JP7599069B2 - 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

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 Download PDF

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Description

本発明は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に関する。
特許文献１は、プレートフィン積層型熱交換器を開示する。このプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路と伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層することにより構成してある。そして、上記プレートフィンは一対のプレートを向かい合わせにロウ付けして構成してあり、一方のヘッダ流路から伝熱流路に流入した冷媒等の第１流体を出口となる他方のヘッダ流路へと流し、前記伝熱流路を流れる第１流体と前記プレートフィン間の間隙を流れる空気等の第２流体との間で熱交換させる構成となっている。
特開２０１８－６６５３２号公報
本開示は、上記従来のプレートフィン構成に起因して生じる課題を解決して軽量且つ信頼性の高い高性能な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を提供する。
本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路間に伝熱流路を有するプレートフィンを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィンはヘッダ流路を有するヘッダ領域部と伝熱流路を有する流路領域部とからなり、前記ヘッダ領域部はヘッダ流路用開口を有する二枚のプレートを接合して構成するとともに、前記流路領域部は伝熱流路を一体成型した一枚の流路用プレートで構成し、前記ヘッダ領域部と流路領域部とを一体に接合してプレートフィンとした構成としてある。
本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、上記構成により、流路領域部はプレートに伝熱流路を一体成型して形成しているので、接合箇所はヘッダ領域部のみとなって最小限に抑えることができ、信頼性が向上するとともに、二枚のプレートを接合して構成する場合に比べ重量を軽減し、且つ、薄型化しているのでプレートフィン間を流れる第２流体の通流抵抗を減少させることもでき、信頼性が高く軽量且つ高性能なプレートフィン積層型熱交換機とそれを用いた冷凍システムとすることができる。
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分解斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体の一部を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンの全体構成を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンのヘッダ領域を展開して示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンの要部拡大斜視図 図２のＡ－Ａ断面図 図６の要部拡大断面図 図２のＢ－Ｂ断面図 他の実施形態におけるプレートフィンの展開状態、完成状態、積層状態を示す斜視図 同プレートフィン積層型熱交換器を用いた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 同空気調和機の室内機を示す断面図
（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンは、特許文献１に示すように、ヘッダ流路用開口と伝熱流路用凹溝を備えた二枚のプレートを向かい合わせにロウ付け接合して構成してあり、接合箇所の多さと流路構成の複雑さから接合不良が発生しやすい。そのため、接合不良を低減して信頼性を向上させる必要がある、という課題があった。また、二枚のプレートを接合して構成しているので、その分厚肉構成となってプレートフィン間を流れる流体の通流抵抗が増加し熱交換性能が低下するとともに、熱交換器全体の重量も重いものとなる、という課題もあった。
本発明者らはこのような課題を発見し当該課題を解決するため本開示の主題を構成するに至った。
そこで本開示は、信頼性が高く軽量且つ高性能な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を提供する。
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）
以下、図１～図８を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
図１に示すように、本実施形態の熱交換器１は、短冊状のプレートフィン２ａを積層した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を接合一体化して構成してある。そして、その一端部側に、凝縮器として用いる場合には入口となり蒸発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を挟持した形でロウ付けにより接合され、締結手段７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２ａは、図２、図３に示すように、冷媒等の第１流体（以下、冷媒と称する）が流れる伝熱流路８を有し、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８を流れる冷媒と各プレートフィン２ａの間の積層間隙を流れる空気との間で熱交換する。
