JP7126617B2

JP7126617B2 - 熱交換素子および熱交換換気装置

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Publication number: JP7126617B2
Application number: JP2021528784A
Authority: JP
Inventors: 一外川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JPWO2020261486A1; WO2020261486A1

Description

本発明は、空気流同士の間で熱交換を行う熱交換素子および熱交換換気装置に関する。

従来、室外から室内への給気流と室内から室外への排気流との間で熱交換を行う熱交換換気装置が知られている。熱交換換気装置を使用した換気を行うことで、室内の冷暖房の効率と除加湿の効率とを向上させ、室内の空調に使用されるエネルギーの低減を図ることができる。

熱交換換気装置は、熱交換を行う熱交換素子を備える。熱交換素子には、給気風路と排気風路とが設けられている。給気風路と排気風路とは、仕切部材を挟んで互いに独立した風路となっている。熱交換素子では、給気風路を流れる給気流と排気風路を流れる排気流との間で、仕切部材を介して熱が伝達される。熱交換素子には、熱交換効率の向上が求められる。

特許文献１には、仕切部材に凹凸を設けることで伝熱面積を増加させるとともに空気流の乱れを発生させて、熱交換効率の改善を図る技術が開示されている。

特開平４－２７３９９３号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、仕切部材の凸部で乱流が発達しすぎたり、仕切部材の凹部が深すぎたりすることで、仕切部材の伝熱面から空気流が剥離されやすいため、伝熱効率の悪い領域ができてしまう場合がある。これにより、熱交換効率の改善が不十分となる可能性があるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱交換効率を向上させることができる熱交換素子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱交換素子は、第１風路を形成する第１伝熱ユニットと、第２風路を形成する第２伝熱ユニットとを備える。第１風路および第２風路は、空気流の流入口から空気流の流れ方向に沿った下流側に向けて延びる第１幅風路と、第１幅風路の下流側で第１幅風路を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第２幅風路とを有する。第２幅風路の風路幅は、第１幅風路の風路幅よりも狭い。空気流の流れ方向に沿った第１幅風路の長さは、第１幅風路の助走区間の長さ以下である。空気流の流れ方向に沿った第２幅風路の長さは、第２幅風路の助走区間の長さ以下である。助走区間の長さＬＬは、レイノルズ数をＲｅ、第１風路または第２風路の等価直径をｄｅとしたときに、ＬＬ＝０．０５６×Ｒｅ×ｄｅの式で表される。

本発明によれば、熱交換効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる熱交換素子を示す分解斜視図本発明の実施の形態１にかかる熱交換素子の伝熱ユニットの斜視図本発明の実施の形態２にかかる熱交換素子の伝熱ユニットの斜視図本発明の実施の形態３にかかる熱交換素子の伝熱ユニットの斜視図本発明の実施の形態４にかかる熱交換素子の伝熱ユニットの斜視図本発明の実施の形態５にかかる熱交換換気装置を示す模式図

以下に、本発明の実施の形態にかかる熱交換素子および熱交換換気装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる熱交換素子１を示す分解斜視図である。熱交換素子１は、第１風路５を形成する複数の第１伝熱ユニット２ａと、第２風路６を形成する複数の第２伝熱ユニット２ｂと備える。第１伝熱ユニット２ａと第２伝熱ユニット２ｂは、交互に積み重ねられている。以下、第１伝熱ユニット２ａと第２伝熱ユニット２ｂを総称して「伝熱ユニット２」という場合もある。

各伝熱ユニット２は、１つの仕切部材３と、仕切部材３の上に設置されて隣り合う仕切部材３の間に第１風路５または第２風路６を形成する複数の間隔保持部材４とを備える。すなわち、熱交換素子１は、互いに間隔を空けて配置される複数の仕切部材３と、仕切部材３同士の間隔を保持する複数の間隔保持部材４とを備える。

第１風路５と第２風路６との間は、仕切部材３で仕切られている。第１風路５と第２風路６は、仕切部材３を挟んで交互に設けられている。第１空気流７は、室外から室内への給気流である。第２空気流８は、室内から室外への排気流である。第１風路５には、第１空気流７が流れる。第２風路６には、第２空気流８が流れる。熱交換素子１は、第１空気流７の流れ方向と第２空気流８の流れ方向とが互いに直交する直交流型の全熱交換素子である。熱交換素子１では、第１空気流７と第２空気流８との間で、仕切部材３を介して熱が伝達される。以下、空気流の流れ方向を「空気流れ方向」と称し、空気流の流れ方向と直交する方向を「直交方向」と称する場合もある。

仕切部材３は、平面視で四角形状に形成された板状部材である。仕切部材３には、高叩解したパルプを用いて作製した機能紙、親水性樹脂を用いた複合樹脂膜などが使用される。仕切部材３には、吸湿作用を促すための吸湿剤が添加されているものを用いてもよい。吸湿剤には、塩化リチウム、塩化カルシウムなどの潮解性を持つ材料、デシカント剤などの緩やかな吸湿および放湿作用を持つ材料、ゼオライト、シリカゲルなどの吸着作用のある材料を用いてもよい。

