JP2013145068A

JP2013145068A - 熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器

Info

Publication number: JP2013145068A
Application number: JP2012005010A
Authority: JP
Inventors: Yasuyo Sugimoto; 泰世杉本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP6028214B2

Abstract

【課題】熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器において、熱交換効率を高くすることを目的とする。
【解決手段】熱交換素子１は、間隔を保持する間隔保持手段３を備えた複数の伝熱手段２を積層して排気風路４と給気風路５を１層ずつ交互に構成する熱交換素子において、排気風路４の少なくとも一部および給気風路５の少なくとも一部がいずれも進行方向に沿って波形であるという構成にしたことにより、排気風路４と給気風路５が平らである場合より表面積を大きくでき、また乱流成分を増加させることができ、また排気風路４と給気風路５の圧力損失が概ね同等であることから風量バランスが崩れることがないため、熱交換効率を高くできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器に関するものである。

近年、地球温暖化にともなって居住分野の省エネが重視されるようになってきた。住宅の消費エネルギーの中では給湯、照明、空調の消費エネルギーが比較的大きいため、これらの消費エネルギーを低減する技術が切に望まれている。

この中で住宅の空調負荷に着目すると、住宅の躯体から逃げる熱（冷房の場合は冷熱）と換気によって逃げる熱がある。住宅の躯体から逃げる熱は、ここ数十年での住宅の断熱、気密性能の大幅な向上により、かなり低減されるようになってきた。一方、換気によって逃げる熱を低減させるには、給気と排気の間で熱交換を行う熱交換型換気機器が有効である。

熱交換素子は熱交換型換気機器の内部で給気と排気の熱交換を行うものであり、熱交換素子の熱交換効率が良いほど排出空気から多くの熱を回収することができるので、これまで熱交換素子の熱交換効率向上のために多くのアイディアが提案されてきた。

一般的には熱交換素子の容積を大きくすれば熱交換効率は向上する。しかし日本、中国、欧州などの地域では住宅内部に地下室、機械室等の熱交換型換気機器を設置する充分なスペースがないため、機器のサイズそのものをコンパクトにすることが求められている。従って熱交換素子の容積をいかに小さく保ちながら熱交換効率を向上するかということが課題になっている。

従来のこの種の熱交換素子としては、熱交換素子内部の給気風路を波形にしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その熱交換素子について図５を参照しながら説明する。図５は従来の熱交換素子１０１の外観を示す斜視図である。

図５に示すように、熱交換素子１０１は波形の伝熱板１０２と波形の間隔保持材１０３を積層させて排気風路１０４と給気風路１０５を形成している。排気風路１０４と給気風路１０５は直交しており、伝熱板１０２が給気風路１０５の進行方向に沿って波形であるため、給気風路１０５のみ波形の形状である。

伝熱板１０２が波形であるために平らである場合よりも表面積が大きくなり、また乱流成分が増加するために熱伝達率が大きくなり、これらの相乗効果として伝熱板１０２が平らである場合よりも同じ容積で熱交換効率を高くすることができる。

また、このとき給気風路１０５のみが進行方向に沿って波形の形状であるため、給気風路１０５側の長さ１０６を排気風路１０４側の長さ１０７よりも短くして、給気風路１０５の圧力損失が小さくなるようにしている。

特開平２−２３８２９３号公報

このような従来の熱交換素子は排気風路と給気風路のうちいずれか一方のみが進行方向に沿って波形であるため、波形でない方の風路においては乱流成分が増加せず、熱交換効率があまり高くならないという課題があった。

