JP2021165602A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器において熱交換性能を向上させる。【解決手段】熱交換器１は、第１流体を流す複数の第１流路１０と、第２流体を流す複数の第２流路２０とを含み、第１流体と第２流体との間で熱交換させるものである。第１流路１０および第２流路２０は、同方向に延びており、当該延び方向に対する直交断面においてＸ方向およびＹ方向に沿ってそれぞれ並んでいる。第１流路１０がＸ方向に並ぶ第１流路群Ｇ１と、第２流路２０が同じくＸ方向に並ぶ第２流路群Ｇ２とが、Ｘ方向に交互に配置されている。互いに隣り合う４つの第１流路１０に囲まれた矩形の単位領域Ｒには、複数の第２流路２０が含まれる。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器に関する。

近年の造形技術の進歩により、様々な形状の熱交換器が設計されている。例えば、特許文献１には、積層造形（ＡＭ：Additive Manufacturing）によって製造された熱交換器が開示されている。このような熱交換器は、複数の非常に薄い層を互いに固着することにより形成されるため、流路の設計自由度が高い。熱交換器では、複数の流路を流れる流体間で熱交換が実現されるため、流路の設計自由度が向上することで、熱交換器の熱交換性能の向上および小型化を図ることができる。

特表２０１８−５２８３８２号公報

特許文献１の熱交換器では、同じ流体が流れる流路が隣接して配置されている。即ち、同じ温度を有する流体が隣接流路を流れており、そのような隣接流路間では熱交換がなされない。また、熱交換対象となる異なる流体が流れる２種類の流路間の距離も大きい。従って、特許文献１の熱交換器には、熱交換性能に改善の余地がある。

本発明は、熱交換器において熱交換性能を向上させることを課題とする。

本発明は、第１流体を流す複数の第１流路と、第２流体を流す複数の第２流路とを含み、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換させる熱交換器であって、前記第１流路および前記第２流路は、同方向に延びており、当該延び方向に対する直交断面において縦方向および横方向に沿ってそれぞれ並んでおり、前記第１流路が前記横方向に並ぶ第１流路群と、前記第２流路が同じく前記横方向に並ぶ第２流路群とが、縦方向に交互に配置され、互いに隣り合う４つの前記第１流路に囲まれた矩形の単位領域には、複数の前記第２流路が含まれる、熱交換器を備える熱交換器を提供する。

この構成によれば、第１流路群と第２流路群とが縦方向に交互に配置されているため、第１流体と第２流体との間での熱交換を効率的に実現できる。また、単位領域において、複数（少なくも２つ）の第２流路が含まれるため、互いに隣り合う４つの第１流路を流れる第１流体に対して複数の第２流路を流れる第２流体が熱交換できる。また、単位領域内に複数の第２流路が設けられているため、１つの第２流路が設けられている場合に比べて、第２流路を形成する壁部の面積が増大し、伝熱面積が増大する。従って、熱交換性能を向上させることができる。なお、「縦方向」および「横方向」の用語は、単に直交する２つの方向を示しており、熱交換器の形状に関して縦および横を規定するものではない。

前記第１流路および前記第２流路は、隣接配置され、前記第１流路を形成する壁部および前記第２流路を形成する壁部は、部分的に共用されていてもよい。

この構成によれば、第１流体と第２流体との熱交換が部分的に共用される壁部を介した直接的な熱伝導によって実現される。換言すれば、第１流路と第２流路が離間していないため、第１流路と第２流路との間の距離を縮めることができ、熱交換器の熱交換性能の向上とともに熱交換器１の小型化を実現できる。

前記単位領域内の複数の前記第２流路を仕切る壁部は、前記直交断面において、直線部分を含む形状であってもよい。

この構成によれば、単位領域内の第２流路の形状が複雑化することを抑制でき、単位領域内の第２流路を流れる第２流体の流量を確保できる。好ましくは、単位領域内の複数の第２流路を仕切る壁部は上記直交断面において直線状である。

前記直交断面において、前記第２流路の形状は、多角形状であってもよい。

この構成によれば、第２流路の形状が円または楕円などの場合に比べて、第２流路を形成する壁部の内面の面積を多く確保できる。従って、伝熱面積を多く確保でき、熱交換性能を一層向上できる。

