JP6172068B2 - 熱交換換気装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換換気装置に関する。

下記特許文献１には、熱交換換気装置の全熱交換器に結露した水滴の凍結による目詰まりを防止する技術として、外気及び室内空気の状態を検出する検出手段の出力に基づき、給気ファンにより吸気される外気の風量が排気ファンにより排気される室内空気の風量より少なくなるように制御することで、結露及び凍結を抑制する技術が開示されている。

下記特許文献２には、低温空気の流路及び高温空気の流路にそれぞれの流路面積を減少させるダンパと、ダンパの動作時に通電される加熱子とを設け、熱交換器の結氷が検出された場合、ダンパの動作及び加熱子の通電を所定の時間間隔で行う換気装置の凍結防止装置が開示されている。下記特許文献３には、導電性繊維と無機繊維を混抄した材料からなる面発熱紙で全熱交換素子を形成し、面発熱紙に通電して発熱させることで結露を防止する技術が開示されている。

特開平４−２８３３３３号公報 実開昭６２−３１２３３号公報 特公平７−６００７３号公報

特許文献１の技術では、結露及び凍結を抑制する動作の際に給気風量を排気風量より低くすることで、換気効率が低下するという欠点がある。特許文献２の技術では、付着した氷への熱伝達効率が悪く、融解までに時間がかかる。特許文献３の技術では、全熱交換素子の対角の位置から全熱交換素子に電流を流しているが、全熱交換素子の全体を均一に発熱させることが困難で、大きな温度ムラが生じる。その結果、全熱交換素子の残氷または残霜を抑制することが困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、換気効率を低下させることなく、熱交換素子の凍結を確実に抑制できる熱交換換気装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換換気装置は、給気と排気との間で熱を交換する熱交換素子と、熱交換素子を誘導加熱する誘導加熱装置と、を備え、熱交換素子は、導電体を含有し、変化する磁界が誘導加熱装置から発生することにより、熱交換素子に渦電流が発生することで熱交換素子が加熱されるものである。

本発明の熱交換換気装置によれば、熱交換素子を誘導加熱する誘導加熱装置を備えたことで、換気効率を低下させることなく、熱交換素子の凍結を確実に抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１の熱交換換気装置を示す斜視図である。 図１に示す熱交換換気装置の模式的な側面断面図である。 図１に示す熱交換換気装置が備える全熱交換素子を示す斜視図である。 全熱交換素子が凍結する場合及び凍結しない場合のそれぞれの場合において、全熱交換素子の前後の差圧の経時変化を示すグラフである。 図１に示す熱交換換気装置が備える全熱交換素子及び誘導加熱装置の位置関係を示す分解斜視図である。 図１に示す熱交換換気装置が備える全熱交換素子及び誘導加熱装置の模式的な断面図である。 全熱交換素子の凍結開始から氷除去動作により氷が除去されるまでの全熱交換素子の前後の差圧の経時変化を示すグラフである。 図１に示す熱交換換気装置における全熱交換素子の加熱時の各層の温度上昇を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の熱交換換気装置を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態１の熱交換換気装置１は、筐体２、給気送風機３、排気送風機４、全熱交換素子５、誘導加熱装置６、及び制御部７を備える。図１は、筐体２の上蓋（図示省略）を取り外した状態を示す。給気送風機３、排気送風機４、全熱交換素子５、誘導加熱装置６、及び制御部７は、筐体２の内部に配置されている。全熱交換素子５は、筐体２に着脱可能になっている。定期的な清掃などの際には、全熱交換素子５を筐体２から抜き出すことができる。

筐体２の四方の側面のうちの一つには、室外側吸込口８及び室外側吹出口９が取り付けられている。筐体２の四方の側面のうち、室外側吸込口８及び室外側吹出口９が取り付けられた側面と反対側の側面には、室内側吸込口１０及び室内側吹出口１１が取り付けられている。筐体２の中央に全熱交換素子５が配置されている。給気送風機３を駆動することで、室外の空気が、室外側吸込口８、全熱交換素子５、給気送風機３、及び室内側吹出口１１を通り、室内へ取り込まれる。このようにして室外から室内へ取り込まれる空気を以下「給気」と称する。排気送風機４を駆動することで、室内の空気が、室内側吸込口１０、全熱交換素子５、排気送風機４、及び室外側吹出口９を通り、室外へ排出される。このようにして室内から室外へ排出される空気を以下「排気」と称する。図１から図３中、斜線付きの矢印は給気の流れを示し、白い矢印は排気の流れを示す。

