JP6961520B2 - 全熱交換素子用シート、全熱交換素子、及び全熱交換器 - Google Patents

Description

実施形態は、全熱交換素子用シート、全熱交換素子、及び全熱交換器に関する。

近年、地球環境の保護や二酸化炭素の削減、エネルギー不足等の観点から、使用エネルギーの削減が要求されている。住宅やビル等の住空間は、建築基準法により義務付けられた換気を必要とする。しかし、換気による空調エネルギー損失が問題になっている。空調装置の一つである全熱交換器は、調温及び調湿された建物内部の空気と屋外の空気との間で全熱（顕熱（温度）と潜熱（湿度））を交換することにより熱のロスを抑制し、省エネルギー化を図る装置である。

従来の全熱交換素子は、特殊加工が施された紙からなる全熱交換素子用シートを用い、屋内の空気と屋外の空気との混合を抑制しながら、顕熱及び潜熱を交換している。しかし、全熱交換素子用シートは全熱の交換効率が７０％前後と低い値に留まる。全熱交換素子用シートは、交換効率のより高い材料に置き換えることによって、さらに省エネルギーが図られた全熱交換器を実現することができる。

特公昭６１−０５８７５９号公報 特開２００４−１５４４５７号公報 特開２０１０−２３４２１３号公報

実施形態は、水蒸気透過速度が高く、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を向上させた全熱交換素子用シート、全熱交換素子用シートを備えた全熱交換素子、及び全熱交換素子が組み込まれた全熱交換器を提供することを目的とする。

実施形態に係る全熱交換素子用シートは、有機繊維を主成分として含む多孔質部材と、多孔質部材の一方の面に設けられた繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備える。多孔質部材の空気透過係数Ｋ（ｍ²）は、１×１０^-14〜３×１０^-13である。

実施形態に係る全熱交換素子用シートを示す断面模式図である。 全熱交換素子用シートに対する外気と還気の流れを図１と異ならせた断面模式図である。 多孔質部材の表面への擬ベーマイトナノファイバのローディング量（ｇ／ｍ^２）と、当該ローディング量での水蒸気分離率αの関係を示す図である。 多孔質部材の空気透過係数Ｋ（ｍ^２）［横軸］と多孔質部材の水蒸気透過速度（ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ）［左縦軸］の関係、及び多孔質部材の空気透過係数Ｋ［横軸］と水蒸気分離率の立ち上りローディング量［右縦軸］の関係、を示す図である。 実施形態に係る全熱交換素子を示す斜視図である。 夏場の全熱交換を説明するための実施形態に係る全熱交換器を示す概略図である。 冬場の全熱交換を説明するための実施形態に係る全熱交換器を示す概略図である。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

図１は、実施形態に係る全熱交換素子用シートを示す断面模式図、図２は全熱交換素子用シートに対する外気と還気の流れを図１と異ならせた断面模式図である。全熱交換素子用シート１は、多孔質部材２と多孔質部材２の一方の面に設けられた膜３とを具備し、多孔質部材２と膜３との積層体は水蒸気分離体としての機能を有する。

このような全熱交換素子用シート１に対し、コスト面などを考慮して通常は導入側を変化させないが、以下に説明するように導入側を夏と冬で変化させてもよい。

例えば、外気１１０ａが還気１１０ｃよりも高温多湿である場合、図１に示すように外気１１０ａは主に膜３の表面を流路（図示せず）に沿って流通して吸気１１０ｂとして室内に排出され、還気１１０ｃは主に多孔質部材２の表面を流路（図示せず）に沿って通過して排気１１０ｄとして室外に排出される。外気１１０ａ及び還気１１０ｃは、例えば互いに向き合うように流通させているが、全熱交換の設計により互いに交差して流通させてもよい。このように外気１１０ａを全熱交換素子用シート１の膜３表面、還気１１０ｃを全熱交換素子用シート１の多孔質部材２表面、に沿って流通させることによって、外気１１０ａに含まれる水蒸気及び熱は全熱交換素子用シート１を透過して低湿低温に調整された還気１１０ｃ側に移動する。

