層疊型熱交換器及熱交換系統的製作方法

2023-07-11 12:28:21

專利名稱：層疊型熱交換器及熱交換系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及層疊流路板而形成的層疊型熱交換器以及使用該層疊型熱交換器的熱交換系統。
背景技術：
有時將被壓縮機壓縮而變為高溫的氣體導入熱交換器而進行冷卻，將冷卻後的高壓氣體向容器及泵填充。此時使用的熱交換器中具有被稱為翅片型及板型的熱交換器，例如在日本特開2000-283668號中被公開。該板型熱交換器為藉助分隔壁將內部區劃為多個單元的具有一體構造的板式熱交換器，其中在上述被區劃的多個單元中，至少一個單元具有多個流體的入口或者出口，並且該多個單元為，與上述入口和出口連接的至少一方形成多個不同的加熱流路或者被加熱流路。根據該板式熱交換器，配管變得容易且能夠實現小型輕量化。發明所要解決的課題
氣體的壓縮不僅限定於利用I臺壓縮機僅壓縮I次的所謂一級式的壓縮，有時進行令氣體順次通過多臺壓縮機從而對 已經利用壓縮機被暫時壓縮過的氣體利用下一級的壓縮機再進行壓縮的多級式的壓縮。多級式的壓縮的情況下，每次利用壓縮機壓縮時氣體的溫度上升，所以被壓縮的氣體在被供給至下一級的壓縮機之前通過熱交換器而被冷卻。即，需要準備與壓縮機的臺數相同臺數的熱交換器而構築與多臺壓縮機相同地將多臺熱交換器交互地串聯地連接的多級式的壓縮系統。在將上述那樣的以往的熱交換器用於這樣的多級式的壓縮系統時，產生為了配置多臺壓縮機和熱交換器需要很大的設置面積的問題、及壓縮機以及熱交換器的臺數如果增加則配管變得複雜而需要更大的設置面積的問題。進而，以往的熱交換器耐壓性低，所以不適於用於利用多級式的壓縮而變為非常高壓的氣體，耐壓性高的熱交換器的開發也是重要的課題。

發明內容
因此，本發明鑑於上述的問題以及課題，其目的在於提供一種耐壓性高且緊湊的層疊型熱交換器，以及使用該層疊型熱交換器的熱交換系統。用於解決課題的手段
為了實現上述的目的，本發明中採用了以下的技術手段。本發明的層疊型熱交換器為，將進行從多個設備送出的流體的熱交換的多個熱交換單元層疊，上述熱交換單元具有層疊多個流路板的構造，上述流路板具有形成於表面的凹狀的槽作為上述流體的流路。在此，上述多個熱交換單元可以與上述多個設備分別成對，換言之，上述多個熱交換單元的各自可以與上述多個設備的各自一一對應。
進而，在上述多個熱交換單元中分別設置有向熱交換單元供給流體的供給孔、和將上述供給的流體排出的排出孔，設置於各熱交換單元的供給孔以及排出孔形成為沿著熱交換單元的層疊方向直接與外部連通的長度，優選形成為俯視下的配置位置相互不重合。此外，也可以上述流路板為金屬制，上述流路板的流路由化學蝕刻形成。此外，上述層疊的金屬制的流路板優選相互藉助擴散接合而接合。在此，本發明的熱交換系統具有:令流體發生熱量的變化的多個設備、層疊進行由於上述多個設備而熱量發生了變化的流體的熱交換的熱交換單元而成的層疊型熱交換器，上述層疊型熱交換器是上述的層疊型熱交換器。根據本發明，能夠得到耐壓性高且緊湊的熱交換器以及熱交換系統。


圖1是表示多級式的熱交換系統的構成的示意圖，Ca)是表示以往的熱交換系統的構成的示意圖，(b)是表示本發明的第I實施方式的熱交換系統的構成的示意圖。圖2是表示第I實施方式的層疊型熱交換器的截面構造的圖。
圖3是表示第I實施方式的層疊型熱交換器的截面構造的圖。圖4是表示構成第I實施方式的層疊型熱交換器的全部的板的構成的俯視示意圖。圖5是表不構成第I實施方式的層疊型熱交換器的板的構成的俯視圖，Ca)是表示流路板的構成的俯視圖，(b)是表示冷卻用板的構成的俯視圖。圖6是說明向第I實施方式的層疊型熱交換器的各熱交換單元供給的流體的差壓的圖。圖7是表示在本發明的第2實施方式的層疊型熱交換器中使用的冷卻用板的構成的俯視圖。圖8是表示第2實施方式的層疊型熱交換器的截面構造的圖。圖9是表示第2實施方式的層疊型熱交換器的截面構造的圖。
具體實施例方式以下基於

本發明的各實施方式。[第I實施方式]
(熱交換系統的概略)
參照

本發明的第I實施方式的熱交換系統。圖1是表示使用了多臺作為設備的壓縮機和多臺熱交換器的多級式的熱交換系統的構成的示意圖。圖1 (a)是表示使用以往的熱交換器的熱交換系統的構成的示意圖，圖1 (b)是表示使用本實施方式的層疊型熱交換器2a熱交換系統Ia的構成的示意圖。本實施方式中說明的熱交換系統Ia為，在將多臺壓縮機串聯地連接從而順次對氣體(力I )進行加壓以及壓縮而令其變化為高壓氣體的多級式的壓縮工序中，在各壓縮機的後級配備熱交換器。(以往的熱交換系統)
