(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる熱交換流体と当該流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせることが可能な熱交換器であって、
前記流路は、当該流路の側面に沿った流れが非直線状になるように、対向する一対の平面状の側面の間隔が流れ方向に段階的に変化するように形成されており、当該間隔が広くなるほど深さが浅くなり、当該間隔が狭くなるほど深さが深くなるように形成されているとともに、前記間隔がＷ１である凹部領域と、前記間隔がＷ１よりも小さいＷ２である凸部領域とが、前記凹部領域の両側面の流れ方向の中間部において渦が発生せずに熱交換流体が流れ方向と同じ向きに流れるように、流れ方向に交互に並んでいる
熱交換器。
【請求項２】
前記流路は、流れ方向に直交する断面の面積が一定となるように形成されている
請求項１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、流路内を流れる熱交換流体と当該流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせることが可能な熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステンレス鋼板やアルミニウム板等の薄板金属の表面に、エッチング技術等を用いて熱交換流体を流通させるための流路を形成した熱交換器が開発されている。このような熱交換器として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。
この熱交換器は、金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、当該金属薄板状プレートを交互に積み重ねることにより、対向する２つの金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成したものである。当該熱交換器において、伝熱フィンは、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成されており、伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積が略一定とされている。
この構成によれば、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流による圧力損失を小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化と低コスト化とを維持しつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７０５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている熱交換器のように、熱交換流体が通過する流路の側面が屈曲していると、流路の側面が直線状に形成されている場合に比べて、流路内において局所的に、主流に逆行するような流れ（渦）が発生し易くなる。その結果、流路を流れる熱交換流体から当該流路外の熱交換対象物への熱伝達が妨げられるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、熱交換流体と熱交換対象物との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能な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】
本発明に係る熱交換器における第１の特徴は、流路内を流れる熱交換流体と当該流路外の熱交換対象物との間で熱交換を行わせることが可能な熱交換器であって、前記流路は、当該流路の側面に沿った流れが非直線状になるように、対向する一対の平面状の側面の間隔が流れ方向に段階的に変化するように形成されており、当該間隔が広くなるほど深さが浅くなり、当該間隔が狭くなるほど深さが深くなるように形成されているとともに、前記間隔がＷ１である凹部領域と、前記間隔がＷ１よりも小さいＷ２である凸部領域とが、前記凹部領域の両側面の流れ方向の中間部において渦が発生せずに熱交換流体が流れ方向と同じ向きに流れるように、流れ方向に交互に並んでいることである。
【０００７】
この構成によると、熱交換流体から、流路を構成する部材への伝熱面積を拡大することができるとともに、流路内面に沿った流れに境界層が発達することを抑制できる。
