JP2001280888A

JP2001280888A - プレート式熱交換器

Info

Publication number: JP2001280888A
Application number: JP2000098257A
Authority: JP
Inventors: Tomoichi Matsuoka; 朝一松岡
Original assignee: Hisaka Works Ltd
Current assignee: Hisaka Works Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP4454779B2

Abstract

(57)【要約】【課題】積層された伝熱プレート間の冷媒用流体流路
における気液二相流の冷媒のトータルの伝熱性能を顕著
に確実に向上させる。【解決手段】複数の伝熱プレート１の間に形成された
冷媒用流体流路５の入口流路５ａに中空部材２１を固設
して、中空部材２１を通して気液二相流の冷媒Ｐを流体
流路５に流出させる熱交換器で、中空部材２１の内壁部
２１ａの前段小孔２２から冷媒Ｐを絞って内部空間２３
に流入させて減圧膨張させ、このときに初回の冷媒Ｐの
気相と液相の均一分配と気相の細分化を行い、内部空間
２３から外壁部２１ｂの後段小孔２３に冷媒Ｐを通過さ
せて流体流路５に流出させるときも気相液相の均一分配
と気相の細分化を行うようにして、冷媒Ｐの流体流路５
におけるトータル伝熱性能を確実に向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数枚の伝熱プレ
ートをろう付け等で積層一体化したプレート式熱交換器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機のフロン等の冷媒は、蒸発器の熱
交換器から１００％気体となって圧縮機から凝縮器に送
られて温度上昇した液体となり、この液体が膨張弁で体
積膨張して急激に温度低下した液相（液体）と気相（気
泡）の混合した気液二相流となって蒸発器の熱交換器に
送られる循環サイクルで恒久的に利用される。このよう
な冷凍機の冷媒の蒸発器に用いられる熱交換器は、複数
枚の伝熱プレートを積層一体化したプレート式熱交換器
が一般的であり、その基本構造例を図７及び図８に示
し、これを改変した熱交換器を図９及び図１０で説明す
る。

【０００３】図７に示される熱交換器は、複数枚の伝熱
プレート１と２枚の金属フレーム１２，１３をろう材
（図示せず）を介し積層して、高温・真空下でろう付け
（ブレージング）したブレージング式熱交換器である。
伝熱プレート１と金属フレーム１２，１３はステンレス
製の略矩形板で、各伝熱プレート１の４隅部に熱交換さ
れるべき２種の流体の通路孔２，３が形成され、一方の
金属フレーム１２の４隅部に２種の流体の出入口となる
ノズル４が貫通させてろう付けされる。

【０００４】伝熱プレート１は波板プレートの熱交換伝
熱部１ａと、熱交換伝熱部１ａの周縁部を折曲した縁立
て部１ｂを有し、隣接する伝熱プレート１の縁立て部１
ｂが気密にろう材で溶融接合される。複数の伝熱プレー
ト１を積層一体化したとき、各々の熱交換伝熱部１ａの
４隅に形成された通路孔２，３が同心に対向して連通す
る。また、複数の伝熱プレート１を積層一体化したと
き、図８に示すように各伝熱プレート１間に一方が冷媒
である２種の流体が流通する流体流路５、６が交互に形
成される。図８は１種の流体である気液二相流の冷媒Ｐ
の入口側と他の１種の流体Ｑの出口側の断面が示され、
冷媒用流体流路５の冷媒用通路孔２の周辺部通路が冷媒
用入口流路５ａである。冷媒用入口流路５ａは、隣接す
る伝熱プレート１の相互にろう付けされた入口側通路孔
２の周辺部で囲まれたリング状の空間部分で、冷媒用入
口側通路孔２と連通するノズル４に外部から流入した冷
媒Ｐは、入口側通路孔２から入口流路５ａに入り、入口
流路５ａから流体流路５を流通して隣りの流体流路６を
流通する他の流体Ｑを冷却する。

【０００５】冷媒用流体流路５の入口流路５ａに流入す
る冷媒Ｐは、図示しない凝縮器で凝縮された液体を膨張
弁で膨張させて急冷させた液相と気相の気液二相流冷媒
であり、この気液二相流冷媒の液相と気相が分裂と合体
を繰り返して流体流路５を流れる。流体流路５を流れる
冷媒Ｐのトータル伝熱性能を高く確保するため、入口流
路５ａから流体流路５に入る冷媒Ｐの気相と液相の均一
分配と、熱伝導率の悪い泡状の気相の細分化が促進され
るように、入口流路５ａの形状やサイズが設計される。
しかし、隣接する伝熱プレート１間の隙間だけの入口流
路５ａでは冷媒Ｐが単に通過するだけであるので気相と
液相の均一分配や気相の細分化を促進する機能に劣り、
１つの流体流路５における冷媒Ｐのトータル伝熱性能が
低くならざるを得ない。そこで、この低い伝熱性能を見
越して伝熱プレート１の枚数を増やし、冷媒用流体流路
５の数を増やして冷媒のトータルの低伝熱性能をカバー
するようにしているが、これでは熱交換器が大型化し、
コスト高となる。

