JP6923094B2 - シェルアンドプレート式熱交換器 - Google Patents
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Description
実施形態1について説明する。本実施形態のシェルアンドプレート式熱交換器(10)(以下では、「熱交換器」という)は、流下液膜式の蒸発器である。本実施形態の熱交換器(10)は、冷凍サイクルを行う冷凍装置の冷媒回路に設けられ、冷媒によって熱媒体を冷却する。なお、熱媒体としては、水とブラインが例示される。
シェル(20)は、両端が閉塞された円筒状に形成される。シェル(20)は、その長手方向が横方向となる姿勢で設置される。シェル(20)の頂部には、シェル(20)の内部空間(21)から冷媒を導出するための冷媒出口(22)が設けられる。冷媒出口(22)は、図1におけるシェル(20)の右端付近に設けられる。冷媒出口(22)は、配管を介して冷凍装置の圧縮機に接続される。
図1に示すように、プレート積層体(40)は、積層された複数の伝熱プレート(50a,50b)によって構成される。プレート積層体(40)は、伝熱プレート(50a,50b)の積層方向が横方向となる姿勢で、シェル(20)の内部空間(21)に収容される。
図3に示すように、プレート積層体(40)では、伝熱プレート(50a,50b)を挟んで冷媒流路(41)と熱媒体流路(42)とが複数ずつ形成される。冷媒流路(41)と熱媒体流路(42)は、伝熱プレート(50a,50b)によって互いに仕切られる。
図2及び図3に示すように、第1プレート(50a)及び第2プレート(50b)には、多数のディンプル(61)が形成される。第1プレート(50a)のディンプル(61)は、第1プレート(50a)の表面側に膨出する。第2プレート(50b)のディンプル(61)は、第2プレート(50b)の裏面側に膨出する。
第1プレート(50a)には、入口凸部(51a)と出口凸部(53a)とが形成される。入口凸部(51a)と出口凸部(53a)のそれぞれは、第1プレート(50a)の表面側に膨出した円形の部分である。入口凸部(51a)と出口凸部(53a)のそれぞれは、第1プレート(50a)の幅方向の中央部に形成される。入口凸部(51a)は、第1プレート(50a)の下部に形成される。出口凸部(53a)は、第1プレート(50a)の上部に形成される。入口凸部(51a)の中心部には、第1入口孔(52a)が形成される。出口凸部(53a)の中心部には、第1出口孔(54a)が形成される。第1入口孔(52a)と第1出口孔(54a)のそれぞれは、第1プレート(50a)を厚さ方向に貫通する円形の孔である。
図2及び図4に示すように、第1プレート(50a)には、複数(本実施形態では、六つ)の第1円形孔(55a)が形成される。第1円形孔(55a)は、第1プレート(50a)を厚さ方向に貫通する円形の孔である。第1プレート(50a)には、第1円形孔(55a)と同数の第1平坦部(56a)が形成される。各第1平坦部(56a)は、対応する一つの第1円形孔(55a)の周囲を囲う平坦な部分である。
本実施形態の熱交換器(10)では、六本の冷媒導入管(71)が、プレート積層体(40)の冷媒流路(41)へ冷媒を供給する供給構造(70)を構成する。
冷媒分配器(30)は、熱交換器(10)へ供給される冷媒を全ての冷媒導入管(71)へ分配するための部材である。
本実施形態の熱交換器(10)における冷媒と熱媒体の流れについて説明する。
熱交換器(10)へは、冷媒回路の膨張機構を通過した気液二相状態の低圧冷媒が供給される。熱交換器(10)へ供給される冷媒は、冷媒分配器(30)の冷媒入口(32)から分配器本体(31)へ流入し、複数(本実施形態では、六本)の冷媒導入管(71)に分配される。
熱交換器(10)へ供給される熱媒体は、熱媒体入口(23)を通ってプレート積層体(40)の熱媒体導入路(43)へ流入し、各熱媒体流路(42)へ分配される。各熱媒体流路(42)へ流入した熱媒体は、伝熱プレート(50a,50b)の幅方向へ広がりつつ、概ね上方へ向かって流れる。熱媒体流路(42)を流れる過程で、熱媒体は、冷媒流路(41)を流れる冷媒へ放熱する。その結果、熱媒体の温度が低下する。
本実施形態のシェルアンドプレート式熱交換器(10)は、冷媒流路(41)へ冷媒を供給する供給構造(70)を備える。冷媒流路(41)へ供給された冷媒は、伝熱プレート(50a,50b)を伝って下方へ流れ落ちる過程で、熱媒体流路(42)を流れる熱媒体と熱交換して蒸発する。本実施形態のシェルアンドプレート式熱交換器(10)は、流下液膜式の蒸発器として機能する。
