(57)【要約】【課題】極低温の流体を扱う場合に、高温流体側の流路に凍結が発生することを抑制可能で、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制可能な拡散接合型熱交換器を提供する。【解決手段】この熱交換器（拡散接合型熱交換器）１００は、積層されて拡散接合された第１伝熱板１０および第２伝熱板２０を含むコア１を備える。第１伝熱板１０は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネル１４を有し、高温流体ＨＦを流通させる高温流路１１を含む。第２伝熱板２０は、低温流体ＬＦを流通させる低温流路２１を含む。第１伝熱板１０の高温流路１１は、少なくとも第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口１３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲと積層方向に重なる範囲において、高温流体ＨＦが複数のチャネル１４間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部１１ａを有する。【選択図】図３
2019178807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層されて拡散接合された第１伝熱板および第２伝熱板を含むコアを備え、
前記第１伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、
前記第２伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、
前記第１伝熱板の前記高温流路は、少なくとも前記第２伝熱板の流路入口から前記流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、前記高温流体が複数の前記チャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有する、拡散接合型熱交換器。
【請求項２】
前記連結チャネル部は、前記第１伝熱板において前記高温流路の略全体に亘って形成されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項３】
前記高温流路は、流路幅方向に複数並んだ線状の前記チャネルを含み、
前記連結チャネル部では、隣り合う前記チャネル間に跨がって前記チャネル同士を連通させる溝状の連結通路が複数形成されている、請求項１または２に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項４】
複数の前記連結通路は、前記流路幅方向に隣り合う前記連結通路に対して、前記高温流体の流通方向における位置が互いにずれるように、千鳥状に配置されている、請求項３に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項５】
前記高温流路は、前記連結チャネル部において、流路中に点在するように複数配置された島状の隔壁に沿って分岐し、互いに合流し合う複数の前記チャネルを含む、請求項１または２に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項６】
前記高温流路は、平面視において、前記第２伝熱板の前記低温流路と重複する重複領域と、少なくとも前記低温流路の流路入口側で前記重複領域よりも外側に設けられた非重複領域と、を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項７】
前記低温流路は、前記第２伝熱板の前記所定範囲に設けられた第１部分と、前記第１部分よりも下流側の第２部分とを含み、
前記第１部分は、前記第２部分よりも伝熱性能が低くなるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項８】
前記低温流路は、前記低温流体を流通させる溝状の複数のチャネルを含み、
前記第１部分の前記チャネルは、前記第２部分の前記チャネルよりも伝熱性能が低くなるように平面形状が異なっている、請求項７に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項９】
前記高温流路を流れる前記高温流体と、前記低温流路を流れる前記低温流体とが、互いに同じ方向に流れる並行流型の熱交換器である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項１０】
前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、一対の第１側端面と前記第１側端面に隣接する一対の第２側端面とを含み、
前記高温流路は、前記第１伝熱板の前記第１側端面に開口した流路入口から前記第２側端面に沿う方向に延びるように形成され、
前記低温流路は、前記第２伝熱板の一対の前記第２側端面にそれぞれ開口した前記流路入口からそれぞれ延びた後屈曲して、前記第２側端面に沿う方向に延びるように形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の拡散接合型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、拡散接合型熱交換器に関し、特に、溝状の流路が形成された複数の伝熱板が積層され拡散接合された構成の拡散接合型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溝状の流路が形成された複数の伝熱板が積層され拡散接合された構成の拡散接合型熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、第１伝熱板と第２伝熱板とを交互に積層して拡散接合したコアを備える熱交換器が開示されている。第１伝熱板および第２伝熱板は、ステンレス鋼材からなり、それぞれ複数の流体通路部が設けられている。流体通路部は、伝熱板の表面に凹状の溝として形成され流体の導入口と導出口との間をつなぐ流路（チャネル）によって構成されている。流路は、導入口と導出口との間で複数本に分岐している。複数本に分岐した部分は、直線状に延びて互いに間隔を隔てて並んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１８０９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のような拡散接合型の熱交換器は、金属製の伝熱板同士が拡散接合によって一体化されるため強度が高く、一般的な熱交換器と比較して小型の装置とされる。拡散接合型の熱交換器は、大きな熱応力にも耐えうるため、大きな温度差を有する流体間での熱交換用途に好適に用いられる。このような用途として、たとえば液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素などの極低温の流体の気化または昇温がある。この場合、熱源となる高温流体として水や不凍液などが一般に用いられる。
【０００６】
しかしながら、低温流体として極低温の液化ガスなどを流通させる場合、伝熱板の流路内で水やエチレングリコール水溶液などの高温流体が凍結（凝固）して流路が部分的に閉塞してしまう場合がある。特に、低温流体の入口付近と重なる位置に配置された高温流体側の流路では、低温流体の入口温度が低いため凍結しやすい。拡散接合型の熱交換器は、小型に形成される分、全流路断面積も小さいため、一部の流路が閉塞した場合に熱交換器の性能に与える影響（性能低下）が大きくなるという不都合がある。また、一旦高温流体の凍結が発生すると、凍結部位の下流側で流れが抑制されるので、流路内で凍結部位を起点として凍結領域が拡大することもある。
【０００７】
このため、極低温の流体を扱う拡散接合型の熱交換器において、高温流体側の流路に凍結が発生することを抑制でき、たとえ凍結が発生しても凍結領域が拡大することを抑制できるようにすることが望まれている。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、極低温の流体を扱う場合に、高温流体側の流路に凍結が発生することを抑制可能で、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制可能な拡散接合型熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明による拡散接合型熱交換器は、積層されて拡散接合された第１伝熱板および第２伝熱板を含むコアを備え、第１伝熱板は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネルを有し、高温流体を流通させる高温流路を含み、第２伝熱板は、低温流体を流通させる低温流路を含み、第１伝熱板の高温流路は、少なくとも第２伝熱板の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲と積層方向に重なる範囲において、高温流体が複数のチャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を有する。なお、本明細書において、「高温流体」および「低温流体」は、両者の間での相対的な温度の違いを表したものであり、絶対値としての特定の温度にあることを意味するものではない。また、本明細書において、「チャネル」とは、流体の流通方向と直交する流路幅方向において、流路内を区画する隔壁によって仕切られた個々の通路部分を意味する。上記構成によれば、複数のチャネルが少なくとも連結チャネル部において相互に連通するため、各々のチャネルは、流路入口から流路出口に至るまで独立した１本の通路ではない。つまり、各々のチャネルは、流路入口から流路出口に至るまでに分岐したり別のチャネルと合流したりしてもよい。
