JP2022076947A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換ユニットを搭載した熱交換装置の熱交換性能を向上させる。【解決手段】熱交換装置に２つの熱交換ユニットを搭載して、高温流体および低温流体が、一方の熱交換ユニットを通過した後、他方の熱交換ユニットを通過するようにする。こうすれば、１つの熱交換ユニットを用いて熱交換した場合よりも、熱交換性能を向上させることができる。また、大きなサイズの熱交換ユニットを用いた場合に比べても、第１熱交換ユニットおよび第２熱交換ユニットの内部を通過する高温流体および低温流体の流速が増加するため、熱交換性能を向上させることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数枚の伝熱性のプレートを積層することによって形成された熱交換ユニットを用いて、高温流体と低温流体との間で熱交換させる熱交換装置に関する。

プレートと呼ばれる複数枚の金属板を互いに間隔を空けて積層した構造の熱交換ユニット（いわゆるプレート式熱交換ユニット）を内蔵した熱交換装置が知られている。プレート式熱交換ユニットは、複数枚のプレートの外周が密封されることによってプレートとプレートとの間に複数の空間が形成されており、これらの空間は、一つ飛ばしの位置にある空間同士が連通した構造となっている。また、飛ばされた位置にある互い違いの空間同士も連通しており、このため熱交換ユニットの内部には二系統の流路が形成されている。更に、熱交換ユニットの外表面には、それらの流路の入口および出口が形成された構造となっている。

このような熱交換ユニットの一方の流路の入口から高温の流体を供給すると共に、他方の流路の入口からは低温の流体を供給すると、２つの流体は混じり合うことなくプレートの間の空間を通過した後、それぞれの流路の出口から流出する。この時、熱交換ユニットの内部では、高温の流体と低温の流体とがプレートで隔てられた状態で流れることになるので、高温の流体と低温の流体との間で効率よく熱交換することができる。その結果、このようなプレート式熱交換ユニットを内蔵することで、熱交換性能の高い熱交換装置を実現することが可能となる（例えば、特許文献１）。

特開平５－０７９７８６号公報

しかし、熱交換装置に要求される性能は年々と高くなっており、更に熱交換性能の高い熱交換装置の開発が要請されていた。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、熱交換装置の熱交換性能を向上させることが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の熱交換装置は次の構成を採用した。すなわち、
複数枚の伝熱性のプレートが積層されて前記複数枚のプレートとプレートとの間に２系統の流路が形成された熱交換ユニットを搭載し、一方の前記流路には高温流体を供給し、他方の前記流路には前記高温流体よりも温度が低い低温流体を供給することによって、前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換させる熱交換装置において、
前記低温流体と熱交換する前の前記高温流体が供給される第１熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットとは別体で、前記高温流体と熱交換する前の前記低温流体が供給される第２熱交換ユニットと、
前記第１熱交換ユニットから前記高温流体が流出する高温側流出口と、前記第２熱交換ユニットに前記高温流体が流入する高温側流入口とを接続する高温側中継配管と、
前記第２熱交換ユニットから前記低温流体が流出する低温側流出口と、前記第１熱交換ユニットに前記低温流体が流入する低温側流入口とを接続する低温側中継配管と
を備えることを特徴とする。

かかる本発明の熱交換装置においては、第１熱交換ユニットおよび第２熱交換ユニットの２つの熱交換ユニットが搭載されている。そして、低温流体と熱交換する前の高温流体は第１熱交換ユニットに供給されており、高温流体と熱交換する前の低温流体は第２熱交換ユニットに供給されている。更に、第１熱交換ユニットから高温流体が流出する高温側流出口と、第２熱交換ユニットに高温流体が流入する高温側流入口とは、高温側中継配管で接続されている。また、第２熱交換ユニットから低温流体が流出する低温側流出口と、第１熱交換ユニットに低温流体が流入する低温側流入口とは、低温側中継配管で接続されている。

