(57)【要約】【課題】高温部や低温部が局所的に生じないようにし、熱応力の発生を抑制する。【解決手段】熱交換器において、例えば、高温流体の流体通路の入口側から分岐される高温流体分配通路２を設け、ここに高温流体の一部を流す。この高温流体分配通路２は、低温発生部である低温流体の入口付近、且つ高温流体の出口付近において本来の高温流体の通路と接続され、低温発生部に高温のままの高温流体を導入する。これにより、低温発生部における温度が上昇し、低温発生部と高温発生部との間の温度差が緩和される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体が流れる高温流体通路と低温流体が流れる低温流体通路とを備えた熱交換器において、
高温流体入口から前記高温流体通路に流入してくる高温流体と、低温流体入口から前記低温流体通路に流入してくる低温流体との少なくとも一方の流体の一部が、当該熱交換器における温度分布に応じて分配されて流されることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記分配されて流される流体が高温流体である場合には、分配された高温流体は前記高温流体通路の低温発生部と前記低温流体通路の低温発生部が近接する高温流体通路側に流され、
前記分配されて流される流体が低温流体である場合には、分配された低温流体は前記高温流体通路の高温発生部と前記低温流体通路の高温発生部が近接する低温流体通路側に流され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】
直交流の積層型熱交換器として構成され、
一方の流体が当該流体の流体通路入口側から分配され、他方の流体の流体通路入口側で且つ前記一方の流体の流体通路の下流側に流入されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記分配された流体は、流体通路出口から入口側に向かうに従って流体通路への流入量が次第に減少するように流されることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流体通路の下流側位置に前記分配された流体が流入する流入孔が複数設けられ、
前記流入孔は、流体通路出口から入口側に向かうに従って単位長さ当たりの数が次第に減少するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記流体通路の下流側位置に前記分配された流体が流入する流入孔が複数設けられ、
前記流入孔は、流体通路出口から入口側に向かうに従って孔径が次第に小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記流体通路の下流側位置に前記分配された流体が流入する流入孔が複数設けられると共に、これら流入孔への流体の流入を一部妨げる流入孔遮蔽部材が設けられ、
前記流入孔遮蔽部材は、流体通路出口から入口側に向かうに従って当該流入孔遮蔽部材による流入孔の遮蔽率が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記流入孔遮蔽部材は、流体通路出口から入口側に向かうに従って数又は幅が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記分配された流体が流入する分配通路を有し、この分配通路と前記流体通路の間に分配通路仕切板が介在されると共に、この分配通路仕切板の前記流体通路の下流側位置に前記分配された流体が流入する流入孔が複数設けられ、
前記分配通路仕切板は、流体通路出口から入口側に向かうに従って板厚が次第に増加するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記流体通路の下流側位置に前記分配された流体が流入する流入孔が複数設けられると共に、これら流入孔へ流体が流入する部分に多孔質体が設けられ、
前記多孔質体は、流体通路出口から入口側に向かうに従って密度が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記一部が分配されて流される流体の流体通路の入口近傍に、当該流体通路への流体の流入を一部妨げる通路遮蔽部材が配されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項１２】
プレートフィン式熱交換器として構成され、
前記分配された流体が流体通路に流入するための流入孔がフィン部に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項１３】
選択酸化型改質器としての機能を兼ね備え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１４】
前記分配された流体が流入する分配通路を有し、この分配通路の入口部分に分配通路への流体の流入及び停止を制御する制御弁が設けら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１５】
