(57)【要約】  本開示は、流体流れ間のエネルギ交換および／または物質移動のために装置に関し、装置は、第１の流体入口（３ａ）と、第１の流体出口（３ｃ）と、第２の流体入口（５ａ）と、第２の流体出口（５ｃ）と、第１の流体入口（３ａ）を第１の流体出口（３ｃ）と接続する複数の第１の流路層（３）と、第２の流体入口（５ａ）を第２の流体出口（５ｃ）と接続する複数の第２の流路層（５）とを備え、複数の第１の流路層（３）および複数の第２の流路層（５）が、重ねられた流体流路（２）を形成するように配置され、第１の流路層（３）の少なくともいくつかが、それぞれの第２の流路層（５）と物理的に接触し、それによって、流路対を形成し、流路対は互いに離間され、それによって、重ねられた流体流路（２）の１つの側面（９）から重ねられた流体流路（２）の反対の側面（１１）まで延在する交差流路（７）がその間に形成され、それによって、第１の流路層（３）の横方向端部と第２の流路層（５）の横方向端部との間の横方向流体入口（１３）と、第１の流路層（３）の反対の横方向端部と第２の流路層（５）の反対の横方向端部との間の横方向流体出口とを形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体入口（３ａ）と、
第１の流体出口（３ｃ）と、
第２の流体入口（５ａ）と、
第２の流体出口（５ｃ）と、
前記第１の流体入口（３ａ）を前記第１の流体出口（３ｃ）と接続する複数の第１の流路層（３）と、
前記第２の流体入口（５ａ）を前記第２の流体出口（５ｃ）と接続する複数の第２の流路層（５）と
を備え、
前記複数の第１の流路層（３）および前記複数の第２の流路層（５）が、重ねられて配置されて、重ねられた流体流路（２）を形成し、
前記第１の流路層（３）の少なくともいくつかが、それぞれの第２の流路層（５）と物理的に接触し、それによって、流路対を形成し、
前記流路対が互いに離間され、それによって、前記重ねられた流体流路（２）の１つの側面（９）から前記重ねられた流体流路（２）の反対の側面（１１）まで延在する交差流路（７）がその間に形成され、それによって、第１の流路層（３）の横方向端部と第２の流路層（５）の横方向端部との間の横方向流体入口（１３）と、第１の流路層（３）の反対の横方向端部と第２の流路層（５）の反対の横方向端部との間の横方向流体出口（１５）とを形成する、
流体流れ間のエネルギ交換および／または物質移動のための装置（１；１’）。
【請求項２】
交差流路（７）が各流路対の間に配置される、
請求項１に記載の装置（１；１’）。
【請求項３】
前記第１の流路層（３）の任意の流路の断面積が、前記第２の流路層（５）の任意の流路の断面積より大きい、
請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記第１の流体入口（３ａ）および前記第２の流体出口（５ｃ）が、前記第１の流路層（３）および第２の流路層（５）の第１の端部に配置される第１の流体インタフェースを形成する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記第１の流体インタフェースが、第１の流路層（３）と平行な平面内で三角形である、
請求項４に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記第１の流体出口（３ｃ）および前記第２の流体入口（５ａ）が、前記第１の端部と反対にある、前記第１の流路層（３）および第２の流路層（５）の第２の端部に配置される第２の流体インタフェースを形成する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
各第１の流路層（３）が複数の平行流路を備え、各第２の流路層（５）が複数の平行流路を備える、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項８】
前記第１の流路層（３）の前記平行流路が、前記第２の流路層（５）の前記平行流路と平行に配置される、
請求項９に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の流体入口（３ａ）および前記第２の流体入口（５ａ）が、それぞれ、前記重ねられた流体流路（２）の第１の端部および第２の端部に配置され、前記第１の端部および前記第２の端部が前記重ねられた流体流路（２）の反対側の端部であり、
