JP5940152B2 - プレート式熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器及びそれを備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

プレート式熱交換器においては、波形の凹凸が複数列形成された伝熱プレートが複数積層されている。従来のプレート式熱交換器としては、伝熱プレートの波形の山の頂点（又は谷の底の点）を結んだ線は、隣接する伝熱プレートに対して交差するように配置されている、ヘリボーン型が提案されている。さらに、ヘリボーン型のプレート式熱交換器よりも、伝熱プレートの形状設計に自由度を持たせたインナーフィン型の熱交換器も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ヘリボーン型のプレート式熱交換器には、次のような問題がある。ヘリボーン型のプレート式熱交換器は、伝熱プレートが波形状のため第１流体（例えば冷媒）と第２流体（例えば水）との間に漏洩防止機能の形成が難しい。給湯器に搭載したプレート式熱交換器で作られた温水は、風呂水に使用されるため、この水に冷媒が漏洩しないようにする必要がある。このため漏洩防止機能が無ければ、高圧冷媒であるＣＯ２や炭化水素、低ＧＷＰ冷媒といった可燃性冷媒は給湯器に使用できない。また、流路断面積が略同等であるため、異なる流体を流す場合、両者の熱抵抗比率が同等でないこととなり、熱交換効率が悪い。さらに、隣り合うプレートの接合部は波の点接触で形成され、接合面積が小さく壊れ易い。

また、特許文献１のようなインナーフィン型の熱交換器にも次のような問題がある。まず、インナーフィン型の熱交換器は、漏洩防止機能がないため、給湯器に用いることは難しい。インナーフィンの形状は、第１流路及び第２流路に関して同一であり、流れる流体に応じた最適形状でないため、熱交換効率が悪い。また、インナーフィンは、一方の流体の必要強度に合わせた仕様になり、他方の流体側は、過度の接合面積を持つインナーフィンとなるため、コストが高くなる。

なお、その他の従来の熱交換器として、例えば、特許文献２には、それぞれ板の肉厚内に流路を含む第１の流路板及び第２の流路板と、それら流路板を仕切る仕切板とを供えた構造が開示されている。しかしながら、かかる特許文献２のような構造では、仕切板は単なる板状部材であり、インナーフィンを用いる態様には利用できない。

また、腐食防止手段を備えた熱交換器としては、特許文献３に開示されたものがある。しかしながら、特許文献３に開示された腐食防止手段であるサブプレートは、平面状であり、円管とフラットな面との仕切りのみに使われており、複数のプレートを積層する態様には利用できない。また、特許文献３は、円管を流れる流体とフィン間を流れる流体との熱交換器であるため、円管とコアプレートの接触面のみで熱交換されるため、インナーフィンを複数積層する熱交換器に比べ熱交換効率が低い。

特開２００３−１８５３７５号公報（５頁、図１） 特開２００８−１５７５４４号公報（７頁、図２） 特開２００９−１３３５０６号公報（１２頁、図４）

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱交換効率を良好にしつつ、構造が簡単で安価に製造可能でありながら流体の漏洩防止による装置の長期信頼性を向上することができる、プレート式熱交換器を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、それぞれフラットな伝熱面を有する複数の伝熱プレートと、一対の前記伝熱プレートの間毎に第１流路及び第２流路が交互に形成され、それぞれが対応する前記第１流路又は第２流路に配置された複数のインナーフィンとを備えたプレート式熱交換器において、前記第１流路に配置された前記インナーフィンと、前記第２流路に配置された前記インナーフィンとは、伝熱面積が異なるように設けられており、一対の前記伝熱プレートの間には、少なくとも前記第１流体又は第２流体を流通させる通路孔が形成された漏洩防止プレートが配置されている。

本発明によれば、熱交換効率を良好にし、且つ、構造が簡単で安価に製造可能でありながら流体の漏洩防止による装置の長期信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態１におけるオフセットフィン型プレート式熱交換器を示す分解斜視図である。 インナーフィンの斜視図である。 第１流路内のインナーフィンと第２流路内のインナーフィンとを斜め上方から示す斜視図である。 第１流路内のインナーフィンと第２流路内のインナーフィンとを示す平面図である。 本発明の実施の形態２に関する特徴を説明する図である。

