JP5905015B2 - 熱伝達および湿気伝達を改良した二重空気流交換器 - Google Patents

Description

本発明は、交換器中を通過する２つの空気流間の熱伝達および湿気伝達を可能とする種類の二重空気流交換器の分野に関する。この二重伝達を実現する、このような交換器はまた、「全熱交換器」または「エンタルピ交換器」としてもよく知られている。

本発明は、好ましくは、住宅、および第３次産業建築物用途の空気処理および空気調節システムの分野に適用される。こうした用途では、交換器は、汚れた空気流と新鮮な空気流との間の熱伝達を保証するとともに、これらの２つの空気流間の、湿度がより高い媒体からより乾燥した媒体への湿気伝達をも保証する。

本発明は、他の技術分野の用途、例えば冷熱または熱回収分野における用途にも使用される。

このような交換器が、従来技術で広く知られている。しかしながら、熱伝達および湿気伝達の効率性の点でこれらの交換器を最適化することが求められている。

本発明は、２つの空気流間の熱伝達および湿気伝達を可能とし、積層方向に沿って互いに積層され、かつ水蒸気は透過するが空気は透過しない膜によって対にして分離された複数の空気循環網（air circulation networks）を備える二重空気流交換器を開示することによって、上記の要望を満たすものである。本発明によれば、前記空気循環網の少なくとも１つは、２側面が前記膜の２つに接しているハニカム構造体から作製され、前記ハニカム構造体は、軸が前記積層方向に平行な円筒セルを有し、これらのセルを形成している面の少なくともいくつかは、通気が可能なように穿孔されている。

本発明は、ハニカム構造体、および交換器内でのハニカム構造体のセルの向きを選択することによって、２つの空気流間の熱伝達を最適化することが可能となることを特徴とする。セルを多角形、好ましくは六角形とすることによって、セル面で構成される二次交換表面が増大する。この二次表面は、いわゆる「フィン（fin）」効果を引き起こし、しかも、これらのセル面のいくつかが穿孔されていない場合には、この効果はさらに増大する。また、セルの形状が多角形であるため、流体の再循環が生じ、それによって空気流と膜との間の対流交換が最適化される。この再循環は、直面する要望に応じて、穿孔すべきセル面、および穿孔せずに残しておくべきセル面を慎重に選択することによって適合させることができる。例えば、ハニカム構造体内に設ける穿孔は、空気流が構造体中を数回通過した後に構造体から抜け出ることが可能となるように設計することができる。もう１つの例として、ハニカム構造体内に空気流分散ゾーン、および／または空気流収集ゾーンを形成することがある。

ハニカム構造体は、熱伝導をさらに高めるために、好ましくは金属製である。

本発明はまた、膜の大部分を有効に保つことによって、２つの空気流間の湿気伝達を促進していることを特徴とする。水蒸気は透過するが空気は透過しない膜はそれぞれ、その関連する構造体のセルの縁部としか接触せず、したがって水蒸気の伝達に重要となる有用な表面が残ることになる。

また、前記交換器の機械的強度についても、ハニカム構造体を使用し、かつハニカム構造体のセルを特定の向きとしているため、非常に満足のいくものである。

好ましくは、前記交換器は、交換器内部の空気循環が、並流、交差流、またはより好ましくは対向流で行われるように構成されている。

好ましくは、前記膜は、ポリマー材料、または紙から作製される。

好ましくは、前記空気循環網はそれぞれ、ハニカム構造体から作製される。しかしながら、本発明の範囲から逸脱せずに、その他の形も可能である。

好ましくは、前記空気循環網の少なくとも１つは、積層方向に沿って隣接して連続する空気循環網の少なくとも１つのセル軸からずれたセル軸を有する。このようにすると、交換器の機械的強度がさらに補強される。この点において、ハニカム構造体は、好ましくは交換器内で積層方向に沿って互い違いに配置される。

最後に、本発明のもう１つの目的は、上述のような交換器を備える空気処理および空気調節システムである。

本発明の他の利点および特徴は、以下に示す非限定的な詳細な説明を読めば明確となるであろう。

この説明は、添付の図面を参照しながら行うこととする。

本発明による二重空気流交換器を備える空気処理および空気調節システムの概略正面図である。 図１に示した交換器をより詳細に示す概略斜視図である。 図２中の平面Ｐ２に沿った、交換器の空気循環網の一部の断面図である。 図２中の平面Ｐ１に沿った、交換器の一部の断面図である。 図２から図４に示した交換器の一部の斜視図である。 交換器の空気循環網を形成しているセルの１つの斜視図である。 交換器の異なる実施形態の、図２と同様の図である。

