JPH0211837B2 - - Google Patents

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JPH0211837B2
JPH0211837B2 JP59094101A JP9410184A JPH0211837B2 JP H0211837 B2 JPH0211837 B2 JP H0211837B2 JP 59094101 A JP59094101 A JP 59094101A JP 9410184 A JP9410184 A JP 9410184A JP H0211837 B2 JPH0211837 B2 JP H0211837B2
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JP
Japan
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heat exchanger
fins
plate
fluids
heat
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Kenzo Takahashi
Nobuo Kumazaki
Naoshi Yokoie
Hironobu Nakamura
Tadakatsu Kachi
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Mitsubishi Electric Corp
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Priority to DE8585101682T priority patent/DE3565174D1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-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
    • F28D9/0062Heat-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
    • F28D9/0068Heat-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 with means for changing flow direction of one heat exchange medium, e.g. using deflecting zones
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/108Particular pattern of flow of the heat exchange media with combined cross flow and parallel flow

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕 この発明は熱交換効率に優れたプレート・フイ
ン型熱交換器に関し、特に熱交換すべき2つの流
体に対し個有の流体の流速分布を与えることによ
り極めて高性能化された熱交換器に関するもので
ある。 〔従来の技術〕 プレート・フイン型熱交換器は単位体積当りの
伝熱面積が大きく、小型で高効率な熱交換器とし
て広く使用されている。プレート・フイン型熱交
換器の断面の形状を第1図のように正方形で表わ
し、熱交換すべき1次流体を実線の矢印で、2次
流体を破線の矢印で表わし(当然の事であるが1
次流体と2次流体はプレートにより仕切られてい
る。)熱交換器を2つの流体の流れによつて区分
すると、2つの流体が同方向に流れる向流型熱交
換器20と、対向して流れる対向流型熱交換器2
1と、これらの中間に位置し直交(または斜交)
して流れる直交流型(または斜交流型)熱交換器
22とに大別される。これらのプレート・フイン
型熱交換器20,21,22の熱交換効率をηと
し、1次流体および2次流体の導入口および導出
口における温度を第1図に示したようにそれぞれ
T1、t1、T2、t2とするとηは次式のように表わす
ことができる。 η=T1−T2/T1−t1×100=t2−t1/T1−t1×100(%)
…(1) ここで熱交換器の導出口における温度T2、t2
流体の流速により変化するが、極めて低速で流し
てやればプレートを介して接触している流体同志
の温度はほぼ一致する。その結果、向流型熱交換
器20ではT2とt2とはほぼ等しく(T2t2)な
り、(1)式よりT2(T1+t1)/2となり従つて
η50%となる。即ち向流型熱交換器20の最大
熱交換効率は50%となる。また対向流型熱交換器
21ではT2t1、t2T1となり、(1)式よりη
100%となる。即ち対向流型熱交換器21は完全
に断熱された系で理想的な条件で熱交換させるこ
とができれば、最大熱交換効率は100%となる。
一方直交流型あるいは斜交流型熱交換器22は向
流型熱交換器20と対向流型熱交換器21の中間
に位置するため、最大熱交換効率はその2つの流
体の交わる角度により50〜100%の間にある。以
上のことにより、プレート・フイン型熱交換器と
しては対向流型熱交換器21が理想的であること
