JP2017156040A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】サイズ低減を図ることができる熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１０は、互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレートを有し、複数のプレートによって、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交互に形成された複数のプレート式熱交換器２０と、複数のプレート式熱交換器２０に、冷水を並列的に流通させる冷水供給路９０と、複数のプレート式熱交換器２０に、冷媒を直列的に順次流通させる冷媒供給路８０と、冷媒供給路８０における一対のプレート式熱交換器の間の箇所に設けられて、上流側のプレート式熱交換器から排出された冷媒から気相分を分離させる気液分離部３０と、を備え、冷媒の下流側に配置された前プレート式熱交換器ほど、プレートの数が少なくなっている。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換システムに関する。

冷凍機等の冷却装置用の蒸発器の一つにプレート式熱交換器がある。プレート式熱交換器は熱交換器の体積当たりの流路断面積が大きいため、熱伝達率が高く、熱交換器自体のサイズ低減を図ることができる。

このようなプレート式熱交換器として、以下の特許文献１に記載のプレート式熱交換器が知られている。このプレート式熱交換器は、プレート式熱交換器の内部に導入された冷水と冷媒との熱交換を行う。導入された冷媒は、冷水からの熱を吸収することによって蒸発し、冷媒ガスとなり、プレート式熱交換器から排出される。

特許第３６５８６７７号公報

しかしながら、上記特許文献１のようなプレート式熱交換器は、冷媒である冷媒液を蒸発させて冷媒ガスにして排出する構成である。このため、熱交換途中において、冷媒は、冷媒液と冷媒ガスとが混合した二相流状態となる。プレート式熱交換器内における冷媒の蒸発が進むと、二相流状態の冷媒のうち、冷媒液に対する冷媒ガスの割合が高くなり過ぎるため、熱伝達率が極端に低下する。その結果、過剰の伝熱面積が必要となり、熱交換器自体のサイズが大きくなってしまう。

本発明の熱交換システムによれば、サイズ低減を図ることができる熱交換システムを提供することを目的とする。

第１の態様の熱交換システムは、互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレートを有し、前記複数のプレートによって、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交互に形成された複数のプレート式熱交換器と、前記複数のプレート式熱交換器に、前記冷水を並列的に流通させる冷水供給路と、前記複数のプレート式熱交換器に、前記冷媒を直列的に順次流通させる冷媒供給路と、前記冷媒供給路における一対の前記プレート式熱交換器の間の箇所に設けられて、上流側の前記プレート式熱交換器から排出された冷媒から気相分を分離させる気液分離部と、を備え、前記冷媒の下流側に配置された前記プレート式熱交換器ほど、前記プレートの数が少ない。

本態様では、一対のプレート式熱交換器の間の箇所で二相流の冷媒の気液分離を行い、分離された液体の冷媒を下流側に配置されたプレートの数が少ないプレート式熱交換器でさらに蒸発させるため、限られた面積空間の中で冷媒から冷水への熱交換を充分に行うことができる。

第２の態様の熱交換システムは、前記複数のプレート式熱交換器の各プレート式熱交換器のプレートの長さは同じであって、前記各プレート式熱交換器のプレートの数は、前記冷媒の下流側に配置された前記プレート式熱交換器になるにしたがって、等比で少なくなる第１の態様の熱交換システムである。

本態様では、すべてプレート式熱交換器で同じ伝熱性能とすることが可能となる。

第３の態様の熱交換システムは、前記間隔は、前記各プレート式熱交換器において互いに等しい第１又は第２の態様の熱交換システムである。

本態様では、プレート式熱交換器を組み立て部品が共通化されるために、製造工程を単純化できるとともに、生産コストを抑えることができる。

第４の態様の熱交換システムは、前記間隔は、前記複数のプレート式熱交換器にわたって互いに等しい第３の態様の熱交換システムである。

本態様では、プレート式熱交換器を組み立て部品が共通化されるために、製造工程をさらに単純化できるとともに、生産コストを抑えることができる。

第５の態様の熱交換システムは、前記複数のプレート式熱交換器において、前記冷媒が流通する前記冷媒流路と前記冷水が流通する前記冷水流路とが対向配置された第１から第４のいずれか態様の熱交換システムである。

本態様では、対向流型熱交換を利用した熱交換システムを提供でき、対向流配置における冷媒流路及び冷水流路の取り回しが可能となる。

第６の態様の熱交換システムは、前記複数のプレート式熱交換器において、前記冷媒が流通する前記冷媒流路と前記冷水が流通する前記冷水流路とが交差配置された第１から第４のいずれか態様の熱交換システムである。

本態様では、交差流型熱交換を利用した熱交換システムを提供でき、交差流配置における冷媒流路及び冷水流路の取り回しが可能となる。

サイズ低減した熱交換システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態の熱交換システム１０における冷水と冷媒との間での熱交換の概念を示す説明図である。 対向流型のプレート式熱交換器９２０の構造を説明する図である。 プレート式熱交換器９２０の熱伝達率曲線を示すグラフである。 本発明に係る第一実施形態における熱交換システム１０の構造を示す図である。 本発明に係る第一実施形態における第一プレート式熱交換器１２０の斜視図である。 本発明に係る第二実施形態における熱交換システム１０´の構造を示す図である。

以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を用いて説明する。

「第一実施形態」
本発明に係る熱交換システムの第一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は、本実施形態の熱交換システム１０における、冷水と冷媒との間の熱交換の概念を示したものである。

熱交換システム１０は、冷媒液Ｃｌを導入する冷媒入口４０、冷水Ｗｉを導入する冷水入口５０、冷媒ガスＣｇ（又は冷媒液Ｃｌを一部含む冷媒ガスＣｇ）を排出する冷媒出口６０、冷水Ｗｏを排出する冷水出口７０及びプレート式熱交換器２０を備えている。

