JPWO2019043802A1

JPWO2019043802A1 - 熱交換器

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Publication number: JPWO2019043802A1
Application number: JP2019538801A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　裕; 裕鈴木; 齋藤　隆; 隆齋藤; 木村　浩明; 浩明木村; 真吾五十嵐
Original assignee: Welcon
Current assignee: Welcon
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: EP3677866A4; US11384992B2; WO2019043802A1; US20200182551A1; CN111051805A; EP3677866A1; JP6964896B2

Abstract

高効率かつ高耐圧であるとともに小型で廉価な熱交換器を提供する。熱交換器１０は水素と冷媒との間で熱交換を行う。冷媒流路と水素流路は、熱交換が行われる部分で流路方向と直交するＺ方向に交互に積層状に設けられる。冷媒流路は、Ｙ方向に並列する１０本の冷媒上流細路４８及び１０本の冷媒下流細路５０と、これらの冷媒上流細路４８及び冷媒下流細路５０との間に設けられたハニカム部５２とを有する。ハニカム部５２には第１分岐合流部５４と第２分岐合流部５６が交互に設けられている。第１分岐合流部５４では、直前の流路が２本の分流路６０，６０に分岐するとともに隣接する分流路６０，６０同士が合流して次の流路を形成する。第２分岐合流部５６も同様に２つの分流路６２，６２に分岐するとともに隣接する分流路６２，６２が合流する。水素流路も同様のハニカム部５２を有する。

Description

本発明は、複数の流路を流れる流体間で熱交換を行う熱交換器に関する。

環境負荷の小さい燃料電池車の普及に向けた社会基盤の整備として、燃料電池車へ水素を供給する水素供給ステーションの開発が進められている。燃料電池車の水素タンクに水素を供給する際、水素タンクの残存ガスが断熱圧縮されて温度上昇を招くため、供給される水素は十分に低温であることが望ましい。また、充填時間の短縮とタンクの小型化を図るためには十分に高圧であることが望ましい。

そのため、水素供給ステーションの供給元水素タンクから燃料電池車へ水素を供給する管路の途中に高耐圧型の熱交換器を設けて水素を冷却している（例えば、特許文献１参照）。水素供給ステーションでは水素を複数台のコンプレッサに順に通過させることで、コンプレッサで一旦圧縮された水素を次段のコンプレッサでさらに圧縮する多段式の圧縮が行われることがある。この場合、各圧力段階の水素を多管式の１台の熱交換器で冷却すると便利である（例えば、特許文献２参照）。

また、水素供給ステーション用途以外にも高効率、高耐圧の熱交換器が求められており、マイクロチャンネルを用いたもの（例えば、特許文献３参照）や、流体の均等分配を図りヘッダー流路に工夫をしたもの（例えば、特許文献４参照）が提案されている。

国際公開第２０１５／０９８１５８号特開２０１３−１５５９７１号公報特開２０１５−１１４０８０号公報特開２０１６−９０１５７号公報

上記のように熱交換器の開発が進められているが、いまだ十分に高効率の熱交換器は実現されず、そのため水素供給ステーションで用いられる要求仕様を満たす熱交換機は大型かつ高価となっているのが実情である。そこで、水素供給ステーションをさらに普及させるため、あるいはその他の種々の用途に供するためには高効率、高耐圧はもとより、さらに小型で廉価な熱交換器が求められている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、より高効率かつ高耐圧であるとともに小型で廉価な熱交換器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱交換器は、複数の流路を流れる流体間で熱交換を行う熱交換器であって、前記流路は、第１流体が流れる第１流路と、前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる第２流路と、を有し、前記第１流路及び前記第２流路は、流路方向と直交する積層方向に交互に積層して設けられ、それぞれ、前記流路方向及び前記積層方向に直交する方向に並列する複数の上流部及び複数の下流部と、前記上流部と前記下流部との間で、直前の複数本の流路が２本の分流路に分岐するとともに隣接する前記分流路同士が合流して次の複数の流路を形成する分岐合流部と、を有し、前記分岐合流部は前記上流部と前記下流部との間に複数段設けられていることを特徴とする。

このような分岐合流部を設けることにより、第１流路または第２流路の一方を流れる流体は、流路壁近くを流れて該流路壁から受熱することにより温度上昇の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁からの受熱が少ないために温度上昇の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。また、他方の流路を流れる流体は、流路壁近くを流れて該流路壁に放熱することにより温度低下の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁への放熱が少ないために温度低下の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。これにより、流体と流路壁との温度差を大きくすることができ、放熱及び受熱の効率が高くなる。

前記分岐合流部は、直前のＮ本の流路がそれぞれ２本の前記分流路に分岐するとともに外側の２本を除いて隣接する前記分流路同士が合流して次のＮ＋１本の流路を形成する第１分岐合流部と、直前のＮ＋１本の流路のうち外側の２本を除くＮ−１本がそれぞれ２本の前記分流路に分岐するとともに外側の２本を含めて隣接する前記分流路同士が合流して次のＮ本の流路を形成する第２分岐合流部とに区分され、前記第１分岐合流部及び前記第２分岐合流部は、前記上流部と前記下流部との間で交互に複数段設けられていてもよい。

