JP2022102191A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を熱交換流路部に適切に分配させ、熱交換効率を向上させる。【解決手段】本発明の一形態に係る熱交換器は、流体が流入する流入口と、前記流体が流出する流出口と、前記流入口と前記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含む。前記複数の金属板は、互いに拡散接合によって積層される。前記複数の金属板の少なくとも１つは、前記流入口と前記熱交換流路部との間において、前記流入口から前記流出口に流れる前記流体を前記熱交換流路部の手前で衝突させるガイド壁を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、流路が形成された金属板を積層した熱交換器に関する。

熱交換部として機能させるための流路が形成された薄い金属板を複数積層した熱交換器（例えば、マイクロチャンネル熱交換器）では、冷媒の流入口から流入した流体が流路が形成された領域部（以下、熱交換流路部）に均等に流れるように、流入口と熱交換流路部との間に流体を熱交換流路部に分配する分流域を設ける場合がある。例えば、分流域として、流入口と熱交換流路部との間に複数のガイドを放射状に配置する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

また、このような熱交換器においては、一般的には熱交換器内の圧力損失を低減するため、流体が流れる流路の長さが短く設定される。

特開２０１３－５３４８４０号公報

しかし、流路の長さを短く設定してしまうと熱交換器における十分な伝熱面積を確保できなくなる。このため、該熱交換器においては流路の長さを短く設定する代わりに熱交換流路部を幅広く配置する必要性が生じる。

しかし、流入口の幅に比べて熱交換流路部が広く形成されると、流体の流れ方向の慣性力によって、流体は熱交換流路部の中央付近に流入しやすく、熱交換流路部の両端部には流体が流れにくくなる現象が起き得る。例えば、流入口と熱交換流路部との間に分流域を設けたとしても、慣性力を備えた流体が、一旦、分流域に流入してしまうと、流体にとっては分流域のガイドの作用によって、分流域の中央付近に流体が多く流れ、分流域の端部付近には流体が流れにくくなる現象が起きる。従って、単に流入口と熱交換流路部との間に分流域を設けただけでは、流体を熱交換流路部に適切に分配できない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、流体を熱交換流路部に適切に分配させる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熱交換器は、流体が流入する流入口と、前記流体が流出する流出口と、前記流入口と前記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含む。前記複数の金属板は、互いに拡散接合によって積層される。前記複数の金属板の少なくとも１つは、前記流入口と前記熱交換流路部との間において、前記流入口から前記流出口に流れる前記流体を前記熱交換流路部の手前で衝突させるガイド壁を有している。

このような熱交換器によれば、ガイド壁によって流体が熱交換流路部に適切に分配される。

上記の熱交換器においては、前記ガイド壁は、前記流入口から前記流出口に向かう方向に対して交差する方向に延在してもよい。これにより、流体が熱交換流路部に、より適切に分配される。

上記の熱交換器においては、前記ガイド壁の両端間に前記流体を通過させる溝が設けられてもよい。これにより、流体が熱交換流路部に、より適切に分配される。

上記の熱交換器においては、前記ガイド壁のほかに、前記熱交換流路部と前記流入口との間に前記流体を分配する分流域が設けられてもよい。これにより、流体が熱交換流路部に、より適切に分配される。

上記の熱交換器においては、前記流入口の中心と前記流出口の中心とを結ぶ線から前記ガイド壁の中心がずれてもよい。これにより、流体が熱交換流路部に、より適切に分配される。

上記の熱交換器においては、蒸発器として機能させてもよい。蒸発器として機能させた場合、流入口から流入した流体が熱交換流路部に適切に分配される。

以上述べたように、本発明によれば、流体が熱交換流路部に適切に分配される熱交換器が提供される。

本実施形態に係る熱交換器の概要を示す模式的斜視図である。 図（ａ）は、図１のＡ１―Ａ１線に沿った模式的断面図である。図（ｂ）は、図１のＡ２－Ａ２線に沿った模式的断面図である。 流路が形成された金属板を示す模式的斜視図である。 流路が形成された金属板を示す模式的斜視図である。 積層ブロック体を製造する方法を示す模式的斜視図である。 熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。 図（ａ）は、参考例１に係る熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。図（ｂ）は、参考例２に係る熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。 本実施形態の変形例１に係る金属板の模式的平面図である。 本実施形態の変形例２に係る金属板の模式的平面図である。 本実施形態の変形例３に係る金属板の模式的平面図である。 本実施形態の変形例４に係る金属板の模式的平面図である。 本実施形態の変形例５に係る金属板の模式的平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。

