JP3602174B2 - 熱交換素子 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、温度の異なる気体間で熱交換を行う空調装置等に用いられる熱交換素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図29は例えば特開平6−109395号公報に示された従来の熱交換素子を示す斜視図であり、図において、1は伝熱特性及び通気性を有する和紙などの材質で構成された平板状の仕切板、2は各仕切板1間に気流が流動する風路3a,3bを形成するとともに、各仕切板1間に流動する気流の方向が相互に隣接する仕切板1間に流動する気流の方向と相互に交差するように、各仕切板1間にそれぞれ積層された波状の間隔板である。
また、3aは1次気流Aが流動する風路、3bは2次気流Bが流動する風路である。
【0003】
次に動作について説明する。
まず、間隔板2は、図29に示すように、各仕切板1間に積層する際、風路の向きが交互に交差するように積層されているので、1次気流Aと2次気流Bがそれぞれ1層おきに熱交換素子に取り入れられるようになる。
そして、1次気流Aと2次気流Bの間には、温度差があるので顕熱の移動が起こる結果、1次気流Aと2次気流Bの間で熱交換が行われることになる。
また、仕切板1を水分透過性を有する材質にて構成した場合には、1次気流Aと2次気流Bの間の湿度差に応じて、仕切板1を通じて水分の移動(潜熱の移動)が起こる。
【0004】
ここで、熱交換素子の性能について説明する。
熱交換素子の性能は、一般に、温度交換効率及び湿度交換効率によって表されるが、例えば、温度交換効率eは、1次気流Aの入口温度をT1,2次気流Bの入口温度及び出口温度をそれぞれt1,t2とすると、次式で表される。
e = (t2−t1)/(T1−t1) ・・・(1)
そして、式(1)からも分かるように、温度交換効率eが大きい程、2次気流Bから1次気流Aに回収される熱量が大きくなるので、温度交換効率eが大きい程、熱交換素子の性能が高いと言える。
【0005】
また、同一換気風量の条件下では、温度交換効率eは、熱交換面積が大きいほど高く、具体的には、仕切板1と間隔板2から構成される風路3a,3bの内壁と各気流の間の対流熱伝達率が大きいほど高くなる。
因に、2次気流Bから仕切板1に伝えられる顕熱は、仕切板1の表面から対流熱伝達によって1次気流Aへ伝えられるが、その顕熱の一部は、熱伝導によって間隔板2に伝えられ、間隔板2の表面から対流熱伝達によって1次気流Aへ伝えられる。つまり、間隔板2は仕切板1上に立てられた拡大伝熱面としての役割を有しており、間隔板2の拡大伝熱面としての有効伝熱面積At は、下記に示すように、間隔板2のフィン効率φによって定まる。
At =As +φ・Ak ・・・(2)
ただし、As :仕切板1の物理的表面積
Ak :間隔板2の物理的表面積
【0006】
ここで、フィン効率φとは、実面積と伝熱に有効な面積との比を表すが、間隔板2の波状の斜辺の長さをL,間隔板2の厚みをd,間隔板2の熱伝導率をkk ,間隔板2と気流間の対流熱伝達率をHとすると、下記のように示すことができる。
【0007】
従って、温度交換効率eを向上させるためには、式(2)からも明らかなように、間隔板2のフィン効率φを向上させて間隔板2の有効伝熱面積At を向上させる必要がある。
そこで、この従来例では、間隔板2をアルミニウムやステンレスなどの金属箔で構成し(ただし、間隔板2には複数の仕切板1等が積層されるので、間隔板2は流路を保持のための強度部材としての機能も要求され、相応の強度を保持できる厚みを有する金属板となる)、間隔板2の熱伝導率kk を向上させてフィン効率φの向上を図っている。
因に、図30は間隔板2の熱伝導率kk と、フィン効率φ及び有効伝熱面積At との関係を示す特性図であり、図30は熱伝導率kk が向上すると、フィン効率φが向上するとともに、間隔板2の有効伝熱面積At が向上することを示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱交換素子は以上のように構成されているので、間隔板2の熱伝導率kk を向上させるべくフィン効率φの向上を図っているが、間隔板2の強度を上げる必要から間隔板2を構成する金属箔が厚くなる結果、気流の換気量に対して間隔板2の熱伝導率kk が必要以上に高くなってしまうと、間隔板2の温度が全体として一様になってしまい、そのため、各気流の入口温度と出口温度の温度差が減少し、温度交換効率eが却って低下してしまうという問題点があった。
【0009】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させ、温度交換効率が高い熱交換素子を得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係る熱交換素子は、間隔板を所定の熱通過率を有する単一材料又は複合材料で構成することにより、気流の換気量に応じて間隔板の熱通過率を設定するようにしたものである。
【0011】
請求項2の発明に係る熱交換素子は、間隔板に金属繊維を混入して複合材料を構成したものである。
