JP6555489B2 - ガス交換装置 - Google Patents

Description

この発明は建築物およびプレフィルターに関し、特に、例えば、人が就寝・寛ぎ・作業・労働等の日常の生活および／または活動を行う、家屋・ビルディング等の建築物に含まれる部屋およびその部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーの吸気口に取り付けて好適なプレフィルターに関し、当該生活／活動空間の、建物全体に対する体積比率を下げることなく、内部の粉塵や菌などのダスト微粒子の数を一定以下に維持したり、外部からこれらの混入の無いクリーンエア（空気）環境を実現することができ、例えば、居住、静養、実験、製造・塗装作業、養護活動、医科／歯科治療等の場として用いて好適なものである。

人類は現在、コンピュータ技術の発展に伴い、情報処理・通信環境に関しては、有史以来かつてない高度で便利な環境を実現し、いわば脳にとっては刺激的かつ申し分のない良好な場を実現していると言えようが、反面、体にとっての環境としては、汚染物質の増加や空気中の塵埃、感染性の細菌の浮遊等、現代社会は必ずしも良好な環境とは言い難い。

今、居住空間の内部において酸素消費レートＢで人が活動する（例えば、運動、就寝、或は簡易ガスコンロを焚いて鍋料理等を堪能する等の) 場合を考える。通常の人々が活動する部屋においては、建築基準法等の法令により、或る一定量の換気が義務付けられている。これは通常、部屋の内部に一定量の外気を導入することで達成されている。但し、障子で仕切られた部屋は、当該部屋への外気のメカニカルな導入はないものの、当該部屋とこれと隣接する部屋の２室で１室とみなすとの運用がなされている。この場合、現代科学に基づいての必要な障子面積などの定量的な評価がなされてきたとは必ずしも言い切れない。

他方、クリーン環境としては、大規模な半導体製造用として従来から存在している。しかし、これは、プロユース、つまり工業用であり、一般住宅等に用いられるいわゆる民生用としては導入されていない。かつて計算機の世界で、ビジネス用大型コンピューターメインフレームと一線を画する形で、”Computer for the rest of us ”を掲げてパーソナルコンピューターが勃興したように、２１世紀に入り、環境の重要性が益々高まる中、パーソナルコンピューターの“クリーン環境版”というものが現れても良い。事実、高性能化されて久しい大規模クリーンルームというまさに“メインフレーム”の対極にあるパーソナルクリーンスペースというのは、今後、純粋な民生用に限らず、病院や養護老人施設等の感染症のリスク回避が重要な場面で必ず重要になってくる。特に、ＰＭ２．５問題、花粉症対策、更には、喘息症状の緩和や細菌性肺炎の防止等の観点からも、生活空間の微生物存在（microbial)環境（マイクロビアル環境）も含めて空気環境を制御することは、このように今後益々重要となってくる。

このような背景の下で本発明者は、少なくとも１つの部屋を有し、その部屋は内部に閉空間である居住および／または作業空間を有し、その部屋には、その居住および／または作業空間の内部に気体が送り出されるように吹き出し口が設けられたファン・フィルターユニットが設けられ、上記吹き出し口から上記居住および／または作業空間の内部に流出する気体の全部が、上記ファン・フィルターユニットの吸入口へ還流するように構成され、上記部屋の壁に上記居住および／または作業空間の外部へ気体を排気するための開口が設けられている高清浄部屋システムあるいは建築物において、部屋の内面の少なくとも一部を、ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜（ガス交換膜）をその一部に含む壁により構成することで、上記部屋内部の気体分子が、部屋を取り囲む外部空間と部屋内部空間との間で上記膜を介して濃度勾配により交換されるようにした（特許文献１−３）。この場合、居住および／または作業空間の体積をＶ、壁の有する膜中の酸素の拡散定数をＤ、膜の厚みをＬとした時、部屋は、体積Ｖと膜の面積Ａとを、｛（Ｖ／Ａ）／（Ｄ／Ｌ）｝でスケーリングさせて設計が行われたものである。そして、居住および／または作業空間内部の酸素消費レートをＢ、外部と平衡状態にあり上記居住および／または作業空間内部で酸素消費の無い時の酸素体積をＶ_O2、上記居住および／または作業空間内における目標酸素濃度をη（η＞０．１８）とした時、上記膜の面積Ａが、
を満たすように設定されている。この高清浄部屋システムあるいは建築物によれば、見た目・外観的には、通常の部屋と全く異ならない、日頃の生活空間そのものを体積比率を下げることなく、そのまま例えばクラス１００以上の清浄空間として実現することができるとともに、居住および／または作業空間内における酸素濃度を法令により要求されるレベルにすることができる。

特許第５３２９７２０号 特許第５８３９４２６号 特許第５８３９４２９号

しかし、本発明者によるその後の研究により、上記のガス交換膜に必要な面積Ａは、部屋の内部の構成等によっては、二酸化炭素のガス交換に関しては必ずしも十分ではない場合があり得ることが判明した。コントロールの対象となるガスの分圧の小数点以下の桁数が当該ガス種により異なるためである。このため、部屋の内部の二酸化炭素その他の濃度を法令またはその他の理由により要求されるレベルに維持することが必要とされるが、これまで、具体的な提案はなされていないのが実情である。

一方、エアコンディショナーは天井に設置されるタイプのものもあるが、部屋の壁面に設置する壁掛け式のものも多く使用されている。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、壁掛け式のエアコンディショナーの空気循環能力を最大限活用することにより、新たな換気の概念に基づき、現代建築の標準フォーマットともマッチングを取りながら、日頃の生活および／または活動空間そのものを、例えばそのままクラス１００以上の清浄空間として実現することができるとともに、酸素濃度に加えて二酸化炭素その他の濃度も法令またはその他の理由により要求されるレベルに維持することができ、例えば、日本国内の病院、公共施設、一般家庭はもとより、大気環境が必ずしも良好であるとは言い難い海外の学校等に用いて好適な建築物およびそのような建築物の部屋の壁掛け式のエアコンディショナーの吸入口に取り付けて好適なプレフィルターを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は、
少なくとも１つの部屋を有し、
上記部屋は内部に閉空間である生活および／または活動空間を有し、
上記生活および／または活動空間には、壁面に壁掛け式のエアコンディショナーが取り付けられ、上記エアコンディショナーの上部の吸気口に中性能フィルターからなるプレフィルターが取り付けられ、上記エアコンディショナーの送風口から上記生活および／または活動空間の内部に流出する気体の全部が、上記プレフィルターの上記吸気口へ還流するように構成されており、
少なくとも１つのガス交換装置を有し、
上記ガス交換装置は、
少なくとも２つの気体吸入口と少なくとも２つの気体吐出口とを有する、閉空間を構成する箱状構造体を有し、
上記少なくとも２つの気体吸入口の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の１つと連通するとともに、上記少なくとも２つの気体吸入口の他の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の他の１つと連通し、
上記２つの連通路は、おのおの独立流路を形成しつつも、ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜を以てお互いに近接しながら隔てられるように構成され、
上記部屋を取り囲む外部空間から導入される空気が上記気体吸入口の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記外部空間へと送出される一方、上記生活および／または活動空間の内気が上記気体吸入口の他の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記生活および／または活動空間へ還流され、
上記膜は、上記生活および／または活動空間の体積をＶ、上記膜の面積をＡ’、厚みをＬ、上記膜中の二酸化酸素の拡散定数をＤ’とした時、｛（Ｖ／Ａ’）／（Ｄ’／Ｌ）｝でスケーリングさせて設定された面積Ａ’を有し、
上記生活および／または活動空間内部の二酸化炭素発生レートをＢ’、外部と平衡状態にあり上記生活および／または活動空間内部で二酸化炭素発生の無い時の二酸化炭素濃度をξ_O 、上記生活および／または活動空間内部における目標二酸化炭素濃度をξ（ξ＜５０００ｐｐｍ）とした時、上記膜の面積Ａ’が、
を満たすように設定されている建築物である。

