特開 2023-161824 熱交換器および冷凍装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023161824

(43)【公開日】2023-11-08

(54)【発明の名称】熱交換器および冷凍装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 39/02 20060101AFI20231031BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20231031BHJP

   F28D 1/06 20060101ALI20231031BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20231031BHJP

   F28F 13/02 20060101ALI20231031BHJP

【ＦＩ】

F25B39/02 Z

F28D9/00

F28D1/06 A

F25B1/00 396Z

F28F13/02 A

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022072413

(22)【出願日】2022-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000002853

【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】沼田 光春

(72)【発明者】

【氏名】内海 大地

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 健

(72)【発明者】

【氏名】柴田 豊

(72)【発明者】

【氏名】宇多 全史

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA05

3L103BB33

3L103DD12

(57)【要約】

【課題】冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いたとしても、大型化を抑制できる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられる。熱交換器は、蒸発器として機能する熱交換器であって、内部空間（21）を形成するシェル（20）と、内部空間（21）に配置されるとともに、複数の伝熱プレート（50a,50b）を含むプレート積層体（40）とを備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられ、蒸発器として機能する熱交換器であって、
内部空間（21）を形成するシェル（20）と、
前記内部空間（21）に配置されるとともに、複数の伝熱プレート（50a,50b）を含むプレート積層体（40）とを備える
熱交換器。

【請求項2】

０℃以上の前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられる
請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記冷媒として１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置（R）に設けられる
請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰが１．２ｍｍより大きい
請求項１～３のいずれか１つに記載の熱交換器。

【請求項5】

前記ピッチＰが１．５ｍｍ以上である
請求項４に記載の熱交換器。

【請求項6】

前記ピッチＰが２．１ｍｍ以下である
請求項５に記載の熱交換器。

【請求項7】

前記伝熱プレート（50a,50b）の表面には、粗化部（80）が形成される
請求項１～３のいずれか１つに記載の熱交換器。

【請求項8】

請求項１～３に記載の熱交換器（10）を備え、
前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱交換器および冷凍装置に関する。

【背景技術】

【0002】

冷凍サイクルを行う冷凍装置が知られている。特許文献１に開示の冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を有する冷媒回路を備える。この冷凍装置では、冷媒として例えばＲ－１２３３ｚｄ（１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン）が用いられる。Ｒ－１２３３ｚｄは、いわゆる低圧冷媒である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－４５１３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示のような冷凍装置では、蒸発器において冷媒と所定の熱媒体とが熱交換する。このような冷凍装置において、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルを行う場合、熱交換器の内部で蒸発したガス冷媒の体積が大きくなる。このことに起因して液冷媒と伝熱部（伝熱管）との接触面積が小さくなると、蒸発器における冷媒と熱媒体との熱交換の性能が低下してしまう。このため、熱交換器の性能を確保するために、熱交換器のサイズが大きくなるという問題があった。

【0005】

本開示の目的は、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いたとしても、大型化を抑制できる熱交換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の態様は、
冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられ、蒸発器として機能する熱交換器であって、
内部空間（21）を形成するシェル（20）と、
前記内部空間（21）に配置されるとともに、複数の伝熱プレート（50a,50b）を含むプレート積層体（40）とを備える。

【0007】

第１の態様では、熱交換器のシェル（20）の内部に、プレート積層体（40）が設けられる。プレート積層体（40）では、複数の伝熱プレート（50a,50b）が集積されることで、比較的小さい容積でありながら、伝熱面積を増大できる。したがって、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが行われる冷凍装置の蒸発器として、この熱交換器が用いられたとしても、熱交換器の性能を十分に確保でき、熱交換器が大型化することを抑制できる。

【0008】

第２の態様は、第１の態様の熱交換器が、０℃以上の冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられる。

【0009】

第２の態様では、０℃以上であっても冷媒の蒸発圧力が大気圧力よりも低いので、このことに起因して熱交換器における冷媒と熱媒体との熱交換の性能が低下しやすくなる。しかしながら、熱交換器は、プレート積層体（40）を有するので、熱交換器の性能を確保しつつ、熱交換器の大型化を抑制できる。

【0010】

第３の態様は、第２の態様の熱交換器が、前記冷媒として１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置（R）に設けられる。

