JP5496321B2

JP5496321B2 - プレート熱交換器及びプレート熱交換器の製造方法及びヒートポンプ装置

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Publication number: JP5496321B2
Application number: JP2012506710A
Authority: JP
Inventors: 進一内野; 毅浩林; 大輔伊東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: WO2011117988A1; JPWO2011117988A1; EP2551626A1; EP2551626A4

Description

本発明は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行うプレート熱交換器及びプレート熱交換器の製造方法及びヒートポンプ装置に関する。

一般に複数枚のプレートを積層しロウ付することで流路を形成し、２系統の流路間で熱交換を行うプレート熱交換器が知られている。プレート熱交換器はロウ付により各要素が接合されるので、熱交換器本体を小型化できるという特徴がある。

プレート熱交換器は小型であるためにヒートポンプ装置に使用される。プレート熱交換器は、液流体と冷媒とを熱交換させ、給湯および殺菌などに利用される。プレート熱交換器では比較的高圧になる冷媒と、大きな圧力変動の起きない流体側（被加熱媒体側）との圧力差が生じる。このため、プレート熱交換器ではプレート熱交換器の内部圧力への耐力をいかに向上させるかが重要となる。プレート熱交換器の内部圧力に対する耐力向上に関する技術として特許文献１がある。

特開２００１−９９５８８号公報

プレート熱交換器はロウ材により半永久的に接合されるため、伝熱プレートの破壊が発生するとプレートのみの交換ができない。このため、伝熱プレートの破壊はプレート熱交換器そのものの機能不全をもたらす。また、プレート熱交換器がヒートポンプユニットに組み込まれ、主に暖房、給湯用に使用される場合、伝熱プレートの破壊は水とＲ４１０Ａを代表とする冷媒が混合されることを意味し、環境にも人体にも悪影響を与える。そのため、プレート熱交換器の信頼性向上は、プレート熱交換器単体の寿命としてではなく、プレート熱交換器が使用される全ての製品にとって必須の項目である。

（１）プレート熱交換器の破壊は、主として伝熱プレートに応力が発生することに起因する。プレート熱交換器の応力発生要因としては、プレート熱交換器の内部圧力と使用環境による外部圧力との差である。この圧力差によって「圧力破壊」が発生する。すなわち、凝縮時に圧力が上がりすぎて破壊するモードである。
（２）また、プレート熱交換器内部の流路内に生じた圧力変動により、伝熱側と被伝熱側の流路を隔てている伝熱プレートが疲労により破壊するモードがある。ヒートポンプ装置にプレート熱交換器を取り付けた場合は、特にヒートポンプの駆動、停止、能力制御等のため、圧縮機の回転数が変動する。この回転数の変動により、プレート熱交換器内部の圧力が刻々と変化するため、長期間の駆動となる場合は、プレート熱交換器が「圧力疲労破壊」を起こす可能性がある。

一般的なプレート熱交換器では、上記の「圧力破壊」、「圧力疲労破壊」に対して、伝熱プレートの厚肉化や外郭への補強材等で、信頼性を上げている。しかし、コストや外形上の制約により限界があるため、より安価で信頼性を向上させる手法が必要となる。

この発明は、圧力破壊や圧力疲労破壊に対するプレート熱交換器の強度向上を目的とする。

この発明のプレート熱交換器は、
積層された複数のプレートの各プレートが積層方向で隣接する他のプレートとロウ付けによって接合され、冷媒である第１流体と、前記第１流体と熱交換する第２流体とを、前記複数のプレートに基づき形成された前記第１流体の流路と、前記第２流体の流路とを通過させて熱交換させるプレート熱交換器において、
前記第１流体と前記第２流体とのいずれかの流体の、流入口と流出口とのいずれかとして機能する中空状のノズルと、
前記ノズルの両端のうちの一方のノズル端部が貫通するように前記ノズル端部の形状に応じた孔であるノズル対応孔が形成され、最も外側に配置される外側プレートと、
前記外側プレートの下面側に隣接して配置される第１プレートであって、前記外側プレートの前記ノズル対応孔を貫通した前記ノズル端部の周囲近傍を略密封する密封空間を、前記ノズル端部及び前記外側プレートの前記下面とともに形成する窪み領域であって、中央付近に前記積層方向にみて前記ノズル対応孔と重なる孔である第１孔が形成された窪み領域を有する第１プレートと
を備え、
前記密封空間は、
ロウ材が充填されたことを特徴とする。

