层叠型热交换器

技术领域

本发明涉及层叠型热交换器。

背景技术

以往，如下述专利文献1公开的那样，已知如下层叠型热交换器，前述层叠型热交换器配置成具有低温的流体流动的多个低温侧流路的低温层、具有用于加热低温的流体的加热用流体流动的多个高温侧流路的高温层被以层叠状态排列。专利文献1所公开的层叠型热交换器抑制加热用流体被低温的流体冷却而冻结。即，该层叠型热交换器采用具有低温层、第1高温层、第1高温层的结构，前述低温层形成有多个低温侧流路，前述第1高温层形成多个高温侧流路，与第1低温层相邻，前述第2高温层形成多个高温侧流路，与第1高温层相邻。该结构中，构成第1高温层的高温侧流路内的高温侧流体被低温侧流体冷却。另一方面，第1高温层的高温侧流路与第2高温层的高温侧流路之间的部位被维持成高温。因此，即使第1高温层内的高温侧流体被冷却，也能够抑制第1高温层内的高温侧流体冻结。

专利文献1所公开的层叠型热交换器中，能够抑制第1高温层内的高温侧流体冻结。然而，该热交换器中，为了抑制高温侧流体被过度冷却，第2高温层是必需的结构。因此，该热交换器中有设计上的自由度较少这样的问题。

专利文献1 : 日本特开2017-166775号公报。

发明内容

本发明的目的在于，使第2高温层不为必需的结构，确保设计上的自由度的基础上，使高温侧及低温侧的流路最佳化，由此抑制由于低温侧流体的冷热而高温层内的高温侧流体的温度过度下降。

本发明的一方面的层叠型热交换器具备高温层和低温层，前述高温层具有导入高温侧流体的多个流路，前述低温层具有导入比前述高温侧流体温度低的低温侧流体的多个流路，被与前述高温层层叠。前述低温层的前述多个流路分别具有被在前述高温层内流动的高温侧流体加热而前述低温侧流体的至少一部分蒸发的上游侧部、在前述上游侧部蒸发的低温侧流体被在前述高温层内流动的高温侧流体加温的下游侧部。在前述低温层处占既定面积的多个上游侧部的面积的比例比在前述低温层处占前述既定面积的多个下游侧部的面积的比例低器。

附图说明

图1(a)是实施方式的层叠型热交换器的主视图，图1(b)是前述层叠型热交换器的侧视图。

图2是部分地表示前述层叠型热交换器所含的层叠体的剖视图的图。

图3是在前述层叠体中概略地表示构成高温层的金属板的图。

图4是在前述层叠体中概略地表示构成低温层的金属板的图。

图5是用于说明基于从高温层向低温层的传热量的变化的壁面温度的变化的图。

图6是概略地表示其他实施方式的层叠型热交换器所含的构成低温层的金属板的图。

图7是部分地表示其他实施方式的层叠型热交换器所含的层叠体的剖视图的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。另外，以下的实施方式为将本发明具体化的一例，并非意欲限定本发明的技术范围。

如图1所示，本实施方式的层叠型热交换器10具备层叠体12、低温侧流入集管14、低温侧流出集管15、高温侧流入集管17、高温侧流出集管18。层叠型热交换器10由所谓的微通道热交换器构成。低温侧流入集管14及低温侧流出集管15在形成为大致长方体状的层叠体12处与互相位于相反侧的面连接。高温侧流入集管17在层叠体12连接于和连接有低温侧流出集管15的面相邻的面。高温侧流出集管18在层叠体12连接于和连接有低温侧流入集管14的面相邻的面。此外，高温侧流入集管17及高温侧流出集管18在层叠体12与互相位于相反侧的面连接。

