JP3747780B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器及び冷凍空調システムに関し、特にプレート式熱交換器を用いたチラーユニットに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトで伝熱性能の良い熱交換器として流体の流れ方向に沿う縦溝を形成したヘリンボーン状の波形伝熱面を有する複数枚のプレートを積層したものが例えば特開平７−２６０３８４号公報に記載のように知られている。
また、ヘリンボーンタイプ以外で圧損の低減を図り、２枚の成形プレートより成る熱交換媒体流路の内方に突出する複数の相対ビード群を設けたものとしては特開平４−３２６９７号公報に記載のものが挙げられる。本例では、熱交換器を蒸発器と使用する際の出口側の圧力損失を低減させるため下流側に行くほど隔てる距離が大きくなるようにビード群を配している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ヘリンボーン状の波形伝熱面の山どうしの接触点で流れが絞られる効果が緩和され圧力損失が低減されるものの、流体の一部が縦溝をバイパスして流れてしまうため有効に働かない事により伝熱性能が低下し、熱交換容量を確保するためには熱交換器を大きくしなければならない。そして、この対策として波形伝熱面の山どうしの接触点の数が少なくなるよう波の角度を形成した場合、圧損を小さくする事は出来るが、耐圧強度が低下する。
また、特開平４−３２６９７号公報に記載のものでは、ビード群を間引く事により圧力損失が低減されるものの、流路内の乱れが減少して伝熱性能が低下する。
【０００４】
本発明の目的は、コンパクトで伝熱性能が良くかつ圧力損失の少ない熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
また、本発明の目的は、熱交換器を小型にかつ性能向上することにより、使用される冷媒量を少なくし、オゾン層破壊の恐れを少なくする、地球温暖化を防止するなど環境問題へ対応した熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、冷媒量を少なく熱交換器の性能向上を図ると共に、熱交換器の密閉度を高め、自然系冷媒を用いても効率を良好とし、自然系冷媒の可燃性や毒性に対して安全性を高めた熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
なお、本発明は上記課題の少なくとも一つを解決するものである。
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、前記スロープ部に前記伝熱面要素の高さより小さい凹凸が形成された微細フィンを設けたものである。
これにより、プレート間を流れる流体は、伝熱面要素に衝突後、スロープ部に形成された斜面に沿ってスムーズに流れ、三次元乱れを発生する。よって、圧力損失を低減すると共に、伝熱面責を拡大して非常に高い伝熱促進効果が得られる。また、各伝熱面要素はプレートの厚さ方向に突き出されているので、プレートの曲げ剛性が高くなり、伝熱面要素の上端部と他方のプレートの底面が接触して、各プレートの上下相互間の強度を確保できるので、熱交換器としての耐圧強度を高くできる。
以上により、圧力損失を低減しながら適度な流体混合を保ち伝熱性能を向上させ、大幅なコンパクト化を図ることができる。
【０００６】
また、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、その高さが２〜３ｍｍとされた前記伝熱面要素と、前記スロープ部の表面に０．１〜１．０ｍｍの凹凸が形成されているものである。
さらに、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、平坦とされた前記上端部が下流側に配置されたものである。
さらに、上記のものにおいて、平坦とされた上端部が下流側に配置されたことが望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
熱交換器をプレートを複数枚積層してプレートの相互間に流路を形成し、これらの流路に温度の異なる流体を交互に流す事により熱交換を行うものは、従来の多管式等の熱交換器に比べて大幅にコンパクト化できるメリットがある。
本発明の一実施の形態を図１ないし図６を参照して説明する。図１は一実施の形態の熱交換器に使用するプレート１の平面図であり、図５は伝熱面要素３を拡大した斜視図である。図２はそのプレート１を交互に上下反転して積層した状態を示す平面図、図３、図４、図６はその要部を拡大した断面図である。
【０００８】
プレート１は薄い金属板をプレス加工することで作成が可能であり、プレート１は４個所の開口部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有しているが、この内開口部２ａ、２ｂのみがそれぞれ熱交換流体の流入口及び流出口となりシール部４の内部に通じられている。そして、上下それぞれ２個所の開口部２ｃ、２ｄはシール部４により仕切られる。
伝熱面要素３は、プレート１の厚さ方向に山又は谷状に突き出され、正方型形状であり、網状に配置、あるいは千鳥状に多数配列され、その間には、網掛け状に流路５が形成される。伝熱面要素３は、図５に示すごとくプレート１面に対して垂直方向に若干出張りを持った形状をしており、プレート１底面と平面状の上端部６との間には底面から上端部に向かって斜面となったスロープ部を有する。そして、スロープ部には伝熱面要素３の高さよりも十分に小さい多数の微細な波状の凹凸が形成された微細フィン７が設けられる。微細フィン７の凹凸の高さやピッチは、例えば伝熱面要素３の高さが２〜３ｍｍ程度とし、０．１〜１．０ｍｍ、望ましくは０．５ｍｍ前後又はこれ以下の値が良い。
【０００９】
図２に示したようにプレート１を交互に上下反転して積層した状態では、下側のプレート１の上端部６と上側のプレート１の流路５の交差する部分が接触するようになっており、プレート１上に多数の接触点が形成され、高い耐圧強度を得る事が出来る。
本実施の形態による熱交換器を、例えばチラーユニット用の水−冷媒熱交換器として使用する場合、熱交換性能や重力の影響を考えるとつぎのような流れ方向を有する完全対向流とするのが効果的である。すなわち、蒸発器であれば冷媒は下側の開口部２ａから流入し、プレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、上側の開口部２ｂから流出させ、水は上側の開口部２ｄから流入し、隣のプレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、下側の開口部２ｃから流出させるようにする。
逆に、凝縮器であれば冷媒は上側の開口部２ｂから流入し、プレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、下側の開口部２ａから流出させ、水は下側の開口部２ｃから流入し、隣のプレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、上側の開口部２ｄから流出させるようにする。なお、流れを完全対向流とすることは、冷媒がＲ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒を用いた場合の冷凍サイクルの効率向上に対して特に有効である。
