JP2020034242A - 熱交換素子及びそれを用いた熱交換形換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸湿による機能紙とリブの寸法変化が要因で生じる、機能紙とリブの接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することが可能な熱交換素子及びそれを用いた熱交換形換気装置を提供する。【解決手段】熱交換素子６は、伝熱性を有する伝熱板１３と、伝熱板１３の一方の面に並列して設けた複数のリブ１４とを備える熱交換素子ピース１５を積層して排気風路１６と給気風路１７を１層ずつ交互に構成し、排気風路１６を流通する排気流３と給気風路１７を流通する給気流４とが伝熱板１３を介して熱交換する熱交換素子６であって、伝熱板１３とリブ１４とは接着部材により互いに固着され、リブ１４は、吸湿性を有する複数の繊維部材により構成され、接着部材が含浸された構成とする。【選択図】図３

Description

本発明は、寒冷地等で使用され、室内の空気を室外へ排気する排気流と、室外の空気を室内へ給気する給気流との間で熱交換する熱交換素子とそれを用いた熱交換形換気装置に関するものである。

この種の熱交換形換気装置に用いられる熱交換素子は、シール性（空気流路を流れる空気が外に漏れるのを防止するシール機能）の向上による信頼性を確保するため、例えば次のような構造が知られている。

図６に示すように、熱交換素子１０１は伝熱性を備えた機能紙１０３とリブ１０４で構成された熱交換素子単体１０２を多数枚積層することによって構成されている。機能紙１０３の一方の面上には、紙紐１０５と該紙紐１０５を機能紙１０３に接着するホットメルト樹脂１０６で構成されたリブ１０４が所定間隔で平行に複数備えられている。このリブ１０４によって、隣接して積層される一対の機能紙間に間隙が生じ、空気流路１０７を形成している。熱交換素子１０１は、複数の間隙が積層されるように形成され、隣接する間隙におけるそれぞれの空気流路１０７の送風方向は、互いに直交するように構成されている。これにより、空気流路１０７を機能紙１０３毎に交互に給気流と排気流とが通風し、給気流と排気流との間で熱交換が行われる。

特開平１１−２４８３９０号公報

このような従来の熱交換素子１０１においては、略円形の紙紐１０５をホットメルト樹脂１０６で被包したリブ１０４を形成し、ホットメルト樹脂１０６により機能紙１０３と接着させることで、機能紙１０３同士の間隔を維持する構成となっていた。このため、機能紙１０３と紙紐１０５が空気中の水分を吸湿して寸法変化することで、特にホットメルト樹脂１０６により被包された紙紐１０５の寸法変化によって、リブ１０４と機能紙１０３の接着部が剥離し、機能紙１０３同士の間隔を維持するために必要な強度を失って風路がつぶれてしまい、熱交換素子１０１を流れる空気に偏りが生じ、熱交換効率が低下するという課題を有していた。

そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、吸湿による機能紙とリブの寸法変化が要因で生じる、機能紙とリブの接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することが可能な熱交換素子及びそれを用いた熱交換形換気装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明に係る熱交換素子は、伝熱性を有する仕切部材と、仕切部材の一方の面に並列して設けた複数の間隔保持部材とを備える単位構成部材を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成し、排気風路を流通する排気流と給気風路を流通する給気流とが仕切部材を介して熱交換する熱交換素子であって、仕切部材と間隔保持部材とは接着部材により互いに固着され、間隔保持部材は、吸湿性を有する複数の繊維部材により構成され、接着部材が含浸されていることを特徴としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、吸湿による機能紙とリブの寸法変化が要因で生じる、機能紙とリブの接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することが可能な熱交換素子及びそれを用いた熱交換形換気装置を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換形換気装置の住宅における設置状態を示す模式図である。 図２は、同熱交換形換気装置の構造を示す模式図である。 図３は、同熱交換素子の構造を示す分解斜視図である。 図４は、同間隔保持部材の構造を示す部分断面図である。 図５は、同間隔保持部材の構造例を示す部分断面図である。 図６は、従来の熱交換素子の斜視図である。

