JPH0979791A - 炭化珪素管インサートおよびフッ素ポリマーコーティングを有するグラファイト熱交換アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 グラファイトおよび他のほとんどの金属を腐
食する流体を扱う熱交換アセンブリを提供する。 【解決手段】 本発明のプロセス流体とサービス流体と
の間の効率的な熱伝達のためのグラファイト熱交換アセ
ンブリ１０、１１０、２１０は、外表面とプロセス流体
を受け取る複数の孔７２、１７２とを有する熱伝導性グ
ラファイト体２０、１１２を含む。複数の流路７４、１
７４はサービス流体を受け取る。孔および流路により、
プロセス流体とサービス流体との間の効率的な熱伝達が
促進される。露出端部および内径を有する複数の炭化珪
素管８０、１８０、２８０が孔、流路、またはこれらの
両方に配備される。グラファイト体の外表面および炭化
珪素管の端部にフッ素ポリマーコーティング９０、１９
０、２９０が形成される。炭化珪素管の内径にはコーテ
ィングは形成されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、熱交換器
に関する。詳しくは、炭化珪素管インサートを有する複
数の孔を含み、また所定の外表面および炭化珪素インサ
ートの端部にフッ素ポリマーコーティングが形成された
熱交換アセンブリに関する。

【０００２】

【従来の技術】温度の異なる２つ以上の流体が熱交換を
行うことにより、一方の流体の温度を上げる一方で他方
の流体の温度を下げる熱交換アセンブリが広く実用化さ
れている。熱交換アセンブリは、一般に、容器または外
箱と外箱内に位置するコア部材とにより構成されてい
る。作動においては、第１流体が外箱の一方に導入さ
れ、コア部材を通ってまたはこれの周りを通過して、外
箱の別の部分から排出される。第２流体もまた外箱に導
入され、コア部材内の、第１流体が通過する穴に極めて
近い位置にある複数の穴または流路を通過する。従っ
て、２つの流体の間で効率的な熱交換が行われる。実用
的な作動では、加熱または冷却される流体をプロセス流
体と呼び、熱を供給または吸収する流体をサービス流体
と呼ぶ。これらの流体は気体または液体、もしくは、コ
ア内で凝縮する蒸気の場合は、両者の混合物であり得
る。

【０００３】このように、熱交換アセンブリはよく知ら
れている装置であり、多くの異なる適用を有する。例え
ば、化学業界および製薬業界では、熱交換アセンブリは
化学プロセスおよび製薬プロセスで用いられる。典型的
には、化学業界ではバッテリ酸(battery acid)（Ｈ₂Ｓ
Ｏ₄）または製薬業界ではアセトンのようなプロセス流
体が高温で処理される。熱交換アセンブリは、特定のプ
ロセス工程においてプロセス流体から熱を除去するため
に用いられ得る。

【０００４】熱交換アセンブリの分野および他の多くの
技術分野では、安定し且つこれまでに用いられた温度よ
りはるかに高い作動温度で強度を保持する耐火構造およ
び耐火表面に対する需要が増々高まっている。熱交換ア
センブリは、酸化または還元雰囲気、高圧または高度な
真空状態、および通常の構成材料には耐え得ない他の過
酷で異常な環境の下で作動することが多い。グラファイ
トは、この分野で必要な要件の多くを良好に満たす材料
である。従って、熱交換アセンブリは多くの場合グラフ
ァイト構成要素により構成され、多くは１つのグラファ
イトブロックまたはこのようなブロックのいくつかより
なるガスケットアセンブリの周りに形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】グラファイトは、低い
密度、高い溶融または昇華点、および高温での高い構造
強さを含む非常に望ましい特性を有する。これらの特徴
により、グラファイトは、通常の金属を含む他のほとん
どの構造材料では不十分な領域で利用され得る。しか
し、グラファイトの通常の特性は、いくつかの点および
特定の環境においては不十分である。グラファイトは、
流体の圧力、速度および温度が高い場合は浸食および腐
食する。多くの流体および他の物質はグラファイトと反
応するか、または環境によっては望ましくない方法で吸
収される。

【０００６】本発明では、熱交換アセンブリを構築する
ために用いられるグラファイトに樹脂が塗布される。樹
脂はグラファイトに浸透し、グラファイトブロックの孔
に入り込んで細孔を閉鎖する。従って、樹脂によりグラ
ファイトブロックがプロセス流体に対して不浸透とな
る。しかし、このような目的に用いられる既知の樹脂
（例えば、フェノール樹脂）は、使用される多くのプロ
セス流体に対して化学的に耐性ではなく、また、作動温
度が厳しく制約される。樹脂含浸グラファイト構成要素
を組み込んだ熱交換アセンブリは、例えば、静水試験で
は良好な結果が得られるが、樹脂の劣化により蒸気サイ
クル試験に対して耐性がない場合が多い。

【０００７】現時点での唯一の方法は、新種の金属（タ
ンタル、チタニウムなど）または金属合金（ハステロイ
など）を用いて、樹脂含浸グラファイトでは技術的に不
十分な適用のための熱交換アセンブリを構築することで
ある。一般的でない金属または金属合金よりなる熱交換
アセンブリはコストが高い。樹脂含浸グラファイト構成
要素を組み込んだ熱交換アセンブリの約５倍のコストを
必要とする。従って、樹脂含浸グラファイトを実用的に
用いることができない熱交換の適用のためにさらにコス
トの低い製品が可能であれば商業的に望ましい。

【０００８】このような製品を実現するために多くの提
案がなされている。炭化珪素は長い間極めて価値のある
耐火材料であると考えられてきた。例えば、１９５７年
のNicholsonの米国特許出願第2,784,112号が参照され
る。炭化珪素は最も硬質のエンジニアリング材料の１つ
であり、耐磨耗性があり、ほとんどの薬品に反応しな
い。このような有利な特性により、ガスタービンや原子
炉の構成要素、ならびにパイプ、反応器、ポンプ、撹拌
器、バルブおよび他の化学装置の構成要素に炭化珪素を
用いることが促進されている。

【０００９】Korczynskiらの米国特許第5,323,849号
は、腐食性流体と共に用いるための、耐腐食性管形熱交
換アセンブリを開示している。この熱交換アセンブリ
は、耐浸食性および耐腐食性を有する多孔板(tube shee
t)、管および外箱を用いる。上記特許は、管の耐腐食性
材料として、他の材料と共に、焼結したアルファ炭化珪
素セラミックを用い得ることを開示している。管は、エ
ポキシ接着剤によって多孔板の開口部に固定される。

【００１０】Koumpの米国特許第4,360,057号は、外箱の
内部をいくつかの個別の連続チャンバーに分割する複数
の多孔板を有する耐磨耗性を有する高温熱交換アセンブ
リを開示している。管はセラミック材料、好ましくは高
密度の炭化珪素により製造される。Schelterらの米国特
許第5,238,057号は、管が珪素を染み込ませた炭化珪素
である、管にフィンが取り付けられた熱交換アセンブリ
を開示している。

【００１１】Shookの米国特許第5,036,903号もまた、炭
化珪素のような耐腐食性材料を含む管の使用を開示して
いる。しかし、詳しく言えば、Shookは、腐食性気体流
から熱を回収するためのグラファイト管圧縮熱交換アセ
ンブリを教示している。上記特許は、ポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）コーティングを用いることによ
り耐腐食性を与えることを開示し、また、このようなフ
ッ素樹脂は、従来の熱交換アセンブリに用いられる金属
管の内表面に厚い層を形成して使用される場合は、幾分
絶縁性が生じる傾向があることを認めている。また、樹
脂含浸グラファイト管が貫通する、側面に開口部を有す
る多孔板のために、耐腐食性コーティングシステムを用
いることも開示している。このコーティングシステム
は、多孔板に粘着された内部の炭化珪素含浸コーティン
グと、この炭化珪素含浸層の上に形成されたフッ素樹脂
層とを有する。この２層システムにより、鋼鉄製の多孔
板を保護する向上した耐腐食性および耐浸食性が与えら
れる。

【００１２】Shookは、含浸グラファイトと炭化珪素と
をそれぞれ個別に、彼の管形タイプの熱交換アセンブリ
の管の材料として教示している。これら２つの材料は組
み合わせでは用いられていない。さらに、耐腐食性コー
ティングシステムは金属多孔板の内表面に配備されてお
り、熱交換アセンブリの外表面にも管自体にも配備され
てはいない。

