JP5106453B2 - プレート式熱交換器及び冷凍空調装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、複数のプレートを積層したプレート式熱交換器と、プレート式熱交換器を備える冷凍空調装置とに関する。
特許文献１には、流体の流入孔の形状と流出孔の形状とを楕円にしたプレート式熱交換器についての記載がある。また、特許文献１には、流体の流入孔の径と流出孔の径とを同一寸法にしたプレート式熱交換器とについての記載がある。
特許文献２には、流体の流入孔の径と流体の流出孔の径とを異寸法にしたプレート式熱交換器についての記載がある。また、特許文献２には、流体の流入孔と流体の流出孔とに補強部材を設け、強度を高くしたプレート式熱交換器についての記載がある。
特開平９−７２６８５号公報 特表平７−５０８５８１号公報
従来のプレート式熱交換器は以下の（１）から（３）の課題を有する。
（１）プレート式熱交換器は、全般的にプレート板厚が薄いため、強度が低い。
（２）流入孔と流出孔とに補強部材を設けたプレート式熱交換器は、流入孔と流出孔とにゴミが詰まり易い。
（３）流体の流量が多い場合、プレート式熱交換器は流体の流入孔と流出孔とにおける流速に限界がくる。そこで、多量の流体を処理するには、流入孔と流出孔との開口面積を広げる必要がある。しかし、流入孔と流出孔との開口面積を広げるには、流入孔と流出孔との幅を広くしなければならない。流入孔と流出孔との幅が広くなれば、強度が弱くなるとともに、伝熱面積が減少する。つまり、流入孔と流出孔との開口面積が広いプレート式熱交換器は、強度が低く、熱交換性能が悪い。
この発明は、例えば、プレート式熱交換器の熱交換性能を維持したまま、プレート式熱交換器の強度を高くすることを目的とする。
この発明に係るプレート式熱交換器は、例えば、
複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
前記複数のプレートの各プレートには、
長手方向のいずれかの端部側に、第１流体の入口となる第１流入孔と、
前記第１流入孔とは逆の長手方向の端部側に、前記第１流体の出口となる第１流出孔と、
長手方向のいずれかの端部側に、第２流体の入口となる第２流入孔と、
前記第２流入孔とは逆の長手方向の端部側に、前記第２流体の出口となる第２流出孔とが設けられ、
前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記第１流入孔から流入した前記第１流体を短手方向へ広げて前記第１流出孔へ流す第１流路と、前記第２流入孔から流入した前記第２流体を前記短手方向へ広げて前記第２流出孔へ流す第２流路との一方の流路を形成して、前記第１流路を流れる前記第１流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とを熱交換させ、
前記各プレートは、前記長手方向の長さが前記短手方向の長さの４倍以上の長さである
ことを特徴とする。
この発明に係るプレート式熱交換器は、長手方向の長さが短手方向の長さの４倍以上の長さである。このため、プレートの端部にかかる応力を抑制できる。したがって、この発明に係るプレート式熱交換器は、強度が高い。
プレート式熱交換器２０の側面図。 補強用サイドプレート１の正面図。 第２プレート２の正面図。 第１プレート３の正面図。 補強用サイドプレート４の正面図。 プレート式熱交換器２０の分解斜視図。 プレート式熱交換器２０のプレート２，３のサイズを示す図。 プレート２，３の長手方向と短手方向との長さの比と応力との関係を示す図。 プレート２，３の長手方向と短手方向との長さの比とプレート式熱交換器２０の重量との関係を示す図。 １次側流入出孔の径を、２次側流入出孔の径よりも小さい径としたプレート２，３を示す図。 補強用サイドプレート１側のプレート２，３ほど第１流入孔５の径を小さくしたプレート式熱交換器２０を示す図。 流入出孔を四隅に寄せたプレート２，３のサイズを示す図。 流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の第１流体の流れの説明図。 流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の凹凸９の説明図。 流入出孔を四隅に寄せた第２プレート２の凹凸９を示す図。 流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の凹凸９を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状とした場合と、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状とした場合との対比図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状であって、円以外の形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状であって、円以外の形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状であって、円以外の形状としたプレート２，３を示す図。 １次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状であって、円以外の形状としたプレート２，３を示す図。 暖房給湯システム２９を示す図。
実施の形態１．
図１から図６は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０の説明図である。図１は、プレート式熱交換器２０の側面図である。図２は、補強用サイドプレート１の正面図である。図３は、第２プレート２の正面図である。図４は、第１プレート３の正面図である。図５は、補強用サイドプレート４の正面図である。図６は、プレート式熱交換器２０の分解斜視図である。
