JP4827905B2 - プレート式熱交換器、及びこれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器、及びこれを搭載した空気調和機に関する。

従来、プレート式熱交換器は、流体が層流で流れるため熱伝達向上が難しく、また、流体の熱伝達向上には流速増加が伴うため圧力損失が大きくなるという問題があった。
このような問題を解決するために、伝熱プレートのアスペクト比（横方向長さＷに対する縦方向長さＨの比）を小さくしたもの（例えば、特許文献１参照）、あるいは、波角度や形状を変化させたものがあった（例えば、特許文献２参照）。

特許第３２９２１２８号公報（第２頁−第３頁、図５、図６） 特許第３０４９４５０号公報（第３頁、図１、図２）

しかしながら、特許文献１記載の技術のように、アスペクト比を小さくすると流路断面積が大きくなり流速が低下するため、同一流量での熱交換効率が悪い。
熱伝達向上のため、波角度を大きくすると、流路を形成する隣接するプレート接合部のロウ付け面積が大きくなり流路が狭くなるため、圧力損失が増加し、加えて、隣接するプレートの接合点が減るため、強度不足になる。また、強度向上から隣接するプレートの接合点を増やすため波ピッチを小さくすると、接合点の増加により、圧力損失が増加する等の問題があった。

このため、特許文献２記載の技術のように、波角度や形状を変化させることもできるが、波角度が大きいハードな刻み目の領域では隣接するプレート接合部のロウ付け面積が大きくなり、波角度が小さいソフトな刻み目の領域では隣接するプレートの接合点が増えるため、強度向上とともに圧力損失も増加する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱伝達向上のため、波角度を大きく、波ピッチを小さくしても、流体の圧力損失増加を抑制することができるプレート式熱交換器、及びこれを搭載した空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係るプレート式熱交換器は、積層されて接合された複数の伝熱プレートの間に第１流路及び第２流路が形成され、第１流路及び第２流路にそれぞれ第１流体及び第２流体を通して伝熱プレートの間に流通させ、第１流体と第２流体との間で熱交換するプレート式熱交換器であって、伝熱プレートの表面に、第１、第２流体の流れに乱れを与えて熱交換を促進する伝熱促進面が設けられ、伝熱促進面は山部と谷部が伝熱プレートの高さ方向に沿って交互に繰り返され、前記山部の高さを当該山部の長手方向に波状に変化させて波部が形成され、隣接する伝熱プレートの接合部における波部の接合長さが伝熱プレートの幅に対して３０％を維持するように、前記波部が形成され、伝熱プレートの接合点数を調整したものである。
また、本発明に係る空気調和機は、上記のプレート式熱交換器を搭載したものである。

本発明に係るプレート式熱交換器によれば、隣接する伝熱プレートの接合部における波部の接合長さが伝熱プレートの幅に対し３０％を維持するように波部の高さを長手方向に変化させて接合点数を調整したので、必要最小限度の接合点数で流体の流路を構成することができ、従来と同等の強度を維持したまま、圧力損失の増加を抑制し、熱交換率を向上させることができる。このため、伝熱プレートの波角度を７０°〜８０°とし、波ピッチをほぼ４ｍｍとした場合であっても、圧力損失の増加の抑制、熱交換率の向上が可能となる。また、伝熱プレートの幅を縦横比４〜６の範囲内で狭くした場合は、伝熱プレート間に流入する流体の入口流速が大きくなり、伝熱プレート間の熱交換率がさらに向上する。
こうして、熱伝達が良く、強度を維持したまま、圧力損失の増加を最小限に抑制することができるので、安価で信頼性に優れたプレート式熱交換器、及びこれを搭載した空気調和機を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器を模式的に示した分解斜視図、図２は図１の組み立て状態の側面図、図３は図１の第１の補強用サイドプレートの正面図、図４は図１の第１の伝熱プレートの正面図、図５は図１の第２の伝熱プレートの正面図、図６は図１の第２の補強用サイドプレートの正面図である。
図１に示すように、プレート式熱交換器１において、最も外側に位置する２枚のプレート、すなわち第１の補強用サイドプレート２（図３参照）及び第２の補強用サイドプレート３（図６参照）の間に、２種類の伝熱プレート、すなわち第１の伝熱プレート１０１（図４参照）及び第２の伝熱プレート１０２（図５参照）が交互に積層され、それらがロウ付けによって一体的に接合されている。これら第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２のあいだには、第１流体が流れる第１流路Ａ、及び第２流体が流れる第２流路Ｂが交互に繰り返し形成されている。

