JP2018141602A - マイクロ流路熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ流路熱交換器の周囲温度による影響を緩和する。【解決手段】このマイクロ流路熱交換器では、高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、流路層積層体の積層方向の両側にそれぞれに設けられた保護板とを具備するマイクロ流路熱交換器において、少なくとも一方の保護板には少なくとも１つの空間部が設けられている。【選択図】図７

Description

本発明は、熱交換用流体の流路が形成された伝熱板を複数枚積層して構成されるマイクロ流路熱交換器に関する。

ステンレスなどの金属板にマイクロ流路を形成した２種類の伝熱板を交互に重ね合わせて積層した構造のマイクロ流路熱交換器が知られている。この種の熱交換器では、伝熱板同士の間に設けられるマイクロ流路のうち、作動流体として、一方のマイクロ流路に圧縮された高温高圧冷媒ガスなどの高温流体を流通させ、他方のマイクロ流路に水などの低温流体を流通させることで、高温流体から伝熱板を介して低温流体へ熱伝達し、高温流体と低温流体との間での熱交換が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１９０７０５号公報

しかしながら、上記のように伝熱板を積層して得られたマイクロ流路熱交換器は、マイクロ流路熱交換器の周囲にある空気の温度よりもマイクロ流路熱交換器の温度が高温のときはマイクロ流路熱交換器から周囲にある空気へ熱が移動する。一方、マイクロ流路熱交換器の周囲にある空気の温度よりもマイクロ流路熱交換器の温度が低温のときは、周囲にある空気からマイクロ流路熱交換器へ熱が移動する。また、マイクロ流路熱交換器の周囲にある空気の露点温度よりマイクロ流路熱交換器の温度が低い場合はマイクロ流路熱交換器の外表面等に結露（結霜）が発生するという問題があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、周囲にある空気との間の熱移動を減少させることのできるマイクロ流路熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るマイクロ流路熱交換器は、高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、前記流路層積層体の積層方向の両側それぞれに設けられた保護板とを具備するマイクロ流路熱交換器において、少なくとも一方の前記保護板には少なくとも１つの空間部が設けられたことを特徴とする。

前記空間部は前記保護板に溝状に形成されたものであってよい。

また、前記空間部は、前記保護板の周縁部を除いた領域に形成されたものであってもよい。

本発明によれば、周囲にある空気との間の熱移動を減少させることができるマイクロ流路熱交換器を提供できる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温流路層の高温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温流路層の低温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器の断面図である。 第１の変形例を示す斜視断面図である。 第２の変形例を示す斜視断面図である。 第３の変形例を示す斜視断面図である。 第４の変形例を示す斜視断面図である。 第５の変形例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図、図２は図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。

［全体の構成］
これらの図に示すように、このマイクロ流路熱交換器１は、流路層積層体である熱交換器本体２と、下側保護板３と、上側保護板４と、高温流体の入口用の接続部５Ａと、高温流体の出口用の接続部５Ｂと、低温流体の入口用の接続部５Ｃと、低温流体の出口用の接続部５Ｄとを有する。

図中、熱交換器本体２、下側保護板３および上側保護板４などの各部材の下側の面を「下側の面」、各部材の上側の面を「上側の面」とする。熱交換器本体２の上側の面には下側保護板３が接合され、熱交換器本体２の下側の面には上側保護板４が接合されている。接続部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄは、熱交換器本体２に後述する高温入口管８Ａ、高温出口管８Ｂ、低温入口管８Ｃ、低温出口管８Ｄをそれぞれ取り付けるためのものである。

熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数積層して構成される。熱交換器本体２を構成する２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂは、例えば、同じ種類の薄い金属板（フォイル）からなり、例えばステンレス鋼の薄板が用いられる。これらの金属板は積層された後、拡散接合によって互いに接合されることによって略直方体形状の積層体とされる。図においては、積層体の各層が描かれているが、実際には各層は拡散接合によって整構造となる。すなわち各層が一体化し界面が消失する。
熱交換器を構成する材料については、同じ種類に限定するものではない。より具体的には、ステンレス鋼とチタンなどが用いられる。ステンレス鋼とセラミックスの例もある。
積層後の形状については、略直方体に限定するものではない。より具体的には、丸い板を積層すれば円筒状になる。