上記プレートフィン２ａは、図４に示すように、管Ａ４に繋がるヘッダ流路Ａ９及び管Ｂ５に繋がるヘッダ流路Ｂ１０を有する左右のヘッダ領域部１１，１１と、上記ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０同士間をつなぐ伝熱流路８を有する流路領域部１２とを備え、これらヘッダ領域部１１，１１と流路領域部１２を一体に連結接合して構成してある。
上記左右のヘッダ領域部１１，１１は、略同様の形状をなし、図５に示すように、ヘッダ流路用開口Ａ９ａ（Ｂ１０ａ）とその外周に形成したリング状凹溝１３及びリング状凹溝１３から導出した連絡通路用凹溝１４、当該連絡通路用凹溝１４に繋がる流路覆い部１５を設けた第１プレート１６ａと、ヘッダ流路用開口Ａ９ａ（Ｂ１０ａ）とその外周に形成したリング状凹溝１３とを有する第２プレート１６ｂとを向かい合わせにロウ付け接合して構成してある。そして、この例では、第１プレート１６ａと第２プレート１６ｂの一片側に連結片部１７を設け、当該連結片部１７を折り曲げて向かい合わせに接合するようにしてある。
一方、流路領域部１２は、一枚の流路用プレート１８に伝熱流路８を一体成型、この例では押し出し成型して形成し、その端部を左右各ヘッダ領域部１１，１１の第１プレート１６ａと第２プレート１６ｂとの間に挟み込んでロウ付け接合することによりヘッダ領域部１１，１１と一体化してある。
上記左右の各ヘッダ領域部１１，１１と流路領域部１２との連結接合構成は基本的に同じ構成なので、ヘッダ流路用開口Ａ９ａを設けたヘッダ領域部１１と流路領域部１２との連結接合構成を例にして図５により更に詳しく説明すると、上記流路領域部１２の端部には伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂをフィン部１２ｂよりもヘッダ領域部１１側へ突出するように形成している。そして、上記伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂをヘッダ領域部１１の第１プレート１６ａに設けた流路覆い部１５と第２プレート１６ｂの平坦面部とで挟み込み、ロウ付けして連結接合している。これにより、第１プレート１６ａの流路覆い部１５と流路用プレート１８の伝熱流路８の端部分１２ａｂとでヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０の間を繋ぐ一連の通路が形成されることになる。
ここで、上記ヘッダ領域部１１，１１の平坦面部には凸条リブ２２が設けてあり、この凸条リブ２２が、図７に示すように、プレートフィン２ａを積層した際、隣接するプレートフィン２ａの流路覆い部１５と背中合わせに当接してこれを伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂに押し付ける構成となっている。
また、上記流路領域部１２の伝熱流路８は、図５に示すように、この例では二列一組として押し出し成型されており、当該伝熱流路形成部１２ａの間のフィン部１２ｂ裏面側には、図５に示すように、プレートフィン積層間隔を流れる空気を蛇行させるための凸条部１２ｃが設けられている。
さらに、前記複数の並設した伝熱流路８はヘッダ領域部１１，１１に凹設してある補助連絡用流路部１９によって連結され、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間でターンする構成としている。
なお、エンドプレート３ａ，３ｂ、プレートフィン２ａはアルミニュウム若しくはアルミ合金で形成している。
［１－２．動作］
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、これを空気調和機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。
本実施の形態の熱交換器１は、例えば凝縮条件で使用されている時、管Ａ４から気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Ａ９内に流入する。ヘッダ流路Ａ９内に流入した気相冷媒は、各プレートフィン２ａの伝熱流路８をターンしながら流れ、出口側のヘッダ流路Ｂ１０を介して管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８を流れる間にプレートフィン積層体２のプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気と熱交換し、気相冷媒は順次液相化してヘッダ流路Ｂ１０から流出していく。
ここで、上記冷媒が流れるプレートフィン２ａのヘッダ領域部１１，１１は、第１・第２プレート１６ａ，１６ｂの二枚をロウ付け接合して構成しているが、伝熱流路８を有する流路領域部１２は伝熱流路８を押し出し成型した流路用プレート１８一枚で形成している。したがって、この熱交換器１はロウ付けによる接合箇所をヘッダ領域部１１のみの最小限に抑えることができ、信頼性を大幅に向上させることができる。
一方、プレートフィン２ａの流路領域部１２は、伝熱流路８を押し出し成型した流路用プレート１８一枚で形成しているから、流路領域部１２のフィン部１２ｂの板厚がヘッダ領域部１１の第１・第２プレート１６ａ，１６ｂ二枚をロウ付けした合計板厚よりも薄くなる。そして、図７に示すように流路領域部１２の伝熱流路形成部１２ａにおける厚み幅ｔも第１・第２プレート１６ａ，１６ｂを接合して形成したヘッダ領域部１１の連絡通路用凹溝１４、つまり従来の二枚プレートを接合して形成した伝熱流路を有する部分に相当する厚み幅Ｔに比べ薄くなる。
したがってその分だけ図８に示す空気の通り道となる流路領域部１２の積層間隔Ｌを広くすることができ、空気の通流抵抗を減少させ、高性能化させることができる。加えて、上記流路領域部１２の積層間隔Ｌには凸条部１２ｃが突出する形となって空気を破線矢印Ｙで示すように蛇行させるので、更に高性能化することができる。