本発明に係る熱交換素子は、伝熱性を有する仕切部材と、仕切部材の一方の面に並列して設けた複数の間隔保持部材とを備える単位構成部材を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成し、排気風路を流通する排気流と給気風路を流通する給気流とが仕切部材を介して熱交換する熱交換素子であって、仕切部材と間隔保持部材とは接着部材により互いに固着され、間隔保持部材は、吸湿性を有する複数の繊維部材により構成され、接着部材が含浸されていることで構成されている。

これにより、吸湿による仕切部材と間隔保持部材の寸法変化が要因で生じる、仕切部材と間隔保持部材の接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

また、接着部材は、間隔保持部材に含浸する第１接着領域と、間隔保持部材の表面を被覆する第２接着領域とを有する構成としてもよい。これにより、複数の繊維部材に含浸した接着部材の接着面積と比較して、接着面積が増加することで、仕切部材と間隔保持部材の接着力が増加し、仕切部材と間隔保持部材の接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

また、間隔保持部材は、複数の繊維部材が撚られた構成としてもよい。これにより、繊維部材が撚られることで、間隔保持部材の張力が増加し、吸湿による間隔保持部材の寸法変化が抑制され、仕切部材と間隔保持部材の接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

また、接着部材は間隔保持部材より吸湿性が低い構成としてもよい。これにより、間隔保持部材が吸湿しても接着部材が固着することにより、間隔保持部材の吸湿による寸法変化を抑制することができる。すなわち、吸湿による間隔保持部材の寸法変化が要因で生じる仕切部材と間隔保持部材の接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１に係る熱交換素子６を備えた熱交換形換気装置２の概略について説明する。図１は、熱交換素子６を備える熱交換形換気装置２の設置例を示す概要図である。図２は、熱交換形換気装置２の構造を示す模式図である。

図１において、家１の屋内に熱交換形換気装置２が設置されている。熱交換形換気装置２は、屋内の空気と屋外の空気とを熱交換しながら換気する装置である。

図１に示す通り、排気流３は、黒色矢印のごとく、熱交換形換気装置２を介して屋外に放出される。排気流３は、屋内から屋外に排出される空気の流れである。また、給気流４は、白色矢印のごとく、熱交換形換気装置２を介して室内にとり入れられる。給気流４は、屋外から屋内に取り込まれる空気の流れである。例えば日本の冬季を挙げると、排気流３は２０〜２５℃であるのに対して、給気流４は氷点下に達することもある。熱交換形換気装置２は、換気を行うとともに、この換気時に、排気流３の熱を給気流４へと伝達し、不用な熱の放出を抑制している。

熱交換形換気装置２は、図２に示す通り、本体ケース５、熱交換素子６、排気ファン７、内気口８、排気口９、給気ファン１０、外気口１１、給気口１２を備えている。本体ケース５は、熱交換形換気装置２の外枠である。本体ケース５の外周には、内気口８、排気口９、外気口１１、給気口１２が形成されている。内気口８は、排気流３を熱交換形換気装置２に吸い込む吸込口である。排気口９は、排気流３を熱交換形換気装置２から屋外に吐き出す吐出口である。外気口１１は、給気流４を熱交換形換気装置２に吸い込む吸込口である。給気口１２は、給気流４を熱交換形換気装置２から屋内に吐き出す吐出口である。

本体ケース５の内部には、熱交換素子６、排気ファン７、給気ファン１０が取り付けられている。熱交換素子６は、排気流３と給気流４との間で熱交換を行うための部材である。排気ファン７は、排気流３を内気口８から吸込み、排気口９から吐出するための送風機である。給気ファン１０は、給気流４を外気口１１から吸込み、給気口１２から吐出するための送風機である。排気ファン７により吸い込まれた排気流３は、熱交換素子６、排気ファン７を経由し、排気口９から屋外へと排出される。また、給気ファン１０により吸い込まれた給気流４は、給気ファン１０を経由し、給気口１２から屋内へと供給される。