以下、本発明に係るオフセットフィン型プレート式熱交換器の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるオフセットフィン型プレート式熱交換器を示す分解斜視図である。また、図２は、インナーフィンの斜視図である。図３は、第１流路内のインナーフィンと第２流路内のインナーフィンとを斜め上方から示す斜視図であり、図４は、第１流路内のインナーフィンと第２流路内のインナーフィンとを示す平面図である。プレート式熱交換器１は、少なくとも一対のサイドプレート３と、それらサイドプレート３の間に配置されたそれぞれ複数枚の伝熱プレート５及び漏洩防止プレート７と、少なくとも一対のインナーフィン９とを備えている。

一対のサイドプレート３は、補強の役割を果たしており、それぞれの四隅に、第１流体の入口１１、第１流体の出口１３、第２流体の入口１５、第２流体の出口１７となる四つの通路孔が設けられている。なお、図示例では、図１においてみて、左右一方側の上隅に第１流体の入口１１が配置され、下隅に第１流体の出口１３が配置され、左右他方側の下隅に第２流体の入口１５が配置され、上隅に第２流体の出口１７が配置されている。なお、図１においては、第１流体の流れ方向を符号Ｘで、第２流体の流れ方向を符号Ｙで示している。

伝熱プレート５及び漏洩防止プレート７のそれぞれの四隅には、通路孔としての貫通孔が形成されている。具体的には、伝熱プレート５には、通路孔として、第１流体往路孔１１ｃ、第１流体復路孔１３ｃ、第２流体往路孔１５ｃ及び第２流体復路孔１７ｃが設けられている。同様に、漏洩防止プレート７には、通路孔として、第１流体往路孔１１ｄ、第１流体復路孔１３ｄ、第２流体往路孔１５ｄ及び第２流体復路孔１７ｄが設けられている。

伝熱プレート５も漏洩防止プレート７も肉厚がほぼ均一な板状の部材を、プレス等により、凹凸が形成されるように加工されたものである。伝熱プレート５はそれぞれ、対応する第１流路または第２流路を形成するフラットな伝熱面を有している部材である。伝熱プレート５のそれぞれには、相対的な関係としての凹部５ａ及び凸部５ｂが形成されている。

図１に示されるように、符号Ｘで示す第１流体が通る第１流路を構成する伝熱プレート５であれば、凹部５ａは、第１流体往路孔１１ｃ、第１流体復路孔１３ｃ及びそれらの間でインナーフィン９と対面する広範な領域を占めており、凸部５ｂは、第２流体往路孔１５ｃ及び第２流体復路孔１７ｃの周囲部分を占めている。また、符号Ｙで示す第２流体が通る第２流路を構成する伝熱プレート５であれば、凹部５ａは、第２流体往路孔１５ｃ、第２流体復路孔１７ｃ及びそれらの間でインナーフィン９と対面する広範な領域を占めており、凸部５ｂは、第１流体往路孔１１ｃ及び第１流体復路孔１３ｃの周囲部分を占めている。

漏洩防止プレート７はそれぞれ、対応する伝熱プレート５の流路形成面の裏側となる背面に配置される部材である。また、漏洩防止プレート７はそれぞれ、伝熱プレート５の伝熱面と合わさる領域にフラットな部分を有すると共に、相対的な関係としての凹部７ａ及び凸部７ｂを有している。図１に示されるように、漏洩防止プレート７はそれぞれ、対応する伝熱プレート５の表面である流路形成面側と同じ態様の凹凸態様を有する面が、その対応する伝熱プレート５の裏面に積層される。よって、対応する伝熱プレート５と漏洩防止プレート７とは、伝熱プレート５の裏面が漏洩防止プレート７の表面と凹凸が一致するようにしてぴったり合わせられる。このように、伝熱プレート５と漏洩防止プレート７とはほぼ全体にわたって面接触し、伝熱プレート５及び漏洩防止プレート７が相互に広範な面積で抑え合う。

インナーフィン９は、対応する伝熱プレート５及び漏洩防止プレート７の間に配置された伝熱を促進するためのオフセットフィンである。インナーフィン９はそれぞれ、幅方向及び高さ方向が厚み方向に比べて大きい概ねプレート状の形態であり、図２に示されるように、薄肉要素が幅方向に渡ってほぼ直角で構成される凹凸が繰り返されているように延びる構造を含む。また、これらの凹凸の端部（頂部及び底部）はフラットに形成されており、インナーフィン９もまた、対応する伝熱プレート５や漏洩防止プレート７に対し、フラットな端部で面接触する。

