KR101961089B1

KR101961089B1 - 열 교환기

Info

Publication number: KR101961089B1
Application number: KR1020167000263A
Authority: KR
Inventors: 존 씨. 올리버; 브레드 워너; 미첼 젤러
Original assignee: 헴로크 세미컨덕터 오퍼레이션즈 엘엘씨
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2019-03-25
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: US20160131443A1; EP3008417B1; US10267574B2; KR20160018685A; WO2014201116A1; EP3008417A1; CN105308406B; JP6568054B2; JP2016526654A; CN105308406A; TW201510461A

Abstract

열 교환기는 제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달한다. 본 열 교환기는 본체부를 포함하며, 본체부는 본체부를 통해 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 통기 채널들을 포함한다. 본체부는 본체부를 통해 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 공급 채널들을 추가로 포함한다. 제1 및 제2 재료 스트림 중 적어도 하나가 제1 및 제2 재료 스트림 중 다른 하나와 열을 전달하도록 공급 채널들은 통기 채널들로부터 이격되어 있고 이들과 열 연통(thermal communication) 상태에 있다. 공급 채널들 각각은 일정 단면적을 갖는 입구를 가지며, 공급 채널들 중 적어도 하나의 입구의 단면적은 공급 채널들을 통한 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 공급 채널들 중 다른 하나의 입구의 단면적과 상이하다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열 교환기에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달하기 위한 복수의 공급 채널들 및 복수의 통기(vent) 채널들을 갖는 열 교환기에 관한 것이다.

제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달하기 위한 다수의 채널들을 갖는 열 교환기가 알려져 있다. 그러나, 용량을 증가시키기 위해 공정들을 연속적으로 밀어 넣는 산업 장비에서는 이들 재료 스트림의 유량이 증가하는 것이 전형적인데, 재료 스트림들의 유량이 증가함에 따라, 재료 스트림들의 대부분은 단지 소수의 채널들만을 이용한다. 달리 말하면, 재료 스트림들의 유량이 증가함에 따라, 채널들 사이에서의 재료 스트림들의 분포가 감소하여, 채널들 중 일부는 거의 전혀 이용되지 않게 된다. 채널들 내에서의 재료 스트림들의 불균일 분포는 열 교환기의 효율을 감소시키는데, 그 이유는 열 교환기의 활성 표면적 및 열 교환기 내에서의 재료 스트림들의 체류 시간이 감소되기 때문이다. 따라서, 열 교환기를 통한 재료 스트림들의 유량을 증가시키면서 열 교환기의 효율을 개선해야 할 필요성이 남아 있다.

제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달하기 위해 열 교환기가 사용된다. 열 교환기는 열 전도성 재료를 포함하는 본체부를 포함한다. 본체부는 또한 본체부를 통해 형성된 복수의 통기 채널들을 포함하며, 통기 채널들은 본체부를 통해 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된다. 본체부는 본체부를 통해 형성된 복수의 공급 채널들을 추가로 포함한다. 공급 채널들은 본체부를 통해 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된다. 제1 및 제2 재료 스트림 중 적어도 하나가 본체부 내에서 제1 및 제2 재료 스트림 중 다른 하나와 열을 전달하도록 공급 채널들은 통기 채널들로부터 이격되어 있고 이들과 열 연통(thermal communication) 상태에 있다. 공급 채널들 각각은 제2 재료 스트림이 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 입구를 갖는다. 입구는 일정 단면적을 가지며, 공급 채널들 중 적어도 하나의 입구의 단면적은 본체부의 공급 채널들을 통한 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기(normalizing) 위해 공급 채널들 중 다른 하나의 입구의 단면적과 상이하다. 공급 채널들을 통해 제1 재료 스트림의 유량을 정규화하는 것은 열 교환기의 효율을 증가시킨다.

공급 가스를 처리하기 위한 반응기 시스템을 사용한다. 본 반응기 시스템은, 반응 챔버로서, 공급 가스를 포함하는 제2 재료 스트림을 상기 반응 챔버 내로 도입시키기 위한 유입 포트 및 제2 재료 스트림의 공급 가스를 처리한 후에 반응 챔버로부터 제1 재료 스트림을 배출하기 위한 배출 포트를 갖는, 반응 챔버; 및 열 전도성 재료를 포함하는 본체부를 갖는 열 교환기를 포함하며, 상기 본체부는 상기 본체부를 통해 형성되고 상기 본체부를 통해 상기 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 복수의 통기 채널들; 및 상기 본체부를 통해 형성되고 상기 본체부를 통해 상기 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 복수의 공급 채널들을 포함하며, 상기 제1 및 제2 재료 스트림 중 적어도 하나가 상기 본체부 내에서 상기 제1 및 제2 재료 스트림 중 다른 하나와 열을 전달하도록 상기 공급 채널들은 상기 통기 채널들로부터 이격되어 있고 이들과 열 연통 상태에 있다. 상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구를 가지며, 상기 공급 입구는 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 공급 입구의 단면적은 상기 본체부의 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 상기 공급 입구의 단면적과 상이하다.

첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참고함으로써 본 발명이 더 잘 이해되기 때문에, 본 발명의 다른 이점들이 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 2는 복수의 통기 채널들 및 복수의 공급 채널들을 가지며 통기 채널들은 공급 채널들에 대해 실질적으로 수직인 열 교환기의 개략 사시도이다.
도 3은 통기 채널들이 공급 채널들에 대해 실질적으로 평행한 열 교환기의 개략 사시도이다.
도 4는 통기 채널들이 공급 채널들에 대해 실질적으로 평행한 열 교환기의 개략 사시도이다.
도 5는 열 교환기의 본체부의 개략 평면도이다.
도 6은 열 교환기의 본체부의 평면도이다.
도 7은 도 6의 열 교환기의 일부분의 확대 평면도이다.
도 8은 도 5의 선 8-8을 따라 취해진 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 9는 공급 채널들의 적어도 하나의 공급 입구가 다른 공급 입구에 대해 상이한 단면적을 갖는 것을 보여주는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 10은 통기 채널들의 적어도 하나의 통기 입구가 다른 통기 입구에 대해 상이한 단면적을 갖는 것을 보여주는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 11은 통기 채널들과 공급 채널들이 서로에 대해 실질적으로 수직인 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 12는 3개의 공급 입구들을 가지며 이들 공급 입구들 각각의 단면적은 서로 상이한 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 13은 공급 분배기 블록(feed distributor block)을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 14는 공급 분배기 블록 및 통기 분배기 블록을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 15는 공급 분배기 블록 및 통기 분배기 블록을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 16은 공급 전이 블록 및 통기 전이 블록을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 17은 공급 전이 블록 및 통기 전이 블록을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 18은 공급 전이 블록 및 통기 전이 블록을 포함하는 열 교환기의 개략 단면도이다.
도 19는 공급 전이 블록의 평면도이다.
도 20은 도 19의 공급 전이 블록의 단면도이다.
도 21은 열 교환기를 포함하는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 22는 제1 시험 열 교환기의 개략도이다.
도 23은 제2 시험 열 교환기의 개략도이다.
도 24는 제3 시험 열 교환기의 개략도이다.
도 25는 제4 시험 열 교환기의 개략도이다.

