JPH0121437B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、気体―気体間の熱交換、特に熱およ
び水分の交換に使用される全熱交換素子に関する
ものである。 気体と気体との間で熱または水分の交換を行う
熱交換器のための全熱交換素子（以下、熱交換素
子という）としては、金属箔や金鋼を基材に用い
たものもあるが、石綿、ガラス繊維、セラミツク
繊維等からなる紙を用いたもののほうが、水分交
換態形成のための吸湿剤を担持する能力が大であ
り、また軽く、しかも酸性成分を含む気体の熱交
換に用いても高度の耐久性を示す点ですぐれてい
る。これを吸湿剤の面からみると、塩化リチウム
を用いたものやシリカゲルを用いたもののほか、
特開昭54―19548号公報に記載されている、モレ
キユラーシーブを用いたものがある。モレキユラ
ーシーブを用いた熱交換素子は、吸湿剤として塩
化リチウムを用いたものと比べて吸湿性能の経
時的劣化が少ない；再生に都市ガス等の燃焼ガ
スを直接用いても吸湿性能が劣化しないので、再
生に要する熱エネルギーが少なくてすむ；高湿
度空気を処理しても液ぬれを生じない；などの点
ですぐれているし、吸湿剤としてシリカゲルを用
いたものと比べても、やはり経時的劣化が少ない
点ですぐれている。しかしながら、前述のように
多くの点で有利な性質を持つ紙を担体とするもの
の場合、従来のモレキユラーシーブ使用熱交換素
子は、モレキユラーシーブ担持量から期待される
ほどの吸湿性能を示さないものであつた。 本発明の目的は、紙を担体としてモレキユラー
シーブを吸湿剤とする熱交換素子の吸湿性能面に
おける上述のような問題点を解決し、耐熱性と吸
湿性のいずれにもすぐれた高性能熱交換素子を提
供することにある。 上記目的を達成することに成功した本発明は、
セラミツク繊維からなる紙状物もしくはその成形
物を骨格とし、セラミツク繊維間間隙に平均粒径
5.5μm以下であつて粒径10μm以上の粗大粒子を
実質的に含まないモレキユラーシーブ微粒子が１
m²当たり100〜170ｇ微粒子が均一に充填され、セ
ラミツク繊維およびモレキユラーシーブ微粒子が
ケイ酸ゲルにより結合されてなる熱交換素子を提
供するものである。 第１図および第２図は、それぞれ本発明による
熱交換素子の断面および表面の微細構造を示す走
査型電子顕微鏡写真である。これらの写真からも
明らかなように、本発明の熱交換素子はモレキユ
ラーシーブ微粒子が粗大な凝集粒子を形成するこ
となくセラミツク繊維間に均一に充填されている
ものであり、しかも通気孔となる微細な連通孔を
多数有するものであるから、モレキユラーシーブ
の利用率が高く、したがつてモレキユラーシーブ
充填量が等しい従来の類似熱交換素子と比べて吸
湿性能がすぐれている。 本発明の熱交換素子は、セラミツク繊維の抄造
とモレキユラーシーブの充填を同時に行う方法で
製造することは困難であつて、以下に詳記するよ
うな製法により初めて製造することができる。 まずセラミツク繊維と有機繊維の混合物から常
法により紙を抄造する。ここで用いるセラミツク
繊維としては、いわゆるシリカ繊維、アルミナ繊
維、アルミノシリケート繊維、ジルコニア繊維な
どの耐熱性無機繊維、たとえばフアインフレツク
ス（ニチアス株式会社製品）、リフラシール
（HITCO社製品）などを用いることができる。
有機繊維としては、親水性で水中分散性がよく且
つ熱可塑性でない繊維、例えばレーヨン繊維、木
材パルプ等のセルロース系繊維が最適であるが、
ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、アクリル繊
維、ポリエステル繊維等の各種合成繊維を使用す
るこもできる。繊度は３デニール以下、繊維長は
３〜10mm程度あることが、繊維の水中分散性およ
び紙強度の点からして望ましい。 上記繊維質原料の抄造用水分散液には、有機結
合剤を含有させる。有機結合剤は、この種の繊維
