JP6352696B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来、各種の冷却システム等に用いられる熱交換器が例示されている。このような熱交換器としては、例えば、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例示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−３０００６２号公報

ところで、現在上述したような熱交換器として、さらに熱交換効率の向上した熱交換器が求められている。

それゆえ、例えば上述の特許文献１に記載されたような基板を複数積層してなる熱交換器が考えられるが、基板とこれらの基板をつなぐヘッダー部との接続部より流体が漏れだすおそれがあった。

それゆえ、本発明の目的は、流体が漏れることを抑制し、信頼性が向上した熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換器は、セラミック焼結体からなり、第１の流体と第２の流体とで熱交換を行なう熱交換器であって、該熱交換器は、内部が第１の流体が流れる第１流路とされるとともに、それぞれが空間を有して配置され、該空間が第２の流体が流れる第２流路とされた複数個の第１部材と、複数個の該第１部材の一端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１の流体を前記第１部材に導入するための第２部材と、複数個の前記第１部材の他端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１部材を流れた流体を排出するための第３部材と、前記第１部材間に配置され、前記第２部材および前記第３部材のそれぞれの外周を覆うとともに、一端面および他端面が第１部材と接続された第４部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の熱交換器は、一端面および他端面が第１部材と接合されているとともに、第２部材および第３部材の外周を覆う第４部材を備えることから、流体が漏れだすことを抑制でき、信頼性の向上した熱交換器とすることができる。

（ａ）は本実施形態の熱交換器の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１に示す熱交換器を構成する部材を抜粋して示し、（ａ）は第１部材の一例を示す斜視図、（ｂ）は第２部材および第３部材の一例を示す側面図、（ｃ）は第４部材の一例を示す斜視図である。 （ａ）は本実施形態の熱交換器の他の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

以下、図面を用いて本実施形態の熱交換器について説明する。

図１（ａ）は本実施形態の熱交換器の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は断面図であり、図２は、図１に示す熱交換器のうち、（ａ）は第１部材の一例を示す斜視図、（ｂ）は第２部材および第３部材の一例を示す側面図、（ｃ）は第４部材の一例を示す斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示す熱交換器１は、セラミック焼結体から構成されている。熱交換器１をセラミック焼結体から構成することにより、耐熱性や耐腐食性に優れた熱交換器とすることができる。このようなセラミック焼結体を構成する材料としては、熱交換の対象とする流体の特性に合わせて適宜選択して用いればよく、アルミナ、ジルコニア、炭化硅素、窒化珪素、窒化アルミニウムやこれらの複合材料を選択すれば良い。例えば、炭化珪素を主成分とするならば、比較的熱伝導率が高いので、熱交換器の熱交換効率を高めることができ、また、アルミナを主成分とするならば、原料代が安く加工しやすいので、比較的安価に熱交換器を製造することができる。特に、熱交換器１において、最も熱交換に寄与しやすい第１部材２が、炭化珪素を主成分とするセラミック焼結体から構成されていることが、熱交換器１の熱交換効率を高める点で好ましい。

本実施形態の熱交換器１は、内部が第１の流体が流れる第１流路８とされるとともに、それぞれが空間を有して配置され、該空間が第２の流体が流れる第２の流路１０とされた複数個の第１部材２を備えている。なお第１の流体および第２の流体は、液体や気体等、目的に応じて適宜用いることができ、例えば第１の流体を水等の液体とし、第２の流体をガス等の気体とすることができる。

また、第１部材２の一端側には、第１流路８同士と連通し、第１の流体を第１部材（第１流路８）に導入するための第２部材３を備えており、第１部材２の他端側には、第１流路８同士と連通し、第１部材２（第１流路８）を流れた流体を外部に排出するための第３部材４を備えている。なお、ここでいう一端側および他端側とは、第１の流体の流れる方向に沿った一端側および他端側を意味する。

第１部材２においては、第２部材３および第３部材４と連通する必要があるため、図２（ａ）に示すように、第２の部材３および第３の部材４のそれぞれと連通するための孔を有している。なお、図１に示す熱交換器１においては、第１の部材２のうち、第１の流体が流れる方向に沿った一端である最上段に配置される第１部材２（図１においては、２ａに該当する。）の底面に孔（図示せず）を有し、最上段以外に配置される第１部材２（図１においては、２ｂ、２ｃに該当する。）が孔である貫通孔１４を有している。そして、第２部材３や第３部材４を、これらの孔に挿入して配置することにより、第１部材２と、第２部材３および第３部材４とを簡単に組み合わせることで、各流路を容易に連通させることができる。なお、最上段に位置する第１の部材２ａにおいては、内部を流れる流体が外部に漏れないよう、上面側には孔は設けられておらず、貫通孔１４とはされていない。

