JP2017056456A - 水蒸気分離体とそれを用いた除湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実用的でかつ効率的な除湿を可能にする水蒸気分離体を提供する。
【解決手段】実施形態の水蒸気分離体は、第１の空間と第２の空間との間に配置され、第２の空間の水蒸気圧を第１の空間の水蒸気圧より低くすることにより、第１の空間内に存在する水蒸気を第２の空間に透過させるために用いられる。実施形態の水蒸気分離体１２は、第１の面１４ａと、第１の面１４ａと対向する第２の面１４ｂと、第１の面１４ａから第２の面１４ｂに通じる細孔１３とを有する多孔質体１４と、多孔質体１４の細孔１３内に存在する水溶性吸湿剤１５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、水蒸気分離体とそれを用いた除湿装置に関する。

家庭用エアコン等の空調技術においては、冷媒およびエネルギー効率の両面で技術が進展し、それに伴ってより快適な生活環境が求められている。このため、温度ばかりでなく、調湿、換気、気流調整、空気清浄等の空気調和機の多機能化が進んでいる。エネルギー効率の向上は、ここ最近のエネルギー不足からも最重要課題となっている。高温多湿のアジア諸国においても、生活水準の向上に伴って、調湿、特に除湿は重要と考えられており、これを省エネで行うことで環境負荷の小さい空調が実現できる。現在主流となっているコンプレッサー等を用いた冷媒冷却による除湿では、空気を冷却して水蒸気を凝縮すると共に、冷却した空気を再加熱して温度調整するために、多大のエネルギーを要する。このため、消費電力が増加することから、環境負荷の大きさが課題となっている。

これに対して、デシカント空調等の除湿装置は、水蒸気を吸着する吸湿材を用いた吸湿器で室内の水分を吸着した後に、これを温めて屋外に排出するため、冷媒式の除湿より省エネ性に優れている。吸湿材としては、例えば多孔質セラミックスやゼオライト等の多孔質体に、ナトリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム等の塩化物や臭化物からなる潮解性物質を含浸担持させたものが知られている。しかしながら、吸湿材（調湿材）は水を吸着し続けることで飽和するため、再生処理が必要となる。吸湿材の再生処理は、吸着した水を排出させるために、吸湿材を加熱することにより行われる。このような吸湿材の再生処理を冷房と併用することは、非効率的であると指摘されている。

現行の空調方式に代わる省エネで低コストの手法として、再生処理を必要としない水蒸気分離体を用いた連続除湿方式が検討されている。水蒸気分離体を用いた調湿装置の構造としては、ポリエチレンやフッ素樹脂等を用いた２枚の水蒸気透過性膜間に塩化リチウム水溶液等の液体吸収剤を充填した水蒸気分離体を、調湿する室内等の空間と室外等の空間との間に配置した構造が挙げられ、室内の空気と液体吸収剤との間で水蒸気透過性膜を介して水蒸気の授受が行われる。しかしながら、水蒸気透過性膜は破損しやすく、さらにこの方式では水蒸気の移動速度が遅いため、効率的に除湿を行うことが難しい。

特開２０１１−１４３３５８号公報 特開２０１２−０６６１５７号公報 特開平７−３２８３７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、実用的でかつ効率的な除湿を可能にする水蒸気分離体とそれを用いた除湿装置を提供することにある。

実施形態の水蒸気分離体は、第１の空間と第２の空間との間に配置され、第２の空間の水蒸気圧を第１の空間の水蒸気圧より低くすることにより、第１の空間内に存在する水蒸気を第２の空間に透過させる水蒸気分離体であって、第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、第１の面から第２の面に通じる細孔とを有する多孔質体と、多孔質体の細孔内に存在する水溶性吸湿剤とを具備する。

実施形態の除湿装置は、第１の空間と、第１の空間に通じる第２の空間と、第１の面を第１の空間に露出させ、かつ第２の面を第２の空間に露出させつつ、第１の空間と第２の空間との間を仕切るように設けられた、実施形態の水蒸気分離体と、第２の空間の水蒸気圧が第１の空間の水蒸気圧より低くなるように、第２の空間の水蒸気圧を調整する水蒸気圧調整部とを具備し、第１の空間内に存在する水蒸気を、水蒸気分離体を介して第２の空間に透過させる装置である。

実施形態の除湿装置の構成を示す図である。 図１に示す除湿装置に用いられる水蒸気分離体を示す断面図である。 図２に示す水蒸気分離体の使用例を示す断面図である。 図１に示す除湿装置の第１の変形例を示す図である。 図１に示す除湿装置の第２の変形例を示す図である。