圖1 (a)所示的熱交換系統表示使用以往的熱交換器時的構成。圖1 (a)的熱交換系統包括:作為ist-comp 4th-comp而示出的第I壓縮機 第4壓縮機的4臺的壓縮機、和作為ist-ex 4th_ex而示出的第I熱交換器 第4熱交換器的4臺的熱交換器。在該各4臺的壓縮機以及熱交換器中，首先通過管連接第I壓縮機的排出口和第I熱交換器的吸入口，通過管連接第I熱交換器的排出口和第2壓縮機的吸入口。這樣一來，以往的熱交換系統將壓縮機的排出口和熱交換器的吸入口連接而如圖1 (a)所示地構成。(本申請的熱交換系統)
相對於此，圖1 (b)所示的熱交換系統Ia包括:作為ist-comp 4th_comp而示出的第I壓縮機Cl 第4壓縮機C4的4臺的作為設備的壓縮機、和作為ist-unit 4th_unit而示出的第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4的四個熱交換單元層疊並一體化而成的層疊型熱交換器2a。圖1 (b)所示的層疊型熱交換器2a的第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4進行與圖1 (a)所示的以往的第I熱交換器 第4熱交換器對應的工作，第I熱交換單元Ul進行從第I壓縮機Cl排出而變為高溫的流體的熱交換(冷卻)，第2熱交換單元U2進行從第2壓縮機C2排出而變為高溫的流體的熱交換(冷卻)。第3熱交換單元U3進行從第3壓縮機C3排出而變為高溫的流體的熱交換(冷卻)，第4熱交換單元U4進行從第4壓縮機C4排出而變為高溫的流體的熱交換(冷卻)。這樣的本實施方式的熱交換系統Ia具有令流體(例如氫氣)產生熱量的變化的多個設備(例如第I壓縮機Cl 第4壓縮機C4)、和層疊進行由於這些多個設備而熱量發生了變化的流體的熱交換的熱交換單元(例如第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4)而成的層疊型熱交換器2a。 在本實施方式中，將令流體產生熱量的變化的多個設備串聯地連接而形成一個流路的狀態稱為多個設備多級地連接的狀態。如本實施方式那樣，如果多個壓縮機Cl C4多級地連接，則作為流體的氫氣在由該多級的壓縮機Cl C4形成的一個流路中以第I壓縮機Cl、第2壓縮機C2、第3壓縮機C3、第4壓縮機C4的順序流動。但是，氫氣每次通過壓縮機Cl C4則熱量變化而溫度上升，所以從第I壓縮機Cl 第4壓縮機C4排出的氫氣每次通過壓縮機Cl C4都流入對應的第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4而進行熱交換，被吸入下一級的壓縮機。S卩，在第I壓縮機Cl中被壓縮(加壓)而變為高溫的氫氣流入層疊型熱交換器2a的第I熱交換單元Ul而被冷卻，被吸入下一級的第2壓縮機C2。被吸入的氫氣被第2壓縮機C2進一步壓縮而變為高溫，返回層疊型熱交換器2a而流入第2熱交換單元U2而被冷卻。在氫氣通過第4壓縮機C4 第4熱交換單元U4之前反覆進行這樣的循環從而令氫氣變為非常高壓的氣體。這樣地從第I壓縮機Cl排出的流體流入第I熱交換單元Ul，從第2壓縮機C2排出的流體流入第2熱交換單元U2，所以可以說第I壓縮機Cl和第I熱交換單元Ul相互成為一對，第2壓縮機C2和第2熱交換單元U2也相互成為一對。同樣地，可以說第3壓縮機C3與第3熱交換單元U3成為一對，第4壓縮機C4與第4熱交換單元U4成為一對。此時，冷卻水能夠根據層疊方法而對各單元的每一個進行流量管理而冷卻、也可以對整個單元總體地進行冷卻。本實施方式的層疊型熱交換器2a能夠藉助一體化的流路構造體實現以往的熱交換系統中的多個熱交換器的功能。本實施方式的層疊型熱交換器2a能夠比以往的熱交換器更為小型，並且能夠令與壓縮機的配管更為簡潔且容易。進而，能夠令也包含壓縮機的熱交換系統的設置所需要的設置場所的面積減小。(層疊型熱交換器的構成)
參照圖2以及圖3說明本實施方式的層疊型熱交換器2a的構成。圖2是表示層疊型熱交換器2a的構造的圖，表示層疊型熱交換器2a的AA截面和CC截面。圖3是表示層疊型熱交換器2a的BB截面的圖。層疊型熱交換器2a層疊以1st 4th示出的第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4且在該層疊體的上表面上層疊上面板(上端板)3、並在下表面上層疊下面板(下端板)4而構成。第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4的各自構成為交互地層疊多個形成有作為流體的氫氣的流路的平板狀的流路板(流路板)和形成有作為冷卻用的介質的冷卻水的流路的平板狀的流路板(冷卻用板)。