JP6974653B2 - クロス波形媒体及び関連方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年９月２５日に出願され、「クロス波形媒体及び関連方法」をタイトルとした米国仮特許出願第６２／７３６１３５号に基づく優先権を主張し、その全ての内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

クロス波形媒体又は充填物は、何十年もの間、冷却タワー及び散水ろ床処理装置市場における標準製品であり、油／水の分離、バイオタワー、硝化タワー、デミスター、並びに関連するシステム及び市場においても利用することができる。クロス波形媒体製品は、最初の構成以来、一般的な構成がほとんど変更されることなく、これらの市場向けの商品になっている。限定的な微細構造特徴や専用の接着剤結合などのベーシックな変更は、比較的最近の、クロス波形媒体製品のマイナーチェンジである。クロス波形媒体製品は、これらの市場のメーカーによって差別化されておらず、その設計も、通常、油/水の分離、バイオタワー、硝化タワー、デミスターなど、これら様々な応用のためには変更されていない。

冷却タワー産業に特有ではあるが、利用条件に合うように、既存の冷却タワーの性能を改善し、改善された冷却タワーの性能に基づいて、新たな冷却タワー設計のサイズを減少させるために、新製品を後付けすることを可能とするように、クロス波形媒体製品を区別化することは有利であろう。冷却タワーの性能を特徴づける方法の１つは、意図した動作条件を満たすために必要なファンの馬力量を比較することである。元の従来のクロス波形媒体を、性能が改善された交換用クロス波形媒体に置き換えることによる冷却タワーの全体的な性能の改善は、充填物製造業者にとっても、冷却タワーの所有者にとっても有利であろう。更に、既存のタワーに比べ、より小さく、同様な又は向上された性能を有するタワーを設計及び設置することによって冷却タワーの全体的な性能を改善することは、充填物製造業者にとっても冷却タワーの所有者にとっても有利である。

クロス波形充填物の典型的な設計は、シンプルなクロス波形の台形のフルート形状を含み、台形には線形の側壁を有する。これらの充填物製品には、充填物の表面積を増やし、充填物の微細構造の表面上に流れる水膜を混合させるように設計された特徴又は「微細構造」を有する。表面積が増加されると、より多くの水膜が充填物内の気流に晒される。充填物の熱性能は、空気流れへの水の質量移動速度の増加に依存するため、微細構造の変更は利点を提供する場合がある。しかしながら、組み立てられた充填物製品全体の圧力損失（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）をもたらす微細構造の変更は、タワー全体の性能を低下させる可能性がある。

クロス波形充填物の設計性能の一側面は、充填物シートの表面上に水が完全に分布するように促進することである。表面上に水が完全に分布することで、空気と接触する水の有効表面積が増加し、より高い質量移動効率が可能となる。完全な水分布のトレードオフは、通常、表面の変化により生じる圧力損失であり、実際には、圧力損失の変化、又は同じ馬力で実現される気流の減少を克服するための馬力の増加によって熱性能の向上が相殺され、全体的に性能は大幅に変化しないこととなる。

冷却タワーの容量は、充填物を通過する空気の量に依存する。既存の馬力ファンがより多くの空気の質量流量を、充填物を通して提供するように、所定の充填物の圧力損失を更に低減させることは有利であろう。タワーを通過するこの増加した空気の流れは、通常、ユニットがより低い出口水温を達成すること、又は所定の一連の動作条件下でより多くの水を冷却することを可能にする。

既知の充填物製品よりも熱性能を向上するとともに、より低い圧力損失を維持することができるクロス波形媒体又は充填物を設計、構築、及び展開することが有利であろう。クロス波形媒体又は充填物の好ましい実施形態は、所定の動作条件及び用途のために、微細構造の表面積の増加と圧力損失とのバランスをとることによって、従来技術の媒体及び充填物の欠点に対処する。

簡単に言えば、好ましい発明は、パックを通って流れる流体を、実質的に反対方向に当該パックを通って流れるガスで冷却するクロス波形充填物パックアセンブリに関する。クロス波形充填物パックアセンブリは、第１のシートと第２のシートとを含む。第１のシートは、長手方向軸を規定し、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部から第２の端部に向かって延びる第１の複数のフルート（ｆｌｕｔｅ）とを有する。第１の微細構造は、前記第１のシート上に規定され、第１の上部フラットストリップと、第１の下部フラットストリップと、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する第１の導管側部と、を含む。複数の第１の円弧は、第１の上部フラットストリップを第１の導管側部に接続し、且つ、前記第１の下部フラットストリップを第１の導管側部に接続する。第１の複数のフルートは、長手方向軸に対して第１のフルート角度で延びる。第１のフルート角度は約０度から４５度である。第２のシートは、第２の複数のフルートを有する。第２の微細構造は、前記第２のシート上に規定され、第２の上部フラットストリップと、第２の下部フラットストリップと、前記第２の上部フラットストリップを前記第２の下部フラットストリップに接続する第２の導管側部と、を含む。第１の微細構造と第２の微細構造とは、全体的に、充填物パックアセンブリの縦軸方向と横方向軸との両方において弧状又は波状であるか、又は好ましくは、微細構造のほぼ任意の断面に沿って正弦波のような波形を形成する。更に、マクロ構造又は微細構造１２を運ぶフルートも、好ましくは、図５に示されるように、それらの断面において角度のある形状であって、フルートの長手方向に実質的に垂直な線に沿って実質的に正弦波のような波形を規定する。これは、既知のシートにおける典型的な台形のフルートとは対照的である。複数の第２の円弧は、第２の上部フラットストリップを第２の導管側部に接続し、且つ、第２の下部フラットストリップを第２の導管側部に接続する。第１のシートは、組み立てられた構成において、第２のシートに接続され、第１の複数のフルートは、組み立てられた構成において、第２の複数のフルートに対して長手方向軸の反対側に延びる。