前記第１の流体出口（３ｃ）が前記第２の端部に配置され、前記第２の流体出口（５ｃ）が前記第１の端部に配置される、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記複数の第１の流路層のそれぞれおよび前記複数の第２の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管を備える、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記流体導管が、前記複数の第１の流路層のそれぞれおよび前記複数の第２の流路層のそれぞれを複数回通って延在する、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
各第１の流路層（３）が２枚のシートから作られ、各第２の流路層（５）が２枚のシートから作られ、
各第２の流路層（３）が第２の流路層（５）とシートを共有し、それによって、前記流路対を形成する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１３】
前記装置（１）が燃料電池である、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１４】
第１の流体入口と、
第１の流体出口と、
前記第１の流体入口を前記第１の流体出口と接続する複数の第１の流路層であって、前記複数の第１の流路層が重ねられて配置されて、重ねられた流体流路を形成する、複数の第１の流路層と、
前記複数の第１の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管と
を備え、
少なくともいくつかの第１の流路層が互いに離間され、それによって、前記重ねられた流体流路の１つの側面から前記流体流路の反対の側面まで延在する交差流路がその間で形成され、それによって、第１の流路層の横方向端部の間の横方向流体入口と、第１の流路層の反対の横方向端部の間の横方向流体出口とを形成し、
前記流体導管が各交差流路を通って延在する、
流体流れ間の熱交換および／または物質移動のための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、流体流れ間のエネルギ交換または物質移動に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器は常に、凍結するリスクのために、寒冷気候での使用に問題を抱えている。これは、結露水が熱交換器の内部に蓄積されるためであり、結露水は温度が約−４℃以下に急に下がると凍結する。
【０００３】
熱交換器がより効率的であるほど、凍結する問題は、特に向流熱交換器について、より大きくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記に鑑み、本開示の概括的な目的は、従来技術の問題を少なくとも低減させるエネルギ交換および／または物質移動のための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
よって、流体流れ間のエネルギ交換および／または物質移動のための装置が提供され、装置は、第１の流体入口と、第１の流体出口と、第２の流体入口と、第２の流体出口と、第１の流体入口を第１の流体出口と接続する複数の第１の流路層と、第２の流体入口を第２の流体出口と接続する複数の第２の流路層とを備え、複数の第１の流路層および複数の第２の流路層は、重ねられて配置されて、重ねられた流体流路を形成し、第１の流路層の少なくともいくつかは、それぞれの第２の流路層と物理的に接触し、それによって、流路対を形成し、流路対は互いに離間され、それによって、重ねられた流体流路の１つの側面から重ねられた流体流路の反対の側面まで延在する交差流路がその間で形成され、それによって、第１の流路層の横方向端部と第２の流路層の横方向端部との間の横方向流体入口と、第１の流路層の反対の横方向端部と第２の流路層の反対の横方向端部との間の横方向流体出口とを形成する。
【０００６】
この構成は、装置の多数の異なる用途を可能にする。装置は、たとえば、第１の流路層および第２の流路層における向流、ならびに交差流路における交差流による熱交換器として使用されてもよい。このハイブリッド構成は、非常に多くの異なる用途を提供し、たとえば、それは、向流が交差流と同じ流体源から提供される、三流体構成または二流体構成を可能にする。
【０００７】
したがって、第１の流路層、第２の流路層、および交差流路は、互いに平行な平面における流体流れを提供するように配置される。たとえば、上記のように、第１の流路層および第２の流路層は向流を提供してもよく、交差流路は、第１の流路層および第２の流路層の流れに対する交差流を提供してもよい。
【０００８】