【００１０】
本実施の形態においては、流体が開口部２ａ、２ｂのどちら側から流入してもほぼ同様の伝熱性能が得られ、冷凍サイクルに用いる高温用及び低温用の熱交換器の内どちらか一方が冷媒−空気用熱交換器である場合に、サイクルを簡素化できる。
図３の要部拡大断面図に示されるように、プレート１間の流体は大きく絞られることなく伝熱面要素３上を流れる。また、伝熱面要素３に設けられた微細フィン７は、乱流の縞状の構造と干渉して乱流摩擦抵抗を減少させるいわゆるリブレットとして働き、特に単層流において圧損の低減に効果が見られる。よって、伝熱面要素３部での圧損は従来のものに比べて大幅に低減できる。
図６の要部拡大断面図に示されるように、プレート１間を流れる流体は、伝熱面要素３に衝突後、スロープ部に形成された微細フィン７に沿ってスムーズに流れる。流体が冷媒の際は、微細フィン７が管内溝付き伝熱管におけるマイクロフィンと同様な機能を発揮し高い熱伝達率を得ることができる。すなわち、プレート１が蒸発面として使用される場合、二相流状態の冷媒は伝熱面要素３に衝突後、キャピラリー効果により微細フィン７に沿って伝熱面要素３のほぼ全域に広がり、伝熱面要素３全体が濡れた状態になる。
【００１１】
また、プレート１が凝縮面として使用される場合、二相流状態の冷媒は伝熱面要素３に衝突後、微細フィン７に沿って流れるが、液の持つ慣性が大きい事に加え、表面張力が液を微細フィン７の隙間側へ引っ張る効果と、同じく表面張力が液を上端部６に形成されるキャビティ部に引っ張る効果との相乗作用により、微細フィン７の先端部に液膜の薄い部分が形成される。
以上により、冷媒側については極めて高い熱伝達特性が得られる。
【００１２】
流体が水の際には、プレート１上の伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れと微細フィン７による上記の拡大伝熱面効果により非常に高い伝熱促進効果が得られる。
さらに、プレート１を交互に上下反転して積層した状態では、伝熱面要素３の上下面を冷媒または水が流れるが、図６に示すようにいずれの場合も流体は微細フィン７の上面または下面に衝突するため、この部分で非常に高い熱伝達率が得られ、熱交換が非常に効率的に行われる。
さらに、伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れは水側のみならず冷媒側にも有効であり、特にＲ４０７Ｃに代表される非共沸混合冷媒においては、伝熱面の近くにより多く存在する相変化の起こりにくいガス成分を他の場所に拡散させることができる。そして、三次元乱れはプレート１表面にスケール等が付着するのを防止することもできる。
さらに、プレート１上を流れる流体は、伝熱面要素３間に形成される流路５により分岐と合流を繰り返している間に流路５間での流量バランスが改善され、さらに伝熱面要素３間の適度な隙間による圧力回復効果とあいまって非常に良好な流量分配を得ることができる。このため、プレート１上の伝熱面要素３間での伝熱性能のばらつきが少なくなり、熱交換器のコンパクト化に対しても有利である。
【００１３】
以上述べたように、上記の実施の形態ではその高い伝熱性能のためプレート式熱交換器のより一層のコンパクト化が可能であり、かつ低圧損構造のため圧力損失を適切なレベルに保つことが可能である。また、伝熱面要素３の形状は上面から見て方型形状、あるいは正方菱形状であるが、本発明はこれに限られることなく、例えば正六辺形を並べたハニカムパターンのようなものを用いても良い。
【００１４】
本発明の他の実施の形態を図７を参照して説明する。本実施の形態での伝熱面要素３の形状は、伝熱面要素３の上端部６が下流側に来ている点を除き図１から図６の実施の形態と同じである。図のように上端部６を下流側に持っていく事により、伝熱面要素３のスロープ部のほぼ全域が流れに対して前面を向くため、伝熱面要素３に設けられた微細フィン７がより効果的に機能するようになり、熱交換流体の流れ方向が一定の場合には非常に有効である。
図８、９は、本発明の伝熱面要素３のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３が上面から見て三角形状、先端が尖がった二等辺三角形であり、その一辺が熱交換流体の流れの進入方向と略垂直である。熱交換流体が図７のものに比べてよりスムーズに流れ、熱交換流体が伝熱面要素３上を流れる際の圧損のより一層の低減に対して効果がある。
【００１５】
図１０ないし図１４は、本発明の伝熱面要素３のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３が上面から見て三日月型とされている。プレート１間を流れる流体は大きく絞られることがないので、伝熱面要素３部での圧損は、従来の技術で述べたヘリンボーンタイプのプレートに比べて大幅に低減する。
また、伝熱面要素３は、図１１、１３、１４に示すような配列パターンとしても良い。図１１の配列パターンは、伝熱面要素３を同じ向きにならべたもので、流量分配を均一に保つのに効果がある。図１３の配列パターンは、伝熱面要素３の向きが１列ごとに逆になっており、流体の混合が大きくなり伝熱性能が向上できる。図１４の配列パターンは、伝熱面要素３の向きが横向きかつ１列ごとに逆になっており、流体は蛇行を繰り返しながら流れるため、適度な流体混合を保ちながら圧力損失を低く抑えることが可能である。
【００１６】
図１５ないし図１７は、本発明の熱交換器の他の実施の形態である。伝熱面要素３の上端部６が伝熱面要素３の両端２個所に設けられており、二つの上端部６に挟まれるように多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられている。微細フィン７の効果、伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れによる効果、流路５により分岐と合流を繰り返している間に流路５間での流量バランスが改善される効果は、上記の実施の形態とほぼ同様である。
図１８は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３の形状は、プレート１の両端部を除き図１５ないし図１７のものと同じである。プレート１の両端部では、伝熱面要素３の上端部６が両端２個所と中央部の計３個所に設けられており、この部分の流動抵抗が相対的に大きくなっているので、流量分配の改善に大きな効果がある。よって、プレート１の全体の圧損を著しく上げることなく、プレート１内の流量分配を均一に保つことができる。
図１９は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３の形状は、伝熱面要素３の上端部６が伝熱面要素３の中央１個所に設けられており、その両側に多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられている。流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の流動抵抗が、既に述べたものと比べて比較的小さく、流速に差が出る場合が考えられるが、出入口開口部２の周りにガイド８を設けているので、プレート１内の流量分配を均一に保つことができる。
