特表 2023-506006 変化するねじれ角を有する熱交換器コンポーネント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-14

(54)【発明の名称】変化するねじれ角を有する熱交換器コンポーネント

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/02 20060101AFI20230207BHJP

   F28D 7/12 20060101ALI20230207BHJP

   F28F 13/06 20060101ALI20230207BHJP

【ＦＩ】

F28D7/02

F28D7/12

F28F13/06

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022535690

(86)(22)【出願日】2020-12-11

(85)【翻訳文提出日】2022-08-05

(86)【国際出願番号】 US2020064571

(87)【国際公開番号】W WO2021119466

(87)【国際公開日】2021-06-17

(31)【優先権主張番号】62/947,306

(32)【優先日】2019-12-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】593150863

【氏名又は名称】サン－ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド

【氏名又は名称原語表記】ＳＡＩＮＴ－ＧＯＢＡＩＮ ＣＥＲＡＭＩＣＳ ＡＮＤ ＰＬＡＳＴＩＣＳ， ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｎｅｗ Ｂｏｎｄ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ， ＭＡ ０１６１５， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ブリセルデン、ジェイコブ ティー．

(72)【発明者】

【氏名】ライリー、トーマス エム．

(72)【発明者】

【氏名】ブリセルデン、トーマス ディー．

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA37

3L103DD05

3L103DD84

(57)【要約】

熱交換器用コンポーネントは、セラミックを含む本体であって、本体の長さに沿って延びる中央空洞と、中央空洞のまわりに延びる複数の螺旋と、複数の螺旋の間に配置された複数の螺旋間チャネルと、複数の螺旋内部に含有された複数の螺旋内チャネルとを有することが可能な本体を有することが可能であり、本体の長さ方向に関して、複数の螺旋の各螺旋のねじれ角が変化している。熱交換器コンポーネントは、熱交換器に３つの流路を持たせるために使用可能であり、経済的な製造を可能にしながら、例外的な効率に到達可能である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックを含む本体であって、
前記本体の長さに沿って延びる中央空洞と、
前記中央空洞のまわりに延びる複数の螺旋と、
前記複数の螺旋の間に配置された複数の螺旋間チャネルと
を有する本体を有する熱交換器用コンポーネントであって、
前記複数の螺旋のうちの少なくとも１つの螺旋が、前記本体の長さに沿って、変化するねじれ角を有する、熱交換器用コンポーネント。

【請求項2】

前記複数の螺旋の各螺旋が１つの螺旋内チャネルを有する、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項3】

前記複数の螺旋の各螺旋が、前記本体の長さ方向に沿って、変化するねじれ角を有する、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項4】

前記ねじれ角が少なくとも１５度である、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項5】

前記ねじれ角が、前記本体の０．１メートル長さ方向当たり少なくとも１度ずつ変化する、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項6】

前記中央空洞がチューブによって囲まれており、前記複数の螺旋が前記チューブの外表面に取り付けられている、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項7】

前記複数の螺旋が少なくとも４つの螺旋を含む、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項8】

前記複数の螺旋の各螺旋が、前記本体の長さ方向において１メートル当たり少なくとも２巻き、且つ１メートル当たり１０巻き以下を有する、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項9】

前記複数の螺旋の各螺旋内チャネルの平均断面積が少なくとも２４５ｍｍ^２である、請求項２に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項10】

前記本体の材料が炭化ケイ素を有し、前記材料の平均密度が、少なくとも２．５０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項11】

前記本体が、少なくとも４５０℃の温度で作動するように適合されている、請求項１に記載の熱交換器用コンポーネント。

【請求項12】

請求項１に記載の熱交換器のコンポーネントを有する熱交換器であって、動作中の圧力低下が５ｋＰａ以下であるように適合されている、熱交換器。

【請求項13】

３つの流れ経路を有する、請求項１２に記載の熱交換器。

【請求項14】

セラミックを含む本体を有する熱交換器用コンポーネントであって、
前記本体は、流体が前記本体を通過するように適合された中空容積を有し、
前記本体の交換率（ＥＲ）が少なくとも３９ｍ^－１、且つ１９６ｍ^－１以下であり、
ＳＡを前記本体の外表面面積、Ｖを前記本体の中空容積として、ＥＲ＝ＳＡ／Ｖである、
熱交換器用コンポーネント。