また、この発明は、
少なくとも１つの部屋を有し、
上記部屋は内部に閉空間である生活および／または活動空間を有し、
上記生活および／または活動空間には、壁面に壁掛け式のエアコンディショナーが取り付けられ、上記エアコンディショナーの上部の吸気口に中性能フィルターからなるプレフィルターが取り付けられ、上記エアコンディショナーの送風口から上記生活および／または活動空間の内部に流出する気体の全部が、上記プレフィルターの上記吸気口へ還流するように構成されており、
少なくとも１つのガス交換装置を有し、
上記ガス交換装置は、
少なくとも２つの気体吸入口と少なくとも２つの気体吐出口とを有する、閉空間を構成する箱状構造体を有し、
上記少なくとも２つの気体吸入口の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の１つと連通するとともに、上記少なくとも２つの気体吸入口の他の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の他の１つと連通し、
上記２つの連通路は、おのおの独立流路を形成しつつも、ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜を以てお互いに近接しながら隔てられるように構成され、
上記部屋を取り囲む外部空間から導入される空気が上記気体吸入口の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記外部空間へと送出される一方、上記生活および／または活動空間の内気が上記気体吸入口の他の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記生活および／または活動空間へ還流され、
上記膜が、下記（１）により求められる上記膜の面積Ａの下限値Ａ_min と、下記（２）により求められる上記膜の面積Ａ’の下限値Ａ’_min とに対し、ＭＡＸ（Ａ_min ，Ａ’_min ）以上の面積を有する建築物である。
（１）上記膜の面積をＡ、厚みをＬ、上記膜中の気体分子の拡散定数をＤとした時、上記生活および／または活動空間に対し、法令またはその他の理由により要求される換気風量をＦとするとき、Ａ≧ＦＬ／Ｄを満たす上記膜の面積Ａ。
（２）上記生活および／または活動空間の体積をＶ、上記膜の面積をＡ’、厚みをＬ、上記膜中の二酸化炭素の拡散定数をＤ’とした時、上記膜の面積Ａ’は｛（Ｖ／Ａ’）／（Ｄ’／Ｌ）｝でスケーリングさせて設定され、
上記生活および／または活動空間内部の二酸化炭素発生レートをＢ’、外部と平衡状態にあり上記生活および／または活動空間内部で二酸化炭素発生の無い時の二酸化炭素濃度をξ_O 、上記生活および／または活動空間内部における目標二酸化炭素濃度をξ（ξ＜５０００ｐｐｍ）とした時、
を満たす上記膜の面積Ａ’。

ここで、膜の面積Ａの下限値Ａ_min はＡ≧ＦＬ／Ｄの右辺、膜の面積Ａ’の下限値Ａ’_min は式（１８）を満たす最小値である。また、ＭＡＸ（Ａ_min ，Ａ’_min ）は、Ａ_min とＡ’_min との大きい方を意味する。

この建築物の発明においては、好適には、ガス交換装置は、上記生活および／または活動空間の内気が上記気体吸入口の他の１つから上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記生活および／または活動空間へ還流される風量ｆが上記Ｆに対し、
ｆ≧Ｆ
を満たすように設定される。

また、この発明は、
少なくとも１つの部屋を有し、
上記部屋は内部に閉空間である生活および／または活動空間を有し、
上記生活および／または活動空間には、壁面に壁掛け式のエアコンディショナーが取り付けられており、
少なくとも１つのガス交換装置を有し、
上記ガス交換装置は、
少なくとも２つの気体吸入口と少なくとも２つの気体吐出口とを有する、閉空間を構成する箱状構造体を有し、
上記少なくとも２つの気体吸入口の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の１つと連通するとともに、上記少なくとも２つの気体吸入口の他の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の他の１つと連通し、
上記２つの連通路は、おのおの独立流路を形成しつつも、ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜を以てお互いに近接しながら隔てられるように構成され、
上記部屋を取り囲む外部空間から導入される空気が上記気体吸入口の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記外部空間へと送出される一方、上記生活および／または活動空間の内気が上記気体吸入口の他の１つから上記ガス交換装置の上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記生活および／または活動空間へ還流され、
上記膜は、上記生活および／または活動空間の体積をＶ、上記膜の面積をＡ’、厚みをＬ、上記膜中の二酸化酸素の拡散定数をＤ’とした時、｛（Ｖ／Ａ’）／（Ｄ’／Ｌ）｝でスケーリングさせて設定された面積Ａ’を有し、
上記生活および／または活動空間内部の二酸化炭素発生レートをＢ’、外部と平衡状態にあり上記生活および／または活動空間内部で二酸化炭素発生の無い時の二酸化炭素濃度をξ_O 、上記生活および／または活動空間内部における目標二酸化炭素濃度をξ（ξ＜５０００ｐｐｍ）とした時、上記膜の面積Ａ’が、
を満たすように設定されている建築物
の上記エアコンディショナーの上部の吸気口に取り付けられるプレフィルターであって、
上記プレフィルターは中性能フィルターからなり、
上記プレフィルターが上記エアコンディショナーの上記吸気口に取り付けられた時、上記エアコンディショナーの送風口から上記生活および／または活動空間の内部に流出する気体の全部が、上記プレフィルターの上記吸気口へ還流するように構成されることを特徴とするものである。

ここで、上記の各発明におけるガス交換装置は、好適には、部屋を構成する壁と生活および／または活動空間との間の空間、具体的には、例えば、屋根裏や部屋の側壁に設けられた二重壁の内部に設置されるが、設置場所はこれに限定されるものではなく、必要に応じて選ばれる。

部屋とは、閉空間を構成する包囲体によって構成されるものであり、具体的には、例えば、建築物の一室等が挙げられる。建築物としては、例えば、戸建住宅、アパート、マンション、ビルディング、病院、映画館、養護施設、学校、保育園、幼稚園、体育館、工場、塗装ルーム、漆塗り部屋等、人間活動を支えるあらゆる室が挙げられる。また、部屋は、例えば、内部空間を有する移動体内部の部屋などにも適用でき、かかる移動体としては、例えば、自動車、なかんずく救急車、飛行機、旅客列車、旅客バス、ヨット船室、客船等が挙げられる。

上記の建築物においては、生活および／または活動空間の内部と外部との間において、空気の気流としての出入りが無いが、生活および／または活動空間と外界との界面の少なくとも一部が上記膜によって隔てられていることにより、生活および／または活動空間に直接の気体の出入りがあるのと等価な、内部気体のリフレッシュ能力を有する。ここで、空気の気流としての出入りが無いというのは、例えば、この建築物の稼動中に、当該生活および／または活動空間に関する気流がイン、アウトともに厳密にゼロであることを意味するが、このことに限定されるものではなく、例えば、生活および／または活動空間の１００％循環フィードバックされる空気流量よりはるかに少ない流量の清浄空気流を出し入れすることも含む。また、生活および／または活動空間の内部と外部との間において正味の空気の流れが無いというのは、例えば、部屋の内の外が等圧であることを含む。

生活および／または活動空間とは、例えば、内部で人が就寝・寛ぎ・作業・労働等の日常生活／活動を行う空間であり、居住、静養、実験、製造・塗装作業、養護活動、医科／歯科治療等の場として用いて好適なものである。

ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜（ガス交換膜）は、この膜によって隔てられる空間の間においてダスト微粒子を通さず気体分子を通すことができる膜であれば、基本的には限定されないが、例えば、ダスト微粒子を通さず気体分子は通す膜の隔てる空間の圧力差が０であっても、膜の両側の空気を構成する気体成分の分圧に差があるときには、この膜を介して気体分子が交換され得るものであることが好ましい。ここで、「ダスト微粒子は通さず」とは、ダスト微粒子を完全に（１００％）通さない場合のほか、ダスト微粒子を厳密に１００％は通さない場合も含む（以下同様）。具体的には、一般に使用される古来よりの障子紙の他、中性能フィルター、ＨＥＰＡフィルター、ＵＬＰＡフィルター等が挙げられる。より詳細には、ダスト微粒子の阻止率（透過率）は１００％（０％）ならずとも、粒径１０μｍ以上の粒子に対しては、少なくとも９０％以上（１０％以下）、望ましくは９９％（１％）以下である。ダスト微粒子を通さず気体分子は通す膜の素材は、必要に応じて選ばれるが、例えば、防塵フィルター素材、障子紙、不織布、ポリエステルまたはアクリル系等の合成繊維や、パルプ、レーヨン等のセルロース系繊維が用いられる。

プレフィルターに用いられる中性能フィルターは、特に限定されないが、例えば、粒径１０μｍ以上の粒子に対する捕集効率γが６０％以上９８％以下である。このような中性能フィルターは、表面積をできるだけ大きくするために、好適には、障子紙等の平面状のフィルター材が繰り返し折り曲げられた、すなわち山折り谷折りされた形状を有するが、これに限定されるものではない。