別の態様において、好ましい発明は、パックを通って流れる流体を、実質的に反対方向にパックを通って流れるガスで冷却するクロス波形充填物パックアセンブリに関する。当該クロス波形充填物パックアセンブリには、第１のシートと第２のシートとを含む。第１のシートは、長手方向軸を規定し、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部から第２の端部に向かって延びる第１の複数のフルートとを有する。第１の微細構造は、前記第１のシート上に規定され、第１の上部フラットストリップと、第１の下部フラットストリップと、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する第１の導管側部と、を含む。複数の第１の円弧は、第１の上部フラットストリップを第１の導管側部に接続し、且つ、第１の下部フラットストリップを第１の導管側部に接続する。第１の複数のフルートは、長手方向軸に対して第１のフルート角度で延びる。第１のフルート角度は約０度から４５度である。第２のシートは、第２の複数のフルートを有する。第２の微細構造は、前記第２のシート上に規定され、第２の上部フラットストリップと、第２の下部フラットストリップと、前記第２の上部フラットストリップを前記第２の下部フラットストリップに接続する第２の導管側部と、を含む。複数の第２の円弧は、第２の上部フラットストリップを第２の導管側部に接続し、且つ、第２の下部フラットストリップを第２の導管側部に接続する。第１のシートは、組み立てられた構成において、第２のシートに接続され、第１の複数のフルートは、組み立てられた構成において、第２の複数のフルートに対して長手方向軸の反対側に延びる。

更に別の態様において、好ましい発明は、冷却タワー内の冷却媒体を冷却するための充填物パックを組み立てる充填物シートに関する。充填物シートは、第１の端部と、第１の端部に実質的に平行し、且つ長手方向軸に対して概ね垂直に延びる第２の端部とを含む。第１の端部と第２の端部とは、充填物シートの横軸に実質的に平行に延びる。複数のフルートが、第１のフルート角度で第１の端部から第２の端部に向かって延びる。複数のフルート上でマイクロ構造が規定される。微細構造は、第１の上部フラットストリップと、第１の下部フラットストリップと、第１の上部フラットストリップを第１の下部フラットストリップに接続する第１の導管側部とを含む。複数の第１の円弧は、第１の上部フラットストリップを第１の導管側部に接続し、且つ、第１の下部フラットストリップを第１の導管側部に接続する。

前述した概要、及び好ましい発明についての以下の詳細な説明は、添付の図面を参照すれば、よりよく理解されるであろう。本発明を説明するために、現在の好ましい実施形態が図面に示されている。しかしながら、本発明は、示された具体的な配置及び手段には限定されないことを理解すべきである。

本発明の好ましい実施形態に係る、クロス波形媒体、又は充填物パック、又はアセンブリの上面斜視図である。 図１のクロス波形パックの第１のシートの上面図である。 図２の線３−３に沿って得られた、図２に示す第１のシートの断面図である。 図３の形状４の内部を示す図であって、図２に示す第１のシートの拡大断面図である。 図２の線５−５に沿って得られた、図２に示す第１のシートのフルート又はマクロ構造の断面図である。 図２の線５−５に沿って得られた、図２に示す第１のシートのフルート又はマクロ構造の断面図であって、寸法を示す図である。

以下の説明において、便宜上、特定の用語を使用しているが、これに限定されるものではない。本明細書に具体的に記載されていない限り、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」との用語は、１つの要素に限定されず、「少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきである。「右」、「左」、「下」、及び「上」との言葉は、参照される図面内の方向を示す。「内向き」又は「遠ざかる」、及び「外向き」又は「近接する」との言葉は、それぞれ、充填物パック及びその関連部分の幾何学的中心に向かう方向及び離れる方向を指す。用語には、上記の単語、その派生語、及び同意語が含まれる。

本明細書において、「約」、「ほぼ」、「一般的に」、「実質的に」、及び同様の用語は、本発明の構成要素の寸法又は特性を説明するときに使用され、説明される寸法／特性が厳密な境界又はパラメータではなく、当業者によって理解されるように、機能的に同一又は類似であって、微小な差異を有するものを除外しないことを示すことも理解されるべきである。最低限に、数値パラメータを含むような参照は、当技術分野で受け入れられている数学的及び産業的原則（例えば、丸め、測定又は他の系統的誤差、製造公差など）を使用し、最下位桁を変化させないようなバリュエーションを含む。

図１乃至４に示されているように、好ましい発明は、クロス波形媒体、充填物パック、又はアセンブリに関するものであって、一般に符号１００で示されている。クロス波形媒体、充填物パック、又はアセンブリ１０は、好ましくは、積み重ねてかみ合わされた複数の充填物シート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、1０ｏ、１０ｐを含む。第１の好ましい実施形態において、クロス波形媒体又は充填物パック１００は、積み重ねてかみ合わされた第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、第１１、第１２、第１３、第１４、第１５、第１６層を含む１６層の充填物シート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、1０ｏ、１０ｐを含む。ただし、これに限定されるものではなく、２枚以上のシート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、1０ｏ、１０ｐを積み重ねてかみ合わせることによってクロス波形媒体又は充填物１００を構成することもできる。クロス波形媒体又は充填物１００、及びシート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐのそれぞれは、全体的に長手方向に延びる長手方向軸１４と、横方向軸１６とを規定する。横方向軸１６は、シート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐに対して全体的に横方向に延びる。充填物パック１００を通る空気及び水は、全体的に、シート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐの第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとの間で、長手方向軸１４に沿って流れる。本明細書において、充填物シート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐについて、参照符号１０を用いて全体的に説明する。