【０００６】熱交換器の気液二相流冷媒Ｐのトータルの
低伝熱性能を伝熱プレート数を増大させることなくカバ
ーするため、例えば図９に示すプレート式熱交換器で
は、冷媒用入口流路５ａに図１０に示すような厚板の金
属リング１４を固設している。金属リング１４はステン
レス、銅あるいは鉄製の厚板で、内周面から外周面に貫
通させて１条のトンネル孔１５を有する。金属リング１
４の内径は伝熱プレート１の冷媒用通路孔２と同一か、
それよりも小さく、外径は通路孔２より大きい。金属リ
ング１４は隣接する伝熱プレート１間に挟持され、通路
孔２と同心に位置決めして固定される。トンネル孔１５
は、気液二相流の冷媒Ｐが絞られて流入し、拡散して流
出する内径２ｍｍ程度の小孔である。

【０００７】図９の熱交換器においては、冷媒用入口側
通路孔２に流入した気液二相流冷媒Ｐが金属リング１４
の内周のトンネル孔入口に絞られて流入し、トンネル孔
１５を流動して金属リング１４外周のトンネル孔出口か
ら拡散流出して冷媒用流体通路５を流動する。このよう
に気液二相流の冷媒Ｐが小孔のトンネル孔１５を通過す
る間に、気液二相流の冷媒Ｐの比較的大きな粒径の気相
（気泡）が小さな粒状に細分化され、かつ、気相と液相
の流れが絞られ拡散されることで均一分配化されるよう
にして、冷媒用流体通路５を流れる際の冷媒Ｐのトータ
ル伝熱性能が高くなるようにしてある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図９の熱交換器は、金
属リング１４による気液二相流冷媒Ｐの均一分配、気相
の細分化の性能が良ければ、冷媒Ｐのトータル伝熱性能
が上がって伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型
・低コスト化が実現されるのであるが、未だ金属リング
１４による顕著な性能改善が果たされていないのが現状
である。その要因として、金属リング１４の１箇所のト
ンネル孔１５に気液二相流冷媒Ｐを通過させるだけでは
気相の細分化が不十分であり、不均一で大きな気相が流
体流路５を流れる可能性が大であり、このことがトータ
ル伝熱性能の顕著な改善を難しくしている。また、金属
リング１４のトンネル孔１５の内径を縮小したり、トン
ネル孔数を増やして、トータル伝熱性能の改善策とする
ことも行われているが、その改善効果が不十分であっ
て、伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型・低コ
スト化を実現させることが難しいのが現状である。

【０００９】本発明は図９の熱交換器の問題点に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、気液二相流
冷媒のトータル伝熱性能を顕著に確実に改善し得たプレ
ート式熱交換器を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的を達成
する請求項１の発明は、積層された複数の伝熱プレート
の間に、一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通
して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プ
レートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路か
ら冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換
器において、冷媒用流体流路の入口流路に、外部からの
気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流
出する前段小孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が
減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張
した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する
後段小孔を有する中空部材を配置し、この中空部材の後
段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特
徴とする。

【００１１】ここで、中空部材は冷媒用流体流路の入口
流路を塞ぐリング状等の金属箱、金属容器で、伝熱プレ
ートにろう付けや溶接等で固定される。この中空部材
は、冷媒流れに対して上流側に前段小孔を下流側に後段
小孔を有し、この前後段の小孔の間に内部空間が形成さ
れて、気液二相流の冷媒は前段小孔から内部空間を通っ
て最終的に後段小孔から流体流路に流出して行く。中空
部材の前段と後段の各小孔は単一孔、或いは、複数孔が
可能であり、これら小孔の内径、孔中心線の角度も任意
で有り、熱交換器の種類に応じて適宜に設定される。ま
た、中空部材の内部空間は単一空間、或いは、仕切壁で
流体流れ方向直列に仕切られた複数空間であってもよ
く、この複数空間の場合は複数空間を仕切る仕切壁に中
間的な小孔を形成して複数空間に冷媒を順に流すように
する。気液二相流の冷媒が複数の小孔を絞られて流通
し、さらに、小孔から内部空間に減圧膨張して流出する
といった異なる形態の冷媒流通が複数回に亘り段階的、
繰り返し的に行われることで、気液二相流冷媒の最終的
な気相と液相の均一分配、気相の細分化が確実に顕著に
行われる。

