JP2019504287A - エンタルピー交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
[発明の簡単な説明]
・湿度交換器と熱湿交換器;
・燃料電池や類似の装置とともに使用される加湿器;
・湿度交換器と熱湿交換器とに用いられる構成要素;
・エネルギー回収換気装置(ERV)設備;
・建造物の内部および外部の間で空気を交換する方法;
・湿度交換器、熱湿交換器、および/またはそのような交換器用の部品を作る方法;ならびに
・湿度交換器、熱湿交換器、および/またはそのような交換器用の部品を作るのに有用な製造装置。
・第1のチャネルに平行に延伸しているパネルの縁部は、厚さにテーパーが付いている。
・第1のチャネルおよび第2のチャネルを通る流量どうしが35〜95SCFMの範囲にある場合には、第1および第2のチャネルにまたがる圧力降下どうしは、同じから25Paの範囲にある。
・第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートは、接着剤(例えば、ホットメルト接着剤または感圧接着剤を含んでいてもよいもの)によってセパレータに貼り付けられている。
・パネルは、スペーサの帯板によって離間して配置されており、このスペーサトリップは、中実または中空であってもよく、円形、正方形、長方形などの様々な断面構成であってもよいものである。
・いくつかの実施形態では、スペーサの帯板は、少なくとも1.2mmの厚さを有する。
・セパレータは波形である。
・セパレータは穿孔されている。
・セパレータは7mm未満の深さを有する。
・セパレータは、0.2mm以下の厚さを有する材料でできている。
・セパレータは、形成されたアルミニウムシートを備えている。
・第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートは、接着剤(例えば、ホットメルト接着剤または感圧接着剤を含んでいてもよいもの)によってセパレータに貼り付けられている。
・チャネルに平行に延伸するパネルの縁部は、厚さにテーパーが付いている。
・複数のスペーサの帯板が、セパレータとは反対側の水蒸気透過性シートの一つに取り付けられており、スペーサの帯板は、チャネルに概ね垂直な方向に延伸している。いくつかの実施形態では、スペーサの帯板は、少なくとも1.2mmの厚さを有する。いくつかの実施形態では、スペーサの帯板は、少なくとも7cm、および/またはパネルの厚さの20倍、および/またはセパレータの突出部のピーク間間隔の20倍の距離だけ互いに隔てられている。
・第1の蒸気透過性シート、第2の蒸気透過性シート、およびセパレータの一つまたは複数が、本明細書の他の部分に記載のとおりの渦発生機能を支持している。
・高い透水性(蒸気および液体);
・高い吸水性;
・低いまたはゼロである空気および汚染ガス透過性;
・不燃性;
・微生物の増殖に対する抵抗性;
・メンブレン構成要素の有害な浸出または喪失がなく、水蒸気輸送性能の有意な劣化、または汚染物質クロスオーバーの増加のない、必要な動作条件下での長寿命;
・液体水の結露の存在下で、凍結融解サイクルに対して性能に有意の悪化のない耐久性;
・低コスト。
いくつかの例示的なメンブレンシートは、5〜250ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、メンブレンシートは一方向に、それに垂直な方向よりも可撓性である。そのようなメンブレンシートは、シートが最も剛性となる方向がセパレータ12Cの尾根を横断する方向となるように向けてもよい。
・少なくとも7cm;
・パネル12の厚さの少なくとも20倍;
・パネル12の層12Cの波形のピーク間間隔の少なくとも20倍。
・波形セパレータ12Cまたはスペーサ14の一方またはもう一方にメンブレンを取り付けるために使用される接着剤または結合機構のいずれが、メンブレンのコーティングされた側またはコーティングされていない側に、より良好に接着するか。
・いくつかのコーティングの場合、より湿度の高い流れにコーティングが面するようにメンブレンを向けることにより、最適な性能が実現される。いくつかのメンブレンコーティングは、温度依存性の透湿性を有していてもよい。
・例えば、メンブレンコーティングの蒸気透過性は温度とともに増加してもよい。
・この特性は、メンブレンのコーティングされた側が、より暖かい流れ(これは通常、より湿度の高い流れでもある)に面するようにメンブレンを向けることにより活用してもよい。
・ERV設備の有効性についての業界規格では、暖房への適用よりも冷房への適用に対して、より大きな潜熱効果が求められている。
・ERVが暖房(通常は冬)と冷房(通常は夏)の両方の条件で使用されることになる気候の地域にあるERV設備においては、メンブレンのコーティングされた側がより湿度の高い流れに面して、潜熱効果が冷房条件において高まるようにメンブレンを向けてもよい。
・冷気がチャネル12D内を通るように導かれていて、開口したチャネル15内で結露が生じ得る場合には、開口したチャネル15の境界を定めるメンブレンを、コーティングされた側が、開口したチャネル15に面するように向けて、チャネル15から液体水の排出が容易になるように、そして霜取りまたは氷融解が容易になるようにしてもよい。
