JP2013167408A

JP2013167408A - 全熱交換素子

Info

Publication number: JP2013167408A
Application number: JP2012031298A
Authority: JP
Inventors: Taira Omori; 平大森; Masanobu Takeda; 昌信武田; Hirotaka Takeda; 寛貴武田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-29

Abstract

【課題】車両用空気調和装置において、全熱交換性能に優れ、省エネルギーで快適な車室内の空気環境をつくりだすことが可能な車両用全熱交換素子を提供する。
【解決手段】ライナと中芯とからなる段ボール構造が層毎に直交積層された全熱交換素子であって、中芯の段頂部がライナに対して断続して接着していることを特徴とする車両用全熱交換素子。
【選択図】なし

Description

本発明は、主として自動車や電車などの車両の空気調和設備に使用できる全熱交換素子に関する。

従来の車両用空気調和装置としては、車室外の空気である外気をエバポレーターやヒーターコアにより所望温度に空調し、車室内に給気させる回路と、車室内の空気である内気を換気のため車室外へ排気する回路からなるものが一般的である。しかしながら、このような空気調和装置では、外気が導入されることによって、車室内の空気が入れ替わり、換気は行われるが、換気によって排気される内気の熱がそのまま車室外に放出されることになり、車室内の冷暖房の効率が悪く、多くのエネルギーを必要とする。

そこで、ライナと中芯とからなる段ボール構造が層毎に直交し積層され、排気通路と吸気通路とが直行した構造であり、排気側の空気と吸気側の空気の熱を移動させる機能を有する全熱交換素子が提案されてきた（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１６９５６０号公報（請求項４）

しかしながら、上述のような熱交換素子では、ライナと中芯の接着には接着剤が使用される。しかし接着剤がライナに浸透することによって、ライナの表面の一部を接着剤が閉塞し、ライナの有効熱交換面積が低下し、潜熱や場合においては要求される湿度の移行が阻害されることにより、熱交換性能が低下するといった問題があった。また、冬季の車内のように相対湿度が高くなる場合においては、通風する高湿度の空気によって、ライナによく添加される吸湿剤がライナと中芯の接着剤を介して中芯側に流出し、ライナでの吸湿効果が低下するといった問題があった。
本発明は、上述した従来技術における問題点の解決を課題として検討した結果達成されたものであり、車両用空気調和装置において、熱交換性能に優れた、車両用に好適な全熱交換素子を提供することを目的とする。特に電気自動車など内燃機関を有さない車両に好適に用いられるものである。

上記課題を解決するため、本発明は次のいずれかの手段を採用するものである。
（１）ライナと中芯とからなる段ボール構造が層毎に直交積層された全熱交換素子であって、中芯の段頂部がライナに対して断続して接着している段ボール構造を含むことを特徴とする全熱交換素子、
（２）前記、中芯とライナの接着が、中芯の段頂部の稜線の１０〜８０％の範囲で断続的に接着されていることを特徴とする前記全熱交換素子、
（３）前記、ライナに用いられる原紙が熱可塑性高分子のナノファイバーを含み、かつ温度２０℃、相対湿度６５％ＲＨでの吸湿率が７〜４０％であることを特徴とする前記いずれかの全熱交換素子、
（４）ライナに用いられる原紙における熱可塑性高分子のナノファイバーがポリアミドであることを特徴とする前記いずれかの全熱交換素子、
（５）ライナに用いられる原紙がポリアミドを１〜７０質量％の割合で含むことを特徴とする前記いずれかの交換素子、
（６）全熱交換素子の見掛け密度が０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲であることを特徴とする前記いずれかに記載の全熱交換素子。