こうすれば、第１熱交換ユニットに供給された高温流体は、第１熱交換ユニットに続いて第２熱交換ユニットの内部を通過し、一方、第２熱交換ユニットに供給された低温流体は、第２熱交換ユニットに続いて第１熱交換ユニットの内部を通過する。その結果、高温流体および低温流体は、一方の熱交換ユニットで熱交換した後に他方の熱交換ユニットでも熱交換することになる。こうすることで、１つの熱交換ユニットを用いて熱交換した場合よりも、熱交換性能を向上させることができる。また、２つの熱交換ユニットに相当する大きなサイズの熱交換ユニットを用いた場合に比べると、第１熱交換ユニットおよび第２熱交換ユニットのサイズが小さくなっているため、熱交換ユニットの内部を通過する高温流体および低温流体の流速が大きくなる。このため、大きなサイズの熱交換ユニットを用いて熱交換した場合に比べても、熱交換性能を向上させることが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換装置においては、高温流体はまたは低温流体の一方が、第１熱交換ユニットまたは第２熱交換ユニットの少なくとも一方をバイパス可能としてもよい。

こうすれば、熱交換器で必要な性能を適宜、調節することが可能となる。

本実施例の熱交換装置１の大まかな内部構造を示す説明図である。 本実施例の熱交換装置１を給湯器６１およびパネルヒータ７２に接続することによって、室内暖房を行う様子を例示した説明図である。 低温流体が第２熱交換ユニット２０をバイパス可能な変形例の熱交換装置１についての説明図である。 高温流体が第１熱交換ユニット１０をバイパス可能な変形例の熱交換装置１についての説明図である。

図１は、本実施例の熱交換装置１の大まかな内部構造を示す説明図である。本実施例の熱交換装置１は、直方体形状の本体ケース２の内部に、２つの熱交換ユニット１０，２０や、分配弁４１や、開閉弁４２や、図示しないコントローラなどが内蔵された構造となっている。ここで熱交換ユニット１０，２０は、複数枚の金属板が間隔を空けて積層されることによって内部に二系統の流路が形成されており、それらの流路に温度が異なる流体を通過させて、高温の流体（以下、高温流体）と低温の流体（以下、低温流体）との間で熱交換させるプレート式熱交換器である。以下では、熱交換ユニット１０を第１熱交換ユニット１０と称し、熱交換ユニット２０を第２熱交換ユニット２０と称して区別する。また、高温の流体および低温の流体を、それぞれ高温流体および低温流体と称する。

第１熱交換ユニット１０には、高温流体が流入する高温側流入口１１ｉと、高温流体が流出する高温側流出口１１ｏと、低温流体が流入する低温側流入口１２ｉと、低温流体が流出する低温側流出口１２ｏとが形成されている。熱交換ユニット１０の内部では、高温側流入口１１ｉと高温側流出口１１ｏとが繋がって一系統の流路（以下、高温側流路）を形成しており、低温側流入口１２ｉと低温側流出口１２ｏとも第１熱交換ユニット１０の内部で繋がって、高温側流路とは別系統の流路（以下、低温側流路）を形成している。

第２熱交換ユニット２０には、高温流体が流入する高温側流入口２１ｉと、高温流体が流出する高温側流出口２１ｏと、低温流体が流入する低温側流入口２２ｉと、低温流体が流出する低温側流出口２２ｏとが形成されている。熱交換ユニット２０の内部でも、高温側流入口２１ｉと高温側流出口２１ｏとが繋がって高温側流路を形成しており、低温側流入口２２ｉと低温側流出口２２ｏとが繋がって低温側流路を形成している。

また、本体ケース２の底面には、高温側流入継手５ｉや、高温側流出継手５ｏや、低温側流入継手６ｉや、低温側流出継手６ｏが突設されている。高温側流入継手５ｉには、熱交換装置１に高温流体を供給するための配管（高温側流入配管３ｉ）が接続され、高温側流入継手５ｉには、熱交換装置１内で熱交換した後の高温流体が流出する配管（高温側流出配管３ｏ）が接続されている。また、低温側流入継手６ｉには、熱交換装置１に低温流体を供給するための配管（低温側流入配管４ｉ）が接続され、低温側流入継手６ｉには、熱交換装置１内で熱交換した後の低温流体が流出する配管（低温側流出配管４ｏ）が接続されている。

