JP4454779B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数枚の伝熱プレートをろう付け等で積層一体化したプレート式熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
冷凍機のフロン等の冷媒は、蒸発器の熱交換器から100%気体となって圧縮機から凝縮器に送られて温度上昇した液体となり、この液体が膨張弁で体積膨張して急激に温度低下した液相(液体)と気相(気泡)の混合した気液二相流となって蒸発器の熱交換器に送られる循環サイクルで恒久的に利用される。このような冷凍機の冷媒の蒸発器に用いられる熱交換器は、複数枚の伝熱プレートを積層一体化したプレート式熱交換器が一般的であり、その基本構造例を図7及び図8に示し、これを改変した熱交換器を図9及び図10で説明する。
【0003】
図7に示される熱交換器は、複数枚の伝熱プレート1と2枚の金属フレーム12,13をろう材(図示せず)を介し積層して、高温・真空下でろう付け(ブレージング)したブレージング式熱交換器である。伝熱プレート1と金属フレーム12,13はステンレス製の略矩形板で、各伝熱プレート1の4隅部に熱交換されるべき2種の流体の通路孔2,3が形成され、一方の金属フレーム12の4隅部に2種の流体の出入口となるノズル4が貫通させてろう付けされる。
【0004】
伝熱プレート1は波板プレートの熱交換伝熱部1aと、熱交換伝熱部1aの周縁部を折曲した縁立て部1bを有し、隣接する伝熱プレート1の縁立て部1bが気密にろう材で溶融接合される。複数の伝熱プレート1を積層一体化したとき、各々の熱交換伝熱部1aの4隅に形成された通路孔2,3が同心に対向して連通する。また、複数の伝熱プレート1を積層一体化したとき、図8に示すように各伝熱プレート1間に一方が冷媒である2種の流体が流通する流体流路5、6が交互に形成される。図8は1種の流体である気液二相流の冷媒Pの入口側と他の1種の流体Qの出口側の断面が示され、冷媒用流体流路5の冷媒用通路孔2の周辺部通路が冷媒用入口流路5aである。冷媒用入口流路5aは、隣接する伝熱プレート1の相互にろう付けされた入口側通路孔2の周辺部で囲まれたリング状の空間部分で、冷媒用入口側通路孔2と連通するノズル4に外部から流入した冷媒Pは、入口側通路孔2から入口流路5aに入り、入口流路5aから流体流路5を流通して隣りの流体流路6を流通する他の流体Qを冷却する。
【0005】
冷媒用流体流路5の入口流路5aに流入する冷媒Pは、図示しない凝縮器で凝縮された液体を膨張弁で膨張させて急冷させた液相と気相の気液二相流冷媒であり、この気液二相流冷媒の液相と気相が分裂と合体を繰り返して流体流路5を流れる。流体流路5を流れる冷媒Pのトータル伝熱性能を高く確保するため、入口流路5aから流体流路5に入る冷媒Pの気相と液相の均一分配と、熱伝導率の悪い泡状の気相の細分化が促進されるように、入口流路5aの形状やサイズが設計される。しかし、隣接する伝熱プレート1間の隙間だけの入口流路5aでは冷媒Pが単に通過するだけであるので気相と液相の均一分配や気相の細分化を促進する機能に劣り、1つの流体流路5における冷媒Pのトータル伝熱性能が低くならざるを得ない。そこで、この低い伝熱性能を見越して伝熱プレート1の枚数を増やし、冷媒用流体流路5の数を増やして冷媒のトータルの低伝熱性能をカバーするようにしているが、これでは熱交換器が大型化し、コスト高となる。
【0006】
熱交換器の気液二相流冷媒Pのトータルの低伝熱性能を伝熱プレート数を増大させることなくカバーするため、例えば図9に示すプレート式熱交換器では、冷媒用入口流路5aに図10に示すような厚板の金属リング14を固設している。金属リング14はステンレス、銅あるいは鉄製の厚板で、内周面から外周面に貫通させて1条のトンネル孔15を有する。金属リング14の内径は伝熱プレート1の冷媒用通路孔2と同一か、それよりも小さく、外径は通路孔2より大きい。金属リング14は隣接する伝熱プレート1間に挟持され、通路孔2と同心に位置決めして固定される。トンネル孔15は、気液二相流の冷媒Pが絞られて流入し、拡散して流出する内径2mm程度の小孔である。
【0007】
図9の熱交換器においては、冷媒用入口側通路孔2に流入した気液二相流冷媒Pが金属リング14の内周のトンネル孔入口に絞られて流入し、トンネル孔15を流動して金属リング14外周のトンネル孔出口から拡散流出して冷媒用流体通路5を流動する。このように気液二相流の冷媒Pが小孔のトンネル孔15を通過する間に、気液二相流の冷媒Pの比較的大きな粒径の気相(気泡)が小さな粒状に細分化され、かつ、気相と液相の流れが絞られ拡散されることで均一分配化されるようにして、冷媒用流体通路5を流れる際の冷媒Pのトータル伝熱性能が高くなるようにしてある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図9の熱交換器は、金属リング14による気液二相流冷媒Pの均一分配、気相の細分化の性能が良ければ、冷媒Pのトータル伝熱性能が上がって伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型・低コスト化が実現されるのであるが、未だ金属リング14による顕著な性能改善が果たされていないのが現状である。その要因として、金属リング14の1箇所のトンネル孔15に気液二相流冷媒Pを通過させるだけでは気相の細分化が不十分であり、不均一で大きな気相が流体流路5を流れる可能性が大であり、このことがトータル伝熱性能の顕著な改善を難しくしている。また、金属リング14のトンネル孔15の内径を縮小したり、トンネル孔数を増やして、トータル伝熱性能の改善策とすることも行われているが、その改善効果が不十分であって、伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型・低コスト化を実現させることが難しいのが現状である。