本実施形態の場合、冷媒入口４０から飽和液である冷媒液Ｃｌで導入され、飽和ガスである冷媒ガスＣｇを冷媒出口６０から排出するように構成されている。すなわち、プレート式熱交換器２０に導入された冷媒の冷媒液Ｃｌは、プレート式熱交換器２０に導入された冷水からの熱を吸収することによって蒸発してガスとなり、プレート式熱交換器から冷媒ガスＣｇとして排出される。熱交換システム１０を冷凍機に用いる場合、冷媒出口６０へ排出された冷媒ガスＣｇは、圧縮機へ導かれる。

一方、冷水入口５０から導入された冷水Ｗｉは、プレート式熱交換器２０に導入された冷媒液Ｃｌに熱を奪われることにより冷却されて、冷水出口７０から冷水Ｗｏとして排出される。

本実施形態の熱交換システム１０は、複数のプレート式熱交換器２０を備えており、第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０は、いずれも対向流型のプレート式熱交換器となっている。

ここで、熱交換システム１０の詳しい構造を説明する前に、複数のプレート式熱交換器２０ではなく、一つのプレート式熱交換器９２０で構成した熱交換システムについて説明する。プレート式熱交換器９２０は、例えば、第一プレート式熱交換器１２０と基本構造は同じであるが、Ｘ軸方向の長さが異なっている。冷媒液Ｃｌを充分に気化できるように、プレート式熱交換器９２０のＸ軸方向の長さは、Ｌｆとなっている。

図２によって、対向流型のプレート式熱交換器９２０の構造を簡単に説明する。図２に示すように、プレート式熱交換器９２０のうち、溶媒の上流端を、第一端９２０ａとし、溶媒の下流端を第二端９２０ｂとする。第一端９２０ａにおいて、冷媒液Ｃｌを導入する冷媒導入路９８０が接続され、第二端９２０ｂにおいて、冷媒ガスＣｇを排出する冷媒排出路９６０が接続されている。また、第一端９２０ａにおいて、冷水Ｗｏを排出する冷水排出路９７０が接続され、第二端９２０ｂにおいて、冷水Ｗｉを導入する冷水導入路９５０が接続されている。

対向流型のプレート式熱交換器９２０は、複数のプレート９２１を備えている。複数のプレート９２１は、熱伝導材料で構成され、プレート両面間で熱交換可能となっている。複数のプレート９２１が互いに間隔をあけて積層配置されることによって、プレート式熱交換器９２０内部に、積層された複数の流路が形成される。さらに、冷媒と冷水とが互いに対向方向に流れるように、積層された複数の流路に対し、冷媒と冷水とが交互に流される。

複数のプレート９２１には、順にプレート９２１ａ、９２１ｂ、９２１ｃ、９２１ｄ、９２１ｅからなり、互いに間隔をあけて積層配置されている。したがって、積層配置された各プレートの間に、順に流路９２２ａｂ、流路９２２ｂｃ、流路９２２ｃｄ、流路９２２ｄｅが形成されている。図２に示すように、冷媒導入路９８０から冷媒排出路９６０に向かって、流路９２２ａｂ、流路９２２ｃｄに冷媒が流され、冷水導入路９５０から冷水排出路９７０に向かって、流路９２２ｂｃ、流路９２２ｄｅに冷水が流される。プレート式熱交換器９２０内に流される冷媒及び冷水は互いに、熱伝導材料であるプレート９２１ｂ、９２１ｃ、９２１ｄを介して熱交換が行われる。

冷媒と冷水との熱交換に関して説明を加える。
冷媒は、第一端９２０ａに飽和液（蒸発寸前の液体）の状態で供給される。供給された冷媒は、冷媒の流れる方向ｆｃ（図２のＸ軸逆方向）に向かうに従って冷水との熱交換が進む。熱交換が進むことによって、冷媒の蒸発が進み、冷媒に含まれる冷媒ガスの割合が多くなる。

流れる冷媒全体に対する気相の冷媒（冷媒ガス）の割合は、クオリティχと呼ばれ、以下の式（１）で表される。

χ＝Ｇｇ／（Ｇｇ＋Ｇｌ）＝Ｇｇ／Ｇ ・・・（１）

ここで、Ｇは流れる冷媒全体の質量流量、Ｇｇは当該冷媒全体のうちの気相の冷媒の質量流量、Ｇｌは当該冷媒全体のうち液相の冷媒（冷媒液）の質量流量を表す。冷媒の蒸発が進むと、冷媒全体の質量流量Ｇのうち、気相の冷媒の質量流量Ｇｇが大きくなるため、クオリティχが大きくなり１に近づいてくる。

図３は、プレート式熱交換器９２０内における冷媒の流れる方向ｆｃに平行な方向（Ｘ軸方向）の各位置と、冷媒と冷水との間の熱伝達率ｈ（［Ｗ／Ｋ・ｍ^２］）との関係を示したグラフである。プレート式熱交換器９２０内の冷媒は、第一端９２０ａから第二端９２０ｂに向かって蒸発が進む。蒸発が進むと流れる冷媒全体に対する気相の冷媒の割合が高くなるので、冷媒のクオリティχが大きくなる。

よって、プレート式熱交換器９２０内において、冷媒のクオリティχは、第一端９２０ａから第二端９２０ｂに向かって（Ｘ軸逆方向に向かって）高くなるように分布し、第二端９２０ｂにおいて、最も高くなる。

