WO2018066128A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2018066128A1
WO2018066128A1 PCT/JP2016/079980 JP2016079980W WO2018066128A1 WO 2018066128 A1 WO2018066128 A1 WO 2018066128A1 JP 2016079980 W JP2016079980 W JP 2016079980W WO 2018066128 A1 WO2018066128 A1 WO 2018066128A1
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flow path
fluid
adjustment layer
heat
heat transfer
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PCT/JP2016/079980
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高橋　優
藤田　泰広
達也 森川
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Sumitomo Precision Products Co Ltd
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Sumitomo Precision Products Co Ltd
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Definitions

  • This invention relates to a heat exchanger, and more particularly to a heat exchanger that performs heat exchange between a first fluid and a second fluid.
  • a heat exchanger that performs heat exchange between a first fluid and a second fluid is known.
  • Such a heat exchanger is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-101617.
  • the fluid is allowed to flow between the heat exchange passage packages in which the first passage for flowing the first fluid and the second passage for flowing the second fluid are alternately arranged.
  • a plate fin type heat exchanger with no layer is disclosed.
  • the thermal stress increases as the temperature gradient increases. Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-101617, a layer that does not allow fluid flow is provided in the heat exchange passage package. The thermal stress is reduced by suppressing the temperature gradient.
  • the heat exchanger disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-101617 is particularly used for applications such as liquefaction or vaporization of natural gas having a large temperature difference between fluids.
  • the passage may be blocked by freezing.
  • the heat exchanger of the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-101617 it is possible to reduce thermal stress by providing a layer that does not flow a fluid and suppressing excessive heat transfer between flow paths, No consideration is given to the risk of freezing of the flow path, and there is a problem that the flow path may be blocked due to freezing. Further, simply providing a layer that does not allow a fluid to flow between the flow paths reduces the heat exchange performance, so that there is a problem that the heat exchanger becomes large due to an increase in the length of the flow path.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • One object of the present invention is to suppress freezing of a fluid even when heat exchange is performed between fluids having a large temperature difference. It is providing the heat exchanger which can suppress an enlargement.
  • a heat exchanger includes a first flow path for flowing a first fluid, a second flow path for flowing a second fluid, a first flow path adjacent to each other, and a second flow path.
  • An adjustment layer that is disposed between the flow path and adjusts the amount of heat exchange between the first flow path and the second flow path, and the adjustment layer is more heat transfer than the first portion and the first portion.
  • a second portion having low performance and is configured to have different heat transfer performance depending on the position in the adjustment layer.
  • the heat exchanger is disposed between the first flow path and the second flow path that are adjacent to each other, and adjusts the amount of heat exchange between the first flow path and the second flow path.
  • An adjustment layer is provided. Thereby, it can suppress that heat is transmitted between the 1st flow path and the 2nd flow path too much by the adjustment layer between the 1st flow path and the 2nd flow path. As a result, even when heat exchange is performed between fluids having a large temperature difference, fluid freezing can be suppressed.
  • the adjustment layer is provided with a first portion and a second portion having a heat transfer performance lower than that of the first portion, and the adjustment layer is configured to have different heat transfer performance depending on the position in the adjustment layer.
  • heat transfer performance is sufficiently lowered by placing the second part at a location where freezing is likely to occur in the flow path, and relative heat transfer performance is achieved by placing the first portion at a location where freezing is difficult to occur. It is possible to ensure high heat exchange performance. Thereby, it is possible to suppress an increase in the flow path length necessary for realizing a desired heat exchange amount. As described above, even when heat exchange is performed between fluids having a large temperature difference, an increase in the size of the heat exchanger can be suppressed while suppressing freezing of the fluid.
  • the heat transfer performance is sufficiently lowered by arranging the second portion at a location where boiling is likely to occur in the flow path, and the heat transfer performance is obtained by arranging the first portion at a location where boiling is difficult to occur. Can be relatively high. Thereby, it is possible to suppress an increase in the flow path length necessary for realizing a desired heat exchange amount. As a result, it is possible to suppress an increase in the size of the heat exchanger while suppressing unintended boiling of the fluid.
  • the second portion is provided in a predetermined range including a portion of the adjustment layer that overlaps with the vicinity of the inlet or the outlet of the second fluid.
  • the second fluid is included so as to include a portion that overlaps with the vicinity of the outlet of the second fluid that is likely to freeze.
  • the occurrence of freezing can be effectively suppressed.
  • the freezing is performed. The occurrence of freezing can be effectively suppressed by providing the second portion so as to include a portion that overlaps the vicinity of the inlet of the second fluid that is likely to occur.
  • the second flow path includes a risk region where the inner surface temperature is closest to the temperature of the first fluid, and the second portion is the second flow path of the adjustment layer. It is arrange
  • the risk region is calculated by calculating the temperature distribution of the inner surface of the second flow path when the adjustment layer is not provided (when the first flow path and the second flow path are directly adjacent to each other). It can be set as a region that is closest to the temperature of the first fluid.
  • the adjustment layer includes a heat conducting portion that connects between the adjacent first flow path and the second flow path, and the first portion and the second portion are different from each other.
  • a heat conduction part having heat transfer performance is included.
  • the heat conducting portion has different heat transfer performance due to different density per unit area in the adjustment layer. If configured in this way, for example, unlike the case of providing a plurality of types of heat conducting parts of different materials, the number of heat conducting parts per unit area is changed, or a plurality of heat conducting parts of different sizes are arranged at an equal pitch. By doing so, the heat transfer performance of the heat conducting section can be easily varied.
  • the first flow path, the second flow path, and the adjustment layer are each configured by a planar flow path layer and have heat transfer fins therein.
  • the heat conduction part is composed of heat transfer fins arranged in the adjustment layer, and at least one of the interval between the fin parts of the heat transfer fins or the thickness of the fin part is different, so that different heat transfer performance is achieved.
  • the basic structure of a 1st flow path, a 2nd flow path, and an adjustment layer can be shared, and it can comprise as each flow path layer of what is called a plate fin type heat exchanger.
  • the adjustment layer can be easily configured as a heat exchanger.
  • the heat transfer performance of the adjustment layer can be varied with a simple configuration in which the interval between the fin portions and the thickness of the fin portions are varied.
  • the adjustment layer is disposed between the first flow path and the second flow path, and is a hollow flow path capable of allowing fluid to flow inside except during heat exchange. It has a structure. With this configuration, the heat transfer performance of the adjustment layer can be easily reduced by the hollow structure, so that the occurrence of freezing can be effectively suppressed.
  • the adjustment layer since the adjustment layer has a flow channel structure that allows fluid to flow inside except during heat exchange, as a countermeasure in the event of fluid freezing, heat between the first fluid and the second fluid It is possible to quickly eliminate freezing by circulating a heat medium having a temperature higher than the freezing temperature through the adjustment layer except at the time of replacement.
  • the first fluid is a low-temperature liquefied gas evaporated in the first flow path
  • the second fluid is a liquid heat medium cooled by the liquefied gas.
  • the first portion is arranged in a range overlapping with the gas phase region of the first fluid flowing in the first flow path in the adjustment layer, and the second portion is the first in the adjustment layer. It arrange
  • the adjustment layer preferably freezes in the second fluid in the second flow path.
  • the heat medium for eliminating the freezing of the second fluid is supplied except during the heat exchange. If comprised in this way, even if freezing generate
  • the heat exchanger 100 shown in FIG. 1 is an apparatus (heat exchanger) for cooling a heat medium using the cold heat of a liquefied gas by heat exchange between a low-temperature liquefied gas and a heat medium.
  • the liquefied gas is, for example, hydrogen, oxygen, nitrogen or natural gas.
  • the heat medium used in the liquefied gas evaporator is various, but from the viewpoint of easy availability (low cost), liquid such as water, seawater, antifreeze liquid, air, or the like is used. These liquids and air (water in the air) have a property of freezing at a temperature higher than the supply temperature of the liquefied gas.
  • the heat exchanger 100 includes a plate fin type core 1.
  • the plate fin-type core 1 is a heat exchange part having a laminated structure in which a plurality of planar flow path layers 2 are laminated.
  • the stacking direction of the flow path layer 2 is referred to as the Z direction (or up and down direction), and in the horizontal plane orthogonal to the Z direction, the longitudinal direction along one side of the core 1 is the X direction, and the other side.
  • the short direction along the direction Y is defined as the Y direction.
  • the flow path layer 2 constituting the core 1 has a planar (flat plate) structure including the heat transfer fins 3 and the side bars 4 constituting the outer peripheral walls of the heat transfer fins 3.
  • Each flow path layer 2 is partitioned by a tube plate 5 which is a partition wall on the stacking direction side.
  • the heat transfer fins 3 are corrugated fins having a corrugated shape, and are in contact with the upper and lower tube plates 5 at the peak portions of the corrugated portions.
  • the corrugated heat transfer fins 3 divide the flow path layer 2 to form a plurality of flow paths (channels).
  • the tube plate 5 and the heat transfer fins 3 function as heat transfer surfaces that transfer heat within the core 1.
  • the core 1 is formed in a rectangular box shape (cuboid shape) as a whole by sandwiching the laminated body of the flow path layers 2 between a pair of side plates 6 and joining them by brazing or the like.
  • the core 1 is made of a material such as stainless steel, for example.
  • the core 1 includes a first flow path 10 through which the first fluid 7 flows and a second flow path 20 through which the second fluid 8 flows.
  • the first fluid 7 is a low temperature side fluid
  • the second fluid 8 is a high temperature side fluid. That is, the first fluid 7 is a low-temperature liquefied gas evaporated in the first flow path 10, and the second fluid 8 is a liquid heat medium cooled by the liquefied gas. It is assumed that one of the first fluid 7 and the second fluid 8 is a fluid that may freeze by heat exchange with the other. In the present embodiment, of the first fluid 7 and the second fluid 8, the second fluid 8 is a fluid that has a risk of freezing in the flow path.
  • the liquefied gas is, for example, liquid hydrogen
  • the heat medium is, for example, an antifreeze liquid.
  • the antifreeze is a liquid mainly containing water and a freezing point depressant (for example, ethylene glycol).
  • the first fluid 7 is an example of the “liquefied gas” in the claims.
  • the second fluid 8 is an example of the “heating medium” in the claims.
  • the core 1 is further disposed between the first flow path 10 and the second flow path 20 adjacent to each other, and the amount of heat exchange between the first flow path 10 and the second flow path 20.
  • An adjustment layer 30 for adjusting the above is provided.
  • the adjustment layer 30 is disposed between all the first flow paths 10 and the second flow paths 20. That is, in the core 1, the respective flow path layers are laminated in the order of the first flow path 10, the adjustment layer 30, the second flow path 20, the adjustment layer 30,. Therefore, in this embodiment, the 1st flow path 10 and the 2nd flow path 20 do not adjoin directly (on both sides of the tube plate 5).
  • the core 1 includes an adjustment layer 30 between the first fluid 7 on the low temperature side flowing through the first flow path 10 and the second fluid 8 on the high temperature side flowing in the second flow path 20.
  • the core 1 cools the second fluid 8 (antifreeze) flowing through the second flow path 20 by heat exchange with the first fluid 7 (liquid hydrogen) flowing through the first flow path 10.
  • the heat exchanger 100 cools the liquid second fluid 8 to a predetermined temperature, and supplies (discharges) the liquid second fluid 8 to the outside in the liquid phase.
  • the heat exchanger 100 evaporates the liquid-phase first fluid 7 as a result of heat exchange, and supplies (discharges) the gas as a gas 7a in the gas phase.
  • the plurality of first flow paths 10, the plurality of second flow paths 20, and the plurality of adjustment layers 30 have the same shape.
