JP2001021274A

JP2001021274A - プレ−ト式製氷熱交換器

Info

Publication number: JP2001021274A
Application number: JP11194649A
Authority: JP
Inventors: Masao Imanari; 正雄今成; Toshihiko Fukushima; 敏彦福島; Sadao Sekiya; 禎夫関谷; Kenji Togusa; 健治戸草; Masateru Kawachi; 政輝河内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】氷蓄熱式空気調和装置で要求される強度にも
十分に耐え得るようなプレ−ト式製氷熱交換器の提供。【解決手段】２枚の板材２を重ね合わせた状態で必要
部位に溶接部４を施して接合した後、この接合板材の未
溶接部をその内部から加える膨張圧により膨張変形させ
ることで、冷却媒体のための流路８を形成した構造でプ
レ−ト式製氷熱交換器を得るようにしている。このよう
にすることで、溶接部４に圧縮残留応力を与えて疲労強
度を大幅に高めることができ、氷蓄熱式空気調和装置で
要求される強度にも十分に耐え得るようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレート式製氷熱
交換器、特に全体的に平板状の外観形状を有するプレ−
ト式製氷熱交換器で、例えば氷蓄熱式空気調和装置の氷
蓄熱槽で用いられる場合のように、比較的高圧な冷却媒
体が通される場合に好適なプレ−ト式製氷熱交換器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】製氷熱交換器が用いられる機器の一つと
して内融式の氷蓄熱式空気調和装置がある。従来の氷蓄
熱式空気調和装置の一般的な構造を図１６に基づいて以
下に説明する。氷蓄熱式空気調和装置は、圧縮機１２や
室外熱交換器１３などを含む室外ユニット１４、氷蓄熱
槽５や分岐配管などを含む蓄熱ユニット１５、および室
内熱交換器１６などを含む室内ユニット１７を主な構成
要素としている。

【０００３】その氷蓄熱槽５は製氷することで冷熱を蓄
える。氷蓄熱槽５での製氷による冷熱の蓄熱は、氷蓄熱
槽５の製氷熱交換器３を冷凍サイクルにおける蒸発器と
することでなされる。すなわち水が蓄えられた氷蓄熱槽
５に収められている製氷熱交換器３に低温低圧の冷却用
媒体を流すことでその表面に製氷して冷熱を蓄える。こ
の場合の冷凍サイクルは、圧縮機１２、凝縮器としての
室外熱交換器１３、開度が調整された膨張弁１８ａ、蒸
発器としての製氷熱交換器３、およびバルブ１９を通っ
て再び圧縮機１２に戻るように冷却用媒体が流れる構成
となる。この蓄熱のための冷凍サイクルには主に深夜電
力が利用される。

【０００４】一方、蓄熱した冷熱を空調に利用する際に
は、製氷熱交換器３は冷凍サイクルの凝縮器の一部とな
る。すなわち製氷熱交換器３に高温高圧の冷却用媒体を
流すことで、その製氷面に蓄積されている氷１１を解氷
して冷熱を取り出す。この場合の冷凍サイクルでは、圧
縮機１２、凝縮器としての室外熱交換器１３と製氷熱交
換器３、膨張弁１８ｂ、および蒸発器としての室内熱交
換器１６を通って再び圧縮機１２に戻るように冷却用媒
体が流れることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のような氷蓄熱式
空気調和装置では従来、その製氷熱交換器３に伝熱管が
用いられていた。すなわち製氷熱交換器３は、例えば外
径が７〜９ｍｍ程度の円形断面の銅パイプを冷却媒体の
流路に用い、これを蛇腹状に折り曲げて形成されてい
た。したがって製氷熱交換器３の製氷面には、図１７に
模式化して示すように、円形断面の伝熱管に沿ったチュ
−ブ状で氷１１が形成されることになる。このような伝
熱管タイプの製氷熱交換器３による製氷は、隣合う管ご
とに製氷される氷１１の間に製氷に利用できない未利用
部２０が生じるのを避けられない。すなわち隣合う管ご
との氷が隙間なく連続して製氷するようにすると、いわ
ゆる過剰製氷になり、隣合う各管から成長してくる氷に
より未凍結の水が閉じ込められて逃げ場を失った状態と
なり、この状態で未凍結の水が凍ると、その際の膨張に
よって製氷熱交換器３を破損するおそれがある。そのた
め伝熱管タイプの製氷熱交換器３では未利用部２０を適
度に生じさせる必要があり、このことから氷充填率（氷
の体積/ 全水はり量）は最大でも６５％程度にとどまっ
ていた。またこの最大である６５％の氷充填率を実現し
ようとすると、氷１１の厚みを６０〜７０ｍｍ程度まで
する必要があり、このために氷の生成にしたがって伝熱
面から氷の生成面までの熱抵抗が大きくなって製氷完了
までに長時間を要し、したがってそれだけ電力消費量も
多くなっていた。

