JP2002107074A - プレート型熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

プレート型熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機

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JP2002107074A
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heat exchanger
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Kazuaki Mizukami
和明 水上
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Sanyo Electric Co Ltd
三洋電機株式会社
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F28F3/046Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being linear, e.g. corrugations
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-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
    • F28D9/0031Heat-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 conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043Heat-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 conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005Heat-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 conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二酸化炭素冷媒を用いてもプレート30が剥
離等しないようにする。 【解決手段】 予めロウ材が被着された皿状プレート3
0を複数重ね合せて加圧熱処理することにより、各プレ
ート30が接触する部分でロウ付して、上下のプレート
30で形成される空間を流路とし、該流路を複数形成し
て二酸化炭素冷媒と水とを異なる流路にそれぞれ流動さ
せ、かつ、二酸化炭素冷媒が流動する流路と水が流動す
る流路とが交互になるようにしてこれらの間で熱交換さ
せるプレート型熱交換器を構成する。このとき、プレー
ト30上面から波部を見た際に、当該波部31がV字状
をなして延設され、かつ、該プレート30を重ね合せた
際に、上側プレート30における波部31のV字状頂点
と下側プレート30における波部31のV字状頂点とが
一致するように波部31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、高温高圧の流体と
低温流体とを熱交換させる際に、安全、かつ、効率的に
熱交換できるようにしたプレート型熱交換器及びそれを
用いたヒートポンプ給湯機に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、給湯機としてはガスや電気ヒータ
を熱源とするものが大勢的であるが、近年のエネルギ利
用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火災等の防
止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。
【0003】このようなヒートポンプ給湯機は、圧縮
機、蒸発器、膨張弁、凝縮器を備えている。そして、凝
縮器で冷媒と水とを熱交換させて湯が供給できるように
なっている。
【0004】かかる凝縮器としては、冷媒と水との熱交
換を効率的に行うために例えば図5に示す様なプレート
型熱交換器100が用いられている。以下、この凝縮器
を熱交換器100と記載する。
【0005】この熱交換器は、波状に形成された皿状の
プレート100を複数重ねて、各プレート100の波部
101が接触する部分をロウ付けすることにより冷媒の
流動する冷媒流路と水が流動する水流路とを形成してい
る。
【0006】即ち、図5に示すようにプレート100
は、断面が波状に形成された波部101、該波部101
の左右に設けられた流体出入部102、周辺部に立設さ
れた縁部103とにより構成され、流体出入部102に
は冷媒入口105及び冷媒出口106が設けられ、また
水入口108及び水出口107がそれぞれ設けられてい
る。
【0007】なお、波部101は、プレート100の上
面から見るとV字状をなして形成され、当該V字状の頂
点はプレート100の中心線と一致している。
【0008】このようなプレート100を用いて熱交換
器を作る手順は、当該プレート100の表裏面に予めロ
ウ材を被着させて順次重ね合わせる(図6参照)。
【0009】このとき上側プレート100における波部
101と下側プレート100における波部101とは、
上から見たときV字状の波部101が互いに逆方向にな
るように左右反転して重ね合わせる(図8(c)参
照)。
【0010】これにより、上側プレート100における