  • the first flow path 10, the second flow path 20, and the adjustment layer 30 each flow path layer 2 differ only in the positions of the fluid inlet and outlet, and have a planar shape (shape in the XY direction). ) Is almost common.
  • the first channel 10, the second channel 20, and the adjustment layer 30 all have a width W1 and a length L1 (see FIGS. 3 to 5). On the other hand, as shown in FIG.
  • the height H1 of the first flow path 10, the height H2 of the second flow path 20, and the height H3 of the adjustment layer 30 may be the same or different from each other. It may be.
  • the first flow path 10, the second flow path 20, and the adjustment layer 30 are each configured by the planar flow path layer 2 and have heat transfer fins 3 (heat transfer fins 13 and 23 described later) inside. , 34).
  • the first flow path 10 includes an inlet (opening) 11 provided on the X2 side end surface and an outlet (opening) 12 provided on the X1 side end surface, and extends in the X direction. It is formed as a straight channel.
  • the first fluid 7 flows in the X1 direction from the inlet 11 toward the outlet 12.
  • the heat transfer fins 3 provided in the first flow path 10 are referred to as heat transfer fins 13.
  • the heat transfer fins 13 of the first channel 10 are formed so as to extend from the inlet 11 to the outlet 12 of the first channel 10.
  • the heat transfer fins 13 are illustrated only in the central portion of the first flow path 10, and the other portions are not illustrated.
  • the heat transfer fins 13 have a predetermined pitch P1 over the entire first flow path 10. The pitch is the interval between the vertical plate portions (see FIG. 6) of the heat transfer fins 13 (heat transfer fins 3).
  • a header tank (not shown) is attached to the inlet 11 and the outlet 12, respectively.
  • the liquid first fluid 7 is supplied from the outside to the inlet 11 via the header tank, and the first fluid 7 (gas 7a) after heat exchange (after vaporization) is discharged from the outlet 12 via the header tank. Therefore, the first flow path 10 has a liquid phase region (L) and a gas-liquid mixed phase region (from the inlet 11 side toward the outlet 12 side based on the phase change of the first fluid 7 flowing through the first flow channel 10. L + V) and the gas phase region (V).
  • the second flow path 20 includes an inlet (opening) 21 provided at the X1 side end of the Y2 side end surface and an outlet (opening) provided at the X2 side end of the Y1 side end surface. ) 22 and is formed as a linear flow path extending in the X direction.
  • the second fluid 8 flows in the X2 direction from the inlet 21 toward the outlet 22. Therefore, the heat exchanger 100 of the present embodiment is a counter flow type heat exchanger in which the flow direction (X1 direction) of the first fluid 7 and the flow direction (X2 direction) of the second fluid 8 are opposite to each other. It is.
  • the heat transfer fins 3 provided in the second flow path 20 are referred to as heat transfer fins 23.
  • the heat transfer fins 23 of the second channel 20 are formed so as to extend from the inlet 21 to the outlet 22 of the second channel 20.
  • the heat transfer fins 23 are illustrated only in the central portion of the second flow path 20, and the other portions are not illustrated.
  • the heat transfer fins 23 have a predetermined pitch P2 over the entire straight portion 25 except for the distributor portion 24 provided at the inlet 21 and the outlet 22.
  • the pitch P2 is smaller than the pitch P1. That is, the number of the vertical plate portions per unit width is larger in the heat transfer fins 23 than in the heat transfer fins 13, and the density of the vertical plate portions per unit area is larger.
  • the second fluid 8 is distributed (or gathered) between the straight portion 25 and the inlet 21 or the outlet 22, so that the pitch is different from that of the straight portion 25.
  • the distributor unit 24 and the linear unit 25 may have the same pitch.
  • a header tank (not shown) is attached to the inlet 21 and the outlet 22, respectively.
  • the second fluid 8 is supplied from the outside to the inlet 21 via the header tank, and the second fluid 8 after heat exchange is discharged from the outlet 22 via the header tank.
  • the adjustment layer 30 of the present embodiment is configured as a flow path layer 2 having a shape that matches the first flow path 10 and the second flow path 20 in plan view.
  • the adjustment layer 30 of the present embodiment is a layer through which no fluid flows. That is, the entire circumference of the adjustment layer 30 in FIG. 5 is surrounded by the side bars 4, and no inlet and outlet are formed.
  • the adjustment layer 30 has a hollow structure. 5 shows that the inside of the adjustment layer 30 is completely closed, the adjustment layer 30 is hermetically sealed in a vacuum state (low pressure state) or in a state filled with a predetermined gas. Alternatively, a part may communicate with the outside, and the inside and outside of the adjustment layer 30 may have the same atmosphere.
  • the provision of the adjustment layer 30 allows the first flow path 10 and the first flow path 10 to be compared with the case where the first flow path 10 and the second flow path 20 are simply partitioned by the tube plate 5.
  • the heat transfer performance with the second flow path 20 is reduced. That is, the adjustment layer 30 reduces the amount of heat exchange between the first flow path 10 and the second flow path 20 (compared to the case where the first flow path 10 and the second flow path 20 are directly adjacent to each other). It has a function to make adjustments.
  • the adjustment layer 30 includes a first portion 31 and a second portion 32 having a heat transfer performance lower than that of the first portion 31, and varies depending on the position in the adjustment layer 30. It is configured to have heat transfer performance. That is, the adjustment layer 30 has a portion with high heat transfer performance (first portion 31) and a portion with low heat (second portion 32) in a plane parallel to the first flow path 10 and the second flow path 20. The adjustment layer 30 has a high and low distribution of heat transfer performance.
  • the heat transfer performance of the adjustment layer 30 refers to the ease of heat transfer when heat is transferred between the first flow path 10 and the second flow path 20 via the adjustment layer 30. Means.
  • the heat transfer performance may be considered as an overall performance including heat transfer by heat conduction, heat transfer (convection heat transfer), and heat radiation.
  • the adjustment layer 30 is configured by one first portion 31 and one second portion 32.
  • the second portion 32 is provided in a predetermined range including a portion of the adjustment layer 30 that overlaps with the vicinity of the inlet 21 or the outlet 22 of the second flow path 20.
  • the second portion 32 is provided in a portion adjacent to (overlapping with) the region near the outlet 22 of the second flow path 20.
  • the first portion 31 is provided in a region of the adjustment layer 30 other than the predetermined range where the second portion 32 is formed.
  • the adjustment layer 30 is configured such that the heat transfer performance on the downstream side of the second flow path 20 is lower than the heat transfer performance on the upstream side of the second flow path 20.
  • the second portion 32 is disposed in a predetermined range including a portion of the adjustment layer 30 that overlaps the risk region RA of the second flow path 20.
  • the risk area RA is an area where the inner surface temperature is closest to the temperature of the first fluid 7 in the second flow path 20.
  • the inner surface temperature of the second flow path 20 is the surface temperature of the tube plate 5 constituting the second flow path 20. Since the inner surface temperature of the second flow path 20 is affected by the temperature of the first fluid 7 on the low temperature side and the heat transfer performance on the first flow path 10 side, the positions of the first portion 31 and the second portion 32 and The range is set by the relationship between the first fluid 7 that flows through the first flow path 10 and the second fluid 8 that flows through the second flow path 20.
  • the first portion 31 is disposed in the adjustment layer 30 in a range overlapping with the gas phase region (V) of the first fluid 7 flowing through the first flow path 10.
  • the second portion 32 is arranged in a range of the adjustment layer 30 that overlaps the gas-liquid mixed phase region (L + V) of the first fluid 7 that flows through the first flow path 10.
  • the 2nd part 32 is provided also in the range which overlaps with a liquid phase area
  • the gas-liquid mixed phase region (L + V) is a region in which the heat transfer coefficient of the first fluid 7 is the highest and the inner surface temperature of the second flow path 20 is closest to the temperature of the first fluid 7 in accordance with heat exchange. That is, the risk area RA where the risk of freezing of the second fluid 8 in the second flow path 20 is highest is an area overlapping the gas-liquid mixed phase area (L + V) of the first flow path 10.
  • the area that overlaps the liquid phase area (L) of the first flow path 10 is downstream of the risk area RA (exit 22 side), so that it is next to the gas-liquid mixed phase area (L + V). Increased risk of freezing.
  • the gas phase region (V) is a region where the temperature of the first fluid 7 becomes high in the first flow path 10 and the heat transfer coefficient of the first fluid 7 is the lowest, compared with other regions.
  • the inner surface temperature of the second flow path 20 is not lowered. Therefore, the region overlapping the gas phase region (V) is a region where the first portion 31 having a low freezing risk and high heat transfer performance can be disposed.
  • liquid phase region (L), gas-liquid mixed phase region (L + V), and gas phase region (V) in the first flow path 10 are the type of fluid, flow rate, inlet temperature and outlet temperature, operating pressure, the structure of each flow path, etc. It is possible to obtain analytically based on the design information.
  • the liquid phase region (L) and the gas-liquid mixed phase region (L + V) are ranges up to a distance D1 (position S) from the inlet 11 of the first flow path 10. Therefore, the second portion 32 of the adjustment layer 30 is set in the range of the distance D1 from the end portion on the X2 side.
  • the gas phase region (V) is a range of a distance D2 downstream from the position S (exit 12 side) in the first flow path 10.
  • the first portion 31 of the adjustment layer 30 is set in a range of a distance D2 downstream from the position S.
  • the adjustment layer 30 includes a heat conducting unit 33 that connects between the adjacent first flow path 10 and the second flow path 20.
  • the heat conducting portion 33 is provided so as to contact the tube plate 5 (see FIG. 2) that partitions the adjustment layer 30 and the first flow path 10 and to contact the tube plate 5 that partitions the adjustment layer 30 and the second flow path 20.
  • the heat is transferred mainly by internal heat conduction.
  • the adjustment layer 30 Since the adjustment layer 30 has a hollow structure in which no fluid flows, the heat transfer due to heat conduction through the heat transfer portion 33 is large, and the heat transfer due to heat transfer (convection heat transfer) and heat radiation is reduced. It is configured so as to be small compared to heat conduction. Therefore, in the adjustment layer 30, the heat transfer performance can be varied depending on the structure, arrangement, and number of the heat conducting portions 33.
  • the heat conducting section 33 is not particularly limited as long as it has a structure that connects the first flow path 10 and the second flow path 20 (between the tube plates 5).
  • the heat conducting unit 33 may be, for example, a columnar or block member, or a plate or lattice member.
  • the heat conducting unit 33 is configured by the heat transfer fins 34 (heat transfer fins 3) disposed in the adjustment layer 30.
  • the heat transfer fins 34 are corrugated fins similar to the heat transfer fins 13 and 23 of the other flow path layers 2.
  • the heat conducting portion 33 is constituted by a vertical plate portion 35 that connects the tube plates 5 among the heat transfer fins 34. Therefore, as shown in FIG. 5, the heat conducting section 33 extends along the flow direction (X direction) of the first fluid 7, and a plurality of the heat conducting sections 33 are arranged at predetermined intervals.
  • the first portion 31 and the second portion 32 each include a heat conducting portion 33 having different heat transfer performance.
  • the heat conducting section 33 has different heat transfer performance due to different density per unit area in the adjustment layer 30.
  • the heat conducting unit 33 is configured by the heat transfer fins 34
  • the heat conducting unit 33 has different heat transfer performance by making the intervals between the vertical plate portions 35 of the heat transfer fins 34 different. That is, the pitch of the heat conducting portion 33 (the vertical plate portion 35 of the heat transfer fin 34) is different between the first portion 31 and the second portion 32.
  • the vertical plate portion 35 is an example of the “fin portion” in the claims.
  • the second portion 32 of the adjustment layer 30 is provided with heat transfer fins 34a having a pitch P3, and as shown in FIG.
