JP6529709B1 - プレート式熱交換器、ヒートポンプ装置およびヒートポンプ式冷暖房給湯システム - Google Patents

プレート式熱交換器、ヒートポンプ装置およびヒートポンプ式冷暖房給湯システム Download PDF

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Abstract

プレート式熱交換器は、複数積層された伝熱プレート間のそれぞれの空間によって流路が形成され、流路にインナーフィンが配置された構成を有する。流路における流体の流れ方向を第１方向、第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、インナーフィンの第２方向の両端部と、伝熱プレートの第２方向の両端部との間の隙間に流体が流入することを妨げる第１凸部が伝熱プレートの流入側に設けられている。伝熱プレートの流出側には、インナーフィンを伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、第１凸部と第２凸部との間にインナーフィンが配置される。

Description

本発明は、インナーフィンを備えたプレート式熱交換器、ヒートポンプ装置およびヒートポンプ式冷暖房給湯システムに関するものである。
従来、複数の伝熱プレートがインナーフィンを介して積層され、伝熱プレートと伝熱プレートとの間に形成された各流路に交互に異なる流体を流し、伝熱プレートを介して熱交換する積層型のプレート式熱交換器がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１においてプレート式熱交換器は、全体として直方体状に構成され、インナーフィンの短手方向の両端部には、伝熱プレートの両端部から立設した壁面との間に隙間を有している。このように隙間があると、流体がインナーフィンを流れず隙間に優先的に流れる不都合が生じる。そこで、特許文献１では、隙間に流体が流れてしまうのを抑制するため、隙間に壁面を設けている。
特開２０１５−２０３５０８号公報
特許文献１では、壁面を設けることによって、流体が隙間に優先的に流れてしまうことを抑制できる。これにより、流路における熱交換性を向上できる。
ところで、プレート式熱交換器においては、製造時の組立に際し、伝熱プレートに対するインナーフィンの位置決めを行う構造が求められているが、特許文献１ではインナーフィンの位置決めを行う構成が不明であった。
本発明は、このような点を鑑みなされたもので、流体の面内分配性能を改善しつつ、インナーフィンの位置決めを行うことが可能なプレート式熱交換器、ヒートポンプ装置およびヒートポンプ式冷暖房給湯システムを提供することを目的としている。
本発明に係るプレート式熱交換器は、複数積層された伝熱プレート間のそれぞれの空間によって流路が形成され、流路にインナーフィンが配置されたプレート式熱交換器であって、流路における流体の流れ方向を第１方向、第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、インナーフィンの第２方向の両端部と、伝熱プレートの第２方向の両端部との間の隙間に流体が流入することを妨げる第１凸部が伝熱プレートの流入側に設けられ、伝熱プレートの流出側には、インナーフィンを伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、第１凸部と第２凸部との間にインナーフィンが配置され、インナーフィンは、伝熱プレートに垂直な方向の縦壁と伝熱プレートに平行な方向の横壁とが第２方向に交互に連結されて波形に形成された波形部を有するオフセットフィンで構成され、第１凸部の第２方向の幅は、インナーフィンの隣接する２つの縦壁間の距離の２倍以上、５倍以内であるものである。
本発明によれば、インナーフィンの第２方向の両端部と、伝熱プレートの第２方向の両端部との間の隙間に流体が流入することを妨げる第１凸部が伝熱プレートの流入側に設けられているので、流路における流体の面内分配性能を改善できる。また、伝熱プレートの流出側には、インナーフィンを伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、第１凸部と第２凸部との間にインナーフィンが配置されるため、インナーフィンの位置決めを行える。
本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の分解側面斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第１伝熱プレートの正面図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第２伝熱プレートの正面図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面における端面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 図４のＣ−Ｃ断面における端面図である。 本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。 図９のＢ−Ｂ断面における端面図である。 図９のＣ−Ｃ断面における端面図である。 図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＡ−Ａ断面図である。 図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＢ−Ｂ断面における端面図である。 図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＣ−Ｃ断面における端面図である。 本発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。 図１５の第１伝熱プレートの正面図である。 図１５のＡ−Ａ断面図である。 図１５のＢ−Ｂ断面における端面図である。 図１５のＣ−Ｃ断面における端面図である。 本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの一部正面斜視図である。 図２０のＤ−Ｄ断面図である。 比較例として第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けた場合のインナーフィンにおける流体の流速分布を示す図である。 比較例として第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けた場合のインナーフィンへの流入時の速度分布図である。 本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器における第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けない場合のインナーフィンへの流入時の速度分布図である。 凹凸構造に加えて第１凸部を有する構成における、インナーフィンへの流入時の速度分布図である。 本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ式冷暖房給湯システムの構成を示す概略図である。
以下、発明の実施の形態に係るプレート式熱交換器について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
