JP5754969B2 - プレート熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
また、積層間違いは、水と、R410Aを代表とする冷媒とが混合されることを意味し、万が一にでも積層間違いの製品が市場流出した場合には、人体および環境に悪影響を与える。そのため、伝熱プレートの積層間違いをロウ付け前に発見することは歩留まりの改善、製品の信頼性のためにも重要である。
一方側から他方側に向かって積層された複数のプレートの各プレートが、両側で隣接する他のプレートと接合されることにより、第1流体の流れる第1流路と、前記第1流体と熱交換する第2流体の流れる第2流路とが積層方向に交互に形成されたプレート熱交換器において、
前記複数のプレートの各プレートは、
長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に一方の短辺側と他方の短辺側とに前記第1流体と前記第2流体とのいずれかが通過する開口である流路孔が2つずつ形成され、
前記複数のプレートの一つ置きの各プレートは、
4つの前記流路孔のうち同じ位置の前記流路孔が、前記流路孔の周縁の一部から突き出す突き出し片が屈曲して前記開口から遠ざかる方向に延びる屈曲部であって、屈曲することで前記他方側で隣接する前記プレートである隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の平面に対向する状態とされた前記突き出し片の前記他方側の表面が前記平面に密着する屈曲部を
備え、
それぞれの前記屈曲部は、
前記表面が、前記隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の前記平面に密着することにより、前記屈曲部を備える前記プレートと前記隣接プレートどうしの組で、前記一方側から前記他方側に向かう繰り返し構造を形成することを特徴とする。
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2(ヒートポンプ装置)は、圧縮機3、凝縮器4(第1の熱交換器)、電子膨張弁5、蒸発器6(第2の熱交換器)を備えている。
(1)圧縮機3は、電力を使用して冷媒7を圧縮し、冷媒7の持つエンタルピーおよび圧力を上昇させる。
(2)凝縮器4は、圧縮された冷媒7(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5は、凝縮器4から出た冷媒7を断熱膨張させる。
(4)蒸発器6は、電子膨張弁5から出る冷媒7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2は、その他、余剰な冷媒7を貯めるレシーバ等の付属部品を備えてもよい。
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。
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101a,101bを合計で4枚だけ使用している。そして、積層の順番は、補強プレート104a、サイドプレート105a、伝熱プレート101b、101a、101b、101a、サイドプレート105b,補強プレート104bの順である。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),(b)はそれぞれ伝熱プレート101a,101bを示す図である。伝熱プレート101a,101bについては、どちらも同じ形状のプレートである。よって、図7の(a),(b)に示す伝熱プレート101a、伝熱プレート101bの大きさ、板厚は同様である。区別する必要のない場合は、たんに伝熱プレート101という。図7の(a)に示す伝熱プレート101aを点Pを中心に180度回転させたものが伝熱プレート101aである。したがって伝熱プレート101aと伝熱プレート101とは同一(略同一)の形状である。実施の形態1の説明では、図2において、V字形状の波模様のV字の頂点がノズル103a,103dの方向を向くものを伝熱プレート101aとし、180度反対方向を向く方を伝熱プレート101bとした。図7の(b)に示す伝熱プレート101bは、図7の(a)の伝熱プレート101aを点Pを中心として180度回転させた状態で、流路孔の符号をつけている。伝熱プレート101aと伝熱プレート101bとは四隅に流路孔106a〜106dを持つ。各伝熱プレートは、長手方向の流路孔106a、106bと、流路孔106c、106dとの間に流体を攪拌するための波形状107a,107bを持つ。波形状107a,107bは伝熱プレート101a,101bが積層され場合、積層方向に上下する形状である。伝熱プレート101aの波形状107aと伝熱プレート101bの波形状107bとは180度反転した形状である。前述のように、波形状107bは波形状107aに対して、波形状107aを点Pを中心に矢印方向に180度回転させた関係である。
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101aと伝熱プレート101b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108を主たる構造とする。プレート熱交換器基幹部109(以下、基幹部109という)は、伝熱部108の上部にサイドプレート105aが配置され、伝熱部108の下部にサイドプレート105bが配置されることで構成される。すなわち伝熱部108は、複数枚の伝熱プレート101から構成される構造をいい、基幹部109とは、伝熱部108に、さらに、両側のサイドプレートを加えた構造をいう。基幹部109の上部に補強プレート104aが配置され、下部に補強プレート104bが配置されることで、補強プレート104aと補強プレート104bとによって基幹部109が挟まれる。前述のように、補強プレート104a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103a〜103dが取り付けられている。