【0011】

第３の態様では、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が低い冷凍装置（R）に用いられる熱交換器において、熱交換器の性能を確保しつつ、熱交換器の大型化を抑制できる。

【0012】

第４の態様は、第１～第３のいずれか１つの態様において、前記複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰが１．２ｍｍより大きい。

【0013】

冷媒の蒸発圧力が大気圧力よりも低い冷凍サイクルを行う冷凍装置（R）の蒸発器では、蒸発したガス冷媒からなる気泡の体積が大きくなりやすい。このため、隣り合う伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰが狭くなり過ぎると、隣り合う伝熱プレート（50a,50b）の間に形成される冷媒流路では、気泡が伝熱プレート（50a,50b）に沿って拡がりやすくなる。その結果、伝熱プレート（50a,50b）とガス冷媒とが接触する面積が大きくなる一方、伝熱プレート（50a,50b）と液冷媒とが接触する面積が小さくなる。これにより、プレート積層体（40）における冷媒と所定の熱媒体との間の熱交換の性能が低下してしまう。

【0014】

これに対し、第４の態様では、プレート積層体（40）において、複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰを１．２ｍｍ以上とすることで、隣り合う伝熱プレート（50a,50b）の間の冷媒流路において、ガス冷媒が伝熱プレート（50a,50b）に沿って拡がりにくくなる。その結果、気泡の発生に伴い伝熱プレート（50a,50b）と液冷媒との接触面積が小さくなることを抑制でき、熱交換器の性能が低下することを抑制できる。

【0015】

第５の態様は、第４の態様において、前記ピッチＰが１．５ｍｍ以上である。

【0016】

第５の態様においては、ピッチＰを１．５ｍｍ以上とすることで、伝熱プレート（50a,50b）と液冷媒との接触面積が小さくなることをさらに抑制でき、熱交換器の性能が低下することをさらに抑制できる。

【0017】

第６の態様は、第５の態様において、前記ピッチＰが２．１ｍｍ以下である。

【0018】

ピッチＰが大きくなりすぎると、隣り合う伝熱プレート（50a,50b）の間の冷媒流路において、冷媒の流速が低下し、熱交換器の性能が低下してしまう。

【0019】

これに対し、第６の態様では、複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰを２．１ｍｍ以下とすることで、冷媒の流速の低下を抑制でき、熱交換器の性能が低下することを抑制できる。

【0020】

第７の態様は、第１～第６のいずれか１つの態様において、前記伝熱プレート（50a,50b）の表面には、粗化部（80）が形成される。

【0021】

第７の態様の伝熱プレート（50a,50b）の表面には、該表面を粗くするための粗化部（80）が形成される。粗化部（80）を形成することで、伝熱プレート（50a,50b）の表面における液冷媒の濡れ性が向上するので、熱交換器の性能を向上できる。

【0022】

第８の態様は、第１～第７のいずれか１つの熱交換器（10）を備え、
冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置である。

【0023】

第８の態様では、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能であり、且つ熱交換器（10）の大型化を抑制できる冷凍装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、実施形態に係る冷凍装置の概略図である。

【図2】図２は、熱交換器の正面図である。

【図3】図３は、図２のII－II線の断面図である。

【図4】図４は、プレート積層体の縦断面の一部を拡大した概略図である。

【図5】図５は、第１プレートの正面図である。

【図6】図６は、第２プレートの正面図である。

【図7】図７は、プレート積層体内の熱媒体の流れを示す概略図である。

【図8】図８は、伝熱プレート上の熱媒体の流れを示す概略図である。

【図9】図９は、プレート積層体の縦断面の一部を拡大した概略図であり、寸法を付している。

【図10】図１０は、複数の伝熱プレートのピッチが異なる熱交換器において、熱流束および熱伝達率の関係を評価したグラフである。

【図11】図１１は、変形例１の熱交換器のプレート積層体の一部を拡大した縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

【0026】

《実施形態》
本開示の熱交換器（10）は、シェルアンドプレート式熱交換器である。熱交換器（10）は、冷凍装置（R）に設けられる。本例の冷凍装置（R）は、冷水を生成するチラーユニットである。

