JP6819482B2 - マイクロチャンネル熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、微細加工技術により形成されたマイクロチャンネルを有するマイクロチャンネル熱交換器に関する。

従来から、化学エッチング等の微細加工技術により、微細な溝の流路（マイクロチャンネル）を複数形成し、このマイクロチャンネルに流体を流して熱交換を行うマイクロチャンネル熱交換器が知られている（例えば、特許文献１−４参照）。マイクロチャンネル熱交換器は、単位体積あたりの交換熱量が極めて大きく、熱交換器を含む各種システムの小型化や高性能化に寄与するものとして注目されている。

特許第５１８５９７５号公報 特許第５７４９７８６号公報 特許第４５８１９６４号公報 特許第４９５０１６０号公報

図１４は、マイクロチャンネル熱交換器のマイクロチャンネル間における熱移動状態を示すための説明図である。マイクロチャンネル熱交換器では、通常スケールの流路（例えば幅がミリオーダーの流路）を有する熱交換器と比較したときに、流路の狭隘化に伴い、高温側流路（加熱流体のマイクロチャンネルＰ２）と低温側流路（被加熱流体のマイクロチャンネルＰ１）とを仕切る隔壁Ｗの厚さが、微細な流路Ｐ１，Ｐ２のサイズに対して相対的に厚くなる。その結果、従来のマイクロチャンネル熱交換器では、図１４（ａ）、（ｂ）に示した隔壁ｗの内部における流体の流れ方向に沿う熱伝導（以下、軸方向熱伝導とも称する）の影響が大きくなる。

軸方向熱伝導の影響が大きくなると、流路Ｐ１から入ってきた熱が隔壁Ｗにおいて流体の流れ方向に沿って移動し、流体の流れ方向と直交する方向の熱移動（隔壁Ｗから流体への熱移動）がその分小さくなる。したがって、従来のマイクロチャンネル熱交換器では、軸方向熱伝導によって流体の流れ方向における隔壁Ｗの内部の温度変化が小さくなり、熱交換器の温度効率が低下する点で改善の余地があった。

以上より、本発明は、隔壁の内部における流体の流れ方向に沿う熱伝導の影響を抑制できるマイクロチャンネル熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の一例のマイクロチャンネル熱交換器は、マイクロチャンネルを有する複数の熱交換器本体と、複数の熱交換器本体のマイクロチャンネルを空間部にて接続する中間ヘッダと、を備える。
マイクロチャンネルの延長方向と直交する方向における熱交換器本体のマイクロチャネル以外の部分の断面積に対して、延長方向と直交する方向における中間ヘッダの空間部以外の部分の断面積は小さい。

上記のマイクロチャンネル熱交換器において、中間ヘッダは、熱交換器本体よりも熱伝導率が低い材料で形成されてもよい。

上記のマイクロチャンネル熱交換器において、熱交換器本体は、被加熱流体が流れる複数の第１マイクロチャンネルが形成された層と、加熱流体が流れる複数の第２マイクロチャンネルが形成された層とを積層して形成されていてもよい。中間ヘッダは、複数の第１マイクロチャンネルを流れる被加熱流体を合流させる第１の空間部または複数の第２マイクロチャンネルを流れる加熱流体を合流させる第２の空間部の少なくとも一方を有していてもよい。

上記のマイクロチャンネル熱交換器において、熱交換器本体における第１マイクロチャンネルおよび第２マイクロチャンネルの延長方向は平行であってもよい。また、中間ヘッダは、複数の熱交換器本体の間に配置されてもよく、中間ヘッダには、第１の空間部と第２の空間部とが積層されてもよい。

上記のマイクロチャンネル熱交換器において、熱交換器本体における第１マイクロチャンネルおよび第２マイクロチャンネルの延長方向が交差していてもよい。また、マイクロチャンネル熱交換器は、第１中間ヘッダと第２中間ヘッダを含んでいてもよい。第１中間ヘッダは、複数の熱交換器本体の間に配置され、第１の空間部または第２の空間部のいずれか一方を有する。第２中間ヘッダは、第１の空間部または第２の空間部のいずれか他方を有し、第１中間ヘッダを迂回して加熱流体または被加熱流体を異なる熱交換器本体へ供給する。

本発明の一例のマイクロチャンネル熱交換器では、複数の熱交換器本体のマイクロチャンネルを接続する中間ヘッダを設け、流路の途中にマイクロチャンネルの延長方向と直交する方向における隔壁の断面積が熱交換器本体よりも小さくなる領域を設定している。これにより、本発明の一例のマイクロチャンネル熱交換器によれば、中間ヘッダがない場合と比べて軸方向熱伝導の影響を小さくすることができ、隔壁の内部における流体の流れ方向に沿う熱伝導の影響を抑制できる。