【００２０】
図２０は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。それぞれに上端部６を有する微細フィン７が伝熱面要素３上に多数設けられており、微細フィン７間には二次流路９が形成される。流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の流動抵抗が上記の実施の形態と比べて相対的に大きく、プレート１内の流量分配をより一層良好に保つことができる。
図２１は、図２０のものにおいて、微細フィン７の高さを低くした伝熱面要素３を、プレート１の中央部付近に適当な間隔で設けたものである。これにより、プレート１内の流量分配を均一に保ちつつ、プレート１の全体の圧損を低めにすることができる。
以上の上記の実施の形態では、プレート１がステンレス等の耐久性が高く耐食性の良い薄い金属板をプレス加工する事により作られる事を前提として述べられているが、本発明はそれに限られる事はなくプレート１は切削加工やその他の加工法により作られても良い。また、プレス加工する際に、例えばステンレス板の上にアルミや銅のような軟らかい金属をコーティングした部分に伝熱面要素３を成形すると、複雑な形状をした微細フィン７を作る事が容易となる。
【００２１】
図２２は、プレート１を切削加工で作る場合の実施の形態である。全ての伝熱面要素３を初め上端部６と同じ高さに成形した後に、切削加工により低くすると同時に多数の微細な凹凸を有する微細フィン７の成形を行うる。耐圧強度を得るために、高さを低くしない要素（上端部６有り）を、プレート１上の適当な間隔に設けている。このため、適度な伝熱性能とプレート１内の流量分配を保ちつつ、プレート１の全体の圧損を低めにすることができる。
図２３も、プレート１を切削加工で作る場合の他の実施の形態である。微細フィン７の方向・形状とそれを有する伝熱面要素３の配列パターンが図２２のものとは異なっている。
図２４は、伝熱面要素３の両端に面取り１０を施したものである。面取り１０により伝熱面要素３両端部での剥離流の発生を防止する事が出来るため、圧損の低減や流量分配の安定性向上に対して効果がある。
【００２２】
図２５ないし図２９は、プレート１をプレス加工で作る場合の実施の形態である。
図２５は、プレス加工により作られたコルゲート状の伝熱面を有する２種類のプレート１、１’を一枚おきに重ねる事により形成されたプレート式熱交換器である。プレート１とプレート１’の間に形成される多数の接触面により耐圧強度を大きくできる。プレート１’での拡大伝熱面効果が顕著である。図２６に示すように、プレート１、１’間を流れる流体は、主としてプレート１’の間を流れるが、プレート１により適当な間隔で形成される空間の存在のために蛇行を繰り返す。そして、この蛇行により生じる乱れのために、流体の混合が促進され伝熱性能の向上が図られる。また、プレート１’の間を流れる流体が、プレート１により形成される空間に繰り出す事を繰り返す内にプレート１、１’間を流れる流体の流量分配が改善される。また、プレート１、１’間を流れる流体が絞られる事が殆どないため、圧損が非常に小さい。
【００２３】
図２７ないし図２９の実施の形態は、プレス加工により作られたプレート１を交互に上下反転して積層したタイプのプレート式熱交換器である。流れ方向に沿って平行な上端部６間に多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられた領域が複数設けられ、各領域の間には突起１１が設けられている。よって、突起１１による流体の混合促進もあり、伝熱性能を良好とし、プレート１上を流れる流体が絞られる事が殆どないため、圧損が極めて小さい。さらに、流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の圧損が大幅に小さいため、出入口開口部２の周りにガイド８を設け、プレート１内の流量分配を均一に保ち易い。
【００２４】
図３０は、図２７ないし図２９のものにおける上端部６と微細フィン７を蛇行させて成形させたものであり、この部分での流体の混合を促進させることができる。
図３１ないし図３３の実施の形態は、プレート１の開口部２付近での流量分配をさらに良くしたものである。図３１でガイド８は、分岐、合流を繰り返すことにより流量分配を図るものであり、開口部２に近いほどガイド８の角度θが小さくなる。これにより特に入口側の開口部２において、上流側では均等な二相分岐を、下流側では均等な流量分岐を容易に行うことができる。
図３４は、プレート１を交互に上下反転して積層した状態での開口部２付近での要部拡大断面図である。プレート１、１’間のシール部４が接合される事により、例えば冷媒と水の二つの流路を仕切ることができる。
図３５は、蒸発器の冷媒入口１３に対して図３４を模式的に示したものであり、蒸発器の冷媒入口１３では、冷媒は二相流として流入し、液は下側に比較的多く溜まった状態になる。この場合、プレート式熱交換器の運転状況によっては入口１３側とその反対側では、液面高さに変化が生じる恐れがある。図３２ないし図３３のものは、上記の点を鑑みて改良したものである。
【００２５】
図３２は、開口部２の部分にプレート１の内側を向くように上端部６を兼ねた仕切り板１２が設けられ、入口１３から流入した冷媒は、開口部２の下側のみからプレート１の伝熱部に入るため、全てのプレート１において液を均等に供給し易くなる。
図３３は、開口部２の形状が三日月型をしている点が図３２のものとは異なり、開口部２から流入した冷媒は非常にスムーズにプレート１の伝熱部に入るため、全てのプレート１において液を均等に供給し易いと共に開口部２での圧損を低減できる。
【００２６】
また、図３２から図３３のものにおいては、仕切り板１２は上端部６を兼ねているが、このようにする事は開口部２付近での耐圧強度を向上できる。
本発明のプレート式熱交換器は、伝熱性能が良く、コンパクトで低圧損なため、使用する冷媒量を非常に少なくすることができる。そして、ＨＦＣ冷媒等の代替冷媒を用いた際の地球渇暖化防止やＨＣ冷媒、アンモニア等の自然系冷媒を用いた際の危険防止に対して有利である。
さらに、冷凍サイクルの高性能コンパクト化に有効であり、設置性が良く場所を取らないチラーユニットや冷凍機を得ることができる。
さらに、プレート１が２枚で構成されたプレート型伝熱部を複数有する伝熱ユニットを、氷蓄熱の空気調和装置へ応用すれば、蓄熱槽のコンパクト化や製氷時間の短縮あるいは氷の充填率を向上でき、電力のピークシフトや電力平準化に対しても有利である。
【００２７】
図３６は、本発明による冷凍空調システムの実施の形態である。
基本冷凍サイクルは、水−冷媒用の熱交換器２０ａ、２０ｂ、圧縮機２１、膨張弁２２ａにより構成され、熱交換器２０ａ、２０ｂは複数枚のプレートが積層され熱交換流体の流路の大きさよりも小さい凹凸が設けられた微細フィン７を有する。そして、微細フィン７により、熱交換器の伝熱性能を向上し、圧損が低減されるので、冷凍空調システムの小型化が容易となり、使用される冷媒量を少なくし、地球温暖化を防止するなどの環境問題へ対応できる。
【００２８】
