JP7210151B2 - 拡散接合型熱交換器 - Google Patents
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Description
また、第2の発明による拡散接合型熱交換器は、積層されて拡散接合された第1伝熱板および第2伝熱板を含むコアを備え、第1伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、第2伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、第1伝熱板の高温流路は、第2伝熱板の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、高温流体が複数のチャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有し、高温流路は、平面視において、第2伝熱板の低温流路と重複する重複領域と、少なくとも低温流路の流路入口側で重複領域よりも外側に設けられた非重複領域と、を含む。
また、第3の発明による拡散接合型熱交換器は、積層されて拡散接合された第1伝熱板および第2伝熱板を含むコアを備え、第1伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、第2伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、第1伝熱板の高温流路は、第2伝熱板の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、高温流体が複数のチャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有し、低温流路は、第2伝熱板の所定範囲に設けられた第1部分と、第1部分よりも下流側の第2部分とを含み、第1部分は、第2部分よりも伝熱性能が低くなるように構成されている。
なお、本明細書において、「高温流体」および「低温流体」は、両者の間での相対的な温度の違いを表したものであり、絶対値としての特定の温度にあることを意味するものではない。また、本明細書において、「チャネル」とは、流体の流通方向と直交する流路幅方向において、流路内を区画する隔壁によって仕切られた個々の通路部分を意味する。上記構成によれば、複数のチャネルが少なくとも連結チャネル部において相互に連通するため、各々のチャネルは、流路入口から流路出口に至るまで独立した1本の通路ではない。つまり、各々のチャネルは、流路入口から流路出口に至るまでに分岐したり別のチャネルと合流したりしてもよい。
さらに、上記第1の発明による拡散接合型熱交換器では、線状溝からなるチャネル同士を接続するように溝状の連結通路を形成するだけで、容易に連結チャネル部を構成できる。特に、第1伝熱板に対してエッチングなどにより高温流路を形成する場合には、線状のチャネルと連結通路とを構成する溝構造を一括して形成できるので、連結チャネル部を設ける場合でも製造工程が複雑化することを抑制できる。そして、たとえば連結通路が流路幅方向に直線状に並んでいる場合と比較して、より効率よく高温流体を流路幅方向に移動させることができる。この結果、連結チャネル部の伝熱効率の向上および連結チャネル部における凍結部位の周囲への高温流体の回り込みを促進することができる。なお、本明細書において、「千鳥状」とは互い違いになることを意味し、たとえば流路幅方向において奇数番目の連結通路の位置と、偶数番目の連結通路の位置とが、流通方向において互い違いになっていることである。
また、上記第2の発明による拡散接合型熱交換器において、非重複領域では、低温流路側で低温流体が流通しない部分と重複するので、非重複領域を流れる高温流体は、高温流体と低温流体との熱交換にそれほど寄与せず、余剰の高温流体となる。そこで、この非重複領域を低温流路の流路入口側に配置することによって、高温流体の温度が低下する部位(低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位)に余剰の高温流体の流れを形成することができる。このため、非重複領域を流れる余剰の高温流体の分だけ高温流体の熱容量を増大させることができる。また、たとえ非重複領域が凍結しても、高温流体の回り込みにより凍結部位よりも下流側に高温流体の流れを形成することができる。その結果、凍結が発生しやすい領域の周辺および下流側に余剰の高温流体の流れを形成できるので、低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位での高温流路内の凍結の発生および凍結部位の拡大を、効果的に抑制することができる。
また、上記第3の発明による拡散接合型熱交換器において、低温流路の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲(最も低温となる低温流路の入口付近)では、第1部分によって低温流路の伝熱性能が抑制されるので、その分、所定範囲と重複する高温流路側の表面温度を上昇させることができる。その結果、低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位での高温流路内の凍結の発生を、効果的に抑制することができる。なお、本明細書において、伝熱性能は、熱伝導、熱伝達(対流熱伝達)、熱放射の各々による熱の移動を含む総合的な性能とする。
上記第1の発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、高温流路の前記チャネルと連結通路とは、それぞれ一定で互いに等しい幅を有する。
