JP6950517B2 - 熱交換素子とそれを用いた熱交換形換気装置 - Google Patents

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、生産性を向上させるため、例えば次のような構造が知られている。

すなわち、図８に示すように、熱交換素子１０１は伝熱性を備えた平板１０２に立ち上がり部１０３を備え、立ち上がり部１０３間の空気通路が互いに直交するように多数枚の平板１０２を積層している。また、予め平板１０２には、帯状に粉末接着剤を印刷し、印刷部を山形に折り曲げて加熱することで、粉末接着剤によって山形に折り曲がった平板１０２同士が接合され、立ち上がり部１０３を形成している。

特開２０００−２５８０８３号公報

このような従来の熱交換素子は、伝熱性と吸湿性を備えた平板を立ち上げて平板同士の間隔を維持する構成となっていたため、室内外の温度差が大きい場合、複数枚積層された平板によって形成された風路によって、給気流と排気流とが熱交換した際に、発生した結露が風路を塞ぐという課題を有していた。また、平板の立ち上げ部が結露した水滴を吸収することで平板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うことで、熱交換素子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、結露した水滴による風路の閉塞を抑制することで、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消し、熱交換効率の高い熱交換素子およ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、複数の伝熱板が伝熱板の外周部に備えられた間隔部材によって所定の間隙を設けて積層され、間隙に給気流と排気流とを一段ずつ交互に通風させて給気流と排気流との間で熱交換する熱交換素子であって、給気流を通風させる給気風路および排気流を通風させる排気風路に備えられた伝熱板から起立し間隙内に流路を形成する流路リブを有し、流路リブは、流路リブの流路に面する表面が伝熱板で覆われており、伝熱板で覆われた流路リブ内部に吸湿性を持つ流路リブ補強材を備えていることを特徴とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように、本発明は、隣接する伝熱板の間隙に形成された流路リブ内部の流路リブ補強材に吸湿性を備えたことで、給気流と排気流との温度差が大きく、伝熱板にて温度が伝達して給気流または排気流のいずれかの気体が冷却され、伝熱板表面に結露した水滴が発生するような条件においても、発生した水滴を流路リブ補強材が吸収することができる。したがって、流路リブ補強材が結露した水滴を吸収することにより、給気風路および排気風路から結露した水滴が取り除かれるので、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消することができ、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。さらにこの熱交換素子を用いた熱交換形換気装置を提供するものである。

本発明の実施の形態１にかかる熱交換形換気装置の設置例を示す概要図 同熱交換形換気装置の構造を示す模式図 同熱交換素子の構造を示す分解図 同流路リブの構造を示す部分拡大図 同空隙の構造を示す部分拡大図 同繊維方向を示す部分拡大図 同流路リブの構造例を示す部分拡大図 従来の熱交換素子の構造を示す鳥瞰図

本発明に係る熱交換素子は、複数の伝熱板が伝熱板の外周部に備えられた間隔部材によって所定の間隙を設けて積層され、間隙に給気流と排気流とを一段ずつ交互に通風させて給気流と排気流との間で熱交換する熱交換素子であって、給気流を通風させる給気風路および排気流を通風させる排気風路に備えられた伝熱板から起立し間隙内に流路を形成する流路リブを有し、流路リブは、流路リブの流路に面する表面が伝熱板で覆われており、伝熱板で覆われた流路リブ内部に吸湿性を持つ流路リブ補強材を備えている。

流路リブ補強材に吸湿性を備えたことで、給気流と排気流との温度差が大きく、伝熱板にて温度が伝達して給気流または排気流のいずれかの気体が冷却され、伝熱板表面に結露した水滴が発生するような条件においても、発生した水滴が流路リブ補強材と接触することで、流路リブ補強材が結露した水滴を吸収することができる。また、流路リブ補強材が結露した水滴を吸収することにより、給気風路および排気風路から結露した水滴が取り除かれるので、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消することができ、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換素子では、伝熱板が透湿性を備え、流路リブ補強材が熱可塑性を持つ材料からなる構成としてもよい。

