンピング出力損失を維持するために同様の割
合でチユーブの数を増大させることになる。しか
しながら、熱交換器全体の容積は同様に減少す
る。その上、熱交換器の最大内部圧力定格は相対
的な壁厚が増大することにより多分増加すること
になろう。
大量の小形チユーブを迅速に組立て易くするた
めには、対向流型熱交換器に通常用いられる円板
形のチユーブヘツダシートから逸脱することが必
要であり、その代りに長方形のチユーブヘツダシ
ート又はストリツプ（帯板）を用いることが考え
られる。さらに、チユーブのたわみを最小にし支
持構造を減少させるために、チユーブ長さを比較
的短く保つことが望ましい。このことはまたチユ
ーブの座屈強度が十分に大きくなり、チユーブを
ストリツプ内に圧入する作業が確実になされるこ
とを意味する。その上、チユーブを横切る音響的
共鳴モードが上昇し、これにより撹乱のために共
鳴現象が励起される可能性が小さくなる。
応力強化されたステンレス鋼や沈殿強化された
超合金のような高密度、高強度合金の実用的チユ
ーブ長さの最大のものは、チユーブ外径の約300
倍であるが、銅やアルミのチユーブでの実用長さ
の最大はその約半分である。より一般的な熱交換
器用金属よりもステンレス鋼や超合金が好ましい
のはさらにいくつかの理由がある。
(1) 熱伝導率が非常に低いのでレーザ溶接が容易
になるのに加えて、最も重要なこと対向流型熱
交換器における内部軸線方向熱伝導損失Pnが
減少する。
(2) 高張力強度のために高い作動圧力が許容され
る。
(3) 耐腐食性及び耐高温性の特性が多くの適用例
に必要とされる。
溶接及びマニホルド 本発明の鍵を握るのは、非常に短い長さで小さ
い直径のチユーブを用いることの利点を認識する
ことにある。本発明の遂行はこれらのチユーブの
組立、溶接及びマニホルド（分岐管取付）におけ
る技術の壁をどう突破するかに依存している。チ
ユーブは非常に短いので、チユーブ長さの主要部
にわたつて対向流状態が生成されるように幅の小
さいモジユールを形成し、非均等流れに基づく効
率低下を防ぐことが必要である。直交流配置は前
述した非均等流れの問題を解決するのに用いるこ
とができるが、かかる配置は熱力学的効率を著し
く低下させる。対向流と直行流を連続させる配置
は一般に大形の設備に用いられ、直交流配置より
もいくらか効率は良いがポンピング損失が増大す
る。それゆえ最も満足すべき解決策は、チユーブ
を４列乃至20列に並べた幅の小さいモジユールを
配置することである。
極端に小さなサイズのチユーブでは従来の溶接
法のほとんど全てのタイプは非実用的となり、極
端に数が多いチユーブでは個々のチユーブを溶接
していく手法、おそらくは自動操作の電子ビーム
やレーザ技術を用いたとしても、溶接操作中の熱
膨張から生じる工程制御の問題によつて利用が困
難になるであろう。チユーブをストリツプに溶接
するための２つの利用可能な手段は、フラツクス
を用いないろう付けと拡散溶接である。従来の広
範な溶接技術は接合部の残りについては好適なも
のとなろう。
フラツクスなしのろう付け手法では、ろう金属
が組立に先立つて穴の内部及びチユーブの外側上
に塗付される。組立の後、完全なモジユールが真
空又は不活性気体中でろう金属の液化温度まで加
熱される。この方法は非常に高温の熱交換器には
不向きである。
チユーブの直径及び穴寸法が非常に厳密な公差
内に収められる場合には、拡散溶接を利用するこ
とができる。硬化されたチユーブと焼きなました
チユーブストリツプとを用いれば、チユーブをわ
ずかに小寸法の穴に圧入することができる。表面
の品質と最小限0.3％のしまりばめとに十分な注
意を払うことにより、組立体を単に絶対溶融温度
(K)の約0.8倍まで加熱するだけで、強力な冶金学
的結合が形成される。この方法は極めて高温のも
の及び全ての合金に好適である。
腐 食 多くの場合、熱交換器は厳しい腐食環境の中で
作動しなければならない。これらの条件の下では
もはや出力対容積比を限界なしに増大させること
は理論的に可能とは言えない。今日の耐腐食性合
金例えばニモニツク８１のような技術では、おだ
やかな腐食環境に対して最小壁厚を約50ミクロン
まで可能とし、厳しい腐食環境に対しては約200
ミクロンまでを可能とする。チユーブ自身が非常
