特開 2022-128039 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022128039

(43)【公開日】2022-09-01

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 3/08 20060101AFI20220825BHJP

   F28D 9/02 20060101ALI20220825BHJP

【ＦＩ】

F28F3/08 311

F28D9/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021026343

(22)【出願日】2021-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000006611

【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100144211

【弁理士】

【氏名又は名称】日比野 幸信

(72)【発明者】

【氏名】王 凱建

(72)【発明者】

【氏名】高橋 俊彦

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA18

3L103DD15

3L103DD17

3L103DD58

(57)【要約】

【課題】流体を熱交換流路部に適切に分配する。
【解決手段】熱交換器は、流体が流入する流入口と、上記流体が流出する流出口と、上記流入口と上記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含む。上記複数の金属板は、互いに積層される。上記複数の金属板の少なくとも１つは、上記流入口と上記熱交換流路部との間において、上記流入口から上記熱交換流路部に流入する上記流体を上記熱交換流路部に分配する第１分流部を有する。上記第１分流部は、複数の線状ガイドを有する。上記複数の線状ガイドが上記流入口と上記熱交換流路部との間において千鳥状に配置されている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流入する流入口と、前記流体が流出する流出口と、前記流入口と前記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含み、
前記複数の金属板は、互いに積層され、
前記複数の金属板の少なくとも１つは、前記流入口と前記熱交換流路部との間において、前記流入口から前記熱交換流路部に流入する前記流体を前記熱交換流路部に分配する第１分流部を有し、
前記第１分流部は、複数の線状ガイドを有し、
前記複数の線状ガイドが前記流入口と前記熱交換流路部との間において千鳥状に配置された
熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載された熱交換器であって、
前記複数の線状ガイドのそれぞれは、前記複数の線状ガイドのそれぞれが延在する方向に長手方向を有し、
前記第１分流部においては、前記長手方向において破線状に配列された複数の線状ガイドによって線状ガイドのガイド列が形成され、
前記ガイド列が前記流入口から前記熱交換流路部に向けて放射状に複数配置され、
隣り合う前記ガイド列における相互の間隔が前記流入口から前記熱交換流路部に向かうにつれ広くなる
熱交換器。

【請求項3】

請求項２に記載された熱交換器であって、
隣り合う前記ガイド列との間における前記長手方向における線状ガイドの配列位相が互いにずれている
熱交換器。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか1つに記載された熱交換器であって、
前記熱交換流路部と前記第１分流部との間に、前記第１分流部によって分配された前記流体を再度分配する第２分流部が設けられ、
前記第２分流部は、複数の柱状ガイドを有し、
前記複数の柱状ガイドが前記第１分流部と前記熱交換流路部との間において千鳥状に配置された
熱交換器。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか1つに記載された熱交換器であって、
蒸発器として機能する
熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流路が形成された金属板を積層した熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

熱交換部として機能させるための流路が形成された薄い金属板を複数積層した熱交換器（例えば、マイクロチャンネル熱交換器）では、流入口から流入した流体が流路が形成された領域部（以下、熱交換流路部）に均等に流れるように、流入口と熱交換流路部との間に分流部を設ける場合がある。この分流部は流入口から流入した流体を熱交換流路部に分配する。例えば、分流部として、流入口と熱交換流路部との間に複数の線状ガイドを放射状に配置する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、このような熱交換器においては、一般的には熱交換器内の圧力損失を低減するため、流体が流れる流路の長さが短く設定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－５３４８４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、流路の長さを短く設定すると熱交換器における十分な伝熱面積を確保できなくなる。このため、熱交換器においては流路の長さを短く設定する代わりに熱交換流路部を幅広く形成する必要性が生じる。

【0006】

但し、流入口の幅に比べて熱交換流路部が広く形成されると、流体の流れ方向の慣性力によって、流体は熱交換流路部の流入口付近に流入しやすく、熱交換流路部の流入口から離れた両端部には流体が流れにくくなる現象が起き得る。例えば、流入口と熱交換流路部との間に線状ガイドを設けたとしても、ガイドの長さや本数、角度などの機械的な制約により適切に流体を分配できない。従って、単に流入口と熱交換流路部との間に分流部を設けただけでは、流体を熱交換流路部に適切に分配できないという問題があった。

【0007】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、流体を熱交換流路部に適切に分配させる熱交換器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱交換器は、流体が流入する流入口と、上記流体が流出する流出口と、上記流入口と上記流出口との間に熱交換流路部が設けられた複数の金属板を含む。
上記複数の金属板は、互いに積層される。
上記複数の金属板の少なくとも１つは、上記流入口と上記熱交換流路部との間において、上記流入口から上記熱交換流路部に流入する上記流体を上記熱交換流路部に分配する第１分流部を有する。
上記第１分流部は、複数の線状ガイドを有する。
上記複数の線状ガイドが上記流入口と上記熱交換流路部との間において千鳥状に配置されている。

【0009】

このような熱交換器であれば、複数の線状ガイドが流入口と熱交換流路部との間において千鳥状に配置されていることから、流体が適切に熱交換流路部に分配される。

【0010】

上記熱交換器においては、上記複数の線状ガイドのそれぞれは、上記複数の線状ガイドのそれぞれが延在する方向に長手方向を有し、上記第１分流部においては、上記長手方向において破線状に配列された複数の線状ガイドによって線状ガイドのガイド列が形成され、上記ガイド列が上記流入口から上記熱交換流路部に向けて放射状に複数配置され、隣り合う上記ガイド列における相互の間隔が上記流入口から上記熱交換流路部に向かうにつれ広くなってもよい。これにより、流体がより適切に熱交換流路部に分配される。

