(57)【要約】【課題】複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成する。【解決手段】第１流路を流れる流体である第１流体と第２流路を流れる流体である第２流体との間において熱交換を行う熱交換器であって、第１流路は、管状の形状を有する部材である第１部材によって画定されており、第２流路には、多孔質材料によって形成された部材である第２部材が第１部材と熱伝導可能に接触するように配設されており、第２流路は、第２部材の内部に形成された空孔を経由して第２流体の少なくとも一部が第２部材の内部を通過するように構成されている。好ましくは、第１流体は液体であり、第２流体は気体である。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流路を流れる流体である第１流体と第２流路を流れる流体である第２流体との間において熱交換を行う熱交換器であって、
前記第１流路は、管状の形状を有する部材である第１部材によって画定されており、
前記第２流路には、多孔質材料によって形成された部材である第２部材が前記第１部材と熱伝導可能に接触するように配設されており、
前記第２流路は、前記第２流体の少なくとも一部が前記第２部材の内部に形成された空孔を経由して前記第２部材の内部を通過するように構成されている、
熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載された熱交換器であって、
前記第１流体は液体であり、
前記第２流体は気体である、
熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された熱交換器であって、
前記第１流路において前記第１流体が流れる向きである第１方向と前記第２流路において前記第２流体が流れる向きである第２方向とは、互いに平行である、
熱交換器。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載された熱交換器であって、
前記第１流路において前記第１流体が流れる向きである第１方向と前記第２流路において前記第２流体が流れる向きである第２方向とは、互いに平行ではない、
熱交換器。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載された熱交換器であって、
前記第２部材の内部には、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が形成されており、
前記貫通孔の前記軸方向は、前記第２方向と平行である、
熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。より具体的には、本発明は、複数の流体の間において熱交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば燃料電池コジェネレーション、ガスヒートポンプ及び車両用内燃機関等の様々な装置において、排熱利用、放熱及び吸熱等を目的とする熱交換を行う機器として、熱交換器が広く使用されている。このような熱交換器の典型例としては、例えば、内部に流体が流れる管の外壁に多数の放熱板（フィン）が所定の間隔を空けて接合されたラジエータ等を挙げることができる（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
放熱板の単位面積当たりの放熱量又は吸熱量に限りがあるため、上記のような構成を有する熱交換器において熱交換効率を高めるためには、放熱板の面積を増大させる必要がある。しかしながら、放熱板の面積の増大は例えば熱交換器の大きさ及び重量の増大等の問題に繋がるため、熱交換器の小型化及び軽量化が求められる用途においては、放熱板の面積の増大にも限度がある。
【０００４】
そこで、当該技術分野においては、「ロータス型ポーラス材料」と称される多孔質材料によってベースと複数のフィンとを一体的に形成することにより、高い熱交換効率を有するヒートシンクを構成することが提案されている（例えば特許文献２を参照）。ロータス型ポーラス材料は、特定の方向に沿って並んだ複数の貫通孔が形成された金属材料であり、単位体積当たりの表面積が大きいため、ヒートシンクの放熱効率を維持又は向上しつつ小型化及び軽量化に寄与することができる。
【０００５】
また、当該技術分野においては、上記のように例えば半導体パワーモジュール等の発熱体から周囲雰囲気への放熱を行うヒートシンクではなく、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、ロータス型ポーラス材料を利用することも提案されている。例えば、複数の流路間で熱交換を行う熱交換器において、熱伝導材から成るベース板を介して第１流路と第２流路とを形成すると共に当該ベース板と熱的に接続されたロータス型ポーラス材料を各流路に設けることが提案されている（例えば特許文献３を参照）。これによれば、各流路を流れる流体がロータス型ポーラス材料に形成された貫通孔を通って流れるように構成することにより、各流体間における高い熱交換効率及び装置の小型化を同時に達成することができる。
【０００６】
しかしながら、上記熱交換器においては、各流路を流れる流体が何れもロータス型ポーラス材料に形成された貫通孔を通って流れるように構成されている。そのため、第１流路及び第２流路の少なくとも何れか一方を流れる流体が例えば液体等の高い粘度を有する流体である場合においては、当該流体が流れる流路における圧力損失が過度に大きくなる。その結果、所望の流量にて当該流体を流すためには、例えばポンプ等の動力装置の出力を大きくする必要があり、当該熱交換器を用いる装置の大型化、重量化及び高コスト化等の問題に繋がる虞がある。
