(57)【要約】【課題】設備コストの低減と装置全体の大型化の抑制を達成しつつ、高い熱交換効率を得ることができるプレート式熱交換容器を提供する。【解決手段】冷媒ガスが導入され熱交換プレート１０が内設される容器１内で、前記冷媒ガスの顕熱と凝縮潜熱を利用して流体の加熱を行うプレート式熱交換容器において、前記容器１は第１の仕切板１１と第２の仕切板の区分けにより冷媒ガス導入口２から冷媒ガス導出口４に向う冷媒ガスの片流れ方向流が形成され、前記第１の仕切板１１と第２の仕切板１２の取り付け位置を前記冷媒ガス導入口２側に偏在させて顕熱加熱域２１と潜熱加熱域２２とに分離されて備えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスが導入され熱交換プレートが内設される熱交換区域内で、前記冷媒ガスの顕熱と凝縮潜熱を利用して流体の加熱を行うプレート式熱交換容器において、
前記熱交換区域は仕切板の区分けにより前記冷媒ガスが導入される冷媒ガス導入口側から該冷媒ガスが導出される冷媒ガス導出口側に向う冷媒片流れ方向流が形成され、
前記仕切板取り付け位置を前記冷媒ガス導入口側に偏在させて前記熱交換区域が顕熱加熱域と潜熱加熱域とに分離されることを特徴とするプレート式熱交換容器。
【請求項２】
前記熱交換区域にて熱交換される前記流体を容器内に導く入口側管路と、熱交換された前記流体を該容器外へ導く出口側管路と、該入口側管路と該出口側管路との間を連絡する中間管路とを備えるとともに、
該中間管路の末端側に近接する前記冷媒ガス導入口と、該冷媒ガス導入口の対角に設けられ前記入口側管路の始端側に近接する前記冷媒ガス導出口とを備える容器であって、
前記入口側管路と前記出口側管路は前記容器内下方側に分断されて備えられ、前記中間管路は前記容器内に併設される熱交換プレートの伝熱面を介して該入口側管路と該出口側管路のそれぞれと接続されて備えられ、
前記冷媒ガス導入口から導入される冷媒ガスを容器下方向に導く第１の仕切板を該冷媒ガス導入口に隣接する前記中間管路の末端側に形成し、前記冷媒ガス導出口に向う冷媒ガス流れを容器上方向に導く第２の仕切板を前記出口側管路の前記入口側管路側末端に形成することを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換容器。
【請求項３】
前記流体が前記顕熱加熱域と前記潜熱加熱域のそれぞれで前記冷媒片流れ方向流と対向する対向流を形成することを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換容器。
【請求項４】
前記顕熱加熱域を流れる前記冷媒ガスの冷媒片流れ方向流が下方向から上方向に変わる変向部に該顕熱加熱域で生じる冷媒凝縮液を分離して前記熱交換区域外に流出させる連通管を備え、該連通管は液トラップを有することを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスが導入され熱交換プレートが内設される熱交換区域内で、前記冷媒ガスの顕熱と凝縮潜熱を利用して流体の加熱を行うプレート式熱交換容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プレート式熱交換容器は、流路及び強度を考慮して表面に凹凸が形成された熱交換プレート（伝熱板）を容器内に複数重ね合わせて交互にそれぞれの流体が流れる構造の熱交換器であり、熱交換プレートを通じて２つの流体間で熱の授受を行わせる。
ここで、従来のプレート式熱交換器に関し、図３を用いて以下説明する。図３は従来のプレート式熱交換容器に係り、（ａ）はプレート式熱交換容器の構成を説明する縦断側面図、（ｂ）は熱交換素子の拡大断面図である。
【０００３】