更に、側面の間隔の変化に対応して流路の深さを変化させることで、当該間隔の変化に伴って広範囲に渦が生じてしまうことを、より確実に抑制することが可能である。
これにより、熱交換流体と熱交換対象物との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能になる。
【０００８】
また、本発明に係る熱交換器における第２の特徴は、前記流路は、流れ方向に直交する断面の面積が一定となるように形成されていることである。
【０００９】
この構成によると、流れ方向において当該断面の面積が変化する構成に比べて、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流を抑制できるとともに、渦の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、熱交換流体と熱交換対象物との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換器を示す全体図。
【図２】図１の熱交換器内で、金属薄板が積層された状態を示す図。
【図３】図２の金属薄板に形成された流路を示す（ａ）部分断面図、及び（ｂ）平面図。
【図４】図３の流路内の流れを解析した結果を示す図。
【図５】比較例の流路を示す部分断面図。
【図６】図５の比較例の流路の流れを解析した結果を示す図。
【図７】図３及び図５の流路を流れる流体のレイノルズ数と熱伝達特性を表す因子ｊとの関係を示す図。
【図８】図３及び図５の流路を流れる流体のレイノルズ数と摩擦係数ｆとの関係を示す図。
【図９】図３及び図５の流路を流れる流体のレイノルズ数とｊ／ｆとの関係を示す図。
【図１０】本実施形態の変形例に係る熱交換器の金属薄板を示す図。
【図１１】図１０に示す金属薄板に形成された流路の（ａ）平面図、及び（ｂ）Ｘ−Ｘ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（全体構成）
図１に示すように、本実施形態に係る熱交換器１において、本体２は概ね長方体状の箱型に形成されている。本体２の内部には、図２に示す流路構成部材１０が設けられている。
当該流路構成部材１０は、第１金属薄板１１及び第２金属薄板１２を交互に複数積層して形成されている。尚、第１金属薄板１１、第２金属薄板１２としては、例えば、ステンレス鋼板を用いることができる。
【００１４】
第１金属薄板１１は、表面に複数の流路Ｒ１（溝）が形成された長方形状の薄板である。当該複数の流路は、長方形状の薄板の長手方向に延びるように形成されている。
第２金属薄板１２は、第１金属薄板１１と同じ大きさの長方形状の薄板である。当該第２金属薄板１２においては、表面に、前記第１金属薄板１１に形成された流路とは直交する方向（長方形状の薄板の短手方向）に延びる複数の流路Ｒ２（溝）が形成されている。
尚、流路Ｒ１、Ｒ２は、一の金属薄板に形成された溝の側面及び底面と、その上に積層される他の金属薄膜の下面とで、流れ方向に対して直交する方向を全て覆われている。
【００１５】
熱交換器１の本体２には、当該本体２の側面を形成するように、第１供給ヘッダー３、第１排出ヘッダー４、第２供給ヘッダー５、及び第２排出ヘッダー６が設けられている。
【００１６】
第１供給ヘッダー３には供給管３ａから、例えば冷水等の熱交換流体が供給される。そして、当該熱交換流体は、当該第１供給ヘッダー３を介して、複数の第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１に分配される。
当該第１供給ヘッダー３から供給された熱交換流体は、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１を通過して後述の第１排出ヘッダー４に流れ込む。
第１排出ヘッダー４は、第１供給ヘッダー３に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。当該第１排出ヘッダー４には、第１金属薄板１１に形成された複数の流路Ｒ１から排出された熱交換流体が供給される。そして、当該熱交換流体は、当該第１排出ヘッダー４に設けられた排出管４ａを通じて排出される。
【００１７】
第２供給ヘッダー５には供給管５ａから、前記熱交換流体との熱交換の対象となる流体（以下、対象流体）が供給される。そして、当該対象流体は、当該第２供給ヘッダー５を介して、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２に分配される。
