(57)【要約】【課題】気液二相の流体を熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する気液二相の流体の偏流を抑制して冷媒流路全体として熱交換効率を高く維持する。【解決手段】一実施形態に係る熱交換器は、第１流体が流れる複数の第１流路を形成する複数の第１プレートと、第２流体が流れる複数の第２流路を形成する複数の第２プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、前記第１流路の少なくとも一部で前記第１流体は気液二相状態にあり、前記第１流体の供給部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１入口ヘッダ空間と、前記第１流体の排出部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１出口ヘッダ空間と、が前記複数の第１プレートに形成され、前記第１出口ヘッダ空間は、前記複数の第２プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体と第２流体とを熱交換させて該第１流体を気化させる熱交換器であって、
前記第１流体が流れる複数の第１流路を形成する複数の第１プレートと、前記第２流体が流れる複数の第２流路を形成する複数の第２プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、
前記第１流路の少なくとも一部で前記第１流体は気液二相状態にあり、
前記第１流体の供給部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１入口ヘッダ空間と、前記第１流体の排出部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１出口ヘッダ空間と、が前記複数の第１プレートに形成され、
前記第１出口ヘッダ空間は、前記複数の第２プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成していることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第１入口ヘッダ空間は前記複数の第２プレートによって分割されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記複数の第１プレートと前記複数の第２プレートとは、前記積層方向に沿って交互に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１入口ヘッダ空間は、前記複数の第１プレートの各々において前記複数の第１流路と前記供給部との距離が離れるにつれて流路断面積が漸減するように構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１流体の前記供給部及び前記第１流体の前記排出部が前記プレート構成体に前記積層方向に沿って形成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記複数の第１プレートの各々において、前記複数の第１流路は並列に配置され、
前記複数の第２プレートの各々において、前記複数の第２流路は並列に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路の出口部に設けられた絞りを備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路の入口部に設けられた絞りを備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第１入口ヘッダ空間及び前記複数の第１プレートに形成された前記複数の第１流路は、前記第１入口ヘッダ空間及び前記複数の第１流路を流れる前記第１流体が環状流を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記複数の第１プレートに形成された前記複数の第１流路及び前記複数の第２プレートに形成された前記複数の第２流路の最大幅が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第２流体の供給部と、該供給部及び前記複数の第２流路に連通する第２入口ヘッダ空間と、前記第２流体の排出部と、該排出部及び前記複数の第２流路に連通する第２出口ヘッダ空間と、が前記プレート構成体に形成され、
