JP2006170549A

JP2006170549A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2006170549A
Application number: JP2004365459A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Kato; 恭義加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】
エッチング技術などを用いてステンレス鋼板などの金属薄板状プレートの表面に流路を形成するとともに、流路の形状を改良することによって、熱交換器のコンパクト化と低コスト化を図りつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることにある。
【解決手段】
エッチング技術などを用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する２つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにした熱交換器において、前記伝熱フィンは、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成し、前記伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にした。
【選択図】図４

Description

本発明は、高温側と低温側で温度の異なる２つの流体間で熱を移動させるためのプレートフィン型熱交換器に関する。

一般に、熱交換器は、熱エネルギの利用や除熱を要する機器などに幅広く利用されている。その中で、高性能熱交換器として代表的なものとして、プレートフィン型があり、プレス加工などで形成された金属薄板状プレートを積み重ね、金属薄板状プレート間に熱交換流体の対向する或いは並行する流路を形成するようになっている。

また、熱交換器は、温度の異なる２つの熱交換流体間で伝熱効率を高めるために、熱交換流体が通る流路に複数の伝熱フィンを設け、伝熱面積を増やしたり、流路の流れを乱す工夫がなされてきた。

ところが、前記熱交換器では、伝熱特性を高めるため、金属薄板状プレートを多く積み重ねると、熱交換器の体積が大きくなってコンパクト化の要請に反し、また、流路に多数の伝熱フィンを取り付けても、伝熱特性は向上するが、圧力損失や伝熱フィンを取り付けるための加工費が増大するという欠点があった。
特開２００４−１８３９１６号公報

そのため、本願発明者は、特許文献１に示すように、熱交換器の伝熱特性を損なうことなくコンパクト化を図るため、エッチング技術を用いて金属薄板状プレートの表面にジグザグ状の流路を刻み、高温側と低温側の金属薄板状プレートを積み重ね、対向する２つの金属薄板状プレート間を接触部で金属薄板状プレートを構成する金属原子の拡散によって接合させるようにした熱交換器を提案した。

図９（ａ）は、従来型の熱交換器を示し、この熱交換器５１は、複数の金属薄板状プレート５２、５２、・・・が交互に層をなして面と面を合わせて接合し、対向する２つの金属薄板状プレート５２、５２間に流路を形成する。また、図９（ｂ）に示すように、伝熱面積を増やすため、金属薄板状プレート５２にジグザグ状に蛇行した流路５３を形成し、金属薄板状プレート５２を介して高温側と低温側の２つの熱交換流体の間で熱交換を行なうようになっている。

ところが、この熱交換器５１では、図９（ｂ）に示すように、流路５３がジグザグ状に蛇行しているため、図１０に示すように、流路５３の折れ曲がり部５４の下流で渦や旋回流が形成され、渦などの形成によるエネルギ損失が生じるため、流路５３の圧力損失が大きくなってしまい、ポンプ動力の増大を招き、設備コストや運転コストのアップに繋がるという欠点があった。

そこで、本発明の目的は、エッチング技術などを用いてステンレス鋼板などの金属薄板状プレートの表面に流路を形成するとともに、流路の形状を改良することによって、熱交換器のコンパクト化と低コスト化を図りつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることにある。

本発明の前記目的は、エッチング技術などを用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する２つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにした熱交換器において、前記伝熱フィンは、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成し、前記伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことにより、達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、略Ｓ字状曲線の断面形状に形成したことにより、達成される。また、前記目的は、前記伝熱フィンを、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらを組み合せた曲線の断面形状に形成したことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、先端及び後端を流線型とし、先端から後端に至る断面形状を、略Ｓ字状曲線や、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらを組み合せた曲線の断面形状に形成することにより、対向する２つの伝熱フィン間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、流体の流れ方向に対して垂直方向に並べて配置することにより、複数の伝熱フィンによってフィン列が形成されるとともに、流体の流れ方向に複数のフィン列が形成され、複数の伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、流体の流れ方向に千鳥状に配され、流体の流れ方向に対して上流側フィン列の伝熱フィン後端が、下流側フィン列の隣接する伝熱フィン間の中間位置に配されるようにしたことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、熱交換流体の入口側から出口側に向けて曲線状の断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って曲線を描くようにしたことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線の略Ｓ字状断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線を描くようにしたことにより、効果的に達成される。また、前記目的は、前記伝熱フィンを、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線の断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って前記円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線を描くようにしたことにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、前記伝熱フィンを、流体の流れ方向に沿って連続した正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線の断面形状に形成することにより、効果的に達成される。また、前記目的は、前記伝熱フィンを、流体の流れ方向に沿って連続した円，楕円，放物線，双曲線の一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線の断面形状に形成することにより、効果的に達成される。

また、前記目的は、先端から後端に向かって曲線状の断面形状を形成する伝熱フィンは、プレートフィン型熱交換器のプレートフィンに適用し、その断面形状をジグザグ状から曲線状にすることによって、前記伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことにより、達成される。

