JP5847913B1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱交換通路の流量ばらつきを精度よく抑制することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】この熱交換器１００は、流体（６、７）を導入または導出する流通口（１１、１２、２１、２２）と、流体（６、７）に熱交換をさせるための複数の熱交換通路（１３、２３）と、両端が流通口と複数の熱交換通路（１３、２３）とにそれぞれ接続された接続通路部（１４、２４）とを含む伝熱部材（１０、２０）を備える。接続通路部（１４、２４）は、熱交換通路（１３、２３）に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状を有する。【選択図】図３

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に、熱交換通路と接続通路部とが形成された伝熱部材を備える熱交換器に関する。

従来、熱交換通路と接続通路部とが形成された伝熱部材を備える熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、流体の入口部と、複数の熱交換通路と、入口部からの流体を各熱交換通路に分配する接続通路部とが形成された金属板を備えたプレートフィン型熱交換器が開示されている。上記特許文献１には、接続通路部として、多数の熱交換通路と並列接続した分配領域に、ドットコアと呼ばれる点状の凸部を多数点在するように分布させる構造が開示されている。上記特許文献１では、分配領域の各ドットコアで分散された流体が、各熱交換通路に分配される。

特開平４−２２７４８１号公報

しかしながら、上記特許文献１の接続通路部では、多数のドットコアによって分散された流体が各熱交換通路に分配されるため、各熱交換通路に分配される流体の流量は制御できずにランダムになる。そのため、各熱交換通路の流量ばらつきを精度よく抑制するのが困難であるという問題点がある。各熱交換通路の流量がばらつくと、流路毎の熱交換性能のばらつきが大きくなり、所望の性能を得るための熱交換器の設計が困難になる。

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、複数の熱交換通路の流量ばらつきを精度よく抑制することが可能な熱交換器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器は、第１流体が流れる複数の板状の第１伝熱部材と、第２流体が流れる複数の板状の第２伝熱部材とを少なくとも備え、第１伝熱部材と第２伝熱部材とが厚み方向に積層されており、第１伝熱部材および第２伝熱部材の少なくとも一方には、流体を導入または導出する流通口と、流体に熱交換をさせるための複数の熱交換通路と、両端が流通口と複数の熱交換通路とにそれぞれ接続された接続通路部とを含む溝状の流路が一体形成されており、接続通路部は、熱交換通路に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状を有し、分岐元部分から２つに分岐する一対の分岐路を複数段含み、熱交換通路側の端部に配置される一対の分岐路の総数が、熱交換通路の数と一致するように形成され、熱交換通路側の端部に配置される一対の分岐路がそれぞれ対応する熱交換通路と直接接続されている。なお、本発明の「トーナメント形状」とは、２分岐を繰り返す分岐形状を示す広い概念であり、分岐部分の形状や長さ、分岐回数は問わない。このため、接続通路部を構成する流路は、いわゆるトーナメント表のように直角に２分岐する流路のみならず、円弧形状などの曲線状に分岐したり、Ｙ字状などの斜め方向に分岐したりする流路であってもよい。

この発明による熱交換器では、上記のように、接続通路部を、熱交換通路に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状に形成する。これにより、接続通路部を流体の導入側に設ける場合には、熱交換通路に出入りする流体を２つずつ分割して複数の熱交換通路の各々に分配することができる。ここで、１つの流路を３以上の流路に分岐（分割）させる場合、流れの偏りなどに起因して流路毎の流量がばらつきやすくなる一方、流路を２分岐させる場合には、各流路への分配量を容易に均等化することができる。そのため、熱交換通路の数に応じた回数分だけ２分岐を繰り返すことによって、一度に多数の熱交換通路に流体を分配させる構造と比較して、複数の熱交換通路の流量ばらつきを精度よく抑制することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、分岐元部分は、一対の分岐路に対して、一対の分岐路のなす角の２等分線の延びる方向に向けて接続している。このように構成すれば、分岐元部分から各分岐路に対して、一対の分岐路の中間方向（２等分線の延びる方向）に向けて流体を流入させることができるので、より均等に、流体を一対の分岐路のそれぞれに分配することができる。その結果、複数の熱交換通路の流量ばらつきをより効果的に抑制することができる。

この場合において、好ましくは、分岐路は、分岐元部分から分岐する第１部分と、第１部分から延びて熱交換通路側の一対の分岐路に接続する分岐元部分としての直線状の第２部分とを含む。このように構成すれば、上流側の分岐路から下流側の分岐路に流体を流入させる際に、直線状の第２部分によって流れの向きを揃えた状態で、下流側の分岐路に流体を流入させることができる。この結果、一対の分岐路の中間に向けて流れの向きを揃えた状態で、流体を下流側の各々の分岐路に流入させることができるので、より一層均等に流体を分配することができる。

上記発明による熱交換器において、好ましくは、一対の分岐路は、互いに等しい流路長を有する。このように構成すれば、２分岐する一対の分岐路の流路抵抗の均一化を図ることができるので、一対の分岐路への流体の分配量をより均等化することができる。そして、熱交換通路の数に応じた回数分だけ同じ流路長で２分岐を繰り返すことによって、より効果的に各熱交換通路の流量ばらつきを抑制することができる。

この場合、好ましくは、一対の分岐路は、分岐元部分を挟んで対称形状に形成されている。このように構成すれば、同一の分岐路を対称に分岐させることができるので、一対の分岐路の流路抵抗をより確実に均等化することができる。その結果、複数の熱交換通路の流量ばらつきをより一層抑制することができる。

上記一対の分岐路が対称形状に形成される構成において、好ましくは、一対の分岐路は、半楕円形状をなすように、分岐元部分からそれぞれ分岐している。このように構成すれば、半楕円形状の流路の流れは楕円曲線の接線方向になるので、上流側からの流れに対して、一対の分岐路を分岐元部分から横方向に分岐させた後、流体の流れを半楕円に沿って徐々に下流方向に向けることができる。この結果、流体の均等な分配が可能なように流体の流れを下流向きに近づけることができる。

