JP2002022374A - プレート式熱交換器および冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】伝熱性能が高く、かつ、設計の自由度が高いプ
レート式熱交換器およびそれを用いて効率の向上された
冷凍空調装置を得る。 【解決手段】伝熱プレート１を複数枚積層したプレート
式熱交換器において、伝熱プレート１を矩形状としてそ
の長手方向の上下にそれぞれ設けられた上部ヘッダ３及
び下部ヘッダ４と、伝熱プレート１の一面に長手方向に
対して時計回りに第一の角度を持つ方向に切られた複数
の第一の溝と、同じく反時計回りに第二の角度を持つ方
向に切られた複数の第二の溝と、を備え、伝熱プレート
１の一面と非加工面となる他面とを接触するように積層
して流路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍サイクルを用
いた冷凍空調装置に関し、特に、チラーユニット用に利
用されるプレート式熱交換器に好適である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、プレート式熱交換器は、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流す事により熱交換を行うもので
あり、多管式等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】また、プレート式熱交換器を２系統の冷凍
サイクルを用いた冷凍装置の主熱交換器とすることで、
装置のコンパクト化、伝熱性能向上を図ることが知ら
れ、例えば特開平10-281575号公報に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】プレート式熱交換器を
蒸発器として使用した場合、各冷媒流路への分配が均一
に行われないと熱交換性能が低下し、圧力損失が増大す
る。また、相変化する冷媒を各流体流路に均一に分配す
るためには、流体の圧力を上げてヘッダ部に流入させた
り、冷媒流出ヘッダの構造を工夫する必要がある。

【０００５】本発明の目的は伝熱性能が高く、かつ、設
計の自由度が高いプレート式熱交換器およびそれを用い
て効率の向上された冷凍空調装置を提供することにあ
る。

【０００６】また、本発明の目的は環境保護の観点から
非塩素系冷媒（あるいは非共沸混合冷媒、代替冷媒）を
使用しても効率を損なうことなく、冷媒の使用量そのも
のを少なくすることにある。

【０００７】さらに、本発明の目的は自然系冷媒として
可燃性や毒性の心配される冷媒を用いてもその危険等を
防止することにある。

【０００８】以上、本発明は上記課題の少なくとも一つ
を解決するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有する
プレート状の伝熱プレートを複数枚積層したプレート式
熱交換器において、前記伝熱プレートを矩形状としてそ
の長手方向の上下にそれぞれ設けられた上部ヘッダ及び
下部ヘッダと、伝熱プレートの一面に長手方向に対して
時計回りに第一の角度を持つ方向に切られた複数の第一
の溝と、同じく反時計回りに第二の角度を持つ方向に切
られた複数の第二の溝と、を備え、伝熱プレートの一面
と非加工面となる他面とが接触されるように積層されて
流路が形成されたものである。

【００１０】また、上記のものにおいて、伝熱プレート
の下部は前記第一の溝及び前記第二の溝の間隔を上部よ
りも細かくしたことが望ましい。

【００１１】さらに、上記のものにおいて、第二の溝は
前記第一の溝よりもその深さ及び間隔を小さくしたこと
が望ましい。

【００１２】さらに、圧縮機、熱源側熱交換器、中間熱
交換器が接続され冷媒が循環する一次側流体回路と、ポ
ンプにより二次側流体が負荷側熱交換器、中間熱交換器
を循環される二次側流体回路と、を有した冷凍空調装置
において、プレート状の伝熱プレート一面に切られた複
数の溝と非加工面となる他面とが接触されるように複数
枚積層されて流路が形成された前記中間熱交換器と、形
成された一方の流路は冷媒が流れ、一方の流路と隣合う
流路を二次側流体が流れるものである。

【００１３】さらに、上記のものにおいて、溝は伝熱プ
レートの長手方向に対して時計回りに第一の角度を持つ
方向に切られた複数の第一の溝と、同じく反時計回りに
第二の角度を持つ方向に切られた複数の第二の溝と、を
備えたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図１ない
し図１１を参照して説明する。図1は、本実施の形態の
プレート式熱交換器の伝熱プレート構造を示し、図２は
1次側流体流路６を部分的に拡大したものである。

【００１５】図１において、伝熱プレート１は、ほぼ矩
形状であり、その長手方向の上下に熱交換流体の流入口
及び流出口となる上部ヘッダ３及び下部ヘッダ４がそれ
ぞれ設けられている。伝熱プレート１の一方の表面に
は、その長手方向となる軸に対して時計回りに第一の角
度βa、同じく反時計回りに第二の角度βｂの角度をな
して溝8a（第一の溝）、8b（第二の溝）を平行に複数切
ることで、複数の菱形状の3次元状突起２が形成され
る。

