JP4221708B2

JP4221708B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4221708B2
Application number: JP2003192241A
Authority: JP
Inventors: 秀元荒井; 尚士横家; 健造高橋; 陽一杉山; 勝 ▲高▼田; 昌孝吉野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP2005024207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕熱及び潜熱を熱交換する全熱交換器に係り、特に、潜熱交換効率の更なる向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の全熱交換器には次のものがある。
間隔保持板である波板基材と仕切板である平形基材とを重ねてハニカム構造体とした熱交換器であって、波板基材と平形基材はセルローズ繊維と熱可塑性繊維とからなる合成紙で構成され、これら基材間は加熱加圧処理により溶着する熱可塑性繊維によって接着されていると共に、これら基材は加熱加圧処理により剛性が付与される。（例えば、特許文献１）。
また、その他関連技術を記載のものがある（例えば、特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５６−９３６９４号公報（第１頁〜第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−３１０５８９号公報（第３頁〜第５頁、図１〜図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱交換器の潜熱の熱交換においては、波板基材と平形基材との接合は加熱加圧処理により溶着する熱可塑性繊維による接着で行われているので、透湿性のない接着剤で接合された場合に比べて、接合部からの水分の移動が妨げられる割合は少なくなるが、即ち、有効透湿面積が減少してしまうことは少なくなるが、仕切板である平形基材と間隔保持板である波板基材の両者自体の透湿性が劣っているため、透湿性が不充分である。
ところで、全熱交換器の夏場と冬場の空気条件を見ると（ＪＩＳＢ８６２８全熱交換器空気条件による）、夏場；外気３５℃、６４．４％ＲＨ、室内２７℃、５２．４％ＲＨであり、冬場；外気５℃、５７．８％ＲＨ、室内２０℃、５１．１％ＲＨである。即ち、夏場と冬場の空気条件において、全熱に対する湿度（潜熱）のエネルギーの割合は、約５０％を占める。特に、夏場の室内は、２／３が潜熱であり、潜熱交換効率は重要である。更に、夏場にもっと湿度が高くなるような場合は、潜熱の割合が大きくなり、潜熱交換効率が更に重要となる。
また、近時、熱交換器においては、更なる熱交換効率の向上が要求されてきているが、更なる熱交換効率の向上のためには上記のように、特に、潜熱交換効率の向上は重要である。しかしながら、従来の熱交換器では、上記の通り満足できない。
【０００５】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、熱交換器の潜熱交換効率の更なる向上を達成し、熱交換効率の更なる向上を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱交換器は、間隔保持板によって間隔が保持された透湿性を有する仕切板を隔てて２種の気流を流通させるとともに、この２種の気流の間で前記仕切板を介して熱交換する熱交換器において、仕切板と間隔保持板とを親水基を持ち、吸湿性及び水分拡散性を有するフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂で接着した結合部を形成し、
親水基がスルホン酸基であり、フッ素系樹脂及び炭化水素系樹脂が、それぞれ、パーフルオロスルホン酸樹脂及び部分スルホン酸化したスチレン・エチレン共重合樹脂であるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態における熱交換器を示す斜視図であり、図２は、図１の熱交換器の単位構成部材を示す斜視図であり、図３は、図２の単位構成部材の拡大断面図である。