【0012】
請求項3の発明に係る熱交換素子は、波状の部材の表面に伝熱特性を有する膜を被覆して間隔板を構成したものである。
【0013】
請求項4の発明に係る熱交換素子は、複数の波状の部材を伝熱特性を有する膜を挟み込むように積層して間隔板を構成したものである。
【0014】
請求項5の発明に係る熱交換素子は、膜を金属材料で構成し、その膜の厚みを所定値に設定したものである。
【0015】
請求項6の発明に係る熱交換素子は、間隔板にスリットを施したものである。
【0016】
請求項7の発明に係る熱交換素子は、膜にスリットを施したものである。
【0017】
請求項8の発明に係る熱交換素子は、スリットを破線状に施したものである。
【0018】
請求項9の発明に係る熱交換素子は、間隔板又は膜に複数の破線状のスリットを互いに平行になるように施すとともに、各スリットの分断部が隣接するスリットの分断部と互い違いになるように施したものである。
【0019】
請求項10の発明に係る熱交換素子は、間隔板又は膜に複数のスリットを施すとともに、他のスリットと互いに交差するスリットを施したものである。
【0020】
請求項11の発明に係る熱交換素子は、各仕切板間に流動する気流の温度勾配が最大となる方向と垂直な方向に沿ってスリットを施したものである。
【0021】
請求項12の発明に係る熱交換素子は、各仕切板間に流動する気流の方向と垂直方向に間隔板を複数に分断するとともに、その分断された各帯状体の間隔板の波形が隣接する帯状体の間隔板の波形と一致しないように各帯状体の間隔板を配置したものである。
【0022】
請求項13の発明に係る熱交換素子は、間隔板の表面に保護膜を被覆したものである。
【0023】
【作用】
請求項1の発明における熱交換素子は、間隔板を所定の熱通過率を有する単一材料又は複合材料で構成して、気流の換気量に応じて間隔板の熱通過率を設定したことにより、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができるようになる。
【0024】
請求項2の発明における熱交換素子は、間隔板に金属繊維を混入して複合材料を構成したことにより、金属繊維の含有量によって適宜熱通過率を調整できるようになる。
【0025】
請求項3の発明における熱交換素子は、波状の部材の表面に伝熱特性を有する膜を被覆して間隔板を構成したことにより、膜の厚さによって適宜熱通過率を調整できるようになる。
【0026】
請求項4の発明における熱交換素子は、複数の波状の部材を伝熱特性を有する膜を挟み込むように積層して間隔板を構成したことにより、直接、膜を仕切板と接着する必要がなくなり、このため、仕切板との接着が容易な材料を用いて間隔板を製造でき、従って、仕切板と間隔板の接触熱抵抗を最小限に抑えられるようになる。
【0027】
請求項5の発明における熱交換素子は、膜を金属材料で構成し、その膜の厚みを所定値に設定したことにより、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができるようになる。
【0028】
請求項6の発明における熱交換素子は、間隔板にスリットを施したことにより、スリットが施された部分での熱移動がなくなる結果、間隔板の温度均一化が抑制される。
【0029】
請求項7の発明における熱交換素子は、膜にスリットを施したことにより、スリットが施された部分での熱移動がなくなる結果、間隔板の温度均一化が抑制される。
【0030】
請求項8の発明における熱交換素子は、スリットを破線状に施したことにより、間隔板の温度均一化を抑制しつつ、間隔板の強度を保持できるようになる。
【0031】
請求項9の発明における熱交換素子は、間隔板又は膜に複数の破線状のスリットを互いに平行になるように施すとともに、各スリットの分断部が隣接するスリットの分断部と互い違いになるように施したことにより、間隔板における熱伝導距離が増大して熱伝導断面積が小さくなり、そのため、熱伝導による熱移動量が減少し、間隔板の温度均一化が抑制される。
【0032】
請求項10の発明における熱交換素子は、間隔板又は膜に複数のスリットを施すとともに、他のスリットと互いに交差するスリットを施したことにより、熱遮断効果が複数の方向に対して有効となり、間隔板の温度均一化が抑制される。
【0033】
請求項11の発明における熱交換素子は、各仕切板間に流動する気流の温度勾配が最大となる方向と垂直な方向に沿ってスリットを施したことにより、間隔板における熱移動を効率的に遮断できるようになり、間隔板の温度均一化が抑制される。
【0034】
請求項12の発明における熱交換素子は、各仕切板間に流動する気流の方向と垂直方向に間隔板を複数に分断するとともに、その分断された各帯状体の間隔板の波形が隣接する帯状体の間隔板の波形と一致しないように各帯状体の間隔板を配置したことにより、間隔板の温度均一化を抑制できると同時に、間隔板と各気流間の対流熱伝達率を向上させることができるようになる。
【0035】
請求項13の発明における熱交換素子は、間隔板の表面に保護膜を被覆したことにより、気流中の水分や酸化窒素などによる間隔板表面の腐食を防止できるようになる。
【0036】
【実施例】
実施例1.
