JP2018204887A - 冷媒熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】プレート重合体の製造に際してプレートの外周縁同士の溶接を容易に行って製造工数と製造コストを削減することができる冷媒熱交換器を提供すること。【解決手段】中空容器３０内に収容されたプレート重合体３１を、複数のプレート３２を重ね合わせて構成し、中空容器３０の内部空間Ｓに開放された第１の通路３３と、内部空間Ｓに対して閉鎖され且つ貫通流路３５，３６に連通する第２の通路３４とを複数のプレート３２間に交互に形成し、中空容器３０の内部空間Ｓから第１の通路３３を流れる冷媒（ＮＨ３冷媒液）と、貫通流路３５，３６から第２の通路３４を流れる流体（ＣＯ２冷媒ガス）とをプレート３２を介して熱交換させるシェルアンドプレート式の冷媒熱交換器８において、前記プレート３２を楕円板で構成するとともに、該プレート３２の表面に、少なくとも２つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターン３２ｃを形成する。【選択図】図５

Description

本発明は、シェルアンドプレート式の冷媒熱交換器に関するものである。

冷凍装置においては、冷媒が冷媒回路に設けられた圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器等の冷凍サイクル構成機器を通過しながら状態変化することによって冷凍サイクルが繰り返され、これによって冷却負荷が冷却される。

ところで、冷凍装置の冷媒には従来からフロン系冷媒が用いられていたが、フロン系冷媒は、オゾン層の破壊や地球温暖化等の自然破壊を招くため、近年は冷媒としてＮＨ_３（アンモニア）やＣＯ_２（二酸化炭素)等の自然冷媒が用いられるようになっている。特に、ＮＨ_３は冷凍能力が高いため、大型冷凍装置に多く用いられている。

しかしながら、ＮＨ_３は毒性を有しているため、室内の空調や食品等の冷凍に用いられる冷凍装置として、一次冷媒にＮＨ_３を用いた冷凍サイクル構成機器に対して、無害なＣＯ_２を冷凍庫等の冷却負荷側の二次冷媒として用いる二次冷媒式冷凍装置（ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置）が採用されつつある（例えば、特許文献１参照）。

斯かる二次冷媒式冷凍装置（ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置）においては、一次冷媒（ＮＨ_３）が各種冷凍サイクル構成機器を通過しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される一次冷媒回路と、二次冷媒（ＣＯ_２）が循環することによって冷却負荷を冷却する二次冷媒回路とが冷媒熱交換器（ＣＯ_２凝縮器）によって接続されている。

ところで、冷媒熱交換器（ＣＯ_２凝縮器）としては、熱交換効率の高いシェルアンドプレート式熱交換器が多く用いられている。斯かるシェルアンドプレート式熱交換器は、円筒状のシェルを備える中空容器内にプレート重合体を収容して構成されているが、プレート重合体は、複数のプレートを重ね合わせて構成されている。そして、プレート重合体においては、中空容器の内部空間に開放された第１の通路と、内部空間に対して閉鎖された第２の通路とが複数のプレート間に交互に形成されている。

而して、冷媒熱交換器を備える二次冷媒式冷凍装置においては、一次冷媒回路を循環する一次冷媒の充填量を少なく抑えて当該冷媒熱交換器の小型コンパクト化とコストダウンを図ることが望まれる。

しかしながら、従来の冷媒熱交換器においては、プレート重合体に複数の円板状のプレートを用いているため、各プレートと中空容器のシェルとの間に形成される径方向隙間（プレートの両横部の隙間）が大きくなり、結果的に一次冷媒の充填量が多くなってしまうという問題がある。このため、特許文献２には、図９及び図１０に示す冷媒熱交換器が提案されている。

即ち、図９は特許文献２において提案された冷媒熱交換器の破断側面図、図１０は同冷媒熱交換器の側面図（図９の矢視Ｅ方向の図）であり、図示の冷媒熱交換器１０８は、一次冷媒としてＮＨ_３、二次冷媒としてＣＯ_２を使用するＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置に設けられるものであって、円筒状のシェル１３０ａを備える中空容器１３０と、該中空容器１３０内に収容されたプレート重合体１３１を備えている。

上記プレート重合体１３１は、表裏面に不図示の凹凸パターンが形成された複数のプレート１３２を重ね合わせて構成されており、これの上下には軸方向（図９の左右方向）に沿う水平な貫通流路１３５，１３６がそれぞれ形成されている。そして、このプレート重合体１３１においては、中空容器１３０の内部空間Ｓに開放された不図示の第１の通路と、内部空間Ｓに対して閉鎖され且つ前記貫通流路１３５，１３６に連通する不図示の第２の通路とが複数のプレート１３２間に交互に形成されている。ここで、プレート重合体１３１は、中空容器１３０の内部空間Ｓに下方に偏位した状態で配置されており、内部空間Ｓのプレート重合体１３１の上方に形成される空間には、ＮＨ_３散布管１３７と吸入ヘッダ１４０が配置されている。そして、ＮＨ_３散布管１３７と吸入ヘッダ１４０には、ＮＨ_３冷媒が循環する不図示の一次冷媒回路の冷媒配管がそれぞれ接続されている。又、プレート重合体１３１に形成された上下の貫通流路１３５，１３６には、ＣＯ_２冷媒が循環する不図示の二次冷媒回路の冷媒配管１０３ｃ，１０３ｄがそれぞれ接続されている。

