JP5411304B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒などの熱媒体と水などの被熱交換媒体とを熱交換するための蒸発器として用いられるプレート式熱交換器に関し、詳しくは、伝熱プレートを境にして熱媒体を流通させる第１流路と、被熱交換媒体を流通させる第２流路とが交互に形成されたプレート式熱交換器に関する。

例えば蒸発器として用いられるプレート式熱交換器にあっては、図３示すように、複数枚の長方形状の伝熱プレート１１０，１１０，…が鉛直姿勢で積層されている。そして、この伝熱プレート１１０と伝熱プレート１１０との間に第１流路１０１と第２流路１０２とが交互に形成されている。そして、第１流路１０１に液体状態又は気液混合状態の熱媒体（冷媒）Ｒが流通し、第２流路１０２に被熱交換媒体（被冷却流体）Ｈが流通することで、熱媒体Ｒと被熱交換媒体Ｈとが熱交換される。

そして、伝熱プレート１１０の四隅には、流体の出入口となる通路孔１１１〜１１４が設けられている。また、伝熱プレート１１０の中間部には、伝熱部（採番せず）が設けられている。また、各伝熱プレート１１０間にガスケット１２０が装着されることで、例えば一方側の上，下の通路孔１１１，１１３と第１流路１０１とが連通し、かつ、他方側の上，下の通路孔１１２，１１４が第１流路１０１に開口しないように、あるいは、その逆になるようにされている。

そして、各伝熱プレート１１０には、複数の凸条及び凹条（ともに採番せず）によって波板状に形成されている。また、隣り合う伝熱プレート１１０の凸条同士が交差衝合し、各凹条で第１流路１０１又は第２流路１０２が形成されている。

しかし、このようなプレート式熱交換器にあっては、熱交換率を向上させるため、第１流路１０１内の熱媒体Ｒの流速が高められると、特に第１流路１０１の下流（出口通路孔）側において、熱媒体Ｒの圧力損失が適正範囲外となるほど過大になる。逆に、第１流路１０１内で流通する熱媒体Ｒが低速で流通すると、熱媒体Ｒの流量が過少になることから熱交換効率の向上を図ることができない。

そこで、圧力損失を適正な範囲内に止めつつ熱媒体Ｒの流速を高めることで、熱交換性能を向上させることができるようにしたプレート式熱交換器が特許文献１に記載されている。

このプレート式熱交換器は、各第１流路の下流側の断面積及び第２流路の下流側の断面積が上流側の断面積よりも広くなるように、各伝熱プレートの凹条の所定箇所に膨出部が形成されている。こうすることにより、熱媒体Ｒは、上流側において流速の低下が抑制され、下流側において流速の増大が抑制される。したがって、このプレート式熱交換器にあっては、熱媒体Ｒの上流側では境界伝熱係数が大きくされ、下流側では圧力損失が大きくならないようにされていることで、熱交換性能を高めることができるものとなっている。

特開２００５−３２６０７４号公報

特許文献１に記載されたプレート式熱交換器は、熱媒体が冷媒Ｒである蒸発器として用いられる。冷媒Ｒは、第１流路の上流側において気液２相状態で流れ、被熱媒体と熱交換された第１流路の下流側で気体となる。このようなプレート式熱交換器にあっては、小型化を図るため、伝熱プレートが短くされると、所期の熱交換係数を維持すべく、伝熱面積の減少を伝熱プレートの増加によって補わなければならない。しかし、伝熱プレートが増加すると、熱媒体Ｒ及び被熱交換媒体Ｈの流路数が増え、流速が低下して熱交換性能が低下してしまうことがある。

そこで、本発明は、熱交換性能が低下することなく、小型化を図ることができるようにしたプレート式熱交換器を提供することを課題とする。

本発明に係るプレート式熱交換器は、積層された複数の伝熱プレートのそれぞれを境にして熱媒体を流通させる第１流路と被熱交換媒体を流通させる第２流路とが交互に形成され、各伝熱プレートに流入孔及び流出孔が形成され、熱媒体が第２流路内に流入することなく第１流路内を流通するように前記流入孔又は流出孔を連通させる連通路と、被熱交換媒体が第１流路内に流入することなく第２流路内を流通するように前記流入孔又は流出孔を連通させる連通路とが設けられたプレート式熱交換器において、前記第１流路の流路幅を前記流入孔側よりも流出孔側で広くなるようにする仕切部が伝熱プレートに設けられ、前記伝熱プレートは一対の側部と一対の端部とを有する四角形状に形成され、前記第１流路の流入孔が伝熱プレートの一方の側部の中間部ないし前記一方の端部側に形成され、前記第１流路の流出孔が伝熱プレートの一方の側部と一方の端部との交点である隅部に形成され、前記仕切部が流入孔から伝熱プレートの他方の端部側に向けて設けられ、第１流路が伝熱プレートの他方の端部側で迂回するように形成されていることを特徴とする。

