JP2013188640A - 多流路機器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換や化学反応などの所望とする処理を大容量の媒体であっても確実に行うことのできる多流路機器を提供する。
【解決手段】本発明の多流路機器は、導入された媒体の熱交換乃至は化学反応を行わせるユニットが厚み方向に積層されてなる多流路機器１であって、一のユニット７内を流通してきた媒体を当該ユニット７に隣接する他のユニット７に流入させる流路９が、一のユニット７及び他のユニット７の外側に設けられた外部流路８とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器や化学反応機器に採用されるマイクロチャネルリアクタのように、媒体を流す流路が内部に多数形成された多流路機器に関する。

従来より、温度の低い方から高い方へと熱を伝達する機器として、ヒートポンプ装置が用いられている。ヒートポンプ装置の構成としては、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器と、これらを結ぶ配管から成っている。このヒートポンプ装置に用いられている蒸発器、凝縮器には、薄い伝熱プレートを積層し、その伝熱プレート間にできた隙間に媒体を通す構造の熱交換器（プレート式熱交換器）や、複数の凹状溝を流体の流路として表面に有している流路板が積層されてなる熱交換器を採用することができる。いずれの熱交換器も、内部に媒体を流す多数の流路が形成された多流路機器である。

熱交換のための多流路機器としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１には、ガスケットを介して掌合して相互間に熱交換媒体用の交互の通路を形成しさらに前記通路へおよび該通路から媒体を導くための開口および隣接プレート間で相互に衝合して前記通路内に支持点を形成する波形部を備えた複数のプレートからなり、前記複数のプレートのうち少なくとも各外側端における一対の隣接プレートがそれらの周辺ならびに前記開口のまわりにおいて、さらに前記プレート間の前記支持点において恒久的に合体接合されている多流路機器（プレート式熱交換器）が開示されている。

一方、従来より、特許文献２に示す如く、互いに可溶性を有する液体（反応剤）同士を接触させ、混合することにより、所望の反応生成物を製造するための方法として、いわゆるマイクロチャネルリアクタと呼ばれる流路形成体を用いるものが知られている。このマイクロチャネルリアクタは、表面に溝が形成された基体を備え、当該溝により微細流路が構成される。この微細流路内に混合対象液体を流すことにより、単位体積あたりにおける混合対象液体同士の接触面積が飛躍的に増大し、このことが当該混合対象液体同士の混合の効率を高めるものとされている。

特許文献２は、第１反応剤と第２反応剤を流通させながらそれらを反応させる反応装置であって、特定方向に延びるとともにその方向に沿って前記第１反応剤と前記第２反応剤を流通させる流路を内部に持つ流路構造体を備え、前記流路は、当該流路の入口側に配置されるとともに前記第１反応剤が導入される第１導入路と、前記流路構造体に設けられた仕切壁を挟んで前記第１導入路と離間して配置され、前記第２反応剤が導入される第２導入路と、前記第１導入路と前記第２導入路の下流側に繋がり、前記第１導入路を通じて流れる前記第１反応剤と前記第２導入路を通じて流れる前記第２反応剤を互いに分離した層流の状態で合流させる合流路と、この合流路の下流側に繋がり、前記１反応剤の層流と前記第２反応剤の層流を両反応剤が互いに接触した状態で流通させるとともにそれら両反応剤を互いの接触界面において反応させる反応流路とを含み、前記反応流路の前記接触界面に垂直な層厚方向の寸法は、前記第１導入路の前記層厚方向の寸法と前記第２導入路の前記層厚方向の寸法との和よりも小さくなるように設定されている多流路機器（マイクロチャネルリアクタ）を開示する。

特開昭６０−７１８９４号公報 特開２００８−１６８１７３号公報

特許文献１や特許文献２に開示された多流路機器は、その使用用途こそ違えども、機器を構成する１枚の流路板（プレート）における流路本数、流路長さは、流路板自体の寸法、流路の製作加工方法から自ずと限界が発生する。すなわち、プレート１枚あたりの流路本数を増やした場合、流路長さが短くなり、媒体を多量に流すことができるが、多流路機
器内に媒体が留まる時間が短くなり、熱交換効率や反応効率が落ちる状況が発生することになる。一方、プレートにおいて流路長さを長くした場合、流路本数が減るため、媒体を多量に流すことが難しいといった問題が発生する。

