JP2019211166A

JP2019211166A - 積層型熱交換器

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Publication number: JP2019211166A
Application number: JP2018108693A
Authority: JP
Inventors: 野一色　公二; Koji Noisshiki; 公二野一色
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: KR102556693B1; JP6810101B2; US20210239403A1; US11828543B2; KR20210002712A; WO2019235211A1; EP3805688A4; EP3805688A1; CN112166295A

Abstract

【課題】第２高温層を必須の構成要素とすることなく、低温側流体の冷熱によって高温層内の高温側流体の温度が過度に低下することを抑制する。【解決手段】積層型熱交換器は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路２５を有し、高温層に積層された低温層２１と、を備える。低温層２１の複数の流路２５はそれぞれ、高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部３７と、上流側部３７で蒸発した低温側流体が高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部３８と、を有する。低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の面積の割合は、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の面積の割合よりも低く設定されている。【選択図】図４

Description

本発明は、積層型熱交換器に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、低温の流体が流れる複数の低温側流路を有する低温層と、低温の流体を加熱するための加熱用流体が流れる複数の高温側流路を有する高温層とが積層状態で並ぶように配置された積層型熱交換器が知られている。特許文献１に開示された積層型熱交換器は、加熱用流体が低温の流体で冷やされて凍結することを抑制すべく、複数の低温側流路が形成された低温層と、複数の高温側流路が形成され、第１低温層に隣接する第１高温層と、複数の高温側流路が形成され、第１高温層に隣接する第２高温層と、を有する構成を採用している。この構成では、第１高温層を構成する高温側流路内の高温側流体は、低温側流体によって冷やされる。しかしながら、第１高温層の高温側流路と第２高温層の高温側流路との間の部位が高温に維持されるため、第１高温層内の高温側流体が冷やされるとしても、高温側流体が凍結することを抑制することができる。

特開２０１７−１６６７７５号公報

特許文献１に開示された積層型熱交換器では、第１高温層内の高温側流体が凍結することを抑制することができる。しかしながら、この熱交換器では、高温側流体が過度に冷却されることを抑制するには、第２高温層が必須の構成となり、設計上の自由度は少ないという問題がある。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、第２高温層を必須の構成とすることなく、設計上の自由度を確保した上で、高温側および低温側の流路を最適化することにより、低温側流体の冷熱によって高温層内の高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備える積層型熱交換器である。前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有する。前記低温層において所定面積に占める前記上流側部の面積の割合は、前記低温層において所定面積に占める前記下流側部の面積の割合よりも低く設定されている。

本発明に係る積層型熱交換器では、低温層において、高温側流体によって加熱される前の低温側流体が上流側部に流入し、上流側部で加熱された低温側流体が下流側部を流れる。このため、低温側流体の温度は、上流側部において相対的に低く、下流側部において相対的に高い。そして、低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部において、伝熱面面積の割合が相対的に低く設定されている。例えばストレート流路のような伝熱を促進しない流路が用いられてもよい。このため、低温側流体から低温層を構成する部材への伝熱が抑制されている。このため、低温層を構成する部材の温度（低温層の壁面温度）が過度に低下することを抑制することができる。このため、上流側部を流れる低温側流体によって冷却される高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。一方、上流側部において蒸発した低温側流体をさらに加温する下流側部においては、伝熱面面積の割合が相対的に高く設定されている。これにより、上流側部に比べ所定面積中の伝熱性能が高い。したがって、低温側流体を所望の温度まで加温することができる。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を抑制しつつ、所望の温度の低温側流体を得ることができる。しかも、第１高温層に隣接する第２高温層が設けられない場合であっても、高温側流体の過度の温度低下を抑制することができる。

流路形状、流路ピッチ及び流路幅の少なくとも一つが異なることにより、前記低温層において所定面積に占める前記上流側部の面積の割合が、前記低温層において所定面積に占める前記下流側部の面積の割合よりも低く設定されていてもよい。

