(57)【要約】 【課題】  温度及び湿度を授受する全熱交換において、吸湿剤や水分吸着剤などは一切必要ありません。多くは湿分の授受能力が不十分なだけでなく、これら材料の使用により本来の熱の授受機能をも阻害し低下させています。【解決手段】  熱エネルギーの授受に介在する固体の熱媒体だけで十分なのです。熱媒体の材質は合金を含め金属、合成樹脂、天然素材など汎用材料です。湿分は固体熱媒体上に結露させ、凝縮熱及び顕熱と合わせ保持し、引き続き空気に付与します。寒い時期の吐息によるメガネの曇りと同じです。高い機能を単純で簡素な構造に集積し堅牢性をも併せ持つ発明です。限られた熱媒体量(熱容量)で高い熱伝達量、高い熱伝導量、高い断熱隔離能力を得るため細繊維状とし、空間に偏在せず分散分布し、通気方向と垂直に配置する構造としています。【選択図】図１
2015094530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮・結露により空気から熱媒体に水蒸気及び潜熱を回収、顕熱と併せ蓄積・保持する蓄熱サイクルと、気化・蒸発により熱媒体から空気に水蒸気と熱エネルギーを付与する放熱サイクルを交互に繰り返し、還気と外気の間で全熱エネルギーの授受を行う全熱交換・換気ユニット二式からなる全熱交換器であって、その構成が全熱交換エレメント、送風機、ダクト及びこれらを駆動・制御する制御システムからなり、前記全熱交換エレメントが内部に熱媒体通気層を収容保持し、前記熱媒体通気層には固体の微細な熱媒体素材が偏在することなく分散分布し、素材の形状が細線状ないし細繊維状で通気方向と垂直に配置される構造を有し、前記熱媒体の熱容量の値が前記サイクル毎に授受される全熱エネルギーを収容しうる値の100〜120％の範囲内にある事を特徴とする全熱交換器。
【請求項２】
請求項１の全熱交換器であって、前記細線状ないし細繊維状の熱媒体素材の断面が中実又は中空の円形、擬似円形ないし多角形で、その等価円の直径の値が、熱媒体の界面での熱伝達量及び熱媒体内での熱伝導量を蓄熱サイクル／放熱サイクルごとに授受される全熱エネルギー量以上となし得る直径値以下であることを特徴とする全熱交換器。
【請求項３】
前記制御システムが外界条件に対応して全熱エネルギーを回収・付与するよう前記蓄熱サイクル／放熱サイクルの長さを制御出来る事を特徴とする請求項２の全熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は居住空間などの快適な空気調和における省エネルギーを目的とした全熱交換器であって、結露により潜熱を顕熱と共に授受する、線状・繊維状の固体熱媒体を介した空気対空気の全熱交換器に関する。
【０００２】
はじめに、内容をより正確に伝えるため使用する用語の定義や用法などについてあらかじめ説明します。本願ではJIS B 9628 (2003)「全熱交換器」の定義に従います。その他の用語については正式名称などを使用することを心がけますが、より広く使われているものなどについては通称なども使用します。
「給気」：全熱交換器から室内に供給する空気。
「外気」：室外から全熱交換器に導入する空気。
「還気」：室内から全熱交換器に導入する空気。
「排気」：全熱交換器から室外に排出する空気。
「熱交換効率」：温度交換効率、湿度交換効率、全熱交換効率の総称。
「給気量」：全熱交換器から室内に供給する風量［ｍ３/ｈ］。
「還気量」：室内から全熱交換器に導入する風量［ｍ３/ｈ］。
「蓄熱サイクル」：潜熱を含む全熱エネルギーを熱媒体に回収蓄積する過程とその期間。
「放熱サイクル」：水分の蒸発気化を含め全熱エネルギーを空気に付与する過程とその期間。
「全熱交換エレメント」「全熱交換シート」：両者は実質同義語として多くの特許文献で用いられている、顕熱及び潜熱を授受する複合機能を持たせた熱媒体の集合体の総称。
「（全熱交換エレメント）基材」：アルミニウムシートや和紙など吸湿剤などを塗布する母材の総称。
「潜熱」：呼称には[水の気化熱]や「水蒸気の凝縮熱」がありますが同じもので、５３９[cal/g]です。
「全熱エネルギー」：顕熱及び潜熱はいずれも熱エネルギーですが、両者を合わせた熱エネルギーの合計である事を強調する際に用います。
「熱媒体」：給気と還気間の全熱エネルギー授受に介在する物質で本願では固体です。「全熱交換エレメント」、「全熱交換シート」を構成し部品として全熱交換器に組み込まれます。
「熱媒体通気層」：通気性を有する熱媒体の集合ないしは集積した空間領域。  多くは細線や細繊維で出来た簾状、編み物状や織物状あるいは不織布様のものが偏在せず分散分布していますが、連通孔で出来たスポンジ状のものもあります。
「熱伝導」：物質内の熱の移動。
「熱伝達」：流体（空気）と固体（熱媒体）間の界面を通じての熱の移動。
「熱容量」：物質の比熱と質量（重量）の積。
「容積密度」：「密度」は素材に固有の値です。「容積密度」とは「熱媒体通気層」内の空間の単位容積内に存在する熱媒体の質量として使用します。本願では素材の「密度」の数分の一以下となります。
