JP2017090026A - 熱交換器及び換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】居住空間の快適性を高めながら、対象空間内の温度と湿度制御に必要な消費エネルギーを低減することが可能な熱交換器およびこれを具備する換気装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る熱交換器は、対象空間外から対象空間内に供給される給気を流通させる給気路と、対象空間内から対象空間外に排出される排気を流通させる排気路と、給気路と排気路とを隔て、給気と排気とを熱交換させる仕切部材と、空気中の水分を吸着し、または吸着した水分を空気中に排出する分離部材と、給気路側に設けられ、分離部材により給気路と隔てて構成され、減圧ポンプと接続された減圧路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、熱交換器及び換気装置に関する。

家庭やオフィス等の居住空間での空調消費エネルギー削減に向けた取り組みが普及する中、外気を給気して室内の二酸化炭素やＶＯＣを排出する換気装置において、給気と排気の間で熱交換を行うことで換気に必要な電力を削減する取り組みがなされている。

エアコンの駆動には消費電力が必要で、家庭やオフィス等の居住空間での空調消費エネルギー削減の上で課題となっていた。また、エアコンでは冷却量によって温度と湿度の両方を制御するため、双方を独立にすることが困難であった。

特開平７−１９０６６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、居住空間の快適性を高めながら、対象空間内の温度と湿度制御に必要な消費エネルギーを低減することが可能な熱交換器およびこれを具備する換気装置を提供することである。

一実施形態に係る熱交換器は、対象空間外から対象空間内に供給される給気を流通させる給気路と、対象空間内から対象空間外に排出される排気を流通させる排気路と、給気路と排気路とを隔て、給気と排気とを熱交換させる仕切部材と、空気中の水分を吸着し、または吸着した水分を空気中に排出する分離部材と、給気路側に設けられ、分離部材により給気路と隔てて構成され、減圧ポンプと接続された減圧路とを備える。

第１の実施形態に係る換気装置１００の構成図。 ガス分離体１１５の詳細図。 仕切部材１１２と第一の間隔保持部材１１３の配置詳細図。 円筒形状の間隔保持部材を示す図。 第２の実施形態に係る換気装置２００の構成図。 第３の実施形態に係る換気装置３００の構成図。 熱交換器３０１の詳細図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る換気装置１００の構成図である。換気装置１００は、熱交換器１０１と、外気を熱交換器１０１側へ送り出し、対象空間に供給する第一の送風部（供給部）１０２と、対象空間内の空気を熱交換器１０１側へ送り出し、外へと排出する第二の送風部（排出部）１０３と、後述する熱交換器１０１の減圧路１１６を減圧する減圧ポンプ１０４と、各部を接続し流体的な接続を行うライン（配管）Ｌ_O、Ｌ_R、L_S、L_E、L_Pとを備えている。

熱交換器１０１は、第一の送風部１０２からの空気を流通させる給気路１１０と、第二の送風部１０３からの空気を流通させる排気路１１１と、両者を流体的に隔離する仕切部材１１２と、給気路１１０の構造を維持する第一の間隔保持部材１１３と、排気路１１１の構造を維持する第二の間隔保持部材１１４と、から構成される単位素子を複数直列に積層したものである。仕切部材１１２は、給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気の間で温度交換を行うため、ステンレス、鉄などの金属板が用いられる。第一の間隔保持部材１１３は、ガス分離体１１５（分離部材）と、減圧路１１６と、から構成される。ガス分離体１１５は、給気路１１０内の空気中に含まれる水分（水蒸気）を吸着し、吸着した水を減圧路１１６へと一定の割合で排出する多孔質体もしくは多孔質膜である。

第一の送風部１０２と給気路１１０とはラインL_Oで接続され、給気路１１０と対象空間とはラインL_Sで接続される。第二の送風部１０３と排気路１１１とはラインL_Rで接続され、排気路１１１と対象空間外とはラインL_Eで接続される。

図２は、ガス分離体１１５の詳細図である。第一の間隔保持部材１１３の一部を構成するガス分離体１１５は、吸着層１２０と、多孔質基材１２１と、から構成される。吸着層１２０は空気中に含まれる水分を吸着する役割を果たし、ナフィオン、ポリウレタン、塩化リチウム、塩化カルシウム、ゼオライト、シリカゲル等、潮解性を有する物質を用いることができる。多孔質基材１２１は吸着層１２０の支持体となり、かつ給気路１１０と減圧路１１６の構造を維持するのに必要な強度を保つ役割を果たし、 材質としてステンレス、ニッケル、アルミ、チタン、などの金属をベースとしたポーラス金属、および、ポーラスカーボン、ポーラスアルミナ等を用いることができる。金属の場合、エッチングで開口を設けても良い。多孔質基材１２１の内側には減圧路１１６が形成され、減圧路１１６は減圧ポンプ１０４に接続される（図１参照）。

