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▶ ヂェァジァン シュェブォラン テクノロジー カンパニー リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-05
(54)【発明の名称】熱交換器及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
F28F 3/08 20060101AFI20240628BHJP
F28D 9/00 20060101ALI20240628BHJP
F28F 3/00 20060101ALI20240628BHJP
【ＦＩ】
F28F3/08 311
F28D9/00
F28F3/00 311
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023581084
(86)(22)【出願日】2022-06-30
(85)【翻訳文提出日】2024-01-29
(86)【国際出願番号】 CN2022102969
(87)【国際公開番号】W WO2023274375
(87)【国際公開日】2023-01-05
(31)【優先権主張番号】202111161532.X
(32)【優先日】2021-09-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(31)【優先権主張番号】202110738485.4
(32)【優先日】2021-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524005958
【氏名又は名称】ヂェァジァン シュェブォラン テクノロジー カンパニー リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＸＵＥＢＯＬＡＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． ３， Ｓａｎｊｉａｎ Ａｖｅｎｕｅ， Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｐａｒｋ， Ｌａｎｘｉ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｚｏｎｅ， Ｊｉｎｈｕａ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３２１０００， Ｃｈｉｎａ
(74)【代理人】
【識別番号】100104226
【弁理士】
【氏名又は名称】須原 誠
(72)【発明者】
【氏名】ワン カイジェン
【テーマコード（参考）】
3L103
【Ｆターム（参考）】
3L103AA01
3L103DD56
(57)【要約】
熱交換器及びその製造方法であって、熱交換器は、Ｏ－Ｚ方向に積層された複数の作動流体チャンネル片を含み、前記作動流体チャンネル片は入口、出口、及び前記入口と前記出口の間に位置する熱交換領域を含み、前記熱交換領域にはプレス形成された複数のマイクロ構造が設けられ、隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされており、且つ隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の形状が互いに異なる。本発明では、隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされているが互いに形状が異なり、これにより各マイクロ構造はいずれも一部の領域が隣り合う作動流体チャンネル片の陥没キャビティに対応せず、陥没キャビティ周囲の領域と重なることで原子拡散接合を実現する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｏ－Ｚ方向に積層された複数の作動流体チャンネル片を含み、前記作動流体チャンネル片は入口、出口、及び前記入口と前記出口の間に位置する熱交換領域を含み、前記熱交換領域にはプレス形成された複数のマイクロ構造が設けられ、隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされており、且つ隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の形状が互いに異なることを特徴とする、熱交換器。
【請求項2】
前記作動流体チャンネル片は交互に積層された複数の第１作動流体チャンネル片、複数の第２作動流体チャンネル片を含み、前記マイクロ構造は前記第１作動流体チャンネル片上に設けられた第１マイクロ構造、第２作動流体チャンネル片上に設けられた第２マイクロ構造を含み、Ｏ－ＸＹ方向において、前記第１マイクロ構造の第１エッジ部の一部は前記第２マイクロ構造からはみ出ている及び／又は前記第２マイクロ構造の第２エッジ部の一部は前記第１マイクロ構造からはみ出ていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項3】
前記第１エッジ部と前記第２エッジ部のＯ－ＸＹ平面におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影が重ならないことを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項4】
前記第１マイクロ構造の中心点のＯ－ＸＹ平面におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影を円の中心としたとき、前記第１エッジ部と前記第２エッジ部の投影は該円の円周方向に沿って間隔を置いて配置されることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項5】
前記第１マイクロ構造は、Ｏ－Ｙ方向に沿って前記第２マイクロ構造からはみ出た少なくとも１つの第１エッジ部を含み、前記第２マイクロ構造は、Ｏ－Ｘ方向に沿って前記第１マイクロ構造からはみ出た少なくとも１つの第２エッジ部を含む、又は、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、前記第２マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ≦Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、且つ前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞前記第２マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った長さ＜前記第２マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った長さであることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項6】
前記第１マイクロ構造は楕円形又はひょうたん形を呈し、前記第２マイクロ構造はひし形、又は長手方向の両端が狭角である紡錘形、又は円形を呈することを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項7】
前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った両端がいずれも前記第２マイクロ構造からはみ出ており、前記第２マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った両端がいずれも前記第１マイクロ構造からはみ出ていることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項8】
前記熱交換領域は、乱流領域と、前記入口が位置する側から前記出口が位置する側に向かう方向に沿って前記乱流領域の両側に位置する遷移領域とを含み、前記乱流領域のマイクロ構造の配置密度は前記遷移領域のマイクロ構造の配置密度より大きく、且つ前記入口が位置する側から前記出口が位置する側に向かう方向において、前記乱流領域の幅は３ｍｍ以下である、又は、前記複数のマイクロ構造は複数の正弦線に沿って間隔を置いて配列され、複数の正弦線は前記入口が位置する側から前記出口が位置する側に向かって間隔を置いて配列され、且つ前記乱流領域内に位置する前記正弦線の数は３以下であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項9】
前記遷移領域内のいずれかの正弦線上に分布するマイクロ構造の数は前記乱流領域内のいずれかの正弦線上のマイクロ構造の数より少ない、及び／又は、前記遷移領域内の隣り合う２つの正弦線の間隔は前記乱流領域内の隣り合う２つの正弦線の間隔より大きいことを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項10】