また、以下の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、「後」等）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本願発明を限定するものではない。また、本実施の形態１では、プレート式熱交換器１００を正面視、つまりプレート式熱交換器１００を伝熱プレートの積層方向に見た状態において、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、「後」を使用する。また、「凹」と「凸」は、前方側に「凸」とし、後方側に凸の部分を「凹」とする。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の分解側面斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第１伝熱プレートの正面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の第２伝熱プレートの正面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。図４は斜視図であるものの実質的には正面図に近い図となっている。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図６は、図４のＢ−Ｂ断面における端面図である。図７は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図８は、図４のＣ−Ｃ断面における端面図である。
本実施の形態１のプレート式熱交換器１００は、図１に示すように、第１伝熱プレート１と第２伝熱プレート２とが交互に積層された構成を有し、隣接する伝熱プレート間の空間によって流路が形成されている。積層方向に並ぶ流路は、第１流体が流れる第１流路６と、第２流体が流れる第２流路７との交互になっている。そして、第１流路６にはインナーフィン４が配置され、第２流路７にはインナーフィン５が配置されている。このように、手前から順に、インナーフィン４、第１伝熱プレート１、インナーフィン５および第２伝熱プレート２が積層されて伝熱セット２００が構成されている。第１伝熱プレート１、第２伝熱プレート２、インナーフィン４およびインナーフィン５はそれぞれ長板状に構成されている。
プレート式熱交換器１００は、伝熱セット２００が複数積層されて構成されており、第１流路６を流れる第１流体と第２流路７を流れる第２流体との間で熱交換を行う。積層された伝熱セット２００同士の接触部分は、ロウ等により接合され、プレート式熱交換器１００は、全体として直方体状に構成されている。
第１流体は、例えば水またはブライン液などである。第２流体は、例えば冷媒のＲ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ２９０、ＨＦＯｍｉｘまたはＣＯ２などである。図１において実線矢印が第１流体、点線矢印が第２流体を示している。また、図１において流体の流れ方式は、第１流体と第２流体とが互いに逆方向に流れる向流形を示しているが、本発明はこの流れ方式に限定するものではない。流体の流れ方式は、第１流体と第２流体とが同一方向に流れる並流形としてもよい。
第１流体側の運転圧力は、第１流体を流すポンプの圧力であり、常々に低圧で運転されている。また、第２流体側の運転圧力は、第２流体の飽和圧力であり、常々に高圧で運転されている。
また、伝熱セット２００の積層方向の最外面には、第１補強用サイドプレート３および第２補強用サイドプレート８が配置されている。図１において最前面に積層されている板が第１補強用サイドプレート３であり、最後面に積層されている板が第２補強用サイドプレート８である。
また、第１補強用サイドプレート３および第２補強用サイドプレート８は、図１に示すように長板状に構成されており、四隅の角がＲ状に形成されている。第１補強用サイドプレート３の四隅には流体の流入口または流出口となる円形状の孔が形成されている。そして、各孔の周縁には円筒形状の流入管または流出管が設けられている。詳しくは、第１補強用サイドプレート３の右下には第１流体が流入する第１流入管９、第１補強用サイドプレート３の左下には第１流体が流出する第１流出管１０が設けられる。また、第１補強用サイドプレート３の左上には第２流体が流入する第２流入管１１が設けられ、第１補強用サイドプレート３の右上には第２流体が流出する第２流出管１２が設けられている。
なお、図１では、サイドプレートの肉厚が全面的に均一である構成を示しているが、均一の構成に限定するものではない。例えば、流入管および流出管付近のサイドプレートの肉厚は、それ以外の部分の肉厚より厚くする等としてもよい。
また、図１では、流入管および流出管が同一寸法を示しているが、これに限定されず、同一寸法でなくてもよい。
第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２には、第１流入管９、第１流出管１０、第２流入管１１および第２流出管１２のそれぞれに対向して孔が形成されている。具体的には、第１伝熱プレート１には、図２に示すように右下に第１流体が流入する第１流入孔１３が設けられ、左下に第１流体が流出する第１流出孔１４が設けられる。第１伝熱プレート１の左上には第２流体が流入する第２流入孔１５が設けられ、右上には第２流体が流出する第２流出孔１６が設けられる。そして、第１伝熱プレート１において、第２流入孔１５および第２流出孔１６の周囲には円筒状の周壁Ｗが設けられており、第２流入孔１５および第２流出孔１６が第１流路６に連通しない構成となっている。これにより、第２流入孔１５および第２流出孔１６から第１流路６への第２流体の流入が阻止される。
また、第２伝熱プレート２には、図３に示すように右下には第１流体が流入する第１流入孔１７が設けられ、左下には第１流体が流出する第１流出孔１８が設けられる。第２伝熱プレート２の左上には第２流体が流入する第２流入孔１９が設けられ、右上には第２流体が流出する第２流出孔２０が設けられる。そして、第２伝熱プレート２において、第１流入孔１７および第１流出孔１８の周囲には円筒状の周壁Ｗが設けられており、第１流入孔１７および第１流出孔１８が第２流路７に連通しない構成となっている。これにより、第１流入孔１７および第１流出孔１８から第２流路７への第１流体の流入が阻止される。
なお、以下において、第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２を区別する必要がないときは、総称して「伝熱プレート」という。また、第１補強用サイドプレート３および第２補強用サイドプレート８を区別する必要がないときは、総称して「サイドプレート」という。また、第１流路６と第２流路７とを区別する必要がないときは、総称して「流路」という。
また、以下では、流体の流れ方向、つまり図１の左右方向を第１方向、第１方向に直交する方向、つまり図１の上下方向を第２方向という。
伝熱プレートは、図５に示すように平坦部３０と平坦部３０の第２方向の両端から外方に延びる外壁部３１とを有しており、積層方向に隣接する伝熱プレートの外壁部３１同士は接触している。そして、隣接する平坦部３０同士の間のそれぞれには空間が形成され、この空間が第１流路６または第２流路７となっている。なお、図５において第１伝熱プレート１の上側が第１流路６であり、第１伝熱プレート１と第２伝熱プレート２との間が第２流路７である。また、図２および図３に示すように、伝熱プレートにおいて第１方向の両端部にはヘッダ部２４が設けられている。
伝熱プレートは、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミ、銅およびそれら合金などの材質が用いられるが、以下では、ステンレス鋼を用いる場合で説明する。
インナーフィン４は、第１流路６の流路高さと同じ高さｌ１（図５参照）を有し、第１伝熱プレート１の平坦部３０および第２伝熱プレート２の平坦部３０に接触している。接触部分は、ロウ等により接合してもよいし、接合しなくてもよい。また、インナーフィン５は、第２流路７の流路高さと同じ高さｌ２（図５参照）を有し、第１伝熱プレート１の平坦部３０および第２伝熱プレート２の平坦部３０に接触している。なお、ここでは、インナーフィン４の高さｌ１をインナーフィン５の高さｌ２よりも高くしているが、それらの高さは同じであってもよいし、逆の関係としてもよい。
インナーフィンには、ここではオフセットフィンを用いている。オフセットフィンは、伝熱プレートに垂直な方向の縦壁３２と伝熱プレートに平行な方向の横壁３３とが第２方向に交互に連結されて波形に形成された波形部が、半波ずつずれて第１方向に並んで千鳥状に形成された構成を有する。なお、インナーフィンは、オフセットフィンに限定するものではなく、平板フィン型、波状フィン型、ルーバ型、コルゲートフィン型およびピンフィン型のいずれか一つ、または複数を組み合わせてもよい。