（熱交換器の構造）
図１は、本実施形態に係る熱交換器の概要を示す模式的斜視図である。

熱交換器１０は、積層ブロック体１と、継手体５１～５４とを具備する。積層ブロック体１は、例えば、略直方体である。継手体５１～５４のそれぞれは、積層ブロック体１の側面１ｗに接続される。継手体５１から継手体５２に向かう方向と、継手体５３から継手体５４に向かう方向とは、例えば、交差する。

熱交換器１０は、例えば、積層型マイクロ流路熱交換器に適用される。例えば、高温の流体（例えば、温水）が熱交換器１０の継手体５１から流入すると、この流体は、積層ブロック体１を経由し、継手体５２から流出する。一方、低温の流体（冷媒）が継手体５３から流入すると、この流体は、積層ブロック体１を経由し、継手体５４から流出する。継手体５１～５４のそれぞれには、例えば、図示しない連結管等が接続される。

積層ブロック体１は、主面１ｕ（上面）と、主面１ｕとは反対側の主面１ｄ（下面）と、主面１ｕと主面１ｄとに連設された側面１ｗとを有する。積層ブロック体１において、主面１ｕ、１ｄに直交する方向をＺ軸方向とする。側面１ｗには、継手体５１～５４のそれぞれが挿通される開口２ｈが設けられている。例えば、図１の例では、４つの側面１ｗに、それぞれ１つの開口２ｈが設けられる。開口２ｈは、１つの側面１ｗ当たりに１つとは限らず、複数設けることもできる。

積層ブロック体１は、伝熱板である複数の金属板２Ａと、伝熱板である複数の金属板２Ｂと、下側外殻板である複数の金属板３Ａと、上側外殻板である複数の金属板３Ｂとを有する。主面１ｕ側には複数の金属板３Ａが、主面１ｄ側には複数の金属板３Ｂが、それぞれＺ方向に積層されている。複数の金属板３Ａと複数の金属板３Ｂとの間では、Ｚ軸方向に、複数の金属板２Ａと、複数の金属板２Ｂとが交互に積層されている。金属板３Ａ及び金属板３Ｂのそれぞれは、複数の金属板に限らず、１つの金属板でもよい。

複数の金属板３Ａ、２Ａ、２Ｂ、３Ｂのそれぞれは、Ｚ軸方向に積層された状態で拡散接合により接合される。拡散接合としては、固相接合、熱間圧接、冷間圧接等があげられる。なお、複数の金属板３Ａと複数の金属板３Ｂとの間の複数の金属板２Ａ、２Ｂをまとめて積層体２とする。なお、図１では、Ｚ方向に積層された複数の金属板のそれぞれの境界に実線が描かれているが、拡散接合後、実線は消滅することがある。

複数の金属板２Ａのそれぞれ及び複数の金属板２Ｂのそれぞれには、流路が形成されている（後述）。また、継手体５１～５４のそれぞれは、積層ブロック体１の側面１ｗに挿入されて、例えば、側面１ｗにロウ付けにより接合される。

図２（ａ）は、図１のＡ１―Ａ１線に沿った模式的断面図である。図２（ｂ）は、図１のＡ２－Ａ２線に沿った模式的断面図である。図２（ａ）、（ｂ）の断面図は、他の継手体５２、５３、５４付近の積層ブロック体１においても適用される。

金属板２Ａは、さらに継手体５１～５４の高さ位置よりも下側または上側に配置される金属板２Ａａと、継手体５１～５４の高さ位置に配置される金属板２Ａｂとに分けられる。金属板２Ｂは、継手体５１～５４の高さ位置よりも下側または上側に配置される金属板２Ｂａと、継手体５１～５４の高さ位置に配置される金属板２Ｂｂとに分けられる。

例えば、積層ブロック体１は、複数の金属板２Ａａと、複数の金属板２Ａｂと、複数の金属板２Ｂａと、複数の金属板２Ｂｂと、複数の金属板３Ａと、複数の金属板３Ｂとを有する。継手体５１～５４の高さ位置よりも下側または上側においては、Ｚ軸方向に、複数の金属板２Ａａと、複数の金属板２Ｂａとが交互に積層されている。継手体５１～５４の高さ位置においては、Ｚ軸方向に、複数の金属板２Ａｂと、複数の金属板２Ｂｂとが交互に積層されている。複数の金属板３Ａ及び複数の金属板３Ｂのそれぞれは、１つの金属板でもよい。複数の金属板３Ａ、２Ａａ、２Ａｂ、２Ｂａ、２Ｂｂ、３Ｂのそれぞれは、このように積層された状態で拡散接合により接合される。