伝熱プレート101aと伝熱プレート101bとが積層されることで、波形状107aと波形状107b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101a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101bは冷媒7(例えば、R410Aを代表とした、空気調和機に使用される冷媒)の冷媒流路を形成する。伝熱プレート101aと伝熱プレート101b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101a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101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108が構成される。
実施の形態1のプレート熱交換器100の特徴を説明する。実態の形態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。
図8は、伝熱プレート101に形成される「コの字型の構造体102」(以下、構造体102ともいう)を説明する図である。図8の(a)は、図7の(a)の伝熱プレート101aを更に詳しく表した図である。図8の(b)は、(a)のY−Y断面図である。なお、図8の(a)では、流路孔106bには、3つの構造体102(構造体102−1、102−2、102−3)が形成された場合を示した。図8の(a)のように、伝熱プレート101aは、波形状107とは反対側の流路孔106b孔の円周上に、45度間隔で3つのコの字型構造体102をもつ。プレート熱交換器100の特徴は、伝熱プレート101aが、図8に示すような、四方に空いている流路孔106a,106b,106c,106dの内1つに、コの字型の構造体102を有する点である。前述のように、伝熱プレート101aを180度回転したものが伝熱プレート101bであるので、プレート熱交換器100の伝熱プレート101は、いずれも「コの字型の構造体102」を有する。この構造体102によって、プレート熱交換器100には、構造体102の形成された流路孔の周囲には後述する柱121及び柱122が形成される。
図8の伝熱プレート101の流路孔106bは、波形状とは反対側(波形状から遠ざかる方向)に、内側に下り曲がったコの字型構造体102を持つ。構造体102は、流路孔を打ち抜く際に廃却材となる部分を曲げて形成する。構造体102は、伝熱プレート101のどの流路孔に形成されても構わない。図8では、伝熱プレートの4つある孔のうち流路孔106b(冷媒が流出するノズル103bに相当する位置の流路孔)に対して設けた。
図8に示すように、各伝熱プレート101は、4つの流路孔のいずれかの流路孔(図8(a)では流路孔106bとした)」が、流路孔の周縁の一部から突き出すと共に屈曲して流路孔を形成している開口から遠ざかる方向に延びる構造体102(屈曲部)を備えている。この構造体102は、他方の側(補強プレート104a,104bのうち、補強プレート104bの側)で隣接する伝熱プレートの積層方向において対応する流路孔の周縁近傍に密着する(図9で後述する)。なお、図8(a)に示すように、伝熱プレート101aは、一方の端辺側の2つの流路孔と他方の端辺側の2つの流路孔との間の長辺の方向における領域に、積層方向に上下する波形状107が形成されている。そして、構造体102は、(a)のY−Y断面を示す(b)のように、波形状107から遠ざかる方向123に延びている。
図10は、伝熱部108の上下部を挟み込むサイドプレート105a、サイドプレート105bを示す図である。(103a)等は、図2の、どのノズルに対応するかを示している。サイドプレート105a、105bは、大きさ、板厚が伝熱プレート101と同様であり、四隅に流路孔105a−1〜105a−4、105b−1〜105b−4を持ち、波形状107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105aは伝熱部108の上部に配置され、サイドプレート105bは伝熱部108の下部に配置されて、基幹部109を構成する。
図6、図10に示すように、サイドプレート105aは、流路孔105a−1、105a−4の周辺に、絞り加工によって形成された凹形状の絞り形状部110aを有する。流路孔105a−1の絞り形状部110aは、円形の流路孔105a−1の縁に沿って一周形成される。流路孔105a−4の絞り形状部110aも同じである。なお凹形状とは、図6において、サイドプレート105aからサイドプレート105b方向に向かう積層方向Dに突き出る形状を凹形状といい、積層方向Dと反対方向に突き出る形状を凸形状という。
図10の(b)に示すように、サイドプレート105bは、流路孔105b−4の周囲に、絞り形状部110bとは形状の異なる絞り形状部110cを有する。絞り形状部110cは、絞り形状部110bの内、コの字型構造体102と接触する部分を平坦に保った形状である。この平坦な部分を設けることで、サイドプレート105bに隣接する最下層の伝熱プレート101aに設けたコの字型構造体102を担ぐことを回避する。図10の(b)に示すように、平坦部でコの字型構造体102−1〜102−3(図8の(a)に対応して3か所に設けた場合を示した)を支持するので、サイドプレート105bを確実にロウ付けすることが可能となる。
図6に示すように、基幹部109の上部に補強プレート104a(外側プレート)が取り付けられ、下部に補強プレート104bが取り付けられる。補強プレート104(耐圧プレートとも呼ばれる)は、伝熱プレート101及びサイドプレート105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104a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104bは、図5に示すように、流路孔106を持たない。補強プレート104a,104bにより、プレート熱交換器100は、基幹部109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。
