WO2023101028A1 - プレート積層型蒸発器 - Google Patents

プレート積層型蒸発器 Download PDF

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WO2023101028A1
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威一郎 川村
耐事 坂井
隆行 須山
峻吾 高野
Original Assignee
株式会社ティラド
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/02—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the heat-exchange media travelling at an angle to one another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates

Definitions

  • the present invention relates to suppression of drift between stages in a plate-laminated evaporator.
  • the conventional plate-laminated evaporator has a core 26 formed by laminating plates 21 formed in a dish shape.
  • the core 26 is formed in multiple stages, and the stages in which the first flow paths 22 are formed and the stages in which the second flow paths 23 are formed are alternately stacked.
  • the stages in which the first flow paths 22 are formed are communicated with each other, and the stages in which the second flow paths 23 are formed are communicated with each other.
  • a coolant flows through the first flow path 22 as a first fluid 29
  • a cooling water flows through the second flow path 23 as a second fluid 30 .
  • An end plate 24 is arranged at the upper end in the stacking direction.
  • a first fluid introduction passage 27 is arranged adjacent to the end plate 24 .
  • the first fluid introduction passage 27 has an introduction passage inlet 27a and an introduction passage outlet 27b for the first fluid 29. Between the introduction passage inlet 27a and the introduction passage outlet 27b, the axis of the passage is located at the end plate 24. It has a bend 27c that is not perpendicular to the plane.
  • the end plate 24 is formed with a first inlet 24 a connected to the introduction path outlet 27 b and a first outlet 24 b serving as an outlet of the first flow path 22 .
  • the first fluid 29 is guided to the introduction channel inlet 27a of the first fluid introduction channel 27 as a gas-liquid two-phase flow. From the first inlet 24a, the fluid flows through the first flow paths 22 of each stage, and is discharged from the first outlet 24b through the first fluid lead-out path 31. As shown in FIG.
  • an object of the present invention is to suppress drift of the first fluid flowing through the first fluid introduction path.
  • the present invention according to claim 1 is composed of a laminate of a large number of dish-shaped plates 1, and a core 6 in which a first flow channel 2 and a second flow channel 3 are formed in every other plate 1, an end plate 4 arranged at the end in the stacking direction of each plate 1 of the core 6; a first fluid introduction passage 7 adjacent to the end plate 4;
  • the first fluid introduction passage 7 has an introduction passage inlet 7a and an introduction passage outlet 7b for the first fluid 9, and the axis of the passage is perpendicular to the plane of the plate 1 between the introduction passage inlet 7a and the introduction passage outlet 7b.
  • the end plate 4 is formed with a first inlet 4a connected to the introduction path outlet 7b,
  • the introduction passage outlet 7b or the first inlet 4a of the end plate 4 connected thereto is a throttle hole 5
  • the first fluid 9 is guided to the inlet 7a of the introduction path as a gas-liquid two-phase flow,
  • the total flow rate of the first fluid 9 in the throttle hole 5 is a mass flow rate Gr (kg/h), and 70 ⁇ Gr ⁇ 120
  • the flow rate of the first fluid 9 per stage of the first flow path 2 is a mass flow rate gr (kg/h), and 5.8 ⁇ gr ⁇ 10
  • Flow passage cross-sectional area a (mm 2 ) of throttle hole 5 is 20 ⁇ a ⁇ 70 is a plate laminated evaporator.
  • the present invention according to claim 2 is the plate laminated evaporator according to claim 1,
  • the outer surface of the end plate 4 has a connector 8,
  • a first fluid introduction path 7 is formed in the connector 8, and a first fluid lead-out path 11 for the first fluid 9 passing through the core 6 is formed adjacent to the first fluid introduction path 7.
  • the fluid introduction path 7 is a plate-laminated evaporator whose path is formed in a crank shape.
  • the introduction passage outlet 7b or the first inlet 4a of the end plate 4 connected thereto is a throttle hole 5, and the gas-liquid two-phase first fluid 9 is passed through the throttle hole.
  • the total flow rate of the first fluid 9 is mass flow rate Gr (kg / h), 70 ⁇ Gr ⁇ 120
  • the flow rate of the first fluid 9 per stage of each first flow path 2 is mass flow rate gr (kg/h), and 5.8 ⁇ gr ⁇ 10
  • the flow velocity of the first fluid 9 is in an appropriate range, forming a spray flow.
  • the outer surface of the end plate 4 has a connecting body 8
  • the connecting body 8 is formed with the first fluid introduction path 7, and the first fluid 9 passing through the core 6 flows through the connecting body 8.
  • the first fluid lead-out path 11 is formed adjacent to the first fluid lead-in path 7, and the first fluid lead-in path 7 is formed in a crank shape.
  • the first inlet 4a for the first fluid 9 can be provided at an appropriate position of the core 6 while suppressing drift and improving the convenience of connection with the external piping.