前記積層型熱交換器は、前記高温側流体が導入される複数の流路を有し、前記低温層とは反対側において前記高温層に積層された第２高温層をさらに備えていてもよい。

この態様では、第２高温層は、低温側流体によって冷却され難く、高温側流体によって加温されて高温に維持されやすい。このため、低温層の上流側部に積層される一方で第２高温層が積層される高温層は、低温側流体によって過度に冷却され難い。したがって、高温側流体の温度が過度に低下することをより一層抑制することができる。

前記低温層は、前記複数の流路のそれぞれの前記上流側部に連通するとともに、前記複数の流路のそれぞれの前記下流側部に連通する連通流路を備えていてもよい。

この態様では、上流側部において低温側流体の偏流が発生したとしても、低温側流体が連通流路に流入することによって、低温側流体の偏流が解消する。したがって、低温側流体が下流側部に流入する際の偏流を防止することができ、各下流側部において低温側流体の圧力に差が生ずることを抑制することができる。また、流路毎の偏流が抑制されることにより、低温層を構成する部材に熱応力の偏りが生ずることを抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、第２高温層を必須の構成要素としなくても、低温側流体の冷熱を制限することによって、高温層内の高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。

（ａ）実施形態に係る積層型熱交換器の正面図であり、（ｂ）前記積層型熱交換器の側面図である。前記積層型熱交換器に含まれる積層体の断面図を部分的に示す図である。前記積層体において、高温層を構成する金属板を概略的に示す図である。前記積層体において、低温層を構成する金属板を概略的に示す図である。高温層から低温層への伝熱量の変化に基づく壁面温度の変化を説明するための図である。その他の実施形態に係る積層型熱交換器に含まれる低温層を構成する金属板を概略的に示す図である。その他の実施形態に係る積層型熱交換器に含まれる積層体の断面図を部分的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る積層型熱交換器１０は、積層体１２と、低温側流入ヘッダ１４と、低温側流出ヘッダ１５と、高温側流入ヘッダ１７と、高温側流出ヘッダ１８と、を備え、いわゆるマイクロチャネル熱交換器によって構成されている。低温側流入ヘッダ１４及び低温側流出ヘッダ１５は、略直方体状に形成された積層体１２において互いに反対側に位置する面に接続されている。高温側流入ヘッダ１７は、積層体１２において低温側流出ヘッダ１５が接続された面に隣接する面に接続されている。高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２において低温側流入ヘッダ１４が接続された面に隣接する面に接続されている。また、高温側流入ヘッダ１７及び高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２において互いに反対側に位置する面に接続されている。

低温側流入ヘッダ１４は、低温側流体が流れる図外の配管に接続されるように構成されている。そして、低温側流入ヘッダ１４は、積層体１２内に形成されている後述の低温層２１内の複数の流路２５のそれぞれに低温側流体を分配するように構成されている。低温側流出ヘッダ１５は、積層体１２内から流出した低温側流体を所定の場所に供給するための図外の配管に接続されるように構成されている。低温側流体は、積層体１２内で所定の温度まで加熱されるため、この所望の温度に加熱された低温側流体が積層体１２から流出する。低温側流出ヘッダ１５は、低温層２１内の各流路２５から流出した低温側流体を合流させて、この合流した低温側流体を、当該ヘッダ１５に接続された配管に流出させる。

高温側流入ヘッダ１７は、高温側流体が流れる図外の配管に接続されるように構成されている。そして、高温側流入ヘッダ１７は、積層体１２内に形成されている後述の高温層２３内の複数の流路２７のそれぞれに高温側流体を分配するように構成されている。高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２内から流出した高温側流体を所定の場所に流すための図外の配管に接続されるように構成されている。高温側流出ヘッダ１８は、高温層２３内の各流路２７から流出した高温側流体を合流させて、この合流した高温側流体を、当該ヘッダ１８に接続された配管に流出させる。

