JP3939648B2 - 熱／湿度交換のための装置 - Google Patents

Description

【０００４】
【発明の属する技術分野】
【０００５】
本発明は、熱／湿度交換のための装置に関するもので、交換器を通して流れる空気流の圧力損失に対する熱及び湿度の伝達率の比率をそれぞれ最適化するためのものである。この目的を視野に入れて、交換器は、ダクトを横切って伸びている乱流発生部分を備え、該乱流発生部分は、後側面、上面及び前側面を有している。
【従来の技術】
【０００６】
前記の如きタイプの空気対空気の熱／湿度交換器は、通常、平板と波形の帯とを交互にして作られ、一緒にすると三角形又は台形のダクトを形成する。比較的小さい断面のダクトを有するとともに、これらの情況下では頻繁な気流率を有する前記の如きタイプの熱／湿度交換器においては、空気はダクトの方向に比較的整然とした層をなして流れる。したがって、流れは本質的に層流である。ダクト入口から近い距離に沿ってのみ、一定の流れがダクト壁に対し横方向に発生する。このような情況においては、１００〜６００の範囲にあるいわゆるレイノルズ数が、空気流の特性として用いられる。レイノルズ数が約２０００より小さい限り、流れは層流である。
【０００７】
この技術分野に熟練した人には良く知られていることであるが、ダクト壁に最も近い層流の気流においては、境界層が形成され、この境界層での気流速度は本質的にゼロである。前記境界層は、熱と湿度の伝達の係数をかなり低減せしめる。特に、いわゆる完全に発展した流れの場合に、しかりである。熱と湿度の伝達の係数を増加させるためには、境界層が縮小し、一つの層から他の層への熱と湿度の伝達がより大きくなるような方法で、空気がダクトの表面に向かう方向に流れるようにせしめなければならない。これはいわゆる乱流において起こりうる。滑らかで平面なダクトでは、層流は、レイノルズ数が約２０００を超えた時に、乱流に変化する。もし、熱／湿度交換器のダクト内のレイノルズ数をここで論じられている程度より高くすることが望まれるならば、気流速度が、この情況で通常必要な気流速度よりも本質的に高速であることを要する。したがって、上述の交換器に適用される低いレイノルズ数に関連して、乱流は、例えば、ダクト内に特別の乱流発生部分を設けること等によって、人工的に発生させられなければならない。
【０００８】
かかる乱流発生部分は、多くの異なった形式において知られている。ＳＥ−Ｂ−４４４０７１により、横置きの波形の形式の乱流発生部分を有している熱伝達のためのローラーが知られている。これらの波形は、特に、中心管に巻かれた帯が入れ子式に嵌まり込まないように止めておく役割を果たすものであるが、しかし、同時に、上述のように完全に滑らかなダクトを持つ交換器に関して、熱と湿度の伝達特性の一定の改善をもたらす乱流発生効果も合わせ持っている。
【０００９】
したがって、このタイプの乱流発生部分は、熱と湿度の伝達をかなりの程度増加せしめる。しかし、圧力損失は激しく増加する。圧力損失の増加は、熱と湿度の伝達の増加より大きいように見えた。しかしながら、空気対空気の交換器では、圧力損失が小さいことが肝要である。なぜなら、圧力損失が、交換器を通して気流を動かすために配置されるファンの寸法や出力の決定を左右するからである。更に、この圧力損失は、乱流発生部分の設計、寸法、幾何図形的外形次第であることが判明している。
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、熱／湿度交換器を提供することにあり、交換器のダクト内において、乱流発生部分が、熱と湿度の伝達率に対する気流の圧力損失の最適な比率が得られるような配置や設計となっている、熱／湿度交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上述の目的は、ダクトの構造が下記の条件を満たす、熱／湿度交換器により達成される。
【００１２】
すなわち、ダクトの入口と、該ダクトの入口に最も近い乱流発生部分の中心と、の間の距離は、その距離の、水力学的直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｓｋａ ｄｉａｍｅｔｅｒ／ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ）とレイノルズ数との積に対する比率が、０．０１〜０．０４の範囲となるように決められること、ダクトの底を通る垂直面に対する乱流発生部分の後側面の傾斜を示す角度θが、３０度〜６０度の範囲にあること、ダクトの水力学的直径に対するダクトの底から乱流発生部分の上面までの高さｅの比率が、０．３０〜１．１の範囲にあること、前記高さｅに対するダクト内の乱流発生部分同士の間の距離の比率が、８〜３０の範囲にあること、前記高さｅに対する前記各乱流発生部分の上面の長さの比率が、１．０〜４．０の範囲にあること、水力学的直径に対する各乱流発生部分の端部のアール（ｒａｄｉｕｓ）の比率が、０．０１〜０．２の範囲にあること、そして、前記乱流発生部分の上方にダクト上方への突出部分が形成され、前記高さｅが、ダクト上面からの前記突出部分の高さｆより高いこと、である。さらに、好ましい実施の形態として、前記突出部分が、前記乱流発生部分によってダクトの下面に画成された凹所に適合するように設計されている態様を例示する。
熱と湿度の伝達率に対する圧力損失の比率を最適化するために、乱流をもたらす横向きの波、すなわち、いわゆる乱流発生部分が、一方では、ダクトの開口部から正しい距離に設置されなければならないし、他方では、相互間の間隔を適正にして配置されなければなければならない。更に、それらは適正に設計されていなければならず、ダクト内で垂直方向及び水平方向に伸びる一定の伸長部を有していなければならない。
【００１３】
熱／湿度交換器のダクトの入口では、境界層が非常に薄いので、熱と湿度の伝達の係数は高い。その後、流れの主方向に向かって境界層の厚さが増し、熱と湿度の伝達の係数は低減する。熱と湿度の伝達を増大させるために、ダクト壁内の乱流発生部分は、入口にあまりに近い位置には配置すべきでない。この領域では、熱と湿度の伝達は元々高いからである。したがって、乱流発生部分は、本質的には圧力損失を増加させるだけであり、それは望ましいことではない。よって、ダクト入口に最も近い一番目の乱流発生部分は、ダクト入口で自然に起こる乱流が消え去るような距離に配置することが最適である。