【００１０】
この発明による拡散接合型熱交換器では、上記のように、少なくとも第２伝熱板の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲（低温流路の入口付近）と重なる高温流路の範囲に、高温流体が複数のチャネル間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部を設ける。これにより、高温流路のうち、最も低温となる所定範囲と重なる範囲では、各チャネルが独立した構成と比較して、伝熱面積（チャネル内表面積）を増大させるとともに、チャネル間を跨がる流れによって乱流に近い流れが発生するため、連結チャネル部における熱伝達率を向上させることができる。その結果、高温流路が形成された第１伝熱板への入熱量が増大して高温流路の内表面の温度を高くすることができるので、高温流路における凍結の発生を抑制することができる。また、たとえ連結チャネル部において高温流体の凍結（凝固）が生じて一部のチャネルが閉塞した場合でも、別のチャネルを流れる高温流体がチャネル間を跨いで閉塞したチャネルの下流側へ回り込むことができる。その結果、凍結部分の周囲での高温流体の流れが抑制される事に起因する凍結部位の拡大を抑制できる。さらに、一部のチャネルが凍結により閉塞すると、その分だけ高温流路の流路断面積が減少し、凍結していないチャネルでは高温流体の流速が上昇する。その結果、凍結していないチャネルにおける熱伝達率が向上して第１伝熱板への入熱量が増大するので、高温流体の凍結部位の拡大が抑制される。以上により、極低温の流体を扱う場合に、高温流体側の流路に凍結が発生することを抑制でき、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制することができる。
【００１１】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、連結チャネル部は、第１伝熱板において高温流路の略全体に亘って形成されている。このように構成すれば、上記連結チャネル部によって得られる効果を、所定範囲（低温流路の入口付近）のみならず高温流路全体に亘って実現することができる。高温流路内で凍結が発生する可能性が高い所定範囲は、設計仕様において定められた運転条件下での実験またはシミュレーションにより予め確定することができるが、実際の運転中には、予め把握できない各種の変動要因が存在し、凍結部位が想定よりも大きくなる事もあり得る。そのような場合に、上記構成では高温流路全体に連結チャネル部が形成されていることにより、想定と異なる凍結部位が発生した場合でも凍結の発生および凍結部位の拡大を確実に抑制できる。
【００１２】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、高温流路は、流路幅方向に複数並んだ線状のチャネルを含み、連結チャネル部では、隣り合うチャネル間に跨がってチャネル同士を連通させる溝状の連結通路が複数形成されている。このように構成すれば、線状溝からなるチャネル同士を接続するように溝状の連結通路を形成するだけで、容易に連結チャネル部を構成できる。特に、第１伝熱板に対してエッチングなどにより高温流路を形成する場合には、線状のチャネルと連結通路とを構成する溝構造を一括して形成できるので、連結チャネル部を設ける場合でも製造工程が複雑化することを抑制できる。
【００１３】
この場合、好ましくは、複数の連結通路は、流路幅方向に隣り合う連結通路に対して、高温流体の流通方向における位置が互いにずれるように、千鳥状に配置されている。本明細書において、「千鳥状」とは互い違いになることを意味し、たとえば流路幅方向において奇数番目の連結通路の位置と、偶数番目の連結通路の位置とが、流通方向において互い違いになっていることである。このように構成すれば、たとえば連結通路が流路幅方向に直線状に並んでいる場合と比較して、より効率よく高温流体を流路幅方向に移動させることができる。この結果、連結チャネル部の伝熱効率の向上および連結チャネル部における凍結部位の周囲への高温流体の回り込みを促進することができる。
【００１４】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、高温流路は、連結チャネル部において、流路中に点在するように複数配置された島状の隔壁に沿って分岐し、互いに合流し合う複数のチャネルを含む。このように構成しても、高温流体が島状の隔壁によって分岐したり合流したりすることにより、複数のチャネル間に跨がって流動可能となるので、連結チャネル部を構成することができる。
【００１５】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、高温流路は、平面視において、第２伝熱板の低温流路と重複する重複領域と、少なくとも低温流路の流路入口側で重複領域よりも外側に設けられた非重複領域と、を含む。このように構成すれば、非重複領域では、低温流路側で低温流体が流通しない部分と重複するので、非重複領域を流れる高温流体は、高温流体と低温流体との熱交換にそれほど寄与せず、余剰の高温流体となる。そこで、この非重複領域を低温流路の流路入口側に配置することによって、高温流体の温度が低下する部位（低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位）に余剰の高温流体の流れを形成することができる。このため、非重複領域を流れる余剰の高温流体の分だけ高温流体の熱容量を増大させることができる。また、たとえ非重複領域が凍結しても、高温流体の回り込みにより凍結部位よりも下流側に高温流体の流れを形成することができる。その結果、凍結が発生しやすい領域の周辺および下流側に余剰の高温流体の流れを形成できるので、低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位での高温流路内の凍結の発生および凍結部位の拡大を、効果的に抑制することができる。
【００１６】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、低温流路は、第２伝熱板の所定範囲に設けられた第１部分と、第１部分よりも下流側の第２部分とを含み、第１部分は、第２部分よりも伝熱性能が低くなるように構成されている。なお、本明細書において、伝熱性能は、熱伝導、熱伝達（対流熱伝達）、熱放射の各々による熱の移動を含む総合的な性能とする。このように構成すれば、低温流路の流路入口から流路入口よりも下流側の位置までの所定範囲（最も低温となる低温流路の入口付近）では、第１部分によって低温流路の伝熱性能が抑制されるので、その分、所定範囲と重複する高温流路側の表面温度を上昇させることができる。その結果、低温流路の流路入口付近の所定範囲と重複する部位での高温流路内の凍結の発生を、効果的に抑制することができる。
【００１７】
この場合、好ましくは、低温流路は、低温流体を流通させる溝状の複数のチャネルを含み、第１部分のチャネルは、第２部分のチャネルよりも伝熱性能が低くなるように平面形状が異なっている。このように構成すれば、たとえばチャネル内表面積を小さくしたり、チャネルの幅を大きくしたり、チャネルを直線形状にしたりするなど、低温流路を構成するチャネルの形状を異ならせるだけで、容易に第１部分の伝熱性能を第２部分の伝熱性能よりも低くすることができる。
【００１８】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、高温流路を流れる高温流体と、低温流路を流れる低温流体とが、互いに同じ方向に流れる並行流型の熱交換器である。このように構成すれば、高温流路の流路入口と、低温流路の流路入口とが流路の同じ側に設けられることになる。そのため、高温流路において低温流路の入口付近と重なる位置では、最も高温の状態の高温流体が流通することになるので、高温流体の凍結の発生を効果的に抑制できる。また、実際の熱交換器の運転中には、予め把握できない各種の変動要因によって、高温流体および低温流体の出口温度が想定よりも低温になることもあるが、入口温度についてはそのような変動要因の影響を受けにくい。そのため、各種の変動要因の影響を抑制して安定した凍結の抑制効果を得ることができる。
