(57)【要約】  【課題】  優れた熱交換効率を有する熱交換器を提供する。  【解決手段】  本開示の熱交換器は、複数の第１部材と、隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備える。また、前記第１部材は、複数の開口部と、該開口部に繋がる第１流路と、を有する。また、前記第２部材は、隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有する。また、前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路であり、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路である。また、前記第１部材および前記第２部材はセラミックスからなる。また、前記開口部の開口面積Ｓ１が、前記第１流路における前記第１流体が流れる方向に垂直な断面積Ｓ２よりも大きい。【選択図】  図２
2020003144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１部材と、
隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備え、
前記第１部材は、
複数の開口部と、
該開口部に繋がる第１流路と、を有し、
前記第２部材は、
隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有し、
前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路であり、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路であり、
前記第１部材および前記第２部材はセラミックスからなり、
前記開口部の開口面積Ｓ１が、前記第１流路における前記第１流体が流れる方向に垂直な断面積Ｓ２よりも大きい熱交換器。
【請求項２】
前記開口面積Ｓ１は、それぞれの前記第１部材の前記断面積Ｓ２の合計よりも大きい請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１部材上において、前記領域に向かって延びる第３部材を備えている請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第３部材が、対向する前記第１部材と繋がっている請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第３部材が、間隔を空けて複数位置している請求項３または請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第３部材から前記領域に向かって延びる第４部材を備えている請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第４部材が、間隔を空けて複数位置している請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第４部材が、対向する前記第３部材と繋がっている請求項６または請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第４部材は、前記第２部材に接触している請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第３部材および前記第４部材は、セラミックスからなる請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材および前記第４部材は、炭化珪素質セラミックスからなる請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第１部材および前記第２部材のうち前記第２流体が流れる方向に垂直な方向の外周を囲繞する第１筐体と、断熱層を介して前記第１筐体を囲繞する第２筐体とを備える請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１３】
請求項１乃至熱交換器１１のいずれかに記載の複数の熱交換器と、前記第１流体を供給する供給路と、前記第１流体を排出する排出路とを備え、
それぞれの前記熱交換器は、一方向に沿って並んでいるとともに、前記供給路および前記排出路を共有して繋がっている熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱交換器および熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷却または加熱等の熱交換システムには熱交換器が用いられている。このような熱交換器の一例として、特許文献１には、略平行に並べられた複数の長板と前記長板相互間のスリットからなり、前記長板のいくつかの表面に長手方向に連続して凹みが設けられた基板が複数積層され、隣接する前記基板の前記長板相互が接続されて管を構成するとともに、前記凹みが管内流路を構成し、かつ前記スリットが管外流路を構成してなる熱交換器が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０００６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今般の熱交換器には、小型化対応を含め、熱交換効率の向上が求められている。