これにより、当初Ｎ本だった流路は、Ｎ＋１本、Ｎ本と１本だけ本数の増減を繰り返すことになり、流路本数が過度に増減することなく、流路面積が適正に抑制されるとともにデッドスペースの少ない流路を形成することができ、単位体積あたりの熱交換効率が向上する。

前記流路方向に隣接する２つの前記分岐合流部の間で、前記流路方向に平行な直線流路を有すると、流体を安定して流すことができ層流を維持しやすい。

前記分岐合流部で分岐し又は合流する２本の前記分流路は流路方向を基準に対称で、分岐の頂部の角度は１８０°以下であると、層流状態を維持したまま分流させやすい。

熱交換が行われる部分で、第１プレートと第２プレートが積層され、前記第１流路は、前記第１プレートの表面と前記第２プレートの裏面との間の溝として形成され、前記第２流路は、前記第２プレートの表面と前記第１プレートの裏面との間の溝として形成され、前記第１プレートと前記第２プレートとの間は拡散接合されていてもよい。

これにより、第１流路及び第２流路をいわゆるマイクロチャンネルとして多数の細径路に構成することができ、流路壁面積を増大させるとともに、第１流路と第２流路とを近接配置することができ熱交換効率が向上する。また、拡散接合の高強度接合により高耐圧化が実現できる。

前記第２流体は前記第１流体より低温の冷媒であり、前記第１流体は前記第２流体より高温の水素ガスとすると水素供給ステーションにおける用途などに好適である。

前記第２流体は前記第１流体より低温の冷媒であり、前記第１流体は前記第２流体より高温の流体であり、前記１流路における前記分流路は、前記第２流路における前記分流路よりも狭く形成されていると、熱交換性能及び耐圧性能の観点から好適である。

前記流路は、前記第１流路及び前記第２流路を含んで３以上の流路を有し、それぞれの前記流路は、前記積層方向に積層状に設けられ、前記上流部、前記下流部、前記分岐合流部を有してもよい。

本発明にかかる熱交換器によれば、分岐合流部を設けることにより、第１流路または第２流路の一方を流れる流体は、流路壁近くを流れて該流路壁から受熱することにより温度上昇の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁からの受熱が少ないために温度上昇の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。また、他方の流路を流れる流体は、流路壁近くを流れて該流路壁に放熱することにより温度低下の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁への放熱が少ないために温度低下の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。これにより、流体と流路壁との温度差を大きくすることができ、放熱及び受熱の効率が高くなる。

図１は、第１の実施形態にかかる熱交換器の斜視図である。図２は、第１の実施形態にかかる熱交換器の分解斜視図である。図３は、上端プレートの上面図である。図４は、下端プレートの下面図である。図５は、第１プレート及び下端プレートの上面図である。図６は、冷媒細溝群の一部拡大図である。図７は、第２プレート及び上端プレートの下面図である。図８は、プレート積層部の一部拡大断面側面図である。図９は、第１プレートの下面図である。図１０−１は、第１プレート上面における冷媒流路上の第１分岐合流部の拡大図である。図１０−２は、第１プレート下面における水素流路上の第１分岐合流部の拡大図である。図１１は、第２プレートの上面図である。図１２は、ハニカム部の作用を説明するための模式図である。図１３は、第２の実施形態にかかる熱交換器の斜視図である。図１４は、第２の実施形態にかかる熱交換器の分解斜視図である。図１５は、第２の実施形態における上端プレートの上面図である。図１６は、第２の実施形態における第１プレートの上面図である。図１７は、第２の実施形態における第２プレートの上面図である。図１８は、第２の実施形態における第３プレートの上面図である。

以下に、本発明にかかる熱交換器の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、方向の理解を容易にするため図面中に直交する矢印Ｘ，Ｙ，Ｚを適宜示しており、これらは各図で整合している。

図１に示すように、第１の実施形態にかかる熱交換器１０は、箱型であり、水素流入口１２と、水素流出口１４と、冷媒流入口１６と、冷媒流出口１８とを有する。冷媒流入口１６と冷媒流出口１８との間は冷媒流路（第２流路）を形成し、水素流入口１２と水素流出口１４との間は水素流路（第１流路）を形成し、これらの流路を流れる冷媒（第２流体）と水素（第１流体）との間で熱交換が行われる。

熱交換器１０は、例えば水素供給ステーションにおいて水素貯蔵タンクから燃料電池車の燃料タンクに水素を充填する際に水素貯蔵タンクと車両側燃料タンクとの間の供給管路に設けられ、ガス体で１００ＭＰａの水素を−４０℃程度に冷却することができる。冷媒としては、例えばブラインのＦＰ−４０などが用いられる。ＦＰ−４０は熱的性能がよく、熱伝達率が高く、粘性が低く、コスト、衛生面などの観点から好適である。

