WO1983002150A1 - Heat exchange system - Google Patents

Description

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明 細 書

発明の名称

熱交換方式

技術分野

5 本発明は屋外空気の給気と室内空気の排気などの熱交換換気 を目的と した空調換気装置などに適用される熱交換方式に関す るものである。 さらに具体的に述べると伝熱性を有する仕切板 を所定の間隔を設けて積層構造と し、 前記仕切板間に形成され る各層を交互に一次気流と二次気流が流れる構成にし、 前記仕 i o 切板間に形成される各層において前記一次気流と二次気流を周 期的に入れ換えて流すものである。

背景技術

従来、 空調換気扇に用いられているブレー ト式の熱交換素子 と しては、 仕切板と して、'弒のよ うな熱透過性と透湿性をもつ 5 たものを使用した透過式全熱交換素子と仕切板に金属やプラス チックのよ う な非透湿性の熱伝導物質を使用 した顕熱交換素子 がある。 そして、 これら熱交換素子の仕切板によって仕切られ た各層間を交互に給気流と排気流が同時に、 それぞれ一定方向 に通過し続ける ことによ ]?、 仕切板を通して全熱交換や顕熱交 0 換を行な う ものであ ])、 一般に全熱交換効率は 5 5〜 6 O %、 顕熱交換素子の場合の顕熱交換効率は 6 5 位である。

発明の開示

本発明は、 熱交換素子の構成要素である伝熱性の仕切板によ つて形成された各層間を隣接して通る一 気流と二次気流を、5 周期的に互いに入れ換えて通すことによ ]?、 これら従来のもの

OMPI よ ]? 、 熱交換効率を高くする ものであ 、 また気流の入れ換え に際して、 各層間を通る気流の方向を考慮する ことによ 、 さ らに熱交換効率を高めるものである。 さらに、 仕切板が非透湿 で、 かつ吸湿性をもっている場合は、 高効率の全く新し 全熱

5 交換方式を提供できる。

図面の簡単 ¾説明

第 1 図は本発明の一実施例における熱交換装置の一構成要素 である熱交換素子の一部破断概略斜視図、 第²図ィ ， 口および 第 3図ィ ， 口は仕切板の断面 0、 第 4図ィ 〜 -は熱交換素子の l O 仕切板間の各層間へ入る気流をそれぞれ交換したときの気流の 方向の異 る組み合わせ状態における熱交換効率の相違を測定 する実施例のフローシー ト、 第 5図は熱交換効率の測定結果を 示す図、 第 6図ィ 〜ハは気流の方向と仕切板上の温度分布の関 係を示す模式図、 第 7図および第 8図は各々本発明の一実施例

1 5 における全熱交換装置の分解斜視図 ， 横断面図、 第 9図ィ ， 口 および第 1 O図ィ ， 口は本発明の他の実施例の空調換気扇の模 式横断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下本発明の詳細につ て、 実施例とともに説明するのであ

20 るが、 まず初めに本発明の基本となる熱交換方式について説明 する。 第 1 図は本発明の一実施例に用 る積層型熱交換素子の —部外観図であ ])、 図中 1 は仕切板、 ²は間隔衩である。 第 2 図ィ ， 口は防燃加工したクラ フ ト紙を使用した仕切衩 1 の断面 図であ ]?、 仕切板 1 が伝熱性と透湿性を有して る場合の例で

25 ある。 第 3図ィ ， 口はアル ミ ニ ウ ム板 9の表面に吸湿性の酸ィ匕

OMPI アル ミ ニ ウ ム 1 Oおよび 1 O ' を塗布したものを用いた熱交換 素子の仕切板 1 ' の断面図で、 仕切板が伝熱性を有するが、 非 透湿性で、 しかも吸湿性を有する場合の例である。

