JP4879292B2 - プレート式熱交換器及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、流体から油を分離する機能を備えたプレート式熱交換器及び、このプレート式熱交換器を備えた冷凍空調装置に関する。

特許文献１には、内部に油を分離する機能を設けたプレート式熱交換器についての記載がある。しかし、特許文献１に記載されたプレート式熱交換器は、プレートの面を水平に設置する横置き型のプレート式熱交換器である。一般に、プレート式熱交換器は、プレートの面を鉛直に設置する場合が多い。そのため、特許文献１に記載されたプレート式熱交換器が使用できる範囲は限られている。
また、特許文献２には、気体と液体とを分離する機能を設けたプレート式熱交換器であって、プレートを鉛直に設置する縦置き型のプレート式熱交換器についての記載がある。しかし、特許文献２に記載されたプレート式熱交換器は、流体から油を分離することを目的としていない。そのため、特許文献２に記載されたプレート式熱交換器は、流体から油を十分に分離できない。

特開平１−２３０９６５号公報 特開平１１−２８７５７２号公報

従来の縦置き型のプレート式熱交換器は、内部で油を十分に分離できない。そのため、従来の縦置き型のプレート式熱交換器と、縦置き型のプレート式熱交換器を備える冷凍空調装置では、以下の（１）から（３）の課題を有する。
（１）熱交換器内の冷凍機油（以下、油）は熱抵抗となる。そのため、流体に油が混入したまま、流体が熱交換されると、熱交換性能を十分に発揮できない。また、プレート式熱交換器では流体が層流で流れることが多く、淀みを生じ易い。そのため、密度の大きい油はプレート式熱交換器の内部に溜まり易く、伝熱有効面積が減少する。つまり、流体に油が混入したままプレート式熱交換器で熱交換した場合、熱交換性能が悪くなる。
（２）油が熱交換器内に溜まると、流路の摩擦抵抗が大きくなる。そのため、スラッジやゴミが溜まりやすくなり、熱交換器の信頼性が低下する。また、油が熱交換器内に溜まると、圧縮機への返油が行われない。そのため、圧縮機が破損する虞がある。その結果、冷凍空調装置が故障する虞がある。
（３）冷凍空調装置の冷媒回路内に油を分離する機器を設けると、冷媒回路の大型化やコストの増加に繋がる。

この発明は、例えば、縦置き型のプレート式熱交換器に油を分離する機能を設けることを目的とする。これにより、高性能で信頼性の高いプレート式熱交換器と、冷凍空調装置を提供することを目的とする。

この発明に係るプレート式熱交換器は、例えば、
複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
前記複数のプレートが積層された積層方向の一端側に、流体の入口となる流入管が設けられ、
前記複数のプレートの各プレートには、前記流入管から流体が流入する流入孔と、前記流入孔から流入した前記流体が流出する流出孔とが設けられ、
前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記流入孔から流入した前記流体を前記流出孔へ流す流路を形成し、
前記積層方向の前記一端側に形成された前記流路である１層目の流路は、他の前記流路よりも前記積層方向の幅が広い
ことを特徴とする。

この発明に係るプレート式熱交換器は、流入管側の流路の幅を広くした。そのため、流体よりも密度の高い油の多くは、幅の広い流入管側の流路を流れる。一方、油よりも密度の低い流体の多くは、流入管側の流路以外の流路へ流れる。そのため、プレート式熱交換器内で流体と油とが分離される。

プレート式熱交換器３０の側面図。 プレート式熱交換器３０の正面図。 第２伝熱プレート２の正面図。 第１伝熱プレート３の正面図。 第２補強用サイドプレート４の正面図。 プレート式熱交換器３０の分解斜視図。 実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態２に係る第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２を示す図。 実施の形態２に係る第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２以外の伝熱プレート２，３を示す図。 実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態３に係る油分離管１３を示す図。 実施の形態４に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態４に係る油分離管１３を示す図。 図１４とは異なる実施の形態４に係る油分離管１３を示す図。 実施の形態５に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態５に係る油分離管１３を示す図。 実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 実施の形態６に係る伝熱プレート２，３を示す図。 １層目の第１流路に油を流す場合の返油方法の説明図。 Ｎ層目の第１流路に油を流す場合の返油方法の説明図。 実施の形態７に係る伝熱プレート２，３を示す図。 実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０の断面図。 暖房給湯システム３９を示す図。

図１から図６は、以下の実施の形態に係るプレート式熱交換器３０の基本的な構成の説明図である。図１は、プレート式熱交換器３０の側面図である。図２は、プレート式熱交換器３０の正面図（図１のＢ側から見た図）である。図３は、第２伝熱プレート２の正面図である。図４は、第１伝熱プレート３の正面図である。図５は、第２補強用サイドプレート４の正面図である。図６は、プレート式熱交換器３０の分解斜視図である。