第１、第２の補強サイドプレート２、３、及び第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２は金属製のほぼ矩形状の平板からなり、少なくとも伝熱プレート１０１、１０２の縦横比は４〜６の範囲内となっている。縦横比とは、伝熱プレート１０１、１０２の幅Ｗに対する高さの比であり、縦横比を４〜６にすることにより、流体の圧力損失増加を抑制してプレート式熱交換器１の熱伝達を向上させることができる。

第１の補強用サイドプレート２の左下部分及び右上部分にはそれぞれ第１流体の流入管４及び第１流体の流出管５が設けられており、左上部分及び右下部分にはそれぞれ第２流体の流入管６及び第２流体の流出管７が設けられている。

そして、第１の伝熱プレート１０１及び第２の伝熱プレート１０２には、第２の補強サイドプレート２の第１流体の流入管４、第１流体の流出管５、第２流体の流入管６、第２流体の流出管７に対応する位置に、それぞれ、第１開口１１１、第２開口１１２、第３開口１１３、第４開口１１４が形成されており、これら第１開口〜第４開口１１１〜１１４は、それぞれ、各第１流路の流入口、各第１流路の流出口、各第２流路の流入口、各第２流路の流出口を形成している。

第１開口１１１〜第４開口１１４の周りには、その周囲を覆い、かつ第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の表側または裏側に膨出する平坦なシール部（図示せず）が設けられている。このシール部は、第１流体が流れる第１流路Ａにおいては、第３開口１１３、第４開口１１４がシールされており、第２流体が流れる第２流路Ｂにおいては、第１開口１１１、第２開口１１２がシールされている。こうして、第１流路Ａへの第２流体の流入が阻止されると共に、第２流路Ｂへの第１流体の流入が阻止される。

第１の伝熱プレート１０１と第２の伝熱プレート１０２は交互に積層されており、第１開口１１１によって区画される第１流入空間１０、第２開口１１２によって区画される第１流出空間１１、第３開口１１３によって区画される第２流入空間１２、第４開口１１４によって区画される第２流出空間１３がそれぞれ形成される。

図４、図５に示すように、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２には、その表面に互いに反対方向に傾斜する伝熱促進面１１５、１１７が形成されている。この伝熱促進面１１５、１１７は、各流体の流れに乱れを与えて熱交換を促進する部分であり、その高さ方向（図の上下方向）に沿って波部１１６、１１８が交互に繰り返して形成されている。この第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２に設けた波部１１６、１１８は、図８、図９に示すように、幅方向（図の左右方向）の中央部が低く、両側に向かって波形に傾斜してそれぞれ両側の中央部が高い実線で示す波部と、この波部に隣接し、中央部が高く、両側に向かって波形に傾斜してそれぞれ両側の中央部が低い破線で示す波部とが交互に形成されている。

そして、この伝熱促進面１１５、１１７はその長手方向イ（幅方向の中央部から一方の側）に波部１１６、１１８の高さを波状に変化させることにより、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の波部１１６、１１８の頂部同士を接合して接合点数を減少させ、流体の圧力損失増加を抑制するようにしてある。ただし、図７に示すように、波部１１６、１１８の接合部におけるロウ付け１３０の長さＬは、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の幅Ｗ（図４参照）に対して３０％を維持するようにする。

また、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の高さ方向に対して波部１１６、１１８の長手方向イのなす角度θ（鋭角側の角度θ、以下波角度θという）は、例えば７０°〜８０°のように大きく形成され、隣接する波部１１６、１１８のピッチＰは例えばほぼ４ｍｍになるように小さくして、熱伝達がよくなるようにしてある。

そして、第１伝熱プレート１０１と第２伝熱プレート１０２との互い波部１１６、１１８の頂部同士が接合され、各伝熱プレート１０１、１０２の間に、曲がりくねったジグザグの流路となる第１、第２の流路Ａ、Ｂが形成される。

第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の周縁部は折り曲げられており、これらの伝熱プレート１０１、１０２を積層した際に、周縁部同士が重なり合ってプレート式熱交換器１の側面を形成するようにしてある。そして、これらの側面部に囲まれて、第１の伝熱プレート１０１の表側と第２の伝熱プレート１０２の裏側との間には、第１流体が流通する第１流路Ａが形成され、第１伝熱プレート１０１の裏側と第２伝熱プレート１０２の表側との間には、第２流体が流通する第２流路Ｂが形成されている。