【００１６】伝熱プレート１は、溝8a、8bが加工された
一面と非加工面となる他面とが接触されるように複数枚
積層されて周囲をろう付け等のシール手段５（図７参
照）で密着させて、複数の流体流路となる。

【００１７】溝8a、8bのプレート長手方向軸に対する傾
きβa、βb、ピッチ（間隔）Pa、Pb、深さHa、Hb、溝幅
Wa、Wb、（図２参照）は流体の種類と流路を流れる流量
によって最適な値を選択する。

【００１８】1次側流体(冷媒)は、伝熱プレートの加工
面上の3次元突起２の先端部と、隣合う伝熱プレート１
の背面部(非加工面)が接触するようにして仕切られた多
数の断面矩形の流路９を、合流、分岐を繰り返して流れ
る。これにより、流体は伝熱面（伝熱プレート）に均一
に広がることが出来るため、伝熱性能が向上する。

【００１９】上記のプレート式熱交換器を蒸発器として
使用する場合は、1次側流体は、図３の実線の矢印で示
すように、下部ヘッダ４から液冷媒が多い2相状態で、
流体流路を下部から上部に向って熱交換して蒸発気化
し、上部ヘッダ３から流出する。凝縮器として用いる場
合は逆に、上部ヘッダ３から流体流路に流入したガス冷
媒は熱交換して凝縮液化して下部ヘッダ４から流出す
る。

【００２０】また、1次側流体(冷媒)のサイクル圧力は2
次側流体(例えば水)の循環圧力よりも概して高い状態で
運転されるため、伝熱プレート加工面の3次元突起２の
先端部が隣合う伝熱プレート１の背面部と密着した構造
とする事で、熱的にも構造強度的にも優れた構造にな
る。

【００２１】伝熱プレート上の3次元突起が形成される
パターンを流体の流動様式に応じて密にしたり、粗くし
たりすることで、次のように伝熱性能向上を図ることが
出来る。

【００２２】図４に示した伝熱プレートは3次元突起２
の形成パターン21、21´が、伝熱プレートの１上部と下
部とで異なっている。すなわち、伝熱プレート下部で
は、溝8a、8bの形成ピッチpa、Pbをプレート上部の溝形
成ピッチよりも細かくし、上部では溝幅Wa、Wbを広くす
る事でプレートの下部から上部にかけて3次元突起２が
減少する構造になっている。

【００２３】蒸発器として用いる場合は、液冷媒が多く
なる伝熱プレート下部の領域では3次元突起のパターン
が密になっているので有効伝熱面積が増えて伝熱が促進
される。また、ガス冷媒が多い伝熱プレート上部の領域
は、3次元突起の形成パターンが粗くなっているので、
ガス冷媒流動による圧力損失の増加を抑えることが出来
る。

【００２４】凝縮器として使用する場合は、ヘッダから
流入したガス冷媒は3次元突起表面で凝縮液化し、下部
ヘッダにむけて矩形流路９を流下する。伝熱プレート上
部では３次元突起の形成パターンが粗くなっているた
め、蒸発時と同様に、ガスの流動抵抗を低くする事が出
来る。また、矩形流路９は合流分岐を繰り返すので、凝
縮液膜は突起表面を速やかに排出されて流下する。この
ため、伝熱面の液膜による熱抵抗が低減出来る。さらに
伝熱プレート下部では3次元突起の形成パターンが密に
なっているので、液冷媒の過冷却を促進することが出来
る。

【００２５】本実施の形態の伝熱プレートを用いれば、
蒸発時、凝縮時ともに、良好な熱伝達を得ることが出来
る。また、図４では、3次元突起２の形成パターンはプ
レートの上部と下部とで2種類であるが、同一伝熱プレ
ート表面に複数の形成パターンで突起を形成させても良
い。

【００２６】図５は本発明の実施の形態に関わる伝熱プ
レートの斜視図を示し、平板に圧延あるいは切削加工に
よって溝8aを切って流体流路を形成した後に、同様の加
工手段で溝8bを切る事で互いに交差する流体流路を形成
している。

