JPWO2013076751A1 - プレート式熱交換器及びそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

伝熱プレート２、３の板厚ｔが０．２ｍｍ以下、凹凸９、１０のピッチΛが４〜７ｍｍ、凹凸９、１０の頂点間の距離ｈが１．０〜１．２ｍｍ、伝熱プレート２、３の凹凸９、１０の波の頂点間における伝熱プレート９、１０の長さに対応する波長さｓを、凹凸９、１０のピッチΛで割った値を面積拡大率Φと定義するとき、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５である。

Description

本発明は、プレート式熱交換器及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。

プレート式熱交換器には、波形の凹凸が複数列形成された伝熱プレートが積層されて、伝熱プレートの波形の山の頂点（又は谷の底の点）を結んだ線が、隣接する伝熱プレートに対して交差するように配置されたものが提案されている。そして、このようなプレート式熱交換器は、伝熱プレートの波形の山の頂点と、当該伝熱プレートに隣接する伝熱プレートの谷の頂点との間隔に対応する波高さｈが、たとえば１．６ｍｍ〜２．２ｍｍ程度に設定される。

このような波高さｈの設定であると、冷媒流路断面が大きい分、冷媒の流速が小さくなってしまうため、冷媒同士の熱伝達効率が低減してしまう。そこで、熱伝達効率の低減を抑制するため、伝熱プレートの波高さｈが０．５〜１．５ｍｍ（水力直径が１〜３ｍｍ）に設定されたプレート式熱交換器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、冷媒流速が増加すると、冷媒は伝熱プレートに形成された波形を乗り越えやすくなってしまい、伝熱プレートの長軸方向に流れる可能性がある。すなわち、冷媒が伝熱プレートの短軸方向（幅方向）へ広がりにくくなり、短軸方向の流速が不均一になってしまう可能性がある。これにより、伝熱プレートの幅側における冷媒の流れが滞留してしまい、有効伝熱面積の低下や、ゴミ詰まりが発生する可能性がある。

そこで、波形の山の頂点を結んだ線と伝熱プレートの長手方向とのなす角度である波角度θを小さく設定（たとえば４５度）して、冷媒が伝熱プレートの短軸方向へ広がりやすくするようにしたプレート式熱交換器が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
なお、特許文献２に記載の技術は、伝熱プレートの山と山（又は谷と谷）との間隔である波ピッチΛを小さく設定（たとえば４ｍｍ以下）し、冷媒流速を増加させている。

特開２００１−５６１９２号公報（たとえば、明細書の段落［００１７］及び図２） 特開２０１１−５１６８１５号公報（たとえば、明細書の段落［００２５］〜［００２８］）

特許文献１に記載の技術は、波高さｈを低減することで冷媒流路断面を小さくして冷媒流速を増加させるものである。ここで、冷媒流速が増加すると、隣接する伝熱プレートの交差部分で冷媒が撹拌されやすくなり、圧力損失が増加してしまう。これにより、プレート式熱交換器に冷媒を供給する圧縮機の消費電力量が増大してしまうという課題があった。
また、冷媒が伝熱プレートの短軸方向（幅方向）へ広がりにくくなり、短軸方向の冷媒流れが不均一になってしまう可能性があった。これにより、伝熱プレートの幅側における冷媒の流れが滞留してしまい、有効伝熱面積の低下や、ゴミ詰まりが発生する可能性があった。

特許文献２に記載の技術は、波角度θを４５度に設定するので、特許文献１に記載の技術のように「短軸方向の冷媒流れが不均一」となることを、抑制することができる。しかし、波ピッチΛの設定が４ｍｍ以下に設定されているため、このように波角度θを設定すると、接合点同士の短軸方向の距離が小さくなる。これにより、伝熱プレートをろう付けする際に接合点がろう材で埋まってしまい、冷媒流路の閉塞（圧力損失の増大）を発生させる可能性があった。

また、特許文献２に記載の技術は、波ピッチΛを低減させるため、面積拡大率Φが大きくなる。この面積拡大率Φが増加することは、板材から伝熱プレートを形成する際の板材の伸びが大きくなることに対応している。面積拡大率Φが大きくなると、伝熱プレートの割れや板厚ｔの偏りなどが発生してしまう可能性がある。
すなわち、特許文献２に記載の技術は、プレート式熱交換器の強度が損なわれてしまう可能性があるため、板材の薄肉化ができず、材料コスト及び重量が増加してしまっていた。また、薄肉化できないため、プレス加工時の設定荷重が大きくなる分の加工コストが増加してしまっていた。

