JP6980607B2 - Heat exchanger and heat exchange system - Google Patents
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Description
本開示は、熱交換器および熱交換システムに関する。 The present disclosure relates to heat exchangers and heat exchange systems.
従来、冷却または加熱等の熱交換システムには熱交換器が用いられている。このような熱交換器の一例として、特許文献1には、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提案されている。
Conventionally, a heat exchanger has been used for a heat exchange system such as cooling or heating. As an example of such a heat exchanger,
今般の熱交換器には、小型化対応を含め、熱交換効率の向上が求められている。 The heat exchangers of this time are required to improve the heat exchange efficiency, including the miniaturization.
本開示は、このような要求を鑑みて案出されたものであり、優れた熱交換効率を有する熱交換器を提供することを目的とする。 The present disclosure has been devised in view of such requirements, and an object of the present disclosure is to provide a heat exchanger having excellent heat exchange efficiency.
本開示の熱交換器は、複数の第1部材と、隣り合う前記第1部材の間に位置する複数の第2部材と、を備える。また、前記第1部材は、複数の開口部と、該開口部に繋がる第1流路と、を有する。また、前記第2部材は、隣り合う前記第1部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第2流路を有する。また、前記第1部材における前記開口部、前記第1流路および前記第2部材における前記第2流路が第1流体の流路であり、隣り合う前記第1部材の間の領域が第2流体の流路である。また、前記第1部材および前記第2部材はセラミックスからなる。また、前記開口部の開口面積S1が、前記第1流路における前記第1流体が流れる方向に垂直な断面積S2よりも大きい。 The heat exchanger of the present disclosure includes a plurality of first members and a plurality of second members located between the adjacent first members. Further, the first member has a plurality of openings and a first flow path connected to the openings. Further, the second member has a second flow path connected to each opening in the adjacent first member. Further, the opening in the first member, the first flow path, and the second flow path in the second member are the flow paths of the first fluid, and the region between the adjacent first members is the second. It is a fluid flow path. Further, the first member and the second member are made of ceramics. Further, the opening area S1 of the opening is larger than the cross-sectional area S2 perpendicular to the direction in which the first fluid flows in the first flow path.
本開示の熱交換器は、優れた熱交換効率を有する。 The heat exchangers of the present disclosure have excellent heat exchange efficiency.
以下に、本開示の熱交換器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図においては、熱交換器の識別のために数字とアルファベットとにより符号を付すが、各図に特有の構成に関する記載を除いては、数字のみを付して説明する。 Hereinafter, the heat exchanger of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, numbers and alphabets are used to identify the heat exchanger, but only numbers are added except for the description of the configuration peculiar to each figure.
本開示の熱交換器10は、複数の第1部材1を備えている。ここで、図1および図2においては、3個の第1部材1を備える熱交換器10aを例に示している。第1部材1の個数が3個以上であるならば、本開示の熱交換器10は特に小型化に適したものとなる。なお、第1部材1の個数は、これに限定されるものではなく、2個以上であればよい。
The
また、図1においては、第1部材1の形状が角板状である例を示しているが、これに限定されるものではなく、円板状または楕円板等であっても構わない。
Further, although FIG. 1 shows an example in which the shape of the
