JPWO2013191056A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

流体の流量の広範な態様にわたり、複数の流路に均等に流体を分配することができる熱交換器であって、複数の整列する流体流路を有する流路形成部５１と、複数の流体流路のそれぞれの入口５５が連通する分配路５７を有する分配路形成部５３と、分配路形成部内に設けられ、その外周外側に分配路が位置し且つその内側に導入路６３を画定する筒状隔壁５９とを備え、筒状隔壁は、複数の分配孔６５を有し、導入路の流路断面積をＳ、導入路の流路直径をｄ、複数の分配孔の面積σの総和をΣσ、複数の分配孔の整列長さをＬ、分配孔の直径をｄ’としたとき、Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２＞Σσ≧２Ｓとなる。

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

プレート式熱交換器においては、波形の凹凸が複数列形成された伝熱プレートが複数積層されており、一対の伝熱プレートの間毎に第１流路及び第２流路が交互に形成されている。そして、第１流路を流通する第１流体と、第２流路を流通する第２流体との間で、熱交換が行われる。

また、特許文献１に開示されたプレート式熱交換器においては、複数の冷媒流路の入口側と連通する下部空間内に、多数の分配孔を備えた分配管を設け、冷媒の均等な分配を図ることを企図している。

特表平８−５０４０２７号

しかしながら、複数の冷媒流路の入口側と連通する下部空間内に分配孔を有する分配管を設けただけでは、冷媒流量の広範な態様にわたって、冷媒の均等分配を実現することは困難であり、特に、冷媒が低流量である場合には、冷媒の均等分配が実現できない可能性が高い。熱交換器が蒸発器として機能する場合、気液二相状態の冷媒が分配管に流入することとなるが、流量が比較的多い流れでは、管軸付近を気相の冷媒が流れ、その周りを環状に液相の冷媒が流れるという半径方向の気液分離状態が生じる。一方、冷媒の流量が比較的少ない流れや流速の小さい流れでは、慣性力に起因し分配管の奥側まで多量の液相の冷媒が流れやすく、且つ、分配管の下側に液相の冷媒が多く存在し、上側に気相の冷媒が多く存在するという上下方向の気液分離状態が生じる。従って、流量が比較的少ない流れでは、複数の分配孔から、分配管の延びる方向にわたって均等に冷媒を流出させることが困難になる傾向がある。このように、高流量の流れと低流量の流れとでは、気液分離状態が異なり、特に、低流量の冷媒流れにおいては、複数の流路に均等に冷媒を分配することが困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱交換用流体の流量の広範な態様にわたり、特に、低流量の流れにおいても、複数の流路に均等に熱交換用流体を分配することができる、熱交換器を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の熱交換器は、複数の整列する流体流路を有する流路形成部と、前記複数の流体流路のそれぞれの入口が連通する分配路を有する分配路形成部と、前記分配路形成部内に設けられ、その外周外側に前記分配路が位置し且つその内側に導入路を画定する筒状隔壁とを備え、前記筒状隔壁は、それぞれが前記導入路と前記分配路とを連通する複数の分配孔を有し、前記導入路の流路断面積をＳ、前記導入路の流路直径をｄ、前記複数の分配孔の面積σの総和をΣσ、前記複数の分配孔の整列長さをＬ、前記分配孔の直径をｄ’としたとき、Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２＞Σσ≧２Ｓである。

本発明によれば、熱交換用流体の流量の広範な態様にわたり、特に、低流量の流れにおいても、複数の流路に均等に熱交換用流体を分配することができる

本発明の実施の形態に係るプレート式熱交換器の構成要素を示す斜視図である。 プレート式熱交換器を側方から示す図である。 プレート式熱交換器の主要な構成要素であるプレートを示す図である。 プレート式熱交換器の第１流体の入口近傍部分を示す図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 筒状隔壁に関する斜視図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 Σσ／Ｓと分配率Ｄとの関係を示すグラフである。 Σσ／Ｓと分配率Ｄとの関係に関し、分配孔の向きによる差異を示すグラフである。

以下、本発明に係る熱交換器の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

図１は、本実施の形態に係るプレート式熱交換器の構成要素を示す斜視図であり、図２は、プレート式熱交換器を側方から示す図である。また、図３は、プレート式熱交換器の主要な構成要素であるプレートを示す図である。