また、第１流路に配置されるインナーフィン９と、第２流路に配置されるインナーフィン９とは、伝熱面積が異なる。具体的には、図３及び図４に示されるように、第１流路に配置されるインナーフィン９（９ａ）と、第２流路に配置されるインナーフィン９（９ｂ）とは、寸法が相互に異なるものが用いられている。図示例では、第２流路に配置されるインナーフィン９（９ｂ）が、第１流路に配置されるインナーフィン９（９ａ）よりも細かい凹凸で構成されている。なお、図１におけるインナーフィン９は、図示の明瞭性を優先し、第１流路に配置されるインナーフィンと第２流路に配置されるインナーフィンとを同様に描いている。

伝熱プレート５はそれぞれ、対応する漏洩防止プレート７とロウ付けされ、さらに、対応するインナーフィン９を挟むように積層される対応する伝熱プレート５と漏洩防止プレート７とがロウ付けされる。

図１に例示されるように、サイドプレート３、漏洩防止プレート７、第１流路用のインナーフィン９、第１流路用の伝熱プレート５、第１流路用の伝熱プレート５とぴったり合わさる漏洩防止プレート７、第２流路用のインナーフィン９、第２流路用の伝熱プレート５、第２流路用の伝熱プレート５とぴったり合わさる漏洩防止プレート７、第１流路用のインナーフィン９等、以降、必要に応じた積層要素が繰り返されるように配置・積層され、最後に、サイドプレート３が積層された積層構造が得られている。

以上に説明した本実施の形態１に係るプレート式熱交換器によれば、次のような利点が得られている。まず、本実施の形態に係るプレート式熱交換器では、伝熱プレートの裏面に漏洩防止プレートが設けられているため、例えば、第１流体が流通する第１流路を形成している伝熱プレートが腐食により破損したとしても、その背後の漏洩防止プレートの存在や、伝熱プレート及び漏洩防止プレートの間にあるロウ材の存在により、第１流体が第２流路へ漏洩することを防ぐことができる。また、ロウ材の存在により、さらなる腐食の進行の抑制も期待できる。よって、流体の漏洩防止による熱交換器の長期信頼性を向上させることができる。また、ヘリボーン型プレート式熱交換器にあるダブルウォール構造のように空気層を含まないため、熱交換量の低下が少なく、使用流体の拡大とこれに伴う熱交換性能向上を図ることもできる。

しかも、このように腐食した伝熱プレートを漏洩防止プレートが保護する作用を得るにあたっては、ほぼフラットな形状の漏洩防止プレートを、一対のほぼフラットな形状の伝熱プレート間に挟み込むだけであるため、熱交換器の製造を複雑にすることはなく、安価に製造できる。さらに、伝熱プレート、漏洩防止プレート及びインナーフィンは、相互にフラットな面の部分同士で面接触するため、これら伝熱プレート、漏洩防止プレート及びインナーフィンが相互に抑え合い全体としての面接触態様が維持しやすい。

また、ヘリボーン型プレート熱交換器に用いられるダブルウォール構造のような空気層を含まないため、熱伝達率の低下による熱交換量の低下も少ない。ヘリボーン型プレート熱交換器は、第１流体と第２流体との流路断面積が略同一であるため、水と冷媒の熱交換の場合、水側に比べ冷媒側の熱抵抗が大きくなり熱交換効率が悪い。

一方、本実施の形態１では、異なる寸法のインナーフィンを用いるため、圧力損失の影響の大きい冷媒側は熱伝達の良い細かい寸法のフィンを用い、水側には熱伝達は悪いが圧力損失の小さいフィンを用いることにより、冷媒と水の熱抵抗比率を同等にできる。このように、流れる流体の物性に応じて第１流体と第２流体との熱抵抗比率を調整できるため、熱交換効率の高い熱交換器を提供できる。

漏洩防止プレートは、フラットな伝熱面と垂直な方向に流体の出入口となる通路孔を形成することで、複数のプレートを積層し水側と冷媒側との両方の流路にインナーフィンを用いる態様に適用可能である。さらに、漏洩防止プレートは、フラットな伝熱面と垂直な方向に流体の出入口となる通路孔を有するので、分配構造をプレートと別に形成する必要が無く、流路をプレートの積層で薄く形成した効果と合わせて熱交換器をよりコンパクトに作製できる。また、漏洩防止プレートは、フラットな伝熱面と垂直な方向に流体の出入口となる通路孔を有するので、上述したように第１流体と第２流体とで流体の種類が異なる場合、通路孔の径を流体の特性に合わせて作製できる。

