TWI421460B - Heat exchange element - Google Patents

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TWI421460B
TWI421460B TW098119195A TW98119195A TWI421460B TW I421460 B TWI421460 B TW I421460B TW 098119195 A TW098119195 A TW 098119195A TW 98119195 A TW98119195 A TW 98119195A TW I421460 B TWI421460 B TW I421460B
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Masaru Takada
Hajime Sotokawa
Hidemoto Arai
Takanori Imai
Akira Doi
Kunihiko Kaga
Masaru Shinozaki
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements

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Description

熱交換元件
本發明是關於一種熱交換元件，其在積層板材之間交叉形成的第一流道及第二流道上，分別使空氣等之第一流體及第二流體流過，在兩流體之間進行全熱交換。
在此種熱交換元件中，過去如專利文獻1所揭示，一般設有間隔保持元件，以保持隔開兩個流體之隔間元件與此隔間元件之間的間隔。在此種類型之熱交換元件中，以隔間元件為媒介，在兩個流體之間進行熱交換。一般來說，熱交換元件以流體之熱交換為目的，所以，宜有較多熱交換量。
熱交換元件有直交流型和逆流型2種。直交流型於理論上之單位體積之熱交換量比逆流型少，但不需要逆流型在結構中所必須具備的集箱(用來分割進行全熱交換之兩流體並將其導入熱交換元件流道的部分)，所以，具備組合至裝置中之實際體積小而且元件本身之加工也很容易等優點。
為了增加此種直交流型熱交換元件之熱交換量，過去如專利文獻2所揭示，有藉由將間隔保持元件形成波紋鰭板而具備鰭板功能以增加熱交換量的例子。不過，此例子為了提高性能，流道內之鰭板之面積如專利文獻2所揭示，藉由變化鰭板之折疊來增加，但這樣會因為鰭板本身之體積而使流道變窄，於是導致流體通過時之壓力損失增大。因此，此種鰭板所產生的熱交換量之改善有限。
相對於此，用來增加熱交換量之其他方法如專利文獻3至5所揭示，提出一種發明，其中，藉由設置突起等來取代鰭板來改變流動情況，以改善隔間元件表面之熱傳導率而增加熱交換量。
再者，如專利文獻6至8所揭示，提出一種發明，其中，藉由流道形狀之變更來增加每單位體積之傳熱面積，以增加熱交換量。
專利文獻1：特開平4-24492號公報
專利文獻2：實開平1-178471號公報
專利文獻3：實開平3-21670號公報
專利文獻4：特許第3805665號公報
專利文獻5：特開2008-232592號公報
專利文獻6：實昭開58-165476號公報
專利文獻7：特許第3546574號公報
專利文獻8：實開平5-52567號公報
