JP2023149895A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温流体と液体の高温流体との間において熱交換を行う際に、高温流体の凍結を抑制することが可能な熱交換システムを提供する。【解決手段】この熱交換システム１００は、低温流体８０と高温流体８１との間における熱交換を行う第１熱交換部３と、低温流体８０間における熱交換を行う第２熱交換部４とを備え、第２熱交換部４は、低温流体８０が流入する第１入口４ａと、第１入口４ａと連通する第１出口４ｂと、低温流体８０が流入する第２入口４ｃと、第２入口４ｃと連通する第２出口４ｄとを含み、第１入口４ａから流入した低温流体８０と第２入口４ｃから流入した低温流体８０とを熱交換するように構成され、第２入口４ｃに流入前の低温流体８０を加熱する加熱部を備え、第２出口４ｄは第１熱交換部３と連通しており、第２熱交換部４によって熱交換され第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３に流入され高温流体８１と熱交換される。【選択図】図４

Description

この発明は、熱交換システムに関し、特に、低温の流体である低温流体と、高温の流体である高温流体との間で熱交換を行う熱交換システムに関する。

従来、低温の流体である低温流体と、高温の流体である高温流体との間で熱交換を行う熱交換システムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、低温の流体である低温流体と、高温の流体である高温流体との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている。上記特許文献１に開示されている熱交換器は、第１流体を流す第１通路と、第２流体を流す第２通路とが交互に積層されて構成されたプレートフィン型の熱交換器である。上記特許文献１に開示されている熱交換器は、流体間の温度差の大きい天然ガスの液化または気化などの用途に特に用いられる。

特開２０１０－１０１６１７号公報

ここで、上記特許文献１に開示されている熱交換器（熱交換システム）では、第１通路と第２通路とが交互に積層されている。したがって、たとえば、低温側の第１流体（低温流体）が極低温の液化ガスで、高温側の第２流体（高温流体）が水や不凍液などの場合、低温流体と液体の高温流体との間において熱交換を行う際に、高温流体が凍結する可能性があるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、低温流体と液体の高温流体との間において熱交換を行う際に、高温流体の凍結を抑制することが可能な熱交換システムを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明による熱交換システムは、低温の流体である低温流と低温流体よりも高温の液体である高温流体との間における熱交換を行う第１熱交換部と、低温流体間における熱交換を行う第２熱交換部と、を備え、第２熱交換部は、低温流体が流入する第１入口と、第１入口と連通し熱交換後の前記第１入口から流入した低温流体が流出する第１出口と、第１出口から流出した低温流体が流入する第２入口と、第２入口と連通し熱交換後の前記第２入口から流入した低温流体が流出する第２出口とを含み、第１入口から流入した低温流体と第２入口から流入した低温流体とを熱交換するように構成され、第１出口と第２入口の間に設けられ、第１出口から流出後、第２入口に流入前の低温流体を加熱する加熱部を備え、第２出口は、第１熱交換部と連通しており、第２熱交換部によって熱交換され、第２出口から流出した低温流体は、第１熱交換部に流入され、高温流体と熱交換される。

この発明による熱交換システムでは、上記のように、低温流体と高温流体との間における熱交換を行う第１熱交換部と、低温流体間における熱交換を行う第２熱交換部と、第１出口から流出後、第２入口に流入前の低温流体を加熱する加熱部と、を備え、第２熱交換部によって熱交換された低温流体は、第１熱交換部に流入され、高温流体と熱交換される。これにより、低温流体が第１熱交換部に流入される前に、第２熱交換部によって低温流体が加熱されるので、第１熱交換部に流入される低温流体を予め加熱することができる。したがって、第２熱交換部を備えない構成と比較して、第１熱交換部に流入される低温流体と液体の高温流体との温度差を小さくすることができる。その結果、低温流体と液体の高温流体との間において熱交換を行う際に、高温流体の凍結を抑制することができる。

上記発明による熱交換システムにおいて、好ましくは、第１熱交換部は、加熱部を兼ねており、第１熱交換部は、低温流体が流入する第１低温側入口と、第１低温側入口と連通する第１低温側出口とを含み、第２熱交換部の第１出口は、第１熱交換部の第１低温側入口と連通しており、第１出口から流出した低温流体は、第１低温側入口から第１熱交換部に流入され、高温流体と熱交換された後、第２入口から第２熱交換部に戻すように流入される。このように構成すれば、第１出口から流出した低温流体を第１熱交換部によって加熱し、第２入口から第２熱交換部に戻すことができる。したがって、第１出口から流出した低温流体を加熱するためのヒーターなどを設けることなく、第２入口から流入する低温流体を加熱することができる。その結果、第１出口から流出した低温流体を加熱するためのヒーターなどを設ける構成と比較して、熱交換システムが大型化することを抑制することができる。

さらにこの場合、第１出口から流出した低温流体は、第１入口から流入する低温流体よりも高温であり、第２出口から流出した低温流体は第１入口から流入する低温流体よりも高温となる。つまり、第１出口から流出し、第１熱交換部に流入する低温流体、および、第２出口から流出し、第１熱交換部に流入する低温流体のいずれにおいても、第１入口から流入する低温流体よりも温度が高い状態で第１熱交換部に流入する。したがって、第２熱交換部を介さずに低温流体を直接第１熱交換部に流入させる構成と比較して、低温流体と高温流体との温度差を小さくすることができる。その結果、第２熱交換部を介さずに低温流体を直接第２熱交換部に流入させる構成と比較して、液体の高温流体が凍結することを抑制することができる。

上記低温流体が第２入口から第２熱交換部に戻すように流入される構成において、好ましくは、第１熱交換部は、第２熱交換部の第２出口と連通する第２低温側入口と、第２低温側入口と連通する第２低温側出口とをさらに含み、第２熱交換部の第２出口から流出した低温流体は、第１熱交換部の第２低温側入口から第１熱交換部に流入され、高温流体と熱交換される。このように構成すれば、第１熱交換部の第２低温側入口と第２熱交換部の第２出口とが連通しているので、第２熱交換部において熱交換を行った低温流体を、第１熱交換部に容易に流入させることができる。その結果、第２熱交換部によって低温流体を予め加熱した状態で、第１熱交換部に流入させることが可能な流体回路を容易に形成することができる。

この場合、好ましくは、第１熱交換部は、高温流体と第１熱交換部の第１低温側入口から流入した低温流体との間における熱交換、および、高温流体と第１熱交換部の第２低温側入口から流入した低温流体との間における熱交換を行うように構成されている。このように構成すれば、第１熱交換部が、高温流体と、第１低温側入口から流入した低温流体と、第２低温側入口から流入した低温流体と、の３流体間によって熱交換を行うことができる。その結果、高温流体と第１低温側入口から流入した低温流体との間で熱交換を行う熱交換部、および、高温流体と第２低温側入口から流入した低温流体との間で熱交を行う熱交換部をそれぞれ備える構成と比較して、部品点数の増加、および、構造の複雑化を抑制することができる。

上記第１出口から流出した低温流体、および、第２出口から流出した低温流体が、第１入口から流入する低温流体よりも高温である構成において、好ましくは、第１熱交換部および第２熱交換部は、それぞれ異なる第１熱交換器および第２熱交換器に設けられている。このように構成すれば、第１熱交換部を備えた第１熱交換器と、第２熱交換部を備えた第２熱交換器とを互いに接続することにより、第１熱交換部に流入する低温流体の温度を、第２熱交換部によって予め加熱することが可能な流体回路を容易に形成することができる。その結果、たとえば、第１熱交換部および第２熱交換部の両方を備える単一の熱交換器と比較して、熱交換器の配管の設置が複雑化することを抑制することができる。

