WO2014203519A1 - 全熱交換素子用仕切部材、その部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

全熱交換素子用仕切部材（１４）は、多孔質シート（１８）上に極細繊維部（１７）が備えられている。極細繊維部（１７）は、透湿性物質（２１）が含浸または塗工され、水不溶化されている。

Description

全熱交換素子用仕切部材、その部材を用いた全熱交換素子、および全熱交換形換気装置

　本発明は全熱交換素子用仕切部材、その部材を用いた全熱交換素子、および全熱交換形換気装置に関する。

　全熱交換形換気装置は、換気の際に給気と排気とが熱交換を行い、冷房および暖房の効果が損なわれずに換気できる。このような全熱交換形換気装置では、伝熱性と透湿性とを有する全熱交換素子用仕切部材、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が使用されている。

　全熱交換素子の素材には、給気と排気と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、伝熱性とが求められる。特に、顕熱交換と潜熱交換とを同時に行う全熱交換素子は、高い透湿性も必要である。また、寒冷地および熱帯地など室内外の温湿度差が大きい場合、素子内部に結露または結氷が発生するため、耐水性も必要である。

　そのため全熱交換素子に用いる全熱交換素子用仕切部材は、以下のように作成されていた。すなわち全熱交換素子用仕切部材は、親水性繊維が３０重量％以上含有する多孔質シートに、親水性高分子が水溶液化された透湿性物質が塗工された後に水不溶化されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－１４６２３号公報

　従来の全熱交換素子用仕切部材では、親水性繊維が３０重量％以上含有する多孔質シートに透湿性物質が直接塗工されたため、透湿性物質の厚みが厚く、透湿性能が低かった。すなわち、多孔質シートの表面に透湿性物質が塗工されるだけでは、透湿性物質の層が多孔質シートから剥離する。そのため従来の全熱交換素子用仕切部材では、親水性繊維の多い層に透湿性物質が浸みこむ必要があった。

　しかし従来の全熱交換素子用仕切部材では、親水性繊維層の多い層の厚みが調整できない。そのためガスバリア性が担保されるためには、必要以上に透湿性物質が塗工され、透湿性物質の厚みが厚くなっていた。その結果、全熱交換形換気装置は透湿性能が低く、全熱交換効率が低いという課題があった。

　そこで本発明は全熱交換素子用仕切部材であって、多孔質シート上に極細繊維部が備えられている。極細繊維部は、透湿性物質が含浸または塗工され、水不溶化されている。

　このような全熱交換素子用仕切部材は、基材として多孔質シートを用いることにより、必要な強度が確保される。そのため、極細繊維部は繊維径を細くして、薄く形成することができる。また極細繊維部は繊維径が細いことにより、毛細管力により透湿性物質を吸収できるため、透湿性物質を極細繊維層に集めることができ、透湿性物質の厚み制御が容易になる。さらに極細繊維部は繊維径が細いことから、強度を保ちつつ空隙率を高めることができ、透湿性物質の含有量を高めることができる。その結果、透湿性物質を薄く高濃度に含有した層が形成できるため、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が得られる。

図１は、本発明の実施の形態の全熱交換形換気装置の設置例を示す概要図である。 図２は、同全熱交換形換気装置の構造を示す図である。 図３は、同全熱交換形換気装置の全熱交換素子を示す斜視図である。 図４は、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である。 図５は、同全熱交換形換気装置の全熱交換素子用仕切部材の基材を示す断面図である。 図６は、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である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

　（実施の形態）
　図１は、本発明の実施の形態の全熱交換形換気装置の設置例を示す概要図である。図１に示すように家１の内部に、全熱交換形換気装置２が設置されている。屋内空気１５は、黒色矢印のように全熱交換形換気装置２を介して屋外に放出される。また屋外空気１６は、白色矢印のように全熱交換形換気装置２を介して室内にとり入れられる。その結果、換気が行われるとともに、冬季においては屋内空気１５の熱が屋外空気１６へと伝達され、屋内空気１５の熱の放出が抑制される。

　図２は、本発明の実施の形態の全熱交換形換気装置の構造を示す図である。図２に示すように全熱交換形換気装置２は、本体ケース３内に全熱交換素子４が配置されている。ファン５が駆動されると、屋内空気１５が内気口６から吸い込まれ、全熱交換素子４、ファン５を経由し、排気口７から屋外へ排出される。