プレート式熱交換器３０は、複数の伝熱プレート２，３が積層される。また、プレート式熱交換器３０は、一端側（図１のＢ側，前側）と他端側（図１のＣ側，後側）とに、それぞれ第１補強用サイドプレート１と第２補強用サイドプレート４とが積層される。
図３，４に示すように、各伝熱プレート２，３は、略長方形の板状に形成される。各伝熱プレート２，３には、略長方形の長辺方向（長手方向）の一方の端部側（上側）に第１流入孔９が設けられる。各伝熱プレート２，３には、第１流入孔９とは逆の長手方向の端部側（下側）に第１流出孔１０が設けられる。各伝熱プレート２，３には、第１流出孔１０と同一の長手方向の端部側（下側）に第２流入孔１１が設けられる。各伝熱プレート２，３には、第１流入孔９と同一の長手方向の端部側（上側）に第２流出孔１２が設けられる。ここでは、各伝熱プレート２，３には、略長方形の短辺方向（短手方向）の同一の端部側（左側）に第１流入孔９と第１流出孔１０とが設けられる。また、各伝熱プレート２，３には、第１流入孔９と第１流出孔１０とは逆の短手方向の端部側（右側）に第２流入孔１１と第２流出孔１２とが設けられる。
つまり、各伝熱プレート２，３には、四隅に第１流入孔９、第１流出孔１０、第２流入孔１１、第２流出孔１２が設けられる。なお、第１流入孔９と第１流出孔１０とを１次側流入出孔と呼ぶ。同様に、第２流入孔１１と第２流出孔１２とを２次側流入出孔と呼ぶ。

図２，５に示すように、補強用サイドプレート１，４も、伝熱プレート２，３と同様に、略長方形の板状に形成される。図２に示すように、最前面に積層される第１補強用サイドプレート１には、伝熱プレート２，３に第１流入孔９が設けられた位置に第１流入管５が設けられる。同様に、伝熱プレート２，３に第１流出孔１０が設けられた位置に第１流出管６が設けられ、第２流入孔１１が設けられた位置に第２流入管７が設けられ、第２流出孔１２が設けられた位置に第２流出管８が設けられる。
一方、図５に示すように、最背面に積層される第２補強用サイドプレート４は、流入出管５，６，７，８や流入出孔９，１０，１１，１２は設けられない。なお、図５では、第２補強用サイドプレート４に、流入出管５，６，７，８や流入出孔９，１０，１１，１２の位置を破線で示すが、第２補強用サイドプレート４にこれらが設けられているわけではない。
なお、各プレート２，３と補強用サイドプレート１，４は、略同一の略長方形である。

各伝熱プレート２，３は、第１流入孔９同士、第１流出孔１０同士、第２流入孔１１同士、第２流出孔１２同士がそれぞれ重なるように積層される。伝熱プレート２と伝熱プレート３とは交互に積層される。また、第１補強用サイドプレート１と、第１補強用サイドプレート１の隣の伝熱プレート２とは、第１流入管５と第１流入孔９、第１流出管６と第１流出孔１０、第２流入管７と第２流入孔１１、第２流出管８と第２流出孔１２がそれぞれ重なるように積層される。
ここで、第１補強用サイドプレート１の第１流入管５と、各伝熱プレート２，３の第１流入孔９とにより、第１流体を各第１流路へ分配する第１流入通路孔が形成される。同様に、第１補強用サイドプレート１の第２流入管７と、各伝熱プレート２，３の第２流入孔１１とにより、第２流体を各第２流路へ分配する第２流入通路孔が形成される。また、第１補強用サイドプレート１の第１流出管６と、各伝熱プレート２，３の第１流出孔１０とにより、各第１流路から第１流体が流れ込む第１流出通路孔が形成される。同様に、第１補強用サイドプレート１の第２流出管８と、各伝熱プレート２，３の第２流出孔１２とにより、各第２流路から第２流体が流れ込む第２流出通路孔が形成される。

また、図３，４に示すように、伝熱プレート２，３には、凹凸が長手方向に複数配列される。凹凸は、短手方向の両端側に両端部を有し、両端部より長手方向にずれた位置に折り返し点を有することによりＶ字型に形成される。凹凸のピッチ（幅）は、図４に示すＷである。また、Ｖ字型の折り返し角度は２θである。
伝熱プレート２と伝熱プレート３とでは、凹凸の向きが逆向きに配列される。つまり、伝熱プレート２では、両端部よりも下側に折り返し点を有するＶ字型に凹凸が形成されるのに対し、伝熱プレート３では、両端部よりも上側に折り返し点を有するＶ字型（逆Ｖ字型）に凹凸が形成される。
このように、逆向きのＶ字型に凹凸が形成された伝熱プレート２，３を交互に積層することにより、伝熱プレート２，３の間に伝熱効率のよい流路が形成される。つまり、図６に示すように、第１流入孔９から流入した第１流体が第１流出孔１０へ流れる第１流路が伝熱プレート２の前面と伝熱プレート３の背面との間に形成される。同様に、第２流入孔１１から流入した第２流体が第２流出孔１２へ流れる第２流路が伝熱プレート２の背面と伝熱プレート３の前面との間に形成される。また、第１補強用サイドプレート１の背面とその隣の伝熱プレート２の前面との間にも、第１流路が形成される。同様に、第２補強用サイドプレート４の前面とその隣の伝熱プレート３の背面との間にも第１流路が形成される。
第１流路を流れる第１流体と第２流路を流れる第２流体とは、伝熱プレート２，３を介して熱交換される。