図１を参照すると、同図は、建物１０２に取り付けられた空気処理および空気調節システム１００を示す。このシステム１００は、特に、本発明に特有の二重空気流交換器１を備える。この場合、交換器１は、建物１０２から出る汚れた空気流Ａと、この建物に入る新鮮な空気流Ｂとの間の熱伝達を保証する。言い換えれば、建物１０２内の空気を入れ換えることに加えて、システム１００は、その熱交換器１によって、住宅から排出される汚れた空気流Ａから熱または冷気を回収し、入って来る新鮮な空気流Ｂにその熱または冷気を供給する。したがって、システム１００は、建物１０２の暖房または空気調節にかかるエネルギーの浪費を防止する。

例えば、汚れた空気流Ａの温度が、建物を出る前に２２℃であり、新鮮な空気流Ｂの温度が、建物に入る前に０℃である場合がある。交換器内での熱伝達後、空気流Ｂは、建物に入る際に交換器からの出口で２０℃に達することがあり、空気流Ａの温度は、交換器および建物から出る際に２℃まで冷却することができる。

システム１００は、図１に概略的に示した、空気流Ａおよび空気流Ｂを循環させる２つのファン１０４によって完成する。

交換器１はまた、これら２つの空気流ＡとＢとの間の、湿度が最も高い媒体から最も乾燥した媒体への湿気伝達を実現するように設計されている。したがって、この交換器１は、全熱交換器またはエンタルピ交換器とみなされる。

図２では、交換器１は、積層方向４に沿って互いに積層された複数の空気循環網２ａ、２ｂを備えることが概略的に分かる。空気循環網２ａ、２ｂは、交互に配置され、図２中、矢印で概略的に示されるように、汚れた空気流Ａ、および入って来る新鮮な空気流Ｂをそれぞれ循環させるように設計されている。前記交換器は対向流交換器であり、すなわち、空気循環網２ａ内の空気流方向Ａは、空気循環網２ｂ内の空気流方向Ｂとは実際、逆である。

水蒸気は透過するが空気は透過しないポリマー膜６が、方向４に沿って互いに隣接して連続（directly consecutive）する空気循環網２ａと空気循環網２ｂとの間に設けられている。したがって、２つの空気流ＡとＢとの間の湿気伝達は、これらの空気循環網を対にして分離する膜６を介して行われる。

したがって、空気循環網２ａと空気循環網２ｂとの間に挿入された膜６は、これらの空気循環網によって支持されている。積層体の全体は、ケージまたは外被８内に挿入され、それによって耐漏洩性を実現し、空気循環網２ａと空気循環網２ｂとの間の連通が防止されている。

図３から図６は、膜６および空気循環網２ａ、２ｂの積層体の設計をさらに詳細に示している。

全体として、各空気循環網２ａ、２ｂは、金属製のハニカム構造体から作製され、このハニカム構造体内では、断面が六角形の円筒セル１０が、積層方向４に平行な軸１２を有する。したがって、図４および図５から分かるように、セル１０の頂面縁部と底面縁部とだけが膜６と接触している。

さらに、構造体２ａ、２ｂ中に空気流を循環させることが可能となるように、セルを形成している面のうち、セル軸１２に直交する面の少なくとも一部を穿孔する。これらの穿孔１４は、全ての面に、またはいくつかの面だけに設けられ、好ましくは、当該面の中央に矩形の形で配置される。各穿孔１４の表面積は、その穿孔１４が作製されるセル面の表面積の４０％から７５％の間とすることができる。

したがって、図３中、矢印Ａで概略的に示すように、汚れた空気流Ａは、あるセルから次のセルへと穿孔１４を通過しながら構造体２ａ中を蛇行して通った後に、構造体２ａから抜け出ることができる。自明のように、同じことが、ハニカム構造体２ｂを通過する新鮮な空気流Ｂについても言える。一般に、この構成によって、２つの空気流ＡとＢとの間の熱伝達および水蒸気伝達が向上する。

また、積層体の機械的強度についても、特にハニカム構造体を使用しているため、非常に満足のいくものである。さらに、これらの構造体２ａ、２ｂは、互いに隣接して連続する構造体２ａ、２ｂのセル軸１２が一致しないように、好ましくは互いにずれている。例えば、積層方向４に沿って互い違いの配置が選択され、その場合、全ての構造体２ａは同じ位置になり、すなわち構造体２ａのセル軸１２は互いに一致することを意味し、また、構造体２ｂも全て同じ位置になり、構造体２ｂのセル軸１２もやはり互いに一致することを意味する。しかしながら、図５から分かるように、各構造体２ａは、積層方向４に沿って隣接して連続する構造体２ｂから、この積層方向４に直交する平面方向に沿ってずれている。このずれは、セルの半幅と同一の間隔、またはセルの半幅近くとすることができる。

本発明は、穿孔すべきセル面、および残しておくべきセル面を慎重に選択することによって、構造体２ａ、２ｂそれぞれの内部での空気流循環に対する完全な制御を実現する。例えば、図７の他の実施形態では、空気流分散ゾーン、および空気流収集ゾーンが、各ハニカム構造体２ａ、２ｂ内に形成されている。