  • FIG. 1 is a sectional view of a plate laminated evaporator of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the flow of refrigerant in the same evaporator.
  • FIG. 3 shows the flow path cross-sectional area a of the throttle hole 5 in FIG. 2 on the horizontal axis, and the maximum performance of the evaporator on the vertical axis. Performance curves showing impact.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a conventional plate-laminated evaporator. 5 is a cross-sectional view taken along line V-V of FIG. 4.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a plate-laminated evaporator of the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the flow of the first fluid 9 in the same evaporator.
  • a core 6 is formed by a lamination of plates 1 formed in the shape of a dish.
  • the first flow paths 2 through which the first fluid 9 flows and the second flow paths 3 through which the second fluid 10 flows are alternately formed on every other plate 1 .
  • coolant flows as the first fluid 9 and cooling water flows as the second fluid 10 .
  • An end plate 4 is laminated on the upper end of the core 6 in the lamination direction. Furthermore, a first fluid introduction channel 7 is arranged adjacent to the end plate 4 .
  • the first fluid introduction path 7 has an introduction path inlet 7a and an introduction path outlet 7b for the first fluid 9, and the path between the introduction path inlet 7a and the introduction path outlet 7b is formed in a crank shape.
  • the axis of the path has a bend 7c that is not perpendicular to the plane of the end plate 4.
  • a connector 8 is mounted on the outer surface of the end plate 4 .
  • a first fluid introduction path 7 is formed in the connector 8 , and a first fluid lead-out path 11 for the first fluid 9 passing through the core 6 is formed adjacent to the first fluid introduction path 7 .
  • the end plate 4 is formed with a first inlet 4a connected to the introduction path outlet 7b and a first outlet 4b serving as an outlet of the first channel 2 .
  • the first fluid 9 is guided to the inlet 7a of the first fluid introduction path 7 as a gas-liquid two-phase flow. From the first inlet 4a, the liquid flows through the first flow passages 2 of each stage, and is discharged from the first outlet 4b through the first fluid lead-out passage 11.
  • a throttle hole 5 is formed in the first inlet 4a of the end plate 4 which is connected to the inlet outlet 7b of the connector 8. As shown in FIG. This throttle hole 5 can also be formed in the introduction path outlet 7b of the connector 8 instead of the first inlet 4a. As shown in FIG.
  • the refrigerant of the first fluid 9 is supplied to the expansion valve 13a of the housing 13, and the first fluid 9 becomes a gas-liquid two-phase flow.
  • a gas-liquid two-phase flow first fluid 9 is introduced into the introduction passage inlet 7a and supplied into the crank-shaped first fluid introduction passage 7 .
  • the first fluid 9 is supplied to each first flow channel 2 of the evaporator core 6 from the throttle hole 5 of the first inlet 4a of the end plate 4 and the first fluid outlet 11 connected to the first outlet 4b.
  • discharged from FIG. 3 is a graph showing the performance of the evaporator having the throttle hole 5.
  • the cross-sectional area a (mm 2 ) of the throttle hole 5 of the end plate 4 is plotted on the horizontal axis, and the maximum heat exchange amount is 100.
  • the vertical axis represents the heat exchange amount ratio (%) when As implementation conditions, the total flow rate and mass flow rate Gr (unit: kg/h) of the first fluid 9 in the core 6 are within the range of formula 1, (Formula 1) 70 ⁇ Gr ⁇ 120 The mass flow rate gr (unit: kg/h) of the first fluid 9 per stage of each first flow path 2 is within the range of Equation (2). (Formula 2) 5.8 ⁇ gr ⁇ 10 From FIG. 3, the range of the cross-sectional area a of the throttle hole 5 in which a good heat exchange amount (within 95% of the maximum performance) can be maintained is 20 mm 2 ⁇ a ⁇ 70 mm 2 .
  • the first fluid 9 passes through the throttle hole 5 of 20 mm 2 ⁇ a ⁇ 70 mm 2 , the first fluid 9 is generally in the spray flow region, and the gas-liquid two-phase flow is nearly uniform.
  • the flow velocity decreases and the flow is no longer a spray flow.
  • the flow velocity increases, and the flow concentrates in the first flow path 2 at the lower stage of the core 6 due to the inertia associated with the increased flow velocity. Therefore, when the channel cross-sectional area a of the throttle hole 5 is in the range of 20 mm 2 ⁇ a ⁇ 70 mm 2 , the drift in the core 6 of the evaporator is suppressed, and good heat exchange is realized.
  • the core 6 is composed of one type of plate 1 except for the end plate 4 .
  • the core 6 can be configured by alternately stacking two types of plates.
  • the path of the first fluid introduction path 7 is not limited to a crank shape.
  • the present invention is applicable to plate-laminated evaporators such as chillers in indirect water-cooled battery cooling systems for electric vehicles.

