JP6566945B2 - エンタルピー交換器素子及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明はエンタルピー交換器エレメントに関する。さらに本発明は、エンタルピー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、本発明のエンタルピー交換器エレメントを含むエンタルピー交換器に関する。

最新技術では、様々な種類の熱交換器が多様な目的で使用されている。通常、熱交換器を使用して、１つの流体または媒体から別の流体または媒体に熱エネルギーを回収する。この種の熱エネルギーは顕エネルギーと呼ばれる。１つの流体（通常は空気）の熱エネルギーまたは顕エネルギーは、第１の流体に隣接して流れている（例えば並流、向流または直交流）、より低温の別の流体に回収される。流体の流れを逆にすると、これら２つの流体間での交換によってより冷たい流体が生じる。顕エネルギーの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る。直交流、並流または向流配置がありうるため、熱交換器には様々な種類がある。流体が板の間を流れることができるように、板はその間に流路を画成している。このような装置は、例えば住宅用換気装置（ＨＲＶ）及び業務用換気装置で使用される。

別の種のエネルギー交換器はいわゆる潜エネルギーに関しており、潜エネルギーは水蒸気である。潜エネルギーを交換するためには、乾燥剤でコーティングした金属基材もしくはプラスチック基材、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製した膜を使用することが知られている。セルロースまたはポリマーで作製した板の間に空気用通路を画成または作成して、板表面に沿って流体を通過させ、それにより１つの流体から他の流体へ水蒸気を移動させる。通常、膜には構造強度がないため、フレームまたはグリッドと膜を組み合わせ、それにより膜の間に空隙を画成することが知られている。

上記を組み合わせた場合、エネルギー交換器はエンタルピー交換器と呼ばれる。それらのエンタルピー交換器は、顕エネルギー及び潜エネルギーの交換を可能にし、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、エンタルピー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及び封着し、各膜層の間に流体が流れることを可能にする方法で配置する必要がある。したがって、公知技術のエンタルピー交換器は折衷物であることは明らかである。エンタルピー交換器では通常、潜エネルギー交換が増加するためには顕エネルギー交換が減少し、これは現在使用されている膜の選択的な目的と特徴の結果である。

このような、それぞれのエレメントから組み立てられたエンタルピー交換器は、例えば国際公開パンフレット第０２／０７２２４２Ａ１号である。ファイバで作られたそれぞれの膜はグリッド上に置かれている。グリッドはホチキス留めされるかまたは積み重ねられていて、空気流の様々な方向を作る手段として板の方向が変えられている。

言及した最新技術にかんがみて、本発明の目的はエンタルピー交換器エレメント及びエンタルピー交換器を提供することであり、ならびにエンタルピー交換器の作製を可能にするエンタルピー交換器エレメントの製造方法を提供することであり、それにより顕エネルギー交換及び潜エネルギー交換の効率を変化させること、制御すること、及び特に改善させることができる。

本発明を用いることにより、上述の目的の解決法は、
ａ）板の外寸内での所定の穿孔パターンに従ってプラスチック板である平板エレメントを穿孔する工程；
ｂ）該板エレメント（１）を成形する前に、板エレメントの少なくとも１側面に、水蒸気透過特性（水蒸気透過度、ＷＶＴＲ）を有するポリマー薄フィルムを積層する工程；及び
ｃ）波形パターンを示す所望の形状に板エレメントを成形し、これにより板エレメントと同じ波形パターン形状にポリマー膜を成形する工程
を含む、エンタルピー交換器エレメントの製造方法であって、前記穿孔した孔が、様々な形状の開口部であり、且つ３０μｍ〜１．２ｍｍの孔径に相当する表面積を有する開口部であり、合計で、利用できる前記板の交換表面の５０％以上である開口区域を提供する、方法によって与えられる。

本発明の方法においては、板エレメントはプラスチック板であることが好ましい。

板は、針、ピン、ダイ及びポンチ、ならびにレーザ等のうち１つ以上を使用して穿孔してもよい。

あるいは、これらの穿孔道具を用いて工程ａ）でプラスチック板エレメントを穿孔する代わりに、細孔構造をあらかじめ備えている板エレメントを準備してもよい。このような板エレメントは、多孔性ポリマー板、またはポリマー繊維、無機繊維もしくは金属繊維から作られた織布もしくは不織布を含んでもよい。板エレメントは、一方ではポリマー繊維、無機繊維もしくは金属繊維から作られた織布もしくは不織布を含み、他方では基質として多孔性ポリマー材料を含む複合体であることが好ましい。細孔構造をあらかじめ備える板エレメントは、小さな分子に対し必ずしも選択的透過性であるわけではないことを理解する必要がある。

