JP4874365B2 - プレート式熱交換器及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明はプレート式熱交換器に関し、特に伝熱プレートの耐圧強度の向上に関するものである。

従来、伝熱プレートの耐圧強度を高める技術として、例えば「凹凸状のヘリンボーン模様を有するヘリンボーンプレートを複数枚積層すると共に、各ヘリンボーンプレートの間に流路を形成したプレート式熱交換器において、各ヘリンボーンプレートの間にそれぞれ補強プレートを積層し、前記ヘリンボーン模様の頂部と前記補強プレートとを線接触してロウ付け接合し、前記補強プレートのロウ付け接合部を除いた部分に多数の透孔を形成したことを特徴とするプレート式熱交換器」が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８２９６１号公報（請求項１、図１）

上記の特許文献１のプレート式熱交換器では、耐圧強度を確保するために伝熱プレート間に補強プレートを挿入しており、熱交換器自体の重量増加とコスト増加をまねくという問題点があった。
また、補強プレートを挿入しない場合は、耐圧強度を確保するために耐圧プレートの板厚を厚くする必要があり、熱交換器自体の重量増加とコスト増加をまねくという問題点があった。

本発明は、中心部における耐圧強度を向上させた、ヘリンボーン状の伝熱プレートを有するプレート式熱交換器及びその熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

複数枚の伝熱プレートを積層してロウ付け固定により一体に組付け、各伝熱プレート間に熱交換を行う２種類の流体を流通させる流体通路を交互に形成するプレート式熱交換器において、前記伝熱プレートはヘリンボーン状の畝を有し、前記ヘリンボーン状の畝は、前記伝熱プレートの周辺部から対称軸上に設けられる頂点に向かって、前記対称軸側に凸となる曲線状に形成されるとともに、前記頂点の近傍における曲率を前記周辺部における曲率よりも小さくしたことを特徴とする。

本発明においては、伝熱プレートのヘリンボーン状の畝を曲線状に形成することにより、積層する伝熱プレート間で、特に中心部におけるロウ付け接合点の点数を増やすことができ、伝熱プレートの耐圧強度の向上とともに、耐圧プレートの軽量化・低コスト化を図ることができる。

プレート式熱交換器の基本構成図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る伝熱プレートの正面図である。 図３の伝熱プレートの畝形状を反転させた伝熱プレートの正面図である。 (a) 本発明の実施の形態１に係る図３及び図４に示された伝熱プレートどうしを積層した状態を示す図である。(b) 直線のヘリンボーン状の伝熱プレートどうしを積層した状態を示す図である。 直線のヘリンボーン状の畝を有する伝熱プレートの正面図である。 (a) 本発明の実施の形態２に係る図４の伝熱プレートと図６の伝熱プレートとを積層した状態を示す図である。(b) 直線のヘリンボーン状の伝熱プレートどうしを積層した状態を示す図である。 本発明に係るプレート式熱交換器を利用した冷凍サイクル装置の一例を示す図である。

実施の形態１．
＜構成について＞
図１は、プレート式熱交換器の基本構成図である。
図１に示された矢印は、２種類の伝熱流体の流れを表している。実線の矢印は低温流体６の流れ、破線の矢印は高温流体７の流れである。
図１には、ヘリンボーン状の畝を有する伝熱プレート１が積層されたものと、低温側入口２と、低温側出口３と、高温側入口４と、高温側出口５と、低温流体６と、高温流体７と、流通ポート８と、耐圧プレート１１とが示されている。図１では、伝熱プレート１どうしが一定間隔を空けて配置されているが、実際は上下方向に隣接する伝熱プレート１どうしはロウ付け固定され密着している。最下部の伝熱プレート１は、耐圧プレート１１とロウ付け固定されている。２種類の伝熱流体は、流通ポート８を経て伝熱プレート１の上側と下側に流路を形成し、低温流体６と高温流体７とが伝熱プレート１の両側を交互に流れる仕組みとなっている。以下、温度の異なる２種類の冷媒として、第１流体及び第２流体という表現を用いる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器９の断面図である。
プレート式熱交換器９は、伝熱プレート１０と、耐圧プレート１１と、第１流体の流路１２と、第２流体の流路１３と、筒部１４(a)及び１４(b)と、周縁部１５とを備えている。
図３は、本発明の実施の形態１に係る、プレート式熱交換器９を構成する伝熱プレート１０の正面図である。
以下、図２及び図３を用いて、プレート式熱交換器９の構成について説明する。

