JP2022008923A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化対応を含め、熱交換効率の向上を図った熱交換器を提供する。【解決手段】本開示の熱交換器は、複数の第１部材１と、隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材２と、を備えている。また、前記第１部材は、複数の開口部５と、該開口部に繋がる第１流路と、を有する。また、前記第２部材は、隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有する。また、前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路である。また、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路である。また、前記第１部材上において、前記領域に向かって延びる第３部材３をさらに備え、前記第３部材から前記領域に向かって延びる複数の第４部材４をさらに備えている。【選択図】図７

Description

本開示は、熱交換器に関する。
従来、冷却または加熱等の熱交換システムには熱交換器が用いられている。このような熱交換器の一例として、特許文献１には、略平行に並べられた複数の長板と前記長板相互間のスリットからなり、前記長板のいくつかの表面に長手方向に連続して凹みが設けられた基板が複数積層され、隣接する前記基板の前記長板相互が接続されて管を構成するとともに、前記凹みが管内流路を構成し、かつ前記スリットが管外流路を構成してなる熱交換器が提案されている。
特開２００５－３０００６２号公報
本開示の熱交換器は、複数の第１部材と、隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備える。また、前記第１部材は、複数の開口部と、該開口部に繋がる第１流路と、を有する。また、前記第２部材は、隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有する。また、前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路である。また、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路である。また、前記第１部材上において、前記領域に向かって延びる第３部材をさらに備えている。前記第３部材が、対向する前記第１部材と繋がっており、前記第３部材から前記領域に向かって延びる複数の第４部材をさらに備えている。
本開示の熱交換器の一例を示す外観斜視図である。 図１におけるii－ii線での断面図である。 本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。 図３におけるiv－iv線での断面図である。 本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。 図５におけるvi－vi線での断面図である。 本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。 図７におけるvii－vii線での断面図である。 本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。 図９におけるx－x線での断面図である。 本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。 図１１におけるxii－xii線での断面図である。 図１１におけるxiii－xiii線での断面図である。
今般の熱交換器には、小型化対応を含め、熱交換効率の向上が求められている。本開示の熱交換器は、優れた熱交換効率を有する。以下に、本開示の熱交換器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図においては、熱交換器の識別のために数字とアルファベットとにより符号を付すが、各図に特有の構成に関する記載を除いては、数字のみを付して説明する。
本開示の熱交換器１０は、複数の第１部材１を備えている。ここで、図１および図２においては、３個の第１部材１を備える熱交換器１０ａを例に示している。第１部材１の個数が３個以上であるならば、本開示の熱交換器１０は特に小型化に適したものとなる。なお、第１部材１の個数は、これに限定されるものではなく、２個以上であればよい。
また、図１においては、第１部材１の形状が角板状である例を示しているが、これに限定されるものではなく、円板状または楕円板等であっても構わない。
また、本開示の熱交換器１０における第１部材１は、複数の開口部５と、この開口部５に繋がる第１流路６とを有する。図１および図２においては、３個の第１部材１のうち、上段の第１部材１ａおよび中段の第１部材１ｂは４個の開口部５を、下段の第１部材１ｃは２個の開口部５を有している例を示して。なお、開口部５の数は複数であればよく、開口部５の数の異なる第１部材１の構成を含め、図１および図２に示す構成に限定されるものではない。
さらに、本開示の熱交換器１０は、隣り合う第１部材１の間に位置する複数の第２部材２を備える。この第２部材２は、隣り合う第１部材１におけるそれぞれの開口部５に繋がる第２流路７を有する。なお、第２部材２の形状は、第２流路７を有するならば、どのような形状であっても構わない。
