JP5805189B2

JP5805189B2 - プレート式熱交換器及びヒートポンプ装置

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Publication number: JP5805189B2
Application number: JP2013523743A
Authority: JP
Inventors: 伊東　大輔; 大輔伊東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: EP2741041B1; JPWO2013008320A1; EP2741041A4; WO2013008320A1; CN103688128A; US9874409B2; CN103688128B; EP2741041A1; US20140182322A1

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。

水又は冷媒の流出入口となる通路孔が四隅に設けられた略矩形のプレートが積層され、水が流れる流路と冷媒が流れる流路とが隣接するプレート間に積層方向に交互に形成されたプレート式熱交換器がある（特許文献１参照）。このプレート式熱交換器では、水の流路は、冷媒の流出入口となる通路孔の近傍で閉塞されている。

特表２００９−５００５８８号公報

プレート式熱交換器が蒸発器として使われる場合、プレート式熱交換器内で水が凍結してしまうことがある。水は凍結すると約９％膨張する。例えば、水の流路の中央部や水の流出入口となる通路孔付近で水が凍結した場合には、周囲の流路や通路孔内に水が膨張するスペースがある。そのため、水が凍結しても伝熱プレートに積層方向へ力がかかることはほとんどなく、伝熱プレート間が剥がれプレート式熱交換器が破損することは起こりづらい。しかし、例えば、流路の中央部から徐々に水が凍結していき、最後に冷媒の流出入口近傍の閉塞領域で凍結した場合、水が膨張するスペースがない。そのため、水が凍結すると伝熱プレートに積層方向へ力がかかってしまい、伝熱プレートが剥がれプレート式熱交換器が破損することが起こりやすい。
この発明は、プレート式熱交換器内において流体が凍結した場合に、プレート式熱交換器が破損することを防ぐことを目的とする。

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矩形の第１プレート及び第２プレートが交互に積層され、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流路とが隣接する前記第１プレートと前記第２プレートとの間に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、前記第１プレート及び前記第２プレートの長辺方向の一方側に設けられた通路孔である第１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通路孔である第１流出口から流出させる流路であって、前記第１流入口と前記第１流出口との間に、前記第１流体を隣接する第２流路を流れる前記第２流体と熱交換させる熱交換流路が形成された流路であり、
前記第１プレートには、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１流入口側から前記第１流出口側へ向かって複数の頂部及び底部が繰り返し現れる波形状である第１波が前記熱交換流路部分に形成されるとともに、前記長辺方向の前記一方側に設けられた通路孔であって前記第１流入口とは異なるもう１つの通路孔である上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第２波が形成され、前記第１波の頂部と前記第２波の頂部とは平面状に形成され、前記第２波の傾斜部分の幅は、前記第１波の傾斜部分の幅より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では第１波の頂部の方が第２波の頂部よりも頂幅が広いため、第２波が形成された領域の方が、第１波が形成された領域よりも、熱交換面積が大きい。そのため、第２波が形成された領域における熱交換量が、第１波が形成された熱交換量よりも多い。したがって、プレート式熱交換器内で流体が凍結する場合、第２波が形成された領域の方が、第１波が形成された領域よりも、早く流体が凍結し、第２波が形成された領域で最後に流体が凍結することがない。閉塞領域で最後に流体が凍結することがないので、プレート式熱交換器が破損することを防止できる。

プレート式熱交換器３０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３０の分解斜視図。実施の形態１に係る伝熱プレート２の一部を示す部分正面図。実施の形態１に係る伝熱プレート２の一部を示す部分斜視図。図８，９のＡ−Ａ’断面図。図８，９のＢ−Ｂ’断面図。図８，９のＣ−Ｃ’断面図。実施の形態１に係る伝熱プレート３の一部を示す部分正面図。実施の形態１に係る伝熱プレート３の一部を示す部分斜視図。図１３，１４のＤ−Ｄ’断面図。図１３，１４のＥ−Ｅ’断面図。図１３，１４のＦ−Ｆ’断面図。実施の形態１に係る伝熱プレート２，３を積層した状態を示す斜視図。図１８のＧ−Ｇ’断面を示す斜視図。伝熱プレート２，３間に形成される第１流路１３及び第２流路１４を示す図。実施の形態２に係る伝熱プレート２の一部を示す部分正面図。図２１のＨ−Ｈ’断面図。図２１のＩ−Ｉ’断面図。実施の形態２に係る伝熱プレート３の一部を示す部分正面図。図２４のＪ−Ｊ’断面図。図２４のＫ−Ｋ’断面図。実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図。図２７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。

