JP2011117624A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水などの被加熱流体の温度制御をより正確に行うことのできるプレート式熱交換器を提供することを課題とする。
【解決手段】水を冷媒により加熱するプレート式熱交換器であって、水が流れる第１流路２２が上面に形成されるとともに、第１流路２２に水を供給する第１供給口２３及び第１流路２２内を流れた水を排出する第１排出口２４が形成された第１伝熱プレート２と、冷媒が流れる第２流路３２が上面に形成されるとともに、第２流路３２に冷媒を供給する第２供給口３３及び第２流路３２内を流れた冷媒を排出する第２排出口３４が形成された第２伝熱プレート３と、を備えている。第１伝熱プレート２と第２伝熱プレート３とは、交互に複数積層されており、積層方向両端部に位置する第１伝熱プレート２ａは、第１流路２２内を流れる水の流量を規制する邪魔板２７を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、プレート式熱交換器に関するものである。

一般的にプレート式熱交換器は、被加熱流体である水を流す流路が形成された第１伝熱プレートと、冷媒を流す流路が形成された第２伝熱プレートとを複数交互に積層し、各伝熱プレートの流路に流す水と冷媒との間で熱交換を行わせるように構成されている（例えば特許文献１参照）。そして、冷媒からの熱を漏らさずに最大限受け取るよう、積層方向両端部には、水が流れる第１伝熱プレートが配置されている。

このような構成を有するプレート式熱交換器によれば、伝熱面積を増加するためには伝熱プレート枚数を増やすことで対応することができ、また、この伝熱プレート枚数が増えても流路内を流れる冷媒や水の流れの抵抗はほとんど増えることがないため、容易に伝熱能力や伝熱効率を向上させることができるというメリットがある。

特開平５−１２６４７８号公報

しかしながら、上述したプレート式熱交換器は、積層方向両端部の第１伝熱プレートは１つの第２伝熱プレートにしか隣接していないが、積層方向両端部以外（以下、積層方向中間部と称する）の第１伝熱プレートは２つの第２伝熱プレートに隣接している。このため、積層方向両端部の第１伝熱プレートの流路を流れる水と、積層方向中間部の第１伝熱プレートの流路を流れる水とはその受け取る熱量が異なる。その結果、積層方向両端部の第１伝熱プレートにて熱交換を行った水の温度と、積層方向中間部の第１伝熱プレートにて熱交換を行った水の温度とは異なってしまい、プレート式熱交換器によって熱交換を行った全体としての水の温度の制御が困難となるといった問題がある。このため、給湯温度の制御が重要である給湯機では、二重管式の熱交換器を使用せざるを得なく、プレート式熱交換器は上述したような利点があるにも関わらず使用されていなかった。

そこで本発明に係るプレート式熱交換器は、被加熱流体の温度制御をより正確に行うことのできるプレート式熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る第１のプレート式熱交換器は、被加熱流体を冷媒により加熱するプレート式熱交換器であって、被加熱流体が流れる第１流路が一方面に形成されるとともに、前記第１流路に被加熱流体を供給する第１供給口及び前記第１流路内を流れた被加熱流体を排出する第１排出口が形成された第１伝熱プレートと、冷媒が流れる第２流路が一方面に形成されるとともに、前記第２流路に冷媒を供給する第２供給口及び前記第２流路内を流れた冷媒を排出する第２排出口が形成された第２伝熱プレートと、を備え、前記第１伝熱プレートと第２伝熱プレートとは、交互に複数積層されており、積層方向両端部に位置する第１伝熱プレートは、第１流路内を流れる被加熱流体の流量を規制する流量規制手段を有する。

このプレート式熱交換器によれば、以下のような効果を得ることができる。すなわち、積層方向両端部における第１伝熱プレートの第１流路内を流れる水の流量は、流量規制手段によって規制されるために積層方向中間部における第１伝熱プレートの第１流路内を流れる水の流量よりも少ない。このように、積層方向両端部における第１伝熱プレートでは、冷媒から受け取る熱量は小さいが、第１流路内を流れる水の流量も少ないため、単位当たりの水が受け取る熱量の差が小さくなり、積層方向両端部における第１伝熱プレートの第１排出口から排出される水の温度と、積層方向中間部における第１伝熱プレートの第１排出口から排出される水の温度との差も小さくなる。このため、このプレート式熱交換器にて熱交換を行った水の温度をより正確に制御することが可能となり、この結果、給湯機にも使用することができる。