図１に示すように、プレート式熱交換器２０は、複数のプレート２，３が積層される。また、プレート式熱交換器２０は、最前面（図１のＡ側）と最背面（図１のＢ側）とに、それぞれ補強用サイドプレート１，４が積層される。
図３，４に示すように、各プレート２，３は、略長方形の板状に形成される。各プレート２，３は、略長方形の長辺方向（長手方向）の一方の端部側（上側）に第１流入孔５が設けられる。各プレート２，３は、第１流入孔５とは逆の長手方向の端部側（下側）に第１流出孔６が設けられる。各プレート２，３は、第１流出孔６と同一の長手方向の端部側（下側）に第２流入孔７が設けられる。各プレート２，３は、第１流入孔５と同一の長手方向の端部側（上側）に第２流出孔８が設けられる。ここでは、各プレート２，３は、略長方形の短辺方向（短手方向）の同一の端部側（左側）に第１流入孔５と第１流出孔６とが設けられる。また、各プレート２，３は、第１流入孔５と第１流出孔６とは逆の短手方向の端部側（右側）に第２流入孔７と第２流出孔８とが設けられる。
つまり、各プレート２，３は、四隅に第１流入孔５、第１流出孔６、第２流入孔７、第２流出孔８が設けられる。なお、第１流入孔５と第１流出孔６とを１次側流入出孔と呼ぶ。同様に、第２流入孔７と第２流出孔８とを２次側流入出孔と呼ぶ。
図２，５に示すように、補強用サイドプレート１，４も、プレート２，３と同様に、略長方形の板状に形成される。図２に示すように、最前面に積層される補強用サイドプレート１は、プレート２，３と同様の位置に第１流入孔５（第１流入管）、第１流出孔６（第１流出管）、第２流入孔７（第２流入管）、第２流出孔８（第２流出管）が設けられる。
一方、図５に示すように、最背面に積層される補強用サイドプレート４は、第１流入孔５、第１流出孔６、第２流入孔７、第２流出孔８が設けられない。なお、図５では、補強用サイドプレート４に、第１流入孔５、第１流出孔６、第２流入孔７、第２流出孔８の位置を破線で示すが、補強用サイドプレート４にこれらが設けられているわけではない。
各プレート２，３と補強用サイドプレート１とは、第１流入孔５同士、第１流出孔６同士、第２流入孔７同士、第２流出孔８同士がそれぞれ重なるように積層される。また、第２プレート２と第１プレート３とは交互に積層される。
なお、各プレート２，３と補強用サイドプレート１，４は、略同一の略長方形である。
また、図３，４に示すように、プレート２，３には、Ｖ字型の凹部と凸部（凹凸９）が長手方向に複数配列される。凹凸９は、短手方向の両端側に両端部１３を有し、両端部１３から長手方向にずれた位置に折り返し点１２を有するＶ字型に形成される。凹凸９のピッチ（幅）は、図４に示すＷである。第２プレート２と第１プレート３とでは、凹凸９の向きが逆向きに配列される。つまり、第２プレート２では、両端部１３よりも下側に折り返し点１２を有するＶ字型に凹凸９が形成されるのに対し、第１プレート３では、両端部１３よりも上側に折り返し点１２を有するＶ字型（逆Ｖ字型）に凹凸９が形成される。
このように、逆向きのＶ字型に凹凸９が形成されたプレート２，３を交互に積層することにより、プレート２，３の間に伝熱効率のよい流路が形成される。つまり、図６に示すように、第１流入孔５から流入した第１流体が第１流出孔６へ流れる第１流路が第２プレート２の背面と第１プレート３の前面との間に形成される。同様に、第２流入孔７から流入した第２流体が第２流出孔８へ流れる第２流路が第１プレート３の背面と第２プレート２の前面との間に形成される。
第１流路を流れる第１流体と第２流路を流れる第２流体とは、プレート２，３を介して熱交換される。
図７は、プレート式熱交換器２０のプレート２，３のサイズを示す図である。図７において、長さＬ１は、プレート２，３の長手方向の長さを示す。長さＬ２は、プレート２，３の短手方向の長さを示す。長さＬ３は、第１流入孔５から第１流入孔５に近い方の短手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ４は、第１流出孔６から第１流出孔６に近い方の短手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ５は、第２流入孔７から第２流入孔７に近い方の短手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ６は、第２流出孔８から第２流出孔８に近い方の短手方向のプレート端部までの長さを示す。
図８は、プレート２，３の長手方向と短手方向との長さの比と応力との関係を示す図である。図８の横軸は、プレート２，３の長手方向の長さと短手方向との長さの比（長さ比）を示す。つまり、図８の横軸は、プレート２，３の長手方向の長さＬ１／プレート２，３の短手方向の長さＬ２を示す。図８の縦軸は、プレート２，３の端部（周縁部）に係る応力を示す。なお、図８では応力を応力比として表す。応力比の基準値は図８の右から２番目の点Ｐが示す値である。ここで、図８の各点は、長さ比に対する応力比の計算値を示す。図８の線は、各点から最小二乗法により計算された値を示す。
図８に示すように、プレート２，３の長手方向の長さＬ１に対して、プレート２，３の短手方向の長さＬ２が短いほど、プレート２，３の周縁部に係る応力が小さくなる。したがって、長さＬ１に対して長さＬ２をできる限り短くすることが望ましい。特に、長さＬ１が長さＬ２の４倍以上となるように、長さＬ２を短くすることが望ましい。しかし、プレート式熱交換器２０の製造限界から、長さＬ２を著しく短くすることはできない。そこで、長さＬ１が長さＬ２の４倍から６．５倍程度となるように、長さＬ２を短くすることが望ましい。
