JP2022122252A - 空気調和用の二酸化炭素吸着材、吸着デバイス、及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出する空気調和用の二酸化炭素吸着材において、二酸化炭素吸着量を増大させると共に、二酸化炭素吸着材を加熱により再生する際に二酸化炭素吸着材が変質するのを防止する。
【解決手段】空気調和用の二酸化炭素吸着材は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含む。多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。
【選択図】図２

Description

本開示は、空気調和用の二酸化炭素吸着材、吸着デバイス、及び空気調和装置に関する。

二酸化炭素を吸着又は放出する二酸化炭素吸着材が知られている。特許文献１に開示されるように、二酸化炭素吸着材は、例えば空気調和装置に備えられ、空気中の二酸化炭素濃度を制御する目的で用いられる。この空気調和装置では、室内の空気を取り込み、二酸化炭素吸着材により二酸化炭素を除去して空気を清浄化する。二酸化炭素吸着材は、所定のタイミングで二酸化炭素を放出させて再生される。

特開２０１９－９０５４６号公報

特許文献１に開示される二酸化炭素吸着材は、再生するために加熱が必要である。この加熱の際、二酸化炭素吸着材が収縮等の変質（以下、単に変質とも称する。）を生じると、吸着性能が低下するおそれがある。また二酸化炭素吸着材には、二酸化炭素吸着量の更なる増大が望まれている。

そこで本開示は、繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出する空気調和用の二酸化炭素吸着材において、二酸化炭素吸着量を増大させると共に、二酸化炭素吸着材を加熱により再生する際に二酸化炭素吸着材が変質するのを防止することを目的とする。

本願発明者らの検討結果により、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有する高分子化合物により多孔質状の二酸化炭素吸着材を構成した場合、気体に含まれる二酸化炭素を豊富に吸着できると共に、比較的低温で当該高分子化合物が吸着した二酸化炭素を放出できることが確認された。本開示は、このような知見に基づくものである。

即ち、上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る空気調和用の二酸化炭素吸着材は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含み、多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。

上記構成を有する二酸化炭素吸着材によれば、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有する高分子化合物により、二酸化炭素を豊富に吸着できる。また、二酸化炭素吸着材が多孔質状に形成されているため、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する接触面積を増大させることができる。これにより、二酸化炭素吸着材は、豊富な二酸化炭素を吸着できる。また、この高分子化合物は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値であるため、比較的低温で二酸化炭素を放出できる。このため、二酸化炭素吸着材を再生する際、二酸化炭素吸着材が加熱されることにより変質して、吸着性能が低下するのを防止できる。

前記官能基は、前記アミン基が前記化学構造における分枝鎖の末端に位置していてもよい。これにより、高分子化合物の化学構造に起因する立体障害により、アミン基が二酸化炭素分子を吸着しにくくなるのを抑制できる。よって、二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を更に効率よく吸着させることができる。

前記化学構造は、前記アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含んでいてもよい。これにより、芳香環の疎水性によって、親水性のアミン基に空気に含まれる水分子が吸着されても、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素吸着能力が妨げられるのを抑制できる。また、アミン基と水分子の過度の反応を抑制できるため、二酸化炭素吸着材の再生時に二酸化炭素吸着材を加熱する加熱温度を低温にできる。

前記化学構造が前記芳香環を含む場合、前記官能基の分子量が、７０以上２００以下の範囲の値であってもよい。これにより、芳香環による疎水性をアミン基に対して発揮し易くできる。また、二酸化炭素吸着材中におけるアミン基の密度を適度に保持できる。

前記高分子化合物は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含んでいてもよい。前記高分子化合物がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことにより、二酸化炭素吸着材の吸着性能を更に向上できる。また、ポリスチレンは比較的融点が高いため、高分子化合物がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことで、二酸化炭素吸着材が空気調和装置で用いられる温度範囲において、二酸化炭素吸着材を固体の状態で使用できる。これにより、例えば二酸化炭素吸着材が液体等である場合に比べて、二酸化炭素吸着材の取扱性を向上できる。また、例えば二酸化炭素吸着材が使用中に揮発するのを抑制できる。また、二酸化炭素吸着材の表面形状を変化させ、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する接触面積を増大し易くできる。

アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材中に豊富なアミン基を存在させることができる。よって、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素の吸着性能を一層向上できる。

平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材の比表面積を更に増大できる。よって、二酸化炭素吸着材を二酸化炭素に接触し易くできる。結果として、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素の吸着性能を良好に向上できる。また、二酸化炭素吸着材の平均粒径を比較的大きい値に設定できるので、例えば、粉体状の二酸化炭素吸着材をホルダで保持して吸着デバイスを構成する場合に、ホルダの通気部分を通って二酸化炭素吸着材が脱落するのを低減できる。よって、二酸化炭素吸着材の取扱性を向上できる。