また、最も第１流入管５側に形成される第１流路を１層目の第１流路と呼ぶ。１層目の第１流路を形成するプレートを第１プレートと第２プレートと呼ぶ。特に、第１流入管５側に積層されるプレートを第１プレート、第１流入管５と逆側に積層されるプレートを第２プレートと呼ぶ。ここでは、第１補強用サイドプレート１とその隣の伝熱プレート２との間に１層目の第１流路が形成されるので、第１補強用サイドプレート１が第１プレート、第１補強用サイドプレート１の隣に積層される伝熱プレート２が第２プレートである。
また、最も第１流入管５から遠い側に形成される第１流路をＮ層目の第１流路と呼ぶ。Ｎ層目の第１流路を形成するプレートを第Ｎプレートと第Ｎ＋１プレートと呼ぶ。特に、第１流入管５側に積層されるプレートを第Ｎプレート、第１流入管５と逆側に積層されるプレートを第Ｎ＋１プレートと呼ぶ。ここでは、第２補強用サイドプレート４とその隣の伝熱プレート３との間にＮ層目の第１流路が形成されるので、第２補強用サイドプレート４が第Ｎ＋１プレート、第２補強用サイドプレート４の隣に積層される伝熱プレート３が第Ｎプレートである。

以下の実施の形態１から５及び実施の形態８では、プレート式熱交換器３０は、長手方向の第１流入管５側を上にして、第１流出管６側を下にして縦置きされる。したがって、第１流入管５から流入した第１流体は、第１流入孔９から第１流出孔１０へ各第１流路を下向きに流れ、第１流出管６から流出する。一方、第２流入管７から流入した第２流体は、第２流入孔１１から第２流出孔１２へ各第２流路を上向きに流れ、第２流出管８から流出する。
また、以下の実施の形態６、７では、実施の形態１から５及び実施の形態８とは逆に、プレート式熱交換器３０は、長手方向の第１流出管６側を上にして、第１流入管５側を下にして縦置きされる。
また、以下の実施の形態では、第１流体を冷媒とし、第２流体を冷媒によって加熱又は冷却される水等の流体とする。なお、冷媒には、油が混入した状態で第１流入管５からプレート式熱交換器３０へ流入する。

実施の形態１．
図７は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。特に、図７は、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図７では、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。

図７に示すように、第１補強用サイドプレート１とその隣に積層された伝熱プレート２との間に形成された第１流路（１層目の第１流路）の積層方向の幅Ｗ１は、他の第１流路の積層方向の幅Ｗ２よりも広い。つまり、１層目の第１流路の積層方向の幅Ｗ１は、他の第１流路の積層方向の幅Ｗ２よりも広い。

プレート式熱交換器３０における油が混入した冷媒の流れを説明する。
第１流入管５から油が混入した冷媒が流入する。第１流入管５から流入した冷媒は、第１流入管５と第１流入孔９とからなる第１流入通路孔を通って、各第１流路へ分配される。各第１流路へ分配された冷媒は、隣の第２流路を流れる流体と熱交換される。そして、熱交換された冷媒は、第１流出管６と第１流出孔１０とからなる第１流出通路孔を通ってプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。
ここで、油は、冷媒よりも密度が高い。したがって、油は冷媒よりも落下し易い。そのため、第１流入通路孔において、冷媒に混入した油は、１層目の第１流路へ流入し易い。特に、１層目の第１流路の積層方向の幅Ｗ１は広いため、冷媒に混入した油の多くは１層目の第１流路へ流入する。一方、冷媒は、油よりも密度が低いため、１層目の第１流路以外の流路（２層目以降の第１流路）へも分散して流入する。
つまり、油の多くは１層目の第１流路へ流入し、冷媒の多くは２層目以降の第１流路へ流入する。すなわち、１層目の第１流路と２層目以降の第１流路とに、油と冷媒とが分離する。そして、２層目以降の第１流路では、油が分離された冷媒が、その隣の第２流路と伝熱プレート２，３を介して熱交換される。

油は熱抵抗が高く、油を含んだ冷媒では効率的に熱交換できない。しかし、２層目以降の第１流路では、冷媒から油が分離されているため、熱抵抗が低い。したがって、効率的に熱交換できる。
また、油は冷媒に比べ、密度や粘性が高く、速度が遅い。そのため、油は、プレート内に滞留し易く、冷媒の偏流の原因となる。しかし、２層目以降の第１流路では、冷媒から油が分離されているため、冷媒の偏流が抑えられる。したがって、伝熱面積を増すことができ、より効率的に熱交換できる。
つまり、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０は、熱交換性能が高い。

なお、１層目の第１流路の幅Ｗ１は、油循環量に応じて調整する。つまり、油循環量が多ければ１層目の第１流路の幅Ｗ１を広くし、油循環量が少なければ１層目の第１流路の幅Ｗ１を狭くすればよい。

つまり、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、１層目の幅寸法を２層目以降の幅寸法より大きくしたことを特徴とする。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図８は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図８では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。図９は、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２を示す図である。図１０は、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２以外の伝熱プレート２，３を示す図である。

図８に示すプレート式熱交換器３０では、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２の第１流入孔９の開口面積が、他の伝熱プレート２，３の第１流入孔９の開口面積よりも小さい。第１流入孔９は、円であるため、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２の第１流入孔９の径は、他の伝熱プレート２，３の第１流入孔９の径よりも小さい。
特に、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２における第１流入孔９は、第１流入孔９に近い長手方向端部（上端）よりに設けられる。つまり、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２における上端から第１流入孔９までの距離Ｌ１は、他の伝熱プレート２，３における上端から第１流入孔９までの距離Ｌ２と略同一である。すなわち、図８に示すように、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２により、各伝熱プレート２，３の第１流入孔９とにより形成された第１流入通路孔の第１流路側（下側）に堰（壁、抵抗体）が形成される。