がわかるが、実際に使用する場合には熱交換すべ
き2つの流体の導入部と導出部が同一の端面にあ
るのでこれら2つの流体を完全に分離することが
できず、このような対向流型熱交換器21は実在
しない。次に空調分野で用いられている空気対空
気の熱交換器を例にとつて実状を説明する。 近時、冷暖房効果を高めるために居住空間の断
熱化、気密化が進むにつれて換気の重要性が再認
識されてきている。冷暖房効果を損わずに換気を
行なう方法として、室内の汚れた空気の排気と新
鮮な外気の給気の間で熱交換する方法が有効であ
る。この時、温度(顕熱)と共に湿度(潜熱)の
交換も同時に行なうことができればその効果は著
しい。このような目的を達成するものとして、例
えば特公昭47−19990号公報により知られている
第2図に示すような直交流型あるいは斜交流型の
熱交換器が実用化されている。図中1は給気と排
気を仕切るプレート、2は給気あるいは排気を導
くための複数の平行流路を形成するフインを表わ
す。 熱交換器の小型化あるいは高性能化を行うため
には、前述のように対向流化することが好まし
い。完全に対向流化され、しかも量産が可能なプ
レート・フイン型熱交換器を実現することは不可
能と考えられるが、部分的に対向流化を実現した
特許がいくつか出願公開されている。この中で最
も実用性の高い考案と思われる実公昭52−56531
号公報に記載のものを従来例として説明する。こ
の公報に記載された熱交換器は第3図Aに示すよ
うな正方形あるいは長方形状のダンボール状熱交
換素子3を互い違いに積み重ね、端部4を第3図
Bに示す閉塞板5に開けられた孔6に嵌入し、隣
接する熱交換素子3,3間を密閉して形成したも
のである。なお図中Mは1次気流の流れを、Nは
2次気流の流れを示す。この熱交換器では、各気
流は熱交換素子3を通過した後、熱交換素子3,
3間に形成された中空部Sを経て閉塞板5に当た
り、直角に方向を変えるものである。 この公報では性能に関する記述がなく、単に使
用上の簡便さを述べているが、構造上の欠点とし
ては、ダンボール状熱交換素子3,3の端部4を
閉塞板5の孔6に嵌入して熱交換器を製作するた
め製造の自動化が難しく、量産性に欠けるという
ことが考えられる。 〔発明の概要〕 そこで本発明者らは量産可能なプレート・フイ
ン型熱交換器であり、しかも対向流型熱交換器並
の高い性能を持つ熱交換器を開発するために鋭意
研究を重ねた結果、対向流型熱交換器の理論熱交
換効率を超えるという従来のプレート・フイン型
熱交換器の常識の壁を打ち破る極めて高性能な熱
交換器を完成した。 即ち本発明者らは、熱交換すべき2つの流体を
仕切るため所定の対向間隙をもつて対向したプレ
ートと、このプレート同志の上記間隙に設けられ
その間隙の中に上記流体の流れを制御するための
複数の平行流路を形成したフインとを有し、上記
プレート同志によつて形成される間隙を複数層形
成し、かつこれら複数層のそれぞれに上記フイン
のある部分とフインのない空間部とを積層方向に
おいて互い違いの配置となるように設けるととも
に、上記各層に対して一層ずつ交互に一次流体と
二次流体を分配導入せしめる制御体を設け、各層
に導入された上記一次流体と二次流体がその層の
中を通過してプレートを介して熱交換を行うよう
にし、かつ上記フイン部における静圧損失分布に
よりフイン部および中空部でそれぞれ個有の流速
分布を生じさせるようにした構成を特徴とする熱
交換器において、上記のように極めて高い熱交換
効率を発現できることを見い出し本発明を完成す
るに至つた。 〔発明の実施例〕 以下この発明の実施例として、空調分野で用い
られている空気対空気の熱交換器の例を挙げて詳
述する。 第4図に示すものは本発明の熱交換器を構成す
る単位部材の一例を示す斜視図である。この熱交
換素子はまず流れを制御するために複数の平行流
路7aを形成する波形板状のフイン7の上下両側
に熱交換すべき2つの気流を仕切るプレート8を
接着剤等で固定する。次にフイン部における静圧
損失の分布を与えるために一端を平行流路7aに
対して垂直に切断し、他端を斜めに切断した熱交
換素子9を作成する。最後に、斜めに切断した他
端に気流のガイド機能を兼ね備えたスペーサー1
0を接着剤等で固定して単位部材11を完成す
る。プレート8の材料としては薄い金属板、セラ
ミツク板、プラスチツク板等種々のものが考えら
れるが、前述の空調分野で給気と排気の間で温度
と共に湿度の交換を行わせる場合には多孔質材料
として紙を薬剤で処理した透湿性を有する加工紙
が好適である。フイン7の材料も同様のものが用
いられるが、空調用にはクラフト紙が好適であ
る。スペーサー10の材料も同様のものが用いら
れるが、空調用には厚紙またはプラスチツク板が
好適である。プレート8およびフイン7の厚さは
機械強度の許す範囲で薄い方が好ましく、0.05〜
0.2mm程度が好適である。フイン7の高さ(プレ
ート8同志の間隔に相当する。)およびピツチ
(実施例のような波形形状ではその山と山の間隔)
は大き過ぎると空気流の整流効果が小さく、小さ
過ぎると静圧損失が大きくなるので1〜10mmの範
囲が適する。実施例では高さを2.0あるいは2.7mm
としピツチを4.0mmとした。スペーサー10の厚
さは上記フイン7を2枚のプレート8で挾んだ厚
