JPH10288480A

JPH10288480A - プレート式熱交換器

Info

Publication number: JPH10288480A
Application number: JP9739997A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Iijima; 俊宏飯島; Mitsuharu Numata; 光春沼田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】種類の異なる２流体同士の熱交換に適したプ
レート式熱交換器を提供する。【解決手段】複数の伝熱プレート(P)を等間隔に積層
する。伝熱プレート(P)の四隅部に、冷媒及び水の導入
配管(45,47)及び導出配管(46,48)に対応する第１〜４開
口を形成する。所定の開口の周りには、シール部材を設
ける。各伝熱プレート(P)間に、冷媒流路(A)、第１水流
路(B1)及び第２水流路(B2)を、繰り返し形成する。水流
路(B1,B2)の平均通過断面積は、冷媒流路(A)の平均通過
断面積の２倍となる。冷媒の流速はそのままで、水の流
速は低下する。冷媒の熱伝達率が低下せずに、水の圧力
損失は低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレート式熱交換
器に係り、特に、熱交換を行う流体の熱伝達及び圧力損
失の好適化に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、コンパクトかつ高性能な熱交
換器の一種として、プレート式熱交換器が知られてい
る。

【０００３】図１１に示すように、一般的に、プレート
式熱交換器は、種類の異なる複数の伝熱プレート(a),
(b)を積層することによって構成される。各伝熱プレー
ト(a),((b)は、全体的に波板状に形成されており、隣り
合う伝熱プレートの波形状、特に波の延長方向は互いに
異なっている。そして、図１２（ｂ）に示すように、積
層された各伝熱プレート(a),(b)の間には、熱交換を行
う流体の流路(h),(i)が形成されている。

【０００４】隣接する流路(h),(i)の一方に高温流体が
流れ、他方に低温流体が流れることにより、高温流体と
低温流体との間で熱交換が行われる。図１２（ａ）に示
すように、流体は、導管(g)を通じて熱交換器内に流入
し、流れ方向が略９０度変化するようにして各流路に流
入する。

【０００５】各流路は、波板状の伝熱プレートによって
区画されている。そのため、流体は、波状の各流路を撹
拌されながら流通する。その結果、流体の強制対流熱伝
達が促進され、流路の全域にわたって、高い熱貫流率で
熱交換が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のプレ
ート式熱交換器では、伝熱プレートの間の間隔は一定で
あった。つまり、高温流体の流路の通過断面積と低温流
体の流路の通過断面積とが等しくなるように構成されて
いた。

【０００７】しかし、水と水とを熱交換させる場合のよ
うに、熱交換を行う２流体が同種類の場合や、性質の似
た２流体同士を熱交換させる場合は問題がないが、例え
ば、冷媒と水のように、性質の異なる２流体同士を熱交
換させる場合には、以下に説明するような課題があっ
た。

【０００８】流体の流量を一定とした場合、流路の通過
断面積を小さくすると、流速は増加する。そのため、流
路の通過断面積を小さくすると、強制対流熱伝達は促進
される一方、圧力損失は大きくなる。これに対し、流路
の通過断面積を大きくすると、流速が減少するため、強
制対流熱伝達は抑制される一方、圧力損失は小さくな
る。

【０００９】熱交換量を増大させる観点からは、流速を
増加させて強制対流熱伝達を促進させることが望まし
い。しかし、搬送動力を低減させる観点からは、流速を
減少させて圧力損失を低減させることが好ましい。その
ため、熱交換流体の流路の好適な通過断面積は、この強
制対流熱伝達と圧力損失とのバランスから定まる。しか
し、このバランスは流体の性質に依存するため、好適な
通過断面積は、流体ごとに異なる。

【００１０】従来のプレート式熱交換器において、冷媒
と水とを熱交換させようとした場合、冷媒の強制対流熱
伝達を促進しようとして流路の通過断面積を小さく設計
すると、水にとっては通過断面積が小さすぎ、水の圧力
損失が過大となる。その一方、水の圧力損失を抑制しよ
うとして通過断面積を大きく設計すると、冷媒にとって
は通過断面積が大きすぎ、冷媒の熱伝達が不足する。

【００１１】従って、従来のプレート式熱交換器では、
冷媒と水との特性の相違から、熱交換量が十分に得られ
なかったり、搬送動力が過大となることがあった。その
ため、上記プレート式熱交換器を用いる冷凍装置の効率
は、十分大きなものとはいえなかった。

【００１２】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、種類の異なる２流体
同士の熱交換に対して好適なプレート式熱交換器を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第１の流体（以下、「第１流体」とい
う）の流路の平均通過断面積と、第２の流体（以下、
「第２流体」という）の流路の平均通過断面積とが異な
る構成、又は、両流路の通過断面積が等しく、流路長が
異なる構成とした。

【００１４】ここで、流路の平均通過断面積とは、流路
の局所の通過断面積を流路長に沿って積算し、その積算
した値を流路長で除することによって求められる断面積
である。例えば、通過断面積がＡ、流路長がＬ、並列に
並んだ流路の個数がＮであるとすると、平均通過断面積
は、（Ａ・Ｌ・Ｎ）／Ｌで求められる。平均通過断面積
は、個々の熱交換器に応じて、一義的に特定される量で
ある。

【００１５】本発明では、例えば、熱伝達率及び圧力損
失が第２流体よりも大きい第１流体について、その流路
の通過断面積を、２次側流路の通過断面積よりも大きく
する。そのことによって、第１流体の流速が減少し、そ
の圧力損失は低減する。この際、第２流体の流路の通過
断面積は従来と同様である。そのため、第２流体の流速
は減少せず、第２流体の熱伝達率が減少することはな
い。つまり、第２流体の熱伝達率が低下することなく、
第１流体の圧力損失が低減し、その搬送動力は減少す
る。