流体の流体通路の出口温度、又は流体の流体通路の入口温度と出口温度の温度差に基づいて前記制御弁が開閉制御されることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換器（熱交換機能を有する蒸発器や選択酸化型改質器等を含む）に関するものであり、特に、熱応力を緩和する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換器は、熱伝導率の良好な隔離板を介して分離される高温流体通路及び低温流体通路にそれぞれ高温流体及び低温流体を流すことにより熱交換を行うものであり、例えば波板状のフィンにより流体との接触面積を大きくしたプレートフィン型熱交換器等、種々の形式のものが知られている。その他、熱交換機能を有する蒸発器や選択酸化型改質器等も、広い意味で熱交換器の範疇に含まれる。
【０００３】
ところで、この種の熱交換器では、当該熱交換器の動作時において、高温及び急激な温度勾配が生ずる部分で熱応力により亀裂が生ずる等、その温度分布の不均一さが問題になっている。例えば、高温流体と低温流体を直交して流す直交型の熱交換器では、高温流体の入口側で且つ低温流体の出口側の領域が高温領域となり、一方低温流体の入口側で且つ高温流体の出口側の領域が低温領域となり、その温度差により大きな熱応力が生じている。
【０００４】
そこで、従来、熱交換器における温度勾配を緩やかなものとし、流路構成材の熱応力を低減する試みがなされている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１にて開示される熱交換器は、平行間隔を空けて配される隔離板の間に波形状フィンを配することによって積層状態の熱交換流路を複数並列に形成してなるプレートフィン熱交換器であり、隔離板の間に複数の熱交換流路を積層方向に区画する断熱層を設けると共に、区画された熱交換流路の端部にこれらを直列接続する流路接続管を配設する構成としている。
【０００５】
この熱交換器では、断熱層により熱交換部分が領域ｘと領域ｙとに区画されており、この断熱層が区画した熱交換流路相互間の熱伝達を抑制し、高温流体及び低温流体の熱交換量を平均化している。また、前記流路接続管で区画された熱交換流路を接続することにより、領域ｘと領域ｙの流れが直列接続され、温度勾配が積層方向に分配されて熱応力の低減が図られる。
【０００６】
【特許文献１】
実開平５−１７３６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１記載のプレートフィン式熱交換器においても、高温が発生する領域（高温発生部）及び低温が発生する領域（低温発生部）が熱交換器という構造体全体で見たときに局所的に集中しており、その温度勾配によって熱応力が生じ易い。具体的には、特許文献１記載の熱交換器では、高温発生部が一方のヘッダ側に偏って発生し、低温発生部が他方のヘッダ側に偏って発生する。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の有する欠点を解消すべく創案されたものであり、高温発生部及び低温発生部が熱交換器構造体全体で局所的に生じないようにして、熱応力の発生を極力抑制することが可能な熱交換器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明は、高温流体が流れる高温流体通路と低温流体が流れる低温流体通路とを備えた熱交換器において、高温流体入口から高温流体通路に流入してくる高温流体と、低温流体入口から低温流体通路に流入してくる低温流体とのうちの少なくとも一方の流体の一部を、当該熱交換器における温度分布に応じて分配して流すようにした。
【００１０】
このような構成を採用することで、当該熱交換器における各低温発生部は分配された高温流体により高温化され、一方、当該熱交換器における各高温発生部は分配された低温流体により低温化されて、温度の均一化が図られることになる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器に高温部や低温部が局在化する不都合が緩和され、熱応力の発生を抑制することが可能となる。したがって、亀裂等が発生することのない、信頼性の高い熱交換器を提供することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した熱交換器について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態は、直交流の積層型熱交換器に本発明を適用した例である。直交流の積層型熱交換器は、図１に示すように、例えば熱伝導の良い隔離板１を挟んで上下にそれぞれ高温流体と低温流体を直交して流す構成とし、これを多層積層して効率的な熱交換を行うものである。
【００１４】
このような構造の熱交換器では、図示の通り、高温流体の入口付近、及び低温流体の出口付近で温度が高くなり、この領域が高温発生部となる。一方、低温流体の入口付近、及び高温流体の出口付近で温度が低くなり、この領域が低温発生部となる。
【００１５】
そこで、本実施形態では、高温流体と低温流体との少なくとも一方の流体の一部を温度分布に応じて分配して流し、前記高温発生部と低温発生部間における温度差を緩和する。具体的には、高温流体を分配する場合には、高温流体の流体通路の入口側から分岐される高温流体分配通路２を設け、ここに高温流体の一部を流す。図２は、この高温流体分配通路２の具体的な配管形状を示すものであり、高温流体通路の入口に高温流体を導入する高温流体導入管３から分岐される形で形成されている。
【００１６】
