JP2017129335A - 熱交換器及び熱交換方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱交換器の大型化を防ぎつつ、伝熱性能を向上し、且つ、圧力損失が過大になるのを防ぐ。【解決手段】熱交換器１は、第１流路２１が配列された第１基板１１と、その第１基板１１に対して積層されていて第２流路２２が配列された第２基板１２とを有する流路構造体２を備え、第１流路２１は、第１基板１１と第２基板１２との積層方向から見て、第２基板１２の第２流路２２が設けられた範囲と重なる有効領域２４を有し、有効領域２４は、高温端２４ａを含む基準伝熱流路部２５と、当該有効領域２４の基準伝熱流路部２５以外の部分に相当し、低温端２４ｂを含む高伝熱流路部２６と、を有し、高伝熱流路部２６は、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が基準伝熱流路部２５の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した流路形状を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器及び熱交換方法に関する。
従来、熱交換器性能に優れる熱交換器の一種として積層型の熱交換器が知られている。この積層型の熱交換器は、複数の基板が積層された積層体を備えており、各基板には複数のマイクロチャネルがそれぞれ配列されている。そして、この熱交換器では、ある基板に配列されたマイクロチャネルを流通する流体とその基板に隣接する別の基板に配列されたマイクロチャネルを流通する流体との間で熱交換が行われるようになっている。下記特許文献１には、このような積層型の熱交換器の一例が示されている。
下記特許文献１に開示された積層型の熱交換器は、高温流体を流通させる複数のマイクロチャネルが配列された高温部層と、低温流体を流通させる複数のマイクロチャネルが配列された低温部層とが隔壁を介して積層された積層体を備えている。この熱交換器は、流体の分配部に直線的な流路を備える一方、伝熱部に熱伝達が高く且つ圧力降下が大きい波形流路を用いてコンパクト化を図っている。
特開２０１０−２８６２２９号公報
前記特許文献１の熱交換器では、熱交換器をコンパクト化するために伝熱性能を優先しているが、マイクロチャネルの波形流路の部分に起因する圧力降下、すなわち圧力損失が過大になる虞がある。
本発明の目的は、熱交換器の大型化を防ぎつつ、伝熱性能を向上し、且つ、圧力損失が過大になるのを防ぐことである。
本発明による熱交換器は、複数の流体を流通させながらそれらの流体同士の間で熱交換させる熱交換器であって、一流体を流通させるマイクロチャネルである第１流路が配列された第１層と、その第１層に対して積層されていて前記一流体とは異なる他流体を流通させるマイクロチャネルである第２流路が配列された第２層とを有する流路構造体を備え、前記第１流路は、前記第１層と前記第２層との積層方向から見て、前記第２層の前記第２流路が設けられた範囲と重なる有効領域を有し、前記有効領域は、当該有効領域の一方の端部である高温端を含む基準伝熱流路部と、当該有効領域の前記基準伝熱流路部以外の部分に相当し、当該有効領域の前記高温端と反対側の端部であって前記高温端に比べて低温の前記一流体が流通する低温端を含む高伝熱流路部と、を有し、前記高伝熱流路部は、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が前記基準伝熱流路部の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した流路形状を有する。
この熱交換器では、第１流路の有効領域が高伝熱流路部を有していて、この高伝熱流路部は、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が有効領域の基準伝熱流路部の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した流路形状を有する。すなわち、高伝熱流路部は、基準伝熱流路部と比べてより多くの屈曲部を有するか、もしくは、基準伝熱流路部よりも屈曲度合いの大きい屈曲部を有することになる。このため、高伝熱流路部の屈曲部での流体の乱れにより、伝熱性能を向上することができる。また、曲折した流路形状の高伝熱流路部は、その両端間の間隔の増大を抑制できるので、熱交換器の大型化を防ぐことが可能となる。従って、この熱交換器では、大型化を防ぎつつ、伝熱性能を向上できる。
しかも、この熱交換器では、基準伝熱流路部が有効領域の高温端を含む部分であり、高伝熱流路部が有効領域の基準伝熱流路部以外の部分に相当し、有効領域の低温端を含む部分であるため、第１流路の有効領域の圧力損失の増大幅を抑えることができる。すなわち、流路の圧力損失はその流路に流れる流体の流速に比例するため、低温で比較的密度が高くなる第１流体が流れ、その第１流体の流速が小さくなる低温端を含む部分が高伝熱流路部になっていて、有効領域のそれ以外の部分で高温端を含む部分が基準伝熱流路部になっていることにより、曲折した高伝熱流路部によって圧力損失が増大するとしても、その増大幅を小さくすることができる。このため、第１流路において圧力損失が過大になるのを防ぐことができる。また、有効領域の低温端近傍の部分では前記のように第１流体の密度が高くてその流速が小さいため、当該部分は伝熱性能が比較的低い部分となるが、この熱交換器では、高伝熱流路部が低温端を含むことから、この低温端近傍の部分の比較的低い伝熱性能を高伝熱流路部によって引き上げることができる。このため、第１流路の有効領域全体をバランス良く伝熱性能が高い状態とすることができる。
前記熱交換器において、前記基準伝熱流路部は、直線流路であり、前記高伝熱流路部は、蛇行流路であることが好ましい。