熱交換器１０は、上部ヘッダー２０と、下部ヘッダー２２と、これらの間に設けられたプレート積層部２４とを有する。上部ヘッダー２０における上面におけるＹ方向奥側には水素流入口１２が設けられ、Ｙ方向手前側には水素流出口１４が設けられ、Ｙ方向手前側の右側面には冷媒流入口１６が設けられ、Ｙ方向奥側の左側面には冷媒流出口１８が設けられ、それぞれ継手が接続可能になっている。水素流入口１２及び水素流出口１４はＺ方向に貫通している。冷媒流入口１６及び冷媒流出口１８は、それぞれ上部ヘッダー２０の内部でＸ方向にやや進んだ後に屈曲して下方に開口している。熱交換器１０は小型に構成可能であることが本願発明者によって確認されており、例えば水素供給ステーションのディスペンサー（ガソリンスタンドの計量機に相当する）に搭載することも実現性がある。

プレート積層部２４が水素と冷媒との間で熱交換が行われる部分であり、この部分における奥行方向（Ｙ方向）が流路方向になり、水素は奥から手前に流れ、冷媒は逆に手前から奥に流れる。

図２に示すように、プレート積層部２４は４種類のプレートが高さ方向であるＺ方向（積層方向）に積層されて構成されている。すなわち、上部ヘッダー２０の直下に１枚配置される上端プレート２８と、下部ヘッダー２２の直上に１枚配置される下端プレート３０と、これらの間に複数枚が交互に配置される第１プレート３２及び第２プレート３４である。第１プレート３２及び第２プレート３４は、例えばそれぞれ９２枚積層される。これらの上部ヘッダー２０、下部ヘッダー２２、上端プレート２８、下端プレート３０、第１プレート３２及び第２プレート３４はそれぞれステンレス材、例えばＳＵＳ３１６Ｌ材であり拡散接合によって接合されている。ステンレス材を用いれば流路壁及び全体構造が高強度となり伝熱性、耐食性にも優れ、冷媒のブラインに対しても腐食がない。ステンレス材以外にも熱伝達率の高い銅材、鋼材又はアルミニウム材等を利用することができ、さらに部位によって異なる材質を用いてもよい。また、拡散接合によればプレート間が強固に接合され、高耐圧仕様となる。

上端プレート２８、下端プレート３０、第１プレート３２及び第２プレート３４は、厚みが例えば１．２ｍｍで、側面には図示しない識別切欠きがそれぞれ異なる位置に設けられている。なお、図１においては図示表現の関係上、第１プレート３２及び第２プレート３４を少なく示している。また、図２においては第１プレート３２及び第２プレート３４をさらに少なく示し、一部を積層状態がイメージできるように重ねて示している。

図３に示すように、上端プレート２８は上面視において、紙面の上辺近傍においてＸ方向に延在する水素供給孔３６と、紙面の下辺近傍においてＸ方向に延在する水素排出孔３８と、紙面下方の右辺近傍においてＹ方向に延在する冷媒供給孔４０と、紙面上方の左辺近傍においてＹ方向に延在する冷媒排出孔４２とを有する。水素供給孔３６、水素排出孔３８、冷媒供給孔４０及び冷媒排出孔４２は長尺矩形であり、それぞれ上端プレート２８、第１プレート３２、第２プレート３４及び下端プレート３０に設けられてプレート積層部２４を貫通孔しており、下部ヘッダー２２(図２参照)の上面には、これらに対応した位置に溝３５が設けられている。

水素供給孔３６は水素流入口１２（図２参照）の下方開口と連通し、水素排出孔３８は水素流出口１４の下方開口と連通している。冷媒供給孔４０は冷媒流入口１６の下方開口と連通し、冷媒排出孔４２は冷媒流出口４２の下方開口と連通している。

水素供給孔３６と水素排出孔３８は上下左右対称に配置されている。冷媒供給孔４０と冷媒排出孔４２は第１プレート３２の中心点を基準に点対称に配置されている。なお、この上端プレート２８の下面（裏面）は、後述する第２プレート３４の下面（図７参照）と同形状である。

図４に示すように、下端プレート３０の下面は、図３で示した上端プレート２８の上面と左右鏡像対称になっている。したがって、水素供給孔３６、水素排出孔３８、冷媒供給孔４０及び冷媒排出孔４２（以下、まとめて貫通要素という。）は、それぞれ組立後の製品状態で上面からの透過視においてずれなく重なり合うことになる。また後述するように、これらの貫通要素は第１プレート３２及び第２プレート３４においても重なりあう。なお、この下端プレート３０の上面は、次に示す第１プレート３２の上面（図５参照）と同形状である。