当該第２供給ヘッダー５から供給された対象流体は、第２金属薄板１２に形成された複数の流路Ｒ２を通過して後述の第２排出ヘッダー６に流れ込む。これにより、第２金属薄板１２に形成された流路を流れる対象流体と、第１金属薄板１１に形成された流路を流れる熱交換流体との間で、流路構成部材を介しての熱交換が行われる。
第２排出ヘッダー６は、第２供給ヘッダー５に対向する側面を形成するように本体２に設けられている。当該第２排出ヘッダー６には、第２金属薄板１２に形成された複数の流路から排出された対象流体が供給される。そして、当該対象流体は、当該第２排出ヘッダー６に設けられた排出管６ａを通じて排出される。
【００１８】
（流路の詳細）
図３は、図２の第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１の（ａ）部分断面図、及び（ｂ）平面図である。
図３（ｂ）に示すように、流路Ｒ１は、平面視において幅方向中心を通過する中心線Ｐ（流路中心線Ｐ）が直線状に延びている。当該流路Ｒ１の側面には凹凸が形成されており、流路中心線Ｐと平行な方向である流れ方向（矢印Ｆ１方向）において両側面の間隔が、変化するように構成されている。
【００１９】
具体的には、両側面の間隔がＷ１である凹部領域Ｔ１（平面視においてＴ１で示す領域）と、両側面間の間隔が、Ｗ１よりも小さいＷ２である凸部領域Ｔ２（平面視においてＴ２で示す領域）とが、流れ方向において、同じ長さで交互に並んでいる。また、当該流路Ｒ１の両側面は、平面視にて流れ方向に延びる流路中心線Ｐに対して対称形状となるように設けられている。
尚、凹部領域Ｔ１と凸部領域Ｔ２とが、流れ方向において同じ長さである場合に限らず、流れ方向における凹部領域Ｔ１の長さと凸部領域Ｔ２の長さとが異なる構成であってもよい。
【００２０】
図３に示すように、流路Ｒ１は、凹部領域Ｔ１と凸部領域Ｔ２とで深さが異なるように形成されている。具体的には、凸部領域Ｔ２における深さが、凹部領域Ｔ１における深さよりも深い。つまり、流れ方向において、凹部領域Ｔ１から凸部領域Ｔ２に変化する位置に、段部１１ａが設けられている。当該段部１１ａは、下流側（凸部領域Ｔ２側）が上流側（凹部領域Ｔ１側）よりも低くなるように形成されている。また、流れ方向において、凸部領域Ｔ２から凹部領域Ｔ１に変化する位置にも、段部１１ｂが設けられている。当該段部１１ｂは、下流側（凹部領域Ｔ１側）が上流側（凸部領域Ｔ２側）よりも高くなるように形成されている。
尚、上記の段部１１ａ、１１ｂは、流路Ｒ１の幅方向全域にわたって連続している。
【００２１】
そして、本実施形態においては、流路Ｒ１における流れ方向と垂直な断面を見たときに、断面積が、凹部領域Ｔ１と凸部領域Ｔ２とで同じになるように形成されている。即ち、凹部領域Ｔ１における、当該流路Ｒ１の底面から、当該第１金属薄板１１の上に積層される第２金属薄板１２の下面までの高さをＨ１、凸部領域Ｔ２における、当該流路Ｒ１の底面から、当該第１金属薄板１１の上に積層される第２金属薄板１２の下面までの高さをＨ２とすると、以下の式（１）が成り立つ。
Ｈ１×Ｗ１＝Ｈ２×Ｗ２      ・・・式（１）
【００２２】
尚、当該流路Ｒ１は、例えば、金属薄板の表面をエッチングすることにより形成することができる。流路底面の起伏は、マスク等を用いて場所により腐食時間を変化させることで形成することが可能である。
【００２３】
第２金属薄板１２に形成された流路Ｒ２の形状は、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１の形状と略同じであるため説明は省略する。
尚、凹部領域及び凸部領域の、流れ方向における長さ、深さ（Ｈ１、Ｈ２）、両側面間の幅（Ｗ１、Ｗ２）などを、第１金属薄板１１に形成された流路Ｒ１と異なるように、流路Ｒ２を構成してもよい。
【００２４】
（流路内の流線解析）
図３に示す流路Ｒ１内の流れを解析した解析結果（流線図）を、図４に示す。
尚、図４は、流路Ｒ１内を流れる熱交換流体のレイノルズ数Ｒｅを５００としたときの流線図である。
【００２５】
レイノルズ数Ｒｅは次式（２）で定義される。
Ｒｅ＝ｕＤ／ν      ・・・式（２）
ここで、式（２）において、ｕ：熱交換流体の流速、Ｄ：狭流路幅基準の水力直径、ν：熱交換流体の動粘性係数、である。
【００２６】
比較のため、図５に示す比較例の流路Ｃ１内の流れを同じ条件で解析した解析結果（流線図）を、図６に示す。尚、比較例の流路Ｃ１は、図３に示す本実施形態の流路において、底面の凹凸をなくし、当該底面を平面としたものであり、その他の構成は本実施形態の流路Ｒ１と同様である。
【００２７】
