JP6107905B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換用の作動流体の流路が形成された熱交換器、またはマイクロ流路熱交換器に関する。
熱交換器は冷凍サイクルの一つの要素として使用され、冷凍サイクル内の作動流体の温度を目標温度に変えるための不可欠なパーツである。熱交換器には様々な種類が存在する。その中でマイクロ流路熱交換器の卓越した性能が認識されつつあり、実用化に向けて開発が進められている。
このようなマイクロ流路熱交換器には積層型マイクロ流路熱交換器がある。この積層型マイクロ流路熱交換器は、例えば、表面に微細な高温流路が形成された伝熱板と、表面に微細な低温流路が形成された伝熱板を交互に積層して構成された積層体の上面と底面に保護用の金属板を重ねて、真空の状態で加圧・加熱することによって各伝熱板および各金属板が互いに拡散接合されて一体化される（例えば非特許文献１）。
積層型マイクロ流路熱交換器をプレート式熱交換器と比較した場合の構造上の特徴としては、各層により多くの流路を形成できること、短流路を形成できることなどが挙げられる。これにより、積層型マイクロ流路熱交換器はプレート式熱交換器に比べ小型化が可能である。
また、積層型マイクロ流路熱交換器は伝熱性、冷媒充填量の低減および高耐圧、耐熱など性能面でも従来の熱交換器より優れた点を有する。例えば、伝熱壁（板）を介した作動流体同士の熱通過率が高い、流路形状損失が低い、プレート式熱交換器と流動損失が同じ場合では流路面積を縮小できる、圧縮された作動流体の圧力損失を低減できる、熱交換器全体の容積減少による冷凍サイクルに充填される作動流体の量を減少させることができる、等である。
積層型マイクロ流路熱交換器の作動流体が出入する出入口には温度センサーがそれぞれ設けられる。温度センサーを設ける目的は、温度センサーで測定した温度をもとに熱交換器で熱交換された熱量を算出したり、流出する作動流体を目標温度にまで制御したりするためである。
この目的を達成するには、温度センサーが作動流体の温度を正確に測定できる必要がある。例えば、２つの作動流体の間で熱交換を行う場合、流入する作動流体と流出する作動流体の温度差から、熱交換器の熱交換能力（伝熱量）は次の式で求めることができる。
Q（[J/s]=[W]）
＝cp,l（[J/kgK]）×Gl（[kg/s]）×（TLow,out−TLow,in）（[K]）
＝cp,h（[J/kgK]）×Gh（[kg/s]）×（THigh,in−THigh,out）（[K]）
Q：伝熱量[J/s]=[W]
cp,l：低温作動流体の比熱[J/kgK]
cp,h：高温作動流体の比熱[J/kgK]
Gl：低温作動流体の質量流量[kg/s]
Gh：高温作動流体の質量流量[kg/s]
（TLow,out−TLow,in）：（低温作動流体の熱交換器出口温度と低温作動流体の入口温度との温度差[K]）
（THigh,in−THigh,out）：（高温作動流体の熱交換器入口温度と低温作動流体の出口温度との温度差[K]）
また、給湯機などでは、マイクロ流路熱交換器の出口を流れる作動流体の温度を正確に測定することは、作動流体が目標温度に達しているかを確認するために必要である。また、マイクロ流路熱交換器の入口を流れる作動流体の温度を正確に測定することは、貯湯タンクから流出した作動流体を加熱する必要があるかを確認するために必要であり、また作動流体を目標温度にまで加熱するために必要な熱量を導くためにも必要である。
積層型マイクロ流路熱交換器の出入口を流れる作動流体の温度の測定には、熱電対などの温度センサーを用いている。温度センサーの感知点によって測定された熱起電力は、感知点と繋がっている熱電対素線を介して熱起電力−温度変換回路に伝達される。多くの場合、温度センサーは熱交換器の作動流体の入口および出口に取り付けられている配管の外表面に半田などで固定されている。この場合、温度センサーの感知点は作動流体と直接接していないため、作動流体の正確な温度を測定することができない。
よって、測定した温度には、熱交換器を形成する金属の熱伝導による誤差１と、温度センサーを取り付けた位置の温度と実際の出入口を流れる作動流体の温度との温度差による誤差２と、出入口に接続される各出入口管内を流れる作動流体の温度境界層による管の中心付近を流れる作動流体の温度と管の壁面付近を流れる作動流体の温度との温度差による誤差３と、温度センサーによる測定方法の測定誤差４などが含まれる。
２０１３年度日本機械学会賞
プレート式熱交換器は、外形寸法が例えば、95（幅）×325（長さ）×81.96（高さ）（mm）であり、このプレート式熱交換器と同じ熱交換能力を有する積層型マイクロ流路熱交換器の外形寸法80（幅）×106（長さ）×43.2（高さ）（mm）よりも大きいため、周囲の空気と接する表面積が大きく、空気中の熱がプレート式熱交換器内に移動したり、プレート式熱交換器内の熱が空気中に移動したりするなどして外乱を受けやすい。このため、外乱などの他の影響を受けていない作動流体の実際の温度を測定するには限界がある。
