(57)【要約】【課題】  膜厚方向への亀裂の発生を抑制し、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を向上した全熱交換素子用シート、全熱交換素子、全熱交換器、及び水蒸気分離体を提供する。【解決手段】  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平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備える。膜は、無機繊維が膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、緻密膜に比べて無機繊維の配向が低い疎膜とを含む。緻密膜は、少なくとも多孔質部材と膜の界面、及び膜の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在する。疎膜は、各緻密膜の間の領域の少なくとも一部に存在する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質部材と、前記多孔質部材の一方の面に設けられた平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備える全熱交換素子用シートであって、
前記膜は、前記無機繊維が当該膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、当該緻密膜に比べて前記無機繊維の配向が低い疎膜とを含み、
前記緻密膜は、少なくとも前記多孔質部材と前記膜の界面、及び前記膜の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在し、
前記疎膜は、前記各緻密膜の間の領域の少なくとも一部に存在する全熱交換素子用シート。
【請求項２】
前記多孔質部材は、平均繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を含む請求項１に記載の全熱交換素子用シート。
【請求項３】
前記緻密膜間の領域の一部に存在する前記疎膜は、当該疎膜の断面を観察したとき、厚さが５０ｎｍ以上１μｍ以下、長さが５μｍ以上１０ｃｍ以下である請求項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一つを含む請求項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】
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を備える全熱交換素子。
【請求項６】
請求項５に記載の全熱交換素子を備える全熱交換器。
【請求項７】
多孔質部材と、前記多孔質部材の一方の面に設けられた平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備える水蒸気分離体であって、
前記膜は、前記無機繊維が当該膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、当該緻密膜に比べて前記無機繊維の配向が低い疎膜とを含み、
前記緻密膜は、少なくとも前記多孔質部材と前記膜の界面、及び前記膜の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在し、
前記疎膜は、前記各緻密膜の間の領域の少なくとも一部に存在する水蒸気分離体。
【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、全熱交換器、及び水蒸気分離体に関する。
【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】
本発明が解決しようとする課題は、膜厚方向への亀裂の発生を抑制し、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を向上した全熱交換素子用シート、全熱交換素子、全熱交換器、及び水蒸気分離体を提供する。
【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平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜とを備える。膜は、無機繊維が膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、緻密膜に比べて無機繊維の配向が低い疎膜とを含む。緻密膜は、少なくとも多孔質部材と膜の界面、及び膜の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在する。疎膜は、各緻密膜の間の領域の少なくとも一部に存在する。
【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】実施形態に係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。
【図３】図１の多孔質部材および膜の断面ＴＥＭ写真を模式的に示す断面図である。
【図４】図３より高い倍率で膜の要部を観察した断面ＴＥＭ写真を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態に係る全熱交換素子を示す斜視図である。
【図６】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７】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は実施形態に係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、図３は、図１の多孔質部材及び膜の断面ＴＥＭ写真を模式的に示す断面図、図４は図３より高い倍率で膜の要部を観察した断面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３１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２１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の表面３１、還気１１０ｃを全熱交換素子用シート１の多孔質部材２の表面２１、