【０００５】
本開示は、このような要求を鑑みて案出されたものであり、優れた熱交換効率を有す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】
【０００６】
本開示の熱交換器は、複数の第１部材と、隣り合う前記第１部材の間に位置する複数の第２部材と、を備える。また、前記第１部材は、複数の開口部と、該開口部に繋がる第１流路と、を有する。また、前記第２部材は、隣り合う前記第１部材におけるそれぞれの前記開口部に繋がる第２流路を有する。また、前記第１部材における前記開口部、前記第１流路および前記第２部材における前記第２流路が第１流体の流路であり、隣り合う前記第１部材の間の領域が第２流体の流路である。また、前記第１部材および前記第２部材はセラミックスからなる。また、前記開口部の開口面積Ｓ１が、前記第１流路における前記第１流体が流れる方向に垂直な断面積Ｓ２よりも大きい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の熱交換器は、優れた熱交換効率を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の熱交換器の一例を示す外観斜視図である。
【図２】図１におけるi−i線での断面図である。
【図３】図２に示すＴ部を示す拡大図である。
【図４】本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。
【図５】本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。
【図６】本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。
【図７】本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。
【図８】本開示の熱交換器の他の例を示す外観斜視図である。
【図９】図８におけるii−ii線での断面図である。
【図１０】図８におけるiii−iii線での断面図である。
【図１１】本開示の熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図１２】本開示の熱交換器システムを示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本開示の熱交換器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図においては、熱交換器の識別のために数字とアルファベットとにより符号を付すが、各図に特有の構成に関する記載を除いては、数字のみを付して説明する。
【００１０】
本開示の熱交換器１０は、複数の第１部材１を備えている。ここで、図１および図２においては、３個の第１部材１を備える熱交換器１０ａを例に示している。第１部材１の個数が３個以上であるならば、本開示の熱交換器１０は特に小型化に適したものとなる。なお、第１部材１の個数は、これに限定されるものではなく、２個以上であればよい。
【００１１】
また、図１においては、第１部材１の形状が角板状である例を示しているが、これに限定されるものではなく、円板状または楕円板等であっても構わない。
【００１２】
また、本開示の熱交換器１０における第１部材１は、複数の開口部５と、この開口部５に繋がる第１流路６とを有する。図１および図２においては、３個の第１部材１のうち、上段の第１部材１ａおよび中段の第１部材１ｂは４個の開口部５を、下段の第１部材１ｃは２個の開口部５を有している例を示して。なお、開口部５の数は複数であればよく、開口部５の数の異なる第１部材１の構成を含め、図１および図２に示す構成に限定されるものではない。
【００１３】
さらに、本開示の熱交換器１０は、隣り合う第１部材１の間に位置する複数の第２部材２を備える。この第２部材２は、隣り合う第１部材１におけるそれぞれの開口部５に繋がる第２流路７を有する。なお、第２部材２の形状は、第２流路７を有するならば、どのような形状であっても構わない。
【００１４】
本開示の熱交換器１０は、第１部材１における開口部５、第１流路６および第２部材２における第２流路７が第１流体の流路である。ここで、図１および図２に示す熱交換器１０ａにおける第１流体の流路について説明する。まず、第１流体は、上段の第１部材１ａにおける開口部５ＩＮから導入される。そして、各第１部材１の第１流路６および各第２部材２の第２流路７を通過した後、上段の第１部材１ａにおける開口部５ＯＵＴから排出される。
【００１５】
そして、本開示の熱交換器１０においては、隣り合う第１部材１の間の領域が第２流体の流路である。第２流体は、隣り合う第１部材１の間を通過した際、第１流体が流れる第１部材１および第２部材２との間で熱交換が行なわれる。第１流体および第２流体の温度の関係性によって、第２流体を冷却することも加熱することもできる。なお、第１流体および第２流体には、目的に応じて液体または気体等を用いることができる。例えば、第１流体を水等の液体とし、第２流体をガス等の気体とすることができる。
