JP7280958B2

JP7280958B2 - 水熱交換器、水熱交換器の製造方法、および冷凍サイクル装置

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Publication number: JP7280958B2
Application number: JP2021543651A
Authority: JP
Inventors: 峻浅利; 覚岡田; 敦史馬場; 晃平丸子; 優子脇坂; 賢三浦
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN114144625A; US20220333831A1; EP4027096A4; JPWO2021044760A1; WO2021044760A1; EP4027096A1

Description

本発明に係る実施形態は、水熱交換器、水熱交換器の製造方法、および冷凍サイクル装置に関する。

温度制御装置、例えばチラーは、温度制御対象である物、または空間を冷却または加熱する利用側ユニットと、冷凍サイクルユニット（以下、「冷凍サイクル装置」ともいう。）と、を備えている。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張装置と、第２の熱交換器と、四方弁と、を備えている。冷凍サイクル装置が加熱運転されると、チラーを循環する液体が加熱される。冷凍サイクル装置が冷却運転されると、チラーを循環する液体が冷却される。

冷凍サイクル装置に利用される熱交換器として、プレート式の水熱交換器が知られている。プレート式の水熱交換器は、積層された複数の薄い熱交換プレートを備えている。複数の熱交換プレートには、チラーを循環する液体の流路を有する熱交換プレートと、冷凍サイクル装置を循環する冷媒の流路を有する熱交換プレートと、が含まれている。この水熱交換器は、チラーを循環する液体と冷凍サイクル装置を流れる冷媒との間で熱交換を行う。

プレート式の水熱交換器は、積層された複数の熱交換プレートを挟み込んで固定する一対のカバープレートを備えている。カバープレートには熱交換プレートから離れる方向（反対方向、外向き方向）に伸びる継手が設けられている。冷媒が流通する配管は継手を介して水熱交換器に接続される。

カバープレートや熱交換プレートの材質は、ステンレスやアルミニウムなどの金属である。継手の材質もカバープレートと同じである。一方、冷凍サイクル装置を流れる冷媒の配管の材質は銅である。このように、水熱交換器の冷媒の出入口は、例えば、ステンレスと銅といった異種の金属で構成される。異種の金属は、例えば、ろう付けにより接合される。

近年、オゾン層への影響が少なく、地球温暖化への影響が小さいトリフルオロヨードメタン（ＣＦ３Ｉ、以下、「ＣＦ３Ｉ」と記載する。）などのヨードカーボン類を含む冷媒を冷凍サイクル装置へ採用することが検討されるようになった。

しかしながら、ヨードカーボン類は、ヨウ素原子と炭素原子との結合が切断されやすい性質をもつ。ろう材に含まれる亜鉛は、例えば、水を触媒としてハロゲンと反応する。水の存在下で、亜鉛を含むろう材とヨードカーボン類を含む冷媒とが接触すると、亜鉛を含むろう材の腐食の原因となる。ろう材の腐食は、冷媒の漏えいの原因となる。また亜鉛とハロゲン原子とが反応して冷媒が分解される虞がある。

また、亜鉛を触媒としてＣＦ３Ｉが分解してヨウ素が生成されることが知られている。亜鉛を含むろう材とＣＦ３Ｉを含む冷媒とが接触すると、ろう材に含まれる亜鉛がＣＦ３Ｉのヨウ素原子と反応し、冷媒が分解される虞がある。

特表２０１２－５０６０２３号公報特開２０１０－１５９３１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、ろう材の腐食および冷媒の劣化を防止可能な水熱交換器、水熱交換器の製造方法、および冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の水熱交換器は、積層された複数の熱交換プレートと、前記複数の熱交換プレートを挟み込む一対のカバープレートと、前記一対のカバープレートの少なくとも一方に設けられる継手と、前記継手に亜鉛を含むろう材によって接合される冷媒管と、前記冷媒管および前記継手を介して前記複数の熱交換プレートに流通される、ヨードカーボン類を含む冷媒と前記ろう材との接触を防ぐよう設けられる保護部と、を備えている。
また、実施形態の水熱交換器の製造方法、ビニル樹脂を含む溶液に前記カバープレートと前記継手との接続部を浸漬して前記保護部を形成する。
さらに、実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、膨張装置と、前記圧縮機、および前記膨張装置と接続し、蒸発器および凝集器の少なくともいずれか一方として機能する前記水熱交換器と、を備えている。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の模式図。本発明の実施形態に係る水熱交換器の接続部の模式的な断面図。本発明の実施形態に係る水熱交換器の製造方法の一例を説明する図。

