JP2012189264A - 全熱交換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】流路における圧力損失の増加を抑えつつ、熱交換効率の向上を図ることのできる全熱交換素子を得ること。
【解決手段】全熱交換素子３は、シート状を呈して伝熱性と通湿性を有する材料からなる複数の仕切部材１と、仕切部材１同士の間に設けられて、仕切部材１同士の相対向する２辺の側縁に取り付けられる間隔保持部材２と、仕切部材の面内に引張力を付与する張力付与部と、を備える。間隔保持部材２は、吸湿時の寸法変化が、仕切部材１の寸法変化よりも大きいため張力付与部として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調分野に利用される二流体間での熱交換を行う熱交換装置に使われている積層構造の熱交換素子のうち、特に顕熱と潜熱の両方を交換する全熱交換素子に関する。

これまで一般的に、熱交換装置では、積層構造の全熱交換素子が用いられている。全熱交換素子は、シート形状の仕切部材と、断面が波形状の間隔保持部材を重ねた基本構成部材とを、間隔保持部材の波方向が直交、またはそれに近い角度で交差するように積層し、接着して形成されている。

この全熱交換素子の仕切部材と間隔保持部材によって作られる積層方向に隣接する流路に、それぞれ異なる状態の気流（一般的には温湿度が異なる空気）を流すことで、仕切部材を媒体として、両流体間で顕熱および潜熱の交換が行われる。この間隔保持部材の高さが低いほど、積層枚数を増やすことができ、熱交換効率は良くなるが、流路での圧力損失が大きくなる。そのため、圧力損失を増やさずに、熱交換効率を向上させることが求められる。

一般的な波形状の間隔保持部材では、サイズやピッチに制限があるため、圧力損失を小さくするには限界がある。そのため、流路抵抗を小さくする構造として、流路内に間隔保持部材を格子点状のスペーサ小片として設け、仕切部材の相対向する２辺の側縁に防壁を設けた技術が、例えば特許文献１に開示されている。

特開平６−３１３６９３号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、間隔保持材を格子点状のスペーサにすることで、顕熱の移動のみであれば、流路内の圧力損失を低減できる効果を有するが、潜熱の移動を行おうとした場合、通湿性をもった仕切部材が湿分を吸収し膨張して、撓みが発生する場合がある。小さなスペーサでは、撓みが発生した場合に、積層方向に隣接する仕切部材の間隔を保持することが難しく、仕切部材間隔が狭くなってしまう場合がある。そのため、仕切り部材の間隔が狭くなることで圧力損失が増えるという問題があった。

また、仕切部材の間隔を保持するため、仕切部材を支える間隔保持部材を大きくすると、仕切部材間隔は保持できても、間隔保持部材が流路抵抗となって圧力損失が増加してしまう。また、間隔保持部材を変えずに、積層方向の仕切部材間隔を広げると、圧力損失は低減できても、空気層が広がるため、熱交換効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流路における圧力損失の増加を抑えつつ、熱交換効率の向上を図ることのできる全熱交換素子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、シート状を呈して伝熱性と通湿性を有する材料からなる複数の仕切部材と、仕切部材同士の間に設けられて、仕切部材同士の相対向する２辺の側縁に取り付けられる間隔保持部材と、仕切部材の面内に引張力を付与する張力付与部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、通湿性をもった仕切部材が吸湿により撓まないようにすることで、仕切部材の側縁以外の間隔保持部材を減らすことができ、流路の圧力損失を低減できる。さらに、圧力損失が低減した分、間隔保持部材の高さを小さくでき、積層枚数を増やすことで、熱交換効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる全熱交換素子の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す全熱交換素子の単位構成部材を示す斜視図である。 図３は、実施の形態１の変形例１にかかる全熱交換素子が備える単位構成部材の斜視図である。 図４は、実施の形態１の変形例２にかかる全熱交換素子が備える単位構成部材の斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態２にかかる全熱交換素子の斜視図である。 図６は、図５に示す全熱交換素子の分解斜視図である。 図７は、実施の形態２の変形例１にかかる全熱交換素子の斜視図である。 図８は、実施の形態２の変形例２にかかる全熱交換素子の斜視図である。 図９は、本発明の実施の形態３にかかる全熱交換素子の分解斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる熱交換素子を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる全熱交換素子の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す全熱交換素子の単位構成部材を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態１の全熱交換素子３は、シート状の仕切部材１と、間隔保持部材（張力付与部）２とを交互に積層したものから構成される。

積層方法は、まず、１個の仕切部材１と２個の間隔保持部材２とを図２に示すように、仕切部材１の相対向する２辺の側縁に接着等で固定した単位構成部材４を製作する。この単位構成部材４を仕切部材１と間隔保持部材２とが交互になるように、かつ、単位構成部材４の開口部の開口方向が交互に約９０度となるように積層する。