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３１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２１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の表面３１、外気１１０ａを全熱交換素子用シート１の多孔質部材２の表面２１、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の膜３の表面３１及び多孔質部材２の表面２１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／ｍ２／ｋＰａ以上、８０ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ、さらに１２０ｇ／ｈ／ｍ２／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／ｍ２／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（ｍ２））／（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、好ましくは平均繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは平均繊維径が１μｍ以上５０μｍ以下、の有機繊維を含む。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。
【００１８】
ここで、平均繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を含むとは、当該有機繊維が多孔質部材２の構成材料に対して５０重量％以上含むことが好ましい。さらに、多孔質部材２の構成材料のうち７５重量％超、さらには９０重量％超が当該有機繊維であることがより好ましい。有機繊維は、単一種の有機繊維又は複数種の有機繊維であってもよい。有機繊維に対する残り構成材料は、当該有機繊維以外のもの、例えば平均繊維径が１μｍ未満の有機繊維及び／又は平均繊維径が１００μｍを超える有機繊維（以下、別の有機繊維と称す）及び／又は添加物、例えば当該有機繊維間の空隙を調整するための高分子成分を含んでいてもよく、多孔質部材２に難燃性を付与するために吸湿材や酸化物等のセラミックス粒子等を含んでいてもよい。また、撥水性や耐水性を調整するための処理剤や、有機成分を含んでいてもよい。別の有機繊維は、単一種である場合、第１の有機繊維と同種又は異種のものを用いることができる。別の有機繊維は、複数種の有機繊維であってもよい。別の有機繊維及び添加物の残り構成材料中の割合は、別の有機繊維０〜２０重量％、添加物０〜１０重量％にすることが好ましい。なお、多孔質部材２は平均繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維を９０重量％以上含むことがより好ましい。
【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、例えば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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）などの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。
【００２２】
多孔質部材２は、有機繊維の間に細孔を有することが好ましい。平均繊維径が１μｍ以上１００μｍ以下の有機繊維において、その平均繊維径の範囲及び／又は多孔質部材中の有機繊維の含有割合を調節して細孔径等を制御することによって、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。
【００２３】
多孔質部材２の細孔の平均径（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、ピンホール又は亀裂の発生を促進して分離性能が低下する可能性がある。
【００２４】
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、たわみ又はよれ等の変形が生じ、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。
【００２５】
多孔質部材２の密度は、好ましくは０．８ｇ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは０．７ｇ／ｃｍ３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。
【００２６】
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。
【００２７】
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／ｍ２／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。
【００２８】
多孔質部材２の水蒸気透過速度Ｖｓ（ｇ／ｈ／ｍ２／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（ｍ２））／（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、平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む。膜３は、図３に示すように緻密膜３ａと疎膜３ｂとを含み、緻密膜３ａは多孔質部材２と膜３の界面、及び膜３の表面にそれぞれ存在し、かつこれら２層の間にも任意の数（例えば５層）が存在する。疎膜３ｂは、各緻密膜３ａの間の領域の少なくとも一部に存在する。緻密膜３ａは、図４に示すように無機繊維４が当該膜３の表面方向に沿って配向した構造を有し、疎膜３ｂは当該緻密膜３ａに比べて無機繊維４の配向が低いランダムな構造を有する。
【００２９】