【0027】

（１）冷凍装置の概要
図１に示すように、冷凍装置（R）は、冷媒が充填される冷媒回路（1）を有する。冷媒回路（1）は、圧縮機（2）、放熱器（3）、減圧機構（4）、および蒸発器（5）を有する。本開示の熱交換器（10）は、蒸発器（5）を構成する。冷媒回路（1）は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。圧縮機（2）は、スクリュー式であるが、ターボ式、スクロール式、揺動ピストン式、ロータリ式などの他の方式であってもよい。

【0028】

冷凍サイクルでは、圧縮機（2）で圧縮した冷媒が、放熱器（3）で放熱する。放熱した冷媒は、減圧機構（4）で減圧され、蒸発器（5）で蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮機（2）に吸入される。

【0029】

なお、冷媒回路（1）には、冷媒の流路を切り換える四方切換弁などの切換機構を有してもよい。この場合、熱交換器（10）は、蒸発器または凝縮器として機能する。

【0030】

（２）熱交換器の概要
図２および図３に示すように、熱交換器（10）はシェル（20）とプレート積層体（40）とを有する。プレート積層体（40）は、シェル（20）の内部空間（21）に収容される。シェル（20）の内部空間（21）には液冷媒が流入する。液冷媒は、プレート積層体（40）内を流通する熱媒体と熱交換する。熱交換器（10）は、シェル（20）内の内部空間（21）へ流入した冷媒を蒸発させることによって、蒸発器として機能する。なお、熱媒体としては、水とブラインが例示される。

【0031】

（２－１）シェル
シェル（20）は、横長の円筒状の密閉容器で構成される。シェル（20）は、胴部（20a）と第１側壁（20b）と第２側壁（20c）とを有する。胴部（20a）は円筒状に形成される。第１側壁（20b）は、円形に形成され、胴部（20a）の左端を閉塞する。第２側壁（20c）は、円形に形成され、胴部（20a）の右端を閉塞する。シェル（20）は、胴部（20a）、第１側壁（20b）、第２側壁（20c）により、内部空間（21）を形成する。内部空間（21）内に液冷媒が貯留される。

【0032】

胴部（20a）は、冷媒入口（32）と冷媒出口（33）とを有する。冷媒入口（32）は、胴部（20a）の底部に設けられる。冷媒入口（32）から内部空間（21）に冷媒が導入される。冷媒出口（33）は、胴部（20a）の頂部に設けられる。冷媒出口（33）から内部空間（21）において蒸発した冷媒がシェル（20）外に導出される。冷媒入口（32）及び冷媒出口（33）は、配管を介して冷媒回路に接続される。

【0033】

第１側壁（20b）には、熱媒体入口（23）と、熱媒体出口（24）とが設けられる。熱媒体入口（23）及び熱媒体出口（24）は、管状の部材である。本例では、熱媒体入口（23）は、熱媒体出口（24）の上側に配置される。つまり、熱媒体は、プレート積層体（40）の上側から下側に向かって流れる。なお、熱媒体入口（23）は、熱媒体出口（24）の下側に配置されてもよい。この場合、熱媒体は、プレート積層体（40）の下側から上側に向かって流れる。

【0034】

熱媒体入口（23）は、第１側壁（20b）の略中央を貫通する。熱媒体入口（23）は、プレート積層体（40）の熱媒体導入路（43）に接続し、熱媒体をプレート積層体（40）へ供給する。

【0035】

熱媒体出口（24）は、第１側壁（20b）において、熱媒体入口（23）と第１側壁（20b）の下端との略中間位置を貫通する。熱媒体出口（24）は、プレート積層体（40）の熱媒体導出路（44）に接続し、プレート積層体から熱媒体を導出する。

【0036】

（２－２）プレート積層体
プレート積層体（40）は、横方向に重ね合わされて互いに接合された複数の伝熱プレート（50a，50b）によって構成される。プレート積層体（40）は、伝熱プレート（50a，50b）の積層方向が横方向となる姿勢で、シェル（20）の内部空間（21）に収容される。