【００１９】
上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、第１伝熱板および第２伝熱板は、一対の第１側端面と第１側端面に隣接する一対の第２側端面とを含み、高温流路は、第１伝熱板の第１側端面に開口した流路入口から第２側端面に沿う方向に延びるように形成され、低温流路は、第２伝熱板の一対の第２側端面にそれぞれ開口した流路入口からそれぞれ延びた後屈曲して、第２側端面に沿う方向に延びるように形成されている。このように構成すれば、第１側端面側の高温流体の流路入口に対して、左右の両側となる第２側端面に低温流体の流路入口をそれぞれ設ける事ができる。そのため、低温流体の流路入口を左右の片側に１つだけ設ける場合と比べて、個々の流路入口の開口面積を減少させることができるので、高温流路内で凍結が発生する可能性が高い領域を小さくしつつ、高温流路の左右両側に分散させることができる。これにより、凍結の発生を抑制し、凍結が発生する場合でも凍結部位を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上記のように、極低温の流体を扱う場合に、高温流体側の流路に凍結が発生することを抑制可能で、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制可能な拡散接合型熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態による熱交換器を示した模式的な斜視図である。
【図２】図３および図４の５００−５００線に沿った断面図である。
【図３】第１伝熱板の高温流路の構成例を示した平面図である。
【図４】第２伝熱板の低温流路の構成例を示した平面図である。
【図５】連結チャネル部の構成例を示した平面図である。
【図６】高温流路の各部と低温流路の各部との位置関係を説明するための平面図である。
【図７】並行流型の熱交換器において流路に沿った流体の温度変化を説明するグラフである。
【図８】第２実施形態による熱交換器の第２伝熱板を示した模式図である。
【図９】第２実施形態による熱交換器の高温流路と低温流路との位置関係を説明するための平面図である。
【図１０】連結チャネル部の他の構成例（Ａ）および（Ｂ）を示した模式図である。
【図１１】低温流路の第１部分（Ａ）および第２部分（Ｂ）の他の構成例を示した模式図である。
【図１２】連結チャネル部の連結通路の配置に関する変形例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１〜図６を参照して、第１実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。第１実施形態による熱交換器１００は、それぞれ溝状の流路が形成された第１伝熱板１０および第２伝熱板２０を積層し、拡散接合によって一体化することにより構成した拡散接合型のプレート式熱交換器である。熱交換器１００は、特許請求の範囲の「拡散接合型熱交換器」の一例である。
【００２４】
図１に示すように、熱交換器１００は、積層されて拡散接合された第１伝熱板１０および第２伝熱板２０を含むコア１を備える。また、熱交換器１００は、第１入口ポート２ａおよび第１出口ポート２ｂ（図３参照）と、第２入口ポート３ａ（図４参照）および第２出口ポート３ｂとを備えている。コア１は、複数の第１伝熱板１０と、複数の第２伝熱板２０とを含む。コア１は、第１伝熱板１０を流れる高温流体ＨＦと第２伝熱板２０を流れる低温流体ＬＦとの間で熱交換を行う熱交換部である。第１入口ポート２ａおよび第１出口ポート２ｂは、第１伝熱板１０に高温流体ＨＦを導入するための入口および導出するための出口であり、入口側と出口側との対（ペア）で設けられている。第２入口ポート３ａおよび第２出口ポート３ｂは、第２伝熱板２０に低温流体ＬＦを導入するための入口および導出するための出口であり、入口側と出口側との対（ペア）で設けられている。
【００２５】
第１実施形態による熱交換器１００は、高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの熱交換により低温流体ＬＦを昇温させて気化させる気化装置として構成されている。熱交換器１００は、気化を伴わない昇温装置でもよい。低温流体ＬＦは、高温流体ＨＦの凝固点よりも低温の流体である。高温流体ＨＦは、低温流体ＬＦよりも高温の流体である。第１実施形態では、低温流体ＬＦは、極低温の液化ガスであり、たとえば液化天然ガス（ＬＮＧ）である。高温流体ＨＦとしては、たとえば、水または海水、不凍液などの液体である。
【００２６】
第１伝熱板１０と第２伝熱板２０との積層方向（Ｚ方向）におけるコア１の両端には、それぞれサイドプレート４が設けられている。第１伝熱板１０と第２伝熱板２０とサイドプレート４とは、平面視で同一の矩形形状に形成された平板状の板部材である。コア１は、それぞれ溝状の流路が形成された第１伝熱板１０および第２伝熱板２０が交互に積層され拡散接合されて構成されている。すなわち、コア１は、交互に積層した第１伝熱板１０と第２伝熱板２０との積層体を一対のサイドプレート４により挟み込み、拡散接合により相互結合することにより、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。図１では便宜的に、５層（５枚）の第１伝熱板１０と、４層（４枚）の第２伝熱板２０とが交互に積層された例を示しているが、積層枚数はこれに限られず、任意の枚数を積層してよい。以下では、図１に示す第１伝熱板１０および第２伝熱板２０の積層方向をＺ方向とする。また、図１に示すようにＺ方向から見てコア１の長手方向をＸ方向とし、コア１の短手方向をＹ方向とする。
【００２７】
第１伝熱板１０および第２伝熱板２０は、それぞれ、一対の第１側端面１０ａ（図３参照）、２０ａ（図４参照）と、第１側端面１０ａ、２０ａと隣接する一対の第２側端面１０ｂ（図３参照）、２０ｂ（図４参照）とを有する。第１側端面１０ａ、２０ａは、短辺側の側端面であり、第２側端面１０ｂ、２０ｂは、長辺側の側端面である。第１伝熱板１０および第２伝熱板２０は、共に、第２側端面１０ｂ、２０ｂの長さ（コア１の長さ）Ｌ０、第１側端面１０ａ、２０ａの長さ（コア１の幅）Ｗ０を有する。第１伝熱板１０および第２伝熱板２０は、互いに略等しい厚みｔ（図２参照）を有するが、第１伝熱板１０および第２伝熱板２０の厚みｔは互いに異なっていてもよい。第１伝熱板１０および第２伝熱板２０は、たとえばステンレス鋼材からなる。第１伝熱板１０および第２伝熱板２０は、拡散接合可能であれば、ステンレス鋼材以外の金属材料により形成されてもよい。
【００２８】
図２に示すように、第１伝熱板１０および第２伝熱板２０には、それぞれ一方表面（上面）に溝状の流路が形成されており、他方表面（下面）は平坦面となっている。第１伝熱板１０は、高温流体ＨＦを流通させる高温流路１１を含み、第２伝熱板２０は、低温流体ＬＦを流通させる低温流路２１を含む。それぞれの流路は、たとえばエッチングにより所定形状に形成されている。第１伝熱板１０および第２伝熱板２０の一方表面（上面）において、流路の形成部分（溝部分）以外は平坦面となっており、拡散接合による接合面となっている。
【００２９】
（第１伝熱板）
図３に示すように、第１伝熱板１０は、溝状の高温流路１１と、高温流路１１を区画する隔壁１２とを含む。図３では便宜的に隔壁１２にハッチングを付している。ハッチングを付した隔壁１２の上面が拡散接合による接合面である。隔壁１２は、第１伝熱板１０の表面において流路を構成するための溝形成が行われていない部分である。
【００３０】
高温流路１１は、第１伝熱板１０の第１側端面１０ａに開口した流路入口１３ａから第２側端面１０ｂに沿う方向に延びるように形成されている。高温流路１１は、第１伝熱板１０の一対の第１側端面１０ａにそれぞれ開口した流路入口１３ａと流路出口１３ｂとの間で直線状に延びる流路である。つまり、高温流路１１は、第２側端面１０ｂ（コア１の長辺）に沿って直線状に延びている。
【００３１】
コア１の各第１側端面１０ａ側には、一対のヘッダ部５が接合されている。一対のヘッダ部５は、それぞれ積層された第１伝熱板１０の流路入口１３ａまたは流路出口１３ｂを覆うように設けられている。一対のヘッダ部５には、第１入口ポート２ａおよび第１出口ポート２ｂがそれぞれ設けられている。これにより、第１入口ポート２ａから流入する高温流体ＨＦがヘッダ部５を介してそれぞれの第１伝熱板１０の流路入口１３ａに流入し、高温流路１１をＸ１方向に通過して、流路出口１３ｂから流出し、ヘッダ部５を介して第１出口ポート２ｂから排出される。
【００３２】
（高温流路）