本発明に係る水熱交換器、水熱交換器の製造方法、および冷凍サイクル装置の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。なお、各図において同じ、または相当する構成には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置１００の模式図である。本実施形態に係るチラー２００は、冷凍サイクル装置１００と、利用側ユニット３００と、を備えている。本実施形態に係るチラー２００は、冷凍サイクル装置１００を流れる第１の冷媒と利用側ユニット３００を流れる第２の冷媒との間で熱交換することで、チラー２００の温度制御対象である物または空間を冷却または加熱する。

図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、第１の熱交換器２と、ファン３と、膨張装置４と、第２の熱交換器５と、アキュムレータ６と、四方弁７と、第１の冷媒管１０とを備えている。第１の熱交換器２、膨張装置４、第２の熱交換器５、アキュムレータ６、圧縮機１、および四方弁７は、第１の冷媒管１０により順次接続されている。

第１の冷媒管１０は、銅などの金属製である。第１の冷媒管１０は、第１の冷媒を流通させる。第１の冷媒は、例えば、ヨードカーボン類を含む混合冷媒である。ヨードカーボン類を含む混合冷媒とは、例えば、ＣＦ３Ｉを含む混合冷媒である。また、冷凍サイクル装置１００に使用される冷媒は、ジフルオロメタン（ＨＦＣ－３２、Ｒ３２、以下、「Ｒ３２」と記載する。）、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５、Ｒ１２５、以下、「Ｒ１２５」と記載する。）及びＣＦ３Ｉの混合冷媒である。冷凍サイクル装置１００に使用される冷媒は、例えば、49.0重量パーセントのＲ３２と、11.5重量パーセントのＲ１２５と、39.5重量パーセントのＣＦ３Ｉと、を含む混合冷媒である。このような組成比（成分）の冷媒は、米国暖房冷凍空調学会（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE）のStandard 34に冷媒番号R466Aとして仮登録されている。

圧縮機１は、第１の冷媒を圧縮する。圧縮機１は、例えば公知のインバーター制御によって運転周波数を変更可能なものであっても良いし、運転周波数を変更できないもの、つまり運転周波数が固定のものであっても良い。

第１の熱交換器２は、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。第１の熱交換器２の近傍には、ファン３が配置されている。第１の熱交換器２は、ファン３から送られる空気と第１の熱交換器２内を通る第１の冷媒との間で熱交換を行う空気熱交換器である。

膨張装置４は、例えばＰＭＶ（Pulse Motor Valve）である。膨張装置４は、弁開度を調節できる。膨張装置４は、例えば、貫通孔を有する弁本体と、貫通孔に対して進退可能なニードルと、ニードルを進退させる動力源と、を備えている。貫通孔をニードルで塞いだ場合、膨張装置４は、冷凍サイクル装置１００を流れる第１の冷媒の流通を止める（遮断する）。このとき、膨張装置４は閉じた状態であり、膨張装置４の開度は最も小さい。ニードルが貫通孔から最も離れた場合、冷凍サイクル装置１００の第１の冷媒の流通量は、最大化する。このとき、膨張装置４の開度は最も大きい。

第２の熱交換器５は、加熱または冷却の対象である第２の冷媒管２０を流れる第２の冷媒と第１の冷媒管１０を流通する第１の冷媒との間で熱交換する。第２の冷媒は、例えば、水である。第２の冷媒は、ポンプ８により第２の冷媒管２０を介してチラー２００の循環ユニット（図示省略）から第２の熱交換器５に送られる。すなわち、第２の熱交換器５は、第１の冷媒管１０に流れる第１の冷媒と第２の冷媒管２０に流れる第２の冷媒としての水との間で熱交換を行う水熱交換器である。以下、第２の熱交換器５を単に水熱交換器５と呼ぶ。