ここで、流下液膜式の蒸発器として用いられるシェルアンドプレート式熱交換器において、プレート積層体(40)に冷媒を供給する供給構造(70)を、シェル(20)内におけるプレート積層体(40)の上方に配置したと仮定する。プレート積層体(40)の上方に供給構造(70)を配置すると、シェル(20)内におけるプレート積層体(40)の上方の空間が狭くなり、プレート積層体(40)の上方の空間における冷媒の流速が上昇するおそれがある。
本実施形態の供給構造(70)は、冷媒導入路(72)と、供給孔(73)とを備える。冷媒導入路(72)は、プレート積層体(40)の伝熱プレート(50a,50b)を貫通するように形成される。供給孔(73)は、冷媒導入路(72)を冷媒流路(41)に連通させて冷媒を冷媒流路(41)へ供給する。
本実施形態の供給構造(70)では、供給孔(73)が、プレート積層体(40)に形成された複数の冷媒流路(41)のそれぞれに対応して複数ずつ設けられる。
本実施形態の供給構造(70)では、冷媒導入路(72)が冷媒導入管(71)によって形成される。冷媒導入管(71)は、プレート積層体(40)の複数の伝熱プレート(50a,50b)を貫通する。供給孔(73)は、冷媒導入管(71)を貫通し、冷媒導入管(71)の内面と外面に開口する。
本実施形態の熱交換器(10)は、複数の供給構造(70)を備える。複数の供給構造(70)が、プレート積層体(40)の伝熱プレート(50a,50b)の上向きの縁部に沿って、互いに所定の間隔をおいて設けられる。
本実施形態のプレート積層体(40)には、熱媒体導入路(43)及び熱媒体導出路(44)が形成される。熱媒体導入路(43)と熱媒体導出路(44)のそれぞれは、伝熱プレート(50a,50b)を貫通するように形成され、熱媒体流路(42)に連通する。熱媒体導入路(43)と熱媒体導出路(44)のそれぞれは、伝熱プレート(50a,50b)の幅方向の中央部に形成される。供給構造(70)は、伝熱プレート(50a,50b)の幅方向における熱媒体導入路(43)及び熱媒体導出路(44)の右側の領域と左側の領域のそれぞれに、同数ずつ設けられる。
本実施形態の熱交換器(10)は、冷媒を複数の供給構造(70)へ分配する冷媒分配器(30)を備える。
本実施形態の熱交換器(10)は、シェル(20)の内部空間(21)の底部に液冷媒が溜まるように構成される。プレート積層体(40)は、プレート積層体(40)の下部が内部空間(21)の底部に溜まった液冷媒に浸かるような位置に設けられる。
本実施形態のプレート積層体(40)は、伝熱プレート(50a,50b)の下向きの縁部とシェル(20)の内面の間に隙間(25)が形成される位置に設けられる。
実施形態2について説明する。本実施形態の熱交換器(10)は、実施形態1の熱交換器(10)において、供給構造(70)を変更したものである。ここでは、本実施形態の熱交換器(10)について、実施形態1の熱交換器(10)と異なる点を説明する。
図7に示すように、本実施形態の供給構造(70)では、冷媒導入管(71)が省略され、プレート積層体(40)の伝熱プレート(50a,50b)によって冷媒導入路(72)が形成される。また、本実施形態の供給構造(70)では、プレート積層体(40)の伝熱プレート(50a,50b)に供給孔(73)が形成される。
本実施形態の第1プレート(50a)には、複数(本実施形態では、六つ)の円形凸部(57a)が形成される。円形凸部(57a)は、第1プレート(50a)の表面側に膨出した円形の部分である。本実施形態の第1プレート(50a)では、円形凸部(57a)の周囲を囲うように第1平坦部(56a)が形成される。また、本実施形態の第1プレート(50a)では、円形凸部(57a)に第1円形孔(55a)が形成される。本実施形態の第1プレート(50a)における第1円形孔(55a)の位置は、実施形態1の第1プレート(50a)における第1円形孔(55a)の位置と実質的に同じである。
図7に示すように、本実施形態の供給孔(73)は、伝熱プレート(50a,50b)に形成される。
熱交換器(10)へ供給される冷媒は、冷媒分配器(30)の冷媒入口(32)から分配器本体(31)へ流入し、複数(本実施形態では、六つ)の冷媒導入路(72)に分配される。各冷媒導入路(72)へ流入した冷媒は、各供給孔(73)から対応するプレート積層体(40)の冷媒流路(41)へ向けて供給される。その際、冷媒は、冷媒流路(41)に臨む第1プレート(50a)の表面と第2プレート(50b)の裏面とに向かって散布される。
本実施形態の供給構造(70)において、冷媒導入路(72)は、プレート積層体(40)の複数の伝熱プレート(50a,50b)を接合することによって形成される。また、この供給構造(70)において、供給孔(73)は、伝熱プレート(50a,50b)を貫通し、伝熱プレート(50a,50b)の表面と裏面に開口する。