  • the portion 31 is provided with heat transfer fins 34b having a pitch P4.
  • the pitch P3 is larger than the pitch P4 (P3> P4).
  • the number of heat conducting portions 33 (vertical plate portions 35 of heat transfer fins) in the unit width is smaller in the second portion 32 than in the first portion 31. Therefore, the density of the heat conducting portion 33 per unit area is relatively sparse (low density) in the second portion 32 along the flow direction (X direction) of the first fluid 7, and is relatively low in the first portion 31. It is dense (high density).
  • the pitch P3 and the pitch P4 are examples of “interval between fin portions” in the claims.
  • the heat transfer fins 34a having the pitch P3 are provided with ten vertical plate portions 35 (heat conduction portions 33) per unit width (1 inch).
  • 14 heat transfer fins 34b having a pitch P4 are provided with 14 vertical plate portions 35 (heat conduction portions 33) per unit width.
  • the thickness of the vertical plate portion 35 may be different between the first portion 31 and the second portion 32. That is, by making the thickness t1 of the heat transfer fin 34a of the second portion 32 and the thickness t2 of the heat transfer fin 34b of the first portion 31 different from each other, the heat conducting portion 33 having different heat transfer performance is configured. May be.
  • the first portion 31 and the second portion 32 may have both the pitch and thickness of the vertical plate portion 35 different from each other. In this case, the density of the vertical plate portion 35 per unit area may be relatively low in the second portion 32 and relatively high in the first portion 31.
  • the heat transfer performance is relatively low in the second portion 32 of the adjustment layer 30.
  • the second portion 32 prevents the second fluid 8 in the second flow path 20 from freezing even when the cryogenic first fluid 7 flows from the inlet 11 of the first flow path 10.
  • the heat transfer performance is relatively high.
  • the first portion 31 promotes heat exchange between the first flow path 10 and the second flow path 20 as compared with the second portion 32.
  • the heat exchange amount between the first flow path 10 and the second flow path 20 is set between the first flow path 10 and the second flow path 20 adjacent to each other.
  • An adjustment layer 30 to be adjusted is provided.
  • the adjustment layer 30 between the first flow path 10 and the second flow path 20 can suppress excessive heat transfer between the first flow path 10 and the second flow path 20.
  • the adjustment layer 30 is provided with a first portion 31 and a second portion 32 having a heat transfer performance lower than that of the first portion 31, and adjusted so as to have different heat transfer performance depending on the position in the adjustment layer 30.
  • the second portion 32 is disposed at a location where freezing is likely to occur in the flow path to sufficiently reduce the heat transfer performance, and the first portion 31 is disposed at a location where freezing is difficult to occur.
  • heat transfer performance can be made relatively high, and high heat exchange performance can be ensured.
  • an increase in the size of the heat exchanger 100 can be suppressed while suppressing freezing of the fluid.
  • the second portion 32 is within a predetermined range (a range of the distance D1) including a portion of the adjustment layer 30 that overlaps with the vicinity of the inlet 21 or the outlet 22 of the second fluid 8.
  • a predetermined range a range of the distance D1
  • the second portion is included so as to include a portion overlapping the vicinity of the outlet 22 of the second fluid 8 that is likely to be frozen.
  • the second portion 32 is the risk region RA of the second flow path 20 in the adjustment layer 30 (the inner surface temperature of the second flow path 20 is the temperature of the first fluid 7).
  • the inner surface temperature of the second flow path 20 is the temperature of the first fluid 7.
  • the adjustment layer 30 is provided with the heat conducting portion 33 that connects the adjacent first flow path 10 and the second flow path 20, and the first portion 31 and the second portion
  • the portions 32 are provided with heat conducting portions 33 having different heat transfer performances. Accordingly, the heat transfer in the first portion 31 and the second portion 32 can be easily performed by changing the number, size, material, and the like of the heat conducting portion 33 instead of adjusting the shape and size of the adjusting layer 30 itself. The distribution of performance can be adjusted. As a result, in the adjustment layer 30, it is possible to easily realize an appropriate heat transfer performance distribution according to the risk of fluid freezing.
  • heat conduction is performed so as to have different heat transfer performance.
  • Part 33 is configured. Thereby, unlike the case where a plurality of types of heat conducting portions 33 made of different materials are provided, for example, the heat transfer performance of the heat conducting portion 33 can be easily varied according to the position in the flow direction.
  • the first flow path 10, the second flow path 20, and the adjustment layer 30 are each configured by the planar flow path layer 2.
  • the heat conduction part 33 is comprised by the heat-transfer fin 34 (heat-transfer fin 3) arrange
  • the basic structure of the 1st flow path 10, the 2nd flow path 20, and the adjustment layer 30 can be shared, and it can comprise as each flow path layer 2 of the plate fin type heat exchanger 100.
  • the heat exchanger 100 can be easily configured even when the adjustment layer 30 is provided.
  • the heat transfer performance of the adjustment layer 30 can be varied with a simple configuration in which the pitch and thickness between the vertical plate portions 35 are varied.
  • the first fluid 7 is a low-temperature liquefied gas evaporated in the first flow path 10
  • the second fluid 8 is a liquid heat cooled by the liquefied gas. It is a medium.
  • the possibility of freezing on the second fluid 8 side is caused by heat exchange between the first fluid 7 and the second fluid 8 at a cryogenic temperature.
  • the heat transfer efficiency is reduced as much as possible within a range in which freezing of the second fluid 8 can be suppressed. Since it can be made high, the enlargement of the heat exchanger 100 can be suppressed effectively.
  • the first portion 31 is arranged in the adjustment layer 30 in a range overlapping with the gas phase region (V) of the first fluid 7 flowing through the first flow path 10,
  • the two portions 32 are arranged in a range of the adjustment layer 30 that overlaps the gas-liquid mixed phase region (L + V) of the first fluid 7 that flows through the first flow path 10.
  • Comparative Example 1 in the case where the adjustment layer 30 is not provided in addition to the heat exchanger 100 of the present embodiment described above (when the first flow path 10 and the second flow path 20 are partitioned by the tube plate 5).
  • Comparative Example 2 in the case where only the low-density heat transfer fins 34a are provided on the entire adjustment layer 30 (when the entire adjustment layer 30 has the heat transfer performance of the second portion 32). This was carried out for each of Comparative Examples 3 in the case where only the heat transfer fins 34b having a high density were provided (when the entire adjustment layer 30 was used as the heat transfer performance of the first portion 31).
  • liquid hydrogen liquid hydrogen
  • antifreeze was used as the second fluid 8
  • liquid hydrogen has an inlet temperature of ⁇ 253 ° C., a boiling point of ⁇ 242.5 ° C., and an outlet temperature of ⁇ 50 ° C.
  • the antifreeze liquid had a freezing point of ⁇ 50 ° C. and an inlet temperature of ⁇ 39 ° C., and the outlet temperature (target temperature) after cooling with hydrogen was ⁇ 43 ° C.
  • the average of the surface temperature of the tube plate 5 between the second flow path 20 and the adjustment layer 30 was calculated. When the surface temperature reaches ⁇ 50 ° C., it is considered that the second fluid 8 is frozen in the second flow path 20.
  • FIG. 7 shows the heat exchanger 100 of the present embodiment
  • FIG. 8 shows the simulation results of Comparative Example 1
  • FIG. 9 shows the simulation results of Comparative Example 2
  • FIG. 10 shows the simulation results of Comparative Example 3.
  • the vertical axis represents temperature [° C.]
  • the horizontal axis represents heat exchange amount [kcal / h]. The total amount of heat exchange is common to all simulation results, but the flow path lengths required to reach the outlet temperature are different.
  • the channel lengths of the first to third comparative examples were calculated by a ratio value with the channel length of the heat exchanger 100 of the present embodiment being 1 (reference).
  • the surface temperature of the tube plate 5 (the inner surface temperature of the second flow path 20) is the lowest temperature of ⁇ 49.8 ° C. in the gas-liquid mixed phase region (L + V). became.
  • Comparative Example 1 (see FIG. 8) the surface temperature of the tube plate 5 became the minimum temperature of ⁇ 57.3 ° C.
  • Comparative Example 2 (see FIG. 9), the surface temperature of the tube plate 5 was the lowest temperature of ⁇ 49.8 ° C.
  • Comparative Example 3 (see FIG. 10), the surface temperature of the tube plate 5 was the lowest temperature of ⁇ 50.9 ° C.
  • the antifreeze hardly freezes because the surface temperature is ⁇ 50 ° C. or higher.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 3 it can be seen that the antifreeze is frozen because the surface temperature is lower than ⁇ 50 ° C.
  • liquid hydrogen is supplied with a channel length equivalent to that of Comparative Example 2 while it is possible to avoid freezing in the second channel 20 as in Comparative Example 3. It can be seen that the target temperature can be raised. Therefore, in the heat exchanger 100 of this embodiment, it was confirmed that the enlargement can be suppressed while suppressing the freezing of the fluid.
  • the temperature distribution of Comparative Example 1 (when the adjustment layer 30 is not provided) shown in FIG. Can be performed based on That is, first, the structures of the first flow path 10 and the second flow path 20 are determined, and the temperature distribution when the adjustment layer 30 is not provided as in the first comparative example is obtained. From the calculation results, it can be seen that the risk region RA exists in the gas-liquid mixed phase region (L + V) in the example of FIG.
  • the adjustment layer 30 so that the second portion 32 is disposed in the risk region RA (gas-liquid mixed phase region (L + V)) and the downstream liquid phase region (L) in anticipation of safety,
  • the first portion 31 With high heat transfer performance in a region other than the portion 32, the position and range of the second portion 32 can be set.
  • the low temperature liquefied gas is the first fluid 7, and the liquid heat medium for vaporizing the liquefied gas is the second fluid 8.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first fluid 7 may be a high-temperature gas such as exhaust gas after combustion or reaction
  • the second fluid 8 may be a liquid refrigerant (such as water) for cooling the high-temperature gas. That is, the first flow path 10 may be a high temperature side flow path, and the second flow path 20 may be a low temperature side flow path. In this case, boiling of the second fluid 8 may occur in the second flow path 20 due to heat exchange.
  • the adjustment layer 30 can suppress boiling of the second fluid 8 in the second flow path 20. Furthermore, since the high heat exchange performance can be ensured by including the first portion 31 and the second portion 32 having different heat transfer performances in the adjustment layer 30, it is possible to suppress an increase in the size of the heat exchanger.
  • the example which provided the plate fin type heat exchanger 100 was shown in the said embodiment, this invention is not limited to this. In the present invention, a heat exchanger other than the plate fin type may be used.
  • the present invention may be applied to a multi-tube heat exchanger 200 as in the modification shown in FIGS. 11 (A) to 11 (C).
  • the heat exchanger 200 three cylindrical flow path layers 102 arranged concentrically are provided.
  • the first flow path 10 is configured by the innermost flow path layer 102
  • the second flow path 20 is configured by the outermost flow path layer 102.
  • the adjustment layer 30 is configured by the intermediate flow path layer 102 between the first flow path 10 and the second flow path.
  • the heat transfer performance of the adjustment layer 30 is, for example, at the upstream position S1 and the downstream position S2 along the flow direction (X direction) of the first fluid 7 as in the above embodiment. Is different. Specifically, as shown in FIG.
  • FIG. 11B showing a cross section of the position S1 and FIG. 11C showing a cross section of the position S2, a heat conducting portion 33 is arranged on the adjustment layer 30 to conduct heat conduction. What is necessary is just to make the density (number of sheets) of the part 33 differ.
  • a corrugated metal plate in which flow paths are integrally formed on the front and back surfaces is laminated, and each flow path layer is joined by sealing or welding to form a flow path layer between the metal plates.