【0009】
本発明は図9の熱交換器の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、気液二相流冷媒のトータル伝熱性能を顕著に確実に改善し得たプレート式熱交換器を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成する請求項1の発明は、積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である2種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、複数の伝熱プレートの間に形成された複数の冷媒用流体流路の各々に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔が形成された内壁部、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔が形成された外壁部を有し、前記内壁部と外壁部の間に密閉状態の前記内部空間が形成された中空部材を配置し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とする。
【0011】
ここで、中空部材は冷媒用流体流路の入口流路を塞ぐリング状等の金属箱、金属容器で、伝熱プレートにろう付けや溶接等で固定される。この中空部材は、冷媒流れに対して上流側に前段小孔を下流側に後段小孔を有し、この前後段の小孔の間に内部空間が形成されて、気液二相流の冷媒は前段小孔から内部空間を通って最終的に後段小孔から流体流路に流出して行く。中空部材の前段と後段の各小孔は単一孔、或いは、複数孔が可能であり、これら小孔の内径、孔中心線の角度も任意で有り、熱交換器の種類に応じて適宜に設定される。また、中空部材の内部空間は単一空間、或いは、仕切壁で流体流れ方向直列に仕切られた複数空間であってもよく、この複数空間の場合は複数空間を仕切る仕切壁に中間的な小孔を形成して複数空間に冷媒を順に流すようにする。気液二相流の冷媒が複数の小孔を絞られて流通し、さらに、小孔から内部空間に減圧膨張して流出するといった異なる形態の冷媒流通が複数回に亘り段階的、繰り返し的に行われることで、気液二相流冷媒の最終的な気相と液相の均一分配、気相の細分化が確実に顕著に行われる。
【0012】
本発明の請求項2の発明は、積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である2種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、冷媒用流体流路の前記入口流路に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔を有する中空部材を配置するとともに隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて伝熱プレート間にろう付け固定し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項3の発明は、中空部材を隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて、伝熱プレート間にろう付け固定したことを特徴とする。このように中空部材を伝熱プレートにろう付けするようにすると、複数の伝熱プレートをろう付けするブレージング式熱交換器の製作時に、複数の伝熱プレートのろう付けと同一工程で中空部材のろう付けができて、熱交換器の製作が工程的、コスト的に有利に実施される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図1乃至図6を参照して詳述する。なお、この実施形態は図8や図9の熱交換器に適用したもので、図1乃至図6の図7乃至図9と同一、又は、相当部分には同一参照符号を付して、その詳細説明は省略する。
【0015】
図1に示される第1の実施形態の熱交換器はブレージング式のプレート式熱交換器で、複数の伝熱プレート1の間に形成された複数の冷媒用流体流路5の入口流路5aの各々に中空部材21を固設している。中空部材21は図3に示すようなリング状のステンレス等の金属製品で、円筒状の内壁部21aと外壁部21bを有し、内壁部21aの例えば1箇所に前段小孔22が、外壁部21bの1箇所に後段小孔24が形成され、内壁部21aと外壁部21bの間に密閉状の内部空間23が形成される。前後段の各小孔22,24は、気液二相流の冷媒Pが絞られて流通する内径2mm程度の貫通孔である。
【0016】
