JP2017003175A - 冷媒熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡素な構成のプレートを備えて製造コストの増大を抑制可能な冷媒熱交換器を提供する。【解決手段】冷媒熱交換器１は、筒状の中空容器５と、この内部下側に配置され、表裏面に複数の凹凸部が形成されたプレート１１を積層して、第１の冷媒が流れる第１熱交換流路及び第２の冷媒が流れる第２熱交換流路を形成するプレート重合体１０と、プレート重合体１０の上方の中空容器５の内部空間に配置され第１の冷媒をプレート重合体１０に供給する供給管３０と、プレート重合体１０内を流通する第２の冷媒と熱交換した第１の冷媒を排出する排出管４０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍機などに用いられる冷媒熱交換器に関し、特に、気体又は液体等の同じ形態又は異なる形態の物質間で伝熱を行うプレート式の冷媒熱交換器に関する。
従来の冷媒熱交換器は、特許文献１に記載されているように、筒状に形成された中空容器（文献ではタンク）の下側の内部空間にプレート重合体（文献ではプレーロパッケージ）が設けられている。プレート重合体は互いに隣接して配設された複数のプレート（文献では熱交換プレート）を備えている。複数のプレートは、垂直方向に配設され、内部空間に対して実質的に開いて媒体がタンクの下部空間から上向きに上部空間まで循環可能に構成された第１のプレート間空間と、内部空間に対して閉じており流体を循環させて媒体を気化可能にする第２のプレート間空間とが形成されている。プレートの上部には、気化した媒体を排出可能な出口流路が形成されている。中空容器の上部には、気化した媒体を排出するための出口が設けられている。
プレートは、上側から下方に向かって上部、中間部、下部を含んで構成され、各部分には、山と谷とから成る波形のしわが形成されている。プレート同士の間の実際の熱交換は中間部及び下部を介して行われる。中間部の波形のしわは、中間部の異なる部分で様々な方向に延びる。波形のしわは、互いに隣接するプレートの波形のしわが中間部全体にわたって互いに交差するように延びている。このように延びる波形のしわによって、プレートの剛性が強化されると同時に、流体から媒体への効率的な伝熱が確実に行われる。
特許４３８３４４８号公報
この特許文献１に記載の冷媒熱交換器は、プレートの側端部が中空容器の内壁面に沿って配置されているので、プレートと中空容器の内壁面との間の隙間が小さくなって、中空容器を小型化することができる。しかしながら、プレートに形成された波型のしわは、複雑である。またプレートの中央部には、プレートの積層方向に沿って延びる板状の分散部材が挿着されている。このため、プレート重合体の構造がより複雑化し、製造コストが増大する虞がある。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、簡素な構成を有したプレートを備えて製造コストの増大を抑制可能な冷媒熱交換器を提供することを目的とする。
本発明の幾つかの実施形態に係わる冷媒熱交換器は、
筒状に形成された中空容器と、該中空容器の内部下側に配置され、表裏面に複数の凹凸部が形成されたプレートを積層して、第１の冷媒が流れる第１熱交換流路及び第２の冷媒が流れる第２熱交換流路を形成するプレート重合体と、
該プレート重合体の上方の前記中空容器の内部空間に配置され、前記第１の冷媒を前記プレート重合体に供給する供給管と、該供給管から供給された第１の冷媒を前記プレート重合体内を流通する第２の冷媒と熱交換して排出する排出管とを備え、
前記プレート重合体の前記プレートの下側は、前記中空容器の内壁面に近接して沿って半円形状に形成され、前記プレートの上側は、前記半円形状の曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状に形成されている冷媒熱交換器であって、
前記プレート重合体の上部には、プレート積層方向に延びて前記第２の冷媒が導入される第２導入孔が設けられ、前記プレート重合体の下部には、プレート積層方向に延びて前記第２の冷媒が導出される第２導出孔が設けられ、
前記第２熱交換流路は、プレート積層方向視において、前記第２導入孔から下方へ進むに従って前記プレートの側部側へ延びて屈曲し、下方へ進むに従って前記第２導出孔側へ延びるように形成され、
