CN102414533A - 热交换元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热交换元件(101)，其具有第一流路和与其直行的第二流路。第一流路是矩形截面的波状流路(31)，其隔开规定的间隔重叠第一波状板材(11)和第二波状板材(12)，并且流体的行进方向两侧部利用间隔保持部件(14)进行密闭，所述第一波状板材(11)以朝向流体的行进方向在层叠方向振动的方式形成为波状；所述第二波状板材(12)形成为与该第一波状板材(11)大致相同的波状；第二流路是以使平板状板材(13)紧贴重叠于第一波状板材(11)与第二波状板材(12)中的任一方的波形状的方式形成于两板材之间的大致三角形截面的直行流路(32)。

Description

热交换元件

技术领域

本发明涉及热交换元件，该热交换元件使例如空气等的第一流体和第二流体分别在以交叉的方式形成在层叠的板材之间的第一流路和第二流路中流通，在两股流体之间进行热交换。

背景技术

在这样的热交换元件中，以往例如如专利文献1所公开的那样，一般设置有隔开两股流体之间的隔离部件和保持该隔离部件之间的间隔的间隔保持部件。在这样的类型的热交换元件中，将隔离部件作为介质在两股流体之间进行热交换。一般情况下，出于流体的热交换的目的，希望热交换元件的热交换量多。

热交换元件有正交流动型和相对流动型两种类型。正交流动型，与相对流动型相比理论上的每单位体积的热交换量少，但是由于不需要在相对流动型中在结构上必须的集管(分割进行热交换的两股流体而向热交换元件流路引导的部分)，因此具有装入装置的实际体积小，并且元件自身的加工也容易等的优点。

作为增加这样的正交流动型的热交换元件的热交换量的努力，以往，例如如专利文献2的以往例所公开的那样有如下的例子，即，通过将间隔保持部件形成为波纹翅片状而具有翅片的作用，从而增加热交换量。但是，为了提高性能，虽然例如如专利文献2那样可以改变翅片的折回而增加处于流路内的翅片的面积，但是在这种情况下，由于因翅片自身的体积而导致流路变狭，因此流体通过时的压力损失变大。因此，这样的基于翅片的热交换料的改善有限。

相对于此，作为用于增加热交换量的其它方法，如专利文献3～5那样提出有如下的方案，即，通过替换翅片而设置突起等以改变流动，能够实现改善隔离部件表面的热传导率、增加热交换量。

另外，如专利文献6～8所公开的那样提出有如下的方案，即，通过改变流路形状而增加每单位体积的传热面积，以此实现热交换量的增加。

专利文献1：日本特开平4-24492号公报

专利文献2：日本实开平1-178471号公报

专利文献3：日本实开平3-21670号公报

专利文献4：日本专利第3805665号公报

专利文献5：日本特开2008-232592号公报

专利文献6：日本实开昭58-165476号公报

专利文献7：日本专利第3546574号公报

专利文献8：日本实开平5-52567号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，关于隔离部件表面的热传导率的改善，特别是在换气用热交换元件中管路直径相对于流体的流量较小、形成为管路内的雷诺数比其它的热交换器低(大体100～1000左右)的层流状态的情况多，并且，在该区域中，通过改变流体的流动自身而改善热传导率的效果小。因此，翅片或突起特别是在低雷诺数的区域中，与传热量的改善相比压力损失增加的问题变大。由于压力损失的增加使得用于向热交换元件输送流体的动力装置的消耗能量增大，所以不理想。

因此，其它的方法、即使每单位体积的传热面积增加的方法是理想的。但是，在该使传热面积增加的方法中，以往的方式存在如下的问题。图8是表示在流路中产生死水区域的状态的概略截面图。以往，在实现传热面积的增加而形成的流路的凹凸形状中，有时在凹部区域中产生死水区域(流动不沿着隔离部件表面而导致流动停滞)D0，有时即使表面上看起来使传热面积增加了，但实际上传热面积是相反地减少了。

另一方面，近年来，在装入热交换元件的设备设计中，为了应对各种各样的技术课题，要求不限制热交换元件的外径尺寸而能够自由地决定。与此相对，如专利文献4、5所公开的装置那样，在将材料冲压加工成同一形状并将该材料层叠的方式中，在需要改变热交换元件的外形尺寸时，需要再次制作冲压模具，因此难以应对。

