(57)【要約】  この発明の１つの目的は、伝熱板の積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することが可能な拡散接合型熱交換器を提供することである。  この拡散接合型熱交換器（１００）は、複数の伝熱板（ＨＰ）が積層されて拡散接合されたコア（１）を備える。コアは、複数の流路層（３０）をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロック（４０）と、複数の流路ブロックの間を区画する隔壁層（５０）と、を含む。積層方向における隔壁層の厚み（ｔ３）が、積層方向に並ぶ流路間の間隔（ｔ２）よりも大きい。
2020105658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱板が積層されて拡散接合されたコアを備え、  前記コアは、流路が形成された複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックと、複数の前記流路ブロックの間を区画するように配置された隔壁層と、を含み、  積層方向における前記隔壁層の厚みが、積層方向に並ぶ前記流路間の間隔よりも大きい、拡散接合型熱交換器。
【請求項２】
前記流路と直交する断面において、前記隔壁層における中実部の割合は、前記流路層における中実部の割合よりも大きい、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項３】
前記隔壁層は、前記流路と直交する断面のうち前記流路層に沿った方向において、前記流路層における前記流路が形成された範囲の一端から他端までに亘って連続した中実部を含む、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項４】
前記流路層は、拡散接合により前記流路を構成する溝部が形成された前記伝熱板からなる第１伝熱板により構成され、  前記隔壁層は、前記溝部が未形成の前記伝熱板からなる第２伝熱板により構成されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項５】
前記隔壁層は、積層された複数の前記第２伝熱板により構成されている、請求項４に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項６】
前記流路層は、拡散接合により前記流路を構成する溝部が形成された第１伝熱板、および、前記溝部が形成され前記第１伝熱板よりも大きい厚みを有する第３伝熱板により構成され、  前記隔壁層は、前記第３伝熱板のうち前記溝部以外の部分により構成されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項７】
積層方向における前記隔壁層の厚みが、前記流路ブロックを構成する前記流路層のピッチよりも大きい、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項８】
前記流路ブロックを構成する各前記流路層と、前記隔壁層とが、同一材料により構成され、接合材を介さずに拡散接合されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、拡散接合型熱交換器に関し、特に、複数の伝熱板が積層され拡散接合された構成の拡散接合型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の熱交換器として、プレート式熱交換器が知られている。このような熱交換器は、例えば、特表２０１６−５３５２３３号公報に開示されている。【０００３】  上記特表２０１６−５３５２３３号公報には、分断薄板と、サイドバーと、フィンとをろう付けして構成された複数の熱交換路を含む熱交換器ブロックを複数備え、熱交換器ブロックがそれぞれ、対向するカバープレートにおいてはんだを介して接続されたプレート式熱交換器が開示されている。上記特表２０１６−５３５２３３号公報には、熱交換器ブロックの対向するカバープレート同士を、はんだがクラッドされた金属薄板を介して全面的に接続することが開示されている。【０００４】  上記特表２０１６−５３５２３３号公報のような熱交換器において、高温側の流体と低温側の流体との間の温度差が大きい場合、熱交換器の構成部材に大きな熱応力が発生する。はんだ接合は機械的強度がそれほど高くないため、大きな熱応力が生じた場合、疲労破壊が発生する可能性がある。なお、熱応力とは、物体が温度変化による熱変形（膨張や収縮）を外部的な拘束によって妨げられたときに、物体内部に生じる応力のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１６−５３５２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  そこで、特に流体間の温度差が大きい（熱応力が大きくなる）用途にも利用可能な熱交換器として、伝熱板同士が拡散接合された拡散接合型熱交換器が知られている。拡散接合型熱交換器は、金属製の伝熱板同士が拡散接合によって一体化されるため剛性が高く、たとえば液体水素や液化天然ガスなどの極低温の流体と、高温流体として水や不凍液（ブライン）との熱交換などに用いられることがある。【０００７】  しかしながら、一般に高い剛性を有する拡散接合型熱交換器であっても、伝熱面積を確保するために伝熱板の積層数を多くした場合などでは、金属部分の熱変形（熱膨張または熱収縮）が大きくなる事に起因して大きな熱応力が生じ、疲労破壊の原因となる。このため、拡散接合型熱交換器において、伝熱面積を確保するために伝熱板の積層数を多くした場合でも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することが望まれている。【０００８】  この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、伝熱板の積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することが可能な拡散接合型熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  上記目的を達成するために、この発明による拡散接合型熱交換器は、複数の伝熱板が積層されて拡散接合されたコアを備え、コアは、流路が形成された複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックと、複数の流路ブロックの間を区画するように配置された隔壁層と、を含み、積層方向における隔壁層の厚みが、積層方向に並ぶ流路間の間隔よりも大きい。なお、本明細書において、「流路層」および「隔壁層」は、それぞれコアの一部であって、積層され拡散接合された複数の伝熱板のうち少なくとも１つによって構成され、伝熱板の形状を反映して積層方向と直交する方向に延びる平板状の層として構成された領域である。「流路層」は、積層方向における流路の高さ寸法と一致する厚みを有する層である。【００１０】  この発明による拡散接合型熱交換器では、上記のように、複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックの間を区画するように隔壁層を配置し、積層方向における隔壁層の厚みを、積層方向に並ぶ流路間の間隔よりも大きくする。これにより、伝熱面積を確保するために伝熱板の積層数を多くして流路層の総数を多くした場合であっても、それらの流路層を、隔壁層によって、より積層数の少ない複数の流路ブロックに区分することができる。そして、隔壁層が積層方向に並ぶ流路間の間隔よりも大きい厚みを有するので、隔壁層では、単純に流路層を積層しただけの場合よりも高い剛性を確保することができる。そのため、隔壁層では、流体の温度差に起因する熱変形（熱膨張または熱収縮）を流路層よりも小さくできる。この結果、コア全体で見ると、流路ブロックの間の隔壁層が流路ブロックの変形を抑制する支持構造として機能し、積層方向に並んだ複数の流路ブロックの各々が熱変形を生じても、熱変形の影響が隣の流路ブロックに及ぶことを抑制することができる。熱変形の大きさは変形する部分の長さに比例するため、隔壁層によって流路層の総数よりも少ない積層数に区画された個々の流路ブロックでは熱変形量を低減でき、その分だけ熱応力を低減することができる。以上の結果、伝熱板の積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することができる。