１０％変形時応力が、５×１０^６Ｐａ以上１４×１０^６Ｐａ以下の範囲の値であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材に適度な強度を付与できる。よって、例えば二酸化炭素吸着材を用いて吸着デバイスを構成する際に、二酸化炭素吸着材の割れや欠け等による脱落を防止できる。また、当該変形時応力を上記範囲の値に設定することで、適度な密度を有するように二酸化炭素吸着材を構成できる。その結果、二酸化炭素吸着材の多孔性を良好に維持できる。

本開示の一態様における吸着デバイスは、上記したいずれかの二酸化炭素吸着材を備える。また、本開示の一態様における空気調和装置は、上記吸着デバイスと、前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備える。

また、本開示の一態様における前記二酸化炭素吸着材では、前記高分子化合物は、更に、繰り返し水を吸着及び放出するものであって、加熱により二酸化炭素及び水の少なくともいずれかを放出し、前記高分子化合物の二酸化炭素放出量のピーク温度と、前記高分子化合物の水放出量のピーク温度とが、互いに異なっている。これにより、二酸化炭素吸着材の特性を利用し、二酸化炭素吸着材を任意の温度に制御することで、室内の空気中の二酸化炭素濃度と、室内の空気の湿度とを個別に調整できる。

前記高分子化合物の二酸化炭素放出量のピーク温度が、４０℃以上８０℃以下の範囲の温度であり、前記高分子化合物の水放出量のピーク温度が、２０℃以上４０℃未満の範囲の温度であってもよい。これにより、比較的低温の温度域において、高分子化合物から二酸化炭素を主に放出させる二酸化炭素吸着材の制御と、高分子化合物から水を主に放出させる二酸化炭素吸着材の制御とを、任意の温度で分けて行い易くできる。

本開示の一態様における吸着デバイスは、空気調和用の二酸化炭素吸着材を備える。また、本開示の一態様における空気調和装置は、上記吸着デバイスと、前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素及び水を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備え、前記再生機構は、前記二酸化炭素吸着材を第１温度域の温度で加熱して前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させ、前記二酸化炭素吸着材を第２温度域で加熱して前記二酸化炭素吸着材に水を放出させる。この場合、前記第１温度域中の最低温度が、前記第２温度域中の最高温度よりも高温であってもよい。

本開示の各態様によれば、繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出する空気調和用の二酸化炭素吸着材において、二酸化炭素吸着量を増大できると共に、二酸化炭素吸着材を加熱により再生する際に二酸化炭素吸着材が変質するのを防止できる。

図１は、第１実施形態に係る空気調和装置の室内機の斜視図である。 図２は、図１の二酸化炭素吸着材の第１実施例についてのＥＧＡによる二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。 図３は、図１の二酸化炭素吸着材の第２実施例についてのＥＧＡによる二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。 図４は、図１の二酸化炭素吸着材が含む高分子化合物を示す図である。 図５は、第２実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図６は、第３実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図７は、第４実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図８は、第５実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図９は、第６実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図１０は、第７実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図１１は、第８実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図１２は、第９実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図１３は、第１０実施形態に係る高分子化合物を示す図である。 図１４は、第１１実施形態に係る空気調和装置の機能ブロック図である。 図１５は、図１４の空気調和装置の室外機の構造を示す模式図である。 図１６は、図１５の二酸化炭素吸着材の加熱温度と水放出量との関係を示すグラフである。 図１７は、図１５の二酸化炭素吸着材の加熱温度と二酸化炭素放出量との関係を示すグラフである。 図１８は、第１１実施形態に係る二酸化炭素吸着材の加熱温度、二酸化炭素吸着材からの二酸化炭素脱離速度、及び二酸化炭素吸着材からの水脱離速度の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して各実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る空気調和装置１の室内機１０の斜視図である。図１に示される空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を調整する。即ち、空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増減させる。空気調和装置１は、一例として、室内機１０と、不図示の室外機とを備える。空気調和装置１では、冷媒が室内機１０と室外機との間を循環する。室内機１０は、冷媒と室内の空気とを熱交換する熱交換器２と、室内の空気を取り込んで熱交換器２により熱交換した後に排出する送風機構３とを備える。

また室内機１０は、空気調和用の二酸化炭素吸着材５を備える吸着デバイス４と、吸着デバイス４内の二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸着材５を再生させる再生機構６とを備える。室内機１０は、後述するように、二酸化炭素吸着材５により、室内の空気中から二酸化炭素を吸着して除去する。また室内機１０は、再生機構６により、二酸化炭素吸着材５に吸着した二酸化炭素を放出させることで、二酸化炭素吸着材５を再生する。これにより空気調和装置１は、二酸化炭素吸着材５を繰り返し使用しながら再生させる。

