JP6357651B2 - 全熱交換素子用仕切部材および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

Description

本発明は、伝熱性と透湿性を有する全熱交換素子用仕切部材、およびその全熱交換素子用仕切部材を仕切板に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熱交換素子が含まれており、熱交換素子用仕切部材には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）と伝熱性が求められる。特に、温度と同時に湿度の交換も行う全熱交換素子用の仕切部材に関しては、高い透湿性も合わせて有する必要がある。

また、ビルなどの非住宅で全熱交換形換気装置を用いる場合、一般的に室内を加湿する要因（人の呼気や調理の水蒸気、浴槽の蒸気等）が住宅に比べ少なく、例えば日本の冬季等では外気も乾燥しているため、室内および室外が共に乾燥している条件が生じる。この場合、全熱交換形換気装置には、少ない室内側の水分の損失を抑制する機能が求められるため、仕切部材には低湿環境下での高い透湿性が必要である。

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、セルロースパルプと熱可塑性高分子のナノファイバーを含む構成となっていた。

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２０１０−２４８６８０号公報

上記従来例の課題は、セルロースパルプをベースに用いることにより、周囲の湿度に応じてセルロースが吸湿することにある。セルロースパルプは親水性のセルロース繊維の集まりであり、吸湿することによって繊維間に水分子が割って入り込み、それらの水分子がセルロースパルプからなる構造体の透湿性能を向上させる。逆を言えば、乾燥時は繊維同士が密着し、透湿性が著しく低下するため、低湿環境下での透湿性が低いという課題がある。

また、従来例では、セルロースパルプ内にナノファイバーを含むことにより、セルロースパルプ間隙の毛細管現象を促進し、透湿性能を向上するとあるが、気体遮蔽性をセルロースパルプで確保していることから、セルロースパルプの間隙は小さい構成である。すなわち、セルロース繊維の透湿性とセルロースパルプ間隙の透湿性のうち、セルロース繊維の透湿性の影響が大きく、結果として、上記低湿時の課題は解決されていない。そのうえ、透湿性を向上させるため、アルカリ金属塩等の吸湿材を含むことが記載されているが、これらの吸湿性も周囲の湿度環境に依存するため、より低湿時の課題点は悪化することとなる。

そこで本発明は、上記透湿性を改善し、低湿環境下においても全熱交換効率の高い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、基材となる多孔質シートと極細繊維とを備え、前記基材および前記極細繊維が疎水性高分子からな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、基材となる多孔質シートと極細繊維とを備え、前記基材および前記極細繊維が疎水性高分子からなることを特徴とするものであり、低湿環境下でも透湿性能が低下しにくく、全熱交換効率の高い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、基材として多孔質シートを用いることにより、全熱交換素子用仕切部材に必要な強度を確保することが出来る。そのため、極細繊維はガスバリア性と透湿性を備えていればよい。ガスバリア性を確保するためには、密に形成された層が必要であるが、極細繊維を用いることで、繊維の細さから、繊維間の空隙を小さくすることができるため、上記密に形成された層を得ることができる。さらに、同じく繊維が細いため、上記密に形成された層を薄くすることができ、透湿性能を向上することができる。その上、繊維径が細い繊維で構成されていることにより、細かい空隙を多数備えることができるため、毛細管現象により透湿性を高めることができる。

材質を疎水性高分子とすることにより、多孔質シートおよび極細繊維の表面を疎水性とすることができる。多孔質体表面が親水性の場合、濃度勾配に従って多孔質体を通過する水蒸気は多孔質体表面において吸着と脱着を繰り返しながら移動する。多孔質体表面が親水性であるほど、水蒸気は強く、多く吸着されるために、多孔質体内部の水の濃度勾配は広がる。その勾配を駆動力として水蒸気は拡散するため、水蒸気の透過量は増加する。しかし、多孔質体表面に吸着される水分量は周辺環境の水分量に依存するため、乾燥空間中では逆に透湿性が低下してしまう。

一方で多孔質体表面が疎水性の場合、水蒸気は多孔質体表面には吸着されにくく、表面に衝突しながら拡散していく。水蒸気を拡散させる駆動力は同じく多孔質体内部の水の濃度勾配ではあるが、多孔質体表面の吸着および脱着の影響が少ないため、同じ濃度勾配であればより早く拡散させることが出来る。しかも、周辺環境の水分量による濃度勾配への影響が少ないため、乾燥空間であっても、多孔質体両面に濃度勾配が存在すれば、湿潤空間と同様の透湿性を維持することができる。