他方、外気１１０ａが還気１１０ｃよりも低温低湿である場合、図２に示すように還気１１０ｃは主に膜３の表面を流路（図示せず）に沿って通過して排気１１０ｄとして室外に排出され、外気１１０ａは主に多孔質部材２の表面を流路（図示せず）に沿って通過して吸気１１０ｂとして室内に排出される。還気１１０ｃ及び外気１１０ａは、互いに向き合うように流通させる。このように還気１１０ｃを全熱交換素子用シート１の膜３表面、外気１１０ａを全熱交換素子用シート１の多孔質部材２表面、に沿って流通させることによって、還気１１０ｃに含まれる水蒸気及び熱（顕熱と潜熱）は全熱交換素子用シート１を透過して外気１１０ａ側に移動する。従って、全熱交換素子用シート１は外気１１０ａと還気１１０ｃとの間で全熱を交換することができる。

外気及び還気は、互いに接触しないように全熱交換素子用シート１の表面を流路に沿って通過させ、水蒸気とその他の気体とを効率よく分離することが好ましい。また、全熱交換素子用シート１は温度と湿度を効率よく交換する機能を有することが求められる。全熱の交換効率をより高めるためには、例えば水蒸気透過速度Ｖｓと水蒸気と水蒸気を除く気体（空気等）とを分離する能力を示す分離率αとの両方が高いことが好ましい。

全熱交換素子用シート１の水蒸気透過速度Ｖｓは、５０ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ以上、８０ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ、さらに１２０ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａであることが求められる。全熱交換素子用シートの水蒸気透過速度Ｖｓは、次式（１）により表される。全熱交換素子用シート１の水蒸気透過速度Ｖｓが低いと、全熱の交換効率が低下し、全熱交換器としてのロスが大きくなる虞がある。

全熱交換素子用シート１の水蒸気透過速度Ｖｓ（ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ）＝（全熱交換素子用シート１を透過した水分量（ｇ））／（全熱交換素子用シート１を水分が透過した時間（ｈ））／（全熱交換素子用シート１の面積（ｍ^２））／（全熱交換素子用シート１の両面における水蒸気圧差（ｋＰａ））…（１）
全熱交換素子用シート１の水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率αは、１０以上、２０以上、さらに５０以上であることが求められる。分離率αは、次式（２）により表される。

α＝［（全熱交換素子用シート１を透過した水のモル数）／（排気７ｄの乾燥空気のモル数）］／［（外気７ａの水のモル数）／（外気７ａの乾燥空気のモル数）］…（２）
分離率αが低すぎると、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離が困難になり、還気が効率よくおこなわれなくなる。その結果、室内の二酸化炭素等の排出が低下し、十分な換気のために余分な風量が必要になる。

前述した多孔質部材２及び膜３について以下に詳述する。
＜多孔質部材２＞
多孔質部材２は、有機繊維を主成分として含み、空気透過係数Ｋ（ｍ²）は、１×１０^-14〜３×１０^-13である。空気透過係数Ｋは、次のような方法により測定することができる。

空気透過係数Ｋはダルシーの法則により、式（３）のように書き表される。あるシート状のサンプル（ここでは水蒸気分離シート）を開口部の面積がＡ（ｍ²）のシールで挟み込み、シートの片面に圧力Ｐ２、もう一方の面にＰ１（Ｐ２＞Ｐ１、Ｐ１は通常大気圧）をかける。その際の圧力差をΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）とし、厚み方向に漏れ出た気体の流量をＱ、シートの厚みをＬ、μを空気の動粘性係数（０．００００１８Ｐａ・ｓ）とすると、式（３）よりＫが求められる。

Ｑ＝Ｋ×Ａ×ΔＰ／（μ×Ｌ）・・・（３）
このような空気透過係数Ｋを有する多孔質部材２は、高い水蒸気透過速度を有し、かつその表面に設ける適切な膜の性状により高い水蒸気分離率を示す。

