JP6548927B2 - 熱交換器および液化ガス蒸発器 - Google Patents

Description

この発明は、熱交換器および液化ガス蒸発器に関し、特に、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器および液化ガス蒸発器に関する。

従来、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う液化ガス蒸発器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、二重管構造の伝熱管を備えたオープンラック型の液化ガス蒸発器が開示されている。この液化ガス蒸発器では、第１流体として液化ガス、第２流体として海水などの熱媒が用いられる。伝熱管は、二重管の内管に極低温の液化ガスを導入し、内管の一端側の開放端から外管（内管と外管との間の通路）へと液化ガスを折り返し、外管の他端側から導出させるように構成されている。熱媒(海水)は、散水トラフから伝熱管（外管）の外側にかけ流される。液化ガスは、外管を流通する際に熱媒と熱交換することにより蒸発して、気相状態で伝熱管（外管）から導出される。また、内管を通過する液化ガスと外管を通過する液化ガスとが熱交換することにより、液化ガスが外管に到達する際の液化ガスと熱媒との温度差が低減され、外管表面における熱媒（海水）の氷結が抑制される。

特開平５−３３２４９９号公報

しかしながら、上記特許文献１の液化ガス蒸発器では、伝熱管に熱媒(第２流体)をかけ流すオープンラック型の構造を有しているため、装置が大型化してしまうという問題点がある。また、熱媒(第２流体)が外部に開放された状態で供給されるため、たとえば船舶、車両、飛行機などの移動体へ液化ガス蒸発器を搭載する場合などに搭載が困難になるという問題点がある。

一方、たとえばプレートフィン型などの層状の流路を有する積層構造の熱交換器であれば、小型で、かつ、非開放の流路構成を実現できる。しかし、上記特許文献１のように第１流体(液化ガス)と第２流体（海水）との温度差が大きい場合、積層構造の熱交換器では隣接する流路間での温度差が大きくなりすぎるという問題点が発生する。

すなわち、積層構造の熱交換器を液化ガス蒸発器に用いる場合、極低温の第１流体と熱媒となる第２流体との熱交換の結果、第２流体の氷結によって第２流体側の流路が閉塞される場合がある。また、たとえば高温の第１流体によって第２流体を蒸発または昇温させる場合、温度差に起因して隣接する流路層間に大きな熱応力が発生してしまい、小型化が困難になる。したがって、温度差が大きい流体間の熱交換には、積層構造の熱交換器を用いることが困難である。

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、小型で、かつ、隣接する流路層間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器および液化ガス蒸発器を提供することである。

上記目的を達成するために、第１の発明による熱交換器は、コルゲートフィンを有する平面状の流路層が複数積層された積層構造を有し、第１流体を流通させる第１流路部と、第２流体を流通させる第２流路部とを含むプレートフィン型の熱交換部を備え、第１流路部の流路層は、入口を有する導入流路層と、出口を有する外側の導出流路層と、導入流路層と導出流路層との間に積層された少なくとも１つの中間流路層とを含み、第１流路部は、中間流路層を介して折り返された流路形状を有し、第２流路部の流路層は、第１流路部の外側で第１流路部の導出流路層と隣接する隣接流路層を含む。なお、「折り返された流路形状」は、導入流路層と導出流路層との２層を含むように１回折り返された流路形状のみならず、導入流路層と導出流路層との間に中間の流路層を１または複数含むように複数回折り返された流路形状を含む。

