特許 6937258 全熱交換素子用シート、全熱交換素子、及び全熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6937258

(24)【登録日】2021年9月1日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】全熱交換素子用シート、全熱交換素子、及び全熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 19/02 20060101AFI20210909BHJP

   F28F 3/08 20060101ALI20210909BHJP

   F28F 21/06 20060101ALI20210909BHJP

   F28F 13/18 20060101ALI20210909BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20210909BHJP

   F24F 7/08 20060101ALI20210909BHJP

   B32B 5/24 20060101ALI20210909BHJP

【ＦＩ】

   F28F19/02 501Z

   F28F3/08 301A

   F28F21/06

   F28F13/18 B

   F28D9/00

   F24F7/08 101A

   B32B5/24 101

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-50179(P2018-50179)

(22)【出願日】2018年3月16日

(65)【公開番号】特開2019-158317(P2019-158317A)

(43)【公開日】2019年9月19日

【審査請求日】2020年8月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米津 麻紀

(72)【発明者】

【氏名】原田 耕一

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 ひとみ

(72)【発明者】

【氏名】八木 亮介

(72)【発明者】

【氏名】今田 敏弘

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１９４３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−３０５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２９９７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５０３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７８１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３７１５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｆ １９／０２

Ｆ２８Ｆ ３／０８

Ｆ２８Ｆ ２１／０６

Ｆ２８Ｆ １３／１８

Ｆ２８Ｄ ９／００

Ｆ２４Ｆ ７／０８

Ｂ３２Ｂ ５／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
前記膜は、前記無機繊維の配向状態が異なる薄層を２層以上積層した多層構造を有する全熱交換素子用シート。

【請求項2】

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に記載の全熱交換素子用シート。

【請求項3】

前記無機繊維は、親水性を有する請求項１又は２に記載の全熱交換素子用シート。

【請求項4】

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１〜３いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。

【請求項5】

前記無機繊維の配向状態が異なる薄層において、
第１の薄層は、当該薄層を平面視した時に前記無機繊維の配向がランダムで、かつ当該薄層を断面視した時に前記無機繊維が当該薄層表面に対して平行及び／又は傾斜して配向し、
第２の薄層は、当該薄層を平面視した時に前記無機繊維の一端面及び／又は一端部が現れ、かつ当該薄層を断面視した時に前記無機繊維が当該薄層表面に垂直な軸に対して平行及び／又は傾斜して配向する請求項１〜４いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。

【請求項6】

前記第１、第２の薄層は、厚さが３００ｎｍ以下である請求項１〜５いずれか１項に記載の全熱交換素子用シート。

【請求項7】

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を備える全熱交換素子。

【請求項8】

請求項７に記載の全熱交換素子を備える全熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特公昭６１−０５８７５９号公報

【特許文献2】特開２００４−１５４４５７号公報

【特許文献3】特開２０１０−２３４２１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

実施形態は、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を維持しながら、水蒸気透過速度を向上し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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態に係る全熱交換素子用シートは、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。膜は、無機繊維の配向状態が異なる薄層を２層以上積層した多層構造を有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】図１の膜の断面ＴＥＭ写真を模式的に示す断面図である。

【図4】実施形態に係る全熱交換素子を示す斜視図である。

【図5】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。

【図6】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。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。

【0009】

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、図３は図１の膜の断面ＴＥＭ写真を模式的に示す断面図、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。

【0010】

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。

【0011】

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角度を持って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。

【0012】

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。

【0013】

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。そのため、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。

【0014】

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、湿度交換効率が低下し、全熱交換器としてのロスが大きくなる虞がある。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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、繊維径１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を主成分とすることが好ましい。有機繊維は、１μｍ以上５０μｍ以下の繊維径であることがより好ましい。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。また、多孔質部材２は１０重量％以下の添加物、例えば紙のサイズ度を調整するためのサイズ剤、又は撥水、耐水の処理剤等、を含んでもよい。

【0018】

多孔質部材２は、有機繊維の間に細孔をさらに有することが好ましい。繊維径を１μｍ以上１００μｍ以下の範囲に調節して細孔径等を制御することにより多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓ等を高めることができる。

