JP6641544B1 - プレート式熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ装置 - Google Patents

プレート式熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ装置 Download PDF

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Abstract

四隅に開口部を有する伝熱プレートが複数積層され、各伝熱プレート同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが、各伝熱プレートを境にして交互に形成されるとともに、四隅の開口部のそれぞれが連なって、第一流体を流出入させる第一ヘッダー、及び、第二流体を流出入させる第二ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、第一流路及び第二流路には、それぞれインナーフィンが設けられ、第一流路または第二流路を挟む伝熱プレートのうち、少なくともいずれか一方の伝熱プレートは、2枚の金属プレートを重ね合わせて構成され、2枚の金属プレートの間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路が形成されるようにろう付け部で部分的にろう付け接合されているものである。

Description

本発明は、伝熱プレートがダブルウォール構造を備えたプレート式熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ装置に関するものである。
従来、四隅に開口部を有し、表面が凹凸または波形に成形された伝熱プレートを複数積層し、伝熱プレートの外壁部及び開口部周辺でロウ付け接合することにより、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが交互に形成され、また、四隅の開口部のそれぞれが連なって、第一(第二)流路に対して第一(第二)流体を流出入させる第一(第二)ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、各伝熱プレートが、2枚の金属プレートが重ね合わされた2重壁(ダブルウォール)で構成されているものがある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1のプレート式熱交換器は、腐食及び凍結などの要因でいずれかの伝熱プレートに万が一亀裂が発生した場合でも、伝熱プレートがダブルウォール構造となっているため、両流路が貫通して冷媒が室内側へ漏洩するのを防止することができる。また、外部に流出した漏洩流体を検知センサーで検知し、プレート式熱交換器を備えた装置を停止させることにより、その装置の破損などを防止することができる。
特開2014−66411号公報
特許文献1の積層構造では、重ね合わされた2枚の金属プレートのうちいずれかに亀裂が発生した場合、漏洩流体を外部に流出させる必要があるため、2枚の金属プレートは密着させるだけで金属接合されていない。そのため、2枚の金属プレートの間に空気層が存在し、これが熱抵抗となって伝熱性能が大幅に低下するという課題があった。また、伝熱性能を向上させるために2枚の金属プレートを強く密着させると、漏洩流体が外部へ流出しにくく、漏洩流体の外部での検知が困難となる。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、ダブルウォール構造の欠点である伝熱性能の低下を抑制しつつ、腐食及び凍結などにより伝熱プレートに万が一亀裂が発生した場合でも、両流体の混合を防止して流体を外部に流出させ、漏洩流体を外部で検知することができるプレート式熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ装置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、四隅に開口部を有する伝熱プレートが複数積層され、各前記伝熱プレート同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが、各前記伝熱プレートを境にして交互に形成されるとともに、四隅の前記開口部のそれぞれが連なって、前記第一流体を流出入させる第一ヘッダー、及び、前記第二流体を流出入させる第二ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、前記第一流路及び前記第二流路には、それぞれインナーフィンが設けられ、前記第一流路または前記第二流路を挟む前記伝熱プレートのうち、少なくともいずれか一方の前記伝熱プレートは、フラットな重ね合わせ面を有するように2枚の金属プレートを重ね合わせて構成され、前記2枚の前記金属プレートの間において、フラットな前記重ね合わせ面部分的にろう付け接合されて、接合されない部分が外部に連通した複数の流出通路となっているものである。
本発明に係るプレート式熱交換器によれば、ダブルウォールに構成された2枚の金属プレートの間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路が形成されるようにろう付け部で部分的にろう付け接合されている。そのため、2枚の金属プレートは密着させるだけで金属接合されていない従来のプレート式熱交換器に比べ、伝熱性能の低下を抑制することができる。また、腐食及び凍結などにより伝熱プレートに万が一亀裂が発生した場合でも、両流体の混合を防止して流体を外部に流出させ、漏洩流体を外部で検知することができる。
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伝熱プレートの正面斜視図である。 本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートの図2におけるA−A断面図である。 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プレートの図2におけるB−B断面図である。 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プレートを構成する2枚の金属プレートの間を示す部分模式図である。 本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器に設けられたインナーフィンの第1の例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器に設けられたインナーフィンの第2の例を示す斜視図である。 図5に示す伝熱プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第1の変形例を示す部分模式図である。 図5に示す伝熱プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第2の変形例を示す部分模式図である。 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プレートを構成する2枚の金属プレートの間を示す部分模式図である。 