【００１２】本発明の請求項２の発明は、中空部材が円
筒状の小径の内壁部とこの内壁部より大径の外壁部を有
するリング状で、内壁部に前段小孔を、外壁部に後段小
孔を、内壁部と外壁部の間に内部空間を形成したことを
特徴とする。このリング状中空部材の外形は従来の金属
リングと同様なもので、隣接する伝熱プレートの冷媒入
口流路孔の周辺部に挟持された形で固設される。伝熱プ
レートの冷媒入口流路孔に流入した冷媒がリング状中空
部材の内壁部の中を通過する間に冷媒の一部が前段小孔
に流入する。

【００１３】本発明の請求項３の発明は、中空部材を隣
接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて、伝熱
プレート間にろう付け固定したことを特徴とする。この
ように中空部材を伝熱プレートにろう付けするようにす
ると、複数の伝熱プレートをろう付けするブレージング
式熱交換器の製作時に、複数の伝熱プレートのろう付け
と同一工程で中空部材のろう付けができて、熱交換器の
製作が工程的、コスト的に有利に実施される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃
至図６を参照して詳述する。なお、この実施形態は図８
や図９の熱交換器に適用したもので、図１乃至図６の図
７乃至図９と同一、又は、相当部分には同一参照符号を
付して、その詳細説明は省略する。

【００１５】図１に示される第１の実施形態の熱交換器
はブレージング式のプレート式熱交換器で、複数の伝熱
プレート１の間に形成された複数の冷媒用流体流路５の
入口流路５ａの各々に中空部材２１を固設している。中
空部材２１は図３に示すようなリング状のステンレス等
の金属製品で、円筒状の内壁部２１ａと外壁部２１ｂを
有し、内壁部２１ａの例えば１箇所に前段小孔２２が、
外壁部２１ｂの１箇所に後段小孔２４が形成され、内壁
部２１ａと外壁部２１ｂの間に密閉状の内部空間２３が
形成される。前後段の各小孔２２，２４は、気液二相流
の冷媒Ｐが絞られて流通する内径２ｍｍ程度の貫通孔で
ある。

【００１６】図１及び図３に示される中空部材２１は、
その内壁部２１ａが伝熱プレート１の冷媒用入口流路孔
２の内径より小さな円筒状であり、外壁部２１ｂが入口
流路孔２の内径より大きな円筒状であり、内壁部２１ａ
と外壁部２１ｂの下端がリング状底板部２１ｃで一体に
連結される。この内壁部２１ａと外壁部２１ｂと底板部
２１ｃで構成される上端開口リング状容器は、プレス加
工や切削加工で製作され、このリング状容器の上端開口
を金属のリング状蓋板２１ｄで密閉することで中空部材
２１が構成される。蓋板２１ｄは、気液二相流の冷媒Ｐ
が前段小孔２２を通らず直接に内部空間２３に流入する
のを阻止する空間密閉蓋であり、このような蓋は図２の
第２の実施形態においては不必要で省略してあり、その
理由は後述する。

【００１７】リング状中空部材２１は、隣接する伝熱プ
レート１の冷媒用入口流路孔２の周辺部に入口流路孔２
の中心線と内壁部２１ａの中心線がほぼ一致するように
位置決めされて固定、例えばろう付けにて固定される。
このように中空部材２１を伝熱プレート１にろう付けす
ると、伝熱プレート同士をろう付けするブレージング式
熱交換器の製作時に伝熱プレート同士のろう付けと中空
部材２１のろう付けが１工程で実行できて、ブレージン
グ式熱交換器の製作が工程的、コスト的に有利となる。
冷媒用入口流路５ａにリング状中空部材２１は、その後
段小孔２４を冷媒用流体流路５の方向に向けて固定され
る。この中空部材２１の前段小孔２２の方向性は限定さ
れないが、図３に示すように後段小孔２４に対して９０
°の定方向に位置するようにしてある。