すなわち、図３は多孔質部材の表面への繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維（例えば擬ベーマイトナノファイバ）のローディング量（ｇ／ｍ^２）と、当該ローディング量での水蒸気分離率αの関係を示す図である。多孔質部材表面に擬ベーマイトナノファイバの分散液を例えば塗布して膜を形成する工程において、初期には多孔質部材表面の凹凸又は開放気孔内に擬ベーマイトナノファイバが埋め込まれ、その後擬ベーマイトナノファイバが積み重なって互いに繋がることにより膜として形成される。このような膜形成において、図３に示すように初期には膜のピンホール又は亀裂に起因して水蒸気分離率αが低くなるが、ピンホール又は亀裂のない膜になると、水蒸気分離率αが急激に高くなる。図３に示す４つの曲線は、性状の異なる多孔質部材を用いた例で、多孔質部材の性状により水蒸気分離率αが急激に高くなるローディング量が異なる。これらの曲線から、水蒸気分離率α＝２０のローディング量を立ち上がりローディング量として定めた。

図４は、多孔質部材の空気透過係数Ｋ（ｍ^２）［横軸］と多孔質部材の水蒸気透過速度（ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ）［左縦軸］の関係、及び多孔質部材の空気透過係数Ｋ［横軸］と水蒸気分離率の立ち上りローディング量［右縦軸］の関係、を示す図である。多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓは、次式（４）により表される。多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓ（ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ）＝（多孔質部材２を透過した水分量（ｇ））／（多孔質部材２を水分が透過した時間（ｈ））／（多孔質部材の面積（ｍ^２））／（多孔質部材の両面における水蒸気圧差（ｋＰａ））…（４）
多孔質部材の水蒸気透過速度の要求特性は、５０以上である。立ち上りローディング量の要求特性は、多過ぎる、つまり膜の厚さを厚くし過ぎると、コストの上昇、膜の亀裂発生の虞、及び水蒸気透過速度の低下を招ことから、１５ｇ／ｍ^２以下である。実施形態に係る全熱交換素子用シートの多孔質部材の空気透過係数Ｋ（ｍ^２）を１×１０^-14〜３×１０^-13の範囲（図４に示す２本の一点鎖線の間）に規定することによって、これらの水蒸気透過速度及び立ち上りローディング量の要求特性を満たすことができる。

従って、空気透過係数Ｋを規定した多孔質部材を備えた全熱交換素子用シートは、多孔質部材の一方の面に立ち上りローディング量が少ない、比較的薄い膜を設けた形態でも、膜による高い水蒸気分離率αを示し、同時に水蒸気透過速度Ｖｓを向上できる。

前記空気透過係数Ｋを有する多孔質部材２は、２０μｍ以下のモード径が１０μｍ以下であることが好ましい。２０μｍ以下のモード径とは、２０μｍ以下の細孔径のピーク位置を示す。このようなモード径を有する多孔質部材２は、当該多孔質部材２の一方の面により少ない無機繊維の立ち上がりローディング量で亀裂、ボイドの発生をより低減した、良好な膜３を設けることが可能になる。より好ましい２０μｍ以下のモード径は、９μｍ以下である。

モード径は、次のような方法により測定することができる。

一般的に、メソ孔からマクロ孔にかけての細孔径分布を測定する際に用いる、水銀圧入式ポロシーメーターを用いて、多孔質部材の細孔容量及びモード径を求めた。測定は、表面張力の高い水銀に圧力を加え、固体表面の細孔もしくは隙間の中に圧入し、その際に加えた圧力と押し込まれた水銀容積との関係から細孔分布を求める方法である。測定の際に、サンプル間の隙間やサンプル−セル間を測定値として拾わないよう、サンプルセットには注意する必要がある。モード径は、細孔径分布グラフ上にて現れたピークの一番高い位置を読み取った値である。また、細孔容量は押し込まれた水銀の容量そのもので、かけた圧力により細孔の孔の大きさがわかる。

前記空気透過係数Ｋを有する多孔質部材２は、２０μｍ以下の細孔の容量が０．４ｍＬ／ｇ以上であることが好ましい。このような細孔容量を有する多孔質部材２を備えた全熱交換素子用シート１は、水蒸気透過速度Ｖｓをさらに向上することができる。

細孔の容量は、モード径の測定方法と同様な方法により測定することができる。

多孔質部材２に含まれる有機繊維は、繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。有機繊維は、高い柔軟性を有し、低コストであるため好ましい。多孔質部材２は、複数種の有機繊維を含んでもよい。