インナーフィン４の第２方向の両端部と、第１伝熱プレート１の第２方向の両端部、具体的には外壁部３１との間には、プレート式熱交換器を自動組立で製造する都合上、隙間２１が形成される。第１伝熱プレート１の第１流入孔１３から第１流路６内に流入した第１流体は、インナーフィン４に流入する場合に比べて抵抗の少ない隙間２１に流れ込み易い。このため、第１流体が第１流路６内に均一に流れず、隙間２１に優先的に流れてしまい、熱交換性能が低下する。
そこで、第１伝熱プレート１において隙間２１の上流側に第１凸部２２を設けている。第１凸部２２は、具体的にはインナーフィン４の流体流入側の端辺より上流側であって且つ第１伝熱プレート１の第２方向の両端部に設けられている。第１凸部２２は、第１伝熱プレート１の平坦部３０から第１流路６に向けて突出した凸部で構成されており、プレス加工によって形成されている。第１凸部２２により、隙間２１に第１流体が流入することを妨げる。
また、第１伝熱プレート１において、インナーフィン４の流体流出側の端辺より下流側には第２凸部２３が設けられている。言い換えれば、第１凸部２２から第１伝熱プレート１の第１方向の長さ分を確保した位置に第２凸部２３が設けられている。第２凸部２３は、第１伝熱プレート１の平坦部３０から第１流路６に向けて突出した凸部で構成されており、プレス加工によって形成されている。第２凸部２３は、図２に示すように第１伝熱プレート１の第２方向の中心部からずれた位置でもよいし、中心部でもよいし、第２方向の位置は特に限定するものはない。このように第１凸部２２に加えて第２凸部２３を第１伝熱プレート１に設けたことで、インナーフィン４の第１方向の両端の位置が定まり、インナーフィン４を第１伝熱プレート１に配置する際の第１方向の位置決めを行える。第１凸部２２および第２凸部２３は、ここでは円状に形成されているが、円状に限られたものではなく、三角形状、四角形状、楕円形状、等のいずれか一つ、または複数を組み合わせた形状としてもよい。
また、インナーフィン５の第２方向の両端部と、第２伝熱プレート２の第２方向の両端部、具体的には外壁部３１との間にも同様に、プレート式熱交換器の自動組立に伴い、隙間２５（図５参照）が形成されている。第２伝熱プレート２の第２流入孔１９から第２流路７内に流入した第２流体は、インナーフィン５に流入する場合に比べて抵抗の少ない隙間２５を流れ込み易い。このため、第２流体が第２流路７内に均一に流れず、隙間２１に優先的に流れてしまい、熱交換性能が低下する。
そこで、第２伝熱プレート２において隙間２５の上流側に第１凸部２６を設けている。具体的には第１凸部２６は、インナーフィン５の流体流入側の端辺より上流側であって且つ第２伝熱プレート２の第２方向の両端部に設けられている。第１凸部２６は、第２伝熱プレート２の平坦部３０から第２流路７に向けて突出した凸部で構成されており、プレス加工によって形成されている。第１凸部２６により、隙間２５に第２流体が流入することを妨げる。
また、第２伝熱プレート２において、インナーフィン５の流体流出側の端辺より下流側には第２凸部２７が設けられている。言い換えれば、第１凸部２６から第２伝熱プレート２の第１方向の長さ分を確保した位置に第２凸部２７が設けられている。第２凸部２７は、第２伝熱プレート２の平坦部３０から第２流路７に向けて突出した凸部で構成されており、プレス加工によって形成されている。第２凸部２７は、図３に示すように第２伝熱プレート２の第２方向の中心部からずれた位置でもよいし、中心部でもよいし、第２方向の位置は特に限定するものはない。このように第１凸部２２に加えて第２凸部２７を第２伝熱プレート２に設けることで、インナーフィン５の第１方向の両端の位置が定まり、インナーフィン５を第２伝熱プレート２に配置する際の第１方向の位置決めを行える。第１凸部２６および第２凸部２７は、ここでは円状に形成されているが、円状に限られたものではなく、三角形状、四角形状、楕円形状、等のいずれか一つ、または複数を組み合わせた形状としてもよい。
ここで、インナーフィン４は、図５に示すように微細な周期で凹凸の形状を有する。インナーフィン４において第２方向に隣接する二つ縦壁３２同士の間隔は、第２方向全体に渡って同じとなっている。そして、インナーフィン４の第１方向の端部が確実に第１凸部２２に接してインナーフィン４の位置決めを行えるように、第１凸部２２の幅ψは、図７に示すように、インナーフィン４において隣接する二つ縦壁３２の間の距離χの２倍以上とすることが望ましい。第１凸部２２の幅ψを二つ縦壁３２の間の距離χの２倍以上とするということは、言い換えれば第１凸部２２の幅ψが、インナーフィン４の凹凸の一周期以上になる、ということである。
インナーフィン４は、伝熱プレートの平坦部３０の第２方向の幅を最大限に生かすように設計されている。よって、インナーフィン４の第２方向の幅と平坦部３０の第２方向の幅との差は、インナーフィン４の凹凸の一周期よりは短い。よって、第１凸部２２の幅ψを、二つ縦壁３２の間の距離χの２倍以上とすることで、インナーフィン４の第１方向の端部が確実に第１凸部２２に接してインナーフィン４の位置決めを行える。
ここで、第１凸部２２の幅ψを大きくする程、インナーフィン４の位置決めは容易となるが、インナーフィン４に流体が流入しにくい部分ができる。たとえば、インナーフィン４として、単純な波板状の板、つまり流体の流れ方向が一方向に限定される構造のフィンを用いると、流入不足の波状部ができるおそれがある。しかし、オフセットフィンのように、流体の流れ方向が、主流の方向（図２の矢印方向）に加えて、主流に交差する方向の流れも適度に生じる構造のフィンを用いると、そのような問題を防ぐことができる。
また、インナーフィン４にオフセットフィンを用いた場合でも、第１凸部２２の幅ψが大きすぎる場合は、インナーフィン４への第１流体の流入不足の領域が大きくなる可能性がある。そこで第１凸部２２の幅ψは、インナーフィン４において隣接する二つ縦壁３２の間の距離χの５倍以下であることが望ましい。これにより、インナーフィン４への第１流体の流入不足の領域を小さくできる。ここで、第１凸部２２の幅ψをインナーフィンにおいて隣接する二つ縦壁３２の間の距離χの５倍以下としたのは、以下の理由による。第１凸部２２の幅ψはχの５倍超になると、フィン部の流れに影響を及ぼすため、５倍以下とした。
なお、ここでは、第１凸部２２について説明したが、第２伝熱プレート２に形成される第１凸部２６においても同様に、第１凸部２６の幅ψは、インナーフィン５において隣接する二つ縦壁３２の間の距離χの２倍以上、５倍以下とする。また、ここでは第１凸部２２および第１凸部２６について説明したが、第２凸部２３および第２凸部２７についても同様に、それぞれの幅ψは、インナーフィンにおいて隣接する二つ縦壁３２の間の距離χの２倍以上、５倍以下とすることが好ましい。
また、第１凸部２２の高さｈは、図７ではインナーフィン４の高さｌより小さく（ｈ＜ｌ１）しているが、最大でインナーフィン４の高さｌと同じ（ｈ＝ｌ１）としてもよい。第１凸部２２の高さｈをインナーフィン４の高さｌ１と同じとした場合、高さｌ１より小さくする場合と比べて隙間２１における第１流体の流れを更に抑制することができる。また、第１凸部２２の高さｈが、インナーフィン４の高さｌ１より小さい（ｈ＜ｌ１）場合、第１凸部２２は第２伝熱プレート２と接触しないが、第１凸部２２の高さｈがインナーフィン４の高さと同じ（ｈ＝ｌ１）場合、第１凸部２２は第２伝熱プレート２に接触する。この接触部分はロウ等により接合してもよいし、接合しなくてもよい。
第２流路７には、高圧の第２流体が通過するため、構造強度の向上を図ることが望ましい。このため、第１凸部２６の高さを、インナーフィン５の高さｌ２と同じとし、第１凸部２６の端面を第１伝熱プレート１に接触させて接触部分をロウ等により接合した構成とすることが望ましい。
第１凸部２２の位置は、インナーフィン４の流体流入側の端辺より上流側であって且つ第１伝熱プレート１の第２方向の両端部としたが、以下、更に具体的な位置について説明する。「第１伝熱プレート１の第２方向の両端部」の具体的な範囲について図４を参照して説明する。各第１凸部２２は、インナーフィン４の第１方向の両端辺のうち流入側の端辺である第１線αと、平坦部３０の第２方向の両端辺である２つの第２線βと、図４において点線で示した２つの円弧２８とで囲まれた領域内に設けられている。円弧２８は、第１線αと第２線βとの交点Ｏを中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、第１流路６の流路高さｌ１の３倍である。第１凸部２２の位置を上記の位置とすることで、隙間２１に第１流体が流入することを抑制する効果を高めることができる。
