特開 2024-36830 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】P2024036830

(43)【公開日】2024-03-18

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/08 20060101AFI20240311BHJP

   F28D 21/00 20060101ALI20240311BHJP

【ＦＩ】

F28D7/08

F28D21/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022141332

(22)【出願日】2022-09-06

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】598121341

【氏名又は名称】慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 翔太

(72)【発明者】

【氏名】八木 義隆

(72)【発明者】

【氏名】角 宗司

(72)【発明者】

【氏名】山田 将之

(72)【発明者】

【氏名】田中 浩也

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA01

3L103AA17

3L103BB43

3L103CC02

3L103CC27

3L103DD02

(57)【要約】

【課題】製造プロセスに積層造形法を適用することができ、しかも流体を流通させた際の圧力損失することのできる熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器１は、並行する一対の曲面によって外形が規定される伝熱壁１０にて形成された立体的形状を単位構造体９０とし、この単位構造体９０が、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された立体構造物９を含む。単位構造体９０の各々が占有する単位空間において、伝熱壁１０の一方の壁面に接する流路が占有する空間を第１流路空間７０とし、伝熱壁１０の他方の壁面に接する流路が占有する空間を第２流路空間８０としたとき、第１流路空間７０は、第２流路空間８０よりも体積比率が大きくなるように設定されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

並行する一対の曲面によって外形が規定される伝熱壁にて形成された立体的形状を単位構造体とし、この単位構造体が、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された立体構造物を含み、
前記単位構造体の各々が占有する単位空間において、前記伝熱壁の一方の壁面に接する流路が占有する空間を第１流路空間とし、前記伝熱壁の他方の壁面に接する流路が占有する空間を第２流路空間としたとき、
前記第１流路空間は、前記第２流路空間よりも体積比率が大きくなるように設定されている熱交換器。

【請求項2】

前記立体構造物は、三重周期曲面を基準に、この曲面に所要の厚みを付与することにより前記伝熱壁を構成する請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記立体構造物は、ジャイロイド構造を有している請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記第１流路空間の体積をＶ１とし、前記第２流路空間の体積をＶ２とした場合に、各体積の比率が１＜Ｖ１／Ｖ２≦１５の条件を満たす請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、エネルギー効率が高く省エネを図ることのできる産業用設備としてガスコージェネレーションシステムが普及している。このシステムは、都市ガス等を燃料として、燃料電池（ＳＯＦＣ）・ガスエンジン・ガスタービンで発電すると共に、発電に伴う廃熱で温水や蒸気を発生させて給湯や加熱などに利用する。

【0003】

ガスコージェネレーションシステムにおける温水製造は、様々なタイプの熱交換器を使用して高温流体である排ガスから低温流体である給水へと熱エネルギーを移動させることにより行われる。従来、熱交換器としては、シェルアンドチューブ式、プレート式（全周接合型、プレートフィン型、シェルアンドプレート型等）、スパイラル式などが知られているが、これらの熱交換器は、組立工数によって製品単価が大きく影響される。そこで、ほぼ無人で熱交換器を製造することを目指して、３Ｄプリンタを使用した積層造形法の用途展開が検討されている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－４６１６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

積層造形法による熱交換器は、従来のタイプと同様に高い熱交換効率（すなわち、流体間の熱移動量が十分に高いこと）が求められるのはもちろんであるが、流体を流通させる際の圧力損失が十分に低いことも重要である。例えば、上記のようなガスコージェネレーションシステムにおける温水製造では、排ガスは５００～１３００℃と非常に高温であるため低流量で流すことができ、排ガス流路の圧力損失はあまり問題になることはない。

【0006】

その一方で、給水の側は、伝熱面での過熱や過濃縮を防止し、流路内で発生した気泡（遊離溶存ガス）をスムーズに排出する観点から、相対的に高流量で流す必要がある。そのため、温水製造用の熱交換器において、給水流路の圧力損失の低減は、流路設計上の主要なテーマとなっている。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、製造プロセスに積層造形法を適用することができ、しかも流体を流通させた際の圧力損失することのできる熱交換器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、並行する一対の曲面によって外形が規定される伝熱壁にて形成された立体的形状を単位構造体とし、この単位構造体が、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された立体構造物を含み、単位構造体の各々が占有する単位空間において、伝熱壁の一方の壁面に接する流路が占有する空間を第１流路空間とし、伝熱壁の他方の壁面に接する流路が占有する空間を第２流路空間としたとき、第１流路空間は、第２流路空間よりも体積比率が大きくなるように設定されている熱交換器を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係る熱交換器を模式的に示す図である。