【００１４】
空気が一番目の乱流発生部分に到達すると、注文通り（意図した通り）乱流が発生し、空気はダクト壁に向かって流れるようにせしめられる。こうして、熱／湿度の伝達率が目立って増大する。前記乱流が乱流発生部分を離れるにつれて、乱流は次第に低減する。前記乱流が消え去るところで、次の乱流発生部分を設置するのが最適である。
【００１５】
広範な試験と研究により、乱流発生部分の幾何図形的外形と、そのダクト内の配設位置と、の定義を見い出すことができ、それにより、圧力損失に対する熱と湿度の伝達率の最適比率が出た。
【００１６】
ここでは、水力学的直径という表現が用いられている。これは、ダクトの断面の周囲に対するダクトの断面積の比率を示す表現である。空気流は、いわゆるレイノルズ数とシュミット数（Ｓｃｈｍｉｄｔ’ｓ ｎｕｍｂｅｒ）とによって特徴づけられる。
【発明の実施の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明による乱流発生部分を有する熱／湿度交換器のダクトの斜視図、図２は、図１のダクトの概略側面図、図３は、図１及び図２のダクトの図２におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【００１８】
図１及び図２には、本発明による熱／湿度交換器の入口１とダクト２の一部が示されている。図面では、入口１に最も近い所に位置している一番目の乱流発生部分３と二番目の乱流発生部分４のみが示されている。ダクト２は、高さｈを有している。ダクトの入口の開口部と、一番目の乱流発生部分３の中心と、の間の距離Ａは、水力学的直径とレイノルズ数との積に対する前記距離Ａの比率が、０．０１〜０．０４の範囲内となるように決定される。ここで、水力学的直径とは、ダクトの断面の周囲（の長さ）に対するダクトの断面積の比率を示す表現であり、レイノルズ数は空気流に依存する。
【００１９】
上記の説明から、前記距離Ａはレイノルズ数に依存し、従って、気流の速度に依存することもまた明らかである。よって、一番目の乱流発生部分の最適な位置は、現在（使用時）の運転条件に依存する。
【００２０】
図２から特に明らかなように、乱流発生部分３，４は、特有の幾何図形的外形を持つ。それらは、傾斜した後側面５と、平坦な上面６と、傾斜した前側面７とで、形成されている。
【００２１】
本発明によれば、以下の条件が更に適用される。すなわち、ダクト２の底８に対する乱流発生部分３，４の後側面５の傾斜を示す角度θが、３０度〜６０度の範囲にあること、及び、ダクト２の水力学的直径Ｄｈに対するダクト２の底８から乱流発生部分３，４の上面までの高さｅの比率が、０．３０〜１．１の範囲にあることである。さらに、前記高さｅに対する前記一番目及び二番目の乱流発生部分３，４の中心間の距離Ｐの比率が、８〜３０の範囲にあること、及び、前記高さｅに対する前記各乱流発生部分の上面６の長さＢの比率が、１．０〜４．０の範囲にあることである。
【００２２】
本発明に従い、断面三角形及び／又は断面六角形のダクト２内に、特別の幾何図形的外形を有し且つ相互間に計算された間隔を有し且つダクト入口１から計算された距離を有する乱流発生部分３，４を用いる（設ける）ことにより、熱及び湿度の伝達率のかなりの上昇が達成されるが、圧力損失の増加は著しくはない。空気流が乱流発生部分３に近づくと、（流路の）断面の縮小により気流の流速が局部的に上昇する。図３は、それを図解するのを意図したものである。その後、空気が乱流発生部分３を通過しその上面６から前側面７へと移る過程で鋭い端部を離れる時、その分離とかなり末広がりの流路断面を原因として、強力な乱流の動きが起こる。この過程は、熱及び湿度の伝達を増大せしめるようになる時に、多大な効果を生ずる。
【００２３】
二番目の乱流発生部分４は、一番目の乱流発生部分３で発生した乱流ができるだけ完全に使い果たされ、その後、二番目の乱流発生部分４を空気が通過する前に、図１に符号Ｏで示したいわゆる再接触区域（ｒｅ−ｅｎｇａｇｉｎｇ ａｒｅａ）が形成されるように、一番目の乱流発生部分３から計算された距離Ｐだけ離れた位置に配置されている。これにより、前に生じた乱流の空気の流れにおける熱および湿度の伝達率を有意義に上昇させることなく、不必要な更なる減圧が防止される。前記再接触区域Ｏでは、空気は、かなりの程度、次の乱流発生部分に到達するまで再度平坦な表面と接触する。
【００２４】
乱流発生部分３，４の端部は、分離点（軽減点）を作り出すに足るだけ鋭いことが重要である。前記端部のアール（ｒａｄｉｕｓ）ｒ（図２参照）は、比率ｒ／Ｄｈが０．０１〜０．２の範囲にあるように設定されるべきである。
【００２５】
熱伝達率を維持しながら圧力損失を更に減少せしめるため、図２に示すように、ダクトの底８からの乱流発生部分の高さｅを、これに対応するダクトの上面からの高さｆより高くすることができる。この構成により、前記突出した空間での不必要な乱流を排除することができる。都合の良いことに、前記突出した部分は、これに対応するダクトの下部の壁の部分５，６，７で画成された凹所にうまく適合するように設計されている。それは、ダクトを積み重ねて配置するときに安定した結合を得ること、及び、例えば、ダクトが入れ子式に嵌まり込むのを回避すること、を目的としたものである。
【００２６】
乱流発生部分３，４を本発明に従って設計することにより、乱流発生部分はまた、平坦な（凸凹のない）ダクト内においても乱流が形成されるような高速気流についても有効とされる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】 本発明による乱流発生部分を有する熱／湿度交換器のダクトの斜視図である。
【図２】 図１のダクトの概略側面図である。
【図３】 図１及び図２のダクトの図２におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図である。