次に、プレート積層部２４における流路に関して、図５〜図８を参照して主に冷媒流路について説明し、図９〜図１１を参照して主に水素流路について説明する。

図５に示すように、第１プレート３２の上面は、貫通要素が上端プレート２８（図３参照）の上面と同じ配置となっている。第１プレート３２の上面は、さらに、冷媒供給孔４０と冷媒排出孔４２とを連通する冷媒細溝群４６を有する。

冷媒細溝群４６は、冷媒供給孔４０に連通する７０本（Ｎ本）の冷媒上流細路（上流部）４８と、冷媒排出孔４２に連通する７０本の冷媒下流細路（下流部）５０と、冷媒上流細路４８と冷媒下流細路５０との間で分岐と合流を繰り返して多段の偏平六角形を形成するハニカム部５２とを有する。７０本の冷媒上流細路４８及び冷媒下流細路５０は、冷媒供給孔４０及び冷媒排出孔４２直近の屈曲部を除いて、流路方向（Ｙ方向）と積層方向（Ｚ方向）に直交する奥行き方向であるＸ方向に並列する部分があり、その間にハニカム部５２が設けられている。

冷媒上流細路４８は、それぞれ冷媒供給孔４０から左方に進み、上側に９０°屈曲してハニカム部５２につながる。冷媒下流細路５０は、冷媒排出孔４２から右方に進み、下側に９０°屈曲して冷媒排出孔４２に至る。ハニカム部５２は水素供給孔３６と水素排出孔３８との間の部分でＹ方向に延在している。

冷媒細路群４６では、図５における右側の部分は冷媒排出孔４２に通ずる冷媒下流細路５０は長く、冷媒供給孔４０に通ずる冷媒上流細路４８は短い。これに対して、図５における左側の部分は冷媒排出孔４２に通ずる冷媒下流細路５０は短く、冷媒供給孔４０に通ずる冷媒上流細路４８は長い。したがって、冷媒細路群４６では左右いずれの側も冷媒供給孔４０と冷媒排出孔４２との間の距離がほぼ等しくなっている。冷媒細溝群４６は第２プレート３４（図７参照）の下面又は上端プレート２８の下面にも図５と左右鏡像対称に設けられており、上下重なり合って細径のマイクロチャンネルを構成し、冷媒の流路を形成する。

図６に示すように、ハニカム部５２は、第１分岐合流部５４と、第２分岐合流部５６と、これらの第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６の間に形成される直線流路部５８を有し、それぞれ複数段設けられている。直線流路部５８は、第１分岐合流部５４の下流側では７１本の平行で等間隔な中間直線細路（直線流路）５９が形成され、第２分岐合流部５６の下流側では７０本の平行で等間隔な中間直線細路５９が形成されている。中間直線細路５９は適度に長く形成されており、流れの成長部が活かされ層流が得られやすく、圧力損失が小さくなる。

第１分岐合流部５４は、直前の７０本（Ｎ本）の冷媒上流細路４８又は中間直線細路５９がそれぞれ２本の分流路６０，６０に分岐するとともに外側の２本を除いて隣接する分流路６０，６０同士が合流して次の７１本（Ｎ＋１本）の中間直線細路５９を形成する。第２分岐合流部５６は、直前の７１本の流路のうち外側の２本を除く６９本（Ｎ−１本）がそれぞれ２本の分流路６２，６２に分岐するとともに外側の２本を含めて隣接する分流路６２，６２同士が合流して次の７０本の中間直線細路５９又は冷媒下流細路５０を形成する。

第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６は、冷媒上流細路４８と冷媒下流細路５０との間で交互かつ等間隔にそれぞれ７段ずつ設けられている（図５参照）。したがって、流路が７１本となってわずかに広幅の部分が７か所、その間で流路が７０本となってわずかに狭幅の部分が６か所形成される。

流路方向に隣接している第１分岐合流部５４と第２分岐合流部５６との間には、流路方向に平行な中間直線細路５９が形成されている。第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６で分岐する２本の分流路６０，６０又は６２，６２は流路方向を基準に対称で、分岐部又は合流部の頂部は鋭角状（例えば４５°）である。頂部の角度は１８０°以下であるとよい。この頂部はＲ形状でもよい。また、図６から了解されるように、第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６では分岐部と合流部は近接しており、分岐と合流がほぼ同時に行われている。

このような構成により、ハニカム部５２では、第１分岐合流部５４、第２分岐合流部５６及び直線流路部５８によって多数の偏平六角形の中洲部６６が上下左右の多段層に形成され、一種のハニカム形状をなしている。

冷媒上流細路４８、冷媒下流細路５０、中間直線細路５９の各溝の寸法については、例えば、各流路幅は０．５ｍｍ、深さは０．２５ｍｍの断面半円形状であり、Ｙ方向ピッチはそれぞれ１．０ｍｍである。これらの流路は溝形状であり、エッチング加工、レーザー加工又は機械加工によって高精度に形成される。