「断熱(状態)」：通気道は近似的に外部と熱的に遮断されていると仮定します。厳密には通気抵抗に抗して給気、還気を駆動させる圧力（エネルギー）を加えるため断熱ではないが、授受するエネルギー量に比し無視できる程度に少ないので近似的に断熱と見做します。
「質量」「重量」：本願では、実質的に相違がないので同義語として扱います。
「等価円」：熱媒体素材の多くは固体で、細い線状あるいは繊維状などです。これらの断面は必ずしも円形や中空円形とは限りません。これら断面の外周長と等しい周長を持つ円を等価円とします。
「擬似円形」：細線や細い繊維などは断面が円形の物が多いですが、多角形の物もあれば楕円形など円形の変形した物など多種に及びます。これらを擬似円形とします。
【背景技術】
【０００３】
住居やオフィスでは、建材等によるシックハウス症候群などに対処するため換気が重要です。一方、冷暖房や空調が広く使用されるようになるに伴い、居室の換気に伴う熱エネルギーの損失を抑制することも重要になっています。このような背景の下、顕熱及び潜熱両者を回収し再利用する全熱交換器が広く用いられるようになり、JIS規格も制定されています。顕熱とは空気など物質が温度として持つ熱エネルギーであり、潜熱とは空気に含まれる水蒸気(水分子)が振動として持つ運動エネルギーで約539 [cal/g]です。
【０００４】
上記JISによれば全熱交換器は動作状態による分類として、蓄熱性と蓄湿性をもつロータを回転して全熱交換を行う「回転形」と伝熱性と透湿性をもつ仕切板を介して全熱交換を行う「静止形」の二つがあります。これらロータや仕切板を構成しているのが「全熱交換エレメント」あるいは「全熱交換シート」で、蓄熱性、蓄湿性、伝熱性および透湿性などの機能を持たせています。蓄熱性を持つ素材としては薄いアルミニウムシートや箔を用い、蓄湿性を持つ素材としては和紙や布を基材としゼオライトや各種の塩化物などの吸湿物質を塗布ないしはコーティングしたものを用います。伝熱性を持つ素材としては薄いアルミニウムシートや箔、和紙などを用い、透湿性を持つ素材としてはポリテトラフルオロエチレンなど水蒸気を選択的に透過させうる孔径を持つ素材を基材に塗布・コーティングなどしたものを用います。
【０００５】
全熱交換器にとって不可欠な性能は、上記熱媒体の蓄熱・放熱性、蓄湿・放湿性や透湿性などが換気に要求される所定の時間内に顕熱及び潜熱を授受し終える能力です。季節の変遷に対応して住空間環境を保つ如き緩慢な授受能力ではないのです。これら素材を全熱交換器の部材として利用するに当たり、性能のほか堅牢性や耐久性を確保するため多くの工夫も施されています。特許文献として列挙したものの多くはこれら工夫に係る提案です。その他、紫外線や光触媒による分解脱臭など副次的な機能の付加や向上のための工夫も講じられています。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０１４６２３  全熱交換器用シート
【特許文献２】特開２００６−０１０３０２  全熱交換器及び加湿装置
【特許文献３】特開２００２−１１５８８２  全熱交換器及び換気システム
【特許文献４】特開２０００−１４６４６８  全熱交換器及び全熱交換器を備える換気装置
【特許文献５】特開平１１−２４８３８９  全熱交換素子及び全熱交換器
【特許文献６】特開平１１−１８９９９９  全熱交換器用紙及びそれを使用した全熱交換器用エレメント
【特許文献７】特開平０７−２０８８８７  回転再生式全熱交換器の熱交換素子
【特許文献８】特開平０７−０１９７８９  全熱交換器の複合伝熱エレメント
【特許文献９】特許第３２３３１６９  全熱交換器用素子およびその製造法
【特許文献１０】特開２０１０−１５１３４４  全熱交換器
【特許文献１１】特許第５３７３９８３号  全熱回収再利用による自立式かつ自律式の保温兼保湿マスク
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】機械工学便覧  改訂第４版  日本機械学会編修（昭和４２年２月２０日発行）
【非特許文献２】金属便覧  第３版  日本金属学界編（昭和４２年３月２０日発行）
【非特許文献３】化学便覧  改訂４版  基礎編２  日本化学会編（平成５年９月３０日発行）
【非特許文献４】JIS B 8628 :2003  全熱交換器
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先ず、全熱交換における熱の移動・授受について整理します。顕熱については、全熱交換エレメントによる蓄熱・放熱により授受する方式と伝熱により授受する方式に分かれます。一方潜熱については、全熱交換エレメントに施された吸湿・水分吸着機能により授受する方式と透湿機能により授受する方式に分かれます。蓄熱・放熱・伝熱は何れも空気と固体熱媒体間の熱伝達、続いて熱媒体内の熱伝導、続いて熱媒体と空気間の熱伝達の３段階で行われます。全熱交換の性能を左右するのは上記「熱伝達」と「熱伝導」の性能です。
潜熱に係る吸湿・水分吸着は、塗布された吸湿剤表面で結露した水分が吸湿剤に吸着あるいは結晶水となります。凝縮熱（潜熱)は吸湿剤層を経てアルミニウムシート等の基材にも熱伝導で拡がります。透湿の場合は、水蒸気が凝縮することなく全熱交換エレメントの透湿層を透過し直接給気又は還気に付与されることになります。