第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の平面図である。 第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の分解斜視図である。 （ａ）：第１実施形態における熱交換器本体の構成例を示す正面図、（ｂ）：図３（ａ）の側面図である。 第１実施形態における中間ヘッダの構成例を示す図である。 （ａ）：第１実施形態における熱交換器本体と中間ヘッダとの接続を示す断面図、（ｂ）：第１マイクロチャンネルおよび第２マイクロチャンネルと中間ヘッダとの接続を示す断面図である。 第１ヘッダブロックの構成例を示す図である。 第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の平面図である。 第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の分解斜視図である。 （ａ）：第２実施形態における熱交換器本体の構成例を示す正面図、（ｂ）：図９（ａ）の側面図である。 第２実施形態における第１中間ヘッダの構成例を示す図である。 第２実施形態における熱交換器本体と第１中間ヘッダとの接続を示す平面視断面図である。 第２実施形態における第２中間ヘッダの構成例を示す図である。 第２実施形態における熱交換器本体と第２中間ヘッダとの接続を示す平面視断面図である。 （ａ）：流体の流れ方向と直交するマイクロチャンネルの断面の例を示す図、（ｂ）：流体の流れ方向に沿ったマイクロチャンネルの断面の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器１００は、図１および図２に示すように、２つの熱交換器本体１０（１０Ａ，１０Ｂ）と、中間ヘッダ２０と、第１ヘッダブロック３０と、第２ヘッダブロック４０とを有している。これらは、第１ヘッダブロック３０、熱交換器本体１０Ａ、中間ヘッダ２０、熱交換器本体１０Ｂ、第２ヘッダブロック４０の順に流路が接続されている。

第１ヘッダブロック３０は、被加熱流体Ｆ１が流入する入口部３１と、加熱流体Ｆ２が流入する入口部３２とを有している。また、第２ヘッダブロック４０は、被加熱流体Ｆ１が排出される出口部４１と、加熱流体Ｆ２が排出される出口部４２とを有している。被加熱流体Ｆ１は、第１ヘッダブロック３０の入口部３１から第２ヘッダブロック４０の出口部４１に向けて流れ、加熱流体Ｆ２は、第１ヘッダブロック３０の入口部３２から第２ヘッダブロック４０の出口部４２に向けて流れるようになっている。なお、被加熱流体Ｆ１および加熱流体Ｆ２には、それぞれ公知の冷媒を使用することができる。

なお、第１実施形態において、２つの熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの構成は共通するので、両者を区別する必要がないときには熱交換器本体１０として説明する。

図２、図３に示すように、熱交換器本体１０は、複数の微細な溝の流路であるマイクロチャンネル１２が加工された伝熱プレート１１を複数積層して構成されている。第１実施形態においては、複数の伝熱プレート１１は、全て同じ形状、寸法を有している。各々の伝熱プレート１１では、複数のマイクロチャンネル１２がそれぞれ平行に形成されている。そして、上下（図中Ｚ方向）に隣接する伝熱プレート１１の間では、マイクロチャンネル１２の延長方向が上下間で平行に揃うように伝熱プレート１１が重ねられている。伝熱プレート１１はそれぞれ拡散接合で一体化されている。

熱交換器本体１０は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケルおよびニッケル合金、銅および銅合金、チタンおよびチタン合金などから適宜選択される金属材料から構成される。

ここで、熱交換器本体１０のマイクロチャンネル１２は、化学エッチング等の微細加工技術によって形成されている。マイクロチャンネル１２の流路のサイズは、一例として直径１ｍｍ径未満の大きさに設定される。しかし、マイクロチャンネル１２の流路のサイズは、上記の例に限定されることなく、例えば表面張力の影響が現れる直径数ミリ径以下の大きさのように、一般的にマイクロチャンネルの範疇に含まれるサイズに設定されていてもよい。

また、第１実施形態において、上から奇数番目の伝熱プレート１１に形成された複数のマイクロチャンネル１２は、被加熱流体Ｆ１が流れるマイクロチャンネル（以下、第１マイクロチャンネル１２Ａとも称する）である。また、第１実施形態において、上から偶数番目の伝熱プレート１１に形成された複数のマイクロチャンネル１２は、加熱流体Ｆ２が流れるマイクロチャンネル（以下、第２マイクロチャンネル１２Ｂとも称する）である。このように、熱交換器本体１０では、被加熱流体Ｆ１が流れる複数の第１マイクロチャンネル１２Ａの層と、加熱流体Ｆ２が流れる複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂの層とが上下方向に交互に積層されている。