유사한 도면부호들은 여러 도면에 걸쳐 유사하거나 상응하는 부품들을 나타내는데, 이들 도면을 참고하면, 열 교환기(30)가 대체적으로 도 1에 단면으로 도시되어 있다. 열 교환기(30)는 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 열을 전달하기 위해 사용된다. 보다 구체적으로는, 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34) 각각은 동시에 열 교환기(30)를 통과하는데, 이때 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)은 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 혼합을 방지하도록 벽(36)에 의해 분리되어 있다. 열 교환기(30)는 임의의 적합한 유형의 열 교환기(30), 예컨대 블록(block) 열 교환기, 플레이트(plate) 열 교환기, 및 셸 앤드 튜브(shell and tube) 열 교환기일 수 있음이 이해되어야 한다. 추가적으로, 열 교환기(30)는 임의의 적합한 구성, 예컨대 직사각형, 원형, 난형 및 다각형을 가질 수 있다.

전형적으로, 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)은 상이한 온도로 열 교환기(30)에 들어간다. 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34)은 임의의 가능한 물질 상태일 수 있음이 이해되어야 한다. 그러나, 전형적으로 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34)은 액체 또는 기체 상태이다.

이어서, 열 교환기(30)의 벽(36)을 통해 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 열이 전달된다. 일반적으로, 열 교환기(30)는 하나의 재료 스트림으로부터의 열을 회수(recapture)하여 다른 하나의 재료 스트림을 가열하는 것이 유리한 시스템 내에서 사용된다. 하나의 재료 스트림으로부터의 열의 회수는 시스템의 전체 효율을 개선하는데, 그 이유는 다른 재료 스트림들을 가열하는 데 더 적은 에너지가 소비되어야 하기 때문이다.

제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)은 열 교환기(30)에 들어가기 전에 일정 속도를 갖는다. 전형적으로, 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)의 속도는 5 m/s 초과, 더 전형적으로는 5 내지 30 m/s, 그리고 더욱 더 전형적으로는 약 10 내지 15 m/s이다. 전형적으로, 제1 및 제2 재료 스트림 중 적어도 하나는 하나 이상의 클로로실란 화학종들의 군으로부터 선택되는 성분, 예컨대 사염화규소, 트라이클로로실란, 다이클로로실란, 및 모노클로로실란; 수소; 질소; 염화수소; 하나 이상의 폴리실란 함유 화학종, 예컨대 헥사클로로다이실란; 메탄; 및 하나 이상의 탄소 함유 클로로실란 화학종, 예컨대 메틸트라이클로로실란 또는 메틸다이클로로실란을 포함한다.

열 교환기(30)는 복수의 통기 채널들(40) 및 복수의 공급 채널들(42)을 형성하는 본체부(38)를 포함한다. 보다 구체적으로는, 복수의 통기 채널들(40)은 본체부(38)를 통해 형성된다. 유사하게, 복수의 공급 채널들(42)도 본체부(38)를 통해 형성된다. 전형적으로, 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)은 원형 단면을 갖는다. 그러나, 통기 채널들(40) 및/또는 공급 채널들(42)은 직육면체형과 같은 다른 단면 구성을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

공급 채널들(42)은 통기 채널들(40)로부터 이격되어 있고 이들과 열 연통 상태에 있다. 일반적으로, 열 교환기(30)의 본체부(38)의 벽(36)은 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)을 분리시킨다. 전형적으로, 통기 채널들(40)은 본체부(38)를 통해 제1 재료 스트림(32)이 지나가게 하도록 구성되고, 공급 채널들(42)은 본체부(38)를 통해 제2 재료 스트림(34)이 지나가게 하도록 구성된다. 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)은 본체부(38) 내에서 근접해 있기 때문에, 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)은 서로 열을 전달한다. 달리 말하면, 열 교환기(30)의 상기 본체부(38) 내에서 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34) 중 적어도 하나로부터 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34) 중 다른 하나로 열이 전달될 수 있다. 예를 들어, 제1 재료 스트림(32)으로부터의 열이 제2 재료 스트림(34)의 가열을 위하여 제2 재료 스트림(34)으로 전달될 수 있다. 대안적으로, 제2 재료 스트림(34)으로부터의 열이 제1 재료 스트림의 가열을 위하여 제1 재료 스트림(32)으로 전달될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34) 중 하나의 가열은, 제1 재료 스트림(32)이 제2 재료 스트림(34)에 의해 가열되고, 그리고 나서 나중에는 제2 재료 스트림(34)이 제1 재료 스트림(32)에 의해 가열될 수 있도록 공정 동안 교대로 행해질 수 있음이 이해되어야 한다.

제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)은 열을 전달하기에 적합한 임의의 방식으로 열 교환기(30)의 본체부(38)를 통해 유동할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 열 교환기(30)의 개략도가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있으며, 도 2 내지 도 4 각각은 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이의 상이한 관계를 보여주고 있다. 보다 구체적으로는, 도 2는 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 서로 가로지름에 의해 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 교차-유동(cross-flow) 관계를 갖는 열 교환기(30)의 개략도를 도시한다. 도 3은, 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 서로 평행하고 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 유동이 반대 방향인 것에 의해, 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 향류(countercurrent flow) 관계를 갖는 열 교환기(30)의 개략도를 도시한다. 도 4는, 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 서로 평행하고 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 유동이 동일 방향인 것에 의해, 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 병류(parallel-flow) 관계를 갖는 열 교환기(30)의 개략도를 도시한다. 도 2 내지 도 4는 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이의 가능한 관계들의 예시적인 예이고자 함이 이해되어야 한다.

제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이의 열 교환을 돕기 위하여, 본체부(38)는 열 전도성 재료를 포함한다. 달리 말하면, 본체부(38)는 본체부(38) 내에서의 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이의 열 전달을 가능하게 하고 심지어는 이를 향상시키는 재료로부터 제조된다. 일반적으로, 본체부(38)의 열 전도성 재료는 탄소, 흑연, 탄소 섬유, 세라믹, 세라믹 매트릭스 복합재, 및 금속, 예컨대 탄소강, 스테인리스 강, 알루미늄, 구리, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 티타늄, 및 이들의 합금의 군으로부터 선택된다. 추가적으로, 본체부(38), 그리고 보다 구체적으로 본체부(38)의 열 전도성 재료는 보호 코팅, 예를 들어 열분해 탄소 또는 탄화규소 코팅을 포함할 수 있다. 보호 코팅은, 소정의 형태의 탄소, 흑연, 탄소 섬유, 세라믹, 또는 세라믹 매트릭스 복합 재료 상에 놓여질 때, 화학 산업 및 폴리규소 산업에서 전형적으로 이용되는 부식성 및/또는 고온 화학물질, 예컨대 클로로실란, 염화수소, 및 기타 물질로부터 화학적 보호를 제공한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 공급 채널들(42) 각각은 제2 재료 스트림(34)이 공급 채널들(42)에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구(44)를 갖는다. 공급 채널들(42) 각각은 또한 제2 재료 스트림(34)이 통기 채널들(40)을 빠져나갈 수 있게 하기 위한, 공급 입구(44)의 반대편에 공급 출구(46)를 갖는다. 공급 채널들(42) 각각은 공급 입구(44)와 공급 출구(46) 사이에 주 공급 부분(48)을 갖는다. 달리 말하면, 공급 채널들(42)은 세 부분, 즉 공급 입구(44), 주 공급 부분(48) 및 공급 출구(46)를 포함한다. 공급 입구(44), 주 공급 부분(48), 및 공급 출구(46)는 제2 재료 스트림(34)이 공급 입구(44)에서 열 교환기(30)의 본체부(38)에 들어가고, 주 공급 부분(48)을 통해 지나가고, 공급 출구(46)에서 열 교환기(30)의 본체부(38)를 빠져나가도록 서로 연통 상태에 있다.

