プリント回路熱交換器の理解

印刷回路熱交換器 PCHEs は、極端な動作条件のために設計された超小型拡散溶接プレート熱交換器です。従来のシェルとチューブまたはろう付けプレート交換器とは異なり、 PCHE は表面にマイクロチャネルをエッチングした薄い金属板で構成されています。

これらのプレートは化学的にエッチングされ （ プリント基板に似ています ） 、積み重ねられ拡散接合してモノリシックブロックを形成します。エッチングされたマイクロチャネルは、サイズを最小限に抑えながら熱伝達面積を最大化し、表面積対体積比が非常に大きい構造です。

PCHEs は、従来の設計の限界をはるかに超えた最大 850 °C の温度と最大 1000bar の圧力で日常的に動作します。その結果、耐久性のある漏れ防止の交換器が、攻撃的な流体や振動が起こりやすい環境に最適です。要するに、 PCHE は、高圧、高温業務のための画期的なコンパクト熱交換器です。

プリント回路熱交換器の利点

プリント回路熱交換器の設計 従来の交換器に比べていくつかの重要な利点があり、現代の産業にとって魅力的です。

優れた熱効率 ：

高密度のマイクロチャネル形状により、 PCHEs は 95 〜 98% の高い熱効率を達成できます。複雑な流路は、シェルとチューブユニットの性能をはるかに上回る流体間のほぼ完全な熱交換を促進します。高い効率は、低接近温度とエネルギー損失の削減につながります。

コンパクトサイズおよび高い熱流量：

各プレートに多くの小さなチャネルをエッチングすることで、 PCHEs は巨大な熱伝達表面を小さな体積に詰め込みます。これにより、最小限のフットプリントで超コンパクトな設計を実現します。例えば、フォトエッチングしたマイクロチャネルは、最小限のスペースで最大限の効率を提供する「熱伝達領域を詰めた固体コア」を作成します。エンジニアは、同等のシェル & チューブ交換器と比較して 80 — 90% のオーダーのスペース節約を日常的に引用しています。

高圧および温度の能力：

PCHE 極端な条件を処理するために作られています業界トップは、最大 1，000 bar 、 − 196 °C ～ 850 °C （ さらにそれ以上 ） の動作範囲を報告しています。拡散結合コアは、流動チャネルに機械的継手やガスケットがないため、 1，000 bar を超える圧力に耐えることができます。この堅牢性は、超臨界流体、圧縮ガス、および低温アプリケーションに適しています。

機械的耐久性および信頼性：

全溶接コアにより、一般的な障害点を排除します。アクティブフロー領域にはガスケットやろう付けジョイントがないため、 PCHEs はフローパルスや振動による漏れや疲労に対して免疫です。さらに、拡散接合は、ベース金属 （ 多くの場合、ステンレス鋼やニッケル合金 ） の完全な強度と耐食性を維持し、優れた耐久性をもたらします。石油化学反応器からロケットエンジンまで、腐食性や高振動環境では、 PCHEs は他の交換器が故障する可能性がある場合に漏れ防止サービスを提供します。

カスタマイズ可能な流れの幾何学：

PCHEs の特徴の一つは、設計の柔軟性です。チャネルはフォトリソグラフィーを使用してエッチングされるため、メーカーは各アプリケーションに合わせて複雑な逆流またはクロスフローパターンを実装できます。この設計の自由度により、任意の流体ペアに対して圧力降下に対する熱伝達を最適化できます。実際には、技術者はしばしば、熱伝達、圧力降落、流量分布のバランスをとるためにカスタマイズされた段ボールプロファイルとチャネルレイアウトを備えた PCHE プレートを設計します。

これらの利点は現実世界の貯蓄に変換されます。例えば、フィールド調査によると、 PCHE は高い熱回収により、シェル · アンド · チューブユニットと比較してポンプの作業とエネルギー使用量を最大 30% 削減できます。コンパクトなため、材料コストと設置面積を削減できます。要するに、 PCHEs は業界をリードする熱性能、最小限の圧力降落、およびライフサイクルコストの削減を提供します。

産業における PCHEs の応用

その堅牢性と効率性により、 PCHEs は厳しいセクターで広く採用されています。

石油 · ガス LNG：

PCHEs は上流および LNG プロセスで広く使用されています。LNG 液化 / 再ガス化では、低温と高圧でガスの予冷や減冷に対応します。浮体貯蔵再ガス化ユニットや LNG キャリアでは、 PCHEs は燃料ガス蒸発器ユニットや BOG 回収交換器として機能します。また、洋上ガス圧縮プラントの炭化水素ストリームを加熱 · 冷却し、ガス油分離と露の指摘を強化します。

発電 ·再生可能エネルギー:

電力および再生可能エネルギーシステムでは、 PCHE は熱回収および高温サイクルに優れています。集中型太陽光発電のための超臨界 CO2 （ sCO2 ） 電力サイクルに使用され、クローズドループサイクルの効率を向上させます。タービン発電所では、 PCHEs は燃焼前に燃料ガスを予熱し、廃熱回収を管理します。原子力発電所 （ 先進型原子炉設計を含む ） も、原子炉冷却液や補助熱交換業務に PCHEs を採用している。