低温側流体としては、例えば、液化天然ガス、液化窒素、液化水素等の極低温の液化ガスを例示することができる。また、高温側流体としては、温水、海水、エチレングリコール等の液状の流体を例示することができる。すなわち、低温側流体及び高温側流体は、低温側流体の温度が高温側流体の凝固点よりも低くなる関係となっていてもよい。

図２に示すように、積層体１２は、低温層２１と、低温層２１に積層された高温層２３とを有している。積層体１２は、低温層２１及び高温層２３が交互に繰り返されるように、複数の低温層２１と複数の高温層２３とを有している。低温層２１及び高温層２３は、それぞれ熱伝導性の高い材質の金属材によって構成されていて、例えば、重ね合わされた複数の金属板２９，３０同士を拡散接合することによって積層体１２が形成されている。

低温層２１は、複数の流路（低温側流路）２５を含む偏平な領域として形成されている。また、高温層２３には、複数の流路（高温側流路）２７を含む偏平な領域として形成されている。低温側流路２５は、一方向に並ぶように配置され、また高温側流路２７は、低温側流路２５が並ぶ方向と平行な方向に並ぶように配置されている。すなわち、板面に間隔をおいて複数の溝が形成された金属板２９，３０同士を重ね合わせて拡散接合するため、一方向に並ぶように低温側流路２５及び高温側流路２７が形成される。低温側流路２５及び高温側流路２７は、何れも断面が半円形状に形成されている。各低温側流路２５には、低温側流入ヘッダ１４を通して低温側流体が流入する。また、高温側流路２７には、高温側流入ヘッダ１７を通して高温側流体が流入する。

ここで、拡散接合とは、金属板２９，３０同士を互いに密着させ、金属板２９，３０を構成する素材の融点以下の温度条件で、かつ塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して金属板２９，３０同士を接合する方法である。このため、隣接する層間の境界が明確に現れているわけではない。なお、各層は、拡散接合によって接合されるものに限られない。この場合、層同士の境界が現れていてもよい。

図示省略しているが、積層体１２における高温層２３及び低温層２１の積層方向における両端部にはそれぞれ端板が配置されている。高温層２３及び低温層２１は、この端板間に挟み込まれた構成となっている。

図３は、高温層２３を形成する金属板２９の板面を概略的に示している。金属板２９は細長い矩形状に形成されており、金属板２９の板面には複数の溝３２が並ぶように形成されている。この溝３２は、積層体１２が形成されたときに高温側流路２７を形成する溝である。溝３２の一端部３２ａは、矩形の一方の長辺における端部の近傍に開口していて、この開口から矩形の短辺に沿う方向に延びている。そして、溝３２は、矩形に短辺に沿う方向から折れ曲がり、矩形の長辺に沿う方向に延びている。そして、溝３２は、再度折れ曲がり、再び短辺に沿う方向に延びている。溝３２の他端部３２ｂは、もう一方の長辺（溝３２の一端部３２ａが開口する長辺とは反対側の長辺）における端部の近傍に開口している。溝３２は全体として見ると２箇所で折れ曲がる形状であるが、溝３２は、微視的には、直線状に延びているのではなく、波形に延びている。なお、溝３２は、波形に形成されているのではなく、直線状に延びていてもよい。

図４は、低温層２１を形成する金属板３０の板面を概略的に示している。金属板３０は高温層２３を形成する金属板２９と同じ外形を有しており、金属板３０の板面には複数の溝３４が並ぶように形成されている。この溝３４は、積層体１２が形成されたときに低温側流路２５を形成する溝である。溝３４の一端部３４ａは、矩形の一方の短辺に開口し、矩形の長辺に沿う方向に延びている。そして、溝３４の他端部３４ｂは、矩形のもう一方の短辺に開口している。