図２に示すプレート式熱交換器９は、上下に設けられた耐圧プレート１１の間に、ヘリンボーン状の畝を有する伝熱プレート１０が複数枚積層されて成り、耐圧プレート１１と伝熱プレート１０の間及び各伝熱プレート１０の間に、熱交換される２流体の流路（第１流体の流路１２及び第２流体の流路１３）が形成されている。また、伝熱プレート１０の周縁に沿って、伝熱プレート１０の間に形成される流路の厚みよりやや高い周縁部１５が立設されている。
上下に配置された耐圧プレート１１と伝熱プレート１０の周縁部１５がロウ付け接合される。また、伝熱プレート１０のヘリンボーン状の畝の頂部と、その上下に配置された耐圧プレート１１がロウ付け接合される。耐圧プレート１１及び伝熱プレート１０の間に形成される流路は１層おきに連通する構成となっている。

図３は、図２における伝熱プレート１０の一例を示したものである。伝熱プレート１０の正面は略長方形の形状をなし、四隅の角は取り除かれている。伝熱プレート１０の四隅には、第１流体又は第２流体が通る流通ポート１６が設けられ、伝熱プレート１０の積層面にはヘリンボーン状の畝１７が設けられている。なお伝熱プレート１０の形状は、略長方形の形状に限られるものではない。

ヘリンボーン状の畝１７には、略長方形の伝熱プレート１０の向かい合う辺の対称軸上（図３では短辺の対称軸上）に頂点１８が設けられ、ヘリンボーン状の畝１７は頂点１８から周辺部に向けて曲線状をなしている。頂点１８近傍では、周辺部に比べ曲率が小さい曲線となっている。

ヘリンボーン状の畝１７は、伝熱プレート１０の表面積を増大させるとともに、第１流路１２又は第２流路１３を流れる流体に乱流を発生させるために形成されている。流通ポート１６には、２種類の伝熱流体（第１流体又は第２流体）が流入又は流出する。

図４に示す伝熱プレート１９は、図３の伝熱プレート１０が有するヘリンボーン状の畝１７を反転させたものである。
図５(a)は、図３の伝熱プレート１０と図４の伝熱プレート１９とを積層したものである。すなわち２枚の伝熱プレートは、両者のヘリンボーン模様を反転させた状態で積層されている。一方の伝熱プレートの畝の谷と、他方の伝熱プレートの畝の山とが接する部分がロウ付け接点２０となる。

図５(a)及び図５(b)におけるロウ付け接点２０には、プレート上での分布を明確に示すため部分的に黒いドット（●）で印を付けてある。なおロウ付け接点２０は、明示した黒いドット以外にも伝熱面全体に存在している。
比較例として、図５(b)に直線のヘリンボーン状の伝熱プレートを積層した状態を示す。図５(a)から分かるように、ロウ付け接点２０は周辺部に比べて中心部で点数が多くなることから、耐圧強度の弱い中心部の強度を向上させることができる。

＜動作について＞
以下、プレート式熱交換器９内の流体の流れを、図２に基づいて説明する。
第１流体は、筒部１４(a)よりプレート式熱交換器９の内部に流入し、筒部１４(a)で遮られて第２流体の流路１３に進入することなく、その流体圧力によって第１流体の流路１２の最も下段に達する。第１流体は、１層おきに連通する流路を上って、プレート式熱交換器９の外部に排出される。
第２流体は、筒部１４(b)よりプレート式熱交換器９の内部に流入し、同様にして、第１流体の流路１２に進入することなく、第２流体の流路１３の最も下段に達する。第２流体は、１層おきに連通する流路を上って、プレート式熱交換器９の外部に排出される。