水熱交換器５は、例えば、プレート式の水熱交換器である。水熱交換器５は、積層された複数の熱交換プレートと、積層された複数の熱交換プレートを、その積層方向から挟み込む一対のカバープレートと、を備えている。少なくとも一方のカバープレート１４は、冷媒の出入口としての複数の継手９を備えている。それぞれの熱交換プレートは、冷凍サイクル装置１００を流れる第１の冷媒の流路、およびチラー２００の循環ユニットを流れる第２の冷媒の流路を有している。なお、水熱交換器５と冷媒管（第１の冷媒管１０）との接続部については、図２で詳細に説明する。

アキュムレータ６は、水熱交換器５と圧縮機１との間に設けられている。アキュムレータ６は、鉄鋼等の金属製のケースを有している。ケースの下部には液相の冷媒が収容されている。ケースの上部には気相の冷媒が収容されている。アキュムレータ６は、気相の冷媒を圧縮機１に供給する。

四方弁７は、第１の冷媒の流れる向きを切り替えることで冷凍サイクル装置１００の加熱運転と冷却運転とを切り替える。

冷凍サイクル装置１００が加熱運転する場合、水熱交換器５により第２の冷媒管２０を流れる水が加熱される。加熱運転の場合、第１の冷媒は、圧縮機１、水熱交換器５、膨張装置４、第１の熱交換器２、アキュムレータ６の順に流れる。圧縮機１で高温高圧の気体となった第１の冷媒は、水熱交換器５において水と熱交換して凝集し、液体に変化する。この際、水熱交換器５は、第１の冷媒を凝集させる凝集器として機能する。水熱交換器５で凝集した第１の冷媒は、膨張装置４で減圧されることで一部蒸発し、その気化熱で低温低圧の液体に変化する。その後、低温低圧の液体となった第１の冷媒は、第１の熱交換器２において、ファン３から送風された空気と熱交換して蒸発し、低温低圧の気体に変化する。この際、第１の熱交換器２は、第１の冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。

一方、冷凍サイクル装置１００が冷却運転する場合、第２の冷媒管２０を流れる水が冷却される。冷却運転の場合、四方弁７が反転されて、加熱運転の場合と逆向きの冷媒の流れが生じている。したがって、第１の冷媒は、圧縮機１、第１の熱交換器２、膨張装置４、水熱交換器５、アキュムレータ６の順に流れる。この際、水熱交換器５を流れる第１の冷媒は、第２の冷媒管２０を流れる水と熱交換し、第１の冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。また、第１の熱交換器２は、第１の冷媒を凝集させる凝集器として機能する。

以上が冷凍サイクル装置１００の説明である。次に、図２を参照して、水熱交換器５の接続部１５について詳細に説明する。接続部１５は、水熱交換器５における冷媒の出入口である。

図２は、本発明の実施形態に係る水熱交換器５の接続部１５の概略的な断面図である。水熱交換器５は、第１の冷媒と第２の冷媒である水との間で熱交換を行う。そのため、水熱交換器５は、それぞれの冷媒に対応する出入口を備えている。この冷媒の出入口を接続部１５と呼ぶ。図２は、第１の冷媒が流れる第１の冷媒管１０と水熱交換器５との接続部１５の断面図である。なお、第２の冷媒が流れる第２の冷媒管２０と水熱交換器５との接続部の図示は省略する。

接続部１５は、継手９と第１の冷媒管１０とを接続する部位である。例えば、図２に示すように、第１の冷媒管１０が継手９に内嵌めされている場合、継手９と第１の冷媒管１０とが重畳している部分から継手９とカバープレート１４との接続部分までが接続部１５である。この場合、接続部１５の範囲は、継手９の範囲と一致する。なお、接続部１５の範囲は、継手９と重畳していない第１の冷媒管１０の部分を含んでいても良い。また、接続部１５の範囲は、第１の冷媒管１０のカバープレート１４側の端部から継手９とカバープレート１４との接続部分までであっても良い。