プレート式熱交換器には、異なる２種類の伝熱プレートを交互に積層して形成する場合と、１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成する場合とがある。異なる２種類の伝熱プレートを交互に積層して形成する場合、２種類の伝熱プレートの形状をそれぞれ設計でき、設計の自由度が高いが、２種類の伝熱プレートを製造する必要があり、製造コストが高くなってしまう。一方、１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成する場合、１種類の伝熱プレートを製造すればよいため、製造コストは抑えられるが、１種類の伝熱プレートでプレート式熱交換器を構成することになり、設計の自由度が低い。
実施の形態１，２では、異なる２種類の伝熱プレートを交互に積層して形成する場合について説明し、実施の形態３では、１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成する場合について説明する。

実施の形態１．
実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０の基本構成を説明する。
図１は、プレート式熱交換器３０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（第１プレート）の正面図である。図４は、伝熱プレート３（第２プレート）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３０の分解斜視図である。
実施の形態１では、伝熱プレート２，３は、例えばそれぞれ別の金型を用いて製造された、異なる伝熱プレートである。

図１に示すように、プレート式熱交換器３０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３０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（上流側隣接孔）、第２流出口１２（下流側隣接孔）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（第１波）が形成されている。波形状１５，１６は、積層方向から見た場合に、略Ｖ字状となるように形成されており、第１流入口９及び第２流入口１１から第１流出口１０及び第２流出口１２へ向かって、複数の頂部と底部とが繰り返し現れる。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が設けられていない。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（前面側）に積層された伝熱プレートの波形状の底部と下側（背面側）に積層された伝熱プレートの波形状の頂部とが重なる部分も接合される。

これにより、第１流入管５から流入した水（第１流体の一例）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から流入した冷媒（第２流体の一例）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へ流入した水は、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へ流入した水は、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から流出した水は、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へ流入した冷媒は、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へ流入した冷媒は、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から流出した冷媒は、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を流れる水と第２流路１４を流れる冷媒とは、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。

次に、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０の特徴について説明する。
図８から図１２は、実施の形態１に係る伝熱プレート２を示す図である。図８は、実施の形態１に係る伝熱プレート２の一部を示す部分正面図である。図９は、実施の形態１に係る伝熱プレート２の一部を示す部分斜視図である。図１０は、図８，９のＡ−Ａ’断面図である。図１１は、図８，９のＢ−Ｂ’断面図である。図１２は、図８，９のＣ−Ｃ’断面図である。
図１３から図１７は、実施の形態１に係る伝熱プレート３を示す図である。図１３は、実施の形態１に係る伝熱プレート３の一部を示す部分正面図である。図１４は、実施の形態１に係る伝熱プレート３の一部を示す部分斜視図である。図１５は、図１３，１４のＤ−Ｄ’断面図である。図１６は、図１３，１４のＥ−Ｅ’断面図である。図１７は、図１３，１４のＦ−Ｆ’断面図である。
図１８は、実施の形態１に係る伝熱プレート２，３を積層した状態を示す斜視図である。図１９は、図１８のＧ−Ｇ’断面を示す斜視図である。