一方、積層型マイクロ流路熱交換器は周囲の空気と接する表面積が小さく、空気中の熱が熱交換器本体内に移動したり、熱交換器本体内の熱が空気中に移動したりするなどの外乱が少ないため、プレート式熱交換器に比べ、作動流体の実際の温度を測定しやすい。作動流体の実際の温度を測定することができれば、エアコンや床暖房などに用いられている積層型マイクロ流路熱交換器において、室内空気の温度などを設定温度に調整する際、測定誤差に基づく温度調整のための無駄なエネルギーが消費されずにすむ。
しかし、実際のエアコンや床暖房などに用いられている積層型マイクロ流路熱交換器では、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の温度を直接測定するのではなく、前述のように熱交換器本体の出入口に接続される配管の表面温度を測定している。例えば床暖房などに用いられているマイクロ流路熱交換器の場合、入口を流れる作動流体（例えば、水）の温度は低温であるが、入口に接続される作動流体が流れる配管の表面温度は、金属表面の熱伝導により空気中から熱が配管内に移動し、実際の作動流体の温度より高く測定される場合がある。また、出口を流れる作動流体の温度は高温であるが、出口に接続される作動流体が流れる配管の表面温度は、金属表面の熱伝導により空気中への熱の移動により実際の作動流体の温度より低く測定される場合がある。これらは、温度センサーの設置位置による誤差（上述の誤差１から３）である。
また、積層型マイクロ流路熱交換器は小型であるため、熱交換器本体の熱伝導により出口管と入口管の間で熱の授受がされて、出口管または入口管のうち温度の低い方は温度が高く、一方温度の高い方は温度が低く測定されることがある。
このように、積層型マイクロ流路熱交換器の出入口に接続される配管の表面に設置された温度センサーによる作動流体の温度を測定する方法では、作動流体の実際の温度を測定することができない。
そこで、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の実際の温度を測定するために、熱交換器本体の出入口の配管内に温度センサーの感知点（熱電対の温接点）を差し込み、配管内を流れる作動流体に温度センサーの感知点を直に接触させることで、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の温度を直接測定する方法が検討されている。
しかし、この方法によっても、作動流体が配管内を流れるとき、配管の内壁近傍では作動流体の流れが減速されるために、配管内を流れる作動流体に不均一な温度分布が生じ、配管内を流れる作動流体に温度センサーの感知点を直に接触させても作動流体の実際の温度を正確に測定することができない問題があった。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、熱交換器本体の出入口を流れる作動流体の温度を正確に測定することのでき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、高温流体が流通する高温流路と低温流体が流通する低温流路とを有し、前記高温流路を流通する前記高温流体と前記低温流路を流通する前記低温流体との間で熱交換を行う熱交換器本体と、前記熱交換器本体の前記高温流路の入口に接続され外部から前記高温流体を前記高温流路に流入させる高温入口管と、前記熱交換器本体の前記低温流路の入口に接続され外部から前記低温流体を前記低温流路に流入させる低温入口管と、前記高温入口管および前記低温入口管内のうち少なくともいずれか一方の管内に配置され高温流体または低温流体を攪乱させる整流リングと、前記整流リングの下流域に形成されるコア領域に感知点が配置されるように設けられた温度センサーとを具備する。
また、本発明に係る熱交換器において、前記整流リングが、前記高温流体または前記低温流体を通過させる開口部を有し、前記開口部の上流側の開口径が前記高温入口管または前記低温入口管の内径と等しく、前記開口部の下流側の開口径が前記上流側の開口径よりも小さいものであってよい。
また、本発明に係る熱交換器がマイクロ流路熱交換器であってよい。
本発明によれば、熱交換器本体の入口に接続された高温入口管または低温入口管のうち少なくともいずれか一方の管内に配置された整流リングの下流域に形成されるコア領域に温度センサーの感知点が配置されるため、熱交換器本体の入口および出口を流れる作動流体の温度を正確に測定することができる。