本開示の熱交換器１０は、第１部材１における開口部５、第１流路６および第２部材２における第２流路７が第１流体の流路である。ここで、図１および図２に示す熱交換器１０ａにおける第１流体の流路について説明する。まず、第１流体は、上段の第１部材１ａにおける開口部５ＩＮから導入される。そして、各第１部材１の第１流路６および各第２部材２の第２流路７を通過した後、上段の第１部材１ａにおける開口部５ＯＵＴから排出される。
そして、本開示の熱交換器１０においては、隣り合う第１部材１の間の領域が第２流体の流路である。第２流体は、隣り合う第１部材１の間を通過した際、第１流体が流れる第１部材１および第２部材２との間で熱交換が行なわれる。第１流体および第２流体の温度の関係性によって、第２流体を冷却することも加熱することもできる。なお、第１流体および第２流体には、目的に応じて液体または気体等を用いることができる。例えば、第１流体を水等の液体とし、第２流体をガス等の気体とすることができる。
また、本開示の熱交換器１０は、第１部材１上において、隣り合う第１部材１の間の領域に向かって延びる第３部材３をさらに備えている。この第３部材３の存在により、第２流体が隣り合う第１部材１の間を通過する際に、第２流体の流れに変化が生じることから、第２流体が第１部材１および第２部材２に接触する機会が増える。さらに、第３部材３は、第１部材１と繋がっていることで、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されるため、第３部材３と第２流体とで熱交換が行なわれる。よって、このような構成を満足している本開示の熱交換器１０は、優れた熱交換効率を有する。
ここで、第３部材３は、どのような形状であっても構わないが、第２流体の流れを過度に阻害することなく、第３部材３と第２流体との接触面積を大きくできるという点で、第２流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。
なお、以下において、第２流体は、図示面において手前から奥に向かって流れるものとして記載する。また、第１部材１の短手方向を幅方向と記載して説明する。これに基づけば、図１において第３部材３は、第１部材１の幅方向に沿って延びている角板状である。
また、第３部材３は、図１および図２における熱交換器１０ａに示すように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第２流体と熱交換を行なう第３部材３が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
また、第３部材３は、図３および図４に示す熱交換器１０ｂのように、対向する第１部材１のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第３部材３は、第３部材３が繋がっている２個の第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第３部材３と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
また、図５および図６に示す熱交換器１０ｃのように、隣り合う第３部材３における第２流体の流路幅が、入口と出口とで異なっていてもよい。ここで、隣り合う第３部材３とは、図５および図６に示す熱交換器１０ｃによれば、第３部材３ａおよび第３部材３ｂ、第３部材３ｂおよび第３部材３ｃ、第３部材３ｃおよび第３部材３ｄのことである。
そして、第２流体の流路幅が入口と出口とで異なっているとは、第３部材３ａおよび第３部材３ｂを例に挙げると、図６に示すように、入口の流路幅Ｂ１と出口の流路幅Ｃ１との長さが異なるということである。なお、入口の流路幅Ｂ１とは、第２流体の流入側における、第３部材３ａの端部と第３部材３ｂの端部との最短距離のことである。また、出口の流路幅Ｃ１とは、第２流体の流出側における、第３部材３ａの端部と第３部材３ｂの端部との最短距離のことである。
このような構成を満足するならば、第２流体が隣り合う第３部材３の間を流れる際に、第２流体の流速が上がるとともに、乱流が発生することで、熱交換効率が向上する。なお、入口の流路幅Ｂ１と出口の流路幅Ｃ１とにおいて、狭い方の流路幅は、例えば、０．５ｍｍ以上である。
また、図５および図６に示す熱交換器１０ｃのように、隣り合う第３部材３における第２流体の流路を流路Ａとしたとき、流路Ａを複数備え、隣り合う流路Ａは、それぞれの流路Ａにおける第２流体の入口と出口との流路幅の関係性が異なっていてもよい。
ここで、熱交換器１０ｃにおいて、隣り合う流路Ａは、それぞれの流路Ａにおける第２流体の入口と出口との流路幅の関係性が異なっていることを、図６を用いて説明する。まず、第３部材３ａおよび第３部材３ｂにおける第２流体の流路をＡ１、第３部材３ｂおよび第３部材３ｃにおける第２流体の流路をＡ２、第３部材３ｃおよび第３部材３ｄにおける第２流体の流路をＡ３とする。流路Ａ１では、入口の流路幅Ｂ１と出口の流路幅Ｃ１との長さの大小関係において、Ｂ１＞Ｃ１である。流路Ａ２では、入口の流路幅Ｂ２と出口の流路幅Ｃ２との長さの大小関係において、Ｂ２＜Ｃ２である。流路Ａ３では、入口の流路幅Ｂ３と出口の流路幅Ｃ３との長さの大小関係において、Ｂ３＞Ｃ３である。このように、隣り合う流路Ａ（流路Ａ１および流路Ａ２、流路Ａ２および流路Ａ３）において、それぞれの流路Ａにおける入口の流路幅と出口の流路幅との長さの大小関係が異なっている。このような構成を満足するならば、それぞれの流路Ａを第２流体が流れる際に乱流が発生し、熱交換効率が向上する。
