JP2001133172A - 熱交換器および冷凍空調装置 - Google Patents

熱交換器および冷凍空調装置

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JP2001133172A JP31218099A JP31218099A JP2001133172A JP 2001133172 A JP2001133172 A JP 2001133172A JP 31218099 A JP31218099 A JP 31218099A JP 31218099 A JP31218099 A JP 31218099A JP 2001133172 A JP2001133172 A JP 2001133172A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で、一次側流体の流路と2次側流
体の流路の間で漏れがなく、一次側流体の流路と2次側
流体の流路の断面積の比率につき、設計の自由度が高い
熱交換器を提供する。 【解決手段】 外表面に突起を有する伝熱管2を1種類
以上のパターンで折り曲げたものとプレート1を接合し
た伝熱管付プレート3を複数枚積層して熱交換器を構成
し、熱交換流体の一方の流路を前記伝熱管とし、他方の
熱交換流体の流路を前記積層されたプレートの間(プレ
ート間流路)とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はチラーユニット用冷
凍サイクルに適した、2次側流体として水又はブライ
ン、1次側流体として相変化を利用した冷媒等を用いた
熱交換器、及び該熱交換器を用いた冷凍空調装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】一般に、プレート式熱交換器では、積層
した複数のプレート相互間に流路を形成し、これらの流
路に温度の異なる流体を交互に流す事により熱交換を行
う構成となっており、多管式等の従来の熱交換器に比べ
て大幅にコンパクト化できるメリットがある。
【0003】例えば特開平10-281575号公報では、2つ
の系統を持つ冷凍サイクルの主熱交換器として採用する
ことで、装置のコンパクト化、伝熱性能向上を図ってい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】プレート式熱交換器
は、プレス加工したプレートを積層して複数の流体が流
れる流路(プレート間流路)を構成している。このため
プレートを挟んで加熱側の流体と被加熱側の流体が流れ
るため、プレート間のシールを確実に行う必要がある。
このため、プレートのシール性を向上させるためのろう
付け技術や、熱あるいは流体の圧力差による変形等を防
ぐための面構造に工夫が数多くなされ、コストアップに
つながっている。
【0005】また同じ形状のプレートを積層しているた
め、1次側流体と2次側流体の流路断面積が殆ど同じと
なり、2次側流体として水を用いた場合には1次側流体
に比べて大きい流量を流すために流動抵抗が増加し、2
次側流体を循環させる循環ポンプの所要動力が大きくな
るという問題がある。
【0006】本発明の目的は、製造が容易で、一次側流
体の流路と2次側流体の流路の間で漏れがなく、設計の
自由度が高い熱交換器を提供することである。また、上
記の熱交換器を用いて冷凍空調装置の効率を向上させる
ことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、伝熱管と板材(以下、プレートという)を結合した
伝熱管付プレートを複数枚積層して熱交換器を形成し、
熱交換する流体の一方は伝熱管内部を流れ、他方の流体
は伝熱管の外側でかつプレートとプレートの間(プレー
ト間流路)を流れるように構成した。例えば、1次側流
体である冷媒は伝熱管内部を流れ、2次側流体の水はプ
レート間流路を伝熱管外周に接して流れるようにする。
【0008】この構造によれば、伝熱管の径と伝熱管付
プレートの間隔(流路幅)を自由に選定できるから、2
つの流体の流路断面積を必要に応じて異なる比率に設定
することができる。また、プレート間流路を流れる流体
は、どのプレート間流路でも同じであるからプレート間
流路相互間で流体の行き来があっても支障がなく、プレ
ートの周縁のシールを厳密に行う必要がない。このた
め、部品の製造、組み立てが容易である。
【0009】一般的なプレート式熱交換器と比較する