ここで、プレート重合体を構成する各プレート１３２は、図１０に示すように、非円形板として構成されている。より詳細には、各プレート１３２は、中空容器１３０の軸心を通る水平面Ｈに対して上下方向に非対称に形成されており、水平面Ｈよりも下側の部分１３２ａは、中空容器１３０の軸心よりも下方の位置を中心とする曲率半径を有して中空容器１３０のシェル１３０ａの内周面に沿って略半円形状に形成され、水平面Ｈよりも上側の部分１３２ｂは、偏平状（半楕円形状）に形成されている。このため、各プレート１３２と中空容器１３０のシェル１３０ａとの間に形成される径方向隙間（プレート１３２の両横部の隙間）が小さく抑えられ、結果的に一次冷媒の充填量が少なくなって冷媒熱交換器１０８の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。

而して、不図示の冷媒配管からＮＨ_３散布管１３７へと導入されるＮＨ_３冷媒液は、ＮＨ_３散布管１３７から中空容器１３０の内部空間Ｓへと散布され、この散布されたＮＨ_３冷媒液は、プレート重合体１３１に形成された不図示の第１の通路を流れる。これに対して、冷媒配管１０３ｃからプレート重合体１３１の貫通流路１３５へと導入されるＣＯ_２冷媒ガスは、プレート重合体１３１の不図示の第２の通路を流れる過程で、第１の通路を流れるＮＨ_３冷媒液との間で熱交換し、ＮＨ_３冷媒液から蒸発潜熱を奪われて液化し、ＮＨ_３冷媒液は、ＣＯ_２冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化する。

そして、冷媒熱交換器１０８において液化したＣＯ_２冷媒液は、冷媒配管１０３ｄから排出されて二次冷媒回路を循環することによって冷凍庫等の冷却負荷を冷却する。又、冷媒熱交換器１０８において気化したＮＨ_３冷媒ガスは、中空容器１３０の内部空間Ｓを上昇し、吸入ヘッダ１４０から不図示の冷媒配管へと流れて不図示の圧縮機へと吸入されて圧縮され、一次冷媒回路を状態変化しながら連続的に循環する。

特開２０１４−００１８６１号公報 特開２０１７−００３１７５号公報

ところで、特許文献２において提案された図９及び図１０に示す冷媒熱交換器（ＣＯ_２液化器）１０８においては、プレート１３２として、中空容器１３０の軸心を通る水平面Ｈに対して上下方向に非対称な形状を有する非円形板を用いているため、プレート重合体１３１の製造において、隣接する２つのプレート１３２の外周縁同士の溶接が容易ではなく、溶接に長時間を要して製造コストが高くなるという問題がある。

又、各プレート１３２の表面と裏面には、隣接する２枚のプレート１３２間に第１及び第２の通路を形成するための複数の凹凸パターンがプレス加工によって形成されるが、各凹凸パターンが直線状である場合には、プレス加工されたプレート１３２に残留応力による反りが発生し、隣接する２枚のプレート１３２の溶接が困難又は不可能となるという問題もある。

従って、本発明の第１の目的は、プレート重合体の製造に際してプレートの外周縁同士の溶接を容易に行って製造工数と製造コストを削減することができる冷媒熱交換器を提供することにある。

ところで、冷媒熱交換器が蒸発器として機能する場合、蒸発した冷媒ガスは、熱交換部（プレート内部）からプレートの上方の空間部にスムーズに排出されることが性能的に重要である。ここで、プレートに形成された凹凸パターンが直線状である場合には、熱交換部に冷媒ガスが溜まり、この溜まった冷媒ガスを排出するには所定の圧力差が必要となり、これが冷媒液の蒸発時の圧力損失となる。冷媒ガスの流れに圧力損失が発生すると、その圧力損失分だけ圧縮機の吸入圧力が低下し、二次冷媒式冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）の悪化を招く。

他方、冷媒熱交換器が凝縮器として機能する場合には、凝縮した冷媒液をプレート面から速やかにプレート外へ排出させることが性能面からも重要である。冷媒液がプレート外へと排出された後のプレートの表面（伝熱面）には冷媒ガスが接触し、熱交換（冷却）によって冷媒ガスが効率良く凝縮して液化する。この場合、プレートに形成された凹凸パターンが直線状である場合には、熱交換部に冷媒液が溜まってプレート表面（伝熱面）への冷媒ガスの接触を妨げるため、冷媒熱交換器の凝縮器としての機能が低下し、結果的に二次冷媒式冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）の悪化を招く。

