(57)【要約】      （修正有）【課題】８０気圧以上で超臨界となるＣＯ２又は４０気圧以上で超臨界状態となるフロン系冷媒に対しても耐圧性を有し、高い熱通過率を実現するとともに、摩擦損失を増大することなく、熱交換器としての起動時間も短い超臨界冷媒用のマイクロスケールの微細流路から成る熱交換器を実現する。【解決手段】表面に微細流路３、５を形成した多数の金属板６を、拡散接合を用いて互いに接合し、微細流路を多数積層した一体構造を有する熱交換器とすることによって、高い圧力にも耐えることができる高耐圧構造としており、これによって超臨界ＣＯ２冷媒を高流速で流すことが可能となり、結果として従来型熱交換器を越える移動熱量及びコンパクトな構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属板のそれぞれに形成された加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように、前記複数の金属板が一体の積層構造に形成されてなる一体型積層構造熱交換器であって、
前記複数の金属板は、それぞれの表面には加熱流路及び冷却流路のうちの一方が形成されており、該表面に対する裏面には加熱流路及び冷却流路のうちの他方が形成されており、
前記加熱流路及び冷却流路の断面寸法は、それぞれ縦及び横寸法が１０〜１０００μｍであることを特徴とする一体型積層構造熱交換器。
【請求項２】
前記複数の金属板は、拡散接合によって一体の積層構造に形成されており、該積層構造の接合面は、前記金属板と同じ強度を有し、前記加熱流路及び冷却流路に超臨界状態の高圧流体を流すことが可能な耐圧を有することを特徴とする請求項１記載の一体型積層構造熱交換器。
【請求項３】
前記加熱流路及び冷却流路は、高速で流体が流され、かつ凝縮又は沸騰を伴うことによる熱交換が可能であることを特徴とする請求項２記載の一体型積層構造熱交換器。
【請求項４】
前記加熱流路又は冷却流路には、超臨界二酸化炭素冷媒又は超臨界フロン系冷媒に対しても耐圧性を有する構造である、ヒートポンプに用いられることを特徴とする請求項２又は３記載の一体型積層構造熱交換器。
【請求項５】
前記加熱流路又は冷却流路は、超臨界二酸化炭素冷媒又は超臨界フロン系冷媒の蒸発及び凝縮による熱移動を伴うヒートポンプに使用されるマイクロチャンネル構造を有することを特徴とする請求項２、３又は４記載の一体型積層構造熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の一体型積層構造熱交換器であって、同じ性能の従来型熱交換器に比べ１／１０〜１／１００の大きさであり、冷凍空調機器の熱交換器として使用されることを特徴とする請求項２、３又は４記載の一体型積層構造熱交換器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の一体型積層構造熱交換器であって、マイクロガスタービン又は燃料電池を用いたコジェネレーションシステムに使用され、廃熱利用のための熱交換器として高効率で利用可能であることを特徴とする一体型積層構造熱交換器。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれかに記載の一体型積層構造熱交換器であって、縦および横の寸法が１０〜１０００μｍであり、小型分散型エネルギーシステムにおいて使用可能な高性能熱交換を可能とすることを特徴とする一体型積層構造熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱交換器に関し、特に超臨界冷媒を用いたヒートポンプに好適な超臨界冷媒用マイクロチャンネル一体型積層構造熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、マイクロガスタービンや燃料電池等を用いたコジェネレーションシステムなど小型分散型のエネルギーシステムの開発が活発に行われており、家庭用や車搭載用に適した小型化の要請が大きく、小型化のための開発が進められている。
【０００３】