本発明は、以上のような課題の少なくとも１つを解決するためになされたもので、熱伝達効率と、圧力損失の低減と、冷媒流路の閉塞と、コストアップ抑制及び軽量化と、を図るようにしたプレート式熱交換器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、流体を流入させる流入口、流入口から流入した流体を流出する流出口、及び、流入口から流出口に向かって複数配列された略Ｖ字形状の凹凸の波が形成された伝熱プレートを交互に上下反転して複数積層し、隣接する伝熱プレートの凹凸の波によって形成された空間に流入口と流出口とを結ぶ流路が形成されたプレート式熱交換器であって、伝熱プレートの板厚ｔが０．２ｍｍ以下、凹凸のピッチΛが４〜７ｍｍ、凹凸の頂点間の距離ｈが１．０〜１．２ｍｍ、伝熱プレートの凹凸の波の頂点間における伝熱プレートの長さに対応する波長さｓを、凹凸のピッチΛで割った値を面積拡大率Φと定義するとき、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５である。

本発明に係るプレート式熱交換器によれば、板厚ｔが０．２ｍｍ以下であり、凹凸のピッチΛが４ｍｍ〜７ｍｍであり、積層方向に対応する凹凸の頂点間の距離ｈが１．０ｍｍ〜１．２ｍｍであり、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５の範囲であるため熱伝達効率と、圧力損失の低減と、冷媒流路の閉塞と、コストアップ抑制及び軽量化と、を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の説明図である。 図１に図示されるプレート式熱交換器の伝熱プレートの概略図である。 図１に示すプレート式熱交換器の伝熱プレートの各種寸法の説明図である。 図１に示すプレート式熱交換器の波ピッチΛと面積拡大率Φとの関係の説明図である。 プレート式熱交換器の熱交換量を１５ｋＷとしたときに、波高さｈ及び波角度θをパラメータとして変化させた際のプレート式熱交換器の重量低減量を示すグラフである。 面積拡大率Φ及び波角度θをパラメータとして変化させた際のプレート式熱交換器の重量低減量を示すグラフである。 隣接する伝熱プレートの接合点間距離を、波角度θごとに説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１００の説明図である。ここで、図１（ａ）は、プレート式熱交換器１００が組み立てられた状態における側面図である。図１（ｂ）はサイドプレート１の正面図である。図１（ｃ）は伝熱プレート２の正面図でありる。図１（ｄ）は伝熱プレート３の正面図である。図１（ｅ）はサイドプレート４の正面図である。図１（ｆ）は、伝熱プレート２及び伝熱プレート３の重ね合わせた状態について説明する図である。図２は、図１に図示されるプレート式熱交換器１００の伝熱プレート２０の概略図である。なお、図２では、実線矢印が第１冷媒の流れを表し、点線矢印が第２冷媒の流れを表しているものとする。
なお、図１を含め、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。図１及び図２を参照して、プレート式熱交換器１００の構成について説明する。

［プレート式熱交換器１００の構成］
まず、プレート式熱交換器１００の構成について説明する。
プレート式熱交換器１００は、たとえば、熱源側である室外機から搬送される熱源側冷媒（第１冷媒）と、利用側である室内機から搬送される熱媒体（第２冷媒）とを熱交換させるものである。すなわち、プレート式熱交換器１００は、冷媒対冷媒、或いは冷媒対水又はブライン等の熱媒体の熱交換器である。なお、このプレート式熱交換器１００には、第１冷媒と第２冷媒が混合しないように、第１冷媒が流れる第１冷媒流路Ｘ及び第２冷媒が流れる第２冷媒流路Ｙが形成されている。
プレート式熱交換器１００は、図１に示すように、伝熱プレート２０、及びプレート式熱交換器１００を補強するサイドプレート１、４を有している。

（伝熱プレート２０）
伝熱プレート２０は、図２に示すように、第１冷媒及び第２冷媒の第１冷媒流路Ｘ、Ｙを形成するものである。この伝熱プレート２０は、平面形状が長方形である伝熱プレート２、３の２種類のプレートから構成されている。なお、伝熱プレート２は、伝熱プレート３の上下を反転させたものである。
伝熱プレート２０は、その表面に凹凸の波が略Ｖ字形状にされて、「鉛直方向」に複数列形成された伝熱プレート２と、この伝熱プレート２の同下方向を反対にして配置された伝熱プレート３とが交互に対向配置（積層）されて構成されている。したがって、伝熱プレート２の後ろ側には、伝熱プレート２の同下方向が逆である伝熱プレート３が配置され、この伝熱プレート３の後ろ側には伝熱プレート２が配置される。
ここで、「鉛直方向」は、プレート式熱交換器１００の設置される面に対して垂直方向の他、上下方向一般も指すものとする。
また、伝熱プレート２０の平面視した形状は、長方形をしているものとして説明するが、それに限定されるものではなく、たとえば正方形などでもよい。また、伝熱プレート２０の上下は、図１の紙面の上下に対応している。すなわち、伝熱プレート２０の上は、後述の第１開口部１１及び第４開口部１４がある側に対応し、伝熱プレート２０の下は第２開口部１３及び第３開口部１２がある側に対応している。

