(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス状流体の体積変化を利用し、熱交換性能を高めたガス−ガス熱交換器を提供する。【解決手段】高温側ガスの方は、熱交換器１０内を流れるにつれて収束するようにし、低温側ガスの方は、熱交換器内を流れるにつれて分散するようにする。この構造は両流体の流路断面を変化させることによって形成する。これにより、高温流体は高温を維持し、低温流体は低温を維持する傾向になり、両流体の温度差が全領域にわたり確保され、熱交換性能が高くなる。【選択図】図１
2015155792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの高温流からガスの低温流に熱を伝達する方法であって、
ガスの高温流が、熱交換器を通過するにつれて収束するようにして、かつガスの高温流が、熱交換器の壁によって少なくとも部分的に界接されるようにして、ガスの高温流を熱交換器内に流すことと、
ガスの低温流が、熱交換器を通過するにつれて分散するようにして、かつガスの低温流が、熱交換器の壁によって少なくとも部分的に界接されるようにして、ガスの低温流を熱交換器内に流すことと、
熱が、熱交換器内で、ガスの高温流からガスの低温流に壁を通して伝導することを可能にすることとを含む、方法。
【請求項２】
ガスの高温流を熱交換器内に流すステップおよびガスの低温流を熱交換器内に流すステップが、ガスの高温流およびガスの低温流が、熱交換器の壁の両側に沿って反対方向に流れるようにして起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
熱交換器が、概ね円筒状の外部を有し、同心の概ね円筒状の内部ガスチャンバを囲み、熱交換器が、外部ガスチャンバによって囲まれ、熱交換器が、熱交換器を貫通して半径方向に延び、内部ガスチャンバおよび外部ガスチャンバを動作可能に接続する複数の第１のガス通路を備え、ガスの高温流を熱交換器内に流すステップが、ガスの高温流が、外部ガスチャンバから内部ガスチャンバに第１のガス通路を介して流れるようにして起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
熱交換器が、少なくとも１つの軸方向に向けられた第２の通路と、少なくとも１つの軸方向に向けられた第４の通路と、複数の半径方向に向けられた第４のガス通路とを備え、第３のガス通路が、第２のガス通路よりも内部のガスチャンバから半径方向に遠く、第４のガス通路が、第２および第３のガス通路によって平行に接続され、第２、第３、および第４のガス通路が、外部ガスチャンバ、内部ガスチャンバ、および第１のガス通路から遮断されており、ガスの低温流を熱交換器内に流すステップが、ガスの低温流が、第２のガス通路から第３のガス通路内に第４のガス通路を介して流れるようにして起こる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ガスの低温流を熱交換器内に流すステップが、ガスの低温流が、第２のガス通路内で、ガスの低温流が第３のガス通路内を流れる方向とは軸方向に反対の方向に流れるようにして起こる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１のガス通路および第４のガス通路が、第１のガス通路の各々が、第４のガス通路の２つの間に軸方向に位置するように交互にして配置される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
ガスの低温流を熱交換器内に流すステップが、ガスの低温流が、第２のガス通路内で、ガスの低温流が第３のガス通路内を流れる方向とは軸方向に反対の方向に流れるようにして起こる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
熱交換器が、第１および第２の流体出口を備え、ガスの高温流が、熱交換器内に導入されたときに第１および第２のガスの混合物を含み、熱が、熱交換器内でガスの高温流からガスの低温流まで壁を通して伝導することを可能にするステップが、第１のガスの少なくとも一部を液体に凝縮させ、かつ方法が、重力を用いて、混合物を第１および第２の流体の流れに変換するようにして混合物から液体の少なくとも一部を分離し、第１の流体の流れを熱交換器から第１の流体出口を介して排出し、第２の流体の流れを熱交換器から第２の流体出口を介して排出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
軸方向および半径方向を画定する中心軸の周りをそれに沿って少なくとも部分的に延び、内部の流体含有領域を少なくとも部分的に囲み、外部の流体含有領域によって少なくとも部分的に囲まれ、複数の弓形の流体空洞と軸方向に交互になる複数の弓形の流体通路を備える熱交換器であって、弓形の流体通路の各々が、半径方向に熱交換器を通り抜けて延び、内部の流体含有領域と外部の流体含有領域の間の流体接続を生み出し、熱交換器がまた、弓形の流体通路の各々を横切り、弓形の流体空洞同士を平行に接続するように弓形の流体空洞の各々と流体連通する第１および第２の軸方向に延びる流体通路も備え、第１の軸方向に延びる流体通路が、中心軸からの第１の半径方向距離であり、第２の軸方向に延びる流体通路が、中心軸からの第２の半径方向距離であり、第２の半径方向距離が、第１の半径方向距離よりも大きい、熱交換器。