本発明によれば、空気調和装置において、全熱交換性能に優れ、省エネルギーで快適な車室内の空気環境をつくりだすことが可能な車両用全熱交換素子を提供するができる。

本発明の全熱交換素子は、全熱交換素子を構成する中芯の段頂部がライナに対して断続的に接着していることが重要である。

全熱交換素子はライナと中芯からなる段ボール構造が層毎に直交積層されており、素子として構造をなす為には、各構造部材が接着されていることが必要であるが、一方で接着に使用される接着剤がライナに浸透することによって、ライナの厚みが厚くなることにより顕熱（温度）の移行が阻害され、また、接着剤がライナ内部の空隙を閉塞することにより潜熱（湿度）の移行が阻害される。そのため、ライナの持つ全熱交換性能が低下する。

そのため、本発明の車両用全熱交換素子は、中芯とライナの接着を断続的に行うことで、ライナの有効全熱交換面積の減少を最小限に抑えることで優れた全熱交換性能を発現し、長期的な使用において全熱交換素子としての構造を維持できるものである。

本発明の車両用全熱交換素子の中芯とライナの接着は、中芯の段頂部の稜線の長さの１０〜８０％の範囲で断続的に接着されていることが好ましい。より好ましくは２０〜５０％である。

中芯の段頂部とライナの接着が小さいと接着強度が不足し、全熱交換素子の製造時に各段ボール構造の反り等による反発で製造できないといった問題や実使用時にライナや中芯の構成部材の膨張や収縮により接着部分が外れ、素子が変形するといった問題が発生する。また、大きいと接着剤のライナへの浸透が多くなり、全熱交換効率が低下するといった問題がある。

本発明の特徴を有する段ボール構造は、段ボール構造すべてに対し、５０％以上、さらには９０％以上の層を有していることが好ましい。
また、本発明の全熱交換素子のライナに用いられる原紙は、熱可塑性高分子のナノファイバーを含み、かつ温度２０℃、相対湿度６５％ＲＨでの吸湿率が７〜４０％の範囲であることが好ましい。ここで「ナノファイバー」とはナノメートル（ｎｍ）レベルの繊維径、いわゆるナノ径を有する繊維を意味し、具体的には繊維径が１〜１０００ｎｍの範囲の繊維をいう。なお、繊維断面が円形でない異形の場合は同面積の円形に換算したときの繊維径に基づくものとした。
ナノファイバーは通常は熱可塑性高分子からなるものであるが、繊維に使用される熱可塑性高分子としてはポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン等が挙げられる。ポリエステルとしてはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの他、液晶ポリエステル等も挙げられる。また、ポリアミドとしてはナイロン６（Ｎ６）、ナイロン６６（Ｎ６６）、ナイロン１１（Ｎ１１）、ナイロン１２（Ｎ１２）などが挙げられる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられる。これらの高分子の中でも吸水し易いナイロンであることが好ましく、ナイロン６が特に好ましい。また、ナイロン６以外の成分を共重合またはその他のポリマーを混合していてもかまわない。

なお、ナノファイバーは例えば、特開２００５−２９９０６９号公報（段落［００４５］〜［００５７］、段落［０１１４］〜［０１１７］など）に記載された方法等により製造することができる。

また、全熱交換効率を向上させるために原紙は、ある段ボール構造から構成される吸気通路と前記段ボール構造と直行する排気通路の間で湿度を交換することが重要であり、そのためには、温度２０℃、相対湿度６５％ＲＨでの吸湿率が７〜４０％の範囲であることが好ましい。原紙の吸湿率は、高いほうが好ましいが、湿度交換のための湿度移行が促進されるが、高すぎると高湿度条件下での原紙の強度が低下する傾向がある。

本発明の原紙は必ずしも吸湿剤を必要としないが、塩化リチウムや塩化カルシウム等のアルカリ金属塩を含んでもよく、吸湿率がさらに向上される。また、吸湿剤を付与する方法としては特に限定するものではなく、コーティング等の塗工やディッピングなどの浸漬による加工で原紙に付与することができる。その際にはバインダーを併用してもよいし、さらには、抗菌剤、制菌剤、防カビ剤、抗ウイルス剤、難燃剤、消臭剤、脱臭剤等の機能剤を同時に付与することができる。