【請求項15】

前記本体が、
前記本体の長さに沿って延びる中央空洞と、
前記中央空洞のまわりに延びる複数の螺旋と、
前記複数の螺旋の間に配置された複数の螺旋間チャネルと
を有し、
前記複数の螺旋の各螺旋が、前記本体の長さに沿って変化するねじれ角を有している、請求項１４に記載の熱交換器用コンポーネント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、セラミック本体を有する熱交換器用コンポーネント、及び熱交換器用コンポーネントを含む熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

８００℃を超える温度で動作する標準的な工業用高温熱交換器は、通常、７０％近くの効率をサポートする。再生式熱交換器では、最大８８％の向上した効率が得られる。しかし、再生式熱交換器には、２つのバーナー、再生式ベッド、及びコンピュータ制御バルブの複雑な組合せが必要であり、これらは再生式システムのコストを非常に高くしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第８，１６２，０４０号

【発明の概要】

【0004】

標準的な工業用システムと再生式システムの間のギャップを埋めて、効率とコストを向上させた熱交換器を開発することに対する需要が存在する。

【0005】

本開示は、添付の図面を参照することによって、より詳細に理解され、その多数の特徴及び利点が当業者に明白にされる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】一実施例による熱交換器用コンポーネントの本体のセクションを示す図である。

【図2】一実施例による熱交換器用コンポーネントを含む熱交換器の断面の側面図である。

【図3】一実施例によるチューブ壁の表面に取り付けられた螺旋の断面の側面図である。

【図4】一実施例によるチューブ壁の表面に取り付けられた２つの螺旋の断面の側面図である。

【図5】一実施例による熱交換器用コンポーネントの本体の斜視図である。

【図6】一実施例による熱交換器用コンポーネントの本体の長さ方向の断面の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本明細書で使用される場合、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（有する）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（有している）、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」、「ｈａｓ（有する）」、「ｈａｖｉｎｇ（有している）」、又はそれらの任意その他の変形は、非排他的な包含を含むことが意図される。例えば、特徴のリストを有する、プロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定されるものではなく、明示的に列挙されていないか、又はそのようなプロセス、方法、物品、若しくは装置に固有の、その他の特徴を含む場合がある。

【0008】

本明細書で使用される場合、反対に明示的に言明されない限り、「又は」は、排他的論理和ではなく、包括的論理和を意味する。例えば、条件Ａ又はＢは、Ａが真（又は存在）且つＢが偽（又は不在）、Ａが偽（又は不在）且つＢが真（又は存在）、及びＡとＢの両方が真（又は存在）のいずれかによって満たされる。

【0009】

また、「ａ」又は「ａｎ」の使用は、本明細書に記載される要素及び構成要素を記述するために用いられる。これは、便宜上、及び本発明の範囲の一般的な意味を与えるためにだけ行われる。この説明は、１つ又は少なくとも１つを含むと読むべきであり、単数形はまた、それがそうでないことを意味することが明白でない限り、複数形も含む。

【0010】

本開示は、セラミックを含む本体を有する熱交換器用コンポーネントを対象とする。本体は、本体の中央空洞のまわりに延びる複数の螺旋を含み、本体の長さ方向に関する各螺旋のねじれ角が変化している。本開示の熱交換器用コンポーネントは、例えば鋼の焼鈍、コーティング、又は熱処理炉に通常、使用されるようなラジアントＵ又はＷチューブにおいて使用するためのインサートとして適合させることができる。本開示の熱交換器インサートの具体的な使用は、廃エネルギーを回収するための大口径熱交換器のためのものとすることができる。本明細書で使用される場合、用語「熱交換器用コンポーネント」は、用語「熱交換器インサート」と互換的に使用される。

【0011】

熱交換器用コンポーネントの本体の非限定の実施例が図１に示されている。本体は、複数の螺旋（１１）を含むことができ、複数の螺旋（１１）は、中央空洞（見えない）を囲むチューブ（１２）のまわりに延びることができる。本体の近位端（１８）における第１のねじれ角α１は、本体の遠位端（１９）における第２のねじれ角α２と異なることが分かる。

【0012】

一態様では、複数の螺旋（１１）は、複数の螺旋内チャネル（ｉｎｔｒａｓｐｉｒａｌ ｃｈａｎｎｅｌ）（図１には図示せず）を含有することができる。特定の態様において、複数の螺旋の各螺旋は、少なくとも１つの螺旋内チャネルを含むことができる。螺旋は、螺旋間に、本明細書では螺旋間チャネル（ｉｎｔｅｒｓｐｉｒａｌ ｃｈａｎｎｅｌ）（１４）と呼ばれる空間を有して互いに隣り合って配置され得る。本明細書で使用される場合、螺旋内チャネルという用語は、螺旋内の中空チャネルを意味し、一方、螺旋間チャネルという用語は、２つの螺旋の間の空間によって形成されるチャネルを意味する。