また、図７および図８に示す熱交換器１０ｄのように、第３部材３から、隣り合う第１部材１の間の領域に向かって延びる第４部材４をさらに備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第１部材１、第２部材２および第３部材３だけでなく、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱される第３部材３を介して第４部材４でも第２流体との熱交換が行なわれることで熱交換効率が向上する。
ここで、第４部材４は、どのような形状であっても構わないが、第２流体の流れを過度に阻害することなく、第４部材４と第２流体との接触面積を大きくできるという点で、第３部材３と同様に、第２流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。なお、図７においては、第４部材４が、第１部材１の幅方向に沿って延びている角板状である例を示している。
また、第４部材４は、図７および図８に示す熱交換器１０ｄのように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第２流体と熱交換を行なう第４部材４が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
また、第４部材４は、図９および図１０に示す熱交換器１０ｅのように、対向する第３部材３のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第４部材４が繋がっている２個の第３部材３を介して、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第４部材４と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
また、第４部材４は、図１１に示す熱交換器１０ｆのように、第２部材２に接触していてもよい。このような構成を満足するならば、第４部材４が、接触している第２部材２の第２流路７を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第４部材４と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
また、第３部材３および第４部材４の形状が板状である場合、図１０に示す、隣り合う第３部材３間の最短距離ｈ3の平均値をＨ3、隣り合う第４部材４間の最短距離ｈ4の平均値をＨ4としたとき、比Ｈ3／Ｈ4が１以上２０以下であってもよい。
さらに、図１０に示す、各第３部材３の厚みｔ3の平均値をＴ3としたとき、比Ｈ3／Ｔ3が２以上２５以下であってもよい。そして、図１０に示す、各第４部材４の厚みｔ4の平均値をＴ4としたとき、比Ｈ4／Ｔ4が０．５以上２以下であってもよい。
なお、Ｈ3は、例えば０．５ｍｍ～７０ｍｍである。また、Ｈ4は、例えば２ｍｍ～１５ｍｍである。また、Ｔ3は、例えば０．５ｍｍ～１．５ｍｍである。また、Ｔ4は、例えば０．５ｍｍ～１．５ｍｍである。
また、本開示の熱交換器１０を構成する第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４はセラミックスから構成されていてもよい。このように、各部材（第１部材１、第２部材２、第３部材３、第４部材４）がセラミックスからなるならば、本開示の熱交換器１０は、耐熱性や耐腐食性に優れる。ここで、セラミックスの種類としては、第１流体および第２流体の特性に合わせて適宜選択すればよく、アルミナ質セラミックスまたはコージェライト質セラミックス等の酸化物セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等の非酸化物セラミックスを用いることができる。この中でも、各部材が炭化珪素質セラミックスからなるならば、本開示の熱交換器１０は、機械的強度に優れ、小型化に適したものとなる。
ここで、例えば、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、炭化珪素を７０質量％以上含有するものである。そして、本開示の熱交換器１０を構成する各部材の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、各部材を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値より、ＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、各部材の含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により、炭化珪素の存在を確認され、ＩＣＰまたはＸＲＦで測定した珪素（Ｓｉ）の含有量から炭化珪素（ＳｉＣ）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、炭化珪素質セラミックスである。
また、本開示の熱交換器１０を構成する第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４の少なくともいずれかは、隣り合う第１部材１の間の領域に接する面に複数の突起を有していてもよい。ここで、突起とは、各部材の上記面において、突起を有していない部分を結ぶ線よりも突出している部分のことを指す。そして、このような構成を満足するならば、本開示の熱交換器１０を構成する各部材の表面積が、複数の突起により増加することで、熱交換効率が向上する。
なお、突起は、どのような材質で構成されていてもよいが、各部材と同じ材質で構成されているならば、各部材と突起との熱膨張の差により突起が脱落するおそれが低くなる。