この構成により、給気風路および排気風路に発生した結露した水滴を伝熱板が吸収することができる。さらに、流路リブ補強材が熱可塑性を持つことによって、伝熱板と流路リブ補強材とを熱溶着によって直接接着できるため、伝熱板から流路リブ補強材への水分拡散抵抗が減少し、伝熱板が吸収した結露した水滴を効率よく流路リブ補強材へ伝えることができる。流路リブ補強材が結露した水滴を吸収することにより、給気風路および排気風路から結露した水滴が効率よく取り除かれるので、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消することができ、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換素子では、伝熱板が透湿性を備え、伝熱板と流路リブ補強材が透湿性を備える接着剤によって接着されている構成としてもよい。

この構成により、給気風路および排気風路に発生した結露した水滴を伝熱板が吸収し、接着剤内を湿度拡散させることができ、流路リブ補強材へ結露した水滴を効率よく伝えることができる。流路リブ補強材が結露した水滴を吸収することにより、給気風路および排気風路から結露した水滴が取り除かれるので、熱交換素子を流れる空気の偏りを解消することができ、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換素子では、間隔部材が流路リブ補強材よりも吸湿性の低い材料からなる構成としてもよい。

この構成により、給気風路および排気風路に発生した結露が流路リブに多く吸収されるため、結露した水滴を吸収することによる間隔部材の膨張を抑制できる。すなわち、間隔部材の膨張を抑制することで、伝熱板間の所定の間隔を維持することができるため、熱交換素子を流れる空気の偏りを抑制することができ、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換素子では、流路リブと隣接する伝熱板との間に空隙を備えた構成としてもよい。

この構成により、流路リブ補強材が給気風路および排気風路に発生した結露した水滴を吸収し膨張したとしても、隣接する伝熱板との間に空隙が存在するため、流路リブが隣接する伝熱板を変形させることを抑制できる。すなわち、平板同士の間隔を維持できるため、熱交換素子を流れる空気の偏りを抑制し、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、本発明に係る熱交換素子では、流路リブ補強材は、繊維方向が流路リブの起立方向と平行な紙を用いた構成としてもよい。

紙の特性として、吸湿することにより繊維方向に対し垂直な方向に膨張しやすい特性を備えている。流路リブ補強材に紙を用いて、かつ紙の繊維方向を流路リブの起立方向と平行に備えることによって、流路リブ補強材である紙が結露した水滴を吸湿すると、紙は繊維方向に対し垂直な方向に膨張する。すなわち、繊維方向と平行な流路リブの起立方向に対し垂直な方向により膨張させることができる。

この場合、結露した水滴が流路リブ補強材に吸収されると、流路リブ補強材は流路リブの起立方向に対し垂直な方向に膨張し、流路リブの起立方向には膨張しにくい。流路リブの起立方向の膨張を抑制することで、流路リブが結露した水滴を吸収して隣接する伝熱板を圧迫し変形させることを抑制できる。すなわち、平板同士の間隔を維持できるため、熱交換素子を流れる空気の偏りを抑制し、熱交換効率の高い熱交換素子を得ることができる。

また、上述した熱交換素子を用いた熱交換形換気装置としてもよい。

この構成により、熱交換素子に結露が生じるような環境下においても熱交換効率の高い熱交換素子を用いることが可能となり、高い熱交換効率を備えた熱交換形換気装置を得ることができる。

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）
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。

例として日本の冬季を挙げると、屋内の空気（以下、排気流３という）を、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する。

また、屋外の空気（以下、給気流４という）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る。

そして、このことにより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のである。

熱交換形換気装置２は図２に示すように、本体ケース５内に熱交換素子６を配置し、排気ファン７を駆動することで、排気流３を内気口８から吸い込み、熱交換素子６、排気ファン７を経由し、排気口９から屋外へと排出する。

また、給気ファン１０を駆動することで、給気流４を外気口１１から吸い込み、熱交換素子６、給気ファン１０を経由し、給気口１２から屋内へと供給する構成としている。

図３に示すように熱交換素子６は、伝熱板１３から間隔部材１４と流路リブ１５が起立した熱交換素子ピース１６を、一段ずつ互い違いに直交するように向きを変えて複数枚積層した構成としている。熱交換素子ピース１６の積層間隔は、間隔部材１４が上下の熱交換素子ピース１６と接触することで維持されており、左右の間隔部材１４および上下の伝熱板１３で挟まれた間隙が風路として機能している。この風路に交互に排気流３および給気流４を流すことで、排気流３と給気流４との間で熱交換を行うことができる。