再生機構６は、二酸化炭素吸着材５を加熱することで二酸化炭素吸着材５に吸着した二酸化炭素を放出させる。本実施形態の空気調和装置１では、一例として熱交換器２と送風機構３とが再生機構６を兼ねる。このため空気調和装置１は、二酸化炭素吸着材５を再生するために別途の再生機構を備える必要がない。二酸化炭素吸着材５を再生する際、熱交換器２は、冷媒と熱交換して空気を加熱する。送風機構３は、加熱された空気を吸着デバイス４に送風する。送風機構３は、一例としてファンを含む。

一例として、吸着デバイス４は、室内機１０内に設けられた空気流通路の途中に配置される。送風機構３は、空気流通路を流通する空気により、吸着デバイス４を通過する気流を発生させる。吸着デバイス４は、二酸化炭素吸着材５を担持する。吸着デバイス４は、二酸化炭素吸着材５を空気と接触可能に保持するホルダを有する。吸着デバイス４は、空気中の二酸化炭素を除去するフィルターである。

二酸化炭素吸着材５は、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物７（図２参照）を含む。二酸化炭素吸着材５は、多孔質状に形成されている。二酸化炭素吸着材５は、化学吸着により二酸化炭素を吸着する。二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、一例として０．０６ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．７９ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。

二酸化炭素吸着材５は、低温域から高温域まで加熱温度を徐々に高めた際に二酸化炭素放出量が最大値となるピーク温度を有する。二酸化炭素吸着材５は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。ここで図２は、図１の二酸化炭素吸着材５の第１実施例についての発生ガス分析法（ＥＧＡ－ＭＳ）による二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。図３は、図１の二酸化炭素吸着材５の第２実施例についてのＥＧＡによる二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。図２及び図３の縦軸は、基準値に対する相対値のスケールで示している。図２及び図３に例示するように、２０℃以上１００℃以下の範囲における二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素放出量を示す曲線は、例えば緩やかな放物線状の曲線であり、単一のピークを有する。このピーク温度は、例えば図２及び図３に示すように、発生ガス分析法により確認できる。二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素放出量が最大値となるピーク温度は、例えば、後述する二酸化炭素吸着材５に含まれる高分子化合物７の官能基、二酸化炭素吸着材５の細孔容積、或いは二酸化炭素吸着材５の比表面積を変化させることで調整可能である。二酸化炭素吸着材５は、比較的低温（一例として、４０℃以上１００℃以下の範囲の温度）で加熱されることで、吸着した二酸化炭素を放出する。このように二酸化炭素吸着材５は、低温で再生できるため、再生に必要なエネルギーを低減できる。また、加熱により二酸化炭素吸着材５の吸着性能が低下するのを防止できる。また、二酸化炭素吸着材５を加熱する加熱温度により室内機１０が影響を受けるのを抑制できる。なお、二酸化炭素放出量の具体的なピーク温度値については、第１１実施形態で説明する。また高分子化合物７は、第１１実施形態で具体的に触れるように、繰り返し水を吸着及び放出する特性も有する。

一例として、二酸化炭素吸着材５は、複数の球状粒子を含む粉体である。本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である。ここで言う粉体には、粒が視認できるほど粒径が比較的大きい粉粒体も含まれる。例えば、二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が大きいほど取扱性が向上する。また例えば、平均粒径が小さいほど二酸化炭素吸着材５の比表面積が向上する。ここで平均粒径は、コールターカウンター法、レーザ回折法、画像解析法等により測定できる。例えば、コールターカウンター法によれば、平均粒径は、５０％体積平均粒径として算出される。

また二酸化炭素吸着材５は、細孔容積が０．２ｍｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、細孔容積をある程度大きく確保し、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量を２ｍｏｌ／ｋｇ以上の豊富な量に設定し易くできる。また、この細孔容積の上限値は、例えば２ｍｌ／ｇである。また二酸化炭素吸着材５の細孔径は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の値である。また二酸化炭素吸着材５の嵩密度は、０．３ｇ／ｃｍ^３以上０．９ｇ／ｃｍ^３以下の範囲の値である。また二酸化炭素吸着材５の比表面積は、６ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下の範囲の値である。

