JP2009257708A - 熱交換器ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数のプレート熱交換器のそれぞれにおいて、その圧力損失と冷媒の分配性能を考慮することで、簡単且つ安価な構成によって全体としての成績係数の向上を図る。
【解決手段】複数のプレート熱交換器２Ａ〜２Ｄを直列に接続して構成される熱交換器ユニット１において、熱交換器が蒸発器として機能する場合には、冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機能が、冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機能よりも高くなり、熱交換器が凝縮器として機能する場合には、冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機能が、冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機能よりも低くなるように、各プレート熱交換器における分配機能を相対的に設定する。係る構成によれば、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて冷媒の相変化の状態に対応した分配作用が実現され、熱交換器ユニット全体として高い成績係数が確保される。
【選択図】図１

Description

本願発明は、複数のプレート熱交換器を直列に接続して構成される熱交換器ユニットに関するものである。

従来から、複数個の小形のプレート熱交換器を直列に接続してコンパクトな構成の熱交換器ユニットを得る技術が知られている（例えば、特許文献１〜３ 参照）。

このような構成の熱交換器ユニットにおいては、特にこの熱交換器ユニットが蒸発器として機能する場合には、冷媒がプレート熱交換器に気液混合状態で流入し、且つ下流側のプレート熱交換器へ移行するに伴って次第に冷媒中のガス域の割合が高くなるように変化する。

また、個々のプレート熱交換器においては、冷媒中の液域が多いほどその内部の各冷媒流路に対する冷媒の分配性能が低下し、該プレート熱交換器において熱交換効率の高い部位と低い部位が生じて全体としての熱交換効率が低下する。

従って、熱交換器ユニット全体としての成績係数の向上を図るに際しては、各プレート熱交換器のそれぞれにおける圧力損失と冷媒の分配性能を共に考慮する必要がある。

係る観点から、特許文献３には、二つの小形プレート熱交換器を直列に接続して所要能力の熱交換器を構成するものにおいて、上流側のプレート熱交換器は、流入する冷媒は液域が多く各冷媒流路への分配性が悪いため、各冷媒流路への分配管を設けて冷媒分配性を確保する一方、下流側のプレート熱交換器に流入する冷媒はガス域が多く分配性が良好であるためこのプレート熱交換器には分配管を設けない構成とする技術が提案されている。

これによれば、上流側のプレート熱交換器では分配管の存在によって圧力損失は大となるが該分配管における気液混合作用によって分配性が向上する。また、下流側のプレート熱交換器では、ガス域が多いため分配性が良好で、且つ分配管が無いため圧力損失も小さいものとなる。これらの相乗効果によって熱交換器全体としての成績係数の向上が図れる、としている。

特開２０００−１８００７６号公報 特開２０００−３５６４８３号公報 特開２００５−３３７６８８号公報

ところが、上述のように、冷媒状態は各プレート熱交換器の個々において相違し、また運転状態によっても変化することから、上掲特許文献３に記載のような構成のみでは、十分に対応することができない。

そこで本願発明は、複数のプレート熱交換器のそれぞれにおいて、その圧力損失と冷媒の分配性能を考慮することで、簡単且つ安価な構成によって熱交換器ユニット全体としての成績係数の向上を図ることを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、複数のプレート熱交換器を直列に接続して構成される熱交換器ユニットにおいて、熱交換器が蒸発器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能よりも高くなり、熱交換器が凝縮器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失よりも少なくなるように、各プレート熱交換器における冷媒分配機構を相対的に設定したことを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る熱交換器ユニットにおいて、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダーから各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることで行なうことを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第１の発明に係る熱交換器ユニットにおいて、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることで行なうことを特徴としている。

本願の第４の発明では、上記第１の発明に係る熱交換器ユニットにおいて、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダーから各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることと、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることの組合せによって行なうことを特徴としている。

本願の第５の発明では、上記第２、第３又は第４の発明に係る熱交換器ユニットにおいて、熱交換器が凝縮器として機能する場合に、冷媒最下流側のプレート熱交換器への冷媒の流入を規制することを特徴としている。

本願発明では次のような効果が得られる。

（ａ）本願の第１の発明に係る熱交換器ユニットによれば、複数のプレート熱交換器を直列に接続して構成される熱交換器ユニットにおいて、熱交換器が蒸発器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能よりも高くなり、熱交換器が凝縮器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失よりも少なくなるように、各プレート熱交換器における冷媒分配機構を相対的に設定するようにしているので、熱交換器ユニットが蒸発器として機能する場合には、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて冷媒の相変化の状態に対応した分配作用が実現され、熱交換器ユニットが凝縮器として機能する場合には、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて冷媒の相変化の状態に対応した混合作用が実現され、これら何れの場合にも、熱交換器ユニット全体として高い成績係数が確保され、延いては、熱交換器ユニットを複数のプレート熱交換器を直列に接続して構成したことによるコンパクト化というメリットが最大限生かされることになる。

