JP4206894B2 - 全熱交換素子 - Google Patents

Description

本発明は、空調分野に利用される、二流体間での熱交換を行う熱交換装置に使われている積層構造の熱交換素子のうち、特に潜熱と顕熱の両方を交換する全熱交換素子に関するものである。

これまで一般的に空調分野で利用されている積層構造の全熱交換素子は、平面形状の仕切部材と断面波形状の間隔保持部材を積層して形成される基本構成部材を間隔保持部材の波方向が直交又はそれに近い角度で交差するように積層し、接着して形成されている。この全熱交換素子の間隔保持部材によって作られる積層方向に隣接する流路に、それぞれ異なる状態の気流（一般的には温湿度状態の異なる空気）を流すことで仕切部材を媒体として、両流体間で顕熱及び潜熱の交換が行われる。

仕切部材は、２気流間に存在し、顕熱及び潜熱交換のための媒体として存在しているため、仕切部材の伝熱性及び透湿性は全熱交換素子としての顕熱及び潜熱交換効率に大きな影響を与える。また、間隔保持部材は仕切部材の間隔を保ち、２気流が通り抜ける流路を確保する役割を持っている。
また、空調用の全熱交換素子では、特に２気流間で二酸化炭素（ＣＯ₂）など気体の移行を少なくすることが求められるため、上記の性能の他、仕切部材、間隔保持部材共に高い気体遮蔽性も求められる。
さらに、製品としての安全性確保の観点より、全熱交換素子自体には高い難燃性も求められる。このように全熱交換素子の仕切部材及び間隔保持部材は、様々な性能が求められ、それに応じて様々な仕切部材及び間隔保持部材が用いられている。

以上の機能を発現するために、従来の全熱交換素子として、製紙用繊維を主体としたスラリーに、吸放湿性粉体と熱融着性物質とを混合して抄造した基紙に、必要に応じて難燃剤を含浸処理した後、基紙の片面若しくは両面に吸放湿性の塗工層を設けた全熱交換体用紙をコルゲート加工後、縦横交互に積層した例がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、パルプを主原料とする紙に難燃剤を添加し、吸湿剤を添加して形成した平面状の透湿性のある難燃紙よりなるライナーシートとポリプロピレンフィルムからなる非吸湿性の波付け加工されたコルゲートシートとから構成し、コルゲートシートをライナーシートを介して接合し、一段毎に互いに波の方向を直交させた全熱交換器がある（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、セラミック繊維質基材と植物繊維質基材とを混合抄紙して得られる原紙に対して難燃剤を含浸させた波形状間隔板を介して同じ原紙に対して難燃剤と吸湿剤とを含浸させた平板状仕切板を複数層に重ね合せた熱交換器がある（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１０−２１２６９１号公報（第３頁〜第４頁、図１） 特開２００１−２４１８６７号公報（第２頁、図１） 特開昭５４−４４２５５号公報（第１頁、第２頁、図面）

これらの従来の熱交換素子の仕切部材は、全熱交換体用紙、ライナーシート及び仕切板のいずれも、難燃剤と吸湿剤が層状又は混合された形で必ず重なっていることが特徴である。
しかし、これらの従来のような難燃剤と吸湿剤が重なっている構成では、次のような問題がある。
１）仕切部材の表裏面を流れる２つの気流の間で潜熱の移動、即ち、湿分の移動を行おうとすると、従来の構成では湿分の移動する方向に吸湿剤層だけではなく、難燃剤層も存在することになるため、もし吸湿剤層が湿分を吸着しても、その後難燃剤層が湿分の移動の抵抗となることにより、その部分で湿分の移動量は減少し、結果として仕切部材の透湿性は低下することになる。
２）このため、さらに高透湿性を確保するために、吸湿剤の増量を図る方法が考えられるが、その際には仕切部材の基材単位面積あたりに塗工又は含浸させることのできる薬剤総量には限度があるため、仕切部材の同じ部分への吸湿剤と難燃剤を塗工する従来の構成では、吸湿剤の量を増やすと難燃剤の量が減り、難燃剤を低減させることになる。逆の場合も同様であり、結局吸湿性と難燃性とがトレードオフの関係となることも問題である。
３）さらに、吸湿剤と難燃剤を同じ部分へ用いるので、薬剤選定においてはそれらが接触することで容易に反応しあわないように留意する必要がある。これにより吸湿剤、難燃剤の選定幅が狭くなる問題もある。選択幅が狭くなることは、製品のコスト高をまねく要因にもなることから極力避けるべきである。