【０００８】
これらの図において、熱交換器１は、伝熱性、透湿性及び空気遮蔽性を有し、気流方向に直交方向の投影形状が方形の薄肉の仕切板２の片面に、鋸波状又は正弦波状等の断面波形状で、同じく投影形状が仕切板２の投影形状に一致した間隔保持板３を接合した単位構成部材（図２）を、断面波形形状の開口方向（気流方向）が一層おきに９０度又はそれに近い角度で交差するように複数層を積層し、六面体構造とする。
仕切板２及び間隔保持板３は、多孔質部材であり、例えば、セルロース繊維に樹脂繊維を混紗したり、樹脂等をバインダーとして混入したものが好適であるが、その他、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等のポリオレフィン、ポリエステル等の不織布、金属繊維、又はガラス繊維で構成してもよい。
なお、仕切板２は、空気遮蔽特性を付与するために、表面に空気遮蔽特性を持つ透湿膜層を形成してもよい。
【０００９】
また、仕切板２と間隔保持板３は、図３の単位構成部材に示すように、間隔保持板３の波形状の頂点部を仕切板２に接着剤８で接着することにより接合する。接着剤８の材質には、接合硬化後に接合層８ａである接着剤層８ａの吸湿性と水分拡散性の大きい親水基を持つ樹脂、例えば、固体高分子電解膜式燃料電池（ＰＥＦＣ）の電解質膜に使用されるパーフルオロスルフォン酸樹脂（親水基としてをスルホン酸基を持つフッ素系イオン交換樹脂である、パーフルオロスルフォン酸イオン交換樹脂）を用いる。
パーフルオロスルフォン酸樹脂は、吸湿性、水分拡散性が大きく、即ち、透湿性が大きく、かつ、耐久性がある。更に、酸による殺菌作用も有している。
【００１０】
また、吸湿性と水分拡散性の大きい樹脂としてパーフルオロスルフォン酸樹脂の他には、親水基を持つ炭化水素系樹脂（炭化水素系イオン交換樹脂）である部分スルホン酸化した高分子共重合体化合物でもよい。例えば、アリルビニル単量体及びオレフィン単量体の共重合体であり、平均分子量が２００００程度、アリルビニル単量体に結合される芳香族炭化水素は部分的にスルホン酸化しているものがある。ここで、アリルビニル単量体は、全体の２０〜８０ｗｔ％を占め、スチレン、ビニルトルエン、α―メチルトルエンが考えられるがスチレンが最も適する。また、アリルビニル単量体に結合する芳香族部分は、３０〜５０ｍｏｌ％がスチレンスルホン酸塩であるのがよい。オレフィン単量体は、エチレンがもっとも適する。即ち、平均分子量が２００００程度で、部分スルホン酸化したスチレン・エチレン共重合樹脂（イオン交換樹脂）がよい。
親水基としてスルホン酸化した炭化水素系樹脂（炭化水素系イオン交換樹脂）は、吸湿性、水分拡散性が大きく、即ち、透湿性が大きく、かつ、比較的コストが安い。更に、酸による殺菌作用も有している。
【００１１】
これらの樹脂を接着剤８として使用するには、本樹脂を熱軟化したもの、エマルジョン化したもの又はアルコール、アセトン等の有機溶剤に分散させたものを使用する。
【００１２】
このようにして形成した熱交換器１は、空気調和機等に用いられ、図１に示すように一次気流イ、例えば、室内からの排気が通る流体通路５と、二次気流ロ、例えば、室外からの給気が通る流体通路６とが一層おきに交互に交差し、それぞれの気流は仕切板２を介して、隣接するする気流間で混合することなく、全熱交換する。
即ち、熱交換器１は、室外の新鮮空気を室内に導入する際、室内から排出する排気と室内に導入する給気とを全熱交換することにより、給気の温度、湿度特性を室内空気の特性に近づける。
【００１３】
また、上記の接合剤８を使用することで、従来コルゲート加工及び積層時に透湿性のない接着剤使用の場合に、接着剤で塞がれることにより不可能であった接着剤層８ａである接合部８ａからの仕切板２への水分の吸収、移動が可能となり、図５に水分の移動を矢印で明示するように、透湿性のない接着剤で接合した場合に比較して、仕切板２の有効透湿面積を増加させることができる。
【００１４】
有効透湿面積の増加の具体例を図４により説明する。
図４で、仕切板２の上面と下面において、間隔保持板３との接合部間のピッチを二方向共にＰとし、接合部の幅をｄとし、一例としてＰ／ｄ＝４．４すると、透湿性のない接着剤で接合した場合の仕切板２の透湿面積である、（間隔保持板３との接合部でない面積）／（間隔保持板３との接合部でない面積＋間隔保持板３との接合部の面積）の比は、（Ｐ−ｄ）²／Ｐ²＝０．６となる。