・暖かく多湿の気候、例えばアメリカ南部で使用するためのERV設備は、より湿度の高いより暖かい空気が一組のチャネル12Dまたは15を通って、空調された建造物内に流入するように、そしてより冷涼で湿度の低い空気がチャネル15および12Dのもう一方を通って建造物の外に流出するように構成してもよい。そのような設備では、より湿度の高い流入空気にコーティングが面するように、メンブレンのコーティングされた側が好ましくは向くように、メンブレンを向けるのが有利であり得る。概してこれにより、流入する流れから除去されることになる水蒸気の伝達(除湿)がさらに高められる。渦発生器を随意に設けて、流入するより湿度の高いより熱い流れの中に乱流を生じさせ、この流入する空気中で運ばれる水蒸気とメンブレン表面との間の接触を促進させてもよい。この適用では、隣接するプレート12どうしの間の例示的で典型的な間隔は、1.5mm〜5mmの範囲にあるので、高い流量および低い圧力降下、または熱および物質の伝達の増大が可能となる。
・気候が寒冷な場所、例えばカナダやアメリカ北東部にある住宅ユニット内のERV設備は、より低温でより湿度の低い空気が、一組のチャネル12Dまたは15を通って、暖房された建造物に流入するように、そしてより暖かくより湿度の高い空気が、もう一方の組のチャネル15および12Dを通ってその建造物の外に流出するように構築してもよい。そのような設備は、より湿度の高い空気を運ぶチャネル内に霜が形成される傾向を低減させるように、そしてチャネル内に形成される可能性のある結露の排出を容易にするように配置してもよい。そのような適用では、流出するより暖かくより湿度の高い空気を、開口したチャネル15を通って流せることが、概して有利である。このことにより、暖かい空気がコア中の霜の場所にさらに容易に到達することが可能になり、チャネル15から結露を排出するのも容易にすることができる。いくつかの実施形態では、チャネル15は、チャネル15の境界を定めるメンブレンが、非水平であっても(例えば、垂直であっても、または結露の排出が重力の助けにより容易になるように傾斜していても)よい。渦発生器は、もし設けられるのであれば、好ましくは、乾燥した供給側(すなわち、チャネル12D内)に設けられる。これにより、渦発生器が霜を形成しやすくなる可能性、または液体水の核形成の部位として働く可能性が低減する。さらに水蒸気伝達が高い場合、メンブレンは、より湿度の高い流出する流れにメンブレンのコーティングされた側が面するような向きにしてもよい。
・いくつかの地域では、ERVが、その年の一部期間については、温暖で湿った空気を建造物内に取り込み、寒冷で乾燥した空気を建造物から取り出すために、また、その年の別の一部期間については、寒冷で乾燥した空気を建造物内に取り込み、暖房されたより湿度の高い空気を建造物から放出するように機能してもよい。いくつかのERV設備は、取り込まれた空気がチャネル12Dまたは15を選択的に通過できるように、そして建造物から放出されている空気がチャネル15、12Dのもう一方の組を通過できるように、再構成可能である。これにより、ERV設備が、上記のようにその年のいずれの一部期間にも適するように構成することができる。
・自動車用燃料電池への例示的な適用に向けた水蒸気交換器または加湿器は、例えば、0.3mm〜1.5mmの範囲の繰り返し周期を有している。そのような適用では、プレート12のサイズは普通、幅または長さが200mm以下であるのが望ましいことが多い。チャネル15内のセパレータ帯板は、例えば、約30mm〜約100mmの範囲の距離で離間して配置されている。
用語の解釈
・「備えた(comprise)」、「備えている(comprising)」、および同種のものは、排他的または限定列挙の意味とは対照的に、例示列挙、換言すると、「含むが、これに限定されない」の意味に解釈されるものとする;
・「接続された」、「結合された」、またはその任意の変形は、二つ以上の構成要素の間の直接的または間接的なあらゆる接続または結合を意味し、要素間の結合または接続は、物理的、論理的、またはそれらの組み合わせであり得る;
・「本明細書において」、「以上」、「以下」および同様な意味の単語は、本明細書を記述するために使用される場合、本明細書を全体として参照し、本明細書の特定の部分を参照するのではないものとする;
・「または」は、二つ以上の項目の列挙を参照する場合には、以下の単語の解釈、すなわち、列挙における項目のいずれか、列挙における項目のすべて、および列挙における項目のあらゆる組み合わせを網羅する;
・単数形「a」、「an」、「the」は、あらゆる適切な複数形の意味も含む。
Claims (41)
- 複数のパネルを備えた熱湿交換器であって、
前記パネルのそれぞれが、
面の両側に突出部を設けるように形成された可撓性セパレータと;