に小さいので現在用いられているコーテイング技
術やラミネーシヨン技術を用いることはできない
が、かかる手法をチユーブストリツプやマニホル
ドに適用して材料費を節約したり、高温での強度
と耐高温腐食性を同時に持たせるようなことも可
能である。
熱応答時間 多くの適用例において、特に輸送用ガスタービ
ンの場合は効率良い操作のために迅速な応答時間
が必要とされる。今日、代表的な2000KWのガス
タービンは１分間の機械的応答時間を有するが、
かかるシステム内に設けられる熱交換器の熱応答
時間は10時間にもなる。本発明によるMTS設計
に可能なだけ熱交換器の出力対質量比を増大すれ
ば、熱応答の時定数を１分以下にすることも可能
と考えられる。質量及び時定数におけるかかる画
期的な減少は、輸送の全ての領域、特に航空機に
対して多くの新しい適用例に道を開くことになる
ものである。
高圧利用 多くの適用例、例えばクローズドサイクルガス
タービンに用いられる熱回収装置では、内側（チ
ユーブ側）と外側（シエル側）の流体を共に高圧
に保つ必要がある。チユーブヘツダストリツプの
幅は狭いので、この設計は高いチユーブ側圧力に
適するようになる。高いシエル側圧力が必要とさ
れる時は、熱交換器全体を高圧の封入容器内に収
容しなければならない。小さな寸法の熱交換器で
はこの作業が容易になる。
以下、添付図面の実施例を参照しながら本発明
をさらに説明する。第１図は本発明によるMTS
熱交換器モジユールの部分組立体の斜視図、第２
図はMTSヘツダの正面図、第３図はMTSモジユ
ールの斜視図、第４図は高圧のチユーブ側圧力で
作動するMTSモジユール用の２つの補強手法を
表わす側面図、第５図はMTSブロツクを形成す
るように平行に一緒に接続された多数のMTSモ
ジユールの斜視図、第６図は圧力容器内に収容さ
れたMTSブロツクを表わす一部破断側面図であ
る。
実施例 MTS熱交換器内の基本ユニツトは第１図に示
すMTS部分組立体である。この部分組立体は代
表的にはマイクロチユーブ１の８列で構成され、
各列について代表的には40〜200のマイクロチユ
ーブが配置されている。マイクロチユーブは各端
部で精密なMTSヘツダストリツプ２内へと拡散
溶接されている。拡散溶接は、超精密なダイヤモ
ンドダイで縮小したレーザ溶接による堅固なマイ
クロチユーブ用引抜きチユービング技術を利用
し、焼きなましたヘツダストリツプ内にチユーブ
外径よりも少なくとも0.3％小さいが５％以上は
小さくない穴を正確に機械加工することによつて
完成させられる。ヘツダストリツプ内に正確な穴
をあけるためには、精巧な素材形成、電気化学的
機械加工、リーマ加工等の技術の組合せが必要と
なることもある。拡散溶接は (1) 組立て前にチユーブ及び穴が完全に清浄化さ
れ酸化物が表面にないことを確認し (2) 最小0.3％のしまりばめを維持し (3) 部分組立体を真空又は不活性気体中で加熱
し、チユーブ又はヘツダストリツプ合金の絶対
溶融温度のうちいずれか低い方の約80℃の温度
にまで加熱することによつて完成する。
第２図はMTSヘツダストリツプ２に用いるの
に推奨されるHCP（六角密接パツク）型穴パター
ンを表わしている。列間距離はチユーブ中心間距
離TCの0.866倍に等しく、TCはサンプルチユー
ブ１の外径の約1.3〜2.8倍程度である。
第３図は基本的な対向流型MTSモジユールを
表わしている。これには各ヘツダストツプに密接
された半円筒形キヤツプ３が含まれる。ヘツダス
トリツプ２はマイクロチユーブ１と比較的壁厚の
薄いキヤツプ３とを収容するのに必要な量以上に
広くてはならず、これによりMTSモジユールを
平行かつ密接に取付けられるようになつているこ
とに注目されたい。チユーブ側のマニホルドボー
ト４は各キヤツプ３上に設けられている。外箱５
は各ヘツダストリツプ付近を除いてMTS部分組
立体を密接に包囲し、シエル側流体６を強制的に
MTS部分組立体の一端付近の周縁のまわりへと
流入させかつ同様にして他端付近から流出させる
ようになつている。チユーブ側流体７はシエル側
流体が出ていく端部でチユーブ側マニホルドボー
ト４へと流入し、同様にして反対側端部から流出
する。
いくつかの適用例において、極端に高いチユー
ブ側圧力がおそらくは非常な高温と組合されて作