此時，根據要求的熱交換器性能，也可以配置為利用冷卻用板夾持氫側的流路板的兩面側地層疊。·因而，第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4的各自的外觀為層疊了平板狀的流體用板和冷卻用板而成的長方體形狀。層疊這樣的長方體形狀的第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4，所以層疊型熱交換器2a為沿第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4的層疊方向高的長方體形狀。為了參照圖4以及圖5而說明層疊型熱交換器2a的構成，說明第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4中使用的第I流路板Pl 第4流路板P4和冷卻用板CPl的構成。圖4是表示構成層疊型熱交換器2a的全部的板的圖。圖4的上層左方示出構成第I熱交換單元Ul的第I流路板(1st用板)P1，按照向右的順序示出第3流路板(3rd用板)P3、第4流路板(4th用板)P4、第2流路板(2nd用板)P2。流路板PI P4從左方開始順次以1st用、3rd用、4th用、2nd用的順序圖示是基於在圖2以及圖3中，第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4以從上方開始順次以第1、第3、第4、第2的順序層疊。在圖4的下層左側示出層疊在層疊型熱交換器的上表面的層疊上面板(上端板)3，按照向右的順序示出層疊在各流路板間的冷卻用板CP1、層疊在層疊型熱交換器的下表面的下面板(下端板)4。圖4所示的各板表示從上表面側看層疊型熱交換器2a的、即沿從上端板3的上方朝向下端板4的方向看時的構成。(第I熱交換單元)
首先，層疊型熱交換器2a中的第I熱交換單元(1st熱交換單元)Ul是通過將第I流路板(1st用板)Pl和冷卻用板CPl交互地層疊而構成的。(第I流路板)
如圖4所示，第I流路板Pl為例如不鏽鋼及氧化鋁等的金屬構成的厚度數毫米的長方形的平板。在圖4所示的第I流路板Pl的長度方向的兩端部，在朝向圖面的上端部的左側穿設用於令從第I壓縮機Cl供給的氫氣流入第I流路板Pl的流體供給孔IIN而形成貫通孔。此外，在下端部的右側，穿設用於令氫氣從第I流路板Pl流出的流體排出孔IOUT而形成貫通孔。即，流體供給孔IIN和流體排出孔IOUT形成在第I流路板Pl的對角方向。
在形成有流體供給孔IIN和流體排出孔IOUT的第I流路板Pl的一方的面即圖4中的上表面上，氫氣的流路形成為連接流體供給孔IIN和流體排出孔10UT。藉助該流路，從流體供給孔IIN流入的氫氣沿著形成的流路流動，從流體排出孔IOUT向第I流路板外流出。圖5 Ca)是詳細表示圖4所示的第I流路板Pl的構成的圖。形成於第I流路板Pl的流路以沿第I流路板Pl的寬度方向彎折的方式形成多根，連接流體供給孔IIN和流體排出孔10UT。該多根的流路形成為相互大致平行，相互不相交。從而，從流體供給孔IIN流入的氫氣僅通過流入的一個流路而到達流體排出孔IOUT。第I流路板Pl的流路在第I流路板Pl的寬度方向上彎折是為了能夠在第I流路板Pl的有限的面積內儘可能地加長流路，為了該目的，流路也可以為圖4以及圖5所示的彎折以外的軌跡。這樣的流路在本發明的技術領域中被稱為微通道，為寬度I毫米左後的細流路。該被稱為微通道的流路使用例如化學蝕刻等的蝕刻技術而形成。蝕刻為各向同性加工，所以流路的深度接近流路寬度的0.5倍，在本實施方式中，令該深度為流路寬度的0.4 0.6
倍左右。 此外，在第I流路板Pl的長度方向的兩端部，朝向圖面在上端部的右側，穿設有作為用於令從第3壓縮機C3供給的氫氣向後述的第3流路板P3流入的貫通孔的流體供給孔3IN。此外，在下端部的左側，穿設有作為用於令氫氣從第3流路板P3流出的貫通孔的流體排出孔30UT。這些流體供給孔3IN和流體排出孔30UT不與第I流路板Pl的流路相連。此外，在與流體排出孔IOUT和流體排出孔30UT相通的貫通孔之間，穿設作為令冷卻水流入後述的冷卻用板CPl的貫通孔的冷卻水供給口，在與流體供給孔IIN和流體供給孔3IN相通的貫通孔之間，穿設有作為令冷水從後述的冷卻用板CPl流出的貫通孔的冷卻水排出口。這些冷卻水IN和冷卻水OUT不與第I流路板Pl的流路相連。這樣的第I流路板Pl的另一方的面即沒有形成流路的未圖示的下表面為平滑的面。(冷卻用板)
冷卻用板CPl具有與第I流路板Pl大致相同的構成，為與第I流路板Pl相同的材質，在長度方向的兩端部，在上端部在與第I流路板Pl相同的位置形成有流體供給孔1IN、冷卻水排出口、流體供給孔3IN，在下端部同樣地在與第I流路板Pl相同的位置形成流體排出孔
