特許 7607197 プレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】プレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システム

(51)【国際特許分類】

   F28F 3/08 20060101AFI20241220BHJP

   F28F 3/04 20060101ALI20241220BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20241220BHJP

   F28F 17/00 20060101ALI20241220BHJP

【ＦＩ】

F28F3/08 311

F28F3/04 A

F28D9/00

F28F17/00 501A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021067437

(22)【出願日】2021-04-13

(65)【公開番号】P2022162572

(43)【公開日】2022-10-25

【審査請求日】2024-03-05

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100151378

【弁理士】

【氏名又は名称】宮村 憲浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157484

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 智之

(72)【発明者】

【氏名】名越 健二

(72)【発明者】

【氏名】奥村 拓也

【審査官】礒部 賢

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０６６５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１０１３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－１８２０６９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ １／００ － １３／００

Ｆ２８Ｆ １／００ － ９９／００

Ｆ２５Ｂ ３９／００ － ３９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対のヘッダ流路と前記ヘッダ流路間を繋ぐ伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィンは二枚のプレートを接合して構成し、前記二枚のプレートのうち一方の第１プレートは短冊形状を保持した平板状態とするとともに、他方の第２プレートは、前記第１プレートとの間に伝熱流路を形成する伝熱流路形成部と、前記伝熱流路形成部の長手方向両端に設けた平板状の端板部とを備え、且つ、前記伝熱流路形成部の少なくともプレート両端縁部分を切除したプレートフィン積層型熱交換器。

【請求項2】

第２プレートは、伝熱流路形成部の伝熱流路相当部分両側に伝熱流路と交差する方向に突出する突出片部を残して切除した請求項１記載のプレートフィン積層型熱交換器。

【請求項3】

一対のヘッダ流路は伝熱流路形成部両端の端板部それぞれに分けて、或いは、いずれか一方に纏めて設けた請求項１または２に記載のプレートフィン積層型熱交換器。

【請求項4】

熱交換器を前記第１項～３項のいずれか１項記載のプレートフィン積層型熱交換器とした冷凍システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はプレートフィン積層型熱交換器とそれを用いた冷凍システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、プレートフィン積層型熱交換器を開示する。このプレートフィン積層型熱交換器は、ヘッダ流路と伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層することにより構成してある。そして、上記プレートフィンは一対のプレートを向かい合わせにロウ付けして構成してあり、一方のヘッダ流路から伝熱流路に流入した冷媒等の第１流体を出口となる他方のヘッダ流路へと流し、前記伝熱流路を流れる第１流体と前記プレートフィン間の間隙を流れる空気等の第２流体との間で熱交換させる構成となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－６６５３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、上記従来のプレートフィン構成に起因して生じる課題を解決して軽量且つ信頼性の高いプレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路と前記ヘッダ流路間を繋ぐ伝熱流路とを有するプレートフィンを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィンは二枚のプレートを接合して構成し、前記二枚のプレートのうち一方の第１プレートは短冊形状を保持した平板状態とするとともに、他方の第２プレートは、前記第１プレートとの間に伝熱流路を形成する伝熱流路形成部と、前記伝熱流路形成部の長手方向両端に設けた平板状の端板部とを備え、且つ、前記伝熱流路形成部の少なくともプレート両端縁部分を切除した構成としてある。

【発明の効果】

【0006】

本開示におけるプレートフィン積層型熱交換器は、上記構成により、プレートフィンを構成する一方のプレートが伝熱流路形成部の少なくともプレート両端縁部分を切除して平板状部分を減少させているので、軽量化でき、熱交換器全体の重量を軽減できるとともに、プレートフィン端縁の板厚は一方のプレートの板厚のみとなって薄くなるので、第２流体が流入する側のプレートフィン端縁に結露して付着する水滴の成長を抑制し、大きな水玉となって下流側の送風ファン等に飛ばされる水飛び現象を抑制することができる。また、熱交換器からの水飛びによる障害を低減した信頼性の高い冷凍システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器の外観を示す斜視図