この場合には、交差流と向流（または並流）との間の「主要な」熱交換および／または物質移動に加えて、流路対の向流（または並流）間の熱交換および／または物質移動が存在するであろう。第１の流体入口および第２の流体入口が同じ流体源に接続される場合、第１の流路層および第２の流路層の流路に自動流量調節が存在するであろう。たとえば、凍結温度において、流路の１つが凍結中である場合、氷の生成によってこの流路に生じるさらなる流れ抵抗は、残りの流路に、対応するより多い流量をもたらす。この用途において、これは、暖かい空気のより多い流れを作成する流体流れの再分配、たとえば、残りの流路を通しての建物からの排気になる。次に、これは、この種類の既存の装置より低い温度でこの装置が使用できる程度まで、これらの流路を加熱し、流路は、本開示の装置によって得ることができるよりも高い温度で凍結する。特に、すべての流路が同時に実質的に凍結する既存の解決方法と比較して、これは流路が順次凍結することを可能にする。
【０００９】
流体流れ間のエネルギ交換および／または物質移動のための装置は、流体流れ間の熱交換および／または物質移動のための装置でもよい。
【００１０】
一実施形態において、交差流路は各流路対の間に配置される。
【００１１】
一実施形態において、第１の流路層の任意の流路の断面積は、第２の流路層の任意の流路の断面積より大きい。よって、流路の断面寸法は、流体流れを区別できるように設計してもよい。第１の流路層および第２の流路層の流路が凍結する順序は、それによって判定されてもよい。第１の流路層および第２の流路層をそれぞれ通って流れることになっている流体の種類を判定するとき、異なる断面寸法も設計パラメータでもよい。たとえば、液状流体は、ガスよりも非常に多くのエネルギを蓄えることができる。したがって、たとえば、最も多くのエネルギを蓄えることができる流体は、より小さい断面積を有する流路を通って流れるように経路指定されてもよい。
【００１２】
一実施形態において、第１の流体入口および第２の流体出口は、第１の流路層および第２の流路層の第１の端部に配置される第１の流体インタフェースを形成する。
【００１３】
一実施形態において、第１の流体インタフェースは、第１の流路層と平行な平面内で三角形である。
【００１４】
一実施形態において、第１の流体出口および第２の流体入口は、第１の端部と反対にある、第１の流路層および第２の流路層の第２の端部に配置される第２の流体インタフェースを形成する。
【００１５】
一実施形態において、各第１の流路層は複数の平行流路を備え、各第２の流路層は複数の平行流路を備える。
【００１６】
一実施形態において、第１の流路層の平行流路は、第２の流路層の平行流路と平行に配置される。
【００１７】
一実施形態において、第１の流体入口および第２の流体入口は、それぞれ、重ねられた流体流路の第１の端部および第２の端部に配置され、第１の端部および第２の端部は重ねられた流体流路の反対側の端部であり、第１の流体出口は第２の端部に配置され、第２の流体出口は第１の端部に配置される。
【００１８】
一実施形態は、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の第２の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管を備える。
【００１９】
一実施形態において、流体導管は、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の第２の流路層のそれぞれを複数回通って延在する。
【００２０】
一実施形態において、各第１の流路層は２枚のシートから作られ、各第２の流路層は２枚のシートから作られ、各第２の流路層はシートを第２の流路層と共有し、それによって、流路対を形成する。
【００２１】
一実施形態において、装置は燃料電池である。
【００２２】
本開示の第２の態様において、流体流れ間の熱交換および／または物質移動のための装置が提供され、装置は、第１の流体入口と、第１の流体出口と、第１の流体入口を第１の流体出口と接続する複数の第１の流路層であって、複数の第１の流路層が重ねられて配置されて、重ねられた流体流路を形成する、複数の第１の流路層と、複数の第１の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管とを備え、少なくともいくつかの第１の流路層が互いに離間され、それによって、重ねられた流体流路の１つの側面から流体流路の反対の側面まで延在する交差流路がその間で形成され、それによって、第１の流路層の横方向端部の間の横方向流体入口と、第１の流路層の反対の横方向端部の間の横方向流体出口とを形成し、流体導管は各交差流路を通って延在する。
【００２３】
よって、装置は、一種のチューブおよびフィン熱交換器として説明される可能性がある、しかしながら、複数の流路が、流体導管で区別された熱交換を提供するように配置される。これは、第１の流路層および交差流路での同時着霜の危険性を減少させる。
【００２４】
