JP2006002982A - 熱交換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易かつ安価に、任意の形状の熱交換素子を得ることができ、また、ダクト方向や熱交換器の配置容積など、設置形式に応じた任意の流路方向、熱交換性能、圧力損失であり、さらに、耐久性に富む熱交換素子を安価かつ容易なものとして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、熱交換膜１とスペーサー２とを交互に積層してなる熱交換ピース３を複数個組み合わせてなる熱交換素子であって、複数個の熱交換ピース３は、共通する端面を有し、各熱交換ピース３の前記共通する端面３ｅ同士が当接して一の熱交換素子形状が形成されてなることを特徴とする。また、各熱交換ピース３の当接する端面は、流通空気の流通口２ｖであり、２種の流通空気の境界層が共通してなるものとしてもよい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、顕熱交換、潜熱交換或いは全熱（顕熱及び全熱）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´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。

前記従来の熱交換素子は、略相似形状で大きさの異なる成形品が使用され、必要な換気性能に応じた大きさの熱交換素子と、これを収容する熱交換器ユニットを用意する必要があった。

しかし、ダクト方向（接続口への取り回し）や熱交換器の配置容積など、設置状況が制限されることがある。例えば、天井内などで高さ方向の配置スペースに余裕がない場合、使用できる熱交換素子は略相似形状であるために、大きな熱交換素子を選択できない場合がある。また、無理なダクトの取り回しによって許容量を超える圧力損失が生じる場合がある。これらの場合には、必要な換気性能（換気風量及び熱交換効率）の不足や、騒音の発生をもたらす。

また、熱交換器ユニット毎に異なる形状の熱交換素子を別途成形する必要があったため、手間及び費用の面で効率的とはいえなかった。

さらに、熱交換素子のわずか一部が破損した場合にも、リークの発生によって熱交換効率へ大きな影響が生じることから、新品への交換を余儀なくされ、耐久性に富むものとはいえなかった。
特開平１０−８９８７８号公報

そこで、本発明は、容易かつ安価に、任意の形状の熱交換素子を得ることができ、また、ダクト方向や熱交換器の配置容積など、設置形式に応じた任意の流路方向、熱交換性能、圧力損失であり、さらに、耐久性に富む熱交換素子を安価かつ容易なものとして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（５）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、熱交換膜１とスペーサー２とを交互に積層してなる熱交換ピース３を複数個組み合わせてなる熱交換素子であって、複数個の熱交換ピース３は、共通する端面（側端面或いは上下端面）を有し、各熱交換ピース３の前記共通する端面３ｅ同士が当接して一の熱交換素子形状が形成されてなることを特徴とする。

このようなものであれば、厚さ、幅及び長さ方向に任意の個数及び形状の熱交換ピース３を組み合わせることで、一の熱交換素子の流路方向や全体形状、或いは熱交換性能や圧力損失を任意のものとすることができる。これにより、多くのバリエーションの熱交換素子のうち、必要なものを安価に、かつ容易に得ることができる。

（２）また、各熱交換ピース３の当接する端面は、流通空気の流通口２ｖであり、２種の流通空気の境界層が共通してなる。

このようなものであれば、特に、２種の流通空気を混合させることなく、容易に熱交換ピース３を組合せることができ、必要な流路長或いは流通方向へと確実に変更させることができる。

（３）或いは、スペーサー２と熱交換膜１とを交互に積層してなる熱交換素子であって、各層のスペーサー２は、内部に空気流通路が平行に並設され側端面にその（空気流通路の）流通口２ｖが形成された複数個のスペーサーピースからなり、この複数個のスペーサーピース各端面の流通口２ｖ同士を当接してスペーサー２の各層（の外形状）が形成されてなると共に、熱交換膜１は前記スペーサー２の各層の平面視外形状からなる。

このようなものであれば、一体的な平面視外形状の熱交換膜１によって、各スペーサーピースの当接部において、他層へ空気がリークすることを確実に防止できる。

（４）前記（１）ないし（３）いずれかの熱交換膜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による熱交換素子と比して柔軟性に富んだものとなる。これにより、組合せ方の相違による流通空気量（風量）の変化に対しても十分な耐久性を確保することができる。また比較的薄く軽量であるため、各熱交換ピース３が軽量で厚さ方向にコンパクトなものとなる。

（５）前記（１）ないし（４）いずれかのスペーサー２は、上下面の間隔が保持された平板状のプラスチック段ボールであることが好ましい。

このようなものであれば、積層によって、各層の熱交換膜１は、隣り合う上下のスペーサー２で表裏両面から挟持される。これにより、熱交換膜の損傷が生じにくく、耐久性のある熱交換阻止となる。また、上下面の面接着によって、各層は層境界で確実かつ容易に積層され、製造効率や剛性の高い熱交換素子となる。

