向流形プレートフィン式熱交換器およびコンテナ用空気サイクル冷凍システム
【課題】 高温側から低温側への構造材を通した熱伝導を低減することができ熱交換効率の向上が図れる向流形プレートフィン式熱交換器を提供し、熱交換効率の向上により、冷凍能力の向上を図ることができるコンテナ用空気サイクル冷凍システムを提供する。
【解決手段】 向流形プレートフィン式熱交換器としての放熱用熱交換器または熱回収用熱交換器において、プレート２０および伝熱フィン１９を通じた、流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材２１を、熱交換器本体における流路流れ方向の複数箇所に設ける。
【解決手段】 向流形プレートフィン式熱交換器としての放熱用熱交換器または熱回収用熱交換器において、プレート２０および伝熱フィン１９を通じた、流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材２１を、熱交換器本体における流路流れ方向の複数箇所に設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、向流形プレートフィン式熱交換器およびコンテナ用空気サイクル冷凍システムに関し、冷凍能力の向上を図った技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンの省略等によってトータルコストを引き下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、初めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
【０００３】
圧縮機、膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取り付けたタービンユニットが用いられている。空気サイクル冷凍システムには冷凍庫から圧縮機に流入する戻り空気と膨張タービン入口前の空気を熱交換する熱回収熱交換器と、圧縮機で高温になった空気を外部冷却媒体との熱交換で冷却する放熱用熱交換器とを備える。空気サイクル冷凍システムをコンテナ用に用いる場合には、冷凍能力に大きく寄与する熱交換器の温度効率を向上させることと同時に小型化も求められる。
【特許文献１】特許第２６２３２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記熱回収熱交換器は、空気対空気の熱交換器である。放熱用熱交換器は、圧縮機で高温になった空気を外部冷却媒体との熱交換で冷却するもので、大型冷凍倉庫の場合には冷却媒体としてチラー冷却水が用いられる場合が多いが、コンテナ用冷凍機はチラーを持たないため空気を用いざるを得ない。前記チラーは、圧縮機、凝縮器および蒸発器等を備えた、コンパクト化された装置である。
【０００５】
空気対空気の熱交換が高効率で行え、かつ低損失を実現できる熱交換器としては、図１０に示す向流形プレートフィン式熱交換器がある。この向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートＰｔと伝熱フィンｆを多段に重ねた構造で、高温流体ＨＲが流れるＡ段と低温流体ＬＲが流れるＢ段とが規定され、かつＡ段とＢ段とが互い違いに積層されて成る。また、Ａ段を流れる高温流体ＨＲの流れ方向と、Ｂ段を流れる低温流体ＬＲの流れ方向とが互いに逆向きとなっている。よって、Ａ段を流れる高温流体ＨＲと、Ｂ段を流れる低温流体ＬＲとを熱交換する。
【０００６】
上記フィンｆおよびプレートＰｔとしては、熱伝導率が良く、軽量でロウ付け構造が容易にできるアルミニウム材が用いられることが多い。一方、フィンｆおよびプレートＰｔとしてアルミニウム材を用いると、これらフィンｆおよびプレートＰｔの流体流れ方向に沿った熱伝導も高くなる。このため、前記流れ方向に沿った、高温側から低温側に流れる熱量が大きくなり、これによって熱交換効率が低下するという欠点があった。特に、小型化を狙ってプレートＰｔ、フィンｆ段数を増やし流れ方向の断面積を大きく、流路の長さを短くした場合には、熱伝導の影響が顕著になる。
【０００７】
この発明の目的は、高温側から低温側への構造材を通した熱伝導を低減することができ熱交換効率の向上が図れる向流形プレートフィン式熱交換器を提供することである。
この発明の他の目的は、熱交換効率の向上により、冷凍能力の向上を図ることができるコンテナ用空気サイクル冷凍システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、熱交換器本体において、構造材であるプレートおよび伝熱フィンの流体の流路流れ方向に沿った熱伝導が、断熱材で遮断されて低減する。よって、プレートおよび伝熱フィンとして熱伝導率の良い材料を用いた場合、高温側から低温側へのプレートおよび伝熱フィンを通した熱伝導による熱交換効率の低下を招くことなく、前記高温および低温の流体流路を流れる流体間の熱交換を効率良く行うことができる。
したがって、高温側から低温側への熱伝導に熱交換効率の低下を伴うことなく、従来のものより、プレート、伝熱フィン段数を増やし流体流れ方向の断面積を大きくし、かつ流路の長さを短くして、熱交換器自体の小型化を図ることができる。
【００１０】
前記断熱材は、各層のプレートを流路流れ方向に分断した分断部にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部と、これら複数のプレート間介在桟部を両端で繋ぐ連結桟部とでなる格子状であっても良い。このように断熱材を格子状として流路部分を開口させることで、流体を断熱材自体で遮ることなく円滑に流すことが可能となる。
【００１１】
前記プレートおよび伝熱フィンがアルミニウム合金製であっても良い。この場合、熱交換器の軽量化を図り、ロウ付け構造を容易に行うことができる。また、流体対流体の熱交換を高効率で行える。したがって、熱交換器本体の部品材料および部品点数の低減を図ることができ、熱交換器の製作コストを低減することが可能となる。
【００１２】
前記断熱材がオーステナイト系ステンレス材からなるものであっても良い。例えば、ＪＩＳで規定されるＳＵＳ３０４等のステンレス鋼板を断熱材として適用することができる。この場合、熱交換器の軽量化を図り、流体対流体の熱交換を高効率で行える。
前記断熱材がセラミックス材からなるものであっても良い。この場合、断熱材が金属材料からなるものに比べて、高温側から低温側への構造材を通した熱伝導を低減する効果を高めることができる。
前記断熱材が樹脂材からなるものであっても良い。この場合、金型等により断熱材の量産化が容易となり、製作コストの低減を図ることができる。
【００１３】
前記断熱材とプレートとの間、または断熱材と伝熱フィンとの間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材を挟み込んだものであっても良い。熱応力緩和材として、ニッケル等の軟質金属を適用し得る。断熱材と、プレートや伝熱フィンとの接合面には、線膨張係数の違いに起因して熱応力が集中し、接合状態に不具合を生じるおそれがある。前記熱応力緩和材を設けた場合、接合面に熱応力が集中することを緩和し、この接合面の接合状態を好適に維持することができる。
【００１４】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システムとしても良い。