この構成によれば、基準伝熱流路部が直線流路であることにより、基準伝熱流路部がカーブした流路形状や曲折した流路形状を有する場合と比べて、当該基準伝熱流路部における圧力損失を低減できる。その分、有効領域の圧力損失の増大を抑制することができる。
この場合において、前記高伝熱流路部は、直線である中心線の両側に振れるように蛇行しており、前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記有効領域の両端間の距離の６０％以下であることが好ましい。
この構成によれば、有効領域の圧力損失を、有効領域の全てが直線流路になっている場合のその有効領域の圧力損失の２倍未満に抑えることができる。熱交換器の実用性の面において、第１流路の有効領域の圧力損失が、有効領域の全てが直線流路である場合のその有効領域の圧力損失の２倍以上になった場合には、そのような有効領域をもつ第１流路を採用することは難しいが、本構成では、前記のように２倍未満に抑えることができるので、圧力損失の面において、実用上、十分採用可能な第１流路を得ることができる。
さらにこの場合において、前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記有効領域の両端間の距離の１０％以上であることが好ましい。
この構成によれば、有効領域内の汚れ及び／又は流体条件によって生じると一般的に想定される伝熱性能の低下を十分補うことが可能な伝熱面積を有効領域において確保することができる。
また、前記基準伝熱流路部が直線流路であり、前記高伝熱流路部が蛇行流路である構成において、前記高伝熱流路部は、直線である中心線の両側に振れるように蛇行しており、前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記基準伝熱流路部の両端間の距離よりも小さいことが好ましい。
この構成によれば、熱交換器の大型化を防止しつつ、伝熱性能の向上と圧力損失の過剰な増大の防止とをバランス良く達成することができる。
本発明による熱交換方法は、前記熱交換器の前記第１流路に前記基準伝熱流路部から前記高伝熱流路部へ向けて一流体を流通させるとともに、前記熱交換器の前記第２流路に他流体としての冷媒を流通させることにより、前記一流体と前記冷媒との間で熱交換させる。
また、本発明による熱交換方法は、前記熱交換器の前記第１流路に前記高伝熱流路部から前記基準伝熱流路部へ向けて一流体を流通させるとともに、前記熱交換器の前記第２流路に他流体としての温媒を流通させることにより、前記一流体と前記温媒との間で熱交換させる。
以上説明したように、本発明によれば、熱交換器の大型化を防ぎつつ、伝熱性能を向上し、且つ、圧力損失が過大になるのを防ぐことができる。
本発明の一実施形態による熱交換器の概略的な斜視図である。 図１に示した熱交換器の流路構造体を構成する第１基板の平面図である。 図１に示した熱交換器の流路構造体を構成する第２基板の平面図である。 第１流路の高伝熱流路部の拡大図である。 流路構造体のうち第１流路が形成された第１基板近傍の部分的な断面図である。 第１流路の有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合とシミュレーションにより算出した圧力損失との相関関係を示す図である。 第１流路の有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合とシミュレーションにより算出した伝熱係数との相関関係を示す図である。 第１流路の有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合とシミュレーションにより算出した伝熱係数に対する圧力損失の割合との相関関係を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態による熱交換器１の全体構成が示されている。熱交換器１は、第１流体と第２流体を流通させながらそれらの流体同士を熱交換させるものである。熱交換器１は、流路構造体２と、第１供給ヘッダ３と、第２供給ヘッダ４と、第１排出ヘッダ５と、第２排出ヘッダ６とを備える。
流路構造体２は、第１流体を流通させるマイクロチャネルである多数の第１流路２１（図２参照）と第２流体を流通させるマイクロチャネルである多数の第２流路２２（図３参照）とを内部に有する直方体状の構造体である。流路構造体２は、複数の第１流路２１がそれぞれ配列された複数の第１基板１１と、複数の第２流路２２がそれぞれ配列された複数の第２基板１２とを有する。第１基板１１は、本発明における第１層の一例であり、第２基板１２は、本発明における第２層の一例である。
第１基板１１及び第２基板１２は、その厚み方向の一方側から見て長方形状を呈する平板であり、例えばステンレス鋼板からなる。流路構造体２では、第１基板１１と第２基板１２が交互に積層されて互いに接合されている。これにより、流路構造体２では、第１基板１１に配列された複数の第１流路２１と第２基板１２に配列された複数の第２流路２２とがそれらの基板の積層方向において交互に並んでいる。流路構造体２は、各基板１１，１２の四辺に対応する各端面によって形成される４つの側面を有する。
各第１基板１１の一方の板面には、図２に示すように、複数の第１流路２１を構成する複数の第１溝２３が形成されている。各第１溝２３は、エッチングにより形成され、図５に示すように円弧状の断面を有する。第１基板１１の一方の板面における各第１溝２３の開口がその板面上に積層された第２基板１２で封止されることによって、その一方の板面に配列された複数の第１流路２１が形成されている。
各第１流路２１は、概ね、第１基板１１の長辺方向に延びている。本実施形態では、各第１流路２１の後述する基準伝熱流路部２５が上下方向に延びるような姿勢で流路構造体２が配置される。すなわち、流路構造体２は、各基板１１，１２の長辺方向が上下方向に一致するような姿勢で配置される。
