JP2007309539A

JP2007309539A - 全熱交換器

Info

Publication number: JP2007309539A
Application number: JP2006136448A
Authority: JP
Inventors: Shinya Tokizaki; 晋也鴇崎; Eiji Nobutoki; 英治信時; Michio Murai; 道雄村井; Teruhiko Kumada; 輝彦熊田; Hidemoto Arai; 秀元荒井; Masaru Takada; 勝高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP4708258B2

Abstract

【課題】湿度交換効率を向上させることにより、優れた全熱交換効率を有する全熱交換器を提供する。
【解決手段】仕切板１を隔てて二種の気流５，６を流動させ、前記仕切板を介して前記二種の気流の顕熱及び潜熱を交換させる全熱交換器において、前記仕切板が、イソボルニル基を有する共重合体を含む材料から構成されている。かかるイソボルニル基を有する共重合体は、（Ａ）イソボルニル（メタ）アクリレートと、（Ｂ）ポリオキシエチレン鎖を有する単量体と、（Ｃ）リン酸基を有する単量体とを共重合させて得られたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、全熱交換器に関するものであり、特に、室外から室内への給気と室内から室外への排気との間で顕熱（温度）交換及び潜熱（湿度）交換を行なう空調装置において主に使用される全熱交換器に関するものである。

近年、室内を快適かつ健康的な状態とするために、冷暖房と同時に換気が行われている。ところが、室外の空気を単に取り入れるだけでは、暖房時には冷たい空気が室内に入り、また冷房時には暖かい空気が入ることになるので、冷暖房の効率が低下してしまう。そこで、暖房時にはより暖かい空気を取り入れ、また冷房時にはより冷たい空気を取り入れるために、温度交換を行なう熱交換器が使用されている。
かかる熱交換器の中でも、最近では、温度交換のみならず湿度交換も行う、いわゆる全熱交換器が普及している。この全熱交換器は、例えば、暖房時には湿気の多い暖かい空気を室内に取り入れ、また冷房時には湿気の少ない冷たい空気を室内に取り入れるという機能を有している。

一般に、かかる全熱交換器では、室外から室内への給気と室内から室外への排気との間での温度交換及び湿度交換が仕切板を介して行なわれる。そのため、仕切板の材料の選定は、温度交換及び湿度交換の性能に多大な影響を与える要素の一つである。
中でも、全熱交換器における湿度交換効率を向上させる観点から、透湿性能に優れる仕切板として、吸湿剤や透湿性樹脂を用いたものが知られている。例えば、高分子樹脂多孔体のシートの内部に透湿性樹脂を含有させた仕切板がある（例えば、特許文献１参照）。ここで、透湿性樹脂としては、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基及びアミノ基等の親水性基を有し、且つ水膨潤性及び水不溶性である高分子が使用されている。また、かかる透湿性樹脂の一例として、スルホン酸基を有するフッ素系の共重合体であるデュポン社のナフィオン（登録商標）樹脂が挙げられている。さらに、部分的にスルホン化された共重合体のような透湿性樹脂を用いた仕切板もある（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１３３９９４号公報特表２００４−５０４９２８号公報

仕切板における給気及び排気のような二種の気流間での湿度交換メカニズムは、気流中の湿気を仕切板に引きつける吸湿過程と、吸湿された水分が仕切板の内部を移動する拡散過程とに分けて考えることができる。
上記の吸湿剤や透湿性樹脂を用いる従来の仕切板では、吸湿過程における吸湿性能は優れているものの、仕切板中の空隙が小さく、また吸湿剤や透湿性樹脂の吸湿成分が水分を強く束縛するため、拡散過程における仕切板の内部への水分の拡散性が十分でないという問題があった。そのため、吸湿剤や透湿性樹脂を用いる従来の仕切板では、透湿性能を向上させるのには限界があり、十分な湿度交換効率が得られなかった。
従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、湿度交換効率を向上させることにより、優れた全熱交換効率を有する全熱交換器を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、イソボルニル基を有する共重合体を含む材料が、水分を移動させるのに適した分子レベルの空隙を有し、良好な水分拡散性を与えるという見地に基づき、かかる材料から構成される仕切板を全熱交換器に用いることで、上記のような問題を解決することができることに想到し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、仕切板を隔てて二種の気流を流動させ、前記仕切板を介して前記二種の気流の顕熱及び潜熱を交換させる全熱交換器において、前記仕切板が、イソボルニル基を有する共重合体を含む材料から構成されていることを特徴とする全熱交換器である。

