(57)【要約】【課題】一層の低コスト化と一層のコンパクト化の調和。【解決手段】放熱側ガス８が通る放熱側ガス流路１−ｊＢと、放熱側ガス流路１−ｊＢに熱的に接合し受熱側ガス１７が通る受熱側ガス流路１−ｊＡとから形成されている。放熱側ガス流路１−ｊＢに用いられる材料は、放熱側ガス流路１−ｊＢの流路点を変数とする多値関数として記述される。多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、その２値のうちの第２値は、耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である。材料の使い分けは、コスト性と耐熱性とサイズとを調和させることができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱側ガスが通る放熱側ガス流路と、
前記放熱側ガス流路に熱的に接合し受熱側ガスが通る受熱側ガス流路とを形成し、
前記受熱側ガス流路に用いられる材料は、前記受熱側ガス流路の流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
熱交換器。
【請求項２】
前記耐熱性高コスト材料は前記受熱側ガス流路の下流側で用いられ、且つ、前記非耐熱性低コスト材料は前記受熱側ガス流路の上流側で用いられる
請求項１の熱交換器。
【請求項３】
放熱側ガスが通る放熱側ガス流路と、
前記放熱側ガス流路に熱的に接合し受熱側ガスが通る受熱側ガス流路とを形成し、
前記放熱側ガス流路に用いられる材料は、前記放熱側ガス流路の流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
熱交換器。
【請求項４】
前記放熱ガス流路のうち上流側部分は前記受熱ガス流路のうちの下流側部分で囲まれている
請求項３の熱交換器。
【請求項５】
前記放熱ガス流路のうち下流側部分の流れと前記受熱側ガス流路のうちの下流側部分の流れとは対向流を形成する
請求項３の熱交換器。
【請求項６】
前記放熱ガス流路のうち上流側部分の流れと前記受熱ガス流路のうちの上流側部分の流れとは並行流を形成する
請求項５の熱交換器。
【請求項７】
前記耐熱性高コスト材料としては、ニッケル合金が選択されて用いられる
請求項３〜６から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項８】
前記多値関数は前記２値と他の１値を有し、前記他の１値は前記流路点に対応する厚みである
請求項３〜６から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項９】
前記放熱側ガス流路のうちの上流部分の流路断面積は前記放熱側ガス流路のうちの下流部分の流路断面積より大きい
請求項３〜６から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項１０】
前記受熱側ガス流路のうちの下流部分の流路断面積は前記受熱側ガス流路のうちの上流部分の流路断面積より大きい
請求項３〜６から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項１１】
前記受熱側ガス流路に用いられる材料は、前記受熱側ガス流路の流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
請求項３〜１０から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項１２】
前記耐熱性高コスト材料は前記放熱側ガス流路の上流側で用いられ、且つ、前記非耐熱性低コスト材料は前記放熱側ガス流路の下流側で用いられる
請求項３〜１１から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項１３】
前記耐熱性高コスト材料は前記受熱側ガス流路の下流側で用いられ、且つ、前記非耐熱性低コスト材料は前記受熱側ガス流路の上流側で用いられる
請求項１２の熱交換器。
【請求項１４】
放熱側ガス流路に挿入される高輻射物体を更に構成する
請求項３〜１３から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項１５】
前記高輻射物体はセラミックで形成されている
請求項１４の熱交換器。
【請求項１６】
前記高輻射物体はセラミック球体で形成されている
請求項１４の熱交換器。
【請求項１７】
前記セラミック球体には多数の針状突起が形成されている
請求項１６の熱交換器。
【請求項１８】
前記高輻射物体はセラミック板である
請求項１４の熱交換器。
【請求項１９】
前記放熱側ガス流路の内面は凹凸面に形成される
請求項３〜１３から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項２０】
前記放熱側ガス粒路に流されるガスと前記受熱側ガス流路に流されるガスは、燃料電池型発電用ガスである
請求項３〜１９から選択される１請求項の熱交換器。
【請求項２１】
放熱側ガスが通る放熱側ガス流路と、
前記放熱側ガス流路に熱的に接合し受熱側ガスが通る受熱側ガス流路とを形成し、
前記放熱側ガス流路に用いられる材料は、前記放熱側ガス流路の流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料であり、
前記放熱側ガス粒路に流されるガスと前記受熱側ガス流路に流されるガスは、燃料電池型発電用ガスである
熱交換器。
【請求項２２】
前記放熱側ガス流路に挿入される高輻射物体を更に構成する