熱交換器２０ａ、２０ｂの水側は高温側及び低温側の水槽２７ａ、２７ｂに接続されており、ポンプ２３ａ、２３ｂにより駆動させられる。そのほかに、膨張弁２２ｂ、製氷ユニット２４を有するバイパス回路が設けられる。製氷ユニット２４にも複数枚のプレートが積層され熱交換流体の流路の大きさよりも小さい凹凸が設けられた微細フィン７を有する熱交換器が用いられるプレート型伝熱ユニットである。
水槽２７ａ又は水槽２７ｂ内の水は、二つの三方弁２８の同時切り替えによりどちらか一方が選択された後、ポンプ２３ｃにより駆動されてファンコイルユニット２９に導かれ、空気との間で熱交換した後、元の水槽２７ａ又は水槽２７ｂに戻る。また、水槽２７ａ又は水槽２７ｂ内の水は水−水用熱交換器２５ａ、２５ｂにより熱交換し、温水または冷水を供給する。なお、水槽２７ａ、２７ｂにあるファン２６ａ、２６ｂは、水槽２７ａ、２７ｂ内の水温が異常に上昇または低下した場合に稼動する。
【００２９】
ファンコイルユニット２９による冷房運転を行う場合、通常は膨張弁２２ｂは閉めたままにして基本冷凍サイクルによる冷水の作製のみを行うが、夜間等の冷房能力に余裕がある場合には、膨張弁２２ｂを絞り気味に開き基本冷凍サイクルによる冷水の作製と製氷ユニット２４による氷の作製を同時に行う。水槽２７ｂ内の水が全て氷結してしまう事を防ぐため、基本冷凍サイクルの運転状況によらずポンプ２３ｂは常に稼動させておく。氷が十分に作製されると、基本冷凍サイクルを休ませ製氷ユニット２４側から冷水を供給する。これにより、圧縮機２１を常に最も効率の良い定格点付近で稼動させる事が可能となり、エネルギー効率が向上する。また、高温側または低温側の廃熱が非常に無駄なく利用されるため、ヒートアイランドの発生防止や地球温暖化の防止に対しても有効である。また、例えば夏場において、余分なエネルギーを使用することなく、室内を冷房しつつ温水プールを使用する事等も可能となる。
【００３０】
さらに、使用する冷媒量を非常に少なくすることにより、かつ冷媒が室内空間に入ることがないため、ＨＣ冷媒、アンモニア等の可燃性や毒性の心配される自然系冷媒を用いた際の危険防止が可能になる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱性能が向上し、コンパクトでかつ圧力損失の少ない熱交換器を得ることができる。
また、冷凍空調システムの小型化が容易となり、使用される冷媒量を少なくし、地球温暖化を防止するなどの環境問題にも適した熱交換器を得ることができる。
さらに、自然系冷媒を用いても効率を良好とし、冷媒量を少なくして冷媒の可燃性や毒性に対して安全性を高めた熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態の熱交換器に使用するプレートの平面図。
【図２】図１のプレート１を交互に上下反転して積層した状態を示す平面図。
【図３】図１のプレート要部を拡大した断面図。
【図４】図１のプレート要部を拡大した断面図。
【図５】図１の伝熱面要素を拡大した斜視図。
【図６】図１の要部を拡大した断面図。
【図７】他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図８】他の実施の形態による伝熱面要素の斜視図。
【図９】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の斜視図。
【図１０】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の斜視。
【図１１】伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１２】他の実施の形態による熱交換器の断面矢視図。
【図１３】さらに他の実施の形熊による伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１４】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１５】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図１６】さらに他の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図１７】さらに他の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図１８】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図１９】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２０】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２１】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２２】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２３】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２４】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２５】さらに他の実施の形態による熱交換器の斜視図。
【図２６】図２５の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図２７】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２８】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な斜視図。
【図２９】図２８の断面図。
【図３０】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な斜視図。
【図３１】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３２】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３３】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３４】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な断面図。
【図３５】図３４の模式図。
【図３６】さらに他の実施の形態による冷凍空調システムのブロック図。
【符号の説明】
１…プレート、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…開口部、３…伝熱面要素、４…シール部、５…流路、６…上端部、７…微細フィン。
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器及び冷凍空調システムに関し、特にプレート式熱交換器を用いたチラーユニットに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトで伝熱性能の良い熱交換器として流体の流れ方向に沿う縦溝を形成したヘリンボーン状の波形伝熱面を有する複数枚のプレートを積層したものが例えば特開平７−２６０３８４号公報に記載のように知られている。
