JP2015059703A

JP2015059703A - 全熱交換素子用素材およびその素材を用いた熱交換形換気装置

Info

Publication number: JP2015059703A
Application number: JP2013193827A
Authority: JP
Inventors: 将秀福本; Masahide Fukumoto; 洋祐浜田; Yosuke Hamada
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】全熱交換素子用仕切部材とそれを用いた全熱交換素子とそれを用いた全熱交換型換気機器において、外気が低温の場合に熱交換素子内部で発生する結露水が凍結し、排気風路の給気風路入口付近で生じる凍結による目詰まりを抑制することを目的とする。
【解決手段】全熱交換素子用仕切部材１１は、全熱交換をする伝熱板としての多孔質基材２０の表面に極細繊維層２１を備えた構成にしたことにより、排気風路１４内に発生した結露水を拡散させ、結露水の凍結による目詰まりを抑制することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、伝熱性と透湿性を有する素材を仕切板に用いて、顕熱及び潜熱を同時に回収する静止透過式の熱交換形換気装置に関するものである。

従来、冷房や暖房の効果を損なわずに換気できる装置として、換気の際に給気と排気の間で熱交換を行う熱交換形換気装置が知られている。

空調エネルギー低減のニーズは寒冷地で特に大きいが、熱交換型換気装置は外気が低温の場合に熱交換素子内部で結露が発達するために、熱交換素子は耐水性が必要である。

これらを実現するために、この種の全熱交換素子に用いる全熱交換素子用仕切部材は、以下のような構成となっていた。

すなわち、温度の高い高温空気流と、温度の低い低温空気流との間に配置される全熱交換素子用仕切部材であって、透湿性物質として親水性高分子を水溶液化し、親水性繊維が３０重量％以上含有する多孔質シートに塗工後に水不溶化させる構成となっていた。

例えば、これに類似する先行文献として下記特許文献１参照。

特開２００８−１４６２３号公報

上記従来例における課題は、熱交換型換気装置は外気が低温の場合に熱交換素子内部で発生する結露水が凍結し、排気風路の給気風路入口付近で目詰まりすることであった。

そこで本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、凍結しやすい領域の結露水を分散させることで凍結する水分量を減少することができる全熱交換素子用素材およびその素材を用いた全熱交換素子及びその素子を用いた熱交換形換気装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、全熱交換をする伝熱板の表面に極細繊維層を備えたことを特徴とする全熱交換素子用仕切部材であり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、全熱交換をする伝熱板の表面に極細繊維層を備えたことを特徴とする全熱交換素子用仕切部材を備えたものであり、凍結しやすい領域の結露水を分散させることで凍結する水分量を減少することができるものである。

すなわち、本発明によれば、全熱交換素子用仕切部材の表面に結露水が発生すると、極細繊維層内部の微細空隙に働く毛細管力により結露水は分散する。

結果として、結露水が凍結しやすい領域の水分量が減少し、凍結する水分量が減少する。

本発明の実施の形態１にかかる全熱交換形換気装置の設置例を示す概要図同全熱交換形換気装置の構造を示す図全熱交換素子を示す斜視図全熱交換素子を示す分解斜視図全熱交換素子を示す平面図全熱交換素子用仕切部材を示す概略断面図伝熱板に極細繊維層を用いた全熱交換素子用仕切部材を示す概略断面図

本発明の請求項１記載の全熱交換素子用仕切部材は、全熱交換をする伝熱板の表面に極細繊維層を備えるという構成とすることにより、全熱交換素子用仕切部材の表面に結露水が発生すると、極細繊維層内部の微細空隙に働く毛細管力により結露水は分散し、凍結しやすい領域から凍結しにくい領域に移動するので、凍結する水分量が減少するという効果を奏する。

また、伝熱板として、水不溶性高分子の透湿性物質を備えた全熱交換素子用仕切部材としてもよい。

この構成により、全熱交換素子用仕切部材の表面に結露水が発生する条件において、透湿性物質が結露水に融解しにくく、結露による劣化が抑制されるので、透湿性能を担保しつつ、凍結しやすい領域の水分量を減少することができる全熱交換素子用仕切部材を得ることができる。

また、伝熱板として、低分子化合物を多孔質基材内で重合して作成した透湿性物質を備えた構成にしてもよい。

この構成により、分子サイズの小さい低分子化合物は流動性がよいため、多孔質基材内部の空隙を充填することができる。そして、多孔質の孔内部で重合することで分子量が増大して疎水性が強まることから、透湿性物質は結露水に融解しにくく、結露による劣化が抑制される。