一実施形態において、流体導管は、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の交差流路のそれぞれを複数回通って延在する。したがって、流体導管は、各第１の流路層と複数回交差し、各交差流路と複数回交差する。
【００２５】
よって、流体導管は、各第１の流路層および交差流路と交差し、重ねられた流体流路を出たとき、流体導管は曲げ戻され、再び重ねられた流体流路を貫通する。これは、複数回繰り返される。
【００２６】
よって、流体導管は冷却コイルまたは加熱コイルを形成する。流体導管は通常、チューブである。
【００２７】
流体導管は、良好な熱伝導特性を有する材料、たとえば、胴などの金属、または、金属粉末が混入されたプラスチックなどの熱伝導プラスチック材料によって製造されなければならない。
【００２８】
典型的な実施形態において、液体、たとえば冷媒は、流体導管を通って流れるように配置される。
【００２９】
装置はまた、いくつかの実施形態において、上記の種類の１つより多い流体導管を備える可能性がある。
【００３０】
１つの実施形態は、第２の流体入口と、第２の流体出口と、第２の流体入口を第２の流体出口と接続する複数の第２の流路層であって、複数の第１の流路層および複数の第２の流路層が重ねられた流体流路を形成するように配置される、複数の第２の流路層と、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の第２の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管とを備え、少なくともいくつかの第１の流路層が第２の流路層から離間され、それによって、重ねられた流体流路の１つの側面から流体流路の反対の側面まで延在する交差流路がその間で形成され、それによって、第１の流路層の横方向端部と第２の流路層の横方向端部との間の横方向流体入口と、第１の流路層の反対の横方向端部と第２の流路層の反対の横方向端部との間の横方向流体出口とを形成する。
【００３１】
一実施形態において、流体導管は、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の第２の流路層のそれぞれを複数回通って延在する。
【００３２】
一実施形態において、第１の流体入口および第２の流体出口は、第１の流路層および第２の流路層の第１の端部に配置される第１の流体インタフェースを形成する。
【００３３】
一実施形態において、第１の流体インタフェースは、第１の流路層と平行な平面内で三角形である。
【００３４】
一実施形態において、第１の流体インタフェースは二等辺三角形を形成する。
【００３５】
一実施形態において、第１の流体出口および第２の流体入口は、第１の端部と反対にある、第１の流路層および第２の流路層の第２の端部に配置される第２の流体インタフェースを形成する。
【００３６】
一実施形態において、第２の流体入口および第２の流体出口は、第１の流路層および第２の流路層の第１の端部に配置される第１の流体インタフェースを形成する。
【００３７】
一実施形態において、第２の流体インタフェースは二等辺三角形を形成する。
【００３８】
一実施形態において、各第１の流路層は複数の平行流路を備え、各第２の流路層は複数の平行流路を備える。
【００３９】
一実施形態において、第１の流路層の平行流路は、第２の流路層の平行流路と平行に配置される。
【００４０】
一実施形態において、第１の流体入口および第２の流体入口は、それぞれ、重ねられた流体流路の第１の端部および第２の端部に配置され、第１の端部および第２の端部は重ねられた流体流路の反対側の端部であり、第１の流体出口は第２の端部に配置され、第２の流体出口は第１の端部に配置される。全体として、本明細書において別に明確に定義しない限り、特許請求の範囲において用いられるすべての用語は当該技術分野における通常の意味に解釈される。
【００４１】
別に明確に記載しない限り、１つの要素、機器、構成要素、および手段などに対する言及は、要素、機器、構成要素、および手段などの少なくとも１つの具体例であると解釈される。
【００４２】
ここで、発明的概念の特定の実施形態について、以下の添付図面を参照して例示的に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、熱交換および／または物質移動のための装置の例の斜視図を示す。
【図２ａ】図２ａは、第１の運用モードにおける図１の装置の上面図を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、第２の運用モードにおける図１の装置の上面図を示す。
【図３】図３は、図１の装置の第１の流路層および第２の流路層の一部の断面図である。
【図４ａ−４ｄ】図４ａ〜４ｄは、図１の装置の異なる変形例のいくつかの第１の流路層および第２の流路層の断面図を示す。
