JP2018179340A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プレートに形成されるヘリンボーンパターンの形状を最適化することにより、更なる熱交換効率の向上を図ることが可能なプレート式熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかるプレート式熱交換器（熱交換器１００）の構成は、熱媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器であって、プレート１１０ａ・１１０ｂには、Ｖ字状のヘリンボーンパターン１１４が形成されていて、ヘリンボーンパターン１１４のＶ字の屈曲点Ｐを通過する垂直線Ｌからの開き角であるシェブロン角度が７０〜７５°であることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器に関する。

従来から、空調機等における熱交換に用いられる熱交換器としてプレート式熱交換器が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１に開示されているように、プレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートを積層して形成されていて、複数の伝熱プレートの間を水と冷媒とが交互に通過することにより、伝熱プレートを介して水と冷媒との熱交換が行われる。

特開平１０−１４１８２０号公報

熱交換器には高い熱交換性能が求められる。プレート式熱交換器の熱交換効率を向上させる手段の１つとして、プレートの厚み方向に凹凸を設けてパターンを形成することが行われている。特許文献１では、複数の山部および谷部からなるジグザグ形状のヘリンボーンパターンをプレートに形成している。しかしながら、特許文献１のパターンであると形状が複雑化するため、より単純な形状で熱交換効率を向上させることが求められている。

より単純な形状としては、特許文献１のようにジグザグ形状ではなく、プレートの幅方向で１列のＶ字形状のヘリンボーンパターンを形成することが考えられる。しかしながら、単にＶ字形状のヘリンボーンパターンを形成しただけでは、熱交換効率の向上には限界がある。このため、ヘリンボーンパターンの形状の最適化を検討する必要があった。

本発明は、このような課題に鑑み、プレートに形成されるヘリンボーンパターンの形状を最適化することにより、更なる熱交換効率の向上を図ることが可能なプレート式熱交換器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかるプレート式熱交換器の代表的な構成は、熱媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器であって、プレートには、Ｖ字状のヘリンボーンパターンが形成されていて、ヘリンボーンパターンのＶ字の屈曲点を通過する垂直線からの開き角であるシェブロン角度が７０〜７５°であることを特徴とする。

上記構成では、プレート式熱交換器（以下、単に熱交換器と称する）のプレートにＶ字状のヘリンボーンパターンを形成する。これにより、熱媒体との熱交換を行う流体がプレートの表面を通過する際に乱流が生じ、高い熱伝達効率を得ることができる。このとき、ヘリンボーンパターンのＶ字の屈曲点を通過する垂直線からの開き角であるシェブロン角度を７０〜７５°とすることにより、熱交換効率を最も高めることが可能となる。したがって上記構成によれば、プレートに形成されるヘリンボーンパターンの形状が最適化され、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることが可能となる。

上記熱媒体は超臨界状態で用いられるとよい。上述した本発明の効果は、熱媒体が超臨界で用いられる場合においても良好な効果を得ることが可能である。

本発明によれば、プレートに形成されるヘリンボーンパターンの形状を最適化することにより、更なる熱交換効率の向上を図ることが可能なプレート式熱交換器を提供することができる。

本実施形態にかかるプレート式熱交換器を備えた熱交換システムを例示する図である。 本実施形態にかかる熱交換器の構成を説明する図である。 プレートの平面図である。 シェブロン角度と熱交換効率との関係を説明する図である。 シェブロン角度と熱交換効率との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。係る実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるプレート式熱交換器（以下、熱交換器１００と称する）を備えた熱交換システム１００ａを例示する図である。図１に示すように、熱交換システム１００ａは、ヒートポンプ１０２、貯湯槽１０４および熱交換器１００を含んで構成される。本実施形態の熱交換システム１００ａでは、熱交換器１００において、ヒートポンプ１０２を循環する熱媒体と、貯湯槽１０４に貯湯されている水（流体）との熱交換を行う。

特に本実施形態では、熱交換器１００は、ヒートポンプ１０２において超臨界状態となった熱媒体を用いて、貯湯槽１０４の水との熱交換を行う。熱媒体としては、例えばＣＯ２冷媒を好適に用いることができる。ただし、これに限定するものではなく、超臨界状態となる他の熱媒体を用いてもよいし、超臨界状態以外の状態で使用される熱媒体を用いる場合であっても本発明を適用することが可能である。

図２は、本実施形態にかかる熱交換器１００の構成を説明する図である。図２に示すように、本実施形態の熱交換器１００は、Ｖ字状のヘリンボーンパターン１１４が形成された複数のプレート１１０ａ・１１０ｂを備える。プレート１１０ａは、Ｖ字が上方に開口するように配置され、プレート１１０ｂは、Ｖ字が下方に開口するように配置される。また複数のプレート１１０ａ・１１０ｂには、熱媒体および流体の流路となる開口１１２ａ・１１２ｂ・１１２ｃ・１１２ｄが四隅近傍に設けられている。

本実施形態の熱交換器１００では、ヒートポンプ１０２からの熱媒体が、複数のプレート１１０ａ・１１０ｂの左上部の開口１１２ａを通過する。左上部の開口１１２ａを通過した熱媒体は、左下部の開口１１２ｂを通過してヒートポンプ１０２に戻る。一方、貯湯槽１０４の下部に貯留されている流体（低温の水）は、複数のプレート１１０ａ・１１０ｂの右下部の開口１１２ｃを通過する。右下部の開口１１２ｃを通過した流体（高温の湯）は、右上部の開口１１２ｄを通過して貯湯槽１０４の上部に戻る。

このとき、熱媒体と流体とは、複数のプレート１１０ａ・１１０ｂの隙間を交互に通過することにより、プレート１１０ａ・１１０ｂを介して熱交換を行う。これにより、貯湯槽１０４の下部からの低温の水が加熱され、高温の湯となって貯湯槽１０４の上部に供給される。

