松村准教授からのメッセージ

皆様にとって快適な住宅とは、どんな住宅でしょうか。趣味が実現できる部屋があったり、料理しやすいキッチンがあったり、家族が⾃然と集まって対話や笑い声の絶えない居間があったり、静かにくつろげる部屋があったり、......と、⼈それぞれだと思います。でもどんな部屋を⽤意しても、そこに居る⼈々は、空気にさらされ、その空気を吸っています。したがってその部屋が寒くていやな臭いがすれば、それだけで不快になってしまいます。すなわち、住宅の快適性の根本は、住宅内の空気の状態によって決まるといえます。そこで冷暖房設備による快松村 昌典 准教授

適な温度管理や、外気から新鮮空気を取り込む計画換気が重要

北見工業大学
応用流体工学研究室になります。

⼈間は温度に対して敏感であり、また快適と感じる温度範囲が狭いため、現在の住宅は⾼気密・⾼断熱化され、夏冬問わず⼀定温度に保たれるように⼯夫されています。ところがこの⾼気密化は、建材や家具などから⻑期的に少しずつ放出される有害物質を住宅内に残存させるため、いわゆるシックハウス症候群と呼ばれる頭痛や倦怠感などを引き起こす原因となることが分かっています。そこで現在の建築基準法では、２４時間の機械式換気装置の設置が義務付けられており、この換気装置が機能すれば、このような問題は解消されます。
住宅に使われる換気装置は、各部屋に換気扇のようなものを取り付け、排気のみ機械式で⾏い、給気は⾃然にまかせる⽅式が主流です。これは施⼯が簡便で、装置の価格が安いことが最⼤の理由です。しかしこの⽅式は、冬であればせっかく暖めた室内の空気を外に排出し、寒い外の空気を屋内に取り込むことになり、また夏であれば涼しい室内空気を暑い外気と交換することになり、暖房・冷房の効率が悪くなります。すなわちこれは現在推奨されている省エネ住宅とは真逆になってしまいます。そこで冬であれば屋内からの排気の熱で外気からの給気を暖め、夏であればその逆を⾏う、熱交換器を備えた換気装置が、省エネ住宅⽤として普及しつつあります。この換気装置は給気と排気の間で熱交換を⾏うため、給気も排気も機械式で⾏います。この装置の⽋点は、施⼯に⼿間がかかり、装置の価格も⾼価であることです。しかし省エネ性が⾼く、冷暖房効率が向上するため、⻑期間のランニングコストを考えると、⾼価格分の元は⼗分取れるという試算もあります。
このような背景から、熱交換器を備えた換気装置の導⼊が、特に冬季間の室内外の温度差の⼤きい寒冷地の住宅に普及しつつあります。また近年は猛暑⽇が増加傾向にあるため、⽐較的温暖な地⽅でも、この換気装置を導⼊する例が増えてきました。すなわち熱交換器を備えた換気装置は、省エネ住宅には⽋かせない設備になりつつあるといえます。
⼀般に新しい装置が普及していくと、新しい問題点が⾒つかるものです。これまで述べた
ように、熱交換器を備えた換気装置は、省エネの観点から普及が進んでいますが、ユーザの増加とともに、クレームも増えているようです。そのクレームの⼤半は、フィルターの問題です。この換気装置は、外気からの給気を機械式で⾏うため、外気に含まれる塵埃や⼩昆⾍などが屋内に⼊り込まないように、給気をフィルターによって濾過するのが⼀般的です。このフィルターは、紙パック式の掃除機と同様に、塵埃がたまると空気が流れにくくなり、⾵量が減少してしまうため、定期的に交換する必要があります。フィルターに塵埃がいっぱいたまると、掃除機であれば、吸い込みが悪くなることをすぐ実感するため、フィルター交換の必要性をすぐ認識します。しかし２４時間動いている換気装置では、換気⾵量が少しずつ減少してもほとんど気づくことはありません。そこでいつの間にか換気⾵量が当初の⾵量に⽐べて⼤幅に減少し、シックハウス症候群のような症状が現れるようになり、「⾼価な換気装置を設置したのに、なぜこんなことになるの？」と、換気装置の性能を疑うようになってしまう事例も報告されています。
どんなに⾼価な装置でも、その性能を維持するメンテナンスを怠ると、宝の持ち腐れになってしまいます。したがって熱交換器を備えた換気装置では、⼀般に１〜２年ごとのフィルター交換が推奨されて塵埃で汚れたフィルターいます。しかし実際のところ、この頻度でフィルターを交換しているユーザは⾮常に少なく、その結果、換気⾵量の低下した状態で⻑期間換気し続けている住宅の多いことが問題になっています。まさに宝の持ち腐れ状態の住宅が多いということですね。
ユーザのフィルター交換頻度の少なさは、いろいろな原因が考えられます。例えば、めんどくさい、お⾦がかかる、汚れたフィルターを⾒るのが気持ち悪いや、フィルター交換の必要性を知らなかったという例もあります。いずれにしてもユーザ側に原因があるのですが、メーカーとしては、その責任を１００％ユーザに押し付けてもよいものでしょうか。