この第１の発明による熱交換器では、上記のように、平面状の流路層が複数積層された積層構造を有する熱交換部に、第１流体を流通させる第１流路部と、第２流体を流通させる第２流路部とを設けることによって、熱交換器を小型化することができる。また、第１流路部および第２流路部を平面状の閉じた流路層によって構成できるので、流体が外部に開放された状態で供給されるオープンラック型構造とは異なり、移動体にも容易に搭載することができる。さらに、第１流路部を折り返された流路形状を有するように構成することによって、第１流体が導入流路層から導出流路層に至る折り返された流路を通過する間に、隣接する流路層を流れる第１流体同士の熱交換によって第１流体の温度を徐々に第２流体の温度に近づけ、第２流体の温度に近づけた後の外側の導出流路層で第１流体と隣接流路部を流れる第２流体との熱交換を行うことができる。この結果、積層構造の熱交換部を採用しても、隣接する導出流路層と隣接流路層との間での第１流体と第２流体との温度差を小さくできる。以上の結果、本発明によれば、小型で、かつ、隣接する流路層間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器を提供することができる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、第１流体は、低温側流体であり、第２流体は、高温側流体であり、熱交換部は、第２流路部を流通する第２流体との熱交換によって、第１流路部を流通する第１流体を昇温させるように構成されている。このように構成すれば、低温側の第１流体が第１流路部で折り返される間に徐々に昇温し、温度上昇した後の第１流体と第２流体との間で熱交換させることができる。その結果、第１流体の供給温度が極低温の場合でも、高温側の第２流体が氷結して隣接流路層が閉塞されることを抑制することができる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、第１流路部は、液相を含む状態で導入流路層に流入した第１流体を蒸発させ、気相状態の第１流体のガスを導出流路層から流出させるように構成されている。このように構成すれば、液相状態で導入流路層に流入する第１流体を蒸発させ、ガスの状態で導出流路層から流出させる液化ガス蒸発器を構成できる。この場合でも、折り返し構造の第１流路部によって第１流体（液化ガス）と第２流体（熱媒）との温度差を抑制できるので、液化ガス蒸発器としての熱交換器を容易に小型化できる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、導入流路層から導出流路層に至る間に第１流体が蒸発した気相状態のガスが導出流路層に流入するように、第１流路部の折り返し回数が設定されている。このように構成すれば、導出流路層に流入する際の第１流体（液化ガス）の温度を確実に蒸発温度以上に上昇させることができるので、効果的に、隣接流路層における第２流体の氷結による流路閉塞を抑制することができる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、導入流路層は、第１流路部における積層方向の中央に配置され、導出流路層は、第１流路部における積層方向の両方の最外部にそれぞれ配置され、第１流路部は、中央の導入流路層から分岐して折り返された分岐流路形状を有し、第２流路部は、積層方向において第１流路部の両外側でそれぞれの導出流路層と隣接する隣接流路層により構成されている。このように構成すれば、積層方向の両側でそれぞれ第１流体と第２流体との熱交換を行うことができるので、第１流体と第２流体との伝熱面積を大きくすることができる。また、最も高温または低温の状態の第１流体が流れる導入流路層を、熱交換部の中央に配置できるので、熱交換部の外表面温度が高温または低温になり過ぎるのを抑制できる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、第１流路部は、積層されたそれぞれの流路層を仕切るとともに積層方向に貫通した貫通孔を有する仕切部材をさらに含み、第１流路部は、仕切部材の貫通孔を介して、複数の流路層にわたって折り返された流路形状を有する。このように構成すれば、第１流路部（熱交換部）の内部で折り返された流路形状を実現することができる。この結果、たとえば第１流体を一の流路層から外部に引き出して、他の流路層に導入するような構造と比較して、熱交換器をより小型にすることができる。また、第１流体を外部に引き出す場合に、引き出した流路部分の外表面が高温または低温になり過ぎる可能性があるのとは異なり、本発明では、熱交換部の外表面温度が高温または低温になり過ぎるのを抑制できる。

上記第１の発明による熱交換器において、好ましくは、第１流路部および第２流路部は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以下の材料により構成されている。このように構成すれば、たとえばアルミニウム（約１９５Ｗ／ｍ×Ｋ）のような高熱伝導性の材料と比較すると第１流路部および第２流路部の熱伝導率が低くなる。そのため、第１流体が流通する導出流路層と隣接する隣接流路層側の流路表面温度が第２流体の温度から過度に乖離するのを抑制することができる。その結果、容易かつ効果的に、隣接する導出流路層と隣接流路層との間の温度差が大きくなりすぎることを抑制することができる。

第２の発明による液化ガス蒸発器は、コルゲートフィンを有する平面状の流路層が複数積層された積層構造を有し、液化ガスを流通させる液化ガス流路部と、熱媒を流通させる熱媒流路部とを含むプレートフィン型の熱交換部を備え、液化ガス流路部の流路層は、入口を有する導入流路層と、出口を有する外側の導出流路層と、導入流路層と導出流路層との間に積層された少なくとも１つの中間流路層とを含み、液化ガス流路部は、中間流路層を介して折り返された流路形状を有し、熱媒流路部の流路層は、液化ガス流路部の外側で液化ガス流路部の導出流路層と隣接する隣接流路層を含む。

この第２の発明による液化ガス蒸発器では、上記のように、平面状の流路層が複数積層された積層型の熱交換部に、液化ガス流路部と熱媒流路部とを設けることによって、液化ガス蒸発器を小型化することができる。また、液化ガス流路部と熱媒流路部とを平面状の閉じた流路層によって構成できるので、オープンラック型構造とは異なり、移動体にも容易に搭載することができる。さらに、液化ガス流路部を折り返された流路形状を有するように構成することによって、液化ガスが導入流路層から導出流路層に至る折り返された流路を通過する間に、隣接する流路層を流れる液化ガス同士の熱交換によって液化ガスの温度を徐々に上昇させ、温度上昇した後の外側の導出流路層で液化ガスと熱媒流路部を流れる熱媒との熱交換を行うことができる。この結果、積層構造の熱交換部を採用しても、隣接する導出流路層と隣接流路層との間での液化ガスと熱媒との温度差を小さくできる。このため、隣接流路層における第２流体の氷結による流路閉塞を抑制することができる。以上の結果、本発明によれば、小型で、かつ、隣接する流路層間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の液化ガス蒸発器を提供することができる。

本発明によれば、上記のように、小型で、かつ、隣接する流路層間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器および液化ガス蒸発器を提供することができる。

本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器の流路と直交する方向の縦断面図である。 本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器の流路に沿った方向の縦断面図である。 本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器の温度分布のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第２実施形態による熱交換器を示した模式図である。 本発明の第３実施形態による熱交換器の第２変形例を示した模式図である。 本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器の第１変形例を示した模式図である。 本発明の第１実施形態による液化ガス蒸発器の第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実施形態による液化ガス蒸発器１００の構成について説明する。液化ガス蒸発器１００は、本発明の「熱交換器」の一例である。