従って、本発明の第２の目的は、蒸発した冷媒ガス又は凝縮した冷媒液のプレートからの排出をスムーズに行って次の冷媒液又は冷媒ガスの伝熱面への速やかな接触を実現することによって性能向上を図ることができる冷媒熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
円筒状のシェルを備える中空容器と、該中空容器内に収容されたプレート重合体を備え、
前記プレート重合体を、同一部位に孔が形成された複数のプレートを重ね合わせて構成し、各プレートに形成された前記孔を連ねて前記プレート重合体を貫通する貫通流路を形成するとともに、前記中空容器の内部空間に開放された第１の通路と、前記内部空間に対して閉鎖され且つ前記貫通流路に連通する第２の通路とを複数の前記プレート間に交互に形成し、
前記中空容器の内部空間から前記第１の通路を流れる冷媒と、前記貫通流路から前記第２の通路を流れる流体とを前記プレートを介して熱交換させるシェルアンドプレート式の冷媒熱交換器において、
前記プレートを楕円板で構成するとともに、該プレートの表面と裏面に、少なくとも３つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターンを形成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記凹凸パターンを構成する複数の直線状の凹凸の傾斜角を前記プレートの外周部から中心部に向かって小さくなるよう設定したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記プレートの上下に前記孔を形成するとともに、各孔の他方の孔に対向する部分の周囲にショートパス防止用の凸部を形成したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、プレート重合体を構成する複数のプレートとして短軸及び長軸を中心として上下及び左右方向に対称形状を成す楕円板を用いるため、プレート重合体の製造に際して、隣接する２枚のプレートの外周縁同士の溶接が容易となり、溶接を短時間で精度良く行って製造コストを低く抑えることができる。

又、各プレートの表面と裏面には、隣接する２枚のプレート間に第１及び第２の通路を形成するための複数の凹凸パターンがプレス加工によって形成されるが、各凹凸パターンが直線状である場合には、プレス加工されたプレートに残留応力による反りが発生するが、本発明では、凹凸パターンを少なくとも３つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターンで構成したため、残留応力によるプレートの反りを抑えることができ、プレート重合体の製造に際してプレートの外周縁同士の溶接を容易に行って製造工数と製造コストを削減することができる。この場合、プレートは短軸と長軸を中心として上下及び左右方向に対称形状を有する楕円板で構成されているため、凹凸パターンが形成された１種類のプレートを準備すれば良く、１種類のプレートを複数重ね合わせてこれらの間に第１の通路と第２の通路を交互に形成することができる。

更に、複数のプレートを楕円板で構成したため、プレート重合体と中空容器のシェルとの間の径方向隙間（プレートの両横部の隙間）が小さく抑えられ、冷媒の充填量を減らして中空容器、延いては冷媒熱交換器の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、凹凸パターンを構成する複数の直線状の凹凸の傾斜角をプレートの外周部では中心部よりも大きく（傾斜が急）設定したため、当該冷媒熱交換器が蒸発器として機能する場合には、蒸発した冷媒ガスは、熱交換部（プレート内部）からプレート外へとスムーズに排出される。このため、プレートの熱交換部に冷媒ガスが溜まることがなく、溜まった冷媒ガスを排出するための圧力差が不要となり、圧力差が冷媒液の蒸発時の圧力損失となることがない。このため、圧縮機の吸入圧力の低下に伴う冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）の悪化を招くことがない。そして、蒸発した冷媒ガスがプレートの伝熱面から速やかに剥離するため、次に蒸発する冷媒液がプレートの伝熱面に速やかに接触して蒸発し、結果的に蒸発器として機能する冷媒熱交換器の性能が高められる。

又、当該冷媒熱交換器が凝縮器として機能する場合には、凝縮した冷媒液がプレートの伝熱面から速やかにプレート外へ排出され、冷媒液が排出された後のプレート表面（伝熱面）には次に凝縮する冷媒ガスが速やかに接触し、熱交換（冷却）によって冷媒ガスが効率良く凝縮して液化する。このため、凝縮器として機能する冷媒熱交換器の性能が高められ、当該冷媒熱交換器を備える冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）が高められる。

請求項３に記載の発明によれば、プレートの上下に形成された各孔の他方の孔に対向する部分の周囲にショートパス防止用の凸部を形成したため、上下の各孔同士が連通して構成された各貫通流路を流れる流体の他方の貫通流路へのショートパス（短絡）が防がれ、流体がプレート間の第２の通路を正常に流れるために該流体と冷媒との熱交換が効率良くなされ、当該冷媒熱交換器の性能が高められる。

本発明に係る冷媒熱交換器の破断側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、（ｂ）はペアプレートの模式的な側断面図、（ｃ）はプレート重合体の構成を模式的に示す側断面図である。 （ａ）は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）はプレートに形成された凹凸パターンを示す図である。 （ａ）はペアプレートの正面図、（ｂ）はプレートに形成された凹凸パターンを示す図である。 図２のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明に係る冷媒熱交換器の吸入ヘッダの分解斜視図である。 特許文献２において提案された冷媒熱交換器の破断側面図である。 特許文献２において提案された冷媒熱交換器の側面図（図９の矢視Ｅ方向の図）である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る冷媒熱交換器の破断側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４（ａ）は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、図４（ｂ）はペアプレートの模式的な側断面図、図４（ｃ）はプレート重合体の構成を模式的に示す側断面図である。

本発明に係る冷媒熱交換器８は、ＣＯ_２凝縮器（ＮＨ_３蒸発器）として機能するものであって、不図示の二次冷媒式冷凍装置の一次冷媒回路と二次冷媒回路とを接続するものである。ここで、図示しないが、二次冷媒式冷凍装置の一次冷媒回路においては、一次冷媒としてのＮＨ_３が各種冷凍サイクル構成機器（圧縮機、凝縮器、膨張弁等）を通過して状態変化しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返され、二次冷媒回路においては、二次冷媒としてのＣＯ_２が循環することによって冷凍庫等の冷却負荷が冷却される。