図７に示すように、第２プレート３４の下面は、図５に示した第１プレート３２の上面と左右鏡像対称となっている。したがって、このような各溝部は、図８に示すように、第１プレート３２の上面と第２プレート３４の下面が当接しあうことにより上面壁と下面壁が形成されることから、高さ方向寸法は０．５ｍｍ（０．２５ｍｍ×２）となる。各溝部が形成する流路は直径０．５ｍｍの断面円形状となり流れが安定しやすい。このように、水素流路である第１流路と冷媒流路である第２流路はＺ方向に並列し積層状に形成される。図８の一部においては、理解が容易となるように、高温側の水素流路から低温側の冷媒流路への熱の流れを模式的に矢印で示している。この模式的な矢印から了解されるように、熱交換（つまり放熱と受熱）は薄板の厚み方向（Ｚ方向）だけではなく、左右の壁方向（Ｘ方向）からも相当程度に行われているのである。後述するように、熱交換器１０及び１０ａでは、この壁方向からの熱交換効率が特に向上されている。

次に、図９〜図１１を参照しながら主に水素流路について説明する。

図９に示すように、第１プレート３２の下面においては、貫通要素は当然に上面（図５参照）と左右鏡像対称となっており、下端プレート３０の下面（図４参照）及び第２プレート３４の下面（図７参照）と同配置になっている。また、上側の水素供給孔３６と下側の水素排出孔３８とを直線状に連通する水素細溝群６４が設けられている。各水素細溝群６４は上下左右対称である。水素細溝群６４は第２プレート３４の上面（図１１参照）にも同様に設けられており、上下重なり合って細径のマイクロチャンネルを構成し、水素の流路を形成する。

水素流路は第１プレート３２の上面と第２プレート３４の下面との間の溝として形成され、冷媒流路は、第２プレート３４の上面と第１プレート３２の下面との間の溝として形成することにより、水素流路及び冷媒流路をいわゆるマイクロチャンネルとして多数の細径路に構成することができ、流路壁面積を増大させるとともに、水素流路と冷媒流路とを近接配置することができ熱交換効率が向上する。また、拡散接合の高強度接合により高耐圧化が実現できる。さらに、表面または裏面のいずれか一方に溝を形成する場合と比較すると、枚数が半分、洗浄工程が半分、積層時間が半分となって製造上のメリットがある。

水素細溝群６４はハニカム部５２を有する。このハニカム部５２は、冷媒細溝群４６（図５参照）におけるものと基本的に同形状であり、水素供給孔３６に連通する１０本の水素上流細路（上流部）６８と、水素排出孔３８に連通する１０本の水素下流細路（下流部）７０と、水素上流細路６８と水素下流細路７０との間で分岐と合流を繰り返して多段の偏平六角形を形成している。

各７０本の水素上流細路６８及び水素下流細路７０は、それぞれ上面側における冷媒下流細路５０（図５参照）及び冷媒上流細路４８のＸ方向直線部分と同形状、同配置であり上面透過視で重なり合う。また、ハニカム部５２についても上面側の冷媒流路上に設けられているものと基本的に同形状、同配置であり上面透過視で重なり合う。

ハニカム部５２は、第１プレート３２の上面側（つまり冷媒流路）と下面側（つまり水素流路）で分流路６０，６２の部分について幅だけが異なる。

つまり、図１０−１に示すように、第１プレート３２の上面側の第１分岐合流部５４では、冷媒上流細路４８、中間直線細路５９の各流路及び分流路６０は、それぞれ同幅のＷ１である。一方、図１０−２に示すように、第１プレート３２の下面側では、水素上流細路６８、中間直線細路５９の各流路の幅はＷ１であるが、この部分の分流路６０ａはＷ１より小さいＷ２に設定されており、例えばＷ１＝０．５ｍｍ、Ｗ２＝０．２５ｍｍである。第２分岐合流部５６における分流路についても同様である。

水素流路側のＷ２を狭く設定しているのは熱交換性能及び耐圧性能の確保のためである。熱交換器１０では熱交換の効率を上げるためには体積あたりの表面積を大きくするべく流路を細径にすることが望ましい。分岐路及び合流部についても同様であるが、細径にすると圧力損失が上がることにもなりバランスを取る必要がある。気体の水素は圧力損失が小さいのでＷ２＝０．２５ｍｍと狭く設定することができ、０．５ｍｍとした場合よりも熱交換性能及び耐圧性能が向上する。一方、液体の冷媒側は細径とすると圧力損失が増加するためＷ１＝０．５ｍｍとしている。

図１１に示すように、第２プレート３４の上面は、第１プレート３２（図９参照）の下面と左右鏡像対称となっており、積層状態で各溝が上下重なり合って水素流路を形成する。

次に、このように構成される熱交換器１０の作用について説明する。熱交換器１０においては、ハニカム部５２におけるマイクロチャンネルとＸ方向壁との熱交換効率が特に向上されている。