【0011】

上記熱交換器においては、隣り合う上記ガイド列との間における上記長手方向における線状ガイドの配列位相が互いにずれてもよい。これにより、流体がより適切に熱交換流路部に分配される。

【0012】

上記熱交換器においては、上記熱交換流路部と上記第１分流部との間に、上記第１分流部によって分配された上記流体を再度分配する第２分流部が設けられ、上記第２分流部は、複数の柱状ガイドを有し、上記複数の柱状ガイドが上記第１分流部と上記熱交換流路部との間において千鳥状に配置されてもよい。これにより、流体がより適切に熱交換流路部に分配される。

【0013】

上記熱交換器においては、蒸発器として機能させてもよい。これにより、流体がより適切に熱交換流路部に分配される。

【発明の効果】

【0014】

以上述べたように、本発明によれば、流体を熱交換流路部に適切に分配させる熱交換器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態の熱交換器を示す模式的斜視図である。

【図2】熱交換器本体を熱交換器本体の積層方向に分解したときの模式的斜視図である。

【図3】金属板を示す模式的平面図である。

【図4】金属板を示す模式的平面図である。

【図5】金属板に設けられた流路を示す模式的平面図である。

【図6】分流部及び熱交換流路部の流路を示す模式的平面図である。

【図7】金属板に設けられた流路を示す模式的平面図である。

【図8】参考例の熱交換器に含まれる金属板の流路を示す模式的平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付す場合があり、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。また、以下に示す数値は例示であり、この例に限らない。

【0017】

（熱交換器の構造）
図１は、本実施形態の熱交換器を示す模式的斜視図である。

【0018】

熱交換器１は、例えば、積層型マイクロ流路熱交換器に適用される。熱交換器１は、熱交換器本体２と、流入管５と、流出管６と、流出管７と、流入管８とを具備する。流入管５から流出管６に向かう方向と、流入管８から流出管７に向かう方向とは交差する。

【0019】

熱交換器１を蒸発器として機能させる場合、例えば、高温流体（例えば、水、温水）を流入管５を介して熱交換器本体２に流入させる。熱交換器本体２で低温流体と熱交換された高温流体は、流出管６を介して熱交換器本体２から熱交換器本体２の外部に流出する。低温流体（例えば、液冷媒）は、流入管８を介して熱交換器本体２に流入させる。熱交換器本体２で高温流体と熱交換された低温流体は加熱されることにより蒸発して、例えばガス冷媒となり、流出管７を介して熱交換器本体２から熱交換器本体２の外部に流出する。

【0020】

流出管７の管径と、流入管８の管径とが異なるのは、熱交換器１内を流れる低温流体が高温流体と熱交換を行って、低温流体が液とガスの間で相変化をすることを考慮したことによる。例えば、液よりも体積が大きくなるガスが流出する流出管７の管径は、液が流入する流入管８の管径より大きく形成されている。一方、流入管５と流出管６との間を流れる高温流体は、液体のまま相変化をしないので、流入管５及び流出管６のそれぞれの管径は、略等しく形成されている。

【0021】

図２は、熱交換器本体を熱交換器本体の積層方向に分解したときの模式的斜視図である。図２では、図１に示す熱交換器１が流出管７または流入管８の管軸を中心に１８０度回転した状態が示されている。

【0022】

熱交換器本体２は、積層体１０と、金属板１１と、金属板１２とを有する。金属板１１と金属板１２とは、積層方向１０ｓにおいて積層体１０を挟む。金属板１１及び金属板１２は、積層体１０の積層方向１０ｓにおける外殻板である。

【0023】

積層体１０は、主面Ｓ１と、主面Ｓ１とは反対側の主面Ｓ２と、主面Ｓ１、Ｓ２に連設された側面１０ｗとを有する。金属板１１は、積層体１０の一方の主面Ｓ１を覆い、金属板１２は、積層体１０の主面Ｓ１とは反対側の主面Ｓ２を覆う。金属板１１、１２のそれぞれは、拡散接合によって積層体１０を形成する複数の金属板とともに一体に固定されている。

【0024】

熱交換器本体２には、流入口１４と、流出口１５と、流入口１６と、流出口１７とが形成されている。流入口１４、流出口１５、流入口１６、及び流出口１７は、積層方向１０ｓにおいて積層体１０を貫通する。また、流入口１４、流出口１５、流入口１６、及び流出口１７は、積層体１０の積層方向１０ｓにおいて、金属板１１と金属板１２とにより閉塞される。金属板１１及び金属板１２のそれぞれは、１枚の金属板に限らず、複数の金属板が拡散接合によって積層方向１０ｓに接合された金属板であってもよい。

【0025】

積層体１０の側面１０ｗには、流出口１５に通じる開口１８と、流入口１６に通じる開口１９とが形成されている。開口１８は、流出口１５の近傍の側面１０ｗに形成される。流出管６は、開口１８に挿入され、開口１８を介して流出口１５に連通する。流出管６は、例えば、ロウ付けによって、開口１８に接合される。