このような問題意識から、２００４年頃に、某住宅設備メーカーから、フィルターを使わなくても外気が浄化できる機能を備えた住宅換気⽤給気フードの開発依頼が舞い込んできました。このような給気フードができれば、ユーザがメンテナンスしなくても、換気⾵量が減少することなく、集塵量に関係なく当初の換気性能を⻑期間維持することができます。
「集塵量にかかわらず吸引⼒が衰えない」集塵装置といえば、サイクロン式掃除機が真っ先に思い浮かぶと思います。そこで本開発も、サイクロン式を採⽤することになりました。サイクロン式集塵装置の基本的技術はすでに確⽴されており、多くの分野で実⽤化されています。これは集塵装置ですので、その性能の第⼀は集塵率（ゴミを取る能⼒）です。すなわち、その駆動に多少パワー（消費電⼒）が必要であっても、集塵率がよければ⾼い評価が得られま

外壁に取り付けられている
このような給気フードにサイクロン機能を組み込むす。例えば⼀般的な家庭⽤サイクロン掃除機の集塵能⼒は⾼いのですが、1.2〜1.5kW の⾼い消費電⼒を要求しています。サイクロン式の集塵原理は、渦の遠⼼⼒で塵埃を遠⼼分離するものであるため、集塵能⼒を⾼めるためには強い渦が必要であり、その強い渦を作るために、消費電⼒が⾼くなってしまうのです。さらに⼤きな騒⾳も伴います。家庭の掃除であれ
ば、掃除機を数⼗分使う程度だと思いますが、住宅換気は２４時間駆動します。すなわちサイクロン式掃除機のような現在確⽴されているサイクロン技術を住宅換気に使⽤する場合、1kW 以上の消費電⼒を要求する騒⾳の⼤きな装置を、２４時間駆動し続けることになります。1kW といえば、結構⾼出⼒な電気ストーブ並みですが、これを１年中点けっ放しにするのと同様です。また夜中も掃除機と同様な騒⾳を発⽣します。これはとても現実的ではないことが分かると思います。
現在、熱交換器を備えた住宅換気装置の消費電⼒は、およそ 40〜80W 程度で、⾮常に静かです。従来のサイクロン技術を⽤いた場合、この消費電⼒では、遠⼼分離に必要な強い渦を作ることはできません。そこでこのような低消費電⼒でも、⼗分な集塵性能が得られる住宅換気⽤の新しいサイクロンを開発することになりました。
その後２年間、試⾏錯誤を繰り返しながら多数のモデルを製作し、様々な紆余曲折を経て、最終的には扇形フィンを放射状に並べた軸流型サイクロン集塵装置の開発に成功しました。またこのサイクロン技術は、特許を取得することもできました。そこで早速製品化へ、と⾏きたいところですが、製品化するためには、もう⼀つの問題をクリアする必要がありました。それ