（液化ガス蒸発器の全体構成）
図１に示す液化ガス蒸発器１００は、低温の液化ガスを熱媒との熱交換により蒸発させて気相状態のガスとして供給するための装置（熱交換器）である。液化ガス蒸発器１００は、船舶、車両、飛行機などの移動体に搭載される。

液化ガスは、たとえば、酸素、窒素または天然ガスなどである。液化ガス蒸発器に用いられる熱媒は、様々であるが、入手の容易性（低コスト性）などの観点から、移動体などの設置環境でも豊富に存在する水または海水や、空気などが用いられる。これらの水または海水および空気は、入手が容易である一方で、液化ガスの供給温度よりも高い温度で氷結する性質を有する熱媒である。また、水または海水および空気は、液化ガス蒸発器の流路を構成する金属材料を腐食させる性質を有する熱媒である。第１実施形態の液化ガス蒸発器１００は、このような性質を有する水、海水または空気などを熱媒として利用するように構成されている。

第１実施形態では、液化ガス蒸発器１００は、プレートフィン型のコア１を備えている。プレートフィン型のコア１は、平面状の流路層２が複数積層された積層構造を有する熱交換部である。なお、コア１は、本発明の「熱交換部」の一例である。

図２に示すように、コア１を構成する流路層２は、個々の流路（チャンネル）を構成するコルゲートフィン３と、コルゲートフィン３の外周壁を構成するサイドバー４とを含む平面状（平板状）の構造を有する。また、各流路層２が、積層方向の隔壁であるチューブプレート５によって仕切られている。チューブプレート５およびコルゲートフィン３は、コア１内で熱を伝達する伝熱面として機能する。コア１は、積層した流路層２の積層体を一対のサイドプレート６により挟み込み、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。

コア１は、第１流体７を流通させる第１流路部１０と、第２流体８の流体を流通させる第２流路部２０とを含む。第１実施形態では、第１流体７が低温側流体であり、第２流体８が高温側流体である。すなわち、第１流体７は、液化ガスであり、第２流体８は、熱媒である。第１流路部１０と第２流路部２０とは、それぞれ、複数の流路層２から構成されている。第１流体７は、本発明の「低温側流体」および「液化ガス」の一例である。第２流体８は、本発明の「高温側流体」および「熱媒」の一例である。第１流路部１０および第２流路部２０は、それぞれ、本発明の「液化ガス流路部」および「熱媒流路部」の一例である。

コア１は、第１流路部１０を流通する低温側の第１流体７と、第２流路部２０を流れる高温側の第２流体８との間で熱交換をさせる。第１実施形態では、コア１は、第２流路部２０を流通する第２流体８との熱交換によって、第１流路部１０を流通する第１流体７を昇温させるように構成されている。熱交換の結果、第２流体８に含まれる熱によって第１流体７が蒸発され、気相状態のガス７ａとして外部に供給される。

第１実施形態では、コア１の第１流路部１０および第２流路部２０は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以下の材料により構成されている。たとえば、第１流路部１０および第２流路部２０は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以下で耐食性を有するステンレス鋼材料によって構成されており、具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌなどを用いることができる。

（第１流路部の構造）
図３に示すように、第１実施形態では、第１流路部１０は、５つの流路層２を含んでいる。第１流路部１０の流路層２は、入口１１ａを有する導入流路層１１と、出口１２ａを有する外側の導出流路層１２と、中間流路層１３とを含む。第１流路部１０は、液相を含む状態で導入流路層１１に流入した第１流体７を蒸発させ、気相状態の第１流体７のガス７ａを導出流路層１２から流出させるように構成されている。第１流路部１０の各流路層２は、流路幅Ｗ（図２参照）、流路高さ（厚み）Ｈ１（図２参照）および流路長Ｌを有し、略同一形状に構成されている。第１実施形態では、後述するように、第１流路部１０は、それぞれの流路層２によって、折り返された流路形状を有している。

導入流路層１１は、第１流路部１０における積層方向Ｚの中央に配置されている。つまり、導入流路層１１は、５層の流路層２の内、中央の３層目に配置された流路層である。導入流路層１１は、Ｘ１方向側の一端の入口１１ａにおいて流路が外部に開放されており、入口１１ａを除く外周部がサイドバー４によって閉塞されている。入口１１ａには、図示しないヘッダタンクなどが取り付けられ、ヘッダタンクを介して外部から第１流体７が供給される。

導出流路層１２は、第１流路部１０における積層方向Ｚの両方の最外部にそれぞれ配置されている。つまり、導出流路層１２は、５層の流路層２の内、最外部の１層目と５層目とにそれぞれ配置された２つの流路層である。２つの導出流路層１２は、それぞれ、Ｘ２方向側の他端の出口１２ａにおいて流路が外部に開放されており、出口１２ａを除く外周部がサイドバー４によって閉塞されている。出口１２ａには、図示しないヘッダタンクなどが取り付けられ、第１流体７が蒸発されて気相状態となったガス７ａがヘッダタンクを介して排出される。

中間流路層１３は、第１流路部１０において導入流路層１１と導出流路層１２との間に配置されている。つまり、中間流路層１３は、５層の流路層２の内、２層目と４層目とにそれぞれ配置された２つの流路層である。２つの中間流路層１３は、それぞれ、外周部が全周に渡ってサイドバー４によって閉塞されている。各中間流路層１３は、後述する仕切部材１４の貫通孔１５によって、積層方向Ｚに隣接する流路層２にのみ開放されている。