図３は、プレート１１０ａの平面図である。図２に示す複数のプレート１１０ａ・１１０ｂには同様のパターンが形成されているため、図３ではプレート１１０ａを例示する。上述したように、本実施形態のプレート１１０ａには、Ｖ字状のヘリンボーンパターン１１４が形成されている。そして、本実施形態の熱交換器１００では、図３に示すように、プレート１１０ａのヘリンボーンパターン１１４のＶ字の屈曲点Ｐを通過する垂直線Ｌからの開き角であるシェブロン角度θを７０〜７５°に設定する。

図４および図５は、シェブロン角度と熱交換効率との関係を説明する図である。図４は、比エンタルピーごとのシェブロン角度による熱交換効率の変化を示すグラフであり、図５（ａ）は、比エンタルピー３００ｋＪ／ｋｇのときのシェブロン角度と熱交換効率との近似曲線を示す図であり、図５（ｂ）は、比エンタルピー４４０ｋＪ／ｋｇのときのシェブロン角度と熱交換効率との近似曲線を示す図である。なお、図４では、熱伝達係数αを熱交換効率の指標として用いている。

図４では、熱媒体としてＨＦＣ−１３４ａを用いた実験結果を例示している。実験条件は、熱媒体圧力を４．９５ＭＰａ（換算圧力で１．２１）とし、熱媒体の流量を１１ｋｇ／ｍｉｎとし、熱交換器の出入口間における熱媒体のエンタルピー変化量Δｈを２７．５ｋＪ／ｋｇとしている。

図４では、シェブロン角度θを０°〜９０°の間で異ならせたプレートを用い、熱媒体の比エンタルピーを３００ｋＪ／ｋｇ〜４４０ｋＪ／ｋｇの間で変化させた系列ごとに熱伝達係数αを測定した。その結果、図４に示すように、いずれの比エンタルピーの系列においても、シェブロン角度θが６５°のプレートを用いた場合に熱伝達係数αが最も高くなることがわかった。

詳細には、本実施形態において用いた熱媒体は、比エンタルピ４０２ｋＪ／ｋｇ以上は超臨界状態であり、３５０ｋＪ／ｋｇ以下は超臨界ではない状態（液相域）である。ここで、比エンタルピ４０２ｋＪ／ｋｇの系列は、エンタルピは臨界点のエンタルピと同等であるが、圧力が臨界点の圧力とは異なる。したがって、比エンタルピ４０２ｋＪ／ｋｇは、厳密には擬臨界エンタルピと称される。

上述したようにいずれの比エンタルピの系列においてもシェブロン角度θが６５°のプレートを用いた場合に熱伝達係数αが最も高くなる。このことから、本実施形態の熱交換器によれば、熱媒体状態が、超臨界状態である場合、および超臨界状態ではない場合のいずれにおいても、シェブロン角度θが６５°のプレートを用いた場合に熱伝達係数αが最も高くなることが理解できる。

そこで発明者らは、シェブロン角度θの最適範囲を検討するべく、シェブロン角度と熱伝達係数αとの近似曲線を算出した。近似式は、以下の式１の通りである。なお、熱伝達係数がシェブロン角９０°で急に低下するため、それに対応することを目的として、ガウス分布に補正項（右辺３項）を追加する式形で近似式を作成した。そして、比エンタルピー３００ｋＪ／ｋｇのときの熱伝達係数に対して理論線のフィッティングを行い、σ＝25、μ＝75、C1＝258、C2＝0.73、C3＝-2、C4＝0.32のとき、実測値に最も合致した。
f(x)：熱伝達率係数
x：シェブロン角
σ：半値幅
μ：ガウス分布ピークのシェブロン角(補正項を考慮しない時）
C1：定数１（比例定数）
C2：定数２（Y切片）
C3：定数３（補正項、定数項）
C4：定数４（補正項、減衰係数）

上記のように比エンタルピ３００ｋＪ／ｋｇのとき、すなわち熱媒体が超臨界状態ではない場合のシェブロン角度と熱交換効率との近似曲線を算出した結果、図５（ａ）に示すように、熱伝達係数αは、シェブロン角度θが７０°〜７５°の範囲にあるときに最も高い値を示すことがわかった。

また比エンタルピ４４０ｋＪ／ｋｇのとき、すなわち熱媒体が超臨界状態である場合においても、シェブロン角度と熱交換効率との近似曲線では、図５（ｂ）に示すように、熱伝達係数αは、シェブロン角度θが７０°〜７５°の範囲にあるときに最も高い値を示す。したがって、熱交換器のプレートにＶ字状のヘリンボーンパターン１１４を形成し、かかるヘリンボーンパターン１１４のシェブロン角度θを７０°〜７５°に設定することにより、熱媒体が超臨界状態である場合および超臨界状態ではない場合のいずれにおいても、熱交換器１００において最も高い熱交換効率が得られることが理解できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されるものではない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、熱媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器として利用することができる。

１００…熱交換器、１００ａ…熱交換システム、１０２…ヒートポンプ、１０４…貯湯槽、１１０ａ…プレート、１１０ｂ…プレート、１１２ａ…開口、１１２ｂ…開口、１１２ｃ…開口、１１２ｄ…開口、１１４…ヘリンボーンパターン

Claims (2)

1. 熱媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器であって、
   プレートには、Ｖ字状のヘリンボーンパターンが形成されていて、
   前記ヘリンボーンパターンのＶ字の屈曲点を通過する垂直線からの開き角であるシェブロン角度が７０〜７５°であることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記熱媒体は超臨界状態で用いられ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。