【0019】

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。また有機繊維は中空繊維であってもよい。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を構成する有機繊維は、サブミクロン以下のサイズ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。

【0020】

多孔質部材２は、例えばポアフロン（住友電気工業株式会社の登録商標）のようなフッ素系シートを延伸加工した多孔質シートから作製してもよい。

【0021】

多孔質部材２の平均細孔径は、好ましくは０．０５μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以上５０μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下である。平均細孔径が大き過ぎると、当該多孔質部材２に膜３を形成する際、膜３が孔に侵入しやすくなって、ピンホール、亀裂が発生して分離性能が低下する可能性がある。

【0022】

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。

【0023】

多孔質部材２の密度は、好ましくは０．８ｇ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは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。

【0024】

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。

【0025】

多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓは、５０ｇ／ｈ／ｍ²／ｋＰａ以上、７０ｇ／ｈ／ｍ²／ｋＰａ以上、さらに１２０ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ以上であることが好ましい。多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓは、次式（３）により表される。

【0026】

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２の面積（ｍ^２））／（多孔質部材２の両面における水蒸気圧差（ｋＰａ））…（３）
前記式（３）で求められる多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓが低過ぎると、全熱交換素子用シート全体の水蒸気透過速度Ｖｓが低下し、全熱の交換効率が低下する虞がある。
＜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。

【0027】

無機繊維３１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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

膜３は、無機繊維の配向状態が異なる薄層を２層以上積層した多層構造を有する。無機繊維の配向状態が異なる薄層は、図３に示す第１の薄層３１及び第２の薄層３２を例えば交互に配置されている。第１の薄層３１及び第２の薄層３２は、次に説明する構造を有する。

【0031】

（１）第１の薄層３１は、当該薄層３１を平面視した時に無機繊維の配向がランダムで、かつ当該薄層３１を断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行及び／又は傾斜して配向する。

【0032】

（２）第２の薄層３２は、当該薄層３２を平面視した時に無機繊維の一端面及び／又は一端部が現れ、かつ当該薄層３２を断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して平行及び／又は傾斜して配向する。

【0033】

ここで、前記（１）の第１の薄層３１において、「平面視した時に無機繊維の配向がランダム」とは、当該薄層３１表面に対して特定の方向に揃って配向する無機繊維が全体の無機繊維の５０％未満である。「平面視した時に無機繊維の配向がランダム」は、当該薄層３１表面に対して特定の方向に揃って配向する無機繊維が全体の無機繊維の４０％未満、より好ましくは全体の無機繊維の３０％未満、である。

【0034】

前記（１）の第１の薄層３１において、「断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して傾斜する」とは、好ましくは当該薄層３１表面に対して０〜３０°の角度、より好ましくは０〜１５°の角度、で傾斜することである。

【0035】

１つの実施形態において、第１の薄層３１は断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行した配向と傾斜した配向とが混在する。２つの配向の混在割合は、任意である。

【0036】

他の実施形態において、第１の薄層３１は断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して異なる角度で傾斜した配向が混在する。異なる角度で傾斜した配向の混在割合は、任意である。

【0037】

また、前記（２）の第２の薄層３２において、「平面視した時に無機繊維の一端面及び／又は一端部が現れる」とは、例えば無機繊維の一端が当該薄層３２表面に毛羽立って現れる。

【0038】

前記（２）の第２の薄層３２において、「断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して傾斜する」とは、好ましくは垂直な軸に対して０〜４５°の角度、より好ましくは０〜３０°の角度、で傾斜することである。

【0039】

１つの実施形態において、第２の薄層３２は断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して平行した配向と傾斜した配向とが混在する。２つの配向の混在割合は、任意である。

【0040】

他の実施形態において、第２の薄層３２は断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して異なる角度で傾斜した配向が混在する。異なる角度で傾斜した配向の混在割合は、任意である。