前記セパレータの相反対の面の突出部に取り付けられた第1および第2の薄い水蒸気透過性メンブレンシートであって、前記セパレータが、前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートを、離間した平行な関係に保持し、前記パネルが、前記メンブレンシートの取り付けによって補強されており、前記突出部が第1のチャネルを設けるように形成されて、チャネルが、前記セパレータと前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートとの間の第1の流れを、前記パネルのそれぞれにまたがって第1の方向に運ぶように動作可能である、メンブレンシート;
とを備え、
前記パネルが、開口した第2のチャネルを前記パネルの隣接するものどうしの間に設けるように、平行に離間した関係に積層されており、前記第2のチャネルが、熱湿交換器を通る第2の流れを、前記第1の方向を横切る第2の方向に運ぶように、延伸している熱湿交換器。 - 前記パネルの隣接するものどうしの間に細長いスペーサを備えた、請求項1に記載の熱湿交換器であって、前記第2のチャネルが前記パネルの厚さの20倍以上の幅を有する開口部を備えるような前記第1の方向に、前記細長いスペーサが互いに離間して配置されている、熱湿交換器。
- 前記パネルの隣接するものが、前記パネルの厚さよりも小さい距離だけ互いに離間して配置されている、請求項1または2のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記セパレータが、前記第2のチャネルの高さの110%〜150%、好ましくは120%〜135%の範囲にある深さを有する、請求項3に記載の熱湿交換器。
- 前記セパレータが波形シートを備えている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記波形シートの波形が、平坦化された最上部を有する尾根を設けるように形成され、前記メンブレンシートが、前記尾根の少なくともいくつかの平坦化された最上部に沿って前記セパレータに接着される、請求項5に記載の熱湿交換器。
- 前記セパレータが穿孔されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記セパレータが、0.2mm以下の厚さを有する材料でできている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記パネルのそれぞれが、1.5mm〜4mmの範囲にある厚さ有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記セパレータが、形成されたアルミニウムシートを備えた、請求項1〜9のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記第1のチャネルまたは前記第2のチャネルの少なくとも一つにおいて複数の渦発生機能を備えた、請求項1〜10のいずれか一項に記載の熱湿交換器であって、前記渦発生機能が、前記チャネルの境界を定める一つまたは複数の表面からの突出部および/またはそこへのくぼみ部を備えた、熱湿交換器。
- 前記渦発生機能が前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートの一つまたは両方の上に形成された、請求項11に記載の熱湿交換器。
- 前記渦発生機能が、前記第1または第2の水蒸気透過性メンブレンシートの少なくとも一つの表面に形成された突出部の配列を備え、前記突出部が、2mmまたは前記セパレータの厚さの40%の、いずれか大きい方を超えない高さを有する、請求項11に記載の熱湿交換器。
- 前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートが、非対称であって基材を備え、前記基材がその一面に、空気不透過性の水蒸気透過性コーティングを有する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記コーティングが前記第2のチャネル内に面するように、前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートが向けられている、請求項14に記載の熱湿交換器。
- 前記第1のチャネルに平行に延伸している前記パネルの縁部がテーパー付きの厚さを有する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記第1のチャネルおよび前記第2のチャネルを通る流量どうしが同一であって35〜95SCFMの範囲にある場合に、前記第1および第2のチャネルにまたがる圧力降下どうしが、同一から25Paまでの範囲にある、請求項1〜16のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記第1のチャネルおよび前記第2のチャネルを通る流量どうしが同一である場合に、前記第1および第2のチャネルにまたがる圧力降下どうしが、同一から25%までの範囲にある、請求項1〜16のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 建造物の外部から前記建造物の内部に、前記第1のチャネルまたは前記第2のチャネルを通して空気を供給するように接続された外気取り入れ口と、前記建造物の内部から前記建造物の外部に、前記第2のチャネルまたは前記第1のチャネルのもう一方を用いて空気を送達するように接続された排気口とを備えた、エネルギー回収換気(ERV)設備における請求項1〜18のいずれか一項に記載の熱湿交換器。