請求項２１の熱交換器。
【請求項２３】
前記受熱側ガス流路に挿入される高輻射物体を更に構成する
請求項２１又は２２の熱交換器。
【請求項２４】
第１熱交換面を有する第１熱交換壁と、
第２熱交換面を有する第２熱交換壁と、
前記第１熱交換面と前記第２熱交換面の間に形成される熱交換流路に挿入される熱交換媒体とを構成し、前記熱交換媒体は第３熱交換面を有し、
前記熱交換媒体の熱伝達物性は前記第１熱交換壁の熱伝達物性と異なり、前記熱交換媒体の熱伝達物性は前記第２熱交換壁の熱伝達物性と異なる
燃料電池発電型熱交換器。
【請求項２５】
前記熱伝達物性は、単位体積当たりの蓄熱容量と単位面積当たりの熱輻射率とである
請求項２４の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項２６】
前記熱交換媒体の前記蓄熱容量は、前記第１熱交換壁の前記蓄熱容量より大きい
請求項２５の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項２７】
前記熱交換媒体の前記熱輻射率は、前記第１熱交換壁の前記熱輻射率より大きい
請求項２５又は２６の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項２８】
前記第１熱交換面は第１凹凸面に形成され、且つ、前記第２熱交換面は第２凹凸面に形成されている
請求項２５〜２７から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項２９】
前記第１凹凸面は２次元的に形成され、且つ、前記第２凹凸面は２次元的に形成されている
請求項２８の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３０】
前記熱交換媒体はセラミックで形成され、前記第１熱交換壁は第１金属で形成され、且つ、前記第２熱交換壁は第２金属で形成されている
請求項２４〜２８から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３１】
前記第１金属の種類と前記第２金属の種類は互いに異なる
請求項３０の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３２】
前記第１熱交換壁の材料は流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
請求項２４〜３１から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３３】
前記第２熱交換壁の材料は流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
請求項２４〜３１から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３４】
前記第１熱交換壁の材料は流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料であり、且つ、
前記第２熱交換壁の材料は流路点を変数とする多値関数として記述され、前記多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、前記２値のうちの第２値は、前記耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し前記耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である
請求項２４〜３１から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３５】
前記熱交換流路は放熱側ガス流路として形成され、
前記耐熱性高コスト材料は前記熱交換流路の上流側で用いられ、且つ、前記非耐熱性低コスト材料は前記放熱側ガス流路の下流側で用いられる
請求項３２〜３４から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３６】
前記熱交換流路は受熱側ガス流路として形成され、
前記耐熱性高コスト材料は前記熱交換流路の下流側で用いられ、且つ、前記非耐熱性低コスト材料は前記受熱側ガス流路の下流側で用いられる
請求項３５の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３７】
前記熱交換媒体は多数の球体で形成されている
請求項２４〜３６から選択される１請求項の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３８】
前記球体には多数の針条突起が形成されている
請求項３７の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項３９】
前記球体はセラミックボールに形成されている
請求項３７の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項４０】
前記第１熱交換面は第１凹凸面に形成され、且つ、前記第２熱交換面は第２凹凸面に形成され、前記球体は前記第１凹凸面と前記第２凹凸面に嵌め込まれている
請求項３７の燃料電池発電型熱交換器。
【請求項４１】
前記球体は２次元的に配置されている