次に、図３、図４を参照して熱交換素子６について説明する。図３は、熱交換素子６の構造を示す分解図であり、図４は、リブ１４の構造を示す部分断面図である。

図３に示すように、熱交換素子６は、略正方形の伝熱板１３の一方の面の上に複数のリブ１４が接着された複数の熱交換素子ピース１５から構成される。熱交換素子６は、熱交換素子ピース１５を、一段ずつ互い違いにリブ１４が直交するように、向きを変えて複数枚積層することで、排気流３が通風する排気風路１６と給気流４が通風する給気風路１７が形成され、排気流３と給気流４とが交互に直交して流れるようになり、これらの間で熱交換を可能にしている。

熱交換素子ピース１５は、熱交換素子６を構成する一つのユニットである。熱交換素子ピース１５は、略正方形の伝熱板１３の一方の面上に複数のリブ１４が接着して形成されている。伝熱板１３上のリブ１４は、その長手方向が伝熱板１３の一方の端面から、これに対向する他方の端面に向かうように形成されている。リブ１４のぞれぞれは、伝熱板１３の面上に所定の間隔で並列配置されている。具体的には、図３に示すように、熱交換素子ピース１５を構成する伝熱板１３の一方の面の上には、リブ１４の長手方向が、伝熱板１３の端面１３ａから対向する端面１３ｃに向かうように接着して形成されている。加えて、それぞれのリブ１４は、端面１３ａに垂直な伝熱板１３の端面１３ｂから、これに対向する端面１３ｄに向けて所定の間隔を設けて配置されている。

伝熱板１３は、伝熱板１３を挟んで排気流３と給気流４とが流れたときに熱交換をするための板状の部材である。伝熱板１３は、セルロース繊維をベースとした伝熱紙によって形成され、伝熱性と透湿性と吸湿性とを備えている。ただし、紙の材質はこれに限定されるものではない。伝熱板１３は、例えば、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレートをベースとした透湿樹脂膜、または、セルロース繊維、セラミック繊維、ガラス繊維をベースとした紙材料等を用いることができる。伝熱板１３は伝熱性を備えた薄いシートであって、気体が透過しない性質のものを用いることができる。

リブ１４は、伝熱板１３の対向する一対の辺の間に設けられ、一方の辺から他方の辺に向かうように形成されている。リブ１４は、伝熱板１３を積み重ねるときに伝熱板１３間に排気流３または給気流４を通風させるための間隙、すなわち排気風路１６または給気風路１７を形成する略円柱形状の部材である。

リブ１４は、図４に示すように、断面が略円形状となっている。リブ１４は、複数の繊維部材４０により構成されており、接着部材４１を介して伝熱板１３と互いに固着されている。また、リブ１４は、繊維部材４０のそれぞれの微小な空隙に、接着部材４１が含浸されて構成されている。なお、接着部材４１は、リブ１４の中心部（リブ１４の中心に位置する繊維部材４０の微小な隙間）まで含浸している。

繊維部材４０のそれぞれは、図４に示すように、断面が略円形状であり、リブ１４と同じ方向に延びる繊維部材である。繊維部材４０の材質としては、吸湿性を有し、一定の強度があれば用いることができ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド等の樹脂部材、または、セルロース繊維、セラミック繊維、ガラス繊維をベースとした紙材料、または、綿、絹、麻を用いることができる。

また、繊維部材４０に金属を使用する場合、金属自体は吸湿性を有しないが、繊維部材４０の集合体では、繊維部材４０の空隙に空気中の水分を保持する毛細管現象により吸水作用が生じるため、繊維部材４０に吸水機能を付与することができる。繊維部材４０が多くなるほど、吸湿性は増大するが、繊維部材４０の強度も高くなるため、風路閉塞が生じにくくなり、好適である。

なお、リブ１４と伝熱板１３との固着は、リブ１４を構成する複数の繊維部材４０に接着部材４１を含浸させた後、伝熱板１３の一方の面上に当該リブ１４を配置して、接着部材４１の熱溶着によって行えばよい。あるいは、伝熱板１３の一方の面上にリブ１４を配置して接着部材４１を塗工し、リブ１４を構成する複数の繊維部材４０への含浸と伝熱板１３との熱溶着とを同時に行ってもよい。