上記第１出口から流出した低温流体、および、第２出口から流出した低温流体が、第１入口から流入する低温流体よりも高温である構成において、好ましくは、液体の低温流体を貯蔵する低温流体タンクと、低温流体タンクに貯蔵された低温流体を、低温流体を流通させる低温流路に流通させる低温流体ポンプと、第１熱交換部によって加熱され、気化した低温流体を貯留する低温流体貯留部と、低温流体貯留部に接続され、供給対象に対して気化した低温流体を供給する供給部と、低温流路から分岐して供給部に接続し、低温流体を流通させる分岐流路と、をさらに備え、供給部は、低温流体貯留部から流入する低温流体と、分岐流路から流入し、低温流体貯留部に貯留された低温流体よりも低温の低温流体とを混合するように構成されている。このように構成すれば、低温流体貯留部に貯留された低温流体の温度を低くして供給対象に提供する場合に、低温流体貯留部に貯留された低温流体と、分岐流路から流入した低温流体とを混合することにより、低温流体の温度を容易に低くすることができる。したがって、冷凍機などを用いることなく、貯留部に貯留された低温流体の温度を、提供対象に提供する際の温度まで低下させることができる。その結果、たとえば、低温流体貯留部に貯留された低温流体の温度を下げるための冷凍機などを備える構成と比較して、システムが大規模化することを抑制することができる。

上記発明による熱交換システムにおいて、好ましくは、低温流体は液体水素であり、高温流体は温水である。このように構成すれば、低温流体である液体水素と、高温流体である温水とにおいて熱交換を行う場合に、温水が凍結することを抑制することが可能な熱交換システムを提供することができる。

本発明によれば、上記のように、低温流体と液体の高温流体との間において熱交換を行う際に、高温流体の凍結を抑制することが可能な熱交換システムを提供することができる。

一実施形態による熱交換システムの全体構成を説明するための模式図である。 一実施形態による第１熱交換部を備える第１熱交換器の構成を説明するための模式的な斜視図である。 一実施形態による第２熱交換部を備える第２熱交換器の構成を説明するための模式的な斜視図である。 一実施形態による第１熱交換部と第２熱交換部とが接続される構成、および、低温流体および高温流体の流路を説明するための模式図である。 一実施形態による熱交換システムにおいて、第１流体間における熱交換、および、第１流体と第２流体との熱交換を説明するための模式図である。 変形例による熱交換システムの全体構成を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１～図５を参照して、一実施形態による熱交換システム１００について説明する。

（熱交換システムの構造）
図１に示すように、熱交換システム１００は、低温流路１と、高温流路２と、第１熱交換部３と、第２熱交換部４と、加熱部と、を備える。また、本実施形態では、熱交換システム１００は、低温流体タンク５と、低温流体ポンプ６と、低温流体貯留部７と、を備える。また、本実施形態では、熱交換システム１００は、供給部８と、分岐流路９と、を備える。また、本実施形態では、熱交換システム１００は、高温流体タンク３０を備える。

低温流路１は、低温の流体である低温流体８０を流通させる流路である。低温流路１は、一方側の端部が低温流体ポンプ６に接続され、他方側の端部が低温流体貯留部７に接続される。低温流路１は、たとえば、配管である。なお、低温流体８０は、たとえば、液体水素、液体ヘリウム、および、液化天然ガスなどを含む。本実施形態では、低温流体８０は、液体水素である。

本実施形態では、低温流路１は、第１低温流路部１ａ、第２低温流路部１ｂ、第３低温流路部１ｃ、第４低温流路部１ｄ、および、第５低温流路部１ｅを含む。

第１低温流路部１ａは、低温流体ポンプ６と第２熱交換部４とを接続するように構成されている。また、第２低温流路部１ｂは、第２熱交換部４と第１熱交換部３とを接続するように構成されている。また、第３低温流路部１ｃは、第１熱交換部３と第２熱交換部４とを接続するように構成されている。また、第４低温流路部１ｄは、第２熱交換部４と第１熱交換部３とを接続するように構成されている。また、第５低温流路部１ｅは、第１熱交換部３と低温流体貯留部７とを接続するように構成されている。

したがって、低温流体タンク５に貯留されている低温流体８０は、低温流体ポンプ６によって、第１低温流路部１ａ、第２熱交換部４、第２低温流路部１ｂ、第１熱交換部３、第３低温流路部１ｃ、第２熱交換部４、第４低温流路部１ｄ、第１熱交換部３、および、第５低温流路部１ｅの順に流通され、低温流体貯留部７に貯留される。本実施形態では、熱交換システム１００は、液体水素である液体の低温流体８０ａを、第１熱交換部３および第２熱交換部４によって熱交換を行うことにより気化させた気体の低温流体８０ｂ（水素ガス）を、低温流体貯留部７に貯留するシステムである。

高温流路２は、低温流体８０よりも高温の液体である高温流体８１を流通させる流路である。高温流路２の途中には、第１熱交換部３が設けられている。高温流路２は、たとえば、配管である。なお、高温流体８１は、たとえば、温水、エチレングリコールなどを含む。本実施形態では、高温流体８１は、温水である。温水は、好ましくは、４０℃～７０℃の温度に加熱された水である。温水は、より好ましくは、５０℃～６０℃の温度に加熱された水である。

本実施形態では、高温流路２は、第１高温流路部２ａと、第２高温流路部２ｂとを含む。

第１高温流路部２ａは、高温流体タンク３０と、第１熱交換部３とを接続するように構成されている。また、第２高温流路部２ｂは、第１熱交換部３と高温流体タンク３０とを接続するように構成されている。したがって、高温流体タンク３０から流出された高温流体８１は、第１高温流路部２ａ、第１熱交換部３、および、第２高温流路部２ｂを流通され、再び高温流体タンク３０に流入される。

第１熱交換部３は、加熱部を兼ねている。第１熱交換部３は、低温流体８０と高温流体８１との間における熱交換を行うように構成されている。第１熱交換部３は、第１熱交換器１０に設けられている。第１熱交換部３および第１熱交換器１０の詳細な構成については、後述する。

第２熱交換部４は、低温流体８０間における熱交換を行うように構成されている。本実施形態では、第２熱交換部４は、第１熱交換器１０と接続された第２熱交換器２０に設けられている。すなわち、第１熱交換部３および第２熱交換部４は、それぞれ異なる第１熱交換部３および第２熱交換部４に設けられている。言い換えると、第１熱交換部３と第２熱交換部４とは、別個に設けられている。なお、第２熱交換器２０は、低温流路１によって、第１熱交換器１０と接続されている。第２熱交換部４および第２熱交換器２０の詳細な構成については、後述する。

本実施形態では、図１に示すように、低温流路１のうちの第２熱交換部４と第１熱交換部３とを接続する第２低温流路部１ｂには、第２流量調整弁３２が設けられている。第２流量調整弁３２は、低温流路１と分岐流路９とを仕切る位置に設けられている。第２流量調整弁３２は、低温流路１に流通される低温流体８０の流量と、分岐流路９に流通される低温流体８０の流量とを調整可能に構成されている。したがって、第２流量調整弁３２が制御されることにより、第２熱交換部４から第１熱交換部３に対して流通される低温流体８０の流量と、分岐流路９に流通される低温流体８０の流量とが調整される。なお、第２流量調整弁３２は、低温流路１に流通させる低温流体８０の量と、分岐流路９に流通させる低温流体８０の量とを、調整可能なように構成されている。すなわち、第２流量調整弁３２は、低温流体８０の流量を調整することにより、低温流路１および分岐流路９の両方に低温流体８０を流通させることが可能である。また、第２流量調整弁３２は、低温流体８０の流量を調整することにより、低温流路１のみに低温流体８０を流通させることが可能であるとともに、分岐流路９のみに低温流体８０を流通させることが可能なように構成されている。また、第２流量調整弁３２は、図示しない制御回路などにより電気的に制御（自動制御）されてもよいし、人などによって機械的に制御（手動制御）されてもよい。