전술된 공급 채널들(42)과 유사하게, 통기 채널들(40) 각각은 제1 재료 스트림(32)이 통기 채널들(40)에 들어갈 수 있게 하기 위한 통기 입구(50)를 갖는다. 통기 채널들(40) 각각은 또한 제1 재료 스트림(32)이 통기 채널들(40)을 빠져나갈 수 있게 하기 위한, 통기 입구(50)의 반대편에 통기 출구(52)를 갖는다. 통기 채널들(40) 각각은 통기 입구(50)와 통기 출구(52) 사이에 주 통기 부분(54)을 갖는다. 달리 말하면, 통기 채널들(40)은 세 부분, 즉 통기 입구(50), 주 통기 부분(54) 및 통기 출구(52)를 포함한다. 통기 입구(50), 주 통기 부분(54), 및 통기 출구(52)는 제1 재료 스트림이 통기 입구(50)에서 열 교환기(30)의 본체부(38)에 들어가고, 주 통기 부분(54)을 통해 지나가고, 통기 출구(52)에서 열 교환기(30)의 본체부(38)를 빠져나가도록 서로 연통 상태에 있다.

통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 열 교환기(30)의 본체부(38) 내에서 서로 실질적으로 평행할 수 있음이 이해되어야 한다. 대안적으로, 통기 채널들(40)은 도 2에 도시된 바와 같이 열 교환기(30)의 본체부(38) 내에서 서로 실질적으로 가로지를 수 있다.

본체부(38)는 통기 표면(56) 및 통기 표면(56)으로부터 이격된 공급 표면(58)을 포함한다. 일 실시 형태에서, 통기 표면(56)은 통기 채널들(40) 각각의 통기 입구(50)를 형성하고, 공급 표면(58)은 공급 채널들(42) 각각의 공급 입구(44)를 형성한다. 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 서로 실질적으로 평행한 경우, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 통기 표면(56)은 공급 표면(58)의 반대편에 그로부터 이격되어 있다. 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 서로 실질적으로 가로지르는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 통기 표면(56)은 공급 표면(58)에 대해 실질적으로 가로지른다.

열 교환기(30)의 본체부(38)의 공급 표면(58)을 도시하는 도 5 및 도 8을 참조하면, 공급 입구들(44)은 서로 이격되어 있고, 존재한다면 통기 출구들(52)로부터 이격되어 있다. 공급 입구들(44) 및/또는 통기 출구들(52)의 간격은 공급 표면(58) 상에 패턴을 제공한다. 보다 구체적으로는, 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)은 패턴을 형성한다. 설명의 간소함을 위하여, 공급 표면(58)에 의해 제공된 패턴은 2열로 배열되며, 이때 열당 2개의 공급 입구들(44) 및 2개의 통기 출구들(52)을 갖는다. 그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 공급 입구들(44)과 통기 출구들(52)은 교대하는 패턴으로 배열되어, 패턴이 복잡할 수 있음이 이해되어야 한다. 도 6 및 도 7에서, 공급 채널들(42)에 대한 공급 입구들(44)은 공급 입구들(44)과 통기 출구들(52)을 단지 용이하게 구별하기 위한 예시 목적으로 흑색으로 채워져 있음이 이해되어야 한다. 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)의 패턴은 공급 표면(58)을 따라 선형 패턴, 동심형 패턴, 및 방사형 패턴일 수 있음이 이해되어야 한다.

전술된 바와 같이, 공급 채널들(42)은 세 부분, 즉 공급 입구(44), 주 공급 부분(48) 및 공급 출구(46)를 갖고, 통기 채널들(40)은 세 부분, 통기 입구(50), 주 통기 부분(54), 및 통기 출구(52)를 갖는다. 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)의 각각의 부분은 일정 단면적을 갖는다. 보다 구체적으로는, 통기 채널들(40)과 관련하여, 통기 입구(50), 주 통기 부분(54), 및 통기 출구(52) 각각은 일정 단면적을 갖는다. 추가적으로, 공급 채널들(42)과 관련하여, 공급 입구(44), 주 공급 부분(48), 및 공급 출구(46) 각각은 일정 단면적을 갖는다. 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)의 상이한 부분들의 단면적은 개별 부분에 기초하고, 통기 채널들(40) 또는 공급 채널들(42)의 모든 부분들의 집합적 전체가 아님이 이해되어야 한다. 예를 들어, 통기 입구(50)의 단면적은 개별 통기 입구(50)에 대한 것이고, 모든 통기 입구들(50)의 전체 단면적이 아니다.

제1 재료 스트림 및 제2 재료 스트림(34) 각각은 일정 유량을 갖는다. 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34)의 유량은 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 재료 스트림들의 속도이다. 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 재료 스트림들의 유량은 공급 채널들(42)에 대해서는 공급 입구(44)에서의 압력차 및 통기 채널들(40)에 대해서는 통기 입구(50)에서의 압력차의 함수이다.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 공급 입구들(44) 사이의 압력차를 감소시키는 것은 공급 채널들을 통한 제2 재료 스트림(34)의 정규화된 유량을 가져올 것으로 여겨진다. 달리 말하면, 공급 입구들(44) 사이의 압력차를 감소시키는 것은 공급 채널들(42) 각각을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량이 서로 균일해질 것으로 여겨진다. 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하는 것은 공급 채널들(42) 각각이 열 교환기(30)의 본체부(38)를 통해 제2 재료 스트림(34)을 이송하는 데 동일하게 이용되고 있음을 보장한다. 달리 말하면, 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하는 것은 공급 채널들(42) 내에서의 제2 재료 스트림(34)의 균일한 분포를 제공한다. 공급 채널들(42) 각각이 동일하게 이용되는 것을 보장하는 것은 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이의 열 전달의 효율을 증가시키는데, 그 이유는 열 교환기(30)의 활성 표면적 및 열 교환기(30) 내에서의 제2 재료 스트림(34)의 체류 시간이 증가되기 때문이다.

일반적으로, 개별 공급 채널(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량은, 제2 재료 스트림(34)이 개별 공급 채널(42)의 공급 입구들(44)에 들어가는 것을 더 쉽게 또는 더 어렵게 함으로써 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 달리 말하면, 개별 공급 입구(44)의 압력차는 개별 공급 입구(44)의 단면적에 변화를 줌으로써 조정될 수 있다. 일 실시 형태에서, 공급 입구들(44)은 구멍(hole)이고, 선택된 공급 입구(44)의 단면적은 구멍의 직경을 변화시킴으로써 조정된다. 그러나, 공급 입구들(44)은 구멍 외의 다른 구성, 예컨대 슬롯일 수 있으며, 단면적을 조정하는 동일한 원리가 여전히 적용될 것임이 이해되어야 한다.

