JP4879258B2 - プレート式熱交換器及びこれを備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝熱プレートを積層してなり、入口ポートと出口ポートが同じ側に設けられたプレート式熱交換器及びこれを備えた空気調和機に関するものである。

図７は流体の入口ポートと出口ポートが同じ側に設けられて、２種類の流体を熱交換する従来のプレート式熱交換器を模式的に示した分解斜視図、図８は図７の組立てた状態を示す側面図及び第１の補強用サイドプレートの正面図、図９は図７の第１、第２の伝熱プレートの正面図及び第２の補強用サイドプレートの背面図である。

従来のプレート式熱交換器１は、図７〜図９に示すように、最も外側に位置する第１、第２の補強用サイドプレート２，３の間に、複数の第１の伝熱プレート２０と第２の伝熱プレート３０が交互に積層され、ロウ付けによって一体に接合されている。そして、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の間には、第１の流体が流れる第１の流体流路２４からなる伝熱促進部Ａと、第２の流体が流れる第２の流体流路３４からなる伝熱促進部Ｂとが形成されている。

第１の補強用サイドプレート２の一方の側の下部には、第１の流体の流入管４が設けられており、上部には第１の流体の流出管５が設けられている。また、他方の側の上部には第２の流体の流入管６が設けられており、下部には第２の流体の流出管７が設けられている。

また、第１の伝熱プレート２０及び第２の伝熱プレート３０には、第１の補強用サイドプレート２の第１の流体の流入管４及び流出管５、第２の流体の流入管６及び流出管７と対応する位置に、それぞれ第１の流体の流入口２１及び流出口２２、第２の流体の流入口３１及び流出口３２が設けられている。

そして、第１の伝熱プレート２０の第２の流体の流入口３１と流出口３２、第２の伝熱プレート３０の第１の流体の流入口２１と流出口２２の周りには、その周囲を覆って膨出するシール部（図示せず）がそれぞれ設けられている。このシール部によって、第１の流体が流れる伝熱促進部Ａにおいては、第２の流体の流入口３１と流出口３２がシールされており、第２の流体が流れる伝熱促進部Ｂにおいては、第１の流体の流入口２１と流出口２２がシールされている。これにより、第１の流体の流体流路２４への第２の流体の流入が阻止され、第２の流体の流体流路３４への第１の流体の流入が阻止される。

第１、第２の伝熱プレート２０，３０には、幅方向の中央部を中心にして、Ｖ字状又は逆Ｖ字状に傾斜する波部２３，３３からなるほぼ等しい長さの流体流路２４，３４が形成されている。この流体流路２４，３４は、図１０に示すように、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３の頂部どうしが接合され、両伝熱プレート２０，３０の間にその谷部により第１の流体の流路２４又は第２の流体の流路３４が形成される。そして、波部２３，３３により第１、第２の流体の流れに乱れを与えて、熱交換を促進する。なお、図９において、θは伝熱プレート２０，３０の上下方向に対する波部２３，３３の角度、ｐは波部２３，３３のピッチである。

上記のように構成したプレート式熱交換器は、図７に示すように、第１の流体（例えば、冷媒）は、実線矢印で示すように、流入管４から積層された第１、第２の伝熱プレート２０，３０の各流入口２１を通り、第２の補強用サイドプレート３で折り返えし、各流出口２２を通って流出管５から流出する。この間第１の流体は、その一部が各第１の伝熱プレート２０の第１の流体の流路２４を流れて熱交換が行われる。このとき、第１の伝熱プレート２０の第２の流体の流入口３１と流出口３２には、シール部によって第１の流体は流入しない。

一方、第２の流体（例えば、水）は、破線矢印で示すように、流入管６から積層された第１、第２の伝熱プレート２０，３０の各流入口３１を通り、第２の補強用サイドプレート３で折り返えし、各流出口３２を通って流出管７から流出する。この間第２の流体は、その一部が各第２の伝熱プレート３０の第２の流体の流路３４を流れて熱交換が行われる。このとき、第２の伝熱プレート３０の第１の流体の流入口２１と流出口２２は、シール部によって第２の流体は流入しない。