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
図1はこの発明の実施例1による熱交換素子の一部を示す断面図であり、図において、従来のものと同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
4は各仕切板1間に気流が流動する風路3a,3bを形成するとともに、各仕切板1間に流動する気流の方向が相互に隣接する仕切板1間に流動する気流の方向と相互に交差するように、各仕切板1間にそれぞれ積層された波状の間隔板であり、当該間隔板4は気流の換気量に応じて熱通過率pk が設定されている。
ここで、熱通過率とは、部材の一端から他端に熱が伝導される割合をいい、具体的には下記のように示される。
pk =(kk ×Bk )/lk ・・・(4)
ただし、kk :間隔板4の熱伝導率
Bk :間隔板4を流動する気流の流れ方向と垂直な方向の
間隔板4の断面積
lk :間隔板4を流動する気流の流れ方向と平行な方向の
間隔板4の熱伝導長さ
【0037】
次に動作について説明する。
まず、間隔板4の熱伝導率kk が向上すると、上述したように、間隔板4のフィン効率φが向上するとともに、間隔板4の有効伝熱面積At が向上して、熱交換素子の温度交換効率eが向上する。
しかしながら、気流の換気量(1次気流Aの流量と2次気流Bの流量のうち、少ない方の流量が気流の換気量に相当する)に対して間隔板4の熱伝導率kk (熱通過率pk )が必要以上に高くなってしまうと、間隔板4の温度が全体として一様になってしまい、即ち、間隔板4の温度が部位を問わず均一化されてしまい、そのため、各気流の入口温度と出口温度の温度差が減少し、温度交換効率eが却って低下してしまう不具合が生じる。
【0038】
因に、図2は間隔板4の無次元熱通過率(熱通過率pk を気流の換気量,気体の比熱及び密度で除算した値)と、無次元熱通過率が10-5のときの温度交換効率で規格化された温度交換効率e* の関係を示すグラフ図であり、無次元熱通過率が0.001以上になると温度交換効率eが急激に減少していくのを示している。
【0039】
従って、所定値以上の温度交換効率eを有する熱交換素子を得るためには、やみくもに間隔板4の熱通過率pk を高くするのではなく、適宜、気流の換気量に応じて間隔板4の熱通過率pk を設定する必要がある。
そこで、この実施例では、熱交換素子が処理する気流の換気量は予め知り得るので、下記に示すように、その気流に換気量に基づいて、所定値以上の温度交換効率eを確保するのに必要な間隔板4の熱通過率pk を計算する。
【0040】
まず、間隔板4の熱通過率pk を計算するに際し、空気,間隔板4(1次気流A,2次気流B)及び仕切板1のそれぞれについて下記の微分方程式を設定する。1次気流に沿う方向にx軸をとり、2次気流に沿う方向にy軸をとる。
【0041】
(1)空気
・1次気流Aについての微分方程式
・2次気流Bについての微分方程式
ただし、Cp :比熱
W1 :x軸に垂直な単位断面積を通過する1次気流Aの流量
W2 :y軸に垂直な単位断面積を通過する2次気流Bの流量
Ta1:1次気流Aの温度
Ta2:2次気流Bの温度
Ts :仕切板1の温度
Tk1:1次気流A側の間隔板4の温度
Tk2:2次気流B側の間隔板4の温度
Ms :単位体積あたりの仕切板1の伝熱面積
Mk :単位体積あたりの間隔板4の伝熱面積
H :対流熱伝達率
φ :フィン効率
【0042】
(2)間隔板4
・1次気流A(1次側)についての微分方程式
・2次気流B(2次側)についての微分方程式
ただし、kk :間隔板4の熱伝導率
Dkx1 :x軸に垂直な単位面積内に含まれる1次側間隔板の
熱伝導断面積
Dkx2 :x軸に垂直な単位面積内に含まれる2次側間隔板の
熱伝導断面積
Dky1 :y軸に垂直な単位面積内に含まれる1次側間隔板の
熱伝導断面積
Dky2 :y軸に垂直な単位面積内に含まれる2次側間隔板の
熱伝導断面積
Mks :単位体積内に存在する間隔板4−仕切板1接触面積
Hks :間隔板4−仕切板1接触部の接触熱伝達率
【0043】
(3)仕切板1についての微分方程式
ただし、ks :仕切板1の熱伝導率
Ds :x軸に垂直な単位面積内に含まれる仕切板の熱伝導断面積
【0044】
このようにして、5つの微分方程式(5)〜(9)を設定すると、図3に示すように、ロスナイエレメントを微小なボリュームに分割する。
そして、上記5つの微分方程式(5)〜(9)を差分化して代数方程式を求め、各ボリュームについて代数方程式を連立させることにより、各ボリュームの温度Ta1,Ta2,Ts ,Tk1,Tk2(ボリューム内では温度が一様であるとする)を求め、全体の温度分布を解析する。
【0045】
因に、ボリューム(m,n)に着目すると、上記5つの微分方程式(5)〜(9)から、それぞれ下記の代数方程式を得ることができる。
(1)空気
・1次気流Aについての代数方程式
・2次気流Bについての代数方程式
ただし、S:ボリューム(m,n)のx軸に垂直な断面の断面積