実施の形態１で説明したように、油は冷媒よりも落下し易いため、１層目の第１流路へ流入し易い。実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０では、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２により第１流入通路孔の下側に堰が形成されている。この堰により、２層目以降の第１流路へ流入しようとする油を食い止め、１層目の第１流路へ流入させることができる。上述したように、油は密度が高く落下し易いため、第１流入通路孔の下側を流れ易い。したがって、第１流入通路孔の下側に形成された堰により、２層目以降の第１流路へ油が流れることを防止できる。つまり、堰を設けることにより、高い精度で冷媒から油を分離できる。
つまり、実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、熱交換性能が高い。

なお、堰は、第１流入孔９の径を小さくするだけで製造できる。そのため、堰は、低コストで製造できる。

また、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、１層目の第１流路の積層方向の幅Ｗ１を、２層目以降の第１流路の積層方向の幅Ｗ２よりも広くしてもよい。この場合、さらに熱交換性能を高くすることができる。

つまり、実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒流入管径（第１流入孔９）を通常の径より小さくして堰を作り、冷媒と油分離を可能としたことを特徴とする。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図１１は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図１１では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。図１２は、実施の形態３に係る油分離管１３を示す図である。

図１１に示すプレート式熱交換器３０では、第１流入管５から第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２の手前までの第１流入通路孔内に、油分離管１３が設けられた。油分離管１３には、第１補強用サイドプレート１とその隣に積層された伝熱プレート２との間に、１層目の流路向きに油出口１４（第１孔）が形成される。また、油分離管１３には、第１補強用サイドプレート１の隣に積層された伝熱プレート２の第１流入孔９向きに冷媒出口１５（第２孔）が形成される。油出口１４は油を流出するための孔であり、冷媒出口１５は冷媒を流出するための孔である。
油出口１４の開口面積を１層目の流路の入り口の開口面積よりも小さくする。特に、油出口１４を積層方向に長い形状としつつ、油出口１４の開口面積を小さくする。なお、油出口１４の開口面積は、油の密度や、冷媒に含まれる油の量（割合）等に応じて決定する。例えば、油出口１４の開口面積を、冷媒に含まれる油がちょうど全て油出口１４から流出する開口面積にする。

実施の形態１で説明したように、油は冷媒よりも落下し易いため、１層目の第１流路へ流入し易い。実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０では、開口面積の小さい油出口１４が形成された油分離管１３を設けている。特に、油出口１４の開口面積を、冷媒に含まれる油がちょうど全て油出口１４から流出する開口面積である。そのため、油が優先的に油出口１４から流出すると、冷媒は油出口１４から流出しない。したがって、油分離管１３により、１層目の第１流路へ冷媒が流れることを防止できる。つまり、油分離管１３を設けることにより、高い精度で冷媒から油を分離できる。
つまり、実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、熱交換性能が高い。

なお、冷媒出口１５の開口面積を微細ノズルのように微小な寸法にしてもよい。この場合、第１伝熱プレートの第１流入孔９へ流出する冷媒の流速を速くすることができる。流速が速くなるため、熱交換性能が高くなる。
また、油分離管１３の外径を、第１流入管５の内径と略同一にすることにより、第１流入管５に油分離管１３を挿入するだけで、図１１に示すプレート式熱交換器３０を製造することができる。これにより、図１１に示すプレート式熱交換器３０を低コストで製造することができる。
また、油分離管１３に形成された油出口１４や冷媒出口１５は、円形に限らず、多角形、楕円形等であってもよい。また、油出口１４や冷媒出口１５は、１つの孔で構成されるのではなく、複数の孔で構成されてもよい。

また、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、１層目の第１流路の積層方向の幅Ｗ１を、２層目以降の第１流路の積層方向の幅Ｗ２よりも広くしてもよい。この場合、さらに熱交換性能を高くすることができる。

つまり、実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒入口ノズル（第１流入管５）に挿入式の油分離機構（油分離管１３）を設けて冷媒と油分離を可能としたことを特徴とする。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図１３は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図１３では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。図１４は、実施の形態４に係る油分離管１３を示す図である。

図１３に示すプレート式熱交換器３０では、第１流入管５から第２補強用サイドプレート４の手前までの第１流入通路孔内に、油分離管１３が設けられた。油分離管１３には、第２補強用サイドプレート４と第２補強用サイドプレート４の隣に積層された伝熱プレート３との間の第１流路向き（下向き）に油出口１４（第１孔）が形成される。また、油分離管１３には、第１補強用サイドプレート１と、第２補強用サイドプレート４の隣に積層された伝熱プレート３との間に、第１補強用サイドプレート１から、第２補強用サイドプレート４の隣に積層された伝熱プレート３までの間に形成された複数の第１流路とは異なる向きに冷媒出口１５（第２孔）が形成される。ここでは、冷媒出口１５は、第１流路と反対向き（上向き）に形成される。
つまり、油出口１４は、第１流入管５から最も遠い第１流路（Ｎ層目の第１流路）の位置に、下向き形成される。また、冷媒出口１５は、その他の第１流路の位置（Ｎ−１層目までの第１流路）に、上向きに形成される。