低温侧流入集管14构成为与低温侧流体流动的图外的配管连接。低温侧流入集管14构成为，将穿过前述配管被导入的低温侧流体分别向形成于层叠体12内的后述的低温层21内的多个流路25分配。低温侧流出集管15构成为，与用于将从层叠体12内流出的低温侧流体向既定的场所供给的图外的配管连接。低温侧流体在层叠体12内被加热至既定的温度。因此，被加热至该所希望的温度的低温侧流体从层叠体12流出。低温侧流出集管15使从低温层21内的各流路25流出的低温侧流体合流，使该合流的低温侧流体向与该集管15连接的配管流出。

高温侧流入集管17构成为与高温侧流体流动的图外的配管连接。高温侧流入集管17构成为，将穿过前述配管被导入的高温侧流体分别向形成于层叠体12内的后述的高温层23内的多个流路27分配。高温侧流出集管18构成为，与用于使从层叠体12内流出的高温侧流体流向既定的场所的图外的配管连接。高温侧流出集管18使从高温层23内的各流路27流出的高温侧流体合流，使该合流的高温侧流体向与该集管18连接的配管流出。

作为低温侧流体，例如能够例示液化天然气体、液化氮、液化氢等极低温的液化气体。此外，作为高温侧流体，能够例示温水、海水、乙二醇等液态的流体。即，液态的低温侧流体的温度也可以比高温侧流体的凝固点低。

如图2所示，层叠体12具有低温层21、层叠于低温层21的高温层23。层叠体12以低温层21及高温层23交替重复的方式具有多个低温层21和多个高温层23。低温层21及高温层23分别由热传导性高的材质的金属材料构成，层叠体12例如通过将重合的多个金属板29、30彼此扩散接合来形成。

低温层21形成为包括多个流路(低温侧流路)25的偏平的区域。此外，在高温层23形成为包括多个流路(高温侧流路)27的偏平的区域。多个低温侧流路25配置成沿一个方向排列，且多个高温侧流路27配置成沿与低温侧流路25排列的方向平行的方向排列。即，为了在金属板29、30的板面(表面)隔开间隔地使形成有多个槽的金属板29、30彼此重合来扩散接合，以沿一个方向排列的方式形成低温侧流路25及高温侧流路27。低温侧流路25及高温侧流路27均形成为截面为半圆形状。低温侧流体穿过低温侧流入集管14流入各低温侧流路25，。此外，高温侧流体穿过高温侧流入集管17流入高温侧流路27。

这里，扩散接合是指，使金属板29、30彼此互相紧贴，在加热至构成金属板29、30的材料的融点以下的温度的温度条件下，且加压至尽量不产生塑性变形的程度，利用在接合面间产生的原子的扩散将金属板29、30彼此接合的方法。因此，相邻的层间的边界不明确地出现。另外，各层不限于通过扩散接合而被接合。该情况下，层彼此的边界也不出现。

虽省略图示，但在层叠体12的高温层23及低温层21的层叠方向上的两端部分别配置有端板。高温层23及低温层21构成为被该端板间夹入。

图3概略地表示形成高温层23的金属板29的板面(外表面)。金属板29形成为细长的矩形，在金属板29的板面形成为多个槽32排列。该槽32为形成层叠体12时形成高温侧流路27的槽。槽32的一端部32a在矩形的一方的长边处的端部的附近开口，槽32从该开口向沿着矩形的短边的方向延伸。并且，槽32从沿着矩形的短边的方向弯折，向沿着矩形的长边的方向延伸。并且，槽32再次弯折，再向沿着短边的方向延伸。槽32的另一端部32b在另一方的长边(与槽32的一端部32a开口的长边相反的一侧的长边)向与前述端部相反的一侧的端部的附近开口。槽32整体观察为在两个部位弯折的形状，但槽32微观观察并非直线状地延伸，而是波浪状地蜿蜒的同时延伸。另外，槽32也可以不形成为波浪形而是直线状地延伸。

图4概略地表示形成低温层21的金属板30的板面(外表面)。金属板30具有与形成高温层23的金属板29相同的外形，在金属板30的板面形成为多个槽34排列。该槽34是形成层叠体12时形成低温侧流路25的槽。槽34的一端部34a在矩形的一方的短边开口，槽34向沿着矩形的长边的方向延伸。并且，槽34的另一端部34b向矩形的另一方的短边开口。

