JP5661119B2 - プレート式熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents

プレート式熱交換器及びヒートポンプ装置 Download PDF

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Description

この発明は、複数の伝熱プレートを積層して形成されたプレート式熱交換器に関する。
従来のプレート式熱交換器は、伝熱プレート間に形成される流路の一部が、流体の流出入口近傍で閉塞されている（特許文献１参照）。
また、プレート式熱交換器内で流体がよどみ、プレート式熱交換器内で流体が凍結することを回避するため、流体の流出入口の位置を変更し、閉塞部を設けたプレート式熱交換器がある（特許文献２参照）。
また、流出入口付近を一端とする一定間隔の略平行状に波を配置したプレート式熱交換器や、プレートの短辺方向における中心線上を中心とする放射状に波を配置したプレート式熱交換器がある（特許文献３参照）。
特表昭６１−５００６２６号公報 特開平１１−０３７６７７号公報 特開昭５８−９６９８７号公報
従来、プレート式熱交換器内を流れる流体は、流出入口と短辺方向逆側の領域に流れづらく、その領域でよどみを生じやすい。例えば、プレート式熱交換器が水と冷媒とを熱交換させる蒸発器として使われる場合、水側の流路で前述のよどみが発生すると、その領域での水温度が周囲に比べ急速に低下する。その結果、その領域で水が凍結し、熱交換器が破損してしまう。
この対策として、特許文献２では、流出入口の位置を変更し、流出入口の近傍の水がよどむ領域に閉塞部を設け、よどみを防止している。しかし、閉塞部は水が流れず伝熱面積が減少し熱交換性能の低下を生じる。また、特許文献３では、流出入口付近を一端とする一定間隔の略平行状に波を配置したり、プレートの短辺方向における中心線上を中心とする放射状に波を配置したりしている。しかし、一定間隔の略平行状に波を配置した場合、波の間隔が一定であるため、水が水流出入口と短辺方向逆側の外縁側に流れるまでに失速し下流側へ流れるので、この領域へ流体を流すことができない。また、放射状に波を配置した場合、水流出入口と短辺方向逆側の外縁側へ強制的な水を流す流路が無いため、この領域へ流体を流すことが出来ない。
この発明は、伝熱面積を減少させること無く、プレート式熱交換器内における流体のよどみの発生を防止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、
第１流体又は第２流体の流出入口となる通路孔が四隅に設けられた複数のプレートが積層され、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが隣接する２枚のプレートによって積層方向に交互に形成されたプレート式熱交換器であり、
前記第１流路は、
前記各プレートの長辺方向の一方側に設けられた前記通路孔である流入口から流入した前記第１流体を、前記長辺方向の他方側に設けられた前記通路孔である流出口から流出させ、
前記流入口と前記流出口との間に、当該第１流路に隣接する前記第２流路を流れる前記第２流体と、前記第１流体とを熱交換させる熱交換流路が形成され、
前記第１流路には、
前記長辺方向の前記一方側に設けられた前記通路孔であって前記流入口とは異なるもう１つの前記通路孔である上流側隣接孔に沿って、上流側バイパス流路が形成され、
前記上流側バイパス流路は、
前記流入口の周辺の領域である流入口周辺部から、前記上流側隣接孔側の前記プレートの長辺の周辺の領域である長辺周辺部まで形成されて前記熱交換流路に接続し、
前記流入口から流入した前記第１流体の一部を、前記長辺周辺部から前記熱交換流路へ流入させ、
前記長辺周辺部側ほど流路断面積が狭い
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、バイパス流路から短辺方向における流入口とは逆側の熱交換流路へ第１流体が流入する。そのため、第１流体のよどみが発生することを防止できる。
プレート式熱交換器５０の側面図。 補強用サイドプレート１の正面図。 伝熱プレート２の正面図。 伝熱プレート３の正面図。 補強用サイドプレート４の正面図。 伝熱プレート２と伝熱プレート３とを積層した状態を示す図。 プレート式熱交換器５０の分解斜視図。 伝熱プレート２の形状の説明図。 伝熱プレート３の形状の説明図。 実施の形態１に係る伝熱プレート２を示す図。 実施の形態２に係る伝熱プレート２を示す図。 実施の形態４に係る伝熱プレート２を示す図。 実施の形態５に係る伝熱プレート３を示す図。 実施の形態６に係る伝熱プレート３を示す図。 実施の形態７に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図。 図１５に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図。
実施の形態１．
実施の形態１に係るプレート式熱交換器５０の基本構成を説明する。
図１は、プレート式熱交換器５０の側面図である。図２は、補強用サイドプレート１の正面図（積層方向から見た図）である。図３は、伝熱プレート２の正面図である。図４は、伝熱プレート３の正面図である。図５は、補強用サイドプレート４の正面図である。図６は、伝熱プレート２と伝熱プレート３とを積層した状態を示す図である。図７は、プレート式熱交換器５０の分解斜視図である。図８は、伝熱プレート２の形状の説明図である。図９は、伝熱プレート３の形状の説明図である。
図１に示すように、プレート式熱交換器５０は、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが交互に積層される。また、プレート式熱交換器５０は、最前面に補強用サイドプレート１が積層され、最背面に補強用サイドプレート４が積層される。