第１流入管５から油分離管１３を通って、油が混入した冷媒が流入する。油が混入した冷媒のうち、密度の低い冷媒だけが、冷媒出口１５からＮ−１層目までの第１流路へ流出する。一方、密度の高い油は、冷媒出口１５からは流出せず、油出口１４からＮ層目の第１流路へ流出する。
つまり、密度の低い冷媒は、上側に形成された冷媒出口１５から流出する。しかし、密度の高い油は、上側に形成された冷媒出口１５から流出せず、下側に形成された油出口１４から流出する。ほとんどの冷媒は、油出口１４に到達する前に、冷媒出口１５から流出している。したがって、油出口１４から流出するのは、ほとんど油だけである。つまり、Ｎ層目の第１流路とＮ−１層目までの第１流路とに、油と冷媒とが分離する。そして、Ｎ−１層目までの第１流路では、油を分離された冷媒が、その隣の第２流路と伝熱プレート２，３を介して熱交換される。

したがって、実施の形態４に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、熱交換性能が高い。

図１５は、図１４とは異なる実施の形態４に係る油分離管１３を示す図である。図１３，１４では、第１補強用サイドプレート１と、第２補強用サイドプレート４の隣に積層された伝熱プレート３との間に、１つの冷媒出口１５を形成した。しかし、図１５に示すように、冷媒出口１５を複数に分割して形成してもよい。特に、第１補強用サイドプレート１から、第２補強用サイドプレート４の隣に積層された伝熱プレート３までの間に形成された第１流路毎に冷媒出口１５を形成してもよい。
また、油出口１４も、１つの孔で構成されるのではなく、複数の孔で構成されてもよい。
また、油分離管１３に形成された油出口１４や冷媒出口１５は、円形に限らず、多角形、楕円形等であってもよい。
また、油分離管１３は、第１流入通路孔の内径よりも小さい径とする。

なお、Ｎ層目の第１流路の積層方向の幅を、Ｎ層目までの第１流路と第２流路との積層方向の幅と比べて広くしてもよい。

つまり、実施の形態４に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒入口ノズル（第１流入管５）から最長距離にある冷媒経路に油分離経路を設けたことを特徴とする。

実施の形態５．
図１６は、実施の形態５に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図１６は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図１６では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。図１７は、実施の形態５に係る油分離管１３を示す図である。

図１６に示すプレート式熱交換器３０では、第１流入管５から第２補強用サイドプレート４の手前までの第１流入通路孔内に、油分離管１３が設けられた。油分離管１３は、第２補強用サイドプレート４の手前に、第２補強用サイドプレート４向きに混合体出口１６が形成される。つまり、実施の形態３，４で説明した油分離管１３のように、油出口１４と冷媒出口１５との２種類の孔が形成されているわけではなく、１種類の孔（混合体出口１６）が形成される。混合体出口１６は、油が混入した冷媒が流出する。

混合体出口１６から流出した油が混入した冷媒は、第２補強用サイドプレート４の壁面に衝突する。壁面に衝突することにより、密度の高い油と密度の低い冷媒とが分離する。油と冷媒とが分離すると、密度の高い油は、そのまま落下してＮ層目の第１流路へ流入する。一方、密度の低い冷媒の多くは、Ｎ−１層目までの第１流路へ流入する。つまり、Ｎ層目の第１流路とＮ−１層目までの第１流路とに、油と冷媒とが分離する。そして、Ｎ−１層目までの第１流路では、油を分離された冷媒が、その隣の第２流路と伝熱プレート２，３を介して熱交換される。

したがって、実施の形態５に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０と同様に、熱交換性能が高い。
なお、油分離管１３の挿入距離（混合体出口１６から第２補強用サイドプレート４までの距離）や混合体出口１６の開口面積は、冷媒に混入する油の量（割合）に応じて決定する。

実施の形態６．
図１８は、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図１８は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図１８では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。図１９は、実施の形態６に係る伝熱プレート２，３を示す図である。
実施の形態１から５では、プレート式熱交換器３０は、長手方向の第１流入管５側を上にして、第１流出管６側を下にして縦置きされるものとした。しかし、図１８に示すプレート式熱交換器３０は、長手方向の第１流出管６側を上にして、第１流入管５側を下にして縦置きされるものとする。したがって、第１流入管５から流入した第１流体は、第１流入孔９から第１流出孔１０へ各第１流路を上向きに流れ、第１流出管６から流出する。一方、第２流入管７から流入した第２流体は、第２流入孔１１から第２流出孔１２へ各第２流路を下向きに流れ、第２流出管８から流出する。

図１８に示すプレート式熱交換器３０では、第１補強用サイドプレート１に油出管１７が設けられた。また、各伝熱プレート２，３に油出孔１８が形成された。
油出管１７は、第１流入管５に対して、第１流出管６と逆の位置に設けられた。つまり、第１流出管６は第１補強用サイドプレート１の長手方向の一端部（上側）に設けられているから、油出管１７は第１補強用サイドプレート１の長手方向の他端部（下側）に設けられる。同様に、油出孔１８は、第１流入孔９に対して、第１流出孔１０と逆の位置に設けられた。つまり、第１流出孔１０は、伝熱プレート２，３の長手方向の一端部（上側）に形成されているから、油出孔１８は伝熱プレート２，３の長手方向の他端部（下側）に形成される。
また、図１８に示すプレート式熱交換器３０は、第１流入管５から流入した冷媒に含まれる油が油出孔１８へ流れる流油流路が伝熱プレート２の前面と伝熱プレート３の背面との間に形成される。同様に、第１補強用サイドプレート１の背面とその隣の伝熱プレート２の前面との間にも、流油流路が形成され、第２補強用サイドプレート４の前面とその隣の伝熱プレート３の背面との間にも流油流路が形成される。流油流路の入り口の開口面積は、油循環量に応じて調整する。つまり、流油流路の入り口の開口面積は、冷媒に含まれる油がちょうど全て流出する開口面積にする。
なお、第１補強用サイドプレート１の油出管１７と、各伝熱プレート２，３の油出孔１８とにより、各流油流路から油が流れ込む流油通路孔が形成される。