さに精度良くそろえる必要がある。また積層する
段数すなわち層数が実施例のように100段以上あ
る場合は、スペーサー10の厚さがそろつていな
いと形状の整つた熱交換器を得ることができな
い。スペーサー10の固定は市販の接着剤が用い
られる。 次に第4図の単位部材11を積層した断面形状
が台形の熱交換器HEの斜視図を第5図に示す。
図中a,a′は1次気流Mの吸込口および吹出口を
表わす。またb,b′は2次気流Nの吸込口および
吹出口を表わす。熱交換素子9が、後方を短辺と
する台形状を成しており、フイン7部における静
圧損失は前側が最も大きく、後に行く程小さくな
る。そのため気流M,Nはフイン7部においては
図中矢印のように静圧損失の小さな後側に集中す
るような流速分布を形成し、隣接するプレート
8,8同志の間に形成される中空部12において
も矢印のように後側に集中しながら気流のガイド
機能を備えたスペーサー10に沿つて滑らかに吹
出口a′,b′に導出される。 次に本発明の熱交換器の性能を評価した結果を
詳述する。熱交換器における気流の流速分布の効
果を説明するために第6図に示す横断面形状の熱
交換器を試作した。図中Aが第5図に示した熱交
換器の横断面形状を表わし、半分から右側のハツ
チングを入れた部分がフイン7部、左側が中空部
12を表わす。(第5図の上から2段目の断面に
相当する。)また第4図の単位部材11の積み重
ね方を変えると図中Cのような横断面形状が平行
四辺形の熱交換器も得られる。一方第4図の単位
部材11の両端を平行流路に対して垂直に切断し
た場合には図中Bのような台形と平行四辺形の中
間に位置する断面形状が長方形の熱交換器が得ら
れる。また平行流路に対して斜めに切断した時の
角度θ(第6図A,Cの中に記した角度θ)によ
り気流の流速分布の効果に差が現れるためθが
45゜と60゜の2種類を試作し、合計5種類の熱交換
を試作した。これらの熱交換器の断面形状を明確
にするため第6図に示したW1およびW2の値を表
1に纒めて示す。試作熱交換器のLは全て300mm、
高さは全て500mmにそろえ、伝熱面積も約24m2
一定値にそろえた。またフイン7部における静圧
損失の分布はフイン部の上端長と下端長の比
W1/W2で定量化することが可能であるのでこの
値も表1中に併記した。
【表】 熱交換器の性能として表1に示した試作熱交換
器の温度交換効率を標準処理風量400m3/時の条
件下で測定した。その結果を縦軸に、温度交換効
率を横軸に、W1/W2の比を対数目盛でプロツト
した結果を第7図に示す。図のように測定値は直
線H上に良く載り、W1/W2の値が小さくなる
程、即ち断面形状が台形の熱交換器が最も高い温
度交換効率を示した。また第7図に上記試作熱交
換器と同一伝熱面積、即ち等伝熱面積の直交流型
熱交換器を用い同一条件下で測定した温度交換効
率を破線Kで記入した。また同じく等伝熱面積の
対向流型熱交換器の同一条件下で計算された理論
温度交換効率を破線Jで記入した。第7図より
W1/W2が0.14の台形状の熱交換器は従来のプレ
ート・フイン型熱交換器の常識の壁を打ち破り、
完全な対向流型熱交換器の理論温度交換効率を超
えることが明らかとなつた。 上記実験事実は本発明による熱交換器のフイン
7部および中空部12における気流の流速分布に
基ずくものであり、気流の流速分布および温度部
分の実測結果からも説明することができる。第8
図に断面形状が台形の熱交換器における気流と一
方の気流の吹出口における流速分布および温度分
布の実測結果を示す。第8図A中実線の気流Nお
よびこの気流とプレートを介して接触している破
線の気流Mの流速分布は図のように静圧損失の小
さい図中上側に集中し、気流のガイド機能を兼ね
備えたスペーサー10に導かれて吹出口から導出
されるため、気流Nの吹出口における流速分布は
第8図Bのようであつた。但し縦軸は平均流速
で流速Vを規格化した値を示し、吹出口のほぼ中
央の位置x5で1となつた。また気流Nおよび気流
Mの吸込口における温度T1およびt1と気流Nの吹
出口の各位置における温度tを測定した結果より
温度分布を第8図Cに示す。第8図BおよびCよ
りt−t1/T1−t11(温度交換効率100%に対応)に
近 い吹出口の位置に気流が集中していることが明ら
かである。 本発明者らは第1図に示すプレート・フイン型
熱交換器のどの分類に属せず、しかも従来理想と
されていた対向流型熱交換器の性能を超えた本発
明によるプレート・フイン型熱交換器に対して第
8図Aの気流パターンに因んで“πフロー型熱交
換器”と名付けた。以上の実験事実より明らかな
ように本発明の骨子はπフロー型熱交換器を実現
することであり、断面形状が台形の場合にはその
効果が特に顕著に表われる。そこで次に断面形状
が長方形の熱交換器の場合について説明する。断
面形状が長方形の熱交換器における気流パターン
を第9図に示す。図中Aが本発明のπフロー型熱
交換器の場合を表わし、他のB,C,Dは参考例
として示す他の気流パターンの場合を示す。これ
らの熱交換器の温度交換効率を測定した結果を表
2に示す。
〔発明の効果〕
この発明は以上のように構成されているので、
プレートフイン型熱交換器の理想と考えられてき
た対向流型熱交換器の熱交換効率を超える極めて
高い熱交換効率を有する熱交換器を、同一形状の
