(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、
複数の伝熱プレートの間に形成された複数の冷媒用流体流路の前記入口流路の各々に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔が形成された内壁部、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔が形成された外壁部を有し、前記内壁部と外壁部の間に密閉状態の前記内部空間が形成された中空部材を配置し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】
積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、
冷媒用流体流路の前記入口流路に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔を有する中空部材を配置するとともに隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて伝熱プレート間にろう付け固定し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項３】
中空部材を隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて、伝熱プレート間にろう付け固定したことを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数枚の伝熱プレートをろう付け等で積層一体化したプレート式熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機のフロン等の冷媒は、蒸発器の熱交換器から１００％気体となって圧縮機から凝縮器に送られて温度上昇した液体となり、この液体が膨張弁で体積膨張して急激に温度低下した液相（液体）と気相（気泡）の混合した気液二相流となって蒸発器の熱交換器に送られる循環サイクルで恒久的に利用される。このような冷凍機の冷媒の蒸発器に用いられる熱交換器は、複数枚の伝熱プレートを積層一体化したプレート式熱交換器が一般的であり、その基本構造例を図７及び図８に示し、これを改変した熱交換器を図９及び図１０で説明する。
【０００３】
図７に示される熱交換器は、複数枚の伝熱プレート１と２枚の金属フレーム１２，１３をろう材（図示せず）を介し積層して、高温・真空下でろう付け（ブレージング）したブレージング式熱交換器である。伝熱プレート１と金属フレーム１２，１３はステンレス製の略矩形板で、各伝熱プレート１の４隅部に熱交換されるべき２種の流体の通路孔２，３が形成され、一方の金属フレーム１２の４隅部に２種の流体の出入口となるノズル４が貫通させてろう付けされる。
【０００４】
伝熱プレート１は波板プレートの熱交換伝熱部１ａと、熱交換伝熱部１ａの周縁部を折曲した縁立て部１ｂを有し、隣接する伝熱プレート１の縁立て部１ｂが気密にろう材で溶融接合される。複数の伝熱プレート１を積層一体化したとき、各々の熱交換伝熱部１ａの４隅に形成された通路孔２，３が同心に対向して連通する。また、複数の伝熱プレート１を積層一体化したとき、図８に示すように各伝熱プレート１間に一方が冷媒である２種の流体が流通する流体流路５、６が交互に形成される。図８は１種の流体である気液二相流の冷媒Ｐの入口側と他の１種の流体Ｑの出口側の断面が示され、冷媒用流体流路５の冷媒用通路孔２の周辺部通路が冷媒用入口流路５ａである。冷媒用入口流路５ａは、隣接する伝熱プレート１の相互にろう付けされた入口側通路孔２の周辺部で囲まれたリング状の空間部分で、冷媒用入口側通路孔２と連通するノズル４に外部から流入した冷媒Ｐは、入口側通路孔２から入口流路５ａに入り、入口流路５ａから流体流路５を流通して隣りの流体流路６を流通する他の流体Ｑを冷却する。
【０００５】