実施形態3について説明する。本実施形態の熱交換器(10)は、実施形態1の熱交換器(10)において、プレート積層体(40)及び供給構造(70)の構造を変更したものである。ここでは、本実施形態の熱交換器(10)について、実施形態1の熱交換器(10)と異なる点を説明する。
図9に示すように、本実施形態の熱交換器(10)では、プレート積層体(40)を構成する伝熱プレート(50a,50b)が実施形態1と異なる。本実施形態の第1プレート(50a)では、第1円形孔(55a)及び第1平坦部(56a)が省略される。また、本実施形態の第2プレート(50b)では、第2円形孔(55b)及び第2平坦部(56b)が省略される。
図10及び図11に示すように、本実施形態の供給構造(70)は、一つの分配トレイ(75)と、複数の散布トレイ(76)と、一つの入口管(77)とを備える。
分配トレイ(75)は、上面が開口した細長い直方体状の部材である。分配トレイ(75)の長さは、プレート積層体(40)の全長(伝熱プレート(50a,50b)の積層方向の長さ)と概ね等しい(図8を参照)。分配トレイ(75)の底板には、複数の分配孔(75a)が形成される。分配孔(75a)の数は、散布トレイ(76)の数と一致する。分配孔(75a)は、分配トレイ(75)の底板を貫通する円形の孔である。複数の分配孔(75a)は、分配トレイ(75)の長手方向に沿って、互いに一定の間隔をおいて一列に配置される。なお、分配トレイ(75)の上面は、閉塞していてもよい。
散布トレイ(76)は、上面が開口した細長い直方体状の部材である。散布トレイ(76)の長さは、プレート積層体(40)の全幅(伝熱プレート(50a,50b)の横幅)と概ね等しい(図9を参照)。散布トレイ(76)の底板には、複数の散布孔(76a)が形成される。散布孔(76a)は、散布トレイ(76)の底板を貫通する円形の孔である。複数の散布孔(76a)は、散布トレイ(76)の長手方向に沿って、互いに一定の間隔をおいて一列に配置される。なお、散布トレイ(76)の上面は、閉塞していてもよい。ただし、その場合でも、散布トレイ(76)の上面のうち分配トレイ(75)の直下に位置する部分は、開口している必要がある。
入口管(77)は、熱交換器(10)へ供給された冷媒を分配トレイ(75)へ導入するための管である。入口管(77)は、分配トレイ(75)の一方の短辺側の側壁に接続され、この側壁を貫通して分配トレイ(75)の内側に開口する。
上述したように、本実施形態の供給構造(70)は、プレート積層体(40)の上方に配置される。
熱交換器(10)へ供給される冷媒は、供給構造(70)の入口管(77)を通って分配トレイ(75)に流入する。分配トレイ(75)に流入した冷媒は、各散布トレイ(76)に分配される。具体的に、分配トレイ(75)に流入した冷媒は、分配孔(75a)を通って下方へ流れ落ち、各分配孔(75a)に対応する散布トレイ(76)に流入する。
実施形態1〜3の熱交換器(10)については、次のような変形例を適用してもよい。なお、以下の変形例は、熱交換器(10)の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
実施形態1〜3の熱交換器(10)は、エリミネータ(15)を備えていてもよい。エリミネータ(15)は、ガス冷媒と共に流れる滴状の液冷媒を捕捉するための部材である。このエリミネータ(15)は、例えば金属製のメッシュを積層することによって形成された厚板状に形成され、その厚さ方向に冷媒が通過可能である。
実施形態1〜3の熱交換器(10)は、気液分離器(16)を備えていてもよい。
実施形態1〜3の熱交換器(10)において、プレート積層体(40)を構成する伝熱プレート(50a,50b)には、ディンプル(61)に代えて、細長い畝状の凹凸が繰り返し形成された凹凸パターン(62)が形成されていてもよい。
実施形態1〜3の熱交換器(10)において、プレート積層体(40)を構成する伝熱プレート(50a,50b)の形状は、半円形に限定されない。
実施形態1〜3の熱交換器(10)において、プレート積層体(40)を構成する複数の伝熱プレート(50a,50b)は、ロウ付けによって互いに接合されていてもよい。
15 エリミネータ
16 気液分離器
20 シェル
21 内部空間
22 冷媒出口
25 隙間
30 冷媒分配器
40 プレート積層体
41 冷媒流路
42 熱媒体流路
43 熱媒体導入路
44 熱媒体導出路
50a 第1プレート(伝熱プレート)
50b 第2プレート(伝熱プレート)
70 供給構造
71 冷媒導入管
72 冷媒導入路
73 供給孔
Claims (9)
- 内部空間(21)を形成するシェル(20)と、
重ね合わされて互いに接合された複数の伝熱プレート(50a,50b)を有して上記シェル(20)の上記内部空間(21)に収容されるプレート積層体(40)とを備え、