と、1次側流体の流路断面積に対して2次側流体の流路
断面積を大きく設定することができるから、2次側流体
(例えば水、ブライン)の流動抵抗を低く抑えることが
出来る。
【0010】また、プレートに、複数の開口や複数の突
起、若しくはその双方を設けてプレート間流路を流れる
流体の乱流を促進すれば熱交換効率の向上に効果的であ
り、伝熱管の屈曲部の内側で流体の停滞が生じるのを防
ぐ効果がある。
【0011】なお、プレート間流路毎に伝熱管が配置さ
れるから、それら伝熱管に均等に流体を分配するために
は、伝熱管2本ごとにT字形分配管を設けて分配するの
が望ましい。
【0012】さらに、熱交換器に流入したプレート間流
路を流れる側の流体を、各プレート間流路ごとにできる
だけ均等に分配するために、伝熱管付プレートが、プレ
ート間流路を流れる流体の熱交換器への流入位置から離
れるにつれて、該流体のプレート間流路流れ方向に順次
位置をずらせて積層し、各プレート間流路に流体を分配
するヘッダ部を、前記位置をずらせた伝熱管付プレート
の端部位置に合わせて、伝熱管付プレートのプレート面
に対して傾斜して配置するのが望ましい。すなわち、流
入側ヘッダ部を流れる流体の主軸線が各プレート間流路
に対して鋭角をなすように配置する。傾斜角は、15〜
60度、好ましくは30度である。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態を図
1、図2を参照して説明する。図1は、本実施の形態の
熱交換器の構造の概念を示す斜視図であり、図2は図1
に示す伝熱管2の詳細を示す。図2の伝熱管はその外表
面にスパイラル状のフィンが加工されている。
【0014】本実施の形態では図2に示した伝熱管2を
一平面内でジグザク状に(蛇行させて)折り曲げ、プレ
ート1と組み合わせることで1枚の伝熱管付プレートA
を構成している。伝熱管2はプレート1と溶接等の方法
で熱的に接合されている。伝熱管は直接折り曲げても、
別に製作されたベンド管、エルボピース等の接続部材を
用いてろう付けして、所定の蛇行形状に加工してもよ
い。また、図1に示した伝熱管の折り曲げたパターンは
一例であり形状を限定するものではない。
【0015】上記伝熱管付プレートを複数枚積層して熱
交換器が構成される。図1は伝熱管付プレートAを同じ
方向で積層したもの(プレート間に1本の伝熱管が配置
されたもの)であり、図4は同じ伝熱管付プレートAを
逆方向に(伝熱管が採りつけられた面を互いに対向させ
て)組み合わせた例である。
【0016】図3に示すように、本実施の形態の熱交換
器では、1次側流体である冷媒(相変化を利用する流
体)は伝熱管内部を流れ、2次側流体である水或いはブ
ラインは、プレートとプレートの間のプレート間流路の
伝熱管外表面のフィン間、あるいはフィンとプレート間
を流れて熱交換する。2次側流体は伝熱管外表面のフィ
ンにより伝熱面積が拡大され、乱流が促進されるため、
平滑管を用いた場合よりも高い伝熱性能を得ることが出
来る。伝熱管自体は、同じ肉厚、材質ならプレート構造
よりも耐圧強度が高いため、管が破損しない限り冷媒が
漏洩することはない。
【0017】本熱交換器においては、プレート間流路を
流れる流体は、基本的に、プレート間流路の一方の端か
ら流入し、他方の端から流出する。
【0018】<伝熱管配置方法>伝熱管はすべて同じ仕
様でなくてもよい。すなわち、隣り合った伝熱管のフィ
ンのねじれ角が反対方向の管の組合せや、隣り合った伝
熱管のフィンのフィン数を粗くした管と密にした管の組
合せ、フィン付伝熱管と平滑管の組合せ、あるいは径の
違う伝熱管の組合せ等の設計上の変化を付けることも可
能である。この様な構造にすることで、プレート間流路
を流れる流体の流れは拡大縮小を繰り返すため、良好な
熱伝達を得ることが出来る。
【0019】<伝熱管のパターンと配置>図1、図4に
示す実施の形態では、伝熱管2はプレート1の片面につ
き一本を接合して伝熱管付プレートAとしているが、例
えばプレート1の両面に複数本の伝熱管2を接合しても
よい。両面に伝熱管を接合したプレートを図4に示すよ
うに積層すると、プレート間流路の流路幅は少なくとも
伝熱管2本分となって広くなるが、流体は伝熱管と伝熱
管の間を蛇行して流れるため、伝熱性能は良好となる。
【0020】また、伝熱管の径とプレート間流路の流路
幅を任意に変化させてもよい。プレート間流路の流路幅
を任意に変化させることで、プレート間流路を流れる流