図1及び図3に示される中空部材21は、その内壁部21aが伝熱プレート1の冷媒用入口流路孔2の内径より小さな円筒状であり、外壁部21bが入口流路孔2の内径より大きな円筒状であり、内壁部21aと外壁部21bの下端がリング状底板部21cで一体に連結される。この内壁部21aと外壁部21bと底板部21cで構成される上端開口リング状容器は、プレス加工や切削加工で製作され、このリング状容器の上端開口を金属のリング状蓋板21dで密閉することで中空部材21が構成される。蓋板21dは、気液二相流の冷媒Pが前段小孔22を通らず直接に内部空間23に流入するのを阻止する空間密閉蓋であり、このような蓋は図2の第2の実施形態においては不必要で省略してあり、その理由は後述する。
【0017】
リング状中空部材21は、隣接する伝熱プレート1の冷媒用入口流路孔2の周辺部に入口流路孔2の中心線と内壁部21aの中心線がほぼ一致するように位置決めされて固定、例えばろう付けにて固定される。このように中空部材21を伝熱プレート1にろう付けすると、伝熱プレート同士をろう付けするブレージング式熱交換器の製作時に伝熱プレート同士のろう付けと中空部材21のろう付けが1工程で実行できて、ブレージング式熱交換器の製作が工程的、コスト的に有利となる。冷媒用入口流路5aにリング状中空部材21は、その後段小孔24を冷媒用流体流路5の方向に向けて固定される。この中空部材21の前段小孔22の方向性は限定されないが、図3に示すように後段小孔24に対して90°の定方向に位置するようにしてある。
【0018】
複数の伝熱プレート1間の複数の冷媒用入口流路5aに複数のリング状中空部材21を固定して、冷媒入口ノズル4から気液二相流冷媒Pを流入させると、冷媒Pは各リング状中空部材21の内壁部21a内周面を軸方向に流動し、一部の冷媒Pが内壁部21aの前段小孔22に絞られて内部空間23へと流入する。この冷媒流入は、図5に示すように行われる。内壁部21aの外を流動する気液二相流の冷媒Pは、図5の実線矢印の概念図で示される液相P1と図5の粒子概念図で示される気相(気泡)P2であり、気相P2の粒径が比較的大きく、仮にこれをそのまま冷媒用流体流路5に流入させると伝熱性能が低下するが、本発明においてはまず液相P1と気相Pを前段小孔22から内部空間23に流入させる。前段小孔22に粒径の大きな気相P2が通過するとき、絞られて小粒径化されると共に、前段小孔22から内部空間23に流出するときに減圧膨張するため、内部空間23では気相P2と液相P1が均一分配化され、気相P2のほとんどが小粒子状に細分化される。
【0019】
さらに、前段小孔22から内部空間23に流入した冷媒Pは、図3(B)に示すようにリング状の内部空間23を流動して、最終的に後段小孔24に絞られて流入して冷媒用流体流路5に流出して行く。冷媒Pが後段小孔24を通過する段階においても気相液相の均一分配化と気相細分化が行われる。この後段小孔24による気相細分化は、前段小孔22から内部空間23に流動した比較的大きな中粒子の気相や、内部空間23を流動する短時間の間に合体した中粒子の気相が小粒子状に細分されることである。
【0020】
以上のように中空部材21で気液二相流冷媒Pは、前後2段の小孔22,24による2段階に亘る気相液相の均一分配及び気相細分化と、前段小孔22から内部空間23への流出と後段小孔24から流体流路5の空間への流出による2段階に亘る減圧膨張の作用で、確実かつ顕著に気相液相の均一分配と気相細分化が行われて流体流路5を流通する。そのため、1つの流体流路5における冷媒Pのトータル伝熱性能が確実に向上し、伝熱プレート数を少なくして熱交換器を小型化して、低コストで製作することが可能となる。
【0021】
図6は、図1の熱交換器を冷凍機の冷媒循環システムに適用したときの概略図で、凝縮器(図示せず)から送られてくる冷媒Pは液相P1が主流であり、これが膨張弁30で液相P1と気相P2の気液二相流冷媒Pとなって熱交換器に送られ、内部の中空部材21に達する。この冷媒Pが複数の中空部材21の内壁部21aの前段小孔22から内部空間23に流入し、外壁部21bの後段小孔24から流出して流体流路5を流動する。この場合、十分に気相液相が均一分配され気相P2が細分化された気液二相流の冷媒Pが伝熱プレート1間の流体流路5を流れるため、高効率の熱交換が行われて高度な冷凍サイクルが実現される。熱交換器を出た冷媒Pは、ほとんどが気相成分となって後続の圧縮機へと送られ、圧縮機から凝縮器、膨張弁に送られて熱交換器に戻る。
【0022】
図2に示される第2の実施形態の熱交換器は、上記中空部材21の構造変更例を示すもので、図2における中空部材21’は図4に示すような蓋無しの上端開口有底のリング状金属容器である。この中空部材21’は、円筒状の内壁部21aと外壁部21bとリング状の底板部21cだけで構成され、内壁部21aの1箇所に前段小孔22が外壁部21bの1箇所に後段小孔24が形成され、内壁部21aと外壁部21bの間が内部空間24となる。
【0023】
図2の中空部材21’は、これが固設される冷媒入口流路5aの形状寸法に対応させたもので、この場合の冷媒入口流路5aの冷媒用通路孔2の内径より中空部材21’の内壁部21aの内径が大きめに設定してある。したがって、蓋無しの中空部材21’を冷媒入口流路5aに位置決めして固定すると、中空部材217の上端開口が伝熱プレート1の通路孔2の周辺部で塞がれて内部空間23が略密閉空間となるので、この中空部材21’は蓋板を必要としない。このような蓋無し中空部材21’の気液二相流冷媒Pに対する気相液相均一分散化や気相細分化の機能は、図3の蓋有り中空部材21と同様ゆえに説明は省略する。