ところで、上記のように構成したプレート式熱交換器１においては、各伝熱プレート２０，３０の第１、第２の流体の流路２４，３４を流体が層流で流れるためよどみを生じ易く、このため伝熱有効面積が減少する。また、このようなよどみを生ずるため、第１、第２の流体の流路２４，３４にゴミやスケールが溜り易く、腐食を誘発するおそれもあって信頼性が低下する。
さらに、圧力損失が大きい流体を用いると、波部２３，３３の折り返えしによって幅方向の中央部に形成される山部の反対側の流路に、流体が流れにくくなって幅方向の流れに偏りが生じ、このため伝熱性能が低下する、などの問題があった。

このような問題を解決するために、伝熱プレート相互間における伝熱面の波形断面形状による流路断面積が、伝熱面の幅方向において２種類以上に異なる構造とし、流路経路が長い側の流路断面積を大きく、流路経路が短かい側の流路断面積を小さくするようにしたプレート式熱交換器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２８０８８７号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１のプレート式熱交換器のように、流路を構成する波のピッチや波の高さを変えるだけでは、伝熱プレートの幅方向の流れを均一化することは困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、伝熱プレートの幅方向における流体の流れを均一化することにより、高性能で信頼性の高いプレート式熱交換器及びこれを備えた空気調和機を提供することを目的としたものである。

本発明に係るプレート式熱交換器は、四隅の幅方向の一方の側の上下に第１の流体が流れる流入口と流出口が、他方の側の上下に第２の流体が流れる流入口と流出口を有し、折り返えしにより幅方向にほぼＶ字状又は逆Ｖ字状に形成された波部により上下方向に複数の流路が設けられた各複数の第１、第２の伝熱プレートを交互に積層してなり、
前記波部の折り返えしによって形成された山部を、前記第１の伝熱プレートにおいては幅方向の中心部から一方の側にずらし、前記第２の伝熱プレートにおいては幅方向の中心部から他方の側にずらせて、前記流路を長さの異なる第１の流路と第２の流路とによって構成し、
前記長さの異なる第１の流路と第２の流路を、流路の短かい側のプレートピッチを小さく、流路の長い側のプレートピッチを大きく形成したものである。

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備えたものである。

本発明によれば、伝熱プレートの幅方向における流体の流れが均一化されて偏りがなく、高性能で信頼性の高いプレート式熱交換器及びこれを備え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の第１の伝熱プレートの正面図、図２は第２の伝熱プレートの正面図である。なお、図７〜図１０で説明した従来技術と同じか又は同様の機能の部分には、同じ符号を付してある。

図１に示す第１の伝熱プレート２０は、伝熱促進部Ａを構成する波部２３を、第１の波部２３ａと第２の波部２３ｂとによってほぼＶ字状に形成し、斜め下方に傾斜する第１の波部２３ａから折り返えして、斜め上方に傾斜する第２の波部２３ｂの折り返えし山部２５を、幅方向の中央部から一方の側、すなわち、第１の流体の流入口２１と流出口２２が設けられた側に片寄って設け、第１の流体の流路２４を、流路長さが短かいＬ₁の第１の流路２４ａと流路の長さが長いＬ₂の第２の流路２４ｂとによって構成したものである。