前記作動流体チャンネル片は、Ｏ－Ｚ方向に交互に積層された複数の第１作動流体チャンネル片、複数の第２作動流体チャンネル片を含み、前記第１作動流体チャンネル片は、第１入口、第１出口、及び前記第１入口と前記第１出口の間に位置する第１熱交換領域を含み、前記第１熱交換領域に複数の第１マイクロ構造が設けられ、前記第２作動流体チャンネル片は、第２入口、第２出口、及び前記第２入口と前記第２出口の間に位置する第２熱交換領域を含み、前記第２熱交換領域に複数の第２マイクロ構造が設けられ、前記第１マイクロ構造の前記第１入口の方を向いた面と前記第２マイクロ構造の前記第２入口の方を向いた面の形状は互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項11】
前記第１マイクロ構造の前記第１入口の方を向いた面は円弧形を呈し、前記第２マイクロ構造の前記第２入口の方を向いた面は尖った角形状を呈することを特徴とする、請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項12】
前記熱交換器は、複数の前記第１入口に連通する第１流入キャビティと、前記第１流入キャビティに連通する第１流入管又は第１流入管コネクタとをさらに含み、前記第１流入管又は前記第１流入管コネクタの延在方向は前記第１入口及び前記第１熱交換領域の配列方向と交差し、前記熱交換器は、複数の前記第２開口に連通する第２流入キャビティと、前記第２流入キャビティに連通する第２流入管又は第２流入管コネクタとをさらに含み、前記第２流入管又は前記第２流入管コネクタの延在方向は前記第２開口及び前記第２熱交換領域の配列方向と同じであることを特徴とする、請求項１１に記載の熱交換器。
【請求項13】
第１入口、第１出口、及び前記第１入口と前記第２入口の間に位置する第１熱交換領域を含む第１作動流体チャンネル片を形成するステップであって、前記第１熱交換領域がプレス形成された複数の第１マイクロ構造を有するステップと、第２入口、第２出口、及び前記第２入口と前記第２出口の間に位置する第２熱交換領域を含む第２作動流体チャンネル片を形成するステップであって、前記第２熱交換領域がプレス形成された複数の第２マイクロ構造を有し、第１マイクロ構造と第２マイクロ構造の形状が互いに異なるステップと、
前記第１作動流体チャンネル片と前記第２作動流体チャンネル片をＯ－Ｚ方向に交互に積層し、第１マイクロ構造と第２マイクロ構造の中心点をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、複数の第１入口をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、複数の第２入口をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、且つ複数の第１入口、複数の第１出口、複数の第２入口、複数の第２出口をＯ－ＸＹ方向に沿ってずらして設けるステップと、
積層された前記第１作動流体チャンネル片と前記第２作動流体チャンネル片を原子拡散により接合するステップと、を含むことを特徴とする、熱交換器の製造方法。
【請求項14】
Ｏ－ＸＹ延在方向において、前記第１マイクロ構造の第１エッジ部の一部は前記第２マイクロ構造からはみ出ており、及び／又は前記第２マイクロ構造の第２エッジ部の一部は前記第１マイクロ構造からはみ出ていることを特徴とする、請求項１３に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項15】
前記第１エッジ部と前記第２エッジ部のＯ－ＸＹ平面におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影が重ならない、又は、前記第１マイクロ構造の中心点のＯ－ＸＹ平面におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影を円の中心としたとき、前記第１エッジ部と前記第２エッジ部の投影は該円の円周方向に沿ってずれて配置される、
又は、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った少なくとも１つのエッジは前記第２マイクロ構造からはみ出し、前記第２マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った少なくとも１つのエッジは前記第１マイクロ構造からはみ出している、
又は、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、前記第２マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ≦Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、且つ前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞前記第２マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った長さ、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った長さ＜前記第２マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った長さである、
又は、前記第１マイクロ構造は楕円形又はひょうたん形を呈し、前記第２マイクロ構造はひし形、又は長手方向の両端が狭角である紡錘形、又は円形を呈し、前記第１マイクロ構造のＯ－Ｙ方向に沿った両端がいずれも前記第２マイクロ構造を超え、前記第２マイクロ構造のＯ－Ｘ方向に沿った両端がいずれも前記第１マイクロ構造からはみ出ていることを特徴とする、請求項１３に記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換の技術分野に関し、具体的には熱交換器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
熱交換器（ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）は、２つ又は複数の流体間で熱を伝達するためのシステムであり、熱が高温から低温へ伝達する特性を基に、熱を高温の流体から低温の流体に伝達し、物体の加熱又は冷却を実現する。
【0003】
マイクロチャンネル熱交換器は、冷媒チャンネルが設けられた作動流体チャンネル片と、作動流体チャンネルが設けられた作動流体チャンネル片とを交互に積層することで形成される新規の熱交換器である。しかし、冷媒チャンネル、作動流体チャンネルはいずれも物理エッチング又は化学的エッチングによって形成され、材料消費が多く、製造コストが高く、生産効率が低く、また、環境に一定の汚染を引き起こし得る。
【0004】
これに鑑みて、新しい熱交換器及びその製造方法の提供が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、熱交換器及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記技術的課題の１つを解決するために、本発明は次の技術的解決手段を採用する。
【0007】
熱交換器であって、Ｏ－Ｚ方向に積層された複数の作動流体チャンネル片を含み、前記作動流体チャンネル片は入口、出口、及び前記入口と前記出口の間に位置する熱交換領域を含み、前記熱交換領域にはプレス形成された複数のマイクロ構造が設けられ、隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされており、且つ隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の形状が互いに異なる。
【0008】
さらに、前記作動流体チャンネル片は交互に積層された複数の第１作動流体チャンネル片、複数の第２作動流体チャンネル片を含み、前記マイクロ構造は前記第１作動流体チャンネル片上に設けられた第１マイクロ構造、第２作動流体チャンネル片上に設けられた第２マイクロ構造を含み、Ｏ－ＸＹ方向において、前記第１マイクロ構造の第１エッジ部の一部は前記第２マイクロ構造からはみ出ている及び／又は前記第２マイクロ構造の第２エッジ部の一部は前記第１マイクロ構造からはみ出ている
【0009】
さらに、前記第１作動流体チャンネル片は第１入口、第１出口、及び前記第１入口と前記第１出口の間に位置する第１熱交換領域を含み、前記第１熱交換領域に複数の第１マイクロ構造が設けられ、前記第２作動流体チャンネル片は第２入口、第２出口、及び前記第２入口と前記第２出口の間に位置する第２熱交換領域を含み、前記第２熱交換領域に複数の第２マイクロ構造が設けられる。