第１実施形態では、第１流路部１０は、積層されたそれぞれの流路層２を仕切るとともに積層方向Ｚに貫通した貫通孔１５を有する仕切部材１４を含んでいる。なお、仕切部材１４は、チューブプレート５に貫通孔１５を設けたものであり、実質的にチューブプレート５と同じものであるが、区別のため、貫通孔１５を設けたチューブプレートを仕切部材１４とし、貫通孔１５を有さないものをチューブプレート５とする。仕切部材１４は、導入流路層１１と中間流路層１３との間、および、中間流路層１３と導出流路層１２との間にそれぞれ設けられている。

導入流路層１１と中間流路層１３との間の仕切部材１４ａには、Ｘ２方向の他端側に貫通孔１５が配置されている。これにより、導入流路層１１と中間流路層１３とは、Ｘ２方向（他端側）の端部において連通している。中間流路層１３と導出流路層１２との間の仕切部材１４ｂには、Ｘ１方向の一端側に貫通孔１５が配置されている。これにより、中間流路層１３と導出流路層１２とは、Ｘ１方向（一端側）の端部において連通している。

この結果、第１流路部１０では、一の流路層２と他の流路層２とが、一端（Ｘ１側端部）または他端（Ｘ２側端部）で貫通孔１５を介して互いに連通している。これにより、第１流路部１０は、仕切部材１４の貫通孔１５を介して、複数の流路層２にわたって折り返された流路形状を有する。また、導入流路層１１は、他端（Ｘ２側端部）において上下の中間流路層１３とそれぞれ貫通孔１５を介して連通している。すなわち、第１流路部１０は、中央の導入流路層１１から上下に分岐して折り返された分岐流路形状を有する。

ここで、第１実施形態では、導入流路層１１から導出流路層１２に至る間に第１流体７が蒸発した気相状態のガス７ａが導出流路層１２に流入するように、第１流路部１０の折り返し回数が設定されている。つまり、導入流路層１１から中間流路層１３を介して導出流路層１２に流入するまでの間に第１流体７が蒸発して気相状態となり、気相状態のガス７ａとして導出流路層１２に流入する。第１流体７が気相状態のガス７ａとして導出流路層１２に流入するために必要な回数分だけ折り返すように、中間流路層１３の数（＝折り返し回数）が設定されている。図３に示す例では、導入流路層１１から導出流路層１２に至る間の第１流路部１０の折り返し回数が２回（上下に各２回）に設定されている。つまり、折り返し回数は、導入流路層１１から中間流路層１３への折り返しと、中間流路層１３から導出流路層１２への折り返しとの合計２回である。なお、必要な折り返し回数は、第１流体７および第２流体８の種類、温度や、コア１の構造および使用条件などによって異なるため、具体的な条件（仕様）に基づく計算（シミュレーション）によって決定される。

（第２流路部の構造）
図３に示すように、第２流路部２０は、２つの流路層２を含んでいる。第２流路部２０の流路層２は、第１流路部１０の外側で第１流路部１０の導出流路層１２と隣接する隣接流路層２１を含む。

第１実施形態では、第１流路部１０の導出流路層１２が第１流路部１０の両外側（１層目および５層目）にそれぞれ設けられているので、隣接流路層２１は、各導出流路層１２に対応して２つ設けられている。すなわち、第２流路部２０は、積層方向Ｚにおいて第１流路部１０の両外側でそれぞれの導出流路層１２と隣接する２つの隣接流路層２１により構成されている。図２および図３に示すように、第２流路部２０の各流路層２（隣接流路層２１）は、流路幅Ｗ、流路高さ（厚み）Ｈ２および流路長Ｌを有し、略同一形状に構成されている。隣接流路層２１の流路高さＨ２は、第１流路部１０の各流路層２の流路高さＨ１よりも小さい。

それぞれの隣接流路層２１は、図３に示すように、Ｘ１方向側の一端の入口２１ａと、Ｘ２方向側の他端の出口２１ｂとを含む。隣接流路層２１は、一端の入口２１ａと他端の出口２１ｂにおいて流路が外部に開放されており、入口２１ａおよび出口２１ｂを除く外周部がサイドバー４（図２参照）によって閉塞されている。入口２１ａおよび出口２１ｂには、それぞれ図示しないヘッダタンクなどが取り付けられる。ヘッダタンクを介して外部から入口２１ａに第２流体８が供給され、出口２１ｂからヘッダタンクを介して熱交換後の第２流体８が排出される。

隣接流路層２１と、隣接流路層２１に隣接する導出流路層１２との間は、チューブプレート５によって仕切られている。上述の通り、チューブプレート５には貫通孔１５は設けられていない。また、隣接流路層２１の外側には、サイドプレート６が設けられている。

隣接流路層２１を流れる第２流体８は、一端（Ｘ１方向端部）の入口２１ａから、他端（Ｘ２方向端部）の出口２１ｂに向けてＸ２方向に流通する。また、導出流路層１２を流通するガス７ａ（蒸発した第１流体７）は、仕切部材１４の一端（Ｘ１方向端部）の貫通孔１５から、他端（Ｘ２方向端部）の出口１２ａに向けてＸ２方向に流通する。したがって、第１実施形態のコア１は、第１流体７（ガス７ａ）と第２流体８とがＸ方向に沿って互いに同じ方向に流通する並行流型のコアである。コア１における流体の流動方法は、第１流体７および第２流体８が反対方向に流れる対向流型、または、第１流体７および第２流体８が交差する方向に流れる直交流型であってもよい。