低温流体タンク５は、液体の低温流体８０を貯蔵するように構成されている。

低温流体ポンプ６は、低温流体タンク５に貯蔵された低温流体８０を低温流路１に流通させるように構成されている。低温流体ポンプ６は、低温流体タンク５および低温流路１に接続されており、低温流体貯留部７に貯蔵された低温流体８０を、低温流路１に流通させるように構成されている。また、本実施形態では、低温流体ポンプ６は、所定の圧力まで低温流体８０を昇圧するように構成されている。所定の圧力は、たとえば、８０ＭＰａ（メガパスカル）である。なお、低温流体８０を所定の圧力に昇圧させたうえで、低温流体８０を低温流路１に流通させることが可能であれば、低温流体ポンプ６の種類は問わない。

低温流体貯留部７は、第１熱交換部３によって加熱され、気化した低温流体８０を貯留するように構成されている。低温流体貯留部７は、低温流路１、および、後述する供給流路８ａと接続されている。低温流体貯留部７は、低温流路１から流入した低温流体８０を所定の温度で貯留する。本実施形態では、低温流体貯留部７は、気体の低温流体８０ｂを貯留するように構成されている。また、低温流体貯留部７は、供給流路８ａに対して低温流体８０（気体の低温流体８０ｂ）を流出させるように構成されている。低温流体貯留部７は、たとえば、蓄圧器である。

なお、第１熱交換部３と低温流体貯留部７との間の第５低温流路部１ｅには、第１流量調整弁３１が設けられている。第１流量調整弁３１は、低温流路１に流通される低温流体８０の流量を調整可能に構成されている。したがって、第１流量調整弁３１および第２流量調整弁３２が制御されることにより、低温流体貯留部７に流入される低温流体８０の流量が調整される。なお、第１流量調整弁３１は、図示しない制御回路などにより電気的に制御（自動制御）されてもよいし、人などによって機械的に制御（手動制御）されてもよい。

供給部８は、低温流体貯留部７に接続され、供給対象９０に対して気化した低温流体８０を供給するように構成されている。供給部８は、供給流路８ａと、第１供給バルブ８ｂと、第２供給バルブ８ｃとを含む。また、供給部８は、供給対象９０に対して低温流体８０を供給するためのディスペンサー９１と接続されている。たとえば、気化した低温流体８０を供給するディスペンサーである。また、供給対象９０は、たとえば、自動車である。

第１供給バルブ８ｂは、低温流体貯留部７から供給流路８ａに流通させる低温流体８０の流量を調整可能に構成されている。第１供給バルブ８ｂは、たとえば、流量調整弁である。

第２供給バルブ８ｃは、供給対象９０に供給する低温流体８０の流量を調整可能に構成されている。第２供給バルブ８ｃは、たとえば、流量調整弁である。

分岐流路９は、低温流路１（第２低温流路部１ｂ）から分岐して供給部８に接続し、低温流体８０を流通させるように構成されている。分岐流路９は、一方側が、第２流量調整弁３２を介して低温流路１（第２低温流路部１ｂ）と接続され、他方側が供給流路８ａと接続される。分岐流路９は、低温流路１を流れる低温流体８０を、供給流路８ａに流通させるための流路である。分岐流路９は、たとえば、配管である。

高温流体タンク３０は、高温流体８１を貯留するように構成されている。また、高温流体タンク３０は、高温流路２によって、第１熱交換部３と接続されている。また、高温流路２の高温流体タンク３０と第１熱交換部３との間には、第３流量調整弁３３が設けられている。

第３流量調整弁３３は、高温流体タンク３０から第１熱交換部３に対して流入させる高温流体８１の流量を調整可能に構成されている。また、第３流量調整弁３３は、熱交換システム１００が稼働中は、高温流体８１を高温流路２に流通させるように調整される。具体的には、第３流量調整弁３３は、熱交換システム１００が稼働中には、高温流体８１を流し続けるように構成されている。なお、第３流量調整弁３３は、図示しない制御回路などにより電気的に制御（自動制御）されてもよいし、人などによって機械的に制御（手動制御）されてもよい。

図１に示すように、低温流体タンク５に貯蔵された低温流体８０（液体の低温流体８０ａ）は、低温流路１を介して第２熱交換部４および第１熱交換部３に流入される。そして、低温流体８０は、第２熱交換部４および第１熱交換部３において熱交換し、気化された後、気体の低温流体８０ｂとして、低温流体貯留部７に貯留される。また、低温流体貯留部７に貯留された気化後の低温流体８０（気体の低温流体８０ｂ）は、供給部８を介して、ディスペンサー９１によって供給対象９０に供給される。

また、高温流体タンク３０に貯留された高温流体８１は、高温流路２を介して第１熱交換部３に流入される。第１熱交換部３において熱交換を行った後の高温流体８１は、図示しないヒーターによって加熱され、高温流体タンク３０に流入される。なお、熱交換を行った後の高温流体８１は、図示しない流体排出部に排出されてもよい。

（第１熱交換器）
次に、図２を参照して、第１熱交換器１０について説明する。図２に示すように、本実施形態による第１熱交換器１０は、プレートフィン型の第１熱交換部３を備えている。プレートフィン型の第１熱交換部３は、平面状（層状）の第１流路部１１ａが設けられた層と、第２流路部１１ｂおよび第３流路部１１ｃが設けられた層とが複数重ねて配列された構造を有する熱交換部である。

第１熱交換部３は、個々の流路（チャンネル）を構成するフィン部１２と、フィン部１２の外周壁を構成するサイドバー１３とを含む平面状（平板状）の構造を有する。また、第２流路部１１ｂおよび第３流路部１１ｃが設けられる層のサイドバー１３の中間位置には、中間バー１４が設けられている。フィン部１２の形状は様々であるが、図２では、フィン部１２が波板状のコルゲートフィンである例を示している。

第１流路部１１ａが設けられる層には、中間バー１４が設けられていない。すなわち、第１流路部１１ａが設けられる層のサイドバー１３は、第１流路部１１ａの入口および出口以外の第１流路部１１ａの外周部分を閉塞するように設けられている。また、各第１流路部１１ａが、Ａ方向両側の隔壁であるプレート１５によって仕切られている。つまり、第１流路部１１ａは、フィン部１２、サイドバー１３、および、プレート１５によって仕切られた空間部分である。また、第１流路部１１ａの入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各第１流路部１１ａに流体が出入りする。なお、第１流路部１１ａの一方側に取り付けられたヘッダが、後述する高温側入口３ａ（図４参照）と接続される。また、第１流路部１１ａの他方側に取り付けられたヘッダが、後述する高温側出口３ｂ（図４参照）と接続される。プレート１５およびフィン部１２は、第１熱交換部３内で熱を伝達する伝熱面として機能する。なお、Ａ方向とは、第１流路部１１ａと、第２流路部１１ｂおよび第３流路部１１ｃとが積層される方向である。また、Ａ方向と直交する方向をＢ方向とし、Ｂ方向のうちの互いに直交する２方向を、Ｂ１方向およびＢ２方向とする。

サイドバー１３および中間バー１４は、第２流路部１１ｂの入口および出口以外の第２流路部１１ｂの外周部分を閉塞するように設けられている。また、各第２流路部１１ｂが、Ａ方向両側の隔壁であるプレート１５によって仕切られている。つまり、第２流路部１１ｂは、フィン部１２、サイドバー１３、中間バー１４、および、プレート１５によって仕切られた空間部分である。また、第２流路部１１ｂの入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各第２流路部１１ｂに流体が出入りする。なお、第２流路部１１ｂの一方側に取り付けられたヘッダが、後述する第１低温側入口３ｃ（図４参照）と接続される。また、第２流路部１１ｂの他方側に取り付けられたヘッダが、後述する第１低温側出口３ｄ（図４参照）と接続される。

第３流路部１１ｃの構成は、第２流路部１１ｂと同様の構成である。すなわち、第３流路部１１ｃは、フィン部１２、サイドバー１３、中間バー１４、および、プレート１５によって仕切られた空間部分である。また、第３流路部１１ｃの入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各第３流路部１１ｃに流体が出入りする。なお、第３流路部１１ｃの一方側に取り付けられたヘッダが、後述する第２低温側入口３ｅ（図４参照）と接続される。また、第３流路部１１ｃの他方側に取り付けられたヘッダが、後述する第２低温側出口３ｆ（図４参照）と接続される。