【0041】

前述した第１、第２の薄層３１，３２は、それらの構造上の相違から、第１の薄層３１が第２の薄層３２に比べて高い密度を有する。

【0042】

膜３を構成する多層構造は、第１、第２の薄層３１，３２をそれぞれ１層有すれば、単一の層からなる膜に比べて高い水蒸気透過速度を維持しつつ、水蒸気と水蒸気を除く気体（例えば空気）の分離率を向上できる、優位な効果を奏する。

【0043】

第１、第２の薄層３１，３２を含む多層構造の膜３の層数は、６層以上、８層以上、１０層以上、１２層以上、１４層以上、１６層以上、１８層以上、２０層以上、２４層以上、３０層以上、４０層以上又は５０層以上であってもよい。このような層数の多層構造を有する膜３は、積層される複数の第１の薄層３１、又は複数の第２の薄層３２が前述した（１）、（２）の配向状態を満たす範囲内で、互いに同じであっても、異なってもよい。

【0044】

多層構造の膜３の層厚さ（第１又は第２の薄層の厚さ）は、好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以下である。第１又は第２の薄層の厚さは、互いに同じであって、異なってもよい。第１又は第２の薄層の下限厚さは、好ましくは１０ｎｍ、より好ましくは１５ｎｍ、最も好ましくは３０ｎｍである。

【0045】

多層構造の膜３自体の厚さは、第１、第２の薄層の厚さ及び層数により一概に規定できないが、例えば第１及び第２の薄層の厚さがそれぞれ３００ｎｍ以下である場合、１〜５０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍにすることが望ましい。

【0046】

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。

【0047】

１）最初に、例えば繊維径１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を主成分とするシート状の多孔質部材を用意する。

【0048】

２）シート状の多孔質部材を所望の径を有する回転可能なドラム表面に巻回して固定する。

【0049】

３）ドラムにノズルを対向して配置する。ノズルは、当該ドラムに巻回した多孔質部材の幅方向に往復動作する。

【0050】

４）ドラムを回転させながら、ノズルを多孔質部材の幅方向に往復動作し、その間に繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維の分散液をノズルから多孔質部材の一方の面（表面）に向けて吹付ける。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。

【0051】

５）ドラムからシート状の多孔質部材を取り外し、乾燥することによって、多孔質部材の一方の面に第１、第２の薄層を含む多層構造の膜が形成された全熱交換素子用シートを製造する。

【0052】

前記４）の工程のドラムの回転速度は、１０〜８００ｒｐｍにすることが好ましい。ノズルの往復動作は、１〜１０ｃｍ／分にすることが好ましい。

【0053】

なお、多層構造の膜の層数は前記４）の工程の無機繊維の分散液の吹付時間を調節することにより制御できる。

【0054】

前記製造方法において、膜の第１、第２の薄層の配向状態は主にドラムの回転速度及びノズルからの無機繊維の分散液の吹付速度（流量）により制御することができる。

【0055】

以上説明した全熱交換素子用シート１は、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る。

【0056】

また、多孔質部材が繊維径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。

【0057】

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、強度を向上できる。また、防燃性効果も有する。さらに、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。

【0058】

膜３は、前記特定の繊維径を有する無機繊維による機能に加えて、無機繊維の配向状態が異なる薄層を２層（第１の薄層３１、第２の薄層３２）以上積層した多層構造を有する。第１の薄層３１は、当該薄層３１を平面視した時に前記無機繊維の配向がランダムで、かつ当該薄層３１を断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行及び／又は傾斜して配向している。第２の薄層３２は、当該薄層３２を平面視した時に無機繊維の一端面及び／又は一端部が現れ、かつ当該薄層３２を断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して平行及び／又は傾斜して配向している。第１、第２の薄層３１、３２において、第１の薄層３１は第２の薄層３２に比べて高い密度を有する。