孔径を小さくすると、通路孔での流速を上げることが可能であり、凝縮器として使用する場合、蒸気側の孔径を大きくして圧力損失の増加を低減し、液管側は孔径を小さくし熱交換器からの液はけを良くすることにより、熱交換器を熱伝達の良い蒸気と液の二相域で効率良く使用できる。

また、熱交換器が、１００枚や２００枚といった複数のプレートを積層し多くの流路を持つ構造の場合、通路孔の径の調整により各流路への等分配が可能となるが、漏洩防止プレートと伝熱プレートとで通路孔を確保する本実施の形態であれば、プレスで容易に作製できるため、コストをかけずに孔径の調整が可能である。

また、孔径の調整が簡単に行える利点として、孔径を小さくすることで、流体の流速を上げ、流体の流入管から奥側の流路へ流体を多く流すようにしたり、孔径を大きくすることで、流入管に近い流路へ流体を多く流したりすることを簡単に実現できる。また、孔径を大きくすると流速を小さくできるため、通路孔での流速による腐食（エロージョン）を抑制できる。

また、第１流路及び第２流路を交互に積層しそれらの流路の間にインナーフィンを挿入しているため、第１流路及び第２流路のそれぞれがインナーフィンと隣り合う面が、前述した特許文献２の構成よりも多くなり、温度効率が高くなる利点がある。

通路孔は、材料の伸び率と関係無くプレス時の金型の径のみで決まるため、通路孔の穴径を大きくできることから、通路孔における圧損増大の抑制や流体の高速化に伴う腐食を抑制できる。

インナーフィンと対応するプレートのフラットな伝熱面とは面同士で接合されている。このため、第１流体が圧力の高い流体で第２流体が圧力の低い流体である場合、第１流体の流れる第１流路にはプレートとの接触面積が大きいインナーフィンを、第２流体の流れる第２流路にはプレートとの接触面積が小さいインナーフィンを用いることにより、各部毎に必要な十分な強度が得られ、全体で無駄のない強度確保が実現できる熱交換器を得ることができる。

以上に説明したように、本実施の形態１によれば、熱交換する二流体間で熱抵抗比率を同等に保つことで熱交換効率を良好に保つことができ、尚且つ、構造が簡単で安価に製造可能でありながら流体の漏洩防止による装置の長期信頼性を向上することができる。よって、これまで、冷媒漏洩防止機能が無いために使用できなかったＣＯ２等の自然冷媒や可燃性の炭化水素、低ＧＷＰ冷媒の使用が可能となる。また、使用流体の選定範囲が増えるため、潜熱の大きい冷媒の選定が可能となり、熱交換性能の向上も可能である。

実施の形態２．
次に、図５に基づいて、本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器について説明する。上記実施の形態１では、図５の（ａ）に示されるように、伝熱プレート５の全体を覆うような漏洩防止プレート７を用いていたが、本実施の形態２においては、第１流体と第２流体とが隣り合わせになる領域だけをカバーする漏洩防止プレート１０７を用いる。すなわち、漏洩防止プレート１０７の形態としては、例えば、図５の（ｂ）に示されるように、実施の形態１の漏洩防止プレート７における第１流体往路孔１１ｄの周辺部（凸部７ｂ）を切除したような形態を挙げることができる。これにより、漏洩防止プレートの材料使用量を低減でき、熱交換器を安価に製造可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３として、漏洩防止プレート７，１０７をクラッド材で形成した態様を挙げる。このように漏洩防止プレートをクラッド材で形成すれば、生産効率を向上させることができる。製造工程でロウ材を単体で挟み込むと、ロウ材が適正な配置からずれることがあり接合不良の原因となる。熱交換器を組む場合に積層部材が増えると、生産速度が減少する。しかし、漏洩防止プレートのクラッド化により、これらの課題を改善できるため、ロウ付け不良改善と熱交換器の加工費低減ができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４として、伝熱プレート、インナーフィン、漏洩防止プレートをロウ付けにより一体化した態様を挙げる。構成部品をロウ付け接合することにより、各部品の密着が改善し、漏洩防止プレートの存在を前提としながらも熱伝達率の低下を抑制できる。特に銅等の熱伝導率の高いロウ材を用いると、熱伝達率低下の抑制効果が大きい。ロウ付けは各部品の密着が良いため、接合強度が高まり安定した熱交換器の製造が可能となる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５として、伝熱プレートと漏洩防止プレートとの板厚を異寸法にした態様を挙げる。漏洩防止プレートの板厚を伝熱プレートよりも大きくすると、熱交換器の腐食の進行や強度向上に有効である。漏洩防止プレートの板厚を伝熱プレートよりも小さくすると、漏洩防止プレートの熱抵抗を低減できるため、熱交換性能の低下を抑制でき、材料費も低減できる。このように漏洩防止プレートの板厚は所望の条件に合わせて選定するとよい。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６として、上述した実施の形態１〜５の何れかのプレート式熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置を挙げる。本実施の形態６は、圧縮機、凝縮器（ガスクーラー含む）、膨張弁及び蒸発器が、冷媒配管によって順次連結された冷凍サイクル装置において、凝縮器及び蒸発器の両者又は何れか一方に、実施の形態１〜５の何れかのプレート式熱交換器を用いたものである。本実施の形態６によれば信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、漏洩防止プレートは、１枚の場合を例としたが複数枚重ねたり、異なる材料で形成しても良い。熱交換器の構成部品の材料は、ステンレス、銅、アルミ、チタン等の金属や合成樹脂も使用可能である。