일반적으로, 상응하는 공급 채널(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량이 모든 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 평균 유량보다 더 높다면, 공급 입구(44)의 단면적은 감소된다. 대조적으로, 상응하는 공급 채널(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량이 모든 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 평균 유량보다 더 낮다면, 공급 입구(44)의 단면적은 증가된다.

전형적으로, 공급 입구(44)의 단면적은, 상응하는 공급 채널(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량과 모든 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 평균 유량 사이의 차에 비례하는 비로 감소되거나 증가된다.

공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하기 위한 전술된 원리는 통기 채널들(40)을 통한 제1 재료 스트림(32)의 유량을 정규화하기 위해 통기 채널들(40)에 적용될 수 있다. 추가적으로, 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하기 위한 전술된 원리는 임의의 열 교환기에 사용될 수 있다.

전형적으로, 공급 입구(44) 및/또는 통기 입구(54)의 단면적은 약 0.5 제곱인치 미만, 더 전형적으로는 0.008 내지 약 0.5 제곱인치, 그리고 더 전형적으로는 약 0.008 내지 약 0.2 제곱인치이다.

열 교환기(30)의 개략도를 도시한 도 5 및 도 8을 참조하면, 공급 채널들(42) 중 적어도 하나의 공급 입구(44)의 단면적은 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하기 위해 공급 채널들(42) 중 다른 하나의 공급 입구(44)의 단면적과 상이하다. 달리 말하면, 공급 입구들(44) 중 적어도 하나의 단면적은 나머지 공급 입구들(44)의 단면적과 상이하다. 도 9를 참조하면, 통기 채널들(40) 중 적어도 하나의 통기 입구(50)의 단면적은 통기 채널들(40)을 통한 제1 재료 스트림(32)의 유량을 정규화하기 위해 통기 채널들(40) 중 다른 하나의 통기 입구(50)의 단면적과 상이할 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 공급 채널들(42) 및/또는 통기 채널들(40)의 임의의 부분의 단면적은 제1 또는 제2 재료 스트림(32, 34)의 유량을 정규화하기 위해 상이할 수 있음이 이해되어야 한다.

도 10을 참조하면, 공급 채널들(42) 중 적어도 하나의 공급 출구(46)의 단면적은 공급 채널들(42) 중 다른 하나의 공급 출구(46)의 단면적과 상이할 수 있다. 달리 말하면, 공급 출구들(46) 중 적어도 하나의 단면적은 나머지 공급 출구들(46)과 상이하다. 유사하게, 통기 채널들(40) 중 적어도 하나의 통기 출구(52)의 단면적은 통기 채널들(40) 중 다른 하나의 통기 출구(52)의 단면적과 상이할 수 있다.

전형적으로, 공급 입구들(44)의 단면적은 공급 채널들(42)을 통한 제2 재료 스트림(34)의 유량을 정규화하기 위해 감소된다. 그렇기 때문에, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 공급 채널들(42) 중 적어도 하나의 주 공급 부분(48)의 단면적은 공급 채널들(42)의 공급 입구(44)의 단면적보다 더 클 수 있다. 유사하게, 통기 채널들(40) 중 적어도 하나의 주 통기 부분(54)의 단면적은 통기 채널들(40)의 통기 입구(50)의 단면적보다 더 클 수 있다. 공급 채널들(42)의 주 공급 부분(48) 또는 통기 채널들(40)의 주 통기 부분(54)의 단면적을 조정하는 것은 공급 채널들(42) 및 통기 채널들(40)을 통한 제2 재료 스트림(34) 및 제1 재료 스트림(32)의 유량을 각각 정규화하기 위해 행해질 수 있는 것으로 여겨진다. 그러한 일 실시 형태에서, 주 공급 부분(48) 또는 주 통기 부분(54)의 단면적은 각각 공급 입구들(44) 및 통기 입구들(50)의 단면적보다 더 크거나 더 작을 수 있다. 공급 채널들(42)의 주 공급 부분(48) 및 통기 채널들(40)의 주 통기 부분(54)의 단면적은 공급 입구(44)와 공급 출구(46) 사이에서 또는 통기 입구(50)와 통기 출구(52) 사이에서 균일할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 주 공급 부분(48) 및 주 통기 부분(54)의 단면적은 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에서 원하는 열 연통을 생성하도록 선택된다.

도 8 내지 도 10에서는 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)이 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 향류 관계를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 통기 채널들(40)과 공급 채널들(42)은 또한 도 11에 나타낸 바와 같은 교차-유동 관계, 또는 병류 관계를 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

모든 공급 입구들(44)의 단면적은 서로 상이할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 3개의 상이한 공급 채널들(42)의 공급 입구(44)의 단면적은 모두 서로 상이할 수 있음이 이해되어야 한다. 도 12에서, 공급 입구들(44)은, 공급 표면(58)을 따라 좌측에서 우측으로 이동하면서 단면적들이 감소하는 것으로 도시되어 있다. 유사하게, 3개의 상이한 통기 채널들(40)의 통기 입구(50)의 단면적은 모두 서로 상이할 수 있다.

상기에 소개된 바와 같이 그리고 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 공급 입구(44) 및 통기 출구(52)는 열 교환기(30)의 본체부(38)의 공급 표면(58) 상에 패턴을 제공한다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)의 시퀀스(60)가 패턴 내에 제공될 수 있다. 공급 입구(44) 및 통기 출구들(52)의 단면적은 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 시퀀스(60)를 따라 변화를 줄 수 있다. 예를 들어, 시퀀스(60)를 따른 공급 입구들(44)의 단면적은, 시퀀스(60)가 공급 표면(58)의 중심을 향해 진행됨에 따라 각각의 공급 입구(44)에 대해 감소된다. 이어서, 공급 입구들(44)의 단면적은 시퀀스(60)를 따라 공급 표면(58)의 중심을 향하면서 증가되기 시작한다.

열 교환기(30)는 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34) 중 하나 또는 둘 모두의 유량을 정규화하기 위한 전술된 원리를 달성하기 위한 분배기 블록을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 달리 말하면, 분배기 블록은 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34) 중 하나 또는 둘 모두의 유량을 정규화하기 위해 공급 입구들(44) 및 통기 입구들(50) 중 하나 또는 둘 모두의 단면적에 변화를 주기 위하여 사용될 수 있다. 열 교환기(30)의 본체부(38)에 상이한 단면적을 갖는 공급 입구들(44)을 제조하려고 시도하는 것보다는 분배기 블록에 상이한 단면적을 갖는 공급 입구들(44)을 제조하는 것이 더 용이하고 더 저렴하다.

분배기 블록은 또한 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 유량을 정규화하기 위한 전술된 원리를 달성하기 위하여 개장 응용(retrofit application)을 가능하게 하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 분배기 블록은 통기 채널들(40) 및 공급 채널들(42)을 통한 유량을 정규화하기 위한 전술된 원리를 달성하기 위하여 기존 열 교환기(30)에 부가될 수 있다. 이러한 효과는 흑연 재료로부터 제조되고 잠재적으로 내화학성 층으로 코팅될 수 있는 특수 흑연 블록 열 교환기에 대해 특히 그러하다. 그러한 열 교환기는 부식성 화학물질 산업, 폴리규소 생산 산업 및 기타 산업에서 발견될 수 있다. 이들과 같은 재료는 생산 규모에 대해 제한이 있으며, 이에 따라 더 높은 유량과 관련된 유동 분포 문제를 피하기 위해 규모를 확대시킬 수 없다.