前記縦方向において２つの前記第２流路群に挟まれた前記第１流路群では、少包囲第１流路と多包囲第１流路とが前記横方向に交互に配置され、前記多包囲第１流路は、前記少包囲第１流路に比べて２倍の数の前記第２流路に包囲されていてもよい。

この構成によれば、熱交換器全体として均一な構造を確保しながら、上記構成を具体的に実現できる。熱交換器全体として均一な構造を確保することにより、熱歪が集中して発生することを抑制できる。

前記少包囲第１流路と前記多包囲第１流路とが、前記縦方向にも交互に配置されていてもよい。

この構成によれば、熱交換器全体として一層均一な構造を確保しながら、上記構成を具体的に実現できる。

前記第１流路および前記第２流路を形成する壁部は、前記縦方向へ積み重なった積層構造であるか、前記横方向へ積み重なった積層構造であるか、または前記縦方向および前記横方向に対して交差する方向へ積み重なった積層構造であってもよい。

この構成によれば、熱交換器が積層造形によって製造されるため、第１流路および第２流路を密に配置した流路設計を容易に行うことができる。積層方向は製造性に影響を与えることもあるため、上記様々な積層方向によって容易に熱交換器を設計し得る。なお、積層造形によって製造された製品は、造形痕を確認することにより、積層方向を確認することができる。ここでは、そのような造形痕を含む積層方向を考慮した構造を積層構造と称している。

複数の前記第１流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚が均一な厚みであるか、または、複数の前記第２流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚が均一な厚みであってもよい。

この構成によれば、複数の第１流路を流れる第１流体の加熱量もしくは冷却量を均一にできるか、または、複数の第２流路を流れる第２流体の加熱量もしくは冷却量を均一にできる。特に、積層造形によって熱交換器を製造する場合には、一体の造形物の中でも各壁部の厚みを容易に変更できる。

複数の前記第１流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚と、複数の前記第２流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚とが、全て均一な厚みであってもよい。

この構成によれば、熱交換器全体の熱交換量を均一にできる。また、熱交換器の構造も単純化できるため、その製造も容易となる。

前記第１流路および前記第２流路は、少なくとも部分的に曲線状に延びていてもよい。

この構成によれば、第１流路および第２流路が直線的に延びている場合と比べて、第１流体および第２流体が第１流路および第２流路内をそれぞれ乱れて流れる。従って、第１流体の第１流路の壁部に対する伝熱量と、第２流体の第２流路の壁部に対する伝熱量とをそれぞれ大きくすることができる。従って、熱交換器の熱交換性能を一層向上できる。

本発明によれば、熱交換器において熱交換性能を向上できる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の斜視図。 図１の熱交換器の平面図。 図２の熱交換器のIII-III線に沿った断面図。 図２の熱交換器の一部を拡大した平面図。 図４の第１流路に斜線を付した平面図。 図４の第２流路に斜線を付した平面図。 図４において第１流路を形成する壁部および第２流路を形成する壁部の共用部分に斜線を付した平面図。 図３の熱交換器の変形例を示す断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器１の一部分を示す斜視図である。図２は、図１の熱交換器１の平面図を示している。なお、図１では、破線円で囲まれた部分が拡大して示されている。

図１，２を参照して、本実施形態の熱交換器１は、第１流体と第２流体との間で熱交換させるものである。熱交換器１は、中央部に２種類の貫通孔が設けられた直方体状の本体部５を有している。２種類の貫通孔は、第１流体を流す複数の第１流路１０と、第２流体を流す複数の第２流路２０とを含む。図示しないが、複数の第１流路１０は第１流体を流すための管に流体的に接続され、複数の第２流路２０は第２流体を流すための管に流体的に接続される。

第１流体は、例えば水素であり得る。第２流体は、例えばエチレングリコール水溶液であり得る。ただし、第１流体および第２流体の種類は、特に限定されない。

図１，２では、図示を明瞭にするため、第１流路１０および第２流路２０について、全部に符号を付しておらず、一部のみに符号を付している。また、第１流路１０および第２流路２０が本体部５を貫通している方向をＺ方向（高さ方向）とし、Ｚ方向に直交する平面をＸ−Ｙ平面とする。Ｘ−Ｙ平面において、直交する２方向をＸ方向（横方向）およびＹ方向（縦方向）とする。これらは、以降の図でも同様である