また、本発明に係る第２のプレート式熱交換器１の被加熱流体を冷媒により加熱するプレート式熱交換器であって、被加熱流体が流れる第１流路が一方面に形成されるとともに、冷媒が流れる第２流路が他方面に形成され、前記第１流路に被加熱流体を供給する第１供給口、前記第１流路内を流れた被加熱流体を排出する第２排出口、前記第２流路に冷媒を供給する第２供給口、及び前記第２流路内を流れた冷媒を排出する第２排出口が形成された、第３伝熱プレートと、少なくとも前記第１流路及び第２流路を覆うことのできる大きさに形成されたセパレータと、を備え、前記第３伝熱プレートは、前記一方面が同一方向を向くよう、前記セパレータを介して複数積層されており、積層方向端部であって前記一方面が外側を向くよう配置された第３伝熱プレートは、第１流路内を流れる被加熱流体の流量を規制する流量規制手段を有する。

このプレート式熱交換器によれば、以下のような効果を得ることができる。すなわち、積層方向端部であって一方面が外側を向くよう配置された第３伝熱プレートの第１流路内を流れる水が受け取る熱量は、他の第３伝熱プレートを流れる水が受け取る熱量よりも少ない。しかし、積層方向端部の第３伝熱プレートは、流量規制手段によって第１流路内を流れる水の流量を規制しているため、第１流路内を流れる水の流量は他の第３伝熱プレートを流れる水の流量よりも少ない。よって、積層方向端部の第３伝熱プレートを流れる水の温度と、他の第３伝熱プレートを流れる水の温度との差は小さくなり、このプレート式熱交換器にて熱交換を行った水の温度をより正確に制御することが可能となって、給湯機にも使用することができる。

上記プレート式熱交換器は種々の構成をとることができるが、例えば上記流量規制手段は、第１流路へと流れる被加熱流体の流れを阻害するよう、第１供給口周辺に形成された邪魔板により構成することができる。

また、上記邪魔板は、第１排出口と対向する領域に形成されており、前記第１流路と同じ高さを有するような構成にすることもできる。

また、上記第１のプレート式熱交換器において、上記流量規制手段を、邪魔板により構成するのではなく、積層方向両端部における第１伝熱プレートの第１流路の深さを他の第１伝熱プレートの第１流路よりも浅くすることにより構成することもできる。

また、上記第２のプレート式熱交換器において、上記流量規制手段は、邪魔板により構成するのではなく、積層方向端部における第１伝熱プレートの第１流路の深さを他の第１伝熱プレートの第１流路よりも浅くすることにより構成することもできる。

本発明に係るプレート式熱交換器によれば、被加熱流体の温度制御をより正確に行うことができる。

図１は本発明に係るプレート式熱交換器の実施形態を示す斜視図である。 図２は本実施形態に係る第１伝熱プレートの平面図である。 図３は本実施形態に係る第２伝熱プレートの平面図である。 図４は本実施形態に係る積層方向両端部における第１伝熱プレートの平面図である。 図５は積層方向両端部における第１伝熱プレートの別の実施形態を示す平面図である。 図６は積層方向両端部における第１伝熱プレートのさらに別の実施形態を示す平面図である。 図７は本発明に係るプレート式熱交換器の別の実施形態を示す斜視図である。 図８は別の実施形態に係る第３伝熱プレートの平面図である。 図９は別の実施形態に係る第３伝熱プレートの底面図である。

以下、本発明に係るプレート式熱交換器の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、プレート式熱交換器１は、第１伝熱プレート２及び第２伝熱プレート３が交互に複数枚積層されており、この積層された複数の第１伝熱プレート２及び第２伝熱プレート３の周囲を断熱材４によって覆うことで構成されている。なお、この断熱材4としては、発泡ウレタンやグラスウールなどを使用することができる。また、図中の矢印Ａは水の流れる向きを示し、矢印Ｂは冷媒の流れる向きを示している。

