JP6865354B2 - プレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、プレートフィンを積層して構成された熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

一般にプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィンに形成された伝熱流路を流れる冷媒等の第１流体と、積層されたプレートフィの間を流れる空気等の第２流体との間で熱交換を行うもので、車両用の空気調和機に使用されている。

この熱交換器は、プレートに熱交換流体が流れる内部流路を構成する複数の突出部を一体成形するとともに、この突出部をプレート外側の空気流れの直進を妨げて乱れを発生する乱れ発生器として作用させる。これによると、空気流れを乱流化することによって空気側熱伝達率を向上できる。

しかしながら、突出部付近の局所熱伝達率を向上できるものの、空気側伝熱面積が不十分となり、必要伝熱性能を確保できない事態が生じる。また、プレートのうち、突出部が形成されていない基板部は、空気流れ方向に沿って延びる平坦面を形成するので、この平坦面で温度境界層が発達して局所熱伝達率が大幅に低下する。このことも伝熱性能低下の原因となっている。

そこでこのような課題を解決して伝熱性能を高めた熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１５（ａ）（ｂ）は上記特許文献１記載のプレートフィン積層型熱交換器を示す。熱交換器を構成するプレートフィン１０１は、伝熱流路１０２となる突出部１０３を有する一対のプレート１０４ａと１０４ｂを貼り合わせて形成し、前記伝熱流路１０２が積層方向で半ピッチずれするように積層して、プレートフィン１０１間を流れる空気がＸで示すように蛇行するように構成してある。図１５の（ａ）は上記突出部１０３を他方のプレート１０４ｂの平面部１０５に対向させて伝熱流路１０２を形成し、図１５の（ｂ）は突出部１０３，１０３同士を向かい合わせに対向させて伝熱流路１０２を形成したものである。

このように構成されたプレートフィン積層型熱交換器は、プレートフィン１０１間を流れる空気が蛇行するのでプレートフィン１０１との接触度合が向上し、高い熱交換効率が得られる、というものである。

特開２００６−３２２６９８号公報

しかしながら、上記従来の熱交換器は、いずれの場合も、プレートフィン１０１間を流れる空気を蛇行させるべく伝熱流路１０２を半ピッチずらせ、同時に伝熱流路１０２を形成する突出部１０３の突出高さを高くする必要があり、そのため、伝熱流路１０６の断面積が大きくなって冷媒流速が低下し、プレートフィン１０１に対する冷媒側の熱伝達率が低下する。一方、プレートフィン１０１に対する冷媒側の熱伝達率をあげるべく伝熱流路
１０２の断面積を小さくしようとすれば、伝熱流路１０２を形成する突出部１０３の突出高さを低くせざるを得ず、この場合はプレートフィン１０１間を流れる空気の蛇行が小さなものとなってプレートフィン１０１に対する空気側の熱伝達率が低下する。

つまり、プレートフィン１０１に対する冷媒側の熱伝達率と空気側の熱伝達率はトレードオフの関係になっており、従来の熱交換器の構成ではその熱交換効率を一定レベル以上に向上させるのが困難な状況にあった。

また、図１５の（ｂ）に示すプレートフィン１０１を用いた熱交換器の場合は、突出部１０３，１０３同士を向かい合わせに対向させて伝熱流路１０２を形成しているので、突出部１０３，１０３の位置が半ピッチずれる一対のプレート、すなわち、プレート１０４ａ−１、１０４ａ−２と、１０４ｂ−１、１０４ｂ−２との、四種類必要とし、部品管理が煩雑で、かつ、生産性が悪い、という課題もあった。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、熱交換効率を大きく向上させたプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供するものである。

本発明は、上記目的を達成するため、プレートフィンを構成する一対のプレートに大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を設け、前記大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を同一方向に向け嵌合させて伝熱流路を形成した構成としてある。

これにより、伝熱流路の断面積を微小化して冷媒の流速を増し、冷媒側の熱伝達率を向上させることができるとともに、伝熱流路の断面積を微小に保ったまま伝熱流路用凸部の突出高さを高くして空気側の熱伝達率を向上させることもでき、熱交換効率を大きく向上させることができる。しかも、大小凸部の嵌合により伝熱流路を形成しているので、当該凸部同士の嵌合によりプレートフィンを構成する一対のプレートの位置ずれも防止でき、伝熱流路断面積のバラつき等を抑制して高品質な熱交換器とすることができる。