従来型の熱交換器では、マイクロガスタービンや燃料電池本体のスケールを大幅に越えるものが用いられており、熱交換器を小型化すると熱交換器の効率が低下し、マイクロガスタービンや燃料電池単体での効率は著しく低下するという問題がある。なお、従来の熱交換器の例としては、プレートを所定の枚数積層して融接して形成するプレート式熱交換器が知られている（特許文献１参照。）。
【０００４】
このように、小型のエネルギーシステムでは、効率を向上させるためには、高効率の熱交換器を用いることが必要不可欠であるが、現在の熱交換器では、所望の性能を実現しようとした場合、極めて大型の機器となり、本来の小型のエネルギーシステムとすることができない。
【０００５】
そのため、微細流路を用いた熱交換器の研究が行われているが、従来の技術では実際のデバイスとした場合、形成された流路接合部からの漏れが生じる。低い圧力条件でしか使用ができず、高圧高流速をかけることができないという問題がある。
【０００６】
ところで、伝熱工学の基礎理論としては、流路を小さくするほど均質に加熱・冷却することができるが、流路が微細で短い流路とした場合熱交換可能な熱量は制限を受けることになる。そこで、多数の微細流路に高流速を流すことができれば、交換熱量を増加させ求める効率を得ることができるものと期待される。
【０００７】
この伝熱理論を熱交換器に応用して考えると、小型であっても高効率な熱交換器としては、第１に微細流路を多数有する積層構造であること 第２に高流速を流すことが可能な高耐圧構造であること、が必要条件となる。
【０００８】
一方、現在ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム 小型電子機械システム）などによって作製されている微細流路構造の熱交換器においては、形成された流路接合部からの漏れによって高圧での使用が不可能であるという問題がある。
【０００９】
これらの問題を解決するために、本発明者らは、すでに、マイクロガスタービンや燃料電池等を用いたコジェネレーションシステムなど小型分散型エネルギーシステムの実現のために必須の要素である、小型で高効率の熱交換器として、一体型積層構造熱交換器を提案した（特許文献２参照）。
【００１０】
この一体型積層構造熱交換器の概要は、表面に微細流路を形成した多数の金属板を、拡散接合を用いて互いに接合し、微細流路を多数積層した一体構造を有するデバイスとしたものである。
【特許文献１】特開２０００−３５６４９１号公報
【特許文献２】特開２００５−２８２９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、ヒートポンプについては、近年、地球温暖化防止の観点から、フロン等、従来利用されていた冷媒に替えて、ＣＯ２を超臨界状態で冷媒として利用する超臨界ＣＯ２冷媒利用ヒートポンプが注目されている。
【００１２】
しかし、ＣＯ２を超臨界状態とするためにはＣＯ２を超臨界圧（８０気圧）以上の高圧まで圧縮した状態で利用しなくてはならないので、これを通過させる熱交換器が破壊され、実用化しにくいという問題がある。又、フロン系冷媒を超臨界圧（４０気圧）以上まで圧縮した状態で利用するフロン系冷媒ヒートポンプも注目されているが、同様に実用化しにくいという問題がある。
【００１３】
本発明者らは、上記特許文献２の一体型積層構造熱交換器の実用化開発を進め、そのために耐圧試験（流量と圧損の関係）、熱通過率試験（流量と熱通過率の関係）、起動試験（定常の動作状態になる時間）等の性能試験を実施している際に、この一体型積層構造熱交換器は、ＣＯ２又はフロン系冷媒を超臨界圧以上まで圧縮した状態で利用するＣＯ２又はフロン系冷媒ヒートポンプの熱交換器としてきわめて有用であるという知見を得た。
【００１４】
本発明は、８０気圧以上で超臨界となるＣＯ２又は４０気圧以上で超臨界状態となるフロン系冷媒に対しても耐圧性を有する構造のヒートポンプの熱交換器としてきわめて有用である超臨界冷媒用の一体型積層構造熱交換器を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために、複数の金属板のそれぞれに形成された加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように、前記複数の金属板が一体の積層構造に形成されてなる一体型積層構造熱交換器であって、前記複数の金属板は、それぞれの表面には加熱流路及び冷却流路のうちの一方が形成されており、該表面に対する裏面には加熱流路及び冷却流路のうちの他方が形成されており、前記加熱流路及び冷却流路の断面寸法は、それぞれ縦及び横寸法が１０〜１０００μｍであることを特徴とする一体型積層構造熱交換器を提供する。