  • the heat exchanger is a diffusion bonding type heat exchanger in which a flow path layer is formed between metal plates by laminating metal plates having flow paths formed by grooving and integrating them by diffusion bonding or the like. There may be.
  • each flow path layer is laminated
  • the present invention is not limited to this.
  • stacked may be sufficient. That is, the first flow path 10, the first flow path 10, the adjustment layer 30, the second flow path 20, the adjustment layer 30, the first flow path 10, the first flow path 10,.
  • the 1st flow path 10 may be laminated
  • a plurality of adjustment layers 30 are sequentially stacked, such as the first flow path 10, the adjustment layer 30, the adjustment layer 30, the second flow path 20, the adjustment layer 30, the adjustment layer 30, and so on. Also good.
  • the adjustment layer 30 is configured as a layer through which no fluid flows, but the present invention is not limited to this.
  • an adjustment layer 130 through which fluid can flow may be provided.
  • the adjustment layer 130 in FIG. 12 is disposed between the first flow path 10 and the second flow path 20 and has a hollow flow path structure that allows a fluid to flow therethrough except during heat exchange.
  • the adjustment layer 130 includes an inlet (opening) 131 provided at the X2 side end of the Y2 side end surface and an outlet (opening) 132 provided at the X1 side end of the Y1 side end surface. It is formed as a linear flow path including and extending in the X direction.
  • a fluid is supplied from the outside to the inlet 131 via a header tank (not shown), and the fluid is discharged from the outlet 132 via the header tank.
  • the same effect as that of the adjustment layer 30 of the above embodiment can be obtained by filling the adjustment layer 130 with air without flowing the fluid. .
  • the adjustment layer 130 having a hollow flow path structure capable of circulating a fluid inside except during heat exchange is provided, the heat transfer performance of the adjustment layer 130 can be easily reduced by the hollow structure. As a result, freezing and boiling can be effectively suppressed.
  • a freezing medium can be quickly circulated through the adjustment layer 130 at a temperature higher than the freezing temperature except during heat exchange between the first fluid 7 and the second fluid 8. Can be eliminated.
  • the adjustment layer 130 is supplied with a heat medium for eliminating the freezing of the second fluid 8 except during heat exchange. It is configured. Thus, even when freezing occurs locally in the second flow path 20 after heat exchange, the freezing is canceled after the heat exchange (supply of the first fluid 7 and the second fluid 8) is stopped. By supplying the heating medium for the adjustment layer 130, freezing can be easily and quickly eliminated.
  • the adjustment layer 30 is configured by the flow path layer 2 common to the first flow path 10 and the second flow path 20 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the adjustment layer does not need to be configured by the flow path layer, and the adjustment layer may be configured by a layer structure other than the flow path layer.
  • a plate member 230 including a heat insulating portion 231 may be provided as the adjustment layer 30.
  • the plate member 230 is a tube plate that partitions the first flow path 10 and the second flow path 20.
  • the plate member 230 has a low heat transfer performance due to the hollow heat insulating portion 231 provided therein, and adjusts the amount of heat exchange between the first flow path 10 and the second flow path 20.
  • the plate member 230 is provided with a plurality of heat insulating portions 231, for example, and is partitioned by a partition wall portion 232.
  • a heat conducting portion 33 that connects between the adjacent first flow path 10 and the second flow path 20 is constituted by a partition wall portion 232.
  • the heat transfer performance of the first portion 31 and the second portion 32 can be made different by making the density of the partition wall portion 232 different (that is, the density of the heat insulating portion 231).
  • the example of the counter flow type heat exchanger 100 in which the flow direction of the first fluid 7 and the flow direction of the second fluid 8 are opposite to each other is shown.
  • a parallel flow type heat exchanger other than the counter flow type may be used.
  • the inlet 11 of the first flow path 10 and the inlet 11 of the second flow path 20 are disposed on the same side. Therefore, when the risk of freezing of the second fluid 8 is high, the temperature of the second fluid 8 can be increased in the region near the inlet where the temperature of the first fluid 7 is the lowest, so that the risk of freezing can be further suppressed.
  • the heat exchanger may be a cross flow type in which the flow direction of the first fluid 7 and the flow direction of the second fluid 8 are orthogonal to each other.
  • FIG. 14 shows a configuration example (an arrangement example of the first portion 31 and the second portion 32) of the adjustment layer 30 in the cross-flow type heat exchanger 300.
  • the first fluid 7 that is the high temperature side fluid flows in the first flow path (not shown) in the Y1 direction
  • the second fluid 8 that is the low temperature side fluid flows in the X1 direction in the second flow path that is not shown.
  • the example in the case of flowing toward is shown.
  • the second portion 32 of the adjustment layer 30 is set in a triangular range that overlaps with the corner near the outlet of the second flow path 20 and near the inlet of the first flow path 10.
  • An example in which the first portion 31 is set in the area is shown.
  • first flow paths 10 and second flow paths 20 an example of the heat exchanger 100 provided with a plurality of first flow paths 10 and a plurality of second flow paths 20 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the number of first flow paths and second flow paths is not particularly limited. There may be only one first flow path and two second flow paths, or any number of two or more first flow paths and second flow paths may be provided.
  • the adjustment layer 30 is divided into two regions of the first portion 31 and the second portion 32, and the heat transfer performance of the first portion 31 and the second portion 32 is different.
  • the adjustment layer 30 may include three or more portions having different heat transfer performances.
  • three portions of the adjustment layer that is, a portion adjacent to the liquid phase region (L) of the liquefied gas, a portion adjacent to the gas-liquid mixed phase region (L + V), and a portion adjacent to the gas phase region (V).