本実施の形態に係る冷媒式熱交換器８は、シェルアンドプレート式熱交換器を構成しており、一次冷媒であるＮＨ_３冷媒液と二次冷媒であるＣＯ_２冷媒ガスとを熱交換させ、ＮＨ_３冷媒液をＣＯ_２冷媒ガスからの吸熱（蒸発潜熱の吸熱）によって気化させ、ＣＯ_２冷媒ガスを放熱（冷却）によって液化させる機能を果たすものである。

この冷媒熱交換器８は、図１に示すように、中空容器３０の内部空間Ｓにプレート重合体３１を収容して構成されている。ここで、中空容器３０は、横置きされた円筒状のシェル３０ａの軸方向（図１の左右方向）両端の開口部を円板状のフラットエンド３０ｂで閉塞して構成されている。

上記プレート重合体３１は、図２、図３及び図４（ａ）に示す楕円板状の複数のプレート３２を重ね合わせて楕円柱状に成形されており、各プレート３２の短軸が上下方向となるようにして中空容器３０内の内部空間Ｓに収容されている。又、図２及び図３に示すように、プレート重合体３１は、その軸心が中空容器３０の軸心に対して下方にオフセットした位置にあるように内部空間Ｓの下方に偏位して配置されている。尚、プレート重合体３１は、不図示の支持具によって中空容器３０内に固定されている。

図４（ａ）に示すように、上記各プレート３２の中心を通る垂直線上の上下２箇所には円孔３２ａ，３２ｂがそれぞれ形成されている。そして、このような２枚のプレート３２を重ね合わせ、これらのプレート３２の上下の各円孔３２ａ，３２ｂの周縁同士を溶接することによって、図４（ｂ）に示すようなベアプレート３２Ａが製作される。

次に、複数のペアプレート３２Ａ同士を重ね合わせ、図４（ｃ）に示すように、隣接する２つのペアプレート３２Ａの外周縁同士を溶接すれば、隣接するプレート３２の間には、中空容器３０の内部空間Ｓに開放された第１の通路３３と、内部空間Ｓに対して閉鎖された第２の通路３４が当該プレート重合体３１の長手方向（図４（ｃ）の左右方向）に沿って交互に形成される。又、プレート重合体３１の上下には、各プレート３２の上下に形成された円孔３２ａ，３２ｂを連ねて構成された貫通流路３５，３６がそれぞれ水平に形成されており、これらの貫通流路３５，３６に複数の前記第２の通路３４が連通している。尚、各貫通流路３５，３６の末端部（図４（ｃ）の右端部）は閉じられている。

そして、図１に示すように、中空容器３０の一方（図１の左方）のフラットエンド３０ｂの前記貫通流路３５，３６に連なる上下には、円孔状のガス入口３０ｂ１と液出口３０ｂ２がそれぞれ開口しており、上側のガス入口３０ｂ１には、不図示の二次冷媒式冷凍装置の二次冷媒回路の冷媒配管３ｃが接続され、下側の液出口３０ｂ２には、二次冷媒回路の冷媒配管３ｄが接続されている。

ここで、冷媒熱交換器８のプレート重合体３１を構成する楕円形のプレート３２の長短径比率が（１．１７〜１．１９）未満と比較的小さい場合の各プレート３２に形成された凹凸パターンを図５（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。尚、図５（ａ）は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図５（ｃ）はプレートに形成された凹凸パターンを示す図である。

各プレート３２の表面と裏面には、３つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターン３２ｃが形成されている。これらの凹凸パターン３２ｃは、プレート３２を斜めに横切るように形成されており、図５（ａ）に示すように、プレート３２を外周縁に近い２つの領域Ｒ１と、その内側の２つの領域Ｒ２及び中央の１つの領域Ｒ３に区画した場合、図５（ｃ）に示すように、各領域Ｒ１における凹凸パターン３２ｃ１の傾斜角α１と各領域２における凹凸パターン３２ｃ２の傾斜角α２及び領域Ｒ３における凹凸パターン３２ｃ３の傾斜角α３は、この順に小さく設定されている（α３＜α２＜α１）。ここで、図５（ｂ）に示すように、凹凸パターン３２ｃは、断面半円状の凹部と凸部が交互に連続的に繰り返されて波板状を成している。

而して、各プレート３２の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３における凹凸パターン３２ｃ１，３２ｃ２，３２ｃ３の各傾斜角α１，α２，α３（図５（ｃ）参照）は、α１＝５０°〜６４°、α２＝１５°〜２４°、α３＝１０°〜１４°に設定すべきである。尚、本実施の形態では、α１＝５５°、α２＝２０°、α３＝１４°に設定している。

ところで、プレート３２に直線状の凹凸パターンを形成した場合には、プレス成形されるプレート３２に残留応力に起因する反りが発生するが、本実施の形態では、プレート３２に形成される凹凸パターン３２ｃを３つの異なる角度α１，α２，α３で屈曲する直線状の凹凸を連ねて構成したため、プレス成形によって製作される各プレート３２に発生する反りが小さく抑えられ、隣接する２つのプレート３２の円孔３２ａ，３２ｂの周縁の溶接等を作業性良く簡単に行うことができる。又、プレート３２は楕円板で構成されているため、その形状は楕円の短軸と長軸を中心として左右及び上下対称形状を成している。従って、凹凸パターン３２ｃが形成された１種類のプレート３２を準備すれば良く、１種類のプレート３２を複数重ね合わせてこれらの間に第１通路３３と第２通路３４を交互に形成することができる（図４（ｃ）参照）。