【０００６】このような問題への対応策として特開平７
−３３２７１１号公報に開示の技術がある。この技術で
は、隣り合う伝熱管どうしの間を埋めるようにフィンを
設けている。このような構成とすることにより、上記の
ような未利用部の発生を抑制して氷充填率を上げること
ができる。しかし、パイプにフィンを取り付ける構成を
基本としているためにフィン効率に問題があり、伝熱面
積を大きくした割りには単位時間あたりの蓄熱効率をあ
まり向上させることはできない。このため氷充填率を高
めることはできても、製氷時間が長くなってしまい、消
費量電力の節減はそれほど期待できない。

【０００７】氷充填率と単位時間あたりの蓄熱効率を高
めるのに最も適するのは製氷熱交換器をプレ−ト式にす
ることである。つまり板材を密閉的に接合してその内部
に冷却媒体の流路を形成した構造により全体的に平板状
の外観形状を有するようにしたプレ−ト式製氷熱交換器
とすることである。そのような製氷熱交換器の例が「空
気調和衛生工学」（第４８巻、第１２号、ページ１１〜
２７）や特開平０９−１９２７６４号公報にロ−ルボン
ドパネル熱交換器として記載されている。このロ−ルボ
ンドパネル熱交換器は以下のようにして製造される。ま
ず２枚のアルミニウム板の重ね合わせ面にグラファイト
などの圧着防止剤をスクリ−ン印刷の手法で所定のパタ
−ンに印刷する。それからこの２枚のアルミニウム板を
圧延によって圧着する。そして、圧着防止剤の印刷によ
り圧着されなかった部分に膨張圧を加えて膨張変形させ
ることで冷却媒体の流路を内部に形成してロ−ルボンド
パネル熱交換器を得る。

【０００８】このような手法はプレ−ト式製氷熱交換器
を得る手法として有用である。しかし圧着による接合は
その接合強度におのずと限界がある。そのためその利用
分野は、冷蔵庫や保冷庫の蒸発器などのように、比較的
低圧な冷却媒体を用いる場合に限られてしまう。この強
度問題に関して上記特開平０９−１９２７６４号公報に
は、圧着部の破断防止を図るための傾斜面を設けるなど
の工夫が述べられているが、このような工夫を施して
も、上記した氷蓄熱式空気調和装置で利用するのに十分
とはならない。また強度を高めるには圧着面積を大きく
とる必要があり、そうすると冷却媒体の流路に対する圧
着部分の割合が高くなり、伝熱面積に対する流路面積の
比率が小さくなって圧力損失が増大し、したがって伝熱
効率が低下してしまうという問題もある。

【０００９】プレ−ト式製氷熱交換器を得るための他の
手法としては、図１８に示すように、材料の板材（例え
ばステンレス板）２に流路の形状に対応する形状で予め
プレス成形を施し、この板材を２枚重ね合わせて溶接す
る手法が最も単純なものとして考えられる。この手法は
接合が溶接であることから圧着の場合よりも大きい強度
を得ることができる。しかしその強度も氷蓄熱式空気調
和装置で要求される強度を十分に満足させるまでには至
らない。すなわち溶接による接合の場合、図１９に拡大
して示すように、溶接部４で２枚の板材２が一体化して
いるとして、溶接端部の張り合わせ箇所２５がき裂に相
当する。つまり最初からき裂を有することになる。しか
るに、内融式の氷蓄熱式空気調和装置における製氷熱交
換器では、蒸発器として使用される製氷時の５ｋｇｆ／
ｃｍ² 程度の圧力と、凝縮器として使用される解氷時の
２０ｋｇｆ／ｃｍ² 程度の圧力が少なくとも１日に1 回
ずつ交互にかかることになり、これによる繰り返し応力
が発生することになる。このため製氷熱交換器が上記の
ようにき裂を有していると、このき裂が上記の繰り返し
応力により進行し、製氷熱交換器の破損を招いてしまう
ことになる。