  • the heat transfer performance may be different from each other.
  • the adjustment layer 30 may not be configured to include a plurality of regions having different heat transfer performances, but may have a configuration in which the heat transfer performance continuously changes.
  • the density of the heat conducting unit 33 may be continuously increased from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the first fluid.
  • the adjustment layer 30 may be filled with a fluid or a solid such as a powder (particulate material) or a porous material.
  • these fillers may function as a heat conduction part. It is possible to vary the heat transfer performance by varying the material (thermal conductivity), particle size, porosity, etc. of the filler.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first fluid 7 on the low temperature side may pass through the first flow path 10 without changing the phase in the liquid layer or gas phase.
  • the heat transfer performance on the first flow path 10 side may be considered to be substantially constant, so the risk area RA (freezing risk) in the second flow path 20 is near the outlet of the second flow path 20.
  • FIG. 16 shows an example in which the second fluid 8 is a low temperature side fluid and the first fluid 7 is a high temperature side fluid.
  • the risk area RA (boiling occurrence risk) in the second flow path 20 is in the vicinity of the outlet of the second flow path 20. Therefore, in the case of FIGS. 15 and 16, the second portion 32 of the adjustment layer 30 is formed so as to include a portion overlapping the vicinity of the outlet of the second fluid 8 corresponding to the risk region RA near the outlet of the second flow path 20. You only have to set it.
  • Second fluid (heat medium) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st flow path 20 2nd flow path 30, 130 Adjustment layer 31 1st part 32 2nd part 33 Heat conduction part 34 (34a, 34b) Heat-transfer fin 35 Vertical plate part (fin part) 50 Risk area 100, 200, 300 Heat exchanger P3, P4 Pitch between vertical plates (interval between fins) t1, t2 Vertical plate thickness X Flow direction of first fluid

Landscapes

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Abstract

この熱交換器（１００）は、第１流体（７）を流通させる第１流路（１０）と、第２流体（８）を流通させる第２流路（２０）と、互いに隣接する第１流路（１０）と第２流路（２０）との間に配置され、第１流路（１０）と第２流路（２０）との間の熱交換量を調整する調整層（３０）とを備える。調整層（３０）は、第１部分（３１）と、第１部分（３１）よりも伝熱性能が低い第２部分（３２）とを含み、調整層（３０）内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように構成されている。

Description

熱交換器
　この発明は、熱交換器に関し、特に、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。
　従来、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器が知られている。このような熱交換器は、たとえば、特開２０１０－１０１６１７号公報に開示されている。
　上記特開２０１０－１０１６１７号公報には、第１流体を流す第１通路と、第２流体を流す第２通路とが交互に配置されて構成された熱交換通路パッケージの間に、流体を流さない層を設けたプレートフィン型の熱交換器が開示されている。第１流体と第２流体との間で熱交換を行う際、温度勾配が大きくなると熱応力が大きくなることから、上記特開２０１０－１０１６１７号公報では、流体を流さない層を熱交換通路パッケージの間に配置することによって、温度勾配を抑制して熱応力を低減している。上記特開２０１０－１０１６１７号公報の熱交換器は、流体間の温度差の大きい天然ガスの液化または気化などの用途に特に用いられる。
特開２０１０－１０１６１７号公報
　ここで、たとえば低温側の第１流体が極低温の液化ガスで、高温側の第２流体が水や不凍液などの場合、凝固（凍結）して通路が閉塞してしまう可能性がある。
　上記特開２０１０－１０１６１７号公報の熱交換器によれば、流体を流さない層を設けて流路間で熱が伝わりすぎるのを抑制することによって熱応力を低減することが可能である一方、流路の凍結発生リスクについては何ら考慮されておらず、凍結発生による流路閉塞の可能性があるという問題点がある。また、単純に流路間に流体を流さない層を設けるだけでは熱交換性能が低下するため、流路長さを大きくするなどによって熱交換器が大型化してしまうという問題点がある。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制しつつ、大型化を抑制することが可能な熱交換器を提供することである。
　上記目的を達成するために、本発明による熱交換器は、第１流体を流通させる第１流路と、第２流体を流通させる第２流路と、互いに隣接する第１流路と第２流路との間に配置され、第１流路と第２流路との間の熱交換量を調整する調整層とを備え、調整層は、第１部分と、第１部分よりも伝熱性能が低い第２部分とを含み、調整層内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように構成されている。
　本発明による熱交換器では、上記のように、互いに隣接する第１流路と第２流路との間に配置され、第１流路と第２流路との間の熱交換量を調整する調整層を設ける。これにより、第１流路と第２流路との間の調整層によって、第１流路と第２流路との間で熱が伝わりすぎるのを抑制することができる。その結果、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制することができる。そして、調整層に、第１部分と、第１部分よりも伝熱性能が低い第２部分とを設け、調整層内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように調整層を構成することによって、流路中で凍結が発生しやすい箇所に第２部分を配置して伝熱性能を十分に低くし、凍結が発生し難い箇所には第１部分を配置して伝熱性能を相対的に高くして、高い熱交換性能を確保することができる。これにより、所望の熱交換量を実現するために必要な流路長さが大きくなるのを抑制することができる。以上により、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制しつつ、熱交換器の大型化を抑制することができる。
　なお、上記構成を備える本発明によれば、熱交換により流体の沸騰が発生する可能性がある場合にも、これを抑制することが可能である。流路中での意図しない沸騰の発生は、熱交換器の強度上の負荷が大きくなる可能性があるとともに、熱交換器の仕様上、許容し得ない場合がある。本発明では、流路中で沸騰が発生しやすい箇所に第２部分を配置して伝熱性能を十分に低くし、沸騰が発生し難い箇所には第１部分を配置して伝熱性能を相対的に高くすることができる。これにより、所望の熱交換量を実現するために必要な流路長さが大きくなるのを抑制することができる。その結果、流体の意図しない沸騰を抑制しつつ、熱交換器の大型化を抑制することが可能である。
　上記発明による熱交換器において、好ましくは、第２部分は、調整層のうち、第２流体の入口または出口の近傍と重なる部分を含む所定範囲に設けられている。このように構成すれば、たとえば第２流路に沿って第２流体の温度が単調低下する場合に、凍結の発生する可能性が高い第２流体の出口近傍と重なる部分を含むように第２部分を設けることによって、凍結の発生を効果的に抑制することができる。また、たとえば並行流型の熱交換器で第２流体の入口近傍での第１流体の温度が極低温になり、第２流路の内表面温度が凍結温度に近くなるような場合に、凍結の発生する可能性が高い第２流体の入口近傍と重なる部分を含むように第２部分を設けることによって、凍結の発生を効果的に抑制することができる。
　上記発明による熱交換器において、好ましくは、第２流路は、内表面温度が第１流体の温度に最も近付くリスク領域を含んでおり、第２部分は、調整層のうち、第２流路のリスク領域と重なる部分を含む所定範囲に配置されている。このように構成すれば、第２部分をリスク領域に重ねて配置することによって、より確実に、凍結の発生を抑制することができる。なお、リスク領域は、たとえば調整層を設けない場合（第１流路と第２流路とが直接隣接する場合）での第２流路の内表面の温度分布を計算し、内表面温度が第１流体の温度に最も近付く領域として設定することができる。
　上記発明による熱交換器において、好ましくは、調整層は、隣接する第１流路と第２流路との間を接続する熱伝導部を含み、第１部分および第２部分は、それぞれ、異なる伝熱性能を有する熱伝導部を含んでいる。このように構成すれば、調整層自体の形状や寸法を調整するのではなく、熱伝導部の数や大きさ、材質などを変えることにより、容易に、第１部分および第２部分における伝熱性能の分布を調整することができる。その結果、調整層において、流体の凍結の発生リスクに応じた適切な伝熱性能の分布を容易に実現することができる。
　この場合、好ましくは、熱伝導部は、調整層における単位面積当たりの密度が異なることにより、異なる伝熱性能を有する。このように構成すれば、たとえば材質の異なる複数種類の熱伝導部を設ける場合と異なり、単位面積当たりの熱伝導部の数を変えたり、大きさの異なる複数の熱伝導部を等ピッチで配列するなどにより、容易に、熱伝導部の伝熱性能を異ならせることができる。
　上記調整層が熱伝導部を含む構成において、好ましくは、第１流路、第２流路および調整層は、それぞれ、平面状の流路層により構成されるとともに内部に伝熱フィンを有し、熱伝導部は、調整層内に配置された伝熱フィンにより構成され、伝熱フィンの各々のフィン部間の間隔、またはフィン部の厚みの少なくとも一方が異なることにより、異なる伝熱性能を有する。このように構成すれば、第１流路、第２流路および調整層の基本構造を共通化して、いわゆるプレートフィン型の熱交換器の各流路層として構成することができる。その結果、調整層に特殊な構造を採用する場合と異なり、調整層を設ける場合でも容易に熱交換器として構成することができる。また、各々のフィン部間の間隔やフィン部の厚みを異ならせるだけの簡単な構成で、調整層の伝熱性能を異ならせることができる。
　上記発明による熱交換器において、好ましくは、調整層は、第１流路と第２流路との間に配置され、熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する。このように構成すれば、中空構造によって容易に調整層の伝熱性能を低下させることができるので、凍結の発生を効果的に抑制することができる。また、調整層が熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な流路構造を有することによって、万が一流体の凍結が発生した場合の対策として、第１流体と第２流体との熱交換時以外で調整層に凍結温度よりも高温の熱媒を流通させて凍結を迅速に解消することが可能となる。
　上記発明による熱交換器において、好ましくは、第１流体は、第１流路内で蒸発される低温の液化ガスであり、第２流体は、液化ガスにより冷却される液状の熱媒である。このように構成する場合、極低温の第１流体と第２流体との間の熱交換によって、第２流体側に凍結の可能性が生じる。その場合でも、第１部分および第２部分を設けて調整層の伝熱性能を異ならせることにより、第２流体の凍結を抑制することが可能な範囲内で、伝熱効率を極力高くすることができるので、熱交換器の大型化を効果的に抑制することができる。
　この場合、好ましくは、第１部分は、調整層のうち、第１流路を流れる第１流体の気相領域と重なる範囲に配置されており、第２部分は、調整層のうち、第１流路を流れる第１流体の気液混相領域と重なる範囲に配置されている。このように構成すれば、第１流体の熱伝達率が大きい気液混相領域では、伝熱性能の低い第２部分によって第２流体の凍結を抑制し、第１流体の熱伝達率が低下する気相領域では伝熱性能の高い第１部分によって効率的に熱交換を行うことができる。その結果、第２流体の凍結を抑制しつつ、熱交換器を極力コンパクトに構成することが可能となる。