また、本開示の熱交換器10における第1部材1は、複数の開口部5と、この開口部5に繋がる第1流路6とを有する。図1および図2においては、3個の第1部材1のうち、上段の第1部材1aおよび中段の第1部材1bは4個の開口部5を、下段の第1部材1cは2個の開口部5を有している例を示して。なお、開口部5の数は複数であればよく、開口部5の数の異なる第1部材1の構成を含め、図1および図2に示す構成に限定されるものではない。
Further, the
さらに、本開示の熱交換器10は、隣り合う第1部材1の間に位置する複数の第2部材2を備える。この第2部材2は、隣り合う第1部材1におけるそれぞれの開口部5に繋がる第2流路7を有する。なお、第2部材2の形状は、第2流路7を有するならば、どのような形状であっても構わない。
Further, the
本開示の熱交換器10は、第1部材1における開口部5、第1流路6および第2部材2における第2流路7が第1流体の流路である。ここで、図1および図2に示す熱交換器10aにおける第1流体の流路について説明する。まず、第1流体は、上段の第1部材1aにおける開口部5INから導入される。そして、各第1部材1の第1流路6および各第2部材2の第2流路7を通過した後、上段の第1部材1aにおける開口部5OUTから排出される。
In the
そして、本開示の熱交換器10においては、隣り合う第1部材1の間の領域が第2流体の流路である。第2流体は、隣り合う第1部材1の間を通過した際、第1流体が流れる第1部材1および第2部材2との間で熱交換が行なわれる。第1流体および第2流体の温度の関係性によって、第2流体を冷却することも加熱することもできる。なお、第1流体および第2流体には、目的に応じて液体または気体等を用いることができる。例えば、第1流体を水等の液体とし、第2流体をガス等の気体とすることができる。
In the
また、本開示の熱交換器10における第1部材1および第2部材はセラミックスからなる。このように、第1部材1および第2部材2がセラミックスで構成されていることで、本開示の熱交換器10は、耐熱性および耐腐食性に優れる。なお、セラミックスの種類としては、第1流体および第2流体の特性に合わせて適宜選択すればよく、アルミナ質セラミックスまたはコージェライト質セラミックス等の酸化物セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等の非酸化物セラミックスを用いることができる。
Further, the
ここで、例えば、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分100
質量%のうち、炭化珪素を70質量%以上含有するものである。そして、本開示の熱交換器10を構成する第1部材1および第2部材2の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、X線回折装置(XRD)を用いて測定し、第1部材1および第2部材2を測定し、得られた2θ(2θは、回折角度である。)の値より、JCPDSカードを用いて同定を行なう。次に、ICP発光分光分析装置(ICP)または蛍光X線分析装置(XRF)を用いて、第1部材1および第2部材2の含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により、炭化珪素の存在を確認され、ICPまたはXRFで測定した珪素(Si)の含有量から炭化珪素(SiC)に換算した含有量が70質量%以上であれば、炭化珪素質セラミックスである。
Here, for example, the silicon carbide ceramics is all the
Of the mass%, silicon carbide is contained in an amount of 70% by mass or more. The materials of the
また、本開示の熱交換器10は、図3に示すように、開口部5の開口面積S1が、第1流路6における第1流体が流れる方向に垂直な断面積S2よりも大きい。ここで、開口面積S1とは、開口部5における第2流路7で第1流体が流れる方向に垂直な断面積のことである。なお、第2流路7で第1流体が流れる方向とは、図3での縦方向である。
Further, in the
そして、このような構成を満足していることで、第1部材1の開口部5から第1流路6へ第1流体を勢いよく流入させることができ、第1流路6を流れる第1流体の流速が速くなることから、本開示の熱交換器10は、優れた熱交換効率を有する。ここで、開口部5の開口面積S1と第1流路6の断面積S2との大小関係は、同一の第1部材1において比較したものである。
By satisfying such a configuration, the first fluid can be vigorously flowed into the
なお、同一の第1部材1において、第1流路6の断面積S2に対する開口部5の開口面積S1の比S1/S2は8以上であってもよい。
In the same
また、本開示の熱交換器10において、開口部5の開口面積S1は、それぞれの第1部材1の断面積S2の合計よりも大きくてもよい。このような構成を満足するならば、それぞれの第1流路6を流れる第1流体の流速がより速くなることから、本開示の熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Further, in the
また、本開示の熱交換器10において、第2流路7における第2流路7で第1流体が流れる方向に垂直な断面積S3は開口部5の開口面積S1よりも大きくてもよい。このような構成を満足するならば、第2部材2の第2流路7から第1部材1の開口部5へ第1流体を勢いよく流入させることができ、これに伴い第1流路6を流れる第1流体の流速がより速くなることから、本開示の熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Further, in the
ここで、開口部5の開口面積S1は、例えば、5mm2以上100mm2以下であってもよい。また、第1流路6の断面積S2は、例えば、0.75mm2以上15mm2以下であってもよい。また、第2流路7の断面積S3は、例えば、20mm2以上120mm2以下であってもよい。
Here, the opening area S1 of the
また、本開示の熱交換器10は、図4に示すように、第1部材1上において、隣り合う第1部材1の間の領域に向かって延びる第3部材3を備えていてもよい。この第3部材3の存在により、第2流体が隣り合う第1部材1の間を通過する際に、第2流体の流れに変化が生じることから、第2流体が第1部材1および第2部材2に接触する機会が増える。さらに、第3部材3は、第1部材1と繋がっていることで、第1部材1の第1流路6を流れる第1流体により冷却または加熱されるため、第3部材3と第2流体とで熱交換が行なわれる。よって、このような構成を満足しているならば、本開示の熱交換器10の熱交換効率は向上する。