他方、プレート式熱交換器９２０内において、第一端９２０ａからプレート式熱交換器９２０中央に向かって、熱伝達率ｈは高くなり、プレート式熱交換器９２０中央付近でピークを示す。さらに、プレート式熱交換器９２０中央から第二端９２０ｂに向かって、熱伝達率ｈは極端に減少した後、一定値に向かって漸減する。ここで、冷媒の流れの速さ、冷媒の温度、冷媒の種類（水、油等）によってピークのＸ軸位置は変わる。

このとき、プレート式熱交換器９２０のうち、熱伝達率ｈがピークを示すプレート式熱交換器９２０中央から第一端９２０ａまでの領域を低クオリティ領域ＱＬとし、熱伝達率ｈがピークを示すプレート式熱交換器９２０中央から第二端９２０ｂまでの領域を高クオリティ領域ＱＨとする。

高クオリティ領域ＱＨにおいて、冷媒の流れる方向ｆｃに向かうほど、冷媒の蒸発は一層進み、冷媒は噴霧流の状態（気相の中に液滴が分散して存在する状態）へと変化する。冷媒が噴霧流となると、空間中の冷媒の液滴が少なくなることで、伝熱面積が小さくなったり、プレートの壁面と接触する冷媒の液滴の面積が小さくなったりすることで、伝達効率が極端に低下する。この結果、高クオリティ領域ＱＨにおいて、冷媒の熱伝達率ｈは、冷媒の流れる方向ｆｃに向かって極端に減少する。図３に、プレート式熱交換器９２０の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉを示す。熱伝達率ｈは変曲点Ｐｉ前後において極端に減少する。第一端９２０ａから第二端９２０ｂまでの距離をＬｆとすると、第一端９２０ａから変曲点Ｐｉ前後までの距離はＬｓとなっている。

また、低クオリティ領域ＱＬにおいて、噴霧流に至らない程度に冷媒の蒸発が進み、冷媒の体積流量が大きくなるため、冷媒の熱伝達率ｈは上昇する。この結果、図３のグラフに示されるように、低クオリティ領域ＱＬでは、冷媒の流れる方向ｆｃに向かって、冷媒の熱伝達率ｈは緩やかに上昇する。

特に高クオリティ領域ＱＨの熱伝達率ｈが極端に低くなった領域は、他の領域に比べて熱交換効率が劣っている。この結果、プレート式熱交換器９２０に、過剰の伝熱面積が必要となり、プレート式熱交換器９２０のサイズが大きくなってしまう。

そこで、以下の図４に示す本実施形態の熱交換システム１０の構成とすることで、プレート式熱交換器９２０の過剰の伝熱面積にわたる熱交換が必要なくなり、プレート式熱交換器９２０のＸ軸方向の長さを短くすることができる。

本実施形態の熱交換システム１０の構造について説明する。

図４に示すように、本実施形態の熱交換システム１０は、複数のプレート式熱交換器２０と、複数のプレート式熱交換器２０に、冷水を並列的に流通させる冷水供給路９０と、複数のプレート式熱交換器２０に、冷媒を直列的に順次流通させる冷媒供給路８０と、冷媒から気相分を分離させる気液分離部３０とを備えている。

また、熱交換システム１０は、第三冷媒排出路３６０、冷媒出口６０を備えている。さらに、熱交換システム１０は、第一冷水排出路１７０、第二冷水排出路２７０、第三冷水排出路３７０、及び冷水出口７０を備えている。図４に示すように、第一冷水排出路１７０は、第一プレート式熱交換器１２０に分岐接続され、第二冷水排出路２７０は、第二プレート式熱交換器２２０に分岐接続されている。必要であれば、第三冷水排出路３７０を第三プレート式熱交換器３２０に分岐接続させてもよい。

プレート式熱交換器２０の構造について説明する。

プレート式熱交換器２０は、第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０を備えている。本実施形態では、各プレート式熱交換器として、図２で説明したような対向流型のプレート式熱交換器を用いる。

第一プレート式熱交換器１２０は、等しい間隔で積層された複数のプレート１２１を備えている。第二プレート式熱交換器２２０も、等しい間隔で積層された複数のプレート２２１を備えている。第三プレート式熱交換器３２０も、等しい間隔で積層された複数のプレート３２１を備えている。各プレート式熱交換器における複数のプレートの間隔を互いに等しくすれば、プレート式熱交換器の組み立て部品が共通化されるために、製造工程を単純化できるとともに、生産コストを抑えることができる。複数のプレート１２１、２２１及び３２１は、いずれも熱伝導材料で構成され、プレート両面間で熱交換可能となっている。

さらに、本実施形態において、複数のプレート１２１の間隔、複数のプレート２２１の間隔及び複数のプレート３２１の間隔は、互いに等しくなるように構成されている。

したがって、本実施形態は、複数のプレート式熱交換器にわたって、複数のプレートの間隔が全て等しくなるように構成されている。複数のプレートの間隔を全て等しくすれば、プレート式熱交換器の組み立て部品がより共通化されるために、製造工程をより単純化できるとともに、生産コストをより抑えることができる。

さらに、対向流型のプレート式熱交換器９２０と同様に、第一プレート式熱交換器１２０は、内部に積層形成された複数の流路を備えている。熱交換システム１０は、第一プレート式熱交換器１２０内部の積層形成された複数の流路に対し、冷媒と冷水とを互いに対向方向に流している。さらに、熱交換システム１０は、第一プレート式熱交換器１２０内部の積層形成された複数の流路に対し、冷媒と冷水と積層方向に交互に流している。したがって、第一プレート式熱交換器１２０内部に、冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉとが、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、第一プレート式熱交換器１２０は、対向流型のプレート式熱交換器を構成している。