このプレート式熱交換器によれば、第１流路内を流通する熱媒体が例えば冷媒であると、冷媒は気化して流出孔側で体積が増大するものの、伝熱プレートに設けられた仕切部によって第１流路の流路幅が流入孔側よりも流出孔側で広くされていることにより、流出孔側の流速は抑制され、圧力損失も抑制することができる。一方、流入孔側における冷媒は、流速の低下が抑制されるので、熱交換の効率が低下しにくいようにすることができる。したがって、このプレート式熱交換器は、小型化しても、熱交換性能が低下しないようにすることができる。

このプレート式熱交換器によれば、伝熱プレートの中間部ないし一方の端部側に形成された流入孔から第１流路内に熱媒体が流れ込み、この熱媒体は、伝熱プレートの一方の側部と仕切部との間を他方の端部の方へ流れ、他方の端部側で迂回して、伝熱プレートの他方の側部と仕切部との間を一方の端部の方へ流れ、流出孔から排出される。

また、前記本発明に係るプレート式熱交換器において、前記仕切部は、前記第１流路の流路幅が流入孔側から流出孔側へ次第に広くなるように、前記流入孔から伝熱プレートの他方の端部の中間部の方に向けられていることが好ましい。

このプレート式熱交換器によれば、第１流路の流路幅が流入孔側から流出孔側へ次第に広くなるように、仕切部が流入孔から伝熱プレートの他方の端部の中間部の方に向けられていることにより、熱媒体が第１流路内をスムーズに流通するようにすることができる。

また、前記本発明に係るプレート式熱交換器において、前記第２流路の流入孔が伝熱プレートの他方の側部と一方の端部との交点である隅部に形成され、前記第２流路の流出孔が伝熱プレートの他方の側部の中間部に形成され、被熱交換媒体が迂回して流通するように誘導する仕切部が第２流路の流出孔から伝熱プレートの他方の端部側に向けて設けられていることが好ましい。

このプレート式熱交換器によれば、第１流路の流入孔が伝熱プレートの一方の側部の中間部ないし一方の端部寄りに形成され、第２の流路の流入孔が伝熱プレートの他方の側部と一方の端部との交点である隅部に形成されていることにより、熱媒体と被熱交換媒体とは伝熱プレートの一方の側部側で並向流となるため、圧力損失によって熱媒体が流入孔側で温度上昇したとしても、大きな温度差を確保して、効率的に熱交換することができる。

そして、第１流路内の熱媒体は、仕切部によって伝熱プレートの他方の端部側で迂回して伝熱プレートの一方の端部の方に流れ、第２流路内の被熱交換媒体は、伝熱プレートの一方の端部に設けられた流入孔から他方の端部の方へ仕切部に誘導されて流通するため、両媒体は伝熱プレートの他方の側部側で対向流となり、温度差を確保することができる。したがって、熱媒体が冷媒であれば、完全に蒸発させた上で、過熱度を得ることができる。

また、第１伝熱プレートと第２伝熱プレートとが交互に積層され、前記第１流路の流路幅を変化させる仕切部が第１伝熱プレートの表面から突出するように設けられ、前記第２の流路を迂回させる仕切部が同じく第１伝熱プレートの裏面から突出するように設けられていることが好ましい。

このプレート式熱交換器によれば、２種類の伝熱プレートによって前記のように作用機能するプレート式熱交換器を組み立てることができるため、プレート式熱交換器自体が小型化、簡素化され、したがって、製造設備も小型化、簡素化することができる。

本発明によれば、第１流路の流路幅を流入孔側よりも流出孔側で広くなるようにする仕切部を設けたプレート式熱交換器を提供することができ、このプレート式熱交換器は、熱交換性能が低下することなく、小型化を図ることができる。

本発明に係るプレート式熱交換器の一実施形態であって、要部を示す概略分解斜視図である。 本発明に係るプレート式熱交換器の一実施形態であって、（ａ）は一方の伝熱プレートを示す正面図、（ｂ）は他方の伝熱プレートを示す正面図である。 従来のプレート式熱交換器の要部を示す概略分解斜視図である。

