JP2014163571A

JP2014163571A - 熱交換素子

Info

Publication number: JP2014163571A
Application number: JP2013034199A
Authority: JP
Inventors: Yasuyo Sugimoto; 泰世杉本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】空気対空気の熱交換素子において、熱交換効率を高くすることを目的とする。
【解決手段】間隔を保持するリブ３を備えた複数の伝熱板２を積層して内気風路４と外気風路５を１層ずつ交互に構成し、内気風路４および外気風路５の少なくとも一部が進行方向に沿って波形である熱交換素子において、内気風路４あるいは外気風路５の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なる熱交換素子１であり、波形が単純なサインカーブである場合よりも山と谷の角度が急になるため、渦の発生が促進され、熱交換効率を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換素子に関するものである。

近年、公共の場で様々な情報を表示させるパブリックディスプレイの市場が大きくなってきている。パブリックディスプレイ装置の内部は耐候性を高めるために基本的に密閉されており、内部発熱や日射熱などを排出することが必要になる。パブリックディスプレイ装置内部の冷却を空調装置で行うとエネルギー消費量が大きくなり、また換気で行うとフィルターのメンテナンスが必要になるという課題があった。このため、パブリックディスプレイの装置内部の空気と外気との間で熱交換のみを行う熱交換型冷却装置が省エネ、省メンテナンスの冷却方法として注目を集めている。

熱交換素子は熱交換型冷却装置の内部で外気と内気の熱交換を行うものであり、空気対空気の熱交換を行うという意味においては、給気と排気の熱交換を行う熱交換型換気機器の熱交換素子と基本的に同じものである。パブリックディスプレイ装置の内部も住宅内部も容積的な制限が大きく、いずれの用途においても熱交換素子には容積が小さく、かつ熱交換効率が高いことが求められている。

熱交換型換気機器は熱交換型冷却装置よりも比較的歴史が古く、これまで熱交換素子の熱交換効率向上のために多くのアイディアが提案されてきた。従来のこの種の熱交換素子としては、熱交換素子の伝熱板にしわをつけ、内部の風路を波形にしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その熱交換素子について図４を参照しながら説明する。図４は従来の熱交換素子１０１の外観を示す斜視図である。

図４に示すように、熱交換素子１０１はしわ状の微細構造を全面に持つ伝熱板１０２と間隔保持材１０３を積層させて排気風路１０４と給気風路１０５を形成している。

伝熱板１０２が波形であるために平らである場合よりも表面積が大きくなり、伝熱板１０２が平らである場合よりも同じ容積で熱交換効率を高くすることができる。

特開平５−２２３４８６号公報

またこのような従来の熱交換素子はしわの波形については特定していない。伝熱板が紙製の場合、紙が吸湿して伸びる際にしわが生じるが、この場合の波形は概ねサインカーブである。

熱交換型換気機器や熱交換型冷却装置で通常使用される大きさの熱交換素子においては、伝熱板と伝熱板の距離は数ミリと小さく、熱交換素子内部の気流は層流域である。このため伝熱板が波形であっても熱交換素子内部の気流は乱れにくく、波形であることにより表面積が大きくなる分以上には熱交換効率があまり高くならないという問題があった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、熱交換効率が高い熱交換素子を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために、本発明は間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して内気風路と外気風路を１層ずつ交互に構成し、前記内気風路および前記外気風路の少なくとも一部が進行方向に沿って波形である熱交換素子において、前記波形のある進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なる熱交換素子であり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して内気風路と外気風路を１層ずつ交互に構成し、前記内気風路および前記外気風路の少なくとも一部が進行方向に沿って波形である熱交換素子において、前記波形のある進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なるという構成にしたことにより、波形が単純なサインカーブである場合よりも山の曲がり角度と谷の曲がり角度が急になる。このため急な角度になった山と谷において渦の発生が促進され、熱交換素子内部の気流を乱れさせることができる。この結果、熱交換効率を高くできるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態の熱交換素子の外観を示す斜視図（ａ）同熱交換素子の内気風路の形状を示す平面図、（ｂ）熱交換素子の外気風路の形状を示す平面図、（ｃ）同熱交換素子の内気風路と外気風路の積層状態の形状を示す断面図、（ｄ）図２（ｃ）の対向部を拡大した断面図（ａ）同熱交換素子の風路の波形を概略的に示した断面構成図、（ｂ）同熱交換素子の風路の波形と同じ波長と振幅を有するサインカーブを概略的に示した断面構成図従来の熱交換素子の外観を示す斜視図