【請求項１０】
弓形の流体空洞の各々が、中心軸から半径方向に離れる方向に延びるにつれて分散し、弓形の流体通路の各々が、中心軸に半径方向に向かう方向に延びるにつれて収束する、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
第１および第２の軸方向に延びる流体通路の各々が、そのような軸方向に延びる流体通路が弓形の流体通路を横切るときに中心軸に垂直な断面積を有し、第２の軸方向に延びる流体通路の断面積が、第１の軸方向に延びる流体通路の断面積より大きい、請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
熱交換器が、軸方向に対向する第１および第２の端部プレートを備え、弓形の流体通路および弓形の流体空洞が、第１と第２の端部プレートの間に軸方向に存在し、第１の端部プレートが、第１の軸方向に延びる流体通路の終端を形成し、第２の端部プレートが、第２の軸方向に延びる流体通路の終端を形成し、第２の軸方向に延びる流体通路が、第１の端部プレートを貫通して延び、第１の軸方向に延びる流体通路が、第２の端部プレートを貫通して延びる、請求項１１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
熱交換器が環状である、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１４】
弓形の流体通路の各々が、互いにほぼ同一のものである第１の積層部材によって形成され、弓形の流体空洞の各々が、互いにほぼ同一のものである第２の積層部材によって形成され、第１および第２の積層部材が、交互に結合されて、第１および第２の積層部材の軸方向に向けられたスタックを形成する、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１５】
第１の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの貫通通路と、少なくとも１つの凹部とを備え、複数の第１の積層部材の各々の凹部が、上面からそのような第１の積層部材内に下方に延び、そのような第１の積層部材の縁からそのような第１の積層部材の反対側の縁まで延び、貫通通路の各々が、そのような第１の積層部材の上面から底面までそのような第１の積層部材を貫通して延びており、第２の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも１つの凹部とを備え、第２の積層部材の各々の凹部が、そのような第２の積層部材の上面からそのような第２の積層部材内に下方に延び、第２の積層部材の各々の開口部の各々が、底面から延び、前記凹部が前記開口部と動作可能に結合するようにしてそのような第２の積層部材の凹部内に開口し、第１の積層部材の各々の貫通通路の各々が、第２の積層部材の隣接する１つの開口部の少なくとも１つと、第２の積層部材の別の隣接する１つの開口部の少なくとも１つを動作可能に接続する、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
熱交換器が、内部の流体含有領域を介して弓形の流体通路と流体連通する第１および第２の流体出口を備える、請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１７】
熱交換器を製作する方法であって、方法が、
複数のほぼ同一の第１の積層部材と、複数のほぼ同一の第２の積層部材を、交互になった第１および第２の積層部材からなる第１および第２の積層部材の接合されたスタックを生み出すようにして固相溶接することを含み、第１の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの貫通通路と、少なくとも１つの凹部とを備え、複数の第１の積層部材の各々の凹部が、上面からそのような第１の積層部材内に下方に延び、そのような第１の積層部材の縁からそのような第１の積層部材の反対側の縁まで延び、貫通通路の各々が、そのような第１の積層部材の上面から底面までそのような第１の積層部材を貫通して延び、第２の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも１つの凹部とを備え、第２の積層部材の各々の凹部が、そのような第２の積層部の上面からそのような第２の積層部材内に下方に延び、第２の積層部材の各々の開口部の各々が、底面から延び、前記凹部が前記開口部と動作可能に結合するようにしてそのような第２の積層部材の凹部内に開口し、第１の積層部材の各々の貫通通路の各々が、第２の積層部材の隣接する１つの開口部の少なくとも１つと、第２の積層部材の別の隣接する１つの凹部を動作可能に接続する、方法。
【請求項１８】
固相溶接が、拡散溶接を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
方法が、交互になった第１および第２の積層部材からなる第１および第２の積層部材の未接合のスタックを生み出すようにして第１の積層部材および第２の積層部材を積み重ね、その後、第１の積層部材が、第１および第２の積層部材の接合されたスタックを生み出すように第２の積層部材に同時に拡散溶接されるようにして、固相溶接のステップを実施するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