IOUT、冷卻水供給口、流體排出孔30UT。圖5 (b)是詳細表示圖4所示的冷卻用板CPl的構成的圖。形成於冷卻用板CPl的流路也與第I流路板Pl同樣地在寬度方向上彎折地形成多根而連接冷卻水供給口和冷卻水排出口。該多個流路也與第I流路板Pl同樣地形成為相互大致平行，相互不相交。因而，從冷卻水供給口流入的冷卻水僅通過流入的一個流路而到達冷卻水排出口。這樣的冷卻用板CPl的另一方的面即沒有形成流路的未圖示的下表面為平滑的面。第I熱交換單元Ul通過交互地層疊以上說明的第I流路板Pl和冷卻用板CPl而構成。首先，作為第I熱交換單元Ul的最下層使用冷卻用板CP1，在其上層疊第I流路板P1，進而在其上層疊冷卻用板CP1，以這樣的方式在最下層的冷卻用板CPl上交互地層疊數層第I流路板Pl和冷卻用板CPl而令最上層為冷卻板CPl。在此，層疊的第一流路板Pl的張數為任意張，通過改變第I流路板Pl的張數能夠改變第I熱交換單元Ul的容量。這對於後述的第2熱交換單元U2 第4熱交換單元U4也適用，在本實施方式中，構成為第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4的各容量相同。將這樣地層疊了數層的第I流路板Pl和冷卻用板CPl在既定溫度下加壓，令第I流路板Pl和冷卻用板CPl的接合面相互擴散接合，則能夠得到多個板變為一體的第I熱交換單元Ul。S卩，在冷卻用板CPl上擴散接合的第I流路板Pl的平滑的下表面變為冷卻用板CPl的流路的蓋，在第I流路板Pl上擴散接合的冷卻用板CPl的平滑的下表面變為第I流路板PI的流路的蓋。由於利用該擴散接合能夠牢固地接合第I流路板Pl和冷卻用板CP1，所以第I熱交換單元Ul相對於供給的·流體具有非常高的耐壓性。在以最接近的上層的下表面成為蓋的方式擴散接合的第I熱交換單元Ul中，如果從流體供給孔I IN供給氫氣，則流體供給孔IIN由於與第I流路板Pl的流路相連所以氫氣流入，與冷卻用板CPl的流路由於冷卻用板的上表面和第I流路板的下表面的接合而被隔絕，所以氫氣不會流入冷卻用板CPl的流路。同樣地，如果從冷卻水供給口供給冷卻水，則冷卻水供給口由於與冷卻用板CPl的流路相連，所以冷卻水流入，但與第I流路板Pl的流路由於第I流路板Pl的上表面和冷卻用板CPl的下表面的接合而被隔絕，所以冷卻水不會流入第I流路板Pl的流路。(第3熱交換單元)
第3熱交換單元U3是配置在第I熱交換單元Ul的最接近的下方的熱交換單元。用於第3熱交換單元U3的第3流路板P3與第I流路板Pl為大致相同的材質和大小的部件，形成有與第I流路板Pl相同的流路。(第3流路板)
在第3流路板P3中，沒有形成於第I流路板Pl的流體供給孔IIN和流體排出孔10UT，形成有流體供給孔3IN和流體排出孔30UT以及冷卻水供給口和冷卻水排出口。在作為第3流路板P3的一方的面的圖4所示的上表面中形成有作為微通道的流路，利用該流路連接流體供給孔3IN和流體排出孔30UT。如果將該第3流路板P3和冷卻用板CPl與第I熱交換單元Ul同樣地層疊而在各板間進行擴散接合，則能夠得到第3熱交換單元U3。在第3熱交換單元U3中，如果從流體供給孔3IN供給氫氣，則流體供給孔3IN由於與第3流路板P3的流路相連而氫氣流入，但與冷卻用板CPl的流路由於冷卻用板CPl的上表面和第3流路板P3的下表面的接合而被隔絕，所以氫氣不會流入冷卻用板CPl的流路。同樣地，如果從冷卻水供給口供給冷卻水，則冷卻水供給口由於與冷卻用板CPl的流路相連而冷卻水流入，但與第3流路板P3的流路由於第3流路板P3的上表面和冷卻用板CPl的下表面的接合而被隔絕，所以冷卻水不會流入第3流路板P3的流路。(第4熱交換單元)
第4熱交換單元U4是配置在第3熱交換單元U3的最接近的下方的熱交換單元。用於第4熱交換單元U4的第4流路板P4為與第I流路板Pl以及第3流路板P3為大致相同材質及大小的部件，形成有與第I流路板Pl以及第3流路板P3相同的流路。
(第4流路板)