以下、実施形態の水蒸気分離体とそれを用いた除湿装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

図１は実施形態の除湿装置の構成を示している。図１において、Ｒは除湿の対象空間Ｒｘを構成する部屋を示しており、部屋Ｒは吸気口Ｒａを有している。除湿装置１は、除湿対象の空間Ｒｘ内の空気から水蒸気（水分）を除去するために、部屋Ｒに設けられている。ここで、空間Ｒｘ内の空気は、基本的に水蒸気（水分）と乾燥空気とにより構成されている。除湿装置１は、除湿モジュール２と、空間Ｒｘ内の空気を除湿モジュール２に送る送風機３と、除湿モジュール２の一部を減圧する減圧ポンプ４とを備えている。空間Ｒｘと送風機３とは配管５により接続され、送風機３と除湿モジュール２とは配管６により接続され、除湿モジュール２と空間Ｒｘとは配管７により接続されている。除湿モジュール２と減圧ポンプ４とは、配管８により接続されている。

除湿モジュール２は、第１の空間Ｓ１を構成する除湿室（第１の通風路）９と、第２の空間Ｓ２を構成する減圧室（第２の通風路）１０と、除湿室９と減圧室１０とを接続する接続路１１と、除湿室９と減圧室１０とを仕切るように、接続路１１内に配置された水蒸気分離体１２とを有している。除湿モジュール２の除湿室９内には、送風機３を稼働させることにより配管５、６を介して空間Ｒｘ内の空気が送られる。除湿室９内で除湿された空気は、配管７を介して空間Ｒｘに返送される。減圧室１０は、除湿室９内の圧力（第１の空間Ｓ１の圧力）と減圧室１０内の圧力（第２の空間Ｓ２の圧力）との間に差が生じるように、減圧ポンプ４により排気される。

水蒸気分離体１２は、図２に示すように、細孔１３を有する多孔質体１４と、多孔質体１４の細孔１３内に存在する水溶性吸湿剤１５とを備えている。多孔質体１４は、例えば直方体形状を有し、除湿室９内（第１の空間Ｓ１）に露出される第１の面１４ａと、減圧室１０内（第２の空間Ｓ２）に露出される第２の面１４ｂと有している。多孔質体１４内に設けられた細孔１３は、第１の面１４ａから第２の面１４ｂに通じている。水溶性吸湿剤１５は、水分を吸収してウエットシールを形成するものである。多孔質体１４は、セラミックス材料、金属材料、有機材料、炭素材料、もしくはこれらの複合材料により構成され、開放気孔を有している。水溶性吸湿剤１５としては、第１族元素や第２族元素のクエン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ハロゲン化物塩、酸化物塩、水酸化物塩、硫酸塩等が用いられる。水蒸気分離体１２は当初より水分を含んでいてもよいし、水蒸気分離体１２の使用時に水分を含ませるようにしてもよい。水蒸気分離体１２の構成については、後に詳述する。なお、図２では水溶性吸湿剤１５が細孔１３内に偏析しているように示しているが、水溶性吸湿剤１５の存在形態はこれに限定されるものではなく、細孔１３の内壁全体または一部に薄く均一に付着していてもよい。

除湿装置１に用いられる水蒸気分離体１２は、図３に示すように、気体を透過する支持体１６により支持されていてもよい。図３は一対の支持体１６を水蒸気分離体１２の両面に沿って配置した状態を示しているが、支持体１６は水蒸気分離体１２の一方の面のみに沿って配置してもよい。支持体１６には、セラミックス材料、金属材料、有機材料、炭素材料、もしくはこれらの複合材料からなる、開放気孔を有する多孔質体、パンチング材料、メッシュ材料等が用いられ、例えば紙、ポリイミド多孔体、パンチングメタル等が例示される。支持体１６は、数μｍ径以上の貫通孔を有していることが好ましいが、これに限定されるものではない。

水蒸気分離体１２は、支持体１６上に直接形成してもよい。例えば、コールドスプレー法やエアロゾルデポジション法等により多孔質体を形成した後、水溶性吸湿剤を含浸させる等の方法で作製してもよい。また、孔径の大きな生セラミックス基材上に、孔径がより細かい水蒸気分離体１２の多孔質体１４を形成する生セラミックス材を層状に形成し、これを焼結することで多層の多孔質材としてもよい。ここでの多層多孔質材はセラミックスとしたが、これに限定されるものではなく金属や樹脂で形成してもよい。形状もシート状に限定されるものではなく、ハニカム状やチューブ状であってもよい。