この高温流体分配通路２は、前記低温発生部である低温流体の入口付近、且つ高温流体の出口付近において本来の高温流体の通路と接続されており、前記低温発生部に高温のままの高温流体を導入する。これにより、前記低温発生部における温度が上昇し、低温発生部と前記高温発生部との間の温度差が緩和される。
【００１７】
また、低温流体を分配させる場合には、同様に、低温流体の流体通路の入口側から分岐される低温流体分配通路４を設け、ここに低温流体の一部を流す。この低温流体分配通路４は、前記高温発生部である高温流体の入口付近、且つ低温流体の出口付近において本来の低温流体の通路と接続されており、前記高温発生部に低温のままの低温流体を導入する。これにより、前記高温発生部における温度が低下し、やはり高温発生部と前記低温発生部間の温度差が緩和される。
【００１８】
図３は、本実施形態の熱交換器の具体的構造を示すものである。前記隔離板１を紙面とすると、紙面の上側を高温流体が流れ、紙面の下側を低温流体が流れる。図３は、紙面上側の高温流体通路を示している。
【００１９】
高温流体の流路は、高温流体入口１１、熱交換が行われる高温流体通路１２及び高温流体出口１３とからなり、高温流体は、前記高温流体入口１１から高温流体通路１２へ導入され、高温流体通路１２を図中左から右に向かって流れ、高温流体出口１３から排出される。一方、低温流体通路は、図示は省略するが、やはり低温流体入口、熱交換が行われる低温流体通路及び低温流体出口とからなり、ここでは低温流体入口が図面下方に、低温流体出口が図面上方に配置され、低温流体は、前記低温流体通路を図中下から上に向かって流れる。
【００２０】
本実施形態では、前記高温流体の流路が分岐され、高温流体の一部が分配されて流れる。すなわち、前記の通り、高温流体入口１１から流入してきた高温流体は、メインの流路である高温流体通路１２を通過して高温流体出口１３から出て行くが、高温流体分配通路１４を設けて、そのうちの一部をこの分配通路１４に分配して流す構造となっている。
【００２１】
前記高温流体分配通路１４は、通路壁（分配通路仕切板）１５によって前記高温流体通路１２と区画されており、前記高温流体通路１２に沿って形成されている。この高温流体分配通路１４においては、ここを流れる高温流体と低温流体との熱交換は行われない。
【００２２】
そして、この高温流体分配通路１４の通路壁１５には、高温流体出口１３側の領域に分配された高温流体を高温流体通路１２に戻す流入孔１６が複数設けられている。したがって、高温流体は、高温流体入口１１から分配され、低温流体の低温流体通路入口側において、高温流体通路１２の下流位置に流入されることになる。すなわち、分配された高温流体は、高温流体通路１２の低温発生部と低温流体通路の低温発生部が近接する高温流体通路１２側に流される。
【００２３】
ここで、前記流入孔１６は、高温流体通路１２の出口側から入口側に向かうに従って単位長さ当たりの数が次第に減少するように設定されている。したがって、分配された高温流体の高温流体通路１２への流入量は、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に減少することになる。これは、高温流体通路１２の出口に近い位置ほど温度が低くなる傾向にあることを考慮したものである。
【００２４】
本実施形態の熱交換器では、高温流体の入口側に近いエリアで高温が発生し、出口側に近いエリアで低温が発生する。高温側流体通路層と低温側流体通路層は交互に積層された構造となっており、低温流体の入口は図中下方、出口は図中上方となっている。そのため、本実施形態の熱交換器では、高温流体通路１２の出口付近と低温流体入口付近（図中、右下領域）で低温が発生しており、その温度差によって熱応力が生じ易くなっている。
【００２５】
本実施形態では、これを解消するために、分配した高温流体を高温流体通路１２の出口付近において流入孔１６からメインの流れに合流させている。このため、本実施形態の熱交換器では高温部や低温部が局在化せず、温度分布を均一化し、より効果的に熱応力の発生を防止することができる。また、分配された高温流体の本流への合流の仕方として、流入孔１６を高温流体通路１２の出口側から入口側に向かうに従って単位長さ当たりの数が次第に減少するように形成することで、高温流体の出口に近い側で比較的多量の分配流体が流れ、入口側に向かうに従ってその流量が徐々に減少することになり、分配した高温流体を流すことによる新たな局所的温度差を防ぐことができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態は、上述した第１の実施形態における流入孔１６の形状を変更したものである。他の構成は第１の実施形態の熱交換器と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００２７】
本実施形態の熱交換器においても、高温流体分配通路１４の高温流体通路１２下流側位置に分配された高温流体を高温流体通路１２へ流入させる流入孔１６が複数設けられているが、図４に示すように、本実施形態の熱交換器では、前記流入孔１６は、高温流体通路１２出口から入口側に向かうに従って孔径が次第に小さくなるように形成されている。すなわち、隣り合う流入孔１６の孔径を比較すると、高温流体通路１２出口に近い流入孔１６の孔径の方が、入口に近い流入孔１６の孔径よりも大きくなっている。
【００２８】