有機繊維は、例えば合成繊維や天然繊維等を用いることができる。天然繊維は、例えセルロースを主成分として含む。有機繊維は、径方向に平であってもよい。多孔質部材２は、例えば不織布、紙、有機多孔質体、又は合成繊維、天然繊維からなる成形体（紙を含む）であってもよい。多孔質部材２は、繊維径１μｍ以下の有機ナノ繊維の集合体であってもよい。有機ナノ繊維の集合体を用いることにより、多孔質部材２と膜３との結合力を増加させて、膜３が多孔質部材２から剥離するのを防ぐことができる。

多孔質部材２の厚さは、特に限定されないが、好ましくは３０μｍ以上３ｍｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以上１ｍｍ以下である。多孔質部材２を薄くし過ぎると、ハンドリングの際、たわみ等の変形が生じ、多孔質部材２の一面に設けた膜３に亀裂等の欠陥が生じるだけでなく、破損する虞がある。また、多孔質部材２を厚くし過ぎると、水蒸気透過速度Ｖｓが低下するだけでなく、熱伝導が低下するため、熱交換のロスが生じることが懸念される。

多孔質部材２の密度は、好ましくは０．８ｇ／ｃｍ^３以下、より好ましくは０．７ｇ／ｃｍ^３以下である。密度を高くし過ぎると、水蒸気の透過抵抗が高くなり、全熱の交換効率が低下する虞がある。

多孔質部材２の体積気孔率（細孔の体積率）は、好ましくは２０％以上８０％以下、より好ましくは２５％以上７０％以下である。多孔質部材２の体積気孔率が２０％未満であると、水蒸気の透過抵抗が高くなり、全熱の交換効率が低下する虞がある。多孔質部材２の体積気孔率が８０％を超えると、多孔質部材２の強度が低下して、多孔質部材２の一面に設けた膜３に亀裂が発生し、後述するウェットシールの形成を阻害する虞がある。なお、多孔質部材２の体積気孔率や細孔の形状（平均孔径等）は、水銀圧入法により測定することができる。
＜膜３＞
膜３は、多孔質部材２の一方の面に設けられる。膜３は、繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む。ＯＨ基を有する無機繊維は、水蒸気が吸着しやすいため好ましい。無機繊維の繊維長は、０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。無機繊維は、繊維径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、繊維長が１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。繊維長を０．５μｍよりも短くすると、繊維同士が絡み合う力が小さく、膜形成する際に亀裂が発生しやすくなる虞がある。繊維長が１５μｍよりも長くすると、繊維径に対するアスペクト比が大きくなり過ぎて繊維が折れやすくなる。無機繊維は、耐熱性が高いため好ましい。膜３は、複数種の無機繊維を含んでもよい。

無機繊維は、特に限定されないが、親水性材料であることが好ましい。親水性材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選ばれる少なくとも一つを含む酸化物や水酸化物；アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選ばれる少なくとも一つを含むアルミノケイ酸塩；マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、及びストロンチウム（Ｓｒ）からなる群から選ばれる少なくとも一つを含む炭酸塩；Ｍｇ、Ｃａ、及びＳｒからなる群から選ばれる少なくとも一つを含むリン酸塩；Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＡｌからなる群から選ばれる少なくとも一つを含むチタン酸塩；又はこれらの複合物若しくは混合物等を用いることができる。また、金属水酸化物を前駆体とし、これを加水分解等で結合させ、反応を途中で止めてＯＨ基の数を制御することにより形成された金属化合物であってもよい。

具体的な親水性材料は、例えばアルミナ（ベーマイト又は擬ベーマイトを含む）、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、酸化亜鉛、フェライト、ゼオライト、ハイドロキシアパタイト、チタン酸バリウム、又はその水和物等が挙げられるが、これらに限定されない。このような親水性材料からなる無機繊維を含む膜３は、耐熱性をより向上することができる。

無機繊維は、ベーマイト又は擬ベーマイトを含んでいることが特に好ましい。擬ベーマイトは、ベーマイトと結晶構造の一部が異なるアルミナ水和物を含む材料である。ベーマイト及び擬ベーマイトは、表面や結晶の層間にＯＨ基が多く存在するため、水蒸気を吸着しやすく、ウェットシールの形成に有利である。