本発明に係るプレート式熱交換器の一実施形態について図１及び図２を参照しながら説明する。このプレート式熱交換器は、熱媒体として冷媒Ｒを使用し、被熱交換媒体として被冷却流体Ｈを使用する蒸発器として用いられる場合を例にして説明する。

この実施形態のプレート式熱交換器は、図１及び図２に示すように、四角形状、さらに具体的には長方形状の第１伝熱プレート１０と第２伝熱プレート２０とが鉛直姿勢で交互積層されている。各伝熱プレート１０，２０を境にして、両伝熱プレート１０，２０の外周縁を囲むガスケット（図示せず）によって第１流路１と第２流路２とが交互に形成されている。第１流路１内には冷媒Ｒが流され、第２流路２内には被冷却流体Ｈが流される。

各伝熱プレート１０，２０は、複数の凸条１１，２１及び凹条１２，２２（図１には図示せず）よって波板状に形成されている。そして、隣り合う第１，第２伝熱プレート１０，２０の凸条１１，２１同士が交差衝合し、各凹条１２，２２内を冷媒Ｒ又は被冷却流体Ｈが流通する。また、凸条１１，２１及び凹条１２，２２は、いわゆるヘリンボーンタイプと称される形状で基本的に形成されている。

すなわち、第１伝熱プレート１０の凸条１１及び凹条１２は、頂部が一方の端部（ここでは上端部）を向くようにΛ字状に形成されている。ただし、一方の端部では、端部と平行に凸条１１，２１及び凹条１２，２２が形成されている。また、第２伝熱プレート２０の凸条２１及び凹条２２は、頂部が他方の端部（ここでは下端部）２０ｄを向くようにＶ字状に形成されている。ただし、他方の端部２０ｄでは、端部と平行に凸条２１及び凹条２２が形成されている。

そして、第１伝熱プレート１０と第２伝熱プレート２０とには、流入孔１３，２３及び流出孔１４，２４が形成され、この流入孔１３，２３及び流出孔１４，２４を囲むようにガスケット３０が両伝熱プレート１０，２０に装着され、あるいは、装着されないことで、隣り合っている第１流路１の流入孔１３，１３，…同士を連通させ、また、流出孔１４，１４，…同士を連通させる連通路３１ａ，３１ｂが設けられ、そして、隣り合っている第２流路２の流入孔２３，２３，…同士を連通させ、また、流出孔２４，２４，…同士を連通させる連通路３２ａ，３２ｂが設けられている。

詳しく説明すると、第１流路１に冷媒Ｒを流入させる流入孔（以下、「冷媒流入孔」という。）１３が、第１伝熱プレート１０の一方の側部１０ａの中間部ないし一方の端部１０ｂ側に形成されている。また、第１流路１から冷媒Ｒを流出させる流出孔（以下、「冷媒流出孔」という。）１４が、第１伝熱プレート１０の一方の側部１０ａと一方の端部１０ｂとの交点である隅部に形成されている。

そして、第２流路２に被冷却流体Ｈを流入させる流入孔（以下、「被冷却流体流入孔」という。）２３が、第２伝熱プレート２０の他方の側部２０ｃと一方の端部（ここでは上端部）２０ｂとの交点である隅部に形成されている。また、第２流路２から被冷却流体Ｈを流出させる流出孔（以下、「被冷却流体流出孔」という。）２４が、第２伝熱プレート２０の他方の側部２０ｃの中間部、好ましくは他方の端部２０ｄ寄りの中間部に形成されている。

そして、当然ながら、第１伝熱プレート１０にも被冷却流体流入孔２３及び被冷却流体流出孔２４が形成されているが、両孔２３，２４がガスケット３０，３０で囲まれることで、被冷却流体Ｈが第１流路１内を流れないようにされている。また、第２伝熱プレート２０にも冷媒流入孔１３及び冷媒流出孔１４が形成されているが、両孔１３，１４がガスケット３０，３０で囲まれることで、冷媒Ｒが第２流路２内を流れないようにされている。

そして、このプレート式熱交換器には、第１流路１の流路幅を、冷媒流入孔１３側よりも冷媒流出孔１４側で広くなるようにする仕切部（以下、「第１仕切部」という。）１５が第１伝熱プレート１０に設けられている。この第１仕切部１５は、第１伝熱プレート１０の表面から突出して設けられている。