また、ヘリンボーンタイプ以外で圧損の低減を図り、２枚の成形プレートより成る熱交換媒体流路の内方に突出する複数の相対ビード群を設けたものとしては特開平４−３２６９７号公報に記載のものが挙げられる。本例では、熱交換器を蒸発器と使用する際の出口側の圧力損失を低減させるため下流側に行くほど隔てる距離が大きくなるようにビード群を配している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ヘリンボーン状の波形伝熱面の山どうしの接触点で流れが絞られる効果が緩和され圧力損失が低減されるものの、流体の一部が縦溝をバイパスして流れてしまうため有効に働かない事により伝熱性能が低下し、熱交換容量を確保するためには熱交換器を大きくしなければならない。そして、この対策として波形伝熱面の山どうしの接触点の数が少なくなるよう波の角度を形成した場合、圧損を小さくする事は出来るが、耐圧強度が低下する。
また、特開平４−３２６９７号公報に記載のものでは、ビード群を間引く事により圧力損失が低減されるものの、流路内の乱れが減少して伝熱性能が低下する。
【０００４】
本発明の目的は、コンパクトで伝熱性能が良くかつ圧力損失の少ない熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
また、本発明の目的は、熱交換器を小型にかつ性能向上することにより、使用される冷媒量を少なくし、オゾン層破壊の恐れを少なくする、地球温暖化を防止するなど環境問題へ対応した熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、冷媒量を少なく熱交換器の性能向上を図ると共に、熱交換器の密閉度を高め、自然系冷媒を用いても効率を良好とし、自然系冷媒の可燃性や毒性に対して安全性を高めた熱交換器及び冷凍空調システムを提供することにある。
なお、本発明は上記課題の少なくとも一つを解決するものである。
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、前記スロープ部に前記伝熱面要素の高さより小さい凹凸が形成された微細フィンを設けたものである。
これにより、プレート間を流れる流体は、伝熱面要素に衝突後、スロープ部に形成された斜面に沿ってスムーズに流れ、三次元乱れを発生する。よって、圧力損失を低減すると共に、伝熱面責を拡大して非常に高い伝熱促進効果が得られる。また、各伝熱面要素はプレートの厚さ方向に突き出されているので、プレートの曲げ剛性が高くなり、伝熱面要素の上端部と他方のプレートの底面が接触して、各プレートの上下相互間の強度を確保できるので、熱交換器としての耐圧強度を高くできる。
以上により、圧力損失を低減しながら適度な流体混合を保ち伝熱性能を向上させ、大幅なコンパクト化を図ることができる。
【０００６】
また、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、その高さが２〜３ｍｍとされた前記伝熱面要素と、前記スロープ部の表面に０．１〜１．０ｍｍの凹凸が形成されているものである。
さらに、本発明は、熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、平坦とされた前記上端部が下流側に配置されたものである。
さらに、上記のものにおいて、平坦とされた上端部が下流側に配置されたことが望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
熱交換器をプレートを複数枚積層してプレートの相互間に流路を形成し、これらの流路に温度の異なる流体を交互に流す事により熱交換を行うものは、従来の多管式等の熱交換器に比べて大幅にコンパクト化できるメリットがある。
本発明の一実施の形態を図１ないし図６を参照して説明する。図１は一実施の形態の熱交換器に使用するプレート１の平面図であり、図５は伝熱面要素３を拡大した斜視図である。図２はそのプレート１を交互に上下反転して積層した状態を示す平面図、図３、図４、図６はその要部を拡大した断面図である。
【０００８】
プレート１は薄い金属板をプレス加工することで作成が可能であり、プレート１は４個所の開口部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有しているが、この内開口部２ａ、２ｂのみがそれぞれ熱交換流体の流入口及び流出口となりシール部４の内部に通じられている。そして、上下それぞれ２個所の開口部２ｃ、２ｄはシール部４により仕切られる。
伝熱面要素３は、プレート１の厚さ方向に山又は谷状に突き出され、正方型形状であり、網状に配置、あるいは千鳥状に多数配列され、その間には、網掛け状に流路５が形成される。伝熱面要素３は、図５に示すごとくプレート１面に対して垂直方向に若干出張りを持った形状をしており、プレート１底面と平面状の上端部６との間には底面から上端部に向かって斜面となったスロープ部を有する。そして、スロープ部には伝熱面要素３の高さよりも十分に小さい多数の微細な波状の凹凸が形成された微細フィン７が設けられる。微細フィン７の凹凸の高さやピッチは、例えば伝熱面要素３の高さが２〜３ｍｍ程度とし、０．１〜１．０ｍｍ、望ましくは０．５ｍｍ前後又はこれ以下の値が良い。
【０００９】
図２に示したようにプレート１を交互に上下反転して積層した状態では、下側のプレート１の上端部６と上側のプレート１の流路５の交差する部分が接触するようになっており、プレート１上に多数の接触点が形成され、高い耐圧強度を得る事が出来る。
本実施の形態による熱交換器を、例えばチラーユニット用の水−冷媒熱交換器として使用する場合、熱交換性能や重力の影響を考えるとつぎのような流れ方向を有する完全対向流とするのが効果的である。すなわち、蒸発器であれば冷媒は下側の開口部２ａから流入し、プレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、上側の開口部２ｂから流出させ、水は上側の開口部２ｄから流入し、隣のプレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、下側の開口部２ｃから流出させるようにする。
逆に、凝縮器であれば冷媒は上側の開口部２ｂから流入し、プレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、下側の開口部２ａから流出させ、水は下側の開口部２ｃから流入し、隣のプレート１上の伝熱面要素３間を流れた後、上側の開口部２ｄから流出させるようにする。なお、流れを完全対向流とすることは、冷媒がＲ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒を用いた場合の冷凍サイクルの効率向上に対して特に有効である。
【００１０】
本実施の形態においては、流体が開口部２ａ、２ｂのどちら側から流入してもほぼ同様の伝熱性能が得られ、冷凍サイクルに用いる高温用及び低温用の熱交換器の内どちらか一方が冷媒−空気用熱交換器である場合に、サイクルを簡素化できる。
図３の要部拡大断面図に示されるように、プレート１間の流体は大きく絞られることなく伝熱面要素３上を流れる。また、伝熱面要素３に設けられた微細フィン７は、乱流の縞状の構造と干渉して乱流摩擦抵抗を減少させるいわゆるリブレットとして働き、特に単層流において圧損の低減に効果が見られる。よって、伝熱面要素３部での圧損は従来のものに比べて大幅に低減できる。