本実施形態の熱交換器１は、金属の積層造形を用いることを前提に設計され、その設計に基づいて製造されている。例えば、熱交換器１は、レーザ粉末焼結積層造形（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）によって製造されている。ＳＬＭでは、金属粉末を敷き詰め、熱源となるレーザで造形部分を溶融および凝固させることを繰り返して所望の形状を形成する。このような形状形成は、従来の鋳型などを用いた製造方法とは異なる形状形成であることから、ＳＬＭを活用すると、例えば鋳型などによる製造では比較的困難であった自由な流路設計が可能となる。

本実施形態の熱交換器１は、例えばＺ方向へ積み重ねるように形成する積層造形によって製造されている。即ち、かかる造形の場合、第１流路１０および第２流路２０を形成する壁部１１，２１は、Ｚ方向へ積み重なった積層構造を有している。代替的には、第１流路１０および第２流路２０を形成する壁部１１，２１は、Ｘ方向へ積み重なった積層構造を有してもよいし、Ｙ方向へ積み重なった積層構造を有してもよいし、またはＸ方向およびＹ方向に対して交差する方向へ積み重なった積層構造を有してもよい。

なお、以上では、パウダーヘッド方式の積層造形のうちレーザビーム方式であるＳＬＭを一例として挙げているが、これに限定されるものではなく、例えば、電子ビーム方式のＥＬＭ（Electron beam melting）でもよいし、メタルデポジッション方式の積層造形のうちのレーザビーム方式（ＬＭＤ：Laser metal deposition）であってもよい。また、積層造形以外のその他の製法であっても、本明細書に記載する流路設計を具現化できる製法であれば、特に限定されるものではない。

図３は、図２の熱交換器のIII-III線に沿った断面図を示している。図３では、断面を示す部分にハッチングを付している。

図１〜３を併せて参照して、第１流路１０は、Ｚ方向に直線状に延びている。第１流路１０のＺ方向に対する直交断面（Ｘ−Ｙ平面）の形状は、円形である（後述の図５を併せて参照）。即ち、第１流路１０を構成する壁部１１は、円筒状である。第１流路１０は、当該直交断面（Ｘ−Ｙ平面）において、Ｘ方向（横方向）およびＹ方向（縦方向）に沿って並んでいる。

第２流路２０は、第１流路１０と同方向（Ｚ方向）に直線状に延びている。第２流路２０のＺ方向に対する直交断面（Ｘ−Ｙ平面）は、概ね等脚台形である（後述の図６を併せて参照）。即ち、第２流路２０を構成する壁部２１は、台形筒状である。本実施形態では、第２流路２０の流路面積は、第１流路１０の流路面積よりも大きい。従って、少量の第１流体と多量の第２流体とが熱交換する。また、第２流路２０は、当該直交断面（Ｘ−Ｙ平面）において、Ｘ方向（横方向）およびＹ方向（縦方向）に沿って並んでいる。

図４は、図２の熱交換器１の一部（破線で示す矩形部）を拡大した平面図を示している。図５は、図４の第１流路１０に斜線を付した平面図である。図６は、図４の第２流路２０に斜線を付した平面図である。図７は、図４において第１流路１０を形成する壁部１１および第２流路２０を形成する壁部２１の共用部分に斜線を付した平面図である。

図４〜７を参照して、第１流路１０および第２流路２０は、Ｘ−Ｙ平面において密に配置されている。詳細には、第１流路１０は、格子状に配置され、第１流路１０の間に第２流路２０が隙間なく配置されている。従って、第１流路１０および第２流路２０は互いに隣接して配置され、熱交換が促進される。特に、第１流路１０を形成する壁部１１および第２流路２０を形成する壁部２１は、部分的に共用されている（図７の斜線部参照）。