好ましい実施形態において、シート１０のそれぞれは、約１９ミリメートル（１９ｍｍ）のフルート高さＨｆを有するが、これに限定されることなく、設計パラメータ及び好みに応じて、より小さい又はより大きいフルート高さＨｆを有してもよい。フルート高さＨｆは、例えば、様々な構成及び応用において、約５から３０ミリメートル（５〜３０ｍｍ）の範囲であってもよい。シート１０の第１のシート１０ａは、シート１０の代表例として図２乃至図４に示されている。ただし、本開示を検討する際に、当業者によって理解されるように、クロス波形媒体又は充填物１００のほぼ任意の場所に配置された複数のシート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐのいずれかを構成することができる。シート１０のそれぞれは、第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとを含み、作動中に、空気及び水は、第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとの間で、気流方向２８に、充填物パック１００を通って流れる。パック１００内の各連続のシート１０は、隣接するシート１０に対して１８０度（１８０°）回転してパック１００のクロス波形を規定し、第１の端部１１ａが、第２の端部１１ｂに実質的に平行に延在し、長手方向軸１４に対して全体的に垂直に延びており、第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとが、横方向軸１６に実質的に平行に延びている。したがって、好ましくは、充填物パック１００は、その厚さを通して交互する第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂを有して、充填物パック１００のクロス波形を規定する。充填物又はパック１００は、このように、各シート１０が、充填物パック１００内の隣接するシート１０に対して実質的に１８０度（１８０°）回転するように構成されるには限定されることなく、他の方法、例えば、様々な設計上の考慮事項、並びに設計者及び性能上の好みに応じて、各シート１０は、隣接するシート１０に対して回転されないか、又は各シート１０が、隣接するシート１０に対して別の角度で回転されるように構成することもできる。

好ましいクロス波形媒体又は充填物１００の各シート１０は、第１の部分２２と第２の部分２４とを含む。第１の部分２２は、コネクタ１８ｃの中央列と第１の端部１１ａとの間で延在し、下部である第２の部分２４は、コネクタ１８ｃの中央列と第２の端部１１ｂとの間で延在する。シート１０は、第１の部分２２及び第２の部分２４を含むことに限定されることなく、単一の部分、例えば、第１のシート１０ａの上部である第１の部分２２、又は第１のシート１０ａの下部である第２の部分２４から構成されることもでき、又は設計者の好み、好ましい機能、サイズの制限、又は他の要素に応じて、第１の部分２２及び第２の部分２４に接続された、又は一体的に形成された他の部分を含むこともできる。好ましい実施形態において、複数のフルート２０は、第１の部分２２上の第１の複数のフルート２０と、第２の部分２４上の第２の複数のフルート２０とを含み、第１の複数のフルート２０は、第１のフルート角度Δ_ｆ１で延在し、第２の複数のフルート２０は、第２のフルート角度Δ_ｆ２で延在している。第１の部分２２は、好ましくは、全体的に横方向軸１６に平行に延びるコネクタ１８ｃの中央列によって、第２の部分２４から分離されている。フルート角度は、総称的に参照符号Δｆによって示される。好ましい実施形態において、フルート２０は、実質的に同一のフルート角度Δｆで延在するが、第２の部分２４のフルート２０は、第１の部分２２のフルート２０に対して長手方向軸１４の反対側に延在している。これにより、本明細書で更に詳細に説明されるように、好ましい充填物パック１００のクロス波形構造を規定する。

好ましい実施形態において、シート１０は、フルート又は波形２０を含み、当該フルート又は波形２０は、気流が第１の部分２２と第２の部分２４とを通して、第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとの間で、気流方向２８に流れるように導く。フルート２０は、第１の部分２２内に第１のフルート角度Δｆ１を規定し、第２の部分２４内に第２のフルート角度Δｆ２を規定する。第１のフルート角度Δｆ１と第２のフルート角度Δｆ２とは、好ましい実施形態においてはほぼ同一で、２０度（２０°）である。従来技術のクロス波形媒体又は充填物の典型的なフルート角度３０度（３０°）に比べ、空気が気流方向２８に第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとの間で流れるときに、フルートのマクロ構造的な形状によって生じる充填物圧力損失が低減される。この減少した第１のフルート角度Δｆ１及び第２のフルート角度Δｆ２、並びに微細構造１２の弧状及び波形は、フルートのマクロ構造的な形状による圧力損失を低減し、より多くの圧力損失がクロス波形媒体又は充填物パック１００の微細構造１２により起因することを可能とし、これによって、通常の媒体又は充填物よりも充填物パック１００の熱性能が向上される。例えば、Ｂｒｅｎｔｗｏｏｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＣＦ１９００クロスフルート膜充填物は、限定的な微細構造を有し、その微細構造は、ＣＦ１９００を製造するための金型に物理的に切り込まれた特徴によって規定される。特徴はボールミルにより比較的浅く金型に切り込まれ、ＣＦ１９００充填物パックのシートは、製造中に金型にミル加工された形状に形成される。ＣＦ１９００の微細構造も離散的であり、ＣＦ１９００波形充填物シートの表面上で比較的広く間隔を空けて配置されている。シート１０の第１の部分２２のフルート２０は、好ましくは、長手方向軸１４に対して第１の方向に延在し、第２の部分２４のフルート２０は、好ましくは、長手方向軸１４に対して反対の第２の方向に延びる。しかしながら、それに限定されず、異なる角度で構成され、長手方向軸１４に対して実質的に同じ方向に延びるか、又は設計者の好み、機能目的、又は他の要素に基づいて構成されてもよい。第１のシート１０ａの第１の微細構造２０と各シート１０の他の微細構造２０は、全体的に、第１の上部フラットストリップ１２ｂｔと第１の下部フラットストリップ１２ｂｂとの間の弧状表面を規定し、動作中に流体は、当該弧状表面に沿って第１の端部１１ａと第２の端部１１ｂとの間で、水流方向２６に流れる。