【０００７】
上記のように、従来技術に係る熱交換器においては、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することができない。即ち、当該技術分野においては、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することができる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９８０９４号公報
【特許文献２】特開２００７−５２９４４２号公報
【特許文献３】特開２０１４−０８８９６７号公報
【特許文献４】特開平１０−０８８２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、当該技術分野においては、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することができる技術が求められている。即ち、本発明は、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、一方の流体が内部に流れる管の外壁に多孔質材料によって形成された部材を熱伝導可能に接触させ、当該多孔質材料の内部を他方の流体に通過させるように熱交換器を構成することにより、上記目的を達成することができることを見出した。
【００１１】
上記に鑑み、本発明に係る熱交換器（以降、「本発明熱交換器」と称される場合がある。）は、第１流路を流れる流体である第１流体と第２流路を流れる流体である第２流体との間において熱交換を行う熱交換器である。第１流路は、管状の形状を有する部材である第１部材によって画定されている。一方、第２流路には、多孔質材料によって形成された部材である第２部材が第１部材と熱伝導可能に接触するように配設されている。更に、第２流路は、第２流体の少なくとも一部が第２部材の内部に形成された空孔を経由して第２部材の内部を通過するように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明熱交換器において、第１流体は、前述したラジエータと同様に、第１部材の内部（即ち、管の中）を流れる。従って、第１流体が例えば液体等の高い粘度を有する流体である場合においても過度に高い圧力損失を生ずる虞が低い。一方、第２流体の少なくとも一部は、第２流路に配設された第２部材の内部（即ち、多孔質材料の内部に形成された空孔）を通過する。第２部材は多孔質材料によって形成されているので、前述したラジエータにおけるフィンと比べて、単位体積当たりの表面積（即ち、第２流体との接触面積）が著しく大きい。従って、前述したラジエータにおけるフィン等と比べて、より少ない量の第２部材によって、同等の熱交換効率を達成することができる。その結果、本発明熱交換器をより小さく、軽く、且つ安価に製造することができる。
【００１３】
以上のように、本発明熱交換器によれば、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することができる。本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施態様に係る熱交換器（第１熱交換器）の第１流路の構成の具体例を示す模式図である。
【図２】第１熱交換器の第２流路の構成の具体例を示す模式図である。
【図３】第１熱交換器が備える第２部材の構成の具体例を示す模式的な斜視図である。
【図４】図１の（ｂ）に例示されたサーペンタイン型の第１流路を構成する第１部材と図３の（ｄ）に例示された第２部材とを組み合わせた構成を有する第１熱交換器の構成を例示する模式図である。
【図５】第１熱交換器が備える第２部材の内部に形成された貫通経路の構成の具体例を示す模式的な断面図である。
【図６】第１熱交換器の第２流路における第２部材の配置の具体例を示す模式図である。
【図７】複数の第１熱交換器が積層されて構成される多段の熱交換器の熱交換領域における第１部材の配置の１つの例を示す模式図である。
【図８】複数の第１熱交換器が積層されて構成される多段の熱交換器の熱交換領域における第１部材の配置のもう１つの例を示す模式図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る熱交換器（第２熱交換器）を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の例を示す模式的な斜視図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る熱交換器（第３熱交換器）を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の例を示す模式的な斜視図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る熱交換器（第４熱交換器）を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の１つの例を示す模式的な斜視図である。
【図１２】第４熱交換器を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係のもう１つの例を示す模式的な斜視図である。