第１プレート３２及び第２プレート３４の接合面に形成される多くの冷媒流路及び水素流路はそれぞれ断面積の小さいマイクロチャンネルであって、断面内での温度の偏りは小さく、そのため熱交換効率は比較的高い。しかしながら、従来の熱交換器におけるマイクロチャンネル内においてはわずかながら熱勾配が存在しており、流路壁に近い周辺部分に比べて流路壁から遠い中央部分では効率的な熱交換がなされていない傾向にある。流体の流れを乱流にすれば撹拌により熱勾配はなくなるが、圧力損失が増大する。これに対して、本実施の形態にかかる熱交換器１０においては層流による圧力損失低減の特徴を生かしながら、ハニカム部５２を設けることにより熱勾配を低減させて熱交換効率を向上させている。

すなわち、図１２に示すように、ハニカム部５２には第１分岐合流部５４と第２分岐合流部５６が交互に配置されており、流路を流れる冷媒は分岐と合流とを繰り返すことになる。このとき、図１２における左側でＸ方向上下の流路壁に接していて受熱していて温度が比較的上昇している層（模式的に片ハッチングで区別した層）は、第１分岐合流部５４において両隣の層が合流することにより、次の中間直線細路５９においては中央層を形成することになり、流路壁からの受熱が比較的少なくなる。一方、流路壁から離れた中央部を流れていて受熱が少なく温度上昇が比較的小さい層（模式的にクロスハッチングで区別した層）は、第１分岐合流部５４においてＸ方向上下に分岐することにより、次の中間直線細路５９においては壁側の層を形成することになり、流路壁からの受熱が比較的大きくなる。

さらに、第２分岐合流部５６においては、その直前まで流路壁に接していて受熱していた層が下流側の次の流路では中央を流れる層に合流し、その直前まで中央部を流れていて受熱が少なかった層が下流側の次の流路では壁側の層に分岐することになる。図１２では冷媒流路上におけるハニカム部５２を例にしているが、水素流路上のハニカム部５２においても受熱と放熱が逆になるだけで同様の作用を奏する。

このように、熱交換器１０のハニカム部５２によれば、第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６を交互に設けることにより、冷媒流路を流れる冷媒は、流路壁近くを流れて該流路壁から受熱することにより温度上昇の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁からの受熱が少ないために温度上昇の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。また、水素流路を流れる水素は、流路壁近くを流れて該流路壁に放熱することにより温度低下の大きくなっている部分が中央部に移され、逆に中央部を流れていて流路壁への放熱が少ないために温度低下の小さい部分が流路壁側に移されるということが繰り返される。これにより、流体と流路壁との温度差を大きくすることができ、しかも流路断面における温度の偏りが抑制され、放熱及び受熱の効率が高くなる。したがって、効率が高い分だけ所望の熱交換能力を得るための熱交換器１０を小さくかつ廉価に構成することができる。

また、ハニカム部５２では、第１分岐合流部５４と第２分岐合流部５６が交互に複数設けられており、当初７０本だった流路は、７１本、７０本と１本だけ本数の増減を繰り返すことになり、流路本数が過度に増減することがない。これにより、流路面積が適正に抑制され、耐圧が低下することなく、しかもデッドスペースの少ない流路を形成することができ、単位体積あたりの熱交換効率が向上する。このことは、例えば図９を参照すれば、無駄な領域が非常に少ないことからも了解されよう。

第１分岐合流部５４及び第２分岐合流部５６で分岐する２本の分流路６０，６０，６２，６２は流路方向を基準に対称で、分岐の頂部は鋭角状であって、層流状態を維持したまま分流又は合流させやすい。このように、流体を層流状態で流すことにより圧力損失が小さく、特に多数のマイクロチャンネル内を流す際にはその効果が大きく、駆動用のポンプ動力を小さくすることができる。

冷媒上流細路４８、冷媒下流細路５０は、７０本ずつまとまった冷媒細溝群４６を形成し、これらの冷媒細溝群４６の相互間には、冷媒供給孔４０及び冷媒排出孔４２が設けられている。これにより、各冷媒細溝群４６ごとに冷媒を均等分配することができるとともに、各群間のスペースが有効に利用される。特に、冷媒供給孔４０及び冷媒排出孔４２は、流路方向に偏平の長孔形状であり、各冷媒細溝群４６間のＸ方向離間距離を短くできる。

ハニカム部５２は、必ずしも図５及び図９に示すように整然と配列された形態に限らず、分岐、合流が繰り返されるものであれば改変してもよい。

次に、図１３〜図１８を参照しながら第２の実施形態にかかる熱交換器１０ａについて説明する。熱交換器１０ａにおいて上記の熱交換器１０と同様の構成要素については同符号を付してその詳細な説明を省略する。熱交換器１０ａは、第１流体が流れる第１流路、第２流体が流れる第２流路、第３流体が流れる第３流路を有し、それぞれがＺ方向に積層状に設けられ、冷媒上流細路４８、冷媒下流細路５０、ハニカム部５２、第１分岐合流部５４、第２分岐合流部５６、直線流路部５８などを有している。第１流体は放熱する水素ガスであり、第２流体は冷媒であり、第３流体は第１流体とは異なる放熱流体である。