板エレメントの端部区域は穿孔されていないことが好ましく、板エレメントの外寸から好ましくは５〜２０ｍｍ、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲は穿孔されていないことが好ましい。

本発明の方法においては、工程ｂ）の、水蒸気透過特性（水蒸気透過度、ＷＶＴＲ）を有する薄いポリマーフィルムを板エレメントの少なくとも１側面に積層すること；及び工程ｃ）の、波形パターンを示す所望の形状に板エレメントを成形し、これにより板エレメントと同じ波形パターン形状にポリマーフィルムを成形することは、同時に行うことが好ましい。これにより、プラスチック担体と薄いポリマーフィルムとを含む２層構造の形成に、標準的な熱成形、好ましくは真空成形を使用することが可能になる。

ポリマーフィルムは、板エレメントの成形工程中に板エレメントに接着させてもよく、好ましくは熱接着及び／または接着剤で接着させてもよい。

ポリマーフィルムは、スルホン化コポリマー、好ましくはブロックコポリマーで作製してもよい。

本発明の方法においては、波形パターン内で平行に並んでいる任意の波形の空間周波数、及び／または穿孔密度（すなわち単位面積あたりの穿孔数）を有利に変化させ、好ましくは端部区域で有利に変化させて耐霜性を改善する。

本発明を用いることにより、上述の目的の解決法は、好ましくは先の段落で規定された方法に従って作製されたエンタルピー交換器エレメントによって与えられ、このエンタルピー交換器エレメントは、所定の穿孔パターン及び波形パターンを示す形状を有する板エレメントを含み、板エレメントの少なくとも１側面が、水蒸気透過特性（水蒸気透過度、ＷＶＴＲ）を有する薄いポリマーフィルムで覆われている。

本発明のエンタルピー交換器エレメントにおいては、薄いポリマーフィルムを板エレメントに接着させてもよく、好ましくは熱接着及び／または接着剤で接着させてもよい。

板エレメントの穿孔区域は、波形表面区域またはエンボス加工した表面区域を含むことが好ましい。

板エレメントの端部区域内にある波形の幅は、板エレメントの中央区域にある波形の幅よりも大きいことが好ましく、且つ／または板エレメントの端部区域内の穿孔密度（すなわち、単位面積あたりの穿孔数）は、板エレメントの中央区域内の穿孔密度よりも大きいことが好ましい。

板エレメントは、別の同様な板エレメントとのガス漏れしない接続を可能にする端部を有することが好ましい。この端部は、板エレメントの外寸から好ましくは５〜２０ｍｍ、より好ましくは１０〜２０ｍｍの範囲において板エレメントが穿孔されていない端部区域を有することが好ましい。

波形は、流体の流れを導くように方向づけられていることが好ましい。

穿孔した孔は様々な形状の開口部であってもよく、３０μｍ〜１．２ｍｍの孔径に相当する表面積を有し、好ましくは利用できる板の交換表面のうち合計して５０％以上が開口区域となるような開口部であってもよい。

本発明を用いることにより、上述の目的の解決法は、平行に配向して互いに固定され、流体を流す２本の流路を形成する、３個以上の板状エンタルピー交換器エレメントを有するエンタルピー交換器であって、この板状熱交換器エレメントは先の段落において規定されるエレメントであることを特徴とするエンタルピー交換器によって与えられる。

エンタルピー交換器エレメントは、レーザ溶接もしくは超音波溶接等の溶接によって、または接着剤による接着によって互いに固定することが好ましい。

本発明に従って、一方では、任意の種類の直交流エネルギー交換器及び／または向流エネルギー交換器用の空気流路を作製するのに十分な構造強度及び密度を有し、これにより顕エネルギー交換に好適な構造的に強い材料の使用を可能にし、他方では、穿孔または開口または孔のサイズ及び数によって潜エネルギー交換特性を有する薄いポリマーフィルムで覆われた区域を画成することができる、新規ハイブリッド交換器エレメントが提供される。一方では顕エネルギー交換の効率、他方では潜エネルギー交換の効率が、それぞれの環境の要求（空気の乾燥、湿度及び外温度等）に応じて規定、制御及び適応可能にされうることは明らかであろう。

本発明に従って、板エレメントは、任意のプラスチック材料で作製することができる。エレメントは波形を有することができる。波形は、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。波形を選択して、同様の板と共に積層した際に板の間に流路を作製することができる。波形の画成による利点は、エネルギー移動に利用できる表面の増大であろう。これは可能な限り増加させることができ、１００％以上の増加に達することも可能である。さらに波形は、例えば配向した波形を選んで板の位置を変えることによって、向流または直交流配置へと容易に準備することができるような方法で設計することができる。