【００２７】図５に示した伝熱プレートは溝8a、8bの深
さが同じであるが、図10には、溝8bの溝深さHbと溝8aの
溝深さHaが違う伝熱プレートの一例を示している。溝8b
は溝8aと比較して溝深さが浅く微細な構造である。この
ような微細溝を設けた伝熱面構造にする事で、流体は溝
8aに沿って流れながら、溝8bによって攪拌混合を繰り返
すため、1次側流体に非共沸混合である冷媒非塩素系冷
媒（あるいは代替冷媒）を用いた場合でも、伝熱性能が
低下するのを防ぐ事が出来る。

【００２８】1次側流体の流路６は伝熱プレート１の加
工面上の3次元突起２の先端部と隣合う伝熱プレート１
の背面部(非加工面)が接触するように組立てた構成とな
っているが、図６に示すように、2次側流体の流路７は
背面部(非加工面)を前記3次元突起の先端部に接触させ
ずに配置して流路幅を広くしても良い。これにより、流
路を流れる際に発生する3次元乱れと拡大伝熱面効果に
より、2次側流体においても非常に高い伝熱促進効果が
得られる。さらに、前述の三次元乱れは伝熱プレートの
加工面にスケールが付着するのを防止する上で大きな効
果を発揮する。

【００２９】また、図11には伝熱面構造が違う伝熱プレ
ート１と伝熱プレート１´を積層して熱交換器を形成す
る実施の形態を示している。1次側流体（例えば冷媒）
は、伝熱プレート１の加工面と伝熱プレート１´の非加
工面（背面）とで形成された1次側流体流路６を流れ、2
次側流体（例えば水）は伝熱プレート１´の加工面と伝
熱プレート１の非加工面（背面）で形成される2次側流
体流路７を流れる。

【００３０】伝熱プレート１、伝熱プレート１´の加工
面は、流れる流体の種類に応じた加工を施すことが良
い。例えば1次側流体として冷媒が用いられた場合は図1
1に示したような微細構造として伝熱促進を図り、2次側
流体として水等が用いられる場合には、単相流熱伝達を
促進する伝熱面構造とする。以上のような構造により、
1次側流体(冷媒)と2次側流体(水)との間で極めて高い熱
伝達特性が得られる。

【００３１】また、2次側流体として、気体を用いる場
合は、1次側流体流路を伝熱プレート１と、カバープレ
ート17を組み合せてシール手段５により袋状の流路19と
し、これを2次側流体流路と交互に積層して熱交換器を
構成することも良い。

【００３２】図７では、2次側流体流路には、袋状の流
路19の間にフィン等の伝熱促進手段18が付加されている
が、伝熱プレートの他方の面に２次側流体に適した形態
の伝熱促進手段が加工されていてもよい。このような場
合、伝熱プレートの両面に切削あるいは圧延によりフィ
ン加工を施し、さらに２次加工を施すことで、各々の流
路を流れる流体の物性に応じたフィン形状に成形する。

【００３３】また、2つの流体は各々ヘッダを設けて分
配される構造にすることで、２種類の流体の流れる方向
を対向流、交差流、並流等、必要に応じて変更できる。
さらに、伝熱プレートの加工面は、流体の熱伝達促進、
伝熱面の汚損やスケール付着の防止等の効果を得るため
に、必要な表面処理を施すことが良い。袋状の流路19
は、流路として独立しているので、必要な交換熱量に応
じて、個数を変えて組合わせて熱交換器を構成すること
が出来るため、設計の自由度が高い。

【００３４】上述の実施の形態は、伝熱プレート表面
に、複数の溝8a、8bを切る事で3次元状突起を形成して
いるが、このような加工の他に、図９に示すように、長
手方向に開口した小径管20を、伝熱プレート上に密着さ
せ、所定の間隔で細かく分断して、3次元状突起を構成
することでも良い。これにより、伝熱プレートの背面部
は小径管20の側面部と密着させられるため、流路の強度
を保つ事が出来る。

【００３５】以上説明した熱交換器は、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
であり、図８は、それ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11と、圧縮機11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16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
の端部を四方弁12aに接続して配置された既に説明した
ような伝熱プレート１を用いた中間熱交換器10を設けて
いる。

【００３６】2次側流体の回路は、中間熱交換器10と、
中間熱交換器10の伝熱管外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、四方弁12bに2次側流体流路の1端を接続し他端
を中間熱交換器10の伝熱管外流路の他端に接続して配置
された負荷側熱交換器14と、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、を設けている。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。

【００３７】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８中の実
線の矢印の方向なる。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、室内の熱源側熱交
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い、四方弁12aを経て再び圧縮機11
に戻る。

