JP2020118369A - プレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型高性能なプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムの提供。【解決手段】伝熱流路１４をプレートフィン内でＵターン状に形成し、これに繋がる一対のヘッダ流路Ａ８，Ｂ１０を一端部側に纏めて設け、且つ、プレートフィンのＵターンさせた伝熱往き流路１４−１と伝熱戻り流路１４−２との間には断熱スリットＡ１６を形成し、且つ、前記エンドプレート３ａ，３ｂの少なくともヘッダ流路同士間には前記プレートフィンのヘッダ流路同士間部分の断熱スリットＡ１６と対向する断熱スリットＢ１７を設けたプレートフィン積層型熱交換器とし、冷凍システムは前記プレートフィン積層型熱交換器としている。これにより、エンドプレートの流入及び流出用のヘッダ流路部分で生じる熱損失を低減することができ、伝熱流路をＵターン化状にしたことによる小型化と高性能化により高性能な熱交換器及びそれを用いた冷凍システムを提供する。【選択図】図３

Description

本発明はプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

一般に空気調和機や冷凍機等の冷凍システムは、圧縮機によって圧縮した冷媒を凝縮器や蒸発器等の熱交換器に循環させ第２流体と熱交換させて冷房もしくは暖房を行うが、前記熱交換器の熱交換効率によってシステムとしての性能や省エネ性が大きく左右される。従って、熱交換器は高効率化が強く求められている。

このような中にあって、空気調和機や冷凍機等の冷凍システムの熱交換器は、一般的には、フィン群に伝熱管を貫通させて構成したフィンチューブ型熱交換器が用いられており、伝熱管の細径化を図って熱交換効率の向上及び小型化が進められている。

しかしながら、上記伝熱管の細径化には限度があるため、熱交換効率の向上及び小型化は限界に近づきつつある。

一方、熱エネルギーを交換するために使用される熱交換器の中には、流路を有するプレートフィンを積層して構成したプレートフィン積層型熱交換器が知られている。

このプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィンに形成された流路を流れる冷媒と、積層されたプレートフィの間を流れる第２流体との間で熱交換を行うもので、冷量が少なく冷媒圧が低い車両用の空気調和機において使用されている（例えば、特許文献１参照）。

図９、図１０は上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器を示し、この熱交換器１００は、冷媒が流れる伝熱流路１０１（図１０参照）を有する多数のプレートフィン１０２を積層したプレートフィン積層体１０３の両側端面にエンドプレート１０４を積層配置し、前記伝熱流路１０１の左右両端部に流入側ヘッダ流路１０５及び流出側ヘッダ流路１０６を形成して構成している。

実用新案登録第３１９２７１９号公報

上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィン１０２に凹溝をプレス成形して流路１０１を形成しているので、当該伝熱流路１０１の断面積をフィンチューブ型の伝熱管に比べさらに小さくでき、熱交換効率を高め小型化することができる。

しかしながら、上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン１０２は、その伝熱流路１０１を流れる冷媒の流入用のヘッダ流路１０５と流出用のヘッダ流路１０６がプレートフィン１０２の左右両端部に分けて設けられているので、流路長が短く冷媒と空気との熱交換効率が低いものとなってしまう上に、流路長を長くしようとすればプレートフィン１０２の長さ寸法が大きくなって大型化してしまうものであった。

そこで出願人は図１１に示すように冷媒の流入及び流出用ヘッダ流路１０５、１０６をプレートフィン１０２の一端部側に纏めて設け、伝熱流路１０１を他端部側でＵターンさせて流出入用ヘッダ流路１０５、１０６に接続する構成として、伝熱流路１０１の長さを長くしつつプレートフィン１０２の寸法を短くし、冷媒と空気の熱交換効率を高めると同時により小型化を促進できるものを提案している。