次に、実施形態に係る全熱交換素子用シートの製造方法の一例を説明する。

有機繊維を主成分として含み、空気透過係数Ｋ（ｍ^２）は、１×１０^-14〜３×１０^-13であるシート状の多孔質部材を作製する。当該多孔質部材の一面に繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維の分散液を塗布し、乾燥することによって、多孔質部材の一方の面に膜が形成された全熱交換素子用シートを製造する。無機繊維の分散液は、例えば無機繊維を水に分散した液である。

以上説明した全熱交換素子用シート１は、有機繊維を主成分として含み、空気透過係数Ｋ（ｍ²）が１×１０^-14〜３×１０^-13である多孔質部材２と、当該多孔質部材の一方の面に設けられた繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜３とを備えるため、多孔質部材２で高い水蒸気透過速度を担わせ、膜３で高い水蒸気透過速度及び水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を担わせることができ、膜３の表面に接触して流通する外気又は還気の水蒸気を効率的に透過してその反対側、つまり多孔質部材２の面に移動させることができる。

前記空気透過係数Ｋを有する多孔質部材２は、当該多孔質部材２の一方の面に亀裂、ボイドの発生を低減した良好な膜３を設けることが可能になり、膜３の水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を向上（例えば２０倍以上）することが可能になる。同時に、当該多孔質部材２を備えた全熱交換素子用シート１の水蒸気透過速度を向上することができる。

実施形態において、２０μｍ以下のモード径が１０μｍ以下である多孔質部材２は、当該多孔質部材２の一方の面に亀裂、ボイドの発生をより低減した、一層良好な膜３を設けることが可能になり、水蒸気の分離率をさらに向上できる。

実施形態において、２０μｍ以下の細孔の容量が０．４ｍ^３／ｇ以上である多孔質部材２を備えた全熱交換素子用シート１は、水蒸気透過速度を一層向上できる。

実施形態において、多孔質部材２が繊維径１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を含む形態にすることによって、シート自体に柔軟性を付与しつつ、高い水蒸気透過速度を実現できる。

他方、膜３が繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含むことによって、成膜時やシートのたわみによる膜３の亀裂を抑制し、強度を向上させることができる。また、ナノサイズの無機繊維で構成される膜３は、無機繊維間に細孔が作られるため、外気等に含まれる水蒸気はケルビンの毛管凝縮理論により凝縮されて細孔内に満たされ、ウェットシールを形成する。ウェットシールは、外気等に含まれる水蒸気を吸着して膜３から多孔質部材２に移動させることができる。また、ウェットシールは水蒸気を除く気体の透過を抑制できる。

次に、実施形態に係る全熱交換素子を詳述する。

全熱交換素子は、前述した全熱交換素子用シートを複数備えた構造を有する。図５は、実施形態に係る全熱交換素子を示す斜視図である。全熱交換素子１０は、複数枚、例えば６枚の前述した全熱交換素子用シート１と、２枚（最下層及び最上層に配置される）の補強シート１２ａ，１２ｂと、複数枚（例えば７枚）の断面波形、例えば断面三角波形の流路部材１３と備えている。

全熱交換素子用シート１は、その膜３が例えば下面に位置するように互いに一定の間隔を積層されている。補強シート１２ａ，１２ｂは、積層体の最上層及び最下層に全熱交換素子用シート１に対して一定の間隔をあけて配置されている。断面三角波形の流路部材１３は、補強シート１２ａ、６枚の全熱交換素子用シート１及び補強シート１２ｂの間に交互に例えば９０°の角度で交差するように介在して固定されている。流路部材１３は、特に限定されないが、例えばパルプを主成分とする紙製シートを波形に加工したもの、又はポリ塩化ビニル、ポリプロピレン等の汎用樹脂、或いはステンレス等の金属から作ることができる。第１の直線状流路２１は、全熱交換素子用シート１の膜３と断面三角波形の流路部材１３の断面三角波で囲まれて形成されている。第２の直線状流路２２は、全熱交換素子用シート１の多孔質部材２と断面三角波形の流路部材１３の断面三角波で囲まれて形成されている。第１、第２の直線状流路２１，２２は、全熱交換素子用シート１を挟んで例えば９０°の角度で交差するように配置されている。