本発明は、上記構成により、プレートフィンに対する空気側及び冷媒側の熱伝達率を共に向上させ、熱交換効率が高いプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器を上下に分離した状態で示す分解斜視図 （ａ）同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する一方のプレートの平面図、（ｂ）同他方のプレートの平面図 同プレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路群部分を切断して示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路群部分を拡大して示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する一対のプレートを示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを示す斜視図 図７のＡ−Ａ断面図 図７のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路群部分を示す拡大断面図 （ａ），（ｂ）同プレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路群部分の作用を説明する図 （ａ），（ｂ），（ｃ） 同プレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路の断面形状の他の例を示す拡大断面図 本発明のプレートフィン積層型熱交換器を用いた実施の形態２における冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図 同空気調和機の概略断面図 （ａ），（ｂ）従来のプレートフィン積層型熱交換器の断面図

第１の発明は、プレートフィン積層型熱交換機であり、このプレートフィン積層型熱交換器は、第１流体用の伝熱流路を有する複数のプレートフィンを積層して構成してなる熱交換器であって、前記プレートフィンはこれを構成する一対のプレートに大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を設け、前記大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を同一方向に向け嵌合させて伝熱流路を形成した構成としてある。

これにより、伝熱流路の断面積を微小化して冷媒等の第１流体の流速を増し、第１流体側の熱伝達率を向上させることができるとともに、伝熱流路の断面積を微小に保ったまま伝熱流路用凸部の突出高さを高くして空気等の第２流体側の熱伝達率を向上させることもでき、熱交換効率を大きく向上させることができる。しかも、大小凸部の嵌合により伝熱流路を形成しているので、当該凸部同士の嵌合によりプレートフィンを構成する一対のプレートの位置ずれも防止でき伝熱流路断面積のバラつき等を抑制して高品質な熱交換器とすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記プレートフィンの伝熱流路は隣接する他のプレートフィンの伝熱流路と同じ位置でプレートフィン間に突出する構成としてある。

これにより、プレートフィンを構成するプレートは同じ位置に大きな伝熱流路用凸部と小さな伝熱流路用凸部を有する二種類のプレートだけでよくなり、部品管理が容易で、生産性も向上し、安価に提供することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記プレートフィンのプレートに設けた大きな伝熱流路用凸部と小さな伝熱流路用凸部はこれらを嵌合させて形成した伝熱流路の長手方向と交差する両側部分に微小間隙が形成される構成としてある。

これにより、大小それぞれの伝熱流路用凸部を設けたプレートを接合した際に生じる接合材の余剰分が伝熱流路両側の微小間隙部分に入り込んで凝固するようになる。したがって、接合材の凝固部分が伝熱流路部を塞ぐというような事態を招来するのを防止でき、流路品質を安定させることができるとともに、プレートの接合強度を向上させることができる。

第４の発明は、第２または第３の発明において、前記大小二つの伝熱流路用凸部は、略山形に形成して小さな伝熱流路用凸部の頂点幅を大きな伝熱流路用凸部の頂点幅より広くした構成としてある。

これにより、プレートフィン間で対向する形となる大きな伝熱流路用凸部の頂点部と小さな伝熱流路用凸部の底面部との間を流れる空気等の第２流体の流れが円滑なものとなるので、隣接するプレートフィンの伝熱流路が同じ位置にあって対向する形となっていても高い熱交換効率を得ることができる。

第５の発明は、第２または第３の発明において、前記大小二つの伝熱流路用凸部は、円
弧状に形成して大きい方の伝熱流路用凸部の円弧半径は小さい方の伝熱流路用凸部の円弧半径より小さい構成としてある。

これにより、第４の発明と同様プレートフィン間で対向する形となる大きな伝熱流路用凸部の頂点部と小さな伝熱流路用凸部の底面部との間を流れる空気等の第２流体の流れが円滑なものとなるので、熱交換効率を向上させることができる。

第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記伝熱流路を形成する大きい伝熱流路用凸部はプレートフィン間を流れる空気の風下側となる面を風上側となる面より緩く傾斜させた構成としてある。