低温層２１に形成された溝３４、すなわち、低温層２１の低温側流路２５は、それぞれ、上流側部３７と、下流側部３８と、を有している。上流側部３７は、低温側流入ヘッダ１４に繋がる部分であり、下流側部３８は、低温側流出ヘッダ１５に繋がる部分である。すなわち、低温側流入ヘッダ１４を通して導入された低温側流体は、各低温側流路２５の上流側部３７を流れ、上流側部３７を流れ出た低温側流体は、下流側部３８を流れて低温側流出ヘッダ１５内で合流される。上流側部３７においては、液状の低温側流体は、高温側流体の熱によって加熱され、その少なくとも一部が蒸発する。下流側部３８においては、蒸発した低温側流体が高温側流体の熱によってさらに加温される。すなわち、上流側部３７は、低温側流体が蒸発する蒸発部であり、下流側部３８は、蒸発した低温側流体がさらに加熱される加温部である。

上流側部３７はそれぞれ、直線状に延びる形状であり、下流側部３８はそれぞれ波形に延びる形状となっている。また、上流側部３７における流路ピッチは、下流側部３８における流路ピッチよりも広く設定されている。例えば、上流側部３７における流路ピッチは、下流側部３８における流路ピッチの２倍のピッチとなっている。このように、上流側部３７と下流側部３８とにおいて流路形状及び流路ピッチが異なることにより、低温層２１における所定面積に占める上流側部３７の面積の割合は、低温層２１における所定面積に占める下流側部３８の面積の割合よりも低く設定されている。つまり、低温層２１における所定面積のうち、上流側部３７によって形成される伝熱面の面積の割合が、下流側部３８によって形成される伝熱面の面積の割合よりも低く設定されている。これにより、上流側部３７における伝熱性能が下流側部３８における伝熱性能に比べて低く抑えられている。この結果、低温側流体が蒸発する上流側部３７における壁面温度を高温層２３の温度に近づけることができる。

この点について、図５を用いて、具体的に説明する。図５は、高温側流体の温度と、高温層２３を構成する部材温度（高温側流路２７と低温側流路２５との間に位置する金属板２９の温度、壁面温度）と、低温側流体の温度との関係を説明するものである。

高温側流路２７内を流れる高温側流体の温度をＴ_Ｈ（℃）とし、低温側流路２５内を流れる低温側流体の温度とＴ_Ｌ（℃）とし、高温側流路２７と低温側流路２５との間に位置する部材（金属板２９）の温度即ち壁面温度をＴ_Ｗ（℃）とする。温度Ｔ_Ｗは、高温側流路２７における伝熱面の温度Ｔ_Ｗ１（℃）と、低温側流路２５における伝熱面の温度Ｔ_Ｗ２（℃）との平均値として表すことができる。高温側流路２７によって形成される伝熱面の面積をＡ_Ｈ（ｍ^２）とし、低温側流路２５によって形成される伝熱面の面積をＡ_Ｌ（ｍ^２）とし、高温側流路２７によって形成される伝熱面における熱伝達率をｈ_Ｈ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）とし、低温側流路２５によって形成される伝熱面における熱伝達率をｈ_Ｌ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）とする。

高温側流路２７によって形成される伝熱面を通過する熱量ｑ_１及び低温側流路２５によって形成される伝熱面を通過する熱量ｑ_２はそれぞれ以下の式（１）（２）で表すことができる。
ｑ_１＝ｈ_Ｈ×Ａ_Ｈ×（Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｗ）・・・（１）
ｑ_２＝ｈ_Ｌ×Ａ_Ｌ×（Ｔ_Ｗ−Ｔ_Ｌ）・・・（２）

熱量ｑ_１と熱量ｑ_２は等しくなるため、熱量ｑ_１が一定であると仮定した場合において、例えば低温側流路２５における伝熱面の面積Ａ_Ｌが小さく設定されれば、式（１）及び式（２）から、壁面温度Ｔ_Ｗは高くなる。すなわち、上流側部３７の面積が小さく設定されれば、壁面温度Ｔ_Ｗが高くなるため、壁面温度Ｔ_Ｗを高温層２３の温度に近づけることができる。また、上流側部３７において、熱伝達率ｈ_Ｌが小さくなるように設定される場合も同様である。