体の分配を良好にし、熱交換器の仕様を必要とされる性
能にすることができる。また、プレート間流路を流れる
流体が局所的に滞留することを防ぐため、2次側流体の
凍結を防止することができる。さらに、プレート間流路
を流れる流体の流路毎の熱負荷を適正に保つことができ
るため、伝熱管側流体の分配を適正にすることができ
る。
【0021】<複数パスのパターン>図5に示すように
プレート1の片面に2本以上の伝熱管を接合して、伝熱
管側流体の複数パスを並列に配置したプレートを積層し
て熱交換器を構成してもよい。プレート面上の複数の伝
熱管側流体のパスはプレート毎にあるいは流路毎にヘッ
ダを設け、熱交換器として積層後はプレート毎のヘッダ
をまとめてメインのヘッダを構成する。例えば2本の伝
熱管2に流体を分配する場合、図示のように、T字形分
配管4を用いて分配する。ここで述べた構造例は、本発
明を限定するものではなく、実施の形態の一例として述
べたものである。1枚のプレートに1本の伝熱管が結合
されている場合でも、隣接する2本の伝熱管を組合せ、
T字形分配管4を用いて分配する。
【0022】<伝熱管側流体分配の一例>伝熱管側流体
のメインのヘッダから各伝熱管への流体の分配方法の一
例として、T字型やY字型の分配管を組み合わせて用い
る方法がある。これは一つの流路を2つの流路に分配す
る場合や、2つの流路を一つに集合させる場合に用いら
れる。この様な分配手段は構造や製造が簡単なため、空
調用熱交換器の冷媒パスに多用されているが、2相状態
の冷媒を分流する場合に、重力の影響や設置した角度に
より、分配部で冷媒が偏流する等の問題があり、均一な
分配を行なうために様々な改良が加えられている(例え
ば特開平8-75316号公報参照)。
【0023】本実施の形態では、図6に示すような、T
字の1つの集合管18と2つの分岐管19a、19bか
らなるT字形分配管を用いて各流路の伝熱管に流体を分
配する。このT字型分配管は伝熱管2本に対して1個接
続され、T字形の縦棒をなす上流側の集合管18と、該
集合管に対してT字形の横棒をなすように結合される分
岐管19a,19bとからなり、該分岐管19a,19
bはT字形の横棒を形成する部分と、前記T字形の横棒
の末端から90度曲がって前記集合管18に平行に逆戻
りする部分と、前記平行に逆戻りしたのちさらに90度
曲がって、前記集合管と前記T字形の横棒を形成する部
分で規定される平面に対して直交する方向に延びる接続
部分を有して形成され、前記接続部分が各伝熱管に接続
される。集合管18はそれぞれ集められてヘッダを構成
する。分岐管19a、分岐管19bは集合管18から分
岐部で2方向に分かれた後直角に曲り、ほとんどUター
ンするかたちで集合管と逆方向に流れ、さらに直角に曲
がる流路を構成して伝熱管に接続される。上述のように
集合管18を流れてきた流体の流れ方向を2回直角に曲
げて、一度集合管18の方向に逆に戻すことで、流体の
分配は良好に行なわれる。
【0024】<プレートの積層方法と熱交換器組み立て
方法>熱交換器を構成するには、伝熱管を接合した伝熱
管付プレートAを、各々側面をシール手段を設けて接合
し積層していくことで、熱交換器を形成してもよいし、
また、筐体17に伝熱管付プレートAを複数枚積層して
収め、プレート間流路への流体の流入、流出口(ヘッダ
部)を共通に設けた構造の熱交換器としてもよい。この
様なプレート周囲をシールしない構造にすることで、プ
レート間流路を流れる流体は隣接するプレート間流路間
を移動して流れることが可能になるので、部分的に滞留
することがなくなる。
【0025】熱交換流体のうち、圧力の高い側の流体を
伝熱管側を流れる流体とし、圧力の低い側の流体をプレ
ート間流路を流れる流体とすれば、プレート間流路の許
容圧力(設計圧力)を低くして構造を軽くすること、あ
るいは強度の低い材料を使用することが可能である。こ
のため、従来のプレート式熱交換器では用いられなかっ
たような銅やアルミ等の材質を用いることが可能とな
る。また、従来のプレート式熱交換器と違って、プレー
ト間流路のシールが要求されないため、製作に際して高
度な技術を必要としない。
【0026】<プレートの構造>本発明の第2の実施の
形態を、図7〜図8を参照して説明する。本実施の形態
は、伝熱管付プレートAを構成するプレート1として、
板面に複数の開口部を設けたプレートを用いたものであ
る。板面に開口部があれば、プレート間流路を流れる流