【図2】同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体を示す斜視図

【図3】同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層状況を示す分解斜視図

【図4】同プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィン積層体の要部を示す拡大斜視図

【図5】図２のＡ－Ａ断面図

【図6】図２のＢ－Ｂ断面図

【図7A】同プレートフィン積層型熱交換器の結露状態を示す説明図

【図7B】同プレートフィン積層型熱交換器の空気流れを示す説明図

【図8】同プレートフィン積層型熱交換器の他の例におけるプレートフィンの斜視図

【図9】同プレートフィン積層型熱交換器の更に他の例におけるプレートフィンの平面図

【図10】実施の形態１のプレートフィン積層型熱交換器を用いて構成した冷凍システムの一例として示す空気調和機の冷凍サイクル図

【図11】同空気調和機の室内機を示す断面図

【発明を実施するための形態】

【0008】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、プレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンは、特許文献１に示すように、ヘッダ流路用開口と伝熱流路用凹溝を備えた二枚のプレートを向かい合わせにロウ付け接合して構成してある。そのためプレートフィンは二枚のプレートが重合した形となってその板厚が厚くなり、熱交換器全体の重量が重いものになる、という課題があった。また、プレートフィンの板厚が厚いため、熱交換器を冷却熱源として使用している場合にはプレートフィンの端縁に結露水が付着し、これが成長して大きな水玉となって下流側に設けられている送風ファン等にまで飛び熱交換器搭載機器の信頼性を損ねる、という課題もあった。

【0009】

本発明者らはこのような課題を解決するため本開示の主題を構成するに至った。
□そこで本開示は、軽量且つ水飛び現象を抑制したプレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた冷凍システムを提供する。

【0010】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0011】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0012】

（実施の形態１）
以下、図１～図８を用いて、実施の形態１を説明する。

【0013】

［１－１．構成］
図１に示すように、本実施形態の熱交換器１は、短冊状のプレートフィン２ａからなるプレートフィン積層体２の両側に平面視が略同一形状のエンドプレート３ａ、３ｂを接合一体化して構成してある。そして、その一端部側に、凝縮器として用いる場合には入口となり蒸発器として用いる場合は出口となる管Ａ４及びその逆となる管Ｂ５とを有している。

【0014】

上記プレートフィン積層体２の両側のエンドプレート３ａ、３ｂは、プレートフィン積層体２を挟持した形でロウ付けにより接合され、締結手段７によりその長手方向両端部を連結固定し、熱交換器としての剛性を保持している。

【0015】

また、上記プレートフィン積層体２は、図２に示すように、管Ａ４及び管Ｂ５が接続される一対のヘッダ流路Ａ１１、Ｂ１２と冷媒等の第１流体（以下、冷媒と称する）が流れる伝熱流路８を有したプレートフィン２ａを多数積層して各プレートフィン２ａ同士の間に空気等の第２流体（以下、空気と称する）が流れる積層間隔を形成している。そして、上記プレートフィン２ａに設けた前記伝熱流路８を流れる冷媒と各プレートフィン２ａ同士の間の積層間隙を流れる空気との間で熱交換する。

【0016】

次に上記プレートフィン２ａの構成を図３に基づき詳述する。

【0017】

本実施形態のプレートフィン２ａは、短冊形状の第１プレート９と短冊形状の一部を切除した第２プレート１０とをロウ付接合して構成している。

【0018】

第１プレート９は、一端部側に前記管Ａ４及び管Ｂ５が接続されるヘッダ流路Ａ１１、Ｂ１２と、前記ヘッダ流路Ａ１１、Ｂ１２間を繋ぐ伝熱流路８となる凹溝部１３とを有し、平板状態を保持している。

【0019】

第２プレート１０は、第１プレート９と同様ヘッダ流路Ａ１１、Ｂ１２に加え、前記第１プレート９の凹溝部１３との間に伝熱流路８を形成する凹溝部を有する伝熱流路形成部１４と、前記伝熱流路形成部１４の長手方向両端に設けた平板状の端板部１５ａ，１５ｂとからなり、平板部分の一部、この例では伝熱流路形成部１４の少なくとも長手方向両縁部分の平板部分を切除１６した構成としている。そして、上記長手方向両縁の平板残部等に前記第１プレート９の裏面に当接してプレートフィン２ａ同士間に空気流通用の間隔を形成するフィン積層間隔形成用凸部１７が切り起こし形成してある。そして、上記短冊形状の第１プレート９と第２プレート１０とを向かい合わせにロウ付け接合して、ヘッダ流路Ａ１１、Ｂ１２と伝熱流路８を有したプレートフィン２ａを形成している。

【0020】

なお、上記プレートフィン２ａ、そしてエンドプレート３ａ，３ｂはアルミニュウム若しくはアルミ合金で形成している。

【0021】

［１－２．動作］
次に上記のように構成したプレートフィン積層型熱交換器について、これを空気調和機の熱交換器として用いた場合を例にしてその作用効果を説明する。

【0022】

本実施の形態の熱交換器１は、例えば凝縮条件で使用されている時、管Ａ４から気相状態の冷媒がプレートフィン積層体２の入り口側のヘッダ流路Ａ１１内に流入する。ヘッダ流路Ａ１１内に流入した気相冷媒は、各プレートフィン２ａの伝熱流路８をターンしながら流れ、出口側のヘッダ流路Ｂ１２を介して管Ｂ５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。そして、上記伝熱流路８を流れる間にプレートフィン積層体２のプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気と熱交換し、気相冷媒は順次液相化してヘッダ流路Ｂ１２から流出する。

