JP2003090690A - 積層型熱交換器及び冷凍サイクル - Google Patents

積層型熱交換器及び冷凍サイクル

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JP2003090690A
JP2003090690A JP2001282569A JP2001282569A JP2003090690A JP 2003090690 A JP2003090690 A JP 2003090690A JP 2001282569 A JP2001282569 A JP 2001282569A JP 2001282569 A JP2001282569 A JP 2001282569A JP 2003090690 A JP2003090690 A JP 2003090690A
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heat transfer
plate
transfer tubes
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Hitoshi Matsushima
松島　　均
Mari Uchida
麻理 内田
Mitsugi Aoyama
貢 青山
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型・低圧損で、設計の自由度が高く、分解可
能であり、水及び冷媒の分配が良好で、冷媒漏れがな
く、高圧冷媒にも好適な積層型熱交換器及び冷凍サイク
ルを得る。 【解決手段】複数枚のプレート１が積層された積層型熱
交換器において、プレート１のそれぞれの面上に接合さ
れジグザグ状に折り曲げられた複数の伝熱管２と、伝熱
管２が互いに交差するように積層されたプレート１と、
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に、冷凍サイク
ルを形成する蒸発器、凝縮器に用いるプレート式の積層
型熱交換器及び冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、複数の伝熱プレートを積層するプ
レート式熱交換器において、プレート内での流体の偏流
を防ぐため、冷媒の流入開口を伝熱プレートの幅方向の
中央部に設けることが知られ、例えば特開２０００−２
９２０７９号公報に記載されている。また、流入開口部
においてプレート間の流路内を流れる冷媒の乱流を促進
し、冷媒を均一化するため、各プレートのチャンネル部
へ通ずる垂直方向のオリフィスを設けることが、例えば
特開２００１―５０６１１号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、プレート内での偏流と、プレート間毎の分配、つま
り偏流を共に改善することは困難である。また、積層型
熱交換器を蒸発器や凝縮器として使用する際に、熱交換
器のコンパクト化や性能向上を推進したり、凍結の危険
性を回避したりするうえで、水及び冷媒の分配性能を特
に良好にしなければならない。さらに、冷媒側の耐圧性
を高めるため、ブレージング加工によりプレート間が完
全に固着すると、プレートを取り外す事が出来ず、水側
流路のプレート表面に付く汚れを取り除く事が出来なか
った。
【０００４】また、プレート式熱交換器では、通常の使
用状態においては、隙間の狭い偏平流路内を流体が勢い
良く流れるため、総じて圧力損失が大きく、例えば、チ
ラーユニットにおいては、水ポンプとの兼ね合いから、
水側圧損をある程度の値以下に抑える必要があるが、水
側圧損を低減過ぎると熱交換器の大型化を招くことにな
る。
【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決し、小型
・低圧損で、設計の自由度が高く、分解可能であり、水
及び冷媒の分配が良好で、冷媒漏れがなく、高圧冷媒に
も好適な積層型熱交換器及び冷凍サイクルを提供するこ
とにある。また、冷凍サイクルの省エネ化の観点から水
側流路のプレート表面に付く汚れを容易に取り除くこと
が可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明は、複数枚のプレートが積層された積層型熱交換
器において、プレートのそれぞれの面上にはジグザグ状
に折り曲げられた複数の伝熱管が接合され、隣接するプ
レート上の一方の伝熱管が他方のプレート上の伝熱管と
互いに交差するようにプレートが積層されたものであ
る。
【０００７】また、上記のものにおいて、プレート毎に
複数の伝熱管を束ねるヘッダを設け、さらにヘッダを束