この発明におけるＡ≧ＦＬ／Ｄなる不等式および式（１８）の導出方法を説明する。

今、ある体積Ｖをもつ生活および／または活動空間（人間が生活・活動する空間）を考える。建築基準法等に則って風量Ｆにて換気がなされているとする。この気流により、この空間内の空気は十分早くかき回され、双方の内部で空気を構成するガス分子は十分早く均一化すると考えてよく、この時、この部屋内部では空間座標依存性を無視することができる。この部屋で、酸素消費量Ｂ（ｍ³ ／ｓ）の活動がなされているとする。時刻ｔにおける部屋内部の酸素濃度をη（ｔ）とし、外界の酸素濃度（＝部屋内部で酸素消費の無い時の酸素濃度）をη_o とすると、時刻ｔ＋δｔにおける酸素の体積Ｖη（ｔ＋δｔ）は、時刻ｔにおける酸素体積Ｖη（ｔ）を使って
と記すことができる。この式（１）の第２項は、時間区間（ｔ、ｔ＋δｔ）の間の酸素消費に伴う酸素体積の減少、第３項はその間に風量Ｆの換気を通じて外界のフレッシュエア（酸素濃度η₀ を有する）が入ってくることによる酸素体積の増加、第４項は（上述の風量Ｆの外気給気に伴い）同量の内気（その酸素濃度はη（ｔ）であることに注意）がその間に排出されることによる酸素体積の減少を示す。右辺第一項を左辺に移項して両辺をδｔで除することにより、微分方程式：
が得られる。初期条件として、時刻ｔ＝０で室内の酸素濃度は外界のそれと等しいことから、η（０）＝η₀ が成り立つので、微分方程式（２）の解は、
と求まる。十分時間がたつと系は定常状態に達し、式（３）の指数関数部がゼロになることから、或はまた、式（２）の左辺がゼロとなることから解るように、内部の酸素濃度は一定値
に収束する。

他方、体積Ｖをもつ生活および／または活動空間を、外界との気流のやりとりのない孤立系として成立させると、この生活および／または活動空間を閉空間として定義する“外界との境界面”を横切る空気流がゼロとなる。即ち、上述の部屋に流れ込む風量（＝部屋から流れ出る風量）Ｆはゼロである。その代わり、当該境界面の一部にガス交換能力を有する膜を用いて隔壁を形成する。この膜の面積をＡ，厚みをＬ，この膜を通過する気体分子の拡散定数をＤとする。この孤立閉空間をなす部屋において、上記と同じく単位時間あたりＢ（ｍ³ ／ｓ）にて酸素を消費せしめるとすると、アボガドロ数をＮ₀ 、系の置かれた圧力（〜１気圧）における１モルあたりの気体体積をＣ、上記隔壁（ガス交換膜）の面積をＡ、隔壁を通して包囲体の内部に入ってくる酸素のフラックスをｊとすると、時刻ｔ＋δｔにおける酸素の体積Ｖη（ｔ＋δｔ）は、時刻ｔにおける酸素体積Ｖη（ｔ）を使って
が成り立つ。ここでも（後段にて述べるように１００％循環フィードバック系を部屋内に構築すると、エアコンディショナーにより発生する空気流により、生活および／または活動空間での空気は十分早くかき回されるため、空気を構成するガス分子は生活および／または活動空間内部で十分早く均一化するので）生活および／または活動空間内部では空間座標依存性を良い近似で無視することができることを用いた。

式（５）の右辺第３項は、上記ガス交換膜の両側（即ち生活および／または活動空間内部と外界との間）での酸素濃度差（濃度勾配）のために流入してくる酸素分子の数である（空気流としてではなく、分子の拡散として酸素が生活および／または活動空間内部に入ってくるのであり、上述の式（１）〜（４）で記述される現象とは全く性質を異にする）。式（５）において、ｊは
で与えられる。ただし、φは生活および／または活動空間の内部の単位体積当たりの酸素分子数、Ｄはガス交換膜中の酸素の拡散定数で、ガス交換膜に垂直な方向をｘ軸としたとき、∇はこのｘ軸方向の微分演算子である。生活および／または活動空間の体積をＶ、ガス交換膜の厚みをＬとすると、Ｌは、生活および／または活動空間の寸法に比べ３桁以上程度小さく、極めて薄いと見なせるので、数式（５）は、
と良い精度で近似することが出来る。η₀ は、式（１）、式（２）におけるのと同様に、外界の酸素濃度であり、通常２０．９％程度である。式（７）より、微分方程式
が導かれる。数式（８）の厳密解は、
と求まる。ここでは十分時間がたった後の定常状態に対応する解に興味があるので、式（８）の左辺＝０とおくと、時刻ｔにおける酸素濃度は
と求まる（式（９）でｔ→∞とした場合に一致する）。

ここで、建築基準法等に従って風量Ｆで換気して、室内の酸素濃度を担保する方法と、障子紙などのガス交換膜としての機能をもつ膜を生活および／または活動空間の一部に用いることで外界から（酸素が濃度勾配を緩和する方向にガス交換膜内を拡散することを利用して）酸素を室内（包囲体内）に供給する場合の２つを比較することができる。即ち、式（２）と式（８）[ 或は、式（４）と式（１０）] を比べると、
と同定することで、建築基準法等に従って風量Ｆで換気して、室内の酸素濃度を担保する方法と、障子紙などの面積Ａ、厚みＬ、分子拡散定数Ｄを持つガス交換膜を室内と外界の境界の一部に用いることが、等価であることが示された。これは空気中の窒素は生命体の維持活動には基本的にバイスタンダーであることによる。従来のノンゼロ風量換気が”全血献血”に相当するところ、本発明の手法は、”成分献血”に相当すると考えると理解しやすい。日本古来の障子の有効性が、今、厳密に定量性を以って理解される。次元解析を行うと風量Ｆは［ｍ³ ／ｓ］の次元をもち、ＡＤ／Ｌは、次元［（ｍ² ・ｍ³ ／ｓ）／ｍ］＝［ｍ³ ／ｓ］であり、まさに風量の次元をもつことから、等価性が裏付けられる。即ち、建築基準法等に従って風量Ｆで換気して、室内の酸素濃度を担保する方法は、式（１１）を満たすＡ，Ｄ，Ｌを有するガス交換膜をして気密性を持つ生活および／または活動空間と外界との境界に用いることで、同等の酸素交換能を担保することができる。この境界・界面は、一枚のガス交換膜（必要に応じてこれをGas Exchange Membrane:ＧＥＭと呼ぶ）であってもよいし、多数枚を集積して、各膜面の両側を内気と外気が層状に流れるようにした一体物、即ちガス交換装置（必要に応じてこれをGas Exchange Box :Ｇ×Ｂと呼ぶ）でもよい。これらにより、メカニカルな駆動力に基づく換気ではなく、濃度勾配が存在するところに生じる拡散を通じて、気密性の高い生活および／または活動空間内部への必要なガス成分（例えば酸素）の外界からの供給、あるいは、或る閉空間内部からの不必要ガス成分（例えば二酸化炭素）の外界への排出を行うことを可能とする（当該閉空間の一部として構成する定量的面積を有するところの）ガス交換膜を与えることができる。エネルギー等分配則が成り立つため、当該ガス交換膜中の各気体分子の拡散定数は、当該分子の質量のスクエアルート（の逆数）に従うのみであるので、例えば、二酸化炭素と酸素では桁数に違いはなく、前係数にいくらかの差がある程度である（共に、〜１０^-5ｍ² ／ｓのオーダーである）。

続いて、生活および／または活動空間の内部で燃焼が生じる場合の酸素消費と二酸化炭素発生を考える。単純に炭素が燃える場合は、
糖系の燃焼では最終的に
となり、酸素消費と二酸化炭素発生はほぼ１：１であるということができる。この炭素系化合物の燃焼にともなう二酸化炭素の濃度ξ（ｔ）の変化は、燃焼に伴い濃度が上昇する方向であり、内部の濃度が高まると外界に放出されるので、二酸化炭素発生レートをＢ’（ｍ³ ／ｓ）、外界の二酸化炭素濃度をξ_o 、ガス交換膜面積をＡ’、上記ガス交換膜における二酸化炭素の拡散定数をＤ’として
が成立する。これより
が得られる。この方程式の解は、時刻ｔ＝０で、内部と外界で二酸化炭素濃度が平衡状態にある場合は、ξ（０）＝ξo より
となる。十分時間がたった時は、二酸化炭素濃度は、
に収束するが、時刻ｔ＝０で、内部の二酸化炭素濃度が式（１５）より大きな或る値Ｃｏである場合は、式（１３）の解は
となる。

