JP2014091103A - 省エネ型小容積の低湿度作業装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないエネルギーで、室内の露点を任意の露点に高精度で制御できる小容積低湿度作業装置を、装置の操作を複雑にすることなく提供する事を目的とする。
【解決手段】除湿ロータ１をその回転方向に対して、吸着ゾーン２、パージゾーン３、再生ゾーン４に分割し、外気を吸着ゾーン２に通過させ、一部を供給先の小容積低湿度作業空間５に供給するようにし、残りの一部を前記小容積低湿度作業空間からの還気路に連通した流量制御装置を備えたバイパス経路を通過させ前期吸着ゾーンに戻すようにした。小容積低湿度作業空間５内の露点温度制御を再生温度比例制御と前記バイパス流量制御を組み合わせることにより、少ないエネルギー消費量で任意の露点温度に精度良く制御できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的容積の小さな空間（３ｍ３以下）で、露点温度が摂氏マイナス１０度〜摂氏マイナス８５度（以降、温度は全て「摂氏」とする）のエネルギー消費が少ない低湿度作業空間を実現する装置に関するものである。

低湿度作業空間は、例えばリチウムイオン電池や、リチウムイオン・キャパシタなどの開発や製造などのために必要になる。リチウムは、水分があると常温でも窒素と反応し窒化リチウム (Ｌｉ３Ｎ) を生ずる。窒化リチウムは室温で水と反応し、水酸化リチウム (ＬｉＯＨ) とアンモニア (ＮＨ３) に分解する。また、二酸化炭素 (ＣＯ２) とも反応して炭酸リチウム (Ｌｉ２ＣＯ３)に化学変化してしまい、したがって、その作業空間は、低湿度に保たれなければならない。

また、液晶表示装置に代わる次世代フラットパネルディスプレイとして期待される有機ＥＬ表示装置などに用いられる有機ＥＬ素子は、固体発光型の安価な大面積フルカラー表示素子や書き込み光源アレイとしての用途が有望視されており、活発な研究開発が進められている。しかし、有機ＥＬ素子に用いられる有機発光材料等の有機物質や電極等は水分に弱く性能や特性が急激に劣化する。

一方、近年、リチウムイオン電池やリチウムイオン・キャパシタ、また有機ＥＬなどの開発や改良が激化している。これらの開発に伴う実験の際に、極めて低い露点の小容積空間（例えばグローブボックスや、ドライチャンバー、ワークブース等容積が３ｍ３以下の空間）が必要となる。

また、シリカゲルやゼオライトを吸着剤とする除湿ロータを用いた除湿機を採用すると、作業空間の中の空気の露点をマイナスまで下げることが容易である。しかし、現行の２段ないし３段の除湿ロータを用いる超低露点除湿機は、除湿機が大型になりイニシャルコストが高くなることや、さらに、ランニングコストも高くなるという問題があり、小容積の低湿度空間に向かないという欠点があった。

消費エネルギーが大きくなることに対する改善策として、特許文献１に開示された技術のように、予冷却器や中間冷却器を設けずに外気を除湿ロータの処理領域へ２回（予除湿、主除湿）通し、省エネルギーで空気の露点を低くするものが発明された。

また特許文献２に開示されたものは、除湿ロータの処理領域を通過した空気の一部を循環流路により処理領域の前段に戻し、低露点温度の空気を供給する装置を実現するものである。（図３など）

また特許文献３に開示されたものは、グローブボックスなどの密閉チャンバ内を所定の湿度状態に調整する密閉チャンバの湿度調整装置に関するもので、吸着材を加熱することで、吸着材による水分の吸着又は放出を制御することができ、低湿度から高湿度まで吸着材によるラインにより湿度調整を行うものである。

特開２００２−０５２３０８号公報 特開２０１０−０７５８１９号公報 特許第４６４２４４０号公報

前記特許文献１に開示されたものは、予冷却器や中間冷却器を設けないためイニシャルコスト及びランニングコストは低減できるのではあるが、比較的容量の小さな低湿度作業空間（３ｍ３以下）を任意の露点に精度良く制御するという技術は開示されていない。