シート１０は、好ましくは、コネクタ１８の列に沿って互いに接続されて、組み立てられた充填物１０を規定する。参照符号１８によって全体的に示されているコネクタ１８の列は、好ましくは、第１の端部１１ａに近接する第１の端部列１８ａと、第２の端部１１ｂに近接する第２の端部列１８ｂと、好ましくは、第１の端部と第１の端部との間の中央に位置する中央列１８ｃと、２つの中間列１８ｄとを含み、２つの中間列１８ｄは、それぞれ第１の端部列１８ａと中央列１８ｃとの間、及び第２の端部列１８ｂと中央列１８ｃとの間に配置される。第１の端部列１８ａと、第２の端部列１８ｂと、中央列１８ｃと、中間列１８ｄとを含むコネクタ１８は、記載された場所に配置されること、又は添付の図面に示された構成を有することに限定されないが、好ましくは、クラッシュロック、締結、クランプ、接着結合、又は他の接続メカニズム若しくは方法等によって、充填物パック１００となるようにシート１０が、位置合わせて接続されるように設計及び構成されている。好ましい実施形態では、第１のシート１０ａは、組み立てられた構成において、第２のシート１０ｂに接続される。第１のシート１０ａの第１の複数のフルート２０は、組み立てられた構成において、第２のシート１０ｂの第２の複数のフルート２０に対して長手方向軸１４の反対側に延びる。第１のシート１０ａの第１の端部１１ａは、第２のシート１０ｂの第２の端部１１ｂの近くに配置されている。更に、第３のシート１０ｃは、好ましくは、第２のシート１０ｂに接続され、第３のシート１０ｃの第３の複数のフルート２０は、第２のシート１０ｂの第２の複数のフルート２０に対して長手方向軸１４の反対側に延びる。同様に、残りの第４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６枚目のシート１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、 １０ｎ、１０ｏ、１０ｐは、好ましくは、それらの隣接するシート１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐに接続され、それぞれのフルート２０は、長手方向の反対側に延びる。充填物パック１００は、このような配置に限定されず、例えば、フルート２０は、全体的に長手方向軸１４に平行に延びることができ、オフセット（図示せず）、又は他の方法によって、隣接するシート１０を構成することができる。充填物パック１００内の隣接するシート１０のフルート２０の部分がその長さに沿って互いに接触する場合に生じる気流の完全な遮断を排除することで圧力損失が生じる。それに対して、前記オフセットは、特に、波形又はフルート２０が、組み立てられた構成において、フルート角度Δｆで第１の端部１１ａから第２の端部１１ｂに向かって延びるときに、その長さに沿って接触しないように設計されたとき、圧力損失を低減することもできる。

好ましいクロス波形媒体又は充填物１００の各シート１０の微細構造１２は、比較的深く、波状の、連続的な構造を含む。微細構造１２は、好ましくは、横軸１６、第１の端部１１ａ、及び第２の端部１１ｂに実質的に平行に延びるが、そのように限定されず、横軸１６に対してある角度で延在するか、又は山形のような形状で構成することができる。好ましくは、微細構造１２は、使用中に、水が幅全体、又は横軸１６を横切って、シート１０の長さ又は長手軸１４に沿って広がることを可能にし、充填物シート１０上の水の分布を改善する。比較的深く、弧状であり、連続的な水平微細構造１２は、充填物パック１００内の熱伝達表面として実質的にシート１０の全ての表面積の使用を容易にする。水が組み立てられた充填物シート１０で流れるとき、チャネリング又はプーリングが発生した場合、微細構造１２は、常に水を方向転換し、シート１０の幅全体にわたって一貫した水の膜を促進する。微細構造１２は、横軸１６に実質的に平行に延びるコネクタ１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの列を除いて、基本的に充填物シート１０の表面全体を含む。シート１０は、コネクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの第１の端部、第２の端部、中央、及び中間の列のそれぞれを含むことに限らず、好ましくは、第１の端部１１ａ及び第２の端部１１ｂに沿って延びる第１の端部列１８ａ及び第２の端部列１８ｂを含む。コネクタ１８は、好ましくは、複数のシート１０を充填物パック１００内に一緒に固定するように構成され、充填物パック１００内で複数のシート１０の接続を容易にするために、シート１０上の概ね任意の所望の位置に任意の数のコネクタ１８を含むことができる。コネクタ１８は、好ましくは、特定の用途及び設計者の好みに応じて、パック１００内でシート１０の強固な係合を容易にするように設計されている。好ましい実施形態において、波状の微細構造１２を有し、全体的に第１の端部１１ａから第２の端部１１ｂまでの長手方向軸１４に沿った垂直方向の水流に対する障壁は、微細構造１２の水平の上部に厚い膜を形成し、充填物パック１００内のシート１０の幅全体にわたって水膜を横方向に完全に分配することを容易にし、それにより、一貫した水膜の分配及び水流方向２６の水の流れを可能にすることができる。

