JP2005291616A - 熱交換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱交換素子全体の強度を確保し、換気空気の流路を形成すると共に、容易に製造することができ、且つ熱交換効率に優れた熱交換素子を提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明の熱交換素子は、等間隔に並設された複数枚の熱交換膜１と、それぞれの熱交換膜１間に固定されて熱交換膜１同士の間隔を維持するスペーサー２と、からなるものであって、前記スペーサー２は、それぞれホットメルトビード２１ａを段層し固化接着してなる複数本の条を具備することを特徴とする。また、前記ホットメルトビード２１ａは、発泡樹脂からなることが好ましい。また、前記熱交換膜１は、親水性有機高分子膜を定着してなることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、顕熱及び潜熱交換を行なう熱交換素子に関するものである。

換気空気（外気及び内気）の熱交換を行う熱交換素子は、複数枚の熱交換膜を、所定の間隔を開けて積層してなる。そして、この積層間隔毎に外気と内気とを交互に流通させることで、熱交換膜を介した外気及び内気の全熱（顕熱及び潜熱）交換を行うものである。

この熱交換素子に関して、従来、波板に一体成形したスペーサー２´を各熱交換膜間１´に介設した、いわゆるコルゲート構造からなるものがあった（例えば、特許文献１、及び図６（ａ）参照）。このスペーサー２´は、交互に相対方向を向いた波形の頂部を、隣設する熱交換膜の双方に連接着してなる。もって、熱交換膜１´同士を確実に固定し、熱交換素子全体の強度を確保すると共に、換気空気の流路を形成するものである。

しかし、波板の頂部が湾曲して熱交換膜１´と接触するため、例えば、図６（ａ）にて散点で示すような接触部付近の領域は、熱交換が行われにくい領域となってしまう。従って、多くの有効熱交換面積を確保することが出来ず、波板からなるスペーサーによって熱交換効率が阻害されていた。

また、このような波板からなるスペーサー２´は、熱交換膜１´と別途の加工・成形工程の後、積層する熱交換膜１´へ順次接着する接着工程を経て形成されるものである。このため、成形、熱交換膜１´への配設、及び接着の各工程に費用、設備等がかかり、製造効率面から、容易に製造できるとはいえなかった。

この製造効率という問題に関連して、ホットメルト樹脂からなるスペーサー２´´が存在する（例えば、特許文献２、及び図６（ｂ）参照）。これは、ゲル上に溶融したホットメルトビードを熱交換膜１´´上に塗布し、固化接着することで形成される。従来別途行われていた、スペーサーの成形工程や、熱交換膜への配設工程、及び接着工程が、ホットメルトビードの塗布という一工程によって行われる。よって、容易にスペーサー２´´を形成するものである。

しかし、ゲル状に溶融したホットメルトビードの自重と張力との関係、更には熱交換膜１´´の積層構造によって、ホットメルトビードのスペーサー２´´は、図６（ｂ）に示すように、厚さ方向に潰れた状態で断面偏平形状となって形成される。この潰れたスペーサー２´´の幅によって、同図にて散点で示すような、熱交換効率の行なわれにくい領域が多く存在する。このため、十分な有効熱交換面積を確保することが出来ず、依然として熱交換効率が阻害されていた。
特開平７−１３３９９４号公報 特開平７−１０３６８１号公報

そこで、本発明は、熱交換素子全体の強度を確保し、換気空気の流路を形成すると共に、容易に製造することができ、且つ熱交換効率に優れた熱交換素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、以下（１）ないし（４）の手段を採用するものとしている。

（１）すなわち、本発明の熱交換素子は、等間隔に並設された複数枚の熱交換膜１と、それぞれの熱交換膜１間に固定されて熱交換膜１同士の間隔を維持するスペーサー２と、からなるものであって、前記スペーサー２は、それぞれホットメルトビード２１ａを段層し固化接着してなる複数本の条を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、ホットメルトビード２１ａの塗布によってスペーサー２が形成され、併設する各熱交換膜１が、それぞれ複数本の線接着によって接着される。よって、スペーサー２の別途成形、接着等が不要となる。また、全体の強度を確保した熱交換素子を安価且つ迅速に、すなわち効率よく容易に製造することができる。