複数の第１の積層部材の各々の凹部を複数の第１の積層部材の各々内に化学エッチングし、複数の第２の積層部材の各々の凹部を複数の第２の積層部材の各々内に化学エッチングすることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
複数の第１の積層部材の各々の凹部が、両側の縁の各々に垂直の断面積を有し、両側の縁の一方にあるそのような凹部の断面積が、両側の縁の他方にある断面積より大きい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
熱交換器が、環状であるようにして形成される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
熱交換器を製作する方法であって、
底面と、上面と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも１つの凹部とを各々が備える複数のほぼ同一の第１の積層部材を、積層部材の接合されたスタックを生み出すようにして互いに固相溶接することを含み、積層部材の各々の凹部が、そのような積層部材の上面からそのような積層部材内に下方に延び、積層部材の各々の開口部の各々が、底面から延び、前記凹部が前記開口部と動作可能に結合するようにしてそのような積層部材の凹部内に開口する、方法。
【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。より詳細には、本発明は、２つのガス状流体間で熱を伝達するように理想的に適合された熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、数多くの目的で数多くの産業および装置に使用されている。熱交換器の多くのタイプは、２つの流体間の熱の伝達に依存している。たとえば多くの内燃機関は通常、水冷却されており、通常は熱交換器（ラジエータ）を使用して液体水または冷却剤からの熱を空気に伝達する。一部の熱交換器は、ガス−ガス熱交換器であり、この場合、熱は、ガス状流体の２つの別個の流れ間に伝達される。ガス−ガス熱交換器の定常状態の効率性は、流体の流れの各々と接触する熱交換器の表面積の量および２つの流体の流れを分離する材料の熱伝導性によって通常決まる。したがって、流体の流れを分離する熱交換器の表面積を最大限にしながらも、流体の流れを分離する材料の量を最低限に抑えることが有利である。しかしながら、熱交換器の表面積対体積比を増大させると、熱交換器の製作またはサイズ、したがって必要とされるコストおよび／または空間が極めて複雑化する恐れがある。
【０００３】
熱交換器によって伝達された熱量に影響を及ぼす別の問題は、流体の流れが熱交換器を通過するときのそれらの温度差である。流体の流れを熱交換器内で反対方向に流すことにより、流体の流れの温度差は、熱交換器全体にわたってより均一に保たれ得ることが知られている。そのような「逆流」熱交換器は通常、流体の流れが熱交換器の壁の両面に沿って同じ方向に流れる熱交換器より高い効率性で、およびクロスフロー熱交換器より高い効率性で作動する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体流体とは異なり、ガス状流体は容易に圧縮される。したがって、ガス状態の流体の温度は、そのような流体を膨張させるまたは圧縮することによって変更され得る。同様に、熱が、一定の圧力下でガス状流体から除去されるとき、流体によって占有された体積は低減する。したがって、一定の断面積のガス状流体の流れが、熱交換器を通過し、熱を失うとき、その流速は普通、ガス状流体が熱交換器を通過するにつれて体積低減の結果として低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、従来技術の熱交換器を上回るいくつかの利点を提供する。１つのそのような利点は、本発明は、極めて効率的な熱交換器を製作する比較的単純化された方法を可能にすることである。本発明の好ましい実施形態は、冷却されている流体の流れの断面積が、上記流れが熱交換器を通過するにつれて減少し、その反対に加熱されている流体の流れの断面積が、上記流れが熱交換器を通過するにつれて増加するように構成される。冷却されている流体の流れがガス状であると仮定して、上記流体の流れの断面積の減少は、上記流体の流れの体積を減少させる効果を有し、これは、上記流体の流れが熱交換器を通過するときの上記流体の流れの温度の低下を最低限に抑える。同様に加熱されている流体の流れがガス状であると仮定して、上記流体の流れの断面積の増加は、上記流体の流れの体積を増加させる効果を有し、これは、上記流体の流れが熱交換器を通過するにときの上記流体の流れの温度の上昇を最低限に抑える。これは、流体の流れが熱交換器を通過するときの流体の流れ間の温度差を最大限にし、したがって流体の流れ間で交換される熱の総量を増加させる点で、有利である。
【０００６】