また本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、１０％変形時応力が、５×１０^６Ｐａ以上１４×１０^６Ｐａ以下の範囲の値である。ここで言う１０％変形時応力とは、粒子径の１０％の圧縮変位に対する変形強度を指す。二酸化炭素吸着材５の１０％変形時応力は、例えば以下の方法で測定できる。測定に際し、湿度２０％以下に保たれたデシケータ内で常温乾燥させて乾燥状態とし、このデシケータから取り出して５日以内の二酸化炭素吸着材５の粒子を測定対象とする。微小粒圧壊力測定装置（（株）ナノシーズ製「ＮＡ－Ａ１００型」）、を用い、二酸化炭素吸着材５の粒子をステージ上に散布し、圧壊針で粒子を押し潰して粒子の圧縮変位と試験力とを計測する。このとき、ＪＩＳ Ｚ ８８４４：２０１９に準拠する方法に基づき、二酸化炭素吸着材５の粒子の粒径が１０％変化したときの試験力を測定する。その後、この測定値を用いて、以下の式１に基づいて１０％変形時応力を求める。

［式１］
１０％変形時応力（Ｐａ）＝粒子の粒径が１０％変化したときの試験力（Ｎ）／圧縮前に計測した粒子の粒子径によって求めた相当円の面積（ｍ^２）

二酸化炭素吸着材５は、１０％変形時応力が、５×１０^６Ｐａ以上１４×１０^６Ｐａ以下の範囲の値であることにより、粉体状に構成される際に吸着デバイス４から粉落ちしにくく、且つ、多孔性が低下しにくい密度となるように構成される。

ここで言う乾燥状態とは、上記したように、湿度２０％以下に保たれたデシケータ内で常温乾燥させ、このデシケータから取り出して５日以内の状態を指す。言い換えると乾燥状態とは、デシケータ内で常温且つ湿度２０％の雰囲気下で乾燥させた二酸化炭素吸着材５の状態を指す。また常温とは、ＪＩＳ Ｚ ８７０３：１９８３に規定される５℃以上３５℃以下の範囲の温度を指す。

図４は、図１の二酸化炭素吸着材５が含む高分子化合物７を示す図である。図４では、高分子化合物７の構造を部分的な化学構造を含めて模式的に図示している。図４に示すように、二酸化炭素吸着材５は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基７ｂが結合した化学構造を有する高分子化合物７を含む。具体的にこの高分子化合物７は、分子骨格をなす基材７ａと、基材７ａに化学結合してアミン基を含む官能基７ｂとを有する。アミン基は、例えば、１級アミン基であることが望ましいが、２級アミン基であってもよい。本実施形態の官能基７ｂは、一例としてＣＨ_２－ＮＨ_２基を含む。本実施形態では、基材７ａの主鎖に対し、官能基７ｂが側鎖として結合している。基材７ａは、１種以上の樹脂により構成される樹脂骨格を含む。本実施形態の基材７ａは、この樹脂骨格として、少なくともポリスチレン（ＰＳ）系樹脂の骨格を含む。上記の通り、二酸化炭素吸着材５は多孔質状に形成されているため、その細孔内にも官能基７ｂが存在している。これにより、二酸化炭素吸着材５は、細孔内でも二酸化炭素を吸着する。

本実施形態の官能基７ｂは、アミン基が、高分子化合物７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。また高分子化合物７の化学構造は、アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環（一例としてベンゼン環）を含む。二酸化炭素吸着材５では、芳香環の疎水性により、アミン基に水分子が過度に結合しないように図られている。例えば、芳香環とアミン基との距離は、近い方が望ましい。上記した分枝鎖は、高分子化合物７の化学構造が有する主鎖（例えば基材７ａの主鎖）又は側鎖のいずれに由来するものでもよい。図２に示す本実施形態の高分子化合物７は、言い換えると基材７ａにベンジルアミン（ＢＺＡ）が結合した固体高分子である。この高分子化合物７を用いた二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．７９ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。

高分子化合物７は、分子骨格をなす基材７ａに、アミン基よりも高い疎水性を有する疎水性基（一例として芳香環）を介してアミン基が結合された構造を有する。よって二酸化炭素吸着材５は、この疎水基の作用により、比較的低温にて再生できる。また二酸化炭素吸着材５は、空気調和装置１の駆動温度範囲内において固体に保たれる。従って、二酸化炭素吸着材５が再生時に加熱されても、アミン基の分解や揮発が防止される。また、空気調和装置１の駆動温度範囲内において二酸化炭素吸着材５が固体に保たれるため、例えば高分子化合物７を結合して保持するためのバインダが不要である。これにより、二酸化炭素吸着材５の細孔がバインダにより閉塞して二酸化炭素吸着材５の吸着性能が低下するのを回避できる。

本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が、２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が、２．５ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５は、二酸化炭素吸着量の向上が図られている。二酸化炭素吸着材５のアミン担持量は、例えば、滴定等の定量分析法や、ＣＨＮ元素分析法により測定可能である。

