JP2014222115A

JP2014222115A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2014222115A
Application number: JP2013101050A
Authority: JP
Inventors: 智志中西; Satoshi Nakanishi
Original assignee: Mitsubishi Electric Building Techno Service Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Building Solutions Corp
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: JP6266228B2

Abstract

【課題】熱交換器において、流体が流れる流路において異物の堆積を防止することを可能とすることである。【解決手段】第１伝熱板１６と第２伝熱板１８を積層配置し、各層間の空隙を交互に冷媒流路６０及び熱媒体流路６２とする熱交換器１０であって、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８には流路の入口端から出口端に向かって波型の折曲部が設けられて冷媒流路６０及び熱媒体流路６２に流路抵抗が形成され、折曲部の形成密度は、入口端に比べ出口端が疎である。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に係り、特に、複数の伝熱板を積層配置し、各層間の空隙を交互に熱媒体流路及び冷媒流路とする熱交換器に関する。

従来から、積層された複数の伝熱板の各層間の空隙に、熱媒体が流れる熱媒体流路と、冷媒が流れる冷媒流路とが交互に形成されて、伝熱板を介して熱媒体と冷媒とが熱交換を行う熱交換器が知られている。

本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、複数枚の第１伝熱板と複数枚の第２伝熱板とが交互に積層され、積層された伝熱板同士の間には、第１流体と第２流体とが伝熱板を介して熱交換をするように第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成されるプレート式熱交換器が開示されている。

特開２０１１−１３７６２３号公報

熱交換器において、例えば、熱媒体が流れる配管の腐食等によって生じる錆等の異物が熱媒体に混ざると、熱媒体流路の下流側で異物が堆積してしまうことがある。このように異物が堆積した領域では、熱媒体の滞留により熱媒体が過度に冷却される。これによって、熱媒体が凍結して熱媒体の体積が増えてしまうと伝熱板に亀裂が生じる可能性がある。

本発明の目的は、流体が流れる流路において異物の堆積を防止することを可能とする熱交換器を提供することである。

本発明に係る熱交換器は、複数の伝熱板を積層配置し、各層間の空隙を交互に熱媒体流路及び冷媒流路とする熱交換器であって、各伝熱板には流路の入口端から出口端に向かって波型の折曲部が設けられて各流路に流路抵抗が形成され、折曲部の形成密度は、入口端に比べ出口端が疎であることを特徴とする。

また、本発明に係る熱交換器において、波型の折曲部は、対称軸の両側において杉綾の稜線が線対称となるように折り曲げられたヘリンボーン形状部であり、対向する積層伝熱板のへリンボーン形状部は、杉綾の稜線が点接触するように配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る熱交換器において、対向する積層伝熱板において、対称軸を重ね合わせたときのヘリンボーン形状部の面方向に沿った杉綾の向きが逆向きとなることが好ましい。

本発明によれば、折曲部の形成密度が入口端に比べ出口端が疎となるように伝熱板が形成されている。これにより、流路抵抗は上流側に比べて下流側が小さくなるため、下流側において異物が流れやすくなる。したがって、下流側での異物の堆積を防止することができる。

本発明に係る実施形態の熱交換器を示す図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第１伝熱板の平面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第２伝熱板の平面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器において、第１伝熱板と第２伝熱板とを対向させたときの部分断面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第１伝熱板の第１変形例の平面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第２伝熱板の第１変形例の平面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第１伝熱板の第２変形例の平面図である。本発明に係る実施形態の熱交換器の一部を構成する第２伝熱板の第２変形例の平面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、プレート式の熱交換器１０を示す図である。図２は、熱交換器１０の一部を構成する第１伝熱板１６の平面図である。図３は、熱交換器１０の一部を構成する第２伝熱板１８の平面図である。図４（ａ）は、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８とを対向させたときのＡ−Ａ線（図２参照）の部分断面図である。図４（ｂ）は、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８とを対向させたときのＢ−Ｂ線（図２参照）の部分断面図である。