仕切部材３には、透湿作用を持たない樹脂板、樹脂膜などを用いてもよい。この場合、温度のみを交換させる顕熱交換素子として働くが、樹脂板にはＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）、ＰＰ（Polypropylene）、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）、ＰＳ（Polystyrene）などが使用される。また、樹脂膜には、ポリウレタン、ポリエチレンなどの薄膜を利用した複合樹脂膜を用いてもよい。薄膜を利用する場合には、製造上の強度および剛性を持たせるためにポリエステルなどの不織布を使用するのが好ましい。

間隔保持部材４の形状は、特に制限されないが、本実施の形態では四角柱である。間隔保持部材４は、空気流れ方向に沿って延びている。間隔保持部材４には、仕切部材３の間隔寸法を精度よく保つ材料および構造が必要である。間隔保持部材４は、ＰＰ、ＡＢＳ、ＰＳなどの樹脂材料を利用した角材、パルプモールドを利用した紙製の角材、中空に成形されたＰＥＴまたはＰＰの樹脂材、紙または樹脂膜を折り曲げた中空部材で形成されてもよい。仕切部材３に透湿作用を持たせない場合には、間隔保持部材４と仕切部材３とを同一素材で一体成形することもできる。このようにすると、生産性を高めることができ、コストを低減することができる。また、間隔保持部材４を中空形状とすることで熱交換素子１の軽量化も図ることができる。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる熱交換素子１の伝熱ユニット２の斜視図である。１枚の仕切部材３の上には、長さの異なる複数の間隔保持部材４が設置されている。本実施の形態では、空気流れ方向に沿って長さが異なる３種類の間隔保持部材４を用いている。以下、最も長い間隔保持部材４を「第１間隔保持部材４１」、二番目に長い間隔保持部材４を「第２間隔保持部材４２」、最も短い間隔保持部材４を「第３間隔保持部材４３」と称する。本実施の形態では、２本の第１間隔保持部材４１、２本の第２間隔保持部材４２、３本の第３間隔保持部材４３を設置する場合を例示する。以下の説明で、上流側および下流側とは、空気流の流れ方向に沿った上流側および下流側を意味する。

第１間隔保持部材４１は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１を規定する部材である。第１間隔保持部材４１は、仕切部材３のうち空気流の流れ方向と直交する方向に沿った両端部の全長に亘って設置されている。２本の第１間隔保持部材４１の間のうち第２間隔保持部材４２よりも上流側には、第１幅風路９が形成されている。第１幅風路９については後に詳しく説明する。

第２間隔保持部材４２は、第２幅風路１０の風路幅Ｘ２を規定する部材である。第２間隔保持部材４２は、２本の第１間隔保持部材４１の間に設置されている。２本の第２間隔保持部材４２は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。２本の第２間隔保持部材４２の間隔および隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間隔は、等しい。第２間隔保持部材４２は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第２間隔保持部材４２の風上側端面４２ａは、第１間隔保持部材４１の風上側端面４１ａよりも下流側に位置している。２本の第２間隔保持部材４２の間のうち第３間隔保持部材４３よりも上流側には、第２幅風路１０が形成されている。また、隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間のうち第３間隔保持部材４３よりも上流側には、第２幅風路１０が形成されている。第２幅風路１０については後に詳しく説明する。

第３間隔保持部材４３は、第３幅風路１１の風路幅Ｘ３を規定する部材である。３本の第３間隔保持部材４３は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。第３間隔保持部材４３は、隣り合う第１間隔保持部材４１と第２間隔保持部材４２との間および隣り合う第２間隔保持部材４２の間に１本ずつ設置されている。第３間隔保持部材４３は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第３間隔保持部材４３の風上側端面４３ａは、第１間隔保持部材４１の風上側端面４１ａおよび第２間隔保持部材４２の風上側端面４２ａよりも下流側に位置している。隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間隔および隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間隔は、等しい。隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間には、第３幅風路１１が形成されている。また、隣り合う第３間隔保持部材４３と第２間隔保持部材４２との間には、第３幅風路１１が形成されている。第３幅風路１１については後に詳しく説明する。

次に、図２を参照して、第１幅風路９、第２幅風路１０および第３幅風路１１について説明する。なお、第１風路５と第２風路６とは空気流が流れる向きが異なるだけでその他の構成は同一であるため、ここでは第１風路５を例にとって説明し、第２風路６の説明は省略する。第１風路５の風路幅は、空気流れ方向に沿った下流側に向かうほど段階的に狭まる。第１風路５は、第１空気流７の流入口２２から空気流れ方向に沿った下流側に向けて延びる第１幅風路９と、第１幅風路９の下流側で第１幅風路９を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第２幅風路１０と、第２幅風路１０の下流側で第２幅風路１０を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第３幅風路１１とを有する。本実施の形態では、１つの第１幅風路９、３つの第２幅風路１０、６つの第３幅風路１１を設ける場合を例示するが、各幅風路９，１０，１１の数を限定する趣旨ではない。

第１幅風路９の風路幅Ｘ１は、第１風路５の中で最も広い。第１幅風路９は、空気流れ方向に沿って第１風路長さＹ１で延びている。

第２幅風路１０の風路幅Ｘ２は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１よりも狭い。第２幅風路１０は、空気流れ方向に沿って第２風路長さＹ２で延びている。

第３幅風路１１の風路幅Ｘ３は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１および第２幅風路１０の風路幅Ｘ２よりも狭い。第３幅風路１１は、空気流れ方向に沿って第３風路長さＹ３で延びている。第１風路５の風路高さＺ１は、空気流れ方向の全長に亘って一定である。つまり、第１幅風路９、第２幅風路１０および第３幅風路１１の高さは、同一である。