本発明の一実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温流路層の高温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温流路層の低温流路を説明するための斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ断面図である。 図１のマイクロ流路熱交換器について整流リングの上流域および下流域での作動流体の速度分布を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図、図２は図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。
［全体の構成］
これらの図に示すように、このマイクロ流路熱交換器１は、流路層積層体である熱交換器本体２と、高温側外殻板３Ａと、低温側外殻板３Ｂと、高温流体を流入させる高温入口管５Ａと、高温流体を流出させる高温出口管５Ｂと、低温流体を流入させる低温入口管５Ｃと、低温流体を流出させる低温出口管５Ｄとを有する。なお、以下の記載では、高温入口管５Ａ、高温出口管５Ｂ、低温入口管５Ｃおよび低温出口管５Ｄを総称して出入口管と呼ぶ。
図中、熱交換器本体２のＺ軸の矢印の方向と反対の方向の面を「高温側の面」または「下面」、各部材の、Ｚ軸の矢印の方向の面を「低温側の面」または「上面」とする。熱交換器本体２の高温側の面には高温側外殻板３Ａが接合され、熱交換器本体２の低温側の面には低温側外殻板３Ｂが接合されている。
熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数枚積層して構成される。２種類の伝熱板の構成については後で説明する。
熱交換器本体２を構成する２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂと、高温側外殻板３Ａと、低温側外殻板３Ｂは、例えば、熱伝導率が高い同じ種類の金属板からなる。より具体的には、ステンレス鋼などが用いられる。これらの金属板は積層された後、拡散接合によって互いに接合されることによって略直方体形状の積層体となる。なお、伝熱板２Ａ、２Ｂの板厚は、高温流路または低温流路を形成できると共に、拡散接合が出来るものであれば、どのような厚みでもよい。
以降、説明上の必要に応じて、マイクロ流路熱交換器１のＺ軸に垂直な面を「主面」と呼び、主面以外のＸ軸やＹ軸に垂直な４つの面を「側面」と呼ぶこととする。
図２に示すように、マイクロ流路熱交換器１の各側面には、各々、熱交換器本体２内の高温流路に作動流体の１つである高温流体を流入させる高温入口ヘッダ２１と、熱交換器本体２内の高温流路から高温流体を流出させる高温出口ヘッダ２２と、熱交換器本体２内の低温流路に作動流体の他の１つである低温流体を流入させる低温入口ヘッダ２３と、熱交換器本体２内の低温流路から低温流体を流出させる低温出口ヘッダ２４が形成されている。
図１に示したように、高温入口ヘッダ２１には外から高温入口管５Ａが挿入され、溶接などによって熱交換器本体２に接合される。この高温入口管５Ａの外側端部には、高温流体を流入させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。高温出口ヘッダ２２には外から高温出口管５Ｂが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この高温出口管５Ｂには、高温流体を流出させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。低温入口ヘッダ２３には外から低温入口管５Ｃが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この低温入口管５Ｃには低温流体を流入させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。低温出口ヘッダ２４には外から低温出口管５Ｄが挿入され、熱交換器本体２に溶接などにより接合されている。この低温出口管５Ｄには低温流体を流出させるための図示しない外部配管が着脱可能に接続される。
［熱交換器本体２の構成］
次に、熱交換器本体２の構成を説明する。
前述したように、熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数枚積層して構成される。これらの伝熱板２Ａ、２Ｂにはエッチング処理によって溝および切り欠き部が形成されている。伝熱板２Ａ、２Ｂでは、それぞれの溝に流す流体が異なるので、溝のパターンは異なっているが、切り欠き部は、伝熱板２Ａおよび２Ｂの積層後に各ヘッダ部となるように形成されるので、切り欠き部の形状は同一である。なお、伝熱板２Ａおよび２Ｂに溝や切り欠き部を形成する処理はエッチング処理だけでなく、例えば、レーザ加工、精密プレス加工、切削加工などでもよい。また、3Dプリンターのような積層造形技術を用いることで溝のへりを形成してもよい。
図３および図４は２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを示す斜視図である。ここで、図３に示す伝熱板２Ａは「高温伝熱板２Ａ」、図４に示す伝熱板２Ｂは「低温伝熱板２Ｂ」である。