この発明により、圧力破壊や圧力疲労破壊に対するプレート熱交換器の強度を向上できる。

実施の形態１におけるプレート熱交換器１００の使用形態を示す図。実施の形態１におけるプレート熱交換器１００の分解斜視図。実施の形態１におけるプレート熱交換器１００の側面図。実施の形態１におけるプレート熱交換器１００の正面図。実施の形態１におけるプレート熱交換器１００の背面図。図２のＸ−Ｘ断面に相当する断面。実施の形態１における伝熱プレート１０９ａ、伝熱プレート１０９ｂを示す図。実施の形態１におけるサイドプレート１０ａを示す図。図８の範囲Ｄの拡大図。

以下の実施の形態１ではプレート熱交換器１００を説明する。
図１は、実施の形態１のプレート熱交換器１００の使用形態を示す図である。図１を用いてプレート熱交換器１００の使用形態を説明する。ヒートポンプユニット１０（ヒートポンプ装置）は、圧縮機１、凝縮器２（第１の熱交換器）、電子膨張弁３、蒸発器４（第２の熱交換器）を備えている。
（１）圧縮機１は、電力を使用して冷媒１１を圧縮し、冷媒１１の持つエンタルピーおよび圧力を上昇させる。
（２）凝縮器２は、圧縮された冷媒１１（第１流体）と被加熱流体（第２流体）との間で熱交換を行う。
（３）電子膨張弁３は、凝縮器２から出た冷媒１１を断熱膨張させる。
（４）蒸発器４は、電子膨張弁３から出る冷媒１１と外部加熱熱源との間で熱交換を行う。なお、図示はしていないが、ヒートポンプユニット１０は、その他、余剰な冷媒１１を貯めるレシーバ等の附属部品を備えてもよい。

圧縮機１〜蒸発器４は、冷媒１１が循環する冷凍サイクル機構を構成する。例えば、凝縮器２にプレート熱交換器１００を用いる。これにより、外部加熱熱源の熱（蒸発器４によって吸熱した熱）を、プレート熱交換器１００によって放熱することで、プレート熱交換器１００に流入した水を加熱する。外部加熱熱源（蒸発器４の熱交換の相手）として利用される媒体として、空気、地熱などの他種の媒体が存在するが、プレート熱交換器１００は、外部加熱熱源を使用する全ての給湯式ヒートポンプユニットに使用することが可能である。また、凝縮器（第１の熱交換器）に限らず、プレート熱交換器１００は、蒸発器（第２の熱交換器）として使用されても構わない。

出湯水１２（水１２という場合もある）は水回路１４を循環する。図１は間接加熱方式を示している。水１２は、凝縮器２であるプレート熱交換器１００に流入し、冷媒１１によって加熱されてプレート熱交換器１００から流出する。出湯水１２はプレート熱交換器１００から流出すると、水回路１４を構成する配管で繋がれたラジエータや床暖房などの暖房機器５に流入し、室内温調として使用される。また、水回路１４の途中に出湯水１２と上水１３とを熱交換させる水−水熱交換タンク６を配置することにより、出湯水１２で加熱された上水１３を風呂やシャワーなどの生活用水に使用できる。

以下、図２から図５を用いてプレート熱交換器１００の外観形状を説明する。
図２は、プレート熱交換器１００の分解斜視図である。
図３は、プレート熱交換器１００の側面図である。
図４は、プレート熱交換器１００の正面図（図３のＡ矢視）である。
図５は、プレート熱交換器１００の背面図（図３のＢ矢視）である。