　またファン８が駆動されると、屋外空気１６が外気口９から吸い込まれ、全熱交換素子４、ファン８を経由し、給気口１０から屋内へ取り入れられる。

　図３は本発明の実施の形態の全熱交換形換気装置の全熱交換素子を示す斜視図、図４は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である。図３、図４に示すように全熱交換素子４は、枠体１１の矩形開口部に全熱交換素子用仕切部材１４が装着されている。そして屋内空気風路リブ１２と、屋外空気風路リブ１３とが交互に挟まれ、所定間隔を有して配置されている。隣接する枠体１１間に屋内空気１５、次に隣接する枠体１１間に屋外空気１６が流され、屋内空気１５と屋外空気１６との熱交換が行われる。

　冬季の場合、屋内空気１５は暖房および人の呼気などから湿気を含んでいる。また屋外空気１６は、乾燥している。屋内空気１５と屋外空気１６とが、全熱交換素子用仕切部材１４の両面をそれぞれ流れることにより、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。

　図５は本発明の実施の形態の全熱交換形換気装置の全熱交換素子用仕切部材の基材を示す断面図、図６は本発明の実施の形態の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である。図６に示す全熱交換素子用仕切部材１４の基材は、図５に示すように多孔質シート１８の上に極細繊維層としての極細繊維部１７が積層されている。そして図５に示す極細繊維部１７に、図６に示す透湿性物質２１が含浸または塗工され、水不溶化することにより全熱交換素子用仕切部材１４が形成される。

　図６に示すように透湿性物質２１は、極細繊維１９の間に塗工され、多孔質シート１８の上に透湿部２０が積層されて全熱交換素子用仕切部材１４が得られる。極細繊維部１７を構成する極細繊維１９は繊維径が細いため、極細繊維部１７は平均孔径が小さく空隙率の高い、薄い層となる。さらに極細繊維１９は、毛細管力により透湿性物質２１を保持でき、透湿部２０は薄く形成されうる。また、透湿部２０に含まれる透湿性物質２１の割合も高くできる。

　全熱交換素子用仕切部材１４の透湿に対し抵抗となる部位は、透湿部２０と多孔質シート１８とである。水分は多孔質シート１８の空隙と、透湿部２０の透湿性物質２１とを通過する。多孔質シート１８の空隙と透湿性物質２１とを比較すると、水分が水蒸気の形にて移動できる空隙は抵抗になりにくい。そのため、透湿性物質２１により充填されている透湿部２０の抵抗が、透湿のしやすさを決める。このため透湿部２０が薄く形成されると、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が上げられる。さらに透湿部２０に含まれる極細繊維１９は、透湿性物質２１に比べ透湿性が低い。そのため、透湿部２０に含まれる透湿性物質２１の割合が高められることによっても透湿性能が上げられる。

　また、平均孔径が１５μｍ以上１００μｍ以下かつ厚みが２０μｍ以上５００μｍ以下の多孔質シート１８と、平均孔径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下かつ厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下の極細繊維部１７とが積層されてもよい。

　多孔質シート１８に平均孔径１５μｍ以上の孔が開いていることにより、透湿性物質２１の液抜けが促進される。そして透湿部２０が極細繊維部１７の厚みに近づくため、透湿性能が上がる。ただし多孔質シート１８に、１００μｍよりも大きな平均孔径の孔が開いていると透湿部２０が薄い場合、多孔質シート１８が透湿部２０を支えきれなくなる可能性がある。また、多孔質シート１８の厚みが２０μｍ未満となると強度が不足する恐れがあり、厚みが５００μｍを超えると透湿性能が低下する恐れがある。

　本発明における極細繊維１９とは、繊維径が０．１μｍ以上３μｍ以下の繊維である。極細繊維１９がこの繊維径を備えることにより、多孔質シート１８は前述の平均孔径および厚みが実現できる。多孔質シート１８は、不織布または織布に限らない。しかし多孔質シート１８が、不織布または織布の場合、繊維径は極細繊維１９よりも大きく、３μｍから５０μｍの繊維径が好適である。多孔質シート１８の繊維径が３μｍを下回ると、単繊維の強度が低く、補強材としての強度が不十分となる。また多孔質シート１８の繊維径が５０μｍ以上であると、多孔質シート１８の厚みが厚くなり、透湿性能が低下するので好ましくない。