また、上記プレートフィン２ａは流路領域部１２が薄型化することにより重量も軽くなる。したがって、熱交換器１全体の重量を大幅に軽減し、軽量化することができる。
また、上記プレートフィン２ａのヘッダ領域部１１，１１と流路領域部１２とは、図５に示すように、流路領域部１２のフィン部１２ｂから突出した伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂをヘッダ領域部１１，１１の第１プレート１６ａに設けた流路覆い部１５と第２プレート１６ｂの平坦面部とで挟み込んで接合する構成としているので、容易に接合でき、且つ、接合不良も抑制してロウ付け接合を確実なものとすることができる。
そして、本実施の形態では、上記第２プレート１６ｂの平坦面部に凸条リブ２２を設けて、プレートフィン２ａを積層した際、隣接するプレートフィン２ａの流路覆い部１５を押さえつけるように構成しているので、流路覆い部１５と伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂとの接合部に加わる冷媒からプレート剥がし圧力に抗してプレート接合を強固に保持することができ、第１流体が流れる流路覆い部１５と伝熱流路形成部１２ａの端部分１２ａｂとで形成される流路接合部分の気密性を高いものとして信頼性をより向上させることができる。
さらに、前記ヘッダ領域部１１，１１を構成する第１プレート１６ａと第２プレート１６ｂは連結片部１７により連結しているので、第１プレート１６ａと第２プレート１６ｂを一つの部品として管理することができ、部品点数の削減と同時に部品管理も容易化することができる。
なお、本実施の形態では、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０を有するヘッダ領域部１１，１１をプレートフィン２ａの両端に分けて設けた場合を例示したが、図９に示すようにヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０を纏めて設けたヘッダ領域部１１と、伝熱流路８を繋ぐ連絡通路２０のみを設けた補助流路領域部２１を、流路領域部１２の左右それぞれの端部に接合一体化し、プレートフィン２ａの一端部側にヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０を纏めて設ける構成としてもよい。
このように、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０をプレートフィン２ａの一端側に纏めて設ける構成としても前記と同様の効果が得られるものである。加えて上記構成とすることにより、熱交換器１のプレートフィン２ａの一端部側にヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０が纏まる形となるので、各ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０への冷凍システム側からの配管の接続作業が一箇所で行えるようになる。
［１－３．効果等］
以上のように、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間に伝熱流路８を有するプレートフィン２ａを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィン２ａはヘッダ流路を有するヘッダ領域部１１と伝熱流路８を有する流路領域部１２とからなり、前記ヘッダ領域部１１はヘッダ流路用開口を有する二枚のプレート１６ａ，１６ｂを接合して構成するとともに、前記流路領域部１２は伝熱流路８を一体成型した一枚の流路用プレート１８で構成し、前記ヘッダ領域部１１と流路領域部１２とを一体に接合してプレートフィン２ａとした構成としている。
これにより、流路領域部１２は伝熱流路８を一体形成した一枚の流路用プレート１８であるから、接合箇所はヘッダ領域部１１のみとなってロウ付け等の接合箇所を最小限に抑えることができ、信頼性を向上させることができるとともに、二枚のプレート１６ａ，１６ｂを接合して構成する場合に比べ重量の軽減と薄型化による第２流体の通流抵抗の減少を図ることができ、軽量で高性能かつ信頼性の高いプレートフィン積層型熱交換機とすることができる。
また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０間に伝熱流路８を有するプレートフィン２ａを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィン２ａは、一対のヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０を纏めて設けたヘッダ領域部１１と、前記一対のヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０を繋ぐ伝熱流路８を備えた流路領域部１２と、伝熱流路同士間を繋ぐ連絡通路２０を備えた補助流路領域部２１とを備え、前記ヘッダ領域部１１を流路領域部１２の一端部側に接合一体化するとともに、流路領域部１２の他端側に前記補助流路領域部２１を接合一体化してプレートフィン２ａとした構成としている。
これにより、熱交換器１のプレートフィン一端部側にヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０が纏まる形となって、上記と同様熱交換器の軽量化を図り、信頼性及び性能を向上させると同時に、各ヘッダ流路Ａ９，Ｂ１０への冷凍システム側からの配管接続の作業性も向上させることができる。