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Abstract

第１流体導入路（７）を有するプレート積層型蒸発器における第１流体（９）の偏流を抑制すること。第１流体導入路（７）の導入路出口（７ｂ）、またはそれに接続される端プレート（４）の第１入口（４ａ）に絞り孔（５）を形成し、第１流体（９）が気液二相流で導入路入口（７ａ）に導かれ、絞り孔（５）における第１流体（９）の総流量が質量流量Ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、７０≦Ｇｒ≦１２０、第１流路（２）の一段当たりの第１流体（９）の流量が質量流量ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、５．８≦ｇｒ≦１０、絞り孔（５）の流路断面積ａ（ｍｍ２）が、２０≦ａ≦７０の範囲とする。

Description

プレート積層型蒸発器
　本発明は、プレート積層型蒸発器における段間の偏流の抑制に関する。
　従来型のプレート積層型蒸発器は、図４に示す如く、皿状に形成されたプレート２１の積層体によりコア２６が形成される。図５に示す如く、コア２６は多段に形成されており、第１流路２２が形成される段と第２流路２３が形成される段とが交互に積層されている。そして、第１流路２２が形成される段どうしが連通され、第２流路２３が形成される段どうしが連通されている。
　第１流路２２には第１流体２９として冷媒が流通し、第２流路２３には第２流体３０として冷却水が流通する。
　積層方向の上端に端プレート２４が配置される。
　さらに、端プレート２４に隣接して第１流体導入路２７が配置されている。
　第１流体導入路２７は、第１流体２９の導入路入口２７ａおよび導入路出口２７ｂを有し、導入路入口２７ａと導入路出口２７ｂとの間には、その経路の軸が端プレート２４の平面に垂直でない曲折部２７ｃを有する。
　端プレート２４には、導入路出口２７ｂと接続される第１入口２４ａと、第１流路２２の出口となる第１出口２４ｂが形成されている。
　第１流体２９は、気液二相流で第１流体導入路２７の導入路入口２７ａに導かれる。そして、第１入口２４ａから各段の第１流路２２を流通し、第１出口２４ｂから第１流体導出路３１を経て排出される。
　上述したプレート積層型蒸発器の場合、気液二相状態の第１流体２９は、第１流体導入路２７の曲折部２７ｃを流通する際、図５に示す如く、そこを流通する時に生じる遠心力等によりコア２６の外側に偏流し、その慣性により、多くは前記外側を通ってコア２６の下段方向に流れるので、コア２６の下段の第１流路２２に流れが集中する。
　この第１流路２２の段間での偏流により、プレート積層型蒸発器の熱交換量が低下する。
　そこで本発明は、第１流体導入路を流通する第１流体の偏流を抑制することを課題とする。
　請求項１に記載の本発明は、多数の皿状のプレート１の積層体からなり、プレート１の一枚おきに第１流路２と第２流路３とが形成されたコア６と、
　コア６の各プレート１の積層方向の端部に配置される端プレート４と、
　端プレート４に隣接される第１流体導入路７と、を具備し、
　第１流体導入路７は、第１流体９の導入路入口７ａおよび導入路出口７ｂを有し、導入路入口７ａと導入路出口７ｂとの間にその経路の軸がプレート１の平面に垂直でない曲折部７ｃを有し、
　端プレート４には、導入路出口７ｂと接続される第１入口４ａが形成されており、
　導入路出口７ｂ、またはそれに接続される端プレート４の第１入口４ａは絞り孔５となっており、
　第１流体９が気液二相流で導入路入口７ａに導かれ、
　絞り孔５における第１流体９の総流量が質量流量Ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、７０≦Ｇｒ≦１２０
　第１流路２の一段当たりの第１流体９の流量が質量流量ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、５．８≦ｇｒ≦１０
　絞り孔５の流路断面積ａ（ｍｍ２）が、２０≦ａ≦７０
　であるプレート積層型蒸発器である。
　請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のプレート積層型蒸発器において、
　端プレート４の外面には、接続体８を有し、
　接続体８に第１流体導入路７が形成されるとともに、コア６を通った第１流体９の第１流体導出路１１が第１流体導入路７に隣接して形成されており、第１流体導入路７は、その経路がクランク状に形成されているプレート積層型蒸発器である。
　請求項１に記載の発明は、導入路出口７ｂ、またはそれに接続される端プレート４の第１入口４ａは絞り孔５となっており、気液二相流の第１流体９がその絞り孔５で、
　第１流体９の総流量を質量流量Ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、７０≦Ｇｒ≦１２０
　各第１流路２の一段当たりの第１流体９の流量を質量流量ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、５．８≦ｇｒ≦１０
　絞り孔５の流路断面積ａ（ｍｍ２）を、２０≦ａ≦７０の各範囲としたプレート積層型蒸発器である。
　この構成により、プレート積層型蒸発器の第１流体９の第１入口４ａにおいて、第１流体９の流速が適当な範囲となり、噴霧流となる。それにより、第１流体導入路７で生じた遠心力等による偏流が解消され、且つ、第１入口４ａにおける第１流体９の慣性に起因する偏流の発生も抑制される。