この場合、プレートフィン１０２の他端部側で伝熱流路１０１がＵターンして流入用ヘッダ流路１０５に繋がる伝熱往き流路１０１ａと流出用ヘッダ流路１０６に繋がる伝熱戻り流路１０１ｂとが隣接する形となるので、双方の伝熱流路１０１ａ、１０１ｂ間で熱が移動するのを防止すべく断熱スリット１０７を設けている。これにより、高性能化が図れてはいるが、両側端面に設けてあるエンドプレート１０７を介しても熱移動による熱損失が生じていた。特にエンドプレート１０４の流入及び流出用ヘッダ流路１０５、１０６部分では通過する冷媒循環量が多く、温度差も大きいため、熱移動量が多くなり、性能が低下しやすい。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、その目的とするところはエンドプレート部分での熱損失を低減して小型、高性能なプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、その熱交換器は、流入及び流出用の一対のヘッダ流路に繋がる複数の伝熱流路を有するプレートフィンを多数積層してプレートフィン積層体を構成し、前記プレートフィン積層体の両側端面にエンドプレートを接合一体化したプレートフィン積層型熱交換器であって、前記プレートフィンは複数の流路形成用凹溝を有したプレートを接合して一対のヘッダ流路に繋がる伝熱流路を形成するとともに、前記伝熱流路を前記各プレートフィン内でＵターン状に形成し、これに繋がる一対のヘッダ流路をプレートフィンの一端部側に纏めて設け、且つ、前記プレートフィンのＵターンさせた伝熱流路の往き流路と戻り流路との間には断熱スリットＡを形成し、且つ、前記プレートフィン積層体の両側端面に位置する前記エンドプレートの少なくともヘッダ流路同士間には前記プレートフィンのヘッダ流路同士間部分の断熱スリットＡと対向する断熱スリットＢを設けた構成としてあり、冷凍システムは前記プレートフィン積層型熱交換器を用いた構成としている。

これにより、エンドプレートの流入及び流出用のヘッダ流路部分で生じる熱損失を低減することができ、伝熱流路のＵターン化による小型化と高性能化を生かしてさらに高性能な熱交換器及びそれを用いた冷凍システムとすることができる。

本発明は、上記構成により、熱交換器の小型化効果を生かしつつエンドプレートによる熱損失を低減して小型且つ高性能なプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムとすることができる。

本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器の分解斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器の両側端面に位置するプレートフィンとエンドプレートを示す分解斜視図 （ａ）（ｂ）同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する各プレートの斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの積層状態を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの積層状態を示す分解斜視図 本発明のプレート積層型熱交換器を用いた実施の形態２における空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の概略断面図 従来のプレートフィン積層型熱交換器の断面図 同従来のプレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの平面図 本出願人が提案するプレートフィンの平面図

第１の発明は、熱交換器であり、この熱交換器は、流入及び流出用の一対のヘッダ流路に繋がる複数の伝熱流路を有するプレートフィンを多数積層してプレートフィン積層体を構成し、前記プレートフィン積層体の両側端面にエンドプレートを接合一体化したプレートフィン積層型熱交換器であって、前記プレートフィンは複数の流路形成用凹溝を有したプレートを接合して一対のヘッダ流路に繋がる伝熱流路を形成するとともに、前記伝熱流路を前記各プレートフィン内でＵターン状に形成し、これに繋がる前記一対のヘッダ流路をプレートフィンの一端部側に纏めて設け、且つ、前記プレートフィンのＵターン状の伝熱流路の往き流路と戻り流路との間には断熱スリットＡを形成し、且つ、前記プレートフィン積層体の両側端面に位置する前記エンドプレートの少なくともヘッダ流路同士間には前記プレートフィンのヘッダ流路同士間部分の断熱スリットＡと対向する断熱スリットＢを設けた構成としている。

これにより、エンドプレートの流入及び流出用のヘッダ流路部分で生じる熱損失を低減することができ、伝熱流路のＵターン化による小型化と高性能化を生かしてさらに高性能な熱交換器とすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記エンドプレートの前記断熱スリットＢは前記流入及び前記流出用の前記ヘッダ流路同士の間部分からプレートフィンの伝熱流路が設けられている部分まで設けた構成としている。