そして、第１熱交換ユニット１０の高温側流入口１１ｉ、高温側流出口１１ｏ、低温側流入口１２ｉ、低温側流出口１２ｏや、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉ、高温側流出口２１ｏ、低温側流入口２２ｉ、低温側流出口２２ｏや、本体ケース２の底面の高温側流入継手５ｉ、高温側流出継手５ｏ、低温側流入継手６ｉ、低温側流出継手６ｏには、以下のように複数の配管が接続されている。

先ず、第１熱交換ユニット１０の高温側流入口１１ｉには高温側流入配管３１ａが接続されており、高温側流入配管３１ａの他端側は高温側流入継手５ｉに接続されている。第１熱交換ユニット１０の高温側流出口１１ｏには高温側中継配管３１ｂが接続されており、高温側中継配管３１ｂの他端側は、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉに接続されている。更に、第２熱交換ユニット２０の高温側流出口２１ｏには高温側上流流出配管３１ｃが接続されている。高温側上流流出配管３１ｃの他端側は開閉弁４２を介して高温側下流流出配管３１ｄに接続されており、高温側下流流出配管３１ｄの他端側は高温側流出継手５ｏに接続されている。

従って、高温側流入配管３ｉから熱交換装置１に供給された高温流体は、高温側流入配管３１ａを通って高温側流入口１１ｉから第１熱交換ユニット１０に供給され、第１熱交換ユニット１０内の流路を通って高温側流出口１１ｏから流出する。高温側流出口１１ｏから流出した高温流体は、高温側中継配管３１ｂを通って、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉに流入し、第２熱交換ユニット２０内の流路を通過して高温側流出口２１ｏから流出する。そして、高温側流出口２１ｏから流出した高温流体は、高温側上流流出配管３１ｃ、開閉弁４２、高温側下流流出配管３１ｄを経由して、高温側流出配管３ｏから熱交換装置１の外部に流出する。

一方、熱交換装置１に低温流体を供給する低温側流入配管４ｉは、低温側流入継手６ｉを介して低温側上流流入配管３２ａに接続されており、低温側上流流入配管３２ａの他端側は分配弁４１に接続されている。分配弁４１は、１つの流入ポートと２つの流出ポートとを備え、流入ポートから流入した流体を、所望の比率で２つの流出ポートに分配して流出させる周知の分配弁である。分配弁４１の一方の流出ポートには低温側下流流入配管３２ｂが接続されており、低温側下流流入配管３２ｂの他端側は第２熱交換ユニット２０の低温側流入口２２ｉに接続されている。また、分配弁４１の他方の流出ポートにはバイパス配管３２ｃが接続されている。更に、第２熱交換ユニット２０の低温側流出口２２ｏには低温側中継配管３２ｄが接続されており、低温側中継配管３２ｄの他端側は、第１熱交換ユニット１０の低温側流入口１２ｉに接続されている。そして、第１熱交換ユニット１０の低温側流出口１２ｏには、低温側流出配管３２ｅが接続されており、低温側流出配管３２ｅの他端側は低温側流出継手６ｏに接続されている。また、分配弁４１の他方の流出ポートに接続されたバイパス配管３２ｃは、低温側流出配管３２ｅの途中に接続されている。

