WO2019235211A1 - 積層型熱交換器 - Google Patents

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WO2019235211A1
WO2019235211A1 PCT/JP2019/020105 JP2019020105W WO2019235211A1 WO 2019235211 A1 WO2019235211 A1 WO 2019235211A1 JP 2019020105 W JP2019020105 W JP 2019020105W WO 2019235211 A1 WO2019235211 A1 WO 2019235211A1
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fluid
temperature layer
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野一色　公二
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株式会社神戸製鋼所
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Definitions

  • the present invention relates to a stacked heat exchanger.
  • Patent Document 1 a low-temperature layer having a plurality of low-temperature channels through which a low-temperature fluid flows, and a plurality of high-temperature channels through which a heating fluid for heating the low-temperature fluid flows
  • a stacked heat exchanger in which a high-temperature layer having a structure is arranged in a stacked state.
  • the stacked heat exchanger disclosed in Patent Document 1 prevents the heating fluid from being cooled and frozen by a low-temperature fluid. That is, the stacked heat exchanger includes a low temperature layer in which a plurality of low temperature side channels are formed, a plurality of high temperature side channels, a first high temperature layer adjacent to the first low temperature layer, and a plurality of high temperatures.
  • the structure which has a 2nd high temperature layer adjacent to a 1st high temperature layer in which a side flow path is formed is employ
  • the high temperature side fluid in the high temperature side flow path constituting the first high temperature layer is cooled by the low temperature side fluid.
  • part between the high temperature side flow path of a 1st high temperature layer and the high temperature side flow path of a 2nd high temperature layer is maintained at high temperature. For this reason, even if the high temperature side fluid in a 1st high temperature layer is cooled, it can suppress that the high temperature side fluid in a 1st high temperature layer freezes.
  • the object of the present invention is to make the cold side of the low temperature side fluid cool by optimizing the flow path on the high temperature side and the low temperature side while ensuring the degree of freedom in design without making the second high temperature layer an essential configuration. Therefore, the temperature of the high temperature fluid in the high temperature layer is prevented from excessively decreasing.
  • the stacked heat exchanger includes a high temperature layer having a plurality of channels into which a high temperature side fluid is introduced, and a plurality of channels into which a low temperature side fluid having a temperature lower than that of the high temperature side fluid is introduced. And a low temperature layer laminated on the high temperature layer.
  • the plurality of flow paths of the low temperature layer are each heated by a high temperature fluid flowing in the high temperature layer and at least a part of the low temperature fluid evaporates, and a low temperature side evaporated at the upstream portion A downstream side portion where the fluid is heated by the high temperature side fluid flowing in the high temperature layer.
  • the ratio of the area of the plurality of upstream side portions occupying the predetermined area in the low temperature layer is lower than the ratio of the area of the plurality of downstream side portions occupying the predetermined area in the low temperature layer.
  • (A) It is a front view of the laminated heat exchanger which concerns on embodiment
  • (b) It is a side view of the said laminated heat exchanger.
  • the said laminated body it is a figure which shows schematically the metal plate which comprises a high temperature layer.
  • the said laminated body it is a figure which shows schematically the metal plate which comprises a low-temperature layer.
  • the stacked heat exchanger 10 includes a stacked body 12, a low temperature side inflow header 14, a low temperature side outflow header 15, a high temperature side inflow header 17, and a high temperature side outflow header. 18.
  • the stacked heat exchanger 10 is configured by a so-called microchannel heat exchanger.
  • the low temperature side inflow header 14 and the low temperature side outflow header 15 are connected to surfaces located on opposite sides of the laminated body 12 formed in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the high temperature side inflow header 17 is connected to a surface adjacent to the surface to which the low temperature side outflow header 15 is connected in the laminate 12.
  • the high temperature side outflow header 18 is connected to a surface adjacent to the surface of the laminate 12 to which the low temperature side inflow header 14 is connected.
  • the high temperature side inflow header 17 and the high temperature side outflow header 18 are connected to surfaces on the opposite sides of the stacked body 12.
  • the low temperature side inflow header 14 is configured to be connected to a pipe outside the figure through which the low temperature side fluid flows.
  • the low temperature side inflow header 14 is configured to distribute the low temperature side fluid introduced through the pipe to each of a plurality of flow paths 25 in a low temperature layer 21 described later formed in the laminate 12.
  • the low temperature side outflow header 15 is configured to be connected to a pipe (not shown) for supplying the low temperature side fluid flowing out from the laminated body 12 to a predetermined place.
  • the low temperature side fluid is heated to a predetermined temperature in the laminate 12. For this reason, the low temperature side fluid heated to this desired temperature flows out of the laminate 12.
  • the low temperature side outflow header 15 joins the low temperature side fluids flowing out from the respective flow paths 25 in the low temperature layer 21, and causes the joined low temperature side fluid to flow out to a pipe connected to the header 15.
  • the high temperature side inflow header 17 is configured to be connected to a pipe outside the figure through which the high temperature side fluid flows.
  • the high temperature side inflow header 17 is configured to distribute the high temperature side fluid introduced through the piping to each of a plurality of flow paths 27 in a high temperature layer 23 described later formed in the laminate 12.
  • the high temperature side outflow header 18 is configured to be connected to a pipe (not shown) for flowing the high temperature side fluid flowing out from the laminated body 12 to a predetermined place.
  • the high temperature side outflow header 18 joins the high temperature side fluids flowing out from the respective flow paths 27 in the high temperature layer 23, and causes the combined high temperature side fluid to flow out to the pipe connected to the header 18.
  • the low temperature side fluid examples include cryogenic liquefied gases such as liquefied natural gas, liquefied nitrogen, and liquefied hydrogen.
  • liquid fluids such as warm water, seawater, and ethylene glycol, can be illustrated as a high temperature side fluid. That is, the temperature of the liquid low temperature side fluid may be lower than the freezing point of the high temperature side fluid.
  • the laminate 12 includes a low temperature layer 21 and a high temperature layer 23 laminated on the low temperature layer 21.
  • the laminated body 12 has a plurality of low temperature layers 21 and a plurality of high temperature layers 23 so that the low temperature layers 21 and the high temperature layers 23 are alternately repeated.
  • the low temperature layer 21 and the high temperature layer 23 are each made of a metal material having a high thermal conductivity, and the laminated body 12 is formed, for example, by diffusion bonding a plurality of stacked metal plates 29 and 30. Has been.
  • the low temperature layer 21 is formed as a flat region including a plurality of flow paths (low temperature side flow paths) 25.
  • the high temperature layer 23 is formed as a flat region including a plurality of flow paths (high temperature side flow paths) 27.
  • the plurality of low temperature side flow paths 25 are arranged so as to line up in one direction, and the plurality of high temperature side flow paths 27 are arranged so as to be arranged in a direction parallel to the direction in which the low temperature side flow paths 25 are arranged. That is, since the metal plates 29 and 30 having a plurality of grooves formed on the plate surfaces (surfaces) of the metal plates 29 and 30 are overlapped and diffusion-bonded to each other, the low-temperature channel is arranged in one direction. 25 and the high temperature side flow path 27 are formed.
  • Each of the low temperature side flow path 25 and the high temperature side flow path 27 has a semicircular cross section.