従来のプレート式熱交換容器は、図３（ａ）に示すように、容器５１と、該容器５１内に設けられる多数の熱交換素子５２と、該熱交換素子５２の間に挟在する仕切板５３とを備える。また、容器５１は密閉されており、前記容器５１の上部に設けられ水を流入させる水導入口５４と、該容器５１の下部に設けられ水を流出させる水導出口５５と、他方の流体である冷媒を導入する冷媒導入口６３と、冷媒を導出する冷媒導出口６４とを備える。
【０００４】
熱交換素子５２は、図３（ｂ）に示すように、２枚１組のプレート５２ａ、５２ｂの周囲を溶接して内部に中空室５２ｃを形成するとともに、上下に貫通孔５６，５７を有している。
また、熱交換素子５２の間に挟在する仕切板５３は、容器５１内を区画するものであり、仕切板５３の設置数は容器５１内に流通する流体の流量に応じて増減される。
【０００５】
図３（ａ）に示すようにして各熱交換素子５２の中空室５２ｃ内には、冷媒導入口６３から冷媒が導入され、各熱交換素子５２の中空室５２ｃ内に分岐流入し、冷媒導出口６４から流出される。また、水は水導入口５４から容器５１内に流入し、各熱交換素子５２の間を通って仕切板５３の連通孔６５から隣室に入り、水導出口５５から出ていく（特許文献１参照）。
【０００６】
また、その他のプレート式熱交換容器として、特許文献２（特開昭５３−４３０８２号公報）や特許文献３（特開昭５３−３９９７４号公報）などが開示されており、以下に示す。
特許文献２は、上端面に蒸気供給口を有し、下端面に蒸気排出口を有するケーシングと、上部に冷却液排出口を有しケーシングに固着された固定フレームと、下部に冷却液供給口を有し締結手段によりケーシングに固定され得る移動フレームと、移動フレームを貫通し一端を固定フレームに固着され他端をサポートにて支持されたガイドバーと、ガイドバーと係合し得る切欠を長辺部に有し適宜開口する蒸気通路間隙と密閉された冷却液通路間隙とを交互に形成するプレート群とよりなり、このプレート群を、前記ガイドバーにてケーシング内に懸吊させると共に移動フレームにて強圧させるようになしている。
【０００７】
さらに、特許文献３は、二種のプレートを交互に複数枚重合して冷却液通路と蒸気通路を交互に形成したプレート式凝縮器であって、長方形の対応する一対の溝部を斜めに切除した形状を有し、残る一対の溝部に冷却液の入口と出口を各々設けた二種のプレートの内、一方はガスケットにて伝熱有効部と冷却出入口とを互いに連通するように囲み込んで冷却液通路を構成し、他方は伝熱有効部と冷却液出入口とを断絶し且つ蒸気の導入開口並びに導出開口を形成する如くガスケットを嵌装して蒸気通路を構成してなり、蒸気導入方向を蒸気通路内の蒸気流下方向と略平行になしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−４１７９６号公報
【特許文献２】特開昭５３−４３０８２号公報
【特許文献３】特開昭５３−３９９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に凝縮器としてのプレート式熱交換容器は、熱交換プレートを通じて冷媒ガスと被加熱流体の２つの流体間で熱の授受を行っており、熱交換することにより冷媒ガスは凝縮し、被加熱流体は温水となる。このとき従来のプレート式熱交換容器では、過熱冷媒ガスの熱交換効率は低く、冷媒ガスの凝縮温度と被加熱流体の温水温度との間に温度差が３℃以上あり、凝縮温度が高く、冷凍機ＣＯＰが小さく、圧縮機電力が大きいという問題があった。
このことから過熱冷媒ガスの熱交換効率を高めるために、専用設計された顕熱部を別置きにすることが提案されたが、結果として顕熱部と潜熱部とする２つの熱交換器を有することになり、熱交換容器が大型化し、熱交換面積の増加や設備費の増加、機器全体の大型化を招く。
【００１０】
そのため、プレート式熱交換容器の熱交換効率を高めるために、特許文献１は容器に流通せしめられる他方の流体の流量に応じて、該流体の容器内入口から出口に向う流速が常に一定となるように容器内流路を少なくとも１つの連通孔を持つ適宜枚数の仕切板で区画しているが、熱交換素子の間に挟在される仕切板は張り出しが長く部品製造のコストがかかる。
