JP2002267289A - プレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱流体（冷媒）側では熱交換性能が落ちに
くく、被加熱流体（水）側でも圧力損失を小さく抑える
ことができるプレート熱交換器を提供すること。 【解決手段】 圧縮機から高温高圧の冷媒ガスとして吐
出された加熱流体は、加熱流体入口継手１３から上の共
通路１４に流入し、複数の伝熱プレート２間の分岐路１
５に分流し、被加熱流体（水）と熱交換しながら通過し
下の共通路１６に合流し、次に下の共通路１７に流入
し、分岐路１８に分流し、熱交換しながら通過し上の共
通路１９に合流し、次に上の共通路２０に流入し、分岐
路２１に分流し、熱交換しながら通過し下の共通路２２
に合流し、加熱流体出口継手２３から出る。被加熱流体
（水）の流路３０は、貯湯タンクを出て被加熱流体入口
継手３１から下の共通路３２に流入し、加熱流体の分岐
路１５、１８及び２１の周囲３３を流れて上の共通路３
４を介して被加熱流体出口継手３５から出る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パッケージエアコ
ン等の冷凍機用熱交換器、特に水冷式凝縮器に適するプ
レート熱交換器に関するものである。詳述すれば、略平
板状の伝熱プレートを複数枚間隔を存して重ね合わせる
ことにより該伝熱プレート間に加熱流体流路と該加熱流
体流路の回りに被加熱流体流路とを形成するプレート熱
交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に水冷式凝縮器としては、従来より
特開２０００−２４１０８７号公報に示すように２重管
熱交換器が多く使われているが、図９に示すようなコン
パクトなプレート熱交換器１の使用が増えてきている。

【０００３】このプレート熱交換器１は、図１０のよう
な縦長の長方形の形をした凹凸のある波型表面形状をも
つ伝熱プレート２を複数枚重ね合わせた構造をしてい
る。加熱流体（フロン蒸気）流路６は、図１１に示すよ
うに、伝熱プレート押さえ板３の上端に設けられた加熱
流体入口継手４から流入し、複数の伝熱プレート２間流
路に分流し、熱交換しながら通過し再び合流して、伝熱
プレート２の長辺の反対側に設けられた加熱流体出口継
手５から出るようになっている。

【０００４】もう一方の被加熱流体（水）流路７は、そ
れに対向又は並行するような流路になるが、全く同じよ
うな形で形成されており、加熱流体の流路６は、他方の
被加熱流体流路７の間に位置しており、下の被加熱流体
入口継手８から流入し、伝熱プレート２の長辺の反対側
に設けられた被加熱流体出口継手９から出るようになっ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、上記のプレー
ト熱交換器１では、大容量化に際し伝熱面積を増やすた
めの手法としては、より大きな伝熱プレート２を使用す
るか、プレート枚数を増やすかのどちらかになる。大き
な伝熱プレートを作成するには金型などの新たな設備投
資が必要となり、それができない場合には伝熱プレート
２は変更せずに、枚数を増やすことが考えられる。

【０００６】ここで、伝熱プレートが規格枚数であるプ
レート熱交換器がある場合、これを複数個使えば、伝熱
面積増加の効果が得られるが、配管のつなぎ方を並列に
するか、直列にするかで、熱交換の性能は変わってく
る。例えば、図１２に示すように、プレート熱交換器１
を連結管１０、１１、１２及び１３を用いて並列に接続
した場合、冷媒の流速は落ちるが、管摩擦による圧力損
失は抑えられ、蒸発器などの使用には向いている。ま
た、図１３に示すように、プレート熱交換器１を接続配
管１４及び１５を用いて直列にした場合には、冷媒流速
は速くなるが、凝縮時の管摩擦による圧力損失は蒸発器
の場合に比べ小さいので、凝縮器の熱伝達特性を高める
のに効果がある。

【０００７】ここで、通常ブレージング（溶接）型のプ
レート熱交換器では、個体間の接続配管を廃して、一体
にすることが可能である。つまり、図１４に示すよう
に、中間に孔の開いていない伝熱プレート２Ａ，２Ｂを
挿入することで、伝熱プレート２の一端の継手４、８か
ら流入した流れが、反対の端部で流れを折り返すことが
でき、一体化が可能となる。