【図１３】第４熱交換器を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の更にもう１つの例を示す模式的な斜視図である。
【図１４】第４熱交換器を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の更にもう１つの例を示す模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
《第１実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る熱交換器（以降、「第１熱交換器」と称呼される場合がある。）について説明する。
【００１６】
〈構成〉
第１熱交換器は、第１流路を流れる流体である第１流体と第２流路を流れる流体である第２流体との間において熱交換を行う熱交換器である。第１流体及び第２流体のうち何れの方がより高温であってもよい。換言すれば、第１熱交換器は、第２流体によって第１流体を冷却してもよく、或いは第１流体によって第２流体を冷却してもよい。
【００１７】
第１流路は、管状の形状を有する部材である第１部材によって画定されている。即ち、第１流路は閉じた流路である。典型的には、第１部材は、例えばパイプ等の筒状の部材であり、例えばアルミニウム、銅及び鉄（ステンレス鋼等を含む）等を始めとする各種金属等、高い熱伝導率を有する材料によって形成される。第１部材の内径、壁厚及び材料等は、例えば第１熱交換器の用途において想定される第１流体の粘度、流量、圧力及び温度等の諸条件に応じて適宜選択することができる。
【００１８】
また、第１流路は、複数の第１部材を備えることができる。この場合、複数の第１部材は、互いに並列となるように構成されていてもよく、或いは互いに直列となるように構成されていてもよい。前者の場合、例えば図１の（ａ）に示すように、典型的な第１流路１０において、複数の第１部材１２へと第１流体１１を分流させる部材である分流部材１３及び複数の第１部材１２からの第１流体１１を合流させる部材である合流部材１４が複数の第１部材１２の上流側及び下流側にそれぞれ設けられる。このような分流部材１３及び合流部材１４の具体例としては、例えばヘッダ及びマニホルド等を挙げることができる。また、このような分流部材１３及び合流部材１４と複数の第１部材１２との接続手法は、例えば溶接等、当該技術分野において周知の方法から適宜選択することができる。
【００１９】
一方、後者の場合、例えば図１の（ｂ）に示すように、典型的な第１流路１０において、第１流体１１と第２流体２１との間において熱交換が行われる領域（以降、「熱交換領域」と称される場合がある。）に配設された複数の第１部材１２を直列に接続する屈曲管等の部材である接続部材１５が第１流路１０において隣接する第１部材１２の間に介装されて、所謂「サーペンタイン型」の第１流路１０が構成される。このようなサーペンタイン型の第１流路１０を構成する第１部材１２と接続部材１５との接続手法は、例えば溶接等、当該技術分野において周知の方法から適宜選択することができる。或いは、第１部材１２及び接続部材１５が一体的に形成されてサーペンタイン型の第１流路１０を構成していてもよい。前者及び後者の何れの場合においても、例えばポンプ等の動力装置により、所定の流量にて第１流体を第１流路に流すことができる。
【００２０】
一方、第２流路には、多孔質材料によって形成された部材である第２部材が第１部材と熱伝導可能に接触するように配設されている。第２流路は、第１流路と同様に閉じた流路であってもよく、或いは開いた流路であってもよい。前者の場合、例えば図２の（ａ）に示すように、第２流路２０を構成する部材２０ａによって画定される空間内に第２部材２２が配設され、当該空間を第２流体２１が流れるように第２流路２０が構成される。一方、後者の場合、例えば図２の（ｂ）に示すように、ラジエータ等と同様に、第１部材１２の周囲の開放された空間に露出するように第２部材２２が配設され、当該空間を第２流体２１が流れる。即ち、この場合、第１部材１２の周囲の開放された空間が第２流路２０に該当する。前者及び後者の何れの場合においても、例えばブロワ及びファン等の動力装置により、所定の流量にて第２流体を第２流路に流すことができる。また、熱交換領域の上流側及び／又は下流側に例えばダクト等を設けて、熱交換領域へと流入する第２流体の流れ及び／又は熱交換領域から流出する第２流体の流れを制御してもよい。
【００２１】
尚、図２においては、第２流路に関する説明及びその理解を容易にすることを目的として第１流路１０が１つの第１部材１２によって構成されている例を示したが、上述したように第１流路１０は複数の第１部材１２を備えることができる。また、図２おいては、第１流路１０において第１流体１１が流れる向きと第２流路２０において第２流体２１が流れる向きとが互いに平行であり且つ逆向きとなっている（即ち、第１熱交換器１００は向流型の熱交換器として描かれている）例を示した。しかしながら、詳しくは後述されるように、第１流路１０において第１流体１１が流れる向きと第２流路２０において第２流体２１が流れる向きとの関係は上記のような向流型に限定されず、例えば並流型及び直交流型等の種々の形式の中から適宜選択することができる。
【００２２】