【００１３】炭化珪素をコートしたグラファイトはま
た、熱交換アセンブリを構築するためにも用いられてい
る。McCrary Jr.の米国特許第3,250,322号は、熱交換ア
センブリを流体不浸透にするために、ベータ炭化珪素に
よりコートされた壁を有するグラファイト体を備えた、
腐食性流体用熱交換アセンブリを開示している。図１に
示すように、アセンブリは端部プレート１４および１６
を有する金属製の円筒状外箱１２により構成される。複
数のグラファイト要素２４、２６、２８、３０、３２お
よび３４が外箱１２内に重ねて配置されている。

【００１４】腐食性流体は管寄せ要素２４および３４な
らびに熱交換要素２６、２８、３０および３２の内部に
閉じ込められる。半径方向の孔６４および軸方向の孔７
０が熱交換要素を貫通している。孔６４および７０、管
寄せ要素２４および３４の表面、および熱交換要素２
６、２８、３０および３２の表面は、これら要素のベー
ス材料が酸化および腐食するのを防ぐ、流体不浸透性の
ベータ炭化珪素により均一にコートされる。炭化珪素は
また極めて硬質であり、要素が磨耗するのを防ぐ。管寄
せ要素および熱交換要素はタングステンまたはモリブデ
ンであってもよいが、好ましくはグラファイトにより製
造される。

【００１５】最後に、数多くの先行特許が耐腐食性保護
用コーティングの使用を開示している。Balmerらの米国
特許第5,199,486号は、鉱物の蓄積を防ぐためにテトラ
フルオロエチレンを用いる、コートされた熱交換アセン
ブリを開示している。図６に示す熱交換アレイ３０は、
テフロン（テトラフルオロエチレンポリマーに対するE.
I. du Pont de Nemours Companyの登録商標）のような
非粘着性材料によりコートされた複数の蒸気または流体
管３１Ａ〜３１Ｎを含む。複数の蒸気または流体管３２
Ａ〜３２Ｎもまたテフロン（登録商標）のような材料に
よりコートされ、２つの流動流体間の熱交換を提供する
ために管３１Ａ〜３１Ｎの下方に配置される。Warnerの
米国特許第4,669,530号は、三酸化硫黄を冷却するため
に用いられる、耐腐食性が必要とされる熱交換アセンブ
リを開示している。腐食を防ぐ一方で良好な熱伝達を可
能とするために、熱交換管の薄い覆いとして様々なフッ
素樹脂が用いられている。

【００１６】コーティングはグラファイトとコーティン
グとの間に粘着性結合が得られるように形成されなけれ
ばならない。化学蒸着（ＣＶＤ）は、グラファイト体に
直接コーティングを形成する既知の方法である。これは
上記の特許第3,250,322号でMcCrary, Jr.によって開示
された方法である。この方法は、堆積されるべき金属の
ハロゲン化物が熱分解して金属がグラファイトの表面に
堆積されるような温度で、ハロゲン化物を蒸気の状態で
グラファイト体の上方を通過させることを包含する。

【００１７】この方法を用いて広い表面にわたって均一
なコーティングを得るのは困難である。場合によって
は、均一なコーティングを得るためには、ガス流の分
流、整流化、ジェットの移動、基質の移動、または温度
勾配の移動などの特別なアレンジメントがなされる。基
質によっては、特に複雑な形状を有するものは、標準的
な手法でコートするのは実質的に不可能である。従っ
て、単管またはロッドなどの比較的単純な部品に対して
用いられるコーティング方法は良く知られているが、熱
交換アセンブリは大きくまた比較的複雑な形状（複数の
傾斜した貫通穴を含む）を有しているため、既知のコー
ティング方法は有効でない。

【００１８】先行技術の欠点を克服するために、炭化珪
素管およびその管の端部とグラファイト表面とに形成さ
れたフッ素ポリマーコーティングを含む改良グラファイ
ト熱交換アセンブリが提供される。本発明の１つの目的
は、通常はグラファイトおよび他のほとんどの金属を腐
食する流体を扱う熱交換アセンブリを提供することであ
る。これに関連する目的は、アセンブリに有害な影響を
及ぼすことなく、酸化プロセスおよび他の腐食性プロセ
スを扱うことが可能な熱交換アセンブリを提供すること
である。別の目的は、化学業界にとって関心のある多く
の化学媒体による化学攻撃からグラファイト熱交換アセ
ンブリを保護することである。

【００１９】もっと一般的な目的は、幅広い温度領域に
わたって用いられ得る良好な熱伝達性を有する熱交換ア
センブリを提供することである。本発明のさらに別の目
的は、グラファイト熱交換アセンブリをフッ素ポリマー
の均一で粘着性のあるコーティングによりコートするこ
とである。本発明のさらに別の目的は、細孔がなく、硬
質で耐久性があり、抗腐食性および抗磨耗性を有する表
面を備えた熱交換アセンブリを提供することである。こ
れに関連する目的は、既に機械加工されたグラファイト
熱交換アセンブリの表面細孔を密封することである。

【００２０】さらに別の目的は、付着物およびスケール
沈積物の形成を防ぐ熱交換アセンブリを提供することで
ある。さらに別の目的は、熱交換アセンブリのグラファ
イトが分解または剥がれるのを防ぎ、これにより、プロ
セス流体の汚染を防ぐことである。本発明のさらに別の
目的は、現存する熱伝達アセンブリを改良するために用
いられ得る構成部品を提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記のおよび他の目的を
達成するために、本発明は、プロセス流体とサービス流
体との間の効率的な熱伝達のためのグラファイト熱交換
アセンブリを提供する。熱交換アセンブリは外表面とプ
ロセス流体を受け取る複数の孔とを有する熱伝達性グラ
ファイト体を含む。複数の流路はサービス流体を受け取
る。孔および流路により、プロセス流体とサービス流体
との間の効率的な熱伝達が促進される。露出端部および
内径を有する複数の炭化珪素管が孔、流路、またはこれ
らの両方に配備される。グラファイト体の外表面および
炭化珪素管の端部にフッ素ポリマーコーティングが形成
される。炭化珪素管の内径にはコーティングは形成され
ない。

【００２２】上記の一般的な説明および以下の詳細な説
明は共に本発明を例示的に示すものであってこれを限定
するものではない。

【００２３】

【発明の実施の形態】グラファイト熱交換アセンブリ
は、高温で化学腐食性の高い条件の下での使用を特に望
ましくする多くの利点を有している。例えば、グラファ
イトは限られた程度までは熱衝撃に耐え、いくつかの強
い酸化剤を除いては耐化学腐食性を有する。さらに、グ
ラファイトの構造は高温での安定性に優れ、また良好な
熱伝達性を有する。

【００２４】グラファイト構造は熱交換アセンブリへの
使用を制限するいくつかの欠点を有する。例えば、グラ
ファイトは引っ張り強さが比較的低いため、グラファイ
ト製の管は比較的もろい。グラファイトはまた多孔性で
あるため、様々な流体を浸透させる。この浸透性はグラ
ファイトに所定の合成樹脂を含浸させることによって解
消され得るが、これにより高温でのグラファイト−合成
樹脂複合体の安定性が低下する。

【００２５】簡単に述べれば、本発明は従来のグラファ
イト熱交換アセンブリを有し、且つ組み合わによって熱
交換アセンブリの腐食を防ぐ２つの特徴を備えている。
第１は、アルファ炭化珪素製の管がグラファイトに設け
られたプロセス流体を通すための孔に挿入されるか、グ
ラファイトに設けられたサービス流体を通すための通路
に挿入されるか、またはこれら両方に挿入される。第２
に、グラファイト熱交換アセンブリの所定の外表面およ
び炭化珪素管の端部にフッ素ポリマーコーティングが形
成される。これら２つの特徴は単独では、これらを組み
合わせることによって提供される耐腐食性の向上および
性能特性の向上は得られない。

【００２６】先ず炭化珪素管については、炭化珪素は、
その化学特性および不浸透性によって、熱交換アセンブ
リのベースであるグラファイト材料を酸化および腐食か
ら保護する。炭化珪素はまた極めて硬質であり、プロセ
ス流体に浮遊する固形物によって生じる磨耗から熱交換
アセンブリを保護する。