又、プレート重合体３１を構成する複数のプレート３２として短軸及び長軸を中心として上下及び左右方向に対称形状を成す楕円板を用いるため、プレート重合体３１の製造に際して、隣接する２枚のプレート３２の外周縁同士の溶接が容易となり、溶接を短時間で精度良く行って製造コストを低く抑えることができる。

更に、各プレート３２の２つの領域Ｒ１における凹凸パターン３２ｃ１と２つの領域における凹凸パターン３２ｃ２及び中央の１つの領域Ｒ３における凹凸パターン３２ｃ３の各傾斜角α１，α２，α３をα１＞α２＞α３に設定し、特に外周縁に近い２つの領域Ｒ１における凹凸パターン３２ｃ１の傾斜角α１を他の領域Ｒ２，Ｒ３における凹凸パターン３２ｃ２，３２ｃ３の各傾斜角α２，α３よりも大きく（傾斜が急）設定したため（α１＞α２＞α３）、当該冷媒熱交換器８がＮＨ_３蒸発器として機能する場合には、蒸発したＮＨ_３冷媒ガスは、熱交換部（プレート３２の内部）からプレート３２外へとスムーズに排出される。このため、プレート３２の熱交換部にＮＨ_３冷媒ガスが溜まることがなく、溜まったＮＨ_３冷媒ガスを排出するための圧力差が不要となり、圧力差がＮＨ_３冷媒液の蒸発時の圧力損失となることがない。このため、圧縮機の吸入圧力の低下に伴う二次冷媒式冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）の悪化を招くことがない。そして、蒸発したＮＨ_３冷媒ガスがプレート３２の伝熱面から速やかに剥離するため、次に蒸発するＮＨ_３冷媒液がプレート３２の伝熱面に速やかに接触して蒸発し、結果的に蒸発器として機能する冷媒熱交換器８の性能が高められる。

又、当該冷媒熱交換器８がＣＯ_２凝縮器として機能する場合には、凝縮したＣＯ_２冷媒液がプレート３２の伝熱面から速やかにプレート３２外へ排出され、ＣＯ_２冷媒液が排出された後のプレート３２の表面（伝熱面）には次に凝縮するＣＯ_２冷媒ガスが速やかに接触し、熱交換（冷却）によってＣＯ_２冷媒ガスが効率良く凝縮して液化する。このため、ＣＯ_２凝縮器として機能する冷媒熱交換器８の性能が高められ、当該冷媒熱交換器８を備える二次冷媒式冷凍装置の成績係数（ＣＯＰ）が高められる。

一方、冷媒熱交換器８のプレート重合体３１を構成する楕円形のプレート３２の長短径比率が（１．１７〜１．１９）以上と比較的大きい場合には、各プレート３２には、図６（ａ）に示すように、３つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターン３２ｄが形成されている。これらの凹凸パターン３２ｄは、プレート３２を斜めに横切るように形成されており、図６（ａ）に示すように、プレート３２を外周縁に近い２つの領域Ｒ１と、その内側の２つの領域Ｒ２及び中央の１つの領域Ｒ３に区画した場合、図６（ｂ）に示すように、各領域Ｒ１における凹凸パターン３２ｄ１の傾斜角β１と各領域２における凹凸パターン３２ｄ２の傾斜角β２及び領域Ｒ３における凹凸パターン３２ｄ３の傾斜角β３は、この順に小さく設定されている（β３＜β２＜β１）。

而して、各プレート３２の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３における凹凸パターン３２ｄ１，３２ｄ２，３２ｄ３の各傾斜角β１，β２，β３（図６（ｂ）参照）は、β１＝５０°〜６４°、β２＝１５°〜２４°、β３＝１０°〜１４°に設定すべきである。尚、本実施の形態では、β１＝５５°、β２＝２０°、β３＝１４°に設定している。

又、図６（ａ）に示すように、プレート３２に形成された上側の円孔３２ａの下側の円孔３２ｂに対向する部分の周囲には、ショートパス防止用の凸部３２ｅが形成されている。同様に、下側の円孔３２ｂの上側の円孔３２ａに対向する部分の周囲には、ショートパス防止用の凸部３２ｆが形成されている。

而して、隣接する２つのパネル３２の円孔３２ａ，３２ｂの周縁同士を溶接することによって図６（ａ）に示すペアプレート３２Ａが形成されるが、このペアプレート３２Ａは、隣接する２つのプレート３２の例えば表面同士を向かい合わせて重ねることによって構成される。

