JP2010158656A - 低消費エネルギー化脱着方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費エネルギー化脱着方法と装置の提供。
【解決手段】低消費エネルギー化脱着方法及び装置は、電極を吸着材料に結合して通電させるものであり、電流が吸着材料に直接通電することにより吸着材料が脱着効果を起こし、更に吸着材料に吸着能力を維持させ持続的に作動させる。よって、本発明の方法と装置は脱着に必要なエネルギーを低減し脱着効率を向上させるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は一種の脱着方法と装置に係り、特に通電方式を使って材料に導電し脱着を行う低消費エネルギー化脱着方法と装置に関する。

よく見られる吸着材料には多孔性炭素、沸石、シリカゲル等があり、空気中の揮発性有機化合物（volatile organic compound: VOC）や水分を吸着し、使用時には多塔式構造もしくは回転ホイール構造によって連続操作を実現している。例えばある一つの塔が吸着を行う時、別の一つの塔は脱着再生を行い、吸着と脱着再生が飽和状態になった時、流路を交換する。回転ホイール式構造によって回転ホイールの面積上に脱着再生と吸着の異なるエリアを区分できるなら、ホイールの回転によって材料は吸着と脱着再生エリアを交替で通過し、連続運転の目的を達成する。

再生脱着方法は温度が極端に高い熱風が通過するだけで、熱風が吸着材料と被吸着分子を加熱することにより、分子の熱運動が吸着材料と被吸着分子間の結合力や吸引力を十分に破壊し、脱着目的を達成する。この種の脱着方法は先に空気を加熱しなければならず、更に空気と吸着材料間の伝熱によって脱着する為、空気加熱器から吸着材料間は容易に熱損失が起こり、加えて加熱器自身の加熱効率問題がある。よって脱着に必要なエネルギーの損失が極大となる。この他、コンパクトが要求される製品には十分な面積の加熱器を装着する空間が欠ける故、空気加熱時、加熱器自身の表面温度が極端に高くなり、予定外の放射熱損失が引き起こされる。

図１は除湿ホイールを使用する家庭用水滴式除湿機のエネルギー消費分析である。加熱器の表面温度が極端に高く、多くの加熱器の消費する電気エネルギーは輻射方式で発散される。図１での家庭用除湿機の消費エネルギー分析において水滴量は約6.6liter/day (20C,60%RH)であり、加熱器の消費電量は約600ワット、その内の479ワットは輻射熱であり、残りの121ワットだけが空気加熱に使用される。

公知のホイール吸着式除湿機は電熱器で側面気流を加熱再生して再生空気の温度を高めるものであり、前記技術の加熱脱着メカニズムは主に二部分に分けられる。
（1）気流熱交換気化：循環気流を加熱して温度勾配を起こし、熱交換に生じる熱量で除湿体内の除湿構造中の水分を気化する。高温の空気によって水蒸気脱着を可能とする故、極端に高いエネルギー消費量を必要とし、これにより乾燥除湿の目的を達成する。
（2）輻射熱気化：加熱器中の電熱ワイヤーは電流通過後高温を生じる。この熱量は輻射熱の形式で、除湿体内の構造中の水分子に輻射熱を直接吸収させて気化脱着する。輻射熱量と表面温度が四乗正比例を成す為、電熱器表面は全て400℃以上となり、輻射熱量は極端に高くなる。よって生じる水蒸気脱着効果は前記（1）の気流熱交換気化脱着よりはるかに良好となる。

前記（1），（2）の気化メカニズム分析によると公知の加熱式再生脱着方式は、循環気流の加熱が間接的な気化脱着を引き起こすか、もしくは輻射熱が水分子に吸収されるのと同時に大部分の輻射熱量も除湿体によって吸収される故、エネルギー源消費を避けることができず、輻射熱量が引き起こす吸湿構造体表面の温度上昇もまた水分子の吸着に不利となり、除湿能力を大幅に低下させる。よって加熱式再生脱着法は回転ホイール式除湿装置の消費エネルギーを極端に向上させ、これが除湿効率低下の主因となる。

前述問題を克服する為、図２に示す通り、特許文献１によって公知の除湿体水分の加熱脱着方式に代わるプラズマ利用方式を開示した。前記技術において除湿ユニット１０両側に設置した電極１１と電極１２がプラズマを発生して除湿ユニット１０の吸着する水分を脱離させる。しかし前記技術において電極１１と電極１２は除湿ユニット１０と直接接触しておらず、先端放電を使ってプラズマを発生させる方式によって除湿ユニット１０を脱着する。