また、図２に示す第２の伝熱プレート３０は、伝熱促進部Ｂを構成する波部３３を、第１の波部３３ａと第２の波部３３ｂとによってほぼ逆Ｖ字状に形成し、斜め上方に傾斜する第１の波部３３ａから折り返えして、斜め下方に傾斜する第２の波部３３ｂの折り返えし山部３５を、幅方向の中央部から他方の側、すなわち、第２の流体の流入口３１と流出口３２が設けられた側に片寄って設け、第２の流体の流路３４を、流路長さが短かいＬ₁の第１の流路３４ａと流路長さが長いＬ₂の第２の流路３４ｂとによって構成したものである。なお、第１の伝熱プレート２０の第１、第２の流路２３ａ，２３ｂの長さと、第２の伝熱プレート３０の第１、第２の流路３３ａ，３３ｂの長さとは、それぞれほぼ等しく形成されている。

上記のように構成した各複数の第１、第２の伝熱プレート２０，３０は、第１の補強用サイドプレート２と第２の補強用サイドプレート３（図７で説明した従来のものと実質的に同じ）との間に、交互に配設されて積層され、両者の間に、第１の流体が流れる流路２４からなる伝熱促進部Ａと、第２の流体が流れる流路３４からなる伝熱促進部Ｂとが形成される。
そして、従来のプレート式熱交換器の場合とほぼ同様の作用により、第１の流体と第２の流体が熱交換される。

上記のように構成した本実施の形態によれば、第１の伝熱プレート２０の第１の流体の流入口２１、流出口２２側に片寄って、また、第２の伝熱プレート３０の第２の流体の流入口３１、流出口３２側に片寄って、第１の波部２３ａ，３３ａと第２の波部３３ａ，３３ｂの折り曲げ山部２５，３５を設けたので、経路の短かい第１の流路２３ａ，３３ａの幅が狭くなるため、流体の流速が増加して圧力損失が大きくなり、経路の長い第２の流路２３ｂ，３３ｂへ流体が流れ込み易くなって、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の幅方向における流体の流れを偏ることなく均一化することができる。

これにより、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の伝熱促進部Ａ，Ｂにおける流体の循環が改善され、偏流が抑制されてよどみが解消されるため、流体の有効伝熱面積が増加する。また、よどみの解消によりゴミやスケールの集約を防止できるので、これにより熱交換性能を向上することができ、信頼性の高いプレート式熱交換器を得ることができる。なお、折り返えし山部２５，３５の位置と、波部２３，３３の角度の変化を適宜組み合わせることにより、熱交換性能のより高いプレート式熱交換器を得ることができる。

［実施の形態２］
図３は本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器の第１の伝熱プレートの正面図である。なお、実施の形態１と同じ又は同様の機能の部分には、同じ符号が付してある。
一般に、プレート式熱交換器においては、高さ方向に対する波部の角度（以下、波角度という）を大きくすると熱伝達率が向上して圧力損失が大きくなり、波角度を小さくすると熱伝達率が低下し圧力損失も小さくなる。したがって、これらの特性を組み合わせて波角度を調整することにより、伝熱プレートの伝熱促進部を流れる流体の分配を改善することができる。

本実施の形態においては、流体の流路経路の短かいＬ₁の第１の流路２４ａ側の圧力損失が大きくなるように波角度θ₁を大きくし、流路経路の長いＬ₂の第２の流路２４ｂ側の圧力損失が小さくなるように波角度θ₂を小さく構成したことにより、第１の伝熱プレート２０の幅方向の流体の流れを均一化したものである。

なお、第２の伝熱プレートについては図示してないが、実施の形態１の第２の伝熱プレート３０の場合と同様に、第１の伝熱プレート２０とは反対に第２の流体の流入口３１及び流出口３２側に、流路経路の短かいＬ₁の第１の流路を設けてその波角度θ₁を大きくし、流路経路の長いＬ₂の第２の流路の波角度θ₂を小さく構成して、幅方向の流体の流れを均一化する。

図４は波角度と熱通過率及び圧力損失との関係を示す線図である。
図に示すように、波角度が大きくなると熱通過率及び圧力損失も大きくなるが、熱通過率は波角度が８０°でピークとなる。本実施の形態は、このような特性に基いて、流路経路が短かく圧力損失の小さい側の波角度θ₁を伝熱を優先した８０°とし、流路経路が長く圧力損失の大きい側の波角度θ₂を、圧力損失の小さい波角度にして伝熱プレート２０，３０を構成したものである。

