JP4334965B2

JP4334965B2 - プレート式熱交換器

Info

Publication number: JP4334965B2
Application number: JP2003340493A
Authority: JP
Inventors: 信雄田中
Original assignee: Hisaka Works Ltd
Current assignee: Hisaka Works Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106385A

Description

本発明はヒートポンプ給湯器、ヒートポンプで加熱された温水を利用する床暖房装置など、水などの被加熱流体の入口と出口の温度差が大きい場合に好適なプレート式熱交換器に関するものである。

このような用途の凝縮器には、図４（ａ）（ｂ）に示すように、二重管熱交換器７０を用いたものが知られている。二重管熱交換器７０は、内管７１と、内管７１を収容した外管７２とで構成されおり、内管７１内に被加熱流体が流通する被加熱流体流路７３が形成され、内管７１の外周面との間に冷媒が流通する冷媒流路７４が形成されるている。この二重管熱交換器７０は、省スペース化を図るため、全体を螺旋状に形成したものである。水（被加熱流体）の入口は内管７１の下部に設けられており、水（被加熱流体）の出口は内管７１の上部に設けられている。また、冷媒の入口は外管７２の上部に設けられており、冷媒の出口は外管７２の下部に設けられている。これにより、被加熱流体が内管７１内の被加熱流体流路７３を下から上に流れ、冷媒が外管７２と内管７１との間の冷媒流路７４を上から下に流れ、内管７１の壁面を介して被加熱流体と冷媒との熱交換が行なわれるようになっている（特許文献１）。

また、凝縮器には、図５に示すような、ブレージングタイプのプレート式熱交換器８０を用いたものも知られている（特許文献２）。ブレージングタイプのプレート式熱交換器８０に用いる伝熱プレート８１は、図５に示すように、四隅に通路孔８２を形成し、中央部に例えばヘリンボーン状の波形模様が形成された伝熱面８３を備えた略矩形のプレートを用いている。この伝熱プレート８１は、図５に示すように、プレス成形時に、通路孔８２及び伝熱面８３とともに、通路孔８２及び伝熱面８３の周縁に略Ｌ字状に屈曲した外周部８４を形成し、さらに、一側縁両端隅部に位置する通路孔８２と伝熱面８３を囲む領域を凹ませる。プレート式熱交換器８０は、この伝熱プレート８１の外周部８４、凹ませていない他側縁両端隅部に位置する通路孔８２の周囲８５、及び、伝熱面の波模様の凸部にろう材を付け、伝熱プレート１１を一枚づつ上下１８０度回転させ、伝熱プレート８１の外周部８４を嵌め合わせて積層し、これを締め付けて編成したものを加熱してろう材を伝熱プレートに融着させたものである。このようにして製作されたプレート式熱交換器には、伝熱プレート８１間に、交互に被加熱流体流路８６と冷媒流路８７が形成されている。

このプレート式熱交換器８０は、通路孔から被加熱流体流路８６と冷媒流路８７にそれぞれ被加熱流体と過熱状態の冷媒を供給し、各伝熱プレート８１の伝熱面８３を介して被加熱流体と冷媒の熱交換を行なうようになっている。
特開２００２−１９５５８２（３頁、図５、図６）特開平１０−１０３８８３号公報

二重管熱交換器は、プレート式熱交換器に比べてコンパクトに設計することが難しく、また冷媒の液体部分からの熱回収が可能であるもののその伝熱性能は非常に低い。このため、所定の熱交換性能を得るためには、より一層大型化してしまう問題がある。さらに熱交換器の大型化は機器全体の大型化を招くだけでなく、保温面積の増加、放熱損失の増大による熱効率の低下などの問題がある。

また、プレート式熱交換器は、過熱状態の冷媒を供給して被加熱流体を加熱するヒートポンプ給湯器や床暖房などの用途に使う凝縮器に使用した場合、被加熱流体の入口と出口の温度差が大きくなるために、必然的に被加熱流体の流量を少なくし、プレート内の
流速を低く設計しなければならない。このため、被加熱流体側の境膜伝熱係数が低下し、全体としても伝熱性能が低下し、結果的に熱交換器として大型化してしまう問題があった。また、液化した冷媒からの熱回収では、凝縮して液化した冷媒は体積が小さくなるため、プレート内の流速が低下し被加熱流体側と同様に冷媒側の境膜伝熱係数も低下してしまう。更には、熱交換器内部で液化した冷媒の液面を適切に制御する必要があるが、その実施は難しく冷媒の液体部分から大きな熱回収を行なうのは現実的に不可能であった。また、冷媒の液体部分から熱交換して取り出せる熱量が減少する（大きな過冷却をとれない）ので、機器としての熱出力が小さくなり、成績係数（Coefficient Of Performance）も低下するという問題もある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決でき、被加熱流体の入口と出口の温度差が大きいヒートポンプ給湯器や床暖房などの用途の凝縮器に適したプレート式熱交換器を提供するものである。