１９９１年８月１７日に出願され、「冷却タワー用の熱交換器−Ｇａｔの流れと反対方向の水の流れのためにジグザグな溝が付けられた要素を有する」をタイトルとしたドイツ出願第ＤＥ４１ ２７ ２４５号に記載されたクロス波形充填材（「２４５−ＡＰＰ」）の性能を測定し、ＣＦ１９００と比較した。２４５−ＡＰＰに従って構成された充填物シートは、導管側部と、表面要素又はシート１の微細構造の平らなストリップとの間に鋭形エッジ（ｓｈａｒｐ−ｅｄｇｅｄ）の移行が存在する。２４５−ＡＰＰは、「この微細なプロファイルは、気体と液体の主な流れ方向に対するチャネルの傾斜角度にほぼ対応する角度で、チャネルプロファイルの方向に伸びている。その結果、取り付けられた状態において、微細プロファイリングがほぼ水平に走ることによって、液体はそれぞれのフローチャネル内のチャネルの端部に保持され、チャネルの傾斜にもかかわらず、チャネルの端部から離れない」と記載している。急激な移行の結果として、プロファイルピークからプロファイルトラフへ移行するとき、又はプロファイルトラフからプロファイルピークへ移行するときに、液体の膜に乱流が生成され、熱交換及び物質移動が促進される。フルート角度が減少したにもかかわらず、熱性能が向上するが、２４５−ＡＰＰにより構成されたシートのパックの圧力損失は、ＣＦ１９００の圧力損失よりも高い。圧力損失が大幅に増加した場合、熱性能の向上によって相殺されないため、２４５−ＡＰＰにより構成された充填物は、全体的に性能が既存のＣＦ１９００よりも低い。

好ましい交差波形充填物パック１００において、充填物シート１０は、微細構造１２には更にフィレット又は円弧１２ａを有し、これによって弧状構造が設けられる。対照的に、２４５−ＡＰＰにより構成されたシートの水平の微細構造には、鋭いコーナーが存在する。図４に示されるように、円弧１２ａは、好ましい微細構造１２の山における上部フラットストリップと微細構造１２の谷における下部フラットストリップ１２ｂとの間の移行部に形成され、導管側部１２ｃは、フラットストリップ１２ｂの間に延びている。好ましい微細構造１２の導管側部１２ｃは、実質的に、隣接するフラットストリップ１２ｂの間、或いは上部フラットストリップ１２ｂｔと下部フラットストリップ１２ｂｂとの間で移行する円弧１２ａの間の変曲線であるが、それに限定されることなく、設計者の好み、微細構造１２のサイズ、機能上の考慮事項、又はその他の要因に応じて、フラットな部分又は他の成形された部分から構成されてもよい。第１のシート１０ａの第１の導管側部又は変曲線１２ｃは、好ましくは、第１の上部フラットストリップ１２ｂｔを第１の下部フラットストリップ１２ｂｂに接続する複数の第１の円弧１２ａのうち第１の円弧１２ａと第２の円弧１２ａとの間に配置される。好ましいクロス波形充填物パック１００について測定した結果、動作中の圧力損失が低いだけでなく、２４５−ＡＰＰにより構成された、急激な移行を有するクロス波形パックに比べ、熱性能が同様に維持され、又は少なくとも１つの測定テストにおいて増加したことを示した。これは予想外の結果であった。なぜなら、通常、圧力損失の減少は熱性能の低下に伴うためである。従って、以下の表１に示すように、好ましいシート１０で構成された好ましい充填物パック１００は、標準のＣＦ１９００製品、及びに２４５−ＡＰＰにより構成されたパックと比較して、大幅に減少した圧力損失を有するとともに、少なくとも同様な又はより高い熱性能を有し、全体的にタワーの性能が大幅に向上した。

第１のシート１０ａは、第１の微細構造１２を含み、第１の微細構造１２は、第１の上部フラットストリップ１２ｂｔと、第１の下部フラットストリップ１２ｂｂと、第１の上部フラットストリップ１２ｂｔを第１の下部フラットストリップ１２ｂｂに接続する第１の導管側部１２ｃとを含む。第１のシート１０ａはまた、第１の上部フラットストリップ１２ｂｔを第１の導管側部１２ｃに接続し、且つ、第１の下部フラットストリップ１２ｂｂを第１の導管側部１２ｃに接続する複数の第１の円弧１２ａを含む。第１の複数のフルート２０は、長手方向軸１４に対して第１のフルート角度Δｆ１で延びる。第１のフルート角度Δｆ１は、約０度から４５度であるが、それに限定されず、１５度から３０度（１５−３０°）であってもよく、好ましい実施形態においては、約２０度（２０°）である。