　極細繊維部１７の平均孔径が１０μｍ以下であると、透湿性物質２１が極細繊維部１７に絡まり、透湿性物質２１の脱落が抑制される。ただし、極細繊維部１７の平均孔径が０．０１μｍ未満であると、透湿部２０の厚み方向に直線的に透湿性物質２１が配置されている箇所が減少する。そのため、水分の移動距離が伸び、透湿性能が低下する恐れがある。また、極細繊維部１７の厚みが０．５μｍ未満であると、部分的なピンホールが生じやすくなり、全熱交換素子用仕切部材１４としてのガスバリア性が担保できなくなる恐れが有る。また極細繊維部１７の厚みが２０μｍを超えると、透湿部２０が厚くなりすぎて透湿性能が低下する恐れがある。

　また透湿性物質２１は、親水性の有機低分子化合物が含浸または塗工された後、重合されることにより高分子化され、水不溶化されてもよい。

　極細繊維部１７に有機低分子化合物が塗工されることにより、極細繊維部１７の細かい孔まで有機低分子化合物が浸透する。その後、有機低分子化合物が重合されて透湿性物質２１が水不溶化され、より密に透湿性物質２１が詰まった透湿部２０が得られる。その結果、透湿部２０の透湿抵抗が低下し、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が向上する。

　また、多孔質シート１８が熱融着性成分を含み、多孔質シート１８と極細繊維部１７とが熱接着された後に、極細繊維部１７に透湿性物質２１が含浸または塗工されてもよい。

　接着剤等の透湿阻害物質が使用されることなく、多孔質シート１８の熱融着性成分により多孔質シート１８と極細繊維１９とが接着されることにより、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が向上する。さらに、多孔質シート１８に極細繊維１９がムラなく接着しやすくなる。そのため、極細繊維１９に透湿性物質２１が含浸または塗工される際、多孔質シート１８から極細繊維１９の剥離が抑制される。その結果、透湿部２０の欠損も抑制されるので、全熱交換素子用仕切部材１４のガスバリア性も向上する。

　また、極細繊維部１７に透湿性物質２１が含浸または塗工された後に多孔質シート１８と極細繊維部１７とが熱接着されてもよい。このことにより、多孔質シート１８内に透湿性物質２１が浸潤しない。そのため、多孔質シート１８の空隙率低下が抑制される。多孔質シート１８に極細繊維部１７が熱接着された後に、透湿性物質２１が含浸または塗工される場合、すなわち熱接着が先である場合に比べ、熱接着が後の場合は多孔質シート１８の透湿性能の低下が抑制される。そのため、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能の低下が抑制でき、好適である。

　また、多孔質シート１８が熱融着性成分を含み、多孔質シート１８と極細繊維１９及び多孔質シート１８と透湿性物質２１が熱接着されてもよい。

　接着剤等の透湿阻害物質が使用されることなく、多孔質シート１８の熱融着性成分により多孔質シート１８と極細繊維１９及び多孔質シート１８と透湿性物質２１が熱接着されることにより、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が向上する。さらに、多孔質シート１８に透湿部２０がムラなく接着されやすくなる。そのため、多孔質シート１８から透湿部２０の剥離による透湿部２０の欠損が抑制でき、全熱交換素子用仕切部材１４のガスバリア性も向上する。

　また透湿性物質２１として、第四級アンモニウム基を備えた薬剤が用いられてもよい。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１４の透湿性能が向上する。

　また多孔質シート１８の熱融着性成分として、親水基を有するポリマーが用いられてもよい。これにより、多孔質シート１８の表面が水蒸気を吸着し易くなるため、多孔質シート１８の空隙内部の水蒸気濃度が高まりやすくなる。その結果、図４の屋内空気１５または屋外空気１６から多孔質シート１８の空隙への水蒸気移行が促進される。すなわち、多孔質シート１８の空隙を介し、屋内空気１５または屋外空気１６から透湿部２０への水蒸気移動が促進されるため、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が向上する。

　また、多孔質シート１８は外層に熱融着可能な低融点成分が、内層に高融点成分を用いた芯鞘型複合繊維が用いられていてもよい。これにより、外層の低融点成分が熱融着可能な温度になっても、内層の高融点成分は溶融しない。そのため、多孔質シート１８の熱収縮が生じず、多孔質シート１８は一定の形状が維持される。接着時に多孔質シート１８の熱収縮によって極細繊維部１７、または透湿部２０が変形および収縮しにくい。その結果、透湿部２０が厚くなることにより生じる透湿性能の低下が抑制される。