【0013】

別の実施例では、図２に例示されるように、熱交換器用コンポーネントを、螺旋を囲むように正確に嵌合するパイプに挿入することができ、それによって熱交換器を形成することができる。熱交換器は、異なる流体が熱交換器の近位端から遠位端まで、又はその逆を流れることを可能にするために、３つの流体流路を有することができる。第１の流路は、本明細書では熱発生の気体とも呼ばれる、熱発生の場所から来る高温気体（１６）、例えば、バーナーの燃焼炎によって発達する高温気体の経路である。熱発生の気体（１６）は、近位端（１８）において熱交換器に進入し、複数の螺旋（１１）間の螺旋間チャネル（１４）を通って流れ、遠位端（１９）において熱交換器から出ることができる。第２の流路は、熱交換器の遠位端（１９）において進入し、複数の螺旋（１１）の螺旋内チャネル（１７）を、熱発生の気体（１６）の流れと逆方向に流れる冷気（１５Ａ）の経路とすることができる。螺旋内チャネル（１７）を通って流れる間、空気（１５Ａ）は、熱発生の気体（１６）との熱の交換によって加熱され、ここで、２種類の気体が混合され得ないように、熱は複数の螺旋の壁を通って伝達される。熱交換器の近位端（１８）に到達する加熱された空気の一部分は、燃料気体との混合に使用して、バーナー（図示せず）に供給してもよいが、加熱された空気の別の部分は、第３の流路としての、中心チューブ（１２）に囲まれた中央空洞（１３）を通って戻され、導かれてもよい。ある実施例では、すべての加熱された空気（１５Ｂ）は、熱交換器の近位端（１８）に戻すことが可能であり、チューブ（１２）の中央空洞（１３）を通って遠位端（１９）に戻して流し、さらなる使用のために熱交換器から出すことができる。

【0014】

なお、本開示の熱交換器を流通することができる流体は、気体に限定されず、上述の実施例で説明したように、液体、又は気体と液体の両方とすることができる。

【0015】

特定の実施例では、図１に示すように、本体の近位端（１８）における第１のねじれ角α１は、本体の遠位端（１９）における第２のねじれ角α２よりも大きくすることができる。別の特定の実施例（図示せず）では、本体の近位端における第１のねじれ角α１は、本体の遠位端における第２のねじれ角α２よりも小さくすることができる。

【0016】

一態様では、ねじれ角は、本体の０．１メートル長さ方向当たり少なくとも１度、例えば、０．１メートル長さ当たり少なくとも３度、又は０．１メートル長さ当たり少なくとも５度、又は０．１メートル長さ当たり少なくとも７度、又は０．１メートル長さ当たり少なくとも１０度、又は０．１メートル長さ当たり少なくとも１５度、又は０．１メートル長さ当たり少なくとも２０度ずつ変化することができる。本明細書で使用される場合、用語「本体の長さ方向」は、本体の近位端（１８）から遠位端（１９）への方向、又はその逆の方向を意味することを意図する。

【0017】

特定の一実施例では、螺旋のねじれ角は、本体の長さ方向に沿って連続的に増加又は減少させることができる。別の特定の実施例では、螺旋のねじれ角は、本体の長さ方向に沿って不連続に増加又は減少してもよい。

【0018】

一実施例では、本体の長さ全体にわたる螺旋のねじれ角は、少なくとも１５度、又は少なくとも２０度、又は少なくとも２５度、又は少なくとも３０度、又は少なくとも３５度、又は少なくとも４０度、又は少なくとも４５度、又は少なくとも５０度、又は少なくとも６０度とすることができる。別の態様では、ねじれ角は、９０度以下、例えば、８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、又は６０度以下としてもよい。さらに、ねじれ角は、上記に記載した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内、例えば、少なくとも１５度であって９０度以下、又は少なくとも２０度であって８０度以下、又は少なくとも２５度であって７５度以下、又は少なくとも３０度であって７０度以下等とすることができる。