然而，有關隔間元件表面之熱傳導率之改善，特別是在換氣用熱交換元件中，多為管路相對於流體之流量為小直徑且管路內之雷諾數比其他熱交換器小(大約100~1000)的層流狀態，又，在此區域內，使流體之流動本身變化來引起熱傳導率改善的效果很小。所以，鰭板、突起等特別是在低雷諾數之區域中，與其說是能改善熱傳導率，不如說導致壓力損失增加的問題更大。壓力損失之增加在增大將流體傳送至熱交換元件之動力裝置之消耗能量的理由下，宜不存在。
所以，宜有另一種方法來增加每單位面積之傳熱面積。不過，在這個增加傳熱面積的方法中，過去的發明也有以下的問題。第8圖為概略剖面圖，表示死水域在流道中發生的狀態。過去，在為了增加傳熱面積而形成的流道的凹凸形狀中，有時會在凹部區域發生死水域(流體不沿著隔間元件表面流動而產生滯留)D0，雖然在表面上好像增加了傳熱面積，實際上有時反而傳熱面積減少。
另一方面，近年來在組合熱交換元件的機械設計中，為了配合各種技術課題，要求對於熱交換元件之外徑尺寸不予以限制而能自由決定。相對於此，在專利文獻4及5中有一種將材料壓鑄成同一形狀再將對其進行積層的方法，在此方法中，當需要變更熱交換元件之外形尺寸時，需要再次製作壓鑄模，所以較難配合。
再者，在上述專利文獻6至8所揭示之企圖增加每單位面積之傳熱面積的範例中，兩個流體通過之流道形狀完全不同，所以，等流量流過時之壓力損失也跟著大大不同。在此情況下，若針對換氣用熱交換器之熱交換元件等之類的溫度不同之同種流體的熱交換來設計出的元件，多為兩個流體以近乎等流量流過的情況，於是，當進行組合元件之機械設計時，兩流道之流體用動力裝置之規格也可能必須分開設計，事情變得更加繁瑣。所以，宜盡量使進行熱交換之兩個流體之流道有相同之壓力損失，再者，宜具有相同形狀或近似形狀。
本發明為鑑於上述情況所創作之發明，目的在得到一種熱交換元件，其可在不使用會阻礙流動之鰭板、突起等也不產生死水域的情況下，增加每單位面積之傳熱面積，而且熱交換流體流過之兩方向之流道為產生相同壓力損失之相同形狀。再者，本發明之目的在得到一種可輕易進行外形尺寸之變更的熱交換元件。
為解決上述課題並達成目的，本發明之熱交換元件在積層板材之間交叉形成的第一流道及第二流道上，分別使第一流體及第二流體流過，在兩流體之間進行全熱交換，其特徵在於：上述第一流道為矩形剖面之波形流道，其形成方式為，形狀為朝向流體前進方向且在積層方向產生振幅之波形的第一波形板材與波形以與此第一波形板材約略相同之週期產生振幅的第二波形板材相隔既定之間隔並重疊，再藉由間隔保持元件密閉流體之前進方向兩側部位，上述第二流道為約略三角形剖面之直行流道，其形成方式為，在第一波形板材與第二波形板材中任一者之波形面上密合並重疊平板狀板材，再使其位於兩板材之間。
根據本發明之熱交換元件，所使用之板材之近乎所有面之兩面使不同之流體通過，又，流道形狀也為難以產生死水域之形狀，所以，約略全為有效之傳熱面積，於是能增加每單位體積之傳熱面積，進而增加元件之熱交換量。又，當熱交換量和過去一樣好時，反而有可能縮小元件之體積，進而有助於節省資源。
以下根據圖面詳細說明本發明之熱交換元件之實施型態。此外，本實施型態不能限定本發明。
第1實施型態.
第1圖為本發明第1實施型態之熱交換元件的立體圖。為了明確地說明，使用圖中所記載之座標軸輔助性地說明方向，但此點並不能限定本發明。本實施型態之熱交換元件101之構成方式為，形成流道之複數個單位結構元件20每旋轉90度就積層一次，如此積層複數層。1個單位結構元件20由形狀為2片波形之波形板材(第一波形板材11及第二波形板材12)與1片平板狀板材13所構成。如此，由3片板材所構成之單位結構元件20積層複數層，再使1片平板狀板材13增加至積層方向端部，於是完成熱交換元件101。