　また、多孔質シート１８と透湿部２０との接着点が、多孔質シート１８と透湿部２０とが接している点近傍にできる。そのため、多孔質シート１８に面した透湿部２０の表面積が広くなり、全熱交換素子用仕切部材１４の透湿性能が向上する。さらに、接着時に多孔質シート１８が変形しにくいことから、透湿部２０の剥離による透湿部２０の欠損が抑制され、全熱交換素子用仕切部材１４のガスバリア性も向上する。

　また全熱交換素子４に、上述の全熱交換素子用仕切部材１４のいずれかが用いられるとよい。透湿性能の高い全熱交換素子用仕切部材１４が全熱交換素子４に用いられることにより、潜熱交換効率の高い全熱交換素子４が得られる。

　また全熱交換形換気装置２に、上述の全熱交換素子４が用いられるとよい。潜熱交換効率の高い全熱交換素子４が全熱交換形換気装置２に用いられることにより、全熱交換効率の高い全熱交換形換気装置２が得られる。

　多孔質シート１８は例えば不織布、プラスチックフィルム、または織布が挙げられる。多孔質シート１８の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、またはポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。

　なお多孔質シート１８の熱融着性成分としては親水性官能基を備えた材料が好ましく、例えばポリエチレン、ポリエステル、またはポリプロピレン等の低融点成分に、グラフト重合により親水基が導入されたポリマー等が挙げられる。

　なお極細繊維１９の材質も耐水性のある材料が好ましく、多孔質シート１８と同じ材料が用いられてもよい。また極細繊維１９の製造方法としては、メルトブローン法、または静電紡糸法等が挙げられるがこれに限らず既知の手法が用いられてもよい。

　なお透湿性物質２１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、または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、吸放湿性が高く好ましい。

　なお、極細繊維部１７へ透湿性物質２１が添加される方法としては、含浸または塗工が挙げられるが、特に塗工量が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、またはコンマコート方式等、既知の方式が用いられる。

　なお透湿性物質２１の水不溶化方法としては、上記の重合による高分子化の他に、塗工後架橋材にて処理する方法、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、または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２１の重合の際、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が架橋材として添加されてもよい。このような架橋材の添加により、重合後の有機高分子化合物の耐水性が高まるほか、透湿部２０の強度の向上、および吸水による膨潤の抑制効果が得られる。

　なお透湿性物質２１の重合方法としては、ラジカル重合、イオン重合、または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部１７に留まり易く、均一な透湿部２０を形成しやすいためである。ラジカル重合方法としては、既知の手法が用いられ、例えば熱、紫外線、または放射線を用いた重合が行われる。特に重合に放射線が用いられた場合、透湿性物質２１と極細繊維１９との結合が可能となるため、耐水性が向上する。

　本発明の全熱交換素子用仕切部材は、全熱交換素子、全熱交換形換気装置等に有用である。

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　　多孔質シート
１９　　極細繊維
２０　　透湿部
２１　　透湿性物質

Claims (10)

1. 全熱交換素子用仕切部材であって、
   多孔質シート上に極細繊維部が備えられ、前記極細繊維部に透湿性物質が含浸または塗工され水不溶化されたことを特徴とする全熱交換素子用仕切部材。
2. 前記極細繊維部を構成する極細繊維の繊維径は０．１μｍ以上３μｍ以下であり、前記多孔質シートは平均孔径が１５μｍ以上１００μｍ以下かつ厚みが２０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記極細繊維部は平均孔径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下かつ厚みが０．５μｍ以上２０μｍ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. 前記透湿性物質は、親水性の有機低分子化合物が含浸または塗工された後、重合されることにより高分子化された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。
4. 前記多孔質シートは熱融着性成分を含み、前記多孔質シートと前記極細繊維部とが熱接着された後に、前記極細繊維部に前記透湿性物質が含浸または塗工された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。
5. 前記極細繊維部に前記透湿性物質が含浸または塗工された後に、前記多孔質シートと前記極細繊維部とが熱接着された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。
6. 前記透湿性物質は、第四級アンモニウム基を備えた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。
7. 前記熱融着性成分は、親水基を有するポリマーであることを特徴する請求項４記載の全熱交換素子用仕切部材。
8. 前記多孔質シートは、外層に熱融着可能な低融点成分が、内層に高融点成分が用いられた芯鞘型複合繊維により構成されてい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。
9. 請求項１から８のいずれか一項記載の全熱交換素子用仕切部材が用いられたことを特徴とする全熱交換素子。
10. 請求項９記載の全熱交換素子が用いられたことを特徴とする全熱交換形換気装置。

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