体は、隣接するプレート間流路への流入、流出が可能と
なる。
【0027】プレートはまた、表面に突起物や溝加工さ
れたもの、プレート自体に折目を付けたもの、あるいは
メッシュ状であってもよい。図7の(a)はメッシュ状
(金網)プレート、図7の(b)はパンチングプレー
ト、図7の(c)はハニカム状プレートをそれぞれ用い
る例である。図8は、プレートに三角形状の切り込みを
いれて切り込み部分を板面に直角に折り曲げて開口を形
成した例である。開口部の配置はいわゆる千鳥配列とし
てある。切り込みの形状は三角形状以外に、半円形、矩
形等でもよい。
【0028】図9は、プレートに複数の短冊状の切り込
みを平行に入れ、切り込み部を板面の一方の側に突出さ
せてルーバーを形成した例、図10は切り込み部を板面
の両側に交互に突出させてルーバーを形成した例であ
る。この場合の伝熱管の結合例を図11、図12に示
す。図11は、ルーバーを伝熱管の傾斜方向と同じ向き
につけてルーバーの間に伝熱管を配置した例を示し、図
12は、ルーバーを伝熱管の傾斜方向と交叉する方向に
つけて伝熱管をルーバーと交叉するように配置した例を
示す。ルーバーの配置としては、図13に示すように、
短いルーバーを互い違いに多数設け、板断面がハニカム
状になるようにしてもよい。ここで述べる構造例は、本
発明の構成を限定するものではなく、実施の形態の一例
として述べたものである。
【0029】上述のような構造のプレートを伝熱管に結
合して伝熱管付プレートAを形成することにより、隣接
するプレート間流路相互間で流体の流入出が可能な構造
となり、伝熱管の折れ曲がり部内側における流体の滞留
を防ぐことができるとともに、乱流が促進されて伝熱性
能を向上させる効果がある。これらの開口は、プレート
と伝熱管の結合に際しても取付用金具の固定に使用でき
る。
【0030】また、プレートに開口を形成しなくても、
プレート自体を波打たせたり、プレートをひだ状に折り
曲げる(コルゲートプレート)ことで、プレート間流路
を流れる流体の流れの攪拌を促進することができる。
【0031】これらの構造はいずれも、プレート間流路
を流れる流体の乱流化を促進して伝熱性能を向上させ、
また、流体の滞留を防ぐ効果がある。特に、プレート間
流路に流れる流体が2次冷媒としての水の場合、滞留に
よる部分的な凍結を防止する効果がある。
【0032】本熱交換器のプレート間流路を流れる流体
は、プレートに形成された開口部を通って隣接のプレー
ト間流路に流れる部分もあるが、基本的には、先に述べ
たように、プレート間流路の一方の端から流入し、他方
の端から流出する。
【0033】<プレートと伝熱管の結合>プレートと伝
熱管の結合には、伝熱管をプレートに溶接してもよい
し、取付金具を用いて固定してもよい。溶接により固定
する場合は、伝熱管のフィンの高さだけ伝熱管をプレー
ト面から浮かせるために、図14に示すように、スペー
サを介して溶接する。また、図15に示すように、フィ
ンを設けた伝熱管をフィンのない曲げ管で接続する構成
とし、フィンを設けた伝熱管が配置される位置のプレー
トを短冊状に切り開け、フィンのない曲げ管をプレート
面に直接溶接固着するようにしてもよい。溶接により伝
熱管2をプレート1に固定した場合、伝熱管とプレート
が熱的にも接続され、プレートが単なる流路の仕切では
なくて伝熱管のフィンの一部として作用し、熱交換面積
が増大する効果がある。
【0034】図16は、フィンのない伝熱管接続部(あ
るいは曲げ管)をスプリングクリップで留めるようにし
た例を示し、図17は、伝熱管のフィンをスプリングク
リップで留めるようにして例を示す。スプリングクリッ
プの底部は、フィンの方向(ねじれ角)に応じてスプリ
ングクリップの向きを変えられるように、回転可能にし
ておくのが望ましい。いずれの場合も、スプリングクリ
ップをプレート1に止めるピンは、固定式でも可動式で
もよい。スプリングクリップで止める方法は、伝熱管の
取付が容易であるとともに、プレートと伝熱管の熱膨張
の差を、スプリングクリップ部のすべりで吸収できると
いう利点がある。
【0035】図18は、成形した伝熱管をカバープレー
トでフィンの上から押さえて止めて結合するようにした
例である。図18では伝熱管を長手方向に沿ってカバー
プレートで押さえる例であるが、伝熱管を周方向に押さ
えるようにしてもよい。この方式によれば、伝熱管の全
長に亙ってフィンが設けられている場合でも取付できる
し、伝熱管の熱膨張を逃がしやすい任意の場所を固定で