下側保護板３は、熱伝導率が高い１枚の金属板（フォイル）または、拡散接合により積層された複数の薄い金属板（フォイル）により構成される。金属板（フォイル）としては、ステンレス鋼の薄板が用いられる。下側保護板３には、断熱構造を形成する少なくとも１つの空間部が設けられる。

上側保護板４は、下側保護板３と同様に構成される。すなわち、上側保護板４は、熱伝導率が高い１枚の金属板（フォイル）または、拡散接合により積層された複数の薄い金属板（フォイル）により構成される。金属板としては、より具体的にはステンレス鋼などが用いられる。上側保護板４は、断熱構造を形成する少なくとも１つの空間部が設けられる。

以降、説明上の必要に応じて、図中にあるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基に、マイクロ流路熱交換器１のＺ軸に直交する上下の両面を「主面」と呼び、主面以外のＸ軸やＹ軸に直交する四面を「側面」と呼ぶこととする。

図２に示すように、マイクロ流路熱交換器１の各側面には、各々、熱交換器本体２内の高温流路に高温流体を流入させる高温流体入口２１と、熱交換器本体２内の高温流路から高温流体を流出させる高温流体出口２２と、熱交換器本体２内の低温流路に低温流体を流入させる低温流体入口２３と、熱交換器本体２内の低温流路から低温流体を流出させる低温流体出口２４が形成されている。

図１に示したように、高温流体入口２１には、接続部５Ａが溶接などにより接合されている。この接続部５Ａには、高温流体の流入のための高温入口管８Ａが着脱自在に接続される。高温流体出口２２には、接続部５Ｂが溶接などにより接合されている。この接続部５Ｂには、高温流体の流出のための高温出口管８Ｂが着脱自在に接続される。低温流体入口２３には、接続部５Ｃが溶接などにより接合されている。この接続部５Ｃには、低温流体の流入のための低温入口管８Ｃが着脱自在に接続される。低温流体出口２４には、接続部５Ｄが溶接などにより接合されている。この接続部５Ｄには、低温流体の流出のための低温出口管８Ｄが着脱自在に接続される。

［熱交換器本体２の構成］
次に、熱交換器本体２の構成を説明する。
前述したように、熱交換器本体２は、２種類の第１の伝熱板２Ａと第２の伝熱板２Ｂを交互に複数積層して構成される。これらの伝熱板２Ａ、２Ｂにはエッチング処理によって溝および切り欠き部が形成されている。第１の伝熱板２Ａと第２の伝熱板２Ｂは、溝および切り欠き部のパターンが異なっている。

図３および図４は２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを示す斜視図である。ここで、図３に示す第１の伝熱板２Ａは「高温伝熱板２Ａ」、図４に示す第２の伝熱板２Ｂは「低温伝熱板２Ｂ」である。

（高温伝熱板２Ａの構成）
図３に示すように、高温伝熱板２Ａには、高温流体の流路を形成する溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａおよび切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａがそれぞれ設けられている。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは高温伝熱板２Ａの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａは、高温伝熱板２Ａの基材の４辺に各々対応する縁端部における所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。

以後、説明の必要に応じて、高温伝熱板２Ａの各々の切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａを、第１の切り欠き部２６Ａ、第２の切り欠き部２７Ａ、第３の切り欠き部２８Ａ、および第４の切り欠き部２９Ａと呼ぶ。

高温伝熱板２Ａにおいて、図中Ｙ軸方向において対向して設けられる第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間の領域には、これら第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間を連通する複数の溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａが形成されている。なお、図３において、溝２５Ａの数は３本であるが、３本より少ない、または３本よりも多い数の溝を形成するようにしても良い。