【０００９】
これらにおける課題は以下の通りです。
・  潜熱を授受する目的でアルニミウムシートなどの基材に塗布された吸湿・吸着剤や和紙基材に塗布された透湿剤は顕熱の熱伝導の抵抗・妨げになり熱エネルギーの授受の性能を低下させる結果となります。
・  従来の全熱交換エレメントの全熱交換シートは、換気の流れに平行な面で空気との熱の授受すなわち熱伝達を行う構造となっています。従い、高い熱交換効率が望めません。「機械工学便覧」によれば、強制対流下での管外面の熱伝達について、「αcφ：円管表面の前方よどみ点からφ度の点の局所熱伝達率…の円周上における分布はレイノルズ数…の値で変り、前方よどみ点で最大であるが…。(第３９図) （機械工学便覧より抜粋）」とあり、平行流に該当する９０度前後での熱伝達率は垂直流に該当する０度前後に比べ著しく小さいのです。空気とともに通過して行く「熱エネルギーの通過速度」に見合う、熱媒体への「熱エネルギー伝達速度」が必要なのですが、担保されていません。これは顕熱に限ったことではありません。潜熱についても同様、界面から遠く離れた流体からは吸湿剤への吸湿は起こらず高い性能が得られません。
・  従来の全熱交換エレメントの基材であるアルミニウムシートや和紙などは厚さを薄く面積を広くして高い伝熱性能や透湿性能を得ていますが、和紙の場合多少の結露による湿りも相俟って堅牢性が損なわれる結果となります。
・  潜熱における「水」と「熱エネルギー」は不可分です。水分が存在するだけでは高い湿度は得られません。低い水蒸気分圧差による水分移動の不足を補うため電界を印加する提案などもありますが、蒸発過程では気化熱の供給が不可欠なのです。水分量に見合うだけの気化熱を供給する仕組みがなければ潜熱の移行は起こりません。
・  微細な穴に吸着された水分は給気や還気との接触暴露面積が小さく、特に内部に毛細管現象で浸透している水分は、強熱による高い蒸気圧で押し出すなどの対処がない限り水蒸気にはなりません。
【００１０】
一方、これら熱媒体の熱容量が換気対象となる空気の熱容量と等しいことも必要なのです。熱容量が小さすぎる場合は熱エネルギーを回収しきれず損失となります。逆に大きすぎる場合も温度の低下を招き付与段階で損失となります。さらに、熱容量が等しいだけでは十分ではありません。上述のように界面での熱伝達能力が換気に伴う熱エネルギーの移動量よりも大きいことが必須なのです。全熱交換エレメントの形状は「シート」状で、空気の流れに垂直には設置できず平行に設置せざるを得ません。従い熱伝達率は大きくなく、十分なエネルギー授受が出来ないのです。熱伝達量は界面の面積に比例します。従い限られた熱媒体量では必然的に厚さを薄くすることが求められますが、薄くなるに伴い強度が下がり堅牢性を維持できなくなります。さらに、吸湿性・透湿性付与のための塗布、コーティング剤の影響で伝熱性能・蓄熱性能も阻害されます。
さらに「シート」では凝縮熱を断熱隔離し保持する機能も不十分で、湿度付与に十分な寄与ができません。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、蓄熱サイクルでは、顕熱を固体熱媒体に蓄熱させ、湿分も同じ熱媒体表面に結露させ、凝縮熱（潜熱）も同じ熱媒体に蓄熱保持させます。放熱サイクルでは、潜熱相当分の熱エネルギーは水分の気化熱として加湿に際し消費され、顕熱相当分は空気の加温に消費されます。吸湿剤、水分吸着剤や透湿剤は一切必要とせず、全熱エネルギーを回収、付与できる単純、堅牢かつ高い性能を持つシステムです。
卑近な例として「冬場のメガネが吐息で曇り、新鮮な外気に曝すと直ぐ消える」が挙げられます。吐息に含まれている水蒸気が微小な水滴となりガラスの表面に付着、凝縮熱はしばらくの間熱絶縁性に優れたガラスの表面、水滴近辺に留まり、新鮮な外気に曝されると再び水蒸気となって散逸するのです。本願はこの現象を組織的かつ精度高く組立てたものです。単純簡潔で高い性能を担保する仕組みや技術が多く織り込まれています。以下にこれら仕組みを列挙します。
【００１２】
（１）先ず、全ての熱エネルギーが授受し受け渡されるには、熱媒体の熱容量が還気の持つ顕熱及び潜熱を合わせた全熱エネルギーを吸収しうる値でなければなりません。例えば、熱媒体の熱容量が不足の場合、還気の熱エネルギーの一部を吸収しきれずに外部に捨ててしまわざるを得ません。同一熱容量でも温度を高くすれば収容エネルギーを大きく出来るのですが、熱媒体の温度を還気の温度以上に上昇させることが出来ないのです。逆に熱媒体の熱容量が大きすぎる場合も熱媒体の温度が還気の初期の温度に到達できず、同様の理由で吸収した熱エネルギーの全てを給気に受け渡すことが出来ず熱の損失が生じます。さらに、全熱交換器では換気の風量が小型であっても100[ｍ３/ｈ]程度以上であり、熱媒体の固体と還気または給気の気体との間での熱伝達及び固体内での熱伝導による全熱エネルギーの授受・飽和を短い期間内に完了させることが必要です。
【００１３】
そのためには次の二つの事項が必須です。
