JP2008190863A - プレート熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクルシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】略水平方向に積層されたプレートを介して、冷媒の通る冷媒分流路と冷媒と熱交換される別の流体の通る別流体分流路とが交互に形成されかつプレートの下部を積層方向に貫通して形成され一端が開口し他端が閉口された管状の冷媒取入流路を備えたプレート熱交換器において、冷媒取入流路内にこれから各冷媒分流路への冷媒流入量を開口側から閉口側への冷媒分流路で均一にする冷媒分配手段を設け、冷媒分配手段は筒体側面の一部の湾曲した筒片部材を頂点から底辺への垂線が筒体の軸線と平行な二等辺三角形に形成した二等辺三角形状筒片を筒型となるよう多数枚組み合わせ二等辺三角形状筒体の外径が全長に渡り冷媒取入流路の内径に近い外径となる形態を有する。
【選択図】図14
Description
図34乃至図36において、図中の符号10は冷却装置としてのプレート熱交換器であって、前部のカバー10aと後部のカバー10bとの間に、縦に置かれた所要枚数のプレート10cが略水平方向に多数積層されて、冷媒が通る冷媒分流路12と、この冷媒分流路12を流れる冷媒と熱交換される別の流体としての、例えばブラインの通る別流体分流路(以下、ブライン流路ともいう)11とがプレート10cを介して交互に形成されている。
一方、この冷却装置の下部には各ブライン流路11の下端に沿って各ブライン流路11と連通するブライン排出流路13b(図34参照)が、又、各冷媒分流路12の下端に沿って各冷媒分流路12と連通する冷媒取入流路14aとがそれぞれ形成されている(図34参照)。この冷媒取入流路14aは、多数積層されたプレートを積層方向に貫通する管状に形成されており、管の一方端が開口し他方端が閉口されている。
尚、ブライン取入流路13aの一端は上部A側ノズル11aとして、ブライン排出流路13bの一端は下部A側ノズル11bとして、それぞれプレートの積層方向の一方側に突き出るように形成されている。
又、同様に、冷媒取入流路14aの一端は下部B側ノズル12aとして、冷媒排出流路14bの一端は上部B側ノズル12bとして、それぞれプレートの積層方向の一方側に突き出るように形成されている(図34、図35参照)。
他方、ブラインは、上部A側ノズル11aからブライン取入流路(非図示)に流入し、そこから各ブライン流路11を流れて(図34では上から下へ流れる)、ブライン排出流路13bを経て、下部A側ノズル11bから出て行く。
冷媒取入流路14aへと放出された冷媒は、各冷媒分流路12に分かれて、上方へと流れながら、隣接するブライン流路11を対向して流れる別流体としてのブラインと熱交換して、ブラインを冷ブライン化させた後、冷媒ガスとなって冷媒排出流路14bを経て上部B側ノズル12bから流出する。
しかし、通常のプレート熱交換器では、冷媒取入流路内の冷媒は流速が早く、液状の冷媒が冷媒取入流路の奥の方即ち閉口端側に多く偏って流れ込んでしまう傾向がある。
このため、冷媒取入流路から各冷媒分流路への流入量の分配を均等にすることがでず、別流体との熱交換効率を十分に改善させることができなかった。
本発明は、かかる課題を解決し、熱交換効率の高いプレート熱交換器及びそれを用いた冷凍サイクルシステムの提供を目的とする。
又、プレート熱交換器の冷媒取入流路内に、冷媒の流速や乾き度などに適した最適な手段が設置されたプレート熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクルシステムを提供できる。
実施の形態1は、略水平方向に積層されたプレートを介して、冷媒の通る冷媒分流路と、この冷媒と熱交換される別の流体の通る別流体分流路とが交互に形成されると共に、前記プレートの下部を当該プレートの積層方向に貫通して形成され、一方端が開口し他方端が閉口された管状の冷媒取入流路を備えたプレート熱交換器における上記の冷媒取入流路内に、冷媒取入流路から各冷媒分流路への冷媒の流入量を、開口側の冷媒分流路から閉口側の冷媒分流路にかけて均一にする冷媒分配手段を設け、上記の冷媒取入流路と各冷媒分流路との連通部を、冷媒取入流路の周面を環状に巡って開口する環状開口とした構成のものである。
冷媒取入流路14aは、多数積層されたプレート16を積層方向に貫通する管状に形成されており、その一方端が開口して冷媒流入口12aとされ、他方端は閉口されている。この冷媒取入流路14aと各冷媒分流路12との連通部は、冷媒取入流路14aの周面を環状に巡って開口する環状開口としてある。
