JP2013217542A

JP2013217542A - 対向流型熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器

Info

Publication number: JP2013217542A
Application number: JP2012087098A
Authority: JP
Inventors: Takuya Murayama; 拓也村山; Hiroyuki Kondo; 広幸近藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】対向流型熱交換素子は圧力損失を増大させずに伝熱板のたわみを抑制することができるため、熱交換型換気機器の送風手段の消費電力低減を目的とする。
【解決手段】対向流型熱交換素子１１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１４と給気風路１５を１層ずつ交互に構成し、排気風路１４を流通する排気流１と給気風路１５を流通する給気流２とが、両端部で直交または斜交し、この両端部の間の中央部で対向し、中央部の排気風路１４および給気風路１５が並行で波形の構成のため、圧力損失を増大させずに伝熱板のたわみを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対向流型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、排気流と給気流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排気流と給気流の間で熱交換を行うものであり、熱交換素子の熱交換効率が高いほど排出空気から多くの熱を回収することができる。また、省エネルギーの観点から、熱交換型換気機器の送風機の消費電力を低減するため、熱交換素子の低圧力損失化も重要となる。これまで熱交換素子の熱交換効率向上や低圧力損失化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し、圧力損失は低下する。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。したがって、熱交換素子の容積を小さく保ちながら熱交換効率の向上と圧力損失の低減の両立を図る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、排気流と給気流が伝熱板を介して対向して熱交換する対向流型熱交換素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その対向流型熱交換素子について図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は従来の対向流型熱交換素子１０１の外観を示す斜視図であり、図６（ｂ）は対向流型熱交換素子１０１から伝熱板１０３を除いた間隔リブ１０２を示す平面図である。

図６（ａ）に示すように、対向流型熱交換素子１０１は間隔を保持する間隔リブ１０２を備えた複数の六角形の伝熱板１０３を積層して排気風路１０４と給気風路１０５を１層ずつ交互に構成し、排気風路１０４を流通する排気流１０６（図中の実線矢印）と給気風路１０５を流通する給気流１０７（図中の破線矢印）とが、排気風路１０４および給気風路１０５の両端部で斜交し、この両端部の間の中央部で対向するように構成し、特に中央部の風路は、間隔リブ１０２を波形状にすることにより、一定容積内で排気風路１０４と給気風路１０５の流路を長くすることで熱交換効率を向上させている。

特開平８−１２１９８６号公報

このような従来の対向流型熱交換素子は、理論的熱交換効率が高い対向流方式の構成に加え、中央部の風路は、間隔リブ１０２を波形状にすることにより、一定容積内で排気風路１０４と給気風路１０５の流路を長くすることで熱交換効率を向上させている。ここで圧力損失に注目すると、図６（ｂ）から分かるように排気風路１０４と給気風路１０５が斜交する両端部では、伝熱板１０３は上下の間隔リブ１０２によって井形状に保持されているため、排気風路１０４と給気風路１０５にそれぞれ排気流１０６および給気流１０７を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱板１０３はたわむことが少なく、圧力損失の増大を抑制することができる。一方、排気風路１０４と給気風路１０５が対向する中央部では、伝熱板１０３を保持する間隔リブ１０２の間隔が広いため、気流の圧力によって伝熱板１０３がたわむことにより、排気風路１０４および給気風路１０５の開口面積が減少し、圧力損失が増大する構成となっている。

そこで、対向流型熱交換素子の中央部の伝熱板１０３のたわみを抑制する構成として図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は従来の対向流型熱交換素子１０１の排気風路１０４および給気風路１０５の中央部の伝熱板１０３のたわみを抑制する対向流型熱交換素子１０１ａの平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）Ｆ−Ｆ断面図である。なお、図７（ａ）は対向流型熱交換素子１０１ａの内部構成が理解しやすいように伝熱板１０３を除いた図とし、図７（ｂ）は排気風路１０４および給気風路１０５の断面部を理解しやすいように伝熱板１０３を点線と斜線で示した図としている。