形成于低温层21的槽34、即低温层21的低温侧流路25分别具有上游侧部37和下游侧部38。上游侧部37是与低温侧流入集管14相连的部分，下游侧部38是与低温侧流出集管15相连的部分。即，穿过低温侧流入集管14被导入的低温侧流体流入各低温侧流路25的上游侧部37。流出各上游侧部37的低温侧流体在各下游侧部38流动，之后在低温侧流出集管15内合流。在上游侧部37，液态的低温侧流体被高温侧流体的热加热，其至少一部分蒸发。在下游侧部38，蒸发的低温侧流体被高温侧流体的热进一步加温。即，上游侧部37是低温侧流体蒸发的蒸发部，下游侧部38是蒸发的低温侧流体被进一步加热的加温部。

上游侧部37是分别直线状地延伸的形状，下游侧部38呈分别波浪形地蜿蜒地同时延伸的形状。此外，相邻的上游侧部37彼此的流路间距被比相邻的下游侧部38彼此的流路间距宽地设定。例如，上游侧部37的流路间距为下游侧部38的流路间距的2倍宽的间距。这样，在上游侧部37和下游侧部38，流路形状及流路间距不同。由此，低温层21的占既定面积的上游侧部37的面积的比例被设定成，比低温层21的占既定面积的下游侧部38的面积的比例低。即，低温层21的既定面积中的由上游侧部37形成的传热面的面积的比例被设定成，比由下游侧部38形成的传热面的面积的比例低。由此，上游侧部37的传热性能被抑制成比下游侧部38的传热性能低。结果，能够使低温侧流体蒸发的上游侧部37的壁面温度与不将上游侧部37处的传热性能较低地抑制的情况相比，接近高温层23的温度。

关于这方面，利用图5具体地说明。图5说明高温侧流体的温度、构成高温层23的部件温度(位于高温侧流路27与低温侧流路25之间的金属板29的温度即壁面温度)、低温侧流体的温度的关系。

将在高温侧流路27内流动的高温侧流体的温度设为T

通过由高温侧流路27形成的传热面的热量q

q

q

热量q

另外，在本实施方式中，在上游侧部37与下游侧部38，为流路形状及流路间距不同的设定，但不限于此。例如，也可以是，低温侧流路25的上游侧部37形成为直线状且下游侧部38形成为波浪形或锯齿状，另一方面，流路间距及流路宽度被在上游侧部37和下游侧部38相同地设定。由此，在低温层21处占既定面积的上游侧部37的传热面的面积的比例，被比在低温层21处占既定面积的下游侧部38的传热面的面积的比例低地设定。或者，也可以是，上游侧部37及下游侧部38的流路形状及流路宽度被相同地形成，另一方面，上游侧部37的流路间距被比下游侧部38的流路间距宽地设定。或者，也可以是，在上游侧部37及下游侧部38，流路形状及流路间距被相同地形成，另一方面，上游侧部37的流路宽度被比下游侧部38的流路宽度窄地设定。或者，也可以是，在上游侧部37及下游侧部38，流路形状、流路间距及流路宽度相同地形成，另一方面，上游侧部37的流路深度被比下游侧部38的流路深度浅地设定。

如图4所示，在多个上游侧部37和多个下游侧部38之间，形成有与它们相连的连通流路40。连通流路40具有沿横剖多个上游侧部37的方向延伸的形状。连通流路40与所有的上游侧部37相连，所以在各上游侧部37流动的低温侧流体与连通流路40合流。因此，即使在上游侧部37间在流量或压力上不均或产生差异的情况下，在连通流路40也将其消除。并且，该状态下低温侧流体从连通流路40向各下游侧部38分流。另外，连通流路40也可以省略。即，也可以是，不是多个上游侧部37和多个下游侧部38穿过连通流路40互相连通，而是各上游侧部37被与各下游侧部38直接地连接，由此各上游侧部37分别与各下游侧部38连通。