（高温伝熱板２Ａの構成）
図３に示すように、高温伝熱板２Ａには、高温流体の流路を形成する溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａおよび切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａがそれぞれ設けられている。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは高温伝熱板２Ａの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａは、高温伝熱板２Ａの基材の４辺に各々対応する所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。
以後、説明の必要に応じて、高温伝熱板２Ａの各々の切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａを、第１の切り欠き部２６Ａ（高温分配部）、第２の切り欠き部２７Ａ（高温合流部）、第３の切り欠き部２８Ａ、および第４の切り欠き部２９Ａと呼ぶ。
高温伝熱板２Ａにおいて、図中Ｙ軸方向の両端部にそれぞれ設けられる第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間の領域には、これら第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ａとの間を連通する複数の溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａが形成されている。なお、図３において、溝２５Ａの数は３本であるが、もっと幅の小さい数多くの溝を形成するようにしても良い。
高温伝熱板２Ａにおける上記の各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは、Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａで構成される。Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａのうち一方の溝３０Ａは一端が第１の切り欠き部２６Ａと連通し、他方の溝３１Ａは一端が第２の切り欠き部２７Ａと連通する。Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａは各々２本の溝３０Ａ、３１Ａの間を連通する。これにより、後述のように形成される高温伝熱板２Ａの高温入口ヘッダ２１および高温出口ヘッダ２２と、低温伝熱板２Ｂの低温入口ヘッダ２３および低温出口ヘッダ２４との位置関係を互いに９０度異なるようにしている。
（低温伝熱板２Ｂの構成）
図４に示すように、低温伝熱板２Ｂには、低温流体の流路を形成する溝２５Ｂおよび切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂがそれぞれ設けられている。溝２５Ｂは低温伝熱板２Ｂの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ｂの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂは、低温伝熱板２Ｂの基材の４辺に各々対応する所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。
以後、説明の必要に応じて、低温伝熱板２Ｂの各々の切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂを、第５の切り欠き部２６Ｂ、第６の切り欠き部２７Ｂ、第７の切り欠き部２８Ｂ（低温分配部）、および第８の切り欠き部２９Ｂ（低温合流部）と呼ぶ。
低温伝熱板２Ｂにおいて、図中Ｘ軸方向の両端部にそれぞれ設けられる第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間には、これら第７の切り欠き部２８Ｂと第８の切り欠き部２９Ｂとの間を連通する複数の溝２５Ｂが形成されている。これら複数の溝２５Ｂは、高温伝熱板２Ａに形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向にて同じ位置に各々形成されている。
（高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとの積層構造）
上記のような構成を有する高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂは、図５および図６に示すように、双方の溝２５Ａ、２５Ｂ、３０Ａ、３１Ａが設けられた面の向きを一致させて、各々複数交互に重ね合わせて積層される。このようにして熱交換器本体２が構成される。