化学石油化学加工 ：

化学プラントでは、スペースが狭い場所や過酷な条件で PCHEs を使用します。例としては、高圧反応器 （ 水素化など ） 、特殊ガスパイプライン、石油化学クラッカーの還流コンデンサなどがあります。しばしば使用されている耐食合金 （ インコネル、ハステロイ ） は、 PCHEs が従来の交換器を素早く劣化する攻撃的な流体 （ 酸、アンモニア、塩素 ） と接触することを可能にします。

海軍とオフショア:

LNG 船以外にも、 PCHEs は海洋推進システムやユーティリティシステムにも登場します。ガス燃料船では、廃熱をコンパクトに回収し、予熱燃料を回収します。洋上プラットフォームや FPSO では、 PCHEs は圧縮機やポンプからの熱回収や、限られたスペースでの給水の調節に使用されています。

航空宇宙 · 防衛：

高圧と温度管理は、航空宇宙で重要です。PCHEs は、ロケットエンジンの冷却 （ 燃料側回収器 ） や宇宙船の生命維持熱拒絶ループに使用されています。コンパクトな構造の中で、超高圧や低温流体 （ 液体酸素や水素など ） を処理する能力は比類のないものです。

PCHE 製造における化学エッチング対従来の製造

PCHE の性能の鍵は、そのプレートを作るための化学エッチングプロセスです。プリント基板と同様に、マイクロチャネルは光化学エッチングによって作成されます。金属プレート （ ステンレス鋼、チタンなど ） にフォトレジストマスクを適用します。露出した領域は酸エッチング剤で溶解されますこのエッチングステップにより、高効率熱伝達に必要な正確なチャネル形状が付与されます。

化学エッチングは、従来の方法に比べていくつかの製造利点があります。

複雑なチャネルジオメトリ ：

光化学エッチングは、機械的パンチングやスタンピングとは異なり、非接触であり、移動する工具を使用しないため、バリや工具摩耗なしに非常に微細で複雑なチャネルパターンを生成できます。これにより、チャネルレイアウトの完全な設計自由度を提供し、表面積を最大化します。対照的に、従来のプレート交換器は、より深くまたはより複雑な形状をスタンピングするとプレートが歪むため、通常、単純な波状またはプレスパターンに限定されます。

ストレスフリー版：

機械的方法 （ スタンピング、パンチング、さらにはレーザー切断 ） は、金属に残留応力と変形をもたらします。対照的に、化学エッチングはプレートを平らで応力のないままにする。フォトエッチングは、平坦性を損なう可能性のある CNC 加工、スタンピング、レーザー加工とは異なり、機械的または熱的応力を残しません。平面性を維持することは、その後の拡散接合ステップにおいて極めて重要であり、プレートスタック全体にわたって均一な接触を確保します。

高精度および再現性：

エッチングプロセスは、十分に制御された化学運動学とフォトマスクによって制御されるため、チャネル寸法 （ 幅はしばしば数ミリメートル以下 ） に非常に厳しい公差を再現できます。また、チャネル間の非常に薄いウェブセクションも熱流量を増やします。従来のフライスやドリルでは、スケールで同じ解像度を達成するのに苦労します。

エッチング後、プレートは積み重ねられ、拡散接合 （ 拡散溶接とも呼ばれる ） されます。拡散接合では、エッチングされたプレートのスタックを高温 · 高圧で押圧し、金属表面が原子的に融合します。これにより、チャネルに離散的な溶接シームのない堅牢なモノリシックコアが作成されます。接合されたブロックは、その後、サイズに加工または切断され、ヘッダー （ エンドキャップ ） とノズルを取り付けます。この製造手順は、プレートにガスケットまたはろう付けされる従来の交換器とは対照的です。PCHEs は拡散接合を使用するため、接合した接合部は完全母金属の特性 （ 強度、耐食性 ） を保持し、フィラー金属やガスケットの弱さを回避します。

SHPHE 社の高性能 PCHE ソリューション

プリント回路熱交換器は、コンパクトな熱伝達の限界を押し出す成熟した技術ですが、まだ進化しています。高圧、高温、狭い空間制約が存在する場所で不可欠になっています。シュペ 製品ページのハイライトは、 PCHE は熱交換技術の画期的なイノベーションであり、厳しい産業用途に合わせられています。高効率でコンパクトな設計で、最大 1，000 bar 、 900 ° C で動作できるため、 LNG 、原子力、超臨界 CO2 、および航空宇宙システムに最適です。

当社の PCHE ユニットは、 ASME および国際認証を取得しており、最大 1000 bar の圧力と —196 °C ～ 850 °C の温度に対して定格されています。これは、 SHPHE の高度なエッチングおよび拡散接合プロセスの習得を反映しており、厚さ 0.4 〜 4 mm のチャネルが 0.4 mm 未満のプレートを製造することができます。実際には、このような機能により、 SHPHE は石油化学、電力、プロセス産業の最も厳しい基準を満たす交換器を供給できます。

PCHE 技術は、コンパクト熱交換器の最先端の技術を表しています。光化学エッチング、拡散接合、スマート油圧設計を組み合わせた SHPHE は、比類のない効率、堅牢性、柔軟性を備えたソリューションを提供します。

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