【図５ａ−５ｂ】図５ａ〜ｂは、熱交換および／または物質移動のための装置の別の例を示す。
【図６ａ−６ｂ】図６ａ〜ｂは、熱交換および／または物質移動のための装置の別の態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
ここで、例示的実施形態を示す添付の図面を参照して、発明的概念について以下により詳細に記載する。しかしながら、発明的概念は多くの異なる形態にて実施可能であり、以下に記載する実施形態に限定されるものではない。以下に記載する実施形態は、本開示を完全かつ包括的に行うために例として示されるものであり、発明的概念の範囲を当業者が完全に理解できるように記載されるものである。以下の記載において、類似の要素には類似の符号が付されている。
【００４５】
本開示は、流体間の熱または電子などのエネルギ交換および／あるいは物質移動のための装置に関する。装置は特に、交差流に加えて、たとえば、向流または並流を可能にする点でハイブリッド装置であり、多重経路のエネルギおよび／または物質交換ユニットである。よって、装置は、少なくとも３つの同時流体流れ間の熱および／または物質移動を提供することができる。
【００４６】
第１の態様において、装置は、第１の流体入口と、第１の流体出口と、第２の流体入口と、第２の流体出口とを備える。さらに、装置は、第１の流体入口を第１の流体出口と接続する複数の第１の流路層と、第２の流体入口を第２の流体出口と接続する複数の第２の流路層とを有する。
【００４７】
各第１の流路層は、たとえば、一緒に接合される２枚の波形シートから作られてもよい。このような各第１の流路層は、複数の平行流路を備えてもよい。あるいは、各第１の流路層は、２枚のプレートから形成されてもよく、それによって、装置は、プレート熱交換器、たとえば、ガスケットプレート熱交換器を形成する。
【００４８】
各第２の流路層は、たとえば、一緒に接合される２枚の波形シートから作られてもよい。このような各第２の流路層は、複数の平行流路を備えてもよい。あるいは、各第２の流路層は、２枚のプレートから形成されてもよく、それによって、装置は、プレート熱交換器、たとえば、ガスケットプレート熱交換器を形成する。
【００４９】
複数の第１の流路層および複数の第２の流路層は、重ねられて配置されて、重ねられた流体流路を形成する。
【００５０】
第１の流路層および第２の流路層の少なくともいくつか、好ましくはすべては、対で、互いに物理的に接触するように配置され、それにより、流路対を形成する。流路対は互いに離間され、それによって、重ねられた流体流路の１つの側面から流体流路の反対の側面まで延在する交差流路がその間に形成される。ここで、それらの側面は、流路層の一般的な流体流れ方向、すなわち、流体入口から流体出口への方向と平行である側面を意味する。それによって、横方向流体入口は、第１の流路層の横方向端部と第２の流路層の横方向端部との間に形成され、横方向流体出口は、第１の流路層の反対の横方向端部と第２の流路層の反対の横方向端部との間に形成される。
【００５１】
図１は、流体流れ間の熱交換および／または物質移動のための装置１の例を示す。例示された装置１は、互いの頂部の上に重ねられて、複数の重ねられた流体流路２を形成する、複数の第１の流路層３および複数の第２の流路層５を備える。
【００５２】
装置１は、第１の流体入口３ａと、第１の流体出口３ｃとをさらに備える。例において、第１の流体入口３ａは、複数の入口開口３ｂを備え、そのそれぞれが、それぞれの第１の流路層３に接続される。第１の流体出口３ｃは、複数の出口開口も備えてもよく、そのそれぞれが、それぞれの第１の流路層３に接続される。よって、第１の流路層３は、第１の流体入口３ａを第１の流体出口３ｃと接続する。
【００５３】
装置１は、第２の流体入口５ａと、第２の流体出口５ｃとを備える。例において、第２の流体入口５ａは、複数の入口開口５ｂを備え、そのそれぞれが、それぞれの第２の流路層５に接続される。第２の流体出口５ｃは、複数の出口開口も備えてもよく、そのそれぞれが、それぞれの第２の流路層５に接続される。よって、第２の流路層５は、第２の流体入口５ａを第２の流体出口５ｃと接続する。
【００５４】
図１に示す例において、第１の流路層３および第２の流路層５は、重ねられて交互に配置される。第１の流路層３および第２の流路層５は、対で配置され、流路対を形成する。流路対を形成する各第１の流路層３および第２の流路層５は、互いに物理的接触している。これは、各流路対を形成する流路層間に熱および／または物質移動があることを意味する。さらに、流路対と交差流路との間にも熱および／または物質移動がある。
【００５５】