【０００８】そして、ある決まった枚数のプレート熱交
換器において、その折り返しの数（パス数）は増やせ
ば、１パス当たりの流路断面積は減るのでそれだけ流速
が増え熱伝達率が向上していくが、圧力損失も増えるの
で、折り返しの数（パス数）にも上限がある。あまり折
り返しの数が増えると、部分負荷時の流速低下時にオイ
ルが通過しにくくなったり、停止時にオイルが溜まるこ
とにより起動時に高圧の上昇などの弊害も考えられる。
従って、折り返しの回数の適正数は２回程度で、パス数
としては３パス程度と想定される。

【０００９】また、もう一方の被加熱流体（水）の流路
も図１５に示すように同様に折り返していくことが考え
られるが、水の圧力損失が増えると送液ポンプの動力も
増えてくることが問題となる。

【００１０】加熱流体流路の入口部分では、過熱状態の
蒸気であるが、徐々に凝縮しガスと液の二相流になり、
出口に向かうにつれ、凝縮した液の比率が増えていく。
一体もののプレート熱交換器の折り返しするまでを、ひ
とつの区画とした時、その区画における伝熱プレート枚
数が同数とした場合、入口から出口まで熱交換する伝熱
プレート部分の矩形流路では、一定の流路面積であるた
め、ガス・液合わせた質量流速は、一定であるが、凝縮
していないガスだけの流速は、比率（乾き度）によって
変化するものである。出口に向かうにつれ、ガスの比率
は少なくなるため、図１６に示すように、ガスの流速は
徐々に落ちていくので、壁面への熱伝達率は低下してい
き、余分な伝熱面積を必要とすることが問題となる。

【００１１】そこで本発明は、加熱流体（冷媒）側では
熱交換性能が落ちにくく、被加熱流体（水）側でも圧力
損失を小さく抑えることができるプレート熱交換器を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため第１の発明は、
略平板状の伝熱プレートを複数枚間隔を存して重ね合わ
せることにより該伝熱プレート間に加熱流体流路と該加
熱流体流路の回りに被加熱流体流路とを形成するプレー
ト熱交換器において、前記加熱流体流路の流路長さを長
くすべく数回の折り返し構造とすると共に、前記被加熱
流体流路は両端部の共通路とこれらを連結する複数の分
岐路とから一方向流れの流路としたことを特徴とする。

【００１３】また第２の発明は、前記加熱流体流路の折
り返した後の分岐路の数は折り返し前の分岐路の数より
少なくしたことを特徴とする。

【００１４】更に第３の発明は、前記加熱流体流路であ
る冷媒流路の折り返しの回数を複数回とし、冷媒を前記
伝熱プレートの対向する長辺の上部の入口から流入する
ようにし、出口を下部にすることにより、過熱蒸気が顕
熱変化をする加熱流体の入口側流路と過冷却液となる出
口側付近の流路では対向流とし、冷媒がガス状から液状
へ層変化をする中間の流路は並行流としたことを特徴と
する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の第１の実施の形態に
ついて、図１に基づき説明するが従来技術と同一番号の
ものは同一の機能を有するものとして以下説明する。先
ず、本発明のプレート熱交換器が適用される水冷式凝縮
器は、冷房時の排熱を利用して、温水を発生することが
でき、またヒートポンプ運転により冬季も温水が発生す
ることができる。

【００１６】プレート熱交換器１０は、図２のように、
縦長の長方形の形をした凹凸のある波型表面形状をもち
上下に孔のあいた伝熱プレート２（図１０参照）を複数
枚重ね合わせ、次に折り返すために上部に孔の開いてい
ない伝熱プレート２Ａ、下部に孔のあいていない伝熱プ
レート２Ｂを挿入し、更に伝熱プレート２を複数枚重ね
合わせ、再び前記伝熱プレート２Ａ、２Ｂを挿入し、更
に伝熱プレート２を複数枚重ね合わせ、前記伝熱プレー
ト２Ａを挿入する。即ち、ブレージング（溶接）型のプ
レート熱交換器として、個体間の接続配管を廃して、一
体にしている。

【００１７】従って、圧縮機（図示せず）から高温高圧
の冷媒ガスとして吐出された加熱流体（フロン蒸気）
は、図１及び図４に示すように、伝熱プレート押さえ板
１２の上端に設けられた加熱流体入口継手１３から上の
共通路１４に流入し、複数の伝熱プレート２間の分岐路
１５に分流し、被加熱流体（水）と熱交換しながら通過
し下の共通路１６に合流し、次に下の共通路１７に流入
し、複数の伝熱プレート２間の分岐路１８に分流し、熱
交換しながら通過し上の共通路１９に合流し、次に上の
共通路２０に流入し、複数の伝熱プレート２間の分岐路
２１に分流し、熱交換しながら通過し下の共通路２２に
合流し、伝熱プレート２の長辺の反対側に設けられた加
熱流体出口継手２３から出るようになっている。