ねる集合ヘッダを設けたことが望ましい。
【０００８】さらに、上記のものにおいて、プレート毎
に複数の伝熱管を束ねるヘッダと、ヘッダを束ねる集合
ヘッダと、集合ヘッダに接続された冷媒配管と、水入口
と水出口を有しプレートとヘッダと集合ヘッダとを収納
して密封されるケーシングと、を設けたことが望まし
い。
【０００９】さらに、上記のものにおいて、プレート毎
に複数の伝熱管を束ねるヘッダと、ヘッダを束ねる集合
ヘッダと、集合ヘッダに接続された冷媒配管と、水入口
と水出口を有しプレートとヘッダと集合ヘッダと水入口
又は水出口に対して斜めに傾斜しかつその面に穴が開け
られた水散らし板とを収納して密封されるケーシング
と、を設けたことが望ましい。
【００１０】さらに、上記のものにおいて、プレート毎
に複数の伝熱管を束ねるヘッダと、ヘッダを束ねる集合
ヘッダと、集合ヘッダに接続された冷媒配管と、水入口
と水出口を有しプレートとヘッダと集合ヘッダとを収納
し端部にフランジが設けられたケーシングと、を設け、
ケーシングは、フランジに端面カバーを締結することに
より密封されることが望ましい。
【００１１】さらに、上記のものにおいて、複数の伝熱
管は、正弦波状に折り曲げられていることが望ましい。
【００１２】さらに、上記のものにおいて、複数の伝熱
管は、Ｓ字状に折り曲げられていることが望ましい。
【００１３】さらに本発明は、圧縮機、室外熱交換器、
膨張弁、中間熱交換器を一次冷媒が循環する一次ループ
と、前記中間熱交換器、ポンプ、室内熱交換器を二次冷
媒が循環する二次ループを備えた冷凍サイクルにおい
て、中間熱交換器は複数枚のプレートと、プレートのそ
れぞれの面上に接合されジグザグ状に折り曲げられた複
数の伝熱管とを備え、隣接するプレート上の一方の伝熱
管が他方のプレート上の伝熱管と互いに交差するように
前記プレートが積層されたものである。
【００１４】さらに、上記のものにおいて、一次冷媒は
自然系冷媒とされ、二次側冷媒は水が用いられることが
望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】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の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。プレート式熱交換器用としてヘリンボーンタイプの
プレートは、プレート縦方向中心線から両方向へ斜降し
たヘリンボーン状の波形伝熱面を有するもので、通常ス
テンレスのような薄い金属板をプレス加工する事により
作られる。これを交互に上下に反転させて積層する事に
よってプレート式熱交換器が形成される。
【００１６】プレート式熱交換器を冷凍サイクルの蒸発
器や凝縮器として用いる場合、プレート一枚おきに高圧
の冷媒と低圧の水が流れるために、プレート間には大き
な圧力がかかる。ヘリンボーンタイプのプレート式熱交
換器では、波形伝熱面の山どうしの接触により耐圧強度
の向上が図られるが、冷媒漏れを完全に防ぐ事は困難で
ある。また、プレートの材質には例えばステンレスよう
に剛性の高い金属を使う事が不可欠であり、加工上の制
約があった。さらに、冷媒漏れを防ぐために、通常ブレ
ージング加工により、積層したプレート群全体をろう付
けするのであるが、プレート間のろう付けには非常に高
度な生産技術や設備が必要でありコスト高の要因になっ
ていた。
【００１７】さらに、耐圧性の関係から、使用圧力の上
限値が３．１ＭＰａ前後に抑えられているため、Ｒ４１
０Ａや二酸化炭素と言った高圧冷媒を用いた冷凍サイク
ルに使用する事は困難である。そして、プレートは薄い
金属板をプレス加工する事により作られるため、イニシ
ャルコストに対する型代の比率が大きく、冷凍サイクル
で必要な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はコスト的に困難である。
【００１８】本発明の一実施の形態を図１ないし４によ
り説明する。図1〜４は、積層型熱交換器を示し、薄い
金属板であり、正弦波状ないしジグザグ状に折り曲げた
パイプ状の伝熱管２、２’が表面に接合された薄い金属
板のプレート１を複数枚積層する事により形成される。
伝熱管２内は冷媒が流れ、その外側を水が流れる。ま
た、伝熱管２、２’はその上下にあるヘッダ３、３’に
より束ねられ、ヘッダ３、３’はその上下の集合ヘッダ
４、４’により束ねられる。さらに、集合ヘッダ４、
４’の先には冷媒配管５、５’があり、熱交換主要部と
なるプレート１は、水入口９、水出口１０を有するケー
シング６の中に、水散らし板11と共に挿入される。ケー