上記シェル(20)の上記内部空間(21)へ流入した冷媒を蒸発させるシェルアンドプレート式熱交換器であって、
上記プレート積層体(40)には、上記シェル(20)の上記内部空間(21)に連通して冷媒が流れる冷媒流路(41)と、上記シェル(20)の上記内部空間(21)から遮断されて熱媒体が流れる熱媒体流路(42)とが、上記伝熱プレート(50a,50b)を挟んで隣り合うように複数ずつ形成され、
上記冷媒流路(41)に対して冷媒を下方へ流れ落ちるように供給する供給構造(70)を備え、
上記供給構造(70)は、上記プレート積層体(40)における上記伝熱プレート(50a,50b)の外周縁よりも内側に配置され、
上記供給構造(70)は、
上記プレート積層体(40)の上記伝熱プレート(50a,50b)を貫通するように形成された冷媒導入路(72)と、
上記冷媒導入路(72)を上記冷媒流路(41)に連通させて冷媒を上記冷媒流路(41)へ供給する供給孔(73)とを備え、
上記冷媒導入路(72)は、上記プレート積層体(40)の複数の上記伝熱プレート(50a,50b)を接合することによって形成され、
上記供給孔(73)は、上記伝熱プレート(50a,50b)を貫通して該伝熱プレート(50a,50b)の表面と裏面に開口する
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1において、
上記供給構造(70)の上記供給孔(73)は、上記プレート積層体(40)に形成された複数の上記冷媒流路(41)のそれぞれに対応して複数ずつ設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1又は2において、
複数の上記供給構造(70)が、上記プレート積層体(40)の上記伝熱プレート(50a,50b)の上向きの縁部に沿って、互いに所定の間隔をおいて設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項3において、
上記プレート積層体(40)には、上記伝熱プレート(50a,50b)を貫通するように形成されて上記熱媒体流路(42)に連通する熱媒体導入路(43)及び熱媒体導出路(44)が、上記伝熱プレート(50a,50b)の幅方向の中央部に形成され、
上記供給構造(70)は、上記伝熱プレート(50a,50b)の幅方向における上記熱媒体導入路(43)及び上記熱媒体導出路(44)の右側の領域と左側の領域のそれぞれに同数ずつ設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項3又は4において、
冷媒を複数の上記供給構造(70)へ分配する冷媒分配器(30)を備える
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1乃至5のいずれか一つにおいて、
上記シェル(20)の上記内部空間(21)の底部に液冷媒が溜まるように構成され、
上記プレート積層体(40)は、該プレート積層体(40)の下部が上記内部空間(21)の底部に溜まった液冷媒に浸かるような位置に設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1乃至6のいずれか一つにおいて、
上記プレート積層体(40)は、上記伝熱プレート(50a,50b)の下向きの縁部と上記シェル(20)の内面の間に隙間(25)が形成される位置に設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1乃至7のいずれか一つにおいて、
気液二相状態の冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、上記液冷媒を上記供給構造(70)へ供給し、上記ガス冷媒を上記シェル(20)の上記内部空間(21)へ供給する気液分離器(16)を備える
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 請求項1乃至8のいずれか一つにおいて、
上記シェル(20)は、該シェル(20)の上部に設けられて上記内部空間(21)の冷媒を上記シェル(20)の外部へ導出する冷媒出口(22)を備え、
上記シェル(20)の上記内部空間(21)には、上記プレート積層体(40)と上記冷媒出口(22)の間を横断し、上記プレート積層体(40)から上記冷媒出口(22)へ向かって流れる冷媒に含まれる滴状の液冷媒を捕捉するエリミネータ(15)が設けられる
ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
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