【００１８】複数の伝熱プレート１間の複数の冷媒用入
口流路５ａに複数のリング状中空部材２１を固定して、
冷媒入口ノズル４から気液二相流冷媒Ｐを流入させる
と、冷媒Ｐは各リング状中空部材２１の内壁部２１ａ内
周面を軸方向に流動し、一部の冷媒Ｐが内壁部２１ａの
前段小孔２２に絞られて内部空間２３へと流入する。こ
の冷媒流入は、図５に示すように行われる。内壁部２１
ａの外を流動する気液二相流の冷媒Ｐは、図５の実線矢
印の概念図で示される液相Ｐ１と図５の粒子概念図で示
される気相（気泡）Ｐ２であり、気相Ｐ２の粒径が比較
的大きく、仮にこれをそのまま冷媒用流体流路５に流入
させると伝熱性能が低下するが、本発明においてはまず
液相Ｐ１と気相Ｐを前段小孔２２から内部空間２３に流
入させる。前段小孔２２に粒径の大きな気相Ｐ２が通過
するとき、絞られて小粒径化されると共に、前段小孔２
２から内部空間２３に流出するときに減圧膨張するた
め、内部空間２３では気相Ｐ２と液相Ｐ１が均一分配化
され、気相Ｐ２のほとんどが小粒子状に細分化される。

【００１９】さらに、前段小孔２２から内部空間２３に
流入した冷媒Ｐは、図３（Ｂ）に示すようにリング状の
内部空間２３を流動して、最終的に後段小孔２４に絞ら
れて流入して冷媒用流体流路５に流出して行く。冷媒Ｐ
が後段小孔２４を通過する段階においても気相液相の均
一分配化と気相細分化が行われる。この後段小孔２４に
よる気相細分化は、前段小孔２２から内部空間２３に流
動した比較的大きな中粒子の気相や、内部空間２３を流
動する短時間の間に合体した中粒子の気相が小粒子状に
細分されることである。

【００２０】以上のように中空部材２１で気液二相流冷
媒Ｐは、前後２段の小孔２２，２４による２段階に亘る
気相液相の均一分配及び気相細分化と、前段小孔２２か
ら内部空間２３への流出と後段小孔２４から流体流路５
の空間への流出による２段階に亘る減圧膨張の作用で、
確実かつ顕著に気相液相の均一分配と気相細分化が行わ
れて流体流路５を流通する。そのため、１つの流体流路
５における冷媒Ｐのトータル伝熱性能が確実に向上し、
伝熱プレート数を少なくして熱交換器を小型化して、低
コストで製作することが可能となる。

【００２１】図６は、図１の熱交換器を冷凍機の冷媒循
環システムに適用したときの概略図で、凝縮器（図示せ
ず）から送られてくる冷媒Ｐは液相Ｐ１が主流であり、
これが膨張弁３０で液相Ｐ１と気相Ｐ２の気液二相流冷
媒Ｐとなって熱交換器に送られ、内部の中空部材２１に
達する。この冷媒Ｐが複数の中空部材２１の内壁部２１
ａの前段小孔２２から内部空間２３に流入し、外壁部２
１ｂの後段小孔２４から流出して流体流路５を流動す
る。この場合、十分に気相液相が均一分配され気相Ｐ２
が細分化された気液二相流の冷媒Ｐが伝熱プレート１間
の流体流路５を流れるため、高効率の熱交換が行われて
高度な冷凍サイクルが実現される。熱交換器を出た冷媒
Ｐは、ほとんどが気相成分となって後続の圧縮機へと送
られ、圧縮機から凝縮器、膨張弁に送られて熱交換器に
戻る。

【００２２】図２に示される第２の実施形態の熱交換器
は、上記中空部材２１の構造変更例を示すもので、図２
における中空部材２１’は図４に示すような蓋無しの上
端開口有底のリング状金属容器である。この中空部材２
１’は、円筒状の内壁部２１ａと外壁部２１ｂとリング
状の底板部２１ｃだけで構成され、内壁部２１ａの１箇
所に前段小孔２２が外壁部２１ｂの１箇所に後段小孔２
４が形成され、内壁部２１ａと外壁部２１ｂの間が内部
空間２４となる。

【００２３】図２の中空部材２１’は、これが固設され
る冷媒入口流路５ａの形状寸法に対応させたもので、こ
の場合の冷媒入口流路５ａの冷媒用通路孔２の内径より
中空部材２１’の内壁部２１ａの内径が大きめに設定し
てある。したがって、蓋無しの中空部材２１’を冷媒入
口流路５ａに位置決めして固定すると、中空部材２１７
の上端開口が伝熱プレート１の通路孔２の周辺部で塞が
れて内部空間２３が略密閉空間となるので、この中空部
材２１’は蓋板を必要としない。このような蓋無し中空
部材２１’の気液二相流冷媒Ｐに対する気相液相均一分
散化や気相細分化の機能は、図３の蓋有り中空部材２１
と同様ゆえに説明は省略する。