以上のことから、ガスバリア層を薄く密に形成し、その密に形成された層が細かい空隙を備えており、かつ表面が疎水性であるため、低湿環境下においても透湿性能の高い全熱交換素子用仕切部材が得られ、全熱交換効率の高い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を示す断面図 本発明の実施の形態２にかかる全熱交換素子用仕切部材を示す断面図

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、屋内からの空気を、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、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。

全熱交換形換気装置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。

また、前記全熱交換素子４は、図３、図４に示すように、枠体１１の矩形開口部に全熱交換素子用仕切部材１４を装着したものを、屋内空気風路リブ１２および屋外空気風路リブ１３を交互に挟んで所定間隔で配置し、隣接する枠体１１間に上述した屋内空気１５、次に隣接する枠体１１間に上述した屋外空気１６を流すことで、熱交換を行わせる構造となっている。

冬季の場合、屋内空気１５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１６は乾燥した状態となっている。全熱交換素子用仕切部材１４の両面を屋内空気１５と屋外空気１６がそれぞれ流れることで、全熱交換素子用仕切部材１４を介した熱伝達により、屋内空気１５の熱が屋外空気１６に伝えられる。また、全熱交換素子用仕切部材１４を介した湿気伝達により、屋内空気１５の水分が屋外空気１６に伝えられる。

本発明では、図５に断面を示したように、多孔質シートからなる基材部１８の上に極細繊維部１７が積層されたものであって、基材部１８および極細繊維部１７が疎水性高分子からなる。このことにより、ガスバリア性を備えた極細繊維部１７が薄く密に形成され、その密に形成された極細繊維部１７が細かい空隙を備えており、かつ表面が疎水性であるため、低湿環境下においても透湿性能の高い全熱交換素子用仕切部材１４を得ることができる。

本発明において極細繊維部１７とは、繊維径が０．１μｍから３μｍの極細繊維１９で形成されている。この繊維径をもつことにより、極細繊維１９間の空隙を小さくでき、空隙に働く毛細管現象による透湿性の向上を図ることができる。

前記機能を得るための極細繊維部１７の空隙は、例えばパームポロシメータ等の測定器具を用いて測定される平均細孔径が０．１μｍから１０μｍの範囲が好ましく、さらに０．３μｍから５μｍの範囲がより好ましい。ただし、極細繊維１９の材質および断面形状によって特性は変化するため、必要なガスバリア性と透湿性を得られる範囲であれば上記範囲に限定されない。

極細繊維部１７の厚みに関しては、必要なガスバリア性と透湿性を得られる範囲であれば特に制限は無いが、好ましくは１５μｍから１μｍの範囲、さらに好ましくは、１０μｍから５μｍの範囲である。

また、極細繊維部１７にＪＩＳ Ｐ８１１７に基づく透気抵抗度で１５００秒以上１５０００秒以下であることを特徴とする材料を用いてもよい。

前述のように、極細繊維部１７が全熱交換素子用仕切部材１４のガスバリア性を担保する部位となっており、透気抵抗度が１５００秒未満であると全熱交換素子用仕切部材１４のガスバリア性が不十分となり、全熱交換素子４にした場合に十分な換気量が得られない恐れがある。また、極細繊維部１７は疎水性高分子で形成されているため、通気性が残っていなければ透湿性が得られず、透気抵抗度が１５０００秒よりも大きいと全熱交換素子４として十分な潜熱交換効率が得られない恐れがある。

また、基材部１８が熱可塑性樹脂を含む材質で構成されていてもよい。

基材部１８が熱可塑性樹脂を含むことで、基材部１８と極細繊維部１７を基材部１８の樹脂で熱溶着することが可能となる。基材部１８と極細繊維部１７とを接着する必要性は低いが、接着されることによって全熱交換素子用仕切部材１４から極細繊維部１７が失われる危険性を下げることができるため、全熱交換素子用仕切部材１４の耐久性を向上させることができる。

この場合、基材部１８と極細繊維部１７を接着剤等により接着すると、接着剤が基材部１８や極細繊維部１７に浸みこむことで透湿抵抗となり、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が低下する。しかし、基材部１８が熱可塑性樹脂を含む材質で構成され、基材部１８と極細繊維部１７を熱によって溶着することで、基材部１８と極細繊維部１７の接点で、両者を溶着することが可能となる。このことにより、基材部１８や極細繊維部１７の空隙が接着によって減少する危険性を低下させることができるため、透湿性が高く、耐久性のある全熱交換素子用仕切部材１４を得ることができる。

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１４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１４を用いることにより、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、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を用いることにより、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、図５には基材部１８の上に極細繊維部１７を積層しているが、基材部１８の内部に含む形で極細繊維部１７を形成してもよい。