前記第２入口ヘッダ空間及び前記第２出口ヘッダ空間は、前記複数の第１流路と交差する方向に沿って前記複数の第１流路の両側に配置され、
前記複数の第２流路は、
前記複数の第１流路と交差する方向に沿って配置される入口側領域及び出口側領域と、
前記複数の第１流路と同一方向に沿って配置される中間領域と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第１流体及び前記第２流体は冷凍サイクルを構成する冷凍機で用いられる冷媒であり、前記第１流体は一次冷媒であり、前記第２流体は前記一次冷媒と熱交換し前記一次冷媒を加熱する二次冷媒であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、気液二相の流体を熱交換する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次冷媒としてＮＨ３を用い、二次冷媒としてＣＯ２を用いるＮＨ３／ＣＯ２冷凍機は、気液二相のＮＨ３を気化させ、これによりＣＯ２蒸気を液化させる熱交換器（ＣＯ２液化器）を備える。従来、この種の液化器には、シェルアンドプレート式熱交換器、プレート式熱交換器やシェルアンドチューブ式熱交換器等が使用されている。
特許文献１には、一次冷媒としてＮＨ３を用い、二次冷媒としてＣＯ２を用い、これらの流路をいわゆるマイクロチャンネルと称する多数の微細流路で構成することで、両媒体間の熱交換性能を向上させた熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１４０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイクロチャンネル式熱交換器は、多数の微細流路を設けることで、伝熱面積を確保し熱交換性能を向上できると共に、高圧の流体に対応でき、装置のコンパクト化及び冷媒保有量の低減を可能とする。
しかし、気液二相の流体が複数の流路に分流される熱交換器においては、液相の比率が小さい流路は吸熱性能が低下する。そこで、複数の流路間で気液二相流の流量及び気液比を均等に分配する偏流抑制対策が重要になる。
なお、気液密度比が大きいＮＨ３が気液二相流となる場合は特に偏流が起きやすい。
【０００５】
一実施形態は、上記課題に鑑み、熱交換流体として気液二相の流体を含む熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する気液二相の流体の偏流を抑制して流路全体として熱交換効率を高く維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）一実施形態に係る熱交換器は、
第１流体と第２流体とを熱交換させて該第１流体を気化させる熱交換器であって、
前記第１流体が流れる複数の第１流路を形成する複数の第１プレートと、前記第２流体が流れる複数の第２流路を形成する複数の第２プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、
前記第１流路の少なくとも一部で前記第１流体は気液二相状態にあり、
前記第１流体の供給部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１入口ヘッダ空間と、前記第１流体の排出部と前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路とに連通する第１出口ヘッダ空間と、が前記複数の第１プレートに形成され、
前記第１出口ヘッダ空間は、前記複数の第２プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成している。
【０００７】
第１入口ヘッダ空間と第１出口ヘッダ空間との間の第１流体の圧力損失は、第１入口ヘッダ空間、第１流路及び第１出口ヘッダ空間における夫々の第１流体の圧力損失の合計である。
上記（１）の構成によれば、第１出口ヘッダ空間が、複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成しているため、蒸気が流れる第１出口ヘッダ空間の流速を小さくして圧力損失を低減できる。これによって、第１流路における第１流体の圧力損失の占める割合が相対的に増加する。
また、第１出口ヘッダ空間の圧力損失が低減することで、複数の第１流路の出口部における圧力損失の差も低減する。