ここで、「無機繊維４が当該膜３の表面方向に沿って配向した構造の緻密膜３ａ」とは、当該緻密膜３ａを平面視した時に無機繊維４が一定方向に揃わず、ランダムに配置され、かつ当該緻密膜３ａを断面視した時に無機繊維４が当該緻密膜３ａ表面に対して平行及び／又は傾斜して配向した構造を意味する。緻密膜３ａにおいて、「断面視した時に無機繊維４が当該緻密膜３ａ表面に対して傾斜する」とは、好ましくは当該緻密膜３ａ表面に対して０〜３０°の角度、より好ましくは０〜１５°の角度、で無機繊維４が傾斜することである。
【００３０】
一つの実施形態において、緻密膜３ａは断面視した時に当該緻密膜３ａ表面に対して平行に配向する無機繊維４と傾斜して配向する無機繊維４とが混在する。２つの配向の混在割合は、任意である。
【００３１】
他の実施形態において、緻密膜３ａは断面視した時に当該緻密膜３ａ表面に対して異なる角度で傾斜して配向した無機繊維４が混在する。異なる角度で傾斜して配向した無機繊維４の混在割合は、任意である。
【００３２】
「緻密膜に比べて無機繊維４の配向が低いランダムな構造の疎膜３ｂ」とは、当該疎膜３ｂを断面視した時に緻密膜３ａに比べてランダムに配置された無機繊維４を多く含む構造を意味する。
【００３３】
緻密膜３ａは、膜３の断面を観察したとき、膜３中に好ましくは５０％以上９８％以下、より好ましくは６０％以上９６％以下、さらに好ましくは７０％以上９４％以下、占めることが望ましい。このような膜３は、緻密膜３ａと疎膜３ｂの厚さバランスが良好になり、水蒸気分離率をより向上でき、かつ膜厚方向への亀裂発生もより抑制できる。
【００３４】
緻密膜３ａ間の領域の少なくとも一部に存在する疎膜３ｂとは、緻密膜３ａ間の領域の全体に存在する形態、又は緻密膜３ａ間の領域の一部に存在する形態を意味する。疎膜３ｂが緻密膜３ａ間の領域の一部に存在する場合には、当該疎膜３ｂの断面を観察したとき、好ましくは厚さが５０ｎｍ以上１μｍ以下、長さが５μｍ以上１０ｃｍ以下、より好ましくは厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、長さが５μｍ以上１ｍｍ以下である。
【００３５】
一つの実施形態において、緻密膜及び疎膜はそれらの層数の関係が次式：ｎｄ＝２ｎｓ＋ｘ（ここで、ｎｄは前記緻密膜の層数、ｎｓは前記疎膜の層数で、１以上の整数、ｘはｎｓが１である場合、０、ｎｓが２以上である場合、−１、を示す）を満たすように交互に配置される。
【００３６】
具体的には、１層の疎膜が緻密膜間に存在する膜形態では、多孔質部材と膜の界面から膜の表面に向けて第１の緻密膜、疎膜、第２の緻密膜が配置される３層構造になる。このような３層構造の膜形態において、第１、第２の緻密膜の厚さは互いに同じであっても、異なってもよい。
【００３７】
２層の疎膜が各緻密膜間にそれぞれ存在する膜形態では、多孔質部材２と膜３の界面から膜３の表面に向けて第１の緻密膜、第１の疎膜、第２の緻密膜、第２の疎膜、第３の緻密膜が配置される５層構造になる。３層以上の疎膜が各緻密膜間にそれぞれ存在する膜形態では、４層の緻密膜及びそれらの緻密膜間に存在する３層の疎膜を有する７層構造、５層の緻密膜及びそれらの緻密膜間に存在する４層の疎膜を有する９層構造、６層の緻密膜及びそれらの緻密膜間に存在する５層の疎膜を有する１１層構造、７層の緻密膜及びそれらの緻密膜間に存在する６層の疎膜を有する１３層構造等になる。２層以上の疎膜が各緻密膜間にそれぞれ存在する膜形態において、それらの緻密膜及び疎膜の厚さは互いに同じであっても、異なってもよい。それらの疎膜が各緻密膜間の一部に存在する形態では、膜の表面から多孔質部材に垂直に向けて透視したとき、それらの疎膜は互いに一致しても、ずれてもよく、また厚さ及び長さが互いに同じであっても、異なってもよい。
【００３８】
膜３を構成する２つの緻密膜の間に一つの疎膜が存在すれば、単一の層からなる膜に比べて水蒸気分離率を向上でき、かつ膜厚方向への亀裂発生も抑制できる、優位な効果を奏する。
【００３９】
無機繊維は、耐熱性が高いため好ましい。親水性基、例えば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。
【００４０】
平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲の無機繊維を含む膜３は、その表面に後述するウェットシールを形成でき、水蒸気分離率を向上できる。
【００４１】
「平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む」とは、当該無機繊維が膜の構成材料に対して８０重量％以上含むことを意味する。無機繊維は、単一種の無機繊維であっても、又は複数種の無機繊維であってもよい。無機繊維に対する残り構成材料は、当該無機繊維以外のもの、例えば平均繊維径が１ｎｍ未満の無機繊維及び／又は平均繊維径が５０ｎｍを超える無機繊維（以下、別の無機繊維と称する）を用いることができる。別の無機繊維は、単一種である場合、無機繊維と同種又は異種のものを用いることができる。別の無機繊維は、複数種の無機繊維であってもよい。なお、膜３は平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を９０重量％以上含むことがより好ましい。
【００４２】
無機繊維の平均繊維長は、０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。無機繊維の平均繊維長は、より好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上３μｍ以下である。平均繊維長を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。平均繊維長が１５μｍよりも長くすると、平均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。
【００４３】
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又は水酸化物；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。
【００４４】
具体的な親水性の無機繊維は、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。
【００４５】
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。