コンテナ用空気サイクル冷凍システムとしては、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、上記主軸が転がり軸受および磁気軸受並びに主軸回転駆動用のモータを有するモータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットと、これらコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサおよび膨張タービンを通る冷媒経路に介在した複数または一つの熱交換器を備え、空気を冷媒とし、空調または冷凍する空気サイクル冷凍システムを適用し得る。この場合、膨張タービン入口等の空気温度をより低温にできるため、冷凍能力の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたため、高温側から低温側へのプレートや伝熱フィンを通した熱伝導を低減することができ、熱交換効率の向上が図れる。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システムとした場合、熱交換効率の向上により、冷凍能力の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１ないし図７と共に説明する。
この発明の実施形態に係るコンテナ用空気サイクル冷凍システムは、コンテナ用冷凍庫の被冷却部の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、コンテナの一部にシステム全体が格納されている。先ず、空気サイクル冷凍システムの全体構成について説明し、次に、本願特有の熱交換器、その要部構成について順次説明する。
【００１７】
図１に示すように、この空気サイクル冷凍システムは、被冷却部Ｒにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Ｎａから庫内噴出口Ｎｂに至る冷媒経路１０を有している。この冷媒経路１０に、例えば、コンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａ、放熱用熱交換器１２、再生熱交換器１３、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂが順に設けられている。
【００１８】
前記被冷却部Ｒの出口から冷媒経路１０の取入口１０ａに空気が流入する。取入口１０ａに流入した空気は、再生熱交換器１３により、冷媒経路１０中の空気の冷却に使用され、昇温する。この空気はコンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａにより圧縮され、この圧縮により昇温した状態で、放熱用熱交換器１２により冷却される。この冷却された空気は、コンプレッサ・タービンユニット１１のモータＭ１（図２）の冷却に供された後、熱回収熱交換器１３で冷却される。その後、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂにより断熱膨張され、冷却されて庫内噴出口Ｎｂから被冷却部Ｒの入口に噴出される。
さらに、空気サイクル冷凍システムは、モータ冷却用の油経路２、油循環用ポンプ３、油冷却用の熱交換器４、およびファン５を備えている。油冷却用の熱交換器４は、油循環用ポンプ３から吐出された油を冷却し、モータＭ１の冷却に供するものである。モータ冷却後の油は油流路２を介して油タンクＯＴに戻され、この戻り油は油循環用ポンプ３により循環する。
【００１９】
図１、図２に示すように、コンプレッサ・タービンユニット１１は、モータ一体型磁気軸受装置を備え、このモータ一体型磁気軸受装置では、モータ冷却用の油流路ＭＲを備えている。図２に示すように、前記モータ一体型磁気軸受装置は、主軸ＳＨをラジアル方向に対し複数の転がり軸受Ｂ１，Ｂ２で支持し、主軸ＳＨにかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を、それぞれ磁気軸受となる電磁石ＤＭと永久磁石ＰＭとにより支持すると共に、主軸ＳＨを回転駆動するモータＭ１を設けたものである。
【００２０】
図２に示すように、このコンプレッサ・タービンユニット１１は、例えば、コンプレッサ１１ａおよび膨張タービン１１ｂ内の空気により主軸ＳＨに作用するアキシアル負荷を検出するセンサＳ１と、このセンサＳ１の出力に応じて電磁石ＤＭによる支承力を制御するコントローラ１７とを有する。このコントローラ１７に設けられる磁気軸受用コントローラ１７Ｂにより、センサＳ１の出力に応じて電磁石ＤＭによる支承力が制御される。ただし、コントローラ１７の制御対象は、この電磁石ＤＭによる支承力だけに必ずしも限定されるものではない。例えば、前記モータＭ１の回転数をコントローラ１７のモータコントローラ１７Ｍにより制御することが可能である。
【００２１】
主軸ＳＨを支承する軸受Ｂ１，Ｂ２は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受Ｂ１，Ｂ２は、それぞれスピンドルハウジングＨＳにおけるコンプレッサ翼車１１ａａおよびタービン翼車１１ｂａの近傍に配置されている。軸受Ｂ２は、スピンドルハウジングＨＳ内に嵌合した軸受ハウジング内に嵌合している。
【００２２】
主軸ＳＨは、中央部の大径部ＳＨｂと、両端部の小径部ＳＨｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受Ｂ１，Ｂ２は、その内輪が小径部ＳＨｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部ＳＨｂと小径部ＳＨｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジングＨＳにおける両側の軸受Ｂ１，Ｂ２よりも各翼車１１ａａ，１１ｂａ側の部分は、内径面が主軸ＳＨに近接する径に形成され、この内径面に非接触シールＳＬ１，ＳＬ２が形成されている。非接触シールＳＬ１，ＳＬ２は、スピンドルハウジングＨＳの内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。
【００２３】
熱交換器の要部構成について説明する。
本実施形態では、図３、図４に示すように、冷媒経路１０における熱交換器のうち、放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３を、本願特有の向流形プレートフィン式熱交換器としている。以下の例では、前記放熱用熱交換器１２を図３ないし図７と共に詳細に説明し、熱回収熱交換器１３の構成部品については、放熱用熱交換器１２の構成部品と同一の符号を付してその詳細説明を省略する。なお、これら放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３のいずれか一方を、本願特有の向流形プレートフィン式熱交換器としても良い。この場合であっても、本実施形態と略同様の効果を奏する。
【００２４】
図３〜図５に示すように、放熱用熱交換器１２は、冷媒経路１０の冷媒を、別の冷媒つまり空気によって冷却するものである。この放熱用熱交換器１２は、熱交換器本体１２Ａと、この熱交換器本体１２Ａの両端に設けられた導入ダクト１２Ｂ，１２Ｂとを有する。