他方、ブライン流入口11aから流入したブラインは、ブライン取入流路(非図示)を通って、各ブライン流路11に分配され、隣接する冷媒分流路12を流れる冷媒との熱交換によって冷却された後、ブライン排出流路13bを経てブライン流出口11bから流出される(図3参照)。
圧縮機1で圧縮されたガス冷媒は凝縮器2で凝縮されて液冷媒となり、膨張弁3を通って減圧され、プレート熱交換器10に入る。プレート熱交換器10内部では前述のような動作を経た後、プレート熱交換器10から出た冷媒は再び圧縮機1に戻る。
他方、プレート熱交換器10のブライン回路2には各種空調・冷却装置(非図示)が接続されており、プレート熱交換器10で冷却されたブラインによって、冷房・冷凍の負荷をまかなう。
膨張弁3で減圧されて冷媒取入流路14aに流入する冷媒は、液冷媒とガス冷媒とが混合した二相状態である場合があり、この二相状態の際に、プレート熱交換器10内での各冷媒分流路12への冷媒分配の不均一が発生し易い。
冷媒取入口14aの開口側の冷媒流入口12aから流入する冷媒は、或る程度の流速を持っており、ガス冷媒に比べて密度の大きい液冷媒は、運動エネルギーが大きいため、冷媒取入口14aの奥即ち閉口側まで到達してしまい、閉口側近くに位置する冷媒分流路 (以下、閉口側冷媒分流路という)12程流入し易くなり、開口側近くに位置する冷媒分流路(以下、開口側冷媒分流路という)12程流入し難くなる。
逆に、密度の小さいガス冷媒は、開口側近くに位置する冷媒分流路12程流入し易くなり、開口側近くに位置する冷媒分流路12程流入し難くなる。
上記のように、密度の大きい液冷媒は、閉口側冷媒分流路12へ大量に流れ、開口側冷媒分流路12へは少量しか流ないので、図6に示されるような、冷媒分流路12の位置による冷媒流量の不均一さが発生し、結果としてプレート熱交換器10の熱交換効率を悪化させる。
この冷媒分配手段の一例を図7乃至図11に基づいて説明する。図7は冷媒分配手段の設置状態を示す断面図、図8は冷媒分配手段の平面図、図9は冷媒分配手段の3つの個所における各横断面図、図10は冷媒の分配状体を示す第2の説明図、図11は冷媒の分流量を示す第2の説明図である。
上記の楕円は、その長径が開口側冷媒分流路12から閉口側冷媒分流路12に及ぶ長さをもち、少なくともその長径の一方端が最も閉口側に位置する冷媒分流路12に及んでいる。
又、斜断筒体17の設置は、プレート熱交換器10の組み立ての際に冷媒取入流路14a内に形成してもよいし、後述のように、プレート熱交換器を組み立てた後にその開口側から挿入して所定位置に設置してもよい。
図10において、冷媒取入流路14a内に斜断筒体17を装着することで、ガスと液の二相状態で流入した冷媒は、従来に比べて、液冷媒が開口側の冷媒分流路12にも十分に流入するので、図11に示すように各冷媒分流路12への冷媒流入量を、上記楕円の形状を使用環境に応じて適宜形成することによって、均一化させることができる。
従って、これにより、冷媒の分配が改善され、各冷媒分流路12に均等に冷媒が流れるので、結果的にプレート熱交換器10の熱交換効率を向上させることができる。
要するに、楕円の切り口の面や形状は、冷媒の流速、流量や乾き度等の使用環境に応じて、各冷媒分流路12への流入量が均一化されるように、冷媒取入流路14aと各冷媒分流路12との連通部における流入面積を、開口側冷媒分流路12から閉口側冷媒分流路12へと次第に小さく、狭くなって行くように形成すればよい。
従って、図14に示すように、冷媒分配手段として、筒体が略王冠形に形成された二等辺三角形状筒体18としてもよい。
更には、底辺の短い二等辺三角形を4枚以上として、多数枚を組み合わせて形成してもよい。
冷媒分配手段としてこのような二等辺三角形状筒体18を用いても、上記と同様の作用効果が発揮できるだけでなく、更に次のような作用効果も発揮される。
例えば、仮に、組み立てられたプレート熱交換器10の冷媒取入流路14a内に挿入して設置する場合に、当該冷媒取入流路14aの軸を中心とする回転方向に対して、例えば垂直上方に向けたいという最適な角度があったとすると、上記のような斜断筒体17であれば、切り口が一面しかないため、その最適角度若しくはそれに近い角度に調整するに当たって、逆転状態とならないように注意を要するため、設置に手間が生じる。
図示の例では、3枚の二等辺三角形状筒片で二等辺三角形状筒体18を構成しているが、回転方向に対する自由度は、多数枚の二等辺三角形状筒片筒体で構成する程増すので、これに限らず、6枚或いは8枚と、枚数は多い程よい。