伝熱プレート２は、伝熱プレート３及びサイドプレート１、４に対して平行に設けられるものであって、隣接する伝熱プレート３に対して対向配置される板状部材である。
この伝熱プレート２には、図１（ｃ）に示すように、平面視したときに、略逆Ｖ字形状の凹凸９の波が複数列形成されている。そして、凹凸９の頂点（又は底点）を結んだ線が、伝熱プレート２の長手方向（図１及び図２の紙面の上下方向）に平行な中心線に対称に形成されている。また、凹凸９の頂点を結んだ線がこの中心線に対して所定の角度をなすように凹凸９は形成されている。

伝熱プレート３も、伝熱プレート３の凹凸１０の頂点（又は底点）を結んだ線が、伝熱プレート３の長手方向（図１及び図２の紙面の上下方向）となす角度以外については、伝熱プレート２の構成と同様である。すなわち、伝熱プレート３は、伝熱プレート２及びサイドプレート１、４に対して平行に設けられるものであって、隣接する伝熱プレート２に対して対向配置される板状部材である。
この伝熱プレート３には、図１（ｄ）に示すように、平面視したときに、略Ｖ字形状の凹凸１０の波が複数列形成されている。そして、凹凸１０の頂点（底点）を結んだ線が、伝熱プレート３の長手方向に平行な中心線に対称に形成されている。また、凹凸１０の頂点を結んだ線が、この中心線に対して所定の角度をなすように凹凸１０は形成されている。

伝熱プレート２に形成された凹凸９及び伝熱プレート３に形成された凹凸１０は、第１冷媒及び第２冷媒の温熱（又は冷熱）が放出される面積を増加させ、熱交換効率を高める等の理由により形成されている。ここで、伝熱プレート２及び伝熱プレート３は、図１（ｆ）に示されるように対向配置された状態で見たとき、伝熱プレート２の凹凸９の頂点を結んだ線と、伝熱プレート３の凹凸１０の頂点を結んだ線とが交差するように設けられている。なお、伝熱プレート２、３に形成された凹凸９、１０の断面は、たとえば、のこぎり状でもよいし波状（曲面）でもよい。この凹凸９、１０については、図３で詳しく説明する。

伝熱プレート２及び伝熱プレート３には、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、プレート式熱交換器１００に流入する第１冷媒が流れる第１開口部１１、及びプレート式熱交換器１００から流出する第１冷媒が流れる第２開口部１３が形成されている。また、伝熱プレート２及び伝熱プレート３には、プレート式熱交換器１００に流入する第２冷媒が流れる第３開口部１２、及びプレート式熱交換器１００から流出する第２冷媒が流れる第４開口部１４が形成されている。
すなわち、伝熱プレート２に形成された第１開口部１１は、伝熱プレート２、３との間に形成される第１冷媒流路Ｘに流入する第１冷媒の流入口に対応し、伝熱プレート２に形成された第２開口部１３は、その第１冷媒流路Ｘに流入した第１冷媒の流出口に対応する。なお、伝熱プレート２に形成された第３開口部１２及び第４開口部１４からは第２冷媒が第１冷媒流路Ｘに流入せずに通過する。
また、伝熱プレート３に形成された第３開口部１２は、伝熱プレート３、２との間に形成される第２冷媒流路Ｙに流入する第２冷媒の流入口に対応し、伝熱プレート３に形成された第４開口部１４は、その第２冷媒流路Ｙに流入した第２冷媒の流出口に対応する。なお、伝熱プレート２に形成された第１開口部１１及び第２開口部１３からは第１冷媒が第２冷媒流路Ｙに流入せずに通過する。
なお、伝熱プレート２、３の第１開口部１１同士は、互いに連通している。第２開口部１３、第３開口部１２、及び第４開口部１４についても同様である。