図８，９に示すように、伝熱プレート２の第１流入口９や第２流入口１１の波形状１５側に、第１流入口９や第２流入口１１を中心とする放射状に稜線が広がった波形状１８（第３波）と波形状１９（第２波）とが形成されている。波形状１８，１９は、一端が波形状１５に接続している。
図１３，１４に示すように、伝熱プレート３の第１流入口９や第２流入口１１の波形状１６側に、第１流入口９や第２流入口１１を中心とする放射状に稜線が広がった波形状２０（第２波）と波形状２１（第３波）が形成されている。波形状２０，２１は、一端が波形状１６に接続している。
図１８，１９に示すように、伝熱プレート２に形成された波形状１８，１９と、伝熱プレート３に形成された波形状２０，２１とは、波形状１８，１９の頂部と波形状２０，２１の底部とが重なるとともに、波形状１８，１９の底部と波形状２０，２１の頂部とが重なる。

波形状１５，１６，１８，１９，２０，２１の頂部及び底部は、平面状に形成されている。波形状の稜線と垂直な方向の頂部の幅を頂幅、底部の幅を底幅とする。図１０，１５に示す波形状１５，１６の頂幅及び底幅（幅ａ）は、図１１，１６に示す波形状１９，２１の頂幅及び底幅（幅ｂ）よりも広い（ａ＞ｂ）。また、図１２，１７に示す波形状１８，２０の頂幅及び底幅（幅ｃ）は、図１０，１５に示す波形状１５，１６の頂幅及び底幅（幅ａ）よりも広い（ｃ＞ａ）。つまり、幅ａ，ｂ，ｃは、ｃ＞ａ＞ｂの関係である。

図２０は、伝熱プレート２，３間に形成される第１流路１３及び第２流路１４を示す図である。水が流れる流路が第１流路であり、冷媒が流れる流路が第２流路である。
伝熱プレート２，３に形成された波形状の頂部及び底部（図２０の幅ｘで示す部分）では、水同士又は冷媒同士が伝熱プレート２，３を介して接する。したがって、頂部及び底部では、水と冷媒とは熱交換されない。一方、伝熱プレート２の波形状の傾斜部分（図２０の幅ｙで示す部分）では、水と冷媒とが伝熱プレート２，３を介して接する。したがって、傾斜部分では、水と冷媒とは熱交換される。
頂部及び底部の幅ｘが狭いほど、傾斜部分の幅ｙは広くなる。つまり、頂部及び底部の幅ｘが狭いほど、水と冷媒とが熱交換される熱交換面積が大きくなる。上述したように、波形状１５，１６，１８，１９，２０，２１の頂部及び底部の幅ｘ（幅ａ，ｂ，ｃ）は、ｃ＞ａ＞ｂの関係である。つまり、頂幅及び底幅が幅ｂの波形状１９，２１が形成された領域が、最も熱交換面積が大きく、頂幅及び底幅が幅ａの波形状１５，１６が形成された領域、頂幅及び底幅が幅ｃの波形状１８，２０が形成された領域の順に熱交換面積が小さくなる。

第１流入口９から流入した水は、第１流路１３を流れる間に徐々に冷却され、第１流出口１０付近で最も温度が低くなる。したがって、水がプレート式熱交換器３０内で凍結する場合、通常であれば、水は下流側である第１流出口１０や第２流出口１２の付近で初めに凍結し、初めに凍結した部分から徐々に上流側である第１流入口９や第２流入口１１側で凍結してくる。そして、最後に、第１流入口９や第２流入口１１の付近で水が凍結する。
初めに第１流出口１０付近で水が凍結した場合、第１流出口１０内や、第１流入口９側等に膨張するスペースがある。そのため、水の凍結による膨張で積層方向へ力がかかることはなく、伝熱プレート２，３間が剥がれ、プレート式熱交換器３０が破損する可能性は低い。同様に、第１流入口９付近で水が凍結した場合、第１流入口９内に膨張するスペースがあり、プレート式熱交換器３０が破損する可能性は低い。しかし、最後に第２流入口１１で水が凍結した場合、第１流路１３は第２流入口１１付近で閉塞しており、膨張するスペースがない。そのため、水の凍結による膨張で積層方向へ力がかかり、伝熱プレート２，３間が剥がれ、プレート式熱交換器３０が破損する虞がある。