首先，就第1圖中最上端之單位結構元件20來進行說明。第一波形板材11及第二波形板材12形成呈約略正方形且以相同週期振動之振幅的波形，從其中一邊朝向相向之一邊(朝向Y軸方向)沿著其厚度方向(積層方向：Z軸方向)凹折成剖面為鋸齒形之狀態而形成約略波形。以此種方式形成之第一波形板材11及第二波形板材12沿著積層方向(Z軸方向)間隔既定之距離(流道高度)而配置。第一波形板材11及第二波形板材12之大小加工成投影至平面之形狀與平板狀板材13一致的大小。
在第一波形板材11及第二波形板材12之間，流道之寬度方向兩端部(X軸方向兩端部)為了保持兩者之間的距離且為了密閉兩者之間的兩端部，夾持有沿著波形以鋸齒狀凹折之間隔保持元件14。間隔保持元件14為了不使流過之流體(在本例中為空氣)洩漏，以氣密狀態固著於第一波形板材11及第二波形板材12上。如此，第一波形板材11及第二波形板材12藉由間隔保持元件14橫跨流道方向之全長以密閉作為流道之兩側部的部分，藉此，內部形成矩形剖面之波形流道(第一流道)31。
於第一波形板材11及第二波形板材12之積層方向之上下重疊平板狀板材13(上側之1片平板狀板材13作為上述增加的那1片)。波形板材11,12之波形之頂點(稜線)與平板狀板材13以氣密狀態固著，以不使流過之流體洩漏。藉此，在第一波形板材11、第二波形板材12及平板狀板材13之間形成約略三角形剖面之直行流道(第二流道)32。
如上所述，在單位結構元件20上，形成剖面為矩形、對著流體之前進方向且沿著積層方向具有振幅的波形流道31及與此波形流道31垂直、剖面為約略三角形且不迂迴曲折而從入口直接到出口的直行流道32。另外，以此種方式構成之單位結構元件20在波之方向相互交叉之狀態下，每旋轉90度就積層一次，如此積層複數層。在第1圖之範例中，沿著積層方向(Z軸方向)積層3個單位結構元件20。
第2圖為用來說明流經各段單位結構元件20之流道之流體方向的立體圖。在第2圖中，為了避免麻煩而省略符號之記述，但其實是和第1圖相同之結構。從第2圖之右側沿著X軸方向流動的第一流體A如圖中一點鏈線箭頭所示，從下方流過第1及第3段之直行流道32和第2段之波形流道31。另一方面，從第2圖之左側沿著Y軸方向流動的第二流體B從下方流過第1及第3段之波形流道31和第2段之直行流道32。換言之，進行熱交換的第一流體A與第二流體B同時通過波形流道31及直行流道32這兩種不同之流道。另外，第一流體A與第二流體B將第一波形板材11、第二波形板材12及平板狀板材13作為具有透溼性之媒介來進行熱交換。如此，進行熱交換之流體所流過之兩個方向之流道皆由波形流道31及直行流道32這兩種流道形成且為相同形狀，所以，兩個方向產生幾乎相同之壓力損失。