次に、実施形態に係る全熱交換器を詳述する。

全熱交換器は、前述した全熱交換素子を備えている。図６は、夏場の全熱交換を説明するための実施形態に係る全熱交換器を示す概略図である。すなわち、全熱交換器１００は筐体１０１を備えている。筐体１０１内には、前述した図５に示す全熱交換素子１０が配置されている。

筐体１０１内は、第１〜第４の区画室１０４ａ〜１０４ｄが全熱交換素子１０を囲むように横方向の仕切壁１０２及び縦方向の隔壁１０３で区画されている。第１〜第４の区画室１０４ａ〜１０４ｄは全熱交換素子１の第１、第２の直線状流路（図示せず）の開口端とそれぞれ対向する箇所において、開放されている。第１〜第４の区画室１０４ａ〜１０４ｄは、それぞれ筐体１０１の左上部、右上部、左下部及び右下部に配置されている。

第１、第３の区画室１０４ａ，１０４ｃがそれぞれ位置する筐体１０１の左側壁１０５ａには、それぞれ第１、第３の開口部１０６ａ，１０６ｃが設けられている。第２、第４の区画室１０４ｂ，１０４ｄがそれぞれ位置する筐体１０１の右側壁１０５ｂには、それぞれ第２、第４の開口部１０６ｂ，１０６ｄが設けられている。第３の区画室１０４ｃ内の第３の開口部１０６ｃが位置する左側壁１０５ａには、第１のファン１０７ａが配置されている。第４の区画室１０４ｄ内の第４の開口部１０６ｃが位置する右側壁１０５ｂには、第２のファン１０７ｂが配置されている。

このような全熱交換素子１０を備えた全熱交換器１００は、次のような操作により全熱交換がなされる。
＜夏場の高温多湿の時期の全熱交換＞
第２のファン１０７ｂを駆動することにより、室外から矢印に示す外気（還気よりも高温多湿）１１０ａは第４の開口部１０６ｄ、第４の区画室１０４ｄを通して全熱交換素子１０の複数の第１の直線状流路（図示せず）内に図１に示す全熱交換素子用シート１の膜３表面に接触して流通し、さらに他方の第１の区画室１０４ａ、第１の開口部１０６ａを通して矢印に示す吸気１１０ｂとして室内に導入される。同時に、第１のファン１０７ａを駆動することにより、室内から矢印に示す還気１１０ｃは第３の開口部１０６ｃ、第３の区画室１０４ｃを通して全熱交換素子１０の複数の第２の直線状流路（図示せず）内に図１に示す全熱交換素子用シート１の多孔質部材２表面に接触して流通し、さらに第２の区画室１０４ｂ、第２の開口部１０６ｂを通して矢印に示す排気１１０ｄとして室外に排出される。

このような全熱交換素子１０において、外気１１０ａは全熱交換素子１０の第１の直線状流路（図示せず）に導入されて、図１に示す全熱交換素子用シート１の膜３表面に接触して流通され、還気１１０ｃは全熱交換素子用シート１を挟んで第１の直線状流路と交差する第２の直線状流路（図示せず）に導入されて、図１に示す全熱交換素子用シート１の多孔質部材２表面に接触して流通される。このとき、外気１１０ａは還気１１０ｃに比べて高温多湿であるため、全熱交換素子１０において外気１１０ａに含まれる水蒸気及び熱は全熱交換素子用シート１を通して還気１１０ｃ側に移動される。
＜冬場の低温低湿の時期の全熱交換＞
図６を用いて説明した夏場の全熱交換に対して、冬場も外気、還気を同様な流路を流通して全熱交換を行うことができる。また、冬場の全熱交換は、外気及び還気の導入流路、並びに第１、第２のファンによる送気方向をそれぞれ図７に示すように切り替えてもよい。図７は、冬場の全熱交換を説明するための実施形態に係る全熱交換器を示す概略図である。

すなわち、第２のファン１０７ｂを駆動することにより、室内から矢印に示す還気１１０ｃは第１の開口部１０６ａ、第１の区画室１０４ａを通して全熱交換素子１０の複数の第１の直線状流路（図示せず）内に図１に示す全熱交換素子用シート１の膜３表面に接触して流通し、さらに第４の区画室１０４ｄ、第４の開口部１０６ｄを通して矢印に示す排気１１０ｄとして室外に排出される。同時に、第１のファン１０７ａを駆動することにより、室外から矢印に示す外気（還気よりも低温低湿）１１０ａは第２の開口部１０６ｂ、第２の区画室１０４ｂを通して全熱交換素子１０の第２の直線状流路（図示せず）内に多孔質部材２表面に接触して流通し、さらに第３の区画室１０４ｃ，第３の開口部１０６ｃを通して矢印に示す吸気１１０ｂとして室内に導入される。