第 2図および第 3図において、 ここでは仕切板の上面部およ び下面部を流れる室外および室内からの気流の方向 （ 矢印 5と 6および矢印 ¹ 1 と ¹ 2 ) は、 図面上表示のし易さから対向流 にるつているが、 実施例は直交流である。 原理的には対向流の 場合が、 最も熱交換効率がよいが、 本発明と しては何れでも よ い。 また、 こ こでは室外側からの気流と室内側からの気流を周 期的に （ ここでは 1 分間隔 ） 交換さす場合 （第 2図ィ と 口の状 態を、 第 3図ィ と 口の状態を、 交互に周期的に繰返す場合 ）、 各層間を流れる気流の方向は気流の入れ換えと と もに逆転して いるカ 、 この場合の気流の方向は熱交換効率の大小に影響を与 えるが、 本発明の熱交換方式の本質には無関係である。 高温高 湿の夏の室外雰囲気を 2 6で ， 5 Q ^に設定した場合、 まず、 第 2図においては第 2図ィの矢印方向の風の流れの場合には、 室外側から室内側へ向う気流 5中の熱と湿分は仕切板 1 に蓄熱 蓄湿されるものもあれば、 仕切板 1 中を面 3側から 4側に熱と 湿分を移動して、 室内側からの空気流 6にさらされて る仕切 板 1 の面 4側から、 室内側からの気流 6に移 ]?、 室外側へ排出 されるものもある。 また、 仕切板 1 の面 3側への水分の吸着に よって生じた吸着熱や、 面 4側からの水分の脱着によって生じ た脱着熱 （ この場合は吸熱反応のため負 ） の一部も同様に蓄熱 されるものもあれば、 仕切板 1 中を面 3側から 4側方向に移行 する もの もある。 次にサイ クルが変わ 空気流が第 2図ィから 口のよ うに変化すれば、 仕切板 1 の表面 3近ぐ に蓄熱蓄湿され て たものは、 空気流ァに乗って室外側へ排出される。 8は室 外側からの空気流である。 この方式の利点は空気流を周期的に 交換させることによ 、 室外側から熱交換素子中に持ち込まれ

5 たェンタ ル ビーを仕切板 1 を通して再び室外側へ排出さす以外 に、 仕切板 1や間隔板 2に蓄ェンタル ビーさせ、 気流が交換さ れた時に、 それを室外側へ排出さす機構も加わるので、 従来の 方式に比べ、 全熱交換効率が飛躍的に増大することにある。

同様に第 3図の場合、 第 3図ィにおいて室外側から室内側へ l O 入る高温高湿の空気流 1 1 に接蝕する仕切板の上面、 つま ]?吸 湿材 1 Oの表面は高温に る。 また、 吸湿材 1 Oの表面に外気 流 1 1 中の湿分が吸着するので吸着熱や凝縮熱が発生し、 仕切 板の上面部の温度をさらに上昇させる。 一方、 仕切板の下面 · 1 O ' の表面は低温低湿の室内側からの空気流 1 2との接触に

1 5 よって冷やされるのみならず、 前サイ ク ル中の外気通過時に

1 o ' に吸着した水分の脱着がおこるため、 吸熱反応によ ]Jさ らに冷やされる。 これらの一連の現象によ 、 仕切板の上下' ¹〇 と ¹ o ' の温度差が大き く なるため、 吸湿性をもたぬ単 る顕 熱交換器よ も、 仕切板を通しての顕熱移行量が多く なる。 さ

20 らに、 この方式の利点は室外側から持ち込まれた顕熱と仕切板 の室外側気流と接する表面で発生する吸着熱を仕切板を通して 室内からの排気流 1 2中に移し、 再び室外側へ排出さす以外に 仕切板に蓄熱させ次のサイ クル時に室内からの排気流 1 3中に 放熱させ、 室外へ排出さす機構も加わるので、 従来の透過式に

25 比べ、 室外から室内への顕熱移行が減少し、 顕熱交換効率が増 大することにある。 1 ⁴は室外側からの空気流である。 なお、 湿分移行は従来の静止透過式全熱交換方式では仕切板中の透湿 現象のみによって行なったが、 この方式では仕切板への蓄湿、 および仕切板からの脱湿機構で行なう-点が異な 、 湿分交換効 5 率を気流交換のサイ ク ル時間を短かくすることによ 、 従来法 よ！？高くできる。 な 、 この場合の全熱交換方式は今までに ¾ い新し 方式であるのみならず、 気流の交換を停止すれば頭熱 交換器になるという特徵をもっている。 . 次に、 仕切板が熱伝導性に富むが、 不透湿性 ，非吸湿性であ l O る例と して、 .アルミ板を使用した場合について説明する。 この 場合においても同様の理由から、 気流を交換しながら熱交換す る本発明の方式の方が、 頭熱交換に熱伝導機構以外に、 蓄熱機 構が寄与するので、 従来の顕熱交換法よ ]9効率が高く ¾る。 - もちろん、 これらの熱交換方式の場合、 気流の交換は周期的

