(57)【要約】【課題】良好な熱交換特性を有し、かつコンパクト性に優れた熱交換器を提供する。【解決手段】複数の流路間で熱交換を行う熱交換器において、熱交換器は、熱伝導材から成るベース板を介して第１流路と第２流路が形成されるとともに、各流路には複数の孔部を含むポーラス部材がベース板と熱的に接続されており、各流路を流れる流体が孔部を通って流れることにより、各流体間で熱交換を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路間で熱交換を行う熱交換器において、熱交換器は、熱伝導材から成るベース板を介して第１流路と第２流路が形成されるとともに、該第１流路と該第２流路中には複数の孔部を含むポーラス部材が該ベース板と熱的に接続されており、各流路を流れる流体が該孔部を通って流れることにより、各流体間で熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
上記ポーラス部材が、一定方向に並んだ複数の環状の孔部を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
上記第１流路と上記第２流路は交互に複数段積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
上記第１流路、あるいは上記第２流路中に設置される上記ポーラス部材の孔径は流れの上流側が大きく、下流側が小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
上記第１流路、あるいは上記第２流路中に設置される上記ポーラス部材の気孔率は流れの上流側が大きく、下流側が小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
上記第１流路、あるいは上記第２流路中に設置される上記ポーラス部材は、孔の貫通方向に対して０．５〜１０ｍｍの厚さにスライスされたものであり、該流路の上流側では厚さの薄いポーラス部材を配置し、該流路の下流側では厚めのポーラス部材を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
上記第１流路、あるいは上記第２流路の何れかに設置される上記ポーラス部材は、水素吸蔵合金で作られていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関し、特に多孔質材を用いた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器では、第１流路、第２流路中に波目状の板が有り、各流路を流れる流体は波目状の板と該流路間を仕切るベース板との間に構成される流路を通ることにより、このとき、例えば該第１流路側を流れる流体が、該第２流路を流れる流体より高温だとすると、該第１流路を流れる流体と波目状の板、また、該ベース板との熱伝達により熱は該ベース板を介して該第２流路中を流れる流体に熱伝達される。各流路中にある該波目板は該ベース板と熱的に結合されているため、該各流路とも該波目板と該ベース板が流体と接触する面積が熱伝達に係わる伝熱面積として機能する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−０６３６１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような熱交換器において、第１流路を流れる流体から、第２流路を流れる流体への熱交換量は各流路における波目板やベース板と流体が接触する面積に依存することになるが、該面積は小さいため熱交換効率を大きくできないと言う問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、良好な熱交換特性を有し、かつ信頼性が高く、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】
本発明は、複数の流路間で熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、ベース板を介して第１流路と第２流路を構成し、各流路中には複数の孔部を含むポーラス部材が配置され、ポーラス部材間がベース板を介して熱的に結合されたユニットを少なくとも２つ含み、それぞれの流路中を移動する流体間で熱交換を行うことを特徴とする熱交換器である。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明にかかわる熱交換器では、小型で、熱交換効率の良好な熱交換器の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるポーラス部材の構成詳細図である。
【図１Ａ】本発明の実施の形態１にかかるポーラス部材の孔部詳細図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる最小単位の熱交換器の分解斜視図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１にかかる最小単位熱交換器の斜視図である。の