【００１１】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、流路と直交する断面において、隔壁層における中実部の割合は、流路層における中実部の割合よりも大きい。なお、本明細書において「中実」とは、構成材料によって中身が詰まっていることを意味する。このように構成すれば、流路ブロックを構成する個々の流路層よりも隔壁層の剛性を容易に高くすることができるので、流路ブロック間の熱変形を効果的に抑制することができる。【００１２】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、隔壁層は、流路と直交する断面のうち流路層に沿った方向において、流路層における流路が形成された範囲の一端から他端までに亘って連続した中実部を含む。このように構成すれば、隔壁層の中実部によって、流路ブロックの間の隔壁層の領域において、流路が形成された範囲の一端から他端までを支持する支持構造を形成することができる。たとえば流路ブロック内の流路に極低温の流体が流通して���路ブロックが収縮変形する場合に、隔壁層では、中実部によって流路層に沿った方向の収縮変形に対抗して支持することができる。これにより、流路ブロックの熱変形量を低減して熱応力を効果的に低減することができる。【００１３】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、流路層は、拡散接合により流路を構成する溝部が形成された伝熱板からなる第１伝熱板により構成され、隔壁層は、溝部が未形成の伝熱板からなる第２伝熱板により構成されている。このように構成すれば、流路層と隔壁層とを、共通仕様の伝熱板（板部材）から形成することができる。つまり、コアを形成する際、複数用意した伝熱板に対して溝部の形成加工をして第１伝熱板とし、残りの伝熱板に溝部を形成しないでそのまま第２伝熱板として用いることができる。このため、第１伝熱板と第２伝熱板とをそれぞれ別々の仕様の伝熱板（板部材）から形成する場合と比べて、コアを構成する部品種別の数を低減することができるので、コアに隔壁層を設ける場合でも容易に熱交換器を製造することができる。【００１４】  この場合、好ましくは、隔壁層は、積層された複数の第２伝熱板により構成されている。このように構成すれば、第１伝熱板と第２伝熱板とをそれぞれ共通仕様の伝熱板（板部材）から形成する場合でも、第２伝熱板の積層することによって隔壁層の厚みを確保することができる。また、第２伝熱板の積層数によって隔壁層の厚みを容易に調節することができる。【００１５】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、流路層は、拡散接合により流路を構成する溝部が形成された第１伝熱板、および、溝部が形成され第１伝熱板よりも大きい厚みを有する第３伝熱板により構成され、隔壁層は、第３伝熱板のうち溝部以外の部分により構成されている。このように構成すれば、第３伝熱板によって、流路ブロックを構成する流路層のうち積層方向の最外部に配置される流路層と、その最外部の流路層に隣接する隔壁層とをまとめて構成することができる。つまり、たとえばＮ層の流路層を含む流路ブロックを構成する場合に、（Ｎ−１）枚の第１伝熱板と、１枚の第３伝熱板を積層することで、Ｎ層の流路ブロックと隔壁層とを構成できる。【００１６】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、積層方向における隔壁層の厚みが、流路ブロックを構成する流路層のピッチよりも大きい。ここで、「流路層のピッチ」とは、流路ブロック内における流路層の形成間隔であり、積層方向に隣接する流路層の同一部位間の距離である。このように構成すれば、流路層のピッチよりも大きい厚みを有する隔壁層を設けることができるので、隔壁層の剛性を確保することができる。これにより、流路ブロックの熱変形（熱膨張または熱収縮）および熱変形に起因する熱応力を効果的に抑制できる。【００１７】  上記発明による拡散接合型熱交換器において、好ましくは、流路ブロックを構成する各流路層と、隔壁層とが、同一材料により構成され、接合材を介さずに拡散接合されている。このように構成すれば、同一材料により構成された流路層と隔壁層との間で線膨張係数が一致するので、接合部分における熱変形量の差に起因する応力の発生を低減できる。また、拡散接合では、接合面の材料同士が原子レベルで一体化するので、流路層と隔壁層とがはんだなどの接合材を介して接合する場合と比べて、より強固に接合することができる。その結果、熱変形に起因して接合部分に疲労破壊などが生じることを抑制できる。また、はんだなどの接合材によって流路ブロックを構成する各層を接合した場合、コアの側面にヘッダ部を溶接する際の熱の影響によって各層間のはんだ接合部に欠陥が発生し、流路ブロック間で流体の漏れが発生しやすくなる。これに対して、上記構成によれば、流路ブロックを構成する各層が、より強固に接合されるので、ヘッダ部の溶接時に熱の影響があったとしても欠陥が発生しにくく、流路ブロック間での流体の漏れを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】  本発明によれば、上記のように、伝熱板の積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することが可能な拡散接合型熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態による熱交換器を示した模式的な斜視図である。
【図２】図３〜図５の５００−５００線に沿ったコアの断面図である。
【図３】第１流路を構成する第１伝熱板の構成例を示した平面図である。
【図４】第２流路を構成する第１伝熱板の構成例を示した平面図である。
【図５】第２伝熱板の構成例を示した平面図である。
【図６】７層の流路ブロックを３ブロック設けたコアの具体的構成例を示した断面図である。
【図７】第１実施形態におけるコアの構造を模式化した断面図である。
【図８】比較例のコアの構造を模式化した断面図である。
【図９】流路層の積層数と平均応力との関係を説明するためのグラフである。
【図１０】第１実施形態の熱交換器の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図１１】第２実施形態による熱交換器のコアの模式的な断面図である。
【図１２】変形例によるコアの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】  （第１実施形態）  図１〜図６を参照して、第１実施形態による熱交換器１００の構成について説明する。第１実施形態による熱交換器１００は、金属製の伝熱板を積層し、拡散接合によって一体化することにより構成した拡散接合型のプレート式熱交換器である。熱交換器１００は、特許請求の範囲の「拡散接合型熱交換器」の一例である。
【００２２】  図１に示すように、熱交換器１００は、複数の伝熱板ＨＰが積層されて拡散接合されたコア１を備える。また、熱交換器１００は、第１入口２ａおよび第１出口２ｂ（図３参照）と、第２入口３ａ（図４参照）および第２出口３ｂとを備えている。コア１は、積層された伝熱板ＨＰによってそれぞれ構成された複数の流路ＦＰを含む。複数の流路ＦＰは、少なくとも、高温流体ＨＦを流通させる複数の第１流路１１と、低温流体ＬＦを流通させる複数の第２流路１２（図４参照）とを含む。コア１は、第１流路１１を流れる高温流体ＨＦと第２流路１２を流れる低温流体ＬＦとの間で熱交換を行う熱交換部である。
【００２３】  第１入口２ａおよび第１出口２ｂは、第１流路１１に対して高温流体ＨＦを導入するための入口および導出するための出口であり、入口側と出口側との対（ペア）で設けられている。第２入口３ａおよび第２出口３ｂは、第２流路１２に対して低温流体ＬＦを導入するための入口および導出するための出口であり、入口側と出口側との対（ペア）で設けられている。
【００２４】  第１実施形態による熱交換器１００は、高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの熱交換により低温流体ＬＦの冷熱を高温流体ＨＦ側に回収する熱交換器として構成されている。なお、高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとは、熱交換を行う際の相対的に高温側の流体と相対的に低温側の流体とであり、特定の温度にある流体を指すものではない。つまり、低温流体ＬＦは、高温流体ＨＦよりも低温の流体であり、高温流体ＨＦは、低温流体ＬＦよりも高温の流体である。第１実施形態では、低温流体ＬＦは、極低温の液体であり、たとえば液化水素である。高温流体ＨＦは、たとえば、不凍液（ブライン）などの液体である。
