专利名称：全热交换元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全热交换元件，该全热交换元件在以交叉的方式形成在层叠的板材间的第1流路和第2流路中分别使例如空气等第1流体和第2流体流通，在两流体间进行全热交换。
背景技术：
在这样的全热交换元件中，以往，例如如专利文献1所公开的那样，通常设置隔在两流体间的隔开构件和保持该隔开构件间的间隔的间隔保持构件。隔开构件具有透湿性， 其作为介质在两流体间同时进行显热(温度)和潜热(湿度)的热交换。对于这样的全热交换元件，其目的在于流体的全热交换，因此希望元件具有大的换热量。在全热交换元件的情况下，与一般的换热器(仅进行显热的交换)相比，换热量增加潜热的交换热量的量，效果明显。全热交换元件具有叉流式和逆流式两种类型。叉流式与逆流式相比，在理论上每单位体积的换热量少，但不需要逆流式在构造方面必需的端板(header)(将进行全热交换的两流体分割并引导向全热交换元件流路的部分)，因此具有如下优点安装到装置的实际体积小，而且元件自身的加工也容易等。考虑增加这样的叉流式的全热交换元件的换热量，以往，例如如专利文献2的以往例所公开的那样，具有如下例子通过将间隔保持构件形成为波纹散热片状，使其具有散热片的作用从而增加换热量。但是，为了提高性能而例如如专利文献2那样通过改变散热片的折回来增加流路内的散热片的面积，在该情况下，由于散热片自身的体积而使流路变窄，因此流体通过时的压力损失变大。另外，散热片具有显热交换的效果，但没有潜热交换的效果，由于散热片和隔开构件接触反而减少了潜热的交换面积。因此在全热交换元件的情况下，特别是在利用散热片的换热量的改善方面存在界限。对此，考虑作为换热量增加用的形状，如专利文献3 5那样提出了如下方法通过取代散热片而设置突起等来使流动发生变化，从而改善隔开构件表面的热导率，实现增加换热量。此外，如专利文献6 8所公开的那样提出了如下方法通过变更流路形状来增加每单位体积的传热面积，从而实现换热量的增加。
日本特开平4-24492号公报日本实开平1-178471号公报日本实开平3-21670号公报日本专利第3805665号公报日本特开2008-232592号公报日本实开昭58-165476号公报日本专利第3546574号公报日本实开平5-52567号公报专利文献1
专利文献2
专利文献3
专利文献4
专利文献5
专利文献6
专利文献7
专利文献8
但是，关于隔开构件表面的热导率的改善，特别是在换气用全热交换元件中，相对于流体的流量，管路直径小，成为管路内的雷诺数与其他的换热器相比较低的(大致100 1000左右)层流状态的情况较多，而且在该区域中使流体的流动自身发生变化所带来的热导率的改善效果较小。因此，散热片、突起特别是在低雷诺数的区域中，与传热量的改善相比，压力损失增加的问题变大。压力损失的增加会导致用于向全热交换元件输送流体的动力装置的消耗能量增大，因此不优选。因此，希望有一种其他的方法、即增加每单位体积的传热面积的方法。但是，在以往的增加该传热面积的方法中也存在如以下那样的问题。图8是表示在流路中产生死水区域的状态的概略剖视图。以往，在谋求增加传热面积而形成的流路的凹凸形状中，有时会在凹部区域内产生死水区域(流体不沿隔开构件表面流动、停滞)D0，从表面上来看增加了传热面积，但实际上存在传热面积反而减少的情况。另一方面，近年来，在安装全热交换元件的设备设计中，为了应对各种技术课题， 而希望能够无限制地自由决定全热交换元件的外径尺寸。对此，如专利文献4、5所公开的那样，在采用将材料冲压加工形成为同一形状并对它们进行层叠的方法中，在全热交换元件的外形尺寸需要变更时，由于需要再次制作冲压模具，因此难以应对。此外，在如上述专利文献6 8所公开的实现增加每单位体积的传热面积的例子中，由于两流体通过的流路形状完全不同，因此等流量流动时的压力损失存在较大的差异。 