（ｂ）本願の第２の発明に係る熱交換器ユニットによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダーから各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることで行なうようにしている。

ここで、冷媒流入口の口径が小さいほど気液二相冷媒に対する混合作用が高くその均等化が促進されることから、熱交換器が蒸発器として機能する場合（即ち、液冷媒の割合が高い気液二相冷媒が流入する場合）には冷媒上流側に位置するプレート熱交換器ほど上記冷媒流入口の口径が小さく設定されることで各プレート熱交換器においてはここに流入する冷媒の状態（気液混合割合）に対応した気液混合作用が得られ、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて冷媒の均等分配が実現され、熱交換器が凝縮器として機能する場合（即ち、ガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒が流入する場合）には冷媒上流側に位置するプレート熱交換器ほど上記冷媒流入口の口径が大きく設定されることで、各プレート熱交換器においてはここに流入する冷媒の状態（気液混合割合）に対応した気液混合作用が得られ、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて圧力損失の低減が実現され、結果的に、熱交換器が蒸発器として機能する場合にも蒸発器として機能する場合にも、熱交換器ユニット全体として高い成績係数が確保される。

（ｃ）本願の第３の発明に係る熱交換器ユニットによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることで行なうようにしている。

ここで、オリフィスの絞り量が大きいほど気液二相冷媒に対する混合作用が高くその均等化が促進されることから、熱交換器が蒸発器として機能する場合（即ち、液冷媒の割合が高い気液二相冷媒が流入する場合）には冷媒上流側に位置するプレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量が大きく設定されることで各プレート熱交換器においてはここに流入する冷媒の状態（気液混合割合）に対応した気液混合作用が得られ、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて冷媒の均等分配が実現され、熱交換器が凝縮器として機能する場合（即ち、ガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒が流入する場合）には冷媒上流側に位置するプレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量が小さく設定されることで、各プレート熱交換器においてはここに流入する冷媒の状態（気液混合割合）に対応した気液混合作用が得られ、各プレート熱交換器のそれぞれにおいて圧力損失の低減が実現され、結果的に、熱交換器が蒸発器として機能する場合にも蒸発器として機能する場合にも、熱交換器ユニット全体として高い成績係数が確保される。

（ｄ）本願の第４の発明に係る熱交換器ユニットによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダーから各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることと、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることの組合せによって行なうようにしている。

ここで、ヘッダーから各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させる手法は各プレート熱交換器の各冷媒流路のそれぞれに働き該各プレート熱交換器の内部における冷媒の均等分配性（熱交換器が蒸発器として機能する場合）、又は圧力損失の低減（熱交換器が凝縮器として機能する場合）に優れることから、特に液冷媒の割合が高い気液二相冷媒の場合に有利である。これに対して、プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させる手法はその効果がプレート熱交換器の全冷媒流路に対して一様に及ぶことから、特にガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒の場合に有利である。

従って、これら両手法を冷媒状態に対応させて組み合わせることで、それぞれの利点を有効に利用した冷媒分配特性あるいは圧力損失の低減効果が得られ、延いては熱交換器ユニット全体として成績係数のより一層の向上が期待できる。

（ｅ）本願の第５の発明に係る熱交換器ユニットによれば、上記（ｂ）、（ｃ）又は（ｄ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、熱交換器が凝縮器として機能する場合に、冷媒最下流側のプレート熱交換器への冷媒の流入を規制するようにしている。

ここで、熱交換器が凝縮器として機能する場合には、ガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒が各プレート熱交換器で順次冷却されることで次第に凝縮し、液冷媒の割合が高い気液二相冷媒と変化する。従って、冷媒最下流側のプレート熱交換器においては冷媒の分配機能が高く設定されている分だけ冷媒の圧力損失が大きく、これを用いると熱交換器ユニット全体としての性能に悪影響を及ぼすことが懸念される。

係る場合、この圧力損失の大きい冷媒最下流側のプレート熱交換器への冷媒の流入を規制し、これよりも上流側のプレート熱交換器のみを使用することで、熱交換器ユニット全体として成績係数が相対的に向上することになる。

以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
Ｉ：第１の実施形態
図１には、本願発明の第１の実施形態に係る熱交換器ユニット１を示している。この熱交換器ユニット１は、水冷チラーユニットの利用側熱交換器として用いられるものであって、４個のプレート熱交換器２Ａ〜２Ｄを接続管路１１によって順次直列に接続して構成される。

Ｉ−ａ：プレート熱交換器の構成
ここで、上記プレート熱交換器の構造を、上記熱交換器ユニット１が蒸発器として機能する場合に冷媒最上流側に位置する第１のプレート熱交換器２Ａを例にとって説明する。

このプレート熱交換器２Ａは、多数枚の伝熱プレート３を、相互に所定間隔をもって積層し、これら各伝熱プレート３を介して隣接する複数の通路を、交互に冷媒流路４と水流路５として用いるようにしている。