【0010】
熱交換器の製造方法であって、第１入口、第１出口、及び前記第１入口と前記第２入口の間に位置する第１熱交換領域を含む第１作動流体チャンネル片を形成するステップであって、前記第１熱交換領域がプレス形成された複数の第１マイクロ構造を有するステップと、第２入口、第２出口、及び前記第２入口と前記第２出口の間に位置する第２熱交換領域を含む第２作動流体チャンネル片を形成するステップであって、前記第２熱交換領域がプレス形成された複数の第２マイクロ構造を有し、第１マイクロ構造と第２マイクロ構造の形状が互いに異なるステップと、前記第１作動流体チャンネル片と前記第２作動流体チャンネル片をＯ－Ｚ方向に交互に積層し、第１マイクロ構造と第２マイクロ構造の中心点をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、複数の第１入口をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、複数の第２入口をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせし、且つ複数の第１入口、複数の第１出口、複数の第２入口、複数の第２出口をＯ－ＸＹ方向に沿ってずらして設けるステップと、積層された前記第１作動流体チャンネル片と前記第２作動流体チャンネル片を原子拡散により接合するステップと、を含む。
【0011】
本発明の有益な効果は以下のとおりである。隣り合う作動流体チャンネル片上のマイクロ構造の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされるが形状が異なる。これにより、各マイクロ構造はいずれも一部の領域が隣り合う作動流体チャンネル片の陥没キャビティに対応せず、陥没キャビティ周囲の領域と重なることで原子拡散接合を実現する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施例における熱交換器の構造模式図である。
【図11】好ましい一実施例における第１片材の構造模式図である。
【図12】本発明の別の実施例における複数のマイクロ構造片とスペーサを重ね合わせた後の模式図であり、重ね合わせた後の状況を示す透視図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下において図面に示す具体的な実施形態と関連付けて本発明を詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は本発明を限定するものではなく、当業者がこれらの実施形態に基づいてできた構造的、方法的、又は機能的な変換はいずれも本発明の保護範囲内に含まれる。
【0014】
本発明の各図において、図示の便宜上、構造又は部分のいくつかのサイズは、他の構造又は部分と比べて誇張される場合があるため、本発明の主題の基本の構造を示すためのものに過ぎない。
【0015】
本発明は、「熱抵抗平衡理論」、プレスプロセス及び原子拡散接合プロセスを基に、製造コストが低く、大量生産に適し、構造がコンパクトで熱交換性能が高い熱交換器１００及びその製造方法を設計することを目的とする。しかし、その設計の一部は、他のプロセスによって製造された熱交換器１００にも使用することができる。図１～図１１は本発明の第１類の実施例であり、図１２～図１７は本発明の第２類の実施例である。説明の便宜上、座標系Ｏ－ＸＹＺを設定する。
【0016】
前記熱交換器１００は複数の作動流体チャンネル片１を含み、前記作動流体チャンネル片１は概ねＯ－ＸＹ方向（ＸＹ平面内）に沿って延在している。複数の作動流体チャンネル片１はＯ－Ｚ方向に積層されている。隣り合う２つの前記作動流体チャンネル片１の間に作動流体が流れる作動流体チャンネルが形成されている。前記作動流体チャンネル片１のエッジは前記作動流体チャンネルに連通する入口２及び出口３を有し、且つ隣り合う２つの前記作動流体チャンネル片１の入口２、出口３はＯ－ＸＹ方向に沿ってずれている。
【0017】
隣り合う２つの作動流体チャンネルは、それぞれ第１作動流体、第２作動流体を流すために使用され、両者の間に温度差があると熱伝達が行われる。ここで、前記第１作動流体と前記第２作動流体とは、設定に応じて熱交換を行う２つの作動流体を指す。両者は、材質が同じで温度が異なるものであってもよいし、材質も温度も異なるものであってもよい。
【0018】
以下において、まず２種類の実施例の共通する特徴を説明する。
【0019】
図１～図１７を参照し、前記作動流体チャンネル片１は、入口２、出口３、及び入口２と出口３の間に位置する熱交換領域４を含み、前記熱交換領域４には複数のマイクロ構造５が設けられている。前記作動流体チャンネルが複数の並列又は交差接続しているマイクロチャンネルに分割されて熱交換器１００の熱交換性能を向上させる。
【0020】
前記マイクロ構造５のサイズ及び間隔は熱交換性能及び圧力損失に影響を与える。好ましい一実施例において、前記マイクロ構造５の等価直径（相当直径）は０．７ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以上である。隣り合う２つのマイクロ構造５の間隔は０．５ｍｍ～２．５ｍｍの間にあり、好ましくは１ｍｍ～１．５ｍｍの間にある。
【0021】
具体的には、前記作動流体チャンネル片１は、前記熱交換領域４を取り囲んで設けられた囲い（包囲部）６をさらに含む。前記囲い６は、前記マイクロ構造５が設けられた側に位置し、作動流体の外への流動を防止する。前記入口２、前記出口３は、前記囲い６に設けられるか、又は前記囲いの前記熱交換領域４に向かう内側に位置する。
【0022】
複数の前記マイクロ構造５は複数の正弦線に沿って間隔を置いて配列され、且つ複数の前記正弦線は、前記入口２が位置する側から前記出口３が位置する側に向かって間隔を置いて配列されている。前記マイクロ構造５は正弦線に沿って配列され、簡単なマイクロ構造５で正弦線型の流動ガイド構造の役割を果たすことができる。したがって、マイクロ構造５の生産の難易度を簡略化できるとともに、作動流体が正弦線に沿って流れる傾向を持ち、流れを乱す効果が高く、熱交換性能が保証される。
【0023】
好ましい一実施例において、前記入口２、前記出口３のそれぞれは、前記熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられている。前記正弦線はＯ－Ｘ方向に延在し、且つ複数の正弦線はＯ－Ｙ方向に沿って間隔を置いて配列されている。作動流体が前記入口２から作動流体チャンネルに入った後、複数のマイクロ構造５によって乱される。これにより、ビーチの波のように、後方波が前方波を押して徐々に下流に移動して前記出口３に到達する。複数のマイクロ構造５は流体に対して次から次へと流動現象の円滑な誘導を形成し、流体に対する乱れが大きく、熱交換性能が高い。
【0024】
好ましくは、前記正弦線に沿って配列された複数の前記マイクロ構造５のＯ－Ｘ方向に沿った間隔は同じである。即ち、前記正弦線に沿って分布する複数のマイクロ構造５が、Ｏ－Ｙ方向に沿って同一の直線上に投影されたとき、これらの投影はＯ－Ｘ方向に均一に分布する。したがって、隣り合う作動流体チャンネル片１を互いに重ね合わせたとき、隣り合う２つの前記作動流体チャンネル片１の支持／接合点は均一である。
【0025】
さらに、隣り合う２つの正弦線に沿って分布するマイクロ構造５はＯ－Ｘ方向に沿ってずれて配列されている。つまり、各前記マイクロ構造５の隣り合う正弦線におけるＯ－Ｙ方向に沿った投影は、該投影された正弦線上の隣り合う２つのマイクロ構造５の間にある。そのため、全領域にわたる支持／接合点の均一性がさらに向上するとともに、作動流体に対する乱れが増加し、熱交換性能が向上する。
【0026】
また、入口２が位置する側から出口３が位置する側に向かう方向において、前記熱交換領域４は、乱流領域４３、及び乱流領域４３の両側に位置する遷移領域４４を含む。前記乱流領域４３のマイクロ構造５の配置密度は、前記遷移領域４４のマイクロ構造５の配置密度より大きい。具体的には、前記遷移領域４４内のいずれかの正弦線上のマイクロ構造５の数＜前記乱流領域４３内のいずれかの正弦線上のマイクロ構造５の数である、及び／又は、遷移領域４４内の隣り合う２つの正弦線の間隔＞乱流領域４３内の隣り合う２つの正弦線の間隔である。
【0027】
図３、図５～６、図８～９、図１１～図１２、図１４及び図１６に示すように、前記遷移領域４４内のいずれかの正弦線上のマイクロ構造５の数＜前記乱流領域４３内のいずれかの正弦線上のマイクロ構造５の数であり、前記乱流領域４３と前記遷移領域４４内の隣り合う２つの正弦線の間隔は同じである。好ましくは、現在のプロセスで達成可能な最小値とし、熱交換性能を保証するとともに、前記熱交換器１００のＯ－Ｙ方向に沿ったサイズを短縮する。