【００１６】
前記複数の金属板は、拡散接合によって一体の積層構造に形成されており、該積層構造の接合面は、前記金属板と同じ強度を有し、前記加熱流路及び冷却流路に超臨界状態の高圧流体を流すことが可能な耐圧を有する構成とすることが好ましい。
【００１７】
前記加熱流路及び冷却流路は、高速で流体が流され、かつ凝縮又は沸騰を伴うことによる熱交換が可能である構成とすることが好ましい。
【００１８】
前記加熱流路又は冷却流路には、８０気圧以上で超臨界となる二酸化炭素冷媒又は４０気圧以上で超臨界状態となるフロン系冷媒に対しても耐圧性を有する構造である、ヒートポンプに用いられる構成とすることが好ましい。
【００１９】
前記加熱流路又は冷却流路は、前記加熱流路又は冷却流路は、８０気圧以上で超臨界となる二酸化炭素冷媒又は４０気圧以上で超臨界状態となるフロン系冷媒の沸騰及び凝縮による熱移動を伴うヒートポンプに使用されるマイクロチャンネル構造を有する構成とすることが好ましい。
【００２０】
本発明の一体型積層構造熱交換器は、同じ性能の従来型熱交換器に比べ１／１０〜１／１００の大きさであり、冷凍空調機器の熱交換器として使用される構成とすることが好ましい。
【００２１】
本発明の一体型積層構造熱交換器は、マイクロガスタービン又は燃料電池を用いたコジェネレーションシステムに使用され、廃熱利用のための熱交換器として高効率で利用可能である構成とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の一体型積層構造熱交換器は、縦および横の寸法が１０〜１０００μｍであり、小型分散型エネルギーシステムにおいて使用可能な高性能熱交換を可能とする構成とすることが好ましい。
【００２３】
本発明は上記課題を解決するために、複数の金属板のそれぞれに形成された加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように、前記複数の金属板が積層されて互いに拡散接合し一体の積層構造とされてなる超臨界ＣＯ２冷媒用一体型積層構造熱交換器であって、前記複数の金属板は、それぞれの表面には加熱流路及び冷却流路のうちの一方が形成されており、該表面に対する裏面には加熱流路及び冷却流路のうちの他方が形成されており、前記加熱流路及び冷却流路の断面寸法は、それぞれ縦及び横寸法がマイクロスケールであり、前記加熱流路又は冷却流路には、超臨界ＣＯ２冷媒が流されて使用されることを特徴とする超臨界ＣＯ２冷媒用一体型積層構造熱交換器を提供する。
【００２４】
本発明は上記課題を解決するために、複数の金属板に形成された加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように、前記複数の金属板が積層されて互いに拡散接合し一体の積層構造とされてなる超臨界ＣＯ２冷媒用一体型積層構造熱交換器であって、前記複数の金属板は、それぞれの表面又は裏面に、加熱流路及び冷却流路のうちの一方が形成されており、前記加熱流路及び冷却流路の断面寸法は、それぞれ縦及び横寸法がマイクロスケールであり、前記加熱流路又は冷却流路には、超臨界ＣＯ２冷媒が流されて使用されることを特徴とする超臨界ＣＯ２冷媒用一体型積層構造熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の超臨界冷媒用一体型積層構造熱交換器は、表面に断面の縦横寸法がマイクロスケールの微細流路が形成された複数の金属板を、拡散接合を用いて一体型の積層構造とすることにより、多数の微細流路（マイクロチャンネル）が互いに連通することなく交叉して積層された構造としたので、次のような効果が生じる。
【００２６】
（１）高圧な超臨界ＣＯ２冷媒、超臨界フロン系冷媒を高流速で流すことが可能な高耐圧構造を実現することができる。
（２）交換熱量を増大させ、高い熱交換効率を可能とし、コンパクトな構成とすることができる。