【００２７】グラファイトおよび炭化珪素の熱特性が組
み合わされると、熱交換アセンブリに良好な熱伝達性が
与えられる。炭化珪素が高温安定性を有するため、なら
びにグラファイトおよび炭化珪素の熱膨張係数が実質的
に同じであるため、熱交換アセンブリを効率が最大とな
る高い熱勾配において高温で用いることが可能である。
さらに、炭化珪素管は極めて硬質であるため、熱交換ア
センブリを過酷な磨耗条件の下で使用することができ、
その後も長い寿命を保ち得る。

【００２８】好ましくは、本発明の管はアルファ炭化珪
素により作製される。アルファ炭化珪素は極めて緻密で
あり流体に対して実質的に不浸透である。アルファ炭化
珪素管は、超高純度でミクロン下の大きさの粉末を加圧
せずに焼成することによって製造され得る。粉末を非酸
化の焼成補助剤と混合し、管形状に成形し、次に３６３
２°Ｆより高い温度で焼成することによって管は強固に
なる。

【００２９】焼成プロセスにより、純度が高く、均一
で、実質的に孔のない単一相の細粒炭化珪素管が得られ
る。腐食性環境で浸漬されるか、磨耗性および研磨性が
極めて高い条件の下に晒されるか、または２５５２°Ｆ
を超える温度に晒される場合、焼成されたアルファ炭化
珪素は、他の市販のセラミックまたは超合金を含む金属
合金より優れた性能を示す。

【００３０】アルファ炭化珪素は、３０００°Ｆまでの
温度で極めて高い強度ならびに優れた耐クリープおよび
耐応力破断を有する。具体的には、焼成アルファ炭化珪
素の曲げ強さ（４ｐｔ．）は１５００°Ｃで約５８，６
００ｐｓｉ、破断強度は２５°Ｃで約４２０×１０³ｐ
ｓｉ／ｍ^1/2、および弾性率は室温で約５９×１０⁶ｐｓ
ｉである。

【００３１】アルファ炭化珪素は、炭化ホウ素（Ｂ
₄Ｃ）、立方晶系窒化ホウ素（ＢＮ）およびダイアモン
ドに続いて、現在入手可能な最も硬質で高性能の材料の
１つである。これは室温で約２８００ｋｇ／ｍｍ²の硬
さ（ヌープ硬さ）を有する。アルファ炭化珪素の重さは
ほとんどの金属合金の半分以下（鋼鉄の４０％）であ
る。焼成管の密度はすべてにおいてアルファ炭化珪素の
理論上の密度の９８％を超え、３．２１ｇ／ｃｍ³であ
る。このような極めて高い硬さおよび密度により、アル
ファ炭化珪素は、構成要素が強い研磨および滑り磨耗に
晒される熱交換アセンブリにとって理想的である。炭化
珪素対炭化珪素の比磨耗率および摩擦係数（両方共ディ
スク上のピン）はそれぞれ１×１０^-9ｍｍ²／ｋｇおよ
び０．２である。

【００３２】アルファ炭化珪素は密度が高く孔が少なく
また化学的に非活性であるため、極度に高い温度におい
ても、熱い気体および液体の環境下、酸化および腐食性
雰囲気中、および強い酸および塩基の下で機能し得る。
アルファ炭化珪素の高い熱伝導性と低い熱膨張性とによ
って優れた耐熱衝撃性が生じる。耐熱衝撃性は炭化タン
グステン、酸化アルミニウムおよび窒化珪素よりはるか
に優れている。このような特性により、アルファ炭化珪
素は高温熱交換アセンブリの管状金属に代わり得る。

【００３３】焼成されたアルファ炭化珪素管の表面仕上
げは優れている（約６４マイクロインチ）。この表面の
質を厳重な寸法制御と組み合わせれば、追加的な機械加
工または仕上げ研磨をほとんどまたは全く必要としない
管が形成される。

【００３４】本発明の第２の特徴については、フッ素ポ
リマーコーティングが熱交換アセンブリのグラファイト
の所定の外表面および炭化珪素管の端部に塗布される。
コーティングは炭化珪素管の内部には形成されない。形
成されれば、炭化珪素管を横断しグラファイトブロック
を貫通する熱伝達が妨害される。フッ素ポリマーは好ま
しくは、コーティングとして塗布され得るＦＥＰのよう
なフッ素エラストマーポリマーである。（本発明の譲受
人はフッ素ポリマーコーティングを「Graphilor 'T'と
呼ぶ。） 適切なＦＥＰの例としては、ダイキン工業株式会社によ
って市販されているＮｅｏｆｌｏｎ（商標）コーティン
グ粉末がある。このコーティング粉末はテトラフルオロ
エチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーよ
りなる細かい粉末である。このコーティング粉末は溶融
粘度が低く、溶融流動率が高い。このため、ピンホール
のないコーティング膜が得られ得る。このコーティング
は耐腐食性ライニングとして使用すると理想的であり、
優れた耐熱性および耐薬品性を有し、また望ましい耐粘
着性、滑り特性、および電気特性を有する。

【００３５】フッ素ポリマーコーティングは「そのま
ま」の（すなわち、含浸されていない）グラファイトに
形成される。特に、強度および密度が高いグレードのグ
ラファイト（譲受人のグレード２０２０グラファイトな
ど）が熱交換アセンブリに用いられると、フッ素ポリマ
ーコーティングを形成した後でグラファイトを含浸する
必要がなくなる。これは、管がプロセス流体およびサー
ビス流体の両通路に存在する場合である。フッ素ポリマ
ーコーティングが形成されているところでは含浸させる
領域がない。フッ素ポリマーコーティングがグラファイ
ト基質の実質的にすべての露出孔および窪みに入り込み
これらを埋めているからである。

【００３６】実質的に均一な厚さ（約３．５±０．５ミ
ル）の連続した粘着性のある均質なフッ素ポリマーコー
ティングが実現され得る。熱交換アセンブリは比較的複
雑な形状であるが、コーティングは形成された全領域に
わたってすべての角および垂直面で均一であり、また非
常に堅固に粘着し固着するため、グラファイトの界面を
破壊しない限り結合が崩壊することはあり得ない。フッ
素ポリマーはグラファイトの孔および窪みに入り込み、
その場でグラファイトを密封する。この結果、問題を引
き起こしやすい細孔が最小限度に減らされる。

【００３７】グラファイトのフッ素ポリマーによってコ
ートされていない部分は、フェノールベースの樹脂また
は他の材料により含浸され得る。フッ素ポリマーコーテ
ィングによりグラファイトと炭化珪素管との接合面が密
封され、これにより漏れを防ぐことができる。サービス
流体側は通常はコーティングされないため、含浸によっ
て不浸透にされる。

【００３８】本発明の３つの材料（グラファイト、アル
ファ炭化珪素、およびフッ素エラストマーポリマーコー
ティング）の特異的な組み合わせにより、熱交換アセン
ブリの耐腐食性が向上し、また高い設計圧力が可能とな
る。これら３つの構成材料のそれぞれが不活性で耐腐食
性を有する。本発明は従来の３つのタイプの熱交換アセ
ンブリ、円筒状ブロックアセンブリ、方形または立方形
ブロックアセンブリ、および管形アセンブリのすべてに
等しく良好に適用され得る。

【００３９】次に図面を参照して、本発明を組み込んだ
熱交換アセンブリの３つのタイプの例を示す。図面にお
いて類似した参照番号は類似した構成要素を示す。例示
のために、本発明を構成する３つの材料を円筒状ブロッ
ク熱交換アセンブリに適用する場合を最も詳細に示す。

【００４０】Ｉ．円筒状ブロック熱交換アセンブリ 先ず、円筒状ブロックタイプの熱交換アセンブリにおい
て、図１、図２、および図３はそれぞれ従来の円筒状熱
交換アセンブリ１０の平面図、底面図、および側面図を
示す。円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０は幅広い適
用に対して最も適しているため、様々な設計の中で最も
汎用性がある。円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０は
上部圧縮プレート１２および下部圧縮プレート１４を有
する。圧縮プレート１２および１４は鋼鉄または他の適
切な材料により製造され得る。

【００４１】プロセス流体から熱を除去またはこれに熱
を与えるのに適した位置に円筒状ブロック熱交換アセン
ブリ１０を配置するために、取り付け用突出部１６が配
備される（好ましくは互いに１８０度半径方向に対向し
ている）。円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０の搬送
および取り付けを容易にするために、持ち上げ用突出部
１８が好ましくは互いに１８０度半径方向に対向して配
備される。円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０は、適
切な枠組または床構造に直列に、並列に、または組み合
わせて、垂直にまたは水平に取り付けられ得る。識別の
ためにネームプレートブラケット２２が配備され得る。