本発明の請求項１記載の熱交換素子は、間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して内気風路と外気風路を１層ずつ交互に構成し、前記内気風路および前記外気風路の少なくとも一部が進行方向に沿って波形である熱交換素子において、前記波形のある進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なるという構成を有する。これにより波形が単純なサインカーブである場合よりも山の曲がり角度と谷の曲がり角度が急になるため、急な角度になった山と谷において渦の発生が促進され、熱交換素子内部の気流を乱れさせることができる。この結果、熱交換効率を高くできるというという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の熱交換素子１について、図１を参照しながら説明する。図１は実施の形態１の熱交換素子１の外観を示す斜視図である。

熱交換素子１は伝熱手段としての伝熱板２と、伝熱板２どうしの間隔を保持する間隔保持手段としてのリブ３を備え、これらが内気風路４と外気風路５（図１には図示せず）を１層ずつ交互に対向あるいは直交させて形成するように積層されている。積層数は熱交換素子１を搭載する換気機器のサイズや風量によって決定される。

熱交換素子１はパブリックディスプレイ向けの熱交換型冷却装置（図示せず）用の熱交換素子である。パブリックディスプレイ内部の空気を内気として取り入れ、その空気は再びパブリックディスプレイ内部に戻し、取り入れた外気は再び外部に排出することにより、パブリックディスプレイ内部の空気を密封したまま熱のみを外部に排出することができるというものである。

なお、熱交換素子１はパブリックディスプレイ向けの熱交換型冷却装置（図示せず）用の熱交換素子であるが、熱交換型換気機器用の熱交換素子として使用することも可能である。

伝熱板２は内気と外気の間で熱を伝える役割を持つものであり、アルミ等の熱伝導率の高い金属や樹脂等の材料により構成する。リブ３も同様の材料で構成する。伝熱板２は特に波形の断面形状を付与しやすくするため、成形性の良い材料を選ぶ必要がある。

ここで、本発明の実施の形態１の熱交換素子１は、図１に示すように伝熱板２が内気風路４の進行方向と外気風路５の進行方向の両方に対して山と谷を繰り返す波形形状である。熱交換素子１の内気風路４と外気風路５の断面形状が波形であることにより、伝熱板２が平らである場合よりも同等の容積内で伝熱板２の表面積をより大きくすることができる。表面積が大きくなれば当然伝熱に有効な面積が大きくなり、熱交換効率を高くすることができる。

次に、本発明の実施の形態１の熱交換素子１の内気風路４と外気風路５の詳細な形状について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は熱交換素子１の内気風路４の形状を示す平面図、図２（ｂ）は熱交換素子１の外気風路５の形状を示す平面図、図２（ｃ）は熱交換素子１の内気風路４と外気風路５の積層状態の形状を示す断面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）の対向部を拡大した断面図である。

熱交換素子１の平面形状は図２（ａ）と図２（ｂ）に示すように６角形である。両端の直交部においては内気風路４と外気風路５が直交し、中央の対向部においては内気風路４と外気風路５が対向する、対向流型の熱交換素子である。

なお、一般的な６角形の対向流型の熱交換素子としては一方の風路と他方の風路が交差するように配置する形、つまり一方の風路が図中のａからｃに通るように配置され、他方の風路が図中のｂからｄにかけて通るように配置されることが多いが、熱交換素子１はパブリックディスプレイ向けの熱交換型冷却装置用の熱交換素子であることから、装置の構成上の都合により、内気風路４が図中のｃからｄに通るように、外気風路５が図中のａからｂに通るように配置してある。

なお、本実施の形態では熱交換素子１を６角形の平面形状を持つ対向流型としたが、それ以外の対向流型や直交流型にも応用でき、その作用効果は同様である。

熱交換素子１の内気風路４と外気風路５の断面形状は、図２（ｃ）に示すように、直交部においては直線的であり、対向部においては主に波形である。この波形の特徴は、図２（ｄ）に示すように、内気風路４の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離６と、内気風路４の進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離７が異なるということである。この特徴は外気風路５の進行方向から見ても同様であり、外気風路５の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離７と、外気風路５の進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離６は異なっている。