【００１６】また、第１流体の流路と第２流体の流路と
の通過断面積を等しくし、第１流体の流路の流路長を第
２流体の流路の流路長よりも短くする。そのことによ
り、第２流体の熱交換特性を低下させることなく、第１
流体の圧力損失が低減する。

【００１７】具体的には、請求項１に記載の発明が講じ
た手段は、第１の流体が流通する１次側流路(B,B,…)
と、該第１の流体と熱交換する第２の流体が流通する２
次側流路(A,A,…)とが、伝熱プレート(P)を挟んでそれ
ぞれ複数個形成されたプレート式熱交換器において、１
次側流路(B,B,…)の全体(B0)の平均通過断面積が、２次
側流路(A,A,…)の全体(A0)の平均通過断面積よりも大き
い構成としたものである。

【００１８】上記発明特定事項により、第１流体は、平
均的により広い断面を通過することになる。そのため、
第１流体の平均流速は減少する。従って、熱交換器内に
おける第１流体の圧力損失が低減する。そのことによ
り、第２流体の流速を減少させてその熱伝達を低下させ
ることなく、第１流体の搬送動力が低減される。

【００１９】請求項２に記載の発明が講じた手段は、請
求項１に記載のプレート式熱交換器において、各１次側
流路(B,B,…)の通過断面積が、各２次側流路(A,A,…)の
通過断面積よりも大きい構成としたものである。

【００２０】上記発明特定事項により、第１流体は、各
１次側流路において、より広い断面を通過することにな
る。そのため、各１次側流路における第１流体の流速は
減少する。従って、各１次側流路における第１流体の圧
力損失が減少し、その結果、熱交換器内全体の第１流体
の圧力損失は低減する。そのことにより、第２流体の流
速を減少させてその熱伝達を低下させることなく、第１
流体の搬送動力が低減される。

【００２１】請求項３に記載の発明が講じた手段は、請
求項１に記載のプレート式熱交換器において、１次側流
路(B1,B2,…)が２次側流路(A,A,…)よりも多い構成とし
たものである。

【００２２】上記発明特定事項により、具体的かつ簡易
な構成によって、１次側流路の全体の平均通過断面積が
２次側流路の全体の平均通過断面積よりも大きい構成が
得られる。

【００２３】請求項４に記載の発明が講じた手段は、請
求項３に記載のプレート式熱交換器において、各１次側
流路(B1,B2,…)の通過断面積が、各２次側流路(A,A,…)
の通過断面積と等しい構成としたものである。

【００２４】上記発明特定事項により、さらに具体的か
つ簡易な構成によって、１次側流路の全体の平均通過断
面積が２次側流路の全体の平均通過断面積よりも大きい
構成が得られる。例えば、従来のプレート式熱交換器、
つまり、等間隔に積層したプレートの間に同一通過断面
積の流路が繰り返し形成されたプレート式熱交換器にお
いて、各流路への流入口及び流出口の構造のみを変更
し、１次側流路を２次側流路よりも多く形成することに
より、容易に構成されることになる。

【００２５】請求項５に記載の発明が講じた手段は、請
求項４に記載のプレート式熱交換器において、順に並列
に並んだ複数の１次側流路(B1,B2)と１つの２次側流路
(A)とが、繰り返し配列されている構成としたものであ
る。

【００２６】上記発明特定事項により、具体的な構成に
よって、各流路の通過断面積が等しく、１次側流路が２
次側流路よりも多いプレート式熱交換器が得られる。ま
た、１次側流路と２次側流路とが周期的に構成されるの
で、製造が容易になるとともに、１次側流路及び２次側
流路の分流性能も良好となる。

【００２７】請求項６に記載の発明が講じた手段は、請
求項５に記載のプレート式熱交換器において、順に並列
に並んだ２つの１次側流路(B1,B2)と１つの２次側流路
(A)とが、繰り返し配列されている構成としたものであ
る。

【００２８】上記発明特定事項により、さらに具体的な
構成によって、各流路の通過断面積が等しく、１次側流
路が２次側流路よりも多いプレート式熱交換器が得られ
る。また、１次側流路と２次側流路とが必ず隣接するの
で、第１流体と第２流体との熱交換が良好に行われる。
分流性能も良好となる。

【００２９】請求項７に記載の発明が講じた手段は、第
１の流体が流通する１次側流路(B,B,…)と、該第１の流
体と熱交換する第２の流体が流通する２次側流路(A,A,
…)とが、伝熱プレート(P)を挟んでそれぞれ複数個形成
されたプレート式熱交換器において、１次側流路(B,B,
…)の通過断面積は、２次側流路(A,A,…)の通過断面積
と等しく、１次側流路(B,B,…)の流路長は、２次側流路
(A,A,…)の流路長よりも短い構成としたものである。

【００３０】上記発明特定事項により、第１の流体はよ
り短い流路を流通する。従って、第２の流体の熱交換性
能が低下することなく、第１の流体の圧力損失が減少
し、搬送動力は低減される。

【００３１】請求項８に記載の発明が講じた手段は、請
求項７に記載のプレート式熱交換器において、１次側流
路(B)は、熱交換器本体の長手方向の一端側に設けられ
た１次側流入口(47)と、他端側に設けられた１次側流出
口(48)との間に、該長手方向に延びるように形成され、
２次側流路(A)は、上記一端側又は他端側のいずれか一
方に設けられた２次側流入口(45)と２次側流出口(46)と
の間に、２次側流入口(45)と連続し上記長手方向に延び
る往路(A1)と、２次側流出口(46)に連続し該長手方向に
延びる復路(A2)とが、上記一端側又は他端側の他方にお
いて連続するように形成されている構成としたものであ
る。

【００３２】上記発明特定事項により、具体的かつ簡易
な構成によって、両流路の通過断面積が等しく、１次側
流路が２次側流路よりも短いプレート式熱交換器が得ら
れる。