具体的にＣＨＮ元素分析法では、測定対象を酸素で燃焼させ、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、及びＮＯ_ｘを発生させる。また、ＮＯ_ｘをＮ_２に還元する。そして、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｎ_２の各ガスをカラムにより分離して検出器（ＴＣＤ）に導入する。これにより、測定対象の炭素、水素、及び窒素の含有量を測定し、アミン担持量を算出する。ここでＣＨＮ元素分析法では、アミン基がＮＨ_２基である場合、以下の式２及び３に基づいてアミン担持量が算出される。

［式２］
測定対象の１級アミン含有量（質量％）＝測定対象の窒素含有量（質量％）×１６（ＮＨ_２分子量）／｛１４（窒素原子量）×官能基中の窒素原子数｝

［式３］
アミン担持量（ｍｍｏｌ／ｇ）＝測定対象の１級アミン含有量（質量％）／｛１６（ＮＨ_２分子量）×１００｝×１０００

二酸化炭素吸着材５は、広い面積で気体と接触するように吸着デバイス４により保持されることが望ましい。このため吸着デバイス４には、二酸化炭素吸着材５に気体（空気）を連続的に接触させるように気体を流通させる流路が形成されていてもよい。

空気調和装置１は、一例として、室内の空気中の二酸化炭素濃度を低減する第１モードと、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増大させる第２モードのいずれかで駆動される。第１モードでの駆動時には、室内機１０において、室内の空気が送風機構３により二酸化炭素吸着材５に向けて送風される。これにより、二酸化炭素吸着材５は、空気に含まれる二酸化炭素を吸着する。二酸化炭素吸着材５が室内の二酸化炭素を吸着することで、室内の二酸化炭素濃度は、例えば１０００ｐｐｍ以下に減少する。また第２モードでの駆動時には、二酸化炭素吸着材５が再生機構６により再生させられ、二酸化炭素を放出する。これにより、室内の二酸化炭素濃度が上昇する。

以上に説明したように、上記構成を有する空気調和用の二酸化炭素吸着材５によれば、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基７ｂが結合した化学構造を有する高分子化合物７により、二酸化炭素を豊富に吸着できる。また、二酸化炭素吸着材５が多孔質状に形成されているため、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素に対する接触面積を増大させることができる。これにより、二酸化炭素吸着材５は、豊富な二酸化炭素を吸着できる。また、この高分子化合物７は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値であるため、比較的低温で二酸化炭素を放出できる。このため、二酸化炭素吸着材５を再生する際、二酸化炭素吸着材５が加熱されることにより変質して、吸着性能が低下するのを防止できる。

また高分子化合物７の官能基７ｂは、アミン基が高分子化合物７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。これにより、高分子化合物７の化学構造に起因する立体障害により、アミン基が二酸化炭素分子を吸着しにくくなるのを抑制できる。よって、二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素を更に効率よく吸着させることができる。

また前記化学構造は、アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含む。これにより、芳香環の疎水性によって、親水性のアミン基に空気に含まれる水分子が吸着されても、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着能力が妨げられるのを抑制できる。また、アミン基と水分子の過度の反応を抑制できるため、二酸化炭素吸着材５の再生時に二酸化炭素吸着材５を加熱する加熱温度を低温にできる。

また高分子化合物７は、官能基７ｂの分子量が、７０以上２００以下の範囲の値である。これにより、芳香環による疎水性をアミン基に対して発揮し易くできる。また、二酸化炭素吸着材５中におけるアミン基の密度を適度に保持できる。また、官能基７ｂの分子量の下限値を７０以上とすることで、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量を２ｍｏｌ／ｋｇ以上の豊富な量に設定し易くできる。

また高分子化合物７は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含んでいる。これにより、二酸化炭素吸着材５の吸着性能を更に向上できる。また、ポリスチレンは比較的融点が高いため、高分子化合物７がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことで、二酸化炭素吸着材５が空気調和装置１で用いられる温度範囲において、二酸化炭素吸着材５を固体の状態で使用できる。これにより、例えば二酸化炭素吸着材５が液体等である場合に比べて、二酸化炭素吸着材５の取扱性を向上できる。また、例えば二酸化炭素吸着材５が使用中に揮発するのを抑制できる。また、二酸化炭素吸着材５の表面形状を変化させ、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素に対する接触面積を増大し易くできる。

また本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５中に豊富なアミン基を存在させることができる。よって、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素の吸着性能を一層向上できる。

また一例として、二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である。これにより、二酸化炭素吸着材５の比表面積を更に増大できる。よって、二酸化炭素吸着材５を二酸化炭素に接触し易くできる。結果として、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素の吸着性能を良好に向上できる。また、二酸化炭素吸着材５の平均粒径を比較的大きい値に設定できるので、例えば、粉体状の二酸化炭素吸着材５をホルダで保持して吸着デバイス４を構成する場合に、ホルダの通気部分を通って二酸化炭素吸着材５が脱落するのを低減できる。よって、二酸化炭素吸着材５の取扱性を向上できる。