第9圖為立體圖，表示習知之熱交換元件之一例，以作為比較。第9圖之熱交換元件201為交互積層平板狀之隔間元件213與剖面整形為波紋鰭板之間隔保持元件(波紋鰭板)211而構成。積層方法為，使1片隔間元件213和1片間隔保持元件211如第9圖所示，使波形凸部接觸，製作出以重疊接合方式來固定之單位結構元件220，使此單位結構元件220呈隔間元件213和間隔保持元件211交替之狀態，並使間隔保持元件211之波形開口部之開口方向以約90度之角度交互積層(在第9圖之範例中，積層了6個單位結構元件220)。另外，從第9圖右側沿著X軸方向流動之第一流體A與從第9圖左側沿著Y軸方向流動之第二流體B如圖中一點鏈線箭頭所示，形成每隔一層便相互交叉之熱交換元件201。如此，當使兩種流體通過時，可將隔間元件213作為媒介，在兩流體之間進行熱交換。
本實施型態之第一波形板材11及第二波形板材12為熱交換時之媒介，相當於第9圖之習知例之隔間元件213。
本實施型態之熱交換元件之最大特徵為，元件內之間隔保持元件以外之幾乎所有之壁面並非如鰭板般之間接傳熱面，而是流過在其兩面為不同之受熱交換流體的直接傳熱面，所以，不會浪費材料，可加大元件之每單位體積之傳熱面積。由於藉由將鰭板本身所儲存的熱給予直接傳熱面來傳熱，所以，有助於熱交換之面積不是鰭板表面積的100%，而是使用視鰭板形狀、周圍狀況等而定的鰭板效率，僅藉由鰭板表面積x鰭板效率和所給予的量產生影響。不過，與兩面不同之受熱交換流體接觸的直接傳熱面之表面積100%有助於熱交換。於是，可以說盡量增大直接傳熱面會比較不浪費材料。
若要不浪費材料，不僅僅是可以提供較便宜的元件，為了不浪費而使提供相同性能之平板量減少，因此使每單位體積之空間體積(流體可流過之體積)更大或使與流體接觸之面積亦比使用鰭板時少，對於從流體通過時之壓力損失這一點來看也是有利的。
此外，本實施型態之單位結構元件20形成約略正方形之平板狀，但亦可形成平行四邊形或長方形之平板狀。
<第1實施例>
依照如下之方式，製作出第1圖所示之本實施型態之熱交換元件101。
作為平板狀板材13，在厚度100μm之特殊加工紙(為使空氣不會洩漏，使用樹脂等施以將紙張上之小孔塞住之加工技術)上，作為第二波形板材12，將產生摺痕、加工成波形且厚度同為100μm之特殊加工紙切割成一邊120mm之紙張，並重疊此種紙張，使用滾筒塗層設備將聚醋酸乙烯乳膠接著劑塗佈接合至經過波形加工之紙張之摺痕頂部。
此時，安排夾具等設備，波形之高度設定為1.7mm，從波形之頂部至頂部之長度設定為11.5mm。接著，配合第二波形板材12之波形之表面形狀而從厚度約1.2mm之厚紙切出之間隔保持元件14透過第二波形板材12之端部重疊於其上，藉由刷毛來塗佈相同之聚醋酸乙烯乳膠，配合與第二波形板材12之波形之前進方向平行的兩邊進行接合。
然後，在間隔保持元件14之上側端面塗佈乳膠後，作為第一波形板材11，使與第二波形板材12之厚度一樣為100μm之特殊加工紙配合間隔保持元件之波形並貼附於其上。為了使第一波形板材11和第二波形板材12之積層方向之距離為1.5mm而決定出間隔保持元件14之高度(寬度)。
準備好複數個以此方式製作出來之單位結構元件20，每旋轉90度就積層1片，得到第1圖之熱交換元件101。
<比較例>
另一方面，為了和本實施型態之熱交換元件101作比較，製作出第9圖所示之習知熱交換元件201。此時，間隔保持元件(波紋鰭板)211之波形形狀與上述實施例之第一波形板材11及第二波形板材12之波形形狀相同。亦即，間隔保持元件211之波形之高度設定為1.7mm，從波形之頂部到頂部之長度設定為11.5mm。
<比較>
針對上述第1實施例、比較例分別積層相同層數時之直接傳熱面積之大小進行比較之後，得到下表。在習知例中，直接傳熱面積僅為平板狀之隔間元件213之面積，相對於此，第1實施例之形狀使得平板狀板材及波形板材之面積為直接傳熱面積，所以，本實施型態之熱交換元件101可使相同體積之直接傳熱面積變得非常大。