しかし、上述したように、波形状１９，２１が形成された領域は、波形状１５，１６が形成された領域よりも熱交換面積が大きい。そのため、波形状１９，２１が形成された領域は、波形状１５，１６が形成された領域よりも早く水が凍結する。また、波形状１５，１６が形成された領域は、波形状１８，２０が形成された領域よりも熱交換面積が大きい。そのため、波形状１５，１６が形成された領域は、波形状１８，２０が形成された領域よりも早く凍結する。
したがって、水がプレート式熱交換器３０内で凍結する場合、上述した通常の場合とは異なり、水は第１流出口１０付近や波形状１９，２１が形成された領域で初めに凍結し、初めに凍結した部分から徐々に第１流入口９側が凍結してくる。そして、最後に、波形状１８，２０が形成された領域で水が凍結する。
初めに第１流出口１０付近で水が凍結した場合、第１流出口１０内や、第１流入口９側等に膨張するスペースがある。また、波形状１９，２１が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１５，１６が形成された領域側に膨張するスペースがある。次に、波形状１５，１６が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１８，２０が形成された領域側へ膨張するスペースがある。最後に、波形状１８，２０が形成された領域で水が凍結した場合、第１流入口９内に膨張するスペースがある。したがって、このような順で水が凍結すれば、膨張するスペースが常にあり、水の凍結による膨張で積層方向へ力がかかることはなく、伝熱プレート２，３間が剥がれ、プレート式熱交換器３０が破損する可能性は低い。

以上のように、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０は、プレート式熱交換器３０内において流体が凍結した場合に、プレート式熱交換器３０が破損することを防ぐことが可能である。

なお、波形状１８，１９，２０，２１が形成されていない場合、第１流入口９から第１流路１３へ流入した水は、Ｖ字状に形成された波形状１５，１６に直接衝突する。この際、圧力損失が発生するとともに、伝熱プレート２，３の短辺方向の速度分布が不均一になってしまう。また、図１８に示すよどみ領域２６へは水が流れづらく、よどみ領域２６で水がよどんでしまう。
同様に、第２流入口１１から第２流路１４へ流入した冷媒は、Ｖ字状に形成された波形状１５，１６に直接衝突する。この際、圧力損失が発生するとともに、伝熱プレート２，３の短辺方向の速度分布が不均一になってしまう。また、図１８に示すよどみ領域２７へは冷媒が流れづらく、よどみ領域２７で冷媒がよどんでしまう。
水や冷媒がよどんだ領域では、熱交換が効率的に行われない。したがって、よどみ領域２６，２７の分、熱交換面積が減少してしまう。

しかし、波形状１８，１９，２０，２１が形成されている場合、第１流入口９から第１流路１３へ流入した水は、Ｖ字状に形成された波形状１５，１６に衝突する前に、第１流入口９を中心とする放射状に稜線が広がった波形状１８，２０に衝突する。波形状１８，２０の稜線が伝熱プレート２，３の長辺と平行な線となす角（図８，１３のβ）は、波形状１５，１６が伝熱プレート２，３の長辺と平行な線となす角（図８，１３のα）に比べ小さい。そのため、波形状１５，１６に直接衝突する場合に比べ、圧力損失を小さくでき、短辺方向の速度分布を均一化できる。第２流路１４を流れる冷媒についても同様のことが言え、圧力損失を小さくでき、短辺方向の速度分布を均一化できる。
また、波形状１８，１９，２０，２１が形成されている場合、図１８に破線の矢印で示すように、第１流入口９から第１流路１３へ流入した水は、放射状に稜線が広がった波形状１８，２０によって、よどみ領域２６へ導かれる。そのため、水がよどみ領域２６でよどむことがない。第２流路１４を流れる冷媒についても同様のことが言え、冷媒がよどみ領域２７でよどむことがない。したがって、よどみ領域２６，２７でも熱交換が行われる。

また、波形状１８，１９，２０，２１が形成された場合、波形状１８，１９，２０，２１部分も伝熱プレート２，３間で接合されるため、伝熱プレート２，３間の接合強度が高くなる。伝熱プレート２，３間の接合強度が高くなれば、補強用サイドプレート１，４の板厚を薄くすることが可能であり、材料コストを抑えることができる。