また、特許文献２と特許文献３は、被加熱流体の通路がプレートの上下に設けられ、冷媒ガス供給口がプレートを介在させて熱交換容器の上方に、冷媒ガス排出口が熱交換容器の下方に配設されているために熱交換容器の上方側と下方側とでは大きな温度差が生じる。このため、プレートの伝熱面を介して熱交換容器の上方側と下方側で熱交換してしまい、熱損失の量が大きくなってしまう。さらに、装置全体をコンパクトにし且つ熱交換効率を向上させるために、１つの熱交換容器内に顕熱部と潜熱部を有することが考えられるが、特許文献１〜３の何れにもその記載は見当たらない。
【００１１】
そこで、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、設備コストの低減と装置全体の大型化の抑制を達成しつつ、高い熱交換効率を得ることができるプレート式熱交換容器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、冷媒ガスが導入され熱交換プレートが内設される熱交換区域内で、前記冷媒ガスの顕熱と凝縮潜熱を利用して流体の加熱を行うプレート式熱交換容器において、前記熱交換区域は仕切板の区分けにより前記冷媒ガスが導入される冷媒ガス導入口側から該冷媒ガスが導出される冷媒ガス導出口側に向う冷媒片流れ方向流が形成され、前記仕切板取り付け位置を前記冷媒ガス導入口側に偏在させて前記熱交換区域が顕熱加熱域と潜熱加熱域とに分離されることを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、前記熱交換区域は仕切板の区分けにより過熱された冷媒ガスが導入される冷媒ガス導入口側から該冷媒ガスが導出される冷媒ガス導出口側に向う冷媒片流れ方向流が形成され、前記仕切板取り付け位置を前記冷媒ガス導入口側に偏在させて前記熱交換区域が顕熱加熱域と潜熱加熱域とに分離されるために、一つの熱交換容器内に顕熱加熱域と潜熱加熱域とを形成することができる。よって、顕熱加熱域のプレート枚数を最適化することにより、過熱冷媒ガスの流速を高め、その熱交換効率が高められる。また、熱交換器全体の小型化を達成することができる。すなわち、設備費を低減することができ、熱交換容器の性能向上が可能となる。
【００１４】
また、前記熱交換区域にて熱交換される前記流体を容器内に導く入口側管路と、熱交換された前記流体を該容器外へ導く出口側管路と、該入口側管路と該出口側管路との間を連絡する中間管路とを備えるとともに、該中間管路の末端側に近接する前記冷媒ガス導入口と、該冷媒ガス導入口の対角に設けられ前記入口側管路の始端側に近接する前記冷媒ガス導出口とを備える容器であって、
前記入口側管路と前記出口側管路は前記容器内下方側に分断されて備えられ、前記中間管路は前記容器内に併設される熱交換プレートの伝熱面を介して該入口側管路と該出口側管路のそれぞれと接続されて備えられ、前記冷媒ガス導入口から導入される冷媒ガスを容器下方向に導く第１の仕切板を該冷媒ガス導入口に隣接する前記中間管路の末端側に形成し、前記冷媒ガス導出口に向う冷媒ガス流れを容器上方向に導く第２の仕切板を前記出口側管路の前記入口側管路側末端に形成することを特徴とする。
【００１５】
このようにして、入口側管路と出口側管路と中間管路を熱交換容器内に配置し、さらに冷媒ガス流れを導く第１、第２の仕切板を設けることにより、熱交換容器内に顕熱を利用して流体（被加熱流体）を加熱する顕熱加熱域と、凝縮潜熱を利用して流体を加熱する潜熱加熱域が形成される。これにより、熱交換効率が高められるとともに熱交換器全体の大型化の抑制を達成することができる。
【００１６】
また、前記流体が前記顕熱加熱域と前記潜熱加熱域のそれぞれで前記冷媒片流れ方向流と対向する対向流を形成することを特徴とする。