【0037】

図２に示すように、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a，50b）は、概ね半円形の板状の部材である。伝熱プレート（50a,50b）は、上側に向かうにつれてその幅が大きくなる。プレート積層体（40）は、伝熱プレート（50a，50b）の円弧状の縁部が下向きとなる姿勢で、シェル（20）の内部空間（21）の底部寄りに配置される。図示しないが、シェル（20）の内面には、プレート積層体（40）を支持する突起状の支持部が設けられる。シェル（20）の内部空間（21）に収容された状態で、プレート積層体（40）はシェル（20）の内面から離間しており、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a，50b）の下向きの縁部とシェル（20）の内面との間に隙間（25）が形成される。内部空間（21）において、プレート積層体（40）の上側部分には上部空間（21a）が形成される。

【0038】

図４に示すように、プレート積層体（40）には、互いに形状が異なる第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とが、伝熱プレート（50a，50b）として設けられる。プレート積層体（40）は、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とを複数ずつ備える。プレート積層体（40）では、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）が交互に積層される。以下の説明では、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）のそれぞれについて、図４における左側の面を表（おもて）面とし、図４における右側の面を裏面とする。

【0039】

（２－３）熱媒体導入路、および熱媒体導出路
第１プレート（50a）には、下側凸部（51a）と上側凸部（53a）とが形成される。下側凸部（51a）と上側凸部（53a）のそれぞれは、第１プレート（50a）の表面側に膨出した円形の部分である。下側凸部（51a）と上側凸部（53a）のそれぞれは、第１プレート（50a）の幅方向の中央部に形成される。下側凸部（51a）は、第１プレート（50a）の下部に形成される。上側凸部（53a）は、第１プレート（50a）の上部に形成される。下側凸部（51a）の中心部には、第１下側孔（52a）が形成される。上側凸部（53a）の中心部には、第１上側孔（54a）が形成される。第１下側孔（52a）と第１上側孔（54a）のそれぞれは、第１プレート（50a）を厚さ方向に貫通する円形の孔である。

【0040】

第２プレート（50b）には、下側凹部（51b）と上側凹部（53b）とが形成される。下側凹部（51b）と上側凹部（53b）のそれぞれは、第２プレート（50b）の裏面側に膨出した円形の部分である。下側凹部（51b）と上側凹部（53b）のそれぞれは、第２プレート（50b）の幅方向の中央部に形成される。下側凹部（51b）は、第２プレート（50b）の下部に形成される。上側凹部（53b）は、第２プレート（50b）の上部に形成される。下側凹部（51b）の中心部には、第２下側孔（52b）が形成される。上側凹部（53b）の中心部には、第２上側孔（54b）が形成される。第２下側孔（52b）と第２上側孔（54b）のそれぞれは、第２プレート（50b）を厚さ方向に貫通する円形の孔である。

【0041】

第２プレート（50b）において、下側凹部（51b）は、第１プレート（50a）の下側凸部（51a）に対応する位置に形成され、上側凹部（53b）は、第１プレート（50a）の上側凸部（53a）に対応する位置に形成される。また、第２プレート（50b）において、第２下側孔（52b）は、第１プレート（50a）の第１下側孔（52a）に対応する位置に形成され、第２上側孔（54b）は、第１プレート（50a）の第１上側孔（54a）に対応する位置に形成される。第１下側孔（52a）と第２下側孔（52b）は、それぞれの直径が互いに実質的に等しい。第１上側孔（54a）と第２上側孔（54b）は、それぞれの直径が互いに実質的に等しい。

【0042】

プレート積層体（40）において、各第１プレート（50a）の周縁部は、その第１プレート（50a）の裏面側に隣接する第２プレート（50b）の周縁部と溶接によって全周に亘って接合される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の第１下側孔（52a）が、その第１プレート（50a）の表面側に隣接する第２プレート（50b）の第２下側孔（52b）と重なり合い、重なり合った第１下側孔（52a）と第２下側孔（52b）の縁部が溶接によって全周に亘って接合される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の第１上側孔（54a）が、その第１プレート（50a）の表面側に隣接する第２プレート（50b）の第２上側孔（54b）と重なり合い、重なり合った第１上側孔（54a）と第２上側孔（54b）の縁部が溶接によって全周に亘って接合される。