シング６はフランジ７により端面カバー８とネジ、リベ
ットなどで締結される。
【００１９】伝熱管２、２’の折り曲げ・接合パターン
の例は、図２〜４に示す通りであり、図２では、概ね正
弦波状ないしジグザグ状に折り曲げた伝熱管２，２’が
プレート１の両面に接合されている。図３では、正弦波
状ないしジグザグ状に折り曲げた伝熱管２、２’がプレ
ート１の片面のみに接合されている。図４では、Ｓ字の
連続したジグザグ状に折り曲げた伝熱管２，２’がプレ
ート１の両面に接合されている。
【００２０】図２、図４のプレート１においては、プレ
ート1を積層した状態でヘリンボーンタイプのプレート
と同様なパターンが形成される。図３のプレート１にお
いては、プレート1を積層した状態でプレート１間にジ
グザグ状の流路パターンが形成される。本例では、冷媒
がパイプ状（円筒状又は管状）の伝熱管２、２’を流れ
るため、高い耐圧強度を保つことができ、管が破断しな
い限り冷媒もれの心配がない。このため、積層型である
にも関わらず、Ｒ４１０Ａや二酸化炭素といった高圧冷
媒を用いた冷凍サイクルにも好適となる。
【００２１】水側流路は、積層されたプレート1間で形
成され、水はケーシング６に設けられた水入口９から流
入し、プレート1間を流れた後、水出口１０から流出す
る。水側流路は、フランジ７によりシールされるが、冷
媒側に比べて圧力が大幅に低く、かつ万一漏れたとして
も冷媒側に比べてその影響が非常に少ない。また、冷凍
サイクルの蒸発温度が低下して、伝熱管２、２’の外壁
に氷が形成され、凍結状態となったとしても、伝熱管
２、２’の周りに十分な空間が形成されるので、流路全
体が閉塞することがない。
【００２２】本積層型熱交換器をチラーユニット用の水
−冷媒熱交換器として使用する場合、熱交換性能や重力
の影響より次のように完全対向流とする。すなわち、蒸
発器であれば冷媒は下側のヘッダ３から流入し、伝熱管
２、２’内を流れた後、上側のヘッダ３’から流出さ
せ、水は上側の水入口９から流入し、プレート１間を流
れた後、下側の水出口１０から流出させる。逆に、凝縮
器であれば冷媒は上側のヘッダ３’から流入し、伝熱管
２、２’内を流れた後、下側のヘッダ３から流出させ、
水は下側から流入し、プレート１間を流れた後、上側か
ら流出させる。完全対向流とすれば、Ｒ４０７Ｃ等の非
共沸混合冷媒を用いた場合の冷凍サイクルの効率向上に
対して特に有効となる。また、冷媒側は伝熱管２、２’
内にマイクロフィンの様な微細加工を行い、高い管内熱
伝達率を得ることができ、水側はプレート１間を流れる
際に三次元乱れが発生し、より高い伝熱促進効果が得ら
れる。さらに、この三次元乱れはプレート１表面にスケ
ールが付着するのを防止することができる。
【００２３】以上により、冷媒と水との間で高い熱伝達
特性が得られ、熱交換器の寸法を多管式熱交換器等に比
べて大幅にコンパクト化できる。また、水側圧損が小さ
いため、小型でコンパクトとなる。さらに、水側流路の
幅をヘリンボーン型プレート式熱交換器と比べて大きく
取れるため、水側圧損がヘリンボーン型プレート式熱交
換器の１／１０以下と非常に小さくでき、チラーユニッ
ト用の熱交換器とする場合は、水ポンプの動力を低減で
き、小型化できる。さらに、伝熱管内を流れる冷媒の圧
損も通常のルームエアコン用のフィン・チューブ型熱交
換器並みとなる。
【００２４】フランジ７は、取り外し可能とすることに
より、熱交換主要部であるプレート１群を外に出すこと
が出来るため、プレート１表面にスケールが付着した場
合でも、容易に除去することができ、水側流路のプレー
ト表面に付く汚れを定期的に取り除けば性能を回復させ
ることができるため、冷凍サイクルの省エネ化を図るこ
とができる。
【００２５】水散らし板１１のヘッダ３、３’側の面は
水入口９、水出口１０に対して斜めに傾斜しており、そ
の面には多数の穴１５を開けている。よって、プレート
１間を流れる際の水流分布を良好にできる。また、冷媒
配管５からの冷媒は、集合ヘッダ４及びヘッダ３の二段
階の分配部を通るようにし、分配性能を向上している。
【００２６】図５は、他の実施の形態を示し、図1のも
のに対して水散らし板１１を省略したものである。水入
口９からの水流は、図６に示すように集合ヘッダ４’に
当り一度四方に散らばった後、複数のヘッダ３’間で絞
られる。これにより、水を散らすための適度な抵抗とな
り、水入口９からの水流の分配が適度に保たれる。よっ
て、水出入口部の構造を簡略化できるメリットがある。
【００２７】図７は、さらに他の実施の形態を示し、ケ
ーシング６は側面の内３方のみを有し、残りの１面はプ
レート１群の隣に設けられた側面カバー１３としてい