請求項４０の燃料電池発電型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器に関し、特に、燃料電池型発電機の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池型発電機は、原子どうしの化学反応により生成されるエネルギーの一部を直接に電気エネルギーに変換する。そのエネルギーの他の一部は、熱エネルギーに変換される。発電効率の向上のために、その熱エネルギーを電力変換効率の向上のために用いられることが重要である。後掲特許文献１に開示される発電機は、発電部のセル集合で放出される熱を貯蔵する蓄熱器を備えている。蓄熱器に求められる機能は、蓄熱容量の増大化と放出容量の増大化とである。公知の発電機は、このような機能の向上のために、切換（切替）式に動作する２槽の蓄熱器を用いている。高温ガスと低温ガスの切換えにより熱交換するこのような公知装置は、連続使用の点で制限を受ける。蓄熱容量が大きい熱交換材料として、セラミックが用いられる。セラミックは、材料コストが高く、装置サイズが大きくなり、信頼性が低い。燃料電池、特に、ハイブリッド型燃料電池の普及のためには、熱交換器の代替的改良が要請される。
【０００３】
熱交換器の一層の低コスト化とコンパクト化との同時的実現が求められる。そのためには、熱交換の伝熱性能を向上させるために、代替的伝熱の技術の確立が求められる。
【特許文献１】特開平７−１３５０１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、一層の低コスト化と一層のコンパクト化を実現する熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器を提供することにある。
本発明の他の課題は、低コスト化とコンパクト化を調和させる熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、代替的伝熱の技術を確立する熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、コストとサイズと強度を調和させる熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による熱交換器は、放熱側ガス（８）が通る放熱側ガス流路（１−ｊＢ）と、放熱側ガス流路（１−ｊＢ）に熱的に接合し受熱側ガス（１７）が通る受熱側ガス流路（１−ｊＡ）とから形成されている。放熱側ガス流路（１−ｊＢ）に用いられる材料は、放熱側ガス流路（１−ｊＢ）の流路点を変数とする多値関数として記述される。多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、その２値のうちの第２値は、耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料である。空間点列上で、大域的に２様の材料が振り分けられ、又は、小域的に（局所的に）２様の材料が振り分けられる。ここで２様は、３様以上を除外しない。このような材料の２値的又は多値的な空間分布は、放熱側ガス流路に限られず、受熱側ガス流路に適用されることが好ましい。このような交換器は、コストとサイズと強度の調和が求められる燃料電池発電型交換器として用いられて特に有益である。
【０００６】
このような材料の使い分けは、コスト性と耐熱性とサイズとを調和させることができる。近い将来に有望視される燃料電池型発電機特にハイブリッド型燃料電池発電機の熱交換機能を十分に維持し、且つ、そのコストとサイズと強度（腐食防止を含む）とを調和させることができ、原子炉、タービンで有用に用いられているインコネル（登録商標）のような高コストの材料の使用量を低減し、且つ、必要部位でインコネルを有効に利用することができる。適正なニッケル合金の使用が望ましい。
【０００７】
流路点の数は３又は３以上であり、現実には連続点的多数点である。流路点のうちの２点は第１値と第２値のうちのいずれかを有し、２点の値と流路点のうちの他の１点の値は互いに異なることは自明的に重要である。
【０００８】
放熱ガス流路（１−ｊＢ）のうち上流側部分（例示：１−３Ｂ）は受熱ガス流路（１−ｊＡ）のうちの下流側部分（例示：１−３Ａと１−４Ａ）で囲まれている。このような囲い込みは、放熱ガス流路（１−ｊＢ）のうち特に高温である上流側部分（１−３Ｂ）から放散される熱が有効に下流側部分（１−３Ａと１−４Ａ）に吸収され、熱交換効率が向上する。
【０００９】
放熱ガス流路（１−ｊＢ）のうち下流側部分（１−４Ｂ）の流れと伝熱ガス流路（１−ｊＡ）のうちの下流側部分（１−４Ａ）の流れとは対向流を形成する。このような対向流は、熱交換効率を向上させ、且つ、温度上昇を緩和して、材料コストとサイズと耐熱性とをより一層に調和させる。放熱ガス流路（１−ｊＢ）のうち上流側部分（１−１Ｂ）の流れと受熱ガス流路（１−ｊＡ）のうちの上流側部分（１−１Ａ）の流れとは並行流を形成する。このような並行流は、熱交換効率を向上させ、且つ、温度上昇を緩和して、材料コストとサイズと耐熱性とをより一層に調和させる。
【００１０】
多値関数は既述の２値の他に他の１値を有することが効果的である。他の１値は流路点に対応する厚みである。放熱側ガス流路のうちの上流部分の流路断面積は放熱側ガス流路のうちの下流部分の流路断面積より大きい。放熱側ガス流路のうちの下流部分の流路断面積は受熱側ガス流路のうちの上流部分の流路断面積より大きい。このような断面積の調整は、熱交換効率を向上させる。
【００１１】
耐熱性高コスト材料は受熱側ガス流路の下流側で用いられ、且つ、非耐熱性低コスト材料は受熱側ガス流路の上流側で用いられることは効果的である。耐熱性高コスト材料は放熱側ガス流路の上流側で用いられ、且つ、非耐熱性低コスト材料は放熱側ガス流路の下流側で用いられることは効果的である。