このプレート熱交換器２Ａの下端側と上端側には、それぞれ上記各通路４，５を貫通して延びる管体で構成される下側ヘッダー部６と上側ヘッダー部７が設けられている。そして、この下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７の上記各冷媒流路４に対応する管壁には、それぞれ冷媒流入口１０が形成され、該冷媒流入口１０を介して上記下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７は上記冷媒流路４に連通している。

なお、上記各水流路５も、同様構造の上下一対のヘッダー部（図示省略）に連通されている。を介して
ここで、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄは、その基本構成は同様であるが、上記冷媒流入口１０の口径はそれぞれ異なっている。即ち、上記熱交換器ユニット１が蒸発器として機能する場合に冷媒最上流側に位置する上記第１のプレート熱交換器２Ａに設けられた上記冷媒流入口１０の口径はＤ１、二番目の第２のプレート熱交換器２Ｂに設けられた上記冷媒流入口１０の口径はＤ２、三番目の第３のプレート熱交換器２Ｃに設けられた上記冷媒流入口１０の口径はＤ３、さらに最下流側に位置する第４のプレート熱交換器２Ｄに設けられた上記冷媒流入口１０の口径はＤ４とされており、これら相互間には「Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４」という大小関係がある。

なお、この実施形態では、上記第４のプレート熱交換器２Ｄの冷媒流入口１０を、上記冷媒流路４の幅寸法と同一の口径に設定しており、従って、この冷媒流入口１０には冷媒を絞るという冷媒分配に関する格別の機能はもたされていない。

Ｉ−ｂ：熱交換器ユニット１の作動等
Ｉ−ｂ−１：蒸発器としての使用時
この場合には、図１に示すように、冷媒Ｐは、第１のプレート熱交換器２Ａにその下側ヘッダー部６側から流入し、上記各冷媒流路４を通って上記上側ヘッダー部７から流出し、上記接続管路１１を介して第２のプレート熱交換器２Ｂの下側ヘッダー部６側へ流入する。係る流れ形態を上記第２のプレート熱交換器２Ｂから第３のプレート熱交換器２Ｃ、第４のプレート熱交換器２Ｄと繰り返し、最終的に第４のプレート熱交換器２Ｄの上側ヘッダー部７から凝縮器（図示省略）側へ流出していく。

一方、水Ｑは、冷媒Ｐの流れとは逆に、第４のプレート熱交換器２Ｄにその上側ヘッダー部（図示省略）から流入し、上記各水流路５を通って下側ヘッダー部（図示省略）から流出し、さらに接続管路（図示省略）を介して第３のプレート熱交換器２Ｃの上側ヘッダー部側へ流入する。係る流れ形態を上記第３のプレート熱交換器２Ｃから第２のプレート熱交換器２Ｂ、第１のプレート熱交換器２Ａと繰り返し、最終的に第１のプレート熱交換器２Ａの下側ヘッダー部から流出していく。

従って、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおいては上記冷媒流路４内を流れる冷媒Ｐと上記各水Ｑ内を流れる水Ｑが対向流となり、上記伝熱プレート３を介して冷媒Ｐと水Ｑの間で熱交換が行なわれる。そして、冷媒Ｐは、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒から各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄでの水Ｑとの熱交換による加熱作用を受けて順次蒸発し、ガス冷媒の割合が大きい気液二相冷媒となって熱交換器ユニット１から流出する。

また、水Ｑは、上記熱交換器ユニット１の各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおける冷媒Ｐとの熱交換によって冷却され、冷水として熱交換器ユニット１から流出し、例えば、室内の冷房用熱源として利用される。

ここで、上記熱交換器ユニット１の各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおける冷媒Ｐの分配性を考察する。

冷媒Ｐは、上述のように、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒として最上流側の第１のプレート熱交換器２Ａに流入し、順次蒸発しながら最下流側の第４のプレート熱交換器２Ｄに至り、ここからガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒として流出するものであり、従って、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおける冷媒状態は異なったものとなる。このため、例えば、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおける上記冷媒流入口１０の口径を同じに設定した場合、例えば、この冷媒流入口１０の口径を、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる上記第１のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒の分配性を考慮して設定した場合には、ガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる第４のプレート熱交換器２Ｄ側においては流量に比して通路面積が過少となって圧力損失が大きくなる。逆に、冷媒流入口１０の口径を、上記第４のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒の分配性を考慮して設定した場合には、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる第１のプレート熱交換器２Ａ側においては冷媒流量に対して通路面積が過大となって冷媒の気液混合が十分に図れず、冷媒の分配性が損なわれる。これら何れの場合も、熱交換器ユニット１の成績係数の低下に結びつき、好ましいものではない。

これに対して、この実施形態の熱交換器ユニット１では、上述のように、上記冷媒流入口１０の口径を、上記第１のプレート熱交換器２Ａから第４のプレート熱交換器２Ｄにかけて順次大きくなるように設定しているので、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおいてはそれぞれ最適な冷媒分配性が得られ、結果として、上記熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになる。

