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【発明の名称】 プレート式熱交換器
【発明者】 【氏名】前田 耕児

【氏名】千代原 隆

【要約】 【課題】プレート式熱交換器において、チューブの熱交換性能を向上させる。

【解決手段】冷媒ガスG(第一の媒体)の流通方向に延びる波状突起を平坦部20により分断した構成により、冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向に沿って熱交換器100に流入した空気A(第二の媒体)は、波状突起が分断された平坦部20を通過することで、流入したときの方向(冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向)を維持しながら、チューブ10,10間に画成されたの第二の通路14を流れることができ、空気Aは、冷媒ガスGの流通方向に対して略直交する方向に、阻害されることなく流通して、チューブ10の面内(特に冷媒ガスGの流通方向に沿った方向)において伝熱の偏在が生じるのを防止し、熱交換器100の熱交換性能を向上させる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の伝熱プレートが積層されて複数の空間が画成され、
前記画成して得られた空間のうち、一方の空間は第一の媒体が所定方向に流通する第一通路をなし、他方の空間は前記伝熱プレートを介して前記第一通路と隣接するとともに第二の媒体が流通する第二通路をなし、
前記伝熱プレートには、前記第一媒体が流通する方向に沿って全体として略波形となる波形突起が、該第一媒体が流通する方向に対して略直交する方向に複数形成され、
前記波形突起は、その切返し部分において、前記第一媒体の流通方向に対して略直交する方向に前記第二媒体の流通を許容する平坦部により分断されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項2】
前記平坦部の、前記許容された前記第二媒体の流通方向の下流側に、隣接する他の波形突起のうち平坦部によって分断された該波形突起の前端縁が位置するように、前記複数の波形突起が配設されていることを特徴とする請求項1に記載のプレート式熱交換器。
【請求項3】
前記複数の波形突起は、第一波形突起と、前記第一波形突起よりもその突出高さが高い第二波形突起とが交互に配列されてなり、
前記配列の中央および前記配列の両端は前記第一波形突起であり、前記配列の両端の第一波形突起は、前記配列の中心線に対して線対称の形状に形成され、
前記配列の中心線に対して線対称の位置に配設された前記第二波形突起は、該中心線に対して非線対称の形状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプレート式熱交換器。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換器に関し、詳細には、複数枚の第一伝熱プレートと複数枚の第二伝熱プレートとを交互に積層して媒体の流通通路が形成されたプレート式の熱交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、空気調和装置は、温められた冷媒を内部に流し、その外表面に接触する気体との間で熱交換を行なって冷媒を冷やす複数のチューブを備えた凝縮器や、これとは反対に、冷えた冷媒を内部に流し、その外表面に接触する気体との間で熱交換を行なって気体を冷やす複数のチューブを備えた蒸発器などの熱交換器を備えられている。
【0003】
また、自動車エンジン等の冷却液を冷やす目的で設けられているラジエータやオイルを冷やす目的で設けられているオイルクーラ等も、凝縮器や蒸発器と同様に、冷却水やオイル等の冷媒を冷却する熱交換器の一種である。
【0004】
このような熱交換器の一例として、複数のチューブプレート(伝熱プレート)が積層されて、冷媒が流通する通路と空気が流通する通路とが隣接して画成されたプレート式の熱交換器が知られている。
【0005】
そして、このプレート式の熱交換器には、熱交換性能を向上させる目的で、冷媒が流通する方向に沿って全体として略波形となる波形突起が、冷媒が流通する方向に対して直交する方向に複数形成されている。
【0006】
これらの波形突起は、冷媒が流通する通路の周壁を形成する外周面から突出した突起として形成されており、空気の流通方向に対して直交する方向への表面積の増大により、熱交換を促進させる効果を発揮している(特許文献1〜5)。
【特許文献1】特許第3675475号公報
【特許文献2】特表2003−526070号公報
【特許文献3】特開平11−281269号公報
【特許文献4】特開2002−107084号公報
【特許文献5】特開2000−193390号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、波形突起のうち、空気の流通方向の上流側の前端部分つまり波形状の切返し部分は、他の部分に比べて伝熱性能が高い。したがって、この波形状の切返し部分では、熱交換性能が高くなる。
【0008】
ここで、配列された複数の波形部は、互いに平行または同心状に形成されているため、空気の流通方向に直交する方向(波形突起の延在方向)に沿って、切返し部分は同一位相位置上に揃うことになり、熱交換性能が相対的に高い位相位置と、熱交換性能が相対的に低い位相位置とが偏在するため、伝熱プレートの面内で伝熱の不均衡を生じ、伝熱の効率を低下させる要因となっている。