（液化ガスおよび熱媒の流れの説明）
次に、第１実施形態のコア１における第１流体７および第２流体８の流れについて説明する。

図３に示すように、第１流体７は、中央の導入流路層１１の入口１１ａから流入し、導入流路層１１をＸ２方向に流通する。この際、導入流路層１１の低温の第１流体７は、隣接する中間流路層１３を流れる相対的に高温の第１流体７との熱交換により、熱を受け取る。第１流体７は、導入流路層１１の他端において分岐し、貫通孔１５を介して上下に隣接する中間流路層１３にそれぞれ流入する。

各中間流路層１３では、第１流体７は、流通方向を折り返して、逆のＸ１方向に流通する。この際、中間流路層１３の第１流体７は、隣接する導出流路層１２を流れる相対的に高温のガス７ａとの熱交換により、熱を受け取り、蒸発する。中間流路層１３の途中では、液相の第１流体７と気相のガス７ａとの混合状態となるが、一端（Ｘ１方向端部）の貫通孔１５の近傍では、気相のガス７ａとなっている。ガス７ａは、各中間流路層１３の一端において、貫通孔１５を介して隣接する導出流路層１２にそれぞれ流入する。

各導出流路層１２では、ガス７ａは、流通方向を折り返してＸ２方向に流通し、各導出流路層１２の他端（Ｘ２方向端部）の出口１２ａから外部に排出される。一方、第２流体８は、導出流路層１２と隣接する隣接流路層２１の入口２１ａから流入し、隣接流路層２１をＸ２方向に流通して、他端（Ｘ２方向端部）の出口２１ｂから排出される。導出流路層１２のガス７ａは、隣接する隣接流路層２１を流れる第２流体８との熱交換により、熱を受け取り、加熱される。この結果、低温の液相の状態でコア１に供給された第１流体７が、第１流路部１０をＸ方向に蛇行して流通する間に蒸発および加熱され、気相のガス７ａとして排出される。

（第１実施形態の効果）
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、第１流路部１０と第２流路部２０とを、平面状の流路層２が複数積層された積層型のコア１に設けることによって、液化ガス蒸発器１００を小型化することができる。また、第２流路部２０を平面状の閉じた流路層２によって構成できるので、流体が外部に開放された状態で供給されるオープンラック型構造とは異なり、移動体にも容易に搭載することができる。さらに、第１流路部１０を折り返された流路形状を有するように構成することによって、第１流体７が導入流路層１１から導出流路層１２に至る折り返された流路を通過する間に、隣接する流路層２を流れる第１流体７同士の熱交換によって第１流体７の温度を徐々に第２流体８の温度に近づけ、第２流体８の温度に近づけた後の外側の導出流路層１２で第１流体７と第２流路部２０を流れる第２流体８との熱交換を行うことができる。この結果、積層構造のコア１を採用しても、隣接する導出流路層１２と隣接流路層２１との間での第１流体７と第２流体８との温度差を小さくできる。以上の結果、第１実施形態の液化ガス蒸発器１００によれば、小型で、かつ、隣接する流路層間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器（液化ガス蒸発器）を提供することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１流体７を低温側流体とし、第２流体８を高温側流体とする。そして、第２流路部２０を流通する第２流体８との熱交換によって、第１流路部１０を流通する第１流体７を昇温させるようにコア１を構成する。これにより、低温側の第１流体７が第１流路部１０で折り返される間に第１流体７を徐々に昇温し、温度上昇した後の第１流体７と第２流体８との間で熱交換させることができる。その結果、第１流体７の供給温度が極低温の場合でも、高温側の第２流体８が氷結して隣接流路層２１が閉塞されること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、第１流路部１０を、液相を含む状態で導入流路層１１に流入した第１流体７を蒸発させ、気相状態の第１流体７のガス７ａを導出流路層１２から流出させるように構成する。これにより、液相状態で導入流路層１１に流入する第１流体７を蒸発させ、ガス７ａの状態で導出流路層１２から流出させる液化ガス蒸発器１００を構成できる。この場合でも、折り返し構造の第１流路部１０によって第１流体７（液化ガス）と第２流体８（熱媒）との温度差を抑制できるので、液化ガス蒸発器１００を容易に小型化できる。