る。水入口９、水出口１０の根元部はディフューザ１２
となり、その内側には平板に多数の穴１５を空けた水散
らし板１１が設けられている。プレート１群の伝熱管２
を束ねるヘッダ３は、冷媒配管５に側面から接続され、
詳細を図８に示す。ヘッダ３は、二重構造、即ち、冷媒
配管５の先端部は閉じられており、その近傍には多数の
穴１５が設けられ、この部分が伝熱管２を束ねたヘッダ
３に挿入されている。冷媒配管５よりの冷媒流は穴１５
から均等にヘッダ３内に流入する。そして、冷媒ヘッダ
３内で均圧化された後に、各伝熱管２に流入する。この
ため、伝熱管２に流入する冷媒のプレート１間での分配
をさらに良好とする。また、ディフューザ１２及び水散
らし板１１により、各プレート１間での水流の分配が良
好となり、熱交換器のコンパクト化や凍結の防止とな
る。
【００２８】図９は、さらに他の実施の形態を示し、管
群を、ヘッダ３、３’間に多数の真っ直ぐな伝熱管２を
並列に並べた複数のユニット群を集合ヘッダ４、４'で
束ねて形成する。管群は、側面二方向が開放されたケー
シング６に入れられ、その開放二側面にはメッシュ１４
を有するが接続され、ディフューザ１２は水入口９、水
出口１０に接続される。伝熱管２の径が細い場合に製作
面より有効である。また、伝熱管２を図１１の様に折り
曲げたユニットを、一ユニット毎に反転させて集合ヘッ
ダ４、４'で束ねると、伝熱管２の外側を流れる水流は
非常に乱れの多い複雑な流れとなり、水側の熱伝達が促
進される。
【００２９】図１０は、さらに他の実施の形態を示し、
ヘッダ３、３’間に多数の真っ直ぐな細径の伝熱管２を
並列に並べた一つのユニットをジグザグ状に折り曲げて
形成した管群が、側面二方向が開放されたケーシング６
に入れられ、ヘッダ３、３’の側方には、反対の面に冷
媒配管５、５’を有する集合ヘッダ４、４'が接続され
る。図９のものに対して管群の接続が容易となり、伝熱
管２の外側を流れる流体が空気のようなガスの場合にも
有効であり、伝熱管２の内側の耐圧性能が高いため、二
酸化炭素のような圧力の高い自然系冷媒にも対応が容易
となる。
【００３０】図１２は、上記実施の形態による積層型熱
交換器を用いた冷凍サイクルであり、冷媒が循環する一
次ループと水（又はブライン）が循環する二次ループに
より構成される。一次ループ中に、中間熱交換器２１、
圧縮機２３、四方弁２５、室外熱交換器２２、膨張弁２
４等を有し、二次ループ中には流量調節弁２７及び室内
熱交換器２８を設けている。一次ループ側は、圧縮機２
３により駆動され、中間熱交換器２１、あるいは室外熱
交換器２２に既に説明した積層型熱交換器を用いる。二
次ループ側は、流量調節弁２７及び室内熱交換器２８等
により構成される室内機を有しており、ポンプ２６によ
り駆動される。
【００３１】室内を冷房する場合、圧縮機２３から出た
高温高圧の冷媒ガスは、室外熱交換器２２において冷却
されて凝縮し、高温の冷媒液となり、膨張弁２４におい
て断熱膨張し、低温低圧の二相状態になり、中間熱交換
器２１において吸熱により蒸発し、低温低圧の冷媒ガス
となって再び圧縮機２３に戻る。一方、中間熱交換器２
１の水（又はブライン）側は、冷媒の蒸発により冷やさ
れ、ポンプ２６により駆動させられて室内機に導かれた
後、室内熱交換器２８において熱交換を行い、室内側の
空気を冷却する。本冷凍サイクルでは、使用する冷媒量
を少なくしコンパクト化でき、積層型熱交換器により冷
媒が室内空間に入ることもない。よって、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
いた際の危険防止となる。さらに、熱交換器として高い
耐圧強度とできるので、二酸化炭素のように高圧側１０
ＭＰａ前後、低圧側５ＭＰａ前後と高い圧力で冷凍サイ
クルを運転する。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、小型・低圧損で、設計
の自由度が高く、分解可能であり、水及び冷媒の分配が
良好で、冷媒漏れがなく、高圧冷媒にも好適な積層型熱
交換器及びそれを用いた冷凍サイクルを得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態による積層型熱交換
器の斜視図。
【図２】図１において、積層型熱交換器のプレートを積
層した状態を示す平面図。
【図３】図２のプレートの平面図。
【図４】他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図５】本発明による他の実施の形態による積層型熱交
換器の斜視図。
【図６】図５のケーシング内の流れを示す断面図。
【図７】本発明によるさらに他の実施の形態による積層