本実施の形態の接着剤８の使用によると、接合部８ａも含めて全面積が透湿性となることより、有効透湿面積は、０．６から１．０に増加する。
【００１５】
更に、本熱交換器１では、仕切板２の上記の有効透湿面積の増加に加えて、接着剤８に吸湿性と水分拡散性の大きい樹脂を使用するため、従来技術で記載の接合部と比較して、接合部８ａが吸湿拡散層となり、この接合部８ａを介して、多量の水分を吸湿し、拡散し、仕切板２を通すことが可能となり、即ち、仕切板２により、より多量の水分を透過でき、仕切板の実質上の有効透湿面積の更なる増加となり、隣接する上下の流体通路を通る気流により多くの水分を付与する。そこで、熱交換器１の潜熱交換効率の更なる向上が可能となる（図５参照）。
なお、図５の長円の表示は、仕切板２と間隔保持板３との接合箇所を明示する（図６〜図１０も同様）。
【００１６】
なお、本実施の形態においては、裁断した熱交換器構成部材６を、間隔保持部材３における波の目の方向を併行にして積層するように構成すれば、対向流型の熱交換器１を得ることができる。
【００１７】
実施の形態２．
図６は、本発明に係る実施の形態２における熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。本実施の形態における熱交換器１は、間隔保持板３を改良した他は実施の形態１と同様であるので、以下主として相違点を説明する。
【００１８】
本実施の形態における熱交換器１の間隔保持板３は、その頂点部を接着剤８で仕切板２に実施の形態１と同様に接着するが、この際、間隔保持板３の接合部８ａに加えて、頂点部の周囲部にも接着剤８を付与する。即ち、接合部８ａを中心に連続して、間隔保持板３の表面に、間隔保持板３の表面積の３０〜５０％に接着剤８の接着剤層８ａを、例えば、塗布することにより吸湿拡散層を形成する。即ち、本実施の形態によれば、従来透湿性のない接着剤を使用の場合は、間隔保持板３の頂点頭部に接合剤を塗布する際、なるべく少量を塗布し有効透湿面積の低下を防ぐようにしていたが、本実施の形態においては、図６のように接合剤８を間隔保持板３の頂点部のみに付着させるに加えて、その周囲部（間隔保持板３の形成する断面ほぼ三角形の辺の３割〜５割）にも付着させるものである。
【００１９】
このようにすれば、仕切板２との接合部８ａに接続して形成された、間隔保持板３の吸湿拡散層が、接合部８ａとともに大きな吸湿性及び拡散性を有することとなり、吸湿面積が増加し、通過する気流の水分は間隔保持板３の吸湿拡散層で吸湿され、拡散され、仕切板２と間隔保持板３の接合部８ａを介して、仕切板２を通過し隣接の乾燥した気流を給湿する。しかも、吸湿拡散層は大きな吸湿性及び拡散性を有し、多量の水分を吸収し、拡散する。
そこで、仕切板２の透湿量は増加し、即ち、仕切板２の実質の有効透湿面積が増加したこととなり、湿度交換効率（潜熱交換効率）が向上し、熱交換効率が更に向上する。
【００２０】
また、従来は仕切板２に接合する間隔保持板３の接合部８ａをなるべく断面形状が鋭角の三角形状にすることにより接合巾（接合部面積）を小さくするようにしてきたが、コルゲート機等で高速で加工すると、山割れという間隔保持板３の割れる現象が発生し、加工速度を落とす必要があり、結果として加工性の悪いものとなっていた。
本実施の形態によると、接合部８ａが大きな吸湿性及び水拡散性を有するため、接着剤８の付着量巾を気にすることがない。そこで、間隔保持板３として、加工性の優れるＵＶ段、及びＵ段と呼ばれる丸みを帯びた段形状のコルゲート加工段を形成し、これを使用することができ、コルゲート機等で単位構成部材４を加工する際の加工スピードを向上させ、加工性が向上する。
【００２１】
また、ＵＶ段、及びＵ段と呼ばれる丸みを帯びた段形状のコルゲート加工段は従来の段形状に比較して形状上、多くの接合剤８を付着させ易いが、間隔保持板３には、なるべく多くの接合剤８を付着する方が好ましいため、このコルゲート加工段は好都合である。
実際にＵ段形状のコルゲート段を用いて積層加工を行った結果、間隔保持板３の辺上の約３割〜５割に付着させることができ、従来の必要最小限の付着量に対して、約３倍の接着剤８（接合剤８）の付着量を確保できた。