  • the low temperature side fluid flows into each low temperature side channel 25 through the low temperature side inflow header 14.
  • the high temperature side fluid flows into the high temperature side flow path 27 through the high temperature side inflow header 17.
  • the diffusion bonding means that the metal plates 29 and 30 are brought into close contact with each other, heated to a temperature equal to or lower than the melting point of the material constituting the metal plates 29 and 30, and to the extent that plastic deformation does not occur as much as possible.
  • the metal plates 29 and 30 are joined together by applying pressure and utilizing diffusion of atoms generated between the joining surfaces. For this reason, the boundary between adjacent layers does not appear clearly.
  • Each layer is not limited to being bonded by diffusion bonding. In this case, a boundary between layers may appear.
  • end plates are disposed at both ends in the stacking direction of the high temperature layer 23 and the low temperature layer 21 in the stacked body 12.
  • the high temperature layer 23 and the low temperature layer 21 are sandwiched between the end plates.
  • FIG. 3 schematically shows the plate surface (outer surface) of the metal plate 29 forming the high-temperature layer 23.
  • the metal plate 29 is formed in an elongated rectangular shape, and a plurality of grooves 32 are formed on the plate surface of the metal plate 29.
  • the groove 32 is a groove that forms the high temperature side flow path 27 when the stacked body 12 is formed.
  • One end 32a of the groove 32 is open near the end of one long side of the rectangle, and the groove 32 extends from the opening in a direction along the short side of the rectangle.
  • the groove 32 is bent from the direction along the short side of the rectangle and extends in the direction along the long side of the rectangle.
  • channel 32 bends again and is extended in the direction along a short side again.
  • the other end 32b of the groove 32 opens in the vicinity of the end opposite to the end on the other long side (the long side opposite to the long side where the one end 32a of the groove 32 opens). doing.
  • the groove 32 is bent at two places as a whole, the groove 32 does not extend linearly, but extends while meandering in a wavy manner.
  • channel 32 is not formed in the waveform, but may be extended linearly.
  • FIG. 4 schematically shows the plate surface (outer surface) of the metal plate 30 forming the low temperature layer 21.
  • the metal plate 30 has the same outer shape as the metal plate 29 forming the high-temperature layer 23, and a plurality of grooves 34 are formed on the plate surface of the metal plate 30.
  • the groove 34 is a groove that forms the low-temperature channel 25 when the stacked body 12 is formed.
  • One end 34a of the groove 34 opens to one short side of the rectangle, and the groove 34 extends in a direction along the long side of the rectangle.
  • channel 34 is opened to the other short side of a rectangle.
  • the groove 34 formed in the low temperature layer 21, that is, the low temperature side flow path 25 of the low temperature layer 21, has an upstream side portion 37 and a downstream side portion 38, respectively.
  • the upstream side portion 37 is a portion connected to the low temperature side inflow header 14, and the downstream side portion 38 is a portion connected to the low temperature side outflow header 15. That is, the low temperature side fluid introduced through the low temperature side inflow header 14 flows into the upstream side portion 37 of each low temperature side flow path 25.
  • the low temperature side fluid that has flowed out from each upstream side portion 37 flows through each downstream side portion 38 and then joins in the low temperature side outflow header 15.
  • the liquid low temperature side fluid is heated by the heat of the high temperature side fluid, and at least a part thereof is evaporated.
  • the evaporated low temperature side fluid is further heated by the heat of the high temperature side fluid. That is, the upstream side portion 37 is an evaporation portion where the low temperature side fluid evaporates, and the downstream side portion 38 is a heating portion where the evaporated low temperature side fluid is further heated.
  • Each upstream side portion 37 has a shape extending linearly, and each downstream side portion 38 has a shape extending while meandering in a waveform. Further, the channel pitch between the adjacent upstream side portions 37 is set wider than the channel pitch between the adjacent downstream side portions 38. For example, the channel pitch in the upstream side portion 37 is a pitch twice as wide as the channel pitch in the downstream side portion 38. Thus, the channel shape and the channel pitch are different between the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38. Thereby, the ratio of the area of the upstream side portion 37 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21 is set lower than the ratio of the area of the downstream side portion 38 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21.
  • the ratio of the area of the heat transfer surface formed by the upstream side portion 37 in the predetermined area in the low temperature layer 21 is set lower than the ratio of the area of the heat transfer surface formed by the downstream side portion 38. .
  • the heat transfer performance in the upstream side portion 37 is suppressed to be lower than the heat transfer performance in the downstream side portion 38.
  • the wall surface temperature in the upstream side portion 37 where the low temperature side fluid evaporates can be made closer to the temperature of the high temperature layer 23 as compared with the case where the heat transfer performance in the upstream side portion 37 is not kept low.
  • FIG. 5 shows the temperature of the high temperature side fluid, the temperature of the members constituting the high temperature layer 23 (the temperature of the metal plate 29 located between the high temperature side flow path 27 and the low temperature side flow path 25, ie, the wall surface temperature), and the low temperature side. This explains the relationship with the temperature of the fluid.
  • the temperature of the high temperature side fluid flowing in the high temperature side channel 27 is T H (° C.), and the temperature of the low temperature side fluid flowing in the low temperature side channel 25 is T L (° C.).
  • the temperature of the member (metal plate 29) positioned between the flow path 25, that is, the wall surface temperature is defined as T W (° C.).
  • Temperature T W of the member can be expressed as the mean value of the temperature T W1 (°C) heat transfer surface, the temperature T W2 of the heat transfer surface in the low temperature side flow passage 25 and (°C) in the high temperature side flow path 27 .
  • the area of the heat transfer surface formed by the high temperature side channel 27 is A H (m 2 )
  • the area of the heat transfer surface formed by the low temperature side channel 25 is A L (m 2 )
  • the high temperature side channel The heat transfer coefficient at the heat transfer surface formed by the heat transfer surface 27 is h H (W / m 2 K)
  • the heat transfer coefficient at the heat transfer surface formed by the low temperature side flow path 25 is h L (W / m 2 K).
  • the heat quantity q 1 and heat q 2 are equal, when the heat quantity q 1 is assumed to be constant, for example, if the area A L of the heat transfer surface in the low temperature side passage 25 is set smaller, formula (1) and from the equation (2), the wall temperature T W is higher. That is, if the area of the upstream side portion 37 in the low temperature side flow path 25 is set small, the wall surface temperature TW becomes high. Therefore, it is possible to make the wall temperature T W to the temperature of high temperature layer 23. The same applies to the case where the heat transfer coefficient h L is set to be small in the upstream side portion 37.
  • the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38 have different channel shapes and channel pitches, but the present invention is not limited to this.
  • the upstream side portion 37 of the low temperature side passage 25 is formed in a straight line and the downstream side portion 38 is formed in a corrugated or zigzag shape, while the passage pitch and the passage width are downstream of the upstream side portion 37 and the downstream portion. It may be set the same in the side portion 38.
  • the ratio of the area of the heat transfer surface of the upstream side portion 37 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21 is set lower than the ratio of the area of the heat transfer surface of the downstream side portion 38 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21.