このように積層することで、図１に示すように、２種の気流の流路５、６が一層おきに交互に交差する全熱交換素子３を得ることができる。この２種の気流の流路５、６に、送風機等により状態の異なる２種類の気流を通過させることで、仕切部材１を媒体として両気流間で顕熱（温度）、潜熱（湿度）の熱交換を行うことができる。

仕切部材１は、伝熱性と通湿性とを合わせ持つ紙材で形成される。例えば、和紙をベースとした厚さが０．０２５〜０．２ｍｍ程度の紙材で形成される。他にも例えば、気体の通過しない微細孔基材に、塩化カルシウムや塩化リチウムなどのアルカリ金属塩を含浸させて吸湿性を付与したもので形成される。

仕切部材１の形状としては、本実施の形態１で示すような正方形の他、長方形などの方形やひし形などの形状でもよい。また、間隔保持部材２は、吸湿による寸法変化が仕切部材１よりも大きい材料で形成される。具体的には、吸湿時の膨張量が仕切部材１よりも大きい材料を用いて間隔保持部材２が構成される。

仕切部材１と間隔保持部材２では、流路に露出する面積が異なるので、流路を流れる流体からの吸湿量も異なる場合がある。したがって、流路への露出面積に応じた吸湿量のもとで、間隔保持部材２のほうが仕切部材１よりも寸法変化が大きくなるように材料を選定することが好ましい。

例えば、アクリル酸系やスルホン酸系の高吸湿樹脂の他、ファイバー材料、木材、紙材などの非金属材料により間隔保持部材２が構成される。また、間隔保持部材２の形状としては、本実施の形態１で示すような長方形などの方形断面のリブの他、円形、楕円形や半円形などの断面形状でもよい。間隔保持部材２の高さは、１〜４ｍｍ程度とすることが好ましい。

実施の形態１では、側縁の間隔保持部材２を仕切部材１よりも吸湿による寸法変化が大きい材料とすることで、仕切部材１が吸湿により寸法変化して伸びても、間隔保持部材２がそれ以上に伸びる。そのため、仕切部材１の面内には引張力が作用し、仕切部材１が撓むのを防ぐことができる。

これにより、仕切部材１および間隔保持部材２により形成される流路内に障害物を設けずに、積層方向に隣接する仕切部材１の間隔を保持可能なため、流路内にスペーサやリブなどの仕切部材が存在する従来構造よりも圧力損失を小さくすることができる。

また、圧力損失を低減した分、間隔保持部材２を薄くし、単位構成部材４の積層枚数を増やせば、伝熱および通湿面積が拡大することができ、全熱交換素子３における熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、間隔保持部材２を薄くできることで、全熱交換素子３の小型化が可能となる。

図３は、実施の形態１の変形例１にかかる全熱交換素子が備える単位構成部材の斜視図である。図１では、間隔保持部材２を側縁のみに配置しているのに対して、本変形例１では、流路上にスペーサ７を点在させることで、間隔保持部材２だけでなくスペーサ７によっても仕切部材１同士の間隔を保持している。

このように、スペーサ７によっても仕切部材１同士の間隔を保持することで、全熱交換素子３の組立上の強度の向上を図ることができる。一方、流路上にスペーサ７を配置することで、流路の圧力損失が増加するので、スペーサ７の大きさは一定の範囲内に留めておくことが好ましい。

図４は、実施の形態１の変形例２にかかる全熱交換素子が備える単位構成部材の斜視図である。図１では、間隔保持部材２を側縁のみに配置しているのに対して、本変形例２では、流路上にリブ８を立設させることで、間隔保持部材２だけでなくリブ８によっても仕切部材１同士の間隔を保持している。流路における気流の流れを妨げないように、リブ８は気流の流れに沿って延びるように設けられる。

このように、リブ８によっても仕切部材１同士の間隔を保持することで、全熱交換素子３の組立上の強度の向上を図ることができる。一方、流路上にリブ８を配置することで、流路の圧力損失が増加するので、リブ８の大きさは一定の範囲内に留めておくことが好ましい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる全熱交換素子の斜視図である。図６は、図５に示す全熱交換素子の分解斜視図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態１においては，吸湿時に仕切部材１の面内に引張力を加えることで、仕切部材１の撓みを抑制した。一方、本実施の形態２では、全熱交換素子３の組立時に、予め仕切部材１の面内に引張力を付与する構造としている。