きるというメリットがある。
【0036】図19に示すように、スペーサとUボルト
を用いてナットで締めつけてもよい。この方式では、ス
ペーサにより伝熱管とプレートの間隔を保持するので、
プレートがフィンにより傷められたり、逆にフィンが傷
つくような恐れはない。
【0037】図20は、プレートに伝熱管を嵌め込む窪
みを設けた伝熱管支持板を複数個取り付け、じぐざぐ状
に成形した伝熱管を前記窪みに嵌め込んで止めた例であ
る。この方法でも、伝熱管の熱膨張による伸びを伝熱管
支持板との当接部のすべりで逃がして伝熱管に加わる熱
応力を低減できる。
【0038】また、図21に示すプレートのハッチング
部に、伝熱管固定用の加工を行い、これを利用して伝熱
管を固定してもよい。伝熱管固定用の加工物としては、
図22に示すような、針状の突起物を密集配置したも
の、開口部、あるいはプレートに固着したスプリングコ
イルなどがある。密集配置した針状の突起物にフィンを
さし込んで伝熱管を固定する、図23に示すように開口
部にクリップを嵌め込んで止める、スプリングコイルに
伝熱管のフィンを嵌め込んで止める、などの方法でプレ
ートに伝熱管を結合する。この方式によれば、伝熱管の
取付が容易であり、伝熱管付プレートの組み立てが簡易
化される。
【0039】<プレートの表面処理>プレート間流路に
流す流体に水等、ゴミやスケールが発生する流体を用い
た場合、それらが流路中に堆積したり、気泡が滞留する
ことで伝熱管外表面のフィンを閉塞させることが考えら
れる。これを防ぐためには、伝熱管の外表面やプレート
の表面に溝や開口部等の加工以外に、化学的に表面処理
を施すことが有効である。
【0040】冷凍空調装置が長期間に亙って運転される
と、負荷に流れる2次側流体はその成分をコントロール
して使用されていても徐々に劣化していく。熱交換器自
体に例えば抗菌処理やスケール生成、付着を防ぐ処理が
施されていると、流体の劣化が進んでも、熱交換器の性
能が低下する恐れは少なくなる。また、伝熱管外表面の
フィン、及びプレートの流体に対する濡れ性が良好とな
り、気泡が滞留することを防ぐこともできる。
【0041】<隣接する流路間隔を変化させる>上記の
実施の形態では、積層されたプレートの形状はほとんど
同じであるが、これをプレートの高さおよび横幅を変え
たものを複数種類作り、交互に積層して熱交換器を組み
立ててもよい。このような構成とすることで、プレート
間流路が隣接する流路と連通する場所を作り、プレート
間流路の流体の滞留を防ぎ、プレート間流路の流体と伝
熱管側流体の間の良好な熱伝達を得ることができる。
【0042】<円弧状プレート>上記の実施の形態で
は、積層されたプレートはその間に矩形の流路を形成し
ているが、図24に示すようにプレートを円弧状に変形
させたものを積層した構造であってもよい。この様な構
造で形成されたプレート間流路に、ヘッダから流体をプ
レートの凸面に対向する方向から流入させれば、流体は
プレートの端まで均等に広がり、プレート間流路ないで
の流体の分配が良好となり、熱交換器の性能を向上させ
ることができる。
【0043】上記のように本発明の熱交換器は、冷凍空
調システムで必要とされる熱交換器の仕様に合わせて、
伝熱面のパターンや寸法を自由に設定する事が可能であ
る。
【0044】<傾斜ヘッダー構造>図25に本発明の第
3の実施の形態である熱交換器の断面図を示す。本実施
の形態の熱交換器は、プレート間流路を流れる流体Sが
下方から上方に向かって流れるもので、この流体Sは、
図上、熱交換器の下方左側から流入するようになってい
る。図示の熱交換器は、積層された複数の伝熱管付プレ
ートAで形成されたプレート間流路部9と、プレート間
流路部9の上端部全体を覆うように配置されている上部
ヘッダ6と、プレート間流路部9の下端部全体を覆うよ
うに配置されている下部ヘッダ7と、上部ヘッダ6に接
続された流出入部5A及び下部ヘッダ7に接続された流
出入部5Bと、を含んで構成されている。上部ヘッダ
6、下部ヘッダ7、流出入部5A及び流出入部5Bは、
熱交換器の奥行き方向(紙面に垂直の方向に)に、熱交
換器の奥行き全長に延在している。なお、わかりやすく
するため、伝熱管及びそのヘッダは図示を省略してあ
る。
【0045】熱交換器のプレート間流路部9を構成する
伝熱管付プレートAは、前記流体Sが流入する側、すな
わち流出入部5Bから離れるにつれて、定められた距離
だけ上方に位置をずらせて階段状に積層されている。し