高温流路１１は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネル１４を有する。複数のチャネル１４は、流路幅方向において、高温流路１１内に形成された隔壁１２によって仕切られた個々の通路部である。図３の例では、１６本のチャネル１４が流路幅方向に等間隔で並んでいる。チャネル１４の本数は複数であれば特に限定されない。
【００３３】
高温流路１１は、少なくとも第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲ（図４参照）と積層方向に重なる範囲において、高温流体ＨＦが複数のチャネル１４間に跨がって流動可能に構成された連結チャネル部１１ａを有する。つまり、各々のチャネル１４は、流路入口１３ａから流路出口１３ｂに至るまで独立した１本の通路ではなく、複数のチャネル１４が少なくとも連結チャネル部１１ａにおいて相互に連通している。所定範囲ＰＲについては、後述する。
【００３４】
第１実施形態では、連結チャネル部１１ａは、第１伝熱板１０において高温流路１１の略全体に亘って形成されている。したがって、高温流路１１は、流路入口１３ａから流路出口１３ｂに至るまでの全範囲で、高温流体ＨＦが複数のチャネル１４間に跨がって流動可能なように構成されている。
【００３５】
具体的には、高温流路１１は、流路幅方向に複数並んだ線状のチャネル１４を含んでおり、連結チャネル部１１ａでは、隣り合うチャネル１４間に跨がってチャネル１４同士を連通させる溝状の連結通路１５が複数形成されている。各チャネル１４は、Ｘ方向に直線状に形成されている。連結通路１５は、隣り合うチャネル１４間を仕切る隔壁１２を貫通（または分断）するように、流路幅方向（Ｙ方向）に延びている。連結通路１５は、高温流体ＨＦの流通方向（Ｘ方向）に、間隔を隔てて複数設けられている。Ｘ方向に並んだ複数の連結通路１５は、略等間隔で配列されている。
【００３６】
図５に示すように、第１実施形態では、高温流路１１の各チャネル１４は、略等しいチャネル幅Ｗ１（流路幅方向の幅）を有する。また、各チャネル１４を仕切る隔壁１２も、略等しい幅Ｗ２（流路幅方向の幅）を有する。各連結通路１５は、略等しい通路幅Ｗ３（Ｘ方向の幅）を有する。なお、連結通路１５については、流路幅方向に延びる通路であるので、通路幅Ｗ３を、高温流路１１における流体の流通方向（Ｘ方向）の幅と定義する。連結通路１５の流路幅方向の長さは、隔壁１２の幅Ｗ２に一致する。Ｘ方向に並んだ複数の連結通路１５のピッチ（間隔）は、ｐである。Ｘ方向に並んだ連結通路１５の間の隔壁１２の長さＬ１は、（ｐ−Ｗ３）となる。
【００３７】
第１実施形態では、連結通路１５の通路幅Ｗ３は、チャネル１４のチャネル幅Ｗ１と略等しい（Ｗ３≒Ｗ１）。これにより、各連結通路１５と各チャネル１４とを、同一のエッチングプロセスにより一括して形成することができるので、製造工程を簡素化できる。連結通路１５のＸ方向のピッチｐは、チャネル１４のチャネル幅Ｗ１の約２．５倍以上、約１０倍以下であることが好ましい。または、Ｘ方向に隣り合う連結通路１５の間の隔壁１２の長さＬ１は、チャネル１４のチャネル幅Ｗ１の約１．５倍以上、約９倍以下であることが好ましい。ピッチｐ（隔壁１２の長さＬ１）が大きくなるほど、高温流体ＨＦがチャネル１４間に跨がって流動し難くなるため、後述するように凍結部位に対する高温流体ＨＦの回り込み効果が低下する。また、連結通路１５間の隔壁１２の上面は、他の伝熱板（第２伝熱板２０）との接合面になるため、ピッチｐ（隔壁１２の長さＬ１）が小さくなるほど、連結通路１５間の隔壁部分における接合面積が小さくなって、接合強度が低下する。そこで、ピッチｐを上記範囲にすることにより、高温流体ＨＦの回り込み効果とチャネル１４間の隔壁１２における接合面積の確保とを両立することが可能である。
【００３８】
なお、図５では、連結通路１５のＸ方向のピッチｐは、チャネル幅Ｗ１（≒連結通路１５の通路幅Ｗ３）の約２．５倍であり、隔壁１２の長さＬ１は、チャネル幅Ｗ１の約１．５倍であり、上記好ましい範囲の下限値の例を示している。
【００３９】
第１実施形態では、複数の連結通路１５は、流路幅方向（Ｙ方向）に隣り合う連結通路１５に対して、高温流体ＨＦの流通方向（Ｘ方向）における位置が互いにずれるように、千鳥状に配置されている。つまり、Ｙ方向に隣り合う隔壁１２に形成された連結通路１５同士で、Ｘ方向の位置が互い違いになっている。言い換えると、連結通路１５は、Ｙ方向に隣り合う隔壁１２と対向するように設けられている。なお、図５のように、Ｙ方向に隣り合う隔壁１２に形成された連結通路１５同士は、Ｘ方向の形成位置が部分的に重複していても良いし、Ｘ方向の形成位置が完全に重複しないように形成されていてもよい。
【００４０】
（第２伝熱板）
図４に示すように、第２伝熱板２０は、溝状の低温流路２１と、低温流路２１を区画する隔壁２２とを含む。図４では便宜的に隔壁２２にハッチングを付している。ハッチングを付した隔壁２２の上面が拡散接合による接合面である。隔壁２２は、第２伝熱板２０の表面において流路を構成するための溝形成が行われていない部分である。
【００４１】
低温流路２１は、第２伝熱板２０の一対の第２側端面２０ｂにそれぞれ開口した流路入口２３ａと流路出口２３ｂとの間を接続する折れ曲がった流路である。低温流路２１の流路入口２３ａは、一方の第２側端面２０ｂにおいて、高温流路１１の流路入口１３ａが配置された一方側（Ｘ２方向側）の端部に設けられている。低温流路２１の流路出口２３ｂは、他方の第２側端面２０ｂにおいて、高温流路１１の流路出口１３ｂが配置された他方側（Ｘ１方向側）の端部に設けられている。
【００４２】
低温流路２１は、第２伝熱板２０の一方の第２側端面２０ｂに開口した流路入口２３ａからＹ方向に延びた後屈曲して、第２側端面２０ｂに沿うＸ方向に延びるとともに、Ｘ１方向端部まで延びた後屈曲して、他方の第２側端面２０ｂに開口した流路出口２３ｂまでＹ方向に延びている。
【００４３】
コア１の各第２側端面２０ｂ側には、一対のヘッダ部５が接合されている。一対のヘッダ部５には、第２入口ポート３ａおよび第２出口ポート３ｂがそれぞれ設けられており、それぞれ積層された第２伝熱板２０の流路入口２３ａまたは流路出口２３ｂを覆うように設けられている。これにより、第２入口ポート３ａから流入する低温流体ＬＦがヘッダ部５を介してそれぞれの第２伝熱板２０の流路入口２３ａに流入し、低温流路２１を通過して、流路出口２３ｂから流出し、ヘッダ部５を介して第２出口ポート３ｂから排出される。
【００４４】
（低温流路）
低温流路２１は、流路幅方向に並んで設けられた溝状の複数のチャネル２４を有する。複数のチャネル２４は、流路幅方向において、低温流路２１内に形成された隔壁２２によって仕切られた個々の通路部である。
【００４５】
図４の構成例では、低温流路２１のチャネル２４は、流路の途中で平面形状が異なっている。つまり、低温流路２１では、チャネル形状が、上流側の第１のパターンから、下流側の第２のパターンに切り替わっている。
【００４６】
具体的には、低温流路２１は、第２伝熱板２０の所定範囲ＰＲに設けられた第１部分２１ａと、第１部分２１ａよりも下流側の第２部分２１ｂとを含み、第１部分２１ａは、第２部分２１ｂよりも伝熱性能が低くなるように構成されている。第１実施形態では、この伝熱性能の相違が、チャネル２４の形状パターンの相違によって実現されている。
【００４７】
第１部分２１ａは、第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲに設けられている。第１部分２１ａの各チャネル２４ａは、線状形状を有し、隔壁２２によって互いに分離されている。このため、複数のチャネル２４間に跨がって低温流体ＬＦが流動することはない。また、第１部分２１ａの各チャネル２４ａは、低温流路２１の折れ曲がり部分を除いて直線状に形成されている。つまり、第１部分２１ａの各チャネル２４ａは、流路入口２３ａからＹ方向に直線状に延びた後、低温流路２１の折れ曲がり部分で屈曲してＸ方向に直線状に延びている。チャネル形状の第１のパターンは、個々のチャネル２４が主として直線により構成された１本の線状に形成されたパターンである。
【００４８】
第２部分２１ｂは、第１部分２１ａ（所定範囲ＰＲ）の下流側端部から第２伝熱板２０の流路出口２３ｂまでの範囲に設けられている。第２部分２１ｂの各チャネル２４ｂは、第１部分２１ａ（所定範囲ＰＲ）の下流側端部からＸ方向に直線状に延びた後、低温流路２１の折れ曲がり部分で屈曲してＹ方向に直線状に延びている。
【００４９】
図４の例では、第２部分２１ｂの各チャネル２４ｂは、高温流路１１の連結チャネル部１１ａにおけるチャネル形状と同様に、（低温流路２１の折れ曲がり部分を除いて）直線状に形成され、連結通路２５によって隣り合うチャネル２４ｂ同士で接続されている。すなわち、チャネル形状の第２のパターンは、個々のチャネル２４ｂが主として直線により構成されつつ、千鳥状に配列された複数の連結通路２５により相互接続されたパターンである。第２部分２１ｂのチャネル２４ｂの形状パターンは、低温流路２１が途中で折れ曲がっている点を除いて、上記第１部分２１ａの連結チャネル部１１ａと同様である。