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プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第1の変形例を示す部分模式図である。 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プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第2の変形例を示す部分模式図である。 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プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第3の変形例を示す部分模式図である。 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プレートの断面図である。 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プレートの断面図である。 本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートの正面斜視図である。 本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートを構成する2枚の金属プレートの間を示す部分模式図である。 本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第1の変形例を示す部分模式図である。 本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートを構成する2枚の金属プレートの間の第2の変形例を示す部分模式図である。 本発明の実施の形態6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6に係るプレート式熱交換器の伝熱セット200の正面斜視図である。 本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器の伝熱プレート2の正面斜視図である。 本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの図21におけるA−A断面図である。 本発明の実施の形態7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7に係るプレート式熱交換器の伝熱セット200の正面斜視図である。 本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器の伝熱プレート2の正面斜視図である。 本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器の伝熱セットの図25におけるA−A断面図である。 本発明の実施の形態8に係るヒートポンプ式冷暖房及び給湯システムの構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。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。
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100の分解斜視図である。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100の伝熱プレート1、2の正面斜視図である。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100の伝熱プレート1、2の図2におけるA−A断面図である。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100の伝熱プレート1、2の図2におけるB−B断面図である。なお、図4では、伝熱プレート1、2がそれぞれ複数枚配置された状態を示している。
なお、図1において、点線矢印は第一流体の流れを、実線矢印は第二流体の流れをそれぞれ示している。また、図3及び図4において、黒塗りの部分はろう付け部52を示している。
本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100は、図1に示すように複数の伝熱プレート1、2を備えており、それらは交互に積層されている。伝熱プレート1、2は、図2に示すようにフラットな重ね合わせ面を有する角丸の矩形状であり、四隅に開口部27〜30が形成されている。また、伝熱プレート1、2は、図3及び図4に示すように、端部に積層方向に折り曲げられた外壁部17が設けられている。なお、本実施の形態1では、伝熱プレート1、2は角丸の長方形状であるものとする。
各伝熱プレート1、2は、外壁部17及び開口部27〜30周辺でろう付け接合されている。そして、第一流体と第二流体とが熱交換できるように、第一流体が流れる第一流路6と第二流体が流れる第二流路7とが、各伝熱プレート1、2を境にして交互に形成されている。
また、図1及び図2に示すように四隅の開口部27〜30のそれぞれが連なって、第一流路6に対して第一流体を流出入させる第一ヘッダー40、及び、第二流路7に対して第二流体を流出入させる第二ヘッダー41がそれぞれ形成されている。伝熱プレート1、2は、流体の流速を確保して性能向上を図るため、流体の流れる方向が長手方向、それに直交する方向が短手方向となっている。
第一流路6及び第二流路7には、インナーフィン4、5がそれぞれ設けられている。伝熱プレート1、2は、図3及び図4に示すように2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)を重ね合わせてダブルウォールに構成されている。ここで、インナーフィン4、5とは、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間に挟み込まれるフィンのことである。
なお、インナーフィン4が設けられている第一流路6側が金属プレート1a、2a、インナーフィン5が設けられている第二流路7側が金属プレート1b、2bである。
金属プレート1a、1b、2a、2bは、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミ、銅及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。
図1に示すように、伝熱プレート1、2の積層方向の最外面には、四隅に開口部が形成された第一補強用サイドプレート13、及び、第二補強用サイドプレート8が配置されている。第一補強用サイドプレート13及び第二補強用サイドプレート8は、フラットな重ね合わせ面を有する角丸の矩形状である。また、図1において最前面に積層されている方が第一補強用サイドプレート13であり、最後面に積層されている方が第二補強用サイドプレート8である。なお、本実施の形態1では、第一補強用サイドプレート13及び第二補強用サイドプレート8は角丸の長方形状であるものとする。
第一補強用サイドプレート13の開口部には、第一流体が流入する第一流入管12及び流出する第一流出管9と、第二流体が流入する第二流入管10及び流出する第二流出管11とが設けられている。