日本特開２００１−１７９０３７号公報

エネルギー源消費を避けることができず、除湿能力を大幅に低下させる公知技術を改善する。

本発明の提供する低消費エネルギー化脱着方法は、吸着材料に直接通電することにより電流を吸着材料に通過させ、吸着材料の吸着された物質を脱着して吸着に必要なエネルギー源を低下させ、並びに脱着効率を向上させるものである。

本発明の提供する低消費エネルギー化脱着装置は、吸着材料の両側に電極を設置し、電極に通電することによって電流を吸着材料に通過させ、これによって吸着材料に吸着された物質を脱着するものである。また、電極に対応するエリアに気流をガイドする通路を設置し、これにより気流を通電する吸着材料に通過させて脱着速度を高めるものである。

一実施例において本発明の提供する低消費エネルギー化脱着方法は、吸着材料を用意し、吸着材料の両側に導電電極を結合し、並びに前記両側の導電電極に電圧を加えて吸着材料に電流を通過させて脱着するステップを含む。

別の実施例において本発明が更に提供する低消費エネルギー化脱着装置は、最低一物質を吸着する吸着材料と、吸着材料の両側に結合する一対の電極構造と、電極に結合し電極構造に電圧を提供して吸着材料に電流を通し脱着させる電圧源と、を備える。

別の実施例において本発明が更に提供する低消費エネルギー化脱着装置は、最低一物質を吸着する吸着材料と、吸着材料の両側に結合する一対の電極構造と、電極に結合し、電圧源は電極構造に電圧を提供して吸着材料に電流を通し脱着させる電圧源と、電極構造の一方側に設置する気流ガイド通路と、を備える。

本発明の提供する低消費エネルギー化脱着方法は、吸着材料に直接通電することにより電流を吸着材料に通過させ、吸着材料の吸着された物質を脱着して吸着に必要なエネルギー源を低下させ、並びに脱着効率を向上させることを特徴とし、また、本発明の提供する低消費エネルギー化脱着装置は、吸着材料の両側に電極を設置し、電極に通電することによって電流を吸着材料に通過させ、これによって吸着材料に吸着された物質を脱着する。電極に対応するエリアに気流をガイドする通路を設置することにより気流を通電する吸着材料に通過させて脱着速度を高めることを特徴とする。

除湿回転ホイールを使用する家庭用水滴式除湿機のエネルギー消費分析図である。 特許文献１の開示した公知の除湿体水分の加熱脱着方式に代わるプラズマを使用した方式図である。 本発明の低消費エネルギー化脱着方法に関する実施例のフローチャートである。 本発明の低消費エネルギー化脱着装置に関する実施例図である。 本発明の電極構造正面図である。 本発明の電極構造と吸着材料断面図である。 本発明の電極構造作動図である。 本発明の電極構造と気流ガイド通路の結合図である。 除湿機に使用した除湿ホイールのテスト結果である。

本発明の特徴、目的、及び効果に対する更なる御理解を戴く為に、下記に本発明装置に関する細部構造及び設計理念等を説明する。これにより本発明の特徴を御理解戴けることであろう。詳細説明は次の通りである。

図３に、本発明の低消費エネルギー化脱着方法に関する実施例のフローチャートを示す。その方法は次のステップを含む。即ち、まずステップ２０において吸着材料を用意する。前記吸着材料は揮発性有機化合物、窒素、或いは水を吸着する為のものであるがこれに制限されないものとする。一般に言えば、比較的よく見られる吸着材料は家庭用除湿設備に応用されるもので、例えば除湿ホイール式除湿設備であるが、これに制限されないものとする。吸着材料の材質は、沸石、シリカゲル、活性炭、ナノカーボン管、金属有機フレームワーク（metal organic framework）等の多孔性材質である。この他、吸着材料は水素除去金属の非多孔性材質とすることも可能である。