図７（ａ）に示すように、対向流型熱交換素子１０１ａは排気風路１０４および給気風路１０５の中央部の風路の中に、中央部の伝熱板１０３のたわみを抑制するため、格子状の補強手段１０８を備えた構成である。図７（ａ）は補強手段１０８を１つ設けたが、伝熱板１０３のたわみの大きさや対向流型熱交換素子１０１ａの中央部の大きさによって、適宜補強手段１０８の個数を設定すれば良い。補強手段１０８を備えたことで、排気風路１０４と給気風路１０５にそれぞれ排気流１０６および給気流１０７を流通させた場合も、気流の圧力で中央部の伝熱板１０３はたわむことが少なくなり、伝熱板１０３のたわみに起因した圧力損失の増大を抑制することができる。

しかし、図７（ｂ）に示すように補強手段１０８は排気風路１０４と給気風路１０５の内部にあるため、補強手段１０８自体が抵抗となり、更に排気流１０６および給気流１０７が補強手段１０８を通過する際に急縮小と急拡大となり、気流の圧力損失が増大する。

このように対向流型熱交換素子において、排気風路１０４を流通する排気流１０６と給気風路１０５を流通する給気流１０７が対向する中央部において、圧力損失を増大させずに伝熱板１０３のたわみを抑制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、排気風路を流通する排気流と給気風路を流通する給気流が対向する中央部において、圧力損失を増大させずに伝熱板のたわみを抑制する対向流型熱交換素子を提供することを目的とする。また、この対向流型熱交換素子を用いることで熱交換型換気機器の送風手段の消費電力の低減を図り、省エネ効果のある熱交換型換気機器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層ずつ交互に構成し、前記排気風路を流通する排気流と前記給気風路を流通する給気流とが、前記排気風路および前記給気風路の両端部で直交または斜交し、この両端部の間の中央部で対向する対向流型熱交換素子であって、前記対向流型熱交換素子は前記中央部の前記排気風路および前記給気風路が並行で波形とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、対向流型熱交換素子は中央部の排気風路および給気風路が並行で波形とする構成にしたことにより、排気風路を流通する排気流と給気風路を流通する給気流が対向する中央部において、圧力損失を増大させずに伝熱板のたわみを抑制することができるという効果を得ることができる。

また、本発明の請求項１から３のいずれか一項に記載の対向流型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、熱交換型換気機器の送風手段の消費電力を低減することができ、省エネ効果のある熱交換型換気機器を提供す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の熱交換型換気機器の構成を示す概念図同対向流型熱交換素子１１の外観を示す斜視図（ａ）同対向流型熱交換素子１１を分解した排気風路側の平面図、（ｂ）同対向流型熱交換素子１１を分解した給気風路側の平面図同対向流型熱交換素子１１から伝熱板１２を除いた平面図（ａ）本発明の実施の形態２の対向流型熱交換素子１１ａの構成を示す平面図、（ｂ）同対向流型熱交換素子１１ｂの構成を示す平面図（ａ）従来の対向流型熱交換素子１０１の外観を示す斜視図、（ｂ）同対向流型熱交換素子１０１から伝熱板１０３を除いた平面図（ａ）従来の対向流型熱交換素子１０１ａから伝熱板１０３を除いた平面図、（ｂ）同対向流型熱交換素子１０１ａの中央部の排気風路１０４と給気風路１０５の各１層の形状を示すＦ−Ｆ断面図

本発明の請求項１記載の対向流型熱交換素子は、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層ずつ交互に構成し、前記排気風路を流通する排気流と前記給気風路を流通する給気流とが、前記排気風路および前記給気風路の両端部で直交または斜交し、この両端部の間の中央部で対向する対向流型熱交換素子であって、前記中央部の前記排気風路および前記給気風路が並行で波形であるという構成を有する。これにより、排気風路と給気風路が直交または斜交する両端部では、伝熱手段は上下の間隔保持手段によって井形状に保持される構成のため、排気風路と給気風路にそれぞれ排気流および給気流を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱手段はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱手段のたわみを抑制することができるという効果を奏する。また、排気風路と給気風路が対向する中央部では、排気風路および給気風路を並行で波形としたことで、特別な部材を用いなくても伝熱手段は上下の間隔保持手段よって略井形状に保持される構成のため、排気風路と給気風路にそれぞれ排気流および給気流を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱手段はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱手段のたわみを抑制することができるという効果を奏する。