図３（ａ）に示すように、同じ伝熱プレート１１に形成される複数の第１マイクロチャンネル１２Ａの延長方向は平行であり、同じ伝熱プレート１１に形成される複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂの延長方向は平行である。また、図３（ｂ）に示すように、熱交換器本体１０における第１マイクロチャンネル１２Ａおよび第２マイクロチャンネル１２Ｂの延長方向は平行である。なお、第１実施形態において、熱交換器本体１０の第１マイクロチャンネル１２Ａおよび第２マイクロチャンネル１２Ｂは、上下のマイクロチャンネルの位置が幅方向に半ピッチずつずれた千鳥状に配置されていてもよい。

図１、図２に示すように、中間ヘッダ２０は、第１実施形態において上流側となる熱交換器本体１０Ａと、第１実施形態において下流側となる熱交換器本体１０Ｂの間に配置される。中間ヘッダ２０は、熱交換器本体１０Ａと熱交換器本体１０Ｂとの第１マイクロチャンネル１２Ａを接続し、熱交換器本体１０Ａと熱交換器本体１０Ｂとの第２マイクロチャンネル１２Ｂを接続する。

図４に示すように、中間ヘッダ２０の内部は、それぞれ左右方向（図中Ｙ方向）に延長する複数の仕切板２１により棚状に分割されている。これにより、中間ヘッダ２０の内部には、マイクロチャンネルの延長方向（図中Ｘ方向）に吹き抜けた複数の空間部２２が、上下方向（図中Ｚ方向）に複数積層するように形成される。これらの空間部２２は、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの各層に対応して設けられている。

図５（ａ）に示すように、空間部２２は、２つの熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂのマイクロチャンネル１２とそれぞれ接続される。図５（ａ）に示す構成は、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの各層でいずれも同様である。

なお、各々の空間部２２では、マイクロチャンネル１２の隔壁がない。また、図５（ｂ）に示すように、各々の空間部２２の仕切板２１の厚さは、第１マイクロチャンネル１２Ａおよび第２マイクロチャンネル１２Ｂ間の隔壁厚さ（マイクロチャンネル間で隔壁の最も薄い部分の厚さ）よりも薄くなっている。そのため、中間ヘッダ２０の各々の空間部２２は、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂと比べるとマイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向における隔壁断面積が小さな領域となる。

以下、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａと接続される中間ヘッダ２０の空間部２２を第１の空間部２２Ａとも称する。また、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂと接続される中間ヘッダ２０の空間部２２を第２の空間部２２Ｂとも称する。

図４に示すように、中間ヘッダ２０の内部において、上から奇数番目に第１の空間部２２Ａがそれぞれ配置され、上から偶数番目に第２の空間部２２Ｂがそれぞれ配置される。第１の空間部２２Ａでは、熱交換器本体１０Ａの複数の第１マイクロチャンネル１２Ａを流れる被加熱流体Ｆ１が合流し、合流した被加熱流体Ｆ１は熱交換器本体１０Ｂの複数の第１マイクロチャンネル１２Ａに分岐する。同様に、第２の空間部２２Ｂでは、熱交換器本体１０Ａの複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂを流れる加熱流体Ｆ２が合流し、合流した加熱流体Ｆ２は熱交換器本体１０Ｂの複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂに分岐する。なお、第１の空間部２２Ａおよび第２の空間部２２Ｂは仕切板２１で上下に仕切られているため、中間ヘッダ２０で被加熱流体Ｆ１と加熱流体Ｆ２とが合流することはない。

また、中間ヘッダ２０は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケルおよびニッケル合金、銅および銅合金、チタンおよびチタン合金などから適宜選択される金属材料から構成される。しかし、後述するように、軸方向熱伝導の影響を抑制する観点からは、中間ヘッダ２０は、熱交換器本体よりも熱伝導率が低い材料で形成されることが好ましい。一例として、熱交換器本体１０の材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される場合、中間ヘッダ２０をステンレス鋼で形成してもよい。なお、熱交換器本体１０および中間ヘッダ２０の材料の組み合わせは、上記の例に限定されず適宜変更が可能である。

第１ヘッダブロック３０は、熱交換器本体１０Ａにおいて中間ヘッダ２０の取付面と対向する面（熱交換器本体１０Ａの上流側の面）に接続される。第１ヘッダブロック３０は、入口部３１から流入する被加熱流体Ｆ１を熱交換器本体１０Ａの第１マイクロチャンネル１２Ａにそれぞれ供給し、入口部３２から流入する加熱流体Ｆ２を熱交換器本体１０Ａの第２マイクロチャンネル１２Ｂにそれぞれ供給する。

