JP2017096590A - 全熱交換素子用仕切部材、その素材を用いた全熱交換素子および全熱交換形換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い熱交換素子および前記熱交換素子を用いた全熱交換形換気装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明は、耐水性多糖類を用いた微細繊維１４を含む透湿層１５を備え、微細繊維１４の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であり、透湿層１５は、親水性高分子１３を備えることを特徴とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。【選択図】図５

Description

本発明は、伝熱性と透湿性を有する伝熱板を用いた全熱交換素子用仕切部材、これを用いた全熱交換素子、およびその全熱交換素子を用いた全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全熱交換形換気装置が知られている。

全熱交換形換気装置には、熱交換を行うための全熱交換素子が含まれており、給気と排気が交じり合わないようにするガスバリア性（主として二酸化炭素バリア性）が求められる。近年、住宅の気密性が向上したことにより、換気による熱ロスや、水分損失の影響が相対的に増加し、全熱交換素子にも高い全熱交換性能が求められる。特に、水分交換については、膜の透湿性がボトルネックとなるため、ガスバリア性を確保しつつ透湿性向上を狙ったものもある。（例えば、特許文献１参照）。

これらを実現するために、この種の全熱交換素子は、以下のような構成となっていた。

図７に示すように、微細セルロース繊維からなる微細セルロース繊維不織布層１０１を少なくとも一層含む多層構造体１０２であって、該微細セルロース繊維の平均繊維径が０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であり、さらに該多層構造体１０２の平均厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下、密度が０．１０ｇ／ｃｍ^３以上０．８０ｇ／ｃｍ^３以下、かつ透気抵抗度が２０００ｓ／１００ｍｌ以上であることを特徴とする構成となっていた。微細セルロース繊維は抄紙法による積層後、乾燥によって強く収縮する性質を持ち、緻密な層が形成できるため、透気抵抗度が大きく、透湿度も高い全熱交換素子用シートを得ることができる。

ＷＯ２０１４／０１４０９９Ａ１公報

上記従来例の課題は、セルロース繊維を構成するセルロース分子の透湿性が低いことにあった。従来例にも記載されているように微細セルロース繊維自体の透湿性ではなく、繊維表面積が大きいことを利用し、繊維間界面を移動する水蒸気の単位体積当たりの移動通路密度を高く設計することで透湿性を確保している。一方で、ガスバリア性を高めるために、微細セルロース繊維が乾燥収縮し、緻密に密着することを利用している。

すなわち、ガスバリア性は微細セルロース繊維で確保し、透湿性はその繊維間界面で確保する構成であり、ガスバリア性を向上するため微細セルロース繊維層を緻密に設計すると、透湿可能な面積が減少し、透湿性を向上するために繊維間を広げるとガスバリア性が損なわれるという背反性が存在する。このため、換気に必要なガスバリア性を確保すると、透湿性が低下するという課題があった。

そこで本発明は、上記課題を改善し、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い熱交換素子および前記熱交換素子を用いた全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、全熱交換素子用仕切部材であって、耐水性多糖類を用いた微細繊維を含む透湿層を備え、前記微細繊維の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であり、前記透湿層は、親水性高分子を備えることを特徴とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明は、全熱交換素子用仕切部材であって、耐水性多糖類を用いた微細繊維を含む透湿層を備え、前記微細繊維の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であり、前記透湿層は、親水性高分子を備えることを特徴とするものであり、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い熱交換素子および前記熱交換素子を用いた全熱交換形換気装置を得ることができるものである。

すなわち、本発明によれば、ガスバリア性を微細繊維でなく親水性高分子で確保することが可能であり、透湿性の低い微細繊維の使用量を減少させることができる。このため、透湿面積を確保することができ、ガスバリア性を犠牲にすることなく、透湿性の向上が可能である。

その上、耐水性を備えた多糖類の特長として、分子構造内に多数の結晶部を備えていることから、高強度な立体構造を持ち、引張強度に優れている。この耐水性多糖類からなる微細繊維を親水性高分子内部に含むことによって、親水性高分子が補強され、透湿層の強度を維持したまま薄膜化が可能となり透湿距離の短縮による高透湿性が実現できる。

さらに、本発明では、透湿層の中で高透湿性を持つ親水性高分子の割合を高めることで透湿性を確保し、微細繊維を均一に分散させることで親水性高分子の強度を高めることができ、薄膜化による透湿性向上を実現できる。すなわち、微細繊維の平均繊維径が０．００４μｍより細い繊維となると、繊維１本１本の強度が不足し、微細繊維の平均繊維径が２μｍより太い繊維となると、透湿層の厚み方向に含有される微細繊維の本数が不足してしまうため、透湿層の強度を確保できない。そのため、微細繊維の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であることが必要であり、これらの作用により、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い熱交換素子および前記熱交換素子を用いた全熱交換形換気装置を得ることができる。