さらに、透湿性物質で挟まれた多孔質基材内部の空隙は、水蒸気が移行する際に放湿、拡散、吸湿の３段階のステップを経るため透湿抵抗となるが、この構成では、空隙をよりくまなく充填することができるので、透湿抵抗となる多孔質基材内部の空隙が減少し、透湿性の高い全熱交換素子用仕切部材を得ることができる。透湿性を向上させることで、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができ、凍結しやすい領域の水分量を減少することができる全熱交換素子用仕切部材を得ることができる。

また、透湿性物質として第四級アンモニウム基を備えた薬剤を用いた構成にしてもよい。

この構成により、第四級アンモニウム基は電荷の偏りが大きく、水分子と水素結合を作らないという特徴があるため、水の吸放湿性が高い。このため、透湿性を向上することができるので、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができ、凍結しやすい領域の水分量を減少することができる全熱交換素子用仕切部材を得ることができる。

また、多孔質基材が、極細繊維層で構成されており、極細繊維層内部の空隙部分に透湿性物質を備える構成にしてもよい。

この構成により、極細繊維層は繊維径が細いため、薄い層を形成することができる。その上、繊維径が細いことにより、毛細管力により透湿性物質を極細繊維層内部の空隙部分に充填することができる。以上から、極細繊維層内部の空隙部分を透湿性物質で充填し、さらに極細繊維層を薄く形成できるため、透湿性能を向上させることができる。このため、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができ、凍結しやすい領域の水分量を減少することができる全熱交換素子用仕切部材を得ることができる。

また、本発明の請求項１から５のいずれか一項に記載の全熱交換素子用仕切部材を用いた全熱交換素子という構成にしてもよい。これにより、凍結しやすい領域の水分量を減少させることができるので、結露水が凍結することによる風路閉塞を抑制する全熱交換素子を得ることができる。

また、請求項６に記載の熱交換素子を用いた熱交換型換気装置という構成にしてもよい。これにより、外気温度が低い寒冷地において換気風量を確保できる熱交換型換気装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１において、家１の屋内に全熱交換型換気装置２が設置されている。

例として日本の冬季を挙げると、屋内からの空気を、黒色矢印のごとく、全熱交換型換気装置２を介して屋外に放出する。

また、屋外の空気は、白色矢印のごとく、全熱交換型換気装置２を介して室内にとり入れる。

そして、このことにより換気を行うとともに、この換気時に、屋内空気の熱を屋外空気へと伝達し、不用意な熱の放出を抑制しているのである。

全熱交換型換気装置２は図２に示すように、本体ケース３に全熱交換素子４を配置し、ファン５を駆動することで、屋内空気を内気口６から吸い込み、全熱交換素子４、ファン５を経由し、排気口７から屋外へと排出する。

また、ファン８を駆動することで、屋外空気を外気口９から吸い込み、全熱交換素子４、ファン８を経由し、給気口１０から屋内へと取り入れる構成となっている。

ここで全熱交換素子４の構成について図３、図４を用いて説明する。

図３は全熱交換素子４の外観を示す斜視図であり、図４は全熱交換素子４を分解した斜視図である。

図３および図４に示すように、全熱交換素子４は伝熱手段としての全熱交換素子用仕切部材１１と、全熱交換素子用仕切部材１１の外枠を形成する枠体１２と全熱交換素子用仕切部材１１どうしの間隔を保持する間隔保持手段としての間隔リブ１３を断続的に備え、これらが排気風路１４と給気風路１５を１層ずつ交互に構成している。積層数は全熱交換素子４を搭載する熱交換型換気装置の大きさや風量によって決定される。

なお一般的な性能の顕熱交換型の熱交換素子と全熱交換型の熱交換素子を比較すると、全熱交換型の熱交換素子の方が湿度（潜熱）も回収するため全熱交換効率が高く、空調負荷の省エネのためには全熱交換型の熱交換素子を使用することが望ましい。従来は透湿膜が着霜により劣化するという問題があり、寒冷地においては主に顕熱交換型の熱交換素子が用いられてきたが、最近では透湿膜の性能向上により着霜による劣化が防止できるようになってきた。寒冷地においては湿度を回収する全熱交換型の熱交換素子は、顕熱交換型の熱交換素子より排気風路の着霜による目詰まりを抑制することができ、全熱交換型の熱交換素子を使用することが望ましい。