除湿対象の空間Ｒｘ内の空気は、上述したように送風機３により除湿モジュール２の除湿室９内に送られる。送風機３と同時に減圧ポンプ４を稼働させ、減圧室１０内を減圧することによって、除湿室９内の圧力と減圧室１０内の圧力との間に差を生じさせる。この圧力差によって、減圧室１０内の水蒸気圧（第２の空間Ｓ２の水蒸気圧）が除湿室９内の水蒸気圧（第１の空間Ｓ１の水蒸気圧）より小さくなる。この水蒸気圧差と水溶性吸湿剤１５に保持されている水分とによって、水蒸気分離体１２を介して配置された除湿室９と減圧室１０との間で水蒸気（水分）の移動が起こる。

水蒸気分離体１２を介して水蒸気（水分）を移動させるにあたって、減圧室１０内の圧力が除湿室９内の圧力に対して−５０ｋＰａ以下となるように、減圧ポンプ４で減圧室１０内を減圧することが好ましい。言い換えると、除湿室９内の圧力と減圧室１０内の圧力との差が５０ｋＰａ以上となるように、減圧室１０内を減圧することが好ましい。この圧力差が５０ｋＰａ未満であると、除湿室９内から減圧室１０内への水蒸気（水分）の移動を十分に促進できないおそれがある。さらに、除湿室９と減圧室１０との圧力差は１００ｋＰａ未満であることが好ましい。圧力差が大きすぎると、水蒸気分離体１２を構成する多孔質体１４が破損するおそれが生じる。除湿室９と減圧室１０との圧力差は８０〜９０ｋＰａの範囲であることがより好ましい。

図１に示す除湿装置１においては、減圧室１０内を減圧する減圧ポンプ４で除湿室９と減圧室１０との間に水蒸気圧差を生じさせているが、水蒸気圧の調整部はこれに限られるものではない。例えば、減圧室１０（第２の空間Ｓ２）に乾燥空気や加熱空気を導入するようにしてもよい。これらによっても、除湿室９と減圧室１０との間に水蒸気圧差を生じさせることができる。図１に示す除湿装置１において、除湿室９と減圧室１０との間に水蒸気圧差を生じさせる水蒸気圧調整部は、特に限定されるものではなく、水蒸気圧差を生じさせることが可能な各種の機構を適用することができる。

水蒸気圧が相対的に高い除湿室９内の空気中に含まれる水蒸気（水分）は、水蒸気分離体１２内の水溶性吸湿剤１５に吸収される。水蒸気分離体１２内の水分は、水蒸気圧が相対的に低い減圧室１０内に透過する。除湿室９内の水蒸気圧と減圧室１０内の水蒸気圧と水蒸気分離体１２内の水分量等のバランスによって、除湿室９内の空気中に含まれる水蒸気（水分）の水蒸気分離体１２による吸収と水蒸気分離体１２内の水分の減圧室１０内への放出とが連続して起こる。従って、空間Ｒｘから除湿室９内に送られた空気中の水分量を減少させて除湿することができる。除湿された空気は、空間Ｒｘに返送される。減圧室１０内に透過した水分は、配管８および減圧ポンプ４を介して外部に排出される。減圧室１０内に透過した水分は、加湿が必要な部屋等の第３の空間に送るようにしてもよい。実施形態の水蒸気分離体１２は、除湿と加湿とを兼ねる装置に使用することもできる。

実施形態の除湿装置１においては、水蒸気分離体１２がウエットシールを形成しているため、除湿室９内の空気中に含まれる水分のみを減圧室１０内に移動させることができる。すなわち、除湿室９と減圧室１０との間では、基本的には空気中の水分のみを移動させ、空気中の乾燥空気はほとんど移動しない。従って、除湿対象の空間Ｒｘの温度をほとんど変動させることがない。空間Ｒｘの温度をほとんど変動させることなく、空間Ｒｘ内を除湿することによって、例えば空間Ｒｘの冷房と併用する場合においても、熱効率を低下させるおそれがない。除湿装置１を冷房と併用する際の熱効率を高めることができる。