また、波形になる給気風路の長さを短くしても、なおまっすぐな排気風路よりも圧力損失が大きくなり、給気風路と排気風路の間で風量バランスが崩れ、このことによってもまた熱交換効率が低下するという課題があった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、熱交換効率が高い熱交換素子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、本発明は間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成する熱交換素子において、前記排気風路の少なくとも一部および前記給気風路の少なくとも一部がいずれも進行方向に沿って波形である熱交換素子であり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成する熱交換素子において、前記排気風路の少なくとも一部および前記給気風路の少なくとも一部がいずれも進行方向に沿って波形であるという構成にしたことにより、前記排気風路と前記給気風路が平らである場合より表面積を大きくでき、また乱流成分を増加させることができ、また前記排気風路と前記給気風路の圧力損失が概ね同等であることから風量バランスが崩れることがないため、熱交換効率を高くできるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１の熱交換素子１の外観を示す斜視図同熱交換素子１の排気風路４と給気風路５の各１層の形状を示す断面図（ａ）本発明の実施の形態２の熱交換素子９の形状を示す平面構成図、（ｂ）同熱交換素子９の排気風路１２と給気風路１３の各１層の形状を示す断面図本発明の実施の形態３の熱交換型換気機器１５の構成を示す概念図従来の熱交換素子１０１の外観を示す斜視図

本発明の請求項１記載の熱交換素子は、間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成する熱交換素子において、前記排気風路の少なくとも一部および前記給気風路の少なくとも一部がいずれも進行方向に沿って波形であるという構成を有する。これにより、前記排気風路と前記給気風路が平らである場合より表面積を大きくでき、また乱流成分を増加させることができ、また前記排気風路と前記給気風路の圧力損失が概ね同等であることから風量バランスが崩れることがないため、熱交換効率を高くできるという効果を奏する。

また、前記伝熱手段が、ある方向とそれに直角な方向の両方に対して山と谷を繰り返す形状であるという構成にしてもよい。これにより、前記排気風路と前記給気風路が平らである場合より表面積を大きくでき、また乱流成分を増加させることができ、また前記排気風路と前記給気風路の圧力損失が概ね同等であることから風量バランスが崩れることがないため、熱交換効率を高くできるという効果を奏する。

また、排気と給気が対向する領域において、前記伝熱手段が前記排気風路と前記給気風路の進行方向に沿って波形であるという構成にしてもよい。これにより、前記排気風路と前記給気風路が平らである場合より表面積を大きくでき、また乱流成分を増加させることができ、また前記排気風路と前記給気風路の圧力損失が概ね同等であることから風量バランスが崩れることがないため、熱交換効率を高くできるという効果を奏する。

また、前記排気風路と前記給気風路の部位ごとの高さがそれぞれ略一定であるという構成にしてもよい。これにより、一定の高さの中で前記排気風路と前記給気風路を積層できる層の数を多くできるという効果を奏する。

また、本発明の請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換素子を用いた熱交換型換気機器という構成にしてもよい。これにより、建物の換気による空調負荷を低減する効果が高い熱交換型換気機器を得るという効果を奏する。

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）
本発明の実施の形態１の熱交換素子１について、図１を参照しながら説明する。図１は実施の形態１の熱交換素子１の外観を示す斜視図である。

熱交換素子１は伝熱手段としての伝熱板２と、伝熱板２どうしの間隔を保持する間隔保持手段としてのリブ３を備え、これらが排気風路４と給気風路５を１層ずつ交互に直交させて形成するように積層されている。積層数は熱交換素子１を搭載する換気機器のサイズや風量によって決定される。

伝熱板２は排気空気と給気空気の間で熱を伝える役割を持つものであり、アルミ等の熱伝導率の高い金属や樹脂等の材料により構成する。リブ３も同様の材料で構成する。

ここで、本発明の実施の形態１の熱交換素子１の特徴は、図１に示すように伝熱板２が排気風路４の進行方向と給気風路５の進行方向の両方に対して山と谷を繰り返す形状だということである。このとき排気風路４と給気風路５はいずれも進行方向に対して波形となる。

これにより伝熱板２が平らである場合よりも熱交換素子１としての容積が同様でありながら表面積を大きくすることができる。表面積が大きくなれば当然伝熱に有効な面積が大きくなり、熱交換効率を高くすることができる。

また、伝熱板２が平らである場合よりも排気風路４と給気風路５の内部で乱流成分を増加させることができる。これは排気風路４と給気風路５のいずれも進行方向に沿って波形であり、波形によって気流場が乱され、渦ができるためである。乱流成分が多くなると空気と伝熱板２との間の熱伝達率が大きくなり、やはり熱交換効率を高くすることができる。