図３は、仕切部材１１２と第一の間隔保持部材１１３の配置詳細図である。仕切部材１１２と第一の間隔保持部材１１３とは、シール１３０によって接合される。第一の間隔保持部材１１３の中央部Ａ−Ａ’断面は凸形状の山が連なり、凸部が仕切部材１１２と接触するにようになっている。一方、端部Ｂ−Ｂ’断面では凸部が仕切部材１１２と接触しない領域があり、減圧路１１６の空間はマニホールド１３１と流体的に連通する。マニホールド１３１は単位素子間を連通し、外部マニホールド１３２に集合して減圧ポンプ１０４とラインL_Pで接続される（図１参照）。

次に、換気装置１００の動作について説明する（図１参照）。第一の送風部１０２を操作し、対象空間外の空気をラインL_Oを介して給気路１１０に供給する。給気路１１０に流入した空気はラインL_Ｓを介して対象空間へと供給される。また、第二の送風部１０３を操作し、対象空間内の空気をラインL_Rを介して排気路１１１に供給する。排気路１１１に流入した空気はラインL_Eを介して対象空間の外へと排出される。減圧ポンプ１０４を操作し、減圧路１１６の圧力を下げると、第一の間隔保持部材１１３を介して給気路１１０と減圧路１１６との間に圧力差が生じる。給気路１１０を流れる対象空間外の空気からガス分離体１１５へと吸着した水は、圧力差を設けることで生じる水蒸気濃度差により、給気路１１０から減圧路１１６へと移動する。減圧路１１６に移動した水は給気路１１０、排気路１１１と流体的に分離された状態で減圧ポンプ１０４へと送られ、減圧路１１６から除去される。この一連の動作を継続することで、給気路１１０に供給される対象空間外の空気から水分が連続して除去される。さらに、仕切部材１１２を介して給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気とが温度交換される。水分を除去され除湿され、かつ、温度交換された対象空間間から送られる空気がラインＬ_ｓを介して対象空間へと送られるため、室内には調温、調湿された空気が提供される。

本実施形態では、熱交換器１００内で温度（顕熱）交換と湿度制御の両方を行うことができる。このとき、湿度は減圧ポンプ１０４の駆動で温度とは独立して制御できるため、対象空間外に湿度を制御するためのヒートポンプや除湿機などを置く必要がなく、設備スペースの削減が図れる。また、温度は維持したいが湿度のみを下げたい場合、ヒートポンプでは凝縮を利用して除湿をするため、対象空間内の湿度を下げるには対象空間外から流入する空気を冷却せざるを得ないか、もしくは、冷却した空気を再度加熱して湿度制御する必要があった、そのため、消費電力の増加と快適性を損なう課題があった。これに対し、本実施態では対象空間外から流入する湿度をガス分離体１１５による水分吸着と分離を利用して連続的に処理するため、別途ヒートポンプに頼ることなく換気装置に組み込まれた熱交換器１００のみで独立で湿度制御することが可能となる。減圧路１１６内が減圧されるため、ガス分離体１１５は強度が要求されるが、この強度を単位素子の間隔保持の役割にも活用することで、熱交換器１００および換気装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、間隔保持部材１１３の形状は上記で示した凸状の三角形状のみならず、円筒形状でも良い。

図４は、円筒形状の間隔保持部材を示す図である。間隔保持部材１１３を構成するガス分離体１１５及び減圧路１１６が円筒形状である。この場合、給気路１１０を流れる空気とガス分離体１１５との接触面積を増やすことができ、除湿量を稼げる。また、給気路１１０を流れる空気と仕切部材１１２との接触面積も増やせるので、給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気との熱交換量を増やすことができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る換気装置２００の構成図である。換気装置２００は、熱交換器２０１と、対象空間外の空気を熱交換器２０１側へ送り出し、対象空間へと供給する第一の送風部（供給部）１０２と、対象空間内の空気を熱交換器２０１側へ送り出し、外へと排出する第二の送風部（排出部）１０３と、後述する熱交換器２０１の減圧路１５２を減圧する減圧ポンプ１０４と、各部を接続し流体的な接続を行うライン（配管）Ｌ_O、Ｌ_R、L_S、L_E、L_Pとを備えている。

熱交換器２０１は、第一の送風部１０２の空気を流通させる給気路１１０と、第二の送風部１０３の空気を流通させる排気路１１１と、両者を流体的に隔離する仕切部材１１２と、給気路１１０の構造を維持する第一の間隔保持部材１５５と、排気路１１１の構造を維持する第二の間隔保持部材１５０と、から構成される単位素子を複数直列に積層したものである。仕切部材１１２は、給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気の間で温度交換を行うため、ステンレス、鉄などの金属板が用いられる。第二の間隔保持部材１５０は、ガス分離体１５１と、減圧路１５２と、から構成される。