積層ブロック体１の内部には、継手体５１に連通する空間１ｓが形成され、継手体５２に連通する空間１ｔが形成されている。空間１ｓ、１ｔは、Ｚ軸方向に延在する。また、図示はされていないが、積層ブロック体１の内部には、同様に継手体５３、５４のそれぞれに連通する空間が形成されている（後述する空間１ｕ、１ｖ（図５））。これらの空間は、複数の金属板２Ａｂ及び複数の金属板２Ｂｂのそれぞれに形成された流路（後述）に連通する。

また、積層ブロック体１の側面１ｗには、継手体５１の一部が挿入される開口２ｈが設けられている。側面１ｗに向かって見た場合の開口２ｈの形状は、例えば、矩形状である。開口２ｈの形状は円形でもよい。

金属板２Ａａ、２Ｂａ、金属板３Ａａ、３Ｂａ、２Ａｂ、２Ｂｂ、３Ａｂ、３Ｂｂは、熱伝導率が高く、例えば、同じ種類の金属板である。これらの金属板は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼板、銅、アルミニウム合金、チタン、マグネシウム合金等の少なくともいずれか一つを含む。

（金属板）
図３（ａ）～図４（ｂ）は、流路が形成された金属板を示す模式的斜視図である。

例えば、流路が形成された金属板としては、図３（ａ）に示す金属板２Ａｂと、図３（ｂ）に示す金属板２Ａａと、図４（ａ）に示す金属板２Ｂｂと、図４（ｂ）に示す金属板２Ｂａとが使用される。

図３（ａ）に示す金属板２Ａｂは、継手体５１～５４の高さ位置に配置される金属板である。金属板２Ａｂは、主面２ｕと、主面２ｕとは反対側の主面２ｄと、主面２ｕと主面２ｄとに連続する側面２ｗとを有する。

金属板２Ａｂには、その４辺のそれぞれ近傍に、Ｚ軸方向に貫通する流入口２１１、２１３、及び、流出口２１２、２１４が設けられている。ここで、流入口２１１及び流出口２１２は、後述する金属板２Ｂａ、２Ｂｂにとっての流入口及び流出口であり、流入口２１３及び流出口２１４が金属板２Ａｂ、または後述する金属板２Ａａにとっての流入口及び流出口となる。

流入口２１３は、側面２ｗにおいて、継手体５３と接続されるため開放されている。同様に、流出口２１４は、側面２ｗにおいて、継手体５４に接続されるため開放されている。流入口２１１、２１３及び流出口２１２、２１４は、エッチング処理、レーザ加工、精密プレス加工、切削加工などで行われる。また、該処理として、３Ｄプリンター等の積層造形技術も用いることができる。

金属板２Ａｂの主面２ｕには、例えば、平面形状が矩形状の凹部２５０が形成されている。また、凹部２５０には、低温流体の流路として機能する流路２５ａが設けられている。

例えば、凹部２５０には、流路２５ａを形成するための凸部２５ｔが複数設けられている。凸部２５ｔは、凹部２５０の底面から上に突出した凸状体である。凸部２５ｔは、例えば、Ｘ軸方向に延在し、中央部で屈曲している。凸部２５ｔは、複数設けられ、例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並設される。凸部２５ｔの凹部２５０の底面からの高さは、凹部２５０の深さと同じである。この流路２５ａ（凸部２５ｔ）が形成された領域を熱交換流路部２５とする。熱交換流路部２５は、Ｘ軸方向において、流入口２１３と流出口２１４との間に設けられる。

ここで、流入口２１３から流出口２１４に向かう方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（Ｙ軸方向）では、流入口２１３及び流出口２１４の幅に比べて、凹部２５０の幅または熱交換流路部２５の幅が広くなっている。

凹部２５０及び凸部２５ｔは、金属板２Ａｂの主面２ｕに、例えば、ハーフエッチング技術、レーザ加工、切削加工、または３Ｄプリンター等の積層造形技術によって形成される。流路２５ａ及び凹部２５０の深さはいずれの箇所で均一であってよい。また、凸部２５ｔの数は、図示される数には限らない。また、凸部２５ｔの形状は、図示される大きさ、形に限られず、流体の流路２５ａが形成されれば、適宜その形状を変更してもよい。

流入口２１３及び流出口２１４は、Ｘ軸方向において凹部２５０に連通している。流入口２１１及び流出口２１２は、凹部２５０に連通していない。すなわち、金属板２Ａｂにおいて、流体は、流入口２１３から流入し、熱交換流路部２５を経て、流出口２１４から流出する。

