JPH0545079A

JPH0545079A - 熱交換装置

Info

Publication number: JPH0545079A
Application number: JP22963191A
Authority: JP
Inventors: Shunsaku Nakauchi; 俊作中内
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】二つの流体間の熱交換が、流体の流速の遅い
時でも、温度の高低に拘らず、小型の装置で高効率に大
量にできる熱交換装置を安価に得ることを目的とする。【構成】熱交換を行うべき二つの流体の間に、流体の
流れの方向と交わる方向に面を並べた熱交換を行う複数
のフィンを設け、そのフィンの近傍周辺に該フィンとほ
ぼ並行に相対運動をするフィンを設けて熱交換用フィン
の周辺の流体を攪拌して、フィンと流体との相対運動を
高めて熱交換効率を高めた熱交換装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に広く使用され
る、気体と気体の間、或いは気体と液体の間、又は液体
と液体の間で熱交換を行う、熱交換装置に関するもので
あり、特に小型で高い熱交換効率を有するもので、冷暖
房時の換気、温風乾燥器の給排気装置、温水と気体との
熱交換装置等に用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱交換装置としては、第１の方式
として長く折れ曲がったパイプに、多くのフィンを設
け、パイプ内をポンプによって液体を通し、フィンには
ファンによって気体を当てるいわゆるラジエータタイ
プ，第２の方式としてうすい板で格子状に構成した通路
内を交互に２つの流体を通すもの，又、第３の方式とし
て回転する吸熱体を２つの流路と交叉するごとく設け、
該吸熱体を介して流体間の熱交換を行なう方式のもの等
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、第１の方式
の熱交換装置は構造が複雑で高価であり、第２の方式は
固定フィンであるため、大きさの割りに熱交換量が少な
く、又、第３の方式は２種類の流体が一部分混合してし
まうという欠点があり、全体的に大きさの割りに効率が
高くない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、熱交換を行うべき二つの流体の間に、
流体の流れの方向とほぼ直角の方向に面を並べた熱交換
を行う複数のフィンを設け、そのフィンの近傍周辺に該
フィンとほぼ並行に相対運動をするフィンを設け、フィ
ンと流体との相対運動を高めて熱交換効率を高めるよう
にする。

【０００５】

【作用】本発明の熱交換装置では、例えば相隣れる二つ
のフィンが互いに逆方向に回転している場合、流体取込
口、即ち川上から入った流体は、この流体の流れの方向
と直角の方向にフィンによって切られるのであるが、フ
ィンの回転方向が一つおきに逆転するので一つのフィン
で一方向に引っ張られた流体は、次のフィンで逆方向に
引っ張られ、川下に至る迄、フィンと流体の相対速度は
高く保たれる。

【０００６】相隣れる二つのフィンが相対速度をもって
いる限り、上述の作用は存在する。従って二組のフィン
の一方が固定され、他方が回転していても同じことが言
える。流体は二つのフィンの相対速度の約半分の相対速
度でフィンに接し、それよりフィンとの相対速度が低下
することはない。

【０００７】

【実施例】以下、図について本発明を説明する。図１
は、本発明の一実施例を示し、（ａ）は側面図，（ｂ）
はＩ−Ｉ断面図である。図１において、１は奇数番目の
フィン群，２は偶数番目のフィン群，３は外筒，４は内
筒，５はローター，６はステーター，７は連結体，８は
芯棒，９はベアリング，10は支持体，11は吸入ガイド，
12は吐出ガイド，13はギア，14と15はギア13と噛み合う
ギアである。

【０００８】フィン１は奇数番目のフィン群であって、
こちらのフィン１は埋め込み，熔接その他の方法で外筒
３に固定されている。フィン２は偶数番目のフィン群で
あって、これらは内筒４に固定されている。内筒４はロ
ーター５と連結体７によって連結されており、且つベア
リング９を通して芯棒８に回転自在に支持されている。
芯棒８はステーター６を支持し、且つ支持体10によって
吸入，吐出ガイド11，12を支持し、又、支持体10は全体
を壁体等に固定するのにも使われる。ギア13は支持体10
上に複数個回転自在に設けられ、外筒３と、内筒４の周
辺に設けられた内歯歯車のギア14と外歯歯車のギア15と
噛み合っている。