【0046】
(2)間隔板4
・1次気流A(1次側)についての代数方程式
・2次気流B(2次側)についての代数方程式
【0047】
(3)仕切板1についての代数方程式
【0048】
このようにして、各ボリュームの温度Ta1,Ta2,Ts ,Tk1,Tk2が求まると、1次気流Aの入口温度T1,2次気流Bの入口温度t1及び出口温度t2が知り得るので、上述した式(1)より熱交換素子の温度交換効率eを求めることができる。
従って、式(1)より求める温度交換効率eが所定値以上になるように、各気流の流量W1 ,W2 (換気量)及び間隔板4の熱伝導率kk (熱通過率pk )を適宜設定して式(10)〜(13)に代入し、温度交換効率eが所定値以上になるまで、上記計算を繰り返し行う。
【0049】
そして、最後に、上記計算により温度交換効率eを所定値以上にできる間隔板4の熱通過率pk が得られると、その熱通過率pk を有する金属材料(例えば、アルミニウム,ステンレス合金)で間隔板4を構成し、熱交換素子を製造する。
【0050】
以上より、この実施例1によれば、気流の換気量に応じて間隔板の熱通過率pk を設定するので、間隔板4の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板4の熱伝導を向上させることができるようになる結果、温度交換効率eが高い熱交換素子が得られる効果がある。
【0051】
因に、図4は気流の換気量を400m3 /h,温度交換効率を76%とした場合において、間隔板4の熱通過率を変更することによって熱交換素子の体積を小型化できる割合(間隔板4を和紙等の材質で構成した場合を基準とする)を示すグラフ図であり、例えば、熱交換素子の体積を70%以下にするためには、間隔板4の熱通過率を0.03〜3.0(W/K)の範囲に設定すれば足りる旨を示している。
【0052】
実施例2.
上記実施例1では、間隔板4を金属材料(単一材料)で構成したものについて示したが、間隔板4を複合材料で構成してもよく、上記実施例1と同様の効果を奏することができる。
なお、間隔板4を複合材料で構成する場合、耐腐食性、積層時の形状保持と流路形成のための強度を材料自身に付与することが可能であるため、信頼性が向上するとともに、保護膜付加などの製造工程を省くことができる。
また、複合材料を適宜選択によって容易に熱通過率を調整することもできる。
【0053】
因に、複合材料の具体例としては、図5に示すように、金属混抄紙で構成された間隔板6に金属繊維7をすき込むことによって間隔板を構成してもよい。
この場合、金属繊維7の含有量を適宜調整することによって、間隔板の熱通過率pk を調整することができ、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができる。
なお、金属繊維7の代わりに金属粉をすき込んでも同様の効果が得られる。
【0054】
実施例3.
上記実施例1では、を金属材料(単一材料)で構成したものについて示したが、図6に示すように、和紙等の材質で構成された間隔板8の表面に伝熱特性を有するアルミニウムなどの金属膜9を被覆して間隔板を構成してもよく、上記実施例1と同様の効果を奏することができる。
この場合、金属膜9の厚みを適宜調整することによって、間隔板の熱通過率pk を調整することができ、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができる。
【0055】
因に、間隔板8の強度を考慮して、間隔板8の厚みを100〜150μm程度にし、76%の温度交換効率eを確保するためには、金属膜9をアルミニウムで構成した場合、金属膜9の厚みとしては10μm程度とするのが適当である。
なお、上記実施例3では、間隔板8を和紙等の材質で構成したものについて示したが、紙以外の材質、例えば、塩化ビニール等の樹脂やプラスチックなどの材質を用いて構成してもよいことは言うまでもない。
【0056】
ここで、間隔板8の表面にアルミニウムなどの金属膜9を被覆する方法を数通り簡単に説明する。
まず、第1の方法としては、図7に示すような装置を用いることによって金属膜9を被覆することができる。
即ち、ローラ12を回転させることによって、アルミニウム箔11の表面に接着剤13(例えば、スチレンとアクリル酸エステルの共重合樹脂を主成分とするエマルジョンタイプの接着剤)を塗布し、接着剤13の塗布量を塗布量調整器14で調整する。
そして、接着剤13が塗布されたアルミニウム箔11を、ローラ16によって加工紙15に圧着し、アルミニウム箔11が圧着された加工紙を間隔板17とするものである。
なお、第1の方法では、アルミニウム箔11に接着剤13を塗布したが、非水溶性接着剤を用いる場合には、水分を吸収して伸長するようなことはないので、加工紙15に接着剤を塗布するようにしてもよい。
【0057】
次に、第2の方法としては、図8に示すような装置を用いることによって金属膜9を被覆することができる。