製作本實施型態之熱交換元件101時需要注意的是，即使從表面上看起來為直接傳熱面積較大之結構，也有可能隨著流道內之流體之流動方向而使實際之傳熱面積減少而無法得到之前所期待之效果。此點尤其在矩形剖面之波形流道中特別顯著，例如，當加高波形流道之流道高度時，若加得太高，如第3圖所示，會有流體僅流入上面之波形與下面之波形之間所產生之直線流道的現象發生。在此種情況下，實際上會變成壁面與欲進行熱交換之流體(幾乎都流入直線流道)之間所產生之循環流動之死水域D1產生隔熱作用的狀況，所以，無法達到作為傳熱面積之效果。若為了防止此點而使波形流道間之距離比波形板材之波形高度短，上面之波形板材之頂部與下面之波形板材之頂部相互嵌合，於是不會產生直線流道，結果可抑制死水域之發生而得到想要的效果。
又，在波形流道之彎曲部分，隨著流量及波形形狀等而使流體偏離原路，形成死水域。第4圖為波形板材之頂部較為尖銳之矩形剖面所形成之波形流道剖面，第5圖為波形板材頂部具有曲率時之矩形剖面所形成之波形流道剖面，此為兩流道中流過相同流量時之流體(在此情況下為空氣)流動的模擬情況。在第4圖所示之情況下，產生流體頂部之下游側壁面偏離原路而形成之流體循環區域(亦即死水域D2)。於是，與此死水域D2接觸之壁面表面上為直接傳熱面，但實際上幾乎無助於傳熱。如此，當死水域D2發生時，產生熱交換量之下降及壓力損失之上升等不想要之效果。
針對此點之改善方法如第5圖所示，使波形流道之彎曲部分亦即包含波形板材之頂部的凹折部之形狀如第1實施型態所示，不形成平面凹折之形狀而形成具有適當曲率之彎曲面。
又，波形板材之形狀只要是波形，任何形狀皆無所謂，不過，以正弦波或三角波之形狀為宜。也可為矩形波，但當採用矩形波時，平板狀板材與波形板材之間的接觸面積變大，有可能導致性能下降，又，經過波形流道之流體以與矩形波之起始部相撞之形狀流過，所以，也有壓力損失上升之虞。
又，當對波形之頂部賦予曲率時，可提供一種壓力損失較低之熱交換元件。藉由減少壓力損失，可減少對欲組合之機器之流體動力裝置之輸入，也有助於機器之節能化。第2實施型態.
第6圖為本發明第2實施型態之熱交換元件的立體圖。在本實施型態之熱交換元件102中，第一波形板材11及第二波形板材12之波形之頂部附近之凹折部之形狀如第5圖所示，為當流體通過時不會形成死水域之既定曲率之圓滑彎曲形狀。又，在本實施型態之熱交換元件102中，在第一波形板材11與第二波形板材12之間，將波形流道31沿著流道寬度方向分割為複數個，並且，設置使兩板材11,12相互支持的複數個隔壁24。其他方面之結構則和第1實施型態相同。
在本實施型態中，由於設置複數個隔壁24，第一波形板材11和第二波形板材12藉由狹窄間隔相互支持，所以，增加了兩板材11,12的保持點，也使製作過程中之單位結構元件20及整個熱交換元件102之結構強度變大，於是得以提高元件之加工性及使用性。同時，也有助於防止進行熱交換之兩個流體之間的洩漏。
再者，生產時之優點包括，藉由複數個隔壁24隔開，所以可在事先設計外形尺寸較大之元件時切割出任意大小之相似形，藉此，可得到任意外形尺寸之熱交換元件。因此，可在不變更模具等之情況下進行外形尺寸之變更。此點有助於生產效率之大大提高及產品設計自由度之提高。第3實施型態.