また、伝熱プレート２及び伝熱プレート３は、図２に示すように、伝熱プレート２の後面と伝熱プレート３の前面とによって第１冷媒が流れる第１冷媒流路Ｘを形成し、伝熱プレート３の後面と伝熱プレート２の前面とによって第２冷媒が流れる第２冷媒流路Ｙを形成する。なお、この例では、「前」とは、図２の「紙面右」に対応し、「後」とは「紙面左」に対応している。

（サイドプレート１、４）
サイドプレート１、４は、プレート式熱交換器１００を補強するものである。
サイドプレート１は、伝熱プレート２０及びサイドプレート４に対し平行に設けられるものであって、図１（ａ）に示すように一番前の伝熱プレート２に対向配置されているものである。また、サイドプレート４は、伝熱プレート２０及びサイドプレート１に対し平行に設けられるものであって、図１（ａ）に示すように一番後ろの伝熱プレート３に対向配置されているものである。
サイドプレート１には、第１冷媒をプレート式熱交換器１００に流入させるための第１冷媒流入管５、及び第１冷媒をプレート式熱交換器１００から流出させるための第１冷媒流出管７が設けられている。また、サイドプレート１には、第２冷媒をプレート式熱交換器１００に流入させるための第２冷媒流入管６、及び第２冷媒をプレート式熱交換器１００から流出させるための第２冷媒流出管８が設けられている。

［伝熱プレート２０の寸法］
図３は、図１に示すプレート式熱交換器１００の伝熱プレート２０の各種寸法の説明図である。なお、図３（ａ）は、伝熱プレート２０のうち、伝熱プレート２を一例として平面視した図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の伝熱プレート２の凹凸９の頂点（底点）を結んだ線に対して直交する面における断面図である。図４は、図１に示すプレート式熱交換器１００の面積拡大率Φと波ピッチΛとの関係の説明図である。図４では、板厚ｔを０．２ｍｍとし、波高さｈを１．４ｍｍとしている。

本実施の形態１では、伝熱プレート２０に形成される凹凸９、１０の波の形状の特定において、波角度θ、波ピッチΛ、波高さｈ、波長さｓ、面積拡大率Φ及び板厚ｔという変数を採用している。

波角度θは、略Ｖ字形状の凹凸９、１０の波の配列方向に対する波の広がり角度に対応するものである。すなわち、図３に示す宇ように、波角度θは、伝熱プレート２０の長手方向に対する、伝熱プレート２０の凹凸の頂点（又は底点）を結んだ線がなす角度である。
波ピッチΛは、図３（ｂ）に示すように、隣接する頂点間の長さに対応するものである。
波高さｈは、図３（ｂ）に示すように、凹凸の底点と頂点との長さに対応するものである。

波長さｓは、図３（ｂ）に示すように、隣接する頂点間における伝熱プレート２０の長さに対応するものである。この波長さｓは、以下に示す（式１）によって表されるものである。なお、以下の式のＲ１は、図３（ｂ）に示す曲率中心Ｏから凹凸９、１０の波までの鉛直方向の距離に対応する曲率半径である。また、Θは、曲率中心Ｏから凹凸９、１０の波までの距離が同じ曲率半径Ｒ１となる範囲を表している。

式１

板厚ｔは、伝熱プレート２０の厚みに対応するものである。
面積拡大率Φは、図３（ｂ）に図示されるように、所定の波高さｈにおける波長さｓを波ピッチΛで割って得られるものである。また、面積拡大率Φは、波長さｓが上記の（式１）で表されるため、波高さｈ及び波ピッチΛによって表すこともできる。この面積拡大率Φが小さいと板材の伸びが小さくなり、面積拡大率Φが大きいと、板材の伸びが大きくなる。図４には、板厚ｔを０．２ｍｍとし、波高さｈを１．４ｍｍとしたときの面積拡大率Φの値ついて示す。

［熱交換量が１５ｋＷの場合の波高さｈ及び波角度θの設定］
図５は、プレート式熱交換器１００の熱交換量を１５ｋＷとしたときに、波高さｈ及び波角度θをパラメータとして変化させた際のプレート式熱交換器１００の重量低減量を示すグラフである。図５では、板厚ｔを０．２ｍｍとしている。
図５に示すように、波高さｈを１．０〜１．２ｍｍとすると好ましい。この波高さｈの範囲の場合には、面積拡大率Φが小さくなり板材の伸びが小さくて済むため、波角度θを調整することで重量低減率を２０％以上或いはそれに近い値にすることができるためである。
なお、波高さｈを１．０〜１．２ｍｍとしたときには、波角度θを４０度〜５０度の範囲内に設定するとよい。この波角度θの範囲では、重量低減率を確保しながら、伝熱プレート２０の短軸方向の冷媒流れが不均一になってしまうことを抑制することができるためである。また、この波角度θの範囲では、伝熱プレート２０の幅側における冷媒の流れが滞留してしまい、有効伝熱面積の低下や、ゴミ詰まりが発生することを抑制し、圧力損失を低減することができるためである。
さらに、波高さｈが１．０〜１．２ｍｍであると、板材の伸びが小さくて済む分、伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏りなどが発生してしまうことを抑制することもできる。