こうして、複数の第１流路間における圧力損失の差を低減できるため、第１流路間の第１流体の偏流によって生じる一部の第１流路における第１流体と第２流体との熱交換性能の低下を抑制できる。これによって、第１流路全体として熱交換効率を高く維持できる。
【０００８】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１入口ヘッダ空間は前記複数の第２プレートによって前記複数のプレートの積層方向に沿って分割されている。
上記（２）の構成によれば、第１入口ヘッダ空間は複数の第２プレートによってプレート積層方向に沿って分割されることで、各第１プレートに連通する第１入口ヘッダ空間の容積を減少できる。これによって、各第１プレートに形成された第１流路に流入する第１流体の流量をバランスさせることができるので、偏流抑制効果を向上できる。
【０００９】
（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記複数の第１プレートと前記複数の第２プレートとは、前記複数のプレートの積層方向に沿って交互に配置される。
上記（３）の構成によれば、複数の第１プレートと複数の第２プレートとは、プレート積層方向に沿って交互に配置されることで、各第１プレートに形成された第１流路に連通する第１入口ヘッダ空間の容積を均等に分割できるため、各第１プレートに形成された第１流路に流入する第１流体の偏流抑制効果を向上できる。また、第１流体が流れる第１プレートと第２流体が流れる第２プレートとが積層構造で隣り合って交互に配置されるため、第１流体及び第２流体間で確実な熱交換を行うことができる。
【００１０】
（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記第１入口ヘッダ空間は、前記複数の第１プレートの各々において前記複数の第１流路と前記供給部との距離が離れるにつれて流路断面積が漸減するように構成される（以下この構成を「先細り構造」とも言う。）。
上記（４）の構成によれば、第１入口ヘッダ空間上記先細り構造を有するため、各第１プレートに形成された複数の第１流路に上記供給部に近い順から順々に第１流体が分流することで第１入口ヘッダ空間の流量が減少しても、入口ヘッダから各第１流路に流入する第１流体の流速を同等にすることができる。
【００１１】
これによって、第１入口ヘッダ空間及び各第１流路で後述する環状流の形成が可能になり、第１入口ヘッダ空間で環状流を形成維持させることにより、第１流路間の偏流を抑制でき、従って、複数の第１流路において第１流体と第２流体との熱交換性能を向上できる。
また、複数のプレートが積層されて流路が形成される構造において、先細り構造を採用することで、プレート枚数が大きく増減しても容易に対応でき、かつ複雑なヘッダ構造とならない。また、第１流路間の偏流を抑制できる確実な第１流体の供給が行える。
【００１２】
（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記第１流体の前記供給部及び前記第１流体の前記排出部が前記プレート構成体に前記積層方向に沿って形成される。
上記（５）の構成によれば、第１流体の供給部及び排出部をプレート構成体に形成することで、第１流体の供給部及び排出部を別な構成体としてプレート構成体の外側に設ける必要がなくなる。さらに、第１流体の供給部と第１入口ヘッダ空間とを接続する配管、及び第１流体の排出部と第２出口ヘッダ空間とを接続する配管が不要になるので、熱交換器をコンパクト化かつ低コスト化できる。
【００１３】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記複数の第１プレートの各々において、前記複数の第１流路は並列に配置され、
前記複数の第２プレートの各々において、前記複数の第２流路は並列に配置されている。
上記（６）の構成によれば、複数の第１流路が並列に配置されているため、第１入口ヘッダ空間を上記（４）の先細り構造とすることで、第１流路間の偏流抑制効果を向上できる。
また、複数の第１流路及び複数の第２流路が共に並列に配置されることで、第１流路及び第２流路を流路全長に亘って近接配置できる。これによって、第１流体と第２流体との熱交換効率を向上できる。
【００１４】
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路の出口部に設けられた絞りを備える。
上記（７）の構成によれば、複数の第１流路の出口部に絞りを設けることで、各第１流路の圧力損失を増大でき、これによって、各第１流路の圧力損失の絶対値に対する各第１流路間の圧力損失差を相対的に減少でき、これによって、複数の第１流路間の偏流抑制効果を向上できる。