継手９は、カバープレート１４に設けられる。カバープレート１４および継手９は、熱交換プレートと同じくステンレス製である。一方、第１の冷媒管１０は、銅製である。継手９と第１の冷媒管１０とは異種間の金属を接続するろう材１１により接合される。例えば、図２に示すように、第１の冷媒管１０が継手９に内嵌めされる場合、ろう材１１は、継手９および第１の冷媒管１０が重畳した部分で、継手９と第１の冷媒管１０との間に挟み込まれて両者を接合している。

継手９と第１の冷媒管１０との接合には、銀ろうなどの亜鉛を含むろう材が用いられる。ろう材に含まれる亜鉛は、例えば、水を触媒としてハロゲンと反応する。したがって、水の存在下で、亜鉛を含むろう材とヨードカーボン類を含む冷媒とが接触すると、亜鉛を含むろう材の腐食の原因となる。ろう材の腐食は、冷媒の漏えいの原因となる。また、水を触媒として亜鉛が冷媒を構成するヨウ素などのハロゲン原子と反応することで、冷媒が分解される虞がある。

また、亜鉛を含むろう材とＣＦ３Ｉを含む冷媒とが接触すると、ろう材に含まれる亜鉛がＣＦ３Ｉのヨウ素原子と反応し、冷媒が分解される虞がある。

そこで、本実施形態に係る水熱交換器５は、接続部１５に保護部１２を備えている。保護部１２は、接続部１５、つまり第１の冷媒管１０と継手９とを介して積層された複数の熱交換プレートに流通される冷媒とろう材１１との接触を防ぐよう設けられている。保護部１２は、第１の冷媒の流路上に第１の冷媒の流通を妨げないよう設けられる。

保護部１２は、例えば、継手９と第１の冷媒管１０とがろう材１１により重畳して接続されている部分を覆うように設けられる。すなわち、保護部１２は、継手９の内側、継手９と第１の冷媒管１０の重畳部分の内側、第１の冷媒管１０の内側に連続して設けられる。また、保護部１２は、第１の冷媒管１０のカバープレート１４側の先端部分と継手９との間に生じた隙間に設けられてもよい。

なお、保護部１２は、カバープレート１４よりも熱交換プレート側には設けられていないことが好ましい。

保護部１２は、例えば、ビニル樹脂を含むビニル化合物を重合して得られる高分子化合物で構成される。ビニル樹脂には、示性式ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）で示されるビニルアルコール基を有する合成樹脂が含まれる。また、ビニル樹脂には、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレンなどの合成樹脂が含まれる。ビニル樹脂は、ポリビニルアルコール（Polyvinyl alcohol：ＰＶＯＨ）やポリ塩化ビニル（Polyvinyl Chloride：ＰＶＣ）などの１種類の単量体が重合したポリマーであってもよいし、エチレンビニルアルコール共重合体（Ethylene Vinylalcohol copolymer：ＥＶＯＨ）などの２種類以上の化合物が結合した単量体が重合したポリマーであってもよい。

なお、保護部１２を形成する材料は、ビニル樹脂に限定されない。例えば、保護部１２は、合成ゴム、合成繊維、金属などの材料で形成されてもよい。保護部１２は、冷媒およびろう材と反応せず、ガスバリア性に優れ、冷凍サイクル装置の温度変化により変質せず、冷媒に溶出しない材料であればどのような材料であってもよい。

次に、保護部１２を水熱交換器５に設置する方法を説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る保護部１２を有する水熱交換器５の製造方法の一例を説明する図である。図３は、ディッピング（dipping）により水熱交換器５に保護部１２を形成する方法を示している。