ここで、波高さｈが１．２ｍｍより大きい場合には、波高さｈが１．０〜１．２ｍｍである場合と比較すると、面積拡大率Φが大きくなって板材の伸びが大きくなるため、伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏りなどが発生してしまう可能性がある。

波高さｈが１．０ｍｍ未満の場合には、波高さｈが１．０〜１．２ｍｍである場合と比較すると、面積拡大率Φが小さくなって板材の伸びが小さくなる。しかし、この波高さｈの範囲では、冷媒流路が小さいため、圧力損失が大きくなっている。すなわち、波高さｈが１．０ｍｍ未満の場合に熱交換量を１５ｋＷとするには、当該圧力損失分を低減するために伝熱プレート２０の積層枚数を増加させる必要があることから、プレート式熱交換器１００の重量を低減することはできない。

［熱交換量が１５ｋＷ及び９ｋＷの場合の面積拡大率Φ及び波角度θの設定］
図６は、面積拡大率Φ及び波角度θをパラメータとして変化させた際のプレート式熱交換器１００の重量低減量を示すグラフである。なお、図６では、板厚ｔを０．２ｍｍとしている。なお、図６の実線が熱交換量が１５ｋＷのプレート式熱交換における結果であり、点線が熱交換量が９ｋＷにおけるプレート式熱交換器における結果である。

図６に示すように、いずれの熱交換量においても、面積拡大率Φを１．０５〜１．１５とするとよい。この面積拡大率Φの場合には、波角度θを調整することで重量低減率を２０％以上或いはそれに近い値にすることができるためである。

なお、面積拡大率Φを１．０５〜１．１５としたときには、波角度θを４０度〜５０度の範囲内に設定するとよい。この波角度θの範囲では、重量低減率を確保しながら、伝熱プレート２０の短軸方向の冷媒流れが不均一になってしまうことを抑制することができるためである。また、この波角度θの範囲では、伝熱プレート２０の幅側における冷媒の流れが滞留してしまい、有効伝熱面積の低下や、ゴミ詰まりが発生することを抑制し、圧力損失を低減することができるためである。

上記の図５及び図６の説明より、伝熱プレート２０の板厚ｔを０．２ｍｍ以下に薄肉化した場合に、プレート式熱交換器１００の熱交換量に因らずプレート式熱交換器１００の重量を低減するには、以下の波高さｈ、面積拡大率Φ及び波角度θに設定するとよい。すなわち、波高さｈを１．０〜１．２ｍｍに設定し、波角度θを４０度〜５０度の範囲内に設定し、面積拡大率Φを１．０５〜１．１５とに設定するとよい。これにより、板厚ｔを０．２ｍｍ以下に薄肉化にする場合における、最適な重量低減効果を得ることができる。

なお、図５及び図６では、板厚ｔを０．２ｍｍにした場合を例に説明したが、板厚ｔが０．２ｍｍ未満である場合においても、波ピッチΛ及び波高さｈを上記の範囲（値）に設定することで、重量低減率を大きくすること、伝熱プレート２０の短軸方向の冷媒流れが不均一になることの抑制、及び伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏り抑制を実現することができる。

［波ピッチΛの設定］
上記の図５及び図６の説明では、波角度θは４０度〜５０度に設定し、波高さｈを１．０〜１．２ｍｍに設定することで、プレート式熱交換器１００の熱交換量に因らず、板厚ｔの薄肉化により、最適な重量低減効果を得ることができることを説明した。これに加え、波ピッチΛについては、４ｍｍ以上とすることが好ましいので、それについて、図７を参照して以下に説明する。