また、特許文献３に記載のように、仕切部材に吸湿性のある難燃剤を含浸する方法によって、吸湿性と難燃性とを同時に付与する構成も考えられる。しかし、この吸湿性は吸湿剤の吸湿性には及ばないため、吸湿剤単体を用いているもの以上に交換効率の向上を達成するのは難しい。又そのような薬剤は種類が限られる点は、上記の課題３）と同様である。

本発明は、上記の課題を解消するためになされたものであり、第１の目的は、透湿性を付与する吸湿剤等の材料の効果が難燃性を付与する難燃剤等の材料に阻害されることを防いで、透湿効果をより顕在化し、結果として全熱交換素子の熱交換効率を向上を図ることである。
また、第２の目的は、透湿性を付与する吸湿剤等の材料と難燃性を付与する難燃剤等の材料の付与量をお互いに束縛しあうことなく自由に設定することができるようにし、又、お互いの反応性に関係なく選定できるようにすることで、結果として全熱交換素子の熱交換効率の向上と難燃性とを両立させることである。

本発明の全熱交換素子は、仕切部材の間隔保持部材との接合部が難燃性を付与した難燃性付与部分であり、仕切部材上の間隔保持部材と接していない部分が吸湿性を付与した透湿性付与部分であり、また、間隔保持部材が難燃性を付与した難燃性付与部分であるように構成したものである。

仕切部材の間隔保持部材との接合部が難燃性を付与した難燃性付与部分であり、仕切部材上の間隔保持部材と接していない部分が吸湿性を付与した透湿性付与部分であり、また、間隔保持部材が難燃性を付与した難燃性付与部分であるように構成したので、仕切部材上の間隔保持部材と接していない部分においては、吸湿剤と難燃剤とが重なることはなく、このため潜熱交換効率の向上等の効果を得ることができる。しかも、難燃剤の量及び塗工面積は仕切部材の基材に塗工しないものよりも多くなるので、より高い難燃性が得られる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の全熱交換素子を添付の図面によりより詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の全熱交換素子１を示しているが、全熱交換素子１は、平板状の仕切部材２と断面が鋸歯状又は正弦波状等の波形状で、仕切部材２の平面への投影形状が仕切部材に一致するように加工された間隔保持部材３とを交互に積層したものから構成される。積層方法は、１個の仕切部材２と１個の間隔保持部材３とを図２に示すように、波形状の凸部が接触するように重ねて接着等で固定した単位構成部材を製作し、この単位構成部材を仕切部材２と間隔保持部材３とが交互になるように、かつ、間隔保持部材３の波形状の開口部の開口方向が交互に約９０度となるように積層する（図１では、単位構成部材を６個積層した全熱交換素子の例である）。そこで、図１に示すように、２種の気流の流路４、５（矢印で表示）が一層おきに交互に交差する全熱交換素子１を得ることができる。この２種の気流の流路４、５に送風機等により状態の異なる二種類の気流を通過させると、仕切部材２を媒体として両気流間で顕熱、潜熱の熱交換を行うことができる。

図３は、図２の単位構成部材の流路４、５の気流方向に垂直に切断した断面図である。本全熱交換素子１の仕切部材２及び間隔保持部材３は、透湿性、気体遮蔽性及び難燃性を確保するために、以下のような構成とする。
まず、仕切部材２は、基材２ａと基材２ａに付与される吸湿剤２ｂからなり、基材２ａはセルロースベース素材である、例えばパルプ繊維を無孔質化したもの（叩解を進めたパルプによって抄紙した紙）または気体の通過しない微細孔基材を用い、吸湿剤２ｂは塩化リチウムや塩化カルシウム等のアルカリ金属塩とし、この吸湿剤２ｂを基材２ａに含浸又は塗工する。また、間隔保持部材３は、同じくパルプ繊維に塩酸グアニジンやスルファミン酸グアニジン等のグアニジン塩類の難燃剤を含浸させたものを用いる。これらの仕切部材２と間隔保持部材３とを接着剤、例えば酢酸ビニル系の接着剤で貼り合わせ、図３のような単位構成部材とする。