たがって、プレート間流路部9の上端部全体を覆うよう
に配置されている上部ヘッダ6は、前記流出入部5Bか
ら離れるにつれて高くなる方向に傾斜して配置され、流
出入部5Aは、上部ヘッダ6の最も高い位置、すなわ
ち、図上、上部ヘッダ6の右端に結合して配置されてい
る。同様に、下部ヘッダ7は図上、右上がりの傾斜で配
置され、前記流出入部5Bは下部ヘッダ7の最も低い位
置、図上、下部ヘッダ7の左端に結合して配置されてい
る。
【0046】上記構造の熱交換器において、流出入部5
Bに流入した流体Sは、下部ヘッダ7内を、流れの主軸
線が各プレート間流路に対して鋭角をなす斜め上向きに
流れながら各プレート間流路に流体を分配する。各プレ
ート間流路を上向きに流れて通過した流体Sは上部ヘッ
ダ6に流入し、上部ヘッダ6内をななめ上向きに上昇し
ながら流体を集めて流れる。上部ヘッダ6の最も高い位
置に達した流体Sは流出入部5Aから取出される。
【0047】流体Sがプレート間流路を下降して流れる
場合は、上述の場合と逆になる。
【0048】上部ヘッダ6、下部ヘッダ7の傾斜角度θ
(流入側ヘッダ内の流れの主軸線方向が各プレート間流
路内の流体の流れ方向に対してなす角度)は、云うまで
もなく90度より小さい鋭角であるが、鋭角であっても
角度が大きすぎると前列と後列のプレート間流路で流体
の分配が不均一になるので15〜60度の範囲、望まし
くは30度程度とする。
【0049】このような構造とすることで、流出入部5
Bから流入した流体を各プレート間流路へ分配する時
に、各流路への分配量(流入量)が均一化され、プレー
ト間での偏流を少なくすることができる。また、上部ヘ
ッダ6が下流側が高くなる方向に傾斜し、かつ流出入部
5Aがヘッダの上部に取り付けられているため、前記流
体Sに気泡が混入した場合でも、気泡は流出入部付近に
集まり、プレート間に気泡溜り等の流体の淀みができる
ことがない。
【0050】<冷凍空調装置>本発明の熱交換器は、伝
熱性能が良くかつ低圧損なため、冷凍サイクルのコンパ
クト化に有効である。
【0051】図26は、本発明の熱交換器を用いた冷凍
空調装置を示す系統図である。本実施の形態の1次側流
体回路は、1次側流体(冷媒ガス)を圧縮する圧縮機1
1と、圧縮機11の吐出側に接続された1次側流体の循
環方向切替え手段である四方弁12aと、四方弁12a
に冷媒流路の一方の端部を接続された熱源側熱交換器1
6と、熱源側熱交換器16の冷媒流路の他方の端部に接
続された膨張弁15と、伝熱管側流路の一方の端部を前
記膨張弁15に接続し伝熱管側流路の他方の端部を前記
四方弁12aに接続して配置された前記第1の実施の形
態の中間熱交換器10を含んで構成されている。
【0052】2次側流体の回路は、前記中間熱交換器1
0と、前記中間熱交換器10のプレート間流路の一方の
端部に接続して配置された2次側流体の循環方向切替え
手段である四方弁12bと、前記四方弁12bに2次側
流体流路の1端を接続し他端を前記中間熱交換器10の
プレート間流路の他端に接続して配置された負荷側熱交
換器14と、前記四方弁12bに吸込み側及び吐出側を
接続して配置された流体循環手段としてポンプ13と、
を含んで構成されている。四方弁12a,12bは、流
体の流れ方向切替え手段である。通常、熱源側熱交換器
は室外に設置され、負荷側熱交換器は室内等の空調用、
あるいは冷却等に用いられる。
【0053】上記構成の冷凍空調装置において、負荷側
熱交換器14を室内の冷房、あるいは冷却に用いる場
合、1次側流体(冷媒)と2次側流体の循環方向は図2
6中の実線の矢印の方向になる。圧縮機から吐出された
1次側流体である冷媒ガスは四方弁12aを通り、室外
の熱源側熱交換器16で冷却されて凝縮し、液冷媒とな
り、膨張弁15において断熱膨張した後、中間熱交換器
10に流入して2次側流体と熱交換を行ない、四方弁1
2aを経て再び圧縮機11に戻る。
【0054】2次側流体はポンプ13で加圧され、四方
弁12bを通った後、負荷側熱交換器14で空気と熱交
換を行ない、中間熱交換器10に至る。中間熱交換器1
0では、1次側流体(例えば冷媒)は2次側流体(例え
ば水)から吸熱して相変化して冷媒ガスとなり、2次側
流体は冷却される。この時、中間熱交換器10における
2つの流体の循環方向は対向流であり、1次側流体は熱
交換器の下部から流入して蒸発後、熱交換器の上部から
流出するような構造であることが望ましい。また、負荷