【００５０】
なお、図４において、第１部分２１ａのチャネル幅と、第２部分２１ｂのチャネル幅とは、略等しい。第１部分２１ａのチャネル幅と、第２部分２１ｂのチャネル幅とを異ならせても良い。
【００５１】
第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを比較すると、第２部分２１ｂの方が連結通路２５によって隔壁２２が分断されている分だけ伝熱面積が大きく、かつ、チャネル２４ｂ間での低温流体ＬＦの流動が可能となる分流れが乱流に近くなるので、第１部分２１ａの方が伝熱性能が低い。
【００５２】
（高温流路と低温流路との位置関係）
図６では、高温流路１１の流路全体の外形を実線で示し、低温流路２１の流路全体の外形を破線で示すことにより、高温流路１１と低温流路２１とを重ねて図示している。低温流路２１の流路入口２３ａと高温流路１１の流路入口１３ａが、コア１のＸ方向の一方側（Ｘ２方向側）に配置され、低温流路２１の流路出口２３ｂと高温流路１１の流路出口１３ｂとが、コア１のＸ方向の他方側（Ｘ１方向側）に配置されている。
【００５３】
このように、熱交換器１００は、高温流路１１および低温流路２１の各流路入口が共にＸ２方向側端部に設けられ、高温流路１１および低温流路２１の各流路出口が共にＸ１方向側端部に設けられており、高温流路１１を流れる高温流体ＨＦと、低温流路２１を流れる低温流体ＬＦとが、互いに同じ方向（Ｘ１方向）に流れる並行流型の熱交換器である。上記高温流路１１では、高温流体ＨＦがＸ２方向側の流路入口１３ａからＸ１方向側の流路出口１３ｂに向けてＸ１方向に流れる。低温流路２１では、Ｘ２方向側の流路入口２３ａから流入した低温流体ＬＦが１回屈曲してＸ１方向に流れた後、再度屈曲してＸ１方向側の流路出口２３ｂへ流れる。
【００５４】
（低温流路の所定範囲）
次に、第１部分２１ａが形成された、第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲについて説明する。図６に示すように、高温流路１１と低温流路２１とは、低温流路２１の流路入口２３ａの直後の領域および低温流路２１の流路出口２３ｂの直前の領域を除いた、Ｘ方向に延びる領域の略全体で重なっている。
【００５５】
ここで、第１部分２１ａが形成された、第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲは、Ｘ方向における流路入口２３ａの一端（Ｘ２方向端部）の位置Ｐ１から、Ｘ方向における流路入口２３ａの他端（Ｘ１方向端部）よりも所定距離だけ下流側となる位置Ｐ２までの範囲に設定されている。この所定範囲ＰＲは、入口温度が極低温となる低温流体ＬＦによって、高温流路１１側で凍結が発生しやすい高リスク領域Ｅを内側に含むように設定されている。
【００５６】
ここで、第１実施形態の熱交換器１００は、任意の運転条件で用いられる汎用的な熱交換器ではなく、予め設定された所定の運転条件において、所定の熱交換性能を達成するように設計されるタイプの熱交換器である。そのため、高リスク領域Ｅの位置および範囲は、予め特定された運転条件および設計条件に基づいて、実験的手法またはシミュレーション等の解析的手法により、予め把握される。高リスク領域Ｅは、低温流路２１と高温流路１１との重複部分であって、かつ、低温流体ＬＦの温度が最も低くなる流路入口２３ａの近傍の位置と重なる、高温流路１１内の位置となる。低温流路２１の所定範囲ＰＲ（第１部分２１ａ）は、高リスク領域Ｅを内側に含むとともに、高リスク領域Ｅよりも下流側まで延びる範囲として設定されている。
【００５７】
したがって、高温流路１１の連結チャネル部１１ａは、少なくとも低温流路２１の所定範囲ＰＲ（第１部分２１ａ）と重複する範囲に亘って形成される。この結果、連結チャネル部１１ａは、高温流路１１において凍結が発生しやすい高リスク領域Ｅを、内側に含む範囲で設けられる。また、連結チャネル部１１ａは、高リスク領域Ｅよりも低温流路２１の下流側方向（Ｘ１方向）まで延びるように設けられる。
【００５８】
また、第１実施形態では、低温流路２１の所定範囲ＰＲに設けられた第１部分２１ａを構成するチャネル２４ａ（図４参照）の形状は、高温流路１１の高リスク領域Ｅにおける流路の内表面温度Ｔｓが、高温流体ＨＦの凝固点ＦＰ以上となる条件を満たすように設定されている。並行流型の熱交換器１００におけるＸ方向の位置に応じた典型的な温度分布を図７に示す。図７の横軸は、各流路のＸ方向における位置を示し、縦軸が温度を示している。
【００５９】
高温流路１１を流れる高温流体ＨＦの平均温度および低温流路２１を流れる低温流体ＬＦの平均温度は、図７のように下流側（Ｘ１方向）に向かうに従って、熱交換により相互に近付く。並行流型の熱交換器１００では、上流側端部である低温流路２１の流路入口２３ａの近傍の位置（所定範囲ＰＲ）では、流体間の温度差が最も大きい。しかし、図７に示した高温流路１１の内表面温度Ｔｓは高温流体ＨＦの平均温度よりも低く、内表面温度Ｔｓが高温流体ＨＦの凝固点ＦＰよりも低くなると、流路内表面に局所的な凍結が発生する可能性がある。高温流路１１の内表面温度Ｔｓは、高温流路１１の伝熱性能が高いほど上昇し、低温流路２１の伝熱性能が低いほど上昇する。そのため、第１実施形態では、第１部分２１ａの伝熱性能を第２部分２１ｂよりも伝熱性能を低くすることによって、高リスク領域Ｅにおける内表面温度Ｔｓが高温流体ＨＦの凝固点ＦＰよりも高くなるように熱交換器１００が構成されている。
【００６０】
（重複領域および非重複領域）
図６に示すように、第１実施形態では、高温流路１１は、平面視において、第２伝熱板２０の低温流路２１と重複する重複領域１１ｂと、少なくとも低温流路２１の流路入口２３ａ側で重複領域１１ｂよりも外側に設けられた非重複領域１１ｃと、を含む。低温流路２１の流路入口２３ａ側は、図６の例では、Ｙ方向のうちＹ１方向側である。
【００６１】
具体的には、各流路がＸ方向に延びる部分において、第２伝熱板２０の低温流路２１は流路幅Ｗ１２を有しており、第１伝熱板１０の高温流路１１は流路幅Ｗ１２よりも大きい流路幅Ｗ１１を有している。したがって、高温流路１１は、低温流路２１よりも流路幅方向の外側まではみ出すように設けられており、低温流路２１よりもはみ出した部分が非重複領域１１ｃである。非重複領域１１ｃには、少なくとも１つのチャネル１４（図３参照）が設けられている。図６の例では、非重複領域１１ｃは、低温流路２１の流路入口２３ａ側（Ｙ１方向側）の外側のみならず、低温流路２１の流路出口２３ｂ側（Ｙ２方向側）の外側にも設けられている。低温流路２１の流路入口２３ａ側に設けられた非重複領域１１ｃは、平面視において流路入口２３ａ側で低温流路２１のＹ方向の外縁に隣接するため、高リスク領域Ｅおよび高リスク領域Ｅの近傍に配置される。
【００６２】
重複領域１１ｂでは、高温流路１１と低温流路２１とが積層方向に重複しているので、各流路を流れる高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの間で熱交換が行われる。
【００６３】
一方、非重複領域１１ｃでは、高温流路１１と、低温流路２１の外縁を区画する隔壁２２の部分（低温流体ＬＦが流れない部分）とが積層方向に重複している。重複領域１１ｂと比較すると、非重複領域１１ｃに設けられたチャネル１４（図３参照）は、低温流体ＬＦとの熱交換に対する寄与度が低い余剰の高温流体ＨＦを流通させる。そのため、低温流路２１と重なる重複領域１１ｂの流路幅方向の外側（Ｙ１方向側）に非重複領域１１ｃが配置されることによって、高リスク領域Ｅおよび高リスク領域Ｅの近傍に、通常の熱交換への寄与度の低い余剰の高温流体ＨＦを流通させることが可能である。
【００６４】
低温流路２１の流路入口２３ａ側に設けられる非重複領域１１ｃの幅は、高温流路１１のチャネル１４（図３参照）が１つ以上３つ以下設けられる程度が好ましい。１つのチャネル１４は、チャネル１４間の隔壁１２を考慮して（Ｗ１＋Ｗ２）の幅を占めるので、非重複領域１１ｃの幅は、（Ｗ１＋Ｗ２）の約１倍以上約３倍以下程度とされる。上記の通り非重複領域１１ｃを流れる高温流体ＨＦは通常の熱交換に対する寄与度が低いので、必要以上に設けると熱交換器１００の体積当たりの熱交換性能が低下するためである。
【００６５】
（第１実施形態の作用）
次に、図６を参照して、第１実施形態の熱交換器１００による作用について説明する。各流路の形状はそれぞれ図３および図４を参照するものとする。図６に示したように、高温流路１１および低温流路２１の各々に高温流体ＨＦおよび低温流体ＬＦが流入すると、各流路が重複する領域において高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの熱交換が行われる。高温流体ＨＦは、低温流路２１の所定範囲ＰＲと重なる位置を通過する過程で高リスク領域Ｅを通る。
【００６６】