この対策としては、多流路機器を直列乃至は並列に複数接続して必要量の処理を行うことが考えられるが、接続配管の取り回しの問題や、多流路機器の設置スペースの確保などの課題があった。前述した特許文献１，２は、多流路機器自体の構造を開示するものであって、上記した問題を解決するための指針を開示するものとはなっていない。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、熱交換や化学反応などの所望とする処理を大容量の媒体であっても確実に行うことのできる多流路機器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る多流路機器は、導入された媒体の熱交換乃至は化学反応を行わせるユニットが厚み方向に積層されてなる多流路機器であって、一のユニット内を流通してきた媒体を当該ユニットに隣接する他のユニットに流入させる流路が、一のユニット及び他のユニットの外側に設けられた外部流路とされていることを特徴とする。

好ましくは、前記外部流路は、ユニットの側面に接して設けられているとよい。
好ましくは、前記外部流路の内部には、一のユニットから流出した媒体を混合して、他のユニットに対して媒体を再分配可能とする再分配手段が設けられているとよい。
好ましくは、前記再分配手段は、前記外部流路の内部に媒体流通方向に交わるように配備され且つ媒体が流通可能とされた多孔板からなるとよい。

本発明の多流路機器を用いることで、熱交換や化学反応などにおいて、所望とする処理を大容量の媒体であっても確実に行うことが可能となる。

本発明に係る多流路機器が熱交換器として使用されることを模式的に示した図である。 本発明に係る多流路機器の構造を模式的に示した図である。 図２のＡ−Ａ線矢視であって、本発明に係る多流路機器を構成する流路板の平面図である。 本発明に係る多流路機器がリアクタとして使用されることを模式的に示した図である。

以下、本発明に係る多流路機器を図を基に説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態として、多流路機器１が熱交換器２として利用されている場合について説明する。
この熱交換器２の説明を行う前に、まず、熱交換器２が取り付けられる代表的な装置であるヒートポンプ装置３について説明を行う。

図１に示すように、ヒートポンプ装置３は、低温側から高温側へと熱を移動させる装置である。ヒートポンプ装置３は、圧縮機４と、利用側熱交換器２Ｂと、膨張弁５と、空気熱交換器２Ａとを備え、これら圧縮機４、利用側熱交換器２Ｂ、膨張弁５及び空気熱交換器２Ａは配管６で接続されている。配管６は作動媒体が循環する流路となっている。
配管６内の作動媒体は、空気熱交換器２Ａにおいて外部の空気から冷媒への熱移動が行われることにより熱を吸収し、蒸発して圧縮機４に吸い込まれ、この圧縮機４にて高温・高圧のガスに圧縮されて利用側熱交換器２Ｂに送られる。さらに、冷媒は、利用側熱交換器２Ｂにおいて冷媒は熱を放出して液体になり、膨張弁５で減圧されて再び空気熱交換器２Ａに戻り、液体から気体へと相変化する。

さて、上述したヒートポンプ装置３の空気熱交換器２Ａや利用側熱交換器２Ｂとして用いられる熱交換器２に関しては、効率（作動媒体から利用側媒体への熱伝達効率）が高いことが要求される。しかしながら、熱交換器２の効率を上げようとして、熱交換器２を直
列乃至は並列に複数接続して必要量の処理を行おうとしても、配管６の取り回しの問題や、熱交換器２の設置スペースの確保などの課題がある（詳細は、前述の「発明が解決しようとする課題」で述べた通り）。

そこで、本実施形態では、空気熱交換器２Ａや利用側熱交換器２Ｂを、導入された作動媒体の熱交換を行う熱交換ユニット７が厚み方向に積層されてなる積層型熱交換器２で構成し、さらに、一の熱交換ユニット７内を流通してきた媒体を当該熱交換ユニット７に隣接する他の熱交換ユニット７に流入させる流路が、熱交換ユニット７の外側に設けられた外部流路８とされている構造としている。