続いてステップ２１において、前記吸着材料の両側には導電電極を結合する。その後、ステップ２２において、両側の導電電極に電圧を加えて吸着材料上の一物質を吸着材料から脱離させる。本実施例において加える電圧は交流電圧または直流電圧とする。電流が吸着材料を通過すると温度上昇が起こり、同時に被吸着分子と吸着材料間の結合力に影響を与え、よって脱着効果を引き起こす。電流通過のメカニズムは吸着材料中のイオン遷移とすることが可能であり、被吸着分子の解離が引き起こすイオンまたはプロトンの伝導とすることも可能であり、または二種作用の総合結果とすることも可能である。もし吸着対象が水分子であるなら、水分子は吸着材料中のイオンに対する作用により導電率を高める。どのような方法を採用しても、材料に直接作用する故に空気を予め加熱する必要がなく、よって効果は直接的で熱損失を減少させ、脱着エネルギーの消費を低下させる。ステップ２２においては更に気流を加え、熱気流に通電脱着エリアを通過させる。熱気流の流動により更に脱着速度を速め、吸着材料の脱着効果を高める。一実施例において気流は加熱を経て比較的高温度の気流となり吸着材料の脱着効果を高める。

図４に、本発明の低消費エネルギー化脱着装置に関する実施例図を示す。実施例において脱着装置３は吸着材料３０、電極構造３１と電極構造３２、及び電圧源３３を備える。吸着材料３０は最低一物質を吸着し、吸着材料３０及び吸着可能な物質は前述の通りである故、ここでは説明を省く。電極構造３１と電極構造３２は吸着材料３０の両側に結合する。電圧源３３は電極構造３１と電極構造３２に結合し、電圧源３３は電極構造３１と電極構造３２に電圧を提供する。電圧源３３は直流電圧または交流電圧とする。電極構造３１と電極構造３２は吸着材料３０の二端に加える故、通電後、吸着材料３０に電流が通過すると脱着される。

除湿ホイールの除湿設備を例に挙げると、除湿ホイールの回転時に除湿ホイールの吸着材料の特定エリア内だけに脱着反応を発生させ、吸着材料のその他エリアに吸着効果を維持させる為に、電極上に更に絶縁体を備えて電極を複数エリアに分割する。各エリアの間には絶縁体がある故、電極通電時に特定エリアだけの導電を確保し、吸着材料上の通電する電極エリアに脱着効果を生じさせ、その他の通電されていない電極エリアは吸着能力を維持する。

図５に、本発明の電極構造正面図を示す。本実施例において電極構造３１を例にとると、電極構造３１はネット状金属電極３１０及び絶縁枠体３１１を備える。ネット状金属電極３１０の材料には一定の制限はなく、導電可能な金属材料であればよい。ネット状金属電極３１０の外周は金属枠３１２を備え、ネット状金属電極３１０の平坦性を維持し、並びに回転時のブラシ３３０に接触する接触点とする。絶縁枠体３１１はネット状金属電極３１０内部に設置し、ネット状金属電極３１０内を複数の脱着構造エリア３１３に区分する。絶縁枠体３１１はネット状金属電極３１０を複数の導電エリアに分割する他、更にネット状金属電極３１０構造を強化し、並びにネット状金属電極３１０の平坦度を維持する。隣接する脱着構造エリア３１３間に絶縁枠体３１１がある故、相互に絶縁され、ブラシ３３０が金属枠３１２に接触する時は、金属枠３１２に連結する脱着構造エリアだけに導電し、隣接する脱着構造エリアに影響を与えることはない。

図６に、本発明の電極構造と吸着材料断面図を示す。ネット状金属電極３１０と吸着材料３０間に導電層３１４を塗布し、接触電気抵抗を低下させ、並びに電流を均等分布させる。本実施例において導電層３１４はシルバーペーストまたはその他導電性材料とする。図７に、本発明の電極構造作動図を示す。吸着材料３０の両側にはそれぞれ電極構造３１と電極構造３２を備え、吸着材料３０の回転時、ブラシ３３０と接触する金属枠３１２はそれに対応する脱着構造エリアに接触し、脱着構造エリアに導電させる。本発明の電極構造３１と電極構造３２は絶縁枠体３１１と絶縁枠体３２１を備える設計である為、ブラシ３３０が電極構造３１と電極構造３２の金属枠３１２と金属枠３２２に接触した時、導電は接触位置に対応する脱着構造エリアだけとなる故、脱着構造エリアに対応する吸着材料３００だけに電流が流れて脱着を起こす。通電に対応しない吸着材料３０の場合は、吸着動作を継続し、吸着材料３０に吸着及び脱着の同時効果を持たせることが可能となる。図８に示す通り、ブラシ３３０が接触する脱着構造エリアに対応する両側には更に気流ガイド通路３４を設置する。気流ガイド通路３４は気流９０を通電する脱着構造エリア内に導入し、気流が通電する脱着構造エリアの吸着材料を通過することにより、被脱着物質をガイドし、脱着速度を高める。気流の物質ガイド効率を高める為に、気流９０は加熱した高温度気流とし、脱着を助けて更に脱着速度を高める。