【００４２】特に図３に示すように、上部圧縮プレート
１２と下部圧縮プレート１４との間には、フッ素ポリマ
ーコーティング用の基質として適切な細粒グラファイト
により形成された多数の一体形中間ブロック２０が配置
されている。中間ブロック２０の数は適用により変動し
得るが、典型的には１２個である。中間ブロック２０は
外箱２４に覆われている。外箱２４は上部フランジ２６
および下部フランジ２８を有する。外箱２４は好ましく
はカーボンスチールであるが、裏打ち、クラッディング
または合金化されてもよい。

【００４３】図３に示すように、中間ブロック２０はブ
ロックガスケット３０を用いて互いに連結させて密封状
態にし、柱状アセンブリを形成する。ブロックガスケッ
ト３０はテフロン（登録商標）ブレード、ネオプレンゴ
ムなどにより製造され得る。同様に、中間ブロック２０
は外箱バッフル３２を用いて外箱２４に係合する。外箱
バッフル３２の適切な材料はネオプレンゴムである。ブ
ロックガスケット３０と外箱バッフル３２とを組み合わ
せてブロックガスケットおよび外箱バッフルユニット３
４（図４参照）を形成し得る。ステンレススチールのよ
うな金属により製造され得る軸方向バッフルバー３５を
配備してもよい。ブロックガスケット３０および外箱バ
ッフル３２により、中間ブロック２０が互いにまたは外
箱２４に接着するのが防止され、また円筒状ブロック熱
交換アセンブリ１０の漏れが確実に防止される。

【００４４】図３に示すように、円柱状ブロック熱交換
アセンブリ１０に用いられる柱状グラファイトブロック
を形成するために多数の中間ブロック２０が使用され得
るが、単一の一体形ブロックでも十分である。多数の中
間ブロック２０の方が製造が容易なため、多くの場合、
単一の一体形ブロックより好ましい。さらに、円筒状ブ
ロック熱交換アセンブリ１０の熱交換表面は、中間ブロ
ック２０の数を増やすことによって増大し得る。このブ
ロックの数の増加は使用現場で行い得る。中間ブロック
２０は現場で容易に分解（および必要であれば交換）が
可能であり清掃および修理が簡単なため、保守管理費が
少なくてすむ。同様に、図３に示すように円筒状ブロッ
ク熱交換アセンブリ１０の形状は円筒形であるが、他の
形状でも適切である。

【００４５】上部圧縮プレート１２と外箱２４の上部フ
ランジ２６との間に浮遊ジョイント３６が配置される。
上部圧縮プレート１２を外箱２４の上部フランジ２６に
接続し浮遊ジョイント３６をこれらの間に保持するため
に、それぞれがバネ４０と一対のナット４２とを有する
複数（典型的には１２個）の浮遊端部ボルト３８が配備
される。バネ４０は鋼鉄製コイルバネであり得る。浮遊
管寄せ４４を上部管寄せフランジ４８を介して上部プレ
ート１２に接続するために、浮遊フランジボルト４６が
配備される。グラファイトは本来引っ張りに弱く圧縮に
強いため、円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０は、そ
の軸方向のバネによる圧縮原理により、さらに高い設計
圧力に適応する。プロセス流体によって攻撃される接着
ジョイントは存在しない。

【００４６】下部圧縮プレート１４と外箱２４の下部フ
ランジ２８との間に固定ジョイント５２が形成される。
下部圧縮プレート１４を外箱２４の下部フランジ２８に
接続するために、それぞれがナット５６を有する複数
（典型的には１２個）の固定端部ボルト５４が配備され
る。固定管寄せ６０を下部管寄せフランジ６２を介して
下部圧縮プレート１４に接続するために、固定フランジ
ボルト５８が配備される。

【００４７】サービス流体入口６８およびサービス流体
出口７０が外箱２４から半径方向に突出している。サー
ビス流体入口６８およびサービス流体出口７０は好まし
くはグラファイトにより製造される。複数のサービス流
体流路７４がグラファイト製の各中間ブロック２０を通
って半径方向に形成される。中間ブロック２０は、約４
５０°Ｆまでは、ＨＮＯ₃のような数種の強い濃縮酸化
剤を除いてはほとんどの腐食剤および溶剤に耐性がある
上級のポリマー（ＴＦＥなど）により含浸され得る。形
成されるサービス流体流路の数および直径は適用により
異なる。例としては、直径約３／８インチの１４４個の
サービス流体流路７４がいくつかの適用においては適切
である。

【００４８】サービス流体流路７４は、円筒状ブロック
熱交換アセンブリ１０で使用される（冷却または加熱）
サービス流体のための通路７６（図３および図４に矢印
７６で示す）を形成する。サービス流体は通常は水およ
び蒸気である。サービス流体はサービス流体入口６８か
ら円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０に入り（図３お
よび図４に矢印Ａで示す）、通路７６を通り、サービス
流体出口７０で円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０か
ら出る（図３および図４に矢印Ｂで示す）。

【００４９】浮遊管寄せ４４がプロセス流体出口６４を
形成し、固定管寄せ６０がプロセス流体入口６６を形成
する。プロセス流体出口６４とプロセス流体入口６６と
は好ましくはグラファイトにより製造される。グラファ
イト製の各中間ブロック２０を通って軸方向に形成され
た複数のプロセス流体孔７２がプロセス流体入口６６と
プロセス流体出口６４とを接続する。形成されるプロセ
ス流体孔７２の数および直径は適用により異なる。例と
しては、直径約５／８インチの９８個のプロセス流体孔
７２が図５に示されている（変形例としては、直径約３
／４インチの５７個のプロセス流体孔７２が形成され
る）。円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０によって加
熱または冷却されるプロセス流体はプロセス流体入口６
６に送られ（図３および図４に矢印Ｃで示す）、プロセ
ス流体孔７２を通り、プロセス流体出口６４で円筒状ブ
ロック熱交換アセンブリ１０を出る（図３および図４に
矢印Ｄで示す）。

【００５０】円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０が受
け取る様々なプロセス流体の例としては、バッテリ酸
（Ｈ₂ＳＯ₄）およびアセトンがある。必要に応じて、プ
ロセス流体およびサービス流体両方のための多くのパス
が配置され得る。

【００５１】軸方向のプロセス流体孔７２は半径方向の
サービス流体通路７４とは独立し、またこれらから注意
深く遮断されている。プロセス流体孔７２とサービス流
体流路７４との間にはいかなる交差もない。しかし、プ
ロセス流体孔７２とサービス流体流路７４とは互いに極
めて接近した位置に配置され、円筒状ブロック熱交換ア
センブリ１０を通じて連動グリッドを形成している。プ
ロセス流体孔７２とサービス流体流路７４との間のこの
位置関係により、プロセス流体孔７２内を流れるプロセ
ス流体とサービス流体流路７４内を流れるサービス流体
との間の効率的な熱伝達または熱交換が促進される。

【００５２】図５はさらにプロセス流体孔７２とサービ
ス流体流路７４との間の位置関係を示している。図５
は、図３のＶ−Ｖ線に沿った拡大断面図である。プロセ
ス流体孔７２の列およびサービス流体流路７４の列が交
互に配備され、これにより確実に最大の熱伝達が得られ
る。従来の円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０の典型
的な設計温度は約３６０°Ｆであるが、水冷却ヘッドを
備えた適用ではこれを超えることもあり得る。最大許容
作動圧力は典型的には約１００ｐｓｉである。

【００５３】図６および図７は、本発明による（上記に
詳述した通りの）従来の円筒状ブロック熱交換アセンブ
リ１０の中間ブロック２０を示す。先ず、グラファイト
中間ブロック２０にプロセス流体孔７２を形成した後、
これらの孔に炭化珪素管８０を挿入する。管８０の外径
はプロセス流体孔７２の外径に等しいかまたは僅かに小
さいため、管８０はプロセス流体孔７２に「押し込め」
られ、きつく嵌合して最大熱交換が確実に得られる。管
８０の壁厚は約１／１６インチである。炭化珪素を横切
り次にグラファイトを通って熱伝達が行われる。炭化珪
素管８０により、そのままのグラファイトプロセス流体
孔７２を通して耐腐食性が増大する。