熱交換器１０は、２枚のフレーム１２，１４の間に第１伝熱板１６と第２伝熱板１８とが交互に重ね合わされるように積層配置されて構成される。第１伝熱板１６と第２伝熱板１８との間の空隙には、交互に冷媒流路６０及び熱媒体流路６２が形成されている。

第１伝熱板１６は、四隅に冷媒の入口通路２０及び出口通路２２と熱媒体の入口通路２４及び出口通路２６とを構成するための開口２８〜３４が形成されている。第２伝熱板１８も第１伝熱板１６と開口２８〜３４が同様に形成されている。

最初に、フレーム１２，１４、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８の配置関係について具体的に説明する。図１において最も手前側に位置する第１伝熱板１６で構成される第１プレート４６は、四隅にシール部材４７を挟んでフレーム１２と接合される。

また、第２伝熱板１８で構成される第２プレート４８は、開口３２及び開口３４にシール部材４７を挟んで、第１プレート４６と接合される。これにより、第１プレート４６の杉綾の稜線と第２プレート４８の杉綾の稜線が複数の箇所で点接触して第１プレート４６と第２プレート４８との間に冷媒流路６０が形成され、開口２８から流入した冷媒は冷媒流路６０を通って開口３０から流出することが可能となる。

さらに、第１伝熱板１６で構成される第３プレート５０は、開口２８及び開口３０にシール部材４７を挟んで、第２プレート４８と接合される。これにより、第２プレート４８の杉綾の稜線と第３プレート５０の杉綾の稜線が複数の箇所で点接触して第２プレート４８と第３プレート５０との間に熱媒体流路６２が形成され、開口３２から流入した熱媒体は熱媒体流路６２を通って開口３４から流出することが可能となる。

そして、第２伝熱板１８で構成される第４プレート５２は、開口３２及び開口３４にシール部材４７を挟んで、第３プレート５０と接合される。これにより、第３プレート５０の杉綾の稜線と第２プレート４８の杉綾の稜線が複数の箇所で点接触して第３プレート５０と第４プレート５２との間に冷媒流路６０が形成され、開口２８から流入した冷媒は冷媒流路６０を通って開口３０から流出することが可能となる。

このようにして、図１に示すように、隣り合う伝熱板間に冷媒流路６０、熱媒体流路６２、冷媒流路６０、熱媒体流路６２、・・・の順序で各流路６０，６２が形成されるように、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８とが交互に重ね合わされ、これらが一体的にろう付けされている。

一方（図１の手前側）のフレーム１２には、開口２８〜３４に対応して配管６４〜７０が接続されている。開口２８に対応した配管６４は冷媒導入配管、開口３０に対応した配管６６は冷媒導出配管、開口３２に対応した配管６８は熱媒体導入配管、開口３４に対応した配管７０は熱媒体導出配管である。

次に、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８の具体的な構造について説明する。第１伝熱板１６には、入口端から出口端に向って折曲部が形成されている。この折曲部は、波を形成する山部（図２における太線部分）と谷部（図２における細線部分）とが交互に形成されるように折り曲げられる。

この折曲部について更に詳しく説明すると、山部と谷部の延伸方向が、図２の右方向に向うにしたがって下側に傾斜するように形成された下流側傾斜部３６と、上側に傾斜するように形成された上流側傾斜部３８とが交互に配置されたヘリンボーン形状となっている。

ここでは、図２のＡ−Ａ線断面及びＢ−Ｂ線断面で第１伝熱板１６を見たときの図４（ａ）及び図４（ｂ）に示される山部と谷部の形状を第１伝熱板１６の波型とする。そして、図２に示される平面で第１伝熱板１６を見たときの面方向に沿ったＶ字形状又は逆Ｖ字形状を第１伝熱板１６の杉綾とする。この場合、図２に示されるように第１伝熱板１６の杉綾の稜線（図２における太線部分）は、対称軸３３の両側で線対称となっている。