図６の要部拡大断面図に示されるように、プレート１間を流れる流体は、伝熱面要素３に衝突後、スロープ部に形成された微細フィン７に沿ってスムーズに流れる。流体が冷媒の際は、微細フィン７が管内溝付き伝熱管におけるマイクロフィンと同様な機能を発揮し高い熱伝達率を得ることができる。すなわち、プレート１が蒸発面として使用される場合、二相流状態の冷媒は伝熱面要素３に衝突後、キャピラリー効果により微細フィン７に沿って伝熱面要素３のほぼ全域に広がり、伝熱面要素３全体が濡れた状態になる。
【００１１】
また、プレート１が凝縮面として使用される場合、二相流状態の冷媒は伝熱面要素３に衝突後、微細フィン７に沿って流れるが、液の持つ慣性が大きい事に加え、表面張力が液を微細フィン７の隙間側へ引っ張る効果と、同じく表面張力が液を上端部６に形成されるキャビティ部に引っ張る効果との相乗作用により、微細フィン７の先端部に液膜の薄い部分が形成される。
以上により、冷媒側については極めて高い熱伝達特性が得られる。
【００１２】
流体が水の際には、プレート１上の伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れと微細フィン７による上記の拡大伝熱面効果により非常に高い伝熱促進効果が得られる。
さらに、プレート１を交互に上下反転して積層した状態では、伝熱面要素３の上下面を冷媒または水が流れるが、図６に示すようにいずれの場合も流体は微細フィン７の上面または下面に衝突するため、この部分で非常に高い熱伝達率が得られ、熱交換が非常に効率的に行われる。
さらに、伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れは水側のみならず冷媒側にも有効であり、特にＲ４０７Ｃに代表される非共沸混合冷媒においては、伝熱面の近くにより多く存在する相変化の起こりにくいガス成分を他の場所に拡散させることができる。そして、三次元乱れはプレート１表面にスケール等が付着するのを防止することもできる。
さらに、プレート１上を流れる流体は、伝熱面要素３間に形成される流路５により分岐と合流を繰り返している間に流路５間での流量バランスが改善され、さらに伝熱面要素３間の適度な隙間による圧力回復効果とあいまって非常に良好な流量分配を得ることができる。このため、プレート１上の伝熱面要素３間での伝熱性能のばらつきが少なくなり、熱交換器のコンパクト化に対しても有利である。
【００１３】
以上述べたように、上記の実施の形態ではその高い伝熱性能のためプレート式熱交換器のより一層のコンパクト化が可能であり、かつ低圧損構造のため圧力損失を適切なレベルに保つことが可能である。また、伝熱面要素３の形状は上面から見て方型形状、あるいは正方菱形状であるが、本発明はこれに限られることなく、例えば正六辺形を並べたハニカムパターンのようなものを用いても良い。
【００１４】
本発明の他の実施の形態を図７を参照して説明する。本実施の形態での伝熱面要素３の形状は、伝熱面要素３の上端部６が下流側に来ている点を除き図１から図６の実施の形態と同じである。図のように上端部６を下流側に持っていく事により、伝熱面要素３のスロープ部のほぼ全域が流れに対して前面を向くため、伝熱面要素３に設けられた微細フィン７がより効果的に機能するようになり、熱交換流体の流れ方向が一定の場合には非常に有効である。
図８、９は、本発明の伝熱面要素３のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３が上面から見て三角形状、先端が尖がった二等辺三角形であり、その一辺が熱交換流体の流れの進入方向と略垂直である。熱交換流体が図７のものに比べてよりスムーズに流れ、熱交換流体が伝熱面要素３上を流れる際の圧損のより一層の低減に対して効果がある。
【００１５】
図１０ないし図１４は、本発明の伝熱面要素３のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３が上面から見て三日月型とされている。プレート１間を流れる流体は大きく絞られることがないので、伝熱面要素３部での圧損は、従来の技術で述べたヘリンボーンタイプのプレートに比べて大幅に低減する。
また、伝熱面要素３は、図１１、１３、１４に示すような配列パターンとしても良い。図１１の配列パターンは、伝熱面要素３を同じ向きにならべたもので、流量分配を均一に保つのに効果がある。図１３の配列パターンは、伝熱面要素３の向きが１列ごとに逆になっており、流体の混合が大きくなり伝熱性能が向上できる。図１４の配列パターンは、伝熱面要素３の向きが横向きかつ１列ごとに逆になっており、流体は蛇行を繰り返しながら流れるため、適度な流体混合を保ちながら圧力損失を低く抑えることが可能である。
【００１６】
図１５ないし図１７は、本発明の熱交換器の他の実施の形態である。伝熱面要素３の上端部６が伝熱面要素３の両端２個所に設けられており、二つの上端部６に挟まれるように多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられている。微細フィン７の効果、伝熱面要素３間を流れる際に発生する三次元乱れによる効果、流路５により分岐と合流を繰り返している間に流路５間での流量バランスが改善される効果は、上記の実施の形態とほぼ同様である。
図１８は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３の形状は、プレート１の両端部を除き図１５ないし図１７のものと同じである。プレート１の両端部では、伝熱面要素３の上端部６が両端２個所と中央部の計３個所に設けられており、この部分の流動抵抗が相対的に大きくなっているので、流量分配の改善に大きな効果がある。よって、プレート１の全体の圧損を著しく上げることなく、プレート１内の流量分配を均一に保つことができる。
図１９は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。伝熱面要素３の形状は、伝熱面要素３の上端部６が伝熱面要素３の中央１個所に設けられており、その両側に多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられている。流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の流動抵抗が、既に述べたものと比べて比較的小さく、流速に差が出る場合が考えられるが、出入口開口部２の周りにガイド８を設けているので、プレート１内の流量分配を均一に保つことができる。
【００２０】
図２０は、本発明の熱交換器のさらに他の実施の形態である。それぞれに上端部６を有する微細フィン７が伝熱面要素３上に多数設けられており、微細フィン７間には二次流路９が形成される。流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の流動抵抗が上記の実施の形態と比べて相対的に大きく、プレート１内の流量分配をより一層良好に保つことができる。
図２１は、図２０のものにおいて、微細フィン７の高さを低くした伝熱面要素３を、プレート１の中央部付近に適当な間隔で設けたものである。これにより、プレート１内の流量分配を均一に保ちつつ、プレート１の全体の圧損を低めにすることができる。