一方の導入ダクト１２Ｂの入口１２Ｂａから熱交換器本体１２Ａの一端に導入された空気である高温流体は、矢符Ｄ１にて示す方向に進み熱交換され、この熱交換器本体１２Ａの出口１２Ａａから排出された後、コンプレッサ・タービンユニット１１のモータＭ１の冷却に供される。
他方の導入ダクト１２Ｂの入口１２Ｂａから熱交換器本体１２Ａの他端に導入されたブロワ１８（図１）入力による低温流体は、矢符Ｄ２にして示す方向に進み、この熱交換器本体１２Ａの別の出口１２Ａｂから大気開放される。
【００２５】
前記熱交換器本体１２Ａは、伝熱フィン１９と、プレート２０と、断熱材２１とを有する。この熱交換器本体１２Ａは、伝熱フィン１９とプレート２０とが多段に積層され、高温流体が流れるＡ段（図５）と低温流体が流れるＢ段（図５）とが規定され、かつＡ段とＢ段とが互い違いに積層されている。また、Ａ段を流れる高温流体の流れ方向と、Ｂ段を流れる低温流体の流れ方向とが互いに逆向きとなっている。一方の導入ダクト１２Ｂ内において高温流体が各Ａ段に流入するように図示外の整流板等によって整流されている。他方の導入ダクト１２Ｂ内においても低温流体が各Ｂ段に流入するように図示外の整流板等によって整流されている。
図４に示すように、各プレート２０は、アルミニウム合金製で平面視略矩形の薄板状に形成されている。図４、図６に示すように、このプレート２０の表面部２０ａに、伝熱フィン１９が固着されている。すなわち伝熱フィン１９は、アルミニウム合金製で薄肉の波板形状に形成され、波板部分のうちの、プレート２０の表面部２０ａに当接する当接部１９ａが前記表面部２０ａにロウ付けされて成る。
【００２６】
断熱材２１は、プレート２０および伝熱フィン１９を通じた、流路流れ方向の熱伝導を遮断するものである。図４に示すように、断熱材２１は、流路部分２１ａが複数のスリット状に開口した格子状で、この材料として例えばオーステナイト系ステンレス材が適用される。具体的には、日本工業規格（Japanese Industrial Standards；略称ＪＩＳ）に規定される、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼板を断熱材材として適用し得る。ただし、断熱材材はＳＵＳ３０４に限定されるものではない。
【００２７】
断熱材２１は、熱交換器本体１２Ａの長手方向一定間隔おきに複数設けられる。すなわち各断熱材２１は、熱交換器本体１２Ａにおける流体の流路流れ方向の途中箇所に設けられている。断熱材２１は、各層のプレート２０を流路流れ方向に分断した分断部２２にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部２３と、これら複数のプレート間介在桟部２３を両端で繋ぐ連結桟部２３ａとでなる格子状である。これらプレート間介在桟部２３が一定間隔おきにプレート２０に平行に配設され、プレート間介在桟部２３とプレート間介在桟部２３との間に、流体を通過させるスリット状の流路部分２１ａが形成されている。
【００２８】
これらプレート間介在桟部２３、連結桟部２３ａの端面部が、プレート２０の一側縁部２０ｂにロウ付けにより突合せ状に接合される。この場合において、前記プレート２０等はアルミニウム合金製であり、このプレート２０等と、オーステナイト系ステンレス材から成る断熱材２１とを直接ロウ付けすることができない。このため、プレート２０および断熱材２１のいずれか一方または両方に、ロウ付け性を向上させる表面処理ＳＦ１を施している。この表面処理ＳＦ１としてニッケル−ボロン（Ｎｉ-Ｂ）系被膜を少なくともいずれか一方の接合面（図７では断熱材２１側の接合面のみ）に施しておき、プレート間介在桟部２３、連結桟部２３ａの端面部をこのＮｉ-Ｂ系被膜を介してプレート２０の一側縁部にロウ付けしている。このロウ材２４として、アルミ−珪素（Ａｌ-Ｓｉ）系ロウ材等を適用することができる。なお、被膜の表面処理方法としては、無電解めっき法、電解めっき法、蒸着法等種々な処理方法を適用し得る。
前記熱回収熱交換器１３についても、上記説明した放熱用熱交換器１２と同様の構成となっている。
【００２９】
本実施形態の空気サイクル冷凍システムの作用について説明する。
なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。図１に示すように、被冷却部Ｒの出口から冷媒経路１０の取入口１０ａに０℃〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。取入口１０ａに流入した空気は、再生熱交換器１３により、冷媒経路１０中の空気の冷却に使用され、４０℃まで昇温する。再生熱交換器１３を経た４０℃，１気圧の空気が、コンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａにより、１．６〜２．２気圧まで圧縮され、この圧縮により１１０℃程度に昇温した状態で、放熱用熱交換器１２のブロワ入力による空気によって４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、モータＭ１（図２）の冷却に一部利用されて４５℃程度に昇温した状態で、再生熱交換器１３により−２５℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ１１ａから排出された１．６〜２．２気圧が維持される。再生熱交換器１３で−２５℃まで冷却された空気は、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂにより断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて庫内噴出口Ｎｂから被冷却部Ｒに排出される。
【００３０】
前記放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３において、構造材であるプレート２０および伝熱フィン１９の流体の流路流れ方向に沿った熱伝導が、断熱材２１で遮断されて低減する。この断熱材２１は流路部分２１ａをスリット状に開口させることで、流体を遮ることなく円滑に流すことが可能となる。よって、プレート２０および伝熱フィン１９として本実施形態のように熱伝導率の良いアルミニウム合金を用いた場合、高温側から低温側へのプレートおよび伝熱フィンを通した熱伝導による熱交換効率の低下を招くことなく、前記高温および低温の流体流路を流れる流体間の熱交換を効率良く行うことができる。
したがって、高温側から低温側への熱伝導に熱交換効率の低下を伴うことなく、従来のものより、プレート２０、伝熱フィン１９段数を増やし流体流れ方向の断面積を大きくし、かつ流路の長さを短くして、熱交換器自体の小型化を図ることができる。
【００３１】
断熱材２１は、各層のプレート２０を流路流れ方向に分断した分断部２２にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部２３と、これら複数のプレート間介在桟部２３を両端で繋ぐ連結桟部２３ａとでなる格子状である。このように断熱材２１を格子状として流路部分２１ａを開口させることで、流体を断熱材自体で遮ることなく円滑に流すことが可能となる。
前記プレート２０および伝熱フィン１９がアルミニウム合金製であるため、熱交換器の軽量化を図り、ロウ付け構造を容易に行うことができる。また、流体対流体の熱交換を高効率で行える。したがって、熱交換器本体１２Ａの部品材料および部品点数の低減を図ることができ、熱交換器の製作コストの低減を図ることが可能となる。
