JP2010111051A - 成形品の製造方法、及び熱交換用膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】フィルムの大きさを問わず、該フィルムを単独で枠体に貼設（一体成形）できる技術を確立する。
【解決手段】樹脂製枠体にフィルムを貼設した成形品は、１）フィルムを溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の補強層で補強し、２）射出成形金型に前記補強されたフィルムを挿入し、３）前記金型に樹脂を供給して枠体を射出成形しつつ前記補強されたフィルムに貼り付け、４）得られた射出成形体を溶剤で処理して前記補強層を除去する方法によって製造する。前記フィルムは、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムが好ましく、透湿性樹脂が前記延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムと複合化されているのが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、樹脂製枠体にフィルムを貼設する方法に関するものであり、好ましくは樹脂製枠体に透湿性フィルムを貼設して熱交換用膜エレメントを製造する技術に関する。

室内を冷暖房したり、換気したりする際に、室内に供給する新鮮な空気（給気）と室内から排出する空気（排気）との間で、熱交換膜を介して、温度（顕熱）や湿度（潜熱）の交換（全熱交換）が行われている。

全熱交換には、例えば、熱交換膜と、この膜を支持するための樹脂製枠体とからなる熱交換用膜エレメントが使用されている（特許文献１など）。図１（ａ）、図１（ｂ）は、特許文献１において従来技術として紹介されている膜エレメントと、この膜エレメントを使用した全熱交換器の概略斜視図であり、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、特許文献１の発明例として紹介されている膜エレメントと、この膜エレメントを使用した全熱交換器の概略斜視図である。

図１の例では、熱交換用膜エレメント４１は、熱交換膜１１と、樹脂製枠体２１とから構成されており、これらは別々に製造されている。樹脂製枠体２１には、互いに平行する複数の棒状スペーサー（リブ）３１が形成されており、枠体２１のうち棒状スペーサーと平行する部分（平行部）２５も棒状スペーサー３１と同様（又はそれ以上）の厚さに形成されている。この平行部２５（及び棒状スペーサー３１）の向きを替えつつ、樹脂製枠体２１と熱交換膜１１とを交互に積み重ねていくと、全熱交換器５１を形成できる。この全熱交換器５１では、前記平行部２５によって給気流路と排気流路が区切られており、熱交換膜１１を介して給気と排気との間で全熱交換ができるようになっている。

また図２の例では、第１及び第２からなる一対の熱交換用膜エレメント４２ａ、４２ｂを使用しており、これらを交互に積層することで、全熱交換器５２を形成している。第１の熱交換用膜エレメント４２ａは、より詳細には、熱交換膜１１と、これと一体的に成形された樹脂製枠体２２ａとから構成されている。また熱交換膜１１の両面には、互いに平行する棒状スペーサー（リブ）３２ａ、３３ａが形成されており、片面側のスペーサー３２ａと、反対面側のスペーサー３３ａとは直交している。さらに枠体２２ａのうち片面側の棒状スペーサー３２ａと平行する部分（平行部Ａ）２６ａは、この平行する棒状スペーサー３２ａと同様（又はそれ以上）の厚さに形成されている。また反対面側の棒状スペーサー３３ａと平行する部分（平行部Ｂ）２７ａも、この平行する棒状スペーサー３３ａと同様（又はそれ以上）の厚さに形成されている。

第２の熱交換用膜エレメント４２ｂも、前記第１の熱交換用膜エレメント４２ａと同様の構造になっている。また第２の熱交換用膜エレメント４２ｂのスペーサーには、位置決め用の第２の係合部３２ｂが形成されており、この第２係合部３２ｂは、同じく第１の熱交換用膜エレメント４２ａに形成された第１の係合部３２ａと係り合うことで、両エレメント４２ａ、４２ｂの位置ずれを防止できるようになっている。そして全熱交換器５２を形成する際には、これら第１及び第２の熱交換用膜エレメント４２ａ、４２ｂを、互いに対向するスペーサー（リブ）３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂの方向を揃えつつ、交互に積層する。

この図２の熱交換器５２でも、平行部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂによって給気流路と排気流路が区切られており、熱交換膜１１を介して給気と排気との間で全熱交換ができるようになっている。