これにより、流入及び流出用のヘッダ流路部分の熱損失のみならず伝熱流路の往き流路と戻り流路との間の熱損失も低減することができ、より高性能な熱交換器とすることができる。

第３の発明は冷凍システムであり、この冷凍システムは冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１〜第３の発明のいずれかに記載のプレートフィン積層型熱交換器としたものである。

これにより、この冷凍システムは、プレートフィン積層型熱交換器の熱交換器が小型、高性能であるから、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

なお、本開示の熱交換器は、以下の実施の形態に記載したプレートフィン積層型熱交換器の構成に限定されるものではなく、以下の実施の形態において説明する技術的思想と同等の熱交換器の構成を含むものである。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図、図２はプレートフィン積層型熱交換器の分解斜視図、図３はプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンとエンドプレートを示す分解斜視図、図４（ａ）（ｂ）はプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する各プレートの斜視図、図５はプレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの積層状態を示す斜視図、図６はプレートフィン積層型熱交換器におけるプレートフィンの積層状態を示す分解斜視図である。

図１、図２に示すように、本実施の形態の熱交換器１は、略弓型形状のプレートフィン積層体２の両側に平面視が略同一形状のエンドプレート３ａ、３ｂを接合一体化して構成している。そして、略弓型形状の一端部側に、蒸発器として用いる場合には入口となり凝縮器して用いる場合は出口となる管Ａ４及びその逆となる管Ｂ５とを有している。

上記プレートフィン積層体２の両側のエンドプレート３ａ、３ｂは、プレートフィン積層体を挟持した形でロウ付けされ、ボルト・ナット若しくはカシメピン軸等の締結手段９によりその長手方向両端部を連結固定し、熱交換器としての剛性を保持している。

また、プレートフィン積層体２を構成するプレートフィン２ａは、図３に示す一対のプレート６ａ、６ｂをロウ付け等により接合して冷媒等の第１流体（以下、冷媒と称する）が流れる伝熱流路を有する構成としてあり、図５、図６に示すように多数積層して各プレートフィン２ａ同士の間に空気等の第２流体（以下、空気と称する）が流れる積層間隔を形成している。そして、上記プレートフィン２ａに設けた前記伝熱流路を流れる冷媒と各プレートフィン２ａ同士の間の積層間隙を流れる空気との間で熱交換する。

上記プレートフィン２ａを構成する一対のプレート６ａ、６ｂは、図６に示すように、その一方のプレート６ａに、管Ａ４及び管Ｂ５と繋がりヘッダ流路Ａ８およびヘッダ流路Ｂ１０となる開口８ａ，１０ａ及びその開口縁に設けたリング状凹溝８ｂ，１０ｂと、リング状凹溝８ｂ，１０ｂより導出した連絡流路用凹溝１１ａと、連絡流路用凹溝１１ａの端部に設けた分流路用凹溝１２ａと、分流路用凹溝１２ａより分岐形成した複数の略Ｕ字状に並行した流路形成用凹溝１４ａが設けてある。

一方、他方のプレート６ｂには、ヘッダ流路Ａ８およびヘッダ流路Ｂ１０となる開口８ｃ，１０ｃ及びその開口縁に設けたリング状凹溝８ｄ，１０ｄと、前記プレート６ａの連絡流路用凹溝１１ａの端部と対向する部分に位置する分流路用凹溝１２ｂと、分流路用凹溝１２ｂより分岐形成した複数の略Ｕ字状に並行した流路形成用凹溝１４ｂとが設けてある。

そして、上記一対のプレート６ａ、６ｂは、上記開口８ａ，１０ａと８ｃ，１０ｃ及びその開口縁に設けたリング状凹溝８ｂ，１０ｂと８ｄ，１０ｄ同士、及び分流路用凹溝１２ａと１２ｂ及び流路形成用凹溝１４ａと１４ｂ同士がそれぞれ合致するようにしてロウ付け等により接合し、開口８ａ，１０ａ，８ｃ，１０ｃ及びその開口縁のリング状凹溝８ｂ，１０ｂ，８ｄ，１０ｄ部分でヘッダ流路Ａ８およびヘッダ流路Ｂ１０を形成し、分流路用凹溝１２ａ，１２ｂと流路形成用凹溝１４ａ，１４ｂ同士で分流路１２と伝熱流路１４を形成し、連絡流路用凹溝１１ａで連絡流路１１を形成している。