図６に示すように、第１ヘッダブロック３０は、矩形の空間部３３が上下方向（図中Ｚ方向）に複数積層するように形成される。第１ヘッダブロック３０の空間部３３は、熱交換器本体１０の各層に対応して設けられており、各々の空間部３３は、熱交換器本体１０の各層のマイクロチャンネル１２と接続される。なお、図６は、熱交換器本体１０Ａを取り付ける方向から第１ヘッダブロック３０をみた状態を示している。

図６の上から奇数番目の空間部３３には入口部３１の配管がそれぞれ接続され、これらの空間部３３には被加熱流体Ｆ１が流入するようになっている。これにより、第１ヘッダブロック３０は、熱交換器本体１０Ａの奇数番目の層にある第１マイクロチャンネル１２Ａに被加熱流体Ｆ１を供給できる。また、図６の上から偶数番目の空間部３３には入口部３２の配管がそれぞれ接続され、これらの空間部３３には加熱流体Ｆ２が流入するようになっている。これにより、第１ヘッダブロック３０は、熱交換器本体１０Ａの偶数番目の層にある第２マイクロチャンネル１２Ｂに加熱流体Ｆ２を供給できる。

第２ヘッダブロック４０は、熱交換器本体１０Ｂにおいて中間ヘッダ２０の取付面と対向する面（熱交換器本体１０Ｂの下流側の面）に接続される。第２ヘッダブロック４０は、熱交換器本体１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａからの被加熱流体Ｆ１を合流させて出口部４１から排出し、熱交換器本体１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂからの加熱流体Ｆ２を合流させて出口部４２から排出する。なお、第２ヘッダブロック４０の構成は、入口部３１が出口部４１になり、入口部３２が出口部４２になることを除いて、図６に示した第１ヘッダブロック３０の構成と同様である。

以下、第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の作用効果を述べる。
マイクロチャンネル熱交換器１００において、被加熱流体Ｆ１は、第１ヘッダブロック３０の入口部３１から、熱交換器本体１０Ａの第１マイクロチャンネル１２Ａ、中間ヘッダ２０の第１の空間部２２Ａ、熱交換器本体１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａを経て、第２ヘッダブロック４０の出口部４１に流れる。また、マイクロチャンネル熱交換器１００において、加熱流体Ｆ２は、第１ヘッダブロック３０の入口部３２から、熱交換器本体１０Ａの第２マイクロチャンネル１２Ｂ、中間ヘッダ２０の第２の空間部２２Ｂ、熱交換器本体１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂを経て、第２ヘッダブロック４０の出口部４２に流れる。このとき、熱交換器本体１０Ａおよび熱交換器本体１０Ｂでは、第１マイクロチャンネル１２Ａを流れる被加熱流体Ｆ１と第２マイクロチャンネル１２Ｂを流れる加熱流体Ｆ２との間で熱交換が行われる。このように、第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器１００は並流式の熱交換器として機能する。

一般に、マイクロチャンネル熱交換器では、通常スケールの流路（例えば幅がミリオーダーの流路）を有する熱交換器と比較したときに、流路の狭隘化に伴い、高温側流路と低温側流路とを仕切る隔壁の厚さが流路のサイズに対して相対的に厚くなってしまう。そのため、マイクロチャンネル熱交換器では、軸方向熱伝導によって流路から流体への熱移動が小さくなり、流体の流れ方向において隔壁内部の温度変化が小さくなることが知られている。以下、マイクロチャンネル熱交換器における軸方向熱伝導の影響について説明する。

マイクロチャンネル熱交換器における軸方向熱伝導の影響はいくつかの文献で報告されている。それらの文献では、通常スケールの流路の熱交換器に対してマイクロチャンネル熱交換器は軸方向と直角な切断面における隔壁の断面積が大きく、低レイノルズ数領域で軸方向熱伝導による伝熱効率低下が無視できないと報告されている。

ここでは、LinとKandlikar（Lin, T.-Y., and Kandlikar, S. G ., Heat Transfer Investigation of Air Flow in Microtubes-Part I:Effects of Heat Loss, Viscous Heating, and Axial Conduction, Journal of Heat Transfer MARCH 2013, Vol. 135）が報告している軸方向熱伝導の理論モデルを用いて軸方向熱伝導の影響を説明する。