第１幅風路９の第１風路長さＹ１、第２幅風路１０の第２風路長さＹ２、第３幅風路１１の第３風路長さＹ３は、助走区間の長さ以下とする。助走区間とは、空気流の乱れが適度に発生する区間のことをいう。第１幅風路９の助走区間の長さＬＬ１は、下記式（１）で表される。Ｒｅは、第１空気流７のレイノルズ数とする。Ｄ１は、第１幅風路９の等価直径とする。第１幅風路９の等価直径とは、空気流の流動の観点から、第１幅風路９と等価とみなし得る円筒風路の内径である。
ＬＬ１＝０．０５６×Ｒｅ×Ｄ１・・・（１）

空気流の流れ方向に沿った第１幅風路９の第１風路長さＹ１は、第１幅風路９の助走区間の長さＬＬ１以下であることが好ましい。よって、下記式（２）が成立することが好ましい。
Ｙ１≦０．０５６×Ｒｅ×Ｄ１・・・（２）

第２幅風路１０の助走区間の長さＬＬ２は、下記式（３）で表される。Ｒｅは、上記式（１）と同じである。Ｄ２は、第２幅風路１０の等価直径とする。第２幅風路１０の等価直径とは、空気流の流動の観点から、第２幅風路１０と等価とみなし得る円筒風路の内径である。
ＬＬ２＝０．０５６×Ｒｅ×Ｄ２・・・（３）

空気流の流れ方向に沿った第２幅風路１０の第２風路長さＹ２は、第２幅風路１０の助走区間の長さＬＬ２以下であることが好ましい。よって、下記式（４）が成立することが好ましい。
Ｙ２≦０．０５６×Ｒｅ×Ｄ２・・・（４）

第３幅風路１１の助走区間の長さＬＬ３は、下記式（５）で表される。Ｒｅは、上記式（１）と同じである。Ｄ３は、第３幅風路１１の等価直径とする。第３幅風路１１の等価直径とは、空気流の流動の観点から、第３幅風路１１と等価とみなし得る円筒風路の内径である。
ＬＬ３＝０．０５６×Ｒｅ×Ｄ３・・・（５）

空気流の流れ方向に沿った第３幅風路１１の第３風路長さＹ３は、第３幅風路１１の助走区間の長さＬＬ３以下であることが好ましい。よって、下記式（６）が成立することが好ましい。
Ｙ３≦０．０５６×Ｒｅ×Ｄ３・・・（６）

第１幅風路９の等価直径Ｄ１は、下記式（７）で表される。Ｓ１は、第１幅風路９の風路断面積とする。Ｌ１は、第１幅風路９の断面の周長、すなわち第１幅風路９の濡れぶち長さとする。風路断面積の単位はｍ²とする。
Ｄ１＝４×Ｓ１／Ｌ１・・・（７）

第２幅風路１０の等価直径Ｄ２は、下記式（８）で表される。Ｓ２は、第２幅風路１０の風路断面積とする。Ｌ２は、第２幅風路１０の断面の周長、すなわち第２幅風路１０の濡れぶち長さとする。風路断面積の単位はｍ²とする。
Ｄ２＝４×Ｓ２／Ｌ２・・・（８）

第３幅風路１１の等価直径Ｄ３は、下記式（９）で表される。Ｓ３は、第３幅風路１１の風路断面積とする。Ｌ３は、第３幅風路１１の断面の周長、すなわち第３幅風路１１の濡れぶち長さとする。風路断面積の単位はｍ²とする。
Ｄ３＝４×Ｓ３／Ｌ３・・・（９）

第１幅風路９は、本実施形態では矩形状の断面を成しているとみなし、第１幅風路９の風路断面積Ｓ１は、下記式（１０）で表される。Ｚ１は、第１風路５の風路高さである。
Ｓ１＝Ｘ１×Ｚ１・・・（１０）

第２幅風路１０は、本実施形態では矩形状の断面を成しているとみなし、第２幅風路１０の風路断面積Ｓ２は、下記式（１１）で表される。
Ｓ２＝Ｘ２×Ｚ１・・・（１１）

第３幅風路１１は、本実施形態では矩形状の断面を成しているとみなし、第３幅風路１１の風路断面積Ｓ３は、下記式（１２）で表される。
Ｓ３＝Ｘ３×Ｚ１・・・（１２）

第１幅風路９の濡れぶち長さＬ１は、下記式（１３）で表される。
Ｌ１＝２×（Ｘ１＋Ｚ１）・・・（１３）

第２幅風路１０の濡れぶち長さＬ２は、下記式（１４）で表される。
Ｌ２＝２×（Ｘ２＋Ｚ１）・・・（１４）

第３幅風路１１の濡れぶち長さＬ３は、下記式（１５）で表される。
Ｌ３＝２×（Ｘ３＋Ｚ１）・・・（１５）

第１幅風路９のレイノルズ数Ｒｅは、下記式（１６）で表される。Ｖ１は、第１幅風路９における第１空気流７の平均流速とする。Ｖの単位はメートル毎秒とする。νは、第１風路５における第１空気流７の動粘性係数とする。νの単位は平方メートル毎秒とする。大気圧下の空気が２０℃の場合、動粘性係数νは、１．５×１０^-6ｍ²／ｓが一般的に使用される。
Ｒｅ＝（Ｄ１）×（Ｖ１）/（ν）・・・（１６）