また、ホットメルトビード２１ａの段層によって、スペーサー２を構成する各条の断面縦横比率を大きなものとしうる。よって、比較的小さな幅であっても、必要なスペーサー２の高さ、すなわち熱交換膜１同士の間隔を、十分な強度と共に確保することができる。そして、従来と比して大きな有効熱交換面積を確保することができ、熱交換効率が高くなると共に、通気抵抗が小さくなる。

（２）また、前記ホットメルトビード２１ａは、発泡樹脂からなることが好ましい。

このようなものであれば、各条を構成する段層単位毎のホットメルトビード２１ａの自重が軽くなること等により、厚さ方向（積層方向）へ潰れにくいものとなる。すなわち、発泡したホットメルトビード２１ａを積層することよって、より縦横断面比率の大きいスペーサー２となる。

また、ホットメルトビード２１ａを構成するホットメルト樹脂内の発泡ガスの発泡によって、塗布するホットメルト樹脂原料の量が低減し、安価なものとなる。

（３）また、前記熱交換膜１は、親水性有機高分子膜を定着してなることが好ましい。

このようなものであれば、従来の紙製の熱交換膜１と比して、比較的薄く柔軟性（通気時の形状変化の自由度）及び軽量性に富んだ熱交換膜１となる。

更にこのとき、ホットメルトビード２１ａが発泡樹脂からなるものであれば、スペーサー２自体の形状変化も柔軟性に富むものとなる。このため、熱交換膜１の柔軟な形状変化に対しても破壊しにくく、より耐久性に優れた熱交換素子となる。

（４）また、前記ホットメルトビード２１ａは、ＥＶＡ樹脂（エチレン・酢酸ビニル共重合体）を主成分とすることが好ましい。

ＥＶＡ樹脂は弾性及び耐衝撃性や耐候性に富むため、使用時の長期間にわたって、熱交換膜１の形状変化に柔軟に対応することができる。

またＥＶＡ樹脂は比較的硬化性が良いため、塗布後のホットメルトビード２１ａを固化させるための樹脂固化工程が不要となる。よって場所をとらず効率的に、また安価に製造できるものとなる。

（５）上記（４）の一方で、前記（２）のホットメルトビード２１ａは、オレフィン系樹脂を主成分とすることで、樹脂構造内で略均一に近い発泡度となる。これにより、樹脂内で気泡が凝集してしまう、いわゆる泡咬み現象が起こり難いものとなる。ひいては、略均一なスペーサー機能を果たす条を確実に得ることができ、製造効率面から、より安価な熱交換素子となる。

本発明は、上述のような構成としたことで、スペーサーが熱交換素子全体の強度を確保し、換気空気の流路を形成する。また、ホットメルトビードの塗布という一工程によって、大きな有効熱交換面積を確保したスペーサーを容易に形成できることから、熱交換効率に優れた熱交換素子を、容易に得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、各実施例として示す図面と共に説明する。図１ないし図４は、本発明の実施例１の熱交換素子である。図５は、実施例２の熱交換素子である。尚、図６（ａ）および（ｂ）は、従来の熱交換素子である。

以下のいずれの実施例においても、本発明の熱交換素子は、熱交換膜１と、熱交換膜１上に固定されて熱交換膜１同士の間隔を維持するスペーサー２と、を交互に積層してなる。これにより、複数枚の熱交換膜１が等間隔に並設され、この各熱交換膜１間の各層にスペーサー２が固定される。

熱交換膜１は、それ自体の表面及び裏面を流通する２種の空気の、潜熱及び顕熱を交換するものである。多数枚の熱交換膜１を積層し、各層間（それぞれの熱交換膜１間）へ交互に室外空気と室内空気を流通させるものである。これにより、熱交換膜１を介して各層間（それぞれの熱交換膜１間）へ交互に流通する室外空気と室内空気の全熱（潜熱及び顕熱）交換、或いは潜熱、顕熱のいずれかを主とした熱交換を行う。熱交換膜１の並設間隔は、１．５ないし２．０ｍｍ、さらには１．７ｍｍ程度であることが、高熱交換効率及び低圧力損失のために好ましい。