本発明は、上述のような構成としたことで、熱交換器ユニット毎に異なる形状の熱交換素子を別途成形することなく、容易かつ安価に、任意の形状の熱交換素子を得ることができる。

また、ダクト方向や熱交換器の配置容積など、設置形式に応じた任意の流路方向、熱交換性能、圧力損失の熱交換素子を、安価かつ容易に得ることができる。

さらに、熱交換素子の一部が破損した場合にも、ピースを交換することで熱交換素子を再生することができ、耐久性に富む熱交換素子となる。

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３は、本発明の実施例１の熱交換素子である。図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１の他の組合せによる熱交換素子である。図５は、実施例１に他のスペーサーピースを組み合わせた熱交換素子である。図６ないし図８は、実施例２の熱交換素子の各組み合わせである。

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同士の間隔を保持するスペーサー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。そして、列設された熱交換膜１間のスペーサー２の内部へ一層置きに２種の空気を流通させ、スペーサー２の上下に設けた熱交換孔２ｈから、熱交換膜１を介して熱交換させるものである。

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、少なくとも上下面のいずれかと、上面の下あるいは下面の上を走る複数本の縦桟と、を具備する平板である。好ましくは、間隔の保持された上下面と、この上下面間に垂直固定され、複数本が等間隔に配設された縦桟と、からなる平板状の成形品であり、更に好ましくは、一体成形された、汎用性のあるプラスチック段ボールの成形品である。

スペーサー２の上下面は、積層によって熱交換膜１と面接着される。この積層によって、複数本の縦桟は、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てなる。縦桟は、並設する熱交換膜１同士の間隔を保持すると同時に、並行な複数本の線固定により熱交換素子の形状を保持するものであり、また、換気空気の流路を形成して、熱交換性能や圧力損失の偏りが無いように、スペーサー２内の換気空気の流れ方向を誘導するものである。

本発明の実施例１の熱交換素子の斜視外形図を図１に、そのうちの一層の分解説明図を図２に、隣り合う各層のスペーサー２の平面視説明図を図３に、それぞれ示す。また、図４（ａ）（ｂ）は、実施例１のスペーサーピースを用いた他の組合せによるスペーサー２を説明する平面視説明図である。さらに図５は、実施例１のスペーサーピースの一部に、更に別のスペーサーピースを組み合わせた他のスペーサー２を説明する平面視説明図である。

本発明の実施例１の熱交換素子は、複数個たる三個のスペーサーピース（第一、第二及び第三のスペーサーピース２３）を組み合わせてなるスペーサー２の各層と、熱交換素子の全体形状と略同一形状の熱交換膜１と、を交互に積層してなる。

図２及び図３に示すように、平面視側辺に平行な桟が形成された平面視正方形の板状のスペーサー２が第一のスペーサーピース２１であり、その両側端にてそれぞれ組み合わされる、平面視正三角形の板状で平面視一側辺に平行な桟が形成されたスペーサー２が第二、第三のスペーサーピース２３である。これらスペーサーピースの上下端面には、内部の空気流通路に沿う方向の熱交換孔２ｈが複数個併設される。熱交換孔２ｈを除いたスペーサーピースの上下板は、上下面における桟を形成し、積層される熱交換膜１と面接着される。積層されて熱交換孔２ｈに位置する熱交換膜１は、四方がスペーサーピースの上下板による桟によって確実に保持されたまま、スペーサー２の各層を流通する２種の空気の熱交換を行う。

各層のスペーサー２を構成する三つのスペーサーピース（２１、２２、２３）はいずれも、上下面間の内部に空気流通路が平行に並設され側端面に空気流通路の流通口２ｖが形成されてなる平板である。好ましくは、汎用性のある段ボール成形品、更に具体的には加工性及び耐用性に優れたプラスチック段ボールである。

各層のスペーサー２は、各スペーサーピースの流通口２ｖ同士を当接して組み合わせることによって形成される。この組み合わせは、具体的には、第二のスペーサーピース２２の一方の側端面の流通口２ｖと第一のスペーサーピース２１の一側端面の流通口２ｖとを当接し、第二のスペーサーピース２２の他方側端面の流通口２ｖと第三のスペーサーピース２３の一側端面の流通口２ｖとを当接する。

組み合わせてなるスペーサー２の各層の平面視外形状は、図１および図３に示すように、正方形の両端に略正三角形を連結した略等辺六角形状である。熱交換膜１は、これと略同一形状の略等辺六角形状である。このようなものであれば、一体的な平面視外形状の熱交換膜１によって、各スペーサーピースの当接部において、他層へ空気がリークすることを確実に防止できる。