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 同全熱交換形換気装置の全熱交換素子を示す斜視図 同全熱交換形換気装置の全熱交換素子を示す分解斜視図 同全熱交換形換気装置の全熱交換素子用仕切部材の透湿層を示す概略断面図 同全熱交換形換気装置の全熱交換素子用仕切部材を示す概略断面図 従来の全熱交換素子用仕切部材を示す概略断面図

以下、本発明の一実施形態を説明する。

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

例として日本の冬季を挙げると、屋内の空気（以下、屋内空気という）を、黒色矢印のごとく、全熱交換形換気装置２を介して屋外に放出する。

また、屋外の空気（以下、屋外空気という）は、白色矢印のごとく、全熱交換形換気装置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、放出する屋内空気の熱を室内に取り入れる屋外空気へと伝達し、不用な熱の放出を抑制しているのである。

全熱交換形換気装置２は図２に示すように、本体ケース３内に全熱交換素子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。

また、全熱交換素子４は、図３、図４に示すように、所定の間隔をあけて複数の間隔保持リブ１１を備えた枠体１７に全熱交換素子用仕切部材１２を一体に貼り合わせたものを積層する構成となっている。すなわち、間隔保持リブ１１により保持された間隔をあけて全熱交換素子用仕切部材１２が積層される。間隔をあけて積層された全熱交換素子用仕切部材１２の間隔に屋内空気と屋外空気を一層ごと交互に流す。屋内空気と屋外空気とを全熱交換素子用仕切部材１２を挟んで流すことにより、熱交換および水分の交換を行わせる構造となっている。

冬季の場合、屋内空気は暖房や人の呼気などから湿気を含んだ状態であり、屋外空気は乾燥した状態となっている。全熱交換素子用仕切部材１２の両面を屋内空気と屋外空気がそれぞれ流れることで、全熱交換素子用仕切部材１２を介した熱伝達により、屋内空気の熱が屋外空気に伝えられる。また、全熱交換素子用仕切部材１２を介した湿気伝達により、屋内空気の水分が屋外空気に伝えられる。 本実施の形態では、図５に示すように、全熱交換素子用仕切部材１２は、親水性高分子１３に耐水性多糖類を用いた微細繊維１４が分散した透湿層１５を備え、微細繊維１４の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下である構成を有する。この構成により、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高い全熱交換素子用仕切部材１２を得ることができる。

すなわち、ガスバリア性を微細繊維１４でなく親水性高分子１３で確保することが可能であり、透湿性の低い微細繊維１４の使用量を減少させることができる。このため、透湿面積を確保することができ、ガスバリア性を犠牲にすることなく、透湿性の向上が可能である。

その上、耐水性を備えた多糖類の特長として、分子構造内に多数の結晶部を備えていることから、高強度な立体構造を持ち、引張強度に優れている。この耐水性多糖類からなる微細繊維１４を親水性高分子内部に含むことによって、親水性高分子１３が補強され、透湿層１５の強度を維持したまま薄膜化が可能となり透湿距離の短縮による高透湿性が実現できる。

さらに、透湿層１５の中で高透湿性を持つ親水性高分子１３の割合を高めることで透湿性を確保し、微細繊維１４を均一に分散させることで親水性高分子１３の強度を高めることができ、薄膜化による透湿性向上を実現できる。すなわち、微細繊維１４の平均繊維径が０．００４μｍより細い繊維となると、繊維１本１本の強度が不足し、微細繊維１４の平均繊維径が２μｍより太い繊維となると、透湿層の厚み方向に含有される微細繊維１４の本数が不足してしまうため、透湿層の強度を確保できない。そのため、微細繊維１４の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であることが必要であり、これらの作用により、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い全熱交換素子４および全熱交換素子４を用いた全熱交換形換気装置２を得ることができる。

また、透湿層１５に含まれる微細繊維１４の体積比率が５％以上３０％以下である構成としても良い。
透湿層１５に含まれる微細繊維１４の体積比率が５％を下回ると透湿層１５の強度が確保できず、３０％を超えると透湿性が低下してしまう。そのため、透湿層１５に含まれる微細繊維１４の体積比率が５％以上３０％以下であることが好ましく、これにより、換気に必要なガスバリア性を確保しつつ、透湿性が高く全熱交換効率の高い全熱交換素子４および全熱交換素子４を用いた全熱交換形換気装置２を得ることができる。

また、透湿層１５の厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下であり、かつ透湿層１５の厚みが微細繊維１４の平均繊維径よりも厚い構成としても良い。透湿層１５の厚みが０．５μｍよりも薄いと必要な強度が得られない恐れがあり、２０μｍよりも厚いと透湿性が不足する恐れがある。透湿層１５の厚みが微細繊維１４の平均繊維径と同じか、より薄い構成では、厚み方向に微細繊維１４が存在しない部位が全体の７０％以上を占めることとなり、微細繊維１４の補強効果が得られない恐れがある。

また、親水性高分子１３として、第四級アンモニウム基を備えた薬剤を用いてもよい。

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、全熱交換素子用仕切部材１２の透湿性能を上げることが出来る。