流路対は、この重なりにおいて互いに離間される。よって、いくつかの第１の流路層３と第２の流路層５との間には距離があり、それによって、交差流路７がその間に形成される。交差流路７は、重ねられた流体流路の１つの側面９から、重ねられた流体流路の反対の側面１１まで延在する。それによって、横方向流体入口１３は、第１の流路層３の横方向端部と第２の流路層５の横方向端部との間に形成され、横方向流体出口は、第１の流路層３の反対の横方向端部と第２の流路層５の反対の横方向端部との間に形成される。横方向流体入口１３は横方向流体出口としても機能してもよく、横方向流体出口は横方向流体入口としても機能してもよいことに注目すべきであり、それは単に流体流れが２つの方向のうち、どちらから交差流路７に入るかにのみ依存する。
【００５６】
交差流路７によって提供される流れ方向は、第１の流路層３および第２の流路層５の流路（単数または複数）内の一般的な流れ方向と直角である。よってそれらは、第１の流路層３および第２の流路層５によって提供される流れ方向に対して、交差する流体流れ方向を提供する。
【００５７】
図１の例において、各第１の流路層３は複数の平行流路を備え、各第２の流路層５は複数の平行流路を備える。第１の流路層３の平行流路は、第２の流路層５の平行流路と平行に配置される。さらに、この例において、第１の流体入口３ａおよび第２の流体入口５ａは、それぞれ、重ねられた流体流路２の第１の端部および第２の端部に配置される。第１の端部および第２の端部は、重ねられた流体流路２の反対側の端部である。第１の流体出口３ｃは第２の端部に配置され、第２の流体出口５ｃは第１の端部に配置される。
【００５８】
さらに、図１の例において、第１の流体入口３ａおよび第２の流体出口５ｃは、第１の流路層３および第２の流路層５の第１の端部に、すなわち、重ねられた流体流路２の第１の端部に配置される第１の流体インタフェースを形成する。第１の流体インタフェースは、たとえば、第１の流路層３と平行な平面内の三角形とすることができる。第１の流体インタフェースは、たとえば、この平面内に二等辺三角形を形成してもよい。
【００５９】
第１の流体出口３ｃおよび第２の流体入口５ａは、第１の端部と反対の、第１の流路層および第２の流路層の第２の端部に、すなわち、重ねられた流体流路２の第２の端部に配置される第２の流体インタフェースを形成する。第２の流体インタフェースは、たとえば、第１の流路層３と平行な平面内の三角形とすることができる。第２の流体インタフェースは、たとえば、この平面内に二等辺三角形を形成してもよい。
【００６０】
図２ａは、装置１の上面図を示す。３つの異なる流体流れＦ１、Ｆ２、およびＦ３も図示されている。図２ａに示す使用モードにおいて、装置１は、向流および交差流装置として使用される。第１の流体流れＦ１は、第１の流体入口３ａを通って入り、第１の流路層３の流路を通って流れ、第１の流体出口３ｃを通って出る。第２の流体流れＦ２は、第２の流体入口５ａを通って入り、第２の流路層５の流路を通って流れ、第２の流体出口５ｃを通って出る。さらに、第３の流体流れＦ３が、第１の流体流れＦ１および第２の流体流れＦ２に対する交差流として提供される。第３の流体流れＦ３は、横方向流体入口１３を通って重ねられた流体流路２に入り、横方向流体出口１５を通って反対の側部に出る。
【００６１】
装置１のこの動作は、装置１に凍結のリスクがある寒冷時に、特に有利である。装置１の設計は、従来の熱交換器を大きく下回る温度で運転できることを示しており、凍結は約−４℃で発生する。これにより、さらに低温まで、補助加熱器は必要なくなる。その効果は、たとえば、３つのすべての流体流れＦ１〜Ｆ３を空気とすることによって得ることができ、ここで、第１の流体流れＦ１および第２の流体流れＦ２は排気である。互いに物理的接触し、流路対を形成する第１の流路層３と第２の流路層５との間の内部熱交換のため、流路内部の凍結は、補助加熱器を利用することなく、今日可能であるよりもさらに低温まで防ぐことができる。このような動作は、寒冷気候において特に有利であるが、熱交換、すなわち、第３の流体流れＦ３との熱交換が、従来の熱交換器ほど効率的ではないことはトレードオフである。しかしながら、図２ｂに示すように、これは、より温暖な気候で異なるように装置１を作動させることによって解決することができ、ここで、第１の流路層３および第２の流路層５は、並行流体流れモードで作動されている。ここで、第２の流体入口５ａおよび第２の流体出口５ｃは機能を変更している。第２の流体出口５ｃは、この場合には、第２の流体流れＦ２の流体取り入れのために使用される。この動作は、たとえば、装置１に接続される集合体によって保証することができ、集合体は、流体流れ方向を指示するように配置されるドラフト弁を備える。よって、装置１は、季節に依存する異なるモードで作動させてもよい。
【００６２】