上記の第一流体は、例えばR410A、R32、R290、COなどの冷媒であり、上記の第二流体は、例えば水、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの不凍液、あるいはこれらの混合物である。
図5は、本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の部分模式図である。図6は、本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器100に設けられたインナーフィン4、5の第1の例を示す斜視図である。図7は、本発明の実施の形態1に係るプレート式熱交換器100に設けられたインナーフィン4、5の第2の例を示す斜視図である。
図5に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、第一流体及び第二流体の流れ方向、つまり第一流路6及び第二流路7に沿って、外部と連通した縞状の複数の流出通路51が形成されている。
また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の外壁部17の間にも、上記で説明したものと同様の縞状の流出通路51が形成されている。
また、本実施の形態1に係るインナーフィン4、5は、伝熱プレート1、2から熱が伝わり、流体との熱交換する面積を増大、前縁効果、乱流発生などで熱交換を促進させるものである。インナーフィン4、5は、例えば図6に示すコルゲート形、及び、図7に示すオフセット型などのフィンである。
次に、本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100の製造方法について説明する。
まず、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)のフラットな重ね合わせ面に接合防止材(例えば、金属酸化物が主成分のろうの流れを防止する材料)を縞状に塗布し、銅などのブレージングシート(ろう材)を間に挟みこんで伝熱プレート1、2を構成する。そして、伝熱プレート1、インナーフィン4、伝熱プレート2、インナーフィン5と、それぞれの間にブレージングシートを挟みこんで交互に順次積層し、積層方向に荷重をかけて密着させ、炉中で加熱ろう付けする。そうすることで、それぞれが接合されてプレート式熱交換器100が製造される。また、ろう付けの際、接合防止材の部分は接合されず、流出通路51が形成される。
次に、本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100における熱交換について説明する。
図1に示すように、第一流入管12から流入した第一流体は、第一ヘッダー40を介して第一流路6へ流入する。第一流路6に流入した第一流体は、インナーフィン4の内部及び第一出口ヘッダー(図示せず)を通って第一流出管9から流出する。同様に第二流路7には第二流体が流れ、伝熱プレート1、2のダブルウォールを介して、第一流体と第二流体とが熱交換される。
なお、第一流体を冷媒、第二流体を水または不凍液で構成する場合、第一流体は、蒸発時及び凝縮時の大きな潜熱を利用できるため、装置の動力低減の観点で、第二流体に比べて1/10から1/5程度の質量流量で設計するのが通常である。本実施の形態1では、この動作条件に合わせて、第一流路6の流路高さ(インナーフィン4の高さ及びピッチ)を第二流路7側に比べて小さくなるように最適化している。
このように構成された本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100においては、ダブルウォール構造の2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)が部分的にろう付け接合されている。そのため、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)を密着させるだけで金属接合されていない場合に比べ、熱抵抗の増加による性能低下を大幅に抑制できる。加えて、第一流路6及び第二流路7の流路高さ(インナーフィン4、5の高さ及びピッチ)が、第一流体及び第二流体の動作条件(流体の流量及び物性値など)に合わせて最適流路となっている。そのため、流路形状が一律同形状の波形に成形された伝熱プレートが積層された従来のダブルウォール構造のプレート式熱交換器に比べて、大幅な性能向上を図ることができる。
また、重ね合わせ面に外部と連通した通路断面積の十分大きな縞状の複数の流出通路51が形成されている。そのため、腐食及び凍結などにより伝熱プレート1、2に万が一亀裂が発生した場合でも、両流体の混合を防止して漏洩流体を外部に流出させ、漏洩流体を外部で検知することができる。
なお、流出通路51の高さ(図4のa)及び幅(図5のb)は、小さくは数μから最大1mm程度と流出条件によって決定される。流出通路51は、幅方向に大きくすると部分ろう付け面積が小さくなって熱抵抗が増加するため、高さ方向に大きくした方がよい。このような通路形状を精度よく形成するために、接合防止材の塗布条件、ブレージングシートの厚み、ろう付け時の荷重、さらには、スペーサ及び金属プレート1a、1b、2a、2bに突起を形成するなどにより制御する必要がある。
しかしながら、流路形状が波形に成形された伝熱プレートが積層された従来のプレート式熱交換器では、形状が複雑であり、かつ2枚の金属プレートを強く密着させる必要があるため、これらの制御が困難である。これに対し、本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100では、部分ろう付けにより熱抵抗を抑制しているため2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)を密着させる必要がない。また、金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)がフラットな重ね合わせ面を有しているため、これらの制御が容易であり、上記に示した通路形状を精度よく形成することができる。
なお、ろう付け部52と流出通路51との面積の割合も熱交換性能を大きく左右する。開口部27〜30の間にある流体間の熱交換を行う熱交換領域、つまり、インナーフィン4が設置される領域では、全面積に対するろう付け部52の面積の比が30%以上、特に50%以上、さらには70%以上と増やすことで、従来のろう付けのされないダブルウォール構造に比べて格段に性能向上する。一方、ろう付け部52の面積が100%に近づくと、流出通路51の面積が減少して流体の流出が難しくなるため、ろう付け部52の面積の割合は90%以下にするとよい。
図8は、図5に示す伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第1の変形例における部分模式図である。図9は、図5に示す伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第2に変形例における部分模式図である。
開口部27〜30の周辺は、開口部27〜30から2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間に流体が流れ込まないように環状のろう付け部52が必要であるが、特にインナーフィン4が設置されない領域では、ろう付け部52が形成されなくてもよく、図8に示すようにインナーフィン4が設置されない領域にもろう付け部52を形成することで、熱交換性能を向上させることができる。