一つは還気と熱媒体及び熱媒体と外気の間での熱伝達率が必要な全熱エネルギーを所定の時間内に十分授受しうる値を有し、授受された全熱エネルギーがそれ以上の速さで内部に熱伝導され遅滞なく熱媒体内で飽和に達することです。二つめはこれらの熱が散逸せずその場に留まる、すなわち断熱隔離されている事です。すなわち、全熱エネルギーの授受飽和と滞留なのです。
熱媒体の材質に関しては固体で、合金を含む金属、合成樹脂あるいは天然素材の別を問いません。形状に関しては熱媒体素材の表面積を体積に対し相対的に大きくすることで上記の二事項が同時に達成できるのです。その手段として熱媒体を中空又は中実の細線状、細繊維状あるいは連通穴で構成されるスポンジ状など、細分化し体積あたりの表面積を出来るだけ大きくします。細く薄くすれば熱は早急に内部に伝わり、長手方向には流れにくくなるのです。構造に関しては、細線や細い繊維を目の粗い簾、織物・編み物あるいは網状のシートとし、互いのシートに間隙を設けて積層し熱媒体通気層を形成します。これらシートをギャザー状に変形させ波打たせてフワーッと重ね積層・集積するなども有効です。
【００１４】
（２）次に具体的な方法を述べます。先ず「全熱交換器の機能と構成」を、続いて熱媒体通気層内での熱エネルギーの授受の仕組みの原理を「基本モデル」で、さらに基本モデルで得られた知見に基づき実際の全熱交換器に適用するのに必要な要件を織り込んだ「実用化モデル」の三段階に分けて説明します。説明は熱エネルギー「顕熱」で進めますが、全熱エネルギーにそのまま適用できます。
【００１５】
全熱交換器の機能と構成  本願の全熱交換器は、全熱交換・換気ユニット二式一対がケーシングに収納された構成となっています。ユニット二式は構造上分離・独立したものではなく制御システムにより制御され、全熱エレメントがロータの回転により入れ替わったり、ダクトの隔壁の開閉などにより柔軟に切り替わります。全熱交換器の構成要素は、１「ケーシング」は二式の「全熱交換・換気ユニット」を収納し、室内・室外に開口しています。二式同時作動することにより室内の加圧や減圧は起こりません。２「全熱交換・換気ユニット」は「全熱交換器単体」と「送風機」から構成されています。４「全熱交換器単体」は「ダクト」を有し「送風機」と接続されています。３「送風機」は「制御システム」によりON/OFFや強／弱のほか場合によっては逆転など、制御されています。５「ダクト」は「空気の通路を構成します。６「全熱交換エレメント」は内部に熱媒体通気層を収容保持しています。熱媒体通気層は全熱交換の機能の中枢を成す要素で、固体の微細な熱媒体素材が偏在することなく分散分布し、素材の形状が数百ミクロン以下の細線状ないし細繊維状でその断面が中実又は中空の円形ないしは擬似円形、多角形です。これらが目の粗い網、織物、編みものあるいは簾状のものとし、熱媒体素材の容積密度が素材の密度の数分の一以下となるよう間隔をあけて粗に積層され、繊維の方向が通気方向と垂直になるよう配置される構造を有しています。６「エアーシール」は送風機との結合、ダクトの切り替えのため設けられています。７「制御システム」は寒暖や湿度の変動など季節の変化に対応した運転制御も行います。
【００１６】
基本モデル（図３参照）  本願における換気気体「空気」と熱媒体との熱エネルギーの授受の仕組みや原理を四段階に分けて説明しています。但し実際の現象は無限大段階に分かれた連続事象です。日常の経験では、空気が熱媒体と接触すれば時間を経るに従い平均化され両者共に同じ温度になります。例えば、４０度の湯１リットルと０度の水１リットルを混合すれば２０度のぬるま湯２リットルとなります。しかし、一定の条件を満たした場合、４０度の空気のうち前半分は近似的にその熱エネルギーの全てを熱媒体に与えて熱媒体の前半分を４０度に上昇させ自らは０度となります。残りの後半分は４０度のまま留まることが出来るのです。すなわち熱エネルギーの質（温度）を低下させずに移行させることが出来るのです。これを図３で説明します。熱媒体は固体ゆえ密度は通常空気の千倍以上ですが、本モデルでは原理説明の単純化のため熱媒体の空間での容積密度は空気と同一としています。尚、熱媒体はエネルギーの効率的な授受の目的で微細化し空間に分散配置しているものとします。
【００１７】
第一段階では、第１／４分割空気が第一領域に入り熱媒体と熱平衡に達します。このとき熱媒体及び空気の温度は共に５０％（２０℃）となります。これがＡの状態です。第二段階では第２／４分割空気が第一領域に入り、第１／４分割空気は押し出され第二領域に入り、それぞれの領域で熱平衡に達し、７５％及び２５％となります。これがＢの状態です。同様に進行し最終的にはＤの状態に達します。図の「薄い塗りつぶし」の状態です。分割の無限大すなわち連続事象では、熱媒体の前半分は４０度に漸近するのです。
仮想段階Ｅ〜Ｇは、第一領域〜第四領域に残留し共存する空気に仮想的に押し出す駆動力を作用させＡ〜Ｄ段階と同様に順次熱エネルギーを熱媒体に移行させます。その結果、より高い温度領域での移行が促進され、７５％の移行となり「濃い塗りつぶし」分布となります。
【００１８】
本モデルでは熱媒体通気層と空気の体積を同じとした為、仮想段階の状況は起こりえません。現実には熱媒体通気層の体積を空気の体積よりはるかに小さく出来ます。これが実用化モデルです。さらに分割を細分化し、連続化したものが実際の現象です。