ここで、インナーフィン４と外壁部３１との間の隙間２１は約１ｍｍである。インナーフィン４の高さｌ１は約０．５ｍｍ〜２．５ｍｍである。インナーフィン４の高さｌ１の「３倍」の範囲は１．５ｍｍ〜７．５ｍｍである。インナーフィン４の隣接する二つ縦壁３２の間の距離は約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍである。第１凸部２２の幅ψは、インナーフィン４の隣接する二つ縦壁３２の間の距離の２倍以上、５倍以下であることが望ましいため、約１．０ｍｍ〜７．５ｍｍである。よって、インナーフィン４と外壁部３１との隙間２１を極力少なくし、隙間２１に流入する第１流体の流量を抑制する効果を高めるため、半径Ｒを、第１流路６の流路高さｌ１の３倍とした。
ここでは、第１凸部２２の位置について、「第１伝熱プレート１の第２方向の両端部」の具体的な範囲について説明したが、第２伝熱プレート２の第１凸部２６の位置についても同様である。つまり、各第１凸部２６は、インナーフィン５の第１方向の両端辺のうち流入側の端辺である第１線と、平坦部３０の第２方向の両端辺である２つの第２線と、２つの円弧とで囲まれた領域内に設けられている。円弧は、第１線と第２線との交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、第２流路７の流路高さｌ２の３倍である。
次に、以上のように構成されたプレート式熱交換器１００における流体の流れおよび第１凸部２２および第１凸部２６の作用について説明する。
外部から第１流入管９に流入した第１流体は、第１伝熱プレート１の第１流入孔１３を介して第１流路６へ流入する。第１流路６に流入した第１流体は、第１伝熱プレート１の外壁部３１に向けて徐々に広がりながら、図２の実線矢印に示すようにインナーフィン４を右から左に向けて流れ、第１伝熱プレート１の第１流出孔１４を介して第１流出管１０から流出する。
また、外部から第２流入管１１に流入した第２流体は、第２伝熱プレート２の第２流入孔１９を介して第２流路７へ流入する。第２流路７に流入した第２流体は、第２伝熱プレート２の外壁部３１に向けて広がりながら、図３の点線矢印に示すようにインナーフィン５を左から右に向けて流れ、第２伝熱プレート２の第２流出孔２０を介して第２流出管１２から流出する。
このように、第１流路６に第１流体が流れるとともに第２流路７に第２流体が流れることで第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２を介して、第１流体と第２流体との熱交換が行われる。
ここで、第１流路６には第１凸部２２が設けられているため、第１流路６の第１流体が隙間２１に流入することが妨げられる。これにより、第１流路６内における第１流体の偏りを改善でき、図２の上下両側への分配性能を向上できる。
また、第２流路７においても同様に、第２流路７には第１凸部２６が設けられているため、第２流路７を流れる第２流体が隙間２５に流入することが妨げられる。これにより、第２流路７内における第２流体の偏りを改善でき、図３の上下両側への分配性能を向上できる。
このように、第１流路６および第２流路７のそれぞれにおいて、第１凸部２２および第１凸部２６を設けることで、これらを設けない場合に比べて流体の偏りを改善できる。よって、結果的にプレート式熱交換器１００の性能を向上することができる。
以上説明したように、本実施の形態１によれば、第１伝熱プレート１の流入側に第１凸部２２が設けられているので、隙間２１に第１流体が優先的に流れることを抑制でき、第１流路６における第１流体の面内分配性能を改善できる。また、第１伝熱プレート１の流出側に、インナーフィン４を第１流路６に配置する際の位置決めを行う第２凸部２３が設けられているので、第１凸部２２と第２凸部２３とでインナーフィン４の位置を決めることができる。第１凸部２２および第２凸部２３はプレス加工によって形成されているため、これらの効果を附加部品を追加することなく実現できる。よって、プレート式熱交換器の高性能化と低コスト化を図ることができる。
また、第２伝熱プレート２についても同様に、第１凸部２６および第２凸部２７を設けたことで、附加部品を追加せずに第２流体の面内分配性能を改善しつつ、インナーフィン５の位置も決めることができる。
また、第２凸部２７において第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２と接触する部分を接合したので、強度向上を図ることができる。
以上によって、第１流路６または第２流路７において、インナーフィン４またはインナーフィン５の位置決めは第１凸部と第２凸部により実現できる。このため、強度を向上するための他の凹凸構造とインナーフィンとの距離を離すことができ、分配性と強度性とを両立する凹凸構造分布の設計が可能となる。結果的に、プレート式熱交換器１００の高性能化を実現することができる。
インナーフィンは、伝熱プレートに垂直な方向の縦壁３２と伝熱プレートに平行な方向の横壁３３とが第２方向に交互に連結されて波形に形成された波形部を有するオフセットフィンで構成されている。第１凸部の第２方向の幅は、インナーフィンの隣接する２つの縦壁３２間の距離の２倍以上である。これにより、インナーフィンの第１方向の端部が確実に第１凸部に接してインナーフィンの位置決めを行える。また、第１凸部の第２方向の幅は、インナーフィンの隣接する２つの縦壁３２間の距離の５倍以下である。これにより、インナーフィンへの流体の流入不足の領域を小さくできる。
また、第２凸部の幅についても、インナーフィンの隣接する２つの縦壁３２間の距離の２倍以上、５倍以下にできる。
第１凸部および第２凸部は、流路を形成する２つの伝熱プレートの一方から流路に向けて突出して設けることができる。そして、第１凸部および第２凸部を、流路を形成する２つの伝熱プレートの他方に接合した構成とすることで、強度を向上できる。
伝熱プレートの流入側に設けられる第１凸部と、流出側に設けられる第２凸部とは、第１流路および第２流路の両方に設けられているので、第１流路および第２流路の両方において、面内分配性能を改善できる。
第１流路６の第１凸部２２と第２流路７の第２凸部２７とは形状が同じであり、積層方向に対して垂直な断面において第２方向の位置が重なって接触している。また、第１流路６の第２凸部２３と第２流路７の第１凸部２６とは形状が同じであり、積層方向に対して垂直な断面において第２方向の位置が重なって接触している。これにより、プレート式熱交換器１００の強度を向上できる。
第１凸部は、伝熱プレートの平坦部３０の第２方向の両端部であって、インナーフィンの第１方向の両端辺のうち流入側の端辺である第１線と、平坦部の第２方向の両端辺である２つの第２線と、平坦部の第２方向の両端部の２つの円弧とで囲まれた領域内に設けられている。２つの円弧は、第１線と２つの第２線とのそれぞれとの交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、流路の流路高さの３倍である。これにより、隙間に流体が流入することを抑制する効果を高めることができる。
第２凸部は、平坦部の第２方向の両端部であって、インナーフィンの第１方向の両端辺のうち流出側の端辺である第３線と、２つの第２線と、平坦部の第２方向の両端部の２つの円弧とで囲まれた領域内に設けられている。２つの円弧は、第３線と２つの第２線とのそれぞれとの交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、流路の流路高さの３倍である。これにより、隙間に流体が流入することを抑制する効果を高めることができる。
実施の形態２．