このように、前記顕熱加熱域と前記潜熱加熱域のそれぞれで過熱冷媒ガスの片流れ方向流と前記流体の片流れ方向流とを対向にすることにより、常に冷媒ガスと流体の温度差を確保することができ、熱交換効率を向上させることができる。さらに、熱交換器全体の小型化を達成する。
【００１７】
さらにまた、前記顕熱加熱域を流れる前記冷媒ガスの冷媒片流れ方向流が下方向から上方向に変わる変向部に該顕熱加熱域で生じる冷媒凝縮液を分離して前記熱交換区域外に流出させる連通管を備え、該連通管は液トラップを有することを特徴とする。
このように、前記顕熱加熱域を流れる前記冷媒ガスの冷媒片流れ方向流が下方向から上方向に変わる変向部に前記連通管を備えることにより、運転条件の変動によって顕熱加熱域で冷媒ガスが凝縮して冷媒液となっても連通管を通じて受液器に流すことができる。また、前記連通管は液トラップを有しているので、連通管を通じて受液器に冷媒ガスが流れることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、設備コストの低減と装置全体の大型化の抑制を達成しつつ、高い熱交換効率を得ることができるプレート式熱交換容器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のプレート式熱交換容器の基本構成を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施形態におけるプレート式熱交換容器の全体図である。
【図３】従来のプレート式熱交換容器を説明する図であり、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は熱交換素子の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
まず、図１を用いて本発明のプレート式熱交換容器の基本構成を説明する。図１に示すプレート式熱交換容器は、容器１と、該容器１内に複数重ね合わせて配設される熱交換プレート１０と、前記容器１内に過熱された冷媒ガスを導入させる冷媒ガス導入口２と、該冷媒ガス導入口２の対角に形成され、冷媒ガスを導出させる冷媒ガス導出口４と、被加熱流体（以下、流体と称す）を容器１内に導く入口側管路３と、熱交換された該流体を容器１外へ導く出口側管路７と、前記入口側管路３と出口側管路７との間を連結する中間管路５とで構成される。
【００２２】
前記熱交換プレート１０は表面に凹凸形状と、両端に開口部とが形成されている。内部空間を形成するように２枚１組として熱交換プレート１０を重ね合わせ、周辺部を密閉させて熱交換体を形成する。前記熱交換体の両端にそれぞれ備えられる開口部が互いに連通するように熱交換プレート１０を重ね合わせ、容器１内に熱交換区域を構成している。
【００２３】
前記入口側管路３と前記出口側管路７は、前記容器１内の下方側に分断されて備えられている。前記中間管路５は、熱交換プレート１０の伝熱面を介して前記入口側管路３と前記出口側管路７のそれぞれと接続され、前記容器１内の上方側に備えられている。
前記入口側管路３と前記出口側管路７と前記中間管路５は、前記熱交換プレート１０に備えられる開口部が該熱交換プレート１０の重ね合わせにより連なることによって形成される。
【００２４】
また、本発明のプレート式熱交換容器は、前記冷媒ガス導入口２にする前記中間管路５の末端側に形成される第１の仕切板１１と、前記出口側管路７の前記入口側管路３側の末端に形成される第２の仕切板１２とを備える。
前記第１の仕切板１１は、前記冷媒ガス導入口２から導入される冷媒ガスを容器下方向に導く。また、前記第２の仕切板１２は、前記冷媒ガス導出口４に向う冷媒ガス流れを容器上方側に導くものである。
【００２５】