図２に示すように、第１伝熱プレート２は、板状の伝熱プレート本体２１から構成されており、この本体２１の上面には被加熱流体である水を流すための第１流路２２が形成されている。この第１流路２２は、伝熱プレート本体２１の上面に凹部を形成することで構成されている。また、第１流路２２に水を供給するための第１供給口２３及び第１流路２２内を流れた水を排出するための第１排出口２４が、伝熱プレート本体２１を貫通するように形成されている。なお、この第１供給口２３は第１流路２２内の左上に形成され、第１排出口２４は流路内の右下に形成されており、第１流路２２内に供給された水は、図２中の矢印Ａが示すように左上から右下へと流れる。また、各第２伝熱プレート３へ送られる冷媒が当該第１伝熱プレート２を通過するための第１貫通孔２５や、各第２伝熱プレート３から排出される冷媒が当該第１伝熱プレート２を通過するための第２貫通孔２６が、第１流路２２の外部において伝熱プレート本体２１に形成されている。なお、第1伝熱プレート２の材質としては、銅やステンレスなどを使用することができる。

図３に示すように、第２伝熱プレート３は、流路内に水ではなく冷媒を流す点や、その冷媒が流れる向きが反対な点を除いて、上述した第１伝熱プレート２とほぼ同様の構成となっている。すなわち、第２伝熱プレート３は、板状の伝熱プレート本体３１から構成されており、その上面に凹部を形成することで冷媒を流すための第２流路３２が形成されている。そして、冷媒を第２流路３２内に供給するための第２供給口３３及び第２流路３２内の冷媒を排出するための第２排出口３４が第２流路３２内に形成されており、第２流路３２内の冷媒は図３中の矢印Ｂが示すように右上から左下へと流れる。また、各第１伝熱プレート２へ送られる水が当該第２伝熱プレート３を通過するための第３貫通孔３５や、各第１伝熱プレート２から排出される水が当該第２伝熱プレート３を通過するための第４貫通孔３６が形成されている。なお、第２伝熱プレート３の材質は、上記第１伝熱プレートと同様のものを挙げることができる。

上述したような第１伝熱プレート２及び第２伝熱プレート３が交互に複数積層されることでプレート式熱交換器１が構成されている。このように各第１及び第２伝熱プレート２，３が積層された状態では、各第１供給口２３と各第３貫通孔３５とが，各第１排出口２４と各第４貫通孔３６とが，各第２供給口３３と各第１貫通孔２５とが，各第２排出口３４と各第２貫通孔２６とが、それぞれ整列してその中を水や冷媒が流通する。

このように構成されたプレート式熱交換器１の積層方向両端部、すなわち上端部及び下端部には、第２伝熱プレート３ではなく第１伝熱プレート２が配置される。これは、冷媒からの熱を最大限漏らさずに受け取るためである。この積層方向両端部に配置される第１伝熱プレート２ａは、積層方向両端部以外（以下、積層方向中間部と称する）に配置される第１伝熱プレート２と異なる構成となっている。すなわち、積層方向中間部における第１伝熱プレート２は上述した通りの構成であるが、積層方向両端部における第１伝熱プレート２ａは、図４に示すように、第１供給口２３の周辺部を囲むような壁状の邪魔板２７が形成されている。この邪魔板２７は、その高さが流路の深さの約３０〜８０％程度となっている。この邪魔板２７は、水が第１流路２２に入る際の抵抗となり水の流量が低減されるように構成されている。なお、邪魔板２７の内周縁と第１供給口２３の周縁との距離は、特に限定されるものではないが、０〜３０mmであることが好ましい。

次に、上述したプレート式熱交換器１の作用について図１〜図４を参照しつつ説明する。

まず、被加熱流体である水を、各第１供給口２３及び各第３貫通孔３５に連通する第１供給ノズル５から導入する。また、これと同時に、予めヒートポンプなどによって加熱された冷媒を、各第２供給口３３及び各第１貫通孔２５と連通する第２供給ノズル６から導入する。

このように第１供給ノズル５から導入された水は、各第３貫通孔３５内を通ることで各第２伝熱プレート３を通過し、各第１伝熱プレート２の各第１供給口２３から各第１流路２２内へと供給される。また同様に、第２供給ノズル６から導入された冷媒は、各第１貫通孔２５を通ることで各第１伝熱プレート２を通過して、各第２伝熱プレート３の各第２供給口３３から各第２流路３２内へ供給される。

各第１伝熱プレート２に供給された水は第１流路２２内を左から右へ流れ、各第２伝熱プレート３に供給された冷媒は第２流路３２内を右から左へ流れる。このように、第１伝熱プレート２の第１流路２２を流れる水と、第２伝熱プレート３の第２流路３２を流れる冷媒とは、それぞれ対向する向きに流れる。そして、これら水が流れる第１伝熱プレート２と、冷媒が流れる第２伝熱プレート３とは、交互に積層されているため、各伝熱プレート本体２１，３１を介して水と冷媒とが熱交換を行い、予めヒートポンプなどによって加熱された冷媒によって水が加熱される。