【0026】

開口１９は、流入口１６の近傍の側面１０ｗに形成される。流入管８は、開口１９に挿入され、開口１９を介して流入口１６に連通する。流入管８は、例えば、ロウ付けによって、開口１９に接合される。なお、開口１８、１９は、熱交換器本体２が形成された後に、例えば、ドリル加工、レーザ加工等の加工によって形成される。

【0027】

開口１８の反対側の積層体１０の側面１０ｗには、流入口１４の近傍に流入口１４に通じる開口（不図示）が形成されている。開口１９の反対側の側面１０ｗには、流出口１７の近傍に流出口１７に通じる開口（不図示）が形成されている。流入管５は、流入口１４の近傍の側面１０ｗに形成された開口（不図示）に挿入され、この開口を介して流入口１４に連通する。流入管５は、例えば、ロウ付けによって、この開口に接合される。

【0028】

流出管７は、流出口１７の近傍の側面１０ｗに形成された開口（不図示）に挿入され、この開口を介して、流出口１７に連通する。流出管７は、例えば、ロウ付けによって、この開口に接合される。なお、これらの開口は、熱交換器本体２が形成された後に、例えば、ドリル加工、レーザ加工等の加工によって形成される。

【0029】

積層体１０は、伝熱板（熱交換板）である複数の金属板２０を有する。複数の金属板２０は、それぞれ板状に形成されている。複数の金属板２０は、積層方向１０ｓに垂直に配置され、拡散接合によって互いに密着するように積層されている。

【0030】

複数の金属板２０は、複数の金属板２１と複数の金属板２２とを有する。すなわち、複数の金属板２０の少なくとも１つは、金属板２１または金属板２２である。金属板２０は、金属板２１及び金属板２２の総称である。金属板２１と金属板２２とは、積層方向１０ｓにおいて互いに交互に積層される。交互に積層された金属板２１と金属板２２とは、拡散接合によって互いに接合されている。

【0031】

なお、図２では、積層方向に積層された複数の金属板のそれぞれの境界に実線が描かれているが、拡散接合後、実線は消滅することがある。

【0032】

図３及び図４は、金属板を示す模式的平面図である。ここで、図３には、金属板２１の平面が示され、図４には、金属板２２の平面が示されている。金属板２１、２２のそれぞれは、流体が流入する流入口と、流体が流出する流出口と、流入口と流出口との間に熱交換流路部が設けられている。また、図３及び図４では、流路が略されている。

【0033】

図３に示す金属板２１には、流入口１４と、流出口１５と、流入口１６と、流出口１７とが形成されている。流入口１４、流出口１５、流入口１６、及び流出口１７は、金属板２１の一方の主面Ｓ３から他方の主面Ｓ４に貫通している。

【0034】

金属板２１においては、主面Ｓ３に、流体の熱交換流路部（後述）が配置される凹部２１ａと、流体の分流部（後述）が配置される凹部２１ｂと、流体の合流部（後述）が配置される凹部２１ｃとが形成されている。凹部２１ａは、金属板２１の中央部分に設けられる。凹部２１ｂは、凹部２１ａと流入口１４との間に設けられる。凹部２１ｃは、凹部２１ａと流出口１５との間に設けられる。凹部２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれの深さは、段差による圧力損失の増加を抑えるため、例えば、同じである。金属板２１においては、主面Ｓ３と平行な方向において、流入口１４、凹部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、及び流出口１５が互いに連通している。

【0035】

高温流体は、積層方向１０ｓに垂直であって金属板２１に平行な流れ方向２１ｆに流れる。例えば、高温流体は、流入口１４、凹部２１ｂ、凹部２１ａ、凹部２１ｃ、及び流出口１５の順に流れる。なお、高温流体の流れる方向は、用途に応じて可逆的となる。図３においては、流体の平均的な流れ方向２１ｆが両矢印で示されている。

【0036】

図４に示す金属板２２は、流入口１４と、流出口１５と、流入口１６と、流出口１７とが形成されている。流入口１４、流出口１５、流入口１６、及び流出口１７は、金属板２２の一方の主面Ｓ５から他方の主面Ｓ６に貫通している。

【0037】

金属板２２は、主面Ｓ５に、熱交換流路（後述）が配置される凹部２２ａと、分流部（後述）が配置される凹部２２ｂと、合流部（後述）が配置される凹部２２ｃとが形成されている。凹部２２ａは、金属板２２の中央部分に設けられる。凹部２２ｂは、流入口１６と凹部２２ａとの間に設けられる。凹部２２ｃは、流出口１７と凹部２２ａとの間に設けられる。凹部２２ａ、２２ｂ、２２ｃのそれぞれの深さは、段差による圧力損失の増加を抑えるために、例えば、同じである。金属板２２においては、主面Ｓ５と平行な方向において、流入口１６、凹部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、及び流出口１７が互いに連通している。

【0038】

低温流体は、積層方向１０ｓに垂直であって金属板２２に平行な流れ方向２２ｆに流れる。例えば、低温流体は、流入口１６、凹部２２ｂ、凹部２２ａ、凹部２２ｃ、及び流出口１７の順に流れる。低温流体の流れる方向は、用途に応じて可逆的となる。図４においては、流体の平均的な流れ方向２２ｆが両矢印で示されている。

【0039】

金属板２２の中央部分に設けられた凹部２２ａは、積層方向１０ｓにおいて金属板２１の凹部２１ａと重なっている。これにより、凹部２２ａに設けられた熱交換流路に流れる低温流体と、凹部２１ａに設けられた熱交換流路に流れる高温流体との間での熱交換が行われる。