本発明によれば、湿度交換効率を向上させることにより、優れた全熱交換効率を有する全熱交換器を提供することができる。

以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る全熱交換器を示す斜視図である。図１において、全熱交換器は、交互に積層された平板状の仕切板１及び波形状の間隔板２と、前記仕切板１及び前記間隔板２の積層によって形成された給気流路３及び排気流路４とから構成されている。間隔板２は、波溝方向が１段おきに直交するように積層されており、給気流路３及び排気流路４も直交するように形成されている。なお、図１中、矢印５は給気の流れ方向、矢印６は排気の流れ方向を示す。

仕切板１は、次の式により表されるイソボルニル基を有する共重合体を含む材料から構成されている。

かかる材料から構成される仕切板１では、上記のイソボルニル基に由来する分子レベルの空隙が内部に形成される。この空隙は、水分を移動させるのに適しており、ポリマー分子鎖間の隙間を表す自由体積分率が０．２〜０．３５を有しているので良好な水分拡散性を与えることができる。
かかる仕切板１を構成する材料は、（Ａ）イソボルニル（メタ）アクリレートと、（Ｂ）ポリオキシエチレン鎖を有する単量体と、（Ｃ）リン酸基を有する単量体とを共重合させることにより調製することができる。

ここで、（Ａ）イソボルニル（メタ）アクリレートとは、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート又はこれらの混合物のことを意味する。
（Ａ）イソボルニル（メタ）アクリレートの使用量は、（Ａ）〜（Ｃ）成分の合計１００重量部あたり、１０〜６０重量部であることが好ましく、２０〜４０重量部であることが好ましい。かかる単量体の使用量が１０重量部未満であると、仕切板１において所望の水分拡散性が得られないことがある。一方、かかる単量体の使用量が６０重量部を超えると、仕切板１において所望の柔軟性が得られないことがある。

本発明おいて使用可能な（Ｂ）ポリオキシエチレン鎖を有する単量体としては、メトキシポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、メトキシポリエチレングリコール・ポリプロピレングリコールモノ（メタ）アクリレート、メトキシポリエチレングリコール・ポリブチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、エトキシポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、エトキシポリエチレングリコール・ポリプロピレングリコールモノ（メタ）アクリレート、及びエトキシポリエチレングリコール・ポリブチレングリコールモノ（メタ）アクリレート等のポリオキシエチレン鎖を有する（メタ）アクリレートを例示することができる。これらの単量体は、単独又は組み合わせて用いることができる。
（Ｂ）ポリオキシエチレン鎖を有する単量体の使用量は、（Ａ）〜（Ｃ）成分の合計１００重量部あたり、２０〜７０重量部であることが好ましく、３０〜６０重量部であることがより好ましい。かかる単量体の使用量が２０重量部未満であると、仕切板１において所望の水分拡散性が得られないことがある。一方、かかる単量体の使用量が７０重量部を超えると、仕切板１において所望の強度が得られないことがある。

本発明おいて使用可能な（Ｃ）リン酸基を有する単量体としては、β−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、β−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート及びポリプロピレングリコールモノ（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸のヒドロキシアルキルエステルと、リン酸とのモノ又はジエステルを例示することができる。これらの単量体は、単独又は組み合わせて用いることができる。
（Ｃ）リン酸基を有する単量体の使用量は、（Ａ）〜（Ｃ）成分の合計１００重量部あたり、１５〜３５重量部であることが好ましく、２０〜２５重量部であることがより好ましい。かかる単量体の使用量が１５重量部未満であると、仕切板１において所望の水分拡散性が得られないことがある。一方、かかる単量体の使用量が３５重量部を超えると、仕切板１において所望の強度が得られないことがある。