側熱交換器14を室内の暖房に用いる場合は、1次側流
体と2次側流体の循環方向は冷房時とは逆方向になるよ
うに、四方弁12a,12bで切り替える。
【0055】本実施の形態では、2次側流体の循環方向
を切り替える手段として四方弁を用いているが、必要に
応じて、逆方向に運転可能なポンプを用いたり、循環方
向を変えるための回路を電磁弁等で構成してもよい。
【0056】本実施の形態によれば、プレート間流路断
面積を中間熱交換器10を流れる2次側流体の量に対応
したプレート間流路断面積に設定できるので、流動抵抗
を低く押さえて、ポンプの消費電力を低減する効果があ
る。
【0057】<2つの流体の対向流化>本発明の熱交換
器で熱交換する2つの流体の循環方向を対向流にするこ
とは、例えば1次側流体に非共沸の混合冷媒等を用いた
場合等は、流体の温度差を大きく取ることができるた
め、熱交換性能が良好となり、冷凍空調サイクルの効率
向上にも効果がある。
【0058】また伝熱管内に螺旋溝等の伝熱促進手段を
設けることも、熱交換性能を良好にする効果がある。
【0059】<1次側流体にHC等の自然系冷媒を用い
た時の信頼性>本発明の熱交換器を冷凍空調装置の1次
側冷媒と2次側流体を熱交換させる中間熱交換器に用い
れば、熱交換器内の冷媒がプレート間流路でなくて伝熱
管を流れる構成にできるから、冷媒流路容積が低減さ
れ、使用する冷媒量を少なくすることができる。また、
本実施の形態の冷凍空調装置では1次側流体(冷媒)が
負荷側熱交換器が設置された室内空間に入ることがない
ため、従来から用いられている冷媒以外のHC冷媒、ア
ンモニア等の可燃性や毒性の心配される自然系冷媒を用
いた際の危険防止に対して極めて大きな効果がある。
【0060】このように、本発明の熱交換器を用いた冷
凍空調装置はコンパクトでかつエネルギー効率が良好で
ある。
【0061】
【発明の効果】本発明によれば、製造が容易で、一次側
流体の流路と2次側流体の流路の間で漏れがなく、設計
の自由度が高い熱交換器が得られる。また、上記の熱交
換器を用いて冷凍空調装置の効率を向上することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る熱交換器の斜
視構造図である。
【図2】図1に示す伝熱管の例を示す側面図である。
【図3】本発明の熱交換器の伝熱管とプレートの関係の
例を示す斜視図である。
【図4】本発明の本発明の第1の実施の形態に係る熱交
換器の他の例を示す斜視図である。
【図5】本発明の熱交換器の伝熱管に流出入する流体を
分配する分配管の例を示す概念図である。
【図6】図5に示す分配管の詳細を示す平面図及び断面
図である。
【図7】開口を備えたプレートの例を示す平面図であ
る。
【図8】プレートに形成される開口及び突起の例を示す
平面図および断面図である。
【図9】プレートに形成される開口及び突起の他の例を
示す平面図及び断面図である。
【図10】プレートに形成される開口及び突起のさらに
他の例を示す平面図および断面図である。
【図11】開口および突起を備えたプレートへの伝熱管
の取付状態の例を示す平面図である。
【図12】開口及び突起を備えたプレートへの伝熱管の
取付状態の他の例を示す平面図である。
【図13】開口及び突起を備えたプレートの例を示す平
面図である。。
【図14】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
断面図である。
【図15】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
断面図及び平面図である。
【図16】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
断面図である。
【図17】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
側面図である。
【図18】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
断面図である。
【図19】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
断面図である。
【図20】伝熱管をプレートに取付ける方法の例を示す
平面図及び断面図である。
【図21】伝熱管を取付ける加工を行ったプレートの例
を示す平面図である。
【図22】伝熱管を取付ける加工を行ったプレートの例