【００５４】管８０はまたサービス流体流路７４にも挿
入され得るが、サービス流体が腐食性でないならば利点
はほとんど得られない。さらに、サービス流体流路７４
はコートされないか、または、炭化珪素管より温度特性
がはるかに低い樹脂または他の類似の材料によりコート
され得る。サービス流体流路７４では温度は十分に低い
ため、サービス流体流路はコートされないか、または樹
脂のみによってコートされ得、このため、グラファイト
中間ブロック２０の保護は必要ない。すなわち、樹脂の
分解は起こらない。

【００５５】管８０は接着剤によってプロセス流体孔７
２に固着され得る。適切な接着剤としては、Cotronics
Corporationのセラミックセメント９０１（−２）、Ｓ
ｅｒｍａｂｏｎｄ４８７などがある。図７に示すよう
に、管８０は名目量（例えば、０．２５インチ）だけプ
ロセス流体孔７２より外側に突出し得る。管８０はま
た、グラファイト中間ブロック２０の面と面一に、また
はプロセス流体孔７２内に僅かに入り込むようにし得
る。プロセス流体孔７２への管８０の摩擦による取り付
けは、グラファイト粉末粒子を用いて実現され得る。粉
末もまた熱伝達を高めるように作用する。

【００５６】円筒状ブロック熱交換アセンブリ１０の所
定の外表面および炭化珪素管８０の端部８２にフッ素ポ
リマーコーティング９０が形成される。典型的には、フ
ッ素コーティング９０は、プロセス流体孔７２が開口し
ている中間ブロック２０の面２０ａおよび２０ｂにのみ
形成される必要がある。これは特に、サービス流体が水
のとき当てはまる。もしくは、フッ素ポリマーコーティ
ング９０はまた、サービス流体流路７４が開口している
中間ブロック２０の面２０ｃおよび２０ｄにも形成され
得る。図７に示すように、中間ブロック２０には窪み９
２が形成され得、管８０の延長およびフッ素ポリマーコ
ーティング９０の寸法変形を可能にする。

【００５７】ＩＩ．立方形ブロック熱交換アセンブリ 図８、図９、および図１０に従来の立方形ブロック熱交
換アセンブリ１１０を示す。立方形熱交換アセンブリ１
１０は中央構成要素として立方形ブロック１１２を有す
る。立方形ブロック１１２はグラファイトにより製造さ
れ、立方形熱交換アセンブリ１１０のコアを形成する。
立方形ブロック１１２のグラファイトは、ＰＴＦＥのよ
うなポリマーにより含浸され得る。

【００５８】円筒状熱交換アセンブリ１０と同様に、立
方形熱交換アセンブリ１１０の立方形ブロック１１２に
は、プロセス流体孔１７２の列とサービス流体流路１７
４の列とが交互に形成されており、最大の熱伝達が確実
に得られる。プロセス流体孔１７２はサービス流体流路
１７４とは独立し、またこれらから注意深く遮断されて
いる。プロセス流体孔１７２とサービス流体流路１７４
との間にはいかなる交差もない。しかし、プロセス流体
孔１７２とサービス流体流路１７４とは互いに極めて接
近した位置に配置され、立方形熱交換アセンブリ１１０
を通じて連動グリッドを形成している。

【００５９】プロセス流体孔１７２とサービス流体流路
１７４との間のこの位置関係により、プロセス流体孔１
７２内を流れるプロセス流体とサービス流体流路１７４
内を流れるサービス流体との間の効率的な熱伝達または
熱交換が促進される。典型的には、プロセス流体孔は直
径３／８インチかまたは５／３２インチである。小さい
方の直径は一般に濃縮の適用の場合に用いられるが、清
浄な液体に対しても適切である。標準ではないが、特別
な要件を満たすために、直径３／４インチまたは１／２
インチのグラファイト管をプロセス流体孔１７２内に配
置することもできる。

【００６０】プロセス流体孔１７２とサービス流体流路
１７４との間が垂直の関係にあることにより、一定の逆
流が流れる。これにより、多パスの立方形熱交換アセン
ブリ１１０における温度補正要因がなくなり、熱伝達領
域が大幅に減少する。

【００６１】締め付け鋳造プレート１１４により立方形
ブロック１１２が構造的に支持される。締め付け鋳造プ
レート１１４から延びる締め付けボルト１１６は立方形
熱交換アセンブリ１１０の残りの構成要素に係合し、こ
れらの構成要素を立方形ブロック１１２に関して固着さ
せる。

【００６２】プロセス流体ヘッドライナー１１８とプロ
セス流体リターンライナー１２０が、プロセス流体孔１
７２が開口している立方形ブロック１１２の２つの対向
する面に配置されている。プロセス流体ヘッドライナー
１１８およびプロセス流体リターンライナー１２０はそ
れぞれ好ましくはグラファイトにより製造され、そのま
まの状態でフッ素ポリマーによりコートされ、コーティ
ング後含浸され、金属に取り付けられる。プロセス流体
鋳造ヘッド１２２はプロセス流体入口１６６およびプロ
セス流体出口１６４を有し、締め付けボルト１１６上に
配置されてプロセス流体ヘッドライナー１１８を覆う。
同様に、プロセス流体リターン鋳造ヘッド１２４は締め
付けボルト１１６上に配備されてプロセス流体リターン
ライナー１２０を覆う。プロセス流体鋳造ヘッド１２２
およびプロセス流体リターン鋳造ヘッド１２４は好まし
くは鋼鉄により製造される。

【００６３】ライナーは立方形ブロック１１２のサービ
ス流体側でも用いられ得るが、通常は必ずしも必要では
ない（従って図８には示していない）。サービス流体流
路１７４が開口している立方形ブロック１１２の２つの
対向する面にわたって、サービス流体入口１６８とサー
ビス流体出口１７０とを有するサービス流体ヘッド１２
６およびサービス流体リターンヘッド１２８が配備され
ている。サービス流体ヘッド１２６およびサービス流体
リターンヘッド１２８は締め付けボルト１１６上に配備
され、好ましくは鋼鉄により製造される。

【００６４】立方形熱交換アセンブリ１１０は、これま
で設計された熱交換アセンブリの中で保守管理を最も必
要としないタイプの１つである。すべてのグラファイト
は圧縮状態に維持される。立方形熱交換アセンブリ１１
０は、熱衝撃、油圧衝撃、および外部からの機械的な衝
撃を含む過負荷に確実に耐える。設計が単純であるこ
と、機械の清掃のための分解が容易であること、および
サイズおよび通路配置が多様であることにより、立方形
熱交換アセンブリ１１０の用途は幅広い。

【００６５】従来の立方形熱交換アセンブリ１１０は、
熱交換面積が１０〜１，０００平方フィートのサイズ領
域を有する。パスはモデルに依り単一パスから６０個の
パスまで利用できる。図９および図１０はそれぞれ３パ
ス構成および４パス構成を示す。プロセス流体の流路は
矢印で示す。

【００６６】熱伝達抵抗を最小限にするために正しいパ
ス配置を選択することが極めて重要である。特に乱流領
域では、速度が大きいほど抵抗は小さい。しかし、過度
の圧力低下を防ぐために注意が必要である。ほとんどの
場合には、良好な効率を得るためには、液体比重１に対
して３〜４フィート／秒の速度が用いられ得る。

【００６７】ＴＦＥ製のプロセス流体ガスケット（図示
せず）は標準的な構成要素である。立方形熱交換アセン
ブリ１１０には内部ガスケットは用いられていない。立
方形熱交換アセンブリ１１０の物理的な大きさは、多く
の場合、これに匹敵する後述の管形タイプのグラファイ
ト熱交換アセンブリの容量の１／５である。従って、立
方形熱交換アセンブリ１１０は、空間が制限されている
適用にとっては特に有利である。

【００６８】図１１および図１２は、本発明の（上記に
詳述した）従来の立方形熱交換アセンブリ１１０の立方
形ブロック１１２を示す。例として、立方形ブロック１
１２は高さ８．７５インチ、深さ９．５インチ、および
幅９．５インチであり、直径１／２インチのプロセス流
体孔１７２および直径３／８インチのサービス流体流路
１７４が形成されている。プロセス流体孔１７２には炭
化珪素管１８０が挿入されている。管１８０の外径はプ
ロセス流体孔１７２の外径にほぼ等しいため（約１／２
インチ）、管１８０はプロセス流体孔１７２に「押し込
め」られ、きつく嵌合して最大熱交換が確実に得られ
る。管１８０はまたサービス流体流路１７４にも挿入さ
れ得るが、サービス流体が腐食性でないならば利点はほ
とんどない。