（３）定常状態に立ち上がる起動時間が短い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係る超臨界冷媒用一体型積層構造熱交換器を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００２８】
（特徴）                                                                    
本発明に係る超臨界冷媒用一体型積層構造熱交換器（以下、単に「熱交換器」という。）の概要は、縦横断面寸法がマイクロスケールの微細（例えば、１０〜１０００μｍ）な流路（本発明及び本明細書では「マイクロチャンネル」と言う。）が多数本形成された複数の異種又は同種の金属板を、拡散接合によって積層し一体型積層構造に形成することによって、高い圧力にも耐えることができる高効率の超臨界ＣＯ２冷媒用一体型積層構造熱交換器である。
【００２９】
そして、この積層構造の接合面は、同種の金属板の場合はその金属板と同じ強度を有し、異種の金属板の場合はそれらのいずれか１つと同じ強度を有するように形成する。
【００３０】
本発明は、超臨界ＣＯ２冷媒や超臨界フロン系冷媒を利用するヒートポンプの熱交換器として組み込まれて使用されるという超臨界冷媒用熱交換器としての用途に特徴があり、これによって、ヒートポンプシステム全体の高効率化を図ることができ、地球環境問題解決の一助となるものである。本発明に係る熱交換器のその特性からみたその構成上の特徴は次の通りである。
【００３１】
（１）８０気圧以上の高圧の超臨界ＣＯ２冷媒を熱交換器に流した際にでも、耐圧性が必要である。本発明の熱交換器は、互いに交叉する縦横寸法がマイクロスケールの微細な流路を積層して構成されるが、耐圧性がないと、一方の流路に高圧の流体が流れると流路が膨張変形し、この変形により互いに交叉する他方の流路の流れを阻害することとなる。本発明に係る熱交換器は、一方の流路に高圧流体が流れても、互いに交叉する他方の流路の流れを阻害することのない構成である。
【００３２】
（２）超臨界ＣＯ２冷媒や超臨界フロン系冷媒のような高圧な流体をマイクロスケールの微細流路に流した場合でも、摩擦損失が増大し、熱通過率を低減するが懸念されるが、本発明の熱交換器は、そのような懸念される現象が生じることはなく、高い流動特性、伝熱特性（熱交換量、熱交換率）を備えており、熱交換器としての起動時間も短い構成である。
【実施例】
【００３３】
（構成）
図１は、本発明に係る熱交換器の実施例を説明する図である。図１（ａ）は、この実施例の熱交換器１の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）はその平面図である。この熱交換器１は、外観の全体構成としては、一体的な矩形構造をしている。
【００３４】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように流路は、前後方向（縦方向。図の例ではｙ方向）に延びる流路と左右方向（横方向。図の例ではｘ方向）に延びる流路があるが、説明の都合上、前後方向（縦方向）に延びる流路を冷却流路（低温の媒体が流れる流路）３とし、左右方向（横方向）に延びる流路を加熱流路（高温の媒体が流れる流路）５とする。
【００３５】
熱交換器１は、同一平面内に並設された縦及び横の寸法がマイクロスケールの多数の微細（例えば、１０〜１０００μｍ）な冷却流路３から成る群（冷却流路群２）と、同一平面内に並設された縦及び横の寸法がマイクロスケールの多数の微細（例えば、１０〜１０００μｍ）な加熱流路５から成る群（加熱流路群４）が、上下方向に交互に複数積層された構造となっている。
【００３６】
図１（ａ）、（ｂ）において、それぞれの冷却流路群２では、一方向（図の例では矢印ｙ方向）に伸びる多数の微細な冷却流路３がｘ方向に一定間隔をおいて並設されている。同様に、それぞれの加熱流路群４では、一方向（図の例では矢印ｘ方向）に伸びる多数の微細な加熱流路５がｙ方向に一定間隔をおいて並設されている。
【００３７】