の抄造に当りしばしば使用され、抄造工程におい
ては繊維の分散性を高め、紙が形成された後は繊
維同士を接着して紙の組織を固定することにより
紙の形状安定性を高めるのに有効であるが、この
製法において用いる有機結合剤は、紙の後のモレ
キユラーシーブ水分散液含浸処理に耐える耐水性
のものとするため（すなわち、湿強度が望ましく
は0.2Kg／15mm以上のものとするため）、少なくと
もその一部が、抄造後に紙を乾燥した段階で、あ
るいはその後さらに必要な処理を施すことによつ
て、実質的に水不溶性のものに変換されるもので
あることが望ましい。たとえばアクリル樹脂系、
酢酸ビニル樹脂系、エチレン・酢酸ビニル樹脂系
などの結合剤は、紙を加熱乾燥する過程でみずか
ら水不溶性のものとなつて耐水性の紙を与えるの
で有利である。一方、ポリビニルアルコール樹
脂、CMC、デンプン等は、乾燥後も水溶性であ
つて、これらのみを結合剤に用いたセラミツク繊
維紙は、水中で結合剤が膨潤し更には溶解するた
め、モレキユラーシーブ水分散液含浸処理工程に
おける自己保形性がきわめて悪い。したがつて、
これら水溶性の結合剤を用いるときは、加熱乾燥
により不溶化する上記樹脂を併用するか、抄造後
になんらかの処理を施して水不溶性にする（例え
ばポリビニルアルコール樹脂の場合は、約200℃
以上の高温で加熱するか、ホルマール化を行な
う。）。抄造工程で用いた有機結合剤が耐水性の紙
を生成し得ないものの場合は、抄造された紙に尿
素樹脂、メラミン樹脂、フエノール樹脂など耐水
性樹脂系の結合剤を付着させる処理を施して紙を
耐水性にする。いずれの場合も、有機結合剤は、
水溶液、エマルジヨン、粉末、繊維などの形で用
いることができる。 以上のような抄造原料の適当な配合比は、セラ
ミツク繊維80〜96重量％、有機繊維２〜10重量％
（好ましくは３〜６重量％）、有機結合剤２〜10重
量％（好ましくは３〜６重量％）である。有機物
が多いほど、抄紙および後記焼成前の成形加工は
容易であるが、最終製品の強度不足を招き易いの
で、合計量で15重量％以内とすることが望まし
い。 なお上記抄紙原料以外に、この種の紙の抄造に
通常使用される助剤を適宜併用してもよい。 抄紙原料は常法により0.1〜0.3％程度の濃度の
スラリーとした後、長網式または丸網式等の抄紙
機により、望ましくは厚さ約0.15〜0.50mm、密度
約0.2〜0.4ｇ／cm³（いずれも乾燥物についての
値）の比較的嵩高な紙に抄造し、乾燥する。有機
結合剤としてポリビニルアルコール樹脂、CMC、
デンプン等の水溶性結合剤のみを用いた場合は、
前記理由により、耐水性を向上させるための処理
を更に施す。 得られた耐水性の嵩高な紙に、次いでモレキユ
ラーシーブ水分散液含浸処理を施す。この処理に
用いるモレキユラーシーブ分散液の特性として最
も重要なのは、モレキユラーシーブの粒度であ
る。すなわち、モレキユラーシーブは分散液中で
なるばく微細な粒子（二次凝集粒子を含む）とし
て安定に分散していなければならない。望ましい
のは、粒径10μm以上の粗大粒子が実質的に存在
せず（約５％未満、特に望ましいのは３％未満で
ある）、かつ平均粒径が5.5μmをこえない分散状
態である。粗大粒子が存在するときは分散液を紙
に含浸させる前に沈降して均一な処理が難しくな
るばかりでなく、紙の繊維間間隙に進入できずに
表面に付着するだけのモレキユラーシーブがふ
え、紙の組織内に安定な状態で担持されるモレキ
ユラーシーブが少なくなる。そして、含浸処理を
くり返すことによりモレキユラーシーブの表面付
着量を多くすることはできるが、十分微細なモレ
キユラーシーブを用いて同じ量を担持させた場合
に比べて厚いシートとなつて細かな成形加工が困
難になるばかりか、加工中および製品使用中に脱
落するモレキユラーシーブが多くなり、吸湿性能
および耐久性の劣る製品を与える。 市販のモレキユラーシーブは、公称10μm以下
の最も微細な粉末状のものでも、それだけを水に
分散させると、直径10μmをこえるものがかなり
