(57)【要約】【課題】曲面の外形を有する熱交換器本体において各マイクロチャネルの全長及び断面積を一定にすることにより、流路のばらつきを最小限に抑えて熱交換効率を向上させるマイクロチャネル熱交換器を提供する。【解決手段】マイクロチャネル熱交換器１は、マイクロチャネル１６ａが形成された層が積層されて形成された熱交換器本体１０と、熱交換器本体１０の一端部に互いに分離して取り付けられる高温流体入口部材２０及び低温流体出口部材５０と、熱交換器本体１０の他端部に互いに分離して取り付けられる低温流体入口部材４０及び高温流体出口部材３０とを含み、熱交換器本体１０の幅を形成する両側面６０Ａ、６０Ｂは、いずれか一側面６０Ａが第１曲面形状を有し、他側面６０Ｂが前記第１曲面形状に平行な第２曲面形状を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々複数のマイクロチャネルを備えた層を、複数積層して形成された熱交換器本体と、
前記熱交換器本体の一端部に着脱自由に装着される高温流体入口部材及び低温流体出口部材と、
前記熱交換器本体の他端部に着脱自由に装着される低温流体入口部材及び高温流体出口部材と、を含み、
前記熱交換器本体の幅を形成する両側面は、一方の側面が第１曲面形状を有し、他方の側面が前記第１曲面形状に平行な第２曲面形状を有する、
マイクロチャネル熱交換器。
【請求項２】
前記熱交換器本体は、
高温流体を流すための複数の第１マイクロチャネル群が形成された高温部層と、
低温流体を流すための複数の第２マイクロチャネル群が形成された低温部層と、
を含む請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器。
【請求項３】
前記第１マイクロチャネル及び第２マイクロチャネルが、それぞれｎ（≧２）個の流路を含み、
ｉ番目（ｉは自然数）の流路が、長さＸｉを有する入口部と、長さＷｉを有する曲線部と、長さＹｉを有する出口部とを含み、
前記Ｘｉ、Ｙｉ、及びＷｉが下記式を満たすように構成される請求項２に記載のマイクロチャネル熱交換器。
［数１］
Ｘｉ＋Ｙｉ＋Ｗｉ＝一定（Constant）
【請求項４】
前記曲線部のうちいずれか１つの曲線部と隣接する他の曲線部間の幅が、長手方向に沿って一定に維持される請求項３に記載のマイクロチャネル熱交換器。
【請求項５】
前記曲線部が波形に形成される請求項４に記載のマイクロチャネル熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工技術により形成されたマイクロチャネルを備えた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特殊な用途に使用される熱交換器は、一般的な熱交換器とは異なり、高温・高圧という環境で使用されることもあり、重量や空間などの制限条件を満たすために小型化と耐久性が要求されることもある。
気体対気体（Gas-to-Gas）の熱交換においては、総熱伝達係数が低いため、同じ熱交換のためにはより大きな伝熱面積を必要とし、これにより、重量や空間などの制限条件のある状況での使用が困難となる。マイクロチャネル熱交換器の一種であるＰＣＨＥ（Printed Circuit Heat Exchanger）は、エッチング加工により流路を形成した複数の板を、隔板を介して交互に接合してなる熱交換器であって、ミリメートル級の小さい流路を形成することができ、気体だけでなく液体も自由に流すことができ、使用空間に対する伝熱面積の比が大きいという利点がある。また、ＰＣＨＥは、高温・高圧の使用環境に有利な熱交換器として構成することができ、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical System; MEMS）分野の発展により様々な微細加工技術を活用して様々な形状に製造することができるという利点がある。
【０００３】
小型で優れた性能を有するＰＣＨＥは、コンピュータ、半導体をはじめとする情報技術分野においてだけでなく、エネルギー関連産業などのエネルギー技術分野においても様々に適用されており、さらに、石油化学プラントから燃料電池反応器、廃熱回収装置、ＣＯ２ヒートポンプや温水器等の冷凍空調産業など、他産業への波及効果も非常に大きい。
一般的な熱交換器においては、熱伝達が増加すると同時に圧力降下も増加するが、マイクロチャネル熱交換器においては、形状設計により、圧力降下を低く抑えつつ熱伝達を増加させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、公知の従来方式による四角形状の熱交換器の場合、流路の形状と外形が単純であるため、流路の形状設計が比較的容易であるが、熱交換器が取り付けられる装置内の空間条件に合わせることは難しいことが多い。特に、全体の外形が曲線の場合は、同じ長さを有する流路の設計が非常に難しいという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、外形が曲線の場合に同一長さを有するマイクロチャネルを形成することにより高性能を得られるマイクロチャネル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】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明に係るマイクロチャネル熱交換器は、各々複数のマイクロチャネルを備えた層を、複数積層して形成された熱交換器本体と、前記熱交換器本体の一端部に着脱自由に装着される高温流体入口部材及び低温流体出口部材と、前記熱交換器本体の他端部に着脱自由に装着される低温流体入口部材及び高温流体出口部材とを含み、前記熱交換器本体の幅を形成する両側面は、一方の側面が第１曲面形状を有し、他方の側面が前記第１曲面形状に平行な第２曲面形状を有する構成とした。