従って、図６に示す例においても、ペアプレート３２Ａを構成するプレート３２のプレス成形による反りの発生が抑えられる他、図５に示した凹凸パターン３２ｃが形成されたプレート３２において得られたと同様の効果が得られる。特に、図６に示す例では、プレート３２に形成された円孔３２ａ，３２ｂの周囲に半円状のショートパス防止用の凸部３２ｅ，３２ｆをそれぞれ形成したため、上側の貫通流路３５を流れるＣＯ_２冷媒ガスが下側の貫通流路３６へとショートパス（短絡）して流れ込むことがなく、逆に下側の貫通流路３６を流れるＣＯ_２冷媒液がショートパスして上側の貫通流路３５へと流れ込むことがない。このため、冷媒熱交換器８においてにＣＯ_２冷媒ガスとＮＨ_３冷媒液との熱交換が効率良くなされ、当該冷媒熱交換器８の性能が高められる。

而して、本実施の形態に係る冷媒熱交換器８においては、図２及び図３に示すように、プレート重合体３１は、楕円板状の各プレート３２の短軸が上下方向となるようにして中空容器３０の内部空間Ｓに下方に偏位して収容されているため、内部空間Ｓのプレート重合体３１の上方には比較的大きな空間が形成されている。従って、本実施の形態では、図１に示すように、中空容器３０の内部空間の上部に形成された比較的大きな空間にディストリビュータ３７と吸入ヘッダ４０が中空容器３０の軸方向に沿って配置されている。

上記ディストリビュータ３７は、図３に示すように、逆Ｖ字状に屈曲された箱型のプレート３７ａを中空容器３０のシェル３０ａの上部内周に溶接することによって形成されており、その周方向両端（図３の左右両端）には、内部空間Ｓに開口する矩形の開口部３７ｂがそれぞれ形成されている。そして、中空容器３０のシェル３０ａのディストリビュータ３７が配置された部位の頂部には、不図示の二次冷媒式冷凍装置の一次冷媒回路の冷媒配管２ｃがシェル３０ａを貫通して接続されており、この冷媒配管２ｃは、ディストリビュータ３７の内部に開口している。尚、プレート３７ａの材質には、耐食性と低温に対する耐性が高いステンレス等が選定される。

又、前記吸入ヘッダ４０は、中空容器３０のシェル３０ａの頂部内周に軸方向に沿って長く配置されているが、その構成の詳細を図７及び図８に基づいて以下に説明する。尚、図７は図１のＤ−Ｄ線断面図、図８は吸入ヘッダの分解斜視図である。

吸入ヘッダ４０は、軸方向に所定距離隔てて垂直に配置された２枚の側板４１の間に、ベースプレート４２とバッフルプレート４３，４４を架設して構成されており、２枚の側板４１は、その円弧状の上端縁が中空容器３０のシェル３０ａの頂部内周に溶接されることによってシェル３０ａに固定されている。

上記ベースプレート４２は、図８に示すように、中央の水平部４２Ａと、この水平部４２Ａの左右両端から延びるＶ字状の屈曲部４２Ｂと、各屈曲部４２Ｂの端部が折り返された折り返し部４２Ｃを備えている。そして、このベースプレート４２の水平部４２Ａの幅方向中心部の軸方向に離間した２箇所には円孔状の液落下孔４２ａが形成されている。

又、前記バッフルプレート４３は、チャンネル状に成形されたものであって、底辺の水平部４３Ａと、この水平部４３Ａの左右両端から上方に向かって開くように斜めに立ち上がる斜面部４３Ｂを備えており、左右の斜面部４３Ｂの上端縁の長手方向２箇所には細長く切り欠かれた矩形の切欠き４３ａが形成されている(図８参照)。そして、このバッフルプレート４３の水平部４３Ａの幅方向中心部の軸方向に離間した２箇所（ベースプレート４２の水平部４２Ａに形成された前記液落下孔４２ａに対応する位置）には円孔状の液落下孔４３ｂが形成されている。従って、このバッフルプレート４３を、その水平部４３Ａをベースプレート４２の水平部４２Ａの上に重ねてベースプレート４２に溶接して両者を接合すると、該バッフルプレート４３の液落下孔４３ｂとベースプレート４２の液落下孔４２ａとが連通し、これらの液落下孔４２ａ，４３ｂは、中空容器３０の内部空間Ｓに開口している（図７参照）。

前記バッフルプレート４４は、図７に示すように、バッフルプレート４３の左右２箇所に配置されるものであって、横断面コの字状に屈曲成形されている。尚、吸入ヘッダ４０を構成する側板４１とベースプレート４２及びバッフルプレート４３，４４の材質には、耐食性と低温に対する耐性の高いステンレス等が選定される。

而して、図７に示すように、吸入ヘッダ４０においては、両側板４１とベースプレート４２及び中空容器３０のシェル３０ａによって画成された空間は、バッフルプレート４３，４４によって左右各２つの室Ｓ１，Ｓ２と中央の室Ｓ３とに区画されている。尚、左右各２つの室Ｓ１，Ｓ２は、中空容器３０の軸心を通る垂直な中心線に対して左右対称に配置されている。

ここで、吸入ヘッダ４０の左右両端部には、図７に示すように、中空容器３０のシェル３０ａと両側板４１及びベースプレート４２によって形成された軸方向に細長い矩形の開口部４５が形成されており、左右の各室Ｓ１は、開口部４５を介して中空容器３０の内部空間Ｓに開口している。

又、図７に示すように、左右の各バッフルプレート４４とベースプレート４２との間には、軸方向に長い矩形の隙間δが形成されており、左右の室Ｓ１と室Ｓ２とは隙間δを介して互いに連通している。