即ち、従来、接着剤８が透湿性がない場合、有効透湿面積が約６割とされてきたものが、本実施の形態では、実質ほぼ１１割相当の有効透湿面積を確保した場合の湿度交換効率を達成することに成功した。即ち、実質の有効等質面積の拡大ができた。
【００２２】
実施の形態３．
図７は、本発明に係る実施の形態３における熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図であり、また、図８、図９及び図１０は、それぞれ、別の熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。本実施の形態における熱交換器は、仕切板２、間隔保持板３を更に改良した他は実施の形態１、２と同様であるので、以下主として相違点を説明する。なお、各図において、矢印は、水分の移動を示す。
【００２３】
図７に示すように、間隔保持板３の全表面（両面）に実施の形態１及び２の接着剤８と同じ成分の樹脂を塗布し、即ち、間隔保持板３の全表面（両面）に、それぞれ厚さ１００〜１５０μｍ程度の吸湿性及び水分拡散性の大きな吸湿拡散層を形成し、この吸湿拡散層により間隔保持板３の全面積から水分を吸収し、連続形成の接着剤層８ａ（結合部８ａ）に拡散させ、仕切板２を通じて多量の水分を上下層へ移動し、気流に水分を付与することにより湿度交換効率（潜熱交換効率）の向上が可能となる。図６に比べて、吸湿面積が増加した分、仕切板２の透湿量も増加し、即ち、仕切板２の実質の有効透湿面積が増加する。
また、本熱交換器１によると、間隔保持部材３の多孔部材として紙のような脆弱部材でも塗工により、機械的強度が増し利用可能となる。
【００２４】
また、図８に示す熱交換器１は、間隔保持板３に吸湿拡散層を形成したのに加えて、仕切板２の表面にも厚さ１００〜１５０μｍ程度の吸湿拡散層の形成したものである。
このようにすれば、吸湿性及び水拡散性の大きな吸湿拡散層の形成により、仕切板２の水分吸収性能を改良でき、仕切板２の透湿量を更に多くでき、実質の有効透湿面積の増加を図ることができる。これにより、湿度交換効率（潜熱交換効率）の飛躍的な向上が可能になる。
また、間隔保持板３の吸湿拡散層の形成は、図８のように表面全体に形成しなくても図６のように、結合部８ａの周囲部に形成してもほぼ同様の効果が得られる。
更に、吸湿拡散層の形成を、仕切板２と間隔保持板３の両者に行うのではなく、仕切板２のみに行っても仕切板２の透湿量の増加が可能であり、実質の有効透湿面積の増加を図ることができ、湿度交換効率（潜熱交換効率）の向上が可能になる。
【００２５】
図９に示す熱交換器１は、実施の形態１及び２の接着剤８と同じ成分の樹脂で仕切板２の表面に吸湿拡散層を形成し、かつ、間隔保持板３をこの樹脂で形成したものである。但し、間隔保持板３がこの樹脂のみでは機械的強度が不充分、寸法安定性が不足する等の場合は、補強材であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の芯材やＰＴＦＥフィブリルを入れて強化したり、ＰＴＦＥとパーフルオロスルフォン酸樹脂の複合体で形成してもよい。
このようにすれば、間隔保持板３自体が吸湿、水分移動媒体となる。従って、吸湿面積の増加による仕切板の実質の有効透湿面積の増加により、飛躍的な湿度交換効率（潜熱交換効率）の向上が可能となる。
【００２６】
この場合、図９のように仕切板２の表面に吸湿拡散層を形成すれば、湿度交換効率（潜熱交換効率）は向上するが、少なくとも仕切板２と吸湿拡散層を形成した間隔保持板３との結合部８ａを実施の形態１の接着剤８で形成すれば、間隔保持板３で水分を吸収し、拡散し、接合部８ａから仕切板２に供給することにより、湿度交換効率（潜熱交換効率）の改良となる。
【００２７】
また、図１０に示すように、間隔保持板３及び仕切板２の両方を実施の形態１及び２の接着剤８と同じ成分の樹脂で形成し、両者を結合部８ａで結合してもよい。機械的強度の補強等が必要な場合は、前記と同様に行う。