各第１流路２１は、第１流体を受け入れる導入口２１ａ（図２参照）をその一端に有し、当該第１流路２１を流れた第１流体を流出させる流出口２１ｂを導入口２１ａと反対側の端部に有する。導入口２１ａは、各基板１１，１２の長辺方向における一方の端面によって形成される流路構造体２の側面において開口し、流出口２１ｂは、導入口２１ａが開口した側面と反対側の側面において開口している。すなわち、導入口２１ａは、流路構造体２の下側を向く側面において開口し、流出口２１ｂは、流路構造体２の上側を向く側面において開口している。
本実施形態では、各第１流路２１には導入口２１ａから低温の第１流体が導入され、その導入された第１流体が流出口２１ｂ側へ流れるに従って、第２流路２２を流れる高温の第２流体との間で熱交換し、それによって昇温するようになっている。従って、本実施形態では、各第１流路２１のうち導入口２１ａに近い部分である程、低温の第１流体が流れ、各第１流路２１のうち流出口２１ｂに近い部分である程、比較的高温の第１流体が流れるようになっている。
第１流路２１は、当該第１流路２１を流れる第１流体と第２流路２２を流れる第２流体との熱交換に寄与する有効領域２４（図２参照）を有する。有効領域２４は、基板１１，１２の積層方向から見て、第１流路２１のうちで第２基板１２の第２流路２２が設けられた範囲と重なっている領域である。詳しくは、基板１１，１２の積層方向から見て、第１流路２１のうち導入口２１ａ近傍の僅かな領域及び流出口２１ｂ近傍の僅かな領域は第２基板１２の第２流路２２が設けられた範囲と重なっておらず、有効領域２４は、第１流路２１のうちそれらの僅かな領域を除いた領域に相当する。
有効領域２４は、図２に示すように、基準伝熱流路部２５と、高伝熱流路部２６とによって構成されている。
基準伝熱流路部２５は、本実施形態では、直線的に延びる流路、すなわち直線流路であり、第１基板１１の長辺方向に延びている。基準伝熱流路部２５は、有効領域２４の一方の端部である高温端２４ａを含む。高温端２４ａは、後述の低温端２４ｂを流通する第１流体に比べて高温の第１流体が流通する部分である。詳しくは、高温端２４ａは、有効領域２４のうちで最も高温の第１流体が流通する部分である。基準伝熱流路部２５は、有効領域２４のうち高温端２４ａから導入口２１ａ側へ向かって所定の長さの部分に相当する。
高伝熱流路部２６は、有効領域２４の基準伝熱流路部２５以外の部分に相当する。高伝熱流路部２６は、有効領域２４の高温端２４ａと反対側の端部である低温端２４ｂを含む。低温端２４ｂは、高温端２４ａを流通する第１流体に比べて低温の第１流体が流通する部分である。詳しくは、低温端２４ｂは、有効領域２４のうちで最も低温の第１流体が流通する部分である。高伝熱流路部２６は、有効領域２４のうち低温端２４ｂから高温端２４ａ側へ向かって所定の長さの部分に相当する。
高伝熱流路部２６は、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が基準伝熱流路部２５の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した流路形状を有する。具体的には、高伝熱流路部２６は、直線である蛇行中心線２７を中心としてその両側に振れるように蛇行した蛇行流路である。なお、蛇行中心線２７は、基準伝熱流路部２５の流路幅の中心線と同方向に延びる線である。また、高伝熱流路部２６の両端間の間隔は、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離のことである。また、高伝熱流路部２６の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長は、高伝熱流路部２６の全流路長を当該高伝熱流路部２６の両端間の間隔で除することによって得られる値に相当する。また、基準伝熱流路部２５の両端間の間隔は、その基準伝熱流路部２５の両端間の直線距離に相当する。また、基準伝熱流路部２５の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長は、基準伝熱流路部２５の全流路長を当該基準伝熱流路部２５の両端間の間隔で除することによって得られる値に相当する。
高伝熱流路部２６は、図４に示すように、複数の第１直線部２６ａと、複数の第２直線部２６ｂと、複数の角部２６ｃとを有する。
第１直線部２６ａは、高伝熱流路部２６の一端側から他端側へ向かって、蛇行中心線２７に対して一方側から他方側へ斜めに交差して直線的に延びる部分である。第２直線部２６ｂは、高伝熱流路部２６の一端側から他端側へ向かって、蛇行中心線２７に対して前記他方側から前記一方側へ斜めに交差して直線的に延びる部分である。この第１直線部２６ａと第２直線部２６ｂが高伝熱流路部２６の一端側から他端側へ向かって交互に繰り返し配置されている。
各第１直線部２６ａの流路幅の中心線は、蛇行中心線２７に対して角度Ｄだけ傾斜している。各第２直線部２６ｂの流路幅の中心線は、第１直線部２６ａの中心線の傾斜の向きと逆向きであるが、蛇行中心線２７に対して第１直線部２６ａの中心線の傾斜角度と同じ角度Ｄだけ傾斜している。各角部２６ｃは、アール状に形成されており、第１直線部２６ａと第２直線部２６ｂの互いに対応する端部同士を繋いでいる。
以上のように各第１直線部２６ａ、各第２直線部２６ｂ及び各角部２６ｃが構成されていることにより、高伝熱流路部２６は、蛇行中心線２７を中心としたジグザグ状に形成されており、全体的には蛇行中心線２７に沿って延びている。
蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離をＬｘとし、有効領域２４の圧力損失をｆｘとし、有効領域２４における第１流体の境膜伝熱係数（以下、単に有効領域２４についての伝熱係数と称する）をｊｘとした場合に、高伝熱流路部２６の両端間の距離Ｌｘと有効領域２４の圧力損失ｆｘと伝熱係数ｊｘは、以下の関係式（１）を満たす。
（α×ｆｘ／ｊｘ）＜Ａ×Ｌｘ・・・（１）
前記関係式（１）において、αは、以下の関係式（２）によって規定される補正係数である。