このような全熱交換素子１０において、還気１１０ｃは第１の直線状流路（図示せず）に導入されて、図１に示す全熱交換素子用シート１の膜３表面に接触して流通され、外気１１０ａは全熱交換素子用シート１を挟んで第１の直線状流路と交差する第２の直線状流路（図示せず）に導入されて、図１に示す全熱交換素子用シート１の多孔質部材２表面に接触して流通される。このとき、外気１１０ａが還気１１０ｃに比べて低温低湿であるため、全熱交換素子１０において還気１１０ｃに含まれる水蒸気及び熱は全熱交換素子用シート１を通して外気１１０ａ側に移動される。

従って、全熱交換器１００に組み込まれた全熱交換素子１０は水蒸気透過速度Ｖｓと分離率αの両方が高い全熱交換用素子１を備えるため、外気と還気との間で全熱を効率的に交換することができる。

なお、流路部材１３の断面波形は、断面三角波形に限らず、断面矩形波形、断面台形波形であってもよい。断面波形は、その山及び谷の形状が略同一、又は同一であることが好ましい。

以下、実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
紙を主成分とし、空気透過係数Ｋ（ｍ^２）が１×１０^−１３のシート状の多孔質部材を用意した。多孔質部材は、２０μｍ以下のモード径が７μｍ、２０μｍ以下の細孔の容量が０．４５ｍＬ／ｇであった。当該多孔質部材の一方の面に平均直径４ｎｍ、平均長さ１μｍの擬ベーマイトナノファイバを分散した水系分散液を塗布し、乾燥して厚さ１０μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。
（実施例２）
紙を主成分とし、空気透過係数Ｋ（ｍ^２）が８×１０^−１４、２０μｍ以下のモード径が６．４μｍ、２０μｍ以下の細孔の容量が０．４１ｍＬ／ｇのシート状の多孔質部材を用いた以外、実施例１と同様な全熱交換素子用シートを製造した。
（比較例１）
紙を主成分とし、空気透過係数Ｋ（ｍ^２）が１×１０^−１１、２０μｍ以下のモード径が２７μｍ、２０μｍ以下の細孔の容量が０．６ｍＬ／ｇのシート状の多孔質部材を用いた以外、実施例１と同様な全熱交換素子用シートを製造した。
（比較例２）
紙を主成分とし、空気透過係数Ｋ（ｍ^２）が１×１０^−１６、２０μｍ以下のモード径が１．３μｍ、２０μｍ以下の細孔の容量が０．１５ｍＬ／ｇのシート状の多孔質部材を用いた以外、実施例１と同様な全熱交換素子用シートを製造した。

得られた実施例１，２及び比較例１，２の全熱交換素子用シートの水蒸気透過速度Ｖｓ及び水蒸気分離率αを測定した。

最初に、全熱交換素子用シートの膜表面に断面三角波形の流路部材を接して配置し、当該膜と流路部材の各波とで囲まれた三角柱をなす複数の第１の直線状流路を形成した。つづいて、全熱交換素子用シートの多孔質部材表面に断面三角波形の流路部材を接して配置し、当該多孔質部材と流路部材の各波とで囲まれた三角柱をなす複数の第２の直線状流路を形成することにより評価用全熱交換セルを組立てた。この全熱交換セルの第１、第２の直線状流路は、互いに対向するとともに、平行になっている。また、第１、第２の直線状流路のピッチ、高さは既存の全熱変換素子に準じる形状とした。

前記評価用全熱交換セルの水蒸気透過速度Ｖｓ及び水蒸気分離率αを以下の方法により測定した。

１）水蒸気透過速度Ｖｓの測定方法
全熱交換セルを恒温恒湿槽内に設置し、その第１の直線状流路の一端に高湿側ダクトを接続した。第１の直線状流路の高湿側ダクトの接続端と反対側に位置する第２の直線状流路の一端に低湿側ダクトを接続した。高湿側ダクトにはファンを介装し、低湿側ダクトには熱交換器が介装した。