【００１０】以上のように、氷充填率と単位時間あたり
の蓄熱効率を高めるのにはプレ−ト式製氷熱交換器を用
いるのが有効であるものの、氷蓄熱式空気調和装置のよ
うに比較的高い圧力がかかる製氷熱交換器として用いる
ことのできるプレ−ト式製氷熱交換器を得るための有効
な手法は未だない。

【００１１】したがって本発明の目的は、氷蓄熱式空気
調和装置で要求される強度にも十分に耐え得るようなプ
レ−ト式製氷熱交換器の提供にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的のために本発明
では、全体的に平板状の外観形状を有するプレ−ト式製
氷熱交換器において、板材を重ね合わせた状態で必要部
位に施す溶接により接合した後、この接合板材の未溶接
部をその内部から加える膨張圧により膨張変形させるこ
とで、冷却媒体のための流路を形成してなることを特徴
としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に第１の実施形態によるプレ
−ト式製氷熱交換器を用いた氷蓄熱式空気調和装置の構
成を示し、図２にそのプレ−ト式製氷熱交換器の内部構
造を模式化して示す。図１の氷蓄熱式空気調和装置は、
上で説明した従来のそれと同様な内融式であり、その氷
蓄熱槽５に、プレ−ト式製氷熱交換器２４が複数枚を組
みにして用いられ、各プレ−ト式製氷熱交換器２４は氷
蓄熱槽５の底部に対しほぼ垂直となるように配置されて
いる。

【００１４】プレ−ト式製氷熱交換器２４は、後述する
ような板材２を用いて以下のようにして製造されたもの
である。まず板材２を２枚重ね合わせて必要部位に例え
ばシ−ム溶接やレーザビーム溶接で溶接部４を形成す
る。溶接部４の形成部位は、プレ−ト式製氷熱交換器２
４に与えようとする、その内部の冷却媒体用の流路８の
断面形状や配置などに応じて設定され、それには後述の
各例に見られるように、種々のタイプが可能である。溶
接部４を形成したら、その溶接部４により２枚の板材２
の間に密閉状態で形成された内部の空隙に膨張圧を加え
る。すると溶接部４の形状や配置などに応じて未溶接部
に膨張変形を生じ、これにより、図３にその断面形状の
一例を示すような流路８のための内部空間が形成されて
プレ−ト式製氷熱交換器２４が得られる。このように溶
接で板材を接合した後に膨張変形させることで流路を形
成する手法によると、膨張変形に伴って加わる荷重によ
り溶接部に圧縮残留応力が与えられ、この圧縮残留応力
により溶接部における疲労強度を増大させることができ
る。このことについて以下に説明する。

【００１５】き裂を有する金属材に、そのき裂を拡大す
る方向の引張荷重を加えると、そのき裂の先端近傍は塑
性変形するが、その周囲は弾性変形する。そして引張荷
重を除荷すると、弾性変形域の復元力によって塑性変形
域に圧縮応力が生じ、これがそのまま塑性変形域に圧縮
残留応力として残ることになり、この圧縮残留応力によ
りき裂についての疲労き裂進展限界値ΔＫthが上昇す
る。ΔＫとは応力拡大係数の全振幅のことで、応力拡大
係数は負荷応力とクラック長さ（き裂長さ）の関数であ
り、き裂の伝播による破壊の臨界条件を表すパラメ−タ
である。図１３は横軸にΔＫ、縦軸にき裂伝播速度ｄａ
／ｄＮ〔ｍ／ｃｙｃｌｅ〕をとって示したものである。
ΔＫを減少させていくと、あるΔＫにおいてき裂伝播速
度が急激に減少し、事実上き裂が伝播しなくなる。この
ときのΔＫを疲労き裂進展限界値ΔＫthとしている。図
１４は横軸にサイクルの下限応力と上限応力の応力比Ｒ
をとり、縦軸にΔＫthをとって示したものである。これ
に見られるようにΔＫthは応力比Ｒの増大に対して右下
がりの直線となる（このことは図１３のグラフにおいて
そのＳ字形の曲線が横軸に沿って移動することに対応し
ている）。したがって応力比Ｒを小さくする方向にもっ
ていくと、ΔＫthが向上する。