これらの構成をもとに、本発明の実施形態におけるプレート式熱交換容器について説明する。図２は、実施形態におけるプレート式熱交換容器の全体図である。
図２に示すプレート式熱交換容器は、図１と同様に、容器１と、該容器１内に複数重ね合わせて配設される熱交換プレート１０と、前記容器１内に冷媒ガスを導入させる冷媒ガス導入口２と、該冷媒ガス導入口２の対角に形成され、冷媒ガスを導出させる冷媒ガス導出口４と、前記流体を容器１内に導く入口側管路３と、熱交換された該流体を容器１外へ導く出口側管路７と、前記入口側管路３と出口側管路７との間を連結する中間管路５と、前記冷媒ガス導入口２から導入される冷媒ガスを容器下方向に導く第１の仕切板１１と、前記冷媒ガス導出口４に向う冷媒ガス流れを容器上方側に導く第２の仕切板１２とで構成される。なお、熱交換プレート１０は容器１の内部空間全体に並列されているが、図２ではその記載を一部省略する。
【００２６】
このようにして構成されるプレート式熱交換容器では、第２の仕切板１２を境にして、冷媒ガスの顕熱を利用して流体を加熱する顕熱加熱域２１と、冷媒ガスの凝縮潜熱を利用して流体を加熱する潜熱加熱域２２が形成される。
ここでは冷媒ガスをアンモニア、流体を水とし、冷媒ガスと流体の流れを以下に説明する。
【００２７】
図２において、冷媒ガスは、顕熱加熱域２１から潜熱加熱域２２へと流れる。すなわち、前記冷媒ガスは前記冷媒ガス導入口２から容器１内に導入され、前記第１の仕切板１１によって容器下方向に導かれる。その後、冷媒ガスは、熱交換プレート１０で構成される熱交換体の外表面を通り、容器下側を通って、前記第２の仕切板１２によって流れ方向を変向されて容器上方向に導かれる。なお、上述したように冷媒ガスの流れ方向が第２の仕切板１２によって変向されるポイントを変向部２０とする。
【００２８】
さらに、前記変向部２０で容器上方向に導かれる冷媒ガスは熱交換体の外表面を通り、容器上側に向う。容器上側を流れる冷媒ガスは、前記冷媒ガス導出口４に向って潜熱加熱域２２で並列する前記熱交換体の外表面を通り、容器下側を通って、該冷媒ガス導出口４から導出される。
【００２９】
一方、流体は、潜熱加熱域２２から顕熱加熱域２１へと流れる。すなわち、前記流体は容器１の側面に形成され入口側管路３に連設される流体入口６から流入され、入口側管路３によって容器１内に導かれる。前記入口側管路３を通る流体は、潜熱加熱域２２で並列する熱交換体の内部空間を通り、中間管路５を介して顕熱加熱域２１へと移動する。そして、顕熱加熱域２１へ流れ込んだ後、前記熱交換体の内部空間を通り、出口側管路７を通って該出口側管路に連設される流体出口８から流出される。
【００３０】
このようにして、前記冷媒ガスと流体はそれぞれ片流れ方向流を形成する。上述したように、冷媒ガス片流れ方向流（図２の実線矢印）は前記熱交換プレートにより形成される熱交換体の外側表面を通り、流体片流れ方向流（図２の破線矢印）は該熱交換体の内部空間を流れる。よって、熱交換体を介して冷媒ガスと流体が熱交換される。
また、冷媒ガス片流れ方向流と流体片流れ方向流は、前記顕熱加熱域２１と潜熱加熱域２２のそれぞれで対向するように流れる対向流を形成する。冷媒ガスと流体を対向流とすることにより、熱交換効率を向上させることができる。
【００３１】
さらに、前記第１の仕切板１１、第２の仕切板１２を備えることにより、顕熱加熱域２１を流れる冷媒ガスの流速が速くなるので、伝熱係数を上げることができる。
よって、本発明の実施形態のプレート式熱交換容器は一つの熱交換容器内に顕熱加熱域と潜熱加熱域を有して効率良く熱交換を行うことが可能であり、結果的に熱交換面積を小さくして設備コストを低減することができる。
【００３２】