実施形態の除湿装置１の構造は、図１に示す構造に限定されるものではない。図４は減圧室１０（第２の空間Ｓ２）に外部の空気を取り込む配管２０を接続した構造を示している。図４に示す除湿装置１では、減圧室１０内に外部の空気を取り込みながら減圧室１０内が減圧される。配管２０は弁２１を有している。実施形態の除湿装置１は、種々に変形することができる。図１および図４では第１の空間Ｓ１を除湿モジュール２の除湿室９に設定したが、第１の空間Ｓ１はこれに限定されるものではない。図５に示すように、第１の空間Ｓ１は除湿対象の空間Ｒｘそのものであってもよい。すなわち、第２の空間Ｓ２となる減圧室１０を、第１の空間Ｓ１となる空間Ｒｘと水蒸気分離体１２を介して配置してもよい。この場合、減圧室１０を減圧することによって、除湿対象の空間Ｒｘ（第１の空間Ｓ１）内の空気から水蒸気（水分）が直接除去される。第１の空間Ｓ１および第２の空間Ｓ２の設定は、種々に変更することができる。

次に、水蒸気分離体１２について詳述する。水蒸気分離体１２を構成する水溶性吸湿剤１４には、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）等の第１族元素またはマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）等の第２族元素（以下、元素Ａとも言う。）のクエン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ハロゲン化物塩、酸化物塩、水酸化物塩、硫酸塩等が用いられる。これらの化合物は単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。水溶性吸湿剤１４の具体例としては、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、臭化ナトリウム（ＮａＢｒ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カリウム（ＫＩ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、リン酸ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）、リン酸カリウム（Ｋ_３ＰＯ_４）、クエン酸ナトリウム（Ｎａ_３（Ｃ_３Ｈ_５Ｏ（ＣＯＯ）_３）等）、クエン酸カリウム（Ｋ_３（Ｃ_３Ｈ_５Ｏ（ＣＯＯ）_３）等）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）、硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）、硫酸リチウム（Ｌｉ_２ＳＯ_４）等やこれらの水和物が挙げられる。

多孔質体１４は、セラミックス材料、金属材料、有機材料、炭素材料、もしくはこれらの複合材料により構成される。セラミックス材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）等の元素（以下、元素Ｂとも言う。）の酸化物、窒化物、炭化物、もしくはこれらの複合化合物が挙げられる。金属材料としては、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ジルコニウム、銅等の金属元素（以下、元素Ｃとも言う。）やこれらを含む合金が挙げられる。有機材料としては、主鎖または側鎖に不飽和結合を含む樹脂、エステル結合を含む樹脂、ハロゲンを含む樹脂、エーテル環を含む樹脂、アミド結合を含む樹脂、イミド結合を含む樹脂、芳香環を含む樹脂、ケイ素を含む樹脂、セルロース系樹脂、これらの共重合体、天然繊維等が例示される。有機材料の具体例としては、ポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、アクリル繊維、木綿、羊毛、レーヨン、アクリル繊維、アセテート繊維等が挙げられる。

多孔質体１４の体積気孔率（多孔質体１４内の細孔１３の体積率）は１０〜８０％の範囲であることが好ましい。多孔質体１４の体積気孔率が１０％未満であると、細孔１３を通過できる水蒸気が減少するため、除湿室９内からの水分の吸収量および減圧室１０への水分の放出量が不十分になるおそれがある。多孔質体１４の体積気孔率が８０％を超えると、多孔質体１４の強度が低下し、除湿装置１の連続運転を妨げるおそれがある。水蒸気分離率や水蒸気透過速度の観点から、多孔質体１４の体積気孔率は１０〜５０％の範囲であることがより好ましく、さらに２０〜５０％の範囲であることが望ましい。ただし、多孔質体１４の体積気孔率は、水蒸気分離体１２に求められる性質に応じて設定することが好ましい。例えば、水蒸気分離率や水蒸気透過速度等の除湿特性を高めたい場合には、体積気孔率を比較的高めに設定することが好ましい。一方、水蒸気分離体１２の機械的強度等を高めたい場合、あるいは水蒸気分離体１２を低コスト化したい場合には、体積気孔率を比較的低めに設定することが好ましい。