また、Ａ方向における各流路の最外部（上面および下面）には、一対のエンドプレート１６が設けられている。各第１流路部１１ａは、平面視で矩形状に形成される。また、各第２流路部１１ｂは、平面視で矩形状に形成される。また、各第３流路部１１ｃは、平面視で矩形状に形成される。なお、Ｂ２方向における第２流路部１１ｂの長さおよび第３流路部１１ｃの長さの合計は、Ｂ１方向における第１流路部１１ａの長さと等しい。そのため、第１熱交換部３は、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。

複数の第１流路部１１ａは、高温流路２（図１参照）と接続され、高温流体８１（図１参照）を流通させる。また、複数の第２流路部１１ｂは、第２低温流路部１ｂ（図１参照）、および、第３低温流路部１ｃと接続され、低温流体８０（図１参照）を流通させる。また、複数の第３流路部１１ｃは、第４低温流路部１ｄ（図１参照）、および、第５低温流路部１ｅと接続され、第２流路部１１ｂを流通される低温流体８０とは異なる温度の低温流体８０を流通させる。第１熱交換部３は、第１流路部１１ａを流れる高温流体８１と、第２流路部１１ｂを流れる低温流体８０と、第３流路部１１ｃを流れる低温流体８０と、の間で熱交換をさせる。なお、本実施形態では、第１熱交換部３は、第１流路部１１ａを流れる高温流体８１が、第２流路部１１ｂを流れる低温流体８０、および、第３流路部１１ｃを流れる低温流体８０と、１対２の関係で熱交換を行う。図２は、低温流体８０（図１参照）の流通方向と高温流体８１（図１参照）の流通方向とがＢ方向において直交する直交流型の熱交換器の例を示している。第１熱交換器１０は、低温流体８０の流通方向と高温流体８１の流通方向とが同じ方向になる並行流型、または低温流体８０の流通方向と高温流体８１の流通方向とが反対方向になる対向流型であってもよい。

（第２熱交換器）
次に、図３を参照して、第２熱交換器２０について説明する。図３に示すように、本実施形態による第２熱交換器２０は、プレートフィン型の第２熱交換部４を備えている。プレートフィン型の第２熱交換部４は、平面状（層状）の第１流路部２１ａが設けられた層と、第２流路部２１ｂが設けられた層とが複数重ねて配列された構造を有する熱交換部である。

第２熱交換部４は、個々の流路（チャンネル）を構成するフィン部２２と、フィン部２２の外周壁を構成するサイドバー２３とを含む平面状（平板状）の構造を有する。フィン部２２の形状は様々であるが、図３では、フィン部２２が波板状のコルゲートフィンである例を示している。

サイドバー２３は、第１流路部２１ａの入口または出口以外の第１流路部２１ａの外周部分を閉塞するように設けられている。また、各第１流路部２１ａが、Ａ方向両側の隔壁であるプレート２４によって仕切られている。つまり、第１流路部２１ａは、フィン部２２、サイドバー２３、および、プレート２４によって仕切られた空間部分である。また、第１流路部２１ａの入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各第１流路部２１ａに流体が出入りする。

また、サイドバー２３は、第２流路部２１ｂの入口または出口以外の第２流路部２１ｂの外周部分を閉塞するように設けられている。また、各第２流路部２１ｂが、Ａ方向両側の隔壁であるプレート２４によって仕切られている。つまり、第２流路部２１ｂは、フィン部２２、サイドバー２３、および、プレート２４によって仕切られた空間部分である。また、第２流路部２１ｂの入口および出口には、図示しないヘッダなどが取り付けられ、ヘッダを介して各第２流路部２１ｂに流体が出入りする。プレート２４およびフィン部２２は、第２熱交換部４内で熱を伝達する伝熱面として機能する。

また、Ａ方向における各流路の最外部（上面および下面）には、一対のエンドプレート２５が設けられている。各第１流路部２１ａは、平面視で矩形状に形成される。また、各第２流路部２１ｂは、平面視で矩形状に形成される。そのため、第２熱交換部４は、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。

複数の第１流路部２１ａは、第１低温流路部１ａ（図１参照）、および、第２低温流路部１ｂと接続され、低温流体８０（図１参照）を流通させる。また、複数の第２流路部２１ｂは、第３低温流路部１ｃ（図１参照）、および、第４低温流路部１ｄと接続され、第１流路部２１ａとは温度が異なる低温流体８０を流通させる。第２熱交換部４は、第１流路部２１ａを流れる低温流体８０と、第２流路部２１ｂを流れる低温流体８０との間で熱交換をさせる。図３は、第１流路部２１ａが延びる方向と、第２流路部２１ｂが延びる方向とがＢ方向において直交する直交流型の熱交換器の例を示している。第２熱交換器２０は、第１流路部２１ａが延びる方向と、第２流路部２１ｂが延びる方向とが同じ方向になる並行流型、または、第１流路部２１ａが延びる方向と、第２流路部２１ｂが延びる方向とが反対方向になる対向流型であってもよい。

ここで、低温流体タンク５（図１参照）には、液体水素である低温流体８０（図１参照）が貯蔵されている。液体水素の温度は、略-２５０℃である。一方、高温流体タンク３０（図１参照）に貯留されている高温流体８１（図１参照）の温度は、たとえば、５０℃～６０℃である。したがって、熱交換システム１００が加熱部（第１熱交換部３）を備えていない場合には、低温流体タンク５から流出した低温流体８０と、高温流体タンク３０から流出した高温流体８１とによって熱交換を行う場合、液体の高温流体８１が凍結する恐れがある。液体の高温流体８１が凍結した場合、高温流路２（図１参照）を流通される高温流体８１の流量が低下し、低温流体８０と高温流体８１との熱交換における効率が低下する。

（第１交換部および第２熱交換部における熱交換）
そこで、本実施形態では、第１熱交換部３（図１参照）において低温流体８０（図１参照）と高温流体８１（図１参照）との熱交換を行う前に、第２熱交換部４において、低温流体８０間における熱交換を行うように構成されている。

図４および図５を参照して、第１熱交換部３および第２熱交換部４における各流体の熱交換について説明する。なお、図４に示す例では、第１熱交換部３および第２熱交換部４の各出入口の接続を容易に把握可能にするため、第１熱交換部３および第２熱交換部４の互いに連通する入口および出口に対して、同一の図形を付して図示している。

（第１熱交換部および第２熱交換部の接続）
まず、図４を参照して、第１熱交換部３および第２熱交換部４の接続について説明する。図４に示すように、第２熱交換部４は、低温流体８０（図１参照）が流入する第１入口４ａと、第１入口４ａと連通し熱交換後の第１入口４ａから流入した低温流体８０が流出する第１出口４ｂと、第１出口４ｂから流出した後に第１熱交換器１０（第２流路部１１ｂ）を経た低温流体８０が流入する第２入口４ｃと、第２入口４ｃと連通し熱交換後の第２入口４ｃから流入した低温流体８０が流出する第２出口４ｄとを含む。すなわち、第２熱交換部４は、第１入口４ａから流入した低温流体８０と第２入口４ｃから流入した低温流体８０とを熱交換するように構成されている。第１入口４ａおよび第１出口４ｂは、第１流路部２１ａによって接続されている。また、第２入口４ｃおよび第２出口４ｄは、第２流路部２１ｂによって接続されている。

なお、図４に示す例では、便宜的に、第１入口４ａ、第１出口４ｂ、第２入口４ｃ、および、第２出口４ｄに対して、互いに異なる図形を付して図示している。具体的には、第１入口４ａに対して、破線の丸印を付している。また、第１出口４ｂに対して、実線の丸印を付している。また、第２入口４ｃに対して、実線の三角印を付している。また、第２出口４ｄに対して、実線の四角印を付している。

