(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁となる隔壁プレートの異なる面に高温高圧の二酸化炭素の流路である第１の流路と前記二酸化炭素によって加熱される水の流路である第２の流路とを配してなり、前記第１の流路は第１の流路プレートを板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、前記第２の流路は第２の流路プレートと前記隔壁プレートとの間に形成し、前記隔壁プレートが板厚方向に対して複数枚のプレートで構成されるとともに、前記第２の流路の流路高さをその高温側流路で低温側流路よりも高く形成した熱交換器。
【請求項２】
第１の流路は複数かつ略平行に構成される請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
隔壁プレート内に複数の第１の流路と連通する分配流路を設けた請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
分配流路が略軸対称形状を有する請求項３記載の熱交換器。
【請求項５】
分配流路の等価直径を第１の流路の等価直径よりも大きく形成した請求項３または４記載の熱交換器
【請求項６】
第２の流路の流路幅を第１の流路の流路幅よりも大きく形成した請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
第１の流路と第２の流路とをこれらの長手方向の略全体にわたって、かつ隔壁プレートを介して対向する位置に形成し、各流路を流れる流体を対向流とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項８】
第１の流路が第１の流路プレート内で屈曲部を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項９】
第１の流路を挟んで両方の面上に、隔壁プレートを介して複数の第２の流路を設けてなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水の熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、実公昭６２−５５８７号公報に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図５を参照しながら説明する。
【０００３】
熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、高温高圧の冷媒が流れる第１の伝熱管５１と、低温低圧の水が流れる第２の伝熱管５２とを備え、第１および第２の伝熱管５１および５２をそれぞれ偏平化して密着させ、螺旋状に巻回した構成となっている。このとき、第１の伝熱管５１を流れる高温の冷媒は、その上下に位置する第２の伝熱管５２を流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。
【０００４】
なお、従来例では、伝熱管として肉厚が薄く比較的強度の小さい管体を使用することにより偏平化を容易にするとともに、この偏平化により管同士が密着する面積すなわち伝熱面積の拡大を図ることにより、熱交換性能を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０を、動作圧力が非常に高い、例えば二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用する場合、高圧冷媒の流れる第１の伝熱管５１内部に加わる圧力が非常に高くなるため、管体をあらかじめ機械的に偏平化する従来のような構成では、変形に供しやすく、十分な耐圧性を確保することが困難となる。
【０００６】
また、熱交換器５０は、図５に示すように、第１の伝熱管５１および第２の伝熱管５２を密着させて螺旋状に巻回した構成であり、円筒形状となる熱交換器５０の内側にデッドスペースが形成されるため、伝熱面積に比して熱交換器の占有体積が大きくなり、装置内部に収納するスペースが多く必要となるという課題があった。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、隔壁となるプレートの異なる面に高温高圧の二酸化炭素の流路である第１および前記二酸化炭素によって加熱される水の流路である第２の流路を配し、第１の流路は第１の流路プレートを板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、第２の流路は第２の流路プレートと隔壁プレートとの間に形成し、前記隔壁プレートが板厚方向に対して複数枚のプレートで構成されるとともに、前記第２の流路の流路高さをその高温側流路で低温側流路よりも高く形成したものである。
【０００９】
これによって、プレートに貫通孔を設けるだけの簡単な方法で、耐圧性に優れた微細な流路を構成することが容易になる。さらに、このような流路を面状に配置することで、平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できる。また、給湯水を加熱する場合、特に出口近傍の高温側流路内においてスケールが発生しやすいが、この部分の流路高さを高くすることでスケール析出による流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。また、第１の流路または第２の流路の一部を形成する隔壁プレートに万一亀裂等の異常が生じた場合も、複数枚の隔壁プレートの存在により、各々の流路から漏洩した流体が、他の流路内に混入することを防止できるため、熱交換器の信頼性の向上を実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、隔壁となるプレートの異なる面に高温高圧の二酸化炭素の流路である第１の流路と前記二酸化炭素によって加熱される水の流路である第２の流路とを配してなり、前記第１の流路は第１の流路プレートを板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、前記第２の流路は第２の流路プレートと前記隔壁プレートとの間に形成し、前記隔壁プレートが板厚方向に対して複数枚のプレートで構成されるとともに、前記第２の流路の流路高さをその高温側流路で低温側流路よりも高く形成したものであり、プレートに貫通孔を設けるだけの簡単な方法で、耐圧性に優れた微細な流路を構成することが容易になる。