流路リブ１５は所定の間隔で伝熱板１３から起立しており、風路を流れる排気流３または給気流４を整流することによって、伝熱板１３の表面に対し均一な風量で通風させることができる。この効果により、排気流３と給気流４との間で効率よく熱を伝えることができるため、熱交換効率の高い熱交換素子６を得ることができる。

さらに、図４に示すように、流路リブ１５は四角柱形状であり、流路リブ１５の強度を維持するために吸湿性を備えた流路リブ補強材１７と伝熱板１３から構成される。流路リブ補強材１７は、図示したように流路リブ１５が形成している風路表面となる流路リブ側面１９と流路リブ天面１８とを伝熱板１３で覆われている。流路リブ底面２０および流路リブ端面２１は流路リブ補強材１７が露出している構成である。流路リブ補強材１７は、流路リブ１５と同様に、風路に沿う方向に延在している。

例えば給気流４が排気流３に比べて温度が低い場合、排気流３の熱は伝熱板１３を介して給気流４に奪われるため、伝熱板１３と接する排気流３の温度が低下する。伝熱板１３の表面温度が排気流３の露点温度を下回った場合、排気流３に含まれる水分が結露して水滴となり伝熱板１３に付着する。風路に結露による水滴が付着すると、風路を通過する排気流３の通風抵抗となるため、発生した水滴周辺の風量が減少する。部分的に風量が減少することにより、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してしまう。今回の構成によれば、結露した水滴は、流路リブ補強材１７に吸収されることで風路から除去できるため、結露した水滴による通風抵抗の増加を抑制し、伝熱板１３を流れる排気流３の風量バランスを維持でき、高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

伝熱板１３が透湿性を有する場合、結露した水滴は、伝熱板１３に吸収される。伝熱板１３に吸収された水滴は、伝熱板１３内部を拡散して流路リブ天面１８もしくは流路リブ側面１９から流路リブ補強材１７に吸収される。もしくは、発生した結露による水滴が、伝熱板１３で覆われていない流路リブ底面２０から流路リブ補強材１７に吸収される。

伝熱板１３を非透湿性の材料とした場合、結露した水滴は、流路リブ底面２０から流路リブ補強材１７に吸収される。

また、伝熱板１３が伝熱性に加え透湿性を有し、流路リブ補強材１７が熱可塑性を備えた構成としてもよい。

流路リブ補強材１７が熱により軟化することで、熱交換素子６の製造工程において、流路リブ補強材１７と伝熱板１３とを加熱し圧着することができる。伝熱板１３が透湿性を備えることで結露した水滴は伝熱板１３でも吸収され、さらに伝熱板１３と流路リブ補強材１７が直接接していることにより、伝熱板１３が吸収した結露による水分を効率よく流路リブ補強材１７へ拡散することができる。

この構成により、結露した水滴は、流路リブ補強材１７に吸収されることで風路から除去できるため、結露した水滴による通風抵抗の増加を抑制し、伝熱板１３を流れる排気流３の風量バランスを維持でき、結露条件下でも高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

また、伝熱板１３が伝熱性に加え透湿性を有し、伝熱板１３と流路リブ補強材１７とが透湿性を備えた接着剤によって接着された構成としてもよい。

流路リブ補強材１７と伝熱板１３とが透湿性を備えた接着剤により接着しており、伝熱板１３が透湿性を備えることで、結露は伝熱板１３でも吸収されたのち、接着剤を介して効率よく流路リブ補強材１７へ拡散することができる。

この構成により、結露した水滴は、流路リブ補強材１７に吸収されることで風路から除去できるため、結露した水滴による通風抵抗の増加を抑制し、伝熱板１３を流れる排気流３の風量バランスを維持でき、結露条件下でも高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