如以上说明，在本实施方式中，在低温层21，被高温侧流体加热前的低温侧流体流入上游侧部37，在上游侧部37被高温侧流体加热的低温侧流体在下游侧部38流动。因此，低温侧流体的温度在上游侧部37相对较低，在下游侧部38相对较高。并且，在低温侧流体的至少一部分蒸发的上游侧部37，传热面面积的比例被比下游侧部38处的比例相对低地设定。因此，在上游侧部37，抑制从低温侧流体向构成低温层21的部件的传热。因此，能够抑制构成低温层21的部件的温度(低温层21的低温侧流路25的壁面温度)过度下降。因此，能够抑制被在上游侧部37流动的低温侧流体冷却的高温侧流体的温度过度下降。另一方面，在将上游侧部37处蒸发的低温侧流体进一步加温的下游侧部38，传热面面积的比例被相对较高地设定。由此，与上游侧部37相比，既定面积中的传热性能相对较高。因此，能够将低温侧流体加温至所希望的温度。因此，能够抑制由低温侧流体的冷热引起的高温侧流体的过度的温度下降，且能够得到所希望的温度的低温侧流体。并且，在未设置与高温层23相邻的第2高温层的情况下，也能够抑制高温侧流体的过度的温度下降。

此外，在本实施方式中，低温侧流路25的下游侧部38具有波浪形形状。因此，能够抑制与低温侧流体的夹带飞沫（飛沫同伴）时的传热性能下降。即，低温侧流路25被波浪形地形成的情况下，在低温侧流体以气液二相状态流动的情况下，夹带飞沫的液滴也容易与流路壁面碰撞。即，在波浪形的流路，气体(低温侧流体)的流动容易紊乱，所以能够抑制沿流路壁面形成气体层的情况。因此，能够抑制由于形成气体层而阻碍壁面处的传热的情况发生。换言之，低温侧流体夹带飞沫地流动时的蒸发被促进，所以能够避免热交换性能下降。

此外，在本实施方式中，低温层21具备与上游侧部37分别相连且与下游侧部38分别相连的连通流路40。因此，即使在上游侧部37间产生低温侧流体的偏流，低温侧流体也流入连通流路40，由此，消除低温侧流体的偏流。因此，能够防止低温侧流体流入下游侧部38时的偏流，在各下游侧部38间能够抑制在低温侧流体的压力上产生的差异。此外，通过抑制每个流路的偏流，能够抑制在构成低温层21及高温层23的部件产生的热应力的不均。

在本实施方式中，也可以是，在低温层21占既定面积的上游侧部37的面积的比例设定为在低温层21占既定面积的下游侧部38的面积的比例的1/6以上1/2以下。面积比被设定成1/6以上，由此，能够防止上游侧部37处的压力损失过大，且能够防止上游侧部37处的热交换量过小。由此，能够防止低温侧流体未被加热至既定的温度。此外，通过将面积比设定成1/2以下，能够有效地抑制由低温侧流体的冷热引起的高温侧流体的过度的温度下降。

另外，本发明不限于前述实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围进行各种改变、改良等。

例如，前述实施方式中，上游侧部37形成为直线状，且下游侧部38形成为波浪形。与此相对，在图6所示的方式中，上游侧部37及下游侧部38的均形成为直线状，另一方面，上游侧部37的流路间距被设定成比下游侧部38的流路间距大。更具体地，上游侧部37的流路宽度为与下游侧部38的流路宽度相同的尺寸，与此相对，上游侧部37的流路间距被设定成下游侧部38的流路间距的2倍。即，在低温层21处占既定面积的上游侧部37的传热面的面积的比例被设定成，在低温层21处占既定面积的下游侧部38的传热面的面积的比例的1/2。因此，能够有效地抑制由于低温侧流体的冷热引起的高温侧流体的过度的温度下降。此外，上游侧部37的流路间距被设定成下游侧部38的流路间距的2倍，由此，在低温侧流体的流入部附近层叠体12内的温度变化变缓，抑制起动、停止、运转时的热应力变化。