1 5 でなくてもよ く、 セ ンサー どを利用して、 エ レメ ン ト の蓄熱- 容量ゃ蓄: '湿容量が飽和に達する前に気流を交換してもよい。

次に、 本発明の一実施例である熱交換装置の具体的構成につ て説明する。

第 ₄図ィ 〜二は仕切板間の各層間を通る気流を互いに交換し 0 た場合、 得られる熱交換効率におよぼす気流の方向の影響を調 ベるための測定の実施例のフ ロ ー シー トであ ]?、 第 5図はその 得られた結果である。 1 5は第 ¹ 図に示したよう 構造をした 熱交換素子で、 大きさは 2 O Oロ 聰 X 2 5 O 丽である。 1 6は チ ャ ンバ一、 ¹ ァは室外側雰囲気を吸引するフ ァ ン、 1 8は室 5 内側雰囲気を吸引するフ ァ ンであ]?、 熱交換素子 1 5内を通る 風量は両方向とも S.S /miiiである。 熱交換素子^{1 5}内を通 る気流の交換は、 ダンバー ^{1 9}〜 ^{2 4}の開閉操作によ！）行 ¾う。 交換後も気流の方向が両方と も同一の場合には第 4図ィの状態 と口の状態を交互に繰 返す。 この場合、 ダンパー ¹ 9および 2 4は予め閉じておき、 第 4図ィにお てダンパー 2 Oおよび 2 3を開けてダンパー ^{2 1} および^{2 2}を閉じる。 したがって気 流はチ ャ ンパ一の位置 aから熱交換素子 1 5に入])、 位置 dよ 室内側へ給気される。 室内からの空気は位置 b よ ] 3熱交換素 子 1 5に入]?、 位置 cよ ] 9室外側へ排気される。

気流の交換は第⁴図口のように、 逆にダンパ ー 2 Oおよび²³ を閉じて、 ダン ー 2 1 および 2 2を開ける。 したがって気流 はチ ャ ンバ一の位置 bから熱交換素子 1 5に入 、 位置 _Cから 室内側へ給気される。 室内かちの空気は位置 a よ 熱交換素子 1 5へ入 、 位置 dから室外側へ排気される。

以後、 第 4図ィ と口の状態を周期的に繰])返す。

気流の方向の一方が逆方向になる場合は第 4図ィとハの状態 を交互に繰 返すことに ¾ j? 、 ダンパー 2 1 および 2 4を予め 閉じる。 第 4図ィのようにダ ンパー 2 0および 2 3を開けて、 ダンパー ¹ 9および 2 4を閉じ、 次に、 気流の交換は第 4図ハ のようにダンバ一 2 Oおよび 2 3を閉じて、 ダンパー 1 9 お よ び 2 2を開ける。

気流の方向が両方と も逆方向になる場合は第 4図ィと二の状 態を周期的に繰]?返すことになる。 すなわち、 ダ ンバー 2 1 お よび 2 2を予め閉じ、 第 4図ィのようにダンパー 2 Oおよび 23 を開けて、 ダンパー 2 Oおよび 2 3を閉じて、 ダン パー 1 9お

ΟΜΡΙ よび 2 4を開ける。 熱交換素子 ¹ 5の入口 よび出口に ける 温湿度の測定は、 図中 a ， b , c ， dの位置に温度センサーと 湿度センサーをセ ツ. ト し、 その変化を記録計に書かせる方法で 行なった。 使用した湿度計はタ ンタ ルの静電容量の変化を利用 したもので、 応答性は速く雰囲気気流の切換後、 数秒後には平 衡値の 9 5 %まで達するものである。

このよ うな熱交換効率測定装置を、 室内側雰囲気（ 2 6 °C ， s o 5δ ) , 室外側雰囲気（ ^{3 3} °C ， ァ ο ）の温湿度条件にそ れぞれ調節された 2つの隣]?合う恒温恒湿の部屋間にセツ ト し て、 1分間サイ ク ルで熱交換素子 ¹ ちに入る気流を周期的に互 いに交換しるがら熱交換させた。