- 前記建造物の内部が暖房されており、前記排気口が、前記建造物の内部から前記建造物の外部に、前記第2のチャネルを通して空気を送達するように接続された、請求項19に記載の熱湿交換器。
- 前記ERV設備が、前記第1および第2のチャネルのいずれを前記外気取り入れ口に接続するか、そして前記第2および第1のチャネルのいずれを前記排気口に接続するかを切り替えるように再構成可能である、請求項19に記載の熱湿交換器。
- ERVコアに使用されるパネルであって、前記パネルが:
その面の両側に突出部を設けるように形成されたセパレータと;
前記セパレータの相反対の面の突出部に取り付けられた第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートとを備え、
前記セパレータが、前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートを、離間した平行な関係に保持し、前記突出部が、前記セパレータと前記シートの間で、前記第1および第2の水蒸気透過性シートのそれぞれにまたがって延伸するチャネルを設けるように形成されているパネル。 - 前記セパレータが波形である、請求項22に記載のパネル。
- 前記セパレータが穿孔されている、請求項22または23に記載のパネル。
- 前記セパレータが7mm未満の深さを有する、請求項22〜24のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記セパレータが、0.2mm以下の厚さを有する材料でできた、請求項22〜25のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記セパレータが、形成されたアルミニウムシートを備えた、請求項22〜26のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記第1および第2の水蒸気透過性メンブレンシートが接着剤によって前記セパレータに貼り付けられている、請求項22〜27のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記接着剤がホットメルト接着剤、または感圧接着剤である、請求項22〜28のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記チャネルに平行に延伸する前記パネルの縁部が、テーパー付きの厚さを有する、請求項22〜29のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記セパレータに対して反対側の水蒸気透過性シートの一つに取り付けられた複数のスペーサの帯板を備えた、請求項22〜30のいずれか一項に記載のパネルであって、前記セパレータ帯板が前記チャネルに対して概ね垂直な方向に延伸しているパネル。
- 前記スペーサの帯板が少なくとも1.2mmの厚さを有する、請求項31に記載のパネル。
- 前記スペーサの帯板が少なくとも7cmの距離だけ互いに隔てられている、請求項31または32に記載のパネル。
- 前記スペーサの帯板が前記パネルの厚さの少なくとも20倍の距離だけ互いに隔てられている、請求項31〜33のいずれか一項に記載のパネル。
- 前記スペーサの帯板が、前記セパレータの突出部のピーク間間隔の少なくとも20倍の距離だけ互いに隔てられている、請求項31〜34のいずれか一項に記載のパネル。
- 離間した関係に一体に積層された請求項22〜35のいずれか一項に記載の複数のパネルを備えた、熱湿交換器。
- 離間した前記パネルの隣接するものどうしの間のチャネルを通して互いに流体接続された第1の入口および出口マニホールドを備えた、請求項35に記載の熱湿交換器。
- 前記パネルの前記メンブレンと前記セパレータとの間のチャネルを通して互いに流体接続された第2の入口および出口マニホールドを備えた、請求項36または37に記載の熱湿交換器。
- セパレータの面の両側に突出部を設けるように形成されたセパレータの相反対側に第1および第2のメンブレンシートを取り付けることにより複数のパネルを形成して、前記第1および第2のメンブレンシートを前記突出部が取り付けられるようにすること;および
前記パネルを隔てるスペーサを用いて前記パネルを離間した関係に積層して、隣接するパネルの各対の間にチャネルを設けること、
を含む、熱湿交換器を製造する方法。 - 前記セパレータが波形シートを備えた、請求項39に記載の方法。
- 前記パネルを形成することが、接着剤を波形の尾根シートの波形に沿って塗布することと、前記メンブレンシートを前記接着剤によって前記尾根に接着することとを含む、請求項40に記載の方法。
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