前記第１熱交換流路は、プレート積層方向視において、前記第２導出孔から上方へ進むに従って前記プレートの幅方向端部側に延びるように形成されている。
上記冷媒熱交換器によれば、第２熱交換流路は、プレート積層方向視において、第２導入孔から下方へ進むに従ってプレートの側部側へ延びて屈曲し、下方へ進むに従って第２導出孔側へ延びるように形成され、第１熱交換流路は、プレート積層方向視において、第２導出孔から上方へ進むに従ってプレートの幅方向端部側に延びるように形成されている。このため、第１熱交換流路及び第２熱交換流路の構造は、ともに単純に構成されている。よって、冷媒熱交換器の構造を簡素化し、且つ製造コストの増大を抑制可能な冷媒熱交換器を提供することができる。
また、幾つかの実施形態に係る冷媒熱交換器によれば、
前記プレート重合体は、隣接するプレートの夫々に形成された凹凸部同士を接触すると、隣接する凹凸部の凸部間の谷及び凹部内の溝によって、対応する前記第１熱交換流路及前記第２熱交換流路が形成されるように構成される。
この場合、プレート同士を積層する際に、凹凸部同士を接触すると、隣接する凹凸部の凸部間の谷及び凹部内の溝によって、対応する前記第１熱交換流路及前記第２熱交換流路が形成されるので、冷媒熱交換器の製造をより容易化することができる。
また、幾つかの実施形態に係る冷媒熱交換器によれば、
前記第２熱交換流路は、下方へ進むに従って前記プレートの側部側へ直線状に延びる凝縮流路と、下方へ進むに従って前記第２導出孔側へ直線状に延びる排出流路とを有し、
前記凝縮流路の延びる方向の傾き角度は前記排出流路の延びる方向の傾き角度よりも小さくなるように構成されている。
この場合、凝縮流路の延びる方向の傾き角度が排出流路の延びる方向の傾きよりも小さくなるよう構成されているので、導入孔から供給される第２の冷媒の流れが、最初は遅くし、後半は速くすることができる。従って、第２の冷媒から第１の冷媒への伝熱効果を高めることができるとともに、冷却された第２の冷媒を迅速に第２導出孔に流すことができる。よって、伝熱効率の高い冷媒熱交換器を提供することができる。
また、幾つかの実施形態に係る冷媒熱交換器によれば、
前記プレートに形成された前記第２導入孔の下方には、該第２導入孔から供給される第２冷媒の下方への移動を規制するための規制凹凸部が形成されているように構成される。
この場合、プレートに形成された第２導入孔の下方に、該第２導入孔から供給される第２冷媒の下方への移動を規制する規制凹凸部を形成することで、これらのプレートを重ねると、一方側のプレートの規制凹凸部と他方側のプレートの規制凹凸部とが接触して、第２導入孔の下方に円弧状の壁を形成する。このため、第２導入孔から供給される第２冷媒の下方への移動を規制することができ、第２導入孔から供給される第２の冷媒の流れを強制的にプレートの幅方向外側へ移動させることができる。このため、第２冷媒が第２導入孔から下方へ流れて第２導出孔に流入するような伝熱効率の低い流を未然に防止することができる。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、簡素な構成を有したプレートを備えて製造コストの増大を抑制可能な冷媒熱交換器を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る熱交換器を示し、同図（ａ）は熱交換器の側面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＩ−Ｉ矢視に相当する断面図である。 本発明の一実施形態に係るＮＨ３導入管を示し、同図（ａ）はＮＨ３導入管の側面図であり、同図（ｂ）はＮＨ３導入管の底面図である。 本発明の一実施形態に係るプレートの正面図である。 図３のプレートを表裏反転させた状態のプレートの正面図である。 他の実施形態に係るＮＨ３導入管を示し、同図（ａ）はＮＨ３導入管の側面図であり、同図（ｂ）はＮＨ３導入管の底面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。ただし、この実施形態として記載されている又は図示されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、本実施形態では、冷媒熱交換器として気化したＣＯ２を液化するためのＣＯ２液化器を例として説明する。
冷媒熱交換器１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、シェルアンドプレート式熱交換器を構成し、一次冷媒であるＮＨ３冷媒液と二次冷媒であるＣＯ２冷媒ガスとを熱交換し、ＮＨ３冷媒がＣＯ２冷媒から吸熱して気化し、ＣＯ２冷媒が液化するように構成される。
