JP6094510B2 - マイクロ流路熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用流体の流路が形成された複数の伝熱板を積層して構成されるマイクロ流路熱交換器に関する。

金属板をプレス加工することによって流路を形成した２種類の伝熱板を交互に重ね合わせて積層した構造のプレート式熱交換器が知られている。この種の熱交換器では、伝熱板同士の間に設けられる流路のうち、作動流体として、一方の流路に圧縮された高温高圧冷媒ガス、水蒸気や熱湯などの高温流体を流通させ、他方の流路に水などの低温流体を流通させることで、高温流体から伝熱板を介して低温流体へ熱伝達し、高温流体と低温流体との間での熱交換が行われる（例えば、特許文献１参照）。

また、金属板のプレス加工ではなく、金属箔（フォイル）をエッチング加工することによって流路を有する伝熱板を制作し、それらを積層して構成されるマイクロ流路熱交換器なども知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４４４８３７７号公報 特開２０１０−２８６２２９号公報

ここで、特許文献１で示すような従来のプレート式熱交換器の１流路あたりの流路長は、家庭用空気調和機で使用される場合、１５０−４００ｍｍである。これに対して、同等の熱交換効率で比較した場合、特許文献２で示すようなマイクロ流路熱交換器の１流路あたりの流路長は、１０−６０ｍｍである。これは、冷媒同士の熱交換を行う効率が大きく異なるためである。よってマイクロ流路熱交換器における、流体が流路を流れる距離あたりの流体の温度変化率は、プレート式熱交換器の熱交換器に比べて非常に大きくなる。

一般的に、熱交換器で熱交換された冷媒の温度を測定する場合、熱交換器の出口配管に温度センサーが取り付けられる。しかし冷媒と配管との熱抵抗、また配管と温度センサーとの間の熱抵抗により、測定誤差およびタイムラグが生じる。上述したように、マイクロ流路熱交換器では流体が流れる距離あたりの温度変化率が大きい。そのため、熱抵抗による測定誤差やタイムラグを最小限にすることが求められる。よって、熱交換器の出口配管ではなく、流路の途中や流路の合流部分などで、冷媒の温度を直接測定する必要がある。

しかしながら、特許文献２で示すようなマイクロ流路熱交換器において、流路内の冷媒温度を測定する方法は考案されていなかった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、冷媒の温度を正確に測定することのできるマイクロ流路熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るマイクロ流路熱交換器は、複数の高温流体の流路が設けられた高温流路層と複数の低温流体の流路が設けられた低温流路層とが交互に積層して形成された流路層積層部と、前記流路層積層部に積層され、前記高温流路層および前記低温流路層の少なくともいずれか一方の前記流路に積層方向に連通する連通穴を介して前記流体が導入され、かつ温度センサーの感知点が露出する測定空間を有するセンサー配置層とを具備し、熱交換器の出入口の温度を正確に測定することが可能とする。

また、本発明に係るマイクロ流路熱交換器において、前記高温流路層の前記高温流路、前記低温流路層の前記低温流路および前記センサー配置層の前記測定空間は、個々の基材にエッチング処理によって設けられた溝によって形成され、前記高温流路層、前記低温流路層および前記センサー配置層は、前記溝が設けられた前記各基材を重ね合わせ、接触した面どうしが拡散接合されたものであってよい。

本発明によれば、熱交換器内の流体の温度を正確に測定することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温伝熱板の構成を示す斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において高温流路層の高温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器において低温流路層の低温流路を説明するための斜視図である。 図１のマイクロ流路熱交換器の断面図である。 本発明に係る他の実施形態のマイクロ流路熱交換器の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流路熱交換器を示す斜視図、図２は図１のマイクロ流路熱交換器を一部分解して示す斜視図である。

［全体の構成］
これらの図に示すように、このマイクロ流路熱交換器１は、流路層積層体である熱交換器本体２と、センサー配置層を構成する高温検知板３Ａと、同じくセンサー配置層を構成する低温検知板３Ｂと、高温保護板４Ａと、低温保護板４Ｂと、高温流体および低温流体の各々の入口用および出口用の接続金具５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄとを有する。

図中、熱交換器本体２、高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂなどの各部材の下側の面を「高温側の面」、各部材の上側の面を「低温側の面」とする。熱交換器本体２の高温側の面には高温検知板３Ａが接合され、熱交換器本体２の低温側の面には低温検知板３Ｂが接合されている。高温検知板３Ａの高温側の面には高温保護板４Ａが接合され、低温検知板３Ｂの低温側の面には低温保護板４Ｂが接合されている。

熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数積層して構成される。２種類の伝熱板の構成については後で説明する。