このようにしても、飛躍的な湿度交換効率（潜熱交換効率）の向上が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の熱交換器は、間隔保持板によって間隔が保持された透湿性を有する仕切板を隔てて２種の気流を流通させるとともに、この２種の気流の間で前記仕切板を介して熱交換する熱交換器において、仕切板と間隔保持板とを親水基を持ち、吸湿性及び水分拡散性の大きなフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂で接着した結合部を形成したので、仕切板の実質の有効透湿面積が増加し、湿度交換効率（潜熱交換効率）が向上し、熱交換器の熱交換効率の更なる向上ができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器を示す斜視図である。
【図２】図１に示す熱交換器の単位構成部材を示す斜視図である。
【図３】図２に示す単位構成部材の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における熱交換器の仕切板の有効透湿面積を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１における熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における別の熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３におけるさらに別の熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３におけるさらに別の熱交換器の熱交換器構成及び水分移動を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１熱交換器、２仕切板、３間隔保持板、８ａ接合部。

Claims

間隔保持板によって間隔が保持され、透湿性を有する仕切板を隔てて２種の気流を流通させるとともに、この２種の気流の間で前記仕切板を介して熱交換する熱交換器において、
前記仕切板と前記間隔保持板とを親水基を持ち、吸湿性及び水分拡散性を有するフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂で接着した結合部を形成し、
前記親水基がスルホン酸基であり、前記フッ素系樹脂及び前記炭化水素系樹脂が、それぞれ、パーフルオロスルホン酸樹脂及び部分スルホン酸化したスチレン・エチレン共重合樹脂であることを特徴とする熱交換器。
前記仕切板との接合部の周囲部で、前記間隔保持板の表面に、前記接合部に連続するように前記樹脂で吸湿及び水分を拡散する吸湿拡散層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記間隔保持板の全表面に、前記接合部に連続するように前記樹脂で吸湿及び水分を拡散する吸湿拡散層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
間隔保持板によって間隔が保持された透湿性を有する仕切板を隔てて２種の気流を流通させるとともに、この２種の気流の間で前記仕切板を介して熱交換する熱交換器において、
前記仕切板の表面に、親水基を持ち、吸湿性及び水分拡散性の大きなフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂による吸湿及び水分を拡散する吸湿拡散層を形成したことを特徴とする熱交換器。
前記間隔保持板の表面に、吸湿性及び水分拡散性の大きなフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂による吸湿及び水分を拡散する吸湿拡散層を形成し、前記仕切板の吸湿拡散層と連続部を有するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
間隔保持板によって間隔が保持された透湿性を有する仕切板を隔てて２種の気流を流通させるとともに、この２種の気流の間で前記仕切板を介して熱交換する熱交換器において、
前記仕切板及び前記間隔保持板のうち、少なくとも一方を親水基を持ち、吸湿性及び水分拡散性を有するフッ素系樹脂または炭化水素系樹脂で作成し、
前記仕切板と前記間隔保持板との間に前記樹脂による接合部を有することを特徴とする熱交換器。
前記接合部を除いて、前記樹脂に機械的強度保持の補強材を加えたことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。