また二酸化炭素吸着材５は、一例として、１０％変形時応力が、５×１０^６Ｐａ以上１４×１０^６Ｐａ以下の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５に適度な強度を付与できる。よって、例えば二酸化炭素吸着材５を用いて吸着デバイス４を構成する際に、二酸化炭素吸着材５の割れや欠け等による脱落を防止できる。また、当該変形時応力を上記範囲の値に設定することで、適度な密度を有するように二酸化炭素吸着材５を構成できる。その結果、二酸化炭素吸着材５の多孔性を良好に維持できる。

なお、空気調和装置１により室内の二酸化炭素濃度を低濃度で維持し続ける場合には、二酸化炭素吸着材５の再生時に発生する二酸化炭素は、室外に排出されてもよい。以下、二酸化炭素吸着材５が含む高分子化合物に係る他の実施形態を例示する。

（第２～第９実施形態）
図５は、第２実施形態に係る高分子化合物１７を示す図である。図５に示される高分子化合物１７は、分子骨格をなす基材１７ａと、官能基１７ｂを含む直鎖状の側鎖とを有する。基材１７ａは、樹脂骨格として、少なくともポリスチレン（ＰＳ）系樹脂の骨格を含む。高分子化合物１７は、少なくとも１級アミン基であるアミン基が、高分子化合物１７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。従って、高分子化合物１７は、高分子化合物７と同様に、化学構造の立体障害により、二酸化炭素分子がアミン基に近づきにくくなるのが抑制され、二酸化炭素の吸着性能を発揮し易くできる。

図６は、第３実施形態に係る高分子化合物２７を示す図である。図７は、第４実施形態に係る高分子化合物３７を示す図である。図８は、第５実施形態に係る高分子化合物４７を示す図である。高分子化合物２７、３７、４７は、それぞれの官能基２７ｂ、３７ｂ、４７ｂが、３級アミン基であるアミン基を含む。

図９は、第６実施形態に係る高分子化合物５７を示す図である。図１０は、第７実施形態に係る高分子化合物６７を示す図である。高分子化合物５７、６７は、それぞれの官能基５７ｂ、６７ｂが、１級アミン基であるアミン基を含むが、高分子化合物５７、６７の化学構造は、芳香環を含まない。高分子化合物５７、６７は、それぞれのアミン基が、高分子化合物５７、６７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。

図１１は、第８実施形態に係る高分子化合物７７を示す図である。高分子化合物７７は、一部に図９に示す化学構造を含む。高分子化合物７７の官能基７７ｂは、１級アミン基であるアミン基を含むが、アミン基は高分子化合物７７の化学構造における分枝鎖の途中に位置している。この分枝鎖は、直鎖状でもよいし、更に別の分枝鎖に分岐していてもよい。

図１２は、第９実施形態に係る高分子化合物８７を示す図である。図１３は、第１０実施形態に係る高分子化合物９７を示す図である。高分子化合物８７、９７は、ポリウレタン（ＰＵ）系樹脂を含む樹脂骨格を有する。高分子化合物８７の官能基８７ｂは、１級アミン基であるアミン基を含む。高分子化合物９７の官能基９７ｂは、２級アミン基であるアミン基を含む。高分子化合物９７のように、官能基９７ｂは、アミン基の窒素原子を含む複素環構造を有していてもよい。

（第１１実施形態）
図１４は、第１１実施形態に係る空気調和装置１０１の機能ブロック図である。図１５は、図１４の空気調和装置１０１の室外機１１０の構造を示す模式図である。図１４及び図１５に示すように、空気調和装置１０１は、室内機１０８と室外機１１０とを備える。室内機１０８の熱交換器１０９と室外機１１０の熱交換器２は、冷媒を循環させる配管Ｒ１、Ｒ２により接続される。室外機１１０は、吸着デバイス４を備える。室外機１１０には、吸着デバイス４の二酸化炭素吸着材５と接触可能に外気が導入される。

室外機１１０は、二酸化炭素吸着材５を用いて、室内機１０８から送られる導入空気（室内の空気）の二酸化炭素濃度を調整し、二酸化炭素濃度調整後の空気を室内機１０８に向けて排出する。室内機１０８は、室外機１１０から送られる二酸化炭素濃度調整後の空気を室内に排出する。この二酸化炭素濃度の調整において、導入空気の二酸化炭素濃度を減少させる場合、二酸化炭素吸着材５が吸着した二酸化炭素は、例えば、室外機１１０から外気中に放出される。更に室外機１１０は、二酸化炭素吸着材５を用いて、外気から水分を吸着した後、吸着した水分により外気を加湿して湿度調整する。室外機１１０は、加湿した外気を室内機１０８に向けて排出する。室内機１０８は、室外機１１０から送られる加湿した外気を室内に排出する。なお室外機１１０は、室内機１０８から送られる導入空気（室内の空気）を加湿し、この加湿した空気を室内機１０８に向けて排出してもよい。