ところで、通常のプラスチックフィルムや金属箔は、温度（顕熱）を交換できても、湿度（潜熱）の交換はできないため、全熱交換膜として使用することはできない。そこで全熱交換膜として特許文献１には紙が使用されており、また特許文献２でも紙基材を開示する。紙基材は、潜熱交換率が高いというメリットを有するが、結露耐久性が低く、結露が凍結すると全熱交換膜（紙）が破れる場合がある。

また全熱交換膜として、例えば、特許文献３に示されるように、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムなどの多孔質樹脂フィルムも使用されている。多孔質樹脂フィルムは、結露耐久性に優れている。
特開２００７−２８５６９１号公報 特開２００７−１１９９６９号公報 特開平７−１３３９９４号公報 特開平４−４５８１２号公報 特開２００３−９７８３１号公報

前記特許文献３の例では、多孔質樹脂フィルムをそのまま使用する例が開示されているが、特許文献１に示されるような枠体に多孔質樹脂フィルムを貼設し、膜エレメントとして使用すれば、熱交換器の組み立てを容易にできると期待される。しかし、多孔質樹脂フィルムに枠体を取り付けるのは容易ではない。

熱交換膜とは技術分野や枠体形状を異にするが、多孔質樹脂フィルムを枠体に貼設する方法として、特許文献４には、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜の周側に溶融プラスチックを浸透凝結させる射出成形法が開示されている。しかし特許文献４で製造されるのは、直径約１ｃｍ以下程度の大きさでよい膜面積が極めて小さい通気フィルターの製造方法であり、この方法を膜面積の大きな熱交換膜に適用することはできない。多孔質樹脂フィルムは、枠体の射出成型時の熱で収縮する場合がある。また射出成形の樹脂圧で多孔質樹脂フィルムも押し流されてしまい、膜形状が崩れたり、膜が破れたりする。そのため、膜面積の大きな多孔質樹脂フィルムを使用する場合には、不織布によって予め補強しておくことが必須であった。例えば、特許文献５は中空型の気液分離エレメントに関するものであって、平膜型の熱交換膜用エレメントとは枠体形状は異なるが、膜面積は平膜型の熱交換膜と同様に大きい為、多孔質樹脂フィルムに不織布を積層した後で、インサート成形している。

以上の通り、面積の大きな多孔質樹脂フィルムを枠体に取り付ける場合、多孔質樹脂フィルムを不織布等で補強しなければならなかった。しかし、補強層を積層すると、多孔質樹脂フィルムの潜熱交換率が低下する。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、フィルムの大きさを問わず、該フィルムを単独で枠体に貼設（一体成形）できる技術を確立することにある。
本発明の好ましい目的は、結露耐久性と潜熱交換特性（透湿特性）に優れた熱交換用膜エレメントを提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の補強層を予めフィルムに積層してフィルムを補強しておき、フィルムに枠体を射出成形した後で、補強層を溶剤で除去すれば、フィルム面積を問わず、該フィルムを単独で枠体に貼設（一体成形）できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明に係る樹脂製枠体にフィルムを貼設した成形品の製造方法は、１）フィルムを溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の補強層で補強し、２）射出成形金型に前記補強されたフィルム（即ちフィルムと補強層との積層体）を挿入し、３）前記金型に樹脂を供給して枠体を射出成形しつつ前記積層体に貼り付け、４）得られた射出成形体を溶剤で処理して補強層を除去することを特徴とする。好ましいフィルムは、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムであり、より好ましくは透湿性樹脂が前記延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムと複合化されている。前記透湿性樹脂は、例えば、ウレタン樹脂、ポリビニルアルコールの架橋体、フッ素系イオン交換樹脂などである。前記溶剤が水の場合、前記補強層は例えば、水溶性繊維で形成されたものである。
本発明には、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムが単独で樹脂製枠体に一体成形によって貼設されている熱交換用膜エレメントも含まれる。

本発明によれば、フィルムを単独で枠体に貼設（一体成形）できる。このようにして製造できる成形品を熱交換膜用エレメントに使用すれば、結露耐久性と潜熱交換特性（透湿特性）を両立できる。