【００３３】請求項９に記載の発明が講じた手段は、請
求項１〜８のいずれか一つに記載のプレート式熱交換器
において、第１の流体は水であり、第２の流体は冷媒で
ある構成としたものである。

【００３４】上記発明特定事項により、請求項１〜８に
係るプレート式熱交換器が、需要の多い冷媒−水熱交換
器として使用される。通常の運転状態において、水は冷
媒よりも熱伝達率が大きく、圧力損失も大きいため、請
求項１〜８の発明の効果がより顕著に発揮される。

【００３５】請求項１０に記載の発明が講じた手段は、
請求項９に記載のプレート式熱交換器において、２次側
流路(A)は、冷媒が蒸発及び凝縮を繰り返して循環する
冷凍サイクルの冷媒回路(20)に接続され、１次側流路
(B)は、蓄熱槽(31)を備えた水循環回路(30)に接続さ
れ、第２の流体は、２次側流路(A)内で蒸発する冷媒で
あり、第１の流体は、上記冷媒に冷却されて１次側流路
(B)内で過冷却状態となり、１次側流路(B)外で該過冷却
状態を解消されて氷化し、上記蓄熱槽(31)に貯留される
水である構成としたものである。

【００３６】上記発明特定事項により、本発明に係るプ
レート式熱交換器が、いわゆるダイナミック式氷蓄熱装
置の過冷却熱交換器として利用され、効率の良い製氷動
作が行われることになる。

【００３７】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００３８】実施形態１に係るプレート式熱交換器(50)
は、氷蓄熱式空気調和装置(10)に設けられた過冷却水生
成用の過冷却熱交換器(50)である。まず、空気調和装置
(10)の全体構成について説明する。

【００３９】−空気調和装置(10)の構成− 空気調和装置(10)は、冷媒循環回路(20)と水循環回路(3
0)とから構成されている。

【００４０】冷媒循環回路(20)は、圧縮機(21)、四路切
換弁(22)、室外熱交換器(23)、室外電動膨張弁(EV-1)、
室内電動膨張弁(EV-2)、室内熱交換器(24)、及びアキュ
ムレータ(25)が、冷媒配管(26)によって接続されて構成
される可逆運転自在なメイン冷媒回路(27)を備えてい
る。更に、冷媒循環回路(20)には、蓄熱冷媒回路(2a)、
種氷回路(2b)、及びホットガス回路(2c)が設けられてい
る。

【００４１】蓄熱冷媒回路(2a)は、後述する冷蓄熱運転
時に冷媒が循環する回路であって、一端が室外熱交換器
(23)と室外電動膨張弁(EV-1)との間に、他端が四路切換
弁(22)とアキュムレータ(25)との間に接続されるととも
に、第１電磁弁(SV-1)、予熱器(11)、蓄熱電動膨張弁(E
V-3)、過冷却熱交換器(50)、及び第２電磁弁(SV-2)が順
に接続されて構成されている。

【００４２】種氷回路(2b)は、水循環回路(30)において
種氷を生成させるための回路であって、一端が蓄熱冷媒
回路(2a)における蓄熱電動膨張弁(EV-3)と過冷却熱交換
器(50)との間に、他端が過冷却熱交換器(50)と第２電磁
弁(SV-2)との間に接続されるとともに、キャピラリーチ
ューブ(CP)及び種氷生成器(13)が順に接続されて構成さ
れている。

【００４３】ホットガス回路(2c)は、蓄熱槽(31)に蓄え
られた氷を利用する冷房運転時等に圧縮機(21)の吐出冷
媒を過冷却熱交換器(50)に供給する回路であって、一端
が圧縮機(21)の吐出側に、他端が蓄熱冷媒回路(2a)にお
ける第２電磁弁(SV-2)と過冷却熱交換器(50)との間に接
続され、第３電磁弁(SV-3)を備えている。

【００４４】以上が冷媒循環回路(20)の構成である。

【００４５】一方、水循環回路(30)は、図２に示すよう
に、蓄熱槽(31)、ポンプ(32)、予熱器(11)、混合器(3
3)、過冷却熱交換器(50)、及び過冷却解消部(34)が水配
管(35)によって接続されて構成されている。

【００４６】過冷却熱交換器(50)は、後述するように、
本形態に係るプレート式熱交換器であって、冷媒循環回
路(20)を流れる冷媒と水循環回路(30)を流れる水との間
で熱交換を行わせ、冷蓄熱運転時には水を過冷却状態ま
で冷却する。

【００４７】予熱器(11)は、冷媒循環回路(20)を流れる
冷媒によって、蓄熱槽(31)から流れてきた氷水を加熱し
て、水配管(35)を流れる氷片を融解する熱交換器であ
る。種氷生成器(13)は、水配管(35)を流れる水の一部を
冷媒循環回路(20)を流れる冷媒によって冷却氷化し、そ
れを種氷として過冷却解消部(34)に向かって供給する。
混合器(33)は、予熱器(11)で加熱された水と氷とを撹拌
して氷の融解を促進させる。過冷却解消部(34)は、種氷
生成器(13)で生成された種氷と過冷却熱交換器(50)で生
成された過冷却水とを撹拌して過冷却状態を解消する。

【００４８】−過冷却熱交換器(50)の構成− 次に、過冷却熱交換器(50)について説明する。

【００４９】図３（熱交換器の分解斜視図）に示すよう
に、過冷却熱交換器(50)は、２枚のフレーム(51),(52)
の間に複数枚の伝熱プレート(P)、つまり伝熱プレート
(53)〜(59)が重ね合わされて構成されている。伝熱プレ
ート(P)間には、冷媒流路(A)及び水流路(B1),(B2)が形
成されている。