ライナに使用される原紙は、上述のようにポリアミドが含まれてなることが好ましく、その構成比率は、１〜７０質量％の範囲で含まれていることが好ましい。一定以上の比率とすることで毛細管現象を促進することができ、原紙の吸湿率を向上させることができる。多すぎると超極細繊維であるナノファイバーによりろ水性が低くなり、生産性が低下する傾向にある。より好ましくは３〜５０質量％の範囲である。

前記原紙の見掛け密度は、０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲であることが好ましい。
見掛け密度を前記密度以上とすることで、原紙内部の空隙を小さく抑えることができ、透気度の向上すなわち、高い空気遮蔽性を得ることができる。一方で高すぎるとを越えると原紙内部の微細な空隙までもなくなり、ナノファイバーの毛細管現象による吸湿性能を得ることが難しくなる。

原紙の見掛け密度をコントロールする手法としては、特に限定するものではないが、回転する一対のロール、または複数本のロールの間で押圧させるカレンダー装置やプレス装置により圧密化されることが好ましい。圧密化を行うことにより、原紙の紙厚を薄くすることができ、熱交換を行う際の熱伝達や吸湿の抵抗が小さくなり、より熱交換しやすくなるといった効果がある。

原紙の製造方法としては、まずナノファイバーとパルプ等の他の構成繊維を分けて、分散・叩解させることが好ましい。ナノファイバーは、超極細繊維であるため、その直径と繊維長の比であるアスペクト比が大きく、繊維同士が絡みやすいため、分散剤や浸透剤などを用いて、ビーターやリファイナー等の叩解機で分散することが好ましく、抄紙工程の直前で各構成繊維を混ぜ合わせ、そして抄紙することが好ましい。また、抄紙機としては、丸網抄紙機、短網抄紙機、長網抄紙機やそれらの組み合わせた抄紙機などを用いることができるが、ナノファイバーを抄紙の内部に均一に分散配置させるためには、サクション等による脱水機能を有する抄紙機が安定して均一に湿紙から水分を脱水することができ、ナノファイバーを抄紙内部で部分的に偏ることを抑制できるので好ましい。

本発明の全熱交換素子を構成する中芯は、特に限定するものではないが、セルロース繊維や合成繊維を主成分とする抄紙やフィルムや合成樹脂からなる成型体であることが好ましい。コルゲート加工したものが好ましく、また坪量２０〜２００ｇ／ｍ^２であることが好ましい。段ボール構造の段高さとしては、１〜５ｍｍの範囲が好ましい。低いと通風する開口部が小さくなり、通風抵抗が大きくなる傾向にある。また。高いと単位体積あたりの熱交換部分の面積が小さくなり、所望の熱交換性能としようとすると大型化してしまうことになる。

本発明の全熱交換素子の中芯とライナの接着方法としては、特に限定するものではないが、その一例としては、コルゲート加工された中芯の段頂部に接着剤をロールコーターで塗布し、ライナを接合し、押圧、乾燥し、接着を行い、段ボール構造を得ることができる。コーティングロールに彫刻を施し、凹凸ロールとすることで、任意にコルゲートを施した中芯の段頂部に断続的に接着剤を塗布することができ、断続的に接着した構造とすることができる。
その後、それを繰り返し、コルゲートの段目方向が交差するように積層することにより、段ボールの積層体を得る。さらに、積層体を任意の形状にカット、整形することで、目的とする全熱交換素子を得ることができる。本発明の熱交換素子の形状としては、特に限定するものではないが、縦５０〜２５０ｍｍ、横５０〜２５０ｍｍ、高さ７０〜３００ｍｍ、段数３０〜２００段の範囲が、車両用の空気調和装置に組み込まれる熱交換素子として好ましい。