第２部材を形成する多孔質部材は、内部に複数の空孔が形成された部材であり、例えばアルミニウム、銅及び鉄（ステンレス鋼等を含む）等を始めとする各種金属等、高い熱伝導率を有する材料によって形成される。第２部材の内部に形成される空孔の大きさ、形状及び多孔度、並びに材料等は、例えば第１熱交換器の用途において想定される第２流体の粘度、流量、圧力及び温度等の諸条件に応じて適宜選択することができる。
【００２３】
また、第２部材は第１部材と熱伝導可能に接触するように配設されている。第１熱交換器に求められる熱交換効率を達成することが可能である限り、第２部材と第１部材との接触形態は特に限定されない。例えば、第２部材と第１部材とは、単に接触していても、例えばはんだ付け及びロウ付け等によって接着されていても、或いは一体的に成形されていてもよい。更に、管状の形状を有する部材である第１部材に接触する第２部材の形状及び大きさは、例えば図３の（ａ）乃至（ｄ）に示すように、例えば第１熱交換器の用途において想定される第２流体の粘度、流量及び圧力等の諸条件に応じて適宜選択することができる。
【００２４】
例えば、図４は、図１の（ｂ）に例示されたサーペンタイン型の第１流路を構成する第１部材と図３の（ｄ）に例示された第２部材とを組み合わせた構成を有する第１熱交換器１００の構成を例示する模式図である。この例においては、同一平面内に平行に配置された４本の第１部材１２が３つの接続部材１５を介して直列に接続されてサーペンタイン型の第１流路を構成している。各々の第１部材１２の外周には紙面に向かって上下方向に延在する２つの第２部材２２がそれぞれ熱伝導可能に接触している。即ち、この例においては、破線によって囲まれた領域３０が第１流体と第２流体２１との間において熱交換が行われる領域である熱交換領域に該当し、当該熱交換領域３０を第２流体が通過する流路が第２流路に該当する。また、第２流路において第２流体が流れる向きである第２方向は、紙面に向かって前後方向（手前側と奥側とを結ぶ方向）に平行である。
【００２５】
尚、図４に示した例においては上記のようにサーペンタイン型の第１流路が構成されているが、図１の（ａ）に示したように、複数の第１部材を互いに並列となるように接続して第１流路を構成してもよい。また、図４に示した例においては紙面に向かって左右の端部に配設された一対の横板２０ｂにより、第１部材１２及び／又は第２部材２２の位置決め及び／又は固定が達成されている。しかしながら、このような横板２０ｂは必須の構成要件ではなく、第１熱交換器を構成する各種部材の位置決め及び固定が達成される限りにおいて省略することもできる。或いは、一対の横板２０ｂと共に第２流路を画定する部材を更に配設して閉じた流路として第２流路を構成してもよい。即ち、図４に示した例においては開いた流路として第２流路が構成されているが、前述したように、第２流路を構成する部材によって閉じた流路として第２流路を画定してもよい。
【００２６】
加えて、第２流路は、第２流体の少なくとも一部が第２部材の内部に形成された空孔を経由して第２部材の内部を通過するように構成されている。第２部材の内部を通過する第２流体の流路（貫通経路）の具体的な構成は特に限定されない。第２部材２２における個々の貫通経路は、例えば図５の（ａ）に示すように、第２部材を貫通する単独の空孔２２ａによって形成されていてもよい。この場合、第２部材は、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が形成された「蓮根状」の内部構造を有する。或いは、第２部材２２における個々の貫通経路は、例えば図５の（ｂ）に示すように、互いに連通する複数の空孔２２ａによって形成されていてもよい。この場合、第２部材は、互いに連通する多数の空孔が形成された「スポンジ状」の内部構造を有する。或いは、これらを含む異なる種類の貫通経路が第２部材の内部に混在していてもよい。
【００２７】
尚、第２流路における第２流体と第２部材との接触面積を増大させて第１熱交換器による第１流体と第２流体との熱交換効率を高める観点からは、より多くの貫通経路が第２部材に存在することが望ましい。しかしながら、例えば図５に示した空孔２２ｂ及び２２ｃのように、途中で閉塞している空孔及び／又は孤立している空孔等が併存することを排除するものではない。また、図５においては描画の便宜上、全ての空孔が同じ内径を有する例を示したが、異なる内径を有する様々な空孔が第２部材の内部に混在していてもよい。
【００２８】
ところで、上述したように閉じた流路として第２流路が構成される場合、例えば図６の（ａ）に示すように、第２流体２１が流れる方向に交差する第２流路２０の断面の全てに亘るように第２部材２２を設けて全ての第２流体２１が第２部材２２の内部（に形成された空孔）を通過するようにしてもよい。この場合、第２流体２１が接触する第２部材２２の面積を大きくすることができるので、第１熱交換器１００による熱交換効率を高めることができる反面、第２流路２０における圧力損失が増大する傾向がある。そこで、例えば図６の（ｂ）に示すように、第２流体２１が流れる方向に交差する第２流路２０の断面の一部のみに亘るように第２部材２２を設けて第２流体２１の一部のみが第２部材の内部（に形成された空孔）を通過するようにして、第１熱交換器１００による熱交換効率と第２流路２０における圧力損失とを良好にバランスさせることができる。
【００２９】
〈効果〉