この場合において、好ましくは、一対の分岐路は、半円形状をなすように、分岐元部分からそれぞれ円弧状に分岐している。このように構成すれば、分岐元部分から分岐路を横方向に分岐させた後、流体の流れを円弧に沿って徐々に下流方向に向けることができる。また、分岐元部分で分岐した後で分岐路が急激に屈曲することがないので、流路抵抗が増大しにくい。これらの結果、流路抵抗の増大を抑制しながら、流体の均等な分配が可能なように流体の流れを下流向きに近づけることができる。
上記一対の分岐路が半楕円形状または半円形状をなすように分岐する構成において、好ましくは、接続通路部は、一対の分岐路を３段以上含み、流通口側から１段目の一対の分岐路の半径が、２段目の一対の分岐路の半径と３段目の一対の分岐路の半径との和よりも大きい。

本発明によれば、上記のように、複数の熱交換通路の流量ばらつきを精度よく抑制することができる。

本発明の第１実施形態による熱交換器を上面側から見た模式図である。 本発明の第１実施形態による熱交換器を側面側から見た模式図である。 図３（Ａ）は、本発明の第１実施形態による熱交換器の第１伝熱部材を示した平面図である。図３（Ｂ）は、本発明の第１実施形態による熱交換器の第２伝熱部材を示した平面図である。 第１伝熱部材の接続通路部を示した拡大平面図である。 比較例による接続通路部を示した模式図である。 比較例による接続通路部の流量シミュレーション結果を示した図である。 第１実施形態による熱交換器における接続通路部の流量シミュレーション結果を示した図である。 第１実施形態による熱交換器の接続通路部における流速ベクトルを示した模式図である。 比較例による接続通路部の流速ベクトルを示した模式図である。 本発明の第２実施形態による熱交換器の接続通路部を示した平面図である。 本発明の第２実施形態による熱交換器の接続通路部の詳細構造を示した拡大平面図である。 第２実施形態による熱交換器における接続通路部の流量シミュレーション結果を示した図である。 第１実施形態による熱交換器の接続通路部の第１変形例を示した模式図である。 第１実施形態の接続通路部の第２部分を長くした場合の流速ベクトルを示した模式図である。 第１実施形態による熱交換器の接続通路部の第２変形例を示した模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図４を参照して、第１実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。

熱交換器１００は、プレート式熱交換器である。図１および図２に示すように、熱交換器１００は、コア１と、ヘッダ部２〜５（図２参照）とを備えている。コア１は、第１流体６が流れる複数の第１伝熱部材１０と、第２流体７が流れる複数の第２伝熱部材２０とを含む。コア１は、第１伝熱部材１０を流れる第１流体６と第２伝熱部材２０を流れる第２流体７との間で熱交換を行う熱交換部である。第１流体６および第２流体７は、共に、本発明の「流体」の一例である。第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０は、共に、本発明の「伝熱部材」の一例である。

第１実施形態では、第１流体６が高温側で気体であり、第２流体７が低温側で液体である。なお、第１流体６および第２流体７は、いずれが高温側であってもよいし、気体および液体のいずれでもよい。図１および図２において、白抜き矢印が第１流体６の流通方向を示しており、ハッチング付き矢印が、第２流体７の流通方向を示している。

コア１は、複数の板状の第１伝熱部材１０と複数の板状の第２伝熱部材２０とを交互に積層することにより構成されている。また、積層方向（Ｚ方向）におけるコア１の両端には、それぞれサイドプレート８が設けられている。コア１は、交互に積層した第１伝熱部材１０と第２伝熱部材２０との積層体を一対のサイドプレート８により挟み込み、締結部材による締結、拡散接合またはろう付けなどにより結合することにより、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０は、熱伝導性の高い金属材料などからなる。第１伝熱部材１０と第２伝熱部材２０とには、それぞれ、第１流体６と第２流体７とを流通させるための流路が形成されている。第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０の詳細な構成については、後述する。なお、図１では、上面のサイドプレート８と、第１伝熱部材１０と、第２伝熱部材２０とを、破断線により区切ってそれぞれ図示している。以下では、図２に示す第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０の積層方向をＺ方向とする。また、図１に示すようにＺ方向から見てコア１の長手方向をＸ方向とし、コア１の短手方向をＹ方向とする。

ヘッダ部２は、第２流体７をコア１（第２伝熱部材２０）に対して流入させる第２流体７の入口流路である。ヘッダ部３は、第２流体７をコア１（第２伝熱部材２０）から流出させる第２流体７の出口流路である。ヘッダ部２および３は、コア１の一方（Ｚ１側）の表面に取り付けられており、ヘッダ部２がＸ１側端部近傍に配置され、ヘッダ部３がＸ２側端部近傍に配置されている。ヘッダ部２および３は、共に円筒状の管部材である。ヘッダ部２および３は、それぞれ、複数の第２伝熱部材２０に対する第２流体７の導入路９１および導出路９２に接続されている。ヘッダ部２は、複数の第２伝熱部材２０に対して一括して第２流体７を流入させ、ヘッダ部３は、複数の第２伝熱部材２０から一括して第２流体７を流出させる。

ヘッダ部４は、第１流体６をコア１（第１伝熱部材１０）に対して流入させる第１流体６の入口流路である。ヘッダ部５は、第１流体６をコア１（第１伝熱部材１０）から流出させる第１流体６の出口流路である。ヘッダ部４および５は、コア１の他方（Ｚ２側）の表面に取り付けられており、ヘッダ部４がＸ２側端部近傍に配置され、ヘッダ部５がＸ１側端部近傍に配置されている。ヘッダ部４および５は、共に円筒状の管部材である。ヘッダ部４および５は、それぞれ、複数の第１伝熱部材１０に対する第１流体６の導入路９３および導出路９４に接続されている。ヘッダ部４は、複数の第１伝熱部材１０に対して一括して第１流体６を流入させ、ヘッダ部５は、複数の第１伝熱部材１０から一括して第１流体６を流出させる。