【００１６】応力比Ｒは上記の圧縮残留応力を大きくす
ることにより小さくすることができる。すなわち圧縮残
留応力を大きくすることは、上記の膨張圧変形で溶接部
に生じる引張応力を大きくすることであるが、これが応
力比Ｒにおける上限応力に対応し、一方、プレ−ト式製
氷熱交換器２４にその流路８を流れる冷却媒体により加
わる常用圧力によって生じる応力が応力比Ｒにおける下
限応力に対応するので、膨張圧を常用圧力に対して大き
くしていくことで、応力比Ｒを小さくすることができ
る。

【００１７】図１５は横軸に時間ｔ、縦軸に応力拡大係
数Ｋをとって負荷過程の一例を示したものである。予荷
重（膨張圧がこれに対応する）の後の除荷（Ｋ_PL−
Ｋ_UL）によって生じる閉口作用α（Ｋ_PL−Ｋ_UL）に対し
て、再荷重過程（Ｋ_max −Ｋ_UL）（プレ−ト式製氷熱交
換器にかかる常用圧力がこれに対応する）による開口作
用がΔＫthを上回った場合にき裂は進展する。このこと
から、き裂の進展を抑える条件に関して下記の数１が得
られる。なおαは材料固有の係数である。

【数１】Ｋ_max,th−Ｋ_UL−α（Ｋ_PL−Ｋ_UL）＝ΔＫth そしてこの数１から下記の数２が得られる。

【数２】Ｋ_max,th＝Ｋ_UL＋α（Ｋ_PL−Ｋ_UL）＋ΔＫth この式から、予荷重を行なわない場合に比べてＫ_max が
Ｋ_UL＋α（Ｋ_PL−Ｋ_UL）の分だけ向上することが分かる
（一度完全に除荷した場合はＫ_UL＝０）。

【００１８】本発明によるプレ−ト式製氷熱交換器は、
以上のような原理を利用しているものであり、溶接後の
膨張変形で流路８を形成することにより膨張圧として予
荷重を与え、これによりその溶接部４に圧縮残留応力を
残すことで、氷蓄熱式空気調和装置で要求される疲労強
度要求に応えることが可能となる。一般的にいえば予荷
重は、図１に示すような氷蓄熱式空気調和装置に用いた
プレ−ト式製氷熱交換器２４に、その流路８を流れる冷
却媒体により常用的にかかる上記したような圧力（常用
圧力）、つまり製氷時における５ｋｇｆ／ｃｍ² 程度の
圧力や解氷時における２０ｋｇｆ／ｃｍ² 程度の圧力よ
りも膨張圧を高くすることで与えることができるといえ
る。ただ、氷蓄熱式空気調和装置用として十分な信頼性
をプレ−ト式製氷熱交換器に与えるには膨張圧を常用圧
力よりも十分に大きくすることが望ましい。そのレベル
は実用的にみて、最大常用圧力（上記の例では２０ｋｇ
ｆ／ｃｍ² ）の１．５〜５倍程度であり、特に２〜３倍
程度の範囲が好ましいものである。

【００１９】以上のような原理を利用した本発明により
プレ−ト式製氷熱交換器を氷蓄熱式空気調和装置の製氷
熱交換器として利用できるようになることで、多くの利
点が得られる。まず従来の伝熱管タイプに比べて氷充填
率を高くすることができるという上記した利点がある。
また、プレ−ト式製氷熱交換器２４を形成するプレ−ト
つまり板材２そのものが冷却媒体の流路８を形成してい
るため、この流路８を流れる冷却媒体から製氷面までの
熱抵抗を大きくすることなく伝熱面積を増やすことがで
きる。このことは単位時間あたりの蓄熱能力の向上をも
たらす。すなわち氷充填率を増大させても製氷時間の増
加が少なくて済み、高い製氷効率が得られる。また同じ
製氷量で従来の伝熱管タイプと比べた場合に、製氷面に
生成させる氷の厚みが薄くて済む。このため伝熱管タイ
プに比べて、冷却媒体の蒸発温度を高めに設定すること
ができ、冷凍サイクルの成績係数(COP) を向上させるこ
とができる。