この際、低温流路２１の所定範囲ＰＲに設けられた第１部分２１ａでは、伝熱性能が相対的に低いため、高温流路１１の内表面温度Ｔｓ（図７参照）が低下することが抑制される。また、低温流路２１の所定範囲ＰＲと重なる高温流路１１の範囲には、連結チャネル部１１ａが設けられているため、高い伝熱性能を有し、高温流路１１の内表面温度Ｔｓが低下することが抑制される。
【００６７】
熱交換器１００の運転中には各種の変動要因があり、運転条件の変化によって設計仕様よりも流体（流路内表面）の温度が低下する可能性がある。その場合には、高温流路１１内の高リスク領域Ｅにおいて、凍結が発生することがあり得る。そこで、高リスク領域Ｅに凍結が発生し、高リスク領域Ｅの部分のチャネル１４が閉塞したと仮定する。
【００６８】
この場合、チャネル１４が閉塞した分だけ、凍結部位では高温流路１１の流路幅がＷ１３まで減少する。その結果、凍結していないチャネル１４では、高温流体ＨＦの流速が上昇し、熱伝達率が向上する。これにより、凍結部位のＹ方向への拡大が抑制される。
【００６９】
一方、凍結によって閉塞したチャネル１４では、凍結部位よりも下流側へは高温流体ＨＦが流れない。しかし、連結チャネル部１１ａでは高温流体ＨＦがチャネル１４間に跨がって流動可能である。凍結部位の側方を通過すると高温流路１１の流路幅Ｗ１３からＷ１１に拡大するので、図６の流れ線で示したように、高温流体ＨＦの流れは、チャネル１４を跨いで流路幅方向に拡がる。つまり、凍結部位の周囲の凍結していないチャネル１４から、高温流体ＨＦが凍結部位よりも下流側（裏側）の位置まで凍結部位に沿って流路幅方向（Ｙ方向）に回り込むように流れる。その結果、閉塞したチャネル１４の凍結部位よりも下流側で高温流体ＨＦの流れが滞ることが抑制されるので、凍結部位のＸ方向への拡大が抑制される。
【００７０】
さらに、高温流路１１の凍結部位の周辺には、低温流路２１とは重複しない非重複領域１１ｃがあり、余剰の高温流体ＨＦが流通する。このため、非重複領域１１ｃのチャネル１４に流入する余剰の高温流体ＨＦの分だけ高温流体ＨＦの熱容量が増大する。また、非重複領域１１ｃのチャネル１４が凍結により高リスク領域Ｅにおいて閉塞しても、高温流体ＨＦの回り込みによって、非重複領域１１ｃにおいて凍結部位よりも下流側には高温流体ＨＦの流れが形成される。非重複領域１１ｃを流れる高温流体ＨＦは、低温流体ＬＦとの熱交換への寄与度が低い分、高温流体ＨＦの持つ余剰の熱量によって凍結部位の拡大が抑制される。
【００７１】
また、運転条件の変動によって、仮に高リスク領域Ｅを超えて凍結部位が拡大したとしても、第１実施形態の熱交換器１００では、高温流路１１の全面に連結チャネル部１１ａが設けられているため、高温流体ＨＦの回り込みによる凍結部位の拡大抑制の効果は継続して維持される。
【００７２】
低温流路２１において、第１部分２１ａの伝熱性能が第２部分２１ｂよりも小さいため、第１部分２１ａでは低温流体ＬＦの温度上昇が相対的に抑制される。つまり、第１部分２１ａを第２部分２１ｂと同じ形状パターンのチャネルで構成した場合と比較して、低温流体ＬＦの温度上昇が緩やかになる。一方、低温流体ＬＦが所定範囲ＰＲ（第１部分２１ａ）を超えて第２部分２１ｂに流入すると、第２部分２１ｂでは伝熱性能が高くなるため、高温流体ＨＦとの熱交換が促進され、低温流体ＬＦは流路出口２３ｂに到達する過程で目標温度まで昇温される。低温流体ＬＦが第２部分２１ｂに到達した段階では、高温流路１１側で高温流体ＨＦを凍結させない程度まで低温流体ＬＦが昇温されるため、高温流路１１の第２部分２１ｂと重なる領域では、凍結が発生するような高リスク領域Ｅとはならない。
【００７３】
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００７４】
第１実施形態では、上記のように、少なくとも第２伝熱板２０の流路入口２３ａから流路入口２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲと重なる高温流路１１の範囲に連結チャネル部１１ａを設けたので、連結チャネル部１１ａにおける熱伝達率を向上させることができる。その結果、高温流路１１が形成された第１伝熱板１０への入熱量が増大して高温流路１１の内表面温度Ｔｓを高くすることができるので、高温流路１１における凍結の発生を抑制することができる。また、連結チャネル部１１ａにおいて高温流体ＨＦの凍結が発生した場合でも、別のチャネル１４を流れる高温流体ＨＦが閉塞したチャネル１４の下流側へ回り込むことができるので、凍結部位がＸ方向に拡大することを回避できる。さらに、一部のチャネル１４が凍結により閉塞すると、凍結していないチャネル１４での高温流体ＨＦの流速が上昇する。その結果、凍結していないチャネル１４における熱伝達率が向上して第１伝熱板１０への入熱量が増大するので、凍結部位のＹ方向の拡大が抑制される。以上の結果、極低温の流体を扱う場合に、高温流体ＨＦ側の流路に凍結が発生することを抑制でき、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制することができる。
【００７５】
また、連結チャネル部１１ａが、第１伝熱板１０において高温流路１１の略全体に亘って形成されているので、上記連結チャネル部１１ａによって得られる効果を、所定範囲ＰＲのみならず高温流路１１全体に亘って実現することができる。その結果、想定と異なる凍結部位が発生した場合でも凍結の発生および凍結部位の拡大を確実に抑制できる。
【００７６】
また、高温流路１１の連結チャネル部１１ａでは、隣り合うチャネル１４間に跨がってチャネル１４同士を連通させる溝状の連結通路１５が複数形成されているので、容易に連結チャネル部１１ａを構成できる。特に、第１伝熱板１０に対してエッチングにより高温流路１１を形成する際に、チャネル１４と連結通路１５とを一括して形成できるので、連結チャネル部１１ａを設ける場合でも製造工程が複雑化することを抑制できる。
【００７７】
また、連結チャネル部１１ａにおいて、複数の連結通路１５が、流路幅方向（Ｙ方向）に隣り合う連結通路１５に対して、高温流体ＨＦの流通方向における位置が互いにずれるように、千鳥状に配置されているので、連結通路１５が流路幅方向に直線状に並んでいる場合と比較して、より効率よく高温流体ＨＦを流路幅方向に移動させることができる。この結果、連結チャネル部１１ａの伝熱効率の向上および連結チャネル部１１ａにおける凍結部位の周囲への高温流体ＨＦの回り込みを促進することができる。
【００７８】
また、高温流路１１が、少なくとも低温流路２１の流路入口２３ａ側で重複領域１１ｂよりも外側に設けられた非重複領域１１ｃを含むので、非重複領域１１ｃを流れる熱交換への寄与度の低い余剰の高温流体ＨＦの流れを、低温流体ＬＦの流路入口２３ａの近傍と重複する高リスク領域Ｅの周辺に形成できる。このため、非重複領域１１ｃを流れる余剰の高温流体ＨＦの分だけ高温流体ＨＦの熱容量を増大させることができる。また、たとえ非重複領域１１ｃが凍結しても、高温流体ＨＦの回り込みにより凍結部位よりも下流側に高温流体ＨＦの流れを形成することができる。その結果、余剰の高温流体ＨＦの流れを高リスク領域Ｅの周辺および下流側に形成できるので、高リスク領域Ｅにおける高温流体ＨＦの凍結の発生および凍結部位の拡大を、効果的に抑制することができる。
【００７９】
また、低温流路２１において所定範囲ＰＲに設けられた第１部分２１ａが、第２部分２１ｂよりも伝熱性能が低くなるように構成されているので、第１部分２１ａによって低温流路２１の伝熱性能が抑制され、その分、所定範囲ＰＲと重複する高温流路１１の内表面温度Ｔｓを上昇させることができる。その結果、所定範囲ＰＲと重複する部位における高温流路１１内の凍結の発生を、効果的に抑制することができる。
【００８０】
また、第１部分２１ａのチャネル２４ａが、第２部分２１ｂのチャネル２４ｂよりも伝熱性能が低くなるように平面形状が異なっているので、図４のように低温流路２１を構成するチャネル２４の形状を異ならせるだけで、容易に第１部分２１ａの伝熱性能を第２部分２１ｂの伝熱性能よりも低くすることができる。
【００８１】
また、第１実施形態の熱交換器１００を並行流型の熱交換器としたことにより、高温流路１１において所定範囲ＰＲと重なる位置では、最も高温の状態の高温流体ＨＦが流通することになるので、高温流体ＨＦの凍結の発生を効果的に抑制できる。また、実際の熱交換器１００の運転中に予め把握できない各種の変動が発生した場合でも、入口温度についてはそのような変動要因の影響を受けにくいため、凍結が発生しやすい所定範囲ＰＲにおける変動要因の影響を抑制して安定した凍結の抑制効果を得ることができる。
【００８２】
（第２実施形態）
次に、図８および図９を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、第２伝熱板２０の低温流路２１に１つの流路入口２３ａを設けた上記第１実施形態と異なり、低温流路２１に複数の流路入口１２３ａを設けた例について説明する。なお、第２実施形態において、第２伝熱板１２０および第２入口ポート３ａおよび第２出口ポート３ｂ以外は上記第１実施形態と同様であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００８３】