さらに、凹部２５０には、流入口２１３と熱交換流路部２５との間において、ガイド壁２６が設けられている。ガイド壁２６は、流入口２１３から流出口２１４に流れる流体を熱交換流路部２５の手前で衝突させる凸状体である。ガイド壁２６は、流入口２１３から流出口２１４に向かう方向Ｆに対して交差する方向（例えば、６０°≦θ≦１２０°）に延在する。ガイド壁２６は、流入口２１３から流出口２１４に向かう方向Ｆに対して直交してもよい。なお、θが上記の範囲を超えると、流体のガイド壁２６に対する衝突効果が失われるので好ましくない。ガイド壁２６の高さは、例えば、凹部２５０の深さと同じでもよく、凹部２５０の深さより低くてもよい。Ｙ軸方向において、ガイド壁２６の長さは、熱交換流路部２５よりも短く、流入口２１３の幅よりも長くてもよく、流入口２１３の幅と同じでもよく、流入口２１３の幅よりも短くてもよい。

ガイド壁２６は、凹部２５０及び凸部２５ｔが形成されるのと同時に、例えば、ハーフエッチング技術、レーザ加工、切削加工、または３Ｄプリンター等の積層造形技術によって形成される。

図３（ｂ）に示す金属板２Ａａは、継手体５１～５４の高さ位置の上側または下側に配置される金属板である。金属板２Ａａにおいて、流入口２１３及び流出口２１４のそれぞれは、側面２ｗから開放されていない。これ以外の構造は、金属板２Ａｂと同じである。

図４（ａ）に示す金属板２Ｂｂは、継手体５１～５４の高さ位置に配置される金属板である。金属板２Ｂｂは、主面２ｕと、主面２ｕとは反対側の主面２ｄと、主面２ｕと主面２ｄとに連続する側面２ｗとを有する。

金属板２Ｂｂには、その４辺のそれぞれ近傍に、Ｚ軸方向に貫通する流入口２１１、２１３、及び、流出口２１２、２１４が設けられている。流入口２１１は、側面２ｗにおいて、継手体５１と接続されるため開放されている。同様に、流出口２１２は、側面２ｗにおいて、継手体５２に接続されるため開放されている。流入口２１１、２１３及び流出口２１２、２１４は、エッチング処理、レーザ加工、精密プレス加工、切削加工などで行われる。また、該処理として、３Ｄプリンター等の積層造形技術も用いることができる。

金属板２Ｂｂの主面２ｕには、例えば、平面形状が矩形状の凹部２７０が形成されている。また、凹部２７０には、高温流体の流路として機能する流路２７ａが設けられている。

例えば、凹部２７０には、流路２７ａを形成するための凸部２７ｔが複数設けられている。凸部２７ｔは、凹部２７０の底面から上に突出した凸状体である。凸部２７ｔは、例えば、Ｙ軸方向に延在し、中央部で屈曲している。凸部２７ｔは、複数設けられ、例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並設される。凸部２７ｔの凹部２７０の底面からの高さは、凹部２７０の深さと同じである。この流路２７ａ（凸部２７ｔ）が形成された領域を熱交換流路部２７とする。熱交換流路部２７は、Ｙ軸方向において、流入口２１１と流出口２１２との間に設けられる。

ここで、流入口２１１から流出口２１２に向かう方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）では、流入口２１１及び流出口２１２の幅に比べて、凹部２７０の幅または熱交換流路部２７の幅が広くなっている。

凹部２７０及び凸部２７ｔは、金属板２Ｂｂの主面２ｕに、例えば、ハーフエッチング技術、レーザ加工、切削加工、または３Ｄプリンター等の積層造形技術によって形成される。流路２７ａ及び凹部２７０の深さはいずれの箇所で均一であってよい。また、凸部２７ｔの数は、図示される数には限らない。また、凸部２７ｔの形状は、図示される大きさ、形に限られず、流体の流路２７ａが形成されれば、適宜その形状を変更してもよい。

流入口２１１及び流出口２１２は、Ｙ軸方向において凹部２７０に連通している。流入口２１３及び流出口２１４は、凹部２７０に連通していない。すなわち、金属板２Ｂｂにおいて、流体は、流入口２１１から流入し、熱交換流路部２７を経て、流出口２１２から流出する。

さらに、凹部２７０には、流入口２１１と熱交換流路部２７との間において、ガイド壁２８が設けられている。ガイド壁２８は、流入口２１１から流出口２１２に流れる流体を熱交換流路部２７の手前で衝突させる凸状体である。ガイド壁２８は、流入口２１１から流出口２１２に向かう方向Ｆに対して交差する方向（例えば、６０°≦θ≦１２０°）に延在する。ガイド壁２８は、流入口２１１から流出口２１２に向かう方向Ｆに対して直交してもよい。なお、θが上記の範囲を超えると、流体のガイド壁２８に対する衝突効果が失われるので好ましくない。ガイド壁２８の高さは、例えば、凹部２７０の深さと同じでもよく、凹部２７０の深さより低くてもよい。ガイド壁２８の長さは、Ｘ軸方向において、熱交換流路部２７よりも短く、流入口２１１の幅よりも長くてもよく、流入口２１１の幅と同じでもよく、流入口２１１の幅よりも短くてもよい。