［測定方法］
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。本発明における各特性の定義および測定法は以下の通りである。

（１）吸湿率
２０ｃｍ×２０ｃｍの試験片を３枚採取し、それぞれ温度２０℃、相対湿度６５％ＲＨの環境下に２４時間放置後の吸湿質量と絶乾質量を量り、吸湿質量と絶乾質量の差を絶乾質量で除することによって得られた値の平均値を算出し、その値を百分率で表した。
なお、絶乾質量は、測定に用いた試験片を１０５℃の恒温乾燥機で２４時間乾燥させた直後の質量とした。

（２）透気度
ＪＩＳＰ８１１７（１９９８）の方法により、空気１００ｍｌが通過する時間を測定し、ガーレー透気抵抗度を透気度とし、気体遮蔽性の指標とした。

（３）全熱交換効率
ＪＩＳＢ８６２８（２００３）に規定される方法により、給気と排気との間の全熱交換効率を測定した。夏季の冷房時条件（後「夏季条件」という。）として、一次気流(給気)が乾球温度３５℃、湿球温度２９℃で風量７０ｍ^３／ｈｒとし、二次気流(排気)が乾球温度２７℃、湿球温度２０℃で風量７０ｍ^３／ｈｒとした。また、冬季の暖房時条件（後「冬季条件」という）として、一次気流(給気)が乾球温度５℃、湿球温度２℃で風量７０ｍ^３／ｈｒとし、二次気流(排気)が乾球温度２０℃、湿球温度１４℃で風量７０ｍ^３／ｈｒとした。

（４）ナノファイバーの数平均繊維径
数平均繊維径は以下のようにして求める。すなわち、走査型電子顕微鏡で撮影したナノファイバーの集合体の写真を画像処理ソフト（ＷＩＮＲＯＯＦ）を用いて５ｍｍ角のサンプル内で無作為抽出した３０本の単繊維直径をｎｍ単位で小数の１桁目まで測定して少数の１桁目を四捨五入する。サンプリングは合計１０回行って各３０本の単繊維直径のデータを取り、合計３００本の単繊維直径のデータを積算後、全数で除して単純平均値を求めたものを数平均繊維径とした。

（５）剥離強度
中芯、ライナからなる片面段ボールから段ボールの段目方向が短辺と平行になるように短辺５０ｍｍ、長辺２００ｍｍの試験片を５枚ずつ採取し、あらかじめ定めた移動速度を維持できような引張試験機を用いて最大剥離強度を測定した。なお、剥離強度を測定する接着部に関しては、接着部と非接着部の割合が全熱交換素子の組立ての際に設定した割合となるように試験片を採取した。

つかみ具間隔を５０ｍｍとし、採取した試験片の一部を試験片が破損しないように剥離させ、つかみ具に把持させた後、引張速度２０ｍｍ／ｍｉｎの速度で試験を行い、それぞれの最大剥離強度を測定し、その平均値とした。
[実施例１]
（ナノファイバーの作製）
（ポリマーアロイチップ）
融点２２０℃のナイロン６、４０質量％と、融点１７０℃のポリＬ乳酸（光学純度９９．５％以上）、６０質量％を、２軸型の押出混練機を用いて２２０℃で溶融混練してポリマーアロイチップを得た。

（ポリマーアロイ繊維のトウ）
上記ポリマーアロイチップを、１軸型の押出機を備えたステープル用の溶融紡糸装置に投入し、２３５℃で溶融し、スピンブロックに導いた。そして、ポリマーアロイ溶融体を限界濾過径１５μｍの金属不織布に濾過させ、紡糸温度２３５℃で、孔径０．３ｍｍの吐出孔を有し口金面温度２１５℃とした口金から吐出させた。

