JP2007117942A - 除湿エレメントおよび除湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い相対湿度領域において優れた除湿性能を有する除湿エレメント、除湿装置を提供する。
【解決手段】活性炭と低温再生可能なゼオライトを直列に配置し、吸着上流側であり脱着下流側である位置に活性炭が配置され、吸着下流側であり脱着上流側である位置に低温再生可能なゼオライトが配置された事を特徴とする除湿エレメント。

Description

本発明は、水分を含有するガス、特に高相対湿度のガスの除湿、乾燥を目的とした除湿エレメント、除湿装置に関するものであり、更に詳しくは、水分を含有するガスを吸着と脱着の操作を連続的に行ない処理するにことに適した除湿エレメント、除湿装置に関するものである。

ガス中の水分を除去することを目的とした除湿装置は、工業的用途・家庭的用途を問わず広く用いられおり、水分除去方法の一つとして、ゼオライト、シリカゲル、活性炭などの吸着材を用いて処理を行なう方法が知られている。

これら、吸着剤の中で、活性炭は古くから細孔径および比表面積の特徴を活かして、主に有機溶剤除去などに使用されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、活性炭を除湿目的に用いた場合、活性炭は低湿度化する能力が低く、達成できる湿度には高い限界があった。

かかる不具合を解消するため、低相対湿度の吸着率を向上することを目的として、細孔径が小さく表面官能基を付与させて低相対湿度で性能を有する活性炭の製造方法について開示されている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、かかる方法により得られた活性炭は、吸着できる水分の量が小さくなるという問題点がある。

一方、ゼオライトは特に低相対湿度における吸着率が優れ、低相対湿度の水分を含有するガスの処理には有効であり、特徴を有している。

しかし、ゼオライトの水分の吸着特性は、中相対湿度より高い領域では効果が薄くなり、中相対湿度から高相対湿度にかけてほぼ同じ吸着率になるため、他の吸着材と比較して高相対湿度では吸着率が劣る。

また、特許文献３では低温再生可能なゼオライトを用いる方法が開示されている。かかる低温再生可能なゼオライトは、細孔径とシリカ・アルミナ比等を調整することで脱着温度が低い場合でも除湿が可能である事を示している。

しかしながら、シリカゲルは、広い相対湿度範囲にわたっての平均的吸着率が良いが、特定の領域においては他の吸着材に劣り、具体的には、低相対湿度ではゼオライトより劣り、高相対湿度では活性炭に劣る。また、熱に弱く、脱着温度を高くするとシリカゲルが変質する恐れがある。

このように、広い相対湿度範囲にわたって優れた吸着性能を有する除湿エレメント、除湿装置が得られておらず、特に高相対湿度において十分な吸着性能を有する除湿エレメント、除湿装置は存在しないのが現状である。

特公平０６−１０４３５０号公報 特開平０２−２３２０８号公報 特開２００１−１４９７７７号公報

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、広い相対湿度域、特に高相対湿度下において優れた除湿性能を有する除湿エレメント、除湿装置を提供することを課題とするものである。

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、遂に本発明を完成するに至った。即ち本発明は、（１）活性炭と低温再生可能なゼオライトを直列に配置したことを特徴とする除湿エレメント、（２）吸着上流側である位置に活性炭が配置され、吸着下流側である位置に低温可能なゼオライトが配置されていることを特徴とする（１）記載の除湿エレメント、（３）脱着下流側である位置に活性炭が配置され、脱着上流側である位置に低温再生可能なゼオライトが配置された事を特徴とする（１）又は（２）に記載の除湿エレメント、（４）活性炭が、比表面積１４００ｇ／ｍ²以上、平均細孔径１０〜２０Åである事を特徴とする（１）〜（３）いずれかに記載の除湿エレメント、（５）低温再生可能なゼオライトが、シリカ／アルミナ比が４〜７、細孔径６〜８Åのゼオライトである事を特徴とする（１）〜（４）いずれかに記載の除湿エレメント、（６）活性炭と低温再生可能なゼオライトがハニカム状構造体に成形されている事を特徴とする（１）〜（５）いずれかに記載の除湿エレメント、（７）ハニカム状構造体が、円筒状もしくは円柱状の形状を成している事を特徴とする（６）記載の除湿エレメント、（８）水分を含有するガスを吸着と脱着の操作を連続的に行ない処理する際に、（１）〜（７）いずれかに記載の除湿エレメントが加熱空気により脱着される工程を含むことを特徴とする除湿装置、である。