また、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を短くすることにより、プレート２，３の端部に係る応力が小さくなる。特に、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６をプレート２，３の短手方向の長さＬ２の６％以下に設定することが望ましい。また、プレート２，３の短手方向の長さＬ２とは関係なく、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を５．６ｍｍ以下に設定してもよい。しかし、プレート式熱交換器２０の製造限界から、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を著しく短くすることはできない。そこで、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６をプレート２，３の短手方向の長さＬ２の３％以上６％以下に設定することが望ましい。同様に、長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を３ｍｍ以上５．６ｍｍ以下に設定することが望ましい。
図９は、プレート２，３の長手方向と短手方向との長さの比と、プレート式熱交換器２０の重量との関係を示す図である。特に、図９では、プレート２，３の長手方向の長さを固定し、プレート２，３の短手方向の長さを短くした場合に、プレート式熱交換器２０の重量をどの程度減らすことができるか示す。
図９の横軸は、図８と同様に、プレート２，３の長手方向の長さと短手方向の長さとの比（長さ比）を示す。図９の縦軸は、プレート式熱交換器２０の重量の低減率を示す。なお、プレート式熱交換器２０の重量の低減率は、図８で応力比の基準値として選択した長さ比（図８の右から２番目の点Ｐが示す値）で製造したプレート式熱交換器２０の重量を基準として計算した値である。
長さＬ２を短くすることにより、プレート式熱交換器２０が小型化されるため当然にプレート式熱交換器２０を軽量化できる。しかし、長さＬ２を短くすると、小型化による軽量化だけでなく、プレート２，３の板厚や補強用サイドプレート１，４の板厚を薄くできることにより、さらに軽量化できる。つまり、長さＬ２を短くすると、プレート式熱交換器２０の強度が高くなる。そのため、プレート２，３の板厚や補強用サイドプレート１，４の板厚を薄くでき、プレート式熱交換器２０を軽量化できる。
その結果、図９に示すように、長さＬ１に対して長さＬ２を短くすることにより、小型化されたことによる軽量化以上に、プレート式熱交換器２０が軽量化される。
以上のように、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０は、プレート２，３の長手方向の長さＬ１に対して、プレート２，３の短手方向の長さＬ２を短くしたため、プレート式熱交換器２０の強度が高い。
また、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０は、流入出孔５，６，７，８とプレート端部との間の長さ（長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６）を短くしたため、プレート式熱交換器２０の強度が高い。
さらに、プレート式熱交換器２０の強度が高くなったため、プレート式熱交換器２０の重量を軽くすることができる。
また、短手方向の長さＬ２を短くすることにより、第１流入孔５と第２流入孔７とから流入した流体が短手方向に広がり易い。そのため、第１流入孔５と第２流入孔７と周辺に流体の広がりを促進する分配促進部材を設ける必要がない。また、プレート式熱交換器２０の強度が高くなっているため、流入孔（第１流入孔５、第２流入孔７）周辺に補強部材を設ける必要もない。したがって、分配促進部材や補強部材を設ける必要がないため、プレート２，３のプレス加工が簡単になる。そのため、プレート式熱交換器２０の製造コストを抑えられる。また、凹凸９の高さのばらつきも抑えられる。つまり、安定した品質のプレート式熱交換器２０を製造できる。
また、プレート式熱交換器の内部で流体に淀みが生じると、淀みが生じた部分にゴミやスケールが溜まり易くなる。ゴミやスケールが溜まった部分では、プレート２，３が腐食し易い。また、流体に淀みが生じる虞のある熱交換器を蒸発器で用いると、偏流が発生して、温度分布に斑が生じる。そのため、凍結する部分ができる虞がある。凍結する部分ができると、熱交換器の強度が低下する。しかし、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０では、プレート２，３の短手方向の長さが短いため、流体に淀みが生じづらい。そのため、ゴミやスケールが溜まりづらく、強度が低下することもない。また、流体が水の場合だけでなく、密度が小さく、圧力損失が大きいことから偏流を生じやすい流体（例えば、炭化水素系の冷媒や低ＧＷＰ冷媒）にも、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０は有効である。フロン系冷媒では、熱交換器内の冷凍機油の滞留抑制にも効果がある。このため、実施の形態１に係るプレート式熱交換器２０を用いた機器の消費電力を減らすことができる。
実施の形態２．
実施の形態２では、１次側流入出孔の径を２次側流入出孔の径よりも小さい径にしたプレート式熱交換器２０について説明する。つまり、実施の形態２では、１次側流入出孔の開口面積を２次側流入出孔の開口面積よりも小さくしたプレート式熱交換器２０について説明する。
図１０は、１次側流入出孔の径を、２次側流入出孔の径よりも小さい径としたプレート２，３を示す図である。
例えば、プレート式熱交換器２０を水等の液体とフロン等の冷媒とを熱交換させるために用いる場合、液体の流入孔（ここでは、第２流入孔７とする）はエロージョンによりプレートが磨耗（減肉）する虞がある。そのため、液体の流入出孔（第２流入孔７、第２流出孔８）の径はある程度の大きさにする必要がある。しかし、冷媒の流入出孔（第１流入孔５、第１流出孔６）の径は、液体の流入出孔（第２流入孔７、第２流出孔８）の径に合わせて大きくする必要はない。つまり、第１流入孔５の径と第１流出孔６の径とを、第２流入孔７の径と第２流出孔８の径よりも小さい径とすることができる。このように、第１流入孔５の径と第１流出孔６の径とを小さくした場合、第１流入孔５の径と第１流出孔６の径とを小さくした分、プレート２，３の短手方向の長さを短くすることができる。したがって、実施の形態１で説明したように、プレート式熱交換器２０の強度が高くなるとともに、プレート式熱交換器２０を軽量化できる。