多孔質体１４の細孔１３は、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの範囲の細孔を５０体積％以上含んでいることが好ましい。細孔１３の最大孔径は３μｍ以下であることが好ましい。上記した孔径を有する細孔の量が５０体積％未満（例えば、孔径が１μｍを超えるような細孔の体積率が多い）であったり、また最大孔径が３μｍを超えると、ウエットシール性が低下したり、また除湿室９内からの水分の吸収と減圧室１０への水分の放出のバランスが低下し、除湿性能が低下するおそれがある。上記した孔径を有する細孔の量は７０体積％以上であることがより好ましく、さらに１００体積％であることが望ましい。細孔１３の最大孔径は２μｍ以下であることがより好ましく、さらに１μｍ以下であることが望ましい。なお、多孔質体１４の体積気孔率や細孔１３の形状（細孔の体積率や最大孔径）は、水銀圧入法により測定した値を示すものである。

さらに、細孔１３の孔径は水蒸気分離体１２に求められる特性に応じて設定することが好ましい。例えば、水蒸気分離体１２による水蒸気分離率を高めたい場合、細孔１３は孔径が１０〜１００ｎｍの範囲の細孔を５０体積％以上含んでいることが好ましい。この場合、細孔１３の最大孔径は３００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、水蒸気分離体１２による水蒸気透過速度を高めたい場合、細孔１３は孔径が１００ｎｍ〜１μｍの範囲の細孔を５０体積％以上含んでいることが好ましい。この場合、細孔１３の最大孔径は３μｍ以下であることが好ましく、さらに２μｍ以下であることがより好ましい。水蒸気分離体１２の特性は、多孔質体１４の体積気孔率にも影響されるため、体積気孔率を考慮して細孔１３の孔径を設定することが好ましい。

実施形態の水蒸気分離体１２において、多孔質体１４の細孔１３内に存在させる水溶性吸湿剤１５の量は、多孔質体１４をセラミックス材料や金属材料で構成する場合、セラミックス材料を構成する元素Ｂまたは金属材料を構成する元素Ｃに対する水溶性吸湿剤１５を構成する元素Ａの比（Ａ／ＢまたはＡ／Ｃ：原子比）が０．００４〜０．４の範囲となるように調整することが好ましい。Ａ／Ｂ比またはＡ／Ｃ比が０．００４未満であると、水溶性吸湿剤１５の量が不足する。また、Ａ／Ｂ比またはＡ／Ｃ比が０．４を超えるほど、多孔質体１４の細孔１３内に水溶性吸湿剤１５を存在させることは困難である。Ａ／Ｂ比またはＡ／Ｃ比は０．００８〜０．２５の範囲であることがより好ましい。水溶性吸湿剤１５は、細孔１３の内壁に均一に分布させてもよいし、偏在させてもよい。

水蒸気分離体１２の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば以下のようにして作製される。まず、所望の孔径を有する細孔１３を備える多孔質体１４を作製する。例えば、アルミナや酸化亜鉛等のセラミックス材料を用いる場合には、原料粉末を成型した後に焼結して多孔質体１４を作製する。多孔質体１４は、上述した有機繊維、あるいはロックウール、セラミックウール、ガラスウール等の無機繊維を用いて作製してもよい。次いで、水溶性吸湿剤１５を水に溶解して水溶液とした後、これを多孔質体に含浸させてから乾燥させることで、水蒸気分離体１２を得る。乾燥させるのは取扱上便利なためであり、乾燥させなくてもよい。水蒸気分離体１２は、当初から水分を含んでいてもよい。多孔質体１４の原料粉末に水溶性吸湿剤１５を混ぜた後に、成型および焼結してもよい。

除湿装置１に用いられる水蒸気分離体１２は、少なくとも除湿装置１の運転時において、水分を含んでいることが好ましい。水蒸気分離体１２に含まれる水分量は、多孔質体１４の体積（細孔１３の体積を除く多孔質体１４の実体積）Ｖ１に対する水の体積Ｖ２の比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０１〜４の範囲となるように設定することが好ましい。体積比Ｖ２／Ｖ１が０．０１未満であると、水蒸気分離体１２によるウエットシール性が低下するおそれがある。体積比（Ｖ２／Ｖ１）が４を超えるほど、多孔質体１４中に水分を存在させることは困難である。多孔質体１４とそれに含まれる水の体積比（Ｖ２／Ｖ１）は０．５〜４の範囲であることがより好ましく、さらには０．５〜１の範囲であることが望ましい。なお、水の体積Ｖ２とは、水溶性吸湿剤１５を含んだ状態での体積を意味している。