Further, as shown in FIG. 4, the
ここで、第3部材3は、どのような形状であっても構わないが、第2流体の流れを過度
に阻害することなく、第3部材3と第2流体との接触面積を大きくできるという点で、第2流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。
Here, the
なお、以下において、第2流体は、図示面において手前から奥に向かって流れるものとして記載する。また、第1部材1の短手方向を幅方向と記載して説明する。これに基づけば、図4において第3部材3は、第1部材1の幅方向に沿って延びている角板状である。
In the following, the second fluid will be described as flowing from the front to the back on the illustrated surface. Further, the lateral direction of the
また、第3部材3は、図4における熱交換器10bに示すように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第2流体と熱交換を行なう第3部材3が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
Further, as shown in the
また、第3部材3は、図5に示す熱交換器10cのように、対向する第1部材1のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第3部材3は、第3部材3が繋がっている2個の第1部材1の第1流路6を流れる第1流体により冷却または加熱されることから、第3部材3と第2流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
Further, the
また、図6に示す熱交換器10dのように、第3部材3から、隣り合う第1部材1の間の領域に向かって延びる第4部材4を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第1部材1、第2部材2および第3部材3だけでなく、第1部材1の第1流路6を流れる第1流体により冷却または加熱される第3部材3を介して第4部材4でも第2流体との熱交換が行なわれることで熱交換効率が向上する。
Further, as in the
ここで、第4部材4は、どのような形状であっても構わないが、第2流体の流れを過度に阻害することなく、第4部材4と第2流体との接触面積を大きくできるという点で、第3部材3と同様に、第2流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。なお、図6においては、第4部材4が、第1部材1の幅方向に沿って延びている角板状である例を示している。
Here, the
また、第4部材4は、図6に示す熱交換器10dのように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第2流体と熱交換を行なう第4部材4が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
Further, the
また、第4部材4は、図7に示す熱交換器10eのように、対向する第3部材3のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第4部材4が繋がっている2個の第3部材3を介して、第1部材1の第1流路6を流れる第1流体により冷却または加熱されることから、第4部材4と第2流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
Further, the
また、第4部材4は、図8に示す熱交換器10fのように、第2部材2に接触していてもよい。このような構成を満足するならば、第4部材4が、接触している第2部材2の第2流路7を流れる第1流体により冷却または加熱されることから、第4部材4と第2流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
Further, the
また、本開示の熱交換器10を構成する第3部材3および第4部材4は、第1部材1および第2部材2と同じようにセラミックスからなっていてもよい。特に、第1部材1、第2部材2、第3部材3および第4部材4が炭化珪素セラミックスからなるならば、本開示の熱交換器10は、機械的強度に優れ、小型化に適したものとなる。
Further, the
なお、第3部材3および第4部材4の材質は、上述した第1部材1および第2部材2の材質を確認した方法と同じ方法で確認することができる。
The materials of the
また、本開示の熱交換器10は、図11に示すように、第1部材1および第2部材2のうち第2流体が流れる方向に垂直な方向の外周を囲繞する第1筐体8aと、断熱層9を介して第1筐体8aを囲繞する第2筐体8bとを備えてもよい。このような構成を満足するならば、第2流体との熱交換が効率よく行なわれ、本開示の熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Further, as shown in FIG. 11, the
ここで、第1筐体8aおよび第2筐体8bは、ステンレスまたはセラミックス等で構成されていてもよい。特に、第1筐体8aおよび第2筐体8bが、ステンレスで構成されるならば、断熱層9の領域に板バネを備えさせることで、第1部材1に第1筐体8aを隙間なく接触させることが可能となる。
Here, the
また、断熱層9は、断熱性を有する構成であれば、どのような構成であってもよい。断熱層9は、例えば、熱伝導率の低い空気、不活性ガス等の気体またはガラス繊維が充填されているものであってもよい。
Further, the
なお、本開示の熱交換器10は、熱交換を行なうものであれば、特にその用途が制限されるものではなく、例えば、各種レーザ装置用、車載用、化学物質回収装置用、半導体素子用および半導体製造装置用等の熱交換器として用いることができる。
The