即ち、第１のプレート熱交換器２Ａにおいては、最も液冷媒の割合が大きい気液二相冷媒が下側ヘッダー部６側から流入するが、ここに設けられた上記冷媒流入口１０の口径が小さいことから、該下側ヘッダー部６から上記冷媒流入口１０を通って上記各冷媒流路４にそれぞれ流入する冷媒Ｐは、該冷媒流入口１０からの流入時に強い気液混合作用を受けることで均等化され、上記各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換が促進される。

第１のプレート熱交換器２Ａから第２のプレート熱交換器２Ｂ、第３のプレート熱交換器２Ｃ、さらに最下流側の第４のプレート熱交換器２Ｄへと移行する間に冷媒Ｐの蒸発が進行し、冷媒Ｐはガス冷媒の割合が次第に増加し体積の増加によって流量が増大し、本来的には冷媒Ｐの体積の増加に伴って圧力損失が増加する傾向となる。

しかし、この実施形態では、第２のプレート熱交換器２Ｂ、第３のプレート熱交換器２Ｃ、さらに最下流側の第４のプレート熱交換器２Ｄへと移行するに伴ってその冷媒流入口１０の口径が拡大することから、圧力損失の増加が抑えられる。しかも、冷媒Ｐがガス冷媒の割合が大きく各プレート熱交換器２Ｂ〜２Ｄの各冷媒流路４への分配性は高く維持される。

これらの相乗効果として、上記熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合において、該熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになるものである。

Ｉ−ｂ−２：凝縮器としての使用時
この場合には、冷媒Ｐは図１に示す流れ方向とは逆方向に、即ち、第４のプレート熱交換器２Ｄにその上側ヘッダー部７側から流入し、上記各冷媒流路４を通って上記下側ヘッダー部６から流出し、上記接続管路１１を介して第３のプレート熱交換器２Ｃの上側ヘッダー部７側へ流入する。係る流れ形態を上記第３のプレート熱交換器２Ｃから第２のプレート熱交換器２Ｂ、第１のプレート熱交換器２Ａと繰り返し、最終的に第１のプレート熱交換器２Ａの下側ヘッダー部６から流出する。

一方、水Ｑは、冷媒Ｐの流れとは逆に、第１のプレート熱交換器２Ａにその下側ヘッダー部（図示省略）から流入し、上記各水流路５を通って上側ヘッダー部（図示省略）から流出し、さらに接続管路（図示省略）を介して第２のプレート熱交換器２Ｂの下側ヘッダー部側へ流入する。係る流れ形態を上記第２のプレート熱交換器２Ｂから第３のプレート熱交換器２Ｃ、第４のプレート熱交換器２Ｄと繰り返し、最終的に第４のプレート熱交換器２Ｄの上側ヘッダー部から流出していく。

従って、上記各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａにおいては上記冷媒流路４内を流れる冷媒Ｐと上記各水Ｑ内を流れる水Ｑが対向流となり、上記伝熱プレート３を介して冷媒Ｐと水Ｑの間で熱交換が行なわれる。そして、冷媒Ｐは、ガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒から各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａでの水Ｑとの熱交換による冷却作用を受けて順次凝縮し、液冷媒の割合が大きい気液二相冷媒となって熱交換器ユニット１から流出する。

また、水Ｑは、上記熱交換器ユニット１の各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄにおける冷媒Ｐとの熱交換によって加熱され、温水として熱交換器ユニット１から流出し、例えば、室内の暖房用熱源として利用される。

ここで、上記熱交換器ユニット１の各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａにおける冷媒Ｐの圧力損失について考察する。

冷媒Ｐは、上述のように、ガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒として最上流側の第４のプレート熱交換器２Ｄに流入し、順次凝縮しながら最下流側の第１のプレート熱交換器２Ａに至り、ここから液冷媒の割合の多い気液二相冷媒として流出するものであり、従って、各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａにおける冷媒状態は異なったものとなる。このため、例えば、上記各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａにおける上記冷媒流入口１０の口径を同じに設定した場合、例えば、この冷媒流入口１０の口径を、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる上記第１のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒の圧力損失を考慮して設定した場合には、ガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる第４のプレート熱交換器２Ｄ側においては流量に比して通路面積が過少となって圧力損失が大きくなる。逆に、冷媒流入口１０の口径を、上記第４のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒の圧力損失を考慮して設定した場合には、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流れる第１のプレート熱交換器２Ａ側においては冷媒流量に対して通路面積が過大となることから圧力損失は小さくなるものの冷媒の気液混合が十分に図れないことになる。これら何れの場合も、熱交換器ユニット１の成績係数の低下に結びつき、好ましいものではなく、係る問題は熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する時と同じである。