また、前記中央部において、一層ごとに波形が逆向きであるという構成を有する。これにより、排気風路と給気風路が対向する中央部では、排気風路と給気風路は一定の開口面積を維持した構成にすることができるので、気流の急縮小や急拡大がなく圧力損失の増大を抑制することができるという効果を奏する。

また、前記中央部において、逆向きの波形の頂点部同士または前記逆向きの波形の頂点部を含む周辺部が重なり合うという構成を有する。これにより、特別な部材を用いなくても伝熱手段は上下の間隔保持手段によって井形状に保持される構成のため、排気風路と給気風路にそれぞれ排気流および給気流を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱手段はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱手段のたわみを抑制することができるという効果を奏する。更に排気風路と給気風路が対向する中央部では、排気風路の波形の間隔保持手段の頂点部と給気風路の波形の間隔保持手段の頂点部が重なり合う構成または逆向きの波形の頂点部を含む周辺部が重なり合う構成にすることで、上下の間隔保持手段が接触しているため、積層の上下方向の強度を向上することができるという効果を奏する。

また、本発明の請求項１から３のいずれか一項に記載の対向流型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、理論的熱交換効率が高い対向流方式の対向流型熱交換素子の搭載により、建物の換気による空調負荷を低減する効果が高く、更に圧力損失を増大させずに対向流型熱交換素子の伝熱手段のたわみを抑制することで低圧力損失化が図れるため、熱交換型換気機器の送風手段の消費電力を低減することができ、省エネ効果のある熱交換型換気機器を提供することができ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）
図１は熱交換型換気機器の構成を示す概念図である。図１に示すように、熱交換型換気機器は、排気流、給気流の送風路と、排気流、給気流を送風する送風手段と、排気流と給気流の間で熱交換する対向流型熱交換素子で構成されている。

排気流１（図中の実線矢印）、給気流２（図中の破線矢印）の送風路には、内気（ＲＡ）を導入する内気口３から屋外に排気（ＥＡ）する排気口４にかけての排気送風路５と、外気（ＯＡ）を導入する外気口６から室内に給気（ＳＡ）を吹き出す給気口７にかけての給気送風路８と、排気送風路５に内気口３から排気口４に向かう排気流１を発生させる排気送風手段９と、給気送風路８に外気口６から給気口７に向かう給気流２を発生させる給気送風手段１０と、排気送風路５と給気送風路８が交差する位置に、排気送風路５を流通する排気流１と給気送風路８を流通する給気流２との間で熱交換する対向流型熱交換素子１１が設けられている。

ここで対向流型熱交換素子１１の構成について図２、図３、図４を用いて説明する。

図２は対向流型熱交換素子１１の外観を示す斜視図であり、図３（ａ）は対向流型熱交換素子１１を分解した時の排気風路側の平面図であり、図３（ｂ）は対向流型熱交換素子１１を分解した時の給気風路側の平面図であり、図４は対向流型熱交換素子１１から伝熱板を除いた平面図である。

図２および図３に示すように、対向流型熱交換素子１１は伝熱手段としての外形が略六角形の伝熱板１２と、伝熱板１２どうしの間隔を保持する間隔保持手段としての間隔リブ１３を備え、これらが排気風路１４と給気風路１５を１層ずつ交互に構成している。積層数は対向流型熱交換素子１１を搭載する熱交換型換気機器の大きさや風量によって決定される。

伝熱板１２は排気流１と給気流２の間で熱交換する役割を持つものであり、温度だけを交換するときは伝熱板１２にアルミニウムや銅などの金属や樹脂を用い、温度と湿度を交換するときは伝熱板１２に紙や透湿膜などを用い、目的に応じて適宜選択して良い。