在该情况下，对于如换气用换热器的全热交换元件等那样的进行温度不同的同种流体的热交换的元件而言，由于两流体大致等流量流动的情况较多，因此在安装元件的设备设计时， 例如必须使两流路的流体用动力装置的规格彼此不同等等，增加复杂性。因此，希望进行热交换的两流体的流路的压力损失尽可能相同，而且希望为相同的形状或相近的形状。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于取得一种全热交换元件，其不使用成为阻碍流动的主要因素的散热片、突起等，而且不会产生死水区域，能够增加每单位体积的传热面积，另外，进行显热(温度)和潜热(湿度)的热交换的两流体分别流经的交叉的两个方向的流路为压力损失相同的相同形状。而且，除此之外，本发明的目的还在于取得一种能够容易地进行外形尺寸的变更的全热交换元件。为了解决上述的课题并达到目的，在本发明的全热交换元件中，在以交叉的方式形成在层叠的板材间的第1流路和第2流路内，分别使第1流体和第2流体流通，在两流体间进行显热及潜热的交换，该全热交换元件的特征在于，第1流路为矩形截面的波状流路， 该矩形截面的波状流路通过使第1波状板材和第2波状板材隔开规定间隔地重叠并利用密封构件密封流体的行进方向两侧部而形成，其中，第1波状板材以朝向流体的行进方向在层叠方向上波动的方式形成为波状，且具有透湿性，第2波状板材形成为具有与该第1波状板材大致相同周期的波动的波状，且具有透湿性，第2流路为大致三角形截面的直行流路， 该大致三角形截面的直行流路在第1波状板材和第2波状板材中的任意一方的波状面上紧密固定并重叠具有透湿性的平板状板材而形成在两板材间。根据本发明的全热交换元件，所使用的板材的几乎全部面的两面使不同的流体流通，而且流路形状也成为不易产生死水区域的形状，所以几乎全部都成为有效的传热面积，结果，每单位体积的传热面积增加，元件的换热量增加。而且，在换热量与以往同等即可的情况下，相反地能够缩小元件的体积，因此还有助于节约资源。另外，由于第1波状板材、第 2波状板材及平板状板材采用具有透湿性的材料，因此不仅能够进行显热交换还能够进行潜热交换，从而取得能够使全热交换的换热量增加这样的效果。
图1是本发明的实施方式1的全热交换元件的立体图。图2是用于说明在各层的单位构成构件的流路内流通的流体的朝向的立体图。图3是表示在波状流路的流路高度过高时死水区域变多的例子的示意图。图4是表示在波状板材的顶部弯折时死水区域变多的例子的示意图。图5是表示在波状板材的顶部以适当的曲率弯曲时死水区域消失的例子的示意图。图6是本发明的实施方式2的全热交换元件的立体图。图7是本发明的实施方式3的全热交换元件的立体图。图8是流体不沿波状壁面流动时的流动示意图。图9是用于比较的以往的全热交换元件的立体图。附图标记说明11第1波状板材12第2波状板材13平板状板材14间隔保持构件20单位构成构件24、Ma、Mb 分隔壁31波状流路(第1流路)32直行流路(第2流路)101、102、103全热交换元件A第1流体B第2流体D0、D1、D2 死水区域
具体实施例方式以下，根据附图详细地说明本发明的全热交换元件的实施方式。另外，本发明并不限定于该实施方式。实施方式1图1是本发明的实施方式1的全热交换元件的立体图。为了使说明清楚而使用在图中图示的坐标轴来辅助性地说明方向，但并不限定于此。本实施方式的全热交换元件101 是通过使形成有流路的多个单位构成构件20逐个旋转90度并层叠多个而构成的。一个单位构成构件20由形成为波状的具有透湿性的两张波状板材(第1波状板材11及第2波状板材1 和具有透湿性的一张平板状板材13构成。像这样层叠多个由3张板材构成的单位构成构件20并且在层叠方向端部追加一张平板状板材13而做成全热交换元件101。首先，着眼于图1中最上层的单位构成构件20进行说明。第1波状板材11及第 2波状板材12成为大致正方形且具有相同周期的波动的波形，从一边朝向相对边(朝向Y 轴方向)在其厚度方向(层叠方向Z轴方向)上呈之字形截面地弯曲而形成为大致波状。 