【0028】
前記乱流領域４３を設けることにより、同じ面積の熱交換領域４の熱交換性能を３０％向上させることができ、且つ乱流領域４３のＯ－Ｙ方向に沿った幅が広いほど熱交換性能が向上する。前記乱流領域４３の幅は次のように設定されている。１）前記乱流領域４３の幅≦３ｍｍであり、好ましくは２ｍｍ～３ｍｍである。又は２）前記乱流領域４３の幅が収容できる上記正弦線の数≦３であり、好ましくは、収容できる前記正弦線の数は２～３である。
【0029】
上記した２つの幅の設定方式はいずれも、乱流領域４３が熱交換性能に及ぼす影響、熱交換器１００のサイズ、製造プロセス、圧力損失等の要素を考慮したものである。熱交換性能を確保する前提のもとで、熱交換器１００のＯ－Ｙ方向に沿った長さを最も短くし、材料を節約し、占有スペースを小さくする。乱流領域４３の幅をこれ以上広げると、熱交換性能を著しく向上させることはないが、圧力損失及び流動損失を大幅に増加させる。
【0030】
また、前記マイクロ構造５をプレス形成するときに、他側に対応する陥没キャビティが形成される。隣り合う２つの作動流体チャンネル片１のマイクロ構造５及びその配列方式が両方とも同じであれば、積み重ねるとき、一方の作動流体チャンネル片１のマイクロ構造５は、他方の作動流体チャンネル片１上の対応する陥没キャビティに面し、力を受けて原子拡散接合を実現することができない。該技術的問題を解決するために、図３～図４、図１２～図１３に示すように、隣り合う２つの作動流体チャンネル片１のマイクロ構造５の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされている。つまり、２つの中心点の連結線はＯ－Ｚ方向に平行であり、隣り合う２つの作動流体チャンネル片１の支持／接合点は位置合わせされ、２つの作動流体の圧力が異なることにより接合点が破損して割れる問題は回避される。また、隣り合う２つの作動流体チャンネル片１のマイクロ構造５の形状は異なるため、各マイクロ構造５はいずれも一部の領域が隣り合うマイクロ構造片１３の陥没キャビティに対応せず、陥没キャビティ周囲の領域と重なることで原子拡散接合を実現する。
【0031】
前記マイクロ構造５が対称図形である場合、その中心対称点は中心点である。前記マイクロ構造５が非対称図形である場合、そのエッジを正規化した後の等面積の等価円の中心を中心点とする。
【0032】
第１作動流体、第２作動流体について、作動流体チャンネル片１は２種類に分けられ、前記熱交換器１００は、Ｏ－Ｚ方向に交互に積層された第１作動流体チャンネル片１１と第２作動流体チャンネル片１２を含む。前記第１作動流体チャンネル片１１は、プレス形成された第１マイクロ構造５１と、第１陥没キャビティとを含む。前記第２作動流体チャンネル片１２は、プレス形成された第２マイクロ構造５２と、第２陥没キャビティとを含む。前記第１マイクロ構造５１と前記第２マイクロ構造５２は互いに異なる。前記第１作動流体チャンネル片１１、前記第１マイクロ構造５１及び前記第２作動流体チャンネル片１２は、第１作動流体チャンネルを画定する。前記第２作動流体チャンネル片１２、前記第２マイクロ構造５２及び前記第１作動流体チャンネル片１１は、第２作動流体チャンネルを画定する。
【0033】
図３～図４、図１２～図１３は、第１マイクロ構造５１と第２マイクロ構造５２を重ね合わせた状況を示している。Ｏ－ＸＹ方向において、前記第１マイクロ構造５１の第１エッジ部５１１の一部は前記第２マイクロ構造５２からはみ出ている。即ち、前記第１エッジ部５１１の一部の前記第２作動流体チャンネル片１２におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影は前記第２マイクロ構造５２からはみ出ている。該はみ出た部分は前記第２陥没キャビティの周囲にフィットし、隣り合う２つの作動流体チャンネル片１を重ねるときの支持／接合点となる。、及び／又は、前記第２マイクロ構造５２の第２エッジ部５２１の一部は前記第１マイクロ構造５１からはみ出ている。即ち、該第２エッジ部５２１の一部の第１作動流体チャンネル片１１におけるＯ－Ｚ方向に沿った投影は第１マイクロ構造５１からはみ出ている。該はみ出た部分は前記第１陥没キャビティの周囲にフィットし、隣り合う作動流体チャンネル片１を重ねるときの支持／接合点となる。
【0034】
好ましくは、効果的な原子拡散接合を保証するために、各はみ出た部分の面積は０．０４ｍｍ２以上であり、好ましくは０．０４ｍｍ２～０．０６ｍｍ２、例えば０．０５ｍｍ２である。加工された突起エッジに面取りの問題があることを考慮したため、前記第１エッジ部５１１がＯ－Ｙ方向で前記第２マイクロ構造５２をはみ出た長さは０．１５ｍｍ以上である。前記第２エッジ部５２１がＯ－Ｙ方向で前記第１マイクロ構造５１をはみ出た長さは０．１５ｍｍである。２つの超過長さの距離は同じでも異なっていてもよい。
【0035】
第１マイクロ構造５１、第２マイクロ構造５２をＯ－Ｚ方向に沿って同一のＯ－ＸＹ平面内に投影したとき、前記第１エッジ部５１１と前記第２エッジ部５２１は重ならず、支持／接合点は異なる領域に分布している。好ましくは、前記第１マイクロ構造５１の中心点の投影を円の中心としたとき、前記第１エッジ部５１１、前記第２エッジ部５２１の投影は、該円の円周方向に沿って均一に配置されるため、支持／接合力がより均一である。より好ましくは、前記第１エッジ部５１１、前記第２エッジ部５２１の投影の該円の中心からの離隔距離は異なり、内外に複数層に分けて設けられることで、支持／接合の効果がより高くなる。
【0036】
一実施例において、前記第１マイクロ構造５１のＯ－Ｙ方向に沿った少なくとも１つ、好ましくは２つの第１エッジ部５１１は前記第２マイクロ構造５２からはみ出し、前記第２マイクロ構造５２のＯ－Ｘ方向に沿った少なくとも１つ、好ましくは２つの第２エッジ部５２１は前記第１マイクロ構造５１からはみ出し、四隅支持を形成し、接合度がより強い。
【0037】
別の実施例において、前記第１マイクロ構造５１のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、前記第２マイクロ構造５２のＯ－Ｙ方向に沿った長さ≦Ｏ－Ｘ方向に沿った長さ、且つ前記第１マイクロ構造５１のＯ－Ｙ方向に沿った長さ＞前記第２マイクロ構造５２のＯ－Ｙ方向に沿った長さ、前記第１マイクロ構造５１のＯ－Ｘ方向に沿った長さ＜前記第２マイクロ構造５２のＯ－Ｘ方向に沿った長さである。
【0038】
例えば、前記第１マイクロ構造５１は楕円形又はひょうたん形を呈し、前記第２マイクロ構造５２はひし形、又は長手方向の両端が狭角である紡錘形、又は円形を呈し、且つ第１マイクロ構造５１のＯ－Ｙ方向に沿った両端はいずれも第２マイクロ構造５２からはみ出ており第２マイクロ構造５２のＯ－Ｘ方向に沿った両端はいずれも第１マイクロ構造５１からはみ出ている
【0039】
積層して熱交換器１００を形成するとき、前記第１作動流体チャンネル片１１と前記第２作動流体チャンネル片１２をＯ－Ｚ方向に交互に積層し、第１マイクロ構造５１と第２マイクロ構造５２の中心点をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせする。これにより、隣り合う作動流体チャンネル片１が互いに支持して接合できることを保証できる。
【0040】
また、前記熱交換器１００の使用シナリオは多様である。例えば凝縮器又は蒸発器として冷凍システムに使用される場合、第１作動流体は高圧の二相冷媒であり、前記第２作動流体は低圧の単相水である。異なる温度及び／又は相状態及び／又は圧力の作動流体に適応するために、第１作動流体チャンネル片１１は、第１マイクロ構造５１を有する第１熱交換領域４１、及び前記第１熱交換領域４１に連通する第１入口２１と第１出口３１を含む。前記第２作動流体チャンネル片１２は、第２マイクロ構造５２を有する第２熱交換領域４２、及び前記第２熱交換領域４２に連通する第２入口２２と第２出口３２を含む。前記第１マイクロ構造５１の第１入口２１の方を向いた面と前記第２マイクロ構造５２の第２入口２２の方を向いた面の形状は異なるので、第１作動流体、第２作動流体に最初に接触する部分が異なる。このように、異なる作動流体に合わせて設計することで、熱交換性能と圧力損失のバランスを取ることができる。
【0041】
一実施例において、前記第１マイクロ構造５１の前記第１入口２１の方を向いた面は円弧形を呈し、プレス金型の設計が容易で生産歩留まりが高い。例えば前記第１マイクロ構造５１は楕円形又はひょうたん形を呈する。
【0042】