【００２０】上記のように複数枚のプレ−ト式製氷熱交
換器２４を氷蓄熱槽５に配置する構成については、プレ
−ト式製氷熱交換器２４に接続される冷却媒体の入口ヘ
ッダ２２と出口ヘッダ２３を蓄熱槽５の外部に配置する
ことで、蓄熱槽５の氷充填率をより高めることができ
る。そのようにするにはプレ−ト式製氷熱交換器２４の
入口配管６と出口配管７の何れもがプレ−ト式製氷熱交
換器２４の上部に接続される構成となるが、これには、
プレ−ト式製氷熱交換器２４を流れる冷却媒体に溶け込
んでいる圧縮機１２の潤滑油がプレ−ト式製氷熱交換器
２４の底部に溜まるおそれがあるという問題が伴う。す
なわち冷却媒体の蒸発に伴って冷却媒体から分離する潤
滑油が、特に冷却媒体の流れが遅い場合に、プレ−ト式
製氷熱交換器２４の底部に溜まり易くなるという問題で
ある。そこで、プレ−ト式製氷熱交換器２４の流路８
に、図３に示すような、ある程度管形状を模擬した断面
形状を与えることで、そこを流れる冷却媒体がプレ−ト
式製氷熱交換器２４の底部でその流速を極端に落とすこ
とがないようにするのが好ましく、このようにすること
で上記潤滑油の問題を効果的に解消することができる。

【００２１】また本実施形態によるプレ−ト式製氷熱交
換器２４は、図２に見られるように、全体として四角形
な平板状の外観形状を有するように形成されるととも
に、その複数本の流路８が何れもプレ−ト式製氷熱交換
器２４の上下方向に延在して互いに平行に並ぶようにさ
れている。このような構成によると、溶接部４の溶接方
向が特定の方向（本実施形態の場合は上下方向）に集中
することになり、その結果、溶接部４の端部４ａの数を
少なくすることができる。つまり製氷( 蓄熱) 運転と解
氷( 蓄熱利用) 運転に伴う高圧と低圧の繰り返しにより
機械的破損を生じる可能性のある溶接端部を減らすこと
ができ、プレ−ト式製氷熱交換器２４の信頼性をさらに
高めることができる。またこのような構成のプレ−ト式
製氷熱交換器２４については、流路８の端部８ａを、上
述した潤滑油が溜まるという問題に結びつくような冷却
媒体の流速の低下を招かない範囲で、複数本の流路８に
対して共有化させることにより、プレ−ト式製氷熱交換
器２４における圧力損失の低減を図ることができる。ま
たこの流路端部８ａの共有化は、流路端部８ａにおいて
冷却媒体に分岐と合流を生じさせ、このことでプレ−ト
式製氷熱交換器２４の製氷面に対する冷却媒体からの伝
熱をより均一にし、それ故に製氷厚さの偏りを極力抑え
ることができる。

【００２２】図４は、図２におけるＢＢ’部分の加圧前
での断面を模式化して示すものである。ＢＢ’部分のよ
うなコ−ナ−部は、材料の選択や寸法比の違いなどか
ら、意図する流路となるような膨張変形を一様に生じさ
せるのが困難な場合がある。そのような場合には、意図
する流路の形状に膨張変形を導くための予備変形部９
を、例えば意図する流路の断面形状に相似な断面形状に
して、設けておくのが好ましい。この予備変形部９は、
溶接に先立った前加工として板材２にプレス成形などに
より施すことになる。このような加工段階を踏むことに
より、膨張圧によるコ−ナ−部の膨張変形がスム−ズと
なり、無理な膨張変形によるしわの発生やそれから発展
して生じ得る破損などを効果的に防止することができ
る。

【００２３】本発明は上記のように常用圧力よりも大き
い膨張圧が予荷重として働くことで溶接部に生じる圧縮
残留応力を利用して強度の高いプレ−ト式製氷熱交換器
を得るものであるから、それに用いる板材には圧縮残留
応力が大きくなる材質のものが好ましい。例えば通常の
軟鋼では縦弾性係数Ｅが２０．７〜２．１５×１０４ｋ
ｇｆ／ｍｍ² であるのに対し、オ−ステナイトステンレ
ス鋼ではＥ≒１．９７×１０４ｋｇｆ／ｍｍ² である。
すなわちＥ＝σ（応力）／ε（ひずみ）から、同じ応力
に対するひずみはステンレス鋼の方が大きい。そしてひ
ずみが大きくて弾性域も広いほど予荷重後の除荷による
弾性域の復元力が強くなり、したがって圧縮残留応力は
大きくなる。そこでその高い耐蝕性も考慮すると、ステ
ンレス鋼は、本発明によるプレ−ト式製氷熱交換器の板
材として、より好ましいものの一つとなる。特に、製氷
用の水がＣｌ^- イオンを含有するなどして腐食性が高い
条件で用いられるプレ−ト式製氷熱交換器の場合には、
低炭素オ−ステナイトステンレス鋼や安定化オ−ステナ
イトステンレス鋼を使用するのが好ましく、これらを板
材に用いることで、圧縮残留応力による溶接部の信頼性
向上に加えて、さらに応力腐食割れに対する信頼性も向
上させることができる。