図２に示すように、補強用サイドプレート１は、略矩形の板状に形成される。補強用サイドプレート１は、略矩形の四隅に、第１流入管５、第１流出管６、第２流入管７、第２流出管８が設けられる。
図３，４に示すように、各伝熱プレート２，３は、補強用サイドプレート１と同様に、略矩形の板状に形成され、四隅に第１流入口９、第１流出口１０、第２流入口１１、第２流出口１２が設けられる。また、各伝熱プレート２，３は、プレートの積層方向に変位する波形状１５，１６であって、積層方向から見た場合に略Ｖ字状に形成された波形状１５，１６が形成される。特に、伝熱プレート２に形成された波形状１５と、伝熱プレート３に形成された波形状１６とでは、略Ｖ字状の向きが逆向きになっている。
図５に示すように、補強用サイドプレート４は、補強用サイドプレート１等と同様に、略矩形の板状に形成される。補強用サイドプレート４は、第１流入管５、第１流出管６、第２流入管７、第２流出管８が設けられない。なお、図５では、補強用サイドプレート４に、第１流入管５、第１流出管６、第２流入管７、第２流出管８の位置を破線で示すが、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。
図６に示すように、伝熱プレート２と伝熱プレート３とを積層した場合、向きの異なる略Ｖ字状の波形状１５，１６が重なり合うことにより、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間に複雑な流れを引き起こす流路が形成される。
図７に示すように、各伝熱プレート２，３は、第１流入口９同士、第１流出口１０同士、第２流入口１１同士、第２流出口１２同士がそれぞれ重なるように積層される。また、補強用サイドプレート１と伝熱プレート２とは、第１流入管５と第１流入口９とが重なり、第１流出管６と第１流出口１０とが重なり、第２流入管７と第２流入口１１とが重なり、第２流出管８と第２流出口１２とが重なるように積層される。そして、各伝熱プレート２，３及び補強用サイドプレート１，４の外周の縁が重なるように積層され、ロウ等により接合される。この際、各伝熱プレート２，３は、外周の縁が接合されるだけでなく、積層方向から見た場合に、上側のプレートの波形状の底と下側のプレートの波形状の頂とが重なる部分も接合される。
これにより、第１流入管５から流入した第１流体（例えば、水）が第１流出管６から流出する第１流路１３が、伝熱プレート３の背面と伝熱プレート２の前面との間に形成される。同様に、第２流入管７から流入した第２流体（例えば、冷媒）が第２流出管８から流出する第２流路１４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。
外部から第１流入管５へ流入した第１流体は、各伝熱プレート２，３の第１流入口９が重なり合うことで形成された通路孔を流れ、各第１流路１３へ流入する。第１流路１３へ流入した第１流体は、短辺方向へ徐々に広がりながら、長辺方向へ流れて、第１流出口１０から流出する。第１流出口１０から流出した第１流体は、第１流出口１０が重なり合うことで形成された通路孔を流れ、第１流出管６から外部へ流出する。
同様に、外部から第２流入管７へ流入した第２流体は、各伝熱プレート２，３の第２流入口１１が重なり合うことで形成された通路孔を流れ、各第２流路１４へ流入する。第２流路１４へ流入した第２流体は、短辺方向へ徐々に広がりながら、長辺方向へ流れて、第２流出口１２から流出する。第２流出口１２から流出した第２流体は、第２流出口１２が重なり合うことで形成された通路孔を流れ、第２流出管８から外部へ流出する。
第１流路１３を流れる第１流体と第２流路１４を流れる第２流体とは、波形状１５，１６が形成された部分を流れる際、伝熱プレート２，３を介して熱交換される。なお、第１流路１３と第２流路１４とにおいて、波形状１５，１６が形成された部分を熱交換流路１７（図３，４，６参照）と呼ぶ。
図８に示すように、伝熱プレート２の第１流入口９及び第１流出口１０の周囲のハッチング部分１８は、波形状１５の底と同程度の高さである。一方、伝熱プレート２の第２流入口１１及び第２流出口１２の周囲のハッチング部分１９は、波形状１５の頂と同程度の高さである。
同様に、図９に示すように、伝熱プレート３の第１流入口９及び第１流出口１０の周囲のハッチング部分２０は、波形状１６の頂と同程度の高さである。一方、伝熱プレート３の第２流入口１１及び第２流出口１２の周囲のハッチング部分２１は、波形状１６の底と同程度の高さである。
そして、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが交互に積層された場合、伝熱プレート３の背面側と伝熱プレート２の前面側とでは、伝熱プレート３のハッチング部分２１と、伝熱プレート２のハッチング部分１９とが密着する。一方、伝熱プレート３のハッチング部分２０と、伝熱プレート２のハッチング部分１８との間には空間ができる。したがって、第１流入口９を流れる第１流体は、伝熱プレート３の背面側と伝熱プレート２の前面側との間に形成された第１流路１３へ流入するが、第２流入口１１を流れる第２流体は、第１流路１３へ流入しない。また、第１流路１３を流れる第１流体が第２流入口１１や第２流出口１２へ流出することもない。
同様に、伝熱プレート２の背面側と伝熱プレート３の前面側とでは、伝熱プレート２のハッチング部分１８と、伝熱プレート３のハッチング部分２０とが密着する。一方、伝熱プレート２のハッチング部分１９と、伝熱プレート３のハッチング部分２１との間には空間ができる。したがって、第２流入口１１を流れる第２流体は、伝熱プレート２の背面側と伝熱プレート３の前面側との間に形成された第２流路１４へ流入するが、第１流入口９を流れる第１流体は、第２流路１４へ流入しない。また、第２流路１４を流れる第２流体が第１流入口９や第１流出口１０へ流出することもない。