図２は、図１に示す熱交換換気装置１の模式的な側面断面図である。図２では、室外側吸込口８、室外側吹出口９、室内側吸込口１０、及び室内側吹出口１１の図示を省略する。図２に示すように、筐体２には、内部の空間を上方の空間と下方の空間とに隔てる隔壁１２，１３が設けられている。室外側吸込口８は、筐体２内での隔壁１２の下方の空間（給気風路）に連通する。室内側吹出口１１は、筐体２内での隔壁１３の上方の空間（給気風路）に連通する。給気送風機３の吐出口は、筐体２内での隔壁１３の上方の空間（給気風路）に連通する。室外側吸込口８から流入した給気は、筐体２内での隔壁１２の下方の空間から、全熱交換素子５内の給気の流路を通り、筐体２内での隔壁１３の上方の空間へ移行し、給気送風機３及び室内側吹出口１１を通り、室内へ送られる。

室外側吹出口９は、筐体２内での隔壁１２の上方の空間（排気風路）に連通する。室内側吸込口１０は、筐体２内での隔壁１３の下方の空間（排気風路）に連通する。排気送風機４の吐出口は、筐体２内での隔壁１２の上方の空間（排気風路）に連通する。室内側吸込口１０から流入した排気は、筐体２内での隔壁１３の下方の空間から、全熱交換素子５内の排気の流路を通り、筐体２内での隔壁１２の上方の空間へ移行し、排気送風機４及び室外側吹出口９を通り、室外へ送られる。図示を省略するが、隔壁１２，１３と全熱交換素子５との間には、空気の漏れを防止するシール部材もしくは同等の機能を有するシール構造が設けられている。

図３は、図１に示す熱交換換気装置１が備える全熱交換素子５を示す斜視図である。図３に示すように、全熱交換素子５は、層構造を有する。本実施の形態１では、全熱交換素子５は、仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂを交互に積層した構造を有する。仕切部材５ａは、給気の流路と排気の流路とを仕切る。本実施の形態１における仕切部材５ａは、平面状のシートで構成される。間隔保持部材５ｂは、仕切部材５ａと仕切部材５ａとの間隔を保持する。本実施の形態１における間隔保持部材５ｂは、山谷に折られて波形に成形されたコルゲートシートで構成される。複数の間隔保持部材５ｂは、コルゲートシートの折り目が互い違いになるように積層される。仕切部材５ａとその一方の面側にある間隔保持部材５ｂとの間に、給気の流路が複数並んで形成される。仕切部材５ａとその他方の面側にある間隔保持部材５ｂとの間に、複数の排気の流路が複数並んで形成される。仕切部材５ａの面に垂直な方向から見たとき、給気の流路と排気の流路とは互いに略直交する。

仕切部材５ａは、伝熱性、透湿性、及びガスバリア性を有する。給気及び排気が全熱交換素子５を通過する間に、仕切部材５ａを介して、給気と排気との間で顕熱及び潜熱（湿度）が交換される。このような動作をする熱交換換気装置１において、室内外の気温差が大きい場合、全熱交換素子５の表面で結露が生ずる。このとき、外気温度が氷点下であると、全熱交換素子５の表面で結露した水が凍結することで、熱交換換気装置１の換気性能が低下することがある。以下、全熱交換素子５の表面で結露した水が凍結することを、単に、全熱交換素子５が凍結する、と言う。

図４は、全熱交換素子５が凍結する場合及び凍結しない場合のそれぞれの場合において、全熱交換素子５の前後の差圧の経時変化を示すグラフである。図４に示すように、全熱交換素子５が凍結する場合には、氷の成長とともに、全熱交換素子５の前後の差圧が上昇し、その結果、熱交換換気装置１の換気性能が低下してしまう。

熱交換換気装置１は、全熱交換素子５を誘導加熱する誘導加熱装置６を備える。全熱交換素子５は、導電体を含有している。誘導加熱装置６の誘導加熱により、全熱交換素子５に含有される導電体が発熱し、全熱交換素子５が加熱されることで、全熱交換素子５に付着した氷を解氷できる。全熱交換素子５は、仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂの少なくとも一方に導電体を含有することが望ましい。仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂの少なくとも一方に導電体を含有させる方法としては、繊維状または粒子状の導電体（例えば、金属繊維、金属粉末、炭素繊維など）を混ぜた材料で仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂの少なくとも一方を形成することが望ましい。これにより、全熱交換素子５が、導電性及び透湿性を良好に兼ね備えることができる。

図５は、図１に示す熱交換換気装置１が備える全熱交換素子５及び誘導加熱装置６の位置関係を示す分解斜視図である。本実施の形態１では、図５に示すように、一対の誘導加熱装置６の間に全熱交換素子５を挟むように配置している。誘導加熱装置６は、全熱交換素子５の両端の仕切部材５ａの外面に近接して配置されている。

図示を省略するが、全熱交換素子５は、仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂの積層体を保持する全熱交換素子フレームに、氷が融解したときに発生する水を全熱交換素子５の外部へ誘導する排水流路を備えることが望ましい。