【００２４】また本発明によるプレ−ト式製氷熱交換器
の製造に際しては、溶接によって生じた引張残留応力を
除去するための応力除去熱処理を膨張圧の負荷前に施す
ことが望ましい。安定化オ−ステナイトステンレス鋼の
場合にはこの応力除去熱処理に代えて安定化熱処理を施
すことでもよい。それ以外のオ−ステナイトステンレス
鋼の場合には、溶接後に固溶化熱処理を行うのが望まし
い。またステンレス鋼の種類に限らず、溶接や各種熱処
理で発生する酸化スケ−ルを酸洗などにより除去するこ
とも望ましい処理である。

【００２５】図５に第２の実施形態によるプレ−ト式製
氷熱交換器の内部構造を模式化して示す。本実施形態で
は、冷却媒体の流路８の断面積を入口配管６の側から出
口配管７の側に向けて順次大きくしている。つまり全体
として四角形に形成されるプレ−ト式製氷熱交換器２４
の上下方向に延在して互いに平行に並ぶ複数本の流路８
を設けるについて、冷却媒体の流れに関して下流側にあ
る流路８の断面積の方が、上流側にある流路８の断面積
りも広くなるようにてある。このような構成とすること
により、冷却媒体の流れ方向での圧力損失の増大を抑え
ることができる。すなわち冷却媒体はプレ−ト式製氷熱
交換器２４の流路８を流下するのにしたがってその蒸発
が進みその乾き度を変化させる。つまり冷却媒体は、流
路８を流下するのにしたがってその乾き度が大きくな
り、これ伴って比体積も大きくなる。このため流路８の
断面積が一定のままであると、下流側におけるほど圧力
損失が増大することになるが、本実施形態におけるよう
に上流側から下流側に向けて流路８の断面積をそれが大
きくなるように変化させるようにしてあれば、この下流
側で圧力損失が増大するという現象を避けることができ
る。このことは、同じ冷却媒体の流量に関して圧縮機１
２（図１）での加圧力を小さくできることを意味し、し
たがって冷凍サイクルの効率を向上させることにもつな
がる。

【００２６】図６に第３の実施形態によるプレ−ト式製
氷熱交換器の内部構造を模式化して示す。本実施形態で
は、冷却媒体の流路を、入口配管６から流入する冷却媒
体をプレ−ト式製氷熱交換器２４の上下方向で下側に向
けて流す１本の縦流路８ｖと、この縦流路８ｖを流下し
て底部に至った冷却媒体をプレ−ト式製氷熱交換器２４
の左右方向で蛇行させながら出口配管７に向けて流す複
数本の横流路８ｈにより形成している。このような構成
とすることにより、冷却媒体がプレ−ト式製氷熱交換器
２４の底部に向けて流れるのを１本の縦流路８ｖに流れ
る場合だけとすることができ、したがって上記した冷却
媒体に溶け込んでいる圧縮機の潤滑油がプレ−ト式製氷
熱交換器２４の底部に溜まるという問題を効果的に避け
ることができる。またこのような構成は、板材２に施す
上下方向の溶接と横方向の溶接とのバランスがよくな
り、プレ−ト式製氷熱交換器２４の強度をより一層向上
させるのに寄与する。