熱交換器本体２を構成する２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂと、高温検知板３Ａと、低温検知板３Ｂと、高温保護板４Ａと、低温保護板４Ｂは、例えば、熱伝導率が高い同じ種類の金属板（フォイル）からなる。より具体的には、ステンレス鋼などが用いられる。これらの金属板は積層された後、拡散接合によって互いに接合されることによって略直方体形状の積層体となる。

以降、説明上の必要に応じて、熱交換器本体２を構成する２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂそれぞれの高温側の面と低温側の面以外の４つの面を「側面」と呼ぶこととする。

図２に示すように、マイクロ流路熱交換器１の各側面には、各々、熱交換器本体２内の高温流路に高温流体を流入させる高温流体入口２１と、熱交換器本体２内の高温流路から高温流体を流出させる高温流体出口２２と、熱交換器本体２内の低温流路に低温流体を流入させる低温流体入口２３と、熱交換器本体２内の低温流路から低温流体を流出させる低温流体出口２４が形成されている。

図１に示したように、高温流体入口２１には、接続金具５Ａが溶接などにより接合されている。この接続金具５Ａには、高温流体の流入のための管８Ａが着脱自在に接続される。高温流体出口２２には、接続金具５Ｂが溶接などにより接合されている。この接続金具５Ｂには、高温流体の流出のための管８Ｂが着脱自在に接続される。低温流体入口２３には、接続金具５Ｃが溶接などにより接合されている。この接続金具５Ｃには、低温流体の流入のための管８Ｃが着脱自在に接続される。低温流体出口２４には、接続金具５Ｄが溶接などにより接合されている。この接続金具５Ｄには、低温流体の流出のための管８Ｄが着脱自在に接続される。

［熱交換器本体２の構成］
次に、熱交換器本体２の構成を説明する。
前述したように、熱交換器本体２は、２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを交互に複数積層して構成される。これらの伝熱板２Ａ、２Ｂにはエッチング処理によって溝および切り欠き部などが形成されている。伝熱板２Ａ、２Ｂは、溝および切り欠き部のパターンが異なっている。

図３および図４は２種類の伝熱板２Ａ、２Ｂを示す斜視図である。ここで、図３に示す伝熱板２Ａは「高温伝熱板２Ａ」、図４に示す伝熱板２Ｂは「低温伝熱板２Ｂ」である。

（高温伝熱板２Ａの構成）
図３に示すように、高温伝熱板２Ａには、高温流体の流路を形成する溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａおよび切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａがそれぞれ設けられている。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａは高温伝熱板２Ａの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａは、高温伝熱板２Ａの基材の４辺に各々対応する縁端部における所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。

以後、説明の必要に応じて、高温伝熱板２Ａの各々の切り欠き部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａを、第１の切り欠き部２６Ａ、第２の切り欠き部２７Ａ、第３の切り欠き部２８Ａ、および第４の切り欠き部２９Ａと呼ぶ。

高温伝熱板２Ａにおいて、図中Ｙ軸方向において対向して設けられる第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ｂとの間の領域には、これら第１の切り欠き部２６Ａと第２の切り欠き部２７Ｂとの間を連通する複数の溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａが形成されている。なお、図３において、溝２５Ａの数は３本であるが、もっと幅の小さい数多くの溝を形成するようにしても良い。

高温伝熱板２Ａにおける上記の各溝２５Ｂ、３０Ａ、３１Ａは、Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａで構成される。Ｙ軸方向に沿って形成された２本の溝３０Ａ、３１Ａのうち一方の溝３０Ａは一端が第１の切り欠き部２６Ａと連通し、他方の溝３１Ａは一端が第２の切り欠き部２７Ａと連通する。Ｘ軸方向に沿って形成された複数の溝２５Ａは各々２本の溝３０Ａ、３１Ａの間を連通する。これにより、高温伝熱板２Ａの高温流体入口２１および高温流体出口２２と、低温伝熱板２Ｂの低温流体入口２３および低温流体出口２４との位置関係を互いに９０度異なるようにしている。

（低温伝熱板２Ｂの構成）
図４に示すように、低温伝熱板２Ｂには、低温流体の流路を形成する溝２５Ｂおよび切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂがそれぞれ設けられている。溝２５Ｂは低温伝熱板２Ｂの一方の面にのみ設けられる。溝２５Ｂの深さはどこも均一であってよい。切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂは、低温伝熱板２Ｂの基材の４辺に各々対応する縁端部における所定の部位を基材の厚み分除去することによって形成される。

以後、説明の必要に応じて、低温伝熱板２Ｂの各々の切り欠き部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂを、第５の切り欠き部２６Ｂ、第６の切り欠き部２７Ｂ、第７の切り欠き部２８Ｂ、および第８の切り欠き部２９Ｂと呼ぶ。