第１幅風路９における第１空気流７の平均流速Ｖ１は、下記式（１７）で表される。Ｑ１は、第１幅風路９を流れる第１空気流７の流量とする。Ｑの単位は立法メートルとする。
Ｖ１＝Ｑ１／Ｓ１・・・（１７）

第２幅風路１０のレイノルズ数Ｒｅは、下記式（１８）で表される。Ｖ２は、第２幅風路１０における第１空気流７の平均流速とする。
Ｒｅ＝（Ｄ２）×（Ｖ２）/（ν）・・・（１８）

第２幅風路１０における第１空気流７の平均流速Ｖ２は、下記式（１９）で表される。Ｑ２は、第２幅風路１０を流れる第１空気流７の流量とする。
Ｖ２＝Ｑ２／Ｓ２・・・（１９）

第３幅風路１１のレイノルズ数Ｒｅは、下記式（２０）で表される。Ｖ３は、第３幅風路１１における第１空気流７の平均流速とする。
Ｒｅ＝（Ｄ３）×（Ｖ３）/（ν）・・・（２０）

第３幅風路１１における第１空気流７の平均流速Ｖ３は、下記式（２１）で表される。Ｑ３は、第３幅風路１１を流れる第１空気流７の流量とする。
Ｖ３＝Ｑ３／Ｓ３・・・（２１）

本実施の形態では、上記式で求められる第１幅風路９の助走区間の長さＬＬ１と第１幅風路９の第１風路長さＹ１を等しくした。また、第２幅風路１０の助走区間の長さＬＬ２と第２幅風路１０の第２風路長さＹ２を等しくした。また、第３幅風路１１の助走区間の長さＬＬ３と第３幅風路１１の第３風路長さＹ３を等しくした。

次に、熱交換素子１の作用効果について説明する。

本実施の形態では、第１風路５および第２風路６は、流入口２２から空気流の流れ方向に沿った下流側に向けて延びる１つの第１幅風路９と、第１幅風路９の下流側で第１幅風路９を３つに分岐させて形成された３つの第２幅風路１０と、第２幅風路１０の下流側で第２幅風路１０を６つに分岐させて形成された６つの第３幅風路１１とを有する。また、第２幅風路１０の風路幅Ｘ２は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１よりも狭く、第３幅風路１１の風路幅Ｘ３は、第２幅風路１０の風路幅Ｘ２よりも狭い。そのため、第１風路５および第２風路６の空気流れ方向の全長に亘って助走区間を繰り返し発生させて、仕切部材３の伝熱面からの空気流の剥離を抑制しながら空気流の乱れを適度に発生させることができる。仕切部材３の伝熱面からの空気流の剥離を抑制することで空気が伝熱面に接触する接触面積を増やすことができ、空気流の乱れを発生させることで第１風路５および第２風路６の内壁面に対する熱伝達率および物質伝達率が高まる。これにより、熱交換素子１の全熱交換効率を向上させることができる。なお、本発明者の実験および研究によれば、各幅風路９，１０，１１の長さを助走区間よりも長くして、助走空間の空気流と助走区間を過ぎた後の空気流とを比較すると、助走区間を過ぎた後よりも助走区間の方が空気流の乱れが生じやすくなることが判明した。空気が風路の内壁面に伝熱および物質伝達をしながら流れる熱交換素子１の風路内においては、空気流の乱れにより空気流の温度および湿度が混ざり合い、温度の境界層および湿度の境界層が破壊される。そのため、助走区間を過ぎた後よりも助走区間の方が第１風路５および第２風路６の内壁面に対する熱伝達率および物質伝達率が高くなる。

仕切部材に凹凸を設ける従来技術では、仕切部材の伝熱面から空気流が剥離されやすいため、伝熱効率の悪い領域ができてしまう場合がある。これにより、熱交換素子の全熱交換効率が向上しない可能性がある。これに対して、本実施の形態では、第１風路５および第２風路６の空気流れ方向の全長に亘って助走区間を繰り返し発生させることで、仕切部材３の伝熱面からの空気流の剥離を抑制することができる。これにより、従来技術に比べて、伝熱効率の悪い領域を減らすことができるため、熱交換素子１の全熱交換効率を向上させることができる。

本実施の形態では、仕切部材３と間隔保持部材４とを個別に製造する場合には、接着剤による接着、または、材料が樹脂であれば熱溶着による接合を行うことで、図２に示す伝熱ユニット２を強固に作製することができる。これにより、図１に示すように間隔保持部材４の長さ方向を直交させた状態で複数の伝熱ユニット２を積層した場合でも、熱交換素子１の構造強度を向上させることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる熱交換素子１の伝熱ユニット２の斜視図である。なお、実施の形態２では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

間隔保持部材４の形状は、本実施の形態ではコルゲート形状である。間隔保持部材４は、仕切部材３から離れる方向に凸となる概ね三角形状に形成されている。第１幅風路９、第２幅風路１０および第３幅風路１１の断面形状は、台形状または三角形状である。なお、間隔保持部材４の内部、すなわち間隔保持部材４と仕切部材３とに囲まれた空間も風路となる。