実施形態の水蒸気分離体１２を用いた除湿装置１によれば、水蒸気分離体１２によるウエットシールの安定性を高めた上で、水蒸気分離率αと水蒸気透過速度Ｖとを両立させることができる。これによって、再生処理を伴わない連続除湿による除湿性能を高めることできる。さらに、水蒸気分離体１２は多孔質体１４内に水溶性吸湿剤１５を存在させることで構成しているため、水蒸気分離体１２の機械的強度等を高めることができると共に、水蒸気分離体１２の低コスト化を図ることができる。従って、実用的でかつ効率的な除湿装置１を提供することが可能となる。水蒸気分離体１２の特性は、求められる除湿性能だけでなく、水蒸気分離体１２が設置される環境等に応じて設定することができる。例えば、除湿性能が多少低下しても、水蒸気分離体１２が設置される過酷な環境等に対応させたいような場合には、水蒸気分離体１２の機械的強度等をより一層高めることが好ましい。さらに、除湿性能に関しても、水蒸気分離率αと水蒸気透過速度Ｖのいずれが重視されるかによって、水蒸気分離体１２の特性を設定することができる。

水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖは、以下のようにして定義される。水蒸気分離率αは、水と乾燥空気の透過量の割合であり、下記（１）式で定義される。
α＝（Ｎ４_{ｗａｔｅｒ}／Ｎ４_ａｉｒ）／（Ｎ３_{ｗａｔｅｒ}／Ｎ３ａｉｒ） …（１）
式（１）において、（Ｎ３_{ｗａｔｅｒ}／Ｎ３_ａｉｒ）は除湿室９（第１の空間Ｓ１）に供給させる空気に含まれる水と乾燥空気のモル比、（Ｎ４_{ｗａｔｅｒ}／Ｎ４_ａｉｒ）は減圧室１０（第２の空間Ｓ２）から排出される空気に含まれる水と乾燥空気のモル比である。αが１であれば、除湿側空間Ｓ１から減圧側空間Ｓ２に水と乾燥空気が同じ割合で流れることを意味する。αが１００であれば、除湿側空間Ｓ１から減圧側空間Ｓ２への水の透過に対して乾燥空気の透過が１／１００に低減されることを意味する。

水蒸気透過速度Ｖは、下記（２）式で定義される。
Ｖ＝ΔＭ_Ｈ２Ｏ／Ａ／Δｔ …（２）
式（２）において、ΔＭ_Ｈ２Ｏは減圧側空間Ｓ２で回収される水の量であり、Ａは水蒸気分離体１２の面積、Δｔは時間である。なお、水蒸気透過速度Ｖの測定に用いた空気は、パブリングにより加湿した。

次に、実施例とその評価結果について述べる。

（実施例１）
平均粒径が０．１８μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のポリビニルブチラール（ＰＶＢ）のアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、さらに１０００℃で焼結することによって、厚さ１ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１０〜２００ｎｍであり、孔径が１０〜１００ｎｍの細孔の比率は９０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は１００体積％であった。また、焼結多孔質体の体積気孔率は４２％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．１１であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝２０００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．７２であった。

（実施例２）
平均粒径が０．１５μｍの高純度ＺｎＯ粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、さらに１０００℃で焼結することによって、厚さ１ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１０〜１５０ｎｍであり、孔径が１０〜１００ｎｍの細孔の比率は７０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は１００体積％であった。また、焼結多孔質体の体積気孔率は３５％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ｚｎ比は０．１２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝１５００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．５４であった。

（実施例３）
実施例１で作製した水蒸気分離体を用いて、図１に示した除湿装置を構成した。第２の空間を減圧することによって、第１の空間に供給される空気中の水分量を減少させた。これによって、部屋内の空間を除湿した。除湿対象の空間は、当初温度が４０℃、相対湿度が８０％であったが、除湿装置を１時間運転することによって、相対湿度が６０％にまで低下した。除湿装置は、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−８０ｋＰａに設定して運転した。この際、対象空間の温度は４０℃±１℃の範囲で安定していた。なお、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−１００ｋＰａに設定して運転したところ、水蒸気分離体が変形してガス漏れが生じた。

（実施例４）
実施例３で構成した除湿装置において、水蒸気分離体をパンチングメタルにて支持した状態でセットし、同様な除湿実験を行った。除湿装置は、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−９０ｋＰａに設定して運転した。この状態で除湿装置を１時間運転することによって、相対湿度は８０％から５０％にまで低下した。この際、対象空間の温度は４０℃±１℃の範囲で安定していた。