用し、平坦なヘツダストリツプ２の表面が曲げら
れるのを阻止するために、追加の支持部が必要と
なることがあろう。この追加支持部は第４図に示
すように、ヘツダストリツプ２に類似した補強板
８をストリツプ２から短い距離に拡散溶接するこ
とで形成できる。この代りに支持部は、マイクロ
チユーブが座屈を阻止するように支持されていれ
ば、マイクロチユーブ１によつても形成できる。
その方法は接合、好ましくは射出溶接によつて補
強ワイヤ９をマイクロチユーブ１の列間に交差し
て配置することで達成される。隣接する補強ワイ
ヤ９の位置を互い違いにしたりオフセツトさせる
ことにより、流体流れに対する影響は概ね無視で
きるようになる。
第５図はMTSブロツクを形成するためのいく
つかのMTSモジユールの平行なマニホルド取付
部を表わしている。個別の流体ボート４は各端部
でチユーブ側マニホルド１０に接続されている。
マニホルド外箱１１はMTSモジユール外箱５と
協働してシエル側封鎖領域を形成する。チユーブ
側流体はチユーブ側マニホルドボート１２に流入
し、一方シエル側流体はマニホルド外箱ポート１
３から流出することができる。MTSモジユール
は、隣接するキヤツプ間に十分なクリアランスス
ペースを保ちながら、必要とされるシエル側流体
６を許容可能な圧力降下でキヤツプ間に流すよう
に、ヘツダによつて支持されている。代表的な
MTSブロツクは平行な４〜15のMTSモジユール
を包含し、代表的な高出力設備はさらに平行にマ
ニホルド接続された数百のかかるMTSブロツク
を包含することができる。
第６図は高いシエル側圧力を必要とする適用例
におけるMTSタンクを形成する圧力容器１４内
部に取付けられたMTSブロツクを表わしている。
圧力均等化ベント（孔）１５は、MTS外箱５及
びマニホルド外箱１１の平坦表面上での平均静圧
成分を均等にするのに必要とされる。MTSブロ
ツクを通過するシエル側流体圧力降下から発生す
る動圧成分は、平坦表面が過度にたわむのを防止
するように比較的小さく保たれねばならない。膨
張継手１６は一端で軸線方向熱応力を逃がすため
に必要とされる。好適なシール用フランジ、１
７，１８は、封入容器１４の組立を容易にしかつ
ポート１２，１３のまわりでの十分なシールを達
成するために設けられている。容器内のMTSブ
ロツクのための適当な半径方向支持は、膨張継手
１６を含む側の端部に必要とされる。
本発明は特定の実施例を参照しながら説明して
きたが、本発明の精神から離れることなく各種の
変更及び修正を行なうことができることを理解さ
れたい。かかる変更及び修正は特許請求の範囲内
に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるMTS熱交換器モジユー
ルの部分組立体の斜視図、第２図はMTSヘツダ
の正面図、第３図はMTSモジユールの斜視図、
第４図は高圧のチユーブ側圧力で作動するMTS
モジユール用の２つの補強手法を表わす側面図、
第５図はMTSブロツクを形成するように平行に
一緒に接続された多数のMTSモジユールの斜視
図、第６図は圧力容器内に収容されたMTSブロ
ツクを表わす一部破断側面図である。 １……マイクロチユーブ、２……ストリツプ、
３……キヤツプ、４……ポート、５……外箱、
６，７……流体、１０……マニホルド、１１……
外箱、１２，１３……ポート、１４……容器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 多数のチユーブ列内に配列され熱を移送し汚
    染がなく耐腐食性で精密に作られ強化されている
    多数の金属チユーブと、 前記各チユーブの一端にしまりばめで拡散溶接
    されている第１の四角形ヘツダストリツプと、 前記各チユーブの他端にしまりばめで拡散溶接
    されている第２の四角形ヘツダストリツプと、 前記各チユーブの前記一端内に気体入口流路を
    形成するように前記第１の四角形ヘツダストリツ
    プに冶金学的に接合されている第１のマニホルド
    手段と、 前記各チユーブの前記他端からの気体出口流路
    を形成するように前記第２の四角形ヘツダストリ
    ツプに冶金学的に接合されている第２のマニホル