これにより、プレートフィン間に突出した伝熱流路用凸部の風下側で生じる渦流を抑制し空気等の第２流体との接触を良好なものとして熱伝達率を高めることができ、熱交換効率を向上させることができる。

第７の発明は、第１〜第６の発明において、前記プレートフィンの伝熱流路は伝熱流路の長手方向に沿う接線が複数となる形状とした構成としてある。

これにより、プレートフィンを構成する各プレートを積層してロー付け等により接合するとき、伝熱流路を構成する伝熱流路用凸部同士の嵌合によって伝熱流路の長手方向へのプレートのずれ動きを抑制でき、高品質の熱交換器とすることができるとともに、プレートずれ防止の構成を簡略化することができる。

第８の発明は、第１〜第７の発明において、前記プレートフィンは伝熱流路を複数備えるとともに、外部から伝熱媒体を導入し前記伝熱流路を通して排出する一対のヘッダ流路部とを備え、前記ヘッダ流路部と複数の伝熱流路とはヘッダ流路部からの分流路を介して連通させるとともに、前記分流路は反対方向に向けて突出形成した分流路用凸部を向かい合わせに接合して構成し、かつ、前記分流路用凸部はその外面を隣接する他のプレートフィンの分流路用凸部の外面に当接させた構成としてある。

これにより、伝熱流路群での冷媒側及び空気側の熱伝達率を上げて熱交換効率を向上させると同時に熱交換器の変形を防止できる。すなわち、分流路には各伝熱流路部分に比べかなり多くの冷媒等の第１流体が流れ、冷媒等の第１流体から大きな圧力、すなわち接合した一対のプレートを引き剥がす方向の圧力がかかるが、当該分流路用凸部はその外面が隣接する他方の分流路用凸部の外面と当接しているので冷媒等の第１流体側から加わる大きな圧力に耐えることができ、熱交換効率の向上と熱交換器の変形防止を両立させることができる。

第９の発明は冷凍システムであり、この冷凍システムは冷凍サイクルを構成する熱交換器を前記第１〜第８発明のいずれかに記載のプレートフィン積層型熱交換器としたものである。

これにより、この冷凍システムは、プレートフィン積層型熱交換器の熱交換効率が高いので、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視
図、図２はプレートフィン積層型熱交換器を上下に分離した状態で示す分解斜視図、図３（ａ）はプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する一方のプレートの平面図、（ｂ）は同他方のプレートの平面図である。

また、図４はプレートフィン積層型熱交換器の伝熱流路群部分を切断して示す斜視図、図５は同伝熱流路群部分を拡大して示す斜視図、図６はプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンを構成する一対のプレートを示す斜視図、図７は同プレートフィンを示す斜視図、図８は図７のＡ−Ａ断面図、図９は図７のＢ−Ｂ断面図、図１０は伝熱流路群部分を示す拡大断面図、図１１（ａ），（ｂ）は伝熱流路群部分の作用を説明する図、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）は伝熱流路の断面形状の他の例を示す拡大断面図である。

図１、図２に示すように、本実施の形態の熱交換器１は、略弓型形状のプレートフィン積層体２の両側に平面視が略同一形状のエンドプレート３ａ、３ｂを配置して構成されている。そして、略弓型長方形状の一端部側に、蒸発器として用いる場合には入口となり凝縮器として用いる場合は出口となる管Ａ４及びその逆となる管Ｂ５とを有している。

上記プレートフィン積層体２の両側のエンドプレート３ａ、３ｂは、プレートフィン積層体２を挟持した形でボルト・ナット若しくはカシメピン軸等の締結手段９によりその長手方向両端部を連結固定し、熱交換器としての剛性を保持している。

また、プレートフィン積層体２を構成するプレートフィン２ａは、図３に示す一対のプレート６ａ、６ｂをロー付け等により接合して冷媒等の第１流体（以下、冷媒と称する）が流れる伝熱流路を有する構成としてあり、図４、図５に示すように多数積層して各プレートフィン２ａ同士の間に空気等の第２流体（以下、空気と称する）が流れる積層間隔を形成している。そして、上記プレートフィン２ａに設けた前記伝熱流路を流れる冷媒と各プレートフィン２ａ同士の間の積層間隙を流れる空気との間で熱交換する。