冷媒熱交換器１は、断面が円形の筒形状を有する中空容器５と、中空容器５の内部下側に収容されたプレート重合体１０と、プレート重合体１０の上方の中空容器５の内部空間５ａに配置され、ＮＨ３冷媒液をプレート重合体１０に供給するＮＨ３供給管３０と、ＮＨ３供給管３０から供給されたＮＨ３冷媒液がプレート重合体１０内を流通するＣＯ２ガス冷媒と熱交換したＮＨ３ガスを排出するＮＨ３排出管４０とを備える。
プレート重合体１０は、板状の多数のプレート１１が重ね合されて側面視において略楕円状に形成されている。プレート重合体１０の詳細については後述する。中空容器５の軸方向一端側の側壁５ｃ上部の幅方向一方側にはＮＨ３導入口３１が形成され、ＮＨ３導入口３１にはＮＨ３供給管３０が挿着されている。ＮＨ３供給管３０は、ＮＨ３導入口３１に挿着されたＮＨ３導入管３２と、ＮＨ３導入管３２の先端に接続されたＮＨ３散布管３３とを有してなる。
ＮＨ３散布管３３は、中空容器５の上壁５ｂに沿って略平行に配置されている。ＮＨ３散布管３３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ＮＨ３導入管３２から屈曲して延びる短軸散布管３３ａと、短軸散布管３３ａの端部から屈曲して延びる長軸散布管３３ｂとを有して構成される。短軸散布管３３ａ及び長軸散布管３３ｂの下面には、下方へ向いて形成された多数の細径の散布孔３３ｃが散布管軸方向に２列に形成されている。
中空容器５の一端側の側壁５ｃの上部には、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ＮＨ３導出口４１が形成され、ＮＨ３導出口４１にＮＨ３排出管４０が挿着されている。ＮＨ３排出管４０は中空容器５の軸心方向に沿って中空容器５の他端側の側壁５ｄの内面の近傍位置まで延び、ＮＨ３排出管４０の他端部に開口部４０ａが形成されている。このため、気化されたＮＨ３冷媒ガスは開口部４０ａを介してＮＨ３排出管４０から流出する。
中空容器５の一方の側壁５ｃの中央部にはＣＯ２導入口５０が設けられ、ＣＯ２導入口５０にＣＯ２導入管５１が挿入されている。ＣＯ２導入管５１は、プレート重合体１０の内部に形成されたＣＯ２導入孔１３に連通している。
また、ＣＯ２導入管５１の下方の中空容器５の一方側の側壁５ｃには、ＣＯ２導出口５３が形成され、ＣＯ２導出口５３にＣＯ２導出管５４が挿着されている。ＣＯ２導出管５４は、プレート重合体１０の内部に形成されたＣＯ２導出孔１５に連通している。
プレート重合体１０を構成するプレート１１は、板金（例えば、ステンレス鋼板）製であり、図１（ｂ）及び図３に示すように、中空容器５の軸方向視において、中空容器５の軸心Ｓを通る水平線Ｈに対して上下方向に非対称に形成されている。即ち、中空容器５の軸心Ｓよりも下側のプレート１１ａは、中空容器５の軸心Ｓよりも下方の位置を中心とした曲率半径を有して中空容器５の内壁面５ｅに近接して沿って半円形状に形成される。また、中空容器５の軸心Ｓよりも上側のプレート１１ｂは、中空容器５の軸心Ｓを中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状（半楕円形状）に形成されている。
プレート重合体１０を構成する多数のプレート１１の夫々には、図３及び図４に示すように、表裏面に複数の凹凸部１７が形成されている。プレート重合体１０は、図３に示すプレート１１'と図４に示すプレート１１''とを１枚おきに積層して構成される。図４に示すプレート１１''は、図３に示すプレート１１'を表裏反転させたものである。よって、図４に示すプレート１１''は、図３に示すプレート１１'と同様の構成であるので、図４に示すプレート１１''は図３に示すプレート１１'と同一態様部分について同一符号を附して説明を省略する。
図３に示すように、プレート１１'の幅方向中央上部には円形状に開口するＣＯ２導入孔１３が設けられ、プレート１１'の幅方向中央下部には円形状に開口するＣＯ２導出孔１５が設けられている。
凹凸部１７は、プレート１１'の表面の右側下部を除いた部分に斜め右側上方へ傾斜（約２５度の傾斜角度）して直線状に延びる複数の凹部１８と、プレート１１'の右側下部に形成されて凹部１８よりも大きな傾斜角度（約６０度）を有して斜め右側上方へ直線状に延びる複数の凸部１９とを有してなる。複数の凹部１８は、所定間隔を有して互いに平行に形成され、複数の凸部１９は、所定間隔を有して互いに平行に形成されている。
