JP6219031B2 - 熱交換器エレメントおよび製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器エレメントに関する。さらに本発明は、熱交換器エレメントの製造方法を開示する。最後に本発明は、発明による熱交換器エレメントを含む熱交換器に関する。

現状技術では、様々な種類の熱交換器が様々な目的に使用されている。通常、熱交換器を使用して、熱エネルギーを１つの流体または媒体から別の流体または媒体中に回収する。この種の熱エネルギーは、顕熱エネルギーと呼ばれる。１つの流体、普通は空気の熱エネルギーまたは顕熱エネルギーは、第１の流体に隣接して、たとえば並流、向流または交差流で流れている別の流体に回収され、この流体はより低温である。流体の流れを逆にすると、２つの流体間の交換によってより低温の流体が生じる。顕熱エネルギー回収に使用される熱交換器は通常、金属またはプラスチック板で作られている。交差流、並流または向流構成が可能であるため、熱交換器には様々な種類がある。板は、流体が板の間を流れることができるように、板の間に流路を画成している。このような装置はたとえば、住宅用または業務用換気装置（ＨＲＶ）で使用されている。

別の種類のエネルギー交換器は、水分であるいわゆる潜熱エネルギーを示す。潜熱エネルギーを交換するためには、乾燥剤でコーティングされた金属または乾燥剤を含浸させたセルロースもしくはポリマーで作られたプラスチック基板もしくは膜を使用することが公知である。セルロースまたはポリマーで作られた板の間に、流体をプレート表面に沿って通過させるための空気用通路が画成または作製されて、これにより水分が１つの流体から別の流体に伝達される。通常、膜には構造強度がないため、膜をフレームまたはグリッドと組合せて、これにより膜の間に間隔を画成することが公知である。

上の組合せの場合、エネルギー交換器はエンタルピ交換器と呼ばれる。このようなエンタルピ交換器によって、顕熱エネルギーおよび潜熱エネルギーを交換できるようになり、その結果、全エネルギーの回収が行われる。

現在入手可能な膜材料は、ロールとして納入される。膜材料は、エンタルピ交換器で最も重要な部分である。膜は、一種のグリッドまたはフレームに固定および封着され、各膜層の間に流体を流す方法で配置される必要がある。このため公知の分野のエンタルピ交換器が妥協であることは明らかである。熱交換器は通常、現在使用されている膜の選択的範囲および特徴の結果として、潜熱エネルギーを増大するために顕熱エネルギーを失う。

それぞれのエレメントから構築されたこのような熱交換器は、たとえば特許文献１である。ファイバで作られたそれぞれの膜は、グリッド上に位置決めされている。グリッドはステープル留めされ、様々な空気流方向を発生するために板の方向を変更する。

国際公開第０２／０７２２４２（Ａ１）号明細書

上述した現状技術の観点から、本発明の目的は、熱交換器エレメントおよび熱交換器ならびに熱交換器エレメントの製造方法を提供することである。本発明の熱交換器エレメントによって、エンタルピ交換器の作製が可能となり、これにより顕熱エネルギー交換および潜熱エネルギー交換の効率を変更および制御して、とりわけ改善することができる。

発明では、上述の目的の解決策は、請求項１に記載の熱交換器エレメントの製造方法によって示される。熱交換器エレメントに関して、目的は、請求項１１の特性を持つエレメントによって解決される。熱交換器は、請求項１８で請求されている。改善およびさらなる特性は従属請求項に開示されている。

本発明により、一方では任意の種類の交差流および／または向流エネルギー交換器のための空気流路を作製するのに十分な構造強度および密度を有し、これにより顕熱エネルギー交換のために良好な構造的に強い材料を使用できるようにし、他方では穿孔または開口または孔のサイズおよび数によって、潜熱エネルギー交換の特徴を備えるポリマー溶液で充填された区域を画成できる、新規ハイブリッド交換器エレメントが提供される。一方では顕熱エネルギー交換の、他方では潜熱エネルギー交換の効率が、環境のそれぞれの要求（空気の乾燥、湿度、外温度など）に応じて画成、制御および適応可能であることは明らかである。