生活および／または活動空間内の二酸化炭素濃度が当初外界と平衡状態の状況から出発し、生活および／または活動空間内部で人が活動する場合を考えよう。生活および／または活動空間内の二酸化炭素濃度は、法規制よりある一定値ξ_max を超え無いよう求められている。これを勘案して、ターゲットとする二酸化炭素濃度ξ（ξ＜ξ_max ）を、式（１５）より
である必要があり、これを満たすべくガス交換膜の面積Ａ’は
であれば、生活および／または活動空間内部の二酸化炭素濃度は、法規制値を超えることがなく、内部で活動する人間の安全が保たれる。

今、生活および／または活動空間内部にて人間がある一定の活動をする際に、これを超えないようにと目標とする二酸化炭素濃度をξ（ξ＜ξ_max を満たす）とすると、式（１８）より、二酸化炭素発生量が小さいほど、ガス交換膜が薄いほど、また、二酸化炭素分子の拡散定数が大きいガス交換膜であるほど、その必要面積Ａは小さくてよいとの指針が得られる。これを変形して
が得られる。左辺の分子は、生活および／または活動空間の形（生活および／または活動空間のアスペクト比）のみで決まり、分母はガス交換膜の性質のみで決まる。そして、互いより峻別された分子と分母、両者の比であるところの左辺が応答の時定数を決める。式（１９）より、この応答時間は、二酸化炭素の発生レートが大きい時ほど、小さくある（即ち、早く応答する）必要があることがわかる。式（１９）の左辺の量について同じ値を与える（Ｖ，Ａ‘，Ｄ’, Ｌ）の組は、各々の値が異なっていても、生活および／または活動空間としては同じ応答時間を有する。このスケーリング則により、任意の生活および／または活動空間に対し、高清浄システムを設計できる。

遵守すべき二酸化炭素濃度を与えるいくつかのスタンダードがある。例えば、建築物環境衛生管理基準では１０００ｐｐｍ以下、学校環境衛生基準では１５００ｐｐｍ以下であることが望ましいとされるが、例えば学校の実際の教室では、状況によって、２５００ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍになることも報告されている（生命にはかかわらないが、ぼーっとしたり、集中力が弱まることが指摘されている）。衛生的な限界値は、５０００ｐｐｍとされている。酸素の場合、２０．９％の標準濃度に対し、望ましくは２０％台であることが求められるが、健康上・活動上の問題を引き起こさない値としては、１８．５％という値が与えられている。従って、上記の基準濃度を満たすようにガス交換膜面積を定めるには、二酸化炭素に対して順守するには、酸素に対しての時に比べ約一桁大きい面積を必要とすることが、式（１８）の不等式における濃度変数の組み込まれ方からわかる。このため、ガス交換能力を高めるには、後述の図３〜図６に示すようなガス交換膜の多数枚スタック構造をコアとして、これに室内気体（内気）と外気を、ガス交換膜を介して、気流としては直接混じらぬよう、しかし、濃度勾配による拡散によってガス成分自体は交換できるよう設定することが、特に、二酸化炭素の室内から室外への排出において、効果的であることがわかる。空気中の酸素と二酸化炭素の拡散定数は、各々、約１．７×１０^-5ｍ² ／ｓ、約１．６×１０^-5ｍ² ／ｓである。拡散のみにて、数ｍオーダーの大きさの生活および／または活動空間の濃度を一定にするには、数十時間程度要してしまうので現実的でない。効率的にガス交換を行い、この後、すみやかに生活および／または活動空間内のガス濃度を平準化するには、ガス交換装置にファンを２基設置して、外気の流れと、ガス交換後室内に還流する内気の流れを有意に生じさせることが好ましい。風量は生活および／または活動空間の大きさに応じて、一般的には０．１〜数百ｍ³ ／分に設定される。内気が通る領域のガス交換膜の面間隔（幅）および外気が通る領域のガス交換膜の面間隔（幅）は必要に応じて選ばれる。例えば、内気が通る領域のガス交換膜の面間隔を、ガス交換に要する時間が短くなるように小さく調整し、外気が通る領域のガス交換膜の面間隔はそれより大きく設定することができる。このようなガス交換膜の面間隔の非対称な設定では、ガス交換後の成分濃度を、体積比を通じて、局所的に外気の濃度に近づける効果が期待される。上記のファン風量が十分大きい場合は、対称的に面間隔を設定することも、内気・外気対称的にファンを設定できるということで、系の全体としての対称性、安定性の面で有力である。

この発明によれば、生活および／または活動空間内部と外界との間の気体の交換をすることがなくても（内外の気流の交換の風量Ｆ＝０でも）、気体分子の拡散を通じて、実効的に風量Ｆで換気するのと同等の効果を得ることができる。即ち、法令の定める気体濃度またはその他の理由により決められる気体濃度を最低限守るためのガス交換膜の面積を定量的に与えることができる。これに、エアコンディショナーの空気循環能力を用いた１００％循環フィードバックシステムを併用することで、清浄度の高い室内を、気体環境を、部屋内部で活動する人々（作業者、勉学に励む生徒たち等）の安心・安全を担保しつつ、実現することができる。

第１の実施の形態による建築物を示す断面図である。 第１の実施の形態による建築物の部屋の生活等空間の壁面に取り付けられたエアコンディショナーおよびその吸気口に取り付けられたプレフィルターを示す斜視図である。 第１の実施の形態による建築物に使用されるガス交換装置が有する箱状構造体の一例を示す上面図である。 第１の実施の形態による建築物に使用されるガス交換装置が有する箱状構造体の一例を示す正面図である。 第１の実施の形態による建築物に使用されるガス交換装置が有する箱状構造体の一例を示す側面図である。 図３の６−６線に沿っての断面図である。 第１の実施の形態による建築物に使用されるガス交換装置の一例を示す正面図および側面図である。 第２の実施の形態による建築物を示す断面図である。 第２の実施の形態による建築物の部屋の生活等空間の内部から互いに交差する２つの壁面を見た斜視図である。 第２の実施の形態による建築物の部屋の生活等空間の１つの壁面の裏側のスペースにガス交換装置３００が収納されている様子を示す斜視図である。 第２の実施の形態による建築物の部屋の生活等空間の内部から互いに交差する２つの壁面を見た斜視図である。 第２の実施の形態による建築物に使用されるガス交換装置の一例を示す正面図、左側面図および右側面図である。 実施例１において作製したガス交換装置を示す図面代用写真である。 実施例２において作製したガス交換装置を示す図面代用写真である。 実施例２による建築物の部屋の生活等空間を示す図面代用写真である。 図１５に示す生活等空間の１つの障子の裏側の空間に図１４に示すガス交換装置が設置されている様子を示す図面代用写真である。 実施例２において室内でガスコンロを燃焼させた時の酸素濃度および二酸化炭素濃度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３において作製したプレフィルターを示す図面代用写真である。 実施例３において作製したプレフィルターを従来の通常の部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーの吸気口に取り付けた状態を示す図面代用写真である。 従来の通常の部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーおよびその吸気口に取り付けられたプレフィルターを用いて部屋を清浄化した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 プレフィルターに用いられる中性能フィルターの寿命の実証結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを低風量に設定して運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを低風量に設定して稼働させた時の粒径別のダスト微粒子粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを中風量に設定して運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを中風量に設定して稼働させた時の粒径別のダスト微粒子粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを高風量に設定して運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例３においてエアコンディショナーを高風量に設定して稼働させた時の粒径別のダスト微粒子粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例４において図１８に示すプレフィルターを従来の通常の部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーの吸気口に取り付けた状態を示す図面代用写真である。 実施例４においてエアコンディショナーを運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例５において市販の中性能フィルターをプレフィルターとして従来の通常の部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーの吸気口に取り付けた状態を示す図面代用写真である。 実施例５において用いた市販の中性能フィルターを示す図面代用写真である。 実施例５においてエアコンディショナーを運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。 実施例６において市販の中性能フィルターをプレフィルターとして従来の通常の部屋の壁面に取り付けられたエアコンディショナーの吸気口に取り付けた状態を示す図面代用写真である。 実施例６において用いた市販の中性能フィルターを示す図面代用写真である。 実施例６においてエアコンディショナーを運転した時のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を示す略線図である。