以上の構成により、本実施形態の熱交換器においても、高温流体の出口に近い側で比較的多量の分配流体が流れ、入口側に向かうに従ってその流量が徐々に減少することになり、分配した高温流体を流すことによる新たな局所的温度差を防ぐことができる。
【００２９】
（第３の実施形態）
本実施形態は、流入孔１６への高温流体の流入を調整する遮蔽部材を設けたものである。本実施形態の熱交換器においても、図５に示すように、高温流体分配通路１４の高温流体通路１２下流側位置に分配された流体を高温流体通路１２へ流入させる流入孔１６が複数設けられているが、その数及び孔径は高温流体通路１２出口に近い位置でも遠い位置でも同じとされている。ただし、各流入孔１６に対応して、分配された高温流体が各流入孔１６からメイン流路へ流れ込むのを一部遮る流入孔遮蔽部材１７が設けられている。
【００３０】
流入孔遮蔽部材１７は、複数の流入孔１６に対応して複数設けられており、各流入孔遮蔽部材１７の幅が、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に大きくされ、これによって、流入孔遮蔽部材１７による流入孔１６の遮蔽率が、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に大きくなるように設定されている。なお、各流入孔遮蔽部材１７の幅を同等とし、その数が高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に多くなるようにしても、流入孔遮蔽部材１７による流入孔１６の遮蔽率を、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に大きくなるように設定できる。
【００３１】
以上の構成により、本実施形態の熱交換器においても、高温流体の出口に近い側で比較的多量の分配流体が流れ、入口側に向かうに従ってその流量が徐々に減少することになり、分配した高温流体を流すことによる新たな局所的温度差を防ぐことができる。
【００３２】
（第４の実施形態）
本実施形態は、高温流体分配通路１４と高温流体通路１２との間の通路壁（分配通路仕切板）１５の厚さを変更したものである。すなわち、本実施形態の熱交換器においても、高温流体分配通路１４の高温流体通路１２下流側位置に分配された流体を高温流体通路１２へ流入させる流入孔１６が複数設けられている。その数及び孔径は高温流体通路１２出口に近い位置でも遠い位置でも同じとされている。ただし、図６に示すように、これら流入孔１６が形成される通路壁１５の板厚が、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って次第に増加するように形成されている。
【００３３】
以上の構成により、本実施形態の熱交換器においても、高温流体の出口に近い側で比較的多量の分配流体が流れ、入口側に向かうに従ってその流量が徐々に減少することになり、更に、高温流体通路１２の出口に近い側において分配された高温流体の熱の大部分を高温流体通路１２側に伝達すると共に、入口側に向けて徐々に伝達する熱量を減少させることができ、分配した高温流体を流すことによる新たな局所的温度差を防ぐことができる。
【００３４】
（第５の実施形態）
本実施形態は、流入孔１６への高温流体の流入を調整する多孔質体を設けたものである。本実施形態の熱交換器においても、図７に示すように、高温流体分配通路１４の高温流体通路１２下流側位置に分配された流体を高温流体通路１２へ流入させるための流入孔１６が複数設けられているが、その数及び孔径は出口に近い位置でも遠い位置でも同じとされている。ただし、各流入孔１６に対応して、分配された高温流体が各流入孔１６からメイン流路へ流れ込むのを一部遮る多孔質体１８が設けられている。
【００３５】
多孔質体１８は、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って密度が次第に大きくなるように形成されている。このため、高温流体通路１２の出口から入口側に向かうに従って当該多孔質体１８による高温流体に対する抵抗が大きくなり、流入孔１６から高温流体通路１２へ流入する高温流体の流入量が減少する。
【００３６】
以上の構成により、本実施形態の熱交換器においても、高温流体の出口に近い側で比較的多量の分配流体が流れ、入口側に向かうに従ってその流量が徐々に減少することになり、分配した高温流体を流すことによる新たな局所的温度差を防ぐことができる。
【００３７】
（第６の実施形態）
本実施形態は、高温流体通路１２への高温流体の流入を調整する通路遮蔽部材を設けたものである。
【００３８】
本実施形態の熱交換器では、図８に示すように、上述した第１の実施形態の熱交換器と同様、高温流体分配通路１４の通路壁１５には、高温流体出口１３側の領域に分配された高温流体を高温流体通路１２に戻す流入孔１６が複数設けられている。そして、この流入孔１６は、高温流体通路１２の出口側から入口側に向かうに従って単位長さ当たりの数が次第に減少するように設定されている。
【００３９】
一方、高温流体通路１２の入口には、高温流体通路１２への高温流体の流入を制限する通路遮蔽部材１９が配されている。この通路遮蔽部材１９は、高温流体通路１２の幅とほぼ同じ幅に形成されている。そして、この通路遮蔽部材１９には、高温流体を高温流体通路１２内へ導入するための流体導入孔２０が設けられている。
【００４０】