前述のように、前記断熱材２１がオーステナイト系ステンレス材からなり、プレート２０はアルミニウム合金製であるため、両者を直接ロウ付けすることができない。つまりステンレス鋼から成る断熱材２１の母材表面は、不導態酸化被膜で覆われているため、Ａｌ-Ｓｉ系ロウ材が濡れ難く、気密性を確保することができず流体が漏れる要因となる。
これに対して、本実施形態では、プレート２０および断熱材２１のいずれか一方または両方の接合面に、Ｎｉ-Ｂ系被膜等の表面処理ＳＦ１を施しているため、次のような効果を奏する。Ｎｉ-Ｂ系被膜中のボロン元素の液相拡散により、Ａｌ-Ｓｉ系ロウ材の流動性が高まり、かつステンレス鋼とボロンとの反応によって、より密着性の高い接合体が得られる。よって、プレート２０と断熱材２１との接合面から、流体が不所望に漏れることを防止することができる。したがって、熱交換器本体１２Ａの熱交換を効率良く行うことが可能となる。
【００３２】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。
以下の説明においては、前述の実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００３３】
この発明の他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、図８に示すように、断熱材２１はセラミックス材からなるものであっても良い。この場合、断熱材２１の接合面を、例えば塩酸等からなる溶液によりエッチング処理ＳＦ２することで粗面化する。その後、前記断熱材２１の接合面と、プレート２０の接合面とをロウ付けにより接合している。これにより、断熱材２１の接合面の表面積を増加させて同接合面とロウ材２４との接触面積を増大させることができる。これと共に、接合面の粗面化した凹凸によるアンカー効果を発揮させることができ、断熱材２１とロウ材２４との密着強度を高めて、セラミックス材からなる断熱材２１と、アルミニウム合金からなるプレート２０等との接合強度を高くすることが可能となる。その他図１〜図６に示す実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００３４】
この発明のさらに他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、断熱材２１は樹脂材からなるものであっても良い。この場合、断熱材２１の接合面にニッケルめっきを施すことにより、断熱材２１とロウ材２４との密着強度を高め、断熱材２１とプレート２０等との接合強度を高くすることが可能となる。また、金型等により断熱材２１の量産化が容易となり、製作コストの低減を図ることができる。その他図１〜図６に示す実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００３５】
この発明のさらに他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、図９に示すように、断熱材２１とプレート２０との間、または断熱材２１と伝熱フィン１９との間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材２５を挟み込んだものであっても良い。熱応力緩和材２５として、例えばニッケル等の軟質金属を適用し得る。ただし、ニッケルだけに限定されるものではない。断熱材２１と、プレート２０や伝熱フィン１９との接合面には、線膨張係数の違いに起因して熱応力が集中し、接合状態に不具合を生じるおそれがある。前記熱応力緩和材２５を設けた場合、接合面に熱応力が集中することを緩和し、この接合面の接合状態を好適に維持することができる。
【００３６】
本実施形態では、向流形プレートフィン式熱交換器を、コンテナ用空気サイクル冷凍システムに用いているが、他の用途に用いても良い。例えば、冷凍倉庫や零度以下の低温室や空調等に、本願特有の前記向流形プレートフィン式熱交換器を適用しても良い。この場合においても、本実施形態と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態に係るコンテナ用空気サイクル冷凍システムの系統図である。
【図２】同空気サイクル冷凍システムのコンプレッサ・タービンユニットの断面図である。
【図３】同空気サイクル冷凍システムの向流形プレートフィン式熱交換器を概略示す図である。
【図４】同空気サイクル冷凍システムの向流形プレートフィン式熱交換器の分解斜視図である。
【図５】同熱交換器の要部の断面図である。
【図６】同熱交換器の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図７】同熱交換器のプレートと断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図８】この発明の他の実施形態に係る熱交換器のプレートと断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態に係る熱交換器のプレート等と断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図１０】従来例の熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１２…放熱用熱交換器
１２Ａ…熱交換器本体
１３…熱回収用熱交換器
１９…伝熱フィン
２０…プレート
２１…断熱材
２３…プレート間介在桟部
２３ａ…連結桟部
２５…熱応力緩和材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、向流形プレートフィン式熱交換器およびコンテナ用空気サイクル冷凍システムに関し、冷凍能力の向上を図った技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンの省略等によってトータルコストを引き下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、初めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
【０００３】
圧縮機、膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取り付けたタービンユニットが用いられている。空気サイクル冷凍システムには冷凍庫から圧縮機に流入する戻り空気と膨張タービン入口前の空気を熱交換する熱回収熱交換器と、圧縮機で高温になった空気を外部冷却媒体との熱交換で冷却する放熱用熱交換器とを備える。空気サイクル冷凍システムをコンテナ用に用いる場合には、冷凍能力に大きく寄与する熱交換器の温度効率を向上させることと同時に小型化も求められる。
【特許文献１】特許第２６２３２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記熱回収熱交換器は、空気対空気の熱交換器である。放熱用熱交換器は、圧縮機で高温になった空気を外部冷却媒体との熱交換で冷却するもので、大型冷凍倉庫の場合には冷却媒体としてチラー冷却水が用いられる場合が多いが、コンテナ用冷凍機はチラーを持たないため空気を用いざるを得ない。前記チラーは、圧縮機、凝縮器および蒸発器等を備えた、コンパクト化された装置である。