图6所示的方式与图4所示的方式不同，低温侧流路25在途中弯折。即，形成于金属板30的板面(表面)的槽34的一端部34a向矩形的一方的长边的端部的附近开口，槽34的另一端部34b向另一方的长边的相反的一侧的端部的附近开口。并且，槽34为，从一端部34a向沿矩形的短边的方向延伸，并且从此向沿矩形的长边的方向弯折，进而，从此再向沿矩形的短边的方向弯折。并且，低温侧流入集管14在层叠体12的长边方向上配置于与高温侧流入集管17相反的一侧的端部，此外，低温侧流出集管15在层叠体12的长边方向上配置于与高温侧流出集管18相反的一侧的端部。因此，该方式中，也与图1的方式相同地，为低温侧流体与高温侧流体成对向流地流动的方式。

图6所示的方式中，也形成有与多个上游侧部37和多个下游侧部38相连的连通流路40。连通流路40的宽度被设定成与上游侧部37的宽度及下游侧部38的宽度相同的尺寸。例如通过蚀刻加工形成槽34的情况下，若连通流路40的宽度及深度被与上游侧部37的宽度及深度及下游侧部38的宽度及深度相同地形成，则能够将它们同时加工，制作容易。但是，连通流路40的宽度及深度不限于此。与各自的目的及功能对应地，连通流路40的宽度可以被比上游侧部37的宽度及下游侧部38的宽度宽地设定，也可以被比上游侧部37的宽度及下游侧部38的宽度窄地设定。此外，连通流路40的深度可以与上游侧部37的深度及下游侧部38的深度相同也可以不同。

连通流路40向相对于上游侧部37及下游侧部38延伸的方向倾斜的方向延伸。即，连通流路40向与以将各上游侧部37的弯折部位彼此相连的方式延伸的假想直线EL平行的方向延伸。这是因为，低温侧流路25在途中的两个部位形成弯折的形状，所以在上游侧部37处沿矩形的长边延伸的部位的长度均相同。至与连通流路40相连的各上游侧部37的长度被相同地构成，由此，能够使低温侧流体以气液二相流动的各上游侧部37的压力损失(流动阻力)相同。

前述实施方式中，在层叠体12构成为以高温层23和低温层21交替地重复的方式层叠。也可以将其取代，如图7所示，构成为层叠体12除了高温层23(第1高温层23)和低温层21还具有第2高温层42。第2高温层42具有多个流路43，在与低温层21相反的一侧层叠于高温层23。在第2高温层42的流路(高温侧流路)43，与高温层23相同地，高温侧流体流动。即，流入高温侧流入集管17的高温侧流体不仅向高温层23的流路(高温侧流路)27也向第2高温层42的流路43流入。形成于第2高温层42的多个流路43沿与形成于高温层23的流路27排列的方向平行的方向排列。

该方式中，第2高温层42难以被低温侧流体冷却，且被高温侧流体加温而容易维持成高温。因此，层叠于低温层21的上游侧部37而另一方面第2高温层42层叠的高温层23难以被低温侧流体过度冷却。因此，能够进一步抑制高温侧流体的温度过度下降。

在与高温侧流体的流动方向正交的面内，第2高温层42的流路43的面积被比高温层23的流路27的面积小地设定。因此，能够使在第2高温层42的流路43流动的高温侧流体的流速比在高温层23的流路27流动的高温侧流体的流速高。但是，不限于该结构，也可以是，在与高温侧流体的流动方向正交的面内的第2高温层42的流路43的面积被设定成与高温层23的流路27的截面积相同的面积。此外，也可以是，在与高温侧流体的流动方向正交的面内，低温层21的流路25的面积、高温层23的流路27的面积、第2高温层42的流路43的面积被设定成相同的面积。