このような通路遮蔽部材１９を設置することにより、高温流体分配通路１４に流れ込む高温流体に圧力を付与することができ、高温流体を高温流体分配通路１４を通して所望のエリアに均一に流し込むことができる。その結果、高温部や低温部の局在化をより効率的に解消することができ、熱応力の発生を確実に防止することができる。
【００４１】
（第７の実施形態）
本実施形態は、プレートフィン型の熱交換器に本発明を適用した例である。熱交換器の基本構造は上述した第１の実施形態のものと同様であるが、本実施形態の熱交換器では、更に、図９に示すように、高温流体通路１２を形成するフィン２１に貫通孔２１ａが設けられている。
【００４２】
フィン２１に貫通孔２１ａを形成することにより、フィン２１を流れる流体が進行方向とは垂直な方向にも進行することができるようになり、熱応力の緩和をより効率的に行うことができる。これにより、汎用性の高いプレートフィン型熱交換器についても、高温部や低温部が局在化せず、熱応力の発生を防止することができる。
【００４３】
（第８の実施形態）
本実施形態は、選択酸化型（ＰｒＯｘ）改質器としての機能を兼ね備えた熱交換器に本発明を適用した例である。熱交換器の構造としては、例えば第１の実施形態のものと同様の構造を採用することが可能である。
【００４４】
本実施形態では、選択酸化型改質器の機能を付与するために、高温流体通路１２の表面に触媒を塗布し、改質層を形成する。選択酸化型改質器としての機能を兼ね備えた熱交換器では、上述した各実施形態と同様の効果に加え、低温発生部の温度が分配された高温流体によって上昇するため、触媒反応のエリアを有効に確保できるといった特有の効果が得られる。
【００４５】
（第９の実施形態）
本実施形態は、高温流体分配通路１４の入口部分に分配通路への流体の流入及び停止を制御する制御弁を設置した例である。
【００４６】
熱交換器の基本的な構造は、上述した第１の実施形態の熱交換器と同様であるが、本実施形態の熱交換器では、図１０に示すように、高温流体分配通路１４の入口部分に、高温流体の分配の開始及び停止を制御するための制御弁２２が設置されている。そして、この制御弁２２を開閉操作することで、高温流体分配通路１４への高温流体の分配及び停止を制御することができるようになっている。
【００４７】
制御弁２２の操作は、例えば、高温流体通路１２の入口側の温度と出口側の温度との温度差Δｔｈを測定し、この温度差Δｔｈが約１５０℃に達した時に制御弁２２を開放し、高温流体の分配通路１４への流入を開始するように制御する。あるいは、高温流体通路１２の出口近傍の温度ｔｃを測定し、この温度ｔｃが約１００℃まで低下した時に制御弁２２を開放し、高温流体の分配通路１４への流入を開始するように制御する。
【００４８】
このような制御弁２２の開閉制御によって、必要に応じて、例えば温度勾配が大きくなったときに高温流体の分配による温度分布の均一化を実現することができる。これにより、高温発生部や低温発生部の局在化を解消し、効果的に熱応力を低減することができる。
【００４９】
なお、以上の各実施形態では、全て高温流体を分配する場合を例にして説明したが、低温流体側においても同様の構成を採用することにより、同様の効果が得られることは明らかである。すなわち、高温流体、又は低温流体、あるいはこれら両者を分配することで、温度分布を均一化して熱応力を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明する模式図である。
【図２】分配通路の配管形状を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図４】第２の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図５】第３の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図６】第４の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図７】第５の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図８】第６の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【図９】第７の実施形態の熱交換器におけるフィンを示す斜視図である。
【図１０】第９の実施形態の熱交換器における高温流体流路を示す平面図である。
【符号の説明】
１  隔離板
２  高温流体分配通路
３  高温流体導入管
１１  高温流体入口
１２  高温流体通路
１３  高温流体出口
１４  高温流体分配通路
１５  通路壁
１６  流入孔
１７  流入孔遮蔽部材
１８  多孔質体
１９  通路遮蔽部材
２１  フィン
２２  制御弁
【図１】
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【図２】
2004190952.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004190952.tif 000007
【図６】
2004190952.tif 000008
【図７】
2004190952.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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