間隔リブ１３は樹脂や金属で構成される。特に間隔リブ１３は全熱交換素子用仕切部材１１を金型内に挿入し、樹脂によるインサート射出成形による一体成形で形成すると良い。

図３および図４に示すように、全熱交換素子４は排気風路１４を流通する屋内空気１６と給気風路１５を流通する屋外空気１７とが直交する熱交換素子であるが、六角形対向流の熱交換素子でもよい（図示せず）。

冬季の場合、屋内空気１６は暖房や人の呼気などから湿気を含んだ状態であり、屋外空気１７は乾燥した状態となっている。全熱交換素子用仕切部材１１の両面を屋内空気１６と屋外空気１７がそれぞれ流れることで、全熱交換素子用仕切部材１１を介した熱伝達により、屋内空気１６の熱が屋外空気１７に伝えられる。また、全熱交換素子用仕切部材１１を介した湿気伝達により、屋内空気１６の水分が屋外空気１７に伝えられる。

ここで、一般的な熱交換素子で結露水が凍結するメカニズムについて図５を参照しながら詳細に説明する。図５は全熱交換素子４の外観を示す平面図である。

暖房や人の呼気などから湿気を含んだ屋内空気１６は全熱交換素子４に導入されると、乾燥した低温の屋外空気１７と熱交換することにより排気流の温度が低下し、相対湿度が１００％を超えることで結露が生じる。さらに排気流の温度が氷点下になると結露が凍結して霜になる。全熱交換型の熱交換素子の場合は温度だけでなく湿度も交換するので排気流の相対湿度は上がりにくくなるが、一般的に湿度交換効率は温度交換効率よりも低いので、外気が非常に低温だとやはり結露水が凍結する。

結露水が凍結しやすい凍結領域１８は図５の斜線で示したような領域であり、排気風路内部の給気風路入口側である。これは、この領域の屋内空気１６が低温の屋外空気１７と最初に熱交換するため、最も温度低下が大きいからである。凍結領域１８以外の領域を非凍結領域１９とする。

図６は、全熱交換素子用仕切部材の概略断面図である。

本発明では、図６に示したように、全熱交換素子用仕切部材１１は、全熱交換をする伝熱板として多孔質基材２０の表面に極細繊維層２１を備えるという構成とする。

これにより、全熱交換素子用仕切部材の表面に結露水が発生すると、毛細管力が働き極細繊維層２１内部の微細空隙を伝って、結露水は分散する。結露水が多く発生する凍結領域１８から結露水の発生量が少ない非凍結領域１９へと結露水は移動し、伝熱板表面上で、結露水は拡散される。

その結果、凍結領域１８の水分量を減少することができる。

また、多孔質基材２０が、水不溶性高分子の透湿性物質２２を備える構成としてもよい。

これにより、全熱交換素子用仕切部材の表面に結露水が発生する条件において、透湿性物質が結露水に融解しにくく、結露による劣化が抑制される。

その結果、透湿性能を担保しつつ、凍結領域１８の水分量を減少することができる。

また、多孔質基材２０が、低分子化合物を多孔質基材内で重合して作成した透湿性物質を備えた構成にしてもよい。

これにより、多孔質基材内部に透湿性物質２２を充填させることで、結露水に透湿性物質が融解しにくく、結露による劣化が抑制される。

さらに、多孔質基材内部の透湿抵抗となる空隙を透湿性物質で充填することができるので、透湿性の高い全熱交換素子用仕切部材１１となる。透湿性を向上させることで、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができる。

その結果、排気風路内の水分量を減少させ、凍結領域１８の水分量を減少することができる。

また、透湿性物質２２として第四級アンモニウム基を備えた薬剤を用いた構成にしてもよい。

これにより、第四級アンモニウム基は電荷の偏りが大きく、水分子と水素結合を作らないという特徴があるため、水の吸放湿性が高くなり、透湿性能が向上する。透湿性を向上させることで、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができる。

また、伝熱板として極細繊維層２３と極細繊維層２３内部の空隙部分に透湿性物質２２を備えた構成でもよい。図７に極細繊維層に透湿性物質を充填した伝熱板の概略断面図を示す。

これにより、極細繊維層２３は繊維径が細いので、薄い層を形成することができる。その上、繊維径が細いことにより、毛細管力により透湿性物質２２を吸収することができるため、透湿性物質２２を極細繊維層２３に集めることができる。以上から、高濃度の透湿性物質２２の層を薄く形成できるため、透湿性能を向上させることができる。