α×ｆ０／ｊ０＝１・・・（２）
この関係式（２）において、ｆ０は、有効領域２４を全て基準伝熱流路部２５のような直線流路にした場合のその有効領域の圧力損失であり、ｊ０は、有効領域２４を全て基準伝熱流路部２５のような直線流路にした場合のその有効領域についての伝熱係数である。
また、前記関係式（１）において、Ａは、以下の関係次式（３）によって規定される値である。
Ａ＝（α×ｆａｌｌ／ｊａｌｌ）／Ｌａｌｌ・・・（３）
この関係式（３）において、ｆａｌｌは、有効領域２４の全てを高伝熱流路部２６のような曲折した流路形状にした場合のその有効領域の圧力損失であり、ｊａｌｌは、有効領域２４の全てを高伝熱流路部２６のような曲折した流路形状にした場合のその有効領域についての伝熱係数である。また、Ｌａｌｌは、有効領域２４の両端間の距離であり、低温端２４ｂと高温端２４ａとの間の距離に相当する。なお、有効領域２４の両端間の距離は、具体的には、基準伝熱流路部２５の流路幅の中心線及び高伝熱流路部２６の蛇行中心線２７に沿う方向における有効領域２４の両端間の距離のことである。
本実施形態では、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離は、有効領域２４の両端間の距離の１０％以上で且つ有効領域２４の両端間の距離の６０％以下に設定されている。また、好ましくは、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離は、基準伝熱流路部２５の両端間の距離よりも小さい距離、換言すれば有効領域２４の両端間の距離の５０％未満の距離に設定される。
また、各第１流路２１は、図２に示すように、導入流路部２９と、流出流路部３０とを有する。
導入流路部２９は、第１流路２１の導入口２１ａ近傍の僅かな部分であって、第２基板１２の第２流路２２が設けられた範囲と重なっていない部分に相当する。すなわち、導入流路部２９は、第１流路２１のうち有効領域２４に対して導入口２１ａ側に位置する部分に相当する。導入流路部２９は、導入口２１ａから直線的に延びて高伝熱流路部２６に繋がっている。導入口２１ａに供給された第１流体は、当該導入流路部２９を通って高伝熱流路部２６へ流れるようになっている。
流出流路部３０は、第１流路２１の流出口２１ｂ近傍の僅かな部分であって、第２基板１２において第２流路２２が設けられた範囲と重なっていない部分に相当する。すなわち、流出流路部３０は、第１流路２１のうち有効領域２４に対して流出口２１ｂ側に位置する部分に相当する。流出流路部３０は、基準伝熱流路部２５の延長線上でその基準伝熱流路部２５と同方向に直線的に延びて流出口２１ｂに繋がっている。基準伝熱流路部２５を流れた後の第１流体は、流出流路部３０を通って流出口２１ｂから流出するようになっている。
各第２基板１２（図３参照）の一方の板面には、複数の第２流路２２を構成する複数の第２溝３２がエッチングにより形成されている。図３では、第２基板１２に形成された複数の第２溝３２全体の外形を主に示しており、各第２溝３２及び各第２流路２２の図示については、それらの上流側の端部付近の部分及び下流側の端部付近の部分を除いて図示を省略している。第２基板１２の一方の板面における各第２溝３２の開口がその板面上に積層された第１基板１１で封止されることによって、その一方の板面に配列された複数の第２流路２２が形成されている。
各第２流路２２は、本実施形態では、第２基板１２の短辺方向において一方側から他方側へ直線的に延びる部分と、その部分から折り返されて前記他方側から前記一方側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられて全体として大きく蛇行した形状となっている。
各第２流路２２は、第２流体を受け入れる導入口２２ａをその一端に有し、当該第２流路２２を流れた第２流体を流出させる流出口２２ｂを導入口２２ａと反対側の端部に有する。
導入口２２ａは、各基板１１，１２の短辺方向の一方の端面によって形成される流路構造体２の側面において開口している。本実施形態では、導入口２２ａは、水平方向において一方側を向く流路構造体２の側面において開口しており、その側面の上端部近傍に配置されている。すなわち、導入口２２ａは、第１流路２１の流出口２１ｂ寄りに配置されている。
流出口２２ｂは、導入口２２ａが開口する流路構造体２の側面に対して反対側の側面において開口している。本実施形態では、流出口２２ｂは、当該流出口２２ｂが開口する流路構造体２の側面の下端部近傍に配置されている。すなわち、流出口２２ｂは、第１流路２１の導入口２１ａ寄りに配置されている。
本実施形態では、各第２流路２２には導入口２２ａから第１流体よりも高温の第２流体が導入され、その導入された第２流体が流出口２２ｂ側へ流れるに従って、第１流路２１を流れる低温の第１流体と熱交換し、それによって降温するようになっている。
第１供給ヘッダ３（図１及び図２参照）は、流路構造体２内に設けられた全ての第１流路２１の各導入口２１ａへ第１流体を分配して供給するものである。第１供給ヘッダ３は、流路構造体２のうち第１流路２１の導入口２１ａが開口する側面に取り付けられている。第１供給ヘッダ３は、それが取り付けられた流路構造体２の側面において開口する全ての導入口２１ａを全体として覆っている。これにより、第１供給ヘッダ３の内側の空間が各導入口２１ａと連通している。第１供給ヘッダ３には図略の供給配管が接続されており、その供給配管を通じて第１供給ヘッダ３へ供給された第１流体が、第１供給ヘッダ３の内側の空間から各導入口２１ａへ分配されるようになっている。
第１排出ヘッダ５（図１及び図２参照）は、流路構造体２内に設けられた全ての第１流路２１の流出口２１ｂから流出する第１流体を受けるものである。第１排出ヘッダ５は、流路構造体２のうち第１流路２１の流出口２１ｂが開口する側面に取り付けられている。第１排出ヘッダ５は、それが取り付けられた流路構造体２の側面に開口する全ての流出口２１ｂを全体として覆っている。これにより、第１排出ヘッダ５の内側の空間が各流出口２１ｂと連通している。第１排出ヘッダ５には図略の排出配管が接続されており、各流出口２１ｂから第１排出ヘッダ５の内側の空間に流出した第１流体が、この排出配管を通じて排出されるようになっている。