各構造体２ａに関して、この構造体は、空気流Ａの入口縁部付近に位置するいくつかのセル、およびこの空気流Ａの出口縁部付近に位置するいくつかのセルを除いて、セル１０の各面に穿孔を有する。

上側構造体２ａの入口縁部の右半分だけが、空気流Ａが構造体内に入る入口として設計され、図７の灰色で示す他方の半分は閉じている。さらに、やはり図７の灰色で示すセルのいくつかの面は、空気流Ａの分散ゾーン１８を形成するように穿孔されていない。これらの面は、上面図から分かるように、入口縁部を二分割した間の接合部から始まり、空気流Ａの全体的な方向に沿って左方に延びる線２０を形成する。したがって、分散ゾーン１８に沿った空気流は、構造体の半幅から、気密線２０によって案内されながら構造体の全幅へと徐々に広がっていく。

さらに、上側構造体２ａの出口縁部の左半分だけが、空気流Ａが構造体から出る出口として設計され、図７に灰色で示す他方の半分は閉じている。さらに、やはり図７に灰色で示すセルのいくつかの面は、空気流Ａの収集ゾーン２２を形成するように穿孔されないまま残っている。これらの面は、上面図から分かるように、出口縁部を二分割した間の接合部から始まり、空気流Ａとは逆方向に沿って右方に延びる線２４を形成する。したがって、収集ゾーン２２を進む空気流は、構造体の全幅から、気密線２４によって案内されながら構造体の半幅へと徐々に狭まっていく。

この構成は、好ましくは全ての構造体２ａについて採用され、構造体２ｂは、逆の構成を採用するように設計される。したがって、図７に見えている空気流Ａの入口は、積層体の全高さにわたって積層体の右半分に設けられ、空気流Ａの出口は、積層体の全高さにわたって積層体の左半分に設けられる。同様に、対向流の空気流Ｂの入口も、積層体の全高さにわたって積層体の右半分に設けられ、空気流Ｂの出口は、積層体の全高さにわたって積層体の左半分に設けられる。

したがって、交換器１の正面は、右半分が特に空気流Ａの入口用であり、かつ左半分が特に空気流Ｂの出口用であり、一方、交換器の背面は、右半分が空気流Ｂの入口専用であり、かつ左半分が空気流Ａの出口専用である。

指針として、ハニカム構造体２ａ、２ｂの製造は、アルミニウムまたは別の金属で作製されたプレート／シートを用い、プレス機によって波形加工してから、互いに溶接してセルを形成する、一般的なものとすることができることに留意されたい。その場合、面の穿孔は、好ましくは、プレス段階の前に、金属シートを、例えばレーザ切断、ウォータジェット切断、さらには打抜きによって切断することによって形成される。

自明のように、当業者であれば、単なる非限定的な例として説明してきた本発明に様々な改変を行うことができる。

１ 二重空気流交換器
２ａ、２ｂ 空気循環網（ハニカム構造体）
４ 積層方向
６ ポリマー膜
８ ケージまたは外被
１０ 円筒セル
１２ セル軸
１４ 穿孔
１８ 分散ゾーン
２０、２４ 気密線
２２ 収集ゾーン
１００ 空気処理および空気調節システム
１０２ 建物
１０４ ファン
Ａ 汚れた空気流
Ｂ 新鮮な空気流

Claims (7)

1. ２つの空気流間の熱伝達および湿気伝達を可能とし、積層方向（４）に沿って互いに積層され、かつ水蒸気は透過するが空気は透過しない膜（６）によって対にして分離された複数の空気循環網（２ａ、２ｂ）を備える二重空気流交換器（１）において、
   前記空気循環網（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つが、２側面が前記膜（６）の２つに接しているハニカム構造体から作製され、前記ハニカム構造体が、軸（１２）が前記積層方向（４）に平行な円筒セル（１０）を有し、前記円筒セル（１０）を形成している面の少なくともいくつかが、通気が可能なように穿孔されており、
   前記空気循環網（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つが、前記積層方向（４）に沿って隣接して連続する前記空気循環網（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つのセル軸（１２）からずれたセル軸（１２）を有することを特徴とする二重空気流交換器。
2. 前記円筒セル（１０）の断面が六角形であることを特徴とする請求項１に記載の二重空気流交換器。
3. 前記二重空気流交換器の内部の空気循環が、並流、交差流、または対向流で行われるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の二重空気流交換器。
4. 前記膜（６）が、ポリマー材料、または紙から作製されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二重空気流交換器。
5. 前記空気循環網（２ａ、２ｂ）がそれぞれ、ハニカム構造体から作製されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の二重空気流交換器。
6. 前記各ハニカム構造体が、金属製であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の二重空気流交換器。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の二重空気流交換器（１）を備える空気処理および空気調節システム（１００）。

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