以上のように、第１熱交換器において、第１流体は、管状の形状を有する部材である第１部材の内部を流れる。従って、第１流体が例えば液体等の高い粘度を有する流体である場合においても過度に高い圧力損失を生ずる虞が低い。一方、第２流体の少なくとも一部は、第２流路に配設された第２部材の内部（即ち、多孔質材料の内部に形成された空孔によって構成される貫通経路）を通過する。第２部材は多孔質材料によって形成されているので、単位体積当たりの表面積（即ち、第２流体との接触面積）を著しく大きくすることができる。従って、従来技術に係る熱交換器と比べて、より少ない量の第２部材によって、同等の熱交換効率を達成することができる。その結果、第１熱交換器をより小さく、軽く、且つ安価に製造することができる。
【００３０】
以上のように、第１熱交換器によれば、複数の流体の間で熱交換を行う熱交換器において、例えば液体等の高い粘度を有する流体を用いる場合においても過度に高い圧力損失を生ずること無く、小型化、軽量化及び低コスト化を達成することができる。尚、第１流体及び第２流体の何れか一方として液体を採用する場合、過度に高い圧力損失が発生する虞を低減する観点からは、第１流体は液体であり且つ第２流体は気体であることが望ましい。
【００３１】
ところで、熱交換器の用途によっては、何れかの流体と接触する部材を構成する材料が制限される場合がある。具体的には、例えば燃料電池コジェネレーションにおいて流体として採用される水を生活用水として利用する場合等においては、当該流体（水）と接触する流路を画定する部材を構成する材料は銅又はステンレス鋼に限定される。一方、当該流体（水）と熱交換する他の流体と接触する部材（例えば、放熱板（フィン）等）との接触を容易なものとする観点からは、これらの部材が同じ材料によって構成されることが望ましい。ところが、例えばアルミニウムと比べると、銅及びステンレス鋼の熱伝導率はより低く且つ密度はより高い（比重がより大きい）。従って、従来技術に係る熱交換器において同等の熱交換率を達成するためには、上記２つの部材をアルミニウムによって構成する場合と比べて、上記２つの部材を銅又はステンレス鋼によって構成する場合の方が、上記他の流体と接触する部材の表面積をより大きくする必要がある。その結果、前者の場合と比べて、後者の場合の方が、熱交換器がより大きく且つ重くなる。
【００３２】
しかしながら、上述したように、第１熱交換器において第２流路に配設される第２部材は、多孔質材料によって形成されているので、単位体積当たりの表面積（即ち、第２流体との接触面積）を著しくすることができる。従って、従来技術に係る熱交換器と比べて、より少ない量の第２部材によって、同等の熱交換効率を達成することができる。その結果、上記のように第１流路及び第２流路を構成する材料に制約がある場合においても、第１熱交換器をより小さく、軽く、且つ安価に製造することができる。
【００３３】
また、当業者に周知であるように、例えば熱交換効率の向上等を目的として、図４に例示したように複数の第１部材１２が同一平面内に平行に配置された構成を有する複数の第１熱交換器を積層して多段の熱交換器を構成してもよい。この場合、熱交換領域内には複数の第１部材が配設されており且つ第１部材を構成する管状の形状を有する部材の軸方向に垂直な平面による熱交換領域の断面において、複数の列及び複数の行をなすように複数の第１部材が配置される。
【００３４】
例えば、図７は、上記のように複数の第１熱交換器が積層されて構成される多段の熱交換器の熱交換領域における第１部材の配置の１つの例を示す模式図である。図７の（ａ）に示す例においては、図３の（ａ）に例示したように配設された第２部材２２が第１部材１２と接触しており、このような第１部材１２と第２部材２２との組み合わせが、第２流体２１が第２流路を流れる向きに対して、３列×４行に配列されている。即ち、この例に示す熱交換器の段数は４段である。この例においては、第１流体（図示せず）が第１部材１２の内部を流れる向きと第２流体２１が第２流路を流れる向きとが直交している（直交流型）。
【００３５】
また、図７の（ｂ）に示すように、複数の第１部材１２は、紙面に向かって手前側に配設された接続部材１５（１５ａ）及び奥側に配設された接続部材１５（１５ｂ）により、各列において第２流路の上流側から下流側に向かってサーペンタイン型に接続され、隣接する列の最下流と最上流とが接続されている。但し、複数の第１部材１２の接続順序は上記に限定されず、例えば熱交換器の稼働時において第１流路１２を流れる第１流体の温度分布等を考慮して、適宜定めることができる。
【００３６】
図７に示したような多段の熱交換器においては、上流側の段において熱交換に付された第２流体が下流側の段において更なる熱交換に付される。従って、当該熱交換器によれば高い熱交換効率を達成することができる。しかしながら、図７に示した構成においては、下流側の第１部材１２と第２部材２２との組に接触する第２流体２１は、主として上流側の第１部材１２と第２部材２２との組によって熱交換された第２流体２１である。一方、上流側の第２部材２２の間の空隙を通り抜けた第２流体２１の大部分は下流側の第２部材２２の間の空隙をそのまま通り抜ける。その結果、多段化による熱交換効率の向上効果を十分に発揮することが困難な場合がある。
【００３７】
そこで、上記問題を軽減する観点からは、例えば図８の（ａ）に示すように、第１部材を構成する管状の形状を有する部材の軸方向に垂直な平面による熱交換領域の断面において、複数の第１部材１２を千鳥配列に配置することが望ましい。図８に示したような多段の熱交換器においては、上流側の第２部材２２の間の空隙を通り抜けた第２流体２１が下流側の第１部材１２と第２部材２２との組に確実に接触することができる。その結果、多段化による熱交換効率の向上効果を十分に発揮することができる。
【００３８】
