(57)【要約】課題：高純度被熱交換流体に適用できる高効率の熱交換器を提供する。解決手段：被熱交換流体の流路と、その流路を流れる被熱交換流体に接触する熱伝達構造体を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、（１）被熱交換流体と接触する熱伝達構造体の表面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、（２）熱伝達構造体には熱伝導体を備え、熱伝導体は熱伝導率の良い材料からなること、（３）被熱交換流体との接触面の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、を特徴とする熱伝達構造体と被熱交換流体が接触する面での熱伝導効率が高められている熱交換器。
2013180047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、被熱交換流体に接触する熱伝達構造体と、熱源からの熱を熱伝達構造体に伝熱する伝熱部材を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、
熱伝達構造体は、流入口、流出口および被熱交換流体流路を有するボデーと、ボデーに装着される多数の熱伝導体とを備えてなり、
被熱交換流体との接触面を構成する被熱交換流体流路の内壁面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、
熱伝導体はボデーの材料より熱伝導率の良い材料からなること、
熱伝導体は、被熱交換流体流路の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、
を特徴とする熱交換器。
【請求項２】
多数の熱伝導体が、被熱交換流体流路を挟んで対向配置された複数個の熱伝導体を含む請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
伝熱部材が、ボデーを挟む２つの伝熱部材からなり、２つの伝熱部材のそれぞれから１以上の熱伝導体が延出される請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
熱伝導体が、ピン状の構造を有するものである請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
多数の熱伝導体の少なくとも一部が、板状の伝熱部材と一体的に形成される請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
多数の熱伝導体の少なくとも一部が、ジグザグ構造の外側面を有するものである請求項４または５に記載の熱交換器。
【請求項７】
外側面の表面積が、凸部が無い外側面とした場合の１．５〜３倍となるジグザグ構造である請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、ネジである請求項６または７に記載の熱交換器。
【請求項９】
ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、頭部がフラットなネジである請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
被熱交換流体流路が、複数の屈曲部を有する請求項１から９のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１１】
被熱交換流体流路が、流入口側に方向転換する折り返し屈曲部を有する請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
流入口に近い側に配置された熱伝導体の少なくとも一部が、流入口から遠い側に配置された熱伝導体と比べ熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体である請求項１から１１のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１３】
流入口から遠い側と比べ、流入口に近い側では熱伝導体の数が多く、かつ、高密度で配置されている請求項１から１２のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１４】
流出口が、外界と連通する吐出口である請求項１２または１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれかに記載の熱交換器を複数個積層してなる熱交換器。
【請求項１６】
被熱交換流体流路の内壁面が、樹脂である請求項１から１５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１７】
被熱交換流体流路の内壁面が、金属またはカーボンである請求項１から１５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１８】
多数の熱伝導体が、銅からなる熱伝導体およびアルミからなる熱伝導体を含む請求項１から１７のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１９】
熱源が、加熱源である請求項１から１８のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項２０】
熱源が、吸熱源である請求項１から１８のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれかに記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法。
【請求項２２】
請求項１２に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、
流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導率が相対的に高い材料からなる熱伝導体を配置し、流入口から遠い側に、流入口から近い側と比べ熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
【請求項２３】
請求項１３に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、
流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導率が相対的に高い材料からなる熱伝導体を配置し、流入口から遠い側に、流入口から近い側と比べ熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
【請求項２４】
請求項１６に記載の熱交換器を用いて、腐食性を有する流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適用分野が限定されることのない熱交換技術に関するものである。特に、酸やアルカリなどの腐食性物質の気体または液体の熱交換や、高純度水、半導体を製造する際の高純度ケイ素化合物などを温度制御する際に有用であり、熱交換の際に生起する装置類の腐食や高純度物質の汚染の問題の解決および熱交換率の向上が実現される。
すなわち、本発明は、物質の冷却、加熱や温度調節を必要とする技術分野全般において、装置の腐食、不純物による汚染が少なく高効率の熱交換器および熱交換方法を提供することができる。
なお、本明細書では、加熱源のみならず、吸熱源も含めて「熱源」と呼ぶ場合がある。また、本明細書における「流体」には、加熱または急熱により相変化（例えば、液体から気体への相変化）を伴うものも含まれる。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は温度の異なる２つの物体を直接または間接的に接触させて熱を伝達して一方の物体を加熱あるいは冷却する装置であり、ボイラー、蒸気発生器、食品製造や化学薬品製造、冷蔵保管といった産業用として、冷却工程、加熱工程、冷蔵に使用されている。
熱交換器は、通常、被熱交換物質の特性に応じた構造を備えたものであり、例えば、弗化水素酸、硝酸、硫酸などの腐食性の大きい薬液に対して熱交換を行う薬液用熱交換器としては、耐薬品性のある熱交換器を用いて腐食性の高い強酸、強アルカリなどの流体を加熱および冷却する必要があり、この場合は、酸やアルカリに侵されにくい樹脂材料からなる接触部材料を熱媒体中に浸し熱交換を行う間接加熱が代表的なものである。【０００３】