另外，在如上述专利文献6～8所公开的那样实现了每单位体积的传热面积的增加的例子中，由于两股流体所通过的流路形状完全不同，因此等流量流动的情况下的压力损失大不相同。在这种情况下，对于换气用热交换器的热交换元件等那样的、进行温度不同的同种流体的热交换的元件，由于大致等流量地流动两股流体的情况较多，因此，在装入元件的设备设计时，例如有时必须分开设定两流路的流体用动力装置的规格等，繁杂性增加。因此，进行热交换的两股流体的流路最好尽量使压力损失相同，另外最好为相同的形状或者相近的形状。

本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的是获得一种热交换元件，该热交换元件不使用成为流动的阻碍要因的翅片或突起等，能够不产生死水区域地使每单位体积的传热面积增加，并且热交换流体所流动的两个方向的流路为相同压力损失的同形状。另外，除此之外，其目的还在于获得一种能够容易进行外形尺寸的变更的热交换元件。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题、实现本发明的目的，本发明的热交换元件，分别使第一流体和第二流体在以交叉的方式形成于层叠的板材之间的第一流路和第二流路中流通，在两流体之间进行热交换，其特征在于，第一流路是截面为矩形的波状流路，其隔开规定的间隔重叠第一波状板材和第二波状板材，并且流体的行进方向两侧部利用间隔保持部件进行密闭，第一波状板材以朝向流体的行进方向在层叠方向振动的方式形成为波状；第二波状板材以与该第一波状板材大致相同的周期振动；第二流路是以使平板状板材紧贴重叠于第一波状板材与第二波状板材中的任一方的波形状的方式、形成于两板材之间的大致三角形截面的直行流路。

发明的效果

根据本发明的热交换元件，所使用的板材的大致所有面的两面流通着不同的流体，并且流路形状也为难以产生死水区域的形状，因此大致所有的面积为有效的传热面积，其结果，每单位体积的传热面积增加，元件的热交换量增加。并且，在热交换量可与以往相同的情况下，由于能够相反地减小元件的体积，因此能够发挥有助于节省资源的效果。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的热交换元件的立体图。

图2是用于说明向各层的单位构成部件的流路流通的流体的方向的立体图。

图3是表示在波状流路的流路高度过高的情况下、死水区域变多的示例的模式图。

图4是表示在波状板材的顶部折曲的情况下、死水区域变多的示例的模式图。

图5是表示在波状板材的顶部以适度的曲率弯曲的情况下、死水区域消失的示例的模式图。

图6是本发明的实施方式2的热交换元件的立体图。

图7是本发明的实施方式3的热交换元件的立体图。

图8是流动不沿着波状壁面的情况下的流动模式图。

图9是用于比较的以往的热交换元件的立体图。

符号的说明

11第一波状板材

12第二波状板材

13平板状板材

14间隔保持部件

20单位构成部件

24、24a、24b隔离壁

31波状流路(第一流路)

32直行流路(第二流路)

101、102、103热交换元件

A第一流体

B第二流体

D0、D1、D2死水区域

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的热交换元件的实施方式进行详细说明。另外，本实施方式并不限定本发明。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1的热交换元件的立体图。虽然为了使说明明确而使用图中记载的坐标轴辅助地说明方向，但是本发明并不局限于此。本实施方式的热交换元件101，通过以90度为单位旋转形成有流路的多个单位构成部件20并层叠多个而构成。1个单位构成部件20，由形成为波状的两张波状板材(第一波状板材11以及第二波状板材12)和1张平板状板材13构成。通过层叠多个这样由3张板材构成的单位构成部件20并进一步在层叠方向端部追加1张平板状板材13而形成热交换元件101。

首先，着眼于图1中最上层的单位构成部件20进行说明。第一波状板材11以及第二波状板材12，为大致正方形，形成为以相同的周期振动的波形状，从一边朝向相对边(朝向Y轴方向)在其厚度方向(层叠方向：Z轴方向)折弯成锯齿状截面、形成为大致波状。这样形成的第一波状板材11以及第二波状板材12，在层叠方向(Z轴方向)离开规定的距离(流路高度)进行配置。第一波状板材11以及第二波状板材12的大小，被加工成向平面的投影形状与平板状板材13相一致的大小。

在第一波状板材11与第二波状板材12之间，在流路的宽度方向两端部(X轴方向两端部)，出于保持两者之间的距离的目的，并且也是出于密闭两者之间的两端部的目的，夹入有沿着波形状折弯成锯齿状的间隔保持部件14。间隔保持部件14气密地固定于第一波状板材11以及第二波状板材12，以防止流通的流体(在本例的情况下为空气)泄漏。这样，第一波状板材11以及第二波状板材12，通过间隔保持部件14跨越流路方向全长密闭作为流路的两侧部的部分，由此，在内部形成矩形截面的波状流路(第一流路)31。