本発明の１つの態様では、ガスの高温流からガスの低温流に熱を伝達する方法は、ガスの高温流が、熱交換器内を流れるにつれて収束するようにして、かつガスの高温流が、熱交換器の壁によって少なくとも部分的に界接されるようにして、ガスの高温流を熱交換器内に流すことを含む。方法は、さらに、ガスの低温流が、熱交換器内を流れるにつれて分散するようにして、かつガスの低温流が熱交換器の壁によって少なくとも部分的に界接されるようにして、ガスの低温流を熱交換器内に流すことを含む。さらに、方法は、熱が、ガスの高温流からガスの低温流に壁を通して伝導することを可能にすることを含む。
【０００７】
本発明の別の態様では、熱交換器は、中心軸（軸方向および半径方向を画定する中心軸）の周りをそれに沿って少なくとも部分的に延びる。熱交換器は、内部の流体含有領域を少なくとも部分的に囲み、外部の流体含有領域によって少なくとも部分的に囲まれている。熱交換器は、複数の弓形の流体空洞と軸方向に交互になる複数の弓形の流体通路を備える。弓形の流体通路の各々は、半径方向に熱交換器を通り抜けて延び、内部の流体含有領域と外部の流体含有領域の間の流体接続を生み出す。熱交換器はまた、弓形の流体通路の各々を横切り、弓形の流体空洞同士を平行に接続するように弓形の流体空洞の各々と流体連通する第１および第２の軸方向に延びる流体通路も備える。第１の軸方向に延びる流体通路は、中心軸からの第１の半径方向距離であり、第２の軸方向に延びる流体通路は、中心軸からの第２の半径方向距離である。第２の半径方向距離は、第１の半径方向距離よりも大きい。
【０００８】
本発明のさらに別の態様では、熱交換器を製作する方法は、複数のほぼ同一の第１の積層部材と、複数のほぼ同一の第２の積層部材を、交互になった第１および第２の積層部材からなる第１および第２の積層部材の接合されたスタックを生み出すように固相溶接することを含む。第１の積層部材の各々は、底面と、上面と、少なくとも２つの貫通通路と、少なくとも１つの凹部とを備える。複数の第１の積層部材の各々の凹部は、上面からそのような第１の積層部材内に下方に延び、そのような第１の積層部材の縁からそのような第１の積層部材の反対側の縁まで延びる。貫通通路の各々は、そのような第１の積層部材の上面から底面までそのような第１の積層部材を貫通して延びる。第２の積層部材の各々は、底面と、上面と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも１つの凹部とを備える。第２の積層部材の各々の凹部は、そのような第２の積層部材の上面からそのような第２の積層部材内に下方に延びる。第２の積層部材の各々の開口部の各々は、底面から延び、上記凹部が上記開口部と動作可能に結合するようにしてそのような第２の積層部材の凹部内に開口する。第１の積層部材の各々の貫通通路の各々は、第２の積層部材の隣接する１つの開口部の少なくとも１つと、第２の積層部材の別の隣接する１つの凹部を動作可能に接続する。
【０００９】
本発明のさらなる特徴および利点ならびに本発明のさまざまな実施形態の作動は、添付の図を参照して以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による熱交換器の１つの実施形態の斜視図である。
【図２】熱交換器の反対側の軸方向端部を示す、図１に示された熱交換器の別の斜視図である。
【図３】上方から見た、図１および図２に示された熱交換器の部分組立体の１つの上側端部プレートの斜視図である。
【図４】下方から見た、図１および図２に示された熱交換器の部分組立体の下側端部プレートの斜視図である。
【図５】上方から見た、図１および図２に示された熱交換器の部分組立体の一部分を形成する複数の類似の積層部材の１つの斜視図である。
【図６】上方から見た、図１および図２に示された熱交換器の部分組立体を形成する別の複数の類似の積層部材の１つの斜視図である。
【図７】図５で指し示された、図５に示された積層部材の詳細図である。
【図８】図６で指し示された、図６に示された積層部材の詳細図である。
【図９】図１から図８に示された熱交換器を備える組立体の断面図である。
【図１０】本発明による放熱板の正面図である。
【図１１】図１０に示された放熱板の側面図である。
【図１２】図１０および図１１に示された放熱板の積層体の斜視図である。
【図１３】図１０および図１１に示された放熱板を組み立てる好ましい方法の一部の間に一緒に形成された複数の積層体の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
記述された明細書および図内の参照番号は、対応するものを指し示す。
【００１２】
本発明による熱交換器が、図１および図２に示されている。熱交換器１０は、好ましくは、一緒に形成する３つの同一の弓形部分組立体１２および環状リングを備える。部分組立体１２の各々は、他の部分組立体から独立して熱交換器として作動することができるが、好ましくは他の部分組立体に呼応して動作する。本発明を説明する目的で、環状リングは、軸方向（すなわちリングの中心軸に平行な任意の方向）、半径方向（中心軸から離れるまたはそれに向かう任意の方向）、および円周方向（中心軸の周りで回転する任意の曲線方向）を規定することが理解されなければならない。さらに、熱交換器１０およびその構成要素は、上側／上部および下側／底部要素として称される。そのような形容詞は、さまざまな要素の向きを、重力の方向に対してではなく互いに対して説明するために使用されるにすぎないことが理解されなければならない。