【００１５】
（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記複数の第１プレートの各々に形成された前記複数の第１流路の入口部に設けられた絞りを備える。
上記（８）の構成によれば、複数の第１流路の入口部に絞りを設けることで、第１流体が第１流路内で気化して急激に膨張することによって生じる逆流を防止できる。
【００１６】
（９）一実施形態では、前記（１）〜（８）の何れかの構成において、
前記第１入口ヘッダ空間及び前記複数の第１プレートに形成された前記複数の第１流路は、前記第１入口ヘッダ空間及び前記複数の第１流路を流れる前記第１流体が環状流を形成するように構成されている。
「環状流」とは、流路の壁面に液相が環状に配置し、流路の中心側に気相が配置する流れを言い、気相と液相とが混じり合った状態を形成している。
上記（９）の構成によれば、第１入口ヘッダ空間及び各第１流路において第１流体が環状流を形成するように構成されているため、第１入口ヘッダ空間に接続された複数の第１流路には、気液が混合された状態で流れ、これによって、第１入口ヘッダ空間及び複数の第１流路で気液混合率を均等に保持できるため、全体として第１流体と第２流体との熱交換性能を向上できる。
【００１７】
（１０）一実施形態では、前記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記複数の第１プレートに形成された前記複数の第１流路及び前記複数の第２プレートに形成された前記複数の第２流路の最大幅が２ｍｍ以下である。
上記（１０）の構成によれば、複数の第１流路及び第２流路を直径が２ｍｍ以下の微細流路とすることで、第１プレートに多数の第１流路を形成できると共に、第２プレートに多数の第２流路を形成できる。これによって、これら流路の伝熱面積を飛躍的に増加できるため、第１流体と第２流体との熱交換量を飛躍的に増加できる。
【００１８】
（１１）一実施形態では、前記（１）〜（１０）の何れかの構成において、
前記第２流体の供給部と、該供給部及び前記複数の第２流路に連通する第２入口ヘッダ空間と、前記第２流体の排出部と、該排出部及び前記複数の第２流路に連通する第２出口ヘッダ空間と、が前記プレート構成体に形成され、
前記第２入口ヘッダ空間及び前記第２出口ヘッダ空間は、前記複数の第１流路と交差する方向に沿って前記複数の第１流路の両側に配置され、
前記複数の第２流路は、
前記複数の第１流路と交差する方向に沿って配置される入口側領域及び出口側領域と、
前記複数の第１流路と同一方向に沿って配置される中間領域と、
を含む。
【００１９】
上記（１１）の構成によれば、第２流路の第２入口ヘッダ空間及び第２出口ヘッダ空間が第１流路と交差する方向に沿って配置されるため、第２入口ヘッダ空間及び第２出口ヘッダ空間を第１流路の第１入口ヘッダ空間及び第１出口ヘッダ空間と干渉させずに配置でき、これによって、第２入口ヘッダ空間及び第２出口ヘッダ空間の配置の自由度を広げることができる。
また、第２流路の中間領域が第１流路と同一方向に沿って配置されるため、中間領域における第１流体と第２流体との熱交換性能を向上できる。
【００２０】
（１２）一実施形態では、前記（１）〜（１１）の何れかの構成において、
前記第１流体及び前記第２流体は冷凍サイクルを構成する冷凍機で用いられる冷媒であり、前記第１流体は一次冷媒であり、前記第２流体は前記一次冷媒と熱交換し前記一次冷媒を加熱する二次冷媒である。
上記（１２）の構成によれば、一次冷媒が流れる複数の第１流路間で偏流を抑制でき、複数の第１流路の熱交換性能を均一化でき、これによって、第１流路全体として第１流体と第２流体との熱交換性能を高く維持できる。
【発明の効果】
【００２１】
一実施形態によれば、気液二相の第１流体を第２流体と熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する第１流体の偏流を抑制し、熱交換器全体として熱交換性能を高く維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図２】一実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図３】一実施形態に係る熱交換器の側面図である。
【図４】図２中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。