本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、第１実施形態と同様の高分子化合物７を含む。この高分子化合物７は、温度条件に基づき、繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出すると共に、繰り返し水を吸着及び放出する特性を有する。即ち高分子化合物７は、加熱により二酸化炭素及び水の少なくともいずれかを放出する。高分子化合物７を含む二酸化炭素吸着材５は、第１温度域において、吸着した二酸化炭素を放出し、第２温度域において、水を放出する温度特性を有する。空気調和装置１０１は、二酸化炭素吸着材５のこの温度特性を利用し、二酸化炭素吸着材５を任意の温度に制御することで、室内の空気中の二酸化炭素濃度と、室内の空気の湿度とを個別に調整する。

具体的に空気調和装置１０１は、空気調和装置１と同様の送風機構３を備える。また空気調和装置１０１は、再生機構１０６を備える。送風機構３と再生機構１０６とは、室外機１１０に配置される。再生機構１０６は、吸着デバイス４内の二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素と水とを放出させて二酸化炭素吸着材５を再生させる。再生機構１０６は、二酸化炭素吸着材５を第１温度域の温度で加熱して二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素を放出させる。また再生機構１０６は、二酸化炭素吸着材５を第２温度域で加熱して二酸化炭素吸着材５に水を放出させる。ここで一例として、第２温度域は、第１温度域とは異なる温度域である。また一例として、第１温度域中の最低温度は、第２温度域中の最高温度よりも高温である。

本実施形態の再生機構１０６は、室外機１１０に備えられた吸着デバイス４中の二酸化炭素吸着材５を温度調整する温度調整機構１１１と、二酸化炭素吸着材５の温度を検知する温度検知部１１２と、ユーザの設定と温度検知部１１２の検知信号とに基づいて温度調整機構１１１を制御する制御部１１３とを備える。温度検知部１１２は、一例として温度センサを含む。

温度調整機構１１１は、一例として、ヒーターとファンとを含み、二酸化炭素吸着材５の温度を昇降させる。制御部１１３は、ＣＰＵ等を含むプロセッサと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む記録媒体とを備えたコンピュータにより実現される。前記記録媒体には、ＣＰＵが温度調整機構１１１を制御するための制御プログラムが記憶されている。

本実施形態は、高分子化合物７の二酸化炭素放出量が最大値となるときの温度である二酸化炭素放出量のピーク温度が、４０℃以上８０℃以下の範囲の温度である。また、高分子化合物７の水放出量が最大値となるときの温度である水放出量のピーク温度が、２０℃以上４０℃未満の範囲の温度である。ここで、「二酸化炭素放出量」とは、二酸化炭素分子が放出される数（分子の数）を指す。また「水放出量」とは、水分子が放出される数（分子の数）を指す。

図１６は、図１５の二酸化炭素吸着材５の加熱温度と水放出量との関係を示すグラフである。図１７は、図１５の二酸化炭素吸着材５の加熱温度と二酸化炭素放出量との関係を示すグラフである。図１６及び図１７では、発生ガス分析法に基づき、１分当たり５℃の温度上昇で二酸化炭素吸着材５を加熱した結果を示すと共に、縦軸の水放出量及び二酸化炭素放出量を相対値で示す。

図１６及び図１７に示す例では、二酸化炭素吸着材５（高分子化合物７）の水放出ピーク温度が、２０℃以上４０℃未満の範囲の温度（ここでは約３５℃）である。また、二酸化炭素吸着材５（高分子化合物７）の二酸化炭素放出ピーク温度が、４０℃以上８０℃以下の範囲の温度（ここでは約６０℃）である。このように二酸化炭素吸着材５では、高分子化合物７の二酸化炭素放出ピーク温度と、高分子化合物７の水放出量ピーク温度とが、互いに異なる。本実施形態では、一例として、二酸化炭素放出ピーク温度が含まれる温度範囲に基づいて、第１温度域が４０℃以上８０℃以下の範囲に設定されている。また一例として、水放出ピーク温度が含まれる温度範囲に基づき、第２温度域が２０℃以上４０℃未満の範囲に設定されている。