【0043】

プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の下側凸部（51a）及び第１下側孔（52a）と、各第２プレート（50b）の下側凹部（51b）及び第２下側孔（52b）とによって、熱媒体導出路（44）が形成される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の上側凸部（53a）及び第１上側孔（54a）と、各第２プレート（50b）の上側凹部（53b）及び第２上側孔（54b）とによって、熱媒体導入路（43）が形成される。

【0044】

熱媒体導入路（43）と熱媒体導出路（44）のそれぞれは、プレート積層体（40）における伝熱プレート（50a,50b）の積層方向に延びる通路である。熱媒体導入路（43）と熱媒体導出路（44）のそれぞれは、シェル（20）の内部空間（21）から遮断された通路である。

【0045】

熱媒体導入路（43）は、全ての熱媒体流路（42）に連通し、熱媒体入口（23）に接続する。熱媒体導出路（44）は、全ての熱媒体流路（42）に連通し、熱媒体出口（24）に接続する。

【0046】

（２－４）冷媒流路および熱媒体流路
プレート積層体（40）では、伝熱プレート（50a，50b）を挟んで冷媒流路（41）と熱媒体流路（42）とが隣り合うように複数ずつ形成される。冷媒流路（41）と熱媒体流路（42）は、伝熱プレート（50a，50b）によって互いに仕切られる。第１プレート（50a）及び第２プレート（50b）にはそれぞれ、細長い畝状の凹凸とが繰り返し形成された第１凹凸パターン（62a）及び第２凹凸パターン（62b）が形成されている。図５および図６に示すように、第１凹凸パターン（62a）及び第２凹凸パターン（62b）はそれぞれ、凹凸の稜線が水平方向Ｘに対する第１角度α１及び第２角度α２をもって延びている。第１角度α１と第２角度α２とは互いに逆の大きさである。例えば、第１角度α１が４５度である場合、第２角度α２は１３５度である。第１角度α１は、１５度～７５度である。第２角度α２は、１６５度～１０５度である。

【0047】

冷媒流路（41）は、第１プレート（50a）の表面と第２プレート（50b）の裏面に挟まれた流路である。冷媒流路（41）は、シェル（20）の内部空間（21）に連通して冷媒が流れる流路である。熱媒体流路（42）は、第１プレート（50a）の裏面と第２プレート（50b）の表面に挟まれた流路である。熱媒体流路（42）は、シェル（20）の内部空間から遮断される。

【0048】

（２－４）ガイド部
図５及び図６に示すように、熱媒体流路（42）には、ガイド部（70）が設けられる。ガイド部（70）は、第１線状平坦部（65a）と第２線状平坦部（65b）とにより形成される。

【0049】

第１線状平坦部は、第１プレート（50a）の裏面において線状に形成される。第１線状平坦部（65a）は、第１プレート（50a）の裏側へ膨出し、膨出した頂部が平らに形成される。第１線状平坦部（65a）は、伝熱プレート（50a，50b）の幅方向に直線状に延びる。

【0050】

第２線状平坦部（65b）は、第２プレート（50b）の表面において線状に形成される。第２線状平坦部（65b）は、第２プレート（50b）の表側に膨出し、膨出した頂部が平らに形成される。第２線状平坦部（65b）は、伝熱プレート（50a，50b）の幅方向に直線状に延びる。第２線状平坦部（65b）は、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とが重ね合わされた状態で、第１線状平坦部（65a）に対応する位置に形成される。ガイド部（70）は、伝熱プレート（50a，50b）の中心線Ｙに対して左右対称となるように配置される。

【0051】

（３）熱媒体及び冷媒の流れ
熱交換器（10）内における熱媒体及び冷媒の流れについて、図７及び図８を参照して具体的に説明する。なお、図７中に示す矢印は、熱媒体の流れを示す。図８ではシェル内に液冷媒が貯留されている状態が示され、実線の矢印は、熱媒体の流れを表し、破線の矢印は冷媒の流れを表す。

【0052】

図７に示すように、熱媒体は、熱媒体入口（23）から熱媒体導入路（43）に流入する。熱媒体導入路（43）を流通する熱媒体は、各熱媒体流路（42）を流通する。熱媒体は、伝熱プレート（50a，50b）の両側端に亘るように下方に向かって流れる。