【0040】

また、金属板２１と金属板２２とが交互に積層方向１０ｓに積層されたときに、金属板２１の流入口１４と金属板２２の流入口１４とが積層方向１０ｓの方向に繋がって空間が形成される（図２）。同様に、金属板２１と金属板２２とが交互に積層方向１０ｓに積層されたときに、金属板２１の流出口１５と金属板２２の流出口１５とが積層方向１０ｓの方向に繋がって空間が形成され、金属板２１の流入口１６と金属板２２の流入口１６とが積層方向１０ｓの方向に繋がって空間が形成され、金属板２１の流出口１７と金属板２２の流出口１７とが積層方向１０ｓの方向に繋がって空間が形成される（図２）。

【0041】

金属板１１、１２、２０は、熱伝導率が高く、例えば、同じ材質の金属板である。これらの金属板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅、アルミニウム合金、チタン、マグネシウム合金等の少なくともいずれか一つを含む。

【0042】

なお、分流部と合流部とは、熱交換器１を並流型として用いるか向流型として用いるか、また蒸発器として機能させるか凝縮器として機能させるか、などの用途に応じて、流入口が流出口、流出口が流入口となった場合には、分流部が合流部に、合流部が分流部にそれぞれが入れ替わる。また、熱交換器１に対して流体が流入、または、流出する方向が変わることを考慮して、流入口と流出口をまとめて流出入口、流入管と流出管をまとめて流出入管と呼ぶことがある。本実施形態では、金属板２１において、流入口１４から流出口１５に流体が流れ、金属板２２において、流入口１６から流出口１７に流体が流れる例をあげて、熱交換器１の作用を説明する。これは熱交換器１が並流型であり、蒸発器として機能する場合である。

【0043】

次に、凹部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、または、凹部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに形成される流路について説明する。

【0044】

図５は、金属板に設けられた流路を示す模式的平面図である。図５では、金属板２０の中、金属板２１の流路が示されている。

【0045】

図５に示すように、金属板２１は、凹部２１ａに配置された熱交換流路部２１１と、凹部２１ｂに配置された分流部２１２と、凹部２１ｃに配置された合流部２１３とを有する。熱交換流路部２１１は、分流部２１２と合流部２１３との間に設けられる。分流部２１２は、分流部２１２Ａ（第１分流部）と分流部２１２Ｂ（第２分流部）とに分けられている。合流部２１３は、合流部２１３Ａと合流部２１３Ｂとに分けられている。金属板２１では、例えば、流入口１４から流出口１５に向けて流体が流れる。

【0046】

分流部２１２は、流入口１４と熱交換流路部２１１との間に設けられる。また、分流部２１２Ａは、流入口１４と分流部２１２Ｂとの間に設けられる。分流部２１２Ａは、分流部２１２Ｂよりも流入口１４の側に設けられる。分流部２１２Ｂは、熱交換流路部２１１と分流部２１２Ａとの間に設けられる。分流部２１２Ａは、流入口１４から流入する流体を熱交換流路部２１１に向けて分配する。分流部２１２Ｂは、分流部２１２Ａによって分配された流体を熱交換流路部２１１に向けて再度分配する。熱交換流路部２１１を流れる流体は、積層方向１０ｃにおいて金属板２１の上下に配置された金属板２２を介して金属板２２の熱交換流路部（図示せず）を流れる流体と熱交換を行う。

【0047】

また、合流部２１３は、流出口１５と熱交換流路部２１１との間に設けられる。また、合流部２１３Ａは、流出口１５と合流部２１３Ｂとの間に設けられる。合流部２１３Ａは、合流部２１３Ｂよりも流出口１５の側に設けられる。合流部２１３Ｂは、熱交換流路部２１１と合流部２１３Ａとの間に設けられる。合流部２１３Ｂは、熱交換流路部２１１から流出した流体を合流部２１３Ａに向けて合流させる。合流部２１３Ａは、合流部２１３Ｂによって合流させた流体を流出口１５に向けて集中させる。

【0048】

金属板２１に設けられた、分流部２１２及び熱交換流路部２１１の流路について詳細に説明する。

【0049】

図６は、分流部及び熱交換流路部の流路を示す模式的平面図である。図６には、金属板２１の分流部２１２及び熱交換流路部２１１の流路が示されている。

【0050】

分流部２１２Ａは、複数の線状ガイド２１２Ｌを有する。複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２１ｂから突出している。複数の線状ガイド２１２Ｌの高さは、例えば、凹部２１ｂの深さと同じである。複数の線状ガイド２１２Ｌは、流入口１４と熱交換流路部２１１との間において千鳥状に配置されている。複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれは、複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれが延在する方向に長手方向を有する。複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれは、長手方向に直線状に延在する。分流部２１２Ａでは、複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0051】

分流部２１２Ａにおいては、線状ガイド２１２Ｌの長手方向において、複数の線状ガイド２１２Ｌのそれぞれが連続した線状でなく破線状に配列されている。例えば、長手方向に隣り合う線状ガイド２１２Ｌの間には、線状ガイドがない非ガイド部分２１２ｎが形成されている。また、長手方向に配列された複数の線状ガイド２１２Ｌによって、線状ガイド２１２Ｌによるガイド列２１２ｃが形成されている。ガイド列２１２ｃは、流れ方向２１ｆに対して交差する方向に複数配置されている。