第１流体６は、Ｘ２側のヘッダ部４からそれぞれの第１伝熱部材１０に導入され、第１伝熱部材１０の流路をＸ１方向に向けて流れて、Ｘ１側のヘッダ部５から流出する。第２流体７は、Ｘ１側のヘッダ部２からそれぞれの第２伝熱部材２０に導入され、第２伝熱部材２０の流路をＸ２方向に向けて流れて、Ｘ２側のヘッダ部３から流出する。この結果、第１伝熱部材１０をＸ１方向に流れる第１流体６と、第２伝熱部材２０をＸ２方向に流れる第２流体７との間で、第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０を介した熱交換が行われる。このように、第１実施形態の熱交換器１００は、対向流型の熱交換器として構成されている。第１実施形態では、高温側の第１流体６が低温側の第２流体７によって冷却され、温度低下した状態でヘッダ部５から取り出される。第２流体７は第１流体６の冷却液として機能する。

次に、第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０の詳細な構成について説明する。

図３（Ａ）に示すように、第１伝熱部材１０は、導入口１１および導出口１２と、複数の熱交換通路１３と、接続通路部１４とを含む金属製の板状部材である。導入口１１および導出口１２は、それぞれ、本発明の「流通口」の一例である。複数の熱交換通路１３と、接続通路部１４とは、第１伝熱部材１０に一体形成された溝状の流路である。熱交換通路１３は、流体に熱交換をさせるために設けられた直線状の流路であり、Ｘ方向に延びるとともに、Ｙ方向に平行に並ぶように設けられている。第１実施形態では、熱交換通路１３は、３２本形成されている。なお、熱交換通路１３の本数は偶数であればよく、３２本以外でもよい。

導入口１１および導出口１２は、共に第１伝熱部材１０を厚み方向に貫通した円形状の貫通孔である。導入口１１は、第１伝熱部材１０のＸ２方向側の端部近傍に配置され、導出口１２は、第１伝熱部材１０のＸ１方向側の端部近傍に配置されている。導入口１１および導出口１２は、それぞれ、複数（４本）の連通路１５を介して接続通路部１４と接続している。導入口１１は、第１流体６を流路に導入するために設けられ、導出口１２は、第１流体６を流路から導出するために設けられている。なお、導入口１１および導出口１２と同様の貫通孔９ｂ（図３（Ｂ）参照）が、第２伝熱部材２０の対応する位置にもそれぞれ設けられている。このため、積層された第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０のそれぞれの導入口１１および貫通孔９ｂが厚み方向（Ｚ方向）に接続され、全体としてコア１をＺ方向に貫通する導入路９３（図２参照）を構成している。同様に、それぞれの導出口１２と貫通孔９ｂとが接続され、全体としてコア１をＺ方向に貫通する導出路９４（図２参照）を構成している。なお、Ｚ２側のサイドプレート８（図２参照）にも貫通孔が設けられており、ヘッダ部４および５と、導入路９３および導出路９４とを接続している。

接続通路部１４は、導入口１１と複数の熱交換通路１３との間、および、導出口１２と複数の熱交換通路１３との間にそれぞれ複数設けられている。接続通路部１４の数は、熱交換通路１３の数に対応しており、第１実施形態では導入口１１側と導出口１２側とにそれぞれ４つの接続通路部１４が設けられている。接続通路部１４の構造は、導入口１１側と導出口１２側とで共通であるので、導入口１１の接続通路部１４についてのみ説明する。なお、４つの接続通路部１４は、互いに同一構造を有する。

接続通路部１４は、両端が導入口１１（連通路１５）と複数の熱交換通路１３とにそれぞれ接続されており、導入口１１からの第１流体６を各熱交換通路１３に分配する機能を有する。第１実施形態では、接続通路部１４は、熱交換通路１３に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状を有する。

具体的には、図４に示すように、接続通路部１４は、第１段３１、第２段３２、第３段３３の３段階に分岐しており、１本の流路（連通路１５）を最終的に８本の流路に分岐させている。そして、４つの接続通路部１４が８本ずつに分岐して、３２本の熱交換通路１３にそれぞれ接続している。第１実施形態では、接続通路部１４は、分岐元部分３５（後述する第２部分３７または連通路１５）から２つに分岐する一対の分岐路３４を含む。したがって、一対の分岐路３４は、第１段３１に１組、第２段３２に２組、第３段３３に４組設けられている。第１段３１の分岐路３４は、連通路１５の端部を分岐元部分３５として、２分岐している。第２段３２以降の分岐路３４は、後述する第２部分３７を分岐元部分３５として、２分岐している。接続通路部１４の全体では、Ｘ方向寸法がＬ１である。

一対の分岐路３４は、分岐元部分３５から、Ｙ方向の両側にそれぞれ分岐している。一対の分岐路３４は、互いに等しい流路長を有する。より具体的には、一対の分岐路３４は、分岐元部分３５を挟んで対称形状に形成されている。すなわち、一対の分岐路３４は、分岐元部分３５を中心として、Ｙ方向に対称となっている。また、一対の分岐路３４の流路幅Ｗ１は、互いに同一であり、図示しないが、一対の分岐路３４は流路断面積が同一である。なお、図４では、接続通路部１４は、全体に渡って、流路幅Ｗ１が一定で、かつ、流路断面積が一定である例を示している。

ここで、好ましくは、一対の分岐路３４は、半楕円形状をなすように、分岐元部分３５からそれぞれ分岐している。第１実施形態では、一対の分岐路３４は、半楕円形状の一種である半円形状をなすように、分岐元部分３５からそれぞれ円弧状に分岐している。このため、一対の分岐路３４は、分岐元部分３５から接線方向であるＹ１方向およびＹ２方向にそれぞれ分岐し、１／４円弧をなすように延び、円弧の終端ではＸ１方向に沿っている。より詳細には、それぞれの分岐路３４は、第１部分３６と、第１部分３６に連続する第２部分３７とを含んでいる。