【０００９】図１には図示されていないが、外部にある
適当な送風機によって図上の矢印方向に流体が送られ
る。隔壁１の外側と内側で流体の方向は逆である。

【００１０】内筒４はステーター６によって駆動される
ローター５の回転につれて回転する。それにつれてフィ
ン２は高速で流入してきた流体を切る。外筒３は、内筒
４の動きをギア13，14，15によって伝えられ、内筒４と
反対方向に回転する。それにつれてフィン１も高速でフ
ィン２と反対方向に、流入した流体を切る。流体と固体
との間の熱伝達率は流体の固体に対する流速が大となる
と大きくなることはよく知られている事実であり、本発
明はこの事実を利用したものである。

【００１１】即ち、フィン１と２が高速で流体を切るの
で、流体とフィン１，２の間の熱伝達率は大となり、効
率よくフィン１，２と流体との間の熱交換が行われる。
例えば、リング21と22で形成される隔壁の内側の流体か
らフィン１，２に入った熱はフィン１，２内を熱伝導に
よって流れ、反対側のフィン１，２に流れていき、そこ
で反対側の流体との間で熱交換が行われる。

【００１２】フィン２は隔壁１の回転によって高速で流
体を切るのであるから、流体の図１の矢印方向の流速は
早くなくてもよい。遅い流速でも充分高い効率で熱交換
ができる。このことは多くの場合大変有利な点である。

【００１３】二つの流体間で熱交換を行う場合の、二つ
の流体の温度変化の模様を図２に示す。図２でＴ₀は流
出する流体の初期温度，Ｔ₁は流入する流体の初期温度
でＴ₀＞Ｔ₁の場合を示す。ａ点は流出点，ｂは流入点を
示す。

【００１４】図示したように流出する流体の温度はＴ₁
に近づき、流入する流体の温度はＴ₀に近づく。熱交換
装置を通過している時の２つの流体間の温度差△Ｔは、
図示したように、各部で殆ど一定している。

【００１５】本発明の熱交換装置の優れている点の一つ
は、フィン１と２とが、同一方向に同速度で動いている
のではなく、互いに相対速度をもって動いている点であ
る。もし同じ方向に同一速度で動いていたとすると、フ
ィンの数の多い場合には、フィン間を流れる流体が、フ
ィンとの摩擦のために川下に行くに従ってフィンと同一
方向に動くようになる。従ってフィンと流体間の相対速
度が減少し、両者間の熱伝達率が悪くなり、熱交換装置
としての能率が下がる。

【００１６】しかるに本発明ではフィン１と２が一つお
きに互いに反対方向に動いているから、フィン１で一方
向に動いた流体は次のフィン２で逆方向に動かされるの
で、川下に至る迄、流体とフィン１，２との相対速度が
高く保たれ、従って両者間の熱伝達率は川下迄低下する
ことがない。

【００１７】図３は、外箱３と内筒４と、それに植設さ
れているフィン１と２との構造を示し、（ａ）は側面
図，（ｂ）はＩ−Ｉ断面図，（ｃ）は（ｂ）の一部拡大
図である。図３で31，32はフィン１，２に植設されたリ
ングで、33はリング31と32の間に入れられるフィルムで
ある。フィン１と２は熱伝導のよい材料で作られる。低
温領域の場合は銅等が、高温ではアルミナ磁器等が適し
ている。リング31，32は互いにこすれ合いながら回転し
て行くのであるから、耐摩耗性が良く、摩擦係数の少な
い材料が適している。フィルム33はリング31と32が直接
ふれて摩擦が大きくなるのを軽減するためのもので摩擦
係数の少ないプラスチック等が適している。又、リング
31，32の熱伝導が良いと、それを通してフィン内に熱が
移動して熱交換装置としての機能を低下させる。従って
リング31，32の材料は熱伝導の悪いものがよい。

【００１８】図４は、外筒側のフィン群が固定されてい
る実施例を示す構造図で、外筒３は吸入ガイド11と吐出
ガイド12とに連結固定されており、回転はしない。従っ
て、ギア13，14，15は省略されている。

【００１９】即ち、フィン１は固定され、フィン２だけ
が回転する。この実施例では図１の場合と異なり、川上
ではフィン２が主として熱交換を行い、川下に行くに従
ってフィン２とフィン１とが同じ位の熱交換を行うよう
になる。図１の場合より多少熱交換の能率は落ちるがそ
の代わりに図１のものより構造が簡単になる。