    ド手段と、 前記各チユーブの前記他端の付近から前記各チ
    ユーブの前記一端の付近まで前記各チユーブの外
    表面のほぼ全長にわたつて熱交換気体の対向流流
    路を形成するように前記チユーブの外側に配置さ
    れる手段とを備え、 前記各チユーブの外径は３mm以下であり、 前記各チユーブは完全に発達した層流が形成さ
    れるのに充分な長さでかつ前記各チユーブの前記
    外径の300倍以下の長さを有しており、 前記各列内の前記多数のチユーブはその中心か
    ら中心までの距離が前記各チユーブの外径の1.3
    倍から2.8倍までの範囲内で横方向に間隔をあけ
    て配列されていることを特徴とする気体−気体層
    流熱交換器モジユール。 ２ 前記チユーブは高張力合金製金属で作られて
    いる特許請求の範囲第１項記載のモジユール。 ３ 前記高張力合金製金属はステンレス鋼である
    特許請求の範囲第２項記載のモジユール。 ４ 前記四角形ヘツダストリツプは補強板により
    高い気体圧力に耐えるように補強されている特許
    請求の範囲第１項記載のモジユール。 ５ 前記チユーブは前記チユーブ列の間に溶接さ
    れた剛性ワイヤにより１つ又は複数の個所で支持
    されている特許請求の範囲第１項記載のモジユー
    ル。 ６ 前記各チユーブの前記外径は約0.8mmである
    特許請求の範囲第１項記載のモジユール。 ７ 前記各チユーブの前記長さは約0.16ｍである
    特許請求の範囲第６項記載のモジユール。 ８ 前記チユーブ列は少なくとも４つの平行に配
    列された平坦なチユーブ列を包含し、各チユーブ
    列には少なくとも40本のチユーブが含まれている
    特許請求の範囲第１項記載のモジユール。 ９ 前記チユーブは0.3％乃至５％の範囲内のし
    まりばめを行なう手段により前記四角形ヘツダス
    トリツプ内に配置されている特許請求の範囲第１
    項記載のモジユール。 １０ 前記平行な列間の距離はチユーブの中心か
    ら中心までの距離の0.866倍に等しい特許請求の
    範囲第８項記載のモジユール。 １１ 前記熱交換気体の前記対向流流路を形成す
    るために前記チユーブの外側に配置された前記手
    段は前記チユーブ列を環状に包囲する外箱から成
    つている特許請求の範囲第１項記載のモジユー
    ル。 １２ 前記チユーブと前記第１及び第２のヘツダ
    ストリツプと前記第１及び第２のマニホルド手段
    とにより形成される前記モジユールを垂直方向に
    複数個積み上げてさらにモジユールを形成し、第
    ３及び第４のマニホルド手段がそれぞれ前記各モ
    ジユールの第１及び第２のマニホルド手段の組を
    一緒に連結し、前記チユーブ側気体入口と前記モ
    ジユールからの出口通路とを供給するようになつ
    ており、これにより前記モジユールと前記第３及
    び第４のマニホルド手段とが熱交換器モジユール
    のブロツクを形成している特許請求の範囲第１項
    記載のモジユール。 １３ 前記ブロツクを収容しこれにより熱交換器
    モジユールのタンクを形成する圧力容器手段をさ
    らに包含している特許請求の範囲第１２項記載の
    モジユール。 １４ 前記第１及び第２のマニホルドの組と前記
    第３及び第４のマニホルド手段とを包囲しかつ封
    入し、前記多数のチユーブの外側に熱交換気体の
    対向流流路を形成する外箱手段をさらに包含して
    いる特許請求の範囲第１３項記載のモジユール。 １５ 前記外箱手段は前記圧力容器手段の内部に
    配置されている特許請求の範囲第１４項記載のモ
    ジユール。 １６ 少なくとも１つの前記外箱手段と前記圧力
    容器手段との間に軸線方向の熱応力を逃すための
    膨張継手手段をさらに包含している特許請求の範
    囲第１５項記載のモジユール。 １７ 前記チユーブ列は８列から成り、各列につ
    き40本乃至200本のチユーブが含まれている特許
    請求の範囲第８項記載のモジユール。
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