この理論モデルでは、マイクロチャンネル熱交換器の内部を流れる流体のヌセルト数（無次元熱伝達率）について、ヌセルト数理論値Nu_thに対する軸方向熱伝導の影響を含まない見かけのヌセルト数Nu_koの比率で表現している。なお、以下に示す数式において、k_wは隔壁の熱伝導率、k_fは流体の熱伝導率、A_h,wは軸方向と直角な切断面における隔壁断面積、A_fは流体が流れる流路の断面積、Reはレイノルズ数、Prはプラントル数である。

上記のNu_ko／Nu_thが小さいほど、流路から入ってきた熱の大半が、軸方向熱伝導により、隔壁の内部において流体の流れ方向に沿って軸方向に熱移動する。そのため、Nu_ko／Nu_thが小さいほど、流路から流体への熱移動（軸方向と直交する方向への熱移動）が小さくなり、熱交換器の温度効率が悪化することが分かる。

また、理論モデルの数式は、k_w／k_fが小さい、またはA_h,w／A_fが小さいほうが軸方向熱伝導の影響が小さくなり、熱交換器の温度効率が良化することを示唆している。つまり、軸方向熱伝導だけ考えた場合、隔壁の熱伝導率k_wと、軸方向と直角な切断面における隔壁の断面積A_h,wは小さい方がよい。

しかし、隔壁の熱伝導率k_wが小さい材料を熱交換器全体に用いると、当然熱通過率が低下するため熱交換器の温度効率は低下してしまう。また、マイクロチャンネル熱交換器は、化学エッチング等の方法で素材板に微細な溝を刻んで流路を形成するため、流路以外の隔壁部分が大きくなってしまう。したがって、マイクロチャンネル熱交換器において、隔壁の断面積A_h,wは製造上の制約から小さくすることに限界がある。

一方、第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器１００は、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの間に流体の合流もできる中間ヘッダ２０を設けている。中間ヘッダ２０の空間部２２は中空のため、熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂと比べて、中間ヘッダ２０においてマイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向の隔壁の断面積は非常に小さくなる。このように、第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器１００では、中間ヘッダ２０により、マイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向における隔壁の断面積が熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂよりも小さくなる領域を流路の途中に意図的に設定している。したがって、第１実施形態のマイクロチャンネル熱交換器１００では、中間ヘッダ２０がない場合と比べて軸方向熱伝導の影響を小さくすることができ、軸方向熱伝導による熱交換器の温度効率の低下を抑制できる。

さらに、第１実施形態において、中間ヘッダ２０を熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂよりも隔壁の熱伝導率k_wが小さく、断熱性の高い材料で形成すれば、軸方向熱伝導の影響をさらに小さくすることができる。

上記の第１実施形態では、被加熱流体Ｆ１と加熱流体Ｆ２の流れ方向が共通である並流式のマイクロチャンネル熱交換器１００の構成例を説明した。しかし、マイクロチャンネル熱交換器１００は、被加熱流体Ｆ１と加熱流体Ｆ２の流れ方向が対向する対向式のものでもよい。なお、対向式のマイクロチャンネル熱交換器の場合には、被加熱流体Ｆ１または加熱流体Ｆ２のいずれかの流れ方向を第１実施形態の場合と逆にすればよい。

また、上記の第１実施形態では、２つの熱交換器本体１０Ａ，１０Ｂの間に１つの中間ヘッダ２０が配置される例を説明した。しかし、マイクロチャンネル熱交換器１００において、熱交換器本体１０の分割数をさらに増やして複数の中間ヘッダ２０を設けるようにしてもよい。中間ヘッダ２０の数を増加して熱交換器本体１０の分割数を増やすほど軸方向熱伝導の影響は少なくなるので、軸方向熱伝導による熱交換器の温度効率の低下を抑制できる。なお、熱交換器本体１０の分割数と中間ヘッダ２０の数は、被加熱流体Ｆ１と加熱流体Ｆ２との間で所望の熱移動を実現するために必要となる熱交換器本体１０のサイズと、中間ヘッダ２０における軸方向熱伝導の抑制効果とを勘案して適宜調整すればよい。

〔第２実施形態〕
第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器は、直交流式の熱交換器の例である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通の構成要素には同じ符号を付して説明を省略することがある。

第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００は、２つの熱交換器本体１１０（１１０Ａ，１１０Ｂ）と、第１中間ヘッダ１２０と、第１入口ヘッダ１３０と、第１出口ヘッダ１４０と、第２入口ヘッダ１５０と、第２出口ヘッダ１６０と、第２中間ヘッダ１７０とを有している。

第２実施形態における被加熱流体Ｆ１の流路は、第１入口ヘッダ１３０、熱交換器本体１１０Ａ、第１中間ヘッダ１２０、熱交換器本体１１０Ｂ、第１出口ヘッダ１４０の順に接続されている。また、第２実施形態における加熱流体Ｆ２の流路は、第２入口ヘッダ１５０、熱交換器本体１１０Ｂ、第２中間ヘッダ１７０、熱交換器本体１１０Ａ、第２出口ヘッダ１６０の順に接続されている。