本実施の形態では、空気流れ方向に沿って長さが異なる４種類の間隔保持部材４を用いている。以下、最も長い間隔保持部材４を「第１間隔保持部材４１」、二番目に長い間隔保持部材４を「第２間隔保持部材４２」と称する。また、三番目に長い間隔保持部材４を「第３間隔保持部材４３」、最も短い間隔保持部材４を「第４間隔保持部材４４」と称する。本実施の形態では、２本の第１間隔保持部材４１、１本の第２間隔保持部材４２、２本の第３間隔保持部材４３、４本の第４間隔保持部材４４を設置する場合を例示する。

第２間隔保持部材４２は、第２幅風路１０の風路幅Ｘ２を規定する部材である。第２間隔保持部材４２は、２本の第１間隔保持部材４１の間に設置されている。隣り合う第２間隔保持部材４２と一方の第１間隔保持部材４１との間隔および隣り合う第２間隔保持部材４２と他方の第１間隔保持部材４１との間隔は、等しい。すなわち、第２間隔保持部材４２は、直交方向で２本の第１間隔保持部材４１の中間位置に設置されている。第２間隔保持部材４２は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第２間隔保持部材４２の風上側端部は、第１間隔保持部材４１の風上側端部よりも下流側に位置している。隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間のうち第３間隔保持部材４３よりも上流側には、第２幅風路１０が形成されている。第２幅風路１０については後に詳しく説明する。

第３間隔保持部材４３は、第３幅風路１１の風路幅Ｘ３を規定する部材である。２本の第３間隔保持部材４３は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。第３間隔保持部材４３は、隣り合う第１間隔保持部材４１と第２間隔保持部材４２との間に１本ずつ設置されている。第３間隔保持部材４３は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第３間隔保持部材４３の風上側端部は、第１間隔保持部材４１の風上側端部および第２間隔保持部材４２の風上側端部よりも下流側に位置している。隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間隔および隣り合う第３間隔保持部材４３と第２間隔保持部材４２との間隔は、等しい。隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間のうち第４間隔保持部材４４よりも上流側には、第３幅風路１１が形成されている。また、隣り合う第３間隔保持部材４３と第２間隔保持部材４２との間のうち第４間隔保持部材４４よりも上流側には、第３幅風路１１が形成されている。第３幅風路１１については後に詳しく説明する。

第４間隔保持部材４４は、第４幅風路１２の風路幅Ｘ４を規定する部材である。４本の第４間隔保持部材４４は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。第４間隔保持部材４４は、隣り合う第１間隔保持部材４１と第３間隔保持部材４３との間、および、隣り合う第２間隔保持部材４２と第３間隔保持部材４３との間に１本ずつ設置されている。第４間隔保持部材４４は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第４間隔保持部材４４の風上側端部は、第１間隔保持部材４１の風上側端部、第２間隔保持部材４２の風上側端部および第３間隔保持部材４３の風上側端部よりも下流側に位置している。隣り合う第４間隔保持部材４４と第１間隔保持部材４１との間隔、隣り合う第４間隔保持部材４４と第２間隔保持部材４２との間隔、および、隣り合う第４間隔保持部材４４と第３間隔保持部材４３との間隔は、等しい。隣り合う第４間隔保持部材４４と第１間隔保持部材４１との間には、第４幅風路１２が形成されている。また、隣り合う第４間隔保持部材４４と第２間隔保持部材４２との間には、第４幅風路１２が形成されている。また、隣り合う第４間隔保持部材４４と第３間隔保持部材４３との間には、第４幅風路１２が形成されている。第４幅風路１２については後に詳しく説明する。

次に、第１幅風路９、第２幅風路１０、第３幅風路１１および第４幅風路１２について説明する。なお、第１風路５と第２風路６とは空気流の流れ方向が異なるだけでその他の構成は同一であるため、ここでは第１風路５を例にとって説明し、第２風路６の説明は省略する。第１風路５の風路幅は、空気流れ方向に沿った下流側に向かうほど段階的に狭まる。第１風路５は、流入口２２から空気流れ方向に沿った下流側に向けて延びる第１幅風路９と、第１幅風路９の下流側で第１幅風路９を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第２幅風路１０とを有する。また、第１風路５は、第２幅風路１０の下流側で第２幅風路１０を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第３幅風路１１と、第３幅風路１１の下流側で第３幅風路１１を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第４幅風路１２とを有する。本実施の形態では、１つの第１幅風路９と、２つの第２幅風路１０と、４つの第３幅風路１１と、８つの第４幅風路１２を設ける場合を例示するが、各幅風路９，１０，１１，１２の数を限定する趣旨ではない。

第３幅風路１１の風路幅Ｘ３は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１および第２幅風路１０の風路幅Ｘ２よりも狭い。第３幅風路１１は、空気流れ方向に沿って第３風路長さＹ３で延びている。

第４幅風路１２の風路幅Ｘ４は、第１風路５の中で最も狭い。第４幅風路１２は、空気流れ方向に沿って第４風路長さＹ４で延びている。第１風路５の風路高さＺ２は、空気流れ方向の全長に亘って一定である。つまり、第１幅風路９、第２幅風路１０、第３幅風路１１および第４幅風路１２の高さは、同一である。