【００１６】
また、本開示の熱交換器１０における第１部材１および第２部材はセラミックスからなる。このように、第１部材１および第２部材２がセラミックスで構成されていることで、本開示の熱交換器１０は、耐熱性および耐腐食性に優れる。なお、セラミックスの種類としては、第１流体および第２流体の特性に合わせて適宜選択すればよく、アルミナ質セラミックスまたはコージェライト質セラミックス等の酸化物セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等の非酸化物セラミックスを用いることができる。
【００１７】
ここで、例えば、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００
質量％のうち、炭化珪素を７０質量％以上含有するものである。そして、本開示の熱交換器１０を構成する第１部材１および第２部材２の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、第１部材１および第２部材２を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値より、ＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、ＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、第１部材１および第２部材２の含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により、炭化珪素の存在を確認され、ＩＣＰまたはＸＲＦで測定した珪素（Ｓｉ）の含有量から炭化珪素（ＳｉＣ）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、炭化珪素質セラミックスである。
【００１８】
また、本開示の熱交換器１０は、図３に示すように、開口部５の開口面積Ｓ１が、第１流路６における第１流体が流れる方向に垂直な断面積Ｓ２よりも大きい。ここで、開口面積Ｓ１とは、開口部５における第２流路７で第１流体が流れる方向に垂直な断面積のことである。なお、第２流路７で第１流体が流れる方向とは、図３での縦方向である。
【００１９】
そして、このような構成を満足していることで、第１部材１の開口部５から第１流路６へ第１流体を勢いよく流入させることができ、第１流路６を流れる第１流体の流速が速くなることから、本開示の熱交換器１０は、優れた熱交換効率を有する。ここで、開口部５の開口面積Ｓ１と第１流路６の断面積Ｓ２との大小関係は、同一の第１部材１において比較したものである。
【００２０】
なお、同一の第１部材１において、第１流路６の断面積Ｓ２に対する開口部５の開口面積Ｓ１の比Ｓ１／Ｓ２は８以上であってもよい。
【００２１】
また、本開示の熱交換器１０において、開口部５の開口面積Ｓ１は、それぞれの第１部材１の断面積Ｓ２の合計よりも大きくてもよい。このような構成を満足するならば、それぞれの第１流路６を流れる第１流体の流速がより速くなることから、本開示の熱交換器１０の熱交換効率が向上する。
【００２２】
また、本開示の熱交換器１０において、第２流路７における第２流路７で第１流体が流れる方向に垂直な断面積Ｓ３は開口部５の開口面積Ｓ１よりも大きくてもよい。このような構成を満足するならば、第２部材２の第２流路７から第１部材１の開口部５へ第１流体を勢いよく流入させることができ、これに伴い第１流路６を流れる第１流体の流速がより速くなることから、本開示の熱交換器１０の熱交換効率が向上する。
【００２３】
ここで、開口部５の開口面積Ｓ１は、例えば、５ｍｍ２以上１００ｍｍ２以下であってもよい。また、第１流路６の断面積Ｓ２は、例えば、０．７５ｍｍ２以上１５ｍｍ２以下であってもよい。また、第２流路７の断面積Ｓ３は、例えば、２０ｍｍ２以上１２０ｍｍ２以下であってもよい。
【００２４】
また、本開示の熱交換器１０は、図４に示すように、第１部材１上において、隣り合う第１部材１の間の領域に向かって延びる第３部材３を備えていてもよい。この第３部材３の存在により、第２流体が隣り合う第１部材１の間を通過する際に、第２流体の流れに変化が生じることから、第２流体が第１部材１および第２部材２に接触する機会が増える。さらに、第３部材３は、第１部材１と繋がっていることで、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されるため、第３部材３と第２流体とで熱交換が行なわれる。よって、このような構成を満足しているならば、本開示の熱交換器１０の熱交換効率は向上する。
【００２５】
ここで、第３部材３は、どのような形状であっても構わないが、第２流体の流れを過度
に阻害することなく、第３部材３と第２流体との接触面積を大きくできるという点で、第２流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。
【００２６】
なお、以下において、第２流体は、図示面において手前から奥に向かって流れるものとして記載する。また、第１部材１の短手方向を幅方向と記載して説明する。これに基づけば、図４において第３部材３は、第１部材１の幅方向に沿って延びている角板状である。
【００２７】
