JP3879482B2 - 積層型熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体間で熱交換を行なわせる積層型熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、気体間での熱交換を行なわせる熱交換器としては、特公昭４７−１９９９０号公報及び特公昭５１−２１３１号公報に開示されているようなものが広く採用されている。これらのいずれも伝熱性と通湿性とを有する仕切板（伝熱性のみを有するものであることもある）を、間隔板を挟んで所定の間隔をおいて複数層に重ね合わせた基本構造を採っている。仕切板は方形の平板で、間隔板は投影平面が仕切板に一致する鋸波状又は正弦波状の波形を成形した波板となっており、間隔板を仕切板の間にその波形の成形方向を交互に９０度違えて挟着し、一次気流と二次気流を通す流体通路をこれらの各層間に交互に構成している。間隔板に関しては、プラスチックのリブで構成したものもある。
【０００３】
上記構成の熱交換器では、各層ごとに交互に形成され相互に独立した二系統の流体通路にそれぞれ一次気流と二次気流を導通させることにより、一次気流と二次気流との間で気流のそれぞれの保有する温度と湿度とが同時かつ連続的に交換される。そして、特公昭５１―４２３３４号公報や特公昭６２―３５５９６号公報、さらには特開平６―１０９３９５号公報や特開平６―１２３５７９号公報に開示されているように、熱交換機能の主体となる仕切板に関する多くの工夫もなされ、高い熱交換効率が得られるところまで技術革新が進み、空調分野において大きな貢献を果している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空調装置への小型化高性能化の要請は依然として強く、その要請の基に更に熱交換器の熱交換効率を一段と高めることが課題となっており、仕切板や間隔板についての材質の改良や薄肉化など熱交換効率を向上させるための多くの工夫が講じられてきている。しかし、もともと上記したような熱交換器はその基本構造がシンプルで既に技術的完成度もかなり高くなっていることから、仕切板の材質の改良や薄肉化の方向ではもはや上記した課題を達成することは難しい。
【０００５】
本発明は上記した熱交換器に係る課題を克服しようとしてなされたもので、その目的とするところは、高性能にしてコンパクトな積層型熱交換器を得ることであり、その積層型熱交換器の性能の向上やリサイクル性を高めることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために請求項１の発明は、開放箇所の異なる二種類の積層モジュールを一段おきに階層状に積層して得られる多面体に構成した積層型熱交換器について、その各積層モジュールは、多角形の伝熱性を有する伝熱板で構成され、各積層モジュールの平行な二辺間にはその辺に平行に山列の間に谷列ができるように、山列と谷列が交互に並んで形成され、各山列の長手方向の両端部は斜面構成とし、この斜面構成を含む各山列の背面は、流体通路となる直線状の窪みが形成され、また、各積層モジュールの山列と谷列に平行な二辺に隣接する平行な二辺は流体の流出入部として開放され、他の辺には山列の高さ寸法と略等しい側壁が構成され、二種類の積層モジュールを積層した状態で一種類の積層モジュールの山列の背面の窪みが一系統の流体通路となり、谷列がもう一系統の流体通路となり、かつ、一種類の積層モジュールの山列の背面の窪みの流体通路には、一種類の積層モジュールの谷列と同じ前記もう一系統のもう一種類の積層モジュールの山列の背面の窪みで構成される流体通路が上に形成され、また、一種類の積層モジュールの谷列の流体通路には一種類の積層モジュールの山列の背面の窪みの流体通路と同じ系統のもう一種類の積層モジュールの谷列の流体通路が下に形成され、一系統の流体は流出入部に入った後、山列の背面の窪みの通路と谷列の通路に分かれた後、再び流出入部前で合流する手段を採用する。
【０００８】
前記課題を達成するために請求項２の発明は、請求項１に係る前記手段における積層モジュールの伝熱板を山列と谷列の列方向にある対向する二組の辺の四辺が内側にくの字に入込んだ変形六角形の投影平面形状に構成する手段を採用する。
【０００９】
前記課題を達成するために請求項３の発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに係る前記手段における山列と流体の流出入部の間に整流構造を設ける手段を採用する。
【００１０】