在第一波状板材11以及第二波状板材12的层叠方向的上下重叠有平板状板材13(上侧的1张平板状板材13为上述追加的1张)。波状板材11、12的波形状的顶点(棱角线)与平板状板材13气密地固定，以防止流通的流体泄漏。由此，在第一波状板材11以及第二波状板材12与平板状板材13之间，形成大致三角形截面的直行流路(第二流路)32。

如以上那样，在单位构成部件20中，形成波状流路31和直行流路32，所述波状流路31的截面为矩形，相对于流体的行进方向，在层叠方向具有振幅；所述直行流路32相对于该波状流路31正交，截面不是以大致三角形蜿蜒而是从入口直行到出口。另外，这样构成的单位构成部件20，以波的方向相互交叉的方式以90度为单位旋转，同时层叠多个。在图1的示例中，在层叠方向(Z轴方向)层叠三个单位构成部件20。

图2是用于说明向各层的单位构成部件20的流路流通的流体的方向的立体图。在图2中，由于图示繁杂，所以省略符号的记载，但是是与图1相同的结构。从图2的右侧在X轴方向流通的第一流体A，如图中单点划线箭头所示，流通从下方开始的第1、3层的直行流路32和第2层的波状流路31。另一方面，从图2的左侧在Y轴方向流通的第二流体B，流通从下方开始的第1、3层的波状流路31和第2层的直行流路32。即，形成为进行热交换的第一流体A和第二流体B的任一方，都同时通过波状流路31以及直行流路32这两种不同种类的流路的结构。另外，第一流体A和第二流体B，以第一波状板材11、第二波状板材12以及平板状板材13为热交换时的介质进行热交换。这样，进行热交换的流体所流动的两个方向的流路，都以波状流路31和直行流路32这两种类型形成，形成为相同的形状，因此，能够在两个方向产生大致相同的压力损失。

图9是表示用于比较的以往的热交换元件的一例的立体图。图9的热交换元件201，通过交替层叠平板状的隔离部件213和截面整形成波纹翅片形状的间隔保持部件(波纹翅片)211而构成。层叠方法为，如图9所示，以波形状的凸部接触的方式重叠1张隔离部件213和1张间隔保持部件211，并通过粘结等固定而制作单位构成部件220，然后以隔离部件213与间隔保持部件211交替的方式，并且以间隔保持部件211的波形状的开口部的开口方向交替地形成为大约90度的方式层叠该单位构成部件220(在图9的例子中，层叠6个单位构成部件220)。然后，形成为如下的热交换元件201，即，从图9的右侧在X轴方向流通的第一流体A，和从图9的左侧在Y轴方向流通的第二流体B，如图中单点划线箭头所示，每隔一层交替地交叉。若这样地使两种类型的流体通过，则能够将隔离部件213作为介质在两股流体之间进行热交换。

本实施方式的第一波状板材11以及第二波状板材12成为热交换时的介质，相当于图9的以往例的隔离部件213。

本实施方式的热交换元件的最大特征是，元件内的间隔保持部件以外的大致所有的壁面不是翅片那样的间接的传热面，而是成为在其两面流动着不同的被热交换流体的直接传热面，由于形成为这样的结构，所以材料不会浪费，能够较大地获得元件的每单位体积的传热面积。翅片通过将积蓄自身的热直接施加给传热面而进行传热，因此，有助于热交换的面积不是翅片的表面积的100％，而是使用根据翅片的形状、周围的状况决定的翅片效率，仅以根据

翅片表面积×翅片效率

获得的量施加影响。但是，在两面与不同的被热交换流体接触的直接传热面，其表面积能够100％有助于热交换。因此，可以说在使直接传热面尽量多的情况下材料没有浪费。

材料没有浪费这一点，不但能够提供更低价的元件，而且由于没有浪费，所以提供相同的性能所需的平板量减少，因此每单位体积的空间体积(流体能够流动的体积)变大，并且，与流体接触的面积也比使用翅片的情况下减少，因此，其结果是，从流体通过时的压力损失的方面来说也是有利的。

另外，本实施方式的单位构成部件20，虽然形成为大致正方形的平板状，但是也可以形成为平行四边形或长方形的平板状。

<实施例1>

以如下方式制作图1所示的本实施方式的热交换元件101。

在作为平板状板材13的厚度为100μm左右的特殊加工纸(为了防止空气泄漏，而实施了利用树脂等封闭纸的孔的加工等)上，作为第二波状板材12，重叠将带有折痕、加工成波状、同样的厚度为100μm左右的特殊加工纸切断成一边为120mm的纸，并在经过波状加工的纸的折痕的顶部使用涂胶辊等涂布水系醋酸乙烯树脂乳胶粘结剂进行粘结。