前記第２マイクロ構造５２の前記入口２の方を向いた面は尖った角形状を呈し、狭角が９０°以下であり、流動損失が小さく、且つ前縁効果に基づいて第２作動流体と第２マイクロ構造５２の熱交換性能が優れている。例えば、前記第２マイクロ構造はひし形、又は長手方向の両端が狭角である紡錘形を呈する。
【0043】
以下において、囲い６の構造を詳細に説明する。
【0044】
前記囲い６の前記熱交換領域４の方を向いた内エッジ１４３は作動流体に接触し、その流れにも一定の影響を及ぼす。本発明において、前記内エッジ１４３の一部の形状は、該内エッジ１４３に最も近い１列の前記マイクロ構造５の配列形状と同じであり、該エッジ１４３が作動流体を乱す傾向は隣り合う前記マイクロ構造５と同じである。
【0045】
具体的には、作動流体の流れ方向に沿って延在する内エッジ１４３の形状は、該内エッジ１４３に近接した１列の前記マイクロ構造５の配列方式と同じである。したがって、エッジに位置する作動流体と中央領域に位置する作動流体の流れの傾向は概ね同じである。ここで、作動流体の流れ方向は実際の流れ方向ではなく、前記入口２が設けられた側から前記出口３が設けられた側へ向かう方向をいう。好ましくは、作動流体の流れ方向に沿って延在する内エッジ１４３と該内エッジに近接した１列の前記マイクロ構造５との距離は全て同じであり、異なる領域が作動流体を乱す傾向は同じである。
【0046】
前記入口２、前記出口３はそれぞれ、前記囲い６の両側に設けられている。前記入口２が位置する側の内エッジ１４３の形状は、該内エッジに最も近い１列の前記マイクロ構造５の配列形状と同じである。該内エッジは、最も近い１列のマイクロ構造５の上流の１列のマイクロ構造５に相当する。作動流体の進行方向における作動流体に対する推力及び抵抗力がほぼ同じであり、作動流体が熱交換領域４のエッジで大きく跳ね返り、より大きな流動損失をもたらすことを回避する。好ましくは、前記入口２が位置する側の内エッジ１４３と該内エッジ１４３に最も近い１列の前記マイクロ構造５との間の距離は全て等しく、異なる領域が作動流体を乱す傾向は同じである。
【0047】
及び／又は、前記出口３が位置する側の内エッジ１４３の形状は、該内エッジ１４３に最も近い１列の前記マイクロ構造５の配列形状と同じである。該内エッジは、最も近い１列のマイクロ構造５の下流の１列のマイクロ構造５に相当する。作動流体の進行方向における作動流体に対する推力及び抵抗力が近似し、作動流体が熱交換領域４のエッジで大きく跳ね返り、より大きな流動損失をもたらすことを回避する。好ましくは、前記出口３が位置する側の内エッジ１４３の形状と該内エッジ１４３に最も近い１列の前記マイクロ構造５との間の距離は等しく、異なる領域が作動流体を乱す傾向は同じである。
【0048】
具体的な一実施例において、前記入口２、前記出口３はそれぞれ、前記囲い６のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられている。複数の前記マイクロ構造５はＯ－Ｘ方向に延在する複数の正弦線に沿って分布し、且つ隣り合う正弦線上のマイクロ構造５は正弦線の延在方向に沿ってずれて配置されている。作動流体の流れ方向に沿ってエッジに位置する１列のマイクロ構造５は波状を呈する。前記囲い６上のＯ－Ｙ方向に沿った両側の内エッジ１４３も正弦線形を呈し、作動流体の流れ方向に沿って延在する内エッジ１４３は波状を呈する。
【0049】
さらに、各内エッジ１４３と前記マイクロ構造５との間の間隙は、同じ方向に隣り合う前記マイクロ構造５間の間隙と同じであり、作動流体を乱す役割は同じである。
【0050】
以下において、２つの作動流体チャンネル片上の入口２、出口３の分布方式を説明する。
【0051】
同一の作動流体チャンネル片１上で、前記入口２、前記出口３はそれぞれ、Ｏ－Ｙ方向の両側に設けられ、且つＯ－Ｘ方向に沿ってずれて設けられている。即ち、前記入口２、前記出口３は概ね対角的に設けられている。これにより、作動流体の流動距離が長く、熱交換性能が向上する。
【0052】
好ましくは、前記第１入口２１、前記第２出口３２は前記熱交換器１００の一側に位置し、前記第１出口３１、前記第２入口２２は前記熱交換器１００の他側に位置する。したがって、全ての入口２、前記出口３が、熱交換器１００に対向して設けられた両側に統合されている。これにより、外部に流入及び流出配管を連結する等の後続プロセスが容易になり、且つ構造がよりコンパクトになり、体積が小さい。
【0053】
好ましくは、前記第１入口２１と前記第２出口３２はＯ－Ｘ方向に並んで配置される。前記第２入口２２と前記第１出口３１はＯ－Ｘ方向に並んで配置される。したがって、前記第１入口２１と前記第１出口３１は対角的に設けられ、前記第２入口２２と前記第２出口３２は対角的に設けられる。これにより、第１作動流体と第２作動流体は概ね対向流を形成し、熱交換の効果が高くなる。
【0054】
熱交換器１００を凝縮器として使用する場合、第１作動流体は、作動流体チャンネル片１との温度差が大きい気液二相の高圧冷媒であり、第２作動流体は低圧の水である。一実施例において、Ｏ－Ｘ方向に沿って、前記第２出口３２の幅は前記第１入口２１の幅より大きく、前記第２入口２２の幅は前記第１出口３１の幅より大きい。これにより、水の流量と熱交換後の温度が保証される。別の実施例において、前記第１入口２１と前記第１出口３２の幅は異なり、気体冷媒は圧力が大きく比較的広い第１入口２１から入り、液体冷媒は比較的狭い第１出口３２から流出する。これにより、流動過程の全体において圧力のバランスが取れる。前記第２入口２２と前記第２出口３２の幅は同じであり、水の安定した流動が保証される。熱交換器１００を蒸発器として使用する場合、第１入口、第１出口は逆に使用される。
【0055】
以下において、製造プロセスを参照しながら作動流体チャンネル片１をさらに詳細に説明する。
【0056】
前記作動流体チャンネル片１が一体型の場合、物理／化学的エッチングプロセスによって比較的厚い片材上に前記マイクロ構造５及び囲い６を形成することのみが適しており、プレスプロセスが適していない。
【0057】
図１～図１７を参照し、本発明は作動流体チャンネル片１を、Ｏ－Ｚ方向に積層されたマイクロ構造片１３とマイクロ構造片スペーサ１４（以下、スペーサと略称する）を含む分割型として設計する。具体的には、前記第１作動流体チャンネル片１１は、第１マイクロ構造片１３１、及び第１マイクロ構造片スペーサ１４１（以下、第１スペーサ１４１と略称する）を含む。前記第２作動流体チャンネル片１２は、第２マイクロ構造片１３２、及び第２マイクロ構造片スペーサ１４２（以下、第２スペーサ１４２と略称する）を含む。前記第１マイクロ構造片１３１と第２マイクロ構造片１３２は総称してマイクロ構造片１３と呼ばれ、第１スペーサ１４１と第２スペーサ１４２は総称してスペーサ１４と呼ばれる。
【0058】
Ｏ－Ｚ方向から見ると、前記マイクロ構造片１３の形状は、前記作動流体チャンネル片１の形状と同じであり、且つ前記マイクロ構造片１３は、前記熱交換領域４及び前記熱交換領域４を取り囲むエッジ領域を含む。前記スペーサ１４は、前記エッジ領域と形状が同じである。前記スペーサ１４は前記マイクロ構造５が配置された側の前記エッジ領域に設けられ、前記熱交換領域４の周囲に前記囲い６を形成する。上述した囲い６に対する説明は全て前記スペーサ１４にも適用される。
【0059】
本発明は、前記作動流体チャンネル片１をＯ－Ｚ方向に沿って２つの部分に分割し、前記マイクロ構造５を前記マイクロ構造片１３に設けることによって、プレスプロセスにより前記マイクロ構造片１３、前記スペーサ１４をそれぞれ形成し、次に積み重ねて前記スペーサ１４により前記囲い６を形成することができる。したがって、前記囲い６に対応する他側に陥没キャビティがなく、さらに原子拡散接合によって両者を接合することができる。従来のフォトエッチングプロセスに比べて、生産コストが低く、大量生産に適し且つ環境汚染が少ない。
【0060】
前記マイクロ構造片１３及び前記スペーサ１４の厚さが小さいほど、最終的に形成された熱交換器１００の重量が軽く、熱抵抗が小さく、熱交換性能が高い。現在の板材及びその性能、プレスプロセスの限界性等を踏まえると、前記マイクロ構造片１３及び前記スペーサ１４の厚さは０．０７ｍｍ～０．１ｍｍの間にあり、例えば０．１ｍｍ、０．０９ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０７５ｍｍ、０．０７ｍｍである。本発明は厚さが０．１ｍｍ以下であることが好ましく、熱抵抗が小さいが、プロセスに大きな挑戦をもたらす。
【0061】
前記マイクロ構造片１３の前記熱交換領域４にプレス形成された前記マイクロ構造５は中空の突起であり、複数のマイクロ構造間の間隙が連通して前記マイクロチャンネルを形成し、流体を複数の小さな分岐流に分けて熱交換を行い、熱交換性能が向上する。
【0062】