【図2】図２は、実施形態に係る立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係る流路体積比率が１．１の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図4】図４は、実施形態に係る流路体積比率が１．７の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図5】図５は、実施形態に係る流路体積比率が３．５の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図6】図６は、実施形態に係る流路体積比率が４．８の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図7】図７は、実施形態に係る流路体積比率が７．４の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図8】図８は、実施形態に係る流路体積比率が９．８の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【図9】図９は、実施形態に係る流路体積比率が１５．０の立体構造物の一部を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0011】

実施形態においては、３次元直交座標系を設定し、３次元直交座標系を参照しながら各部の位置関係について説明する。水平面内のＸ軸に平行な方向をＸ軸方向とする。水平面内においてＸ軸と直交するＹ軸に平行な方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交するＺ軸に平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向は、前後方向である。Ｙ軸方向は、左右方向である。Ｚ軸方向は、上下方向である。＋Ｘ方向は、前方である。－Ｘ方向は、後方である。＋Ｙ方向は、左方である。－Ｙ方向は、右方である。＋Ｚ方向は、上方である。－Ｚ方向は、下方である。

【0012】

図１は、実施形態に係る熱交換器１を模式的に示す図である。熱交換器１は、低温流体Ｆｃと高温流体Ｆｈとを熱交換する。熱交換器１は、例えば燃焼排ガスを熱源流体とする給湯用熱交換器として使用される。

【0013】

図１に示すように、熱交換器１は、熱交換コア２と、上部ヘッダ３と、下部ヘッダ４と、左部ヘッダ５と、右部ヘッダ６とを備える。

【0014】

熱交換コア２は、低温流体Ｆｃが流れる第１流路７と、高温流体Ｆｈが流れる第２流路８とを有する立体構造物９からなる。立体構造物９は、第１流路７と第２流路８とを隔てる伝熱壁１０を有する。伝熱壁１０は、三重周期曲面（三重周期極小曲面）に沿うように形成される。第１流路７と第２流路８とは、三重周期曲面に沿う伝熱壁１０によって隔てられる。第１流路７を流れる低温流体Ｆｃと第２流路８を流れる高温流体Ｆｈとは、伝熱壁１０を介して熱交換する。

【0015】

第１流路７の流入口７Ａは、立体構造物９の上端部に設けられる。第１流路７の流出口７Ｂは、立体構造物９の下端部に設けられる。

【0016】

第２流路８の流入口８Ａは、立体構造物９の左下端部に設けられる。第２流路８の流出口８Ｂは、立体構造物９の右上端部に設けられる。

【0017】

上部ヘッダ３は、立体構造物９の上端部よりも上方に配置される。上部ヘッダ３に供給管１１が接続される。

【0018】

下部ヘッダ４は、立体構造物９の下端部よりも下方に配置される。下部ヘッダ４に排出管１２が接続される。

【0019】

左部ヘッダ５は、立体構造物９の左端部よりも左方に配置される。左部ヘッダ５に供給管１３が接続される。

【0020】

右部ヘッダ６は、立体構造物９の右端部よりも右方に配置される。右部ヘッダ６に排出管１４が接続される。

【0021】

低温流体Ｆｃは、供給管１１及び上部ヘッダ３を介して第１流路７の流入口７Ａに供給される。流入口７Ａに流入した低温流体Ｆｃは、第１流路７を流れる。

【0022】

高温流体Ｆｈは、供給管１３及び左部ヘッダ５を介して第２流路８の流入口８Ａに供給される。流入口８Ａに流入した高温流体Ｆｈは、第２流路８を流れる。

【0023】

低温流体Ｆｃは、高温流体Ｆｈと熱交換することにより温度上昇し、昇温流体Ｆｍとして第１流路７の流出口７Ｂから流出する。第１流路７の流出口７Ｂから流出した昇温流体Ｆｍは、下部ヘッダ４及び排出管１２を介して熱交換コア２の外部に排出される。

【0024】

高温流体Ｆｈは、低温流体Ｆｃと熱交換することにより温度低下し、降温流体Ｆｎとして第２流路８の流出口８Ｂから流出する。第２流路８の流出口８Ｂから流出した降温流体Ｆｎは、右部ヘッダ６及び排出管１４を介して熱交換コア２の外部に排出される。