図３を参照しながら、熱交換素子１の波形の特徴をより詳細に説明する。図３（ａ）は熱交換素子１の風路の波形を概略的に示した断面構成図、図３（ｂ）は熱交換素子１の風路の波形と同じ波長８と振幅９を有するサインカーブを概略的に示した断面構成図である。いずれの波形も単純のため直線で示してある。

図３（ａ）に示すように、熱交換素子１は内気風路４あるいは外気風路５の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なり、この場合の山の曲がり角度１０と谷の曲がり角度１０は図３（ｂ）に示したサインカーブ状の波形の場合の山の曲がり角度１１と谷の曲がり角度１１よりも角度が小さく、急になっている。このため、熱交換素子１の内気風路４および外気風路５の内部においては、風路の波形がサインカーブであった場合よりも渦の発生が促進され、気流場が乱され、乱流成分が増加することになる。

乱流成分が増加すると空気と伝熱板２との間の熱伝達率が大きくなり、熱交換効率を高くすることができる。

以上の理由により、熱交換素子１は従来の熱交換素子よりも熱交換効率が高いということができる。

なお、内気風路４と外気風路５の波形の波長８は小さすぎても大きすぎても平板と同じになってしまい、前述した波形の効果がなくなってしまう。また内気風路４と外気風路５の波形の振幅９は小さすぎると平板と同じになってしまい、逆に大きすぎると熱交換素子１の圧力損失が過大になるし、一定の高さの中で内気風路４と外気風路５を積層できる層の数が少なくなる。よって内気風路４と外気風路５の波形の波長８と振幅９には最適な値があると考えられるが、その値は熱交換素子１の大きさ、高さ、風量等の要因によって異なる。風路の高さ１２が２ｍｍである一般的な熱交換素子に対して、内気風路４と外気風路５波形の波長８は２から５０ｍｍ程度、振幅９は波長８の０．１から１．２倍程度が適している。

なおまた、伝熱板２の積層のしかたにより内気風路４と外気風路５の高さが必ずしも一定でないようにもできるが、図２に示すように、本発明の実施の形態１の熱交換素子１では内気風路４と外気風路５の部位ごと高さがそれぞれ略一定であるようにする。これはつまり波形に成形した伝熱板２を、上下で波の位置が同じになるように積層するということである。

このようにすることで、内気風路４と外気風路５の高さは必要最小限の高さとなり、熱交換素子１の高さとして制約を受けたある一定の高さの中で内気風路４と外気風路５を積層できる層の数を最大にすることができる。内気風路４と外気風路５の高さ１２は２ｍｍ程度とする。風路の高さ１２をあまり低くすると、熱交換素子１の圧力損失が過大になり、また風路の高さ１２をあまり高くすると、熱交換効率が小さくなる。

本発明にかかる熱交換素子は、熱交換効率の高い空気対空気の熱交換を可能とするものであるので、熱交換素子とそれを用いた熱交換型冷却装置や熱交換型換気機器等として有用である。

１熱交換素子
２伝熱板
３リブ
４内気風路
５外気風路
６内気風路の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離および外気風路の進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離
７内気風路の進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離および外気風路の進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離
８内気風路と外気風路の波形の波長
９内気風路と外気風路の波形の振幅
１０熱交換素子の風路の波形の山および谷の曲がり角度
１１熱交換素子の風路の波形と同じ波長と振幅を有するサインカーブの山および谷の曲がり角度
１２内気風路と外気風路の高さ
１０１熱交換素子
１０２伝熱板
１０３間隔保持材
１０４排気風路
１０５給気風路

Claims

間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して内気風路と外気風路を１層ずつ交互に構成し、前記内気風路および前記外気風路の少なくとも一部が進行方向に沿って波形である熱交換素子において、前記波形のある進行方向に沿った山の中心から谷の中心までの距離と、同じ進行方向に沿った谷の中心から山の中心までの距離が異なる熱交換素子。