以下、空気熱交換器２Ａや利用側熱交換器２Ｂ（以下、両者をまとめて熱交換器２と呼ぶ）の詳細を説明する。
図２は、熱交換器２の断面構造を示したものである。
熱交換器２は、導入された作動媒体と利用側媒体との熱交換を行う熱交換ユニット７を４つ備えており（ユニットＡ〜ユニットＤ）、この４つの熱交換ユニット７を厚み方向（上下方向）に積層した構成を有している。

各熱交換ユニット７の構造としては、種々のものが採用可能である。例えば、プレート式熱交換器構造を有していてもよい。
プレート式熱交換器２は、ステンレス板やアルミニウム板等の薄板金属製の伝熱板（伝熱プレート）を複数枚積層し、その伝熱プレート間を作動媒体と熱源の流体が交互に流れることによって、熱交換を行うものである。この伝熱プレートの表面には、伝熱効果を高めるために、ヘリンボーンパターンや波形パターンが加工されている。伝熱プレートの四隅には、作動媒体及び熱源を通過させる孔が設けられている。

また、熱交換ユニット７の構造として、複数の凹状溝を流体の流路９として表面に有している流路板１２が積層されてなる熱交換器２を採用することができる。
具体的には、図３に示す如く、流路板１２は、例えばステンレスやアルミなどの金属からなる厚さ数ミリメートルの長方形の平板である。流路板１２の長手方向（図３の左右方向）の両端部において、長手方向に沿った一方に作動媒体の入口１０として流路９が開放され、他方に作動媒体の出口１１として流路９が開放されている。作動媒体の入口１０と出口１１とは、流路板１２の長手方向に沿って対面する位置に形成されている。例えば、図３（ａ）に示す如く、平面視した流路板１２の右下部に作動媒体の入口１０が設けられる場合、作動媒体の出口１１は流路板１２の左上部に設けられる。図３（ａ）に積層される流路板１２は、図３（ｂ）に示すように、平面視した流路板１２の右上部に作動媒体の入口１０が設けられ、作動媒体の出口１１は流路板１２の左下部に設けられたものとされる。このように入口１０、出口１１が異なる位置にある流路板１２を互い違いに積層することで、各層に流れる流体が混ざらないユニット構造とされている。

流路板１２の表面には、冷却プレートの幅方向に蛇行するように複数の流路９が形成されていて、作動媒体の入口１０と出口１１とをつないでいる。この複数の流路９は、互いにほぼ平行となるように形成されており、互いに交わることはない。従って、入口１０からから流入した作動媒体は、流入した流路９だけを通って出口１１に達する。
流路９が流路板１２の幅方向に蛇行しているのは、限られた面内で可能な限り流路９を長くとることを目的としたからであり、その目的のためには、流路９は、図３に示した蛇行以外の軌跡を辿っても構わない。

以上説明した構成の流路板１２が、作動媒体用の流路板１２、冷却媒体（水、空気）用の流路板１２としてそれぞれ用意され、その上で、交互に積層されて１つの熱交換ユニット７が形成される。
さて、図２に示すように、以上説明した熱交換ユニット７（単にユニットと呼ぶこともある）が、本実施形態の場合、複数（４つ）備えられ、厚み方向（上下方向）に積み重ねられている。各ユニット７間には、作動媒体や利用側媒体、冷却媒体が混合しないように隔壁板１３が配備されている。この隔壁板１３は、平面視で熱交換ユニット７と同じ形状とされている。最上段の熱交換ユニット７の上面には、上壁板１６が設けられ、最下段の熱交換ユニット７の下面には、下壁板１７が設けられている。