また、図２に示されるように、第１伝熱板１６の杉綾の稜線のうち、隣接する稜線の間隔は、熱媒体及び冷媒の入口端に比べて出口端の方が大きく、ここでは、例えば、出口端の稜線の間隔が、入口端の稜線の間隔の２倍であるとして説明する。このように、出口端の稜線の間隔が入口端の稜線の間隔よりも大きい場合には、第１伝熱板１６の折曲部の形成密度は、入口端に比べ出口端が疎となる。

一方、図３に示されるように、第２伝熱板１８も第１伝熱板１６と同様に、四隅に冷媒の入口通路２０及び出口通路２２と熱媒体の入口通路２４及び出口通路２６とを構成するための開口２８〜３４が形成されていると共に、入口端から出口端に向って折曲部が形成されている。そして、この第２伝熱板１８は、山部と谷部の延伸方向が、第１伝熱板１６と異なっている。

第１伝熱板１６では、図２に示されるように、左端から、下流側傾斜部３６、上流側傾斜部３８の順でヘリンボーン形状が構成されているのに対し、第２伝熱板１８では、図３に示されるように、左端から、上流側傾斜部４２、下流側傾斜部４４の順でヘリンボーン形状が構成されている。

そして、図３に示されるように、第２伝熱板１８の杉綾の稜線（図３における太線部分）のうち、隣接する稜線の間隔は、熱媒体及び冷媒の入口端に比べて出口端の方が大きく、ここでは、出口端の稜線の間隔が、入口端の稜線の間隔の２倍であるとして説明する。このように、第２伝熱板１８の折曲部の形成密度においても、入口端に比べ出口端が疎である。

ここで、第１伝熱板１６と、第１伝熱板１６と対向する第２伝熱板１８とは、それぞれの対称軸３３と対称軸４３とを重ね合わせたときに、第１伝熱板１６の杉綾の向きと第２伝熱板１８の杉綾の向きは逆向きとなるように積層配置される。

上述したように、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８の折曲部の形成密度は、入口端に比べ出口端が疎である。したがって、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８との重ね合わせによって形成され冷媒流路６０及び熱媒体流路６２を構成する溝の数は、図４（ａ）に示される上流側に比べて図４（ｂ）に示される下流側の方が多くなる。

そして、第１伝熱板１６と第２伝熱板１８が重ね合わされて形成される溝の高さは、図４（ａ）に示される上流側の高さをａとし、図４（ｂ）に示される下流側の高さをａ₁とすると、ａ＝ａ₁の関係となる。また、溝の幅は、図４（ａ）に示される上流側の幅をｂとし、図４（ｂ）に示される下流側の幅をｂ₁とすると、上述したように隣接する稜線の間隔は上流側に比べて下流側が２倍となるため、２×ｂ＝ｂ₁の関係となる。これにより、各溝の断面積は、上流側に比べて下流側が大きくなる。すなわち、冷媒流路６０及び熱媒体流路６２の流路抵抗は上流側に比べて下流側が小さくなる。

続いて、熱交換器１０の動作について、図１〜図４を用いて説明する。冷媒は、図１に破線で示す矢印のように、冷媒導入配管６４を経て各開口２８より冷媒流路６０を流れ、その後、各開口３０を経て冷媒導出配管６６より導出される。一方、熱媒体は、図１に実線で示す矢印のように、熱媒体導入配管６８を経て各開口３２より熱媒体流路６２を流れ、その後、各開口３４経て熱媒体導出配管７０より導出される。

このようにして冷媒及び熱媒体はそれぞれ冷媒流路６０及び熱媒体流路６２を流れ、伝熱プレート４８〜５６を介して冷媒と熱媒体とは熱交換を行う。そして、冷媒流路６０及び熱媒体流路６２内には、上述したように流路抵抗があり、冷媒及び熱媒体がそれぞれ乱流状態で流れているため、冷媒と熱媒体との熱交換は効率よく行われる。