実施の形態１では、第２凸部２３および第２凸部２７が１箇所に形成されていたが、実施の形態２では２箇所に形成されているものである。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる点を中心に説明するものとし、本実施の形態２で説明されていない構成は実施の形態１と同様である。
図９は、本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。図１０は、図９のＢ−Ｂ断面における端面図である。図１１は、図９のＣ−Ｃ断面における端面図である。
実施の形態２は、第２凸部２３および第２凸部２７の個数および配置位置が実施の形態１と異なり、それ以外の構成は同じである。
実施の形態２の伝熱セット２００の第１伝熱プレート１において、第２凸部２３は図９および図１１に示すように、第１凸部２２からインナーフィン４の第１方向の長さ分確保した位置であって、第１伝熱プレート１の第２方向の両端部に設けている。また、第２伝熱プレート２において、第２凸部２７は、第１凸部２６からインナーフィン４の第１方向の長さ分確保した位置であって、図１０に示すように、第２伝熱プレート２の第２方向の両端部に設けている。
本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、以下の効果が得られる。すなわち、第２凸部２３および第２凸部２７のそれぞれが、実施の形態１では１つであったが、実施の形態２では伝熱プレートの第２方向の両端部に２つ設けた。第２凸部２３および第２凸部２７は、第１流路６および第２流路７のそれぞれの流出側に位置している。よって、第１流路６および第２流路７のそれぞれにおいて、図９において左右方向に延びる隙間２１および隙間２５のそれぞれの流出側が第２凸部２３および第２凸部２７で塞がれる。
この構成により、いわば隙間２１および隙間２５のそれぞれの流入側のみを塞ぐ実施の形態１の構成よりも、第１流体および第２流体が隙間２１および隙間２５を流れることを、より防止できる。その結果、実施の形態２は、実施の形態１に比べて、より面内分配性能を改善できる。したがって、プレート式熱交換器１００の高性能化を実現することができる。
第２凸部２３および第２凸部２７の位置に関し、「第１伝熱プレート１の第２方向の両端部」および「第２伝熱プレート２の第２方向の両端部」としたが、この位置の具体的な範囲は実施の形態１で述べた第１凸部２２および第１凸部２６の範囲と基本的に同じである。つまり、各第２凸部２３は、インナーフィン４の第１方向の両端辺のうち流出側の端辺である第３線γと２つの第２線βと円弧２８とによって囲まれた領域内に設けられている。円弧２８は、第３線γと第２線βとの交点Ｏを中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、第１流路６の流路高さｌ１の３倍である。また、各第２凸部２７は、インナーフィン５の第１方向の両端辺のうち流出側の端辺である第３線と２つの第２線βと円弧とによって囲まれた領域内に設けられている。円弧は第３線と第２線βとの交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、半径Ｒは、第２流路７の流路高さｌ２の３倍である。
図１２は、図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＡ−Ａ断面図である。図１３は、図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＢ−Ｂ断面における端面図である。図１４は、図９のプレート式熱交換器において変形例の伝熱プレートを用いた場合のＣ−Ｃ断面における端面図である。
図１２〜図１３に示す変形例の第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２のそれぞれは、２枚のプレートを部分接合した構成を有する。具体的には、第１伝熱プレート１は、プレート１ａとプレート１ｂとを部分接合した構成を有する。第２伝熱プレート２は、プレート２ａとプレート２ｂとを部分接合した構成を有する。図１２〜図１４において、プレート間の黒塗り部分２９は接合部分である。
このように、伝熱プレートが２枚のプレートを部分接合した構成を有することにより、２枚のプレートの間に、外気に連通する微流路が形成される。このため、隣接する２種類の流体の流路を仕切る伝熱プレートに欠陥が発生して流路内に流体が漏洩しても、漏洩流体を外部に確実に排出して両流路間での２種類の流体の混合（室内に漏洩）を回避することができる。したがって、流路を流れる流体として可燃性冷媒を用いることができる。
なお、図１２〜図１４に示した変形例の伝熱プレートは、実施の形態２のみに限らず、実施の形態１および後述の実施の形態３にも適用できる。
実施の形態３．
以下、実施の形態３が実施の形態２と異なる点を中心に説明するものとし、本実施の形態３で説明されていない構成は実施の形態２と同様である。
図１５は、本発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの正面斜視図である。図１５は斜視図であるものの実質的には正面図に近い図となっている。図１６は、図１５の第１伝熱プレートの正面図である。図１７は、図１５のＡ−Ａ断面図である。図１８は、図１５のＢ−Ｂ断面における端面図である。図１９は、図１５のＣ−Ｃ断面における端面図である。図１５は、手前側の伝熱プレートが第２伝熱プレート２、奥側の伝熱プレートが第１伝熱プレート１となっており、上記実施の形態２と逆になっていることに注意されたい。
第２伝熱プレート２には、実施の形態２と同様に流入側に円状の第１凸部２６が設けられ、流出側に円状の第２凸部２７が設けられている。第１凸部２６および第２凸部２７は、第１伝熱プレート１と接触し、接触部分はロウ等により接合している。第１凸部２６および第２凸部２７の高さは、インナーフィン５の高さと同じである。そして、実施の形態３の第２伝熱プレート２には更に、第１凸部２６の流入側を囲むように、円弧状の第１凹部４０が形成されている。また、第２凸部２７の流出側を囲むように、円弧状の第２凹部４１が形成されている。第１凹部４０および第２凹部４１は、図１８および図１９に示すように、第２伝熱プレート２から第１流路６に向けて凹んだ凹部で構成されている。第１凹部４０および第２凹部４１の高さは、インナーフィン４の高さの１／２である。
第１伝熱プレート１には、実施の形態２の円状の第１凸部２２および第２凸部２３に代えて、円弧状の第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａが形成されている。第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａは、図１８および図１９に示すように、第１伝熱プレート１から第１流路６に向けて突出した凸部で構成されている。第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａの高さは、インナーフィン４の高さの１／２であり、第２伝熱プレート２の第２凹部４１および第１凹部４０と接触し、接触部分はロウ等で接合されている。
このように、本実施の形態３に係るプレート式熱交換器１００では、第１伝熱プレート１に形成される凸部の形状と、第２伝熱プレート２に形成される凸部の形状とが、円弧状と円状とで異なっている。
以上のように第１伝熱プレート１および第２伝熱プレート２を構成することで、第１流路６においては、隙間２１の上流側に第２凹部４１と第１凸部２２ａとが接触することによる円弧状の流路遮断部が形成され、隙間２１への第１流体の流入が抑制できる。隙間２１の下流側にも同様に、第１凹部４０と第２凸部２３ａとが接触することによる円弧状の流路遮断部が形成される。つまり、隙間２１の上流と下流の両方に流路遮断部が形成され、上流側のみに流路遮断部を設ける構成よりも、第１流体が隙間２１を流れることを、より防止できる。
また、第２流路７においては、実施の形態２と同様に隙間２５の上流側に第１凸部２６、下流側に第２凸部２７が設けられているため、隙間２５に第２流体が流入することを抑制できる。