なお、第２実施形態において、２つの熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂの構成は共通するので、両者を区別する必要のないときには熱交換器本体１１０として説明する。

図８、図９に示すように、第２実施形態の熱交換器本体１１０では、上下（図中Ｚ方向）に隣接する伝熱プレート１１の間で、マイクロチャンネル１２の延長方向が直交するように伝熱プレート１１が重ねられている。図９において、上から奇数番目の伝熱プレート１１に形成された複数のマイクロチャンネル１２は、被加熱流体Ｆ１が流れる第１マイクロチャンネル１２Ａである。図９において、上から偶数番目の伝熱プレート１１に形成された複数のマイクロチャンネル１２は、加熱流体Ｆ２が流れる第２マイクロチャンネル１２Ｂである。第２実施形態の熱交換器本体１１０においても、被加熱流体Ｆ１が流れる複数の第１マイクロチャンネル１２Ａの層と、加熱流体Ｆ２が流れる複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂの層とが上下方向に交互に積層されている。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、同じ伝熱プレート１１に形成される複数の第１マイクロチャンネル１２Ａはそれぞれ平行であり、同じ伝熱プレート１１に形成される複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂはそれぞれ平行である。また、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、熱交換器本体１１０における第１マイクロチャンネル１２Ａおよび第２マイクロチャンネル１２Ｂの延長方向は直交している。

図１０に示すように、第１中間ヘッダ１２０は、熱交換器本体１１０Ａと熱交換器本体１１０Ｂの間に配置される。第１中間ヘッダ１２０は、第１マイクロチャンネル１２Ａの延長方向（図中Ｘ方向）に吹き抜けた断面ロ字状の部材である。第１中間ヘッダ１２０の内部空間は、熱交換器本体１１０Ａと熱交換器本体１１０Ｂとの第１マイクロチャンネル１２Ａに接続される第１の空間部１２１となる。

図１１に示すように、第１中間ヘッダの第１の空間部１２１は、２つの熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａとそれぞれ接続される。つまり、第１中間ヘッダ１２０では、熱交換器本体１１０Ａの複数の第１マイクロチャンネル１２Ａを流れる被加熱流体Ｆ１が合流し、合流した被加熱流体Ｆ１は熱交換器本体１１０Ｂの複数の第１マイクロチャンネル１２Ａに分岐する。なお、第１中間ヘッダ１２０にはマイクロチャンネル１２の隔壁はないので、第１中間ヘッダ１２０は、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂと比べるとマイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向における隔壁断面積が小さな領域となる。

第１入口ヘッダ１３０は、熱交換器本体１１０Ａにおいて第１中間ヘッダ１２０の取付面と対向する面に接続される。第１入口ヘッダ１３０は、熱交換器本体１１０Ａの第１マイクロチャンネル１２Ａに入口部１３１からそれぞれ被加熱流体Ｆ１を供給する。

第１出口ヘッダ１４０は、熱交換器本体１１０Ｂにおいて第１中間ヘッダ１２０の取付面と対向する面に接続される。第１出口ヘッダ１４０は、熱交換器本体１１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａからの被加熱流体Ｆ１を合流させて出口部１４１から排出する。

第２入口ヘッダ１５０、第２出口ヘッダ１６０、第２中間ヘッダ１７０は、第１入口ヘッダ１３０または第１出口ヘッダ１４０の取付面とは直交する熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂの側面に配置される。第２入口ヘッダ１５０、第２出口ヘッダ１６０、第２中間ヘッダ１７０は、それぞれ第２マイクロチャンネル１２Ｂと接続されている。第２中間ヘッダ１７０は、熱交換器本体１１０Ａの一側面と熱交換器本体１１０Ｂの一側面とに跨って配置されている。

第２入口ヘッダ１５０は、熱交換器本体１１０Ｂにおいて第２中間ヘッダ１７０の取付面と対向する面に接続される。第２入口ヘッダ１５０は、熱交換器本体１１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂに入口部１５１からそれぞれ加熱流体Ｆ２を供給する。

第２出口ヘッダ１６０は、熱交換器本体１１０Ａにおいて第２中間ヘッダ１７０の取付面と対向する面に接続される。第２出口ヘッダ１６０は、熱交換器本体１１０Ａの第２マイクロチャンネル１２Ｂからの加熱流体Ｆ２を合流させて出口部１６１から排出する。