本発明による除湿エレメント、除湿装置は、低相対湿度から高相対湿度環境、特に高相対湿度領域において高い除湿性能を有し、広い分野で利用できるという利点がある。

以下本発明を詳細に説明する。
本発明の除湿エレメントは、活性炭と低温再生可能なゼオライトをからなることが好ましい。
活性炭は、低相対湿度における除湿性能は極端に低いが、高相対湿度においては、毛管凝縮により多量の水分を保持する能力を有し、一方、低温再生可能なゼオライトは水分の保持能力は低いが、低相対湿度で高い除湿性能を有し、両者の短所を補い合い、長所を引き出すことができることを本願発明者等は見出したからである。

なお、本発明でいう低温再生可能なゼオライトとは、例えば、温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２０ｗｔ％以上、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２０ｗｔ％以下の性能を有するゼオライトが望ましく、さらに、温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２４ｗt％以上、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率１５ｗｔ％以下の性能を有するゼオライトが望ましい。
すなわち、高温で再生するゼオライトは、一般的には水分吸着能力は大きいが、一旦水分が吸着すると脱着が困難となる。そのため、家庭用用途等における実用温度領域においては、吸着できる絶対量が少なくても、低温再生可能なゼオライトを用いることにより、効果的に低相対湿度領域での除湿性能を発揮する。更に望ましくは、温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２７ｗｔ％以上、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ‘における水分吸着率７ｗｔ％以下の性能を有するゼオライトである。

活性炭と低温再生可能なゼオライトの配置は、例えば２つの吸着材をあらかじめ混合したり、２つを並列に配置したりする事が考えられるが、直列に配置することが好ましい。直列に配置することにより、活性炭及びゼオライトの長所を損なうことなく、短所を補うことができるからである。

またその配置は吸着上流側であり、脱着下流側に活性炭を、さらに吸着下流側であり、脱着下流側に低温再生可能なゼオライトを配置することが好ましい。
本願発明者等は除湿エレメントおよび除湿装置に適用する吸着材、すなわち各吸着材の水分吸着率と除湿エレメント層長における相対湿度の変化について関して鋭意検討を行なった。その結果、除湿エレメント層長における相対湿度の変化に関しては、被処理ガスが吸着入口から吸着出口に向かうに従い、除湿エレメント内の除湿材により処理ガスの水分が吸着され、徐々に処理ガスの相対湿度は低下し、更に除湿エレメント内に脱着温度の残存があるため除湿エレメント内に熱が残り、更に相対湿度が低下し、吸着下流側に向かうに従い温度が上昇し、特に著しく相対湿度が低くなる現象を知見した。例えば温度３０℃であり相対湿度８０ＲＨ％の高相対湿度のガスの除湿を行なう場合には、上記の現象により吸着最下流の温度は６０℃、相対湿度は１０％以下となる。現状では高相対湿度と低相対湿度のどちらも著しく除去性能が高い吸着材はなく、エレメントの除湿性能を高めるのは、高相対湿度の吸着率が高い吸着材と低相対湿度に対する吸着率が高い吸着材の併用が有効であり、その吸着材の配置が重要である事を見出したものである。

本発明の除湿エレメントに用いられる活性炭と低温再生可能なゼオライトの配置割合は、常に１：１では無く、処理するガスの条件によって変更することができる。被処理ガスが吸着入口から吸着出口に向かうに従い、除湿エレメント内の吸着材により処理ガスの水分が吸着され、徐々に処理空気の相対湿度は低下するため、例えば特に比較的低相対湿度のガスを処理する場合、吸着入口に近い側で低相対湿度の状態になるため、除湿エレメントの配置割合を（低温再生可能なゼオライト：活性炭＝５：１）のようにする事が好ましい。また比較的高相対湿度のガスを処理する場合、吸着出口に近い側で低相対湿度の状態になるため、除湿エレメントの配置割合を例えば（低温再生可能なゼオライト：活性炭＝１：５）のようにする事が好ましい。
つまり、低温再生可能なゼオライト：活性炭の組成比は、１：５〜５：１の範囲で変化させる事が好ましく、さらに好ましい組成比は１：３〜３：１の範囲である。