  • the channel shape and the channel width of the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38 are formed to be the same, while the channel pitch of the upstream side portion 37 is set wider than the channel pitch of the downstream side portion 38. It may be.
  • the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38 are formed to have the same flow path shape and the same channel pitch, while the upstream side portion 37 has a narrower flow path width than the downstream side portion 38. It may be.
  • the channel shape, the channel pitch, and the channel width are formed to be the same in the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38, while the channel depth of the upstream side portion 37 is equal to the channel depth of the downstream side portion 38. It may be set shallower.
  • a communication channel 40 connected to these is formed between the plurality of upstream side portions 37 and the plurality of downstream side portions 38.
  • the communication flow path 40 has a shape extending in a direction crossing the plurality of upstream side portions 37. Since the communication channel 40 is connected to all the upstream side portions 37, the low temperature side fluid that has flowed through each upstream side portion 37 joins the communication channel 40. Therefore, even if a deviation or difference occurs in the flow rate or pressure between the upstream side portions 37, it is eliminated in the communication flow path 40. In this state, the low temperature side fluid is diverted from the communication channel 40 to each downstream side portion 38.
  • the communication channel 40 may be omitted.
  • each upstream side portion 37 is directly connected to each downstream side portion 38, Each upstream side portion 37 may communicate with each downstream side portion 38.
  • the low temperature side fluid before being heated by the high temperature side fluid flows into the upstream side portion 37 and is heated by the high temperature side fluid in the upstream side portion 37.
  • Side fluid flows through the downstream side 38.
  • the temperature of the low temperature side fluid is relatively low in the upstream side portion 37 and relatively high in the downstream side portion 38.
  • the ratio of the heat transfer surface area is set to be relatively lower than the ratio in the downstream side portion 38. For this reason, in the upstream side part 37, the heat transfer from the low temperature side fluid to the member which comprises the low temperature layer 21 is suppressed.
  • the ratio of the heat transfer surface area is set relatively high in the downstream side portion 38 that further heats the low temperature side fluid evaporated in the upstream side portion 37. Thereby, the heat transfer performance in a predetermined area is relatively high as compared with the upstream side portion 37. Therefore, the low temperature side fluid can be heated to a desired temperature.
  • the downstream side portion 38 of the low temperature side flow path 25 has a corrugated shape. For this reason, the heat-transfer performance fall at the time of the entrainment of the low temperature side fluid can be suppressed. That is, when the low temperature side channel 25 is formed in a waveform, even if the low temperature side fluid flows in a gas-liquid two-phase state, the entrained droplets easily collide with the channel wall surface. In other words, in the corrugated flow path, the flow of gas (low temperature side fluid) is likely to be disturbed, so that the formation of a gas layer along the flow path wall surface is suppressed. Therefore, it can suppress that the situation where the heat transfer in a wall surface is inhibited by forming a gas layer is produced. In other words, since the evaporation when the low temperature side fluid flows with entrainment is promoted, it is possible to avoid a decrease in heat exchange performance.
  • the low temperature layer 21 includes the communication channel 40 that is connected to each of the upstream side portion 37 and to each of the downstream side portion 38. For this reason, even if the low temperature side fluid drifts between the upstream side portions 37, the low temperature side fluid flows into the communication channel 40, thereby eliminating the low temperature side fluid drift. Therefore, it is possible to prevent the drift when the low temperature side fluid flows into the downstream side portion 38 and to suppress the difference in the pressure of the low temperature side fluid between the downstream side portions 38. Moreover, by suppressing the uneven flow for each flow path, it is possible to suppress the occurrence of uneven thermal stress in the members constituting the low temperature layer 21 and the high temperature layer 23.
  • the ratio of the area of the upstream side portion 37 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21 is set to 1/6 or more and 1/2 or less of the area ratio of the downstream side portion 38 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21. May be.
  • the area ratio By setting the area ratio to 1/6 or more, it is possible to prevent the pressure loss in the upstream side portion 37 from becoming excessive and to prevent the heat exchange amount in the upstream side portion 37 from becoming too small. . Thereby, it can prevent that a low temperature side fluid is not heated to predetermined temperature.
  • the excessive temperature fall of the high temperature side fluid by the cold heat of a low temperature side fluid can be effectively suppressed by setting area ratio to 1/2 or less.
  • the upstream side portion 37 is formed in a linear shape, and the downstream side portion 38 is formed in a waveform.
  • both the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38 are formed in a straight line, while the flow channel pitch of the upstream side portion 37 is the flow channel pitch of the downstream side portion 38.
  • the channel width of the upstream side portion 37 is the same as the channel width of the downstream side portion 38, whereas the channel pitch of the upstream side portion 37 is the channel pitch of the downstream side portion 38. It is set to twice.
  • the ratio of the area of the heat transfer surface of the upstream side portion 37 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21 is set to 1 ⁇ 2 of the ratio of the area of the heat transfer surface of the downstream side portion 38 occupying the predetermined area in the low temperature layer 21.
  • the channel pitch in the upstream side portion 37 is set to be twice the channel pitch in the downstream side portion 38, the temperature change in the laminated body 12 becomes gentle in the vicinity of the inflow portion of the low temperature side fluid, and the startup Thermal stress changes during stop, operation are suppressed.
  • the form shown in FIG. 6 differs from the form shown in FIG. 4 in that the low temperature side flow path 25 is bent halfway. That is, one end 34a of the groove 34 formed on the plate surface (front surface) of the metal plate 30 opens near the end of one long side of the rectangle, and the other end 34b of the groove 34 extends to the other end. It opens near the opposite end on the long side.
  • the groove 34 extends from the one end 34a in the direction along the short side of the rectangle, and then bends in the direction along the long side of the rectangle. It is bent.
  • the low temperature side inflow header 14 is arrange
  • the communication flow path 40 connected to the plurality of upstream side portions 37 and the plurality of downstream side portions 38 is formed.
  • the width of the communication channel 40 is set to the same dimension as the width of the upstream side portion 37 and the width of the downstream side portion 38.
  • the groove 34 is formed by etching, if the width and depth of the communication channel 40 are formed to be the same as the width and depth of the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38, these are It becomes possible to process at the same time, and the manufacture becomes easy.
  • the width and depth of the communication channel 40 are not limited to this.
  • the width of the communication channel 40 may be set wider or narrower than the width of the upstream side portion 37 and the width of the downstream side portion 38. Further, the depth of the communication channel 40 may be the same as or different from the depth of the upstream side portion 37 and the depth of the downstream side portion 38.
  • the communication channel 40 extends in a direction inclined with respect to the direction in which the upstream side portion 37 and the downstream side portion 38 extend. That is, the communication flow path 40 extends in a direction parallel to a virtual straight line EL that extends so as to connect the bent portions of the upstream side portions 37.
  • the low temperature side flow path 25 is formed in a shape that bends at two points in the middle, so that the length of the portion extending along the long side of the rectangle in the upstream side portion 37 is the same. It is.
  • the length of each upstream side portion 37 until it is connected to the communication channel 40 is configured to be the same, so that the pressure loss (flow resistance) of each upstream side portion 37 in which the low temperature side fluid flows in the gas-liquid two-phase is made the same. can do.