スペーサー２は、熱交換膜１上において互いに並行となるように並列固定された、複数本の条からなる。並設する熱交換膜１同士の間隔を維持すると同時に、並行な複数本の線固定によって、熱交換素子の形状を保持するものであり、また、換気空気の流れ方向を誘導するものである。

そして、本発明のスペーサー２は、厚さ方向へ段層した複数本のホットメルトビード２１ａを固化接着してなる条を一本或いは複数本具備する。つまり、複数の条のうち、少なくともいずれかの条が、複数段に段層したホットメルトビード２１ａからなる。

ホットメルトビード２１ａとは、常温を超えた融点で粘性溶融したホットメルト樹脂（熱溶融樹脂）を抽出してなる線（ビード）状体である。このホットメルト樹脂は、スペーサー２を構成する条の主成分であり、常温にて硬質又は中硬質固化する。

実施例１の熱交換素子について、図１に、斜視外観図を示す。図２に、図１の一部を拡大した斜視図を示す。図３に、実施例１の熱交換素子を構成するスペーサー２の形成工程例を示す。図４に、実施例１の熱交換膜１間の各層のうち一層における断面説明図を示す。

（実施例１のデータ）
・スペーサー２の材質：ＥＶＡ樹脂主幹ポリマー製の条のみ
・Ｎ_２（窒素）発泡度：２．５倍
実施例１の熱交換膜１は、親水性有機高分子膜を定着してなる。具体的には、親水性有機高分子樹脂たるスルフォン酸ポリマーを主成分とするものを、不織布の表裏両面から含浸させることで両面製膜（ダブルキャスティング）し、更に、その製膜した一表面のみ薄膜コーティングしたものである。

このスルフォン酸ポリマーのうち、本発明で代表される主成分として、実施例１では以下に示す三元共重合体の構造を有する。

このスルフォン酸ポリマーは、具体的には、５０〜３０重量％のオレフィンモノマーたるエチレンと、５０〜７０重量％のアリルビニルモノマーたるスチレンと、を有してなるエチレン・スチレン・ランダム共重合体を主成分とする。そして、このスルフォン酸ポリマーからなる電解質膜は高透湿性であって潜熱交換効率が高いものであり、全熱交換効率が高いものである。すなわち、前記電解質膜はそのミクロ構造の親水性イオンチャンネル内の水分拡散により従来には無い非常に高い高透湿性（約７５％の熱交換効率）を有するものである。

実施例１のスペーサー２は、段層されたホットメルト樹脂製の条のみからなり、プラスチック成形棒２２の条を含まずに構成される。具体的には、それぞれ厚さ方向へ２段に段層した直線状のホットメルトビード２１ａを、熱交換膜１上の一端部から他端部まで等間隔に複数本塗布し、固化接着することで、並設してなる。

実施例１のスペーサー２の材質たるホットメルト樹脂は、発泡ガスを混入した、ＥＶＡ樹脂（エチレン・酢酸ビニル共重合体）を主成分とする発泡樹脂からなる。実施例では、図３に示すように、ホットメルトガンの射出口からのビート射出直前にて、圧縮窒素ガスを混入している。発泡度（発泡後と発泡前の体積比）は、１．５ないし３、好ましくは２．５程度（すなわち、樹脂に対して体積比１．５倍の発泡気体を注入した状態）である。発泡度が３を超えない程度であれば、弾性や耐性の面から熱交換素子全体の強度を確保しうる。

（製造方法の例）
上記構成の熱交換素子は、例えば、以下のように製造することによって得られる。

図３に示すように、下段のホットメルトビード２１ａの塗布位置から所定距離だけ離れた位置にて、上段のホットメルトビード２１ａを連続的に重ねて塗布することができる。これにより、スペーサー２を構成する各条を熱交換膜１に効率的に固定する。

条を構成する各段の連続塗布によっても下段が潰れることが無く、各条は、少なくとも縦横断面比率１以上を確保する。さらに窒素ガスの発泡によって、１．４ないし１．６程度の縦横断面比率を維持することができる。