【００５０】以下、図３〜図６を用いて、これら伝熱プ
レート(53)〜(59)の形状及び流路(A),(B1),(B2)につい
て説明する。

【００５１】伝熱プレート(53)〜(59)は、金属製の平板
がプレス加工によって波板状に形成されて成る。また、
これら伝熱プレート(53)〜(59)は、波形状の異なる２種
類の伝熱プレート、即ち、第１タイプの第１伝熱プレー
ト(P1)と第２タイプの第２伝熱プレート(P2)とで構成さ
れている。そして、過冷却熱交換器(50)は、第１伝熱プ
レート(P1)及び第２伝熱プレート(P2)が一定の間隔を存
して交互に重ね合わされ、これらがろう付けにより一体
的に接合されて構成されている。尚、図４は第１伝熱プ
レート(P1)を、図５は第２伝熱プレート(P2)を模式的に
示している。

【００５２】まず、第１伝熱プレート(P1)について説明
する。図４に示すように、第１伝熱プレート(P1)は、四
隅部に、冷媒の流入通路(5a)及び流出通路(5b)（図３参
照）と、水の流入通路(5c)及び流出通路(5d)とを構成す
るための開口(61)〜(64)が設けられていると共に、その
他の部分は波板状に形成されている。この波形状は、波
を形成する山部（図４における太線部分）と谷部（図４
における細線部分）とが交互に形成された形状となって
いる。この波形状について更に詳しく説明すると、山部
と谷部の延長方向が、図４の右方向に向うにしたがって
上側に傾斜するように配設された上流側傾斜部(53a)
と、下側に傾斜するように配設された下流側傾斜部(53
b)とが交互に形成された所謂ヘリンボーン形状となって
いる。

【００５３】一方、図５に示すように、第２伝熱プレー
ト(P2)も、第１伝熱プレート(P1)と同様に、四隅部に冷
媒の流入通路(5a)及び流出通路(5b)と水の流入通路(5c)
及び流出通路(5d)とを構成するための開口(61)〜(64)が
形成されていると共に、その他の部分は波板状に形成さ
れている。そして、第２伝熱プレート(P2)は、山部と谷
部の延長方向が、第１伝熱プレート(P1)と異なってい
る。即ち、上述した第１伝熱プレート(P1)では、図４に
示すように、左端から、上流側傾斜部(53a)、下流側傾
斜部(53b)の順でヘリンボーン形状が構成されているの
に対し、第２伝熱プレート(P2)では、図５に示すよう
に、左端から、下流側傾斜部(54b)、上流側傾斜部(54a)
の順でヘリンボーン形状が構成されている。

【００５４】図３に示すように、第１伝熱プレート(P1)
及び第２伝熱プレート(P2)は、いずれも周縁部(66)が肉
厚に形成されており、波形状が形成された中央部に比べ
て周縁部(66)の厚さが厚く形成されている。そして、こ
の周縁部(66)同士がろう付けされることによって互いに
接合されるように形成されている。

【００５５】また、伝熱プレート(53)〜(59)同士の接合
に際して、所定の開口(61)〜(64)の周囲には、水と冷媒
との混合を防止するシール部材(81)が挟まれている。具
体的には、冷媒流路(A)を形成する面には、水流路(B1),
(B2)の流出入口となる第２開口(63)及び第４開口(64)の
周囲にシール部材(81)が挟まれており、水流路(B1),((B
2)を形成する面には、冷媒流路(A)の流出入口となる第
１開口(61)及び第２開口(62)の周囲にシール部材(82)が
挟まれている。つまり、伝熱プレート(53)〜(59)の間に
は、水流路(B1),(B2)に冷媒が流入せず、かつ冷媒流路
(A)に水が流入しないように、所定の開口(61)〜(64)の
周囲を覆うシール部材(81),(82)が設けられている。

【００５６】次に、各伝熱プレート(53〜59)の配設状態
について説明する。

【００５７】図３において最も手前側に位置する第１伝
熱プレート(P1)で成る第１プレート(53)は、四隅部にシ
ール部材(83)を挟んでフレーム(51)と接合されている。

【００５８】また、第２伝熱プレート(P2)で成る第２プ
レート(54)は、第３開口(63)部分及び第４開口(64)部分
にシール部材(81)を挟んで、第１プレート(53)と接合さ
れている。その結果、第１プレート(53)と第２プレート
(54)との間では、第１開口(61)と第２開口(62)との間で
冷媒の流通が可能な冷媒流路(A)が形成されている。

【００５９】さらに、第１伝熱プレート(P1)で成る第３
プレート(55)は、第１開口(61)部分及び第２開口(62)部
分にシール部材(81)を挟んで、第２プレート(54)と接合
されている。従って、第２プレート(54)と第３プレート
(55)との間では、第３開口(63)と第４開口(64)との間で
水の流通が可能な第１水流路(B1)が形成されている。

【００６０】そして、第２伝熱プレート(P2)で成る第４
プレート(56)は、第１開口(61)部分及び第２開口(62)部
分にシール部材(81)を挟んで、第３プレート(55)と接合
されている。従って、第３プレート(55)と第４プレート
(56)との間には、第３開口(63)と第４開口(64)との間で
水の流通が可能な第２水流路(B2)が形成されている。

【００６１】このようにして、第１伝熱プレート(P1)と
第２伝熱プレート(P2)とが交互に重ね合わされ、これら
が一体的にろう付けされている。なお、ろう付けされて
いる箇所は、上述した各シール部および各伝熱プレート
の周縁部(66)である。

【００６２】その結果、図６に示すように、隣り合う伝
熱プレート間に冷媒流路(A)、第１水流路(B1)、第２水
流路(B2)、冷媒流路(A)、第１水流路(B1)、第２水流路
(B2)、・・・の順序で同一の通過断面積を有する各流路
(A),(B1),(B2)が形成されている。

【００６３】従って、各水流路(B1),(B2)の通過断面積
は、冷媒流路(A)の通過断面積と等しい。そして、水流
路(B1),(B2)の数は冷媒流路(A)の２倍であるため、水流
路(B1),(B2)の全体の平均通過断面積は、冷媒流路(A)の
全体の平均通過断面積の２倍である。従って、水流路(B
1),(B2)の全体の平均通過断面積は、冷媒流路(A)の全体
の平均通過断面積よりも大きく構成されている。また、
２つの水流路(B1),(B2)と１つの冷媒流路(A)とが、並列
に繰り返し配列されている。