【００１２】
放熱側ガス流路に挿入される高輻射物体が追加される。高輻射物体は、熱輻射効率を向上させ、結果的に、熱交換効率を向上させる。流路壁は金属で形成されるが、高輻射物体はセラミックで形成される。高輻射物体はセラミックボール（２７）である。セラミックボール（２７’）には多数の針状突起が形成され、熱輻射効率が向上する。高輻射物体はセラミック棒である。高輻射物体はセラミック板である。放熱側ガス流路の内面は凹凸面に形成されることが効果的である。凹凸面が、受熱ガス流路の形成されることは、自明的に好ましい。小球体、特に突起付き小球体は、流れを円滑にし、且つ、流れの中で安定することができる。
【００１３】
本発明による燃料電池発電型熱交換器は、第１熱交換面（２３）を有する第１熱交換壁（９−１）と、第２熱交換面（２４）を有する第２熱交換壁（９−２）と、第１熱交換面（２３）と第２熱交換面（２４）の間に形成される熱交換流路（１９−３）に挿入される熱交換媒体（２７）とから構成されている。熱交換媒体（２７）は第３熱交換面（例示：球面）を有している。熱交換媒体（２７）の熱伝達物性は第１熱交換壁（９−１）の熱伝達物性と異なり、熱交換媒体（２７）の熱伝達物性は第２熱交換壁（９−１）の熱伝達物性と異なる。第１熱交換壁（９−１）の熱伝達物性と第２熱交換壁（９−２）の熱伝達物性は、同じであり、又は、互いに異なる。熱伝達を中継して熱交換効率を増大させる熱交換媒体（２７）は、流路に介設されていて、サイズの縮小に寄与し、壁（９−１，２）と熱交換媒体（２７）の異材質化はコスト削減に寄与し、熱交換媒体（２７）は両側の壁の間で両側の壁を支持して構造を強化する。
【００１４】
熱伝達物性は、単位体積当たりの蓄熱容量と単位面積当たりの熱輻射率とである。蓄熱容量が大きく、且つ、熱輻射率が高い熱交換媒体は、第１熱交換面（２３）と第２熱交換面（２４）との間の熱交換を中継して、その熱交換量を増大させる。第１熱交換面（２３）と第２熱交換面（２４）と熱交換媒体（２７）の熱交換面のそれぞれの増大は、その熱交換量をそれぞれに増大させる。そのような面の増大は、針条突起面、凹凸面、貫通孔面、立体格子面の形成により可能である。多数の熱交換媒体（２７）の配置は、隣り合う熱交換媒体（２７）の間に上流側から下流側に向かう連続隙間を形成し、ガス流体の流れを円滑にし、且つ、安定させる。熱交換媒体（２７）の蓄熱容量が第１熱交換壁（９−１）の蓄熱容量より大きいことは重要である。熱交換媒体（２７）の熱輻射率が第１熱交換壁（９−１）の熱輻射率より大きいことは重要である。
【００１５】
第１凹凸面が２次元的に形成され、且つ、第２凹凸面が２次元的に形成されることは重要である。熱交換媒体の配置が２次元的であることは重要である。このような２次元的配置は、燃料電池の発電流路の特性である。
【００１６】
熱交換媒体（２７）はセラミックで形成され、第１熱交換壁（９−１）は第１金属で形成され、且つ、第２熱交換壁（９−２）は第２金属で形成され得る。第１金属の種類と第２金属の種類は互いに異なり、又は、同じである。第１熱交換壁（９−１）の材料は流路点を変数とする多値関数として記述され、多値関数の２値のうち第１値は、耐熱性高コスト材料であり、２値のうちの第２値は、耐熱性高コスト材料の耐熱性より低い耐熱性を有し耐熱性高コスト材料のコストより低いコストを有する非耐熱性低コスト材料であることは、コストとサイズと強度とを調和させる。
【００１７】
熱交換流路（１９−３）は放熱側ガス流路（又は受熱側ガス流路）として形成され、耐熱性高コスト材料は熱交換流路（１９−３）の上流側（又は下流側）で用いられ、且つ、非耐熱性低コスト材料は放熱側ガス流路（又は受熱側ガス流路）の下流側（上流側）で効果的に用いられ得る。熱交換媒体（２７）の具体化は、既述の通りである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による熱交換器、及び、燃料電池発電型熱交換器は、コストとサイズと強度の調和を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明による熱交換器の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。熱交換器１０は、図１に示されるように、互いに温度差を持つ複数の第１〜第ｊ熱交換部位１−ｊ（例示：ｊ＝１〜６）に空間的に区分されている。第１〜第ｊ熱交換部位１−ｊは、空間的に順序づけられて離隔し連鎖的に接続している。第１熱交換部位１−１は、第１受熱側熱交換部位１−１Ａと第１放熱側熱交換部位１−１Ｂとが熱的に接合する接合体である。第２熱交換部位１−２は、第２受熱側熱交換部位１−２Ａと第２放熱側熱交換部位１−２Ｂとが熱的に接合する接合体である。第３熱交換部位１−３は、第３受熱側熱交換部位１−３Ａと第３放熱側熱交換部位１−３Ｂとが熱的に接合する接合体である。第４熱交換部位１−４は、第４受熱側熱交換部位１−４Ａと第４放熱側熱交換部位１−４Ｂとが熱的に接合する接合体である。第５熱交換部位１−５は、第５受熱側熱交換部位１−５Ａと第５放熱側熱交換部位１−５Ｂとが熱的に接合する接合体である。第６熱交換部位１−６は、第６受熱側熱交換部位１−６Ａと第６放熱側熱交換部位１−６Ｂとが熱的に接合する接合体である。これらの接合体の主体は、金属で形成されている。
【００２０】
