JP2018096581A - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で熱の交換効率の良い熱交換器を提供する。【解決手段】本発明の熱交換器は、流路層１０を備え、流路層１０が、流路層１０の一面に設けられる高温流体の流路１０ａ、流路層１０の他面に設けられる低温流体の流路１０ｂ、高温流体の流路１０ａにおいて互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起１０ｇ、及び低温流体の流路１０ｂにおいて第１突起１０ｇと同じ位置に設けられる柱状の第２突起１０ｈを有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器及びその製造方法に関するものである。

従来、複数の流路層を拡散接合することによって製造される熱交換器が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。しかしながら、従来の熱交換器では、流路が流路層の片面にしか形成されていないため、高温流体と低温流体の間で熱エネルギーを交換するために、高温流体の流路が形成された流路層とは別に低温流体の流路が形成された流路層が必要であった。

また、従来の熱交換器では、拡散接合時に加えられる圧力によって流路が押し潰されないように、流路の幅が非常に狭く設定されているので、高温流体の流路と低温流体の流路の間に形成される伝熱部の面積が小さい。したがって、熱の交換効率が悪かった。

また、従来の熱交換器では、１つの流路層に複数の流路が形成されているが、各流路を仕切る線状の隔壁によって流体の流れが規制され、単位時間当たりの流量が少ないので、熱の交換効率が悪かった。

下記特許文献１は、流路となる溝をエッチングで形成することも開示している。しかしながら、流路層の片面にエッチングで流路を形成する場合、流路の深さを流路層の厚さの５０％以上に設定すると、流路層に歪みが発生し、拡散接合に適した接合面が得られないという問題があった。一方、流路の深さを流路層の厚さの５０％未満に設定した場合、残部（流路の底面と流路層の底面との間に形成される伝熱部）の厚さは流路層の厚さの５０％以上になるため、熱の交換効率が悪かった。

特開２０１５−１５８３１５号公報

本発明が解決しようとする課題は、小型で熱の交換効率の良い熱交換器及びその製造方法を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、流路層を備え、前記流路層が、前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起、及び前記低温流体の流路において前記第１突起と同じ位置に設けられる柱状の第２突起を有することを特徴とする熱交換器を提供する。
また、本発明は、流路層を形成する工程を含み、前記工程において、板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって、前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起、及び前記低温流体の流路において前記第１突起と同じ位置に設けられる柱状の第２突起を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法を提供する。

本発明の熱交換器は、流路層の一面に高温流体の流路が設けられ、流路層の他面に低温流体の流路が設けられる。すなわち、１つの流路層に高温流体の流路と低温流体の流路が設けられるため、熱交換器の小型化を図ることが可能である。また、本発明の熱交換器は、高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起、及び低温流体の流路において第１突起と同じ位置に設けられる柱状の第２突起を有する。これらの突起は、柱状であるため、流体の流れを妨げず、熱の交換効率の向上に寄与する。特に、流路層と他の層とを拡散接合する場合には、これらの突起が他の層を支える柱として機能するため、拡散接合時の加圧によって流路が押し潰されることがなく、流路として機能し得る空間を確保することが可能である。したがって、熱の交換効率を向上させるために、流路の幅を従来よりも格段に拡大することが可能である。
本発明の熱交換器の製造方法は、流路層の両面に形成される流路が板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって形成されるため、流路層の歪みを抑制することが可能である。特に、流路層と他の層を拡散接合する場合には、流路層の歪みが非常に小さいので、拡散接合に適した接合面を得ることが可能である。また、突起を流路内に容易に形成し得るという利点がある。

図１は、実施例に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。 図２は、流路層の平面図である。 図３は、流路層の底面図である。 図４は、図２のＡ−Ａ部断面図である。 図５は、図２のＢ−Ｂ部断面図である。 図６は、図２のＣ−Ｃ部断面図である。 図７は、図２のＤ−Ｄ部断面図である。 図８は、隔壁層の平面図である。 図９は、流路層、他の流路層及び隔壁層を重ね合わせた断面図である。 図１０は、流路層、他の流路層及び隔壁層を重ね合わせた断面図である。 図１１は、上蓋の平面図である。 図１２は、下蓋の平面図である。 図１３は、他の実施例に係る熱交換器を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明するが、本発明の技術的範囲は以下の説明の内容に限定されるものではない。