本発明の除湿エレメントに用いられるゼオライトの種類は、Ａ型、Ｘ型、Ｙ型、モルデナイトなどがあるが、望ましいゼオライトは、シリカ/アルミナ比が３〜３０であり、細孔径は６〜８ÅであるモルデナイトもしくはＹ型ゼオライトであり、より望ましくはシリカ/アルミナ比が４〜１０、細孔径は７Åである事Ｙ型の低温再生可能なゼオライトが望ましい。シリカ/アルミナ比が３より小さいとＡ型のゼオライトと同様の特性を示す事になり、シリカ／アルミナ比が３０を超えるとシリカの撥水作用で水分吸着率が著しく低下するためである。

本発明の除湿エレメントに用いられる活性炭は、粉末炭、粒状炭、ビーズ炭、破砕炭、繊維状活性炭など様々な種類があるが、粉末炭もしくは繊維状活性炭が望ましい。粉末炭の場合、除湿エレメントに含まれる繊維は粉末炭の捕捉作用に優れる。また、繊維状活性炭の場合、除湿エレメントに含まれる繊維と良好に絡みシートとして吸着材の脱落の恐れがない。しかし特にこれに限られるものではない。

本発明の除湿エレメントに用いられる活性炭は、比表面積７００ｇ／ｍ２以上、平均細孔径１０〜２０Åである事が好ましく、より望ましくは比表面積１４００ｇ／ｍ２以上が望ましい。比表面積７００ｇ／ｍ２より小さいと高相対湿度で性能が劣るためである。

本発明の除湿エレメントの構造は、吸着材をフェルト状、シートを格子状、粒状、球状、ハニカム状などの形状があるが、好ましくはハニカム構造体に成形したものが望ましい。それはミストやゴミによる目詰まりの防止、低圧損化、軽量化の点でハニカム状が優れているからである。

本発明の除湿エレメントの構造であるハニカム状構造体は、円柱状もしくは円筒状に形状されたハニカム構造体が望ましい。円柱状とは、芯材にハニカムを巻き付けてローター状にした形状の事を指し（図１）、円筒状とは、平行にガスが通気するようにハニカムを複数積層し、処理ガスが中心から径方向に向かって通気するようにハニカム積層体を円周に配置する形状を指す（図２参照）。これら円筒状、円柱状に吸着ゾーン及び再生ゾーンを設け、中心軸を中心に回転させ、吸着と脱着の処理を効率良く連続に行なう事が出来、更にフェルト状、フィルム上などと比べて圧損が低い。しかし、形状は円筒状もしくは円柱状に限られるものではない。

本発明のハニカム構造体は、中でも押出し成形法やシート状からハニカム構造体を成形する方法など多数有るが、シート状からハニカム構造体を成形する方法が望ましい。しかし特にこれに限る事はない。

本発明におけるシート状を抄造するための繊維は、シート状に除湿材を担持させる為にフィブリル化された繊維が好ましい。さらに脱着時には加熱空気を用いる為、耐熱性繊維が望ましい。具体的にはアラミド繊維が好ましいが、特にこれに限る事ではない。また抄造用バインダーとしてＰＶＡやでん粉などあるが、特にこれに限る事はない。

本発明の除湿エレメントに含まれる除湿材の量は４０〜８５重量％の範囲が望ましく、除湿性能及び除湿材の脱落等を考慮すると、６０〜８５重量％が好ましい。その理由は４０重量％未満では十分な除湿性能を得る事が出来ず、８５重量％を超えると、除湿材の脱落が多くなる為である。除湿エレメントに含まれる繊維の量は各々２〜２０重量％が望ましく、除湿材の脱落及びシート強度等を考慮すると２〜１０重量％が好ましい。その理由は２重量％未満ではシート強度が極端に低下したり除湿材の脱落が多くなり、２０重量％を超えると、除湿性能が急激に低下するためである。除湿材に含まれる抄造用バインダーの量は３〜２０重量％が望ましく、除湿性能及び除湿材の脱落等を考慮すると、３〜１０重量％が好ましい。その理由は３重量％未満では、除湿材の脱落が多くなり、２０重量％を超えると極端に除湿性能が低下するためである。