第２供給ヘッダ４（図１及び図３参照）は、流路構造体２内に設けられた全ての第２流路２２の各導入口２２ａへ第２流体を分配して供給するものである。第２供給ヘッダ４は、流路構造体２のうち第２流路２２の導入口２２ａが開口する側面に取り付けられ、その側面に開口する全ての導入口２２ａを全体として覆っている。これにより、第２供給ヘッダ４の内側の空間が各導入口２２ａと連通している。第２供給ヘッダ４には図略の供給配管が接続されており、その供給配管を通じて第２供給ヘッダ４へ供給された第２流体が、第２供給ヘッダ４の内側の空間から各導入口２２ａへ分配されるようになっている。
第２排出ヘッダ６（図１及び図３参照）は、流路構造体２内に設けられた全ての第２流路２２の流出口２２ｂから流出する第２流体を受けるものである。第２排出ヘッダ６は、流路構造体２のうち第２流路２２の流出口２２ｂが開口する側面に取り付けられ、その側面に開口する全ての流出口２２ｂを全体として覆っている。これにより、第２排出ヘッダ６の内側の空間が各流出口２２ｂと連通している。第２排出ヘッダ６には図略の排出配管が接続されており、各流出口２２ｂから第２排出ヘッダ６の内側の空間に流出した第２流体が、この排出配管を通じて排出されるようになっている。
本実施形態では、以上のような構成を有する熱交換器１を用いて第１流体と第２流体との間で熱交換させる熱交換方法が行われる。例えば、第１流体を昇温させるために当該第１流体とその第１流体よりも高温の第２流体である温媒（熱媒）との間で熱交換させる熱交換方法が行われる。
具体的には、第１流体を供給配管を通じて第１供給ヘッダ３へ供給することにより第１供給ヘッダ３から各第１流路２１へ第１流体を供給し、それによって各第１流路２１に高伝熱流路部２６から基準伝熱流路部２５へ向けて第１流体を流通させる。一方、第２流体としての温媒を供給配管を通じて第２供給ヘッダ４へ供給することにより第２供給ヘッダ４から各第２流路２２へ温媒を供給し、それによって各第２流路２２に温媒を流通させる。これにより、第１流路２１を流通する第１流体と第２流路２２を流通する温媒との間で熱交換させ、それによって第１流体を昇温させる。
本実施形態による熱交換器１では、第１流路２１の有効領域２４が高伝熱流路部２６を有していて、この高伝熱流路部２６が、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が基準伝熱流路部２５の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した蛇行流路である。このため、高伝熱流路部２６の屈曲部での流体の乱れにより伝熱性能を向上することができる。
また、曲折した流路形状の高伝熱流路部２６はその両端間の間隔の増大を抑制できるので、本実施形態では、熱交換器１の大型化を防ぐことが可能となる。従って、本実施形態では、熱交換器１の大型化を防ぎつつ、伝熱性能を向上できる。
また、本実施形態による熱交換器１では、基準伝熱流路部２５が有効領域２４の高温端２４ａを含む部分であり、高伝熱流路部２６が有効領域２４の基準伝熱流路部２５以外の部分に相当し、有効領域２４の低温端２４ｂを含む部分であるため、第１流路２１の有効領域２４の圧力損失の増大幅を抑えることができる。すなわち、流路の圧力損失はその流路に流れる流体の流速に比例するため、低温で比較的密度が高くなる第１流体が流れ、その第１流体の流速が小さくなる低温端２４ｂを含む部分が高伝熱流路部２６になっていて、有効領域２４のそれ以外の部分で高温端２４ａを含む部分が基準伝熱流路部２５になっていることにより、曲折した高伝熱流路部２６によって圧力損失が増大するとしても、その増大幅を小さくすることができる。このため、第１流路２１において圧力損失が過大になるのを防ぐことができる。
また、有効領域の低温端近傍の部分では前記のように第１流体の密度が高くてその流速が小さいため、当該部分は伝熱性能が比較的低い部分となるが、本実施形態では、高伝熱流路部２６が低温端２４ｂを含むことから、この低温端２４ｂ近傍の部分の比較的低い伝熱性能を高伝熱流路部２６によって引き上げることができる。このため、第１流路２１の有効領域２４全体をバランス良く伝熱性能が高い状態とすることができる。
また、本実施形態では、高伝熱流路部２６が蛇行流路であるため、高伝熱流路部が単純にカーブしているような構成に比べて、高伝熱流路部２６の両端間の間隔の増大を抑制しつつ、より高伝熱流路部２６の流路長を拡大して伝熱面積をより増やすことができる。すなわち、高伝熱流路部２６の両端間の間隔の増大を抑制しつつ、より有効に伝熱性能を向上できる。また、基準伝熱流路部２５が直線流路であるため、基準伝熱流路部がカーブした流路形状や曲折した流路形状を有する場合と比べて、当該基準伝熱流路部２５における圧力損失を低減できる。その分、有効領域２４の圧力損失の増大を抑制することができる。
また、本実施形態では、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離が有効領域２４の両端間の距離の６０％以下に設定されているため、有効領域２４の圧力損失を、有効領域の全てが直線流路になっている場合のその有効領域の圧力損失の２倍未満に抑えることができ、熱交換器の実用上の圧力損失の面を十分満足することができる。
また、本実施形態では、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離が有効領域２４の両端間の距離の１０％以上に設定される。
