JP2014097437A - グローブボックス - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥室内の二酸化炭素濃度を低くすることのできるグローブボックスを提供する。
【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、再生ゾーン４を循環する再生循環路を設け、この循環空気の一部を外気と混合して冷却した上で、アルカリ金属の水酸化物或いはアルカリ土類金属の水酸化物よりなる二酸化炭素吸収剤を充填した二酸化炭素吸収キャニスター１０を通過させ、その後に吸着ゾーン２を通過させ、吸着ゾーン２を通過した空気を乾燥室１６に供給するとともに、還気バルブ１９を介して冷却装置２２に入れ、この冷却乾燥空気を再び吸着ゾーン２に戻すようにした、グローブボックス。
【選択図】図１

Description

グローブボックスとは、ボックスの内部の湿度が極めて低い状態に維持され、ボックスの外から密封されたゴム手袋（グローブ）を介して手を挿入し、ボックスの中の乾燥した環境を利用した実験などを行うものである。本発明は、露点制御を精度良く行なうことができ、供給される空気の二酸化炭素濃度を低くできるグローブボックスに関するものである。

特定のボックスの中の空気を除湿する場合に、冷凍機を用いて結露による除湿を行うとエネルギー消費は少ないのであるが、ボックスの中の空気の湿度をマイナスの露点まで下げるのは困難であった。

つまり近年、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改良が激化している。リチウム化合物は空気中の水分を簡単に吸着して、電池やキャパシタの性能が劣化するため、これらの開発に伴う実験の際に、極めて低い露点の空気や、液体窒素を気化させた窒素で空気をパージしたボックスの中で実験を行う必要がある。液体窒素を用いる場合には、実験の前に液体窒素を準備しておく必要があり、実験中は液体窒素を消耗し続けるので、費用がかさむという問題がある。

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。従って、これらの開発に伴う実験の際にも、極めて低い露点の空気や、液体窒素を気化させた窒素で空気をパージしたボックスの中で実験を行う必要がある。

さらに、リチウムイオン電池の場合、雰囲気中に二酸化炭素があると、特許文献１で説明されているように性能が劣化するという問題がある。この特許文献１に開示されたものは、リチウムイオン電池の電極の製造工程において二酸化炭素の影響を除去するものであり、二酸化炭素の除去手段として、水酸化ナトリウム溶液中に空気をバブリングしている。しかし、リチウムイオン電池を完成する工程にあっては、乾燥空気が必要であり、二酸化炭素の除去手段として溶液中のバブリングを行うと、空気の湿度が上昇するため問題となる。

また二酸化炭素吸収剤として特許文献２に開示されたアミン系のものも、溶液に二酸化炭素を吸収させるものであり、使用によって空気が加湿される問題がある。

特開平０９−３２０５９８号公報 特開平０６−３４３８５８号公報

上記のとおり、特許文献１及び特許文献２に開示されたものは、二酸化炭素の吸着或いは吸収の過程で空気の湿度が高くなるという問題がある。本発明のように露点がマイナス１０度からマイナス８０度の乾燥空気を供給しようとするものにあっては、採用が困難である。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、乾燥空気に含まれる二酸化炭素を除去し、二酸化炭素の濃度を低くするとともに、露点も低くすることができるグローブボックスを提供することを目的とする。

本発明は、除湿ロータをその回転方向に対して、吸着ゾーン、パージゾーン、再生ゾーンに分割し、再生ゾーンを通過する空気が再び循環する再生循環路を設け、この循環空気の一部を外気と混合して冷却した上で、アルカリ金属の水酸化物或いはアルカリ土類金属の水酸化物よりなる二酸化炭素吸収剤を充填した二酸化炭素吸収キャニスターに通過させ、その後に吸着ゾーンに通過させ、吸着ゾーンを通過した空気を乾燥室に供給するとともに還気バルブを介して冷却装置に入れ、この冷却乾燥空気を再び吸着ゾーン２に戻すようにしたことを最も主要な特徴とする。