なお、冷媒は、フロンに限らず、炭化水素系冷媒、低ＧＷＰ冷媒であってもよい。また、ＣＯ２冷媒は、作動圧が高圧のため、プレート式熱交換器２０の強度が必要となる。このＣＯ２冷媒を用いる場合に、冷媒の流出入孔を液体の流出入孔よりも小さくする構成は特に有効である。ＣＯ２冷媒は、フロン系冷媒に対し密度が大きく圧力損失が小さいため、第１流入孔５と第１流出孔６との径をより小さくできる。
図１１は、補強用サイドプレート１側のプレート２，３ほど第１流入孔５の径を小さくしたプレート式熱交換器２０を示す図である。
図１１に示すプレート式熱交換器２０は、１次側流入出孔の径が２次側流入出孔の径よりも小さい径であるだけでなく、補強用サイドプレート１側に積層されたプレート２，３ほど第１流入孔５の径が小さい。つまり、第１流入孔５の径は、補強用サイドプレート１側に積層されたプレート２，３ほど、補強用サイドプレート４側に積層されたプレート２，３よりも小さくなる。言い換えると、第１流入孔５の径は、第１流体の流入する側に積層されるプレート２，３ほど小さい。特に、補強用サイドプレート１側に積層されたプレート２，３の第１流入孔５は、微細ノズルのように非常に小さい。
補強用サイドプレート１側に積層されたプレート２，３の第１流入孔５を非常に小さくしたため、プレート２，３の積層枚数が多い場合であっても、第１流体の流速を速くできる。そのため、補強用サイドプレート４側のプレート２，３へも第１流体が配分され易い。
また、第１流入孔５の径は、補強用サイドプレート４側に積層されたプレート２，３ほど大きいため、各プレート２，３により形成された第１流路に均等に第１流体が分配され易い。
実施の形態３．
実施の形態３では、流入出孔を短手方向のプレート端部へ寄せるだけでなく、長手方向のプレート端部へも寄せて配置したプレート式熱交換器２０について説明する。つまり、実施の形態３では、流入出孔をプレート２，３の四隅（角）に寄せたプレート式熱交換器２０について説明する。
図１２は、流入出孔を四隅に寄せたプレート２，３のサイズを示す図である。図１２において、長さＬ７は、第１流入孔５から第１流入孔５に近い方の長手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ８は、第１流出孔６から第１流出孔６に近い方の長手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ９は、第２流入孔７から第２流入孔７に近い方の長手方向のプレート端部までの長さを示す。長さＬ１０は、第２流出孔８から第２流出孔８に近い方の長手方向のプレート端部までの長さを示す。
長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０をそれぞれ、図７に示す長さＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６と同等程度の長さとする。このように、長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０を短くすることにより、さらにプレートの周縁部に係る応力を小さくすることができる。
特に、図１２に示すプレート２，３では、１次側流入出孔の径が２次側流入出孔の径よりも小さい径である。そのため、１次側流入出孔の中心が２次側流入出孔の中心よりもプレート２，３の四隅に寄せて配置される。
このように、小さい径とした１次側流入出孔（第１流入孔５、第１流出孔６）をプレート２，３の四隅に寄せることにより、第１流入孔５から第１流出孔６までの距離が長くなる。つまり、第１流路が長くなる。そのため、伝熱面積が長くなり、プレート式熱交換器２０の熱交換性能が向上する。
図１３は、流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の第１流体の流れの説明図である。なお、プレート２，３でなく、第１プレート３に限定している。これは、図１３ではシール部１１を示しているためである。つまり、シール部１１は、第２プレート２と第１プレート３とで設けられる位置が異なるためである。
小さい径とした第１流入孔５をプレート２，３の角に寄せることにより、第１流路には第１流入孔５の付近に助走領域１０を設けることができる。助走領域１０は、プレート端部とシール部１１とに挟まれた幅の狭い領域である。つまり、助走領域１０の幅（プレート端部からシール部１１までの長さＬ１１）は、第１プレート３の短手方向の幅（長さＬ２）よりも狭い。第１流入孔５から流入した第１流体は、幅の狭い助走領域１０を通過した後、プレート式熱交換器２０の短手方向へ広がり、第１流出孔６へ流れる。
シール部１１は、第１流入孔５から流入した第１流体が第２流出孔８へ流れることを防止する壁である。シール部１１は、プレート２，３の積層方向に凸状に突出して形成される。通常、シール部１１は、第２流出孔８の周囲に円状に設けられる。しかし、ここでは、シール部１１は、第１流入孔５と第２流出孔８とが設けられた長手方向の端部側（上側）から第１流出孔６と第２流入孔７とが設けられたの長手方向の端部側（下側）へ向かって徐々に短手方向の第２流出孔８側の端部（右側）に近づくように設けられる。特に、図１３では、シール部１１を上側から下側へ向かって、徐々に右側に曲げた曲線状に設けている。
シール部１１により、助走領域１０を流れた第１流体が短手方向の第２流出孔８側の端部（右側）へ無理なく広がる。つまり、助走領域１０とシール部１１とには、第１流体を短手方向の第２流出孔８側の端部（右側）へ導く整流効果がある。この整流効果により、シール部１１の周囲やプレート２，３の外周近辺で、第１流体が淀むことを防止でき、熱交換性能が向上する。また、この整流効果により、第１流体の圧力損失を低減できる。つまり、高性能なプレート式熱交換器２０とすることができる。