以上のように、本発明に係る熱交換器によると、伝熱フィンを、先端から後端に至る断面形状を曲線、例えば略Ｓ字状、すなわち擬似正弦曲線状などの断面形状に形成し、複数の伝熱フィン間を流れる流体の流路面積を略一定にした。これにより、急激な流路面積の変化がなくなって、流路を流れる熱交換流体の縮流や拡流による圧力損失を小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化と低コスト化を維持しつつ、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、熱交換流体の圧力損失を小さく抑えることができる。よって、本発明の熱交換器によると、熱交換器の伝熱性能を損なうことなく、同一の伝熱特性で圧力損失を、約１／６程度に著しく低減でき、ポンプ動力をその分小さくすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る熱交換器Ａの外観構成を示し、箱状の熱交換器本体１の両側部に、それぞれ、ヘッダ２、３を介して２つの熱交換流体の流入管４ａ、４ｂと流出管５ａ、５ｂが接続されている。この熱交換器本体１の内部には、図２に示すような熱交換部材６が配され、熱交換流体は、図示しないポンプによって、流入管４ａ、４ｂから熱交換器Ａに流入し、熱交換部材６で循環しながら熱交換を行って、流出管５ａ、５ｂから熱交換器Ａを流出するようになっている。

また、熱交換部材６は、複数の金属薄板状プレート７、７、・・・を積み重ねて構成され、各金属薄板状プレート７は、数ミリ程度のステンレス製鋼板など、金属製の薄板状プレートに形成されている。また、金属薄板状プレート７の積み重ね工程では、対向する２つの金属薄板状プレート７、７を溶融点に近い温度で圧着することなどによって、接触面で薄板を構成する金属原子が相互に拡散して強固に接合される。その際、対向する金属薄板状プレート７、７は、伝熱フィン９を図３の矢印方向に所定量だけずらすことによって、熱交換部材６の強度を高めることができる。

また、金属薄板状プレート７の表面は、図４に示すように、エッチング技術を用いて片面側のみに溝８が形成され、金属薄板状プレート７を積み重ねると、対向する金属薄板状プレート７との間で溝８による流路が形成される。この溝８により、金属薄板状プレート７の表面に断面略Ｓ字状の伝熱フィン９、９、・・・が、熱交換流体の主流方向（ａ）に沿って一定の間隔を隔てて多数配置される。この伝熱フィン９は、中断フィンであって、先端９ａと後端９ｂを渦や旋回流などの乱れが生じないような流線型に成形し、流体抵抗を最小にするように構成される。また、伝熱フィン９は、その先端９ａから後端９ｂに至る形状を、正弦曲線ないしはその波形を変形した曲線（以下、擬似正弦曲線という。）で約１／４周期ごとに分断された形状とし、略Ｓ字状の断面形状になるように構成される。その結果、伝熱フィン９の流体抵抗を最小に抑えることができる。なお、伝熱フィン９の断面形状は、これに限定されず、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はこれらを組み合せた曲線でもよい。

また、伝熱フィン９は、流体の流れ方向（図４の左右方向）に対して垂直方向（図４の上下方向）に一定の間隔で平行に配され、垂直方向にフィン列１０が形成される。一方、フィン列１０は、主流方向（図４の右方向）に向かって一定の間隔で配置され、主流方向に複数のフィン列が形成され、下流側のフィン列１０は、上流側のフィン列１０に対して伝熱フィン９の擬似正弦曲線などの曲線の位相および位置が所定量だけずれるように配置され、いわゆる伝熱フィン９が金属薄板状プレート７の表面で千鳥状になっている。

そして、伝熱フィン９の配置は、図５に示すように、流れ方向に対して上流側（図５の左側）のフィン列１０で、伝熱フィン９の後端が、下流側（図５の右側）のフィン列１０で、隣接する伝熱フィン９、９間の中央位置であって、上流側の伝熱フィン９によって形成された流路の中央位置Ｂに配されるようになっている。これにより、熱交換流体が、同図矢印で示す方向に、隣接する伝熱フィン９の間を流れ、流路の中央位置Ｂで次のフィン列１０の伝熱フィン９の先端９ａで２方向に分岐して流れることになり、次の伝熱フィン９，９の前後で流体の流路面積が略一定になるように構成される。

その結果、伝熱フィン９の先端９ａおよび後端９ｂは、渦などが生じないような流線型に形成され、従来のようにジグザグ経路における折り返し部など、流路に急激な曲がりによる渦形成や旋回流に起因する圧力損失を最小限に抑え、流路面積の変化、すなわち、流路の拡大や縮小をなくすことができ、拡流や縮流による圧力損失を小さく抑えることができる。

なお、前記金属薄板状プレート７は、熱伝導性の良い金属が好ましく、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、アルミニウム合金など、種々選択可能である。

以上のように、前記実施例では、熱交換器Ａは、金属薄板状プレート７の表面に形成された複数の伝熱フィン９、９、・・・によって伝熱面積が増えるとともに、熱交換流体は、複数の溝８、８、・・・に案内され、渦や旋回流などの圧力損失を生じることなく流れるため、流体抵抗を小さく抑えつつ、効率よく熱交換することができる。