本実施の形態にかかる第１風路５および第２風路６の断面形状は、実施の形態１にかかる第１風路５および第２風路６の断面形状と異なる。そのため、等価直径とそれに伴って変化する助走区間の長さについて検討する必要が生じるが、基本的な考え方は実施の形態１で述べた内容と同様である。すなわち、実施の形態２にかかる第１風路５および第２風路６についても、等価直径およびレイノルズ数を計算することで助走区間の長さを求めることができる。第１風路５および第２風路６の断面形状は台形または概ね三角形に近似するものとみなせばよい。風路断面積、濡れぶち長さについては、本実施の形態の第１風路５の断面形状が一般的な幾何形状であるため、その説明を省略する。

コルゲート形状の間隔保持部材４を使用する場合には、長さの異なる第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４を成形または紙折りによって個別に製造して、製造した間隔保持部材４のそれぞれを仕切部材３に接合することができる。また、１本の長いコルゲート形状部材を用意し、第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４の長さに切断して、切断した間隔保持部材４のそれぞれを仕切部材３に接合することもできる。

また、図３に示す風路幅Ｘ１、風路幅Ｘ２、風路幅Ｘ３、風路幅Ｘ４、第１風路長さＹ１、第２風路長さＹ２、第３風路長さＹ３、第４風路長さＹ４、風路高さＺ２の寸法関係になるように真空成形またはプレス成形で１度に第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４を製造することもできる。また、押出成形で第１間隔保持部材４１以上の長さのコルゲート形状部材を用意し、コルゲート形状部材を切断することで第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４を製造することもできる。

また、紙コルゲートの技術を用いる場合には、周期的に穴の開いた紙を芯製造機に通して第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４を製造することもできる。また、従来の段ボール製造技術を用いる場合には、コルゲート形状の段ボールを切断することで第１間隔保持部材４１、第２間隔保持部材４２、第３間隔保持部材４３および第４間隔保持部材４４を製造することもできる。

コルゲート形状の間隔保持部材４を用いると、間隔保持部材４の内部も中空の風路となるため、熱交換素子１の圧力損失を低減させることができる。また、コルゲート製造の生産性を生かして連続生産を行うことができる。これにより、圧力損失が低減するとともに生産性の高い熱交換素子１を得ることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかる熱交換素子１の伝熱ユニット２の斜視図である。なお、実施の形態３では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態では、第２間隔保持部材４２を第３間隔保持部材４３と空気流れ方向に沿った上流側にオフセット配置した点が前記した実施の形態１と異なる。本実施の形態では、２本の第１間隔保持部材４１、３本の第２間隔保持部材４２、６本の第３間隔保持部材４３を設置する場合を例示する。本実施の形態では第３間隔保持部材４３が第２間隔保持部材４２より長いが、両者の長さを同等にしてもよいし、第２間隔保持部材４２を第３間隔保持部材４３より長くしてもよい。

第３間隔保持部材４３は、２本の第１間隔保持部材４１の間に設置されている。６本の第３間隔保持部材４３は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。第３間隔保持部材４３は、仕切部材３の風下側端部３１から上流側に向かって延びている。第３間隔保持部材４３の風上側端面４３ａは、第１間隔保持部材４１の風上側端面４１ａおよび第２間隔保持部材４２の風上側端面４２ａよりも下流側に位置している。隣り合う第３間隔保持部材４３の間隔は、等しい。隣り合う第３間隔保持部材４３の間隔は、隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間隔よりも広い。

隣り合う第３間隔保持部材４３の間には、第３幅風路１１が形成されている。以下、隣り合う第３間隔保持部材４３の間に形成される第３幅風路１１を「第３メイン幅風路１１ａ」と称する。隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間には、第３幅風路１１が形成されている。以下、隣り合う第３間隔保持部材４３と第１間隔保持部材４１との間に形成される第３幅風路１１を「第３サブ幅風路１１ｂ」と称する。第３サブ幅風路１１ｂの風路幅Ｘ３２は、本実施の形態では第３メイン幅風路１１ａの風路幅Ｘ３１の半分の大きさに形成されている。第３メイン幅風路１１ａの風路幅Ｘ３１および第３サブ幅風路１１ｂの風路幅Ｘ３２は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１よりも狭い。本実施の形態では、５つの第３メイン幅風路１１ａと、２つの第３サブ幅風路１１ｂとを設ける場合を例示するが、第３メイン幅風路１１ａと第３サブ幅風路１１ｂの数を限定する趣旨ではない。

第２間隔保持部材４２は、２本の第１間隔保持部材４１の間に設置されている。３本の第２間隔保持部材４２は、直交方向に沿って互いに間隔を空けて設置されている。第２間隔保持部材４２は、第３間隔保持部材４３と空気流れ方向に沿った上流側にオフセット配置されている。第２間隔保持部材４２は、第３メイン幅風路１１ａの上流側に配置されている。第２間隔保持部材４２は、５つの第３メイン幅風路１１ａに対して１つおきに設置されている。隣り合う第２間隔保持部材４２の間隔は、等しい。隣り合う第２間隔保持部材４２の間隔は、隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間隔よりも広い。