また、本開示の熱交換システム100は、図12に示すように、上述した構成の複数の熱交換器10と、第1流体を供給する供給路20と、第1流体を排出する排出路30とを備え、それぞれの熱交換器10は、一方向に沿って並んでいるとともに、供給路20および排出路30を共有して繋がっている。このような構成を満足していることで、本開示の熱交換システム100は、第1流体の温度の変化を抑えつつ、それぞれの熱交換器10に第1流体を供給することができることから、効率よく第2流体を冷却または加熱することができるとともに、それぞれの熱交換器10から第2流体との熱交換により温度変化した第1流体を回収し、回収した第1流体を冷却または加熱することで再利用することができる。
Further, as shown in FIG. 12, the
以下に、本開示の熱交換器10の作製方法について説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing the
最初に、第1部材1の作製方法について説明する。
First, a method for manufacturing the
まず、主成分となる原料(炭化珪素、酸化アルミニウム等)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。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを作製する。次に、金型による打ち抜きやレーザ加工により、任意の形状とした複数枚の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する。そして、この成形体を焼成することで、開口部5および第1流路6を有する第1部材1を得る。ここで、積層体として成形体を作製することで、第1部材1の内部に第1流路6を作製することが容易である。また、積層するセラミックグリーンシートの枚数を調整することによって、第1部材1の厚みを調整することができる。また、開口部5は、セラミックグリーンシートに金型による打ち抜きやレーザ加工を施すことによって形成すればよい。
First, a sintering aid, a binder, a solvent, a dispersant and the like are added to the powder of the raw material (silicon carbide, aluminum oxide, etc.) as the main component and appropriately mixed to prepare a slurry. Next, using this slurry, a ceramic green sheet is produced by the doctor blade method. Next, a plurality of ceramic green sheets having an arbitrary shape are laminated by punching with a die or laser processing to produce a molded body which is a laminated body. Then, by firing this molded body, a
なお、セラミックグリーンシートの他の作製方法としては、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またはメカプレス法によって作製してもよい。 As another method for producing the ceramic green sheet, granules are produced by spray-drying the slurry by a spray granulation method (spray-drying method) to granule the granules, and the granules are produced by a roll compaction method or a mechanical press method. You may.
次に、第2部材2の作製方法について説明する。第2部材2は、その形状に合わせた成形方法を選択すればよい。例えば、第2部材2の形状をパイプ状とするのならば、上記ス
ラリーを坏土に調整して押出成形法で作製すればよい。または、上記顆粒を用いてメカプレス法や冷間静水圧加圧成形(CIP)法で作製すればよい。また、第2部材2の形状を板状とするのならば、第1部材1と同じく、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すればよい。そして、成形体を焼成することで、第2部材2を得る。
Next, a method of manufacturing the
次に、第3部材3および第4部材4の作製方法について説明する。第3部材3および第4部材4は、第1部材1と同じく、ドクターブレード法、ロールコンパクション法、メカプレス法でセラミックグリーンシートの成形体を作製し、焼成することによって得る。また、第3部材3および第4部材4の成形体を、押出成形法でまとめて作製しても構わない。
Next, a method of manufacturing the
そして、第1部材1、第2部材2、第3部材3および第4部材4を、それぞれ接着剤を用いて接合することによって、本開示の熱交換器10を得る。ここで、図6の熱交換器10d、図7の熱交換器10e、図8の熱交換器10fのように、第3部材3および第4部材4の両方を有する構成ならば、押出成形法により、第3部材3と第4部材4とが一体化したものを作製し、これを第1部材1に接着剤を用いて接合してもよい。
Then, the
なお、上記接着剤としては、各部材同士を接合できるものであればどのような接着剤を用いてもよいが、無機接着剤を用いれば、熱処理を行なった際に各部材を劣化させることなく、各部材同士を強固に接合できる。さらに、無機接着剤は、耐熱性および耐腐食性に優れていることから、本開示の熱交換器10の信頼性を向上させることができる。ここで、無機接着剤としては、例えば、SiO2−Al2O3−B2O3−RO系ガラスペースト(R:アルカリ土類金属元素)またはSi−SiC系ペーストを用いればよい。特に、第1部材1、第2部材2、第3部材3および第4部材4が炭化珪素質セラミックスからなるならば、無機接着剤として、炭化珪素質セラミックスとの熱膨張係数が近似しているSi−SiC系ペーストを用いれば、本開示の熱交換器10の高温強度を向上させることができる。