【0019】

さらなる実施例では、複数の螺旋の各螺旋は、本体の長さ方向にメートル当たり（１メートル当たり）少なくとも２巻き、例えば、メートル当たり少なくとも３巻き、又はメートル当たり少なくとも４巻き、又は少なくともメートル当たり５巻き、又はメートル当たり少なくとも６巻き、又はメートル当たり少なくとも７巻きを有することができる。別の態様では、各螺旋のメートル当たりの巻きの量は、メートル当たり１０巻き以下、例えば、メートル当たり９巻き以下、又はメートル当たり８巻き以下とすることができる。また、各螺旋のメートル当たりの巻きの量は、上記の最小数及び最大数のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0020】

図３は、１つの例示的な螺旋に基づく、中心チューブに関する複数の螺旋の形状及び位置の特定の実施例を示す。螺旋（３１）は、螺旋内チャネル（３３）の枠となる２つの螺旋壁（３２）を含有することができ、２つの螺旋壁（３２）は、互いに平行に配置され、チューブ壁（３４）の長さ方向（ｘ方向）に直交して（ｙ方向に）延びてもよい。

【0021】

特定の実施例では、螺旋内チャネル（３３）は、少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも５ｍｍ、又は少なくとも１０ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍ、又は少なくとも２５ｍｍ、又は少なくとも３０ｍｍの厚さ（Ｔ_Ｃ１）を有することができる。別の態様では、螺旋内チャネルの厚さ（Ｔ_Ｃ１）は、１２５ｍｍ以下であってもよく、例えば、１００ｍｍ以下、又は８０ｍｍ以下、又は５０ｍｍを以下、又は４５ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下、又は３５ｍｍ以下としてもよい。また、螺旋内チャネルの厚さ（Ｔ_Ｃ１）は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内であってもよい。

【0022】

別の態様では、螺旋（３１）の壁厚（Ｔ_ＷＳ）は、少なくとも１ｍｍ、又は少なくとも１．５ｍｍ、又は少なくとも２ｍｍ、又は少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも４ｍｍとすることができる。さらなる態様では、螺旋壁の厚さ（Ｔ_ＷＳ）は、５ｍｍ以下、又は４ｍｍ以下、又は３．５ｍｍ以下とすることができる。さらに、螺旋の壁厚（Ｔ_ＷＳ）は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0023】

さらなる実施例では、中央空洞を囲むチューブ（３４）は、少なくとも１ｍｍ、又は少なくとも１．５ｍｍ、又は少なくとも２ｍｍ、又は少なくとも３ｍｍの壁厚（Ｔ_ＷＴ）を有することができる。別の態様では、チューブ壁の厚さ（Ｔ_ＷＴ）は、５ｍｍ以下、又は４ｍｍ以下、又は３．５ｍｍ以下としてもよい。また、チューブの壁厚（Ｔ_ＷＴ）は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0024】

さらに別の実施例では、螺旋（３１）の高さ（Ｈ_Ｓ）は、少なくとも７．５ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍとすることができる。別の態様では、螺旋の高さ（Ｈ_Ｓ）は、４３ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下、又は３５ｍｍ以下としてもよい。螺旋の高さ（Ｈ_Ｓ）は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0025】

別の実施例では、螺旋内チャネル（３３）の断面積（ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ）は、少なくとも２４５ｍｍ^２、又は少なくとも５００ｍｍ^２、又は少なくとも８００ｍｍ^２、又は少なくとも１０００ｍｍ^２、又は少なくとも１２００ｍｍ^２とすることができる。さらなる態様では、螺旋内チャネルの断面積は、１５００ｍｍ^２以下、又は１４５０ｍｍ^２以下、又は１３００ｍｍ^２以下としてもよい。さらに、螺旋内チャネルの断面積は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0026】

さらに別の態様では、螺旋内チャネルの高さＨ_Ｃは、少なくとも６．４ｍｍ、又は少なくとも７．０ｍｍ、又は少なくとも１０．０ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍ、又は少なくとも２５ｍｍとすることができる。別の態様では、螺旋内チャネルの高さＨ_Ｃは、３８ｍｍ以下、又は３５ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下としてもよい。さらに、螺旋内チャネルの高さＨ_Ｃは、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0027】

図４は、２つの螺旋（４１）が互いに隣り合って配置されて、チューブ壁（４４）に取り付けられた本体の、側面図セクションの断面を示している。上述のように、複数の螺旋の間の空間は、本明細書では複数の螺旋間チャネル（４２）と呼ばれ、本体の長さ方向への流体の流れを可能にする。