図１に示したように、本実施例に係る熱交換器は、流路層１０、隔壁層２０、上蓋３０及び下蓋４０を有し、それらが積層された積層体である。

流路層１０は、板状の基材に流体の流路が形成された層である。図２及び図３に示したように、流路層１０は、高温流体の流路１０ａ、低温流体の流路１０ｂ、高温流体の入口１０ｃ及び出口１０ｄ、低温流体の入口１０ｅ及び出口１０ｆ、第１突起１０ｇ、第２突起１０ｈ、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ、第６突起１０ｌ、伝熱部１０ｍ、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ並びに第４隔離部１０ｑを有する。

高温流体という用語は、低温流体よりも温度の高い流体を意味し、低温流体という用語は、高温流体よりも温度が低い流体を意味する。

高温流体の流路１０ａは、流路層１０の一面に設けられる。低温流体の流路１０ｂは、流路層１０の他面（一面の反対側の面）に設けられる。図２及び図３に示したように、これらの流路１０ａ，１０ｂの幅（ｗ１，ｗ２）は、流体の流量を増加させるため、流路層１０の幅（Ｗ１，Ｗ２）の５０％以上であることが好ましい。そのように設定することによって、流体の流量が増加し、また、高温流体と低温流体が交差する部分（高温流体の流路１０ａと低温流体の流路１０ｂとの間に形成される伝熱部１０ｍ）の面積が増大するため、熱の交換効率を向上させることができる。

これらの流路１０ａ，１０ｂの幅（ｗ１，ｗ２）を流路層１０の幅（Ｗ１，Ｗ２）の５０％未満に設定することも、また、それによって流路層１０の一面及び／又は他面に複数の流路を設けることも可能である。しかしながら、その場合には、流体の流量が減少し、また、伝熱部１０ｍの面積も小さくなるため、熱の交換効率が低下する。

図５に示したように、高温流体の流路１０ａの深さ（Ｄ１）は、流路層１０の厚さ（Ｔ１）の２５％以上であることが好ましい。低温流体の流路１０ｂの深さ（Ｄ２）も、同様に、流路層１０の厚さ（Ｔ１）の２５％以上であることが好ましい。そのように設定することによって、伝熱部１０ｍの厚さ（Ｔ２）が５０％以下になるので、熱の交換効率を向上させることができる。もっとも、熱の交換効率をさらに向上させるために、これらの流路１０ａ，１０ｂの深さ（Ｄ１，Ｄ２）を、流路層１０の厚さ（Ｔ１）の３０％以上、３５％以上又は４０％以上に設定することがさらに好ましい。本実施例では、これらの流路１０ａ，１０ｂの深さ（Ｄ１，Ｄ２）を流路層１０の厚さ（Ｔ１）の４０％に設定している。それにより、伝熱部１０ｍの厚さ（Ｔ２）は、流路層１０の厚さ（Ｔ２）の２０％であるため、熱の交換効率が非常に良好である。

図２及び図４に示したように、高温流体の入口１０ｃ及び出口１０ｄは、流路層１０を貫通する長穴である。図２に示したように、高温流体の入口１０ｃ及び出口１０ｄの幅は、高温流体の流路１０ａの幅と等しいことが好ましい。そのように設定することによって、高温流体の流量を増加させることができる。高温流体の入口１０ｃ及び出口１０ｄの幅を高温流体の流路１０ａの幅よりも狭く又は広く設定することも可能である。

図３及び図６に示したように、低温流体の入口１０ｅ及び出口１０ｆは、流路層１０を貫通する長穴である。図３に示したように、低温流体の入口１０ｅ及び出口１０ｆの幅は、低温流体の流路１０ｂの幅と等しいことが好ましい。そのように設定することによって、低温流体の流量を増加させることができる。低温流体の入口１０ｅ及び出口１０ｆの幅を低温流体の流路１０ｂの幅よりも狭く又は広く設定することも可能である。