本発明に係るプレート式熱交換器は、プレートを複数積層し、隣接するプレート間に、交互に被加熱流体流路と、冷媒流路を形成し、被加熱流体流路に供給された被加熱流体と、冷媒流路に過熱状態で供給された冷媒との間で、プレートを介して熱交換を行なうプレート式熱交換器において、プレート式熱交換器を、冷媒の状態に基づいて凝縮部と過冷却部に分け、前記プレート式熱交換器は、前記被加熱流体流路に対して被加熱流体をプレートの積層方向の一方側から供給して他方側に排出し、前記冷媒流路に対して冷媒をプレートの積層方向の他方側から供給して一方側に排出するようになっており、前記プレート式熱交換器の他方側に凝縮部を設け、該凝縮部は、冷媒流路の入口と出口をそれぞれプレートの上部と下部に設け、被加熱流体流路の入口と出口をぞれぞれプレートの下部と上部に設けた構造を備え、前記冷媒流路に過熱状態の冷媒を供給して、前記被加熱流体の流路に供給した被加熱流体と熱交換させるとともに、過熱状態で冷媒流路に供給された冷媒を凝縮させるものであり、かつ、前記プレート式熱交換器の一方側に過冷却部を設け、該過冷却部は、冷媒流路の入口と出口をそれぞれプレートの下部と上部に設け、被加熱流体流路の入口と出口をぞれぞれプレートの上部と下部に設けた構造を備え、前記冷媒流路に前記凝縮部で凝縮した冷媒を供給して、前記被加熱流体流路に供給した被加熱流体と熱交換させるものであり、凝縮部に設けた前記加熱流体流路の入口と、過冷却部に設けた前記加熱流体流路の出口とを連通したことを特徴としている。

このプレート式熱交換器は、凝縮部で、冷媒流路に過熱状態の冷媒を供給して、被加熱流体の流路に供給した被加熱流体と熱交換させるとともに、過熱状態で冷媒流路に供給された冷媒を凝縮させ、過冷却部で、冷媒流路に前記凝縮部で凝縮した冷媒を供給して、被加熱流体流路に供給した被加熱流体と熱交換させることにより、より効率良く熱交換させることができる。

この場合、凝縮部の被加熱流体流路をプレート間でプレートの幅方向に蛇行するように形成すれば、凝縮部において、通常のプレート式熱交換器に比べて、被加熱流体の流速を大きくすることができる。これにより、被加熱流体の境膜伝熱係数が大きくなるので、単位伝熱面積当たりの交換熱量を多くすることができる。また、被加熱流体の境膜伝熱係数の低下を防止でき、凝縮部の冷媒及び液化した過冷却部の冷媒と、被加熱流体をそれぞれ効率良く熱交換させることができ、さらに従来装置に比べても大幅な小型化を同時に実現できる。

また、冷媒の流路は凝縮部と過冷却部との間に、凝縮部で凝縮した冷媒を貯留し、かつ、貯留した冷媒を過冷却部に供給する受液器を備えているとよい。

本発明に係るプレート式熱交換器は、被加熱流体の境膜伝熱係数の低下を防止し、液冷媒からの熱回収を効率的に行なえ、しかも従来装置に比べて大幅な小型化を同時に実現することができる。このため給湯器又は床暖房装置用の凝縮器に用いるのに好適である。

以下、本発明の一実施形態に係るプレート式熱交換器を図面に基づいて説明する。

このプレート式熱交換器１は、図１に示すように、過冷却部２と、凝縮部３と、受液器４とを備えている。

過冷却部２は、図２に示すように、通常のブレージングタイプのプレート式熱交換器１と同様の伝熱プレートを用いて編成している。詳しくは、過冷却部２に用いる伝熱プレート１１は、四隅に通路孔１２（１２ａ〜１２ｄ）を形成し、中央部に例えばヘリンボーン状の波形模様が形成された伝熱面１３を備えた略矩形のプレートである。この伝熱プレート１１は、プレス成形時に、通路孔１２（１２ａ〜１２ｄ）及び伝熱面１３とともに、通路孔１２（１２ａ〜１２ｄ）及び伝熱面１３の周縁に略Ｌ字状に屈曲した外周部１４を形成し、さらに、一側縁両端隅部に位置する通路孔１２と伝熱面１３を囲む領域を凹ませている。過冷却部２は、この伝熱プレート１１の外周部１４、凹ませていない他側縁両端隅部に位置する通路孔１２の周囲１５、及び、伝熱面の波模様の凸部（図示省略）にろう材を付け、伝熱プレート１１を一枚づつ上下１８０度回転させて伝熱プレート１１の外周部１４を嵌め合わせて積層したものである。