本発明のグローブボックスは、除湿ロータの再生ゾーンを通過する空気を循環するようにし、その一部を外気と混合した後、冷却し、相対湿度を高くした空気を二酸化炭素吸着キャニスターにとおすようにしたため、二酸化炭素の吸着作用が強く、乾燥室内の二酸化炭素濃度を下げることができる。

また、除湿ロータの再生ゾーンを通過する空気を循環するようにしているため、エネルギーの無駄が少ない。さらに、この循環によって排気が少なく、よって本発明のグローブボックスはクリーンルームの内部にも設置が容易である。さらにこの循環によって再生ヒータに加えるエネルギーが少なく、再生ヒータの寿命も長くなる。

また乾燥室内の湿度調節を、吸着ゾーンのバイパスと、乾燥室のバイパスとによって行っており、湿度調節の応答性が高く、一般に容積の小さなグローブボックスの湿度調節手段として適している。

図１は本発明のグローブボックスの実施例を示したフロー図である。

本発明は、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、外気と再生循環空気の一部とを混合した後、冷却し、相対湿度を高くした空気を二酸化炭素吸収剤を充填した二酸化炭素吸収キャニスターに通過させ、吸着ゾーンに通過させる経路と吸着ゾーンの上流側と下流側を連通する流量制御装置を備えたバイパス経路を設け、グローブボックス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ロータ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ができ、かつ、ボックス内の二酸化炭素濃度を下げることができるグローブボックスを提供するという目的を実現した。

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（ＧＭ）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。なお、以下の説明で用いる温度は全て摂氏である。

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。５は吸気バルブであり、外気ＯＡの導入量の調整や外気ＯＡを入れるか入れないか開閉によって制御するものである。６はフィルターで、外気に含まれる塵埃を除去するものである。

７はプレクーラであり、冷凍コンプレッサ（図示せず）から送られた冷媒によって、通過空気を冷却するものである。８及び９は温度センサであり、温度センサ８はプレクーラ７に入る前の空気の温度を検出し、温度センサ９はプレクーラ７を出た空気の温度を検出する。

１０は二酸化炭素吸収キャニスターで、プレクーラ７によって冷却された空気の中から二酸化炭素を吸収除去するものである。この二酸化炭素吸収キャニスター１０の中には、水酸化ナトリウムのペレットとシリカゲルペレットとが混合状態で充填されている。つまり水酸化ナトリウムは二酸化炭素と反応して炭酸水素ナトリウムになる。水酸化ナトリウムのペレットは空気中の水分によって潮解を起こすが、シリカゲルペレットが混合しているため、潮解作用は防止される。シリカゲルペレットに代えて、活性アルミナペレット、活性炭、セピオライト、ゼオライト又は水酸化カルシウムペレットを混合しても良い。この両ペレットにフェノールフタレイン粉末を混合しておくと、当初は薄紫色であったものが、炭酸水素ナトリウムの生成に伴って色が薄くなるため、二酸化炭素吸収キャニスター１０の交換時期が分かる。

１１は吸着ブロアであり、第１プレクーラ７によって冷却された空気を吸着ゾーン２に送るものである。１２は吸着ゾーン２の前後をバイパスするバイパス路であり、このバイパス路１２にはバイパス量を調整する電動バルブ１３が設けられている。

１４はアフターヒータであり、吸着ゾーン２を通過した乾燥空気の温度が低すぎる場合に、加熱するものである。１５は後フィルターであり、乾燥室１６に供給される空気を清浄にするものである。１７は供給バルブであり、乾燥空気を乾燥室１６に送る量を調節するものである。１８は還気バルブであり、後フィルター１５を通過した空気を吸着ブロア１１の吸い込み側に戻す量を調節するものである。１９はリターンバルブであり、乾燥室１６からの戻り空気量を調節するものである。乾燥室１６を通過する空気の量は、供給バルブ１７とリターンバルブ１９とによって調整される。乾燥室１６は密閉状態ではなく、局所排気があるため、２つのバルブによって空気の通過量の調整が必要となる。