【0009】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、伝熱プレートの面内における伝熱の偏在を防止して、熱交換性能を向上させることができるプレート式熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係るプレート式熱交換器は、波形突起の切返し部分に平坦部を形成したことで、第二の媒体が、第一の媒体の流通方向に対して略直交する方向に流通することが可能となり、第一の媒体の流通方向と第二の媒体の流通方向とが直交して、伝熱プレートの面内における伝熱の偏在を防止し、熱交換性能を向上させたものである。
【0011】
すなわち、本発明に係るプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートが積層されて複数の空間が画成され、前記画成して得られた空間のうち、一方の空間は第一の媒体(冷媒ガス等)が所定方向に流通する第一通路をなし、他方の空間は前記伝熱プレートを介して前記第一通路と隣接するとともに第二の媒体(空気等)が流通する第二通路をなし、前記伝熱プレートには、前記第一の媒体が流通する方向に沿って全体として略波形となる波形突起が、該第一の媒体が流通する方向に対して略直交する方向に複数形成され、前記波形突起は、その切返し部分において、前記第一媒体の流通方向に対して略直交する方向に前記第二媒体の流通を許容する平坦部により分断されていることを特徴とする。
【0012】
ここで、波形突起とは、正弦波や余弦波等の三角関数波形に代表される、周期的に増減を繰り返すことによって全体として波形状(三角波状や鋸歯波状も含む)を呈する部分を意味するものであり、この波形突起は、第一の媒体が伝熱プレート内を流通するときの流通方向に沿って延在している。
【0013】
また、波形突起は、伝熱プレートの外表面よりも外方に突出した凸の輪郭によって形成された突条などである。
【0014】
切返し部分とは、波形状の変曲点に相当する部分(増減の向きが変化する部分)であるが、この変曲点に相当する部分だけを厳密に意味するものではなく、この変曲点に相当する部分の近傍部分も含めることができる。
【0015】
そして、このように波形状の切返し部分が平坦部によりに分断されていることにより、波形突起は、全体として略「ハの字」が並んだ形状となる。
【0016】
なお、熱交換器としては、空気調和装置の冷却サイクルに用いられる凝縮器や蒸発器の他、ラジエータやオイルクーラ等を含む。すなわち、少なくとも、熱交換の対象となる第一の媒体が内部を流れ第二の媒体が外表面に接触するチューブが所定方向に配列されたものであればよい。
【0017】
このように構成された本発明に係るプレート式熱交換器によれば、波形突起の切返し部分が平坦部により分断されているため、第二の媒体が、第一の媒体の流通方向に対して略直交する方向に流通する際に、平坦部により分断された波形突起の隙間つまり平坦部を通過することで、第一の媒体の流通方向に延びた波形突起によって通過が阻止されるのを防ぐことができる。
【0018】
この結果、第二の媒体が、第一の媒体の流通方向に対して略直交する方向に流通可能となり、第一の媒体の流通方向と第二の媒体の流通方向とが直交するため、伝熱プレートの面内において伝熱の偏在が生じることがなく、熱交換性能を向上させることができる。
【0019】
さらに、波状突起が平坦部によって分断されているため、本発明のプレート式熱交換器をエバポレータとして用いたものでは、第二の通路を通過する第二の媒体に含まれる水蒸気が、チューブの外表面に接触して凝縮した場合にも、その凝縮した水滴の滴下し易くなり、凝縮水の排水性を向上させることができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係るプレート式熱交換器によれば、熱交換性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明に係るプレート式熱交換器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0022】
図1は、本発明の一実施形態に係るプレート式熱交換器100の外観を示す斜視図、図2(a)は、図1における矢視Dによるチューブプレートの外表面を表す図、図2(b)は、(a)におけるE−E線に沿った断面を示す断面図である。
【0023】
図示のプレート式熱交換器100は、車両に搭載される空気調和システムの一部を構成する凝縮器であり、内部を流れる冷媒G(第一の媒体)と外表面に接触する空気A(第二の媒体)との間で熱交換を行う、断面が扁平なチューブ10を複数平行に配列して形成されたものである。
【0024】
これらのチューブ10は、第一のチューブプレート11(伝熱プレート)と第二のチューブプレート12(伝熱プレート)とを接合することにより形成されており、図2(b)に示すように、チューブ10の内部には、冷媒ガスGが図2(a)の縦方向に流通する第一の通路13が画成されている。
【0025】
そして、複数のチューブ10が積層されて、各チューブ10,10間には、第一の通路13とは連通しない第二の通路14が形成されている。
【0026】