前記マイクロ構造片１３の厚さが大きいほど、前記マイクロ構造５の直径が大きく、強度が大きく、隣り合う前記マイクロ構造５の間隔が小さく、前記マイクロ構造片１３の両側に位置する第１作動流体、第２作動流体に対する耐圧性が強く、その逆の場合、耐圧性が低い。前記マイクロ構造片１３の厚さは片材の厚さによって決定され、前記マイクロ構造５の高さはスペーサ１４の厚さ以上であり、好ましくは両者の高さが同じである。重ね合わせて加圧するとき、やや高いマイクロ構造５はわずかに変形し得、前記マイクロ構造５が隣り合うマイクロ構造片１３と効果的に接触することを保証することができる。これは原子拡散接合の必要条件である。具体的には、前記スペーサ１４の厚さ≦前記マイクロ構造片１３の厚さ、前記マイクロ構造５の高さは前記スペーサ１４の厚さに応じて適応的に調整される。本発明において、前記スペーサ１４と前記マイクロ構造片１３は厚さが同じであり、それぞれ同じ片材を使用して形成される。
【0063】
プレス金型とマイクロ構造片の性能を兼ねて考慮すると、前記マイクロ構造５の等価直径は０．７ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以上である。隣り合う２つのマイクロ構造５の間隔は０．５ｍｍ～２．５ｍｍの間にあり、好ましくは１ｍｍ～１．５ｍｍの間にある。
【0064】
前記スペーサ１４は前記熱交換領域４の周囲を取り囲んで作動流体チャンネルの囲い６を形成する。熱交換器１００の耐圧性及び原子拡散接合プロセスに基づいて前記スペーサ１４の幅を設計し、例えば２．５ｍｍ～５ｍｍの間、好ましくは３ｍｍとする。
【0065】
前記スペーサ１４の外部輪郭は熱交換器１００の形状と同じであり、前記熱交換領域４の方を向いた内エッジ１４３は作動流体に接触し、具体的には囲い６の内エッジ１４３を参照する。
【0066】
また、分割型の構造か一体型の構造かにかかわらず、作動流体チャンネル片１上の前記入口２、前記出口３周囲の領域は作動流体をガイドする流れガイド面１０を有する。前記流れガイド面１０は傾斜面形状又は段差状を呈する。冷媒、水等の流体がガイドされて前記熱交換領域４に流入するときに「壁」ではなく、流れガイド面１０を有する複数の入口に面する。分割型構造において、前記流れガイド面１０は、前記マイクロ構造片及びマイクロ構造片スペーサにより共同で形成される。例えばエッジを不均一に設計し、内外の層を不均一にすることで段差状の流れガイド面１０を構成する。
【0067】
好ましくは、前記流れガイド面１０は前記入口２と前記熱交換領域４との間、又は前記出口３と前記熱交換領域４との間に位置する。
【0068】
又は好ましくは、前記入口２、前記出口３の前記熱交換領域４の方を向いた面の円弧角を、前記熱交換領域４から離反する側の円弧角より小さくし、前記流れガイド面１０の形成を容易にする。
【0069】
【0070】
第１作動流体チャンネル片１１、第１作動流体チャンネル片１２はいずれも、熱交換領域４、前記熱交換領域４の周囲に設けられた２組の入口２、出口３、及び包囲枠１５を含む。前記入口２、前記出口３はいずれも前記マイクロ構造片１３の厚さ方向に沿って貫通している。
【0071】
前記熱交換領域４に複数の前記マイクロ構造５が設けられ、前記マイクロ構造５の構造及びその配列方式は上述した通りであり、ここでは詳細な説明を省略する。ここで１組の入口２、出口３は前記熱交換領域４に連通し、もう１組の入口２、出口３はフェンス１６によって前記熱交換領域４から隔離されている。したがって、該入口２から流入した作動流体が熱交換領域４に流入することができない。
【0072】
前記第１作動流体チャンネル片１１を例にして、第１入口２１、第１出口３１は熱交換領域４に連通し、第２入口２２、第２出口３２はフェンス１６によって熱交換領域４から隔離されることを例として、２組の入口２、出口３を説明する。
【0073】
熱交換領域４に連通する第１入口２１、第１出口３１と最も近い１列のマイクロ構造５との距離は小さく、該方向に隣り合うマイクロ構造５間の距離に相当する。第１入口２１、第１出口３１に近い領域にマイクロ構造５が設けられている。マイクロ構造５は、隣り合うマイクロ構造片１３を均一に支持し、且つ原子拡散接合後に十分な接合強度を形成するとともに、第１作動流体が円滑に通過することを保証する。
【0074】
た前記第２入口２２、前記第２出口３２は、前記フェンス１６によって前記熱交換領域４から隔離されている。隔離効果を保証するために、前記第２入口２２、前記第２出口３２とこれらに最も近い１列のマイクロ構造５との距離は大きく、該方向における隣り合うマイクロ構造５間の距離より大きい。
【0075】
具体的には、前記第１入口２１、前記第１出口３１の各々とこれらに最も近い１列のマイクロ構造５との間の距離をＬ１とし、前記第２入口２２、前記第２出口３２の各々とこれらに最も近い１列のマイクロ構造５との間の距離をＬ２とすると、Ｌ１＜Ｌ２である。前記フェンス１６の幅はＬ２以下である。
【0076】
一実施例において、前記第１入口２１、前記第１出口３１の各々に最も近い１列のマイクロ構造５の配列方向において、Ｌ１≦隣り合うマイクロ構造５間の距離であり、入口及び出口における支持／接合強度が高い、及び／又は、前記第２入口２２、前記第２出口３２の各々に最も近い１列のマイクロ構造５の配列方向において、Ｌ２＞隣り合うマイクロ構造５の間の距離である。これによって、効果的な遮断が保証される。
【0077】
さらに、Ｌ２は隣り合う２列のマイクロ構造５間の距離の１．５～４倍、例えば２倍、３倍である。
【0078】
別の実施例において、前記第１入口２１、前記第１出口３１はそれぞれ、前記熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられる。前記第２入口２２、前記第２出口３２はそれぞれ、前記熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられる。複数のマイクロ構造５はＯ－Ｘ方向に延在する複数の正弦線に沿って分布する。複数の正弦線はＯ－Ｙ方向に間隔を置いて配置される。
【0079】
好ましくは、Ｌ１≦隣り合う２つの正弦線間の距離である、及び／又は、Ｌ２≧隣り合う２つの正弦線間の距離の１．５～４倍、例えば２倍、３倍であることによって、該幅内に１つ、２つ又は３つの正弦線を収容することができる。
【0080】
また、一般的に作動流体の圧力、流量に応じて入口２、出口３のサイズを設定する。本発明において、第１入口２１、第１出口３１はそれぞれ、熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられる。第２入口２２、第２出口３２もそれぞれ、熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った両側に設けられ、且つＯ－Ｘ方向において、第１入口２１、第１出口３１の幅は第２入口２２、第２出口３２の幅より小さい。第１作動流体が冷媒であり、第２作動流体が水である場合、熱交換性能及び圧力損失はいずれも最適になる。
【0081】
具体的には、Ｏ－Ｘ方向において、前記第２入口２２、前記第２出口３２の幅は前記熱交換領域４の幅の１／２より大きく、第２作動流体の入口と出口３の横方向距離が大きく、且つ該幅が大きいほど、第２作動流体は直線で前記熱交換領域４を通過する傾向になり、圧力損失が小さい。
【0082】
好ましくは、前記第２入口２２、前記第２出口３２の幅は、前記熱交換領域４の幅の１／２～４／５、例えば２／３、３／４である。第２作動流体チャンネルは中心線直線構造に類似し、流動損失が小さい。
【0083】
具体的な一実施例において、第１入口２１、第２出口３２は、熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った側に位置し、且つ両者はＯ－Ｘ方向に沿って配列される。第１出口３１、第２入口２２は、熱交換領域４のＯ－Ｙ方向に沿った他側に位置し、且つ両者はＯ－Ｘ方向に沿って配列される。好ましくは、Ｏ－Ｘ方向において、前記第１入口２１と前記第１出口３１はずれて設けられ、前記第２入口２２と前記第２出口３２ずれて設けられている。これにより、第１作動流体と第２作動流体は対向流を形成し、熱交換性能が向上する。
【0084】
別の実施例において、前記第１入口２１の幅は前記第１出口３１の幅より大きく、前記第２出口３２の幅は前記第１出口３１の幅より小さく、第１入口２１が圧縮機に連通する凝縮器に適用される。
【0085】
好ましくは、前記フェンス１６と前記包囲枠１５の幅は同じであり、各位置での高い接合度が保証され、作動流体に対する耐圧能力も同じであり、作動流体の漏れ現象が回避される。残りの領域は同一側に位置する入口２、出口３に割り当てられる。
【0086】
さらに、プレスプロセスを使用できるように、前記作動流体チャンネル片１は、Ｏ－Ｚ方向に積層されたマイクロ構造片１３とマイクロ構造片スペーサ１４を含む。