このため、低温側流入継手６ｉから熱交換装置１に供給された低温流体は、低温側上流流入配管３２ａを通って分配弁４１に供給される。そして、分配弁４１に設定された比率で低温側下流流入配管３２ｂとバイパス配管３２ｃとに分配されて、低温側下流流入配管３２ｂに分配された低温流体は、低温側流入口２２ｉから第２熱交換ユニット２０に供給され、第２熱交換ユニット２０内の流路を通って低温側流出口２２ｏから流出した後、低温側中継配管３２ｄを通って第１熱交換ユニット１０の低温側流入口１２ｉに流入する。そして、第１熱交換ユニット１０内の流路を通過して低温側流出口１２ｏから流出した低温流体は、低温側流出配管３２ｅおよび低温側流出継手６ｏを経由して、低温側流出配管４ｏから熱交換装置１の外部に流出する。また、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された低温流体は、低温側流出配管３２ｅの途中で、第１熱交換ユニット１０の低温側流出口１２ｏから流出してきた低温流体と合流した後、低温側流出継手６ｏを介して、低温側流出配管４ｏから熱交換装置１の外部に流出する。

以上のような構造を有する本実施例の熱交換装置１は、高温側流入継手５ｉから高温流体を供給し、低温側流入継手６ｉから低温流体を供給すると、高温流体と低温流体とが第１熱交換ユニット１０および第２熱交換ユニット２０で熱交換する。そして、熱交換後の高温流体が高温側流出継手５ｏから流出し、熱交換後の低温流体が低温側流出継手６ｏから流出するようになっている。

図２は、本実施例の熱交換装置１を給湯器６１およびパネルヒータ７２に接続することによって、室内暖房を行う様子を例示した説明図である。図中で太い実線の矢印は高温流体の流れを表しており、太い破線の矢印は低温流体の流れを表している。図１を用いて前述したように、熱交換装置１の内部には、第１熱交換ユニット１０や、第２熱交換ユニット２０や、分配弁４１や、開閉弁４２などが搭載されている。また、熱交換装置１内には複数の配管が搭載されているが、図２では表示が煩雑となることを避けるために、配管については図示が省略されている。

給湯器６１で生成した高温の湯は、高温側流入口１１ｉから第１熱交換ユニット１０に供給される。第１熱交換ユニット１０に供給された湯は、第１熱交換ユニット１０の内部の流路を通って高温側流出口１１ｏから流出し、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉに流入する。そして、第２熱交換ユニット２０の内部の流路を通って高温側流出口２１ｏから流出し、開閉弁４２を通過した後、給湯器６１に還流するようになっている。このため、図示しないコントローラを用いて開閉弁４２を開弁させた状態で、給湯器６１で湯を生成してやれば、上述した経路で熱交換装置１に湯を供給し、後述する別の経路で熱交換装置１に供給される低温流体を加熱することができる。尚、図２に示されるように、給湯器６１で生成した湯の一部を、熱交換装置１で低温流体を加熱する以外の用途（例えば、浴室暖房器７１への供給など）に使用してもよい。

また、低温流体は、低温側流入口２２ｉから第２熱交換ユニット２０に流入し、第２熱交換ユニット２０内の流路を通過して低温側流出口２２ｏから流出した後、低温側流入口１２ｉから第１熱交換ユニット１０に流入する。そして、第１熱交換ユニット１０内の流路を通過して低温側流出口１２ｏから流出した後、パネルヒータ７２に供給される。パネルヒータ７２に供給された低温流体はパネルヒータ７２で放熱することによって室内空気を暖めた後、ヒートポンプ熱源機６２によって分配弁４１へと圧送される。この時、ヒートポンプ熱源機６２では、空気を断熱圧縮することによって周囲の空気が有する熱量を回収して、低温流体を予熱しておくことができる。

もっとも、多くの場合は、周囲の空気から回収した熱量だけでは低温流体を十分な温度に予熱することができないので、ヒートポンプ熱源機６２から圧送された大部分の低温流体は、分配弁４１で第２熱交換ユニット２０の低温側流入口２２ｉに分配され、残りの低温流体は、バイパス配管３２ｃ（図１参照）に分配された後、パネルヒータ７２に供給される。分配弁４１で低温流体を分配する比率は、図示しないコントローラによって制御されている。