熱媒体が断熱隔離されていない場合は熱平衡到達時には両者共に温度が５０％に低下しますが、断熱隔離された状態での順次移行では大部分が前半の高い温度領域で移行が行われます。
【００１９】
ここで上述の「一定の条件」とは（１）熱媒体が空気の持つ全熱エネルギーを収容できる能力、熱容量を持っていること（２）その形状、寸法及び配置が数秒程度の短い期間内に全熱エネルギーを授受、飽和し熱平衡に到達せしめうる能力、熱伝達と熱伝導を与えるものであること（３）その配置、配列及び構造が授受された熱エネルギーが散逸せず留まりうる能力、断熱隔離を与えるものであること、の3点です。
【００２０】
先ず熱容量について、同じ熱容量でも温度を高くすれば収容するエネルギーも大きくなります。しかし熱は温度の高いところから低いところへは流れますが、逆には流れません。従い空気の持つ温度での熱容量が必要です。次に空気から熱媒体への熱伝達能力について、伝達される熱量は両者が接する界面の面積及び時間に比例します。従い、限られた時間内に定められた熱を伝達するためにはそれに見合った面積が必要となります。一方伝達された熱は内部に向かって熱伝導で伝わり拡がってゆき、熱平衡に達します。限られた時間内に平衡に達するには伝達された熱量に見合った小さな熱容量が要求されます。これらを考え合わせると細い線状ないし繊維状とするのが望ましいのです。同じ質量の熱媒体でも細分化すれば体積に対する表面積の比率が比例して増加します。最後に、伝達され平衡に達している熱エネルギーを引き続く付与まで散逸させず留めるためには微細化された熱媒体がそれぞれ断熱隔離状態であることが必要です。上述の線状あるいは繊維状の熱媒体を温度勾配のつかない向きに配置し、ある程度の間隔を保ち互いに点接触程度のゆるい網状あるいは織物状とし積層するなどで実質的には断熱隔離状態を実現できます。
【００２１】
実用化モデル（図４参照）図３で得られた知見に基づきより現実的なモデルで熱の移行を説明したものです。熱媒体は固体ゆえ空気に比べ熱容量の容積密度は桁違いに大きく、熱媒体と共存残留する量を大きく減らせます。基本モデルで熱エネルギーの質を低下させずに移行できる知見が得られています。この知見を基に実用化モデルではより現実的な熱媒体を想定し、基本モデルと同様、四段階に分けて段階的に進行する状況を図４で説明します。
初期状態は、空気の温度40℃、熱媒体の温度は0℃を想定、段階ごとの推移Ａ〜Ｄを「％」で表示、4分割された空気が順次熱媒体と接触、熱エネルギーを移行させながら進行して行きます。この間熱媒体は空気から熱エネルギーを濾し取り貯め上積みして行きます。この過程は連続的に進行しますが、四段階に分割し模式的に示しています。図は移行が終了した段階Ｄ(第４／４分割空気が熱媒体と共存)の図です。「数値計算結果」を図５に示します。
【００２２】
得られた知見  熱エネルギー回収率は最後の分割分を含め約９０％です。モデルは四段階移行ですが、現実は連続移行です。従い、熱容量の容積密度比及び段階移行の分割数の増加に伴い熱媒体への熱エネルギーの移行は１００％に漸近します。
基本モデルと同様、熱エネルギーの高い回収効率が得られることが分ります。
【００２３】
試算  上述のモデルなどで得られた知見に基づき、試算により上記の前提としている条件の可能性を定量的に確認します。試算では基準として全熱交換器の風量を100[ｍ３／ｈ]とし、蓄熱サイクル／放熱サイクルの長さは何れも5[sec]とします
【００２４】
外気及び還気に関する基礎数値  先ず、夏季／冬期の室内外の空気が保有する全熱エネルギーの差から授受対象となる全熱エネルギーの最大値を算定します。その前提として温度及び湿度を以下のように仮定します。
夏季は外気は温度40℃／湿度100％で、外気中の水分量は51.1*100[ｇ/ｈ]です。
還気は温度25℃／湿度40％で還気中の水分量は23*0.4*100[ｇ/ｈ]です。      潜熱は(51.1-23*0.4)*100*539[cal/h]＝22.6*100[kcal/h]＝627[cal/s]、
顕熱は100[m３/h]*1.3[g/L]*0.24[cal/g.℃]*15[℃]＝131[cal/s]です。
冬期は外気は温度0℃／湿度20％で、外気中の水分量は4.85*0.2*100[ｇ/ｈ]、
還気は温度25℃／湿度80％で、室内気中の水分量は23*0.8*100[ｇ/ｈ]、
潜熱は（23*0.8−4.85*0.2）*100*539[cal/h]＝261[cal/s]、
顕熱は100[m３/h]*1.3[g/L]*0.24[cal/g.℃]*15[℃]＝218[cal/s]です。
この結果、交換すべき全熱エネルギー量は（758>479[cal/s]）と夏季のほうが冬期よりも大きくなります。従い、蓄熱／放熱サイクルでの回収／付与対象の全熱エネルギーは、758[cal/s]*5[s]＝3,790[cal]となります。
なお、空気中の飽和水蒸気量は、40℃では51.1[g/ｍ３]、25℃では23.0[g/ｍ３]、0℃では4.85[g/ｍ３]です。