以下、上記プレートフィン２ａの構成と冷媒が流れる流路構成等について詳述する。

プレートフィン２ａを構成する一対のプレート６ａ、６ｂは、図６に拡大して示すように、その一方のプレート６ａに、ヘッダ流路部Ａ８およびヘッダ流路部Ｂ１０となる開口８ａ，１０ａ及びその開口縁に設けたリング状凸部８ｂ，１０ｂと、リング状凸部８ｂ，１０ｂより導出した連絡流路用凸部１１ａと、連絡流路用凸部１１ａの端部に設けた分流路用凸部１２ａと、分流路用凸部１２ａより分岐形成した複数の略Ｕ字状に並行した伝熱流路用凸部１４ａが設けてある。

一方、他方のプレート６ｂには、ヘッダ流路部Ａ８およびヘッダ流路部Ｂ１０となる開口８ｃ，１０ｃ及びその開口縁に設けたリング状凸部８ｄ，１０ｄと、前記プレート６ａの連絡流路用凸部１１ａの端部と対向する部分に位置する分流路用凸部１２ｂと、分流路用凸部１２ｂより分岐形成した複数の略Ｕ字状に並行した伝熱流路用凸部１４ｂとが設けてある。

そして、上記一対のプレート６ａ、６ｂは、上記開口８ａ，１０ａと８ｃ，１０ｃ及びその開口縁に設けたリング状凸部８ｂ，１０ｂと８ｄ，１０ｄ同士、及び分流路用凸部１２ａと１２ｂ及び伝熱流路用凸部１４ａと１４ｂ同士がそれぞれ合致するように接合し、開口８ａ，１０ａ，８ｃ，１０ｃ及びその開口縁のリング状凸部８ｂ，１０ｂ，８ｄ，１０ｄ部分でヘッダ流路部Ａ８およびヘッダ流路部Ｂ１０を形成し、分流路用凸部１２ａ，１２ｂと伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂ同士で分流路１２と伝熱流路１４を形成し、連絡流路用凸部１１ａとプレート６ｂの平面部とで連絡流路１１を形成している。

ここで、上記伝熱流路１４を形成するプレート６ａの伝熱流路用凸部１４ａとプレート６ｂの伝熱流路用凸部１４ｂは、図５、図９、図１０等に示すように、大小大きさを異ならせて同じ方向に設けてあり、大きい方の伝熱流路用凸部１４ａに小さい方の伝熱流路用凸部１４ｂを嵌合させてこれら両者間に伝熱流路１４を形成している。

そして、上記伝熱流路用凸部１４ａ及び伝熱流路用凸部１４ｂは、プレートフィン２ａを積層したとき、伝熱流路１４同士が積層方向で対向するように同じ位置に突出形成してある。

また、上記大きい伝熱流路用凸部１４ａ及び小さい伝熱流路用凸部１４ｂは、断面略山形状とし、図１０に示すように双方の立ち上がり傾斜角を異ならせて、大小の伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂの嵌合によって形成した伝熱流路１４の長手方向と交差する両側部分に微小間隙１５が形成されるようにしてある。そしてさらに、前記小さい伝熱流路用凸部１４ｂの頂点幅Ｌは大きい伝熱流路用凸部１４ａの頂点幅ｌより広くなる形としてある。

なお、伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂは断面略山形状に限定されるものではなく、後述する如く種々の形状が考えられ、いずれの場合も伝熱流路１４の長手方向と交差する両側部分に微小間隙１５が形成されるようにしておくのが好ましい。

また、上記伝熱流路１４は図３のプレートフィン全体図に示すように、プレートフィン２ａの外形と同様略弓型に屈曲させたうえＵターンする形状としてあり、伝熱流路１４の長手方向に沿う接線が複数となる、例えばＹとＺのように接線が複数となる形状となっている。この伝熱流路１４の長手方向の形状も弓型掲示用に限定されるものではないが、伝熱流路１４の長手方向に沿う接線が複数となる形状とするのが好ましい。