これに対して、この実施形態の熱交換器ユニット１では、上述のように、上記冷媒流入口１０の口径を、上記第１のプレート熱交換器２Ａから第４のプレート熱交換器２Ｄにかけて順次大きくなるように設定している（換言すれば、第４のプレート熱交換器２Ｄから第１のプレート熱交換器２Ａにかけて順次小さくなるように設定している）ので、各プレート熱交換器２Ｄ〜２Ａにおいてはそれぞれ圧力損失の低減が図られ、結果として、上記熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになる。

即ち、第４のプレート熱交換器２Ｄにおいては、最もガス冷媒の割合が大きい気液二相冷媒が上側ヘッダー部７側から流入するが、ここに設けられた上記冷媒流入口１０の口径が最も大きいことから、該上側ヘッダー部７から上記冷媒流入口１０を通って上記各冷媒流路４にそれぞれ流入する冷媒Ｐは、該冷媒流入口１０からの流入時に殆ど絞りによる気液混合作用を受けなくとも容易に均等化され、上記各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換が促進される。また、冷媒Ｐが絞り作用を殆ど受けないことから該第４ｎプレート熱交換器２Ｄにおける圧力損失も可及的に小さく抑えられる。

第４のプレート熱交換器２Ｄから第３のプレート熱交換器２Ｃ、第２のプレート熱交換器２Ｂ、さらに最下流側の第１のプレート熱交換器２Ａへと移行する間に冷媒Ｐの凝縮が進行し、冷媒Ｐは液冷媒の割合が次第に増加し体積の減少によって流量が減少するが、この流量の減少に対応するように、冷媒流入口１０の口径が、第３のプレート熱交換器２Ｃ、第２のプレート熱交換器２Ｂ、さらに最下流側の第１のプレート熱交換器２Ａへと移行するに伴って減少するように設定されていることから、該各熱交換器２Ｄ〜２Ａにおいては、圧力損失を低く抑えつつ冷媒Ｐの気液混合が促進され、結果的に上記熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになる。

これらの相乗効果として、上記熱交換器ユニット１を凝縮器として使用する場合においても、該熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになるものである。
ＩＩ：第２の実施形態
図２には、本願発明の第２の実施形態に係る熱交換器ユニット１を示している。この熱交換器ユニット１は、上記第１の実施形態に係る熱交換器ユニット１と同様に、水冷チラーユニットの利用側熱交換器として用いられるものであって、３個のプレート熱交換器２Ａ〜２Ｃを接続管路１１によって順次直列に接続して構成される。

ＩＩ−ａ：プレート熱交換器の構成
上記プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの構造は、基本的には上記第１の実施形態における各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄと同様であって、これと異なる点は、冷媒の分配性に係る部分の構成である。

即ち、この実施形態においては、第１に、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの下側ヘッダー部６と上側ヘッダー部７にそれぞれ設けられる冷媒流入口１０を全て最大径に設定している（即ち、この冷媒流入口１０は、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの各冷媒流路４に対する冷媒の分配性、及び各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃ相互間の分配性を高める機能は有していない）。

第２に、この実施形態では、上述のように各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの冷媒流入口１０を全て最大径に設定したことに関連して、第１のプレート熱交換器２Ａと第２のプレート熱交換器２Ｂのみ、その下側ヘッダー部６の直前位置にそれぞれオリフィス８Ａ、８Ｂを設けるとともに、該第１のプレート熱交換器２Ａ側のオリフィス８Ａの絞り度合を、第２のプレート熱交換器２Ｂ側のオリフィス８Ｂの絞り度合よりも高く設定している。

ＩＩ−ｂ：熱交換器ユニット１の作動等
上記熱交換器ユニット１は蒸発器として使用されるが、この場合、第１のプレート熱交換器２Ａでは、その下側ヘッダー部６から液冷媒の割合が最も高い気液二相が流入する。上記下側ヘッダー部６へ流入する冷媒Ｐは、第１のプレート熱交換器２Ａへの流入直前にオリフィス８Ａによって強く絞られることでその気液混合が促進され可及的に気液均等状態で第１のプレート熱交換器２Ａ内へ下側ヘッダー部６から流入し、さらに各冷媒流入口１０を通して上記各冷媒流路４に流入されることで、その全域で水Ｑとの熱交換が促進され、高い熱交換性能が得られる。

第２のプレート熱交換器２Ｂでは、ここに流入する冷媒Ｐは、上記第１のプレート熱交換器２Ａに流入する冷媒Ｐよりも液冷媒の割合が低い気液二相冷媒であることから、元々第１のプレート熱交換器２Ａ側における場合よりも冷媒Ｐの気液均等性が高く、該第１のプレート熱交換器２Ａほどの気液混合は要求されない。従って、この第２のプレート熱交換器２Ｂに付設されるオリフィス８Ｂの絞り度合を第１のプレート熱交換器２Ａに付設されるオリフィス８Ａの絞り度合よりも低く設定したことで、該第１のプレート熱交換器２Ａにおけると同等の冷媒分配性が確保され、その全域で水Ｑとの熱交換が促進され、高い熱交換性能が得られる。