さらに、このような流路を面状に配置することで、平坦な伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できる。また、給湯水を加熱する場合、特に出口近傍の高温側流路内においてスケールが発生しやすいが、この部分の流路高さを高くすることでスケール析出による流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。また、第１の流路または第２の流路の一部を形成する隔壁プレートに万一亀裂等の異常が生じた場合も、複数枚の隔壁プレートの存在により、各々の流路から漏洩した流体が、他の流路内に混入することを防止できるため、熱交換器の信頼性の向上を実現できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に対して、特に第１の流路を複数かつ略平行に構成するものであり、耐圧性に優れた微細な流路を複数かつ略平行に並列配置することで、平坦でより広い伝熱面を形成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトで熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成に対して、特に隔壁プレート内に複数の第１の流路と連通する分配流路を設けたものであり、簡単な構成で容易に複数の流路に流体を分配することができ、熱交換器の薄型化を実現できる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成に対して、特に分配流路が略軸対称形状を有するものであり、複数の第１の流路に対して均一に流体を分配することができ、有効な伝熱面積が十分確保され、熱交換器の高性能化を実現できる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４の構成に対して、特に分配流路の等価直径が、第１の流路の等価直径よりも大きいものであり、分配流路における流体の圧力損失を、第１の流路における圧力損失より小さくすることにより、複数の第１の流路に対してより均一に流体を分配することができ、熱交換器のさらなる高性能化を実現できる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の構成に対して、特に第２の流路の流路幅を第１の流路の流路幅よりも大きく形成したものであり、流路の微細化により第１の流路の耐圧性向上を図る一方で、第２の流路の流路幅を特に小さくすることなく、第２の流路内での流体の圧力損失を小さく抑えることができる。よって、第１の流路の耐圧性を保持したまま、第２の流路側の圧力損失を低減することが可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の構成に対して、特に第１の流路と第２の流路とをこれらの長手方向の略全体にわたって隔壁プレートを介して対向する位置に形成するものであり、各流路を流れる流体が熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができるため、熱交換器のさらなる高性能化とコンパクト化を実現できる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の構成に対して、特に第１の流路が第１の流路プレート内で屈曲部を有するものである。同一のプレート面内で流路を折り返すことにより、直線状の流路だけではなく、矩形状や渦巻き状等の任意形状の流路を構成することができるため、流路長の長い流路に対しても、熱交換器の縦方向あるいは横方向の長さを十分に小さくでき、熱交換器のより一層のコンパクト化を実現できる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８の構成に対して、特に第１の流路を挟んで両方の面上に、隔壁プレートを介して複数の第２の流路を設けてなるものであり、第１の流路の上下両面で第２の流路との熱交換が可能となり、格段に広い伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、さらに熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の熱交換器１０の断面図、図２は熱交換器１０の構成図である。
【００２１】
図１において、熱交換器１０は、隔壁となるプレート３上下の異なる面に第１の流路２と第２の流路６とを配してなり、第１の流路２は第１の流路プレート１を板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、第２の流路６は第２の流路プレート５と隔壁プレート３との間に形成したものである。具体的には、第１の流路２は、例えばプレス機による打ち抜き加工やエッチング加工等により、平板状の第１の流路プレート１に貫通孔を形成し、上下両面から隔壁プレート３およびエンドプレート４で挟んでできる空間で構成されている。一方、第２の流路６は、例えばプレス機による絞り加工等により、第２の流路プレート５に溝を形成し、隔壁プレート３と第２の流路プレート5とを重ねてできる空間で構成されている。
【００２２】
なお、第１の流路２は、図２に示すように、複数かつ略平行に構成され、第２の流路６に対して、隔壁プレート３を介して長手方向の略全体にわたって対向する位置にある。すなわち、第１の流路２を図中点線矢印方向に流れる流体Ａと、第２の流路６を図中実線矢印方向に流れる流体Ｂとが対向流となるような構成を有している。