熱供給部（図示されず；例示：燃料電池発電部）から排出される放熱側高温流体（例示：ガス）は、共通の放熱側高温ガス入口２から分岐的に第３放熱側熱交換部位１−３Ｂと第４放熱側熱交換部位１−４Ｂに流入する。放熱側高温流体は、以下、放熱側ガスといわれる。第３放熱側熱交換部位１−３Ｂに流入する放熱側ガスは、第３放熱側熱交換流路３−３Ｂでその熱の一部分を第３受熱側熱交換部位１−３Ａに伝熱的に放出する。第３放熱側熱交換部位１−３Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第２放熱側熱交換部位１−２Ｂに流入する。第２放熱側熱交換部位１−２Ｂに流入する放熱側ガスは、第２放熱側熱交換流路３−２Ｂでその熱の一部分を第２受熱側熱交換部位１−２Ａに伝熱的に放出する。第２放熱側熱交換部位１−２Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第１放熱側熱交換部位１−１Ｂに流入する。第１放熱側熱交換部位１−１Ｂに流入する放熱側ガスは、第１放熱側熱交換流路３−１Ｂでその熱の一部分を第１受熱側熱交換部位１−１Ａに伝熱的に放出する。第１放熱側熱交換部位１−１Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第１放熱側低温ガス出口４−１から熱交換系外に導出される。
【００２１】
第４放熱側熱交換部位１−４Ｂに流入する放熱側ガスは、第４放熱側熱交換流路３−４Ｂでその熱の一部分を第４受熱側熱交換部位１−４Ａに伝熱的に放出する。第４放熱側熱交換部位１−４Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第５放熱側熱交換部位１−５Ｂに流入する。第５放熱側熱交換部位１−５Ｂに流入する放熱側ガスは、第５放熱側熱交換流路３−５Ｂでその熱の一部分を第５受熱側熱交換部位１−５Ａに伝熱的に放出する。第５放熱側熱交換部位１−５Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第６放熱側熱交換部位１−６Ｂに流入する。第６放熱側熱交換部位１−６Ｂに流入する放熱側ガスは、第６放熱側熱交換流路３−６Ｂでその熱の一部分を第６受熱側熱交換部位１−６Ａに伝熱的に放出する。第６放熱側熱交換部位１−６Ｂを通り抜ける放熱側ガスは、第２放熱側低温ガス出口４−２から熱交換系外に導出される。
【００２２】
熱吸収部（図示されず；例示：燃料供給部）から排出される受熱側低温流体（例示：ガス）は、第１受熱側低温ガス入口５−１と第２受熱側低温ガス入口５−２とから第１受熱側熱交換部位１−１Ａと第６受熱側熱交換部位１−６Ａに流入する。受熱側低温ガスは、以下、受熱側ガスといわれる。第１受熱側熱交換部位１−１Ａに流入する受熱側ガスは、第１受熱側熱交換流路６−１Ａで第１放熱側熱交換部位１−１Ｂの熱の一部分を第１放熱側熱交換部位１−１Ｂから伝熱的に吸収する。第１受熱側熱交換部位１−１Ａを通り抜ける受熱側ガスは、第２受熱側熱交換部位１−２Ａに流入する。第２受熱側熱交換部位１−２Ａに流入する受熱側ガスは、第２受熱側熱交換流路６−２Ａで第２放熱側熱交換部位１−２Ｂの熱の一部分を第２放熱側熱交換部位１−２Ｂから伝熱的に吸収する。第２受熱側熱交換部位１−２Ａを通り抜ける受熱側ガスは、第３受熱側熱交換部位１−３Ａに流入する。第３受熱側熱交換部位１−３Ａに流入する受熱側ガスは、第３受熱側熱交換流路６−３Ａで第３放熱側熱交換部位１−３Ｂの熱の一部分を第３放熱側熱交換部位１−３Ｂから伝熱的に吸収する。第３受熱側熱交換部位１−３Ａを通り抜ける受熱側ガスは、共通の受熱側高温ガス出口７から導出される。
【００２３】
第６受熱側熱交換部位１−６Ａに流入する受熱側ガスは、第６受熱側熱交換流路６−６Ａで第６放熱側熱交換部位１−６Ｂの熱の一部分を第６放熱側熱交換部位１−６Ｂから伝熱的に吸収する。第６受熱側熱交換部位１−６Ａを通り抜ける受熱側ガスは、第５受熱側熱交換部位１−５Ａに流入する。第５受熱側熱交換部位１−５Ａに流入する受熱側ガスは、第５受熱側熱交換流路６−５Ａで第５放熱側熱交換部位１−５Ｂの熱の一部分を第５放熱側熱交換部位１−５Ｂから伝熱的に吸収する。第５受熱側熱交換部位１−５Ａを通り抜ける受熱側ガスは、第４受熱側熱交換部位１−４Ａに流入する。第４受熱側熱交換部位１−４Ａに流入する受熱側ガスは、第４受熱側熱交換流路６−４Ａで第４放熱側熱交換部位１−４Ｂの熱の一部分を第４放熱側熱交換部位１−４Ｂから伝熱的に吸収する。第４受熱側熱交換部位１−４Ａを通り抜ける受熱側ガスは、既述の共通の受熱側高温ガス出口７から導出される。
【００２４】
第３放熱側熱交換流路３−３Ｂの放熱側ガスの温度は、第２放熱側熱交換流路３−２Ｂの放熱側ガスの温度より高い。第２放熱側熱交換流路３−２Ｂの放熱側ガスの温度は、第１放熱側熱交換流路３−１Ｂの放熱側ガスの温度より高い。第４放熱側熱交換流路３−４Ｂの放熱側ガスの温度は、第５放熱側熱交換流路３−５Ｂの放熱側ガスの温度より高い。第５放熱側熱交換流路３−５Ｂの放熱側ガスの温度は、第６放熱側熱交換流路３−６Ｂの放熱側ガスの温度より高い。第１受熱側熱交換流路６−１Ａの受熱側ガスの温度は、第２受熱側熱交換流路６−２Ａの受熱側ガスの温度より低い。第２受熱側熱交換流路６−２Ａの受熱側ガスの温度は、第３受熱側熱交換流路６−３Ａの受熱側ガスの温度より低い。第６受熱側熱交換流路６−６Ａの受熱側ガスの温度は、第５受熱側熱交換流路６−５Ａの受熱側ガスの温度より低い。第５受熱側熱交換流路６−５Ａの受熱側ガスの温度は、第４受熱側熱交換流路６−４Ａの受熱側ガスの温度より低い。
【００２５】