また、本発明の活用例としては、空調、発電、食品の加熱殺菌処理機器等、プレート式熱交換器を搭載した多くの産業、家庭用機器に利用可能である。

１ プレート式熱交換器、５ 伝熱プレート、７ 漏洩防止プレート、９ インナーフィン。

Claims (10)

1. それぞれフラットな伝熱面を有する複数の伝熱プレートと、
   一対の前記伝熱プレートの間毎に第１流路及び第２流路が交互に形成され、それぞれが対応する前記第１流路又は第２流路に配置された複数のインナーフィンとを備えたプレート式熱交換器において、
   前記第１流路に配置された第１の前記インナーフィンと、前記第２流路に配置された第２の前記インナーフィンとは、伝熱面積が異なるように設けられており、
   伝熱面積が異なるように設けられた前記第１のインナーフィンと前記第２のインナーフィンとが双方ともに、凹凸が繰り返されている構造を含んでおり、且つ、前記第１のインナーフィンの前記凹凸の端部と前記第２のインナーフィンの前記凹凸の端部とはともに、フラットに形成されており、伝熱面積が異なるように設けられた前記第１のインナーフィンと前記第２のインナーフィンとは双方ともに、対応する伝熱プレートに対し、フラットな前記端部で面接触している、
   プレート式熱交換器。
2. 一対の前記伝熱プレートの間には、少なくとも第１流体又は第２流体を流通させる通路孔が形成された漏洩防止プレートが配置されている、
   請求項１のプレート式熱交換器。
3. 前記漏洩防止プレートはそれぞれ、前記伝熱プレートの伝熱面と合わさる領域にフラットな部分を有し、前記伝熱プレート及び前記漏洩防止プレートは相互に面接触して抑え合う、
   請求項２のプレート式熱交換器。
4. 前記インナーフィンは、対応する前記漏洩防止プレートに対し、フラットな前記端部で面接触している、
   請求項２のプレート式熱交換器。
5. 前記第２流路に配置されるインナーフィンの前記凹凸は、前記第１流路に配置されるインナーフィンの前記凹凸よりも細かい、
   請求項１のプレート式熱交換器。
6. 前記インナーフィンはそれぞれ、幅方向に渡ってほぼ直角で構成される前記凹凸が繰り返されている構造を含み、
   前記第１流路を流れる第１流体の圧力は、前記第２流路を流れる第２流体の圧力より高い、
   請求項５のプレート式熱交換器。
7. 前記漏洩防止プレートはそれぞれ、前記第１流体と前記第２流体とが隣り合わせになる領域だけをカバーするように構成されている、
   請求項２または３のプレート式熱交換器。
8. 前記漏洩防止プレートはそれぞれ、クラッド材で形成されている、
   請求項２、３および７の何れか一項のプレート式熱交換器。
9. 前記伝熱プレートと前記漏洩防止プレートとの板厚は相互に異なっている、
   請求項２、３、７および８の何れか一項のプレート式熱交換器。
10. 凝縮器及び蒸発器の両者又は何れか一方に、請求項１〜９の何れか一項のプレート式熱交換器を備えた冷凍サイクル装置。

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