一対の分岐路３４の第１部分３６は、分岐元部分３５からそれぞれ分岐した流路であり、１／４円弧状の部分である。第１段３１、第２段３２および第３段３３の各々において、第１部分３６の半径は、それぞれ半径Ｒ１、半径Ｒ２および半径Ｒ３である。半径Ｒ１は（Ｒ２＋Ｒ３）よりも大きい。半径Ｒ２は、半径Ｒ３よりも大きい。

一対の分岐路３４の第２部分３７は、第１部分３６から延びて熱交換通路１３側（図４ではＸ１側）の一対の分岐路３４に接続する、分岐元部分としての直線状の流路である。つまり、第１段３１の分岐路３４の第２部分３７が第２段３２の分岐路３４に分岐元部分３５として接続し、第２段３２の分岐路３４の第２部分３７が第３段３３の分岐路３４に分岐元部分３５として接続している。なお、第３段３３の分岐路３４は、熱交換通路１３側の端部で直線状の熱交換通路１３に接続しており、第２部分３７を備えていない。第２部分３７は、本発明の「分岐元部分」の一例である。

各分岐路３４の第２部分３７は、Ｘ方向に沿って直線状に延びている。言い換えると、第２部分３７は、熱交換通路１３と平行に延びている。第２部分３７の長さは、第１段３１と第２段３２とで略等しく、いずれの第２部分３７も長さＬ２を有する。なお、第２部分３７のＸ方向寸法（長さ）Ｌ２は、第１部分３６のＸ方向寸法（Ｒ１、Ｒ２またはＲ３）よりも小さい。図４の例では、長さＬ２は、Ｒ１の約１／９、Ｒ２の約１／５である。第２部分３７の長さは第１段３１と第２段３２とで異なっていてもよいが、同一段に含まれる複数の第２部分３７同士の長さは、同一であることが好ましい。

ここで、第１実施形態では、分岐元部分３５は、一対の分岐路３４に対して、一対の分岐路３４のなす角θの２等分線ＢＳの延びる方向に向けて接続している。すなわち、図４では、一対の分岐路３４の第１部分３６が接線方向であるＹ１方向およびＹ２方向にそれぞれ分岐しているため、一対の分岐路３４のなす角θは１８０度である。これに対して、分岐元部分３５（第２部分３７、連通路１５）が、Ｘ１方向に直線状に延びて一対の分岐路３４に上流側から接続している。したがって、分岐元部分３５は、第１部分３６の接線方向に対して垂直の９０度で一対の分岐路３４に接続しており、一対の分岐路３４のなす角θ（１８０度）の２等分線ＢＳの延びる方向（Ｘ１方向）に向けて一対の分岐路３４に接続している。また、分岐元部分３５に対向する内壁部（内壁点）３４ａの接線は、分岐元部分３５に対して直交する垂直線となっている。

以上のような構成により、第１伝熱部材１０では、図３（Ａ）に示すように、導入口１１から流入した第１流体６が連通路１５を通って各接続通路部１４に流入する。各接続通路部１４では、第１流体６が３段階に２分岐して８分割され、それぞれ対応する８本の熱交換通路１３に流入する。熱交換通路１３を通過して冷却された第１流体６は、下流側の各接続通路部１４に流入して８本から１本に合流した後、下流側の連通路１５を介して導出口１２から流出する。

図３（Ｂ）に示すように、第２伝熱部材２０は、導入口２１および導出口２２と、複数の熱交換通路２３と、複数の接続通路部２４とを含む金属製の板状部材である。導入口２１および導出口２２は、それぞれ、本発明の「流通口」の一例である。

導入口２１は、第２伝熱部材２０のＸ１方向側の端部近傍に配置され、導出口２２は、第２伝熱部材２０のＸ２方向側の端部近傍に配置されている。導入口２１および導出口２２は、それぞれ、貫通孔９ｂよりもＸ方向の外側にずれた位置に配置されている。そして、導入口２１および導出口２２と同様の貫通孔９ａ（図３（Ａ）参照）が、第１伝熱部材１０の対応する位置にもそれぞれ設けられている。これにより、第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０のそれぞれの貫通孔９ａおよび導入口２１が厚み方向（Ｚ方向）に接続され、全体としてコア１をＺ方向に貫通する導入路９１（図２参照）を構成している。同様に、それぞれの導出口２２と貫通孔９ａとが接続され、全体としてコア１をＺ方向に貫通する導出路９２（図２参照）を構成している。

第１実施形態では、第２伝熱部材２０の構成は、導入口２１および導出口２２の位置（および貫通孔９ａまたは９ｂの位置）を除いて基本的に第１伝熱部材１０の構成と同じである。したがって、第２伝熱部材２０の各接続通路部２４の構成も、上記第１伝熱部材１０の接続通路部１４の構成と同様である。そのため、第２伝熱部材２０の構造についての詳細な説明は省略する。

このような構成の第２伝熱部材２０では、導入口２１から流入した第２流体７が各接続通路部２４を通って、それぞれ対応する熱交換通路２３に流入する。熱交換通路２３を通過して加温された（熱を奪った）第２流体７は、下流側の各接続通路部２４に流入して導出口２２から流出する。