ここで、従来技術の課題について、図３、４を参照して再度説明する。

冬季のような室外の湿度が低い季節では、給気流４が排気流３に比べて湿度が低く、排気流３に乗った空気中の水蒸気が排気風路１６を通過すると、リブ１４に付着し、繊維部材４０が水蒸気を吸湿し、繊維部材４０は長手方向及び繊維径方向に向かって膨張する。同様に、伝熱板１３にも空気中の水蒸気は吸湿するため、伝熱板１３も膨張により寸法変化が生じる。伝熱板１３とリブ１４の吸湿性が異なる場合、吸湿性が高い方の膨張による寸法変化に、吸湿性が低い方の部材が引っ張られることで、伝熱板１３とリブ１４の接着点が脆弱化して剥離が生じる。伝熱板１３とリブ１４との間で剥離が生じることで、給気流４の圧がかかり、伝熱板１３がたわみ、排気風路１６が閉塞する。排気風路１６が部分的に閉塞すると、部分的に風量が減少することになり、伝熱板１３に対して不均一な風量バランスで排気流３が流れるため、熱交換素子６の熱交換効率が減少する。

本実施の形態１に係る熱交換素子６は、リブ１４に接着部材４１が含浸されていることで、複数の繊維部材４０のそれぞれの接着力が増し、リブ１４の寸法変化を抑制している。特に接着部材４１がリブ１４の中心部まで含浸していることで、リブ１４の寸法変化がより強固に抑制されている。また、接着部材４１がリブ１４を介して伝熱板１３と接着されることによって、伝熱板１３とリブ１４との間の接着面積を増加させ、伝熱板１３とリブ１４の接着力を高めている。

以上のように、本実施の形態１に係る熱交換素子６によれば、排気流３の空気中の水分の吸湿による、伝熱板１３及びリブ１４の寸法変化から生じる、接着剥がれを抑制することが可能であり、排気風路１６の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子６を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子６の排気風路１６内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持できる。

一方、夏季のような室外の湿度が高い季節では、排気流３が給気流４に比べて湿度が低く、給気流４に乗った空気中の水蒸気が給気風路１７を通過すると、リブ１４に付着し、繊維部材４０が水蒸気を吸湿し、繊維部材４０は長手方向及び繊維径方向に向かって膨張する。同様に、伝熱板１３にも空気中の水蒸気は吸湿するため、伝熱板１３も膨張により寸法変化が生じる。伝熱板１３とリブ１４の吸湿性が異なる場合、吸湿性が高い方の膨張による寸法変化に、吸湿性が低い方の部材が引っ張られることで、伝熱板１３とリブ１４の接着点が脆弱化して剥離が生じる。伝熱板１３とリブ１４との間で剥離が生じることで、排気流３の圧がかかり、伝熱板１３がたわみ、給気風路１７が閉塞する。給気風路１７が部分的に閉塞すると、部分的に風量が減少することになり、伝熱板１３に対して不均一な風量バランスで給気流４が流れるため、熱交換素子６の熱交換効率が減少する。しかしながら、本実施の形態１に係る熱交換素子６によれば、この場合であっても、同様の効果を享受することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

また、本実施の形態１において、接着部材４１は、リブ１４の内部に含浸する第１接着領域４２と、リブ１４の表面を被覆（被包）する第２接着領域４３とを有する構成としてもよい。本構成について、図５を参照して説明する。

図５は、リブ１４の構造例を示す部分断面図である。複数の繊維部材４０のそれぞれが接着部材４１の含浸により固着されている第１接着領域４２に対し、本実施の形態２に係る熱交換素子６では、繊維部材４０の露出部を覆うように、接着部材４１が塗布され、第２接着領域４３を形成している。これにより、複数の繊維部材４０に含浸した接着部材４１のみの構成、すなわち、第１接着領域４２のみを有する構成と、第２接着領域４３を含めて形成した構成と比較して、接着面積が増大することで、伝熱板１３とリブ１４の接着力が増加する。以上のように、排気流３または給気流４の空気中の水分の吸湿による、伝熱板１３及びリブ１４の寸法変化から生じる、接着剥がれを抑制することが可能であり、排気風路１６または給気風路１４の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子６を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子６の排気風路１６または給気風路１７内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持できる。