【００１３】
部分組立体１２の各々は、好ましくは上側１４の端部プレートと、下側端部プレート１６と、交互になった第１の積層部材２０および第２の積層部材２２のスタック１８とを備える。以下でより詳細に説明されるように、これらの構成要素は、好ましくは、金属で形成され、好ましくは互いに（拡散溶接としても称される）拡散接合される。
【００１４】
上側端部プレート１４は、好ましくは、多角形の弓形の外縁２４と、なだらかな弓形の内縁２６とを有する。複数の取り付け穴２８が、内縁２６および外縁２４に沿って円周離間して置かれ、上側端部プレート１４を貫通して延びている。複数の楕円形の流体通路開口部３０もまた上側端部プレート１４を貫通して延び、内縁２６の最も近くの取り付け穴２８に隣接して円周方向に離間して置かれている。半円断面を有するガスケット溝３２が、上側端部プレートの上面３４から上側端部プレート１４内に下向きに延び、流体通路開口部３０を囲んでいる。上側端部プレート１４の底面３６は、好ましくは連続平面である。
【００１５】
下側端部プレート１６は、上側端部プレートに類似しており、好ましくは多角形の弓形の外縁２４と、なだらかな弓形の内縁２６と、上側端部プレート１４のものと同一の複数の取り付け穴２８とを備える。しかしながら、下側端部プレート１６を貫通して延びる流体通路開口部３０は、下側端部プレートの外縁２６の最も近くの取り付け穴２８に隣接して円周方向に離間して置かれ、好ましくは楕円形ではなく円形である。下側端部プレート１６のすべての流体通路開口部３０の全断面積は、好ましくは、上側端部プレート１４の流体通路開口部３０のすべての全断面積よりかなり大きい。上側端部プレート１４と同様に、半円断面を有するガスケット溝３２が、下側端部プレートの底面３６から下側端部プレート１６内に上向きに延び、流体通路開口部３０を囲んでいる。下側端部プレート１６の上面３４は、好ましくは連続平面である。
【００１６】
上記で述べられたように、スタック１８積層部材は、交互になった第１の積層部材２０および第２の積層部材２２を備える。第１の積層部材２０の１つが、図５および図７に示されており、好ましくは０．０３０”から０．００４”（０．７０ｍｍから０．１０ｍｍ）の厚さを有する金属の薄板から形成される。第１の積層部材２０は、好ましくは弓形の形状であり、好ましくは連続の底平面３８を有する。凹部４０が、好ましくはその上面４２から第１の積層部材２０内に化学エッチングされる。凹部４０は、第１の積層部材２０の厚さ、好ましくは少なくとも半分、より好ましくは７０％である深さを有し、第１の積層部材の外側の半径方向縁４４からその内側の半径方向縁４６まで延びている。複数の貫通通路４８が、第１の積層部材の上面４２からその底面３８まで第１の積層部材２０を貫通して延びている。凹部４０は、貫通通路が、第１の積層部材２０の上面４２から底面３８までの材料によって完全に界接されるようにして貫通通路４８から離間して置かれている。貫通通路４８の第１の組５０は、第１の積層部材２０の外側の半径方向縁４４に隣接して互いから円周離間して置かれている。貫通通路４８の第２の組５２は、第１の積層部材２０の内側の半径方向縁４６に隣接して互いから円周離間して置かれている。貫通通路４８の第１の組５０の全断面積は、好ましくは、貫通通路の第２の組５２の全断面積よりかなり大きい。複数のダイアモンド形状の突起部５４が、好ましくは、第１の積層部材２０の上面４２に垂直に凹部４０を貫通して延びており、凹部全体にわたって相対的に均一に離間して置かれている。複数のツーリング穴５６もまた、第１の積層部材２０を貫通して垂直に延びている。
【００１７】
第２の積層部材２２の１つが、図６および図８に示されている。第２の積層部材２２は、好ましくは、第１の積層部材２０のものと等しい厚さおよび全体寸法を有する。第１の積層部材２０のように、第２の積層部材の底面５８は、好ましくは連続平面である。さらに、凹部６０が、好ましくはその上面６２から第２の積層部材２２内に化学エッチングされる。第１の積層部材２０の凹部４０とは異なり、第２の積層部材２２の凹部６０は、第２の積層部材の全周囲が底面５８から上面６２まで延びるように外側の半径方向縁６４および内側の半径方向縁６６までには至らない。複数の開口部６８が、第２の積層部材の底面５８から凹部６０内に第２の積層部材２０を貫通して延びている。開口部６８の第１の組７０は、第２の積層部材２２の外側の半径方向縁６４に隣接して互いから円周離間して置かれている。開口部６８の第２の組７２は、第２の積層部材２２の内側の半径方向縁６６に隣接して互いから円周離間して置かれている。開口部４８の第１の組７０の全断面積は、好ましくは開口部の第２の組７２の全断面積よりかなり大きい。凹部６０は、開口部６８の第１の組７０から開口部の第２の組まで延びている。第１の積層部材２０の場合と同様に、複数のダイアモンド形状の突起部７４が、好ましくは、第２の積層部材２２の凹部６０を貫通して上面６２まで垂直に延び、凹部全体にわたって相対的に均一に離間して置かれている。複数のツーリング穴７６もまた、第１の積層部材２０を貫通して垂直に延びている。
【００１８】