  • the stacked body 12 is configured such that the high temperature layer 23 and the low temperature layer 21 are alternately stacked.
  • the stacked body 12 may include a second high temperature layer 42 in addition to the high temperature layer 23 (first high temperature layer 23) and the low temperature layer 21.
  • the second high temperature layer 42 has a plurality of flow paths 43 and is laminated on the high temperature layer 23 on the side opposite to the low temperature layer 21. Similar to the high temperature layer 23, the high temperature side fluid flows through the flow path (high temperature side flow path) 43 of the second high temperature layer 42.
  • the high temperature side fluid that has flowed into the high temperature side inflow header 17 flows not only into the flow path (high temperature side flow path) 27 of the high temperature layer 23 but also into the flow path 43 of the second high temperature layer 42.
  • the plurality of flow paths 43 formed in the second high temperature layer 42 are arranged in a direction parallel to the direction in which the flow paths 27 formed in the high temperature layer 23 are arranged.
  • the second high temperature layer 42 is not easily cooled by the low temperature side fluid, and is easily heated by the high temperature side fluid and maintained at a high temperature. For this reason, the high temperature layer 23 on which the second high temperature layer 42 is stacked while being stacked on the upstream side portion 37 of the low temperature layer 21 is not easily cooled by the low temperature side fluid. Therefore, it can further suppress that the temperature of the high temperature side fluid falls excessively.
  • the area of the flow path 43 of the second high temperature layer 42 is set smaller than the area of the flow path 27 of the high temperature layer 23 in a plane orthogonal to the direction in which the high temperature fluid flows. Therefore, the flow velocity of the high temperature fluid flowing through the flow path 43 of the second high temperature layer 42 can be made higher than the flow velocity of the high temperature fluid flowing through the flow path 27 of the high temperature layer 23.
  • the configuration is not limited to this, and the area of the flow path 43 of the second high temperature layer 42 in the plane orthogonal to the direction in which the high temperature fluid flows is the same as the cross-sectional area of the flow path 27 of the high temperature layer 23. It may be set.
  • the area of the flow path 25 of the low temperature layer 21, the area of the flow path 27 of the high temperature layer 23, and the area of the flow path 43 of the second high temperature layer 42 are within a plane orthogonal to the direction in which the high temperature side fluid flows. The same area may be set.
  • the stacked heat exchanger includes a high temperature layer having a plurality of flow paths into which a high temperature side fluid is introduced, and a plurality of flow paths into which a low temperature side fluid having a temperature lower than that of the high temperature side fluid is introduced. And a low temperature layer laminated on the high temperature layer.
  • the plurality of flow paths of the low temperature layer are each heated by a high temperature fluid flowing in the high temperature layer and at least a part of the low temperature fluid evaporates, and a low temperature side evaporated at the upstream portion A downstream side portion where the fluid is heated by the high temperature side fluid flowing in the high temperature layer.
  • the ratio of the area of the plurality of upstream side portions occupying the predetermined area in the low temperature layer is lower than the ratio of the area of the plurality of downstream side portions occupying the predetermined area in the low temperature layer.
  • the low temperature fluid before being heated by the high temperature fluid flows into the plurality of upstream portions, and the low temperature fluid is heated by the high temperature fluid at the plurality of upstream portions. Flows through a plurality of downstream sides. For this reason, the temperature of the low temperature side fluid is relatively low in the upstream portion and relatively high in the downstream portion. And in the upstream part which at least one part of a low temperature side fluid evaporates, the ratio of the heat-transfer surface area is set relatively lower than the ratio in a downstream part. For example, a channel that does not promote heat transfer, such as a straight channel, may be used as the downstream side portion.
  • the heat transfer from the low temperature side fluid to the member which comprises a low temperature layer is suppressed. For this reason, it can suppress that the temperature (wall surface temperature of a low temperature layer) of the member which comprises a low temperature layer falls too much. For this reason, it can suppress that the temperature of the high temperature side fluid cooled by the low temperature side fluid which flows through an upstream part falls too much.
  • the ratio of the heat transfer surface area is set to be relatively high in the downstream side portion that further heats the low temperature side fluid evaporated in the upstream side portion. Thereby, the heat transfer performance in a predetermined area is relatively high compared with an upstream side part. Therefore, the low temperature side fluid can be heated to a desired temperature.
  • the plurality of upstream side portions occupying the predetermined area in the low-temperature layer when at least one of a channel shape, a channel pitch, a channel width, and a channel depth is different.
  • the area ratio may be lower than the area ratio of the plurality of downstream side portions occupying the predetermined area in the low temperature layer.
  • the stacked heat exchanger further includes a plurality of flow paths into which the high temperature side fluid is introduced, and further includes a second high temperature layer stacked on the high temperature layer on the side opposite to the low temperature layer. May be.
  • the second high temperature layer is not easily cooled by the low temperature side fluid, and is easily heated by the high temperature side fluid and maintained at a high temperature. For this reason, the high temperature layer on which the second high temperature layer is laminated while being laminated on the upstream side portion of the low temperature layer is hardly excessively cooled by the low temperature fluid. Therefore, it can further suppress that the temperature of the high temperature side fluid falls excessively.
  • the low temperature layer may include a communication channel that communicates with the upstream side portion of each of the plurality of flow channels and communicates with the downstream side portion of each of the plurality of flow channels.
  • the drift of the low temperature side fluid is eliminated by the low temperature side fluid flowing into the communication flow path. Therefore, it is possible to prevent the drift when the low temperature side fluid flows into the downstream side portion, and to suppress the difference in the pressure of the low temperature side fluid between the respective downstream side portions. Moreover, by suppressing the uneven flow for each flow path, it is possible to suppress the occurrence of uneven thermal stress in the members constituting the low temperature layer.
  • Each of the plurality of upstream side portions may have the same length.
  • Each of the plurality of upstream side portions may have a shape extending linearly.
  • each of the plurality of downstream side portions may have a shape extending in a waveform or a zigzag shape.
  • Each of the plurality of upstream side portions may have a shape extending linearly.
  • each of the plurality of downstream side portions may have a shape extending in a straight line while being different from the upstream side portion in at least one of a channel pitch, a channel width, and a channel depth. .
  • the temperature of the high temperature side fluid in the high temperature layer is excessively limited by limiting the cooling heat of the low temperature side fluid. It can suppress that it falls.