【図３】本発明の実施の形態１にかかる熱交換器の外観図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるダクト組み込み図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる熱交換構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本実施の形態１にかかる熱交換器の主要部分を示した構成図であり、図１中に示す断面Ａ−Ａから見た図を図１Ａに示す。図２は最小単位における熱交換器を分解した斜視図、図２Ａは、最小単位における熱交換器の外観図、図３は、最小単位の熱交換器を積層して通常の形態とした熱交換器の外観図を示す。また、図４は本熱交換器をダクトに組み込んだ状況を示す構成図である。
【００１０】
図１、および図１Ａにおいて、ポーラス部材１０は、一定方向（ここでは、Ｘ方向）に並んだ複数の管状の孔部４０を含むロータス型のポーラス部材からなる。ロータス型ポーラス部材は、以下に示す公知の方法（本願では、金属凝固法と言い、詳細は例えば特開２０００−２３９７６０号広報に開示されている）を用いて形成することができる。なお、ポーラス部材１０はベース板２０やベース板２０Ａとロー付け、あるいは焼結などの手段により伝熱的に結合されおり、流体３０はポーラス部材１０の孔部４０を通って、図１ではＸ方向に流れる。
【００１１】
図２は、図１において説明したポーラス部材１０とベース板２０の組み合わせを最小単位の熱交換器として構成した場合の斜視図である。図２において、Ｘ方向の流れに対する流路はベース板２０と２１、また側壁２１Ａと２１Ｂで構成され、流路３０Ａ内には、その流路を３０Ａを完全に塞ぐように、０．５〜１０ｍｍの厚さのポーラス部材１０が配置されている。また、Ｙ方向の流れに対する流路はベース板２０と２２、また側壁２２Ａと２２Ｂで構成され、流路３０Ｂ内には、その流路を３０Ｂを完全に塞ぐように、０．５〜１０ｍｍの厚さのポーラス部材１０が間隔を持って配置されている。このような構成において、流体３０Ａ、３０Ｂは各流路を通過する際にはポーラス部材１０の孔部４０を通過するように流れる。
【００１２】
ここで、一般的に、ポーラス部材１０から形成された熱交換器の熱交換能力は、ポーラス部材１０における孔部４０と流体３０との接触面積Ａｈと、例えば、高温流体３０Ａから低温側流体３０Ｂの熱通過率Ｋｐとの積、Ａｈ×Ｋｐ  として求められ、この積の値が大きいほど、熱交換能力は高くなる。ここで、熱通過率Ｋｐは以下の式（１）で表される。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ここで、Ｈｈは孔部４０の表面と高温側流体３０Ａとの対流熱伝達率、Ａｈは孔部４０の表面と高温側流体３０Ａとの接触面積、Ｈｃは孔部４０の表面と低温側流体３０Ｂとの対流熱伝達率、Ａｃは孔部４０の表面と低温側流体３０Ｂとの接触面積、Ｒｈ−ｃは高温側流体３０Ａが流れる孔部４０と低温側流体３０Ｂが流れる孔部４０との間の距離を熱が伝わる時の熱抵抗である。
【００１５】
一般に、熱伝導による熱抵抗Ｒｈ−ｃは、孔部４０と流体との対流熱伝達率Ｈｈ、Ｈｃによる熱抵抗１／（Ｈｈ・Ａｈ）、１／（Ｈｃ・Ａｃ）に比べて小さくなる。このため、熱通過率Ｋｐの値を支配するのは、流体と孔部４０との対流熱伝達率Ｈｈ、Ｈｃによる熱抵抗である場合が多い。なお、熱交換量は、流体とポーラス部材１０との温度差と熱通過率Ｋｐの積から算出できる。
【００１６】
以上から、熱通過率Ｋｐの値を大きくするためには、第１に、孔部４０の孔径を小さくして、孔部内を通過する流体の流速を増加させ、孔部の表面から流体への対流熱伝達率Ｈｈ、Ｈｃを増大させる方法、第２に、孔部の数を増やして、孔部と流体との接触面積を増大させる方法が考えられる。
【００１７】
これに対して、上述のロータス型ポーラス部材では、特開平１１−０６３６１６号公報に開示した方法を用いることにより、孔径が数十μｍから数ｍｍの範囲で任意に設定するとともに、その断面積に孔部の面積の占める割合である空隙率も任意に設定することができる。なお、ポーラス部材を本熱交換器に用いることによる熱通過率の向上は、ポーラス材が無い場合に比べて数倍から十数倍とすることが可能となる。
【００１８】
最小単位としての熱交換器の外観図は図２Ａに示す通りである。この最小単位であっても熱交換器として機能させることができるが、実際には図３に示すように、図２Ａに示した最小単位の熱交換器を積層させて使えば、高い能力の熱交換器１を得ることができる。
【００１９】
図４は、熱交換器１をダクト５０に組み込んだ構成例を示す。ダクト５０内では隔壁５１Ａと隔壁５１Ｂにより熱交換器１に流入する流体が混ざらないようにしている。また、熱交換器１をダクト５０内で菱形配置することにより、単純な流路構成で流体間の熱交換ができるようにしている。このような構成による熱交換方式は、一般的に直交型プレート式熱交換器と呼ばれている。また、この構成は特許文献１と類似しているが、本発明による熱交換器１の流路中ではポーラス部材１０を使用しているため、例えば、高温流体３０Ａと低温流体３０Ｂとが熱交換器１内で熱交換した場合、熱交換能力をポーラス部材１０を使用しない場合と比較して、数倍から十数倍に増大できる効果が得られる。
【００２０】