間隔リブ１３は樹脂や金属で構成される。特に間隔リブ１３は伝熱板１２を金型内に挿入し、樹脂によるインサート射出成形による一体成形で形成すると良い。

図３に示すように、排気風路１４を流通する排気流１と給気風路１５を流通する給気流２とは、排気風路１４および給気風路１５の両端部（図３のＢ部およびＤ部：以降省略）では直交または斜交し、この両端部の間の中央部（図３のＣ部：以降省略）で対向する対向流型の熱交換素子である。なお、この明細書における両端部は図３のＢ部およびＤ部の範囲を指し、中央部は図３のＣ部を指す。中央部の排気風路１４および給気風路１５は並行で波形であり、一層ごとに波形が逆向きに構成されている。本実施の形態１の対向流型熱交換素子１１は、図３（ａ）の対向流型熱交換素子１１を分解した時の排気風路側の平面図と、図３（ｂ）の対向流型熱交換素子１１を分解した時の給気風路側の平面図とがＡ−Ａ線に対して、線対称の関係となる構成である。

図４は対向流型熱交換素子１１の内部構成が理解しやすいように伝熱板１２を除いた平面図である。図４に示すように、排気風路１４と給気風路１５が直交または斜交する両端部では、伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって井形状に保持される構成である。また、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４および給気風路１５を並行で波形とし、一層ごとに波形が逆向きに構成したことで、伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって略井形状に保持される構成である。

上記のように構成された熱交換型換気機器および対向流型熱交換素子の作用と効果について、以下に説明する。

図１に示すように熱交換型換気機器において、排気流１は排気送風手段９の運転により、内気（ＲＡ）を内気口３から導入し、排気送風路５を通り、対向流型熱交換素子１１の排気風路１４を通過する時に、対向流型熱交換素子１１の給気風路１５を通過する給気流２と熱交換した後、排気口４から屋外に排出される。一方、給気流２は給気送風手段１０の運転により、外気（ＯＡ）を外気口６から導入し、給気送風路８を通り、対向流型熱交換素子１１の給気風路１５を通過する時に、対向流型熱交換素子１１の排気風路１４を通過する排気流１と熱交換した後、給気口７から室内に給気される。

対向流型熱交換素子１１は理論的熱交換効率が高い対向流方式の構成に加え、中央部の排気風路１４と給気風路１５は、間隔リブ１３を波形状にすることにより、一定容積内で排気風路１４と給気風路１５の流路を長くすることで熱交換効率を向上させている。

そして、図４に示すように、排気風路１４と給気風路１５が直交または斜交する両端部では、伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって井形状に保持される構成のため、排気風路１４と給気風路１５にそれぞれ排気流１および給気流２を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱板１２はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱板１２のたわみを抑制することができる。また、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４および給気風路１５を並行で波形とし、一層ごとに波形が逆向きに構成したことで、特別な部材を用いなくても伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって略井形状に保持される構成のため、排気風路１４と給気風路１５にそれぞれ排気流１および給気流２を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱板１２はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱板１２のたわみを抑制することができる。

更に排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４と給気風路１５は一定の開口面積を維持した構成のため、気流の急縮小や急拡大がなく圧力損失の増大を抑制することができる。

このように熱交換型換気機器は、理論的熱交換効率が高い対向流方式の対向流型熱交換素子の搭載により、建物の換気による空調負荷を低減する効果が高く、更に圧力損失を増大させずに対向流型熱交換素子の伝熱板のたわみを抑制することで低圧力損失化が図れるため、熱交換型換気機器の送風手段の消費電力を低減することができ、省エネ効果のある熱交換型換気機器を提供することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図５を用いて説明する。図５ａは対向流型熱交換素子１１ａの構成を示す平面図であり、図５ｂは対向流型熱交換素子１１ｂの構成を示す平面図である。なお、対向流型熱交換素子１１ａおよび対向流型熱交換素子１１ｂの内部構成が理解しやすいように伝熱板１２を除いた平面図としている。