此时，设计夹具等，将波的高度形成为1.7mm、将从波的顶部到顶部的长度形成为11.5mm。接着，将从厚度约为1.2mm的厚纸按照第二波状板材12的波状的表面形状切下的间隔保持部件14，在第二波状板材12的端部重叠于其上，并利用毛刷涂布相同的水系醋酸乙烯树脂乳胶粘结剂，将间隔保持部件14与第二波状板材12的与波形状的行进方向平行的两个边相对应地进行粘结。

然后，在将粘结剂涂布于间隔保持部件14的上侧端面后，作为第一波状板材11，将与第二波状板材12相同的厚度为100μm左右的特殊加工纸，与间隔保持部件的波状相对应地进行粘贴。以第一波状板材11与第二波状板材12的层叠方向的距离为1.5mm左右的方式确定间隔保持部件14的高度(宽度)。

准备多个这样制作的单位构成部件20，将各个单位构成部件20以90度为单位旋转、同时进行层叠，获得图1的热交换元件101。

<比较例>

另一方面，为了与本实施方式的热交换元件101进行比较，制作图9所示的以往的热交换元件201。此时，使间隔保持部件(波纹翅片)211的波形形状与上述实施例的第一波状板材11以及第二波状板材12的波形形状相同。即，将间隔保持部件211的波的高度设定为1.7mm、将从波的顶部到顶部的长度设定为11.5mm。

<比较>

在将上述实施例1、比较例分别层叠相同的层数时，比较直接传热面积的大小的结果如下表所示。在以往例中，直接传热面积仅为平板状的隔离部件213的面积，而对于实施例1的形状，平板状板材以及波状板材的面积为直接传热面积，因此在本实施方式的热交换元件101的情况下，每相同体积的直接传热面积变得非常大。

[表1]

	直接传热面积(将比较例作为1)
		实施例1	1.37
比较例(波纹翅片)	1.0

作为制作本实施方式的热交换元件101时的注意点，即使是表面上直接传热面积大的结构，实际的传热面积也有可能因流路内的流体的流动方式而减少，有可能不能够获得所期待的效果。这一点特别是在矩形截面的波状流路的形状中比较显著，例如在较高地设定波状流路的流路高度的情况下，若过高，则如图3所示，发生流体仅向在上面的波与下面的波之间产生的直线流路流入的现象。在这样的情况下，由于实际上形成如下的状况，即，在壁面与应该进行热交换的流体(几乎在直线流路中流动)之间产生的循环流动的死水区域D1进行隔热，因此，不能够发挥作为传热面积的效果。为了防止这种情况，若将波状流路之间的距离设定为比波状板材的波的高度小，则由于上面的波状板材的顶部与下面的波状板材的顶部相互勘合，因此不能产生直线流路，其结果能够抑制死水区域的产生，因此比较理想。

另外，即使在波状流路的弯曲部分，流动因流量或波的形状等而剥离，有时形成死水区域。图4表示波状板材的顶部尖的矩形截面的波状流路的截面，图5表示使波状板材顶部具有曲率的情况下的矩形截面的波状流路的截面，进行在两流路中流动相同的流量时的流体(在这种情况下为空气)的流动的模拟。在图4的截面的情况下，产生流动在顶部的下游侧壁面上剥离而形成的流体的循环区域(即，死水区域D2)。因此，虽然与该死水区域D2接触的壁面表面上为直接传热面，但是实际上几乎无助于传热。这样，若产生死水区域D2，则其结果将带来热交换量低下、压力损失上升等的不理想的效果。

作为对此的改善措施，有如下的方法，即，如图5所示，不将波状流路的弯曲部分、即包括波状板材的顶部的折回部的形状如实施方式1那样形成为折弯平面的形状，而是形成为具有适当的曲率的弯曲面。

另外，波状板材的波形，只要为波形什么形状都可以，但是最好为正弦曲线、三角波。虽然也可以为矩形波，但是在为矩形波的情况下，平板状板材与波状板材的接触面积变大、性能有可能降低，另外，通过波状流路内的流体以碰撞矩形波的立起部的形式流动，因此压力损失也有可能上升。

另外，在对波的顶部施加曲率的情况下，能够提供压力损失更低的热交换元件。通过降低压力损失，能够降低装入的设备的流体动力装置的输入，有助于设备的节能。

实施方式2.