を示す断面図である。
【図23】伝熱管をプレートに取付ける手順の例を示す
断面図である。
【図24】本発明の第1の実施の形態の熱交換器の他の
例を示す横断面図である。
【図25】本発明の第2の実施の形態の熱交換器を示す
断面図である。
【図26】本発明の熱交換器を用いた冷凍空調装置を示
す流体回路図である。
【符号の説明】
1 プレート 2 伝熱管 3 伝熱管付プレートA 4 T字形分配管 5 流入出部 6 上部ヘッダ 7 下部ヘッダ 9 プレート間流路部 10 中間熱交換器 11 圧縮機 12a、12b 四方弁 13 ポンプ 14 負荷側熱交換器 15 膨張弁 16 熱源側熱交換器 17 筐体 18 集合管 19a、19b 分岐管 Pf フィンピッチ Hf フィン高さ Df フィン外径 D フィン根元径 β ねじれ角
フロントページの続き (72)発明者 青山 貢 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 Fターム(参考) 3L092 AA14 BA11 BA16 3L103 AA01 AA05 BB33 BB42 CC02 CC17 DD04 DD12 DD33 DD56 DD58

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ジグザグ状に折り曲げた伝熱管を板材に
    固着して形成された伝熱管付プレートを複数枚積層して
    形成され、前記伝熱管はその外表面に複数の突起を有
    し、前記伝熱管が一方の熱交換流体の流路をなし、前記
    伝熱管付プレート相互の間に形成されるプレート間流路
    が他方の熱交換流体の流路となることを特徴とする熱交
    換器。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の熱交換器において、前記
    板材には、複数の開口部もしくは、複数の突起と複数の
    開口部が形成されていることを特徴とする熱交換器。
  3. 【請求項3】 熱交換器を構成する各伝熱管の流体入り
    側には伝熱管2本ごとに、その2本の伝熱管に流体を分
    配するT字形分配管が接続され、該T字形分配管は、T
    字形の縦棒をなす上流側の集合管と、該集合管に対して
    T字形の横棒をなすように結合される分岐管とからな
    り、該分岐管はT字形の横棒を形成する部分と、前記T
    字形の横棒の末端から90度曲がって前記集合管に平行
    に逆戻りする部分と、前記平行に逆戻りしたのちさらに
    90度曲がって、前記集合管と前記T字形の横棒を形成
    する部分で規定される平面に対して直交する方向に延び
    る接続部分を有して形成され、前記接続部分が各伝熱管
    に接続されるものであることを特徴とする熱交換器。
  4. 【請求項4】 プレート積層型の熱交換器において、プ
    レートが、プレート間流路を流れる流体の熱交換器への
    流入位置から離れるにつれて、該流体のプレート間流路
    流れ方向に順次位置をずらせて積層され、各プレート間
    流路に流体を分配するヘッダ部は、前記位置をずらせた
    プレートの端部位置に合わせて、プレートのプレート面
    に対して傾斜して配置され、該ヘッダ部を流れる流体の
    主軸線が各プレート間流路に対して鋭角をなしているこ
    とを特徴とする熱交換器。
  5. 【請求項5】 プレート積層型の熱交換器において、プ
    レートが、プレートの間隔が複数種類の寸法となるよう
    に積層されていることを特徴とする熱交換器。
  6. 【請求項6】 一次側流体のガスを圧縮する圧縮機を含
    んで一次側流体を循環させる一次側流体流路と、熱負荷
    と二次側流体の間で熱交換を行わせる負荷側熱交換器を
    含んで二次側流体を循環させる2次側流体流路と、前記
    一次側流体と二次側流体の間で熱交換を行わせる中間熱
    交換器とを有してなる冷凍空調装置において、上記中間
    熱交換器に請求項1〜5のいずれかに記載の熱交換器を
    用い、該熱交換器の前記伝熱管を1次側流体流路とし前
    記プレート間流路を2次側流体流路とするとともに、1
    次側流体として自然系冷媒を用いることを特徴とする冷
    凍空調装置。
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