前記課題を達成するために請求項４の発明は、請求項１〜請求項３までのいずれかに係る前記手段における流体の流出入部に隣接する側壁に山形に突出する案内手段を設ける手段を採用する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１と図２によって示す本実施の形態は、流体間での熱交換を行なわせる積層型熱交換器に関するものである。図１の斜視図によって示す八面体の積層型熱交換器１は、開放箇所の異なる二種類の積層モジュール２，３を一段おきに階層状に積層して得られる。積層モジュール２，３は、六角形の投影平面形状に伝熱性を有する薄肉の伝熱板で構成されている。積層モジュール２，３の平行な二辺間にはその辺に平行に山列４と谷列５が交互に並列にスプライン状に形成されている。各山列４の長手方向の両端部は、錐形の斜面構成の端部構造６となっており、各山列４の背面は、直線状の窪みとなっている。
【００２０】
積層モジュール２，３の山列４と谷列５に平行な二辺に隣接する平行な二辺は流体の流出入部８として開放され、他の辺には山列４の高さ寸法と略等しい立寸法の側壁９が構成されている。そして、山列４の背面の窪みが一系統の流体通路１０となり、谷列５がそのまま、もう一系統の流体通路１１となる。この二系統の流体通路１０，１１の流出入部８間はガイド部１２として平面構成となっている。二種類の積層モジュール２，３を、その山列４同士、谷列５同士で互いに独立した二系統の流体通路１０，１１が積層方向と直交する方向に交互に同じ方向に並ぶように積層し、積層方向の両面に六角形の蓋板１３を装着することによって図１に示すような積層型熱交換器１が構成される。この積層型熱交換器１の圧縮強度は積層モジュール２，３の側壁９によって保持される。
【００２１】
積層モジュール２，３の各流出入部８の並ぶ四面は、一段おきに開口部ができ、一次流体Ａの出入口１４と、二次流体Ｂの出入口１５となる。一次流体Ａの入口の開口部の臨む面の隣の面を二次流体Ｂの出口の開口部が臨む面とすることによって、対向流方式の効率的な熱交換が可能になる。
【００２２】
入口の一つの開口部から入った一次流体Ａは、ガイド部１２を経て当該開口部の一段上の積層モジュール３の各山列４の背面の窪みである流体通路１０と、当該開口部の一段下の積層モジュール２の谷列５による流体通路１０を通ってガイド部１２を経て出口の一つの開口部から流れ出る。この時、背面の窪みである流体通路１０は四周が二次流体Ｂの通る流体通路１１に囲まれ、谷列５による流体通路１０も四周が二次流体Ｂの通る流体通路１１に囲まれている。即ち、格段に広い伝熱面積において一次流体Ａと二次流体Ｂとの間で連続的な熱交換が行なわれることになる。これまでの積層型熱交換器と違い流体通路１０，１１を確保するための間隔保持部材も必要ないので、高性能で小型の積層型熱交換器となる。一次流体Ａと二次流体Ｂは、山列４と谷列５に垂直な断面において示すと図２のように流れることになる。
【００２３】
一次流体Ａと二次流体Ｂを対向流方式に導通させることによって温度勾配の大きい状態で一次流体Ａと二次流体Ｂを熱的に接触させることができ、熱交換効率を高く維持できるが、一次流体Ａと二次流体Ｂを同じ方向に通しても性能はそれ程大きく低下しない。この並行流方式を採れば出口同士、入口同士を位置的にまとめることができ、空調装置等へ適応した場合、設計の自由度が増す。
【００２４】
積層モジュール２，３の素材としては、アルミ等の金属や樹脂の他、流体遮蔽性と透湿性を備えた紙材でも、これらの組合わせによる複合材でもよいが、単一の素材で構成する方がリサイクル時に分別しなくても済むのでリサイクル性の良いものにすることができる。山列４や谷列５はプレス加工によって成形でき、その形状は積層状態で流体が流れる空間が確保できれば基本的には、どのような形状でもよいが、加工のし易さと伝熱面積を広く採り得る形状としては波形や三角形や矩形が適している。積層モジュール２，３同士の結合は、素材に応じて溶接や熱融着や接着等の手段を採用すれば良い。また、積層モジュール２，３の投影平面形状を六角形にすることにより流体通路１０，１１への流入側と流出側への流体の流れを円滑にするガイド部１２が構成でき、投影平面形状を四角形とした場合に比べて熱交換器１の圧力損失を低くすることができるが、六角形以外の多角形の投影平面形状にしても構わない。また、山列と谷列との並びはスプライン状に限らず曲線状に並列に並んでいても構わない。
【００２５】
実施の形態２．
図３と図４に示す本実施の形態は、実施の形態１で示した積層型熱交換器１の構成要素である積層モジュール２，３の形状の工夫により圧力損失の低減を図ったものであり、これに係る構成以外は実施の形態１のものと同じである。従って、実施の形態１のものと同じ部分については実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。
【００２６】