一方、第２部材３と第３部材４とは、図２（ｂ）に示すように、１つの筒状（例えば円筒状）の部材で構成されており、その一部には第１部材２と連通するための連通部１５を備えている。第２部材３および第３部材４を１つの筒状の部材とした場合には、第２部材
３および第３部材４を流れる第１の流体が漏れ出すことを効果的に抑制できる。なお、図２（ｂ）においては、第２部材３および第３部材４の一部を省略して図示している。

そして、この連通部１５と貫通孔１４とを連通させることで、第２部材３の内部に設けられた流路（以下、入口流路７という。）を流れた第１の流体は、それぞれの第１部材２内の第１流路８に流れ、この第１流路８を流れる間に、第２の流路１０を流れる第２の流体と熱交換することができる。また、第１流路８を流れた第１の流体は、第３部材４の内部に設けられた流路（以下、出口流路９という。）を流れて外部に排出される。

また、入口流路７を流れた第１の流体が、効率よく第１流路８に流れ、また第１流路８を流れた第１の流体が効率よく出口流路９に流れるよう、図２（ａ）に示す貫通孔１４および図２（ｂ）に示す連通部１５においては、それぞれ第１部材２ｂの内側における部分のみが開口している。

なお、上述の例では、第２部材３および第３部材４を、１つの筒状の部材とした例について説明したが、第２部材３や第３部材４を複数個用意し、それぞれを第１部材２間に配置して、第２部材３や第３部材４における連通部１５と第１部材２の貫通孔１４とが連通するように第１部材２に接続してもよい。

また、熱交換器１は、効率のよい熱交換を行なうにあたっては、第１の流体と第２の流体とが対向流となるように配置することが好ましいが、必ずしも対向流となるように配置する必要はなく、例えば直交流となるように配置するほか、適宜、目的とする流体の流れに合わせて配置することができる。

ところで、上述のように、第１部材２に設けられた孔に第２部材３および第３部材４を挿入することで、入口流路７、第１流路８および出口流路９がそれぞれ連通することとなる。また、第２部材３や第３部材４を第１部材２に接続することで、入口流路７、第１流路８および出口流路９がそれぞれ連通することとなる。しかしながら、場合によっては、第１部材２と、第２部材３および第３部材４との接続部から、第１の流体が漏れだすおそれがある。ここで、第１の流体が漏れ出した場合には、熱交換効率が低下するほか、第１の流体によっては、熱交換器１が配置される各種装置等に悪影響を及ぼすおそれがある。

それゆえ、図１に示す熱交換器１においては、第１部材２間に配置され、第２部材３および第３部材４のそれぞれの外周を覆うとともに、一端面および他端面が第１部材２と接続された第４部材６を備えている。なお、第４部材６の一例を図２（ｃ）に示している。このような第４部材６の外形は、第２部材３および第３部材４に合わせた形状することができ、例えば円筒状とすることができる。

それにより、第１部材２と、第２部材３および第３部材４との接続部から第１の流体が漏れた場合であっても、第４部材６が第１部材２と一端面および他端面が接続されていることから、第１の流体が外部に漏れることを抑制することができる。それにより、信頼性の向上した熱交換器１とすることができる。

なお、図１においては、第４部材６の内面が、第２部材３および第３部材４の外面とそれぞれ接続された例を示しているが、必ずしも接続されている必要はなく、例えば第２部材３および第３部材４の外面と隙間を空けて配置されていても構わない。この場合には、もし第１部材２と、第２部材３および第３部材４との接続部から第１の流体が漏れた場合においては、この隙間が漏れた第１の流体を留めるための貯留部の役目を果たすこととなる。

なお、図１に示す熱交換器１においては、下端に第２部材３に第１の流体を導入する導入部１１と、第３部材４を流れた第１の流体を収集する収集部１２とを備えるフランジ部５を有している。

それにより、フランジ部５の一方側から導入された第１の流体は、入口流路７、第１流路８および出口流路９を流れて、フランジ部５の他方側から排出される。ちなみに、図１（ａ）においては、出口流路９の出口１３を図示している。

なお、導入部１１および収集部１２は、それぞれが混合しないよう、独立して設けられていればよく、また、導入部１１および収集部１２は互いに独立した流路を形成しても良く、その大きさは適宜設定することができる。このように、導入部１１および収集部１２が一体となったフランジ部５を用いたならば、フランジ部でも熱交換をすることができるので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。