尚、図８の（ｂ）に示すように、複数の第１部材１２は、紙面に向かって手前側に配設された接続部材１５（１５ａ）及び奥側に配設された接続部材１５（１５ｂ）により、各段においてサーペンタイン型に接続され、隣接する２つの段の紙面に向かって上端又は下端に配置された第１部材同士が更に接続されている。但し、この場合もまた、複数の第１部材１２の接続順序は上記に限定されず、例えば熱交換器の稼働時において第１流路１２を流れる第１流体の温度分布等を考慮して、適宜定めることができる。
【００３９】
更に、図７及び図８においては複数の第１部材が直列に接続されたサーペンタイン型の第１流路を例示したが、これらのような多段の熱交換器においても、前述したように複数の第１部材を互いに並列に接続してもよい。
【００４０】
《第２実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第２実施形態に係る熱交換器（以降、「第２熱交換器」と称呼される場合がある。）について説明する。第１熱交換器に関して上述したように、第１流路において第１流体が流れる向きと第２流路において第２流体が流れる向きとの関係は、例えば向流型、並流型及び直交流型等、種々の形式の中から適宜選択することができる。これらのうち、向流型及び並流型の熱交換器においては、第１流路において第１流体が流れる向きと第２流路において第２流体が流れる向きとが互いに平行である。
【００４１】
〈構成〉
そこで、第２熱交換器は、上述した第１熱交換器であって、第１流路において第１流体が流れる向きである第１方向と第２流路において第２流体が流れる向きである第２方向とが互いに平行である熱交換器である。
【００４２】
上記のように、第１方向は第１流路において第１流体が流れる向きであり、典型的には、第１部材を構成する管状の形状を有する部材の軸方向に平行である。即ち、第１方向は第１流路において大部分の第１流体が流れる向きであり、例えば局所的な流れ方向の乱れ等は第１方向には該当しない。具体的には、例えば第１流路が複数の第１部材を備える場合において複数の第１部材へと第１流体を分流させる構造及び複数の第１部材からの第１流体を合流させる構造（例えばヘッダ及びマニホルド等）並びにサーペンタイン型の第１流路において複数の第１部材を直列に接続する屈曲管等の構造において第１流体が流れる向き等は第１方向には該当しない。
【００４３】
同様に、第２方向は第２流路において第２流体が流れる向きであり、閉じた流路として第２流路が構成されている場合は、第２流路を画定する部材の内部において上流側から下流側へと第２流体が流れる向きに平行である。一方、開いた流路として第２流路が構成されている場合は、第１部材の周囲の開放された空間において上流側から下流側へと第２流体が流れる向きに平行である。即ち、第２方向は第２流路において大部分の第２流体が流れる向きであり、例えば局所的な流れ方向の乱れ等は第２方向には該当しない。具体的には、例えば第２流路に配設された第２部材に衝突した第２流体が第２部材の表面に沿って流れる向き等は第２方向には該当しない。
【００４４】
図９は、第２熱交換器を構成する１つの第１部材と１つの第２部材との組における第１方向と第２方向との関係の例を示す模式的な斜視図である。図９の（ａ）に示す例においては、第１方向（白抜きの矢印）と第２方向（黒塗りの矢印）とが互いに平行であり且つ逆向きとなっている。一方、図９の（ｂ）に示す例においては、第１方向（白抜きの矢印）と第２方向（黒塗りの矢印）とが互いに平行であり且つ同じ向きとなっている。このように、第２熱交換器は向流型及び並流型の何れの熱交換器としても構成され得る。
【００４５】
尚、図９においては、第２熱交換器の構成に関する理解を容易にすることを目的として、１つの第１部材と１つの第２部材との組を例示した。しかしながら、前述したように第１流路は複数の第１部材を備えることができる。
【００４６】
第１流路が複数の第１部材を備え且つこれら複数の第１部材が互いに並列となるように構成されている第２熱交換器においては、例えば図１の（ａ）に示したように、全ての第１部材における第１方向が同じ向きに揃っている。加えて、第２熱交換器においては第１方向と第２方向とが互いに平行である。従って、第１方向と第２方向とが逆向きである場合、第２熱交換器は全体として向流型の熱交換器として構成され得る。反対に、第１方向と第２方向とが同じ向きである場合、第２熱交換器は全体として並流型の熱交換器として構成され得る。
【００４７】
一方、第１流路が複数の第１部材を備え且つこれら複数の第１部材が互いに直列となるように構成されているサーペンタイン型の第２熱交換器においては、例えば図１の（ｂ）に示したように、第１流路が折り返されており、第１部材における第１方向は平行であるが同じ向きに揃っていない。加えて、第２熱交換器においては第１方向と第２方向とが互いに平行である。従って、この場合、第１方向と第２方向とが逆向きになっている部分と同じ向きになっている部分とが熱交換領域において混在する。即ち、この場合における第２熱交換器は向流型と並流型との複合型の熱交換器として構成され得る。
【００４８】
また、図９においては、第２熱交換器の構成に関する理解を容易にすることを目的として、板状の形状を有する第２部材の主面に直交するように１つの第１部材が１つの第２部材を貫通している構成を例示した。しかしながら、前述した図３を参照しながら説明したように、第２部材の形状及び大きさは、例えば第２熱交換器の用途において想定される第２流体の粘度、流量及び圧力等の諸条件に応じて適宜選択することができる。
【００４９】