プレート式熱交換器１は、前側補強用サイドプレート３と、後側補強用サイドプレート５と、それら補強用サイドプレートの間に積層された複数枚の前側伝熱プレート７及び複数枚の後側伝熱プレート９とを備えている。

前側伝熱プレート７の四隅には、第１流体の入口１１、第１流体の出口１３、第２流体の入口１５、及び第２流体の出口１７という四つの開口が設けられている。また、前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９のそれぞれの四隅には、第１流体の往路孔１９、第１流体の復路孔２１、第２流体の往路孔２３、第２流体の復路孔２５という四つの貫通孔が設けられている。

本実施の形態では、プレート式熱交換器１は、蒸発器として使用される例であり、第１流体としては冷媒を、第２冷媒としては水を想定している。具体的には、図１に示されるように、矢印Ａで示される冷媒が第１流体の入口１１からプレート式熱交換器１内に流入し、複数の第１流体の往路孔１９及び複数の第１流体の復路孔２１を通って流れ、第１流体の出口１３からプレート式熱交換器１外へと流出される。また、矢印Ｂで示される水は、第２流体の入口１５からプレート式熱交換器１内に流入し、複数の第２流体の往路孔２３及び複数の第２流体の復路孔２５を通って流れ、第２流体の出口１７からプレート式熱交換器１外へと流出される。

また、前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９の間毎に第１流路及び第２流路が交互に形成されている。このため、第１流体である冷媒は、複数の第１流体の往路孔１９を含む下部空間を流れるうちに（厳密には、後述するように分配管の多数の分配孔から流出し）、複数の第１流路に分配供給され、矢印Ａ１で示すように、蛇行するように上向きに移動した後、複数の第１流体の復路孔２１を含む上部空間に集まり、第１流体の出口１３から流出する。同様に、第２流体である水は、複数の第２流体の往路孔２３を含む下部空間を流れるうちに、複数の第２流路に分配供給され、矢印Ｂ１で示すように、蛇行するように上向きに移動した後、複数の第２流体の復路孔２５を含む上部空間に集まり、第２流体の出口１７から流出する。

第１流体である冷媒と第２流体である水は、矢印Ａ１及びＢ１のように上向きに移動する間に、両者を隔てた対応する前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９を介して熱交換を行う。前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９にはそれぞれ、波形状の凹凸が複数列形成されており、かかる凹凸２７により第１流路及び第２流路が形成されている。

本発明の熱交換器は、流路形成部と、分配路形成部と、筒状隔壁とを備えるが、これらについて説明する。図４は、上述したプレート式熱交換器の第１流体の入口近傍部分を示す図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。なお、図５は、説明の明瞭性を優先し構造を模式的に示している。さらに、図６は、筒状隔壁に関する斜視図であり、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。

流路形成部５１は、複数の整列する流体流路を有する部分である。上述した前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９における流体の上向きの流れを持っている部分が流路形成部５１として機能している。すなわち、複数の整列する流体流路としては、前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９の積層方向に整列する複数の第１流路や、同様に、積層方向に整列する複数の第２流路が相当する。

分配路形成部５３は、複数の流体流路のそれぞれの入口５５が連通する分配路５７を有する部分である。前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９における流体の横向きの流れ（第１流体の往路孔１９や第２流体の往路孔２３を通る流れ）を持っている部分が分配路形成部５３として機能する。

筒状隔壁５９は、分配路形成部５３内に設けられており、本実施の形態の具体例では、複数の第１流体の往路孔１９又は複数の第２流体の往路孔２３に挿通される、円筒状の分配管６１である。分配路５７は、分配管６１の外周外側において環状を成すように形成されている。また、分配管６１の内側には、分配管６１の内面により画定された導入路６３がある。

分配管６１には、複数の分配孔６５が設けられている。複数の分配孔６５はそれぞれ、導入路６３と分配路５７とを連通している。複数の分配孔６５は、分配管６１の延びる方向、すなわち、前側伝熱プレート７及び後側伝熱プレート９の積層方向に沿って並んでいる。

本実施の形態では、図６及び図７に示されるように、複数の分配孔６５はすべて、円形の貫通孔であり、同程度の大きさに形成されている。また、複数の分配孔６５は等間隔で配置されている。また、図５に示されるように、流体流路のそれぞれの整列方向寸法ｈは同じ寸法となるように構成されている。