図１は、代表的な間接熱交換を示した模式図であり、樹脂製管１内を被熱交換流体（酸、アルカリ、水など）が入り口２から出口３へと搬送される間に、熱源５により温度が調整された熱媒体４により樹脂製管１を介して熱交換が行われる。この方法は接触側の樹脂製パイプ１の表面積を増やすこと、例えば、熱媒体４中の管１を長くすることで熱媒体４との接触面積を増加させて熱交換効率を向上させることが出来るが、それにより、熱源で流体を温度調節する装置や容器類を含めてコスト的にも高価な装置となることがある。また、熱媒体を介さないで直接熱源との熱交換をする直接加熱方式の代表的な例を図２に示すと、被熱交換流体に対して耐食性が良好な材質からなり、温度特性に優れた材料からなる管１に熱源５が接触して直接熱交換する。
いずれの方式においても、被熱交換流体あるいは熱交換媒体により搬送管などの装置が腐食されないこと、熱交換工程において被熱交換流体を汚染することがないこと、および熱交換が効率よく行われること、が必要となる。【０００４】
そこで、搬送管が熱交換媒体あるいは被熱交換流体により腐食などの影響がなされないように、搬送管を樹脂やセラミックス類で被覆して保護することが行われている。
例えば、高温ガス雰囲気中に設けられ前記高温ガスから伝熱管内の被加熱流体に熱交換をする熱交換用伝熱管において、被加熱流体が流れる管は耐熱合金からなり、該耐熱合金管の外側を、熱膨張緩衝材を介してセラミックス合金複合材料からなるカバー材で覆う三層構造からなり、前記カバー材を構成するセラミックス合金複合材料はＡｌとＡｌＮを含み、ＡｌＮを１ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下、（Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の合計割合が５０ｗｔ％以上１００ｗｔ％以下である熱交換用伝熱管（特許文献１）が提案されている。【０００５】
弗素樹脂は、各種の薬剤に対して耐食性および耐熱性に優れることが知られているが、例えば、搬送管を弗素樹脂のみで構成すると、弗素樹脂自体が本来熱の不良導体であるために熱交換効率が低く、所定温度に到達するために長時間を要し、また所定温度での温度制御の精度も悪いという欠点を改善するために、弗素樹脂を熱伝導性の良好な金属などの表面に被膜形成する提案が数多くなされてきた。例えば、基体上に弗素樹脂を含有する少なくとも２層の塗膜を有するガス使用設備用部材において、基材上に塗装される最下層膜から最上層膜に従って、各層中弗素樹脂の含有量を順次増大させ、且つ無機充填剤の含有量を順次減少させた塗膜を有する熱交換器などとして用いられるガス使用設備用部材（特許文献２）や、【０００６】
耐食性が優れたアルミニウム合金材および腐食性を有する流体を媒体とする伝熱部に前記アルミニウム合金材を用いたプレートフィン式熱交換器、プレート式熱交換器を提供するものであって、腐食性を有する流体を媒体とする伝熱部を用いたプレートフィン式熱交換器、プレート式熱交換器などに用いるアルミニウム合金材表面に、有機ホスホン酸下地皮膜を有し、更にその上に、乾燥後の膜厚で１〜１００μｍの平均厚みの弗素樹脂塗料皮膜を有して、塗膜密着の耐久性を向上させて、海水などの腐食性を有する流体に対する耐食性が優れるものとすること（特許文献３）が提案されている。
このように、熱伝導の良い金属に樹脂コーティングする方法が一般的にあるが、２種類の材料の熱膨張が異なることから、膨張収縮に対応しがたくコーティング層が剥離することがあり、金属部の腐食および金属類による汚染の原因となる問題が生じることがある。更にこの方法では、樹脂コーティング部のピンホールからの対象流体が浸透し同様の問題が避けられない。【０００７】
また、熱伝導性および耐食性に優れた炭素が採用される場合がある。例えば、熱交換器を用いて伝熱面を変質させることなく、塩素を含む塩化水素水溶液を大量に加熱または冷却し得る方法において、熱交換器の伝熱面が弗素樹脂含浸カーボンで構成されていることを特徴とし、この熱交換器は、ハウジング内に、弗素樹脂含浸カーボンで構成されてなるブロックであって、塩化水素水溶液が流通する塩化水素水溶液流路と、熱媒体が流通する熱媒体流路とが設けられたブロックを配置してなるブロック式熱交換器が提案されている（特許文献４）。
また、接液部が金属で対応可能な被熱交換物質に対してはステンレス鋼からなる熱交換器を使うことが出来る。しかしながら、ステンレス鋼は金属の中でも熱伝導率が低く一定の熱交換能力を得る為には容量の大きい熱源を使用する必要があり本体の大型化および消費電力の増大が要求される問題がある。
このように、高い耐食性を得ると共に熱交換効率を増大させる目的で、種々の材料が熱交換器に用いる試みがなされたが、特に腐食性の高い被熱交換物質に対応できる熱交換効率の高い熱交換技術の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３６７４４０１号公報
【特許文献２】特開２００４-２８３６９９号公報
【特許文献３】特開２００８−１５６７４８号公報
【特許文献４】特開２００６−２８９７９９号公報
【特許文献５】特開平９−２８０７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、被熱交換流体に対する熱交換性能および耐食性が共に高い熱交換器を提供するものである。
従来の熱交換器では被熱交換流体を熱交換する際に流体が接触する部材を熱源、冷媒などの熱媒体に接触させ熱交換する方法が一般的であるが、接触部材の材質は流体の特性に合わせて選択されていた。しかしながら、選択した接触部材の材質が必ずしも熱伝導に優れていると限らず、その場合には、例えば、熱源である電熱ヒーターを多数使用したり、容量の大きい電熱ヒーターを用いることにより熱伝導の低い部材の欠点を補うことが必要となることがあった。そうすると、熱交換でのエネルギー効率は低く、機器も大型となることにしばしば遭遇した。【００１０】
本発明は、被熱交換流体の特性にのみ注目して接触部の材質を選択した場合であっても高効率な熱交換を行えることを特徴とするものであるが、さらに、装置が大がかりにならず、低コストでコンパクトな製品とすることを可能とする。本発明は、熱交換対象流体を選ばず広い分野での応用が可能である高効率熱交換器の提供を目的とする。また、本発明は、被熱交換流体による機器の腐食が無く、また、熱交換された流体が汚染されることがない熱交換器を提供することを目的とするものである。さらに本発明は、腐食性の強い弗酸や塩化水素などの水溶液や気体、水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液の加熱あるいは冷却において熱伝導特性の優れた熱交換器を提供するものである。また、本発明は、被熱交換流体の高純度を維持しながら高効率の熱交換を可能とする熱交換技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は以下に記載の技術的事項から構成される。
［１］熱源と、被熱交換流体に接触する熱伝達構造体と、熱源からの熱を熱伝達構造体に伝熱する伝熱部材を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、熱伝達構造体は、流入口、流出口および被熱交換流体流路を有するボデーと、ボデーに装着される多数の熱伝導体とを備えてなり、被熱交換流体との接触面を構成する被熱交換流体流路の内壁面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、熱伝導体はボデーの材料より熱伝導率の良い材料からなること、熱伝導体は、被熱交換流体流路の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、を特徴とする熱交換器。
［２］多数の熱伝導体が、被熱交換流体流路を挟んで対向配置された複数個の熱伝導体を含む［１］に記載の熱交換器。
［３］伝熱部材が、ボデーを挟む２つの伝熱部材からなり、２つの伝熱部材のそれぞれから１以上の熱伝導体が延出される［１］または［２］に記載の熱交換器。ここで、熱伝導体が延出される態様には、伝熱部材と熱伝導体とが一体的に成形される態様のみならず、伝熱部材に別体の熱伝導体が装着される態様も含まれる。
［４］熱伝導体が、ピン状の構造を有するものである［１］から［３］のいずれかに記載の熱交換器。
［５］多数の熱伝導体の少なくとも一部が、板状の伝熱部材と一体的に形成される［４］に記載の熱交換器。