　請求項２に記載の発明は、端プレート４の外面には、接続体８を有し、接続体８に第１流体導入路７が形成されるとともに、コア６を通った第１流体９の第１流体導出路１１が第１流体導入路７に隣接して形成されており、第１流体導入路７は、その経路がクランク状に形成されているものである。
　この構成により、偏流を抑制すると共に、外部配管との取り合いの利便性を向上させつつ、コア６の適当な位置に、第１流体９の第１入口４ａを設けることができる。
　図１は本発明のプレート積層型蒸発器の断面図。
　図２は同蒸発器の冷媒の流れを示す模式図。
　図３は図２における、絞り孔５の流路断面積ａを横軸とし、縦軸に蒸発器の最大性能を１００としたときの接続体８の曲折部７ｃの流路による、性能低下の影響を示す性能曲線。
　図４は従来のプレート積層型蒸発器の分解斜視図。
　図５は図４のＶ−Ｖ線矢視断面図。
　次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
　図１は本発明のプレート積層型蒸発器の断面図であり、図２は同蒸発器の第１流体９の流れを示す説明図である。
　この実施例のプレート積層型蒸発器は、皿状に形成されたプレート１の積層体によりコア６が形成される。
　図１に示す如く、プレート１の一枚置きに、第１流体９が流通する第１流路２と、第２流体１０が流通する第２流路３とが交互に形成されている。この実施例では、第１流体９として冷媒が流通し、第２流体１０として冷却水が流通する。
　コア６の積層方向の上端に、端プレート４が積層される。
　さらに、その端プレート４に隣接して第１流体導入路７が配置されている。
　第１流体導入路７は、第１流体９の導入路入口７ａおよび導入路出口７ｂを有し、導入路入口７ａと導入路出口７ｂとの間の経路がクランク状に形成されており、その経路の軸が端プレート４の平面に垂直でない曲折部７ｃを有する。
　端プレート４の外面には、接続体８が載置されている。接続体８には、第１流体導入路７が形成されるとともに、コア６を通った第１流体９の第１流体導出路１１が第１流体導入路７に隣接して形成されている。
　端プレート４には、導入路出口７ｂと接続される第１入口４ａと、第１流路２の出口となる第１出口４ｂが形成されている。
　第１流体９は、気液二相流で第１流体導入路７の導入路入口７ａに導かれる。そして、第１入口４ａから各段の第１流路２を流通し、第１出口４ｂから第１流体導出路１１を経て排出される。
　この実施例では、接続体８の導入路出口７ｂに接続される端プレート４の第１入口４ａに絞り孔５が形成されている。この絞り孔５は、第１入口４ａに替えて、接続体８の導入路出口７ｂに形成することもできる。
　第１流体９の冷媒は、図２に示す如く、筐体１３の膨張弁１３ａに供給され、第１流体９が気液二相流となる。気液二相流の第１流体９が導入路入口７ａに導入され、クランク状に形成された第１流体導入路７内に供給される。
　その第１流体９は、端プレート４の第１入口４ａの絞り孔５から蒸発器のコア６の各第１流路２に供給され、第１出口４ｂに接続される第１流体導出路１１から排出される。
　図３は、絞り孔５を有する蒸発器の性能を示すグラフであり、端プレート４の絞り孔５の流路断面積ａ（ｍｍ２）を横軸にとり、熱交換量の最大値を１００としたときの熱交換量比（％）を縦軸にとったものである。
　実施条件として、コア６内の第１流体９の総流量、質量流量Ｇｒ（単位：ｋｇ／ｈ）は式１の範囲であり、
　（式１）　７０≦Ｇｒ≦１２０
　各第１流路２の一段当たりの第１流体９の流量、質量流量ｇｒ（単位：ｋｇ／ｈ）は式２の範囲にある。
　（式２）　５．８≦ｇｒ≦１０
　図３から、良好な熱交換量（最大性能の９５％以内）に維持できる絞り孔５の流路断面積ａの範囲は、２０ｍｍ２≦ａ≦７０ｍｍ２である。
　第１流体９が、２０ｍｍ２≦ａ≦７０ｍｍ２の絞り孔５を通過した時、第１流体９は、概ね噴霧流の領域にあり、気液二相流が均一に近い状態となる。
　なお、ａ＞７０ｍｍ２では、流速が低下し、噴霧流ではなくなる。
　また、ａ＜２０ｍｍ２では、流速が増加し、増加した流速に伴う慣性により、コア６の下段の第１流路２に流れが集中してしまう。
　よって、絞り孔５の流路断面積ａが２０ｍｍ２≦ａ≦７０ｍｍ２の範囲にあるとき、蒸発器のコア６内の偏流が抑制され、良好な熱交換が実現される。
　本実施例では、端プレート４を除き、１種類のプレート１でコア６が構成されている。
　しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、２種類のプレートを交互に積層してコア６を構成することもできる。
　また、第１流体導入路７の経路は、クランク状に限定されるものではない。
　本発明は、電動車両の間接水冷電池冷却システムにおけるチラー等の、プレート積層型蒸発器に適用可能である。
　１　プレート
　２　第１流路
　３　第２流路
　４　端プレート
　４ａ　第１入口
　４ｂ　第１出口
　５　絞り孔
　６　コア
　７　第１流体導入路
　７ａ　導入路入口
　７ｂ　導入路出口
　７ｃ　曲折部
　８　接続体
　９　第１流体
　１０　第２流体
　１１　第１流体導出路
　１３　膨張弁の筐体
　１３ａ　膨張弁
　２１　プレート
　２２　第１流路
　２３　第２流路
　２４　端プレート
　２４ａ　第１入口
　２４ｂ　第１出口
　２６　コア
　２７　第１流体導入路
　２７ａ　導入路入口
　２７ｂ　導入路出口
　２７ｃ　曲折部
　２９　第１流体
　３０　第２流体
　３１　第１流体導出路
　ａ　流路断面積