なお、本実施形態では、上流側部３７と下流側部３８とにおいて、流路形状及び流路ピッチが異なる設定となっているが、これに限られない。例えば、低温側流路２５の上流側部３７が直線状に形成されるとともに下流側部３８が波形又はジグザグ状に形成される一方で、流路ピッチ及び流路幅が上流側部３７と下流側部３８とにおいて同じに設定されることにより、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の伝熱面の面積の割合が、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の伝熱面の面積の割合よりも低く設定されていてもよい。あるいは、上流側部３７及び下流側部３８の流路形状及び流路幅が同じに形成される一方で、上流側部３７の流路ピッチが下流側部３８の流路ピッチよりも広く設定されていてもよい。あるいは、上流側部３７及び下流側部３８において流路形状及び流路ピッチが同じに形成される一方で、上流側部３７の流路幅が下流側部３８の流路幅よりも狭く設定されていてもよい。

図４に示すように、複数の上流側部３７と、複数の下流側部３８との間には、これらに繋がる連通流路４０が形成されている。連通流路４０は、全ての上流側部３７に繋がっているため、各上流側部３７を流れた低温側流体は連通流路４０に合流する。したがって、上流側部３７間で流量又は圧力に偏り又は差が生じた場合であっても、連通流路４０においてそれが解消される。そして、その状態で低温側流体は各下流側部３８に分流される。

以上説明したように、本実施形態では、低温層２１において、高温側流体によって加熱される前の低温側流体が上流側部３７に流入し、上流側部３７で加熱された低温側流体が下流側部３８を流れる。このため、低温側流体の温度は、上流側部３７において相対的に低く、下流側部３８において相対的に高い。そして、低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部３７において、伝熱面面積の割合が相対的に低く設定されている。このため、上流側部３７においては、低温側流体から低温層２１を構成する部材への伝熱が抑制されている。このため、低温層２１を構成する部材の温度（低温層２１における低温側流路２５の壁面温度）が過度に低下することを抑制することができる。このため、上流側部３７を流れる低温側流体によって冷却される高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。一方、上流側部３７において蒸発した低温側流体をさらに加温する下流側部３８においては、伝熱面面積の割合が相対的に高く設定されている。これにより、上流側部３７に比べ所定面積中の伝熱性能が高い。したがって、低温側流体を所望の温度まで加温することができる。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を抑制しつつ、所望の温度の低温側流体を得ることができる。しかも、高温層２３に隣接する第２高温層が設けられない場合であっても、高温側流体の過度の温度低下を抑制することができる。

また本実施形態では、低温側流路２５の下流側部３８が波形形状を有する。このため、低温側流体の飛沫同伴による伝熱性能低下を抑制することができる。すなわち、低温側流路２５が波形に形成されている場合、低温側流体が気液二相状態で流れる場合であっても、飛沫同伴された液滴が流路壁面に衝突しやすくなる。つまり、波形の流路においては、ガス（低温側流体）の流れが乱れやすいため、流路壁面に沿ってガス層が形成されることが抑制される。したがって、ガス層が形成されることによって壁面での伝熱が阻害されるという事態が生ずることを抑制することができる。言い換えると、低温側流体の飛沫が同伴されることによる蒸発が促進され、熱交換性能が低下することを避けることができる。

また本実施形態では、低温層２１が、上流側部３７のそれぞれに繋がるとともに下流側部３８のそれぞれに繋がる連通流路４０を備えている。このため、上流側部３７において低温側流体の偏流が発生したとしても、低温側流体が連通流路４０に流入することによって、低温側流体の偏流が解消する。したがって、低温側流体が下流側部３８に流入する際の偏流を防止することができ、各下流側部３８において低温側流体の圧力に差が生ずることを抑制することができる。また、流路毎の偏流が抑制されることにより、低温層２１及び高温層２３を構成する部材に熱応力の偏りが生ずることを抑制することができる。