また、流体が凍結しやすい部分では、ろう付け部52の面積を減らして凍結を防止してもよい。例えば、流体が流入する開口部27〜30の周辺の近くで凍結が生じにくい領域には、図8に示すようにろう付け部52を形成して熱交換を促進する。一方、流体が流出する開口部27〜30で凍結が生じやすい領域には、図9に示すようにろう付け部52を形成しない、またはろう付け部52の面積を少なくして熱交換性能を低下させてもよい。
つまり、凍結の起こりやすい部分のろう付け部52の面積を減らすなど、分布を設けることで、凍結を防ぎつつ、全体としての熱交換性能を向上させることができる。また、開口部27〜30に限らず、熱交換領域においても、凍結、その他の理由により、ろう付け部52の面積の割合に分布が生じるようなパターンとしてもよい。
以上、四隅に開口部27〜30を有する伝熱プレート1、2が複数積層され、各伝熱プレート1、2同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路6と第二流体が流れる第二流路7とが、各伝熱プレート1、2を境にして交互に形成されるとともに、四隅の開口部27〜30のそれぞれが連なって、第一流体を流出入させる第一ヘッダー40、及び、第二流体を流出入させる第二ヘッダー41が形成されたプレート式熱交換器100において、第一流路6及び第二流路7には、それぞれインナーフィン4、5が設けられ、第一流路6または第二流路7を挟む伝熱プレート1、2のうち、少なくともいずれか一方の伝熱プレート1、2は、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)を重ね合わせて構成され、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路51が形成されるようにろう付け部52で部分的にろう付け接合されているものである。
本実施の形態1に係るプレート式熱交換器100によれば、ダブルウォールに構成された2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路51が形成されるようにろう付け部52で部分的にろう付け接合されている。そのため、2枚の金属プレートは密着させるだけで金属接合されていない従来のプレート式熱交換器に比べ、伝熱性能の低下を抑制することができる。また、ダブルウォールに構成された2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路51が形成されるように部分的にろう付け接合されている。そのため、腐食及び凍結などにより伝熱プレート1、2に万が一亀裂が発生した場合でも、両流体の混合を防止して流体を外部に流出させ、漏洩流体を外部で検知することができる。
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2について説明するが、実施の形態1と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図10は、本発明の実施の形態2に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間を示す部分模式図である。なお、図10は、実施の形態1の図5に相当する図である。
図10に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、第一流体及び第二流体の流れ方向、つまり第一流路6及び第二流路7に直交する、外部と連通した縞状の複数の流出通路51が形成されている。
このように構成された本実施の形態2に係るプレート式熱交換器100においては、重ね合わせ面に外部と連通した流出通路51が形成されている。そのため、腐食及び凍結などにより伝熱プレート1、2に万が一亀裂が発生した場合でも、実施の形態1と同様、両流体の混合を防止して流体を外部に流出させ、漏洩流体を外部で検知することができる。さらに、流出通路51が第一流路6及び第二流路7に直交するように形成されており、第一流路6及び第二流路7に沿って形成された流出通路51よりも外部までの距離が短く、漏洩流体の流路抵抗を小さくすることができる。そのため、外部で検知するのに十分な流出流量を確保することができる。
図11は、本発明の実施の形態2に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第1の変形例を示す部分模式図である。
また、図11に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、外部と連通した格子状の複数の流出通路51が形成されている。
このように構成された本実施の形態2に係るプレート式熱交換器100においては、流出通路51が格子状に形成されており、漏洩流体が外部へ流出する際、漏洩流体は流出開始位置から格子状に分流しながら外部に流出する。そのため、漏洩流体の流路抵抗を小さくすることができ、外部で検知するのに十分な流出流量を確保することができる。
図12は、本発明の実施の形態2に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第2の変形例を示す部分模式図である。
また、図12に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、円形のろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、外部と連通した格子状の流出通路51が形成されている。
このように構成された本実施の形態2に係るプレート式熱交換器100においては、流出通路51が格子状に形成されているため、漏洩流体が外部へ流出する際、漏洩流体は流出開始位置から格子状に分流しながら外部に流出する。また、漏洩流体が流出開始位置から最初に4分岐するまでの流体抵抗が最も大きいが、本実施の形態2の第2の変形例では、その格子状流路の分岐部の流路幅(断面積)を大きく確保できる。そのため、漏洩流体の流体抵抗を抑制し、さらに十分な流出流量を確保することができる。
図13は、本発明の実施の形態2に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第3の変形例を示す部分模式図である。
また、図13に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、外部と連通した格子状の複数の流出通路51が形成されている。また、流出通路51の流路幅(流路断面積)は、伝熱プレート1、2の重ね合わせ面の中央側ほど外側に比べて大きくなっている。
このように構成された本実施の形態2に係るプレート式熱交換器100においては、漏洩流体が外部へ流出する際、伝熱プレート1、2の重ね合わせ面の中央側ほど流出通路51の長さが長くなるが、格子状通路の流路幅(断面積)を中央側ほど大きく形成している。そのため、漏洩流体の流体抵抗をさらに抑制し、十分な流出流量を確保することができる。
以上のように、本実施の形態2に係るプレート式熱交換器100において、縞状及び格子状などの複数の流出通路51により、漏洩流体の流体抵抗を抑制できる。そのため、両流体の混合を防止して外部で検知するのに十分な量の漏洩流体を外部に流出、装置を確実に停止させることにより、空調機の破損などを防止することができる。
実施の形態3.