【0053】

図８に示すように、熱媒体流路（42）に流入した熱媒体は、ガイド部（70）により伝熱プレート（50a，50b）の側部に向かって案内される。厳密には、熱媒体流路（42）を流通する熱媒体は、ガイド部（70）により下方に移動することができず、伝熱プレート（50a，50b）の側部に向かって流れる。ガイド部（70）によって伝熱プレート（50a，50b）の側部へ流れた熱媒体は、伝熱プレート（50a，50b）の下方へ流れる。この熱媒体は、熱媒体導出路（44）に流入する。

【0054】

次に冷媒の流れについて説明する。冷媒回路において膨張弁を通過した冷媒は、熱交換器（10）に向かって流れる。この液冷媒は、冷媒入口（32）からシェル（20）の内部空間（21）に流入する。内部空間（21）において、液冷媒はプレート積層体（40）の上端近傍まで貯留される。プレート積層体（40）は、液冷媒に浸った状態である。内部空間（21）に貯留される冷媒は比較的低圧である。この低圧冷媒は、熱媒体流路（42）を流れる熱媒体と熱交換する。厳密に、冷媒流路（41）と熱媒体流路（42）とは、伝熱プレート（50a，50b）を挟んで隣接しているため、熱媒体流路（42）に熱媒体が流れると、液冷媒は、該熱媒体から吸熱して蒸発する。蒸発した冷媒は、冷媒流路（41）から内部空間（21）の上側部分の上部空間（21a）に移動する。上部空間（21a）内の冷媒は、冷媒出口（33）より冷媒回路へ流出する。

【0055】

（４）冷媒および冷凍サイクル
本開示の冷凍装置（R）は、冷媒として、いわゆる低圧冷媒が用いられる。具体的には、冷凍装置（R）の冷媒としては、０℃以上の状態において蒸発圧力が大気圧よりも低くなる冷媒が用いられる。本例では、この冷媒として、Ｒ－１２３３ｚｄ（１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン）が用いられる。Ｒ－１２３３ｚｄはＧＷＰ（地球温暖化係数）が低いため、環境に優しい冷凍装置（R）を提供できる。

【0056】

冷凍装置（R）は、これ以外の冷媒として、Ｒ１２３３ｚｄ（Ｅ）（トランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン）、Ｒ１２２４ｙｄ（ｚ）（１－クロロ－２，３，３，３－テトラフルオロプロペン）、Ｒ－１３３６ｍｚｚ（Ｚ）（１，１，１，４，４，４－ヘキサフルオロ－２－ブテン）などが挙げられる。

【0057】

冷凍装置（R）は、蒸発器として機能する熱交換器（10）において、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される。冷凍装置（R）は、定格運転時において、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルを行う。より厳密には、冷凍装置（R）は、定格運転時において、０℃以上の冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルを行う。

【0058】

（５）伝熱プレートの寸法関係
図９に示すように、プレート積層体（40）では、複数の伝熱プレート（50a,50b）の寸法関係が以下のように設定される。以下の説明では、図９における左側をプレート積層体（40）の前側とし、図９における右側をプレート積層体（40）の後側とする。プレート積層体（40）でｈあ、伝熱プレート（50a,50b）の積層方向が前後方向に対応する。

【0059】

複数の伝熱プレート（50a,50b）は、前後方向に配列される。第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とは交互に繰り返し配列される。図９に示すように、第２プレート（50b）の裏面のうち最も前側にある位置をａとし、第２プレート（50b）の裏面のうち最も後側にある位置をｂとする。第１プレート（50a）の表面のうち最も前側にある位置はｂ位置に相当する。第１プレート（50a）の表面のうち最も後側にある位置をｃとする。第２プレート（50b）における位置ａから位置ｂまでの距離をＰ１とし、第１プレート（50a）における位置ｂから位置ｃまでの距離をＰ２とする。この場合、Ｐ１は、冷媒流路（41）のうち第２プレート（50b）の裏側に形成される第１流路（41a）の前後方向の長さ（流路高さ）に対応する。Ｐ２は、冷媒流路（41）のうち第１レート（50a）の表側に形成される第２流路（41b）の前後方向の長さ（流路高さ）に対応する。本例のプレート積層体（40）では、Ｐ１とＰ２とが等しい。