また、前記特許文献２に開示されたものは、目標露点温度が低い場合、循環流路に流入する空気量を増やす必要があり、目標露点温度によって循環流路の流量を変える必要があるため、その結果として室内への供給風量が変わり一定風量で任意の露点に制御するという技術は開示されていない。

また、前記特許文献３に開示されたものは、密閉チャンバ内を低露点にする場合、所定の露点温度にするまでに時間が掛かり、また、湿度を制御するヒータ温度の変動が大きくなり、短時間で精度良く湿度を制御するという技術は開示されていない。（図３など）さらにグローブボックスの容量を大きくする場合、吸着材の量が増え、吸着材を入れる容器も大きくなり、装置をコンパクト化するという技術は開示されていない。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、任意の一定露点に一定風量で精度良く制御でき、しかもエネルギー消費量を少なく、ランニングコストを低減できる小容積の低湿度作業装置を提供することを目的とする。

本発明は、小容積の低湿度作業室内の露点制御を再生循環と処理循環を組み合わせ、広範囲の露点設定を高精度で行なうことが可能で、省エネルギー効果も出るようにしたことを最も主要な特徴とする。

本発明の小容積の低湿度作業装置は、除湿ロータの吸着ゾーンを通過した低湿度空気の一部を、低湿度作業空間からの還気と合流する流量制御装置を備えたバイパス経路を設け、前記低湿度作業空間内の露点の制御を行なうという利点がある。つまり、グローブボックスのような比較的容量の小さな作業空間（３ｍ３以下のものが一般的）では、小風量での露点制御が難しいため前記バイパス経路で風量調整を行い、ブロアの風量調整とダンパ調整により一定の小風量で精度の高い露点制御を実現することができる。

また、再生空気の一部を循環使用することで、再生に使う消費エネルギーを少なくしている。さらに、再生空気を排気することなく全て処理側へ戻すことにより、再生排気ダクトが不要となり、室内への設置制限が無く、適用範囲が広い。

図１は本発明の小容積の低湿度作業装置の実施例を示したフロー図である。

除湿ロータをその回転方向に対して、吸着ゾーン、再生ゾーン、パージゾーンに分割し、外気と再生ゾーンからの返り空気（以下、一度装置内の流路を通した空気を装置外に排気することなく再度その流路に戻す空気を「返り空気」という）と低湿度空間からの還気とを混合させた空気を吸着ゾーンに通過させる経路と吸着ゾーンを通過した低湿度処理空気の一部を前記低湿度空間からの還気と合流する流量制御装置を備えたバイパス経路を通過させ、低湿度空間内の露点を再生温度比例制御と前記バイパス経路を利用したバイパス流量制御を組み合わせることによって、少ないエネルギー消費量で精度の高い露点制御をできる小容積の低湿度作業装置を提供するという目的を実現した。また、低湿度小容積空間が対象なので、必要な除湿量が非常に小さいため、再生空気の一部を循環して使用することで、除湿性能達成と省エネ化を同時に実現できた。

以下、本発明の実施例を示す図１に沿って説明する。１は除湿ロータであり、シリカゲルやゼオライトなどの湿気吸着剤が担持され、ハニカムロータ状である。この除湿ロータ１はモータ（一般的であるため、図示せず）によって回転するようにされており、その回転方向に従って、以下のとおり各ゾーンに分割されている。

つまり、２は吸着ゾーンであり、ここで空気中の湿分が除湿ロータ１に吸着される。３はパージゾーンであり、４は再生ゾーンである。再生ゾーン４を通過する高温の空気によって除湿ロータ１は吸着した湿気が脱着される。

１４は第２冷却コイル、１５は第１冷却コイルであり、冷凍機（図示せず）などから冷媒が供給されている。１８は吸着ブロアであり、第１冷却コイル１５によって冷却された空気と第２冷却コイル１４によって冷却された空気と、を吸着ゾーン２とパージゾーン３に送るものである。

１６は再生ヒータでパージゾーン３から出た空気を再生可能な温度レベルまで上げるものである。これには例えば電気ヒータが用いられる。１７は再生ブロアであり、再生ゾーン４の空気を吸出すもので、この再生ブロア１７の出口は第１冷却コイル１５に接続されている。つまり第１冷却コイル１５に入る空気は、外気と再生ブロア１７から出た返り空気とが混合された状態となる。５は小容積低湿度作業空間であり、必要に応じて供給空気加熱器１３で加熱された空気が供給される。