【００２０】図５は、フィン群が固定フィン１群と固定
フィン２群の合計３群が使われている実施例の構造を示
し、（ａ）は側面図，（ｂ）はＩ−Ｉ断面図である。図
５で51，52，53はれぞれフィン群であり、54は外筒，55
は隔壁，56は内筒，57はモーター，58は吸込ガイド59は
吐出ガイドである。フィン52は固定した隔壁上に植設さ
れており、隔壁55を通しての二つの流体間の熱交換を行
う。フィン51と53は固定しているフィン52の周辺の流体
をかき廻して、フィン52と流体との間の熱伝達率を向上
させる役目をし、それ自体は熱交換には、直接的には、
関わらない。従って、フィン52は熱伝導のよい材料で作
られ、フィン51と53は熱伝導の悪い材料で作られる。こ
の方法は二つの流体が混じるのを極端に嫌う場合に用い
られて有効である。隔壁45が一体化していて隙間がない
からである。

【００２１】図６は、更に他の実施例を示す。図６で、
（ａ）は側面図，（ｂ）はＩ−Ｉ断面図で，61はフィン
群，62は他のフィン群，63は外筒，64は隔壁，65は内
筒，66は内筒を隔壁上に支える柱，67は支持体，68は支
持体67に取り付けられた外筒63を回転自在に支えるため
のローラーである。図６に示された熱交換装置は、液体
と気体間の熱交換に適したものである。

【００２２】図６の例ではフィン群は二つに分けられ、
一つは固定し、他方が回転している。この例は液体と気
体間の熱交換に適している。液体は管状の隔壁64の内部
を矢印方向に流れている。液体が管壁の近くを通るよう
に内筒65が柱66によって支えられて設けられている。フ
ィン62は隔壁64上で静止しており、一端は外筒63の内部
に突き出してフィンとなっており、その多端は隔壁64を
貫通してをの内部に入り、隔壁64の内部ではその壁に沿
って折り曲げられている。フィン61は回転する外筒に植
設されている。外筒63は支持体57によって、ベアリング
68を介して回転自在に保持されている。

【００２３】フィン61の役目は図５のフィン51と同じ
で、フィン62の周辺の気体をかき廻して、フィン62と気
体との間の熱伝達率の向上を図る。フィン62は熱交換を
行うので熱伝導の良い材料、フィン61は気体をかき廻す
だけの役目だから熱伝導の悪い材料で作られる。周知の
ように液体と固体間の熱伝達は、気体と固体間の熱伝達
に比べて格段に良好であるから、フィン62の液体側での
液体との接触面積はそれ多くを必要としない。

【００２４】図６の実施例では液体は隔壁64の内部を流
れる例で示してあるが、本発明はこれに限るものではな
く液体が外部を流れる場合でも適用される。図７はその
実施例を示したものである。図７でフィン71は内筒75上
に植設されており、内筒75は支持体77によって支えら
れ、図示されていないが、外部動力によって回転してい
る。フィン72は固定された管状隔壁74の内側の隔壁に植
設されており、運動はしない。液体はパイプ76に導かれ
て、管状隔壁74の内部を流れ、フィン72を通して気体と
熱交換を行う。図６と図７は液体が内部を流れるか、外
部を流れるか、という構造の違いだけで、発明の思想は
同じである。

【００２５】図１及び上述の説明ではフィン１と２は交
互に配置されているとして説明したが、本発明は必ずし
も交互配置に限るものではなく、例えばフィン１又は２
を数個分まとめて組み上げて１組として、これらの組を
交互に配置してもよい。図８に３個のフィンを１組とし
て構成した例を示す。図８で81と82は３個のフィン１又
は２に対するリングである。

【００２６】図３の方式は、リング31，32が隔壁を形成
しているが、フィン１と２との間は、相互運動を可能に
するためには少し隙間が必要となる。そのためその隙間
を通して熱交換を行う二つの流体間の洩れ、換言すれば
混合の問題が多少発生する。この問題を減らすのに数個
のフィンを１組として組み上げると、その数個のフィン
のリング81，82は一体化されていて隙間を設ける必要が
ないので、洩れを減らすことができる。その代わりフィ
ン１と２と流体との相対速度は多少減少する。

【００２７】図６と７の熱交換装置は、お湯から温風を
作り出したり、温風でお湯を作ったりするのに適してい
る。勿論冷水で冷風を作るのにも適している。

【００２８】以上の説明ではフィンは板状のものと図示
してきたが、本発明は、フィンを板状に限るものではな
く、棒状のものを回転方向に多数個並べて構成してもよ
い。図９にそのようなフィンの一例を示す。図９で91は
フィン，92はフィンを植設するリングである。リング92
は、例えば図６の発明の場合は、管状隔壁となる。