図１２に示すように、第２中間ヘッダ１７０は、熱交換器本体１１０Ｂに対応する第１の開口１７１と、熱交換器本体１１０Ａに対応する第２の開口１７２とを有する中空の箱体である。第２中間ヘッダ１７０の内部には、第１の開口１７１と第２の開口１７２の間から奥（図中Ｙ方向）に向けて途中まで仕切り１７３が設けられており、第１の開口１７１と第２の開口１７２とはＵ字状の空間で連絡されている。

図１３に示すように、第２中間ヘッダ１７０の第１の開口１７１は、熱交換器本体１１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂと接続され、第２中間ヘッダ１７０の第２の開口１７２は、熱交換器本体１１０Ａの第２マイクロチャンネル１２Ｂと接続される。これにより、第２中間ヘッダ１７０は、第１中間ヘッダ１２０を迂回して加熱流体Ｆ２を熱交換器本体１１０Ｂから熱交換器本体１１０Ａへ供給する。

また、第２中間ヘッダ１７０のＵ字状の空間では、熱交換器本体１１０Ｂの複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂを流れる加熱流体Ｆ２が合流し、合流した加熱流体Ｆ２は熱交換器本体１１０Ａの複数の第２マイクロチャンネル１２Ｂに分岐する。そのため、第２中間ヘッダ１７０のＵ字状の空間は、第２の空間部１７４となる。なお、第２中間ヘッダ１７０にはマイクロチャンネル１２の隔壁がないので、第２中間ヘッダ１７０は、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂと比べるとマイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向における隔壁断面積が小さな領域となる。

ここで、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂ、第１中間ヘッダ１２０および第２中間ヘッダ１７０は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケルおよびニッケル合金、銅および銅合金、チタンおよびチタン合金などから適宜選択される金属材料からそれぞれ構成される。しかし、軸方向熱伝導の影響を抑制する観点からは、第１中間ヘッダ１２０および第２中間ヘッダ１７０は、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂよりも熱伝導率が低い材料で形成されることが好ましい。一例として、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂがアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される場合、第１中間ヘッダ１２０および第２中間ヘッダ１７０をステンレス鋼で形成してもよい。なお、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂ、第１中間ヘッダ１２０および第２中間ヘッダ１７０の材料の組み合わせは、上記の例に限定されず適宜変更が可能である。

以下、第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器の作用効果を述べる。
第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００における被加熱流体Ｆ１は、第１入口ヘッダ１３０から、熱交換器本体１１０Ａの第１マイクロチャンネル１２Ａ、第１中間ヘッダ１２０、熱交換器本体１１０Ｂの第１マイクロチャンネル１２Ａを経て、第１出口ヘッダ１４０に流れる。また、第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００における加熱流体Ｆ２は、第２入口ヘッダ１５０から、熱交換器本体１１０Ｂの第２マイクロチャンネル１２Ｂから第２中間ヘッダ１７０へ流れ、第２中間ヘッダ１７０で流れが折り返されて熱交換器本体１１０Ａの第２マイクロチャンネル１２Ｂを経て、第２出口ヘッダ１６０に流れる。このとき、熱交換器本体１１０Ａおよび熱交換器本体１１０Ｂでは、第１マイクロチャンネル１２Ａを流れる被加熱流体Ｆ１と第２マイクロチャンネル１２Ｂを流れる加熱流体Ｆ２との間で熱交換が行われる。

第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００では、熱交換器本体１１０Ａと熱交換器本体１１０Ｂの間に被加熱流体Ｆ１の合流もできる第１中間ヘッダ１２０を設けている。また、マイクロチャンネル熱交換器２００では、熱交換器本体１１０Ａの一側面と熱交換器本体１１０Ｂの一側面とに跨るように、加熱流体Ｆ２の合流もできる第２中間ヘッダ１７０を設けている。第１中間ヘッダ１２０および第２中間ヘッダ１７０はいずれも中空のため、熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂと比べてこれらの中間ヘッダ１２０，１７０においてマイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向の隔壁の断面積は非常に小さくなる。

このように、第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００では、第１中間ヘッダ１２０、第２中間ヘッダ１７０により、マイクロチャンネル１２の延長方向と直交する方向における隔壁の断面積が熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂよりも小さくなる領域を流路の途中に意図的に設定している。したがって、第２実施形態のマイクロチャンネル熱交換器２００では、中間ヘッダがない場合と比べて軸方向熱伝導の影響を小さくすることができ、軸方向熱伝導による熱交換器の温度効率の低下を抑制できる。