空気の比熱(定圧比熱)は、0.240[kcal/kg.℃]（機械工学便覧）、空気の密度は、1.3[g/L]（＝29/22.4）、水の気化潜熱は、539[kcal/kg]です。
【００２５】
次に、必要な熱媒体の熱容量及び質量を算定します。
（吸収すべき熱エネルギー量）＝（熱容量）＊（吸収しうる温度差）
（熱容量）＝3,790[cal]/15[cal/℃］＝253[cal/℃］
（質量）＝（熱容量）/（比熱）
熱媒体量は、銅2,750g、アルミ1,182g、銀4,518g、チタン2,008g、ステンレス2,108g、フェノール666g、ポリプロピレン506g、ポリエチレン684g、ほか絹791gなど天然繊維、も利用できます。中でもポリプロピレンは比重が0.91[g/cc]と小さく、吸水性のないので使い勝手の良い素材の一つです。
熱媒体の比熱[cal/g℃]は、銅0.092、アルミ0.214、銀0.056、チタン0.126、ステンレス0.12、フェノール0.38、ほかポリプロピレン0.50、ポリエチレン0.37、絹0.32、などです。（機械工学便覧、ほか）
【００２６】
続いて、熱伝達量の算定を行います。  本算定では、上記で得られた熱媒体の必要量、ポリエチレン「680g」を例として試算します。細繊維でできた網目状又は簾状のものを交互に積層した層状の集合体からなる熱媒体通気層を想定し細繊維の直径を100ミクロンとします。通気層の通気断面の面積は1600cm２(40cm*40cm)と仮定します。
【００２７】
界面での熱エネルギーの授受の算定についてはいくつかモデルがあります。
ボイラーの設計などに用いられる「管外面の熱伝達（強制対流）ｃ. 流れに直角におかれた円管群  最前列の管の熱伝達率が最も低く、奥に進むほど乱れの影響を受けてしだいに高くなるが１０列ぐらいで飽和する。ｕmax :管間の最小の隙間を通るときの流速m/sで前後または左右のすきまの場合も斜めのすきまの場合もある。ｔ１:管群前の流体温度℃,ｔ２:管群通過後の流体温度℃,
ｔa:（ｔ１＋ｔ２）/２で与えられる温度℃,ｔw:管外面温度℃,ｔf:（ｔw＋ｔa）/２で与えられる温度℃, αca：ｔw-ｔaで定義される１０列以上の奥行きの管群の    平均熱伝達率  kcal／ｍ２ｈ℃,空気流のαcaは式（１０７）によって与えられる。
{(αｃa*d）/λf}＝c{(umax*d)/ νｆ}m  ……（１０７）
ｃ，ｍは第２７表による。添字fはｔfにおける物性値を意味する。」（機械工学便覧  抜粋）  
ｄ：円管外径ｍ，l：円管長さｍ，νｆ：流体の動粘性係数ｍ２/s, λｆ：流体の熱伝導率kcal/mh℃，Ｑ:円管表面から対流により単位時間に伝達される熱量kcal/h，αｃa：円管表面の平均熱伝達率kcal/ｍ２ｈ℃で
αｃa＝Q/πdl（tw−t０）です。
【００２８】
ここで
ｄ： 円管外径[ｍ]・・・10−４ 
ｌ： 円管長さ[ｍ]・・・9.3＊10４ 
ｕmax ：  管間の最小の隙間を通るときの流速[m/s]・・・0.28
（通気断面は40*40＝1,600cm２と仮定）
t0:  円管から遠く離れたところの流体温度[℃]・・・40
tw：  円管外面の温度[℃]・・・25
νf：流体の温度（t0＋ tw ）/2 での動粘性係数[ｍ２/ｓ]・・・0.17＊10−４  (33℃)
λf: 流体の温度（t0＋ tw ）／２ の熱伝導率[ｋｃａｌ／ｍｈ℃]・・・0.023  (33℃)
ｍ: 0.574、ｃ:0.421  （第２７表より   ちどり形配列  管軸距離X及びYは3.0を適用）
αca：円管表面の平均熱伝達率 [ｋｃａｌ／ｍｈ℃] ・・・129（＝130と見做します）  
αca＝Ｑ/πdl(tw- to)＝130
Ｑ＝130＊πdl(tw− t0)
＝130＊π＊10−４＊9.31＊10４＊15＝ 57,000［ｋｃａｌ／ｈ]
＝16,000  [ｃａｌ／ｓ]    
【００２９】
適用実験式（１０７）の「表面温度一定」に対する補正係数「1/2」を加味し、蓄熱サイクル又は放熱サイクルの長さ「5秒」を考慮に入れると、界面での熱伝達能力は、5*8,000＝40,000[cal]となります。換気の風量「100ｍ３/ｈ」によって「5秒」の間に通過してゆく全熱エネルギー量3,790[cal]に比べ十分大きく「ｄ：管外径」すなわち細繊維の太さをさらに太く出来る余裕があります。
追加試算の結果、200μでは14,000[cal]，250μでは11,000[cal]，300μでは7,800[cal]で、300μでも十分な大きな熱伝達能力のあることが分りました。
この高い熱伝達能力は既存の「全熱交換エレメント」「全熱交換シート」に比べ優れた性能の一つです。「…αcφ：円管表面の前方のよどみ点からφ度の点の局所熱伝達率……αcφの円周上における分布は……前方よどみ点で最大であるが…（第39図）」（機械設計便覧）とあり、φ＝90度（平板に該当）でのαcφの値は前方（φ＝0度)の数分の一に過ぎません。
流れに垂直に置かれた円管外面は流れに平行に置かれた平板よりもはるかに大きな熱伝達能力を持っているのです。
【００３０】