以上のように、実施の形態１に係るプレート式熱交換器３０は、熱交換効率が高く、圧力損失が低く、強度が高い。そのため、高圧で動作するＣＯ２や、炭化水素、低ＧＷＰ冷媒といった低密度、可燃性冷媒の使用も可能である。

また、波形状１８，２０の稜線が伝熱プレート２，３の長辺と平行な線となす角（図８，１３のβ）は、使用する第１流体や第２流体の粘性等に応じて変更してもよい。波形状１９，２１についても同様である。

また、上記説明では、波形状１５，１６，１８，１９，２０，２１の頂部及び底部は、平面状に形成されているとした。ここで、平面状とは、完全な平面だけでなく、緩やかな曲面も含む。頂部及び底部が緩やかな曲面で形成されている場合には、幅ａ，ｂ，ｃの関係を曲率で調整してもよい。つまり、波形状１５，１６の頂部及び底部の曲率θａと、波形状１９，２１の頂部及び底部の曲率θｂと、波形状１８，２０の頂部及び底部の曲率θｃとの関係を、θｃ＞θａ＞θｂとしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、伝熱プレート２，３の第１流出口１０及び第２流出口１２側については特に説明をしなかった。実施の形態２では、伝熱プレート２，３の第１流出口１０及び第２流出口１２側について説明する。

図２１から図２３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２１は、実施の形態２に係る伝熱プレート２の一部を示す部分正面図である。図８では、伝熱プレート２の第１流入口９及び第２流入口１１側を示していたが、図２１では、伝熱プレート２の第１流出口１０及び第２流出口１２側を示している。図２２は、図２１のＨ−Ｈ’断面図である。図２３は、図２１のＩ−Ｉ’断面図である。
図２４から図２６は、実施の形態２に係る伝熱プレート３を示す図である。図２４は、実施の形態２に係る伝熱プレート３の一部を示す部分正面図である。図１３では、伝熱プレート３の第１流入口９及び第２流入口１１側を示していたが、図２４では、伝熱プレート３の第１流出口１０及び第２流出口１２側を示している。図２５は、図２４のＪ−Ｊ’断面図である。図２６は、図２４のＫ−Ｋ’断面図である。

図２１に示すように、伝熱プレート２の第１流出口１０や第２流出口１２の波形状１５側に、第１流出口１０や第２流出口１２を中心とする放射状に稜線が広がった波形状２２と波形状２３（第４波）とが形成されている。波形状２２，２３は、一端が波形状１５に接続している。
図２４に示すように、伝熱プレート３の第１流出口１０や第２流出口１２の波形状１６側に、第１流出口１０や第２流出口１２を中心とする放射状に稜線が広がった波形状２４と波形状２５（第４波）とが形成されている。波形状２４，２５は、一端が波形状１６に接続している。
伝熱プレート２に形成された波形状２２，２３と、伝熱プレート３に形成された波形状２４，２５とは、波形状２２，２３の頂部と波形状２４，２５の底部とが重なるとともに、波形状２２，２３の底部と波形状２４，２５の頂部とが重なる。

波形状２２，２３，２４，２５の頂部及び底部は、平面状に形成されている。図２３，２６に示す波形状２３，２５の頂幅及び底幅（幅ｂ’）は、図１１，１６に示す波形状１９，２１の頂幅及び底幅（幅ｂ）よりも広く（ｂ’＞ｂ）、図１０，１５に示す波形状１５，１６の頂幅及び底幅（幅ａ）よりも狭い（ａ＞ｂ’）。また、図２２，２５に示す波形状２２，２４の頂幅及び底幅（幅ｃ’）は、図１０，１５に示す波形状１５，１６の頂幅及び底幅（幅ａ）よりも広い（ｃ’＞ａ）。また、幅ｃは幅ｃ’以下の幅である。つまり、幅ａ，ｂ，ｂ’，ｃ，ｃ’は、ｃ’≧ｃ＞ａ＞ｂ’＞ｂの関係である。

