JPH02634B2 - - Google Patents

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
型の熱交換器に関し、特に熱交換すべき２つの流
体の双方又はいずれか一方に特定の流量分布を与
えて熱交換器内を流すことにより極めて高性能化
された熱交換器を提供しようとするものである。

〔従来の技術〕

一般にプレートフイン型の熱交換器は単位体積
当りの伝熱面積が大きく小形で高効率な熱交換器
として広く使用されており、その中でも２つの流
体の流れ方向が平行四辺形の対向する辺の方向に
構成された交差流型（直交流または斜向流型）が
構造が簡単で安価に得られる為、広く利用されて
いる。

しかしこのタイプの熱交換器は対向流タイプに
比して熱交換効率が低いという短所がある。例え
ばNTU（Number of heat Transter Unit：熱通
過数）はNTU＝Ｋ・Ａ／Ｗという式で表わされ
る。なおここでＫは熱貫流係数、Ａは伝熱面積、
Ｗは水当量であり、Ｗ＝Ｇ（質量流量）×Ｃ（比熱）
という関係であるが、このNTUが4.0の場合に
は、対向流型の熱交換器は80％、交差流型のもの
は72.2％の熱交換効率となり、交差流型の方が熱
交換効率が悪い。

これは交差流型熱交換器の構造に起因するもの
であり、以下図面とともにその原因を説明する。

第１図，第２図に示したものは特公昭47―
19990号公報等で提案されている代表的な従来の
交差流型の熱交換器を示すもので、図中、１，１
は所定の間隔をおいて対向して設けられた仕切
板、２はこの仕切板同志の間にそれぞれ設置され
た断面波形形状の板状フインで、このフインと仕
切板１の２者で１つの熱交換素子３となつたもの
を交互にフイン２の方向を90゜変えながら積み重
ねて第２図に示すような熱交換器が形成される。
フイン２の役割としては、仕切板１の間隔を一定
に保ち、仕切板との接触により伝熱面として働
き、また流体の流れを一定に保つという３つがあ
り、これらを満足させる為に、フインの形状（ピ
ツチ）は第３図に示すように一定であり、このた
め一方の流体の流路断面積を各流路の断面ごとに
見た場合、他方流体の導入口側においても導出口
側においても同一とされている。

この結果として、この様な熱交換器に流体を流
した場合には、第４図に示す様にフイン２部分は
流速(v)が均一でほとんど均一な流れとなつてい
る。これは流部分の静圧損失が一定となる様に流
速分布が定まり、かつ流路形状が一定の為であ
る。

従つて、この様な熱交換器に２つの流体Ｍ，Ｎ
を流した場合には第５図に示す様に２つの流体
Ｍ，Ｎ共に均一な流速分布となる。

そこで、この熱交換器に０℃の流体Ｍと20℃の
流体Ｎを同流量流した場合の熱交換器導出口部分
の流速と温度分布は第６図に示すとおりである。
この第６図から明らかなように０℃の流体Ｍの点
４付近から入つたものは、20℃の流体Ｎの導入口
付近を通る為、ほぼ20℃にまで暖められて、点７
付近の出口から吹き出され、また20℃の流体Ｎの
点４付近から入つたものは０℃の流体Ｍの導入口
付近を通る為、ほぼ０℃まで冷却されて点６付近
の出口から吹き出される。

また、20℃の流体Ｎの点７付近から入つたもの
及び０℃の流体Ｍの点６付近から入つたものは
各々他流体により加熱，冷却されて約
０℃＋20℃／２＝10℃となつて各々点５付近から吹 き出される。

この様な熱交換器の効率は０℃の流体がＴ℃ま
で熱せられたとした場合η＝Ｔ―０／20で表わされ、 この場合には、０℃の流体Ｍは導出口部分におい
て均一な流速分布を持つからＴは導出口の温度分
布を平均したものとなる〔導出口部分に不均一な
流速分布を持つ場合には、流速（流量）と温度の
積を平均したものとなる〕。この為、交差流型の
熱交換器では、構造上点５付近から吹き出す流体
が他流体との温度差が小さく熱交換量が小さくな
る為、対向流型の熱交換器に比べて同一NTUに
おいての効率が低くなつているという欠点を持つ
ている。