【０００６】
本発明の一態様では、前記熱交換器本体の層は、高温流体を流すための複数の第１マイクロチャネル群が形成された高温部層と、低温流体を流すための複数の第２マイクロチャネル群が形成された低温部層とを含むように構成してもよい。
本発明の他の態様では、前記第１マイクロチャネル及び第２マイクロチャネルは、ｎ個（≧２）の流路を含み、ｉ番目（ｉは自然数）の流路は、長さＸｉを有する入口部と、長さＷｉを有する曲線部と、長さＹｉを有する出口部とを含み、前記Ｘｉ、Ｙｉ、及びＷｉが、下記式を満たすように構成してもよい。
【０００７】
Ｘｉ＋Ｙｉ＋Ｗｉ＝一定（Constant）
本発明のさらに他の態様では、前記曲線部のうちいずれか１つの曲線部と隣接する他の曲線部間の幅は、長手方向に沿って一定に維持されるようにしてもよい。
本発明のさらに他の態様では、前記曲線部は、波形に形成してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るマイクロチャネル熱交換器によれば、曲面の外形を有する熱交換器本体にマイクロチャネルを形成することにより、直線流路を有する従来の熱交換器に比べて、熱交換効率を大幅に向上させることができる。
また、本発明の一態様によれば、曲面の外形を有する熱交換器本体に波形のマイクロチャネルを適用し、かつ各マイクロチャネルの全長及び断面積を同一にすることにより、流路のばらつきを最小限に抑えることができる。
【０００９】
さらに、このように構成された曲面の外形を有し、かつ熱伝達性能に優れたマイクロチャネル熱交換器は、従来の直線状の熱交換器を設置しにくい場所でも容易に設置することができ、装着性が改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明によるマイクロチャネル熱交換器の好ましい実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るマイクロチャネル熱交換器の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、マイクロチャネル熱交換器１は、曲線形状を有する熱交換器本体１０と、熱交換器本体１０の一端部に着脱自由に取り付けられた高温流体入口部材２０及び低温流体出口部材５０と、熱交換器本体１０の他端部に着脱自由に取り付けられた低温流体入口部材４０及び高温流体出口部材３０とを含む。
【００１１】
熱交換器本体１０の幅を形成する両側面６０Ａ、６０Ｂ（図２参照）のうち、一方の側面６０Ａは第１曲面形状を有し、他方の側面６０Ｂは第１曲面形状に平行な第２曲面形状を有する。前記第１曲面形状及び第２曲面形状は、円弧状に形成してもよく、楕円状もしくは放物線状に形成してもよく、これらを組み合わせた形状に形成してもよい。
高温流体入口部材２０の端部には、高温流体入口管２１が形成されており、１つの高温流体入口管２１から流入した高温流体は、高温流体入口部材２０により各マイクロチャネルに分散され、熱交換器本体１０の内部を流れて低温流体と熱交換し、高温流体出口部材３０で合流して高温流体出口管３１から排出される。同様に、低温流体入口部材４０の端部には、低温流体入口管４１が形成されており、１つの低温流体入口管４１から流入した低温流体は、低温流体入口部材４０により前記高温部のマイクロチャネルとは異なるマイクロチャネルに分散され、熱交換器本体１０の内部を流れて高温流体と熱交換し、低温流体出口部材５０で合流して低温流体出口管５１から排出される。
【００１２】
図２は、図１のマイクロチャネル熱交換器の低温流体入口部材及び高温流体出口部材をマイクロチャネル熱交換器本体から分離して示す分離斜視図であり、図３は、図２の熱交換器本体を形成する単位モジュールの分解斜視図である。
図２及び図３に示すように、熱交換器本体１０は、それぞれマイクロチャネルが形成された複数の層が積層された構造となっている。
【００１３】
熱交換器本体１０の単位モジュール１０’は、高温部層１２、低温部層１３、及び隔板１１からなる。高温部層１２には、高温流体が流れる複数の第１マイクロチャネル群１２ａが形成されており、低温部層１３には、低温流体が流れる複数の第２マイクロチャネル群１３ａが形成されている。
単位モジュール１０’の高温部層１２及び低温部層１３は、前述の２つの側面部６０Ａ、６０Ｂの他に、端部面６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄも共通に含む。端部面６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄは、同じサイズを有する低温流体出口部材５０、高温流体入口部材２０、高温流体出口部材３０、低温流体入口部材４０を取り付けられるように、中心の円弧に対して対称となっている。
【００１４】
高温部層１２と低温部層１３とは、隔板１１を介して接合されることによって、第１マイクロチャネル１２ａ及び第２マイクロチャネル１３ａをそれぞれ密閉する。従って、第１マイクロチャネル群１２ａを流れる高温流体は、隔板１１を介して第２マイクロチャネル群１３ａを流れる低温流体と熱交換する。