【００２５】  特に限定されないが、図１に示したコア１を構成する伝熱板ＨＰは、四角形（長方形）の平板形状を有する。各伝熱板ＨＰは、厚み方向に積層されている。これにより、コア１は、直方体形状を有する。以下、便宜的に、コア１における伝熱板ＨＰの積層方向をＺ方向とし、積層方向と直交する方向（伝熱板の表面に沿う方向）において、直交する２方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。なお、Ｘ方向およびＹ方向を、それぞれ積層方向と直交する面内におけるコア１の（伝熱板ＨＰの）長辺に沿う方向および短辺に沿う方向とする。
【００２６】  伝熱板ＨＰは、それぞれ、一対の第１側端面８１と、第１側端面８１と隣接する一対の第２側端面８２とを有する。第１側端面８１は、短辺側の側端面であり、第２側端面８２は、長辺側の側端面である。伝熱板ＨＰは、第２側端面８２の長さ（コア１の長さ）Ｌ０、第１側端面８１の長さ（コア１の幅）Ｗ０を有する。伝熱板ＨＰは、いずれも略等しい厚みｔを有する。複数の伝熱板ＨＰは、厚みｔの異なる複数種類の伝熱板を含んでもよい。伝熱板ＨＰは、たとえばステンレス鋼材からなる。伝熱板ＨＰは、拡散接合可能であれば、アルミ系金属、銅系金属などのステンレス鋼材以外の金属材料により形成されてもよい。
【００２７】  積層方向（Ｚ方向）におけるコア１の両端には、それぞれサイドプレート４が設けられている。伝熱板ＨＰとサイドプレート４とは、平面視で同一の矩形形状に形成された平板状の板部材である。すなわち、コア１は、複数の伝熱板ＨＰの積層体を一対のサイドプレート４により挟み込み、拡散接合により一体化することにより、全体として矩形箱状（直方体形状）に形成されている。図１では便宜的に、一対のサイドプレート４の間に、８層（８枚）の伝熱板ＨＰが積層された例を示している。積層枚数はこれに限られず、伝熱板ＨＰは、任意の枚数を積層してよい。
【００２８】  第１実施形態では、コア１を構成する伝熱板ＨＰは、図２に示すように、流路ＦＰを構成する溝部２３を有する第１伝熱板２１、および溝部２３を有しない第２伝熱板２２を含む。つまり、同一形状の伝熱板ＨＰに対して、流路ＦＰを構成する溝部２３を形成したものが第１伝熱板２１であり、流路ＦＰを構成する溝部２３を形成していないものが第２伝熱板２２である。なお、コア１では、各伝熱板ＨＰが拡散接合によって一体化しているため、実際には図１に示したような個々の伝熱板ＨＰの接合面の境界線は形成されない。図２では、便宜的に、個々の伝熱板ＨＰの境界線を破線により図示している。
【００２９】  図２に示すように、第１実施形態では、コア１は、流路ＦＰが形成された複数の流路層３０をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロック４０と、複数の流路ブロック４０の間を区画するように配置された隔壁層５０と、を含む。
【００３０】  流路層３０は、流路ＦＰと直交する断面において、流路ＦＰの上面から底面までの範囲（つまり、積層方向における流路ＦＰの高さ）に亘って形成された領域である。流路層３０は、拡散接合により流路ＦＰを構成する溝部２３が形成された伝熱板ＨＰからなる第１伝熱板２１により構成されている。
【００３１】  流路層３０は、Ｚ方向において流路ＦＰの高さと等しい厚みｔ１を有する。流路層３０は、積層方向と直交する平面（ＸＹ平面）に沿って、コア１の全体に亘って設けられている。１つの流路層３０は、１つの第１伝熱板２１に形成された溝部２３の数と一致する流路ＦＰを含む。Ｚ方向に隣接する流路層３０の間には、間隔ｔ２の壁部２４が設けられている。壁部２４は、第１伝熱板２１のうち、溝部２３が形成されていない中実部分である。
【００３２】  流路層３０には、高温流体ＨＦを流通させる第１流路１１が形成された流路層３０ａと、低温流体ＬＦを流通させる第２流路１２が形成された流路層３０ｂとがある。
【００３３】  流路ブロック４０は、積層方向に並ぶ複数の流路層３０により構成されている。流路ブロック４０は、少なくとも１つの流路層３０ａと、少なくとも１つの流路層３０ｂとを含む。これにより、流路ブロック４０に含まれる流路層３０同士の間で、高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの熱交換が行われる。
【００３４】  １つの流路ブロック４０内に含まれる流路層３０（３０ａ、３０ｂ）は、積層方向に所定のピッチＰＣで配列されている。ピッチＰＣは、積層方向に隣接する流路層３０の同一部分の間の距離であり、たとえば流路ＦＰ（流路層３０）の上面から、積層方向に隣接する別の流路ＦＰ（流路層３０）の上面までの距離である。
【００３５】  流路ブロック４０は、コア１においてＺ方向に並ぶように複数設けられる。複数の流路ブロック４０の間が、隔壁層５０によって区画される。すなわち、流路ブロック４０は、隔壁層５０によって区画された複数の流路層３０のまとまりである。
【００３６】  第１実施形態の隔壁層５０は、溝部２３が未形成の伝熱板ＨＰからなる第２伝熱板２２により構成されている。隔壁層５０は、隣り合う流路ブロック４０に含まれる流路層３０のうち最外部に位置する流路層３０同士の間の領域である。隔壁層５０は、積層方向と直交する平面（ＸＹ平面）に沿って、コア１の全体に亘って設けられている。また、隔壁層５０は、最外部の流路層３０を構成する第１伝熱板２１のうちの、溝部２３が形成されていない中実部（すなわち、壁部２４）を含みうる。
【００３７】  以下、流路ブロック４０および隔壁層５０について具体的に説明する。
【００３８】  （流路層）  上記の通り、流路層３０は、第１伝熱板２１により構成されている。第１伝熱板２１は、一方表面（上面）に溝部２３が形成されており、他方表面（下面）は平坦面となっている。それぞれの溝部２３は、たとえばエッチングにより所定形状に形成されている。第１伝熱板２１の一方表面（上面）において、溝部２３以外は平坦面となっており、拡散接合による接合面となっている。
【００３９】  流路層３０に含まれる流路ＦＰは、第１伝熱板２１の溝部２３（溝部２３の内表面）と、その第１伝熱板２１の一方表面（上面）に積層された別の第１伝熱板２１の他方表面（下面）とによって構成された中空部である。
【００４０】  流路層３０ａの第１流路１１（図３参照）と、流路層３０ｂの第２流路１２（図４参照）とは、Ｚ方向から見た平面視における形状が異なる。そのため、第１伝熱板２１は、第１流路１１が形成された流路層３０ａを構成する第１伝熱板２１ａと、第２流路１２が形成された流路層３０ｂを構成する第１伝熱板２１ｂとを含む。第１伝熱板２１ａと第１伝熱板２１ｂとは、溝部２３の形状が異なる。
【００４１】  （第１流路）  図３に示すように、第１伝熱板２１ａは、第１流路１１を構成する溝部２３と、第１流路１１を区画する壁部２４とを含む。図３では便宜的に壁部２４にハッチングを付している。
【００４２】  第１流路１１（溝部２３）は、第１入口２ａおよび第１出口２ｂがそれぞれ配置される一対の第１側端面８１にそれぞれ開口するように形成されている。第１流路１１は、第１伝熱板２１ａの一対の第１側端面８１にそれぞれ開口した流路入口１１ａと流路出口１１ｂとの間で直線状に延びる流路である。つまり、第１流路１１は、第２側端面８２（コア１の長辺）に沿って直線状に延びている。
【００４３】  コア１の各第１側端面８１側には、一対のヘッダ部５が接合されている。一対のヘッダ部５は、それぞれ積層された第１伝熱板２１ａの流路入口１１ａまたは流路出口１１ｂを覆うように設けられている。一方のヘッダ部５には第１入口２ａが設けられ、他方のヘッダ部５には第１出口２ｂが設けられている。これにより、第１入口２ａから流入する高温流体ＨＦがヘッダ部５を介してそれぞれの第１伝熱板２１ａの流路入口１１ａに流入し、第１流路１１をＸ１方向に通過して、流路出口１１ｂから流出し、ヘッダ部５を介して第１出口２ｂから排出される。なお、図３において、第２入口３ａおよび第２出口３ｂの図示を省略している。
【００４４】  第１流路１１（溝部２３）は、流路幅方向に複数並んで設けられでいる。図３の例では、便宜的に、８本の第１流路１１が流路幅方向に等間隔で並んでいる例を示す。第１流路１１（溝部２３）の本数、流路幅、流路ＦＰのピッチは特に限定されない。
【００４５】  （第２流路）  図４に示すように、第１伝熱板２１ｂは、第２流路１２を構成する溝部２３と、第２流路１２を区画する壁部２４とを含む。