As the adhesive, any adhesive may be used as long as it can bond each member to each other, but if an inorganic adhesive is used, each member will not be deteriorated during heat treatment. , Each member can be firmly joined to each other. Further, since the inorganic adhesive is excellent in heat resistance and corrosion resistance, the reliability of the
また、第1部材1および第2部材2のうち第2流体が流れる方向に垂直な方向の外周を囲繞するように、第1筐体8a、断熱層9および第2筐体8bで構成される筐体に嵌め込んでもよい。このとき、断熱層9に板バネを設けておけば、第1部材1と第1筐体8aとを隙間なく接触させることが可能となる。
Further, it is composed of a
また、複数の熱交換器10を準備し、それぞれの熱交換器10を、一方向に沿って並べるとともに、供給路20となるパイプおよび排出路30となるパイプに接合することで、本開示の熱交換システム100を得ることができる。
Further, by preparing a plurality of
なお、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present disclosure.
1:第1部材
2:第2部材
3:第3部材
4:第4部材
5:開口部
6:第1流路
7:第2流路
8a:第1筐体
8b:第2筐体
9:断熱層
10:熱交換器
20:供給路
30:排出路
100:熱交換システム
1: 1st member 2: 2nd member 3: 3rd member
4: 4th member 5: Opening 6: 1st flow path 7:
Claims (15)
隣り合う前記第1部材の間に位置する複数の第2部材と、を備え、
前記第1部材は、
複数の開口部と、
該開口部に繋がる第1流路と、を有し、
前記第2部材は、
隣り合う前記第1部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第2流路を有し、
前記第1部材における前記開口部、前記第1流路および前記第2部材における前記第2流路が第1流体の流路であり、隣り合う前記第1部材の間の領域が第2流体の流路であり、
前記第1部材および前記第2部材はセラミックスからなり、
前記開口部、前記第1流路および前記第2流路は、前記第1流体の流れ方向に沿って前記第2流路、前記開口部および前記第1流路の順番で位置しており、
前記開口部の開口面積S1が、前記第1流路における前記第1流体が流れる方向に垂直な断面積S2よりも大きく、かつ、前記第2流路における前記第1流体が流れる方向に垂直な断面積S3が、前記開口部の開口面積S1よりも大きい熱交換器。 With multiple first members,
A plurality of second members located between the adjacent first members are provided.
The first member is
With multiple openings,
It has a first flow path connected to the opening, and has.
The second member is
It has a second flow path that connects to each of the openings in the adjacent first member.
The opening in the first member, the first flow path, and the second flow path in the second member are flow paths of the first fluid, and the region between adjacent first members is the second fluid. It is a flow path
The first member and the second member are made of ceramics.
The opening, the first flow path, and the second flow path are located in the order of the second flow path, the opening, and the first flow path along the flow direction of the first fluid.
The opening area S1 of the opening, the much larger than the said first vertical cross-sectional area S2 in the direction of fluid flow in the first flow path, and, perpendicular to the first direction the fluid flows in the second flow path A heat exchanger in which the cross-sectional area S3 is larger than the opening area S1 of the opening.
それぞれの前記熱交換器は、一方向に沿って並んでいるとともに、前記供給路および前記排出路を共有して繋がっている熱交換システム。 The plurality of heat exchangers according to any one of claims 1 to 14 , a supply path for supplying the first fluid, and a discharge path for discharging the first fluid are provided.
A heat exchange system in which each of the heat exchangers is arranged in one direction and is connected by sharing the supply path and the discharge path.
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