図８に示すように、第２実施形態の熱交換器２００では、第２伝熱板１２０には、複数（２つ）の流路入口１２３ａが設けられている。また、第２伝熱板１２０には、複数（２つ）の流路出口１２３ｂが設けられている。
【００８４】
２つの流路入口１２３ａは、第２伝熱板１２０の一対の第２側端面２０ｂにそれぞれ開口するように、対で（一対）設けられている。一対の流路入口１２３ａは、第２伝熱板１２０のＸ２方向側の端部において、Ｙ方向に互いに対向する位置に形成されている。
【００８５】
２つの流路出口１２３ｂは、第２伝熱板１２０の一対の第２側端面２０ｂにそれぞれ開口するように、対で（一対）設けられている。一対の流路出口１２３ｂは、流路入口１２３ａとは反対側のＸ１方向側の端部において、Ｙ方向に互いに対向する位置に形成されている。
【００８６】
各一対の流路入口１２３ａおよび流路出口１２３ｂに対応して、それぞれの開口を覆うようにヘッダ部５が合計４箇所設けられている。流路入口１２３ａを覆う２つのヘッダ部５には、低温流体ＬＦを導入するための第２入口ポート３ａがそれぞれ設けられている。流路出口１２３ｂを覆う２つのヘッダ部５には、低温流体ＬＦを導出するための第２出口ポート３ｂがそれぞれ設けられている。
【００８７】
第２実施形態では、低温流路１２１は、第２伝熱板１２０の一対の第２側端面２０ｂにそれぞれ開口した流路入口１２３ａからそれぞれ延びた後屈曲して、第２側端面２０ｂに沿う方向に延びるように形成されている。このように、第２実施形態では、第１伝熱板１０の第１側端面２０ａに流路入口１３ａが設けられた高温流路１１（図９参照）に対して、高温流路１１の左右両側となる一対の第２側端面２０ｂに、低温流路１２１の一対の流路入口１２３ａがそれぞれ設けられている。
【００８８】
低温流体ＬＦは、低温流路１２１において、一対の流路入口１２３ａからＹ方向中央に向けて流入した後屈曲して、Ｘ１方向に進み、Ｘ１方向端部でＹ方向両側に分岐して、Ｙ方向両側の流路出口１２３ｂからそれぞれ流出する。このようにＹ方向の両側に一対の流路入口１２３ａを設けた場合に、同様にＹ方向の両側に一対の流路出口１２３ｂを設ける事によって、低温流路１２１内で低温流体ＬＦの流れの偏りが生じることを抑制できる。個々の流路入口１２３ａの開口面積（開口幅）が小さくできるので、低温流路１２１に重なる高温流路１１において内表面温度Ｔｓが局所的に低下することが抑制される。
【００８９】
低温流路１２１には、上記第１実施形態と同様に、第２伝熱板１２０の流路入口１２３ａから流路入口１２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲに、第１部分２１ａ（低温流路１２１内のハッチング部分）が設けられ、第１部分２１ａよりも下流側に第２部分２１ｂが設けられている。そして、第１部分２１ａは、第２部分２１ｂよりも伝熱性能が低くなるように構成されている。第１部分２１ａおよび第２部分２１ｂにおける具体的なチャネルの形状は、上記第１実施形態の低温流路２１の構成を、Ｙ方向の左右に分岐させたものと同様であるため、図示を省略する。そのため、第１部分２１ａのチャネルは、第２部分２１ｂのチャネルよりも伝熱性能が低くなるように平面形状が異なっており、詳細な説明は省略する。
【００９０】
図９は、高温流路１１（実線）と低温流路１２１（破線）とを重ねて示したものである。第２実施形態では、低温流路１２１に一対の流路入口１２３ａを設けているため、個々の流路入口１２３ａの開口面積（開口幅）が、上記第１実施形態の流路入口２３ａの開口面積（開口幅）と比較して、略半分となっている。極低温の状態の低温流体ＬＦの流入位置が分散され、個々の流路入口１２３ａにおける流量が抑制されるため、これに対応して、高温流路１１の高リスク領域Ｅも、２箇所に分散されて面積が小さくなっている。したがって、第２実施形態の熱交換器２００では、高温流路１１において凍結が発生しやすい高リスク領域Ｅを分散させると共に小さくして、凍結の発生をさらに抑制している。また、仮にそれぞれの高リスク領域Ｅで凍結が発生した場合でも、より小型の凍結部位が流路幅方向（Ｙ方向）に互いに離れた位置に形成されるので、個々の凍結部位が拡大することも効果的に抑制される。
【００９１】
高温流路１１における連結チャネル部１１ａによって得られる効果は、上記第１実施形態と同様である。図３および図９から分かるように、２箇所の高リスク領域Ｅのいずれに凍結が発生した場合でも、高温流体ＨＦは連結チャネル部１１ａにおいてチャネル１４間を跨いで流動することによって、凍結部位を回り込むように流れる事が可能である。
【００９２】
第２実施形態では、低温流路１２１において、Ｙ方向の両側に流路入口１２３ａがそれぞれ設けられているので、高温流路１１のうち低温流路１２１と重複しない非重複領域１１ｃも、流路入口１２３ａが設けられたＹ方向の両側にそれぞれ設けられている。
【００９３】
第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００９４】
（第２実施形態の効果）
第２実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、少なくとも第２伝熱板１２０の流路入口１２３ａから流路入口１２３ａよりも下流側の位置までの所定範囲ＰＲと重なる高温流路１１の範囲に連結チャネル部１１ａ（図３および図９参照）を設けたので、極低温の流体を扱う場合に、高温流体ＨＦ側の流路に凍結が発生することを抑制でき、凍結が発生した場合でも凍結領域が拡大することを抑制することができる。
【００９５】
また、第２実施形態では、低温流路１２１を、第２伝熱板１２０の一対の第２側端面２０ｂにそれぞれ開口した流路入口１２３ａからそれぞれ延びた後屈曲して、第２側端面２０ｂに沿うＸ方向に延びるように形成したので、高温流体ＨＦの流路入口１３ａに対して、低温流体ＬＦの流路入口１２３ａを左右の両側の第２側端面２０ｂに設ける事ができる。そのため、低温流体ＬＦの流路入口１２３ａを左右の片側に１つだけ設ける場合と比べて、個々の流路入口１２３ａの開口面積を減少させることができるので、高温流路１１内で高リスク領域Ｅを小さくしつつ、高温流路１１の左右両側に分散させることができる。これにより、凍結の発生を抑制し、凍結が発生する場合でも凍結部位を小さくすることができる。
【００９６】
第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００９７】
（流路の構成例）
次に、流路およびチャネルの構成例について説明する。上記第１および第２実施形態では、高温流路１１の連結チャネル部１１ａを、直線状のチャネル１４と、隣り合うチャネル１４同士を連通させる連結通路１５とによって構成した例を示したが、連結チャネル部１１ａの構成はこれに限られない。
【００９８】
たとえば図１０（Ａ）および（Ｂ）に示したように、チャネルが直線状に形成されていなくてもよい。図１０（Ａ）および（Ｂ）の構成例では、高温流路１１は、連結チャネル部１１ａにおいて、流路中に点在するように複数配置された島状の隔壁２１２に沿って分岐し、互いに合流し合う複数のチャネル２１４を含む。これらの構成例においては、チャネル２１４は、高温流体ＨＦの流通方向（Ｘ方向）と直交する流路幅方向（Ｙ方向）において、隣り合う隔壁２１２によって区画された隔壁２１２間の部分を１本のチャネルとして定義する。
【００９９】
図１０（Ａ）および（Ｂ）の構成例では、高温流路１１が、連結チャネル部１１ａにおいて、流路中に点在するように複数配置された島状の隔壁２１２に沿って分岐し、互いに合流し合う複数のチャネル２１４を含むので、高温流体ＨＦが島状の隔壁２１２によって分岐したり合流したりすることにより、複数のチャネル２１４間に跨がって流動可能となる。そのため、このような構成によっても、連結チャネル部１１ａを構成することが可能である。
【０１００】
図１０（Ａ）の例では、高温流路１１中に、平面視で円形状の隔壁２１２が島状に点在するように設けられている。それぞれの隔壁２１２は、高温流路１１の流通方向（Ｘ方向）に所定間隔で直線状に配列されているが、流路幅方向（Ｙ方向）に隣り合う列を構成する隔壁２１２同士では、Ｘ方向の位置が互いにずれるように千鳥状に配置されている。そのため、各チャネル２１４は、隔壁２１２に沿って蛇行するとともに、分岐および合流を繰り返すように形成されており、隣り合うチャネル２１４に跨がって高温流体ＨＦが流動できる。
【０１０１】
図１０（Ｂ）の例では、高温流路１１中に、平面視で翼型の隔壁２１２が島状に点在するように設けられている。「翼型」とは、航空機等の翼の断面形状のことであり、基本的に前縁（流通方向の上流側端縁）が丸く、後縁（流通方向の下流側端縁）が尖った形状を有するものである。それぞれの隔壁２１２は、高温流路１１の流通方向（Ｘ方向）に所定間隔で直線状に配列されているが、流路幅方向（Ｙ方向）に隣り合う各列を構成する隔壁２１２同士では、Ｘ方向の位置が互いにずれるように千鳥状に配置されている。また、Ｘ方向に直線状に並んだそれぞれの隔壁２１２は、Ｘ方向に対してＹ方向の一方側または他方側に傾斜しており、一方側に傾斜した隔壁２１２と他方側に傾斜した隔壁２１２とが交互に並ぶように配置されている。なお、翼型の隔壁２１２は、Ｙ方向に傾斜せずに全て同じ向きで設けられてもよい。