（実施例５）
実施例１と同様な方法で作製した水蒸気分離体について、乾燥直後に水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定した。除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、測定開始直後は水蒸気分離率α＝１、水蒸気透過速度Ｖ＝４００ｇ／ｈ／ｍ^２であったが、徐々にαが上昇すると共にＶが低下し、数分でα＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝２０００ｇ／ｈ／ｍ^２となった。本材料は、乾燥空気を流した場合にはウエットシールが形成されずに、ガス（乾燥空気）がそのまま透過する。このため、測定開始直後はウエットシールが完成しておらず、ガスがほとんどそのまま透過するため、αが小さく、Ｖが大きいと考えられる。

（比較例１）
厚さが５μｍ、体積気孔率がほとんど無い緻密膜で、細孔径が０．４〜１０ｎｍと予想されるゼオライトを厚さ１ｍｍの多孔質基材上に製膜した。これを水蒸気分離体として用いて、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定した。除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率αは１００以上であったが、水蒸気透過速度Ｖは５００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。さらに、比較例１のゼオライトは薄膜であるため、それ自体の機械的強度が低く、また製造コストも高くなる。このため、比較例１のゼオライトでは、実用的な除湿装置を構成することができなかった。なお、薄膜状のゼオライトは、水銀圧入法での評価が困難であるため、ＳＥＭ像から気孔率を推測し、また文献値とＳＥＭ像から細孔径を推測した。

（実施例６）
平均粒径が１μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１３００℃で焼結することによって、厚さ１．５ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は２０ｎｍ〜１μｍであり、孔径が１０〜１００ｎｍの細孔の比率は６０体積％、孔径が１００ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は４０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は１００体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は３８％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝２０００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．６１であった。

（実施例７）
平均粒径が２μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１３５０℃で焼結することで、厚さ２ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１００ｎｍ〜１．５μｍであり、孔径が１００ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は７０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は７０体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は３３％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝５０、水蒸気透過速度Ｖ＝３５００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．５８であった。

（実施例８）
平均粒径が０．５μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１２００℃で焼結することで、厚さ２ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は３０ｎｍ〜１．３μｍであり、孔径が１００ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は７０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は８０体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は４０％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝２０、水蒸気透過速度Ｖ＝４０００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．６７であった。

（実施例９）
平均粒径が０．１８μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）と平均粒径が１．５μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）との混合物に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１２００℃で焼結することによって、厚さ１ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１０ｎｍ〜１．２μｍであり、孔径が１０〜１００ｎｍの細孔の比率は４０体積％、孔径が１００ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は５０体積％、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は９０体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は２５％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝１０、水蒸気透過速度Ｖ＝３０００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。また、数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．３３であった。

（実施例１０）
実施例８で作製した水蒸気分離体を用いて、図５に示した除湿装置を構成した。第２の空間を減圧することによって、第１の空間に存在する空気中の水分量を減少させた。これによって、部屋内の空間を除湿した。除湿対象の空間は、当初温度が３０℃、相対湿度が８０％であったが、除湿装置を３０分運転することによって、相対湿度が５５％にまで低下した。除湿装置は、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−８０ｋＰａに設定して運転した。この際、対象空間の温度は４０℃±１℃の範囲で安定していた。

（実施例１１）
実施例８で作製した水蒸気分離体を用いて、図５に示した除湿装置を構成した。第２の空間を減圧することによって、第１の空間に存在する空気中の水分量を減少させた。これによって、部屋内の空間を除湿した。除湿対象の空間は、当初温度が３０℃、相対湿度が７０％であったが、除湿装置を１０分運転することによって、相対湿度が６０％にまで低下した。除湿装置は、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−８０ｋＰａに設定して運転した。この際、対象空間の温度は４０℃±１℃の範囲で安定していた。

（参考例１）
市販のアルミナ多孔体を用意した。このアルミナ多孔体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は２０〜３０００ｎｍであり、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は４０体積％であった。アルミナ多孔体の体積気孔率は４３％であった。このアルミナ多孔体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、水蒸気分離体を作製した。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝１、水蒸気透過速度Ｖ＝４５００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。この水蒸気分離体を用いて、実施例１０と同様にして除湿試験を行ったところ、除湿は行われなかった。

（実施例１２）
平均粒径が０．１８μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１３５０℃で焼結することによって、厚さ３ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１０〜１００ｎｍ、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は１００体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は１１％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．０２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝１５０ｇ／ｈ／ｍ^２であった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．１２であった。