［６］多数の熱伝導体の少なくとも一部が、ジグザグ構造の外側面を有するものである［４］または［５］に記載の熱交換器。好ましくは、多数の熱伝導体の過半数をジグザグ構造の外側面を有するものとする。
［７］外側面の表面積が、凸部が無い外側面とした場合の１．５〜３倍となるジグザグ構造である［６］に記載の熱交換器。
［８］ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、ネジである［６］または［７］に記載の熱交換器。
［９］ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、頭部がフラットなネジである［８］に記載の熱交換器。【００１２】
［１０］被熱交換流体流路が、複数の屈曲部を有する［１］から［９］のいずれかに記載の熱交換器。
［１１］被熱交換流体流路が、流入口側に方向転換する折り返し屈曲部を有する［１０］に記載の熱交換器。
［１２］流入口に近い側に配置された熱伝導体の少なくとも一部が、流入口から遠い側に配置された熱伝導体と比べ熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体である［１］から［１１］のいずれかに記載の熱交換器。ここで、流入口に近い側とは、例えば、流路の全長のうち流入口から１／２、１／３または１／４をいい、流入口から遠い側も同様である。
［１３］流入口から遠い側と比べ、流入口に近い側では熱伝導体の数が多く、かつ、高密度で配置されている［１］から［１２］のいずれかに記載の熱交換器。
［１４］流出口が、外界と連通する吐出口である［１２］または［１３］に記載の熱交換器。
［１５］［１］から［１３］のいずれかに記載の熱交換器を複数個積層してなる熱交換器。
［１６］被熱交換流体流路の内壁面が、樹脂である［１］から［１５］のいずれかに記載の熱交換器。
［１７］被熱交換流体流路の内壁面が、金属またはカーボンである［１］から［１５］のいずれかに記載の熱交換器。
［１８］多数の熱伝導体が、銅からなる熱伝導体およびアルミからなる熱伝導体を含む［１］から［１７］のいずれかに記載の熱交換器。
［１９］熱源が、加熱源である［１］から［１８］のいずれかに記載の熱交換器。
［２０］熱源が、吸熱源である［１］から［１８］のいずれかに記載の熱交換器。
［２１］［１］から［２０］のいずれかに記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法。【００１３】
［２２］［１２］に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導率が相対的に高い材料からなる熱伝導体を配置し、流入口から遠い側に、流入口から近い側と比べ熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
［２３］［１３］に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導率が相対的に高い材料からなる熱伝導体を配置し、流入口から遠い側に、流入口から近い側と比べ熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
［２４］［１６］に記載の熱交換器を用いて、腐食性を有する流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法。【００１４】
別の観点からは、本発明は以下に記載の技術的事項から構成される。
（１）被熱交換流体の流路と、その流路を流れる被熱交換流体に接触する熱伝達構造体を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、
（ａ）熱伝達構造体は、被熱交換流体との接触面を構成する表面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、
（ｂ）熱伝達構造体には熱伝導体が装着され、その熱伝導体は熱伝達構造体の材料より熱伝導率の良い材料からなること、
（ｃ）熱伝導体は、被熱交換流体との接触面の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、
を特徴とする熱伝達構造体と被熱交換流体が接触する面での熱伝導効率が高められている熱交換器。
（２）熱伝導体がピン状の構造を有するものである上記（１）に記載の熱交換器。ここで、ピン状の構造としては、例えば、円柱形状、多角柱形状が挙げられ、外側面がジグザグ構造であるものも含まれる。
（３）熱伝導体がジグザグ構造の表面を有するものである上記（１）または（２）に記載の熱交換器。
（４）熱伝達構造体の被熱交換流体との接触面がジグザグ構造となっている上記（１）から（３）のいずれかに記載の熱交換器。
（５）被熱交換流体の流路が、被熱交換流体を乱流化して熱伝達率の効率化を図る折り返し構造となっている上記（１）から（４）のいずれかに記載の熱交換器。
（６）流路が、口径および／または全長を変更可能に構成されている上記（１）から（５）のいずれかに記載の熱交換器。
（７）被熱交換流体が、気体または液体である上記（１）から（６）のいずれかに記載の熱交換器。
（８）熱伝達構造体の材料が、樹脂または金属である上記（１）から（７）のいずれかに記載の熱交換器。
（９）熱伝導体が、熱伝達構造体の材料より熱伝導率の良い金属である上記（１）から（８）のいずれかに記載の熱交換器。【００１５】
（１０）被熱交換流体に熱伝達構造体を接触させて、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をおこなう熱交換方法において、
（ａ）熱伝達構造体は、被熱交換流体との接触面を構成する表面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、
（ｂ）熱伝達構造体には熱伝導体が装着され、その熱伝導体は熱伝達構造体の材料より熱伝導率の良い材料からなること、
（ｃ）熱伝導体は、被熱交換流体との接触面の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、
により熱伝達構造体と被熱交換流体が接触する面での熱伝導効率が高めていることを特徴とする熱交換方法。
（１１）熱伝導体がピン状の構造を有するものである上記（１０）に記載の熱交換方法。
（１２）熱伝導体がジグザグ構造の表面を有するものである上記（１０）または（１１）に記載の熱交換方法。
（１３）熱伝達構造体の被熱交換流体との接触面がジグザグ構造となっている上記（１０）から（１２）のいずれかに記載の熱交換方法。
（１４）被熱交換流体の流路が、被熱交換流体を乱流化して熱伝達率の効率化を図る折り返し構造となっている上記（１０）から（１３）のいずれかに記載の熱交換方法。
（１５）流路が、口径および／または全長を変更可能に構成されている上記（１０）から（１４）のいずれかに記載の熱交換方法。
（１６）被熱交換流体が、気体または液体である上記（１０）から（１５）のいずれかに記載の熱交換方法。
（１７）熱伝達構造体の材料が、樹脂または金属である上記（１０）から（１６）のいずれかに記載の熱交換方法。
（１８）熱伝導体が、熱伝達構造体の材料より熱伝導率の良い金属である上記（１０）から（１７）のいずれかに記載の熱交換方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により以下に記載の効果が奏される。
酸、アルカリ類は金属に対して激しく反応するため、その接触部に金属を使用することは出来ない。そこで、従来は、接触部に樹脂を用いた熱交換器が用いられていたが、熱伝導率が低いために熱効率が悪く、装置としての構成も大きく複雑となっていた。本発明により高い熱交換効率でコンパクトな構造の熱交換器を提供でき、また、熱交換器と酸やアルカリなどの被熱交換流体との反応は回避されるので、高純度の酸、アルカリなどの温度調整が微量成分により汚染されることなく可能となる。また、高純度水などの酸、アルカリ以外の物質に対しても液状、ガス状などその形態にかかわらず適用が可能である。
さらに、本発明は、流体力学と熱力学を駆使し、直接加熱方式を採用することにより、被熱交換流体との接触部をすべて樹脂製とした場合においても、省電力で省スペース、変換効率の良い熱交換技術を提供することができる。