また、第３部材３は、図４における熱交換器１０ｂに示すように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第２流体と熱交換を行なう第３部材３が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
【００２８】
また、第３部材３は、図５に示す熱交換器１０ｃのように、対向する第１部材１のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第３部材３は、第３部材３が繋がっている２個の第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第３部材３と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
【００２９】
また、図６に示す熱交換器１０ｄのように、第３部材３から、隣り合う第１部材１の間の領域に向かって延びる第４部材４を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第１部材１、第２部材２および第３部材３だけでなく、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱される第３部材３を介して第４部材４でも第２流体との熱交換が行なわれることで熱交換効率が向上する。
【００３０】
ここで、第４部材４は、どのような形状であっても構わないが、第２流体の流れを過度に阻害することなく、第４部材４と第２流体との接触面積を大きくできるという点で、第３部材３と同様に、第２流体が流れる方向に沿って延びた形状であってもよい。なお、図６においては、第４部材４が、第１部材１の幅方向に沿って延びている角板状である例を示している。
【００３１】
また、第４部材４は、図６に示す熱交換器１０ｄのように、間隔を空けて複数位置していてもよい。このような構成を満足するならば、第２流体と熱交換を行なう第４部材４が複数存在することから、熱交換効率が向上する。
【００３２】
また、第４部材４は、図７に示す熱交換器１０ｅのように、対向する第３部材３のそれぞれと繋がっていてもよい。このような構成を満足するならば、第４部材４が繋がっている２個の第３部材３を介して、第１部材１の第１流路６を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第４部材４と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
【００３３】
また、第４部材４は、図８に示す熱交換器１０ｆのように、第２部材２に接触していてもよい。このような構成を満足するならば、第４部材４が、接触している第２部材２の第２流路７を流れる第１流体により冷却または加熱されることから、第４部材４と第２流体との熱交換がより効率よく行なわれる。
【００３４】
また、本開示の熱交換器１０を構成する第３部材３および第４部材４は、第１部材１および第２部材２と同じようにセラミックスからなっていてもよい。特に、第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４が炭化珪素セラミックスからなるならば、本開示の熱交換器１０は、機械的強度に優れ、小型化に適したものとなる。
【００３５】
なお、第３部材３および第４部材４の材質は、上述した第１部材１および第２部材２の材質を確認した方法と同じ方法で確認することができる。
【００３６】
また、本開示の熱交換器１０は、図１１に示すように、第１部材１および第２部材２のうち第２流体が流れる方向に垂直な方向の外周を囲繞する第１筐体８ａと、断熱層９を介して第１筐体８ａを囲繞する第２筐体８ｂとを備えてもよい。このような構成を満足するならば、第２流体との熱交換が効率よく行なわれ、本開示の熱交換器１０の熱交換効率が向上する。
【００３７】
ここで、第１筐体８ａおよび第２筐体８ｂは、ステンレスまたはセラミックス等で構成されていてもよい。特に、第１筐体８ａおよび第２筐体８ｂが、ステンレスで構成されるならば、断熱層９の領域に板バネを備えさせることで、第１部材１に第１筐体８ａを隙間なく接触させることが可能となる。
【００３８】
また、断熱層９は、断熱性を有する構成であれば、どのような構成であってもよい。断熱層９は、例えば、熱伝導率の低い空気、不活性ガス等の気体またはガラス繊維が充填されているものであってもよい。
【００３９】
なお、本開示の熱交換器１０は、熱交換を行なうものであれば、特にその用途が制限されるものではなく、例えば、各種レーザ装置用、車載用、化学物質回収装置用、半導体素子用および半導体製造装置用等の熱交換器として用いることができる。
【００４０】
また、本開示の熱交換システム１００は、図１２に示すように、上述した構成の複数の熱交換器１０と、第１流体を供給する供給路２０と、第１流体を排出する排出路３０とを備え、それぞれの熱交換器１０は、一方向に沿って並んでいるとともに、供給路２０および排出路３０を共有して繋がっている。このような構成を満足していることで、本開示の熱交換システム１００は、第１流体の温度の変化を抑えつつ、それぞれの熱交換器１０に第１流体を供給することができることから、効率よく第２流体を冷却または加熱することができるとともに、それぞれの熱交換器１０から第２流体との熱交換により温度変化した第１流体を回収し、回収した第１流体を冷却または加熱することで再利用することができる。