この熱交換器本体２において、高温伝熱板２Ａの第１の切り欠き部２６Ａと低温伝熱板２Ｂの第５の切り欠き部２６Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温入口ヘッダ２１を形成する。
高温伝熱板２Ａの第２の切り欠き部２７Ａと低温伝熱板２Ｂの第６の切り欠き部２７Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温出口ヘッダ２２を形成する。
高温伝熱板２Ａの第３の切り欠き部２８Ａと低温伝熱板２Ｂの第７の切り欠き部２８Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温入口ヘッダ２３を形成する。
高温伝熱板２Ａの第４の切り欠き部２９Ａと低温伝熱板２Ｂの第８の切り欠き部２９Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温出口ヘッダ２４を形成する。
（高温流路と低温流路について）
図５は熱交換器本体２における高温流路を示す斜視図である。
高温流路は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと低温伝熱板２Ｂの下面との間に形成される。高温流体は、高温入口ヘッダ２１から流入し、溝３０Ａを通って複数の溝２５Ａに分配される。複数の溝２５Ａを通過した高温流体は溝３１Ａで合流し、高温出口ヘッダ２２より流出する。このような高温流体の流れが各々の高温伝熱板２Ａに対応する高温流路層において生じる。なお、高温流路層は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと、第１の切り欠き部２６Ａと、第２の切り欠き部２７Ａとで形成される。
図６は熱交換器本体２における低温流路を示す斜視図である。
低温流路は、低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂと低温側外殻板３Ｂの下面および高温伝熱板２Ａの下面との間に形成される。低温流体は、低温入口ヘッダ２３から流入し、複数の溝２５Ｂを通って低温出口ヘッダ２４から流出する。このような低温流体の流れが各々の低温伝熱板２Ｂに対応する低温流路層において生じる。なお、低温流路層は、低温伝熱板２Ｂの各溝２５Ｂと、第７の切り欠き部２８Ｂと、第８の切り欠き部２９Ｂとで形成される。
熱交換器本体２において高温流路層と低温流路層は交互に積層されているので、高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂを介して高温流体と低温流体との間で熱交換が行われる。
［熱交換器本体出入口の流体温度の検出構造］
この実施形態のマイクロ流路熱交換器１では、熱交換器本体２の入口および出口を流れる高温流体および低温流体の温度を直接測定することを可能とするために、次のような構成を採用している。
図１に示したように、熱交換器本体２には、高温入口ヘッダ２１に挿入される高温入口管５Ａを流れる高温流体の温度を測定する第１の温度センサー３１Ａ、高温出口ヘッダ２２に挿入される高温出口管５Ｂを流れる高温流体の温度を測定する第２の温度センサー３１Ｂ、低温入口ヘッダ２３に挿入される低温入口管５Ｃを流れる低温流体の温度を測定する第３の温度センサー３１Ｃ、および低温出口ヘッダ２４に挿入される低温出口管５Ｄを流れる低温流体の温度を測定する第４の温度センサー３１Ｄが配設される。
図７および図８は、図１に示す切断線Ａ−Ａと切断線Ｂ−Ｂで熱交換器本体２を切断した第１の温度センサー３１Ａの取り付け構造を示す断面図である。図７は高温入口管５Ａにおける軸方向（流体の流通方向）に温度センサー３１Ａの取り付け構造を見た場合のＸ−Ｚ断面図であり、図８はそのＹ−Ｚ断面図である。他の温度センサー３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの取り付け構造も同様であるため、ここでは第１の温度センサー３１Ａの取り付け構造のみ説明する。
熱交換器本体２の低温側外殻板３Ｂには第１の温度センサー３１Ａである熱電対を熱交換器本体２内に差し込むための孔部３２が設けられる。熱交換器本体２の入口に挿入された高温入口管５Ａの低温側外殻板３Ｂ側の部位には、低温側外殻板３Ｂの孔部３２に連通する孔部３３が設けられる。低温側外殻板３Ｂと高温入口管５Ａの各々の孔部３２，３３には、例えばステンレス製などの金属保護管３４が配置される。第１の温度センサー３１Ａの各リード線３５、３５は絶縁・断熱部材３６によって被覆され、金属保護管３４内に保持される。第１の温度センサー３１Ａの各リード線３５、３５には例えば直径が0.5mmから1mm程度のものを用いることができ、セラミック薄膜などによって耐久性を高めたものであることが望ましい。第１の温度センサー３１Ａの各リード線３５、３５の先端に設けられた温接点３６（温度センサーの感知点）は、高温入口管５Ａ内を流通する流体に直接触れられるように配置される。温接点３６は、流体からの圧力をできるだけ受けないよう、例えば、直径が0.5mmや1mm程度の球体であることが望ましい。