また、排気風路４の進行方向に沿った波形と給気風路５の進行方向に沿った波形を同様の形にすることにより、排気風路４と給気風路５の圧力損失を概ね同等にすることができる。よって排気風路４と給気風路５の風量バランスも保たれ、風量バランスの崩れによる熱交換効率の低下を防止することができる。

以上の３点により、熱交換素子１の熱交換効率は従来の熱交換素子よりも高いということができる。

次に、本発明の実施の形態１の熱交換素子１の排気風路４と給気風路５の断面形状について、図２を参照しながら説明する。図２は実施の形態１の熱交換素子１の排気風路４と給気風路５の各１層の形状を示す断面図である。図２においては給気風路５の進行方向に沿った断面を示しており、従って給気風路５のみが進行方向に沿って波形になっているが、排気風路４の進行方向に沿った断面においても図２と相似形になり、その場合は排気風路４のみが進行方向に沿って波形となる。

ここで、伝熱板２の積層のしかたにより排気風路４と給気風路５の高さが必ずしも一定でないようにもできるが、図２に示すように、本発明の実施の形態１の熱交換素子１では排気風路４と給気風路５の部位ごと高さがそれぞれ略一定であるようにする。これはつまり波形に成形した伝熱板２を、上下で波の位置が同じになるように積層するということである。

このようにすることで、排気風路４と給気風路５の高さは必要最小限の高さとなり、熱交換素子１の高さとして制約を受けたある一定の高さの中で排気風路４と給気風路５を積層できる層の数を最大にすることができる。排気風路４と給気風路５の高さ６はリブ３の高さと同じであり、２ｍｍ程度とする。それ以上高さを低くすると、熱交換素子１の圧力損失が過大になる。

また、排気風路４と給気風路５の波の間隔７は小さすぎても大きすぎても平板と同じになってしまい、前述した波形の効果がなくなってしまう。また排気風路４と給気風路５の波の高さ８は小さすぎると平板と同じになってしまい、逆に大きすぎると熱交換素子１の圧力損失が過大になるし、一定の高さの中で排気風路４と給気風路５を積層できる層の数が少なくなる。よって排気風路４と給気風路５の波の間隔７と波の高さ８には最適な値があると考えられるが、その値は熱交換素子１の大きさ、高さ、排気と給気の風量等の要因によって異なる。一般的な熱交換素子に対して、排気風路４と給気風路５の波の間隔７は２から５０ｍｍ程度、波の高さ８は波の間隔７の０．１から１倍程度が適している。

なお、本実施の形態では熱交換素子１を直交型としたが、対向型と直交型を組み合わせた六角形型の熱交換素子（図示せず）にも応用でき、その作用効果は直交型の場合と同様である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の熱交換素子９について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は実施の形態２の熱交換素子９の形状を示す平面構成図である。

熱交換素子９は伝熱手段としての透湿膜１０と、透湿膜１０どうしの間隔を保持する間隔保持手段としてのリブ１１を備え、これらが排気風路１２と給気風路１３を１層ずつ交互に形成するように積層されている。積層数は熱交換素子１を搭載する換気機器のサイズや風量によって決定される。

透湿膜１０は排気空気と給気空気の間で熱と同時に湿気を透過する役割を持つものであり、紙や樹脂等の材料に吸湿材等を添加して作成する。リブ１１は樹脂等の材料で構成する。

実施の形態１の熱交換素子１は伝熱手段が伝熱板２であったため、伝熱板２を波状に成形することが可能であった。実施の形態２の熱交換素子９のように伝熱手段が透湿膜１０である場合は全熱交換が可能となり、熱交換素子１のような顕熱交換素子よりも全熱交換効率が高くなるが、一方で透湿膜１０を波状に成形することができず、熱交換素子１のような形状にすることができない。