第１流路１３では、ハッチング部分１９とハッチング部分２１とが密着し、その部分の流路が閉塞された状態となる。そのため、第１流路１３の熱交換流路１７における第２流入口１１付近及び第２流出口１２付近（図７の破線部分２５ａ）は、第１流体が流れづらく、よどみ易い部分となる。
同様に、第２流路１４では、ハッチング部分１８とハッチング部分２０とが密着し、その部分の流路が閉塞された状態となる。そのため、第２流路１４の熱交換流路１７における第１流入口９付近及び第１流出口１０付近（図７の破線部分２５ｂ）は、第２流体が流れづらく、よどみ易い部分となる。
次に、実施の形態１に係るプレート式熱交換器５０の特徴について説明する。
図１０は、実施の形態１に係る伝熱プレート２を示す図である。
実施の形態１に係るプレート式熱交換器５０は、第１流路１３に第２流出口１２（上流側隣接孔）に沿って設けられたバイパス流路２２（上流側バイパス流路）を設けたことが特徴である。
図１０に示すように、伝熱プレート２には、第１流入口９の周辺の領域である流入口周辺部から、第２流出口１２側の伝熱プレート２の長辺の周辺の領域である長辺周辺領域まで、プレートの積層方向に変位する波形状２３が形成されている。波形状２３は、波の頂を繋いだ稜線が第２流出口１２に沿うように形成されている。伝熱プレート２，３が積層された場合に、第２流出口１２の周囲を伝熱プレート３との間で閉塞する閉塞部２４と、波形状２３との間に、バイパス流路２２が形成される。なお、閉塞部２４は、図８に示すハッチング部分１９に相当する部分である。
バイパス流路２２は、図１０において破線矢印で示すように、第１流入口９から流入した第１流体の一部を、第２流出口１２側の長辺周辺領域から熱交換流路１７へ流入させる。つまり、バイパス流路２２が形成されたことにより、第１流入口９から第１流路１３へ流入した第１流体は、通常のプレート式熱交換器と同様に、主流入流路２５から熱交換流路１７へ流入するだけでなく、バイパス流路２２から熱交換流路１７へ流入する。
上述したように、主流入流路２５から熱交換流路１７へ第１流体が流入しただけでは、熱交換流路１７における第２流出口１２付近へは、第１流体が流れづらく、よどんでしまう。しかし、バイパス流路２２を設けることにより、熱交換流路１７における第２流出口１２付近へ第１流体を流すことが可能となり、よどみが発生することを防止できる。
なお、バイパス流路２２は、第１流入口９側（入口側）から長辺周辺領域側（出口側）へ向かって、流路断面積が徐々に狭くなっている。そのため、バイパス流路２２の出口側へ向かって第１流体の流速を上げることができ、バイパス流路２２の途中で第１流体が失速することなく、よどみが発生しやすい第２流出口１２付近へ第１流体を流すことが可能である。
また、波形状２３は第２流出口１２に沿って略曲線状に形成されているため、バイパス流路２２も、第２流出口１２に沿って略曲線状に形成されている。そのため、バイパス流路２２を流れる第１流体の圧力損失を低く抑えることができる。
なお、略曲線形状とは、曲線のみ、曲線と短い直線との組み合わせ、短い直線を連続的に繋げたものなどを含む形状である。
例えば、第１流体が水であり、第２流体が冷媒であり、プレート式熱交換器５０が蒸発器として機能する場合、第１流路１３内で水が滞留すると、滞留した水が冷媒により急激に冷却される。その結果、水が凍結し、体積膨張によりプレート式熱交換器５０が破損する虞がある。しかし、実施の形態１に係るプレート式熱交換器５０では、第１流路１３内で水が滞留しないため、プレート式熱交換器５０が破損することを防止できる。
また、従来第１流体がよどんでいた部分は、有効に熱交換されていなかった。しかし、実施の形態１に係るプレート式熱交換器５０では、従来第１流体がよどんでいた部分のよどみが解消され、有効な熱交換面積が増加する。したがって、熱交換効率がよくなる。そのため、プレート式熱交換器５０は、蒸発器としてだけではなく、凝縮器として用いてもよい。
また、プレート式熱交換器５０を空気調和機に用いる場合、プレート式熱交換器５０の熱交換性能が向上したことにより、空気調和機の必要能力に対するプレート式熱交換器５０の必要プレート枚数を減らすことができる。また、上述したように、プレート式熱交換器５０内の凍結を防止でき、破損を防止できる。したがって、コストを抑えつつ、信頼性の高いプレート式熱交換器５０を提供できる。
実施の形態２．
実施の形態１では、第１流路１３の第１流入口９側にバイパス流路２２を設けることについて説明した。実施の形態２では、第１流路１３の第２流入口１１側（下流側隣接孔）にバイパス流路２６（下流側バイパス流路）を設けることについて説明する。
図１１は、実施の形態２に係る伝熱プレート２を示す図である。
図１１に示すように、伝熱プレート２には、第２流入口１１側の長辺周辺領域から、第１流出口１０の周辺の領域である流出口周辺部まで、プレートの積層方向に変位する波形状２７が形成されている。波形状２７は、稜線が第２流入口１１に沿うように形成されている。伝熱プレート２，３が積層された場合に、第２流入口１１の周囲を伝熱プレート３との間で閉塞する閉塞部２８と、波形状２７との間に、バイパス流路２６が形成される。なお、閉塞部２８は、図８に示すハッチング部分１９に相当する部分である。
バイパス流路２６は、図１１において破線矢印で示すように、熱交換流路１７を流れる第１流体の一部を、長辺周辺領域から第１流出口１０へ流入させる。つまり、バイパス流路２６が形成されたことにより、熱交換流路１７を流れる第１流体は、通常のプレート式熱交換器と同様に、主流出流路２９から第１流出口１０へ流入するだけでなく、バイパス流路２６から第１流出口１０へ流入する。