この実施例の熱交換器１では、冷却流路群２の冷却流路３と加熱流路５群の加熱流路５は、互いにｘｙ方向に伸び、互いに図１（ｂ）に示すように、直交する方向に伸びるように形成されているが、冷却流路群２の多数の冷却流路３と加熱流路群４の多数の加熱流路５とは、互いに交わって連通しないように、上下方向に位置をずらして積層配置されている。
【００３８】
この実施例の熱交換器１では、冷却流路群２の冷却流路３と加熱流路群４の加熱流路５は、図１（ｂ）に示すように、互いに直交する方向に伸びるように形成されているが、これはあくまでも一例であり、冷却流路３と加熱流路５は、互いに直交する方向でなくても、互いにどのような角度で交叉（互いに連通する意味ではない。）するように伸びる構成でもよい。例えば、図１（ｃ）に示すような角度αで交叉して形成されていてもよいし、冷却流路及び加熱流路の出入口さえ配置できれば、互いに平行方向でもよい。要するに、冷却流路３と加熱流路５をそれぞれ流れる冷媒が、互いに平行流、又は対向流となるように、冷却流路３と加熱流路５が伸びている構成としてもよい。
【００３９】
さらに、この実施例の熱交換器１では、冷却流路３と加熱流路５は、それぞれ直線的に形成されているが、直線でなくても曲線でもよい。但し、流路抵抗が増加すると冷却及び加熱流体を送るポンプに負荷が高まるから、エネルギー損失が多くなるので、これらの点も考慮して、冷却流路３と加熱流路５の形状、構造は設計されるべきである。
【００４０】
図１に示す本発明に係る熱交換器１の構成を、その製作工程も含めて図２、３においてさらに詳細に説明する。本発明に係る熱交換器１は、その表面に微細流路の形成された複数の金属板を拡散接合し一体積層構造としたものである。
【００４１】
図２は、熱交換器１の構成要素となる１枚の金属板６（金属の薄板）の構造を説明する図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。
【００４２】
この図２（ａ）〜（ｃ）で示すように、金属板６の上面７には縦方向（前後方向）の縦及び横の寸法がマイクロスケールの多数の微細（例えば、１０〜１０００μｍ）な流路（説明上、「冷却流路３」とする）が形成されており、金属板６の下面８には横方向（左右方向）の縦及び横の寸法がマイクロスケールの多数の微細（例えば、１０〜１０００μｍ）な流路（説明上、「加熱流路５」とする）が形成されている。
【００４３】
図２（ａ）に示す構造の金属板６を、互いに異なる材質の材料で形成された金属板６、例えば、互いに異なるＡ、Ｂという材質の材料でそれぞれ形成された２種類のＡタイプ金属板６Ａ、Ｂタイプ金属板６Ｂを、それぞれ複数枚、形成して用意する。もちろん同種の金属板でもよいが、この実施例で異種の金属板で説明する。
【００４４】
図２（ｄ）〜（ｇ）は、熱交換器１の構成要素である金属板６を積層する積層構造を説明する図である。説明を簡単にするために、上下方向に、Ａタイプ金属板６ＡとＢタイプ金属板６Ｂの合計４枚の金属板６を交互に積層する構造について説明する。
【００４５】
図２（ｄ）は、積層すべき４枚の金属板６の正面図を示し、図２（ｅ）はその側面図を示す。図２（ｆ）、（ｇ）は、製作される熱交換器１の正面図、側面図を示す。ところで、Ａタイプ金属板６とＢタイプ金属板６は、材質が互いに異なるが、それぞれの上下の面に形成された流路を含めてその構造は全く同じである。
【００４６】
このような４枚の金属板６を、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように、上下に隣接するＡタイプ金属板６とＢタイプ金属板６の上下の面を交互に表裏を変えて配置し、当接する。例えば、Ａタイプの金属板６Ａの下面に形成された横方向に延びる加熱流路５に、Ｂタイプの金属板６Ｂに形成された横方向に延びる加熱流路５を合致するように、Ａタイプの金属板６Ａの下面とＢタイプの金属板６Ｂの上面を向き合わせて、当接する。
【００４７】
このように、Ａタイプの金属板６Ａの下面にＢタイプの金属板６Ｂの上面を当接した状態で、真空雰囲気中で、加熱しながら加圧すると、互いに異なる材質のＡタイプの金属板６ＡとＢタイプの金属板６Ｂの材料間の界面９で原子拡散が発生し、分子的構造上、あたかも同一材料の様に拡散接合できる。
【００４８】