放熱する流体が流れる高温流体の流路と受熱する冷媒が流れる冷媒流路が交互に積層されており、具体的には第１流路（放熱側）、第２流路（受熱側）、第３流路（放熱側）、第２流路（受熱側）、第１流路（放熱側）…、という順に積層されている。これにより、放熱側の流路の上下が受熱側の流路で挟まれて効率的に熱交換が行われる。

図１３に示すように、熱交換器１０ａは上記の熱交換器１０とほぼ同形状である。熱交換器１０ａの上部には、上記の上部ヘッダー２０に相当する上部ヘッダー２０ａが設けられている。上部ヘッダー２０ａには水素流入口１２、水素流出口１４、冷媒流入口１６、冷媒流出口１８に加えて、Ｙ方向手前側の左側面には高温流体流入口８０が設けられ、Ｙ方向奥側の右側面には高温流体流出口８２が設けられ、それぞれ継手が接続可能になっている。高温流体流入口８０と高温流体流出口８２との間は高温流体流路（第３流路）を形成し、冷媒と高温流体（第３流体）との間で熱交換が行われる。この高温流体は第１流路を流れる水素ガスとは異なる放熱側流体であって（例えば、第１流体とは圧力の異なる水素ガス）、第２流路を流れる冷媒よりも高温である。

図１４に示すように、熱交換器１０ａにおけるプレート積層部２４は５種類のプレートが高さ方向であるＺ方向に積層されて構成されている。すなわち、上部ヘッダー２０ａの直下に１枚配置される上端プレート２８ａと、下部ヘッダー２２ａの直上に１枚配置される下端プレート３０ａと、これらの間に複数枚が順番かつ交互に配置される第１プレート８４、第２プレート８６及び第３プレート８８である。

図１５に示すように、上端プレート２８ａは上面視において、水素供給孔３６、水素排出孔３８、冷媒排出孔４２、冷媒供給孔４０に加えて、紙面下方の左辺近傍においてＹ方向に延在する高温流体供給孔９０と、紙面上方の右辺近傍においてＹ方向に延在する高温流体排出孔９２とを有する。

つまり、上端プレート２８ａは、上記の上端プレート２８に対して高温流体供給孔９０及び高温流体排出孔９２が付加された形状となっている。熱交換器１０ａにおいて、これらの各孔を貫通要素と呼ぶ。貫通要素の各孔は長尺矩形であり、それぞれ上端プレート２８ａ、第１プレート８４、第２プレート８６、第３プレート８８及び下端プレート３０ａに設けられてプレート積層部２４を貫通孔しており、下部ヘッダー２２ａの上面には、これらに対応した位置に溝３５が設けられている。なお、下端プレート３０ａの下側面は上端プレート２８ａの上面と左右鏡像対称であって、形状的には同一であることから図示および説明を省略する。

図１６に示すように、第１プレート８４の上面は、上記の第１プレート３２の上面(図５参照)に対して高温流体供給孔９０及び高温流体排出孔９２が付加された形状となっている。なお、第３プレート８８の下面は第１プレート８４の上面と左右鏡像対称であることから図示および説明を省略する。

図１７に示すように、第２プレート８６の上面は、上記の第２プレート３２の上面(図１１参照)に対して高温流体供給孔９０及び高温流体排出孔９２が付加された形状となっている。なお、第１プレート８４の下面は第２プレート８６の上面と左右鏡像対称であって、形状的には同一であることから図示および説明を省略する。

図１８に示すように、第３プレート８８の上面には高温流体供給孔９０と高温流体排出孔９２とを連通する細溝群９４が設けられている。細路群９４は冷媒細路群４６と左右鏡像対称であって、高温流体は高温流体供給孔９０から細路群９４を通って高温流体排出口９２へと流れる。なお、第２プレート８６の下面は第３プレート８８の上面と左右鏡像対称であることから図示および説明を省略する。

このように形成されるプレート積層部２４では、水素が流れる第１流路は第１プレート８４の下面と第２プレート８６の上面との間に形成される。冷媒が流れる第２流路は上端プレート２８ａの下面と第１プレート８４の上面との間、および、第３プレート８８の下面と下端プレート３０ａとの間に形成される。高温流体が流れる第３流路は第２プレート８６の下面と第３プレート８８の上面との間に形成される。

これにより、上記の通り放熱側と受熱側の流路が交互に積層されて効率的な熱交換が行われるが、必ずしも放熱側流路と受熱側流路が交互に層配置されていなくてもよい。
また、熱交換器１０ａで用いられる第１流体、第２流体、第３流体は、２種の冷媒と１種の高温流体の組み合わせであってもよい。