【００６４】一方（図３の手前側）のフレーム(51)に
は、各開口(61)〜(64)に対応して配管(45)〜(48)が接続
されている。第１開口(61)に対応した配管は冷媒導入配
管(45)、第２開口(62)に対応した配管は冷媒導出配管(4
6)、第３開口(63)に対応した配管は水導入配管(47)、第
４開口(64)に対応した配管は水導出配管(48)である。

【００６５】−運転動作− 次に、空気調和装置(10)の運転動作（冷蓄熱運転動作）
について説明する。

【００６６】冷蓄熱運転では、図１に示すように、四路
切換弁(22)が実線側に切り換えられ、蓄熱電動膨張弁(E
V-3)が所定開度に調整される一方、他の電動膨張弁(EV-
1,EV-2)は閉鎖される。また、第１及び第２電磁弁(SV-
1,SV-2)は開口し、第３電磁弁(SV-3)は閉鎖している。

【００６７】この状態において、冷媒循環回路(20)で
は、圧縮機(21)から吐出した冷媒は、図１に矢印で示す
ように、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮す
る。その後、この冷媒は、蓄熱電動膨張弁(EV-3)で減圧
した後、過冷却熱交換器(50)で水と熱交換して蒸発し、
この水を過冷却状態（例えば−２℃）まで冷却する。そ
の後、上記冷媒はアキュムレータ(25)を経て圧縮機(21)
に吸入される。

【００６８】また、本運転にあっては、冷媒の一部が、
蓄熱電動膨張弁(EV-3)の下流側から種氷回路(2b)に分流
し、キャピラリチューブ(CP)により減圧された後、種氷
生成器(13)で蒸発して、アキュムレータ(25)を経て圧縮
機(21)に吸入される。この種氷生成器(13)において、冷
媒は、水配管(35)を流れる水と熱交換し、種氷を水配管
(35)の内壁面に生成する。

【００６９】一方、水循環回路(30)では、ポンプ(32)を
駆動することにより、水を循環させる。図２に示すよう
に、蓄熱槽(31)から流出した水は、ポンプ(32)を経て、
予熱器(11)で加熱された後、混合器(33)で攪拌される。
その後、この水は過冷却熱交換器(50)で冷媒と熱交換し
て冷却され、所定の過冷却状態になって過冷却熱交換器
(50)から流出する。そして、過冷却熱交換器(50)から流
出した過冷却状態の水は、種氷生成器(13)において更に
冷却され、種氷を水配管(35)の内壁面に生成する。その
後、この種氷の周囲で氷核が生成され、この氷核を含ん
だ過冷却水は過冷却解消器(34)に供給される。そして、
過冷却解消器(34)において、氷核と過冷却水とが攪拌さ
れ、蓄熱用のスラリー状の氷が生成されて蓄熱槽(31)に
回収貯留される。

【００７０】−過冷却熱交換器(50)内の冷媒及び水の流
れ− 次に、過冷却熱交換器(50)内の冷媒および水の流れにつ
いて説明する。

【００７１】冷媒は、図３に実線で示す矢印のように、
冷媒導入配管(45)を経て各第１開口(61,61,…)より冷媒
流路(A,A,…)を流れ、その後、各第２開口(62,62,…)を
経て冷媒導出配管(46)より導出される。一方、水は、図
３に破線で示す矢印のように、水導入配管(47)を経て各
第３開口(63,63,…)より第１水流路(B1)又は第２水流路
(B2)を流れ、その後、各第４開口(64,64,…)を経て水導
出配管(48)より導出される。

【００７２】従って、水流路と冷媒流路とが一つづつ交
互に形成されている従来のプレート式熱交換器（図示せ
ず）に比べて、冷媒の流速は変わらないが、水の流速は
半分になっている。

【００７３】以上のようにして、過冷却熱交換器(50)を
用いた冷蓄熱運転が行われる。

【００７４】なお、本空気調和装置(10)では、上記の冷
蓄熱運転の他に、四路切換弁(2)や各電磁弁(SV-1,SV-2,
SV-3)等を切り換えることなどによって、蓄熱槽(31)内
に貯留された氷の冷熱を利用した室内冷房運転が可能に
なっている。また、冷媒循環回路(20)のみを利用して室
内の空調を行う通常冷房運転や通常暖房運転も可能であ
る。

【００７５】−過冷却熱交換器(50)の効果− 過冷却熱交換器(50)によれば、通過断面積が等しく互い
に並列な冷媒流路(A)、第１水流路(B1)、及び第２水流
路(B2)の３つの流路が繰り返し形成されているので、水
流路全体(B0)の通過断面積は、冷媒流路全体(A0)の通過
断面積よりも大きい。従って、過冷却熱交換器(50)に流
入した水は、より広い断面を通過することになるので、
流速が低下し、圧力損失が低減する。なお、この場合、
水の熱伝達率は若干低下するが、依然として冷媒の熱伝
達率よりも大きいので、熱交換器自体の熱貫流率が大き
く低下することはない。従って、熱貫流率の低下に比べ
て圧力損失の低減の効果が上回り、ポンプ(32)の動力が
低減する等、結果として、空気調和装置(10)の効率が向
上する。

【００７６】

【発明の実施の形態２】図７に示すように、実施形態２
に係るプレート式熱交換器(60)は、隣り合う伝熱プレー
ト(P)の間隔を異なるようにしたものである。具体的に
は、冷媒流路(A)を形成する伝熱プレート(P)間の間隔
と、水流路(B)を形成する伝熱プレート(P)間の間隔と
を、１：２の割合としたものである。