実施の形態１と同一部分は同一番号とし、同一の作用効果を有するものとし、詳細な説明は省略する。

図５ａに示すように、対向流型熱交換素子１１ａは中央部において、逆向きの波形の頂点部同士が重なり合う構成としたものである。すなわち、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４の波形の間隔リブ１３の頂点部と給気風路１５の波形の間隔リブ１３の頂点部が重なり合う構成となる。

次に図５ｂに示すように、対向流型熱交換素子１１ｂは中央部において、逆向きの波形の頂点部を含む周辺部が重なり合う構成としたものである。すなわち、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４の波形の間隔リブ１３の頂点部を含む周辺部と給気風路１５の波形の間隔リブ１３の頂点部を含む周辺部が重なり合う構成となり、図５ｂの斜線部Ｅに該当する部分が重なり合う。

上記のように構成された対向流型熱交換素子の作用と効果について、以下に説明する。

図５ａに示すように対向流型熱交換素子１１ａにおいて、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４および給気風路１５を並行で波形とし、一層ごとに波形が逆向きに構成し、更に逆向きの波形の頂点部同士が重なり合う構成としたことで、特別な部材を用いなくても伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって井形状に保持される構成のため、排気風路１４と給気風路１５にそれぞれ排気流１および給気流２を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱板１２はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱板１２のたわみを抑制することができる。

更に排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４の波形の間隔リブ１３の頂点と給気風路１５の波形の間隔リブ１３の頂点が重なり合う構成にすることで、上下の間隔リブ１３が接触しているため、積層の上下方向の強度を向上することができる。

また、図５ｂに示すように対向流型熱交換素子１１ｂにおいて、排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４および給気風路１５を並行で波形とし、一層ごとに波形が逆向きに構成し、更に逆向きの波形の頂点部を含む周辺部が重なり合う構成としたことで、特別な部材を用いなくても伝熱板１２（図中は削除）は上下の間隔リブ１３によって略井形状に保持される構成のため、排気風路１４と給気風路１５にそれぞれ排気流１および給気流２を流通させた場合も、気流の圧力で伝熱板１２はたわむことが少なく、圧力損失を増大させずに伝熱板１２のたわみを抑制することができる。

更に排気風路１４と給気風路１５が対向する中央部では、排気風路１４の波形の間隔リブ１３の頂点部を含む周辺部と給気風路１５の波形の間隔リブ１３の頂点部を含む周辺部が重なり合う構成にすることで、上下の間隔リブ１３が接触しているため、積層の上下方向の強度を向上することができる。

本発明にかかる対向流型熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器は、圧力損失を増大させずに伝熱板のたわみを抑制することができるので、熱交換型換気機器の送風手段の消費電力低減を可能とするものであるので、省エネ効果のある対向流型熱交換素子とそれを用いた熱交換型換気機器として有用である。

１排気流
２給気流
３内気口
４排気口
５排気送風路
６外気口
７給気口
８給気送風路
９排気送風手段
１０給気送風手段
１１、１１ａ、１１ｂ対向流型熱交換素子
１２伝熱板
１３間隔リブ
１４排気風路
１５給気風路

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層ずつ交互に構成し、前記排気風路を流通する排気流と前記給気風路を流通する給気流とが、前記排気風路および前記給気風路の両端部で直交または斜交し、この両端部の間の中央部で対向する対向流型熱交換素子であって、前記中央部の前記排気風路および前記給気風路が並行で波形であることを特徴とする対向流型熱交換素子。
前記中央部において、一層ごとに波形が逆向きであることを特徴とする請求項１に記載の対向流型熱交換素子。
前記中央部において、逆向きの波形の頂点部同士または前記逆向きの波形の頂点部を含む周辺部が重なり合うことを特徴とする請求項２に記載の対向流型熱交換素子。
請求項１から３のいずれか一項に記載の対向流型熱交換素子を用いた熱交換型換気機器。