また、熱交換器１０ａは３つの流体に対する第１流路、第２流路及び第３流路が積層されているが、流体の供給孔及び排出孔を適切に分配配置することにより、４以上の流体に対する流路を積層するようにしてもよい。この場合、放熱側と受熱側の流路を交互に積層させるとよいが、必ずしもこれに限らず設計条件や各流体の特性に応じて、例えば以下のような順の層配置にしてもよい。

すなわち、第１の例としては、冷媒流路、第１高温流路、冷媒流路、第２高温流路、第２高温流路、冷媒流路、第１高温流路、冷媒流路、第２高温流路、第２高温流路、冷媒流路、・・・としてもよい。また第２の例としては、冷媒流路、第１高温流路、第２高温流路、第１高温流路、冷媒流路、第１高温流路、第２高温流路、第１高温流路、冷媒流路、・・・としてもよい。さらに第３の例としては、第１冷媒流路、第１高温流路、第１冷媒流路、第２冷媒流路、第２高温流路、第２冷媒流路、第１冷媒流路、第１高温流路、第１冷媒流路、・・・としてもよい。

なお、上述の説明における右、左、上部、下部、上端、下端、上面及び下面等の表現は方向を識別するための便宜上のものであり、熱交換器１０を載置する向きはこれに限定されない。熱交換器１０，１０ａは、水素供給ステーションにおける水素供給用途としたが、用途はこれに限られず、対象となる流体も気体水素と液体冷媒には限られない。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０，１０ａ熱交換器、１２水素流入口、１４水素流出口、１６冷媒流入口、１８冷媒流出口、２０，２０ａ上部ヘッダー、２２，２２ａ下部ヘッダー、２４プレート積層部、２８，２８ａ上端プレート、３０，３０ａ下端プレート、３２，８４第１プレート、３４，８６第２プレート、３６水素供給孔、３８水素排出孔、４０冷媒供給孔、４２冷媒排出孔、４６冷媒細溝群、４８冷媒上流細路（上流部）、５０冷媒下流細路（下流部）、５２ハニカム部、５４第１分岐合流部、５６第２分岐合流部、５８直線流路部、５９中間直線細路、６０，６０ａ，６２分流路、６４水素細溝群、６６中洲部、６８水素上流細路（上流部）、７０水素下流細路（下流部）、８８第３プレート、細路群９４。

Claims

複数の流路を流れる流体間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記流路は、第１流体が流れる第１流路と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる第２流路と、
を有し、
前記第１流路及び前記第２流路は、流路方向と直交する積層方向に交互に積層して設けられ、
それぞれ、前記流路方向及び前記積層方向に直交する方向に並列する複数の上流部及び複数の下流部と、
前記上流部と前記下流部との間で、直前の複数本の流路が２本の分流路に分岐するとともに隣接する前記分流路同士が合流して次の複数の流路を形成する分岐合流部と、
を有し、
前記分岐合流部は前記上流部と前記下流部との間に複数段設けられていることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記分岐合流部は、
直前のＮ本の流路がそれぞれ２本の前記分流路に分岐するとともに外側の２本を除いて隣接する前記分流路同士が合流して次のＮ＋１本の流路を形成する第１分岐合流部と、
直前のＮ＋１本の流路のうち外側の２本を除くＮ−１本がそれぞれ２本の前記分流路に分岐するとともに外側の２本を含めて隣接する前記分流路同士が合流して次のＮ本の流路を形成する第２分岐合流部とに区分され、
前記第１分岐合流部及び前記第２分岐合流部は、前記上流部と前記下流部との間で交互に複数段設けられていることを特徴とする熱交換器。
請求項１又は２に記載の熱交換器において、
前記流路方向に隣接する２つの前記分岐合流部の間で、前記流路方向に平行な直線流路を有することを特徴とする熱交換器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記分岐合流部で分岐し又は合流する２本の前記分流路は流路方向を基準に対称で、分岐の頂部の角度は１８０°以下であることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器において、
熱交換が行われる部分で、第１プレートと第２プレートが積層され、
前記第１流路は、前記第１プレートの表面と前記第２プレートの裏面との間の溝として形成され、
前記第２流路は、前記第２プレートの表面と前記第１プレートの裏面との間の溝として形成され、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間は拡散接合されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記第２流体は前記第１流体より低温の冷媒であり、前記第１流体は前記第２流体より高温の水素ガスであることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記第２流体は前記第１流体より低温の冷媒であり、前記第１流体は前記第２流体より高温の流体であり、
前記１流路における前記分流路は、前記第２流路における前記分流路よりも狭く形成されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記流路は、前記第１流路及び前記第２流路を含んで３以上の流路を有し、
それぞれの前記流路は、前記積層方向に積層状に設けられ、前記上流部、前記下流部、前記分岐合流部を有することを特徴とする熱交換器。