以上のような熱交換装置１では、ヒートポンプ熱源機６２から圧送された低温流体は、初めに第２熱交換ユニット２０内で高温流体（ここでは給湯器６１で生成された湯）と熱交換し、次に第１熱交換ユニット１０内でも高温流体と熱交換した後、パネルヒータ７２に供給される。このように、２つの熱交換ユニット（第１熱交換ユニット１０および第２熱交換ユニット２０）を用いて二段階で熱交換しているので、１つの大きな熱交換ユニットを用いて熱交換する場合に比べて、小型の熱交換ユニットを用いることができる。そして、同じ流量であれば、小型の熱交換ユニットを用いた方が、内部の流路を流れる流体の流速が大きくなるので熱交換の効率を向上させることができる。

また、熱交換ユニットの内部には、プレートと呼ばれる複数枚の金属板が隙間をあけて積層された構造となっているが、プレートには薄い金属板が用いられるので、プレートの面積が大きくなると強度が低下し、その結果、熱交換ユニットの強度を確保することが困難となる。これに対して、上述した本実施例の熱交換装置１では、小型の第１熱交換ユニット１０および第２熱交換ユニット２０を用いることができるので、熱交換ユニットの強度を確保することができ、壊れにくい熱交換装置１を実現することができる。

尚、上述した本実施例の熱交換装置１では、分配弁４１に接続されたバイパス配管３２ｃの他端側は、低温側流出配管３２ｅの途中に接続されているものとして説明した（図１）。このため、図２に示したように、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された低温流体は、第１熱交換ユニット１０および第２熱交換ユニット２０の何れもバイパスすることになる。

これに対して、分配弁４１に接続されたバイパス配管３２ｃを、低温側中継配管３２ｄの途中に接続するようにしても良い。こうすれば、図３に示したように、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された低温流体が、第２熱交換ユニット２０はバイパスするが、第１熱交換ユニット１０は通過して高温流体と熱交換するようにすることもできる。このように、一部の熱交換ユニットをバイパスさせることができれば、全ての熱交換ユニットをバイパスさせる場合に比べて、熱交換装置１から流出する低温流体の温度を、より細かく調整することが可能となる。

尚、上述した変形例では、図３に示したように、分配弁４１が、第２熱交換ユニット２０の低温側流入口２２ｉの上流に搭載されており、分配弁４１のバイパス配管３２ｃが、第１熱交換ユニット１０の低温側流入口１２ｉの上流に接続されることによって、低温流体に第２熱交換ユニット２０をバイパスさせることが可能になっているものとして説明した。

しかし、バイパスさせる熱交換ユニットは第２熱交換ユニット２０に限られるわけではない。例えば、分配弁４１を、第１熱交換ユニット１０の低温側流入口１２ｉの上流（すなわち、低温側中継配管３２ｄの途中）に搭載し、分配弁４１のバイパス配管３２ｃを、第１熱交換ユニット１０の低温側流出口１２ｏの下流（すなわち、低温側流出配管３２ｅ）に接続してもよい。こうすれば、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された低温流体については第１熱交換ユニット１０をバイパスするようにすることができる。

また、上述した変形例では、低温流体が第１熱交換ユニット１０あるいは第２熱交換ユニット２０をバイパス可能になっている場合について説明した。しかし、高温流体が第１熱交換ユニット１０あるいは第２熱交換ユニット２０をバイパス可能としてもよい。

例えば、図４に示した例では、第１熱交換ユニット１０の高温側流入口１１ｉの上流（すなわち、高温側流入配管３１ａの途中）に分配弁４１が搭載されており、分配弁４１のバイパス配管３２ｃを、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉの上流（すなわち、高温側中継配管３１ｂ）に接続してもよい。こうすれば、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された高温流体については第１熱交換ユニット１０をバイパスするようにすることができる。

あるいは、第２熱交換ユニット２０の高温側流入口２１ｉの上流（すなわち、高温側中継配管３１ｂ）に分配弁４１を搭載し、分配弁４１のバイパス配管３２ｃを、第２熱交換ユニット２０の高温側流出口２１ｏと開閉弁４２との間（すなわち、高温側上流流出配管３１ｃの途中）に接続してもよい。こうすれば、分配弁４１でバイパス配管３２ｃに分配された高温流体については第２熱交換ユニット２０をバイパスするようにすることができる。