上述したように、頂幅及び底幅が狭いほど、水と冷媒とが熱交換される熱交換面積が大きくなる。つまり、頂幅及び底幅が幅ｂの波形状１９，２１が形成された領域が、最も熱交換面積が大きく、頂幅及び底幅が幅ｂ’の波形状２３，２５が形成された領域、頂幅及び底幅が幅ａの波形状１５，１６が形成された領域、頂幅及び底幅が幅ｃの波形状１８，２０が形成された領域、頂幅及び底幅が幅ｃ’の波形状２２，２４が形成された領域の順に熱交換面積が小さくなる。
したがって、水がプレート式熱交換器３０内で凍結する場合、水は波形状１９，２１が形成された領域や、波形状２３，２５が形成された領域で初めに凍結し、初めに凍結した部分から徐々に波形状１５，１６が形成された領域が凍結してくる。そして、最後に、波形状１８，２０，２２，２４が形成された領域で水が凍結する。
初めに波形状１９，２１，２３，２５が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１５，１６が形成された領域側に膨張するスペースがある。次に、波形状１５，１６が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１８，２０，２２，２４が形成された領域側へ膨張するスペースがある。最後に、波形状１８，２０，２２，２４が形成された領域で水が凍結した場合、第１流入口９又は第１流出口１０内に膨張するスペースがある。したがって、このような順で水が凍結すれば、膨張するスペースが常にあり、水の凍結による膨張で積層方向へ力がかかることはなく、伝熱プレート２，３間が剥がれ、プレート式熱交換器３０が破損する可能性は低い。

実施の形態１で説明したように、通常であれば、水は下流側である第１流出口１０や第２流出口１２の付近で初めに凍結し、徐々に上流側である第１流入口９や第２流入口１１側で凍結してくる。したがって、通常であれば、第２流出口１２付近の閉塞領域で最後に水が凍結することはあまりない。しかし、場合によっては、第１流出口１０で初めに水が凍結し、徐々に第２流出口１２側で凍結する場合もある。この場合、第２流出口１２付近では、膨張するスペースがなく、プレート式熱交換器３０が破損する虞がある。
しかし、実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０では、第２流入口１１付近の閉塞領域で最後に水が凍結することだけでなく、第２流出口１２付近の閉塞領域で最後に水が凍結することも防止する。したがって、実施の形態１よりも確実にプレート式熱交換器３０が破損することを防止できる。

実施の形態３．
実施の形態３では、１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成する場合について説明する。伝熱プレートを向きを変えるとは、第１流入口９と第２流出口１２との位置が入れ替わるように、伝熱プレートを１８０度回転させることである。
なお、実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０は、原則として実施の形態２に係るプレート式熱交換器３０と同じ形状であり、波形状の頂幅及び底幅の関係だけが異なる。そこで、ここでは、波形状の頂幅及び底幅の関係についてのみ説明する。

１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成するため、伝熱プレート２，３は１種類の同じプレートであり、単に向きが異なるだけである。
したがって、波形状１８と波形状２３とは、同じ形状、同じサイズである。つまり、波形状１８の頂幅及び底幅（図１２の幅ｃ）と波形状２３の頂幅及び底幅（図２３の幅ｂ’）とは同じ幅である（ｃ＝ｂ’）。波形状１８と重なる波形状２０と、波形状２３と重なる波形状２５とについても同じことが言える。
また、波形状１９と波形状２２とは、同じ形状、同じサイズである。つまり、波形状１９の頂幅及び底幅（図１１の幅ｂ）と波形状２２の頂幅及び底幅（図２２の幅ｃ’）とは同じ幅である（ｂ＝ｃ’）。波形状１９と重なる波形状２１と、波形状２２と重なる波形状２４とについても同じことが言える。

そこで、波形状１９，２１，２２，２４の頂幅及び底幅を、波形状１５，１６，１８，２０，２３，２５の頂幅及び底幅よりも狭くする。また、波形状１５，１６，１８，２０，２３，２５の頂幅及び底幅を同じ幅にする。つまり、幅ａ，ｂ，ｃ，ｂ’，ｃ’は、ａ＝ｂ’＝ｃ＞ｂ＝ｃ’の関係である。