【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】
最初に、有機繊維を含むシート状の多孔質部材を用意する。つづいて、シート状の多孔質部材の一方の面の上部に当該多孔質部材の幅より長いスリット状吐出部を有するノズルを配置させる。ノズルのスリット状吐出部から平均繊維径が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む水系分散スラリーをシート状の多孔質部材の一方の面に向けて吐出し、スラリーを塗布する。その後、乾燥することにより多孔質部材の一方の面に膜を形成して全熱交換素子用シートを製造する。膜は、前述したように無機繊維が当該膜の表面方向に配向した緻密膜と、無機繊維が配向しない疎膜とを含む。緻密膜は、少なくとも多孔質部材と前記膜の界面、及び前記膜の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在し、疎膜は各緻密膜の間の領域の少なくとも一部に存在する。
【００４８】
なお、膜を構成する緻密膜及び疎膜の層数、各緻密膜及び疎膜の厚さ等は、無機繊維の平均繊維径の選択、無機繊維の分散液の吐出時間及び吐出圧力等の調節を行うことにより制御することができる。
【００４９】
以上説明した全熱交換素子用シート１は、多孔質部材２とその一方の面に設けた膜３とを備え、厚さ方向への膜３の亀裂発生を抑制し、水蒸気と水蒸気を除く気体との分離率を向上できる。
【００５０】
即ち、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２の一方の面に設けられた平均繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維を含む膜３とを備える。膜３は、図３及び図４に示すように無機繊維４が当該膜３の表面方向に沿って配向した緻密膜３ａと、当該緻密膜３ａに比べて無機繊維４の配向が低い疎膜３ｂとを含む。緻密膜３ａは、少なくとも多孔質部材２と膜３の界面、及び膜３の表面にそれぞれ存在し、かつこれら二者の間にも任意に存在する。疎膜３ｂは、各緻密膜３ａの間の領域の少なくとも一部に存在する。
【００５１】
緻密膜３ａは、平均繊維径１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の無機繊維４を含み、当該無機繊維４が膜３表面方向に沿って配向しているため、平均繊維径と配向性との相互作用により無機繊維４間に多くの微細な細孔を形成できる。その結果、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凝縮水としてより多く満たされ、ウェットシールを形成できる。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。ウェットシールは、水蒸気を除く気体（例えば空気）の透過を抑制できる。これらの作用から水蒸気分離率の高い全熱交換素子用シートを提供できる。
【００５２】
反面、緻密膜３ａは無機繊維４が膜３の表面方向に沿って配向しているため、その配向に沿って亀裂が発生する場合がある。亀裂の発生は、膜３の水蒸気分離率の低下及び強度の低下の要因になる。緻密膜３ａ間に存在する疎膜３ｂは、緻密膜３ａに比べて無機繊維４の配向が低いランダムな構造を有するため、緻密膜３ａに対して緩衝材として機能する。その結果、疎膜３ｂにより緻密膜３ａの亀裂箇所の拡大を抑制して緻密膜３ａによる高い水蒸気分離率を維持でき、さらに膜３の強度低下を補償できる。
【００５３】
また、多孔質部材が平均繊維径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。
【００５４】
実施形態に係る全熱交換素子用シートは、前述した優れた機能を有するため、水蒸気分離体として使用することができる。
【００５５】
また、第１、第２の実施形態に係る全熱交換素子用シートは、全熱交換素子以外にも適用できる。例えば、除湿シート、フィルタ、調湿素子等に用いることができる。また、具体的な応用は、除湿ローター素子、空調気化式加湿用素子、燃料電池の加湿用素子、除湿器用除湿素子、自動販売機などの吸水蒸散素子、冷却用吸水蒸散素子、デシカント空調の除湿ローター素子、車載用エアコン等が挙げられる。
【００５６】
次に、実施形態に係る全熱交換素子を詳述する。
【００５７】
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。
【００５８】
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４１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４２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４１，４２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。
【００５９】
次に、実施形態に係る全熱交換器を詳述する。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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の表面３１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の表面２１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。
【００６４】
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の表面３１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の表面２１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。
【００６５】
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の表面３１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の表面２１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。