熱交換器では、一般的に、流路内の汚れ（付着物）及び／又は流体の温度や圧力などの流体条件により伝熱性能が低下する可能性を考慮して、計算によって求められる伝熱面積の理論値に対して余裕度をもたせた伝熱面積が設定される。この場合、一般的に前記伝熱面積の理論値よりもその理論値の５％〜１０％程度大きな伝熱面積が設定される。これに対し、本実施形態のように蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離が有効領域２４の両端間の距離の１０％以上に設定されることで、有効領域２４内の汚れ及び／又は流体条件により一般的に想定される伝熱性能の低下を十分補うことが可能な伝熱面積を有効領域２４において確保することができる。
また、本実施形態におけるより好ましい形態として、蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離は、基準伝熱流路部２５の両端間の距離よりも小さい距離に設定される。この場合には、熱交換器１の大型化を防止しつつ、伝熱性能の向上と圧力損失の過剰な増大の防止とをバランス良く達成することができる。
すなわち、仮に高伝熱流路部２６の両端間の距離が基準伝熱流路部２５の両端間の距離よりも大きい場合には、高伝熱流路部２６による伝熱性能の向上効果は高まるが、その一方で圧力損失の増大幅が大きくなる。この圧力損失の増大を緩和するためには、例えば、流路構造体２内に設ける第１流路２１の数を増やすことが考えられるが、この場合には流路構造体２を大型化せざるを得なくなる。すなわち、熱交換器１を大型化せざるを得なくなる。これに対し、高伝熱流路部２６の両端間の距離が基準伝熱流路部２５の両端間の距離よりも小さいことにより、伝熱性能の向上と圧力損失の過剰な増大の防止とをバランス良く達成することができ、その結果、熱交換器１の大型化も防止できる。
次に、本実施形態の熱交換器１によって得られる効果、すなわち有効領域２４の基準伝熱流路部２５以外の部分であって、その有効領域２４の低温端２４ｂを含む部分を高伝熱流路部２６とすることによる効果について調べるために行ったシミュレーションの結果について説明する。
まず、本実施形態に対応する実施例として、蛇行流路である高伝熱流路部２６の両端間の間隔、すなわち蛇行中心線２７に沿う方向における高伝熱流路部２６の両端間の距離のみをそれぞれ異ならせた以下の第１〜第４実施例を設定した。
（第１実施例）
高伝熱流路部２６の両端間の距離を有効領域２４の両端間の距離の２０％に相当する距離に設定し、その高伝熱流路部２６以外の有効領域２４の部分を直線流路である基準伝熱流路部２５としたもの。
（第２実施例）
高伝熱流路部２６の両端間の距離を有効領域２４の両端間の距離の４０％に相当する距離に設定し、その高伝熱流路部２６以外の有効領域２４の部分を直線流路である基準伝熱流路部２５としたもの。
（第３実施例）
高伝熱流路部２６の両端間の距離を有効領域２４の両端間の距離の６０％に相当する距離に設定し、その高伝熱流路部２６以外の有効領域２４の部分を直線流路である基準伝熱流路部２５としたもの。
（第４実施例）
高伝熱流路部２６の両端間の距離を有効領域２４の両端間の距離の８０％に相当する距離に設定し、その高伝熱流路部２６以外の有効領域２４の部分を直線流路である基準伝熱流路部２５としたもの。
また、各実施例と効果を比較するための比較例として以下の第１〜第５比較例を設定した。
（第１比較例）
有効領域２４の全てを直線流路としたもの。
（第２比較例）
有効領域２４のうち高温端２４ａから低温端２４ｂ側へ向かって有効領域２４の両端間の距離の２０％に相当する部分を高伝熱流路部２６に対応する蛇行流路とし、それ以外の部分を直線流路としたもの。
（第３比較例）
有効領域２４のうち高温端２４ａから低温端２４ｂ側へ向かって有効領域２４の両端間の距離の４０％に相当する部分を高伝熱流路部２６に対応する蛇行流路とし、それ以外の部分を直線流路としたもの。
（第４比較例）
有効領域２４のうち高温端２４ａから低温端２４ｂ側へ向かって有効領域２４の両端間の距離の６０％に相当する部分を高伝熱流路部２６に対応する蛇行流路とし、それ以外の部分を直線流路としたもの。
（第５比較例）
有効領域２４のうち高温端２４ａから低温端２４ｂ側へ向かって有効領域２４の両端間の距離の８０％に相当する部分を高伝熱流路部２６に対応する蛇行流路とし、それ以外の部分を直線流路としたもの。
（第６比較例）
有効領域２４の全てを高伝熱流路部２６に対応する蛇行流路にしたもの。
以上の第１〜第４実施例と第１〜第６比較例のそれぞれについて、有効領域２４全体のトータルでの圧力損失と伝熱係数をシミュレーションにより算出した。この際、各実施例及び各比較例について、流路に流す流体の物性や流速、その他の諸条件については全て等しい条件に設定して圧力損失と伝熱係数を算出した。
以下の表１には、第１〜第４実施例についての圧力損失ｆと伝熱係数ｊの算出結果及びその伝熱係数ｊに対する圧力損失ｆの割合ｆ／ｊが記載されている。また、以下の表２には、第１〜第６比較例についての圧力損失ｆと伝熱係数ｊの算出結果及びその伝熱係数ｊに対する圧力損失ｆの割合ｆ／ｊが記載されている。ただし、以下の各表では、第１比較例について算出した圧力損失の値を１００として表し、第１〜第４実施例及び第２〜第６比較例について算出した圧力損失の値をその第１比較例の圧力損失に対する値で表している。また、以下の各表では、第１比較例について算出した伝熱係数の値を１００として表し、第１〜第４実施例及び第２〜第６比較例について算出した伝熱係数の値をその第１比較例の伝熱係数に対する値で表している。
Figure 2017129335
Figure 2017129335