図３に示すプレート１１'の裏側に図４に示すプレート１１''を重ねると、これらプレート１１'、１１''の表裏面に２つの独立した第１熱交換流路２１及び第２熱交換流路２２が形成される。第１熱交換流路２１は、図３に示すプレート１１'の表面側に形成され、ＣＯ２導出孔１５から上方へ進むに従ってプレート１１'の幅方向右側端部側へ延びる。この第１熱交換流路２１は、隣接する凹凸部１７の凸部１９間の谷によって形成されるとともに、凹部１８内の溝によって形成される。このため、第１熱交換流路２１は、プレート１１'の幅方向一方側から他方側に斜め上方へ向く方向の流路として形成されている。
一方、第２熱交換流路２２は、図４に示すプレート１１''の表面側に形成され、ＣＯ２導入孔１３から下方へ進むに従ってプレート１１''の右側部側及び左側部側へ延びて屈曲し、下方へ進むに従ってＣＯ２導出孔１５側へ延びるように構成される。この第２熱交換流路２２は、図４に示すプレート１１''の凹部１８の底面側へ突出する突出部１８ａ間の谷及び図３に示す凸部１９間の谷によって形成されるとともに、図３に示すプレート１１'の凹部１８の底面側へ突出する突出部１８ａ間の谷及び図４に示すプレート１１'の凸部１９管の谷によって形成される。
第２熱交換流路２２は、下方へ進むに従ってプレート１１''の側部側へ直線状に延びる凝縮流路２２ａと、下方へ進むに従ってＣＯ２導出孔１５側へ直線状に延びる排出流路２２ｂとを有して構成される。また、凝縮流路２２ａの延びる方向の傾き角度は排出流路２２ｂの延びる方向の傾き角度よりも小さくなるように構成されている。このため、ＣＯ２導入孔１３から供給されるＣＯ２ガス冷媒の流れは、最初は遅くなり、その後は速くなるようにすることができる。従って、ＣＯ２ガス冷媒からＮＨ３冷媒液への伝熱効果を高めることができるとともに、冷却されたＣＯ２冷媒液を迅速にＣＯ２導出孔１５に流すことができる。よって、伝熱効率の高い冷媒熱交換器１を提供することができる。
また、図３に示すプレート１１'に形成されたＣＯ２導入孔１３の下方にはＣＯ２導入孔１３から供給されるＣＯ２ガス冷媒の下方への移動を規制するための規制凹凸部２０'が形成されている。規制凹凸部２０'は、ＣＯ２導入孔１３の下部の外周を囲むように円弧状に形成されている。この規制凹凸部２０'は、プレート１１'の裏側から見ると凸状に形成されている。
また、図４に示すプレート１１''に形成されたＣＯ２導入孔１３の下方には規制凹凸部２０''が形成されている。この規制凹凸部２０''は、ＣＯ２導入孔１３の下部の外周を囲むように円弧状に形成され、プレート１１''の表側から見ると凸状に形成されている。これらのプレート１１'、１１''を重ねると、図３に示すプレートの規制凹凸部２０'の底部と図４に示すプレート１１''の規制凹凸部２０''とが接触して、ＣＯ２導入孔１３の下方に円弧状の壁が形成される。このため、ＣＯ２導入孔１３から供給されるＣＯ２ガス冷媒の下方への移動を規制することができる。したがって、ＣＯ２導入孔１３から供給されるＣＯ２ガス冷媒の流れを強制的にプレート１１'、１１''の幅方向外側へ移動させることができ、伝熱効率の低下を未然に防止することができる。
これらのプレート１１'、１１''は、積層された状態で複数のプレート１１'、１１''の外周を溶接等で接続して一体化される。凹凸部１７は、プレス加工によって形成される。
このように構成された冷媒熱交換器１は、ＣＯ２導入管５１から供給されるＣＯ２ガス冷媒がプレート１１'、１１''の第２熱交換流路２２を流れ、その間に第１熱交換流路２１を流れるＮＨ３液冷媒と熱交換してＣＯ２冷媒液となって第２熱交換流路２２を介してＣＯ２導出管５４から流出する。
このように、冷媒熱交換器１によれば、第２熱交換流路２２は、プレート積層方向視において、ＣＯ２導入管５１から下方へ進むに従ってプレート１１'、１１''の幅方向端部側へ延びて屈曲し、下方へ進むに従ってＣＯ２導出孔１５側へ延びるように構成され、第１熱交換流路２１は、プレート積層方向視において、ＣＯ２導出孔１５から上方へ進むに従ってプレート１１'、１１''の幅方向端部側に延びるように構成されている。このため、第１熱交換流路２１及び第２熱交換流路２２の構造は、ともに単純な構成である。よって、冷媒熱交換器１の構造を簡素化し、且つ製造コストの増大を抑制可能な冷媒熱交換器１を提供することができる。