本実施形態において、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の面積の割合は、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の面積の割合の１／６以上１／２以下に設定されていてもよい。面積比が１／６以上に設定されることにより、上流側部３７における圧力損失が過大になることを防止することができるとともに、上流側部３７における熱交換量が小さくなり過ぎることを防止できることにより、高温側流体が所定の温度まで加熱されないことを防止することができる。また、面積比が１／２以下に設定されることにより、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を効果的に抑制することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

例えば、前記実施形態では、上流側部３７が直線状に形成されるとともに、下流側部３８が波形に形成されているのに対し、図６に示す形態では、上流側部３７及び下流側部３８の何れも直線状に形成される一方で、上流側部３７の流路ピッチが下流側部３８の流路ピッチよりも大きく設定されている。より具体的には、上流側部３７の流路幅が下流側部３８の流路幅と同じ寸法であるのに対し、上流側部３７の流路ピッチは、下流側部３８の流路ピッチの流路ピッチの２倍に設定されている。すなわち、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の伝熱面の面積の割合が、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の伝熱面の面積の割合の１／２に設定されている。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を効果的に抑制することができる。また、上流側部３７における流路ピッチが下流側部３８における流路ピッチの２倍に設定されることにより、低温側流体の流入部近傍において積層体１２内の温度変化が緩やかになり、起動、停止、運転時の熱応力変化が抑制される。

図６に示す形態は、図４に示す形態と異なり、低温側流路２５は途中で折れ曲がっている。すなわち、金属板３０の板面に形成された溝３４の一端部３４ａは、矩形の一方の長辺における端部の近傍に開口し、溝３４の他端部３４ｂは、もう一方の長辺における端部の近傍に開口している。そして、溝３４は、一端部３４ａから矩形の短辺に沿う方向に延びるとともに、そこから矩形の長辺に沿う方向に向けて折れ曲がり、さらに、そこから再び、矩形の短辺に沿う方向に向けて折れ曲がっている。そして、低温側流入ヘッダ１４は、積層体１２の長手方向において、高温側流入ヘッダ１７と反対側の端部に配置され、また、低温側流出ヘッダ１５は、積層体１２の長手方向において、高温側流出ヘッダ１８と反対側の端部に配置されている。したがって、この形態でも、図１の形態と同様に、低温側流体と高温側流体とが対向流となって流れる形態となっている。

図６に示す形態でも、複数の上流側部３７と複数の下流側部３８とに繋がる連通流路４０が形成されている。連通流路４０の幅は、上流側部３７の幅及び下流側部３８の幅と同じ寸法に設定されている。例えばエッチング加工によって溝３４を形成する場合、連通流路４０の幅及び深さが上流側部３７の幅及び深さ及び下流側部３８の幅及び深さと同じに形成されていれば、これらを同時に加工することが可能となり、製作が容易となる。ただし、連通流路４０の幅及び深さはこれに限られるものではない。それぞれの目的及び機能に応じて、連通流路４０の幅が上流側部３７の幅及び下流側部３８の幅よりも広く設定されていても、狭く設定されていてもよい。また、連通流路４０の深さは、上流側部３７の深さ及び下流側部３８の深さと同じであっても異なっていてもよい。

連通流路４０は、上流側部３７及び下流側部３８が延びる方向に対して傾斜した方向に延びている。すなわち、連通流路４０は、各上流側部３７が折れ曲がっている部位を繋ぐように延びる仮想直線ＥＬに平行な方向に延びている。これは、低温側流路２５が途中の２箇所で折れ曲がる形状に形成されているため、上流側部３７において矩形の長辺に沿って延びる部位の長さが何れも同じになるようにするためである。連通流路４０に繋がるまでの各上流側部３７の長さが同じに構成されることにより、各上流側部３７の圧力損失（流動抵抗）を同じにすることができる。

