JP2016002519A - 二酸化炭素濃度制御可能な吸着式除湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥室内の二酸化炭素濃度を２０〜８０ｐｐｍに制御できる吸着式除湿装置の提供。【解決手段】湿気及び二酸化炭素を吸着する吸着ロータ７の吸着ゾーン８に外気を通し、これによって低露点となった乾燥空気を室内に供給する除湿装置であって、吸着ゾーン８を出た乾燥空気の一部を装置外部へ供給する外部供給路１４を設け、外部供給路１４を通る空気の二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度センサ２０の出力に応じて吸着ロータ７の回転数を制御することにより、供給空気ＳＡに含まれる二酸化炭素濃度を制御する、吸着式除湿装置。【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、グローブボックスなどの乾燥室において、低露点の環境下で、供給される空気の二酸化炭素濃度を低く制御できる除湿機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。

また、特許文献３に開示されたものは、グローブボックス内の露点制御を精度よく行ない、二酸化炭素濃度も低くできる技術であるが、水酸化ナトリウムなどの二酸化炭素吸着剤を用いており、時間がたって二酸化炭素吸着能力が低下した場合、新しい二酸化炭素吸着剤に交換する必要があった。

特開平０９−３２０５９８号公報 特開平０６−３４３８５８号公報 特開２０１４−９７４３７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。また、特許文献３に開示されたものは、用いている二酸化炭素吸着剤の吸着能力が低下すると新しいものへ交換する必要があった。

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の濃度を低くするとともに、二酸化炭素の濃度を制御することができる除湿機を提供することを目的とする。

本発明は、外気を冷却するプレクーラを有し、プレクーラによって冷却除湿された空気を湿気及び二酸化炭素吸着ロータの吸着ゾーンに通し、これによって低露点となった乾燥空気を室内に供給するようにし、この供給空気の二酸化炭素濃度によって湿気及び二酸化炭素吸着ロータの回転数を制御することを最も主要な特徴とする。

本発明の除湿機は、湿気及び二酸化炭素吸着ロータを用いて、グローブボックスなどの乾燥室内の露点温度を下げた後に、乾燥室内への供給空気の二酸化炭素濃度を測定し、その濃度によって湿気及び二酸化炭素吸着ロータの回転数を制御することによって、乾燥室内の二酸化炭素濃度を精度よく比較的短時間で制御することができる。

また、湿気及び二酸化炭素吸着ロータの回転数を露点温度に影響を与えない範囲で制御することによって、一定の露点温度において二酸化炭素濃度を制御することが可能となった。

図１は本発明の除湿機の実施例を示したフロー図である。 図２は本発明に用いた吸着ロータの回転数と処理出口二酸化炭素濃度と処理出口露点温度の関係を示したグラフである。 図３は本実施例を用いた場合の給気露点と給気二酸化炭素濃度の経時変化を示したグラフである。

本発明は、湿気及び二酸化炭素吸着ロータの吸着ゾーンを通過して低露点となった乾燥空気を室内に供給するようにし、供給空気の二酸化炭素濃度によって湿気及び二酸化炭素吸着ロータの回転数を制御することによって、乾燥室内を一定の露点に制御でき、乾燥室内の二酸化炭素濃度を制御できる除湿機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。外気ＯＡはバルブ１によって流量調整され、第１エアーフィルター２によって塵埃を除去される。この外気の温度は温度センサ３によって測定され、第１プレクーラ４によって冷却され結露による除湿が行われる。第１プレクーラ４を出た空気は温度センサ５によって温度測定される。この空気の流れはファン６によって作られる。

７は湿気及び二酸化炭素を吸着できる吸着ロータであり、ハニカムロータに湿気及び二酸化炭素を吸着するシリカ、ゼオライト、イオン交換樹脂などを担持した公知ものである。そして吸着ロータ７は、吸着ゾーン８、パージゾーン９、再生ゾーン１０に分割されている。吸着ロータ７はギヤドモータ１１によって回転駆動及び回転数制御される。吸着ゾーン８を通過した乾燥空気はアフターヒータ１２によって所望の温度まで加熱される。アフターヒータ１２によって温度の上昇した空気は、第２エアーフィルター１３によってコンタミが除去される。つまり吸着ロータ７の表面から脱落した吸着剤などが除去される。