本実施の形態の積層型熱交換器１の構成要素である積層モジュール２，３は、図３や図４に示すように山列４と谷列５の列方向にある対向する二組の辺の四辺が内側にくの字に入込んだ変形六角形の投影平面形状に構成されている。この形状の積層モジュール２，３の積層によって構成される積層型熱交換器１においては、投影平面形状が六角形のものに比べて流体の流出入部８における開口面積が広くとれるので圧力損失を少なくすることができる。また、くの字に入込んだ部分を送風機やポンプの流体圧送手段の吐出側の助走距離とすることができるので、流体圧送手段と積層型熱交換器１とを近接して配置でき、積層型熱交換器１を組込んだ装置の小型化にも寄与することができる。これ以外の機能は実施の形態１のものと同じである。
【００２７】
実施の形態３．
図５に示す本実施の形態は、実施の形態１や実施の形態２で示した積層型熱交換器１の構成要素である積層モジュール２，３の形状の工夫により圧力損失の低減を図ったものであり、これに係る構成以外は実施の形態１や実施の形態２のものと同じである。従って、実施の形態１や実施の形態２のものと同じ部分についてはそれらのものと同じ符号を用い、その説明は省略する。
【００２８】
本実施の形態の積層型熱交換器１は、図５に示すように二系統の流体通路１０，１１の各流入部を多面体の一面に臨ませ、各流出部を多面体の離隔する二面に臨ませた構成である。積層型熱交換器１の構成要素である積層モジュール２，３は、図５に示すように八角形（四角形や六角形でもよい）の平面形状に形成され、山列４及び谷列５の列方向の一辺縁が開放され、反対側の離隔する二辺縁も開放されている。この積層モジュール２，３の積層による積層型熱交換器１では、広い間口から一次流体Ａ及び二次流体Ｂが一次側の流体通路１０及び二次側の流体通路１１に流込むことになり、各一次側の流体通路１０及び各二次側の流体通路１１に最寄りの流出部に分流して一次流体Ａ及び二次流体Ｂが流れ出すことになるため、圧力損失の少ない積層型熱交換器１となる。これ以外の機能は実施の形態１及び実施の形態２のものと同じである。
【００２９】
実施の形態４．
図６〜図８に示す本実施の形態は、実施の形態１や実施の形態２で示した積層型熱交換器１を構成する積層モジュール２，３の山列４の両端の形状に圧力損失を少なくするための工夫を講じたものであり、これに係る構成以外は上述した各実施の形態のものと同じである。従って、各実施の形態のものと同じ部分についてはそれらのものと同じ符号を用い、その説明は省略する。
【００３０】
本実施の形態の積層型熱交換器１を構成する積層モジュール２，３は、図６や図７に示すように各山列４の両端の端部を切先状１６や角形１７にしてガイド部１２に、その各先端が流体の流れ方向に向くように延出させた構成が採られている。この構成を採ることによって、山列４の裏面の流体通路１０，１１への流入部と流出部の間口が広くでき、しかも、流体の流れ方向に先端が向いているので圧力損失が低くなる。
【００３１】
また、図８に示すように山列４と流出入部８の間のガイド部１２に流体を流体通路１０，１１へ導く整流構造１８を設けることによってさらに圧力損失を低くすることができる。そして、積層モジュール２，３の剛性が不足するような場合、この整流構造１８の剛性を高くすることによって積層方向の圧縮荷重を整流構造１８によって担わせることができ、積層型熱交換器１の形状の安定性を高めることもできる。これ以外の機能は上述した各実施の形態のものと同じである。
【００３２】
実施の形態５．
図９に示す本実施の形態は、上述した各実施の形態で示した積層型熱交換器１を構成する積層モジュール２，３の流出入部８に隣接する側壁９に山形に突出する案内手段１９を設けたもので、案内手段１９以外の構成は各実施の形態のものと同じである。従って、各実施の形態のものと同じ部分については同じ符号を用い、その説明は省略する。
【００３３】
本実施の形態の積層型熱交換器１は、積層モジュール２，３の流出入部８に隣接する側壁９に図９に示すように山形に突出する案内手段１９が設けられている。この案内手段１９により開口部に向う二面の傾斜面２０ができ、流出入部８への一次流体Ａ及び二次流体Ｂの流込み、送出しが円滑になる。また、側壁９が案内手段１９を兼ねた形状でもよい。これ以外の機能は前述の各実施の形態のものと同じである。
【００３４】
参考例．
図１０と図１１に示す参考例は、実施の形態１〜実施の形態５で示した積層型熱交換器１を構成する積層モジュール２，３に形成する山列４と谷列５の形状と積層の仕方を変えたものであり、これに係る構成以外は実施の形態１〜実施の形態５のものと同じである。従って、実施の形態１〜実施の形態５のものと同じ部分についてはそれらのものと同じ符号を用い、その説明は省略する。