次に、Ｂタイプの金属板６Ｂの下面の冷却流路３に、Ａタイプの金属板６Ａに形成された縦方向に延びる冷却流路３を合致するように、Ｂタイプの金属板６Ｂの下面にＡタイプの金属板６Ａの上面を当接し、同様に拡散接合する。同様にして順次、複数の金属板６の上下隣接するものを拡散接合して積層し、熱交換器１を形成することができる。
【００４９】
図３（ａ）は、以上のようにして形成された本発明に係る熱交換器１を熱交換器の筐体１０内に装入してパッケージした熱交換器ユニット１１を上から見た図である。筐体１０の前後には、縦方向（前後方向）の流路用の出入口１２が設けられており、筐体１０の左右に横方向（左右方向）の流路用の出入口１３が設けられている。なお、縦方向（前後方向）及び左右方向の流路は、加熱器を取り付ける装置全体の用途、構造等に合わせて冷却流路３、加熱流路５として適宜、選択される。
【００５０】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した熱交換器ユニット上方から見て斜めに切断した切断面を示し、その切断面の部分拡大図を図３（ｃ）に示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示す、熱交換器ユニット１１の切断面には、冷却流路３、加熱流路５として、それぞれ利用される前後方向（縦方向の）流路及び横方向（左右方向）の流路の切り口が示されている。
【００５１】
次に、本発明の実施例の具体的な仕様例（仕様例１）を挙げると、冷却流路及び加熱流路について、それぞれ、流路断面寸法は縦２５０μｍ×横２５０μｍ、積層数２０枚（１枚に冷却流路又は加熱流路の１つが形成されている場合）、流路長２２ｍｍ、流路間距離１５０μｍ、出入口孔径１／４インチ（冷却流路）、１／４インチ（加熱流路）である。
【００５２】
さらに、別の仕様例（仕様例２）を挙げると、冷却流路及び加熱流路について、それぞれ、流路断面寸法は縦５００μｍ×横２５０μｍ、積層数１３又は１４枚（１枚に冷却流路又は加熱流路の１つが形成されている場合）、流路長２２ｍｍ、流路間距離１５０μｍ、出入口孔径１／４インチ（冷却流路）、１／４インチ（加熱流路）である。
【００５３】
なお、上記実施例の熱交換器１では、その要素となる金属板６は、上下面にそれぞれ冷却用或いは加熱用の流路を形成したが、金属板の上下いずれかの一面にのみ、縦方向又は横方向の流路を形成した複数の金属板を、縦方向の流路及び横方向の流路が連通することなく交互になるように積層して拡散接合して成る構成としてもよい。
【００５４】
以上、本発明に係る熱交換器の具体的な構成を説明したが、そのポイントをまとめると、次のようなこととなる。伝熱の基礎理論として、流路を小さくするほど均質に加熱・冷却（伝熱）することができる。熱交換器の伝熱に寄与する流路が短くても、微細流路を多数設ければ、熱交換器として十分な熱通過率を得ることができる。また大量に熱を交換するためには、大流量の流体を流す必要があり、流路において高流速で流体を流すことが必要となる。
【００５５】
本発明によれば、このような伝熱理論を実際の熱交換器に応用することにより、マイクロスケールの微細流路を多数有する積層構造とし、高流速をかけるために熱交換器自体が高耐圧であることを熱交換器の基本的なコンセプトとした。
【００５６】
しかし、微細流路とすることで一本の流路での熱交換は効率的に行われるものの、移動熱量の絶対値は小さい。また、流路接合部からの漏れによって高圧で使用できないなどの問題があるが、本発明では、流路を一体構造で形成することによって、ＣＯ２の超臨界圧である８０気圧以上の高い圧力にも耐えることができる微細流路を開発し熱交換器としてデバイス化したものである。
【００５７】
従って、本発明の熱交換器は、
（１）多数の微細流路を積層構造とするとともに、
（２）高流速で流せる、
という構造とすることによって移動熱量の増大を実現している。
【００５８】
さらに、このような構造を実現するために、
（３）表面に多数の微細流路の形成された複数の金属板を拡散接合を用いて接合し、一体型積層構造とすることにより、積層された多数の微細な流路（微細な流路群）を有する層が積層され一体化して作製し、
（４）高流速を流すことが可能な高耐圧構造、
を実現している。
【００５９】