すなわち、第１仕切部１５は、冷媒流入孔１３から第１伝熱プレート１０の他方の端部１０ｄに向けて、流路幅が漸増するように直線状に設けられている。また、この第１仕切部１５は、当然ながら、凸条１１と同じ高さに設けられ、第１伝熱プレート１０の他方の端部１０ｄまで到達しておらず、この他方の端部１０ｄに冷媒Ｒの迂回路が設けられている。

そして、第２伝熱プレート２０にも、前記第１伝熱プレート１０の第１仕切部１５と衝合する直線状の第１仕切部２５が裏面から突出するように設けられている。したがって、第１伝熱プレート１０と第２伝熱プレート２０と積層されたときに、第１仕切部１５，２５によって、第１流路１が伝熱プレート１０，２０の一方の側部側１０ａ，２０ａと他方の側部側１０ｃ，２０ｃとに隔絶される。以下、第１仕切部１５によって仕切られた第１流路１の冷媒流入孔１３側を「上流側パス」１ａといい、冷媒流出孔１４側を「下流側パス」１ｂという。

また、冷媒流入孔１３の周囲には、環状凸部１６が第１伝熱プレート１０の表面に突出するように設けられている。この環状凸部１６は、凸条１１及び第１仕切部１５と同じ高さとされている。ただし、冷媒Ｒが冷媒流入孔１３から第１仕切部１５の方に向いて流入するように、環状凸部１６には、切れ目のような流入部１６ａが形成されている。

そして、第２流路２内の被冷却流体Ｈの流れを誘導する直線状の仕切部（以下、「第２仕切部」という。）１７が第１伝熱プレート１０の裏面から突出するように設けられている。第２仕切部１７は、被冷却流体流入孔２３から流入した被冷却流体Ｈを迂回させて被冷却流体流出孔２４へ流通するように設けられている。したがって、第２仕切部１７は、被冷却流体流出孔２４の被冷却流体流入孔２３側から、第２伝熱プレート２０の凸条２１と同一方向（角度）で第１伝熱プレート１０の他方の端部の中心に向かうように設けられている。

第２伝熱プレート２０には、別途、仕切部が設けられず、凸条２１が仕切部を兼ねる。すなわち、第１伝熱プレート１０に設けられた第２仕切部１７と第２伝熱プレート２０の凸条２１とが衝合することで、第２流路２が第２伝熱プレート２０の一方の端部２０ｂ側と他方の端部２０ｄ側とに隔絶される。以下、第２仕切部１７によって仕切られた第２流の被冷却流体流入孔２３側を「上流側パス」２ａといい、被冷却流体流出孔２４側を「下流側パス」２ｂという。なお、第２伝熱プレート２０の表面に、第２仕切部１７と衝合する仕切部を別途、設けてもよい。

そして、第１，第２伝熱プレート１０，２０の他方の端部の中心には、ドレイン孔１８，２８が設けられている。このドレイン孔１８，２８は、第１伝熱プレート１０のΛ字状の凸条１１及び凹条１２に合わせて、三角形状に形成されている。さらに、第１，第２伝熱プレート１０，２０の他方の端部１０ｄ，２０ｄの両端には、第１，第２伝熱プレート１０，２０を鉛直姿勢で支持するための支持部１９，２９が設けられている。

このプレート式熱交換器は、以上のように構成され、次に、冷媒Ｒと被冷却流体Ｈとを熱交換する作用について説明する。

冷媒Ｒが連通路３１ａから冷媒流入孔１３を通過して第１流路１内に流入する。この冷媒Ｒは、第１流路１の上流側パス１ａから迂回して、下流側パス１ｂへ流れ、冷媒流出孔１４から連通路３１ｂ内へ排出される。また、被冷却流体Ｈが連通路３２ａから被冷却流体流入孔２３を通過して第２流路２内に流入する。この被冷却流体Ｈは、第２流路２の上流側パス２ａから迂回して下流側パス２ｂへ流れ、被冷却流体流出孔２４から連通路３２ｂ内へ排出される。

圧力損失によって、第１流路１の上流側パス１ａ内を流れている冷媒Ｒの温度が上昇したとしても、第１流路１の上流側パス１ａ内を流れている冷媒Ｒと第２流路２の上流側パス２ａ内を流れている被冷却流体Ｈは、並向流となっているため、大きな温度差を確保することができる。

また、第１流路１内の下流側パス１ｂ内を流れている冷媒Ｒは、冷媒流出孔１４に近づくにつれて、蒸発し、気化するものの、第２流路２の下流側パス２ｂ内を流れている被冷却流体Ｈと対向流となっているため、温度差を確保することで、過熱度を得ることができる。