【図５】図２中のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】一実施形態に係る第１プレートの表面を示す正面図である。
【図７】一実施形態に係る第１プレートの裏面を示す正面図である。
【図８】図６中のＣ一Ｃ線に沿う断面図である。
【図９】図６中のＤ一Ｄ線に沿う断面図である。
【図１０】一実施形態に係る第２プレートの表面を示す正面図である。
【図１１】一実施形態に係る第２プレートの裏面を示す正面図である。
【図１２】図１０中のＥ―Ｅ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２４】
図１〜図１２は、一実施形態に係る熱交換器１０を示す。図１〜図３は熱交換器１０の全体図であり、図４は図２中のＡ―Ａ線に沿う断面図であり、図５は図２中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
熱交換器１０は、図４及び図５に示すように、複数の第１プレート１２と複数の第２プレート１４とを含む積層された複数のプレートによってプレート構成体１６を構成している。複数の第１プレート１２には夫々複数の第１流路１８が形成され、複数の第２プレート１４には夫々複数の第２流路２０が形成されている。
【００２５】
図６〜図９は、第１プレート１２を示す。図６及び図７は第１プレート１２の表面及び裏面を示し、図８は図６中のＣ―Ｃ線に沿う断面図であり、図９は図６中のＤ―Ｄ線に沿う断面図である。図８及び図９は第１プレート１２に形成された第１流路１８を示す。
図１０〜図１２は第２プレート１４を示す。図１０及び図１１は第２プレート１４の表面及び裏面を示し、図１２は図１０中のＥ―Ｅ線に沿う断面図であり、第２プレート１４に形成された第２流路２０を示す。
【００２６】
第１入口ヘッダ空間２２及び第１出口ヘッダ空間２４がプレート構成体１６に形成されている。第１入口ヘッダ空間２２は、第１流体供給部２６と各第１プレート１２に形成された複数の第１流路１８とに連通する。第１出口ヘッダ空間２４は、第１流体排出部２８と各第１プレート１２に形成された複数の第１流路１８に連通する。
第１出口ヘッダ空間２４は、プレート積層方向に沿って貫通した空間を形成している。
【００２７】
上記構成において、第１流体ｆ１（図１参照）は第１流路１８の少なくとも一部で気液二相状態にある。第１流体は第１流体供給部２６から第１入口ヘッダ空間２２を介して複数の第１流路１８に流入する。複数の第１流路１８を流れる第１流体は複数の第２流路２０を流れる第２流体ｆ２（図１参照）と熱交換し、第２流体によって加熱されて蒸発し、第１出口ヘッダ空間２４を介して第１流体排出部２８に流出する。
【００２８】
図６において、第１流体供給部２６における第１流体の圧力をＰinとし、第１入口ヘッダ空間２２における第１流体の圧力をＰ１とし、任意の第１流路１８における第１流体の圧力をＰ２とし、第１出口ヘッダ空間２４における第１流体の圧力をＰ３とし、第１出口ヘッダ空間２４における第１流体の圧力をＰoutとする。すべての第１流路１８において第１流体供給部２６と第１流体排出部２８との間の第１流体の圧力損失ΔＰは、第１入口ヘッダ空間２２の圧力損失ΔＰ１と、第１流路１８の圧力損失ΔＰ２と、第１出口ヘッダ空間２４の圧力損失ΔＰ３との合計であるから、次の式（１）及び（２）が成り立つ。
ΔＰ＝Ｐin−Ｐout
＝ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３
＝（Ｐin−Ｐ１）＋（Ｐ１−Ｐ３）＋（Ｐ３−Ｐout）    （１）
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３                                      （２）
【００２９】
気液二相の第１流体が流れる第１流路１８の出口部は、第１流路１８で第１流体が蒸気となることで第１流体の圧力損失が増大しやすい。従って、第１出口ヘッダ空間２４における第１流体の圧力損失ΔＰ３が大きいと、複数の第１流路１８間の圧力損失差も増大する。
上記構成によれば、第１出口ヘッダ空間２４が、プレート積層方向に沿って貫通した空間を形成しているため、第１出口ヘッダ空間２４の圧力損失ΔＰ３を低減できる。これによって、第１流路１８における第１流体の圧力損失ΔＰ２の占める割合が相対的に増加する。
また、第１出口ヘッダ空間２４の圧力損失ΔＰ３が低減することで、複数の第１流路１８の出口部における圧力損失の差も低減する。