また、図４に示すように、第１熱交換部３は、高温流体８１（図１参照）が流入する高温側入口３ａと、高温側入口３ａと連通する高温側出口３ｂとを含む。高温側入口３ａおよび高温側出口３ｂは、第１流路部１１ａによって接続されている。高温流体タンク３０（図１参照）から第１熱交換部３に流入される高温流体８１は、高温側入口３ａを介して第１熱交換部３に流入される。また、第１熱交換部３に流入された高温流体８１は、高温側出口３ｂを介して、第１熱交換部３から流出される。なお、図４に示す例では、便宜的に、高温側入口３ａおよび高温側出口３ｂに対して、実線の二重丸印を付している。

また、第１熱交換部３は、第２熱交換部４の第１出口４ｂと連通する低温流体８０が流入する第１低温側入口３ｃと、第１低温側入口３ｃと連通する第１低温側出口３ｄとを含む。第１低温側入口３ｃおよび第１低温側出口３ｄは、第２流路部１１ｂによって接続されている。

また、本実施形態では、第１熱交換部３は、第２熱交換部４の第２出口４ｄと連通する第２低温側入口３ｅと、第２低温側入口３ｅと連通する第２低温側出口３ｆとを含む。すなわち、第１熱交換部３（加熱部）は、第１出口４ｂと第２入口４ｃの間に設けられている。第２低温側入口３ｅおよび第２低温側出口３ｆは、第３流路部１１ｃによって接続されている。第１熱交換部３が含む第１低温側入口３ｃ、第１低温側出口３ｄ、第２低温側入口３ｅ、および、第２低温側出口３ｆには、第２熱交換部４の各出入口のうちの接続される出入口に対応する図形を付している。

破線の丸印で図示した第２熱交換部４の第１入口４ａは、低温流路１によって、低温流体タンク５（図１参照）と接続されている。具体的には、第１入口４ａは、第１低温流路部１ａによって、低温流体タンク５と接続されている。

また、第２熱交換部４の第１出口４ｂは、第１熱交換部３の第１低温側入口３ｃと連通している。具体的には、第１出口４ｂは、第２低温流路部１ｂによって、第１低温側入口３ｃと連通している。したがって、第１出口４ｂから流出した低温流体８０は、第１低温側入口３ｃから第１熱交換部３に流入される。なお、図４に示す例では、第１出口４ｂおよび第１低温側入口３ｃに対して、実線の丸印を付している。

また、第１熱交換部３の第１低温側出口３ｄは、第２熱交換部４の第２入口４ｃと連通している。具体的には、第１低温側出口３ｄは、第３低温流路部１ｃによって、第２入口４ｃと連通している。したがって、第１低温側出口３ｄから流出された低温流体８０は、第３低温流路部１ｃを流通され、第２入口４ｃから再び第２熱交換部４に流入される。なお、図４に示す例では、第１低温側出口３ｄおよび第２入口４ｃに対して、実線の三角印を付している。

第２熱交換部４の第２出口４ｄは、第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅと連通している。具体的には、第２出口４ｄは、第４低温流路部１ｄによって、第２低温側入口３ｅと連通している。したがって、第２熱交換部４の第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅから第１熱交換部３に流入される。なお、図４に示す例では、第２出口４ｄおよび第２低温側入口３ｅに対して、実線の四角印を付している。

一点鎖線の丸印で図示した第２低温側出口３ｆは、低温流路１によって、低温流体貯留部７（図１参照）に接続されている。具体的には、第２低温側出口３ｆは、第５低温流路部１ｅによって、低温流体貯留部７に接続されている。

したがって、低温流体タンク５（図１参照）に貯留されている低温流体８０（図１参照）は、第１低温流路部１ａ、第１流路部２１ａ、第２低温流路部１ｂ、第２流路部１１ｂ、第３低温流路部１ｃ、第２流路部２１ｂ、第４低温流路部１ｄ、第３流路部１１ｃ、および、第５低温流路部１ｅの順に流通され、低温流体貯留部７に流入される。

また、高温流体タンク３０（図１参照）は、高温流路２を介して、第１熱交換部３と接続されている。具体的には、高温流体タンク３０は、第１高温流路部２ａによって、第１熱交換部３と接続される。

また、第１熱交換部３の高温側出口３ｂは、第２高温流路部２ｂと接続されている。そのため、高温流体タンク３０から第１高温流路部２ａを流通された高温流体８１（図１参照）は、高温側入口３ａから流入され、第１流路部１１ａを流通され、高温側出口３ｂから流出し、第２高温流路部２ｂを流通される。

（低温流体の熱交換）
引き続き図４を参照して、低温流体８０（図１参照）が、各熱交換部において熱交換を行う構成について説明する。

低温流体タンク５（図１）から低温流路１に流入された低温流体８０（図１参照）は、図４に示した丸印で囲んだ１番～３番の順に、熱交換を行う。

１番目（丸印で囲んだ１番）の熱交換は、第２熱交換部４において行われる。低温流体タンク５（図１）から第２熱交換部４に流入された低温流体８０（図１参照）は、第１熱交換部３から流出された低温流体８０と熱交換を行う。すなわち、１番目の熱交換は、第１流路部２１ａを流通される低温流体８０と、第２流路部２１ｂを流通される低温流体８０との間で行われる。言い換えると、１番目の熱交換は、低温流体タンク５から流入された低温流体８０と、第２熱交換部４から流出され、自己循環することにより再び第２熱交換部４に流入される低温流体８０との間において行われる。第１熱交換部３から流出された低温流体８０は、第１熱交換部３において、高温流体８１（図１参照）と熱交換している。したがって、第１出口４ｂから流出した低温流体８０は、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも高温である。

なお、熱交換システム１００の起動時には、第２入口４ｃから第２熱交換部４に流入される低温流体８０がない。すなわち、起動時には、略-２５０℃の液体水素である低温流体８０と熱交換を行うために、第１熱交換部３によって加熱された低温流体８０が第２熱交換部４に対して流入されない。したがって、熱交換システム１００の起動時には、１番目の熱交換として、低温流体８０間における熱交換は行われない。なお、熱交換システム１００を起動する際には、第２熱交換部４が常温になっている。したがって、熱交換システム１００の起動時には、第２熱交換部４の熱容量によって、第１流路部２１ａを流通される低温流体８０が加熱される。この場合、第２熱交換部４と低温流体８０との温度差が大きいので、第２熱交換部４に生じる熱応力を抑制するために、第２熱交換部４に流入される低温流体８０の流量を小さくする。すなわち、熱交換システム１００の起動時には、少量の低温流体８０を流通させることにより、第２熱交換部４の熱容量によって低温流体８０を加熱する準備モードで熱交換システム１００を駆動させる。

次に、低温流体８０は、２番目（丸印で囲んだ２番）の熱交換を行う。２番目の熱交換は、第１熱交換部３において行われる。具体的には、２番目の熱交換は、第１流路部１１ａを流通される高温流体８１（図１参照）と、第２流路部１１ｂを流通される低温流体８０との間で行われる。すなわち、第２熱交換部４によって熱交換され、第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３に流入され、高温流体８１と熱交換される。言い換えると、第１熱交換部３（加熱部）は、第１出口４ｂから流出後、第２入口４ｃに流入前の低温流体８０を加熱するように構成されている。

なお、２番目の熱交換を行った低温流体８０は、第１低温側出口３ｄから流出され、第３低温流路部１ｃを流通され、第２入口４ｃから再び第２熱交換部４に流入される。言い換えると、第１出口４ｂから流出された低温流体８０は、高温流体８１と熱交換された後、第２入口４ｃから第２熱交換部４に戻すように流入される。そして、第２入口４ｃから第２熱交換部４に戻すように流入された低温流体８０は、１番目の熱交換時において、高温側の流体として、第１流路部２１ａを流通される低温流体８０との熱交換を行う。本実施形態では、第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１出口４ｂから流出した低温流体８０よりも高温である。なお、第２出口４ｄから流出する低温流体８０と、第１入口４ａから流入する低温流体８０とにおいて熱交換を行う場合、熱交換後の各低温流体８０の温度は、両者の中間温度付近になると考えられる。また、第２出口４ｄから流出した低温流体８０の温度が、第１出口４ｂから流出した低温流体８０よりも低温であってもよい。