【０００５】
空気対空気の熱交換が高効率で行え、かつ低損失を実現できる熱交換器としては、図１０に示す向流形プレートフィン式熱交換器がある。この向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートＰｔと伝熱フィンｆを多段に重ねた構造で、高温流体ＨＲが流れるＡ段と低温流体ＬＲが流れるＢ段とが規定され、かつＡ段とＢ段とが互い違いに積層されて成る。また、Ａ段を流れる高温流体ＨＲの流れ方向と、Ｂ段を流れる低温流体ＬＲの流れ方向とが互いに逆向きとなっている。よって、Ａ段を流れる高温流体ＨＲと、Ｂ段を流れる低温流体ＬＲとを熱交換する。
【０００６】
上記フィンｆおよびプレートＰｔとしては、熱伝導率が良く、軽量でロウ付け構造が容易にできるアルミニウム材が用いられることが多い。一方、フィンｆおよびプレートＰｔとしてアルミニウム材を用いると、これらフィンｆおよびプレートＰｔの流体流れ方向に沿った熱伝導も高くなる。このため、前記流れ方向に沿った、高温側から低温側に流れる熱量が大きくなり、これによって熱交換効率が低下するという欠点があった。特に、小型化を狙ってプレートＰｔ、フィンｆ段数を増やし流れ方向の断面積を大きく、流路の長さを短くした場合には、熱伝導の影響が顕著になる。
【０００７】
この発明の目的は、高温側から低温側への構造材を通した熱伝導を低減することができ熱交換効率の向上が図れる向流形プレートフィン式熱交換器を提供することである。
この発明の他の目的は、熱交換効率の向上により、冷凍能力の向上を図ることができるコンテナ用空気サイクル冷凍システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、熱交換器本体において、構造材であるプレートおよび伝熱フィンの流体の流路流れ方向に沿った熱伝導が、断熱材で遮断されて低減する。よって、プレートおよび伝熱フィンとして熱伝導率の良い材料を用いた場合、高温側から低温側へのプレートおよび伝熱フィンを通した熱伝導による熱交換効率の低下を招くことなく、前記高温および低温の流体流路を流れる流体間の熱交換を効率良く行うことができる。
したがって、高温側から低温側への熱伝導に熱交換効率の低下を伴うことなく、従来のものより、プレート、伝熱フィン段数を増やし流体流れ方向の断面積を大きくし、かつ流路の長さを短くして、熱交換器自体の小型化を図ることができる。
【００１０】
前記断熱材は、各層のプレートを流路流れ方向に分断した分断部にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部と、これら複数のプレート間介在桟部を両端で繋ぐ連結桟部とでなる格子状であっても良い。このように断熱材を格子状として流路部分を開口させることで、流体を断熱材自体で遮ることなく円滑に流すことが可能となる。
【００１１】
前記プレートおよび伝熱フィンがアルミニウム合金製であっても良い。この場合、熱交換器の軽量化を図り、ロウ付け構造を容易に行うことができる。また、流体対流体の熱交換を高効率で行える。したがって、熱交換器本体の部品材料および部品点数の低減を図ることができ、熱交換器の製作コストを低減することが可能となる。
【００１２】
前記断熱材がオーステナイト系ステンレス材からなるものであっても良い。例えば、ＪＩＳで規定されるＳＵＳ３０４等のステンレス鋼板を断熱材として適用することができる。この場合、熱交換器の軽量化を図り、流体対流体の熱交換を高効率で行える。
前記断熱材がセラミックス材からなるものであっても良い。この場合、断熱材が金属材料からなるものに比べて、高温側から低温側への構造材を通した熱伝導を低減する効果を高めることができる。
前記断熱材が樹脂材からなるものであっても良い。この場合、金型等により断熱材の量産化が容易となり、製作コストの低減を図ることができる。
【００１３】
前記断熱材とプレートとの間、または断熱材と伝熱フィンとの間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材を挟み込んだものであっても良い。熱応力緩和材として、ニッケル等の軟質金属を適用し得る。断熱材と、プレートや伝熱フィンとの接合面には、線膨張係数の違いに起因して熱応力が集中し、接合状態に不具合を生じるおそれがある。前記熱応力緩和材を設けた場合、接合面に熱応力が集中することを緩和し、この接合面の接合状態を好適に維持することができる。
【００１４】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システムとしても良い。
コンテナ用空気サイクル冷凍システムとしては、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、上記主軸が転がり軸受および磁気軸受並びに主軸回転駆動用のモータを有するモータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットと、これらコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサおよび膨張タービンを通る冷媒経路に介在した複数または一つの熱交換器を備え、空気を冷媒とし、空調または冷凍する空気サイクル冷凍システムを適用し得る。この場合、膨張タービン入口等の空気温度をより低温にできるため、冷凍能力の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の向流形プレートフィン式熱交換器は、プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたため、高温側から低温側へのプレートや伝熱フィンを通した熱伝導を低減することができ、熱交換効率の向上が図れる。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システムとした場合、熱交換効率の向上により、冷凍能力の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１ないし図７と共に説明する。
この発明の実施形態に係るコンテナ用空気サイクル冷凍システムは、コンテナ用冷凍庫の被冷却部の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、コンテナの一部にシステム全体が格納されている。先ず、空気サイクル冷凍システムの全体構成について説明し、次に、本願特有の熱交換器、その要部構成について順次説明する。
【００１７】
図１に示すように、この空気サイクル冷凍システムは、被冷却部Ｒにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Ｎａから庫内噴出口Ｎｂに至る冷媒経路１０を有している。この冷媒経路１０に、例えば、コンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａ、放熱用熱交換器１２、再生熱交換器１３、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂが順に設けられている。
【００１８】