【００２７】図７に第４の実施形態によるプレ−ト式製
氷熱交換器の内部構造を模式化して示す。本実施形態で
は、流路８を、そこに流れる冷却媒体がプレ−ト式製氷
熱交換器２４の上下方向で蛇行して流れるようにし且
つ、入口配管６から出口配管７に向けた冷却媒体の流れ
に関して、最も上流側に近いそれと、最も下流側に近い
それとが隣接するような配列にして形成している。上述
のようにプレ−ト式製氷熱交換器２４を流れる冷却媒体
は、流路８を流下しつつ熱交換を行なうのにしたがって
その乾き度を高めることになる、つまり徐々に液体の割
合を減らして気体の割合を高めることになるが、これに
伴って熱伝達率を低下させ、出口配管７の近くでは０．
９〜１という高い乾き度となって熱伝達率が最も低くな
る。そしてこのことはプレ−ト式製氷熱交換器２４の製
氷面における温度が不均一になることにつながる。この
問題を効果的に解消するのが本実施形態における構成で
ある。すなわち上記のような構成とすることで、熱伝達
率の最も高い冷却媒体が流れる流路と熱伝達率の最も低
い冷却媒体が流れる流路とが隣接する、つまり最も熱伝
達率の差が大きい冷却媒体が流れる流路同士が隣接し、
またこれに応じて次に熱伝達率の差が大きい冷却媒体が
流れる流路同士が隣接することになり、その結果、プレ
−ト式製氷熱交換器２４の製氷面における温度をより均
一なものとすることができ、したがって均一な氷を成長
させやすくなり、製氷時間を短縮することが可能とな
る。

【００２８】図８に第５の実施形態によるプレ−ト式製
氷熱交換器の内部構造を模式化して示す。本実施形態で
は、互いに平行に並ぶ複数本の流路８を設けるについ
て、これらの流路８を流れる冷却媒体にできるだけ流れ
方向の変更を生じさせないような配列としている。具体
的には、全体として四角形に形成されるプレ−ト式製氷
熱交換器２４の対角線方向に各流路８が平行に延在する
ようにするとともに、これらを仕切り用の溶接部４ｐに
より二つの流路ブロックに２分し、各流路ブロックにお
ける流路８での冷却媒体の流れ方向が全て同じになるよ
うにしている。このような構成とすることにより、冷却
媒体の流れにおける圧力損失を大幅に低くすることがで
きる。その結果、蒸発温度を高くすることができ、それ
だけ冷凍サイクルの効率を向上させることができる。ま
たこのような構成は、プレ−ト式製氷熱交換器２４の底
部で流路を若干絞ることによって冷却媒体の流速を上げ
るようにする構成を与えやすくする。このことは、上記
した冷却媒体に溶解の潤滑油がプレ−ト式製氷熱交換器
２４の底部に溜まるという問題を避けるのに有効であ
る。

【００２９】図９に第６の実施形態によるプレ−ト式製
氷熱交換器の内部構造を模式化して示す。本実施形態で
は、冷却媒体の流路を、入口配管６から流入する冷却媒
体をプレ−ト式製氷熱交換器２４の上下方向で下側に向
けて流す１本の縦流路８ｖと、この縦流路８ｖを流下し
て底部に至った冷却媒体を出口配管７に向けて流す多数
本の短い傾斜流路８ｉにより形成している。各傾斜流路
８ｉは、プレ−ト式製氷熱交換器２４の対角線方向で互
いに平行になって延在するようにするとともに、上流側
のそれと下流側のそれとでそれぞれの流路断面を互いず
らせるように配置してある。このような構成とすること
により、冷却媒体の流れにおける圧力損失を低くするこ
とができる。またこのような構成は、流路断面が流れ方
向にずれていることによる冷却媒体の分岐と合流の頻発
により、冷却媒体の組成（乾き度）の均一化を図ること
もできる。この結果、プレ−ト式製氷熱交換器２４の製
氷面における温度をより均一なものとすることができ、
したがって均一な氷を成長させやすくなり、製氷時間を
短縮することが可能となる。

【００３０】図１０に第７の実施形態によるプレ−ト式
製氷熱交換器における図３相当の流路断面を模式化して
示す。本実施形態は、図１０に見られるような断面形状
を流路８に与えることで、溶接部４の近辺における板材
２の変形が上記各実施形態における場合のそれよりも大
きくなるようにし、この大きな変形で溶接部４に、より
大きな引張応力が生じるようにしている。本実施形態に
よると、大きな圧縮残留応力を溶接部４に与えやすくな
り、したがって疲労強度のより高いプレ−ト式製氷熱交
換器を得やすくなる。本実施形態におけるように溶接部
４の近辺に大きな変形を生じさせるには、板材２の膨張
変形に際して適当な規制を加えるようにする。そのため
には、意図する変形形状に対応する雌型部を与えた図１
１に示すようなジグ１０Ａを用いて板材２の膨張変形を
高精度に規制するか、または図１２に示すような簡易な
ジグ１０Ｂを用いて、変形自由度の大きい中心部だけを
規制することで、溶接部４の近辺における変形を大きく
生じさせることができるようにする。