伝達熱の内部伝導と飽和  次に、流入した熱エネルギーがどの程度の速さで内部に伝わり飽和し平衡に達するか概算します。上記で求めた熱伝達量は受け入れうる潜在能力を示しただけ、入り口の広さを示しただけです。後続する熱伝導、内部への熱の拡散が不十分では熱の移行授受も不十分なものとなります。伝達された熱が遅滞なく熱伝導で内部に拡散し飽和することも不可欠です。算定のモデルとして、300μのポリエチレン繊維に半径方向に切り込みを入れ展開したものを想定します。表面が折半屋根状で、厚さが150μの板状が出来ます。凹凸板面を互いに埋め合せ平滑に均し厚さが「75μ」（＝150/2）の平板とし近似のモデルとします。平板の両面間を熱伝導で移動する熱エネルギー量を、換気に伴い通過してゆく全熱エネルギー量と比較します。
【００３１】
熱伝導で移動する熱エネルギー量Ｑは次式で示されます。
Ｑ＝λ＊ΔＴ＊Ｓ/ｔ  
＝0.36＊15＊π＊ｄ＊ｌ＊４／ｄ  [kcal/h]
＝68＊ｌ[kcal/h]＝68＊ｌ＊1.39[cal/s]＝95＊ｌ[cal/5s]＝8,840[kcal]
5秒間で、100μでは8,840[kcal]となり3,790[kcal]に対比し十分ですが、200μでは2,180[kcal]、250μでは1,430[kcal]、300μでは950[kcal]で何れも不十分です。結果としてポリエチレン繊維の場合は外径200μより細いことが必要となります。なお金属線の場合、例えばステンレスでも熱伝導率が14[kcal/mh℃]とポリエチレンに比べ数十倍と大きく、300μ以上でも十分です。
ここで、Ｑ：[kcal/h]
λ：  熱伝導率  [kcal/mh℃]・・・0.36  (ポリエチレン)
ΔＴ：  両面の温度差  [℃]・・・15
S：  板の表面積 [ｍ２]   (=π*d*l)  
ｔ：  板の厚さ  [ｍ]  (=d/4)・・・7.5*10-5
ｌ：  繊維長さ  [ｍ]・・・9.3＊10４ 
ｄ：  繊維直径  [ｍ]・・・10―４
【００３２】
断熱隔離の程度  最後にもう一つ大切なことは、熱媒体繊維に熱伝達され内部に拡散飽和した熱エネルギーが、5秒後の放熱サイクルまでの間に散逸することなくその場に保持され、繊維の表面に結露し留まっている水分の気化に際し遅滞なくかつ過不足なく利用できることです。そのための条件が断熱隔離です。本願の構造、形状にその条件二つが組み込まれています。一つは熱媒体繊維が通気断面内で通気方向に対し垂直に配置されていることです。繊維の長手方向に温度の勾配が生じないので熱エネルギーは移動せず散逸しません。二つ目は、平板ではなく細繊維のため熱伝導に対する抵抗が大きく、たとえ温度勾配があっても熱エネルギーの移動がなく実質断熱隔離状態です。この二点も既存の「全熱交換エレメント」「全熱交換シート」と異なり、性能の優位性を示す大きな特徴です。湿度の付与は「水」の存在だけでは成り立ちません。気化潜熱に相当する大きな熱エネルギーの迅速な供給態勢・仕組みが不可欠なのです。
【００３３】
性能面だけでなく細繊維とすることにより、堅牢性でも際立って優れています。高強力ポリエチレン繊維やアラミド繊維などは、一般的なプラスチック材料や金属材料よりもはるかに高い強度を有しています。例えば、引張り破断強度（Ｍｐａ）は、高張力鋼1500、アルミニウム30、チタン合金1000、一般的プラスチック材料20〜30、エポキシ樹脂100、ナイロン繊維1100、高張力ポリエチレン繊維3000、アラミド繊維各種3600，2300，3400などです。さらに本願の構造では、たとえこれら繊維の一部が切断されていても性能になんら影響を与えません。元来微細化されたものを念頭に組み立てられたものです。繊維としたのは位置を保持する手段として選ばれたのです。
【００３４】
総合評価  試算は熱伝導率の小さいポリエチレン繊維で行い、外径200μ以下の繊維で熱伝達、内部への熱伝導、断熱隔離の各機能が満たされることが分りました。ステンレスでは、金属の中では熱伝導率の小さい方ですが、300μ以上でも各機能が満たされます。使用目的に応じて種々の熱媒体を使い分け、あるいは組み合わせることが出来ます。熱媒体素材としては特段の制約はなく、金属、合成樹脂、天然繊維などほとんどの固体が使用できます。加えて、熱媒体を本願の構造・形状とすることで、たとえ熱媒体量が必要以上に存在しても熱エネルギーの回収再利用の基本機能には支障がないのも大きな特徴のひとつです。「大は小兼ねる」のです。（基本モデル参照）  上述のごとく、熱媒体の熱容量や繊維径などの形状は、目的や規模に応じ適宜定めるもので一定ではありません。数値的に限定することは出来ません。従い請求項での規定は具体数値ではなく、その根拠となる仕組みを記述しています。
【００３５】
使用上の留意事項  使用に際し留意いただきたいことを記します。熱媒体は金属のほか合成樹脂、天然素材など広く特性にあわせ利用頂けますが、経年劣化、環境劣化及びアレルギー対応などに留意いただきたいこと及び清潔さの維持に努めていただきたいことです。さらに、熱媒体素材を組み合わせて使用する際には相互反応にも留意してください。例えばポリプロピレンは銅や銅合金との接触で酸化劣化が起きます。
【発明の効果】
【００３６】