以下、適宜、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお同じ構成部分については同一の符号を付して重複説明を避ける。
図３（ａ）は本発明で使用する一対の射出成型用金型を側方から見た概略断面図であり、図３（ｂ）は片方の金型の正面図である。なお図３（ａ）の断面図は図３（ｂ）のＩ−Ｉ’線での切断面に相当する。図４は、図３の金型を用いたインサート成形手順を示す断面図であり、図５（ａ）は図４の方法で得られた成形品の正面側を示す概略斜視図、図５（ｂ）は前記成形品の背面側を示す概略斜視図である。

図４の製造例では、フィルム１２を溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の補強層１５と積層接着した補強フィルム（積層フィルム）１６を、一対の射出成型用金型６１、７１の間に挿入し（図４（ａ））、適当な手段（ピン、真空引きなど）で金型に固定した後、片方の金型６１から枠体２３形成用の樹脂を射出しつつ補強フィルム１６に貼り付け（図４（ｂ））、脱型した後（図４（ｃ））、溶剤で処理して補強層１５を除去している（図４（ｄ））。補強層１５を使用することによって、射出成型時のフィルム１２の型崩れや、収縮、破れを防止できる。そしてこの補強層１５を成形後に溶剤で除去しているため、枠体２３にフィルム１２を単独で貼設（一体成形）した成形品４３を製造できる（図５（ａ）、（ｂ））。

なお図示例では、片方の金型６１に樹脂供給口６４が形成されているが、両方の金型６１、７１から樹脂を供給してもよい。また金型６１、７１では、枠体部形成用キャビティ６４、７４よりも内側の金型面６３、７３が彫り込まれており、このキャビティ６４、７４と彫り込み部（凹部）６３、７３の間が、峰状に突出することでフィルムの押さえ部６２、７２となっている。彫り込み部（凹部）６３、７３を形成しておくことで、フィルム１２が金型に接触するのを防止でき、フィルム１２の熱損傷を防止できる。ただし、彫り込み部（凹部）６３、７３は必須ではなく、彫り込み部（凹部）６３、７３の高さをフィルム押さえ部６２、７２と同じ高さにして、面状にフィルムを押さえてもよい。

前記フィルム１２は、成形品４３の用途（例えば、フィルター（ベントフィルターを含む）、気液分離膜、除湿膜、加湿膜、パーベーパレーション膜、熱交換膜、イオン交換膜など）に応じて適切なものが使用できるが、好ましくは多孔質樹脂（特に延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン）を基材とするフィルムである。多孔質樹脂、特に延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムは、極めて柔らかくかつ伸びやすく、熱により収縮しやすいので、そのままでインサート成形することは非常に難しいが、本発明によれば、この様なフィルムでも単独で一体成形によって枠体に貼設できる。

成形品４３をフィルター（ベントフィルターを含む）用エレメントとして使用する場合、多孔質樹脂をそのまま前記フィルム１２として使用すればよい。また成形品４３をフィルター以外の用途（特に気液分離膜）に使用する場合には、多孔質樹脂をそのままフィルム１２として使用してもよいが、例えば、透湿性樹脂を前記多孔質樹脂フィルムと組み合わせた複合化フィルムとして使用する。複合化フィルムとしては、透湿性樹脂を前記多孔質樹脂フィルムに積層するのが好ましく、より好ましくは前記積層と共に又は前記積層に代えて透湿性樹脂を多孔質フィルム内の多孔質空間に充填する。

なお多孔質樹脂フィルム（特に、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン）の平均孔径や空孔率は、成形品の用途に応じて適宜設定されるが、例えば、平均孔径は、例えば、０．０５〜１０μｍ程度、好ましくは０．１〜５μｍ程度であり、空孔率は、例えば、３０〜９７％程度、好ましくは５０〜９５％程度、さらに好ましくは７０〜９０％程度である。

平均孔径は、細孔分布（孔径に対する容積分布）から求めた値である。すなわち多孔質樹脂フィルムの全ての細孔を円筒形と仮定して細孔分布を測定し、細孔容積の中間値に対応する細孔径を平均孔径として求めた。なお、本発明では、コールターエレクトロニクス社のコールターポロメーターを使用して平均孔径を求めた。