上述したように、主流出流路２９から第１流出口１０へ第１流体が流入しただけでは、熱交換流路１７における第２流入口１１付近へは、第１流体が流れづらく、よどんでしまう。しかし、バイパス流路２６を設けることにより、熱交換流路１７における第２流入口１１付近へ第１流体を流すことが可能となり、よどみが発生することを防止できる。
なお、バイパス流路２６は、長辺周辺領域側（入口側）から第１流出口１０側（出口側）へ向かって、流路断面積が徐々に狭くなっている。そのため、バイパス流路２６の出口側へ向かって第１流体の流速を上げることができ、バイパス流路２６の途中で第１流体が失速することなく、第１流出口１０付近へ第１流体を流すことが可能である。
また、波形状２７は第２流入口１１に沿って略曲線状に形成されているため、バイパス流路２６も、第２流入口１１に沿って略曲線状に形成されている。そのため、バイパス流路２６を流れる第１流体の圧力損失を低く抑えることができる。
なお、略曲線形状とは、実施の形態１と同様に、曲線のみ、曲線と短い直線との組み合わせ、短い直線を連続的に繋げたものなどを含む形状である。
これにより、実施の形態１と同様に、プレート式熱交換器５０の破損を防止できるとともに、有効な熱交換面積を増加させることができる。特に、実施の形態１の構成と実施の形態２の構成とを組合せることが有効である。
実施の形態３．
実施の形態１，２では、バイパス流路２２，２６を設けることについて説明した。実施の形態３では、バイパス流路２２，２６が長辺側のどの辺りまで形成されるかについて説明する。
図１０に示すように、長辺周辺部側の波形状２３の稜線の端部と、第２流出口１２の中心とを結んだ線３０と、伝熱プレート２の短辺と平行な線３１とが成す角θが９０度以上１８０度以下となるように、波形状２３が形成される。このように波形状２３を形成することにより、バイパス流路２２が第２流出口１２側の長辺周辺部まで形成される。その結果、熱交換流路１７における第２流出口１２付近へ確実に第１流体を流すことができ、よどみを解消することができる。
同様に、図１１に示すように、長辺周辺部側の波形状２７の稜線の端部と、第２流入口１１の中心とを結んだ線３２と、伝熱プレート２の短辺と平行な線３３とが成す角θが９０度以上１８０度以下となるように、波形状２７が形成される。このように波形状２７を形成することにより、バイパス流路２６が第２流入口１１側の長辺周辺部まで形成される。その結果、熱交換流路１７における第２流入口１１付近から第１流出口１０付近へ確実に第１流体を流すことができ、よどみを解消することができる。
実施の形態４．
実施の形態１，２では、バイパス流路２２，２６を設けることについて説明した。実施の形態４では、バイパス流路２２，２６の閉塞部２４，２８側の壁面形状について説明する。
図１２は、実施の形態４に係る伝熱プレート２を示す図である。
実施の形態１で説明したように、バイパス流路２２は、閉塞部２４と波形状２３との間に形成され、波形状２３は、第２流出口１２に沿った略曲線状に形成される。ここで、閉塞部２４の縁３４を、第２流出口１２に沿った円弧状となるように、略曲線状に形成する。すると、バイパス流路２２の第２流出口１２側の壁面も略曲線状となる。
この結果、第１流入口９側からバイパス流路２２へ流入した第１流体がバイパス流路２２内を滑らかに流れ、バイパス流路２２の第２流出口１２側の壁面で渦を生じることもない。そのため、バイパス流路２２における圧力損失を低減できる。
バイパス流路２６についても同様に、閉塞部２８の縁を第２流入口１１に沿った円弧状となるように、略曲線状に形成すると、バイパス流路２６の第２流入口１１側の壁面も略曲線状となる。この結果、熱交換流路１７側からバイパス流路２６へ流入した第１流体がバイパス流路２６内を滑らかに流れ、バイパス流路２６の第２流入口１１側の壁面で渦を生じることもない。そのため、バイパス流路２６における圧力損失を低減できる。
実施の形態５．
実施の形態１−４では、伝熱プレート２のみについて説明した。実施の形態５では、伝熱プレート３について説明する。
図１３は、実施の形態５に係る伝熱プレート３を示す図である。
図１３に示すように、伝熱プレート３の第２流出口１２の熱交換流路１７側には、プレートの積層方向に変位する波形状３７が、稜線が第２流出口１２の中心を中心とする放射状となるように形成されている。そのため、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが積層されると、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間において、伝熱プレート２側には第２流出口１２に沿ったバイパス流路２２が形成され、伝熱プレート３側には第２流出口１２の中心から放射状に伸びた流路が形成される。
したがって、バイパス流路２２へ流入した第１流体は、伝熱プレート２側に形成されたバイパス流路２２に従い長辺周辺部側（出口側）へ流れつつ、一部が伝熱プレート３側に形成された放射状の流路に従い放射状に広がって熱交換流路１７へ流入する。
特に、伝熱プレート３の短辺方向における中央寄り領域３５では、稜線が第２流出口１２の中心を中心とする放射線方向に波形状３７が形成されているが、伝熱プレート３の長辺周辺部３６では、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状３７が形成されている。中央寄り領域３５では、流路を放射状にすることで、第１流体を放射状に広げて熱交換流路１７へ流入させる。一方、長辺周辺部３６では、第１流体の流速が遅くなるため、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状３７を形成し、流路が長辺方向を向くようにすることで、第１流体の長辺方向への流速を速くすることができる。これにより、全体として第１流体の長辺方向への流速を均一に近づけることができる。その結果、第１流体が流れ辛い長辺周辺部３６におけるよどみを解消することができるとともに、圧力損失を低減できる。