なお、前記実施例では、伝熱フィン９として、擬似正弦曲線などの曲線を約１／４周期ごとに分断した断面形状のフィンを用いたが、約１／２周期あるいは約１／３周期としてもよい。また、図６に示すように、熱交換器Ａの入口側から出口側まで、連続した正弦曲線若しくはその波形を変形した擬似正弦曲線や、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はこれらを組み合せた曲線を有する連続フィンを用いてもよい。

また、本願発明者は、従来の流路と本発明の流路を用いて性能の比較実験を行った。すなわち、従来の連続したジグザグ流路を有する熱交換器と、本発明の上記実施例で記述した流路として円や楕円と直線を組み合せて作成した流路を有する熱交換器とを用いて、性能の比較実験を行った。その際、比較実験は、汎用３次元伝熱流動解析コードＦＬＵＥＮＴを用いて、スーパーコンピュータにより、図７に示す条件で行った。図７および図８は、この実験による評価結果を示す。

この実験結果から、本発明では、以下のような効果がわかる。

まず、図７に示すように、本発明は、従来のジグザグ流路を有するもの（以下、従来型という。）と比較して、圧力損失が約１／６に低減され、総括伝熱係数で評価される伝熱性能は、逆に約４％高くなることが判明した。

また、図８に示すように、本発明は、従来型と比較して、流路内の流速は一様で低い。これに対して、従来型は、流路の曲がり部から流路壁に向かう速い流れの道が形成され、これ以外の場所では流速が低い。また、従来型は、曲がり部での渦などの形成に加えて、一部に高い流速の流れにより（圧力損失は流速のほぼ２乗に比例する）、本発明と比較して圧力損失が高くなるのが判明した。

なお、図７において、総括伝熱係数および単位長あたり圧力損失の欄で、括弧内の値は、本発明の性能を１に規格化した場合の相対値である。

本発明に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。前記熱交換器内で、複数の金属薄板状プレートが積み重ねられる状態を説明する図である。対向する２枚の金属薄板状プレートで、伝熱フィンの位置をずらして配置した状態を説明する図である。前記金属薄板状プレートの表面に形成された伝熱フィンの配置を説明する図である。前記伝熱フィンの周囲で、熱交換流体の流れを説明する図である。前記伝熱フィンの変形を示し、入口側から出口側まで擬似正弦曲線で連続する伝熱フィンの形状を示す図である。本発明と従来の熱交換器性能の比較実験について、熱交換器の伝熱流動性能比較条件と評価結果を示す図である。図７による比較実験の結果、流体が流れる様子を示し、（ａ）は従来型のジグザグフィンによる流路の場合であり、（ｂ）は本発明の不連続曲線フィンによる流路の場合である。（ａ）は従来の熱交換器で使用される金属薄板状プレートが積み重ねられる様子を示し、（ｂ）は（ａ）の熱交換器のジグザグ状の経路を拡大した図である。従来の金属薄板状プレートに形成されるジグザグ状の経路で、急激な経路変化に伴う渦や旋回流が発生する様子を示す図である。

符号の説明

Ａ熱交換器
１熱交換器本体
７金属薄板状プレート
８溝
９伝熱フィン
１０フィン列

Claims

エッチング技術などを用いて金属薄板状プレートに複数の伝熱フィンを設け、前記金属薄板状プレートを交互に積み重ねることによって、対向する２つの前記金属薄板状プレート間に熱交換流体の流路を形成するようにした熱交換器において、
前記伝熱フィンは、先端から後端に向かって曲線状の断面形状に形成し、前記伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことを特徴とする熱交換器。
前記伝熱フィンは、略Ｓ字状曲線の断面形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらを組み合せた曲線の断面形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、先端及び後端を流線型とし、先端から後端に至る断面形状を、略Ｓ字状曲線や、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらを組み合せた曲線の断面形状に形成することにより、対向する２つの伝熱フィン間を流れる流体の流路面積を略一定にした請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、流体の流れ方向に対して垂直方向に並べて配置することにより、複数の伝熱フィンによってフィン列が形成されるとともに、流体の流れ方向に複数のフィン列が形成され、複数の伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、流体の流れ方向に千鳥状に配され、流体の流れ方向に対して上流側フィン列の伝熱フィン後端が、下流側フィン列の隣接する伝熱フィン間の中間位置に配されるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、熱交換流体の入口側から出口側に向けて曲線状の断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って曲線を描くようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線の略Ｓ字状断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線を描くようにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線の断面形状に形成することにより、流体の流線が前記伝熱フィンに沿って前記円，楕円，放物線，双曲線の一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線を描くようにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、流体の流れ方向に沿って連続した正弦曲線ないしはその波形を変形した擬似正弦曲線の断面形状に形成することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の熱交換器。
前記伝熱フィンは、流体の流れ方向に沿って連続した円，楕円，放物線，双曲線などの一部を構成する曲線，又はそれらの組み合せた曲線の断面形状に形成することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の熱交換器。
先端から後端に向かって曲線状の断面形状を形成する伝熱フィンは、プレートフィン型熱交換器のプレートフィンに適用し、その断面形状をジグザグ状から曲線状にすることによって、前記伝熱フィンの間を流れる流体の流路面積を略一定にしたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の熱交換器。