次に、低温流体８０（図１参照）は、３番目（丸印で囲んだ３番）の熱交換を行う。３番目の熱交換は、第１熱交換部３において行われる。具体的には、３番目の熱交換は、第１流路部１１ａを流通される高温流体８１（図１参照）と、第３流路部１１ｃを流通される低温流体８０との間で行われる。すなわち、第２熱交換部４によって熱交換され、第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３に流入され、高温流体８１と熱交換される。

本実施形態では、２番目の熱交換および３番目の熱交換の各々は、第１熱交換部３において行われる。すなわち、第１熱交換部３は、高温流路２の高温流体８１と第１熱交換部３の第１低温側入口３ｃから流入した低温流体８０との間における熱交換、および、高温流路２の高温流体８１と第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅから流入した低温流体８０との間における熱交換を行うように構成されている。言い換えると、第１熱交換部３は、第１流路部１１ａを流通される高温流体８１、第２流路部１１ｂを流通される低温流体８０、および、第３流路部１１ｃを流通される低温流体８０の３流体間の熱交換を行うように構成されている。

そして、３番目の熱交換を行った後の低温流体８０は、第２低温側出口３ｆから流出され、第５低温流路部１ｅを流通され、低温流体貯留部７に貯留される。

次に、図５を参照して、各熱交換部における低温流体８０（図１参照）および高温流体８１（図１参照）の熱交換の詳細について説明する。

図５に示すグラフ７０は、横軸が熱量であり、縦軸が温度のグラフである。また、グラフ７０における実線の矢印４０ａ～矢印４０ｄは、低温流体８０（図１参照）の温度および熱量の変化を示している。具体的には、矢印４０ａは、第１入口４ａ（図４参照）に流入され、第１出口４ｂ（図４参照）から流出される低温流体８０の温度および熱量の変化を示している。また、矢印４０ｂは、第２入口４ｃ（図４参照）から流入され、第２出口４ｄ（図４参照）から流出される低温流体８０の温度および熱量の変化を示している。また、矢印４０ｃは、第１低温側入口３ｃから流入され、第１低温側出口３ｄから流出される低温流体８０の温度および熱量の変化を示している。また、矢印４０ｄは、第２低温側入口３ｅから流入され、第２低温側出口３ｆから流出される低温流体８０の温度および熱量の変化を示している。

また、グラフ７０における一点鎖線の矢印５０ａおよび矢印５０ｂは、高温流体８１（図１参照）の温度および熱量の変化を示している。具体的には、矢印５０ａおよび矢印５０ｂの各々は、高温側入口３ａ（図４参照）から流入され、高温側出口３ｂ（図４参照）から流出される高温流体８１（図１参照）の温度および熱量の変化を示している。なお、矢印４０ａ～矢印４０ｄ、矢印５０ａ、および、矢印５０ｂは、始点が熱交換の開始時の温度および熱量を示しており、終点が熱交換の終了時の温度および熱量を示している。

また、グラフ７０における領域Ｒ１は、第２熱交換部４（図４参照）における熱交換を示しており、領域Ｒ２および領域Ｒ３は、第１熱交換部３（図４参照）における熱交換を示している。なお、領域Ｒ１～領域Ｒ３における熱交換は、それぞれ、図４に図示した丸印で囲んだ１番目～３番目の熱交換に対応している。

領域Ｒ１に示すように、第２熱交換部４（図４参照）では、第１入口４ａ（図４参照）に流入され、第１出口４ｂ（図４参照）から流出される低温流体８０と、第２入口４ｃ（図４参照）から流入され、第２出口４ｄ（図４参照）から流出される低温流体８０との間における熱交換が行われる。

これにより、矢印４０ａに示すように、第１入口４ａに流入され、第１出口４ｂから流出される低温流体８０の温度は、温度ｔ１から温度ｔ２まで上昇する。一方、矢印４０ｂに示すように、第２入口４ｃから流入され、第２出口４ｄから流出される低温流体８０の温度は、温度ｔ３から温度ｔ４まで低下する。

また、領域Ｒ２に示すように、第１熱交換部３（図４参照）では、第１低温側入口３ｃから流入され、第１低温側出口３ｄから流出される低温流体８０と、高温側入口３ａから流入され、高温側出口３ｂから流出される高温流体８１との間における熱交換が行われる。その結果、第１低温側入口３ｃから流入され、第１低温側出口３ｄから流出される低温流体８０の温度は、温度ｔ２から温度ｔ３まで上昇する。一方、高温側入口３ａから流入され、高温側出口３ｂから流出される高温流体８１の温度は、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで低下する。

ここで、矢印４０ａの始点の温度ｔ１と、矢印４０ｃの始点の温度ｔ２とを比較すると、矢印４０ｃの始点の温度ｔ２の方が高いことがわかる。すなわち、矢印４０ａの始点の温度ｔ１と矢印５０ａの始点の温度Ｔ１との温度差ｔｄ１よりも、矢印４０ｃの始点の温度ｔ２と矢印５０ａの始点の温度Ｔ１との温度差ｔｄ２の方が小さくなる。そのため、第２熱交換部４によって予め低温流体８０を加熱しない場合と比較して、高温流体８１が凍結しづらくなる。

また、領域Ｒ３に示すように、第１熱交換部３（図４参照）では、第２低温側入口３ｅから流入され、第２低温側出口３ｆから流出される低温流体８０と、高温側入口３ａから流入され、高温側出口３ｂから流出される高温流体８１との間における熱交換が行われる。その結果、第２低温側入口３ｅから流入され、第２低温側出口３ｆから流出される低温流体８０の温度は、温度ｔ４から温度ｔ５まで上昇する。なお、高温側入口３ａから流入され、高温側出口３ｂから流出される高温流体８１の温度は、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで低下する。

ここで、矢印４０ａの始点の温度ｔ１と、矢印４０ｄの始点の温度ｔ４とを比較すると、矢印４０ｄの始点の温度ｔ４の方が高いことがわかる。すなわち、矢印４０ａの始点の温度ｔ１と矢印５０ｂの始点の温度Ｔ１との温度差ｔｄ１よりも、矢印４０ｄの始点の温度ｔ４と矢印５０ｂの始点の温度Ｔ１との温度差ｔｄ３の方が小さくなる。そのため、第２熱交換部４によって予め低温流体８０を加熱しない場合と比較して、高温流体８１が凍結しづらくなる。

なお、図５に示す例では、矢印５０ａと矢印５０ｂとを分けて記載したが、高温流体８１を流通させる高温流路２（図４参照）を分ける必要はない。高温流路２に流通させる高温流体８１の流量は、矢印５０ａおよび矢印５０ｂに示す熱量を合算した熱量を賄うことが可能な流量に設定すればよい。

ここで、低温流体貯留部７（図１参照）に貯留される低温流体８０（図１参照）は、常温（温度ｔ５）の気体の水素（水素ガス）である。また、供給対象９０（図１参照）に対して低温流体８０を供給する場合、低温流体８０の温度が上昇する。供給対象９０に供給する際の低温流体８０の上限温度は、供給対象９０ごとに予め定められている。そのため、供給部８は、供給対象９０に応じて、所望の温度の低温流体８０を供給可能に構成されている。具体的には、供給部８は、低温流体貯留部７に貯留されている低温流体８０の温度とは異なる温度に調整した低温流体８０を供給するように構成されている。たとえば、所望の温度が温度ｔ６の場合、供給部８は、低温流体貯留部７に貯留される常温（温度ｔ５）の低温流体８０を、所定の温度（温度ｔ６）まで冷却する。なお、常温（温度ｔ５）は、たとえば、１０℃であり、温度ｔ６は、たとえば、-４０℃である。