高温伝熱板２Ａにおける上記の各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは、Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａである。Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａのうち一方の溝３０Ａは一端が第１の切り欠き部２６Ａと連通し、他方の溝３１Ａは一端が第２の切り欠き部２７Ａと連通する。Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａは各々２本の溝３０Ａ、３１Ａの間を連通する。これにより、高温伝熱板２Ａの高温流体入口２１および高温流体出口２２は熱交換器本体２のＸ軸と直交する側面に、後述する低温伝熱板２Ｂの低温流体入口２３および低温流体出口２４は熱交換器本体２のＹ軸と直交する側面に位置する。

（低温伝熱板２Ｂの構成）
図４に示すように、低温伝熱板２Ｂには、低温流体の流路を形成する溝２５Ｂおよび切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂがそれぞれ設けられている。溝２５Ｂは低温伝熱板２Ｂの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ｂの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂは、低温伝熱板２Ｂの基材の４辺に各々対応する縁端部における所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。

以後、説明の必要に応じて、低温伝熱板２Ｂの各々の切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂを、第５の切り欠き部２６Ｂ、第６の切り欠き部２７Ｂ、第７の切り欠き部２８Ｂ、および第８の切り欠き部２９Ｂと呼ぶ。

低温伝熱板２Ｂにおいて、図中Ｘ軸方向において対向して設けられる第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間には、これら第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間を連通する複数の溝２５Ｂが形成されている。これら複数の溝２５Ｂは、高温伝熱板２Ａに形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向にて同じ位置に各々形成されている。なお、図４において、溝２５Ｂの数は３本であるが、３本より少ない、または３本よりも多い数の溝を形成するようにしても良い。

（高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとの積層構造）
上記のような構成を有する高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂは、図５および図６に示すように、双方の溝２５Ａ、２５Ｂ、が設けられた面の向きを一致させて、複数の高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂを交互に重ね合わせて積層される。このようにして熱交換器本体２が形成される。

この熱交換器本体２において、高温伝熱板２Ａの第１の切り欠き部２６Ａと低温伝熱板２Ｂの第５の切り欠き部２６Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温流体入口２１を形成する。

高温伝熱板２Ａの第２の切り欠き部２７Ａと低温伝熱板２Ｂの第６の切り欠き部２７Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温流体出口２２を形成する。

高温伝熱板２Ａの第３の切り欠き部２８Ａと低温伝熱板２Ｂの第７の切り欠き部２８Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温流体入口２３を形成する。

高温伝熱板２Ａの第４の切り欠き部２９Ａと低温伝熱板２Ｂの第８の切り欠き部２９Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温流体出口２４を形成する。

（高温流路と低温流路について）
図５は熱交換器本体２における高温流路を示す斜視図である。
高温流路は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと低温伝熱板２Ｂの下側の面との間に形成される。高温流体は、高温流体入口２１から流入し、溝３０Ａを通って複数の溝２５Ａに分配される。複数の溝２５Ａを通過した高温流体は溝３１Ａで合流し、高温流体出口２２より流出する。このような高温流体の流れが各々の高温伝熱板２Ａに対応する高温流路層において生じる。

図６は熱交換器本体２における低温流路を示す斜視図である。
低温流路は、低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂと高温伝熱板２Ａの下側の面もしくは上側保護板４の下側の面との間に形成される。低温流体は、低温流体入口２３から流入し、複数の溝２５Ｂを通って低温流体出口２４から流出する。このような低温流体の流れが各々の低温伝熱板２Ｂに対応する低温流路層において生じる。

熱交換器本体２において高温流路層と低温流路層は交互に積層されているので、高温流体と低温流体との間で熱交換が行われる。
また、高温伝熱板２Ａの溝２５Ａを流れる高温流体と低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂを流れる低温流体は、対向流となっている。
高温伝熱板２Ａの溝２５Ａを流れる高温流体と低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂを流れる低温流体は対向流に限定するものではなく、並行流や直交流でもかまわない。