（プレート熱交換器１００の特徴）
まずプレート熱交換器１００の特徴を説明する。
（１）実施の形態１のプレート熱交換器１００は、各構成要素がロウ付けによって接合される方式の熱交換器である。このプレート熱交換器１００の特徴は、後述する図９に示す内部空間１１９が形成され、内部空間１１９がロウ材で充填される点にある。図９は断面であるが、内部空間１１９は、ノズル先端の押し込み部１３１の周囲を１周にわたって取り囲む、リング形状（いわゆるドーナツ形状）である。リング形状である内部空間１１９の全体がロウ材で充填されることで、内部空間１１９、補強プレート１１３ａ及びノズル１１４ａが一体化する。この一体化により、ノズル１１４ａそのものをプレート熱交換器１００を支える「柱」とすることができ、強度向上を図ることができる。
（２）すなわち、圧力破壊および圧力疲労破壊ともに、プレート熱交換器の破壊されやすい部位は、プレート熱交換器に流体を供給するために必要なノズル周辺の部位である。一般的なプレート熱交換器では熱交換面積拡大のために伝熱プレートの表面に波形状を設けている。上下の伝熱プレートどうしの波形状と波形状とが接触する箇所（下側の伝熱プレートの波の山と上側の伝熱プレートの波の底との接触部位）は全てロウ付される。そして、ロウ付された箇所は、全て「柱」として存在する。それに対してノズル周辺部は伝熱部分ではなく、波形状が存在しないか、波形状が存在したとしても極端に少ない。そのためノズルの周辺は、支えとなる「柱」が少ない。強度向上のためにはノズル周辺部にも「柱」が多く存在することが好ましい。しかし、ノズル周辺の面積は限られており、また、「柱」を形成し、かつ、流路を遮らない構造は、限られてくる。
（３）そこで、実施の形態１のプレート熱交換器１００では、上記（１）のように、ノズル１１４ａそのものをプレート熱交換器１００を支える「柱」に用いる構成とする。そしてさらに、ロウ付時の銅（ロウ材）の挙動を考慮して、通常のノズルよりも幅の広い「柱」を形成することで、プレート熱交換器の信頼性向上を図る。図９に示すように、ノズル１１４ａ、補強プレート１１３ａ及びサイドプレート１１０ａの３つの要素によってリング状の内部空間１１９（密封空間）を作り、その内部空間１１９にロウ付け時の余剰した銅を充填する。このように内部空間１１９にロウ材である銅が充填されることで、ノズル１１４ａ、サイドプレート１１０ａ、補強プレート１１３ａからなる剛性のある「柱」を形成する。この「柱」は、従来の使用部材で形成することができるため、新たな部材の追加をすることなく、強度向上が可能である。

以下にプレート熱交換器１００の外観を具体的に説明する。図２に示すように、プレート熱交換器１００では、冷媒流入口であるノズル１１４−２から流入した冷媒１１が冷媒流出口であるノズル１１４−４から流出する第１流路が形成される。また、水流入口であるノズル１１４−３から流入した水１２が水流出口であるノズル１１４−１から流出する第２流路が形成される。

図３に示すように、プレート熱交換器１００は、ノズル１１４−１〜１１４−４が取り付けられる補強プレート１１３ａ、サイドプレート１１０ａ、伝熱プレート１０９ｂ、伝熱プレート１０９ａ・・・伝熱プレート１０９ｂ、伝熱プレート１０９ａ、サイドプレート１１０ｂ、補強プレート１１３ｂの順に積層される。

図４に示すように、正面図（図３のＡ矢視）では、補強プレート１１３ａに取り付けられた４つのノズル１１４−１〜１１４−４が見える。

図５に示すように、背面図（図３のＢ矢視）では、補強プレート１１３ｂの表面が見える。

次に図６〜図９を用いて、プレート熱交換器１００の構造を説明する。
図６は、図４のＸ−Ｘ断面に相当する断面である。「相当する」としたのは次の理由による。図６は、説明を簡単にするため、伝熱プレート１０９ａ，１０９ｂを合計で４枚だけ使用している。また、図６では、ノズル１１４ａ（ノズル１１４−１に対応）が冷媒１１の流入口のノズルである。このように、図６は、図４とは同一ではないため「相当する」とした。

図７の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図６のプレート熱交換器１００を矢視Ｃからみた際の、伝熱プレート１０９ａ（第３プレート）、伝熱プレート１０９ｂ（第２プレート）を示す。図６に示すように、サイドプレート１１０ａの下に伝熱プレート１０９ｂが配置され、伝熱プレート１０９ｂの下に伝熱プレート１０９ａが配置される。積層された状態では、伝熱プレート１０９ｂに開けられた流路孔１１５ａ〜１１５ｄ（第２孔）は、伝熱プレート１０９ａに開けられた流路孔１１５ａ〜１１５ｄ（第３孔）と重なり、流路を構成する。