よって、第一プレート式熱交換器１２０に導入された冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉとは、第一プレート式熱交換器１２０内部において、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、互いに熱交換を行う。熱交換された冷媒液Ｃｌは、冷水Ｗｉの熱を吸収して（冷水Ｗｉに加熱されて）二相流状態の冷媒Ｃｍに変換されて、第一プレート式熱交換器１２０から排出される。熱交換された冷水Ｗｉは、冷媒液Ｃｌに熱を放出して（冷媒液Ｃｌに冷却されて）冷水Ｗｏとなり、第一プレート式熱交換器１２０から排出される。

第二プレート式熱交換器２２０も、第一プレート式熱交換器１２０と同様に、内部に積層形成された複数の流路を備えている。同様に、第二プレート式熱交換器２２０内部に、冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉとが、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、第二プレート式熱交換器２２０は、対向流型のプレート式熱交換器を構成している。冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉは、第二プレート式熱交換器２２０内部において、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、互いに熱交換を行う。熱交換された冷媒液Ｃｌは、二相流状態の冷媒Ｃｍに変換されて、第二プレート式熱交換器２２０から排出される。熱交換された冷水Ｗｉは、冷水Ｗｏとなり、第二プレート式熱交換器２２０から排出される。

第三プレート式熱交換器３２０も、第一プレート式熱交換器１２０と同様に、内部に積層形成された複数の流路を備えている。同様に、第三プレート式熱交換器３２０内部に、冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉとが、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、第三プレート式熱交換器３２０は、対向流型のプレート式熱交換器を構成している。冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉは、第三プレート式熱交換器３２０内部において、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、互いに熱交換を行う。熱交換された冷媒液Ｃｌは、二相流状態の冷媒Ｃｍに変換されて、第三プレート式熱交換器３２０から排出される。熱交換された冷水Ｗｉは、冷水Ｗｏとなり、第三プレート式熱交換器３２０から排出される。

冷媒の経路の構成について説明する。

冷媒供給路８０は、冷媒入口４０、第一冷媒導入路１４０、第二冷媒導入路２４０、第三冷媒導入路３４０、第一冷媒排出路１６０、第二冷媒排出路２６０を備えている。図４に示すように、第一冷媒導入路１４０及び第一冷媒排出路１６０は、第一プレート式熱交換器１２０に分岐接続されている。第二冷媒導入路２４０及び第二冷媒排出路２６０は、第二プレート式熱交換器２２０に分岐接続されている。必要であれば、第三冷媒導入路３４０を第三プレート式熱交換器３２０に分岐接続させてもよい。

熱交換システム１０で熱交換される冷媒液（飽和液）が、熱交換システム１０に導入される。熱交換システム１０に導入される冷媒液Ｃｌは、冷媒入口４０から導入される。第一冷媒導入路１４０の上流端は、冷媒入口４０に接続されている。よって、冷媒入口４０へ導入された冷媒は、第一冷媒導入路１４０へ導入される。

第一冷媒導入路１４０の下流端は、第一プレート式熱交換器１２０の第一端１２０ａにおいて、第一プレート式熱交換器１２０へ接続されている。よって、冷媒液Ｃｌは、第一冷媒導入路１４０を介して、冷媒入口４０から第一プレート式熱交換器１２０へ導入される。第一冷媒排出路１６０の上流端は、第一プレート式熱交換器１２０の第二端１２０ｂにおいて、第一プレート式熱交換器１２０へ接続されている。よって、第一プレート式熱交換器１２０は、第一冷媒排出路１６０へ二相流状態の冷媒Ｃｍを排出する。

第一冷媒排出路１６０の下流端は、後で説明する第一気液分離部１３０を介して、第二冷媒導入路２４０の上流端へ接続されている。よって、第一プレート式熱交換器１２０から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍのうち、冷媒液Ｃｌは、第一冷媒排出路１６０及び第一気液分離部１３０を介して、第二冷媒導入路２４０の上流端へ導入される。

第二冷媒導入路２４０の下流端は、第二プレート式熱交換器２２０の第一端２２０ａにおいて、第二プレート式熱交換器２２０へ接続されている。よって、冷媒液Ｃｌは、第二冷媒導入路２４０を介して、第二プレート式熱交換器２２０へ導入される。第二冷媒排出路２６０の上流端は、第二プレート式熱交換器２２０の第二端２２０ｂにおいて、第二プレート式熱交換器２２０へ接続されている。よって、第二プレート式熱交換器２２０は、第二冷媒排出路２６０へ二相流状態の冷媒Ｃｍを排出する。

第二冷媒排出路２６０の下流端は、後で説明する第二気液分離部２３０を介して、第三冷媒導入路３４０の上流端へ接続されている。よって、第二プレート式熱交換器２２０から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍのうち、冷媒液Ｃｌは、第二冷媒排出路２６０及び第二気液分離部２３０を介して、第三冷媒導入路３４０の上流端へ導入される。

第三冷媒導入路３４０の下流端は、第三プレート式熱交換器３２０の第一端３２０ａにおいて、第三プレート式熱交換器３２０へ接続されている。よって、冷媒液Ｃｌは、第三冷媒導入路３４０を介して、第三プレート式熱交換器３２０へ導入される。第三冷媒排出路３６０の上流端は、第三プレート式熱交換器３２０の第二端３２０ｂにおいて、第三プレート式熱交換器３２０へ接続されている。よって、第三プレート式熱交換器３２０は、第三冷媒排出路３６０へ冷媒液Ｃｌを一部含む冷媒ガスＣｇ（二相流状態の冷媒Ｃｍ）を排出する。

図４では、第三冷媒排出路３６０を第三プレート式熱交換器３２０に分岐接続させていないが、必要であれば、第三冷媒排出路３６０を第三プレート式熱交換器３２０に分岐接続させてもよい。