図15において、通常のプレート熱交換器10の冷媒取入流路14aの開口部としての冷媒流入口12aは、図示のように、外周にネジ山が切られており、これを利用して冷媒供給用配管が接続される。図中20は冷媒流入口12aへの配管を接続させるナットであり、21は冷媒供給用配管である。
そこで、この実施の形態1では、図16に示すように、上記の冷媒流入口12aのネジ山を利用した装着装置としての固定具22を用いることとした。これを、二等辺三角形状筒体18(以下、冷媒分配手段18ともいう)を例にして説明する。
尚、図中の符号23は冷媒分配手段18を固定具22に一体的に支持させる連結手段としての連結支持部材である。
しかも、この手段によれば、プレート熱交換器10自体には何等の加工も、改造も要さない。これは、手間や工程削減という意味でも効果的である。
図17及び図18に示すように、斜断円柱体24は、冷媒取入流路14aの内径とほぼ等しい外径の円柱を斜めに切断した形状であって、筒体を円柱とした点だけが異なり、その他の構成及び作用効果の全ては、上記の斜断筒体17と同様である。
しかも、冷媒取入流路14aの開口側から閉口側にかけての各冷媒分流路12の環状開口の開口面積、即ち、冷媒取入流路14aから冷媒分流路12への流入面積が狭くなるため、冷媒流入口12aの開口側から閉口側に位置する冷媒分流路12程、次第に流入抵抗が増加し、冷媒が流れ難くなる。
従って、この斜断円柱体24によれば、斜断筒体17の場合と同様に、斜断円柱体24の切り口等の形態を適宜に形成することにより、冷媒の分配が均等化されて、熱交換効率を向上させることができる。
即ち、この斜断円柱体24によれば、斜断筒体17や二等辺三角形状筒体18と異なり、中身の詰まった円柱で形成されているため、その体積分だけ冷媒取入流路14aの容積を低減させることができるので、結果として、冷媒回路全体の所要冷媒量を、従来に比べて、より削減することができる。
実施の形態2は、上記実施の形態1のプレート熱交換器10の冷媒取入流路14a内に流入する冷媒の流れの抵抗となって、当該冷媒を構成する液冷媒とガス冷媒とを混合する冷媒混合手段を設けた構成としたものである。以下、これを図19乃至図25に基づいて説明する。尚、プレート熱交換器10は実施の形態1と同様であるのでその説明を省略し、以下、冷媒取入流路14a内に設置される冷媒混合手段につて説明する。
適宜間隔に複数配置された環状体26a〜26dの内円の径は何れも同径としているが、図21で示す冷媒混合手段28のように、開口側から閉口側への配置の順に小さい径となるよう、内径が異なるように形成された環状体を配置してもよい。
尚、環状体26の設置枚数は、勿論、4枚に限らず、適宜枚数とればよい。又、配置間隔も図示のように等間隔に限定するものではなく、使用環境に応じて適宜設定すればよい。
実施の形態2においては、この連結支持部材27を介して、複数の環状体26a〜26dから成る冷媒混合手段25を一体化させ、更に、この冷媒混合手段25を、図示してはいないが、上記実施の形態1における装着装置としての固定具22を介して、プレート熱交換器10に装着されている。
又、複数配置される環状体の内径を変化させることによって、例えば開口側から閉口側への配置の順に内径を小さくすると、液冷媒の閉口側への片寄った流れ込みを効率よく解消することができる。
即ち、設置された円柱体29、30或いは円盤体33a〜33dが、冷媒の流れに対して抵抗となるので、冷媒を構成する液冷媒とガス冷媒とがより混合され均一化されて各冷媒分流路(12)に流入するので、冷媒分配が均一化され、熱交換効率を向上させることができる。
この例では、4個の円柱体31a、31b、31c、31dを同じ長さに形成しているが、勿論、使用環境に応じて適宜異なる長さとしてもよい。
このような構成によって、より効果的な冷媒の混合が可能になり、プレート熱交換器10の熱交換効率を向上させることができる。
尚、一本の円柱体29において、開口側から閉口側へかけて空隙率が次第に小さくなるように構成しても上記と同様の作用効果を発揮させることができる。
これら複数の円盤体33を、冷媒の流速や乾き度等の使用環境に応じて適宜、適当間隔にて配置することで、上記と同様の作用効果をより効率的に発揮させることができる。
又、上記の円柱体29,30と比べると、少量の多孔質透過部材を用いて冷媒混合手段を構成することができる。
又、図示されていない当該連結支持部材を介して上記の装着装置としての固定具22を用いてプレート熱交換器10の冷媒取入流路14aに装着される点も同様である。