存在し、その多くは二次凝集粒子であると推察さ
れる。そしてこの二次粒子は、経時的に増加する
のが認められる。したがつて、十分微粉末状のモ
レキユラーシーブを用いる場合でも、水分散液を
調製する際は分散安定剤の存在下にボールミルで
処理するなどの方法により粗大粒子の粉砕を行う
とともに凝集粒子を破壊して一次粒子またはそれ
に近いものに分散させる。このための分散安定剤
としては種々のものを使用することができるが、
特にすぐれた分散安定化能を示すのは、カゼイ
ン、大豆タンパク等、保護コロイド形成能を有す
るものである。 上述のような粒径に関する要件のほか、モレキ
ユラーシーブが本質的に吸湿能力の大きいもので
あることが好ましいのはいうまでもない。吸湿能
力がすぐれているのは約３〜13Åの空孔を有する
ものであり、このようなモレキユラーシーブの市
販品の例としては、米国ユニオンカーバイド社の
モレキユラーシーブ・4A（パウダー）および13X
（パウダー）がある。 分散液中のモレキユラーシーブの濃度は、20〜
50重量％程度が適当である。 モレキユラーシーブ分散液には、上記分散安定
剤のほかにも、紙への浸透性、付着性あるいは塗
工性を高め、更には製品の吸湿性能を向上させる
のに有効な、任意の補助成分を適宜含有させるこ
とができる。 モレキユラーシーブ分散液を紙に含浸させるに
は、該分散液中に紙を浸漬する方法が最も容易で
あるが、これに限定されるわけではない。含浸量
は、モレキユラーシーブとして約100〜140ｇ／m²
になるようにすることが望ましい。このような多
量のモレキユラーシーブを紙の組織内部まで十分
な時間をかけて均一に浸透させることは、上述の
ような製法により作られた嵩高な耐水性セラミツ
ク繊維紙とモレキユラーシーブ微粒子分散液とを
用いることにより初めて可能となる。なおモレキ
ユラーシーブを140ｇ／m²以上付着させることも
可能であるが、利用率が低下するため、製品の吸
湿性能の向上にはつながらない。 モレキユラーシーブ分散液の含浸処理は、耐水
性の紙が完成したあと最初の処理として行わなけ
ればならない。コルゲート加工等の成形加工後に
行なつたのでは、成形により組織が密になつた部
分に分散液がよく浸透せず、処理が不均一になり
易いだけでなく、成形加工により付与された形が
崩れてしまう。一方、成形加工前にモレキユラー
シーブが紙の組織内に充填されると、ほんらい剛
直で成形困難なセラミツク繊維紙の成形加工性が
著しく向上し、前述のような有機繊維の作用とあ
いまつて、成形が容易になり且つその後の処理を
受ける間もよくその形状を保つようになる。 モレキユラーシーブ分散液の含浸を終わつた紙
に、次いで必要に応じて成形加工を施す。たとえ
ば段ボール製造用コルゲート加工機によるコルゲ
ート加工、その他、熱交換素子として好ましい妊
意の形状への成形加工、たとえば回転式熱交換器
の熱交換素子のための巻上げ加工、あるいは成形
後の紙同士の（または成形紙と未成形の同様の紙
との）接着加工を施す（成形加工を終わつた状態
の一例を第３図に示す）。接着に用いる接着剤と
しては有機質のものは不適当であつて、後記焼成
処理に耐える接着を可能にする無機質のものを用
いなければならない。好ましい接着剤の具体例を
示せば、次のようなものがある。 精製ベントナイト、またはこれに酸化チタ
ン、シリカ粉末、アルミナゾル等を加えたも
の。 シリカ粉末およびアルミナ粉末からなるも
の。 アルミナ粉末およびカオリンにコロイダルシ
リカまたはセラミツク繊維を加えたもの。 ジルコニア粉末およびコロイダルシリカから
なるもの。（いずれも水を稀釈剤として用い
る。） 市販品としては、FF接着剤（ニチアス株式会
社製品）、スミセラム（住友化学工業株式会社製
品）等がある。 なお平板状の熱交換素子素材を製造する場合
は、成形加工することなく次の工程に移る。 成形加工を終つた紙または成形加工を行わず平
板状に仕上げる紙は、次いでコロイダルシリカま