第三冷媒排出路３６０の下流端は、冷媒出口６０に接続されている。よって、第三プレート式熱交換器３２０から排出された冷媒液Ｃｌを一部含む冷媒ガスＣｇは、第三冷媒排出路３６０を介して、冷媒出口６０へ排出される。

このように、図４に示すとおり、熱交換システム１０に導入された冷媒は、冷媒入口４０→第一冷媒導入路１４０→第一冷媒排出路１６０→第二冷媒導入路２４０→第二冷媒排出路２６０→第三冷媒導入路３４０→第三冷媒排出路３６０→冷媒出口６０を順に経由する。したがって、熱交換システム１０の冷媒供給路８０は、第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０に対して直列的に冷媒を流通させている。

冷水供給路９０は、冷水入口５０、第一冷水導入路１５０、第二冷水導入路２５０、第三冷水導入路３５０を備え、冷水入口５０から第一冷水導入路１５０、第二冷水導入路２５０及び第三冷水導入路３５０へ分岐するように構成されている。図４に示すように、第一冷水導入路１５０は、第一プレート式熱交換器１２０に分岐接続されており、第二冷水導入路２５０は、第二プレート式熱交換器２２０に分岐接続されている。必要であれば、第三冷水導入路３５０を第三プレート式熱交換器３２０に分岐接続させてもよい。

熱交換システム１０で熱交換される冷水Ｗｉが、熱交換システム１０に導入される。熱交換システム１０に導入される冷水Ｗｉは、冷水入口５０から導入される。第一冷水導入路１５０の上流端は、冷水入口５０に接続されている。よって、冷水入口５０へ導入された冷水Ｗｉは、第一冷水導入路１５０へ導入される。

第一冷水導入路１５０の下流端は、第一プレート式熱交換器１２０の第二端１２０ｂにおいて、第一プレート式熱交換器１２０に接続されている。よって、冷水Ｗｉは、第一冷水導入路１５０を介して、冷水入口５０から第一プレート式熱交換器１２０へ導入される。第一プレート式熱交換器１２０の第一端１２０ａにおいて、第一プレート式熱交換器１２０へ第一冷水排出路１７０の上流端が接続されている。よって、冷水Ｗｏは、第一冷水排出路１７０を介して、第一プレート式熱交換器１２０から排出される。

第二冷水導入路２５０の下流端は、第二プレート式熱交換器２２０の第二端２２０ｂにおいて、第二プレート式熱交換器２２０に接続されている。よって、冷水Ｗｉは、第二冷水導入路２５０を介して、冷水入口５０から第二プレート式熱交換器２２０へ導入される。第二プレート式熱交換器２２０の第一端２２０ａにおいて、第二プレート式熱交換器２２０へ第二冷水排出路２７０の上流端が接続されている。よって、冷水Ｗｏは、第二冷水排出路２７０を介して、第二プレート式熱交換器２２０から排出される。

第三冷水導入路３５０の下流端は、第三プレート式熱交換器３２０の第二端３２０ｂにおいて、第三プレート式熱交換器３２０に接続されている。よって、冷水Ｗｉは、第三冷水導入路３５０を介して、冷水入口５０から第三プレート式熱交換器３２０へ導入される。第三プレート式熱交換器３２０の第一端３２０ａにおいて、第三プレート式熱交換器３２０へ第三冷水排出路３７０の上流端が接続されている。よって、冷水Ｗｏは、第三冷水排出路３７０を介して、第三プレート式熱交換器３２０から排出される。

第一冷水排出路１７０、第二冷水排出路２７０及び第三冷水排出路３７０は、合流するように冷水出口７０に接続されている。よって、複数のプレート式熱交換器２０から排出された冷水Ｗｏは、第一冷水排出路１７０、第二冷水排出路２７０及び第三冷水排出路３７０を介して合流され、冷水出口７０へ排出される。

このように、図４に示すとおり、熱交換システム１０に導入された冷水は、冷水入口５０から、分岐する第一冷水導入路１５０、第二冷水導入路２５０及び第三冷水導入路３５０→合流する第一冷水排出路１７０、第二冷水排出路２７０及び第三冷水排出路３７０→冷水出口７０を経由する。したがって、熱交換システム１０の冷水供給路９０は、第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０に対して並列的に冷水を流通させている。

気液分離部３０及びその周辺の構成について説明する。

熱交換システム１０は、気液分離部３０として、第一気液分離部１３０及び第二気液分離部２３０を備えている。

第一気液分離部１３０は、第一冷媒排出路１６０の下流端と第二冷媒導入路２４０の上流端との間に設けられ、第一プレート式熱交換器１２０から第一冷媒排出路１６０へ排出された二相流状態の（気液相からなる）冷媒Ｃｍを、冷媒ガスＣｇ（気相成分）と冷媒液Ｃｌ（液相成分）とに分離する。

第一気液分離部１３０で分離された冷媒液Ｃｌは、第二冷媒導入路２４０を介して、第二プレート式熱交換器２２０へ導入され、再び冷媒液Ｃｌとして利用される。第一気液分離部１３０で分離された冷媒ガスＣｇは、第一冷媒ガス排出路１６１を介して、冷媒出口６０へ排出される。

第二気液分離部２３０は、第二冷媒排出路２６０の下流端と第三冷媒導入路３４０の上流端との間に設けられ、第二プレート式熱交換器２２０から第二冷媒排出路２６０へ排出された二相流状態の冷媒Ｃｍを冷媒ガスＣｇ（気相成分）と冷媒液Ｃｌ（液相成分）とに分離する。

第二気液分離部２３０で分離された冷媒液Ｃｌは、第三冷媒導入路３４０を介して、第三プレート式熱交換器３２０へ導入され、再び冷媒液Ｃｌとして利用される。第二気液分離部２３０で分離された冷媒ガスＣｇは、第二冷媒ガス排出路２６１を介して、冷媒出口６０へ排出される。