上述したように、頂幅及び底幅が狭いほど、水と冷媒とが熱交換される熱交換面積が大きくなる。つまり、頂幅及び底幅が幅ｂ又はｃ’の波形状１９，２１，２２，２４が形成された領域は熱交換面積が大きく、頂幅及び底幅が幅ａ又はｂ’又はｃの波形状１５，１６，１８，２０，２３，２５が形成された領域は熱交換面積が小さくなる。
したがって、水がプレート式熱交換器３０内で凍結する場合、水は波形状２２，２４が形成された領域や、波形状１９，２１が形成された領域で初めに凍結する。また、波形状２３，２５が形成された領域も下流側であるため、比較的早く水が凍結する。そして、凍結した部分から徐々に波形状１５，１６が形成された領域が凍結して、最後に、波形状１８，２０が形成された領域で水が凍結する。
初めに波形状１９，２１，２２，２４が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１５，１６が形成された領域側等に膨張するスペースがある。波形状２３，２５が形成された領域で水が凍結した場合も、波形状１５，１６が形成された領域側等に膨張するスペースがある。次に、波形状１５，１６が形成された領域で水が凍結した場合、波形状１８，２０が形成された領域側へ膨張するスペースがある。最後に、波形状１８，２０が形成された領域で水が凍結した場合、第１流入口９内に膨張するスペースがある。したがって、このような順で水が凍結すれば、膨張するスペースが常にあり、水の凍結による膨張で積層方向へ力がかかることはなく、伝熱プレート２，３間が剥がれ、プレート式熱交換器３０が破損する可能性は低い。

以上のように、実施の形態３に係るプレート式熱交換器３０は、１種類の伝熱プレートを向きを変えて交互に積層して形成し、設計の自由度が低い場合においても、プレート式熱交換器３０内において流体が凍結した場合に、プレート式熱交換器３０が破損することを防ぐことが可能である。

実施の形態４．
実施の形態４では、プレート式熱交換器３０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２７は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図である。
図２８は、図２７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２８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３０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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２８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２８の点８）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図２８の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図２８の点１１）に、インジェクション冷媒（図２８の点１０）が合流して、温度が低下する（図２８の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２８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補強用サイドプレート、２，３伝熱プレート、４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、１５，１６，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５波形状、１７熱交換流路、２６，２７よどみ領域、３０プレート式熱交換器、５１圧縮機、５２熱交換器、５３膨張機構、５４レシーバ、５５内部熱交換器、５６膨張機構、５７熱交換器、５８主冷媒回路、５９四方弁、６０ファン、６１膨張機構、６２インジェクション回路、１００ヒートポンプ装置。