また、第１実施形態では、上記のように、導入流路層１１から導出流路層１２に至る間に第１流体７が蒸発した気相状態のガスが導出流路層１２に流入するように、第１流路部１０の折り返し回数を設定する。これにより、導出流路層１２に流入する際の第１流体７の温度を確実に蒸発温度以上に上昇させることができるので、効果的に、隣接流路層２１における第２流体８の氷結による流路閉塞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、導入流路層１１を第１流路部１０における積層方向の中央に配置し、導出流路層１２を第１流路部１０における積層方向の両方の最外部にそれぞれ配置する。そして、第１流路部１０を、中央の導入流路層１１から分岐して折り返された分岐流路形状に形成し、第２流路部２０を、積層方向において第１流路部１０の両外側でそれぞれの導出流路層１２と隣接する隣接流路層２１により構成する。これにより、積層方向の両側でそれぞれ第１流体７と第２流体８との熱交換を行うことができるので、第１流体７と第２流体８との伝熱面積を大きくすることができる。また、最も低温の状態の第１流体７が流れる導入流路層１１をコア１の中央に配置できるので、コア１の外表面温度が低温になり過ぎるのを抑制できる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１流路部１０を、仕切部材１４ａ（１４ｂ）の貫通孔１５を介して、複数の流路層２にわたって折り返された流路形状に形成する。これにより、第１流路部１０（コア１）の内部で折り返された流路形状を実現することができる。この結果、たとえば第１流体７を一の流路層２から外部に引き出して、他の流路層２に導入するような構造と比較して、液化ガス蒸発器１００を小型にすることができる。また、第１流体７を外部に引き出す場合に、引き出した流路部分の外表面が低温になり過ぎる可能性があるのとは異なり、第１実施形態の液化ガス蒸発器１００では、コア１の外表面温度が低温になり過ぎるのを抑制できる。すなわち、第１実施形態では、コア１の外表面が氷結するのを抑制できる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１流路部１０および第２流路部２０を、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以下の材料により構成する。これにより、たとえばアルミニウム（約１９５Ｗ／ｍ×Ｋ）のような高熱伝導性の材料と比較すると第１流路部１０および第２流路部２０の熱伝導率が低くなる。そのため、第１流体７が流通する導出流路層１２と隣接する隣接流路層２１側の流路表面温度（チューブプレート５の表面温度）が第２流体８の温度から過度に乖離するのを抑制することができる。すなわち、隣接流路層２１側の流路表面温度が過度に低下するのを抑制できるので、容易に、隣接流路層２１における第２流体８の氷結を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４を参照して、第１実施形態による液化ガス蒸発器１００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、第１流体７として酸素（液体酸素、沸点約−１９０℃）、第２流体８として水を採用し、液化ガス蒸発器１００を通過する間のそれぞれの温度分布を算出した。

図４は、シミュレーション結果を示す図であり、流路部分に温度範囲を６段階に区分した濃淡（ハッチング）を付して温度分布の概要を示している。導入流路層１１の入口１１ａにおける第１流体７（液体酸素）の入口温度Ｔ１を−１９０℃とした。また、隣接流路層２１の入口２１ａにおける第２流体８（水）の入口温度Ｔ５を２５℃とした。

第１流体７は、沸点と略等しい温度で導入流路層１１に流入するため、導入流路層１１をＸ２方向に進む間に蒸発が進む。蒸発中は温度が略一定となるため、導入流路層１１の他端（Ｘ２側端部）において、第１流体７の温度Ｔ２は僅かに上昇するものの入口温度Ｔ１と略等しい（Ｔ２≒−１９０℃）状態にあり、第１流体７のガス化率は約６０％となった。中間流路層１３の一端（Ｘ１側端部）では、第１流体７のガス化率は約１００％となり、第１流体７（ガス７ａ）の温度Ｔ３は約−１００℃まで上昇した。導出流路層１２では、ガス７ａが一端から他端の出口１２ａに至る間に温度上昇して、出口温度Ｔ４で約０℃となった。

第２流体８は、入口温度Ｔ５＝２５℃で隣接流路層２１の入口２１ａから流入し、他端（Ｘ２方向端部）の出口２１ｂに至る間に温度低下して、出口温度Ｔ６で約１５℃となった。

以上の結果、第１実施形態の液化ガス蒸発器１００によれば、導出流路層１２に流入する際の第１流体７の温度を−１９０℃（Ｔ１）から約−１００℃（Ｔ３）に上昇させることができ、隣接する導出流路層１２と隣接流路層２１との間の温度差が大きくなりすぎるのを抑制できることが確認された。その結果、隣接流路層２１における第２流体８の急激な温度低下を抑制して第２流体８の氷結による流路閉塞を抑制できることが確認された。

［第２実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、低温の液化ガスを熱媒との熱交換により蒸発させて気相状態のガスとして供給する液化ガス蒸発器１００を示した上記第１実施形態とは異なり、蒸発器とは異なる熱交換器２００の例について説明する。

（第２実施形態の構成）
第２実施形態の熱交換器２００は、構造上は、上記第１実施形態の液化ガス蒸発器１００と同様である。そのため、熱交換器２００の各部については、上記第１実施形態と同じ符号を用いると共に、構造の説明を省略する。

第２実施形態では、第１流体７１が第１流路部１０を流通し、第２流体８１が第２流路部２０を流通する。

第１流体７１は、低温側流体であり、たとえば極低温のガスである。ガスは、たとえば、酸素、窒素または水素などであり、極低温の気相状態で入口１１ａから導入流路層１１に流入される。第２流体８１は、高温側流体であり、熱媒である。熱媒は、上記第１実施形態と同様に水、海水、空気などを用いてよいし、これら以外の他の流体を用いてもよい。第２流体８１は、たとえば外部環境と同等の常温で隣接流路層２１に流入される。