隣り合う第２間隔保持部材４２の間には、第２幅風路１０が形成されている。以下、隣り合う第２間隔保持部材４２の間に形成される第２幅風路１０を「第２メイン幅風路１０ａ」と称する。隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間には、第２幅風路１０が形成されている。以下、隣り合う第２間隔保持部材４２と第１間隔保持部材４１との間に形成される第２幅風路１０を「第２サブ幅風路１０ｂ」と称する。第２サブ幅風路１０ｂの風路幅Ｘ２２は、本実施の形態では第２メイン幅風路１０ａの風路幅Ｘ２１の半分の大きさに形成されている。本実施の形態では、２つの第２メイン幅風路１０ａと、２つの第２サブ幅風路１０ｂとを設ける場合を例示するが、第２メイン幅風路１０ａと第２サブ幅風路１０ｂの数を限定する趣旨ではない。第２メイン幅風路１０ａの風路幅Ｘ２１および第２サブ幅風路１０ｂの風路幅Ｘ２２は、第１幅風路９の風路幅Ｘ１よりも狭い。第２メイン幅風路１０ａの風路幅Ｘ２１および第２サブ幅風路１０ｂの風路幅Ｘ２２は、第３メイン幅風路１１ａの風路幅Ｘ３１および第３サブ幅風路１１ｂの風路幅Ｘ３２よりも広い。

本実施の形態では、第２間隔保持部材４２と第３間隔保持部材４３とを空気の流れ方向でオフセット配置することで、第３間隔保持部材４３の風上側端面４３ａに空気流が当たりやすくなる。第３間隔保持部材４３の風上側端面４３ａに当たった空気流は分流するため、第１風路５および第２風路６における空気流の乱れを助長させることができる。これにより、第１風路５および第２風路６の内壁面に対する熱伝達率および物質伝達率を高めて、熱交換素子１の全熱交換効率を向上させることができる。

なお、第２メイン幅風路１０ａの風路幅Ｘ２１と第２サブ幅風路１０ｂの風路幅Ｘ２２との比率、および、第３メイン幅風路１１ａの風路幅Ｘ３１と第３サブ幅風路１１ｂの風路幅Ｘ３２との比率は、適宜変更してよい。例えば、圧力損失の増加を抑制したい場合には、第２サブ幅風路１０ｂの風路幅Ｘ２２を第２メイン幅風路１０ａの風路幅Ｘ２１の１．５倍の大きさにして、第３サブ幅風路１１ｂの風路幅Ｘ３２を第３メイン幅風路１１ａの風路幅Ｘ３１の１．５倍の大きさにしてもよい。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４にかかる熱交換素子１の伝熱ユニット２の斜視図である。なお、実施の形態４では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態４にかかる熱交換素子１では、実施の形態１にかかる伝熱ユニット２が同一平面上に複数並べて設置されている。図示は省略するが、同一平面上に複数並べられた第１伝熱ユニット２ａと第２伝熱ユニット２ｂとが交互に積み重ねられて熱交換素子１が形成される。伝熱ユニット２は、本実施の形態では空気流の流れ方向および空気流の流れ方向と直交する方向に沿って２枚ずつ並べて設けられている。なお、実施の形態２，３にかかる伝熱ユニット２が、空気流の流れ方向および空気流の流れ方向と直交する方向に沿って複数並べて設けられてもよい。

伝熱ユニット２は、第１風路５および第２風路６の流入口２２が大きな開口幅を持つため、熱交換素子１の角寸サイズが大きくなるほど、伝熱ユニット２のうち流入口２２周りの強度を保つ工夫が必要になる。また、第１風路５および第２風路６の風路幅が空気流れ方向に沿った下流側に向かうほど狭くなるため、圧力損失の増加を抑制する必要がある。そこで、本実施の形態では、実施の形態１にかかる伝熱ユニット２を１単位として、空気流れ方向および直交方向に沿って直列に複数単位の伝熱ユニット２を設けた。複数の伝熱ユニット２が直交方向で並んでいることで、伝熱ユニット２のうち流入口２２周りのたわみを抑制することができる。また、複数の伝熱ユニット２が空気流れ方向で並んでいることで、１つの伝熱ユニット２を通過した空気流は下流側に位置する伝熱ユニット２の第１幅風路９に導かれて第２幅風路１０、第３幅風路１１の順に流れる。つまり、空気流は、１つの伝熱ユニット２の風路幅が広い風路と狭い風路とを通過した後に、次の伝熱ユニット２の風路幅が広い風路と狭い風路とを通過することになる。本実施の形態では風路幅が広い風路と狭い風路とを交互に空気流が通過するため、空気流れ方向に１つの伝熱ユニット２のみを設ける場合と比べて、風路幅の狭小化による圧力損失の増加を抑制することができる。

実施の形態５．
次に、熱交換素子１を備える熱交換換気装置１００について説明する。図６は、本発明の実施の形態５にかかる熱交換換気装置１００を示す模式図である。なお、実施の形態５では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

熱交換換気装置１００は、給気送風機１４と、排気送風機１５と、熱交換素子１と、ケーシング１３とを備える。なお、図６では、ケーシング１３の内部を上から見た状態を模式的に表している。

ケーシング１３は、給気送風機１４、排気送風機１５および熱交換素子１を収容する箱状の部材である。ケーシング１３の内部には、第１空気流７が通過する給気風路１６と、第２空気流８が通過する排気風路１７とが設けられている。第１空気流７は、室外から室内への給気流である。第２空気流８は、室内から室外への排気流である。ケーシング１３のうち室内側の側面には、給気吹出口２０と排気吸込口１９とが設けられている。ケーシング１３のうち室外側の側面には、給気吸込口１８と排気吹出口２１とが設けられている。