第２のシート１０ｂは、第２の複数のフルート２０と、第２のシート１０ｂ上に規定され第２の微細構造１２とを含む。他の複数のシート１０も、フルート２０と微細構造１２とを含み、実質的に第１のシート１０ａ及び第２のシート１０ｂと同様に構成される。第２のシート１０ｂの微細構造１２は、第２の上部フラットストリップ１２ｂｔと、第２の下部フラットストリップ１２ｂｂと、第２の上部フラットストリップ１２ｂｔを第２の下部フラットストリップ１２ｂｂに接続する第２の導管側部１２ｃとを含む。複数の第２の円弧１２ａは、第２の上部フラットストリップ１２ｂｔを第２の導管側部１２ｃに接続し、且つ、第２の下部フラットストリップ１２ｂｂを第２の導管側部１２ｃに接続する。第１のシート１０ａは、組み立てられた構成において、第２のシート１０ｂに接続され、第１の複数のフルート２０は、組み立てられた構成において、第２の複数のフルート２０に対して長手方向軸１４の反対側に延びる。第１のシート１０ａは、好ましくは、充填物パック１００内で第２のシート１０ｂに接続される。このとき、第１のシート１０ａの第１の端部１１ａが第２のシート１０ｂの第２の端部１１ｂに近接して配置され、フルート２０がクロス波形になるように、第２のシート１０ｂは、第１のシート１０ａに対して約１８０度回転して構成される。好ましい実施形態において、第１のシート１０ａは、第１の端部１１ａに沿って延びるコネクタ１８ａの第１の端列と、第２の端部に沿って延びるコネクタ１８ｂの第２の端列とを含む。充填物パック１００の組み立てられた構成において、第１のシート１０ａのコネクタ１８ａの第１の端列は、第２のシート１０ｂのコネクタ１８ｂの第２の端列に接続され、第１のシート１０ａのコネクタ１８ｂの第２の端列は、第２のシート１０ｂのコネクタ１８ａの第１の端列に接続される。第１のシート１０ａ及び第２のシート１０ｂのコネクタの中央列１８ｃ、並びに第１のシート１０ａ及び第２のシート１０ｂのコネクタの中間列１８ｄもまた、充填物パック１００に取り付けられている。好ましい実施形態において、コネクタの第１の端部列１８ａ及び第２の端部列１８ｂと、コネクタの中央列１８ｃと、コネクタの中間列１８ｄとは、複数のコネクタタブから構成される。

表１を参照すれば、ファンパワは、ＣＦ１９００クロス波形充填物、２４５−ＡＰＰにより構成されたクロス波形充填物、及び好ましいクロス波形充填物パック１００のそれぞれの測定テストにおいて、同じ冷水温度を達成するように決められたものである。微細構造の密度と高さは、鋭い微細構造を備えた２４５−ＡＰＰにより構成された充填物パックにおいて、ベースラインＣＦ１９００を超えて増加したが、好ましい充填物パック１００の製品構成においては、含まれるフィレット１２ａを除いて実質的に同じであった。フィレット１２ａは、フラットストリップ１２ｂと導管側部１２ｃとの間であり、フラットストリップ１２ｂと導管側部１２ｃとは、実質的に好ましいシート１０の隣接するフィレット１２ａの間の変曲線から構成される。好ましいクロス波形充填物パック１００がより高い熱性能又は効率を有するため、必要な気流が減少し、これによって、必要なファンパワが減少し、タワー全体の性能の向上に繋がる。以下の表１に示すように、各シナリオにおいて、好ましいクロス波形充填物パック１００は、ＣＦ１９００充填物パック及び２４５−ＡＰＰ充填物パックよりも低いファンパワで機能し、同じ冷水温度を達成している。２４５−ＡＰＰにより構成された充填物パックよりも、７．７から３５．８パーセント（７．７−３５．８％）少ないファンパワで機能する。

２４５−ＡＰＰにより構成されたパック及び好ましいクロス波形充填物パック１００がＣＦ１９００充填物と比較されるとき、２４５−ＡＰＰにより構成されたパック及び好ましいクロス波形充填物パック１００の場合は、フルート角度が３０度（３０°）から２０度（２０°）に減少したことに留意されなければならない。表１の結果によれば、２２４５−ＡＰＰにより構成されたパックと比較すると、同じ熱性能において、ＣＦ１９００充填物はより低い圧力損失を有する。

好ましいクロス波形パック１００のシート１０の微細構造１２の形状は、動作中に、空気と水との界面における水表面の形状に影響を与える。２４５−ＡＰＰにより構成されたパックの鋭い微細構造は、水膜の流れの上流に堰効果を発生させる。この効果により、水膜の厚さが大幅に増加する（ウォーターホールドアップとも呼ばれる）。２４５−ＡＰＰにより構成された充填物の「堰」でのこの流体膜の厚さは、水の施用量によっては、微細構造の実際の高さよりもはるかに大きくなる場合がある。この流体膜厚の増加は、組み立てられた充填物シートの間で空気が流れることができる断面積を減らすことで、２４５−ＡＰＰにより構成された充填物内の空気の流れを妨げる。柔軟な微細構造は、表面に付着するため、水を保持しない。したがって、空気と水との界面はより厳密に微細構造の形状に従う。この現象の結果、充填物パック１００内の好ましいシート１０上のより薄く分布している水の層が、２４５−ＡＰＰにより構成された充填物パックのシートの表面に見られる水のポケットのような厚い膜の形成、そしてウォーターホールドアップを生じないことである。従って、充填物パック１００内の好ましいシート１０のより柔軟で、弧状の微細構造１２によって、気流に対するインピーダンスが低減され、それにより、充填物パック１００を通って気流方向２８に流れる空気の圧力損失が低減される。