本発明により、板は、アルミニウムまたはプラスチックまたはその組合せで作ることができる。エレメントは波形構造を備えることができる。波形構造は、効率対圧力降下比を最適化するように設計することができる。波形構造を選ぶと、同様の板が相互に積層されているときに板の間に流路を作製できる。波形構造の画成により、エネルギー伝達に利用できる表面の強化が１つの利点となる。この強化は、可能な限り高めることができ、１００％以上の上昇に達することさえ可能である。さらに波形構造は、配向した波形構造を選んで、板の位置を交互にすることによって、向流または交差流構成の配置が容易になる方法で設計することができる。

板の境界は、同様の板を適切な方法で共に固定できる区域を画成する。これは溶接、たとえばレーザ溶接、超音波溶接および／または折畳み、圧接などであり得る。このことによりパッケージの剛性が安定化され、同時に所望の流路を構築することができる。境界区域は、板間が密封結合するように形成または縁取りされた平坦溝形システムであることができる。

穿孔は、板の製造時に、たとえば板の成形または型打ちまたはエンボス加工または真空形成時に一体的に行うことができる。
ポリマーは、現状技術によるポリマー、たとえばソルベイ（Ｓｏｌｖａｙ）の商標である「アクイビオン（Ａｑｕｉｖｉｏｎ）」またはクラトン（Ｋｒａｔｏｎ）の商標である「Ｎｅｘａｒ」などの製品であることができる。

材料は、たとえばテトラフルオロエチレン、Ｃ_２Ｆ_４、およびエタンスルホニルフルオリド、１，１，２，２−テトラフルオロ−２−［（トリフルオロエテニル）−オキシ］、Ｃ_２Ｆ_３−Ｏ−（ＣＦ_２）_２−ＳＯ_２Ｆ、スルホン化ブロックコポリマーより製造されたコポリマーの形のアイオノマーであることができる。

しかし、ポリマーを所望の特徴および特性に適応させることができる。
本発明により、ポリマーは分散物として供給される。分散物を板まで運び、これによりスプレー、浸漬、セリグラフィーまたはその他の積層方法によって孔または穿孔をポリマー溶液で充填または被覆することができる。潜熱エネルギー回収の量または効率は、孔または穿孔、その形状およびその位置により提供される表面に依存することが明らかである。このため熱交換器板を環境条件や機能条件に適応させることが可能である。

高熱伝導性材料をエンタルピ膜の構造エレメントとして使用することにより、高い顕熱効率が確保される。穿孔を画成して、ポリマーを選ぶことによって、高い潜熱回収が確保される。

板の波形構造／エンボス加工は、交換表面を著しく増大させる。
各板の穿孔または開口部は、全表面区域の７０％以上、たとえば防虫網パターンを達成することができる。このような場合、該表面は現状技術による平坦膜の表面を超えて、交換器板の特徴である高い顕熱エネルギー回収の消失は最小限となる。加熱モードでは最大８５％の、冷却モードでは７２％の全エネルギー回収効率を達成することができる。数枚の完成板を共に積層して、フレームまたはハウジング内に本発明による熱交換器を作製するパッケージを構築することができる。

組合された顕熱エネルギーおよび潜熱エネルギーがこのように高い全エネルギー回収レベルに達すると、一部の気候帯では、顕熱のみの熱交換器は不要になることがある。
ポリマーを添加剤と組合せて、その属性を倍増または増強することができる。組合せにより、たとえば効率的に抗菌性にすることができ、耐火要求事項（ＵＬ）を満たすことができる。板の調整可能な最適交換特性を達成するようにポリマーの粘度を調節して、可能な限り高い水分交換を行うことができる。

熱交換器の顕熱エネルギー伝達能力および潜熱エネルギー伝達能力を調整および調節できることは明らかである。変更可能な穿孔のモザイク形状によって、板を環境条件に適応させることができる。たとえば構成板の適正な穿孔位置とポリマー処理を選ぶだけで、氷によって補助することなく、交換器を凝固点より低い温度（−１０℃）で動作するように設計することができる。

構造エレメントの剛性により板を作製することができ、これにより交換器内で最大１ｋｐａの圧力差を処理できる。このような利点は、業務用途のためにより大型の交換器構造への門戸を開くものである。

本発明は、顕熱ならびに潜熱エネルギー交換を可能にするエネルギー交換器板を製造するための簡単な方法を提供する。板の設計および適応性により、技術的要求事項および／または環境条件に関して最適化された熱交換器の構造および設計が可能となる。