第三プレート式熱交換器３２０へ導入された冷媒液Ｃｌは、第三プレート式熱交換器３２０内での熱交換によって蒸発（気化）して、冷媒液Ｃｌを一部含む冷媒ガスＣｇ（二相流状態の冷媒Ｃｍ）となり、第三冷媒排出路３６０を介して冷媒出口６０へ排出される。

複数のプレート式熱交換器２０の長さ及び複数のプレート式熱交換器２０のプレートの積層数について説明する。

本実施形態の熱交換システム１０は、複数のプレート式熱交換器２０の間で気液分離を行うことで、冷媒ガスＣｇ（気相成分）を排出しながら、熱交換を行っている。冷媒ガスＣｇを排出しながら熱交換を行っているので、例えば、第一プレート式熱交換器１２０だけで充分気化する必要がない。したがって、次に示すとおり第一プレート式熱交換器１２０のうち、高クオリティ領域ＱＨに対応する部分を縮小することが可能である。

すなわち、一つのプレート式熱交換器で冷媒液Ｃｌを充分に気化し、冷媒ガスＣｇにして排出する場合、必要なプレート式熱交換器の長さは、Ｌｆとなる。図３に示すように、高クオリティ領域ＱＨのうち、熱伝達率ｈが極端に低くなった領域は、他の領域に比べて熱交換効率が劣っており、熱交換器全体からみて有効利用できていない領域である。これに対し、本実施形態の第一プレート式熱交換器１２０は、二相流状態の冷媒Ｃｍを排出するから、長さＬｆとする必要がない。よって、本実施形態の第一プレート式熱交換器１２０は、高クオリティ領域ＱＨのうち、有効利用できていない領域に対応する部分を省いた構成とすることができる。

したがって、本実施形態の第一プレート式熱交換器１２０の長さは、図５に示すように、Ｌｆより短いＬｓとしている。第一プレート式熱交換器１２０の長さＬｓは、第一プレート式熱交換器１２０の第一端１２０ａのＸ軸位置から、第一プレート式熱交換器１２０の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉ前後のＸ軸位置までの距離に等しい。本実施形態の場合、第二プレート式熱交換器２２０の長さも同様に、Ｌｓとできる。

さらに、第三プレート式熱交換器３２０が二相流状態の冷媒Ｃｍを排出することが許容される場合、第三プレート式熱交換器３２０も、有効利用できていない領域を縮小することができ、第三プレート式熱交換器３２０の長さもＬｓとできる。

プレート式熱交換器のプレートの積層数は、次に示すとおり、下流側に配置されたプレート式熱交換器ほど、少なくすることができる。

第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０、第三プレート式熱交換器３２０のそれぞれのプレートの積層数を、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３とする。このとき、長さＬｓの各プレート式熱交換器は、いずれも同じクオリティχの冷媒を排出しているものとする。

第一プレート式熱交換器１２０に質量流量Ｇの冷媒液Ｃｌが導入された場合、クオリティχで排出された二相流状態の冷媒Ｃｍを、気液分離すると、分離された冷媒ガス（飽和蒸気）Ｃｇの質量流量はＧ×χとなる。他方、分離された冷媒液Ｃｌ（飽和液）の質量流量はＧ×（１−χ）となる。

この場合、第一プレート式熱交換器１２０へ質量流量Ｇの冷媒液Ｃｌが導入され、第二プレート式熱交換器２２０へ質量流量Ｇ×（１−χ）の冷媒液Ｃｌが導入される。したがって、第一プレート式熱交換器１２０のプレート積層数をＮ１とすると、第二プレート式熱交換器２２０のプレート積層数を、Ｎ２＝Ｎ１×（１−χ）とすることで、第一プレート式熱交換器１２０及び第二プレート式熱交換器２２０は、同じ熱伝達性能となる。

同様に、第三プレート式熱交換器３２０のプレート積層数を、Ｎ３＝Ｎ１×（１−χ）^２とすれば、第一プレート式熱交換器１２０、第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０は同じ伝熱性能となる。

すなわち、第Ｍプレート式熱交換器の積層数は、ＮＭ＝Ｎ１×（１−χ）^Ｍ−１とし、第一プレート式熱交換器１２０から第Ｍプレート式熱交換器に向かって、積層数が等比で少なくなるように構成すれば、すべてプレート式熱交換器で同じ伝熱性能とすることが可能となる。

ただし、最終段だけは、二相流状態の冷媒Ｃｍを排出することになる。

以上のとおり、本実施形態では、プレート式熱交換器のＸ軸方向の長さを短くすることができるので、限られた面積空間の中に適用できる熱交換システムを構成することができる。

さらに、本実施形態では、第一プレート式熱交換器１２０から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍから冷媒ガスＣｇを分離した冷媒液Ｃｌ、すなわち飽和液を、第二プレート式熱交換器２２０の冷媒に利用している。同様に、第二プレート式熱交換器２２０から排出された飽和液を、第三プレート式熱交換器３２０の冷媒に利用している。
したがって、飽和液からなる冷媒液Ｃｌを第二プレート式熱交換器２２０及び第三プレート式熱交換器３２０に導入できるので、効率のよい熱交換が可能であるという相乗効果を有する。

「第二実施形態」
本発明に係る熱交換システムの第二実施形態について、図６を参照して説明する。

本実施形態の熱交換システム１０´の構造は、第一実施形態の構造と基本的に同じであるが、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交差配置されている点が異なる。特に本実施形態では、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが直交配置されている。その他の構成については第二実施形態と同様である。