【００４６】  第２流路１２（溝部２３）は、第２入口３ａおよび第２出口３ｂがそれぞれ配置される一対の第２側端面８２にそれぞれ開口した流路入口１２ａと流路出口１２ｂとの間を接続する折れ曲がった流路である。第２流路１２の流路入口１２ａは、一方の第２側端面８２において、第１流路１１の流路入口１１ａが配置された一方側（Ｘ２方向側）の端部に設けられている。第２流路１２の流路出口１２ｂは、他方の第２側端面８２において、第１流路１１の流路出口１１ｂが配置された他方側（Ｘ１方向側）の端部に設けられている。
【００４７】  第２流路１２は、第１伝熱板２１ｂの一方の第２側端面８２に開口した流路入口１２ａからＹ方向に延びた後屈曲して、第２側端面８２に沿うＸ方向に延びるとともに、Ｘ１方向端部まで延びた後屈曲して、他方の第２側端面８２に開口した流路出口１２ｂまでＹ方向に延びている。
【００４８】  コア１の各第２側端面８２側には、一対のヘッダ部５が接合されている。一対のヘッダ部５は、それぞれ積層された第１伝熱板２１ｂの流路入口１２ａまたは流路出口１２ｂを覆うように設けられている。一方のヘッダ部５には第２入口３ａが設けられ、他方のヘッダ部５には第２出口３ｂが設けられている。これにより、第２入口３ａから流入する低温流体ＬＦがヘッダ部５を介してそれぞれの第１伝熱板２１ｂの流路入口１２ａに流入し、第２流路１２を通過して、流路出口１２ｂから流出し、ヘッダ部５を介して第２出口３ｂから排出される。なお、図４において、第１入口２ａおよび第１出口２ｂの図示を省略している。
【００４９】  第２流路１２（溝部２３）は、流路幅方向に複数並んで設けられている。図４の例では、便宜的に、８本の第２流路１２が流路幅方向に等間隔で並んでいる例を示す。第２流路１２（溝部２３）の本数、流路幅、流路ＦＰのピッチは特に限定されない。第１流路１１と第２流路１２とは、たとえば同数設けられる。第１流路１１と第２流路１２とは、たとえば流路幅が等しく、同じピッチで設けられる。
【００５０】  （第１流路と第２流路との位置関係）  図２に示したように、流路ブロック４０内で、第１流路１１を含む流路層３０ａと、第２流路１２を含む流路層３０ｂとは、積層方向（Ｚ方向）に交互に配置されている。流路層３０ａの個々の第１流路１１と、流路層３０ｂの個々の第２流路１２とは、積層方向（Ｚ方向）に並ぶように配置されている。つまり、各第１伝熱板２１ａおよび２１ｂにおける溝部２３の形成位置が、少なくとも図３および図４に示した領域Ａ１において、略一致している。第１流路１１を流れる高温流体ＨＦと、第２流路１２を流れる低温流体ＬＦとが、流路間の（最小）間隔ｔ２の壁部２４を介して熱交換を行う。
【００５１】  （隔壁層）  隔壁層５０には、流路が形成されていない。つまり、隔壁層５０を構成する第２伝熱板２２には、流路を形成するための溝部２３が形成されていない。図２の例では、第２伝熱板２２は、一方表面（上面）および他方表面（下面）の両方が、平坦面となっている。図５では、第２伝熱板２２の平面形状を示しており、溝部が形成されていない中実部５１にハッチングを付している。第２伝熱板２２は、一方表面（上面）および他方表面（下面）の全面で、拡散接合による接合が可能である。なお、隔壁層５０は、流路以外の中空領域を含んでいてもよい。隔壁層５０は、たとえば、位置合わせの目印、治具との係合用などのために形成される溝、凹部、貫通孔を有していてもよい。
【００５２】  図２に示すように、隔壁層５０は、コア１内において流路ブロック４０間を区画するように設けられる。つまり、コア１内の流路ブロック４０は、隔壁層５０を挟んで積層方向の一方側（上側）と他方側（下側）とにそれぞれ設けられる。隔壁層５０は、積層方向において、一方の流路ブロック４０の最外部（最下部）に位置する流路層３０から、他方の流路ブロック４０の最外部（最上部）に位置する流路層３０までの範囲に亘って形成された層である。
【００５３】  第１実施形態では、積層方向における隔壁層５０の厚みｔ３が、積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２よりも大きい。積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２は、図２に示すように、流路ＦＰの最底面（溝部２３の内周面）と、その流路ＦＰに対してＺ方向に隣り合う他の流路ＦＰの上面（第１伝熱板２１の一方表面）との間隔である。つまり、流路ブロック４０内では、Ｚ方向に並ぶ第１流路１１と第２流路１２との間が、間隔ｔ２に等しい厚みの壁部２４によって仕切られている。隔壁層５０は、第１流路１１と第２流路１２との間を仕切る間隔ｔ２分の壁部２４よりも大きい厚みｔ３で、流路ブロック４０同士を区画している。
【００５４】  具体的には、隔壁層５０は、１枚または積層された複数枚の第２伝熱板２２によって構成され得る。そのため、隔壁層５０は、Ｚ方向において第２伝熱板２２の積層数に応じた厚みｔ３を有する。図２に示す例では、隔壁層５０は、積層された複数の第２伝熱板２２により構成されている。図２の例では、隔壁層５０が２枚の第２伝熱板２２によって構成されている。より正確には、隔壁層５０の厚みｔ３は、２枚の第２伝熱板２２の厚みｔと、流路ブロック４０の最外部の流路層３０を構成する第１伝熱板２１の下面から流路ＦＰまでの間隔ｔ２と、の合計｛（２×ｔ）＋ｔ２｝に相当する。このため、第１実施形態では、積層方向における隔壁層５０の厚みｔ３が、流路ブロック４０を構成する流路層３０のピッチＰＣよりも大きい。
【００５５】  また、隔壁層５０は、主として中実部５１によって構成されている。具体的には、流路ＦＰと直交する断面において、隔壁層５０における中実部５１の割合は、流路層３０における中実部（壁部２４）の割合よりも大きい。ここで、割合は、流路ＦＰと直交する断面における面積の割合である。つまり、簡単に言えば、中実部の割合は、｛伝熱板ＨＰの中実部の断面積／（伝熱板ＨＰの中実部の断面積＋中空部の合計断面積）｝で表される。流路層３０では、中空部である流路ＦＰを含む分だけ、隔壁層５０よりも中空部の合計断面積が大きくなるため、中実部（壁部２４）の割合が隔壁層５０よりも小さい。
【００５６】  また、隔壁層５０は、流路ＦＰと直交する断面のうち流路層３０に沿った方向において、流路層３０における流路ＦＰが形成された範囲ＲＥの一端から他端までに亘って連続した中実部５１を含む。図２〜図４の例では、各流路層３０に８本の流路ＦＰが形成されているので、流路ＦＰが形成された範囲ＲＥは、８本の流路ＦＰのうち、一端側の流路ＦＰと他端側の流路ＦＰとの最外部間の距離に相当する。隔壁層５０は、一端側の流路ＦＰと他端側の流路ＦＰとの最外部間の範囲ＲＥに亘って、連続する中実部５１を含んでいる。図２、図５および図６の構成例では、隔壁層５０（第２伝熱板２２）には溝などの中空部が形成されていないため、中実部５１は、流路ＦＰが形成された範囲ＲＥを含んだ、コア１の一端から他端までの全範囲に亘って連続している。
【００５７】  なお、第１実施形態では、流路ブロック４０の最外部には、流路層３０ａおよび流路層３０ｂのうち同じ流路層３０が配置される。つまり、隔壁層５０に対して上面側に配置される流路ブロック４０の下端の流路層３０と、隔壁層５０に対して下面側に配置される流路ブロック４０の上端の流路層３０とが、第１流路１１または第２流路１２のうち、同じ流路が形成された流路層３０により構成されている。
【００５８】  図２の例では、流路ブロック４０の最外部には、第１流路１１および第２流路１２のうち熱交換による温度変化が小さい方の流路を含む流路層３０が配置されている。一例として、高温流体ＨＦ（不凍液）の入口温度は、使用環境の温度と略等しく、たとえば約２０℃である。低温流体ＬＦ（液化水素）の入口温度は、たとえば約−２５３℃である。熱交換により、高温流体ＨＦ（不凍液）の出口温度は、約−４０℃であり、低温流体ＬＦ（液化水素）の出口温度は、−４０℃近傍となる。そのため、温度変化は、高温流体ＨＦを流通させる第１流路１１の方が小さく、第１実施形態では、流路ブロック４０の最外部には、第１流路１１を含む流路層３０ａが設けられる。つまり、流路ブロック４０では、流路層３０ａ（最外層）、流路層３０ｂ、流路層３０ａ、・・・、流路層３０ｂ、流路層３０ａ（最外層）、という順に流路層３０が並んでいる。このため、隔壁層５０に対して一方表面（上面）側と他方表面（下面）側とには、それぞれ第１流路１１を含む流路層３０ａが配置されている。
【００５９】  なお、各流路層３０を構成する第１伝熱板２１ａおよび２１ｂと、隔壁層５０を構成する第２伝熱板２２とは、同一材料によって構成されている。そして、これらの第１伝熱板２１ａおよび２１ｂと、第２伝熱板２２とは、直接接触した状態で拡散接合によって一体化されている。このため、流路ブロック４０を構成する各流路層３０と、隔壁層５０とは、同一材料により構成され、接合材を介さずに拡散接合されている。