そして、この間に、第１流体と第２流体との間で効率よく熱交換が行われる。伝熱プレート１０の中心部でロウ付け接点２０の点数を増やしたことにより、流体の圧力によってロウ付け接合部が破損する可能性が少なくなる。

図６は、直線のヘリンボーン状の畝を有する伝熱プレート２１を示している。
伝熱プレート１０の積層形態に関する別の例を図７(a)に示す。図７(a)は、伝熱プレート１０と伝熱プレート２１とを積層したものである。積層時のロウ付け接点２０には部分的に黒いドット（●）で印を付けてある。比較のため、図７(b)では従来の伝熱プレートを積層した状態を示す。図７(a)に示すように、ロウ付け接点２０は周辺部に比べて中心部で点数が多くなることから、耐圧強度の弱い中心部の強度を向上することができる。

なお、プレート式熱交換器９の細部の構造は、上記実施の形態１に限定されない。例えば、伝熱プレート１０の枚数、ヘリンボーン模様の曲線形状等は、必要に応じて適宜選択することができる。また上記で示したプレート式熱交換器９は、図８に示すような圧縮機２４、プレート式熱交換器９、絞り装置２５及び熱交換器２６を備えた一般的な冷凍サイクル装置２７に利用することができる。

１ 伝熱プレート、２ 低温側入口、３ 低温側出口、４ 高温側入口、５ 高温側出口、６ 低温冷媒、７ 高温冷媒、８ 流通ポート、９ プレート式熱交換器、１０ 伝熱プレート、１１ 耐圧プレート、１２ 第１流体の流路、１３ 第２流体の流路、１４(a) 筒部、１４(b) 筒部、１５ 周縁部、１６ 流通ポート、１７ ヘリンボーン状の畝、１８ 頂点、１９ ヘリンボーン状の畝１７を反転させた伝熱プレート、２０ ロウ付け接点、２１ 伝熱プレート、２２ 直線のヘリンボーン状の畝、２３ 伝熱プレートの積層体、２４ 圧縮機、２５ 絞り装置、２６ 熱交換器、２７ 冷凍サイクル装置。

Claims (3)

1. 複数枚の伝熱プレートを積層してロウ付け固定により一体に組付け、各伝熱プレート間に熱交換を行う２種類の流体を流通させる流体通路を交互に形成するプレート式熱交換器において、
   前記伝熱プレートはヘリンボーン状の畝を有し、
   前記ヘリンボーン状の畝は、
   前記伝熱プレートの周辺部から対称軸上に設けられる頂点に向かって、前記対称軸側に凸となる曲線状に形成されるとともに、前記頂点の近傍における曲率を前記周辺部における曲率よりも小さくしたこと
   を特徴とするプレート式熱交換器。
2. 複数枚の伝熱プレートを積層してロウ付け固定により一体に組付け、各伝熱プレート間に熱交換を行う２種類の流体を流通させる流体通路を交互に形成するプレート式熱交換器において、
   前記伝熱プレートはヘリンボーン状の畝を有し、
   前記ヘリンボーン状の畝が直線状である第１の伝熱プレートと、
   前記ヘリンボーン状の畝が曲線状である第２の伝熱プレートと
   を交互に積層し、
   前記第２の伝熱プレートにおける曲線状の畝は、
   前記第２の伝熱プレートの周辺部から対称軸上に設けられる頂点に向かって、前記対称軸側に凸となる曲線状に形成され、かつ前記頂点の近傍における曲率を前記周辺部における曲率よりも小さくしたこと
   を特徴とするプレート式熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプレート式熱交換器を、冷凍サイクル装置における室内熱交換器及び室外熱交換器の少なくとも１つに用いること
   を特徴とする冷凍サイクル装置。

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