さらに、熱交換ユニット７内を流通してきた媒体（例えば、作動媒体）を当該熱交換ユニット７に隣接する他の熱交換ユニット７に流入させる流路９が、熱交換ユニット７の外側に設けられた外部流路８の形で配設されている。
詳しくは、ユニットＡの作動媒体の出側と、ユニットＢの作動媒体の入側が同じ側（図２の右側）となるように設定されており、両者を縦方向に結ぶ外部流路８ＡＢが設けられている。同様に、ユニットＢの作動媒体の出側と、ユニットＣの作動媒体の入側が同じ側（図２の左側）となるように設定されており、両者を縦方向に結ぶ外部流路８ＢＣが設けられている。ユニットＣの作動媒体の出側と、ユニットＤの作動媒体の入側が同じ側（図２の右側）となるように設定されており、両者を縦方向に結ぶ外部流路８ＣＤが設けられている。

これらの外部流路８（８ＡＢ，８ＢＣ，８ＣＤ）は、断面視で矩形乃至は半円形の筒管から構成されていて、半円形の筒管の開放側が、熱交換ユニット７の側面、言い換えれば熱交換器２の側壁に接して設けられている。
上記した外部流路８ＡＢがある故に、ユニットＡを通過した作動媒体は、ユニットＡの上方に設置されたユニットＢへ導入され、ユニットＢを通過した作動媒体は、外部流路８ＢＣを通り、ユニットＢの上方に設置されたユニットＣへ導入される。その後、ユニットＣを通過した作動媒体は、外部流路８ＣＤを通じてユニットＣの上方に設置されたユニットＤへ導入され、ユニットＤから排出された作動媒体は、熱交換器２の外部へと流出する。

斯かる熱交換器２であれば、コンパクトな構成ながら、４つの熱交換ユニット７を直列に接続したと同様の高効率で熱交換をすることができるようになる。熱交換ユニット７の段数を増やすことで、作動媒体が流れる流路長さを自由に延ばす（設定する）ことが可能となり、製作制限による流路長さの制限が無くなる。そのため、所望とする熱交換量を確保することが可能となる。

ところで、複数の熱交換ユニット７を外部流路８で接続することで、流路長さを延長することができるが、作動媒体が各ユニットの流路９に均一に分配しつつ流れ込む分配効果が後段のユニットへ行くに従って薄れることが、実績として明らかとなってきている。この不都合を回避すべく、本実施形態の利用側熱交換器２Ｂは、外部流路８の内部に、一の熱交換ユニット７から流出した媒体を混合して、他の熱交換ユニット７に対して媒体を再分配可能とする再分配手段１４が設けられている。

再分配手段１４として、本実施形態の場合、外部流路８の内部に媒体流通方向に交わるように配備され且つ媒体が流通可能とされた多孔板１５が採用されている。具体的には、多孔板１５は、外部流路８の内側に流れ方向と直交するように設けられた薄板であって、この薄板には、複数の孔が形成されている。この孔の形状、個数、内径、配置ピッチなどは、作動媒体の流量や粘度を勘案して決定すればよく、作動媒体の流れを妨げることなく、且つ作動媒体を攪拌・混合することが可能なものとすることが好ましい。なお、再分配手段１４として、編目構造体などを採用することもできる。

多孔板１５は、外部流路８の中途部であればどの位置に設けてもよいが、本実施形態の場合、外部流路８の中央部（上下に沿った中央部）に配設され、多孔板１５の一辺は隔壁板１３に接して固定されるようになっている。なお、気体および液体などの単一相の場合は、多孔板１５を、熱交換ユニット７の作動媒体の出口１１又は入口１０に配備してもよい。また、気液混相流などで流路ごとに均一に分配したい場合などは、多孔板１５を、熱交換ユニット７の作動媒体の入口１０に配備してもよい。

ある熱交換ユニット７（例えばユニットＡ）から流出し、次の熱交換ユニット７（ユニットＢ）へ流動する作動媒体は、多孔板１５を通過することで攪拌混合され、ユニットＢ内に形成された流体流路９に均一に分配して流れ込むようになる。斯かる作用（更なる均一性をもたすために流体を一旦排出後、ヘッダ内において多孔板１５などを利用し、再分配を行い、均一な混合を得たのち反応を継続する）は全ての多孔板１５で実現される。そのため、各熱交換ユニット７では均一に作動媒体が流れ、最大限の熱交換がなされることとなり、利用側熱交換器２Ｂとして最大限の効率を引き出すことが可能となる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態として、多流路機器１がマイクロチャネルリアクタ２０として利用されている場合について説明する。