波部101の凹点と下側プレート100における波部1
01の凸点とが接触するようになり、この状態を保持し
ながら熱処理すると、当該接触部分でロウ付が行われて
一体化する。
【0011】図7はこのようにして形成された熱交換器
の断面図で、図7(a)〜図7(d)は、それぞれ図5
に示すAA、BB、CC及びDDでの断面図に対応して
いる。
【0012】なお、図7(b)からも解るように、最上
部プレート100の冷媒入口105、冷媒出口106、
水入口108及び水出口107には接続管が設けられて
冷媒や水が出入りできるようになっている。
【0013】これにより熱交換器内には複数の流路Sが
形成され、冷媒は冷媒入口105から流入し、図7
(a)における◎印で示す流路Sに沿って流動して冷媒
出口106から流出する。
【0014】一方、水は水入口108から流入し、図7
(a)における●印で示す流路Sに沿って流動し水出口
107から流出する。これにより冷媒と水とがプレート
100を介して熱交換するようになっている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た熱交換器では上側プレート100と下側プレート10
0とは、全く同じ物を左右反転して用いているが、これ
らを重ね合せても波部101のV字状頂点が一致せず、
当該部分でロウ付が行われない場合がある。
【0016】このような場合に、動作圧の高い二酸化炭
素冷媒を用いるとV字状頂点を含む領域でプレート10
0の剥れや膨らみ等の障害が発生してしまう問題があ
る。
【0017】即ち、V字状頂点でロウ付が行われない
と、当該V字状頂点の周辺に形成されたロウ付部分が支
えなければならない力が、他の部分で要求される支持力
に比べて大きくなってしまい、当該V字状頂点を含む領
域から剥離等の障害が発生する。
【0018】例えば、図8(c)において、V字状頂点
を含む領域P1に加わる力は隣接するロウ付点k1〜k
6により支持され、領域P2に加わる力は隣接するロウ
付点L1〜L4により支持されていて、領域P1>領域
P2であるためロウ付点k1〜k6から剥離等が生じや
すくなる。
【0019】無論、予め被着させておくロウ材の量を多
する等により、V字状頂点近傍での支持力を高めること
も可能であるが、この場合他の部分(V字状頂点が含ま
れない領域)でロウ材が過剰になってしまうためコスト
アップ等の問題が生じる。
【0020】また、ロウ材の量を多くしても、領域Pで
支持されなければならない力は変化がしないので、この
部分で膨れ等が発生する恐れがあり、これに対処するに
はプレート100の厚みを厚くする必要が生じる。
【0021】しかし、プレート厚を厚くすると重量増加
やコストアップが避けられず、また熱伝達が悪くなるた
め熱交換効率が低下してしまう問題がある。
【0022】さらに、流体出入部102には、上述した
波部101が形成されていないので、冷媒の圧力により
容易に変形してしまい膨れ等の不都合が生じる問題があ
る。
【0023】そこで、本発明は、二酸化炭素冷媒を用い
ても容易に信頼性及び熱交換効率を向上させることがで
きるプレート型熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ
給湯機を提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1にかかる発明は、予めロウ材が被着された
皿状プレートを複数重ね合せて加圧熱処理することによ
り、各プレートが接触する部分でロウ付して、上下関係
をなすプレートで形成される空間を流路とし、複数の該
流路に高温流体と低温流体とを流動させて、これらの流
体間で熱交換させるプレート型熱交換器において、プレ
ートの略前面に波状の波部を形成し、該プレートを左右
反転して順次重ね合せロウ付した際にロウ付点で囲まれ
る領域面積が一定となるように波部を形成して、二酸化
炭素冷媒等の動作圧が高い冷媒を用いる場合でも容易に
信頼性及び熱交換効率を向上させることができるように
したことを特徴とする。
【0025】請求項2にかかる発明は、波部がプレート
面に対してV字状をなして延設され、かつ、該プレート
を重ね合せた際に、上側プレートにおける波部のV字状
頂点と下側プレートにおける波部のV字状頂点とが一致
するように波部を形成したことを特徴とする。
【0026】請求項3にかかる発明は、波部がプレート
面に対して斜め直線状をなして延設されていることを特
徴とする。
【0027】請求項4にかかる発明は、プレートの端部
に流体が流入し又流出する流体出入部が設けられ、当該
流体出入部にも波部が形成されていることを特徴とす
る。
【0028】請求項5にかかる発明は、高温流体が二酸
化炭素冷媒で、低温流体が水であることを特徴とする。
【0029】請求項6にかかる発明は、二酸化炭素冷媒
を圧縮する圧縮機と、水を貯湯する貯湯タンクと、該圧
縮機からの冷媒と貯湯タンクからの水とを熱交換させて
当該水を加熱して貯湯を行わせる請求項1乃至5いずれ
か1項記載のプレート型熱交換器と、該プレート型熱交
換器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁からの
冷媒と外気とを熱交換させて、当該外気から熱を汲上げ
る蒸発器とを有することを特徴とする。
【0030】請求項7にかかる発明は、起動時には所定
時間だけプレート型熱交換器で加熱された水が貯湯タン
クに戻らないようにする循環路制御弁を設けたことを特
徴とする。
【0031】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図1は、本発明にかかるプレート型熱交換