図３は、流路の方向の、すなわち、たとえば図２ａに示される第１の流体流れＦ１および第２の流体流れＦ２に沿った、重ねられた流体流路２の断面を示す。第１の流体流れＦ１および第２の流体流れＦ２は、この図において、それぞれ図に出入りする方向である。第１の流路層３は格子パターンで印がつけられ、第２の流路層５は破斜線パターンで印をつけられる。交差流路７は残りの白色である。第３の流体流れＦ３は、それぞれの交差流路７内で、第１の流体流れＦ１および第２の流体流れＦ２に垂直に、左から右に流れるのが示されている。
【００６３】
図４ａ〜４ｃは、第１の流路層３、第２の流路層５、および交差流路７がどのように配置できるかという他の例を示す。ここでも、第１の流路層および第２の流路層は、それぞれ、格子パターンおよび破線パターンで印をつけられる。
【００６４】
図示のように、これらの変形例において、第１の流路層３の任意の流路の断面積は、第２の流路層５の任意の流路の断面積より大きい。しかしながら、すべての流路が同じ断面を有する変形例も想定される。
【００６５】
図４ｄは別の変形例を示し、互いに物理的接触する三つ組として形成され、交差流路７によって別のそのような三つ組から遠ざけられる第１の流路層３、第２の流路層５、および第１の流路層３がある。
【００６６】
一般に、本開示による装置に設けられる３つより多い流体流れがあってもよいことに留意してもよい。これは、設けられる流路層ならびに対応する流体入口および出口の数に依存する。
【００６７】
一例として、図４ｄにおいて、第１の流路層３は、４℃の水の流れが提供されてもよく、第２の流路層５は、たとえば１２０℃の地域暖房からの熱湯の流れが提供されてもよく、第３の層、たとえば交差流路は空気が提供されてもよく、第４の流路層４は、建物の熱再循環システムからの給湯が提供されてもよい。地域暖房水は、第１の流路層および第４の流路層の水を、それぞれ約６０℃および８０℃まで加熱し、次に、給湯システムおよび暖房システム（別々の流れ）に輸送することができる。熱湯および地域暖房水は、次に、給気を２５℃まで加熱する。工業的な用途において、この種類の構成は、好適なアルゴリズムに従って流れを変えるだけで、いくつかのプロセスの制御をもたらす可能性がある。
【００６８】
図５ａおよび５ｂは、流体の熱交換および／または物質移動のための装置の別の例を示す。この装置１’は、プレート熱交換器であるという点で、装置１と異なる。第１の流路層および第２の流路層は、この例において流路対で配置される。図５ａにおいては、３枚のプレート１０ａ〜１０ｃが、流路対を形成していることが示されている。これらの３枚のプレートは重ねられ、それにより、２枚のプレート１０ａと１０ｂと間に左への第１の流体流れが提供でき、２枚のプレート１０ｂと１０ｃとの間に右への第２の流体流れが提供できる。隅部開口は、流体入口および流体出口の一部を形成する。装置１’の機能は、装置１に関するものと同じである、すなわち、それは、向流または並流、つまり、第１の流路層の１つの流れおよび第２の流路層の１つの流れを可能にする。流路対は、たとえば、スペーサ８によって互いに離間され、それによって、図５ｂに示すように、交差流路７がその間に形成され、ここで、３つの重ねられた流路対１０ａ〜ｃは、各流路対間の交差流路７とともに示される。スペーサ８は、たとえば、ガスケットでもよい。
【００６９】
流路対は共通のプレートを共有してもよく、各流路対は３枚のプレートから作られる。あるいは、流路対は、２枚が第１の流路層を形成し、２枚が第２の流路層を形成する４枚のプレートから作られてもよい。
【００７０】
プレートは、たとえば平面状である可能性があり、または、乱流誘発構造、たとえば、ヘリンボン構造を有する可能性がある。
【００７１】
装置１’は、液体に沈められるまたは浸される可能性があり、その場合、たとえば、交差流路を通る第３の流れは、機械的な流れの代わりに、対流である可能性がある。当然、装置１’は、水に沈められる種類である必要はない。また、当然、すべての流れが機械的な流体流れである可能性がある。
【００７２】
図６ａは、熱交換および／または物質移動のための装置の別の態様を示す。本態様において、装置１’’は、第１の流体入口１７と、第１の流体出口１９とを備える。装置１’’は、第２の流体入口２１と、第２の流体出口２３とをさらに含む。
【００７３】
装置１’’は、第１の流体入口を第１の流体出口と接続する複数の第１の流路層と、第２の流体入口を第２の流体出口と接続する複数の第２の流路層と、複数の第１の流路層のそれぞれおよび複数の第２の流路層のそれぞれを通って延在する流体導管２５とを有する。
【００７４】