同様に、伝熱プレート３の第１流入口９の熱交換流路１７側には、プレートの積層方向に変位する波形状４０が、稜線が第１流入口９の中心を中心とする放射状となるように形成されている。なお、図１０に示すように、伝熱プレート２の第１流入口９の熱交換流路１７側にも、プレートの積層方向に変位する波形状４１が、稜線が第１流入口９の中心を中心とする放射状となるように形成されている。そのため、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが積層されると、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間には、第１流入口９の中心から放射状に伸びた流路が形成される。
したがって、第１流入口９から流入した第１流体の大部分は、放射状の流路に従い放射状に広がって主流入流路２５から熱交換流路１７へ流入する。
なお、第２流出口１２側と同様に、伝熱プレート２，３の短辺方向における中央寄り領域３８では、稜線が第１流入口９の中心を中心とする放射線方向に波形状４０，４１が形成されているが、伝熱プレート２，３の長辺周辺部３９では、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状４０，４１が形成されている。
実施の形態６．
実施の形態５では、伝熱プレート３の第１流入口９及び第２流出口１２側について説明した。実施の形態６では、伝熱プレート３の第１流出口１０及び第２流入口１１側について説明する。
なお、伝熱プレート３の第１流出口１０及び第２流入口１１側については、実施の形態５で説明した伝熱プレート３の第１流入口９及び第２流出口１２側と同様の構成である。
図１４は、実施の形態６に係る伝熱プレート３を示す図である。
図１４に示すように、伝熱プレート３の第２流入口１１の熱交換流路１７側には、プレートの積層方向に変位する波形状４４が、稜線が第２流入口１１の中心を中心とする放射状となるように形成されている。そのため、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが積層されると、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間において、伝熱プレート２には第２流入口１１に沿ったバイパス流路２６が形成され、伝熱プレート３側には第２流入口１１の中心から放射状に伸びた流路が形成される。
したがって、バイパス流路２６へは、伝熱プレート２側に形成されたバイパス流路２６の長辺周辺部側（入口側）から流入するだけでなく、伝熱プレート３側に形成された放射状の流路に従い流入する。そして、バイパス流路２６へ流入した第１流体は、バイパス流路２６に従い、第１流出口１０側へ流れる。
特に、伝熱プレート３の短辺方向における中央寄り領域４２では、稜線が第２流入口１１の中心を中心とする放射線方向に波形状４４が形成されているが、伝熱プレート３の長辺周辺部４３では、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状４４が形成されている。中央寄り領域４２では、流路を放射状にすることで、熱交換流路１７を流れる第１流体を放射線方向から集約させる。一方、長辺周辺部４３では、第１流体の流速が遅いため、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状４４を形成し、流路が長辺方向を向くようにすることで、第１流体の長辺方向への流速を速くすることができる。これにより、全体として第１流体の長辺方向への流速を均一に近づけることができる。その結果、第１流体が流れ辛い長辺周辺部４３におけるよどみを解消することができるとともに、圧力損失を低減できる。
同様に、伝熱プレート３の第１流出口１０の熱交換流路１７側には、プレートの積層方向に変位する波形状４７が、稜線が第１流出口１０の中心を中心とする放射状となるように形成されている。なお、図１１に示すように、伝熱プレート２の第１流出口１０の熱交換流路１７側にも、プレートの積層方向に変位する波形状４８が、稜線が第１流出口１０の中心を中心とする放射状となるように形成されている。そのため、伝熱プレート２と伝熱プレート３とが積層されると、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間には、第１流出口１０の中心から放射状に伸びた流路が形成される。
したがって、熱交換流路１７を流れる第１流体の大部分は、放射状の流路に従い放射線方向に集約されて主流出流路２９から第１流出口１０へ流入する。
なお、第２流入口１１側と同様に、伝熱プレート２，３の短辺方向における中央寄り領域４５では、稜線が第１流出口１０の中心を中心とする放射線方向に波形状４７，４８が形成されているが、伝熱プレート２，３の長辺周辺部４６では、稜線が前記放射線方向よりも長辺方向を向くように波形状４７，４８が形成されている。
実施の形態７．
実施の形態７では、プレート式熱交換器５０を用いたヒートポンプ装置１００の回路構成の一例について説明する。
ヒートポンプ装置１００では、冷媒として、例えば、ＣＯ２、Ｒ４１０Ａ、ＨＣ等が用いられる。ＣＯ２のように高圧側が超臨界域となる冷媒もあるが、ここでは、冷媒としてＲ４１０Ａを用いた場合を例として説明する。
図１５は、実施の形態７に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図である。