Claims (2)

1. 熱／湿度交換のための装置であって、交換器を通して流れる空気流の圧力損失に対する熱及び湿度の伝達率の比率をそれぞれ最適化するための装置であり、この目的を視野に入れて、交換器にはダクトがあり、このダクトを横切って伸びている乱流発生部分（３，４）が備わっていて、該乱流発生部分（３，４）は、後側面（５）と、上面（６）と、前側面（７）と、を備え、さらに、前記ダクトは、前記目的を達成するために、以下の条件、すなわち、
   【０００２】
   ダクトの入口（１）と、該ダクトの入口（１）に最も近い乱流発生部分（３）の中心と、の間の距離（Ａ）は、その距離の、水力学的直径（Ｄｈ）とレイノルズ数との積に対する比率が、０．０１〜０．０４の範囲となるように決められること、
   ダクトの底（８）を通る垂直面に対する乱流発生部分（３，４）の後面（５）の傾斜を示す角度（θ）が、３０度〜６０度の範囲にあること、
   ダクトの水力学的直径に対するダクトの底（８）から乱流発生部分の上面（６）までの高さ（ｅ）の比率が、０．３〜１．１の範囲にあること、
   前記高さ（ｅ）に対する前記入口から見てダクト内の一番目と二番目の乱流発生部分（３，４）の中心間の距離（Ｐ）の比率が、８〜３０の範囲にあること、
   前記高さ（ｅ）に対する前記各乱流発生部分（３，４）の上面（６）の長さ（Ｂ）の比率が、１．０〜４．０の範囲にあること、
   水力学的直径（Ｄｈ）に対する各乱流発生部分（３，４）の端部のアール（ｒ）の比率が、０．０１〜０．２の範囲にあること、そして、
   前記乱流発生部分（３，４）の上方にダクト上方への突出部分が形成され、前記高さ（ｅ）が、ダクト上面からの前記突出部分の高さ（ｆ）より高いこと、
   を満たしている、熱／湿度交換のための装置。
2. 前記突出部分が、前記後側面（５）と前記上面（６）と前記前側面（７）とでダクトの下面に画成された凹所に適合するように設計されている、請求項１に記載の熱／湿度交換のための装置。
   【０００３】

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