以上の上記の実施の形態では、プレート１がステンレス等の耐久性が高く耐食性の良い薄い金属板をプレス加工する事により作られる事を前提として述べられているが、本発明はそれに限られる事はなくプレート１は切削加工やその他の加工法により作られても良い。また、プレス加工する際に、例えばステンレス板の上にアルミや銅のような軟らかい金属をコーティングした部分に伝熱面要素３を成形すると、複雑な形状をした微細フィン７を作る事が容易となる。
【００２１】
図２２は、プレート１を切削加工で作る場合の実施の形態である。全ての伝熱面要素３を初め上端部６と同じ高さに成形した後に、切削加工により低くすると同時に多数の微細な凹凸を有する微細フィン７の成形を行うる。耐圧強度を得るために、高さを低くしない要素（上端部６有り）を、プレート１上の適当な間隔に設けている。このため、適度な伝熱性能とプレート１内の流量分配を保ちつつ、プレート１の全体の圧損を低めにすることができる。
図２３も、プレート１を切削加工で作る場合の他の実施の形態である。微細フィン７の方向・形状とそれを有する伝熱面要素３の配列パターンが図２２のものとは異なっている。
図２４は、伝熱面要素３の両端に面取り１０を施したものである。面取り１０により伝熱面要素３両端部での剥離流の発生を防止する事が出来るため、圧損の低減や流量分配の安定性向上に対して効果がある。
【００２２】
図２５ないし図２９は、プレート１をプレス加工で作る場合の実施の形態である。
図２５は、プレス加工により作られたコルゲート状の伝熱面を有する２種類のプレート１、１’を一枚おきに重ねる事により形成されたプレート式熱交換器である。プレート１とプレート１’の間に形成される多数の接触面により耐圧強度を大きくできる。プレート１’での拡大伝熱面効果が顕著である。図２６に示すように、プレート１、１’間を流れる流体は、主としてプレート１’の間を流れるが、プレート１により適当な間隔で形成される空間の存在のために蛇行を繰り返す。そして、この蛇行により生じる乱れのために、流体の混合が促進され伝熱性能の向上が図られる。また、プレート１’の間を流れる流体が、プレート１により形成される空間に繰り出す事を繰り返す内にプレート１、１’間を流れる流体の流量分配が改善される。また、プレート１、１’間を流れる流体が絞られる事が殆どないため、圧損が非常に小さい。
【００２３】
図２７ないし図２９の実施の形態は、プレス加工により作られたプレート１を交互に上下反転して積層したタイプのプレート式熱交換器である。流れ方向に沿って平行な上端部６間に多数の微細な波状の凹凸により形成される微細フィン７が設けられた領域が複数設けられ、各領域の間には突起１１が設けられている。よって、突起１１による流体の混合促進もあり、伝熱性能を良好とし、プレート１上を流れる流体が絞られる事が殆どないため、圧損が極めて小さい。さらに、流体がプレート１上の伝熱面要素３間を流れる際の圧損が大幅に小さいため、出入口開口部２の周りにガイド８を設け、プレート１内の流量分配を均一に保ち易い。
【００２４】
図３０は、図２７ないし図２９のものにおける上端部６と微細フィン７を蛇行させて成形させたものであり、この部分での流体の混合を促進させることができる。
図３１ないし図３３の実施の形態は、プレート１の開口部２付近での流量分配をさらに良くしたものである。図３１でガイド８は、分岐、合流を繰り返すことにより流量分配を図るものであり、開口部２に近いほどガイド８の角度θが小さくなる。これにより特に入口側の開口部２において、上流側では均等な二相分岐を、下流側では均等な流量分岐を容易に行うことができる。
図３４は、プレート１を交互に上下反転して積層した状態での開口部２付近での要部拡大断面図である。プレート１、１’間のシール部４が接合される事により、例えば冷媒と水の二つの流路を仕切ることができる。
図３５は、蒸発器の冷媒入口１３に対して図３４を模式的に示したものであり、蒸発器の冷媒入口１３では、冷媒は二相流として流入し、液は下側に比較的多く溜まった状態になる。この場合、プレート式熱交換器の運転状況によっては入口１３側とその反対側では、液面高さに変化が生じる恐れがある。図３２ないし図３３のものは、上記の点を鑑みて改良したものである。
【００２５】
図３２は、開口部２の部分にプレート１の内側を向くように上端部６を兼ねた仕切り板１２が設けられ、入口１３から流入した冷媒は、開口部２の下側のみからプレート１の伝熱部に入るため、全てのプレート１において液を均等に供給し易くなる。
図３３は、開口部２の形状が三日月型をしている点が図３２のものとは異なり、開口部２から流入した冷媒は非常にスムーズにプレート１の伝熱部に入るため、全てのプレート１において液を均等に供給し易いと共に開口部２での圧損を低減できる。
【００２６】
また、図３２から図３３のものにおいては、仕切り板１２は上端部６を兼ねているが、このようにする事は開口部２付近での耐圧強度を向上できる。
本発明のプレート式熱交換器は、伝熱性能が良く、コンパクトで低圧損なため、使用する冷媒量を非常に少なくすることができる。そして、ＨＦＣ冷媒等の代替冷媒を用いた際の地球渇暖化防止やＨＣ冷媒、アンモニア等の自然系冷媒を用いた際の危険防止に対して有利である。
さらに、冷凍サイクルの高性能コンパクト化に有効であり、設置性が良く場所を取らないチラーユニットや冷凍機を得ることができる。
さらに、プレート１が２枚で構成されたプレート型伝熱部を複数有する伝熱ユニットを、氷蓄熱の空気調和装置へ応用すれば、蓄熱槽のコンパクト化や製氷時間の短縮あるいは氷の充填率を向上でき、電力のピークシフトや電力平準化に対しても有利である。
【００２７】
図３６は、本発明による冷凍空調システムの実施の形態である。
基本冷凍サイクルは、水−冷媒用の熱交換器２０ａ、２０ｂ、圧縮機２１、膨張弁２２ａにより構成され、熱交換器２０ａ、２０ｂは複数枚のプレートが積層され熱交換流体の流路の大きさよりも小さい凹凸が設けられた微細フィン７を有する。そして、微細フィン７により、熱交換器の伝熱性能を向上し、圧損が低減されるので、冷凍空調システムの小型化が容易となり、使用される冷媒量を少なくし、地球温暖化を防止するなどの環境問題へ対応できる。
【００２８】
熱交換器２０ａ、２０ｂの水側は高温側及び低温側の水槽２７ａ、２７ｂに接続されており、ポンプ２３ａ、２３ｂにより駆動させられる。そのほかに、膨張弁２２ｂ、製氷ユニット２４を有するバイパス回路が設けられる。製氷ユニット２４にも複数枚のプレートが積層され熱交換流体の流路の大きさよりも小さい凹凸が設けられた微細フィン７を有する熱交換器が用いられるプレート型伝熱ユニットである。
水槽２７ａ又は水槽２７ｂ内の水は、二つの三方弁２８の同時切り替えによりどちらか一方が選択された後、ポンプ２３ｃにより駆動されてファンコイルユニット２９に導かれ、空気との間で熱交換した後、元の水槽２７ａ又は水槽２７ｂに戻る。また、水槽２７ａ又は水槽２７ｂ内の水は水−水用熱交換器２５ａ、２５ｂにより熱交換し、温水または冷水を供給する。なお、水槽２７ａ、２７ｂにあるファン２６ａ、２６ｂは、水槽２７ａ、２７ｂ内の水温が異常に上昇または低下した場合に稼動する。
【００２９】