また、過冷却部２の端には、過冷却部２の被加熱流体の供給流路（１２ａ）、冷媒の排出流路（１２ｂ）と供給流路（１２ｄ）に対応した３つの通路孔１８a、１８ｂ、１８ｄを形成した端プレート１９とフレーム（図示省略）を順に積層している。端プレート１９は、伝熱プレート１１と同様に、周縁部に略Ｌ字状に屈曲した外周部２０が形成されており、過冷却部２の最も端に積層した伝熱プレート１１に、この外周部２０を嵌め込んで積層する。この端プレート１９は、ろう材を付けた伝熱プレート１１の外周部１４、及び、通路孔１２の周囲１５、及び、伝熱面の波模様の凸部（図示省略）に接触する部分が、ろう付けされるので、液漏れは生じない。

なお、過冷却部２のろう付けは、後述する凝縮部３と一体に編成してから行なう。また、ろう材には、例えば、銅やニッケルを使用するとよい。

このようにして製作された過冷却部２は、積層した伝熱プレート１１間に被加熱流体流路１６と冷媒流路１７を交互に備えている。また、過冷却部２では積層した伝熱プレート１１の上部の通路孔１２a、１２ｂはそれぞれ被加熱流体の供給流路と冷媒の排出流路を形成し、下部の通路孔１２ｃ、１２ｄはそれぞれ被加熱流体の排出流路と冷媒の供給流路を形成している。

また、過冷却部２の端プレート１９に取り付けた、図示されないフレームには、ろう付け後に、過冷却部２の被加熱流体の供給流路（１２ａ）、冷媒の排出流路（１２ｂ）及び冷媒の供給流路（１２ｄ）にそれぞれ対応させて、被加熱流体の供給ノズル（図示省略）、冷媒の排出ノズル（図示省略）及び冷媒の供給ノズル（図示省略）を取り付けている。

過冷却部２と凝縮部３の間には、過冷却部２の被加熱流体の排出流路（１２ｃ）に対応させて下部に通路孔２１を形成した境界プレート２２を挟み、過冷却部２と凝縮部３を分けている。境界プレート２２は、伝熱プレート１１と同様に、周縁部に略Ｌ字状に屈曲した外周部２３が形成されており、この外周部２３及びプレート表面にろう材を付け、この外周部２３を過冷却部２の伝熱プレート１１に嵌め込んで積層する。

過冷却部２の冷媒の供給流路（１２ｄ）には、後述する受液器４で液化した冷媒を供給するようになっている。また、被加熱流体の供給流路（１２ａ）に供給された被加熱流体は、過冷却部２でプレート間の被加熱流体流路１６を下方に流れ、プレート間の冷媒流路１７を上方に向けて流れる冷媒との間で熱交換が行なわれる。そして、過冷却部２で熱交換された被加熱流体は、下部の被加熱流体の排出流路（１２ｃ）及び境界プレート２２の通路孔２１を通って、凝縮部３に供給されるようになっている。

次に、凝縮部３は、図２に示すように、過冷却部２に用いた伝熱プレート１１と同じ伝熱プレート３１と、被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート４１を用いて編成している。

凝縮部３に用いる伝熱プレート３１は、四隅に通路孔３２（３２ａ〜３２ｄ）を形成し、中央部に伝熱面３３を備えた略矩形のプレートであり、同図中、３４は外周部を示している。

被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート４１は、通常のプレートと同様に略矩形のプレートで、同様に四隅に通路孔４２（４２ａ〜４２ｄ）を形成し、中央部に例えばヘリンボーン状の波形模様が形成された伝熱面４３を備えている。中央部の伝熱面４３には、通路孔４２ａから供給された被加熱流体がプレートの幅方向に蛇行するように、左右交互に高さ方向の位置をずらして、伝熱面の左右の縁部から幅方向に延在した流路壁４４を形成している。また、このプレート４１には、伝熱プレート３１と同様に、プレス成形時に、通路孔４２（４２ａ〜４２ｄ）及び伝熱面４３とともに、通路孔４２（４２ａ〜４２ｄ）及び伝熱面４３の周縁に略Ｌ字状に屈曲した外周部４５を形成し、さらに、一側縁両端隅部に位置する通路孔４２ａ、４２ｃと伝熱面４３を囲む領域を凹ませている。