【００２３】
さらに、隔壁プレート３内には、第１の流路プレート１と重ねたときに、第１の流路２の各流路と連通する分配流路１３ａおよび１３ｂが設けられている。この分配流路１３ａおよび１３ｂは、図２のように略軸対称形状を有しており、第１の流路２を流れる流体Ａの流線方向に対して左右対称となっている。
【００２４】
また、この分配流路１３ａおよび１３ｂの等価直径は、第１の流路２の各流路の等価直径よりも大きく構成されている。これは、各流路の高さと幅を適宜設定することにより、容易に設定可能である。また、図１に示すように、第２の流路６の流路幅Ｗ２は、第１の流路２の流路幅Ｗ１よりも大きくなっている。
【００２５】
各流路の入出口部の構成としては、例えば、第１の流路２に対しては、分配流路１３ａおよび１３ｂと連通するように、第２の流路プレート５に貫通孔１１ａおよび１１ｂを設け、これらに配管（図示せず）を植立させている。また、第２の流路６に対しては、同様に第２の流路６と連通するように、第２の流路プレート５に貫通孔１２ａおよび１２ｂを設け、これらに配管（図示せず）を植立させている。
【００２６】
ここで、熱交換器１０を構成するプレートの材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば銅やアルミニウム、ステンレス等が挙げられる。また、熱交換器１０の製造方法としては、ロウ付けや拡散溶接による一体化接合が挙げられる。
【００２７】
以上のように構成された熱交換器１０について、以下その作用を説明する。
【００２８】
第１の流路２に高圧流体、第２の流路６に低圧流体をそれぞれ流通させる。熱交換器１０を、例えば、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用するものとすると、高圧流体は二酸化炭素等の冷媒であり、低圧流体は給湯水となる。このとき、高温高圧の冷媒は、第１の流路２を流れる間に、隔壁プレート３を介して、第２の流路６を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。
【００２９】
ここで、本実施例によれば、平板状の第１の流路プレート１に貫通孔を設け、これを第１の流路２として利用するだけの簡単な方法で、耐圧性に優れた微細な流路を構成することが容易になる。さらに、このような第１の流路２を、図２のように、複数かつ略平行に並列配置することで、平坦で広い伝熱面を形成することが可能となり、薄型でコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００３０】
また、隔壁プレート３内に複数の第１の流路２と連通する分配流路１３ａおよび１３ｂを設け、これらを略軸対称形状とし、さらに、これらの等価直径を第１の流路２の等価直径よりも大きくして、分配流路１３ａおよび１３ｂと第１の流路２における流動抵抗に差をつけることで、複数の第１の流路２に対して均一に流体を分配することができ、伝熱面全体にわたって有効な伝熱面積を確保することができる。
【００３１】
さらに、第２の流路６の流路幅を、第１の流路２の流路幅よりも大きく構成してやれば、流路の微細化により第１の流路２の耐圧性向上を図る一方で、第２の流路６の流路幅を特に小さくすることなく、第２の流路６内での流体の圧力損失を小さく抑えることができる。これは、第２の流路６に水等の流体を搬送するためのポンプ動力等を低く抑制できることを意味し、第１の流路２の耐圧性を保持したまま、第２の流路６側の圧力損失を低減することが可能となる。
【００３２】
また、第１の流路２と第２の流路６とが、これらの長手方向の略全体にわたって隔壁プレート３を介して対向する位置に形成され、各流路を流れる流体が、並行流や直交流に比べて熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができるため、熱交換器のさらなる高性能化が図られる。したがって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００３３】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の熱交換器２０の構成図である。本発明の実施例２は、図２に示した熱交換器１０と略同一の構成を有する。本実施例が実施例１と異なるのは、第１の流路２２が、第１の流路プレート２１の面内で、略Ｕ字形状の屈曲部２８を有する点である。隔壁プレート２３を介して、この第１の流路２２と対向する位置には、第２の流路２６が、溝を形成した第２の流路プレート２５と隔壁プレート２３との間の空間として形成され、こちらも略Ｕ字形状の屈曲部２９を有する。分配流路３３ａおよび３３ｂ、貫通孔３１ａ、３１ｂ、３２ａおよび３２ｂについては、実施例１と同様の機能を有するので、ここでは説明を省略する。
【００３４】
第１の流路２２に略Ｕ字形状だけでなく曲線状やＬ字形状等の屈曲部２８を設けることにより、第１の流路プレート２１上に直線状の流路だけではなく、矩形状や渦巻き状等の任意の形状の流路を構成することができる。これは、必要な伝熱面積に応じて流路長を極めて長くとる必要のある流路に対して、熱交換器２０の縦方向あるいは横方向の長さを十分に小さくできることを意味する。
したがって、上記した構成により、熱交換器のより一層のコンパクト化を実現できる。
【００３５】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の熱交換器３０の断面図である。図４において、熱交換器３０
は、実施例１と同様に、隔壁となるプレート３ａ上下の異なる面に第１の流路２と第２の流路６ａとを配してなり、第１の流路２は第１の流路プレート１を板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、第２の流路６ａは第２の流路プレート５ａと隔壁プレート３ａとの間に形成したものである。本実施例は、さらに、第１の流路２の下面に、隔壁プレート３ｂを介して、第２の流路プレート５ｂで形成される第２の流路６ｂを設けた構成となっている。