【００３１】ここで、以上の実施形態では液体・気体の
相変化を生じる冷却媒体を用いることを前提にしていた
が、本発明によるプレ−ト式製氷熱交換器またはそれを
用いた氷蓄熱式空気調和装置には、冷凍サイクル中は常
に液体状態であり、相変化を生じないタイプの冷却媒体
を用いることも、勿論可能である。そしてこのような冷
却媒体を用いれば、上で説明した相変化に伴う圧力変動
の問題は避けることができ、それだけプレ−ト式製氷熱
交換器の設計に自由度が高くなる。

【００３２】尚、全体的に平板状の外観形状とは、各実
施例を含む統括的な表現である。更に、２枚のプレート
に関し、実施態様以外の形状例もあり、全体的に平板状
と表現しにくい例もあるが、そうした例への拡張も当然
に可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、氷
充填率と単位時間あたりの蓄熱効率にすぐれるプレ−ト
式製氷熱交換器を、例えば氷蓄熱式空気調和装置におけ
るような高圧条件を必要とする装置の製氷熱交換器とし
て利用することが可能となり、これによりそのような装
置の性能を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプレ−ト式製氷熱交換器を用いる
ことのできる氷蓄熱式空気調和装置の構成図である。

【図２】第１の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図３】図２中のＡＡ’部の断面図である。

【図４】図２中のＢＢ’部の膨張変形前の断面図であ
る。

【図５】第２の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図６】第３の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図７】第４の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図８】第５の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図９】第６の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換器
の内部構造を模式化して示す図である。

【図１０】第７の実施形態によるプレ−ト式製氷熱交換
器における流路の図３相当の断面図である。

【図１１】膨張変形規制用のジグの模式化した断面図で
ある。

【図１２】他の例による膨張変形規制用の模式化した断
面図である。

【図１３】応力拡大係数幅に対するき裂伝播速度の変化
を表す図である。

【図１４】応力比Ｒに対する応力拡大係数幅の変化を表
す図である。

【図１５】応力拡大係数の負荷過程の一例を表す図であ
る。

【図１６】従来の内融式の氷蓄熱式空気調和装置の構成
図である。

【図１７】従来の伝熱管タイプの製氷熱交換器における
製氷状態の説明図である。

【図１８】プレス成形と溶接によるプレ−ト式製氷熱交
換器の断面図である。

【図１９】図１７中のＡ部の詳細図である。

【符号の説明】

２板材４溶接部８流路９予備変形部１０Ａ変形形状規制用のジグ１０Ｂ変形形状規制用のジグ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２８Ｆ 3/14 Ｆ２８Ｆ 3/14 Ｚ (72)発明者関谷禎夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者戸草健治静岡県清水市村松390番地株式会社日立空調システム清水生産本部内 (72)発明者河内政輝東京都千代田区神田須田町一丁目23番地２株式会社日立空調システム内Ｆターム(参考） 3L103 AA01 AA11 AA27 BB42 CC02 DD13 DD56

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全体的に平板状の外観形状を有するプレ
−ト式製氷熱交換器において、板材を重ね合わせた状態
で必要部位に施す溶接により接合した後、この接合板材
の未溶接部をその内部から加える膨張圧により膨張変形
させることで、冷却媒体のための流路を形成してなるこ
とを特徴とするプレ−ト式製氷熱交換器。
【請求項２】流路に流れる冷却媒体により当該流路に
加わる常用圧力よりも大きな膨張圧を加えることで予荷
重が与えられている請求項１に記載のプレ−ト式製氷熱
交換器。
【請求項３】冷却媒体の流路が形成される部分の少な
くとも一部に、前記膨張変形に際しての前記流路の形状
を誘導するための予備変形を、前記常用圧力よりも大き
な膨張圧による膨張変形で前記流路の形成を可能とする
範囲で、予め与えてある板材が用いられている請求項２
に記載のプレ−ト式製氷熱交換器。
【請求項４】膨張変形に際して外部から変形形状を規
制することで、溶接部近辺に大きな変形を与えてある請
求項１〜請求項３の何れか１項に記載のプレ−ト式製氷
熱交換器。
【請求項５】流路の断面積を冷却媒体の流下方向で変
化させてある請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の
プレ−ト式製氷熱交換器。