〔発明の概要〕

この発明は上述のような従来の欠点に鑑みてな
されたものであり、熱交換すべき２つの流体の双
方又は何れか一方に特定の流量分布を与えるよう
にした特性を備えた熱交換器を提供するものであ
る。

そのためにこの発明は、仕切板を所定間隔をお
いて複数層に重ね合わせ、一次流体と二次流体と
がこれら層間を交互にかつ交差する方向に通るよ
うに形成するとともに、上記各層の仕切板相互間
には前記流体の流れを制御するため仕切板との間
で複数の平行流路を形成するフインを設け、２つ
の流体の少なくともいずれか一方の通る層におけ
る平行流路の各流路における流路断面積を異なる
他方流体の導入口側と導出口側で異ならせ、各層
に導入された一次流体と二次流体の双方又は何れ
か一方に上記平行流路の断面積変化に基づく流量
変化を与え、上記仕切板を介して一次流体と二次
流体との間の熱交換を行わせて導出するようにし
たものである。

そしてこの構成により、平行流路の断面積を変
えるという簡単な手段で高い熱交換効率が得られ
る交差流型の熱交換器を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下この発明の実施例について説明する。

第７図、第８図はこの発明の一実施例を示すも
ので、図面から明らかなようにこの実施例はフイ
ン２の高さを一定にして山の間隔つまりピツチＰ
を一定割合で減少させて、フイン２と仕切板１に
より構成される平行流路２ａの断面積を一定の割
合で減少させたものである。第８図は上記のフイ
ン２と仕切板１の組合せからなる熱交換素子３を
交互にフイン２の方向を90℃変えながら積み重ね
て複数層に形成した熱交換器を示すものである。

このような構成の熱交換器であるから、１つの
熱交換素子３に流体を流すと第９図のように平行
流路２ａにおける静圧損失の差により導出される
流体の流速Ｖは均一とならず大きな差を生ずる。
従つて今０℃の一次流体Ｍと20℃の二次流体Ｎを
熱交換器の層それぞれに交互に直交する方向から
同時に流すと第１０図，第１１図に示すように一
次，二次流体Ｍ，Ｎの導出口側では従来の流速の
約1.5倍から0.5倍の連続的な変化を示した形とな
り、しかも互いに異なる他方の流体の導入口側が
流速Ｖが大で、反対側に導出口側に行くほど流速
Ｖが小さいという結果を示す。

しかし、導出口の温度分布は第１１図のように
若干の変化はあるが第６図に示される従来の熱交
換器の導出口温度分布とほぼ同じ分布を示してお
り、熱交換量の多い部分を多くの流体が流れてい
ることを示している。その結果として、温度と流
速（流量）Ｖの積の平均値が大きくなり、従来の
熱交換器より高い効率を得ることができる。

この発明の一実施例においては、NTU＝4.0の
場合にη＝80％を実験的に得ることができ、対向
流型の熱交換器と同じ性能を得ることができた。

第１２〜１４図はそれぞれこの発明における熱
交換素子３の変形例を示すもので、第１２図Ａの
例は高さが一定である波形フイン２を途中の線Ｌ
を境にその波の間隔（ピツチ）を広い部分と狭い
部分に分けたものである。第１２図Ｂは高さが一
定のフイン２の断面を凹凸形状にした例を示し、
第１２図Ｃ，Ｄはいずれも仕切板１から一体に多
数の同一高さのフイン２を突出形成したものであ
り、第１２図Ｅ，Ｆはいずれも上下の仕切板１，
１とフイン２とをすべて一体品で形成した例を示
し、第１２図Ｅはフイン２の間隔を一定の割合で
変化させた例であり、第１２図Ｆはある特定の線
Ｌを境としてフイン２の間隔が広い部分と狭い部
分とに分けた例である。第１３図は第１２図Ｅに
示した熱交換素子３を交互に90゜向きを変えて重
ねて形成した熱交換器を示したものである。第１
４図は仕切板１とフイン２とを一体に形成すると
ともに、フイン２を斜めに形成した例を示したも
のである。