本実施の形態においては、流路経路の短かい第１の流路２４ａの波角度θ₁を大きくして、流体の流れをより水平に近い状態とすることにより、第２の流路への流体が流れ込み易くなって偏流の発生を防止することができるので、実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、プレート式熱交換器においては、波部の高さやピッチは材料の伸び率によって選定の限界があるが、波角度の設定は材料の伸び率に無関係のため簡単に製造することができ、圧力損失による偏流の調整を行い易いため、量産性の高い伝熱プレートを得ることができる。

さらに、本実施の形態は、熱交換を行う流体が水の場合だけでなく、密度が小さく圧力損失が大きいため偏流を生じ易い流体、例えば、炭化水素や低ＧＷＰ冷媒の場合にも有効である。冷媒の場合は、熱交換器内の冷凍機油の滞留抑制にも効果があり、このため、本実施の形態のプレート式熱交換器を用いた空気調和機の消費電力を低減することができ、ゴミ詰り等も解消するので、信頼性を高めることができる。

［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器の第１の伝熱プレートの正面図である。なお、実施の形態１と同じか又は同じ機能の部分には、同じ符号を付してある。
本実施の形態は、流路経路が短かくＬ₁で波角度の大きい第１の流路２４ａと、これに続く流路経路が長くＬ₂で波角度の小さい第２の流路２４ｂの波部２３の折り返えし山部２５を、曲線によりほぼ円弧状に形成したものである。なお、第２の伝熱プレート３０については記載してないが、実施の形態１，２の場合と同様に、第１の伝熱プレート２０を裏返えした構造となっている。

本実施の形態の作用、効果は実施の形態１の場合とほぼ同様であり、第１の流路２４ａから第２の流路２４ｂへの流体の流れが円滑になり、よどみを生じ易い第２の流路２４ｂへ流体を導き易くなる。

［実施の形態４］
図６は本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器の積層された第１、第２の伝熱プレートの断面図である。なお、実施の形態１と同じか又は同じ機能の部分には、同じ符号を付してある。
プレート式熱交換器においては、積層された伝熱プレートのプレートピッチを大きくすると流速増加のため圧力損失は小さくなり、プレートピッチを小さくすると圧力損失は大きくなる。

本実施の形態はこのような作用を利用したもので、第１の伝熱プレート２０と第２の伝熱プレート３０とによって形成される第１の流体と第２の流体の流路を、次のように形成したものである。すなわち、第１の流体の流路は、第１の流体の流入口２１と流出口２２とが設けられた側の短かい流路経路の第１の流路２４ａを、圧力損失が大きくなるようにプレートピッチｐ₁を小さく、他方の側に設けられた長い流路経路の第２の流路２４ｂを、圧力損失が小さくなるようにプレートピッチｐ₂を大きく形成したものである。

また、第２の流体の流路は、第２の流体の流入口３１と流出口３２とが設けられた側の長い流路経路の第１の流路３４ａを、圧力損失が大きくなるようにプレートピッチｐ₁を小さく、他方の側に設けられた長い流路経路の第２の流路３４ｂを、圧力損失が小さくなるようにプレートピッチｐ₂を大きく形成したものである。

本実施の形態によれば、実施の形態１の場合とほぼ同様に、第１、第２の伝熱プレート２０，３０における第１の流体と第２の流体の幅方向の流れが均一化されて偏流が防止されるため、伝熱面積の低減を防止することができ、また、流体の偏流やよどみが抑制されるため、ゴミやスケールの集約を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、さらに、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３の高さを、流体の流れ方向に１波ごとに変化させてもよい。これにより、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３の接合点数を調整して圧力損失を調節できるため、波角度や波部の折り返えし山部の位置と合わせて調整することにより、流体の流速分布を均一化し伝熱プレート内の流体を等分配することができる。