仕切部材２の基材２ａは、それ自体が湿分移動の抵抗となるため極力厚さが薄いほうが良い。しかし薄くしていくと、材料強度が急激に低下し加工が難しくなるため、厚さは大体２５μｍ〜１５０μｍ程度が良い。また基材２ａは、気体遮蔽性を与えるため無孔膜素材を用いた。無孔素材は、多孔質素材のように水蒸気が孔を通過することができないため、湿分の移動は、一度仕切部材２の表面に水分として吸着し、浸透し、水分の拡散という形で仕切部材２を透過していくと推定される。このような原理から仕切部材２の基材２ａの素材には、水酸基等の親水基を持つ水分拡散性の良好な親水性素材を用いることが好ましい。

また、間隔保持部材３の基材は、一般的なパルプを用い、その抄紙の段階で同時に難燃剤のグアニジン塩類を作用させた、いわゆる難燃紙を用いた。難燃グレードは２級（ＪＩＳ Ａ１３２２、建築用薄物材料の難燃性試験方法）程度のものである。これ以外でも紙の片面又は両面に難燃剤を含浸又は塗工したものを用いてもよい。但し、片面塗工の場合は、塗工面の反対面を加熱された場合の効果が若干弱くなる。厚さは、その役割が流路を形成、維持することにあることを考えると、極力厚く強度の大きい方がよいが、厚い間隔保持部材３に薄い仕切部材２を接着して図２のような単位構成部材を形成した場合、加工後に両部材２、３の吸湿による寸法変化の差、及び強度の差から構造部材自体が湾曲する現象が起こる。このようになると、その後積層して図１のような素子形状にする際の加工性が極めて悪化するため、それらを考慮して厚さを決定する必要がある。本場合は約１００μｍとした。

このように構成された全熱交換素子１では、熱交換するときの媒体となる仕切部材２上で吸湿剤と難燃剤などその他の薬剤が重なることがないため、１）吸湿剤が吸着した水分の移動を妨げる抵抗となるものが仕切部材２の基材２ａのみとなり、従来品よりもさらに吸湿剤の効果が顕在化して、仕切部材２自体の透湿性の向上が図れる。２）また、吸湿剤使用量を難燃剤の使用量に影響を受けずに自由に決定できる。また、従来より吸湿剤の最大使用量を増やすことができる等の効果がある。これらを通じて最終的な効果として、全熱交換素子１の潜熱交換効率の向上を図ることができる。また、吸湿剤の効果を顕在化させることができることから、これまでと同一の性能を維持したまま、吸湿剤の使用量を減らすことが可能である。この場合にはコストダウンの効果を得ることができる。３）さらに、吸湿剤が難燃剤と混合することがないので、両者の反応性により今まで用いることができなかった薬剤を用いることができるようになり、薬剤選択の幅が広がる効果もある。これにより安価で効果がある薬剤を広い範囲から選択、使用できるようになり、コストダウンにつながる。

これらの効果を実証するために、本構成の全熱交換素子１、及び従来例のものの一つである多孔質素材に難燃剤を添加した難燃性を有する基材上に吸湿剤を塗工した仕切部材と一般的な多孔質部材である紙による間隔保持部材とを用いた積層型の全熱交換素子の２点について、素子のサイズ及び流通させる気流の条件を同一とした場合の潜熱及びエンタルピー交換効率を比較する実験を行った。その結果を表１に示す。

これによれば、本発明の効果は、全熱交換素子１の潜熱交換効率を２０％程度、同時にエンタルピー交換効率を１８％程度向上することができた。条件等により割合は変化すると考えられるが、本全熱交換素子１の構成とした場合に交換効率の向上効果が得られることが確かめられた。