以下、本発明の実施の形態3について説明するが、実施の形態1及び2と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1及び2と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図14は、本発明の実施の形態3に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2の断面図である。なお、図14は、実施の形態1の図4に相当する図である。
図14に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、外部と連通した複数の流出通路51が形成されている。さらに、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する(挟む)面の一方にろう付け層53が形成されている。
このように構成された本実施の形態3に係るプレート式熱交換器100においては、伝熱プレート1、2がダブルウォール構造を有し、流出通路51を形成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)間は空気層のため、熱が伝わりにくい。しかし、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する面にろう付け層53を形成することにより、ろう付け部52に向かって伝熱プレート1、2の重ね合わせ面の面方向に熱が拡がりやすくなる。そのため、部分ろう付けによる熱抵抗の抑制効果がさらに大きくなり、ダブルウォール構造によって生じる熱抵抗を下げることができる。
なお、図14では、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する面の一方のみにろう付け層53が形成されている場合を示したが、それに限定されない。2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する面の両方にろう付け層53が形成されていてもよく、そうすることで、ダブルウォール構造によって生じる熱抵抗をさらに下げることができる。
実施の形態4.
以下、本発明の実施の形態4について説明するが、実施の形態1〜3と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1〜3と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図15は、本発明の実施の形態4に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2の断面図である。なお、図15は、実施の形態1の図4に相当する図である。
図15に示すように、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)は、ろう付け部52で部分的にろう付け接合されて一体化されている。また、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、そのフラットな重ね合わせ面に、外部と連通した複数の流出通路51が形成されている。さらに、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する面とは反対側の面に、インナーフィン4、5がろう付け接合されている。
このように構成された本実施の形態4に係るプレート式熱交換器100においては、伝熱プレート1、2がダブルウォール構造を有し、流出通路51を形成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)間は空気層があるため、熱が伝わりにくい。しかし、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の流出通路51を形成する面とは反対側の面にインナーフィン4、5がろう付け接合されている。そのため、プレート式熱交換器100は、伝熱プレート1、2、ろう材層、インナーフィン4、5の三重構造になる。その結果、さらに熱がろう付け部52に拡がりやすく、部分ろう付けによる熱抵抗の抑制効果がさらに大きくなり、ダブルウォール構造によって生じる熱抵抗を下げることができる。
実施の形態5.
以下、本発明の実施の形態5について説明するが、実施の形態1〜4と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1〜4と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図16は、本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2の正面斜視図である。
本実施の形態5に係る伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、外壁部17の内側に沿って周囲漏れ通路14が形成されている。この周囲漏れ通路14は、複数の流出通路51と連通しており、外部とも連通しているため、流出通路51を流れる漏洩流体は、周囲漏れ通路14で合流してから、外部に流出される。
図17は、本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間を示す部分模式図である。図18は、本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第1の変形例を示す部分模式図である。図19は、本発明の実施の形態5に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の第2の変形例を示す部分模式図である。
図17に示すように、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の熱交換領域を接合せずに、流出通路51が熱交換領域全体に形成されるようにしてもよい。また、図18に示すように、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の熱交換領域に接合防止材を縞状に塗布し、銅等のブレージングシートを間に挟みこんで、流出通路51が縞状に複数形成されるようにしてもよい。また、図19に示すように、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間の熱交換領域に接合防止材を格子状に塗布し、銅等のブレージングシートを間に挟みこんで、流出通路51が格子状に複数形成されるようにしてもよい。
このように構成された本実施の形態5に係るプレート式熱交換器100においては、伝熱プレート1、2を構成する2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間に外壁部17の内側に沿って周囲漏れ通路14が形成されている。そのため、流出通路51の一部が詰まってしまった場合でも、漏洩流体を周囲漏れ通路14で合流させて他の流出通路51から外部に流出させることができる。また、漏洩流体を漏れ通路14で合流させることにより、漏洩をより早く検知する流出流量を確保することができる。また、外部に流出する経路の数を減らすことができるため、外部への流出箇所を特定しやすくなり、漏洩流体を外部で検知する検知センサーの配置が容易であり、さらに、検知センサーの数を減らすことができ、コストを抑制することができる。
実施の形態6.