【００１８】即ち、中間に孔の開いていない伝熱プレー
ト２Ａ，２Ｂを挿入することで、伝熱プレート２の左上
端の入口継手１３から流入した流れが、反対の端部で流
れを折り返しというように２回折り返し、右下端の出口
継手２３より出るような構造をしている。冷媒の流路の
分け方は、分岐路が６列―６列―６列の均等割りになっ
ている。

【００１９】もう一方の被加熱流体（水）の流路３０
は、図６に示すように、加熱流体の流路に対向又は並行
するような流路になるが、前記加熱流体の流路はこの被
加熱流体流路３０の間に位置しており、貯湯タンク（図
示せず）を出て当該プレート熱交換器１０の被加熱流体
入口継手３１から下の共通路３２に流入し、加熱流体の
前記分岐路１５、１８及び２１の周囲３３を流れて伝熱
プレート２の長辺の反対側に設けられた上の共通路３４
を介して被加熱流体出口継手３５から出るようになって
いる。このように、被加熱流体（水）の流路３０は、下
から上への一方向流れとなっている。従って、水はこの
熱交換器１０内を流れ、温水が作られる。

【００２０】以上の構成によれば、プレート熱交換器１
０を凝縮器として使用する場合、加熱流体である冷媒の
流路を折り返し構造により、長くすることにより、伝熱
面積を確保しつつ、流速を高めることができ、熱交換の
効率を高めることが可能となる。

【００２１】また、被加熱流体となる水側流路は必要な
流速を保持しつつ、圧損を抑えるため、冷媒とは異なる
流路にすることで解決できる。

【００２２】次に、第２の実施の形態について、図３に
基づき説明する。被加熱流体（水）の流路３０は、第１
の実施形態と同様に、下から上への一方向流れとなって
いる。それに対して、加熱流体の流路は、２回折り返す
も、冷媒の流路の分け方は、６列―５列―３列と流路面
積を絞っていることが、第１の実施形態と異なってい
る。

【００２３】熱交換する２つの流体は、対向流にすると
効率が向上するが、冷媒が相変化をする部分は、その違
いは顕著ではない。この２箇所の折り返し構造の場合で
は、加熱流体の入口側通路では、過熱蒸気が顕熱変化を
するため、対向流になっており、出口付近の通路では、
過冷却度を取るために、対向流が望ましい。その間の通
路は、並行流になるが、相変化であるため、とくに問題
ではない。

【００２４】次に図７に示す性能測定結果について説明
する。従来品（２重管熱交換器及びプレート熱交換器を
複数個接続した場合）との比較を含めて記載した。凝縮
器としての熱交換量を一定にするように、冷媒側を調節
し、冷却水側の入口温度・流量は一定としている。

【００２５】尚、本発明の目的が、よりコンパクトで、
しかもコストの小さい熱交換器を提供することであるの
で、表中の「熱交換器の性能」という項目は、従来品と
ほぼ同等であることが必要条件となる。熱交換器の局所
的な熱交換の効率は、「熱通過率」という項目で評価す
る。コンパクト・コストの程度は、「伝熱面積」と関係
がある。以上３つの数値は、従来品Ｎｏ．７の数値を１
００％とした場合の比率で表示した。

【００２６】熱通過率には、流体の流速が影響する。例
えば、従来品のＮｏ．７に対して、Ｎｏ．６は、冷却水
循環量が「５０．２」ｌ／ｍｉｎと２８％多いため、熱
交換器の性能は１５％向上している。

【００２７】比較例のＮｏ．３とＮｏ．４では、プレー
ト熱交換器を２個使っていることは共通であるが、接続
方法がＮｏ．３が直列で、Ｎｏ．４が並列と異なってい
る。冷媒側・冷却水とも流速は、直列のＮｏ．３は、並
列のＮｏ．４のほぼ倍になるため、伝熱面積が同じで
も、熱通過率では、Ｎｏ．３はＮｏ．４の約１．６倍で
ある。

【００２８】熱通過率では、従来品の２重管熱交換器よ
り、本発明品・比較例のプレート熱交換器の方が、１４
７〜２４２％と明らかに高い。冷媒の流速が高いことが
影響しているためである。