なお、本実施の形態３では、第１伝熱プレート１に円弧状の第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａが形成され、第２伝熱プレート２に円状の第１凸部２６および第２凸部と、円弧状の第１凹部４０および第２凹部４１とが形成された構成を示したが、逆でもよい。つまり、第１伝熱プレート１に円状の第１凸部２６および第２凸部２７と、円弧状の第１凹部４０および第２凹部４１とが形成され、第２伝熱プレート２に円弧状の第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａが形成された構成としてもよい。
また、本実施の形態３では、第１伝熱プレート１においては、第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａにより、第１流路６における面内分布性能の改善とインナーフィン４の位置決めとを同時に実現する。また、第２伝熱プレート２においては、第１凸部２６および第２凸部２７により、面内分布性能の改善とインナーフィン５の位置決めとを同時に実現する。
なお、第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａの形状は、円弧状に限定するものではなく、他の形状、例えば、三角形状、四角形状、楕円形状、等のいずれか一つ、または複数を組み合わせて使っても良い。
以上説明したように、本実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができるとともに、更に以下の効果が得られる。すなわち、第１伝熱プレート１と第２伝熱プレート２とが凸部と凹部の組み合わせによって平坦部３０において接合する構造としたので、強度が向上する。また、第１流路６の第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａの高さは第１流路６の高さの半分であるので、伝熱プレートの伸び率の製造上の制約により、凸部と凹部の組み合わせ部分は、もっと広い範囲に適用できる。つまり、伝熱プレートの伸び率が有るため、実施の形態３の凸部構造の第１流路６の高さは、実施の形態１の凸部構造の第１流路６の高さより２倍高くできる。したがって、実施の形態３の凸部構造の第１流路６の高さの最適化を容易に実現することができる。或いは、第１凸部２２ａおよび第２凸部２３ａの大小および第１流路６の高さの最適化をより容易に実現し、結果的に、プレート式熱交換器１００の高性能化を実現できる。
第１伝熱プレート１の第１凸部２２ａと、第２伝熱プレート２の第２凸部２７とは形状が異なり、積層方向に対して垂直な断面において第２方向の位置が異なっている。また、第１伝熱プレート１の第２凸部２３ａと、第２伝熱プレート２の第１凸部２６とは形状が異なり、積層方向に対して垂直な断面において第２方向の位置が異なっている。このように、凸部と凹部との組み合わせによって隙間へ流体の流入を抑制できる。
実施の形態４．
実施の形態４は、ヘッダ部２４に凹凸構造を設け、強度向上を図ったものである。以下、実施の形態４が実施の形態１と異なる点を中心に説明するものとし、本実施の形態４で説明されていない構成は実施の形態１と同様である。
図２０は、本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの一部正面斜視図である。図２１は、図２０のＤ−Ｄ断面図である。
第１伝熱プレート１の流入側および流出側のそれぞれのヘッダ部２４には、複数の凹部５０が分散して設けられている。また、第２伝熱プレート２の流入側および流出側のそれぞれのヘッダ部２４には、凹部５０と対向して複数の凸部５１が設けられている。凸部５１の先端面は凹部５０の底面に接触し、接触部分は接合されている。このように、ヘッダ部２４には凹凸構造５２が形成されてヘッダ部２４の強度向上が図られている。凹部５０および凸部５１は円状に形成され、同じ径および高さで構成されている。
凹部５０は、インナーフィン４から流出する第１流体の流れを塞がないように、流出側のヘッダ部２４においてインナーフィン４の第３線γから距離δの間の領域には設けないようにしている。流入側においても同様に、流入側のヘッダ部２４においてインナーフィン４の第１線αから距離δの間の領域には凹部５０を設けないようにしている。
凸部５１も同様に、図示省略するが、インナーフィン５から流出する第２流体の流れを塞がないように、流出側のヘッダ部２４においてインナーフィン５の第３線γから距離δの間の領域には設けないようにしている。流入側においても同様に、流入側のヘッダ部２４においてインナーフィン５の第１線αから距離δの間の領域には凹部５０を設けないようにしている。
ここで、距離δは、凹部５０および凸部５１の接合部分を、その接合部分の中心を通るように第１方向に対して垂直な面で切断した断面形状Ｅの等価直径の１倍以上であることが望ましい。
つまり、δ≧２ｗｌ／（ｗ＋ｌ）
ここで、
ｗ：凹部５０および凸部５１の直径
ｌ：凹部５０および凸部５１の接合部分の高さ
第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造５２を設けない構成としたことにより、第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造５２を設けた構成と比較してインナーフィンへの流体の速度分布の均一化が図れる。この点を実証した試験の結果を以下に示す。ここでは、第２流路７における試験結果を示す。
図２２は、比較例として第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けた場合のインナーフィンにおける流体の流速分布を示す図である。図２２は、次の図２３のＦ−Ｆ断面における速度分布に相当する。図２２において横軸はインナーフィンの第２方向を示し、縦軸は流速を示している。図２３は、比較例として第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けた場合のインナーフィンへの流入時の速度分布図である。図２３において矢印の長さが長い程、流速が速いことを示している。図２４は、本発明の実施の形態４に係るプレート式熱交換器における第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造を設けない場合のインナーフィンへの流入時の速度分布図である。図２３および図２４において、横軸Ｘはインナーフィンの第２方向を示し、縦軸Ｙはインナーフィンの第１方向を示し、矢印は流速の大きさを示している。
比較例の図２２および図２３と、本実施の形態４の図２４とを比較して明らかなように、本実施の形態４では、第１線αから距離δの間の領域に凹凸構造５２を設けない構成としたことで、インナーフィン５の第２方向に渡って流速が均一化されている。
図２２〜図２４は、凹凸構造５２を、第１線αから距離δの間の領域に設けた場合と設けない場合との比較を行うための図であって、第２流路７の両端部の隙間２５への第２流体の流入を抑制するための第１凸部２６は設けられていない。このため、インナーフィン５の第２方向の両端部において流速が大となっている。次の図２５に、第１凸部２６を設けた場合の流速分布を示す。
図２５は、凹凸構造に加えて第１凸部を有する構成における、インナーフィンへの流入時の速度分布図である。図２５において、横軸Ｘはインナーフィンの第２方向を示し、縦軸Ｙはインナーフィンの第１方向を示し、矢印は流速の大きさを示している。なお、図２５は、第１凸部の効果を説明するための図であるため、凹凸構造５２は、第１線αから距離δの間の領域に設けている場合を示している。
図２５に示すように、第１凸部２６を設けたことによって、第２流路７の両端部の隙間における流体の流速が図２４に比べて小さくなっている。
ここでは、第２流路７における流体の流速分布について説明したが、第１流路６においても同様の傾向となる。
以上説明したように、本実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に第１凸部を設けたことによる効果が得られるとともに、ヘッダ部２４に凹凸構造５２を設けたので、ヘッダ部２４の強度向上を図ることができる。