ファンの駆動により、高湿空気を第１の直線状流路に高湿ダクトを通して供給した。一方、恒温恒湿槽の外部から露点−１１０℃の窒素を第２の直線状流路に低湿側ダクトを通して供給した。当該窒素が低湿側ダクトを流通する間に、熱交換器で熱交換されて等温にし、乾燥窒素とすることにより、当該乾燥窒素を第２の直線状流路に供給した。すなわち、高湿空気と乾燥窒素は対向流として全熱交換セルの第１、第２の直線状流路にそれぞれ供給した。このとき、第１、第２の直線状流路での通過風速は全熱交換素子の評価時と同一になるようにした。

低湿側ダクトの出口において、排気空気の温度、湿度、酸素濃度を測定し、水蒸気透過速度を算出した。

２）水蒸気の分離率α
本来、ＪＩＳ規格に準じて二酸化炭素の透過量を把握する必要があるが、二酸化炭素と酸素では窒素中のガス拡散係数がほぼ同じであることから、本測定では低湿側ダクトの出口からの酸素の透過（濃度）をＣＯ₂の透過の代わりとし、水蒸気の分離率を算出した。
また、セルのピッチ、流路高さは既存の全熱交素子に準じる形状とし、通過風速が全熱交素子の評価時と同一になるようにした。高湿空気と低湿空気は対向流で供給した。

実施例１、２、及び比較例１，２における水蒸気透過速度Ｖｓと分離率αの値を下記表１に示す。

前記表１から明らかなように、空気透過係数Ｋが１×１０^-14〜３×１０^-13ｍ^２の多孔質部材を有する全熱交換素子用シートを備えた実施例１、２の評価用全熱交換セルは、水蒸気透過速度Ｖｓと分離率αの両方が高い値を示すことが分かる。

これに対し、空気透過係数Ｋが本発明の範囲（１×１０^-14〜３×１０^-13ｍ^２）の上限を超える多孔質部材を有する全熱交換素子用シートを備えた比較例１の評価用全熱交換セルは、水蒸気透過速度Ｖｓが高いものの、分離率αが低い値を示す。

また、空気透過係数Ｋが本発明の範囲（１×１０^-14〜３×１０^-13ｍ^２）の下限未満である多孔質部材を有する全熱交換素子用シートを備えた比較例２の評価用全熱交換セルは、分離率αが高いものの、水蒸気透過速度Ｖｓが低い値を示す。

この結果から、実施例１、２の全熱交換素子用シートは比較例１、２の全熱交換素子用シートよりも全熱の交換効率が高いことがわかる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…全熱交換素子用シート、２…多孔質部材、３…膜、１０…全熱交換素子、２１…第１の直線状流路、２２…第２の直線状流路、１００…全熱交換器、１１０ａ…外気、１１０ｂ…吸気、１１０ｃ…還気、１１０ｄ…排気。

Claims (10)

1. 有機繊維を主成分として含む多孔質部材と、当該多孔質部材の一方の面に設けられた繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備え、
   前記多孔質部材の空気透過係数Ｋ（ｍ²）は、１×１０^-14〜３×１０^-13である全熱交換素子用シート。
2. 前記多孔質部材は、２０μｍ以下のモード径が１０μｍ以下である請求項１に記載の全熱交換素子用シート。
3. 前記多孔質部材は、２０μｍ以下の細孔の容量が０．４ｍＬ／ｇ以上である請求項１又は２に記載の全熱交換素子用シート。
4. 前記多孔質部材は、繊維径１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を主成分とする請求項１〜３いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。
5. 前記有機繊維は、セルロースである請求項１〜４いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。
6. 前記無機繊維は、親水性を有する請求項１〜５いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。
7. 前記無機繊維は、平均繊維長が５００ｎｍ以上である請求項１〜６いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。
8. 前記無機繊維は、ベーマイト及び擬ベーマイトからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む請求項１〜７いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。
9. 請求項１〜８いずれか１項に記載の全熱交換素子用シートを備える全熱交換素子。
10. 請求項９に記載の全熱交換素子を備える全熱交換器。

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