なお、第１接着領域４２に使用する接着部材４１と第２接着領域４３に使用する接着部材４２とは必ずしも同一である必要性はなく、種々の選択が可能である。

また、リブ１４は、複数の繊維部材４０が撚られた構成としてもよい。複数の繊維部材４０が互いに撚られることで、リブ１４の張力が増加する。また、複数の繊維部材４０が撚られてできた空隙に、接着部材４１を含浸されるため、繊維部材４０の接触面積が増大し、リブ１４の強度が増加する。以上のように、吸湿によるリブ１４の寸法変化を抑制することで、伝熱板１３とリブ１４の接着剥がれによる風路の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

また、接着部材４１はリブ１４より吸湿性が低い構成としてもよい。これにより、リブ１４が吸湿し、繊維部材４０が膨張により寸法変化しようとしても、吸湿性が低い接着部材４１が固着していることにより、リブ１４の寸法変化を抑制することができる。すなわち、伝熱板１３とリブ１４の接着剥がれによる排気風路１６または給気風路１７の閉塞を抑制することができる。よって、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換素子の風路内を均一な風速、風圧で送風させることで熱交換効率を高く維持することができる。

なお、吸湿性が低い接着部材４１としては、例えば、溶液系接着剤（フェノール樹脂等）または化学反応によって硬化する無溶媒系接着剤（エポキシ樹脂系等）をベースとしてモノマーに親水基（例えば、ヒドロキシ基等）を含まない接着剤を用いることができる。

以上で使用した文言に関し、本実施の形態の伝熱板１３は請求項の「仕切部材」、リブ１４は請求項の「間隔保持部材」、熱交換素子ピース１５は請求項の「単位構成部材」に相当する。また、排気風路１６は請求項の「排気風路」、給気風路１７は請求項の「給気風路」、繊維部材４０は請求項の「繊維部材」に相当する。さらに、接着部材４１は請求項の「接着部材」、第１接着領域４２は請求項の「第１接着領域」、第２接着領域４３は請求項の「第２接着領域」に相当する。

以上のように本実施の形態にかかる熱交換素子は、吸湿によるリブの寸法変化が要因で生じる風路閉塞を抑制し高い熱交換効率を維持できるものであって、熱交換形換気装置等に用いる熱交換素子として有用である。

１ 家
２ 熱交換形換気装置
３ 排気流
４ 給気流
５ 本体ケース
６ 熱交換素子
７ 排気ファン
８ 内気口
９ 排気口
１０ 給気ファン
１１ 外気口
１２ 給気口
１３ 伝熱板
１４ リブ
１５ 熱交換素子ピース
１６ 排気風路
１７ 給気風路
４０ 繊維部材
４１ 接着部材
４２ 第１接着領域
４３ 第２接着領域
１０１ 熱交換素子
１０２ 熱交換素子単体
１０３ 機能紙
１０４ リブ
１０５ 紙紐
１０６ ホットメルト樹脂
１０７ 空気流路

Claims (5)

1. 伝熱性を有する仕切部材と、前記仕切部材の一方の面に並列して設けた複数の間隔保持部材とを備える単位構成部材を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成し、前記排気風路を流通する排気流と前記給気風路を流通する給気流とが前記仕切部材を介して熱交換する熱交換素子であって、
   前記仕切部材と前記間隔保持部材とは接着部材により互いに固着され、
   前記間隔保持部材は、吸湿性を有する複数の繊維部材により構成され、前記接着部材が含浸されていることを特徴とする熱交換素子。
2. 前記接着部材は、前記間隔保持部材に含浸する第１接着領域と、前記間隔保持部材の表面を被覆する第２接着領域とを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換素子。
3. 前記間隔保持部材は、複数の前記繊維部材が撚られて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換素子。
4. 前記接着部材は前記間隔保持部材より吸湿性が低いことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換素子。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載された前記熱交換素子を搭載したことを特徴とする熱交換形換気装置。