小容積低湿度作業空間５からの還気は小容積低湿度作業空間還気路６を通って第２冷却コイル１４で冷却され、凝縮除湿された後、第１冷却コイル１５を出た、凝縮除湿された空気と混合される。また、除湿ロータの吸着ゾーンを通過した低湿度空気の一部が、流量制御装置としてのモータダンパ１０を備えたバイパス経路の処理空気還気路７により、小容積低湿度作業空間還気路６の第２冷却コイル１４の前に通される。

本発明の小容積の低湿度作業装置は上記の構成よりなり、以下その動作について説明する。先ず、外気及び再生ブロアから出た返り空気は第１冷却コイル１５で冷却され、凝縮除湿される。

この凝縮除湿されて温度が下がった空気は、吸着ブロア１８によって吸着ゾーン２に送られる。吸着ゾーン２で吸着除湿され、必要に応じて供給空気加熱器１３で加熱されて、乾燥空気の供給先である小容積低湿度作業空間５に送られる。なお、小容積低湿度作業空間５へ供給される空気の風量を一定にするため、ダンパ１１には定風量制御装置ＣＡＶなどを用いてもよい。この小容積低湿度作業空間５内には露点検出器２８が設けられ、露点検出器２８は自動制御装置３１に連通している。小容積低湿度作業空間５内の露点が設定露点になっていなければ、モータダンパ１０及び処理ブロアインバータ２９により処理空気還気路７を通過する空気の流量を設定露点になるよう制御される。この小容積低湿度作業空間５内で、リチウム電池の試作など、設定露点の環境下で行われるべき実験が行われる。

パージゾーン３を出た空気は再生ヒータ１６で再生可能な温度レベルまで上げ再生ゾーン４に送られる。再生ゾーン４を出た空気は一部分岐され、再生循環路２２を通って再生ヒータ１６へ戻される。この再生循環を行なうことにより再生ゾーン４から第１冷却コイル１５へ送られる返り空気の湿度を上げ、凝縮除湿することができる。再生循環路２２を通る空気の風量については、ダンパ１９、２０及び再生ブロアインバータ３０により調整される。また、再生空気が系外へ排出されること無く返り空気として第１冷却コイル１５へ送られており、再生排気ダクトが不要になる。なお、本実施例では、ブロワのインバータやモータダンパなどの操作を複数の自動制御機器を用いて行っているが、その全部または一部を手動で操作することによりなしてもよい。

例えば、乾燥空気吹出し口が４００ｍｍ×１００ｍｍの開口率５０％のガラリ、或は開口率５０％のパンチングメタル構造になっている、容積約１ｍ３（幅１６００ｍｍ、高さ９００ｍｍ、奥行き７００ｍｍ）のグローブボックスの場合、実用上、グローブボックスへの乾燥空気供給量ＳＡが、最大約１００ｍ３／ｈ（換気回数約１００回／ｈ、吹出し口風速約１．４ｍ／ｓになる）となる。グローブボックス内の露点温度の設定値マイナス６５度、水分負荷僅か０．４ｇ／ｈの場合でも、グローブボックス内の露点温度を維持するため、供給する乾燥空気ＳＡの露点温度をマイナス８５度以下にする必要がある。単段の除湿ロータで、このような超低露点乾燥空気を達成するため、処理出口乾燥空気の内、乾燥空気供給量ＳＡの約２倍の２００ｍ３／ｈを処理空気還気路７に通して処理入口へ戻すことが必要になる。なお、再生温度２２０度、除湿風量比（＝パージ：再生：処理）＝１：２：１８の操作条件で、再生ヒータ容量は、１．１８ＫＷは必要である。

上記と同じグローブボックスで、グローブボックス内の露点温度の設定値マイナス４５度、水分負荷が５．４ｇ／ｈの場合では、グローブボックス内の露点温度を維持するため、供給する乾燥空気ＳＡの露点温度をマイナス７５度以下にすることが必要となり、この低露点乾燥空気を達成するため、処理出口乾燥空気の内、乾燥空気供給量ＳＡの約１／２の５０ｍ３／ｈだけを処理空気還気路７に通して処理入口へ戻せば実現可能である。なお、上記と同様に、再生温度２２０度、除湿風量比（＝パージ：再生：処理）＝１：２：１８の操作条件でも、再生ヒータ容量は、０．６２ＫＷまで減少し、省エネが実現できる。