また、前記一対のプレート６ａ、６ｂに設けたリング状凸部８ｂ，１０ｂ，８ｄ，１０ｄと分流路用凸部１２ａ，１２ｂは、伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂとは異なり互いに反対方向に向けて突出形成し、そのリング状凸部８ｂ，１０ｂ，８ｄ，１０ｄと分流路用凸部１２ａ，１２ｂの凸部外面を積層方向に隣接する他のプレートフィン２ａのリング状凸部８ｂ，１０ｂ，８ｄ，１０ｄと分流路用凸部１２ａ，１２ｂの凸部外面に突き合わせ当接させてロー付け等により接合してある。

また、図７に示すように、上記伝熱流路１４はヘッダ流路部Ａ８に繋がる伝熱流路１４−１群とヘッダ流路部Ｂ１０に繋がる伝熱流路１４−２群との間にこれら両者間の熱移動を防止する溝１６を形成し、かつ、ヘッダ流路部Ａ８に繋がる伝熱流路１４−１群は本数を多くしてある。

そして、上記構成のプレートフィン２ａの積層間隔は、当該プレートフィン２ａの長手方向に沿って適宜設けた複数の突起１７（図３参照）によって空気が流れる積層間隔を形成している。

次に上記のように構成したプレートフィン積層型熱交換器について、これを冷凍システムの熱交換器として用いた場合を例にしてその作用効果を説明する。

本実施形態の熱交換器は、例えば蒸発条件で使用されている時、管Ａ４から気液二相状態の冷媒がプレートフィン積層体２の入り口側のヘッダ流路Ａ８内に流入する。ヘッダ流路Ａ８内に流入した冷媒は、図７及び図８に示す流路構成から明らかなように、各プレートフィン２ａの連絡流路１１及び分流路１２を介して伝熱流路１４群へ流れる。各プレートフィン２ａの伝熱流路１４群に流れた冷媒はＵターンしヘッダ流路Ｂ１０を介して気相状態で管Ｂ５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。

そして、上記伝熱流路１４を流れる際に冷媒は、前記プレートフィン積層体２のプレートフィン２ａ積層間隔を通り抜ける空気と熱交換する。

ここで、上記空気と熱交換する冷媒の伝熱流路１４は、大小大きさの異なる伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂを同一方向に向け嵌合させて形成しているので、伝熱流路１４の断面積は微小化し、伝熱流路１４を流れる冷媒の流速が従来の凸部と平坦面とによって形成される伝熱流路や凸部同士を向かい合わせにして形成される伝熱流路の流速より増大する。また、冷媒の伝熱流路１４の内壁面に対する濡れ面積も増大する。したがって、冷媒のプレートフィン２ａに対する熱伝達率が大きく向上する。

また、伝熱流路１４を構成する伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂは同じ方向に向けて嵌合しているので、伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂの断面積を微小に保ったまま伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂの突出高さを高くすることができる。よって、プレートフィン２ａの積層間隔を流れる空気の蛇行を大きなものとすることができる等、空気のプレートフィン２ａに対する熱伝達率も向上させることができる。

したがって、本実施形態のプレートフィン積層型の熱交換器１は、プレートフィン２ａに対する冷媒側及び空気側の熱伝達率が共に高まることから、熱交換効率を大きく向上させることができる。

また、上記伝熱流路１４を形成する大小の伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂは同じ方向に嵌合しているので、この凸部同士の嵌合によりプレートフィン２ａを構成する一対のプレート６ａ，６ｂが位置ずれするのを防止できる。すなわち従来の凸部を他方のプレートの平面部に対向させたり、凸部同士を向かい合わせに対向させたりして冷媒流路を形成した熱交換器の場合にはプレート６ａとプレート６ｂの位置がずれる場合があるが、これを抑制することができる。

したがって、プレート６ａと他方のプレート６ｂの位置がずれて生じる流路断面積のバラつきを抑制することができる。また、ロー付け等の接合シロを減少させてしまって接合強度を低下させてしまうようなことも防止できる。よって、熱交換器としての品質を向上させることができる。

また、伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂが同じ方向に向けて突出しているので、プレート６ａとプレート６ｂに生じる残留応力による反り方向が同じ方向となり、反りによりプレート６ａ，６ｂ同士が剥がれようとするのを予防することもできる。

また、本実施の形態では、上記積層方向に隣接するプレートフィン２ａの伝熱流路１４は、隣接する他のプレートフィン２ａの伝熱流路１４と同じ位置でプレートフィン間に突出する構成としている。