即ち、ローラ12を回転させることによって、加工紙15を液状の熱伝導特性がある塗布液18の内に浸し、加工紙15の表面に塗布液18を膜状に付着させる。
そして、塗布液18の付着量を付着量調整器19が調整し、塗布液18が付着された加工紙を間隔板17とするものである。
【0058】
次に、第3の方法としては、図9に示すような装置を用いることによって金属膜9を被覆することができる。
即ち、図示せぬローラによって加工紙15を移動させつつ、スプレー20が塗布液18を加工紙15の表面の噴霧することによって、加工紙15の表面に塗布液18を膜状に塗布するものである。
【0059】
次に、第4の方法としては、図10に示すような装置を用いることによって金属膜9を被覆することができる。
即ち、ローラを回転させることによって、加工紙15を熱伝導特性がある溶液(例えば、鍍金液)を満たした鍍金槽21の内に所定時間浸すことによって、加工紙15の表面に金属膜を形成させるものである。
因に、溶液の濃度や浸す時間を調整することによって金属膜の厚みを調整することができる。
【0060】
最後に、第5の方法としては、図11に示すような装置を用いることによって金属膜9を被覆することができる。
即ち、加工紙15を圧力の低い真空チャンバー22に挿入し、図示せぬローラによって加工紙15を移動させつつ、炉23によって膜材料を加熱することにより膜材料を蒸発させる。
そして、その蒸発させた膜材料を加工紙15に凝縮させることにより、加工紙15の表面に金属膜を形成するものである。
【0061】
実施例4.
上記実施例3では、間隔板8の片面に金属膜9を被覆したものについて示したが、図12に示すように、間隔板8の両面に金属膜9を被覆するようにしてもよく同様の効果を奏する。
なお、間隔板8の両面に金属膜9を被覆した場合、金属膜9が仕切板1と接触する面積が金属膜9を片面に被覆する場合に比べて増加するので、熱通過率pk が大きくなる。
【0062】
実施例5.
上記実施例4では、間隔板8の両面に金属膜9を一様に被覆するものについて示したが、図13に示すように、間隔板8の表面に金属膜9を断片的に被覆するようにしてもよく同様の効果を奏する。
なお、間隔板8の表面に金属膜9を断片的に被覆するようにした場合、移動熱量を増加させたい部分に限り金属膜9を被覆すればよく、最小のコストで熱輸送能力の向上を図ることができる。
【0063】
実施例6.
上記実施例3,4では間隔板8の表面に金属膜9を被覆するものについて示したが、図14に示すように、2つの間隔板8の間に金属膜9を挟み込むようにして間隔板を構成してもよく同様の効果を奏する。
上記実施例3の場合、仕切板1と間隔板8の接触部分は、紙とアルミニウムの接着になるので、酢酸ビニル系接着剤を用いると不良が生じて接触熱抵抗の増大を招き、間隔板8のフイン効率φを十分に向上させることができない場合があるが、この実施例6では、仕切板1と間隔板8の接触部分は、紙と紙(同質材料)の接着になるので、接着が容易になり、接着不良による接触熱抵抗の増大を防止することができる。従って、間隔板8のフイン効率φを十分に向上させることができる。
なお、この場合の紙の厚みの適正値は、紙の厚みの合計値である(100〜150μm程度)。
【0064】
実施例7.
上記実施例1〜5では、間隔板を金属材料で構成し、あるいは、間隔板の表面に金属膜9を被覆するものについて示したが、図15及び図16に示すように、さらに間隔板の表面にアルミナ膜等の保護膜10を被覆してもよい。
これにより、アルミニウムの腐食による性能劣化を防止することができ、信頼性の高い熱交換素子を得ることができる。
なお、この実施例7では、アルミナ膜で被覆するものについて示したが、防食性を有するニトロセルロース等の樹脂やポリエチレン膜を被覆してもよく同様の効果を奏する。
【0065】
実施例8.
図17はこの発明の実施例8による熱交換素子の一部を示す斜視図であり、図において、31は間隔板4に施されたスリットである。
次に動作について説明する。
上記実施例1では、間隔板4を金属材料で構成し、間隔板4の温度が全体として一様にならない範囲で、従来のものより間隔板4の熱伝導率kk を向上させるものについて説明したが、この実施例8は、図17に示すように、間隔板4の波状形状の尾根線に沿った方向(間隔板4が形成する風路を流動する気流の方向)にスリット31を施すことにより、その気流の方向と垂直方向(図17参照)に伝導する熱を遮断するようにしたものである。
従って、この実施例8によれば、上記実施例1よりも金属材料の厚みを厚くして間隔板4の熱伝導率kk を高くしても、間隔板4の温度均一化現象の発生を防止できるため、さらに温度交換効率eを向上させることができる。
なお、この実施例8では、尾根線に沿った方向にスリット31を施したものについて示したが、尾根線に対して角度を持った方向にスリット31を施してもよく同様の効果を奏する。
また、この実施例8では、スリット31を直線状に施したものについて示したが、曲線または折れ線状にスリット31を施してもよく同様の効果を奏する。
【0066】
実施例9.