最高温度の第３放熱側熱交換部位１−３Ｂと最高温度の第４放熱側熱交換部位１−４Ｂは、第ｊ熱交換部位１−ｊの最中心部に空間的に位置づけられて配置され、且つ、最高温度の第３放熱側熱交換部位１−３Ｂと最高温度の第４放熱側熱交換部位１−４Ｂは、最高温度の第３受熱側熱交換部位１−３Ａと最高温度の第４受熱側熱交換部位１−４Ａによりそれぞれに外側から被覆されて位置づけられている。次に温度が低い第２放熱側熱交換部位１−２Ｂと次に温度が低い第５放熱側熱交換部位１−５Ｂは、次に温度が高い第２受熱側熱交換部位１−２Ａと次に温度が高い第５受熱側熱交換部位１−５Ａによりそれぞれに外側から被覆されて位置づけられている。更に温度が低い第１放熱側熱交換部位１−１Ｂと更に温度が低い第６放熱側熱交換部位１−６Ｂは、更に温度が高い第１受熱側熱交換部位１−１Ａと更に温度が高い第６受熱側熱交換部位１−６Ａによりそれぞれに外側から被覆されて位置づけられている。
【００２６】
このような温度落差順序では、空間的に中心に位置づけられる最高温度の第３放熱側熱交換部位１−３Ｂと最高温度の第４放熱側熱交換部位１−４Ｂは、両側に配置される第１受熱側熱交換部位１−１Ａ、第４受熱側熱交換部位１−４Ａ、第２受熱側熱交換部位１−２Ａ、第５受熱側熱交換部位１−５Ａ、第１受熱側熱交換部位１−１Ａ、第６受熱側熱交換部位１−６Ａにより両側で断熱的に熱交換系外から保護されている。より中心に近い放熱側熱交換部位から放散される放散熱は、両側の受熱側熱交換部位で遮蔽されてその受熱側熱交換部位に吸収される。このような温度差対応配置は、放散熱量を効果的に減少させて、熱交換率を飛躍的に高くすることができる。
【００２７】
図２は、本発明による熱交換器の他の実現態を示している。本実現態は、熱交換率の一層の向上のために、図１の既述の広域的熱交換率の向上に局所的熱交換率の向上が追加される。熱交換器１０は、６枚の金属プレートで構成されている。放熱側ガス８は、第１プレート９−１の隅に開けられている放熱側高温ガス入口１１から導入され、第２プレート９−２の第１放熱側熱交換流路１２−１に開けられている第１放熱側入口１３−１から第１放熱側熱交換流路１２−１に流入する。第１放熱側熱交換流路１２−１に流入する放熱側ガス８は、第１放熱側熱交換流路１２−１を通り抜けて、第１放熱側熱交換流路１２−１の第１放熱側出口部位１４−１に位置対応する第３プレート９−３の第１通抜け口１５−１を介して、第４プレート９−４の第２放熱側熱交換流路１２−２に開けられている第２放熱側入口１３−２から第２放熱側熱交換流路１２−２に流入する。第２放熱側熱交換流路１２−２に流入する放熱側ガス８は、第２放熱側熱交換流路１２−２を通り抜けて、第２放熱側熱交換流路１２−２の第２放熱側出口部位１４−２に位置対応する第５プレート９−５の第２通抜け口１５−２を介して、第６プレート９−６の放熱側低温ガス出口１６から熱交換系外に導出される。
【００２８】
受熱側ガス１７は、第６プレート９−６の隅に開けられている受熱側低温ガス入口１８から導入され、第５プレート９−５の第１受熱側熱交換流路１９−１の第１受熱側入口部位２１−１から第１受熱側熱交換流路１９−１に流入する。第１受熱側熱交換流路１９−１に流入する受熱側ガス１７は、第１受熱側熱交換流路１９−１を通り抜けて、第１受熱側熱交換流路１９−１の第１受熱側出口部位２２−１に位置対応する第４プレート９−４の第３通抜け口１５−３を介して、第３プレート９−３の第２受熱側熱交換流路１９−２の第２受熱側入口部位２１−２から第２受熱側熱交換流路１９−２に流入する。第２受熱側熱交換流路１９−２に流入する受熱側ガス１７は、第２受熱側熱交換流路１９−２を通り抜けて、第２受熱側熱交換流路１９−２の第２受熱側出口部位２２−２に位置対応する第２プレート９−２の第４通抜け口１５−４を介して、第１プレート９−１の第３受熱側入口部位２１−３から第３受熱側熱交換流路１９−３に流入する。第３受熱側熱交換流路１９−３に流入する受熱側ガス１７は、第３受熱側熱交換流路１９−３を通り抜けて、第３受熱側熱交換流路１９−３の第３受熱側出口部位２２−３に位置対応する受熱側高温ガス出口（図に現れず）から熱交換系外に導出される。
【００２９】
図３は、図２の第１プレート９−１と第２プレート９−２から形成される接合体の放熱受熱構造を示している。第３受熱側熱交換流路１９−３は、第１プレート９−１の受熱側対向面２３と第２プレート９−２の放熱側対向面２４との間に形成されている。受熱側対向面２３は、受熱側凹凸面２５に形成されている。放熱側対向面２４は、放熱側凹凸面２６に形成されている。受熱側凹凸面２５と放熱側凹凸面２６は、それぞれに、受熱側対向面２３と放熱側対向面２４の側に形成される多数の交叉溝の面として形成されている。そのような両側の溝に嵌まり込む小球２７が第３受熱側熱交換流路１９−３に装着されている。
【００３０】
第１プレート９−１と第２プレート９−２とは、既述の通り、ともに金属材料で形成されている。小球２７は、セラミックボールとして提供されている。セラミックとして、ＳｉＣが適正である。そのようなセラミックは、蓄熱性の点で良好である。本発明で特に重要であるセラミックの物性は、その熱輻射率が高いことである。放熱側ガス８の熱は金属製の第２プレート９−２に高効率で伝達され、第２プレート９−２に伝達される熱は多数の小球２７に伝達されて小球２７に蓄熱され、多数の小球２７の広い表面積の熱輻射面から高熱輻射率で放出される熱線は、第３受熱側熱交換流路１９−３を通る受熱側ガスに吸収される。放熱側凹凸面２６は、広い面積の熱交換面を形成している。第３受熱側熱交換流路１９−３を通る受熱側ガスは、そのような広い熱交換面を介して第２プレート９−２の熱を吸収する。小球２７は、局所的熱交換率を大幅に向上させる。