上記で述べられたように、熱交換器１０の部分組立体１２の各々は、好ましくは、拡散接合技術を用いて組み立てられる。拡散接合は、複雑なプロセスになり得るが、拡散接合を使用することにより、部分組立体１２は、ニッケルベース合金およびチタン合金などの高温材料に適したものになり、部分組立体を製作するのに必要とされるステップの数が低減される。さらに、拡散接合によって形成された金属間接合は、従来のろう付けまたは溶接接合より優れており、疲労破損を低減する。
【００１９】
組立てプロセス中、交互になった第１の積層部材２０および第２の積層部材２２のスタック１８は、第１の積層部材および第２の積層部材の各々を１６０枚用いて生み出される。積層部材が互いに適正に位置合わせされることを確実にするために、位置合わせロッドが、積層部材のツーリング穴５６、７６を通って挿入され得る。スタック１８は、次いで、上側端部プレート１４と下側端部プレート１６の間に挟まれ、この組立体は次いで、積層部材を互いに対しておよび端部プレートに対して固定するために拡散接合される。拡散接合ステップは、積層部材の各々の上面を、上側プレートの底面に接合する、すぐ上の積層部材の底面に接合する（最も上側の積層体を除く）。ダイアモンド形状の突起部は、拡散接合プロセス中に発生した軸方向の圧縮負荷を、各々の積層部材からその次の積層体に伝達して、各積層体の上面全体が接合されるようになることを確実にする。
【００２０】
組み立てられるとき、第１の積層部材２０の貫通通路４８および第２の積層部材２２の開口部６８は、スタック１８の上部からスタックの底部まで延びる軸方向の流体通路を形成する。これらの軸方向の流体通路は、第２の積層部材２２の凹部６０同士を平行に接続する。上側端部プレート１４の流体通路開口部３０は、第１および第２の積層部材２０、２２の内側の半径方向縁４６、６６に隣接する軸方向の流体通路と位置合わせされる。同様に、下側端部プレート１６の流体通路開口部３０は、第１および第２の積層部材２０、２２の外側の半径方向縁４４、６４に隣接する軸方向流体通路と位置合わせされる。第１の積層部材２０の凹部４０は、流体が、第２の積層部材２２の凹部６０内の流体または第１の積層部材の貫通通路４８内の流体と直接連通することなく、積層部材のスタック１８を半径方向に通過することを可能にする。
【００２１】
熱交換器１０は、２つのガス状流体の流れ間で熱を交換するように良好に適合されていることが理解されなければならない。より具体的には、熱交換器１０は、燃焼排気ガスの流れから熱エネルギーを回収し、そのようなエネルギーを燃焼吸気ガスの流れに伝達するための復熱装置として働くように構成され適合される。使用時、排気ガスは、熱交換器周りの空間の領域から第１の積層部材２０の凹部４０を介して熱交換器１０内を内向きに半径方向に進行し、熱交換器によって囲まれた空間の領域内に放出される。それと同時に、吸気ガスは、好ましくは上側端部プレート１４の流体通路開口部３０内に引き込まれ、下側端部プレート１６の流体通路開口部３０を出る。これを行うとき、吸気ガスは、第１および第２の積層部材２０、２２の内側の半径方向縁４６、６６に隣接する軸方向の流体通路から第１および第２の積層部材の外側の半径方向縁４４、６４に隣接する軸方向の流体通路に第２の積層部材２２の凹部６０を貫通して半径方向に外向きに通される。
【００２２】
第１および第２の積層部材２０、２２の凹部４０、６０によって生み出された流体通路の弓形の形状により、排気ガスがそこを通って進行する流体通路の断面積は狭くなり、吸気ガスがそこを通って進行する流体通路の断面積は拡張する。排気ガスがそこを通過する流体通路が狭くなることにより、排気ガスの温度が、通路が一定の断面積を維持した場合と同じ程度降下することが防止される。同様に、吸気ガスがそこを通過する流体通路が拡張することにより、吸気ガスの温度が、通路が一定の断面積を維持した場合と同じ程度上昇することが防止される。このため、熱交換器全体にわたる排気ガスと吸気ガスの間の温度差が増加し、したがって排気ガスから吸気ガスに積層部材を通して伝導される熱が増加する。その結果、排気ガスの淀み点温度は、実際には、そうでなければ低下していたであろうものより低下し、吸気ガスの淀み点温度は、そうでなければ上昇していたであろうものより上昇する。
【００２３】
流体が熱交換器を通過するとき、ダイアモンド形状の突起部は、そうでなければ２つの流間の圧力差から生じたであろうかなりの材料変形を防止するようにして層状組織を互いにつなぐ。ダイアモンド形状の突起部はまた、流体の流れの各々の流れ方向および混合も改善する。さらに、ダイアモンド形状の突起部は、層流を中断することによって熱伝達係数を上昇させ、それにより、未発達の速度プロファイルを有する領域を生じさせる。
【００２４】
上述を鑑みて、本発明の熱交換器は、熱交換器の単位体積当たりの熱伝導のための大きな表面積を提供することが理解されなければならない。さらに、本発明の熱交換器は、２つのガス状（すなわち圧縮性）流体の流れ間の熱の伝達において極めて効率的であることが理解されなければならない。さらに、熱交換器を製造する方法は、比較的単純化されたわかりやすいものであることが理解されなければならない。
【００２５】
