JP2023000451A - 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】ヘッダ流路直近部分における熱交換作用を向上させた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の提供。【解決手段】第１流体が流れる伝熱流路８付のプレートフィン２ａを複数積層して構成したプレートフィン積層型熱交換器であって、前記伝熱流路８はヘッダ流路Ａ，Ｂ１０の間を数回ターンして前記ヘッダ流路間を繋ぐ構成とするとともに、一方のヘッダ流路Ｂ１０側でターンする伝熱流路８の前記ターン部１１ａは前記プレートフィン２ａ間を流れる第２流体の流れ方向において前記ヘッダ流路Ｂ１０の少なくとも伝熱流路導出部１０ａとオーバーラップする位置まで延設した構成としている。これにより、ヘッダ流路Ｂ１０直近部での熱交換性能が向上し、高性能なプレートフィン積層型根交換機とそれを用いた冷凍システムを提供することができる。【選択図】図５

Description

本開示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。

特許文献１は、プレートフィン積層型熱交換器を開示する。このプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路と伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層することにより構成してあり、一方のヘッダ流路から伝熱流路に流入した第１流体を出口となる他方のヘッダ流路へと流し、前記伝熱流路を流れる第１流体と前記プレートフィン間の間隙を流れる空気等の第２流体との間で熱交換させる構成としている。

特開２０１７－１８０８５６号公報

本開示は、上記プレートフィンのヘッダ流路直近部分における熱交換作用を向上させた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を提供する。

本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路と伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層して構成されたプレートフィン積層型熱交換器であって、前記伝熱流路はヘッダ流路の間を数回ターンして前記ヘッダ流路間を繋ぐ構成とするとともに、一方のヘッダ流路側でターンする伝熱流路のターン部は前記プレートフィン間を流れる第２流体の流れ方向において前記ヘッダ流路の少なくとも伝熱流路導出部とオーバーラップする位置まで延設した構成としている。

本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、上記構成により、ヘッダ流路直近部分を通過する第２流体が前記ヘッダ流路の伝熱流路導出部とオーバーラップする伝熱流路のターン部を通過して第１流体と熱交換するので、当該ヘッダ流路直近部での熱交換性能が向上し、高性能なプレートフィン積層型根交換機とそれを用いた冷凍システムとすることができる。

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プレートフィン積層体の要部を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン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のプレートフィンを示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器を用いた冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の室内機を示す断面図 本開示に至る前のプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを示す斜視図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、プレートフィン積層型熱交換器は、特許文献１に示すように、一対のヘッダ流路間に冷媒等の第１流体が流れる伝熱流路を有するプレートフィンを複数積層して構成している。しかしながら、上記伝熱流路は多分岐流路を介して流路を複数に分岐し、冷媒等の第１流体を流すように構成されていて、複雑な流路構成となっていた。

そこで、本発明者らは伝熱流路の構成簡素化を目指して図８に示すように一方のヘッダ流路１０１から導出した一つの伝熱流路１０２を他端部側でターンさせ、このターンを数回繰り返して他端部側のヘッダ流路１０３に繋ぐ構成とし、伝熱流路１０２の構成簡素化を図った。

しかしながら、上記構成とした場合、ヘッダ流路１０２直近部分では第２流体の一部が矢印Ｚで示すように伝熱流路１０２のヘッダ流路導出部１０２ａ部分のみを通過することになる。

ここで、前記伝熱流路８を流れる冷媒の温度は空気との熱交換によって入り口側となるヘッダ流路１０１から出口側となるヘッダ流路１０３にかけて温度傾斜が生じており、例えば熱交換器を空気調和機の暖房熱源となる凝縮器として使用している時には、出口側となるヘッダ流路１０３直近部分では冷媒が過冷却状態となって低温となっている。その結果、前記ヘッダ流路１０３直近部分では十分な熱交換作用が得られず、室内空気が熱交換されることなくほとんどそのまま冷風状態で通り抜ける、という課題が生じることを発見した。