【００４１】
以下に、本開示の熱交換器１０の作製方法について説明する。
【００４２】
最初に、第１部材１の作製方法について説明する。
【００４３】
まず、主成分となる原料（炭化珪素、酸化アルミニウム等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを作製する。次に、金型による打ち抜きやレーザ加工により、任意の形状とした複数枚のセラミックグリーンシートを積層して、積層体である成形体を作製する。そして、この成形体を焼成することで、開口部５および第１流路６を有する第１部材１を得る。ここで、積層体として成形体を作製することで、第１部材１の内部に第１流路６を作製することが容易である。また、積層するセラミックグリーンシートの枚数を調整することによって、第１部材１の厚みを調整することができる。また、開口部５は、セラミックグリーンシートに金型による打ち抜きやレーザ加工を施すことによって形成すればよい。
【００４４】
なお、セラミックグリーンシートの他の作製方法としては、スラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒することによって顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法またはメカプレス法によって作製してもよい。
【００４５】
次に、第２部材２の作製方法について説明する。第２部材２は、その形状に合わせた成形方法を選択すればよい。例えば、第２部材２の形状をパイプ状とするのならば、上記ス
ラリーを坏土に調整して押出成形法で作製すればよい。または、上記顆粒を用いてメカプレス法や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で作製すればよい。また、第２部材２の形状を板状とするのならば、第１部材１と同じく、セラミックグリーンシートを積層して積層体である成形体を作製すればよい。そして、成形体を焼成することで、第２部材２を得る。
【００４６】
次に、第３部材３および第４部材４の作製方法について説明する。第３部材３および第４部材４は、第１部材１と同じく、ドクターブレード法、ロールコンパクション法、メカプレス法でセラミックグリーンシートの成形体を作製し、焼成することによって得る。また、第３部材３および第４部材４の成形体を、押出成形法でまとめて作製しても構わない。
【００４７】
そして、第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４を、それぞれ接着剤を用いて接合することによって、本開示の熱交換器１０を得る。ここで、図６の熱交換器１０ｄ、図７の熱交換器１０ｅ、図８の熱交換器１０ｆのように、第３部材３および第４部材４の両方を有する構成ならば、押出成形法により、第３部材３と第４部材４とが一体化したものを作製し、これを第１部材１に接着剤を用いて接合してもよい。
【００４８】
なお、上記接着剤としては、各部材同士を接合できるものであればどのような接着剤を用いてもよいが、無機接着剤を用いれば、熱処理を行なった際に各部材を劣化させることなく、各部材同士を強固に接合できる。さらに、無機接着剤は、耐熱性および耐腐食性に優れていることから、本開示の熱交換器１０の信頼性を向上させることができる。ここで、無機接着剤としては、例えば、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ系ガラスペースト（Ｒ：アルカリ土類金属元素）またはＳｉ−ＳｉＣ系ペーストを用いればよい。特に、第１部材１、第２部材２、第３部材３および第４部材４が炭化珪素質セラミックスからなるならば、無機接着剤として、炭化珪素質セラミックスとの熱膨張係数が近似しているＳｉ−ＳｉＣ系ペーストを用いれば、本開示の熱交換器１０の高温強度を向上させることができる。
【００４９】
また、第１部材１および第２部材２のうち第２流体が流れる方向に垂直な方向の外周を囲繞するように、第１筐体８ａ、断熱層９および第２筐体８ｂで構成される筐体に嵌め込んでもよい。このとき、断熱層９に板バネを設けておけば、第１部材１と第１筐体８ａとを隙間なく接触させることが可能となる。
【００５０】
また、複数の熱交換器１０を準備し、それぞれの熱交換器１０を、一方向に沿って並べるとともに、供給路２０となるパイプおよび排出路３０となるパイプに接合することで、本開示の熱交換システム１００を得ることができる。
【００５１】
なお、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１：第１部材
２：第２部材
３：第３部材 
４：第４部材
５：開口部
６：第１流路
７：第２流路
８ａ：第１筐体
８ｂ：第２筐体
９：断熱層
１０：熱交換器
２０：供給路
３０：排出路
１００：熱交換システム
【図１】
2020003144.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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