第１の温度センサー３１Ａの各リード線３５、３５は、外部との電気的な接続のために金属保護管３４の上端より上方に突出される。第１の温度センサー３１Ａの各リード線３５、３５を突出させた絶縁・断熱層３６の上面において、リード線３５、３５の外周の絶縁・断熱層３６との隙間はシール材４１によって塞がれる。また、金属保護管３４の上端において絶縁・断熱層３６と金属保護管３４との隙間は別のシール材４２によって塞がれる。さらに、高温側外殻板３Ａの孔部３２と金属保護管３４との隙間も別のシール材４３によって塞がれる。
これらのシール材４１，４２，４３は作動流体の圧力に応じて選択される。
例えば、作動流体の圧力が0.5MP以下である場合には接着材シールを用いることができる。作動流体の圧力が2MP以下である場合にはテープ状のシールテープを用いることが望ましい。作動流体の圧力が6.5MP以下である場合には穴の開いた円形状のシールワッシャーを用いることが望ましい。
以上、第１の温度センサー３１Ａの取り付け構造を説明したが、第２の温度センサー３１Ｂ、第３の温度センサー３１Ｃ、第４の温度センサー３１Ｄの取り付け構造も同様である。
このように、第１の温度センサー３１Ａの温接点３６が高温入口管５Ａ内を流通する高温流体に直に触れることによって、熱交換器本体２に流入する高温流体の温度を直接測定することができる。同様に、熱交換器本体２より流出する高温流体、熱交換器本体２に流入する低温流体、熱交換器本体２より流出する低温流体の各々の温度を、第２の温度センサー３１Ｂ、第３の温度センサー３１Ｃ、第４の温度センサー３１Ｄによって直接測定することができる。
しかしながら、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内を流れる作動流体は、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍では減速されることによって不均一な温度分布が形成される。このため、作動流体の温度を直接測定しても必ずしも正確な温度が測定できるとは限らない。
そこで、本実施形態では、熱交換器本体２の出入口の各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内に作動流体の速度および温度が略一定となるコア領域を形成するための整流リングを配置した。この整流リングの下流域に形成されるコア領域に温度センサーの温接点を配置した。
図７および図８に示したように、高温入口管５Ａ内には整流リング５２が配置される。整流リング５２は高温入口管５Ａに対して同軸に開口部５２ａを有し、この開口部５２ａの入口側の径Dは高温入口管５Ａの内径と等しく、出口側の径dは入口側の径Dのおよそ三分の二の大きさである。そして開口部５２ａの入口側から出口側までの間はすり鉢状のテーパー面となっている。この構造は、熱交換器本体２の低温流体が流入する入口に接続された低温入口管５Ｃについても同様である。
図９は、図１に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した熱交換器本体２の高温流体が流出する出口に接続された高温出口管５Ｂおよび整流リング５２を示すＹ−Ｚ断面図である。
同図に示すように、熱交換器本体２の高温流体が流出する出口に接続された高温出口管５Ｂ内にも同様に整流リング５２が配置される。
この構造は、熱交換器本体２の低温流体が流出する出口に接続された低温出口管５Ｄについても同様である。
図１０は、整流リング５２の上流域および下流域での作動流体の速度分布を示す図である。整流リング５２が入口管に設けられている場合、開口部５２ａの出口側５２ｃが熱交換器本体２の入口との境界５３になる。
外部もしくは熱交換器本体２より各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄに流入してきた作動流体は、整流リング５２の上流域において各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍で減速されることによって、各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの中心軸からの距離が大きくなるに従って速度が低くなる不均一な速度分布を示す。整流リング５２の上流域において各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの内壁近傍を流れていた作動流体は、整流リング５２の開口部５２ａのテーパー面５２ｂによって各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの中心軸に向かう方向に誘導され、整流リング５２の開口部５２ａの中心付近を通過する他の流れと混ざり合う。