以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。

〈１．第１の実施の形態〉
図１は第１の実施の形態による建築物を示す。建築物は一般的には複数の部屋を有するが、図１には１つの部屋のみ示されている。図１に示すように、この建築物は、給気口１０および排気口２０の部分を除いて、気密性の高い部屋１００を有する。部屋１００は閉空間を形成している。部屋１００の形状は必要に応じて決められるが、例えば、長方形の平面形状を有する直方体形状、長方形の平面形状の一角の長方形の領域を切除した凹六角形（あるいはＬ字型）の平面形状を有するもの、Ｕ字型の平面形状を有するもの、これらの内壁の一部または全部を曲面にしたもの等である。この閉空間を構成する部分空間として生活および／または活動空間（以下、「生活等空間」という）１０１と天井裏１０２とを有する。天井裏１０２は、２重天井によって形成される内部空間である。この２重天井は、部屋１００の頂面１０３と、この頂面１０３の下方にこの頂面１０３から一定距離を置いて互いに対向するようにして設けられた天井壁１０４とによって構成されている。言い換えると、生活等空間１０１と天井裏１０２とは、天井壁１０４によって隔てられている。生活等空間１０１は、１人または複数人がその中で居住したり、作業、集会等をしたりする空間であり、そのために必要な広さを有する。部屋には窓や人の出入りのためのドアが取り付けられているがそれらの図示および説明は省略している。

生活等空間１０１の側壁１０６の壁面に壁掛け式のエアコンディショナー２００が取り付けられている。このエアコンディショナー２００の上部の吸気口に、中性能フィルターからなる直方体形状のプレフィルター２５０が取り付けられている。図２に、壁面に取り付けられたエアコンディショナー２００およびその上のプレフィルター２５０の斜視図を示す。プレフィルター２５０は、底面および上面が開口した箱２５０ａの内部に、障子紙等のフィルター材２５０ｂを繰り返し折り曲げることにより山折り谷折りされたものが収納されたものである。図２には、一例として、箱２５０ａの内部が仕切り板２５０ｃにより４つの空間に分けられ、それぞれの空間に山折り谷折りされた障子紙等のフィルター材２５０ｂが同じ向きで収納されている場合が示されているが、これに限定されるものではなく、フィルター材２５０ｂの形態や設置の仕方は必要に応じて選ばれる。プレフィルター２５０の上面には、好適には、大きなダストがフィルター材２５０ｂに落ちないようにするために、通風コンダクタンスをあまり減少させない程度の大きさ、個数および配置で開口が形成されたメッシュ状のカバーが取り付けられる。そして、生活等空間１０１内の空気がプレフィルター２５０の上面からプレフィルター２５０の内部に吸い込まれ、フィルター材２５０ｂにより濾過されて清浄化された空気が吸気口からエアコンディショナー２００の内部に入り、下部の送風口から生活等空間１０１内に吹き出されるようになっている。この際、生活等空間１０１の内部では、エアコンディショナー２００の送風口から送出される空気は、その全部がプレフィルター２５０の上面に還流される。即ち、１００％循環フィードバックシステムが構成されている。

一方、天井壁１０４の上にガス交換装置３００が設置されている。天井壁１０４には、ガス交換装置３００の内気回収口３０１および還流口３０２に対応する部分にそれぞれ開口１０４ｃ、１０４ｄが設けられている。また、ガス交換装置３００の外気導入口３０３は、必要に応じてダクトを介して、部屋１００の側壁１０５に設けられた給気口１０に接続され、排出口３０４は、必要に応じてダクトを介して、側壁１０６に設けられた排気口２０に接続されている。また、ガス交換装置３００の内気回収口３０１は、必要に応じてダクトを介して、天井壁１０４に設けられた開口１０４ｃに接続され、還流口３０２は、必要に応じてダクトを介して、天井壁１０４に設けられた開口１０４ｄに接続されている。ガス交換装置３００の内部のガス交換部には少なくとも一枚のガス交換膜３１０が設けられている。そして、生活等空間１０１の内気が天井壁１０４に設けられた開口１０４ｃおよびガス交換装置３００の内気回収口３０１を介してガス交換部のガス交換膜３１０で隔てられた一方の空間に導入されるとともに、側壁１０５に設けられた給気口１０およびガス交換装置３００の外気導入口３０３を介してガス交換部のガス交換膜３１０で隔てられた上記の他方の空間に導入され、外気中の酸素がこのガス交換膜３１０を透過して上記の一方の空間に導入されるとともに、上記の一方の空間に導入された内気中の二酸化炭素がこのガス交換膜３１０を酸素と逆方向に透過して上記の他方の空間に導入される。こうして外気から酸素が供給された内気はガス交換装置３００の還流口３０２から生活等空間１０１に還流される。また、内気から二酸化炭素が供給された外気はガス交換装置３００の排出口３０４および側壁１０６に設けられた排気口２０から外部に排出される。

ガス交換装置３００は、具体的には例えば次のように構成される。図３〜図６はガス交換装置３００の内部のガス交換部３５０の構成の一例を示す。ここで、図３〜図６はそれぞれガス交換部３５０の上面図、正面図、側面図および図３の６−６線断面図である。また、図７ＡおよびＢはそれぞれガス交換装置３００の正面図および側面図である。

図３〜図６に示すように、ガス交換部３５０は次のように構成されている。即ち、正方形状の平板３５１の一方の面に互いに対向する二辺に沿って設けられた長方形断面の高さｈ₁ の二本のスペーサＳ₁ 上にガス交換膜３１０が張られ、その上に、スペーサＳ₁ と直交する互いに対向する二辺に対応する部分に設けられた長方形断面の高さｈ₂ のスペーサＳ₂ 上にガス交換膜３１０が張られたものが積層され、その上に、高さｈ₁ のスペーサＳ₁ 上にガス交換膜３１０が張られたものが積層され、同様にして、スペーサＳ₂ 上にガス交換膜３１０が張られたものとスペーサＳ₁ 上にガス交換膜３１０が張られたものとが交互に繰り返し積層され、最後のスペーサＳ₁ 上にガス交換膜３１０が張られたものの上に、平板３５１と同じ形状の平板３５２の一方の面に互いに対向する二辺に沿って設けられた長方形断面の高さｈ₂ の二本のスペーサＳ₂ がスペーサＳ₂ を下にして設けられている。この例では、合計１９枚のガス交換膜３１０が設けられている。このガス交換部３５０に含まれるガス交換膜３１０の総面積は式（１８）を満たすように、あるいはＡ≧ＦＬ／Ｄを満たすように、あるいはＭＡＸ（Ａ_min ，Ａ’_min ）以上に決められる。ガス交換膜３１０は通常極めて薄いので、その厚さを無視すると、スペーサＳ₂ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の間隔はほぼｈ₂ 、スペーサＳ₁ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の間隔はほぼｈ₁ である。スペーサＳ₂ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の空間は内気が通される空間であり、スペーサＳ₁ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の空間は外気が通される空間である。この外気と内気の流れる向きはほぼ直交する。ｈ₁ 、ｈ₂ は必要に応じて選ばれるが、ガス交換膜３１０を介して内気の二酸化炭素と外気の酸素との交換を効率的に行うためには、内気の導入量に対し外気の導入量を相対的に大きくするのが望ましいために一般的にはｈ₁ ≧ｈ₂ とされ、好適にはｈ₁ ＞ｈ₂ とされる。図３〜図６に示すガス交換部３５０ではｈ₁ ＞ｈ₂ の場合が示されている。具体的には、例えばｈ₁ ≒（２〜７）×ｈ₂ に選ばれる。一例を挙げると、ｈ₁ ＝２５ｍｍ、ｈ₂ ＝５ｍｍである。また、ｈ₁ とｈ₂ とが等しくない場合は、図４のガス交換部３５０の形状を、ｈ₁ とｈ₂ との比に従って、外気と内気の通風コンダクタンスをそろえる方向にアスペクト比を設定した長方形とすることが好ましい。