【００３０】
こうして、複数の第１流路１８の出口部における圧力損失の差を低減できるため、第１流路間の第１流体の偏流によって生じる一部の第１流路における第１流体と第２流体との熱交換性能の低下を抑制できる。従って、複数の第１流路間の熱交換性能を均一化できるため、第１流路全体として熱交換性能を高く維持できる。
【００３１】
一実施形態では、図６と図１０に示すように、第１入口ヘッダ空間２２は複数の第２プレート１４によってプレート積層方向に沿って分割されている。
上記構成によれば、第１入口ヘッダ空間２２は複数の第２プレート１４によってプレート積層方向に沿って分割されることで、各第１プレート１２に連通する第１入口ヘッダ空間２２の容積を減少できる。流量及び流速が低下すると、気相と液相とが分離する傾向にあるが、上記構成によれば、第１入口ヘッダ空間２２を複数の第２プレート１４で分割することで、各第１流路１８に流入する第１流体の流量をバランスできると共に、第１入口ヘッダ空間２２の容積の減少により流量及び流速の低下を抑制できるため、偏流抑制効果を向上できる。
【００３２】
一実施形態では、図４及び図５に示すように、複数の第１プレート１２と複数の第２プレート１４とは、プレート積層方向に沿って交互に配置される。
上記構成によれば、複数の第１プレート１２と複数の第２プレート１４とがプレート積層方向に沿って交互に配置されることで、各第１プレート１２に形成された第１流路１８に連通する第１入口ヘッダ空間２２の容積を均等に分割できるため、各第１プレート１２に形成された第１流路１８に流入する第１流体の偏流抑制効果を向上できる。また、第１流体が流れる第１プレート１２と第２流体が流れる第２プレート１４とが積層構造で隣り合って交互に配置されるため、第１流体及び第２流体間で確実な熱交換を行うことができる。
【００３３】
一実施形態では、図６及び図７に示すように、第１入口ヘッダ空間２２は、各第１プレート１２において複数の第１流路１８と第１流体供給部２６との距離が離れるにつれて流路断面積が漸減する先細り構造を有する。
上記構成によれば、気液二相の第１流体が流れる第１入口ヘッダ空間２２が先細り構造を有するため、第１流体供給部２６の付近において環状流を形成できる。また、先細り構造を有するために、各第１プレート１２に形成された複数の第１流路１８に第１流体供給部２６に近い順から順々に第１流体が分流して第１入口ヘッダ空間２２の流量が減少しても、第１入口ヘッダ空間２２から各第１流路１８流入する第１流体の流速を同等にすることができる。
【００３４】
これにより、第１入口ヘッダ空間２２で環状流を維持させて第１流路間の偏流を抑制できるため、複数の第１流路１８において第１流体ｆ１と第２流体ｆ２との熱交換効率を向上できる。
また、複数のプレートが積層されて流路が形成される構造において、先細り構造を採用することで、プレート枚数が大きく増減しても容易に対応できかつ複雑なヘッダ構造とならない。また、第１流路１８間の偏流を抑制できる確実な第１流体の供給が行える。
【００３５】
一実施形態では、図６及び図７に示すように、第１流体供給部２６及び第１流体排出部２８がプレート構成体１６にプレート積層方向に沿って形成される。
上記構成によれば、第１流体供給部２６及び第１流体排出部２８をプレート構成体１６に形成することで、第１流体供給部２６及び第１流体排出部２８をプレート構成体１６の外側に夫々別の構成体として設置する必要がなくなる。さらに、第１流体供給部２６と第１入口ヘッダ空間２２とを接続する配管、及び第１流体排出部２８と第１出口ヘッダ空間２４とを接続する配管が不要になる。これによって、熱交換器１０をコンパクト化かつ低コスト化できる。
【００３６】
一実施形態では、図６及び図１０に示すように、各第１プレート１２において、複数の第１流路１８は互いに並列に配置される。また、各第２プレート１４において、複数の第２流路２０は並列に配置される。
上記構成によれば、複数の第１流路１８が並列に配置されているため、第１入口ヘッダ空間２２を先細り構造とすることで、第１流路間の偏流抑制効果を向上できる。
また、複数の第１流路１８及び複数の第２流路２０が共に並列に配置されることで、第１流路１８及び第２流路２０を流路全長に亘って近接配置できる。これによって、第１流体と第２流体との熱交換効率を向上できる。
【００３７】
一実施形態では、複数の第１流路１８及び複数の第２流路２０は、夫々同一間隔で平行に配置される。