第 5図は、 一例と して熱交換素子 1 5にアル ミ板の表面に吸 湿性の酸化アル ミ ニ ウ ムを塗布したものを用 た場合に得られ た全熱交換効率変化を横軸にダンバー切換時からの経過時間を とって示したものである。 図中 Aは気流を互いに入れ換えた場 合に、 両方向とも気流の方向が変らない場合の結果であ 、 B は一方向のみが逆転する場合の結果であ i？.、 cは両方向とも逆 転する場合得られた結果である。 これらの結果からも明らかな ように、 気流.を交換する熱交換方式においては、 得られる熱交 換効率は、 気流の交換に際して各層間を通る気流の方向が気流 の種類が入れ換つても、 両方向とも変化しない方式が最も高く 両方向とも逆転する場合が最も低 。 しかし、 両方向と も逆転 する場合はエレメ ン ト の入口にゴミが付着しにくいという長所 以外にプロペラフ ァ ンの回転方向逆転という比較的簡単な機構 で気流が交換できるという長所をもっている。 一方、 熱交換素 一 子 1 5と して、 仕切板が熱伝導性をもちかつ透湿性のものを用 いた場合にお ても、 熱伝導性 ，非透湿性かつ非吸湿性のもの を用 た場合にお ても、 気流の方向に関連して、 これら得ら れた結果と同様の傾向が得られた。 '

5 以上のような現象は第 6図ィ〜ハに示す模式図を使って説明 できる。 気流を入れ換えても、 仕切板間の各層を通る気流の方 ' 向が変化しな ような場合には、 特に熱交換素子への蓄熱およ び熱交換素子からの放熱が効率の向上によ ]?大き く寄与して、 よ ])効果的であると考えられる。 それぞれのサイクルでの平衡 l O 状態における仕切板上の温度分布を考えてみる。 縦軸に温度を とった立体モ ルを使って表現すれば、 それは、 第 6図ィおよ び口のようになる。 一方、 平衡状態に達しる 前にサイクルが 切換わる場合は、 仕切板上の温度分布は、 サイ クルの切換によ つて、 第 6図ィと口の中間段階間を往復することに ¾る。——方、

15 各層間を通る気流の方向を、 両方向とも逆転さす方向に気流を 入れ換える場合は、 仕切板上の温度分布はサイ クルの切換によ つて、 同様に第 6図ィ とハの中間段階間を往復することに る。 これらの図から、 第 6図ィから口へ変化する方が、 第 6図ィか らハへ変化するのに比べ、 仕切板上の蓄熱量の変化が多 こと

20 がわかる。 このことは、 と ！？もなおさず、 気流の交換によって 気流の方向が両方向とも変わら い場合の方が両方向とも逆転 する場合よ ]? も、 サイ クル切換にとも ¾う仕切板上の蓄熱量の 変化量をよ ]3大きく と るという ことである。 このよ う 現象 が、 気流の方向の違いによる熱交換効率の差に寄与しているも ²⁵ のと考えられる。 一方、 仕切板に蓄湿性がある場合、 仕切衩上 での吸着水分量の分布は、 温度分布の場合と比較して、 よ 複 雑に ¾ ?不明である。

第 7図は気流を交換した場合、 気流の方向が両方と も変化し な 方式による空調換器扇の 1 製作実施例の分解斜視図、 第 ⁸ 図はこの横断面図、 第 9図はこの外観斜視図である。 図中、 25 は全熱交換素子で、 仕切板はァル ミ板の上に、 吸湿性の酸化ァ ル ミ -ゥ ムを塗布したものである。 2 6 aは室内空気排気用の フ ァ ン、 2 6 bは室外空気給気用のフ ァ ン、 2 7はフ ァ ンモー タである o 2 8は前面ノく ネルのルーバ、 2 9はフ レー ム、 30a および 3 O bはシャ ツタで運転休止中は閉じられている。 全熱 交換素子 2 5 の内部を.通る気流の交換は、 全熱交換素子 2 5の 前後のシャ ッタ取付枠 3 1 および 3 2に取付けられて るス ラ し s-i , ィ ドシャ ツタ 3 1 a , 3 Λ b , 3 1 c , 3 1 d , 32 a 2 σ，

3 S、 dの開閉によつて行なわれる o 通常運転時はシャ ツ タ 31 a， 3 1 bおよび 3 2 c , 3 2 <1カ 開、 3 1 c ， 3 1 d ， および

3 2 a , 3 2 bが閉、 サイ ク ル切換後はシ ャ ツ タはそれぞれ移 動して、 3 1 a ， 3 1 bおよび 3 2 c ， 3 2 dが閉じられ、