コア１は、第２流路部２０を流通する第２流体８１との熱交換によって、第１流路部１０を流通する気相状態の第１流体７１を昇温させるように構成されている。第１流体７１は、導入流路層１１から導出流路層１２へ流通する間の折り返し（中間流路層１３）の過程で、第１流体７１同士の熱交換によって、第２流体８１との温度差を小さくする。導出流路層１２と隣接流路層２１との間での熱交換の結果、第２流体８１に含まれる熱によって第１流体７１が昇温され、所定の出口温度で気相状態のまま外部に供給される。

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実施形態の効果）
第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、積層型構造でありながら、第１流体７１が折り返された流路を通過する間に第１流体７１の温度を徐々に第２流体８１の温度に近づけることができる。これにより、小型で、かつ、隣接する導出流路層１２と隣接流路層２１との間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器２００を提供することができる。

また、第２実施形態では、上記第１実施形態の液化ガス蒸発器１００と異なり、第１流体７１の相変化（蒸発）を伴わない第１流体７１の昇温装置として熱交換器２００を構成したが、この場合でも、極低温の第１流体７１との熱交換によって、高温側の第２流体８１が氷結して隣接流路層２１が閉塞されることを抑制できる。

［第３実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第１流体７を蒸発させる液化ガス蒸発器１００を示した上記第１実施形態、および、第１流体７１を昇温させる熱交換器２００を示した上記第２実施形態とは異なり、高温の第１流体７２の熱を回収する熱交換器３００の例について説明する。

（第３実施形態の構成）
第３実施形態の熱交換器３００は、構造上は、上記第１実施形態の液化ガス蒸発器１００および上記第２実施形態の熱交換器２００と同様である。そのため、熱交換器３００の各部については、上記第１および第２実施形態と同じ符号を用いると共に、構造の説明を省略する。

第３実施形態では、第１流体７２が第１流路部１０を流通し、第２流体８２が第２流路部２０を流通する。

第１流体７２は、高温側流体であり、高温のガスまたは液体である。たとえば、第１流体７２は、天然ガス由来の改質ガス（改質器から排出される高温のガス）や、燃焼ガスであり、高温の状態で入口１１ａから導入流路層１１に流入される。第２流体８２は、低温側流体であり、熱媒である。熱媒は、上記第１実施形態と同様に水、空気などを用いてよいし、これら以外の他の流体を用いてもよい。第２流体８２は、たとえば外部環境と同等の常温で隣接流路層２１に流入される。

コア１は、第２流路部２０を流通する第２流体８２との熱交換によって、第１流路部１０を流通する第１流体７２を冷却させるように構成されている。第１流体７２の熱は、第２流体８２によって回収され、第２流体８２を昇温または蒸発させる。第１流体７２は、導入流路層１１から導出流路層１２へ流通する間の折り返し（中間流路層１３）の過程で、第１流体７２同士の熱交換によって、第２流体８２との温度差を小さくする。導出流路層１２と隣接流路層２１との間での熱交換の結果、所定の出口温度まで冷却された第１流体７２が導出流路層１２から外部に供給され、所定の出口温度まで昇温された第２流体８２が隣接流路層２１から外部に供給される。

第３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３実施形態の効果）
第３実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、積層型構造でありながら、第１流体７２が折り返された流路を通過する間に第１流体７２の温度を徐々に第２流体８２の温度に近づけることができる。これにより、小型で、かつ、隣接する導出流路層１２と隣接流路層２１との間の温度差が大きくなりすぎることを抑制可能な積層型の熱交換器３００を提供することができる。

また、第３実施形態では、上記第１実施形態の液化ガス蒸発器１００および第２実施形態の熱交換器２００と異なり、高温の第１流体７２の熱を回収する熱回収器（または冷却装置）として熱交換器３００を構成した。この場合には、高温の第１流体７２が流れる導出流路層１２と、低温側の第２流体が流れる隣接流路層２１との間での温度差が大きくなり過ぎることに起因して、大きな熱応力が発生するのを抑制できる。その結果、強度設計等の制約を小さくして熱交換器３００の小型化を図ることができる。

［変形例］
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〜第３実施形態では、積層構造の一例として、プレートフィン型のコア１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、流路が一体形成された金属板からなる流路層を積層して、拡散接合により各流路層を接合した拡散接合型のコアであってもよい。また、表裏に流路が一体形成された波形の金属板を積層して、シールあるいは溶接などにより各流路層を接合して金属板間に流路層を構成するプレート型のコアであってもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、第１流路部１０において、導入流路層１１と導出流路層１２との間に１つの中間流路層１３を設けて２回流路を折り返すように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流路部は、２回以外の回数だけ折り返す流路形状であってもよい。

また、上記第１実施形態では、第１流路部１０と第２流路部２０とを含む１つのコア１を備えた液化ガス蒸発器１００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７に示す第１変形例の液化ガス蒸発器１００ａのように、複数のコア１を積層してもよい。この場合、図７に示したように、複数のコア１の間の第２流路部２０（隣接流路層２１）は、共通にするのが好ましい。上記第２実施形態の熱交換器２００および第３実施形態の熱交換器３００についても同様の構成を採用できる。液化ガス蒸発器１００ａは、本発明の「熱交換器」の一例である。

