JP2013057426A - プレート式熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の伝熱プレート間に形成された複数の流路に対し流体を均等に分配して熱交換効率を向上させる。
【解決手段】プレート式熱交換器は、複数枚の伝熱プレート７を積層して伝熱プレート間に複数の第１の流路２ａと複数の第２の流路２ｂが交互に配置されるように構成され、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行わせる。また、流体入口４ａから導入された流体を複数の第１の流路に分配するための流体分配入口空間８を備え、この流体分配入口空間には、複数の第１の流路へ流体分配を行うために複数の流体分配孔６ａ〜６ｉを形成した流体分配管３を設けている。前記複数の流体分配孔は、流体分配管の上部に一直線状に且つ複数の第１の流路の中心に位置する部分にそれぞれ形成されると共に、流体分配管の先端側に形成された流体分配孔の孔面積を、入口側に形成された流体分配孔の孔面積よりも大きく形成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、プレート式熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置に関し、特にプレート式熱交換器における冷媒分配の改善に関する。

異なる２つの流体、例えば冷媒と冷水との熱交換を行う手段としてプレート式熱交換器の使用は知られている。このようなプレート式熱交換器において、冷媒分配を均等化させるものとしては、例えば特許第４５６８９７３号公報（特許文献１）に記載のものがある。この特許文献１のものには、流体分配管の外周に、管軸を中心として対角方向に設けられた複数の流体分配孔を有すると共に、前記流体分配管の通路断面積Ｓに対する前記複数の流体分配孔の各々の孔部断面積σとの関係が、（Σσ／Ｓ）＜２であるプレート式熱交換器が記載されており、これによって均一に流体を分配できるようにしている。

特許第４５６８９７３号公報

プレート式熱交換器においては、垂直方向に並設された複数の伝熱プレートの枚数に応じて積層方向に複数形成された流路を、複数の異なる流体（例えば、冷媒と冷水）が交互に流れる。上記特許文献１のものでは、プレート式熱交換器の入口に挿入された複数の流体分配孔を持つ流体分配管を設けることにより、前記複数の流路を流体が均等に流れるようにしている。

しかし、上記特許文献１のものでは、流体分配管の流体分配孔径が均一に構成されており、冷媒がプレート式熱交換器に供給された場合に、該冷媒を各伝熱プレート間流路に均等に流すことに対して十分な配慮は為されていない。即ち、前記流体分配管の手前側の流体分配孔ほど流体が多く流れ、先端側の流体分配孔ほど流体は少なく流れ出てしまい、プレート式熱交換器内に複数形成された各流路に流体を均等に流すことはできない。

本発明の目的は、流体分配管に供給された流体を、複数の伝熱プレート間に形成された複数の流路に対し、均等に分配できるようにすることにより、熱交換効率を向上したプレート式熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、複数枚の伝熱プレートを並設して積層することで前記複数の伝熱プレート間に複数の第１の流路と複数の第２の流路が交互に配置されるように構成し、前記第１の流路を流れる第１の流体と前記第２の流路を流れる第２の流体との間で相互に熱交換を行わせると共に、複数の前記第１の流路或いは複数の前記第２の流路に連通され、熱交換器の流体入口から導入された流体を前記複数の第１の流路或いは第２の流路に分配するための流体分配入口空間を備えているプレート式熱交換器において、前記流体分配入口空間に、前記複数の第１の流路或いは第２の流路への流体分配を行うために複数の流体分配孔を形成した流体分配管を設け、前記複数の流体分配孔は、前記流体分配管の上部に一直線状に且つ複数の前記第１の流路或いは第２の流路の中心に位置する部分にそれぞれ形成されると共に、前記流体分配管の先端側に形成された流体分配孔の孔面積を、前記流体分配管の入口側に形成された流体分配孔の孔面積よりも大きく形成していることを特徴とする。

本発明の他の特徴は、圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、前記蒸発器に上述したプレート式熱交換器を用いていることを特徴とする。