保護部１２は、保護部１２を形成する材料を含む溶液に保護部１２の形成対象を浸漬する方法、いわゆるディッピングによって形成される。例えば、保護部１２の材料として水溶性のＰＶＯＨを利用する場合、水熱交換器５の一部、即ち、水熱交換器５の接続部１５を有する部分をＰＶＯＨ水溶液Ｌに浸漬することによって、保護部１２が接続部１５に形成される。

水熱交換器５に接続される第１の冷媒管１０の長さがＰＶＯＨ水溶液Ｌの流入を妨げるほど長い場合、ＰＶＯＨ水溶液Ｌに圧力をかけて第１の冷媒管１０にＰＶＯＨ水溶液Ｌを押し込み、接続部１５にＰＶＯＨ水溶液Ｌを充填することで保護部１２を確実に形成できる。保護部１２の形成が不要な部位は、適宜にマスキングされる。そうすることで、所望の部分にＰＶＯＨ水溶液Ｌを付着させて保護部１２を形成することができる。

なお、図３では、ディッピングにより保護部１２を形成する例を示したが、保護部１２の形成方法はディッピングに限定されない。例えば、保護部１２を形成する材料を含む溶液を、保護部１２を設置したい部分に塗布あるいは吹き付けることで、保護部１２を形成してもよい。

また、保護部１２を形成する方法は、液体の材料を用いる方法に限定されない。例えば、シート状の保護部１２を目的の位置に貼り付けて接続部１５の管壁面に接着させることで保護部１２を形成しても良い。また、形状記憶合金や弾性体で形成された保護部１２を折りたたんだ状態で管内部に挿入し、目的の位置で拡張させて、保護部１２を接続部１５の管壁面に突っ張らせて固定しても良い。

このように、本実施形態に係る水熱交換器５、および冷凍サイクル装置１００は、水熱交換器５の冷媒の出入口に冷媒とろう材１１との接触を防ぐ保護部１２を有している。また、本実施形態に係る水熱交換器５の製造方法は、水熱交換器５の冷媒の出入口に冷媒とろう材１１との接触を防ぐ保護部１２を形成する。そのため水熱交換器５、水熱交換器５の製造方法、および冷凍サイクル装置１００、冷媒とろう材１１との接触に起因するろう材１１の腐食を防止することができる。これにより、水熱交換器５、水熱交換器５の製造方法、および冷凍サイクル装置１００は、冷媒の漏出を防ぐことができる。また、水熱交換器５、水熱交換器５の製造方法、および冷凍サイクル装置１００は、ろう材１１に含まれる亜鉛と冷媒のハロゲン原子とが反応するのを防ぎ、冷媒の分解を防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…冷凍サイクル装置、１…圧縮機、２…第１の熱交換器、３…ファン、４…膨張装置、５…第２の熱交換器（水熱交換器）、６…アキュムレータ、７…四方弁、８…ポンプ、９…継手、１０…第１の冷媒管、１１…ろう材、１２…保護部、１４…カバープレート、１５…接続部、２０…第２の冷媒管、Ｌ…ＰＶＯＨ水溶液。

Claims

積層された複数の熱交換プレートと、
前記複数の熱交換プレートを挟み込む一対のカバープレートと、
前記一対のカバープレートの少なくとも一方に設けられる継手と、
前記継手に亜鉛を含むろう材によって接合される冷媒管と、
前記冷媒管および前記継手を介して前記複数の熱交換プレートに流通される、ヨードカーボン類を含む冷媒と前記ろう材との接触を防ぐよう設けられる保護部と、を備える水熱交換器。
前記保護部は、ビニル樹脂により形成されている請求項１に記載の水熱交換器。
請求項１に記載の水熱交換器の製造方法であって、
ビニル樹脂を含む溶液に前記カバープレートと前記継手との接続部を浸漬して前記保護部を形成する水熱交換器の製造方法。
圧縮機と、
膨張装置と、
前記圧縮機、および前記膨張装置と接続し、蒸発器および凝集器の少なくともいずれか一方として機能する請求項１または２に記載の水熱交換器と、を備える冷凍サイクル装置。