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Abstract

積層型熱交換器は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、高温層に積層された低温層と、を備える。低温層の複数の流路はそれぞれ、高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、上流側部で蒸発した低温側流体が高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有する。低温層において所定面積に占める複数の上流側部の面積の割合は、低温層において前記所定面積に占める複数の下流側部の面積の割合よりも低い。

Description

積層型熱交換器
　本発明は、積層型熱交換器に関する。
　従来、下記特許文献１に開示されているように、低温の流体が流れる複数の低温側流路を有する低温層と、低温の流体を加熱するための加熱用流体が流れる複数の高温側流路を有する高温層とが積層状態で並ぶように配置された積層型熱交換器が知られている。特許文献１に開示された積層型熱交換器は、加熱用流体が低温の流体で冷やされて凍結することを抑制する。すなわち、この積層型熱交換器は、複数の低温側流路が形成された低温層と、複数の高温側流路が形成され、第１低温層に隣接する第１高温層と、複数の高温側流路が形成され、第１高温層に隣接する第２高温層と、を有する構成を採用している。この構成では、第１高温層を構成する高温側流路内の高温側流体は、低温側流体によって冷やされる。一方で、第１高温層の高温側流路と第２高温層の高温側流路との間の部位が高温に維持される。このため、第１高温層内の高温側流体が冷やされるとしても、第１高温層内の高温側流体が凍結することを抑制することができる。
　特許文献１に開示された積層型熱交換器では、第１高温層内の高温側流体が凍結することを抑制することができる。しかしながら、この熱交換器では、高温側流体が過度に冷却されることを抑制するには、第２高温層が必須の構成となる。このため、この熱交換器では、設計上の自由度は少ないという問題がある。
特開２０１７－１６６７７５号公報
　本発明の目的は、第２高温層を必須の構成とすることなく、設計上の自由度を確保した上で、高温側および低温側の流路を最適化することにより、低温側流体の冷熱によって高温層内の高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することにある。
　本発明の一局面に係る積層型熱交換器は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備える。前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有する。前記低温層において所定面積に占める複数の上流側部の面積の割合は、前記低温層において前記所定面積に占める複数の下流側部の面積の割合よりも低い。
（ａ）実施形態に係る積層型熱交換器の正面図であり、（ｂ）前記積層型熱交換器の側面図である。 前記積層型熱交換器に含まれる積層体の断面図を部分的に示す図である。 前記積層体において、高温層を構成する金属板を概略的に示す図である。 前記積層体において、低温層を構成する金属板を概略的に示す図である。 高温層から低温層への伝熱量の変化に基づく壁面温度の変化を説明するための図である。 その他の実施形態に係る積層型熱交換器に含まれる低温層を構成する金属板を概略的に示す図である。 その他の実施形態に係る積層型熱交換器に含まれる積層体の断面図を部分的に示す図である。
実施形態
　以下、添付図面を参照しながら、実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
　図１に示すように、本実施形態に係る積層型熱交換器１０は、積層体１２と、低温側流入ヘッダ１４と、低温側流出ヘッダ１５と、高温側流入ヘッダ１７と、高温側流出ヘッダ１８と、を備えている。積層型熱交換器１０は、いわゆるマイクロチャネル熱交換器によって構成されている。低温側流入ヘッダ１４及び低温側流出ヘッダ１５は、略直方体状に形成された積層体１２において互いに反対側に位置する面に接続されている。高温側流入ヘッダ１７は、積層体１２において低温側流出ヘッダ１５が接続された面に隣接する面に接続されている。高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２において低温側流入ヘッダ１４が接続された面に隣接する面に接続されている。また、高温側流入ヘッダ１７及び高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２において互いに反対側に位置する面に接続されている。
　低温側流入ヘッダ１４は、低温側流体が流れる図外の配管に接続されるように構成されている。低温側流入ヘッダ１４は、前記配管を通して導入された低温側流体を、積層体１２内に形成されている後述の低温層２１内の複数の流路２５のそれぞれに分配するように構成されている。低温側流出ヘッダ１５は、積層体１２内から流出した低温側流体を所定の場所に供給するための図外の配管に接続されるように構成されている。低温側流体は、積層体１２内で所定の温度まで加熱される。このため、この所望の温度に加熱された低温側流体が積層体１２から流出する。低温側流出ヘッダ１５は、低温層２１内の各流路２５から流出した低温側流体を合流させて、この合流した低温側流体を、当該ヘッダ１５に接続された配管に流出させる。
　高温側流入ヘッダ１７は、高温側流体が流れる図外の配管に接続されるように構成されている。高温側流入ヘッダ１７は、前記配管を通して導入された高温側流体を、積層体１２内に形成されている後述の高温層２３内の複数の流路２７のそれぞれに分配するように構成されている。高温側流出ヘッダ１８は、積層体１２内から流出した高温側流体を所定の場所に流すための図外の配管に接続されるように構成されている。高温側流出ヘッダ１８は、高温層２３内の各流路２７から流出した高温側流体を合流させて、この合流した高温側流体を、当該ヘッダ１８に接続された配管に流出させる。
　低温側流体としては、例えば、液化天然ガス、液化窒素、液化水素等の極低温の液化ガスを例示することができる。また、高温側流体としては、温水、海水、エチレングリコール等の液状の流体を例示することができる。すなわち、液状の低温側流体の温度は、高温側流体の凝固点よりも低くてもよい。
　図２に示すように、積層体１２は、低温層２１と、低温層２１に積層された高温層２３とを有している。積層体１２は、低温層２１及び高温層２３が交互に繰り返されるように、複数の低温層２１と複数の高温層２３とを有している。低温層２１及び高温層２３は、それぞれ熱伝導性の高い材質の金属材によって構成されていて、積層体１２は、例えば、重ね合わされた複数の金属板２９，３０同士を拡散接合することによって形成されている。
　低温層２１は、複数の流路（低温側流路）２５を含む偏平な領域として形成されている。また、高温層２３には、複数の流路（高温側流路）２７を含む偏平な領域として形成されている。複数の低温側流路２５は、一方向に並ぶように配置され、また複数の高温側流路２７は、低温側流路２５が並ぶ方向と平行な方向に並ぶように配置されている。すなわち、金属板２９，３０の板面（表面）に間隔をおいて複数の溝が形成された金属板２９，３０同士を重ね合わせて拡散接合するため、一方向に並ぶように低温側流路２５及び高温側流路２７が形成される。低温側流路２５及び高温側流路２７は、何れも断面が半円形状に形成されている。各低温側流路２５には、低温側流入ヘッダ１４を通して低温側流体が流入する。また、高温側流路２７には、高温側流入ヘッダ１７を通して高温側流体が流入する。