図1~図6を参照して、第1実施形態による熱交換器100の構成について説明する。第1実施形態による熱交換器100は、それぞれ溝状の流路が形成された第1伝熱板10および第2伝熱板20を積層し、拡散接合によって一体化することにより構成した拡散接合型のプレート式熱交換器である。熱交換器100は、特許請求の範囲の「拡散接合型熱交換器」の一例である。
図3に示すように、第1伝熱板10は、溝状の高温流路11と、高温流路11を区画する隔壁12とを含む。図3では便宜的に隔壁12にハッチングを付している。ハッチングを付した隔壁12の上面が拡散接合による接合面である。隔壁12は、第1伝熱板10の表面において流路を構成するための溝形成が行われていない部分である。
高温流路11は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネル14を有する。複数のチャネル14は、流路幅方向において、高温流路11内に形成された隔壁12によって仕切られた個々の通路部である。図3の例では、16本のチャネル14が流路幅方向に等間隔で並んでいる。チャネル14の本数は複数であれば特に限定されない。
図4に示すように、第2伝熱板20は、溝状の低温流路21と、低温流路21を区画する隔壁22とを含む。図4では便宜的に隔壁22にハッチングを付している。ハッチングを付した隔壁22の上面が拡散接合による接合面である。隔壁22は、第2伝熱板20の表面において流路を構成するための溝形成が行われていない部分である。
低温流路21は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネル24を有する。複数のチャネル24は、流路幅方向において、低温流路21内に形成された隔壁22によって仕切られた個々の通路部である。
図6では、高温流路11の流路全体の外形を実線で示し、低温流路21の流路全体の外形を破線で示すことにより、高温流路11と低温流路21とを重ねて図示している。低温流路21の流路入口23aと高温流路11の流路入口13aが、コア1のX方向の一方側(X2方向側)に配置され、低温流路21の流路出口23bと高温流路11の流路出口13bとが、コア1のX方向の他方側(X1方向側)に配置されている。
次に、第1部分21aが形成された、第2伝熱板20の流路入口23aから流路入口23aよりも下流側の位置までの所定範囲PRについて説明する。図6に示すように、高温流路11と低温流路21とは、低温流路21の流路入口23aの直後の領域および低温流路21の流路出口23bの直前の領域を除いた、X方向に延びる領域の略全体で重なっている。
図6に示すように、第1実施形態では、高温流路11は、平面視において、第2伝熱板20の低温流路21と重複する重複領域11bと、少なくとも低温流路21の流路入口23a側で重複領域11bよりも外側に設けられた非重複領域11cと、を含む。低温流路21の流路入口23a側は、図6の例では、Y方向のうちY1方向側である。
次に、図6を参照して、第1実施形態の熱交換器100による作用について説明する。各流路の形状はそれぞれ図3および図4を参照するものとする。図6に示したように、高温流路11および低温流路21の各々に高温流体HFおよび低温流体LFが流入すると、各流路が重複する領域において高温流体HFと低温流体LFとの熱交換が行われる。高温流体HFは、低温流路21の所定範囲PRと重なる位置を通過する過程で高リスク領域Eを通る。
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
次に、図8および図9を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、第2伝熱板20の低温流路21に1つの流路入口23aを設けた上記第1実施形態と異なり、低温流路21に複数の流路入口123aを設けた例について説明する。なお、第2実施形態において、第2伝熱板120および第2入口ポート3aおよび第2出口ポート3b以外は上記第1実施形態と同様であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
第2実施形態でも、上記第1実施形態と同様に、少なくとも第2伝熱板120の流路入口123aから流路入口123aよりも下流側の位置までの所定範囲PRと重なる高温流路11の範囲に連結チャネル部11a(図3および図9参照)を設けたので、極低温の流体を扱う場合に、高温流体HF側の流路に凍結が発生することを抑制でき、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制することができる。
次に、流路およびチャネルの構成例について説明する。上記第1および第2実施形態では、高温流路11の連結チャネル部11aを、直線状のチャネル14と、隣り合うチャネル14同士を連通させる連結通路15とによって構成した例を示したが、連結チャネル部11aの構成はこれに限られない。
また、上記第1および第2実施形態では、低温流路21の第1部分21aを互いに独立した線状のチャネル24aにより構成したパターンとし、第2部分21bを連結チャネル部11aと同様に直線状のチャネル24b同士を複数の連結通路25により連通させたパターンとした例を示したが、第1部分21aおよび第2部分21bの各チャネルを、それぞれ図11(A)および(B)に示すパターンとしてもよい。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