도 13에 도시된 바와 같이, 일 실시 형태에서, 열 교환기(30)의 분배기 블록은 본체부(38)에 인접하게 배치되는 공급 분배기 블록(62)으로서 추가로 형성될 수 있다. 존재하는 경우, 공급 분배기 블록(62)은 공급 채널들(42) 각각의 공급 입구들(44)을 형성한다. 그러한 일 실시 형태에서, 공급 분배기 블록(62)에 의해 형성된 공급 입구들(44)은 본체부(38) 내의 공급 채널들(42)의 주 공급 부분(48)과 정렬된다. 통기 채널들(40)의 통기 출구들(52)은 도 13에 도시된 바와 같이 공급 분배기 블록(62)에 의해 형성될 수 있음이 이해되어야 한다. 대안적으로, 공급 분배기 블록(62)이 사용되는 경우, 통기 출구들(52)은 도 14에 도시된 바와 같이 열 교환기(30)의 본체부(38)에 의해 형성될 수 있다. 공급 분배기 블록(62)이 공급 입구(44)와 통기 출구(52)를 형성하는 경우, 공급 분배기 블록(62)은 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)의 패턴을 제공함이 이해되어야 한다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 다른 실시 형태에서, 열 교환기(30)는 통기 채널들(40) 각각의 통기 입구(50)를 형성하는 통기 분배기 블록(64)을 추가로 포함할 수 있다. 그러한 일 실시 형태에서, 통기 분배기 블록(64)에 의해 형성된 통기 입구들(50)은 본체부(38) 내의 통기 채널들(40)의 주 통기 부분(54)과 정렬된다. 통기 분배기 블록(64)이 존재하는 경우, 공급 출구들(46)은 도 14에 도시된 바와 같이 열 교환기(30)의 본체부(38)에 의해 형성될 수 있거나, 또는 공급 출구들(46)은 도 15에 도시된 바와 같이 통기 분배기 블록(64)에 의해 형성될 수 있다.

열 교환기(30)의 본체부(38) 및/또는 분배기 블록은, 적어도 2개의 섹션이 함께 결합되어 본체부(38) 및/또는 분배기 블록을 형성하도록, 다수의 구성요소들로부터 형성될 수 있음이 이해되어야 한다.

상기에 소개된 바와 같이, 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)은 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 혼합을 방지하기 위해 벽(36)에 의해 분리된다. 그렇기 때문에, 도 16 내지 도 18을 참조하면, 열 교환기(30)는 공급 표면(58)에 인접하게 배치된 공급 전이 블록(66) 및 본체부(38)의 통기 표면(56)에 인접한 통기 전이 블록(68)을 포함할 수 있다. 공급 전이 블록(66) 및 통기 전이 블록(68)은 도 16에 개략적으로 도시되어 있음이 이해되어야 한다. 공급 전이 블록(66) 및 통기 전이 블록(68)은 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)을 상이한 방향으로 지향시켜, 열 교환기(30)에 들어가기 전에 또는 열 교환기(32)를 빠져나갈 때 제1 및 제2 재료 스트림(32, 34)을 서로 분리된 상태로 유지한다.

공급 전이 블록(66) 및 통기 전이 블록(68) 각각은 격벽(74)에 의해 분리된 제1 경로(70) 및 제2 경로(72)를 갖는다. 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 재료 스트림(32)은 공급 전이 블록(66)의 제1 경로(70) 및 외부 포트(76)를 통해 유동한다. 제2 재료 스트림(34)은 포트(78)에서 공급 전이 블록(66)의 제2 경로(72)에 유동하여 들어간다. 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 분리를 유지하도록 포트들(76, 78)은 서로 분리되어 있다. 도 16의 통기 전이 블록(68)을 참조하면, 제1 재료 스트림(32)은 통기 포트(76)에서 통기 전이 블록(68)의 제1 경로(70)에 들어가고, 제2 재료 스트림(34)은 제2 경로(72)를 통해 그리고 공급 포트(78) 외부로 유동한다.

공급 전이 블록(66) 및 통기 전이 블록(68)을 갖는 열 교환기(30)의 추가 실시 형태가 도 17 및 도 18에 개략적으로 도시되어 있음이 이해되어야 한다. 존재하는 경우, 통기 분배기 블록(64)은 열 교환기(30)의 통기 전이 블록(68)과 본체부(38) 사이에 배치된다. 또한, 공급 전이 블록(66)과 열 교환기(30)의 본체부(38) 사이에 공급 분배기 블록(62)을 배치하는 것이 가능하다. 통기 분배기(64) 및 공급 분배기(62)는 독립적으로 또는 동시에 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 열 교환기(30)는 임의의 개수의 공급 전이 블록들(66) 또는 통기 전이 블록들(68)을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)의 패턴은 공급 입구들(44) 및 통기 출구들(52)이 열 교환기(30)의 본체부(38)의 공급 표면(58)에서 함께 섞여 있도록 할 수 있다. 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34)의 혼합을 방지하기 위하여, 공급 전이 블록(66) 및 통기 전이 블록(68)은 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 다수의 제1 경로들(70) 및 다수의 제2 경로들(72)을 포함할 수 있다. 추가적으로, 공급 전이 블록(66) 또는 통기 전이 블록(68) 중 하나 또는 둘 모두는 또한 분배기 블록으로서 작용할 수 있다. 대안적으로, 일련의 공급 및/또는 전이 분배기 블록들을 제공하기 위하여, 제2 공급 분배기 블록 또는 통기 분배기 블록이 공급 및/또는 통기 전이 블록들의 유입구에 부가된다. 분배 블록들의 이러한 연쇄적인(cascading) 사용은 개선된 분배에 영향을 주기 위해 다수회 수행될 수 있다. 추가의 공급 또는 통기 분배기 블록들은 또한 제1 재료 스트림(32) 및/또는 제2 재료 스트림(34)을 공급 및 통기 전이 블록들에 전송하는 다수의 경로들을 포함한다. 추가의 공급 또는 통기 분배기 블록들의 경로들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 다른 경로와 상이한 단면적을 가짐이 이해되어야 한다. 이러한 방식으로, 제1 재료 스트림(32) 및 제2 재료 스트림(34)의 연쇄적인 분배가 달성된다.