また、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３のピッチｐを、流体の流れ方向に１波ごとに変化させてもよい。波部のピッチｐの大きな領域では、第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３の接合点数を減らすことができ、波部のピッチｐの小さな領域では第１、第２の伝熱プレート２０，３０の波部２３，３３の接合点数を増やすことができるため、波角度や波部の折り返えし山部の位置と合わせて圧力損失を調整することにより、伝熱プレート内の流体の分配を改善することができる。また、波部２３，３３のピッチｐの変化による流体の流れの乱れが、伝熱性能を向上する。

［実施の形態５］
本実施の形態は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が、冷媒配管によって順次連結された冷凍サイクルを有する空気調和機において、凝縮器及び蒸発器の両者又は何れか一方に、本発明に係るプレート式熱交換器を用いたものである。
本実施の形態によれば熱交換性能にすぐれた信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第１の伝熱プレートの正面図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第２の伝熱プレートの正面図である。 本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器の第１の伝熱プレートの正面図である。 波角度と熱通過率及び圧力損失との関係を示す線図である。 本発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器の第１の伝熱プレートの正面図である。 本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器の積層された第１、第２の伝熱プレートの断面図である。 従来のプレート式熱交換器の模式的分解斜視図である。 図７の組立てた状態を示す側面図及び第１の補強用サイドプレートの正面図である。 図７の第１、第２の伝熱プレートの正面図及び第２の補強用サイドプレートの背面図である。 図７の第１、第２の伝熱プレートの波部の接合状態を示す説明図である。

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、２０ 第１の伝熱プレート、２１ 第１の流体の流入口、２２ 第１の流体の流出口、２３ 波部、２４ 第１の流体の流路、２５，３５ 折り返えし山部、３０ 第２の伝熱プレート、３１ 第２の流体の流入口、３２ 第２の流体の流出口、３３ 波部、３４ 第２の流体の流路、Ａ 第１の流体の伝熱促進部、Ｂ 第２の流体の伝熱促進部。

Claims (8)

1. 四隅の幅方向の一方の側の上下に第１の流体が流れる流入口と流出口が、他方の側の上下に第２の流体が流れる流入口と流出口を有し、折り返えしにより幅方向にほぼＶ字状又は逆Ｖ字状に形成された波部により上下方向に複数の流路が設けられた各複数の第１、第２の伝熱プレートを交互に積層してなり、
   前記波部の折り返えしによって形成された山部を、前記第１の伝熱プレートにおいては幅方向の中心部から一方の側にずらし、前記第２の伝熱プレートにおいては幅方向の中心部から他方の側にずらせて、前記流路を長さの異なる第１の流路と第２の流路とによって構成し、
   前記長さの異なる第１の流路と第２の流路を、流路の短かい側のプレートピッチを小さく、流路の長い側のプレートピッチを大きく形成したことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記長さの異なる第１の流路と第２の流路を、異なる波角度で形成したことを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換器。
3. 前記長さの異なる第１の流路と第２の流路を、流路の短かい側の波角度を大きく、流路の長い側の波角度を小さく形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のプレート式熱交換器。
4. 前記第１、第２の伝熱プレートの流路を流れる第１、第２の流体のうち、密度の小さい液流体が流れる第１、第２の流路において、流路の短かい側の波角度を大きく、流路の長い側の波角度を小さく形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のプレート式熱交換器。
5. 前記波部の折り返えしによって形成される山部を、ほぼ円弧状の曲線によって形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記第１、第２の伝熱プレートに設けた波部の高さを、流体の流れ方向に１波ごとに変化させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
7. 前記第１、第２の伝熱プレートに設けた波部のピッチを、流体の流れ方向に１波ごとに変化させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項のプレート式熱交換器を備えたことを特徴とする空気調和機。

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