ガイド壁２８は、凹部２７０及び凸部２７ｔが形成されるのと同時に、例えば、ハーフエッチング技術、レーザ加工、切削加工、または３Ｄプリンター等の積層造形技術によって形成される。

図４（ｂ）に示す金属板２Ｂａは、継手体５１～５４の高さ位置の上側または下側に配置される金属板である。金属板２Ｂａにおいて、流入口２１１及び流出口２１２のそれぞれは、側面２ｗから開放されていない。これ以外の構造は、金属板２Ｂｂと同じである。

（積層ブロック体の製造方法）
図５は、積層ブロック体を製造する方法を示す模式的斜視図である。

図５に示すように、複数の金属板３Ａのそれぞれと複数の金属板３Ｂのそれぞれとが重ねられ、複数の金属板３Ａと複数の金属板３Ｂとの間に、金属板２Ａａ、２Ｂａが交互に配置される。ここで、継手体５１～５４の高さ位置では、金属板２Ａｂ、２Ｂｂが交互に配置される。

これにより、各金属板の流入口２１１が積層方向（Ｚ軸方向）に繋がって、空間１ｓが形成され、各金属板の流出口２１２が積層方向に繋がって、空間１ｔが形成され、各金属板の流入口２１３が積層方向に繋がって、空間１ｕが形成され、各金属板の流出口２１４が積層方向に繋がって、空間１ｖが形成される。

この後、この積層方向に積層された複数の金属板のそれぞれが真空の状態で積層方向に加圧・加熱されることによって、それぞれの金属板が拡散接合により接合され、図１に示す積層ブロック体１が形成される。

次に、積層ブロック体１の側面１ｗから、継手体５１が開口２ｈを通じて空間１ｓに接続され、継手体５２が開口２ｈを通じて空間１ｔに接続され、継手体５３が開口２ｈを通じて空間１ｕに接続され、継手体５４が開口２ｈを通じて空間１ｖに接続される。これにより、熱交換器１０が形成される（図１）。

（熱交換器の作用）
図６（ａ）、（ｂ）は、熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。一例として、図６（ａ）には金属板２Ａａが示され、図６（ｂ）には金属板２Ｂａが示されている。ここで、金属板２Ｂａは、Ｚ軸方向において金属板２Ａａの上側または下側に積層されている。また、金属板２Ａａは、Ｚ軸方向において金属板２Ｂａの上側または下側に積層されている。

図６（ａ）に示す金属板２Ａａにおいて、低温流体である冷媒が流入口２１３から流入すると、冷媒は、熱交換流路部２５を経由して、流出口２１４から流出する。一方、図６（ｂ）に示す金属板２Ｂａにおいては、高温流体が熱交換器１０の流入口２１１から流入すると、高温流体は、熱交換流路部２７を経由して、流出口２１２から流出する。

ここで、熱交換流路部２５においては、冷媒が複数の流路２５ａを流れるときに、凸部２５ｔが中央部で屈曲していることから、流路２５ａ内での冷媒の流れる速さが変化する。これにより、冷媒は、流路２５ａにおいて局所的に常時攪乱し、冷媒の伝熱性能を向上させることができる。

一方、熱交換流路部２７においては、高温流体が複数の流路２７ａを流れるときに、凸部２７ｔが中央部で屈曲していることから、流路２７ａ内での高温流体の流れる速さが変化する。これにより、高温流体は、流路２７ａにおいて局所的に常時攪乱し、高温流体の伝熱性能を向上することができる。

これにより、熱交換流路部２５を流れる冷媒と、その上下に配置された熱交換流路部２７を流れる高温流体の伝熱性能が向上するる。この結果、熱交換流路部２５を流れる冷媒は、熱交換流路部２７を流れる高温流体から熱を奪い、熱交換流路部２７を流れる高温流体は、熱交換流路部２５を流れる冷媒によって熱を奪われる。換言すれば、熱交換流路部２５、２７によって冷媒－高温流体の熱交換が行われることから、熱交換流路部２５、２７は、熱交換器１０の熱交換部として機能する。

また、流入口２１３から流入する冷媒が液体または気液二相の状態のとき、冷媒は、熱交換流路部２５を流れて熱交換流路部２７を流れる高温流体から熱を奪い、流出口２１４において蒸気となることから、熱交換器１０は、冷媒にとっての蒸発器として機能する。