本発明における仕切板１を構成する材料の調製方法は、特に制限されることはなく、従来公知の方法を用いて上記成分を反応（共重合）させることにより調製することができる。
また、かかる反応においては、重合開始剤を用いてもよい。本発明において使用可能な重合開始剤としては、上記化合物に可溶であり、容易にラジカルを発生するものであれば、特に制限されることはない。このような重合開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、アゾビスイソブチロニトリル及び過酸化ジ第３ブチル等の従来公知の有機溶媒系開始剤を単独又は組み合わせて用いることができる。
また、かかる重合開始剤の使用量は、（Ａ）〜（Ｃ）成分の合計１００重量部あたり、０．０００１〜１０重量部であることが好ましく、０．０００５〜５重量部であることがより好ましい。かかる重合開始剤の使用量が０．０００１重量部未満であると、重合開始剤の使用による所望の効果が得られないことがある。一方、かかる重合開始剤の使用量が１０重量部を超えると、得られる材料の特性が低下することがある。

反応温度としては、各成分の使用量等の因子によって変化するので特に制限されることはないが、一般に８０〜１８０℃が好ましく、９０〜１２０℃がより好ましい。反応温度が８０℃未満であると、所望の生産性が得られないことがあるので好ましくない。一方、反応温度が１８０℃を超えると、副反応が起こり、所望の収率の共重合体が得られないことがあるので好ましくない。
また、反応時間としては、各成分の使用量及び反応温度等の因子によって変化するので特に制限されることはないが、一般に１分〜２４時間が好ましく、５分〜１２時間がより好ましい。反応時間が１分未満であると、反応が十分でないことがあるので好ましくない。一方、反応時間が２４時間を超えると、所望の生産性が得られないので好ましくない。
このようにして調製される材料は、イソボルニル基を有する共重合体であるが、未反応の（Ａ）〜（Ｃ）の単量体及び任意の重合開始剤等を微量に含んでいる。

仕切板１は、かかる材料を用いて平板状に成形することにより作製することができる。かかる成形方法としては特に制限されることはなく、従来公知の方法を用いることができる。中でも、生産性の観点からは、上記材料の調製と同時に平板状に成形することによって仕切板１を作製することが好ましい。例えば、上記（Ａ）〜（Ｃ）の単量体及び任意の重合開始剤を混合し、加熱して反応させ、２０〜３０％の共重合体を含む溶液（シラップ）となった段階で反応を止める。その後、二枚のガラス板の間に該シラップを入れて挟みこんだ後、再び加熱して反応を再開させることによって、平板状の仕切板１を作製することができる。
かかる仕切板１の厚さや大きさは、製造する全熱交換器の大きさによって変化するので特に制限されることはない。本発明の好ましい実施形態においては、仕切板１の厚さは、１０〜１００μｍが好ましく、２０〜４０μｍがより好ましい。仕切板１の厚さが１０μｍ未満であると、所望の強度を有する仕切板１が得られないことがある。一方、仕切板１の厚さが１００μｍを超えると、材料コストがかかるので好ましくない。

間隔板２は、特に制限されることはなく、従来公知の波板状の加工紙等を使用すれば良い。

本発明の全熱交換器は、従来公知の方法と同様にして、上記仕切板１及び間隔板２を交互に積層させ、且つ間隔板２の波形方向が１枚毎に直交するように積層させることによって作製することができる。
このようにして作製された全熱交換器では、気流中の湿気を仕切板１に効率よく引きつけることができると共に、吸湿された水分が仕切板１の内部を効率よく移動することができる。従って、例えば、冷たくて乾燥した外気が給気として給気流路３を通り、暖かくて湿度の高い室内空気が排気として排気流路４を通る際に、仕切板１において温度交換のみならず湿度交換が効率よく行なわれ、給気は暖められると共に加湿されて室内に供給され、排気は冷やされると共に減湿されて室外へ排出される。

以下、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
撹拌機、還流冷却器、温度計、滴下ロート及び窒素ガス導入管を備えたフラスコに、６０ｇのイソボルニルメタクリレート、５０ｇのリン酸モノ（２−ヒドロキシエチル）メタクリルエステル、及び１２０ｇのメトキシポリエチレングリコールモノメタクリレートを加えて撹拌した。得られた溶液１００重量部あたり０．５重量部のアゾビスイソブチルニトリルを、該溶液にさらに加え、窒素ガスを導入しながら、温度９０℃でさらに撹拌した。１時間後に反応を止め、２０〜３０％の共重合体を含む溶液（シラップ）を得た。このシラップを二枚のガラス板の間に入れて挟み込んだ。次いで、５０℃で６時間加熱した後、１００℃で２時間さらに加熱することにより平板状の仕切板を得た。かかる仕切板の厚さは３１μｍであった。
次いで、上記のようにして作製した仕切板を、波板状に加工された間隔板と張り合わせて積層単位体を作製した。その後、仕切板の形状が３０ｃｍ角の正方形となるように積層単位体を成形した後、間隔板の波溝方向が一段おきに直交するように複数の積層単位体を積層させた。このようにして、高さが５０ｃｍの全熱交換器を作製した。