（サイドプレート１１０ａ）
図８の（ａ）は、図６のプレート熱交換器１００を矢視Ｃからみた際の、サイドプレート１１０ａ（第１プレート）を示す図である。サイドプレート１１０ａに開けられた流路孔１１５ａ〜１１５ｄ（第１孔）は、伝熱プレート１０９ｂ、伝熱プレート１０９ａに開けられた流路孔１１５ａ〜１１５ｄとそれぞれ重なり、流路を構成する。また、図８の（ｂ）は、（ａ）におけるＹ−Ｙ断面である。

図９は、図６のＤ部分の拡大図である。

実施の形態１のプレート熱交換器１００は、図６に示すように、伝熱プレート１０９ａと伝熱プレート１０９ｂとを積層することで、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うための流路を形成する伝熱部１１１を主たる構造とする。プレート熱交換器基幹部１１２（以下、基幹部１１２という）は、伝熱部１１１の上部にサイドプレート１１０ａが配置され、伝熱部１１１の下部にサイドプレート１１０ｂが配置されることで構成される。基幹部１１２の上部に補強プレート１１３ａが配置され、下部に補強プレート１１３ｂが配置されることで、補強プレート１１３ａと補強プレート１１３ｂとによって基幹部１１２が挟まれる。補強プレート１１３ａにはノズル取付口（ノズル対応孔）が開けられている。ノズル取付口には、ノズル１１４ａ〜１１４ｄが取り付けられている。

（伝熱プレート１０９ａ、伝熱プレート１０９ｂ）
図７に示す伝熱プレート１０９ａ、伝熱プレート１０９ｂの大きさ、板厚は同様である。伝熱プレート１０９ａと伝熱プレート１０９ｂとは四隅に流路孔１１５ａ〜１１５ｄを持つ。長手方向の流路孔１１５ａ、１１５ｂと、流路孔１１５ｃ、１１５ｄとの間に流体を攪拌するための波形状１１６ａ，１１６ｂを持つ。伝熱プレート１０９ａの波形状１１６ａと伝熱プレート１０９ｂの波形状１１６ｂとは１８０度反転した形状である。すなわち、波形状１１６ｂは波形状１１６ａに対して、波形状１１６ａを点Ｐを中心に矢印方向に１８０度回転させたような関係にある。図７において、伝熱プレート１０９ｂの稜線１２２は、波の頂上の稜線を示す。すなわち、「波の頂上」とは、図６のＣ方向と反対方向における波の頂上を意味する。また、波形状１１６ｂは伝熱プレート１０９ｂの中心線１２１をＶ字の頂点（Ｖ字の折れ曲がり位置）とするＶ字形状の波である。波形状１１６ａも同様である。図６でもわかるように、伝熱プレート１０９ｂの流路孔１１５ａの周辺は、伝熱プレート１０９ｂの流路孔１１５ｂの周辺よりもＣ方向と反対方向を高い方向とした際、低い方向である。すなわち、伝熱プレート１０９ｂは、短手方向で、中心線１２１を境にして段差１２３がある。この段差１２３は、複数の伝熱プレートが積層された際に、流路を形成する。伝熱プレート１０９ａも同様である。

（伝熱プレート１０９による流路の形成）
伝熱プレート１０９ａと伝熱プレート１０９ｂとが積層されることで、波形状１１６ａと波形状１１６ｂとが点接触する。この点接触の部分が、ロウ付けされることで流路を形成する「柱」になる。例えば、伝熱プレート１０９ａは水（純水、水道水あるいは不凍液を混合した水など）の流路を形成し、伝熱プレート１０９ｂは冷媒１１（例えば、Ｒ４１０Ａを代表とした、空気調和機に使用される冷媒）の流路を形成する。伝熱プレート１０９ａと伝熱プレート１０９ｂとを各１枚ずつ積層することで水の流路が形成され、更に伝熱プレート１０９ａを積層することで、「水−冷媒」の層が形成される。以下、伝熱プレートの積層枚数を増やすことで、「水−冷媒−水−冷媒・・・」と交互に流路が形成（図２参照）される。これら積層された複数の伝熱プレートによって、図６に示すような伝熱部１１１が構成される。