第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０は、以上のように構成されている。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、接続通路部１４（２４）を、熱交換通路１３（２３）に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状に形成する。これにより、接続通路部１４（２４）において、熱交換通路１３（２３）に出入りする第１流体６（第２流体７）を２分割ずつ分割して複数の熱交換通路１３（２３）の各々に分配することができる。ここで、１つの流路を３以上の流路に分岐（分割）させる場合、流れの偏りなどに起因して流路毎の流量がばらつきやすくなる一方、流路を２分岐させる場合には、各流路への分配流量を容易に均等化することができる。そのため、熱交換通路１３（２３）の数に応じた回数分だけ２分岐を繰り返すことによって、一度に多数の熱交換通路１３（２３）に第１流体６（第２流体７）を分配させる構造と比較して、複数の熱交換通路１３（２３）の流量ばらつきを精度よく抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、接続通路部１４（２４）に、分岐元部分３５から２つに分岐する一対の分岐路３４を設ける。そして、分岐元部分３５を、一対の分岐路３４に対して、一対の分岐路３４のなす角θの２等分線ＢＳの延びる方向に向けて接続するように構成する。これにより、分岐元部分３５から各分岐路３４に対して、一対の分岐路３４の中間方向（２等分線ＢＳの延びる方向）に向けて第１流体６（第２流体７）を流入させることができるので、より均等に、第１流体６（第２流体７）を一対の分岐路３４のそれぞれに分配することができる。その結果、複数の熱交換通路１３（２３）の流量ばらつきをより効果的に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、分岐元部分３５から分岐する第１部分３６と、第１部分３６から延びて熱交換通路１３（２３）側の一対の分岐路３４に接続する分岐元部分としての直線状の第２部分３７とを、分岐路３４に設ける。これにより、上流側の分岐路３４から下流側の分岐路３４に第１流体６（第２流体７）を流入させる際に、直線状の第２部分３７によって流れの向きを揃えた状態で、下流側の分岐路３４に第１流体６（第２流体７）を流入させることができる。この結果、一対の分岐路３４の中間に向けて流れの向きを揃えた状態で第１流体６（第２流体７）を下流側の各々の分岐路３４に流入させることができるので、より一層均等に第１流体６（第２流体７）を分配することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、一対の分岐路３４を、互いに等しい流路長を有するように形成する。これにより、２分岐する一対の分岐路３４の流路抵抗の均一化を図ることができるので、一対の分岐路３４への第１流体６（第２流体７）の分配量をより均等化することができる。そして、熱交換通路１３（２３）の数に応じた回数分だけ同じ流路長で２分岐を繰り返すことによって、より効果的に各熱交換通路１３（２３）の流量ばらつきを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、一対の分岐路３４を、分岐元部分３５を挟んで対称形状に形成する。これにより、同一の分岐路３４を対称に分岐させることができるので、一対の分岐路３４の流路抵抗をより確実に均等化することができる。その結果、複数の熱交換通路１３（２３）の流量ばらつきをより一層抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、一対の分岐路３４を、分岐元部分３５から半楕円形状をなすようにそれぞれ分岐させる。これにより、上流側からの流れに対して、一対の分岐路３４を分岐元部分３５から横方向に分岐させた後、第１流体６（第２流体７）の流れを半楕円に沿って徐々に下流方向に向けることができる。この結果、第１流体６（第２流体７）の均等な分配が可能なように第１流体６（第２流体７）の流れを下流向きに近づけることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、一対の分岐路３４を、半円形状をなすように、分岐元部分３５からそれぞれ円弧状に分岐させる。これにより、円弧形状の流路の流れは円弧の接線方向になるので、分岐元部分３５から分岐路３４を横方向に分岐させた後、第１流体６（第２流体７）の流れを円弧に沿って徐々に下流方向に向けることができる。また、分岐元部分３５で分岐した後で分岐路３４が急激に屈曲することがないので、流路抵抗が増大しにくい。これらの結果、流路抵抗の増大を抑制しながら、第１流体６（第２流体７）の均等な分配が可能なように第１流体６（第２流体７）の流れを下流向きに近づけることができる。

（シミュレーション結果の説明）
次に、図５〜図９を参照して、第１実施形態による熱交換器１００における、第１伝熱部材１０の接続通路部１４（第２伝熱部材２０の接続通路部２４）の効果を確認するために行ったシミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、所定流量の第１流体６を接続通路部１４に流入させ、接続通路部１４から流出する３２本の流路（チャンネルという）毎の第１流体６の流量を計算した。また、図５に示す比較例による接続通路部５０についても同様の計算を行い、それぞれの接続通路部の流量ばらつきを比較した。

まず、図５に示す比較例による接続通路部５０の構造について説明する。比較例の接続通路部５０は、連通路１５からの第１流体６を一度に６分岐させるものである。比較例では、この６分岐の接続通路部５０を５組設けて、３０本の流路（チャンネル）を構成している。各接続通路部５０は、連通路１５との接続部分５１からＹ方向の両側に直線状に延びる分岐部分５２と、分岐部分５２からＸ１方向に直線状に延びる個別部分５３とを含む。分岐部分５２において、連通路１５の接続部分５１は、Ｙ方向の中央に配置されている。個別部分５３は、Ｙ方向に等間隔で配列されている。

図６は比較例による接続通路部５０のシミュレーション結果であり、図７は、第１実施形態による接続通路部１４のシミュレーション結果である。各図共に、横軸が流路番号（チャンネル番号）を示しており、縦軸が第１流体６の流量を示している。第１実施形態では、４つの接続通路部１４で合計３２本の流路を有しているので、図７ではＹ１方向側から順に１〜３２のチャンネルがある。縦軸は、全チャンネルの平均値を１００％とした場合の比率で示している。シミュレーションは、１．０×１０^−３Ｋｇ／ｓの質量流量で第１流体６を導入口１１から供給した条件で行った。

図６に示す比較例の接続通路部５０では、チャンネル毎の流量が、約０％〜約１８０％の範囲ＶＲ１で大きくばらついている。また、比較例の接続通路部５０では、相対的に流量の小さいグループ（チャンネル３、４、９、１０、１５、１６など）と、相対的に流量の大きいグループ（チャンネル１、６、７、１２、１３、１８など）とに大きく分かれている。