次に、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２に設けられた波部１１６、１１８の構成について説明する。
図８は、第１の伝熱プレート１０１の波部１１６の流路の概略説明図で、波部１１６が波形状をなし、その高さを長手方向イに変化させている。波部１１６の高さは、Ｃ面を基準とした場合、頂部がＨ１であり、頂部以外の部分がＨ２であって、Ｈ１＞Ｈ２となる。なお、破線は隣接する波部１１６を示す。

図９は、第１の伝熱プレート１０１の上に、さらに第２の伝熱プレート１０２を重ね合わせた場合の流路の概略説明図である。こうして積層されたプレート式熱交換器１では、第１の伝熱プレート１０１の実線の波部１１６の頂部が第２の伝熱プレート１０２の破線の波部１１８の底部と、２点Ｄ、Ｅで接合する。
この場合、波部１１６、１１８の高さが０．２ｍｍ以下であれば、伝熱プレート１０１、１０２間のロウ材１３０のフィレット形成を抑制することができ、接合点数を調整することができる。

図１０は図８との比較のための第１の伝熱プレート１４１の伝熱促進面の流路の概略を示し、図１１は図９との比較のための第１の伝熱プレート１４１と第２の伝熱プレート１４２を重ね合わせた場合の伝熱促進面の流路の概略を示す。このプレート式熱交換器では、図８、図９の場合と異なり、伝熱促進面は高さＨ１が一定であるため、第１、第２の伝熱プレート１４１、１４２間で多くの接点ができることになる。しかしながら、この比較例では、接合点が増えると、圧力損失が悪化するため、空調機器の消費電力が増加する。また、ゴミ詰まり等の信頼性も低下する。さらに、水、炭化水素、低ＧＷＰ冷媒といった圧力損失の大きな流体の使用が不可能となる。

図１２は、波部１１６、１１８の角度θ（以下、波角度という）と熱通過率、圧力損失との関係を示す線図であり、図１３は、波角度θと接合部で形成されるフィレットのロウ材長さｌとの関係を示す線図である。
波角度θが７０°〜８０°である場合は、図１２から分かるように、波角度θが例えば６６°である場合に比べて、熱通過率は１．１倍となるが、圧力損失も大きくなる。また、図１３からわかるように、波角度θが大きくなると、隣接する伝熱プレートの接合部における１フィレットのロウ材の長さＬ（図７参照）が大きくなり、フィレット間で形成する流体の流路が狭まるため、圧力損失が大きくなる。
しかしながら、本発明では、波角度θが７０°〜８０°であっても圧力損失を少なくすることができる。

図１４は、波部１１６、１１８のピッチＰと熱通過率、圧力損失の関係を示す線図である。図１４からわかるように、波部１１６、１１８のピッチＰが４ｍｍ程度にまで小さくなっていくと、流体の乱れ効果により熱通過率が増加し、面積拡大率も増加するため、熱交換器の性能が向上するが、接合点の増加（図１５参照）により圧力損失も大きくなる。
しかしながら、本発明では、波部のピッチＬが４ｍｍ程度であっても圧力損失を少なくすることができる。

図１６は、伝熱プレートの幅Ｗと熱通過率、圧力損失の関係を示す線図、図１７は伝熱プレートの縦横比と熱通過率、圧力損失の関係を示す線図である。
図１６より、伝熱プレートの幅Ｗを小さくすると、流路断面積が小さくなるため、流体の速度が増加し、熱通過率が向上するが、圧力損失も大きくなる。
この幅Ｗに関連して、図１７は、伝熱プレート１枚当りの伝熱面積を一定とし、縦横比（高さＨ／幅Ｗ）をパラメータとして、熱通過率、圧力損失、プレート式熱交換器の重量の関係を示している。縦横比が大きくなると、熱通過率が増加し、能力に必要な伝熱面積を小さくできるため、プレート式熱交換器の重量も小さくなる。しかしながら、圧力損失も増加する。
本発明では、縦横比を４〜６としたので、圧力損失を少なくすることができる。

図１８は、波角度θと伝熱プレートの幅Ｗから、強度確保に最低限必要な上下の伝熱プレートの接合点数をまとめた説明図である。
この接合点数は、隣接する伝熱プレートの波部の接合部におけるロウ付け長さＬ（図７参照）が伝熱プレートの幅Ｗに対し３０％以上になるものであり、一般的に使用されるプレート式熱交換器の幅Ｗに対するロウ付け長さＬの割合である。本発明は、この割合を満たすよう接合点数を決定した。この接合点数になるよう波部の波高さを調整すれば、接合点数が減っても、強度を維持した状態で流体の圧力損失を低減することができる。