図６に示すように、比較例の流路Ｃ１においては、凹部領域Ｔ１の両側面近傍において、当該凹部領域Ｔ１の流れ方向略全域に亘って循環するような渦が発生している。この場合、凹部領域Ｔ１の両側面において、熱交換流体と流路構成部材との間の熱交換効率が大きく悪化してしまう。
【００２８】
一方、図４に示すように、本実施形態の流路Ｒ１においては、渦は、凹部領域Ｔ１における当該凹部領域Ｔ１と凸部領域Ｔ２との境目となる角部の近傍部にのみ発生している。つまり、凹部領域Ｔ１の両側面の流れ方向中間部には渦はなく、流路Ｒ１の幅方向中心部と略同じように、流れ方向と同じ向きに熱交換流体が流れている。この場合、流路Ｒ１の側面近傍における逆向きの流れが少なくなるため、熱交換流体と流路構成部材との間の熱交換効率を向上させることができる。
【００２９】
（熱伝達特性等に関する解析結果）
本実施形態の熱交換器１における流路Ｒ１（図３参照）、及び比較例の流路Ｃ１（図５参照）について、流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅと熱伝達特性を表す因子ｊとの関係の解析結果を図７に示す。また、当該流路を流れる熱交換流体のレイノルズ数Ｒｅと摩擦係数ｆとの関係の解析結果を図８に示す。また、当該流路を流れる流体のレイノルズ数Ｒｅとｊ／ｆとの関係の解析結果を図９に示す。
【００３０】
尚、因子ｊは、以下の数１に基づいて解析により求められる。当該因子ｊは、熱伝達特性を表す因子であり、流路を流れる流体から流路構成部材への熱伝達特性が高いほど、大きい値となる。
【００３１】
【数１】
0005487423.tif 000002
【００３２】
ここで、数１において、Ｎｕ：ヌセルト数、Ｒｅ：レイノルズ数、Ｐｒ：プラントル数、ｈ：流体と流路構成部材との間の熱伝達率、ｋ：流体の熱伝導率、ｄ：水力直径、である。
【００３３】
摩擦係数ｆは、以下に示す数２に基づいて求めた値であり、流路内を通過する流体の圧力損失が大きいほど、大きい値となる。
【００３４】
【数２】
0005487423.tif 000003
【００３５】
ここで、数２において、ΔＰ：圧力損失、ｕ：流速、ｄ：水力直径、ρ：流体の密度、Ｌ：流路長、である。
【００３６】
図７に示すように、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、因子ｊの値は、比較例よりも本実施形態のほうが大きくなっている。つまり、本実施形態の流路Ｒ１は、比較例の流路Ｃ１よりも熱伝達特性が優れていることが分かる。
一方、摩擦係数ｆについては、図８に示すように、レイノルズ数Ｒｅが１０００を超えると、本実施形態の値が比較例の値と比べてやや大きくなるが、本実施形態と比較例とで差は少ない。
その結果、図９に示すように、ｊ／ｆの値については、レイノルズ数Ｒｅの値によらず、本実施形態の値が比較例よりも大きくなっている。つまり、本実施形態の流路Ｒ１においては、比較例の流路Ｃ１に比べて、やや圧力損失が増加するものの、当該圧力損失の増加の割合は、熱伝達特性の増加の割合に比べて小さいことが分かる。
このように、本実施形態の流路Ｒ１では、圧力損失を過度に増加させることなく、熱伝達特性を向上させることができる。
【００３７】
（本実施形態の効果）
（１）
以上、説明したように、本実施形態の熱交換器１は、流路Ｒ１及び流路Ｒ２を構成する流路構成部材１０（第１金属薄板１１及び第２金属薄板１２）を介して当該流路Ｒ１内を流れる熱交換流体と当該流路Ｒ２を流れる対象流体との間で熱交換を行わせることが可能である。
流路Ｒ１及び流路Ｒ２は、側面に沿った流れが非直線状になるように、当該側面が屈曲して形成されている。そして、流路Ｒ１及び流路Ｒ２は、流れ方向において対向する一対の側面の間隔が変化するとともに、深さが変化するように形成されている。
【００３８】
この構成によると、熱交換流体から流路構成部材１０への伝熱面積を拡大することができるとともに、側面及び底面近傍の流れに境界層が発達することを抑制することができる。更に、図４及び図６に比較して示すように、平面視において、流路Ｒ１内に生じる渦を所定の範囲内に抑えることができる。尚、流路Ｒ２についても同様の効果を奏する。これにより、熱交換流体と対象流体との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能になる。
【００３９】
尚、流れ方向に向かって側面や底面が段状に曲がっている場合に限らず、なだらかに湾曲した構成であってもよい。
【００４０】