本発明によれば、流体分配管に供給された流体を、複数の伝熱プレート間に形成された複数の流路に対し、均等に分配できるので、熱交換効率を向上したプレート式熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置を得ることができる効果が得られる。

本発明のプレート式熱交換器の実施例１を示す概略構成図である。 プレート式熱交換器における流体分配入口空間付近の要部断面図である。 図１に示すプレート式熱交換器の流体分配入口空間付近の要部断面図である。 図３に示す流体分配管の構成を説明する図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。 図１に示すプレート式熱交換器を蒸発器として採用している冷凍サイクル装置の例を示す系統図である。 本発明のプレート式熱交換器の実施例２における流体分配管の構成を説明する平面図である。 本発明のプレート式熱交換器の実施例３における流体分配管の構成を説明する平面図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づき説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

図１〜図４により本発明のプレート式熱交換器の実施例１を説明する。また、図５により、実施例１のプレート式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の例を説明する。

図１は本発明のプレート式熱交換器の実施例１を示す概略構成図で、このプレート式熱交換器は、冷凍サイクルを用いて冷水を製造するための冷凍サイクル装置における蒸発器として利用されている場合の例を示している。また、この図１はプレート式熱交換器における冷媒流路側の構成を示している。

この図１において、１はプレート式熱交換器で、このプレート式熱交換器１は、垂直方向に並設して積層された複数枚の伝熱プレート７で構成されており、前記伝熱プレート７の枚数に応じてその積層方向には複数の流路が形成されている。この複数の流路には複数の異なる流体（この実施例では冷媒と冷水）が交互に流れるように、冷媒流路（第１の流路）２ａと冷水流路（第２の流路）２ｂが交互に配置されている。

冷媒は、破線で示すように、冷媒入口（流体入口）４ａから導入されて、熱交換器下部に形成されている流体分配入口空間（冷媒分配入口空間）に入り、ここから各冷媒流路２ａに分配されてそれぞれの冷媒流路２ａ内を上昇し、熱交換器上部に設けられている流体出口空間（冷媒出口空間）で、複数の前記冷媒流路２ａからの冷媒を合流させて、冷媒出口（流体出口）４ｂから流出するように構成されている。

冷水は、実線で示すように、冷水入口（流体入口）５ａから導入されて、熱交換器上部に形成されている流体分配入口空間（冷水分配入口空間）に入り、ここから各冷水流路２ｂに分配されて該冷水流路２ｂ内を下降し、熱交換器下部に設けられている流体出口空間（冷水出口空間）で、複数の前記冷水流路２ｂからの冷媒を合流させて、冷水出口（流体出口）５ｂから流出するように構成されている。

このように複数枚の伝熱プレート７を並設して積層することで伝熱プレート７間にはその積層方向に複数の流路が相互に重なるように形成され、冷媒が流れる冷媒流路２ａと、冷水が流れる冷水流路２ｂとが交互に配置されるように構成することにより、前記冷媒と冷水との流体間熱交換が為されるように構成されている。

なお、本実施例では、前記流体分配入口空間に、導入された冷媒を複数の各冷媒流路２ａに均等に流すために、複数の流体分配孔６ａ〜６ｉを持つ流体分配管３が設けられている。

図２は、図１に示すプレート式熱交換器１における流体分配入口空間付近の要部断面図で、図１に示す流体分配管３を設置する前の構成を示す図である。
プレート式熱交換器１においては、冷媒入口４ａから冷媒を流体分配入口空間８に導入すると、この流体分配入口空間８で、導入された冷媒は複数の冷媒流路２ａに分配される。前記複数の冷媒流路２ａの流路幅は同一に構成されているため、前記冷媒入口４ａに近い冷媒流路ほど冷媒は流れ易い。このため、冷媒入口４ａに対して手前側の冷媒流路と奥側の冷媒流路では流れる冷媒の量にアンバランスが生じてしまう。