【0052】

ガイド列２１２ｃは、流入口１４から熱交換流路部２１１に向けて放射状に配置されている。隣り合うガイド列２１２ｃにおける相互の間隔は、流入口１４から熱交換流路部２１１に向かうにつれ広くなっている。また、隣り合うガイド列２１２ｃ間では、線状ガイド２１２Ｌの長手方向における線状ガイド２１２Ｌの配列の位相が互いにずれている。この配列の位相（配列位相とも呼ぶ）はガイド列２１２ｃが放射状に形成される放射線上において、周期的に配列される線状ガイド２１２Ｌと非ガイド部２１２ｎの位置を表す。図６のガイド列２１２ｃでは、放射線上で隣り合う線状ガイド２１２Ｌと非ガイド部２１２ｎの配置を位相が３６０度の１周期とする。例えば、図６の隣り合うガイド列２１２ｃ間では、放射線上の線状ガイド２１２Ｌと非ガイド部２１２ｎの配列の位相が１８０度ずれている。

【0053】

分流部２１２Ｂは、複数の柱状ガイド２１２Ｐを有する。複数の柱状ガイド２１２Ｐのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２１ｂから突出している。複数の柱状ガイド２１２Ｐの高さは、例えば、凹部２１ｂの深さと同じである。複数の柱状ガイド２１２Ｐは、分流部２１２Ａと熱交換流路部２１１との間において千鳥状に配置されている。分流部２１２Ｂでは、複数の柱状ガイド２１２Ｐのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。柱状ガイドとは、例えば、円柱状のガイドである。

【0054】

分流部２１２Ｂにおいては、流入口１４から熱交換流路部２１１に向かう方向に対して略直交する方向２１ｄにおいて複数の柱状ガイド２１２Ｐによるガイド列２１２ｄが形成されている。また、ガイド列２１２ｄは、流れ方向２１ｆに複数配置されている。

【0055】

例えば、ガイド列２１２ｄは、流入口１４から熱交換流路部２１１に向けて、等間隔で複数配置されている。また、隣り合うガイド列２１２ｄは、平行になっている。また、隣り合うガイド列２１２ｄ間では、ガイド列２１２ｄの方向における柱状ガイド２１２Ｐの配列の位相が互いにずれている。例えば、隣り合うガイド列２１２ｄ間では、ガイド列２１２ｄの方向における柱状ガイド２１２Ｐの配列の位相が１８０度ずれている。また、各ガイド列２１２ｄに配置された複数の柱状ガイド２１２Ｐのそれぞれの間隔は、分流部２１２Ｂの近傍における、分流部２１２Ａの隣り合うガイド列２１２ｃの間隔よりも短くなっている。

【0056】

熱交換流路部２１１は、例えば、Ｓ字状の複数の流路壁２１１Ｓを有する。複数の流路壁２１１Ｓのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２１ａから突出している。複数の流路壁２１１Ｓの高さは、例えば、凹部２１ａの深さと同じである。複数の流路壁２１１Ｓは、熱交換流路部２１１において縦横に配列されている。例えば、複数の流路壁２１１Ｓのそれぞれの中心は、凹部２１ａにおいてマトリクス状に配置されている。熱交換流路部２１１では、複数の流路壁２１１Ｓのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0057】

また、合流部２１３Ａは、図５に示すように、複数の線状ガイド２１３Ｌを有する。複数の線状ガイド２１３Ｌのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２１ｃから突出している。複数の線状ガイド２１３Ｌの高さは、例えば、凹部２１ｃの深さと同じである。複数の線状ガイド２１３Ｌは、流出口１５と熱交換流路部２１１との間において千鳥状に配置されている。複数の線状ガイド２１３Ｌのそれぞれは、複数の線状ガイド２１３Ｌのそれぞれが延在する方向に長手方向を有する。複数の線状ガイド２１３Ｌのそれぞれは、長手方向に直線状に延在する。合流部２１３Ａでは、複数の線状ガイド２１３Ｌのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0058】

合流部２１３Ａにおいては、方向２１ｄにおいて隣り合う線状ガイド２１３Ｌにおける相互の間隔が熱交換流路部２１１からに流出口１５に向かうにつれ狭くなっている。合流部２１３Ａは、合流部２１３Ｂから流れてきた流体を複数の線状ガイド２１３Ｌによって合流させて流出口１５に流出させる。

【0059】

合流部２１３Ｂは、複数の柱状ガイド２１３Ｐを有する。複数の柱状ガイド２１３Ｐのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２１ｃから突出している。複数の柱状ガイド２１３Ｐの高さは、例えば、凹部２１ｃの深さと同じである。複数の柱状ガイド２１３Ｐは、合流部２１３Ａと熱交換流路部２１１との間において、分流部２１２Ｂと同様に千鳥状に配置されている。合流部２１３Ｂでは、複数の柱状ガイド２１３Ｐのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0060】

図７は、金属板に設けられた流路を示す模式的平面図である。図７では、金属板２０の中、金属板２２の流路が示されている。

【0061】

金属板２２は、凹部２２ａに配置された熱交換流路部２２１と、凹部２２ｂに配置された分流部２２２と、凹部２２ｃに配置された合流部２２３とを有する。熱交換流路部２２１は、分流部２２２と合流部２２３との間に設けられる。分流部２２２は、分流部２２２Ａと分流部２２２Ｂとに分けられている。合流部２２３は、合流部２２３Ａと合流部２２３Ｂとに分けられている。金属板２２では、例えば、流入口１６から流出口１７に向けて流体が流れる。