冷媒用流体流路５の入口流路５ａに流入する冷媒Ｐは、図示しない凝縮器で凝縮された液体を膨張弁で膨張させて急冷させた液相と気相の気液二相流冷媒であり、この気液二相流冷媒の液相と気相が分裂と合体を繰り返して流体流路５を流れる。流体流路５を流れる冷媒Ｐのトータル伝熱性能を高く確保するため、入口流路５ａから流体流路５に入る冷媒Ｐの気相と液相の均一分配と、熱伝導率の悪い泡状の気相の細分化が促進されるように、入口流路５ａの形状やサイズが設計される。しかし、隣接する伝熱プレート１間の隙間だけの入口流路５ａでは冷媒Ｐが単に通過するだけであるので気相と液相の均一分配や気相の細分化を促進する機能に劣り、１つの流体流路５における冷媒Ｐのトータル伝熱性能が低くならざるを得ない。そこで、この低い伝熱性能を見越して伝熱プレート１の枚数を増やし、冷媒用流体流路５の数を増やして冷媒のトータルの低伝熱性能をカバーするようにしているが、これでは熱交換器が大型化し、コスト高となる。
【０００６】
熱交換器の気液二相流冷媒Ｐのトータルの低伝熱性能を伝熱プレート数を増大させることなくカバーするため、例えば図９に示すプレート式熱交換器では、冷媒用入口流路５ａに図１０に示すような厚板の金属リング１４を固設している。金属リング１４はステンレス、銅あるいは鉄製の厚板で、内周面から外周面に貫通させて１条のトンネル孔１５を有する。金属リング１４の内径は伝熱プレート１の冷媒用通路孔２と同一か、それよりも小さく、外径は通路孔２より大きい。金属リング１４は隣接する伝熱プレート１間に挟持され、通路孔２と同心に位置決めして固定される。トンネル孔１５は、気液二相流の冷媒Ｐが絞られて流入し、拡散して流出する内径２ｍｍ程度の小孔である。
【０００７】
図９の熱交換器においては、冷媒用入口側通路孔２に流入した気液二相流冷媒Ｐが金属リング１４の内周のトンネル孔入口に絞られて流入し、トンネル孔１５を流動して金属リング１４外周のトンネル孔出口から拡散流出して冷媒用流体通路５を流動する。このように気液二相流の冷媒Ｐが小孔のトンネル孔１５を通過する間に、気液二相流の冷媒Ｐの比較的大きな粒径の気相（気泡）が小さな粒状に細分化され、かつ、気相と液相の流れが絞られ拡散されることで均一分配化されるようにして、冷媒用流体通路５を流れる際の冷媒Ｐのトータル伝熱性能が高くなるようにしてある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図９の熱交換器は、金属リング１４による気液二相流冷媒Ｐの均一分配、気相の細分化の性能が良ければ、冷媒Ｐのトータル伝熱性能が上がって伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型・低コスト化が実現されるのであるが、未だ金属リング１４による顕著な性能改善が果たされていないのが現状である。その要因として、金属リング１４の１箇所のトンネル孔１５に気液二相流冷媒Ｐを通過させるだけでは気相の細分化が不十分であり、不均一で大きな気相が流体流路５を流れる可能性が大であり、このことがトータル伝熱性能の顕著な改善を難しくしている。また、金属リング１４のトンネル孔１５の内径を縮小したり、トンネル孔数を増やして、トータル伝熱性能の改善策とすることも行われているが、その改善効果が不十分であって、伝熱プレート数を少なくして熱交換器の小型・低コスト化を実現させることが難しいのが現状である。
【０００９】
本発明は図９の熱交換器の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、気液二相流冷媒のトータル伝熱性能を顕著に確実に改善し得たプレート式熱交換器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成する請求項１の発明は、積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、複数の伝熱プレートの間に形成された複数の冷媒用流体流路の各々に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔が形成された内壁部、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔が形成された外壁部を有し、前記内壁部と外壁部の間に密閉状態の前記内部空間が形成された中空部材を配置し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とする。
【００１１】