給気送風機１４は、給気風路１６内に配置されている。給気送風機１４は、室外の空気を給気吸込口１８から給気風路１６へ取り込んで第１空気流７を発生させる。第１空気流７は、給気風路１６を流れて、給気吹出口２０から室内へ向けて吹き出される。給気送風機１４は、室外から室内に向けた第１空気流７を図１に示す第１風路５に送る。

排気送風機１５は、排気風路１７内に配置されている。排気送風機１５は、室内の空気を排気吸込口１９から排気風路１７へ取り込んで第２空気流８を発生させる。第２空気流８は、排気風路１７を流れて、排気吹出口２１から室外へ向けて吹き出される。排気送風機１５は、室内から室外に向けた第２空気流８を図１に示す第２風路６に送る。

熱交換素子１には、上記実施の形態１から４にかかる熱交換素子１のうちいずれか１つが用いられる。熱交換素子１は、給気風路１６と排気風路１７とが交差する位置に設けられている。熱交換素子１は、給気風路１６を流れる第１空気流７と排気風路１７を流れる第２空気流８との全熱交換を行う。熱交換換気装置１００は、熱交換素子１での全熱交換により、室内からの排気流の顕熱と潜熱とを回収して、回収された顕熱と潜熱とを給気流へ伝達させる。また、熱交換換気装置１００は、熱交換素子１での全熱交換により、室外からの給気流の顕熱と潜熱とを回収して、回収された顕熱と潜熱とを排気流へ伝達させる。熱交換換気装置１００は、室内の冷暖房の効率と除加湿の効率とを向上させ、室内の空調に使用されるエネルギーを低減させることができる。なお、熱交換素子１は、排気流と空気流との間で顕熱のみを伝達させる構成にしてもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１熱交換素子、２伝熱ユニット、２ａ第１伝熱ユニット、２ｂ第２伝熱ユニット、３仕切部材、４間隔保持部材、５第１風路、６第２風路、７第１空気流、８第２空気流、９第１幅風路、１０第２幅風路、１０ａ第２メイン幅風路、１０ｂ第２サブ幅風路、１１第３幅風路、１１ａ第３メイン幅風路、１１ｂ第３サブ幅風路、１２第４幅風路、１３ケーシング、１４給気送風機、１５排気送風機、１６給気風路、１７排気風路、１８給気吸込口、１９排気吸込口、２０給気吹出口、２１排気吹出口、２２流入口、３１風下側端部、４１第１間隔保持部材、４１ａ，４２ａ，４３ａ風上側端面、４２第２間隔保持部材、４３第３間隔保持部材、４４第４間隔保持部材、１００熱交換換気装置。

Claims

第１風路を形成する第１伝熱ユニットと、
第２風路を形成する第２伝熱ユニットと、を備え、
前記第１風路および前記第２風路は、空気流の流入口から前記空気流の流れ方向に沿った下流側に向けて延びる第１幅風路と、前記第１幅風路の下流側で前記第１幅風路を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第２幅風路と、を有し、
前記第２幅風路の風路幅は、前記第１幅風路の風路幅よりも狭く、
前記空気流の流れ方向に沿った前記第１幅風路の長さは、前記第１幅風路の助走区間の長さ以下であり、
前記空気流の流れ方向に沿った前記第２幅風路の長さは、前記第２幅風路の助走区間の長さ以下であり、
前記助走区間の長さＬＬは、レイノルズ数をＲｅ、前記第１風路または前記第２風路の等価直径をｄｅとしたときに、ＬＬ＝０．０５６×Ｒｅ×ｄｅの式で表されることを特徴とする熱交換素子。
前記第１風路および前記第２風路は、前記第２幅風路の下流側で前記第２幅風路を２つ以上に分岐させて形成された２つ以上の第３幅風路をさらに有し、
前記第３幅風路の風路幅は、前記第２幅風路の風路幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の熱交換素子。
前記空気流の流れ方向に沿った前記第３幅風路の長さは、前記第３幅風路の助走区間の長さ以下であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換素子。
前記第１伝熱ユニットと前記第２伝熱ユニットは、交互に積み重ねられ、
前記第１伝熱ユニットおよび前記第２伝熱ユニットは、仕切部材と、前記仕切部材の上に設置されて隣り合う前記仕切部材の間に前記第１風路または前記第２風路を形成する複数の間隔保持部材と、を備え、
前記間隔保持部材は、前記第１幅風路の風路幅を規定する２本の第１間隔保持部材と、前記第１間隔保持部材の間に設置されて前記第２幅風路の風路幅を規定する第２間隔保持部材と、前記第１間隔保持部材の間に設置されて前記第３幅風路の風路幅を規定する第３間隔保持部材と、を有し、
前記第２間隔保持部材は、前記第３間隔保持部材と前記空気流の流れ方向に沿った上流側にオフセット配置され、前記第３幅風路の前記空気流の流れ方向に沿った上流側に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換素子。
前記第１伝熱ユニットおよび前記第２伝熱ユニットは、前記空気流の流れ方向および前記空気流の流れ方向と直交する方向に沿って複数並べて設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換素子。
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換素子と、
室外から室内に向けた第１空気流を前記第１風路に送る給気送風機と、
室内から室外に向けた第２空気流を前記第２風路に送る排気送風機と、
前記熱交換素子、前記給気送風機および前記排気送風機を収容するケーシングと、を備えることを特徴とする熱交換換気装置。