本発明者らはこのような課題を発見し当該課題を解決するため本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、ヘッダ流路直近部分での熱交換作用を高めて熱交換性能を向上させた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を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図５を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１、図２に示すように、本実施の形態の熱交換器１は、短冊状のプレートフィン２ａを積層した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、その端部に、凝縮器として用いる場合には入口となり蒸発器と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２を挟持した形でロウ付けされ、締結手段７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２ａは、図４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８を有する構成としてあり、図３に示すように、複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８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４に示しているように、管Ａ４及び管Ｂ５に繋がるヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０となる開口Ａ９ａ、開口Ｂ１０ａ及びその開口縁に設けたリング状凹溝９ｂ、１０ｂと、前記ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０を繋ぐ流路形成用凹溝８ａを有している。

そして、上記一対のプレート６ａ、６ｂを向かい合わせにロウ付けして、ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０、ヘッダ流路Ａ９およびヘッダ流路Ｂ１０間を繋ぐ伝熱流路８を形成している。

ここで、上記伝熱流路８は、図５に示すように、入り口側となる一方のヘッダ流路Ａ９から引き出した伝熱流路８の端部側を数回折り返して出口側となる他端部側のヘッダ流路Ｂ１０に繋ぐように構成している。この例では２回ターンして前記ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間を繋ぐ構成としている。

さらに、上記伝熱流路８は、ターン部１１のうち少なくとも前記一方のヘッダ流路Ｂ１０側でターンする伝熱流路８の前記ターン部１１ａは矢印Ｘで示すプレートフィン２ａ間を流れる第２流体（以下、空気と称す）の流れ方向において前記ヘッダ流路Ｂ１０とオーバーラップする位置まで延設してターンさせてある。

この例ではヘッダ流路Ｂ１０の最外周端１０ｃと対向する位置まで延設しているが、流路領域Ｌの終端部となる伝熱流路導出部８ｂまでの延設であってもよい。

また、伝熱流路８は一本の流路をターンさせる構成としたが、必要に応じて複数本の流路を並設してヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間でターンさせる構成としてもよい。

なお、前記プレートフィン２ａにはターンさせた伝熱流路８同士間にスリット１２を形成し、隣接する流路間で生じる熱移動を防止する構成としている。

また、上記構成のプレートフィン２ａは、当該プレートフィン２ａの伝熱流路８の長手方向に沿って適宜設けた複数の突起１３（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。

［１－２．動作］
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、これを空気調和機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、例えば凝縮条件で使用されている時、管Ａ４から気相状態の液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Ａ９内に流入する。ヘッダ流路Ａ９内に流入した気相冷媒は、各プレートフィン２ａの伝熱流路８を流れ、各ターン部１１でターンし、出口側のヘッダ流路Ｂ１０を介して管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８を流れる間に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し、気相冷媒は順次液相化してヘッダ流路Ｂ１０から流出する。

ここで、上記出口側のヘッダ流路Ｂ１０直近部分の冷媒は、過冷却状態となっていて液相状態で温度が低くプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気との温度差が少ない。よって、当該部分ではほとんど熱交換作用が生じない。

しかしながら、この熱交換器では、前記ヘッダ流路Ｂ１０の空気の流れ方向、つまりヘッダ流路Ｂ１０の下流側には、前記伝熱流路８を折り返して形成したターン部１１ａが存在している。そして、上記ヘッダ流路Ｂ１０の直近下流側のターン部１１ａの冷媒は、気相もしくは気液二相状態で温度も高い。よって、上記ターン部１１ａでヘッダ流路Ｂ１０直近部分を流れる空気との熱交換が行われ、ヘッダ流路Ｂ１０直近部分での熱交換作用が高まる。つまり、ヘッダ流路Ｂ１０直近部分を流れる空気が熱交換されることなく冷風のまま通り抜けるのを防止することができる。

特に本実施の形態では、上記ターン部１１ａは伝熱流路導出部８ｂを越えてヘッダ流路Ｂ１０の最外周端１０ｃと対向する位置まで延設しているので、ヘッダ流路Ｂ１０ともオーバーラップしている。よってヘッダ流路Ｂ１０部分に空気が流れ込んだとしてもターン部１１ａで熱交換することができる。その結果、ヘッダ流路Ｂ１０部分に流れ込んだとしてもその空気をも熱交換して空気が冷風のままヘッダ流路Ｂ１０直近部分を通り抜けるのを確実に抑制することができる。