ここで、中空部材は冷媒用流体流路の入口流路を塞ぐリング状等の金属箱、金属容器で、伝熱プレートにろう付けや溶接等で固定される。この中空部材は、冷媒流れに対して上流側に前段小孔を下流側に後段小孔を有し、この前後段の小孔の間に内部空間が形成されて、気液二相流の冷媒は前段小孔から内部空間を通って最終的に後段小孔から流体流路に流出して行く。中空部材の前段と後段の各小孔は単一孔、或いは、複数孔が可能であり、これら小孔の内径、孔中心線の角度も任意で有り、熱交換器の種類に応じて適宜に設定される。また、中空部材の内部空間は単一空間、或いは、仕切壁で流体流れ方向直列に仕切られた複数空間であってもよく、この複数空間の場合は複数空間を仕切る仕切壁に中間的な小孔を形成して複数空間に冷媒を順に流すようにする。気液二相流の冷媒が複数の小孔を絞られて流通し、さらに、小孔から内部空間に減圧膨張して流出するといった異なる形態の冷媒流通が複数回に亘り段階的、繰り返し的に行われることで、気液二相流冷媒の最終的な気相と液相の均一分配、気相の細分化が確実に顕著に行われる。
【００１２】
本発明の請求項２の発明は、積層された複数の伝熱プレートの間に、一方が気液二相流冷媒である２種の流体が流通して熱交換が行われる流体流路を交互に形成し、伝熱プレートに形成した冷媒の入口用通路孔周辺の入口流路から冷媒用流体流路に冷媒を流入させるプレート式熱交換器において、冷媒用流体流路の前記入口流路に、外部からの気液二相流冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する前段小孔、及び、この前段小孔を流出した冷媒が減圧膨張する内部空間、及び、この内部空間で減圧膨張した冷媒がその流れが絞られて流入し拡散して流出する後段小孔を有する中空部材を配置するとともに隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて伝熱プレート間にろう付け固定し、この中空部材の後段小孔から冷媒用流体流路に冷媒を流入させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３の発明は、中空部材を隣接する伝熱プレートでろう材を介して挟持させて、伝熱プレート間にろう付け固定したことを特徴とする。このように中空部材を伝熱プレートにろう付けするようにすると、複数の伝熱プレートをろう付けするブレージング式熱交換器の製作時に、複数の伝熱プレートのろう付けと同一工程で中空部材のろう付けができて、熱交換器の製作が工程的、コスト的に有利に実施される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図６を参照して詳述する。なお、この実施形態は図８や図９の熱交換器に適用したもので、図１乃至図６の図７乃至図９と同一、又は、相当部分には同一参照符号を付して、その詳細説明は省略する。
【００１５】
図１に示される第１の実施形態の熱交換器はブレージング式のプレート式熱交換器で、複数の伝熱プレート１の間に形成された複数の冷媒用流体流路５の入口流路５ａの各々に中空部材２１を固設している。中空部材２１は図３に示すようなリング状のステンレス等の金属製品で、円筒状の内壁部２１ａと外壁部２１ｂを有し、内壁部２１ａの例えば１箇所に前段小孔２２が、外壁部２１ｂの１箇所に後段小孔２４が形成され、内壁部２１ａと外壁部２１ｂの間に密閉状の内部空間２３が形成される。前後段の各小孔２２，２４は、気液二相流の冷媒Ｐが絞られて流通する内径２ｍｍ程度の貫通孔である。
【００１６】
図１及び図３に示される中空部材２１は、その内壁部２１ａが伝熱プレート１の冷媒用入口流路孔２の内径より小さな円筒状であり、外壁部２１ｂが入口流路孔２の内径より大きな円筒状であり、内壁部２１ａと外壁部２１ｂの下端がリング状底板部２１ｃで一体に連結される。この内壁部２１ａと外壁部２１ｂと底板部２１ｃで構成される上端開口リング状容器は、プレス加工や切削加工で製作され、このリング状容器の上端開口を金属のリング状蓋板２１ｄで密閉することで中空部材２１が構成される。蓋板２１ｄは、気液二相流の冷媒Ｐが前段小孔２２を通らず直接に内部空間２３に流入するのを阻止する空間密閉蓋であり、このような蓋は図２の第２の実施形態においては不必要で省略してあり、その理由は後述する。