前記被冷却部Ｒの出口から冷媒経路１０の取入口１０ａに空気が流入する。取入口１０ａに流入した空気は、再生熱交換器１３により、冷媒経路１０中の空気の冷却に使用され、昇温する。この空気はコンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａにより圧縮され、この圧縮により昇温した状態で、放熱用熱交換器１２により冷却される。この冷却された空気は、コンプレッサ・タービンユニット１１のモータＭ１（図２）の冷却に供された後、熱回収熱交換器１３で冷却される。その後、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂにより断熱膨張され、冷却されて庫内噴出口Ｎｂから被冷却部Ｒの入口に噴出される。
さらに、空気サイクル冷凍システムは、モータ冷却用の油経路２、油循環用ポンプ３、油冷却用の熱交換器４、およびファン５を備えている。油冷却用の熱交換器４は、油循環用ポンプ３から吐出された油を冷却し、モータＭ１の冷却に供するものである。モータ冷却後の油は油流路２を介して油タンクＯＴに戻され、この戻り油は油循環用ポンプ３により循環する。
【００１９】
図１、図２に示すように、コンプレッサ・タービンユニット１１は、モータ一体型磁気軸受装置を備え、このモータ一体型磁気軸受装置では、モータ冷却用の油流路ＭＲを備えている。図２に示すように、前記モータ一体型磁気軸受装置は、主軸ＳＨをラジアル方向に対し複数の転がり軸受Ｂ１，Ｂ２で支持し、主軸ＳＨにかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を、それぞれ磁気軸受となる電磁石ＤＭと永久磁石ＰＭとにより支持すると共に、主軸ＳＨを回転駆動するモータＭ１を設けたものである。
【００２０】
図２に示すように、このコンプレッサ・タービンユニット１１は、例えば、コンプレッサ１１ａおよび膨張タービン１１ｂ内の空気により主軸ＳＨに作用するアキシアル負荷を検出するセンサＳ１と、このセンサＳ１の出力に応じて電磁石ＤＭによる支承力を制御するコントローラ１７とを有する。このコントローラ１７に設けられる磁気軸受用コントローラ１７Ｂにより、センサＳ１の出力に応じて電磁石ＤＭによる支承力が制御される。ただし、コントローラ１７の制御対象は、この電磁石ＤＭによる支承力だけに必ずしも限定されるものではない。例えば、前記モータＭ１の回転数をコントローラ１７のモータコントローラ１７Ｍにより制御することが可能である。
【００２１】
主軸ＳＨを支承する軸受Ｂ１，Ｂ２は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受Ｂ１，Ｂ２は、それぞれスピンドルハウジングＨＳにおけるコンプレッサ翼車１１ａａおよびタービン翼車１１ｂａの近傍に配置されている。軸受Ｂ２は、スピンドルハウジングＨＳ内に嵌合した軸受ハウジング内に嵌合している。
【００２２】
主軸ＳＨは、中央部の大径部ＳＨｂと、両端部の小径部ＳＨｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受Ｂ１，Ｂ２は、その内輪が小径部ＳＨｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部ＳＨｂと小径部ＳＨｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジングＨＳにおける両側の軸受Ｂ１，Ｂ２よりも各翼車１１ａａ，１１ｂａ側の部分は、内径面が主軸ＳＨに近接する径に形成され、この内径面に非接触シールＳＬ１，ＳＬ２が形成されている。非接触シールＳＬ１，ＳＬ２は、スピンドルハウジングＨＳの内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。
【００２３】
熱交換器の要部構成について説明する。
本実施形態では、図３、図４に示すように、冷媒経路１０における熱交換器のうち、放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３を、本願特有の向流形プレートフィン式熱交換器としている。以下の例では、前記放熱用熱交換器１２を図３ないし図７と共に詳細に説明し、熱回収熱交換器１３の構成部品については、放熱用熱交換器１２の構成部品と同一の符号を付してその詳細説明を省略する。なお、これら放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３のいずれか一方を、本願特有の向流形プレートフィン式熱交換器としても良い。この場合であっても、本実施形態と略同様の効果を奏する。
【００２４】
図３〜図５に示すように、放熱用熱交換器１２は、冷媒経路１０の冷媒を、別の冷媒つまり空気によって冷却するものである。この放熱用熱交換器１２は、熱交換器本体１２Ａと、この熱交換器本体１２Ａの両端に設けられた導入ダクト１２Ｂ，１２Ｂとを有する。
一方の導入ダクト１２Ｂの入口１２Ｂａから熱交換器本体１２Ａの一端に導入された空気である高温流体は、矢符Ｄ１にて示す方向に進み熱交換され、この熱交換器本体１２Ａの出口１２Ａａから排出された後、コンプレッサ・タービンユニット１１のモータＭ１の冷却に供される。
他方の導入ダクト１２Ｂの入口１２Ｂａから熱交換器本体１２Ａの他端に導入されたブロワ１８（図１）入力による低温流体は、矢符Ｄ２にして示す方向に進み、この熱交換器本体１２Ａの別の出口１２Ａｂから大気開放される。
【００２５】
前記熱交換器本体１２Ａは、伝熱フィン１９と、プレート２０と、断熱材２１とを有する。この熱交換器本体１２Ａは、伝熱フィン１９とプレート２０とが多段に積層され、高温流体が流れるＡ段（図５）と低温流体が流れるＢ段（図５）とが規定され、かつＡ段とＢ段とが互い違いに積層されている。また、Ａ段を流れる高温流体の流れ方向と、Ｂ段を流れる低温流体の流れ方向とが互いに逆向きとなっている。一方の導入ダクト１２Ｂ内において高温流体が各Ａ段に流入するように図示外の整流板等によって整流されている。他方の導入ダクト１２Ｂ内においても低温流体が各Ｂ段に流入するように図示外の整流板等によって整流されている。
図４に示すように、各プレート２０は、アルミニウム合金製で平面視略矩形の薄板状に形成されている。図４、図６に示すように、このプレート２０の表面部２０ａに、伝熱フィン１９が固着されている。すなわち伝熱フィン１９は、アルミニウム合金製で薄肉の波板形状に形成され、波板部分のうちの、プレート２０の表面部２０ａに当接する当接部１９ａが前記表面部２０ａにロウ付けされて成る。
【００２６】
断熱材２１は、プレート２０および伝熱フィン１９を通じた、流路流れ方向の熱伝導を遮断するものである。図４に示すように、断熱材２１は、流路部分２１ａが複数のスリット状に開口した格子状で、この材料として例えばオーステナイト系ステンレス材が適用される。具体的には、日本工業規格（Japanese Industrial Standards；略称ＪＩＳ）に規定される、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼板を断熱材材として適用し得る。ただし、断熱材材はＳＵＳ３０４に限定されるものではない。
【００２７】
断熱材２１は、熱交換器本体１２Ａの長手方向一定間隔おきに複数設けられる。すなわち各断熱材２１は、熱交換器本体１２Ａにおける流体の流路流れ方向の途中箇所に設けられている。断熱材２１は、各層のプレート２０を流路流れ方向に分断した分断部２２にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部２３と、これら複数のプレート間介在桟部２３を両端で繋ぐ連結桟部２３ａとでなる格子状である。これらプレート間介在桟部２３が一定間隔おきにプレート２０に平行に配設され、プレート間介在桟部２３とプレート間介在桟部２３との間に、流体を通過させるスリット状の流路部分２１ａが形成されている。