また、本全熱交換素子１の難燃性は、間隔保持部材３に含まれている難燃剤により付与されている。間隔保持部材３は、図２等からもわかるように、仕切部材２よりも大きな面積を持つので、仕切部材２のみに難燃剤を付与したものに比べるとより多くの難燃剤を塗工することができるようになる。
本全熱交換素子１の難燃性の程度を明らかにするために、本全熱交換素子１、仕切部材のみに難燃処理を施した全熱交換素子及び仕切部材と間隔保持部材の両方に難燃処理を施したものの３例について、米国の規格の一つであるＵＬ−７２３に規定された燃焼試験の結果を表２に示す。

これによれば、本全熱交換素子１は仕切部材のみに難燃処理を施したものよりかなり難燃性が高く、むしろ仕切部材と間隔保持部材の両方に難燃処理を施したものに近い難燃性を有しているという結果になった。よって、間隔保持部材３のみに難燃処理を施せば、実用上十分な難燃性を得ることができる。
以上より、積層型全熱交換素子に本構成を採用すると、吸湿剤の作用の顕在化、最大使用可能量の増加等に起因する潜熱交換効率の向上を図りながら、同時に実用上十分な難燃性を確保することができる。

なお、前記の全熱交換素子１では、気体遮蔽性を確保するために仕切部材２の基材として、無孔膜素材を用いているが、多孔質膜の素材を用いることも可能である。但し、この場合には、気体遮蔽性を確保するために、孔をふさぐ目止め剤を塗工する必要がある。目止め剤には、透湿性とバリア性のあるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を用いることで吸湿剤の効果を極力阻害することなく目止めすることができる。これにより、前記の全熱交換素子１とほぼ同様な効果を得ることができる。

また、仕切部材２の基材に同様に多孔質の素材を用いるときに、目止め剤を用いる代わりに、吸湿剤に匹敵するような高吸湿性を持つ高分子材料等の無孔膜、即ち、気体遮蔽性及び吸湿性のある部材を接着して用いることでも同様の効果を得ることが可能である。この場合、基材の湿分移動の抵抗をより小さくするために、例えば、不織布のような極力薄くかつ空隙率の高い通気性の良いものを選ぶと抵抗が減って、仕切部材２全体としての吸湿性をより高めることができる。
なお、上記のように、仕切部材２の基材は気体遮蔽性を持たせるようにしているが、間隔保持部材３の基材は、無孔基材から多孔基材まで広く使用できる。

また、本実施の形態の全熱交換素子１は、仕切部材２を透湿性を付与した透湿性付与部分とし、間隔保持部材３を難燃性を付与した難燃性付与部分とすることで、透湿性付与部分と難燃性付与部分とが分離でき、仕切部材２で透湿効果、間隔保持部材３で難燃性が得られるとともに、透湿性を付与する吸湿剤等の材料の効果が難燃性を付与する難燃剤等の材料に阻害されることがない。

また、本実施の形態の全熱交換素子１においては、仕切部材２の基材を無孔基材又は気体の通過のない微細孔基材とし、該基材に吸湿剤を付与し、また、間隔保持部材３の基材を無孔基材から多孔基材のうちから選択した基材とし、該基材に難燃剤を付与することにより、仕切部材２は、透湿性とともに無孔基材又は気体の通過のない微細孔基材により二種の気流間で二酸化炭素等の気体の移行防止、即ち、気体遮蔽性を確保できる。

また、本実施の形態の全熱交換素子１においては、仕切部材２の基材を多孔基材とし、該基材に気体遮蔽性のある目止め剤及び吸湿剤を付与する、または、該基材に気体遮蔽性及び吸湿性のある部材を付与し、また、間隔保持部材３の基材を、無孔基材から多孔基材のうちから選択した基材とし、該基材に難燃剤を付与することにより、仕切部材２は、目止め剤又は気体遮蔽性材により気体遮蔽性を確保するとともに、多孔基材により透湿性を確保できる。特に、基材に気体遮蔽性及び吸湿性のある部材を付与した場合は、気体遮蔽性を確保できるとともに、透湿性が著しく向上する。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２の全熱交換素子を示すものであり、図２の単位構成部材を間隔保持部材によって形成される風路に垂直な方向に切断した断面図である。
本全熱交換素子１は、仕切部材２の間隔保持部材３と接する部分の基材２ａ上に難燃剤２ｃ（グアニジン塩類の難燃剤）を塗工し、それ以外の部分には吸湿剤２ｂを塗工する。吸湿剤２ｂには、塩化リチウム及び塩化カルシウム等のアルカリ金属塩を主成分とするものを用いる。また、間隔保持部材３は、塩酸グアニジン、スルファミン酸グアニジン等のグアニジン塩類の難燃剤を含浸させた難燃紙を用いる。この仕切部材２と実施の形態１と同様な間隔保持部材３とを接着剤（例えば、酢酸ビニル系のもの）で貼りあわせると、図４の構成となる。