更には、第１熱交換ユニット１０の高温側流入口１１ｉの上流（すなわち、高温側流入配管３１ａの途中）に分配弁４１を搭載し、分配弁４１のバイパス配管３２ｃを、第２熱交換ユニット２０の高温側流出口２１ｏと開閉弁４２との間（すなわち、高温側上流流出配管３１ｃの途中）に接続してもよい。こうすれば、例えば浴室暖房器７１で大きな熱量が必要となった場合に、熱交換装置１での熱交換を中断することで、浴室暖房器７１に必要な熱量を供給することができる。また、熱交換装置１で熱交換を中断している間も、熱交換装置１には高温流体が供給されているので、給湯器６１で生成する湯量の変化が抑制されるので、給湯器６１の運転状態を安定させることが可能となる。

以上、本実施例および変形例の熱交換装置１について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、上述した実施例および変形例では、２つの流出ポートへの分配比率を変更可能な分配弁４１が用いられているものとして説明した。しかし、分配弁４１の代わりに、３方弁（１つの流入ポートと２つの流出ポートとを備え、流入ポートから流入した流体が流出ポートを切り換える切換弁）を用いてもよい。

１…熱交換装置、 ２…本体ケース、 ３ｉ…高温側流入配管、
３ｏ…高温側流出配管、 ４ｉ…低温側流入配管、 ４ｏ…低温側流出配管、
５ｉ…高温側流入継手、 ５ｏ…高温側流出継手、 ６ｉ…低温側流入継手、
６ｏ…低温側流出継手、 １０…第１熱交換ユニット、 １１ｉ…高温側流入口、
１１ｏ…高温側流出口、 １２ｉ…低温側流入口、 １２ｏ…低温側流出口、
２０…第２熱交換ユニット、 ２１ｉ…高温側流入口、 ２１ｏ…高温側流出口、
２２ｉ…低温側流入口、 ２２ｏ…低温側流出口、 ３１ａ…高温側流入配管、
３１ｂ…高温側中継配管、 ３１ｃ…高温側上流流出配管、
３１ｄ…高温側下流流出配管、 ３２ａ…低温側上流流入配管、
３２ｂ…低温側下流流入配管、 ３２ｃ…バイパス配管、
３２ｄ…低温側中継配管、 ３２ｅ…低温側流出配管、 ４１…分配弁、
４２…開閉弁、 ６１…給湯器、 ６２…ヒートポンプ熱源機、
７１…浴室暖房器、 ７２…パネルヒータ。

Claims (2)

1. 複数枚の伝熱性のプレートが積層されて前記複数枚のプレートとプレートとの間に２系統の流路が形成された熱交換ユニットを搭載し、一方の前記流路には高温流体を供給し、他方の前記流路には前記高温流体よりも温度が低い低温流体を供給することによって、前記高温流体と前記低温流体との間で熱交換させる熱交換装置において、
   前記低温流体と熱交換する前の前記高温流体が供給される第１熱交換ユニットと、
   前記第１熱交換ユニットとは別体で、前記高温流体と熱交換する前の前記低温流体が供給される第２熱交換ユニットと、
   前記第１熱交換ユニットから前記高温流体が流出する高温側流出口と、前記第２熱交換ユニットに前記高温流体が流入する高温側流入口とを接続する高温側中継配管と、
   前記第２熱交換ユニットから前記低温流体が流出する低温側流出口と、前記第１熱交換ユニットに前記低温流体が流入する低温側流入口とを接続する低温側中継配管と
   を備えることを特徴とする熱交換装置。
2. 請求項１に記載の熱交換装置において、
   前記高温流体はまたは前記低温流体の一方は、前記第１熱交換ユニットまたは前記第２熱交換ユニットの少なくとも一方をバイパス可能となっている
   ことを特徴とする熱交換器。

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