また、間隔部材１４が流路リブ補強材１７よりも吸湿性の低い材料で形成する構成としてもよい。

伝熱板１３の表面に発生した結露した水滴が、吸湿性の高い流路リブ補強材１７に多く吸収されることで、間隔部材１４が吸収する水分量を抑制することができる。

熱交換素子ピース１６は間隔部材１４によって高さが規定されているため、例えば排気流３と伝熱板１３との表面で結露した水滴が発生した場合にその結露した水滴を間隔部材１４が吸収し、間隔部材１４が隣接する伝熱板側に膨張した場合、排気流３が流れる風路が広くなり、他の給気流４が流れる風路と大きさが異なってしまう。その結果、排気流３および給気流４の各々が、熱交換素子ピース１６を通過する風量にバラつきが生じることで、熱交換素子６の熱交換効率が低下する。

本構成によれば、間隔部材１４が吸収する水分量を抑制することができるため、結露した水滴が多量に発生した場合であっても間隔部材１４の膨張を抑制でき、熱交換素子ピース１６同士の間隙を維持できる。すなわち、熱交換素子ピース１６を通過する風量のばらつきを抑制できるため、結露条件下でも高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

また、図５に示すように、流路リブ１５と隣接する伝熱板１３との間に空隙２２をそなえた構成としてもよい。

この構成により、流路リブ補強材１７が結露した水滴を吸収して膨張し、流路リブ１５が隣接する伝熱板側に膨張した場合であっても、流路リブ１５と上下にある熱交換素子ピース１６に備えられた伝熱板１３との間にある空隙２２により、流路リブ１５の膨張体積分を吸収することができる。すなわち、流路リブ１５が膨張することで、上下の熱交換素子ピース１６に衝突し、上下の熱交換素子ピース１６が変形することを抑制することができる。

その結果、熱交換素子ピース１６同士の間隙を維持でき、熱交換素子ピース１６を通過する風量のばらつきを抑制できるため、結露条件下でも高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

また、図６に示すように流路リブ補強材１７は、繊維方向２３が流路リブ１５の起立方向と平行な紙を用いた構成としてもよい。

この構成により、伝熱板１３の表面に発生した結露が流路リブ補強材１７に吸収されることで、水分子は主に紙の繊維間に保持されるために紙の繊維間隔が拡大し、繊維方向２３と垂直な方向に流路リブ補強材１７が膨張しやすい。つまり、結露を吸収したことによる体積膨張のうち、繊維方向２３に垂直な方向の伸長成分が大きく、流路リブ１５が起立方向へ伸長することを抑制することができる。また、流路リブ側面１９において流路リブ補強材１７が伝熱板１３で覆われているため、流路リブ補強材１７の膨張による繊維方向２３に垂直な方向の伸長成分も抑制することができる。

その結果、流路リブ１５が膨張することで、上下の熱交換素子ピース１６に衝突し、上下の熱交換素子ピース１６が変形することを抑制することができる。すなわち、熱交換素子ピース１６同士の間隙を維持できるため、熱交換素子ピース１６を通過する風量のばらつきを抑制でき、結露条件下でも高い熱交換効率を持つ熱交換素子６を得ることができる。

また、熱交換形換気装置２に、前記構成の熱交換素子６を用いた構成としてもよい。

この構成により、室内外で温湿度差が大きく、伝熱板１３表面で結露が発生する場合であっても、熱交換効率の高い熱交換素子６を用いることができるので、熱交換効率の高い熱交換形換気装置２を得ることができる。

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。さらに、透湿性を備えた場合、前述のように流路リブ補強材１７に水分を拡散させやすくなるほか、例えば排気流３が結露し水滴が発生する場合、排気流３の持つ水分を給気流４へ拡散させることができるため、排気流３から発生する結露した水分量を減少させることができ、より好適である。

伝熱板１３の材質としては、例えば金属やポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンといった透湿性の無い樹脂シートを用いることができる。前述のように透湿性を備えた材料としては、ポリウレタンや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やセルロース繊維やセラミック繊維、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。特にセルロース繊維をベースとした紙材料は曲げやすく、流路リブ補強材１７を覆いやすいためより好適である。

間隔部材１４の材質としては、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等の樹脂部材やセルロース繊維やセラミック繊維、ガラス繊維をベースとした紙材料、金属を用いることができる。

流路リブ補強材１７として、熱可塑性樹脂を用いた場合、樹脂の種類としては例えば、ポリ酢酸ビニル、エチレン‐ビニルアルコール共重合樹脂等であれば熱可塑性と吸湿性を両立することが可能である。