【００２９】この比較では、あまり凝縮温度を上げない
こと、つまり圧縮機の入力を増やさないことも重要なの
で、伝熱面積も増やさないと、熱交換器の性能は満足さ
れない。よって、比較例のＮｏ．２のように、プレート
熱交換器を３つ直列接続することで、性能は従来品の９
１％となった。

【００３０】ＮＯ．１は、第２の実施形態のプレート熱
交換器であるが、更に３つのプレート熱交換器をブレー
ジング方式により一体化している。Ｎｏ．２と比較する
と、プレート枚数でも少なくなっているものの、一体化
により、伝熱に利くプレート枚数は増えており、しか
も、流路を絞っていく効果により熱通過率でも向上があ
る。そして、熱交換器の性能も従来品にほぼ等しい９５
％となっている。コストの面では、例えば、プレート枚
数が５０枚のＮｏ．５との比較では、枚数が１０枚ほど
少ないが、孔無しプレートを挿入しなければならないな
ど手間がかかるので、ほぼ同じと思われる。しかし、性
能的には、かなり異なり、本発明の効果が大きく表れて
いる例である。

【００３１】従って、図８に示すように、加熱流体の冷
媒が内部で液化して、容積を減少させていっても、流速
が落ちない。このことにより、熱伝達率の低下を防ぎ、
熱交換器の全体の効率を高めることができる。

【００３２】更に、以上本発明の実施態様について説明
したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代
替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含
するものである。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、加熱流体
（冷媒）側では熱交換性能が落ちにくく、被加熱流体
（水）側でも圧力損失を小さく抑えることができるプレ
ート熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係るプレート熱交換器の内部
構造を示す図である。

【図２】第１の実施形態に係るプレート熱交換器におけ
る伝熱プレートの分解図である。

【図３】第２の実施形態に係るプレート熱交換器の内部
構造を示す図である。

【図４】第１の実施形態に係るプレート熱交換器におけ
る冷媒流路を示す図である。

【図５】第２の実施形態に係るプレート熱交換器におけ
る冷媒流路を示す図である。

【図６】第１の実施形態に係るプレート熱交換器におけ
る水流路を示す図である。

【図７】熱交換器の性能試験結果を示す表である。

【図８】第２の実施形態に係るプレート熱交換器の冷媒
の流速と熱伝達率を示す図である。

【図９】従来のプレート熱交換器の斜視図である。

【図１０】伝熱プレートの側面図である。

【図１１】従来のプレート熱交換器の内部構造を示す図
である。

【図１２】従来のプレート熱交換器を並列接続した状態
の図である。

【図１３】従来のプレート熱交換器を直列接続した状態
の図である。

【図１４】一体型のプレート熱交換器の概念図である
（冷媒・水双方とも直列）。

【図１５】従来のプレート熱交換器における水流路を示
す図である。

【図１６】従来の方式によるプレート熱交換器の冷媒の
流速と熱伝達率を示す図である。

【符号の説明】

２、２Ａ、２Ｂ 伝熱プレ
ート １０ プレート
熱交換器 １３ 加熱流体
入口継手 １５、１８、２１ 分岐路 ２３ 加熱流体
出口継手 ３１ 被加熱流
体入口継手 ３５ 被加熱流
体出口継手 １４、１６、１９、２０、２２、３２、３４ 共通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 忠夫 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 (72)発明者 鏡 一豊 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 Ｆターム(参考） 3L103 AA37 BB33 DD15 DD52

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略平板状の伝熱プレートを複数枚間隔を
   存して重ね合わせることにより該伝熱プレート間に加熱
   流体流路と該加熱流体流路の回りに被加熱流体流路とを
   形成するプレート熱交換器において、前記加熱流体流路
   の流路長さを長くすべく数回の折り返し構造とすると共
   に、前記被加熱流体流路は両端部の共通路とこれらを連
   結する複数の分岐路とから一方向流れの流路としたこと
   を特徴とするプレート熱交換器。
2. 【請求項２】 前記加熱流体流路の折り返した後の分岐
   路の数は折り返し前の分岐路の数より少なくしたことを
   特徴とする請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 【請求項３】 前記加熱流体流路である冷媒流路の折り
   返しの回数を複数回とし、冷媒を前記伝熱プレートの対
   向する長辺の上部の入口から流入するようにし、出口を
   下部にすることにより、過熱蒸気が顕熱変化をする加熱
   流体の入口側流路と過冷却液となる出口側付近の流路で
   は対向流とし、冷媒がガス状から液状へ層変化をする中
   間の流路は並行流としたことを特徴とする請求項１又は
   ２に記載のプレート熱交換器。