そして、上記構成のプレートフィン積層体２のプレートフィン２ａは、当該プレートフィン２ａの長手方向に沿って適宜設けた複数の突起１５（図４参照）によって空気が流れる積層間隔を形成している。

ここで、上記伝熱流路１４は図４のプレートフィン全体図に示すように、プレートフィン２ａの外形と同様略弓型に屈曲させたうえＵターンする形状としてあり、図５に示すように、ヘッダ流路Ａ８に繋がる伝熱往き流路１４−１群とヘッダ流路Ｂ１０に繋がる伝熱戻り流路１４−２群との間にこれら両者間の熱移動を防止する断熱スリットＡ１６が形成している。

また、前記プレートフィン積層体２の両側端面のエンドプレート３ａ、３ｂにも、図３に示すように、前記プレートフィン２ａに設けた断熱スリットＡ１６と対向する位置にこれと同形状の断熱スリットＢ１７が設けてある。

次に上記のように構成したプレートフィン積層型熱交換器について、これを冷凍システムの熱交換器として用いた場合を例にしてその作用効果を説明する。

本実施の形態の熱交換器は、例えば蒸発条件で使用されている時、管Ａ４から気液二相状態の冷媒がプレートフィン積層体２の入り口側のヘッダ流路Ａ８内に流入する。ヘッダ流路Ａ８内に流入した冷媒は、図５及び図６に示す流路構成から明らかなように、各プレートフィン２ａの連絡流路１１及び分流路１２を介して伝熱流路１４群へ流れる。各プレートフィン２ａの伝熱流路１４群に流れた冷媒はＵターンしヘッダ流路Ｂ１０を介して気相状態で管Ｂ５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。

そして、上記伝熱流路１４を流れる際に冷媒は、前記プレートフィン積層体２のプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気と熱交換する。

上記のようにして熱交換が行われるが、前記プレートフィン２ａの伝熱往き流路１４−１群と伝熱戻り流路１４−２群との間には断熱スリットＡ１６が形成しているので、既述の如くこれら両者間における熱移動を防止することができる。

そしてこの熱交換器では、更にエンドプレート３ａ，３ｂにも前記断熱スリットＡ１６と同様の断熱スリットＢ１７設けているので、エンドプレート３ａ，３ｂ部分による熱移動も防止できる。つまり、エンドプレート３ａ，３ｂ部分での熱移動によって生じる熱損失をも低減することができ、高性能な熱交換器とすることができる。

また、本実施の形態では、上記断熱スリットＢ１７は流入及び流出用のヘッダ流路Ａ８，Ｂ１０の間部分からプレートフィン２ａの伝熱流路１４が設けられている部分まで設けてあるから、エンドプレート３ａ，３ｂの前記伝熱往き流路１４−１群と伝熱戻り流路１４−２群に対応する部分の間で生じる熱移動も防止することができる。

したがって、エンドプレート３ａ，４ｂ部分での熱移動によって生じる熱損失をより効果的に防止でき、一段と高性能な熱交換器とすることができる。

更に、本実施の形態の熱交換器は、伝熱流路１４をＵターンさせているので、プレートフィン２ａの長さを短くしつつ伝熱流路長を長く確保して熱交換性能を高めると同時に小型化することができかる。

よって、この伝熱流路１４のＵターン化による熱交換性能の向上と前記エンドプレート３ａ，３ｂ部分での熱損失の低減による効果が合わさって一段と高性能な熱交換器とすることができる。