【0062】

分流部２２２は、流入口１６と熱交換流路部２２１との間に設けられる。また、分流部２２２Ａは、流入口１６と分流部２２２Ｂとの間に設けられる。分流部２２２Ａは、分流部２２２Ｂよりも流入口１６の側に設けられる。分流部２２２Ｂは、熱交換流路部２２１と分流部２２２Ａとの間に設けられる。分流部２２２Ａは、流入口１６から流入する流体を熱交換流路部２２１に向けて分配する。分流部２２２Ｂは、分流部２２２Ａによって分配された流体を熱交換流路部２２１に向けて再度分配する。熱交換流路部２２１は、積層方向１０ｃにおいて金属板２２の上下に配置された金属板２２の熱交換流路部２１１と流体を介して熱交換を行う。

【0063】

また、合流部２２３は、流出口１７と熱交換流路部２２１との間に設けられる。また、合流部２２３Ａは、流出口１７と合流部２２３Ｂとの間に設けられる。合流部２２３Ａは、合流部２２３Ｂよりも流出口１７の側に設けられる。合流部２２３Ｂは、熱交換流路部２２１と合流部２２３Ａとの間に設けられる。合流部２２３Ｂは、熱交換流路部２２１から流出した流体を合流部２２３Ａに向けて合流させる。合流部２２３Ａは、合流部２２３Ｂによって合流させた流体を流出口１７に向けて集中させる。

【0064】

分流部２２２Ａは、複数の線状ガイド２２２Ｌを有する。複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２２ｂから突出している。複数の線状ガイド２２２Ｌの高さは、例えば、凹部２２ｂの深さと同じである。複数の線状ガイド２２２Ｌは、流入口１６と熱交換流路部２２１との間において千鳥状に配置されている。複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれは、複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれが延在する方向に長手方向を有する。複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれは、長手方向に直線状に延在する。分流部２２２Ａでは、複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0065】

複数の線状ガイド２２２Ｌは、分流部２２２Ａにおいて千鳥状に配置されている。複数の線状ガイド２２２Ｌのそれぞれは、流入口１６から分流部２２２Ｂに向かう方向に直線状に延在する。例えば、流れ方向２２ｆと略直交する方向を２２ｄ、流れ方向２２ｆ及び方向２２ｄのそれぞれに交差する方向を方向２２ｅとしたときに、方向２２ｅにおいて、隣り合う線状ガイド２２２Ｌの少なくとも一組の相互の間隔は、流入口１６から分流部２２２Ｂに向かうにつれ広くなり、残りの線状ガイド２２２Ｌ同士は、互いに略平行に配置されている。このような配置であれば、流体が幅の狭い流入口１６から流入口１６よりも幅の広い分流部２２２Ｂに流れるとき、流れ（流路）の幅が流入口１６から分流部２２２Ｂに向かって広がったとしても、流体の流れの幅は急激に広がることなく、流体は連続的に滑らかに広がる。

【0066】

分流部２２２Ｂは、複数の柱状ガイド２２２Ｐを有する。複数の柱状ガイド２２２Ｐのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２２ｂから突出している。複数の柱状ガイド２２２Ｐの高さは、例えば、凹部２２ｂの深さと同じである。複数の柱状ガイド２２２Ｐは、分流部２２２Ａと熱交換流路部２２１との間において、分流部２１２Ｂと同様に千鳥状に配置されている。千鳥状に配置されている。分流部２２２Ｂでは、複数の柱状ガイド２２２Ｐのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0067】

熱交換流路部２２１は、例えば、Ｓ字状の複数の流路壁２２１Ｓを有する。複数の流路壁２２１Ｓのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２２ａから突出している。複数の流路壁２２１Ｓの高さは、例えば、凹部２２ａの深さと同じである。複数の流路壁２２１Ｓは、熱交換流路部２２１において縦横に配列されている。例えば、複数の流路壁２２１Ｓのそれぞれの中心は、凹部２２ａにおいてマトリクス状に配置されている。複数の流路壁２２１Ｓは、千鳥状に配置されてもよい。熱交換流路部２２１では、複数の流路壁２２１Ｓのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0068】

合流部２２３Ａは、複数の線状ガイド２２３Ｌを有する。複数の線状ガイド２２３Ｌのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２２ｃから突出している。複数の線状ガイド２２３Ｌの高さは、例えば、凹部２２ｃの深さと同じである。複数の線状ガイド２２３Ｌは、流出口１７と熱交換流路部２２１との間において千鳥状に配置されている。複数の線状ガイド２２３Ｌのそれぞれは、複数の線状ガイド２２３Ｌのそれぞれが延在する方向に長手方向を有する。複数の線状ガイド２２３Ｌのそれぞれは、長手方向に直線状に延在する。合流部２２３Ａでは、複数の線状ガイド２２３Ｌのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0069】

合流部２２３Ａにおいては、方向２２ｅにおいて、隣り合う線状ガイド２２３Ｌの少なくとも一組の相互の間隔が熱交換流路部２２１からに流出口１７に向かうにつれ狭くなり、残りの線状ガイド２２３Ｌ同士は、互いに略平行に配置されている。合流部２２３Ａは、合流部２２３Ｂから流れてきた流体を複数の線状ガイド２２３Ｌによって合流させて流出口１７に流出させる。このような配置であれば、流体が幅の広い合流部２２３Ｂから合流部２２３Ｂよりも幅の狭い流出口１７に流れるときに、流れ（流路）の幅が合流部２２３Ｂから分流出口１７に向かって狭くなったとしても、流体の流れの幅は急激に狭くなることなく、流体は連続的に滑らかに狭くなる流体となる。