一実施形態では、第１流路１８と第２流路２０とはプレート積層方向で重なる位置に配置される。これによって、第１流路１８と第２流路２０とを最も接近位置に配置できるので、第１流体と第２流体との熱交換性能を最大に向上できる。
【００３８】
一実施形態では、図６に示すように、各第１プレート１２に形成された複数の第１流路１８の出口部に絞り３０が設けられる。
上記構成によれば、絞り３０を設けることで、各第１流路の圧力損失を適度に増大できる。これによって、各第１流路の圧力損失の絶対値に対する各第１流路間の圧力損失差を相対的に減少でき、従って、複数の第１流路間の偏流抑制効果を向上できる。
【００３９】
一実施形態では、図６に示すように、複数の第１プレート１２の夫々に形成された複数の第１流路１８の入口部に絞り３２が設けられる。
上記構成によれば、複数の第１流路の入口部に絞り３２を設けることで、第１流体が第１流路内で気化して急激に膨張することによって生じる逆流を防止できる。特に、第１流路１８の出口部に絞り３０を設けると第１流路１８の圧力が増加するので、逆流が生じやすいが、入口部に絞り３２を設けることでこの逆流を防止できる。
【００４０】
一実施形態では、第１入口ヘッダ空間２２及び複数の第１プレート１２に形成された複数の第１流路１８は、これらの流れの場で第１流体が環状流を形成するように構成されている。第１入口ヘッダ空間２２及び第１流路１８の構成、これらを流れる第１流体の性質（例えば、密度、粘性係数等）及び運転条件（例えば、流量、流速等）は、例えば、気液二相流の流動様式を表したベーカ（Ｂａｋｅｒ）線図などによって決められる。
上記構成によれば、第１入口ヘッダ空間２２及び第１流路１８において第１流体が環状流を形成するため、これらの流場で気液が混じり合った状態となり、気液の分離が起こらない。従って、第１入口ヘッダ空間２２及び第１流路１８で気液混合率を均等に保持できるため、全体として第１流体と第２流体との熱交換性能を向上できる。
【００４１】
一実施形態では、図５、６、図８、９及び図１２に示すように、複数の第１プレート１２に夫々形成された複数の第１流路１８、及び複数の第２プレート１４に夫々形成された複数の第２流路２０の直径が２ｍｍ以下（好ましくは、０．１〜１．０ｍｍ）である。
上記構成によれば、第１流路１８及び第２流路２０を直径が２ｍｍ以下の微細流路とすることで、第１プレート１２に多数の第１流路１８を形成できると共に、第２プレート１４に多数の第２流路２０を形成できる。これによって、これら流路の伝熱面積を飛躍的に増加できるため、第１流体と第２流体との熱交換効率を飛躍的に増加できる。
【００４２】
なお、好ましくは、熱交換性能を増加させるために、第１流路１８及び第２流路２０の直径を１ｍｍ以下とする。また、好ましくは、第１流路１８及び第２流路２０の加工の容易さの観点から、第１流路１８及び第２流路２０の直径を０．１ｍｍ以上とする。
なお、図示した実施形態では、第１流路１８及び第２流路２０の横断面は半円形であるが、矩形、楕円形等他の形状にしてもよい。
【００４３】
一実施形態では、図２及び図１０、１１に示すように、第２流体供給部３４と、第２流体供給部３４及び複数の第２流路２０に連通する第２入口ヘッダ空間３８と、第２流体排出部３６と、第２流体排出部３６及び複数の第２流路２０に連通する第２出口ヘッダ空間４０と、がプレート構成体１６に形成される。
また、第２入口ヘッダ空間３８及び第２出口ヘッダ空間４０は、複数の第１流路１８と交差する方向に沿って複数の第１流路１８の両側に配置される。さらに、複数の第２流路２０は、複数の第１流路１８と交差する方向に沿って配置される入口側領域２０ａ及び出口側領域２０ｃと、複数の第１流路１８と同一方向に沿って配置される中間領域２０ｂと、を含む。
【００４４】
上記構成によれば、第２流路２０の第２入口ヘッダ空間３８及び第２出口ヘッダ空間４０が第１流路１８と交差する方向に沿って配置されるため、第２入口ヘッダ空間３８及び第２出口ヘッダ空間４０を第１流路１８の第１入口ヘッダ空間２２及び第１出口ヘッダ空間２４と干渉させずに配置できる。従って、第２入口ヘッダ空間３８及び第２出口ヘッダ空間４０の配置の自由度を広げることができる。
また、第２流路２０の中間領域２０ｂが第１流路１８と同一方向に沿って配置されるため、中間領域２０ｂにおける第１流体と第２流体との熱交換性能を向上できる。
【００４５】
一実施形態では、第１流体及び第２流体は冷凍サイクルを構成する冷凍機で用いられる冷媒である。例えば、第１流体は第２流体と熱交換して第２流体を冷却する一次冷媒であり、第２流体は第１流体と熱交換して第１流体を加熱する二次冷媒である。