これに対して、図７に示すように、第１実施形態の接続通路部１４では、チャンネル毎の流量のばらつきが顕著に小さくなっている。各チャンネルの流量は、平均値である１００％を中心に、上下それぞれに約２０％程度の範囲ＶＲ２に収まっている。

図８は、第１実施形態による接続通路部１４における一対の分岐路３４（第１段３１）を通過する第１流体６の速度ベクトルを示した図であり。図９は比較例による接続通路部５０を通過する第１流体６の速度ベクトルを示した図である。各図共に、流路中の任意の位置での速度ベクトルを代表点として図示し、ベクトルの長さが速度の大きさを示している。

図８に示すように、第１実施形態の接続通路部１４では、速度ベクトルの分布は一対の分岐路３４で対称的であり、ばらつきが少ないことがわかる。また、各分岐路３４の第１部分３６でおおよそ接線方向に速度ベクトルが延び、第２部分３７で速度ベクトルの向きがＸ方向に近付くように変化していることが分かる。このため、第２段３２以降も同様な結果となっている。この結果、図７に示したように流量のばらつきが小さくなった。

図９に示すように、比較例の接続通路部５０では、分岐部分５２で第１流体６の流れがＹ方向の両端まで進んでしまい、Ｙ方向の両端の個別部分５３に集中的に第１流体６が流入していることがわかる。その結果、中央の個別部分５３へ第１流体６がほとんど流入していない。このため、図６に示したように、接続通路部５０において、Ｙ方向の両端のチャンネル（チャンネル１、６など）で流量が増大し、中央のチャンネル（チャンネル３、４など）で流量が小さくなった。

以上から、第１実施形態による熱交換器１００の接続通路部１４（２４）による、各流路への分配流量を均等化する効果が確認された。これにより、接続通路部１４（２４）により分配された複数の熱交換通路１３（２３）の流量ばらつきを精度よく抑制できることが確認された。

（第２実施形態）
次に、図１０および図１１を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、熱交換器１００に円弧形状の分岐路３４を有する接続通路部１４を設けた上記第１実施形態と異なり、Ｙ字状に分岐する分岐路１３４を有する接続通路部１１４を設けた熱交換器２００の例について説明する。

なお、第２実施形態の熱交換器２００は、接続通路部１１４のみが上記第１実施形態と異なり、熱交換器２００の他の構成は上記第１実施形態と同様である。そのため、上記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略し、接続通路部１１４のみについて説明する。また、ここでは、第１伝熱部材に接続通路部１１４を設けた例についてのみ説明し、第２伝熱部材については説明を省略する。

図１０に示すように、第２実施形態の接続通路部１１４は、上記第１実施形態と同様、熱交換通路１３に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状を有する。この第２実施形態でも、接続通路部１１４が３段階に分岐し、３２本の熱交換通路１３に接続している。第２実施形態では、接続通路部１１４は、Ｙ字状に２分岐する一対の分岐路１３４を含む。

図１１に示すように、一対の分岐路１３４は、共通の分岐元部分１３５から、Ｙ方向の両側にＹ字状（逆Ｙ字状）に分岐している。一対の分岐路１３４は、互いに等しい流路長を有し、分岐元部分１３５を挟んで対称形状に形成されている。また、一対の分岐路１３４の流路幅Ｗ２は、互いに同一である。第２実施形態では接続通路部１１４の流路全体が流路幅Ｗ２を有し、同一の流路断面積を有する。

一対の分岐路１３４は、それぞれ、分岐元部分１３５からＹ方向かつＸ１方向へ向けて斜めに分岐する第１部分１３６と、第１部分１３６に連続する直線状の第２部分１３７とを含んでいる。第２部分１３７は、本発明の「分岐元部分」の一例である。

一対の分岐路１３４の第１部分１３６は、分岐元部分１３５から斜めに直線状に延びている。一対の分岐路１３４のそれぞれの第１部分１３６と、分岐元部分１３５である上流側の第２部分１３７とによって、Ｙ字状の分岐が形成されている。一対の第１部分１３６のなす角θは、約１２０度である。第１段３１、第２段３２および第３段３３の各々において、各第１部分１３６のＸ方向寸法は、それぞれＬ３、Ｌ４およびＬ５である。各第１部分１３６のＹ方向寸法は、それぞれＷ３、Ｗ４およびＷ５である。各第１部分１３６において、Ｘ方向の長さＬ３、Ｌ４およびＬ５が、Ｙ方向の長さＷ３、Ｗ４およびＷ５よりもそれぞれ小さい。そのため、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５がそれぞれ＝Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３（図４参照）と等しい場合、第２実施形態の分岐路１３４は、上記第１実施形態の分岐路３４と比較して、Ｘ方向寸法を小さくすることができる。その結果、第２実施形態の接続通路部１１４は、第１実施形態の接続通路部１４と比較して、Ｘ方向寸法Ｌ６を小さくすることが可能である。

一対の分岐路１３４の第２部分１３７は、直線状の流路であり、Ｘ方向に沿って延びている。第１段３１の第２部分１３７は、長さＬ７を有し、第２段３２の第２部分１３７は、長さＬ８を有する。長さＬ７は、長さＬ８よりも大きい。長さＬ７は、Ｗ３の約１／８である。長さＬ８は、Ｗ４の約１／５である。

また、分岐元部分１３５は、一対の分岐路１３４に対して、一対の分岐路１３４のなす角θの２等分線ＢＳの延びる方向に向けて接続している。すなわち、一対の分岐路１３４（第１部分１３６）のなす角θ＝約１２０度に対して、分岐元部分１３５（第２部分１３７、連通路１５）が、一対の分岐路１３４の２等分線ＢＳの延びる方向（Ｘ１方向）に向けて接続している。このため、分岐元部分１３５に対向する内壁部１３４ａは、分岐元部分１３５に対して約１２０度の三角形状の壁となっている。このため、１８０度の壁である上記第１実施形態の内壁部３４ａと比較して、内壁部１３４ａに角度が付いている分だけ、流路抵抗を減少させることが可能である。