ここで、本発明における縦横断面比率とは、図４に示すスペーサー２の各条について、厚さたる縦距２１ｈと、横幅たる横距２１ｂとの比をいう。つまり、下式が成立する。
１≦１．４＜（２１ｈ／２１ｂ）＜１．６
尚、縦距２１ｈはすなわち、隣り合って並設される熱交換膜１の間隔であり、本実施例では１．７ｍｍ程度である。

各条の縦横断面比率は、熱交換膜１の並設強度を確保するために、例えば従来のプラスチック成形棒２２では１程度、段層しない従来のホットメルト樹脂では０．８ないし０．９となっていた。本発明の各条の縦横断面比率は常に１を超えることから、熱交換が行なわれない非有効領域（図４、図６にて散点で示される領域）を、従来（図６（ａ）および（ｂ））と比して飛躍的に減少させることができる。

実施例１では、図４にて斜線で示す有効熱交換面積は、各枚の熱交換膜１全体の８１％ないし８４％を占めるに到る。図６（ｂ）の斜線で示す従来の有効熱交換面積比が、熱交換膜１全体の６９ないし７２％程度であったことと比して、多くの熱交換有効面積を確保している。

更に、ホットメルトビード２１ａの段層によって、別途接着工程を不要にすることもできる。特に揮発性接着剤を使用せずに熱交換素子を製造することもできる。よって、接着剤に基づく有害ガスが、換気空気内に混入することが無く、安全性の高い熱交換素子にすることもできる。

熱交換膜１の材質に基づく実施例１の効果を示す。実施例１の熱交換膜１は、親水性有機高分子、具体的にはスルフォン酸ポリマーを主成分としてなることから、以下の二つの効果を奏する。

先ず、親水基すなわちスルフォン基によって、親水性イオンチャンネル内で水分拡散が起こる。よって、高透湿性の熱交換膜１を実現することができ、表裏双方向の熱交換効率が大幅に向上する。特に、断面縦横比率が１．４以上のスペーサー２と組み合わせることで、熱交換効率が従来のものより飛躍的に向上する。

次に、従来の紙製の熱交換膜１と比して、比較的薄く柔軟性（通気時の形状変化の自由度）及び軽量性に富んだ熱交換膜１となる。

また実施例１のスペーサー２の材質（つまりホットメルト樹脂の種類）に基づいて、以下の効果を奏する。

実施例１のスペーサー２の主成分であるＥＶＡ樹脂は、比較的軽量で、弾性に富む。また無極性であり、焼却時に有害ガスが発生することがない。このため、熱交換膜１の間隔を保持して換気空気の流路を確保するスペーサー２として、或いは熱交換膜１と分離することなく焼却廃棄できるスペーサー２として、ＥＶＡ樹脂は、好ましい材質のひとつである。

また、ＥＶＡ樹脂は、オレフィン系樹脂と比しても極めて硬化性が良い。

その他、本発明における各部の具体的な構成及び製造方法に関する具体的な工程は、上述した実施例に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

このようにして得られた各実施例の熱交換素子は、主に、換気装置内に収納される。そして、この熱交換素子を介して、室内空気と室外空気とを交流させるようにして使用される。換気装置は、一般的にそれぞれ室外からの吸気（ＯＡ）、室内への供給気（ＳＡ）、及び、室内からの還気（ＲＡ）、室内への排気（ＥＡ）にダクト接続される。

実施例２の熱交換素子について、図５に、一部拡大斜視図を示す。
（実施例２のデータ）
・スペーサー２の材質：オレフィン系主幹ポリマーからなる発泡ホットメルト樹脂と汎用プラスチックとの２種を併用
・Ｎ_２（窒素）発泡度：２．５
実施例２のスペーサー２は、それぞれ厚さ方向へ２段に段層したホットメルトビード２１ａを熱交換膜１上に複数本固化接着してなる、発泡ホットメルト樹脂製の条と、熱交換膜１同士の固定を補強するプラスチック成形棒２２と、を並設してなる。