また、図６に示すように、透湿層１５に多孔質シート１６を貼り合せた構成としてもよい。多孔質シート１６を貼り合わせることにより、全熱交換素子用仕切部材１２としての強度をさらに高めることができるほか、表面の保護効果も得ることができる。

また、前述のとおり、全熱交換素子４に、前記構成の全熱交換素子用仕切部材１２を用いた構成としてもよい。

この構成により、透湿性能の高い全熱交換素子用仕切部材１２を用いることが出来るため、潜熱交換効率の高い全熱交換素子４を得ることが出来る。

また、前述のとおり、全熱交換形換気装置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。

この構成により、潜熱交換効率の高い全熱交換素子４を用いることが出来るため、全熱交換効率の高い全熱交換形換気装置２を得ることが出来る。

なお、全熱交換素子４として、枠体１７に全熱交換素子用仕切部材１２を貼り合せた構成としたが、枠体１７を成形する際に全熱交換素子用仕切部材１２を金型内に入れ同時成形する手法を用いてもその効果に差異を生じない。

なお、親水性高分子１３は、親水性の官能基を備えた高分子を示し、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。また、屋内空気と屋外空気の温度差が大きい場合、全熱交換素子用仕切部材１２表面に結露が生じることがあるため、親水性高分子１３は耐水性を備えたものが好ましい。この場合、耐水性を備えた高分子を得る方法として、既知の手法を用いることができ、例えば分子量の増大や分子鎖同士の架橋、繰り返し分子構造を利用した結晶部の創出、親水性官能基の部分的分子内架橋等の方式が挙げられる。水分子の拡散に対し、悪影響の少ない方式が望ましく、前述の方式の中では分子量の増大や分子鎖同士の架橋による耐水化が特に好ましい。

なお、耐水性多糖類としては、例えばセルロースやキチン等の物質が挙げられる。セルロースはグルコースがβ‐１，４結合した直鎖状のホモポリマーであり、この直鎖が何本か分子間水素結合もしくは分子内水素結合で束となり、結晶構造となっている。水分子は通常この結晶構造に浸みこむことができず、これらの結晶構造が約５０％から７０％を占めることから、セルロースは耐水性を持ち、物理的な強度が高い。キチンはＮ‐アセチル‐Ｄ‐グルコサミンがβ‐１，４結合した直鎖状のホモポリマーであり、セルロースのＣ２位の水酸基をアセトアミド基に置換した化学構造になっている。化学構造の類似性からセルロースと同様の耐水性と強度を備える。

なお、耐水性多糖類を微細繊維１４とする手法としては、既知の手法を用いることができ、圧力をかけて砕く方法、化学的に分解する方法、菌を用いて生産させる方法等が挙げられる。耐水性多糖類の結晶構造を維持したまま微細化したほうがより高強度となるため好ましく、前記手法の中では、菌を用いて生産する方法、たとえば酢酸菌の産生するバクテリアセルロースは結晶化度が高く好適である。

なお、ガスバリア性は例えばガーレー値（ＪＩＳ‐Ｐ８１１７）のような透気度で評価することができ、例えば３０００秒／１００ｃｃ以上あれば必要な換気量を確保することができる。

なお、透湿層１５を形成する手法として、既知の成膜法を用いることができ、例えば、膜状に塗工後硬化する手法や、硬化したブロックを膜状に削る手法、板状に硬化させた後延伸し膜化する手法等が挙げられる。親水性高分子１３内に微細繊維１４を分散させる方法も既知の合成法を用いることができ、例えば親水性の低分子溶液に微細繊維１４を分散させた後重合させる手法、親水性の高分子溶液に微細繊維１４を分散させる手法等が挙げられる。

なお多孔質シート１６としては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、前述のように結露対策として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。

以上のように本実施形態にかかる全熱交換素子用仕切部材は、透湿性能を向上することを可能とするものであるので、全熱交換素子、全熱交換形換気装置等に用いる全熱交換素子用仕切部材として有用である。

１ 家
２ 全熱交換形換気装置
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 間隔保持リブ
１２ 全熱交換素子用仕切部材
１３ 親水性高分子
１４ 微細繊維
１５ 透湿層
１６ 多孔質シート
１７ 枠体

Claims (7)

1. 全熱交換素子用仕切部材であって、耐水性多糖類を用いた微細繊維を含む透湿層を備え、前記微細繊維の平均繊維径が０．００４μｍ以上２μｍ以下であり、
   前記透湿層は、親水性高分子を備えることを特徴とする全熱交換素子用仕切部材。
2. 前記透湿層に含まれる前記微細繊維の体積比率が５％以上３０％以下であ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。
3. 前記透湿層の厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下であり、かつ前記透湿層の厚みが前記微細繊維の平均繊維径よりも厚い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。
4. 前記親水性高分子として、第四級アンモニウム基を備えた薬剤を用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに１つに記載の全熱交換素子用仕切部材。
5. 前記透湿層に多孔質シートを貼り合せたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の全熱交換素子用仕切部材。
6. 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。
7. 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。