また、第１部材２に設けられる第１流路８は、第１の流体が効率よく流れる構成とすることが好ましい。それゆえ、例えば第２部材３との接続部から内側に向けて広がった構成として、また第３部材４との接続部に向けて狭まった構成とすることもできる。このような構成とすることにより、第２部材３から導入された第１の流体が、第１流路８に留まることを抑制でき、効率よく第１の流体が第１流路８を流れることができるほか、第１流路８を大きく設けることができる。さらに、第１流路８の内部に、第１の流体が流れる方向に沿って延びる壁を設けてもよい。それにより、入口流路７を流れた第１の流体を、効率よく出口流路９に向けて流すことができ、かつ流体と壁とが接触する表面積を大きくできるため、熱交換効率を向上することができる。

また、第２部材３および第３部材４を複数個の部材より構成した場合には、第２部材３の入口流路７を流れる第１の流体が、第１の流体の流れる方向の先端側に位置する第１流路８に多く流れ、入口側の第１流路８に流れる量が少なくなることを抑制できるよう別部材を設けてもよい。例えば、第１流路８の第２部材３側の端部や、貫通孔１４の内部、さらには第２部材３の内部等に、第１の流体が各第１流路８に流れやすくなるよう、入口流路７の入口側に向けて延びる板状の流量調整部材を設けることもできる。

また、本実施形態の熱交換器１においては、温度の低い第１の流体と温度の高い第２の流体とで熱交換することに伴い、熱交換器１において熱衝撃を受ける場合がある。特に第１部材２と、第２部材３および第３部材４との接合部はこの熱衝撃を受けやすい。中でも、内部を流れる第１の流体と第２の流体との温度差の大きい、第１部材２と第２部材３との接続部においては、特に熱衝撃を受けるおそれがあり、この場合に接続が外れるおそれがある。

ここで、第４部材６の熱伝導率を、第２部材３の熱伝導率よりも低くすることにより、第２の流体の熱が第２部材３に伝わりにくくすることができる。それにより、第１部材２と、第２部材３との接続部において、熱衝撃を受けるおそれを少なくすることができ、熱交換器１の信頼性を向上することができる。同様に、第４部材６の熱伝導率を、第３部材４の熱伝導率よりも低くすることによっても、第１部材２と第３部材４の接続部が熱衝撃を受けるおそれを少なくすることができ、熱交換器１の信頼性を向上することができる。

なお、第４部材６の熱伝導率を、第２部材３および第３部材４の熱伝導率より低くするには、第４部材６を熱伝導率の低いセラミック焼結体より構成するか、第２部材３および第３部材４と第４部材６とを、同じ主成分からなるセラミック焼結体とするならば、第４部材６の気孔率を第２部材３および第３部材４の気孔率よりも高くすればよい。

なお、上述の熱交換器は、特にその用途が制限されるものではなく、例えば各種レーザー装置のほか、熱交換を行なうものであれば適宜適用することができる。

以下に、上述した熱交換器１の作製方法について説明する。

まず、第１部材２、第２部材３、第３部材４、第４部材６およびフランジ部５のそれぞれを個別に作製する。

例えば、それぞれの部材を構成する主成分となる原料（炭化珪素、アルミナ等）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。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により形成したセラミックグリーンシートを製品形状に合わせて金型により打ち抜いた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して、これら成形体を焼成することで、各部材を作製する。また、セラミックグリーンシートの他の製造方法としては、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によって製造しても良い。

また、成形体の他の製造方法としては、スラリーを坏土に調整して押出成形法で作製するほか、顆粒を用いてメカプレス法や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で作製しても良い。

なお、成形体や焼成体を適宜加工して、これらの各部材を形成してもよい。

また、第４部材６の熱伝導率を、第２部材３および第３部材４の熱伝導率よりも低くするにあたって、第４部材６の気孔率を第２部材３および第３部材４の気孔率よりも高くするには、例えば、第４部材６となるスラリー作製時に、樹脂ビーズのような気孔形成剤を添加する、焼結助剤の添加量を減らす、成形体の密度を低くするなどの方法がある。

そして、第１の流体が流れる方向に沿った一端となる第１部材２に設けられた孔に、第２部材３および第３部材４とを挿入する。続いて第２部材３および第３部材４に、第４部材６を挿入する。さらに続いて第１部材２、第４部材６を順に繰り返して挿入して、最後にフランジ部５を接続する。なお各部材は接着剤等を塗布した状態で挿入し、最終的に作製したものを熱処理することで、本実施形態の熱交換器１とすることができる。なお、第２部材３および第３部材４を１つの筒状体より構成する場合は、第１部材２と第４部材６を積層して、その後第２部材３および第３部材４を挿入して形成してもよい。