一例として、幅Ｗが１００ｍｍ、高さＨが３００ｍｍ（縦横比３）、波ピッチが７ｍｍ、角度θが６６°の伝熱プレートの伝熱性能を上げるため、伝熱プレート１枚当りの伝熱面積を一定にして、幅Ｗを７７ｍｍ、高さＨを３９０ｍｍ（縦横比５）、波ピッチを４ｍｍ、角度θを８０°にすると、熱通過率は３０％上昇するため、同等能力においてプレート式熱交換器の重量は３０％低減できる。一方、圧力損失は、接合点を減らさなければ３．６倍に増えるが、接合点を減らした本発明では１．８倍と半分に抑制することができる。

本発明では、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の接合点数は、隣接する伝熱プレート１０１、１０２の波部１１６、１１８の高さを流体の流れ方向に１波毎に変化させて調整しても良い。
この場合、接合点を持つ波の高さに対し、接合点を持たない波の高さは０．２ｍｍ以下とし、隣接する伝熱プレートの接合点を調整する。これにより、波高さの変化が流れの乱れを起こすため、伝熱性能に優れ、接合点減少により圧力損失が小さくなる。

また、本発明では、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の接合点数は、隣接する伝熱プレート１０１、１０２の波部のピッチＰを流体の流れ方向に１波毎に変化させて調整しても良い。
この場合、波部１１６、１１８のピッチＰの大きな領域は接合点数を減らせ、波部１１６、１１８のピッチＰの小さな領域は接合点数を増やすことができる。波部１１６、１１８のピッチＰの変化による流れの乱れが伝熱性能を向上し、接合点減少により圧力損失を小さくする。

さらに、上記の説明では、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２の波部１１６、１１８の高さを長手方向イに波状に変化させて接合点数を調整した場合を示したが、波部１１６、１１８の一方の面の長手方向イに所定間隔で溝部１１６ａ、１１８ａを設けて高さを変化させ、接合点数を調整するようにしてもよく、図１９、図２０はその場合の流路の概略説明図である。
図１９は第１の伝熱プレート１０１ａに第２の伝熱プレート１０２ａを重ね合わせたものである。溝部１１６ａ、１１８ａでない部分１１６ｂ、１１８ｂのみが高くなり、この部分のみが接合点Ｄ、Ｅとなるので、流体の流れ方向の圧力損失が小さく抑えられ、波角度θや縦横比の伝熱促進効果が得られる。

次に、本発明の作用を図１を用いて説明する。
上記のように構成したプレート式熱交換器における第１流体と第２流体との熱交換動作は、次のようにして行われる。
図１に実線矢印で示すように、低温の気液二相状態の第１の冷媒は、第１の流入管４から流入し、第１流入空間８を通じて各第１流路Ａ、Ａ・・・に流入する。一方、高温ガス状態の第２冷媒は、破線で示すように、第２流入管６から流入し、第２流入空間１０を通じて各第２流路Ｂ、Ｂ・・・に流入する。

第１流路Ａを流れる第１冷媒と第２流路Ｂを流れる第２冷媒とは、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２を介して互いに熱交換を行い、第１冷媒は蒸発し、第２冷媒は凝縮する。そして、蒸発してガス状態となった第１冷媒は、第１流出空間１１を経て、第１流出管５から流出する。一方、凝縮して液状態になった第２冷媒は、第２流出空間１３を経て、第２流出管７から流出する。

第１流路Ａを流れる第１冷媒と第２流路Ｂを流れる第２冷媒とが、第１、第２の伝熱プレート１０１、１０２を介して互いに熱交換を行う際、伝熱促進面１１５、１１７に設けられた波部１１６、１１８を通過し、ここで、熱交換が効率よく行われる。

実施の形態１によれば、伝熱プレート１０１、１０２の波角度θを大きくして７０°〜８０°とし、波ピッチＰを小さくしてほぼ４ｍｍとしても、隣接する伝熱プレート１０１、１０２の波部１１６、１１８の接合部におけるロウ付け長さＬが幅Ｗに対し３０％を維持するように波部１１６、１１８の高さを長手方向イに変化させて接合点数を調整したので、必要最小限度の接合点数で流体の流路を構成することができ、従来のプレート式熱交換器と同等の強度を維持したまま、圧力損失の増加を抑制し、熱交換率を向上させることができる。そして、従来と同等の強度を維持したまま圧力損失の増加を抑制することができるので、伝熱プレート１０１、１０２へのスケール等の異物が詰まり難くなり、長期に渡り伝熱性能を維持することができ、信頼性が高くなる。