吐出された線状の溶融ポリマーを冷却風で冷却固化し、油剤を付与し、紡糸速度１３５０ｍ／分で引き取った。

得られた未延伸糸を合糸した後、延伸温度９０℃、延伸倍率３．０４倍、熱セット温度１３０℃で延伸熱処理し、単繊維繊度３．０ｄｔｅｘ、総繊度５０万ｄｔｅｘのポリマーアロイ繊維のトウを得た。得られたポリマーアロイ繊維は、強度３．４ｃＮ／ｄｔｅｘ、伸度４５％であった。

（脱海・切断・叩解）
上記ポリマーアロイ繊維のトウを、９５℃に保った５％水酸化ナトリウム水溶液に１時間浸漬し、ポリマーアロイ繊維中のポリＬ乳酸成分を加水分解除去（脱海）した。次いで酢酸で中和し、水洗、乾燥し、ナノファイバーの繊維束を得、この繊維束を１ｍｍ長にカットした。このカット繊維を、水１０Ｌあたり３０ｇの濃度で、熊谷理機工業（株）製、試験用ナイヤガラビーターに仕込み、５分間予備叩解し、水を切って回収した。次いでこの回収物を自動式ＰＦＩミル（熊谷理機工業（株）製）に仕込み、回転数１５００ｒｐｍクリアランス０．２ｍｍの条件で６分間叩解した。そして、水を含んで粘土状となった回収物を８０℃の熱風乾燥機内で２４時間乾燥させ、ナノファイバーを得た。

得られたナノファイバーの繊維直径は１１０〜１８０ｎｍで、その数平均繊維径は１５０ｎｍであった。

（セルロース繊維の作製）
広葉樹パルプを、水１０Ｌあたり３０ｇの濃度で、熊谷理機工業（株）製、試験用ナイヤガラビーターに仕込み、１０分間叩解し、ＪＩＳＰ８１２１（１９９５）に規定されるカナダ標準濾水度が３００ｍｌのセルロース繊維を得た。

（原紙の作製）
上記で得られた数平均繊維径１５０ｎｍのナイロン６ナノファイバー３０質量％と、セルロース繊維７０質量％を、水中で攪拌し抄紙して、坪量３１ｇ／ｍ^２のナノファイバー混抄紙を得、その後、一対の金属ロールを有するカレンダー装置を用い、１２０℃で圧密化を行い、厚み３５μｍの原紙を得た。

この原紙の透気度、透湿度を表１に示す。

なお、この原紙を走査型電子顕微鏡で観察したところ、パルプ同士の隙間にナノファイバーが入り込んでおり、そのナノファイバーはフィブリル化したパルプとははっきりと区別されることが確認できた。

（全熱交換素子の作製）
上記ナノファイバー混抄紙からなる原紙をライナとし、上記セルロースを用い、別途作製した坪量６０ｇ／ｍ^２のセルロースクラフト紙を用いて、コルゲート加工を行い、段高さ、２ｍｍ、段ピッチ５ｍｍの中芯を得た後、中芯の段頂部の稜線に１０ｍｍ接着／１０ｍｍ非接着部となるように接着剤を塗布し、稜線の５０％を接着した片面コルゲートを得た。

上記片側コルゲートを段目方向が一段ずつ交差するように９８段を重ね、上記と同様にコルゲートの段頂部の稜線の５０％を接着し、縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、高さ２００ｍｍの全熱交換素子を作製した。
[実施例２]
（原紙の作製）
実施例１で用いたセルロース繊維を用い、坪量３５ｇ／ｍ^２のセルロース紙を得、その後、吸湿剤として塩化リチウムを繊維質量に対し、５質量％を塗布し、乾燥させ、その後、一対の金属ロールを有するカレンダー装置を用い、１２０℃で圧密化を行い、厚み３１μｍの原紙を得た。
この原紙の透気度、透湿度を表１に示す。
（全熱交換素子の作製）
上記セルロース紙からなる原紙をライナとし、実施例１と同様に作製した中芯を用い、中芯の段頂部の稜線に１０ｍｍ接着／２０ｍｍ非接着部と交互となるように接着剤を塗布し、稜線の３３％を接着した片面コルゲートを得た。