また、熱交換器１の流路Ｒ１は、互いに対向する一対の側面の間隔（Ｗ１、Ｗ２）が広いほど、深さ（Ｈ１、Ｈ２）が浅くなり、当該間隔（Ｗ１、Ｗ２）が狭いほど、深さ（Ｈ１、Ｈ２）が深くなるように形成されている。
尚、熱交換器１においては、対象流体が流れる流路Ｒ２についても同様に形成されている。
【００４１】
この構成によると、側面の間隔が流れ方向において変化することで広範囲にわたって渦が生じてしまうことを、より確実に抑制することが可能である。これにより、熱交換流体と対象流体との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能になる。
【００４２】
（２）
また、熱交換器１の流路Ｒ１は、流れ方向に直交する断面の面積が一定となるように形成されている。尚、熱交換器１においては、対象流体が流れる流路Ｒ２についても同様に形成されている。
【００４３】
この構成によると、流路の流れ方向に直交する断面積が一定であるため、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流を抑制できるため、当該縮流や拡流による圧力損失を抑制できる。
更に、流れ方向において当該断面積が変化する構成に比べて、渦の発生を抑制することができる。これにより、熱交換流体と対象流体との間の熱交換をより効率よく行わせることが可能になる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
例えば、以下に示すように、変形して実施することができる。
【００４５】
（１）
図１０に、本実施形態の変形例に係るプレートフィン式の熱交換器の本体内に複数積層された金属薄板のうちの一枚を示す。図１１（ａ）は、図１０に示す金属薄板に形成された流路の平面図である。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す流路のＸ−Ｘ断面図である。
変形例の流路は、金属薄板１５にエッチングなどにより平面視翼型の柱１５ａを複数形成することで、当該柱１５ａ間に形成されるものである。
図１１（ａ）に示すように、この金属薄板１５が複数積層されて当該翼型の柱１５ａの間を、矢印Ｆ向に向かって熱交換流体が流通する。
また、図１１（ｂ）に示すように、この流路の底面１５ｂには、熱交換流体の流れ方向に沿って周期的に波形状の凹凸が形成されている。
具体的には、流れ方向において、隣接する柱１５ａ間の間隔が最も広い部分（図１１（ａ）において幅Ｗ３で示す部分）で流路の深さが最も浅くなるように（図１１（ｂ）において高さＨ３で示す）、流路が形成されている。そして、流れ方向において、隣接する柱１５ａ間の間隔が最も狭い部分（図１１（ａ）において幅Ｗ４で示す部分）で流路の深さが最も深くなるように（図１１（ｂ）において高さＨ４で示す）、流路が形成されている。尚、隣接する柱１５ａ間の流路の面積（流れ方向に直交する流路断面の面積）が流れ方向において変化しないように構成することで、より熱伝達性能を向上させることができる。
【００４６】
（２）
上記実施形態の熱交換器においては、熱交換流体が通過する流路を備えた第１金属薄板に挟まれた第２金属薄板に形成される流路を通過する対象流体と、上記熱交換流体との間での熱交換を実現するものであるが、これに限定されない。即ち、例えば、熱交換流体と熱交換させたい固体の熱交換対象物を、熱交換流体が通過する流路を備えた第１金属薄板に接触させて（例えば、当該第１金属薄板で熱交換対象物を挟みこむなどして）、熱交換対象物と熱交換流体との間での熱交換を実現する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
熱交換流体と熱交換対象物との間で熱交換を行わせることが可能な熱交換器として利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  熱交換器
１０  流路構成部材
１１  第１金属薄板
１２  第２金属薄板
Ｒ１、Ｒ２  流路
【図１】
0005487423.tif 000004
【図２】
0005487423.tif 000005
【図３】
0005487423.tif 000006
【図４】
0005487423.tif 000007
【図５】
0005487423.tif 000008
【図６】
0005487423.tif 000009
【図７】
0005487423.tif 000010
【図８】
0005487423.tif 000011
【図９】
0005487423.tif 000012
【図１０】
0005487423.tif 000013
【図１１】
0005487423.tif 000014