そしてこの第１２図〜第１４図に示したいずれ
のものにおいても流速の分布は第７図〜第１１図
のものと多少異なるが、その実施例と同様に熱交
換量の多い部分を多くの流体が流れる特性を備え
ており、従来の熱交換器に比べてより高い熱交換
効率を得ることができた。

なお、仕切板１を通湿性の材料で構成すれば高
効率の全熱交換器を得ることができる。また、熱
交換器の形状は交差流型であれば正方形，長方
形，ひし形，平行四辺形、どの形状でも同様の効
果が得られる。また、熱交換器を一方の流体の流
路は従来の熱交換素子で、他方の流体の流路をこ
の発明の素子で構成しても従来の熱交換器より高
い交換効率を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなようにこの発明によれ
ば、従来の交差流型熱交換器と同等な構成にフイ
ン平行流路の断面積を変化させるという簡単な手
段を付加するだけで対向流型熱交換器のような高
熱交換効率の熱交換器を簡単に得ることができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は従来例を示し、第１図は従来
の熱交換素子の斜視図、第２図は従来の熱交換器
の斜視図、第３図はその熱交換素子の端面図、第
４図，第５図は第２図，第３図の熱交換器、熱交
換素子に流体を流した場合を示すそれぞれ流速分
布説明図、第６図は同じく第２図の熱交換器の特
性説明図で、第６図Ａは二次流体Ｎの導出口にお
ける温度分布図、第６図Ｂは熱交換器の流速分布
説明図、第６図Ｃは一次流体Ｍの導出口における
温度分布図、第７図〜第１１図はこの発明の一実
施例を示し、第７図は熱交換素子の端面図、第８
図は熱交換器の斜視図、第９図，第１０図はその
熱交換器，熱交換素子の流速分布説明図、第１１
図は熱交換器の特性説明図で、第１１図Ａは二次
流体Ｎの導出口における温度分布図、第１１図Ｂ
は流速分布説明図、第１１図Ｃは一次流体Ｍの導
出口における温度分布図、第１２図のＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ，，Ｅ，Ｆはいずれもこの発明の熱交換素
子の互いに異なる変形例を示す端面図、第１３図
は第１２図Ｅの熱交換素子を使用した熱交換器の
斜視図、第１４図Ａ，Ｂはいずれも熱交換素子の
さらに別の変形例をそれぞれ示す端面図である。 各図中、１は仕切板、２はフイン、２ａは平行
流路、３は熱交換素子、Ｍは一次流体、Ｎは二次
流体である。なお各図中、同一符号は同一又は相
当部分を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱交換すべき２つの流体を仕切る仕切板を所
   定間隔をおいて複数層に重ね合わせ、一次流体と
   二次流体とがこれら各層間を交互にかつ交差する
   方向に通るように形成するとともに、前記各層の
   仕切板相互間には前記２つの流体の流れを制御す
   るため仕切板との間で複数の平行流路を形成する
   フインを設け、２つの流体の少なくともいずれか
   一方の流体の通る層における各平行流路ごとの流
   路断面積を、他方の流体の導入口側で大、導出口
   側で小と異ならせ、各層に導入された一次流体と
   二次流体の少なくとも何れか一方に上記平行流路
   の断面積変化に基づく流量変化を与え、前記仕切
   板を介して一次流体と二次流体との間でそれらの
   流動を中断することなくそれぞれの保有する温度
   を交換させて導出するようにしたことを特徴とす
   る熱交換器。 ２ 一方の流体が通る平行流路の断面積を他方の
   流体の導入口から導出口側に向かつて一定の割合
   で連続的に小さく設定し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 ３ 一方の流体が通る平行流路の断面積を他方の
   流体の導入口から導出口側に向かつて段階的に小
   さくし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。 ４ フインは断面が波形等の凹凸形状を有する板
   状部材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 フインは仕切板から一体に多数突設形成され
   たもの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 フインは断面が波形等の凹凸形状を有しかつ
   全体が均一高さを有する板状部材であつて、その
   凹凸のピツチを変化させて平行流路の流路断面積
   を変化させ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 フインは仕切板から一体にそれぞれ同一高さ
   に多数突設形成されたもの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。 ８ 仕切板は熱伝導性と通湿性とを兼ね備えた多
   孔質材料で形成さ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。