そして、その用途は超臨界ＣＯ２冷媒又は超臨界フロン冷媒用の熱交換器であり、超臨界ＣＯ２冷媒を利用するヒートポンプに組み込まれて使用される。ここで、本発明における加熱流路及び冷却流路として形成される微細流路は、高速で流体が流され、かつ凝縮又は沸騰を伴うことによる熱交換が可能である。そして、このヒートポンプは、加熱流路又は冷却流路には、８０気圧以上で超臨界となる二酸化炭素冷媒又は４０気圧以上で超臨界状態となるフロン系冷媒に対しても耐圧性を有する構造である。
【００６０】
なお、本発明の一体型積層構造熱交換器は、マイクロガスタービン又は燃料電池を用いたコジェネレーションシステムに使用され、廃熱利用のための熱交換器として高効率で利用可能である。
【００６１】
さらに、本発明の一体型積層構造熱交換器は、縦および横の寸法が１０〜１０００μｍであり、小型分散型エネルギーシステムにおいて使用可能な高性能熱交換を可能とする
【００６２】
（試験例）
本発明に係る熱交換器が超臨界ＣＯ２冷媒用の熱交換器として有用であることを確認するためにいくつかの試験を実施したので、その試験例を説明する。
【００６３】
耐圧試験：
実施例で説明した本発明の熱交換器（上記仕様例１）を利用し、互いに交叉する微細な冷却用流路及び加熱用流路において、一方の流路には、超臨界ＣＯ２冷媒を模して高圧の水を流し、これによる他方の流路への耐圧上の影響を調べるために、他方の流路には流量を変えて空気を流してその流量毎の圧損を測定した。
【００６４】
具体的には、本発明の熱交換器の一方の流路にはプランジャポンプによって水への圧力０．１ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａと変えて高圧の水を流し、この各圧力毎に、他方の流路へは、コンプレッサにより流量を適宜変えて空気を流し、各流量毎に他方の流路で発生する流路抵抗による圧損を測定した。
【００６５】
図４は、この耐圧試験の結果示し、一方の流路に水の圧力を変えて水を流し、その水の圧力毎に、他方の流路に流す空気流量に対する他方の流路に生じる圧損を示すグラフである。この図４から明らかであるが、一方の流路に対して流す水の圧力を、０．１ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａのように変えても、それにより生じる圧損は互いにほぼ差がなく、当然のことであるが、圧損は空気流量に対して増大するのみという結果を得た。
【００６６】
そして、一方の流路に１５ＭＰａの圧力をかけて水を流しても、熱交換器の変形や漏れがないことを目視検査で確認した。この耐圧試験の結果から、高くても１０ＭＰａ程度で冷凍サイクル内で運用される超臨界ＣＯ２冷媒にも利用可能であることが実証された。
【００６７】
熱通過率試験：
実施例で説明した本発明の熱交換器（上記仕様例１）を利用し、互いに交叉する微細流路において、一方の流路には、ポンプにより冷却水（入口温度条件：１１．５±１℃）を流量を変えて流し、他方の流路へ加熱水（温度条件：８０±１℃）を流量を０．０１７ｋｇ／ｓ、０．０２５ｋｇ／ｓ、０．０３ｋｇ／ｓと変えて流し、一方の流路における冷却水が加熱される温度を測定することで、熱交換量を測定した。
【００６８】
図５は、この熱通過率試験の結果示し、一方の流路の水の流量に対する該水の熱交換量を示すグラフである。この図５によると、他方の流路の加熱水の流量増加に伴い熱熱交換量が上昇する傾向があり、十分な熱交換量を備えている。なお、実際使用する熱交換器は、上記仕様例１の伝熱面積より大きく設計にされるので、熱交換器として十分利用可能である。
【００６９】
従来の熱交換器との熱交換性能の比較試験：
実施例で説明した本発明の熱交換器（上記仕様例１）の熱交換性能を従来品（比較例１、２）と比較するために、上記熱交換量試験と同様な試験方法で、熱交換性能の比較試験を行った。この比較試験では、本発明の熱交換器及び比較例１、２の熱交換器の凝縮器における加熱能力は４．５ｋＷ級である。（家庭用のヒートポンプや給湯器等に適した規模である。）
【００７０】