【００６０】  隔壁層５０の数は、区画する流路ブロック４０の数に応じて決まる。図２では、１つの隔壁層５０が、各流路層３０を２つの流路ブロック４０に区画している。
【００６１】  （コアの具体的構成例）  図１〜図５では、コア１の基本的な構成を説明するため、６層の流路層３０を隔壁層５０により３層×２ブロックで積層して構成したコア１を示したが、コア１における伝熱面積（流路ＦＰの表面積）を十分に確保するため、流路層３０の総数が多くなる場合がある。具体的な構成例として、たとえば図６では、合計２１層の流路層３０を備えたコア１の例を示している。図６のコア１では、第１流路１１の流路層３０（つまり、第１伝熱板２１ａ）が１２層設けられ、第２流路１２の流路層３０（つまり、第１伝熱板２１ｂ）が９層設けられている。
【００６２】  図６のコア１では、合計２１層の流路層３０を、７層ずつ、３つの流路ブロック４０に区画する例を示している。そのため、図６のコア１では、３つの流路ブロック４０の間をそれぞれ区画するように、２つの隔壁層５０が設けられている。流路ブロック４０は、積層方向の高さＨ１を有する。それぞれの隔壁層５０は、２枚の第２伝熱板２２により構成されている。
【００６３】  コア１の寸法の一例として、コア１の長辺の長さＬ０（図１参照）が約５００ｍｍ、短辺の幅Ｗ０（図１参照）が約２００ｍｍである。伝熱板ＨＰ（第１伝熱板２１および第２伝熱板２２）は、厚みｔ＝２ｍｍを有し、流路層３０は、厚み（流路ＦＰ、溝部２３の高さ寸法）ｔ１＝１ｍｍを有する。そのため、積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２＝１ｍｍであり、流路層３０のピッチＰＣ＝２ｍｍである。隔壁層５０の厚みｔ３は、２枚の第２伝熱板２２の厚み（２×ｔ）＋最外部の第１伝熱板２１の流路層３０以外の部分の厚み（ｔ２）となるため、厚みｔ３＝５ｍｍを有する。図６のコア１では、コア１のＺ方向の高さが約８０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となる。コア１は、たとえば、７層×１５ブロック程度とされうる。その場合、流路層３０の総数は１０５層となり、コア１のＺ方向の高さが約３００ｍｍとなる。
【００６４】  （熱交換器の作用）  次に、第１実施形態の熱交換器１００の作用を説明する。図６に示したコア１の構造は、図７に示すように模式化することができる。図７は、流路ＦＰと直交する断面におけるコア１の構造を模式化したものである。すなわち、コア１は、複数の流路ブロック４０と、流路ブロック４０の間を区画する隔壁層５０とを、積層方向に並べた構造を有する。流路ブロック４０は、流路ＦＰを含んだ複数の流路層３０により構成されているため、流路ＦＰの集合からなる中空領域Ａ２の周囲が、中実の壁部２４に囲まれた構造と考える。隔壁層５０は、全体が中実部５１として考えてよい。
【００６５】  第１実施形態のように高温流体ＨＦと低温流体ＬＦとの熱交換により低温流体ＬＦの冷熱を高温流体ＨＦ側に回収する熱交換器１００では、最初に高温流体ＨＦである不凍液（ブライン）がコア１内に供給され、その後、低温流体ＬＦである極低温の液化水素が供給される。このため、コア１は、中実部も含む全体が高温流体ＨＦの温度付近にある状態で、低温流体ＬＦによって急激に冷やされることになる。
【００６６】  そのため、低温流体ＬＦが流入すると、各流路ブロック４０では、温度低下に伴って急激に収縮変形する。つまり、各流路ブロック４０では、流路ＦＰを取り囲む中実部（壁部２４）が中央の中空領域Ａ２に向けて収縮しようとする引張応力が生じる。一方、コア１のうち、隔壁層５０の部分は、中空構造の流路ブロック４０と比べて高い剛性を有し、変形量が流路ブロック４０と比べて相対的に小さい。そのため、隔壁層５０の上下でそれぞれの流路ブロック４０に収縮変形が生じる場合でも、隔壁層５０がＹ方向の両端間を支える支持構造として機能し、引張応力に抗して流路ブロック４０の収縮変形を抑制する。
【００６７】  さらに、第１実施形態では、各流路ブロック４０の最外層がいずれも、高温流体ＨＦが流れる第１流路１１を含んだ流路層３０ａにより構成されているため、隔壁層５０は、一方の流路ブロック４０の第１流路１１と、他方の流路ブロック４０の第１流路１１と、に挟まれる。このため、流路ブロック４０に低温流体ＬＦが流入しても、隔壁層５０の一方側と他方側とでは、同じ高温流体ＨＦが流れることにより大きな温度差が発生せず、隔壁層５０において収縮変形が効果的に抑制される。
【００６８】  これらの結果、第１実施形態の熱交換器１００では、それぞれの低温流体ＬＦの流入によってコア１が収縮変形する場合でも、隔壁層５０はコア１内で収縮変形が生じる領域を分断させるように作用し、それぞれの流路ブロック４０の部分で別々に収縮変形が発生すると見なせる。流路ブロック４０における熱変形量の大きさは、流路ブロック４０が含む流路層３０の数（Ｚ方向の高さ）に比例する。隔壁層５０が、流路層３０の総数（２１層）より少ない積層数（７層）の流路ブロック４０に区画するため、個々の流路ブロック４０の熱変形量が抑制される。
【００６９】  ここで、たとえば図８に示す比較例として、図６および図７と同様に合計２１層の流路層３０が形成されたコア５０１であって、隔壁層５０を設けない構成を考える。この場合、コア５０１には、図７の３つの流路ブロック４０を合計した大きな中空領域Ａ３が形成される。この場合に、低温流体ＬＦの流入によって収縮変形が発生すると、２１層分の高さＨ５０１に比例した大きな収縮変形が生じる。
【００７０】  一方、図７に示した第１実施形態のコア１では、個々の流路ブロック４０において、それぞれ７層分の高さＨ１に比例した収縮変形が生じるのみであり、流路間に発生する熱応力が抑制される。
【００７１】  図９は、流路層３０の総数（積層数）に応じて発生する平均応力の変化を構造解析によって算出したグラフである。グラフの縦軸は、平均応力の大きさを表し、グラフの横軸は、流路層の積層数を表す。平均応力は、１つの流路層３０において隣接する流路ＦＰ同士の間の壁部２４における応力の平均値である。
【００７２】  図９から分かるように、流路層の積層数が大きくなるほど、平均応力は大きくなる。平均応力は、積層数が増大するに従って増加量が減少し、飽和する傾向にある。図９では、積層数が７層、１３層、１９層、２５層、５０層について平均応力を算出しているが、図８に示した２１層のコア５０１（比較例）の平均応力は、１９層と２５層との間の値になる（破線部参照）。一方、図６および図７に示した第１実施形態のコア１では、合計２１層の流路層３０が隔壁層５０によって７層×３ブロックに区画された結果、平均応力は７層のみのコアと同等の値まで低減することがわかる。
【００７３】  このように、第１実施形態のコア１では、隔壁層５０によって区画された各流路ブロック４０が独立して熱変形を生じると見なせる場合、流路ブロック４０に含まれる流路層３０の積層数によって、流路ブロック４０内部の壁部２４における応力の大きさが決まる。そのため、流路ブロック４０に含まれる流路層３０の積層数は、たとえば設計仕様において設定される許容値ＶＡを下回る平均応力となる範囲内で最大の値に決定され、隔壁層５０の数は、決定された流路層３０の積層数と、コア１に設ける流路層３０の総数とによって決定される。
【００７４】  （熱交換器の製造方法）  次に、図１０を参照して、第１実施形態の熱交換器１００の製造方法を説明する。
【００７５】  ステップＳ１において、溝部２３を有する第１伝熱板２１が形成される。溝部２３が形成されていない所定寸法の伝熱板ＨＰが複数用意され、伝熱板ＨＰに対して、たとえばエッチングなどにより流路形状に合わせて溝部２３が形成される。これにより、図３および図４に示した第１伝熱板２１ａおよび第１伝熱板２１ｂが、それぞれ所定枚数形成される。図６の例の場合、１２枚の第１伝熱板２１ａと、９枚の第１伝熱板２１ｂとが形成される。
【００７６】  また、一部の伝熱板ＨＰは、溝部２３が形成されることなく、そのまま第２伝熱板２２とされる。図６の例では、１層の隔壁層５０が２枚の第２伝熱板２２により構成されるため、合計４枚の第２伝熱板２２が用意される。この他、コア１の最外部に設けられるサイドプレート４が一対準備される。サイドプレート４についても同じ伝熱板ＨＰを所定枚数積層することによって構成されうる。