図２及び図４に示したように、第１突起１０ｇは、柱状であり、高温流体の流路１０ａにおいて互いに間隔を置いて設けられる。本実施例では、第１突起１０ｇの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第１突起１０ｇの形状を楕円柱又は流線形としても良い。

図３及び図４に示したように、第２突起１０ｈは、柱状であり、低温流体の流路１０ｂにおいて第１突起１０ｇと同じ位置に設けられる。本実施例では、第２突起１０ｈの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第２突起１０ｈの形状を楕円柱又は流線形としても良い。

第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈは、柱状であるため、各流路１０ａ，１０ｂにおいて流体の流れを妨げず、熱の交換効率の向上に寄与する。特に、流路層１０と他の層（例えば、隔壁層２０）とを拡散接合する場合には、図９及び図１０に示したように、第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈが他の層を支える柱として機能するため、拡散接合時の加圧によって流路１０ａ，１０ｂが押し潰されることがなく、流路１０ａ，１０ｂとして機能し得る空間を確保することができる。したがって、熱の交換効率を向上させるために、上記したように、流路１０ａ，１０ｂの幅を従来よりも格段に拡大することができる。また、第１突起１０ｇと第２突起１０ｈが伝熱部１０ｍを挟んで同じ位置に設けられているため、流路層１０に他の層を接合するときに、他の層を支持する強度を高めることができる。

上記した第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈは、伝熱部１０ｍから突出するように設けられている。これに対し、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ及び第６突起１０ｌは、伝熱部１０ｍ以外の部分から突出するように設けられている。

すなわち、図３及び図６に示したように、第３突起１０ｉは、低温流体の流路１０ｂにおいて低温流体の入口１０ｅ付近、すなわち、低温流体の入口１０ｅと高温流体の流路１０ａとの間に形成される第１隔離部１０ｎの真下に設けられる。第４突起１０ｊは、低温流体の流路１０ｂにおいて低温流体の出口１０ｆ付近、すなわち、低温流体の出口１０ｆと高温流体の流路１０ａとの間に形成される第２隔離部１０ｏの真下に設けられる。

図２及び図４に示したように、第５突起１０ｋは、高温流体の流路１０ａにおいて高温流体の入口１０ｃ付近、すなわち、高温流体の入口１０ｃと低温流体の流路１０ｂとの間に形成される第３隔離部１０ｐの真上に設けられる。第６突起１０ｌは、高温流体の流路１０ａにおいて高温流体の出口１０ｄ付近、すなわち、高温流体の出口１０ｄと低温流体の流路１０ｂとの間に形成される第４隔離部１０ｑの真上に設けられる。

上記した第１隔離部１０ｎ及び第２隔離部１０ｏは、図７に示したように、低温流体が高温流体の流路１０ａに進入することを防ぐ部分である。一方、第３隔離部１０ｐ及び第４隔離部１０ｑは、図５に示したように、高温流体が低温流体の流路１０ｂに進入することを防ぐ部分である。

図１に示したように、隔壁層２０は、流路層１０と他の流路層１０’との間に配置される。隔壁層２０は、流路層１０の低温流体の流路１０ｂと他の流路層１０’の高温流体の流路とを仕切る層である。

他の流路層１０’は、上記した流路層１０と同じ構成要素を有する。すなわち、他の流路層１０’は、少なくとも高温流体の流路、低温流体の流路、高温流体の入口及び出口、低温流体の入口及び出口、第１突起、第２突起、伝熱部、第１隔離部、第２隔離部、第３隔離部並びに第４隔離部を有する。他の流路層１０’と他の層（例えば、隔壁層２０）とを拡散接合する場合には、他の流路層１０’は、第３突起、第４突起、第５突起及び第６突起をさらに有することが好ましい。