そこで、本実施例では、図３に示すように、前記流体分配入口空間８に前記流体分配管３を設置して、各冷媒流路２ａに流れる冷媒流量が均一になるようにしている。この図３は図１に示すプレート式熱交換器の流体分配入口空間付近の要部断面図で、図１に示す流体分配管３を設置した状態の構成を示している。

冷媒入口４ａからの冷媒の流れ方向と、冷媒流路２ａ内の冷媒流れ方向が異なるため、流体分配管３には、複数の伝熱プレート７間に形成された複数の各冷媒流路２ａの入口部の対角に位置する部分、即ち流体分配管３の上部の各伝熱プレート間流路（冷媒流路２ａ）の中心に対応する位置に、流体分配孔６ａ〜６ｉが形成されている。これにより冷媒（流体）の流れを前記伝熱プレート間流路へ効率的に誘導することができるように構成している。

更に、本実施例では、前記流体分配管３に形成されている複数の流体分配孔６ａ〜６ｉは、流体分配管３の入口側から先端側に向うに従って、その孔径（孔面積）を、「流体分配管の流路断面積≧流体分配孔の断面積」の範囲内で、次第に拡大されるように形成されている。この流体分配管３の構成を図４に示す。

図４は図３に示す流体分配管３を説明する図で、（ａ）は流体分配管３の縦断面図、（ｂ）は同じく平面図である。この図４に示すように、流体分配管３の上部には一直線状に流体分配孔６ａ〜６ｉが形成されている。また、それぞれの流体分配孔６ａ〜６ｉは、前記各冷媒流路２ａの中心にそれぞれ対応する位置に形成されている。更に、前記流体分配管３の入口側に形成された流体分配孔６ａは、それよりも下流側（先端側或いは奥側）に位置する流体分配孔６ｂ〜６ｉより孔径が小さく構成されている。流体分配孔６ｂ〜６ｉの孔径も同様に下流側ほど孔径が大きくなるように構成されている。

これにより、流体分配管３において冷媒が流出し易い手前側（入口側）の流体分配孔からの冷媒流出量を制限しつつ、冷媒が流れ難い先端側の流体分配孔における冷媒流出量を増大することができるから、流体分配管３による伝熱プレート間の各流路（冷媒流路２ａ）に対する流体分配量を均等にすることが可能となる。

従って、本実施例によれば、伝熱プレート７の積層枚数が増加しても、伝熱プレート間の各流路に対して均等に流体（冷媒）を分配することができるので、伝熱プレートの積層枚数に応じた熱交換能力を発揮させることが可能となる。

また、本実施例では、流体分配管３の上部に一直線状に前記流体分配孔６ａ〜６ｉを形成すると共に、前記各冷媒流路２ａの中心にそれぞれ対応する位置にそれぞれ前記流体分配孔６ａ〜６ｉを形成しているので、冷媒の流れを前記伝熱プレート間流路へ効率的に誘導できるだけでなく、前記複数の流体分配孔６ａ〜６ｉの孔面積を変えることで、それらの孔面積に応じて前記各冷媒流路２ａへ流入する冷媒流量の分配を容易に調整することができる。

更に、前記複数の流体分配孔６ａ〜６ｉは流体分配管３の上部に一直線状に形成すれば良いので、流体分配管３の製作も容易に行うことができる。しかも、前記流体分配孔６ａ〜６ｉは前記各冷媒流路２ａの中心にそれぞれ対応する位置に形成されているので、前記流体分配孔６ａ〜６ｉの孔面積を最大限に大きくとることが可能となり、最大孔径（最大孔面積）をより大きくすることができるから、流体分配量の調整をより容易に行うことが可能となる。

また、本実施例では、流体分配管３の入口側から先端側（奥側）に向うに従って、流体分配孔６ａ〜６ｉの孔径（孔面積）が次第に拡大されるように構成しているが、その孔径（孔面積）の増加割合は、先端側の流体分配孔ほど小さくなるように構成している。