このように各第１伝熱プレート２における第１流路２２内を流れた間に加熱されて温度が上昇した水は、第１排出口２４から排出されて、各第１排出口２４及び各第４貫通孔３６と連通する第１排出ノズル７から排出される。また同様に、各第２伝熱プレート３における第２流路３２を流れた間に水を加熱することで温度が低下した冷媒は、第２排出口３４から排出されて、各第２排出口３４及び各第２貫通孔２６と連通する第２排出ノズル８から排出される。

以上のように水と冷媒とが熱交換を行うことにより水が加熱されるが、積層方向中間部における第１伝熱プレート２の第１流路２２内を流れる水は、上側及び下側に第２伝熱プレート３が配置されているため、上側及び下側の２つの第２伝熱プレート３の第２流路３２を流れる冷媒から加熱される。これに対して、積層方向両端部における第１伝熱プレート２ａの第１流路２２を流れる水は、上側又は下側のどちらかにしか第２伝熱プレート３が配置されていないため、１つの第２伝熱プレート３の第２流路３２を流れる冷媒のみによって加熱される。しかし、積層方向両端部における第１伝熱プレート２ａの第１流路２２内を流れる水の流量は、邪魔板２７が形成されているために積層方向中間部における第１伝熱プレート２の第１流路２２内を流れる水の流量よりも少ない。このように、積層方向両端部における第１伝熱プレート２の第１流路２２内を流れる水は、冷媒から受け取る熱量は小さいが、第１流路２２内を流れる水の流量も少ないため、第１排出口２４から排出される水の温度は、積層方向中間部における第１伝熱プレート２の第１排出口２４から排出される水の温度とほぼ同じとなる。このため、このプレート式熱交換器１において加熱された水の温度をより正確に制御することが可能となり、ひいてはこのプレート式熱交換器１を給湯機に使用することができ、この場合の給湯温度をより正確に制御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、積層方向両端部に配置された第１伝熱プレート２ａは邪魔板２７を有していたが、この邪魔板２７は、流路に流れ込む水の流量を規制することができるものであれば、その形状は特に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、第１供給口２３の周辺に断続的に邪魔板２７を形成することもできる。この場合、各邪魔板２７の高さは第１流路２２の深さと同じとすることもできる。また、図６に示すように、第１供給口２３の周辺において第１排出口２４と対向する領域に第１流路２２の深さと同じ高さを有する邪魔板２７を形成するような構成とすることもできる。これにより、第１供給口２３からの水は、一旦第１排出口２４とは反対方向に供給されてから第１排出口２４に向かうような流れとなる。これにより、第１流路２２内を流れる水の流量を規制するだけでなく均一な流量で流すことができるというメリットがある。また、この場合は、第１供給口２３の残りの周辺に断続的に邪魔板２７を形成したり、第１流路２２の深さよりも低い高さを有する邪魔板２７を形成することができる。

また、積層方向両端部の第１伝熱プレート２ａの第１流路２２内を流れる水の流量を規制するための流量規制手段は、上述した邪魔板２７だけに限定されるものではない。例えば、積層方向両端部に配置された第１伝熱プレート２ａの第１流路２２の深さを積層方向中間部の第１伝熱プレート２の第１流路２２の深さよりも浅くすることで、第１伝熱プレート２ａの第１流路２２を流れる水の流量を積層方向中間部の第１伝熱プレート２の第１流路２２内を流れる水の流量よりも少なくすることができる。なお、この積層方向両端部の第１伝熱プレート２ａの第１流路２２の深さは、積層方向中間部の第１伝熱プレート２の第１流路２２の深さの３０〜８０％とすることが好ましい。

また、被加熱流体と冷媒との伝熱面積を増やすために、第1伝熱プレート２や第２伝熱プレート３の第１流路２２，３２の底面の少なくとも一部を凹凸面に形成してもよく、例えば波状に形成することができる。

また、上記被加熱流体は、水に限定されるものではなく、例えば、CO₂やHFC等の冷媒や、ブライン（不凍液）などであっても、上記実施形態のプレート式熱交換器１に適用可能である。