【００１７】
リング状中空部材２１は、隣接する伝熱プレート１の冷媒用入口流路孔２の周辺部に入口流路孔２の中心線と内壁部２１ａの中心線がほぼ一致するように位置決めされて固定、例えばろう付けにて固定される。このように中空部材２１を伝熱プレート１にろう付けすると、伝熱プレート同士をろう付けするブレージング式熱交換器の製作時に伝熱プレート同士のろう付けと中空部材２１のろう付けが１工程で実行できて、ブレージング式熱交換器の製作が工程的、コスト的に有利となる。冷媒用入口流路５ａにリング状中空部材２１は、その後段小孔２４を冷媒用流体流路５の方向に向けて固定される。この中空部材２１の前段小孔２２の方向性は限定されないが、図３に示すように後段小孔２４に対して９０°の定方向に位置するようにしてある。
【００１８】
複数の伝熱プレート１間の複数の冷媒用入口流路５ａに複数のリング状中空部材２１を固定して、冷媒入口ノズル４から気液二相流冷媒Ｐを流入させると、冷媒Ｐは各リング状中空部材２１の内壁部２１ａ内周面を軸方向に流動し、一部の冷媒Ｐが内壁部２１ａの前段小孔２２に絞られて内部空間２３へと流入する。この冷媒流入は、図５に示すように行われる。内壁部２１ａの外を流動する気液二相流の冷媒Ｐは、図５の実線矢印の概念図で示される液相Ｐ１と図５の粒子概念図で示される気相（気泡）Ｐ２であり、気相Ｐ２の粒径が比較的大きく、仮にこれをそのまま冷媒用流体流路５に流入させると伝熱性能が低下するが、本発明においてはまず液相Ｐ１と気相Ｐを前段小孔２２から内部空間２３に流入させる。前段小孔２２に粒径の大きな気相Ｐ２が通過するとき、絞られて小粒径化されると共に、前段小孔２２から内部空間２３に流出するときに減圧膨張するため、内部空間２３では気相Ｐ２と液相Ｐ１が均一分配化され、気相Ｐ２のほとんどが小粒子状に細分化される。
【００１９】
さらに、前段小孔２２から内部空間２３に流入した冷媒Ｐは、図３（Ｂ）に示すようにリング状の内部空間２３を流動して、最終的に後段小孔２４に絞られて流入して冷媒用流体流路５に流出して行く。冷媒Ｐが後段小孔２４を通過する段階においても気相液相の均一分配化と気相細分化が行われる。この後段小孔２４による気相細分化は、前段小孔２２から内部空間２３に流動した比較的大きな中粒子の気相や、内部空間２３を流動する短時間の間に合体した中粒子の気相が小粒子状に細分されることである。
【００２０】
以上のように中空部材２１で気液二相流冷媒Ｐは、前後２段の小孔２２，２４による２段階に亘る気相液相の均一分配及び気相細分化と、前段小孔２２から内部空間２３への流出と後段小孔２４から流体流路５の空間への流出による２段階に亘る減圧膨張の作用で、確実かつ顕著に気相液相の均一分配と気相細分化が行われて流体流路５を流通する。そのため、１つの流体流路５における冷媒Ｐのトータル伝熱性能が確実に向上し、伝熱プレート数を少なくして熱交換器を小型化して、低コストで製作することが可能となる。
【００２１】
図６は、図１の熱交換器を冷凍機の冷媒循環システムに適用したときの概略図で、凝縮器（図示せず）から送られてくる冷媒Ｐは液相Ｐ１が主流であり、これが膨張弁３０で液相Ｐ１と気相Ｐ２の気液二相流冷媒Ｐとなって熱交換器に送られ、内部の中空部材２１に達する。この冷媒Ｐが複数の中空部材２１の内壁部２１ａの前段小孔２２から内部空間２３に流入し、外壁部２１ｂの後段小孔２４から流出して流体流路５を流動する。この場合、十分に気相液相が均一分配され気相Ｐ２が細分化された気液二相流の冷媒Ｐが伝熱プレート１間の流体流路５を流れるため、高効率の熱交換が行われて高度な冷凍サイクルが実現される。熱交換器を出た冷媒Ｐは、ほとんどが気相成分となって後続の圧縮機へと送られ、圧縮機から凝縮器、膨張弁に送られて熱交換器に戻る。
【００２２】
図２に示される第２の実施形態の熱交換器は、上記中空部材２１の構造変更例を示すもので、図２における中空部材２１’は図４に示すような蓋無しの上端開口有底のリング状金属容器である。この中空部材２１’は、円筒状の内壁部２１ａと外壁部２１ｂとリング状の底板部２１ｃだけで構成され、内壁部２１ａの１箇所に前段小孔２２が外壁部２１ｂの１箇所に後段小孔２４が形成され、内壁部２１ａと外壁部２１ｂの間が内部空間２４となる。
【００２３】