図１６は、図１５に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図１６において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
ヒートポンプ装置１００は、圧縮機５１と、熱交換器５２と、膨張機構５３と、レシーバ５４と、内部熱交換器５５と、膨張機構５６と、熱交換器５７とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を備える。なお、主冷媒回路５８において、圧縮機５１の吐出側には、四方弁５９が設けられ、冷媒の循環方向が切り替え可能となっている。また、熱交換器５７の近傍には、ファン６０が設けられる。また、熱交換器５２は、上記実施の形態で説明したプレート式熱交換器５０である。
さらに、ヒートポンプ装置１００は、レシーバ５４と内部熱交換器５５との間から、圧縮機５１のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路６２を備える。インジェクション回路６２には、膨張機構６１、内部熱交換器５５が順次接続される。
熱交換器５２には、水が循環する水回路６３が接続される。なお、水回路６３には、給湯器、ラジエータや床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。
まず、ヒートポンプ装置１００の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁５９は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１６の点１）は、圧縮機５１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５２で熱交換されて液化する（図１６の点２）。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路６３を循環する水が温められ、暖房や給湯に利用される。
熱交換器５２で液化された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧され、気液二相状態になる（図１６の点３）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図１６の点４）。レシーバ５４で液化された液相冷媒は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。
主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、膨張機構６１で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路６２を流れる冷媒と内部熱交換器５５で熱交換されて、さらに冷却される（図１６の点５）。内部熱交換器５５で冷却された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧されて気液二相状態になる（図１６の点６）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５７で外気と熱交換され、加熱される（図１６の点７）。そして、熱交換器５７で加熱された冷媒は、レシーバ５４でさらに加熱され（図１６の点８）、圧縮機５１に吸入される。
一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧されて（図１６の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１６の点１０）。内部熱交換器５５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機５１のインジェクションパイプから圧縮機５１内へ流入する。
圧縮機５１では、主冷媒回路５８から吸入された冷媒（図１６の点８）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図１６の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図１６の点１１）に、インジェクション冷媒（図１６の点１０）が合流して、温度が低下する（図１６の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図１６の点１２）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図１６の点１）。
なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張機構６１の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張機構６１の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張機構６１の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機５１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。
ここで、膨張機構６１の開度は、マイクロコンピュータ等の制御部により電子制御により制御される。
次に、ヒートポンプ装置１００の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁５９は破線方向に設定される。なお、この冷房運転とは、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍等も含む。
圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１６の点１）は、圧縮機５１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５７で熱交換されて液化する（図１６の点２）。熱交換器５７で液化された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧され、気液二相状態になる（図１６の点３）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器５５で熱交換され、冷却され液化される（図１６の点４）。内部熱交換器５５では、膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器５５で液化された液相冷媒を膨張機構６１で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図１６の点９）とを熱交換させている。内部熱交換器５５で熱交換された液相冷媒（図１６の点４）は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。
主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図１６の点５）。レシーバ５４で冷却された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧されて気液二相状態になる（図１６の点６）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５２で熱交換され、加熱される（図１６の点７）。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路６３を循環する水が冷やされ、冷房や冷凍に利用される。
そして、熱交換器５２で加熱された冷媒は、レシーバ５４でさらに加熱され（図１６の点８）、圧縮機５１に吸入される。
一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧されて（図１６の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１６の点１０）。内部熱交換器５５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機５１のインジェクションパイプから流入する。
圧縮機５１内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。
なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、膨張機構６１の開度を全閉にして、圧縮機５１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。
１，４ 補強用サイドプレート、２，３ 伝熱プレート、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流入口、１０ 第１流出口、１１ 第２流入口、１２ 第２流出口、１３ 第１流路、１４ 第２流路、１５，１６ 波形状、１７ 熱交換流路、１８，１９，２０，２１ ハッチング部分、２２，２６ バイパス流路、２３，２７，３７，４０，４１，４４，４７，４８ 波形状、２４，２８ 閉塞部、２５ 主流入流路、２９ 主流出流路、３０，３１，３２，３３ 線、３４ 縁、３５，３８，４２，４５ 中央寄り領域、３６，３９，４３，４６ 長辺周辺部、５０ プレート式熱交換器、５１ 圧縮機、５２，５７ 熱交換器、５３，５６，６１ 膨張機構、５４ レシーバ、５５ 内部熱交換器、５８ 主冷媒回路、５９ 四方弁、６０ ファン、６２ インジェクション回路、６３ 水回路、１００ ヒートポンプ装置。

Claims (9)

  1. 第１流体又は第２流体の流出入口となる通路孔が四隅に設けられた複数のプレートが積層され、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが隣接する２枚のプレートによって積層方向に交互に形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記第１流路は、
    前記各プレートの長辺方向の一方側に設けられた前記通路孔である流入口から流入した前記第１流体を、前記長辺方向の他方側に設けられた前記通路孔である流出口から流出させ、
    前記流入口と前記流出口との間に、当該第１流路に隣接する前記第２流路を流れる前記第２流体と、前記第１流体とを熱交換させる熱交換流路が形成され、
    前記第１流路には、
    前記長辺方向の前記一方側に設けられた前記通路孔であって前記流入口とは異なるもう１つの前記通路孔である上流側隣接孔に沿って、上流側バイパス流路が形成され、
    前記上流側バイパス流路は、
    前記流入口の周辺の領域である流入口周辺部から、前記上流側隣接孔側の前記プレートの長辺の周辺の領域である長辺周辺部まで形成されて前記熱交換流路に接続し、
    前記流入口から流入した前記第１流体の一部を、前記長辺周辺部から前記熱交換流路へ流入させ、
    前記長辺周辺部側ほど流路断面積が狭い
    ことを特徴とするプレート式熱交換器。
  2. 前記上流側バイパス流路は、略曲線状に形成された
    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. 前記上流側バイパス流路は、前記上流側隣接孔の前記熱交換流路側に形成された
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のプレート式熱交換器。