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。

図１ないし図３には、第一のスペーサーピース２１を流通する熱交換素子の長手方向中央部にて、２種の空気が向かい合って反対方向に流通する対向流方式の熱交換素子が示される。対向流方式は、２種の空気の流通角度差が１８０度すなわち最大であり、他の流通角度差に比して熱交換効率が最も良い。

上記対向流方式のほか、実施例１と同一のスペーサーピースを用いて、図４（ａ）（ｂ）に示すように、他の組合せによる図１ないし図３とは相違した各層のスペーサー２を形成することもできる。

図４（ａ）には、実施例１のうち第一のスペーサーピース２１を用いて、２種の空気が垂直に交わる直行流方式の熱交換素子が示される。直行流方式は、平面形状が縦横いずれにも偏らず、コンパクトな形態の熱交換素子が得られると共に、汎用する多くの熱交換器ユニットがこの方式を採用しているため実用上互換性に優れる。

図４（ｂ）には、実施例１のうち第二、第三のスペーサーピース２３を用いて、２種の空気が略６０度で交わる６０度交流方式の熱交換素子が示される。この６０度交流方式では、図４（ａ）の直行流方式よりも長い熱交換流路を確保でき、また流通方位高角度差が直行流方式より大きい。このため、図４（ａ）の直行流方式よりも優れた熱交換効率を得ることができる。また、図４（ａ）（ｂ）を比較して判るように、平面視にて斜方向短手長さＤがより短いものとすることができる。これは、熱交換器の設置スペースが細長の容積に制限される場合（例えば天井内埋め込み型において、天井内設置スペースの高さ方向が制限される場合）などに有利となる。

図５（ａ）（ｂ）には、実施例１のうち第一のスペーサーピース２１と、この第一のスペーサーピース２１の平面視一側辺と同一垂辺を有する平面視直角三角形の板状の第四のスペーサーピース２４と、同じく第一のスペーサーピース２１の平面視側辺と同一垂辺を有する平面視直角三角形の板状の第四のスペーサーピース２４と、で組み合わされる各層のスペーサー２の平面視形状が示される。

第四のスペーサーピース２４は、平面視一側辺と垂辺とを組み合わせたときに、第一のスペーサー２と平行な桟が形成されており、一方、第五のスペーサーピース２５は、平面視一側辺と垂辺とを組み合わせたときに、第一のスペーサー２と平面視垂直な桟が形成されている。なお、図５（ａ）（ｂ）は隣り合う各層のスペーサー２の平面視を示すものであり、上下各層が共に第一及び第四のスペーサーピース２４を形成する流路においては、対向流方式の熱交換を行うものとなる。

これらスペーサーピースの上下端面には、第一のスペーサーピース２１と同様、内部の空気流通路に沿う方向の熱交換孔２ｈが複数個、等間隔に併設されるが、熱交換効率が十分確保できる場合は、熱交換孔２ｈを設けないものや、熱交換孔２ｈの数を減らしたものとしても良い。図５のような組合せは、熱交換孔２ｈを除いたスペーサーピースの上下板は、上下面における桟を形成し、積層される熱交換膜１と面接着される。積層されて熱交換孔２ｈに位置する熱交換膜１は、四方がスペーサーピースの上下板による桟によって確実に保持されたまま、スペーサー２の各層を流通する２種の空気の熱交換を行う。

図５のような組合せによると、各層がコンパクトな矩形の平面視形状でありながら、対向流方式を採用することで、流通風量が少ないながらも熱交換効率に比較的富んだ熱交換素子を得ることができる。

本発明の実施例２の熱交換素子について、一の組み合わせ例の斜視分解説明図を図６に示す。本発明の実施例２の熱交換素子について、図６と異なる他の組み合わせを示す斜視外形図を図７、図８に、それぞれ示す。

本発明の実施例２の熱交換素子は、複数個たる第一、第二及び第三の熱交換ピース３１、３２、３３を組み合わせてなる熱交換素子である。三つの熱交換ピース３１、３２、３３はいずれも、スペーサー２と熱交換膜１とを交互に積層してなる。

図６に示すように、平面視正方形のスペーサーピース（実施例１における第一のスペーサーピース２１）および略同一正方形の熱交換膜ピース（第一の熱交換膜ピース１１）を所定厚さまで積層したものが第一の熱交換ピース３１である。

そして、第一の熱交換ピース３１の両側部にてそれぞれ組み合わされる、平面視正三角形のスペーサーピース（実施例１における第二、第三のスペーサーピース２３）および略同一の正三角形の熱交換膜ピース（第二、第三の熱交換膜ピース１２、１３）を同一の所定厚さまで積層したものが第二、第三の熱交換ピース３２、３３である。