　上記調整層が熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する構成において、好ましくは、調整層は、第２流路中の第２流体に凍結が発生した場合に、熱交換時以外で第２流体の凍結を解消するための熱媒が供給されるように構成されている。このように構成すれば、第２流路中で凍結が発生した場合でも、熱交換（第１流体および第２流体の供給）を停止した後で、凍結を解消するための熱媒を調整層に供給することによって、容易かつ迅速に、凍結を解消することができる。
　本発明によれば、上記のように、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制しつつ、大型化を抑制することが可能な熱交換器を提供することができる。
本実施形態による熱交換器を示した斜視図である。 第１流路、第２流路および調整層を示した熱交換器の模式的な縦断面図である。 第１流路の構造を示した模式的な水平断面図である。 第２流路の構造を示した模式的な水平断面図である。 調整層の構造を示した模式的な水平断面図である。 調整層の第１部分の構造を示した模式的な断面図（Ａ）および第２部分の構造を示した模式的な断面図（Ｂ）である。 本実施形態による熱交換器における流体の温度変化のシミュレーション結果を示した図である。 比較例１による熱交換器における流体の温度変化のシミュレーション結果を示した図である。 比較例２による熱交換器における流体の温度変化のシミュレーション結果を示した図である。 比較例３による熱交換器における流体の温度変化のシミュレーション結果を示した図である。 本実施形態の熱交換器の変形例を示した模式図（Ａ）、変形例による熱交換器の上流側の断面図（Ｂ）および下流側の断面図（Ｃ）である。 本実施形態の調整層の変形例を示した模式的な水平断面図である。 調整層の変形例を説明するための熱交換器の模式的な縦断面図である。 直交流型の熱交換器における調整層の構成例を示した模式図である。 第１流体が相変化をしない場合の第１の例（第１流体が低温側）を示した図である。 第１流体が相変化をしない場合の第２の例（第１流体が高温側）を示した図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　まず、図１～図６を参照して、本実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。
（熱交換器の全体構成）
　図１に示す熱交換器１００は、低温の液化ガスと熱媒との熱交換により、液化ガスの冷熱を利用して熱媒を冷却するための装置（熱交換器）である。
　液化ガスは、たとえば、水素、酸素、窒素または天然ガスなどである。液化ガス蒸発器に用いられる熱媒は、様々であるが、入手の容易性（低コスト性）などの観点から、水または海水、不凍液などの液体や、空気などが用いられる。これらの液体や、空気（空気中の水分）は、液化ガスの供給温度よりも高い温度で凍結する性質を有する。
　第１実施形態では、熱交換器１００は、プレートフィン型のコア１を備えている。プレートフィン型のコア１は、平面状の流路層２が複数積層された積層構造を有する熱交換部である。以下では、便宜的に、流路層２の積層方向をＺ方向（または上下方向）といい、Ｚ方向と直交する水平面内で、コア１の一辺に沿った長手方向をＸ方向、他の一辺に沿った短手方向をＹ方向とする。
　コア１を構成する流路層２は、伝熱フィン３と、伝熱フィン３の外周壁を構成するサイドバー４とを含む平面状（平板状）の構造を有する。また、各流路層２が、積層方向側の隔壁であるチューブプレート５によって仕切られている。伝熱フィン３は、波板形状のコルゲートフィンからなり、波状部分のピーク部分で上下のチューブプレート５と接触している。波板形状の伝熱フィン３は、流路層２内を仕切って複数の流路（チャンネル）を構成する。チューブプレート５および伝熱フィン３は、コア１内で熱を伝達する伝熱面として機能する。コア１は、積層した流路層２の積層体を一対のサイドプレート６により挟み込み、ろう付けなどにより結合することにより、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。コア１は、たとえば、ステンレス鋼などの材料によって構成されている。
　コア１は、第１流体７を流通させる第１流路１０と、第２流体８を流通させる第２流路２０とを含む。本実施形態では、第１流体７が低温側流体であり、第２流体８が高温側流体である。すなわち、第１流体７は、第１流路１０内で蒸発される低温の液化ガスであり、第２流体８は、液化ガスにより冷却される液状の熱媒である。第１流体７および第２流体８は、一方が他方との熱交換によって凍結する可能性がある流体であるとする。本実施形態では、第１流体７および第２流体８のうち、第２流体８が、流路中における凍結の発生リスクがある流体である。本実施形態における一例として、液化ガスは、たとえば液体水素であり、熱媒は、たとえば不凍液である。不凍液は、主として水と凝固点降下剤（たとえばエチレングリコールなど）とを含んだ液体である。第１流体７は、特許請求の範囲の「液化ガス」の一例である。第２流体８は、特許請求の範囲の「熱媒」の一例である。
　本実施形態では、コア１は、さらに、互いに隣接する第１流路１０と第２流路２０との間に配置され、第１流路１０と第２流路２０との間の熱交換量を調整する調整層３０を備えている。調整層３０は、全ての第１流路１０と第２流路２０との間に配置されている。つまり、コア１では、第１流路１０、調整層３０、第２流路２０、調整層３０、・・・、という順で各流路層が積層されている。そのため、本実施形態では、第１流路１０と第２流路２０とが直接（チューブプレート５を挟んで）隣接することがない。
　図２に示すように、コア１は、第１流路１０を流通する低温側の第１流体７と、第２流路２０を流れる高温側の第２流体８との間で、調整層３０を介して熱交換をさせる。第１実施形態では、コア１は、第１流路１０を流通する第１流体７（液体水素）との熱交換によって、第２流路２０を流通する第２流体８（不凍液）を冷却するように構成されている。熱交換器１００は、熱交換の結果、液状の第２流体８を所定温度まで冷却して、液相のまま外部に供給（排出）する。熱交換器１００は、熱交換の結果、液相の第１流体７を蒸発させ、気相状態のガス７ａにして外部に供給（排出）する。
（流路層の構造）
　次に、図３～図５を参照して、個々の流路層２（第１流路１０、第２流路２０、調整層３０）の構造について説明する。なお、複数の第１流路１０同士、複数の第２流路２０同士、複数の調整層３０同士は、それぞれ、同一形状を有している。図１から分かるように、第１流路１０、第２流路２０および調整層３０（各流路層２）は、流体の入口や出口の位置が異なるのみで、平面形状（ＸＹ方向の形状）は略共通である。第１流路１０、第２流路２０および調整層３０は、共に、幅Ｗ１、長さＬ１（図３～図５参照）を有している。一方、図２に示したように、第１流路１０の高さＨ１、第２流路２０の高さＨ２、調整層３０の高さＨ３は、互いに一致していてもよいし、互いに異なっていてもよい。上記の通り、第１流路１０、第２流路２０および調整層３０は、それぞれ、平面状の流路層２により構成されるとともに内部に伝熱フィン３（後述する伝熱フィン１３、２３、３４）を有している。
〈第１流路〉
　図３に示すように、第１流路１０は、Ｘ２側端面に設けられた入口（開口部）１１と、Ｘ１側端面に設けられた出口（開口部）１２とを含み、Ｘ方向に延びる直線状流路として形成されている。図３の構成例では、第１流体７は、入口１１から出口１２に向けてＸ１方向に流れる。
　以下、第１流路１０に設けられた伝熱フィン３を、伝熱フィン１３とする。第１流路１０の伝熱フィン１３は、第１流路１０の入口１１から出口１２にわたって延びるように形成されている。なお、図３では、便宜的に第１流路１０の中央部のみ伝熱フィン１３を図示し、他の部分の図示を省略している。伝熱フィン１３は、第１流路１０の全体にわたって、所定のピッチＰ１を有する。ピッチは、伝熱フィン１３（伝熱フィン３）の縦板部（図６参照）の間隔である。
　入口１１および出口１２には、それぞれ図示しないヘッダタンクなどが取り付けられる。ヘッダタンクを介して外部から入口１１に液相の第１流体７が供給され、出口１２からヘッダタンクを介して熱交換後（気化後）の第１流体７（ガス７ａ）が排出される。したがって、第１流路１０は、第１流路１０を流れる第１流体７の相変化に基づいて、入口１１側から出口１２側に向けて、液相領域（Ｌ）、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）、気相領域（Ｖ）を含んでいる。
〈第２流路〉
　図４に示すように、第２流路２０は、Ｙ２側端面のＸ１側端部に設けられた入口（開口部）２１と、Ｙ１側端面のＸ２側端部に設けられた出口（開口部）２２とを含み、Ｘ方向に延びる直線状流路として形成されている。図４の構成例では、第２流体８は、入口２１から出口２２に向けてＸ２方向に流れる。したがって、本実施形態の熱交換器１００は、第１流体７の流通方向（Ｘ１方向）と、第２流体８の流通方向（Ｘ２方向）とが互いに反対方向になる対向流型の熱交換器である。
　以下、第２流路２０に設けられた伝熱フィン３を、伝熱フィン２３とする。第２流路２０の伝熱フィン２３は、第２流路２０の入口２１から出口２２にわたって延びるように形成されている。なお、図４では、便宜的に第２流路２０の中央部のみ伝熱フィン２３を図示し、他の部分の図示を省略している。伝熱フィン２３は、入口２１および出口２２に設けられたディストリビュータ部２４を除く直線部２５の全体にわたって、所定のピッチＰ２を有する。本実施形態では、ピッチＰ２は、ピッチＰ１よりも小さい。つまり、単位幅当たりの縦板部の枚数が、伝熱フィン１３よりも伝熱フィン２３の方が多く、単位面積当たりの縦板部の密度が大きい。ディストリビュータ部２４では、直線部２５と入口２１または出口２２との間で第２流体８を分配（または集合）させるため、直線部２５とはピッチが異なっている。ディストリビュータ部２４と直線部２５とで、ピッチが同一であってもよい。
　入口２１および出口２２には、それぞれ図示しないヘッダタンクなどが取り付けられる。ヘッダタンクを介して外部から入口２１に第２流体８が供給され、出口２２からヘッダタンクを介して熱交換後の第２流体８が排出される。
〈調整層〉
　図５に示すように、本実施形態の調整層３０は、平面視で第１流路１０および第２流路２０と一致する形状を有する流路層２として構成されている。一方、本実施形態の調整層３０は、流体が流通しない層となっている。すなわち、図５の調整層３０は、全周がサイドバー４によって囲まれており、入口および出口が形成されていない。調整層３０は、中空構造を有する。なお、図５では調整層３０の内部が完全に閉じているように図示しているが、調整層３０は、真空状態（低圧状態）または所定の気体を充填した状態で気密封止されていてもよいし、一部が外部と連通して調整層３０の内外が同じ雰囲気になるように構成されてもよい。図２に示したように、調整層３０が設けられることにより、単純に第１流路１０と第２流路２０との間をチューブプレート５により仕切る場合と比べて、第１流路１０と第２流路２０との間の伝熱性能が低下する。つまり、調整層３０は、第１流路１０と第２流路２０との間で、（第１流路１０と第２流路２０とが直接隣接する場合と比べて）熱交換量を減少させるように調整する機能を有する。
　図５に戻り、本実施形態では、調整層３０は、第１部分３１と、第１部分３１よりも伝熱性能が低い第２部分３２とを含み、調整層３０内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように構成されている。つまり、調整層３０は、第１流路１０および第２流路２０と平行な面内において、伝熱性能の高い部分（第１部分３１）と低い部分（第２部分３２）とが形成されており、調整層３０は伝熱性能の高低の分布を有している。
　なお、本明細書において、調整層３０の伝熱性能とは、調整層３０を介して第１流路１０と第２流路２０との間で熱を移動させる際の熱の移動し易さを意味する。伝熱性能は、熱伝導、熱伝達（対流熱伝達）、熱放射の各々による熱の移動を含む総合的な性能と考えてよい。
　図５の構成例では、調整層３０は、１つの第１部分３１と１つの第２部分３２とによって構成されている。第２部分３２は、調整層３０のうち、第２流路２０の入口２１または出口２２近傍と重なる部分を含む所定範囲に設けられている。本実施形態では、第２部分３２は、第２流路２０の出口２２の近傍領域と隣接する（重なる）部分に設けられている。第１部分３１は、調整層３０のうち、第２部分３２が形成された所定範囲以外の領域に設けられている。この結果、調整層３０は、第２流路２０の下流側における伝熱性能が、第２流路２０の上流側における伝熱性能よりも低くなるように構成されている。
　本実施形態では、第２部分３２は、調整層３０のうち、第２流路２０のリスク領域ＲＡと重なる部分を含む所定範囲に配置されている。リスク領域ＲＡは、第２流路２０のうちで、内表面温度が第１流体７の温度に最も近付く領域である。第２流路２０の内表面温度とは、第２流路２０を構成するチューブプレート５の表面温度である。第２流路２０の内表面温度は、低温側である第１流体７の温度および第１流路１０側の伝熱性能に影響されるため、第１部分３１および第２部分３２の位置および範囲は、第１流路１０を流れる第１流体７と第２流路２０を流れる第２流体８との関係によって設定される。
　詳細には、図３および図５を参照して、第１部分３１は、調整層３０のうち、第１流路１０を流れる第１流体７の気相領域（Ｖ）と重なる範囲に配置されており、第２部分３２は、調整層３０のうち、第１流路１０を流れる第１流体７の気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）と重なる範囲に配置されている。さらに、本実施形態では、第２部分３２は、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）に加えて、液相領域（Ｌ）と重なる範囲にも設けられている。
　ここで、第１流路１０における伝熱性能は、第１流路１０を流れる液化ガスの相変化に伴って変化する。気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）は、第１流体７の熱伝達率が最も高くなり、熱交換に伴って第２流路２０の内表面温度を第１流体７の温度に最も近づける領域である。つまり、第２流路２０における第２流体８の凍結発生リスクが最も高くなるリスク領域ＲＡは、第１流路１０の気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）と重なる領域である。また、第２流路２０において、第１流路１０の液相領域（Ｌ）と重なる領域は、リスク領域ＲＡの下流側（出口２２側）であるため、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）に次いで凍結発生リスクが高くなる。一方、気相領域（Ｖ）は、第１流路１０内において第１流体７の温度が高くなる領域であるとともに、第１流体７の熱伝達率が最も低く、他の領域と比較して第２流路２０の内表面温度を低下させない。そのため、気相領域（Ｖ）と重なる領域は、凍結発生リスクが低く、伝熱性能の高い第１部分３１を配置可能な領域である。