ここで、本実施形態の金属板２Ａａにおいては、流入口２１３と熱交換流路部２５との間に、冷媒の流れ方向に交差するガイド壁２６が設けられている。ガイド壁２６が設けられたことにより、流入口２１３から流入した冷媒は、熱交換流路部２５に向かって直進せず、熱交換流路部２５の手前でガイド壁２６に衝突する。これにより、流入口２１３から流入した冷媒は、ガイド壁２６を迂回して、熱交換流路部２５の中央部と、熱交換流路部２５の両端部に満遍なく流入する。この後、熱交換流路部２５を流れ出た冷媒は、流出口２１４付近に集中し、流出口２１４から流出する。なお、矢印は、冷媒の平均的な流れを模式的に表している。

一方、金属板２Ｂａにおいても、流入口２１１と熱交換流路部２７との間に、高温流体の流れ方向に交差するガイド壁２８が設けられている。ガイド壁２８が設けられたことにより、流入口２１１から流入した高温流体は、熱交換流路部２７に向かって直進せず、熱交換流路部２７の手前でガイド壁２８に衝突する。これにより、流入口２１１から流入した高温流体は、ガイド壁２８を迂回して、熱交換流路部２７の中央部と、熱交換流路部２７の両端部に満遍なく流入する。この後、熱交換流路部２７を流れ出た高温流体は、流出口２１２付近に集中し、流出口２１２から流出する。なお、矢印は、高温流体の平均的な流れを模式的に表している。

図７（ａ）は、参考例１に係る熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。図７（ｂ）は、参考例２に係る熱交換器における流体の流れを示す模式的平面図である。図７（ａ）、（ｂ）には、金属板２Ａａからガイド壁２６を取り除いた金属板２Ａｃが示されている。

図７（ａ）に示す金属板２Ａｃにおいては、流入口２１３と熱交換流路部２５との間にガイド壁２６が設けられていない。従って、流入口２１３から流入した冷媒は、冷媒が持つ慣性力によって、熱交換流路部２５に向かって直進する。この後、冷媒は、熱交換流路部２５の中央部に流入し、熱交換流路部２５を流れ出た冷媒が流出口２１４付近に集中して流出口２１４から流出する。

従って、金属板２Ａｃを用いた場合は、凹部２５０の両端部に冷媒が流れにくくなる死水域２５ｄ（冷媒が滞留する領域）が形成されやすい。この結果、金属板２Ａｃを用いた場合は、死水域２５ｄを除いた部分の熱交換流路部２５で冷媒と高温流体との間の熱交換が行われることになり、熱交換能力が低下してしまう。

特に、熱交換器１０を冷媒にとっての蒸発器として動作させる場合は、流入口２１３から流入する冷媒が液冷媒または気液二相冷媒であり、流出口２１４から流出する冷媒が蒸気（ガス冷媒）となっているため、流入口２１３から流入する冷媒の密度は、ガス冷媒の密度に比べて大きくなっている。このため、流入口２１３から流入した密度の高い液冷媒または気液二相冷媒は慣性力の影響を受けやすく、流入口２１３から流出口２１４に向かって直進しやすい傾向にある。

また、図７（ｂ）に示す金属板２Ａｄにおいては、ガイド壁２６を設けない代わりに、流入口２１３と熱交換流路部２５と間に分流域２９が設けられている。分流域２９は、流入口２１３から熱交換流路部２５に向けて放射状に延在する複数の凸部２９ｔを有する。分流域２９は、流入口２１３から流入した冷媒を熱交換流路部２５に向けて均等に分配することを目的とする。

しかし、流入口２１３と熱交換流路部２５と間に分流域２９のみを設けたとしても、流入口２１３から流入した冷媒、一旦、分流域２９に流入してしまうと、冷媒にとっては凸部２９ｔが障壁となって、結局、冷媒が持つ慣性力により熱交換流路部２５の両端部にまで冷媒が行き渡らず、死水域２５ｄが残存してしまう。また、流入口２１３と熱交換流路部２５と間の狭い領域では、凸部２９ｔの長さ、本数、及び角度について機械的な制約があり、流入口２１３から流入した冷媒を熱交換流路部２５に向けて均等に分配されるような凸部２９ｔを形成することが難しい。

このように、熱交換器１０を冷媒にとっての蒸発器として動作させる場合は、ガイド壁２６の有無によって熱交換器の熱交換能力が大きく変化する。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、流入口２１３と熱交換流路部２５との間にガイド壁２６を設けている。このため、流入口２１３から流入した冷媒がガイド壁２６に衝突して、熱交換流路部２５に向かって直進しにくくなり、凹部２５０の両端部に行き渡るようになる。従って、金属板２Ａａでは、凹部２５０の両端部に死水域２５ｄが形成されにくくなり、冷媒が熱交換流路部２５に適切に分配される。これにより、熱交換流路部２５で冷媒と高温流体の伝熱性能が向上し、熱交換能力が大きく向上する。