２０は乾燥室１６の温度を検出する温度センサ、２１は乾燥室１６の湿度を検出する湿度センサである。２２は還気バルブ１８を通過して戻った乾燥空気を冷却する第２プレクーラであり、これによって冷却された乾燥空気は吸着ブロア１１に吸い込まれる。２３は第２プレクーラ２２を出た空気の温度を測定する温度センサである。

２４はパージゾーン３を通過する空気量を調節するパージバルブであり、このパージバルブ２４を通過した空気は再生ヒータ２５に入る。２６は温度センサで、再生ヒータ２５を出た空気の温度を測定するものであり、温度センサ２７は再生ゾーン４を出た空気の温度を測定するものである。

２８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２８の出口は再生循環バルブ２９と、再生戻しバルブ３０に接続されている。再生循環バルブ２９は再生ゾーン４を出て再生ヒータ２５に戻る再生空気の循環量を調整するものである。再生戻しバルブ３０は、再生ゾーン４を出た空気をフィルター６の前、つまり第１プレクーラ７の前に戻す空気の量を調節するものである。再生戻しバルブ３０と吸気バルブ５の開度によって、外部に放出される排気（ＥＡ）の量が決定される。なお、排気（ＥＡ）を無くし、全量フィルター６の前に戻す構成としてもよい。

本発明のグローブボックス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（ＯＡ）はフィルター６で塵などが除去され、プレクーラ７で冷却されて凝縮除湿される。このプレクーラ７を出た空気の相対湿度は、ほぼ１００％となり、二酸化炭素吸収キャニスター１０に入る。二酸化炭素吸収キャニスター１０の中には、上記のとおり水酸化ナトリウムのペレットとシリカゲルペレットとが混合状態で充填されており、水酸化ナトリウムは二酸化炭素と反応して炭酸水素ナトリウムになる。これによっ
て二酸化炭素が除去される。

二酸化炭素の除去された空気は、吸着ブロア１１で加圧され吸着ゾーン２を通過する。この通過の過程で除湿ロータ１によって空気中の湿気が吸着され、乾燥空気となる。乾燥空気はアフターヒータ１４によって適切な温度つまり、乾燥室１６に供給する空気として適切な温度になるまで加熱される。

このようにして作られた乾燥空気は、最終的に後フィルター１５で塵埃が除去され、供給バルブ１７で供給量が調整されて乾燥室１６へと供給される。ここで乾燥室１６内の湿度が、目標とする湿度より低い場合は、湿度センサ２１の検出信号が電動バルブ１３に送られ、電動バルブ１３が開き、除湿ロータ１の吸着ゾーン２がバイパスされ、除湿量が減少して、適切な湿度となって乾燥室１６に供給される。

乾燥室１６を出た空気は、リターンバルブ１９によって還気量が調整され、プレクーラ２２を通過して冷却され、吸着ブロア１１に再び入る。このようにして乾燥室１６内の空気は、循環しながら除湿される。このため、乾燥室１６内に湿気を発生する物質、つまり湿度負荷があっても乾燥室１６内の湿度は所定値以下に維持される。

ここで、乾燥室１６内の湿度を調整する手段として、バイパス路１２を通過する空気の量や、還気バルブ１８によって乾燥室１６をバイパスする通路を構成している。この湿度の調整手段によると、乾燥室１６内の湿度変化に対して湿度調節の応答性が速くなる。つまり、本来グローブボックスは、小さな乾燥室を設け、その外側からグローブ（手袋）を介して、乾燥室１６内部で実験などを行うものであり、乾燥室１６の容積が小さいため、湿度調節の手段の応答性が問われる。