　第１流路１０における液相領域（Ｌ）、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）、気相領域（Ｖ）は、流体の種類、流量、入口温度および出口温度、使用圧力、各流路の構造等の設計情報に基づいて、解析的に求めることが可能である。
　図３～図５の構成例では、液相領域（Ｌ）および気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）は、第１流路１０の入口１１からの距離Ｄ１（位置Ｓ）までの範囲である。そのため、調整層３０の第２部分３２は、Ｘ２側端部から距離Ｄ１の範囲に設定されている。気相領域（Ｖ）は、第１流路１０において位置Ｓから下流側（出口１２側）の距離Ｄ２の範囲である。調整層３０の第１部分３１は、位置Ｓから下流側の距離Ｄ２の範囲に設定されている。
　本実施形態では、調整層３０は、隣接する第１流路１０と第２流路２０との間を接続する熱伝導部３３を含む。熱伝導部３３は、調整層３０と第１流路１０とを仕切るチューブプレート５（図２参照）と接するとともに、調整層３０と第２流路２０とを仕切るチューブプレート５と接するように設けられ、主として内部の熱伝導によって熱を移動させる。
　調整層３０は、流体が流れない中空構造を有しているので、熱伝導部３３を通る熱伝導による熱の移動が大部分となり、熱伝達（対流熱伝達）および熱放射による熱の移動が、熱伝導と比較すると僅かとなるように構成されている。そのため、調整層３０では、熱伝導部３３の構造、配置や数によって、伝熱性能を異ならせることが可能である。
　熱伝導部３３は、第１流路１０と第２流路２０との間（チューブプレート５の間）を接続する構造であれば、特に限定されない。熱伝導部３３は、たとえば、柱状またはブロック状の部材であってよいし、板状や格子状の部材であってもよい。本実施形態では、熱伝導部３３は、調整層３０内に配置された伝熱フィン３４（伝熱フィン３）により構成されている。伝熱フィン３４は、他の流路層２の伝熱フィン１３、２３と同様のコルゲートフィンからなる。この場合、図６に示すように、熱伝導部３３は、伝熱フィン３４のうち、チューブプレート５の間を接続する縦板部３５により構成されている。そのため、熱伝導部３３は、図５に示すように、第１流体７の流通方向（Ｘ方向）に沿って延びるとともに、所定のピッチで間隔を隔てて複数配置されている。
　本実施形態では、第１部分３１および第２部分３２は、それぞれ、異なる伝熱性能を有する熱伝導部３３を含んでいる。具体的には、熱伝導部３３は、調整層３０における単位面積当たりの密度が異なることにより、異なる伝熱性能を有する。熱伝導部３３が伝熱フィン３４により構成される本実施形態では、熱伝導部３３は、伝熱フィン３４の各々の縦板部３５間の間隔を異ならせることにより異なる伝熱性能を有する。つまり、熱伝導部３３（伝熱フィン３４の縦板部３５）のピッチが、第１部分３１と第２部分３２とで異なっている。縦板部３５は、特許請求の範囲の「フィン部」の一例である。
　すなわち、図６（Ｂ）に示すように、調整層３０の第２部分３２には、ピッチＰ３の伝熱フィン３４ａが設けられ、図６（Ａ）に示すように、調整層３０の第１部分３１には、ピッチＰ４の伝熱フィン３４ｂが設けられている。ピッチＰ３は、ピッチＰ４よりも大きい（Ｐ３＞Ｐ４）。言い換えると、単位幅における熱伝導部３３（伝熱フィンの縦板部３５）の数が、第２部分３２の方が第１部分３１よりも少ない。そのため、単位面積当たりの熱伝導部３３の密度が、第１流体７の流通方向（Ｘ方向）に沿って、第２部分３２では相対的に疎（低密度）となり、第１部分３１では相対的に密（高密度）となっている。ピッチＰ３およびピッチＰ４は、特許請求の範囲の「フィン部間の間隔」の一例である。
　たとえば、図６（Ａ）および図６（Ｂ）の構成例では、ピッチＰ３の伝熱フィン３４ａには、単位幅（１インチ）当たり１０枚の縦板部３５（熱伝導部３３）が設けられ、ピッチＰ４の伝熱フィン３４ｂには、単位幅当たり１４枚の縦板部３５（熱伝導部３３）が設けられている例を示している。
　また、第１部分３１と第２部分３２とで、縦板部３５の厚みを異ならせてもよい。すなわち、第２部分３２の伝熱フィン３４ａの厚みｔ１と、第１部分３１の伝熱フィン３４ｂの厚みｔ２とを、互いに異ならせることにより、異なる伝熱性能を有する熱伝導部３３を構成してもよい。第１部分３１と第２部分３２とで、縦板部３５のピッチおよび厚みの両方を互いに異ならせてもよい。この場合、単位面積当たりの縦板部３５の密度を、第２部分３２で相対的に低く、第１部分３１で相対的に高くなるようにすればよい。
　このような構成により、調整層３０の第２部分３２では、伝熱性能が相対的に低くなっている。その結果、第２部分３２は、極低温の第１流体７が第１流路１０の入口１１から流入した場合でも、第２流路２０の第２流体８が凍結することを抑制する。
　一方、調整層３０の第１部分３１では、伝熱性能が相対的に高くなっている。その結果、第１部分３１は、第２部分３２と比較して第１流路１０と第２流路２０との間の熱交換を促進する。
（本実施形態の効果）
　本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　本実施形態では、上記のように、互いに隣接する第１流路１０と第２流路２０との間に配置され、第１流路１０と第２流路２０との間の熱交換量を調整する調整層３０を設ける。これにより、第１流路１０と第２流路２０との間の調整層３０によって、第１流路１０と第２流路２０との間で熱が伝わりすぎるのを抑制することができる。その結果、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制することができる。そして、調整層３０に、第１部分３１と、第１部分３１よりも伝熱性能が低い第２部分３２とを設け、調整層３０内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように調整層３０を構成することによって、流路中で凍結が発生しやすい箇所に第２部分３２を配置して伝熱性能を十分に低くし、凍結が発生し難い箇所には第１部分３１を配置して伝熱性能を相対的に高くして、高い熱交換性能を確保することができる。これにより、所望の熱交換量を実現するために必要な流路長さが大きくなるのを抑制することができる。以上により、温度差の大きい流体間で熱交換を行う場合でも、流体の凍結を抑制しつつ、熱交換器１００の大型化を抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第２部分３２を、調整層３０のうち、第２流体８の入口２１または出口２２の近傍と重なる部分を含む所定範囲（距離Ｄ１の範囲）に設ける。これにより、たとえば第２流路２０に沿って第２流体８の温度が単調低下する場合に、凍結の発生する可能性が高い第２流体８の出口２２近傍と重なる部分を含むように第２部分３２を設けることによって、凍結の発生を効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第２部分３２を、調整層３０のうち、第２流路２０のリスク領域ＲＡ（第２流路２０の内表面温度が第１流体７の温度に最も近付く領域）と重なる部分を含む所定範囲（距離Ｄ１の範囲）に配置されている。これにより、第２部分３２をリスク領域ＲＡに重ねて配置することによって、より確実に、凍結の発生を抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、調整層３０に、隣接する第１流路１０と第２流路２０との間を接続する熱伝導部３３を設け、第１部分３１および第２部分３２に、それぞれ、異なる伝熱性能を有する熱伝導部３３を設ける。これにより、調整層３０自体の形状や寸法を調整するのではなく、熱伝導部３３の数や大きさ、材質などを変えることにより、容易に、第１部分３１および第２部分３２における伝熱性能の分布を調整することができる。その結果、調整層３０において、流体の凍結の発生リスクに応じた適切な伝熱性能の分布を容易に実現することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、熱伝導部３３の調整層３０における単位面積当たりの密度（縦板部３５のピッチ）を異ならせることにより、異なる伝熱性能を有するように熱伝導部３３を構成する。これにより、たとえば材質の異なる複数種類の熱伝導部３３を設ける場合と異なり、容易に、熱伝導部３３の伝熱性能を流通方向の位置に応じて異ならせることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第１流路１０、第２流路２０および調整層３０は、それぞれ、平面状の流路層２により構成する。そして、熱伝導部３３を、調整層３０内に配置された伝熱フィン３４（伝熱フィン３）により構成し、伝熱フィン３４（３４ａ、３４ｂ）の各々の縦板部３５間のピッチ（Ｐ３、Ｐ４）、または縦板部３５の厚み（ｔ１、ｔ２）の少なくとも一方を異ならせることにより、異なる伝熱性能を有するように構成する。これにより、第１流路１０、第２流路２０および調整層３０の基本構造を共通化して、プレートフィン型の熱交換器１００の各流路層２として構成することができる。その結果、調整層３０に特殊な構造を採用する場合と異なり、調整層３０を設ける場合でも容易に熱交換器１００として構成することができる。また、各々の縦板部３５間のピッチや厚みを異ならせるだけの簡単な構成で、調整層３０の伝熱性能を異ならせることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第１流体７は、第１流路１０内で蒸発される低温の液化ガスであり、第２流体８は、液化ガスにより冷却される液状の熱媒である。このように構成する場合、極低温の第１流体７と第２流体８との間の熱交換によって、第２流体８側に凍結の可能性が生じる。その場合でも、第１部分３１および第２部分３２を設けて調整層３０の伝熱性能を異ならせることにより、第２流体８の凍結を抑制することが可能な範囲内で、伝熱効率を極力高くすることができるので、熱交換器１００の大型化を効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第１部分３１を、調整層３０のうち、第１流路１０を流れる第１流体７の気相領域（Ｖ）と重なる範囲に配置し、第２部分３２を、調整層３０のうち、第１流路１０を流れる第１流体７の気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）と重なる範囲に配置する。これにより、第１流体７の熱伝達率が大きい気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）では、伝熱性能の低い第２部分３２によって第２流体８の凍結を抑制し、第１流体７の熱伝達率が低下する気相領域（Ｖ）では伝熱性能の高い第１部分３１によって効率的に熱交換を行うことができる。その結果、第２流体８の凍結を抑制しつつ、熱交換器１００を極力コンパクトに構成することが可能となる。
（シミュレーション結果の説明）
　次に、図７～図１０を参照して、本実施形態による熱交換器１００の効果についてシミュレーション結果を用いて説明する。シミュレーションでは、熱交換器を通過する間の第１流体７および第２流体８の温度変化を算出し、流体が所定の目標温度に達するまで（所定の熱交換量が得られるまで）に必要となる流路長さを求めた。
　シミュレーションは、上述した本実施形態の熱交換器１００に加えて、調整層３０を設けない場合（チューブプレート５によって第１流路１０と第２流路２０とが仕切られる場合）の比較例１、調整層３０の全体に低密度の伝熱フィン３４ａのみを設けた場合（調整層３０の全体を第２部分３２の伝熱性能とする場合）の比較例２、調整層３０の全体に高密度の伝熱フィン３４ｂのみを設けた場合（調整層３０の全体を第１部分３１の伝熱性能とする場合）の比較例３、の各々について行った。
　シミュレーションでは、第１流体７として水素（液体水素）、第２流体８として不凍液を採用し、流量や圧力などの条件を共通にして計算した。シミュレーション条件として、液体水素の入口温度が－２５３℃、沸点が－２４２．５℃、出口温度は－５０℃である。不凍液は凝固点が－５０℃、入口温度が－３９℃であり、水素による冷却後の出口温度（目標温度）を－４３℃とした。シミュレーションでは、第２流路２０と調整層３０との間のチューブプレート５の表面温度（第２流路２０側の表面温度、図２参照）の平均を算出した。表面温度が－５０℃に達する場合、第２流路２０内で第２流体８の凍結が発生すると考えられる。
　図７が本実施形態の熱交換器１００、図８が比較例１、図９が比較例２、図１０が比較例３のシミュレーション結果を示している。図７～図１０では、縦軸に温度［℃］、横軸に熱交換量［ｋｃａｌ／ｈ］をとった。熱交換量の総量は全てのシミュレーション結果で共通であるが、出口温度に到達させるために必要な流路長さが異なっている。シミュレーションでは、第１～第３比較例の流路長さを、本実施形態の熱交換器１００の流路長さを１（基準）とした比の値により算出した。
〈凍結発生リスク〉
　図７～図１０の共通の傾向として、液体水素は、液相で入口に流入した後、沸点（－２４２．５℃）で気液混相となり、潜熱分だけ温度一定の状態が継続した後、気相状態で再度温度上昇する。チューブプレート５の表面温度は、水素が気液混相の状態で最も低くなった。つまり、第２流路２０の内、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）と重なる位置にある部分で、不凍液（第２流体８）の凍結発生リスクが最も高まる。
　本実施形態の熱交換器１００（図７参照）では、チューブプレート５の表面温度（第２流路２０の内表面温度）が、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）で最低温度－４９．８℃となった。比較例１（図８参照）では、チューブプレート５の表面温度が最低温度－５７．３℃となった。比較例２（図９参照）では、チューブプレート５の表面温度が最低温度－４９．８℃となった。比較例３（図１０参照）では、チューブプレート５の表面温度が最低温度－５０．９℃となった。
　本実施形態の熱交換器１００および比較例２では、表面温度が－５０℃以上のため、不凍液の凍結は略発生しないことが分かる。一方、比較例１および比較例３では、表面温度が－５０℃を下回るため、不凍液の凍結が発生することが分かる。
〈流路長さ〉
　本実施形態の熱交換器１００の流路長さを１とした場合、比較例１では０．３８、比較例２では１．１８、比較例３では０．９９となった。つまり、同じ熱量を移動させるために必要な流路長さは、比較例１＜比較例３＜本実施形態＜比較例２の順となる。
　シミュレーション結果を総合すると、調整層３０を設けない比較例１や、調整層３０に高密度の伝熱フィン３４ｂのみを設けた比較例３では、伝熱性能が高く流路長さは短縮できるものの、第２流路２０に凍結が発生するため、流路の閉塞のリスクがある。一方、調整層３０に低密度の伝熱フィン３４ｂのみを設けた比較例２では、第２流路２０での凍結を回避することが可能な一方、流路長さが本実施形態の１．１８倍となり、熱交換器が大型化することが分かる。