しかも、一般に多孔質透過部材は流体の流動音を低減させる特性を持つので、上記の各冷媒混合手段29、30、32、35を用いることにより、騒音の低いプレート熱交換器10を提供することができる。
実施の形態3は、上記実施の形態1のプレート熱交換器10の冷媒取入流路14a内に、冷媒の流れ方向を変える冷媒流れ方向変更手段を設けた構成としたものである。以下、これを図26乃至図33に基づいて説明する。
尚、プレート熱交換器10は実施の形態1と同様であるのでその説明を省略し、以下、冷媒取入流路14a内に設置される冷媒流れ方向変更手段について説明する。
この捩りテープ体36を、冷媒取入流路14aの内部に装着することで、冷媒流入口12aから冷媒取入流路14aに沿った冷媒の流れ方向に、回転方向の流れを発生させ、その遠心力によって、各冷媒分流路12への冷媒の流入を促進させることができる。
尚、図26ではテープの捩り回転数を5回としているが、勿論、これに限定されず、使用環境に応じた回数とすればよい。
上記のように、冷媒取入流路14a内に複数の案内板37を上記のように配置することにより、上記捩りテープ体36と同様の作用効果が発揮される。
この円形の案内板37は、勿論平面に限る必要はなく、例えば図31に示す案内板38のように、傾き方向に湾曲させた曲面としてもよい。
尚、図33に示すように、使用環境に応じて上記の円錐形や円錐体を適宜変形させ、例えば、図33に示すように、円錐体の表面に頂点から底辺側に向けて曲面を設けた形態としてもよい。
又、上記捩りテープ体36や円錐状案内部材40、42では、いずれも回転方向に対する指向性がないため、上記実施の形態1において説明した冷媒分配手段18の場合と同様に、冷媒取入流路14aの内部に設置する際、その向きを調整する必要が無く、従って製造・組立上の手間を軽減させる。
又、この冷媒流れ変更手段39では、図示されてはいないが、上記実施の形態1における装着装置としての固定具22を介して、プレート熱交換器10に装着されている。
又、冷媒流れ方向変更手段を図32や図33に示すような構成にすることによって、その体積分だけ冷媒取入流路14aの容積が低減し、結果として冷媒回路全体の冷媒量を削減できるという効果も得ることができる。
又、上記実施の形態1及び形態3で示した冷媒分配手段や冷媒混合手段や冷媒流れ方向変更手段を備えたプレート熱交換器を有する冷凍サイクルシステムにおいても、装備された冷媒分配手段や冷媒混合手段や冷媒流れ方向変更手段に応じた作用効果を発揮させることができる。
Claims (23)
- 略水平方向に積層されたプレートを介して、冷媒の通る冷媒分流路と、前記冷媒と熱交換される別の流体の通る別流体分流路とが交互に形成されると共に、前記プレートの下部を当該プレートの積層方向に貫通して形成され、一方端が開口し他方端が閉口された管状の冷媒取入流路を備えたプレート熱交換器において、
前記冷媒取入流路内に、当該冷媒取入流路から前記各冷媒分流路への冷媒の流入量を、開口側の冷媒分流路から閉口側の冷媒分流路にかけて均一にする冷媒分配手段を設け、
前記冷媒分配手段は、筒体の側面の一部を構成する湾曲した筒片部材を、頂点から底辺に向かう垂線が前記筒体の軸線と平行な二等辺三角形に形成した二等辺三角形状筒片を、筒型となるよう多数枚組み合わせて、組み合わされた二等辺三角形状筒体の外径が、当該二等辺三角形状筒体の全長にわたって、冷媒取入流路の内径に近い外径を持つ形態であることを特徴とするプレート熱交換器。 - 二等辺三角形状筒体は、少なくとも3枚の同形の二等辺三角形状筒片の組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載のプレート熱交換器。
- 略水平方向に積層されたプレートを介して、冷媒の通る冷媒分流路と、前記冷媒と熱交換される別の流体の通る別流体分流路とが交互に形成されると共に、前記プレートの下部を当該プレートの積層方向に貫通して形成され、一方端が開口し他方端が閉口された管状の冷媒取入流路を備えたプレート熱交換器において、
前記冷媒取入流路内に、流入する冷媒の流れの抵抗となって当該冷媒を構成する液冷媒とガス冷媒とを混合する冷媒混合手段を設けたことを特徴とするプレート熱交換器。 - 冷媒混合手段は、冷媒取入流路の内径に近い外径を有する環状体であることを特徴とする請求項3に記載のプレート熱交換器。
- 環状体は、開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置されたことを特徴とする請求項4に記載のプレート熱交換器。