【0023】

ここで、上記プレートフィン積層体２のプレートフィン２ａは、ロウ付け接合する第１プレート９と第２プレート１０のうち、一方の第２プレート１０は伝熱流路形成部１４の長手方向両縁平板部分を切除１６しているので、この平板部分を切除１６した分軽量化する。よって、熱交換器全体の重量を大きく軽減することができる。

【0024】

また、上記構成の熱交換器を凝縮条件で使用、すなわち冷却源として使用している場合、プレートフィン積層間隔を通り抜ける空気が衝突するプレートフィン２ａの端縁は図４のＹ、図７Ａの右図（左図は従来の二枚重ねタイプのプレートフィン端縁）に示すように第１プレート９の板厚のみの薄いものとなる。したがって、プレートフィン２ａの端縁に結露水Ｚが付着しても結露水の成長が抑制され、大きな水玉となって下流側の送風ファン等に飛ばされる水飛び現象を抑制することができる。

【0025】

加えて、第２プレート１０の平板部分を無くしたプレートフィン２ａの積層間隔、すなわち伝熱流路形成部１４が形成されている流路領域部分Ｘ（図２参照）は、第１プレート９の板厚のみとなって二枚のプレートを接合している場合に比べ図７Ｂの右図（左図は従来の二枚重ねタイプのプレートフィン端縁）に示すようにプレートフィン２ａの積層間隔が広くなり、空気の通流抵抗が減少して高性能化させることができる。 また、上記実施の形態では、第１プレート９の伝熱流路形成部１４の切除１６は伝熱流路形成部１４の長手方向両縁部のみとしたが、これは図８に示すように伝熱流路形成部１４の伝熱流路８相当部分同士間の平板部分も切除１６する構成としてもよい。そして、その切除１６は伝熱流路形成部１４の伝熱流路８相当部分両側にフィン積層間隔形成用凸部１７（図示せず）を形成するための突出片部１８を伝熱流路８と交差する方向に突出する形で残して切除１６し、全体を略魚骨形状する構成としてもよい。

【0026】

これにより、より多くの平板状部分を削除し、より効果的に軽量化することができる。

【0027】

また、本実施の形態では、プレートフィン２ａのヘッダ流路Ａ１１，Ｂ１２は、長手方向両端の端板部１５ａ、１５ｂに分けて設けたものを例示したが、これは図９に示すように一方の端板部１５ａ側にヘッダ流路Ａ１１，Ｂ１２を纏めて設けてもよい。尚、この図９の例でも伝熱流路形成部１４の伝熱流路８相当部分両側にフィン積層間隔形成用凸部１７（図示せず）を形成するための突出片部１８を伝熱流路８と交差する方向に突出する形で残して切除１６し、全体を略魚骨形状する構成としているが、前記図２、図３に示すように、実施の形態１と同様、伝熱流路形成部１４の少なくとも長手方向両縁部分の平板部分を切除１６した構成としてもよい。 このようにヘッダ流路Ａ１１，Ｂ１２を一方の端板部１５ａ側に纏めて設ける構成とすることによって冷凍システム側の配管との接続を一箇所で行うことができ、作業性を向上させることができる。

【0028】

又、伝熱流路８を形成する凹溝形状は第１プレート９側と第２プレート１０の伝熱流路形成部１４側の両方に設けたものを例示したが、これは第１プレート９側或いは第２プレート１０の伝熱流路形成部１４のいずれか一方のみに設けたものであってもよい。また、フィン積層間隔形成用凸部１７は第２プレート１０の平板状部分側に設けてもよい。

【0029】

［１－３．効果等］
以上のように、本開示のプレートフィン積層型熱交換器は、一対のヘッダ流路Ａ１１，Ｂ１２と前記ヘッダ流路Ａ１１，Ｂ１２間を繋ぐ伝熱流路８とを有するプレートフィン２ａを複数積層して構成した熱交換器であって、前記プレートフィン２ａは二枚のプレートを接合して構成し、前記二枚のプレートのうち一方の第１プレート９は短冊形状を保持した平板状態とするとともに、他方の第２プレート１０は、前記第１プレート９との間に伝熱流路を形成する伝熱流路形成部１４と、前記伝熱流路形成部１４の長手方向両端に設けた平板状の端板部１５ａ，１５ｂとを備え、且つ、前記伝熱流路形成部１４の少なくともプレート両端縁部分を切除１６した構成としている。