　これに対して、本実施形態の熱交換器１００では、比較例３と同様に第２流路２０での凍結を回避可能でありながら、比較例２と同等の流路長さで液体水素を目標温度まで上昇させることが可能であることが分かる。したがって、本実施形態の熱交換器１００では、流体の凍結を抑制しつつ、大型化を抑制することが可能であることが確認された。
　なお、熱交換器１００におけるリスク領域ＲＡの設定、調整層３０の第２部分３２の位置および範囲の設定にあたっては、図８に示した比較例１（調整層３０を設けない場合）の温度分布に基づいて行うことが可能である。すなわち、まず、第１流路１０および第２流路２０の構造を決定し、比較例１のように調整層３０を設けない場合の温度分布を求める。計算結果から、図８の例では、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）にリスク領域ＲＡが存在することが分かる。そこで、リスク領域ＲＡ（気液混相領域（Ｌ＋Ｖ））と、安全を見込んで下流側の液相領域（Ｌ）とに第２部分３２が配置されるように調整層３０を設けつつ、第２部分３２以外の領域に、伝熱性能の高い第１部分３１を配置することにより、第２部分３２の位置および範囲が設定できる。
［変形例］
　なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
　たとえば、上記実施形態では、低温の液化ガスを第１流体７とし、液化ガスを気化させるための液状の熱媒を第２流体８とした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流体７が燃焼後または反応後の排ガスなどの高温ガスで、第２流体８が高温ガスを冷却するための液状の冷媒（水など）であってもよい。つまり、第１流路１０が高温側流路で、第２流路２０が低温側流路であってもよい。この場合、熱交換により、第２流路２０において第２流体８の沸騰が発生する可能性がある。流路中での意図しない沸騰の発生は、熱交換器の強度上の負荷が大きくなる可能性があるとともに、熱交換器の仕様上、許容し得ない場合がある。本発明では、流体の沸騰の可能性がある場合にも、調整層３０によって、第２流路２０中での第２流体８の沸騰を抑制することが可能である。さらに調整層３０が異なる伝熱性能を有する第１部分３１と第２部分３２とを含むことによって高い熱交換性能が確保できるので、熱交換器の大型化を抑制することが可能である。
　また、上記実施形態では、プレートフィン型の熱交換器１００を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、プレートフィン型以外の熱交換器であってもよい。
　たとえば図１１（Ａ）～図１１（Ｃ）に示す変形例のように、多重管式の熱交換器２００に本発明を適用してもよい。熱交換器２００では、同心状に配置された３つの円筒状の流路層１０２が設けられている。たとえば、最内周の流路層１０２により、第１流路１０が構成され、最外周の流路層１０２により、第２流路２０が構成される。第１流路１０と第２流路との間の中間の流路層１０２により、調整層３０が構成される。この変形例も、上記実施形態と同様に、第１流体７の流通方向（Ｘ方向）に沿って、たとえば上流側の位置Ｓ１と下流側の位置Ｓ２とで、調整層３０の伝熱性能が異なっている。具体的には、位置Ｓ１の断面を示す図１１（Ｂ）と、位置Ｓ２の断面を示す図１１（Ｃ）とに示すように、調整層３０に熱伝導部３３を配置して、熱伝導部３３の密度（枚数）を異ならせればよい。
　この他、本発明の熱交換器は、表裏に流路が一体形成された波形の金属板を積層して、シールあるいは溶接などにより各流路層を接合して金属板間に流路層を構成するプレート型の熱交換器であってもよい。また、熱交換器は、溝加工により流路を形成した金属板を積層して、拡散接合などにより一体化することにより、金属板間に流路層を構成した拡散接合型の熱交換器であってもよい。
　また、上記実施形態では、第１流路１０、調整層３０、第２流路２０、調整層３０、・・・、という順で各流路層が１層ずつ交互に積層される例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、同一の流路層が複数連続して積層される構成であってもよい。すなわち、第１流路１０、第１流路１０、調整層３０、第２流路２０、調整層３０、第１流路１０、第１流路１０、・・・、というように、複数の第１流路１０が連続して積層されてもよい。また、第１流路１０、調整層３０、調整層３０、第２流路２０、調整層３０、調整層３０、・・・、というように、複数の調整層３０が連続して積層されてもよい。
　また、上記実施形態では、調整層３０を、流体が流通しない層として構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１２の変形例に示すように、流体が流通可能な調整層１３０を設けてもよい。図１２の調整層１３０は、第１流路１０と第２流路２０との間に配置され、熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する。具体的には、調整層１３０は、Ｙ２側端面のＸ２側端部に設けられた入口（開口部）１３１と、Ｙ１側端面のＸ１側端部に設けられた出口（開口部）１３２とを含み、Ｘ方向に延びる直線状流路として形成されている。図示しないヘッダタンクを介して外部から入口１３１に流体が供給され、出口１３２からヘッダタンクを介して流体が排出される。この場合、第１流体７と第２流体８との熱交換の際には、調整層１３０には流体を流さず空気で満たすことによって、上記実施形態の調整層３０と同様の効果が得られる。
　上記のように熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する調整層１３０を設ける場合、中空構造によって容易に調整層１３０の伝熱性能を低下させることができるので、凍結や沸騰の発生を効果的に抑制することができる。また、万が一、流体の凍結が発生した場合の対策として、第１流体７と第２流体８との熱交換時以外で調整層１３０に凍結温度よりも高温の熱媒を流通させて凍結を迅速に解消することが可能となる。
　すなわち、調整層１３０は、第２流路２０中の第２流体８に凍結が発生した場合に、熱交換時以外で第２流体８の凍結を解消するための熱媒が供給されるように構成されている。これにより、熱交換の後で第２流路２０内に局所的に凍結が発生した場合でも、熱交換（第１流体７および第２流体８の供給）を停止した後で、凍結を解消するための熱媒を調整層１３０に供給することによって、容易かつ迅速に、凍結を解消することができる。
　また、上記実施形態では、調整層３０を、第１流路１０および第２流路２０と共通の流路層２により構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、調整層を流路層によって構成する必要はなく、流路層以外の層構造によって調整層を構成してもよい。たとえば図１３に示す変形例のように、調整層３０として、断熱部２３１を備えた板部材２３０を設けてもよい。板部材２３０は、第１流路１０と第２流路２０との間を仕切るチューブプレートである。板部材２３０は、内部に設けられた中空の断熱部２３１によって伝熱性能が低くなっており、第１流路１０と第２流路２０との間の熱交換量を調整している。板部材２３０には、たとえば断熱部２３１が複数設けられ、隔壁部２３２によって仕切られている。隣接する第１流路１０と第２流路２０との間を接続する熱伝導部３３が、隔壁部２３２により構成されている。この変形例では、隔壁部２３２の密度（すなわち、断熱部２３１の密度）を異ならせることにより、第１部分３１および第２部分３２の伝熱性能を異ならせることが可能である。
　また、上記実施形態では、第１流体７の流通方向と、第２流体８の流通方向とが互いに反対方向になる対向流型の熱交換器１００の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、対向流型以外の並行流型の熱交換器であってもよい。並行流型にすれば、第１流路１０の入口１１と第２流路２０の入口１１とが同じ側に配置される。そのため、第２流体８の凍結リスクが高い場合、第１流体７の温度が最も低い入口付近の領域で、第２流体８の温度を高くすることができるので、凍結リスクをさらに抑制できる。一方、第１流路１０の出口付近における第１流体７と第２流体８との温度差が大きい場合には、対向流型にする方が熱交換効率が高くなり、小型化できるので好ましい。この他、熱交換器は、第１流体７の流通方向と、第２流体８の流通方向とが互いに直交する直交流型であってもよい。
　図１４に直交流型の熱交換器３００における調整層３０の構成例（第１部分３１および第２部分３２の配置例）を示す。図１４では、高温側流体である第１流体７が、図示しない第１流路をＹ１方向に向けて流れ、低温側流体である第２流体８が、図示しない第２流路をＸ１方向に向けて流れる場合の例を示している。この場合、第２流体８に沸騰発生リスクがあり、リスク領域ＲＡは、第２流路２０の出口近傍、かつ、第１流路１０の入口近傍の部分となる。そこで、図１４では、調整層３０の第２部分３２を、第２流路２０の出口近傍、かつ、第１流路１０の入口近傍の隅部と重なる三角形状の範囲に設定し、他の領域には第１部分３１を設定した例を示している。
　また、上記実施形態では、複数の第１流路１０と複数の第２流路２０とを設けた熱交換器１００の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１流路および第２流路の数は特に限定されない。第１流路および第２流路がそれぞれ１つだけでもよいし、第１流路および第２流路が２つ以上のいくつ設けられていてもよい。
　また、上記実施形態では、調整層３０を第１部分３１と第２部分３２との２領域に分け、第１部分３１と第２部分３２との伝熱性能を異ならせた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、調整層３０は、伝熱性能が異なる部分を３つ以上含んでいてもよい。たとえば、調整層のうち、液化ガスの液相領域（Ｌ）に隣接する部分と、気液混相領域（Ｌ＋Ｖ）に隣接する部分と、気相領域（Ｖ）に隣接する部分と、の３部分で、互いに伝熱性能を異ならせてもよい。また、調整層３０は、伝熱性能の異なる複数領域を含むのではなく、伝熱性能が連続的に変化する構成であってもよい。たとえば、熱伝導部３３の密度を、第１流体の流通方向の上流側から下流側に向かって連続的に増大させてもよい。
　また、上記実施形態では、中空構造の調整層３０を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、調整層３０の内部に流体や、粉体（粒状物質）または多孔性物質などの固体を充填してもよい。この場合、これらの充填物が熱伝導部として機能してもよい。充填物の材質（熱伝導率）や、粒径、気孔率などを異ならせることにより、伝熱性能を異ならせることが可能である。
　また、上記実施形態では、第１流路１０中で第１流体７が相変化する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１５に示すように、低温側の第１流体７が液層または気相のまま相変化せずに第１流路１０を通過する構成であってもよい。相変化しない場合、第１流路１０側の伝熱性能は略一定と考えてよいので、第２流路２０におけるリスク領域ＲＡ（凍結発生リスク）は、第２流路２０の出口付近となる。また、図１６では、第２流体８が低温側流体で、第１流体７が高温側流体である例を示している。この場合も、第２流路２０におけるリスク領域ＲＡ（沸騰発生リスク）は、第２流路２０の出口付近となる。そのため、図１５や図１６の場合、第２流路２０の出口付近のリスク領域ＲＡに対応して、第２流体８の出口近傍と重なる部分を含むように調整層３０の第２部分３２を設定すればよい。
　２、１０２　流路層
　７　第１流体（液化ガス）
　８　第２流体（熱媒）
　１０　第１流路
　２０　第２流路
　３０、１３０　調整層
　３１　第１部分
　３２　第２部分
　３３　熱伝導部
　３４（３４ａ、３４ｂ）　伝熱フィン
　３５　縦板部（フィン部）
　５０　リスク領域
　１００、２００、３００　熱交換器
　Ｐ３、Ｐ４　縦板部間のピッチ（フィン部間の間隔）
　ｔ１、ｔ２　縦板部の厚み
　Ｘ　第１流体の流通方向

Claims (10)

  1. 　第１流体を流通させる第１流路と、
    　第２流体を流通させる第２流路と、
    　互いに隣接する前記第１流路と前記第２流路との間に配置され、前記第１流路と前記第２流路との間の熱交換量を調整する調整層とを備え、
    　前記調整層は、第１部分と、前記第１部分よりも伝熱性能が低い第２部分とを含み、前記調整層内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように構成されている、熱交換器。
  2. 　前記第２部分は、前記調整層のうち、前記第２流路の入口または出口の近傍と重なる部分を含む所定範囲に設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記第２流路は、内表面温度が前記第１流体の温度に最も近付くリスク領域を含んでおり、
    　前記第２部分は、前記調整層のうち、前記第２流路の前記リスク領域と重なる部分を含む所定範囲に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
  4. 　前記調整層は、隣接する前記第１流路と前記第２流路との間を接続する熱伝導部を含み、
    　前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ、異なる伝熱性能を有する前記熱伝導部を含んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
  5. 　前記熱伝導部は、前記調整層における単位面積当たりの密度が異なることにより、異なる伝熱性能を有する、請求項４に記載の熱交換器。
  6. 　前記第１流路、前記第２流路および前記調整層は、それぞれ、平面状の流路層により構成されるとともに内部に伝熱フィンを有し、
    　前記熱伝導部は、前記調整層内に配置された前記伝熱フィンにより構成され、前記伝熱フィンの各々のフィン部間の間隔、または前記フィン部の厚みの少なくとも一方が異なることにより、異なる伝熱性能を有する、請求項４に記載の熱交換器。
  7. 　前記調整層は、前記第１流路と前記第２流路との間に配置され、熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する、請求項１に記載の熱交換器。
  8. 　前記第１流体は、前記第１流路内で蒸発される低温の液化ガスであり、
    　前記第２流体は、液化ガスにより冷却される液状の熱媒である、請求項１に記載の熱交換器。
  9. 　前記第１部分は、前記調整層のうち、前記第１流路を流れる前記第１流体の気相領域と重なる範囲に配置されており、
    　前記第２部分は、前記調整層のうち、前記第１流路を流れる前記第１流体の気液混相領域と重なる範囲に配置されている、請求項８に記載の熱交換器。
  10. 　前記調整層は、前記第２流路中の前記第２流体に凍結が発生した場合に、熱交換時以外で前記第２流体の凍結を解消するための熱媒が供給されるように構成されている、請求項７に記載の熱交換器。
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