図７は、隣接する伝熱プレート２、３の接合点間距離を、波角度θごとに説明する図である。なお、図７（ａ）は波角度θが６５度であり、図７（ｂ）は波角度θが４５度である。また、接合点とは、伝熱プレート２の凹凸の頂点を結んだ線と、伝熱プレート３の凹凸の頂点を結んだ線とが交わる点の位置に対応している。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）に図示される点線は、隣接する伝熱プレート２、３に形成された凹凸の頂点を結んだ線を表している。また、図７に記載された点ａ及び点ｂは、伝熱プレート２、３の接合点であり、接合点のうち短軸方向において最近接するものである。さらに、Ｌ１は波角度θが６５度の場合における点ａと点ｂとの間の距離であり、Ｌ２は波角度θが４５度の場合における点ａと点ｂとの間の距離である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、波角度θを６５度から４５度に小さくすると、冷媒が伝熱プレート２、３の短軸方向の冷媒流れが不均一になってしまうことが抑制され、伝熱プレート２、３の幅側における冷媒の流れが滞留してしまい、有効伝熱面積の低下や、ゴミ詰まりが発生することを抑制することができる。
その一方で、波角度θを６５度から４５度に小さくすると、距離Ｌ１＞距離Ｌ２となる。すなわち、短軸方向において最近接する接合点間距離が小さくなる。

したがって、波角度θを４５度に設定する場合には、波ピッチΛを狭めすぎると、距離Ｌ２がさらに小さくなってしまうため、接合点がろう材で埋まってしまい、冷媒流路の閉塞（圧力損失の増大）を発生させてしまう可能性がある。そこで、波ピッチΛは、４〜７ｍｍと設定するとよい。これにより、最小フィレットの半径は、１．５ｍｍ程度となり、約５０％以上が冷媒流路として確保されるため、冷媒流路の閉塞が抑制される。
なお、波ピッチΛを広げすぎてしまうと、隣接する伝熱プレート２と伝熱プレート３との接合点の数が減少してしまうため熱伝達効率が低下してしまう。しかし、波ピッチΛを４〜７ｍｍに設定することで、熱伝達効率の低下を抑制することができる。

［実施の形態１に係るプレート式熱交換器１００の効果］
本実施の形態１に係るプレート式熱交換器１００は、伝熱プレート２０の板厚ｔを０．２ｍｍ以下に設定し、波高さｈを１．０〜１．２に設定し、波角度θを４０度〜５０度に設定し、波ピッチΛを４〜７ｍｍに設定することで、熱伝達効率と、圧力損失の低減と、短軸方向の冷媒流れの均一化と、冷媒流路の閉塞と、コストアップ抑制及び軽量化と、を図ることができる。

具体的には、伝熱プレート２０は、波高さｈが１．０〜１．２ｍｍに設定され、波角度θが４０度〜５０度に設定され、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５に設定される（図５及び図６参照）。この波高さｈの範囲の場合には、面積拡大率Φが小さくなり板材の伸びが小さくて済むこと、冷媒が伝熱プレート２０の短軸方向の冷媒流れが不均一になってしまうこと、伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏りなどが発生してしまうこと、及び冷媒流路の細径化が図られているため、冷媒の流速が増加し、熱伝達効率を向上させることを実現することができる。

また、プレート式熱交換器１００の伝熱プレート２０は、波角度θが４０度〜５０度に設定され、波ピッチΛが４〜７ｍｍに設定される（図７参照）。
これにより、波ピッチΛを狭めすぎることによって接合点がろう材で埋まってしまい、冷媒流路の閉塞が抑制される。また、波ピッチΛを広げすぎてしまうことによって、伝熱プレート２と伝熱プレート３との接合点の数が減少し、熱伝達効率が低下してしまうことが抑制される。

さらに、プレート式熱交換器１００の伝熱プレート２０は、波高さｈが１．０ｍｍ〜１．２ｍｍに設定され、波ピッチΛが４〜７ｍｍに設定されるため、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５を満たしうる。これにより、冷媒流路の細径化が図られているため、冷媒の流速が増加し、熱伝達効率を向上させることができる。
また、板材から伝熱プレート２０を形成する際の板材の伸びを小さくすることができ、伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏りなどが発生を抑制することができる。すなわち、プレート式熱交換器１００の強度が損なわれにくくなっている（高強度）。これにより、板材の薄肉化が可能であり、材料コスト及び重量を低減することができる。そして、薄肉化できる分、プレス加工時の設定荷重を小さく設定することができるため、加工コストを低減することができる。