像这样形成的第1波状板材11及第2波状板材12在层叠方向(Z轴方向)上以离开规定距离(流路高度)的方式配置。第1波状板材11及第2波状板材12的大小被加工为俯视投影形状与平板状板材13 —致的大小。在第1波状板材11和第2波状板材12之间，以保持两者之间的距离为目的且以密封两者之间的两端部为目的，在流路的宽度方向两端部(X轴方向两端部)夹入有沿波形弯折成之字形的间隔保持构件14。为了防止流通的流体(本例的情况为空气)泄漏，间隔保持构件14气密地固定于第1波状板材11及第2波状板材12。这样，在第1波状板材11 及第2波状板材12中，成为流路的两侧部的部分通过间隔保持构件14在流路方向的整个长度范围内被密封，由此，在内部形成矩形截面的波状流路(第1流路)31。在第1波状板材11及第2波状板材12的层叠方向上，上下重叠有平板状板材 13 (上侧的一张平板状板材13为上述加设的一张平板状板材)。波状板材11、12的波形的顶点(棱线)和平板状板材13气密地固定，以防止流通的流体泄漏。由此，在第1波状板材11及第2波状板材12和平板状板材13之间形成了大致三角形截面的直行流路(第2 流路)32。如以上那样，在单位构成构件20中形成有波状流路31，其截面为矩形且相对于流体的行进方向在层叠方向上具有振幅；直行流路32，其与上述波状流路31正交，截面为大致三角形，且没有曲折地从入口直通到出口。并且，像这样构成的单位构成构件20以波的方向彼此交叉的方式逐个旋转90度地层叠有多个。在图1的例子中，在层叠方向(Z轴方向)上层叠有3个单位构成构件20。图2是用于说明在各层的单位构成构件20的流路内流通的流体的方向的立体图。 在图2中图示了与图1同样的结构，但由于过于复杂而省略了附图标记的记载。从图2的右侧沿X轴方向流通的第1流体A如图中的单点划线箭头所示那样，在从下方开始的第1、 3层的直行流路32和第2层的波状流路31内流通。另一方面，从图2的左侧沿Y轴方向流通的第2流体B在从下方开始的第1、3层的波状流路31和第2层的直行流路32内流通。 即，成为如下构造进行显热和潜热的热交换的第1流体A和第2流体B中的任意一方都同时通过波状流路31和直行流路32这两种不同的流路。并且，第1流体A和第2流体B以第1波状板材11、第2波状板材12及平板状板材13为具有透湿性的介质进行热交换。这样，进行热交换的流体流经的两个方向的流路均由波状流路31和直行流路32这两种流路形成，且成为相同的形状，因此能够在两个方向上具有大致相同的压力损失。图9是表示为了进行比较而示出的以往的全热交换元件的一例的立体图。图9的全热交换元件201通过交替层叠平板状的隔开构件213和截面被整形为波纹散热片形状的间隔保持构件(波纹散热片)211而构成。层叠方法为，通过使一张隔开构件213和一张间隔保持构件211如图9所示那样，以波形的凸部接触的方式重叠并利用粘接等方式固定来制作单位构成构件220，并以如下方式层叠该单位构成构件220，即，使隔开构件213和间隔保持构件211相交替，且间隔保持构件211的波形的开口部的开口方向交替成为大约90度(在图9的例中，层叠有6个单位构成构件220)。并且，从图9的右侧沿X轴方向流通的第1流体A和从图9的左侧沿Y轴方向流通的第2流体B如图中的单点划线箭头所示那样成为每隔一层交替交叉的全热交换元件201。这样，在使两种流体通过时，能够以隔开构件 213为介质在两流体间进行热交换。本实施方式的第1波状板材11及第2波状板材12为热交换时的介质，相当于图 9的以往例的隔开构件213。本实施方式的全热交换元件的最大特征在于，由于具有如下构造，S卩，元件内的间隔保持构件以外的几乎所有的壁面都不是如散热片那样的间接的传热面，而是在其两面流动有不同的被热交换流体的直接传热面，因此，没有浪费材料，能够获得较大的元件的每单位体积的传热面积。