JP7448844B2 - 熱交換器および冷凍装置 - Google Patents
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Description
冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置(R)に設けられ、蒸発器として機能する熱交換器であって、
内部空間(21)を形成するシェル(20)と、
前記内部空間(21)に配置されるとともに、複数の伝熱プレート(50a,50b)を含むプレート積層体(40)とを備える。
冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置である。
本開示の熱交換器(10)は、シェルアンドプレート式熱交換器である。熱交換器(10)は、冷凍装置(R)に設けられる。本例の冷凍装置(R)は、冷水を生成するチラーユニットである。
図1に示すように、冷凍装置(R)は、冷媒が充填される冷媒回路(1)を有する。冷媒回路(1)は、圧縮機(2)、放熱器(3)、減圧機構(4)、および蒸発器(5)を有する。本開示の熱交換器(10)は、蒸発器(5)を構成する。冷媒回路(1)は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。圧縮機(2)は、スクリュー式であるが、ターボ式、スクロール式、揺動ピストン式、ロータリ式などの他の方式であってもよい。
図2および図3に示すように、熱交換器(10)はシェル(20)とプレート積層体(40)とを有する。プレート積層体(40)は、シェル(20)の内部空間(21)に収容される。シェル(20)の内部空間(21)には液冷媒が流入する。液冷媒は、プレート積層体(40)内を流通する熱媒体と熱交換する。熱交換器(10)は、シェル(20)内の内部空間(21)へ流入した冷媒を蒸発させることによって、蒸発器として機能する。なお、熱媒体としては、水とブラインが例示される。
シェル(20)は、横長の円筒状の密閉容器で構成される。シェル(20)は、胴部(20a)と第1側壁(20b)と第2側壁(20c)とを有する。胴部(20a)は円筒状に形成される。第1側壁(20b)は、円形に形成され、胴部(20a)の左端を閉塞する。第2側壁(20c)は、円形に形成され、胴部(20a)の右端を閉塞する。シェル(20)は、胴部(20a)、第1側壁(20b)、第2側壁(20c)により、内部空間(21)を形成する。内部空間(21)内に液冷媒が貯留される。
プレート積層体(40)は、横方向に重ね合わされて互いに接合された複数の伝熱プレート(50a,50b)によって構成される。プレート積層体(40)は、伝熱プレート(50a,50b)の積層方向が横方向となる姿勢で、シェル(20)の内部空間(21)に収容される。
第1プレート(50a)には、下側凸部(51a)と上側凸部(53a)とが形成される。下側凸部(51a)と上側凸部(53a)のそれぞれは、第1プレート(50a)の表面側に膨出した円形の部分である。下側凸部(51a)と上側凸部(53a)のそれぞれは、第1プレート(50a)の幅方向の中央部に形成される。下側凸部(51a)は、第1プレート(50a)の下部に形成される。上側凸部(53a)は、第1プレート(50a)の上部に形成される。下側凸部(51a)の中心部には、第1下側孔(52a)が形成される。上側凸部(53a)の中心部には、第1上側孔(54a)が形成される。第1下側孔(52a)と第1上側孔(54a)のそれぞれは、第1プレート(50a)を厚さ方向に貫通する円形の孔である。
プレート積層体(40)では、伝熱プレート(50a,50b)を挟んで冷媒流路(41)と熱媒体流路(42)とが隣り合うように複数ずつ形成される。冷媒流路(41)と熱媒体流路(42)は、伝熱プレート(50a,50b)によって互いに仕切られる。第1プレート(50a)及び第2プレート(50b)にはそれぞれ、細長い畝状の凹凸とが繰り返し形成された第1凹凸パターン(62a)及び第2凹凸パターン(62b)が形成されている。図5および図6に示すように、第1凹凸パターン(62a)及び第2凹凸パターン(62b)はそれぞれ、凹凸の稜線が水平方向Xに対する第1角度α1及び第2角度α2をもって延びている。第1角度α1と第2角度α2とは互いに逆の大きさである。例えば、第1角度α1が45度である場合、第2角度α2は135度である。第1角度α1は、15度~75度である。第2角度α2は、165度~105度である。
図5及び図6に示すように、熱媒体流路(42)には、ガイド部(70)が設けられる。ガイド部(70)は、第1線状平坦部(65a)と第2線状平坦部(65b)とにより形成される。
熱交換器(10)内における熱媒体及び冷媒の流れについて、図7及び図8を参照して具体的に説明する。なお、図7中に示す矢印は、熱媒体の流れを示す。図8ではシェル内に液冷媒が貯留されている状態が示され、実線の矢印は、熱媒体の流れを表し、破線の矢印は冷媒の流れを表す。
本開示の冷凍装置(R)は、冷媒として、いわゆる低圧冷媒が用いられる。具体的には、冷凍装置(R)の冷媒としては、0℃以上の状態において蒸発圧力が大気圧よりも低くなる冷媒が用いられる。本例では、この冷媒として、R-1233zd(1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン)が用いられる。R-1233zdはGWP(地球温暖化係数)が低いため、環境に優しい冷凍装置(R)を提供できる。