また、上記第１実施形態では、貫通孔１５を有する仕切部材１４（１４ａ、１４ｂ）を設けて、第１流路部１０がコア１の内部で流路を折り返すように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、図８に示す第２変形例の液化ガス蒸発器１００ｂのように、第１流路部１１０がコア１の外部で流路を折り返すように構成してもよい。第２変形例による第１流路部１１０では、貫通孔１５のないチューブプレート５によって各流路層が仕切られている。第１流路部１１０のうち、導入流路層１１および中間流路層１３の他端（Ｘ２方向端部）には、開口部１１１が設けられており、３つの開口部１１１がヘッダ部１１２によって互いに連通するように覆われている。同様に、中間流路層１３および導出流路層１２の一端（Ｘ１方向端部）に設けられた開口部１１１が、ヘッダ部１１２によって互いに連通するように覆われている。これにより、第１流路部１１０は、ヘッダ部１１２によってコア１の外部で流路が折り返されている。上記第２実施形態の熱交換器２００および第３実施形態の熱交換器３００についても同様の構成を採用できる。液化ガス蒸発器１００ｂは、本発明の「熱交換器」の一例である。

また、上記第１実施形態では、導入流路層１１から導出流路層１２に至る間に第１流体７が蒸発した気相状態のガス７ａが導出流路層１２に流入するように、第１流路部１０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、導出流路層に流入するガスに、液相のままの液化ガスが一部含まれていてもよい。この場合でも、第２流路部の熱媒の氷結を抑制する効果を得ることができる。この場合、たとえば、第２流路部の外部に補助的に電気駆動のヒータを設けるなどして氷結防止を図ってもよい。

また、上記第１実施形態では、中央の導入流路層１１から２つの中間流路層１３に分岐して折り返された分岐流路形状を有する第１流路部１０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、たとえば積層方向の下端の導入流路層から、積層方向の上端の導出流路層に向けて、分岐せずに折り返された流路形状となるように、第１流路部を構成してもよい。この場合、低温の液化ガスが流通する導入流路層がコアの最外部（下端）に配置されることになるので、コアの下面側にたとえば断熱材などを設けるのが好ましい。

１ コア（熱交換部）
２ 流路層
７ 第１流体（低温側流体、液化ガス）
８ 第２流体（高温側流体、熱媒）
１０、１１０ 第１流路部（液化ガス流路部）
１１ 導入流路層
１１ａ 入口
１２ 導出流路層
１２ａ 出口
１４ 仕切部材
１５ 貫通孔
２０ 第２流路部（熱媒流路部）
２１ 隣接流路層
７１ 第１流体（低温側流体）
７２ 第１流体
８１ 第２流体（高温側流体）
８２ 第２流体
１００、１００ａ、１００ｂ 液化ガス蒸発器（熱交換器）
２００、３００ 熱交換器
Ｚ 積層方向

Claims (8)

1. コルゲートフィンを有する平面状の流路層が複数積層された積層構造を有し、第１流体を流通させる第１流路部と、第２流体を流通させる第２流路部とを含むプレートフィン型の熱交換部を備え、
   前記第１流路部の前記流路層は、入口を有する導入流路層と、出口を有する外側の導出流路層と、前記導入流路層と前記導出流路層との間に積層された少なくとも１つの中間流路層とを含み、前記第１流路部は、前記中間流路層を介して折り返された流路形状を有し、
   前記第２流路部の前記流路層は、前記第１流路部の外側で前記第１流路部の前記導出流路層と隣接する隣接流路層を含む、熱交換器。
2. 前記第１流体は、低温側流体であり、
   前記第２流体は、高温側流体であり、
   前記熱交換部は、前記第２流路部を流通する前記第２流体との熱交換によって、前記第１流路部を流通する前記第１流体を昇温させるように構成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１流路部は、液相を含む状態で前記導入流路層に流入した前記第１流体を蒸発させ、気相状態の前記第１流体のガスを前記導出流路層から流出させるように構成されている、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記導入流路層から前記導出流路層に至る間に前記第１流体が蒸発した気相状態のガスが前記導出流路層に流入するように、前記第１流路部の折り返し回数が設定されている、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記導入流路層は、前記第１流路部における積層方向の中央に配置され、
   前記導出流路層は、前記第１流路部における積層方向の両方の最外部にそれぞれ配置され、
   前記第１流路部は、中央の前記導入流路層から分岐して折り返された分岐流路形状を有し、
   前記第２流路部は、積層方向において前記第１流路部の両外側でそれぞれの前記導出流路層と隣接する前記隣接流路層により構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記第１流路部は、積層されたそれぞれの前記流路層を仕切るとともに積層方向に貫通した貫通孔を有する仕切部材をさらに含み、
   前記第１流路部は、前記仕切部材の貫通孔を介して、複数の前記流路層にわたって折り返された流路形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記第１流路部および前記第２流路部は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以下の材料により構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. コルゲートフィンを有する平面状の流路層が複数積層された積層構造を有し、液化ガスを流通させる液化ガス流路部と、熱媒を流通させる熱媒流路部とを含むプレートフィン型の熱交換部を備え、
   前記液化ガス流路部の前記流路層は、入口を有する導入流路層と、出口を有する外側の導出流路層と、前記導入流路層と前記導出流路層との間に積層された少なくとも１つの中間流路層とを含み、前記液化ガス流路部は、前記中間流路層を介して折り返された流路形状を有し、
   前記熱媒流路部の前記流路層は、前記液化ガス流路部の外側で前記液化ガス流路部の前記導出流路層と隣接する隣接流路層を含む、液化ガス蒸発器。

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