さらに、第１流路１に設けられた第１仕切部１５，２５によって、第１流路１の流路幅が漸増することで、プレートの特性が高伝熱係数−高圧力損失の特性から低伝熱係数−低圧力損失の特性に無段階に変化する。したがって、冷媒Ｒは、被熱交換媒体Ｈと効果的に熱交換される。

このようにして、このプレート式熱交換器は、第１伝熱プレート１０と第２伝熱プレート２０とによって交互に形成された第１流路１と第２流路２内を冷媒Ｒと被冷却流体Ｈとが流通することで、両者Ｒ，Ｈが効果的に熱交換される。

なお、本発明は、前記実施形態に限定することなく種々変更することができる。例えば、本発明は、蒸発器に限定することなく、熱媒体は、冷媒Ｒでなく油などを使用してもよい。特に熱媒体として、冷媒Ｒを使用しない場合は、冷媒流入孔１３や被冷却流体流入孔２３は、伝熱プレート１０，２０の他方の端部１０ｄ，２０ｄ側に設けるなど、各孔１３，１４，２３，２４の位置は適宜変更することができる。

また、前記第１仕切部１５は、第１流路の流路幅を前記流入孔側よりも流出孔側で広くなるように設けられれば、直線状でなく、曲線状に設けてもよく、さらに、第１伝熱プレート１０の一方の側部１０ａと平行に設けてもよい。また、伝熱プレート１０，２０が波板状に形成されない場合は、第２伝熱プレート２０の裏面に第１仕切部２５を設けなくてもよい。また、被熱交換媒体の種類によっては、第２流路２には、必ずしも、仕切部を設けなくてもよい。

さらに、このプレート式熱交換器は、第１伝熱プレート１０と第２伝熱プレート２０との外周縁及び流入孔１３，２３及び流出孔１４，２４をガスケット３０が囲むことなく、熱的に融着させたものとしてもよい。

１………第１流路
２………第２流路
１０……伝熱プレート（第１伝熱プレート）
１０ａ…一方の側部
１０ｂ…一方の端部
１３……流入孔（冷媒流入孔）
１４……流出孔（襟倍流出孔）
１５……仕切部（第１仕切部）
１７……仕切部（第２仕切部）
２０……伝熱プレート（第２伝熱プレート）
２０ｂ…一方の端部
２０ｃ…他方の側部
２０ｄ…他方の端部
２３……流入孔（冷却流体流入孔）
２４……流出孔（冷却流体流出孔）
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ…連通路
Ｈ………被熱交換媒体（被冷却流体）
Ｒ………熱媒体（冷媒）

Claims (4)

1. 積層された複数の伝熱プレートのそれぞれを境にして熱媒体を流通させる第１流路と被熱交換媒体を流通させる第２流路とが交互に形成され、各伝熱プレートに流入孔及び流出孔が形成され、熱媒体が第２流路内に流入することなく第１流路内を流通するように前記流入孔又は流出孔を連通させる連通路と、被熱交換媒体が第１流路内に流入することなく第２流路内を流通するように前記流入孔又は流出孔を連通させる連通路とが設けられたプレート式熱交換器において、
   前記第１流路の流路幅を前記流入孔側よりも流出孔側で広くなるようにする仕切部が伝熱プレートに設けられ、
   前記伝熱プレートは一対の側部と一対の端部とを有する四角形状に形成され、前記第１流路の流入孔が伝熱プレートの一方の側部の中間部ないし前記一方の端部側に形成され、前記第１流路の流出孔が伝熱プレートの一方の側部と一方の端部との交点である隅部に形成され、前記仕切部が流入孔から伝熱プレートの他方の端部側に向けて設けられ、第１流路が伝熱プレートの他方の端部側で迂回するように形成されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記仕切部は、前記第１流路の流路幅が流入孔側から流出孔側へ次第に広くなるように、前記流入孔から伝熱プレートの他方の端部の中間部の方に向けられている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. 前記第２流路の流入孔が伝熱プレートの他方の側部と一方の端部との交点である隅部に形成され、前記第２流路の流出孔が伝熱プレートの他方の側部の中間部に形成され、被熱交換媒体が迂回して流通するように誘導する仕切部が第２流路の流出孔から伝熱プレートの他方の端部側に向けて設けられ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。
4. 第１伝熱プレートと第２伝熱プレートとが交互に積層され、前記第１流路の流路幅を変化させる仕切部が第１伝熱プレートの表面から突出するように設けられ、前記第２の流路を迂回させる仕切部が同じく第１伝熱プレートの裏面から突出するように設けられている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。

Images