凝縮部３は、この被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート４１を、境界プレート２２の下部の通路孔２１に対応させ、かつ、被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート４１と通常のプレート３１を交互に積層したものである。交互に積層する被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート４１と通常のプレート３１は、それぞれ外周部３４、４５、凹ませていない他側縁両端隅部に位置する通路孔１２の周囲３５、４６、及び、伝熱面の波模様の凸部（図示省略）にろう材を付け、外周部３４、４５を嵌め合わせて積層する。これにより、凝縮部３の積層されたプレート４１、３１の間には、それぞれの伝熱面４３、３３を通る流路が遮断されるように、被加熱流体流路４７と冷媒流路４８が交互に形成されている。

凝縮部３では積層された伝熱プレート４１、３１の上部の通路孔４２ａ、３２ａは被加熱流体の排出流路を形成しており、４２ｂ、３２ｂは冷媒の供給流路を形成している。また下部の通路孔４２ｃ、３２ｃは被加熱流体の供給流路を形成しており、４２ｄ、３２ｄは冷媒の排出流路を形成している。被加熱流体の供給流路（４２ｃ、３２ｃ）は、境界プレート２２の下部の通路孔２１を介して、過冷却部２の被加熱流体の排出流路（１２ｃ）に連通している。

この凝縮部３では被加熱流体はプレート４１の伝熱面上に形成された被加熱流体流路４７は、プレートの幅方向に蛇行しているので過冷却部２の被加熱流体流路１６よりも流路長さが長くなっている。また、凝縮部３では過冷却部２に比べ交換熱量が大きくなるのでより大きな伝熱面積が必要であり、さらには冷媒が気体の状態で供給されるため、過冷却部２の冷媒流路１７よりも流路断面積を大きくしておくことも必要である。このため、凝縮部３では、過冷却部２よりも積層するプレートの枚数を多くしている。

また、凝縮部３の端には、凝縮部３の被加熱流体の排出流路（４２ａ、３２ａ）、冷媒の供給流路（４２ｂ、３２ｂ）及び冷媒の排出流路（４２ｄ、３２ｄ）に対応した３つの通路孔４９ａ、４９ｂ、４９ｄを形成した端プレート５０と、フレーム（図示省略）を積層している。端プレート５０は、伝熱プレート３１と同様に、周縁部に略Ｌ字状に屈曲した外周部５１が形成されており、この外周部５１及びプレート表面にろう材を付け、この外周部２３を凝縮部３の伝熱プレートに嵌め込んで積層する。また、図示されないフレームには凝縮部３の被加熱流体の供給流路（４２ｃ、３２ｃ）、冷媒の排出流路（４２ｄ、３２ｄ）及び冷媒の供給流路（４２ｂ、３２ｂ）にそれぞれ対応させて、被加熱流体の排出ノズル（図示省略）、冷媒の供給ノズル（図示省略）及び冷媒の排出ノズル（図示省略）を取り付けている。

接合型プレート式熱交換器は、過冷却部２のプレート１９、１１、境界プレート２２、凝縮部３のプレート３１、４１、５０にそれぞれろう材を付けて積層したものを、加熱しろう付けして、各プレートを接合する。

受液器４は、凝縮部３で凝縮した冷媒を一時的に貯留し、貯留された冷媒を過冷却部２に供給するものである。図示は省略するが、この受液器４に冷媒を導入する配管６１は、凝縮部３の端のフレームに取り付けた冷媒の排出ノズルに取り付けられており、受液器４から冷媒を供給する配管６２は、過冷却部２の端のフレームに取り付けた冷媒の供給ノズルに取り付けられている。

このプレート式熱交換器１は上記のように構成され、冷媒は過熱状態で凝縮部３に供給され、凝縮部３及び受液器４で凝縮した冷媒が過冷却部２に供給されるようになっている。他方、被加熱流体は過冷却部２に供給され、過冷却部２で冷媒と熱交換され、予め加熱された状態で凝縮部３に供給される。そして、凝縮部３では、被加熱流体は蛇行しながらプレート間を流れ、冷媒と熱交換されるようになっている。

図３に示すように、過冷却部２では、冷媒は受液器４から供給されるので、供給された冷媒はほとんど完全に凝縮しており、液化した状態で供給される。この冷媒から回収される熱は顕熱のみで凝縮部３に比べて交換熱量は小さい。しかも、被加熱流体は熱交換が行なわれていないものが供給されるので、冷媒と被加熱流体との温度差が大きく、このため、過冷却部２では凝縮部３よりも小さな伝熱面積でも十分な熱交換が行なわれる。