そこで、実施の形態２の熱交換素子９は排気と給気が対向する領域１４においてリブ１１を波形にすることにより、排気風路１２と給気風路１３をいずれも進行方向に波形にしたものである。リブ１１は図３（ａ）の点線で示したような平面形状を持ち、排気と給気が対向する領域１４においてのみ熱交換素子９の積層方向に波形である。

従って排気と給気が対向する領域１４においてはリブ１１によって保持される透湿膜１０も波形となり、排気風路１２と給気風路１３は図３（ｂ）に示すような断面形状を有することとなる。図３（ｂ）は実施の形態２の熱交換素子９の排気風路１２と給気風路１３の各１層分の形状を示す断面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’断面を示している。

排気風路１２と給気風路１３がいずれも進行方向に沿って波形であるところの効果は実施の形態１の熱交換素子１と同様であるので、説明を省略する。

また図３（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態２の熱交換素子９では排気風路１２と給気風路１３の部位ごと高さがそれぞれ略一定であるようにする。これによる効果も実施の形態１の熱交換素子１と同様であるので、説明を省略する。

なお透湿膜１０をきれいな波形にするためには複数のリブ１１の波の形と位置が排気風路１２と給気風路１３の進行方向に直角な方向に沿って概ねそろっていた方がよい。透湿膜１０が紙製である場合は特に湿気を吸った場合に伸びやすい方向と伸びにくい方向があるため、排気風路１２と給気風路１３の進行方向に直角な方向と透湿膜１０の伸びにくい方向を合わせることで、排気風路１２と給気風路１３の波形を保ちやすくすることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の熱交換型換気機器１５について、図４を参照しながら説明する。図４は熱交換型換気機器１５の構成を示す概念図である。

熱交換型換気機器１５は給気ファン１６と、排気ファン１７と、それらを動かすモーター１８（図示せず）と、給気吸込み口１９と、給気吹出し口２０と、排気吸込み口２１と、排気吹出し口２２と、実施の形態１の熱交換素子１を備え、排気空気と給気空気を熱交換するものである。

熱交換型換気機器１５は実施の形態１で説明したように効率の高い熱交換素子１を備えているので機器としての熱交換効率が高く、建物の換気による空調負荷を低減する効果が高い。

なお熱交換型換気機器１５は実施の形態１の熱交換素子１を備えているとしたが、実施の形態２の熱交換素子９を備えてもよい。熱交換素子９のような全熱交換素子の方が一般的には全熱交換効率が高いが、寒冷地においては冬期の室内外温度差が大きく、素子内部において結露や着霜が生じる可能性が高いため、特別な霜対策を講じていない限りは熱交換素子１のような顕熱交換素子を選択した方がよい。

本発明にかかる熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器は、熱交換効率の高い空気対空気の熱交換を可能とするものであるので、熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器等として有用である。

１熱交換素子
２伝熱板
３リブ
４排気風路
５給気風路
６排気風路４と給気風路５の高さ
７波の間隔
８波の高さ
９熱交換素子
１０透湿膜
１１リブ
１２排気風路
１３給気風路
１４排気と給気が対向する領域
１５熱交換型換気機器
１６給気ファン
１７排気ファン
１９給気吸込み口
２０給気吹出し口
２１排気吸込み口
２２排気吹出し口
１０１熱交換素子
１０２伝熱板
１０３間隔保持材
１０４排気風路
１０５給気風路
１０６給気風路１０５側の長さ
１０７排気風路１０４側の長さ

Claims

間隔を保持する間隔保持手段を備えた複数の伝熱手段を積層して排気風路と給気風路を１層ずつ交互に構成する熱交換素子において、前記排気風路の少なくとも一部および前記給気風路の少なくとも一部がいずれも進行方向に沿って波形である熱交換素子。
前記伝熱手段が、ある方向とそれに直角な方向の両方に対して山と谷を繰り返す形状である請求項１に記載の熱交換素子。
排気と給気が対向する領域において、前記伝熱手段が前記排気風路と前記給気風路の進行方向に沿って波形である請求項１に記載の熱交換素子。
前記排気風路と前記給気風路の部位ごとの高さがそれぞれ略一定である請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換素子。
請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換素子を用いた熱交換型換気機器。