この結果、整流リング５２の開口部５２ａの出口側５２ｃ直後の下流域に、作動流体の速度が整流リング５２の上流域での各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ内の作動流体の平均速度よりも高速で略一定のコア領域Ｃが発生する。一例として、整流リング５２の入口側の径をDとし、出口側の径を2/3Dとしたとき、整流リング５２の開口部５２ａの出口側５２ｃから下流に6D離れた位置までの間にコア領域Ｃが形成される（径方向でも軸方向でもほぼ均一な温度分布領域を大きく形成できることで、熱電対の設置がし易くなり、流体の温度の測定も正確になる）。コア領域Ｃの外は速度境界層および温度境界層である。このコア領域Ｃでは、作動流体の速度が略一定であり、温度分布も略均一であるから、このコア領域Ｃに温度センサーの温接点３６を配置することによって、速度境界層および温度境界層の影響を受けることなく作動流体の温度を正確に測定することができる。
本実施形態では、図８および図９に示すように、整流リング５２の開口部５２ａの出口側５２ｃの位置から下流側に2Dの距離の位置に温接点３６がくるように温度センサー３１Ａ、３１Ｂを配置した。これにより、速度境界層および温度境界層の影響を受けることなく、熱交換器本体２の入口または出口に流入または流出する作動流体の温度を正確に測定することができる。これにより、熱交換熱量の算出や、流出する作動流体の目標温度への制御などをより正確に行うことができる。
なお、整流リング５２の開口部５２ａの形状に関して、開口部５２ａのテーパー面５２ｂは断面において一定の傾斜面であってよいが、本発明はこれに限定したものではなく、開口部５２ａの面積を徐々に狭くすればよく、サイン波面、放物曲線面、あるいは双曲線面であってもよい。
また、本実施形態では、熱交換器本体２内を流れる２つの作動流体を並行流としているが、対向流に変更したい場合は、入口管と出口管を入れ替えることで、整流リングにより形成されるコア領域Ｃ内に温度センサーの温接点を配置することができる。また、高温伝熱板２Ａ、低温伝熱板２Ｂの流路のパターンを変更すれば、２つの作動流体を直交流にすることも可能である。
さらに、本実施形態では、熱交換器本体２の入口を流れる作動流体の温度を測定するために、入口管５Ａ、５Ｃ内に温度センサー３１Ａ、３１Ｂの温接点３６を配置しているが、本発明はこれに限定したものではなく、熱交換器本体２の入口ヘッダ２１、２３内に温度センサー３１Ａ、３１Ｂの温接点３６を配置しても良い。また、本実施形態では、整流リングは各出入口管５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの全てに設けているが、本発明はこれに限定したものではなく、入口管のみや出口管のみに整流リングを設けても良い。
以上、積層型マイクロ流路熱交換器について本発明を適用した場合の実施形態を説明したが、本発明はプレート式熱交換器など、他の形式の熱交換器にも適用することができる。
その他、本技術は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
Ｃ…コア領域
１…マイクロ流路熱交換器
２…熱交換器本体
２Ａ…高温伝熱板
２Ｂ…低温伝熱板
３Ａ…高温側外殻板
３Ｂ…低温側外殻板
５Ａ…高温入口接続配管
５Ｂ…高温出口接続配管
５Ｃ…低温入口接続配管
５Ｄ…低温出口接続配管
２１…高温入口ヘッダ
２２…高温出口ヘッダ
２３…低温入口ヘッダ
２４…低温出口ヘッダ
３１Ａ…第１の温度センサー
３１Ｂ…第２の温度センサー
３１Ｃ…第３の温度センサー
３１Ｄ…第４の温度センサー
３６…温接点
５２…整流リング

Claims (2)

  1. 高温流体が流通する高温流路と低温流体が流通する低温流路とを有し、前記高温流路を流通する前記高温流体と前記低温流路を流通する前記低温流体との間で熱交換を行う熱交換器本体と、
    前記熱交換器本体の前記高温流路の入口に接続され外部から前記高温流体を前記高温流路に流入させる高温入口管と、
    前記熱交換器本体の前記低温流路の入口に接続され外部から前記低温流体を前記低温流路に流入させる低温入口管と、
    前記高温入口管および前記低温入口管のうち少なくともいずれか一方の管内に配置され高温流体または低温流体を攪乱させる整流リングと、
    前記整流リングの下流域に形成されるコア領域に感知点が配置されるように設けられた温度センサーと
    を具備し、
    前記整流リングが、
    前記高温流体または前記低温流体を通過させる開口部を有し、
    前記開口部の上流側の開口径が前記高温入口管または前記低温入口管の内径と等しく、前記開口部の下流側の開口径が前記上流側の開口径よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
  2. 請求項１に記載の熱交換器がマイクロ流路熱交換器であることを特徴とする熱交換器。
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