（サイドプレート１１０）
伝熱部１１１の上下部を挟み込むサイドプレート１１０ａ、サイドプレート１１０ｂは、大きさ、板厚が伝熱プレート１０９と同様であり、四隅に流路孔１１５ａ〜１１５ｄを持ち、波形状１１６の無い平面構造のプレートである。図６に示すように、サイドプレート１１０ａは伝熱部１１１の上部に配置され、サイドプレート１１０ｂは伝熱部１１１の下部に配置されて、基幹部１１２を構成する。図８に示すように、サイドプレート１１０ａ、１１０ｂの流路孔１１５ａ、１１５ｃには絞り形状部１１７があり、伝熱プレート１０９ａ、１０９ｂの流路孔１１５ａ、１１５ｃに接触する。

（絞り形状部１１７）
図６、図８に示すように、サイドプレート１１０ａは、流路孔１１５ａ、１１５ｃの周辺に絞り加工によって形成された絞り形状部１１７（窪み領域）を有する。

図９のように、絞り形状部１１７により、サイドプレート１１０ａとサイドプレート１１０ｂとで形成される非伝熱空間１１８に、冷媒が流入することを防ぐ。非伝熱空間１１８は平面と波形状１１６ｂにより形成される空間であり、伝熱に関して有効性を得ることが出来ない空間である。このため、この非伝熱空間１１８に冷媒が流入することを防ぐことにより、余分な放熱および冷媒流速の低下を防ぐことが可能となる。

（補強プレート１１３）
図６に示すように、基幹部１１２の上部に補強プレート１１３ａ（外側プレート）が取り付けられ、下部に補強プレート１１３ｂが取り付けられる。補強プレート１１３は、伝熱プレート１０９及びサイドプレート１１０に対して約５倍の厚みを持つ。プレート熱交換器１００では、補強プレート１１３ａは、図２、図４等に示すように４つの流路孔を持つ。また、補強プレート１１３ｂは、図５に示すように、流路孔１１５を持たない。補強プレート１１３ａ，１１３ｂにより、プレート熱交換器１００は、基幹部１１２に流れる流体によって発生する圧力の変動疲労およびプレート熱交換器１００の圧力と大気圧との差により生じる力に耐えることが可能になる。

（ノズルのカシメ加工）
図２、図４、図６等に示すように、補強プレート１１３ａの４つの流路孔のそれぞれには、冷媒および水を基幹部１１２に流入させるためのノズル１１４ａ〜１１４ｄが取り付けられる。ノズル１１４の取付位置（取付箇所）は、補強プレート１１３ａ、１１３ｂの流路孔の数によって決まる。１枚の補強プレートに最大４つの流路孔を設ければ、１台のプレート熱交換器１００に対して、合計８つのノズル１１４を取り付けることになる。図９に示すように、ノズル１１４ａは、端部に補強プレート１１３ａの流路孔とはまり合う押し込み部１３１を有している。押し込み部１３１の先端は、補強プレート１１３ａの下面１３３よりも１ｍｍ以上出るように構成されている。図９の寸法Ｈが、１ｍｍ以上である。プレート熱交換器１００をロウ付けで接合する工程の前に、ノズル１１４の押し込み部１３１を補強プレート１１３ａの流路孔に挿し込み、押し込み部１３１をカシメ加工する。このカシメ加工により補強プレート１１３ａとノズル１１４ａとを仮固定した状態で、補強プレート１１３ａが基幹部１１２に積層され、プレート熱交換器１００全体が仮組みされて、仮組みのプレート熱交換器１００がロウ付け工程に送られる。

（ロウ付け工程）
仮組み状態のプレート熱交換器１００では、伝熱プレート１０９ａと伝熱プレート１０９ｂとの間、および伝熱部１１１とサイドプレート１１０ａおよびサイドプレート１１０ｂとの間、基幹部１１２と補強プレート１１３ａおよび補強プレート１１３ｂとの間にロウ材として用いられる銅条が挟みこまれる。更に補強プレート１１３ａとノズル１１４との間にもロウ材である銅が配置される。ロウ材が配置された仮組み状態のプレート熱交換器１００はロウ付け工程において真空加熱炉に入れられ、真空状態でのロウ付が行われる。このロウ付け工程で銅が融解し、各要素の接合面に浸透する。浸透した銅が冷えることにより各要素同士が半永久的に接着され、プレート熱交換器１００が形成される。