プレート式熱交換器３０での油が混入した冷媒の流れを説明する。
第１流入管５から油が混入した冷媒が流入する。
すると、密度の高い油は、第１流入通路孔（第１流入管５と第１流入孔９）を通って、下側の各流油流路へ分配される。そして、油は、流油通路孔（油出管１７と油出孔１８）を通ってプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。
一方、密度の低い冷媒は、第１流入通路孔（第１流入管５と第１流入孔９）を通って、上側の各第１流路へ分配される。各第１流路へ分配された冷媒は、隣の第２流路を流れる流体と熱交換される。そして、熱交換された冷媒は、第１流出通路孔（第１流出管６と第１流出孔１０）を通ってプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。なお、密度の低い冷媒は、下側の各流油流路へは流入しづらい。これは、密度の高い油が下側の各流油流路へ流入してしまい、流油流路の入り口が塞がってしまうためである。
つまり、油の多くは流油流路へ流入し、冷媒の多くは第１流路へ流入する。すなわち、流油流路と第１流路とに、油と冷媒とが分離する。そして、第１流路では、油を分離された冷媒が、その隣の第２流路と伝熱プレート２，３を介して熱交換される。
つまり、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０よりも、さらに、熱交換性能が高い。

なお、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０は、油と冷媒とを分離した状態で、油と冷媒とをプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。そこで、油出管１７からプレート式熱交換器３０の外部へ流出する油を圧縮機へ戻してもよい。つまり、圧縮機へ返油することにより、空調機器等の熱源機の信頼性を向上する。
プレート式熱交換器３０を蒸発器で用いると、一般に液冷媒がプレート式熱交換器３０の下側からプレート式熱交換器３０流入する。ここで、冷媒漏れが生じるとプレート式熱交換器３０の内部では、蒸気冷媒の量が増加する。そのため、油と冷媒の速度差が大きくなり油と冷媒とが分離し易くなる。このとき、圧縮機へ油が戻る経路がないプレート式熱交換器３０では、圧縮機へ油が戻らない。このため、圧縮機が破損し、冷凍空調装置が故障する虞がある。

また、実施の形態１から３で説明したように、最も第１流入管５よりの第１流路（１層目の第１流路）に油を流す場合や、実施の形態４，５で説明したように、最も第１流入管５から離れた第１流路（Ｎ層目の第１流路）に油を流す場合であっても、返油することはできる。
図２０は、１層目の第１流路に油を流す場合の返油方法の説明図である。図２１は、Ｎ層目の第１流路に油を流す場合の返油方法の説明図である。
図２０，２１に示すように、第１補強用サイドプレート１の第１流出管６の下側に油出管１７を設け、各伝熱プレート２，３の第１流出孔１０の下側に油出孔１８を設ける。また、各伝熱プレート２，３は、隣の伝熱プレート２，３との間に、第１流入孔９から油出孔１８まで続く流油流路流油流路を形成する。そして、各伝熱プレート２，３のＶ字型の凹凸を流油流路向きに形成する。つまり、第１流出孔１０の周囲には凹凸を形成せず、油出孔１８側にのみ凹凸を形成する。すると、密度が高く粘性の高い油の多くは、凹凸に沿って流れるため、油出孔１８へ流れる。一方、密度の低く粘性の低い冷媒の多くは、凹凸とは関係なく第１流出孔１０へ流れる。その結果、油は油出管１７からプレート式熱交換器３０の外部へ流出し、冷媒は第１流出管６からプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。つまり、油と冷媒とを分離した状態で、油と冷媒とをプレート式熱交換器３０の外部へ流出する。よって、圧縮機へ返油することができる。
なお、上記説明では、各伝熱プレート２，３に、油出孔１８へ油が流れるように凹凸を形成するとした。しかし、油が流れる第１流路を形成する伝熱プレート２，３だけに、油出孔１８へ油が流れるように凹凸を形成するとしてもよい。つまり、図２０であれば、最も第１流入管５寄りの伝熱プレート２にだけ油出孔１８へ油が流れるように凹凸を形成するとしてもよい。図２１であれば、最も第１流入管５から離れた伝熱プレート３にだけ油出孔１８へ油が流れるように凹凸を形成するとしてもよい。

つまり、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒入口ノズル（第１流入管５）の中心をずらした位置に油戻り経路（油出管１７）を構成したことを特徴とする。

実施の形態７．
図２２は、実施の形態７に係る伝熱プレート２，３を示す図である。図２２では、図１８に示すプレート式熱交換器３０の伝熱プレート２，３を示す。

図２２に示す伝熱プレート２，３では、第１流入孔９の油出孔１８側に溝１９が形成されている。
密度が高く粘性の高い油は、溝１９を流れる。つまり、第１流入通路孔の下側を流れる。そのため、油は、流油流路へ流入し易い。一方、冷媒は、密度が低く粘性が低いため、油が溝１９を流れてしまうと、溝１９を流れにくい。つまり、第１流入通路孔の上側を流れる。そのため、冷媒は、第１流路へ流入し易い。
つまり、実施の形態７に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０よりも、油と冷媒とが分離され易い。そのため、実施の形態７に係るプレート式熱交換器３０は、実施の形態６に係るプレート式熱交換器３０よりも、熱交換性能が高い。