上記実施例8では、気流の方向と垂直方向に伝導する熱を完全に遮断するため、間隔板4をスリット31によって分離するものについて示したが、間隔板4の強度を向上させるため、図18に示すように、スリット31によって間隔板4を分離せずに間隔板4の厚みを局所的に薄くして、局所的に熱通過率pk を小さくするようにしてもよい。
これにより、上記気流の方向と垂直方向に伝導する熱を完全には遮断することができなくなるが、局所的な熱通過率pk の低下に伴う伝導する熱量の低減によって間隔板4の温度均一化現象を抑えつつ、間隔板4の強度を向上させることができる。
【0067】
実施例10.
上記実施例8では、気流の方向と垂直方向に伝導する熱を完全に遮断するため、間隔板4をスリット31によって分離するものについて示したが、間隔板4の強度を向上させるため、図19に示すように、スリット31を破線状に施すことにより間隔板4を分離させずに、局所的に熱通過率pk を小さくするようにしてもよい。
これにより、上記気流の方向と垂直方向に伝導する熱を完全には遮断することができなくなるが、局所的な熱通過率pk の低下に伴う伝導する熱量の低減によって間隔板4の温度均一化現象を抑えつつ、間隔板4の強度を向上させることができる。
【0068】
実施例11.
上記実施例10では、間隔板4の各山に1本の破線状のスリット31を施したものについて示したが、図20に示すように、各山に複数の破線状のスリット31を互いに平行になるように施すとともに、各スリット31の分断部31aが隣接するスリット31の分断部31aと互い違いになるように施してもよい。
これにより、伝熱経路が直線状でなくなるため(図20の矢印を参照)、実質的に熱伝導距離が増大する結果、局所的に熱通過率pk が小さくなり、上記実施例10よりも更に確実に間隔板4の温度均一化現象を抑えることができる。
【0069】
実施例12.
上記実施例8〜11では、間隔板4の尾根線に沿った方向にスリット31を施したものについて示したが、図21に示すように、尾根線に沿った方向に複数のスリット31を施すとともに、他のスリット31と互いに交差するスリット32を施すようにしてもよい。
これにより、気流の方向と垂直方向の熱遮断に限らず、複数の方向に対して熱遮断されるようになり、上記実施例8〜11よりも更に確実に間隔板4の温度均一化現象を抑えることができる。
【0070】
実施例13.
上記実施例8〜11では、間隔板4の尾根線に沿った方向にスリット31を施したものについて示したが、図22に示すように、気流の温度勾配が最大になる方向と垂直な方向に沿ってスリット31を施すようにしてもよい。
具体的に説明すると、1次気流Aと2次気流Bの流量が等しい場合、間隔板4の温度は、図23に示すように、1次気流Aの方向と2次気流Bの方向とのなす角の二等分線33と平行な方向において概等しくなるので、その二等分線33と垂直な方向34が気流の温度勾配が最大になる。
そして、熱伝導は、当然、気流の温度勾配が最大となる方向34(二等分線33と垂直な方向)に最も効率よく伝導するので、気流の温度勾配が最大となる方向34と垂直な方向にスリット31を施せば、最も効率よく間隔板4の温度均一化現象を抑えることができる。
そこで、この実施例13では、図22に示すように、気流の温度勾配が最大となる方向34に沿ってスリット31を施すようにしたものである。
【0071】
実施例14.
上記実施例13では、1次気流Aと2次気流Bの流量が等しい場合について示したが、1次気流Aと2次気流Bの流量が等しくない場合には、下記の要領でスリット31を施せばよい。
即ち、1次気流Aの流量をWA ,2次気流Bの流量をWB とすると、図24(b)に示すように、1次気流Aの流量WA に反比例した大きさ(1/WA )を有するとともに、1次気流Aの流れ方向と同一の方向を有するベクトル35と、2次気流Bの流量WB に反比例した大きさ(1/WB )を有するとともに、2次気流Bの流れ方向と逆の方向を有するベクトル36との和の方向37において、間隔板4における気流の温度勾配が最大になる。
従って、1次気流Aと2次気流Bの流量が等しくない場合には、気流の温度勾配が最大となる方向37と垂直な方向38に沿ってスリット31を施せばよく(図24(a)参照)、上記実施例13と同様の効果を奏する。
【0072】
実施例15.
上記実施例8〜14では、間隔板4にスリット31を施すものについて示したが、間隔板8に被覆した金属膜9にスリット31を施してもよく、上記実施例8〜14と同様の効果を奏する。
金属膜9にスリット31を施した一例を図25,図26に示す。
【0073】
実施例16.