マイクロチャネルリアクタ２０は、図３に示すような、表面に流路９が蛇腹状に形成された流路板１２を備え、この流路板１２が厚み方向に多数積層されてなる。流路板１２に形成された流路９は、本実施形態の技術分野においてマイクロチャネルと呼ばれるものであり、幅１ミリ前後の微細な流路である。このマイクロチャネルと呼ばれる流路９は、例えばケミカルエッチングなどのエッチング技術を用いて形成されるものであり、その深さは、流路幅の０．４〜０．６倍程度である。

このマイクロチャネルリアクタ２０内の微小な流路９内に混合対象液体を流すことにより、単位体積あたりにおける混合対象液体同士の接触面積が飛躍的に増大し、このことが当該混合対象液体同士の混合の効率が高まる。
図４は、この実施の形態にかかる液体混合装置２１を示す。この装置は、互いに可溶性を有する第１液体及び第２液体を混合させるためのものであり、当該混合のためのマイクロチャネルリアクタ２０と、このマイクロチャネルリアクタ２０に第１液体を供給する第１液体供給部２２と、マイクロチャネルリアクタ２０に第２液体を供給する第２液体供給部２３を備える。

このような液体混合装置２１に備えられたマイクロチャネルリアクタ２０に関しても、図２，図３に示すような構造を採用することができる。すなわち、一の反応ユニット２４（第１実施形態の熱交換ユニット７に対応）内を流通してきた媒体を当該反応ユニット２４に隣接する他の反応ユニット２４に流入させる流路９が、反応ユニット２４の外側に設けられた外部流路８とされている。この外部流路８の内部には、一の反応ユニット２４から流出した媒体を混合して、他の反応ユニット２４に対して媒体を再分配可能とする多孔板１５などからなる再分配手段１４が設けられている。

斯かる構成のマイクロチャネルリアクタ２０によれば、コンパクトな構成ながら、４つの反応ユニット２４を直列に接続したと同様の高効率で化学反応を行うことができるようになる。反応ユニット２４の段数を増やすことで、第１液体及び第２液体が流れる流路長さを自由に延ばす（設定する）ことが可能となり、製作制限による流路長さの制限が無くなる。そのため、所望とする化学反応を実現することが可能となる。

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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 多流路機器
２ 熱交換器
２Ａ 空気熱交換器
２Ｂ 利用側熱交換器
３ ヒートポンプ装置
４ 圧縮機
５ 膨張弁
６ 配管
７ 熱交換ユニット
８ 外部流路
８ＡＢ 熱交換ユニットＡから熱交換ユニットＢへの外部流路
８ＢＣ 熱交換ユニットＢから熱交換ユニットＣへの外部流路
８ＣＤ 熱交換ユニットＣから熱交換ユニットＤへの外部流路
９ 流路
１０ 入口
１１ 出口
１２ 流路板
１３ 隔壁板
１４ 再分配手段
１５ 多孔板
１６ 上壁板
１７ 下壁板
２０ マイクロチャネルリアクタ
２１ 液体混合装置
２２ 第１液体供給部
２３ 第２液体供給部
２４ 反応ユニット

Claims (4)

1. 導入された媒体の熱交換乃至は化学反応を行わせるユニットが厚み方向に積層されてなる多流路機器であって、
   一のユニット内を流通してきた媒体を当該ユニットに隣接する他のユニットに流入させる流路が、一のユニット及び他のユニットの外側に設けられた外部流路とされていることを特徴とする多流路機器。
2. 前記外部流路は、ユニットの側面に接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多流路機器。
3. 前記外部流路の内部には、一のユニットから流出した媒体を混合して、他のユニットに対して媒体を再分配可能とする再分配手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の多流路機器。
4. 前記再分配手段は、前記外部流路の内部に媒体流通方向に交わるように配備され且つ媒体が流通可能とされた多孔板からなることを特徴とする請求項３に記載の多流路機器。

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