図６は、図１に示す熱交換換気装置１が備える全熱交換素子５及び誘導加熱装置６の模式的な断面図である。図６は、仕切部材５ａに対し垂直な平面で切断した断面を示す。図６に示すように、誘導加熱装置６は、加熱コイル６ａと、加熱コイル６ａに交流電流を通電する制御回路及び電源回路（図示省略）とを備える。図６中の破線は、誘導加熱装置６により発生する磁力線を示す。図６の上半分では、磁力線の図示を省略する。誘導加熱装置６の加熱コイル６ａは、仕切部材５ａに対し平行に配置される。すなわち、誘導加熱装置６の加熱コイル６ａは、全熱交換素子５における層に平行に配置される。

本実施の形態１の熱交換換気装置１は、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態を検知する凍結検知手段を備える。凍結検知手段は、例えば、給気風路及び排気風路に温度及び湿度を検知するセンサを設け、これらのセンサで検知される給気及び排気の温度及び湿度、またはこれらから計算されるパラメータを閾値と比較することで、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態を制御部７が判定する構成とすることができる。

次に、本実施の形態１の熱交換換気装置１が全熱交換素子５の凍結を抑制する一連の動作について説明する。
（１）給気及び排気の温度及び湿度を上記センサにより計測する。
（２）上記（１）で計測された給気及び排気の温度及び湿度、またはこれらから計算されるパラメータを閾値と比較することで、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態を制御部７が判定する。
（３）制御部７は、上記（２）の判定結果に基づき、全熱交換素子５の加熱が必要と判断した場合には、誘導加熱装置６に交流電流を通電する。このとき、全熱交換素子５の両側に設置した誘導加熱装置６の両方に通電する。
（４）変化する磁界及び電界が誘導加熱装置６から発生する。これにより、全熱交換素子５の導体部分に渦電流が発生することで自己発熱し、全熱交換素子５の温度が上昇する。
（５）全熱交換素子５の温度が上昇することで、全熱交換素子５に付着した氷が融解する。氷が融解して生じた水は、全熱交換素子５の表面を伝って落下し、前述した排水流路に到達して排水流路を流れ、全熱交換素子５から分離される。
（６）引き続き誘導加熱装置６に通電し、全熱交換素子５の表面の水分を蒸発させる。
（７）その間、熱交換換気装置１の換気運転（通風）を継続し、給気及び排気の温度及び湿度を上記センサにより計測する。
（８）上記（７）で計測された給気及び排気の温度及び湿度、またはこれらから計算されるパラメータを閾値と比較することで、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態を制御部７が判定する。
（９）制御部７は、上記（８）の判定結果に基づき、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態が解消されたと判断した場合には、誘導加熱装置６への通電を停止する。このとき、全熱交換素子５の結露、着氷、着霜、凍結などの状態が解消されたと判断してから一定時間が経過した後に誘導加熱装置６への通電を停止するようにしても良い。以上の一連の動作により、全熱交換素子５に結露、着氷、着霜、凍結などがない運転状態に戻ることができる。

本実施の形態１の熱交換換気装置１によれば、以下のような効果が得られる。
（第１の効果）
誘導加熱装置６により全熱交換素子５を加熱することで、全熱交換素子５の氷が付着した面の自己発熱による氷除去が可能となる。よって、優れた伝熱効率が得られ、氷除去までの所要時間を短縮できる。図７は、全熱交換素子５の凍結開始から氷除去動作により氷が除去されるまでの全熱交換素子５の前後の差圧の経時変化を示すグラフである。図７に示すように、誘導加熱による氷除去動作によれば、比較例の氷除去動作（従来の氷除去動作）に比べて、全熱交換素子５の前後の差圧が正常な圧力に回復するまでの時間を短縮できる。また、特許文献３の技術のように全熱交換素子５自体に通電する場合に比べて、全熱交換素子５においてより広い範囲に電流（渦電流）を生じさせることができ、全熱交換素子５のより広い範囲を発熱させることができる。このため、全熱交換素子５の全体を均一に加熱することができ、温度ムラを低減でき、全熱交換素子５の全体において結露及び凍結を短時間で確実に解消できる。また、熱交換換気装置１によれば、換気効率（風量）を低下させることなく、全熱交換素子５の氷除去動作を実施できる。

（第２の効果）
誘導加熱装置６により全熱交換素子５を加熱することで、全熱交換素子５を非接触で加熱できる。よって、従来のような接触式（例えば、全熱交換素子５に直接加熱体を設けるもの）と比較して、メンテナンス性と寿命の面で有利である。また、特許文献３の技術のように全熱交換素子５自体に通電するための電気接点も必要ない。