【００６６】
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の表面３１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の表面２１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。
【００６７】
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。
【００６８】
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】
【００６９】
以下、実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
最初に平均繊維径２０μｍのパルプからなる厚さ１００μｍ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上に、当該多孔質部材の幅より広いスリット状吐出部を有するノズルを配置した。ノズルのスリット状吐出部から平均繊維直径が４ｎｍ、平均繊維長さが１μｍの擬ベーマイトナノファイバを含む水系分散スラリーを多孔質部材の一面に吐出して塗布した。その後、乾燥することにより多孔質部材の一方の面に厚さ９μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。
【００７０】
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、擬ベーマイトナノファイバが膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、緻密膜に比べて擬ベーマイトナノファイバの配向が低い疎膜とが観察された。緻密膜は、多孔質部材と膜の界面と膜の表面にそれぞれ存在していた。また、これらの緻密膜間の領域の一部に５層の疎膜が観察された。即ち、界面及び膜の表面に位置する緻密膜を含む６層の緻密膜の間の領域の一部に５層の疎膜がそれぞれ存在する多層構造が観察された。疎膜は、厚さが７０ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲、長さが５μｍ〜１００μｍの範囲であった。膜面からＳＥＭ観察を行ったところ、亀裂の発生は確認できなかった。
（実施例２）
実施例１と同様のシート状の多孔質部材上にノズルのスリット状吐出部から平均繊維直径が４ｎｍ、平均繊維長さが１μｍの擬ベーマイトナノファイバを含む水系分散スラリーを吐出し、塗布した。その後、乾燥することにより多孔質部材の表面に厚さ１２μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。
【００７１】
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、擬ベーマイトナノファイバが膜の表面方向に沿って配向した緻密膜と、緻密膜に比べて擬ベーマイトナノファイバの配向が低い疎膜とが観察された。緻密膜は、多孔質部材と膜の界面と膜の表面にそれぞれ存在していた。また、これらの緻密膜間の領域の一部に１０層の疎膜が観察された。即ち、界面及び膜の表面に位置する緻密膜を含む１１層の緻密膜の間の領域の一部に１０層の疎膜がそれぞれ存在する多層構造が観察された。疎膜は、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲、長さが５μｍ〜６０μｍの範囲であった。膜面からＳＥＭ観察を行ったところ、亀裂の発生は確認できなかった。
（比較例１）
実施例１と同様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スラリーを２０ｇ／ｍ２の量でスキージ塗布し、乾燥して厚さ１５μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。
【００７２】
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、膜は擬ベーマイトナノファイバがその表面方向に沿って配向した緻密膜のみで構成されていることが観察された。また、膜面からＳＥＭ観察を行ったところ、スキージ方向に亀裂が複数観察され、ところどころ剥離が認められた。
（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、平均繊維径が３μｍのアルミナファイバを含む水系分散スラリーを２０ｇ／ｍ２の量でスキージ塗布し、乾燥して厚さ２５μｍの膜を形成して全熱交換素子用シートを製造した。
【００７３】
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、膜はアルミナファイバがその表面方向に沿って配向しているものの、アルミナファイバの平均繊維径が５０ｎｍを超える太い径を有することに起因して実施例１，２の緻密膜に比べて緻密性が劣る繊維構造であることが観察された。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
【表１】
2020038023.tif 000003
【００８３】
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８９ｇ／ｈ／ｍ２／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。
【００８４】
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】
【００８５】
１…全熱交換素子用シート、２…多孔質部材、３…膜、３ａ…緻密膜、３ｂ…疎膜、４…無機繊維、１０…全熱交換素子、４１…第１の直線状流路、４２…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。
【図１】
2020038023.tif 000004
【図２】
2020038023.tif 000005
【図３】
2020038023.tif 000006
【図４】
2020038023.tif 000007
【図５】
2020038023.tif 000008
【図６】
2020038023.tif 000009
【図７】
2020038023.tif 000010