また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、前記流路領域部１２に設けた伝熱流路形成部１２ａの両端部分１２ａｂを突出させ、前記伝熱流路形成部１２ａの両端部分１２ａｂをヘッダ領域部１１，１１またはヘッダ領域部１１，１１と補助流路領域部２１の二つのプレート１６ａ，１６ｂで挟み込んで接合一体化した構成としている。
これにより、ヘッダ領域部１１，１１と流路領域部１２を容易にロウ付け接合でき、かつ、そのロウ付けも堅牢で確実なものとすることができる。
（実施の形態２）
以下、図１０、図１１を用いて、実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
図１０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の冷凍サイクル図、図１１は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。
図１０、図１１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、前記室内熱交換器５７に実施の形態１で例示したプレートフィン積層型熱交換器を用い、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。
［２－２．動作］
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気相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、高圧の液相冷媒となり、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。
［２－３．効果等］
本開示の冷凍システムは、室内熱交換器５７に前記実施の形態１で示した熱交換器を使用しているので、軽量で高性能かつ高い信頼性を持つ冷凍システムとすることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明に係るプレートフィン積層型熱交換器及びそれを用いた冷凍システムについて、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く、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。例えば、第１流体は冷媒、第２流体は空気とした場合を例示したが、これに限定されるものではない。また、冷凍システムとして空気調和機を例示したが、冷蔵庫や冷凍ケース等であってもよいし、第２流体を水としたヒートポンプ給湯器であってもよいものである。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く、本発明の範囲は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ものである。
本発明は、上記したように、軽量且つ信頼性の高い高性能な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。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器に幅広く利用でき、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
７ 締結手段（ボルト・ナット）
８ 伝熱流路
９ ヘッダ流路Ａ
１０ ヘッダ流路Ｂ
１１ ヘッダ領域部
１２ 流路領域部
１２ａ 伝熱流路形成部
１２ａｂ 端部分
１２ｂ フィン部
１２ｃ 凸条部
１３ リング状凹溝
１４ 連絡通路用凹溝
１５ 流路覆い部
１６ａ 第１プレート
１６ｂ 第２プレート
１７ 連結片部
１８ 流路用プレート
１９ 補助連絡用流路部
２０ 連絡通路
２１ 補助流路領域部
２２ 凸条リブ
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
５９ 室外送風機

Claims (4)

  1. ヘッダ流路間に伝熱流路を有するプレートフィンを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィンは、ヘッダ流路を有するヘッダ領域部と、前記ヘッダ流路を繋ぐ伝熱流路を有する流路領域部と、からなり、前記ヘッダ領域部はヘッダ流路用開口を有する二枚のプレートを接合して構成するとともに、前記流路領域部は伝熱流路を一体成型した一枚のプレートで構成し、前記ヘッダ領域部と流路領域部とを一体に接合してプレートフィンとし、前記ヘッダ流路用開口を二つ有し、このうち一方のヘッダ流路用開口から他方のヘッダ流路用開口までを接続する流路は、前記プレートフィン内で単一であるプレートフィン積層型熱交換器。
  2. ヘッダ流路間に伝熱流路を有するプレートフィンを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィンは、一対のヘッダ流路を纏めて設けたヘッダ領域部と、前記一対のヘッダ流路を繋ぐ伝熱流路を備えた流路領域部と、伝熱流路同士間を繋ぐ連絡通路を備えた補助流路領域部とを備え、前記ヘッダ領域部を流路領域部の一端部側に接合一体化するとともに、流路領域部の他端側に前記補助流路領域部を接合一体化してプレートフィンとし、前記一対のヘッダ流路のうち一方のヘッダ流路から他方のヘッダ流路までを接続する流路は、前記プレートフィン内で単一であるプレートフィン積層型熱交換器。
  3. 流路領域部は両端部に伝熱流路形成部の端部分を突出させ、前記端部分をヘッダ領域部またはヘッダ領域と補助流路領域部の二つのプレートで挟み込んで接合一体化した請求項１または２記載のプレートフィン積層型熱交換器。
  4. 熱交換器を前記請求項１～３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とした冷凍システム。
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