由于散热片通过将储存于自身的热量传递给直接传热面来进行传热， 因此，发挥热交换作用的面积并非散热片表面积的100%，而是仅受散热片表面积X散热片效率所得到的值影响，其中，散热片效率取决于散热片的形状和周围的状况。但是，在两面与不同的被热交换流体接触的直接传热面的表面积的100%能够发挥热交换作用。另外，上述热交换是关于显热的热交换，散热片几乎不对潜热产生影响(即散热片效率=0)。由于散热片和直接传热面接触反而造成使直接传热面减少的效果，从而，潜热交换量减少。因此，可以说尽可能增大直接传热面的方法不会浪费材料。不浪费材料，不仅能够提供更廉价的元件，而且由于没有浪费，所以提供相同性能所需要的平板量减少，因此每单位体积的空间体积(流体能够流动的体积)变大，另外，由于与流体接触的面积小于使用散热片的情况，所以，结果，从流体通过时的压力损失方面来看也是有利的。为了进行显热和潜热的交换，本实施方式的第1波状板材11、第2波状板材12及平板状板材13采用具有透湿性的材料。而且，还同时要求用于防止被热交换流体彼此在换气用全热交换元件中混在一起的气体遮蔽性、用于确保安全性的难燃性。此外，在用于居室等存在生物的空间的换气的情况下，还具有如下要求，即，对人体有害的化学物质、更具体而言是挥发性有机化合物(VOCs)的扩散量少，且没有令人不舒服的气味的扩散，以及能够承受元件的加工过程中和使用时的压力的材料强度等。因此，波状板材11、第2波状板材 12及平板状板材13采用满足以上情况的材料。这些板材的厚度越薄，对温度、湿度的透过越有利，且单位构成构件20的一层的层叠高度变小，在相同高度中能够层叠更多的层，因此优选。但是，若过薄，则存在材料强度变得无法承受加工等弊端，通过加工方法和其他因素等的调整来决定。一般而言，大多使用 20 120 μ m左右的厚度。另外，为了满足上述性质，在全热交换元件等中也可以不采用单层而是采用多层构造，分散地具有上述性质(例如第1层具有透湿性，第2层具有材料强度等)，与隔开构件的构造等无关，只要满足上述的性质就能够用于本实施方式的元件。作为第1波状板材11、第2波状板材12及平板状板材13的材料，在采用包含具有气体遮蔽性且具有水溶性、潮解性的碱金属盐及碱土金属盐的材料的情况下，这些药剂由于自身的吸湿作用而在元件中储存有水，同时这些药剂溶入在该水中，由此，药液扩散到原本没有添加药剂的部分，从而存在残留在原本有需要的隔开构件中的药剂量减少的问题， 但在本元件的构造中，隔开构件以外的部分的比例与以往的元件相比减少了，因此，在使用相同材料的情况下，与以往构造相比能够确保更高的透湿性及潜热交换量。另外，本实施方式的单位构成构件20形成为大致正方形的平板状，但也可以形成为平行四边形、长方形的平板状。<实施例1>通过以下方式，制作图1所示的本实施方式的全热交换元件101。将在厚度为100 μ m左右的纸上单面涂覆了透湿膜形成用药液的特殊加工纸和将以同样方式加工而成的特殊加工纸折上折线并加工成波状且切割成一张120mm的方形的纸重叠，使用涂胶辊等在加工成波状的纸的折线的顶部涂覆水系醋酸乙烯树脂乳液粘合剂来进行粘接，其中，上述透湿膜形成用药液是通过使作为水溶性高分子物质的聚乙烯醇 (PVA)等溶于水，并且混入作为具有水溶性和吸湿作用的药剂的氯化锂和作为阻燃剂的氨基磺酸胍而成的。此时，对夹具等进行设计，使波的高度为1.7mm，波的从顶部到顶部的长度为 11. 5mm。接着，使间隔保持构件14在第2波状板材12的端部与之重叠，并利用毛刷涂覆同样的水系醋酸乙烯树脂乳液粘合剂，以与第2波状板材12的与波形的行进方向平行的两边相对应的方式进行粘接，其中，间隔保持构件14是与第2波状板材12的波状的表面形状相对应地从厚度约为1. 2mm的厚纸剪切而成的。之后，在间隔保持构件14的上侧端面涂覆粘合剂之后，作为第1波状板材11，将与第2波状板材12相同的厚度为100 μ m左右的特殊加工纸与间隔保持构件的波状相对应地进行粘贴。以第1波状板材11和第2波状板材12的层叠方向上的距离为1. 