本実施の形態２にかかる全熱交換素子３は、図６に示すように、シート状の仕切部材１と間隔保持部材１２とを交互に積層したものから構成される。積層方法は、まず、１個の仕切部材１と、２個の間隔保持部材１２とを仕切部材１の相対向する２辺の側縁に接着等で固定した単位構成部材４を製作する。

また、単位構成部材４の４隅に仕切部材１と間隔保持部材１２を貫通する穴を形成する。この単位構成部材４を、単位構成部材４の開口部の開口方向が交互に約９０度となるように積層する。そして、間隔保持部材１２に形成された貫通穴に柱部材１０を挿入して、各層の単位構成部材４を位置決めする。

さらに、図６に示すように、全熱交換素子３の天面と底面の柱部材１０の間、すなわち仕切部材１の辺に沿って、ばね部材（張力付与部）９を予め圧縮させた状態で取り付ける。ばね部材９は、圧縮された状態で取り付けられるため、圧縮ばねとして機能する。

予め圧縮させたばね部材９を柱部材１０の間に設けることで、ばね部材９の弾性復元力により４隅にある柱部材１０には外側方向（矢印Ｘに示す方向）に力が加わる。そのため、仕切部材１の面内には、全熱交換素子３の製造時から予め引張力が作用することとなる。

取り付け時のばね部材９の圧縮量を、仕切部材１が吸湿により寸法変化する量よりも大きくしておくことで、仕切部材１が吸湿により伸びても、ばね部材９の弾性回復で吸収できるため、仕切部材１の面内に引張力を作用させることができる。そのため、仕切部材１が撓んで、圧力損失が増加するのを抑えることができる。

また、積層方向に隣接する仕切部材１の間隔を保持可能なため、流路内にスペーサやリブなどの仕切部材が存在する構造よりも圧力損失を小さくすることができる。さらに、圧力損失を低減した分、間隔保持部材１２を薄くし、単位構成部材４の積層枚数を増やせば、伝熱および通湿面積を拡大させることができる。これにより、全熱交換素子３の熱交換効率の向上を図ることができる。

さらに、実施の形態１では、間隔保持部材２を仕切部材１に接着しているので、間隔保持部材２の吸湿によって作用する仕切部材１の面内の引張力を調整することが難しいが、本実施の形態２では、ばね部材９を容易に交換できるため、例えば単位構成部材４の積層後にばね部材９のばね定数を変えることで、仕切部材１の面内の引張力を用意に調整することができる。

なお、ばね部材９を仕切部材１の対角線に沿って取り付けてもよい。この場合にも、仕切部材１に対して、図５の矢印Ｘに示す方向に引張力を付与することができる。

図７は、実施の形態２の変形例１にかかる全熱交換素子の斜視図である。仕切部材１の面内に引張力を加えるのに、図５では複数のばね部材９を使用している。一方、本変形例１では、図７に示すように、１枚のばね部材９にて、仕切部材１の面内に引張力を付与する構造としている。図７では、平板部材の４隅に板ばね機構を設けたばね部材９に対して、４隅の板ばねに柱部材１０を差し込み、板ばねを撓ませる。板ばねを撓ませることで、ばねの弾性復元力により４隅の柱部材１０には外側方向（矢印Ｙに示す方向）に力が加わる。そのため、仕切部材１の面内に、全熱交換素子３の製造時から予め引張力を付与することができる。

図８は、実施の形態２の変形例２にかかる全熱交換素子の斜視図である。図１や図５に示す構成では、全熱交換素子３自体で仕切部材１の面内に引張力を付与することができる機構を採用している。一方、本変形例１では、図８に示すように、全熱交換素子３の外側から仕切部材１の面内に引張力を付与する構造としている。

すなわち、単位構成部材を積層して構成された全熱交換素子３の４隅に対して、矢印Ｙに示す方向に引っ張るばね部材９を取り付ける。すなわち、本変形例１では、ばね部材９が引張ばねとして機能する。

なお、ばね部材９は、単独で引張力を付与するものではない。例えば、ばね部材９の一端を全熱交換素子３に固定し、全熱交換素子３が組み込まれた熱交換換気装置（図示せず）の筐体などに固定する。このように構成することで、ばね部材９の弾性復元力により仕切部材１に引張力を付与することができる。

また、ばね部材９の引張り量を仕切部材１が吸湿により寸法変化する量よりも大きくしておくことで、仕切部材１が吸湿により伸びても、ばね部材９の弾性回復で吸収できるため、仕切部材１が撓むのを防ぐことができる。

本実施の形態２では、実施の形態１のように間隔保持部材１２が吸湿性を備える必要はないが、仕切部材１の面内に張力を作用させるためには、伸びのある材料が好ましい。したがって、間隔保持部材１２として、例えば、ゴムなどの高分子材料、ファイバー材料、木材、紙材などの非金属材料を用いることが好ましい。