【0060】

隣り合う伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰは、中心線ｍ１と中心線ｍ２との間の間隔である。第１プレート（50a）の裏側の第１流路（41a）の流路高さの中心線ｍ１と、第２プレート（50b）の流路高さ（Ｐ２）の中心線ｍ２との間の間隔である。ここで、中心線ｍ１は、第１流路（41a）の前後方向の中間位置を通り、且つ前後方向に直交する線分である。中心線ｍ２は、第２流路（41b）の前後方向の中間位置を通り、且つ前後方向に直交する線分である。本例のプレート積層体（40）では、ピッチＰが、Ｐ１およびＰ２と等しい。

【0061】

本例の熱交換器（10）は、プレート積層体（40）の熱交換の性能を向上するように、ピッチＰが設定される。ピッチＰは１．２ｍｍより大きいのが好ましく、さらには１．５ｍｍ以上であるのが好ましい。ピッチＰは２．１ｍｍ以下であるのが好ましく、さらには１．８ｍｍ以下であるのが好ましい。

【0062】

換言すると、Ｐ１およびＰ２は１．２ｍｍより大きいのが好ましく、さらには１．５ｍｍ以上であるのが好ましい。Ｐ１およびＰ２は、２．１ｍｍ以下であるのが好ましく、さらには１．８ｍｍ以下であるのが好ましい。

【0063】

（６）熱交換器の性能の評価
複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰと、熱交換の性能の関係を評価した結果を図１０に示す。本評価では、伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰを１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、１．８ｍｍ、２．１ｍｍと変更しながら、Ｒ－１２３３ｚｄが冷媒流路（41）を流れる際の伝熱プレート（50a,50b）における熱流束および熱伝達率を求めている。図１０では、熱流束を横軸とし、熱伝達率を縦軸としている。

【0064】

図１０から明らかなように、ピッチＰを１．２ｍｍとすると、他のピッチと比べて熱伝達率が低い傾向にある。特に熱流束が比較的大きな範囲では、他のピッチと比べて熱伝達率が低くなる。

【0065】

冷媒流路（41）では、冷媒がガス化することで気泡が生じる。ここで、冷媒としてＲ－１２３３ｚｄのようないわゆる低圧冷媒を用いると、気泡の体積が大きくなり易い。ピッチＰが小さすぎると、気泡が伝熱プレート（50a,50b）に沿って拡がりやすくなるので、液冷媒と伝熱プレート（50a,50b）の接触面積が小さくなり、熱伝達率も低下しやすい。これに対し、ピッチを１．２ｍｍより大きくすることで、気泡が伝熱プレート（50a,50b）に沿って拡がりにくくなるので、気泡の発生に起因して熱伝達率が低下するのを抑制できる。

【0066】

特に、図１０からもわかるように、ピッチＰを１．５ｍｍ以上とすることで、広い熱流束の範囲において、熱伝達率が高くなる。一方、ピッチＰを２．１ｍｍとすると、ピッチＰを１．８ｍｍとする場合と比較して、熱伝達率が低くなる。これは、ピッチＰが広すぎることで、冷媒流路（41）を流れる冷媒の流速が低下したことに起因すると推察できる。

【0067】

以上のような評価結果からも、ピッチＰは１．２ｍｍより大きいのが好ましく、１．５ｍｍ以上であることがより好ましく、１．５ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であることがさらに好ましいことがわかる。

【0068】

（７）特徴
（７－１）
熱交換器（10）は、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられ、蒸発器として機能する。熱交換器（10）は、内部空間（21）を形成するシェル（20）と、内部空間（21）に配置されるとともに、複数の伝熱プレート（50a,50b）を含むプレート積層体（40）とを備える。

【0069】

冷凍装置（R）において、冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが行われると、蒸発器である熱交換器（10）では、ガス化した冷媒の体積が大きくなり、熱交換の性能が低下しやすい。しかしながら、熱交換器（10）は、複数の伝熱プレート（50a,50b）を積層したプレート積層体（40）であるので、熱交換器（10）の大型化を抑制しつつ、熱交換器（10）の性能を確保できる。