【0028】

一実施例では、複数の螺旋間チャネルの平均厚さ（Ｔ_Ｃ２）は、少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも４ｍｍ、又は少なくとも５ｍｍ、又は少なくとも１０ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍ、又は少なくとも２５ｍｍ、又は少なくとも３０ｍｍ、又は少なくとも４０ｍｍとすることができる。別の態様では、螺旋間チャネルの厚さ（Ｔ_Ｃ２）は、５０ｍｍ以下、又は４５ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下、又は３５ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以下としてもよい。また、複数の螺旋間チャネルの厚さは、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0029】

さらなる実施例では、複数の螺旋の螺旋壁厚Ｔ_ＷＳと、螺旋内チャネルの厚さＴ_Ｃ１の比は、１：１以下、又は１：５以下、又は１：１０以下、又は１：１５以下、又は１：２０以下とすることができる。

【0030】

特定の実施例では、複数の螺旋は、互いに平行に配設することができる。

【0031】

別の実施例では、図５に示すように、複数の螺旋の各螺旋（５１）は、近位端における第１の直線セクション（５２）と、本体の遠位端における第２の直線セクション（５３）とを有することができ、ここで、第１の直線セクション（５２）及び第２の直線セクション（５３）は、螺旋間チャネル（５４）を延長して、本体の長さ方向に配向されている。

【0032】

図６は、一実施例による、長さ方向の熱交換器インサートのセクションの断面を示す。中央空洞６１がチューブ６２によって囲まれ、複数の螺旋（６３）をチューブに取り付けることが可能であり、螺旋は螺旋内チャネル（６５）を含有し、螺旋間の空間は螺旋間チャネル（６４）である。

【0033】

熱交換器用コンポーネントの本体のセラミックは、炭化ケイ素、金属、金属合金を含むことができる。特定の実施例において、セラミックは、実質的に炭化ケイ素で構成することができる。

【0034】

さらなる実施例では、本体の材料は、実質的に炭化ケイ素で構成することが可能であり、少なくとも２．５０ｇ／ｃｍ^３の平均密度、例えば少なくとも２．５５ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．５７ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．６０ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．７０ｇ／ｃｍ^３の平均密度を有することができる。さらなる実施例では、炭化ケイ素セラミック本体の平均密度は、２．９ｇ／ｃｍ^３以下、又は２．８ｇ／ｃｍ^３以下、又は２．７５ｇ／ｃｍ^３以下としてもよい。また、本体の材料の平均密度は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0035】

特定の実施例では、熱交換器コンポーネントの本体は、例えば、開示全体が本明細書に参照として組み込まれる、米国特許第８，１６２，０４０号に記載されているような、粉末プレス法により製造することができる。

【0036】

本開示の熱交換器用コンポーネントは、高い熱交換効率を提供する利点となる交換率ＥＲ（Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｒａｔｉｏ）を有し得る、本体を有することができる。本明細書で使用される場合、交換率は、ＳＡを本体の外表面面積、Ｖを本体の中空容積（ｈｏｌｌｏｗ ｖｏｌｕｍｅ）として、ＥＲ＝ＳＡ／Ｖとして定義される。一実施例において、本体の交換率（ＥＲ）は、少なくとも３９ｍ^－１、例えば少なくとも４５ｍ^－１、又は少なくとも５０ｍ^－１、又は少なくとも６０ｍ^－１、又は少なくとも７０ｍ^－１、又は少なくとも８０ｍ^－１、又は少なくとも９０ｍ^－１、又は少なくとも１００ｍ^－１、又は少なくとも１１０ｍ^－１、又は少なくとも１２０ｍ^－１、又は少なくとも１３０ｍ^－１、又は少なくとも１４０ｍ^－１、又は少なくとも１５０ｍ^－１とすることができる。別の実施例では、交換率は、１９６ｍ^－１以下、又は１８５ｍ^－１以下、又は１８０ｍ^－１以下、又は１７０ｍ^－１以下としてもよい。また、本体の交換率（ＥＲ）は、上記した最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内とすることができる。

【0037】

本発明の熱交換器のコンポーネントの本体は、亀裂や変形を形成することなく、本体の任意の場所で少なくとも０．０３５ＭＰａの圧力に耐え得る。

【0038】

一実施例において、本開示の熱交換器用コンポーネントのヌセルト数は、少なくとも１０００、例えば、少なくとも１０５０、又は少なくとも１１００、又は少なくとも１２００とすることができる。