また、通常のように、第２流出孔８の周囲に円状にシール部１１を設けた場合には、第１流入孔５の周囲に分配促進部材を設け、第１流体の偏流を防止する必要がある。例えば、分配促進部材は放射状等の複雑な形状に形成される。したがって、分配促進部材を備えるプレート式熱交換器２０は、製造が困難である。しかし、実施の形態３に係るプレート式熱交換器２０は、シール部１１を曲線化しただけであり、製造が容易である。したがって、実施の形態３に係るプレート式熱交換器２０は、量産性が高い。
図１４は、流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の凹凸９の説明図である。図１５は、流入出孔を四隅に寄せた第２プレート２の凹凸９を示す図である。図１６は、流入出孔を四隅に寄せた第１プレート３の凹凸９を示す図である。
実施の形態１で説明したように、プレート２，３には、短手方向の両端側に両端部１３を有し、両端部１３より長手方向にずれた位置に折り返し点１２を有することによりＶ字型に形成された凹凸９が長手方向に複数配列される。なお、図３，４に示すプレート２，３の凹凸９の折り返し点１２は、短手方向の中心に設けられていた。つまり、凹凸９は左右対称に形成されていた。
ここで、図１４に示すプレート２，３は、１次側流入出孔の径が２次側流入出孔の径よりも小さい径である。つまり、図１４では、第１流入孔５、第１流出孔６の径は、第２流入孔７、第２流出孔８の径よりも小さい径である。そのため、図３，４に示すプレート２，３のように、凹凸９の折り返し点１２を短手方向の中心に設けた場合、第１流入孔５、第１流出孔６付近に凹凸９の形成されない領域ができてしまう。そこで、径の小さい第１流入孔５、第１流出孔６付近では、凹凸９の折り返し点１２を第１流入孔５、第１流出孔６寄りにずらして凹凸９を形成する。つまり、図１４に示すように、凹凸９の折り返し点１２を結んだ線１５が、短手方向の中心線１４から、徐々に第１流入孔５、第１流出孔６側に曲線状にずれて形成される。
これにより、第１流入孔５、第１流出孔６付近にも凹凸９を形成することができ、伝熱面積が長くなる。したがって、プレート式熱交換器２０の熱交換性能が向上する。また、プレート２，３は、凹凸９が形成された部分で、隣のプレート２，３と接合される。一般に、流入出孔付近は、プレート２，３が剥離し易い。しかし、流入出孔付近まで凹凸９を形成することにより、プレート２，３の接合点が増え、プレート２，３の剥離を防止することができる。また、凹凸９の折り返し点１２が第１流入孔５から短手方向の中心へ徐々に移動するとともに、短手方向の中心から第１流出孔６へ徐々に移動する。そのため、第１流入孔５から流入した第１流体を滑らかに短手方向の中心側へ移動させるとともに、短手方向の中心側から第１流出孔６へ滑らかに移動させることができる。そのため、第１流体の圧力損失を低減することができる。
なお、図１６に示すように、第２プレート２についても、第１プレート３と同様に、径の小さい第１流入孔５、第１流出孔６付近では、凹凸９の折り返し点１２を第１流入孔５、第１流出孔６寄りにずらして凹凸９を形成する。
実施の形態４．
実施の形態４では、１次側流入出孔と２次側流入出孔との形状を変形させたプレート式熱交換器２０について説明する。
図１７から図１９は、必要な開口面積を維持したまま１次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状としたプレート２，３を示す図である。
図１７では、１次側流入出孔と２次側流入出孔と異なる略楕円とした。図１８では、１つの円を２つに分割して、一方を１次側流入出孔とし、他方を２次側流入出孔とした。図１９では、略長方形を２つに分割して、一方を１次側流入出孔とし、他方を２次側流入出孔とした。
なお、図１７から図１９に示す１次側流入出孔の径は、２次側流入出孔の径よりも小さい径である。
図２０は、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状とした場合と、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを異なる形状とした場合との対比図である。図２０では、プレート２，３の長手方向の第１流出孔６と第２流入孔７と側を示している。図２０（ａ）は、第１流出孔６と第２流入孔７とをいずれも円形としたプレート２，３を示す。一方、図２０（ｂ）は、図１８と同様に、１つの円を２つに分割して、一方を１次側流入出孔とし、他方を２次側流入出孔としたプレート２，３を示す。また、図２０（ａ）と図２０（ｂ）とに示す１次側流入出孔の径は、２次側流入出孔の径よりも小さい径である。
図２０（ａ）に示す第１流出孔６は直径「１２ｍｍ」の円であり、第２流入孔７は直径「２８ｍｍ」の円である。また、第１流出孔６と第２流入孔７とは、「３ｍｍ」離れている。したがって、第１流出孔６の開口面積は「３６πｍ２」であり、第２流入孔７の開口面積は、「１９６πｍ２」である。また、第１流出孔６の端部から第２流入孔７の端部までの長さは「４３ｍｍ」である。
一方、図２０（ｂ）に示す第１流出孔６は直径「２４ｍｍ」の円の１／４部分であり、第２流入孔７は「３１ｍｍ」の円の３／４部分である。また、第１流出孔６と第２流入孔７とは、「３ｍｍ」離れている。したがって、第１流出孔６の開口面積は「３６πｍ２」であり、第２流入孔７の開口面積は、「１９２πｍ２」である。また、第１流出孔６の端部から第２流入孔７の端部までの長さは「３１ｍｍ」である。