使用者の経済的負担を軽減するだけでなく、電力消費の抑制による社会への貢献、地球環境への貢献など効果は大きく、さらに本願は単純簡素な構造で、資源の無駄遣いを抑制する効果をもたらします。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】[高性能全熱交換器]の構造の模式図前半[1／２]サイクルで蓄熱／放熱、後半[２／２]サイクルで放熱／蓄熱のサイクルを繰り返す。全熱交換エレメント「Ａ」および「Ｂ」がそれぞれ蓄熱／放熱を繰り返す。制御システムが前半サイクル／後半サイクルの切り替え制御を行う。図中、１ケーシング、２全熱交換・換気ユニット、３送風機（Ａ，Ｂ）、４全熱交換器単体、５ダクト、６全熱交換エレメント（Ａ，Ｂ）７エアーシール、８制御システム  です。
【図２】[高性能全熱交換器]全熱交換・換気ユニットの動作原理の概念図  前半[１／２]サイクルに対応する後半[２／２]サイクル３態、を示しています。エレメント装着ローター回転型：エレメントＡ、Ｂが入れ替わる。各エレメント内の風向は逆転します。ダクト切替え型：ダクトが切り替わり、各エレメント内の風向は変わらず。送風機逆転型：送風機が逆転し各エレメント内の風向が逆転します。
【図３】基本モデル  本願における換気気体と熱媒体との熱エネルギーの授受の仕組みないし原理を四段階に分けて説明しています。
【図４】実用化モデル  図４は、基本モデル（図３）で得られた知見に基づき、より現実的なモデルで熱エネルギーの授受の仕組みないし原理を四段階に分けて説明したものです。
【図５】図５は、実用化モデル（図４）の基となる数値計算の結果です。図４の各領域、各段階の結果を計算式とともに記しています。結果の数値は温度そのものではなく、「４０℃を１００％」、「０℃を０％」とした％表示の数値です。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
実施する形態の例として、図２に示す後半[２／２]サイクルの３態及び熱媒体繊維による熱媒体通気層の構成を示します。
【実施例１】
【００３９】
エレメント装着ローター回転型です。試算での例では、熱媒体通気層(全熱交換エレメント)を装着したローターの回転速度は６ｒｐｍとなります。５秒間で半周しその間に蓄熱し、続く５秒間で残り半周しその間に放熱します。
【実施例２】
【００４０】
ダクト切替え型です。ダクト壁面の開閉／切替で、前半[１／２]サイクルとは逆に各全熱交換エレメントは放熱／蓄熱を行います。図１、図２では機能的には二式のダクトが分離し独立した図となってはいますが、一体のものとしダクト壁面の開閉などで切り替えることも出来ます。
【実施例３】
【００４１】
送風機逆転型です。送風機の逆回転により送風方向を逆転させ、前半[１／２]サイクルとは逆に各全熱交換エレメントは放熱／蓄熱サイクルを行います。
【実施例４】
【００４２】
熱媒体通気層は各種素材、各種形状の細線、細繊維などの混合物あるいは単一物で構成されています。何れも微細な熱媒体素材を偏在させることなく空間密度を素材密度の数分の１以下にするための工夫です。面内密度も１／３程度以下とします。網、織物、簾、シート状のものの波打たせ、太さの異なる繊維などの混織、混抄、形態保持能力の高い金属線との混織などです。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
広く使用されている全熱交換システムに替わりうるものであり利用の可能性は高い。
【図１】
2015094530.tif 000003
【図２】
2015094530.tif 000004
【図３】
2015094530.tif 000005
【図４】
2015094530.tif 000006
【図５】
2015094530.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月1日(2014.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮・結露により空気から熱媒体に水蒸気及び潜熱を回収、顕熱と併せ蓄積・保持する蓄熱サイクルと、気化・蒸発により熱媒体から空気に水蒸気と熱エネルギーを付与する放熱サイクルを交互に繰り返し、還気と外気の間で全熱エネルギーの授受を行う全熱交換・換気ユニット二式からなる全熱交換器であって、その構成が全熱交換エレメント、送風機、ダクト及びこれらを駆動・制御する制御システムからなり、前記全熱交換エレメントが内部に熱媒体通気層を収容保持し、前記熱媒体通気層には固体の微細な熱媒体素材が偏在することなく分散分布し、素材の形状が細線状ないし細繊維状で通気方向と垂直に配置される構造を有し、前記熱媒体の熱容量の値が前記サイクル毎に授受される全熱エネルギーを収容しうる値の100〜120％の範囲内にある事を特徴とする全熱交換器。
【請求項２】
請求項１の全熱交換器であって、前記細線状ないし細繊維状の熱媒体素材の断面が中実又は中空の円形、擬似円形ないし多角形で、その等価円の直径の値が、熱媒体の界面での熱伝達量及び熱媒体内での熱伝導量を蓄熱サイクル／放熱サイクルごとに授受される全熱エネルギー量以上となし得る直径値以下であることを特徴とする全熱交換器。