Claims (2)

  1. 　多数の皿状のプレート（１）の積層体からなり、プレート（１）の一枚おきに第１流路（２）と第２流路（３）とが形成されたコア（６）と、
    　コア（６）の各プレート（１）の積層方向の端部に配置される端プレート（４）と、
    　端プレート（４）に隣接される第１流体導入路（７）と、を具備し、
    　第１流体導入路（７）は、第１流体（９）の導入路入口（７ａ）および導入路出口（７ｂ）を有し、導入路入口（７ａ）と導入路出口（７ｂ）との間にその経路の軸がプレート（１）の平面に垂直でない曲折部（７ｃ）を有し、
    　端プレート（４）には、導入路出口（７ｂ）と接続される第１入口（４ａ）が形成されており、
    　導入路出口（７ｂ）、またはそれに接続される端プレート（４）の第１入口（４ａ）は絞り孔（５）となっており、
    　第１流体（９）が気液二相流で導入路入口（７ａ）に導かれ、
    　絞り孔（５）における第１流体（９）の総流量が質量流量Ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、７０≦Ｇｒ≦１２０
    　第１流路（２）の一段当たりの第１流体（９）の流量が質量流量ｇｒ（ｋｇ／ｈ）で、５．８≦ｇｒ≦１０
    　絞り孔（５）の流路断面積ａ（ｍｍ２）が、２０≦ａ≦７０
    　であるプレート積層型蒸発器。
  2. 　請求項１に記載のプレート積層型蒸発器において、
    　端プレート（４）の外面には、接続体（８）を有し、
    　接続体（８）に第１流体導入路（７）が形成されるとともに、コア（６）を通った第１流体（９）の第１流体導出路（１１）が第１流体導入路（７）に隣接して形成されており、第１流体導入路（７）は、その経路がクランク状に形成されているプレート積層型蒸発器。
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Citations (2)

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JP2002340495A (ja) * 2001-03-14 2002-11-27 Showa Denko Kk 積層型熱交換器、カーエアコン用積層型蒸発器および冷凍システム
KR20040103051A (ko) * 2003-05-30 2004-12-08 한라공조주식회사 증발기의 입구와 입구매니폴드와의 결합구조

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