また、被加熱流体との接触部をメタルフリーとして直接熱交換を行う構成でも、８０％以上の熱交換能力を実現したことからも、従来の技術から抜きん出た性能を有する熱交換器の提供を本発明は可能にしたといえる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の代表的間接加熱による熱交換を示す概略図である。
【図２】従来の代表的な直接加熱による熱交換を示す概略図である。
【図３】複数の独立した熱伝導体を用いた伝熱型熱交換器の一例を示す概略断面図である。
【図４】複数の熱伝導体が、伝熱プレートと一体にされている伝熱型熱交換器の一例を示す概略断面図である。
【図５】ジグザグな表面構造を有している熱伝導体を用いた伝熱型熱交換器の一例を示す概略断面図である。
【図６】被熱交換流体の流路がジグザグな形状をなしている伝熱型熱交換器の一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の具体例１に係る熱交換器の断面構造を示す図であり、図７-１は縦面（垂直方向）、図７-２は平面（水平方向）での断面を示す。
【図８】熱交換能力を試験した装置の配置を示す図である。
【図９】サーモグラフィーによる温度分布の確認をした図面であり、濃い部分には熱伝導体が設置されて温度が周囲より上昇していることを示す。
【図１０】試験結果の出口ガス温度と設定温度の測定値の関係を示す図である。
【図１１】本発明の樹脂を介した熱交換と金属面を介した熱交換の熱交換能力を対比した図である。
【図１２】被熱交換流体の流路のジグザグ構造を説明する模式断面図であり、（ａ）は表面積を２倍とする場合を説明する図であり、（ｂ）はピッチ深さの調節を説明する図である。
【図１３】熱伝導体の配置バリエーションを示す概略断面図である。（ａ）は、被熱交換流体流路を挟む２本の熱伝導体を上方から延出した配置例である。（ｂ）は、被熱交換流体流路を挟む２本の熱伝導体を上方および下方から延出した配置例である。（ｃ）は、被熱交換流体流路を挟む４本の熱伝導体を上方および下方から延出した配置例である。（ｄ）は、（ａ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｅ）は、（ｂ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｆ）は、（ｃ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。
【図１４】図１３において、伝熱プレートと複数の熱伝導体とを一体に成形した構成例である。（ａ）は、被熱交換流体流路を挟む２本の熱伝導体を上方から延出した配置例である。（ｂ）は、被熱交換流体流路を挟む２本の熱伝導体を上方および下方から延出した配置例である。（ｃ）は、被熱交換流体流路を挟む４本の熱伝導体を上方および下方から延出した配置例である。（ｄ）は、（ａ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｅ）は、（ｂ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｆ）は、（ｃ）の熱伝導体の配置例において、熱伝導体の外側面をジグザグ構造とした構成例である。
【図１５】異なる材質の熱伝導体を配置した場合の温度分布を説明する図であり、（ａ）は同一種類の熱伝導体を配置した場合の平面図と温度分布図であり、（ｂ）は異なる材質の熱伝導体を装着した場合の平面図と温度分布図である。
【図１６】上流側と下流側とで異なる密度で熱伝導体を配置した熱交換器の平面図である。
【図１７】本発明のシャワーヘッド付き熱交換器の断面構造を示す図であり、（ａ）は平面（水平方向）、（ｂ）は縦面（垂直方向）での断面を示す。
【図１８】図７に示す熱交換器を積層して多段構成の熱交換器とした場合の側面図である。
【図１９】本発明の具体例２に係る温調供給装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、被熱交換流体が通過する通路と、その通路を通過する被熱交換流体に接触する熱伝達構造体を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、
（１）熱伝達構造体は、被熱交換流体との接触面を構成する表面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、
（２）熱伝達構造体には熱伝導体が装着され、その熱伝導体は熱伝達構造体の材料より熱伝導率の良い材料からなること、
（３）熱伝導体は、被熱交換流体との接触面の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、
を特徴とする熱伝達構造体と被熱交換流体が接触する面での熱伝導効率が高められている熱交換器および熱交換方法に関するものである。
本発明は、被熱交換流体と影響し合わない材質（材料）からなる熱伝達構造体には、熱伝達構造体（特に被熱交換流体と接触する部分）の材料より熱伝導率の良い材料からなる熱伝導体を流体と接触しない位置に装着し、熱伝達用構造体を加熱または冷却することで、被熱交換流体に熱源からの熱を伝達させることにより流体を効率よく加熱、冷却することを可能としたものである。
【００１９】
一般に、熱交換器により加熱あるいは冷却する被熱交換流体には様々な特性を有する液体や気体が対象とされている。例えば、酸またはアルカリの水溶液が化学反応あるいはエッチング処理などに使用されるが、これらは金属に対して激しく反応するため、酸やアルカリとの接触部には金属を使用することが出来ないことが多い。こうした反応性のある被熱交換流体の熱交換に使用される熱交換器には樹脂を用いた製品があるが、樹脂は熱伝導率が低いために熱交換の効率は悪く、必要とされる電力も大きくなりその形状構造も大きく複雑となることが多い。
本発明の熱交換器は、直接加熱方式を採用し、被熱交換流体との接触面を構成する表面は被熱交換流体に対して安定な材質からなるものであれば制限はなく、例えば接触部はすべて樹脂にもかかわらず省電力で省スペース、熱効率が８０％以上の効率の良い熱交換を提供することを可能とする。
【００２０】
［被熱交換流体］
本発明での被熱交換流体としては特に限定されるものではないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、クロム酸、リン酸、弗酸、酢酸、過塩素酸、臭化水素酸、弗化珪酸、ホウ酸などの腐食性を有する酸類、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ類、および塩素化珪素などの金属塩類などの溶液または気体、さらには高純度水を挙げることが出来る。これらの被熱交換流体は、他の物質との反応原料として、またはエッチング液などの反応工程に使用される薬液として使用されるものであり熱交換器によって適度な温度に制御されて目的に使用される。本発明の熱交換器は、これらの被熱交換流体を高効率で、微量不純物の汚染がない状態で加熱、冷却または温度制御することが出来る。
【００２１】
［熱伝達構造体］
本発明の熱伝達構造体は、被熱交換流体との接触面となる表面と熱伝導体を有する。被熱交換流体と接触する熱伝達構造体の接触面は、被熱交換流体に対して安定な材質からなる。すなわち、熱交換が行われる温度領域において、熱伝達構造体の表面と被熱交換流体が反応することがない材質あるいは表面から熱伝達構造体の成分が溶出しない材質が選択される。被熱交換流体の反応性（腐食性）は、熱伝達構造体の表面の材質および接触温度などにより異なり、また、被熱交換流体の用途、性状によっても熱交換後の純度の許容範囲が異なるため一概に特定することはできない。例えば、半導体装置の製造に使用される金属ハロゲン化物やエッチング剤では高純度の物質が使用されるため、熱交換処理による純度の低下は許されない。しかし、タービン用の熱交換器であれば熱交換処理による被熱交換流体の純度の変化は問題とされない場合が多い。
【００２２】
被熱交換流体と接触する熱伝達構造体の表面となる部材の材質（材料）としては、鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属類、弗素樹脂、ポリエステルなどの合成樹脂類、セラミックス類などから適宜選択して使用されるが、腐食性の強い酸類を熱交換する場合には弗素樹脂が好ましい。弗素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、弗化ポリプロピレン（ＦＬＰＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）などを例示することが出来る。