なお、本実施の形態ではエンドプレート３ａ，３ｂに設けた断熱スリットＢ１７は、エンドプレート３ａ，３ｂの流入及び流出用のヘッダ流路Ａ８，Ｂ１０の間部分からプレートフィン２ａの伝熱流路１４が設けられている部分まで設けた構成としているが、これは冷媒循環量が多くて温度差が大きくなる流入及び流出用のヘッダ流路Ａ８，Ｂ１０の間の部分にだけ設けたものであってもよく、エンドプレート３ａ，３ｂ部分で生じる熱損失の大部分を防止できるので、所期の目的、すなわち高性能化目的はほぼ達成できる。そして、断熱スリットＢ１７の長さを短くできるので、エンドプレート３ａ，３ｂの剛性を損ねる度合いを少なくでき、信頼性の高い熱交換器とすることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器を用いて構成した空気調和機である。

図７は空気調和機の冷凍サイクル図、図８は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図７、図８において、この空気調和機は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

なお、本実施形態による冷媒回路には、テトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペン、ジフルオロメタンまたはペンタフルオロエタンまたはテトラフルオロエタンを、単体、もしくはそれぞれ２成分混合または３成分混合した冷媒を使用している。

上記構成からなる空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

上記のように構成された空気調和機は、その室外熱交換器５５或いは室内熱交換器５７に前記実施の形態で示した小型、高性能な熱交換器を使用することにより、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以上、本発明に係るプレートフィン積層型熱交換器及びそれを用いた冷凍システムについて、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれるものである。

本発明は、伝熱流路をＵターンさせて小型化を図りつつＵターンさせたことにより生じる熱損失を低減して高性能なプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた省エネ性の高い冷凍システムを提供することができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 管Ａ
５ 管Ｂ
６ａ プレート
６ｂ プレート
８ ヘッダ流路Ａ
８ａ，８ｃ 開口
８ｂ，８ｄ リング状凹溝
９ 締結手段（ボルト・ナット）
１０ ヘッダ流路Ｂ
１０ａ，１０ｃ 開口
１０ｂ，１０ｄ リング状凹溝
１１ 連絡流路
１１ａ，１１ｂ 連絡流路用凹溝
１２ 分流路
１２ａ，１２ｂ 分流路用凹溝
１４ 伝熱流路
１４−１ 伝熱往き流路
１４−２ 伝熱戻り流路
１４ａ 流路形成用凹溝
１４ｂ 流路形成用凹溝
１５ 突起
１６ 断熱スリットＡ
１７ 断熱スリットＢ
５１ 室外機
５２ 室内機
５３ 圧縮機
５４ 四方弁
５５ 室外熱交換器
５６ 減圧器
５７ 室内熱交換器
５８ 室内送風機

Claims (3)

1. 流入及び流出用の一対のヘッダ流路に繋がる複数の伝熱流路を有するプレートフィンを多数積層してプレートフィン積層体を構成し、前記プレートフィン積層体の両側端面にエンドプレートを接合一体化したプレートフィン積層型熱交換器であって、前記プレートフィンは複数の流路形成用凹溝を有したプレートを接合して前記一対のヘッダ流路に繋がる伝熱流路を形成するとともに、前記伝熱流路を前記各プレートフィン内でターン状に形成し、これに繋がる一対のヘッダ流路を前記プレートフィンの一端部側に纏めて設け、且つ、前記プレートフィンのＵターン状の伝熱流路の往き流路と戻り流路との間には断熱スリットＡを形成し、且つ、前記プレートフィン積層体の両側端面に位置するエンドプレートの少なくともヘッダ流路同士間には前記プレートフィンのヘッダ流路同士間部分の断熱スリットＡと対向する断熱スリットＢを設けたプレートフィン積層型熱交換器。
2. 前記エンドプレートの前記断熱スリットＢは前記流入及び前記流出用の前記ヘッダ流路同士の間部分からプレートフィンの伝熱流路が設けられている部分まで設けた請求項１に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
3. 冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１〜第３のいずれかに記載のプレートフィン積層型熱交換器とした冷凍システム。

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