【００２８】
これらプレート間介在桟部２３、連結桟部２３ａの端面部が、プレート２０の一側縁部２０ｂにロウ付けにより突合せ状に接合される。この場合において、前記プレート２０等はアルミニウム合金製であり、このプレート２０等と、オーステナイト系ステンレス材から成る断熱材２１とを直接ロウ付けすることができない。このため、プレート２０および断熱材２１のいずれか一方または両方に、ロウ付け性を向上させる表面処理ＳＦ１を施している。この表面処理ＳＦ１としてニッケル−ボロン（Ｎｉ-Ｂ）系被膜を少なくともいずれか一方の接合面（図７では断熱材２１側の接合面のみ）に施しておき、プレート間介在桟部２３、連結桟部２３ａの端面部をこのＮｉ-Ｂ系被膜を介してプレート２０の一側縁部にロウ付けしている。このロウ材２４として、アルミ−珪素（Ａｌ-Ｓｉ）系ロウ材等を適用することができる。なお、被膜の表面処理方法としては、無電解めっき法、電解めっき法、蒸着法等種々な処理方法を適用し得る。
前記熱回収熱交換器１３についても、上記説明した放熱用熱交換器１２と同様の構成となっている。
【００２９】
本実施形態の空気サイクル冷凍システムの作用について説明する。
なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。図１に示すように、被冷却部Ｒの出口から冷媒経路１０の取入口１０ａに０℃〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。取入口１０ａに流入した空気は、再生熱交換器１３により、冷媒経路１０中の空気の冷却に使用され、４０℃まで昇温する。再生熱交換器１３を経た４０℃，１気圧の空気が、コンプレッサ・タービンユニット１１のコンプレッサ１１ａにより、１．６〜２．２気圧まで圧縮され、この圧縮により１１０℃程度に昇温した状態で、放熱用熱交換器１２のブロワ入力による空気によって４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、モータＭ１（図２）の冷却に一部利用されて４５℃程度に昇温した状態で、再生熱交換器１３により−２５℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ１１ａから排出された１．６〜２．２気圧が維持される。再生熱交換器１３で−２５℃まで冷却された空気は、コンプレッサ・タービンユニット１１の膨張タービン１１ｂにより断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて庫内噴出口Ｎｂから被冷却部Ｒに排出される。
【００３０】
前記放熱用熱交換器１２および熱回収熱交換器１３において、構造材であるプレート２０および伝熱フィン１９の流体の流路流れ方向に沿った熱伝導が、断熱材２１で遮断されて低減する。この断熱材２１は流路部分２１ａをスリット状に開口させることで、流体を遮ることなく円滑に流すことが可能となる。よって、プレート２０および伝熱フィン１９として本実施形態のように熱伝導率の良いアルミニウム合金を用いた場合、高温側から低温側へのプレートおよび伝熱フィンを通した熱伝導による熱交換効率の低下を招くことなく、前記高温および低温の流体流路を流れる流体間の熱交換を効率良く行うことができる。
したがって、高温側から低温側への熱伝導に熱交換効率の低下を伴うことなく、従来のものより、プレート２０、伝熱フィン１９段数を増やし流体流れ方向の断面積を大きくし、かつ流路の長さを短くして、熱交換器自体の小型化を図ることができる。
【００３１】
断熱材２１は、各層のプレート２０を流路流れ方向に分断した分断部２２にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部２３と、これら複数のプレート間介在桟部２３を両端で繋ぐ連結桟部２３ａとでなる格子状である。このように断熱材２１を格子状として流路部分２１ａを開口させることで、流体を断熱材自体で遮ることなく円滑に流すことが可能となる。
前記プレート２０および伝熱フィン１９がアルミニウム合金製であるため、熱交換器の軽量化を図り、ロウ付け構造を容易に行うことができる。また、流体対流体の熱交換を高効率で行える。したがって、熱交換器本体１２Ａの部品材料および部品点数の低減を図ることができ、熱交換器の製作コストの低減を図ることが可能となる。
前述のように、前記断熱材２１がオーステナイト系ステンレス材からなり、プレート２０はアルミニウム合金製であるため、両者を直接ロウ付けすることができない。つまりステンレス鋼から成る断熱材２１の母材表面は、不導態酸化被膜で覆われているため、Ａｌ-Ｓｉ系ロウ材が濡れ難く、気密性を確保することができず流体が漏れる要因となる。
これに対して、本実施形態では、プレート２０および断熱材２１のいずれか一方または両方の接合面に、Ｎｉ-Ｂ系被膜等の表面処理ＳＦ１を施しているため、次のような効果を奏する。Ｎｉ-Ｂ系被膜中のボロン元素の液相拡散により、Ａｌ-Ｓｉ系ロウ材の流動性が高まり、かつステンレス鋼とボロンとの反応によって、より密着性の高い接合体が得られる。よって、プレート２０と断熱材２１との接合面から、流体が不所望に漏れることを防止することができる。したがって、熱交換器本体１２Ａの熱交換を効率良く行うことが可能となる。
【００３２】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。
以下の説明においては、前述の実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００３３】
この発明の他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、図８に示すように、断熱材２１はセラミックス材からなるものであっても良い。この場合、断熱材２１の接合面を、例えば塩酸等からなる溶液によりエッチング処理ＳＦ２することで粗面化する。その後、前記断熱材２１の接合面と、プレート２０の接合面とをロウ付けにより接合している。これにより、断熱材２１の接合面の表面積を増加させて同接合面とロウ材２４との接触面積を増大させることができる。これと共に、接合面の粗面化した凹凸によるアンカー効果を発揮させることができ、断熱材２１とロウ材２４との密着強度を高めて、セラミックス材からなる断熱材２１と、アルミニウム合金からなるプレート２０等との接合強度を高くすることが可能となる。その他図１〜図６に示す実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００３４】
この発明のさらに他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、断熱材２１は樹脂材からなるものであっても良い。この場合、断熱材２１の接合面にニッケルめっきを施すことにより、断熱材２１とロウ材２４との密着強度を高め、断熱材２１とプレート２０等との接合強度を高くすることが可能となる。また、金型等により断熱材２１の量産化が容易となり、製作コストの低減を図ることができる。その他図１〜図６に示す実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００３５】