【００２３】
本発明の熱交換器の熱伝達構造体は内部に熱伝導体を備え、熱伝導体は熱伝達構造体（特に被熱交換流体と接触する部分）の材料より熱伝導率の良い材料からなるとともに、被熱交換流体との接触面（被熱交換流体流路）の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されている。
熱伝達構造体について図３を参照しながらその一例についてその構造を説明する。図３の熱交換器１０１は、ボデー６１を有する熱伝達構造体６、熱伝導体６２、熱源となるヒータープレート５１、伝熱プレート５２ａ、５２ｂ、および被熱交換流体流路７を備え、ヒータープレート５１からの熱は伝熱プレート５２ａ、５２ｂを介して熱伝達構造体６（ボデー６１および熱伝導体６２）に拡散する。拡散した熱によりボデー６１および熱伝導体６２は加熱されると同時に熱は接触面６３を通して流路７を通過する被熱交換流体を加熱する。図３中の点線矢印は、ボデー６１から熱が伝達する様子を示している。熱伝導体６２はボデー６１の材料より熱伝導率が良いため、ボデー６１よりも早く温度が上昇して被熱交換流体への熱交換を効率よく行うことが出来る。熱伝導体６２はボデー６１に埋め込まれて伝熱プレート５２ａまたはヒータープレート５１と接触している。熱伝導体６２と流路７はできるだけ接近していることが効率的な熱交換をするには好ましい。流路７の内壁面は、メンテナンス性の観点からは凹凸の無い平面あるいは曲面とすることが好ましいが、熱交換能力を高めるとの観点からはジグザグ構造とすることが好ましい。
【００２４】
図３に示すように、円柱状の熱伝導体６２は個別に、ボデー６１に備えられた孔に挿入することにより設置することが出来る。また、図４に示すように、伝熱プレート５２と複数の熱伝導体６２が一体に成形され、ボデー６１に設けた孔に熱伝導体６２を挿入することにより設置される。熱伝導体６２の設置位置および設置数は熱交換の効率などを考慮して決定される。また、熱伝導体６２の表面積を大きくすることにより熱伝導体６２からの熱の拡散を均一にまた効率的に行うことが出来る。表面積を拡大するには図５に示すように熱伝導体６２の外側面をジグザグ構造にすることが好ましい。別の言い方をすれば、熱伝導体６２の外面の長手方向に環状の山が連続する構造（すなわち、山と谷が交互に連続する構造）にすることが好ましい。ここにいう環状の山が連続する構造には、ネジの山と溝のようにらせん状に山および溝が形成される場合も含まれる。より好ましくは、熱伝導体６２の外側面の表面積が、山（凸部）が無い同径の円柱体の外側面の表面積の例えば１．５〜３倍となるようにジグザグ構造を形成する。ジグザグ構造の熱伝導体６２の設置は、ボデー６１が樹脂製である時は樹脂の硬化前の柔らかい状態の時に設置した後硬化させるか、樹脂の硬化後にドリルなどで穴をあけてジグザグ構造の熱伝導体をねじ込むなどにより行うことが出来る。ボデー６１を金属とする場合は穴あけ加工が主となる。
【００２５】
図１３は、熱伝導体６２の配置バリエーションを示す概略断面図である。
（ａ）は、被熱交換流体流路７を挟む２本の熱伝導体６２を上方から延出した配置例である。（ｂ）は、被熱交換流体流路７を挟む２本の熱伝導体６２を上方および下方から延出した配置例である。（ｃ）は、被熱交換流体流路７を挟む４本の熱伝導体６２を上方および下方から延出した配置例である。（ｄ）は、（ａ）の熱伝導体６２の配置例において、熱伝導体６２の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｅ）は、（ｂ）の熱伝導体６２の配置例において、熱伝導体６２の外側面をジグザグ構造とした構成例である。（ｆ）は、（ｃ）の熱伝導体６２の配置例において、熱伝導体６２の外側面をジグザグ構造とした構成例である。図１３（ａ）〜（ｆ）のいずれの構成においても、被熱交換流体流路７を挟んで複数本の熱伝導体６２が対向配置されている。
【００２６】
図１３（ａ）〜（ｆ）のいずれの構成においても、ヒータープレート５１ａおよび５１ｂと、伝熱プレート５２ａおよび５２ｂと、ボデー６１と、被熱交換流体流路７とを備えている。これらの要素は、ヒータープレートが２枚である点を除き、図３および図５の熱交換器１０１と同様の構成であるので説明を割愛する。なお、図１３（ａ）および（ｄ）においては、下方のヒータープレート５１ｂを設けなくともよい。
【００２７】
図１４は、図１３において、伝熱プレート５２と複数の熱伝導体６２とを一体に成形した構成例である。図１４（ａ）〜（ｆ）のいずれの構成においても、被熱交換流体流路７を挟んで複数本の熱伝導体６２が対向配置されている。伝熱プレート５２と複数の熱伝導体６２とを一体に成形された点を除いては、図４および図１３と同様の構成であるので説明を割愛する。
【００２８】
図１５は、異なる材質の熱伝導体を配置した場合の温度分布を説明する図であり、（ａ）は同一種類の熱伝導体６２を配置した場合の平面図と温度分布図であり、（ｂ）は異なる材質の熱伝導体６２を装着した場合の平面図と温度分布図である。
図１５（ａ）および図１５（ｂ）のいずれの熱交換器１０４においても、伝熱プレート５２およびボデー６１（図示せず）に熱伝導体６２を挿入するための１３５個の取付孔が略等間隔に設けられている。各熱伝導体６２は、伝熱プレート５２およびボデー６１の取付孔に着脱自在に装着される。例えば、各熱伝導体６２を頭部がフラットなネジにより構成し、取付孔に螺合して装着してもよい。多数個の熱伝導体６２を、複数の材質からなる熱伝導体６２を組み合わせて構成してもよい。複数の材質からなる熱伝導体６２を組み合わせることで、流路７の上流側と下流側で生じる温度分布ムラを解消することが可能である。また、高価な材質からなる熱伝導体６２を必要な場所にのみ配置し、他の場所には廉価な材質からなる熱伝導体６２を配置することで、製造コストを低減させることが可能である。
【００２９】
図１５（ａ）では、全ての熱伝導体６２をアルミ製ピンにより構成し、図１５（ｂ）では、左から５列目までの熱伝導体６２をアルミ製のピンにより構成し、左から６列目以降の熱伝導体６２を銅製ピンにより構成している。すなわち、図１５（ａ）では熱伝導体６２として１３５本のアルミ製ピンを装着しているのに対し、図１５（ｂ）では熱伝導体６２の上流側に４５本の銅製ピンを装着し、下流側にアルミ製ピンを装着している。
図１５（ａ）および図１５（ｂ）の右図は、温度分布イメージを示す図である。図１５（ａ）では左側半分が相対的に低温であり、右側半分が相対的に高温であるのに対し、図１５（ｂ）では温度分布ムラが一応は解消されている。このように、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体６２を上流側に配置し、熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体６２を下流側に配置することで、上流側と下流側の温度分布ムラを低減することが可能である。そして、温度分布ムラを低減させることにより、ボデー、伝熱プレート等の歪みを抑えることができ、また、ヒーター寿命の短命化を防ぐことができる。さらには、流入口通過時の温度と流出口通過時の温度差（ΔＴ）が大きくなると熱変性が生じる流体では、ΔＴが大きくならないように出力を下げて加熱を行うことが従来は必要であったが、温度分布ムラを低減した本発明の熱交換器によれば、高効率な熱交換を行うことが可能となる。
【００３０】
図１６は、上流側と下流側とで異なる密度で熱伝導体６２を配置した熱交換器１０４の平面図である。この熱交換器１０４は、全ての熱伝導体６２をアルミ製ピンにより構成しており、伝熱プレート５２、ボディー６１等の構成は、図１５の熱交換器１０４と同様である。図１６では、左から５列目までは上下方向に９個の熱伝導体６２を配置し、左から６〜１５列目は上下方向に４個または５個の熱伝導体６２を配置している。このように、上流側は高密度に熱伝導体６２を配置し、下流側は低密度に熱伝導体６２を配置することによっても、上流側と下流側の温度分布ムラを低減することが可能である。なお、図１６の熱交換器１０４において、熱伝導率の異なる材料からなる熱伝導体６２を上流側と下流側に配置して、上流側と下流側の温度分布ムラをより細かく調節するようにしてもよい。
【００３１】