【0025】

図２は、実施形態に係る立体構造物９の一部を模式的に示す図である。立体構造物９は、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された複数の単位構造体９０を含む。単位構造体９０は、並行する一対の曲面によって外形が規定される伝熱壁１０にて形成された立体的形状である。単位構造体９０の各々が占有する単位空間において、第１流路空間７０及び第２流路空間８０が規定される。第１流路空間７０は、単位空間において伝熱壁１０の一方の壁面に接する第１流路７が占有する空間である。第２流路空間８０は、単位空間において伝熱壁１０の他方の壁面に接する第２流路８が占有する空間である。

【0026】

立体構造物９は、三重周期曲面を基準に、この三重周期曲面に所要の厚みを付与することにより伝熱壁１０を構成する。伝熱壁１０の厚みは、例えば０．４ｍｍである。伝熱壁１０は、三重周期曲面に沿うように形成される。三重周期曲面（三重周期極小曲面）とは、３次元空間に与えられた閉曲線を境界に持つ曲面のなかで面積が極小である曲面をいう。三重周期曲面として、シェーンのジャイロイド曲面（Ｇ曲面）、シュワルツのＤ曲面、又はシェーンのＩ－ＷＰ曲面が例示される。実施形態において、立体構造物９は、ジャイロイド構造を有している。伝熱壁１０は、ジャイロイド曲面に沿うように形成される。

【0027】

ジャイロイド曲面は、異なる３つの方向に無限に連結可能であり、空間を二つの領域に分ける極小曲面である。実施形態において、ジャイロイド曲面は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれに無限に連結可能である。

【0028】

ジャイロイド曲面は、与えられた境界条件下で面積が最小となり、積分されることで曲率がゼロとなる曲面である。ジャイロイド曲面は、以下の（１）式に示す三角関数を用いた近似式により表される。

【0029】

ｓｉｎｘ・ｃｏｓｙ＋ｓｉｎｙ・ｃｏｓｚ＋ｓｉｎｚ・ｃｏｓｘ＝０ …（１）

【0030】

伝熱壁１０は、（１）式により表される仮想的な曲面を中心とし、その曲面の法線方向における厚さが実質的に均一な壁である。

【0031】

第１流路７が占有する第１流路空間７０と第２流路８が占有する第２流路空間８０とは、伝熱壁１０によって隔てられる。第１流路７の流入口７Ａは、第１流路７の第１の開口端により構成される。第１流路７の流出口７Ｂは、第１流路７の第２の開口端により構成される。第２流路８の流入口８Ａは、第２流路８の第１の開口端により構成される。第２流路８の流出口８Ｂは、第２流路８の第２の開口端により構成される。

【0032】

実施形態において、第１流路空間７０は、第２流路空間８０よりも体積比率が大きくなるように設定されている。第１流路空間７０の体積をＶ１とし、第２流路空間８０の体積をＶ２とした場合に、各体積の比率が、以下の（２）式に示す条件を満たす。

【0033】

１＜Ｖ１／Ｖ２≦１５ …（２）

【0034】

以下の説明において、体積Ｖ１と体積Ｖ２との比率［Ｖ１／Ｖ２］を適宜「流路体積比率」と称する。

【0035】

図３は、実施形態に係る流路体積比率が１．１の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図４は、実施形態に係る流路体積比率が１．７の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図５は、実施形態に係る流路体積比率が３．５の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図６は、実施形態に係る流路体積比率が４．８の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図７は、実施形態に係る流路体積比率が７．４の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図８は、実施形態に係る流路体積比率が９．８の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図９は、実施形態に係る流路体積比率が１５．０の立体構造物９の一部を模式的に示す図である。図３に示すように、実施形態に係る流路体積比率の下限値は、１．１でもよい。図４から図８に示すように、実施形態に係る流路体積比率は、１．７以上９．８以下でもよい。図９に示すように、実施形態に係る流路体積比率の上限値は、１５．０でもよい。

【0036】

なお、実施形態において、第１流路７を流通する低温流体Ｆｃ及び第２流路８を流通する高温流体Ｆｈのそれぞれは、任意に選択される。低温流体Ｆｃ及び高温流体Ｆｈのそれぞれの種類、流路、及び粘度は、任意に選択される。高温流体Ｆｈが第１流路７を流通し、低温流体Ｆｃが第２流路８を流通してもよい。流体の種類、流量、及び粘度等に基づいて、流路（第１流路７又は第２流路８）を流通させる低温流体Ｆｃ及び高温流体Ｆｈが選択されてもよい。