また、突起は、正面視における平均径が１０μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。なお、ここでの正面視とは、言い換えるならば、各部材において突起を有する面の平面視のことである。このような構成を満足するならば、突起が各部材から取れるおそれが低いとともに、突起の表面積を大きくすることができることから、本開示の熱交換器１０の熱交換効率が向上する。
ここで、正面視における突起の平均径については、以下の方法により算出することができる。まず、各部材において突起を有する面を正面視した写真を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影する。次に、この写真において、突起の輪郭を黒く縁取る。その後、縁取りを行なった写真を用いて、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）の粒子解析という手法を適用して画像解析を行なう。そして、この画像解析により算出された各突起の円相当径の平均値を、正面視における突起の平均径とすればよい。なお、「Ａ像くん」の解析条件としては、例えば結晶粒子の明度を「明」、２値化の方法を「自動」、シェーディングを「有」とすればよい。
また、本開示の熱交換器１０は、熱交換を行なうものであれば、特にその用途が制限されるものではなく、例えば、各種レーザ装置用、車載用、化学物質回収装置用、半導体素子用および半導体製造装置用等の熱交換器として用いることができる。
以下に、本開示の熱交換器１０の作製方法について説明する。
最初に、第１部材１の作製方法について説明する。なお、以下の説明では、第１部材１をセラミックスで構成した場合を例に挙げ、説明する。
まず、主成分となる原料（炭化珪素、酸化アルミニウム等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを作製する。次に、金型による打ち抜きやレーザ加工により、任意の形状とした複数枚のセラミックグリーンシートを積層して、積層体である成形体を作製する。そして、この成形体を焼成することで、開口部５および第１流路６を有する第１部材１を得る。ここで、積層体として成形体を作製することで、第１部材１の内部に第１流路６を作製することが容易である。また、積層するセラミックグリーンシートの枚数を調整することによって、第１部材１の厚みを調整することができる。また、開口部５は、セラミックグリーンシートに金型による打ち抜きやレーザ加工を施すことによって形成すればよい。
また、第１部材１の成形体を作製する際に、突起となる部分を予め形成してもよい。例えば、凹部を有する型を表面に押し当てたり、レーザ加工またはブラスト処理により表面を削ったりすることで、突起となる部分を形成してもよい。または、篩い等を用いて、突起となる粉末を、表面に振り掛けてもよい。
なお、セラミックグリーンシートの他の作製方法としては、スラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒することによって顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法またはメカプレス法によって作製してもよい。
次に、第２部材２の作製方法について説明する。第２部材２は、その形状に合わせた成形方法を選択すればよい。例えば、第２部材２の形状をパイプ状とするのならば、上記スラリーを坏土に調整して押出成形法で作製すればよい。または、上記顆粒を用いてメカプレス法や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で作製すればよい。また、第２部材２の形状を板状とするのならば、第１部材１と同じく、セラミックグリーンシートを積層して積層体である成形体を作製すればよい。そして、成形体を焼成することで、第２部材２を得る。
なお、第２部材２の成形体においても、上述した方法で、突起となる部分を予め形成してもよい。
次に、第３部材３および第４部材４の作製方法について説明する。第３部材３および第４部材４は、第１部材１と同じく、ドクターブレード法、ロールコンパクション法、メカプレス法でセラミックグリーンシートの成形体を作製し、焼成することによって得る。
なお、第３部材３および第４部材４の成形体においても、上述した方法で、突起となる部分を予め形成してもよい。
そして、第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４を、それぞれ接着剤を用いて接合することによって、本開示の熱交換器１０を得る。ここで、図７の熱交換器１０ｄ、図９の熱交換器１０ｅ、図１１の熱交換器１０ｆのように、第３部材３および第４部材４の両方を有する構成ならば、押出成形法により、第３部材３と第４部材４とが一体化したものを作製し、これを第１部材１に接着剤を用いて接合してもよい。
なお、上記接着剤としては、各部材同士を接合できるものであればどのような接着剤を用いてもよいが、無機接着剤を用いれば、熱処理を行なった際に各部材を劣化させることなく、各部材同士を強固に接合できる。さらに、無機接着剤は、耐熱性および耐腐食性に優れていることから、本開示の熱交換器１０の信頼性を向上させることができる。ここで、無機接着剤としては、例えば、ＳｉＯ2－Ａｌ2Ｏ3－Ｂ2Ｏ3－ＲＯ系ガラスペースト（Ｒ：アルカリ土類金属元素）またはＳｉ－ＳｉＣ系ペーストを用いればよい。特に、第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４が炭化珪素質セラミックスからなるならば、無機接着剤として、炭化珪素質セラミックスとの熱膨張係数が近似しているＳｉ－ＳｉＣ系ペーストを用いれば、本開示の熱交換器１０の高温強度を向上させることができる。