図１７は、シャワーヘッド付き熱交換器１０５の断面構造を示す図であり、（ａ）は平面（水平方向）、（ｂ）は縦面（垂直方向）での断面を示す。シャワーヘッド付き熱交換器１０５は、ヒータープレート５１と、伝熱プレート５２と、多数の熱伝導体６２と、被熱交換流体流路７を有するボデー６１とを備えてなり、ボデー６１に流路７と連通する多数の吐出口７５が形成されている。シャワーヘッド付き熱交換器１０５は、２つの流入口８３ａ、８３ｂを有しており、流入口から流路７に被熱交換流体７３は、加熱されて吐出口７５から吐出される。すなわち、シャワーヘッド付き熱交換器１０５では、外界と連通する吐出口７５が流出口となる。
多数の熱伝導体６２は、図１５（ｂ）と同様に、流入口８３ａ、８３ｂに近い上流側に配置された銅製のピン状部材と下流側に配置されたアルミ製のピン状部材からなり、流路７の全長にわたる温度分布ムラが最小限となるように構成されている。別の言い方をすれば、左右両辺に近い側は主として銅製のピン状部材が配置され、中央部分には主としてアルミ製のピン状部材が配置されている。また、流路７には、多数の屈曲部７１が設けられており、この屈曲部７１において被熱交換流体が流路壁に衝突して乱流が発生することで、加熱の不均一が解消されるようになっている。従って、多数の吐出口７５のそれぞれから、実質的に同じ温度の流体が吐出される。なお、シャワーヘッド付き熱交換器１０５は、主としてガスを吐出するガスシャワーに用いられるが、液体を吐出する場合もある。
シャワーヘッド付き熱交換器１０５は、その上段に一又は複数のシャワーヘッド無し熱交換器を配置し、熱交換器１０５の２つの流入口と上段の熱交換器の流出口を分岐配管で接続することにより多段構成としてもよい（後述の図１８参照）。
【００３２】
図６は、本発明を具現化した円筒状熱交換器１０２の要部断面図である。円筒型の熱源５の内面には、熱伝導体６２とボデー６１からなる熱伝達構造体６が設置され、熱伝導体６２はジグザグ形状をした面を流路側に、平坦な面を熱源５に接し、ボデー６１は熱伝導体６２の表面を覆うと共に流路７を形成して被熱交換流体と接する。ここで、ボデー６１は熱伝導体６２の表面に形成された薄膜とすることが好ましく、また、被熱交換流体と接する面は熱伝導体６２と同様のジグザグ形状となすことが好ましい。接触表面積を増したジグザグ形状にすることにより表面での熱交換効率が向上する。
【００３３】
図１２は、被熱交換流体の流路のジグザグ構造を説明する模式断面図であり、（ａ）は表面積を２倍とする場合を説明する図であり、（ｂ）はピッチ深さの調節を説明する図である。
図１２（ａ）は、被熱交換流体７３と接触する熱伝達構造体６の内側面を、その断面が１辺２ｍｍの正三角形が連続するようなジグザグ構造とした例である。すなわち、熱伝達構造体６の内側面は、その長手方向に環状の山が連続する構造となっている。このジグザグ構造によれば、熱伝達構造体６の内側面の表面積が、ジグザグ構造の無いフラットな内側面の２倍となるので、熱交換効率を倍増させることが可能である。熱伝達構造体６のジグザグ構造は図１２に示すものに限定されず、熱伝達構造体６の内側面の表面積が例えば１．５〜３倍となるようにジグザグ構造を形成することが開示される。
【００３４】
熱伝達構造体６の内側面の表面積を増やすほど熱交換効率が向上するが、被熱交換流体７３の流量、粘性などの性質によっては、やみくもに表面積を増やすことが好ましく無い場合もある。図１２（ｂ）の左図は、熱伝達構造体６の内側面と流体７３との間に空隙７４ができた状態を示している。この状態では、熱伝達構造体６の内側面と流体７３とに非接触部分ができるので、熱交換効率は低下する。従って、このような空隙７４による非接触部分の発生が見込まれる場合には、ジグザグ構造のピッチ（溝）を大きくすることで、非接触部分が生じないように調節することが必要となる。円筒状熱交換器１０２を着脱自在に構成し、ピッチの異なる複数の円筒状熱交換器１０２を準備するようにしてもよい。
【００３５】
［熱伝導体の材質と被熱交換流体との距離］
熱伝導体６２はボデー６１よりも熱伝導率の良い材質物質が用いられるが、熱伝導率が良いとは、両者の材質の値の相対的な対比であり、絶対的な値が特定されるものではない。例えば、熱伝導率は、プラスチックで約０．２Ｗ／ｍ・Ｋであり、弗素樹脂約０．２５、炭素鋼約４７、ステンレス鋼約１５、アルミニウム２３７、純銅３８６、パイレックスガラス（PYREX：登録商標）約１、の値を通常示す。これらの中から材質を相対的な熱伝導率を考慮して選択すればよく、弗素樹脂はこれらの中では低い値であるから、弗素樹脂をボデー６１とする場合はいずれの材質のものを熱伝導体としても熱効率は向上することとなる。また、熱伝達構造体６（ボデー６１）の材料が金属である場合、例えばステンレス鋼をボデーとする場合は、熱伝導体が、熱伝達構造体６（ボデー６１）の材料より熱伝導率の良い金属、例えば炭素鋼、アルミニウム、純銅を熱伝導体として選択することが可能である。ただし、熱伝導体の材質（材料）は熱伝導率が高いほど好ましい。
【００３６】
例えば、被熱交換流体と熱伝達構造体６の接触面６３を弗素樹脂のコーティングとなしボデー６１をステンレス鋼とする熱交換器が知られているが、８ｍｍ厚のステンレス鋼と弗素樹脂による耐食被覆を施した板の総括伝熱係数を測定した例では、ステンレスのみでは１０７０Ｗ／ｍ２・Ｋであるのに対し、５００μｍの耐食被覆を設けると同係数は２９１となり伝熱量が１／３となる結果が得られている。また、５０μｍの耐食被覆を設ける場合は８４５の伝熱係数となることが報告されている。
したがって、熱伝導体と被熱交換流体との距離はできるだけ近いほうが好ましい。
【００３７】
［熱交換器の具体例１］
本発明の具体例１に係る熱交換器の構造を具体的に示す。図７に示す熱交換器１０３は、１５０ｍｍ×１９５ｍｍ×高さ３４ｍｍの直方体からなり、被熱交換流体が入口コネクター（流入口）８１から入り出口コネクター（流出口）８２から流出するまでに多くの屈曲点（屈曲部）７１、７２を有する被熱交換流体の流路７を通過することにより熱交換される。流路７は弗素樹脂からなるブロックからなるボデー６１に溝状の空間を形成することにより設けられている。流路７の両側には６００μｍの間隔を置いて熱伝導体６２が１７２本設置されている。熱伝導体６２は直径３ｍｍ、長さ１８ｍｍ銅製の十字孔付き皿小ネジ（頭部がフラットなネジ）からなり熱伝達構造体のボデー６１に設けられた孔に伝熱プレート５２ａを通してネジ止めされている。このネジは上面が平らとなっているため、伝熱プレート５２ａの上面を面一にできる。溝が形成されるネジの胴部は、先細りしない同径の円柱状であることが好ましい。熱伝導体６２に規格ネジを用いることで、熱交換器の製造コストを著しく低減させることが可能である。例えば、ＪＩＳ規格のネジであるＭ３×２０ｍ  ピッチ０．５ｍｍ（銅）、Ｍ４×１２ｍｍ  ピッチ０．７ｍｍ（アルミ）を使用することが開示される。
【００３８】
図示しない熱源は、伝熱プレート５２ａの少なくとも熱伝導体６２が設けられている領域と接触するように設けられている。熱源は、伝熱プレート５２ａおよび５２ｂの両面と接触するように設けることが好ましい。この熱源としては、例えば、ヒーター容量１６００Ｗのニクロム線を熱源とするステンレス製プレート、ヒーター容量４０００Ｗのニッケル合金を熱源とするマイカ製プレートが例示される。熱源の露出する面は断熱材で覆うことが好ましく、より好ましくは熱交換器１０３の最も外側の面の全面を断熱材で覆うようにする。
伝熱プレート５２ｂは、伝熱プレート５２ａと物理的に連結されており、熱源からの熱は伝熱プレート５２ａ、５２ｂを介して熱伝導体６２およびボデー６１に伝達される。図７の構成例では、伝熱プレート５２ａを上面、伝熱プレート５２ｂを底面とし、これらを連結する枠体からなる中空の直方体構造としている。伝熱プレート５２ａ、５２ｂ（および枠体）は、熱伝導体６２と同じ材料で構成してもよいし、熱伝導体６２よりも熱伝導率の良い材料で構成してもよい。
【００３９】
熱伝導体６２と流路７（被熱交換流体）との間隔は６００μｍと接近しているため熱伝導は良好である。被熱交換流体が通過する流路７は幅６ｍｍ、深さ２０ｍｍ、長さ１７９５ｍｍあり、途中で何回もの屈曲点（屈曲部）を有している。この屈曲部を増やすためには、流路の進行方向を１８０度転回する屈曲部を設けるのみならず、流路の進行方向を折り返し転回する屈曲部をも設けることが好ましい。すなわち、図７の構成例では、流路の進行方向を流入口側（ＩＮ方向）に９０度転回する折り返し屈曲部７２を設け、ＡおよびＢの２つの流路系統を構成することで、屈曲部を増やすようにしている。この流路系統は、図７の２つに限定されず、３つ以上としてもよい。この屈曲点（屈曲部）において、流路を流れる被熱交換流体は流路壁に衝突して乱流を形成することとなるため、流路壁（接触面）での熱交換が効率的となる。また、平行して配置された２本の流路７の間には、複数本の熱伝導体を設けることが好ましい。ここで、２本の平行する流路とは、例えば、図７で符号７，７が付された２本の流路のような配置関係にあるもののことを指す。別の観点からは、略等間隔に配置された熱伝導体６２の隙間を縫うように流路７が蛇行するように設けることが好ましい。