また多孔質樹脂フィルムの空孔率は、多孔質樹脂フィルムの質量Ｗと、空孔を含む見かけの体積Ｖとを測定することによって求まる嵩密度Ｄ（Ｄ＝Ｗ／Ｖ：単位はｇ／ｃｍ³）と、全く空孔が形成されていないときの密度Ｄstandard（ポリテトラフルオロエチレンの場合は２．２ｇ／ｃｍ³）を用い、下記式に基づいて算出できる。なお、体積Ｖを算出する際の厚みは、ダイヤルシックネスゲージで測定した（テクロック社製「ＳＭ−１２０１」を用い、本体バネ荷重以外の荷重をかけない状態で測定した）平均厚さによる。
空孔率（％）＝［１−（Ｄ／Ｄstandard）］×１００

多孔質樹脂フィルムと複合化する透湿性樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルアルコールの架橋体（例えば、グルタルアルデヒドとＨＣｌとの混合液による架橋体、ホルムアルデヒドによる架橋体、ブロックドイソシアネートによる架橋体など）、ビニルアルコール共重合体（エチレン−ビニルアルコール共重合体、テトラフルオロエチレン−ビニルアルコール共重合体）、フッ素系イオン交換樹脂（デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」など）、ジビニルベンゼンスルホン酸共重合体、ジビニルベンゼンカルボン酸共重合体などのイオン交換樹脂などの繰り返し単位にプロトン性親水性基を有する樹脂（プロトン性親水性樹脂）；ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピリジン、ポリビニルエーテル、ポリビニルピロリドン、ピロリドンなどの繰り返し単位に非プロトン性親水性基を有する樹脂（非プロトン性親水性樹脂）などが挙げられる。これら透湿性樹脂は、単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。好ましい透湿性樹脂は、ウレタン樹脂、ポリビニルアルコールの架橋体、フッ素系イオン交換樹脂などである。

なお本明細書において用語「フィルム」１２は、補強層１５以外の層として定義され、例えば、単層のフィルム（特に多孔質樹脂フィルム）、フィルム（特に多孔質樹脂フィルム）を複数枚積層したもの、これら単層又は積層フィルム（特に単層又は積層多孔質樹脂フィルム）にさらに透湿性樹脂を積層したものなども本発明の「フィルム」１２に含まれる。好ましいフィルム１２は、透湿性樹脂が充填されていてもよい単層フィルム、単層フィルムに透湿性樹脂を積層したものである。

フィルム１２の厚さは、例えば、０．５μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは５μｍ〜５０μｍ程度、さらに好ましくは７μｍ〜３０μｍ程度である。またフィルム１２の面積は、例えば、４ｃｍ²〜１００００ｃｍ²程度、好ましくは１０ｃｍ²〜５０００ｃｍ²程度、さらに好ましくは１００ｃｍ²〜３０００ｃｍ²程度である。

図示例では、補強層１５をフィルム１２に積層接着したが、補強層１５でフィルム１２を補強できる限り種々の方法で積層でき、例えば、熱融着によって補強層１５をフィルム１２に積層してもよい。
フィルム１２と補強層１５を積層接着したり、積層融着したりする方法は特に限定されないが、例えば、フィルム１２と補強層１５とを積層した後、熱ロールに通して、熱融着してもよい。

補強層１５としては、溶剤可溶性又は溶媒崩壊性であって、前記フィルム１２を補強（積層補強）可能である限り特に限定されないが、例えば、溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の材料（樹脂、繊維など）で形成された成形体（例えば、シート（発泡シートを含む）の他、編物、織布、不織布、ネットなどの繊維成形体など）、溶剤耐久性のある繊維を溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の材料で接着した不織布などが挙げられる。なお溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の繊維を溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の接着剤で接着した不織布も、当然、補強層１５に含まれる。

溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の材料や溶剤耐久性繊維は、溶剤（例えば、水、有機溶剤、酸、アルカリなど）の種類に応じて種々使用できる。例えば、溶剤として水を使用する場合、溶剤可溶性又は溶剤崩壊性のシート成形体としては、例えば、ポリビニルアルコールシート、デンプンシート（オブラートなど）などが挙げられる。溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の繊維成形体としては、ポリビニルアルコール系繊維（例えば、アイセロ化学（株）製「ソルブロン（商品名）」、クラレ（株）「クラロンＫ−ＩＩ」など）の成形体；水中で微細分散するパルプ繊維から形成された紙（例えば、日本製紙パピリア（株）製「水溶紙（商品名）」）などを例示できる。