  4. 第１流体又は第２流体の流出入口となる通路孔が四隅に設けられた複数のプレートが積層され、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが隣接する２枚のプレートによって積層方向に交互に形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記第１流路は、
    前記各プレートの長辺方向の一方側に設けられた前記通路孔である流入口から流入した前記第１流体を、前記長辺方向の他方側に設けられた前記通路孔である流出口から流出させ、
    前記流入口と前記流出口との間に、当該第１流路に隣接する前記第２流路を流れる前記第２流体と、前記第１流体とを熱交換させる熱交換流路が形成され、
    前記第１流路には、
    前記長辺方向の前記他方側に設けられた通路孔であって前記流出口とは異なるもう１つの通路孔である下流側隣接孔に沿って、下流側バイパス流路が形成され、
    前記下流側バイパス流路は、
    前記下流側隣接孔側の長辺周辺部から、前記流出口の周辺の領域である流出口周辺部まで形成され、
    前記熱交換流路の前記下流側隣接孔側を流れる前記第１流体を、前記流出口へ流入させ、
    前記流出口側ほど流路断面積が狭い
    ことを特徴とするプレート式熱交換器。
  5. 前記上流側隣接孔は円形であり、
    前記第１流路を形成する２枚の前記プレートのうち一方の前記プレートには、
    前記上流側バイパス流路を形成するために、前記プレートの積層方向に変位する波形状が形成され、
    前記波形状は、
    波の頂を繋いだ稜線が前記上流側隣接孔に沿うように、
    かつ、
    前記稜線の前記長辺周辺部側の端部と前記上流側隣接孔の中心とを通る直線と、前記プレートの短辺との成す角が、９０度以上１８０度以下となるように形成された
    ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のプレート式熱交換器。
  6. 前記上流側バイパス流路は、
    前記プレートの積層方向から見た場合に、前記上流側隣接孔側の壁面が、前記流入口周辺部から前記上流側隣接孔側の前記長辺周辺部にかけて円弧状に形成された
    ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のプレート式熱交換器。
  7. 前記第１流路を形成する２枚の前記プレートのうち一方の前記プレートには、
    前記上流側バイパス流路を形成するために、前記プレートの積層方向に変位する第１波形状が形成され、
    前記第１波形状は、波の頂を繋いだ稜線が前記上流側隣接孔に沿うように形成され、
    前記第１流路を形成する２枚の前記プレートのうち他方の前記プレートには、
    前記上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記プレートの積層方向に変位する第２波形状が形成され、
    前記第２波形状は、
    波の頂を繋いだ稜線が前記上流側隣接孔を中心として放射状となるように形成されるとともに、
    長辺周辺部寄りの部分においては前記稜線の方向が前記上流側隣接孔を中心とする放射線方向よりも長辺方向を向くように形成された
    ことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載のプレート式熱交換器。
  8. 前記第１流路を形成する２枚の前記プレートには、
    前記流入口の前記熱交換流路に、前記プレートの積層方向に変位する波形状が形成され、
    前記波形状は、
    波の頂を繋いだ稜線が前記流入口を中心として放射状となるように形成されるとともに、
    長辺周辺部寄りの部分においては前記稜線の方向が前記流入口を中心とする放射線方向よりも長辺方向を向くように前記波形状が形成された
    ことを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載のプレート式熱交換器。
  9. 圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが配管で接続された冷媒回路を備え、
    前記冷媒回路に接続された前記第１熱交換器は、
    第１流体又は第２流体の流出入口となる通路孔が四隅に設けられた複数のプレートが積層され、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが隣接する２枚のプレートによって積層方向に交互に形成されたプレート式熱交換器であり、
    前記第１流路は、
    前記各プレートの長辺方向の一方側に設けられた前記通路孔である流入口から流入した前記第１流体を、前記長辺方向の他方側に設けられた前記通路孔である流出口から流出させ、
    前記流入口と前記流出口との間に、当該第１流路に隣接する前記第２流路を流れる前記第２流体と、前記第１流体とを熱交換させる熱交換流路が形成され、
    前記第１流路には、
    前記長辺方向の前記一方側に設けられた前記通路孔であって前記流入口とは異なるもう１つの前記通路孔である上流側隣接孔に沿って、上流側バイパス流路が形成され、
    前記上流側バイパス流路は、
    前記流入口の周辺の領域である流入口周辺部から、前記上流側隣接孔側の前記プレートの長辺の周辺の領域である長辺周辺部まで形成されて前記熱交換流路に接続し、
    前記流入口から流入した前記第１流体の一部を、前記長辺周辺部から前記熱交換流路へ流入させ、
    前記長辺周辺部側ほど流路断面積が狭い
    ことを特徴とするヒートポンプ装置。
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