吸着ブロア１１を出た空気の一部はパージゾーン３を通過し、除湿ロータ１を冷却するとともに、除湿ロータ１から熱を回収する。パージゾーン３を通過する空気の量はパージバルブ２４によって調整される。また再生ゾーン４を通過する空気は再生循環バルブ２９によって循環量が調整され、再び再生ゾーン４に戻る。これは乾燥室１６の湿度負荷が小さい場合、再生ゾーン４を通過した空気の湿度増加が少なく、循環して使用することができるためである。

再生ゾーン４を通過してプレクーラ７に入った空気は、運転直後でない場合には、外気ＯＡよりも絶対湿度が低い。つまり乾燥室１６の露点がマイナス８０度にもなると、除湿ロータ１に吸着される湿気の量が少なく、再生ゾーン４で脱着される水分も少ない。よって外気ＯＡよりも湿度が低く、再び吸着ゾーン２に戻して使用するほうが消費エネルギーが少ない。さらに排気ＥＡの量が少なくなり、本発明のグローブボックスはクリーンルーム内に設置して使用することが容易である。

このように乾燥室１６を出た空気は、再生ゾーン４を通過して再び二酸化炭素吸収キャニスター１０に戻るため、乾燥室１６内の二酸化炭素は次第に濃度が下がって行く。ここで、乾燥室１６から吸着ブロア１１に戻る空気は湿度が低いため、二酸化炭素吸収キャニスター１０での二酸化炭素除去効果が小さい。このため、この空気は二酸化炭素吸収キャニスター１０を通過させず、直接吸着ブロア１１に戻す。

以上の実施例では二酸化炭素吸収キャニスター１０内に充填する吸収剤として、水酸化ナトリウムとシリカゲルの混合例を示したが、水酸化ナトリウムを他のアルカリ金属の水酸化物、例えばカリウム金属、リチウム金属でも良い。またシリカゲルに代えて親水性の活性炭、活性アルミナ、セピオライト、ゼオライト、水酸化カルシウムでも良い。またはこれらにアルカリ金属水酸化物を含浸添着させても同様な効果が得られる。

キャニスター１０はプレクーラ７の後に設けられているため、空気が冷却され相対湿度が高くなる。キャニスター１０の入口空気相対湿度が９０％以上になる場合はアルカリ金属の水酸化物による吸収剤では支障が生ずる事が有る。つまりアルカリ金属水酸化物は吸湿により潮解し、高い相対湿度では急激に吸湿量が増し相対湿度９０％RH以上では潮解吸湿した液が流出して二酸化炭素の吸収性能が低下したり、流出した吸収剤が下流側の周辺機器を腐蝕したりするという欠点がある。このような場合はキャニスター１０の下流側にアルカリ金属水酸化物を含まない、シリカゲル、活性炭、活性アルミナ、セピオライト、ゼオライト、水酸化カルシウムなどの単独又は混合したペレットの層を設けると吸収液の流出を防止する事が出来る。

相対湿度が高い場合は二酸化炭素吸収剤としてアルカリ金属水酸化物に代えて、アルカリ土類金属水酸化物、例えば水酸化カルシウム粉末成型品を用いても同様の効果を得ることができる。この場合に、水酸化カルシウムは二酸化炭素と化合して炭酸カルシウムとなるが、この反応にも水分が必要である。つまりアルカリ金属の水酸化物は水分が存在すると二酸化炭素と結合し易くなるので高相対湿度で性能が向上し、相対湿度９０％以上でも使用が可能である。この場合には、潮解作用がなくシリカゲルなど湿気吸着剤をキャニスター１０に入れる必要がない。