プラスチック成形棒２２は、別途成形された、略正方形断面のプラスチック（塩化ビニル樹脂、低−中密度ポリエチレン、ポリプロピレンを主成分とする。）製の棒である。熱交換素子全体の補強用としてなる。

また、実施例２のホットメルトビード２１ａは、発泡ガスたる窒素Ｎ_２を混入した、オレフィン系樹脂たるエチレン重合体を主幹とする発泡樹脂からなる。発泡度は２．５（窒素ガスの混入量が樹脂の体積比１．５倍）程度である。

オレフィン系樹脂を主成分とすることで、樹脂内で略均一に近い発泡となる。
その他の構成は、実施例１と同様である。

実施例２のスペーサー２は、塗布後のホットメルトビード２１ａを固化させるために、樹脂を送風等により冷却固化させる。例えば送風による冷却は簡易な設備によって可能となり、コンベアによる長尺の熱交換膜１運搬に沿って、積層する各段のホットメルト樹脂を連続的に固着することで、生産効率が上昇する。
効率的に、ひいては安価に製造できるものとなる。

（実施例３のデータ）
・スペーサー２の材質：ＥＶＡ樹脂主幹ポリマーからなる非発泡ホットメルト樹脂
・Ｎ_２（窒素）発泡度：ゼロ（発泡せず）
実施例３のスペーサー２は、それぞれ厚さ方向へ２段に段層したホットメルトビード２１ａを熱交換膜１上に複数本固化接着してなる、ホットメルト樹脂製の条のみからなる。但し、ホットメルトビード２１ａは発泡ガスを注入しておらず、非発泡樹脂のみからなる。

その他の構成は、実施例１と同様である。

比較例

（比較例のデータ）
・スペーサーの材質：ＥＶＡ樹脂主幹ポリマーからなる発泡ホットメルト樹脂
・Ｎ_２（窒素）発泡度：２．５
比較例のスペーサーは、図６（ｂ）に示すような、それぞれ厚さ方向へ段層しない一層のみのホットメルトビードを熱交換膜上に複数本並設し、これを固化接着してなる、ホットメルト樹脂製の条のみからなる。その他の構成は、実施例１と同様である。

（比較データ）
上記比較例と比較するに、本発明の実施例１の熱交換素子は、全熱交換効率として１．５から３％程度の効率アップが期待できる。これは、有効熱交換面積比に基づくものである。また通風抵抗は、２％程度の低減が期待できる。

本発明の熱交換素子は、主に、換気装置内に収納される他、熱交換を行う種々の装置、機器或いは機構内に収納または組み込んで、熱交換手段の一部または全部として用いることができる。

本発明の実施例１の熱交換素子を示す斜視外観図である。 図１に示す実施例１の熱交換素子の部分拡大図である。 実施例１の熱交換素子の一の製造工程を示す説明図である。 実施例１の熱交換素子のうち一層の断面説明図である。 本発明の実施例２の熱交換素子を示す部分拡大図である。 従来の熱交換素子のうち一層の断面説明図である。

符号の説明

１ 熱交換膜
２ スペーサー
２１ａ ホットメルトビード

Claims (5)

1. 等間隔に並設された複数枚の熱交換膜（１）と、それぞれの熱交換膜（１）間に固定されて熱交換膜（１）同士の間隔を維持するスペーサー（２）とからなるものであって、前記スペーサー（２）は、それぞれホットメルトビード（２１ａ）を段層し固化接着してなる、複数本の条を具備することを特徴とする熱交換素子。
2. ホットメルトビード（２１ａ）は、発泡樹脂からなる請求項１記載の熱交換素子。
3. 熱交換膜（１）は、親水性有機高分子膜を定着してなる請求項１または２記載の熱交換素子。
4. ホットメルトビード（２１ａ）は、ＥＶＡ樹脂（エチレン・酢酸ビニル共重合体）を主成分としてなる請求項１、２または３記載の熱交換素子。
5. ホットメルトビード（２１ａ）は、オレフィン系樹脂を主成分としてなる請求項１、２または３記載の熱交換素子。

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