上記片側コルゲートを段目方向が一段ずつ交差するように重ね、上記と同様にコルゲートの段頂部の稜線の３３％を接着し、実施例１と同様に全熱交換素子を作製した。
[実施例３]
（原紙の作製）
実施例１で用いたナイロン６ナノファイバー４５質量％とセルロース繊維５５質量％を水中で攪拌し抄紙して坪量３２ｇ／ｍ^２のナノファイバー混抄紙を得、その後、一対の金属ロールを有するカレンダー装置を用い、１２０℃で圧密化を行い、厚み３８μｍの原紙を得た。
この原紙の物性を表１に示す。また、この原紙を走査型電子顕微鏡で観察したところ、実施例１の原紙同様にパルプ同士の隙間にナノファイバーが入り込み、そのナノファイバーはフィブリル化したパルプとははっきりと区別されることが確認できた。
（全熱交換素子の作製）
上記ナノファイバー混抄紙からなる原紙をライナとし、中芯の接着を中芯の段頂部の稜線に２０ｍｍ接着／１０ｍｍ非接着部と交互になるように接着剤を塗布し、稜線の６７％を接着した片面コルゲートとし、片面コルゲート同士の接着も同様に稜線の６７％とした。それ以外は実施例１と同様にして全熱交換素子を作製した。
[実施例４]
中芯をポリチレンテレフタレート／共重合ポリエステルからなる芯鞘構造の２．２ｄｅｔｅｘの熱融着糸を用いた目付９０ｇ／ｍ^２、厚み０．３５ｍｍの不織布とした以外は実施例１と同様にして全熱交換素子を作製した。
[比較例１]
ライナの原紙を実施例２の吸湿剤を塗布せず、カレンダーによる圧密化を行ったこととライナと中芯の接着を中芯の段頂部の稜線の全てを接着した以外は実施例２と同様にして全熱交換素子を得た。
[比較例２]
ライナと中芯とを接着剤を用いず、重ね合わせとした以外は実施例１と同様にして車両用の全熱交換素子を得た。しかしながら、中芯の反りによる反発があり、全熱交換素子としての構造を得ることができなかった。そのため、全熱交換効率の測定はできなかった。

表１に示すとおり、本発明である実施例は、全熱交換効率が優れており、様々な使用環境でより小さなエネルギーで効率よく快適な車室環境を提供することができることがわかる。また各実施例は、比較例１に対し、吸湿率が高く、車室内の湿度を除湿できることから特に冬季の暖房使用時の窓曇りなども防止できることがわかる、

本発明により、車両用空気調和装置において、熱交換性能に優れ、省エネルギーで快適な車室内の空気環境をつくりだすことが可能な車両用全熱交換素子を提供するができる。

Claims

ライナと中芯とからなる段ボール構造が層毎に直交積層された全熱交換素子であって、中芯の段頂部がライナに対して断続して接着している段ボール構造を含むことを特徴とする全熱交換素子。
前記、中芯とライナの接着が、中芯の段頂部の稜線の１０〜８０％の範囲で断続的に接着されていることを特徴とする請求項１記載の全熱交換素子。
前記、ライナに用いられる原紙が熱可塑性高分子のナノファイバーを含み、かつ温度２０℃、相対湿度６５％ＲＨでの吸湿率が７〜４０％であることを特徴とする請求項１または２記載の全熱交換素子。
ライナに用いられる原紙における熱可塑性高分子のナノファイバーがポリアミドであることを特徴とする請求項３記載の全熱交換素子。
ライナに用いられる原紙がポリアミドを１〜７０質量％の割合で含むことを特徴とする請求項３または４記載の全熱交換素子。
全熱交換素子の見掛け密度が０．５〜１．２ｇ／ｃｍ^３の範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の全熱交換素子。