単位部材を単に積み重ねるという製造自動化の可
能な量産性の高い製造方法で安価に得られる効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はプレート・フイン型熱交換器の分類と
流体の流れを示す説明図、第2図は従来技術とし
ての直交流型熱交換器の斜視図、第3図は従来技
術としてのダンボール状熱交換素子を用いた熱交
換器の斜視図、第4図は本発明の実施例に用いる
単位部材の斜視図、第5図は本発明の実施例であ
る断面形状が台形の熱交換器の斜視図、第6図は
本発明の熱交換器の性能を説明するために試作し
た熱交換器の横断面形状を表わした説明図、第7
図はその温度交換効率の測定結果を表わす図、第
8図は本発明の熱交換器の個有の気流の流速分布
と吹出口における流速分布および温度分布を示す
図、第9図は本発明の他の実施例である断面形状
が長方形の熱交換器の気流パターンを示す図、第
10図は本発明の断面形状が台形の熱交換器をケ
ーシングに納めた時の斜視図、第11図と第12
図はそれぞれフインとプレートの変形例を示す断
面図である。 図中、7はフイン、7aは平行流路、8はプレ
ート、9は熱交換素子、10はスペーサー、11
は単位部材、12は中空部(空間部)、13はケ
ーシング、Mは一次気流、Nは二次気流を示す。
なお各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 熱交換すべき2つの流体を仕切るため所定の
    間〓をもつて対向して設けられ、一端縁が揃えら
    れた一対のプレートと、このプレート同志の上記
    間〓の中に上記流体の流れを制御するための複数
    の平行流路を形成したフインとを有し、このフイ
    ンはその平行流路の一端がプレートの揃えられた
    一端縁と一致するように設けられるとともに、こ
    の揃えられた端面を平行流路に対して斜めに形成
    し、この斜めの端部において一方のプレートにお
    けるフインと反対側の面にスペーサーを設けて構
    成された単位部材を複数個具備し、この単位部材
    はその斜めに形成された端部と反対側の端部同志
    が重なり合うよう交互に反対向きにして積層する
    ことによつて、上記プレート同志によつて形成さ
    れる間〓を複数層形成し、かつこれら複数層のそ
    れぞれに上記フインのある部分とフインのない空
    間部とを積層方向において互い違いの配置となる
    ように設けるとともに、上記各層に対して一層ず
    つ交互に一次流体と二次流体を分配せしめ、各層
    に導入された上記一次流体と二次流体がその層の
    中を通過してプレートを介して熱交換を行なうよ
    うにし、かつ上記斜めに形成された端部が二辺を
    構成した台形の外形形状を有してなることを特徴
    とする熱交換器。 2 各層にはそのフイン部分をはさんでそのスペ
    ーサーと反対側から2つの流体が一層ずつ交互に
    導入され、上記スペーサーにより所定の導出方向
    に案内されることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載の熱交換器。 3 複数層のそれぞれは、その層に導入される流
    体の流れの上流側に設けられたフインのある部分
    と、これより下流側に設けられたフインのない空
    間部とから成つていることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載の熱交換器。 4 フインは波形断面形状を呈する板状体である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    熱交換器。 5 熱交換すべき2つの流体は、新鮮な室外の空
    気と排出すべき室内の空気であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項に記載の熱交換器。 6 プレートの材料として透湿性と気体遮蔽性を
    兼ね備えた多孔質材料を用いたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項に記載の熱交換器。 7 熱交換すべき2つの流体の導入部は互いに反
    対側の側面に設けられていることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載の熱交換器。 8 熱交換すべき2つの流体の導出部は同一側面
    に設けられていることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の熱交換器。 9 熱交換すべき2つの流体は互いに反対方向か
    ら対向する方向に導入され、空間部において同一
    方向に曲げられて同一方向へ導出されることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載の熱交換
    器。
JP59094101A 1984-05-11 1984-05-11 熱交換器 Granted JPS60238688A (ja)

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