【００４０】
図７に示した本発明の熱交換器１０３をコネクター８１，８２で複数結合することにより熱交換効率を向上させることが出来る。また、熱伝導体６２の設置位置、設置層数については熱交換の効率を実際に検討しながら設けることが可能であり、被熱交換流体の温度が規定よりも低すぎる箇所には、該当するボデー６１に熱伝導体６２の設置用孔を新たに設けて熱伝導体６２を設置できるように加工することが出来る。
【００４１】
図１８は、図７に示す熱交換器１０３を積層して多段構成の熱交換器とした場合の側面図である。上段となる熱交換器１０３の入口コネクター８１と下段となる出口コネクター８２とを配管８３ａ〜８３ｃにより接続することにより、多段構成とすることが可能である。図１８の例では４段構成としているがこの構成に限定されず、２段以上であれば任意の段数とすることが可能である。このように熱交換器を多段構成とした場合、最下層以外の熱交換器では、流路７が上方にある熱源のみならず下方にある熱源からも加熱されることとなる。すなわち、図１８の例では、伝熱プレート５２ｂが、その下方にある熱源（ヒータープレート）からも加熱されることとなる。多段構成とする場合、積層面となる面は断熱材で覆わず、下の段にある熱源と上の段にある伝熱プレートが直接接するようにする。
このように、本発明の熱交換器では、多段構成とすることで、流路の長さを容易に延長することが可能である。また、本発明の熱交換器では、被熱交換流体の流量にあわせて内部構造は変更することなく、流路の口径寸法および全長を変更することで大流量から小流量までの対応を可能としている。
例えば、窒素ガス換算で１０Ｌ／分以下の流量を熱変換する場合はボデー寸法を１/２のサイズにしても８０％以上の熱交換性能が得られる。５０Ｌ／分以上の流量を熱交換する場合はボデー寸法を大きくする事で対応が可能である。
【００４２】
［熱交換器の具体例２］
図１９は、本発明の具体例２に係る温調供給装置１１０の構成図である。この温調供給装置１１０は、冷却用熱交換器１０６と、冷却装置１１１と、配管１１２ａ、１１２ｂおよび１１３ａ、１１３ｂとを備えて構成される。
冷却用熱交換器１０６は、熱伝達構造体６と、クーラープレート５４ａ、５４ｂとを備えて構成される。熱伝達構造体６は、熱交換器１０１〜１０４と同じものを用いることができる。クーラープレート５４ａ、５４ｂは、いずれもその内部に冷媒が循環する流路が張り巡られている。冷媒は、例えば、不凍液、ガス冷媒を用いる。冷却装置１１１により冷却された冷媒は配管１１２ａを通って冷却用熱交換器１０６に供給され、冷却用熱交換器１０６を通過する際に熱を吸収し、配管１１２ｂを通って冷却装置１１１に戻り、再び配管１１２ａを通って冷却用熱交換器１０６に供給される。冷却用熱交換器１０６には配管１１３ａから被熱交換流体７３（例えば、純水）が供給され、冷却用熱交換器１０６を通過する際に冷却され、配管１１３ｂから排出される。
【００４３】
以下に、本発明の具体例を実施例として記載するが、これらの実施例は具体例を示すものであるからこれらにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００４４】
上記の熱交換器の具体例で記載した図７の熱交換器１０３と同じ構成の熱交換器１２を用いて、本発明により熱交換効率が向上することを実証した。
試験は、図８に示す装置の配置により行った。流量制御器１０によりその流量が制御された空気９をバブリング装置１１において水を含ませ、次いで熱交換器１２を通過させた。熱交換器１２には電熱パネル温度制御装置１３、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）内部温度計測器１４、出口ガス温度計測器１５が配置されて熱交換を監視した。さらに、ボデー６１表面の温度分布をサーモグラフィーにより計測した。サーモグラフィーによる計測結果を図９に示す。図面で色の濃い部分が温度の高い部分であり、温度の高い部分は熱伝導体６２の設置個所と一致することが確認された。また、熱交換器全体の温度分布には偏りはなく均一な加熱が行えることがわかった。
【実施例２】
【００４５】
本実施例では、実施例１と同じ装置を使用して、設定温度４０〜１６０℃、流量１０〜５０Ｌ／分の広い範囲で試験して出口温度を測定した。その結果を図１０に示す。設定温度、流量が広い範囲で熱変換率が８０％以上であることが判明した。本発明の熱交換器は同じ装置で広範囲の流量に柔軟に対応することが可能であることが判明した。
【実施例３】
【００４６】
本実施例では、実施例１で使用した電熱パネルを使用して、被熱交換流体との熱伝達が樹脂を介する本発明熱交換器とステンレス鋼を介する従来の熱交換器との性能を対比した。本発明では、実施例１と同様に、加湿空気を熱交換した。他方、従来の熱交換器では乾燥窒素を熱交換した。その結果を図１１に示す。メタル３０Ｌはステンレス鋼を使用した熱交換器の測定結果、樹脂３０Ｌは本発明の熱交換器の測定結果である。図１１から、本発明の熱交換器では接触部分が樹脂製であるにもかかわらず、従来のステンレス鋼製の製品と同等の性能を示すことが認められた。
また、本発明の熱交換器ではＨ２０のミストに対して試験されたものであり、従来品では乾燥窒素を対象としたものである。水のミストを含む空気は水の潜熱にあたる熱を必要とするから本発明が図面１１で示された以上に高性能であることが窺える。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の熱交換器は、熱交換性に優れると共に被熱交換流体による熱交換器の腐食および腐食に伴う被熱交換流体の汚染を防止することを可能とするものであり、腐食性の薬剤および高純度物質の純度を低下させることなく熱交換により加熱、冷却および温度制御を効率よく実行することが出来る。例えば、高純度の物質を取り扱う半導体製造のプロセスに使用する薬品類の加熱、冷却に有用である。本発明の熱交換器および熱交換方法は、化学、医薬品、食品、繊維、電力、原子力産業等、製品の純度を耐食性が要求される加熱・蒸発装置、冷却・凝縮装置などの高効率の熱交換器として幅広い利用が可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１：樹脂製の管
２：加熱対象物入口
３：加熱対象物出口
４：熱媒体
５：熱源
５１：ヒータープレート
５２：伝熱プレート（伝熱部材）
５３：断熱材
５４：クーラープレート
６：熱伝達構造体
６１：ボデー
６２：熱伝導体
６３：接触面
７：被熱交換流体流路
７１：被熱交換流体流路の屈曲部
７２：被熱交換流体流路の折り返し屈曲部
７３：被熱交換流体
７４：空隙
７５：吐出口
８：コネクター
８１：入口コネクター（流入口）
８２：出口コネクター（流出口）
８３：配管
９：空気
１０：流量制御機器
１１：空気の水中へのバブリング装置
１２：熱交換器
１３：電熱パネル温度制御・計測装置
１４：内部温度計測装置
１５：出口ガス温度計測装置
１０１〜１０４：熱交換器
１０５：シャワーヘッド付き熱交換器
１０６：冷却用熱交換器
１１０：温調供給装置
１１１：冷却装置
１１２〜１１３：配管
【図１】
2013180047.tif 000003
【図２】
2013180047.tif 000004
【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】
2013180047.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013180047.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2013180047.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月19日(2013.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、被熱交換流体に接触する熱伝達構造体と、熱源からの熱を熱伝達構造体に伝熱する伝熱部材を具備し、被熱交換流体と熱伝達構造体との接触面を通して伝熱型熱交換をなす熱交換器において、