図２の中空部材２１’は、これが固設される冷媒入口流路５ａの形状寸法に対応させたもので、この場合の冷媒入口流路５ａの冷媒用通路孔２の内径より中空部材２１’の内壁部２１ａの内径が大きめに設定してある。したがって、蓋無しの中空部材２１’を冷媒入口流路５ａに位置決めして固定すると、中空部材２１７の上端開口が伝熱プレート１の通路孔２の周辺部で塞がれて内部空間２３が略密閉空間となるので、この中空部材２１’は蓋板を必要としない。このような蓋無し中空部材２１’の気液二相流冷媒Ｐに対する気相液相均一分散化や気相細分化の機能は、図３の蓋有り中空部材２１と同様ゆえに説明は省略する。
【００２４】
以上の各実施形態において中空部材をリング状としたが、これはリング状の冷媒用入口流路に対応させたもので、冷媒用入口流路の形状に応じた任意の形状とすることができ、たとえば半円弧状の中空部材等であってもよい。また、中空部材の内壁部の１箇所に前段小孔を、外壁部の１箇所に後段小孔を形成したが、これら各小孔の個数、大きさ、形状、形成位置は特定されない。また、中空部材の内壁部と外壁部の間に１つの内部空間を形成するようにしたが、この内部空間を複数に仕切って、仕切られた複数の空間を冷媒が順に減圧膨張して流動するようにしてもよい。
【００２５】
さらに、本発明は、ブレージング式熱交換器以外のガスケットシール式のプレート式熱交換器等にも有効に適用されるものであり、例えばガスケットシール式熱交換器においては中空部材を伝熱プレートに溶接で固定、或いは、ガスケットを介して伝熱プレートに圧接して固定するようにすればよい。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１と２の発明によれば、気液二相流の冷媒が中空部材の前段小孔、内部空間、後段小孔を順に通過し、この通過時に少なくとも２段階に亘って気相液相の均一分配と気相の細分化が行われて冷媒用流体流路に流出するので、流体流路における冷媒の気相液相均一分配と気相細分化が十分顕著に実行されて、冷媒のトータル伝熱性能が向上し、熱交換効率に優れたプレート式熱交換器が提供できる。また、冷媒のトータル伝熱性能の改善により、伝熱プレート数を少なくして熱交換器を小型軽量にし、製作コストを低減させることが容易になる。
【００２７】
請求項３の発明によれば、隣接する伝熱プレート間に中空部材をろう付けで固定することで、複数の伝熱プレートを同時にろう付けするブレージング式熱交換器が１工程のろう付けで製作でき、また、ガスケット等の特別な別部材を使用すること無く中空部材を既存の伝熱プレートに既存のろう付け方法で固定することができて、製作的に有利なプレート式熱交換器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すプレート式熱交換器の要部の断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態を示すプレート式熱交換器の要部の断面図。
【図３】（Ａ）は図１熱交換器における中空部材の断面図、（Ｂ）はＴ１−Ｔ１線の断面図。
【図４】図２熱交換器における中空部材の断面図。
【図５】図３の中空部材による気液二相流冷媒の均一分配・細分化現象を説明するための模式的断面図。
【図６】本発明の熱交換器を主体とする冷凍機の冷媒循環システムの一部概要を示す模式図。
【図７】（Ａ）は従来のプレート式熱交換器の一部省略部分を含む正面図、（Ｂ）は側面図。
【図８】図７（Ａ）のＴ２−Ｔ２線の拡大断面図。
【図９】図８の熱交換器の改変例を示す他の従来の熱交換器の断面図。
【図１０】図９の熱交換器に使用される金属リングの平面図。
【符号の説明】
Ｐ    気液二相流冷媒
Ｑ    流体
１    伝熱プレート
２    冷媒用通路孔
５    冷媒用流体流路
５ａ    冷媒用入口流路
６    流体流路
２１    中空部材
２１’  中空部材
２１ａ  内壁部
２１ｂ  外壁部
２２    前段小孔
２３    内部空間
２４    後段小孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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