また、図２に示すプレート式熱交換容器は、前記顕熱加熱域２１を流れる冷媒ガス片流れ方向流が下方向から上方向に変わる前記変向部２０に、該顕熱加熱域２１で生じる冷媒ガス凝縮液を分離して容器１の外に流出させる連通管１４を備えている。これにより、導入される冷媒ガス温度など運転条件が変動することによって顕熱加熱域２１で冷媒ガスが凝縮して冷媒の凝縮液となったとしても連通管１４を通じて容器外に流出させることができる。流出させた凝縮液は、連通管１４に形成される液トラップ１６を介して受液器１５へ流れ込む。連通管１４に液トラップ１６を形成することにより、受液器１５に冷媒ガスが流れ込むことを防止することができる。
【００３３】
次に、第１の仕切板、第２の仕切板について説明する。図２に示すように、第１の仕切板１１は冷媒ガス導入口２に隣接し、形成されている。また第１の仕切板１１は、熱交換プレート１０を２枚１組として構成される複数の熱交換体の間に備えられる。
【００３４】
このようにして、第１の仕切板１１を形成することにより、冷媒ガス導入口２より導入される冷媒ガスを容器下方向に導くことができる。なお、第１の仕切板１１は、冷媒ガス導出口４側（図２でいうと図面左側）への冷媒ガス流れを容器下方向に変えるものであれば形状は問わない。
【００３５】
また、第２の仕切板１２は、出口側管路７の末端（前記入口側管路３寄り）に形成される。また、第２の仕切板１２は複数の熱交換体の間に備えられる。第２の仕切板１２の取り付け位置は、冷媒の顕熱熱交換部と潜熱熱交換部の境界に定められるのが好ましい。
【００３６】
このようにして構成されるプレート式熱交換容器は、熱交換効率を向上させることができる。例えば、図２において、冷媒ガス導入口２から導入されるアンモニアは、１２０〜１２２℃（点Ｄ）で容器１内に供給されると、熱交換体の内部を流れる水と顕熱加熱域２１で熱交換され、約１２０℃から５０℃まで下がり、潜熱加熱域２２に向う（点Ｅ）。その後、アンモニアは潜熱加熱域２２で熱交換体の内部を流れる水と熱交換しながら、冷媒ガス導出口４へ向う。潜熱加熱域２２では、前記アンモニアは５０℃（点Ｅ）から４１〜４１．５℃（点Ｆ、約１．５ＭＰａ）となって凝縮され、前記冷媒ガス導出口より導出される。
【００３７】
一方、冷媒ガスであるアンモニアに対し、３２〜３４℃（点Ａ）の水を流体入口６から容器１内に流入させると、潜熱加熱域２２で熱交換体を介してアンモニアと熱交換しながら顕熱加熱域２１へと向う。潜熱加熱域２２では、水は３２〜３４℃（点Ａ）から３９．６〜４０℃（点Ｂ）と変化する。その後、水は顕熱加熱域２１で熱交換体の外表面を流れるアンモニアと熱交換しながら、流体出口８へ向って流れる。顕熱加熱域２１では、アンモニアの顕熱により水が３９．６〜４０℃（点Ｂ）から４０〜４１．３℃（点Ｃ）へと温められる。
【００３８】
本実施形態におけるプレート式熱交換容器によれば、熱交換後のアンモニアの凝縮温度が４１〜４１．５℃、熱交換後の温水温度が４０〜４１．３℃であり、その温度差は１℃以下である。以上のことから、本実施形態におけるプレート式熱交換容器は、従来のプレート式熱交換容器に比べて凝縮温度が低くなることがわかる。これにより冷凍機ＣＯＰが大きく、圧縮機電力が小さくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、設備コストの低減と装置全体の大型化の抑制を達成しつつ、高い熱交換効率を得ることができるので、アンモニアと水を熱交換させることにより温水を得るプレート式熱交換容器への適用に際して有益である。
【符号の説明】
【００４０】
１      容器
２      冷媒ガス導入口
３      入口側管路
４      冷媒ガス導出口
５      中間管路
７      出口側管路
１０    熱交換プレート
１１    第１の仕切板
１２    第２の仕切板
１４    連通管
２１    顕熱加熱域
２２    潜熱加熱域
【図１】
2011007467.tif 000003
【図２】
2011007467.tif 000004
【図３】
2011007467.tif 000005