各単位素子の減圧路１５２は外部マニホールド１３３に集合して減圧ポンプ１０４とラインL_hで接続され、さらに、減圧ポンプの下流には加湿部1６０が接続される、
加湿部１６０は、減圧ポンプから送られた水をラインＬ_ｓの空気に供給する役割を果たし、市販の噴霧器や、気液分離膜などを用いることができる。

第一の送風部１０２と給気路１１０とはラインL_Oで接続され、給気路１１０と対象空間とはラインL_Sで接続される。第二の送風部１０３と排気路１１１とはラインL_Rで接続され、排気路１１１と対象空間外とはラインL_Eで接続される。

次に、換気装置２００の動作について説明する。第一の送風部１０２を操作し、対象空間外の空気をラインL_Oを介して給気路１１０に供給する。給気路１１０に流入した空気はラインL_Ｓを介して対象空間へと供給される。また、第二の送風部１０３を操作し、対象空間内の空気をラインL_Rを介して排気路１１１に供給する。排気路１１１に流入した空気はラインL_Eを介して対象空間の外へと排出される。減圧ポンプ１０４を操作し、減圧路１５２の圧力を下げると、第二の間隔保持部材１５０を介して排気路１１１と減圧路１５２との間に圧力差が生じる。排気路１１１を流れる対象空間内の空気からガス分離体１５１へと吸着した水は、圧力差を設けることで生じる水蒸気濃度差により、排気路１１１から減圧路１５２へと移動する。減圧路１５２に移動した水は給気路１１０、排気路１１１と流体的に分離された状態で減圧ポンプ１０４へと送られ、加湿部１６０にて給気路を流れる空気と混合され、対象空間内に供給される。この一連の動作を継続することで、排気路に含まれる水を回収し、給気路１１０に供給される対象空間外の空気の加湿がなされる。さらに、仕切部材１１２を介して給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気とが温度交換される。

本実施形態では、排気路１１１から排出される空気中の水を給気路１１０から供給される空気の加湿に利用することができる。冬期の対象空間内に対して対象空間外の温度、湿度が低い場合、換気によって対象空間の温度、湿度が奪われる課題があった。本実施形態では、換気によって奪われる温度と湿度を、給気路１１０を流れる空気と交換することで、対象空間内の温度と湿度制御に必要な消費エネルギーを低減し、居住空間の快適性を高めることが可能となる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る換気装置３００の構成図である。換気装置３００は、熱交換器３０１と、外気を熱交換器３０１側へ送り出し、対象空間に供給する第一の送風部（供給部）１０２と、対象空間内の空気を熱交換器１０１側へ送り出し、外へと排出する第二の送風部（排出部）１０３と、後述する熱交換器１０１の減圧路１１６を減圧する減圧ポンプ１０４と、各部を接続し流体的な接続を行うライン（配管）Ｌ_O、Ｌ_R、L_S、L_E、L_Pとを備えている。

熱交換器３０１は、六角の形状を有し、第一の送風部１０２の空気を流通させる給気路１１０の面（Ｄ−Ｄ’）と、第二の送風部１０３の空気を流通させる排気路１１１の面（Ｅ−Ｅ’）と、減圧ポンプ１０４に接続され、給気路１１０と排気路１１１面よりも圧力も低い減圧路１１６の面（Ｆ−Ｆ’）により六角を形成する。

図７は、熱交換器３０１の詳細図である。熱交換器３０１は、給気路１１０と、排気路１１１と、給気路１１０および排気路１１１の構造を維持する間隔保持部材１７０と、両者を流体的に隔離する仕切り層１７３と、から構成される単位素子を複数直列に積層したものである。

間隔保持部材１７０は、ガス分離体１１５と、多孔質減圧路１７１と、から構成される。ガス分離体１１５は、給気路１１０内の空気中に含まれる水分（水蒸気）を吸着し、吸着した水を多孔質減圧路１７１へと一定の割合で排出する多孔質体もしくは多孔質膜である。多孔質減圧路１７１はガス分離体１１５から減圧ポンプ１０４へと流体的に連通した細孔を有する多孔体で、ガス分離体１１５と接触して配置される。また、間隔保持部材１７０は、凸状の突起を給気路１１０、排気路１１１に突き出すことで各々の流路の構造を維持する。多孔質減圧路１７１の材料として、ステンレス、ニッケル、アルミ、チタン、などの金属をベースとしたポーラス金属を用いることができる。仕切り層１７３は排気路側空気と多孔質減圧路１７１とを流体的に隔離する役割を果たし、テフロン（登録商標）、シリコン、フッ素もしくは空気透過性の低い樹脂をポーラス金属の表面に塗布もしくは含浸することで形成される。