図27はこの発明の実施例16による熱交換素子の一部を示す斜視図であり、図において、41は各仕切板1間に流動する気流の方向と垂直方向に間隔板4を分断して形成された帯状体の間隔板であり、各帯状体の間隔板41の波形が、隣接する他の帯状体の間隔板41の波形と一致しないように、各帯状体の間隔板41が配置されている。
【0074】
この実施例16によれば、間隔板が気流の方向と垂直方向に分断されているので、気流の方向に添った方向についても熱の伝導を防止することができ、上記実施例よりも更に確実に間隔板の温度均一化現象を抑えることができる。
また、間隔板の表面に形成される空気の温度境界層は、各帯状体の間隔板41の風上側の先端部で非常に薄くなるので、間隔板表面の対流熱伝達率が向上し、熱輸送能力が増大する効果も得ることができる。
【0075】
なお、各帯状体の間隔板41の配置方法としては、図27に示すように、複数個おきに尾根線が一致するように配置するのが望ましい。
因に、熱交換素子の風路の水力等価直径をDe 、各帯状体の間隔板41の気流の方向に沿った長さをLe 、帯状体の間隔板41の尾根線がn個おきに一致するとすれば、熱伝達率の促進効果が得られるnの値と、熱伝達向上率H/H0 の関係は図36に示す通りとなる。
【0076】
実施例17.
上記実施例1〜16では、仕切板1を和紙などの材質で構成し、間隔板の熱通過率を気流の換気量に応じて設定するものについて示したが、仕切板1についても間隔板と同様に、気流の換気量に応じて熱通過率を設定すれば、仕切板1の温度が全体として一様にならない範囲で仕切板1の熱伝導を向上させることができるようになり、上記実施例1〜16より更に温度交換効率eを向上させることができる。
【0077】
【発明の効果】
以上のように、請求項1の発明によれば、間隔板を所定の熱通過率を有する単一材料又は複合材料で構成することにより、気流の換気量に応じて間隔板の熱通過率を設定するように構成したので、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができるようになり、温度交換効率を向上させることができる効果がある。
【0078】
請求項2の発明によれば、間隔板に金属繊維を混入して複合材料を構成したので、金属繊維の含有量によって熱通過率を容易に調整できる効果がある。
【0079】
請求項3の発明によれば、波状の部材の表面に伝熱特性を有する膜を被覆して間隔板を構成したので、膜の厚さによって熱通過率を容易に調整できる効果がある。
【0080】
請求項4の発明によれば、複数の波状の部材を伝熱特性を有する膜を挟み込むように積層して間隔板を構成したので、直接、膜を仕切板と接着する必要がなくなる結果、仕切板との接着が容易な材料を用いて間隔板を製造できるようになり、従って、仕切板と間隔板の接触熱抵抗を最小限に抑えられるため、フィン効率の高い間隔板を製造できる効果がある。
【0081】
請求項5の発明によれば、膜を金属材料で構成し、その膜の厚みを所定値に設定するように構成したので、間隔板の温度が全体として一様にならない範囲で間隔板の熱伝導を向上させることができるようになり、その結果、温度交換効率が向上する効果がある。
【0082】
請求項6の発明によれば、間隔板にスリットを施すように構成したので、スリットが施された部分での熱移動がなくなる結果、間隔板の温度均一化が抑制され、高い温度交換効率が得られる効果がある。
【0083】
請求項7の発明によれば、膜にスリットを施すように構成したので、スリットが施された部分での熱移動がなくなる結果、間隔板の温度均一化が抑制され、高い温度交換効率が得られる効果がある。
【0084】
請求項8の発明によれば、スリットを破線状に施すように構成したので、間隔板の温度均一化を抑制しつつ、間隔板の強度を保持できる効果がある。
【0085】
請求項9の発明によれば、間隔板又は膜に複数の破線状のスリットを互いに平行になるように施すとともに、各スリットの分断部が隣接するスリットの分断部と互い違いになるように施した構成にしたので、間隔板における熱伝導距離が増大して熱伝導断面積が小さくなる結果、熱伝導による熱移動量が減少して、間隔板の温度均一化が抑制され、高い温度交換効率が得られる効果がある。
【0086】
請求項10の発明によれば、間隔板又は膜に複数のスリットを施すとともに、他のスリットと互いに交差するスリットを施すように構成したので、熱遮断効果が複数の方向に対して有効となり、確実に間隔板の温度均一化が抑制される効果がある。
【0087】
請求項11の発明によれば、各仕切板間に流動する気流の温度勾配が最大となる方向と垂直な方向に沿ってスリットを施すように構成したので、間隔板における熱移動を効率的に遮断できるようになり、確実に間隔板の温度均一化が抑制される効果がある。
【0088】
請求項12の発明によれば、各仕切板間に流動する気流の方向と垂直方向に間隔板を複数に分断するとともに、その分断された各帯状体の間隔板の波形が隣接する帯状体の間隔板の波形と一致しないように各帯状体の間隔板を配置するように構成したので、間隔板の温度均一化を抑制できると同時に、間隔板と各気流間の対流熱伝達率を向上させることができる効果がある。
【0089】
請求項13の発明によれば、間隔板の表面に保護膜を被覆するように構成したので、気流中の水分や酸化窒素などによる間隔板表面の腐食を防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図2】間隔板の無次元熱通過率と温度交換効率の関係を示すグラフ図である。
【図3】ロスナイエレメントを微小なボリュームに分割した状態を示す平面図である。
【図4】間隔板の熱通過率を変更することによって熱交換素子の体積を小型化できる割合を示すグラフ図である。