【００７７】  ステップＳ２において、それぞれの第１伝熱板２１と第２伝熱板２２とが積層される。たとえば図６に示した順に、積層方向下側から、サイドプレート４、流路ブロック４０を構成する第１伝熱板２１ａおよび２１ｂ、隔壁層５０を構成する第２伝熱板２２、流路ブロック４０を構成する第１伝熱板２１ａおよび２１ｂ、隔壁層５０を構成する第２伝熱板２２、流路ブロック４０を構成する第１伝熱板２１ａおよび２１ｂ、サイドプレート４というように各部材が積層される。
【００７８】  ステップＳ３において、ステップＳ２で形成された各部材の積層体に対して拡散接合が行われる。拡散接合は、真空または不活性ガス中などの雰囲気中で、積層体を加熱するとともに、積層体を積層方向に加圧（圧縮）することにより行われる。これにより、各部材の接合面に生じる原子の拡散によって、各部材が一体化して接合される。この結果、複数の流路ブロック４０が隔壁層５０によって区画されたコア１が形成される。
【００７９】  第１実施形態では、隔壁層５０が第２伝熱板２２によりコア１の一部として構成され、拡散接合により他の流路層３０とまとめて同一工程で一体化される。そのため、たとえば１つの流路ブロック４０を含むコアを３つ形成して、コアとコアとの間に隔壁層５０に相当する部材を接合する場合と比べて、工数が低減される。また、拡散接合により、隔壁層５０と各流路ブロック４０とが強固に接合（一体化）される。
【００８０】  図１０では省略するが、コア１が形成されると、図１に示したヘッダ部５がコア１の端面にそれぞれ接合され、コア１の端面から露出する第１流路１１および第２流路１２の開口がそれぞれ覆われる。ヘッダ部５は、たとえば溶接によりコア１に接合される。これにより、各流路ブロック４０に含まれる第１流路１１が、それぞれ一対のヘッダ部５を介して第１入口２ａおよび第１出口２ｂと接続する。各流路ブロック４０に含まれる第２流路１２が、それぞれ一対のヘッダ部５を介して第２入口３ａおよび第２出口３ｂと接続する。
【００８１】  以上により、第１実施形態の熱交換器１００が製造される。
【００８２】  （第１実施形態の効果）  第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００８３】  第１実施形態では、上記のように、複数の流路層３０をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロック４０の間を区画するように隔壁層５０を配置するので、伝熱面積を確保するために伝熱板ＨＰの積層数を多くして流路層３０の総数を多くした場合であっても、それらの流路層３０を、隔壁層５０によって、より積層数の少ない複数の流路ブロック４０に区分することができる。そして、隔壁層５０が積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２よりも大きい厚みｔ３を有するので、隔壁層５０では、単純に流路層３０を積層しただけの場合よりも高い剛性を確保することができる。そのため、隔壁層５０では、流体の温度差に起因する熱変形（熱膨張または熱収縮）を流路層３０よりも小さくできる。この結果、コア１全体で見ると、流路ブロック４０の間の隔壁層５０が流路ブロック４０の変形を抑制する支持構造として機能し、積層方向に並んだ複数の流路ブロック４０の各々が熱変形を生じても、熱変形の影響が隣の流路ブロック４０に及ぶことを抑制することができる。熱変形の大きさは変形する部分の長さに比例するため、隔壁層５０によって流路層３０の総数よりも少ない積層数に区画された個々の流路ブロック４０では熱変形量を低減でき、その分だけ熱応力を低減することができる。以上の結果、伝熱板ＨＰの積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することができる。
【００８４】  また、流路ＦＰと直交する断面において、隔壁層５０における中実部５１の割合が、流路層３０における中実部（壁部２４）の割合よりも大きいので、流路ブロック４０を構成する個々の流路層３０よりも隔壁層５０の剛性を容易に高くすることができる。その結果、流路ブロック４０間の熱変形を効果的に抑制することができる。
【００８５】  また、隔壁層５０が、流路ＦＰと直交する断面のうち流路層３０に沿った方向において、流路層３０における流路ＦＰが形成された範囲の一端から他端までの範囲に亘って連続した中実部５１を含むので、隔壁層５０の中実部５１によって、流路ブロック４０の間の隔壁層５０の領域において、流路ＦＰが形成された範囲の一端から他端までを支持する支持構造を形成することができる。たとえば流路ブロック４０内の流路ＦＰに極低温の流体が流通して流路ブロック４０が収縮変形する場合に、隔壁層５０では、中実部５１によって流路層３０に沿った方向の収縮変形に対抗して支持することができる。これにより、流路ブロック４０の熱変形量を低減して熱応力を効果的に低減することができる。
【００８６】  また、流路層３０が、拡散接合により流路ＦＰを構成する溝部２３が形成された伝熱板ＨＰからなる第１伝熱板２１により構成され、隔壁層５０が、溝部２３が未形成の伝熱板ＨＰからなる第２伝熱板２２により構成されるので、流路層３０と隔壁層５０とを、共通仕様の伝熱板ＨＰ（板部材）から形成することができる。このため、第１伝熱板２１と第２伝熱板２２とをそれぞれ別々の仕様の伝熱板ＨＰ（板部材）から形成する場合と比べて、コア１を構成する部品種別の数を低減することができるので、コア１に隔壁層５０を設ける場合でも容易に熱交換器１００を製造することができる。
【００８７】  また、隔壁層５０が、積層された複数の第２伝熱板２２により構成されているので、第１伝熱板２１と第２伝熱板２２とをそれぞれ共通仕様の伝熱板ＨＰ（板部材）から形成する場合でも、第２伝熱板２２の積層することによって隔壁層５０の厚みｔ３を確保することができる。また、第２伝熱板２２の積層数によって隔壁層５０の厚みｔ３を容易に調節することができる。
【００８８】  また、積層方向における隔壁層５０の厚みｔ３が、流路ブロック４０を構成する流路層３０のピッチＰＣよりも大きいので、隔壁層５０の剛性を確保することができ、流路ブロック４０の熱変形（熱膨張または熱収縮）および熱変形に起因する熱応力を効果的に抑制できる。
【００８９】  また、流路ブロック４０を構成する各流路層３０と、隔壁層５０とが、同一材料により構成され、接合材を介さずに拡散接合されているので、同一材料により構成された流路層３０と隔壁層５０との間で線膨張係数が一致し、接合部分における熱変形量の差に起因する応力の発生を低減できる。また、拡散接合では、接合面の材料同士が原子レベルで一体化するので、流路層３０と隔壁層５０とがはんだなどの接合材を介して接合する場合と比べて、より強固に接合することができる。その結果、熱変形に起因して接合部分に疲労破壊などが生じることを抑制できる。また、仮にはんだなどの接合材によって流路ブロック４０を構成する各層（流路層３０、隔壁層５０）を接合した場合、コア１の側面にヘッダ部５を溶接する際の熱の影響によって各層間のはんだ接合部に欠陥が発生し、流路ブロック４０間で流体（高温流体ＨＦ、低温流体ＬＦ）の漏れが発生しやすくなる。これに対して、本実施形態の上記構成によれば、流路ブロック４０を構成する各層が、より強固に接合されるので、ヘッダ部５の溶接時に熱の影響があったとしても欠陥が発生しにくく、流路ブロック４０間での流体の漏れを抑制することができる。
【００９０】  （第２実施形態）  次に、図１１を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、溝部２３が未形成の伝熱板ＨＰからなる第２伝熱板２２により隔壁層５０を構成した上記第１実施形態と異なり、溝部２３が形成された第３伝熱板２５により隔壁層５０を構成した例について説明する。なお、第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００９１】  図１１に示すように、第２実施形態の熱交換器２００のコア１０１では、流路層３０は、拡散接合により流路ＦＰを構成する溝部２３が形成された第１伝熱板２１、および、溝部２３が形成され第１伝熱板２１よりも大きい厚みを有する第３伝熱板２５により構成され、隔壁層５０は、第３伝熱板２５のうち溝部２３以外の部分により構成されている。なお、図１１では、便宜的に、コア１０１を構成する各伝熱板ＨＰの境界面を実線で示している。
【００９２】  流路層３０を構成する第１伝熱板２１の構成は、上記第１実施形態と同様である。第１伝熱板２１は、第１流路１１が形成された流路層３０ａを構成する第１伝熱板２１ａと、第２流路１２が形成された流路層３０ｂを構成する第１伝熱板２１ｂとを含む。第２実施形態では、第１伝熱板２１の厚みをｔ４（ｔ４＝ｔ１＋ｔ２）とする。