如圖4所示，第4流路板P4具有令第3流路板P4的構成左右反轉的構成，在對角線上形成的貫通孔是流體供給孔4IN和流體排出孔40UT。第4流路板P4上也形成有冷卻水供給口和冷卻水排出口。在第4流路板P4的一方的面即圖4所示的上表面上形成有作為微通道的流路，利用該流路連接流體供給孔4IN和流體排出孔40UT。如果將該第4流路板P4和冷卻用板CPl與第I熱交換單元Ul以及第3熱交換單元U3同樣地層疊而將各板間擴散接合，則能夠得到第4熱交換單元U4。在第4熱交換單元U4中，如果從流體供給孔4IN供給氫氣，則流體供給孔4IN由於與第4流路板P4的流路相連所以氫氣流入，但與冷卻用板CPl的流路由於冷卻用板CPl的上表面和第4流路板P4的下表面的接合而被隔絕，所以氫氣不會流入冷卻用板CPl的流路。同樣地，如果從冷卻水供給口供給冷卻水，則由於與第I熱交換單元Ul以及第3熱交換單元U3相同的理由，冷卻水不會流入第4流路板P4的流路。(第2熱交換單元) 第2熱交換單元U2是配置在第4熱交換單元U4的最接近的下方的熱交換單元。用於第2熱交換單元U2的第2流路板P2是與第I流路板P1、第3流路板P3、以及第4流路板P4為大致相同的材質及大小的部件，形成有與這些流路板同樣的流路。(第2流路板)
如圖4所示，第2流路板P2具有令第I流路板Pl的構成左右反轉的構成，在與連結流體供給孔4IN和流體排出孔40UT的對角線不同的另一方的對角線上形成的貫通孔是流體供給孔2和流體排出孔20UT。第2流路板P2上也形成有冷卻水供給口和冷卻水排出口。在第2流路板P2的一方的面即圖4所示的上表面上形成有作為微通道的流路，利用該流路連接流體供給孔2IN和流體排出孔20UT。如果將該第2流路板P2和冷卻用板CPl與第I熱交換單元U1、第3熱交換單元U3、以及第4熱交換單元U4同樣地層疊而將各板間擴散接合，則能夠得到第2熱交換單元U2。在第2熱交換單元U2中，如果從流體供給孔2IN供給氫氣，則流體供給孔2IN由於與第2流路板P2的流路相連而氫氣流入，但與冷卻用板CPl的流路由於冷卻用板CPl的上表面和第2流路板P2的下表面的接合而被隔絕，所以氫氣不會流入冷卻用板CPl的流路。同樣地，如果從冷卻水供給口供給冷卻水，則由於與第I熱交換單元U1、第3熱交換單元U3、以及第4熱交換單元U4相同的理由，冷卻水不會流入第2流路板P2。將如上所述地得到的熱交換單元Ul U4從上開始順次地按照第I熱交換單元U1、第3熱交換單元U3、第4熱交換單元U4、第2熱交換單元U2的順序層疊，進而將上端板3層疊在第I熱交換單元Ul的上表面、將下端板4層疊在第2熱交換單元U2的下表面、藉助擴散接合將熱交換單元Ul U4以及上下端板3、4接合。從而形成本實施方式的層疊型熱交換器2a。在上端板3上與第I流路板Pl同樣地開設有流體供給孔IIN和流體排出孔10UT、流體供給孔3IN和流體排出孔30UT、以及冷卻水供給口和冷卻水排出口。在下端板4上開設有流體供給孔2IN和流體排出孔20UT、以及流體供給孔4IN和流體排出孔40UT。在此,返回圖2而參照層疊型熱交換器2a的AA截面以及CC截面。AA截面是包含上端板3中的流體供給孔IIN以及流體排出孔30UT、下端板4中的流體供給孔4IN以及流體排出孔20UT的面，是將層疊型熱交換器2a沿層疊方向切斷時的截面圖。此外，CC截面是包含上端板3中的流體供給孔3IN以及流體排出孔10UT、及下端板4中的流體供給孔2IN以及流體排出孔40UT的面，是將層疊型熱交換器2a沿層疊方向切斷時的截面圖。在上端板3中，流體供給孔IIN以及流體排出孔IOUT形成在一方的對角線上，流體供給孔3IN以及流體排出孔30UT形成在另一方的對角線上。因而，AA截面中示出的流體供給孔IIN以及與流體供給孔IIN對應的CC截面中示出的流體排出孔IOUT形成為在各截面中令第I熱交換單元Ul內沿各熱交換單元的層疊方向直接與外部連通。此外，CC截面中示出的流體供給孔3IN以及與流體供給孔3IN對應的AA截面中示出的流體排出孔30UT形成為在各截面中貫通第I熱交換單元Ul而令第3熱交換單元U3內沿著各熱交換單元的層疊方向直接與外部連通。此外，在下端板4中，流體供給孔4IN和流體排出孔40UT形成在一方的對角線上，流體供給孔2IN和流體·排出孔20UT形成在另一方的對角線上。因而，AA截面中示出的流體供給孔4IN以及與流體供給孔4IN對應的CC截面中示出的流體排出孔40UT形成為在各截面中貫通第2熱交換單元U2而令第4熱交換單元U4內沿著各熱交換單元的層疊方向直接與外部連通。進而，CC截面中示出的流體供給孔2IN以及與流體供給孔2IN對應的AA截面中示出的流體排出孔20UT形成為在各截面中令第2熱交換單元U2內沿著各熱交換單元的層疊方向直接與外部連通。在此，參照圖3所示的層疊型熱交換器2a的BB截面。BB截面是包含上端板3中的冷卻水供給口和冷卻水排出口的面，是將層疊型熱交換器2a沿層疊方向切斷時的截面圖。在上端板3中，冷卻水供給口和冷卻水OUT形成在沿著上端板3的長度方向的BB線上。因而，冷卻水供給口和冷卻水排出口在BB截面中都示出為形成在層疊型熱交換器2a的全部的熱交換單元Ul U4內。這樣一來，在本實施方式的層疊型熱交換器2a中，多個熱交換單元Ul U4的各自中設置有向各熱交換單元供給流體的流體供給孔(供給孔)和將供給的流體排出的流體排出孔(排出孔)。設置於各熱交換單元的供給孔以及排出孔形成為沿熱交換單元Ul U4的層疊方向而直接與外部連通的長度，形成為在從上端板3以及下端板4看的平面視中的配置位置相互不重合。通過採用這樣的構造，無需用於在各熱交換器單元間保持壓力的分隔壁等。(熱交換系統的動作)