また、上記の場合において、伝熱プレート１０１、１０２の幅を縦横比４〜６の範囲内で小さくしたので、伝熱プレート１０１、１０２間に流入する流体の入口流速が大きくなり、このため、伝熱プレート１０１、１０２間の熱伝達がさらに向上し、積層する伝熱プレート１０２、１０３の枚数が低減でき、材料費や加工費等の製造コストが削減できる。

こうして、熱伝達が良く、強度を維持したまま、圧力損失の増加が最小限に抑制できるので、安価で信頼性に優れたプレート式熱交換器１を提供することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１を搭載した空調機器に関するものである（図示せず）。
実施の形態２に係る空気調和機は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１を搭載したので、消費電力量が少なくて済む。

本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器を模式的に示した分解斜視図である。 図１の組み立て状態の側面図である。 図１の第１の補強用サイドプレートの正面である。 図１の第１の伝熱プレートの正面図である。 図１の第２の伝熱プレートの正面図である。 図１の第２の補強用サイドプレートの正面図である。 第１の伝熱プレートと第２の伝熱プレートを重ね合わせたときの接合部の状態の説明図である。 第１の伝熱プレートの伝熱促進面の波部の流路の概略説明図である。 第１の伝熱プレートの上にさらに第２の伝熱プレートを重ね合わせた場合の流路の概略説明図である。 図８との比較のための第１の伝熱プレートの伝熱促進面の概略を示す説明図である。 図９と比較のための第１の伝熱プレートと第２の伝熱プレートを重ね合わせた場合の伝熱促進面の概略説明図である。 波角度θと熱通過率、圧力損失との関係を示す線図である。 波角度θと接合部で形成されるフィレット長さとの関係を示す線図である。 波部のピッチＬと熱通過率、圧力損失の関係を示す線図である。 波ピッチと接合点数の関係を示す線図である。 伝熱プレートの幅Ｗと熱通過率、圧力損失の関係を示す線図である。 伝熱プレートの縦横比と熱通過率、圧力損失の関係を示す線図である。 波角度θと伝熱プレートの幅Ｗから強度確保に最低限必要な上下の伝熱プレートの接合点数の関係を示す説明図である。 第１の伝熱プレートの伝熱促進面の波部の流路の他の例を示す概略説明図である。 第１の伝熱プレートの上にさらに第２の伝熱プレートを重ね合わせた場合の流路の他の例を示す概略説明図である。

符号の説明

１ プレート式熱交換器 、２ 第１の補強用サイドプレート、 ３ 第２の補強用サイドプレート、４ 第１流体の流入管、５ 第１流体の流出管、６ 第２流体の流入管、７ 第２流体の流出管、１０１ 第１の伝熱プレート、１０２ 第２の伝熱プレート、１１５、１１７ 伝熱促進面、１１６、１１８ 波部、１３０ 波部の接合部（ロウ材）、Ａ 第１流路、Ｂ 第２流路、Ｈ 高さ、Ｗ 幅、Ｌ ロウ付け長さ、Ｐ 波部のピッチ、θ 波角度。

Claims (7)

1. 積層されて接合された複数の伝熱プレートの間に第１流路及び第２流路が形成され、前記第１流路及び前記第２流路にそれぞれ第１流体及び第２流体を通して前記伝熱プレートの間に流通させ、前記第１流体と第２流体との間で熱交換するプレート式熱交換器であって、
   前記伝熱プレートの表面に、前記第１、第２流体の流れに乱れを与えて熱交換を促進する伝熱促進面が設けられ、
   前記伝熱促進面は山部と谷部が前記伝熱プレートの高さ方向に沿って交互に繰り返され、
   前記山部の高さを当該山部の長手方向に波状に変化させて波部が形成され、
   隣接する前記伝熱プレートの接合部における前記波部の接合長さが前記伝熱プレートの幅に対して３０％を維持するように、前記波部が形成され、前記伝熱プレートの接合点数を調整したことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記波部は、隣接する当該波部同士の高い部分と低い部分とが対向するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記波部の長手方向が前記伝熱プレートの高さ方向に対してなす波角度が７０°〜８０°であり、前記波部間のピッチがほぼ４ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のプレート式熱交換器。
4. 前記伝熱プレートの幅に対する高さの比が４〜６であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
5. 前記伝熱プレートの前記波部の高さを流体の流れ方向に１波毎に変化させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
6. 前記伝熱プレートの前記波部のピッチを流体の流れ方向に１波毎に変化させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のプレート式熱交換器を搭載したことを特徴とする空気調和機。

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