【００９３】  隔壁層５０を構成する第３伝熱板２５は、上記第１実施形態の第２伝熱板２２とは異なり、隔壁層５０を構成するとともに、流路ブロック４０に含まれる最外部（最下部）の流路層３０を構成する。
【００９４】  第３伝熱板２５は、一方表面（上面）に溝部２３が形成されており、他方表面（下面）は平坦面となっている。第３伝熱板２５は、第１流路１１または第２流路１２を構成する溝部２３と、流路を区画する壁部２４とを含む。
【００９５】  流路ブロック４０の最外部に第１流路１１を含む流路層３０ａが配置される場合、第３伝熱板２５には第１流路１１を構成する溝部２３が形成される。流路ブロック４０の最外部に第２流路１２を含む流路層３０ｂが配置される場合、第３伝熱板２５には第２流路１２を構成する溝部２３が形成される。
【００９６】  第３伝熱板２５の厚みｔ５は、第１伝熱板２１の厚みｔ４よりも大きい。第３伝熱板２５の厚みｔ５は、流路層３０の厚みｔ１と、隔壁層５０の厚みｔ３との合計に相当する。隔壁層５０は、積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２よりも大きい厚みｔ３を有する。隔壁層５０の厚みｔ３は、流路ブロック４０を構成する流路層３０のピッチＰＣよりも大きい。第３伝熱板２５のうち、厚みｔ３の部分は中実部５１により構成されている。
【００９７】  第２実施形態では、第１伝熱板２１を形成するための厚みｔ４の伝熱板ＨＰと、第３伝熱板２５を形成するための厚みｔ５の伝熱板ＨＰとが、別々に用意される。それぞれの伝熱板ＨＰに対して、エッチングなどにより流路形状に合わせた溝部２３が形成される。そして、図１１に示したように所定の順序で、それぞれの第１伝熱板２１と第３伝熱板２５とが積層され、形成された積層体に対して拡散接合が行われる。これにより、第１伝熱板２１と第３伝熱板２５とが一体化して、複数の流路ブロック４０が隔壁層５０によって区画されたコア１０１が形成される。
【００９８】  第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００９９】  （第２実施形態の効果）  第２実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、複数の流路層３０をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロック４０の間を区画するように隔壁層５０を配置し、隔壁層５０が積層方向に並ぶ流路ＦＰ間の間隔ｔ２よりも大きい厚みｔ３を有するので、伝熱板ＨＰの積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することができる。
【０１００】  また、第２実施形態では、流路層３０を第１伝熱板２１および第３伝熱板２５により構成し、隔壁層５０を、第３伝熱板２５のうち溝部２３以外の部分により構成したので、第３伝熱板２５によって、流路ブロック４０を構成する流路層３０のうち積層方向の最外部に配置される流路層３０と、その流路層３０に隣接する隔壁層５０とをまとめて構成することができる。
【０１０１】  第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０２】  （変形例）  なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【０１０３】  たとえば、上記第１および第２実施形態では、高温流体ＨＦが入口温度で環境温度（約２０℃）と略等しく、低温流体ＬＦが入口温度で約−２５３℃の極低温である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、高温流体ＨＦが極高温で、低温流体ＬＦが環境温度付近であってもよいし、高温流体ＨＦが極高温で、低温流体ＬＦが極低温であってもよい。本発明は、流体間の温度差に起因する熱応力を低減することが可能であるので、流体間の温度差が大きい場合に特に有効である。
【０１０４】  また、上記第１および第２実施形態では、第１流路１１を含む流路層３０ａと、第２流路１２を含む流路層３０ｂとを、交互に積層した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、流路層３０ａと流路層３０ｂとを必ずしも交互に積層しなくともよい。たとえば、Ｚ方向に沿って、流路層３０ａ、流路層３０ｂ、流路層３０ａ、流路層３０ａ、流路層３０ｂ・・・、となるように、１層の流路層３０ｂに対して２層（複数層）の流路層３０ａを積層させてもよい。逆に、２層（複数層）の流路層３０ｂに対して１層の流路層３０ａを積層させてもよい。
【０１０５】  また、上記第１および第２実施形態では、高温流体ＨＦを流通させる流路層３０ａと、低温流体ＬＦを流通させる流路層３０ｂとを、コア１に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、３種類以上の流体を流通させるように、３種類以上の流路層３０を設けてもよい。
【０１０６】  また、図３および図４において、流路ＦＰ（第１流路１１、第２流路１２）の平面形状の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、流路ＦＰ（第１流路１１、第２流路１２）の平面形状は図示した形状に限定されず、任意である。
【０１０７】  一例として、流路ＦＰ（第１流路１１、第２流路１２）が、図３および図４のように伝熱板ＨＰの概ね全範囲に設けられている場合に限らず、流路ＦＰ（第１流路１１、第２流路１２）が、伝熱板ＨＰの一部のみ（たとえば片側半分のみ）の範囲に設けられていてもよい。
【０１０８】  また、上記第１および第２実施形態では、厚みｔ３を有する隔壁層５０の全体が中実部５１により構成される例を示したが、本発明はこれに限られない。図１２に示す変形例のように、隔壁層５０が、中空部を含んでいてもよい。図１２に示すコア２０１では、隔壁層５０が第２伝熱板１２２により構成されている。そして、第２伝熱板１２２の一方表面に、溝部１２３が形成されている。各伝熱板が拡散接合された結果、隔壁層５０に、溝部１２３によって構成された中空部が形成されている。溝部１２３は、たとえば、位置合わせ用の溝などである。図１２においても、隔壁層５０は、流路ＦＰが形成された範囲ＲＥの一端から他端までに亘って連続した中実部５１を含みうる。
【０１０９】  また、上記第１および第２実施形態では、隔壁層５０が、流路ＦＰが形成された範囲ＲＥの一端から他端までに亘って連続した中実部５１を含む例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、中実部５１が、範囲ＲＥの一端から他端に亘って連続していなくてもよい。
【０１１０】  また、上記第１および第２実施形態では、流路ＦＰと直交する断面において、隔壁層５０における中実部５１の割合が、流路層３０における中実部（壁部２４）の割合よりも大きい例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、隔壁層５０と流路層３０とで、中実部の割合が等しくてもよい。
【０１１１】  また、上記第１および第２実施形態では、流路層３０を第１伝熱板２１により構成し、隔壁層５０を第２伝熱板２２（および最外部の第１伝熱板２１の一部）により構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、隔壁層５０を、第２伝熱板２２に代えて、第１伝熱板２１により構成してもよい。この場合、コア１の流路ブロック４０および隔壁層５０の両方を、全て第１伝熱板２１によって構成し得る。この場合に隔壁層５０において溝部２３によって形成される中空部は、入口および出口を塞いで、高温流体ＨＦや低温流体ＬＦが流入しないようにすればよい。
【０１１２】  また、上記第１実施形態では、積層された複数（２枚）の第２伝熱板２２によって隔壁層５０を構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、１枚または３枚以上の第２伝熱板２２によって隔壁層５０を構成してもよい。
【０１１３】  また、上記第１および第２実施形態では、隔壁層５０の厚みｔ３が流路ブロック４０を構成する流路層３０のピッチＰＣよりも大きい例を示したが、本発明はこれに限られない。隔壁層５０の厚みｔ３は、流路層３０のピッチＰＣ以下でもよい。