なお、基材部１８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、疎水性高分子からなるものであって、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、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。

なお、基材部１８の厚みは、２５μｍ以上１５０μｍ以下が好ましく、４０μｍ以上１００μｍ以下が特に好ましいがこれに制限されない。厚みが２５μｍ未満では、全熱交換素子用仕切部材１４として必要な強度が得られない恐れがあり、厚みが１５０μｍよりも大きくなると全熱交換素子用仕切部材１４として必要な透湿性能が得られない恐れがある。

なお、極細繊維１９の材質も、疎水性高分子からなるものであって、上記基材部１８と同じ材料を用いることが出来る。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出来る。

（実施の形態２）
次に図６は、本実施形態の全熱交換素子用仕切部材１４の断面図を示す。実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、極細繊維部１７は第一極細繊維１９ａと第二極細繊維１９ｂを備え、第一極細繊維１９ａは第二極細繊維１９ｂより繊維径が小さく、第一極細繊維１９ａ、第二極細繊維１９ｂ、多孔質シートからなる基材部１８の順番に積層されている。第一極細繊維１９ａはガスバリア性と透湿性の機能を担い、第二極細繊維１９ｂは第一極細繊維１９ａと全熱交換素子用仕切部材１４の強度を担う基材部１８を支持する中間層として介在する目的で構成される。すなわち、繊維径が小さい第一極細繊維１９ａと繊維径が大きい基材部１８と間に第二極細繊維１９ｂが緩衝材のように介在することで、第一極細繊維１９ａはより薄く密に形成することができるため、ガスバリア性と透湿性を更に向上することができる。

実施の形態１で記したように極細繊維部１７の繊維径は０．１μｍから１０μｍの範囲が好ましく、基材部１８の多孔質シートの繊維径は１０μｍから１５０μｍの範囲が好ましい。

第一極細繊維１９ａの繊維径はガスバリア性と透湿性を得るために、繊維径が０．１μｍから５μｍの範囲が好ましい。

第二極細繊維１９ｂの繊維径は第一極細繊維１９ａと基材部１８とを緩衝材のように介在させるために、５μｍから１０μｍの範囲が好ましい。すなわち、第二極細繊維１９ｂの繊維径は第一極細繊維１９ａの繊維径０．１μｍと基材部１８の多孔質シートの繊維径１０μｍの中間となる５μｍからにすることで、第二極細繊維１９ｂを介して第一極細繊維１９ａと基材部１８との接点を増加させることができ、第一極細繊維１９ａと基材部１８の密着性を向上することができる。また、第二極細繊維１９ｂの繊維径は１０μｍ以上なると基材部１８の多孔質シートの繊維径１０μｍよりも大きくなり、第一極細繊維１９ａと基材部１８との中間層としての機能を果たさなくなる。

基材部１８の多孔質シートの繊維径は１０μｍ未満（実施の形態１で記したように厚みは２５μｍ以上）では、全熱交換素子用仕切部材１４として必要な強度が得られない恐れがあり、厚みが１５０μｍよりも大きくなると全熱交換素子用仕切部材１４として必要な透湿性能が得られない恐れがある。

また、第二極細繊維１９ｂは熱可塑性樹脂を含む材質で構成されることが好ましく、第一極細繊維１９ａと基材部１８を第二極細繊維１９ｂの樹脂で熱溶着することが可能となる。

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、低湿環境下であっても透湿性能を向上することを可能とするものであり、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 枠体
１２ 屋内空気風路リブ
１３ 屋外空気風路リブ
１４ 全熱交換素子用仕切部材
１５ 屋内空気
１６ 屋外空気
１７ 極細繊維部
１８ 基材部
１９ 極細繊維
１９ａ 第一極細繊維
１９ｂ 第二極細繊維

Claims (5)

1. 基材となる多孔質シートと極細繊維部とを備え、前記基材および前記極細繊維部が疎水性高分子からなり、
   前記極細繊維部は、第一極細繊維と第二極細繊維を備え、前記第一極細繊維は前記第二極細繊維より繊維径が小さく、前記第一極細繊維、前記第二極細繊維、前記多孔質シートの順番に積層されたことを特徴とする全熱交換素子用仕切部材。
2. 前記極細繊維部はＪＩＳ Ｐ８１１７に基づく透気抵抗度で１５００秒以上１５０００秒以下であることを特徴とする請求項１記載の全熱交換素子用仕切部材。
3. 前記基材は熱可塑性樹脂を含む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. 請求項１〜３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。
5. 請求項４に記載の全熱交換素子を用いた全熱交換形換気装置。

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