熱交換器１の流路内に配置されるポーラス部材１０の気孔率、あるいは孔径、配置間隔、また流体の流れ方向における厚さは全て一様である必要はない。気孔率は大きいほどポーラス部材単位体積当たりの孔数が多くなるため伝熱面積は増大して熱交換効率も向上する。また、圧力損失は小さくすることができる。また、孔径は大きいほどポーラス部材単位体積当たりの流体との接触面積が減少して熱交換効率は小さくなるものの、圧力損失を小さくできる。また、ポーラス部材１０の配置ピッチは大きいほど流れ方向長さ当たりの流体との接触面積が減少するため熱交換効率は低下するものの、圧力損失を小さくできる。更に、一般的には、ポーラス部材１０の流体の流れ方向厚さは大きいほど流体との接触面積が増大して熱交換量は大きくなるものの、圧力損失は大きくなる。なお、ポーラス部材１０の厚さが小さい場合、例えば、０．５〜３ｍｍでは孔部４０の長さが長い場合に比べて大きな熱伝達率が孔部４０で得られる場合があるので、流体の助走区間における熱伝達率計算による検証が必要である。
【００２１】
熱交換器１に流入する流体、例えば、高温流体３０Ａと、例えば低温流体３０Ｂ間での熱交換量は、各流体の入口付近では流体間の温度差が大きいため（００１３）で説明する理由により大きいが、熱交換器１内で高温流体３０Ａと低温流体３０Ｂ間での熱交換が行われる場合、各流体間の温度差は徐々に減少して、特に各流体の出口付近では流体間の温度差が小さくなり、熱交換量は小さくなる。したがって、熱交換器１全体として低圧力損失で大きな熱交換量を得るには、各流体入口付近におけるポーラス部材の気孔率は大きく、各流体出口付近におけるポーラス部材１０の気孔率は小さく設定する方が熱通過率と温度差の積をある程度平均化できる、すなわち効率的に熱交換できるため、結果的に熱交換量を大きくできる効果が得られる。
【００２２】
同様に、各流体入口付近のポーラス部材の孔径は大きく、各流体出口付近のポーラス部材１０の孔径を小さく設定することで結果的に熱交換量を大きくできる効果が得られる。また、各流体入口付近のポーラス部材１０の配置ピッチををおおきく、各流体出口付近のポーラス部材１０の配置ピッチを小さく設定することで結果的に熱交換量を大きくできる効果が得られる。更に、各流体入口付近のポーラス部材１０の孔部４０の貫通方向厚さを小さく、各流体出口付近のポーラス部材１０の孔部４０の貫通方向厚さを大きく設定することで結果的に熱交換量を大きくできる効果が得られる。
【００２３】
以上、ポーラス部材１０の気孔率や孔径、配置ピッチ、また、孔部の貫通方向厚さの各項目について調整することで熱交換量を増加することを述べたが、全ての項目について実施する必要はなく、全て均等とすることも含め、一部の項目について実施しても構わない。
【００２４】
本発明の実施の形態１では、ポーラス部材１０として、ロータス型ポーラス部材を用いる場合について説明したが、ロータス型ポーラス部材に代えて、他の発泡金属、あるいは機械的に穴や溝を設けたものであっても同様な効果を得ることはもちろんである。
【００２５】
また、本発明の実施形態１では、高温流体３０Ａと低温流体３０Ｂの両流路中にポーラス部材１０を配置して熱交換する場合について説明したが、片方のみの流路中にポーラス部材１０を配置することも可能である。
【００２６】
本発明による熱交換器では、熱交換器１を流れる第１の流体３０Ａと第２の流体３０Ｂは、気体対気体、または液体対気体、液体対液体、更には一方の流体が蒸発や凝縮を伴う流体であっても同様に大きな熱交換能力を得ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図５は本実施の形態２にかかる熱交換器の主要部分を示した構成図である。図５においても、図２〜図３に示すポーラス部材１０の配置は同様であるが、例えば、図２におけるＹ方向の流路中の設置するポーラス部材１１の材料は水素吸蔵合金で製作している。なお、Ｙ方向流路に水素吸蔵合金から成るポーラス部材１１を構成する場合には、ポーラス部材１１間距離は小さくすることにより、流路中に水素吸蔵合金の量を多く設置できるため、水素吸蔵量を多く設定することができる。
【００２８】
図５において、ポーラス部材１１に水素を吸収させる場合、ポーラス部材１１が水素を吸収するときに発生する熱を奪うことができれば、水素の吸収を促進させることができるが、本実施例２では、Ｘ方向流路に冷却流体を流すことにより、実施例１で述べたように効率的にポーラス部材１１の熱を奪うことができるため、急速な水素吸収が実現できる。
また、逆に水素を放出させたい場合にはＸ方向流路に比較的高温の流体を流すことにより、結果的にＹ方向流路中にあるポーラス部材１１の温度を高めて、ポーラス部材１１から水素の放出を加速させることができる。
すなわち、水素吸蔵合金に係わる水素の吸収と放出をＸ方向を流れる流体の温度制御により調整すれば、急速な水素吸収と放出を可能とすることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  熱交換器、１０  ポーラス部材、２０  ベース板、３０  流体、４０  孔部、５０  ダクト、５１Ａ、５１Ｂ  隔壁。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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