以下、本発明の実施の形態6について説明するが、実施の形態1〜5と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1〜5と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図20は、本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器100の分解側面斜視図である。図21は、本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器100の伝熱セット200の正面斜視図である。図22は、本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート2の正面斜視図である。図23は、本発明の実施の形態6に係るプレート式熱交換器100の伝熱セット200の図21におけるA−A断面図である。
本実施の形態6に係るプレート式熱交換器100では、図21〜図23に示すように、2枚の金属プレート(1aと1b)、(2aと2b)の間には、長手方向に沿って仕切り通路31、32がそれぞれ形成されている。また、仕切り通路31、32はそれぞれ外部と連通した縞状の複数の流出通路51と繋がっている。
図23に示すように、仕切り通路31は、金属プレート1aに凸形状の加工を施し、金属プレート1bと接合することにより形成されている。また、仕切り通路32は、金属プレート2bに凸形状の加工を施し、金属プレート2aと接合することにより形成されている。
ここで、仕切り通路31、32は、図23に示すように、各金属プレート1a、2bに対して凸形状の加工が施されて形成されているが、それに限定されない。例えば、2枚の金属プレート(1a、1b)のうち少なくとも一方、及び、2枚の金属プレート(2a、2b)のうち少なくとも一方に凸形状または凹形状の加工を施すことによって仕切り通路31、32を形成してもよい。
また、第一流路6において、仕切り通路31の凸外壁と金属プレート2aとがろう付け接合されており、第一流路6の仕切りになる。また、第二流路7において、仕切り通路32の凸外壁と金属プレート1bとがろう付け接合されており、第二流路7の仕切りになる。
また、図21に示すように、第一流路6の仕切りでは、第一流路6の流れをUターン流れとすることができる。第一流路6のUターン流れでは、第一流体が開口部27から第一流路6に流入し、開口部29に向いて、第一流路6の外壁部17と第一流路6の仕切りとの間に形成された流路に沿って流れる。そして、開口部29及び開口部30の周囲流路に沿ってUターンをして、開口部28に向いて、第一流路6の外壁部17と第一流路6の仕切りとの間に形成された流路に沿って流れて、開口部28から流出する。
また、図22に示すように、第二流路7の仕切りでは、第二流路7の流れをUターン流れとすることができる。第二流路7のUターン流れでは、第二流体が開口部29から第二流路7に流入し、開口部27に向いて、第二流路7の外壁部17と第二流路7の仕切りとの間に形成された流路に沿って流れる。そして、開口部27及び開口部28の周囲流路に沿ってUターンして、開口部30に向いて、第二流路7の外壁部17と第二流路7の仕切りとの間に形成された流路に沿って流れて、開口部30から流出する。
このように、仕切り通路31、32は流出通路51と一部で重なっている構成とすることで、仕切り通路31、32も流出通路51の一部となる。そのため、外部と連通した縞状の複数の流出通路51だけの場合よりも、漏洩流体の流路抵抗を小さくすることができ、外部で検知するのに十分な流出流量を確保することができる。また、図10に示したような流出通路51が第一流路6及び第二流路7に直交するように形成されている場合は、仕切り通路31、32の追加により、流出通路51と合わせて図11に示したような格子状と同様な排出経路が形成されることになる。そのため、漏洩流体が外部へ流出する際、漏洩流体は流出開始位置から格子状に分流しながら外部に流出し、漏洩流体の流路抵抗を小さくすることができ、外部で検知するのにさらに十分な流出流量を確保することができる。
また、仕切り通路31、32の導入により、流路の流路幅(流れに直交する方向の幅)を半減することができ、第1流体が開口部27からインナーフィン4に流れ込む際に流体を均等にインナーフィン4に流入させることができる。そのため、プレート式熱交換器100の熱交換性能を向上することができる。さらに、第一流体を冷媒、第二流体を水または不凍液で構成する場合、第一流体は、蒸発時には、気体と液体とが混合した気液二相状態で流入し、徐々に液が蒸発して気体の割合が増加する。一方、第一流体は、凝縮時には、気体で流入し、徐々に気体が凝縮して気体の割合が減少する流れとなる。そのため、蒸発時には、出口側ほど圧力損失が増加し、凝縮時には、入口側ほど圧力損失が増加する。このため、図21(ここでは蒸発時の流れを示す)に示すように、開口部30から開口部28に向かう流路の下流側の流路幅を上流側より小さくして、圧力損失の抑制による熱交換性能の向上を図ることができる。なお、第二流体側では、仕切り通路32は熱ロス経路となるが、仕切り通路32は中空構造のため熱ロス経路の熱抵抗は十分大きい。そのため、性能への影響は小さい。
実施の形態7.
以下、本発明の実施の形態7について説明するが、実施の形態1〜6と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1〜6と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
図24は、本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器100の分解側面斜視図である。図25は、本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器100の伝熱セット200の正面斜視図である。図26は、本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器100の伝熱プレート2の正面斜視図である。図27は、本発明の実施の形態7に係るプレート式熱交換器100の伝熱セット200の図25におけるA−A断面図である。
本実施の形態7に係るプレート式熱交換器100では、図25〜図27に示すように、2枚の金属プレート(1aと1b)の間には、長手方向に沿って仕切り通路31、32が形成されている。また、仕切り通路31、32は外部と連通した縞状の複数の流出通路51と繋がっている。
また、図27に示すように、仕切り通路31、32では、金属プレート1aに凸形状の加工を施し、金属プレート1bと接合することにより形成されている。
このように、実施の形態7に係るプレート式熱交換器100の構成によれば、実施の形態6の効果に加え、同一流路に仕切り通路31、32が2本形成されている。そのため、漏洩流体の流路抵抗をさらに小さくすることができ、外部で検知するのにさらに十分な流出流量を確保することができる。また、仕切り通路31、32の導入により、S字状に蛇行した流れとすることで、流路の流路幅(流れに直交する方向の幅)をさらに小さくすることができる。そのため、第1流体が開口部27からインナーフィン4に流れ込む際に流体をさらに均等にインナーフィン4に流入させることができ、プレート式熱交換器100の熱交換性能を向上させることができる。さらに、第一流体を冷媒で構成し、第二流体を水または不凍液で構成する場合、図25(ここでは蒸発時の流れを示す)に示すように、開口部27から開口部28に向かう3本の流路の流路幅を上流側ほど小さくして構成する。そうすることで、圧力損失の抑制による熱交換性能の向上を図ることができる。
実施の形態8.