【００３６】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。
【００３７】
例えば、実施例１で説明したように、第１の流路２に高温高圧の流体、第２の流路６ａおよび６ｂに低温低圧の流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の流路２を流れる間に、隔壁プレート３ａおよび３ｂを介して、上下に位置する第２の流路６ａおよび６ｂを流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００３８】
ここで、本実施例によれば、第１の流路の上下両面で第２の流路との熱交換が可能となり、格段に広い伝熱面積を確保することができる。また、第２の流路６ａおよび６ｂに低温側の流体を流通させてやれば、熱交換器をとりまく大気等との温度差が小さくなり、熱交換器の断熱性も向上する。したがって、耐圧性に優れ、さらに熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００３９】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の熱交換器４０の断面図である。本発明の実施例４は、図１に示した熱交換器２０と略同一の構成を有する。本実施例が実施例１と異なるのは、隔壁となるプレート３が板厚方向に対して複数枚のプレート３ａおよび３ｂで構成されるとともに、第２の流路６の流路高さをその高温側流路６ｄで低温側流路６ｃよりも高く形成した点である。ここで、流路高さが途中で異なる第２の流路６の作製は、絞り加工等の方法を用いて、第２の流路プレート５に対して部分的に深さの異なる溝を形成することにより、容易に行うことができる。
【００４０】
以上のように構成された熱交換器４０について、以下その作用を説明する。
【００４１】
第１の流路２には、図中点線矢印で示す方向に、流体Ａとして、高温高圧の冷媒、例えば、ヒートポンプ装置等に用いられる二酸化炭素、炭化水素、フロンなどが流れ、第２の流路６には、図中実線矢印で示す方向に、流体Ｂとして、低温低圧の給湯水が流れるとする。このとき、高温高圧の冷媒は、第１の流路２を流れる間に、隔壁板３ａおよび３ｂを介して、第２の流路６を流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。低温低圧の給湯水は、第２の流路６の出口側（高温側流路６ｄ）において、最も高温となる。
【００４２】
例えば、高温高圧の冷媒が流れる第１の流路２の一部を形成する隔壁プレート３ｂが、腐食等により経時的に劣化・侵食され、その内面に亀裂等の異常が生じ、高圧冷媒が第１の流路２から外部に漏洩するような場合も、隔壁プレート３ａの存在により第２の流路６への流入を防止できるため、低温低圧の水に高温高圧の冷媒が混入することはない。同様に、低温低圧の水が流れる第２の流路６の一部を形成する隔壁プレート３ａに亀裂等の異常が生じ、低圧の水が第２の流路６から外部に漏洩するような場合も、隔壁プレート３ｂが存在するため、高温高圧の冷媒が低温低圧の水が流れる第２の流路６に流入することはない。このとき、隔壁プレート３ａおよび３ｂの間に、これらのプレートの外周面と連通する微小な溝を形成しておけば、漏洩した流体を外部に排出できる。さらに、流体に応じたセンサを設置すれば、流体の漏洩を検出し、装置の異常を検出することもできる。
【００４３】
よって、各流路の間を二重隔壁構造とすることにより、異なる流体（例えば、冷媒と水）の混合が防止されるため、例えば、ヒートポンプ装置の冷媒および冷凍機油が給湯水に混入する危険性を低減し、熱交換器の信頼性の向上を実現できる。
【００４４】
また、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒対水熱交換器の場合、一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大し、熱交換器としての性能を低減させる。ここで、本実施例では、第２の流路６の高温側流路６ｄの流路高さを、その低温側流路６ｃの流路高さよりも大きく構成しているため、万一水側流路内にスケールが生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００４５】
したがって、例えば、給湯水の加熱時に特に高温部で発生しやすい、スケール析出による流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から１１に記載の発明によれば、隔壁となるプレートの異なる面に第１および第２の流路を配し、第１の流路は第１の流路プレートを板厚方向に抜いた貫通孔で形成し、第２の流路は第２の流路プレートと隔壁プレートとの間に形成したものであり、プレートに貫通孔を設けるだけの簡単な方法で、耐圧性に優れた微細な流路を構成することが容易になり、さらに、このような流路を面状に配置することで、平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の同熱交換器の断面図
【図２】  同熱交換器の構成を示す斜視図
【図３】  本発明の実施例２の熱交換器の構成を示す分解斜視図
【図４】  本発明の実施例３の熱交換器の断面図
【図５】  本発明の実施例４の熱交換器の断面図
【図６】  従来の熱交換器の断面図
【符号の説明】
１  第１の流路プレート
２、２２  第１の流路
３  隔壁プレート
５  第２の流路プレート
６、６ａ、６ｂ、２６  第２の流路
６ｃ  低温側流路
６ｄ  高温側流路
１３ａ、１３ｂ  分配流路
２８  屈曲部
【図１】
0003922088.tif 000002
【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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