また、隣接するプレート１１'、１１''同士を積層する際に、隣接する凹凸部１７の凸部１９間の谷及び凹部１８内の溝によって、第１熱交換流路２１及第２熱交換流路２２が形成されるので、冷媒熱交換器１の製造をより容易化することができる。
なお、前述した実施形態では、ＮＨ３散布管３３は、ＮＨ３導入管３２から屈曲して延びる短軸散布管３３ａと、短軸散布管３３ａの端部から屈曲して延びる長軸散布管３３ｂとを有して構成されるものを示したが（図２（ｂ）参照）、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、長軸散布管３３ｂをプレート重合体１０の軸方向長さと略同じ長さを有するものとし、長軸散布管３３ｂの長手方向中間部にＮＨ３導入管３２に連通してＮＨ３液冷媒を供給可能な連通管３５を接続してもよい。このように構成すると、プレート重合体１０にＮＨ３液冷媒をより均一に供給することができる。
１ 冷媒熱交換器
５ 中空容器
５ａ 内部空間
５ｂ 上壁
５ｃ、５ｄ 側壁
５ｅ 内壁面
１０ プレート重合体
１１、１１'、１１'' プレート
１１ａ 下側のプレート
１１ｂ 上側のプレート
１３ ＣＯ２導入孔
１５ ＣＯ２導出孔
１７ 凹凸部
１８ 凹部
１８ａ 突出部
１９ 凸部
２０ 規制凹凸部
２１ 第１熱交換流路
２２ 第２熱交換流路
２２ａ 凝縮流路
２２ｂ 排出流路
３０ ＮＨ３供給管
３１ ＮＨ３導入口
３２ ＮＨ３導入管
３３ ＮＨ３散布管
３３ａ 短軸散布管
３３ｂ 長軸散布管
３５ 連通管
４０ ＮＨ３排出管
４０ａ 開口部
４１ ＮＨ３導出口
５０ ＣＯ２導入口
５１ ＣＯ２導入管
５３ ＣＯ２導出口
５４ ＣＯ２導出管
Ｈ 水平線
Ｓ 軸心

Claims (4)

  1. 筒状に形成された中空容器と、該中空容器の内部下側に配置され、表裏面に複数の凹凸部が形成されたプレートを積層して、第１の冷媒が流れる第１熱交換流路及び第２の冷媒が流れる第２熱交換流路を形成するプレート重合体と、
    該プレート重合体の上方の前記中空容器の内部空間に配置され、前記第１の冷媒を前記プレート重合体に供給する供給管と、該供給管から供給された第１の冷媒を前記プレート重合体内を流通する第２の冷媒と熱交換して排出する排出管とを備え、
    前記プレート重合体の前記プレートの下側は、前記中空容器の内壁面に近接して沿って半円形状に形成され、前記プレートの上側は、前記半円形状の曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状に形成されている冷媒熱交換器であって、
    前記プレート重合体の上部には、プレート積層方向に延びて前記第２の冷媒が導入される第２導入孔が設けられ、前記プレート重合体の下部には、プレート積層方向に延びて前記第２の冷媒が導出される第２導出孔が設けられ、
    前記第２熱交換流路は、プレート積層方向視において、前記第２導入孔から下方へ進むに従って前記プレートの側部側へ延びて屈曲し、下方へ進むに従って前記第２導出孔側へ延びるように形成され、
    前記第１熱交換流路は、プレート積層方向視において、前記第２導出孔から上方へ進むに従って前記プレートの幅方向端部側に延びるように形成されている
    ことを特徴とする冷媒熱交換器。
  2. 前記プレート重合体は、隣接するプレートの夫々に形成された前記凹凸部同士を接触すると、隣接する凹凸部の凸部間の谷及び凹部内の溝によって、対応する前記第１熱交換流路及前記第２熱交換流路が形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒熱交換器。
  3. 前記第２熱交換流路は、下方へ進むに従って前記プレートの側部側へ直線状に延びる凝縮流路と、下方へ進むに従って前記第２導出孔側へ直線状に延びる排出流路とを有し、
    前記凝縮流路の延びる方向の傾き角度は前記排出流路の延びる方向の傾き角度よりも小さくなるように構成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の冷媒熱交換器。
  4. 前記プレートに形成された前記第２導入孔の下方には、該第２導入孔から供給される第２冷媒の下方への移動を規制するための規制凹凸部が形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒熱交換器。
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