ここで、仮に、熱媒体導入配管６８の配管の腐食等によって生じる錆等の異物が熱媒体に混ざり、異物が混ざった熱媒体が熱媒体流路６２を流れて下流側に向かうにつれて異物同士が集積して大きな異物となる課題を想定する。このような場合で熱交換器１０では、熱媒体流路６２の下流側において流路抵抗が低く形成されているため、大きな異物でも流れやすいという利点がある。また、熱媒体流路６２を構成する溝の断面積も上流側に比べて下流側の方が大きいため、異物が引っ掛かりにくいという利点がある。

なお、熱交換器１０では、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８の折曲部は、ヘリンボーン形状を有するものとして説明したが、折曲部の形成密度が入口端に比べ出口端が疎である限り、その他の形状であってもよい。

例えば、第１伝熱板１６ａを図５に示されるように、右方向に向うにしたがって上側に傾斜するように形成された上流側傾斜部６５を有するストライプ形状を有するものとしてもよい。この場合、第１伝熱板１６ａに対向する第２伝熱板１８ａは、図６に示されるように、右方向に向うにしたがって下側に傾斜するように形成された下流側傾斜部６７を有するストライプ形状を有するものする。このとき、第１伝熱板１６ａ及び第２伝熱板１８ａの稜線の間隔は、図５及び図６に示されるように、熱媒体及び冷媒の上流側に比べて下流側の方が大きい。これにより、冷媒流路６０及び熱媒体流路６２の流路抵抗は上流側に比べて下流側の方が小さくなるため、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８を用いた熱交換器１０と同様の効果を奏する。

また、上記では、第１伝熱板１６，１６ａ及び第２伝熱板１８，１８ｂは、稜線の間隔を下流側で大きくするものとして説明したが、対称軸３３，４３に対する稜線の傾斜角度を上流側に比べて下流側を大きくするものとしてもよい。例えば、図７に示されるように第１伝熱板１６ｂでは、対称軸３３に対して稜線がなす鋭角は上流側に比べて下流側が大きくなっている。また、第１伝熱板１６ｂに対向する第２伝熱板１８ｂでは、図８に示されるように、対称軸４３に対して稜線がなす鋭角は上流側に比べて下流側が大きくなっている。これにより、冷媒流路６０及び熱媒体流路６２の流路抵抗は上流側に比べて下流側の方が小さくなるため、第１伝熱板１６及び第２伝熱板１８を用いた熱交換器１０と同様の効果を奏する。

１０熱交換器、１２，１４フレーム、１６，１６ａ，１６ｂ第１伝熱板、１８，１８ａ，１８ｂ第２伝熱板、２０，２４入口通路、２２，２６出口通路、２８，３０，３２，３４開口、３３，４３対称軸、３６下流側傾斜部、３８上流側傾斜部、４２上流側傾斜部、４４下流側傾斜部、４６第１プレート、４７シール部材、４８第２プレート、５０第３プレート、５２第４プレート、６０冷媒流路、６２熱媒体流路、６４冷媒導入配管、６５上流側傾斜部、６６冷媒導出配管、６７下流側傾斜部、６８熱媒体導入配管、７０熱媒体導出配管。

Claims

複数の伝熱板を積層配置し、各層間の空隙を交互に熱媒体流路及び冷媒流路とする熱交換器であって、
各伝熱板には流路の入口端から出口端に向かって波型の折曲部が設けられて各流路に流路抵抗が形成され、
折曲部の形成密度は、入口端に比べ出口端が疎であることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
波型の折曲部は、対称軸の両側において杉綾の稜線が線対称となるように折り曲げられたヘリンボーン形状部であり、
対向する積層伝熱板のへリンボーン形状部は、杉綾の稜線が点接触するように配置されていることを特徴とする熱交換器。
請求項２に記載の熱交換器において、
対向する積層伝熱板において、対称軸を重ね合わせたときのヘリンボーン形状部の面方向に沿った杉綾の向きが逆向きとなることを特徴とする熱交換器。