ファンコイルユニット２９による冷房運転を行う場合、通常は膨張弁２２ｂは閉めたままにして基本冷凍サイクルによる冷水の作製のみを行うが、夜間等の冷房能力に余裕がある場合には、膨張弁２２ｂを絞り気味に開き基本冷凍サイクルによる冷水の作製と製氷ユニット２４による氷の作製を同時に行う。水槽２７ｂ内の水が全て氷結してしまう事を防ぐため、基本冷凍サイクルの運転状況によらずポンプ２３ｂは常に稼動させておく。氷が十分に作製されると、基本冷凍サイクルを休ませ製氷ユニット２４側から冷水を供給する。これにより、圧縮機２１を常に最も効率の良い定格点付近で稼動させる事が可能となり、エネルギー効率が向上する。また、高温側または低温側の廃熱が非常に無駄なく利用されるため、ヒートアイランドの発生防止や地球温暖化の防止に対しても有効である。また、例えば夏場において、余分なエネルギーを使用することなく、室内を冷房しつつ温水プールを使用する事等も可能となる。
【００３０】
さらに、使用する冷媒量を非常に少なくすることにより、かつ冷媒が室内空間に入ることがないため、ＨＣ冷媒、アンモニア等の可燃性や毒性の心配される自然系冷媒を用いた際の危険防止が可能になる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱性能が向上し、コンパクトでかつ圧力損失の少ない熱交換器を得ることができる。
また、冷凍空調システムの小型化が容易となり、使用される冷媒量を少なくし、地球温暖化を防止するなどの環境問題にも適した熱交換器を得ることができる。
さらに、自然系冷媒を用いても効率を良好とし、冷媒量を少なくして冷媒の可燃性や毒性に対して安全性を高めた熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態の熱交換器に使用するプレートの平面図。
【図２】図１のプレート１を交互に上下反転して積層した状態を示す平面図。
【図３】図１のプレート要部を拡大した断面図。
【図４】図１のプレート要部を拡大した断面図。
【図５】図１の伝熱面要素を拡大した斜視図。
【図６】図１の要部を拡大した断面図。
【図７】他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図８】他の実施の形態による伝熱面要素の斜視図。
【図９】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の斜視図。
【図１０】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の斜視。
【図１１】伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１２】他の実施の形態による熱交換器の断面矢視図。
【図１３】さらに他の実施の形熊による伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１４】さらに他の実施の形態による伝熱面要素の配列を示す平面図。
【図１５】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図１６】さらに他の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図１７】さらに他の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図１８】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図１９】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２０】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２１】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２２】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２３】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２４】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２５】さらに他の実施の形態による熱交換器の斜視図。
【図２６】図２５の実施の形態による熱交換器の断面図。
【図２７】さらに他の実施の形態によるプレートの平面図。
【図２８】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な斜視図。
【図２９】図２８の断面図。
【図３０】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な斜視図。
【図３１】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３２】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３３】さらに他の実施の形態によるプレートの部分的な平面図。
【図３４】さらに他の実施の形態による熱交換器の部分的な断面図。
【図３５】図３４の模式図。
【図３６】さらに他の実施の形態による冷凍空調システムのブロック図。
【符号の説明】
１…プレート、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…開口部、３…伝熱面要素、４…シール部、５…流路、６…上端部、７…微細フィン。
Claims (3)
- 熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、
前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、
前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、前記スロープ部に前記伝熱面要素の高さより小さい凹凸が形成された微細フィンを設けたことを特徴とする熱交換器。 - 熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、
前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、
前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、その高さが２〜３ｍｍとされた前記伝熱面要素と、前記スロープ部の表面に０．１〜１．０ｍｍの凹凸が形成されていることを特徴とする熱交換器。 - 熱交換流体の流入口及び流出口を有するプレートが複数枚積層され、前記プレート面に設けられ前記流入口及び流出口が内部に通じているシール部と、前記シール部内に前記熱交換流体の流路が形成されるようにされた熱交換器において、
前記プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成され、前記プレートの底面から前記上端部に向かって斜面となったスロープ部を有した複数の伝熱面要素を備え、
前記伝熱面要素は網状に配置され、複数枚の前記プレートは一方の前記伝熱面要素の前記上端部と他方の底面が接触するように交互に上下反転して積層され、平坦とされた前記上端部が下流側に配置されたことを特徴とする熱交換器。
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