【００６９】管１８０は接着剤によってプロセス流体孔
１７２に固着されるか、またはグラファイト粉末を用い
て摩擦により取り付けられ得る。図１２に示すように、
管１８０はグラファイト立方形ブロック１１２の面と面
一である。または、管１８０は、名目量（例えば、０．
２５インチ）だけプロセス流体孔１７２より外側に突出
するか、またはプロセス流体孔１７２内に僅かに入り込
むようにされ得る。

【００７０】立方形熱交換アセンブリ１１０の所定の外
表面および炭化珪素管１８０の端部１８２にフッ素ポリ
マーコーティング１９０が形成される。（フッ素ポリマ
ーコーティング１９０は図１１の一部切欠図に示す。）
典型的には、フッ素コーティング１９０は、プロセス流
体孔１７２が開口している立方形ブロック１１２の面の
みに形成される必要がある。これは特に、サービス流体
が水のとき当てはまる。もしくは、フッ素ポリマーコー
ティング１９０はまた、サービス流体流路１７４が開口
している立方形ブロック１１２の面にも形成され得る。
立方形ブロック１１２の４つの面にフッ素ポリマーコー
ティング１９０が形成される場合でも、立方形ブロック
１１２の上面および下面はコートする必要はない。

【００７１】立方形ブロック１１２の面に形成されるフ
ッ素ポリマーコーティング１９０の量は適用により異な
る。例えば、いくつかの適用では２５ミルのフッ素ポリ
マーコーティング１９０が適切であり、他の適用では、
８〜１０ミルで十分である。管１８０の端部１８２はコ
ートされるが、管１８０の内径にはコーティングは形成
されない。ライナー１１８および１２０に僅かに深いガ
スケット溝が形成され得、管１８０の延長（延長する場
合）およひフッ素ポリマーコーティング１９０を寸法に
おいて可能にする。

【００７２】ＩＩＩ．管形熱交換アセンブリ 本発明の概念は（上述の）いかなる所望の形状の熱交換
アセンブリにおいても用いられ得、また管状の熱交換ア
センブリにも適応され得る。周知のように、管状構成の
熱交換アセンブリを用いるのは、熱交換を完全に熱交換
アセンブリ内で行うことが所望される所定の環境におい
ては非常に有利である。このような環境で共通に用いら
れる管状熱交換アセンブリは、従来「管形」熱交換アセ
ンブリとして知られるタイプである。１つの熱交換媒体
を流す複数の管状要素が、流れの方向を定めるバッフル
を用いてまたは用いないで、別の熱交換媒体を環流させ
る外箱内に配置される。流れは実質的には管に沿った軸
方向である。

【００７３】従来の管形熱交換アセンブリ２１０を図１
３に示す。プロセス流体がプロセス流体入口２６６を介
して管形熱交換アセンブリ２１０に導入され、外部外箱
２１４内に配置された管２１２を通って流れて、プロセ
ス流体出口２６４から出る。管２１２は典型的には金
属、アルファ炭化珪素、ガラスまたは不浸透性グラファ
イトである。外箱２１４は、例えば、低温鋼鉄、ステン
レススチールまたはファイバーグラスである。サービス
流体はサービス流体入口２６８を介して管形熱交換アセ
ンブリ２１０に入り、サービス流体バッフル２１６によ
る方向付けに従って管２１２の周りを流れて、サービス
流体出口２７０から出る。本質的には、サービス流体は
サービス流体バッフル２１６および管２１２によって形
成される「流路」を通って管形熱交換アセンブリ２１０
を横断する。サービス流体バッフル２１６は典型的には
ステンレススチール、ファイバーグラスまたはポリプロ
ピレンである。

【００７４】管２１２は多孔板によって外箱２１４内に
保持される。プロセス流体入口２６６に最も近い管２１
２の端部は、第１多孔板２１８内に保持され、プロセス
流体出口２６４に最も近い管２１２の端部は第２多孔板
２２０内に保持される。多孔板２１８および２２０は典
型的には金属、不浸透性グラファイトまたはガラス充填
ＰＴＦＥである。多孔板２１８および２２０には複数の
孔が開けられ、これらに管２１２が通される。多孔板２
２０と外箱２１４との間にパッキング２２２を配備し
て、多孔板２２０を定位置に固定し得る。多孔板２１８
および２２０を密封するために内部プロセス流体ガスケ
ット２２４が配備される。

【００７５】第１プロセス流体ヘッド２２６および第２
プロセス流体ヘッド２２８がそれぞれ第１多孔板２１８
および第２多孔板２２０に係合して、多孔板２１８およ
び２２０を定位置に保持する。第１プロセス流体ヘッド
２２６および第１多孔板２１８は管形熱交換アセンブリ
２１０の固定端部２３０に配置される。第２プロセス流
体ヘッド２２８および第２多孔板２２０は管形熱交換ア
センブリ２１０の浮遊端部２３２に配置される。留めロ
ッド２３４および割リングフランジ２３６が浮遊端部２
３２に配備され、管形熱交換アセンブリ２１０を圧縮す
る。留めロッド２３４は典型的にはステンレススチー
ル、ファイバーグラスまたはポリプロピレンである。

【００７６】本発明による改良管形熱交換アセンブリを
図１４に示す。多孔板２１８および２２０はグラファイ
トであり、管２８０はアルファ炭化珪素である。フッ素
ポリマーコーティング２９０が、それぞれプロセス流体
ヘッド２２６および２２８に最も近い多孔板２１８およ
び２２０の面に形成される。炭化珪素管２８０とグラフ
ァイト多孔板２１８および２２０との間のジョイントは
フッ素ポリマーコーティング２９０によって密封され
る。多孔板２１８および２２０の残りの面ではグラファ
イトは（例えばフェノールにより）含浸され得る。フッ
素ポリマーコーティング２９０はまた管２８０の端部２
８２に形成される。しかし、管２８０の内部にはフッ素
ポリマーコーティング２９０は形成されない。プロセス
流体ヘッド２２６および２２８はフッ素ポリマーでコー
トされ鋼鉄に包まれたグラファイトである。

【００７７】本発明の炭化珪素管２８０およびフッ素ポ
リマーコーティング２９０により改良されているよう
に、管束熱交換アセンブリ（２１８、２２０、２８０）
は一体構造である。従って、多孔板２１８および２２０
ならびに管２８０が完全に組み立てられた状態で、管束
全体（２１８、２２０、２８０）がコートされる。その
後、多孔板２１８および２２０が含浸される。サービス
流体が周りを流れる内部ガスケットは存在しない。管の
側面構造は汚染に強い構成材料（炭化珪素およびフッ素
ポリマーにコートされたグラファイト）である。

【００７８】ＩＶ．実施例 Ａ．コーティング評価試験を行った。２つの異なるフッ
素ポリマー材料、エチレンとクロロトリフルオロエチレ
ンとのコポリマー（ＥＣＴＦＥ）（Ausimont, U.S.A.,
Inc.により登録商標名Ｈａｌａｒとして販売）およびエ
チレンとトリフルオロエチレンとのコポリマー（ＥＴＦ
Ｅ）（E.I. du Pont de Nemours Companyにより登録商
標名Ｔｅｆｚｅｌとして販売）を、非含浸グラファイト
よりなる熱交換ライナーに塗布した。それぞれにおい
て、ネオプレンガスケットをライナーに適合するように
切断し、第１鋼鉄プレートをそれ自体のガスケットと共
にライナーの上に配置した。最後に、第２鋼鉄プレート
を第１鋼鉄プレートの上に配置した。

【００７９】試験片を試験スタンドに配置して負荷圧力
を５５０ｐｓｉまで加えた。空気圧を、１５ｐｓｉｇ
（５分間）、２０ｐｓｉｇ（５分間）および３０ｐｓｉ
ｇ（３０分間）の３段階で加え、各段階で石鹸水を用い
て試験片の空気漏れを調べた。空気漏れは観察されなか
った。

【００８０】温度サイクルを試験片に加えて、極端な加
熱条件におけるコーティングの柔軟性を調べた。試験片
をガス点火オーブンに入れ３５０°Ｆで２時間加熱し
た。試験中、試験片の柔軟性および剥離を１５分毎に調
べた。コーティングは良好に保持された。

【００８１】空気試験および温度試験が終了した後、試
験片のグラファイトラインをフェノール−ホルムアルデ
ヒド樹脂で含浸した。コートされたライナーを２日間の
サイクルで広範囲な真空ならびに高い圧力および温度変
化に晒した。試験サイクルが終了すると、２つの試験片
を１〜２時間環境真空下においた。この場合もコーティ
ングは良好に保持された。