また、図７に示すような、間にセパレータ１０を介在させて第３伝熱プレート９を複数積層することによって構成したプレート式熱交換器１であってもよい。図８及び図９に示すように、この第３伝熱プレート９は、上面（一方面）には被加熱流体である水が流れる第１流路２２が形成されており（図８参照）、下面（他方面）には冷媒が流れる第２流路３２が形成されている（図９参照）。そして、第１流路２２に水を供給するための第１供給口２３及び第１流路２２内を流れた水を排出するための第１排出口２４が第１流路２２内に形成されている。また、第２流路３２に冷媒を供給するための第２供給口３３及び第２流路３２内を流れた冷媒を排出するための第２排出口３４が第２流路３２内に形成されている。なお、セパレータ１０は、第３伝熱プレート９とほぼ同じ大きさを有する板状であり、例えば、銅などのような熱伝達率の高い材料で形成されている。

このような第３伝熱プレート９及びセパレータ１０を交互に複数積層することでプレート式熱交換器１を構成する。なお、各第３伝熱プレート９は、第１流路２２が形成された上面が上を向くよう配置されている。そして、積層方向上端に配置された第３伝熱プレート９ａは、上記実施形態にて説明したような種々の形状の邪魔板２７が形成されている（図４〜図６参照）。この邪魔板２７が流量規制手段に相当する。また、上記実施形態と同様に、邪魔板２７ではなく、積層方向上端に配置された第３伝熱プレート９ａの上面に形成された第１流路２２の深さを他の第３伝熱プレート９の第１流路２２の深さよりも浅くすることで、第３伝熱プレート９ａの第１流路２２を流れる水の流量を少なくすることもできる。

１ プレート式熱交換器
２ 第１伝熱プレート
２２ 第１流路
２３ 第１供給口
２４ 第１排出口
２７ 邪魔板（流量規制手段）
３ 第２伝熱プレート
３２ 第２流路
３３ 第２供給口
３４ 第２排出口
９ 第３伝熱プレート
１０ セパレータ

Claims (6)

1. 被加熱流体を冷媒により加熱するプレート式熱交換器であって、
   被加熱流体が流れる第１流路が一方面に形成されるとともに、前記第１流路に被加熱流体を供給する第１供給口及び前記第１流路内を流れた被加熱流体を排出する第１排出口が形成された第１伝熱プレートと、
   冷媒が流れる第２流路が一方面に形成されるとともに、前記第２流路に冷媒を供給する第２供給口及び前記第２流路内を流れた冷媒を排出する第２排出口が形成された第２伝熱プレートと、を備え、
   前記第１伝熱プレートと第２伝熱プレートとは、交互に複数積層されており、
   積層方向両端部に位置する第１伝熱プレートは、第１流路内を流れる被加熱流体の流量を規制する流量規制手段を有する、プレート式熱交換器。
2. 被加熱流体を冷媒により加熱するプレート式熱交換器であって、
   被加熱流体が流れる第１流路が一方面に形成されるとともに、冷媒が流れる第２流路が他方面に形成され、前記第１流路に被加熱流体を供給する第１供給口、前記第１流路内を流れた被加熱流体を排出する第２排出口、前記第２流路に冷媒を供給する第２供給口、及び前記第２流路内を流れた冷媒を排出する第２排出口が形成された、第３伝熱プレートと、
   少なくとも前記第１流路及び第２流路を覆うことのできる大きさに形成されたセパレータと、を備え、
   前記第３伝熱プレートは、前記一方面が同一方向を向くよう、前記セパレータを介して複数積層されており、
   積層方向端部であって前記一方面が外側を向くよう配置された第３伝熱プレートは、第１流路内を流れる被加熱流体の流量を規制する流量規制手段を有する、プレート式熱交換器。
3. 前記流量規制手段は、前記第１流路へと流れる被加熱流体の流れを阻害するよう、前記第１供給口周辺に形成された邪魔板により構成された、請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記邪魔板は、前記第１排出口と対向する領域に形成されており、前記第１流路と同じ高さを有する、請求項３に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記流量規制手段は、前記積層方向両端部における第１伝熱プレートの第１流路の深さを他の第１伝熱プレートの第１流路よりも浅くすることにより構成された、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記流量規制手段は、前記積層方向端部における第１伝熱プレートの第１流路の深さを他の第１伝熱プレートの第１流路よりも浅くすることにより構成された、請求項２に記載のプレート式熱交換器。
   

Images