複数個の熱交換ピース３たる第一、第二及び第三の熱交換ピース３１、３２、３３は、いずれも共通する端面として、外形状が同一幅、同一高さの横長矩形側端面を有する。そして、各熱交換ピース３の前記共通する端面（横長矩形側端面）同士が当接して、全体として一の熱交換素子形状たる六角柱形状が形成されてなる。この六角柱形状は、図１と同様の形状である。

また、第二、第三の熱交換ピース３２、３３は、同一形状であり、実施例２の熱交換ピースは、この第二及び第三の熱交換ピース３２、３３の共通する他の一種類と、第一の熱交換ピース３１の他の一種類と、の合計２種類の形状からなる。すなわち、実施例２においては、予め積層した、２種類の形状の熱交換ピース３を組み合わせることで、一の熱交換素子の全体形状、或いは熱交換性能や圧力損失を任意のものとするものである。

各熱交換ピース３は、幅及び厚さが共通していることから、図７に示すように、複数作成したそれぞれ上及び下方向の端面を当接して、厚さ方向に任意の個数を積層することもできる。また図８に示すように、第一の熱交換ピース３１を複数個作成し、これをそれぞれの側端面同士で当接し、長さ方向に連接することもできる。このように、各熱交換ピース３の組合せによって、多くの外形状のバリエーションの熱交換素子を得ることができる。

また、実施例２の各熱交換ピース３の当接面のうち側端面は、流通空気の流通口２ｖであり、少なくとも、２種の流通空気の境界層が共通している。実施例２において流通空気の境界層とは、横一列に併設された流通路からなる、各層のスペーサー２の横長断面形状である。つまり、第一、第二及び第三の熱交換ピース３１、３２、３３の各層を構成するスペーサーピース２１、２２、２３は、当接面たる側端面の幅及び高さが共通している。これにより、当接させた後に熱交換ピース３の組合せ部において２種の流通空気の不要な混合或いはリークを防止するものである。

その他の構成は、実施例１と同様である。

その他、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）、室外への排気（ＥＡ）にダクト接続される。このような換気装置の他、熱交換を行う種々の装置或いは機構内に収納して用いることができる。

本発明の実施例１の熱交換素子の斜視外形図である。 図１に示す実施例１の熱交換素子のうち一層の分解説明図である。 実施例１の熱交換素子における隣り合う各層のスペーサー２の平面視説明図である。 実施例１のスペーサーピースを用いた他の組合せによるスペーサー２を説明する平面視説明図である。 実施例１のスペーサーピースに別のスペーサーピースを組み合わせた状態を示す平面視説明図である。 本発明の実施例２の熱交換素子の斜視分解説明図である。 本発明の実施例２の熱交換素子について、図６と異なる他の組み合わせを示す斜視外形図である。 本発明の実施例２の熱交換素子について、図６、図７と異なる他の組み合わせを示す斜視外形図である。

符号の説明

１ 熱交換膜
１１ 第一の熱交換膜ピース
１２ 第二の熱交換膜ピース
１３ 第三の熱交換膜ピース
２ スペーサー
２１ 第一のスペーサーピース
２２ 第二のスペーサーピース
２３ 第三のスペーサーピース
２４ 第四のスペーサーピース
２５ 第五のスペーサーピース
２ｈ 熱交換孔
２ｖ 流通口
３ 熱交換ピース
３１ 第一の熱交換ピース
３２ 第二の熱交換ピース
３３ 第三の熱交換ピース

Claims (5)

1. 熱交換膜とスペーサーとを交互に積層してなる熱交換ピースを複数個組み合わせてなる熱交換素子であって、複数個の熱交換ピースは、共通する端面を有し、各熱交換ピースの前記共通する端面同士が当接して一の熱交換素子形状が形成されてなることを特徴とする熱交換素子。
2. 各熱交換ピースの当接する端面は、流通空気の流通口であり、２種の流通空気の境界層が共通してなる請求項１記載の熱交換素子。
3. 熱交換膜とスペーサーとを交互に積層してなる熱交換素子であって、各層のスペーサーは、内部に空気流通路が平行に並設され側端面にその流通口が形成された複数個のスペーサーピースからなり、この複数個のスペーサーピース各端面の流通口同士を当接してスペーサーの各層が形成されてなると共に、熱交換膜は前記スペーサーの各層の平面視外形状からなる熱交換素子。
4. 熱交換膜は、親水性有機高分子膜を定着してなる請求項１、２または３記載の熱交換素子。
5. スペーサーは、上下面の間隔が保持された平板状のプラスチック段ボールである請求項１ないし４のいずれか記載の熱交換素子。
   

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