図７ＡおよびＢに示すように、ガス交換装置３００は、本体が正十二面体状の包囲体３６０を有する。包囲体３６０の両面は正十二面体の底面および上底面から一方向に広がっており、包囲体３６０の１つの稜線３６１を通る一辺が他の辺に比べて十分に長い九角形状になっている。この包囲体３６０の両面の稜線３６１を通る長い辺には、この両面に対して垂直に突出し、かつ包囲体３６０の長い辺に沿って延びる細長い支持部３６２、３６３が設けられている。ガス交換装置３００を固定する際には、これらの支持部３６２、３６３の複数箇所に設けられた孔（図示せず）にボルトを通して設置部に固定するようになっている。この包囲体３６０の内部に箱状のガス交換部３５０が収納されている。ガス交換部３５０の両側面の平板３５１、３５２は包囲体３６０の両面とほぼ接触しているとともに、ガス交換部３５０の角の稜線３５１〜３５４はそれぞれ包囲体３６０の稜線３６１、３６４〜３６６と一致するようになっているため、ガス交換部３５０は包囲体３６０の中で殆ど動かないように収納されている。ガス交換装置３００を固定する状態ではガス交換膜３１０は鉛直方向になることから、互いに対向する２枚のガス交換膜３１０の間の空間に塵埃などが入ってきても自然に落下するため、ガス交換膜３１０表面上に塵埃が滞留して目詰まりが生じることによるガス交換能の劣化を防止することができる。

包囲体３６０の４つの側面３６７〜３７０にはそれぞれ円筒状の外気導入口３０３、還流口３０２、排出口３０４および内気回収口３０１が設けられている。この場合、外気導入口３０３から導入される外気は、スペーサＳ₁ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の空間を通った後、排出口３０４から排出される。また、内気回収口３０１から導入される内気は、スペーサＳ₂ で隔てられた二枚のガス交換膜３１０の間の空間を通った後、還流口３０２から排出される。

この第１の実施の形態によれば、ガス交換部３５０に含まれるガス交換膜３１０の総面積Ａ’が式（１８）を満たすように決められているため、酸素濃度に加えて二酸化炭素濃度も法令またはその他の理由により要求されるレベルに維持することができる。また、壁面に壁掛け式のエアコンディショナー２００が取り付けられた一般的な部屋１００でありながら、エアコンディショナー２００の吸気口に中性能フィルターであるプレフィルター２５０を取り付けるだけで、１００％循環フィードバックシステムにより、生活等空間１０１を例えばクラス１００以上の清浄度の清浄空間とすることができる。さらに、プレフィルター２５０は中性能フィルターであるため、長期間使用しても目詰まりが生じにくく寿命が極めて長いことから、交換頻度を著しく減少させることができる。この建築物は、例えば、日本国内の病院、公共施設、一般家庭はもとより、大気環境が必ずしも良好であるとは言い難い海外の学校等に用いて好適なものである。

〈２．第２の実施の形態〉
図８は第２の実施の形態による建築物を示す。第１の実施の形態と同様に、図８には１つの部屋のみ示されている。図８に示すように、この建築物は、給気口１０および排気口２０の部分を除いて、気密性の高い部屋１００を有する。第１の実施の形態と同様に、生活等空間１０１の側壁１０５に壁掛け式のエアコンディショナー２００が取り付けられ、このエアコンディショナー２００の上部の吸気口に、中性能フィルターからなる直方体形状のプレフィルター２５０が取り付けられている。図９は生活等空間１０１の内部から互いに交差する２つの壁面１０１ａ、１０１ｂを見た図である。図９に示すように、これらの壁面１０１ａ、１０１ｂに障子４０１、４０２が取り付けられている。障子４０１、４０２の障子紙に相当するものとしてガス交換膜３１０が用いられている。第１の実施の形態と異なり、ガス交換装置３００は、天井壁１０４の上ではなく、障子４０１の裏側のスペースに設置されている。図１０は障子４０１の片側半分を開けた状態、図１１は障子４０１を閉めた状態を示す。図１０に示すように、ガス交換装置３００は、天井壁１０４、部屋１００の側壁１０６、障子４０１および台５００とに囲まれた空間の台５００上に設置されている。

ガス交換装置３００は、具体的には、例えば図１２Ａ、ＢおよびＣに示すように構成される。ここで、図１２Ａ、ＢおよびＣはそれぞれガス交換装置３００の正面図、左側面図および右側面図である。図１２Ａ、ＢおよびＣに示すように、ガス交換装置３００は、正四角柱状の包囲体３６０を有する。この包囲体３６０の内部に図３〜図６に示すガス交換部３５０が包囲体３６０に対して４５°回転した状態で収納されている。より詳細には、ガス交換部３５０は、その４つの稜線が包囲体３６０の各側面の二等分線上で内接した状態で包囲体３６０に収納されている。包囲体３６０の１つの側面にはそれぞれ円筒状の外気導入口３０３および還流口３０２が設けられ、この側面に対向するもう１つの側面にはそれぞれ円筒状の排出口３０４および内気回収口３０１が設けられている。

図１０に示すように、ガス交換装置３００は、内気回収口３０１、還流口３０２、外気導入口３０３および排出口３０４が設けられていない１つの側面を下にして、台５００上に固定された２つの支持部材５０１、５０２上にＬ字金具（図示せず）で固定されている。そして、ガス交換装置３００の内気回収口３０１、還流口３０２、外気導入口３０３および排出口３０４にそれぞれダクト６０１、６０２、６０３、６０４の一端が接続され、その他端は上方に延びて天井壁１０４を貫通し、天井裏１０２を通ってそれぞれ、天井壁１０４に設けられた開口１０４ｃ、天井壁１０４に設けられた開口１０４ｄ、側壁１０５に設けられた給気口１０および側壁１０６に設けられた排気口２０に接続されている。ガス交換装置３００を固定する状態ではガス交換膜３１０は鉛直方向になることから、互いに対向する２枚のガス交換膜３１０の間の空間に塵埃などが入ってきても自然に落下するため、ガス交換膜３１０表面上に塵埃が滞留して目詰まりが生じることによるガス交換能の劣化を防止することができる。

障子４０１の裏側にある、ガス交換装置３００が設けられた空間には、図示省略したダクトを通して外気を導入することができるようになっている。このため、このガス交換装置３００が設けられた空間と生活等空間１０１との間で障子４０１の障子紙自身をガス交換膜３１０としてガス交換を行うことができるようになっている。図示は省略するが、障子４０２の裏側にも同様な空間が設けられており、この空間に図示省略したダクトを通して外気を導入することができるようになっている。これらの空間は互いに分離されている。

この建築物の上記以外の構成は第１の実施の形態と同様である。

この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。

（実施例１）
実施例１では、第１の実施の形態による建築物において用いられるガス交換装置３００を実際に作製した例について説明する。

図１３Ａ〜Ｅはこのガス交換装置３００を示す写真である。ここで、図１３Ａ〜Ｅはそれぞれこのガス交換装置３００の主として側面を撮影した写真、上面を撮影した写真、上面および側面を撮影した写真ならびに側面を撮影した写真である。包囲体３６８は鉄製、平板３５１、３５２およびスペーサＳ₁ 、Ｓ₂ は木製である。ガス交換装置３００のガス交換部３５０のガス交換膜３１０の間隔ｈ₁ ＝２５ｍｍ、ｈ₂ ＝５ｍｍに設定した。つまり、外気が通る通路の両面のガス交換膜３１０の間隔と内気が通る通路の両面のガス交換膜３１０の間隔とを非対称に設定した。ガス交換部３５０のサイズは６０ｃｍ×６０ｃｍ×３０ｃｍ、ガス交換膜３１０のサイズは５８ｃｍ×５８ｃｍ、ガス交換膜３１０の枚数は図３〜図６に示す例と同様に１９枚である。ガス交換装置３００（Ｇ×Ｂ) のガス交換膜３１０の総面積は約６．４ｍ² である。