　ここで、拡散接合とは、金属板２９，３０同士を互いに密着させ、金属板２９，３０を構成する素材の融点以下の温度に加熱された温度条件で、かつ塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して金属板２９，３０同士を接合する方法である。このため、隣接する層間の境界が明確に現れているわけではない。なお、各層は、拡散接合によって接合されるものに限られない。この場合、層同士の境界が現れていてもよい。
　図示省略しているが、積層体１２における高温層２３及び低温層２１の積層方向における両端部にはそれぞれ端板が配置されている。高温層２３及び低温層２１は、この端板間に挟み込まれた構成となっている。
　図３は、高温層２３を形成する金属板２９の板面（外面）を概略的に示している。金属板２９は細長い矩形状に形成されており、金属板２９の板面には複数の溝３２が並ぶように形成されている。この溝３２は、積層体１２が形成されたときに高温側流路２７を形成する溝である。溝３２の一端部３２ａは、矩形の一方の長辺における端部の近傍に開口していて、溝３２は、この開口から矩形の短辺に沿う方向に延びている。そして、溝３２は、矩形の短辺に沿う方向から折れ曲がり、矩形の長辺に沿う方向に延びている。そして、溝３２は、再度折れ曲がり、再び短辺に沿う方向に延びている。溝３２の他端部３２ｂは、もう一方の長辺（溝３２の一端部３２ａが開口する長辺とは反対側の長辺）において、前記端部とは反対側の端部の近傍に開口している。溝３２は全体として見ると２箇所で折れ曲がる形状であるが、溝３２は、微視的には、直線状に延びているのではなく、波状に蛇行しながら延びている。なお、溝３２は、波形に形成されているのではなく、直線状に延びていてもよい。
　図４は、低温層２１を形成する金属板３０の板面（外面）を概略的に示している。金属板３０は高温層２３を形成する金属板２９と同じ外形を有しており、金属板３０の板面には複数の溝３４が並ぶように形成されている。この溝３４は、積層体１２が形成されたときに低温側流路２５を形成する溝である。溝３４の一端部３４ａは、矩形の一方の短辺に開口し、溝３４は、矩形の長辺に沿う方向に延びている。そして、溝３４の他端部３４ｂは、矩形のもう一方の短辺に開口している。
　低温層２１に形成された溝３４、すなわち、低温層２１の低温側流路２５は、それぞれ、上流側部３７と、下流側部３８と、を有している。上流側部３７は、低温側流入ヘッダ１４に繋がる部分であり、下流側部３８は、低温側流出ヘッダ１５に繋がる部分である。すなわち、低温側流入ヘッダ１４を通して導入された低温側流体は、各低温側流路２５の上流側部３７に流入する。各上流側部３７を流れ出た低温側流体は、各下流側部３８を流れ、その後、低温側流出ヘッダ１５内で合流される。上流側部３７においては、液状の低温側流体は、高温側流体の熱によって加熱され、その少なくとも一部が蒸発する。下流側部３８においては、蒸発した低温側流体が高温側流体の熱によってさらに加温される。すなわち、上流側部３７は、低温側流体が蒸発する蒸発部であり、下流側部３８は、蒸発した低温側流体がさらに加熱される加温部である。
　上流側部３７はそれぞれ、直線状に延びる形状であり、下流側部３８はそれぞれ波形に蛇行しながら延びる形状となっている。また、隣接する上流側部３７同士の流路ピッチは、隣接する下流側部３８同士の流路ピッチよりも広く設定されている。例えば、上流側部３７における流路ピッチは、下流側部３８における流路ピッチの２倍の広さのピッチとなっている。このように、上流側部３７と下流側部３８とにおいて流路形状及び流路ピッチが異なる。これにより、低温層２１における所定面積に占める上流側部３７の面積の割合は、低温層２１における所定面積に占める下流側部３８の面積の割合よりも低く設定されている。つまり、低温層２１における所定面積のうち、上流側部３７によって形成される伝熱面の面積の割合が、下流側部３８によって形成される伝熱面の面積の割合よりも低く設定されている。これにより、上流側部３７における伝熱性能が下流側部３８における伝熱性能に比べて低く抑えられている。この結果、低温側流体が蒸発する上流側部３７における壁面温度を、上流側部３７での伝熱性能が低く抑えられていない場合に比べて、高温層２３の温度に近づけることができる。
　この点について、図５を用いて、具体的に説明する。図５は、高温側流体の温度と、高温層２３を構成する部材温度（高温側流路２７と低温側流路２５との間に位置する金属板２９の温度即ち壁面温度）と、低温側流体の温度との関係を説明するものである。
　高温側流路２７内を流れる高温側流体の温度をＴＨ（℃）とし、低温側流路２５内を流れる低温側流体の温度とＴＬ（℃）とし、高温側流路２７と低温側流路２５との間に位置する部材（金属板２９）の温度即ち壁面温度をＴＷ（℃）とする。部材の温度ＴＷは、高温側流路２７における伝熱面の温度ＴＷ１（℃）と、低温側流路２５における伝熱面の温度ＴＷ２（℃）との平均値として表すことができる。高温側流路２７によって形成される伝熱面の面積をＡＨ（ｍ２）とし、低温側流路２５によって形成される伝熱面の面積をＡＬ（ｍ２）とし、高温側流路２７によって形成される伝熱面における熱伝達率をｈＨ（Ｗ／ｍ２Ｋ）とし、低温側流路２５によって形成される伝熱面における熱伝達率をｈＬ（Ｗ／ｍ２Ｋ）とする。
　高温側流路２７によって形成される伝熱面を通過する熱量ｑ１及び低温側流路２５によって形成される伝熱面を通過する熱量ｑ２はそれぞれ以下の式（１）（２）で表すことができる。
ｑ１＝ｈＨ×ＡＨ×（ＴＨ－ＴＷ）　・・・（１）
ｑ２＝ｈＬ×ＡＬ×（ＴＷ－ＴＬ）　・・・（２）
　熱量ｑ１と熱量ｑ２は等しいため、熱量ｑ１が一定であると仮定した場合において、例えば低温側流路２５における伝熱面の面積ＡＬが小さく設定されれば、式（１）及び式（２）から、壁面温度ＴＷは高くなる。すなわち、低温側流路２５における上流側部３７の面積が小さく設定されれば、壁面温度ＴＷが高くなる。このため、壁面温度ＴＷを高温層２３の温度に近づけることができる。また、上流側部３７において、熱伝達率ｈＬが小さくなるように設定される場合も同様である。
　なお、本実施形態では、上流側部３７と下流側部３８とにおいて、流路形状及び流路ピッチが異なる設定となっているが、これに限られない。例えば、低温側流路２５の上流側部３７が直線状に形成されるとともに下流側部３８が波形又はジグザグ状に形成される一方で、流路ピッチ及び流路幅が上流側部３７と下流側部３８とにおいて同じに設定されてもよい。これにより、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の伝熱面の面積の割合が、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の伝熱面の面積の割合よりも低く設定される。あるいは、上流側部３７及び下流側部３８の流路形状及び流路幅が同じに形成される一方で、上流側部３７の流路ピッチが下流側部３８の流路ピッチよりも広く設定されていてもよい。あるいは、上流側部３７及び下流側部３８において流路形状及び流路ピッチが同じに形成される一方で、上流側部３７の流路幅が下流側部３８の流路幅よりも狭く設定されていてもよい。あるいは、上流側部３７及び下流側部３８において流路形状、流路ピッチ及び流路幅が同じに形成される一方で、上流側部３７の流路深さが下流側部３８の流路深さよりも浅く設定されていてもよい。
　図４に示すように、複数の上流側部３７と、複数の下流側部３８との間には、これらに繋がる連通流路４０が形成されている。連通流路４０は、複数の上流側部３７を横断する方向に延びる形状を有している。連通流路４０は、全ての上流側部３７に繋がっているため、各上流側部３７を流れた低温側流体は連通流路４０に合流する。したがって、上流側部３７間で流量又は圧力に偏り又は差が生じた場合であっても、連通流路４０においてそれが解消される。そして、その状態で低温側流体は連通流路４０から各下流側部３８に分流される。なお、連通流路４０は省略されてもよい。すなわち、複数の上流側部３７と複数の下流側部３８とが連通流路４０を通して互いに連通するのではなく、各上流側部３７が各下流側部３８に直接的に接続されることにより、各上流側部３７が各下流側部３８にそれぞれ連通していてもよい。