補強用サイドプレート１，４や伝熱プレート２，３は、プレスで作られている。そのため、金型の形状により溝１９の数や間隔を容易に調整できる。したがって、容易に油を分離する精度を向上できる。

なお、第１流入孔９に溝１９を設けることに代えて、第１流入孔９の形状を三角形や星型等にしてもよい。この場合、三角形や星型の先鋭部が油出孔１８側になるように第１流入孔９を形成する。同様に、第１流入孔９を楕円形にしてもよい。この場合、楕円形の長辺が伝熱プレート２，３の長手方向（上下方向）となるように形成する。このようにすることにより、第１流入孔９に溝１９を設けた場合と同様に、油を分離し易くなる。

なお、実施の形態１，２に係るプレート式熱交換器３０であれば、溝１９を第１流入管５の第１流路側（下側）に設けてもよい。また、実施の形態３から５に係るプレート式熱交換器３０であれば、溝１９を油分離管１３の第１流路側（下側）に設けてもよい。これにより、油と冷媒とが分離し易くなる。

つまり、実施の形態７に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒入り口経路の形状に溝１９を付けたことを特徴とする。

実施の形態８．
図２３は、実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０の断面図である。図２３は、図７と同様に、図２のＡ−Ａ’部分のプレート式熱交換器３０の断面図である。図２３では、図７と同様に、冷媒の流れを実線で示し、油の流れを破線で示す。

図２３に示すプレート式熱交換器３０は、第１流入管５と第１流出管６とをつなぐ油戻管２０を備える。油戻管２０は、第１流入管５の第１流出管６側（下側）と第１流出管６の第１流入管５側（上側）とをつなぐ。第１流入管５を流れる密度の高い油は、下側に設けられた油戻管２０へ流入し易い。一方、密度の低い冷媒は、油戻管２０へ流入しにくい。そのため、油と冷媒とが分離する。
実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０では、第１流入管５から第１流出管６へ油を流してしまうため、伝熱プレート２，３により構成される熱交換部分へ油が流入することを防止できる。そのため、実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０は、熱交換性能が高い。

なお、実施の形態３で説明した油出口１４の開口面積と同様に、第１流入管５から油戻管２０への入り口部分の開口面積を、油の密度や、冷媒に含まれる油の量（割合）等に応じて決定してもよい。
また、実施の形態６で説明したように、第１流出管６とは別に、油出管１７を設けてもよい。そして、第１流入管５と油出管１７とを油戻管２０でつないでもよい。
また、実施の形態７で説明したように、第１流入管５の下側に溝１９を形成してもよい。

実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０では、第１流入管５と第１流出管６との間にある使用されていない空間に油戻管２０を配置する。したがって、プレート式熱交換器３０を大型化することなく、油と冷媒とを分離できる。

つまり、実施の形態８に係るプレート式熱交換器３０は、流体の出入口となる通路孔があり、流体の流入管、流出管を設けた複数枚のプレートを積層してなるプレート式熱交換器３０において、冷媒入口、出口ノズルを連通し油戻り経路を設けたことを特徴とする。

以上の実施の形態に係るプレート式熱交換器３０は、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒だけでなく、ＨＣやＣＯ２等の自然系冷媒を用いた空調機器にも効果的である。ＣＯ２のような油と弱相溶性もしくは冷媒と非相溶性の油を使用した空調機器に有効である。

また、プレート式熱交換器３０を凝縮器で用いる場合、冷媒は蒸気の状態でプレート式熱交換器３０に入る。そのため、冷媒は油と分離し易い。したがって、この場合、以上の実施の形態に係るプレート式熱交換器３０は特に有効である。

また、プレート式熱交換器内で淀みが生じると、淀んだ部分にゴミやスケールが溜まり易くなる。そのため、熱交換器の腐食を誘発する。しかし、以上の実施の形態に係るプレート式熱交換器３０では、流体の淀みの一因である油を伝熱面へ侵入する前に分離する。そのため、信頼性の高いプレート式熱交換器３０を提供できる。

また、蒸発器としてプレート式熱交換器を用いると、偏流で温度分布が生じ凍結部ができるため、熱交換器の強度が低下する。しかし、プレート式熱交換器３０では、偏流を防ぐため、熱交換器の強度が低下することも防ぐことができる。

また、分離した油を流体回路と別に油戻り経路を設けることで、圧縮機への返油が可能となる。これにより、圧縮機の信頼性が向上し、これを搭載した空調機器の品質も向上する。特に空調機器の流体に使用される冷媒は高圧であり、油詰まりから冷媒回路圧力上昇による機器の破損を抑制できるため、機器の安全性も高くなる。
返油をするために流体回路内に油分離器を設けると回路を構成する部品が増える。そのため、流体回路を搭載した機器の大型化やコスト増加となる。しかし、プレート式熱交換器３０では内部に返油機構が内蔵されており、部品点数も少なくできる。特に空調機器の室外機では、設置スペース確保が課題であるため、プレート式熱交換器３０は有効である。つまり、プレート式熱交換器３０を搭載した室外機は小型であるため、設置スペースが小さくなり、安価な室外機の提供も可能となる。