更に、図８に示すように、バッフルプレート４３の左右の斜面部４３Ｂの上端縁には各２つの前記切欠き４３ａがそれぞれ形成されており、図７に示すように、左右２つの各室Ｓ２は、切欠き４３ａを介して中央の室Ｓ３にそれぞれ連通している。従って、吸入ヘッダ４０の内部には、バッフルプレート４３，４４によって迷路（ラビリンス）状の流路が形成されている。

そして、図１に示すように、中空容器３０のシェル３０ａの吸入ヘッダ４０が配置される箇所の頂部には、不図示の二次冷媒式冷凍装置の一次冷媒回路の冷媒配管２ｄが接続されており、この冷媒配管２ｄは、吸入ヘッダ４０内の中央の室Ｓ３に開口している。

次に、以上のように構成された冷媒熱交換器８の作用について説明する。

不図示の二次冷媒式冷凍装置の一次冷媒回路に設けられた不図示の凝縮器によって冷却された液化した高圧のＮＨ_３冷媒液は、不図示の膨張弁によって減圧された後、冷媒配管２ｃから冷媒熱交換器８のディストリビュータ３７へと供給される。すると、このＮＨ_３冷媒液は、ディストリビュータ３７内で左右に分配されて左右の開口部３７ｂ（図３参照）から中空容器３０の内部空間Ｓへと噴出しながら落下する。そして、このＮＨ_３冷媒液は、プレート重合体３１の複数のプレート３２間に交互に形成された第１の通路３３を図４（ｃ）に矢印にて示すように上方に向かって流れる。

他方、不図示の二次冷媒式冷凍装置の二次冷媒回路に設けられたレシーバから冷媒配管３ｃを経て冷媒熱交換器８へと導入されるＣＯ_２冷媒ガスは、図４（ｃ）に矢印にて示すように、冷媒熱交換器８のプレート重合体３１に形成された上側の貫通流路３５から複数の第２の通路３４を経て下側の貫通流路３６へと流れ込み、その過程で第１の通路３３を流れるＮＨ_３冷媒液との間で熱交換して液化する。具体的には、プレート重合体３１の複数の第１の通路３３を流れるＮＨ_３冷媒液がＣＯ_２冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化するため、ＣＯ_２冷媒ガスが冷却されて液化する。

そして、ＮＨ_３冷媒液との熱交換によって液化したＣＯ_２冷媒液は、下側の貫通流路３６から冷媒配管３ｄへと流れて不図示の二次冷媒式冷凍装置のレシーバに貯留される。これに対して、ＣＯ_２冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化したＮＨ_３冷媒ガスは、中空容器３０の内部空間Ｓを上昇して吸入ヘッダ４０へと吸引される。

吸入ヘッダ４０においては、図７に矢印にて示すように、ＮＨ_３冷媒ガスが左右の開口部４５から左右の各室Ｓ１にそれぞれ流入し、左右の各室Ｓ１から隙間δを通って左右の各室Ｓ２へとそれぞれ流入する。そして、左右の各室Ｓ２へと流入したＮＨ_３冷媒ガスは、バッフルプレート４３に形成された左右の切欠き４３ａをそれぞれ通過して中央の室Ｓ３に流入し、最終的には室Ｓ３から冷媒配管２ｄを経て不図示の二次冷媒式冷凍装置に設けられた圧縮機へと吸引される。このように、冷媒熱交換器８において気化したＮＨ_３冷媒ガスは、吸入ヘッダ４０において迷路を構成するバッフルプレート４３，４４に衝突しながら方向を急変させて流れるため、これに含まれるミスト（液滴）が分離され、不図示の圧縮機への液バックが確実に防がれる。このように圧縮機への液バックが防がれる結果、液バックに伴う圧縮機の破損等の不具合の発生が抑えられる。尚、ＮＨ_３冷媒ガスから分離されたミスト（液滴）は、吸入ヘッダ４０のバッフルプレート４３とベースプレート４２に形成された各２つの液落下孔４３ｂ，４２ａから内部空間Ｓへと落下し、ＣＯ_２冷媒ガスとの熱交換によって蒸発して気化し、再び吸入ヘッダ４０へと吸引される。

以上において、本発明に係る冷媒熱交換器８においては、中空容器３０に収容されたプレート重合体３１を形成する複数のプレート３２を楕円板で構成し、プレート重合体３１を、プレート３２の短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器３０の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置したため、プレート重合体３１と中空容器３０のシェル３０ａとの間の径方向隙間（プレート３２の両横部の隙間）が小さく抑えられる。このため、一次冷媒であるＮＨ_３冷媒の充填量を減らして中空容器３０、延いては冷媒熱交換器８の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。

又、本発明に係る冷媒熱交換器８においては、プレート重合体３１の複数のプレート３２を楕円板で構成し、プレート重合体３１を、プレート３２の短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器３０の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置したため、中空容器３０の内部空間Ｓにおいてプレート重合体３１の上方に、ディストリビュータ３７と吸入ヘッダ４０を配置するための比較的大きな空間が形成される。このため、中空容器３０を小型化しても、その内部空間Ｓにディストリビュータ３７と吸入ヘッダ４０を配置するための空間を確保することができる。この結果、冷媒熱交換器８の小型コンパクト化とコストダウンを実現することができるとともに、ＮＨ_３冷媒の充填量を減らすことができる。