主に図５に示されるように、複数の流体流路のそれぞれの入口５５は、筒状隔壁５９の上方において、分配路５７に連通されている。また、図７に示されるように、複数の分配孔６５のうちの６０％以上は、筒状隔壁５９において下向きに形成されている。すなわち、分配管６１からみて、複数の流体流路のそれぞれの入口５５が存在する上方側を０度とした場合、複数の分配孔６５は、入口５５と反対側となる下方側の１８０度の位置に形成されている。

複数の分配孔６５の直径ｄ’はそれぞれ、流体流路の整列方向寸法ｈの４０〜１００％となるように構成されている。また、導入路６３の流路断面積（流体流路の整列方向を垂線とするような向きの断面）をＳ、導入路６３の流路直径をｄ、複数の分配孔６５の面積σの総和をΣσ、複数の分配孔６５の整列長さ（最上流側の分配孔の上流側縁部と最下流側の分配孔の下流側縁部との間の長さ）をＬ、分配孔６５の直径をｄ’としたとき、
Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２＞Σσ≧２Ｓを満たすように、
各関係部が構成されている。

以上のような構成により、例えば第１流体は、まず、第１流体の入口１１から筒状隔壁５９である分配管６１内に流入し、導入路６３を流れつつ、複数の分配孔６５より、分配管６１の外の分配路５７へと流出し、さらに、その分配路５７からそれぞれの流路の入口５５を通って、それぞれの流体流路に分配され、それぞれの流路を上昇する。

上述した本実施の形態に係るプレート式熱交換器においては、導入路と複数の分配孔との関係を、Σσ≧２Ｓとしたことにより、各流体流路への液または気液の均等分配が大いに促進されている。すなわち、隣り合う分配孔同士を隔てる分配管の隔壁部分が、抵抗体となり、流体の圧力分布が均一化されると共に整流効果が得られ、流体を各流体流路へ均等に分配することが促進される。これにより、単相、気液二相によらず各流路における熱交換が均等に行われる。特に気液二相の場合、分配管内で第１流体が環状流を形成したり、上記の隔壁部分により均質流を形成し易くなったりするため、気液の均等分配が可能となる。

ここで、本実施の形態に係るプレート式熱交換器で得られた均等分配性について説明する。図８は、Σσ／Ｓと分配率Ｄとの関係を示すグラフである。図８は、横軸にΣσ／Ｓを示し、縦軸に分配率Ｄを示す。分配率Ｄは、以下の式（１）、

により、算出されている。ここで、Ｇは、対象の流体に関する全流量、Ｇｉは、その流体の各流路における流量、ｎは、分配路から分岐する流路数、ｉは、分配路から分岐する流路が上流から下流に向けて何番目かを示すナンバーである。そして、Ｙｉ＝（Ｇｉ／Ｇ）×１００であり、すなわち、Ｙｉは、その流体の全流量に対する各流量の分配率を示す。ｍは、等分配となる目標分配率であり、ｍ＝（１／Ｇ）×（Ｇ／ｎ）×１００である。

図８より分かるように、流体の流量が高流量、中流量及び低流量の何れにおいても、Σσ／Ｓが２以上では、Σσ／Ｓの変化に対する分配率Ｄの変化が安定的に低く抑えられていることが分かる。つまり、Σσ／Ｓが２よりも小さい範囲では、Σσ／Ｓの変化に対し分配率Ｄが曲線的に大きく変動しているのに対し、Σσ／Ｓが２以上では、分配率ＤはΣσ／Ｓに対してフラットな変化に抑えられている。また、流量の差異の観点でみると、特に、低流量の流れでは、Σσ／Ｓが２よりも小さい範囲では、大きく悪化していることが分かる。また、製造上の観点からみると、分配率Ｄはできる限り小さい方が好ましい。以上のことから、Σσ／Ｓを２以上とすることで、流体の流量の広範な態様にわたり、特に、低流量の流れにおいても、複数の流路に均等に流体を分配することができる。なお、実際の実施においては、Σσ／Ｓは、２〜３程度の範囲が良い。