도 21을 참조하면, 일 실시 형태에서, 열 교환기(30)는 공급 가스(82)를 처리하기 위한 반응기 시스템(80)에서 사용된다. 예를 들어, 열 교환기(30)는 사염화탄소를 수소화하기 위한 반응기 시스템(80)에서 사용될 수 있다. 그러나, 열 교환기(30)는 둘 이상의 재료 스트림들 사이에 열 교환이 요구되는 임의의 시스템에서 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

반응기 시스템(80)은 제2 재료 스트림(34)을 반응 챔버(84) 내로 도입시키기 위한 유입 포트(86)를 갖는 반응 챔버(84)를 포함한다. 전형적으로, 제2 재료 스트림(34)은 공급 가스(82)를 포함한다. 반응 챔버(84)는 또한 반응 챔버(84)로부터 제1 재료 스트림(32)을 배출하기 위한 배출 포트(88)를 형성하는데, 이때 제1 재료 스트림(32)은 공급 가스(82) 및/또는 반응 챔버(84) 내의 반응의 생성물 및/또는 부산물을 포함한다. 전형적으로, 제1 재료 스트림(32)은 공급 가스(82)의 처리가 일어난 후에 배출 포트(88)를 통해 지나간다.

반응 챔버(84)가 존재하는 실시 형태에서, 공급 채널들(42)의 공급 출구들(46)은 반응 챔버(84)의 유입 포트(86)와 연통 상태에 있어서, 제2 재료 스트림(34)이 반응 챔버(84)에 들어가기 전에 열 교환기(30)를 통해 지나가도록 한다. 추가적으로, 통기 채널들(40)의 통기 입구들(50)은 반응 챔버(84)의 배출 포트(88)와 연통 상태에 있어서, 제1 재료가 반응 챔버(84)로부터 배출된 후에 열 교환기(30)를 통해 지나가도록 한다. 전형적으로, 공급 가스(82)는 반응 챔버(84) 내에서 가열된다. 따라서, 반응 챔버(84)를 빠져나가는 제1 재료 스트림(32)은 반응 챔버(84)에 들어가는 제2 재료 스트림(34)보다 더 고온이다. 이 실시 형태에서, 제1 재료 스트림(32)은, 제2 재료 스트림(34)이 반응 챔버(84)에 들어가기 전에 제2 재료 스트림(34)을 가열하기 위하여 제2 재료 스트림(34)에 열을 전달한다. 달리 말하면, 반응 챔버(84)를 빠져나간 더 고온인 제1 재료 스트림(32)이 열 교환기(30) 내에서 제2 재료 스트림(34)을 가열하고, 이에 따라 공급 가스(82)를 가열하는데, 이는 반응 챔버(84) 내에서 공급 가스(82)를 가열하는 데 필요한 에너지를 줄이기 위함이다.

이들 예는 본 발명의 일부 실시 형태를 예시하고자 하는 것이며 청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 참고예는 종래 기술로 지시되지 않는 한 종래 기술인 것으로 여겨져서는 안 된다.

제1 전산 유체 역학 시뮬레이션을 제1 시험 열 교환기(86) 및 제2 시험 열 교환기(88)에 대해 수행한다. 제1 및 제2 시험 열 교환기(86, 88) 둘 모두는 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 교차-유동 관계를 갖는다. 제1 시험 열 교환기(86)는 분배기 블록을 포함하지 않는다. 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 입구들(44) 각각은 직경이 0.40 인치이다. 제1 시험 열 교환기(86)의 개략도가 도 22에 도시되어 있다.

제2 시험 열 교환기(88)는 공급 입구들(44)을 형성하는 공급 분배기 블록(66)을 포함한다. 제2 시험 열 교환기(88)의 공급 입구들(44)의 직경은 0.24 인치와 0.40 인치 사이에서 변하는 직경을 가졌다. 제2 시험 열 교환기(88)의 개략도가 도 23에 도시되어 있다.

제1 및 제2 시험 열 교환기(86, 88) 내로의 공급 속도는 10 m/s였으며, 이때 밀도는 10 ㎏/㎥이고 점도는 1.75E-5 Pa-s였다. 하기 표 1은 제1 및 제2 시험 열 교환기(86, 88)의 공급 입구들(44)의 직경 및 이들의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 유량을 열거한다.

[표 1]

제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 평균 유량은 1.68 lb/s이다. 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제1 시험 열 교환기(86)에 대한 결과적인 평균 유량보다 20% 더 높다. 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량은 제1 시험 열 교환기(86)에 대한 결과적인 평균 유량보다 40% 더 낮다. 추가적으로, 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량보다 99% 더 높다.

제2 시험 열 교환기(88)의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 평균 유량은 1.68 lb/s이다. 제2 시험 열 교환기(88)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제2 시험 열 교환기(88)에 대한 결과적인 평균 유량보다 8% 더 높다. 제2 시험 열 교환기(88)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량은 제2 시험 열 교환기(88)에 대한 결과적인 평균 유량보다 11% 더 낮다. 추가적으로, 제2 시험 열 교환기(88)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제2 시험 열 교환기(88)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량보다 21% 더 높다.

따라서, 제2 시험 열 교환기(88)의 평균 유량에 대한 최대 유량과 최소 유량 사이의 차이는 제1 시험 열 교환기(86)의 평균 유량에 대한 최대 유량과 최소 유량 사이의 차이만큼 크지 않았기 때문에, 제1 시험 열 교환기(86)의 공급 채널들(42)의 유량과 비교할 때, 제2 시험 열 교환기(88)는 공급 채널들(42) 내에서 더 균일하게 분포된 유량을 갖는다는 것으로 결론내릴 수 있다.

제2 전산 유체 역학 시뮬레이션을 제3 시험 열 교환기(90) 및 제4 시험 열 교환기(92)에 대해 수행한다. 제3 및 제4 시험 열 교환기(90, 92) 둘 모두는 제1 재료 스트림(32)과 제2 재료 스트림(34) 사이에 향류 관계를 갖는다. 제3 시험 열 교환기(90)는 분배기 블록을 포함하지 않는다. 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 입구들(44) 각각은 직경이 0.40 인치였다. 제3 시험 열 교환기(90)의 개략도가 도 24에 도시되어 있다.

제4 시험 열 교환기(92)는 공급 입구들(44)을 형성하는 공급 분배기 블록(66)을 포함한다. 제4 시험 열 교환기(92)의 공급 입구들(44)의 직경은 0.23 인치와 0.40 인치 사이에서 변하는 직경을 가졌다. 제4 시험 열 교환기(92)의 개략도가 도 25에 도시되어 있다.

제3 및 제4 시험 열 교환기(90, 92) 내로의 공급 속도는 10 m/s였으며, 이때 밀도는 10 ㎏/㎥이고 점도는 1.75E-5 Pa-s였다. 하기 표 2는 제3 및 제4 시험 열 교환기(90, 92)에 대한 공급 입구들(44)의 직경 및 이들의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 유량을 열거한다.

[표 2]

제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 평균 유량은 1.68 lb/s이다. 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제3 시험 열 교환기(90)에 대한 결과적인 평균 유량보다 33% 더 높다. 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량은 제3 시험 열 교환기(90)에 대한 결과적인 평균 유량보다 33% 더 낮다. 추가적으로, 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량보다 90% 더 높다.

제4 시험 열 교환기(92)의 공급 채널들(42)을 통한 결과적인 평균 유량은 1.68 lb/s이다. 제4 시험 열 교환기(92)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제4 시험 열 교환기(92)에 대한 결과적인 평균 유량보다 4% 더 높다. 제4 시험 열 교환기(92)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량은 제4 시험 열 교환기(92)에 대한 결과적인 평균 유량보다 6% 더 낮다. 추가적으로, 제4 시험 열 교환기(92)의 공급 채널들(42)을 통한 최대 유량은 제4 시험 열 교환기(92)의 공급 채널들(42)을 통한 최소 유량보다 11% 더 높다.