【0059】

このような多層構造を持つ膜３は、単一の配向状態を持つ１層構造の膜に比べて以下のような優位な効果を奏する。
（１）第１の薄層３１は、断面視した時に無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行及び／又は傾斜して配向するため、無機繊維間により多く、より微細な細孔を作ることができる。この第１の薄層３１は、前述したウェットシールをより多く形成することができる。その結果、膜３表面に接触して流通する外気等に含まれる水蒸気の吸着性が向上して膜３から多孔質部材２に移動させる、つまり水蒸気透過速度をより一層高めることができる。また、第１の薄層３１でのウェットシールの増大によって、水蒸気を除く気体の透過を効果的に抑制する、つまり水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率をより一層高めることができる。
（２）第２の薄層３２は、断面視した時に無機繊維が当該薄層３２表面に垂直な軸に対して平行及び／又は傾斜して配向するため、水蒸気を当該薄層３２表面に垂直な軸に対して平行及び／又は傾斜する無機繊維の配向方向に沿って移動させて水蒸気透過速度を高めることができる。

【0060】

また、第１の薄層３１は無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行及び／又は傾斜して配向するため、その配向に沿って亀裂が発生する場合がある。亀裂箇所は、膜３の強度低下の要因になる。第１の薄層３１に積層される前記第２の薄層３２は、その配向構造により緩衝材として機能し、第１の薄層３１の亀裂箇所の強度低下を補償することができる。
（３）第１、第２の薄層３１、３２が２層を超える層数、例えば１０層の多層構造を持つ膜３は、第１、第２の薄層３１、３２の特性を際立たせることができる。すなわち、膜３の厚さ方向に第１、第２の薄層３１、３２を交互にかつそれぞれ２層以上積層することによって、各第１の薄層３１に形成されるウェットシールによる水蒸気を除く気体の透過をより一層効果的に抑制できる。同時に、第１の薄層３１でのウェットシールの形成と、第１の薄層３１に対して多孔質部材２側に隣接する各第２の薄層３２での水蒸気透過速度を高めることとの相互作用によって、水蒸気透過速度をより一層向上できる。

【0061】

また、各第１の薄層３１は無機繊維が当該薄層３１表面に対して平行及び／又は傾斜して配向するため、その配向に沿って亀裂が発生する場合がある。亀裂が膜の厚さ方向に伝搬すると、破損するのみならず、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率が低下する。第１の薄層３１間にそれぞれ配置される第２の薄層３２は、その配向構造により緩衝作用を有し、第１の薄層３１に発生した亀裂が膜３の厚さ方向に伝搬するのを遮断（断絶）する。その結果、高い強度と優れたウェットシール性を兼ね備えた膜３を実現できる。

【0062】

次に、実施形態に係る全熱交換素子を詳述する。

【0063】

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４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。

【0064】

全熱交換素子用シート１は、その膜３が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。

【0065】

次に、実施形態に係る全熱交換器を詳述する。

【0066】

全熱交換器は、前述した全熱交換素子を備えている。図５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４に示す全熱交換素子１０が配置されている。

【0067】

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１０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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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５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させ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６に示すように切り替えてもよい。図６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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【実施例】

【0075】

以下、実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
最初に平均直径２０μｍの紙からなる厚さ１２０μｍのシート状の多孔質部材を作製した。シート状の多孔質部材を直径が２０ｃｍの回転可能なドラム表面に巻回して固定した。ドラムにノズルを対向した配置した。ノズルは、当該ドラムに巻回した多孔質部材の幅方向に往復動作する。ドラムを６００ｒｐｍの速度で回転させながら、ノズルをシート状の多孔質部材の一方の面（表面）に５ｃｍ／分の速度で往復動作させ、その間に平均直径４ｎｍ、平均長さ１μｍの擬ベーマイトナノファイバを含む水系分散液を吹付け、ノズルから多孔質部材の表面に向けて吹付けた。その後、乾燥することにより多孔質部材の表面に厚さ２０μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。

【0076】

得られた全熱交換素子用シートの膜の断面をＴＥＭ観察した。その結果、膜は異なる配向状態の擬ベーマイトナノファイバ層（第１の薄層及び第２の薄層）が交互に積層され、１層の厚さはそれぞれ５０〜１００ｎｍで、層数が２５である積層膜であることを確認した。