次に、熱交換器３００の動作について説明する（図６および図７参照）。第一の送風部１０２を操作し、対象空間外の空気をラインL_Oを介して給気路１１０に供給する。給気路１１０に流入した空気はラインL_Ｓを介して対象空間へと供給される。また、第二の送風部１０３を操作し、対象空間内の空気をラインL_Rを介して排気路１１１に供給する。排気路１１１に流入した空気はラインL_Eを介して対象空間の外へと排出される。減圧ポンプ１０４を操作し、多孔質減圧路１７１の圧力を下げると、間隔保持部材１７０を介して給気路１１０と多孔質減圧路１７１との間に圧力差が生じる。給気路１１０を流れる対象空間外の空気からガス分離体１１５へと吸着した水は、圧力差を設けることで生じる水蒸気濃度差により、給気路１１０から多孔質減圧路１７１へと移動する。多孔質減圧路１７１に移動した水は給気路１１０、排気路１１１と流体的に分離された状態で減圧ポンプ１０４へと送られ、減圧路１１６から除去される。この一連の動作を継続することで、給気路１１０に供給される対象空間外の空気から水分が連続して除去される。さらに、多孔質減圧路１７１を介して給気路１１０を流れる空気と排気路１１１を流れる空気とが温度交換される。水分を除去され除湿され、かつ、温度交換された対象空間間から送られる空気がラインＬ_ｓを介して対象空間へと送られるため、室内には調温、調湿された空気が提供される。

本実施形態では、給気路１１０、排気路１１１、および多孔質減圧路１７１からなる３つの流路の流入面と排出面が互いに異なる。そのため、単位素子内を貫通して多孔質減圧路１７１から減圧ポンプ１０４へとつながるマニホールドを設ける必要がなく、熱交換器の小型化、簡略化が可能となる。また、間隔保持部材１７０の凸状の突起を給気路１１０に突出することで、給気路を流れる空気とガス分離体１１５との接触面積が増え、湿度処理と温度交換効率を上げることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…換気装置、
１０１…熱交換器、
１０２…第一の送風部（供給部）、
１０３…第二の送風部（排出部）、
１０４…減圧ポンプ、
Ｌ_O、Ｌ_R、L_S、L_E、L_P…ライン（配管）、
１１０…給気路、
１１１…排気路、
１１２…仕切り板、
１１３…第一の間隔保持部材、
１１４…第二の間隔保持部材、
１１５…ガス分離体、
１１６…減圧路

Claims (9)

1. 対象空間外から対象空間内に供給される給気を流通させる給気路と、
   対象空間内から対象空間外に排出される排気を流通させる排気路と、
   前記給気路と前記排気路とを隔て、前記給気と前記排気とを熱交換させる仕切部材と、
   前記給気路側に配置され、空気中の水分を吸着し、または吸着した水分を空気中に排出する分離部材と、
   前記給気路側に設けられ、前記分離部材により当該給気路と隔てて構成され、減圧ポンプと接続された減圧路とを
   備える熱交換器。
2. 対象空間外から対象空間内に供給される給気を流通させる給気路と、
   対象空間内から対象空間外に排出される排気を流通させる排気路と、
   前記給気路と前記排気路とを隔て、前記給気と前記排気とを熱交換させる仕切部材と、
   前記排気路側に配置され、空気中の水分を吸着し、または吸着した水分を空気中に排出する分離部材と、
   前記排気路側に設けられ、前記分離部材により当該排気路と隔てて構成され、減圧ポンプと接続された減圧路とを
   備える熱交換器。
3. 前記分離部材は、前記仕切部材と前記給気路または前記排気路との間隔を保持する間隔保持部材として設けられた、
   請求項１又は請求項２記載の熱交換器。
4. 前記分離部材は、潮解性を有する物質と、多孔質体または多孔質膜とを有する、
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記分離部材は凸部を有し、前記分離部材と前記仕切部材との間に前記減圧路が構成された、
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記分離部材は円筒形状であり、前記円筒内部に前記減圧路が構成された、
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記減圧路へ排出された水分を、前記給気路を流通する給気に混合させ前記対象空間内に供給する加湿部を備える、
   請求項２記載の熱交換器。
8. 対象空間外から対象空間内に供給される給気を流通させる給気路と、
   対象空間内から対象空間外に排出される排気を流通させる排気路と、
   前記給気路と前記排気路とを隔て、前記給気と前記排気とを熱交換させる仕切部材と、
   前記給気路側に配置され、空気中の水分を吸着し、または吸着した水分を空気中に排出する分離部材と、
   前記仕切部材と前記分離部材との間に設けられ、前記分離部材により当該給気路と隔てて構成され、減圧ポンプと接続された減圧路とを備え、
   前記給気路、前記排気路及び前記減圧路の各流入面及び各排出面が互いに異なるように構成された、
   熱交換器。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の熱交換器を具備する換気装置。

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