ロウ付により融解した銅は各要素（各プレート、各ノズル等）の接合面に浸透する。全ての接合面に浸透した後に余剰となった銅は、プレート熱交換器１００の内部に溜まりこむことになるが、その際に表面張力の影響で隙間の狭い方へ流れ込む傾向がある。

（１）図６、図９を参照して、内部空間１１９の周辺構造を説明する。ノズル１１４ａは、冷媒１１の流入口となるノズルである。なお、内部空間１１９は、冷媒１１の流入口に限らず、冷媒１１の流出口、水１２の流入口、流出口に設けてもよい。補強プレート１１３ａ（外側プレート）は、ノズル押し込み部１３１（ノズル端部）が貫通するように、ノズル押し込み部１３１の形状に応じた孔であるノズル対応孔が形成されている。サイドプレート１１０ａは、補強プレート１１３ａの下面１３３側に隣接して配置される。サイドプレート１１０ａは、図８で述べたように、絞り形状部１１７（窪み領域）が形成されている。絞り形状部１１７は、ノズル対応孔を貫通したノズル押し込み部１３１の周囲近傍を略密封する内部空間１１９を、ノズル押し込み部１３１及び補強プレート１１３ａの下面１３３とともに形成する。内部空間１１９は、絞り形状部１１７が補強プレート１１３ａで蓋をされる構成である。よって、内部空間１１９は、ノズル押し込み部１３１の周囲を取り巻く、いわゆるドーナツ形状の空間である。
（２）絞り形状部１１７の中央付近には積層方向にみてノズル対応孔と重なる孔（第１孔）が形成されている。絞り形状部１１７は、孔の周縁に沿って平坦な第１平坦部が形成されている。この第１平坦部が、ノズル押し込み部１３１の端面との間で隙間１３２を形成している。後述のように、隙間１３２から溶融状態のロウ材が内部空間１１９に流れ込む。
（３）サイドプレート１１０ａの下に配置される伝熱プレート１０９ｂ（第２プレート）は、流路孔が形成されている。伝熱プレート１０９ｂの流路孔のうちノズル１１４ａとともに流路孔を形成する流路孔では、周縁から周辺に広がる平坦な第２平坦部が、サイドプレート１１０ａの第１平坦部と接触している。
（４）また、伝熱プレート１０９ｂの下に配置される伝熱プレート１０９ａ（第３プレート）は、流路孔が形成されている。伝熱プレート１０９ｂの流路孔のうちノズル１１４ａとともに流路孔を形成する流路孔では、周縁から周辺に広がる平坦な第３平坦部が、伝熱プレート１０９ｂの第２平坦部と接触している。

図９に示すように、ノズル１１４ａの押し込み部１３１の先端は、サイドプレート１１０ａの絞り形状部１１７に接近しており隙間１３２を形成する。また、ノズル１１４ａの押し込み部１３１（ノズル端部）、補強プレート１１３ａの下面１３３、サイドプレート１１０ａ（絞り形状部１１７）の３要素間によって内部空間１１９（密封空間）が形成される。押し込み部１３１の先端とサイドプレート１１０ａの絞り形状部１１７（窪み領域）の平坦部とが近接してわずかな隙間１３２を形成しているため、ロウ付時の余剰銅は、隙間１３２から内部空間１１９（密封空間）へと流れ込み、内部空間１９がロウ材である銅で充填される。このときの隙間１３２は融解した銅が表面張力によって入り込み、また、ロウ付け冷却時に外部に出て行かない程度の隙間である。例えば、隙間１３２は数μｍから数十μｍである。