（実施例２）
実施例２は第２の実施の形態に対応するものである。

図１４は実施例２において作製したガス交換装置３００を示す写真である。ただし、図１４では、ガス交換装置３００の正面の板を取り外し、内部のガス交換部３５０が見えるようにしている。平板３５１、３５２およびスペーサＳ₁ 、Ｓ₂ は木製である。ガス交換装置３００のガス交換部３５０のガス交換膜３１０の間隔ｈ₁ ＝ｈ₂ ＝１０ｍｍに設定した。つまり、外気が通る通路の両面のガス交換膜３１０の間隔と内気が通る通路の両面のガス交換膜３１０の間隔とを対称に設定した。ガス交換部３５０のサイズは３１ｃｍ×３１ｃｍ×３０ｃｍ、ガス交換膜３１０のサイズは３０ｃｍ×３０ｃｍ、ガス交換膜３１０の枚数は２９枚である。ガス交換装置３００（Ｇ×Ｂ) のガス交換膜３１０の総面積は約２．６ｍ² である。但し、ここでは、壁掛け式のエアコンディショナーの代わりに、生活等空間１０１の天井壁１０４の上に設置されたファン・フィルターユニットを用いた。天井壁１０４には、このファン・フィルターユニットの空気吸込口および空気吹出口に対応する部分にそれぞれ開口が対になって設けられている。そして、生活等空間１０１内の空気がファン・フィルターユニットの空気吸込口に対応する部分に設けられた開口から吸い込まれ、ファン・フィルターユニットの空気吸込口に入り、ファン・フィルターユニットによって清浄化された空気が全量、空気吹出口から生活等空間１０１内に吹き出されるようになっている。ファン・フィルターユニットの流量は約２０ｍ³ ／分とした。部屋１００の生活等空間１０１の体積は約７０ｍ³ である。障子４０１、４０２のガス交換膜３１０の面積は約３．３ｍ² である。

図１５は実施例２において使用した生活等空間１０１を内部から撮影した写真である。この生活等空間１０１の広さは約１７畳である。図１６は図１５に示す生活等空間１０１の１つの障子４０１の裏側の空間に図１４に示すガス交換装置３００が設置されている様子を示す写真である。

生活等空間１０１内で卓上ガスコンロを燃焼させたときの酸素濃度および二酸化炭素濃度の変化を測定した結果をそれぞれ図１７ＡおよびＢに示す。図１７Ｂは、内外で気流の交換のない（上の議論においてＦ＝０) の生活等空間１０１内において、ブタンのカセットガスコンロを全開で燃焼させて一旦二酸化炭素濃度を上昇させ、その後、ガス交換装置３００を稼働させた際の二酸化炭素濃度の変化を見たものである。酸素濃度はOxyman Plus OM-25MP01 （泰栄エンジニアリング）、二酸化炭素濃度はデータロガーMC-383SD(SATOTECH)を用いて測定した。ブタンの燃焼は
で記述される。これよりＢ’〜０．６Ｂと考えればよいことがわかる。燃焼により酸素が２０．９％から１９．９％まで、約０．０１（即ち１００００ｐｐｍ）減少する時には、二酸化炭素は、式（２０）より、
増加することが予測される。実際、図１７ＡおよびＢにおいて時刻１２：３０に、酸素が１９．８％まで減少したとき、二酸化炭素は、初期値約４００ｐｐｍから約６８００ｐｐｍまで増加しており、式（２０）からの予測とよく一致する結果が得られる。図１７Ａでは、酸素濃度と二酸化炭素濃度とにきれいな対称的な時間変化がみられることから、両者の濃度変化の時定数はほぼ同じであり、ガス交換膜３１０中の酸素と二酸化炭素の拡散定数もほぼ等しいことが見て取れる。時刻１１：１５までは、図９の向かって右手の障子４０２のガス交換膜３１０（ＧＥＭ２）（面積約３．３ｍ² ）を動作させ、時刻１１：１５より、向かって左手の障子４０１のガス交換膜３１０（ＧＥＭ１）（面積約３．３ｍ² ）も加わった。時刻１１：４５に１本目のブタンガス燃料が切れたので、２本目のブタンガス燃料を用い、ガスコンロを同じく全開で燃焼させた。満タンのブタンガス燃料であるので、直後、二酸化炭素濃度は増加する。この燃焼条件ではブタンガス燃料は、約８０分で空になる（ブタン２５０ｇが燃焼し尽す）ことがわかる。単位時間当たりの燃焼量から式（２）をもとに計算すると、これは約３１人分の酸素消費量に相当する。この人数は、図８に示す部屋１００の生活等空間１０１には入りきれない大人数であるが、酸素濃度は１９．８％と（ひとつの安全の目安である）１８．５％以上の値をキープしている。時刻１２：３０にガス交換装置３００（Ｇ×Ｂ) （総面積約２．６ｍ² ）を稼動させると、その濃度は減少に転じた（この振る舞いは上記の式（１６）できれいに記述される）。ガス交換膜３１０の近傍の気体流速の大きいガス交換装置３００がガス交換膜３１０より有利であることが示された。時刻１４：００において、二酸化炭素濃度は約４８００ｐｐｍと衛生的な限界値は下回っているが、この１７畳ほどの広さの生活等空間１０１に３１名が入ることは滅多にあることではないと判断されるが、この人数がこの部屋に長期滞在することは好ましくないことが示唆される。人数を数名（建築物環境衛生管理基準遵守には４名、学校環境衛生基準遵守には８名）に絞れば、障子４０１、４０２を用いた１００％循環フィードバックシステムおよびガス交換装置３００を備えた部屋１００の生活等空間１０１にて（室内外の間におけるバルクの気体[air mass]の交換によるところの換気風量はゼロであっても）長時間安心・安全に滞在できることもわかる。時刻１３：１０に３本目のブタンガス燃料に切り替えたが、二酸化炭素の減少傾向は続き、ガス交換装置３００の効果が確認できる。図１７ＡおよびＢを比較すると、この生活等空間１０１では、この中でガス交換膜３１０を用いた１００％循環フィードバックシステムおよびガス交換装置３００を稼働させると、生活等空間１０１内の酸素濃度の低下に歯止めがかかり、同時に、二酸化炭素濃度の上昇を抑えることがわかる。ガス交換が効率的に働いていることが実証された。

（実施例３）
図１８に示すように、幅約２０ｃｍ、長さ約８０ｃｍの箱が仕切り板により４つの空間に分けられ、それぞれの空間に山折り谷折りされたフィルター材が収納されたプレフィルター２５０を作製した。ここでは、フィルター材として、その作業性の良さから、アサヒペン障子紙Ｎｏ．５６４１を用いた。ダスト微粒子密度が高い従来の一般的な部屋の壁面に取り付けられた通常の壁掛け式のエアコンディショナーの上部の吸気口に図１８に示すプレフィルターを取り付けた例を図１９に示す。ただし、エアコンディショナーとしては株式会社日立製作所製のＲＡＳ−ＫＪ２２Ｂ（Ｗ）を使用した。エアコンディショナーの上部とプレフィルターとの間はテープで目張りした。

図１９に示す部屋で、吸気口にプレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００を運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を図２０に示す。図２０に示すように、プレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００の運転開始前、部屋はＵＳ ２０９Ｄ クラス１２万と塵埃が多かったのに対し、運転開始後、ダスト微粒子密度が急速に減少し始め、１０時間経過後には、ＵＳ ２０９Ｄ クラス４０００と、約１／３０までダスト微粒子密度が減少する。即ち、プレフィルター２５０に用いた中性能フィルターは捕集効率γが決して高いものではないにもかかわらず、既に述べた式（５）に従って良好な清浄度を達成できることが分かる。プレフィルター２５０の素材を、捕集効率γがより１に近く、かつ、圧力損失が低く風量が稼げるものとすることにより、式（５）に従って、格段に良好な清浄度を、より短時間に実現することが可能である。

ここで、プレフィルター２５０として用いられる中性能フィルターの寿命の評価を行った結果について説明する。構造をなす面の全てがガス交換膜よりなるテント状構造体を作製し、これをマンションの寝室の床に設置し、床に敷かれた敷布団の上で被験者が就寝した。テント内部の床にファン・フィルターユニットおよびダストカウンター（粒子数計測器）を設置した。ファン・フィルターユニットとしては、パナソニック株式会社製空気清浄機（Ｆ−ＰＤＨ３５）を用いた。この空気清浄機はγ＝９８％の中性能フィルターを用いたものである。この空気清浄機の連続運転によりテント内部を清浄化しながら、通常の生活リズムで被験者が就寝した。この空気清浄機を約４年間稼働させた後、ダストカウンターにより就寝中にテント内部のダスト微粒子数密度を計測した。その結果を図２１に示す。図２１に示すように、約４年間使用し続けた後でも、空気清浄機の動作特性は劣化していない。これは中性能フィルターは目詰まりが少ないことによるものである。