【0039】

熱交換器コンポーネントの本体は、少なくとも４５０℃の温度、例えば、少なくとも５００℃、又は少なくとも６００℃、又は少なくとも７００℃、又は少なくとも８００℃、又は少なくとも９００℃、又は少なくとも１０００℃等で作動するように適合させることができる。別の態様では、本体は、１３５０℃以下、又は１３００℃以下、又は１２００℃以下、又は１１００℃以下、又は１０００℃以下の温度で作動するように適合させることができる。さらに、熱交換器の本体は、上記の最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内の温度で作動するように適合させることができる。

【0040】

さらなる実施例では、本開示の熱交換器のコンポーネントを、システム中に挿入して熱交換器を形成することができる。例えば、熱交換器インサートは、嵌合するパイプに挿入し、ねじを介して燃焼チューブに接続することができる。

【0041】

熱交換器は、（上記のように）少なくとも３つの流路を有することが可能であり、動作中の圧力低下が５ｋＰａ以下、例えば、４ｋＰａ以下、３ｋＰａ以下、又は２ｋＰａ以下となるように適合させることができる。

【0042】

一態様では、本開示の熱交換器コンポーネントを含む熱交換器は、少なくとも７０％、又は少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８２％、少なくとも８４％、少なくとも８６％、少なくとも８８％、又は少なくとも９０％の効率を有することができる。

【0043】

本開示の熱交換器インサートを含有する熱交換器は、３つの流路と、変化するねじれ角の螺旋とを有することにより、断面流れ面積に関する表面積を最大化することが可能であり、それによって圧力低下を低くし（＜５ｋＰａ）、極めて高い効率に達することができる。

【0044】

本開示の熱交換器コンポーネントは、さらに、螺旋のねじれ角を変化させることによって、螺旋の内部チャネル（本明細書では螺旋内チャネルと呼ばれる）のサイズを同じに維持することができ、本体の長さ方向全体にわたって変更する必要がなく、このことにより、製造を簡素化し、効率を最適化することができるという利点を有することができる。

【0045】

多くの異なる態様及び実施例が可能である。それらの態様及び実施例のいくつかが、本明細書に記載されている。本明細書を読んだ後、当業者は、それらの態様及び実施例は例示にすぎず、本発明の範囲を限定しないことを理解するであろう。実施例は、以下に列挙するような実施例のいずれか１つ又は複数によるものとしてもよい。

【実施例】

【0046】

「実施例１」
セラミックを含む本体を有する、熱交換器用コンポーネントであって、本体が、流体が本体を通過するように適合された中空容積を有し、本体の交換率（ＥＲ）が、少なくとも３９ｍ^－１、１９６ｍ^－１以下であり、ＳＡを本体の外表面面積、Ｖを本体の中空容積としてここでＥＲ＝ＳＡ／Ｖである、熱交換器用コンポーネント。

【0047】

「実施例２」
セラミックを含む本体であって、
本体の長さに沿って延びる中央空洞と、
中央空洞のまわりに延びる複数の螺旋と、
複数の螺旋の間に配置された複数の螺旋間チャネルと
を有する本体を有する熱交換器用コンポーネントであって、
複数の螺旋の内の少なくとも１つの螺旋が、本体の長さに沿って変化するねじれ角を有する、熱交換器用コンポーネント。

【0048】

「実施例３」
複数の螺旋内部に含有された複数の螺旋内チャネルをさらに有する、実施例２に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0049】

「実施例４」
複数の螺旋の各螺旋が、１つの螺旋内チャネルを有する、実施例２又は３に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0050】

「実施例５」
複数の螺旋の各々が、本体の長さ方向に沿って変化するねじれ角を有する、実施例２に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0051】

「実施例６」
ねじれ角が、少なくとも１つの螺旋の近位端において第１のねじれ角α１を有し、少なくとも１つの螺旋の遠位端において第２のねじれ角α２を有し、第１のねじれ角α１が、第２のねじれ角α２と異なる、実施例２から５までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0052】

「実施例７」
第１のねじれ角α１が、第２のねじれ角α２よりも大きい、実施例６に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0053】

「実施例８」
第１のねじれ角α１が、第２のねじれ角α２よりも小さい、実施例６に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0054】

「実施例９」
ねじれ角が、本体の長さ方向の全体を通して、少なくとも１５度、９０度以下であり、例えば、少なくとも２０度、８０度以下、又は少なくとも２５度、７５度以下、又は少なくとも３０度、７０度以下である、実施例２から８までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0055】