図１及び図８に示したように、隔壁層２０は、板状であり、流路層１０に形成される流体の入口１０ｃ，１０ｅと他の流路層１０’に形成される流体の入口を連通させる長穴２０ａ，２０ｃを有し、また、流路層１０に形成される流体の出口１０ｄ，１０ｆと他の流路層１０’に形成される流体の出口を連通させる長穴２０ｂ，２０ｄを有する。

隔壁層２０の厚さは、流路層１０の高温流体の流路１０ａと流路層１０の低温流体の流路１０ｂとの間に形成される伝熱部１０ｍの厚さと等しい又は伝熱部１０ｍの厚さよりも薄いことが好ましい。そのように設定することによって、流路層１０の低温流体の流路１０ｂと他の流路層１０’の高温流体の流路との間でも効率よく熱の交換を行うことができる。

ここで図１０を参照すると、流路層１０、他の流路層１０’及び隔壁層２０を重ね合わせたときに、流路層１０に形成された第３突起１０ｉは、第１隔離部１０ｎと隔壁層２０との間に介在し、流路層１０に形成された第４突起１０ｊは、第２隔離部１０ｏと隔壁層２０との間に介在している。一方、図９を参照すると、他の流路層１０’に形成された第５突起１０ｋ’は、第３隔離部１０ｐ’と隔壁層２０との間に介在し、他の流路層１０’に形成された第６突起１０ｌ’は、第４隔離部１０ｑ’と隔壁層２０との間に介在している。この構成によれば、拡散接合するときに、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ’及び第４隔離部１０ｑ’が第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ’及び第６突起１０ｌ’にそれぞれ支持され、それにより、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ’及び第４隔離部１０ｑ’に圧力が十分加わるため、隔壁層２０との良好な接合が得られる。したがって、接合不良による流体の漏洩を効果的に防止することができる。

図１に示したように、上蓋３０は、最上の流路層１０の上に配置され、最上の流路層１０の高温流体の流路１０ａを覆う役割を果たす層である。図１及び図１１に示したように、上蓋３０は、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管、及び低温流体の排出管が接続される穴３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。

図１に示したように、下蓋４０は、最下の流路層１０’’の下に配置され、最下の流路層１０’’の低温流体の流路を覆う役割を果たす層である。図１及び図１２に示したように、下蓋４０は、穴等が何も形成されていない板状体である。なお、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管、及び低温流体の排出管の一部又は全部を接続するための穴を下蓋４０に形成しても良いし、それらの一部又は全部を接続するための穴を上蓋及び下蓋によって形成される面以外の面に形成しても良い。例えば、他の実施例では、図１３に示したように、低温流体の排出管を接続するための穴５１が熱交換器の正面に形成され、高温流体の排出管を接続するための穴５２が熱交換器の左側面に形成されている。

上記のように構成される熱交換器では、高温流体が上蓋３０の穴３０ａ及び高温流体の入口１０ｃを通って高温流体の流路１０ａに流入し、その後、高温流体の出口１０ｄ及び上蓋３０の穴３０ｂを通って排出される。一方、低温流体は、上蓋３０の穴３０ｃ及び低温流体の入口１０ｅを通って低温流体の流路１０ｂに流入し、その後、低温流体の出口１０ｆ及び上蓋３０の穴３０ｄを通って排出される。本実施例に係る熱交換器によれば、高温流体及び低温流体の流量が従来よりも増加し、さらに伝熱部１０ｍの面積が従来よりも格段に広いため、熱の交換効率が非常に良い。また、１つの流路層１０に高温流体の流路１０ａと低温流体の流路１０ｂが設けられるため、熱交換器の小型化を図ることが可能である。

次に、好ましい製法について説明する。

本実施例の熱交換器は、流路層１０、隔壁層２０、上蓋３０、及び下蓋４０を提供し、それらを重ね合わせて拡散接合することによって製造されることが好ましい。但し、接合方法は、拡散接合法に限定されない。