【００３５】
本参考例の積層型熱交換器１は、積層モジュール２，３を、その山列４の峰と峰、谷列５の底と底を対向する向きにして積層したものである。山列４と山列４、谷列５と谷列５で互いに独立した二系統の流体通路１０，１１が積層方向に交互に同方向に並ぶ構成となっている。この積層型熱交換器１では、図１１に示すように山列４に直角な断面において積層方向に階層状に一次側の流体通路１０と二次側の流体通路１１ができる点が前述の実施の形態１とは異なるものの、一次側の流体通路１０と二次側の流体通路１１は互いに囲み合う構造であり広い伝熱面積で熱的に接触するため、実施の形態１で示した積層型熱交換器１と同様の機能が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、高性能にしてコンパクトな積層型熱交換器が得られる。
【００３９】
請求項２の発明によれば、請求項１に係る前記効果とともに圧力損失が少なくなり適用する装置の小型化を推進できる。
【００４１】
請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２に係る前記効果とともに圧力損失が少なくなり性能が向上する。
【００４２】
請求項４の発明によれば、請求項１〜請求項３のいずれかに係る前記効果とともに圧力損失が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の積層型熱交換器を示す分解斜視図である。
【図２】 実施の形態１の積層型熱交換器の一次流体Ａと二次流体Ｂの流れ方を示す説明図である。
【図３】 実施の形態２の積層型熱交換器の構成要素である積層モジュールを示す斜視図である。
【図４】 実施の形態２の積層型熱交換器の構成要素である積層モジュールを示す斜視図である。
【図５】 実施の形態３の積層型熱交換器を示す分解斜視図である。
【図６】 実施の形態４の積層型熱交換器の構成要素である積層モジュールを示す斜視図である。
【図７】 実施の形態４の積層型熱交換器の構成要素である他の積層モジュールを示す斜視図である。
【図８】 実施の形態４の積層型熱交換器の構成要素である他の積層モジュールを示す斜視図である。
【図９】 実施の形態５の積層型熱交換器を示す斜視図である。
【図１０】 参考例の積層型熱交換器を示す分解斜視図である。
【図１１】 参考例の積層型熱交換器の一次流体Ａと二次流体Ｂの流れ方を示す説明図である。

Claims (4)

1. 開放箇所の異なる二種類の積層モジュールを一段おきに階層状に積層して得られる多面体に構成した積層型熱交換器であって、その各積層モジュールは、多角形の伝熱性を有する伝熱板で構成され、前記各積層モジュールの平行な二辺間にはその辺に平行に山列の間に谷列ができるように、山列と谷列が交互に並んで形成され、前記各山列の長手方向の両端部は斜面構成とし、この斜面構成を含む前記各山列の背面は、流体通路となる直線状の窪みが形成され、また、前記各積層モジュールの前記山列と前記谷列に平行な二辺に隣接する平行な二辺は流体の流出入部として開放され、他の辺には前記山列の高さ寸法と略等しい側壁が構成され、前記二種類の積層モジュールを積層した状態で一種類の積層モジュールの前記山列の背面の窪みが一系統の流体通路となり、前記谷列がもう一系統の流体通路となり、かつ、前記一種類の積層モジュールの前記山列の背面の前記窪みの流体通路には、前記一種類の積層モジュールの前記谷列と同じ前記もう一系統のもう一種類の前記積層モジュールの山列の背面の窪みで構成される流体通路が上に形成され、また、前記一種類の積層モジュールの前記谷列の流体通路には前記一種類の積層モジュールの前記山列の背面の窪みの流体通路と同じ系統のもう一種類の前記積層モジュールの谷列の流体通路が下に形成され、一系統の流体は前記流出入部に入った後、前記山列の背面の窪みの通路と前記谷列の通路に分かれた後、再び前記流出入部前で合流する積層型熱交換器。
2. 請求項１に記載の積層型熱交換器であって、積層モジュールの伝熱板を山列と谷列の列方向にある対向する二組の辺の四辺が内側にくの字に入込んだ変形六角形の投影平面形状に構成した積層型熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載の積層型熱交換器であって、山列と流体の流出入部の間に整流構造を設けた積層型熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３までのいずれかに記載の積層型熱交換器であって、流体の流出入部に隣接する側壁に山形に突出する案内手段を設けた積層型熱交換器。

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