【0024】
以上の各実施形態において中空部材をリング状としたが、これはリング状の冷媒用入口流路に対応させたもので、冷媒用入口流路の形状に応じた任意の形状とすることができ、たとえば半円弧状の中空部材等であってもよい。また、中空部材の内壁部の1箇所に前段小孔を、外壁部の1箇所に後段小孔を形成したが、これら各小孔の個数、大きさ、形状、形成位置は特定されない。また、中空部材の内壁部と外壁部の間に1つの内部空間を形成するようにしたが、この内部空間を複数に仕切って、仕切られた複数の空間を冷媒が順に減圧膨張して流動するようにしてもよい。
【0025】
さらに、本発明は、ブレージング式熱交換器以外のガスケットシール式のプレート式熱交換器等にも有効に適用されるものであり、例えばガスケットシール式熱交換器においては中空部材を伝熱プレートに溶接で固定、或いは、ガスケットを介して伝熱プレートに圧接して固定するようにすればよい。
【0026】
【発明の効果】
請求項1と2の発明によれば、気液二相流の冷媒が中空部材の前段小孔、内部空間、後段小孔を順に通過し、この通過時に少なくとも2段階に亘って気相液相の均一分配と気相の細分化が行われて冷媒用流体流路に流出するので、流体流路における冷媒の気相液相均一分配と気相細分化が十分顕著に実行されて、冷媒のトータル伝熱性能が向上し、熱交換効率に優れたプレート式熱交換器が提供できる。また、冷媒のトータル伝熱性能の改善により、伝熱プレート数を少なくして熱交換器を小型軽量にし、製作コストを低減させることが容易になる。
【0027】
請求項3の発明によれば、隣接する伝熱プレート間に中空部材をろう付けで固定することで、複数の伝熱プレートを同時にろう付けするブレージング式熱交換器が1工程のろう付けで製作でき、また、ガスケット等の特別な別部材を使用すること無く中空部材を既存の伝熱プレートに既存のろう付け方法で固定することができて、製作的に有利なプレート式熱交換器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すプレート式熱交換器の要部の断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態を示すプレート式熱交換器の要部の断面図。
【図3】(A)は図1熱交換器における中空部材の断面図、(B)はT1−T1線の断面図。
【図4】図2熱交換器における中空部材の断面図。
【図5】図3の中空部材による気液二相流冷媒の均一分配・細分化現象を説明するための模式的断面図。
【図6】本発明の熱交換器を主体とする冷凍機の冷媒循環システムの一部概要を示す模式図。
【図7】(A)は従来のプレート式熱交換器の一部省略部分を含む正面図、(B)は側面図。
【図8】図7(A)のT2−T2線の拡大断面図。
【図9】図8の熱交換器の改変例を示す他の従来の熱交換器の断面図。
【図10】図9の熱交換器に使用される金属リングの平面図。
【符号の説明】
P 気液二相流冷媒
Q 流体
1 伝熱プレート
2 冷媒用通路孔
5 冷媒用流体流路
5a 冷媒用入口流路
6 流体流路
21 中空部材
21’ 中空部材
21a 内壁部
21b 外壁部
22 前段小孔
23 内部空間
24 後段小孔
Claims (3)
- 積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である2種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、
複数の伝熱プレートの間に形成された複数の冷媒用流体流路の前記入口流路の各々に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔が形成された内壁部、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔が形成された外壁部を有し、前記内壁部と外壁部の間に密閉状態の前記内部空間が形成された中空部材を配置し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とするプレート式熱交換器。 - 積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である2種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、
冷媒用流体流路の前記入口流路に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔を有する中空部材を配置するとともに隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて伝熱プレート間にろう付け固定し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とするプレート式熱交換器。 - 中空部材を隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて、伝熱プレート間にろう付け固定したことを特徴とする請求項1記載のプレート式熱交換器。
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