たはエチルシリケートを均一に含浸させ、その
後、含浸されたケイ素化合物をケイ酸ゲルに変換
して硬化させる処理に付する。 コロイダルシリカを含浸させた場合は、150〜
170℃で乾燥すれば上記硬化が完了する。 エチルシリケートを含浸させた場合は、エチル
シリケートを紙の組織内で加水分解してケイ酸ゲ
ルを生成させる。このためには、エチルシリケー
トの原液または溶液を含浸後、高温蒸気暴露する
か、含浸させるエチルシリケート溶液に塩酸など
を触媒として加えておき、含浸後数時間放置する
などの方法を採用する。 エチルシリケートを用いる方法は、均一な処理
効果が得られ易い点で、コロイダルシリカを用い
る方法よりも好ましいものである。この処理は、
紙100ｇ当りSiO₂が60〜100ｇ程度固定されるよ
うに行うことが望ましい。 ケイ酸ゲルを生成させた後、紙またはその成形
物を酸化性雰囲気において約1000℃以下で焼成す
ることにより有機繊維その他有機結合剤等の有機
物を焼去すると、後にはセラミツク繊維紙が骨格
となりそれとモレキユラーシーブ微粒子とがケイ
酸ゲルによつて結合されたものからなる本発明の
熱交換素子が残る。この熱交換素子は、前記成形
加工工程で紙が付与された形状をそのまま承継し
ている。 上述のようにして得られた熱交換素子は、その
まま、あるいは適宜熱交換素子として必要な寸
法、形状、構造のものとするため、切断、穿孔あ
るいは再度接着するなどの加工を施して、使用に
供する。 上記製造法において熱交換素子には無用の有機
繊維を用いたのは、有機繊維が、有機結合剤との
相乗作用により、剛直かつ自着性のないセラミツ
ク繊維の分散を助長し、抄造性を高めること、コ
ルゲート加工機による加工性を高めるとともに該
加工後の成形物の保形性をよくすること、および
焼成後にその焼失による微細な気孔を製品中に残
してモレキユラーシーブの利用度を高めること、
の三つの理由による。 上記製法によれば、多量のモレキユラーシーブ
がシート内部まで均一かつ確実に固定された本発
明の熱交換素子を、きわめて能率よく容易に、か
つ高価なモレキユラーシーブの損失もなしに製造
することができる。また製造中に行う成形加工
は、剛直なセラミツク繊維紙に対する加工である
にもかかわらず、きわめて容易であるから、熱交
換素子として好ましい形状への成形を自由に行う
ことができる。 本発明の熱交換素子は、セラミツク繊維紙を基
材としモレキユラーシーブ微粒子を多量に含有す
ることによりすぐれた吸湿性能を示すとともに、
セラミツク繊維、ケイ酸ゲルおよびモレキユラー
シーブからなる高耐熱性のものであること、およ
びモレキユラーシーブがシート表面に塗布された
ものではなくシート構成材といつてよいほどシー
ト中に均一かつ多量に分布していることにより、
長期間、高温の苛酷な条件下で使用しても、崩壊
あるいは剥離による脱落を起こすこともなく、安
定した性能を発揮する。 次に実施例および比較例を示す。 実施例１〜２および比較例１〜２ アルミナシリカ系のセラミツク繊維・フアイン
フレツクス（ニチアス株式会社製品、太さ2.6〜
3.0μ、長さ５〜30mm）90重量％、レーヨン繊維
（1.5d×５mm）５重量％および有機結合剤として
の繊維状ポリビニルアルコール樹脂５重量％の混
合物を340倍の水に分散させたのち、丸網式抄紙
機で常法により抄造する。得られた紙に尿素樹脂
系結合剤を2.5ｇ／m²の割合で吹付けた後、モレ
キユラーシーブ水分散液を通過させる（滞在時間
10秒）。モレキユラーシーブ分散液は、モレキユ
ラーシーブ粉末（ユニオンカーバイド社製品・
13X）を第１表に示したような組成の水分散液と
してボールミル処理したものである。

【表】 得られたモレキユラーシーブ含浸紙を、乾燥
後、段ボール加工機により180℃でコルゲート加
工する（波の高さ2.2mm）。次いでこれを500mmφ
×200mmＨの円柱状に巻上げてから、エチルシリ
ケート（シリカ固形分40％）8.0部、エチルアル
コール13部、水６部および５％塩酸１部の混合液