【図5】この発明の実施例2による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図6】この発明の実施例3による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図7】間隔板の表面に金属膜を被覆する膜被覆装置を示す構成図である。
【図8】間隔板の表面に金属膜を被覆する膜被覆装置を示す構成図である。
【図9】間隔板の表面に金属膜を被覆する膜被覆装置を示す構成図である。
【図10】間隔板の表面に金属膜を被覆する膜被覆装置を示す構成図である。
【図11】間隔板の表面に金属膜を被覆する膜被覆装置を示す構成図である。
【図12】この発明の実施例4による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図13】この発明の実施例5による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図14】この発明の実施例6による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図15】この発明の実施例7による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図16】この発明の実施例7による熱交換素子の一部を示す断面図である。
【図17】この発明の実施例8による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図18】この発明の実施例9による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図19】この発明の実施例10による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図20】この発明の実施例11による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図21】この発明の実施例12による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図22】この発明の実施例13による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図23】各気流と温度勾配の関係を示す温度分布図である。
【図24】各気流と温度勾配の関係を示す温度分布図である。
【図25】この発明の実施例15による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図26】この発明の実施例15による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図27】この発明の実施例16による熱交換素子の一部を示す斜視図である。
【図28】熱伝達率の促進効果が得られるnの値と、熱伝達向上率H/H0 の関係を示すグラフ図である。
【図29】従来の熱交換素子を示す斜視図である。
【図30】間隔板の熱伝導率とフィン効率の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
1 仕切板、3a,3b 風路、4,8 間隔板、7 金属繊維、9 アルミニウム(膜)、10 アルミナ膜(保護膜)、31,32 スリット、31a 分断部、34 温度勾配が最大となる方向、41 帯状体の間隔板。
Claims (13)
- 伝熱特性を有する複数の平板状の仕切板と、上記複数の仕切板間に気流が流動する風路を形成するとともに、上記複数の仕切板間に流動する気流の方向が相互に隣接する仕切板間に流動する気流の方向と相互に交差するように、上記複数の仕切板間にそれぞれ積層された複数の波状の間隔板とを備えた熱交換素子において、上記間隔板を所定の熱通過率を有する単一材料又は複合材料で構成することにより、上記気流の換気量に応じて上記間隔板の熱通過率を設定したことを特徴とする熱交換素子。
- 上記間隔板に金属繊維を混入して複合材料を構成したことを特徴とする請求項1記載の熱交換素子。
- 波状の部材の表面に伝熱特性を有する膜を被覆して上記間隔板を構成したことを特徴とする請求項1記載の熱交換素子。
- 複数の波状の部材を伝熱特性を有する膜を挟み込むように積層して上記間隔板を構成したことを特徴とする請求項1記載の熱交換素子。
- 上記膜を金属材料で構成し、その膜の厚みを所定値に設定したことを特徴とする請求項3または請求項4記載の熱交換素子。
- 上記間隔板にスリットを施したことを特徴とする請求項1記載の熱交換素子。
- 上記膜にスリットを施したことを特徴とする請求項3または請求項4記載の熱交換素子。
- 上記スリットを破線状に施したことを特徴とする請求項6または請求項7記載の熱交換素子。
- 上記間隔板又は膜に複数の破線状のスリットを互いに平行になるように施すとともに、各スリットの分断部が隣接するスリットの分断部と互い違いになるように施したことを特徴とする請求項6または請求項7記載の熱交換素子。
- 上記間隔板又は膜に複数のスリットを施すとともに、他のスリットと互いに交差するスリットを施したことを特徴とする請求項6または請求項7記載の熱交換素子。
- 上記複数の仕切板間に流動する気流の温度勾配が最大となる方向と垂直な方向に沿って上記スリットを施したことを特徴とする請求項6または請求項7記載の熱交換素子。
- 上記複数の仕切板間に流動する気流の方向と垂直方向に上記間隔板を複数に分断するとともに、その分断された各帯状体の間隔板の波形が隣接する帯状体の間隔板の波形と一致しないように各帯状体の間隔板を配置したことを特徴とする請求項1から請求項11のうち何れか1項記載の熱交換素子。
- 上記間隔板の表面に保護膜を被覆したことを特徴とする請求項1から請求項12のうち何れか1項記載の熱交換素子。
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