这里，概述前述实施方式。

(1)前述实施方式的层叠型热交换器具备高温层和低温层，前述高温层具有导入高温侧流体的多个流路，前述低温层具有导入比前述高温侧流体温度低的低温侧流体的多个流路，被与前述高温层层叠。前述低温层的前述多个流路分别具有被在前述高温层内流动的高温侧流体加热而前述低温侧流体的至少一部分蒸发的上游侧部、在前述上游侧部蒸发的低温侧流体被在前述高温层内流动的高温侧流体加温的下游侧部。在前述低温层处占既定面积的多个上游侧部的面积的比例比在前述低温层处占前述既定面积的多个下游侧部的面积的比例低器。

前述层叠型热交换器中，在低温层，被高温侧流体加热前的低温侧流体流入多个上游侧部，在多个上游侧部被高温侧流体加热的低温侧流体在多个下游侧部流动。因此，低温侧流体的温度在上游侧部相对较低，在下游侧部相对较高。并且，在低温侧流体的至少一部分蒸发的上游侧部，传热面面积的比例被与下游侧部处的比例相比相对较低地设定。例如直流路那样的不促进传热流路也可以作为下游侧部使用。因此，抑制从低温侧流体向构成低温层的部件的传热。因此，能够抑制构成低温层的部件的温度(低温层的壁面温度)过度下降。因此，能够抑制被在上游侧部流动的低温侧流体冷却的高温侧流体的温度过度下降。另一方面，将在上游侧部蒸发的低温侧流体进一步加温的下游侧部，传热面面积的比例被相对较高地设定。由此，与上游侧部相比既定面积中的传热性能相对较高。因此，能够将低温侧流体加温至所希望的温度。因此，能够抑制由于低温侧流体的冷热引起的高温侧流体的过度的温度下降，且能够得到所希望的温度的低温侧流体。并且，在不设置与第1高温层相邻的第2高温层的情况下，也能够抑制高温侧流体的过度的温度下降。

(2)也可以是，在前述层叠型热交换器，流路形状、流路间距、流路宽度及流路深度的至少一个不同，由此，在前述低温层处占前述既定面积的前述多个上游侧部的面积的比例比在前述低温层处占前述既定面积的前述多个下游侧部的面积的比例低。

(3)也可以是，前述层叠型热交换器还具备第2高温层，前述第2高温层具有导入前述高温侧流体的多个流路，在与前述低温层相反的一侧层叠于前述高温层。

该方式中，第2高温层难以被低温侧流体冷却且被高温侧流体加温而容易维持高温。因此，在层叠于低温层的上游侧部且另一方面第2高温层层叠的高温层难以被低温侧流体过度冷却。因此，能够进一步抑制高温侧流体的温度过度下降す。

(4)也可以是，前述低温层具备与前述多个流路的各自的前述上游侧部连通且与前述多个流路的各自的前述下游侧部连通的连通流路。

该方式中，即使在上游侧部发生低温侧流体的偏流，低温侧流体也流入连通流路，由此，消除低温侧流体的偏流。因此，能够防止低温侧流体流入下游侧部时的偏流，能够抑制在各下游侧部间在低温侧流体的压力上产生偏差。此外，每个流路的偏流被抑制，由此能够抑制在构成低温层的部件产生热应力的不均。

(5)也可以是，前述多个上游侧部的各长度相同。

(6)也可以是，前述多个上游侧部分别具有直线状地延伸的形状。该情况下，也可以是，前述多个下游侧部分别具有波浪形或锯齿状地延伸的形状。

(7)也可以是，前述多个上游侧部分别具有直线状地延伸的形状。该情况下，也可以是，前述多个下游侧部分别与前述上游侧部流路间距、流路宽度及流路深度的至少一个不同且具有直线状地延伸的形状。

如以上说明，根据前述实施方式，即使使第2高温层不为必需的结构要素，也能够通过限制低温侧流体的冷热，抑制高温层内的高温侧流体的温度过度下降。