［下側保護板３および上側保護板４の断熱構造］
この実施形態のマイクロ流路熱交換器１では、熱交換器本体２と熱交換器本体２の周囲にある空気の温度差により生じる熱交換器本体２への熱移動を減少させるために、下側保護板３および上側保護板４のそれぞれに断熱構造を形成するための少なくとも１つの空間部が設けられる。なお、本実施形態では、下側保護板３および上側保護板４の両方に空間部を形成しているが本発明はこれに限定したものではなく、下側保護板３または上側保護板４のいずれか一方にだけ空間部を形成してもよい。

図７は、本実施形態のマイクロ流路熱交換器１のＹ−Ｚ断面図である。
図７に示すように、熱交換器本体２の上側および下側の面には各々、下側保護板３および上側保護板４が接合されている。

下側保護板３は、この例では６枚の金属板３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６の積層体で構成される。各々の金属板３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６の熱交換器本体２の下側の面に対向する上側の面３Ｔには複数の溝Ｓ３が設けられている。複数の溝Ｓ３はそれぞれ例えばＸ軸方向に互いに平行に配設されている。

複数の溝Ｓ３の幅および深さはすべての金属板３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６で均一であってよい。また、ＸＹ平面における複数の溝Ｓ３の位置は、すべての金属板３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６間で共通であってよい。このように熱交換器本体２の下側の面に対向する側に複数の溝Ｓ３を設けた複数の金属板３−１、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６を互いに重ね合わせて接合することによって、下側保護板３の内部に、溝Ｓ３の内壁３４と上側に接する金属板の下側の面３２によって空間部３３が形成され、熱交換器本体２の下面２Ｕと周囲の空気との間に断熱構造を有する下側保護板３が得られる。

一方、上側保護板４は、この例では７枚の金属板４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６、４−７の積層体で構成される。これらの金属板のうち、最も外側（熱交換器本体２から最も遠い）に位置する金属板４−７を除くすべての金属板４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６の熱交換器本体２の上側の面と同じ側の上側の面４Ｔには複数の溝Ｓ４が設けられている。

複数の溝Ｓ４の幅および深さは金属板４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６で均一であってよい。また、ＸＹ平面における複数の溝Ｓ４の位置は、金属板４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６間で共通であってよい。このように熱交換器本体２の上側の面に対向する側に複数の溝Ｓ４を設けた複数の金属板４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６と最も外側に位置する金属板４−７を互いに重ね合わせて接合することによって、上側保護板４の内部に溝Ｓ４の内壁４１と上側に接する金属板の下側の面４２によって空間部４３が形成され、熱交換器本体２の上面２Ｔと周囲の空気との間に断熱構造を有する上側保護板４が得られる。

下側保護板３の空間部３３および上側保護板４の空間部４３は真空状態もしくは断熱性を有する物質が充填された状態などの断熱性が確保できる状態であればよい。

上記のように、断熱構造を有する下側保護板３および上側保護板４で熱交換器本体２の上面２Ｔおよび下面２Ｕと周囲の空気の間を断熱することによって、マイクロ流路熱交換器１を断熱材で覆うことなく、周囲温度による影響の少ないマイクロ流路熱交換器１が得られる。

＜変形例１＞
以下、上記の実施形態のマイクロ流路熱交換器１において断熱構造を有する下側保護板３および上側保護板４の構成の変形例を説明する。
図８は断熱構造を有する上側保護板４の構成の第１の変形例を示す斜視断面図である。

この第１の変形例では、上側保護板４を構成する各金属板４−１〜４−６の溝Ｓ４の向きが層方向に隣り合う金属板同士の間で互いに直交する。さらに、熱交換器の最も外側には金属板４−７を配置する。
これにより、上側保護板４に積層方向に溝Ｓ４が連なる箇所が少なくなり、積層方向に加わる圧力に対し強化された断熱構造を有する上側保護板４が得られるので、拡散接合がし易くなる。
なお、図示は省略したが、下側保護板３についても同様の断熱構造を採用することができる。