第３のプレート熱交換器２Ｃでは、ここに流入する冷媒Ｐは、ガス冷媒の割合が最も高い気液二相冷媒とされることから、上記第２のプレート熱交換器２Ｂ側における場合よりも冷媒Ｐの気液均等性が高く、従って、オリフィスを設けなくても上記第１のプレート熱交換器２Ａ及び第２のプレート熱交換器２Ｂにおけると同等の冷媒分配性が確保され、その全域で水Ｑとの熱交換が促進され、高い熱交換性能が得られる。

以上の相乗効果によって、上記熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合において、該熱交換器ユニット１全体として高い成績係数が得られる。

なお、上記以外の構成及び作用効果については、上記第１の実施形態における該当説明を援用することとし、ここでの説明を省略する。
ＩＩＩ：第３の実施形態
図３には、本願発明の第３の実施形態に係る熱交換器ユニット１を示している。この熱交換器ユニット１は、上記第２の実施形態に係る熱交換器ユニット１と同様に、水冷チラーユニットの利用側熱交換器として用いられるものであって、３個のプレート熱交換器２Ａ〜２Ｃを接続管路１１によって順次直列に接続して構成される。

ＩＩＩ−ａ：プレート熱交換器の構成
上記プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの構造は、基本的には上記第１の実施形態における各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄと同様であって、これと異なる点は、冷媒の分配性に係る部分の構成である。具体的には、下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７に設けられる冷媒流入口１０による絞り作用と、オリフィス８による絞り作用を組み合わせることで、高い冷媒分配性を確保するようにしたものである。

即ち、この実施形態においては、第１に、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの下側ヘッダー部６と上側ヘッダー部７にそれぞれ設けられる冷媒流入口１０を、上記第１のプレート熱交換器２Ａでは口径Ｄ１に設定する一方、第２のプレート熱交換器２Ｂと第３のプレート熱交換器２Ｃではともに絞り作用を持たない最大口径Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）に設定している。

第２に、この実施形態では、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの冷媒流入口１０を上述のように設定したことに関連して、液冷媒の割合が第１のプレート熱交換器２Ａに流入する冷媒Ｐと第３のプレート熱交換器２Ｃに流入する冷媒Ｐの中間に位置する第２のプレート熱交換器２Ｂのみ、その下側ヘッダー部６の直前位置にオリフィス８を設け、且つその絞り度合を上記第１のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒流入口１０による絞り度合よりも低く設定している。

ＩＩＩ−ｂ：熱交換器ユニット１の作動等
上記熱交換器ユニット１は蒸発器として使用されるが、この場合、第１のプレート熱交換器２Ａでは、その下側ヘッダー部６から液冷媒の割合が最も高い気液二相が流入する。この下側ヘッダー部６へ流入する冷媒Ｐは、ここに設けられた上記冷媒流入口１０の口径が小さいことから、該下側ヘッダー部６から上記冷媒流入口１０を通って上記各冷媒流路４にそれぞれ流入する際、該冷媒流入口１０の強い絞り作用によってその気液混合が促進され、上記各冷媒流路４に可及的に均等状態で流入し、該各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換が促進される。

第２のプレート熱交換器２Ｂでは、上記第１のプレート熱交換器２Ａの場合よりも液冷媒の割合が低い（換言すれば、ガス冷媒の割合が高い）冷媒Ｐが下側ヘッダー部６側から流入するため、冷媒分配性能は上記第１のプレート熱交換器２Ａの場合よりも低くても各冷媒流路４への均等分配が可能とされる。このため、この実施形態では、上記第１のプレート熱交換器２Ａにおける冷媒流入口１０よりも絞り度合が低く設定されたオリフィス８を上記第２のプレート熱交換器２Ｂへの直前に設け、該オリフィス８の絞り作用によって冷媒Ｐの気液混合を促進させた上で上記下側ヘッダー部６側に流入させ、該下側ヘッダー部６から各冷媒流路４に可及的に均等状態で冷媒Ｐを流入させ、該各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換を促進させるようにしている。

第３のプレート熱交換器２Ｃでは、ここに流入する冷媒Ｐは最もガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒であるため、敢えて上記冷媒流入口１０に絞り機能を持たせなくとも、各冷媒流路４に可及的に均等状態で冷媒Ｐを流入させることができ、その結果、該各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換が促進される。

以上の相乗効果によって、上記熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合において、該熱交換器ユニット１全体として高い成績係数が得られる。