好ましいクロス波形充填物パック１００と、２４５−ＡＰＰにより構成された充填物パックへの水の施用量は、充填物パック１００と、２４５−ＡＰＰにより構成された充填物パックとの表面上の水の厚さに影響を与える。さまざまな水負荷下での熱性能と圧力損失との違いに寄与する。隣接する微細構造表面が近接すること（すなわち、連続する水平リブ又は上部リブ間のスペース）は、２つの表面を横切る水の架橋を形成し、又は水を両方の表面（設計上本来的である）に付着させ、微細構造を埋める（設計上本来的ではない）こととなる。隣接する微細構造表面間の距離がより大きければ、水の表面張力が破壊され、微細構造１２の表面が有効表面積を支配することが可能となり、空気と充填物表面との界面作用に基づいて、より薄く分散した膜を形成することで、充填物内の混合を改善する。好ましいシート１０の微細構造１２のフィレット設計又は比較的滑らかで弧状の円弧１２ａは、円弧１２ａと、フラットストリップ１２ｂと、導管側部１２ｃとを含む微細構造１２の表面を横切る水の架橋を支持しない。

好ましいクロス波形充填物パック１００を含む構造化シート充填物製品は、設置中及び動作中に加えられる構造的な負荷を対処するように構成されている。典型的には、用途のために選択されたゲージにおける充填物パック１００の圧縮強度は、フルート２０及び微細構造１２の形状の構成に基づいて十分である。製品設計の構造性能に応じて、シート１０に構造リブ（図示せず）を追加することが好ましい場合があり、一方、熱性能及び圧力損失に焦点を当てることは、製品の用途に左右される。これらの構造リブは、基本的に微細構造１２を貫通し、そこで水が充填物パック１００を通って直接流れるための排水路を提供することができ、それにより、水の空気流に晒されることが制限される。様々な充填ゲージの構造的な保全性のために構造リブが好ましいシート１０に組み込まれる場合、熱性能のわずかな変化が予想される。

好ましいクロス波形充填物シート１０の第１のフルート角度Δｆ１及び第２のフルート角度Δｆ２は、垂直の位置から又は長手方向軸１４に対して０から４５度（０−４５°）の範囲である。微細構造１２の微細構造の深さＡは、約０．０８インチから０．１２インチ（０．０８−０．１２インチ）、又は２から３ミリメートル（２−３ｍｍ）の範囲である。微細構造１２の微細構造の高さＢは、約０．２から０．３インチ（０．２−０．３インチ）、又は５から７．６ミリメートル（５−７．６ｍｍ）の範囲である。フィレット又は円弧１２ａの微細構造半径Ｄ、Ｅは、微細構造の深さＡのパーセンテージとして、７０から１００パーセント（７０−１００％）の範囲であり、一般に、シート１０の全体にわたって必ずしも一貫しているとは限らない。したがって、微細構造の半径Ｄ、Ｅは、好ましい実施形態において、約０．０５６インチから０．１２インチ（０．０５６−０．１２インチ）、又は１．４から３ミリメートル（１．４−３ｍｍ）の範囲である。更に、微細構造１２のピーク間の微細構造の間隔Ｃは、好ましい実施形態において、微細構造の高さＢの約２倍、又は約０．４インチから０．６インチ（０．４−０．６インチ）、又は１０から１５ミリメートル（１０−１５ｍｍ）の範囲である。微細構造の深さＡ、微細構造の高さＢ、微細構造の間隔Ｃ、及び微細構造の半径Ｄ、Ｅは、上記の寸法及び範囲に限定されず、シート１０が一般的な好ましい構成となることができ、通常の動作条件に耐え、本明細書に記載された好ましい機能を果たすことができる限り、設計上の要求、設計者の好み、及び設計特徴に基づいて異なるサイズ及び寸法を有するように設計及び構成することができる。

図２、図５Ａ、及び図５Ｂに示すように、好ましい実施形態のフルート２０は、好ましくは、波状であるか、又はフルート２０に対して実質的に垂直な線に沿ってとられる正弦波のような形状を有する。フルート２０は、上述したように、フルート高さＨｆ、及びフルート間隔Ｇを有する。好ましいシート１０のフルート間隔Ｇは、約０．５から３インチ（０．５−３インチ）、又は１２．７から７６ミリメートル（１２．７−７６ｍｍ）の範囲であり、シート１０の特に好ましい構成においては、約２インチ（２インチ）、又は５１ミリメートル（５１ｍｍ）である。

これらの理由により、好ましいクロス波形媒体又は充填物シート１０、及び組み立てられた充填物パック１００の設計は、新規で独創的であり、市場で提供される既存の商業製品よりも重要な商業的価値を有する。

当業者は、その広範な発明概念から逸脱することなく、上記好ましい実施形態に変更を加えることができることを理解されたい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されることなく、本開示によって定義される本発明の精神及び範囲内の改変をカバーすることを意図することを理解すべきである。

Claims (20)