第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、接続通路部１１４を、熱交換通路１３に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状に形成することにより、各流路への分配流量を容易に均等化することができる。そのため、熱交換通路１３の数に応じた回数分だけ２分岐を繰り返すことによって、複数の熱交換通路１３の流量ばらつきを精度よく抑制することができる。

（シミュレーション結果の説明）
次に、図１２を参照して、第２実施形態による熱交換器２００における接続通路部１１４の効果を確認するために行ったシミュレーション結果について説明する。シミュレーションの内容は上記第１実施形態と同様である。

図１２に示すように、第２実施形態の接続通路部１１４では、３２のチャンネルのうち一部が１５０％よりも高い値を示しているものの、その他の大部分が平均値である１００％から±５０％の間の範囲（ハッチング部）に収まっている。すなわち、３２チャンネル中２６チャンネル（約７２％）が、平均値±５０％の範囲内に収まっている。

図６の比較例による接続通路部５０と比較すると、比較例では、３０チャンネル中１０チャンネル（約３３％）が、平均値±５０％の範囲に収まっているのみである。これにより、第２実施形態による熱交換器２００の接続通路部１１４による、各流路への分配流量を均等化する効果が確認された。この結果、接続通路部１１４により分配された複数の熱交換通路１３の流量ばらつきを精度よく抑制できることが確認された。

なお、図７の第１実施形態による接続通路部１４と比較すると、第１実施形態では、３２チャンネルの全てのチャンネルが平均値±５０％の範囲に収まっている。このため、第２実施形態では、第１実施形態と比較して接続通路部１１４のＸ方向寸法Ｌ６（図１１参照）を小さく抑えることが可能である一方、分配流量の均等化の点では、上記第１実施形態の方が効果が高いことが分かる。

なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態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、上記第１および第２実施形態では、第１流体６と第２流体７とが互いにＸ方向の逆方向に流れる対向流型の熱交換器１００（２００）の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換器は、第１流体６と第２流体７とが互いに同じ方向に流れる並行流型、または、第１流体６の流れと第２流体７の流れとが交差する直交流型などであってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、複数の第１伝熱部材１０および複数の第２伝熱部材２０を、交互に積層することによりコア１を構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１伝熱部材と第２伝熱部材とを必ずしも交互に積層しなくともよい。たとえば、Ｚ方向に沿って、第１伝熱部材、第２伝熱部材、第２伝熱部材、第１伝熱部材・・・、となるように、１層の第１伝熱部材に対して２層（複数層）の第２伝熱部材を積層させてもよい。逆に、２層（複数層）の第１伝熱部材に対して１層の第２伝熱部材を積層させてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０の両方にトーナメント形状の接続通路部１４（１１４）を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１伝熱部材および第２伝熱部材の一方のみにトーナメント形状の接続通路部を設け、他方にはトーナメント形状の接続通路部を設けない構成であってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、第１伝熱部材１０および第２伝熱部材２０を設け、２種類の流体間で熱交換を行う熱交換器の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換器は、３種類以上の流体間で熱交換を行ってもよい。その場合、第３伝熱部材など、３種以上の伝熱部材を設ければよい。その際、３種以上の伝熱部材の各々が、トーナメント形状の接続通路部を含んでよい。

また、上記第１および第２実施形態では、トーナメント形状の接続通路部１４（１１４）が３段階に分岐して、最終的に８本の流路に分岐する例を示したが、本発明はこれに限られない。接続通路部の段数（すなわち、分岐回数）は、特に限定されない。接続通路部は、２段または４段以上に分岐してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、３２本の熱交換通路１３に対応させて、最終的に８本の流路に分岐する接続通路部１４（１１４）を４つ設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。接続通路部は、熱交換通路の数に応じた数だけ設ければよい。熱交換通路１３が３２本の場合、８本の流路を含む接続通路部１４を４つ設ける代わりに、２段階に分岐して４本の流路を含む接続通路部を８つ設けてもよいし、４段階に分岐して１６本の流路を含む接続通路部を２つ設けてもよいし、５段階に分岐して３２本の流路を含む接続通路部を１つ設けてもよい。

また、上記第１実施形態では、半楕円（半円）状に分岐する一対の分岐路３４を設けた例を示し、上記第２実施形態では、Ｙ字状に分岐する一対の分岐路１３４を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、一対の分岐路が半円状およびＹ字状以外の形状に分岐してもよい。たとえば、図１３の第１変形例に示すように、接続通路部２１４が、直角に分岐する一対の分岐路２３４を有してもよい。一対の分岐路２３４は、Ｙ方向に沿って直線状に延びる第１部分２３６と、第１部分２３６からＸ方向に沿って直線状に延びる第２部分２３７とを含む。第２部分２３７は、本発明の「分岐元部分」の一例である。このように構成すれば、第１部分２３６のＸ方向寸法を最小限に抑えることができる。そのため、接続通路部２１４では、上記第２実施形態の接続通路部１１４よりも、さらにＸ方向寸法Ｌ１０を小さくすることができる。その結果、熱交換器全体のＸ方向寸法を抑制して小型化することができる。この他、一対の分岐路が長さの異なる長軸および短軸を有する半楕円形状をなすように、一対の分岐路を形成してもよい。

また、上記第１実施形態では、熱交換通路１３（２３）と導入口１１（２１）との間、および、熱交換通路１３（２３）と導出口１２（２２）との間に、それぞれ接続通路部１４（２４）を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換通路と導入口との間にのみトーナメント形状の接続通路部を設けてもよいし、熱交換通路と導出口との間にのみトーナメント形状の接続通路部を設けてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、分岐路３４（１３４）が直線状の第２部分３７（１３７）を含む例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、分岐路が第２部分を含まなくてもよい。

また、上記第１実施形態では、分岐路３４の第２部分３７の長さＬ２が、第１部分３６の半径Ｒ１の約１／９、Ｒ２の約１／５であ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、第２部分の長さを第１部分の半径に対して相対的に大きくしてもよい。