なお、上記以外の構成及び作用効果については、上記第１、第２の実施形態における該当説明を援用することとし、ここでの説明を省略する。

また、この実施形態では上述のように、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃ間の分配機能の調整を、第１のプレート熱交換器２Ａに設けられた下側ヘッダー部６から各冷媒流路４への冷媒流入口１０の口径の調整と、第２のプレート熱交換器２Ｂの入口に設けられたオリフィス８の絞り量の調整とを組合せて行うようにしているが、前者の調整手法は第１のプレート熱交換器２Ａの各冷媒流路４のそれぞれに働き該第１のプレート熱交換器２Ａの内部における冷媒の均等分配性に優れることから、特に液冷媒の割合が高い気液二相冷媒の場合に有利であり、また、後者の手法は、その効果が該第２のプレート熱交換器２Ｂの全冷媒流路４に対して一様に及ぶことから、特にガス冷媒の割合が高い気液二相冷媒の場合に有利であることから、これら両手法を冷媒状態に対応させて組み合わせることで、それぞれの利点を有効に利用した冷媒分配特性が得られ、延いては熱交換器ユニット１全体として成績係数のより一層の向上が期待できる。
ＩＶ：第４の実施形態
図４には、本願発明の第４の実施形態に係る熱交換器ユニット１を示している。この熱交換器ユニット１は、上記第１の実施形態に係る熱交換器ユニット１と同様に、水冷チラーユニットの利用側熱交換器として用いられるものであって、３個のプレート熱交換器２Ａ〜２Ｃを接続管路１１によって順次直列に接続して構成される。

ＩＶ−ａ：プレート熱交換器の構成
この熱交換器ユニット１は、第１の実施形態の場合と同様に、蒸発器と凝縮器の何れにも可逆的に使用できるようにしたものであり（図４には上記熱交換器ユニット１を凝縮器として使用する場合の冷媒の流れを示している）、上記各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃの基本構成は上記第１の実施形態における各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｄと同様とされている。

即ち、蒸発器として使用される場合において最上流側（凝縮器として使用する場合には最下流側）に位置する第１のプレート熱交換器２Ａの下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７に設けられる冷媒流入口１０の口径をＤ１とし、２番目に位置する第２のプレート熱交換器２Ｂの下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７に設けられる冷媒流入口１０の口径をＤ２とし、さらに最下流側（凝縮器として使用する場合には最上流側）に位置する第３のプレート熱交換器２Ｃの下側ヘッダー部６及び上側ヘッダー部７に設けられる冷媒流入口１０の口径をＤ３とするとともに、これら各口径Ｄ１〜Ｄ３を、「Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３」となるように相対的に設定している。なお、この場合、第３のプレート熱交換器２Ｃの冷媒流入口１０の口径Ｄ３は、上記冷媒流路４の幅寸法と同一の口径に設定されており、従って、この冷媒流入口１０には冷媒を絞る機能はもたされていない。

さらに、上記熱交換器ユニット１を凝縮器として使用する場合における過度の圧力損失を回避する観点から、第１のプレート熱交換器２Ａと第２のプレート熱交換器２Ｂを接続する接続管路１１に閉止弁１３を設けるとともに、該閉止弁１３と第２のプレート熱交換器２Ｂの下側ヘッダー部６との間に、第１のプレート熱交換器２Ａをバイパスするバイパス管路１２を設け、凝縮器としての使用時には上記閉止弁１３を閉止するようにしている。

なお、この実施形態では、上記第３のプレート熱交換器２Ｃの冷媒流入口１０を、上記冷媒流路４の幅寸法と同一の口径に設定しており、従って、この第４の冷媒流入口１０には冷媒を絞る機能はもたされていない。

ＩＶ−ｂ：熱交換器ユニット１の作動等
ＩＶ−ｂ−１：蒸発器としての使用時
この場合には、冷媒Ｐは、図１に示す流れ方向とは逆方向に流れる。即ち、冷媒Ｐは、第１のプレート熱交換器２Ａにその下側ヘッダー部６側から流入し、上記各冷媒流路４を通って上記上側ヘッダー部７から流出し、上記接続管路１１を介して第２のプレート熱交換器２Ｂの下側ヘッダー部６側へ流入する。係る流れ形態を上記第２のプレート熱交換器２Ｂから第３のプレート熱交換器２Ｃまで繰り返し、最終的に第３のプレート熱交換器２Ｃの上側ヘッダー部７から凝縮器（図示省略）側へ流出していく。

ここで、上記熱交換器ユニット１の各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃにおける冷媒Ｐの分配性を考察すると以下の通りである。即ち、冷媒Ｐは、液冷媒の割合の多い気液二相冷媒として最上流側の第１のプレート熱交換器２Ａに流入し、順次蒸発しながら最下流側の第３のプレート熱交換器２Ｃに至り、ここからガス冷媒の割合の多い気液二相冷媒として流出するものであり、従って、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃにおける冷媒状態は異なったものとなる。

この場合、この実施形態の熱交換器ユニット１では、上述のように、上記冷媒流入口１０の口径を、上記第１のプレート熱交換器２Ａから第３のプレート熱交換器２Ｃにかけて順次大きくなるように設定しているので、各プレート熱交換器２Ａ〜２Ｃにおいてはそれぞれ最適な冷媒分配性が得られ、結果として、上記熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになる。