つまり、図２０（ａ）に示す第１流出孔６と図２０（ｂ）に示す第１流出孔６とは、いずれも開口面積が「３６πｍ２」で同一である。また、図２０（ａ）に示す第２流入孔７と図２０（ｂ）に示す第２流入孔７とは、開口面積が「１９６πｍ２」と「１９２πｍ２」とで概ね同一である。しかし、第１流出孔６の端部から第２流入孔７の端部までの長さは、図２０（ａ）に示すプレート２，３では「４３ｍｍ」であるのに対して、図２０（ｂ）に示すプレート２，３では「３１ｍｍ」である。つまり、第１流出孔６の端部から第２流入孔７の端部までの長さは、図２０（ｂ）に示すプレート２，３の方が、図２０（ａ）に示すプレート２，３よりも大幅に短い。つまり、第１流出孔６と第２流入孔７とを図２０（ｂ）に示す形状することにより、第１流出孔６と第２流入孔７との開口面積を維持したまま、プレート２，３の短手方向の長さを大幅に短くすることができる。
図２１から図２４は、必要な開口面積を維持したまま１次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状であって、円以外の形状としたプレート２，３を示す図である。
図２１では、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一の略楕円とした。図２２，２３では、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一の扇型とした。図２４では、１次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一の星型とした。
このように、１次側流入出孔と２次側流入出孔との形状を様々な形状の組合せとすることにより、プレート２，３の短手方向の長さを短くすることができる。そのため、実施の形態１で述べた効果を得ることができる。なお、次側流入出孔と２次側流入出孔とを同一形状とした場合には、１種類のプレート２，３でプレート式熱交換器２０を構成できる。
実施の形態５．
実施の形態５では、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０の利用例である暖房給湯システム２９について説明する。
図２５は、暖房給湯システム２９を示す図である。
暖房給湯システム２９は、圧縮機２１、プレート式熱交換器２０、膨張弁２２、熱交換器２３、給湯器２４、暖房機２５、冷媒路２６、水路２７を備える。ここで、プレート式熱交換器２０は、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０である。また、圧縮機２１、プレート式熱交換器２０、膨張弁２２、熱交換器２３、冷媒路２６が熱交換システム２８である。
冷媒は、冷媒路２６を圧縮機２１、プレート式熱交換器２０、膨張弁２２、熱交換器２３の順に繰り返し流れる。圧縮機２１は、上述したように、冷媒を圧縮する。プレート式熱交換器２０は、圧縮機２１が圧縮した冷媒と、水路２７を流れる液体（ここでは、水）とを熱交換する。ここでは、プレート式熱交換器２０において熱交換されることにより、冷媒が冷され、水が温められる。膨張弁２２は、プレート式熱交換器２０で熱交換された冷媒の膨張を制御する。熱交換器２３は、膨張弁２２の制御に従い膨張した冷媒と空気との熱交換を行う。ここでは、熱交換器２３において熱交換されることにより、冷媒が温められ、空気が冷やされる。そして、温められた冷媒は、圧縮機２１へ入る。
一方、水は、水路２７をプレート式熱交換器２０と、給湯器２４及び暖房機２５との間で流れる。上述したように、プレート式熱交換器２０で熱交換されることにより、水は温められる。そして、温められた水は給湯器２４や暖房機２５へ流れる。なお、給湯用の水は、プレート式熱交換器２０で熱交換される水でなくてもよい。つまり、給湯器２４などでさらに水路２７を流れる水と給湯用の水とが熱交換されるようにしてもよい。
以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０は強度が高く、小型軽量で効率がよい。したがって、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０を用いた熱交換システム２８も効率がよい。また、熱交換システム２８を用いた暖房給湯システム２９も効率がよい。
なお、ここでは、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０によって圧縮された冷媒で水を加熱する熱交換システム（ＡＴＷ（Ａｉｒ Ｔｏ Ｗａｔｅｒ）システム）について説明した。しかし、これに限らず、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器２０を用いて熱交換を行い空気等の流体を加熱又は冷却する冷凍サイクル（冷凍空調装置）を形成することもできる。
つまり、以上の実施の形態をまとめると次のようになる。
プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、プレートの幅（Ｗ）に対する高さ（Ｈ）の比が４〜６．５であることを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、１次側、２次側流体の出入口とプレート外周縁部との幅方向の長さがプレートの幅（Ｗ）に対して３〜６％であることを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、１次側、２次側流体の出入口とプレート外周縁部との幅方向の長さが３〜５．６ｍｍであることを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、１次側流体と２次側流体の出入口径を異寸法としたことを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、１次側流体の出入口径の中心と２次側流体の出入口径の中心をずらし、プレート外周縁部へ流体の出入口を近づけたことを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、波の折り返しにより形成される山部をプレートの中心から徐々にずらしながら配置し、波の端点を流入出口に近づけたことを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、１次側流体の出入口径の中心と２次側流体の出入口径の中心をずらし、２次側流体の処理流量による必要開口面積を維持したまま円や多角形等の異形の組合せにしたことを特徴とする。