［実施例２］
イソボルニルメタクリレートをイソボルニルアクリレートに変更した以外は、実施例１と同様にして３３μｍの厚さを有する仕切板を作製した。
次いで、上記のようにして作製した仕切板を用い、実施例１と同様にして全熱交換器を作製した。

［実施例３］
イソボルニルメタクリレートの仕込量を８０ｇに変更した以外は、実施例１と同様にして３２μｍの厚さを有する仕切板を作製した。
次いで、上記のようにして作製した仕切板を用い、実施例１と同様にして全熱交換器を作製した。

［実施例４］
メトキシポリエチレングリコールモノメタクリレートの仕込量を１００ｇに変更した以外は、実施例１と同様にして３３μｍの厚さを有する仕切板を作製した。
次いで、上記のようにして作製した仕切板を用い、実施例１と同様にして全熱交換器を作製した。

［比較例１］
仕切板として、デュポンからナフィオン（登録商標）という名称で販売されているフッ素系イオン交換樹脂膜を用いた。なお、かかるフッ素系イオン交換樹脂膜は、燃料電池の電解質に用いられるようなパーフルオロスルホン酸膜であり、該パーフルオロスルホン酸樹脂膜は強酸基であるスルホン酸基を有している。
かかる仕切板を用いて、実施例１と同様にして全熱交換器を作製した。

上記実施例１〜４、及び比較例１で作製した全熱交換器における温度変換効率、湿度交換効率及び全熱交換効率の評価は、ＪＩＳＢ８６２８（全熱交換器）の温度交換効率の付属書４内の２室法に準じた方式で行なった。なお、かかる評価では、一次気流（給気）の条件を温度２７℃、相対湿度５２．７％ＲＨとし、また二次気流（排気）の条件を温度３５℃、相対湿度６４．３％ＲＨとした。
また、上記実施例１〜４、及び比較例１で作製した全熱交換器における気体移行率の評価は、ＪＩＳＰ８１１７に準じた方式で行なった。
上記評価の結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１〜４と比較例１とを比較すると、温度交換効率はいずれも７８％と高く、違いは見られなかった。一方、湿度交換効率及び全熱交換効率については、実施例１〜４はいずれも７０％以上と高いのに対し、比較例１は７０％未満で低かった。
また、実施例１〜４、及び比較例１の気体移行率はいずれも１％以下であり、水蒸気以外の気体を通さなかった。
以上の結果からわかるように、本発明の全熱交換器は、従来の全熱交換器と同程度の温度交換効率を保持しつつ、湿度交換効率を向上させることができ、優れた全熱交換効率を有している。

本発明の実施の形態１に係る全熱交換器を示す斜視図である。

符号の説明

１仕切板、２間隔板、３給気流路、４排気流路、５給気の流れ方向、６排気の流れ方向。

Claims

仕切板を隔てて二種の気流を流動させ、前記仕切板を介して前記二種の気流の顕熱及び潜熱を交換させる全熱交換器において、
前記仕切板が、イソボルニル基を有する共重合体を含む材料から構成されていることを特徴とする全熱交換器。
前記イソボルニル基を有する共重合体が、（Ａ）イソボルニル（メタ）アクリレートと、（Ｂ）ポリオキシエチレン鎖を有する単量体と、（Ｃ）リン酸基を有する単量体とを共重合させて得られたものであることを特徴とする請求項１に記載の全熱交換器。
前記（Ａ）〜（Ｃ）成分の合計１００重量部に対して、前記（Ａ）成分が１０〜６０重量部、前記（Ｂ）成分が２０〜７０重量部、前記（Ｃ）成分が１５〜３５重量部であることを特徴とする請求項２に記載の全熱交換器。