【0070】

（７－２）
熱交換器（10）は、０℃以上の冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられる。具体的には、熱交換器（10）は、冷媒として１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置（R）に設けられる。

【0071】

このような、いわゆる低圧冷媒を用いた冷凍装置（R）であっても、熱交換器（10）の大型化を抑制しつつ、熱交換器（10）の性能を確保できる。

【0072】

（７－３）
複数の伝熱プレート（50a,50b）のピッチＰが１．２ｍｍより大きくすることで、気泡の発生に起因して熱交換器（10）の性能が低下することを抑制できる。特にピッチＰを１．５ｍｍ以上とすることで、図１０からも明らかなように、熱交換器（10）の性能を向上できる。さらにピッチＰを１．８ｍｍ以下とすることで、冷媒流路（41）の冷媒の流速の低下に起因して、熱交換器（10）の性能が低下することを抑制できる。

【0073】

（８）変形例
上述した実施形態においては、以下のような変形例の構成としてもよい。

【0074】

（８－１）変形例１
図１１に示すように、複数の伝熱プレート（50a,50b）の表面には、粗化部（80）が形成される。粗化部（80）は、複数の伝熱プレート（50a,50b）のうち冷媒流路（41）に面する位置に形成される。粗化部（80）は、サンドブラスト処理によって伝熱プレート（50a,50b）の表面に所定の媒体を吹き付けることで形成される。

【0075】

粗化部（80）により伝熱プレート（50a,50b）の表面が粗くなると、伝熱プレート（50a,50b）の表面における液冷媒の濡れ性が向上する。これにより、熱交換器（10）の性能を向上できる。

【0076】

（８－２）変形例２
実施形態の熱交換器（10）は、流下液膜化式のシェルアンドプレート式熱交換器であってもよい。厳密に、熱交換器（10）は、シェル（20）内におけるプレート積層体（40）の上方に、プレート積層体（40）に液冷媒を散布する散布器を備えていてもよい。また、熱交換器（10）は、液冷媒を散布する構造を有したプレート積層体を有していてもよい。

【0077】

以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態、変形例、その他の実施形態の要素を適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。以上に述べた「第１」、「第２」、「第３」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0078】

以上に説明したように、本開示は、熱交換器および冷凍装置について有用である。

【符号の説明】

【0079】

5 蒸発器
10 熱交換器
20 シェル
21 内部空間
40 プレート積層体
50a,50b 伝熱プレート
R 冷凍装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2023-08-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられ、蒸発器として機能する熱交換器であって、
内部空間（21）を形成するシェル（20）と、
前記内部空間（21）に配置されるとともに、複数の伝熱プレート（50a,50b）を含むプレート積層体（40）とを備え、
前記複数の伝熱プレート（50a,50b）は、前後方向に交互に配列される第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とを有し、
前記第１プレート（50a）と前記第２プレート（50b）とには、凹凸パターン（62a,62b）がそれぞれ形成され、
前記第１プレート（50a）の表面と前記第２プレート（50b）の裏面に挟まれた流路が、冷媒が流れる冷媒流路（41）を構成し、
前記第１プレート（50a）の裏面と前記第２プレート（50b）の表面に挟まれた流路が、前記冷媒流路（41）の冷媒と熱交換する熱媒体が流れる熱媒体流路（42）を構成し、
前記冷媒流路（41）は、前記第２プレート（50b）の裏側の第１流路（41a）と、前記第１プレート（50a）の表側の第２流路（41b）とによって構成され、
前記第１流路（41a）の前後方向の中心線ｍ１と、前記第２流路（41b）の前後方向の中心線ｍ２との間の間隔であるピッチＰが、１．５ｍｍ以上、２．１ｍｍ以下である
熱交換器。

【請求項2】

０℃以上の前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置（R）に設けられる
請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記冷媒として１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペンが用いられる冷凍装置（R）に設けられる
請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記伝熱プレート（50a,50b）の表面には、粗化部（80）が形成される
請求項１～３のいずれか１つに記載の熱交換器。

【請求項5】

請求項１～４に記載の熱交換器（10）を備え、
前記冷媒の蒸発圧力が大気圧よりも低い冷凍サイクルが可能に構成される冷凍装置。