また、プレート式熱交換器２０は、四隅に流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器において、２次側流体の処理流量による必要開口面積を維持したまま円や多角形等の同形の組合せにしたことを特徴とする。
１，４ 補強用サイドプレート、２ 第２プレート、３ 第１プレート、５ 第１流入孔、６ 第１流出孔、７ 第２流入孔、８ 第２流出孔、９ 凹凸、１０ 助走領域、１１ シール部、１２ 折り返し点、１３ 両端部、１４ 短手方向の中心線、１５ 折り返し点１２を結んだ線、２０ プレート式熱交換器、２１ 圧縮機、２２ 膨張弁、２３ 熱交換器、２４ 給湯器、２５ 暖房機、２６ 冷媒路、２７ 水路、２８ 熱交換システム。

Claims (10)

  1. 複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記複数のプレートの各プレートには、
    長手方向のいずれかの端部側に、第１流体の入口となる第１流入孔と、
    前記第１流入孔とは逆の長手方向の端部側に、前記第１流体の出口となる第１流出孔と、
    長手方向のいずれかの端部側に、第２流体の入口となる第２流入孔と、
    前記第２流入孔とは逆の長手方向の端部側に、前記第２流体の出口となる第２流出孔とが設けられ、
    前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記第１流入孔から流入した前記第１流体を短手方向へ広げて前記第１流出孔へ流す第１流路と、前記第２流入孔から流入した前記第２流体を前記短手方向へ広げて前記第２流出孔へ流す第２流路との一方の流路を形成して、前記第１流路を流れる前記第１流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とを熱交換させ、
    前記各プレートは、前記長手方向の長さが前記短手方向の長さの４倍以上の長さであり、
    前記第１流入孔から前記第１流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第１流出孔から前記第１流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流入孔から前記第２流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流出孔から前記第２流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さとは、いずれも５．６ｍｍ以下の長さであり、
    前記第１流入孔の開口面積と前記第１流出孔の開口面積とは、いずれも前記第２流入孔の開口面積と前記第２流出孔の開口面積とのどちらよりも小さく、
    前記各プレートには、前記短手方向の両端側に両端部を有し、前記両端部から前記長手方向にずれた位置に折り返し点を有することによりＶ字型に形成された凹部と凸部とが前記長手方向に複数配列され、
    前記Ｖ字型の凹部と凸部とは、前記長手方向の中央部付近では、前記折り返し点が前記短手方向の中心に形成され、前記第１流入孔と前記第１流出孔との少なくともいずれかの第１孔の付近では、前記第１孔に近づくほど前記折り返し点が前記短手方向の中心から前記第１孔寄りにずれた
    ことを特徴とするプレート式熱交換器。
  2. 前記第１流入孔から前記第１流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第１流出孔から前記第１流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流入孔から前記第２流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流出孔から前記第２流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さとは、いずれも前記短手方向の長さの６％以下の長さである
    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. 前記第１流入孔の中心と前記第１流出孔の中心とが、前記第２流入孔の中心と前記第２流出孔の中心とよりもプレート端部寄りに設けられた
    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。
  4. 前記プレート式熱交換器は、第１プレートと第２プレートとが交互に積層され、
    前記第１流入孔と前記第２流出孔とは、前記長手方向の同一の端部側に設けられ、
    前記第１プレートは、前記第１流入孔から流入した流体が前記第２流出孔へ流れるのを防ぐシール部であって、前記複数のプレートが積層された積層方向に突出した凸状のシール部が、前記第１流入孔と前記第２流出孔とが設けられた前記長手方向の端部側から逆側の前記長手方向の端部側へ向かって徐々に前記短手方向の前記第２流出孔側の端部に近づくように設けられた
    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。
  5. 前記複数のプレートは、前記第１流入孔が重なるように積層され、積層方向の一方側に積層されたプレートの前記第１流入孔から他方側に積層されたプレートの前記第１流入孔へ順に前記第１流体が流入し、
    前記第１流入孔は、前記第１流体が流入する前記一方側に積層されたプレートほど径が小さい
    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。