10 第1伝熱板
10a 第1側端面
10b 第2側端面
11 高温流路
11a 連結チャネル部
11b 重複領域
11c 非重複領域
13a 流路入口(高温流路の流路入口)
13b 流路出口(高温流路の流路出口)
14、214 チャネル
15 連結通路
20、120 第2伝熱板
20a 第1側端面
20b 第2側端面
21、121 低温流路
21a 第1部分
21b 第2部分
23a、123a 流路入口(低温流路の流路入口)
23b、123b 流路出口(低温流路の流路出口)
24、24a、24b、224a、224b チャネル
100、200 熱交換器(拡散接合型熱交換器)
212 隔壁(島状の隔壁)
HF 高温流体
LF 低温流体
PR 所定範囲
Claims (8)
- 積層されて拡散接合された第1伝熱板および第2伝熱板を含むコアを備え、
前記第1伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、
前記第2伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、
前記第1伝熱板の前記高温流路は、前記第2伝熱板の流路入口から前記流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、前記高温流体が複数の前記チャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有し、
前記高温流路は、流路幅方向に複数並んだ線状の前記チャネルと、複数の前記チャネルをそれぞれ一定のチャネル幅に区画する線状の隔壁とを含み、
前記連結チャネル部では、隣り合う前記チャネル間に跨がって前記チャネル同士を連通させる溝状の連結通路が複数形成されており、
複数の前記連結通路は、前記流路幅方向に隣り合う前記連結通路に対して、前記高温流体の流通方向における位置が互いにずれるように、千鳥状に配置されている、拡散接合型熱交換器。 - 前記高温流路の前記チャネルと前記連結通路とは、それぞれ一定で互いに等しい幅を有する、請求項1に記載の拡散接合型熱交換器。
- 積層されて拡散接合された第1伝熱板および第2伝熱板を含むコアを備え、
前記第1伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、
前記第2伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、
前記第1伝熱板の前記高温流路は、前記第2伝熱板の流路入口から前記流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、前記高温流体が複数の前記チャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有し、
前記高温流路は、平面視において、前記第2伝熱板の前記低温流路と重複する重複領域と、少なくとも前記低温流路の流路入口側で前記重複領域よりも外側に設けられた非重複領域と、を含む、拡散接合型熱交換器。 - 積層されて拡散接合された第1伝熱板および第2伝熱板を含むコアを備え、
前記第1伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、
前記第2伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、
前記第1伝熱板の前記高温流路は、前記第2伝熱板の流路入口から前記流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、前記高温流体が複数の前記チャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有し、
前記低温流路は、前記第2伝熱板の前記所定範囲に設けられた第1部分と、前記第1部分よりも下流側の第2部分とを含み、
前記第1部分は、前記第2部分よりも伝熱性能が低くなるように構成されている、拡散接合型熱交換器。 - 前記連結チャネル部は、前記第1伝熱板において前記高温流路の略全体に亘って形成されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の拡散接合型熱交換器。
- 前記低温流路は、前記低温流体を流通させる溝状の複数のチャネルを含み、
前記第1部分の前記チャネルは、前記第2部分の前記チャネルよりも伝熱性能が低くなるように平面形状が異なっている、請求項4に記載の拡散接合型熱交換器。 - 前記高温流路を流れる前記高温流体と、前記低温流路を流れる前記低温流体とが、互いに同じ方向に流れる並行流型の熱交換器である、請求項1~6のいずれか1項に記載の拡散接合型熱交換器。
- 前記第1伝熱板および前記第2伝熱板は、一対の第1側端面と前記第1側端面に隣接する一対の第2側端面とを含み、
前記高温流路は、前記第1伝熱板の前記第1側端面に開口した流路入口から前記第2側端面に沿う方向に延びるように形成され、
前記低温流路は、前記第2伝熱板の一対の前記第2側端面にそれぞれ開口した前記流路入口からそれぞれ延びた後屈曲して、前記第2側端面に沿う方向に延びるように形成されている、請求項1~7のいずれか1項に記載の拡散接合型熱交換器。
Priority Applications (7)
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---|---|---|---|
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