したがって、プレートフィン２ａを構成するプレート６ａ，６ｂは同じ位置に大きさの異なる伝熱流路用凸部１４ａと伝熱流路用凸部１４ｂを有する二種類のプレートだけでよくなる。よって、部品管理が容易で、生産性も向上し、安価に提供できる。

しかも、隣接するプレートフィン２ａの伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂが同じ位置であることから、プレートフィン２ａの長手方向と交差する短辺方向の幅を狭くすることができる。すなわち、伝熱流路が同じ位置でなく半ピッチずれていると、プレートフィン２ａの両側の長辺縁部の強度を保持することにもなるフィン積層間隔形成用の突起１７が当接する長辺縁部の一方のプレート６ｂの平坦面２０（図６参照）は、前記突起１７を当接さ
せるために幅広とする必要がある。

しかしながら、伝熱流路１４、すなわち伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂが同じ位置であれば、プレート６ｂの長辺縁部の平坦面２０を他方のプレート６ａの平坦面２０と同じ幅とすることができ、一方の平坦面を幅広とする必要がなくなる。よって、プレートフィン２ａの長手方向と交差する方向の短辺幅を狭くすることができ、熱交換器全体の大きさをコンパクトなものとすることができる。

また、本実施の形態では、上記大小の伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂを嵌合させて形成した伝熱流路１４は、その両側部分に微小間隙１５を有しているから、プレート６ａとプレート６ｂを炉中に入れて接合した際、溶融したロー材などの接合材の余剰分が前記伝熱流路両側の微小間隙１５部分に入り込んで凝固するようになる。

よって、接合材の凝固部分が伝熱流路１４を部分的に塞ぐというようなことを防止することができ、流路品質を安定させることができる。また、上記微小間隙１５部分がプレート６ａとプレート６ｂの接合に寄与することになり、接合強度を向上させることもできる。

また、本実施の形態では、小さな伝熱流路用凸部１４ｂの頂点幅Ｌを大きい伝熱流路用凸部１４ａの頂点幅ｌより広くしている。したがって、積層方向に隣接するプレートフィン２ａの伝熱流路１４を同じ位置に設けていても、空気の流れは大きく蛇行するとともに円滑なものとなり、良好な熱交換効率を得ることができる。

すなわち、図１１（ｂ）に示すように、上記両方の伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂの頂点が同じ幅、この場合は三角形の頂点になっていると、一方の伝熱流路用凸部１４ａの頂点部とこの頂点部が臨む他方の伝熱流路用凸部１４ｂの底面凹部との間に形成される間隙は急激に屈曲するものとなり、空気の流れが急激に曲がって空気抵抗の大きなものとなる。

これに対し、前記した本実施の形態の構成によれば、同図１１（ａ）に示すように伝熱流路用凸部１４ａの頂点部とこの頂点部が臨む伝熱流路用凸部１４ｂの底面凹部との間に形成される間隙は緩やかに屈曲するものとなり、空気の流れは緩やかに曲がるので空気抵抗の少ないものとなる。その結果、上記伝熱流路用凸部１４ａの頂点部と伝熱流路用凸部１４ｂの底面凹部との間を流れる空気は流速が早く円滑で大きく蛇行するものとなり、隣接するプレートフィン２ａの伝熱流路１４が同じ位置にあって対向する形となっていても高い熱交換効率を得ることができる。

また、本実施の形態において前記プレートフィン２ａに設けた伝熱流路１４は、伝熱流路１４の長手方向の任意の点の接線が複数となる形状としてある。したがって、プレートフィン２ａを構成する各プレート６ａ，６ｂを積層してロー付け等により接合するとき、伝熱流路用凸部１４ａと伝熱流路用凸部１４ｂとが嵌合することによって、プレート６ａ，６ｂが伝熱流路１４の長手方向へずれ動くのを防止できる。よって、伝熱流路１４の流路断面積がバラつくのを抑えることができる。また、プレート６ａ，６ｂのずれ防止構成も簡略化することができる。