接著參照圖2以及圖3說明層疊型熱交換器2a和壓縮機的連接。對於如上所述地形成有流體供給孔以及流體排出孔的層疊型熱交換器2a的熱交換單元Ul U4的各自，連接一一對應的各壓縮機。即，將第I壓縮機Cl的排出口與上端板3的流體供給孔IIN連接，將上端板3的流體供給孔IOUT與第2壓縮機C2的吸入口連接。接著，將第2壓縮機C2的排出口與下端板4的流體供給孔2IN連接，將下端板4的流體供給孔20UT與第3壓縮機C3的吸入口連接。接著，將第3壓縮機C3的排出口與上端板3的流體供給孔3IN連接，將上端板3的流體供給孔30UT與第4壓縮機C4的吸入口連接。最後，將第4壓縮機C4的排出口與下端板4的流體供給孔4IN連接，將下端板4的流體供給孔40UT與容器或者泵的填充口連接。進而，將冷卻水供給泵的冷卻水排出口與上端板3的冷卻水供給口連接，將冷卻水排出口與排水管連接。利用該連接，構成從第I壓縮機Cl的吸入口到容器或者泵的填充口多級地壓縮氫氣並進行被壓縮的氫氣的熱交換的熱交換系統la。圖3表示冷卻水的流動。首先，令冷卻水供給泵工作而從層疊型熱交換器2a的上端板3的冷卻水供給口連續地供給冷卻水。供給的冷卻水從自最上層的第I熱交換單元Ul貫通到最下層的第2熱交換單元U2的冷卻水供給口流入各熱交換單元的冷卻板的流路，充滿流路並向從最上層的第I熱交換單元Ul貫通到最下層的第2熱交換單元U2的冷卻水排出口排出。由於藉助冷卻水供給泵持續地供給冷卻水，所以在冷卻板CPl的流路中流動並向冷卻水排出口排出的冷卻水從上端板3的冷卻水排出口流出而被向排水管排出。這樣一來，能夠確保全部熱交換單元Ul U4的冷卻板CPl中的冷卻水的流動。此外，作為第一級的設備的第I壓縮機Cl壓縮氫氣，壓力升高並且溫度也上升的氫氣被從第I壓縮機Cl的排出口向上端板3的流體供給孔IIN送出。如圖2的AA截面所示，向流體供給孔IIN供給的氫氣作為氫氣流(I)而流入第I熱交換單元Ul的第I流路板Pl的流路 。流入第I流路板Pl的高溫的氫氣在第I流路板Pl的流路中流動期間與在其上下層疊的冷卻用板CPl中流動的冷卻水熱交換而被冷卻。如圖2的CC截面所示，被第I熱交換單元Ul冷卻後的氫氣流(I)從第I流路板Pl的流路向流體排出孔IOUT排出，從上端板3的流體排出孔IOUT流入作為第二級的設備的第2壓縮機C2的吸入口。第2壓縮機C2壓縮氫氣，而壓力和溫度上升了的氫氣被從第2壓縮機C2的排出口向下端板4的流體供給孔2IN送出。如圖2的CC截面所示，向流體供給孔2IN供給的氫氣作為氫氣流(2)而流入第2熱交換單元U2的第2流路板P2的流路。流入第2流路板P2的高溫的氫氣在第2流路板P2的流路中流動期間與在其上下層疊的冷卻用板CPl中流動的冷卻水熱交換而被冷卻。如圖2的AA截面所示，在第2熱交換單元U2中被冷卻後的氫氣流(2)從第2流路板P2的流路向流體排出孔20UT排出，從下端板4的流體排出孔20UT流入作為第三級的設備的第3壓縮機C3的吸入口。第3壓縮機C3對被第I壓縮機Cl以及第2壓縮機C2壓縮的氫氣進一步壓縮，壓力和溫度上升了的氫氣被從第3壓縮機C3的排出口向上端板3的流體供給孔3IN送出。如圖2的CC截面所示，向流體供給孔3IN供給的氫氣作為氫氣流(3)流入第3熱交換單元U3的第3流路板P3的流路。流入第3流路板P3的高溫的氫氣在第3流路板P3的流路中流動期間與在其上下層疊的冷卻用板CPl中流動的冷卻水熱交換而被冷卻。如圖2的AA截面所示，在第3熱交換單元U3中被冷卻後的氫氣流(3)從第3流路板P3的流路向流體排出孔30UT排出，從上端板3的流體排出孔30UT流入作為最終級的第4級的設備的第4壓縮機C4的吸入口。第4壓縮機C4將直到第3壓縮機C3被壓縮的氫氣進一步壓縮到目標壓力，壓力和溫度上升了的氫氣被從第4壓縮機C4的排出口向下端板4的流體供給孔4IN送出。如圖2的CC截面所示，向流體供給孔4IN供給的氫氣作為氫氣流(4)流入第4熱交換單元U4的第4流路板P4的流路。流入第4流路板P4的高溫的氫氣在第4流路板P14的流路中流動期間與在其上下層疊的冷卻用板CPl中流動的冷卻水熱交換而被冷卻。