即ち、冷凍サイクル装置の蒸発器などに使用されるプレート式熱交換器の場合、蒸発器には減圧された冷媒が流れるため、気液二相流の流体となっている。また、プレート式熱交換器では、冷媒入口４ａから水平方向に流入した冷媒が垂直方向に向きを変えて冷媒流路２ａに流入する。このため、気液二相流となっている冷媒のうち密度の高い液冷媒は流体分配管の奥側（先端側）へ流れ易く、奥側の流体分配孔からは液の割合の多い冷媒が流出し易くなる。

また、反対に密度の低いガス冷媒は奥側へは流れ難いため、手前側の流体分配孔からはガス冷媒の割合の多い冷媒が流出し易くなる。同じ流量であれば液冷媒の方がガス冷媒よりも冷水から熱を奪う熱量が大きくなるため、手前側の冷媒流路２ａと奥側の冷媒流路２ａに同流量の冷媒を流すと、奥側の冷媒流路での熱交換量が手前側の冷媒流路での熱交換量よりも多くなってしまう。

そこで、本実施例では、各冷媒流路２ａでの熱交換量が均等になるように気液二相流となっている冷媒を分配するために、奥側の流体分配孔ほど、その孔径（孔面積）の増加割合が小さくなるように構成している。
このように構成することにより、プレート式熱交換器１での各冷媒流路２ａでの熱交換量を均等にすることができるから、より熱交換効率の高い、高性能なプレート式熱交換器を得ることができる。

なお、この実施例１では、前記流体分配孔６ａ〜６ｉが流体分配管３の上部にのみ一直線状に形成されているため、流体分配管３に気液二相流の冷媒が流入しても、重たい液冷媒は前記流体分配管３の下部に溜まるから、液冷媒は流体分配管３の先端側だけでなく、入口側にも溜まる。従って、流体分配管３の先端側から流出する冷媒ほど液冷媒の割合は多くなるものの、流体分配管３の入口側の流体分配孔から流出する冷媒にも十分な量の液冷媒を含ませることが可能となる。このように本実施例によれば、気液二相流の冷媒であっても各冷媒流路に均等に冷媒を分配することができ、各冷媒流路２ａでの熱交換量も均等にすることが可能になる。

図５は図１に示すプレート式熱交換器を蒸発器として採用している冷凍サイクル装置の例を示す系統図である。この図において、１は蒸発器で、図１に示したプレート式熱交換器が採用されている。圧縮機９から吐出された高温高圧の冷媒は、逆止弁１０を通過した後、凝縮器１１に流入する。この凝縮器１１では、クーリングタワー（図示せず）などから供給された冷却水が、冷却水入口１３aから凝縮器１１内に流入し、前記圧縮機９からの前記高温高圧の冷媒と熱交換して熱を奪い、冷却水出口１３ｂから前記クーリングタワーなどに流出される。一方、前記冷却水により熱を奪われた冷媒は凝縮して膨張弁（膨張手段）１２に流入し、減圧膨張して低温低圧の冷媒となって冷媒入口４ａから前記蒸発器（プレート式熱交換器）１に流入する。

この蒸発器１には、室内の空調用途などに利用されて温度の上昇した冷水が冷水入口５ａから流入し、この冷水は蒸発器１に流入した前記冷媒に熱を奪われて冷却され、冷水出口５ｂから再び前記空調用途などに利用される。一方、前記冷水から熱を奪って蒸発した冷媒は冷媒出口４ｂから流出して再び前記圧縮機９に吸入されるという冷凍サイクルが繰り返される。

前記蒸発器１での冷媒と冷水との熱交換は、図１に示すように、伝熱プレート７を介して交互に配置された冷媒流路２ａと冷水流路２ｂを流れる冷媒と冷水との間で行われるが、冷媒入口４ａから流入した気液二相の冷媒は流体分配管３により複数形成されている各冷媒流路２ａに均等に分配されるから、蒸発器１での熱交換は効率良く行われ、これにより効率の高い冷凍サイクル装置とすることができる。