同様に、図６（ｂ）に示すように、流入口２１１と熱交換流路部２７との間にガイド壁２８を設けている。このため、流入口２１１から流入した冷媒がガイド壁２８に衝突して、熱交換流路部２７に向かって直進しにくくなり、凹部２７０の両端部に行き渡るようになる。従って、金属板２Ｂａでは、凹部２７０の両端部に死水域（図示せず）が形成されにくくなり、冷媒が熱交換流路部２７に適切に分配される。これにより、熱交換流路部２７で冷媒と高温流体の伝熱性能が向上し、熱交換能力が大きく向上する。

さらに、ガイド壁２６を用いれば、熱交換流路部２５の両端部に流体が行き渡り、熱交換流路部２５を熱交換のために無駄なく利用することができるため、金属板２Ａａ、２Ａｂにおける流体の進行方向の長さを短く設定することができる。同様に、ガイド壁２８を用いれば、熱交換流路部２７の両端部に流体が行き渡り、熱交換流路部２７を熱交換のために無駄なく利用することができるため、金属板２Ｂａ、２Ｂｂにおける流体の進行方向の長さを短く設定することができる。これにより、熱交換器のコンパクト化が実現する。

また、ガイド壁２６を用いれば、その長手方向における長さを調整することで、熱交換流路部２５の中央部及び熱交換流路部２５の両端部に流入する冷媒の量を容易に調整することができる。同様に、ガイド壁２８を用いれば、その長手方向における長さを調整することで、熱交換流路部２７の中央部及び熱交換流路部２７の両端部に流入する高温流体の量を容易に調整することができる。

また、凸部２５ｔ、２７ｔのほかにガイド壁２６、２８を設ければ、積層方向において熱交換器の機械的強度が増加し、凹部２５０、２７０が変形したり破損したりしにくくなる。

また、熱交換器１０の目標能力に応じて、ガイド壁２６は、複数の金属板２Ａｂ、２Ａｂの少なくとも１つに配置されていればよく、ガイド壁２８は、複数の金属板２Ｂａ、２Ｂｂの少なくとも１つに配置されていればよい。例えば、熱交換器の目標能力に応じて、ガイド壁２６またはガイド壁２８を積層方向に重なる金属板に対してＮ個おきに設けてもよい（Ｎ≧１）。

また、高温流体として高温水蒸気等の気体を用いる場合は、流入口２１１における高温流体の慣性力が液体に比べて減少し、また、高温流体は液体に比べて熱交換流路部２７の両端部に拡散しやすいことから、ガイド壁２８は適宜取り除いてもよい。

（変形例１）
図８は、本実施形態の変形例１に係る金属板の模式的平面図である。

金属板２Ａａにおいて、流入口２１３から流入する冷媒が液体または気液二相の状態のとき、熱交換流路部２５を流れる冷媒は、熱交換流路部２７を流れる高温流体から熱を奪い、流出口２１４において蒸気となる場合がある。

このような場合、金属板２Ａａの上面２ｕに対して垂直な方向から金属板２Ａａをみたときの流出口２１４の断面積（開口面積）は、流入口２１３の断面積（開口面積）よりも大きくてもよい。これにより、液体または気液二相の状態よりも体積が増加した冷媒の蒸気が流出口２１４から効率よく排出される。

（変形例２）
図９（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例２に係る金属板の模式的平面図である。

図９（ａ）に示す金属板２Ａａにおいては、ガイド壁２６の長手方向において、ガイド壁２６の両端間に冷媒を通過させる溝２６０が設けられてもよい。溝２６０は、Ｚ軸方向に延在し、ガイド壁２６の厚み方向においてガイド壁２６を貫通する。溝２６０は、１つに限らず、少なくとも１つガイド壁２６に設けられ、溝２６０によって、ガイド壁２６が複数に分割される。

図９（ｂ）に示す金属板２Ｂａにおいては、ガイド壁２８の長手方向において、ガイド壁２８の両端間に冷媒を通過させる溝２８０が設けられてもよい。溝２８０は、Ｚ軸方向に延在し、ガイド壁２８の厚み方向においてガイド壁２８を貫通する。溝２８０は、１つに限らず、少なくとも１つガイド壁２８に設けられ、溝２８０によって、ガイド壁２６が複数に分割される。

このような溝２６０を設けることにより、熱交換流路部２５の両端部のほか、熱交換流路部２５の中央部にも冷媒を流入させることができ、熱交換流路部２５の中央部及び両端部に流入する冷媒の量を容易に調整することができる。同様に、溝２８０を設けることにより、熱交換流路部２７の両端部のほか、熱交換流路部２７の中央部にも高温流体を流入させることができ、熱交換流路部２７の中央部及び両端部に流入する高温流体の量を容易に調整することができる。