第7圖為本發明第3實施型態之熱交換元件的立體圖。在本實施型態之熱交換元件103中，有設置於波形流道31內且將該波形流道31沿著流道寬度方向分割成複數個的隔壁，隔壁之流道寬度方向厚度每隔既定片數而變大。換言之，厚度較小之隔壁24b與厚度較大之隔壁24a根據既定順序來設置。在本實施型態中，厚度較小之隔壁24b與厚度較大之隔壁24a交互設置。其他方面之結構則和第2實施型態相同。
在第2實施型態之範例中，藉由以任意尺寸來切割，可得任意外形尺寸之元件，然而，所得到之元件之端部視隔壁之位置與切割位置之間的關係而定，有可能導致很多浪費的部分。在此種情況下，為了防止流體進入元件之端部之部分而洩漏至其他流體之流道，必須組合可封閉寬度比過去寬之部分的結構物，不過，其寬度尺寸必須決定元件之切割位置，所以結構物之設計與準備變得困難。因此，對切割位置賦予限制，不過，若切割隔壁之較厚部分之中心，切割後之元件可成為其端部沒有浪費部分之相似形元件。
【產業上可利性】
如上所述，本發明之熱交換元件適用於進行不同溫度之兩流體之間之熱交換的板材積層型直交流熱交換元件，尤其適用於用來組合至換氣裝置、空調機內並進行空氣對空氣之熱交換的直交流熱交換元件。
11．．．第一波形板材
12．．．第二波形板材
13．．．平板狀板材
14．．．間隔保持元件
20．．．單位結構元件
24,24a,24b．．．隔壁
31．．．波形流道(第一流道)
32．．．直行流道(第二流道)
101,102,103．．．熱交換元件
201．．．熱交換元件
211．．．間隔保持元件
213．．．隔間元件
220．．．單位結構元件
A．．．第一流體
B．．．第二流體
D0,D1,D2．．．死水域
第1圖為本發明第1實施型態之熱交換元件的立體圖。
第2圖為用來說明流經各段單位結構元件之流道之流體方向的立體圖。
第3圖為模式圖，表示波形流道之流道高度過高會導致死水域變多的範例。
第4圖為模式圖，表示波形板材之頂部被凹摺會導致死水域變多的範例。
第5圖為模式圖，表示波形板材之頂部以適當曲率彎曲會導致死水域消失的範例。
第6圖為本發明第2實施型態之熱交換元件的立體圖。
第7圖為本發明第3實施型態之熱交換元件的立體圖。
第8圖為流動不沿著波形壁面時的流動模式圖。
第9圖為用來比較之習知熱交換元件的立體圖。
11．．．第一波形板材
12．．．第二波形板材
13．．．平板狀板材
14．．．間隔保持板材
20．．．單位結構元件
31．．．波形流道(第一流道)
32．．．直行流道(第二流道)
101．．．熱交換元件

Claims (4)

  1. 一種熱交換元件，其在積層板材之間交叉形成的第一流道及第二流道上，分別使第一流體及第二流體流過，在兩流體之間進行熱交換，其特徵在於：上述第一流道為矩形剖面之波形流道，其形成方式為，形狀為朝向流體前進方向且在積層方向產生振幅之波形的第一波形板材與波形以與此第一波形板材約略相同之週期產生振幅的第二波形板材相隔既定之間隔並重疊，再藉由間隔保持元件密閉流體之前進方向兩側部位，上述第二流道為約略三角形剖面之直行流道，其形成方式為，在上述第一波形板材與上述第二波形板材中任一者之波形面上密合並重疊平板狀板材，再使其位於兩板材之間；其中，由一組上述第一波形板材、上述第二波形板材及上述平板狀板材所構成之單位結構元件一邊旋轉90度，一邊積層，形成複數積層；其中，上述第一波形板材及上述第二波形板材各自之波形之高低差大於上述第一波形板材及上述第二波形板材之間之積層方向距離。
  2. 如申請專利範圍第1項之熱交換元件，其中，上述第一波形板材及上述第二波形板材之波形之頂點折返部之形狀為具有上述第一流體及第二流體通過時不會形成死水域之曲率的彎曲形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項之熱交換元件，其中，在上述 第一波形板材及上述第二波形板材之間，將上述矩形剖面之波形流道沿著流道寬度方向分割成複數個，並且，在上述第一波形板材及上述第二波形板材之間，設置至少一個用來相互支持的隔壁。
  4. 如申請專利範圍第3項之熱交換元件，其中，上述隔壁設置複數個，既定位置之上述隔壁之流道寬度方向厚度比其他位置之上述隔壁大。
TW098119195A 2009-04-28 2009-06-09 Heat exchange element TWI421460B (zh)

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