前述脱着方法は導電能力を備える何れの吸着材料と被吸着分子の組み合わせに適用することが可能であり、実施する場合は固定ベッドや塔式脱着に応用し、回転ホイールの脱着に応用することが可能である。例えば家庭用回転ホイール水滴式除湿機への応用である。図９は除湿機中に使用する除湿ホイールのテスト結果である。元来の除湿機の脱着水量は約6.6リットル（20℃、60％ＲＨ）、脱着は熱風加熱方式を採用し、必要な消費電量は６００ワット（図１参照）、脱着１ｇの水量に当たり、７８５４Ｊエネルギーを必要とする。除湿ホイールが回転しない実験において、電極通電及び非熱風脱着を採用した場合、消費エネルギーは4200〜4700J/gだけである。図９の縦軸は除湿ホイール重量の下降程度であり脱着水量を示し、横軸は時間である。異なる曲線は多数の実験を示し、毎回の実験時間の長さは異なる。図９で示した数字は実際に測定した消費エネルギーを脱着水量で割り得た数値である。図９でわかる通り、電極通電を採用する方法は45％以上のエネルギー節約が可能である（7854 J/gから4200 J/gに下降）。図９のデータは除湿ホイールが回転しない状況下で行ったテストであるが、同様の原理は各種状況に応用でき、塔式や回転式の回転ホイールを含み、異なるのは電極接触型式の変化だけである。

前述はただ単に本発明の実施例であるだけで、これを以って本発明の範囲を制限することはできない。本発明の特許請求の範囲に基づいて為された同等価値の変化及び修飾は全て、本発明の意義を消失しておらず、本発明の精神と範囲を逸脱していない故、本発明の一実施例と見做すものとする。

１０ 除湿ユニット
１１ 電極
１２ 電極
２ 低消費エネルギー化着脱方法
２０ ステップ
２１ ステップ
２２ ステップ
３ 脱着装置
３０ 吸着材料
３００ 吸着材料
３１ 電極構造
３２ 電極構造
３１０ ネット状金属電極
３１１ 絶縁枠体
３２１ 絶縁枠体
３１２ 金属枠
３２２ 金属枠
３１３ 脱着構造エリア
３１４ 導電層
３３ 電圧源
３３０ ブラシ
３４ 気流ガイド通路
９０ 気流

Claims (14)

1. 吸着材料を用意し、
   吸着材料の両側に導電電極を結合し、
   前記両側の導電電極に電圧を加えて吸着材料に電流を通過させ脱着するステップを含むことを特徴とする低消費エネルギー化脱着方法。
2. 最低一物質を吸着する吸着材料と、
   吸着材料の両側に結合する一対の電極構造と、
   前記電極に結合し、電極構造に電圧を提供して吸着材料に電流を通し脱着させる電圧源と、を備えることを特徴とする低消費エネルギー化脱着装置。
3. 前記吸着材料は除湿に用いる吸着材料であることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
4. 前記吸着材料の吸着する物質は水、揮発性有機化合物、或いは窒素であることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
5. 電圧を加えた後、気流が吸着材料を通過し、吸着材料を脱着した物質を吸着材料からガイドすることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
6. 前記気流は加熱した気流であることを特徴とする請求項５記載の低消費エネルギー化脱着方法。
7. 前記電圧は交流電圧または直流電圧であることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
8. 前記吸着材料は多孔性物質であることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
9. 前記吸着材料は非多孔性物質であることを特徴とする請求項１記載の低消費エネルギー化脱着方法、若しくは請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
10. 前記各電極構造は、
    ネット状金属電極と、
    ネット状電極上に設置してネット状電極を相互に絶縁となる複数の電極に分割する複数の絶縁枠体と、を備えることを特徴とする請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
11. 前記の相互に絶縁となる複数の電極は脱着構造であることを特徴とする請求項１０記載の低消費エネルギー化脱着装置。
12. 各電極構造と吸着材料間には更に導電層を備えることを特徴とする請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
13. 前記金属電極の相互に対応する位置上には更に気流ガイド通路を備えることを特徴とする請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。
14. 前記低消費エネルギー化脱着装置は回転運動を行うことを特徴とする請求項２記載の低消費エネルギー化脱着装置。

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