型熱交換器の斜視図。
【図８】図７のヘッダ部の詳細を示す断面図。
【図９】本発明によるさらに他の実施の形態による積層
型熱交換器の斜視図。
【図１０】本発明によるさらに他の実施の形態による積
層型熱交換器の斜視図。
【図１１】図９又は１０における伝熱管群を示す平面
図。
【図１２】本発明による一実施の形態による積層型熱交
換器を用いた冷凍サイクルを示すブロック図。
【符号の説明】
１…プレート、２…伝熱管、３…ヘッダ、４…集合ヘッ
ダ、５…冷媒配管、６…ケーシング、７…フランジ、８
…端面カバー、９…水入口、１０…水出口、１１…水散
らし板、１２…デフィーザ、１３…側面カバー、１４…
メッシュ、１５…穴。
───────────────────────────────────────────────────── 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 BB07

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数枚のプレートが積層された積層型熱交
    換器において、 前記プレートのそれぞれの面上にはジグザグ状に折り曲
    げられた複数の伝熱管が接合され、隣接する前記プレー
    ト上の一方の前記伝熱管が他方の前記プレート上の前記
    伝熱管と互いに交差するように前記プレートが積層され
    たことを特徴とする積層型熱交換器。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記プレ
    ート毎に複数の前記伝熱管を束ねるヘッダを設け、さら
    に前記ヘッダを束ねる集合ヘッダを設けたことを特徴と
    する積層型熱交換器。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記プレ
    ート毎に複数の前記伝熱管を束ねるヘッダと、該ヘッダ
    を束ねる集合ヘッダと、該集合ヘッダに接続された冷媒
    配管と、水入口と水出口を有し前記プレートと前記ヘッ
    ダと前記集合ヘッダとを収納して密封されるケーシング
    と、を設けたことを特徴とする積層型熱交換器。
  4. 【請求項４】請求項１に記載のものにおいて、前記プレ
    ート毎に複数の前記伝熱管を束ねるヘッダと、該ヘッダ
    を束ねる集合ヘッダと、該集合ヘッダに接続された冷媒
    配管と、水入口と水出口を有し前記プレートと前記ヘッ
    ダと前記集合ヘッダと前記水入口又は前記水出口に対し
    て斜めに傾斜しかつその面に穴が開けられた水散らし板
    とを収納して密封されるケーシングと、を設けたことを
    特徴とする積層型熱交換器。
  5. 【請求項５】請求項１に記載のものにおいて、前記プレ
    ート毎に複数の前記伝熱管を束ねるヘッダと、該ヘッダ
    を束ねる集合ヘッダと、該集合ヘッダに接続された冷媒
    配管と、水入口と水出口を有し前記プレートと前記ヘッ
    ダと前記集合ヘッダとを収納し端部にフランジが設けら
    れたケーシングと、を設け、前記ケーシングは、前記フ
    ランジに端面カバーを締結することにより密封されるこ
    とを特徴とする積層型熱交換器。
  6. 【請求項６】請求項１に記載のものにおいて、前記複数
    の伝熱管は、正弦波状に折り曲げられていることを特徴
    とする積層型熱交換器。
  7. 【請求項７】請求項１に記載のものにおいて、前記複数
    の伝熱管は、Ｓ字状に折り曲げられていることを特徴と
    する積層型熱交換器。
  8. 【請求項８】圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、中間熱交
    換器を一次冷媒が循環する一次ループと、前記中間熱交
    換器、ポンプ、室内熱交換器を二次冷媒が循環する二次
    ループを備えた冷凍サイクルにおいて、 前記中間熱交換器は複数枚のプレートと、前記プレート
    のそれぞれの面上に接合されジグザグ状に折り曲げられ
    た複数の伝熱管とを備え、隣接する前記プレート上の一
    方の前記伝熱管が他方の前記プレート上の前記伝熱管と
    互いに交差するように前記プレートが積層されたことを
    特徴とする冷凍サイクル。
  9. 【請求項９】請求項８に記載のものにおいて、前記一次
    冷媒は自然系冷媒とされ、前記二次側冷媒は水が用いら
    れることを特徴とする冷凍サイクル。
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