（実施例１３）
平均粒径が０．１８μｍの高純度Ａｌ_２Ｏ_３粒子（純度９９．９９％以上）に、濃度５％のＰＶＢのアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、１２５０℃で焼結することによって、厚さ３ｍｍの焼結多孔質体を作製した。焼結多孔質体の細孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、細孔径は１０〜１００ｎｍ、孔径が１０ｎｍ〜１μｍの細孔の比率は１００体積％であった。焼結多孔質体の体積気孔率は１５％であった。

上記した焼結多孔質体にＣａＣｌ_２の飽和水溶液を含浸して乾燥させることによって、目的とする水蒸気分離体を得た。水蒸気分離体のＣａ／Ａｌ比は０．０２であった。水蒸気分離体の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝３００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。測定後に多孔質体の体積に対する水の体積の比を求めたところ、０．１８であった。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…除湿装置、２…除湿ユニット、３…送風機、４…減圧ポンプ、９…除湿室、１０…減圧室、１１…接続路、１２…水蒸気分離体、１３…細孔、１４…多孔質体、１５…水溶性吸湿剤、１６…支持体、Ｓ１…第１の空間、Ｓ２…第２の空間Ｓ２。

Claims (14)

1. 第１の空間と第２の空間との間に配置され、前記第２の空間の水蒸気圧を前記第１の空間の水蒸気圧より低くすることにより、前記第１の空間内に存在する水蒸気を前記第２の空間に透過させる水蒸気分離体において、
   第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面から前記第２の面に通じる細孔とを有する多孔質体と、前記多孔質体の前記細孔内に存在する水溶性吸湿剤とを具備する水蒸気分離体。
2. 第１の空間と第２の空間との間に配置され、前記第２の空間の水蒸気圧を前記第１の空間の水蒸気圧より低くすることにより、前記第１の空間内に存在する水蒸気を前記第２の空間に透過させる水蒸気分離体であって、
   第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面から前記第２の面に通じる細孔とを有する多孔質体と、前記多孔質体の前記細孔内に存在する水溶性吸湿剤と、前記水溶性吸湿剤に保持された水とを具備する水蒸気分離体。
3. 前記多孔質体の体積気孔率が１０％以上８０％以下である、請求項１または請求項２に記載の水蒸気分離体。
4. 前記多孔質体の前記細孔は、孔径が１０ｎｍ以上１μｍ以下の細孔を５０体積％以上含む、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水蒸気分離体。
5. 前記多孔質体の前記細孔の最大孔径が３μｍ以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水蒸気分離体。
6. 前記水溶性吸湿剤は、第１族元素または第２族元素からなる第１の元素のクエン酸塩、炭酸塩、リン酸塩、ハロゲン化物塩、酸化物塩、水酸化物塩、および硫酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の水蒸気分離体。
7. 前記多孔質体は、セラミックス材料、金属材料、有機材料、および炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも１つを備える、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水蒸気分離体。
8. 前記多孔質体は、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、チタン、ジルコニウム、または銅からなる第２の元素の酸化物、窒化物、および炭化物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むセラミックス材料、またはアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ジルコニウム、または銅からなる第３の元素を含む金属材料を備える、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水蒸気分離体。
9. 前記第２の元素または前記第３の元素に対する前記第１の元素の原子比が０．００４以上０．４以下である、請求項８に記載の水蒸気分離体。
10. 前記多孔質体の体積に対する前記水の体積の比が０．０１以上１以下である、請求項２に記載の水蒸気分離体。
11. 第１の空間と、
    前記第１の空間に通じる第２の空間と、
    前記第１の面を前記第１の空間に露出させ、かつ前記第２の面を前記第２の空間に露出させつつ、前記第１の空間と前記第２の空間との間を仕切るように設けられた、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の水蒸気分離体と、
    前記第２の空間の水蒸気圧が前記第１の空間の水蒸気圧より低くなるように、前記第２の空間の水蒸気圧を調整する水蒸気圧調整部とを具備し、
    前記第１の空間に存在する水蒸気を、前記水蒸気分離体を介して前記第２の空間に透過させる、除湿装置。
12. 前記水蒸気圧調整部は、前記第２の空間の圧力を前記第１の空間の圧力より減圧する圧力調整機構を備える、請求項１１に記載の除湿装置。
13. 前記圧力調整機構は、前記第２の空間の圧力が前記第１の空間の圧力に対して−５０ｋＰａ以下となるように制御される、請求項１２に記載の除湿装置。
14. 前記水蒸気分離体は、気体を透過する支持体により支持されている、請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の除湿装置。

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