本全熱交換素子１も実施の形態１の全熱交換素子１と同様に、実際湿分の移動が行われる仕切部材２上の間隔保持部材３と接していない部分においては、吸湿剤２ｂと難燃剤とが重なることはなく、このため潜熱交換効率の向上等の効果を実施の形態１の全熱交換素子１と同様に得ることができる。しかも、難燃剤の量及び塗工面積は前記の仕切部材２の基材２ａに塗工しないものよりも多くなるので、より高い難燃性が得られる。
この構成の場合、難燃剤２ｃと吸湿剤２ｂがそれぞれの塗工部分（図４の２ｂと２ｃ）の境界上では接してしまうため、吸湿剤２ｂと難燃剤２ｃとの反応性等で若干の配慮が必要であるが、特に高い難燃性を要求される全熱交換素子１については、他の例のものより適している。

本実施の形態の全熱交換素子１は、仕切部材２の間隔保持部材３との接合部を難燃性を付与した難燃性付与部分とし、接合部以外が吸湿性を付与した透湿性付与部分とし、また、間隔保持部材３が難燃性を付与した難燃性付与部分とすることにより、透湿性にほとんど寄与しない接合部に難燃性を付与し、透湿性を損うことなく、難燃性を増加できる。

本発明の実施の形態１、２の全熱交換素子１は、仕切部材２及び間隔保持部材３に吸湿剤等を付与することにより形成される吸湿性付与部分及び難燃剤を付与することにより形成される難燃性付与部分が、仕切部材２及び間隔保持部材３のそれぞれの部材中において重ならないようにすることを構成上の主要な特徴とするものであり、この構成により吸湿性付与部分と難燃性付与部分とが相互に干渉して吸湿性（透湿性）及び／又は難燃性に悪影響を及ぼすことを防止するものであり、本主旨に合致する範囲においては、吸湿剤（吸湿性付与材）、難燃剤（難燃性付与材）等の選定及び両部材の基材へのこれらの付与方法等は、広く公知のものを使用できる。

以上のように、本発明の全熱交換素子は、空気調和機、換気装置等の空調分野において、室内空気の換気等で室外空気との熱交換する際に熱回収する熱交換装置に有効に利用できる。

本発明の実施の形態１に係わる全熱交換素子１を示す斜視図である。 図１の全熱交換素子の単位構成部材を示す斜視図である。 図２の単位構成部材の流路に垂直な方向の断面図である。 本発明の実施の形態２に係わる全熱交換素子の単位構成部材の流路に垂直な方向の断面図である。

符号の説明

１ 全熱交換素子、２ 仕切部材、２ａ 仕切部材の基材、２ｂ 吸湿剤、２ｃ 難燃剤、３ 間隔保持部材、４、５ 流路。

Claims (1)

1. 仕切部材と間隔保持部材とを交互に積層し、前記仕切部材間に間隔保持部材によって間隔が保持された流路を形成し、該隣接流路に二種の気流を通過させ、前記仕切部材を介して前記二種の気流間で熱交換する全熱交換素子において、
   前記仕切部材の前記間隔保持部材との接合部が難燃性を付与した難燃性付与部分であり、前記仕切部材上の前記間隔保持部材と接していない部分が吸湿性を付与した透湿性付与部分であり、また、前記間隔保持部材が難燃性を付与した難燃性付与部分であることを特徴とする全熱交換素子。

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