供給部８（図１参照）は、低温流体貯留部７（図１参照）から流入する低温流体８０（図１参照）と、分岐流路９（図１参照）から流入し、低温流体貯留部７に貯留された低温流体８０よりも低温の低温流体８０とを混合するように構成されている。具体的には、供給部８は、第１供給バルブ８ｂ（図１参照）および第２供給バルブ８ｃ（図１参照）を調整することにより、供給流路８ａから流入する低温流体８０の流量と、分岐流路９から流入する低温流体８０の流量とを調整し、所定の温度（温度ｔ６）の低温流体８０を供給するように構成されている。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、熱交換システム１００は、低温の流体である低温流体８０と低温流体８０よりも高温の液体である高温流体８１との間における熱交換を行う第１熱交換部３と、低温流体８０間における熱交換を行う第２熱交換部４と、を備え、第２熱交換部４は、低温流体８０が流入する第１入口４ａと、第１入口４ａと連通し熱交換後の第１入口４ａから流入した低温流体８０が流出する第１出口４ｂと、第１出口４ｂから流出した低温流体８０が流入する第２入口４ｃと、第２入口４ｃと連通し熱交換後の第２入口４ｃから流入した低温流体８０が流出する第２出口４ｄとを含み、第１入口４ａから流入した低温流体８０と第２入口４ｃから流入した低温流体８０とを熱交換するように構成され、第１出口４ｂと第２入口４ｃの間に設けられ、第１出口４ｂから流出後、第２入口４ｃに流入前の低温流体８０を加熱する加熱部を備え、第２出口４ｄは、第１熱交換部３と連通しており、第２熱交換部４によって熱交換され、第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３に流入され、高温流体８１と熱交換される。

これにより、低温流体８０が第１熱交換部３に流入される前に、第２熱交換部４によって低温流体８０が加熱されるので、第１熱交換部３に流入される低温流体８０を予め加熱することができる。したがって、第２熱交換部４を備えない構成と比較して、第１熱交換部３に流入される低温流体８０と高温流体８１との温度差を小さくすることができる。その結果、第１熱交換部３において、高温流体８１が凍結することを抑制することができる。

また、第１熱交換部３は、加熱部を兼ねており、第１熱交換部３は、低温流体８０が流入する第１低温側入口３ｃと、第１低温側入口３ｃと連通する第１低温側出口３ｄとを含み、第２熱交換部４の第１出口４ｂは、第１熱交換部３の第１低温側入口３ｃと連通しており、第１出口４ｂから流出した低温流体８０は、第１低温側入口３ｃから第１熱交換部３に流入され、高温流体８１と熱交換された後、第２入口４ｃから第２熱交換部４に戻すように流入される。これにより、第１出口４ｂから流出した低温流体８０を第１熱交換部３によって加熱し、第２入口４ｃから第２熱交換部４に戻すことができる。したがって、第１出口４ｂから流出した低温流体８０を加熱するためのヒーターなどを設けることなく、第２入口４ｃから流入する低温流体８０を加熱することができる。その結果、第１出口４ｂから流出した低温流体８０を加熱するためのヒーターなどを設ける構成と比較して、熱交換システム１００が大型化することを抑制することができる。

さらにこの場合、第１出口４ｂから流出した低温流体８０は、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも高温であり、第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも高温となる。つまり、第１出口４ｂから流出し、第１熱交換部３に流入する低温流体８０、および、第２出口４ｄから流出し、第１熱交換部３に流入する低温流体８０のいずれにおいても、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも温度が高い状態で第１熱交換部３に流入する。したがって、第２熱交換部４を介さずに低温流体８０を直接第１熱交換部３に流入させる構成と比較して、低温流体８０と高温流体８１との温度差を小さくすることができる。その結果、第２熱交換部４を介さずに低温流体８０を直接第２熱交換部４に流入させる構成と比較して、高温流体８１が凍結することを抑制することができる。

また、第１熱交換部３は、第２熱交換部４の第２出口４ｄと連通する第２低温側入口３ｅと、第２低温側入口３ｅと連通する第２低温側出口３ｆとをさらに含み、第２熱交換部４の第２出口４ｄから流出した低温流体８０は、第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅから第１熱交換部３に流入され、高温流体８１と熱交換される。これにより、第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅと第２熱交換部４の第２出口４ｄとが連通しているので、第２熱交換部４において熱交換を行った低温流体８０を、第１熱交換部３に容易に流入させることができる。その結果、第２熱交換部４によって低温流体８０を予め加熱した状態で、第１熱交換部３に流入させることが可能な流体回路を容易に形成することができる。

また、第１熱交換部３は、高温流路２の高温流体８１と第１熱交換部３の第１低温側入口３ｃから流入した低温流体８０との間における熱交換、および、高温流路２の高温流体８１と第１熱交換部３の第２低温側入口３ｅから流入した低温流体８０との間における熱交換を行うように構成されている。これにより、第１熱交換部３が、高温流体８１と、第１低温側入口３ｃから流入した低温流体８０と、第２低温側入口３ｅから流入した低温流体８０と、の３流体間によって熱交換を行うことができる。その結果、高温流体８１と第１低温側入口３ｃから流入した低温流体８０との間で熱交換を行う熱交換部、および、高温流体８１と第２低温側入口３ｅから流入した低温流体８０との間で熱交を行う熱交換部をそれぞれ備える構成と比較して、部品点数の増加、および、構造の複雑化を抑制することができる。

また、第１熱交換部３および第２熱交換部４は、それぞれ異なる第１熱交換器１０および第２熱交換器２０に設けられている。これにより、第１熱交換部３を備えた第１熱交換器１０と、第２熱交換部４を備えた第２熱交換器２０とを互いに接続することにより、第１熱交換部３に流入する低温流体８０の温度を、第２熱交換部４によって予め加熱することが可能な流体回路を容易に形成することができる。その結果、たとえば、第１熱交換部３および第２熱交換部４の両方を備える熱交換器と比較して、熱交換器の配管の設置が複雑化することを抑制することができる。

また、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも高温である構成において、好ましくは、液体の低温流体８０を貯蔵する低温流体タンク５と、低温流体タンク５に貯蔵された低温流体８０を、低温流路１に流通させる低温流体ポンプ６と、第１熱交換部３によって加熱され、気化した低温流体８０を貯留する低温流体貯留部７と、低温流体貯留部７に接続され、供給対象９０に対して気化した低温流体８０を供給する供給部８と、低温流路１から分岐して供給部８に接続し、低温流体８０を流通させる分岐流路９と、をさらに備え、供給部８は、低温流体貯留部７から流入する低温流体８０と、分岐流路９から流入し、低温流体貯留部７に貯留された低温流体８０よりも低温の低温流体８０とを混合するように構成されている。これにより、低温流体貯留部７に貯留された低温流体８０の温度を低くして供給対象９０に提供する場合に、低温流体貯留部７に貯留された低温流体８０と、分岐流路９から流入した低温流体８０とを混合することにより、低温流体８０の温度を容易に低くすることができる。したがって、冷凍機などを用いることなく、貯留部に貯留された低温流体８０の温度を、提供対象に提供する際の温度まで低下させることができる。その結果、たとえば、低温流体貯留部７に貯留された低温流体８０の温度を下げるための冷凍機などを備える構成と比較して、システムが大規模化することを抑制することができる。

また、低温流体８０は液体水素であり、高温流体８１は温水である。これにより、低温流体８０である液体水素と、高温流体８１である温水とにおいて熱交換を行う場合に、温水が凍結することを抑制することが可能な熱交換システム１００を提供することができる。