は集塵された塵埃の排出法です。
渦によって遠⼼分離された塵埃は、塵埃溜まり部に蓄積していきます。この蓄積した塵埃を外部に排出するために、塵埃溜まり部の下部には、塵埃排出⼝が設けられています。しかしサイクロン駆動中にこの塵埃排出⼝を外気に開放すると、サイクロン内部は外気よりも低圧になっているため、外気が塵埃溜まり部に逆流してきて、蓄積された塵埃は外部に排出されません。そこで通常の塵埃排出⼝は外気に対して閉じておき、ある程度塵埃が溜まったら、サイクロンを停⽌させて塵埃排出⼝を開放し、塵埃を排出する作業が必要です。しかし給気⼝は⼀般に屋外の⾼所に設けられるため、この開閉を素⼈が⾏うことには危険が伴いますし、そもそもユーザに作業させるのでは、これを開発した意味がありません。
最も簡単な塵埃排出法は、電磁シャッターなどを⽤いて塵埃排出⼝を開閉する⽅法です。
⼈⼿でこのスイッチを ON/OFF してもよいのですが、完全にユーザに頼らなくするのであれば、タイマーなどによって⾃動的に ON/OFF させればよいわけです。しかしこの⽅法は⾒送りました。その理由は、機械的な動きのある機構は、故障の原因になりやすいことや、給気⼝までの電気配線が必要となるため、施⼯の⼿間とコストがかかることもありますが、何よりも私⾃⾝の専⾨が流体⼯学であったことです。
流体⼯学とは、⽔や空気などの流れの⼒学的性質を理解し、応⽤する学問です。サイクロンはまさに渦という流れを応⽤した技術であるので、塵埃の排出も流体⼯学を応⽤してできないか、考えました。その結果、ベルヌーイの定理と呼ばれる流れの⼒学的エネルギー保存則を応⽤することを思い付きました。
ベルヌーイの定理とは、簡単に⾔うと、流れが速くなると圧⼒は低下し、遅くなると圧⼒が⾼くなる原理です。また流れの中に置かれた物体の表⾯の流れは、物体形状や場所によって速い所と遅い所が⽣じるので、このベルヌーイの定理によって速い所は低圧に、遅い所は⾼圧になります。先ほど述べたように、塵埃排出⼝を外気に開放しただ
けでは塵埃は排出されません。
それはサイクロン内部が外気より低圧になっているためです。しかしこの給気フードは住宅の外壁に設置されるため、常に⾵を受けています。すなわち、給気フードの形状を⼯夫し、⾵が吹くと塵埃排出⼝の表⾯の流れが加速し、そこの圧⼒がサイクロン内部の圧⼒よりも低下すれば、逆流は起こらず、塵埃は⾃然と吸い出され、外部に排出されるはずです。そこで様々な形状を試した結果、縦⻑の楕円状の形状にすると、住宅外壁に沿った⾵に対して最も塵埃排出⼝の圧⼒が低下することがわかりました。各種設定条件で異なりますが、これまでの研究では、およそ 5m/s〜10m/s 程度の⾵が吹くと、塵埃が排出されます。集塵された塵埃は、⼀時的に塵埃溜まり部に蓄積されるので、常時排出される必要はなく、１週間に１回、あるいは１ヶ⽉に１回程度の排出頻度でも全く問題ありません。ほとんどの地域では、このぐらいの頻度で 5m/s〜10m/s 程度の⾵が吹くことは⼗分あり得ることだと思いますので、機械的機構やユーザの⼿を借りることなく、塵埃の⾃動排出を実現することができました。
住宅では冷暖房に⽐べて軽視されがちな換気ですが、健康的で快適な住環境を得るためには、換気性能が重要です。住宅の快適性と省エネ性を兼ね備えた熱交換式換気システムは、今後ますます普及するものと思われます。この換気システムの⽋点の⼀つであったフィル
ターのメンテナンス問題も、サイクロン式給気フードを⽤いれば、ほぼ解決できます。私たちの研究が、皆様の住環境の向上と省エネ住宅の普及に寄与できれば幸いです。