【００３８】2次側流体はポンプ13で加圧され、四方弁1
2bを通った後、負荷側熱交換器14で空気と熱交換を行
い、中間熱交換器10に至る。中間熱交換器10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、1
2bで切替える。以上、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。本実施の形態
によれば、2次側流体の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流路断面積に出来るの
で、流動抵抗を低く押えて、ポンプの消費電力を低減す
る効果がある。

【００３９】上記の伝熱プレートを用いた熱交換器で熱
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を用いた場合等
は、流体の温度差を大きく取ることが出来るため、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。

【００４０】さらに、上記の伝熱プレートを用いた熱交
換器を冷凍空調装置の1次側冷媒と２次側冷媒を熱交換
させる中間熱交換器として用いれば、熱交換器内の冷媒
が、伝熱プレート上の細かく仕切られた流路を流れるよ
うに出来るため、使用する冷媒量を少なくする事が出来
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Ｈ
Ｃ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。さらに、冷凍空調装置としてコンパクトでかつ
エネルギー効率の良好なものとすることができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱性能が高く、か
つ、設計の自由度が高いプレート式熱交換器が得られ
る。また、上記の熱交換器を用いて冷凍空調装置の効率
を向上することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第1の実施の形態に係る伝熱プレ
ートを示す平面図。

【図２】図１の第1の実施の形態において１次側流体流
路を部分拡大した斜視図。

【図３】図１のものにおいて、1次側流体の流路を示し
た平面図。

【図４】本発明による実施の形態に係る伝熱プレートを
示す平面図。

【図５】本発明による実施の形態に係る伝熱プレート上
に形成される3次元突起の構造を示す斜視図。

【図６】本発明による実施の形態に係る熱交換器の2次
流体の流路示す断面図。

【図７】本発明によるさらに他の実施の形態に係る熱交
換器の流体流路を示す断面図。

【図８】本発明による熱交換器を用いた冷凍空調装置を
示す流体回路図。

【図９】本発明によるさらに他の実施の形態に係る3次
元突起を示した斜視図。

【図10】本発明によるさらに他の実施の形態に係る3次
元突起を示す斜視図。

【図11】図１０のものにおいて、熱交換器の流体流路の
一部を示す斜視図。

【符号の説明】

１、１´…伝熱プレート、２…3次元突起、３…上部ヘ
ッダ、４…下部ヘッダ、５…シール手段、６…1次側流
体流路、７…2次側流体流路、８a…第一の溝、８b…第
二の溝、９…矩形の流路、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。

───────────────────────────────────────────────────── 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） 3L050 BB12 3L103 AA18 AA37 BB42 CC02 CC28 DD12 DD57

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換流体の流入口及び流出口を有するプ
   レート状の伝熱プレートを複数枚積層したプレート式熱
   交換器において、 前記伝熱プレートを矩形状としてその長手方向の上下に
   それぞれ設けられた上部ヘッダ及び下部ヘッダと、 前記伝熱プレートの一面に前記長手方向に対して時計回
   りに第一の角度を持つ方向に切られた複数の第一の溝
   と、同じく反時計回りに第二の角度を持つ方向に切られ
   た複数の第二の溝と、 を備え、前記伝熱プレートの前記一面と非加工面となる
   他面とが接触されるように積層されて流路が形成された
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記伝熱
   プレートの下部は前記第一の溝及び前記第二の溝の間隔
   を上部よりも細かくしたことを特徴とするプレート式熱
   交換器。
3. 【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記第二
   の溝は前記第一の溝よりもその深さ及び間隔を小さくし
   たことを特徴とするプレート式熱交換器。
4. 【請求項４】圧縮機、熱源側熱交換器、中間熱交換器が
   接続され冷媒が循環する一次側流体回路と、ポンプによ
   り二次側流体が負荷側熱交換器、前記中間熱交換器を循
   環される二次側流体回路と、を有した冷凍空調装置にお
   いて、 プレート状の伝熱プレート一面に切られた複数の溝と非
   加工面となる他面とが接触されるように複数枚積層され
   て流路が形成された前記中間熱交換器と、 前記形成された一方の流路は前記冷媒が流れ、前記一方
   の流路と隣合う流路を前記二次側流体が流れることを特
   徴とした冷凍空調装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載のものにおいて、前記溝は
   前記伝熱プレートの長手方向に対して時計回りに第一の
   角度を持つ方向に切られた複数の第一の溝と、同じく反
   時計回りに第二の角度を持つ方向に切られた複数の第二
   の溝と、を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。