【００２４】以上の各実施形態において中空部材をリン
グ状としたが、これはリング状の冷媒用入口流路に対応
させたもので、冷媒用入口流路の形状に応じた任意の形
状とすることができ、たとえば半円弧状の中空部材等で
あってもよい。また、中空部材の内壁部の１箇所に前段
小孔を、外壁部の１箇所に後段小孔を形成したが、これ
ら各小孔の個数、大きさ、形状、形成位置は特定されな
い。また、中空部材の内壁部と外壁部の間に１つの内部
空間を形成するようにしたが、この内部空間を複数に仕
切って、仕切られた複数の空間を冷媒が順に減圧膨張し
て流動するようにしてもよい。

【００２５】さらに、本発明は、ブレージング式熱交換
器以外のガスケットシール式のプレート式熱交換器等に
も有効に適用されるものであり、例えばガスケットシー
ル式熱交換器においては中空部材を伝熱プレートに溶接
で固定、或いは、ガスケットを介して伝熱プレートに圧
接して固定するようにすればよい。

【００２６】

【発明の効果】請求項１と２の発明によれば、気液二相
流の冷媒が中空部材の前段小孔、内部空間、後段小孔を
順に通過し、この通過時に少なくとも２段階に亘って気
相液相の均一分配と気相の細分化が行われて冷媒用流体
流路に流出するので、流体流路における冷媒の気相液相
均一分配と気相細分化が十分顕著に実行されて、冷媒の
トータル伝熱性能が向上し、熱交換効率に優れたプレー
ト式熱交換器が提供できる。また、冷媒のトータル伝熱
性能の改善により、伝熱プレート数を少なくして熱交換
器を小型軽量にし、製作コストを低減させることが容易
になる。

【００２７】請求項３の発明によれば、隣接する伝熱プ
レート間に中空部材をろう付けで固定することで、複数
の伝熱プレートを同時にろう付けするブレージング式熱
交換器が１工程のろう付けで製作でき、また、ガスケッ
ト等の特別な別部材を使用すること無く中空部材を既存
の伝熱プレートに既存のろう付け方法で固定することが
できて、製作的に有利なプレート式熱交換器が提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すプレート式熱交
換器の要部の断面図。

【図２】本発明の第２の実施形態を示すプレート式熱交
換器の要部の断面図。

【図３】（Ａ）は図１熱交換器における中空部材の断面
図、（Ｂ）はＴ１−Ｔ１線の断面図。

【図４】図２熱交換器における中空部材の断面図。

【図５】図３の中空部材による気液二相流冷媒の均一分
配・細分化現象を説明するための模式的断面図。

【図６】本発明の熱交換器を主体とする冷凍機の冷媒循
環システムの一部概要を示す模式図。

【図７】（Ａ）は従来のプレート式熱交換器の一部省略
部分を含む正面図、（Ｂ）は側面図。

【図８】図７（Ａ）のＴ２−Ｔ２線の拡大断面図。

【図９】図８の熱交換器の改変例を示す他の従来の熱交
換器の断面図。

【図１０】図９の熱交換器に使用される金属リングの平
面図。

【符号の説明】

Ｐ気液二相流冷媒Ｑ流体１伝熱プレート２冷媒用通路孔５冷媒用流体流路５ａ冷媒用入口流路６流体流路２１中空部材２１’ 中空部材２１ａ内壁部２１ｂ外壁部２２前段小孔２３内部空間２４後段小孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の伝熱プレートの間に、
一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通して熱交
換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに
形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用
流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器におい
て、冷媒用流体流路の入口流路に、外部からの気液二相流冷
媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小
孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する
内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がそ
の流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔を有
する中空部材を配置し、この中空部材の後段小孔から冷
媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とするプレ
ート式熱交換器。
【請求項２】中空部材が円筒状の小径の内壁部とこの
内壁部より大径の外壁部を有するリング状で、内壁部に
前段小孔を、外壁部に後段小孔を、内壁部と外壁部の間
に内部空間を形成したことを特徴とする請求項１記載の
プレート式熱交換器。
【請求項３】中空部材を隣接する伝熱プレートでろう
材を介して挟持させて、伝熱プレート間にろう付け固定
したことを特徴とする請求項１又は２記載のプレート式
熱交換器。