図１４は、上記第１実施形態の分岐路３４において、第２部分３７の長さを大きくした場合の第１流体６の速度ベクトルの変化を示した図である。図１４に示すように、第１流体６の流れ（ベクトル）は、第１部分３６を通過する際に半径方向外側に偏り、第２部分３７に進入する位置（１／４円弧の終端位置）で僅かにＹ方向に傾斜している。その後、第１流体６の流れ（ベクトル）は、直線状の第２部分３７において徐々にＹ方向成分が減少して、Ｘ方向に揃えられる。このシミュレーションの結果、第１部分３６の半径Ｒに対して、第２部分３７の長さＬ２がＲ／２あれば、第１流体６の流れ（ベクトル）を実際上十分にＸ方向に揃えられることが分かった。一方、第２部分３７の長さＬ２＞Ｒ／２の領域では、接続通路部１４のＸ方向寸法が大きくなるというデメリットに対して、得られる整流効果のメリットが相対的に小さくなる。

図１４から分かるように、第２部分３７の上流側ほど整流効果が大きく、０＜Ｌ２＜Ｒ／２の範囲では、第２部分３７を設けた分だけの整流効果の向上を期待できる。第２部分３７の長さは、好ましくは、長さＬ２≧Ｒ／４であり、より好ましくは、Ｒ／４＜長さＬ２＜Ｒ／２である。なお、図示は省略するが、第２部分３７の長さＬ２を十分に大きくした場合のシミュレーションでは、各チャンネルの流量のばらつきを±５％程度の範囲に抑えることが可能な結果が得られた。

また、上記第１および第２実施形態では、接続通路部１４（１１４）が、全体に渡って、一定の流路幅Ｗ１（Ｗ２）で一定の流路断面積を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、接続通路部の流路幅（流路断面積）が変化してもよい。たとえば、図１５に示す第２変形例のように、接続通路部３１４が、第１段３１〜第３段３３のそれぞれで異なる流路幅の分岐路３３４を有していてもよい。好ましくは、一対の分岐路３３４の流路断面積（流路幅）は、分岐前の流路断面積（流路幅）の略１／２である。つまり、２分岐する分岐路３３４の流路断面積（流路幅）の合計が、分岐前の流路断面積（流路幅）と一致する。接続通路部３１４では、連通路１５の流路幅（流路断面積）Ｗ１１に対して、第１段３１の分岐路３３４の流路幅（流路断面積）Ｗ１２＝（Ｗ１１／２）であり、第２段３２の分岐路３３４の流路幅（流路断面積）Ｗ１３＝（Ｗ１２／２）であり、第３段３３の分岐路３３４の流路幅（流路断面積）Ｗ１４＝（Ｗ１３／２）である。これにより、分岐の前後における流路断面積の変化を抑制することができるので、圧力損失を抑制することができる。なお、ここでは流路深さを一定と仮定し、流路幅と流路断面積とが対応することを前提として説明したが、流路深さが異なる場合、上記の説明は流路幅を流路断面積に置き換える。

また、上記第１および第２実施形態では、直線状の熱交換通路１３（２３）を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換通路は直線状以外の曲線状であってもよいし、たとえば伝熱部材の一端から他端まで延びた後で屈曲し、逆方向に折り返されるような形状であってもよい。

６ 第１流体（流体）
７ 第２流体（流体）
１０ 第１伝熱部材（伝熱部材）
１１、２１ 導入口（流通口）
１２、２２ 導出口（流通口）
１３、２３ 熱交換通路
１４、２４、１１４、２１４、３１４ 接続通路部
２０ 第２伝熱部材（伝熱部材）
３４、１３４、２３４、３３４ 分岐路
３５、１３５ 分岐元部分
３６、１３６、２３６ 第１部分
３７、１３７、２３７ 第２部分（分岐元部分）
１００、２００ 熱交換器
θ 一対の分岐路のなす角
ＢＳ ２等分線

Claims (8)

1. 第１流体が流れる複数の板状の第１伝熱部材と、第２流体が流れる複数の板状の第２伝熱部材とを少なくとも備え、前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材とが厚み方向に積層されており、
   前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材の少なくとも一方には、流体を導入または導出する流通口と、前記流体に熱交換をさせるための複数の熱交換通路と、両端が前記流通口と前記複数の熱交換通路とにそれぞれ接続された接続通路部とを含む溝状の流路が一体形成されており、
   前記接続通路部は、前記熱交換通路に向かって２つずつ分岐するトーナメント形状を有し、分岐元部分から２つに分岐する一対の分岐路を複数段含み、
   前記熱交換通路側の端部に配置される前記一対の分岐路の総数が、前記熱交換通路の数と一致するように形成され、
   前記熱交換通路側の端部に配置される前記一対の分岐路がそれぞれ対応する前記熱交換通路と直接接続されている、熱交換器。
2. 前記分岐元部分は、前記一対の分岐路に対して、前記一対の分岐路のなす角の２等分線の延びる方向に向けて接続している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記分岐路は、前記分岐元部分から分岐する第１部分と、前記第１部分から延びて前記熱交換通路側の前記一対の分岐路に接続する前記分岐元部分としての直線状の第２部分とを含む、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記一対の分岐路は、互いに等しい流路長を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記一対の分岐路は、前記分岐元部分を挟んで対称形状に形成されている、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記一対の分岐路は、半楕円形状をなすように、前記分岐元部分からそれぞれ分岐している、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記一対の分岐路は、半円形状をなすように、前記分岐元部分からそれぞれ円弧状に分岐している、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記接続通路部は、前記一対の分岐路を３段以上含み、
   前記流通口側から１段目の前記一対の分岐路の半径が、２段目の前記一対の分岐路の半径と３段目の前記一対の分岐路の半径との和よりも大きい、請求項６または７に記載の熱交換器。

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