図６に示すように、本実施形態の熱交換システム１０´は、複数のプレート式熱交換器２０´と、複数のプレート式熱交換器２０´に冷水を並列的に流通させる冷水供給路９０´と、複数のプレート式熱交換器２０´に冷媒を直列的に順次流通させる冷媒供給路８０と、冷媒から気相分を分離させる気液分離部３０とを備えている。

さらに、熱交換システム１０´は、第一冷水排出路１７０´、第二冷水排出路２７０´、第三冷水排出路３７０´、及び冷水出口７０を備えている。

冷水供給路９０´は、冷水入口５０´、第一冷水導入路１５０´、第二冷水導入路２５０´、及び第三冷水導入路３５０´を備えている。

複数のプレート式熱交換器２０´は、第一プレート式熱交換器１２０´、第二プレート式熱交換器２２０´及び第三プレート式熱交換器３２０´を備えている。本実施形態では、各プレート式熱交換器として、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが直交配置されている直交流型のプレート式熱交換器を用いる。

第一冷水導入路１５０´は、図６に示すように、第一プレート式熱交換器１２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続されている。同様に、第二冷水導入路２５０´は、第二プレート式熱交換器２２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続されている。第三冷水導入路３５０´は、第三プレート式熱交換器３２０´に対して、Ｘ軸方向に分岐接続されている。各冷水導入路は、各プレート式熱交換器の紙面手前側（Ｙ軸順方向側）のＸＺ側面に接続されている。

同様に、第一冷水排出路１７０´は、図６に示すように、第一プレート式熱交換器１２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続されている。同様に、第二冷水排出路２７０´は、第二プレート式熱交換器２２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続されている。第三冷水排出路３７０´は、第三プレート式熱交換器３２０´に対して、Ｘ軸方向に分岐接続されている。各冷水排水路は、各プレート式熱交換器の紙面奥側（Ｙ軸逆方向側）のＸＺ側面に接続されている。

さらに、第三冷水導入路３５０´を、第三プレート式熱交換器３２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続しても構わない。同様に、第三冷水排出路３７０´を、それぞれ第三プレート式熱交換器３２０´に対して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐接続しても構わない。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本実施形態では、各プレート式熱交換器における複数のプレートの間隔や複数のプレート式熱交換器にわたる複数のプレートの間隔は、組み立て部品の共通化、製造工程の単純化が重要でないときは、等しい間隔でなくても構わない。
また、各プレート式熱交換器における冷水流路のプレートの間隔と、冷媒流路のプレートの間隔は、それぞれ異なっていてもよい。

本実施形態の場合、第三プレート式熱交換器３２０から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍが、第三冷媒排出路３６０を介して冷媒出口６０へ排出されている。すなわち、最終段のプレート式熱交換器から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍが、冷媒出口へ排出されている。この場合、冷媒出口は、少しの冷媒液Ｃｌを含む冷媒ガスＣｇを排出することとなる。
もし、少しの冷媒液Ｃｌの排出が許容されない場合は、最終段のプレート式熱交換器だけ熱交換性能を高くしたり、最終段のプレート式熱交換器と冷媒出口との間にも気液分離部を配置したりすることによって、第三プレート式熱交換器３２０が冷媒ガスＣｇを排出するように構成すればよい。
最終段のプレート式熱交換器だけ熱交換性能を高くするには、最終段のプレート式熱交換器だけプレートの層数を少し増やしたり（ＮＭ＝Ｎ１×（１−χ）^Ｍ−１＋ΔＮとしたり）、最終段のプレート式熱交換器だけプレートの長さを少し増やしたり（Ｌｓ＋ΔＬとしたり）すればよい。
また、複数のプレート式熱交換器の数（段数）を増やせば、最終段のプレート式熱交換器から排出される冷媒ガスＣｇに含まれる冷媒液Ｃｌの量（質量流量）を減らすことができる。

本実施形態は、気液分離部で二相流状態の冷媒Ｃｍを、冷媒ガスＣｇと冷媒液Ｃｌとに分離しているが、二相流状態の冷媒Ｃｍを、冷媒ガスＣｇと二相流状態の冷媒Ｃｍに分離して、冷媒ガスＣｇを分離した二相流状態の冷媒Ｃｍを次段のプレート式熱交換器に導入するものとしてもよい。このように構成することによって、厳密な気相と液相と分離が要求されないため、装置調整や装置構成の簡略化や廉価化が可能となる。

各冷媒導入路、冷媒排出路、冷水導入路及び冷水排出路と各プレート式熱交換器との分岐接続について、実施形態では、図４、図６に示すように、各プレート式熱交換器の外部で分岐して接続しているが、各プレート式熱交換器の外部で分岐せず接続し、各プレート式熱交換器の内部で分岐するものであってもよい。

各プレート式熱交換器内において、冷水流路を流通する冷水の温度が、図４、図６の紙面手前側と奥側とで（Ｙ軸方向で）異なる場合がある。この場合、高クオリティ領域ＱＨと低クオリティ領域ＱＬの界面のＸ軸位置が、図４、図６の紙面手前側と奥側とで異なる。
特に第二実施形態では、冷水流路の下流となる奥側の界面が、手前側の界面に比べて、冷媒の流れる方向ｆｃの下流側へシフトする傾向がある。
このような場合、奥側に供給する冷媒液Ｃｌの質量流量を、手前側に供給する冷媒液Ｃｌの質量流量よりも少なくなるように調整すればよい。このような調整を行うには、奥側の冷媒液Ｃｌの質量流量を少なくしてもよいし、手前側に供給する冷媒液Ｃｌの質量流量を多くしてもよい。当該流量を調整するには、第二実施形態の場合、第一冷媒導入路１４０をＹ軸方向に分岐して、各々流量調整された分岐路を第一プレート式熱交換器１２０´に接続すればよい。加えて、第一冷媒排出路１６０をＹ軸方向に分岐しても構わない。
各分岐の流量を調整するには、各分岐路に流量調整部を設けたり、各分岐路の配管径を異ならせたりすればよい。