如圖2的AA截面所示，在第4熱交換單元U4中被冷卻的氫氣流(4)從第4流路板P4的流路向流體排出孔40UT排出，從下端板4的流體排出孔40UT供給填充至容器或者泵的填充口。這樣一來，基於本實施方式的熱交換系統Ia使用層疊多個熱交換單元Ul U4而成為一體的層疊型熱交換器2a，對於被多個壓縮機Cl C4多級地壓縮的流體，在每次被各級壓縮機壓縮時在對應的熱交換單元中進行熱交換。圖6的AA截面圖中表示本實施方式的上端板3和第I熱交換單元Ul的差壓、鄰接的熱交換單元間的差壓、第2熱交換單元U2和下端板4的差壓(A P)。上端板3和第I熱交換單元Ul的差壓為5MPa，第I熱交換單元Ul和第3熱交換單元U3的差壓為20MPa，第3熱交換單元U3和第4熱交換單元U4的差壓為30MPa，第4熱交換單元U4和第2熱交換單元U2的差壓為40MPa,第2熱交換單元U2和下端板4的差壓為lOMPa。在熱交換系統Ia的構成中，以防止由於層疊型熱交換器2a的運轉變動導致的設備的損傷為目的，期望確定各級壓縮機和各熱交換單元的對應關係以令層疊型熱交換器2a的各差壓的合計變為最小。在本實施方式中，第I熱交換單元Ul與第I壓縮機Cl —對應，但也可以構成為與第I壓縮機Cl以外的第2壓縮機C2 第4壓縮機U4的任意某個對應。例如，考慮令第I熱交換單元Ul與第3壓縮機C3對應，令第2熱交換單元U2與第I壓縮機對應，令第3熱交換單元U3與第4壓縮機C4對應，令第4熱交換單元U4與第2壓縮機C2對應的情況。此·時，氫氣以第I壓縮機Cl、第2熱交換單元U2、第2壓縮機C2、第4熱交換單元U4、第3壓縮機C3、第I熱交換單元U1、第4壓縮機C4、第3熱交換單元U3的順序通過而被供給並被填充至容器或者泵的填充口。[第2實施方式]
參照圖7 圖9說明本發明的第2實施方式的熱交換系統lb。本實施方式的熱交換系統Ib進行將六臺壓縮機Cl C6和6個熱交換單元Ul U6串聯地連接的六級壓縮。即，層疊六個熱交換單元Ul U6的層疊型熱交換器2b的構成與第I實施方式的層疊型熱交換器2a的構成不同，所以以下進行詳細說明。本實施方式的層疊型熱交換器2b與第I實施方式的層疊型熱交換器2a的不同點在於，冷卻板CP2的構成與第I實施方式的層疊型熱交換器2a的冷卻板CPl不同、以及增加了第5熱交換單元U5和第6熱交換單元W。第I流路板Pl 第4流路板P4以及上下端板3、4的構成與第I實施方式相同。圖7表示本實施方式的層疊型熱交換器2b中使用的冷卻用板CP2的構成。圖7所示的冷卻用板CP2是在沿著冷卻用板CP2的長度方向的一方的長邊側作為冷卻水供給口而流路開放、在另一方的長邊側作為冷卻水排出口而流路開放的板。冷卻水供給口和冷卻水排出口形成在大致沿著冷卻板CP2的對角方向的位置。形成於冷卻板CP2的流路在冷卻板CP2的寬度方向上彎折地形成多根而連接冷卻水供給口和冷卻水排出口。冷卻板CP2在長度方向的兩端側具有能夠與流體供給孔IIN 4IN、流體排出孔IOUT 40UT、後述的流體供給孔5IN、6IN、以及流體50UT、60UT對應的貫通孔。使用這樣的冷卻板CP2而與第I實施方式同樣地層疊第I流路板Pl而構成第I熱交換單元Ul，層疊第2流路板P2而構成第2熱交換單元U2。進而，層疊第3流路板P3而構成第3熱交換單元U3，層疊第4流路板P4而構成第4熱交換單元U4。第5流路板P5以及第6流路板P6為與第I實施方式的冷卻用板CPl大致相同的構成，第I實施方式的冷卻用板CPl中的冷卻水排出口在第5流路板P5中作為5IN工作，冷卻水供給口作為50UT工作。同樣地，第6流路板P6具有貫通孔6IN和貫通孔60UT。因而，如圖8以及圖9所示，在上端板3中，在與第6流路板P6的6IN、60UT對應的位置形成有貫通孔6IN、60UT，在下端板4中，在與第5流路板P5的5IN、50UT對應的位置形成有貫通孔5IN、50UT。與第I熱交換單元Ul 第4熱交換單元U4同樣地,使用冷卻用板CP2和第5流路板P5構成第5熱交換單元U5，使用冷卻用板CP2和第6流路板P6而構成第6熱交換單元U6。將如上所述地得到的熱交換單元Ul U6從上順次地以第I熱交換單元Ul、第3熱交換單元U3、第6熱交換單元U6、第4熱交換單元U4、第5熱交換單元U5、第2熱交換單元U2的順序層疊，進而在第I熱交換單元Ul的上表面上層疊上端板3，在第2熱交換單元U2的下表面層疊下端板4，將熱交換單元Ul U6以及上下端板3、4利用擴散接合而接合。由此，形成本實施方式的層疊型熱交換器2b。在上端板3上與第I流路板Pl同樣地開設有流體供給孔IIN和流體排出孔10UT、流體供給孔3IN和流體排出孔30UT、以及6IN和60UT。在下端板4上，開口有流體供給孔2IN和流體排出孔20UT、流體供給孔4IN和流體排出孔40UT、以及5IN和50UT。在此，在第4流路板P4中也可以沒有與流體供給孔5IN、6IN、以及流體50UT、60UT對應的貫通孔。