この発明のさらに他の実施形態に係る向流形プレートフィン式熱交換器として、図９に示すように、断熱材２１とプレート２０との間、または断熱材２１と伝熱フィン１９との間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材２５を挟み込んだものであっても良い。熱応力緩和材２５として、例えばニッケル等の軟質金属を適用し得る。ただし、ニッケルだけに限定されるものではない。断熱材２１と、プレート２０や伝熱フィン１９との接合面には、線膨張係数の違いに起因して熱応力が集中し、接合状態に不具合を生じるおそれがある。前記熱応力緩和材２５を設けた場合、接合面に熱応力が集中することを緩和し、この接合面の接合状態を好適に維持することができる。
【００３６】
本実施形態では、向流形プレートフィン式熱交換器を、コンテナ用空気サイクル冷凍システムに用いているが、他の用途に用いても良い。例えば、冷凍倉庫や零度以下の低温室や空調等に、本願特有の前記向流形プレートフィン式熱交換器を適用しても良い。この場合においても、本実施形態と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態に係るコンテナ用空気サイクル冷凍システムの系統図である。
【図２】同空気サイクル冷凍システムのコンプレッサ・タービンユニットの断面図である。
【図３】同空気サイクル冷凍システムの向流形プレートフィン式熱交換器を概略示す図である。
【図４】同空気サイクル冷凍システムの向流形プレートフィン式熱交換器の分解斜視図である。
【図５】同熱交換器の要部の断面図である。
【図６】同熱交換器の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図７】同熱交換器のプレートと断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図８】この発明の他の実施形態に係る熱交換器のプレートと断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態に係る熱交換器のプレート等と断熱材との接合面を拡大して示す拡大断面図である。
【図１０】従来例の熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１２…放熱用熱交換器
１２Ａ…熱交換器本体
１３…熱回収用熱交換器
１９…伝熱フィン
２０…プレート
２１…断熱材
２３…プレート間介在桟部
２３ａ…連結桟部
２５…熱応力緩和材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、
前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたことを特徴とする向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、前記断熱材は、各層のプレートを流路流れ方向に分断した分断部にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部と、これら複数のプレート間介在桟部を両端で繋ぐ連結桟部とでなる格子状である向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記プレートおよび伝熱フィンがアルミニウム合金製である向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材がオーステナイト系ステンレス材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材がセラミックス材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材が樹脂材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項７】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材とプレートとの間、または断熱材と伝熱フィンとの間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材を挟み込んだ向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システム。
【請求項１】
プレートと波板状の伝熱フィンとが交互に複数段に積層されて各層のプレート間に流体流路が構成された熱交換器本体を有し、前記各層の流体流路は、高温流体が流れる高温流体流路と、低温流体が流れる低温流体流路とに交互に分けられ、かつ高温流体流路と低温流体流路の流れ方向が互いに向かい合う向流形プレートフィン式熱交換器において、
前記熱交換器本体の流路流れ方向の複数箇所または１か所に、前記プレートおよび伝熱フィンを通じた流路流れ方向の熱伝導を遮断する断熱材を介在させたことを特徴とする向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、前記断熱材は、各層のプレートを流路流れ方向に分断した分断部にそれぞれ介在する複数のプレート間介在桟部と、これら複数のプレート間介在桟部を両端で繋ぐ連結桟部とでなる格子状である向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記プレートおよび伝熱フィンがアルミニウム合金製である向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材がオーステナイト系ステンレス材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材がセラミックス材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材が樹脂材からなる向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項７】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記断熱材とプレートとの間、または断熱材と伝熱フィンとの間に、熱応力を緩和させる熱応力緩和材を挟み込んだ向流形プレートフィン式熱交換器。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の向流形プレートフィン式熱交換器を用いたコンテナ用空気サイクル冷凍システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
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【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２７０７６１（Ｐ２００９−２７０７６１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２１２２９（Ｐ２００８−１２１２２９）
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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