複数の第１の流路層および複数の第２の流路層は、重ねられて配置されて、重ねられた流体流路を形成する。少なくともいくつかの第１の流路層が第２の流路層から離間され、それによって、重ねられた流体流路の１つの側面から流体流路の反対の側面まで延在する交差流路２７がその間で形成され、それによって、第１の流路層の横方向端部と第２の流路層の横方向端部との間の横方向流体入口と、第１の流路層の反対の横方向端部と第２の流路層の反対の横方向端部との間の横方向流体出口とを形成する。よって、流体導管２５も交差流路２７を通って延在する。これは、流体導管、したがって、その中を流れる任意の流体が、運転中、交差する流体流れも受けることを意味する。
【００７５】
冷却流体または加熱流体は、流体導管２５の内部を流れてもよく、それによって、冷却流体または加熱流体は、第１の流路層、第２の流路層、および交差流路２７を通って流れる３つすべての流体流れによって加熱または冷却される。
【００７６】
効率を最大化するために、一変形例において、各第１の流路層は各第２の流路層から離間される、すなわち、第１の流路層と第２の流路層との間に交差流路２７がある。
【００７７】
第１の流路層、第２の流路層、および交差流路２７への流体流れは、同じ発生源からとられてもよい。このために、流体導管２５の流体流れ以外のすべての流体流れは、１つの流体環境から、たとえば、装置１’’が設置される建物の内部からまたは建物の外部からとられてもよい。
【００７８】
装置１’’は、図６ｂに示すように複数の重ねられたシートから作られてもよく、または、代わりに、複数の重ねられたプレートから作られてもよく、それによって、プレート熱交換器を形成する。
【００７９】
一変形例において、流体導管２５のような導管はまた、図１および図５に示す例の第１の流路層、第２の流路層、および交差流路を通して設けられてもよい。
【００８０】
一変形例において、装置１’’は、第１の流路層、および第１の流体入口１７、第１の流体出口１９のみ備え、第１の流路層は互いに離間され、その間に交差流路を形成する。装置１’’はまた、この変形例において、複数回、第１の流路層を通って延在する流体導管２５を備え、コイルを形成する。この場合、装置１’’の流体導管２５の流体流れに加えて、２つの流体流れ、すなわち、第１の流体流れＦ３および第３の流体流れＦ１のみ存在する。この場合、第１の流体流れＦ１および第３の流体流れＦ３は、装置１’’で同時に流れている可能性があり、または、それらは交互に流れる可能性がある。第１の流体流れＦ１は、たとえば最初、装置１’’を通って流れるように設定される可能性があり、第１の流路層が凍結し始めた場合、第３の流体流れＦ３が装置１’’を通して提供される可能性があり、同時に、第１の流体流れＦ１は機械的に停止するように設定される。第３の流体流れＦ３が流れている間、したがって、流体導管２５と熱交換している間、第１の流路層の氷は溶け始める。この動作は、交差流路が凍結し始めた場合、第１の流路層で繰り返され、流体導管２５との熱交換処置を引き継ぐ可能性がある。
【００８１】
シートまたはプレートが第１の流路層および第２の流路層を形成する場合、これらは、不透過性、透過性、または半透過性の材料から作られてもよい。装置は、すべて同じ特性を有するシートまたはプレートから形成されてもよい。すべてのシートまたはプレートが不透過性、透過性、または半透過性のいずれかを有してもよい。または、透過特性の異なるシートまたはプレートを組み合わせて装置を形成してもよい。たとえば、シートまたはプレートのサブセットは透過性でもよく、シートまたはプレートの別のサブセットは不透過性でもよい。１つおきのシートまたはプレートが、たとえば透過性でもよく、残りのシートが不透過性でもよい。
【００８２】
シートまたはプレートは、たとえば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、熱交換に適した他の金属等の金属や、ＰＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＳ、ＰＰＳ、ポリカーボネート、ナイロン、半透過性膜（たとえばＮａｆｉｏｎなどのＰＥＭ）などのプラスチックや、炭素発泡体や素焼板などの、熱交換または物質移動用途に適した他の材料から作られてもよい。シートまたはプレートが異なる材料の混合物を含んでいてもよいことも想定される。装置がエネルギ移動のための装置である場合、特に、装置が燃料電池である場合、層を形成するシートまたはプレートは、セラミック材料、またはペロブスカイトなどの鉱物材料から作られてもよい。
【００８３】
いくつかの例を参照して、発明的概念について上に記載した。しかしながら、添付の特許請求の範囲に規定される発明的概念の範囲内において、上記の実施形態以外の実施形態か可能であることは当業者に自明である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【国際調査報告】
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