5mm左右的方式决定间隔保持构件14的高度(宽度)。准备多个这样制作的单位构成构件20，使它们逐个旋转90度并进行层叠，得到图 1的全热交换元件101。<比较例>另一方面，为了与本实施方式的全热交换元件101进行比较，制作了图9所示的以往的全热交换元件201。此时，使间隔保持构件(波纹散热片)211的波形形状与上述实施例的第1波状板材11及第2波状板材12的波形形状相同。即，间隔保持构件211的波的高度为1. 7mm，波的从顶部到顶部的长度为11. 5mm。〈比较〉下表是比较分别对上述实施例1、比较例层叠了相同层数时的直接传热面积的大小的表格。在以往例中，直接传热面积仅为平板状的隔开构件213的面积，相对于此，实施例1中的形状为平板状的板材及波状的板材的面积为直接传热面积，因此，在本实施方式的全热交换元件101的情况下，每相同体积的直接传热面积变得非常大。[表 1]
权利要求
1.一种全热交换元件，分别使第1流体和第2流体在以交叉的方式形成在层叠的板材间的第1流路和第2流路内流通，并在两流体间使显热及潜热进行交换，其特征在于，上述第1流路是矩形截面的波状流路，该波状流路通过使第1波状板材和第2波状板材隔开规定间隔地重叠并利用密封构件密封流体的行进方向两侧部而形成，上述第1波状板材以朝向流体的行进方向在层叠方向上具有振幅的方式形成为波状，且具有透湿性，第2 波状板材形成为具有与上述第1波状板材大致相同的周期的波动的波状，且具有透湿性，上述第2流路是大致三角形截面的直行流路，该直行流路在上述第1波状板材和上述第2波状板材中的任意一方的波状面上紧密固定并重叠具有透湿性的平板状板材，从而形成在两板材间。
2.根据权利要求1所述的全热交换元件，其特征在于，由一组上述第1波状板材、上述第2波状板材及上述平板状板材所构成的单位构成构件在逐个旋转90度的同时层叠多个。
3.根据权利要求1所述的全热交换元件，其特征在于，上述第1波状板材及上述第2波状板材的波形的高低差大于上述第1波状板材及上述第2波状板材的层叠方向距离。
4.根据权利要求1所述的全热交换元件，其特征在于，上述第1波状板材及上述第2波状板材的波形的顶点折回部的形状成为在上述第1流体及上述第2流体流通时不形成死水区域的曲率的弯曲形状。
5.根据权利要求1所述的全热交换元件，其特征在于，在上述第1波状板材及上述第2波状板材之间，设有至少一个分隔壁，上述分隔壁将上述矩形截面的波状流路沿流路宽度方向分割成多个，并且在上述第1波状板材和上述第2 波状板材之间相互支承。
6.根据权利要求5所述的全热交换元件，其特征在于，上述分隔壁设有多个，规定位置的上述分隔壁与其他位置的上述分隔壁相比流路宽度方向厚度大。
7.根据权利要求1所述的全热交换元件，其特征在于，上述第1波状板材、上述第2波状板材及上述平板状板材采用包含具有气体遮蔽性且具有水溶性、潮解性的碱金属盐及碱土金属盐的材料。
全文摘要
全热交换元件(101)具有第1流路和直行的第2流路。并且，通过在这些流路内使第1流体和第2流体流通，而在两流体间进行显热及潜热的交换。第1流路为通过使第1波状板材(11)和第2波状板材(12)隔有规定间隔地重叠并利用间隔保持构件(14)密封流体的行进方向两侧部而形成的矩形截面的波状流路(31)，其中，第1波状板材(11)以朝向流体的行进方向在层叠方向上具有振幅的方式形成为波状，第2波状板材(12)形成为与该第1波状板材(11)大致相同的波状，第2流路为在第1波状板材(11)和第2波状板材(12)中的任意一方的波状面上紧贴、重叠平板状板材(13)而形成在两板材间的大致三角形截面的直行流路(32)。
文档编号F28D9/00GK102414534SQ200980158988
公开日2012年4月11日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者今井孝典, 加贺邦彦, 土井全, 外川一, 筱崎健, 荒井秀元, 高田胜 申请人:三菱电机株式会社