따라서, 제4 시험 열 교환기(92)의 평균 유량에 대한 최대 유량과 최소 유량 사이의 차이는 제3 시험 열 교환기(90)의 평균 유량에 대한 최대 유량과 최소 유량 사이의 차이만큼 크지 않았기 때문에, 제3 시험 열 교환기(90)의 공급 채널들(42)의 유량과 비교할 때, 제4 시험 열 교환기(92)는 공급 채널들(42) 내에서 더 균일하게 분포된 유량을 갖는다는 것으로 결론내릴 수 있다.

본 명세서에 개시된 열 교환기 및 반응기 시스템은 적어도 하기의 실시 형태를 포함한다:

실시 형태 1: 제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달하기 위한 열 교환기로서,

열 전도성 재료를 포함하는 본체부를 포함하며,

상기 본체부는 상기 본체부를 통해 형성되고 상기 본체부를 통해 상기 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 복수의 통기 채널들; 및

상기 본체부를 통해 형성되고 상기 본체부를 통해 상기 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성된 복수의 공급 채널들을 포함하며,

상기 제1 및 제2 재료 스트림 중 적어도 하나가 상기 본체부 내에서 상기 제1 및 제2 재료 스트림 중 다른 하나와 열을 전달하도록 상기 공급 채널들은 상기 통기 채널들로부터 이격되어 있고 이들과 열 연통 상태에 있으며,

상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구를 가지며, 상기 공급 입구는 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 공급 입구의 단면적은 상기 본체부의 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 상기 공급 입구의 단면적과 상이한, 열 교환기.

실시 형태 2: 상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들을 빠져나갈 수 있게 하기 위하여 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구의 반대편에 공급 출구를 가지며, 상기 공급 채널들 각각의 상기 공급 출구는 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 공급 출구의 단면적은 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 상기 공급 출구의 단면적과 상이한, 실시 형태 1에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 3: 상기 공급 채널들은 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구와 상기 공급 출구 사이에 주 공급 부분을 가지며, 상기 공급 채널들의 상기 주 공급 부분은 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 주 공급 부분의 상기 단면적은 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구의 단면적보다 더 큰, 실시 형태 2에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 4: 상기 통기 채널들 각각은 상기 제1 재료 스트림이 상기 통기 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 통기 입구를 가지며, 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구는 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 통기 입구의 상기 단면적은 상기 본체부의 상기 통기 채널들을 통한 상기 제1 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 입구의 상기 단면적과 상이한, 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 5: 상기 통기 채널들 각각은 상기 제1 재료 스트림이 상기 통기 채널들을 빠져나갈 수 있게 하기 위하여 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구의 반대편에 통기 출구를 가지며, 상기 통기 채널들 각각의 상기 통기 출구는 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 통기 출구의 상기 단면적은 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 출구의 상기 단면적과 상이한, 실시 형태 4에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 6: 상기 통기 채널들은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구와 상기 통기 출구 사이에 주 통기 부분을 가지며, 상기 통기 채널들의 상기 주 통기 부분은 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 주 통기 부분의 상기 단면적은 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 입구의 상기 단면적보다 더 큰, 실시 형태 5에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 7: 상기 본체부는 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 공급 표면을 포함하고, 상기 본체부는 상기 공급 표면의 반대편에 통기 표면을 포함하며, 상기 통기 표면은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구를 형성하고, 상기 공급 채널들은 상기 본체부 내에서 상기 통기 채널들과 실질적으로 평행한, 실시 형태 4에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 8: 상기 본체부는 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 공급 표면을 포함하고, 상기 본체부는 상기 공급 표면에 대해 실질적으로 가로지르는 통기 표면을 포함하며, 상기 통기 표면은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구를 형성하고, 상기 공급 채널들은 상기 본체부 내에서 상기 통기 채널들과 실질적으로 가로지르는, 실시 형태 4에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 9: 상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치되고 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 적어도 하나의 공급 분배기 블록을 추가로 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 8 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 10: 상기 공급 분배기 블록의 반대편에 있는 상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치된 적어도 하나의 통기 분배기 블록을 추가로 포함하고, 상기 통기 분배기 블록은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구를 형성하는, 실시 형태 9에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 11: 상기 공급 채널들 각각의 상기 공급 입구는 상기 본체부를 따라 선형으로, 동심형으로, 및/또는 방사형으로 서로 이격되어 있는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 12: 상기 공급 채널들 중 상기 하나의 상기 공급 입구의 단면적은 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 평균 유량과 상기 공급 채널들 중 상기 하나를 통한 실제 유량 사이의 차이에 비례해서 감소되는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 11 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 13: 상기 본체부의 상기 열 전도성 재료는 탄소, 흑연, 탄소 섬유, 세라믹, 세라믹 매트릭스 복합재, 및 금속의 군으로부터 선택되는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 12 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 14: 상기 공급 입구의 단면적은 약 0.5 제곱인치 미만인, 실시 형태 1 내지 실시 형태 13 중 어느 하나의 실시 형태에 기재된 바와 같은 열 교환기.

실시 형태 15: 공급 가스를 처리하기 위한 반응기 시스템으로서,

반응 챔버로서, 상기 공급 가스를 포함하는 제2 재료 스트림을 상기 반응 챔버 내로 도입시키기 위한 유입 포트 및 상기 제2 재료 스트림의 상기 공급 가스를 처리한 후에 상기 반응 챔버로부터 제1 재료 스트림을 배출하기 위한 배출 포트를 갖는, 상기 반응 챔버; 및

열 전도성 재료를 포함하는 본체부를 갖는 열 교환기를 포함하며,

상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구를 가지며, 상기 공급 입구는 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 공급 입구의 단면적은 상기 본체부의 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 상기 공급 입구의 단면적과 상이한, 반응기 시스템.

본 발명을 예시적인 실시 형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있으며 등가물이 그의 요소를 대신할 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어남이 없이 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 맞게 조정하기 위해 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기에 최선의 형태로 고려되는 것으로서 개시된 특정 실시 형태로 제한되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 모든 실시 형태들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