次に、図１９に示す部屋で、吸気口にプレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００の風量を低風量、中風量および高風量の３段階に変えて運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化および各風量での粒径別のダスト微粒子数の減少の様子を調べる実験を行った結果について説明する。エアコンディショナー２００を低風量、中風量および高風量で運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化をそれぞれ図２２、図２４および図２６に示す。エアコンディショナー２００を低風量、中風量および高風量で運転した時の部屋内の粒径別のダスト微粒子数の減少の様子をそれぞれ図２３、図２５および図２７に示す。図２２、図２４および図２６より、風量に関係なく、時間の経過とともに、粒径０．５μｍ以上の粒子数の総和は減少していることが分かる。また、図２３、図２５および図２７より、プレフィルター２５０のフィルター材として障子紙（アサヒペン障子紙Ｎｏ．５６４１）を用いているため、粒径１０μｍ以上の粒子は良く捕集することができるものの、粒径がより小さくなると捕集効率γが低下する傾向を示すが、エアコンディショナー２００の空気循環能力により部屋内の空気がプレフィルター２５０を繰り返し通って濾過されるため、粒径１０μｍ未満の粒子も時間の経過とともに少しずつ捕集が進むことが分かる。

（実施例４）
ダスト微粒子密度が高い従来の一般的な部屋の壁面に取り付けられた通常の壁掛け式のエアコンディショナーの上部の吸気口に図１８に示すプレフィルターを取り付けた例を図２８に示す。ただし、エアコンディショナーとしてはダイキン工業株式会社製のＳ２５ＴＴＥＳ−Ｗを使用した。エアコンディショナーの上部とプレフィルターとの間はテープで目張りした。

吸気口にプレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００を運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を図２９に示す。図２９に示すように、プレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００の運転開始前、部屋はＵＳ ２０９Ｄ クラス１０万と塵埃が多かったのに対し、運転開始後、ダスト微粒子密度が急速に減少し始め、４時間経過後には、ＵＳ ２０９Ｄ クラス４０００と、約１／２５までダスト微粒子密度が減少する。

（実施例５）
ダスト微粒子密度が高い従来の一般的な部屋の壁面に取り付けられた通常の壁掛け式のエアコンディショナーの上部の吸気口に市販の中性能フィルターをプレフィルター２５０として取り付けた例を図３０に示す。ただし、エアコンディショナーとしてはダイキン工業株式会社製のＳ２５ＴＴＥＳ−Ｗを使用した。エアコンディショナーの上部とプレフィルターとの間はテープで目張りした。図３１ＡおよびＢにプレフィルター２５０として用いた市販の中性能フィルター（ダイキン工業株式会社製集塵フィルターＫＡＦＰＯ４４Ａ４）を撮影した写真を示す。

吸気口にプレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００を運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を図３２に示す。図３２に示すように、プレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００の運転開始前、部屋はＵＳ ２０９Ｄ クラス１０万と塵埃が多かったのに対し、運転開始後、ダスト微粒子密度が急速に減少し始め、５０分経過後には、ＵＳ ２０９Ｄ クラス１０００と、約１／１００までダスト微粒子密度が減少する。

（実施例６）
ダスト微粒子密度が高い従来の一般的な部屋の壁面に取り付けられた通常の壁掛け式のエアコンディショナーの上部の吸気口に市販の中性能フィルターをプレフィルター２５０として取り付けた例を図３３に示す。ただし、エアコンディショナーとしてはダイキン工業株式会社製のＳ２５ＴＴＥＳ−Ｗを使用した。エアコンディショナーの上部とプレフィルターとの間はテープで目張りした。図３４ＡおよびＢにプレフィルター２５０として用いた市販の中性能フィルター（シャープ株式会社製空気清浄機交換用フィルターＦＺ−Ｚ５１ＨＦ）を撮影した写真を示す。

吸気口にプレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００を運転した時の部屋内のダスト微粒子密度の時間変化を測定した結果を図３５に示す。図３５に示すように、プレフィルター２５０を取り付けたエアコンディショナー２００の運転開始前、部屋はＵＳ ２０９Ｄ クラス３万と塵埃が多かったのに対し、運転開始後、ダスト微粒子密度が急速に減少し始め、１時間経過後には、ＵＳ ２０９Ｄ クラス３００と、約１／１００までダスト微粒子密度が減少する。

以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施の形態においては、例えば、酸素、二酸化炭素の例を挙げたが、これ以外に一酸化炭素ＣＯや硫化水素Ｈ₂ Ｓなど、温泉地域等の地域性や、練炭を使った鍋料理など状況に沿った変形応用が可能である（上記二酸化炭素に対して用いたξ、ξ₀ を、今注目するガス種についてのものと再定義すると、上記の式ならびに式変形自体はそのまま適用することができる。もちろん、通常の生活等空間１０１では、ＣＯ、Ｈ₂ Ｓに対してはξ₀ 〜０とできる）。また、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いても良い。

１０…給気口、２０…排気口、１００…部屋、１０１…生活等空間、１０３…屋根、１０４…天井壁、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ…開口、１０５、１０６…側壁、２００…エアコンディショナー、２５０…プレフィルター、２５０ａ…箱、２５０ｂ…仕切り板、２５０ｃ…フィルター材、３００…ガス交換装置、３０１…内気回収口、３０２…還流口、３０３…外気導入口、３０４…排出口、３１０…ガス交換膜、３５０…ガス交換部、３６０…包囲体、４０１、４０２…障子

Claims (1)

1. 少なくとも１つの部屋を有し、上記部屋は内部に閉空間である生活および／または活動空間を有し、上記生活および／または活動空間の壁面に壁掛け式のエアコンディショナーが取り付けられ、上記エアコンディショナーの上部の吸入口に中性能フィルターを用いたプレフィルターが取り付けられ、上記エアコンディショナーの吹き出し口から上記生活および／または活動空間の内部に流出する気体の全部が、上記プレフィルターの吸入口へ還流するように構成されている建築物に設置されて使用されるガス交換装置であって、
   少なくとも２つの気体吸入口と少なくとも２つの気体吐出口とを有する、閉空間を構成する箱状構造体を有し、
   上記少なくとも２つの気体吸入口の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の１つと連通するとともに、上記少なくとも２つの気体吸入口の他の１つが、上記少なくとも２つの気体吐出口の他の１つと連通し、
   上記２つの連通路は、おのおの独立流路を形成しつつも、ダスト微粒子を通さず、気体分子は通す膜を以てお互いに近接しながら隔てられるように構成され、
   上記部屋を取り囲む外部空間から導入される空気が上記気体吸入口の１つから上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記外部空間へと送出される一方、上記生活および／または活動空間の内気が上記気体吸入口の他の１つから上記箱状構造体に導入され、この気体吸入口と連通する上記気体吐出口から上記生活および／または活動空間へ還流され、
   上記膜が、下記（１）により求められる上記膜の面積Ａの下限値Ａ_min と、下記（２）により求められる上記膜の面積Ａ’の下限値Ａ’_min とに対し、ＭＡＸ（Ａ_min ，Ａ’_min ）以上の面積を有することを特徴とするガス交換装置。
   （１）上記膜の面積をＡ、厚みをＬ、上記膜中の気体分子の拡散定数をＤとした時、上記生活および／または活動空間に対し、法令またはその他の理由により要求される換気風量をＦとするとき、Ａ≧ＦＬ／Ｄを満たす上記膜の面積Ａ。
   （２）上記生活および／または活動空間の体積をＶ、上記膜の面積をＡ’、厚みをＬ、上記膜中の二酸化炭素の拡散定数をＤ’とした時、上記膜の面積Ａ’は｛（Ｖ／Ａ’）／（Ｄ’／Ｌ）｝でスケーリングさせて設定され、
   上記生活および／または活動空間内部の二酸化炭素発生レートをＢ’、外部と平衡状態にあり上記生活および／または活動空間内部で二酸化炭素発生の無い時の二酸化炭素濃度をξ_O 、上記生活および／または活動空間内部における目標二酸化炭素濃度をξ（ξ＜５０００ｐｐｍ）とした時、
   を満たす上記膜の面積Ａ’。