また溶剤として水を使用する場合、溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の接着材料としては、ポリビニルアルコール、でんぷん糊などが例示できる。溶剤耐久性繊維は、例えば、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維などである。
他の溶剤を使用する場合にも、溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の材料や溶剤耐久性繊維は、公知の材料から適宜選択できる。

枠体２３の形状も、成形品４３の用途に応じて適宜設計できる。例えば成形品４３を熱交換用膜成形体として使用する場合、図１や図２に示すように、複数のスペーサーがフィルム１２の片側又は両側に形成された枠体を形成してもよく、該枠体のうちスペーサーと平行する部分は、通常、スペーサーと略同じ（又はそれ以上の）厚さになっている。なおフィルム１２の両側にスペーサーを形成する場合、樹脂は、フィルム１２の両側の金型から射出される。

成形品４３は、フィルム１２の材質や枠体２３の形状を適宜変更することによって、フィルター（ベントフィルターを含む）、気液分離膜、除湿膜、加湿膜、ベーパレーション膜、熱交換膜、イオン交換膜などの種々の用途に使用できる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
平均孔径０．２μｍ、空孔率８０％、厚さ２０μｍの延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムに透湿性ウレタン樹脂を塗布量８ｇ／ｍ²でコーティングした透湿性フィルムにウレタン系接着剤をドット状に転写し、ポリビニルアルコール製不織布（（株）シンワ製、商品名「９０４０−Ｅ」）を積層して接着した。

日精樹脂工業（株）製の縦型射出成形機（型式：ＴＨ１００Ｒ１２ＶＳＥ）に、前記熱ラミネートフィルムをセットし、インサート成形することによってＡＢＳ樹脂製枠体を形成した。なお成形条件は、予備乾燥：３時間、９０℃、シリンダー設定温度：２４０℃、スクリュー回転数：９０回転／分、背圧：２０ＭＰａ、金型温度：６０℃とした。射出成形体を温度２５℃の水に５分間浸積した後、流水で洗い流すことによって、樹脂製枠体に透湿性フィルムが単独で貼り付けられた成形品を得た。

比較例１
実施例１と同様にして、インサート成形した。透湿性フィルムに積層されたポリビニルアルコール製不織布は、流水で除去することなくそのままにした。
実施例１及び比較例１で得られた成形品の透湿性を、ＪＩＳ Ｌ１０９９Ａ−１法に準拠して測定した（条件：２５℃、７５％ＲＨ）。３回測定し、その平均値を求めた。結果を表１に示す。

比較例１の成形品に比べると、実施例１の成形品の透湿性は高く、ポリビニルアルコール製不織布を熱ラミネートする前の透湿性フィルムの透湿性に匹敵する。

図１は本発明で製造できる枠体形状の一例を示す概略斜視図である。 図２は本発明で製造できる枠体形状の他の例を示す概略斜視図である。 図３は本発明で使用する金型の一例を示す概略断面図である。 図４は本発明の製造方法の一例を示す概略断面図である。 図５は本発明で製造できる成形品の一例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１２ フィルム
１５ 補強層
１６ 補強されたフィルム
２３ 樹脂製枠体
６１、７１ 射出成形金型
４３ 成形品

Claims (6)

1. 樹脂製枠体にフィルムを貼設した成形品の製造方法であって、
   フィルムを溶剤可溶性又は溶剤崩壊性の補強層で補強し、
   射出成形金型に前記補強されたフィルムを挿入し、
   前記金型に樹脂を供給して枠体を射出成形しつつ前記補強されたフィルムに貼り付け、
   得られた射出成形体を溶剤で処理して前記補強層を除去することを特徴とする成形品の製造方法。
2. 前記フィルムが延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムである請求項１に記載の成形品の製造方法。
3. 透湿性樹脂が前記延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムと複合化されている請求項２に記載の成形品の製造方法。
4. 前記透湿性樹脂がウレタン樹脂、ポリビニルアルコールの架橋体、及びフッ素系イオン交換樹脂から選択される少なくとも一種である請求項３に記載の成形品の製造方法。
5. 前記溶剤が水であり、前記補強層が水溶性繊維で形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の成形品の製造方法。
6. 延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンフィルムが単独で樹脂製枠体に一体成形によって貼設されている熱交換用膜エレメント。