〈効果〉
上記のように、第２熱交換器は向流型、並流型及び複合型の何れの熱交換器としても構成され得るので、例えば第２熱交換器の用途において要求される熱交換効率等の諸条件に応じた好適な構成を有する熱交換器を提供することができる。
【００５０】
《第３実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第３実施形態に係る熱交換器（以降、「第３熱交換器」と称呼される場合がある。）について説明する。第１熱交換器に関して上述したように、第１流路において第１流体が流れる向きと第２流路において第２流体が流れる向きとの関係は、例えば向流型、並流型及び直交流型等、種々の形式の中から適宜選択することができる。上述した第２熱交換器は第１流路において第１流体が流れる向きと第２流路において第２流体が流れる向きとが互いに平行であるように構成されているが、上述した第１熱交換器を始めとする本発明熱交換器は、例えば直交流型の熱交換器のように、第１流路において第１流体が流れる向きと第２流路において第２流体が流れる向きとが互いに平行ではないようにも構成され得る。
【００５１】
〈構成〉
そこで、第３熱交換器は、上述した第１熱交換器であって、第１流路において第１流体が流れる向きである第１方向と第２流路において第２流体が流れる向きである第２方向が互いに平行ではない熱交換器である。
【００５２】
尚、第１方向及び第２方向の定義については、上述した第２熱交換器に関する説明において既に述べたので、ここでは説明を省略する。
【００５３】
図１０は、第３熱交換器を構成する１つの第１部材１２と１つの第２部材２２との組における第１方向と第２方向との関係の例を示す模式的な斜視図であり、第１方向及び第２方向を含む平面内において第１方向と第２方向とがなす角（θ）が左上に示されている。図１０の（ａ）に示す例においては、第１方向（白抜きの矢印）と第２方向（黒塗りの矢印）とが互いに直交している（θ＝９０°）。即ち、第３熱交換器は直交流型の熱交換器としても構成され得る。但し、角θは必ずしも直角である必要は無く、例えば図１０の（ｂ）に示す例のように第１方向（白抜きの矢印）と第２方向（黒塗りの矢印）とがなす角θが鈍角であってもよく、或いは鋭角であってもよい。また、第１方向及び第２方向を含む平面は必ずしも第２部材の何れかの表面と直交していなくてもよい。
【００５４】
尚、図１０においては、第３熱交換器の構成に関する理解を容易にすることを目的として、１つの第１部材と１つの第２部材との組を例示した。しかしながら、前述したように第１流路は複数の第１部材を備えることができる。この場合も、上記と同様にして、例えば直交流型の熱交換器等を始めとする第１方向と第２方向とが互いに平行ではない熱交換器（以降、「交差流型の熱交換器」と総称される場合がある。）として、第３熱交換器を構成することができる。
【００５５】
また、図１０においては、第３熱交換器の構成に関する理解を容易にすることを目的として、塊状（ブロック状）の形状を有する第２部材の一対の対向する表面に直交するように１つの第１部材が１つの第２部材を貫通している構成を例示した。しかしながら、前述した図３を参照しながら説明したように、第２部材の形状及び大きさは、例えば第３熱交換器の用途において想定される第２流体の粘度、流量及び圧力等の諸条件に応じて適宜選択することができる。
【００５６】
〈効果〉
上記のように、第３熱交換器は例えば直交流型の熱交換器等を始めとする第１方向と第２方向とが互いに平行ではない熱交換器として構成することができるので、例えば第３熱交換器の用途において要求される熱交換効率等の諸条件に応じた好適な構成を有する熱交換器を提供することができる。
【００５７】
《第４実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第４実施形態に係る熱交換器（以降、「第４熱交換器」と称呼される場合がある。）について説明する。第１熱交換器に関して上述したように、多孔質材料によって形成された部材である第２部材が第１部材と熱伝導可能に接触するように第２流路に配設されており且つ第２流体の少なくとも一部が第２部材の内部に形成された空孔を経由して第２部材の内部を通過するように第２流路が構成されている。
【００５８】
また、第２部材の内部を通過する第２流体の流路である貫通経路の各々は、図５を参照しながら説明したように、第２部材を貫通する単独の空孔によって形成されていてもよく、或いは互いに連通する複数の空孔によって形成されていてもよい。即ち、第２部材は、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が形成された「蓮根状」の内部構造を有していてもよく、或いは互いに連通する多数の空孔が形成された「スポンジ状」の内部構造を有していてもよい。或いは、これらの何れかを含む異なる種類の貫通経路が第２部材の内部に混在していてもよい。
【００５９】
しなしながら、第２流路において過度に圧力損失が発生することを防止する観点からは、互いに連通する多数の空孔が形成された「スポンジ状」の内部構造ではなく、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が形成された「蓮根状」の内部構造を第２部材が有することが好ましい。また、上記貫通孔の軸方向は第２方向（第２流路において第２流体が流れる向き）に平行であることが好ましい。
【００６０】
〈構成〉