以下、本発明の実施の形態8について説明するが、実施の形態1〜7と重複するものについては説明を省略し、実施の形態1〜7と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。
本実施の形態8では、実施の形態1〜7で説明したプレート式熱交換器100を適用したヒートポンプ装置26について説明する。ここでは、ヒートポンプ装置26の利用形態の一例としてヒートポンプ式冷暖房及び給湯システム300について説明する。
図28は、本発明の実施の形態8に係るヒートポンプ式冷暖房及び給湯システム300の構成を示す概略図である。
本実施の形態8に係るヒートポンプ式冷暖房及び給湯システム300は、図28に示すように筐体内に収納されたヒートポンプ装置26を備える。ヒートポンプ装置26は、冷媒が循環する冷媒回路24と、熱媒体が循環する熱媒体回路25とを有する。冷媒回路24は、圧縮機18、第一熱交換器21、膨張弁またはキャピラリーチューブなどで構成された減圧装置20、及び、第二熱交換器19が順次配管で接続されて構成されている。熱媒体回路25は、第一熱交換器21、冷暖房及び給湯装置23、及び、熱媒体を循環させるポンプ22が順次配管で接続されて構成されている。
ここで、第一熱交換器21は、実施の形態1〜7で説明したプレート式熱交換器100であり、冷媒回路24を循環する冷媒と熱媒体回路25を循環する熱媒体との間で熱交換を行う。なお、熱媒体回路25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24の冷媒と熱交換可能な流体であればよい。また、冷媒はR410A、R32、R290、COなどである。
プレート式熱交換器100において、第一流路6に冷媒が流れ、第二流路7に熱媒体が流れるように、プレート式熱交換器100が冷媒回路24に組み込まれている。
冷暖房及び給湯装置23は、貯湯タンク(図示せず)、室内を空調する室内機(図示せず)などを備えている。熱媒体回路25を流れる熱媒体は、プレート式熱交換器100で冷媒回路24を流れる冷媒と熱交換して加熱され、加熱された熱媒体は貯湯タンク(図示せず)に貯留される。また、加熱された熱媒体は室内機(図示せず)内部の熱交換器に導かれ、室内空気と熱交換し、室内空気を加熱し、加熱された室内空気が室内に送られることで、室内が暖房される。
また、冷房の場合、図示していないが、四方弁などにより冷媒回路24内の冷媒の流れを逆転させ、熱媒体回路25を流れる熱媒体は、プレート式熱交換器100で冷媒回路24を流れる冷媒と熱交換して冷却される。そして、冷却された熱媒体は室内機(図示せず)内部の熱交換器に導かれ、室内空気と熱交換し、室内空気を冷却し、冷却された室内空気が室内に送られることで、室内が冷房される。
なお、冷暖房及び給湯装置23の構成は上記の構成に限定されるものではなく、熱媒体回路25の熱媒体の温熱または冷熱を用いて冷暖房及び給湯を行える構成とされていればよい。
実施の形態1〜7で説明したように、プレート式熱交換器100は、それぞれの流体の流れに適した流路形状に最適化して性能向上が図れるインナーフィン4、5を備えており、かつ、ダブルウォール構造の欠点である伝熱性能の低下を抑制しつつ、腐食及び凍結などにより伝熱プレート1、2に万が一亀裂が発生した場合にも、両流体の混合を防止して流体を外部に流出、検知する機能を併せ持ち、高性能、低コストである。
したがって、本実施の形態8で説明したヒートポンプ式冷暖房及び給湯システム300にプレート式熱交換器100を搭載すると、高効率で、消費電力量が抑えられ、CO排出量を低減でき、かつ信頼性の高いヒートポンプ式冷暖房及び給湯システム300を実現することができる。
なお、実施の形態8では、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及び給湯システム300について説明した。しかし、以上の実施の形態1〜7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及び給湯システム300に限らず、冷房用途チラー、発電装置、食品の加熱殺菌処理機器など、多くの産業機器及び家庭用機器に利用可能である。
1 伝熱プレート、1a 金属プレート、1b 金属プレート、2 伝熱プレート、2a 金属プレート、2b 金属プレート、4 インナーフィン、5 インナーフィン、6 第一流路、7 第二流路、8 第二補強用サイドプレート、9 第一流出管、10 第二流入管、11 第二流出管、12 第一流入管、13 第一補強用サイドプレート、14 周囲漏れ通路、17 外壁部、18 圧縮機、19 第二熱交換器、20 減圧装置、21 第一熱交換器、22 ポンプ、23 給湯装置、24 冷媒回路、25 熱媒体回路、26 ヒートポンプ装置、27 開口部、28 開口部、29 開口部、30 開口部、31 仕切り通路、32 仕切り通路、40 第一ヘッダー、41 第二ヘッダー、51 流出通路、52 ろう付け部、53 ろう付け層、100 プレート式熱交換器、300 給湯システム。

Claims (12)

  1. 四隅に開口部を有する伝熱プレートが複数積層され、