　以上説明したように、本実施形態では、低温層２１において、高温側流体によって加熱される前の低温側流体が上流側部３７に流入し、上流側部３７で高温側流体によって加熱された低温側流体が下流側部３８を流れる。このため、低温側流体の温度は、上流側部３７において相対的に低く、下流側部３８において相対的に高い。そして、低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部３７において、伝熱面面積の割合が、下流側部３８での割合よりも相対的に低く設定されている。このため、上流側部３７においては、低温側流体から低温層２１を構成する部材への伝熱が抑制されている。このため、低温層２１を構成する部材の温度（低温層２１における低温側流路２５の壁面温度）が過度に低下することを抑制することができる。このため、上流側部３７を流れる低温側流体によって冷却される高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。一方、上流側部３７において蒸発した低温側流体をさらに加温する下流側部３８においては、伝熱面面積の割合が相対的に高く設定されている。これにより、上流側部３７に比べ所定面積中の伝熱性能が相対的に高い。したがって、低温側流体を所望の温度まで加温することができる。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を抑制しつつ、所望の温度の低温側流体を得ることができる。しかも、高温層２３に隣接する第２高温層が設けられない場合であっても、高温側流体の過度の温度低下を抑制することができる。
　また本実施形態では、低温側流路２５の下流側部３８が波形形状を有する。このため、低温側流体の飛沫同伴時の伝熱性能低下を抑制することができる。すなわち、低温側流路２５が波形に形成されている場合、低温側流体が気液二相状態で流れる場合であっても、飛沫同伴された液滴が流路壁面に衝突しやすくなる。つまり、波形の流路においては、ガス（低温側流体）の流れが乱れやすいため、流路壁面に沿ってガス層が形成されることが抑制される。したがって、ガス層が形成されることによって壁面での伝熱が阻害されるという事態が生ずることを抑制することができる。言い換えると、低温側流体が飛沫同伴で流れるときの蒸発が促進されるため、熱交換性能が低下することを避けることができる。
　また本実施形態では、低温層２１が、上流側部３７のそれぞれに繋がるとともに下流側部３８のそれぞれに繋がる連通流路４０を備えている。このため、上流側部３７間において低温側流体の偏流が発生したとしても、低温側流体が連通流路４０に流入することによって、低温側流体の偏流が解消する。したがって、低温側流体が下流側部３８に流入する際の偏流を防止することができ、各下流側部３８間において低温側流体の圧力に差が生ずることを抑制することができる。また、流路毎の偏流が抑制されることにより、低温層２１及び高温層２３を構成する部材に熱応力の偏りが生ずることを抑制することができる。
　本実施形態において、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の面積の割合は、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の面積の割合の１／６以上１／２以下に設定されていてもよい。面積比が１／６以上に設定されることにより、上流側部３７における圧力損失が過大になることを防止することができるとともに、上流側部３７における熱交換量が小さくなり過ぎることを防止できる。これにより、低温側流体が所定の温度まで加熱されないことを防止することができる。また、面積比が１／２以下に設定されることにより、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を効果的に抑制することができる。
　なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。
　例えば、前記実施形態では、上流側部３７が直線状に形成されるとともに、下流側部３８が波形に形成されている。これに対し、図６に示す形態では、上流側部３７及び下流側部３８の何れもが直線状に形成される一方で、上流側部３７の流路ピッチが下流側部３８の流路ピッチよりも大きく設定されている。より具体的には、上流側部３７の流路幅が下流側部３８の流路幅と同じ寸法であるのに対し、上流側部３７の流路ピッチは、下流側部３８の流路ピッチの２倍に設定されている。すなわち、低温層２１において所定面積に占める上流側部３７の伝熱面の面積の割合が、低温層２１において所定面積に占める下流側部３８の伝熱面の面積の割合の１／２に設定されている。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を効果的に抑制することができる。また、上流側部３７における流路ピッチが下流側部３８における流路ピッチの２倍に設定されることにより、低温側流体の流入部近傍において積層体１２内の温度変化が緩やかになり、起動、停止、運転時の熱応力変化が抑制される。
　図６に示す形態は、図４に示す形態と異なり、低温側流路２５は途中で折れ曲がっている。すなわち、金属板３０の板面（表面）に形成された溝３４の一端部３４ａは、矩形の一方の長辺における端部の近傍に開口し、溝３４の他端部３４ｂは、もう一方の長辺における反対側の端部の近傍に開口している。そして、溝３４は、一端部３４ａから矩形の短辺に沿う方向に延びるとともに、そこから矩形の長辺に沿う方向に向けて折れ曲がり、さらに、そこから再び、矩形の短辺に沿う方向に向けて折れ曲がっている。そして、低温側流入ヘッダ１４は、積層体１２の長手方向において、高温側流入ヘッダ１７と反対側の端部に配置され、また、低温側流出ヘッダ１５は、積層体１２の長手方向において、高温側流出ヘッダ１８と反対側の端部に配置されている。したがって、この形態でも、図１の形態と同様に、低温側流体と高温側流体とが対向流となって流れる形態となっている。
　図６に示す形態でも、複数の上流側部３７と複数の下流側部３８とに繋がる連通流路４０が形成されている。連通流路４０の幅は、上流側部３７の幅及び下流側部３８の幅と同じ寸法に設定されている。例えばエッチング加工によって溝３４を形成する場合、連通流路４０の幅及び深さが上流側部３７の幅及び深さ及び下流側部３８の幅及び深さと同じに形成されていれば、これらを同時に加工することが可能となり、製作が容易となる。ただし、連通流路４０の幅及び深さはこれに限られるものではない。それぞれの目的及び機能に応じて、連通流路４０の幅が上流側部３７の幅及び下流側部３８の幅よりも広く設定されていても、狭く設定されていてもよい。また、連通流路４０の深さは、上流側部３７の深さ及び下流側部３８の深さと同じであっても異なっていてもよい。
　連通流路４０は、上流側部３７及び下流側部３８が延びる方向に対して傾斜した方向に延びている。すなわち、連通流路４０は、各上流側部３７における折れ曲がっている部位同士を繋ぐように延びる仮想直線ＥＬに平行な方向に延びている。これは、低温側流路２５が途中の２箇所で折れ曲がる形状に形成されているため、上流側部３７において矩形の長辺に沿って延びる部位の長さが何れも同じになるようにするためである。連通流路４０に繋がるまでの各上流側部３７の長さが同じに構成されることにより、低温側流体が気液二相で流れる各上流側部３７の圧力損失（流動抵抗）を同じにすることができる。
　前記実施形態では、積層体１２において、高温層２３と低温層２１とが交互に繰り返されるように積層された構成とした。これに代え、図７に示すように、積層体１２が、高温層２３（第１高温層２３）と低温層２１に加え、第２高温層４２を有する構成としてもよい。第２高温層４２は、複数の流路４３を有しており、低温層２１とは反対側において高温層２３に積層されている。第２高温層４２の流路（高温側流路）４３には、高温層２３と同様に、高温側流体が流れる。すなわち、高温側流入ヘッダ１７に流入した高温側流体は、高温層２３の流路（高温側流路）２７だけでなく、第２高温層４２の流路４３にも流入する。第２高温層４２に形成された複数の流路４３は、高温層２３に形成された流路２７が並ぶ方向と平行な方向に並んでいる。