図６に示したように、プレート熱交換器１００では、複数枚の伝熱プレート１０９ａ，１０９ｂが積層された伝熱部１１１の上下にサイドプレート１１０ａ，１１０ｂおよび補強プレート１１３ａ，１１３ｂが配置され、伝熱部１１１が、サイドプレート１１０ａ，１１０ｂおよび補強プレート１１３ａ，１１３ｂで挟まれた状態で、真空ロウ付けされる。サイドプレート１１０ａの冷媒側流路径には絞り形状が形成されている。伝熱プレート１０９とサイドプレート１１０とは、流路孔１５の周囲で接合される。ノズル１１４ａのカシメ仮固定部とサイドプレート１１０ａおよび補強プレート１１３ａで形成される内部空間１１９には、ロウ付け時に発生した余剰ロウ材が隙間１３２から流れ込み、内部空間１１９はロウ材が充填される。ロウ材の充填により内部空間１９全体を、プレート熱交換器内部を支える柱として活用できる。

プレート熱交換器１００では、内部空間１１９に銅が充填されることにより、ノズル１１４ａ，補強プレート１１３ａ，サイドプレート１１０ａの三要素からなる「柱」が形成される。これにより、サイドプレート１１０ａの絞り形状部１１７と伝熱部１１１との接合面積を基礎とした「柱」を得ることができる。従って、冷媒の圧力変動によって引き起こされる内圧疲労破壊やプレート熱交換器内部の圧力と大気圧との差によって引き起こされる圧力破壊において受圧面積が大きくなり、応力が小さくなるため信頼性向上に繋がる。プレート熱交換器の中央部は、波形状部分により互いの伝熱プレートどうしがそれぞれ接合されて、多数の「柱」が形成されているため、負荷が分散されるので強度は高い。しかし、従来のプレート熱交換器は、波形状の無くなるノズル付近においては「柱」の本数も少なくなるため強度が低い。実施の形態１のプレート熱交換器１００では、流体の流れを阻害する「柱」を追加することなく、ノズル付近に大きな「柱」を形成することが出来るので、強度に対する信頼性が向上する。

また、内部空間１１９に銅が充填されることにより、内部空間１１９に水などの腐食性流体が流入することを防ぐことが可能である。内部空間１１９のような空間に腐食性流体が流入すると、耐腐食性の高いＳＵＳ材を用いたとしても長期使用による腐食が発生する可能性が高いため、内部空間１１９のような空間をなくすことは腐食の観点から有効である。

実施の形態１のプレート熱交換器１００では、補強プレート（耐圧プレート）、サイドプレート、及びノズルで形成される内部空間に、真空炉によるロウ付の際に、各プレート同士、ノズル−プレート間を接合させるロウ材を充填することで、補強プレート（耐圧プレート）、サイドプレート、及びノズルを一体の「柱」として成立させる。この「柱」によって、プレート熱交換器１００の内圧変動による強度を向上させることができる。

プレート熱交換器１００をヒートポンプユニットの凝縮器として使用する場合には、上記「柱」を冷媒の流入口となるノズルに設けることにより、大気圧と冷媒圧力差、およびヒートポンプユニットの冷媒圧力変動に対して強度を向上させることができる。

１圧縮機、２凝縮器、３電子膨張弁、４蒸発器、５暖房機器、６水−水熱交換タンク、７上水利用機器、１０ヒートポンプユニット、１１冷媒、１２出湯水、１３上水、１４水回路、１０９，１０９ａ，１０９ｂ伝熱プレート、１００プレート熱交換器、１１０，１１０ａ，１１０ｂサイドプレート、１１１伝熱部、１１２基幹部、１１３，１１３ａ，１１３ｂ補強プレート、１１４ａ〜１１４ｄ，１１４−１〜１１４−４ノズル、１１５，１１５ａ〜１１５ｄ流路孔、１１６，１１６ａ，１１６ｂ波形状、１１７絞り形状部、１１８非伝熱空間、１１９内部空間、１２１中心線、１２２稜線、１２３段差、１３１押し込み部、１３２隙間。