図９は、上記で説明された熱交換器１０を備える組立体８０を表している。組立体８０は、熱交換器１０が中に配置される内部空洞８４を有するハウジング８２を備える。図９に示されるように、熱交換器１０は、その下側端部プレート１６が、その上側端部プレート１４の真下に向けられるように反転されている。組立体８０のハウジング８２は、冷却流体入口８６と、冷却流体出口８８と、高温流体入口９０と、高温流体出口９２と、凝縮流体出口９４とを備える。冷却流体入口８６は、熱交換器１０の真下に位置するハウジング８２の内部空洞８４の部分と直接的に流体連通している。同様に、冷却流体出口８８は、熱交換器１０の上方に位置する内部空洞８４の部分と直接的に流体連通している。内部空洞８４のこれらの部分はまた、熱交換器の端部プレート１４、１６の流体通路開口部３０を介して熱交換器１０内で互いに流体連通している。高温流体入口９０は、熱交換器１０を囲む内部空洞８４の環状部分と直接的に流体連通している。内部空洞８４のこの環状部分は、内部空洞の上記で述べられた部分から遮断されている。しかしながら、流体は、第１の積層部材２０の凹部４０を通過することによって熱交換器１０によって囲まれた空間領域内に半径方向に進むことができる。熱交換器１０によって囲まれた空間の領域もまた、高温流体出口９２および凝縮流体出口９４と直接的に流体連通している。
【００２６】
今説明された組立体８０は、燃料セルと接続して使用するように、より具体的には、蒸気を水素に、それらの混合物が熱交換器１０を介して冷却されるときに分離するように特に良好に適合されている。これは、気化蒸気および水素混合物を高温流体入口９０を介して組立体８０内に送ると同時に、より低温の空気または別のより低温の流体を、冷却流体入口８６を介して組立体内にかつ冷却流体出口８８から外に送ることによって行われる。気化蒸気および水素混合物は、それによって、それが熱交換器１０を通過し、熱交換器によって囲まれた空間の領域内に入るときに冷却される。気化蒸気および水素混合物の冷却は、蒸気を凝縮させ、その後重力が、軽い水素を上向きに移動させて流体出口９２を介して組立体の外に出し、重い液体を下向きに進行させて凝縮流体出口９４を介して組立体から出す。
【００２７】
本発明の別の実施形態が、図１０に示されており、内部的に冷却された放熱板１００として構成される。上記で説明された熱交換器１０と異なり、放熱板１００は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたは中央処理ユニットなどの他の対象物からの伝導による熱を吸収するように構成される。したがって、放熱板に必要なことは、単一の流体入口１０２および単一の流体出口１０４を備えるのみである。放熱板１００の主要本体１０６は、好ましくは、上側端部プレート１１０と下側端部プレート１１２の間に挟まれた同一の積層体１０８のスタックを備える。図１２に示されるように、各々の積層体１０８は、積層体の厚さを貫通して延びる２つの流体チャネル貫通孔１１４を備える。エッチングされた領域１１６は、積層体の上面１１８から積層体１０８内に下方に延びている。エッチングされた領域１１６は、好ましくは、積層体１０８を貫通して厚さの約半分のところまで延び、２つの流体チャネルの貫通孔１１４間の流体接続をもたらす。複数のダイアモンド形状の突起部１２０が、積層体１０８の底半分から上面１１８までずっと上向きに突起している。１つまたは複数のツーリング穴１２２もまた、任意選択で、積層体１０８の厚さを貫通して延びることができる。ダイアモンド形状の突起部１２０およびツーリング穴１２２は、上記で説明された第１の熱交換器１０のものと同じ目的で働く。互いに積み重ねられ拡散接合されたとき、積層体のスタックを貫通して垂直に延びる２つの流体チャネルからの積層体１０８の流体チャネル貫通孔１１４およびエッチングされた領域１１６、またはその積層体は、前記流体チャネル同士を平行に動作可能に接続する。下側端部プレート１１２は、積層体のスタックの開口部を覆い、上側端部プレートは、２つの流体チャネルの一方を流体入口１０２に、他方を流体出口１０４に動作可能に接続する。
【００２８】
放熱板１００の組み立て中、複数の同一の放熱板は、好ましくは組み合わせからのものである。図１３に示されるように、複数の層状組織１０８は、単一の部分として形成されエッチングされ得る。同様に、複数の端板１１０、１１２は、単一の部分として形成される。積層体および端板を一緒に拡散接合した後、放熱板を互いから分離するためにスタックの両面が、下方に圧延される。
【００２９】
使用時、冷却流体は、流体入口１０２内に送られる。冷却流体は、次いで、積層体１０８のエッチングされた領域１１６を貫通して進行し、その後流体出口１０４から外に出る。したがって、冷却されている対象物から放熱板１００の主要本体１０６内に伝導された熱は、冷却流体内に伝導されおよび／または放射され、放熱板から外に出る。
【００３０】
さまざまな改変形態が、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明され、例示された構造および方法に加えられ得るとき、上述の説明に含まれ、または添付の図に示されたすべての事項は、限定的ではなく例示的として解釈されることが意図されるものとする。したがって、本発明の広範性および範囲は、上記で説明された例示的な実施形態のいずれによっても限定されてはならず、本明細書に付属の特許請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ定義されなければならならない。
【００３１】