特に図４を参照して、第１流路１０と第２流路２０との相対的な配置関係を確認すると、第１流路１０がＸ方向に並んだ第１流路群Ｇ１と、第２流路２０が同じくＸ方向に並んだ第２流路群Ｇ２とが、Ｙ方向に交互に配置されている。また、互いに隣り合う４つの第１流路１０に囲まれた矩形の単位領域Ｒには、複数（本実施形態では２つ）の第２流路２０が含まれている。単位領域Ｒ内の２つの第２流路２０を仕切る壁部２１ａは、Ｚ方向に対する直交断面（Ｘ−Ｙ平面）において、直線形状を有している。代替的には、単位領域Ｒ内の２つの第２流路２０を仕切る壁部２１ａは、部分的に直線形状を有するとともに部分的に曲線形状を有するような直線部分を含む形状であってもよい。

特に図５を参照して、第１流路１０は、少包囲第１流路１０ａと多包囲第１流路１０ｂとを含んでいる。多包囲第１流路１０ｂは、少包囲第１流路１０ａに比べて２倍の数の第２流路２０に包囲されている。図５に示す例では、一点鎖線の矩形内の多包囲第１流路１０ｂは８つの第２流路２０に包囲されており、二点鎖線矩形内の少包囲第１流路は４つの第２流路２０に包囲されている。少包囲第１流路１０ａおよび多包囲第１流路１０ｂは、Ｘ方向に交互に配置されている。また、本実施形態では、少包囲第１流路１０ａと多包囲第１流路１０ｂとは、Ｙ方向にも交互に配置されている。

本実施形態では、複数の第１流路１０のそれぞれを形成する壁部１１の肉厚と、複数の第２流路２０のそれぞれを形成する壁部２１の肉厚とが、全て均一な厚みである。ここで、「均一」とは、完全に一致する場合だけでなく、材料の引張強度または疲労硬度の観点から微小な差異を許容するものである。例えば、積層造形においては、２００μｍ程度の差異は均一として許容される。

本実施形態の熱交換器１によれば、以下の作用効果を奏する。

図４を参照して、第１流路群Ｇ１と第２流路群Ｇ２とがＹ方向に交互に配置されているため、第１流体と第２流体との間での熱交換を効率的に実現できる。また、単位領域Ｒにおいて、複数（少なくも２つ）の第２流路２０が含まれるため、互いに隣り合う４つの第１流路１０を流れる第１流体に対して複数の第２流路２０を流れる第２流体が熱交換できる。また、単位領域Ｒ内に複数の第２流路２０が設けられているため、１つの第２流路２０が設けられている場合に比べて、第２流路２０を形成する壁部２１の面積が増大し、伝熱面積が増大する。従って、熱交換性能を向上させることができる。

図７を参照して、第１流体と第２流体との熱交換が部分的に共用される壁部（１１，２１）を介した直接的な熱伝導によって実現される。換言すれば、第１流路１０と第２流路２０とが離間していないため、第１流路１０と第２流路２０との間の距離を縮めることができ、熱交換器１の熱交換性能の向上とともに熱交換器１の小型化を実現できる。

図４を参照して、単位領域Ｒ内の第２流路２０を仕切る壁部２１ａが直線形状であるため、当該第２流路２０の形状が複雑化することを抑制でき、単位領域Ｒ内の第２流路２０を流れる第２流体の流量を確保できる。

図６を参照して、Ｚ方向に対する直交断面（Ｘ−Ｙ平面）において、第２流路２０の形状が台形であるため、第２流路２０の形状が円または楕円などの場合に比べて、第２流路２０を形成する壁部２１の内面の面積を多く確保できる。従って、伝熱面積を多く確保でき、熱交換性能を一層向上できる。

図５を参照して、少包囲第１流路１０ａと多包囲第１流路１０ｂとがＸ方向に交互に配置され、多包囲第１流路１０ｂは少包囲第１流路１０ａに比べて２倍の数の第２流路２０に包囲されている。そのため、熱交換器１全体として均一な構造を確保しながら、本実施形態の構成を具体的に実現できる。熱交換器１全体として均一な構造を確保することにより、熱歪が集中して発生することを抑制できる。

少包囲第１流路１０ａと多包囲第１流路１０ｂとが、Ｙ方向にも交互に配置されているため、熱交換器全体として一層均一な構造を確保しながら、本実施形態の構成を具体的に実現できる。