チューブプレート11の扁平な表面には、図2(a)に示す多数の突起11a,11b,11c,11d,11e,11f,…が形成されている。なお、他方のチューブプレート12についても同様に多数の突起12a,12b,12c,12d,12e,12f,…が形成されている。
【0027】
これらの突起11a,11b,…(以下、突起11a等という。)は、図2(a)の縦方向すなわち冷媒ガスGの流通方向に沿って、全体として略波形状の輪郭を有する突起(波形突起)の切返し部分すなわち波形状の頂点およびその近傍部分がチューブプレート11,12の外表面と同一高さとなるように平坦に形成された平坦部20(図2(a)において二点鎖線で示す)によって分断されて形成されたものであり、この分断された状態では、全体として「横倒しのハの字」(図3において符号H1,H2,…で表記)が図示(図2(a))の縦方向並んだ様相を呈し、これら「ハの字」をそれぞれ構成する各斜め線状の突起11a等となっている。なお、この「ハの字」は、縦方向に等ピッチで並んでいる。
【0028】
また、波形突起は空気Aの流通方向に複数並んで配列されており、隣接する波形突起間では、各波形状の繰り返しの周期Tの1/4(つまり周期T/4)または3/4(つまり周期3T/4)だけオフセットして形成されている。
【0029】
また、これら複数の突起11a等は、図2(b)の断面図に示すように、第一突起11a,11f,11d(12a,12f,12d)と、第一突起11a,11f,11d(12a,12f,12d)よりもその突出高さ(チューブプレート11,12の扁平な外表面からの突出高さを意味する。)が高い第二突起11b,11c(12b,12c)とが交互に配列されてなり、配列方向の中央列(図3において第3列目)および配列方向の両端列(図3において第1列目および第5列目)は、相対的に突出高さの低い第一突起であり、かつ配列の両端列の第一突起11a,11d(12a,12d)は、配列方向の中心線に対して線対称の形状に形成され、配列の中心線に対して線対称の位置に配設された他の列(図3において第2列目および第4列目)の第二突起11b,11c(12b,12c)は、その中心線に対して非線対称の形状に形成されている。
【0030】
上述した第二の通路14は、複数のチューブ10を積層したとき、一部の突起同士が突き当たるため、チューブ10,10間に空間が画成されるものであり、このチューブ10,10間に画成された第二の通路14には、空気Aが通過する。
【0031】
ここで、チューブ10,10間に画成された第二の通路14は、波状突起同士が突き当たることによって形成されているため、波状突起に平坦部20が形成されていない従来の熱交換器においては、冷媒ガスGの流通方向に沿った波状突起が、第二の通路14の壁面となり、冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向に沿って熱交換器100に流入する空気Aの、当該方向(冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向)への流れを妨げることになる。
【0032】
これに対して、本実施形態の熱交換器100によれば、図2に示すように、波状突起が平坦部20により分断されているため、冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向に沿って熱交換器100に流入した空気Aは、図3に示すように波状突起が分断された平坦部20を通過することで、流入したときの方向(冷媒ガスGの流通方向に対して直交する方向)をある程度維持しながら、チューブ10,10間に画成されたの第二の通路14を流れることができる。
【0033】
この結果、空気Aは、冷媒ガスGの流通方向に対して略直交する方向に、阻害されることなく流通するため、チューブ10の面内(特に冷媒ガスGの流通方向に沿った方向)において伝熱の偏在が生じるのを防止することができ、熱交換器100の熱交換性能を向上させることができる。
【0034】
さらに、波状突起が平坦部20によって分断されているため、この熱交換器100をエバポレータとして用いたものでは、第二の通路14を通過する空気Aに含まれる水蒸気が、チューブ10の外表面に接触して凝縮した場合にも、その凝縮した水滴の滴下し易くなり、凝縮水の排水性を向上させることができる。
【0035】
また、本実施形態の熱交換器100は、複数のチューブ10が積層されて構成されているが、積層された隣接する2つのチューブ10,10間は、一方のチューブ10のチューブプレート12の第二波形突起12b,12cと他方のチューブ10のチューブプレート11の第二波形突起11b,11cとが突き当たって接合されている。
【0036】
ここで、一方のチューブプレート11を、波形突起の配列方向の中心線を回転軸として裏返し、この裏返して得られたチューブプレートを他方のチューブプレート12として適用すると、裏返す前における第1列目の第一波形突起11aは裏返し後における第5列目の第一波形突起12dに対応し、裏返す前における第2列目の第二波形突起11bは裏返し後における第4列目の第二波形突起12cに対応し、裏返す前における第3列目の第一波形突起11fは裏返し後における第3列目の第一波形突起12fに対応し、裏返す前における第4列目の第二波形突起11cは裏返し後における第2列目の第二波形突起12bに対応し、裏返す前における第5列目の第一波形突起11dは裏返し後における第1列目の第一波形突起12aに対応する。
【0037】