通過層疊第I熱交換單元Ul 第6熱交換單元U6，在層疊型熱交換器2b的側方，沿層疊型熱交換器2b的上下的高度方向開口有冷卻用板CP2的冷卻水供給口和冷卻水排出口。在這些冷卻水供給口和冷卻水排出口上安裝集水箱5，其沿層疊型熱交換器2b的上下的高度方向向冷卻水供給口和冷卻水排出口的各自形成公用的流路。從而，供給到冷卻水供給口側的集水箱5的冷卻水從層疊的各冷卻用板CP2的冷卻水供給口流入流路，從各冷卻用板CP2的冷卻水供給口流出的冷卻水通過冷卻水供給口側的集水箱5而被排出。通過該集水箱5的安裝而完成本實施方式的層疊型熱交換器2b。在本實施方式中，在層疊型熱交換器2b的多個熱交換單元Ul U6的各自中，設置有向各熱交換單元供給流體的流體供給孔(供給孔)、和將供給的流體排出的流體排出孔(排出孔)。設置於各熱交換單元的供給孔以及排出孔形成為沿著熱交換單元Ul U6的層疊方向直接與外部連通的長度，形成為從上端板3以及下端板4看的平面視中的配置位置相互不重合。在本實施方式中，使用上述的層疊型熱交換器2b和六臺壓縮機Cl C6而對氫氣進行六級壓縮。與以第I熱交換單元Ul和第I壓縮機Cl、第2熱交換單元U2和第2壓縮機C2、……第5熱交換單元U5和第5壓縮機C5、以及第6熱交換單元U6和第6壓縮機C6的順序對應，構成六臺壓縮機Cl C6經由層疊型熱交換器2b串聯地連接的六級熱交換系統lb。如圖8以及圖9所不,氫氣在該熱交換系統Ib中作為氫氣流(I) 氫氣流(6)通過，則氫氣一邊被六級地壓縮一邊被加壓為目標壓力。此時，熱交換系統Ib優選構成為鄰接的熱交換單元的差壓的合計最小。
本次示出的實施方式的所有要點僅為例示，並不應該認為用於限定。特別地，在本次公開的實施方式中，沒有明確地公開的事項例如動作條件及測定條件、各種參數、構成物的尺寸、重量、體積等沒有脫離本領域技術人員通常實施的範圍，只要為通常的從業者，採用能夠容易地想到的值。例如，在第I實施方式中，說明了將4臺壓縮機Cl C4和四個熱交換單元Ul U4串聯地連接而構成的四級壓縮，但也可以是將兩臺壓縮機和兩個熱交換單元串聯地連接而構成的兩級壓縮兩個並列地排列的構成。當然，也可以是將一級的壓縮和三級的壓縮並列地排列的構成。在第2實施方式中，說明了將六臺壓縮機Cl C6和六個熱交換單元Ul U6串聯地連接而構成的六級的壓縮，但也可以構成為將一級的壓縮和五級的壓縮並列地、將兩級的壓縮和四級的壓縮並列地、將三級的壓縮和三級的壓縮並列地排列。此外，作為熱交換系統la、lb的流體例示了氫氣，但作為流體，不限定於氫氣，也能夠採用其他的氣體及液體。此時，供給至冷卻用板CP1、CP2的冷卻介質能夠根據供給的流體的種類而適宜地變更。此外，本發明也涉及熱交換系統，也可以通過令加熱介質流過而將冷卻用板用作加熱用·板而對流體加熱。
權利要求
1.一種層疊型熱交換器， 將進行從多個設備送出的流體的熱交換的多個熱交換單元層疊， 上述熱交換單元具有層疊多個流路板的構造， 上述流路板具有形成於表面的凹狀的槽作為上述流體的流路。
2.根據權利要求1所述的層疊型熱交換器，其特徵在於， 上述多個熱交換單元與上述多個設備分別成對。
3.根據權利要求2所述的層疊型熱交換器，其特徵在於， 在上述多個熱交換單元中分別設置有向熱交換單元供給流體的供給孔、和將上述供給的流體排出的排出孔， 設置於各熱交換單元的供給孔以及排出孔形成為沿著熱交換單元的層疊方向直接與外部連通的長度，形成為平面視中的配置位置相互不重合。
4.根據權利要求1所述的層疊型熱交換器，其特徵在於， 上述流路板為金屬制， 上述流路板的流路由化學蝕刻 形成。
5.根據權利要求4所述的層疊型熱交換器，其特徵在於， 上述層疊的金屬制的流路板相互藉助擴散接合而接合。
6.一種熱交換系統，具有:多個設備，令流體發生熱量的變化；層疊型熱交換器，層疊熱交換單元而成，所述熱交換單元進行由於上述多個設備而熱量發生了變化的流體的熱交換， 上述層疊型熱交換器是權利要求1所述的層疊型熱交換器。
全文摘要
本發明的層疊型熱交換器中，層疊進行從多個壓縮機送出的流體的熱交換的多個熱交換單元。各熱交換單元具有層疊多個流路板及冷卻用板的構造。在流路板以及冷卻用板上將形成於表面的凹狀的槽作為流體的流路形成。這些流路板以及冷卻用板為金屬制而藉助化學蝕刻形成流路，層疊的金屬制的流路板以及冷卻用板相互藉助擴散接合而接合。進而，令各熱交換單元與各壓縮機一一對應。
文檔編號F28D9/02GK103225974SQ20131003519
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月30日 優先權日2012年1月31日
發明者野一色公二, 三輪泰健, 伴浩之 申請人:株式會社神戶制鋼所