【００２９】板状のフィンの場合、フィンの面を回転面
と少し傾いた角度にねじって作ると、そのフィンの斜面
で流体を送ることもできて流体用ポンプやファンを省略
できる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、フィンを
設けることによって流体と接する熱交換用固体の表面積
を広くすると共に、これに回転運動を与えるか又は、熱
交換用フィンを固定し、その周辺に回転運動をする流体
攪拌用のフィンを設けることにより、流体と熱交換用固
体間の相対速度を高め、その間の熱伝達率を向上させる
ことにより、次のような数多くの効果をもつ熱交換装置
を得ることができる。

【００３１】室内の空気の換気用に用いて、熱損失が少
なく、湿度の変動の少ない換気ができる。

【００３２】単位時間当りの換気の割合を少なくする、
換言すれば熱交換装置からの吹出し風速を小さくして
も、隔壁が回転しているために有効な熱交換ができる。

【００３３】例えば、通常の住宅の室で、４０〜６０ｍ
³位の空気量を１時間に２回転する場合を例にすると、
風量換算で２０〜３０リッター／秒位の風量，風速で３
０〜６０cm／秒位の換気になるが、これ位の風速でも本
発明の装置は６０〜８０％位の熱効率を得ることができ
る。

【００３４】小型で取付が簡単である。エネルギー損失
が少ないので常時運転できるから、室内の温度，湿度を
一定に保ち、且つ清浄な外気を常時導入して健康的な生
活環境を得ることができる。

【００３５】熱風乾燥器の給排気間の熱交換に用いられ
て、高温高湿の排気の温度を下げ、その中の水分は結露
させて、水として取り出して、環境の悪化を防ぎ、排気
の熱を利用して給気の温度をあげてやって、乾燥用の熱
エネルギーを節約させることができる。

【００３６】気体と液体、液体と液体間の熱交換装置に
用いられて、小型高効率で、流体輸送用ポンプも省略し
た熱交換装置を得ることができる。

【００３７】ガスバーナー等から温風を発生させる装
置、例えば乾燥器やストーブ等に用いて高い熱効率を有
する装置を得ることができる。

【００３８】フィンは金属板をプレスで打ち抜いて作れ
るし、接続用リングもプラスチックで作ることができ、
構造が簡単で組立が容易であるから安価である。以上の
ように本発明は、省エネルギーと健康等に役立ちその効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例を示す側面図であ
る。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。

【図２】二つの流体の温度変化を示す図である。

【図３】（ａ）はフィンとリングの構造を示す側面図で
ある。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。（ｃ）
はｂの一部拡大図である。

【図４】（ａ）は本発明の他の実施例を示す側面図であ
る。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。

【図５】（ａ）は本発明の更に他の実施例を示す側面図
である。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。

【図６】（ａ）は本発明の更に他の実施例を示す側面図
である。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。

【図７】（ａ）は本発明の更に他の実施例を示す側面図
である。（ｂ）は同じくそのＩ−Ｉ断面図である。

【図８】複数個のフィンを一組として構成した本発明の
実施例を示す構造図である。

【図９】棒状フィンを用いた実施例を示す構造図であ
る。

【符号の説明】

１フィン２フィン３外筒４内筒５ローター７連結体９ベアリング 10 支持体 11 吸入ガイド 12 吐出ガイド 13 ギア 31 リング 51 フィン群 52 フィン群 53 フィン群 61 フィン群 62 フィン群 71 フィン群 72 フィン群 81 フィン群 82 フィン群 91 フィン群

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換を行うべき二つの流体の間に設け
た、流体の流れの方向と交わる方向に並べた複数個のフ
ィンを複数のフィン群に分け、それぞれのフィン群が他
のフィン群と相対運動をするようにしたことを特徴とす
る熱交換装置。
【請求項２】熱交換のために使用される複数個のフィン
を二つのグループに分け、それぞれのグループに属する
フィンを１個おき又は数個おきに交互に配置し、この二
つのグループの間で相対運動をさせるようにしたことを
特徴とする請求項１に記載した熱交換装置。
【請求項３】一部を切り欠いた熱伝導率の良い材料で作
られた熱交換のためのフィンを形成するリング状円板
と、熱伝導率の悪い材料で作られた隔壁の一部を形成す
るリングとで熱交換用フィンを構成したことを特徴とす
る請求項２に記載した熱交換装置。
【請求項４】熱交換を行うべき二つの流体の間に設けた
固定された管状の隔壁と、該隔壁に設けられた複数個の
熱交換用のフィンと、該フィンの近傍周辺で該フィンと
相対運動をするフィンを設けたことを特徴とする請求項
１に記載した熱交換装置。