제1 재료 스트림과 제2 재료 스트림 사이에 열을 전달하기 위한 열 교환기로서,
열 전도성 재료를 구비하는 본체부를 구비하며,
상기 본체부는, 상기 본체부를 통해 형성되되 상기 본체부를 통해 상기 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성되는 복수의 통기(vent) 채널들; 및
상기 본체부를 통해 형성되되 상기 본체부를 통해 상기 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성되는 복수의 공급 채널들을 구비하며,
상기 제1 및 제2 재료 스트림들 중 적어도 하나가 상기 본체부 내에서 상기 제1 및 제2 재료 스트림들 중 다른 하나와 열을 전달하도록 상기 공급 채널들은 상기 통기 채널들로부터 이격되어 있고 상기 통기 채널들과 열 연통(thermal communication) 상태에 있으며,
상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구를 가지며, 상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들을 빠져나갈 수 있게 하기 위하여 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구의 반대편에 공급 출구를 가지고, 상기 공급 채널들 각각은 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구와 상기 공급 출구 사이에 주 공급 부분을 가지며,
상기 공급 입구는 일정 단면적을 가지고, 상기 주 공급 부분은 일정 단면적을 가지며,
상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 공급 채널은, 상기 본체부의 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해, 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 공급 채널의 공급 입구의 단면적과 상이한 단면적의 공급 입구와, 상기 공급 채널들 중 상기 적어도 하나의 공급 채널의 상기 공급 입구의 상기 단면적과 상이한 단면적의 주 공급 부분을 가지고,
상기 열 교환기는, 상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치되고 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 적어도 하나의 공급 분배기 블록,
상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치되고 상기 통기 채널들의 통기 입구를 형성하는 적어도 하나의 통기 분배기 블록 및
상기 통기 분배기 블록에 인접하게 배치되는 통기 전이 블록을 더 포함하고,
상기 통기 분배기 블록은 상기 본체부와 상기 통기 전이 블록 사이에 배치되고, 상기 통기 전이 블록은 상기 통기 입구와 유체 연통하는 경로를 형성하며, 상기 경로는 상기 경로를 따라 직각 만곡부를 갖는, 열 교환기.
제1항에 있어서, 상기 공급 채널들 각각의 상기 공급 출구는 일정 단면적을 가지며, 상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 상기 공급 출구의 상기 단면적은 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 상기 공급 출구의 상기 단면적과 상이한, 열 교환기.
제2항에 있어서, 상기 공급 채널들 중 상기 적어도 하나의 공급 채널의 주 공급 부분의 단면적은 상기 공급 채널들 중 상기 적어도 하나의 공급 채널의 상기 공급 입구의 상기 단면적보다 더 큰, 열 교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통기 채널들 각각은 상기 제1 재료 스트림이 상기 통기 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 상기 통기 입구를 가지고, 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구는 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 통기 입구의 단면적은 상기 본체부의 상기 통기 채널들을 통한 상기 제1 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 입구의 단면적과 상이한, 열 교환기.
제4항에 있어서, 상기 통기 채널들 각각은 상기 제1 재료 스트림이 상기 통기 채널들을 빠져나갈 수 있게 하기 위하여 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구의 반대편에 통기 출구를 가지며, 상기 통기 채널들 각각의 상기 통기 출구는 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 통기 출구의 단면적은 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 출구의 단면적과 상이한, 열 교환기.
제5항에 있어서, 상기 통기 채널들은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구와 상기 통기 출구 사이에 주 통기 부분을 가지며, 상기 통기 채널들의 상기 주 통기 부분은 일정 단면적을 가지며, 상기 통기 채널들 중 적어도 하나의 상기 주 통기 부분의 단면적은 상기 통기 채널들 중 다른 하나의 상기 통기 입구의 단면적보다 더 큰, 열 교환기.
제4항에 있어서, 상기 본체부는 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 공급 표면을 포함하고, 상기 본체부는 상기 공급 표면의 반대편에 통기 표면을 포함하며, 상기 통기 표면은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구를 형성하고, 상기 공급 채널들은 상기 본체부 내에서 상기 통기 채널들과 실질적으로 평행한, 열 교환기.
제4항에 있어서, 상기 본체부는 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 공급 표면을 포함하고, 상기 본체부는 상기 공급 표면에 대해 실질적으로 가로지르는 통기 표면을 포함하며, 상기 통기 표면은 상기 통기 채널들의 상기 통기 입구를 형성하고, 상기 공급 채널들은 상기 본체부 내에서 상기 통기 채널들과 실질적으로 가로지르는, 열 교환기.
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 채널들 각각의 상기 공급 입구는 상기 본체부를 따라 선형으로, 동심형으로, 및/또는 방사형으로 서로 이격되는, 열 교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 채널들 중 상기 하나의 상기 공급 입구의 단면적은 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 평균 유량과 상기 공급 채널들 중 상기 하나를 통한 실제 유량 사이의 차이에 비례해서 감소되는, 열 교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체부의 상기 열 전도성 재료는 탄소, 흑연, 탄소 섬유, 세라믹, 세라믹 매트릭스 복합재, 및 금속의 군으로부터 선택되는, 열 교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 입구의 단면적은 0.5 제곱인치 미만인, 열 교환기.
공급 가스를 처리하기 위한 반응기 시스템으로서,
반응 챔버로서, 상기 공급 가스를 구비하는 제2 재료 스트림을 상기 반응 챔버 내로 도입시키기 위한 유입 포트 및 상기 제2 재료 스트림의 상기 공급 가스를 처리한 후에 상기 반응 챔버로부터 제1 재료 스트림을 배출하기 위한 배출 포트를 갖는, 상기 반응 챔버; 및
열 전도성 재료를 구비하는 본체부를 갖는 열 교환기를 구비하며,
상기 본체부는, 상기 본체부를 통해 형성되되 상기 본체부를 통해 상기 제1 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성되는 복수의 통기 채널들; 및
상기 본체부를 통해 형성되되 상기 본체부를 통해 상기 제2 재료 스트림이 지나가게 하도록 구성되는 복수의 공급 채널들을 구비하며,
상기 제1 및 제2 재료 스트림들 중 적어도 하나가 상기 본체부 내에서 상기 제1 및 제2 재료 스트림들 중 다른 하나와 열을 전달하도록 상기 공급 채널들은 상기 통기 채널들로부터 이격되어 있고 상기 통기 채널들과 열 연통 상태에 있으며,
상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들에 들어갈 수 있게 하기 위한 공급 입구를 가지며, 상기 공급 채널들 각각은 상기 제2 재료 스트림이 상기 공급 채널들을 빠져나갈 수 있게 하기 위하여 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구의 반대편에 공급 출구를 가지고, 상기 공급 채널들 각각은 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구와 상기 공급 출구 사이에 주 공급 부분을 가지며,
상기 공급 입구는 일정 단면적을 가지고, 상기 주 공급 부분은 일정 단면적을 가지며,
상기 공급 채널들 중 적어도 하나의 공급 채널은, 상기 본체부의 상기 공급 채널들을 통한 상기 제2 재료 스트림의 유량을 정규화하기 위해, 상기 공급 채널들 중 다른 하나의 공급 채널의 공급 입구의 단면적과 상이한 단면적의 공급 입구와, 상기 공급 채널들 중 상기 적어도 하나의 공급 채널의 상기 공급 입구의 상기 단면적과 상이한 단면적의 주 공급 부분을 가지고,
상기 열 교환기는, 상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치되고 상기 공급 채널들의 상기 공급 입구를 형성하는 적어도 하나의 공급 분배기 블록,
상기 본체부에 인접하게 일렬로 배치되고 상기 통기 채널들의 통기 입구를 형성하는 적어도 하나의 통기 분배기 블록 및
상기 통기 분배기 블록에 인접하게 배치되는 통기 전이 블록을 더 포함하고,
상기 통기 분배기 블록은 상기 본체부와 상기 통기 전이 블록 사이에 배치되고, 상기 통기 전이 블록은 상기 통기 입구와 유체 연통하는 경로를 형성하며, 상기 경로는 상기 경로를 따라 직각 만곡부를 갖는, 반응기 시스템.