【0037】

以上説明したように、実施形態によれば、熱交換器１は、並行する一対の曲面によって外形が規定される伝熱壁１０にて形成された立体的形状を単位構造体９０とし、この単位構造体９０が、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された立体構造物９を含む。単位構造体９０の各々が占有する単位空間において、伝熱壁１０の一方の壁面に接する第１流路７が占有する空間を第１流路空間７０とし、伝熱壁１０の他方の壁面に接する第２流路８が占有する空間を第２流路空間８０としたとき、第１流路空間７０は、第２流路空間８０よりも体積比率が大きくなるように設定されている。

【0038】

実施形態によれば、熱交換器１を構成する立体構造物９（熱交換コア２）は、曲面により外形が規定される伝熱壁１０を含む単位構造体９０が、ＸＹＺ方向の少なくとも一方向において規則的かつ連続的に繰り返し配列された構造を有している。そのため、３Ｄプリンタを使用した積層造形法による製造技術の適用が容易なものとなっている。また、単位構造体９０が占有する単位空間において、第１流路空間７０の体積が第２流路空間８０の体積よりも大きくなるように、両者の比率が設定されている。そのため、立体構造物９に流通させる流体種の粘度や流量等の差異に応じた流路空間を選択することにより、流体を流通させた際の圧力損失を低減することができる。

【0039】

実施形態において、立体構造物９は、三重周期曲面を基準に、この曲面に所要の厚みを付与することにより伝熱壁１０を構成する。

【0040】

立体構造物９は、三重周期曲面を基準とする伝熱壁１０の構造を有していることが好ましく、ジャイロイド構造、シュワルツＰ構造、シュワルツＤ構造などを含む。立体構造物９は、伝熱壁１０のＸＹＺ方向への周期的な繰り返しにより形成されるため、３Ｄプリンタを使用した積層造形法において、ソフトウェアのプログラミングが容易である。

【0041】

実施形態において、立体構造物９は、ジャイロイド構造を有している。

【0042】

ジャイロイド構造を有する立体構造物９は、連続的な曲面を基準にして伝熱壁１０が形成されているので、壁表面からの流れの剥離を抑止しながら、流体の乱流を促進することができる。また、流れの分岐箇所では、前縁効果も生まれる。これにより、高い熱交換効率を有する熱交換器を実現することができる。更に、ジャイロイド構造を有する立体構造物９は、連続的な曲面を基準にして伝熱壁１０が形成されているので、特定の部位に応力集中しにくく、ＸＹＺ方向の異方性も少ない。これにより、内部圧力の変化に対して強度に優れた熱交換器１を実現することができる。

【0043】

実施形態において、第１流路空間７０の体積をＶ１とし、第２流路空間８０の体積をＶ２とした場合に、各体積の比率が１＜Ｖ１／Ｖ２≦１５の条件を満たす。

【0044】

各流路空間の体積比率を１＜Ｖ１／Ｖ２≦１５の範囲に設定することにより、単位構造体９０の大型化を抑制し、合理的なサイズの熱交換器１を実現することができる。ここで、Ｖ１／Ｖ２が実質的に１である場合、従来タイプの熱交換器と同様、流路内における流体の線速度を所要範囲に調節するのが困難であるため、圧力損失の低減効果を十分に得ることができない。Ｖ１／Ｖ２が１を超えるよう設定することで、圧力損失の低減効果が得られやすくなる。図３から図９を参照して説明したように、圧力損失の低減効果を確実に発揮するには、Ｖ１／Ｖ２を１．１以上に設定するのが望ましい。また、Ｖ１／Ｖ２が１５を超える場合には、積層造形時に第２流路空間８０の対向する壁面どうしが密着し、流路を閉塞する造形不良を引き起こすおそれがある。Ｖ１／Ｖ２を１５以下に設定することにより、流路の閉塞が抑制される。

【符号の説明】

【0045】

１…熱交換器、２…熱交換コア、３…上部ヘッダ、４…下部ヘッダ、５…左部ヘッダ、６…右部ヘッダ、７…第１流路、７Ａ…流入口、７Ｂ…流出口、８…第２流路、８Ａ…流入口、８Ｂ…流出口、９…立体構造物、１０…伝熱壁、１１…供給管、１２…排出管、１３…供給管、１４…排出管、７０…第１流路空間、８０…第２流路空間、９０…単位構造体、Ｆｃ…低温流体、Ｆｈ…高温流体、Ｆｍ…昇温流体、Ｆｎ…降温流体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】