マイクロチャネル熱交換器１においては、各マイクロチャネルの流動分配を均一にするために、圧力降下量を一定にする方法を用いる。つまり、熱交換効率を決定する重要な因子となる熱交換器の流路長は、各流路の流量のばらつきによる効率減少をなくすために、全て同一に設定する必要がある。流路長が異なると、流路長の短い側に供給される流量が過剰となり、熱交換効率に致命的な影響を与える。また、圧力降下量を一定にするために、各マイクロチャネルの全ての流路の全長及び形状を同一にする。一方、直線流路より波形流路のほうが熱伝達と圧力降下が大きいが、流路の進行方向を基準に約３０゜にすると圧力降下に対する熱伝達が最も効果的であることが知られている。
【００１５】
従って、本実施形態においては、曲面の外形を有する熱交換器の高効率化のために、曲線の外形を有する熱交換器本体１０内部の流路を波形に形成し、かつ各流路の全長を一定にしたマイクロチャネル熱交換器を開示する。
図４は、図３のそれぞれのマイクロチャネルの形状を概略的に示す平面図である。
本実施形態においては、それぞれの流路長を全て一定にするための１つの方法として、図４に示すように、入口部、出口部、及び曲線部に区分される熱交換器本体の流路の形状を、入口部の長さ（Ｘ１、…、Ｘｉ、…、Ｘｎ）と出口部の長さ（Ｙ１、…、Ｙｉ、…、Ｙｎ）との和を一定にし、曲線部の長さ（Ｗ１、…、Ｗｉ、…、Ｗｎ）を同一にすることにより、流路長を全て一定にしたものである。
【００１６】
［数１］
Ｘｉ＋Ｙｉ＋Ｗｉ＝一定（Constant）
ここで、流路毎に流路の断面積に差がある場合は、長さが同一であっても熱交換効率が悪くなることがあるため、流路の断面積も同一にすることが好ましい。
一方、熱交換効率の増加のために、熱交換板の流路の形状を単純な平行オフセット方法で波形流路に設計した場合は、流路の重なりが発生し得る。
【００１７】
図５は、本発明の他の実施形態により緩やかな曲線流路が適用されたマイクロチャネルを示す平面図である。図５に示すマイクロチャネル１５の場合、流路１５ａの重なりが発生せず、流路の全長は一定である。
図６は、本発明による波形流路を作図する過程の一例を示す説明図である。
まず、図６（ａ）に示すように、実現しようとする曲面形状を決定し、それを第１仮想線７１で作図する。
【００１８】
次に、図６（ｂ）に示すように、第１仮想線７１と同じ形状を有する第２仮想線７４を、基準線７２を合わせて第１仮想線７１から所望の間隔Ｍをあけて作図する。
そして、第１仮想線７１及び第２仮想線７４上に基準線７２を基準に一定の間隔Ｗで複数の仮想縦線７５を作図する。
次に、図６（ｃ）に示すように、間隔Ｗで作図した仮想縦線７５と間隔Ｍで作図した第１仮想線７１及び第２仮想線７４との交差点をつなぐ。
次に、図６（ｄ）に示すように、前記交差点の角部を曲線に処理すると、波形の中心線７７が完成する。この波形流路の中心線７７を基準に波形の幅だけ間隔をあけて別の中心線を作図すると、１つの流路が完成する。
【００１９】
かかる構成のマイクロチャネル群が図７に示される。図７は、図６による波形流路を有するマイクロチャネルの平面図であり、流路の重なりがなく、かつ波形の曲線流路を有するマイクロチャネル１６ａが得られる。波形のマイクロチャネル１６ａは、直線流路のみを有する従来のものに比べて、熱交換性能を格段に向上させ、また、図５に示す緩やかな曲線流路を有するマイクロチャネルに比べても、熱交換性能を向上させる。
【００２０】
このように、２つの辺が曲面形状を有する熱交換器本体１０に、圧力降下に対する熱伝達に優れた波形の形状を適用することにより、熱交換器本体１０の曲面形状のサイズを小さくし、波形流路の進行角が位置によって異なるように構成することができる。
本発明によるマイクロチャネル熱交換器は、上記実施形態の構成及び方法に限定されるものではない。上記実施形態は当業者により様々な変形が可能であり、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるマイクロチャネル熱交換器の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のマイクロチャネル熱交換器の低温流体入口部材及び高温流体出口部材をマイクロチャネル熱交換器本体から分離して示す分離斜視図である。
【図３】図２の熱交換器本体を形成する単位モジュールの分解斜視図である。
【図４】図３のそれぞれのマイクロチャネルの形状を概略的に示す平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態により緩やかな曲線流路が適用されたマイクロチャネルを示す平面図である。
【図６】本発明による波形流路を作図する過程の一例を示す説明図である。
【図７】図６による波形流路を有するマイクロチャネルの平面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  熱交換器本体
１１  隔板
１２  高温部層
１２ａ  第１マイクロチャネル
１３  低温部層
１３ａ  第２マイクロチャネル
１６ａ  波形流路を有するマイクロチャネル
６０Ａ、６０Ｂ  曲面形状を有する熱交換器本体の側面
【図１】
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【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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