【０１０２】
図１０（Ｂ）の構成例においても、各チャネル２１４は、隔壁２１２に沿って蛇行するとともに、隔壁２１２間で分岐および合流を繰り返すように形成されており、隣り合うチャネル２１４に跨がって高温流体ＨＦが流動できる。
【０１０３】
（第１部分および第２部分の構成例）
また、上記第１および第２実施形態では、低温流路２１の第１部分２１ａを互いに独立した線状のチャネル２４ａにより構成したパターンとし、第２部分２１ｂを連結チャネル部１１ａと同様に直線状のチャネル２４ｂ同士を複数の連結通路２５により連通させたパターンとした例を示したが、第１部分２１ａおよび第２部分２１ｂの各チャネルを、それぞれ図１１（Ａ）および（Ｂ）に示すパターンとしてもよい。
【０１０４】
図１１（Ａ）は、第１部分２１ａのパターンであり、上記第１および第２実施形態と同様に、隔壁２２２により互いに独立した線状のチャネル２２４ａが構成されている。これに対して、図１１（Ｂ）は、第２部分２１ｂのパターンであり、各チャネル２２４ｂは、上記第１および第２実施形態とは異なり、隔壁２２２により互いに独立した線状のチャネルとなっている。ただし、図１１（Ｂ）のチャネル２２４ｂは、流路幅方向（Ｙ方向）に交互に傾斜することにより、ジグザクに蛇行した形状を有する。この場合でも、第１部分２１ａのチャネル２２４ａは、第２部分２１ｂのジグザグのチャネル２２４ｂと比較して経路長が小さく、チャネルの内表面積が小さいので、伝熱性能が相対的に低くなる。この他、第２部分２１ｂのチャネル２２４ｂを、図１０（Ａ）または（Ｂ）に示した形状としてもよい。
【０１０５】
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【０１０６】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、第１伝熱板１０を通過する流体と第２伝熱板２０を通過する流体とが互いに同じ方向に流れる並行流型の熱交換器１００の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換器は、第１伝熱板１０を通過する流体と第２伝熱板２０を通過する流体とが互いに対向する方向に流れる対向流型、または、互いに交差する直交流型などであってもよい。
【０１０７】
また、上記第１および第２実施形態では、高温流路１１および低温流路２１を、流体が伝熱板の一端側（Ｘ２方向側）から流入して他端側（Ｘ１方向側）から流出するように構成した例を示したが本発明はこれに限られない。高温流路および低温流路は、１回または複数回折り返して逆向きに延びるように構成してもよい。たとえば、高温流路１１および低温流路２１を、流体が伝熱板の一端側（Ｘ２方向側）から流入して他端側（Ｘ１方向側）で１回折り返し、一端側（Ｘ２方向側）に戻って流出するように構成してもよい。
【０１０８】
また、上記第１および第２実施形態では、複数の第１伝熱板１０および複数の第２伝熱板２０を、交互に積層することによりコア１を構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１伝熱板と第２伝熱板とを必ずしも交互に積層しなくともよい。たとえば、Ｚ方向に沿って、第２伝熱板、第１伝熱板、第２伝熱板、第２伝熱板、第１伝熱板・・・、となるように、１層の第１伝熱板に対して２層（複数層）の第２伝熱板を積層させてもよい。逆に、２層（複数層）の第１伝熱板に対して１層の第２伝熱板を積層させてもよい。
【０１０９】
また、上記第１および第２実施形態では、高温流路１１の全体に亘って連結チャネル部１１ａを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、高温流路１１のうちで少なくとも上記所定範囲ＰＲと重なる範囲に連結チャネル部１１ａが設けられていればよく、所定範囲ＰＲと重ならない範囲において連結チャネル部１１ａが設けられなくてもよい。したがって、高温流路１１を、低温流路２１と同じように第１部分と第２部分とに分けて、第１部分については連結チャネル部１１ａを設けて、第２部分については高温流体ＨＦがチャネル間に跨がって流動できない独立したチャネル（たとえば図１１（Ａ）および（Ｂ）参照）を設けてもよい。
【０１１０】
また、上記第１および第２実施形態では、連結チャネル部１１ａの複数の連結通路１５を、千鳥状の配置となるように設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、複数の連結通路１５が流路幅方向（Ｙ方向）に直線状に並んでいてもよいし、千鳥状とも直線状とも異なった態様で規則的に分布していても良いし、不規則的に（ランダムに）分布していても良い。
【０１１１】
また、上記第１および第２実施形態では、図５に示したように、連結通路１５のＸ方向のピッチｐをチャネル幅Ｗ１の約２．５倍とし、隔壁１２の長さＬ１をチャネル幅Ｗ１約１．５倍とした例を示したが、本発明はこれに限られない。連結通路１５のＸ方向のピッチｐは、チャネル１４のチャネル幅Ｗ１の約２．５倍以上、約１０倍以下の範囲内の任意の値としてよい。また、隣り合う連結通路１５の間の隔壁１２の長さＬ１は、チャネル１４のチャネル幅Ｗ１の約１．５倍以上、約９倍以下の範囲内の任意の値としてよい。たとえば図１２では、連結通路１５のＸ方向のピッチｐは、チャネル幅Ｗ１の約１０倍であり、隔壁１２の長さＬ１は、チャネル幅Ｗ１（＝連結通路１５の通路幅Ｗ３）の約９倍であり、上記範囲の上限値の例を示している。連結通路１５のＸ方向のピッチｐまたは隣り合う連結通路１５の間の隔壁１２の長さＬ１を、上記範囲以外としてもよい。
【０１１２】
また、上記第１および第２実施形態では、高温流路１１に、重複領域１１ｂよりも外側に設けられた非重複領域１１ｃを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、非重複領域を設けなくてもよい。
【０１１３】
また、上記第１および第２実施形態では、低温流路２１に第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、低温流路２１に第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを設けずに、低温流路２１を単一のパターンのチャネル１４によって構成してもよい。
【０１１４】
また、上記第１および第２実施形態では、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとでチャネル１４の平面的な形状を異ならせる事によって、第１部分２１ａの伝熱性能を相対的に低くした例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第１部分２１ａのチャネル１４の内表面にだけコーティングなどの伝熱性能を低下させる表面処理を施すなどにより、第１部分２１ａの伝熱性能を相対的に低くしてもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１  コア
１０  第１伝熱板
１０ａ  第１側端面
１０ｂ  第２側端面
１１  高温流路
１１ａ  連結チャネル部
１１ｂ  重複領域
１１ｃ  非重複領域
１３ａ  流路入口（高温流路の流路入口）
１３ｂ  流路出口（高温流路の流路出口）
１４、２１４  チャネル
１５  連結通路
２０、１２０  第２伝熱板
２０ａ  第１側端面
２０ｂ  第２側端面
２１、１２１  低温流路
２１ａ  第１部分
２１ｂ  第２部分
２３ａ、１２３ａ  流路入口（低温流路の流路入口）
２３ｂ、１２３ｂ  流路出口（低温流路の流路出口）
２４、２４ａ、２４ｂ、２２４ａ、２２４ｂ  チャネル
１００、２００  熱交換器（拡散接合型熱交換器）
２１２  隔壁（島状の隔壁）
ＨＦ  高温流体
ＬＦ  低温流体
ＰＲ  所定範囲
【図１】
2019178807.tif 000003
【図２】
2019178807.tif 000004
【図３】
2019178807.tif 000005
【図４】
2019178807.tif 000006
【図５】
2019178807.tif 000007
【図６】
2019178807.tif 000008
【図７】
2019178807.tif 000009
【図８】
2019178807.tif 000010
【図９】
2019178807.tif 000011
【図１０】
2019178807.tif 000012
【図１１】
2019178807.tif 000013
【図１２】
2019178807.tif 000014