本発明のシート状の坪量は５０〜２００ｇ／ｍ２が望ましく、より望ましくは５０〜１００ｇ／ｍ２の範囲である。その理由は、坪量５０ｇ／ｍ２未満の場合は、除湿材の含有量が少なくなる事で除湿性能が低下するためである。坪量２００ｇ／ｍ２を超えた場合、紙圧が高くなり、ハニカム状構造体にした場合、圧損が増大するためである。

本発明のハニカム状は、エレメントの端面部が円形、正方形や台形などその他の多角形が望ましく、より望ましくは一方のシート状物をライナー部として他方のシート状物を波型とした形である。それは、他の形と比較して作成が容易であるためである。しかし特にこれに限るものではない。

本発明のハニカムのハニカムフルートは、波長が０．８５〜３．０ｍｍ、波高は２．０ｍｍ〜５．０ｍｍが望ましく、より望ましくは波長が０．９５〜２．５ｍｍ、波高が２．０〜４．２ｍｍの範囲である。波長０．８５ｍｍ未満、波高が２．０ｍｍ未満の場合、ハニカムの通気孔が小さい為、処理ガスを通流時に圧損が増大する恐れがある。また波長３．０ｍｍを超えて、波高が５．０ｍｍを超える場合、除湿性能が悪くなる恐れがある。

本発明の除湿エレメントの除湿材に吸着された水分を脱着する方法は、加熱する方法や系の圧力を下げる方法など多数有るが、加熱空気が望ましい。それは、系の圧力を下げる脱着方法は装置が大きくなり、またコストが高くなるからである。しかし特に加熱する方法に限定されるものではない。

本発明の処理装置は、除湿エレメントにより水分を吸着させる一方、水分を吸着した除湿エレメントに加熱空気を通気させ、除湿エレメントに吸着した水分を脱着させる。つまり除湿エレメントに吸着ゾーンと脱着ゾーンを設け、吸着と脱着を交互に繰り返すことにより、水分を連続的に処理する。
さらに詳細に述べると、処理装置では、除湿エレメントを回転可能に配設し、除湿エレメントが回転する領域を原ガスが通気する範囲と加熱空気が通気する範囲の二分にし、除湿エレメントを回転させて、その回転の間に除湿エレメントを原ガスが通気する範囲と加熱空気が通気する範囲を交互に通過させて、原ガス内の水分を除湿エレメントに吸着させた後、除湿エレメントに吸着させた水分を加熱空気により脱着させる。

次に実施例及び比較例を用いて、本発明を具体的に説明するが、ガス中の除湿量は下記の方法により測定して評価した

（ガス中の除湿量の測定）
除湿エレメントを有する水分含有ガス処理装置を用い、処理性能である除湿量Ｇの測定を行なう。除湿量Ｇは次式にて求める。また測定に使用する除湿エレメントのサイズは波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム積層し、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×４００ｍｍＬのサイズとした。
Ｇ(ｇ／ｋｇ−Ａｉｒ)＝Ｉ−Ｏ
ここでＩは処理ガスの入口絶対湿度(ｇ／ｋｇ−Ａｉｒ)
Ｏは処理ガスの出口絶対湿度(ｇ／ｋｇ−Ａｉｒ)
Ｉの処理ガスの入口絶対湿度及びＯの処理ガスの絶対湿度の測定は、装置運転開始から１時間以上経過後に吸着と脱着操作が十分に繰り返され処理ガスの出口絶対湿度が行って一定の値を示し変化をしなくなる、つまり処理ガスの出口絶対湿度が安定する間で行なう。
この吸着エレメントの評価方法の仕様は以下の通りである。
吸湿ガス面風速：２ｍ／ｓ
吸湿ガス温度：３０℃
吸湿ガス湿度：８０ＲＨ％
再生ガス温度：１４０℃
再生空気比：０．３３
ゾ−ン比：０．２５
但し、
再生空気比＝(脱着風量)／(吸着風量)
ゾ−ン比＝(脱着ゾーン面積)／（(吸着ゾーン面積)＋(脱着ゾーン面積)）