なお、熱交換器１が、例えば積層造形によって製造される場合、第１流路１０および第２流路２０を本実施形態のように密に配置した流路設計を容易に行うことができる。

複数の第１流路１０のそれぞれを形成する壁部１１の肉厚と、複数の第２流路２０のそれぞれを形成する壁部２１の肉厚とが、全て均一な厚みであるため、熱交換器１全体の熱交換量を均一にできる。また、熱交換器１の構造も単純化できるため、その製造も容易となる。

代替的には、複数の第１流路１０のそれぞれを形成する壁部１１の肉厚を揃えるとともに、複数の第２流路２０のそれぞれを形成する壁部２１の肉厚を第１流路１０の壁部１１の肉厚とは別の肉厚で揃えてもよい。これにより、複数の第１流路１０を流れる第１流体の加熱量もしくは冷却量を均一にできるか、または、複数の第２流路２０を流れる第２流体の加熱量もしくは冷却量を均一にできる。なお、積層造形によって熱交換器１を製造する場合には、一体の造形物の中でも各壁部１１，２１の厚みを容易に変更できる。

（変形例）
第１流路１０および第２流路２０は、少なくとも部分的に曲線状に延びていてもよい。

図８は、図３の熱交換器１の変形例を示す断面図である。図８では、第１流路１０の延び方向が波状となっている。この場合、詳細を図示しないが、第２流路２０は、第１流路１０に沿って同様に波状に延びている。代替的には、第１流路１０および第２流路２０は、らせん状に延びていてもよい。

本変形例によれば、第１流路１０および第２流路２０が直線的に延びている場合と比べて、第１流体および第２流体が第１流路１０および第２流路２０内をそれぞれ乱れて流れる。従って、第１流体の第１流路１０の壁部１１に対する伝熱量と、第２流体の第２流路２０の壁部２１に対する伝熱量とをそれぞれ大きくすることができる。従って、熱交換器１の熱交換性能を一層向上できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１ 熱交換器
５ 本体部
１０ 第１流路
１０ａ 少包囲第１流路
１０ｂ 多包囲第１流路
１１ 壁部
２０ 第２流路
２１ 壁部
２１ａ 壁部
Ｇ１ 第１流路群
Ｇ２ 第２流路群
Ｒ 単位領域

Claims (10)

1. 第１流体を流す複数の第１流路と、第２流体を流す複数の第２流路とを含み、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換させる熱交換器であって、
   前記第１流路および前記第２流路は、同方向に延びており、当該延び方向に対する直交断面において縦方向および横方向に沿ってそれぞれ並んでおり、
   前記第１流路が前記横方向に並ぶ第１流路群と、前記第２流路が同じく前記横方向に並ぶ第２流路群とが、縦方向に交互に配置され、
   互いに隣り合う４つの前記第１流路に囲まれた矩形の単位領域には、複数の前記第２流路が含まれる、熱交換器。
2. 前記第１流路および前記第２流路は、隣接配置され、
   前記第１流路を形成する壁部および前記第２流路を形成する壁部は、部分的に共用されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記単位領域内の複数の前記第２流路を仕切る壁部は、前記直交断面において、直線部分を含む形状である、請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記直交断面において、前記第２流路の形状は、多角形状である、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記縦方向において２つの前記第２流路群に挟まれた前記第１流路群では、少包囲第１流路と多包囲第１流路とが前記横方向に交互に配置され、
   前記多包囲第１流路は、前記少包囲第１流路に比べて２倍の数の前記第２流路に包囲されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記少包囲第１流路と前記多包囲第１流路とが、前記縦方向にも交互に配置されている、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１流路および前記第２流路を形成する壁部は、
   前記縦方向へ積み重なった積層構造であるか、
   前記横方向へ積み重なった積層構造であるか、または
   前記縦方向および前記横方向に対して交差する方向へ積み重なった積層構造である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 複数の前記第１流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚が均一な厚みであるか、または、複数の前記第２流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚が均一な厚みである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 複数の前記第１流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚と、複数の前記第２流路のそれぞれを形成する壁部の肉厚とが、全て均一な厚みである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 前記第１流路および前記第２流路は、少なくとも部分的に曲線状に延びている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器。

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