  6. 前記第１流入孔と前記第２流出孔とは、前記長手方向の同一の端部側に設けられるとともに、前記第２流入孔と前記第１流出孔とは、前記長手方向の同一の端部側に設けられ、
    前記第１流入孔の形状と前記第２流出孔の形状とは異なる形状であり、前記第２流入孔の形状と前記第１流出孔の形状とは異なる形状である
    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。
  7. 前記第１流入孔と前記第２流出孔とは、１つの円又は１つの長円又は１つの多角形の孔を２つに分割して形成され、
    前記第２流入孔と前記第１流出孔とは、１つの円又は１つの長円又は１つの多角形の孔を２つに分割して形成された
    ことを特徴とする請求項６に記載のプレート式熱交換器。
  8. 請求項１に記載のプレート式熱交換器
    を備えることを特徴とする冷凍空調装置。
  9. 複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記複数のプレートの各プレートには、
    長手方向の端部側に、第１流体の入口となる第１流入孔と、
    前記第１流入孔とは逆の前記長手方向の端部側に、前記第１流体の出口となる第１流出孔と、
    長手方向の端部側に、第２流体の入口となる第２流入孔と、
    前記第２流入孔とは逆の前記長手方向の端部側に、前記第２流体の出口となる第２流出孔とが設けられ、
    前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記第１流入孔から流入した前記第１流体を短手方向へ広げて前記第１流出孔へ流す第１流路と、前記第２流入孔から流入した前記第２流体を前記短手方向へ広げて前記第２流出孔へ流す第２流路との一方の流路を形成して、前記第１流路を流れる前記第１流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とを熱交換させ、
    前記第１流入孔から前記第１流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第１流出孔から前記第１流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流入孔から前記第２流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流出孔から前記第２流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さとは、いずれも前記短手方向の長さの６％以下の長さであり、
    前記第１流入孔の開口面積と前記第１流出孔の開口面積とは、いずれも前記第２流入孔の開口面積と前記第２流出孔の開口面積とのどちらよりも小さく、
    前記各プレートには、前記短手方向の両端側に両端部を有し、前記両端部から前記長手方向にずれた位置に折り返し点を有することによりＶ字型に形成された凹部と凸部とが前記長手方向に複数配列され、
    前記Ｖ字型の凹部と凸部とは、前記長手方向の中央部付近では、前記折り返し点が前記短手方向の中心に形成され、前記第１流入孔と前記第１流出孔との少なくともいずれかの第１孔の付近では、前記第１孔に近づくほど前記折り返し点が前記短手方向の中心から前記第１孔寄りにずれた
    ことを特徴とするプレート式熱交換器。
  10. 複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記複数のプレートの各プレートには、
    長手方向の端部側に、第１流体の入口となる第１流入孔と、
    前記第１流入孔とは逆の前記長手方向の端部側に、前記第１流体の出口となる第１流出孔と、
    長手方向の端部側に、第２流体の入口となる第２流入孔と、
    前記第２流入孔とは逆の前記長手方向の端部側に、前記第２流体の出口となる第２流出孔とが設けられ、
    前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記第１流入孔から流入した前記第１流体を短手方向へ広げて前記第１流出孔へ流す第１流路と、前記第２流入孔から流入した前記第２流体を前記短手方向へ広げて前記第２流出孔へ流す第２流路との一方の流路を形成して、前記第１流路を流れる前記第１流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とを熱交換させ、
    前記第１流入孔から前記第１流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第１流出孔から前記第１流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流入孔から前記第２流入孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さと、前記第２流出孔から前記第２流出孔に近い方の前記短手方向のプレート端部までの長さとは、いずれも５．６ｍｍ以下の長さであり、
    前記第１流入孔の開口面積と前記第１流出孔の開口面積とは、いずれも前記第２流入孔の開口面積と前記第２流出孔の開口面積とのどちらよりも小さく、
    前記各プレートには、前記短手方向の両端側に両端部を有し、前記両端部から前記長手方向にずれた位置に折り返し点を有することによりＶ字型に形成された凹部と凸部とが前記長手方向に複数配列され、
    前記Ｖ字型の凹部と凸部とは、前記長手方向の中央部付近では、前記折り返し点が前記短手方向の中心に形成され、前記第１流入孔と前記第１流出孔との少なくともいずれかの第１孔の付近では、前記第１孔に近づくほど前記折り返し点が前記短手方向の中心から前記第１孔寄りにずれた
    ことを特徴とするプレート式熱交換器。
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