なお、伝熱プレート２０の板厚ｔ、波高さｈ、波角度θ、波ピッチΛが本実施の形態１で説明した範囲から外れると以下の悪影響がある。
まず、板厚ｔが範囲から外れると、そもそも、プレート式熱交換器１００の重量増大となってしまう。
また、波高さｈ及び波角度θが範囲から外れると、プレート式熱交換器１００の重量増大及び伝熱プレート２０の割れや板厚ｔの偏りなどの発生、又は、圧力損失の増大に伴って伝熱プレート２０の積層枚数を増加させることによるプレート式熱交換器１００の重量増大となってしまう。
さらに、波ピッチΛが範囲から外れると、冷媒流路の閉塞、又は、隣接する伝熱プレート２と伝熱プレート３との接合点の減少による熱伝達効率の低下となってしまう。

［その他］
プレート式熱交換器１００は、上述のように、圧力損失の抑制、及び高強度を実現している。したがって、プレート式熱交換器１００は、たとえば、高圧で動作させられるＣＯ_２ 冷媒、炭化水素冷媒、低密度であって可燃性である低ＧＷＰ冷媒などが供給されても、圧力損失の抑制、及び伝熱プレート２０などの変形の抑制が可能である。
また、プレート式熱交換器１００は、上述のように、板材の伸び率を低減することができるため、伸び率が３０％以上のステンレス（伸び率４０％）、銅（伸び率４０％）、工業用アルミ（伸び率３０％）だけでなく、伸び率が２０％以下と小さいチタン（伸び率１４％）、耐食アルミ（伸び率１６％）などの金属によって伝熱プレート２０を構成してもよいし、合成樹脂などによって伝熱プレート２０を構成してもよい。

また、伝熱プレート２は、伝熱プレート３の上下を逆にしたものであり、構成が同一であるものとして説明したが、それに限定されるものではない。すなわち、伝熱プレート２及び伝熱プレート３は、板厚ｔが０．２ｍｍ以下、波高さｈが１．０〜１．２ｍｍの範囲、波角度θが４０度〜５０度の範囲、波ピッチΛが４〜７ｍｍの範囲、面積拡大率Φが１．０５〜１．１５の範囲に設定されていればよい。

実施の形態２.
図８は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置（空気調和装置）の説明図である。本実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号とし、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。なお、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置とは、プレート式熱交換器を搭載した、たとえば空調、発電、食品の加熱殺菌処理機器などといったものである。以下の説明では、冷凍サイクル装置が、空気調和装置２００である場合を例に説明する。

本実施の形態２に係る空気調和装置２００は、熱源機である１台の室外機１０１、１台の室内機１０２、及び室外機１０１を流れる熱源側冷媒の冷熱を、室内機１０２を流れる熱媒体に伝達するための熱媒体変換機１０３を有している。
室外機１０１と熱媒体変換機１０３とは、熱源側冷媒（第１冷媒）を導通する冷媒配管１２０で接続され、冷媒循環回路Ａを構成している。また、熱媒体変換機１０３と室内機１０２とは、熱媒体（第２冷媒）を導通する熱媒体配管１２１で接続され、熱媒体循環回路Ｂを構成している。

室外機１０１には、少なくとも熱源側熱交換器１１０、圧縮機１１８、及び絞り装置１１１が搭載されている。
室内機１０２には、少なくとも利用側熱交換器１１２が搭載されている。
熱媒体変換機１０３には、少なくとも実施の形態１に係るプレート式熱交換器１００及びポンプ１１９が搭載されている。
なお、熱媒体変換機１０３にプレート式熱交換器１００が搭載されている例を説明するが、室外機１０１、室内機１０２、及び熱媒体変換機１０３の熱交換器のうちの、すくなくとも１つにプレート式熱交換器１００が採用されていていればよい。
また、本実施の形態２では、冷凍サイクル装置として、冷房運転を実施する空気調和装置２００を一例として説明するが、冷媒循環回路Ａに四方弁などを設けて、暖房運転も実施可能としてもよいことはいうまでもない。

熱源側熱交換器１１０は、凝縮器として機能し、冷媒配管１２０を流れる熱源側冷媒と、室外空気との間で熱交換を行うものである。熱源側熱交換器１１０は、一方がプレート式熱交換器１００に接続され、他方が圧縮機１１８の吐出側に接続される。
圧縮機１１８は、熱源側冷媒を圧縮し、冷媒循環回路Ａに搬送させるものである。圧縮機１１８は、吐出側が熱源側熱交換器１１０に接続され、吸入側がプレート式熱交換器１００に接続されている。
絞り装置１１１は、冷媒配管１２０を流れる熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置１１１は、一方が熱源側熱交換器１１０に接続され、他方がプレート式熱交換器１００に接続されている。絞り装置１１１は、たとえば毛細管や電磁弁で構成するとよい。