本実施形態では、第一プレート式熱交換器１２０の長さを、プレート式熱交換器の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉ前後のＸ軸位置に対応させてＬｓとしたが、少なくともプレート式熱交換器の第一端１２０ａのＸ軸位置から、熱伝達率曲線のピークのＸ軸位置を超える長さであればどのような長さでも構わない。第一プレート式熱交換器１２０の長さを短くすればするほど、第一プレート式熱交換器１２０の過剰な伝熱面積を減らすことができる。また、第一プレート式熱交換器１２０の長さを長くすればするほど、第一プレート式熱交換器１２０の積層数を減らすことができる。他のプレート式熱交換器の長さについても同様である。

本実施形態のプレート式熱交換器で用いる熱伝導材料としては、アルミニウム、グラファイト、銅、セラミックス等どのような材料でも構わない。

本実施形態の冷媒としては、アンモニア、ＨＦＣ等、どのような冷媒を用いてもよい。

本実施形態は、冷水を冷却する装置であるが、常温水、温水、熱水を冷却する装置に適用してもよいし、油を冷却する装置に適用してもよい。

気液分離部としては、重力分離方式、遠心分離方式、フィルタ方式等、様々なものを用いることができる。

第二実施形態に関して、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが直交配置に限らず、交差する配置であれば、どのような角度で交差しても構わない。

本実施形態で用いるプレート式熱交換器は、プレートにプレートフィンを用いることによって、プレート表面に伝熱促進効果のあるプレートフィン熱交換器としてもよい。プレートフィン熱交換器とすることで、伝熱性能を向上し、熱交換器の小型化を図ることが可能となる。

１０：熱交換システム
２０：プレート式熱交換器
３０：気液分離部
４０：冷媒入口
５０：冷水入口
６０：冷媒出口
７０：冷水出口
８０：冷媒供給路
９０：冷水供給路
１２０：第一プレート式熱交換器
１２０ａ：第一端
１２０ｂ：第二端
１２１：複数のプレート
１３０：第一気液分離部
１４０：第一冷媒導入路
１５０：第一冷水導入路
１６０：第一冷媒排出路
１６１：第一冷媒ガス排出路
１７０：第一冷水排出路
２２０：第二プレート式熱交換器
２２０ａ：第一端
２２０ｂ：第二端
２２１：複数のプレート
２３０：第二気液分離部
２４０：第二冷媒導入路
２５０：第二冷水導入路
２６０：第二冷媒排出路
２６１：第二冷媒ガス排出路
２７０：第二冷水排出路
３２０：第三プレート式熱交換器
３２０ａ：第一端
３２０ｂ：第二端
３２１：複数のプレート
３４０：第三冷媒導入路
３５０：第三冷水導入路
３６０：第三冷媒排出路
３７０：第三冷水排出路
９２０：プレート式熱交換器
９２０ａ：第一端
９２０ｂ：第二端
９２１：複数のプレート
９２１ａ：プレート
９２１ｂ：プレート
９２１ｃ：プレート
９２１ｄ：プレート
９２１ｅ：プレート
９２２ａｂ：流路
９２２ｂｃ：流路
９２２ｃｄ：流路
９２２ｄｅ：流路
９５０：冷水導入路
９６０：冷媒排出路
９７０：冷水排出路
９８０：冷媒導入路
２０´：プレート式熱交換器
９０´：冷水供給路
１２０´：第一プレート式熱交換器
１５０´：第一冷水導入路
１７０´：第一冷水排出路
２２０´：第二プレート式熱交換器
２５０´：第二冷水導入路
２７０´：第二冷水排出路
３２０´：第三プレート式熱交換器
３５０´：第三冷水導入路
３７０´：第三冷水排出路
Ｃｇ：冷媒ガス
Ｃｌ：冷媒液
Ｃｍ：二相流状態の冷媒
ｆｃ：冷媒の流れる方向
ｈ：熱伝達率
Ｐｉ：変曲点
ＱＨ：高クオリティ領域
ＱＬ：低クオリティ領域
Ｗｉ：冷水
Ｗｏ：冷水

Claims (6)

1. 互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレートを有し、前記複数のプレートによって、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交互に形成された複数のプレート式熱交換器と、
   前記複数のプレート式熱交換器に、前記冷水を並列的に流通させる冷水供給路と、
   前記複数のプレート式熱交換器に、前記冷媒を直列的に順次流通させる冷媒供給路と、
   前記冷媒供給路における一対の前記プレート式熱交換器の間の箇所に設けられて、上流側の前記プレート式熱交換器から排出された冷媒から気相分を分離させる気液分離部と、を備え、
   前記冷媒の下流側に配置された前記プレート式熱交換器ほど、前記プレートの数が少ない熱交換システム。
2. 前記複数のプレート式熱交換器の各プレート式熱交換器のプレートの長さは同じであって、
   前記各プレート式熱交換器のプレートの数は、前記冷媒の下流側に配置された前記プレート式熱交換器になるにしたがって、等比で少なくなる請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記間隔は、前記各プレート式熱交換器において互いに等しい
   請求項１又は２に記載の熱交換システム。
4. 前記間隔は、前記複数のプレート式熱交換器にわたって互いに等しい
   請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記複数のプレート式熱交換器において、前記冷媒が流通する前記冷媒流路と前記冷水が流通する前記冷水流路とが対向配置された
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換システム。
6. 前記複数のプレート式熱交換器において、前記冷媒が流通する前記冷媒流路と前記冷水が流通する前記冷水流路とが交差配置された
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換システム。

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