低温伝熱板２Ｂにおいて、図中Ｘ軸方向において対向して設けられる第３の切り欠き部２８Ｂと第４の切り欠き部２９Ｂとの間には、これら第３の切り欠き部２８Ｂと第４の切り欠き部２９Ｂとの間を連通する複数の溝２５Ｂが形成されている。これら複数の溝２５Ｂは、高温伝熱板２Ａに形成された複数の溝２５Ａと、Ｙ軸方向にて同じ位置に各々形成されている。

（高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとの積層構造）
上記のような構成を有する高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂは、図５および図６に示すように、双方の溝２５Ａ、２５Ｂ、３０Ａ、３１Ａが設けられた面の向きを一致させて、各々複数交互に重ね合わせて積層される。このようにして熱交換器本体２が構成される。

この熱交換器本体２において、高温伝熱板２Ａの第１の切り欠き部２６Ａと低温伝熱板２Ｂの第５の切り欠き部２６Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温流体入口２１を形成する。

高温伝熱板２Ａの第２の切り欠き部２７Ａと低温伝熱板２Ｂの第６の切り欠き部２７Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、高温流体出口２２を形成する。

高温伝熱板２Ａの第３の切り欠き部２８Ａと低温伝熱板２Ｂの第７の切り欠き部２８Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温流体入口２３を形成する。

高温伝熱板２Ａの第４の切り欠き部２９Ａと低温伝熱板２Ｂの第８の切り欠き部２９Ｂは、高温伝熱板２Ａと低温伝熱板２Ｂとが交互に複数積層されることで、低温流体出口２４を形成する。

（高温流路と低温流路について）
図５は熱交換器本体２における高温流路を示す斜視図である。
高温流路は、高温伝熱板２Ａの各溝２５Ａ、３０Ａ、３１Ａと低温伝熱板２Ｂの下側の面との間に形成される。高温流体は、高温流体入口２１から流入し、溝３０Ａを通って複数の溝２５Ａに分配される。複数の溝２５Ａを通過した高温流体は溝３１Ａで合流し、高温流体出口２２より流出する。このような高温流体の流れが各々の高温伝熱板２Ａに対応する高温流路層において生じる。

図６は熱交換器本体２における低温流路を示す斜視図である。
低温流路は、低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂと高温伝熱板２Ａの下側の面もしくは低温検知板３Ｂの下側の面との間に形成される。低温流体は、低温流体入口２３から流入し、複数の溝２５Ｂを通って低温流体出口２４から流出する。このような低温流体の流れが各々の低温伝熱板２Ｂに対応する低温流路層において生じる。

熱交換器本体２において高温流路層と低温流路層は交互に積層されているので、高温伝熱板２Ａおよび低温伝熱板２Ｂの熱伝導によって高温流体と低温流体との間での熱交換が行われる。また、高温伝熱板２Ａの溝２５Ａを流れる高温流体と低温伝熱板２Ｂの溝２５Ｂを流れる低温流体は、対向流となっている。

［熱交換器本体２出入口の流体温度の検出機能］
この実施形態のマイクロ流路熱交換器１では、熱交換器本体２内を流れる高温流体および低温流体の温度を直接測定することを可能とするために、次のような構成を採用している。

図７は本実施形態のマイクロ流路熱交換器１のＹ−Ｚ断面図である。
図７および図２に示すように、熱交換器本体２の上側および下側の面には各々、センサー配置層を構成するための高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂが接合されている。高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂには、例えばエッチング処理などによってセンサー収容溝３５Ａ、３５Ｂが形成されている。このセンサー収容溝３５Ａ、３５Ｂの一端は、高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂの端まで達している（図２参照）。

高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂは各々、センサー収容溝３５Ａ、３５Ｂが形成された面の向きを、高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂにおいて溝２５Ａ、２５Ｂ、３０Ａ、３１Ａが形成された面の向きに一致させて積層される。これにより、高温検知板３Ａのセンサー収容溝３５Ａは、熱交換器本体２の高温側の面（高温伝熱板２Ａの高温側の面）によって塞がれた状態となり、シース熱電対などの温度センサー４１Ａを収容する空間として形成される。一方、低温検知板３Ｂのセンサー収容溝３５Ｂと低温保護板４Ｂとの間にも、同様の空間が形成される。

高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂの各々のセンサー収容溝３５Ａ、３５Ｂは、一端が高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂの端まで形成されているので、マイクロ流路熱交換器１の側面には開口３３Ａ、３３Ｂ（図２参照）が形成される。この開口３３Ａ、３３Ｂからセンサー収容溝３５Ａ、３５Ｂの空間内に温度センサー４１Ａ、４１Ｂを挿入することができる。