【0077】

第１の薄層は、平面視した時に膜の表面に現れる擬ベーマイトナノファイバの配向がランダムで、膜の表面に対して平行して配向する擬ベーマイトナノファイバが膜表面の全体の３０％未満であった。第１の薄層は、断面視した時に擬ベーマイトナノファイバが膜表面に対して平行した配向と０〜１０°の角度で傾斜した配向とが混在していた。

【0078】

他方、第２の薄層は平面視した時に擬ベーマイトナノファイバの一端面及び一端部が当該第２の薄層の表面に現れた。第２の薄層は、断面視した時に擬ベーマイトナノファイバが膜表面に垂直な軸に対して平行した配向と０〜３０°の角度で傾斜した配向とが混在していた。
（実施例２）
シート状の多孔質部材としてフッ素樹脂多孔質シート（住友電気工業株式会社の登録商標：ポアフロン）を用い、ドラムの回転速度を１００ｒｐｍに変更した以外、実施例１と同様な条件でドラムに巻回して固定した当該フッ素樹脂多孔質シートの表面に擬ベーマイトナノファイバを含む水系分散液を吹付けて厚さ２０μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。

【0079】

得られた全熱交換素子用シートの膜の断面をＴＥＭ観察した。その結果、膜は異なる配向状態の擬ベーマイトナノファイバ層（第１の薄層及び第２の薄層）が交互に積層され、１層の厚さはそれぞれ１００〜２００ｎｍで、層数が１３である積層膜であることを確認した。

【0080】

第１の薄層は、平面視した時に膜の表面に現れる擬ベーマイトナノファイバの配向がランダムで、膜の表面に対して平行して配向する擬ベーマイトナノファイバが膜表面の全体の３０％未満であった。第１の薄層は、断面視した時に擬ベーマイトナノファイバが膜表面に対して平行した配向と０〜１５°の角度で傾斜した配向とが混在していた。

【0081】

他方、第２の薄層は平面視した時に擬ベーマイトナノファイバの一端面及び一端部が当該第２の薄層の表面に現れた。第２の薄層は、断面視した時に擬ベーマイトナノファイバが膜表面に垂直な軸に対して平行した配向と０〜３０°の角度で傾斜した配向とが混在していた。
（比較例１）
平均直径３００μｍのアルミナ繊維を主成分とする厚さ３００μｍのシート状の多孔質部材の一方の面に、実施例１と同様の擬ベーマイトナノファイバを分散した水系分散液を２０ｇ／ｍ²の量でスキージ塗布し、乾燥して全熱交換素子用シートを製造した。

【0082】

得られた全熱交換素子用シートの断面をＴＥＭ観察した。その結果、シート状の多孔質部材表面の多数の細孔に擬ベーマイトナノファイバの大部分が侵入して当該多孔質部材の裏面まで到達していた。このため、膜として観察されず、多孔質部材に擬ベーマイトナノファイバが一体化された複合材で、多数のピンホール及び亀裂が見られた。
（比較例２）
比較例１と同様なシート状の多孔質部材の一方の面に、平均繊維径１μｍのアルミナファイバを分散した水系分散液を２０ｇ／ｍ²の量でスキージ塗布し、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。

【0083】

得られた全熱交換素子用シートの断面をＴＥＭ観察した。その結果、シート状の多孔質部材の一方の面にその表面に平行に配向された膜が１層形成されていることを確認できた。しかしながら、多孔質部材の孔内にアルミナファイバが侵入し、膜内にピンホール及び亀裂が見られた。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

【表1】

【0093】

前記表１から明らかなように、実施例１、２の全熱交換素子用シートを組み込んだ評価用全熱交換セルは、水蒸気透過速度Ｖｓが７２ｇ／ｈ／ｍ^２／ｋＰａ以上と高く、その上、分離率αが比較例１、２の全熱交換素子用シートを組み込んだ評価用全熱交換セルに比べてはるかに高い値を示すことがわかる。このことから、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。

【0094】

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。

【符号の説明】

【0095】

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、３１…第１の薄層、３２…第２の薄層、１００…全熱交換器、１１０ａ…外気、１１０ｂ…吸気、１１０ｃ…還気、１１０ｄ…排気。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】