【0030】

これにより、プレートフィン２ａを構成する一方の第２プレート１０の平板部分が大幅に減少するので、熱交換器全体の重量を大きく軽減できる。しかも、プレートフィン２ａの端縁の板厚は一方の第１プレート９の板厚のみとなって薄くなるので、第２流体が流入する側のプレートフィン端縁に結露付着する水滴の成長を抑制でき、大きな水玉となって下流側の送風ファン等に飛ばされる水飛び現象を抑制して信頼性を向上させることができる。

【0031】

また、本開示のプレートフィン積層型熱交換器においては、第２プレート１０は伝熱流路形成部１４の伝熱流路部分両側に伝熱流路相当部分と交差する方向に突出する突出片部１８を残して切除した魚骨形状構成とすることもできる。

【0032】

これにより、第２プレート１０の平板部分をより効果的に減少させることができるので、熱交換器全体の重量を更に大きく軽減できる。

【0033】

（実施の形態２）
以下、図９、図１０を用いて、実施の形態２を説明する。

【0034】

［２－１．構成］
図９は実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器を用いて構成した空気調和機の冷凍サイクル図、図１０は同空気調和機の室内機を示す概略断面図である。

【0035】

図９、図１０において、この空気調和機は、室外機５１と、室外機５１に接続された室内機５２から構成されている。室外機５１には、冷媒を圧縮する圧縮機５３、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁５４、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器５５、冷媒を減圧する減圧器５６、室外送風機５９が配設されている。また、室内機５２には、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器５７と、室内送風機５８とが配設されている。そして、前記室内熱交換器５７に実施の形態１で例示したプレートフィン積層型熱交換器を用い、圧縮機５３、四方弁５４、室内熱交換器５７、減圧器５６、室外熱交換器５５を冷媒回路で連結してヒートポンプ式冷凍サイクルを形成している。

【0036】

［２－２．動作］
上記構成からなる空気調和機は、冷房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室外熱交換器５５とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の気相冷媒となって四方弁５４を通って室外熱交換器５５に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液相冷媒となり、減圧器５６に送られる。減圧器５６では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室内機５２に送られる。室内機５２では、冷媒は室内熱交換器５７に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。この時室内空気は冷却されて室内を冷房する。さらに冷媒は室外機５１に戻り、四方弁５４を経由して圧縮機５３に戻される。

【0037】

ここで、前記室内熱交換器５７のプレートフィン端縁には室内空気が冷却されることによって生じる結露水が付着するが、プレートフィン端縁の板厚が薄いので大きな水玉に成長することなくフィン面を伝って水受け樋へと集水され、外部に放出される。したがって、室内送風機５８が水飛び現象によって障害を受けるのを抑制でき、空気調和機の信頼性が向上する。

【0038】

一方、暖房運転時には、四方弁５４を圧縮機５３の吐出側と室内機５２とが連通するように切り換える。これにより、圧縮機５３によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁５４を通り、室内機５２に送られる。高温高圧の冷媒は室内熱交換器５７に入り、室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。この時、室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は減圧器５６に送られ、減圧器５６において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器５５に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁５４を経由して圧縮機５３へ戻される。

【0039】

［２－３．効果等］
本開示の冷凍システムは、室内熱交換器５７に前記実施の形態１で示したプレートフィン２ａを用いて構成した熱交換器を使用しているので、熱交換器からの水飛び現象による障害を低減した信頼性の高い冷凍システムとすることができる。

【0040】

［他の実施形態］
以上、本発明に係るプレートフィン積層型熱交換器及びそれを用いた冷凍システムについて、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。例えば、第１流体は冷媒、第２流体は空気とした場合を例示したが、これに限定されるものではない。また、冷凍システムとして空気調和機を例示したが、冷蔵庫や冷凍ケース等であってもよいし、第２流体を水としたヒートポンプ給湯器であってもよいものである。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明は、上記したように、軽量且つ水飛び現象を抑制して信頼性を高めたプレートフィン積層型熱交換器およびそれを用いた信頼性の高い冷凍システムを提供することができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

【符号の説明】

【0042】

１ 熱交換器
２ プレートフィン積層体
２ａ プレートフィン
３ａ、３ｂ エンドプレート
４ 管Ａ
５ 管Ｂ
７ 締結手段（ボルト・ナット）
８ 伝熱流路
９ 第１プレート
１０ 第２プレート
１１ ヘッダ流路Ａ
１２ ヘッダ流路Ｂ
１４ 伝熱流路形成部
１５ａ，１５ｂ 端板部
１６ 切除
１７ フィン積層間隔形成用凸部
１８ 突出片部
５１ 室外機
５２ 室内機
５３ 圧縮機
５４ 四方弁
５５ 室外熱交換器
５６ 減圧器
５７ 室内熱交換器
５８ 室内送風機
５９ 室外送風機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】