板の端部は、適切な方法で同様の板を共に固定することができる区域を画成する。この方法は、例えばレーザ溶接、超音波溶接等の溶接、及び／または折曲げ、熱圧着等であることができる。これにより完成品を強固に安定化し、同時に所望の流路を構築することができる。端部区域は、板間が密封して接続できるように形成または縁取りされた平坦さねはぎ方式であることができる。

穿孔は板成形工程前に有利に行われ、これにより迅速かつ便利に穿孔工程を行うことが可能になる。その方法では板をより容易に穿孔することができ、さらには所望の任意の区域で穿孔することができる。

薄いポリマーフィルムは、最新技術のポリマーで作製することができ、例えばＳｏｌｖａｙの商標である「Ａｑｕｉｖｉｏｎ」、またはＫｒａｔｏｎの商標である「Ｎｅｘａｒ」等の製品で作製することができる。

材料は例えば、テトラフルオロエチレン、Ｃ_２Ｆ_４、及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から生成するコポリマー形態のイオノマーであることができる。

薄いポリマーフィルムは、異なる種類のポリマーのポリマー層配列を含む多層フィルムであってもよい。各ポリマー層のポリマーの種類は、ポリエーテルエステル、ポリエーテルアミド及びポリエーテルウレタンからなる群より選択されることが好ましい。薄いポリマー多層フィルムの厚さは合計で５μｍ〜２００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜１５０μｍである。ポリマー多層薄フィルム中の各ポリマー層の厚さは２μｍ〜２０μｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜２０μｍである。

しかしながら、ポリマーは、所望の特性及び特徴に適合させることができる。

潜エネルギーの回収量または回収効率は、孔または穿孔によってもたらされる表面、孔または穿孔の形状、及び孔または穿孔の位置に依存することが当業者に理解されるであろう。よって、熱交換器板を環境条件や機能条件に適合させることが可能である。

高熱伝導性材料をエンタルピーフィルム用の構造エレメントとして使用することにより、高い顕熱効率を確実なものとする。穿孔した孔を画成して、水蒸気移動用ポリマーを選択することによって、高い潜熱回収を確実なものとする。水蒸気移動用の「開口区域」は合計して、利用できる板の交換表面の５０％以上となることが好ましい。

ポリマーは、添加剤と組合せて、その特性を倍増及び増強することができる。ポリマーは、例えば有効な抗菌性であることができ、耐火要求事項（ＵＬ）を満たすことができる。粘度を調節して、調整可能で最適な板の交換特性を達成し、水蒸気交換をできるだけ多くすることができる。

ポリマーフィルムは、上記の板エレメントの成形工程前に、板エレメント片側に積層し、それにより板エレメント、及び孔または穿孔した孔を完全に覆ってもよい。したがって、穿孔した孔のサイズは制限されておらず、所望の任意寸法を選択することができる。

板エレメントにポリマーフィルムを積層後、例えば波形、側壁及び平坦端部区域等の前述の特徴を示すように板エレメントを成形する。ポリマーフィルムは、板エレメントと同じ形状に成形し、この板エレメントに恒久的に接着させるか、または接着剤で接着させることができる。接着、または接着剤での接着は、加熱してまたは加熱しないで行ってもよい。

本発明の代替実施形態に従って、穿孔した孔は、ポリマーフィルムによって恒久的に覆わず、または封着せず、ポリマー溶液を充填しその後硬化する。このポリマー溶液はポリマーフィルムと同じ材料であることができる。ポリマーは、分散状態または溶解状態で供給してもよい。スプレー、浸漬、セリグラフィーまたは他の任意の塗布方法によってポリマーを含む分散体または溶液を板にもたらし、それにより、孔または穿孔した孔をポリマー分散体または溶液で充填するか、または覆うことができる。同じ穿孔特性を維持するため、平板エレメントの片側を裏当て（プレースホルダフィルム）で完全に覆ってもよい。この裏当ては成形工程中に板エレメントへ接着せず、成形工程後に容易に除去することができる。裏当て（プレースホルダフィルム）を除去後、上述のように、穿孔した孔をポリマー溶液で充填することができる。

熱交換器の顕エネルギー移動能及び潜エネルギー移動能は、調節及び調製できることが当業者に明らかであろう。穿孔した孔のモザイク形状が変更可能であることにより、板を環境条件に適合させることができる。例えば、構成する板の穿孔位置とポリマー処理を適切に選択するだけで、氷が蓄積することなく、凝固点より低い温度（−１０℃）で動作するように交換器を設計することができる。