＜変形例２＞
図９は第１の変形例と同様に耐圧性能を考慮した断熱構造を有する上側保護板４の構成の第２の変形例を示す斜視断面図である。
第２の変形例では、上側保護板４を構成する各金属板４−１〜４−６の溝Ｓ４の位置が、少なくとも上下に隣り合う金属板同士の間で互いにずらされている。これによっても、上側保護板４には同一の積層方向に溝Ｓ４が形成される箇所が少なくなり、積層方向に対する圧力に対し強化された断熱構造を有する上側保護板４が得られる。
なお、図示は省略したが、下側保護板３についても同様の断熱構造を採用することができる。

＜変形例３＞
図１０は断熱性能を高めるため、より広い空間層を設けた上側保護板４の構成の第３の変形例を示す斜視断面図である。
上側保護板４の内部に、より広い空間層を設けることによって断熱性能を高めることは可能であるが、空間層を広くとると上側保護板４の耐圧性能が低下する。

そこで、第３の変形例では、上側保護板４内に比較的広い空間部５１を積層方向に多段に設け、上側保護板４の耐圧性能を高めるために、各段の空間部５１内に複数の支柱５２を立てて積層方向からの圧力を支柱５２で受けるようにした。ここで、上側保護板４内の比較的広い空間部５１は、金属板４−１〜４−６の周縁部を除いた領域に設けられた凹部Ｓ５と、上側に接する金属板の下側の面５３とによって形成される。支柱５２は凹部Ｓ５の底面から突出して設けられる。支柱５２の断面形状は、図１０では円形としたが、矩形であってもよい。
なお、図示は省略したが、下側保護板３についても同様の断熱構造を採用することができる。

＜変形例４＞
図１１は、上側保護板４の最も外側の金属板４−７の周縁部を除いた領域に凹部Ｓ６を設け、上側保護板４の外側の部分のみに空間部６１を設けたものである。この場合、最も外側の金属板４−７の凹部Ｓ６は金属板４−７の下側の面に設けられる。この構成によれば、上側保護板４の最も外側の金属板４−７以外の金属板４−１〜４−６の積層部で耐圧性能が確保される。よって、空間部６１に第３の変形例のような支柱は不要である。
なお、図示は省略したが、下側保護板３についても同様の断熱構造を採用することができる。

＜変形例５＞
図１２は熱交換器本体２の流路形成領域７１の外周部２Ｒに、断熱効果用のスリット７２を設けたものである。スリット７２は、熱交換器本体２を構成する複数の伝熱板２Ａ、２Ｂに積層方向に貫通して形成される。このようには熱交換器本体２の流路形成領域７１の外周部に、断熱効果用のスリット７２を設けたことにより、側面からの周囲温度の影響を軽減することができる。上記の断熱構造を有する下側保護板３および上側保護板４と組み合わせることによって、周囲にある空気との間の熱移動を減少させることができる。

１…マイクロ流路熱交換器
２…熱交換器本体
３…下側保護板
４…上側保護板
３３、４３、５１、６１…空間部
５２…支柱
７１…流路形成領域
７２…スリット
Ｓ３、Ｓ４…溝

Claims (4)

1. 高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層されて形成された流路層積層体と、
   前記流路層積層体の積層方向の両側それぞれに設けられた保護板と、
   を具備するマイクロ流路熱交換器において、
   少なくとも一方の前記保護板には少なくとも１つの空間部が設けられたことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
2. 請求項１に記載のマイクロ流路熱交換器であって、
   前記空間部が前記保護板に溝状に形成されたものである
   ことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
3. 請求項１に記載のマイクロ流路熱交換器であって、
   前記空間部が、前記保護板の周縁部を除いた領域に形成されたものである
   ことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ流路熱交換器であって、
   前記流路層積層体の前記流路の形成領域の外周部にスリットを設けた
   ことを特徴とするマイクロ流路熱交換器。

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