温度センサー４１Ａ、４１Ｂの挿入された空間内の隙間は、少なくとも、温度センサー４１Ａ、４１Ｂの温度感知点４３Ａ、４３Ｂが位置する部分を除いて充填材４２Ａ、４２Ｂが充填される。これにより温度センサー４１Ａ、４１Ｂの温度感知点４３Ａ、４３Ｂは、センサー収容溝３５Ａ、３５Ｂに連通する空間内で露出した状態となる。この温度センサー４１Ａ、４１Ｂの温度感知点４３Ａ、４３Ｂが露出する空間が、流体の温度を測定するための測定空間３４Ａ、３４Ｂとなる。

なお、測定空間３４Ａ、３４Ｂは、温度センサー４１Ａ、４１Ｂの温度感知点４３Ａ、４３Ｂと流体との接触量が十分確保されるように幅広い空間とされている（図２参照）。

そして、本実施形態のマイクロ流路熱交換器１には、熱交換器本体２内を流れる流体を測定空間３４Ａ、３４Ｂに導入するために連通穴３２Ａ、３２Ｂが設けられている。

高温検知板３Ａに対応して設けられる連通穴３２Ａは、一端が高温検知板３Ａと接合された高温伝熱板２Ａにおける溝２５Ａの底面に開口し、他端が高温検知板３Ａの測定空間３４Ａに開口するように、高温伝熱板２Ａを積層方向に貫く穴として設けられている。

低温検知板３Ｂに対応して設けられる連通穴３２Ｂは、一端が低温検知板３Ｂにおける測定空間３４Ｂの底面に開口し、他端が低温検知板３Ｂと接合された低温伝熱板２Ｂにおける溝２５Ｂに開口するように、低温検知板３Ｂを積層方向に貫く穴として設けられている。

このような構成を採用することによって、温度センサー４１Ａ、４１Ｂを流路に突出させることがないため、熱交換器本体２内の流路において大きな流動抵抗をつくりだすことなく、熱交換器本体２内の流体の温度を直接測定することができる。

本実施形態のマイクロ流路熱交換器１では、高温流体および低温流体の温度を直接測定して熱交換器の性能を特定することができる。このため、高温高圧ガスの温度や圧力ならびに流量の調整によって、熱交換器の性能を最大現に発揮することができる。

流体の温度は、その流路の出入口部で測定しても良い。したがって、その流路の出入口の位置において流体の温度を温度センサー４１Ａ、４１Ｂで測定できるように、温度測定のための位置、例えば、高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂにおける温度センサー４１Ａ、４１Ｂの位置、連通穴３２Ａ、３２Ｂの位置などを決めればよい。

上記の実施形態のマイクロ流路熱交換器１において、高温検知板３Ａと低温検知板３Ｂは、熱交換器本体２の伝熱板積層方向の両端に配置されているが、本発明はこれに限定されない。

例えば、図８に示すように、熱交換器本体２の中間に高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂが設けられてもよい。この場合も、高温検知板３Ａおよび低温検知板３Ｂのいずれか一方が設けられるようにしてもよい。

なお、上述のエッチング加工では凹部を形成し流路としているが、金属箔表面に凸部を形成する、例えば金属粒子を接着剤（バインダー）と共に金属箔表面に塗布する加工（印刷加工）を行う、ことによって流路を制作する方法もある。

１…マイクロ流路熱交換器
２…熱交換器本体
２Ａ…高温伝熱板
２Ｂ…低温伝熱板
３Ａ…高温検知板
３Ｂ…低温検知板
４Ａ…高温保護板
４Ｂ…低温保護板
２５Ａ、２５Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ…溝
３２Ａ、３２Ｂ…連通穴
３４Ａ、３４Ｂ…測定空間
３５Ａ、３５Ｂ…センサー収容溝
４１Ａ、４１Ｂ…温度センサー
４３Ａ、４３Ｂ…温度感知点

Claims (2)

1. 高温流体の流路が設けられた複数の高温流路層と低温流体の流路が設けられた複数の低温流路層とが交互に積層して形成された流路層積層体と、
   前記流路層積層体に積層され、前記高温流路層および前記低温流路層の少なくともいずれか一方の前記流路に積層方向に連通する連通穴を介して前記流体が導入され、かつ温度センサーの感知点が露出する測定空間を有するセンサー配置層と
   を具備するマイクロ流路熱交換器。
2. 請求項１に記載のマイクロ流路熱交換器であって、
   前記複数の高温流路層の前記高温流路、前記複数の低温流路層の前記低温流路および前記センサー配置層の前記測定空間は、各々の基材にエッチング処理によって溝を設け、前記各々の基材を重ね合わせ、接触した面どうしを拡散接合することによって形成されたものである
   マイクロ流路熱交換器。

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