1. パックを通って流れる流体を、実質的に反対方向にパックを通って流れるガスで冷却するためのクロス波形充填物パックアセンブリであって、
   長手方向軸を規定し、第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部から前記第２の端部に向かって延びる第１の複数のフルートとを有する第１のシートであって、前記第１のシート上に第１の微細構造が規定され、
   前記第１の微細構造は、第１の上部フラットストリップと、第１の下部フラットストリップと、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する第１の導管側部と、を含み、複数の第１の円弧は、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の導管側部に接続し、且つ、前記第１の下部フラットストリップを前記第１の導管側部に接続し、
   前記第１の複数のフルートは、前記長手方向軸に対して第１のフルート角度で延在し、前記第１のフルート角度は、約０度から４５度である、
   前記第１のシートと、
   第２の複数のフルートを有する第２のシートであって、前記第２のシート上に第２の微細構造が規定され、
   前記第２の微細構造は、第２の上部フラットストリップと、第２の下部フラットストリップと、前記第２の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する第２の導管側部と、を含み、複数の第２の円弧は、前記第２の上部フラットストリップを前記第２の導管側部に接続し、且つ、前記第２の下部フラットストリップを前記第２の導管側部に接続する、
   前記第２のシートと、
   を備え、
   前記第１のシートは、組み立てられた構成において、前記第１のシートは第２のシートに接続され、
   前記第１の複数のフルートは、組み立てられた構成において、前記第２の複数のフルートに対して前記長手方向軸の反対側に延びる、
   充填物パックアセンブリ。
2. 前記第１の端部に沿って延びる第１のコネクタの列と、
   前記第２の端部に沿って延びる第２のコネクタの列と、
   を更に備える、請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
3. 前記第１のフルート角度は約１５度から３０度である、請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
4. 前記第１のフルート角度は約２０度である、請求項３に記載の充填物パックアセンブリ。
5. 前記第１の導管側部は、第１の変曲線によって構成され、
   前記第１の変曲線は、それぞれの前記第１の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する前記複数の第１の円弧の間に位置している、
   請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
6. 前記第１の複数のフルートは、フルート高さを規定する、
   請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
7. 前記フルート高さは約１９ミリメートルである、
   請求項６に記載の充填物パックアセンブリ。
8. 第３のシートと、第４のシートと、第５のシートと、を更に備え、
   前記第３のシートと、前記第４のシートと、前記第５のシートとは、組み立てられた構成において、前記第１のシート及び前記第２のシートに接続され、
   前記第３のシートは第３の微細構造を含み、前記第４のシートは第４の微細構造を含み、前記第５のシートは第５の微細構造を含む、
   請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
9. 前記第１の微細構造と前記第２の微細構造とは、弧状であって、波形を有する、
   請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
10. 前記第１の端部に沿って延びる第１のコネクタの列を更に備え、
    前記第１のコネクタの列は、複数のコネクタタブにより構成されている、
    請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
11. 前記第１の微細構造は、前記第１の上部フラットストリップと前記第１の下部フラットストリップとの間の全体的に弧状の表面を規定し、
    前記流体は、動作中に前記弧状の表面に沿って、前記第１の端部と前記第２の端部との間で流れ、
    前記弧状の表面は、前記複数の第１の円弧により構成されている、
    請求項１に記載の充填物パックアセンブリ。
12. 冷却タワー内の冷却媒体を冷却するための充填物パックを組み立てるための充填物シートであって、
    第１の端部と、
    第２の端部であって、前記第１の端部に実質的に平行に、且つ、全体的に長手方向軸に対して垂直に延在し、前記第１の端部と前記第２の端部とは、前記充填物シートの横方向軸に実質的に平行に延在している、前記第２の端部と、
    第１のフルート角度で前記第１の端部から前記第２の端部に向かって延びる複数のフルートと、
    前記複数のフルート上に規定された微細構造と、
    を備え、
    前記微細構造は、第１の上部フラットストリップと、第１の下部フラットストリップと、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の下部フラットストリップに接続する第１の導管側部と、前記第１の上部フラットストリップを前記第１の導管側部に接続し、且つ、前記第１の下部フラットストリップを前記第１の導管側部に接続する複数の第１の円弧とを含む、
    充填物シート。
13. 前記微細構造は、前記横方向軸に実質的に平行に延在し、
    前記第１の導管側部は、隣接する前記第１の上部フラットストリップと前記第１の下部フラットストリップとの間の前記複数の第１の円弧を接続する第１の変曲線により構成されている、
    請求項１２に記載の充填物シート。
14. 前記第１のフルート角度は約０度から４５度である、請求項１２に記載の充填物シート。
15. 第１の部分と第２の部分とを更に備え、
    前記複数のフルートは、第１の複数のフルートと第２の複数のフルートとを含み、前記第１の複数のフルートは、第１のフルート角度で延び、前記第２の複数のフルートは、第２のフルート角度で延びる、
    請求項１２に記載の充填物シート。
16. 前記第１の部分は、全体的に前記横方向軸に平行に延びるコネクタの中央列によって前記第２の部分から分離されている、請求項１５に記載の充填物シート。
17. 前記複数のフルートはフルート高さを規定し、前記フルート高さは約１９ミリメートルである、請求項１２に記載の充填物シート。
18. 前記微細構造は、微細構造の深さ及び微細構造の高さを規定し、前記微細構造の深さは約２から３ミリメートルであり、前記微細構造の高さは約５から７．６ミリメートルである、請求項１２に記載の充填物シート。
19. 前記微細構造は、微細構造の間隔及び微細構造の高さを規定し、前記微細構造の間隔は、前記微細構造の高さの約２倍である、請求項１２に記載の充填物シート。
20. 前記微細構造は、微細構造の半径及び微細構造の深さを規定し、前記微細構造の半径は、前記微細構造の深さの約７０から１００パーセントである、請求項１２に記載の充填物シート。

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