この試験において使用した熱交換器の仕様を図６（ａ）で示す。一方の流路の水の流量（Ｋｇ／ｓ）に対する該水の熱交換器の単位体積あたりの熱交換性能（Ｗ／ｍ３）量を測定し、その測定結果を図６（ｂ）にグラフで示す。この図６（ｂ）に示すように、従来の比較例１、２に較べて、本発明の熱交換器の熱交換性能（Ｗ／ｍ３）は、およそ１００倍の性能があることが実証された。従って、大幅に熱交換器の小型化が可能である。
【００７１】
起動性試験：
実施例で説明した本発明の熱交換器（上記仕様例１）の定常状態（定常の熱交換の動作状態）となる時間（起動時間）の試験を行った。この試験では、冷却水を予め０．０１７ｋｇ／ｓで流し、後から加熱水を０．０１７ｋｇ／ｓで流して、冷却水入口温度（Ｔｃｉｎ）、冷却水出口温度（Ｔｃｏｕｔ）及び加熱水入口温度（Ｔｈｉｎ）と加熱水出口温度（Ｔｈｏｕｔ）、並びに定常状態となるまでの時間を計測した。
【００７２】
この起動性試験の結果を図７に示す。計測開始からおよそ８秒後に加熱水を流し始めた。その数秒後（約５秒後）には冷却水出口温度（Ｔｃｏｕｔ）も急上昇しほぼフラットな定常状態となった。この結果から本発明の熱交換器は極めて優れた起動性を持つことが示されている。これは、本発明の熱交換器が、体積０．００００５ｍ３、質量２３０ｇと水の熱容量に対して非常に小さく、定常状態になるまでに必要となる熱量が小さいためであると考えられる。
【００７３】
以上の試験結果から、本発明の熱交換器は、１５ＭＰａ以下では変形、破損は起こらず、１５Ｍｐａ以上の圧力にも耐え得る可能性が実証された。そして他の形式の熱交換器（比較例１、２）と比較した結果、単位体積あたりの熱交換量（Ｗ／ｍ３）において、本発明の熱交換器は、１００倍程度である。よって、耐圧性、熱交換性及びコンパクト性の諸点のいずれからみても、超臨界ＣＯ２冷媒用熱交換器としての用途が最適であり、超臨界ＣＯ２冷媒利用ヒートポンプに組み込み利用可能である。
【００７４】
以上、本発明に係る熱交換器を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係る熱交換器は、小型で耐圧性に富み高効率の熱交換器であるから、超臨界ＣＯ２冷媒利用ヒートポンプに好適である。さらに、本発明に係る熱交換器は、マイクロガスタービンや燃料電池等を用いたコジェネレーションシステムなどにも小型分散型のエネルギーシステムの一部を構成し、廃熱などを高効率で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る熱交換器の実施例を説明する図である。
【図２】本発明に係る熱交換器の実施例を説明する図である。
【図３】（ａ）は本発明に係る熱交換器を利用した熱交換器ユニットを上から見た図であり、（ｂ）は（ａ）で示すものを斜めに切断した図であり、（ｃ）はその部分拡大図である。
【図４】本発明に係る熱交換器の耐圧試験の結果を示す図である。
【図５】本発明に係る熱交換器の熱交換量試験の結果を示す図である。
【図６】本発明に係る熱交換器の熱交換性能を比較例との比較試験に関し、（ａ）はそれぞれの仕様を示し、（ｂ）は試験結果を示す図である。
【図７】本発明に係る熱交換器の起動時間試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  熱交換器            
２  冷却流路群                    
３  冷却流路                      
４  加熱流路群                    
５  加熱流路                      
６  金属板                        
７  金属板の上面                  
８  金属板の下面                  
６Ａ  Ａタイプ金属板              
６Ｂ  Ｂタイプ金属板              
９  金属間の界面                  
１０  熱交換器の筐体              
１１  熱交換器ユニット            
１２、１３  流路用の出入口        
【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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