【００３１】
本発明による熱交換器は、耐熱性金属と肉厚との関係に基づいてコストの削減を実現している。図４は、温度Ｔと肉厚Ｗの関係を示している。そのグラフの横軸は温度Ｔを示し、その縦軸は肉厚を示している。ハステロイ、インコネル（共に著名商標）のような高耐熱性金属材料は、強度の点で優れ、より薄い肉厚で強度を保証することができる。要求される肉厚Ｗは、温度Ｔに対して比例的関係を有している。ステンレスのような低耐熱性金属材料は、強度の点で高耐熱性金属材料に劣り、同じ強度を保証するために高耐熱性金属材料より厚い肉厚が要求される。要求される肉厚Ｗが温度Ｔに対して比例的関係を有している点は、高耐熱性金属材料と低耐熱性金属材料とで共通している。ここで重要な知識は、その比例定数が大きく異なることである。
Ｗｈ＝ｋｈ・Ｔ・・・（１−１）
Ｗｌ＝ｋｌ・Ｔ・・・（１−２）
Ｗｈ：高耐熱性金属材料に要求される肉厚
Ｗｌ：低耐熱性金属材料に要求される肉厚
ｋｈ：高耐熱性金属材料の温度−肉厚比例定数
ｋｌ：低耐熱性金属材料の温度−肉厚比例定数
図４に示されるように、
ｋｌ＞＞ｋｈ・・・（２）
【００３２】
高温領域Ｈでは、高耐熱性金属材料を用いることにより薄厚化が優先されて、コンパクト化が優先される。低温領域Ｌでは、低耐熱性金属材料を用いることにより薄厚化が優先されて、コンパクト化が優先される。このような低温領域と高温領域の境界点温度として、概ね７５０度Ｃが設定される。このような設定は、燃料電池型発電機の熱交換器のために経験則的に好都合である。
【００３３】
図５は、肉厚と材料コストの関係を示している。そのグラフで、横軸は肉厚を示し縦軸は材料コストを示している。低耐熱性金属材料の材料コストは低い。高耐熱性金属材料の材料コストは高い。材料コストが肉厚Ｗに対して比例的関係を有している点は、高耐熱性金属材料と低耐熱性金属材料とで共通している。ここで重要な知識は、その比例定数が大きく異なることである。
Ｃｈ＝Ｋｈ・Ｗｈ・・・（３−１）
Ｃｌ＝Ｋｌ・Ｗｌ・・・（３−２）
Ｃｈ：高耐熱性金属材料の材料コスト
Ｃｌ：低耐熱性金属材料の材料コスト
Ｋｈ：高耐熱性金属材料の肉厚−コスト比例定数
Ｋｌ：低耐熱性金属材料の肉厚−コスト比例定数
Ｋｌ＜＜Ｋｈ・・・（４）
【００３４】
今、高温領域に高温Ｔｈが設定され、低温領域に低温Ｔｌが設定される。
式（１−１，２）と式（３−１，２）とから、次式が導かれる。
Ｃｈ＝Ｋｈ・Ｗｈ＝Ｋｈ・ｋｈ・Ｔｈ・・・（５−１）
Ｃｌ＝Ｋｌ・Ｗｌ＝Ｋｌ・ｋｌ・Ｔｈ・・・（５−２）
肉厚の増大によるサイズの拡大が考慮されない場合には、Ｋｈ・ｋｈとＫｌ・ｋｌの大小関係は、材料コストを一意的に決定する。
【００３５】
図６は、サイズの拡大の抑制と材料コストの増大の抑制の調和を図るための温度設定設計点を示している。Ｋｈ・ｋｈとＫｌ・ｋｌの大小関係に依存せずに、その調和を図ることが重要である。図６で、Ｔｈは熱交換系の最高温度を示し、Ｔｍはその調和が最適化される調和点温度を示している。厚みＷとコストＣの関係は、高耐熱材料の高コスト材料と低耐熱材料の低コスト材料とで共通する線形性を有するが、材料コストよりもサイズと質量（重量）の低減がある程度に優先され材料コストの上昇をある程度に許容することと、サイズと質量よりも材料コストの低減がある程度に優先されサイズと質量の増加をある程度に許容することとの調和により、実際のコストと適正厚みの線形性又は実際の厚みと適正コストの線形性は失われる。
【００３６】
熱交換最高温度Ｔｈより高い温度Ｔｍ（図６はＴｈ＜Ｔｍの場合を示している。）に対応して材料を選択する場合と熱交換最高温度Ｔｈより低い温度Ｔｍに対応して材料を選択する場合に応じて、コストと強度とサイズの３要素の適正な優先順位を定めることができる。
【００３７】
図７は、コストミニマムの計算方法を示している。図７のグラフの横軸は耐熱材料使用比率（耐熱材料使用量／（耐熱材料使用量＋低コスト材料使用量））を示し、その縦軸は全コストＣを示している。耐熱材料使用比率に対応する全コストＣの関係は、下向きに凸である疑似放物線で表される。耐熱材料使用比率がある比率より増大すれば全コストは非線形に増加し、耐熱材料使用比率がその比率より減少すれば全コストは非線形に増加する。従って、サイズと質量を考慮する条件下で、全コストを最小化する耐熱材料使用比率がコストミニマム点として存在する。
【００３８】
本発明では、温度勾配を持つ連続流路でその流路の温度に対応して耐熱材料と低コスト材料とからいずれかが選択的に使用される。ある適正温度より高い温度を持つ流路では耐熱材料が選択され、その適正温度より低い温度を持つ流路では低コスト材料が選択されることは、一般的設計原則ではない。
【００３９】
図８は、本発明による熱交換器の他の実現態を示している。本実現態では、受熱側ガス１７のうちより下流側の下流側部分は、放熱側ガス８のうちより下流側の下流側部分と熱交換する。第１受熱側熱交換部位１−１Ａを通る受熱側ガス１７より下流側にある第４受熱側熱交換部位１−４Ａを通る受熱側ガス１７は、第１放熱側熱交換部位１−１Ｂを通る放熱側ガス８より下流側にある第４放熱側熱交換部位１−４Ｂを通る放熱側ガス８と熱交換する。第４受熱側熱交換部位１−４Ａを通る受熱側ガス１７の温度は、第１受熱側熱交換部位１−１Ａを通る受熱側ガス１７の温度より高い。第４放熱側熱交換部位１−４Ｂを通る放熱側ガス８の温度は、第１放熱側熱交換部位１−１Ｂを通る放熱側ガス８の温度より低い。第１受熱側熱交換部位１−１Ａのより低い温度の受熱側ガス１７は、第１放熱側熱交換部位１−１Ｂのより高い温度の放熱側ガス８に対して、同じ熱交換媒体の接合体で熱的に接合する。より高い温度の第１放熱側熱交換部位１−１Ｂは、より低い温度の第１受熱側熱交換部位１−１Ａにより冷却される。第１放熱側熱交換部位１−１Ｂの温度上昇はより低く抑制される。より低い温度の第４放熱側熱交換部位１−４Ｂは、より高い温度の第４受熱側熱交換部位１−４Ａにより冷却される。第４放熱側熱交換部位１−４Ｂの温度上昇はより、低く抑制される。