Claims

積層された複数のプレートの各プレートが積層方向で隣接する他のプレートとロウ付けによって接合され、冷媒である第１流体と、前記第１流体と熱交換する第２流体とを、前記複数のプレートに基づき形成された前記第１流体の流路と、前記第２流体の流路とを通過させて熱交換させるプレート熱交換器において、
前記第１流体と前記第２流体とのいずれかの流体の、流入口と流出口とのいずれかとして機能する中空状のノズルと、
前記ノズルの両端のうちの一方のノズル端部が貫通するように前記ノズル端部の形状に応じた孔であるノズル対応孔が形成され、最も外側に配置される外側プレートと、
前記外側プレートの下面側に隣接して配置される第１プレートであって、前記外側プレートの前記ノズル対応孔を貫通した前記ノズル端部の周囲近傍の空間である内部空間を、前記ノズル端部及び前記外側プレートの前記下面とともに形成する窪み領域であって、中央付近に前記積層方向にみて前記ノズル対応孔と重なる孔である第１孔が形成された窪み領域を有する第１プレートと
を備え、
前記内部空間は、
ロウ材が充填され、
前記第１プレートの前記窪み領域は、
前記第１孔の周縁に沿って形成された平坦な第１平坦部が、前記ノズル対応孔を貫通する前記ノズル端部の端面との間で溶融状態のロウ材が前記内部空間に流れ込む隙間を形成し、
前記プレート熱交換器は、さらに、
前記第１プレートに隣接して配置される第２プレートであって、前記積層方向にみて前記第１孔と重なる孔である第２孔が形成されると共に、前記第２孔の周縁から周辺に広がる平坦な第２平坦部が前記第１プレートの前記窪み領域の前記第１平坦部と接触する第２プレートと、
前記第２プレートに隣接して配置される第３プレートであって、前記積層方向にみて前記第２孔と重なる孔である第３孔が形成されると共に、前記第３孔の周縁から周辺に広がる平坦な第３平坦部が前記第２プレートの前記第２平坦部と接触する第３プレートとを備えたことを特徴とするプレート熱交換器。
前記外側プレートは、
板厚が前記第１プレートの板厚よりも厚いことを特徴とする請求項１記載のプレート熱交換器。
前記外側プレートは、
板厚が前記第１プレートの板厚の略５倍であることを特徴とする請求項２記載のプレート熱交換器。
前記ノズルは、
冷媒である前記第１流体が流入する流入口として機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレート熱交換器。
積層された複数のプレートの各プレートが積層方向で隣接する他のプレートとロウ付けによって接合され、冷媒である第１流体と、前記第１流体と熱交換する第２流体とを、前記複数のプレートに基づき形成された前記第１流体の流路と、前記第２流体の流路とを通過させて熱交換させるプレート熱交換器の製造方法において、
前記第１流体と前記第２流体とのいずれかの流体の、流入口と流出口とのいずれかとして機能する中空状のノズルと、
前記ノズルの両端のうちの一方のノズル端部が貫通するように前記ノズル端部の形状に応じた孔であるノズル対応孔が形成され、最も外側に配置される外側プレートと、
前記外側プレートの下面側に隣接して配置される第１プレートであって、前記外側プレートの前記ノズル対応孔を貫通した前記ノズル端部の周囲近傍の空間である内部空間を、前記ノズル端部及び前記外側プレートの前記下面とともに形成する窪み領域であって、中央付近に前記積層方向にみて前記ノズル対応孔と重なる孔である第１孔が形成されると共に、前記第１孔の周縁に沿って形成された平坦な第１平坦部が、前記ノズル対応孔を貫通する前記ノズル端部の端面との間で溶融状態のロウ材が前記内部空間に流れ込む隙間を形成する窪み領域を有する第１プレートと、
前記第１プレートに隣接して配置される第２プレートであって、前記積層方向にみて前記第１孔と重なる孔である第２孔が形成されると共に、前記第２孔の周縁から周辺に広がる平坦な第２平坦部が前記第１プレートの前記窪み領域の前記第１平坦部と接触する第２プレートと、
前記第２プレートに隣接して配置される第３プレートであって、前記積層方向にみて前記第２孔と重なる孔である第３孔が形成されると共に、前記第３孔の周縁から周辺に広がる平坦な第３平坦部が前記第２プレートの前記第２平坦部と接触する第３プレートと
をロウ付けすると共に、
前記内部空間を、ロウ材で充填することを特徴とするプレート熱交換器の製造方法。
圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張機構と、第２の熱交換器とが配管で接続されたヒートポンプ装置において、
前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器の少なくともいずれかとして、
請求項１〜５のいずれかに記載のプレート熱交換器を備えたヒートポンプ装置。