また、Σσ≧Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２となると、均質流を形成するための上記隔壁部分の効果が得られないため、気液の均等分配が困難となり、さらに、隣り合う分配孔が連通する可能性があり、加工の難度が上がるため加工費が増加する。本実施の形態では、Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２＞Σσとすることにより、上述した不都合を抑えることができる。

また、本実施の形態では、前述したように複数の分配孔のうちの６０％以上を、下向きに形成している。かかる態様の利点については、図９に示されている。図９は、図８同様Σσ／Ｓと分配率Ｄとの関係に関するものであり、さらに、分配孔の向きによる差異を示すグラフである。図９の結果に示されているように、流体の流量が高流量、中流量及び低流量の何れにおいても、分配孔が下向きである態様（点線で図示）の方が、分配孔を６０％以上、下向きにしていない態様（実線で図示）よりも、さらに分配率が向上していることが分かる。特に、流量が低い態様ほど、分配率の改善度が大きいことも分かる。これは、密度が大きく導入路の下側に溜まり易い液が、分配管の長手方向の流入口側から順次流出するので、分配管の長手方向の奥側に流れる液量を低減できることと、液量を分配管内で保持し易くなり、長手方向の圧力分布の均一化を図ることができることとにより、各流路への気液の均等分配が促進されることによる。特に、低流量の場合や流速が低い場合等、環状流を維持できなくなった状態でも、分配孔が下向きであると、蒸気が液の溜まった下側から流出することにより、この蒸気に引っ張られて液も流出し、気液が混合されながら均質的に流出することができる。また、単相流の場合にも、偏流のため生じる長手方向の温度分布が、圧力分布の均一化により均一化され、均等分配が可能となる。

また、本実施の形態では、複数の分配孔の直径ｄ’がそれぞれ、流体流路の整列方向寸法ｈの４０〜１００％に設定されている。これにより、各流路への均等分配が可能になることに加え、分配孔の抵抗が小さいため、流量が低下した場合にも均等分配が保持できる利点がある。

以上のように本実施の形態に係るプレート式熱交換器によれば、流体の流量の広範な態様にわたり、複数の流路に均等に流体を分配することができる。また、本発明は、かかるプレート式熱交換器を、冷凍サイクル内の蒸発器および凝縮器に用いる冷凍サイクル装置として実施することもでき、それにより、熱交換性能に優れた信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

本発明は、プレート式熱交換器として実施することには限定されず、複数の整列する熱交換用の流体流路と、それらの入口が連通する分配路とを備えた熱交換器に広く適用することができ、例えば、扁平管熱交換器として実施することも可能であろう。

１ プレート式熱交換器、７ 前側伝熱プレート、９ 後側伝熱プレート、５１ 流路形成部、５３ 分配路形成部、５５ 入口、５７ 分配路、５９ 筒状隔壁、６１ 分配管、６３ 導入路、６５ 分配孔。

Claims (4)

1. 複数の整列する流体流路を有する流路形成部と、
   前記複数の流体流路のそれぞれの入口が連通する分配路を有する分配路形成部と、
   前記分配路形成部内に設けられ、その外周外側に前記分配路が位置し且つその内側に導入路を画定する筒状隔壁とを備え、
   前記筒状隔壁は、それぞれが前記導入路と前記分配路とを連通する複数の分配孔を有し、
   前記導入路の流路断面積をＳ、前記導入路の流路直径をｄ、前記複数の分配孔の面積σの総和をΣσ、前記複数の分配孔の整列長さをＬ、前記分配孔の直径をｄ’としたとき、
   Ｌ／ｄ’×π（ｄ／２）＾２＞Σσ≧２Ｓである、
   熱交換器。
2. 前記複数の分配孔の直径ｄ’はそれぞれ、前記流体流路の整列方向寸法ｈの４０〜１００％である、
   請求項１の熱交換器。
3. 前記流路形成部は、凹凸が複数列形成された伝熱プレートが複数積層され、一対の前記伝熱プレートの間毎に第１流路及び第２流路が交互に形成され、複数の前記第１流路を流通する第１流体と、複数の前記第２流路を流通する第２流体との間で、熱交換が行われるように構成されており、
   前記複数の流体流路は、前記複数の第１流路である、
   請求項１又は２の熱交換器。
4. 請求項１乃至３の何れか一項の熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置。

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