（変形例）
なお、今回開示された各実施形態および各変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した各実施形態および各変形例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、第１熱交換部３が第１熱交換器１０に設けられ、第２熱交換部４が第２熱交換器２０に設けられる構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図６に示す変形例による熱交換システム２００のように、第１熱交換部３および第２熱交換部４は、単一の熱交換器２１０に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、熱交換システム１００が、低温流体タンク５に貯蔵された低温流体８０が低温流体ポンプ６によって所定の圧力に昇圧され、第１熱交換部３および第２熱交換部４によって気化される構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換システムは、第１熱交換部３および第２熱交換部４によって気化した後の低温流体８０を所定の圧力まで昇圧させ、低温流体貯留部７に貯留するように構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、第１熱交換部３が加熱部を兼ねる構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第１出口４ｂから流出し、第２入口４ｃに流入する低温流体８０は、第１熱交換部３（加熱部）によって加熱されなくてもよい。この場合、低温流路１のうちの第１出口４ｂと第２入口４ｃとの間の位置にヒーターなどの加熱装置を設けて、低温流体８０を加熱するように構成すればよい。また、第１出口４ｂから流出され、第２入口４ｃに流入されるまでに、低温流体８０と空気との間で熱交換を行うことにより、第２入口４ｃに流入される低温流体８０を所定の温度まで加熱してもよい。この場合、第１出口４ｂおよび第２入口４ｃは、低温流体８０を空気によって所定の温度まで加熱することが可能な長さ（流路長）を有する低温流路１によって接続されればよい。しかしながら、第１出口４ｂと第２入口４ｃとの間にヒーターなどの加熱装置を設ける場合、システムが大型化する。また、低温流体８０と空気との熱交換を行う構成の場合、第１出口４ｂと第２入口４ｃとの間の低温流路１の長さ（流路長）が大きくなり、システムが大型化する。したがって、第１熱交換部３が加熱部を兼ねるように構成されることが好ましい。

また、上記実施形態では、第２出口４ｄから流出した低温流体８０が、第１入口４ａから流入する低温流体８０よりも高温であり、かつ、第１出口４ｂから流出する低温流体８０よりも高温である例を示したが、本発明はこれに限られない。第２出口４ｄから流出する低温流体８０の温度が、第１入口４ａから流入する低温流体８０の温度よりも高ければ、第１出口４ｂから流出する低温流体８０の温度より高温であっても低温であってもよい。

また、上記実施形態では、第１熱交換部３が、第２低温側入口３ｅおよび第２低温側出口３ｆを含む構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１熱交換部３は、第２低温側入口３ｅおよび第２低温側出口３ｆを含んでいなくてもよい。すなわち、第１熱交換部３は、高温流体８１と第１低温側入口３ｃから流入した低温流体８０との間における熱交換、および、高温流体８１と第２低温側入口３ｅから流入した低温流体８０との間における熱交換の両方を行うように構成されていなくてもよい。この場合、第２出口４ｄを流出された低温流体８０と高温流体８１との間で熱交換を行う熱交換器を別途設ければよい。しかしながら、第１熱交換部３が、第２低温側入口３ｅおよび第２低温側出口３ｆを含んでいない構成の場合、第２出口４ｄを流出された低温流体８０と高温流体８１との間で熱交換を行う熱交換器を設けることになるため、システムが大型化する。したがって、第１熱交換部３は、第２低温側入口３ｅおよび第２低温側出口３ｆを含んでいることが好ましい。

また、上記実施形態では、熱交換システム１００が、低温流体貯留部７を備える構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換システム１００は、予め設定された供給対象９０に対する低温流体８０の供給量を供給可能な性能の低温流体ポンプ６を備えていれば、熱交換システム１００は、低温流体貯留部７を備えていなくてもよい。

また、上記実施形態では、低温流体８０が液体水素であり、高温流体８１が温水である例を示したが、本発明はこれに限られない。低温流体８０は、液体ヘリウムであってもよいし、液化天然ガスであってもよい。また、高温流体８１は、エチレングリコールであってもよい。

また、上記実施形態では、第１熱交換部３および第２熱交換部４が、プレートフィン型の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１熱交換部３および第２熱交換部４は、どのようなタイプの熱交換部であってもよい。第１熱交換部３および第２熱交換部４は、たとえば、溝状の流路が形成された複数の伝熱版が積層され、拡散接合された拡散接合型の熱交換部であってもよい。

また、上記実施形態では、分岐流路９が、第２低温流路部１ｂから分岐する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。分岐流路９は、低温流体貯留部７に貯留される低温流体８０よりも低温の低温流体８０が流通する流路部であれば、低温流路１のどこから分岐してもよい。すなわち、分岐流路９は、第５低温流路部１ｅ以外から分岐していれば、低温流路１のどこから分岐してもよい。

１ 低温流路
２ 高温流路
３ 第１熱交換部（加熱部）
３ｃ 第１低温側入口
３ｄ 第１低温側出口
３ｅ 第２低温側入口
３ｆ 第２低温側出口
４ 第２熱交換部
４ａ 第１入口
４ｂ 第１出口
４ｃ 第２入口
４ｄ 第２出口
５ 低温流体タンク
６ 低温流体ポンプ
７ 低温流体貯留部
８ 供給部
９ 分岐流路
１０ 第１熱交換器
２０ 第２熱交換器
８０ 低温流体
８１ 高温流体
９０ 供給対象
１００、２００ 熱交換システム

Claims (7)

1. 低温の流体である低温流体と前記低温流体よりも高温である高温流体との間における熱交換を行う第１熱交換部と、
   前記低温流体間における熱交換を行う第２熱交換部と、を備え、
   前記第２熱交換部は、前記低温流体が流入する第１入口と、前記第１入口と連通し熱交換後の前記第１入口から流入した前記低温流体が流出する第１出口と、前記第１出口から流出した前記低温流体が流入する第２入口と、前記第２入口と連通し熱交換後の前記第２入口から流入した前記低温流体が流出する第２出口とを含み、前記第１入口から流入した前記低温流体と前記第２入口から流入した前記低温流体とを熱交換するように構成され、
   前記第１出口と前記第２入口の間に設けられ、前記第１出口から流出後、前記第２入口に流入前の前記低温流体を加熱する加熱部を備え、
   前記第２出口は、前記第１熱交換部と連通しており、
   前記第２熱交換部によって熱交換され、前記第２出口から流出した前記低温流体は、前記第１熱交換部に流入され、前記高温流体と熱交換される、熱交換システム。
2. 前記第１熱交換部は、前記加熱部を兼ねており、
   前記第１熱交換部は、前記低温流体が流入する第１低温側入口と、前記第１低温側入口と連通する第１低温側出口とを含み、
   前記第２熱交換部の前記第１出口は、前記第１熱交換部の前記第１低温側入口と連通しており、
   前記第１出口から流出した前記低温流体は、前記第１低温側入口から前記第１熱交換部に流入され、前記高温流体と熱交換された後、前記第２入口から前記第２熱交換部に戻すように流入される、請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記第１熱交換部は、前記第２熱交換部の前記第２出口と連通する第２低温側入口と、前記第２低温側入口と連通する第２低温側出口とをさらに含み、
   前記第２熱交換部の前記第２出口から流出した前記低温流体は、前記第１熱交換部の前記第２低温側入口から前記第１熱交換部に流入され、前記高温流体と熱交換される、請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記第１熱交換部は、前記高温流体と前記第１熱交換部の前記第１低温側入口から流入した前記低温流体との間における熱交換、および、前記高温流体と前記第１熱交換部の前記第２低温側入口から流入した前記低温流体との間における熱交換を行うように構成されている、請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記第１熱交換部および前記第２熱交換部は、それぞれ異なる第１熱交換器および第２熱交換器に設けられている、請求項３または４に記載の熱交換システム。
6. 液体の前記低温流体を貯蔵する低温流体タンクと、
   前記低温流体タンクに貯蔵された前記低温流体を、前記低温流体を流通させる低温流路に流通させる低温流体ポンプと、
   前記第１熱交換部によって加熱され、気化した前記低温流体を貯留する低温流体貯留部と、
   前記低温流体貯留部に接続され、供給対象に対して気化した前記低温流体を供給する供給部と、
   前記低温流路から分岐して前記供給部に接続し、前記低温流体を流通させる分岐流路と、をさらに備え、
   前記供給部は、前記低温流体貯留部から流入する前記低温流体と、前記分岐流路から流入し、前記低温流体貯留部に貯留された前記低温流体よりも低温の前記低温流体とを混合するように構成されている、請求項５に記載の熱交換システム。
7. 前記低温流体は液体水素であり、
   前記高温流体は温水である、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱交換システム。

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