また、ばね部材９としては、例えば、ばね鋼、ステンレス鋼、構造用鋼などの鋼材、アルミニウム、銅などの金属材料、あるいは、高分子材、ファイバー材料などの非金属材料を用いることが好ましい。また、ばね部材９の形状としては、本実施例のような板ばねの他、コイルばねなど、ばね性を与えられる構造であれば他の構造であってもよい。

なお、本実施の形態２においても、図３や図４に示すように仕切部材１と間隔保持部材１２から形成される流路に、スペーサ７やリブ８などを設けても構わない。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３にかかる全熱交換素子の分解斜視図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態２では、ばね部材９に与えた初期の引張力あるいは圧縮力により、仕切部材１の面内を外側に引っ張る力を付与した。一方、本実施の形態３では、ばね部材９を設けずに、柱部材（柱材，張力付与部）１４にばね性を与えることで、仕切部材１の面内に予め引張力を付与する構造としている。

図９では、間隔保持部材１２を仕切部材１の相対向する２辺の側縁に接着等で固定した単位構成部材４の４隅に穴を形成している。そして、単位構成部材４の開口部の開口方向が交互に約９０度となるように積層し、４隅の貫通穴にばね性を有した柱部材１４を挿入し、各層の単位構成部材４の位置決めを行う。その後、単位構成部材４の穴ピッチｒよりも広いピッチＲで穴を開けた板材（撓ませ部）１１を天面と底面に設置し、柱部材１４の両端面を仕切部材１の対角外側方向に引張った状態で、板材１１の穴に差し込み固定する。

この構成によれば、柱部材１４が仕切部材１の対角方向に撓むため、仕切部材１に対して引張力を付与することができる。また、この構成によれば、実施の形態２のようにばね部材９を設置するための領域が必要なくなるため、全熱交換素子３の構造が簡易になり、かつ、小型化が可能となる。

なお、柱部材１４としては、ばね鋼、ステンレス鋼や構造用鋼などの鋼材、アルミニウム、銅などの金属材料、あるいは、高分子材、ファイバー材料などの非金属材料を用いるのが好ましい。また、柱部材１４の形状としては、本実施の形態３のような中実丸棒に限られず、中空丸棒、板ばね、コイルばねなど、ばね性を与えられる構造であれば他の形状であってもよい。

以上のように、本発明にかかる全熱交換素子は、２種の流体間での熱交換に有用である。

１ 仕切部材
２ 間隔保持部材（張力付与部）
３ 全熱交換素子
４ 単位構成部材
５ 流路
６ 流路
７ スペーサ
８ リブ
９ ばね部材（張力付与部）
１０ 柱部材
１１ 板材（撓ませ部）
１２ 間隔保持部材
１４ 柱部材（柱材，張力付与部）
Ｘ 矢印
Ｙ 矢印

Claims (8)

1. シート状を呈して伝熱性と通湿性を有する材料からなる複数の仕切部材と、
   前記仕切部材同士の間に設けられて、前記仕切部材同士の相対向する２辺の側縁に取り付けられる間隔保持部材と、
   前記仕切部材の面内に引張力を付与する張力付与部と、を備えることを特徴とする全熱交換素子。
2. 前記間隔保持部材は、前記仕切部材の吸湿時の寸法変化よりも前記間隔保持部材の吸湿時の寸法変化のほうが大きい材料からなり、
   前記間隔保持部材が前記張力付与部として機能することを特徴とする請求項１に記載の全熱交換素子。
3. 前記張力付与部は、前記仕切部材の面内に引張力を付与するばね部材であることを特徴とする請求項１に記載の全熱交換素子。
4. 前記ばね部材は、前記仕切部材の少なくとも１辺に沿って取り付けられた圧縮ばねであることを特徴とする請求項３に記載の全熱交換素子。
5. 前記ばね部材は、前記仕切部材の少なくとも１の対角線に沿って取り付けられた圧縮ばねであることを特徴とする請求項３に記載の全熱交換素子。
6. 前記ばね部材は、前記仕切部材の角部を外周方向に引っ張る引張ばねであることを特徴とする請求項３に記載の全熱交換素子。
7. 前記仕切部材の４隅で前記仕切部材と連結された柱材と、
   前記仕切部材の対角方向に前記柱材を撓ませる撓ませ部と、をさらに備え、
   前記柱材は、前記仕切部材の対角方向に撓むことで前記張力付与部として機能することを特徴とする請求項１に記載の全熱交換素子。
8. 前記間隔保持部材によって前記仕切部材の間に形成された流路内に取り付けられたスペーサまたはリブをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の全熱交換素子。

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