Claims

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矩形の第１プレート及び第２プレートが交互に積層され、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流路とが隣接する前記第１プレートと前記第２プレートとの間に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、前記第１プレート及び前記第２プレートの長辺方向の一方側に設けられた通路孔である第１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通路孔である第１流出口から流出させる流路であって、前記第１流入口と前記第１流出口との間に、前記第１流体を隣接する第２流路を流れる前記第２流体と熱交換させる熱交換流路が形成された流路であり、
前記第１プレートには、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１流入口側から前記第１流出口側へ向かって複数の頂部及び底部が繰り返し現れる波形状である第１波が前記熱交換流路部分に形成されるとともに、前記長辺方向の前記一方側に設けられた通路孔であって前記第１流入口とは異なるもう１つの通路孔である上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第２波が形成され、
前記第１波の頂部と前記第２波の頂部とは平面状に形成され、
前記第２波の傾斜部分の幅は、前記第１波の傾斜部分の幅より広い
ことを特徴とするプレート式熱交換器。
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矩形の第１プレート及び第２プレートが交互に積層され、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流路とが隣接する前記第１プレートと前記第２プレートとの間に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、前記第１プレート及び前記第２プレートの長辺方向の一方側に設けられた通路孔である第１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通路孔である第１流出口から流出させる流路であって、前記第１流入口と前記第１流出口との間に、前記第１流体を隣接する第２流路を流れる前記第２流体と熱交換させる熱交換流路が形成された流路であり、
前記第１プレートには、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１流入口側から前記第１流出口側へ向かって複数の頂部及び底部が繰り返し現れる波形状である第１波が前記熱交換流路部分に形成されるとともに、前記長辺方向の前記一方側に設けられた通路孔であって前記第１流入口とは異なるもう１つの通路孔である上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第２波が形成され、
前記第１波の頂部と前記第２波の頂部とは平面状に形成され、前記第１波の頂部の方が前記第２波の頂部よりも波形状の稜線と垂直な方向の幅である頂幅が広い
ことを特徴とするプレート式熱交換器。
前記第１プレートには、前記第１流入口の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第３波が形成され、
前記第３波の頂部は平面状に形成され、前記第３波の頂部と前記第１波の頂部とは前記頂幅が同じか、又は、前記第３波の頂部の方が前記第１波の頂部よりも前記頂幅が広い
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。
前記第１プレートには、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第１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の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第４波が形成され、
前記第４波の頂部は平面状に形成され、前記第４波の頂部の方が前記第２波の頂部よりも前記頂幅が広く、前記第４波の頂部と前記第１波の頂部とは前記頂幅が同じか、又は、前記第４波の頂部の方が前記第１波の頂部よりも前記頂幅が狭い
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。
前記第２波は、前記上流側隣接孔を中心とする放射状に稜線が広がった波形状である
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。
前記第３波は、前記第１流入口を中心とする放射状に稜線が広がった波形状である
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。
前記第２流路は、前記上流側隣接孔から流入した前記第２流体を、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から流出させる流路である
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。
前記第２プレートには、積層方向から見た場合に、底部が前記第１プレートに形成された第１波及び第２波の頂部と重なるとともに、頂部が前記第１プレートに形成された第１波及び第２波の底部と重なる波形状が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。
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矩形の第１プレート及び第２プレートが交互に積層され、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流路とが隣接する前記第１プレートと前記第２プレートとの間に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、前記第１プレート及び前記第２プレートの長辺方向の一方側に設けられた通路孔である第１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通路孔である第１流出口から流出させる流路であって、前記第１流入口と前記第１流出口との間に、前記第１流体を隣接する第２流路を流れる前記第２流体と熱交換させる熱交換流路が形成された流路であり、
前記第１プレートには、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１流入口側から前記第１流出口側へ向かって複数の頂部及び底部が繰り返し現れる波形状である第１波が前記熱交換流路部分に形成されるとともに、前記長辺方向の前記一方側に設けられた通路孔であって前記第１流入口とは異なるもう１つの通路孔である上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第２波が形成され、
前記第１波の頂部と前記第２波の頂部とは平面状に形成され、
前記第２波の傾斜部分の幅は、前記第１波の傾斜部分の幅より広い
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
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矩形の第１プレート及び第２プレートが交互に積層され、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流路とが隣接する前記第１プレートと前記第２プレートとの間に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、前記第１プレート及び前記第２プレートの長辺方向の一方側に設けられた通路孔である第１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通路孔である第１流出口から流出させる流路であって、前記第１流入口と前記第１流出口との間に、前記第１流体を隣接する第２流路を流れる前記第２流体と熱交換させる熱交換流路が形成された流路であり、
前記第１プレートには、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１流入口側から前記第１流出口側へ向かって複数の頂部及び底部が繰り返し現れる波形状である第１波が前記熱交換流路部分に形成されるとともに、前記長辺方向の前記一方側に設けられた通路孔であって前記第１流入口とは異なるもう１つの通路孔である上流側隣接孔の前記熱交換流路側に、前記積層方向に変位する波形状であって、前記第１波に接続した波形状である第２波が形成され、
前記第１波の頂部と前記第２波の頂部とは平面状に形成され、前記第１波の頂部の方が前記第２波の頂部よりも波形状の稜線と垂直な方向の幅である頂幅が広い
ことを特徴とするヒートポンプ装置。