第２エアーフィルター１３を通過した空気は、外部供給路１４とリターン路１５との２路に分岐されている。リターン路１５にはバルブ１６が設けられ、これによってリターン風量が設定される。リターン路１５には第２プレクーラ１７が設けられ、所定の温度まで空気の温度を下げ、吸着ゾーン８での湿気吸着を促進する。第２プレクーラ１７の出口側には、温度センサ１８が設けられ、これによって第２プレクーラ１７の出口温度が制御される。第２プレクーラ１７を出た空気は、ファン６に吸い込まれ、吸着ゾーン８に送られる。つまり、吸着ゾーン８には冷却された外気と、リターン路１５を介して戻ってきた空気とが混合されて送られる。

また第２エアーフィルター１３を通過し外部供給路１４へ送られた空気は、二酸化炭素濃度センサ２０で二酸化炭素濃度を測定後、乾燥室内に供給される。この二酸化炭素濃度センサ２０の検出データに応じてギヤドモータ１１による吸着ロータ７の回転数が制御される。つまり二酸化炭素濃度センサ２０の検出データに従って、吸着ロータ７による二酸化炭素吸着量が制御され、所望の二酸化炭素濃度の供給空気ＳＡを外部の乾燥室（図示せず）へ送ることが可能となる。

パージゾーン９を出た空気は、バルブ２１を通過した後、再生ヒータ２２で加熱され再生ゾーン１０に送られる。再生ゾーン１０を通過する前後の空気の温度は、温度センサ２３、２４で測定される。温度センサ２３、２４の測定値の差が所定値以上であれば、再生ゾーン１０で十分に再生されていることが判る。再生ゾーン１０を通過した空気はファン２５によって排気ＥＡとして外部に放出される。

本発明の実施例１は以上のような構成よりなり、以下動作を説明する。先ずバルブ１を開けて第１プレクーラ４、ファン６、ギヤドモータ１１、第２プレクーラ１７、再生ヒータ２２、ファン２５を動作させる。これによって外気ＯＡはファン６によって吸い込まれ、第１エアーフィルター２によって塵埃が除去され、温度センサ３によって温度が測定されて第１プレクーラ４によって冷却される。この冷却に伴って、第一プレクーラ４の温度まで露点が下がる。つまり結露によって除湿される。

除湿され湿度の下がった空気は、温度センサ５によって温度が測定され、ファン６によって吸着ロータ７の吸着ゾーン８を通過し、吸着によって湿度がさらに低下する。この時、吸着ロータ７はギヤドモータ１１によって回転をしている。吸着ゾーン８を出た空気は、温度センサ５で測定した温度に応じて、必要であればアフターヒータ１２によって温度が上昇する。アフターヒータ１２を通過した空気は、第２エアーフィルター１３によって吸着ロータ７から脱落した吸着剤などが除去され、外部供給路１４とリターン路１５とに分岐される。

ここで、第１プレクーラ４で冷却した後で、アフターヒータ１２で加熱するのは無駄のように見えるが、第１プレクーラ４は冷却だけでなく、上記のとおり結露による除湿も行なっており所望の除湿量を確保するためと、温度を下げて吸着ゾーン８での吸着量を確保するため、外部への供給空気に所望される温度より低く冷却する事が求められるためである。

リターン路１５に分岐された空気は、バルブ１６によって還気量が決定され、第２プレクーラ１７によって冷却され、その温度は温度センサ１８で測定されて第１プレクーラ４を通過した外気ＯＡと混合されて、再び吸着ロータ７の吸着ゾーン８を通過する。この循環によって、供給空気ＳＡの露点はマイナス７０度まで下げることができる。なお、リターン路１５は、アフターヒータ１２の前で吸着ゾーン８を通過した直後の空気が循環するように設置してもよい。