【００８２】Ｂ．フッ素ポリマーをコートしたグラファ
イト試料に腐食試験を行った。２つのグラファイト試料
を静電スプレー法によりフッ素ポリマー（ＥＣＴＦＥ）
でコートした。コーティングの厚さは０．８ｍｍであっ
た。両試料を１１０°Ｃの温度で１０００時間、濃縮塩
酸中においた。顕微鏡検査により、グラファイトとフッ
素ポリマーとの間が良好に結合され、また酸による化学
攻撃がないことが分かった。コーティングはグラファイ
トをきつく保持していた。ＦＥＰもまた同様の条件で試
験を行い、同じ結果を得た。

【００８３】Ｃ．プロセス流体孔とサービス流体流路の
両方に炭化珪素管を挿入した立方形熱交換アセンブリに
熱交換試験を行った。プロセス流体側およびサービス流
体側両方の熱交換面積（Ｈ．Ｔ．Ａ．）は１２．３平方
フィートであった。立方形ブロックをフェノールを含浸
していないグレード２０２０のグラファイトにより形成
した。設計は、それぞれが外径１／２インチ、内径３／
８インチ、有効長さ９−１／２インチの１５６個の炭化
珪素管を有する、１０×１０パスアセンブリであった。
この立方形ブロックの４面すべてにＦＥＰコーティング
を形成した。

【００８４】１８００ポンド／時間、５０°Ｆの水を１
大気圧および２１２°Ｆの飽和水蒸気を用いて１７５°
Ｆに加熱した。水加熱速度は２２５，０００Ｂｔｕ／時
間、蒸気流量は約２３０ポンド／時間であった。つま
り、膜係数データは、ｈ_S（水）＝２９９Ｂｔｕ／時間
−平方フィート−°Ｆ、ｈ_p（蒸気）＝２５００Ｂｔｕ
／時間−平方フィート−°Ｆであった。ログ平均温度差
（ＬＭＴＤ）は８１．５°Ｆであった。アセンブリに付
着物がなく利用可能な領域すべてが使用されるとする
と、Ｕ_C＝Ｕ_D＝Ｕ_S＝２２４Ｂｔｕ／時間−平方フィー
ト−°Ｆ（Ｕ_Cは「清浄な」アセンブリの係数、Ｕ_Dは
「汚れた」アセンブリの係数、およびＵ_Sは実作動にお
けるアセンブリの係数）である。

【００８５】これらの結果により、壁抵抗は１３９０Ｂ
ｔｕ／時間−平方フィート−°Ｆまたは０．０００７２
°Ｆ−時間−平方フィート／Ｂｔｕとなる。これは、安
定化されたＢａｋｅｌｉｔｅ（Union Carbide Corporat
ionの登録商標名）を含浸した従来の円筒形熱交換アセ
ンブリの場合の約２倍である。上記の数値は、２本の炭
化珪素管および０．１５インチの非含浸グラファイトの
壁抵抗である。

【００８６】以上、本発明を特定の実施態様を参照して
述べたが、本発明は上記の詳細な説明に限定されない。
請求項の範囲および領域内でおよび発明の精神から離れ
ることなく様々な改変が詳細に行われ得る。

【００８７】

【発明の効果】本発明によれば、炭化珪素管およびその
管の端部とグラファイト表面とに形成されたフッ素ポリ
マーコーティングを含む改良グラファイト熱交換アセン
ブリが提供される。また、通常はグラファイトおよび他
のほとんどの金属を腐食する流体を扱うことができる熱
交換アセンブリが提供される。また、アセンブリに有害
な影響を及ぼすことなく、酸化プロセスおよび他の腐食
性プロセスを扱うことができる熱交換アセンブリが提供
される。さらに、化学業界にとって関心のある多くの化
学媒体による化学攻撃から保護されるグラファイト熱交
換アセンブリが提供される。

【００８８】一般的には、幅広い温度領域にわたって用
いられ得る良好な熱伝達性を有する熱交換アセンブリが
提供される。また、フッ素ポリマーの均一で粘着性のあ
るコーティングによりコートされるグラファイト熱交換
アセンブリが提供される。さらに、細孔がなく、硬質で
耐久性があり、抗腐食性および抗磨耗性を有する表面を
備えた熱交換アセンブリが提供される。また、既に機械
加工されたグラファイト熱交換アセンブリの表面細孔を
密封することが可能である。

【００８９】さらに本発明によれば、付着物およびスケ
ール沈積物の形成を防ぐ熱交換アセンブリが提供され
る。また、熱交換アセンブリのグラファイトが分解また
は剥がれるのが防がれ、これにより、プロセス流体の汚
染を防止される。さらに、現存する熱伝達アセンブリを
改良するために用いられ得る構成部品が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の円筒状ブロック熱交換アセンブリの平面
図。

【図２】図１に示した熱交換アセンブリの底面図。

【図３】図１および図２に示した熱交換アセンブリの部
分断面側面図。

【図４】図１、図２、および図３に示した熱交換アセン
ブリの部分断面一部切欠側面図。

【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った拡大断面図。

【図６】本発明の円筒状ブロックタイプ熱交換アセンブ
リの中間ブロックの部分断面図。

【図７】図６でＶＩＩと記された円内の詳細図。

【図８】従来の立方形ブロック熱交換アセンブリの分解
斜視図。

【図９】典型的な３パス流れパターンを有する、図８に
示した熱交換アセンブリの断面図。

【図１０】典型的な４パス流れパターンを有する、図８
に示した熱交換アセンブリの断面図。

【図１１】本発明の立方形タイプ熱交換アセンブリのプ
ロセス流体側の部分断面図。

【図１２】本発明の立方形タイプ熱交換アセンブリのサ
ービス流体側の部分断面図。

【図１３】従来の管形熱交換アセンブリの断面図であ
る。

【図１４】本発明の管形熱交換アセンブリの断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 円筒状熱交換アセンブリ １２ 上部圧縮プレート １４ 下部圧縮プレート ２０ 中間ブロック ２４ 外箱 ６４、１６４、２６４ プロセス流体出口 ６６、１６６、２６６ プロセス流体入口 ６８、１６８、２６８ サービス流体入口 ７０、１７０、２７０ サービス流体出口 ７２、１７２ プロセス流体孔 ７４、１７４ サービス流体流路 ８０、１８０、２８０ 炭化珪素管 ９０、１９０、２９０ フッ素ポリマーコーティング １１０ 立方形熱交換アセンブリ １１２ 立方形ブロック ２１０ 管形熱交換アセンブリ ２１４ 外部外箱 ２１８、２２０ 多孔板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596070397 14 Ｅａｓｔｍａｎｓ Ｒｏａｄ， Ｐａ ｒｓｉｐｐａｎｙ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅ ｙ 07054 Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ジョーン アール． エイヤーズ， ザ サード アメリカ合衆国 バージニア 24017， ロアノーク， オードウェイ ドライブ 3033シー