凝縮部３では、冷媒は過熱状態で供給される。この冷媒から回収される熱には顕熱だけではなく、冷媒が凝縮する際の潜熱が含まれる。このため、過冷却部２に比べて交換熱量は大きい。他方、被加熱流体は、過冷却部２で熱交換が行なわれたものが供給され、蛇行しながらプレート間を流れ、冷媒と熱交換される。このため、凝縮部では、被加熱流体の境膜伝熱係数が大きくなるので、単位伝熱面積当たりの交換熱量を多くすることができる。

このように、このプレート式熱交換器１は、冷媒の状態に基づいて、凝縮部３と過冷却部２に分け、凝縮部３では被加熱流体が単位体積当たり、より多くの熱量を交換できる構成を用い、被加熱流体の境膜伝熱係数の低下を防止するようにしたので、過熱状態の冷媒及び液化した冷媒から被加熱流体に効率良く熱交換を行なうことができ、従来のプレート式熱交換器に比べても大幅な小型化を同時に実現できる。

例えば、給湯器や床暖房装置に取り付ける場合には、給湯器や床暖房装置を循環する水を過冷却部２の被加熱流体の供給ノズルに供給し、過冷却部２及び凝縮部３で冷媒と熱交換させて、凝縮部３の被加熱流体の排出ノズルから床暖房装置にお湯を供給するようになっている。

以上、本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器の概略図である。本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器のプレート編成図である。本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器の過冷却部と凝縮部における冷媒の状態と、被加熱流体の温度上昇を示す図。（ａ）は二重管熱交換器の正面図であり、（ｂ）は二重管熱交換器の断面図である。プレート式熱交換器のプレート編成図である。

符号の説明

１プレート式熱交換器
２過冷却部
３凝縮部
４受液器
１１伝熱プレート
１２ａ〜１２ｄ通路孔
１３伝熱面
１４外周部
１６被加熱流体流路
１７冷媒流路
１８ａ〜１８ｄ通路孔
１９端プレート
２０外周部
２１通路孔
２２境界プレート
２３外周部
３１伝熱プレート
３２ａ〜３２ｄ通路孔
３３伝熱面
３４外周部
４１被加熱流体の蛇行流路を形成するプレート
４２通路孔
４２ａ〜４２ｄ通路孔
４３伝熱面
４４流路壁
４５外周部
４７被加熱流体流路
４８冷媒流路
４９ａ通路孔
５０端プレート
５１外周部
６１、６２配管

Claims

プレートを複数積層し、隣接するプレート間に、交互に被加熱流体流路と、冷媒流路を形成し、前記被加熱流体流路に供給された被加熱流体と、冷媒流路に過熱状態で供給された冷媒との間で、プレートを介して熱交換を行なうプレート式熱交換器において、
前記プレート式熱交換器を、冷媒の状態に基づいて凝縮部と過冷却部に分け、
前記プレート式熱交換器は、前記被加熱流体流路に対して被加熱流体をプレートの積層方向の一方側から供給して他方側に排出し、前記冷媒流路に対して冷媒をプレートの積層方向の他方側から供給して一方側に排出するようになっており、
前記プレート式熱交換器の他方側に凝縮部を設け、該凝縮部は、冷媒流路の入口と出口をそれぞれプレートの上部と下部に設け、被加熱流体流路の入口と出口をぞれぞれプレートの下部と上部に設けた構造を備え、前記冷媒流路に過熱状態の冷媒を供給して、前記被加熱流体の流路に供給した被加熱流体と熱交換させるとともに、過熱状態で冷媒流路に供給された冷媒を凝縮させるものであり、
かつ、前記プレート式熱交換器の一方側に過冷却部を設け、該過冷却部は、冷媒流路の入口と出口をそれぞれプレートの下部と上部に設け、被加熱流体流路の入口と出口をぞれぞれプレートの上部と下部に設けた構造を備え、前記冷媒流路に前記凝縮部で凝縮した冷媒を供給して、前記被加熱流体流路に供給した被加熱流体と熱交換させるものであり、
凝縮部に設けた前記加熱流体流路の入口と、過冷却部に設けた前記加熱流体流路の出口とを連通したことを特徴とするプレート式熱交換器。
凝縮部の被加熱流体流路をプレート間でプレートの幅方向に蛇行するように形成した請求項１に記載のプレート式熱交換器。
前記冷媒の流路は凝縮部と過冷却部との間に、凝縮部で凝縮した冷媒を貯留し、かつ、貯留した冷媒を過冷却部に供給する受液器を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。