ファン６を出た空気は、パージゾーン９へと分岐され、ここで熱を回収してバルブ２１によってパージ量が調整され、再生ヒータ２２によって加熱されて、再生ゾーン１０へと送られる。再生ゾーン１０へ送られる空気の前と後のそれぞれの温度は、温度センサ２３及び温度センサ２４で測定される。この温度差が所定値以下であると、再生ゾーン１０での再生量が確保されていないことがわかる。この場合には、再生ヒータ２２の温度を上げて再生量を
確保する。再生ゾーン１０を出た湿り空気はファン２５によって排気ＥＡとして外部へ放出される。

外部供給路１４の空気は、二酸化炭素濃度センサ２０で二酸化炭素濃度を測定された後、乾燥室へ供給される。この測定された二酸化炭素濃度によって所望の二酸化炭素濃度となるよう、ＰＩＤ制御などでギヤドモータ１１を制御して吸着ロータ７の回転数を制御する。図２に本発明に用いた吸着ロータの回転数に対する処理出口二酸化炭素濃度と処理出口露点との関係をグラフとして示す。吸着ロータ回転数が７〜８ｒｐｈ付近で処理出口二酸化炭素濃度が約１５ｐｐｍと最も低くなる。また、吸着ロータ回転数を遅くしていくと吸着ロータの二酸化炭素吸着量が低下するため処理出口二酸化炭素濃度は増加し、３．５ｒｐｈ付近で約１００ｐｐｍまで上昇する。従って、吸着ロータの回転数を３〜８ｒｐｈ付近で変化させることにより、処理出口二酸化炭素濃度を所望の濃度に制御することができる。この吸着ロータの回転数範囲では、処理出口露点は一定となっているため、回転数を変化させても露点は変化しない。

図３に本発明で外形２５０ｍｍ、幅４５０ｍｍの吸着ロータを用いた場合の給気露点と給気二酸化炭素濃度の経時変化のグラフを示す。二酸化炭素濃度制御なしの状態、約１５ｐｐｍから二酸化炭素濃度制御３０ｐｐｍに設定した場合、約５０分で露点温度マイナス５０度、二酸化炭素濃度３０ｐｐｍ±３ｐｐｍとなった。その後、二酸化炭素濃度制御８０ｐｐｍに設定変更したら、約３０分で露点温度マイナス５０度、二酸化炭素濃度８０ｐｐｍ±１０ｐｐｍとなった。さらに露点温度をマイナス３０度に変更してから二酸化炭素濃度制御３０ｐｐｍに設定変更したら、約３０分で露点温度マイナス３０度、二酸化炭素濃度３０ｐｐｍ±３ｐｐｍとなった。

本発明は、上記のとおり吸着ロータの回転数を変えることにより、乾燥室内の二酸化炭素濃度を２０〜８０ｐｐｍで制御できる除湿機を提供することができる。

１ バルブ２ 第１エアーフィルター３ 温度センサ４ 第１プレクーラ５ 温度センサ６ ファン７ 除湿ロータ８ 吸着ゾーン９ パージゾーン１０ 再生ゾーン１１ ギヤドモータ１２ アフターヒータ１３ 第２エアーフィルター１４ 外部供給路１５ リターン路１６ バルブ１７ 第２プレクーラ１８ 温度センサ１９ バルブ２０ 二酸化炭素濃度センサ２１ バルブ２２ 再生ヒータ２３ 温度センサ２４ 温度センサ２５ ファン

Claims (3)

1. 外気を冷却し除湿する第１プレクーラと、第１プレクーラによって冷却された空気をさらに除湿する吸着ロータと、吸着ロータによって除湿した空気の一部を循環するリターン路と、吸着ロータによって除湿された空気の一部を外部に供給する外部供給路と、外部供給路の空気の二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度センサとを有し、前記二酸化炭素濃度センサの出力に応じて前記吸着ロータの回転数を制御する制御手段を設けたことを特徴とする吸着式除湿装置。
2. 前記制御手段にＰＩＤ制御を用いたことを特徴とする請求項１記載の吸着式除湿装置。
3. 前記吸着ロータは、処理出口露点が一定のロータ回転数の範囲内で、二酸化炭素吸着量が変わることを特徴とする請求項１、２記載の吸着式除湿装置。

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