さらに、上記と同じグローブボックスで、グローブボックス内の露点温度の設定値マイナス４０度、水分負荷が９．５ｇ／ｈの場合では、グローブボックス内の露点温度を維持するため、供給する乾燥空気ＳＡの露点温度をマイナス７０度以下にする必要がある。この低露点乾燥空気を提供するため、処理出口乾燥空気の内、処理入口へ戻す空気量をゼロにしても達成可能である。なお、上記と同様に、再生温度２２０度、除湿風量比（＝パージ：再生：処理）＝１：２：１８の操作条件でも、再生ヒータ容量は、０．４２ＫＷまで減少し、更なる省エネが実現できる。

このように本発明の小容積の低湿度作業装置を用いることにより、処理空気還気路７に通す処理空気量を変えることにより、一定の小風量で精度よく小容積低湿度作業空間５の露点温度を制御することが可能になり、消費エネルギーも少なくできる。これにより、露点温度マイナス８５度の低露点でも乾燥空気供給量ＳＡの風量を増やす必要が無いため、小容積低湿度作業空間内の空気の流れが速くなることによる悪影響を受けずに低露点での試験が可能となる。また、ブロアのインバータとダンパを制御するという簡単な操作だけで上記効果を実現できる。

本発明は、上記のとおり少ないエネルギーで任意の露点温度に精度良く制御できる小容積の低湿度作業装置を提供することができる。

１ 除湿ロータ
２ 吸着ゾーン
３ パージゾーン
４ 再生ゾーン
５ 小容積低湿度作業空間
６ 小容積低湿度作業空間還気路
７ 処理空気還気路
８、１１、１２、１９、２０、２１ ダンパ
９ 陽圧排気路
１０ モータダンパ
１３ アフタヒータ
１４ 第２冷却コイル
１５ 第１冷却コイル
１６ 再生ヒータ
１７ 再生ブロア
１８ 吸着ブロア
２２ 再生循環路
２３、２４、２５ 温度検出器
２６、２７ 流量検出器
２８ 露点検出器
２９、３０ インバータ
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 自動制御機器

Claims (5)

1. 湿気吸着剤の担持された除湿ロータを有し、前記除湿ロータをその回転方向に対して、吸着ゾーン、再生ゾーン、パージゾーンに分割し、外気を全閉から開放まで制御可能な風量制御装置に通して吸い込んで再生ゾーンからの返り空気と混合させ第１冷却コイルに通すようにし、第２冷却コイルからの還気と混合させ一部を分岐し前記吸着ゾーンに通すようにするとともに、残りを前記パージゾーンに通過させ、加熱して前記再生ゾーンに流すとともに、前記吸着ゾーンを通した空気の一部を供給先の小容積低湿度作業空間に供給し、残りの一部を前記第２冷却コイル前の小容積低湿度作業空間からの還気路に連通する流量制御装置を備えたバイパス経路を通過させ、前記小容積低湿度作業空間からの還気を前記第２冷却コイルに戻すようにしたことを特徴とする小容積低湿度作業装置。
2. 前記小容積低湿度作業空間内に露点検出器を設け、前記露点検出器の露点によって前記バイパス経路の流量を制御することを特徴とする請求項１記載の小容積低湿度作業装置。
3. 前記再生ゾーンの再生温度を変化させることによって前記小容積低湿度作業空間内の露点を制御し、前記再生温度を比例制御することを特徴とする請求項１、２記載の小容積低湿度作業装置。
4. 前記再生ゾーンを通した空気の一部を分岐し、前記パージゾーンを出た空気と混合させ再度前記再生ゾーンに戻すことを特徴とする請求項１、２、３記載の小容積低湿度作業装置。
5. 前記再生ゾーンを通した空気の排気部分を前記第１冷却コイルへ返り空気として全量戻すことを特徴とする請求項４記載の小容積低湿度作業装置

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