しかしながら厳しい条件下では、板交換器は狭い端部流路で氷を蓄積する傾向があり、それにより板交換器の交換効率は減少する。これは、上記の端部流路において流体の流速が減少することによる。

この問題を克服するために、板エレメントの端部区域における波形の幅は、板エレメントの中央区域における波形の幅よりも大きい。したがって、結果として得られる端部区域の流路幅は増加し、その結果流体の流速が増加し、それにより氷の蓄積を防ぐか、または少なくとも蓄積を遅らせる。

構造エレメントが強固であることから板の作製が可能となり、これによりポリマーフィルムは、交換器内で最大１ｋＰａの圧力差に対応することができる。このような利点により、より大型の業務用交換器の構築が可能となる。

本発明は、顕エネルギー交換及び潜エネルギー交換が可能な全エネルギー交換器板を製造する簡単な方法を提供する。板の設計及び適応性により、技術的要求事項及び／または環境条件に関して最適化された板交換器の構築及び設計が可能となる。

型打ち、波形化またはエンボス加工したアルミニウム板、ステンレス鋼板、樹脂系板、及び／または真空成形したプラスチック板は、例えば真空グリップによる組立て、及び例えばレーザ溶接、超音波溶接、折曲げ、圧着による封着を含む実績ある自動化技術を使用して作製し、強固な板を積層した完成品を得る。板は洗浄可能、耐火性、抗菌性、例えば耐漏性の封止型である。板は、高効率熱交換器を作製するのに必要である有益な利点を全て有する。

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、ニードルローラ等の機械システムによって、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、利点及び態様は、以下の図面の説明から明らかになる。図は、以下を示す。

図１は、本発明の製造方法の工程順を示すフローチャートである。 図２は、本発明の製造方法中の、エンタルピー交換器エレメントの作製状態の順を断面図で示す。

図１に、本発明の製造方法の工程順を示す。図１に示す各工程は、図２に模式的に示す、結果として得られる状態に対応する。図２で描かれた厚さ、孔径、曲率等の幾何学パラメータは、例示的な目的のみのためであることに留意が必要である。したがってそれらは、このようなパラメータの適切もしくは好適な比を必ずしも表すわけではない。

準備工程Ｓ１においては、規定の外寸を有し、未成形のプラスチック平板エレメント１を準備する。穿孔工程Ｓ２においては、プラスチック平板エレメント１の一部を穿孔装置（図示なし）に移動し、所望の孔サイズに依ってニードルローラまたはポンチダイ（図示なし）を用い、プラスチック平板エレメント１を穿孔する。この場合においては、板交換器（図示なし）を作製するため板エレメント１を溶接できるようにする端部区域（図示なし）を除き、板エレメント１の全体を対称的な孔パターンで穿孔する。板エレメント１の第１表面１ａから第２表面１ｂへと全板厚を通して伸びる複数の孔２で穿孔パターンを作る。

穿孔工程後、覆う工程Ｓ３においては、今しがた穿孔した板エレメント１の片面、すなわち表面１ａを、ポリマー薄膜３で完全に覆う。このポリマー膜は、登録商標のスルホン化ブロックコポリマーまたは任意の種類のこのようなスルホン化ブロックコポリマーで作製する。

覆う工程後、成形工程Ｓ４においては、今しがた穿孔して覆った平板エレメント１を、真空成形装置によって実施する成形装置に移動し、平板エレメント１と薄いポリマーフィルム３を所望の形状に成形する。この成形工程Ｓ２においては、端部区域、流体入口及び出口、ならびに波形４を板エレメント１に形成させる。波形パターンは、板区域にわたって広がる複数の波形４で作る。

本発明のこの実施形態においては、端部区域は板エレメント１の非穿孔区域で形成され、波形は板エレメント１の穿孔区域で形成されている。

それにより、平板エレメント１と薄いポリマーフィルム３の共成形工程である成形工程Ｓ４中、薄いポリマーフィルム３は板エレメント１と全く同一の形状に成形され、真空成形装置によって印加される熱のため、恒久的に板エレメント１へ接着する。

薄いポリマーフィルムで覆って共成形したこれらの板１は、本発明のエンタルピー交換器板を構成する。これらの板は、積層してエンタルピー交換器（全エネルギー交換器とも呼ばれる）コアを構築し、このコアは例えば、冬季に送出空気から流入空気（または夏季のフリークーリングではこの逆）へ熱を交換し、同時に送出空気から流入空気（または、夏季、もしくは高温及び湿潤気候帯で年間を通しての水蒸気低減ではこの逆）へ湿度を交換する換気システム用のコアである。