（変形例３）
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例３に係る金属板の模式的平面図である。

図１０（ａ）に示す金属板２Ａａにおいては、ガイド壁２６のほかに、熱交換流路部２５と流入口２１３との間に冷媒を分配する分流域３０が設けられている。分流域３０は、熱交換流路部２５とガイド壁２６との間に位置する。分流域３０は、流入口２１３から熱交換流路部２５に向けて放射状に延在する複数の凸部３０ｔを有する。分流域３０は、流入口２１３から流入した冷媒を熱交換流路部２５に向けて均等に分配する。分流域３０は、図１０（ｂ）に示す金属板２Ｂａに設けてもよい。

このようなガイド壁２６及び分流域３０を設けることにより、冷媒を熱交換流路部２５により均等に流入させることができ、高温流体を熱交換流路部２７により均等に流入させることができる。

（変形例４）
図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例４に係る金属板の模式的平面図である。

変形例４に係るガイド壁２６には、さらに溝２６０を設けてもよく、ガイド壁２８には、溝２８０を設けてもよい。このような溝２６０、２８０を設けることにより、冷媒をガイド壁２６の両側からと、ガイド壁２６の中央から熱交換流路部２５により均等に流入させることができる。同様に、高温流体を熱交換流路部２７により均等に流入させることができる。

（変形例５）
図１２は、本実施形態の変形例５に係る金属板の模式的平面図である。

図１２に示す金属板２Ａａにおいては、流入口２１３の中心と流出口２１４の中心とを結ぶ線２１５から、ガイド壁２６の中心２６１が線２１５と直交する方向にずれている。ガイド壁２６の長手方向は、線２１５と交差（例えば、直交）する。例えば、ガイド壁２６は、冷媒が進行する方向に対して凹部２５０の両端２５０ｗの一方側（例えば、左側）に寄せられている。

例えば、Ｚ軸方向において、金属板２Ａａの上下には金属板２Ｂａが配置されることから、高温流体は、方向２Ｂａ_ｆに流れる。高温流体においては、金属板２Ａａを流れる冷媒に熱を奪われるため、方向２Ｂａ_ｆの上流ほど、温度が高くなっている。換言すれば、金属板２Ａａにとっては、図１２の右側の領域ほど、熱負荷が高い状態にある。

従って、図１２に示すように、ガイド壁２６を左側に寄せ、凹部２５０の右側に冷媒をより多く流通させることにより、冷媒と高温流体との熱交換効率がより向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

１…積層ブロック体
１ｓ、１ｔ、１ｕ、１ｖ…空間
１ｗ…側面
１ｕ、１ｄ、２ｕ、２ｄ…主面
２…積層体
２Ａａ、２Ａｂ、２Ｂａ、２Ｂｂ、３Ａ、３Ｂ…金属板
２ｈ…開口
２ｗ…側面
１０…熱交換器
２５、２７…熱交換流路部
２５ａ、２７ａ…流路
２５ｔ、２７ｔ、２９ｔ、３０ｔ…凸部
２５ｄ…死水域
２６、２８…ガイド壁
２９、３０…分流域
５１、５２、５３、５４…継手体
２１１、２１３、２１２、２１４…流出口
２５０、２７０…凹部
２５０ｗ…両端
２６０、２８０…溝
２６１…中心

Claims (6)

1. 流体が流入する流入口と、前記流体が流出する流出口と、前記流入口と前記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含み、
   前記複数の金属板は、互いに拡散接合によって積層され、
   前記複数の金属板の少なくとも１つは、前記流入口と前記熱交換流路部との間において、前記流入口から前記流出口に流れる前記流体を前記熱交換流路部の手前で衝突させるガイド壁を有している
   熱交換器。
2. 請求項１に記載された熱交換器であって、
   前記ガイド壁は、前記流入口から前記流出口に向かう方向に対して交差する
   熱交換器。
3. 請求項１または２に記載された熱交換器であって、
   前記ガイド壁の両端間に前記流体を通過させる溝が設けられている
   熱交換器。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載された熱交換器であって、
   前記ガイド壁のほかに、前記熱交換流路部と前記流入口との間に前記流体を分配する分流域が設けられている
   熱交換器。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載された熱交換器であって、
   前記流入口の中心と前記流出口の中心とを結ぶ線から前記ガイド壁の中心がずれている
   熱交換器。
6. 請求項１～５のいずれか１つに記載された熱交換器であって、
   蒸発器として機能する
   熱交換器。

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