即ち、第１のプレート熱交換器２Ａにおいては、最も液冷媒の割合が大きい気液二相冷媒が下側ヘッダー部６側から流入するが、ここに設けられた上記冷媒流入口１０の口径が小さいことから、該下側ヘッダー部６から上記冷媒流入口１０を通って上記各冷媒流路４にそれぞれ流入する冷媒Ｐは、該冷媒流入口１０からの流入時に強い気液混合作用を受けることで均等化され、上記各冷媒流路４を流れる間における水Ｑとの熱交換が促進される。

第１のプレート熱交換器２Ａから第２のプレート熱交換器２Ｂ、最下流側の第３のプレート熱交換器２Ｃへと移行する間に冷媒Ｐの蒸発が進行し、冷媒Ｐはガス冷媒の割合が次第に増加し体積の増加によって流量が増大し、本来的には冷媒Ｐの体積の増加に伴って圧力損失が増加する傾向となる。

しかし、この実施形態では、第２のプレート熱交換器２Ｂから第３のプレート熱交換器２Ｃへと移行するに伴ってその冷媒流入口１０の口径が拡大するように設定していることから、圧力損失の増加が抑えられる。しかも、冷媒Ｐがガス冷媒の割合が大きく各プレート熱交換器２Ｂ〜２Ｃの各冷媒流路４への分配性は高く維持される。

これらの相乗効果として、上記熱交換器ユニット１を蒸発器として使用する場合において、該熱交換器ユニット１全体としての成績係数が向上することになるものである。

ＩＶ−ｂ−２：凝縮器としての使用時
熱交換器ユニット１を凝縮器としての使用する時には、冷媒Ｐは図１に示す方向に流れるが、上記閉止弁１３を閉止することから、冷媒Ｐは、第３のプレート熱交換器２Ｃにその上側ヘッダー部７側から流入し、上記各冷媒流路４を通って上記下側ヘッダー部６から流出し、さらに上記接続管路１１を介して第２のプレート熱交換器２Ｂの上側ヘッダー部７側へ流入し、上記各冷媒流路４を通って上記下側ヘッダー部６から上記バイパス管路１２側へ流出する。

即ち、上記熱交換器ユニット１を凝縮器として使用するときには、上記第１のプレート熱交換器２Ａは使用されない。これは、上記第１のプレート熱交換器２Ａでは上記冷媒流入口１０の口径が小さく、ここに液冷媒の割合の多い気液二相冷媒が流されるとその圧力損失が大きくなるため、熱交換性能上においてその圧力損失が大きな影響を及ぼさない第２のプレート熱交換器２Ｂ及び第３のプレート熱交換器２Ｃのみを使用するようにしたものである。このように第１のプレート熱交換器２Ａを使用しないと熱交換器ユニット１全体としての熱交換能力は低下するが、該第１のプレート熱交換器２Ａの使用に伴う圧力損失が無くなることから、これら両者の対比からして、相対的に熱交換器ユニット１の成績係数は向上するため、支障は生じない。

本願発明の第１の実施の形態に係る熱交換器ユニットの構造説明図である。 本願発明の第２の実施の形態に係る熱交換器ユニットの構造説明図である。 本願発明の第３の実施の形態に係る熱交換器ユニットの構造説明図である。 本願発明の第４の実施の形態に係る熱交換器ユニットの構造説明図である。

符号の説明

１ ・・熱交換器ユニット
２Ａ〜２Ｄ ・・プレート熱交換器
３ ・・・・・伝熱プレート
４ ・・・・・冷媒流路
５ ・・・・・水流路
６ ・・・・・下側ヘッダー部
７ ・・・・・上側ヘッダー部
８ ・・・・・オリフィス
８Ａ ・・・・・オリフィス
８Ｂ ・・・・・オリフィス
１０ ・・・・・冷媒流入口
１１ ・・・・・接続管路
１２ ・・・・・バイパス管路
１３ ・・・・・閉止弁

Claims (5)

1. 複数のプレート熱交換器を直列に接続して構成される熱交換器ユニットにおいて、
   熱交換器が蒸発器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における分配機能よりも高くなり、熱交換器が凝縮器として機能する場合には冷媒上流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失が冷媒下流側のプレート熱交換器の冷媒分配機構における圧力損失よりも少なくなるように、各プレート熱交換器における冷媒分配機構を相対的に設定したことを特徴とする熱交換器ユニット。
2. 請求項１において、
   上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダー部から各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることで行なうことを特徴とする熱交換器ユニット。
3. 請求項１において、
   上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることで行なうことを特徴とする熱交換器ユニット。
4. 請求項１において、
   上記各プレート熱交換器間の分配機能又は圧力損失の調整を、該プレート熱交換器に設けられたヘッダー部から各冷媒流路への冷媒流入口の口径を変化させることと、該プレート熱交換器の入口に設けられたオリフィスの絞り量を変化させることの組合せによって行なうことを特徴とする熱交換器ユニット。
5. 請求項２、３又は４において、
   熱交換器が凝縮器として機能する場合に、冷媒最下流側のプレート熱交換器への冷媒の流入を規制することを特徴とする熱交換器ユニット。

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