流路リブ補強材１７と伝熱板１３とを接着する透湿性を備えた接着剤としては、例えば、ポリウレタン系接着剤やエポキシ樹脂系接着剤をベースとして、親水性の官能基を付与したものが挙げられる。

図５で空隙２２を示したが、その間隔は流路リブ補強材１７の起立寸法と吸湿率によって設計される。例えば、標準状態における吸湿率が２０％の場合、起立寸法の２０％分に相当する間隙を備えることによって、流路リブ補強材１７が最大限吸湿したとしても、流路リブ１５と隣接する上方の伝熱板１３とが接触するだけであり、風路の変形を抑制することができる。

なお、間隔部材１４の構造として、例えば伝熱板１３上に前記材質の角柱を備えた構造のほか、流路リブ１５と同一の構造でもよい。同一の構造とすることで、製造上作り分ける工程が不要となるため、生産性を向上させることができる。この場合、前述のように間隔部材１４が流路リブ補強材１７よりも吸湿性の低い材料で形成するためには、例えば間隔部材１４における補強材の吸湿性を流路リブ補強材１７よりも下げることで実現可能である。

なお、流路リブ補強材１７と伝熱板１３との接着は、部分的に接着面を設けても、接触面全面を接着してもよい。発生した結露による水滴を伝熱板１３が吸収し、発生した水滴が拡散によって流路リブ補強材１７に伝わる場合、全面的に接着することで、発生した水滴が通過できる面積が増加し、伝熱板１３から流路リブ補強材１７への透湿抵抗が低下するためより好適である。

なお、実施の形態１において、流路リブ補強材１７を単一の部材として明示したが、複合材によって構成しても同等の効果を得ることができる。一例として、図７に流路リブ補強材１７として段ボールシート２６を用いた例を示す。例示した段ボールシート２６は二枚のライナー２４の間に中芯２５を挟んだ構造であり、流路リブ補強材１７として伝熱板１３に覆われている。この場合、例えば紙製の段ボールシート２６を用いることで、流路リブ補強材１７に吸湿性を付与することができる。間隔部材１４の構造として、前記のように流路リブ１５と同一の構造としてもよいが、このような複合材によって構成した場合であっても同様に、間隔部材１４を複合材からなる補強材と伝熱板１３からなる構造としてもよい。

以上のように本実施形態にかかる熱交換素子は、室内外で温湿度差が大きく結露が発生する場合であっても、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 間隔部材
１５ 流路リブ
１６ 熱交換素子ピース
１７ 流路リブ補強材
１８ 流路リブ天面
１９ 流路リブ側面
２０ 流路リブ底面
２１ 流路リブ端面
２２ 空隙
２３ 繊維方向
２４ ライナー
２５ 中芯
２６ 段ボールシート
１０１ 熱交換素子
１０２ 平板
１０３ 立ち上がり部

Claims (7)

1. 複数の伝熱板が前記伝熱板の外周部に備えられた間隔部材によって所定の間隙を設けて積層され、前記間隙に給気流と排気流とを一段ずつ交互に通風させて前記給気流と前記排気流との間で熱交換する熱交換素子であって、
   前記給気流を通風させる給気風路および前記排気流を通風させる排気風路に備えられた前記伝熱板から起立し前記間隙内に流路を形成する流路リブを有し、
   前記流路リブは、前記流路リブの前記流路に面する表面が前記伝熱板で覆われており、前記伝熱板で覆われた前記流路リブ内部に吸湿性を持つ流路リブ補強材を備えていることを特徴とする熱交換素子。
2. 前記伝熱板が透湿性を備え、前記流路リブ補強材が熱可塑性を持つ材料からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換素子。
3. 前記伝熱板が透湿性を備え、前記伝熱板と前記流路リブ補強材が透湿性を備える接着剤によって接着されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換素子。
4. 前記間隔部材が前記流路リブ補強材よりも吸湿性の低い材料からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換素子。
5. 前記流路リブと隣接する前記伝熱板との間に空隙を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の熱交換素子。
6. 前記流路リブ補強材は、繊維方向が前記流路リブの起立方向と平行な紙を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の熱交換素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の前記熱交換素子を備えたことを特徴とする熱交換形換気装置。

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