波形４の断面形状は、長方形、正方形または三角形であってもよい。波形４の断面形状は、半分の六角形のような台形であってもよい。

図面及び説明は、決して本発明を制限するものではなく、例によって本発明を説明することのみを意図するものである。

参照番号：
１ 平板エレメント
１ａ 第１表面
１ｂ 第２表面
２ 孔
３ 薄いポリマーフィルム
４ 波形
Ｓ１ 準備工程
Ｓ２ 穿孔工程
Ｓ３ 覆う工程
Ｓ４ 成形工程（共成形）

Claims (13)

1. エンタルピー交換器エレメントの製造方法であって、該方法が
   ａ）板の外寸内での所定の穿孔パターン（２、２、・・・）に従って、プラスチック板である平板エレメント（１）を穿孔する工程；
   ｂ）該板エレメント（１）を成形する前に、該板エレメント（１）の少なくとも１側面に、水蒸気透過特性（水蒸気透過度、ＷＶＴＲ）を有するポリマー薄フィルム（３）を積層する工程；及び
   ｃ）波形パターン（４、４、・・・）を示す所望の形状に前記板エレメント（１）を成形し、これにより該板エレメント（１）と同じ前記波形パターン形状に前記ポリマーフィルム（３）を成形する工程
   を含む方法であって、前記穿孔した孔が、様々な形状の開口部であり、且つ３０μｍ〜１．２ｍｍの孔径に相当する表面積を有する開口部であり、合計で、利用できる前記板の交換表面の５０％以上である開口区域を提供する、方法。
2. 前記板を、針、ピン、ダイ及びポンチ、またはレーザ等のうち１つ以上を使用して穿孔することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 工程ｂ）及び工程ｃ）を同時に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ポリマーフィルムが、前記板エレメントの成形工程中に該板エレメントに接着し、好ましくは熱接着及び／または接着剤で接着することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記ポリマーフィルムがスルホン化コポリマー、好ましくはブロックコポリマーで作製されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記波形パターン内で平行に並んでいる任意の波形の空間周波数、及び／または前記穿孔の密度（すなわち単位面積あたりの穿孔数）を変化させ、好ましくは端部区域で変化させて耐霜性を改善することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 好ましくは請求項１〜６のいずれかで規定された方法を使用して作製されたエンタルピー交換器エレメントであって、該エンタルピー交換器エレメントが、所定の穿孔パターン（２、２、・・・）及び所定の波形パターン（４、４、・・・）を示す形状を有する、プラスチック板である板エレメント（１）を含み、該板エレメント（１）の少なくとも１側面（１ａ）が、水蒸気透過特性（水蒸気透過度、ＷＶＴＲ）を有するポリマー薄フィルム（３）によって覆われているエンタルピー交換器エレメントであって、前記穿孔した孔が、様々な形状の開口部であり、且つ３０μｍ〜１．２ｍｍの孔径に相当する表面積を有する開口部であり、合計で、利用できる前記板の交換表面の５０％以上である開口区域を提供する、エンタルピー交換器エレメント。
8. 前記ポリマー薄フィルムが前記板エレメントに接着し、好ましくは熱接着及び／または接着剤で接着することを特徴とする請求項７記載のエンタルピー交換器エレメント。
9. 前記板エレメントの前記穿孔区域が波形表面区域またはエンボス加工表面区域を含むことを特徴とする請求項７または８に記載のエンタルピー交換器エレメント。
10. 前記板エレメント（１）の端部区域内にある波形（４）の幅が、前記板エレメント（１）の中央区域にある波形（４）の幅よりも大きく、且つ／または前記板エレメントの端部区域内の前記穿孔の密度（すなわち、単位面積あたりの穿孔数）が、前記板エレメントの中央区域内の前記穿孔の密度よりも大きいことを特徴とする請求項８または９に記載のエンタルピー交換器エレメント。
11. 前記波形が配向して流体の流れを導くことを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のエンタルピー交換器エレメント。
12. 平行に配向して互いに固定され、流体を流す２本の流路を形成する、３個以上の板状エンタルピー交換器エレメントを有するエンタルピー交換器において、該板状熱交換器エレメントが請求項７〜１１のいずれかに記載のエレメントであることを特徴とするエンタルピー交換器。
13. 前記エンタルピー交換器エレメントを、レーザ溶接もしくは超音波溶接等の溶接によって、または接着剤による接着によって互いに固定することを特徴とする請求項１２記載のエンタルピー交換器。

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