熱伝達構造体は、流入口、流出口および被熱交換流体流路を有するボデーと、ボデーに装着される多数の熱伝導体とを備えてなり、
被熱交換流体との接触面を構成する被熱交換流体流路の内壁面は被熱交換流体に対して安定な材質からなること、
熱伝導体はボデーの材料より熱伝導率の良い材料からなること、
熱伝導体はピン状の構造を有し、被熱交換流体流路の近傍であって被熱交換流体には接触しない位置に装着されていること、
を特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記多数の熱伝導体が、被熱交換流体流路を挟んで対向配置された複数個の熱伝導体を含む請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記伝熱部材が、ボデーを挟む２つの伝熱部材からなり、２つの伝熱部材のそれぞれから１以上の熱伝導体が延出される請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記多数の熱伝導体の少なくとも一部が、板状の伝熱部材と一体的に形成される請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記多数の熱伝導体の少なくとも一部が、ジグザグ構造の外側面を有するものである請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記ジグザグ構造の外側面の表面積が、凸部が無い外側面とした場合の１．５〜３倍となるジグザグ構造である請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、ネジである請求項５または６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記ジグザグ構造の外側面を有する熱伝導体が、頭部がフラットなネジであり、熱伝導体および伝熱部材の上面が板状の熱源と面で接触する請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記被熱交換流体流路が、複数の屈曲部を有する請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記流入口に近い側に配置された熱伝導体の少なくとも一部が、流入口から遠い側に配置された熱伝導体と比べ熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記流入口から遠い側と比べ、流入口に近い側では熱伝導体の数が多く、かつ、高密度で配置されている請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記流出口が、外界と連通する吐出口である請求項１０または１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
請求項１または２に記載の熱交換器を複数個積層してなる熱交換器。
【請求項１４】
前記被熱交換流体流路の内壁面が、樹脂、金属またはカーボンである請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記多数の熱伝導体が、銅からなる熱伝導体およびアルミからなる熱伝導体を含む請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記ボデーが、樹脂またはステンレス鋼からなる請求項１５に記載の熱交換器。
【請求項１７】
前記熱源が、加熱源または吸熱源である請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項１８】
請求項１または２に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法。
【請求項１９】
請求項１０に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、
流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導率が相対的に高い材料からなる熱伝導体を配置し、流入口から遠い側に、流入口から近い側と比べ熱伝導率が相対的に低い材料からなる熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
【請求項２０】
請求項１１に記載の熱交換器を用いて、流体と伝熱型熱交換を行う熱交換方法であって、
流入口に近い側に、流入口から遠い側と比べ熱伝導体の数が多く、かつ、高密度となるように熱伝導体を配置することにより、被熱交換流体流路の上流側と下流側で生じる温度分布のムラを抑える熱交換方法。
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月21日(2014.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
［熱伝導体の材質と被熱交換流体との距離］
熱伝導体６２はボデー６１よりも熱伝導率の良い材質物質が用いられるが、熱伝導率が良いとは、両者の材質の値の相対的な対比であり、絶対的な値が特定されるものではない。例えば、熱伝導率は、プラスチックで約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、弗素樹脂約０．２５、炭素鋼約４７、ステンレス鋼約１５、アルミニウム２３７、純銅３８６、パイレックスガラス（PYREX：登録商標）約１、の値を通常示す。これらの中から材質を相対的な熱伝導率を考慮して選択すればよく、弗素樹脂はこれらの中では低い値であるから、弗素樹脂をボデー６１とする場合はいずれの材質のものを熱伝導体としても熱効率は向上することとなる。また、熱伝達構造体６（ボデー６１）の材料が金属である場合、例えばステンレス鋼をボデーとする場合は、熱伝導体が、熱伝達構造体６（ボデー６１）の材料より熱伝導率の良い金属、例えば炭素鋼、アルミニウム、純銅を熱伝導体として選択することが可能である。ただし、熱伝導体の材質（材料）は熱伝導率が高いほど好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
例えば、被熱交換流体と熱伝達構造体６の接触面６３を弗素樹脂のコーティングとなしボデー６１をステンレス鋼とする熱交換器が知られているが、８ｍｍ厚のステンレス鋼と弗素樹脂による耐食被覆を施した板の総括伝熱係数を測定した例では、ステンレスのみでは１０７０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）であるのに対し、５００μｍの耐食被覆を設けると同係数は２９１となり伝熱量が１／３となる結果が得られている。また、５０μｍの耐食被覆を設ける場合は８４５の伝熱係数となることが報告されている。
したがって、熱伝導体と被熱交換流体との距離はできるだけ近いほうが好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
［熱交換器の具体例１］
本発明の具体例１に係る熱交換器の構造を具体的に示す。図７に示す熱交換器１０３は、１５０ｍｍ×１９５ｍｍ×高さ３４ｍｍの直方体からなり、被熱交換流体が入口コネクター（流入口）８１から入り出口コネクター（流出口）８２から流出するまでに多くの屈曲点（屈曲部）７１、７２を有する被熱交換流体の流路７を通過することにより熱交換される。流路７は弗素樹脂からなるブロックからなるボデー６１に溝状の空間を形成することにより設けられている。流路７の両側には６００μｍの間隔を置いて熱伝導体６２が１７２本設置されている。熱伝導体６２は直径３ｍｍ、長さ１８ｍｍ銅製の十字孔付き皿小ネジ（頭部がフラットなネジ）からなり熱伝達構造体のボデー６１に設けられた孔に伝熱プレート５２ａを通してネジ止めされている。このネジは上面が平らとなっているため、伝熱プレート５２ａの上面を面一にできる。溝が形成されるネジの胴部は、先細りしない同径の円柱状であることが好ましい。熱伝導体６２に規格ネジを用いることで、熱交換器の製造コストを著しく低減させることが可能である。例えば、ＪＩＳ規格のネジであるＭ３×２０ｍｍ  ピッチ０．５ｍｍ（銅）、Ｍ４×１２ｍｍ  ピッチ０．７ｍｍ（アルミ）を使用することが開示される。
【国際調査報告】
2013180047.tif 000022
2013180047.tif 000023
2013180047.tif 000024
2013180047.tif 000025