［実施例１］
吸着剤として活性炭を６０重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカム成形体を吸着前段側２００ｍｍに配置した。次に、吸着材としてシリカ／アルミナ比が６、細孔径７ÅのＹ型ゼオライト、すなわち低温再生型ゼオライト（温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２８ｗｔ％、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ’における水分吸着率６ｗｔ％）を８５重量％とその他の構成材料を１５重量％湿式抄紙法によりシートを得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカム成形体を吸着後段側２００ｍｍに配置した。これら２つの除湿エレメントが直列になるように配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

［比較例１］
吸着剤として活性炭を６０重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形する。このハニカムを４００ｍｍの除湿エレメントにして配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

［比較例２］
吸着材としてシリカ／アルミナ比が６、細孔径７ÅのＹ型ゼオライト（温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２８ｗｔ％、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ’における水分吸着率６ｗｔ％）、すなわち低温再生型ゼオライトを８５重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカムを４００ｍｍの除湿エレメントにして配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

［比較例３］
吸湿材として活性炭を４０重量％とシリカ／アルミナ比が４〜１０、細孔径７ÅのＹ型ゼオライト（温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２８ｗｔ％、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ’における水分吸着率６ｗｔ％）、すなわち低温再生型ゼオライトを４０重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形する。このハニカムを４００ｍｍの除湿エレメントにして配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

［比較例４］
吸湿材として汎用ゼオライト、すなわち１３Ｘ型ゼオライト（温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率２９ｗｔ％、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ’における水分吸着率１８ｗｔ％）を８０重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカムを４００ｍｍの除湿エレメントにして配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

［比較例５］
吸湿材としてシリカ／アルミナ比が１０以上、粒径６μｍ、細孔径８ÅのＹ型疎水性ゼオライト（温度３０℃湿度１５ｇ／ｋｇ'における水分吸着率３ｗｔ％、温度１００℃湿度１５ｇ／ｋｇ’における水分吸着率１ｗｔ％）を８０重量％含むシートを湿式抄紙法により得た。そのシート状物をハニカム成形機を用いて、耐熱性有機接着剤をハニカム成形用接着剤として使用し、波長３．４ｍｍ、波高２．１ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカムを４００ｍｍの除湿エレメントにして配置した。得られた除湿エレメントを用いて除湿性能の評価を行なった。

実施例及び比較例の、各種条件での除湿量を表１に示す。

表１より、説明したように本発明の除湿エレメントは、吸着前段側には活性炭を用いた吸着材を配置し、吸着後段側には低温再生型ゼオライトを用いた吸着材を直列に配置する事で、特に高相対湿度において高性能な除湿エレメントとなることがわかる。

本発明の除湿エレメント及び除湿装置は、広い相対湿度領域、特に高相対湿度において優れた除湿性能を発揮するため幅広い用途分野に利用することができ、産業界に寄与すること大である。

ハニカム−円柱状 ハニカム−円筒状

Claims (8)

1. 活性炭と低温再生可能なゼオライトを直列に配置したことを特徴とする除湿エレメント。
2. 吸着上流側である位置に活性炭が配置され、吸着下流側である位置に低温可能なゼオライトが配置されていることを特徴とする請求項１記載の除湿エレメント。
3. 脱着下流側である位置に活性炭が配置され、脱着上流側である位置に低温再生可能なゼオライトが配置された事を特徴とする請求項１又は２に記載の除湿エレメント
4. 活性炭が、比表面積１４００ｇ／ｍ²以上、平均細孔径１０〜２０Åである事を特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の除湿エレメント。
5. 低温再生可能なゼオライトが、シリカ／アルミナ比が４〜７、細孔径６〜８Åのゼオライトである事を特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の除湿エレメント。
6. 活性炭と低温再生可能なゼオライトがハニカム状構造体に成形されている事を特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の除湿エレメント。
7. ハニカム状構造体が、円筒状もしくは円柱状の形状を成している事を特徴とする請求項６記載の除湿エレメント。
8. 水分を含有するガスを吸着と脱着の操作を連続的に行ない処理する際に、請求項１〜７いずれかに記載の除湿エレメントが加熱空気により脱着される工程を含むことを特徴とする除湿装置。
   

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