前記実施形態では、積層体１２において、高温層２３と低温層２１とが交互に繰り返されるように積層された構成としたが、これに代え、図７に示すように、積層体１２が、高温層２３（第１高温層２３）と低温層２１に加え、第２高温層４２を有する構成としてもよい。第２高温層４２は、複数の流路４３を有しており、低温層２１とは反対側において高温層２３に積層されている。第２高温層４２の流路（高温側流路）４３には、高温層２３と同様に、高温側流体が流れる。すなわち、高温側流入ヘッダ１７に流入した高温側流体は、高温層２３の流路（高温側流路）２７だけでなく、第２高温層４２の流路４３にも流入する。第２高温層４２に形成された複数の流路４３は、高温層２３に形成された流路２７が並ぶ方向と平行な方向に並んでいる。

この形態では、第２高温層４２は、低温側流体によって冷却され難く、高温側流体によって加温されて高温に維持されやすい。このため、低温層２１の上流側部３７に積層される一方で第２高温層４２が積層される高温層２３は、低温側流体によって過度に冷却され難い。したがって、高温側流体の温度が過度に低下することをより一層抑制することができる。

高温側流体の流れる方向に直交する面内において、第２高温層４２の流路４３の面積は、高温層２３の流路２７の面積よりも小さく設定されている。したがって、第２高温層４２の流路４３を流れる高温側流体の流速を、高温層２３の流路２７を流れる高温側流体の流速よりも高くすることができる。ただし、この構成に限られるものではなく、高温側流体の流れる方向に直交する面内における第２高温層４２の流路４３の面積が、高温層２３の流路２７の断面積と同じ面積に設定されていてもよい。また、高温側流体の流れる方向に直交する面内において、低温層２１の流路２５の面積と、高温層２３の流路２７の面積と、第２高温層４２の流路４３の面積とが同じ面積に設定されていてもよい。

１０積層型熱交換器
１２積層体
２１低温層
２３高温層
２５低温側流路（流路）
２７高温側流路（流路）
３７上流側部
３８下流側部
４０連通流路
４２第２高温層
４３流路

前記の目的を達成するため、本発明は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備える積層型熱交換器である。前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記低温側流体が導入される上流側部と、前記上流側部の下流側に位置する下流側部と、を有し、前記上流側部は、前記低温層の所定面積中において伝熱面の占める割合が前記下流側部よりも低く設定されている。前記上流側部では、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発し、前記下流側部では、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される。

前記上流側部と前記下流側部とにおいて流路形状、流路ピッチ及び流路幅の少なくとも一つが異なることにより、前記低温層の所定面積中において前記伝熱面の占める割合が、前記下流側部よりも前記上流側部の方が低く設定されていてもよい。

Claims

高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、
前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備え、
前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有し、
前記低温層において所定面積に占める前記上流側部の面積の割合は、前記低温層において所定面積に占める前記下流側部の面積の割合よりも低く設定されている積層型熱交換器。
請求項１に記載の積層型熱交換器において、
流路形状、流路ピッチ及び流路幅の少なくとも一つが異なることにより、前記低温層において所定面積に占める前記上流側部の面積の割合が、前記低温層において所定面積に占める前記下流側部の面積の割合よりも低く設定されている積層型熱交換器。
請求項１に記載の積層型熱交換器において、
前記高温側流体が導入される複数の流路を有し、前記低温層とは反対側において前記高温層に積層された第２高温層をさらに備えている積層型熱交換器。
請求項１から３の何れか１項に記載の積層型熱交換器において、
前記低温層は、前記複数の流路のそれぞれの前記上流側部に連通するとともに、前記複数の流路のそれぞれの前記下流側部に連通する連通流路を備えている積層型熱交換器。