【0087】
前記マイクロ構造片１３は、前記熱交換領域４、第１入口貫通孔２１’、前記第１出口貫通孔３１’、前記第２入口貫通孔２２’、前記第２出口貫通孔３２’、及び前記包囲枠１５に対応する第１包囲枠を含む。第１入口貫通孔２１’、第１出口貫通孔３１’、第２入口貫通孔２２’、第２出口貫通孔３２’はいずれも厚さ方向に沿って前記マイクロ構造片１３を貫通している。
【0088】
異なる作動流体に適応して、前記マイクロ構造片１３は第１マイクロ構造片１３１及び第２マイクロ構造片１３２を含む。前記マイクロ構造片１３、前記スペーサ１４の外部輪郭は同じであり、例えばいずれも、片材材料の使用が最も経済的である正方形とする。
【0089】
前記第１マイクロ構造片１３１は、第１熱交換領域４１、前記第１熱交換領域４１のＯ－Ｙ方向に沿った側に設けられ且つＯ－Ｘ方向に沿って配列された第１入口貫通孔２１’と第２出口貫通孔３２’、前記第１熱交換領域４１のＯ－Ｙ方向に沿った他側に設けられ且つＯ－Ｘ方向に沿って配列された第１出口貫通孔３１’と第２入口貫通孔２２’、及び第１包囲枠を含む。第１入口貫通孔２１’、第２出口貫通孔３２’、第１出口貫通孔３１’、第２入口貫通孔２２’、及び第１包囲枠は前記エッジ領域に位置する。そして、第１入口貫通孔２１’、第１出口貫通孔３１’は第１熱交換領域４１に連通し、第２入口貫通孔２２’、第２出口貫通孔３２’と第１熱交換領域４１はフェンス１６によって隔離される。
【0090】
前記第２マイクロ構造片１３２は、第２熱交換領域４２、前記第２熱交換領域４２のＯ－Ｙ方向に沿った側に設けられ且つＯ－Ｘ方向に沿って配列された第１入口貫通孔２１’と第２出口貫通孔３２’、前記第２熱交換領域４２のＯ－Ｙ方向に沿った他側に設けられ且つＯ－Ｘ方向に沿って配列された第１出口貫通孔３１’と第２入口貫通孔２２’、及び第１包囲枠を含む。そのうち、第１入口貫通孔２１’、第２出口貫通孔３２’、第１出口貫通孔３１’、第２入口貫通孔２２’、第１包囲枠は前記エッジ領域に設けられる。前記第１マイクロ構造片１３１との相違点は、第１入口貫通孔２１’、第１出口貫通孔３１’と第１熱交換領域４１がフェンス１６によって隔離され、第２入口貫通孔２２’、第２出口貫通孔３２’が第１熱交換領域４１に連通する点である。
【0091】
具体的には、第２熱交換領域４２から隔離された第１入口貫通孔２１’、第１出口貫通孔３１’と最も近い１列のマイクロ構造５との間の距離をＬ１とし、第２熱交換領域４２に連通する第２入口貫通孔２２’、第２出口貫通孔３２’と最も近い１列のマイクロ構造５との間の距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２である。さらに、Ｌ１＞該方向における隣り合うマイクロ構造５間の距離である、及び／又は、Ｌ２≦該方向における隣り合うマイクロ構造５間の距離である。好ましくは、Ｌ１は該方向における隣り合う２列のマイクロ構造５間の距離の１．５～４倍、例えば２倍、３倍である。又は、Ｌ１≧隣り合う２つの正弦線間の距離の１．５～４倍であり、Ｌ２の幅範囲内で１つ又は２つの正弦線を収容でき、及び／又は、Ｌ２≦隣り合う２つの正弦線の間の距離である。
【0092】
前記スペーサ１４は、前記熱交換領域４、前記熱交換領域４に連通する入口貫通孔２’及び出口貫通孔３’に対応する熱交換中空領域１４４、前記熱交換領域４から隔離された入口貫通孔２’に対応する入口中空領域１４５、前記熱交換領域４から隔離された出口貫通孔３’に対応する出口中空領域１４６、前記フェンス１６、及び前記包囲枠１５に対応する第２包囲枠を含む。
【0093】
熱交換中空領域１４４の入口貫通孔２’に対応する部分を入口２といい、出口貫通孔３’に対応する部分を出口３という。説明を簡略化するために、入口貫通孔２’を入口といい、出口貫通孔３’を出口ということもある。
【0094】
ここで前記熱交換中空領域１４４、前記入口中空領域１４５、前記出口中空領域１４６は前記スペーサ１４の厚さ方向に沿って貫通する。前記フェンス１６は、前記入口中空領域１４５と前記熱交換中空領域１４４との間、前記出口中空領域１４６と前記熱交換中空領域１４４との間に位置する。前記第２包囲枠は、複数の中空領域を取り囲んで、全体的には一体型を呈する。積み重ねた後、前記第１包囲枠と前記第２包囲枠は前記包囲枠１５を構成する。
【0095】
前記スペーサ１４が取り囲んで前記熱交換中空領域１４４の内エッジ１４３を形成する配置方式は上述した説明と同じであり、形状は最も近い１列のマイクロ構造５の配列形状と同じである。好ましくは、最も近い１列のマイクロ構造５との間の距離は同じである。より好ましくは、同じ方向の隣り合う列のマイクロ構造５との距離は同じである。
【0096】
具体的には、前記スペーサ１４は、前記第１マイクロ構造片１３１と協働する第１スペーサ１４１、及び前記第２マイクロ構造片１３２と協働する第２スペーサ１４２を含む。
【0097】
前記第１スペーサ１４１は、前記第１熱交換領域４１、第１入口貫通孔２１’及び第１出口貫通孔３１’に対応する第１熱交換中空領域、前記第２入口貫通孔２２’に対応する第２入口中空領域、前記第２出口貫通孔３２’に対応する第２出口中空領域、及び包囲枠１５に対応する第２包囲枠を含む。
【0098】
前記第２スペーサ１４２は、前記第２熱交換領域４２、前記第２入口貫通孔２２’及び前記第２出口貫通孔３２’に対応する第２熱交換中空領域、第１入口貫通孔２１’に対応する第１入口中空領域、第１出口貫通孔３１’に対応する第１出口中空領域、及び前記包囲枠１５に対応する第２包囲枠を含む。
【0099】
本発明はさらに外部構成基板７１を基板として使用し、外部構成作動流体出入口片７２をカバーとして使用する。両者の厚さは２～３ｍｍであり、耐圧能力が強く、内部の作動流体チャンネル片１を保護する。
【0100】
熱交換器の製造方法は、概ね積み重ねと原子拡散の２段階に分けられる。
【0101】
前記熱交換器の製造方法は、複数の前記第１作動流体チャンネル片１１を形成するステップと、複数の前記第２作動流体チャンネル片１２を形成するステップと、洗浄後、外部構成基板７１と外部構成作動流体出入口片７２の間にＯ－Ｚ方向に沿って前記第１作動流体チャンネル片１１、前記第２作動流体チャンネル片１２を交互に積層するステップと、作業治具の加圧によって原子拡散接合を行うステップと、を含む。
【0102】
具体的には、前記熱交換器の製造方法は、前記第１マイクロ構造片１３１、前記第１スペーサ１４１、前記第２マイクロ構造片１３２、及び前記第２スペーサ１４２をプレス形成するステップと、洗浄後、外部構成基板７１上に、第１マイクロ構造片１３１、第１スペーサ１４１、第２マイクロ構造片１３２、第２スペーサ１４２の順に少なくとも１つの繰り返し単位を設定された高さまで重ね合わせた後、外部構成作動流体出入口片７２で覆い、作業治具によって加圧するステップと、を含む。ここで繰り返し単位は整数であってもよく、整数の基礎に１／４、又は２／４、又は３／４を追加してもよい。
【0103】
本明細書における全ての実施例の原子拡散接合は真空炉内で行われ、真空圧力は４×１０－３Ｐａで、加圧面圧は５ＭＰａで、温度は１１００℃程度である。原子拡散接合後、熱交換器１００の本体が完成する。
【0104】
重ね合わせることによって、複数の第１入口貫通孔２１’、複数の第１熱交換中空領域１４４、複数の第１入口中空領域は第１流入キャビティ８１を構成し、複数の第２出口貫通孔３２’、複数の第１熱交換中空領域１４４、複数の第１出口中空領域は第１流出キャビティ８３を構成する。その後、前記外部構成作動流体出入口片７２上に、第１流入キャビティ８１に連通する第１流入管８２又は第１流入管コネクタ、第１流出キャビティ８３に連通する第１流出管８４又は第１流出管コネクタを接続する。第１作動流体は、前記第１流入キャビティ８１に入り、緩衝されて混合された後、複数の前記第１入口２１通って前記第１流通チャンネル内に入り、その後前記第１流出キャビティ８３に合流して流出する。
【0105】
第１流入管８２又は第１流入管コネクタの延在方向は、第１入口２１と第１熱交換領域４１の配列方向と交差し、好ましくは垂直である。つまり、第１作動流体が前記第１流入管８２又は第１流入管コネクタから前記第１流入キャビティ８１に流入する方向は、前記第１入口２１を通って第１熱交換領域４１に流入する方向と交差し、好ましくは垂直であり、例えば冷媒等の高圧、二相の第１作動流体に適用される。第１作動流体が第１流入キャビティ８１に入った後、曲げられなければ第１チャンネルに入ることができず、衝撃力下でより均一に混合され、気体と液体が分離し、一部の第１作動流体チャンネル内には気体の作動流体のみが存在し、熱交換性能が低いことが回避される。
【0106】