【０１１４】  また、上記第１および第２実施形態では、流路ブロック４０内に含まれる流路層３０（３０ａ、３０ｂ）が、積層方向に所定のピッチＰＣで配列されている例を示したが、本発明はこれに限られない。各流路層３０のピッチＰＣは、一定でなくてもよい。たとえば、第１伝熱板２１ａと第１伝熱板２１ｂとで、厚みｔが異なっていてもよく、その場合、流路層３０のピッチＰＣは一定にならない。同様に、流路間の（最小）間隔ｔ２の大きさも、一定でなくてもよい。すなわち、厚みが異なる複数種類の伝熱板ＨＰを用いる場合や、溝部２３の深さｔ１が異なる複数種類の伝熱板ＨＰを用いる場合などでは、間隔ｔ２の大きさは一定にならない。
【０１１５】  また、上記第１実施形態では、第１流路１１に対する第１入口２ａおよび第１出口２ｂと、第２流路１２に対する第２入口３ａおよび第２出口３ｂとを、それぞれ入口側と出口側との対（ペア）で設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。各流路に対する流体の入口および出口は、一対一のペアで設けなくてもよい。たとえば、入口（２ａまたは３ａ）が１つで、出口（２ｂまたは３ｂ）が複数でもよいし、入口（２ａまたは３ａ）が複数で、出口（２ｂまたは３ｂ）が１つでもよい。入口（２ａまたは３ａ）および出口（２ｂまたは３ｂ）がどちらも複数であってよいし、その場合、入口の個数と出口の個数とは同じでも異なっていてもよい。なお、入口または出口が形成されるヘッダ部５についても同様であり、入口側のヘッダ部５と、出口側のヘッダ部５とが、異なる数で設けられていてもよい。入口側および出口側のヘッダ部５の数は、それぞれ１つでも複数でもよい。
【０１１６】  また、上記第１実施形態では、各流路層３０と隔壁層５０とが、同一材料により構成された例を示したが、各流路層３０と隔壁層５０とは、拡散接合可能であれば、異種材料によって構成されていてもよい。上述の通り、伝熱板ＨＰは、ステンレス鋼材のほか、アルミ系金属、銅系金属などのステンレス鋼材以外の金属材料により形成されてもよい。また、ステンレス鋼材でも、たとえば第１伝熱板２１がＳＵＳ３１６で、第２伝熱板２２がＳＵＳ３０４で構成されるなど、含有成分（組成）が異なる複数種類のステンレス鋼材が用いられてもよい。各流路層３０を構成する第１伝熱板２１ａと第１伝熱板２１ｂとについても同様で、互いに異なる種類の材料、または同一材料に分類されるが含有成分（組成）が異なる材料によって構成されていてもよい。
【符号の説明】
【０１１７】  １、１０１、２０１  コア  １１  第１流路（流路）  １２  第２流路（流路）  ２１（２１ａ、２１ｂ）  第１伝熱板  ２２、１２２  第２伝熱板  ２３、１２３  溝部  ２５  第３伝熱板  ３０（３０ａ、３０ｂ）  流路層  ４０  流路ブロック  ５０  隔壁層  ５１  中実部  １００、２００  熱交換器  ＦＰ  流路  ＨＦ  高温流体  ＨＰ  伝熱板  ＬＦ  低温流体  ＲＥ  流路が形成された範囲  ｔ２  流路間の間隔  ｔ３  隔壁層の厚み
【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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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月12日(2021.3.12)
【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】
複数の伝熱板が積層されて拡散接合されたコアを備え、
前記コアは、流路が形成された複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックと、複数の前記流路ブロックの間を区画するように配置された隔壁層と、を含み、
積層方向における前記隔壁層の厚みが、前記流路ブロックを構成する前記流路層のピッチよりも大きい、拡散接合型熱交換器。
【請求項２】
前記流路と直交する断面において、前記隔壁層における中実部の割合は、前記流路層における中実部の割合よりも大きい、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項３】
前記隔壁層は、前記流路と直交する断面のうち前記流路層に沿った方向において、前記流路層における前記流路が形成された範囲の一端から他端までに亘って連続した中実部を含む、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項４】
前記流路層は、拡散接合により前記流路を構成する溝部が形成された前記伝熱板からなる第１伝熱板により構成され、
前記隔壁層は、前記溝部が未形成の前記伝熱板からなる第２伝熱板により構成されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項５】
前記隔壁層は、積層された複数の前記第２伝熱板により構成されている、請求項４に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項６】
前記流路層は、拡散接合により前記流路を構成する溝部が形成された第１伝熱板、および、前記溝部が形成され前記第１伝熱板よりも大きい厚みを有する第３伝熱板により構成され、
前記隔壁層は、前記第３伝熱板のうち前記溝部以外の部分により構成されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【請求項７】
前記流路ブロックを構成する各前記流路層と、前記隔壁層とが、同一材料により構成され、接合材を介さずに拡散接合されている、請求項１に記載の拡散接合型熱交換器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明による拡散接合型熱交換器は、複数の伝熱板が積層されて拡散接合されたコアを備え、コアは、流路が形成された複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックと、複数の流路ブロックの間を区画するように配置された隔壁層と、を含み、積層方向における隔壁層の厚みが、流路ブロックを構成する流路層のピッチよりも大きい。なお、本明細書において、「流路層」および「隔壁層」は、それぞれコアの一部であって、積層され拡散接合された複数の伝熱板のうち少なくとも１つによって構成され、伝熱板の形状を反映して積層方向と直交する方向に延びる平板状の層として構成された領域である。「流路層」は、積層方向における流路の高さ寸法と一致する厚みを有する層である。ここで、「流路層のピッチ」とは、流路ブロック内における流路層の形成間隔であり、積層方向に隣接する流路層の同一部位間の距離である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明による拡散接合型熱交換器では、上記のように、複数の流路層をそれぞれ含んで構成された複数の流路ブロックの間を区画するように隔壁層を配置し、積層方向における隔壁層の厚みを、積層方向に並ぶ流路間の間隔よりも大きくする。これにより、伝熱面積を確保するために伝熱板の積層数を多くして流路層の総数を多くした場合であっても、それらの流路層を、隔壁層によって、より積層数の少ない複数の流路ブロックに区分することができる。そして、隔壁層が積層方向に並ぶ流路間の間隔よりも大きい厚みを有するので、隔壁層では、単純に流路層を積層しただけの場合よりも高い剛性を確保することができる。そのため、隔壁層では、流体の温度差に起因する熱変形（熱膨張または熱収縮）を流路層よりも小さくできる。この結果、コア全体で見ると、流路ブロックの間の隔壁層が流路ブロックの変形を抑制する支持構造として機能し、積層方向に並んだ複数の流路ブロックの各々が熱変形を生じても、熱変形の影響が隣の流路ブロックに及ぶことを抑制することができる。熱変形の大きさは変形する部分の長さに比例するため、隔壁層によって流路層の総数よりも少ない積層数に区画された個々の流路ブロックでは熱変形量を低減でき、その分だけ熱応力を低減することができる。以上の結果、伝熱板の積層数を多くした場合にも、大きな温度差を有する流体間の熱交換に伴い発生する熱応力を低減することができる。また、流路層のピッチよりも大きい厚みを有する隔壁層を設けることができるので、隔壁層の剛性を確保することができる。これにより、流路ブロックの熱変形（熱膨張または熱収縮）および熱変形に起因する熱応力を効果的に抑制できる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
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