本発明の実施例２を図６により説明する。図６は本実施例のプレート式熱交換器における流体分配管３の構成を説明する平面図である。流体分配管３以外の構成については上述した実施例１と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施例１では、流体分配管３に形成されている流体分配孔６ａ〜６ｉの孔径（孔面積）は、流体分配管３の入口側から先端側（奥側）に向うに従って次第に拡大されるように構成している。これに対し、この実施例２では、隣接する複数の流体分配孔毎にグループ化して複数のグループに分け、同一グループの流体分配孔については同一孔径とし、流体分配管３の入口側のグループから先端側（奥側）のグループに向うに従って、各グループでの流体分配孔の孔径がグループ毎に次第に拡大されるように構成したものである。

即ち、流体分配孔６ａ〜６ｉのうち、入口側の３個の流体分配孔６ａ〜６ｃをグループＩ、次の下流側の３個の流体分配孔６ｄ〜６ｆをグループII、更に下流側（最も奥側）の３個の流体分配孔６ｇ〜６ｉをグループIIIとする。そして、最も入口側（上流側）の前記グループＩの流体分配孔６ａ〜６ｃのそれぞれの孔径は同一で最も小さくし、次の下流側となるグループIIの流体分配孔６ｄ〜６ｆにおいてはそれぞれの孔径は同一で且つグループＩの孔径よりも大きくし、最も下流側となるグループIIIの流体分配孔６ｇ〜６ｉにおいてはそれぞれの孔径は同一で且つグループIIの孔径よりも更に大きく構成している。

本実施例によれば、上記実施例１とほぼ同様の効果が得られると共に、同一グループの複数の流体分配孔の孔径を同一に形成するので、流体分配管３の製作を更に容易にすることができる。

本発明の実施例３を図７により説明する。図７は本実施例のプレート式熱交換器における流体分配管３の構成を説明する平面図である。流体分配管３以外の構成については上述した実施例１と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施例１或いは２では、流体分配管３に形成されている流体分配孔６ａ〜６ｉを円形に形成した場合について説明したが、前記流体分配孔６ａ〜６ｉ形状は円形に限られるものではなく、多角形や楕円形にしても良く、更にこれらを組み合わせた形状にすることも可能である。そこで、この実施例３では、前記流体分配管３における流体分配孔の孔形状を、円以外の形状である四角形としたものである。四角形に形成された流体分配孔６ａ〜６ｉの孔面積は、実施例１と同様に、流体分配管３の入口側から先端側（奥側）に向うに従って次第に拡大されるように構成されている。他の構成については実施例１と同様である。
この実施例３のように、流体分配孔６ａ〜６ｆを四角形など、円形以外の形状としても上述した実施例１や実施例２と同様の効果を得ることが可能である。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、流体分配管３の流体分配孔６ａ〜６ｉの孔径（孔面積）を、流体分配管３の入口側から先端側（奥側）に向うに従って、次第に拡大されるように構成しているので、冷媒が流れ易い手前側の冷媒流路２ａに流れる冷媒量を制限すると共に、奥側の冷媒流路２ａほど流入する冷媒量を増加できる。従って、複数の各冷媒流路２ａに流れる冷媒量をより均一化することができるから、熱交換効率をより向上することのできるプレート式熱交換器及びこれを備えた冷凍サイクル装置を得ることができる。

なお、上述した実施例では、プレート式熱交換器において特に大きな効果が得られる冷媒側の流路についてのみ説明したが、冷水側の流路についても同様に適用できるものであり、本実施例はプレート式熱交換器における冷媒側流路及び冷水側流路の少なくとも何れか一方に適用することで効果が得られるものである。従って、本実施例は冷媒側のみ、或いは冷水側のみに適用しても、更には冷媒側と冷水側の両方に適用しても良い。