- 複数配置された各環状体の内円の径は、開口側から閉口側への配置の順に小さいことを特徴とする請求項5に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒混合手段は、冷媒取入流路内を満たすよう円柱状に形成された多孔質透過部材であることを特徴とする請求項3に記載のプレート熱交換器。
- 多孔質透過部材は、開口側から閉口側にかけて次第に空隙率が小さいことを特徴とする請求項7に記載のプレート熱交換器。
- 多孔質透過部材は、開口側から閉口側にかけて段階的に空隙率が小さいことを特徴とする請求項7に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒混合手段は、冷媒取入流路の内径に近い外径を有するよう形成された多孔質の円盤体であることを特徴とする請求項3に記載のプレート熱交換器。
- 円盤体は、開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置されたことを特徴とする請求項10に記載のプレート熱交換器。
- 複数配置された各円盤体の空隙率は、開口側から閉口側への配置の順に小さいことを特徴とする請求項11に記載のプレート熱交換器。
- 略水平方向に積層されたプレートを介して、冷媒の通る冷媒分流路と、前記冷媒と熱交換される別の流体の通る別流体分流路とが交互に形成されると共に、前記プレートの下部を当該プレートの積層方向に貫通して形成され、一方端が開口し他方端が閉口された管状の冷媒取入流路を備えたプレート熱交換器において、
前記冷媒取入流路内に、流入する冷媒の流れ方向を変える冷媒流れ方向変更手段を設けたことを特徴とするプレート熱交換器。 - 冷媒流れ方向変更手段は、テープ状部材の長手方向を軸として捩りを加えた形状の捩りテープ体であることを特徴とする請求項13に記載のプレート熱交換器。
- 捩りテープ体は、開口側から閉口側にかけて、捩りのピッチ及びテープ幅の何れか一方又は双方が異なることを特徴とする請求項14に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒流れ方向変更手段は、開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置された案内板であることを特徴とする請求項13に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒流れ方向変更手段は、開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置された円錐状案内部材であることを特徴とする請求項13に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒取入流路の開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置された冷媒混合制手段を構成する各構成部材は、連結手段を介して一体化されたことを特徴とする請求項5、請求項6、請求項10乃至請求項12の何れか1項に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒取入流路の開口側から閉口側にかけて適宜間隔に複数配置された冷媒流れ方向変更手段を構成する各構成部材は、連結手段を介して一体化されたことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒分配手段は、開口側から冷媒取入流路に挿脱自在に挿入され、当該冷媒分配手段と一体に設けられた固定具を介して前記該開口部に着脱自在に装着されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒混合手段は、開口側から冷媒取入流路に挿脱自在に挿入され、当該冷媒分配手段と一体に設けられた固定具を介して前記該開口部に着脱自在に装着されることを特徴とする請求項3乃至請求項12、及び請求項18の何れか1項に記載のプレート熱交換器。
- 冷媒流れ変更手段は、開口側から冷媒取入流路に挿脱自在に挿入され、当該冷媒分配手段と一体に設けられた固定具を介して前記該開口部に着脱自在に装着されることを特徴とする請求項13乃至請求項17、及び請求項19の何れか1項に記載のプレート熱交換器。
- 請求項1乃至請求項22の何れか1項に記載のプレート熱交換器を備えたことを特徴とする冷凍サイクルシステム。
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