さらに、第２部材３および第３部材４の複数個のそれぞれを、第１部材２間において接続した熱交換器とするにあたっては、例えば第１部材２に、接着剤等にて第２部材３および第３部材４の一端面を接続した後、他端面を接着材等にて第１部材２に接続することを繰り返せばよい。

ここで、使用される接着剤としては、耐熱性や耐腐食性に優れているものとして、無機接着剤を用いることが好ましい。無機接着剤としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス（Ｒ：アルカリ土類金属元素）を用いれば良い。無機接着剤としてこのようなガラスを用いたならば、熱処理を行った際に部材を劣化させることなく、互いの部材を強固に接合できるうえに、耐熱性や耐腐食性に優れているので、熱交換器の信頼性を向上することができる。

図３は本実施形態の熱交換器の他の一例を示し、（ａ）は外観斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

図３に示す熱交換器１６は、図１に示す熱交換器１と比較して、第２部材１７が、第１の流体が流れる方向の一端側における入口流路７の幅が、第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における入口流路７の幅よりも狭い形状とされている。すなわち、第２部材１７における入口流路７が上に向けて先細りとなっている。

図１に示したように入口流路７が同じ幅で形成されている場合に、第１の流体が流れる方向の一端側における第１流路８に、多くの第１の流体が流れ、入口側に位置する第１流路８に流れる第１の流体の量が少なくなり、それにより効率のよい熱交換ができなくなるおそれがある。

ここで、図３に示した熱交換器１６のように、第２部材１７において、第１の流体が流れる方向の一端側における入口流路７の幅を、第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における入口流路７の幅よりも狭くすることによって、より多くの量の第１の流体を、入口側に位置する第１流路８に流すことができ、それにより熱交換効率を向上することが可能な熱交換器１６とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

上述の図３で示した熱交換器１６の例においては、第２部材１７において、第１の流体が流れる方向の一端側における入口流路７の幅を、第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における入口流路７の幅よりも狭くする例を示したが、この場合に、第３部材４においては第２部材３とは逆に、第１の流体が流れる方向の一端側である出口側における出口流路９の幅を、第１の流体が流れる方向の他端側である出口流路９の幅よりも広い構成とすることができる。すなわち、第３部材４における出口流路９が、上に向けて先細りとすることができる。それにより、より多くの量の第１の流体を、入口側（出口側）に位置する第１流路８に流すことができ、それにより熱交換効率を向上することが可能な熱交換器１６とすることができる。

また、さらに熱交換効率の向上した熱交換器１、１６とするにあたり、例えば第１部材２を、表面に、平均粒径が第１部材２の平均結晶粒径よりも大きい突起を設けてもよい。この場合であっても、熱交換効率の向上した熱交換器１、１６とすることができる。

さらには、第１部材２の内部に、複数の流路を設けるための隔壁部を設けることもでき、この場合に、流路の直上または直下における外表面を流路に向けて湾曲させた形状としてもよい。この場合であっても、熱交換効率の向上した熱交換器１、１６とすることができる。

１、１６：熱交換器
２：第１部材
３、１７：第２部材
４：第３部材
５：フランジ部
６：第４部材
７：入口流路
８：第１流路
９：出口流路
１０：第２の流路

Claims (5)

1. セラミック焼結体からなり、第１の流体と第２の流体とで熱交換を行なう熱交換器であって、
   該熱交換器は、
   内部が第１の流体が流れる第１流路とされるとともに、それぞれが空間を有して配置され、該空間が第２の流体が流れる第２流路とされた複数個の第１部材と、
   複数個の該第１部材の一端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１の流体を前記第１部材に導入するための第２部材と、
   複数個の前記第１部材の他端側で前記第１流路同士と連通し、前記第１部材を流れた流体を排出するための第３部材と、
   前記第１部材間に配置され、前記第２部材および前記第３部材のそれぞれの外周を覆うとともに、一端面および他端面が第１部材と接続された第４部材と、
   を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１部材が、一端側および他端側に貫通孔または孔を有しており、それぞれの孔に前記第２部材および前記第３部材が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２部材に前記第１の流体を導入する導入部と、前記第３部材を流れた第１の流体を収集する収集部とを備えるフランジ部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第２部材が、前記第１の流体が流れる方向の一端側における流路の幅が、前記第１の流体が流れる方向の他端側である入口側における流路の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記第４部材の熱伝導率が、前記第２部材の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の熱交換器。

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