なお、上記のように構成した場合、上記ターン部１１ａがオーバーラップするヘッダ流路Ｂ１０はターン部１１ａをオーパラップするように設けた分だけその流路径が小さくなるが、このヘッダ流路Ｂ１０側は冷媒が液相となっているので、小径であっても流路抵抗は少ない。よって、流路径を小さくしたことによって生じる流路抵抗増による熱交換作用の低下がほとんどない。したがって、ヘッダ流路Ｂ１０の下流側にターン部１１ａを設ける本実施形態の構成は効果的に熱交換作用を向上させることができる。

また、この熱交換器は、上記ヘッダ流路Ｂ１０とオーバーラップするようなターン部１１ａを他方のヘッダ流路Ａ９側に設けもよい。しかしながら、他方のヘッダ流路Ａ９側は冷媒が気相であり、流路径Ａ９を小さくすると冷媒の流動抵抗増が大きくなる。そして、その流動抵抗増による熱交換作用の低下が発生し、この熱交換作用の低下が、ヘッダ流路Ａ９にターン部をオーバーラップさせて設ける熱交換増進効果と同等かそれよりも大きくなってしまう。そのため、本実施形態の熱交換器では、気相冷媒が流れるヘッダ流路Ａ９側にはこれとオーバーラップするターン部を設けない構成としている。

これにより、この熱交換器を凝縮条件で使用すれば、ヘッダ流路Ａ９側の熱交換作用も高いレベルのままに保持することができ、ヘッダ流路Ｂ１０側の熱交換作用を向上させたことがプラスとなって熱交換器全体としての熱交換作用をバランスの取れた高いものとすることができる。

また、本実施形態の熱交換器では、前記ヘッダ流路Ｂ１０とオーバーラップするターン部１１ａの隣接する流路間にはスリット１２を無くしてスリットレスとしている。したがって、ターン部１１ａが存在する領域は比較的温度が高くかつ安定した温度状態とすることができる。よって、ヘッダ流路Ａ９直近部分を流れる空気の熱交換作用をより効果的に高めることができる。

［１－３．効果等］
以上のように、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０ｂと伝熱流路８とを有するプレートフィン２ａを複数積層して構成されたプレートフィン積層型熱交換器であって、前記伝熱流路８はヘッダ流路Ａ９，９ｂの間を数回ターンして前記ヘッダ流路間を繋ぐ構成とするとともに、一方のヘッダ流路Ｂ１０側でターンする伝熱流路８のターン部１１ａは前記プレートフィン２ａ間を流れる第２流体の流れ方向において前記ヘッダ流路Ｂ１０の少なくとも伝熱流路導出部１０ａとオーバーラップする位置まで延設した構成としている。

これにより、ヘッダ流路Ｂ１０直近部分を通過する第２流体が前記ヘッダ流路Ｂ１０の伝熱流路導出部８ｂとオーバーラップする伝熱流路８のターン部１１ａを通過して第１流体と熱交換するので、当該ヘッダ流路Ｂ１０直近部での熱交換性能が向上し、高性能なプレートフィン積層型根交換機とすることができる。

また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、上記ターン部１１ａを伝熱流路導出部８ｂを越えてヘッダ流路Ｂ１０の最外周端１０ｃと対向する位置まで延設し、ヘッダ流路Ｂ１０ともオーバーラップさせている。

これにより、ヘッダ流路Ｂ１０部分に流れる空気とも熱交換し、ヘッダ流路Ｂ１０直近部での熱交換性能をより確実に向上させることができる。

また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、上記ターン部１１ａを一方のヘッダ流路１１ｂ側のみに設け、他方のヘッダ流路Ａ９側の第２流体の流れ方向には延設しない構成としている。

これにより、第２流体の流れ方向にターン部を延設していない側のヘッダ流路Ａ９はターン部によってその流路径を制約されることなく十分な大きさを確保することができる。したがって、ヘッダ流路Ａ９の流路径が制約されることによって流路抵抗が増加し熱交換作用が低減してしまうのを防止して高い熱交換作用を維持することができる。よって、第１流体が冷媒で、凝縮器として使用する場合、他方のヘッダ流路Ｂ１０直近部での冷風の通り抜けを防止して熱交換性能を向上させると同時にもう一方のヘッダ流路Ａ９側での熱交換作用を低下させることなく確保し、熱交換器全体としての熱交換作用を高いものとすることができる。