器におけるプレートの概略構成を示す斜視図であり、図
4はそれを用いて構成したヒートポンプ給湯機の回路図
である。なお、図4に示すヒートポンプ給湯機は、ヒー
トポンプ回路、湯回路により構成されている。
【0032】ヒートポンプ回路に用いられる冷媒として
自然冷媒である二酸化炭素冷媒が用いられ、以下の説明
では単に冷媒と記載する。
【0033】ヒートポンプ回路は、冷媒を圧縮する圧縮
機11、冷媒と水と熱交換させる熱交換器12、冷媒を
膨張させる膨張弁15、冷媒と外気等とを熱交換させる
蒸発器16、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ17
等を有している。
【0034】湯回路は、熱交換器12で加熱された湯を
貯留する貯湯タンク19、該貯湯タンク19の水を熱交
換器12を介して循環させる循環ポンプ18、ヒートポ
ンプ給湯機の起動時等に所定時間だけ開弁するバイパス
弁20、貯湯タンク19から熱交換器12への水の循環
量を調整する流量調整弁21等により構成されている。
【0035】なお、循環ポンプ18により貯湯タンク1
9の底部から熱交換器12に所定流量で水が循環するよ
うになっているが、熱交換器12で水が加熱されること
による比重差が発生して自然対流による循環が生じるの
で、当該自然対流による循環を利用することも可能であ
る。この場合には、循環ポンプ18が不要になる利点が
ある。
【0036】この熱交換器12は、冷媒が流動する冷媒
流路13、冷媒と熱交換する水が循環する水流路14を
有して、これらは複数のプレートを重ね合せてロウ付さ
れて形成されている。
【0037】当該プレート30の構成を図1を参照して
説明する。プレート30は、断面が波状に形成された波
部31、該波部31の左右に設けられた流体出入部3
2、周辺部に立設された縁部33とにより構成され、流
体出入部32には冷媒入口35及び冷媒出口36が設け
られ、また水入口38及び水出口37がそれぞれ設けら
れている。
【0038】なお、波部31は、プレート30の上面か
ら見るとV字状をなして形成され、左右逆転した際に、
当該V字状の頂点が重なる様になっている。
【0039】図1(a)に示すプレート30と図1
(b)に示すプレート30とは同じ物であり、これを左
右逆転して表示している。
【0040】但し、これらを重ねた際に上側プレート3
0における波部31の凹点と下側プレート30における
波部31の凸点とが識別できるように、下側プレート3
0における波部31の凸点を点線で示している。
【0041】図1(c)は2枚のプレート30を重ねた
際の様子を示す上面図であり、AA〜EEにおける断面
図を合わせて示している。この図から解るように上下の
プレート30における波部31のV字状頂点は一致し、
上下のプレート30における波部31が形成する領域R
は常に一定の大きさとなっている。
【0042】従って、このようなプレート30に予めロ
ウ材を被着させ、複数重ね合せて、加圧しながら熱処理
してロウ付した際には、波部31のV字状頂点でもロウ
付が行われ、かつ、各ロウ付箇所が支持しなければなら
ない力は一定となって、動作圧の高い二酸化炭素冷媒で
あってもロウ付部の剥離等が容易に抑制することができ
るようになる。
【0043】また、ロウ付部分が支持しなければならな
い領域Rが小さいので、当該領域Rでのプレート30に
加わる力も小さくなり、プレート30の厚みを薄くする
ことができる。従って、熱伝導パスが短くなるので熱交
換効率を高めることが可能になる。
【0044】なお、図1の構成では流体出入部32は従
来の構成と代らないので、動作圧の高い二酸化炭素冷媒
を用いた場合、当該部分で膨れ等が生じる恐れがある。
【0045】このような場合には、図2に示すように波
部31を流体出入部32まで延設することにより、流体
出入部32での膨れ等を防止できるようになる。
【0046】また、上記説明では波部31はV字状に形
成された場合について説明したが本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば図3に示すように波部31を
斜め直線状に形成してもよい。
【0047】このような構成の熱交換器12を用いたヒ
ートポンプ給湯機は以下のように動作する。
【0048】即ち、圧縮機11で冷媒を圧縮して高温高
圧にし、これを熱交換器12の冷媒流路13に循環させ
る。
【0049】この冷媒流路13は、上述したように水流
路14とプレート30を介して熱接触しているので、当
該冷媒の熱は水流路14を流動する水に与えられて、水
はお湯となる。
【0050】そして、この水は循環ポンプ18により貯
湯タンク19と熱交換器12との間を循環するので当該
貯湯タンク19には湯が貯留されるようになる。
【0051】なお、熱交換器12を流動する冷媒と水と
は、対向流なすように流動している。このように対向流
で循環させることにより、冷媒は水と熱交換して冷媒出
口36に向って温度が下がり、水は熱交換することによ
り水出口37に向って温度が上がるようになり、熱交換
器12での循環方向に沿った冷媒の温度勾配と貯湯用の
水の温度勾配とが逆になって効率的に熱交換ができるよ
うになっている。
【0052】これにより、熱交換器12で加熱された水
(湯)は貯湯タンク19の上部に戻り、この結果当該貯
湯タンク19では温度の異なる水が層をなして貯留され
るようになる。そして、全ての水が所定の温度に達する
と貯湯が完了する。
【0053】ところで、貯湯タンク19への貯湯開始
時、即ちヒートポンプ回路の運転開始時は、熱交換器1