また、図６には、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４及び第１〜第６比較例Ｒ１〜Ｒ６について、有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合と算出した圧力損失ｆとの相関関係が示されている。図７には、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４及び第１〜第６比較例Ｒ１〜Ｒ６について、有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合と算出した伝熱係数ｊとの相関関係が示されている。さらに、図８には、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４及び第１〜第６比較例Ｒ１〜Ｒ６について、有効領域の両端間の距離に対する高伝熱流路部の両端間の距離の割合と算出した伝熱係数ｊに対する圧力損失ｆの割合ｆ／ｊとの相関関係が示されている。
表１及び２と図７から、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４と第２〜第５比較例Ｒ２〜Ｒ５のうち高伝熱流路部の両端間の距離が等しいもの同士の伝熱係数ｊを比較すると、実施例の方が比較例に比べて僅かに伝熱係数ｊが大きくなることが判る。一方、表１及び２と図６から、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４と第２〜第５比較例Ｒ２〜Ｒ５のうち高伝熱流路部の両端間の距離が等しいもの同士の圧力損失ｆを比較すると、実施例の方が比較例に比べて圧力損失ｆがかなり小さくなることが判る。
また、表１及び２と図８から、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４と第２〜第５比較例Ｒ２〜Ｒ５のうち高伝熱流路部の両端間の距離が等しいもの同士の伝熱係数ｊに対する圧力損失ｆの割合ｆ／ｊを比較すると、実施例の方が比較例に比べて当該割合ｆ／ｊが非常に小さいことが判る。
以上のことから、各実施例のように有効領域の低温端を含む部分を高伝熱流路部（蛇行流路）とする場合には、有効領域に高伝熱流路部を全く設けない場合よりも圧力損失が増大するものの、各比較例のように有効領域の高温端からその高伝熱流路部の両端間の距離と等しい距離の部分を高伝熱流路部（蛇行流路）とする場合に比べて圧力損失の増大幅を抑制しつつ、良好な伝熱性能を得ることができることが判明した。
また、図８中に記載した基準線Ｓは、第１比較例Ｒ１の点と第６比較例Ｒ６の点とを結ぶ直線であり、高伝熱流路部２６の両端間の距離の増加によって得られる有効領域２４についての伝熱係数の上昇のメリットに対して有効領域２４の圧力損失の増大のデメリットが過大であるか否かの判別の基準となるものである。具体的には、高伝熱流路部２６の両端間の距離と前記割合ｆ／ｊとの関係により特定される点が基準線Ｓよりも下側の領域にある場合には、有効領域２４についての伝熱係数の上昇のメリットに対して有効領域２４の圧力損失の増大のデメリットが過大ではないことを表す。熱交換器１のサイズを決定する因子となる総括伝熱係数は、第１流路２１を流れる第１流体の当該第１流路２１における境膜伝熱係数と第２流路２２を流れる第２流体の当該第２流路２２における境膜伝熱係数に応じて決定されるため、有効領域２４についての第１流体の境膜伝熱係数が上昇することで、熱交換器１の総括伝熱係数を向上でき、その分、熱交換器１のコンパクト化が可能になる。
高伝熱流路部２６の両端間の距離と前記割合ｆ／ｊとの関係により特定される点が基準線Ｓ以上の領域にある場合には、有効領域２４についての伝熱係数の上昇のメリットに対して有効領域２４の圧力損失の増大のデメリットが過大であることを表す。基準線Ｓよりも下側の領域は、前記関係式（１）で規定される領域に相当し、この基準線Ｓの傾きは、前記関係式（１）におけるＡの値に相当する。
図８から、第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４は基準線Ｓよりも下側の領域に位置するので、当該第１〜第４実施例Ｅ１〜Ｅ４では、有効領域２４についての伝熱係数の上昇のメリットに対して有効領域２４の圧力損失の増大のデメリットが過大にならず、前記関係式（１）を満たすことが判る。一方、第２〜第５比較例Ｒ２〜Ｒ５は基準線Ｓ以上の領域に位置するので、当該第２〜第５比較例Ｒ２〜Ｒ５では、有効領域２４についての伝熱係数の上昇のメリットに対して有効領域２４の圧力損失の増大のデメリットが過大になり、前記関係式（１）を満たさないことが判る。
また、熱交換器では、その実用性の面において流路の圧力損失は非常に重要な要素である。例えば、熱交換器の流路へ流体を供給する供給装置に流体を圧縮する圧縮機が含まれる場合があり、この場合に熱交換器の流路の圧力損失が増大すると、その流路へ供給する流体をより昇圧する必要が生じ、その流体の昇圧のために要する圧縮機の動力が増大し、エネルギ消費が増大する。このため、流路に高伝熱流路部を設けることにより圧力損失の増大が避けられないとしても、その増大幅を抑制することが重要である。第１流路の有効領域に高伝熱流路部を設けることにより、仮に、その有効領域の圧力損失が、有効領域の全てが直線流路である場合の圧力損失の２倍以上の値になる場合には、そのような第１流路は熱交換器の実用性の面からは採用することが難しい。
表１から判るように、第１〜第４実施例のうち第１〜第３実施例までは、圧力損失ｆが第１比較例の圧力損失ｆの２倍の値である２００未満に抑えられる。従って、有効領域の低温端を含む高伝熱流路部の両端間の距離が有効領域の両端間の距離の６０％以下である場合には、圧力損失の面において、実用上、十分採用可能な第１流路とすることができることが判明した。
なお、本発明による熱交換器は、前記実施形態のようなものに必ずしも限定されない。本発明による熱交換器の構成として、例えば以下のような構成を採用することが可能である。
高伝熱流路部の曲折した流路形状として、例えばサインカーブ等のような湾曲部を連続させた波形が採用されてもよい。また、ジグザグ状の高伝熱流路部の角部がアール状ではなく、角ばった形状になっていてもよい。