また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間を繋ぐ伝熱流路８の隣接流路間にスリット１２を設けるとともに、前記一方のヘッダ流路Ｂ１０の伝熱流路導出部８ｂとオーバーラップする位置まで延設したターン部１１ａの流路間はスリットレスとした構成としている。

これにより、ターン部１１ａ付近の温度を高くかつ安定した温度状態とすることができ、ヘッダ流路Ｂ１０直近部分を通り抜ける第２流体との熱交換作用をより効果的に高めることができる。

（実施の形態２）
以下、図６、図７を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．構成］
図６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の冷凍サイクル図、図７は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図６、図７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、前記室内熱交換器５７に実施の形態１で例示したプレートフィン積層型熱交換器を用い、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。

［２－２．動作］
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気相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、高圧の液相冷媒となり、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。

一方、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気相冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の気相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、冷却され低温高圧の液相冷媒となって室内熱交換器５７から流出する。

この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。そして、前記冷媒が室内熱交換器５７の冷媒流出側のヘッダ流路Ｂ１０直近部分で低温状態となっていても、前記実施の形態１で説明したように冷媒流出側のヘッダ流路１０下流となるターン部１１ａで高温高圧の冷媒と熱交換して加熱され、冷風のまま通り抜けるのを防止されて冷風感の少ない質の高い暖房を行う。

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。

［２－３．効果等］
以上のように、本開示の冷凍システムは、熱交換器と送風ファンを備え、前記室内熱交換器を前記実施の形態１で説明したプレートフィン積層型熱交換器としている。

これにより、ヘッダ流路直近部でも高い熱交換作用を行って熱効率が高く高性能な冷凍システムとすることができる。

［他の実施形態］
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く、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。例えば、第１流体は冷媒、第２流体は空気とした場合を例示したが、これに限定されるものではない。又、冷凍システムとして空気調和機を例示したが第２流体を水としたヒートポンプ給湯器であってもよい。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、上記したように、ヘッダ流路直近部での熱交換性能を高め、高性能なプレートフィン積層型根交換機とそれを用いた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ヒートポンプ給湯器等各種冷凍機器に幅広く利用でき、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
７ 締結手段（ボルト・ナット）
８ 伝熱流路
８ａ 流路形成用凹溝
８ｂ 伝熱流路導出部
９ ヘッダ流路Ａ
１０ ヘッダ流路Ｂ
１０ａ 伝熱流路導出部
１１ ターン部
１１ａ ターン部
１２ スリット
１３ 突起
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
５９ 室外送風機

Claims (5)

1. 一対のヘッダ流路と伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層して構成されたプレートフィン積層型熱交換器であって、前記伝熱流路は前記ヘッダ流路の間を数回ターンして前記ヘッダ流路間を繋ぐ構成とするとともに、一方のヘッダ流路側でターンする伝熱流路のターン部は前記プレートフィン間を流れる第２流体の流れ方向において前記ヘッダ流路の少なくとも伝熱流路導出部とオーバーラップする位置まで延設したプレートフィン積層型熱交換器。
2. 前記ターン部は前記伝熱流路導出部を越えて前記ヘッダ流路の最外周端と対向する位置まで延設し、当該ヘッダ流路ともオーバーラップする構成とした請求項１に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
3. 前記ターン部は一方のヘッダ流路側のみに設け、他方のヘッダ流路側の第２流体の流れ方向には延設しない構成とした請求項１または２に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
4. 前記ヘッダ流路間を繋ぐ伝熱流路の隣接流路間にスリットを設けるとともに、前記一方のヘッダ流路の伝熱流路導出部とオーバーラップする位置まで延設したターン部の流路間はスリットレスとした請求項１～３のいずれか１項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
5. 熱交換器と送風ファンを備え、前記熱交換器を前記第１～第４のいずれか１項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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