に浸漬しSiO₂として100ｇ／紙100ｇの上記混合
液を吸収させ、３時間湿空中に放置したのち乾燥
する。この後、紙を800℃の酸化性雰囲気で焼成
して、有機物を焼去する。 上記製法により、２種類の熱交換素子（実施例
１，２）を製造した。また、ボールミル処理を行
わなかつたモレキユラーシーブ水分散液を用いた
ほかは上記と同様にして比較例１の熱交換素子
を、また原紙に尿素樹脂系結合剤処理を施さなか
つたほかは上記と同様にして比較例２の熱交換素
子を、それぞれ製造した。 その結果を第２表に示す。 実施例 ３ モレキユラーシーブ含浸紙をコルゲート加工
後、巻上げずにシート状のままエチルシリケート
含浸処理以降の処理を行なつたこと、およびエチ
ルシリケート処理を浸漬によらずに吹付けにより
行なつたこと以外は実施例１の場合と同様にし
て、熱交換素子を製造した。その結果を第２表に
示す。 実施例４および比較例３ 抄紙工程における結合剤として酢酸ビニル系の
ものを使い、かつ抄紙後の尿素樹脂系結合剤処理
を行わなかつたほかは実施例３の場合と同様にし
て、熱交換素子（実施例４）を製造した。 また、ボールミル処理を行わなかつたモレキユ
ラーシーブ水分散液を用いたほかは上記実施例４
の場合と同様にして、熱交換素子（比較例３）を
製造した。 これらの結果を第２表に示す。 実施例 ５ モレキユラーシーブ水分散液の濃度を変更する
ことによりモレキユラーシーブ担持量を下記のよ
うに調節したほかは実施例１の場合と同様にし
て、熱交換素子を製造した。 実施例5A 110ｇ／m² 同 5B 140ｇ／m² 同 5C 170ｇ／m² 性能試験例 実施例１，２，５および比較例１の各例熱交換
素子について、下記の方法により潜熱交換性能の
試験を行なつた。第４図は試験装置の説明図であ
つて、図中、１が試験用熱交換素子を装着した回
転式熱交換器である。熱交換素子は矢印の方向に
毎分１／３回転し、その仕切板２よりも下の部分
の通気間隙に、除湿しようとする高湿度外気が図
面上の左側から流入すると、モレキユラーシーブ
が吸湿し、除湿された外気が右側から出てくる。
仕切板２の上側の部分では、再生用高温気体（都
市ガスを加熱器３で燃焼させて得られた燃焼ガス
と空気との混合気体、温度150〜200℃）により加
熱されてモレキユラーシーブが水分を放出し、熱
交換素子は再び吸湿可能な状態となる。なお４
は、除湿の際に温度が約60℃に上昇した外気の持
つ熱量を回収するための顕熱交換器である。潜熱
交換性能は、外気から単位量の水分除去を行うの
に要した再生処理用都市ガス消費量の大小により
評価する。 試験結果を第３表に示す。なお同表において上
記都市ガス消費量は、実施例5Bの場合を１とす
る相対的な値で示した。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明による熱
交換素子の断面および表面における微細構造（平
均粒径5.5μm以下のモレキユラーシーブ微粒子が
粗大凝集粒子を形成することなくセラミツク繊維
間に均一に充填されている構造）を示す電子顕微
鏡写真、第３図は本発明による熱交換素子の成形
形状を示す開口面部分図、第４図は性能試験例に
おいて用いた装置の説明図である。 １：熱交換素子を装着した回転式熱交換器、
２：仕切板、３：加熱器、４：顕熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツク繊維からなる紙状物もしくはその
   成形物を骨格とし、セラミツク繊維間間隙に平均
   粒径が5.5μm以下であつて粒径10μm以上の粗大
   粒子を実質的に含まないモレキユラーシーブ微粒
   子が１m²当たり100〜170ｇ均一に充填され、セラ
   ミツク繊維およびモレキユラーシーブ微粒子がケ
   イ酸ゲルにより結合されてなる熱交換素子。 ２ モレキユラーシーブ微粒子の空孔の径が３〜
   13Åである特許請求の範囲第１項記載の熱交換素
   子。