　この形態では、第２高温層４２は、低温側流体によって冷却され難く、また高温側流体によって加温されて高温に維持されやすい。このため、低温層２１の上流側部３７に積層される一方で第２高温層４２が積層される高温層２３は、低温側流体によって過度に冷却され難い。したがって、高温側流体の温度が過度に低下することをより一層抑制することができる。
　高温側流体の流れる方向に直交する面内において、第２高温層４２の流路４３の面積は、高温層２３の流路２７の面積よりも小さく設定されている。したがって、第２高温層４２の流路４３を流れる高温側流体の流速を、高温層２３の流路２７を流れる高温側流体の流速よりも高くすることができる。ただし、この構成に限られるものではなく、高温側流体の流れる方向に直交する面内における第２高温層４２の流路４３の面積が、高温層２３の流路２７の断面積と同じ面積に設定されていてもよい。また、高温側流体の流れる方向に直交する面内において、低温層２１の流路２５の面積と、高温層２３の流路２７の面積と、第２高温層４２の流路４３の面積とが同じ面積に設定されていてもよい。
　ここで、前記実施形態について概説する。
　（１）前記実施形態による積層型熱交換器は、高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備える。前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有する。前記低温層において所定面積に占める複数の上流側部の面積の割合は、前記低温層において前記所定面積に占める複数の下流側部の面積の割合よりも低い。
　前記積層型熱交換器では、低温層において、高温側流体によって加熱される前の低温側流体が複数の上流側部に流入し、複数の上流側部で高温側流体によって加熱された低温側流体が複数の下流側部を流れる。このため、低温側流体の温度は、上流側部において相対的に低く、下流側部において相対的に高い。そして、低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部において、伝熱面面積の割合が下流側部での割合よりも相対的に低く設定されている。例えばストレート流路のような伝熱を促進しない流路が下流側部として用いられてもよい。このため、低温側流体から低温層を構成する部材への伝熱が抑制されている。このため、低温層を構成する部材の温度（低温層の壁面温度）が過度に低下することを抑制することができる。このため、上流側部を流れる低温側流体によって冷却される高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。一方、上流側部において蒸発した低温側流体をさらに加温する下流側部においては、伝熱面面積の割合が相対的に高く設定されている。これにより、上流側部に比べ所定面積中の伝熱性能が相対的に高い。したがって、低温側流体を所望の温度まで加温することができる。したがって、低温側流体の冷熱による高温側流体の過度の温度低下を抑制しつつ、所望の温度の低温側流体を得ることができる。しかも、第１高温層に隣接する第２高温層が設けられない場合であっても、高温側流体の過度の温度低下を抑制することができる。
　（２）前記積層型熱交換器において、流路形状、流路ピッチ、流路幅及び流路深さの少なくとも一つが異なることにより、前記低温層において前記所定面積に占める前記複数の上流側部の面積の割合が、前記低温層において前記所定面積に占める前記複数の下流側部の面積の割合よりも低くてもよい。
　（３）前記積層型熱交換器は、前記高温側流体が導入される複数の流路を有し、前記低温層とは反対側において前記高温層に積層された第２高温層をさらに備えていてもよい。
　この態様では、第２高温層は、低温側流体によって冷却され難く、また高温側流体によって加温されて高温に維持されやすい。このため、低温層の上流側部に積層される一方で第２高温層が積層される高温層は、低温側流体によって過度に冷却され難い。したがって、高温側流体の温度が過度に低下することをより一層抑制することができる。
　（４）前記低温層は、前記複数の流路のそれぞれの前記上流側部に連通するとともに、前記複数の流路のそれぞれの前記下流側部に連通する連通流路を備えていてもよい。
　この態様では、上流側部において低温側流体の偏流が発生したとしても、低温側流体が連通流路に流入することによって、低温側流体の偏流が解消する。したがって、低温側流体が下流側部に流入する際の偏流を防止することができ、各下流側部間において低温側流体の圧力に差が生ずることを抑制することができる。また、流路毎の偏流が抑制されることにより、低温層を構成する部材に熱応力の偏りが生ずることを抑制することができる。
　（５）前記複数の上流側部のそれぞれの長さは同じであってもよい。
　（６）前記複数の上流側部はそれぞれ、直線状に延びる形状を有していてもよい。この場合において、前記複数の下流側部はそれぞれ、波形又はジグザグ状に延びる形状を有していてもよい。
　（７）前記複数の上流側部はそれぞれ、直線状に延びる形状を有していてもよい。この場合において、前記複数の下流側部はそれぞれ、前記上流側部とは流路ピッチ、流路幅及び流路深さの少なくとも一つが異なるとともに、直線状に延びる形状を有していてもよい。
　以上説明したように、前記実施形態によれば、第２高温層を必須の構成要素としなくても、低温側流体の冷熱を制限することによって、高温層内の高温側流体の温度が過度に低下することを抑制することができる。

Claims (7)

  1. 　高温側流体が導入される複数の流路を有する高温層と、
    　前記高温側流体よりも低温の低温側流体が導入される複数の流路を有し、前記高温層に積層された低温層と、を備え、
    　前記低温層の前記複数の流路はそれぞれ、前記高温層内を流れる高温側流体によって加熱されて前記低温側流体の少なくとも一部が蒸発する上流側部と、前記上流側部で蒸発した低温側流体が前記高温層内を流れる高温側流体によって加温される下流側部と、を有し、
    　前記低温層において所定面積に占める複数の上流側部の面積の割合は、前記低温層において前記所定面積に占める複数の下流側部の面積の割合よりも低い積層型熱交換器。
  2. 　請求項１に記載の積層型熱交換器において、
    　流路形状、流路ピッチ、流路幅及び流路深さの少なくとも一つが異なることにより、前記低温層において前記所定面積に占める前記複数の上流側部の面積の割合が、前記低温層において前記所定面積に占める前記複数の下流側部の面積の割合よりも低い積層型熱交換器。
  3. 　請求項１に記載の積層型熱交換器において、
    　前記高温側流体が導入される複数の流路を有し、前記低温層とは反対側において前記高温層に積層された第２高温層をさらに備えている積層型熱交換器。
  4. 　請求項１から３の何れか１項に記載の積層型熱交換器において、
    　前記低温層は、前記複数の流路のそれぞれの前記上流側部に連通するとともに、前記複数の流路のそれぞれの前記下流側部に連通する連通流路を備えている積層型熱交換器。
  5. 　請求項１に記載の積層型熱交換器において、
    　前記複数の上流側部のそれぞれの長さは同じである積層型熱交換器。
  6. 　請求項１に記載の積層型熱交換器において、
    　前記複数の上流側部はそれぞれ、直線状に延びる形状を有し、
    　前記複数の下流側部はそれぞれ、波形又はジグザグ状に延びる形状を有している積層型熱交換器。
  7. 　請求項１に記載の積層型熱交換器において、
    　前記複数の上流側部はそれぞれ、直線状に延びる形状を有し、
    　前記複数の下流側部はそれぞれ、前記上流側部とは流路ピッチ、流路幅及び流路深さの少なくとも一つが異なるとともに、直線状に延びる形状を有している積層型熱交換器。
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