ヘッダ部２４に凹凸構造５２を設けるにあたり、インナーフィンに近接して設けると、インナーフィンへ流入する流体の流速の不均一化が生じる。しかし、本実施の形態４では、凹凸構造５２を、少なくとも第１線αおよび第３線γのそれぞれから距離δの間の領域には設けない構成としている。これにより、ヘッダ部２４に凹凸構造５２を設けることによる面内分配性能低下の問題を改善でき、流体の流速をインナーフィンの第２方向に渡って均一化することができる。
上記各実施の形態１〜実施の形態４においてそれぞれ別の実施の形態として説明したが、各実施の形態の特徴的な構成を適宜組み合わせてプレート式熱交換器１００を構成してもよい。たとえば、実施の形態１と実施の形態３とを組み合わせ、実施の形態３における第１凸部２６および第２凸部２７のそれぞれの幅を、インナーフィンの隣接する２つの縦壁間の距離の２倍以上、５倍以内としてもよい。また、実施の形態３と実施の形態４とを組み合わせ、図１５に示した実施の形態３の伝熱セット２００のヘッダ部２４に実施の形態４の凹凸構造５２を設けた構成としてもよい。各実施の形態１〜４のそれぞれにおいて、同様の構成部分について適用される変形例はその変形例を説明した実施の形態以外の他の実施の形態においても同様に適用される。
実施の形態５．
本実施の形態５では、実施の形態１〜４で説明したプレート式熱交換器１００を搭載したヒートポンプ装置について説明する。ここでは、ヒートポンプ装置の利用形態の一例としてヒートポンプ式冷暖房給湯システムについて説明する。
図２６は、本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ式冷暖房給湯システムの構成を示す概略図である。
ヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００は、冷媒回路６０を備えたヒートポンプ装置６５と、熱媒体回路７０とを有する。冷媒回路６０は、圧縮機６１、熱交換器６２、膨張弁またはキャピラリーチューブ等で構成された減圧装置６３および熱交換器６４が順次配管で接続されて構成されている。熱媒体回路７０は、熱交換器６２、冷暖房給湯装置７１および熱媒体を循環させるポンプ７２が順次配管で接続されて構成されている。圧縮機６１、熱交換器６２、減圧装置６３および熱交換器６４は、ヒートポンプ装置６５の筐体内に収納されている。
ここで、熱交換器６２は、以上の実施の形態１〜実施の形態４で説明したプレート式熱交換器１００であり、冷媒回路６０を流れる冷媒と熱媒体回路７０を流れる熱媒体との熱交換を行う。なお、熱媒体回路７０に用いられる熱媒体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコールあるいはこれらの混合物など、冷媒回路６０の冷媒と熱交換可能な流体であればよい。また、冷媒回路６０を流れる冷媒は特に限定するものではなく、例えば、Ｒ２２またはＲ４１０Ａ等を用いることができる。また、このヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００は、冷媒が室内側に供給されないため、冷媒として、Ｒ３２、Ｒ２９０、ＨＦＯｍｉｘ等の可燃性冷媒を用いることもできる。
熱交換器６２を構成するプレート式熱交換器１００は、第１流路６よりも伝熱性の高い第２流路７に冷媒が流れ、第１流路６に熱媒体が流れるようにヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００に組み込まれている。インナーフィン４とインナーフィン５とは、伝熱面積が同等で、インナーフィン５はインナーフィン４よりも水力直径が小さいため、第２流路７の方が第１流路６よりも伝熱性が高くなっている。
冷暖房給湯装置７１は、貯湯タンク（図示せず）または室内を空調する室内機（図示せず）の室内熱交換器等で構成されている。冷暖房給湯装置７１が貯湯タンクである場合、熱媒体は水であり、水を熱交換器６２で冷媒回路６０の冷媒と熱交換して加熱し、加熱した水が貯湯タンク（図示せず）に貯留される。また、冷暖房給湯装置７１が室内熱交換器である場合、熱媒体回路７０の熱媒体を室内熱交換器に導いて室内空気と熱交換することで、室内を冷暖房する。なお、冷暖房給湯装置７１の構成は上記の構成に特に限定するものではなく、熱媒体回路７０の熱媒体の温熱を用いて冷暖房および給湯を行える構成とされていればよい。
暖房および給湯を行う場合、熱交換器６２が凝縮器として使用され、冷房の場合、熱交換器６２は蒸発器として使用される。図２６に示す矢印は、暖房および給湯する場合の冷媒流れ方向であり、冷房の場合、冷媒の流れ方向は逆方向となる（図示せず）。
熱交換器６２を蒸発器として使用する場合、冷媒は、熱交換器６２に気液二相流の状態で第２流路７に流入する。この際、気液二相流は、第１凸部２２によって隙間２１に流入することが妨げられる。
実施の形態５によれば、実施の形態１〜実施の形態４のプレート式熱交換器１００を備えることにより、高性能化および低コスト化を図ることができる。また、熱交換効率が高いヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００を得ることができる。また、強度向上が図られて信頼性の高いヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００を得ることができる。すなわち、熱交換効率がよく、消費電力量が抑えられ、安全性が向上し、ＣＯ２排出量を低減できるヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００を実現できる。
なお、実施の形態５では、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器１００の適用例として、冷媒と水とを熱交換させるヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００について説明した。しかし、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器１００は、ヒートポンプ式冷暖房給湯システム３００に限らず、冷房用途チラー、発電装置および食品の加熱殺菌処理機器など、多くの産業機器および家庭用機器に利用可能である。
本発明の活用例として、以上の実施の形態で説明したプレート式熱交換器１００は、製造が容易で熱交換性能が向上し、省エネルギー性能を向上することが必要なヒートポンプ装置に用いることができる。
１ 伝熱プレート、１ａ プレート、１ｂ プレート、２ 第２伝熱プレート、２ａ プレート、２ｂ プレート、３ 第１補強用サイドプレート、４ インナーフィン、５ インナーフィン、６ 第１流路、７ 第２流路、８ 第２補強用サイドプレート、９ 第１流入管、１０ 第１流出管、１１ 第２流入管、１２ 第２流出管、１３ 第１流入孔、１４ 第１流出孔、１５ 第２流入孔、１６ 第２流出孔、１７ 第１流入孔、１８ 第１流出孔、１９ 第２流入孔、２０ 第２流出孔、２１ 隙間、２２ 第１凸部、２２ａ 第１凸部、２３ 第２凸部、２３ａ 第２凸部、２４ ヘッダ部、２５ 隙間、２６ 第１凸部、２７ 第２凸部、２８ 円弧、２９ 黒塗り部分、３０ 平坦部、３１ 外壁部、４０ 第１凹部、４１ 第２凹部、５０ 凹部、５１ 凸部、５２ 凹凸構造、６０ 冷媒回路、６１ 圧縮機、６２ 熱交換器、６３ 減圧装置、６４ 熱交換器、６５ ヒートポンプ装置、７０ 熱媒体回路、７１ 冷暖房給湯装置、７２ ポンプ、１００ プレート式熱交換器、２００ 伝熱セット、３００ ヒートポンプ式冷暖房給湯システム。

Claims (19)

  1. 複数積層された伝熱プレート間のそれぞれの空間によって流路が形成され、前記流路にインナーフィンが配置されたプレート式熱交換器であって、
    前記流路における流体の流れ方向を第１方向、前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、前記インナーフィンの前記第２方向の両端部と、前記伝熱プレートの前記第２方向の両端部との間の隙間に前記流体が流入することを妨げる第１凸部が前記伝熱プレートの流入側に設けられ、
    前記伝熱プレートの流出側には、前記インナーフィンを前記伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、前記第１凸部と前記第２凸部との間に前記インナーフィンが配置され、