また、相対湿度が高い場合は、空気の入口側にアルカリ金属の水酸化物を含む吸収剤を充填し、出口側にアルカリ金属の水酸化物を含まない吸収剤又は吸着材の層を設けた二酸化炭素吸収剤をキャニスター１０に入れることができる。これによって、入口側のアルカリ金属の水酸化物によって強力に二酸化炭素を吸収することができる。そしてこれが潮解しても、出口側のアルカリ金属の水酸化物を含まない吸収剤又は吸着材の層によって潮解したアルカリ金属の水酸化物が流出することが阻止される。さらに流出が阻止されたアルカリ金属の水酸化物の潮解液は二酸化炭素と化合することによって、炭酸水素化合物となり潮解作用がなくなる。このため、出口側のアルカリ金属の水酸化物を含まない吸収剤又は吸着材の層は、入口側のアルカリ金属の水酸化物を含む吸収剤が潮解によってできる溶液の全量を阻止する厚さでなくてもよい。

本発明は、上記のとおり乾燥室内の二酸化炭素濃度を低く維持できるグローブボックス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 吸気バルブ６ フィルター７ プレクーラ８ 温度センサ９ 温度センサ１０ 二酸化炭素吸収キャニスター１１ 吸着ブロア１２ バイパス路１３ 電動バルブ１４ アフターヒータ１５ 後フィルター１６ 乾燥室１７ 供給バルブ１８ 還気バルブ１９ リターンバルブ２０ 温度センサ２１ 湿度センサ２２ プレクーラ２３ 温度センサ２４ パージバルブ２５ 再生ヒータ２６ 温度センサ２７ 温度センサ２８ 再生ブロア２９ 再生循環バルブ３０ 再生戻しバルブ

Claims (5)

1. 湿気吸着剤を有する除湿ロータを備え、この除湿ロータが少なくとも吸着ゾーン・パージゾーン・再生ゾーンとに分割され、前記再生ゾーンを通過した空気の一部が再生ゾーンを循環し、残りの空気が外気と混合されて冷却装置を通過し、冷却装置を通過した空気がアルカリ金属の水酸化物を充填した二酸化炭素吸収キャニスターを通過し、この二酸化炭素吸収キャニスターを通過した空気が前記除湿ロータの吸着ゾーンを通過して供給空気として乾燥室に供給され、この乾燥室からの還気を前記除湿ロータの吸着ゾーンに戻すようにしたことを特徴とするグローブボックス。
2. 湿気吸着剤を有する除湿ロータを備え、この除湿ロータが少なくとも吸着ゾーン・パージゾーン・再生ゾーンとに分割され、前記再生ゾーンを通過した空気の一部が再生ゾーンを循環し、残りの空気が外気と混合されて冷却装置を通過し、冷却装置を通過した空気がアルカリ土類金属の水酸化物を充填した二酸化炭素吸収キャニスターを通過し、この二酸化炭素吸収キャニスターを通過した空気が前記除湿ロータの吸着ゾーンを通過して供給空気として乾燥室に供給され、この乾燥室からの還気を前記除湿ロータの吸着ゾーンに戻すようにしたことを特徴とするグローブボックス。
3. 湿気吸着剤を有する除湿ロータを備え、この除湿ロータが少なくとも吸着ゾーン・パージゾーン・再生ゾーンとに分割され、前記再生ゾーンを通過した空気の一部が再生ゾーンを循環し、残りの空気が外気と混合されて冷却装置を通過し、冷却装置を通過した空気が空気の入口側にアルカリ金属の水酸化物を含む吸収剤を充填し、出口側にアルカリ金属の水酸化物を含まない吸収剤又は吸着材の層を設けた二酸化炭素吸収キャニスターを通過し、この二酸化炭素吸収キャニスターを通過した空気が前記除湿ロータの吸着ゾーンを通過して供給空気として乾燥室に供給され、この乾燥室からの還気を前記除湿ロータの吸着ゾーンに戻すようにしたことを特徴とするグローブボックス。
4. 吸着ゾーンにバイパス路を設けたことを特徴とする請求項１、２或いは３記載のグローブボックス。
5. 吸着ゾーンを出た空気が乾燥室及び乾燥室のバイパス路を通過するようにしたことを特徴とする請求項１、２或いは３記載のグローブボックス。

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