図2、図4、図6等に示すように、補強プレート104aの4つの流路孔のそれぞれには、冷媒および水を基幹部109に流入させるためのノズル103a〜103dが取り付けられる。ノズル103の取付位置(取付箇所)は、補強プレート104a、104bの流路孔の数によって決まる。実施の形態1のプレート熱交換器100では補強プレート104aには4つの流路孔を設け、補強プレート104bには設けていないが、1枚の補強プレートに最大4つの流路孔を設けるとすれば、1台のプレート熱交換器100に対して、合計8つのノズル103を取り付けることになる。図11に示すように、冷媒7が流入するノズル103aは、端部に補強プレート103aの流路孔とはまり合う押し込み部112を有している。押し込み部112の先端は、補強プレート104aの下よりも1mm以上出るように構成されている。図11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103aの押し込み部112を補強プレート104aの流路孔に挿し込み、押し込み部112をカシメ加工する。このカシメ加工により補強プレート104aとノズル103aとを仮固定した状態で、補強プレート104aが基幹部109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。
仮組み状態のプレート熱交換器100では、伝熱プレート101aと伝熱プレート101bとの間、および伝熱部108とサイドプレート105aおよびサイドプレート105bとの間、基幹部109と補強プレート104aおよび補強プレート104b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104aとノズル103a〜103d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。
Claims (5)
- 一方側から他方側に向かって積層された複数のプレートの各プレートが、両側で隣接する他のプレートと接合されることにより、第1流体の流れる第1流路と、前記第1流体と熱交換する第2流体の流れる第2流路とが積層方向に交互に形成されたプレート熱交換器において、
前記複数のプレートの各プレートは、
長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に一方の短辺側と他方の短辺側とに前記第1流体と前記第2流体とのいずれかが通過する開口である流路孔が2つずつ形成され、
前記複数のプレートの一つ置きの各プレートは、
4つの前記流路孔のうち同じ位置の前記流路孔が、前記流路孔の周縁の一部から突き出す突き出し片が屈曲して前記開口から遠ざかる方向に延びる屈曲部であって、屈曲することで前記他方側で隣接する前記プレートである隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の平面に対向する状態とされた前記突き出し片の前記他方側の表面が前記平面に密着する屈曲部を
備え、
それぞれの前記屈曲部は、
前記表面が、前記隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の前記平面に密着することにより、前記屈曲部を備える前記プレートと前記隣接プレートどうしの組で、前記一方側から前記他方側に向かう繰り返し構造を形成することを特徴とするプレート熱交換器。 - それぞれの前記屈曲部は、
前記突き出し片が、前記流路孔の周縁のうちの同じ箇所から突き出すことを特徴とする請求項1記載のプレート熱交換器。 - 前記突き出し片は、
矩形の形状をなすことを特徴とする請求項1または2に記載のプレート熱交換器。 - 前記複数のプレートの各プレートは、
前記一方の短辺側の2つの前記流路孔と前記他方の短辺側の2つの前記流路孔との間の前記長辺の方向における領域に、前記積層方向に上下する波形状が形成され、
前記屈曲部は、
前記波形状から遠ざかる方向に延び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。 - 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、
一方側から他方側に向かって積層された複数のプレートの各プレートが、両側で隣接する他のプレートと接合されることにより、第1流体の流れる第1流路と、前記第1流体と熱交換する第2流体の流れる第2流路とが積層方向に交互に形成されたプレート熱交換器であって、
前記複数のプレートの各プレートは、
長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に一方の短辺側と他方の短辺側とに前記第1流体と前記第2流体とのいずれかが通過する開口である流路孔が2つずつ形成され、
前記複数のプレートの一つ置きの各プレートは、
4つの前記流路孔のうち同じ位置の前記流路孔が、前記流路孔の周縁の一部から突き出す突き出し片が屈曲して前記開口から遠ざかる方向に延びる屈曲部であって、屈曲することで前記他方側で隣接する前記プレートである隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の平面に対向する状態とされた前記突き出し片の前記他方側の表面が前記平面に密着する屈曲部を
備え、
それぞれの前記屈曲部は、
前記表面が、前記隣接プレートの同じ位置の前記流路孔の周縁近傍の前記平面に密着することにより、前記屈曲部を備える前記プレートと前記隣接プレートどうしの組で、前記一方側から前記他方側に向かう繰り返し構造を形成することを特徴とするプレート熱交換器
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
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