本発明の要素を特許請求の範囲または本発明の好ましい実施形態の上記説明に導入するとき、用語「備えている」、「含んでいる」、および「有している」は、制約されないことが意図され、挙げられた要素以外に追加の要素も存在し得ることを意味しているもまた理解されなければならない。さらに、用語「部分」は、該当するものまたは要素の一部またはすべてを意味するものとして解釈されなければならない。さらに、第１、第２、および第３などの識別の使用は、限界間に任意の相対位置または時間系列を強いるように解釈されてはならない。さらに、提示される以下のいずれの方法クレームのステップも、そのようなステップが実施されなければならない順序を限定するように解釈されてはならない。
【図１】
2015155792.tif 000003
【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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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月22日(2015.4.22)
【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】
軸方向および半径方向を画定する中心軸の周りをそれに沿って少なくとも部分的に延び、内部の流体含有領域を少なくとも部分的に囲み、外部の流体含有領域によって少なくとも部分的に囲まれ、複数の弓形の流体空洞と軸方向に交互になる複数の弓形の流体通路を備える熱交換器であって、弓形の流体通路の各々が、内部および外部の流体含有領域を流体接続するように半径方向に熱交換器を通り抜けて延び、熱交換器がまた、弓形の流体通路の各々を横切り、弓形の流体空洞同士を平行に接続するように弓形の流体空洞の各々と流体連通する第１および第２の軸方向に延びる流体通路も備え、第１の軸方向に延びる流体通路が、中心軸からの第１の半径方向距離であり、第２の軸方向に延びる流体通路が、中心軸からの第２の半径方向距離であり、第２の半径方向距離が、第１の半径方向距離よりも大きく、
弓形の流体通路の各々が、互いにほぼ同一のものである第１の積層部材によって形成され、弓形の流体空洞の各々が、互いにほぼ同一のものである第２の積層部材によって形成され、第１および第２の積層部材が、交互に結合されて、第１および第２の積層部材の軸方向に向けられたスタックを形成し、
第１の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの貫通通路と、少なくとも１つの凹部とを備え、複数の第１の積層部材の各々の凹部が、上面からそのような第１の積層部材内に下方に延び、そのような第１の積層部材の縁からそのような第１の積層部材の反対側の縁まで延び、貫通通路の各々が、そのような第１の積層部材の上面から底面までそのような第１の積層部材を貫通して延び、第２の積層部材の各々が、底面と、上面と、少なくとも２つの開口部と、少なくとも１つの凹部とを備え、第２の積層部材の各々の凹部が、そのような第２の積層部材の上面からそのような第２の積層部材内に下方に延び、第２の積層部材の各々の開口部の各々が、底面から延び、前記凹部が前記開口部と動作可能に結合するようにそのような第２の積層部材の凹部内に開口し、第１の積層部材の各々の貫通通路の各々が、第２の積層部材の隣接する１つの開口部の少なくとも１つと、第２の積層部材の別の隣接する１つの開口部の少なくとも１つを動作可能に接続し、
第１および第２の積層部材は、凹部を通じて当該積層部材の上面まで垂直に延びる突起部を夫々有し、第１の積層部材の各々の突起部は、第２の積層部材の各々の突起部と軸方向に並べられ、第１の積層部材の各々の突起部は、当該第１の積層部材のすぐ上の第２の積層部材の底面に接合され、第２の積層部材の各々の突起部は、当該第２の積層部材のすぐ上の第１の積層部材の底面に接合される、熱交換器。
【請求項２】
弓形の流体空洞の各々が、中心軸から半径方向に離れる方向に延びるにつれて分散し、弓形の流体通路の各々が、中心軸に半径方向に向かう方向に延びるにつれて収束する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
第１および第２の軸方向に延びる流体通路の各々が、そのような軸方向に延びる流体通路が弓形の流体通路を横切るときに中心軸に垂直な断面積を有し、第２の軸方向に延びる流体通路の断面積が、第１の軸方向に延びる流体通路の断面積より大きい、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
熱交換器が、軸方向に対向する第１および第２の端部プレートを備え、弓形の流体通路および弓形の流体空洞が、第１と第２の端部プレートの間に軸方向に存在し、第１の端部プレートが、第１の軸方向に延びる流体通路の終端を形成し、第２の端部プレートが、第２の軸方向に延びる流体通路の終端を形成し、第２の軸方向に延びる流体通路が、第１の端部プレートを貫通して延び、第１の軸方向に延びる流体通路が、第２の端部プレートを貫通して延びる、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
熱交換器が、内部の流体含有領域を介して弓形の流体通路と流体連通する第１および第２の流体出口を備える、請求項１に記載の熱交換器。
【外国語明細書】
2015155792000001.pdf