複数の第２入口貫通孔２２’、複数の第２熱交換中空領域１４４、複数の第２入口中空領域は第２流入キャビティ８５を構成し、複数の第２出口貫通孔３２’、複数の第２熱交換中空領域１４４、複数の第２出口中空領域は第２流出キャビティ８７を構成し、前記第１包囲枠、前記第２包囲枠は塀を構成する。その後、前記塀上に、第２流入キャビティ８５に連通する第２流入管又は第２流入管コネクタ８６、第２流出キャビティ８７に連通する第２流出管又は第２流出管コネクタ８８を接続する。第２作動流体は前記第２流入キャビティ８５に流入し、ここで緩衝されて混合された後、複数の前記第２入口２２を通って前記第２作動流体チャンネル内に入り、その後前記第２流出キャビティ８７に合流して流出する。
【0107】
好ましくは、第２流入管又は第２流入管コネクタ８６の延在方向は、第２入口２２及び前記第２熱交換領域４２の配列方向と同じである。例えば水等の低圧、単相の第２作動流体に適用される。第２作動流体は第２流入キャビティ８５に流入し、緩衝された後、複数の第２作動流体チャンネル内に分配されて流入し、流れ方向が同じであるため、圧力損失は比較的小さい。
【0108】
具体的には、前記塀上にＮＣ工作機械の切削加工により第２流入キャビティ８５に連通する貫通している接続口を形成し、その後、第２流入管又は第２流入管コネクタ８６を接続口に溶接する。第１類の実施例に比べて、第１流入カバー板、第１流出カバー板、第２流入カバー板、第２流出カバー板の外嵌溶接が省略され、信頼性が向上する。図１７は、工作機械によって入口又は出口に切削加工された領域Ａを示している。
【0109】
ここで、第１流入管８２又は第１流入管コネクタ、前記第１流出管８４又は前記第１流出管コネクタ、第２流入管又は第２流入管コネクタ８６、前記第２流出管又は前記第２流出管コネクタ８８は、原子拡散接合後、溶接によって熱交換器１００の本体に接合され、順番は調整可能である。
【0110】
前記熱交換器の製造方法はさらに次のステップを含む。前記第１熱交換領域４１に第１マイクロ構造５１をプレス形成し、前記第２熱交換領域４２に第２マイクロ構造５２をプレス形成し、上述した前記第１マイクロ構造５１と前記第２マイクロ構造５２の形状は異なる。Ｏ－Ｚ方向に沿って積み重ねるとき、第１マイクロ構造５１と第２マイクロ構造５２の中心点をＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせすることで、隣り合う作動流体チャンネル片１が互いに支持して接合できることを保証することができる。他の詳細は上記と同じであり、ここでは詳細な説明を省略する。
【0111】
また、前記マイクロ構造片１３、前記スペーサ１４の外部輪郭が同じであることに基づき、本発明は次の方法を使用する。複数の第１片材、複数の第２片材、複数の第３片材、複数の第４片材のいずれにおいても同じの配列方式に従って少なくとも２つのプレス片を形成する。第１片材上の前記プレス片は、前記第１マイクロ構造片１３１、前記第１スペーサ１４１、前記第２マイクロ構造片１３２、前記第２スペーサ１４２のうちの少なくとも１つを含み、且つ第１片材、第２片材、第３片材、第４片材の対応する位置のプレス片は、第１マイクロ構造片１３１、第１スペーサ１４１、第２マイクロ構造片１３２、第２マイクロ構造片１３２、第１マイクロ構造片１３１の循環順序に従って配置される。外部構成基板７１、外部構成作動流体出入口片７２の間に、第１片材、第２片材、第３片材、第４片材の順に少なくとも１つの繰り返し単位を重ね合わせ、その後原子拡散接合し、接合後、隣り合う２つのプレス片の間を切断して複数の熱交換器１００を形成する。
【0112】
該方法は、同時に複数のコンパクト型熱交換器４を形成することができ、生産効率が向上する。そして第１片材、第２片材、第３片材、第４片材のエッジ又は中央領域に位置決め構造又はフールプルーフ構造又は位置決めフールプルーフ構造を形成するだけでよい。したがって、各プレス片上に位置決め構造等を形成する必要がなく、プレス片の材料が節約される。
【0113】
好ましくは、図１１に示すように、前記第１片材上の複数のプレス片は、同一種類のプレス片であり、形成された複数のマイクロ熱交換器１００は完全に同じであり、且つ同一片材上のプレス片の形状は同じである。これにより、生産と検査が容易になる。例えば、第１片材上に複数の第１マイクロ構造片１３１をプレス形成し、第２片材上に同じ数且つ同じ配列の第１マイクロ構造片１３１をプレス形成し、第３片材上に同じ数且つ同じ配列の第２マイクロ構造片１３２をプレス形成し、第４片材上に同じ数且つ同じ配列の第２スペーサ１４２をプレス形成する。
【0114】
当然ながら、前記第１片材上の複数のプレス片は、少なくとも２種類のプレス片を含んでもよく、片材全体の応力がより調和している。
【0115】
また、片材のサイズに応じて、第１片材上に形成されたプレス片の数は、２つ、４つ、６つ、又は８つである。
【0116】
また、上記製造方法の基に、さらに、前記外部構成基板７１、前記外部構成作動流体出入口片７２に隣り合うものが同種のスペーサ１４であることにより、熱交換器１００の積層方向に沿った両側の流体は同一の流体である。該熱交換器１００を使用に投入するとき、冷又は熱を能動的に提供する作動流体は、前記外部構成基板７１、前記外部構成作動流体出入口片７２に隣り合う作動流体チャンネルを通過する。別のエネルギーを受動的に獲得する流体は、エネルギーを能動的に提供する流体に囲まれる。つまり、エネルギーを受動的に獲得する作動流体の両側ともに、エネルギーを能動的に提供する流体からエネルギーを獲得することができ、熱交換性能が高い。
【0117】
例えば、熱交換器１００を凝縮器又は蒸発器として使用する場合、第１作動流体は冷媒で、第２作動流体は水であり、外部構成基板７１、外部構成作動流体出入口片７２に隣り合うものはいずれも第１スペーサ１４１であり、冷媒が水を囲み、いずれかの水流層の両側はともに冷媒と熱交換を行い、熱交換性能が高い。
【0118】
図１２～図１７を参照すると、本発明の第２類の実施例と第１類の実施例の相違点は、第１入口２１、第１出口３１、第２入口２２、第２出口３２の形状が若干異なることだけであり、これらの前記熱交換領域４の方を向いた面は他の側に比べてよりなだらかに設計され、前記流れガイド面１０の形成を容易にする。
【0119】
第１マイクロ構造片１３１、前記第１スペーサ１４１、第２マイクロ構造片１３２、第２スペーサ１４２のいずれにおいても対応する位置決め孔９が設けられ、好ましくは、位置決め孔を四隅に設けているので、積み重ねを容易にするとともに、熱交換領域本体の配置に影響を与えることがない。本発明は、上記いずれかの作動流体チャンネル片１が積層して形成され、又は上記いずれかの熱交換器の製造方法によって製造された熱交換器１００をさらに提供する。前記熱交換器１００は上記複数の作動流体チャンネル片１を含み、複数の前記作動流体チャンネル片１はＯ－Ｚ方向に積層される。隣り合う２つの前記作動流体チャンネル片１の間に作動流体が流れる作動流体チャンネルが形成され、且つ隣り合う前記作動流体チャンネルのうちの１つは第１入口２１、第１出口３１にのみ連通し、他方は第２入口２２、第２出口３２にのみ連通する。
【0120】
ここで、隣り合う作動流体チャンネル片１上のマイクロ構造５の形状、配列方式は全て第１類の実施例と同じである。隣り合う作動流体チャンネル片１上のマイクロ構造５の中心点はＯ－ＸＹ方向に沿って位置合わせされており、且つ隣り合う作動流体チャンネル片１上のマイクロ構造５の形状は互いに異なる。ここでは他の詳細な説明を省略する。
【0121】
説明すべきことは、本発明は前記第１作動流体チャンネル片１１の全ての特徴に「第１」を付け、前記第２作動流体チャンネル片１２上の全ての特徴に「第２」を付け、「第１」及び「第２」は単に区別のためのものであり、構造及び機能を限定するものではない点である。例えば、前記熱交換領域４に対する説明は第１熱交換領域４１、第２熱交換領域４２に適用され、前記マイクロ構造５の構造及び分布方式に対する説明等は第１マイクロ構造５１、第２マイクロ構造５２に適用されるが、その他はいちいち記載しない。
【0122】
本明細書は実施形態に従って説明したが、各実施形態は１つの独立した技術的解決手段のみを含むわけではなく、明細書のこのような説明方式は明確にするためのものに過ぎず、当業者であれば明細書を全体と見なすべきであり、各実施形態における技術的解決手段は適宜組み合わせて、当業者が理解し得る他の実施形態を形成することもできることを理解すべきである。
【0123】
上述した一連の詳細な説明は本発明の実行可能な実施形態についての具体的な説明に過ぎず、それらは本発明の保護範囲を限定するためのものではなく、本発明の技術精神から逸脱することなく行われる同等の実施形態又は変更はいずれも本発明の保護範囲内に含まれるものとする。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【国際調査報告】