    前記インナーフィンは、前記伝熱プレートに垂直な方向の縦壁と前記伝熱プレートに平行な方向の横壁とが前記第２方向に交互に連結されて波形に形成された波形部を有するオフセットフィンで構成され、前記第１凸部の前記第２方向の幅は、前記インナーフィンの隣接する２つの前記縦壁間の距離の２倍以上、５倍以内であるプレート式熱交換器。
  2. 前記第２凸部の前記第２方向の幅は、前記インナーフィンの隣接する２つの前記縦壁間の距離の２倍以上、５倍以内である請求項１記載のプレート式熱交換器。
  3. 前記第２凸部は、前記伝熱プレートの流出側において前記第２方向の両端部に設けられている請求項１または請求項２記載のプレート式熱交換器。
  4. 前記第１凸部および前記第２凸部は、前記流路を形成する２つの前記伝熱プレートの一方から前記流路に向けて突出して設けられている請求項１記載のプレート式熱交換器。
  5. 複数積層された伝熱プレート間のそれぞれの空間によって流路が形成され、前記流路にインナーフィンが配置されたプレート式熱交換器であって、
    前記流路における流体の流れ方向を第１方向、前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、前記インナーフィンの前記第２方向の両端部と、前記伝熱プレートの前記第２方向の両端部との間の隙間に前記流体が流入することを妨げる第１凸部が前記伝熱プレートの流入側に設けられ、
    前記伝熱プレートの流出側には、前記インナーフィンを前記伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、前記第１凸部と前記第２凸部との間に前記インナーフィンが配置され、
    前記第１凸部および前記第２凸部は、前記流路を形成する２つの前記伝熱プレートの一方から前記流路に向けて突出して設けられ、
    前記第１凸部および前記第２凸部は、前記流路を形成する２つの前記伝熱プレートの他方に接合されているプレート式熱交換器。
  6. 前記流路は前記伝熱プレートの積層方向に第１流路と第２流路とが交互に形成されており、前記第１凸部および前記第２凸部は前記第１流路および前記第２流路の両方に設けられている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  7. 前記第１流路と前記第２流路における前記流体の流れ方向は互いに逆方向であり、
    前記第１流路の前記第１凸部と前記第２流路の前記第２凸部とは形状が同じであり、積層方向に対して垂直な断面において前記第２方向の位置が重って接触している請求項６記載のプレート式熱交換器。
  8. 前記第１流路と前記第２流路における前記流体の流れ方向は互いに逆方向であり、
    前記第１流路の前記第２凸部と前記第２流路の前記第１凸部とは形状が同じであり、積層方向に対して垂直な断面において前記第２方向の位置が重なって接触している請求項６記載のプレート式熱交換器。
  9. 前記伝熱プレートは、前記インナーフィンが配置される平坦部を有し、
    前記第１凸部は、前記平坦部の前記第２方向の両端部であって、前記インナーフィンの前記第１方向の両端辺のうち流入側の端辺である第１線と、前記平坦部の前記第２方向の両端辺である２つの第２線と、前記平坦部の前記第２方向の両端部の２つの円弧とで囲まれた領域内に設けられており、
    前記２つの円弧は、前記第１線と２つの前記第２線とのそれぞれとの交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、前記半径Ｒは、前記流路の流路高さの３倍である請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  10. 前記第２凸部は、前記平坦部の前記第２方向の両端部であって、前記インナーフィンの前記第１方向の両端辺のうち流出側の端辺である第３線と、２つの前記第２線と、前記平坦部の前記第２方向の両端部の２つの円弧とで囲まれた領域内に設けられており、
    前記２つの円弧は、前記第３線と２つの前記第２線とのそれぞれとの交点を中心とした半径Ｒの円弧であり、前記半径Ｒは、前記流路の流路高さの３倍である請求項９記載のプレート式熱交換器。
  11. 複数積層された伝熱プレート間のそれぞれの空間によって流路が形成され、前記流路にインナーフィンが配置されたプレート式熱交換器であって、
    前記流路における流体の流れ方向を第１方向、前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、前記インナーフィンの前記第２方向の両端部と、前記伝熱プレートの前記第２方向の両端部との間の隙間に前記流体が流入することを妨げる第１凸部が前記伝熱プレートの流入側に設けられ、
    前記伝熱プレートの流出側には、前記インナーフィンを前記伝熱プレートに配置する際の位置決めを行う第２凸部が形成されており、前記第１凸部と前記第２凸部との間に前記インナーフィンが配置され、
    前記流路を形成する２つの前記伝熱プレートの一方には、前記第１凸部および前記第２凸部が前記流路に向けて突出して設けられており、他方には、前記第１凸部および前記第２凸部と対向する位置に前記流路に向けて凹んで前記第１凸部および前記第２凸部と接触する第１凹部および第２凹部が形成されているプレート式熱交換器。
  12. 一方の前記伝熱プレートの前記第１凸部および前記第２凸部と、他方の前記伝熱プレートの前記第１凹部および前記第２凹部との接触部分は接合されている請求項１１記載のプレート式熱交換器。
  13. 前記流路は前記伝熱プレートの積層方向に第１流路と第２流路とが交互に形成されており、前記第１流路と前記第２流路における前記流体の流れ方向は互いに逆方向であり、
    一方の前記伝熱プレートの前記第１凸部と、他方の前記伝熱プレートの前記第２凸部とは形状が異なり、積層方向に対して垂直な断面において前記第２方向の位置が異なる請求項１１または請求項１２記載のプレート式熱交換器。
  14. 前記流路は前記伝熱プレートの積層方向に第１流路と第２流路とが交互に形成されており、前記第１流路と前記第２流路における前記流体の流れ方向は互いに逆方向であり、
    一方の前記伝熱プレートの前記第２凸部と、他方の前記伝熱プレートの前記第１凸部とは形状が異なり、積層方向に対して垂直な断面において前記第２方向の位置が異なる請求項１１または請求項１２記載のプレート式熱交換器。
  15. 前記伝熱プレートは、２枚のプレートを部分接合した構造を有する請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  16. 前記伝熱プレートの前記第１方向の両端部にはヘッダ部が形成されており、
    前記ヘッダ部には、強度向上を図る凹凸構造が形成されている請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  17. 前記凹凸構造は、前記流路を形成する２つの前記伝熱プレートの一方に設けられた円状の複数の凹部と、他方に前記複数の凹部と対向して設けられた円状の複数の凸部とを有し、前記凹部と前記凸部とは接合されており、
    前記凹凸構造は、少なくとも前記インナーフィンの前記第１方向の両端から距離δの間の領域には形成されておらず、前記距離δは、前記凹部と前記凸部との接合部分を前記接合部分の中心を通るように前記第１方向に対して垂直な面で切断した断面形状の等価直径の１倍以上である請求項１６記載のプレート式熱交換器。
  18. 圧縮機と、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器と、減圧装置と、熱交換器とが接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えたヒートポンプ装置。
  19. 請求項１８記載のヒートポンプ装置と、前記プレート式熱交換器と、冷暖房および給湯を行う冷暖房給湯装置と、ポンプとが接続され、熱媒体が循環する熱媒体回路を備えたヒートポンプ式冷暖房給湯システム。
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