また、前記実施形態における高伝熱流路部の第１直線部及び第２直線部の長さや、その第１直線部及び第２直線部が蛇行中心線に対して成す傾斜角度Ｄは、適宜設定可能である。すなわち、第１及び第２直線部の長さ及び／又は傾斜角度Ｄを適宜増減し、それによって、高伝熱流路部のジグザグの振幅やそのジグザグの繰り返し周期を適宜変更してもよい。また、アール状の角部の曲率を適宜変更してもよい。
また、基準伝熱流路部の流路形状は、その基準伝熱流路部の両端間の間隔（直線距離）の単位距離当たりにおける流路長が高伝熱流路部の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも小さくなる形状であれば、直線状に必ずしも限定されない。例えば、基準伝熱流路部の流路形状は、緩やかにカーブした形状等であってもよい。
また、第２流路は、必ずしも蛇行していなくてもよく、例えばその全体が直線流路やその他の流路形状を有していていてもよい。
また、熱交換器内の流路に流通させる流体は、第１流体と第２流体の２種類の流体に必ずしも限定されない。すなわち、３種類以上の複数の流体をそれぞれ熱交換器内の個別の流路に流通させながら、それらの複数の流体同士の間で熱交換させてもよい。
また、必ずしも、第１流路に流す第１流体が低温の流体で且つ第２流路に流す第２流体が高温の流体であるものに限定されない。すなわち、第１流路に高温の第１流体を流し、第２流路に低温の第２流体を流してもよい。例えば、第１流体を降温させるために当該第１流体とその第１流体よりも低温の第２流体である冷媒との間で熱交換させる熱交換方法を行ってもよい。
この場合、第１排出ヘッダ５を、第１流体を供給する供給配管が接続された第１供給ヘッダとし、第１供給ヘッダ３を、第１流路２１から流出する第１流体を受ける第１排出ヘッダとする。また、第２排出ヘッダ６を、冷媒を供給する供給配管が接続された第２供給ヘッダとし、第２供給ヘッダ４を、第２流路２２から流出する冷媒を受ける第２排出ヘッダとする。また、この場合、第１流路２１の導入口２１ａが第１流体を流出させる流出口になり、第１流路２１の流出口２１ｂが第１流体を受け入れる導入口になる。また、第２流路２２の導入口２２ａが第２流体を流出させる流出口になり、第２流路２２の流出口２２ｂが第２流体を受け入れる導入口になる。
そして、第１流体を供給配管を通じて第１供給ヘッダへ供給することにより第１供給ヘッダから各第１流路２１へ第１流体を供給し、それによって各第１流路２１に基準伝熱流路部２５から高伝熱流路部２６へ向けて第１流体を流通させる。すなわち、上記実施形態の場合とは逆向きに第１流体を各第１流路２１に流通させる。一方、第２流体としての冷媒を供給配管を通じて第２供給ヘッダへ供給することにより第２供給ヘッダから各第２流路２２へ冷媒を供給し、それによって上記実施形態で第２流体を流通させた向きとは逆向きに各第２流路２２に冷媒を流通させる。これにより、第１流路２１を流通する第１流体と第２流路２２を流通する冷媒との間で熱交換させ、それによって第１流体を降温させる。
１ 熱交換器
２ 流路構造体
１１ 第１基板（第１層）
１２ 第２基板（第２層）
２１ 第１流路
２２ 第２流路
２４ 有効領域
２４ａ 高温端
２４ｂ 低温端
２５ 基準伝熱流路部
２６ 高伝熱流路部
２７ 蛇行中心線

Claims (7)

  1. 複数の流体を流通させながらそれらの流体同士の間で熱交換させる熱交換器であって、
    一流体を流通させるマイクロチャネルである第１流路が配列された第１層と、その第１層に対して積層されていて前記一流体とは異なる他流体を流通させるマイクロチャネルである第２流路が配列された第２層とを有する流路構造体を備え、
    前記第１流路は、前記第１層と前記第２層との積層方向から見て、前記第２層の前記第２流路が設けられた範囲と重なる有効領域を有し、
    前記有効領域は、当該有効領域の一方の端部である高温端を含む基準伝熱流路部と、当該有効領域の前記基準伝熱流路部以外の部分に相当し、当該有効領域の前記高温端と反対側の端部であって前記高温端に比べて低温の前記一流体が流通する低温端を含む高伝熱流路部と、を有し、
    前記高伝熱流路部は、その両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長が前記基準伝熱流路部の両端間の間隔の単位距離当たりにおける流路長よりも大きくなるように曲折した流路形状を有する、熱交換器。
  2. 前記基準伝熱流路部は、直線流路であり、
    前記高伝熱流路部は、蛇行流路である、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記高伝熱流路部は、直線である中心線の両側に振れるように蛇行しており、
    前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記有効領域の両端間の距離の６０％以下である、請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記有効領域の両端間の距離の１０％以上である、請求項３に記載の熱交換器。
  5. 前記高伝熱流路部は、直線である中心線の両側に振れるように蛇行しており、
    前記中心線に沿う方向における前記高伝熱流路部の両端間の距離は、前記基準伝熱流路部の両端間の距離よりも小さい、請求項２に記載の熱交換器。
  6. 請求項１に記載の熱交換器の前記第１流路に前記基準伝熱流路部から前記高伝熱流路部へ向けて一流体を流通させるとともに、前記熱交換器の前記第２流路に他流体としての冷媒を流通させることにより、前記一流体と前記冷媒との間で熱交換させる、熱交換方法。
  7. 請求項１に記載の熱交換器の前記第１流路に前記高伝熱流路部から前記基準伝熱流路部へ向けて一流体を流通させるとともに、前記熱交換器の前記第２流路に他流体としての温媒を流通させることにより、前記一流体と前記温媒との間で熱交換させる、熱交換方法。
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