「実施例１０」
ねじれ角が、本体の近位端と遠位端との間で連続的に増大する、実施例２から９までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0056】

「実施例１１」
ねじれ角が、本体の長さの全体にわたって不連続に変化する、実施例２から９までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0057】

「実施例１２」
ねじれ角が、本体の０．１メートル長さ方向当たり少なくとも１度、例えば、０．１メートル長当たり少なくとも３度、又は０．１メートル長当たり少なくとも５度、又は０．１メートル長当たり少なくとも７度、又は０．１メートル長当たり少なくとも１０度、又は０．１メートル長当たり少なくとも１５度、又は０．１メートル長当たり少なくとも２０度ずつ変化する、実施例２から１１までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0058】

「実施例１３」
中央空洞が、チューブによって囲まれており、複数の螺旋が、チューブの外表面上に取り付けられている、実施例２から１２までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0059】

「実施例１４」
複数の螺旋の各螺旋が、螺旋を通る流体のための流れ経路を画定する１つの螺旋内チャネルを有する、実施例２から１３までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0060】

「実施例１５」
複数の螺旋が、少なくとも４つの螺旋、例えば、少なくとも６つの螺旋、少なくとも８つの螺旋、少なくとも１０の螺旋、又は少なくとも１２の螺旋を含む、実施例２から１４までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0061】

「実施例１６」
複数の螺旋が、少なくとも１０の螺旋を含む、実施例１５に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0062】

「実施例１７」
複数の螺旋が、１２以下の螺旋を含む、実施例２から１５までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0063】

「実施例１８」
複数の螺旋が、互いに平行に配設されている、実施例２から１７までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0064】

「実施例１９」
複数の螺旋の各螺旋が、本体の長さ方向にメートル当たり少なくとも２巻き、例えば、メートル当たり少なくとも３巻き、メートル当たり少なくとも４巻き、メートル当たり少なくとも５巻き、メートル当たり少なくとも６巻き、又はメートル当たり少なくとも７巻きを有する、実施例２から１８までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0065】

「実施例２０」
複数の螺旋の各螺旋が、メートル当たり１０巻き以下、又はメートル当たり９巻き以下、又はメートル当たり８巻き以下を有する、実施例２から１９までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0066】

「実施例２１」
中央空洞を囲むチューブの平均壁厚が、少なくとも１ｍｍ、又は少なくとも１．５ｍｍ、又は少なくとも２ｍｍ、又は少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも４ｍｍである、実施例２から２０までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0067】

「実施例２２」
中央空洞を囲むチューブの平均壁厚が、５ｍｍ以下、又は４．５ｍｍ以下、又は４ｍｍ以下、又は３．５ｍｍ以下である、実施例２から２１までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0068】

「実施例２３」
複数の螺旋の各螺旋が、１つの螺旋内チャネルの枠となる２つの螺旋壁を有し、２つの螺旋壁が、互いに平行に位置づけされて、中央空洞壁の長さ方向に直交して延びている、実施例２から２２までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0069】

「実施例２４」
複数の螺旋内チャネルの各螺旋内チャネルの平均厚さが、少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも５ｍｍ、又は少なくとも１０ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍ、又は少なくとも２５ｍｍ、又は少なくとも３０ｍｍ、又は少なくとも４０ｍｍである、実施例２から２３までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0070】

「実施例２５」
複数の螺旋内チャネルの各螺旋内チャネルの平均厚さが、５０ｍｍ以下、又は４５ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以下である、実施例２から２４までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0071】

「実施例２６」
螺旋間チャネルの各螺旋間チャネルの平均厚さが、少なくとも３ｍｍ、又は少なくとも４ｍｍ、又は少なくとも５ｍｍ、又は少なくとも１０ｍｍ、又は少なくとも１５ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍ、又は少なくとも２５ｍｍ、又は少なくとも３０ｍｍ、又は少なくとも４０ｍｍである、実施例２から２５までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0072】

「実施例２７」
複数の螺旋間チャネルの各螺旋間チャネルの平均厚さが、５０ｍｍ以下、又は４５ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下、又は３５ｍｍ以下、又は３０ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以下である、実施例２から２６までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0073】

「実施例２８」
複数の螺旋間チャネルの各螺旋間チャネルの平均厚さが、本体の長さ方向に沿って変化する、実施例２から２７までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0074】