【００７７】従って、各水流路(B)の通過断面積は、各
冷媒流路(A)の通過断面積の２倍であり、各冷媒流路(A)
の通過断面積よりも大きくなっている。そして、水流路
(B)の全体(B0)の平均通過断面積は、冷媒流路(A)の全体
(A0)の平均通過断面積よりも大きい。

【００７８】プレート式熱交換器(60)の具体的な構成
は、各流路(A),(B)の構成が異なるだけで、他の部分に
ついては実施形態１のプレート式熱交換器(50)と同様で
ある。すなわち、波板状に形成された種類の異なる伝熱
プレート(P)が複数枚積層され、その周縁部が接合され
て一体化されている。伝熱プレート(P)の四隅部に設け
られた開口(61)〜(64)の周囲は、冷媒と水とが混合しな
いよう、シール部材によって適宜封止されている。

【００７９】上述したように、実施形態２のプレート式
熱交換器(60)においても、水流路(B)の全体(B0)の平均
通過断面積は、冷媒流路(A)の全体(A0)の平均通過断面
積よりも大きい。従って、実施形態１と同様の効果が発
揮される。

【００８０】しかも、本プレート式熱交換器(60)では、
実施形態１のプレート式熱交換器(50)と異なり、水流路
(B)と水流路(B)との間に、冷媒と水との熱交換に直接関
係しない伝熱プレート(P)は存在しない。従って、水流
路(B)の全体(B0)の平均通過断面積は実施形態１のプレ
ート式熱交換器(50)と同等であるが、水と伝熱プレート
(P)との接触面積が小さいので、水の圧力損失は一層低
減する。

【００８１】−変形例− 上記のプレート式熱交換器(60)では、冷媒流路(A)と水
流路(B)との通過断面積の割合を１：２としているが、
この割合は１：２に限られるものではない。冷媒循環回
路(20)の冷凍能力や、水循環回路(30)の水の循環量等の
種々の条件に応じて、上記割合を自由に設定することが
できる。

【００８２】上記割合の設定は、冷媒流路(A)を形成す
る伝熱プレート(P)間の間隔と、水流路(B)を形成する伝
熱プレート(P)間の間隔とが異なるように、伝熱プレー
ト(P)の積層間隔を調整することにより、容易になされ
る。

【００８３】

【発明の実施の形態３】図８に示すように、実施形態３
のプレート式熱交換器(70)は、冷媒流路(A)を熱交換器
本体の一端側で折り返すように構成したものである。

【００８４】すなわち、冷媒流路(A)は、冷媒導入配管
(45)から流入した冷媒が、熱交換器本体の長手方向に沿
って下端側から上端側に向かって流通し、いったん上端
側で折り返した後、上端側から下端側に向かって流通
し、冷媒導出配管(46)から流出するように形成されてい
る。一方、水流路(B)は、水導入配管(47)から流入した
水が、熱交換器本体の長手方向に沿って下端側から上端
側に向かって流通し、水導出配管(48)から流出するよう
に形成されている。

【００８５】−プレート式熱交換器(80)の構成−以下
に、実施形態３のプレート式熱交換器(80)の具体的な構
成を説明する。

【００８６】図９に示すように、プレート式熱交換器(7
0)は、２枚のフレーム(151),(152)の間に、複数の伝熱
プレート(P)、つまり伝熱プレート(153)〜(161)が、等
間隔に積層されて構成されている。各伝熱プレート(P)
間の間隔は、実施形態１のプレート熱交換器(50)に比べ
て大きく構成されている。

【００８７】フレーム(151)には、伝熱プレート(P)の第
１開口(61)に対応する位置において、冷媒導入配管(45)
が接続されている。また、第３開口(63)、第４開口(64)
に対応する位置においては、それぞれ水導入配管(47)、
水導出配管(48)が接続されている。一方、フレーム(15
2)は、第１開口(61)に対応する位置において、冷媒導出
配管(46)（図９では図示せず）に接続されている。

【００８８】伝熱プレート(P)は、実施形態１と同様、
第１伝熱プレート(P1)又は第２伝熱プレート(P2)のいず
れかで構成されている。そして、第１伝熱プレート(P1)
と第２伝熱プレート(P2)とは、一定間隔を存して交互に
積層され、一体的に接合されている。第１伝熱プレート
(P1)及び第２伝熱プレート(P2)自体は、実施形態１と同
様なので、その説明は省略する。なお、図９では説明の
簡単のため、９枚の伝熱プレート(P)しか図示していな
いが、実際は、より多くの伝熱プレート(P)が積層され
ている。

【００８９】所定の開口(61)〜(64)の周囲には、実施形
態１のプレート式熱交換器(50)と同様、水と冷媒との混
合を防止するシール部材(81)が挟まれている。

【００９０】積層された伝熱プレート群の中間には、中
間伝熱プレート(157)が設けられている。他の伝熱プレ
ート(P)と異なり、中間伝熱プレート(157)の第１開口(6
1)は、シール部材(85)によって塞がれている。従って、
中間伝熱プレート(157)は、冷媒が第１開口(61)を通過
することができないように構成されている。すなわち、
中間伝熱プレート(157)は、伝熱プレート(P)が積層され
た状態において第１開口(61)によって区画形成される空
間を、フレーム(151)側の流入側空間(91)と、フレーム
(152)側の流出側空間(92)とに分離している。つまり、
中間伝熱プレート((157)は、流入する冷媒と流出する冷
媒とが混合しないように設けられている。

【００９１】冷媒流路(A)は、上記の中間伝熱プレート
(157)によって、冷媒往路(A1)と冷媒復路(A2)とに分け
られる。冷媒往路(A1)は、フレーム(151)と中間伝熱プ
レート((157)との間に形成された冷媒流路(A)であり、
冷媒導入配管(45)から流入した冷媒を下部から上部に向
かって流通させる流路である。一方、冷媒復路(A2)は、
フレーム(152)と中間伝熱プレート(157)との間に形成さ
れた冷媒流路(A)である。冷媒復路(A2)は、冷媒往路(A
1)を通過し熱交換器本体の上部でＵターンした冷媒を、
下部に向かって流通させる流路である。