本開示は次の実施の形態が可能である。
本開示に係る熱交換器は、
複数の第１部材と、
隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備え、
前記第１部材は、
複数の開口部と、
該開口部に繋がる第１流路と、を有し、
前記第２部材は、隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有し、
前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路であり、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路であり、
前記第１部材上において、前記領域に向かって延びる複数の第３部材をさらに備え、
前記複数の第３部材は、隣り合う前記第１部材のうち、一方の第１部材との間に隙間が設けられた状態で、他方の第１部材と繋がり、前記複数の第３部材は相互に間隔を空けて位置している。
また本開示に係る熱交換器は、隣り合う前記第３部材における前記第２流体の流路幅が、入口と出口とで異なる。
また本開示に係る熱交換器は、隣り合う前記第３部材における前記第２流体の流路を流路Ａとしたとき、該流路Ａを複数備え、隣り合う前記流路Ａは、それぞれの前記流路Ａにおける前記第２流体の入口と出口との流路幅の関係性が異なる。
また本開示に係る熱交換器は、前記第３部材から前記領域に向かって延びる第４部材をさらに備えている。
また本開示に係る熱交換器は、前記第４部材が、間隔を空けて複数位置している。
また本開示に係る熱交換器は、前記第４部材が、対向する前記第３部材と繋がっている。
また本開示に係る熱交換器は、前記第４部材は、前記第２部材に接触している。
また本開示に係る熱交換器は、前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材および前記第４部材は、炭化珪素質セラミックスからなる。
また本開示に係る熱交換器は、前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材および前記第４部材の少なくともいずれかは、前記領域に接する面に複数の突起を有する。
また本開示に係る熱交換器は、前記突起は、正面視における平均径が１０μｍ以上６０μｍ以下である。
なお、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
１：第１部材
２：第２部材
３：第３部材
４：第４部材
５：開口部
６：第１流路
７：第２流路
１０：熱交換器

Claims (9)

  1. 複数の第１部材と、
    隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備え、
    前記第１部材は、
    複数の開口部と、
    該開口部に繋がる第１流路と、を有し、
    前記第２部材は、
    隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有し、
    前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路であり、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路であり、
    前記第１部材上において、前記領域に向かって延びる複数の第３部材をさらに備えており、
    前記第３部材が、対向する前記第１部材と繋がっており、
    前記第３部材から前記領域に向かって延びる複数の第４部材をさらに備えている熱交換器。
  2. 前記第４部材が、対向する前記第３部材と繋がっている請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記第４部材は、前記第２部材に接触している請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
  4. 隣り合う前記第３部材における前記第２流体の流路幅が、入口と出口とで異なる請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
  5. 隣り合う前記第３部材における前記第２流体の流路を流路Ａとしたとき、該流路Ａを複数備え、隣り合う前記流路Ａは、それぞれの前記流路Ａにおける前記第２流体の入口と出口との流路幅の関係性が異なる請求項４に記載の熱交換器。
  6. 前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材および前記第４部材は、炭化珪素質セラミックスからなる請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
  7. 前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材および前記第４部材の少なくともいずれかは、前記領域に接する面に複数の突起を有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の熱交換器。
  8. 前記突起は、正面視における平均径が１０μｍ以上６０μｍ以下である請求項７に記載の熱交換器。
  9. 隣り合う前記第１部材間の距離は、前記第１部材の厚みよりも大きい、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の熱交換器。
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