    各前記伝熱プレート同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが、各前記伝熱プレートを境にして交互に形成されるとともに、四隅の前記開口部のそれぞれが連なって、前記第一流体を流出入させる第一ヘッダー、及び、前記第二流体を流出入させる第二ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、
    前記第一流路及び前記第二流路には、それぞれインナーフィンが設けられ、
    前記第一流路または前記第二流路を挟む前記伝熱プレートのうち、少なくともいずれか一方の前記伝熱プレートは、フラットな重ね合わせ面を有するように2枚の金属プレートを重ね合わせて構成され、
    前記2枚の前記金属プレートの間において、フラットな前記重ね合わせ面部分的にろう付け接合されて、接合されない部分が外部に連通した複数の流出通路となっている
    プレート式熱交換器。
  2. 前記流出通路は、縞状または格子状に形成されている
    請求項1に記載のプレート式熱交換器。
  3. う付け部は、円形である
    請求項1に記載のプレート式熱交換器。
  4. 四隅に開口部を有する伝熱プレートが複数積層され、
    各前記伝熱プレート同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが、各前記伝熱プレートを境にして交互に形成されるとともに、四隅の前記開口部のそれぞれが連なって、前記第一流体を流出入させる第一ヘッダー、及び、前記第二流体を流出入させる第二ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、
    前記第一流路及び前記第二流路には、それぞれインナーフィンが設けられ、
    前記第一流路または前記第二流路を挟む前記伝熱プレートのうち、少なくともいずれか一方の前記伝熱プレートは、2枚の金属プレートを重ね合わせて構成され、
    前記2枚の前記金属プレートの間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路が形成されるようにろう付け部で部分的にろう付け接合されており、
    前記流出通路は、格子状に形成されており、
    前記流出通路の流路断面積は、中央側の方が外側よりも大きい
    レート式熱交換器。
  5. 前記2枚の前記金属プレートの前記流出通路を形成する面のうち、少なくとも一方の面にろう付け層が形成されている
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  6. 前記2枚の前記金属プレートの前記流出通路を形成する面とは反対側の面に前記インナーフィンがろう付け接合されている
    請求項1〜5のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  7. 四隅に開口部を有する伝熱プレートが複数積層され、
    各前記伝熱プレート同士の一部がろう付け接合され、第一流体が流れる第一流路と第二流体が流れる第二流路とが、各前記伝熱プレートを境にして交互に形成されるとともに、四隅の前記開口部のそれぞれが連なって、前記第一流体を流出入させる第一ヘッダー、及び、前記第二流体を流出入させる第二ヘッダーが形成されたプレート式熱交換器において、
    前記第一流路及び前記第二流路には、それぞれインナーフィンが設けられ、
    前記第一流路または前記第二流路を挟む前記伝熱プレートのうち、少なくともいずれか一方の前記伝熱プレートは、2枚の金属プレートを重ね合わせて構成され、
    前記2枚の前記金属プレートの間において、その重ね合わせ面に外部と連通した複数の流出通路が形成されるようにろう付け部で部分的にろう付け接合されており、
    端部に外壁部を有し、
    前記2枚の前記金属プレートの間において、前記外壁部の内側に複数の前記流出通路と連通した周囲漏れ通路が形成されている
    レート式熱交換器。
  8. 前記プレートの端部には、積層方向に折り曲げられた外壁部が設けられ、前記外壁部の前記2枚の前記金属プレートの間にも前記流出通路が形成されている
    請求項1〜6のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  9. 前記2枚の前記金属プレートのうち、少なくとも一方に、凸形状または凹形状の加工が施されて前記第一流路または前記第二流路を仕切る仕切り通路が形成されている
    請求項1〜のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
  10. 前記仕切り通路は前記流出通路の一部と重なっている
    請求項に記載のプレート式熱交換器。
  11. 前記仕切り通路の外壁はろう付け接合されており、前記第一流路または前記第二流路の仕切りになっている
    請求項または10に記載のプレート式熱交換器。
  12. 圧縮機、熱交換器、減圧装置、請求項1〜11のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器が接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、
    前記冷媒と前記プレート式熱交換器で熱交換される熱媒体が循環する熱媒体回路と、を備えた
    ヒートポンプ装置。
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