【００９２】水流路(B)は、各冷媒流路(A1,A2)の間に形
成されている。水流路(B)は、水導入配管(47)から流入
した水を、下部から上部に向かって流通させ、水導出配
管(48)から流出させる流路である。

【００９３】従って、各冷媒往路(A1)、冷媒復路(A2)、
及び水流路(B)のそれぞれの通過断面積は等しい。そし
て、冷媒流路(A)は冷媒往路(A1)及び冷媒復路(A2)が直
列につながって構成されているので、水流路(B)の流路
長は、冷媒流路(A)の流路長の半分となる。つまり、実
施形態３のプレート式熱交換器(70)においては、水流路
(B)の流路長が冷媒流路(A)の流路長よりも短く構成され
ている。

【００９４】−冷媒及び水の流れ−次に、プレート式熱
交換器(70)における冷媒及び水の流通状態を説明する。

【００９５】冷媒導入配管(45)から流入した冷媒は、各
伝熱プレート(P)の第１開口(61,61,…)部分、つまり流
入側空間(91)を通過し、各冷媒往路(A1,A1,…)に流入す
る。そして、各冷媒往路(A1,A1,…)を上向きに流れなが
ら、隣接する水流路(B)を上向きに流れる水と熱交換を
行う。冷媒往路(A1)を流れた冷媒は、各第２開口(62,6
2,…)を通過し、各冷媒復路(A2,A2,…)に流入する。こ
の際、冷媒は、熱交換器本体の上部、すなわち第２開口
(62,62,…)によって区画された空間において、流れ方向
を略１８０度変更する。その後、この冷媒は、冷媒復路
(A2)を下方に向かって流れ、隣接する水流路(B)を上方
に向かって流れる水と熱交換する。つまり、上方に向か
って流れていた冷媒は、第２開口(62,62,…)部分でＵタ
ーンし、下方に向かって流れる。そして、冷媒復路(A2)
を流れた冷媒は、各第１開口(61,61,…)部分、つまり流
出側空間(92)を通過した後、冷媒導出配管(46)から流出
する。

【００９６】水導入配管(47)から流入した水は、各第３
開口(63,63,…)より各水流路(B,B,…)に流入し、各水流
路(B,B,…)を上方に向かって流れる。そして、隣接する
冷媒流路(A)を流れる冷媒により冷却され、過冷却状態
になった後、各水流路(B,B,…)を流出する。この水は、
さらに、各第４開口(64,64,…)を通過して、水導出配管
(48)から流出する。

【００９７】−効果− 上述したように、水流路(B)の流路長は、冷媒流路(A)の
流路長よりも短く構成されている。従って、水の圧力損
失が減少するので、ポンプ(32)の動力を低減することが
できる。

【００９８】一方、実施形態１に比べ、伝熱プレート
(P)の積層間隔が大きいので、冷媒流路(A)の通過断面積
は大きい。そのため、実施形態１の場合に比べて、冷媒
の流速は低下している。しかし、冷媒流路(A)の流路長
は、実施形態１に比べて、２倍になっている。そのた
め、冷媒は十分に熱交換を行うことができる。従って、
冷媒と水との熱交換量をほぼ維持したまま、水の搬送動
力を低減することが可能となる。

【００９９】本プレート式熱交換器(70)では、中間伝熱
プレート(157)を設けることにより、簡易に冷媒往路(A
1)及び冷媒復路(A2)を構成している。この中間伝熱プレ
ート(157)は、伝熱プレート(P)の第１開口(61)をシール
部材(85)で塞ぐことにより、簡易に形成されている。従
って、冷媒流路(A)の流路長と水流路(B)の流路長との差
を、容易かつ安価に設けることができる。

【０１００】−変形例− 上記のプレート式熱交換器(70)では、伝熱プレート(P)
間に、冷媒流路(A)と水流路(B)とが交互に形成されてい
た。しかし、本発明によるプレート式熱交換器は、これ
に限定されるものではない。例えば、図１０に示すよう
に、中間伝熱プレート(157)の両側に冷媒流路(A)が形成
されたものであってもよい。つまり、冷媒流路(A)及び
水流路(B)が、中間伝熱プレート(157)を挟んで、対称に
構成されていてもよい。

【０１０１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、以下の
ような効果が発揮される。

【０１０２】請求項１に記載の発明によれば、第１流体
は、より広い断面を通過するため流速が減少し、その圧
力損失が低減する。その結果、第１流体及び第２流体の
双方の流速を一律に減少させる必要がなくなる。そのた
め、第２流体の熱伝達率を低下させることなく、第１流
体の搬送動力を低減することが可能となる。

【０１０３】請求項２に記載の発明によれば、第１流体
は、各１次側流路において、より広い断面を通過するこ
とになる。その結果、各１次側流路における第１流体の
流速が減少し、圧力損失が低減する。そのため、各流路
において、第２流体の熱伝達率を低下させることなく、
１次側流体の搬送動力を低減することが可能となる。

【０１０４】請求項３に記載の発明によれば、具体的か
つ簡易な構成によって、１次側流路の全体の平均通過断
面積が２次側流路の全体の平均通過断面積よりも大きい
構成が得られる。

【０１０５】請求項４に記載の発明によれば、従来のプ
レート式熱交換器において、例えば、各流路の流入口及
び流出口の構造のみを変更し、１次側流路を２次側流路
よりも多く形成することにより、上記構成を容易に得る
ことが可能となる。

【０１０６】請求項５に記載の発明によれば、具体的な
構成によって、各流路の通過断面積が等しく、１次側流
路が２次側流路よりも多いプレート式熱交換器が得られ
る。また、１次側流路と２次側流路とが周期的に構成さ
れるので、容易に製造することができるとともに、１次
側流路及び２次側流路の分流性能を向上することが可能
となる。