更に、本実施形態の熱交換器１では、ヘッダ流路Ａ８からの冷媒を伝熱流路１４群に分流する分流路１２は、これを構成する分流路用凸部１２ａ，１２ｂを伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂとは異なり互に反対方向に向けて突出させ、図８に示すように分流路用凸部１２ａの外面を隣接する他のプレートフィン２ａからの分流路用凸部１２ｂの外面に当接させ接合する形としてあるから、分流路１２に加わる冷媒側からの圧力によって分流路部分
が変形するのを防止することができる。

すなわち、この種のプレートフィン積層型熱交換器の分流路１２には各伝熱流路１４個々に比べかなり多くの冷媒が流れるため、冷媒側から大きな圧力、すなわち接合した一対のプレート６ａ，６ｂを引き剥がす方向の圧力がかかり、変形する恐れがある。

しかしながら前記した本実施形態の構成によれば、プレート６ａの分流路用凸部１２ａの外面が、隣接する他方のプレート６ｂの分流路用凸部１２ｂの凸部外面に当接しているので、冷媒側から加わる大きな圧力に耐えることができる。

したがって、このプレートフィン積層型熱交換器は当該プレートフィン積層型の熱交換器において懸念される熱交換器の変形を防止し、熱交換器の剛性を高めることができる。

以上のように、本実施の形態のプレートフィン積層型熱交換器は、コストダウンやコンパクト化、そして品質や剛性を高めつつ、プレートフィン２ａに対する空気側及び冷媒側の熱伝達率を共に向上させ、熱交換効率を大きく向上させることができる。

なお、本実施の形態において、上記伝熱流路１４を形成する伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂはその断面形状を略山形形状としたが、これに限定されるものではなく、図１２に示すように種々変形が可能である。

例えば、図１２の（ａ）は円弧状凸部としたものであり、（ｂ）は円弧状凸部と山形凸部を組み合わせたものであり、（ｃ）は翼型形状の凸部の組み合わせとしたものである。なお、凸部を形成する円弧は真円はもちろん楕円状の円弧でもよいものである。

同図において、（ａ）のものは大きな伝熱流路用凸部１４ａの円弧径より小さな伝熱流路用凸部１４ｂの円弧径が大きなものとなっているので、前記実施の形態１で述べたものと同様の理由により空気の流れを円滑にし、且つ、蛇行度合も大きなものとなって熱交換効率の高いものとすることができる。また（ｂ）のものもその形状から理解できるように実施の形態１及び（ａ）と同様空気の流れを円滑にし、且つ、蛇行度合も大きなものとして熱交換効率を高いものとすることができる。さらに、（ｃ）のものはプレートフィン間を流れる空気の風下側となる面を風上側となる面より緩く傾斜する形となるので、プレートフィン間に突出した翼状の伝熱流路用凸部１４ａの風下側で空気の渦流が発生して空気の熱伝達率が低下するのを抑制することができ、更に熱交換効率を向上させることができる。

以上のように、伝熱流路用凸部１４ａ，１４ｂの形状は種々考えられが、これは熱交換器の形状や組み込むシステム構成に応じて最適な形状とすればよい。

次に上記構成のプレートフィン積層型熱交換器を用いた冷凍システムについて説明する。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器を用いて構成した空気調和機である。

図１３は空気調和機の冷凍サイクル図、図１４は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

図１３、図１４において、この空気調和機は、室外機５１と、室外機５１に接続された
室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

なお、本実施形態による冷媒回路には、テトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペン、ジフルオロメタンまたはペンタフルオロエタンまたはテトラフルオロエタンを、単体、もしくはそれぞれ２成分混合または３成分混合した冷媒を使用している。

上記構成からなる空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

ここで、上記構成の空気調和機は、その室外熱交換器５５或いは室内熱交換器５７の一方もしくは双方に前記実施の形態で示した熱交換器を使用することにより、高い熱交換効率を発揮することになり、省エネ性の高い高性能な冷凍システムとすることができる。