【0070】

合流部２２３Ｂは、複数の柱状ガイド２２３Ｐを有する。複数の柱状ガイド２２３Ｐのそれぞれは、積層方向１０ｃにおいて凹部２２ｃから突出している。複数の柱状ガイド２２３Ｐの高さは、例えば、凹部２２ｃの深さと同じである。複数の柱状ガイド２２３Ｐは、合流部２２３Ａと熱交換流路部２２１との間において、例えば、分流部２１２Ｂと同様に、千鳥状に配置されている。合流部２２３Ｂでは、複数の柱状ガイド２２３Ｐのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0071】

各流入口、各流出口、各凹部、及び各ガイドは、エッチング処理、レーザ加工、精密プレス加工、切削加工などで行われる。また、この処理として、３Ｄプリンター等の積層造形技術も用いることができる。

【0072】

（熱交換器の作用）
本実施形態の熱交換器１の作用を説明する前に、参考例に係る熱交換器の作用について説明する。

【0073】

図８は、参考例の熱交換器に含まれる金属板を示す模式的平面図である。図８に示される金属板２５は、高温流体用の金属板である。すなわち、参考例の金属板２５は、金属板２１に対応し、参考例においては、金属板２５と金属板２２とが交互に積層されて、積層体１０が形成される。

【0074】

金属板２５においては、分流部２１５が分流部２１５Ａと分流部２１２Ｂとを有する。金属板２５において、分流部２１５Ａ以外の構造は、金属板２１の構造と同じである。すなわち、金属板２１の分流部２１２Ａを分流部２１５Ａに置き換えたものが金属板２５になっている。

【0075】

金属板２５においては、分流部２１５Ａに複数の線状ガイド２１５Ｌが設けられている。複数の線状ガイド２１５Ｌのそれぞれは、複数の線状ガイド２１５Ｌのそれぞれが延在する方向に長手方向を有する。また、隣り合う線状ガイド２１５Ｌにおける相互の間隔は、隣り合うガイド列２１２ｃにおける相互の間隔と同じである。分流部２１５Ａでは、複数の線状ガイド２１５Ｌのそれぞれの間の空間が流体の流路となる。

【0076】

但し、分流部２１５Ａは、非ガイド部分２１２ｎを持たない。分流部２１５Ａでは、複数の線状ガイド２１５Ｌのそれぞれが連続的に形成されている。複数の線状ガイド２１５Ｌは、流入口１４から熱交換流路部２１１に向けて放射状に配置され、隣り合う線状ガイド２１５Ｌにおける相互の間隔が流入口１４から熱交換流路部２１１に向かうにつれ広くなっている。

【0077】

ここで、微細な流路を有する積層型マイクロ流路熱交換器では、熱交換器内での流体の圧力損失を低減するため、流路の長さが短く形成される。このため所望の伝熱面積を確保するために、熱交換流路部２１１が方向２１ｄの方向に拡大される。

【0078】

例えば、金属板２５では、方向２１ｄにおいて、熱交換流路部２１１の幅が広く、流入口１４の幅または流出口１５の幅が熱交換流路部２１１の幅よりも狭く形成されている。このような場合、流入口１４から流入する流体の流れを熱交換流路部２１１の手前で広げるために、流入口１４側の線状ガイド２１５Ｌの間隔を狭く設定し、数多くの線状ガイド２１５Ｌが配置される。

【0079】

しかし、非ガイド部分２１２ｎを持たない複数の線状ガイド２１５Ｌで分流部２１５Ａが形成されると、流入口１４から流入した流体が線状ガイド２１５Ｌに沿って熱交換流路部２１１にまで導かれるため、隣り合う線状ガイド２１５Ｌを乗り超えて流体が交じり合うことができない。

【0080】

また、非ガイド部分２１２ｎを持たない複数の線状ガイド２１５Ｌで分流部２１５Ａが形成されると、熱交換流路部２１１の手前で方向２１ｄの方向に流体を広げる都合上、流入口１４近傍の線状ガイド２１５Ｌの間隔は狭くなって、複数の線状ガイド２１５Ｌのそれぞれの長さが長くなってしまう。これにより、流体の圧力損失が増大してしまう。流体の圧力損失は、線状ガイドの長さが長くなるほど大きくなる。

【0081】

このように、方向２１ｄにおいて、流入口１４の幅が狭く、熱交換流路部２１１の幅が広い金属板を用いた場合、線状ガイドの長さ、数、放射角などの機械的な制約によって、流入口１４から流入した冷媒を適切に熱交換流路部２１１に分配できなくなる。

【0082】

これに対して、図５、６に示す金属板２１を用いれば、複数の線状ガイド２１２Ｌが千鳥状に配置されていることから、方向２１ｄにおいて隣り合う線状ガイド２１２Ｌ間を流れる流体が流れる途中で線状ガイド２１２Ｌに衝突する。これにより、分流部２１２Ａでは、流体が流れる途中で方向２１ｄにおいて分散し、流体が熱交換流路部２１１に適切に分配される。