3 1 _<: ， 3 1 _{1ぉょび3 2 3 , 3 2 bが開かれ、 全熱交換器

2 5に入る気流が交換される。 しかし、 気流の方向はサイ ク ル 切換前後で同一である。 お 3 3は仕切板、 3 4は木枠、 3 5 は壁、 3 6はフ レーム ^L-OJ は @ ΡΓ部である o 第 9図ィ ， 口は気流を交換した場合、 気流の一方向のみが逆 転する場合の空調換気扇の一実施例である。 図中 3 8は同上の 熱交換素子で、 O点を中心にして、 矢印 3 9方向に 9 0⁰スクイ ングして、 第 ⁹図ィ と 口 の状態を周期的に繰返して熱交換素子 内を通る気流の交換を行な う。 な 、 この場合 9 0⁰ のスウイ ングを繰返さな くても Ο点を中心にして、 9 Ο ⁰ づづ一定方向 に熱交換素子が回転する方式でも よい。 4 0は換気扇の前面ル ーバ、 4 1 は送風機、 4 2はフ ァ ンモータ、 4 3はシャ ツタで ο

第 1 Ο図ィ ， 口はこの方式を利用して製作した空調換気扇の 実施例の模式図である。 図中 4ァは全熱交換素子、 44 , 44' はブロペラ フ ァ ンである ο 45は前記パネルのルーパーである。 4 6 ， 4 6 ' はシャ ツタ一であ 、 運転休止中は閉じられてい る。 ここでは熱交換素子内部を通る気流の周期的 交換は、 フ ア ン ₄ 4 ， 4 4 ' の回転方向をと もに逆転さす方式で行って る。 ここでは全熱交換素子 4ァは常に静止してお 、 フ ァ ン 4 4 , 44 ' の回転方向の逆転によ 、 気流の方向は第 ¹ Ο図 ィ と口の状態をサイ ク ル的に繰 返すことになる。

産業上の利用可能性

以上のよ うに本発明の熱交換方式によれば、 高効率の熱交換 機能が得られる。 かでも、 熱交換素子の仕切板が透湿性をも つて る場合は、 高効率の全熱交換機能が得られる。 さらに、 仕切板が非透湿で、 かつ吸湿性をもっている場合には、 今まで にな 新しい全熱交換方式が生まれる。 また、 サ イ ク ルが周期 的に変化しても熱交換素子の各層間を通る気流の流れの方向が 全く変らない場合には、 熱交換素子への蓄熱量をさらに大き く とれる ことから、 熱交換効率を高くできる。 また、 上記の気流 の流れの方向が両方と も逆転する場合は、 熱交換素子の入口に ほこ ]?が付着しにくい ο さらに間隔板の吸湿性を増大させるこ とによ ]?、 蓄湿容量が増加するので湿分の交換効率を高めるこ とができる o

ΟΛ1ΡΙ

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 伝熱性を有する仕切板を所定間隔を置いて複数層重ね合わ せ、 一次気流と二次気流とが前記仕切板間の各層を交互に通る よ うに形成した熱交換素子を構成要素と し、 前記一次気流と二

5 次記流とを周期的に入れ換え、 前記一次気流と二次気流間に熱

交換させることを特徵とする熱交換方式。

2 . 請求の範囲第 1 項にお て、 前記仕切板間に形成される各 層を交互に通る一次気流'と二次気流の方向の少な く とも一方は 常に一定方向であることを特徵とする熱交換方式。

i o 3 . 請求の範囲第 1 項において、 前記仕切板間の各層を交互に 通る一次気流と二次気流を互 に入れ換える毎に、 前記各層を 通る気流の方向を逆転させることを特徵とする熱交換方式。

4 . 請求の範囲第 2項または第 3項において、 前記仕切板は非 透湿性であ']?、 蓄熱性と蓄湿性を有して ることを特徵とする

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熱交換方式。

5 . 請求の範囲第 2項または第 3項に いて、 前記仕切板を透 湿性としたことを特徵とする熱交換方式。

6 . 請求の範囲第 2項または第³項において、 前記仕切板を非 透湿性かつ非吸湿性と したこ とを特徵とする熱交換方式。

0

7 . 請求の範囲第 4項または第 5項にお て、 前記仕切板の間 に間隔板を形成し、 前記間隔板に吸湿性をもたせたことを特徵 とする熱交換方式。

25

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