また、上述した実施例では、冷凍サイクル装置の蒸発器に上述したプレート式熱交換器を採用した場合について説明したが、本発明のプレート式熱交換器はこれに限られるものではなく、例えば冷凍サイクル装置の凝縮器に採用したり、或いは冷凍サイクル装置に限らず他の熱交換器に適用することも同様に可能である。

１…プレート式熱交換器(蒸発器)、
２ａ…冷媒流路（第１の流路）、２ｂ…冷水流路（第２の流路）、
３…流体分配管、
４ａ…冷媒入口（流体入口）、４ｂ…冷媒出口（流体出口）、
５ａ…冷水入口（流体入口）、５ｂ…冷水出口（流体出口）、
６ａ〜６ｉ…流体分配孔、
７…伝熱プレート、
８…流体分配入口空間、
９…圧縮機、
１０…逆止弁、
１１…凝縮器、
１２…膨張弁（膨張手段）、
１３ａ…冷却水入口、１３ｂ…冷却水出口。

Claims (9)

1. 複数枚の伝熱プレートを並設して積層することで前記複数の伝熱プレート間に複数の第１の流路と複数の第２の流路が交互に配置されるように構成し、前記第１の流路を流れる第１の流体と前記第２の流路を流れる第２の流体との間で相互に熱交換を行わせると共に、複数の前記第１の流路或いは複数の前記第２の流路に連通され、熱交換器の流体入口から導入された流体を前記複数の第１の流路或いは第２の流路に分配するための流体分配入口空間を備えているプレート式熱交換器において、
   前記流体分配入口空間に、前記複数の第１の流路或いは第２の流路への流体分配を行うために複数の流体分配孔を形成した流体分配管を設け、
   前記複数の流体分配孔は、前記流体分配管の上部に一直線状に且つ複数の前記第１の流路或いは第２の流路の中心に位置する部分にそれぞれ形成されると共に、
   前記流体分配管の先端側に形成された流体分配孔の孔面積を、前記流体分配管の入口側に形成された流体分配孔の孔面積よりも大きく形成している
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 請求項１に記載のプレート式熱交換器において、前記複数の流体分配孔は、前記流体分配管の入口側から先端側に向うに従って、その孔面積が次第に拡大されるように形成されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
3. 請求項１に記載のプレート式熱交換器において、前記複数の流体分配孔は、隣接する複数の流体分配孔毎にグループ化して複数のグループに分け、同一グループの流体分配孔については同一孔径とし、前記流体分配管の入口側のグループから先端側のグループに向うに従って、各グループでの流体分配孔の孔径がグループ毎に次第に拡大されるように構成したことを特徴とするプレート式熱交換器。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のプレート式熱交換器において、前記流体分配孔は円形に形成されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
5. 請求項１〜３の何れかに記載のプレート式熱交換器において、前記流体分配孔は多角形或いは楕円形に形成されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のプレート式熱交換器において、前記第１の流路は冷媒流路であり、前記第１の流体は冷媒であり、熱交換器の流体入口から導入された冷媒を前記複数の第１の流路に分配するための流体分配入口空間に、前記複数の第１の流路への冷媒分配を行うために複数の流体分配孔を形成した前記流体分配管が設けられていることを特徴とするプレート式熱交換器。
7. 請求項６に記載のプレート式熱交換器において、前記流体分配管の入口側から先端側に向うに従って、前記流体分配孔の孔面積が次第に拡大されるように構成すると共に、その孔面積の増加割合は、先端側の流体分配孔ほど小さくなるように構成していることを特徴とするプレート式熱交換器。
8. 請求項６または７に記載のプレート式熱交換器において、冷水と冷媒が熱交換される蒸発器として使用されることを特徴とするプレート式熱交換器。
9. 圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器を備えた冷凍サイクル装置において、前記蒸発器に請求項１〜７の何れかに記載のプレート式熱交換器を用いていることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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