【0083】

さらに、金属板２１では、複数の線状ガイド２１２Ｌが千鳥状に配置されていることから、流体が流れる方向と交差する方向に隣り合う線状ガイド２１２Ｌの数が参考例に比べて少なくなっている。これにより、流入口１４近傍の線状ガイド２１２Ｌの間隔がより広くなる。また、線状ガイド２１２Ｌは、ガイド列２１２ｃ上で途切れ、破線状に配置されることから、一つのガイド列２１２ｃ上の線状ガイド２１２Ｌの合計の長さが参考例に比べてより短くなる。これにより、金属板２１では、流体の圧力損失の増加が抑えられる。

【0084】

また、分流部２１２Ａには、非ガイド部分２１２ｎが形成されている。これにより、分流部２１２Ａでは、流体が流れる途中、方向２１ｄに隣り合う流体同士が非ガイド部分２１２ｎを介して互いに交じり合う。この結果、流路の断面積が等価的に広がって、流入口１４で高圧であった流体が急減に熱交換流路部２１１に流入することが回避される。

【0085】

すなわち、分流部２１２Ａは、流体の急激な圧力の変化（または、流速の変化）を緩和する圧力緩衝部（圧力調整部）として機能する。すなわち、流体は、流入口１４で高圧であった圧力が徐々に低下しながら熱交換流路部２１１に流入する。合流部２１３Ａでは、この現象と反対の現象が起きる。すなわち、熱交換流路部２１１で流入口１４よりも低圧となった流体は、流出口１５で急減に圧力が上昇することなく、徐々に圧力が高まりながら流出口１５に流出される。

【0086】

また、分流部２１２Ｂでは、複数の柱状ガイド２１２Ｐが千鳥状に配置されている。狭い流入口１４から流入した流体は球面状の波面を有する球面波として熱交換流路部２１１に向かって流れる。流入口１４から分流部２１２Ａに流入した流体は、分流部２１２Ａの千鳥状に配列された複数の直線状ガイド２１２Ｌにより流れが矯正されて流れの幅が拡大し、波面の曲率が大きくなる。さらに分流部２１２Ｂでは、流体が複数の柱状ガイド２１２Ｐのそれぞれに衝突しながら狭い間隔で配置された複数の柱状ガイド２１２Ｐの間を流れ、流体の流れの幅がさらに広がることから、流体は、熱交換流路部２１１に近づくにつれ、波面が平面である平面波に近づいていく。

【0087】

平面波に近づいた流体は、熱交換流路部２１１の手前で、圧力、流速、流量が幅方向により均一な状態になっている。このような均一な状態の流体が熱交換流路部２１１に流入することにより、熱交換流路部２１１における死水域（流体が流れず滞留する領域）の発生が抑えられる。また熱交換流路部２１１に流入する位置での流体の位相が等しくなるため、その位置で流体の状態が一様となる。この結果、熱交換器１では、熱交換流路部２１１における伝熱量の偏りがなくなり、より熱交換部の能力を発揮させることができる。

【0088】

また、分流部２１２と同様の構造で形成された合流部２１３は、流れる流体に対して分流部２１２が与える作用と反対の作用を与える。つまり、熱交換流路部２１１から平面波の状態で流出する流体に対して、千鳥状に配置された複数の柱状ガイド２１３Ｂを備える合流部２１３Ｂは流体の流れの幅が徐々に狭まって合流部２１３Ａに流入し、合流部２１３Ａに流入した流体は千鳥状に配置された複数の線状ガイド２１３Ｌにより流体の流れの幅が矯正されて縮小し、流出口１５に流出する。このように合流部２１３に流入した流体は、平面波から球面波に近づくとともに徐々に圧力が高まり、熱交換流路部２１１から流出口１５に流出する流体の圧力損失を低減し滑らかに流すことができる。

【0089】

なお、以上の実施形態では金属板２１と金属板２２の双方に分流部、熱交換流路部、合流部を設けたものとして説明したが、熱交換器本体２を形成する積層体１０が有する伝熱板（熱交換板）である複数の金属板２０（金属板２１、金属板２２）のうちの少なくとも一つが、少なくとも分流部（特に第１分流部）と熱交換流路部を備えていればよい。

【0090】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本実施形態は、積層型マイクロチャンネル熱交換器だけでなく、プレート型熱交換器にも適用できる。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

【符号の説明】

【0091】

１…熱交換器
２…熱交換器本体
５、８…流入管
６、７…流出管
１０…積層体
１０ｓ…積層方向
１０ｗ…側面
１１、１２、２０、２１、２２、２５…金属板
１４、１６…流入口
１５、１７…流出口
１８、１９…開口
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…凹部
２１ｆ、２２ｆ…流れ方向
２１ｄ、２２ｄ、２２ｅ…方向
２１１、２２１…熱交換流路部
２１２Ｌ、２１３Ｌ、２２２Ｌ、２２３Ｌ、２１５Ｌ…線状ガイド
２１１Ｓ、２２１Ｓ…流路壁
２１２、２１２Ａ、２１２Ｂ、２２２、２２２Ａ、２２２Ｂ、２１５Ａ…分流部

２１２Ｐ、２１３Ｐ、２２２Ｐ、２２３Ｐ…柱状ガイド
２１２ｃ、２１２ｄ…ガイド列
２１２ｎ…非ガイド部分
２１３、２１３Ａ、２１３Ｂ、２２３、２２３Ａ、２２３Ｂ…合流部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６…主面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】