そして、配列方向の中心線を回転軸として裏返すことで、左右の輪郭形状も反転することとなり、裏返す前における第1列目の第一波形突起11aは裏返し後に左右反転されてチューブプレート12における第5列目の第一波形突起12dに対応するが、チューブ10が積層されたとき、この第5列目の第一波形突起12dが対向することとなるチューブプレート11の第5列目の第一波形突起11dは、同じチューブプレート11の第1列目の第一波形突起11aに対して左右対称に形成されているため、結果的に、裏返して得られたチューブプレート12における第5列目の第一波形突起12dと裏返し前のチューブプレート11における第5列目の第一波形突起11dとは、図3に示した平面視の状態において輪郭形状が一致する。
【0038】
ただし、第一波形突起11dおよび第二波形突起12dは、いずれも、対応する第二波形突起11b,12b,11c,12cよりも突出高さが低いため、チューブ10,10が積層された状態においても、第5列目の第一波形突起11dと第一波形突起12dとの間には、隙間Sが確保されており、空気Aの自由な流通が許容されている。
【0039】
第1列目の第一波形突起11a,12a間においても同様である。第3列目の第一波形突起11fと第一波形突起12fとは、常に左右対称の輪郭形状を呈し、平面視において両者が交差する部分においては、上述した第1列目や第5列目の第一波形突起11a,12a間および11d,12d間と同様に、隙間Sが確保されており、空気Aの自由な流通が許容されている。
【0040】
一方、第2列目の第二波形突起12bと第二波形突起11bとは突き当てられて接合されるため、両者間に隙間Sは確保されない。しかし、第2列目の第二波形突起11bと第4列目の第二波形突起11cとは、裏返す回転軸に対して互いに非対称であるため、一方のチューブプレート11を裏返して得られた他方のチューブプレート12における第2列目の第二波形突起11b,12bは、これら突起11b,12bの交差部分が突き当たるに過ぎず、第4列目の第二波形突起11c,12cについても、これら突起11c,12cの交差部分が突き当たるに過ぎず、これらが突き当てられて形成された部分は、空気Aの流入方向への進行を大きく妨げる障害物とはならない。
【0041】
したがって、単一種類の型により形成された単一種類のチューブプレート11を、裏返して他方のチューブプレート12として用いることができ、製造コストの大幅な低減を図ることができる。
【0042】
また、本実施形態の熱交換器100は、平坦部20を通ることで許容された空気Aの流通方向の下流側に、隣接する他の波形突起(例えば図3において、第1列の波形突起を基準としたとき、隣接する下流側の波形突起は第2列の波形突起)のうち平坦部20によって分離して得られた突起11bの前端縁11b′が位置している。これは、波形突起の配列方向について隣接する2つの波形突起間で、繰り返しの周期Tの1/4または周期3/4だけ、位相がずれて形成されていることによる。
【0043】
このように、平坦部20を通った空気Aの流通方向の下流側に、隣接する他の波形突起の分断された突起11bの前端縁11b′が位置していることにより、当該突起11bよりも上流側の平坦部20を通った空気Aが、当該突起11bの前端縁1b′に吹き付けることとなり、さらに下流側の突起11f,11c,11dに対しても、それぞれ対応する上流側の突起11b,11f,11cで向きを変えられつつ流れた空気Aが、その前端縁11f′,11c′,11d′に吹き付ける。
【0044】
ここで、空気Aが吹き付けられた各突起11b,11f,11c,11dの前端縁11b′,11f′,11c′,11d′は、各突起11b,11f,11c,11dの部分のうちで最も熱交換性能が高いが、各突起11b,11f,11c,11dの前端縁11b′,11f′,11c′,11d′は、各突起11b,11f,11c,11dが縦方向について周期T/4または周期3T/4ずつ位相差を以て配列されているため、縦方向すなわち冷媒ガスGの流通方向における伝熱の偏在は分散され、チューブプレート11の全体として熱交換性能を向上する。
【0045】
なお、この作用、効果は、一方のチューブプレート11だけでなく、他方のチューブプレート12においても同様に発揮され、熱交換性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の一実施形態に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。
【図2】(a)は図1における矢視Dによる示したチューブプレートの外表面を表す図、(b)は(a)におけるE−E線に沿った断面を示す断面図である。
【図3】図2におけるF−F線に沿った断面を示す断面図である。
【符号の説明】
【0047】
10 チューブ
11,12 チューブプレート
11a〜11f 突起
13 第一の通路
14 第二の通路
100 熱交換器
A 空気(第二の媒体)
G 冷媒ガス(第一の媒体)
【出願人】 【識別番号】000004765
【氏名又は名称】カルソニックカンセイ株式会社
【出願日】 平成19年2月5日(2007.2.5)
【代理人】 【識別番号】100082670
【弁理士】
【氏名又は名称】西脇 民雄


【公開番号】 特開2008−190786(P2008−190786A)
【公開日】 平成20年8月21日(2008.8.21)
【出願番号】 特願2007−25803(P2007−25803)