图6是本发明的实施方式2的热交换元件的立体图。在本实施方式的热交换元件102中，第一波状板材11以及第二波状板材12的波形状的顶部近傍的折回部的形状，在如图5所示那样流通流体时，成为不形成有死水区域的规定的曲率的平滑弯曲形状。另外，在本实施方式的热交换元件102中，在第一波状板材11与第二波状板材12之间设置有多个隔离壁24，该多个隔离壁24将波状流路31在流路宽度方向分割成多个，并且相互支承两板材11、12。其它的结构与实施方式1相同。

在本实施方式中，通过设置多个隔离壁24，而以狭窄的间隔相互支承第一波状板材11和第二波状板材12，因此两板材11、12的保持点增加，制作过程中的单位构成部件20、热交换元件102整体的结构强度变大，能够实现元件的加工性、处理性的提高。另外，有助于防止在进行热交换的两股流体之间产生的泄漏。

另外，作为生产时的优点，若通过事先利用多个隔离壁24进行隔离，预先作为外形尺寸大的元件进行设计，则通过切断成任意大小的相似形，能够获得任意的外形尺寸的热交换元件。因此，能够不改变金属模等而改变外形尺寸。这很有助于提高生产效率、提高产品设计的自由度。

实施方式3.

图7是本发明的实施方式3的热交换元件的立体图。在本实施方式的热交换元件103中，在设置于波状流路31内、将该波状流路31在流路宽度方向上分割成多个的隔离壁中，隔离壁的流路宽度方向的厚度，每隔规定片数而变大。即，厚度小的隔离壁24b和厚度大的隔离壁24a以规定的顺序并设。在本实施方式中，交替设置厚度小的隔离壁24b和厚度大的隔离壁24a。其它的结构与实施方式2相同。

在实施方式2的例子中，通过以任意尺寸切断，能够获得任意外形尺寸的元件，但是所获得的元件的端部依赖于隔离壁的位置和切断位置的关系，有可能出现大的无用的部分。在这样的情况下，为了防止流体进入元件的端部的部分、向其它的流体的流路漏入，必须与密闭比以往的宽度宽的部分那样的结构物组合，其宽度尺寸由于若不确定元件的切断位置则无法确定，因此结构物的设计、准备比较困难。因此，虽然切断位置有制限，但是若切断隔离壁的厚的部分的中心，则对于切断后的元件，能够获得其端部也没有浪费的部分的相似形的元件。

产业上的利用可能性

如以上所述，本发明的热交换元件，适合适用于进行温度不同的两股流体之间的热交换的板材层叠型的正交流热交换元件，特别适用于适合装入换气装置或空气调节器内、进行空气对空气的热交换的正交流热交换元件。

Claims (6)

1.一种热交换元件，分别使第一流体和第二流体在以交叉的方式形成于层叠的板材之间的第一流路和第二流路中流通，在两流体之间进行热交换，其特征在于，

上述第一流路是矩形截面的波状流路，其隔开规定的间隔重叠第一波状板材和第二波状板材，并且流体的行进方向两侧部利用间隔保持部件进行密闭，所述第一波状板材以朝向流体的行进方向在层叠方向振动的方式形成为波状；所述第二波状板材形成为以与该第一波状板材大致相同的周期振动的波状；

上述第二流路是以使平板状板材紧贴重叠于上述第一波状板材与上述第二波状板材中的任一方的波形状的方式、形成于两板材之间的大致三角形截面的直行流路。

2.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，

由一组的上述第一波状板材、上述第二波状板材以及上述平板状板材构成的单位构成部件，以90度为单位旋转、同时层叠多个。

3.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，

上述第一波状板材以及上述第二波状板材的波形状的高低差，比上述第一波状板材以及上述第二波状板材的层叠方向距离大。

4.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，

上述第一波状板材以及上述第二波状板材的波形状的顶点折回部的形状，形成为在流通上述第一流体以及上述第二流体时不形成死水区域的曲率的弯曲形状。

5.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，

在上述第一波状板材以及上述第二波状板材之间，将上述矩形截面的波状流路在流路宽度方向上分割成多个，并且在上述第一波状板材与上述第二波状板材之间，设置有相互支承的至少一个隔离壁。

6.如权利要求5所述的热交换元件，其特征在于，

上述隔离壁设置有多个，规定的位置的上述隔离壁与其它的位置的上述隔离壁相比，流路宽度方向厚度大。

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