図9に示すように、プレート積層体(40)では、複数の伝熱プレート(50a,50b)の寸法関係が以下のように設定される。以下の説明では、図9における左側をプレート積層体(40)の前側とし、図9における右側をプレート積層体(40)の後側とする。プレート積層体(40)でhあ、伝熱プレート(50a,50b)の積層方向が前後方向に対応する。
複数の伝熱プレート(50a,50b)のピッチPと、熱交換の性能の関係を評価した結果を図10に示す。本評価では、伝熱プレート(50a,50b)のピッチPを1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.1mmと変更しながら、R-1233zdが冷媒流路(41)を流れる際の伝熱プレート(50a,50b)における熱流束および熱伝達率を求めている。図10では、熱流束を横軸とし、熱伝達率を縦軸としている。
(7-1)
熱交換器(10)は、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置(R)に設けられ、蒸発器として機能する。熱交換器(10)は、内部空間(21)を形成するシェル(20)と、内部空間(21)に配置されるとともに、複数の伝熱プレート(50a,50b)を含むプレート積層体(40)とを備える。
熱交換器(10)は、0℃以上の冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置(R)に設けられる。具体的には、熱交換器(10)は、冷媒として1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置(R)に設けられる。
複数の伝熱プレート(50a,50b)のピッチPが1.2mmより大きくすることで、気泡の発生に起因して熱交換器(10)の性能が低下することを抑制できる。特にピッチPを1.5mm以上とすることで、図10からも明らかなように、熱交換器(10)の性能を向上できる。さらにピッチPを1.8mm以下とすることで、冷媒流路(41)の冷媒の流速の低下に起因して、熱交換器(10)の性能が低下することを抑制できる。
上述した実施形態においては、以下のような変形例の構成としてもよい。
図11に示すように、複数の伝熱プレート(50a,50b)の表面には、粗化部(80)が形成される。粗化部(80)は、複数の伝熱プレート(50a,50b)のうち冷媒流路(41)に面する位置に形成される。粗化部(80)は、サンドブラスト処理によって伝熱プレート(50a,50b)の表面に所定の媒体を吹き付けることで形成される。
実施形態の熱交換器(10)は、流下液膜化式のシェルアンドプレート式熱交換器であってもよい。厳密に、熱交換器(10)は、シェル(20)内におけるプレート積層体(40)の上方に、プレート積層体(40)に液冷媒を散布する散布器を備えていてもよい。また、熱交換器(10)は、液冷媒を散布する構造を有したプレート積層体を有していてもよい。
10 熱交換器
20 シェル
21 内部空間
40 プレート積層体
50a,50b 伝熱プレート
R 冷凍装置
Claims (5)
- 冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置(R)に設けられ、蒸発器として機能する熱交換器であって、
内部空間(21)を形成するシェル(20)と、
前記内部空間(21)に配置されるとともに、複数の伝熱プレート(50a,50b)を含むプレート積層体(40)とを備え、
前記複数の伝熱プレート(50a,50b)は、前後方向に交互に配列される第1プレート(50a)と第2プレート(50b)とを有し、
前記第1プレート(50a)と前記第2プレート(50b)とには、凹凸パターン(62a,62b)がそれぞれ形成され、
前記第1プレート(50a)の表面と前記第2プレート(50b)の裏面に挟まれた流路が、冷媒が流れる冷媒流路(41)を構成し、
前記第1プレート(50a)の裏面と前記第2プレート(50b)の表面に挟まれた流路が、前記冷媒流路(41)の冷媒と熱交換する熱媒体が流れる熱媒体流路(42)を構成し、
前記冷媒流路(41)は、前記第2プレート(50b)の裏側の第1流路(41a)と、前記第1プレート(50a)の表側の第2流路(41b)とによって構成され、
前記第1流路(41a)の前後方向の中心線m1と、前記第2流路(41b)の前後方向の中心線m2との間の間隔であるピッチPが、1.5mm以上、2.1mm以下である
熱交換器。 - 0℃以上の前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置(R)に設けられる
請求項1に記載の熱交換器。 - 前記冷媒として1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置(R)に設けられる
請求項2に記載の熱交換器。 - 前記伝熱プレート(50a,50b)の表面には、粗化部(80)が形成される
請求項1~3のいずれか1つに記載の熱交換器。 - 請求項1~3のいずれか1つに記載の熱交換器(10)を備え、
前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置。
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