以上、本発明に係るプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムの一例である空気調和機について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、プレートフィンに対する空気側及び冷媒側の熱伝達率を共に向上させ、高い熱交換効率を持つプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムとすることができる。よって、家庭用及び業務用等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 管Ａ
５ 管Ｂ
６ａ プレート
６ｂ プレート
８ ヘッダ流路Ａ
８ａ、８ｃ 開口
８ｂ、８ｄ リング状凸部
９ 締結手段（ボルト・ナット）
１０ ヘッダ流路Ｂ
１０ａ、１０ｃ 開口
１０ｂ、１０ｄ リング状凸部
１１ 連絡流路
１１ａ、１１ｂ 連絡流路用凸部
１２ 分流路
１２ａ、１２ｂ 分流路用凸部
１４、１４−１、１４−２ 伝熱流路
１４ａ 伝熱流路用凸部
１４ｂ 伝熱流路用凸部
１５ 微小間隙
１６ 溝
１７ 突起
２０ 平坦面
５１ 室外機
５２ 室内機
５３ 圧縮機
５４ 四方弁
５５ 室外熱交換器
５６ 減圧器
５７ 室内熱交換器
５８ 室内送風機

Claims (11)

1. 第１流体用の伝熱流路を有する複数のプレートフィンを積層して構成してなる熱交換器であって、前記プレートフィンはこれを構成する一対のプレートに大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を設け、前記大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を同一方向に向け嵌合させて伝熱流路を形成し、プレートフィンの伝熱流路は隣接する他のプレートフィンの伝熱流路と同じ位置でプレートフィン間に突出する構成とし、大小二つの伝熱流路用凸部は、略山形に形成して小さな伝熱流路用凸部の頂点幅を大きな伝熱流路用凸部の頂点幅より広くしたプレートフィン積層型熱交換器。
2. 第１流体用の伝熱流路を有する複数のプレートフィンを積層して構成してなる熱交換器であって、前記プレートフィンはこれを構成する一対のプレートに大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を設け、前記大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を同一方向に向け嵌合させて伝熱流路を形成し、伝熱流路を形成する大きい伝熱流路用凸部はプレートフィン間を流れる空気の風下側となる面を風上側となる面より緩く傾斜させたプレートフィン積層型熱交換器。
3. 第１流体用の伝熱流路を有する複数のプレートフィンを積層して構成してなる熱交換器であって、前記プレートフィンはこれを構成する一対のプレートに大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を設け、前記大小大きさの異なる伝熱流路用凸部を同一方向に向け嵌合させて伝熱流路を形成し、プレートフィンの伝熱流路は伝熱流路の長手方向に沿う接線が複数となる形状としたプレートフィン積層型熱交換器。
4. プレートフィンの伝熱流路は隣接する他のプレートフィンの伝熱流路と同じ位置でプレートフィン間に突出する構成とした請求項２〜３のいずれか一項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
5. プレートフィンのプレートに設けた大きな伝熱流路用凸部と小さな伝熱流路用凸部はこれらを嵌合させて形成した伝熱流路の長手方向と交差する両側部分に微小間隙が形成される構成とした請求項１〜４のいずれか一項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
6. 大小二つの伝熱流路用凸部は、略山形に形成して小さな伝熱流路用凸部の頂点幅を大きな伝熱流路用凸部の頂点幅より広くした請求項２あるいは３に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
7. 大小二つの伝熱流路用凸部は、円弧状に形成して大きい方の凸部の円弧半径は小さい方の凸部の円弧半径より小さい構成とした請求項１〜６のいずれか一項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
8. 伝熱流路を形成する大きい伝熱流路用凸部はプレートフィン間を流れる空気の風下側となる面を風上側となる面より緩く傾斜させた請求項１あるいは請求項３〜７のいずれか１項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
9. プレートフィンの伝熱流路は伝熱流路の長手方向に沿う接線が複数となる形状とした請求項１〜２、あるいは請求項４〜８のいずれか１項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
10. プレートフィンは伝熱流路を複数備えるとともに、外部から伝熱媒体を導入し前記伝熱流路を通して排出する一対のヘッダ流路部とを備え、前記ヘッダ流路部と複数の伝熱流路とはヘッダ流路部からの分流路を介して連通させるとともに、前記分流路は反対方向に向けて突出形成した分流路用凸部を向かい合わせに接合して構成し、かつ、前記分流路用凸部はその外面を隣接する他のプレートフィンの分流路用凸部の外面に当接させた請求項１ から９のいずれか１項に記載のプレートフィン積層型熱交換器。
11. 冷凍サイクルを構成する熱交換器を請求項１〜１０のいずれかに記載のプレートフィン積層型熱交換器とした冷凍システム。

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