「実施例２９」
複数の螺旋の螺旋壁厚ＴＳＷの、複数の螺旋内チャネルの厚さＴＩＣに対する比が、少なくとも１：１であり、１：２０以下である、実施例２から２８までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0075】

「実施例３０」
複数の螺旋内チャネルの各螺旋内チャネルの平均断面積が、少なくとも２４５ｍｍ^２、又は少なくとも２５０ｍｍ^２、又は少なくとも３００ｍｍ^２、又は少なくとも５００ｍｍ^２、又は少なくとも１０００ｍｍ^２、又は少なくとも１２００ｍｍ^２である、実施例２から２９までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0076】

「実施例３１」
複数の螺旋内チャネルの各螺旋内チャネルの平均断面積が、１４７０ｍｍ^２以下、又は１４５０ｍｍ^２以下、又は１４００ｍｍ^２以下、又は１３００ｍｍ^２以下である、実施例２から３０までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0077】

「実施例３２」
複数の螺旋の各螺旋が、遠位端に第１の直線セクションと、近位端に第２の直線セクションとを有し、第１の直線セクション及び第２の直線セクションは、螺旋間チャネルを延長し、本体の長さ方向に平行に配向されている、実施例２から３１までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0078】

「実施例３３」
本体のセラミックが、炭化ケイ素を有する、実施例２から３２までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0079】

「実施例３４」
本体のセラミックが、実質的に炭化ケイ素で構成されている、実施例２から３３までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0080】

「実施例３５」
本体が、亀裂又は変形を生じることなく、本体の任意の場所で少なくとも０．０３５ＭＰａの圧力に耐えることができる、実施例２から３４までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0081】

「実施例３６」
本体の材料が、炭化ケイ素を有し、材料の平均密度が、少なくとも２．５０ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．５５ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．５７ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．６０ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．７０ｇ／ｃｍ^３、又は少なくとも２．８０ｇ／ｃｍ^３である、実施例２から３５までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0082】

「実施例３７」
本体の材料が、炭化ケイ素を有し、材料の平均密度が、３．０５ｇ／ｃｍ^３以下、例えば、３．０ｇ／ｃｍ^３以下、２．９ｇ／ｃｍ^３以下、２．８ｇ／ｃｍ^３以下、２．７ｇ／ｃｍ^３以下、又は２．６ｇ／ｃｍ^３以下である、実施例２から３６までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0083】

「実施例３８」
本体のヌセルト数は、少なくとも１０００、例えば、少なくとも１０５０、少なくとも１１００、又は少なくとも１２００である、実施例２から３７までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0084】

「実施例３９」
本体が、少なくとも４５０℃の温度、例えば、少なくとも５００℃、又は少なくとも６００℃、又は少なくとも７００℃、又は少なくとも８００℃、又は少なくとも９００℃、又は少なくとも１０００℃の温度で作動するように適合されている、実施例２から３８までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0085】

「実施例４０」
本体が、１３５０℃以下、又は１３００℃以下、又は１２００℃以下、又は１１００℃以下、又は１０００℃以下の温度で作動するように適合されている、実施例２から３９までのいずれか一例に記載の熱交換器用コンポーネント。

【0086】

「実施例４１」
実施例２から４０までのいずれか一例の熱交換器用コンポーネントを有する、熱交換器であって、動作中の圧力低下が５ｋＰａ以下、例えば、４ｋＰａ以下、又は３ｋＰａ以下となるように適合されている、熱交換器。

【0087】

「実施例４２」
実施例２から４０までのいずれか一例の熱交換器用コンポーネントを有する、熱交換器であって、気体、液体、又はそれらの組合せの流体流を導くように適合されている、熱交換器。

【0088】

「実施例４３」
気体流を導くように適合されている、実施例４２に記載の熱交換器。

【0089】

「実施例４４」
３つの流れ経路を有する、実施例４１から４３までのいずれか一例に記載の熱交換器。

【0090】

「実施例４５」
熱交換器の効率が、少なくとも８５％、例えば、少なくとも８６％、少なくとも８７％、少なくとも８８％、少なくとも８９％、又は少なくとも９０％である、実施例４１から４４のいずれか一例に記載の熱交換器。

【0091】

以上の明細書では、具体的な実施例を参照して概念を説明した。しかしながら、当業者は、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正及び変更を行うことができることを理解する。したがって、明細書及び図は、限定的な意味ではなく例示的な意味とみなされるべきであり、そのような改変はすべて本発明の範囲内に含まれることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】