そこで、第４熱交換器は、上述した第２熱交換器又は第３熱交換器であって、第２部材の内部には、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が形成されており、且つ、これらの貫通孔の軸方向は第２方向と平行である熱交換器である。
【００６１】
上記のように、第４熱交換器においては、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が第２部材の内部に形成されている。このような構造を有する限り、第２部材を構成する材料は特に限定されないが、具体例としては、前述した特許文献２に記載された「ロータス型ポーラス材料」を挙げることができる。ロータス型ポーラス材料の製造方法については、例えば、前述した特許文献２において引用されている特許文献４等の先行技術文献において開示されているので、ここでの説明は省略する。
【００６２】
また、第４熱交換器においては、第２部材の内部に形成された複数の貫通孔の軸方向が上述した第２方向と平行になるように第２部材が配置される。具体的には、直交流型の熱交換器として第４熱交換器を構成する場合は、例えば図１１に示すように、第１方向（白抜きの矢印によって表される、第１流路を画定する第１部材１２の内部において第１流体１１が流れる向き）に直交する第２方向（黒塗りの矢印によって表される、第２流路において第２流体２１が流れる向き）に平行な軸方向を有する複数の空孔２２ａ（貫通孔）が内部に形成された第２部材２２を第１部材１２と熱伝導可能に接触するように配設することができる。また、向流型又は並流型の熱交換器として第４熱交換器を構成する場合は、例えば図１２に示すように、第１方向（白抜きの矢印）に平行な第２方向（黒塗りの両矢印）に平行な軸方向を有する複数の空孔２２ａが内部に形成された第２部材２２を第１部材１２と熱伝導可能に接触するように配設することができる。尚、図１１及び図１２においては、第２部材の内部に形成された空孔の軸方向を判り易くすることを目的として、第２部材の内部における空孔の形状を破線によって示した。
【００６３】
尚、上記図１１及び図１２においては、図３の（ａ）及び（ｂ）に示したように、板状の形状を有する１つ以上の第２部材が第１部材の外周面に配設されている構成をそれぞれ例示した。しかしながら、図３の（ｃ）に示したように、塊状（ブロック状）の形状を有する第２部材の一対の対向する表面に直交するように第１部材が第２部材を貫通していてもよい。
【００６４】
例えば、図１３に示すように、塊状の形状を有する第２部材２２の内部に形成された複数の空孔２２ａの軸方向及び第２方向（黒塗りの両矢印）に第１方向（白抜きの矢印）が直交するように第１部材１２を第２部材２２に貫通させることにより、直交流型の熱交換器として第４熱交換器を構成することができる。一方、図示しないが、塊状の形状を有する第２部材２２の内部に形成された複数の空孔２２ａの軸方向及び第２方向（黒塗りの両矢印）に第１方向（白抜きの矢印）が平行となるように第１部材１２を第２部材２２に貫通させることにより、向流型又は並流型の熱交換器として第４熱交換器を構成することができる。また、例えば図１４に示すように、１つの第２部材２２に複数の第１部材１２を貫通させてもよい。尚、図１３及び図１４においては、図１１及び図１２とは異なり、第２部材の内部における空孔の形状は描かれていない。
【００６５】
〈効果〉
上記のように、第４熱交換器においては、互いに平行な軸方向を有する複数の貫通孔が第２部材の内部に形成されており且つこれら複数の貫通孔の軸方向は第２方向と平行である。従って、第４熱交換器によれば、第２流路において過度に圧力損失が発生することをより確実に防止しつつ、例えば第４熱交換器の用途において要求される熱交換効率等の諸条件に応じた好適な構成を有する熱交換器を提供することができる。
【００６６】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態につき、添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００６７】
１０…第１流路、１１…第１流体、１２…第１部材、１３…分流部材（ヘッダ及びマニホルド等）、１４…合流部材（ヘッダ及びマニホルド等）、１５…接続部材（屈曲管等）、２０…第２流路、２０ａ…第２流路を構成する部材、２０ｂ…横板、２１…第２流体、２２…第２部材、２２ａ…（貫通経路を構成する）空孔、２２ｂ及び２２ｃ…（貫通経路を構成しない）空孔、３０…熱交換領域、１００…熱交換器、及びθ…第１方向と第２方向とがなす角。
【図１】
2019211174.tif 000003
【図２】
2019211174.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019211174.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019211174.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019211174.tif 000011
【図１０】
2019211174.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2019211174.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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