流路層１０は、板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって製造されることが好ましい。本実施例では、このエッチングによって、高温流体の流路１０ａ、低温流体の流路１０ｂ、第１突起１０ｇ、第２突起１０ｈ、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ、第６突起１０ｌ、伝熱部１０ｍ、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ及び第４隔離部１０ｑが形成される。この方法によれば、基材の片面にエッチングをする場合と比較して、流路層１０の歪みを非常に小さくすることができる。特に、流路層１０と他の層を拡散接合する場合には、流路層１０の歪みが非常に小さいので、拡散接合に適した接合面を得ることができる。また、突起１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｋ，１０ｌを流路１０ａ，１０ｂ内に容易に形成し得るという利点もある。

１０，１０’，１０’’ 流路層
１０ａ 高温流体の流路
１０ｂ 低温流体の流路
１０ｃ 高温流体の入口
１０ｄ 高温流体の出口
１０ｅ 低温流体の入口
１０ｆ 低温流体の出口
１０ｇ 第１突起
１０ｈ 第２突起
１０ｉ 第３突起
１０ｊ 第４突起
１０ｋ，１０ｋ’ 第５突起
１０ｌ，１０ｌ’ 第６突起
１０ｍ 伝熱部
１０ｎ 第１隔離部
１０ｏ 第２隔離部
１０ｐ，１０ｐ’ 第３隔離部
１０ｑ，１０ｑ’ 第４隔離部
２０ 隔壁層
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 長穴
３０ 上蓋
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，５１，５２ 穴
４０ 下蓋
ｗ１ 高温流体の流路の幅
ｗ２ 低温流体の流路の幅
Ｗ１，Ｗ２ 流路層の幅
Ｄ１ 高温流体の流路の深さ
Ｄ２ 低温流体の流路の深さ
Ｔ１ 流路層の厚さ
Ｔ２ 伝熱部の厚さ

Claims (9)

1. 流路層を備え、前記流路層が、
   前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、
   前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、
   前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起、及び
   前記低温流体の流路において前記第１突起と同じ位置に設けられる柱状の第２突起
   を有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記高温流体の流路の幅が前記流路層の幅の５０％以上であり、前記低温流体の流路の幅が前記流路層の幅の５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記高温流体の流路の深さが前記流路層の厚さの２５％以上であり、前記低温流体の流路の深さが前記流路層の厚さの２５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記流路層と同じ構成要素を有する他の流路層、及び
   前記流路層と前記他の流路層との間に配置される隔壁層
   をさらに備え、
   前記隔壁層の厚さが、前記流路層の高温流体の流路と前記流路層の低温流体の流路の間に形成される伝熱部の厚さと等しい又は前記伝熱部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記流路層に設けられる高温流体の入口及び出口、並びに
   前記流路層に設けられる低温流体の入口及び出口
   をさらに備え、
   前記高温流体の入口及び出口の幅が前記高温流体の流路の幅と等しく、前記低温流体の入口及び出口の幅が前記低温流体の流路の幅と等しいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記流路層に設けられる高温流体の入口及び出口、
   前記流路層に設けられる低温流体の入口及び出口、
   前記流路層と同じ構成要素を有する他の流路層、
   前記流路層と前記他の流路層との間に配置される隔壁層、
   前記低温流体の入口と前記高温流体の流路との間に形成される第１隔離部と前記隔壁層との間に介在する第３突起、
   前記低温流体の出口と前記高温流体の流路との間に形成される第２隔離部と前記隔壁層との間に介在する第４突起、
   前記他の流路層の高温流体の入口と低温流体の流路との間に形成される第３隔離部と前記隔壁層との間に介在する第５突起、並びに
   前記他の流路層の高温流体の出口と低温流体の流路との間に形成される第４隔離部と前記隔壁層との間に介在する第６突起
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
7. 第１突起及び第２突起の形状が円柱、楕円柱又は流線形であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 流路層を形成する工程を含み、前記工程において、板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって、前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第１突起、及び前記低温流体の流路において前記第１突起と同じ位置に設けられる柱状の第２突起を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法。
9. 前記流路層、前記流路層と同じ構成要素を有する他の流路層、及び前記流路層と前記他の流路層との間に配置される隔壁層を拡散接合することを含む請求項８に記載の熱交換器の製造方法。

Images