（第３の効果）
第３の効果について、図８を参照して説明する。図８は、図１に示す熱交換換気装置１における全熱交換素子５の加熱時の各層の温度上昇を示すグラフである。ここでは、一組の仕切部材５ａ及び間隔保持部材５ｂを１層とし、全熱交換素子５がＮ層を有するものとし、全熱交換素子５の一端から順に層の番号を１，２，３，・・・，Ｎとする。図８の横軸は、層の番号を示す。図８は、各層について２本の棒グラフを示す。２本の棒グラフのうち、左側の棒グラフは、１番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分を示す。右側の棒グラフは、Ｎ番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分を示す。各層の温度上昇は、１番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分と、Ｎ番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分との合計になる。図８中の曲線は、全熱交換素子５の層間の温度分布を示す。１番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は、１番の層において最も大きく、続いて２番、３番、の順に大きく、Ｎ番の層において最も小さい。Ｎ番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は、Ｎ番の層において最も大きく、続いて（Ｎ−１）番、（Ｎ−２）番、の順に大きく、１番の層において最も小さい。１番の層から、中央の層に近づくにつれて、１番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は減少するが、Ｎ番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は増大する。このため、中央に近い層においても、合計の温度上昇を十分に確保でき、層間の温度ばらつきを低減できる。同様に、Ｎ番の層から、中央の層に近づくにつれて、Ｎ番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は減少するが、１番の層の側に配置された誘導加熱装置６による温度上昇分は増大する。このため、中央に近い層においても、合計の温度上昇を十分に確保でき、層間の温度ばらつきを低減できる。以上のように、本実施の形態１では、全熱交換素子５を挟むように一対の誘導加熱装置６を配置したことで、全熱交換素子５の加熱時の温度ムラをさらに軽減できる。その結果、残氷、残霜を回避し、結露、着氷、着霜、凍結などの状態から回復した後の換気性能をより確実に向上できる。また、本実施の形態１では、誘導加熱装置６の加熱コイル６ａが、全熱交換素子５における層に平行に配置されることで、全熱交換素子５の加熱時の温度ムラをさらに軽減できる。

全熱交換素子５の各層に混合される導電体の量及び分散状態を調整することで、誘導加熱装置６から離れた層（すなわち中央に近い層）にも、磁力線をより多く貫通させることができ、渦電流をより大きく発生させることができる。これにより、誘導加熱装置６から離れた層の自己発熱量をさらに向上でき、全熱交換素子５の加熱時の温度ムラをさらに軽減できる。例えば、誘導加熱装置６から離れた層における導電体の分布割合を、誘導加熱装置６に近い層における導電体の分布割合に比べて、低い割合とすることで、上記の効果を達成できる。

上述した実施の形態では、直交流型の熱交換素子を備える熱交換換気装置を例に説明したが、本発明は、対向流型の熱交換素子を備える熱交換換気装置にも適用可能である。

１ 熱交換換気装置、２ 筐体、３ 給気送風機、４ 排気送風機、５ 全熱交換素子、５ａ 仕切部材、５ｂ 間隔保持部材、６ 誘導加熱装置、６ａ 加熱コイル、７ 制御部、８ 室外側吸込口、９ 室外側吹出口、１０ 室内側吸込口、１１ 室内側吹出口、１２，１３ 隔壁

Claims (6)

1. 給気と排気との間で熱を交換する熱交換素子と、
   前記熱交換素子を誘導加熱する誘導加熱装置と、
   を備え、
   前記熱交換素子は、導電体を含有し、
   変化する磁界が前記誘導加熱装置から発生することにより、前記熱交換素子に渦電流が発生することで前記熱交換素子が加熱される熱交換換気装置。
2. 前記誘導加熱装置により前記熱交換素子を誘導加熱することで、前記熱交換換気装置の運転時に前記熱交換素子に付着した水分または氷を除去する請求項１に記載の熱交換換気装置。
3. 前記熱交換素子は、前記給気の流路と前記排気の流路とを仕切る仕切部材と前記仕切部材の間隔を保持する間隔保持部材とを積層した構造を有し、
   前記仕切部材及び前記間隔保持部材の一方または両方が前記導電体を含有する請求項１または請求項２に記載の熱交換換気装置。
4. 前記熱交換素子を挟むように配置される一対の前記誘導加熱装置を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換換気装置。
5. 前記熱交換素子は、層構造を有し、
   前記誘導加熱装置のコイルが前記熱交換素子における層に対し平行に配置される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換換気装置。
6. 前記熱交換素子は、層構造を有し、
   前記層構造において、前記誘導加熱装置から離れた層における前記導電体の分布割合が、前記誘導加熱装置に近い層における前記導電体の分布割合に比べて、低い割合である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換換気装置。

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