2等が定常状態に達していないので、既に貯湯タンク1
9に貯留されている湯より低い温度の湯が当該貯湯タン
ク19に戻る場合が生じる。
【0054】即ち、給湯が行われると、その分の水量が
貯湯タンク19の底部から補給されて貯湯タンク19は
常に満水状態に維持されている。
【0055】従って、貯湯運転開始時には、貯湯タンク
19の上部は給湯可能な湯温であるが、下部は水道水等
の補給された水温である場合がある。
【0056】このような場合に、貯湯運転と同時に熱交
換器12からの水を貯湯タンク19に戻すと、熱交換器
12等が定常状態に達していないので十分に加熱されな
い湯が給湯可能な温度の湯の上に戻ってしまう不都合が
生じる。
【0057】そこで、本発明では、起動時等において温
度の低い湯が貯湯タンク19に戻らないように、バイパ
ス弁20を設けている。
【0058】そして、起動時には所定時間だけバイパス
弁20を開くと共に流量調整弁21を絞り(閉じて)、
貯湯タンク19から熱交換器12に水が供給されないよ
うにし、熱交換器12等が定常状態に達すると、バイパ
ス弁20を閉じ、流量調整弁を所定の開度に調整するよ
うにしている。
【0059】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プレートの略前面に波状の波部を形成し、該プレートを
左右反転して順次重ね合せロウ付した際にロウ付点で囲
まれる領域面積が一定となるように波部を形成したの
で、二酸化炭素冷媒等の高圧流体を流動させてもロウ付
部分の剥離等の障害が防止でき、容易に信頼性及び熱交
換効率を向上させることができるようになる。
【0060】また、このようなプレート型熱交換器を用
いてヒートポンプ給湯機を構成したので、信頼性及び熱
交換効率が高いヒートポンプが製造可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の説明に適用される熱交換
器に用いられるプレートの概略構成図である。
【図2】図1に代るプレートの概略構成である。
【図3】図1に代るプレートの概略構成である。
【図4】ヒートポンプ給湯機の回路図である。
【図5】従来の技術の説明に適用される熱交換器に用い
られるプレートの概略構成図である。
【図6】熱交換器の組立を説明する図である。
【図7】熱交換器の断面図である。
【図8】従来の技術の課題の説明に適用される図であ
る。
【符号の説明】
11 圧縮機 12 熱交換器 13 冷媒流路 14 水流路 15 膨張弁 16 蒸発器 17 アキュムレータ 18 循環ポンプ 19 貯湯タンク 20 バイパス弁 21 流量調整弁 30 プレート 31 波部 32 流体出入部 33 縁部 35 冷媒入口 36 冷媒出口 37 水出口 38 水入口

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予めロウ材が被着された皿状プレートを
    複数重ね合せて加圧熱処理することにより、各プレート
    が接触する部分でロウ付して、上下関係をなすプレート
    で形成される空間を流路とし、複数の該流路に高温流体
    と低温流体とを流動させて、これらの流体間で熱交換さ
    せるプレート型熱交換器において、 前記プレートの略前面に波状の波部を形成し、該プレー
    トを左右反転して順次重ね合せロウ付した際にロウ付点
    で囲まれる領域面積が一定となるように前記波部を形成
    したことを特徴とするプレート型熱交換器。
  2. 【請求項2】 前記波部がプレート面に対してV字状を
    なして延設され、かつ、該プレートを重ね合せた際に、
    上側プレートにおける波部のV字状頂点と下側プレート
    における波部のV字状頂点とが一致するように前記波部
    を形成したことを特徴とする請求項1記載のプレート型
    熱交換器。
  3. 【請求項3】 前記波部がプレート面に対して斜め直線
    状をなして延設されていることを特徴とする請求項1記
    載のプレート型熱交換器。
  4. 【請求項4】 前記プレートの端部に流体が流入し又流
    出する流体出入部が設けられ、当該流体出入部にも前記
    波部が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3
    いずれか1項記載のプレート型熱交換器。
  5. 【請求項5】 高温流体が二酸化炭素冷媒で、低温流体
    が水であることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1
    項記載のプレート型熱交換器。
  6. 【請求項6】 二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、 水を貯湯する貯湯タンクと、 該圧縮機からの冷媒と貯湯タンクからの水とを熱交換さ
    せて当該水を加熱して貯湯を行わせる請求項1乃至5い
    ずれか1項記載のプレート型熱交換器と、 該プレート型熱交換器からの冷媒を膨張させる膨張弁
    と、 該膨張弁からの冷媒と外気とを熱交換させて、当該外気
    から熱を汲上げる蒸発器とを有することを特徴とするヒ
    ートポンプ給湯機。
  7. 【請求項7】 起動時には所定時間だけ前記プレート型
    熱交換器で加熱された水が前記貯湯タンクに戻らないよ
    うにする循環路制御弁を設けたことを特徴とする請求項
    6記載のヒートポンプ給湯機。
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