【０１０７】請求項６に記載の発明によれば、１次側流
路と２次側流路とが必ず隣接するので、第１流体と第２
流体との熱交換を良好に行うことができる。また、分流
性能も良好となる。

【０１０８】請求項７に記載の発明によれば、１次側流
路の流路長が短くなるので、第２の流体の伝熱性能を減
少させることなく、第１の流体の圧力損失を低減するこ
とができる。

【０１０９】請求項８に記載の発明によれば、簡易かつ
具体的な構成によって、１次側流路の流路長が２次側流
路の流路長よりも短いプレート式熱交換器を得ることが
できる。

【０１１０】請求項９に記載の発明によれば、請求項１
〜８に係るプレート式熱交換器を、需要の多い冷媒−水
熱交換器として使用することができる。通常の運転状態
において、水は冷媒よりも熱伝達率が大きく、圧力損失
も大きいため、請求項１〜８の発明の効果をより顕著に
発揮することができる。

【０１１１】請求項１０に記載の発明によれば、請求項
９に係るプレート式熱交換器を、過冷却熱交換器として
用いることができ、効率の良い製氷を行うことが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気調和装置の回路図である。

【図２】水循環回路の回路図である。

【図３】プレート式熱交換器の分解斜視図である。

【図４】第１伝熱プレートの正面図である。

【図５】第２伝熱プレートの正面図である。

【図６】プレート式熱交換器の縦断面図である。

【図７】プレート式熱交換器に縦断面図である。

【図８】プレート式熱交換器の縦断面図である。

【図９】プレート式熱交換器の分解斜視図である。

【図１０】プレート式熱交換器の縦断面図である。

【図１１】従来のプレート式熱交換器の伝熱プレートの
積層状態を示す斜視図である。

【図１２】（ａ）は従来のプレート式熱交換器の一部を
切り欠いて示した側面図であり、（ｂ）はその切り欠き
部の拡大図である。

【符号の説明】

(45) 冷媒導入配管 (46) 冷媒導出配管 (47) 水導入配管 (48) 水導出配管 (51),(52) フレーム (53)〜(59) 伝熱プレート (61) 第１開口 (81) シール部材 (A) 冷媒流路 (B) 水流路 (P1) 第１伝熱プレート (P2) 第２伝熱プレート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の流体が流通する１次側流路(B,B,
…)と、該第１の流体と熱交換する第２の流体が流通す
る２次側流路(A,A,…)とが、伝熱プレート(P)を挟んで
それぞれ複数個形成されたプレート式熱交換器におい
て、１次側流路(B,B,…)の全体(B0)の平均通過断面積が、２
次側流路(A,A,…)の全体(A0)の平均通過断面積よりも大
きいことを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】請求項１に記載のプレート式熱交換器に
おいて、各１次側流路(B,B,…)の通過断面積が、各２次側流路
(A,A,…)の通過断面積よりも大きいことを特徴とするプ
レート式熱交換器。
【請求項３】請求項１に記載のプレート式熱交換器に
おいて、１次側流路(B1,B2,…)が２次側流路(A,A,…)よりも多い
ことを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項４】請求項３に記載のプレート式熱交換器に
おいて、各１次側流路(B1,B2,…)の通過断面積が、各２次側流路
(A,A,…)の通過断面積と等しいことを特徴とするプレー
ト式熱交換器。
【請求項５】請求項４に記載のプレート式熱交換器に
おいて、順に並列に並んだ複数の１次側流路(B1,B2)と１つの２
次側流路(A)とが、繰り返し配列されていることを特徴
とするプレート式熱交換器。
【請求項６】請求項５に記載のプレート式熱交換器に
おいて、順に並列に並んだ２つの１次側流路(B1,B2)と１つの２
次側流路(A)とが、繰り返し配列されていることを特徴
とするプレート式熱交換器。
【請求項７】第１の流体が流通する１次側流路(B,B,
…)と、該第１の流体と熱交換する第２の流体が流通す
る２次側流路(A,A,…)とが、伝熱プレート(P)を挟んで
それぞれ複数個形成されたプレート式熱交換器におい
て、１次側流路(B,B,…)の通過断面積は、２次側流路(A,A,
…)の通過断面積と等しく、１次側流路(B,B,…)の流路長は、２次側流路(A,A,…)の
流路長よりも短いことを特徴とするプレート式熱交換
器。
【請求項８】請求項７に記載のプレート式熱交換器に
おいて、１次側流路(B)は、熱交換器本体の長手方向の一端側に
設けられた１次側流入口(47)と、他端側に設けられた１
次側流出口(48)との間に、該長手方向に延びるように形
成され、２次側流路(A)は、上記一端側又は他端側のいずれか一
方に設けられた２次側流入口(45)と２次側流出口(46)と
の間に、２次側流入口(45)と連続し上記長手方向に延び
る往路(A1)と、２次側流出口(46)に連続し該長手方向に
延びる復路(A2)とが、上記一端側又は他端側の他方にお
いて連続するように形成されていることを特徴とするプ
レート式熱交換器。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一つに記載のプ
レート式熱交換器において、第１の流体は水であり、第２の流体は冷媒であることを
特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項１０】請求項９に記載のプレート式熱交換器
において、２次側流路(A)は、冷媒が蒸発及び凝縮を繰り返して循
環する冷凍サイクルの冷媒回路(20)に接続され、１次側流路(B)は、蓄熱槽(31)を備えた水循環回路(30)
に接続され、第２の流体は、２次側流路(A)内で蒸発する冷媒であ
り、第１の流体は、上記冷媒に冷却されて１次側流路(B)内
で過冷却状態となり、１次側流路(B)外で該過冷却状態
を解消されて氷化し、上記蓄熱槽(31)に貯留される水で
あることを特徴とするプレート式熱交換器。