型打ち、波形化、エンボス加工または真空形成されたアルミニウム、ステンレス鋼、樹脂ベース板および／またはプラスチック板は、積層剛性板のパッケージを得るために、たとえば真空グリップ、および封止による、たとえばレーザ溶接、超音波溶接、折畳み、圧接による組立を含む、実績のある自動化技術を使用して作製することができる。板は洗浄可能で、耐火性、抗菌性、封止型、たとえば耐漏性である。板は、高効率熱交換器を作製するのに必要とされる有益な利点をすべて有する。

板の選択的穿孔およびモザイクポリマーマイクロ膜の気密キャスティングによって、構造ハイブリッドモザイク膜の作製が可能となる。板の穿孔も事前にプログラムされた連続レーザプロセスによって、ニードルローラなどの機械システム、または化学エッチングプロセスによって行うことができる。

本発明のさらなる特性および態様は、以下の図面の説明から明らかになる。

本発明による交換器板の実施形態での一例の上面図である。 図１による板の側面図である。 図面では、同じ要素は同じ参照番号によって示される。

交換器板１は、アルミニウム、プラスチックなどで作られた構造剛性板２より成る。板２は、平らな封着式リムであり、封着するために変形できるリム４を有する。リム４区域は、参照番号５によって示すように開放および偏向されて、たとえば流路の入口および出口を画成する。

リム区域内では、波形構造３が板２に型打ちされているか、またはエンボス加工されている。同様の板が共に封着されると、流路が画成される。例において、参照番号６は穿孔を有する区域を示す。

明瞭にする目的で、穿孔区域６の一部および波形化区域３の一部のみを示す。
熱交換器エレメント１は、１方向のみ波形化され、他の表面では開放されている波形構造３によって増大された熱交換用のより大きい表面を示す。さらに穿孔区域６は、水分の伝達のための潜熱エネルギー交換区域を画成する。

これらの板は、たとえば換気システムのための熱交換器を構築するために積層されて、送出空気から流入空気への熱の（または夏季のフリークーリングではこの逆）、ならびに冬季の送出空気から流入空気への湿潤性の（高温および湿潤気候帯では夏季または１年を通じた水分低減ではこの逆）交換を行う。

図面および説明は、決して本発明を制限せず、例を説明するためだけのものである。

参照番号：
１ 熱交換器エレメント
２ 板
３ 波形構造
４ 境界
５ 開放された境界
６ 穿孔

Claims (18)

1. 熱交換器エレメントの製造方法であって
   ａ）境界内の区域に画成された外寸および波形構造を備えた板を製造するステップと、
   ｂ）前記板の所定の区域に所定の寸法で穿孔するステップと、
   ｃ）潜熱エネルギー回収能力を備えたポリマーを前記穿孔で満たすステップであって、前記ポリマーが液体の状態で実行されるステップと、
   ｄ）前記穿孔においてポリマー層を形成するために前記板に前記ポリマーを硬化させるステップと、
   を含む方法。
2. 前記板がアルミニウムによって作られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記板がプラスチックによって作られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記板が型打ちされていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記板が波形化されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記板が成形されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記板が型打ちにより穿孔されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記穿孔が成形の間に形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ポリマーがスルホン化コポリマーであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ポリマーが分散物として応用されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 境界内の区域に画成された外寸および波形構造を備えた板を含む熱交換器エレメントであって、前記板が所定の区域に所定の寸法の穿孔を有し、前記穿孔においてポリマー層を形成するために前記板に前記ポリマーを硬化させる前に、前記ポリマーが液体の状態で前記穿孔が潜熱エネルギー回収能力を備えたポリマーで満たされている熱交換器エレメント。
12. 前記穿孔が小型孔であることを特徴とする、請求項１１に記載の熱交換器エレメント。
13. 前記穿孔区域が前記板の全表面の最大７０％に達することを特徴とする、先行請求項１１又は１２に記載の熱交換器エレメント。
14. 前記ポリマーがスルホン化コポリマーであることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器エレメント。
15. 前記板が別の同様の板への気密結合を可能にする境界を有することを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器エレメント。
16. 前記板が交換表面を最大１００％まで増大させる波形構造を有することを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器エレメント。
17. 前記波形構造が流体流を誘導するように配向されていることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の熱交換器エレメント。
18. 並列配向して互いに固定され、流体を中に流すための２本の流路を形成する、少なくとも３個の板状熱交換器エレメントを備える熱交換器であって、前記板状熱交換器エレメントが請求項１１〜１７のいずれか一項に記載のエレメントであることを特徴とする熱交換器。