なお、以上の実施の形態では、第１補強用サイドプレート１とその隣りの伝熱プレート２との間に第１流路（１層目の第１流路）が形成され、第２補強用サイドプレート４とその隣りの伝熱プレート３との間に第１流路（１層目の第１流路）が形成されるとした。つまり、補強用サイドプレート１，４と伝熱プレート２，３との間にも流路が形成されるものとした。しかし、補強用サイドプレート１，４と伝熱プレート２，３との間には流路が形成されなくてもよい。

実施の形態９．
実施の形態９では、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器３０の利用例である暖房給湯システム３９について説明する。

図２４は、暖房給湯システム３９を示す図である。
暖房給湯システム３９は、圧縮機３１、プレート式熱交換器３０、膨張弁３２、熱交換器３３、給湯器３４、暖房機３５、冷媒路３６、水路３７を備える。圧縮機３１、プレート式熱交換器３０、膨張弁３２、熱交換器３３、冷媒路３６が熱交換システム３８である。
冷媒は、冷媒路３６を圧縮機３１、プレート式熱交換器３０、膨張弁３２、熱交換器３３の順に繰り返し流れる。圧縮機３１は、上述したように、冷媒を圧縮する。プレート式熱交換器３０は、圧縮機３１が圧縮した冷媒と、水路３７を流れる液体（ここでは、水）とを熱交換する。ここでは、プレート式熱交換器３０において熱交換されることにより、冷媒が冷され、水が温められる。膨張弁３２は、プレート式熱交換器３０で熱交換された冷媒の膨張を制御する。熱交換器３３は、膨張弁３２の制御に従い膨張した冷媒と空気との熱交換を行う。ここでは、熱交換器３３において熱交換されることにより、冷媒が温められ、空気が冷やされる。そして、温められた冷媒は、圧縮機３１へ入る。
一方、水は、水路３７をプレート式熱交換器３０と、給湯器３４及び暖房機３５との間で流れる。上述したように、プレート式熱交換器３０で熱交換されることにより、水は温められる。そして、温められた水は給湯器３４や暖房機３５へ流れる。なお、給湯用の水は、プレート式熱交換器３０で熱交換される水でなくてもよい。つまり、給湯器３４などでさらに水路３７を流れる水と給湯用の水とが熱交換されるようにしてもよい。

以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器３０は熱交換効率がよい。したがって、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器３０を用いた熱交換システム３８も効率がよい。また、熱交換システム３８を用いた暖房給湯システム３９も効率がよい。
なお、ここでは、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器３０によって圧縮された冷媒で水を加熱する熱交換システム（ＡＴＷ（Ａｉｒ Ｔｏ Ｗａｔｅｒ）システム）について説明した。しかし、これに限らず、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器３０を用いて熱交換を行い空気等の流体を加熱又は冷却する冷凍サイクル（冷凍空調装置）を形成することもできる。

１ 第１補強用サイドプレート、２，３ 伝熱プレート、４ 第２補強用サイドプレート、５ 第１流入管、６ 第１流出管、７ 第２流入管、８ 第２流出管、９ 第１流入孔、１０ 第１流出孔、１１ 第２流入孔、１２ 第２流出孔、１３ 油分離管、１４ 油出口、１５ 冷媒出口、１６ 混合体出口、１７ 油出管、１８ 油出孔、１９ 溝、２０ 油戻管、３０ プレート式熱交換器、３１ 圧縮機、３２ 膨張弁、３３ 熱交換器、３４ 給湯器、３５ 暖房機、３６ 冷媒路、３７ 水路、３８ 熱交換システム、３９ 暖房給湯システム。

Claims (5)

1. 複数のプレートが積層されて形成されたプレート式熱交換器であり、
   前記複数のプレートが積層された積層方向の一端側に、流体の入口となる流入管が設けられ、
   前記複数のプレートの各プレートには、前記流入管から流体が流入する流入孔と、前記流入孔から流入した前記流体が流出する流出孔とが設けられ、
   前記各プレートは、隣に積層されたプレートとの間に、前記流入孔から流入した前記流体を前記流出孔へ流す流路を形成し、
   前記積層方向の前記一端側に形成された前記流路である１層目の流路は、他の前記流路よりも前記積層方向の幅が広く、
   前記１層目の流路を形成する第１プレートと第２プレートとのうち、前記積層方向の他端側に積層された前記第２プレートに設けられた前記流入孔は、他のプレートに設けられた前記流入孔よりも開口面積が小さい
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記流入管と前記各プレートに設けられた前記流入孔とにより、前記各プレートにより形成された複数の流路の各流路へ前記流体を分配する通路孔が形成され、
   前記流体が内側を流れる管であって、前記１層目の流路を形成する第１プレートと第２プレートとの間において、前記１層目の流路向きに第１孔が形成されるとともに、前記第１プレートと前記第２プレートとのうち前記積層方向の他端側に積層された前記第２プレートに設けられた前記流入孔向きに第２孔が形成された管が前記通路孔内に設けられた
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記プレート式熱交換器は、前記流入孔が上側、前記流出孔が下側になるように設置され、
   前記複数のプレートの各プレートには、さらに、設置された場合に、前記流出孔よりも下側に、前記流体に混入した油を流出する油出孔が設けられた
   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。
4. 前記第１層目の流路を形成するプレートには、凹凸が、前記流出孔の周囲には形成されず、前記油出孔の周囲に形成された
   ことを特徴とする請求項３に記載のプレート式熱交換器。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載のプレート式熱交換器を備えることを特徴とする冷凍空調装置。

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