利用側熱交換器１１２は、熱媒体配管１２１を流れる熱媒体と、空調対象空間の空気との間で熱交換を行うものである。利用側熱交換器１１２は、一方がプレート式熱交換器１００に接続され、他方がポンプ１１９の吸入側に接続される。

プレート式熱交換器１００は、熱源側冷媒及び熱媒体とを熱交換させるものである。プレート式熱交換器１００は、冷媒配管１２０を介して圧縮機１１８の吸入側及び絞り装置１１１に接続されている。また、プレート式熱交換器１００は、熱媒体配管１２１を介して利用側熱交換器１１２及びポンプ１１９に接続されている。すなわち、プレート式熱交換器１００は、冷媒循環回路Ａ及び熱媒体循環回路Ｂにカスケード接続されている。
ポンプ１１９は、熱媒体を、熱媒体循環回路Ｂに搬送させるものである。ポンプ１１９は、吸入側が利用側熱交換器１１２に接続され、吐出側がプレート式熱交換器１００に接続されている。

［動作説明］
冷媒循環回路Ａにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の熱源側冷媒が圧縮機１１８によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機１１８から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、熱源側熱交換器１１０に流入する。そして、熱源側熱交換器１１０で室外空気に放熱しながら高圧の液冷媒となる。熱源側熱交換器１１０から流出した高圧の液冷媒は、絞り装置１１１で膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。この低温・低圧の二相冷媒は、蒸発器として作用するプレート式熱交換器１００に流入する。そして、低温・低圧の二相冷媒は、熱媒体循環回路Ｂを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。プレート式熱交換器１００から流出したガス冷媒は、圧縮機１１８へ再度吸入される。

次に、熱媒体循環回路Ｂにおける熱媒体の流れについて説明する。
ポンプ１１９で加圧されて流出した熱媒体は、プレート式熱交換器１００に流入し、プレート式熱交換器１００の熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝達される。この熱媒体は、プレート式熱交換器１００から流出すると、利用側熱交換器１１２に流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器１１２で室内空気から吸熱することで、空調対象空間の冷房を行なう。利用側熱交換器１１２から流出した熱媒体は、ポンプ１１９に再度吸入される。

１、４ サイドプレート、２、３、２０ 伝熱プレート、５ 第１冷媒流入管、６ 第２冷媒流入管、７ 第１冷媒流出管、８ 第２冷媒流出管、９ 凹凸、１０ 凹凸、１１ 第１開口部、１２ 第３開口部、１３ 第２開口部、１４ 第４開口部、１００ プレート式熱交換器、１０１ 室外機、１０２ 室内機、１０３ 熱媒体変換機、１１０ 熱源側熱交換器、１１１ 絞り装置、１１２ 利用側熱交換器、１１８ 圧縮機、１１９ ポンプ、１２０ 冷媒配管、１２１ 熱媒体配管、２００ 空気調和装置、Ａ 冷媒循環回路、Ｂ 熱媒体循環回路、Ｘ 第１冷媒流路、Ｙ 第２冷媒流路。

Claims (5)

1. 流体を流入させる流入口、前記流入口から流入した流体を流出する流出口、及び、前記流入口から前記流出口に向かって複数配列された略Ｖ字形状の凹凸の波が形成された伝熱プレートを交互に上下反転して複数積層し、隣接する前記伝熱プレートの凹凸の波によって形成された空間に前記流入口と前記流出口とを結ぶ流路が形成されたプレート式熱交換器であって、
   前記伝熱プレートの板厚ｔが０．２ｍｍ以下、
   前記凹凸のピッチΛが４〜７ｍｍ、
   前記凹凸の頂点間の距離ｈが１．０〜１．２ｍｍ、
   前記伝熱プレートの凹凸の波の頂点間における前記伝熱プレートの長さに対応する波長さｓを、前記凹凸のピッチΛで割った値を面積拡大率Φと定義するとき、前記面積拡大率Φが１．０５〜１．１５である
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記略Ｖ字形状の凹凸の波の前記配列方向に対する前記波の広がり角度θが４０度〜５０度である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 全ての前記伝熱プレートは、
   前記波の広がり角度θ、前記板厚ｔ、前記ピッチΛ、及び前記距離ｈをそれぞれ同じ値としている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記伝熱プレートは、
   チタン、耐食アルミ、又は合成樹脂によって構成された
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
5. ２つの冷媒回路を、請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記プレート式熱交換器を介してカスケード接続している
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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