その結果、排気風路から給気風路へと移動する水分量を増加させることができる。

また、全熱交換素子４に、前記構成の全熱交換素子用仕切部材１１を用いた構成としてもよい。

これにより、透湿性能の高い全熱交換素子用仕切部材１１を用いることにより、結露水が凍結することによる風路閉塞を抑制する全熱交換素子４を得ることができる。

また、全熱交換型換気装置２に、前記構成の全熱交換素子４を用いた構成としてもよい。

これにより、外気温度が低い寒冷地において換気風量を確保できる全熱交換型換気装置２を提供することができる。

なお、多孔質基材２０としては、多孔質シートであれば特に制限されないが、例えば不織布、プラスチックフィルム、織布が挙げられる。材質としては、耐水性のある材料が好ましく、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。

なお、本発明における極細繊維とは、繊維径が０．１μｍから３μｍの繊維を示す。極細繊維層２１と極細繊維層２３の材質も、耐水性のある材料が好ましく、上記多孔質基材２０と同じ材料を用いることができる。また、製造方法としては、メルトブローン法、静電紡糸法等が挙げられるがこれに限らず既知の手法を用いることができる。

なお、透湿性物質２２としては、親水性の官能基を備えた高分子が好ましく、例えば、水酸基、スルホン基、エステル結合、ウレタン結合、カルボキシル基、カルボ基、リン酸基、アミノ基、第四級アンモニウム基等が挙げられる。特に前述のように第四級アンモニウム基は吸放質性が高く好ましい。

なお、極細繊維層２３へ透湿性物質２２を添加する方法としては、含浸または塗工が挙げられるが、特に塗工量を制御できる塗工方式が好ましい。塗工方法としては、スプレー方式、グラビアコート方式、ダイ塗工方式、インクジェット方式、コンマコート方式等、既知の方式を用いることができる。

なお、透湿性物質２２の水不溶化方法としては、上記重合による高分子化の他に、塗工後架橋材で処理する方法、非水溶性の高分子を有機溶媒に溶解して塗布し、乾燥させる方法、非水溶性の高分子を熱溶解し、冷却する方法等が挙げられる。

なお、透湿性物質２２を重合するときに、親水性の有機低分子化合物の他に、重合部位を複数持つ有機化合物を架橋材として添加してもよい。添加することにより、重合後の有機高分子化合物の耐水性が高まるほか、全熱交換素子用仕切部材１１の強度の向上、吸水による膨潤の抑制効果を得ることができ、好適である。

なお、透湿性物質２２を重合させる方法としては、ラジカル重合、イオン重合、開環重合等が挙げられ、特に分子量の急激な増大を伴うラジカル重合が好適である。これは、分子量が急激に増大することにより、重合後の高分子化合物が極細繊維層２３に留まり易く、均一な全熱交換素子用仕切部材１１を形成しやすいためである。ラジカル重合方法としては、既知の手法を用いることができ、例えば熱や紫外線、放射線を用いた重合を行うことが出来る。特に放射線を用いた場合、透湿性物質２２と極細繊維層２３とを結合することも可能となるため、耐水性が向上し、より好適である。

本発明にかかる全熱交換素子用素材およびその素材を用いた全熱交換素子及びその素子を用いた熱交換形換気装置は、外気温度が低い寒冷地における屋内空気と屋外空気の熱交換において、外気温度の低い屋外空気によって屋内空気が冷やされても排気風路の結露水の凍結による目詰まりを抑制することができるものである。

１家
２全熱交換型換気装置
３本体ケース
４全熱交換素子
５ファン
６内気口
７排気口
８ファン
９外気口
１０給気口
１１全熱交換素子用仕切部材
１２枠体
１３間隔リブ
１４排気風路
１５給気風路
１６屋内空気
１７屋外空気
１８凍結領域
１９非凍結領域
２０多孔質基材
２１極細繊維層
２２透湿性物質
２３極細繊維層

Claims

全熱交換をする伝熱板の表面に極細繊維層を備えたことを特徴とする全熱交換素子用仕切部材。
前記伝熱板が、水不溶性高分子の透湿性物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の全熱交換素子用仕切部材。
前記伝熱板が、低分子化合物を多孔質基材内で重合して作成した透湿性物質を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の全熱交換素子用仕切部材。
前記透湿性物質が、第四級アンモニウム基を含む薬剤であることを特徴とする請求項１から３に記載の全熱交換素子用仕切部材。
前記伝熱板が、極細繊維層で構成されており、前記極細繊維層内部の空隙部分に透湿性物質を備えることを特徴とする請求項１から４に記載の全熱交換素子用仕切部材。
請求項１から５のいずれか一項に記載の全熱交換素子用仕切部材を用いた全熱交換素子。
請求項６に記載の全熱交換素子を用いた全熱交換形換気装置。