更に、本実施の形態では、冷媒熱交換器８に設けられた吸入ヘッダ４０の内部にバッフルプレート４３，４４によって迷路状の流路を形成したため、中空容器３０の内部空間Ｓで気化したＮＨ_３冷媒ガスのバッフルプレート４３，４４への衝突と迷路状の流路での流れ方向の急変によって、該ＮＨ_３冷媒ガスに含まれるミスト（液滴）が効果的に分離除去される。このため、ミスト（液滴）が不図示の圧縮機に吸引される液バックの発生が防がれ、この液バックに伴う圧縮機の破損等の不具合の発生が抑えられる。

そして、ＮＨ_３冷媒ガスに含まれるミスト（液滴)の分離は、重力沈降方式やデミスタ方式によらないため、中空容器３０を大型化してＮＨ_３冷媒ガスの上昇速度を低く抑える必要がない。このため、プレート重合体３１の第１の通路３３を流れるＮＨ_３冷媒ガスの圧力損失に伴う性能低下を招くことなく中空容器３０を小型化することができ、結果的に冷媒熱交換器８の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。

又、本実施の形態では、吸入ヘッダ４０の底部に液落下孔４２ａ，４３ｂを形成したため、吸入ヘッダ４０においてＮＨ_３冷媒ガスから分離されたミスト（液滴）が液落下孔４２ａ，４３ｂから中空容器３０の内部空間Ｓへと落下し、このミスト（液滴)は、ＣＯ_２冷媒ガスとの熱交換によって蒸発してガス化する。

尚、以上は一次冷媒としてＮＨ_３、二次冷媒としてＣＯ_２をそれぞれ使用した二次冷媒式冷凍装置（ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置）に設けられる冷媒熱交換器（ＣＯ_２液化器）に対して本発明を適用した形態について説明したが、二次冷媒式凍装置に使用される一次冷媒には、プロパン、ブタン、イソブタン等の他の任意の自然冷媒を選定することができる。

又、以上は一次冷媒としてのＮＨ_３が循環する一次冷媒回路と二次冷媒としてのＣＯ_２が循環する二次冷媒回路を接続する冷媒熱交換器に対して本発明を適用した形態について説明したが、本発明は、一次冷媒回路に設けられるＮＨ_３凝縮器として機能する冷媒熱交換器に対しても同様に適用可能である。この熱交換器においては、プレート重合体の第１の通路を流れるＮＨ_３ガスと第２の通路を流れる冷却水（顕熱流体）との熱交換によってＮＨ_３ガスが凝縮して液化する。

２ｃ，２ｄ 一次冷媒回路の冷媒配管
３ｃ，３ｄ 二次冷媒回路の冷媒配管
８ 冷媒熱交換器（ＣＯ_２液化器）
３０ 中空容器
３０ａ 中空容器のシェル
３０ｂ 中空容器のフラットエンド
３１ プレート重合体
３２ プレート
３２Ａ ペアプレート
３２ａ，３２ｂ プレートの円孔
３２ｃ，３２ｄ 凹凸パターン
３２ｅ，３２ｆ ショートパス防止用凸部
３３ 第１の通路
３４ 第２の通路
３５，３６ 貫通流路
３７ ディストリビュータ
４０ 吸入ヘッダ
４１ 吸入ヘッダの側板
４２ 吸入ヘッダのベースプレート
４２ａ ベースプレートの液落下孔
４３ バッフルプレート
４３ａ バッフルプレートの切欠き
４３ｂ バッフルプレートの液落下孔
４４ バッフルプレート
Ｓ 中空容器の内部空間
Ｓ１〜Ｓ３ 吸入ヘッダ内の室
α１〜α３ 凹凸パターンの傾斜角
β１〜β３ 凹凸パターンの傾斜角

Claims (3)

1. 円筒状のシェルを備える中空容器と、該中空容器内に収容されたプレート重合体を備え、
   前記プレート重合体を、同一部位に孔が形成された複数のプレートを重ね合わせて構成し、各プレートに形成された前記孔を連ねて前記プレート重合体を貫通する貫通流路を形成するとともに、前記中空容器の内部空間に開放された第１の通路と、前記内部空間に対して閉鎖され且つ前記貫通流路に連通する第２の通路とを複数の前記プレート間に交互に形成し、
   前記中空容器の内部空間から前記第１の通路を流れる冷媒と、前記貫通流路から前記第２の通路を流れる流体とを前記プレートを介して熱交換させるシェルアンドプレート式の冷媒熱交換器において、
   前記プレートを楕円板で構成するとともに、該プレートの表面と裏面に、少なくとも３つの異なる角度で屈曲する直線状の凹凸を連ねて成る複数の凹凸パターンを形成したことを特徴とする冷媒熱交換器。
2. 前記凹凸パターンを構成する複数の直線状の凹凸の傾斜角を前記プレートの外周部から中心部に向かって小さくなるよう設定したことを特徴とする請求項１に記載の冷媒熱交換器。
3. 前記プレートの上下に前記孔を形成するとともに、各孔の他方の孔に対向する部分の周囲にショートパス防止用の凸部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒熱交換器。
   

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