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセス流体とサービス流体との間の効
   率的な熱伝達のための熱交換アセンブリであって、 熱伝達グラファイト体であって、 （ａ）外表面と、 （ｂ）該プロセス流体を受け取る複数の孔と、 （ｃ）該サービス流体を受け取る複数の流路と、を有
   し、該孔および該流路が該プロセス流体と該サービス流
   体との間の効率的な熱伝達を促進する、熱伝達グラファ
   イト体と、 端部と内径とを有し、（ｉ）該複数の孔および（ｉｉ）
   該複数の流路の少なくとも一方に配備される複数の炭化
   珪素管と、 該グラファイト体の該外表面および該炭化珪素管の該端
   部に配備され、該炭化珪素管の該内径には配備されない
   フッ素ポリマーコーティングと、を備えたアセンブリ。
2. 【請求項２】 前記管がアルファ炭化珪素である、請求
   項１に記載の熱交換アセンブリ。
3. 【請求項３】 前記管が約１／１６インチの壁厚を有す
   る、請求項１に記載の熱交換アセンブリ。
4. 【請求項４】 前記管が外径を有し、前記孔が直径を有
   し、該管の該外径が該孔の該直径にほぼ等しい、請求項
   １に記載の熱交換アセンブリ。
5. 【請求項５】 前記管が接着剤、グラファイト粉末を用
   いる摩擦による取り付け、および樹脂を用いる含浸のう
   ちの少なくとも１つによって前記孔内に接着される、請
   求項４に記載の熱交換アセンブリ。
6. 【請求項６】 前記管の前記端部が前記孔より外側に突
   出する、請求項４に記載の熱交換アセンブリ。
7. 【請求項７】 前記管の前記端部が前記グラファイト体
   の端と面一である、請求項４に記載の熱交換アセンブ
   リ。
8. 【請求項８】 前記管の前記端部が前記孔に入り込んで
   いる、請求項４に記載の熱交換アセンブリ。
9. 【請求項９】 前記フッ素ポリマーコーティングがフッ
   素エラストマーポリマーである、請求項１に記載の熱交
   換アセンブリ。
10. 【請求項１０】 前記フッ素エラストマーポリマーコー
    ティングが、ポリテトラフルオロエチレン、およびテト
    ラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコ
    ポリマーからなる群から選択される、請求項９に記載の
    熱交換アセンブリ。
11. 【請求項１１】 前記フッ素エラストマーポリマーコー
    ティングが、実質的に均一の厚さを有する連続した粘着
    性の均質なコーティングである、請求項９に記載の熱交
    換アセンブリ。
12. 【請求項１２】 前記グラファイト体が含浸されていな
    い、請求項１に記載の熱交換アセンブリ。
13. 【請求項１３】 前記グラファイト体の前記外表面が、
    前記フッ素ポリマーコーティングが配備される第１領域
    と、該フッ素ポリマーコーティングが配備されない第２
    領域とを有し、該第２領域は含浸される、請求項１に記
    載の熱交換アセンブリ。
14. 【請求項１４】 前記グラファイト体の前記外表面の前
    記第２領域が、テトラフルオロエチレンおよびフェノー
    ル樹脂のいずれか１つにより含浸される、請求項１３に
    記載の熱交換アセンブリ。
15. 【請求項１５】 前記グラファイト体がテトラフルオロ
    エチレンおよびフェノール樹脂のいずれか１つにより含
    浸される、請求項１に記載の熱交換アセンブリ。
16. 【請求項１６】 前記炭化珪素管が前記複数の孔のみに
    配備され、前記複数の流路はコートされない、請求項１
    に記載の熱交換アセンブリ。
17. 【請求項１７】 前記炭化珪素管が前記複数の孔のみに
    配備され、前記複数の流路が樹脂によりコートされる、
    請求項１に記載の熱交換アセンブリ。
18. 【請求項１８】 前記グラファイト体が、少なくとも１
    つの円筒状ブロック、少なくとも１つの立方形ブロッ
    ク、および少なくとも１つの多孔板よりなる群から選択
    される、請求項１に記載の熱交換アセンブリ。
19. 【請求項１９】 プロセス流体とサービス流体との間の
    効率的な熱伝達のための円筒状ブロック熱交換アセンブ
    リであって、 第１圧縮プレートと、 第２圧縮プレートと、 該第１圧縮プレートと該第２圧縮プレートとの間に配備
    される少なくとも１つのグラファイト中間ブロックであ
    って、 （ａ）外表面と、 （ｂ）該プロセス流体を受け取り、該外表面に開口して
    いる複数の孔と、 （ｃ）該サービス流体を受け取る複数の流路と、を有
    し、該孔および該流路が、該中間ブロック全体に連動す
    るが交差しないグリッドを形成し、該プロセス流体と該
    サービス流体との間の効率的な熱伝達を促進する、グラ
    ファイト中間ブロックと、 該中間ブロックを包囲する外箱と、 端部と内径とを有し、（ｉ）該複数の孔および（ｉｉ）
    該複数の流路の少なくとも一方に配備される複数の炭化
    珪素管と、 該中間ブロックの該外表面および該炭化珪素管の該端部
    に配備され、該炭化珪素管の該内径には配備されないフ
    ッ素ポリマーコーティングと、を備えたアセンブリ。
20. 【請求項２０】 単一の一体形グラファイト中間ブロッ
    クを有する、請求項１９に記載の円筒状ブロック熱交換
    アセンブリ。
21. 【請求項２１】 前記フッ素ポリマーコーティングが、
    前記孔が開口している前記中間ブロックの前記外表面の
    領域にのみ配備される、請求項１９に記載の円筒状ブロ
    ック熱交換アセンブリ。
22. 【請求項２２】 プロセス流体とサービス流体との間の
    効率的な熱伝達のための立方形ブロック熱交換アセンブ
    リであって、 グラファイト立方形ブロックであって、 （ａ）２つの対向するプロセス流体面と２つの対向する
    サービス流体面よりなる４つの面を有する外表面と、 （ｂ）該プロセス流体を受け取り、該外表面の該プロセ
    ス流体面に開口している複数の孔と、 （ｃ）該サービス流体を受け取り、該外表面の該サービ
    ス流体面に開口している複数の流路と、を有し、該孔お
    よび該流路が、該立方形ブロック全体に連動するが交差
    しないグリッドを形成し、該プロセス流体と該サービス
    流体との間の効率的な熱伝達を促進する、グラファイト
    立方形ブロックと、 該立方形ブロックを構造的に支持する鋳造締め付け具
    と、 該鋳造締め付け具から延びる締め付けボルトと、 該立方形ブロックの該外表面の該２つの対向するプロセ
    ス流体面の上部にそれぞれ配置されるプロセス流体ヘッ
    ドライナーおよびプロセス流体リターンライナーと、 該締め付けボルト上に置かれ該プロセス流体ヘッドライ
    ナーを覆うプロセス流体鋳造ヘッドと、 該締め付けボルト上に置かれ該プロセス流体リターンラ
    イナーを覆うプロセス流体リターンヘッドと、 端部と内径とを有し、（ｉ）該複数の孔および（ｉｉ）
    該複数の流路の少なくとも一方に配備される複数の炭化
    珪素管と、 該立方形ブロックの該外表面の該２つの対向するプロセ
    ス流体面および該炭化珪素管の該端部に配備され、該炭
    化珪素管の該内径には配備されないフッ素ポリマーコー
    ティングと、を備えたアセンブリ。
23. 【請求項２３】 前記プロセス流体ヘッドライナーおよ
    び前記プロセス流体リターンライナーがグラファイトで
    あり、そのままの状態でフッ素ポリマーによりコートさ
    れ、コーティング後含浸され、金属に取り付けられる、
    請求項２２に記載の立方形ブロック熱交換アセンブリ。
24. 【請求項２４】 前記フッ素ポリマーコーティングが前
    記立方形ブロックの前記外表面の前記２つの対向するサ
    ービス流体面に配備される、請求項２２に記載の立方形
    ブロック熱交換アセンブリ。
25. 【請求項２５】 プロセス流体とサービス流体との間の
    効率的な熱伝達のための管形熱交換アセンブリであっ
    て、 該サービス流体を該アセンブリに導くサービス流体入口
    と、該サービス流体を該アセンブリから排出するサービ
    ス流体出口と、該プロセス流体を該アセンブリに導くプ
    ロセス流体入口と、該プロセス流体を該アセンブリから
    排出するプロセス流体出口とを有する外部外箱と、 端部と内径とを有し、該プロセス流体入口と該プロセス
    流体出口との間で該外部外箱内に軸方向に配置され、該
    プロセス流体を該プロセス流体入口から該プロセス流体
    出口まで流す複数の炭化珪素管と、 該外部外箱内に配置され、（ａ）外表面と、（ｂ）該炭
    化珪素管を保持する複数の孔とを有し、（ｃ）該サービ
    ス流体を該サービス流体入口から該サービス流体出口ま
    で流す、該サービス流体入口と該サービス流体出口との
    間の複数の流路を形成する少なくとも１つのグラファイ
    ト多孔板であって、該孔と該流路とが該プロセス流体と
    該サービス流体との間の効率的な熱交換を促進する、グ
    ラファイト多孔板と、 該外部外箱内に配置され該多孔板を定位置に保持するプ
    ロセス流体ヘッドと、 該該プロセス流体ヘッドに面する該多孔板の該外表面お
    よび該炭化珪素管の該端部に配備され、該炭化珪素管の
    該内径には配備されないフッ素ポリマーコーティング
    と、を備えたアセンブリ。
26. 【請求項２６】 前記外部外箱内に配置され、前記サー
    ビス流体入口と前記サービス流体出口との間の前記流路
    内で前記サービス流体の方向付けを行うバッフルをさら
    に備えた、請求項２５に記載の管形熱交換アセンブリ。