【００４０】
放熱側ガス８がより高温である流れ領域の第１放熱側熱交換部位１−１Ｂの放熱側ガス８の流れの向きは、受熱側ガス１７がより低温である流れ領域の第１受熱側熱交換部位１−１Ａの受熱側ガス１７の流れの向きに同じであり、図９に示されるように、第１受熱側熱交換部位１−１Ａの流れ３４−１と第１放熱側熱交換部位１−１Ｂの流れは並行流を形成している。放熱側ガス８がより低温である流れ領域の第４放熱側熱交換部位１−４Ｂの放熱側ガス８の流れの向き３３は、受熱側ガス１７がより高温である流れ領域の第４受熱側熱交換部位１−４Ａの受熱側ガス１７の流れの向き３４−２に反対であり、第４受熱側熱交換部位１−４Ａの流れと第４放熱側熱交換部位１−４Ｂの流れは対向流を形成している。並行流区間３１では、より高い温度の放熱側ガス８はより低い温度の受熱側ガス１７からより高速に熱を奪われて急速に冷却される。対向流区間３２では、温度落差が均衡化される。
【００４１】
放熱側ガス８と受熱側ガス１７のこのような温度落差の調整は、受熱側熱交換部位１−ｊＡと放熱側熱交換部位１−ｊＢの温度の上昇を平均的に低く抑制することができ、結果的に、それに用いられる材料の肉厚を薄くし、又は、高コスト材料の使用量の低減と低コスト材料の使用量の増大を促進することができる。
【００４２】
図３に示される既述の実現態は、多様に変形され得る。小球２７に替えられて放熱側対向面２４に接合するセラミック薄膜が用いられる。この場合には、そのセラミック薄膜は放熱側凹凸面２６に接合する凹凸面が形成され、又は、放熱側凹凸面２６は形成されず、そのセラミック薄膜は平面上の膜に形成される。小球２７に替えられて、セラミック棒（例示：円柱体）が用いられ得る。小球２７に替えられて、図１０に示されるように、球状本体の球面から放射方向に突出する多数の針状突起が形成される疑似小球体２７’が用いられ得る。小球２７’は、その輻射面積が図３の小球２７の輻射面積より更に拡大される。隣り合う複数体の小球２７’は、放熱側凹凸面２６の存在によらずに、互いに揺動を防止しあって、互いの間に流体が通る隙間を残して互いに動き合わず、流れ方向に流されず、圧力損失を一定化して輻射性能に対応する熱交換性能を定常化することができる。小球体で代表される既述の複数の態様の局所的輻射充填物体は、それぞれに、ポーラス化（多孔性化）され得る。ガス流は、局所的輻射充填物体の内部に侵入し、格段に拡大される面積の輻射面を介して、局所的輻射充填物体から輻射熱を吸収する。このような輻射率の向上は、結果的に、熱交換器のサイズを縮小化し、それを軽量化し、更には、圧力損失を低減する。
【００４３】
受熱側ガス流路の高温側の流路の流路断面積がそれの低温側の流路の流路断面積より大きく形成されることは、圧力損失の低減のために有効である。放熱側ガス流路の高温側の流路の流路断面積がそれの低温側の流路の流路断面積より大きく形成されることは、圧力損失の低減のために有効である。
【００４４】
図３で代表される熱交換構造は、図１のガス流路に適用され、更に、図２に示されるガス流路に適用され得る。異材質分布は、同一流路壁に適用され、又は、異なる流路壁に対して適用される。異材質は、同一流路壁の上流側と下流側に２値的に又は多値的に分布することが効果的である。このような熱交換構造は、多層状に積層され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明による熱交換器の実現態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明による熱交換器の他の実現態を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による熱交換器の更に他の実現態を示す断面図である。
【図４】図４は、厚みと温度の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、厚みとコストの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、厚みとコストの他の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、使用比率とコストの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明による熱交換器の更に他の実現態を示す断面図である。
【図９】図９は、流路と温度の関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、セラミックボールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１−ｊＡ…受熱ガス流路
１−ｊＢ…放熱側ガス流路
１−３Ａ…下流側部分
１−３Ｂ…上流側部分
１−４Ａ…下流側部分
１−４Ｂ…下流側部分
８…放熱側ガス
１７…受熱側ガス
２７…セラミックボール
２７’…セラミックボール
【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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