さらに、第２実施形態においても、第１中間ヘッダ１２０、第２中間ヘッダ１７０の材料を熱交換器本体１１０Ａ，１１０Ｂよりも隔壁の熱伝導率が小さく、断熱性の高い材料で形成すれば、軸方向熱伝導の影響をさらに小さくすることができる。

上記の第２実施形態において、被加熱流体Ｆ１の流路と加熱流体Ｆ２の流路とを入れ替えてもよい。この場合には、第１中間ヘッダ１２０は加熱流体Ｆ２を流す第２の空間部を有することになり、第２中間ヘッダ１７０は被加熱流体Ｆ１を流す第１の空間部を有し、第１中間ヘッダ１２０を迂回して被加熱流体Ｆ１を異なる熱交換器本体へ供給することになる。

また、上記の第２実施形態において、被加熱流体Ｆ１と加熱流体Ｆ２のいずれかの流れ方向を逆にしてもよい。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択することや、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 熱交換器本体
１１ 伝熱プレート
１２ マイクロチャンネル
１２Ａ 第１マイクロチャンネル
１２Ｂ 第２マイクロチャンネル
２０ 中間ヘッダ
２１ 仕切板
２２ 空間部
２２Ａ 第１の空間部
２２Ｂ 第２の空間部
３０ 第１ヘッダブロック
３１，３２ 入口部
３３ 空間部
４０ 第２ヘッダブロック
４１，４２ 出口部
１００ マイクロチャンネル熱交換器
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 熱交換器本体
１２０ 第１中間ヘッダ
１２１ 第１の空間部
１３０ 第１入口ヘッダ
１３１ 入口部
１４０ 第１出口ヘッダ
１４１ 出口部
１５０ 第２入口ヘッダ
１５１ 入口部
１６０ 第２出口ヘッダ
１６１ 出口部
１７０ 第２中間ヘッダ
１７１ 第１の開口
１７２ 第２の開口
１７３ 仕切り
１７４ 第２の空間部
２００ マイクロチャンネル熱交換器
Ｆ１ 被加熱流体
Ｆ２ 加熱流体
Ｐ１ 被加熱流体のマイクロチャンネル
Ｐ２ 加熱流体のマイクロチャンネル
Ｗ 隔壁

Claims (4)

1. マイクロチャンネルを有する複数の熱交換器本体と、
   複数の前記熱交換器本体の前記マイクロチャンネルを空間部にて接続する中間ヘッダと、を備え、
   前記マイクロチャンネルの延長方向と直交する方向における前記熱交換器本体の前記マイクロチャンネル以外の部分の断面積に対して、前記延長方向と直交する方向における前記中間ヘッダの前記空間部以外の部分の断面積が小さく、
   前記中間ヘッダは、前記熱交換器本体よりも熱伝導率が低い材料で形成される、マイクロチャンネル熱交換器。
2. マイクロチャンネルを有する複数の熱交換器本体と、
   複数の前記熱交換器本体の前記マイクロチャンネルを空間部にて接続する中間ヘッダと、を備え、
   前記マイクロチャンネルの延長方向と直交する方向における前記熱交換器本体の前記マイクロチャンネル以外の部分の断面積に対して、前記延長方向と直交する方向における前記中間ヘッダの前記空間部以外の部分の断面積が小さく、
   前記熱交換器本体は、被加熱流体が流れる複数の第１マイクロチャンネルが形成された層と、加熱流体が流れる複数の第２マイクロチャンネルが形成された層とを積層して形成され、
   前記中間ヘッダは、複数の前記第１マイクロチャンネルを流れる前記被加熱流体を合流させる第１の空間部または複数の前記第２マイクロチャンネルを流れる前記加熱流体を合流させる第２の空間部の少なくとも一方を有する、マイクロチャンネル熱交換器。
3. 前記熱交換器本体における前記第１マイクロチャンネルおよび前記第２マイクロチャンネルの延長方向は平行であり、
   前記中間ヘッダは、前記複数の熱交換器本体の間に配置され、
   前記中間ヘッダには、前記第１の空間部と前記第２の空間部とが積層される、
   請求項２に記載のマイクロチャンネル熱交換器。
4. 前記熱交換器本体における前記第１マイクロチャンネルおよび前記第２マイクロチャンネルの延長方向が交差し、
   前記複数の熱交換器本体の間に配置され、前記第１の空間部または前記第２の空間部のいずれか一方を有する第１中間ヘッダと、
   前記第１の空間部または前記第２の空間部のいずれか他方を有し、前記第１中間ヘッダを迂回して前記加熱流体または前記被加熱流体を異なる前記熱交換器本体へ供給する第２中間ヘッダと、を含む、
   請求項２に記載のマイクロチャンネル熱交換器。

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