これによって、一次冷媒が流れる複数の第１流路間で偏流を抑制でき、複数の第１流路の熱交換性能を均一化でき、第１流路全体として第１流体と第２流体との熱交換性能を高く維持できる。
【００４６】
一実施形態では、第１流体はＮＨ３であり、第２流体はＣＯ２であり、熱交換器１０は、例えば一次冷媒をＮＨ３とし、二次冷媒をＣＯ２とするＮＨ３／ＣＯ２冷凍機に設けられ、一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させて一次冷媒を気化させるＣＯ２液化器である。
このＣＯ２液化器において、ＮＨ３が流れる複数の第１流路間で偏流を抑制でき、複数の第１流路１８の熱交換性能を均一化できると共に、第１流路１８の圧力損失を抑制できるため、一次冷媒と二次冷媒との熱交換性能を高く維持できる。
気液密度比が大きいＮＨ３の気液二相流は特に偏流が起きやすいが、上記実施形態によれば、複数の第１流路における一次冷媒としてのＮＨ３の偏流を効果的に抑制できる。
【００４７】
一実施形態では、図１に示すように、プレート構成体１６の両側面には端板４２及び４４が設けられる。一方の端板４２には、第１流体供給部２６に連通する孔４６、第１流体排出部２８に連通する孔４８、第２流体供給部３４に連通する孔５０、及び第２流体排出部３６に連通する孔５２が形成されている。そして、孔４６を囲むように第１流体入口管５４が設けられ、孔４８を囲むように第１流体出口管５６が設けられ、孔５０を囲むように第２流体入口管５８が設けられ、孔５２を囲むように第２流体出口管６０が設けられる。
第１流体入口管５４は第１流体供給管（不図示）に連結され、第１流体出口管５６は第１流体排出管（不図示）に連結され、第２流体入口管５８は第２流体供給管（不図示）に連結され、第２流体出口管６０は第２流体排出管（不図示）に連結される。
他方の端板４４は孔、開口等がない板状体である。
【００４８】
一実施形態では、図１及び図３に示すように、第１プレート１２、第２プレート１４、及び端板４２、４４は平坦な板状体で構成される。
一実施形態では、第１プレート１２、第２プレート１４、及び端板４２、４４は、互いに拡散接合法で接合される。
一実施形態では、図１及び図３に示すように、第１プレート１２、第２プレート１４、及び端板４２、４４は四角形の外形を有する。
【００４９】
一実施形態では、図１に示すように、第１流体入口管５４及び第２流体出口管６０が下方に配置され、第１流体出口管５６及び第２流体入口管５８が上方に配置されるように縦方向に沿って配置される。
一実施形態では、第１プレート１２及び第２プレート１４は、熱伝導係数が大きくかつ高強度の材料で構成される。これによって、熱交換性能が良くかつ第１プレート１２及び第２プレート１４の薄肉化が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
一実施形態によれば、気液二相の第１流体を第２流体と熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する第１流体の偏流を抑制して熱交換性能を高く維持できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０    熱交換器
１２    第１プレート
１４    第２プレート
１６    プレート構成体
１８    第１流路
２０    第２流路
２０ａ    入口側領域
２０ｂ    中間領域
２０ｃ    出口側領域
２２    第１入口ヘッダ空間
２４    第１出口ヘッダ空間
２６    第１流体供給部
２８    第１流体排出部
３０、３２    絞り
３４    第２流体供給部
３６    第２流体排出部
３８    第２入口ヘッダ空間
４０    第２出口ヘッダ空間
４２、４４    端板
４６、４８、５０、５２    孔
５４    第１流体入口管
５６    第１流体出口管
５８    第２流体入口管
６０    第２流体出口管
ｆ１     第１流体
ｆ２     第２流体
【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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【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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