図１８は、第１１実施形態に係る二酸化炭素吸着材５（高分子化合物７）の加熱温度、二酸化炭素吸着材５からの二酸化炭素脱離速度、及び二酸化炭素吸着材５からの水脱離速度の関係を示すグラフである。ここで言う二酸化炭素脱離速度は、高分子化合物７が１時間当たりに脱離させる二酸化炭素のモル数であり、水脱離速度は、高分子化合物７が１時間当たりに脱離させる水の重量である。図１８に示すように、二酸化炭素吸着材５の加熱温度がおよそ２０℃以上４０℃未満の範囲の温度である場合、二酸化炭素吸着材５は、二酸化炭素よりも水を優先的に放出する。また、二酸化炭素吸着材５（高分子化合物７）の加熱温度がおよそ４０℃以上の範囲の温度である場合、二酸化炭素吸着材５は、温度上昇の初期には二酸化炭素と共に水を放出する。その後、二酸化炭素吸着材５は、加熱温度が上昇して６０℃に近づくほど、水分子の放出量の増加傾向よりも二酸化炭素分子の放出量の増加傾向の方が顕著になる。

以上の構成を有する空気調和装置１０１の駆動時には、例えばユーザの設定に基づき、二酸化炭素吸着材５の温度が、第１温度域及び第２温度域の各々とは異なる第３温度域（ここでは－３０℃以上２０℃未満の範囲の温度域）の温度となるように、再生機構１０６において、制御部１１３が温度調整機構１１１を制御する。これにより、二酸化炭素吸着材５の高分子化合物７は、二酸化炭素と水とを吸着する。このとき空気調和装置１０１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度と湿度とを減少させる第１モードで駆動される。

また空気調和装置１０１は、ユーザの設定に基づき、二酸化炭素吸着材５の温度が４０℃以上８０℃以下の第１温度域の温度（例えば６０℃）となるように、再生機構１０６において、制御部１１３が温度調整機構１１１を制御する。温度調整機構１１１が調整した温度は、温度検知部１１２の検知信号に基づいて制御部１１３に監視される。これにより、二酸化炭素吸着材５の高分子化合物７は、二酸化炭素を放出する。このとき空気調和装置１０１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増大させる第２モードで駆動される。

また空気調和装置１０１は、ユーザの設定に基づき、二酸化炭素吸着材５の温度が、一例として２０℃以上４０℃未満の第２温度域の温度（例えば３５℃）となるように、再生機構１０６において、制御部１１３が温度調整機構１１１を制御する。これにより、二酸化炭素吸着材５の高分子化合物７は、二酸化炭素に比べて水を優先的に放出する。このとき空気調和装置１０１は、室内の空気の湿度を増大させる第３モードで駆動される。

このような空気調和装置１０１においても、空気調和装置１と同様の効果が奏される。更に第３モードにおいて、高分子化合物７を含む二酸化炭素吸着材５を用いて、室内の空気の加湿効果を得ることができる。

また本実施形態の空気調和装置１０１は、高分子化合物７の二酸化炭素放出量のピーク温度が、４０℃以上８０℃以下の範囲の温度であり、高分子化合物７の水放出量のピーク温度が、２０℃以上４０℃未満の範囲の温度である。このため、比較的低温の温度域において、高分子化合物７から二酸化炭素を主に放出させる二酸化炭素吸着材５の制御と、高分子化合物７から水を主に放出させる二酸化炭素吸着材５の制御とを、任意の温度で分けて行い易くできる。なお第１１実施形態では、高分子化合物７を用いた構成を例示したが、高分子化合物１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７を用いた場合にも、高分子化合物７を用いた場合と同様の効果を期待できる。また、前記した第１～第３温度域の各温度範囲は例示であり、例えば、空気調和装置１０１の仕様、二酸化炭素吸着材５に用いられる高分子化合物の種類等に応じて適宜調整可能である。

次に、本実施形態の変形例を説明する。この変形例では、第１温度域が、第２温度域の少なくとも一部範囲と重なっている。また一例として、第１温度域の最低温度は、第２温度域の最高温度よりも低温である。この場合、第２モードでは、二酸化炭素吸着材５の高分子化合物７は、二酸化炭素と共に水を放出する場合がある。このような本変形例においても、二酸化炭素吸着材５を第１温度域で加熱して二酸化炭素を放出させる第２モードと、二酸化炭素吸着材５を第２温度域で加熱して主に水を放出させる第３モードとに分けて、空気調和装置１０１を駆動することができる。

本開示は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、又は削除できる。空気調和用の二酸化炭素吸着材、及び、空気調和装置の各用途は、室内用途に限定されず、例えば、工場の排ガス処理用途、農業施設用途、車載用途等、他の用途でもよい。吸着材が、粉体である場合、吸着材の粒子は、形状やサイズが同一でなくてもよい。また、二酸化炭素吸着材を空気調和装置に備える場合、室内機及び室外機のいずれかが二酸化炭素吸着材を備えてもよい。

１、１０１ 空気調和装置
３ 送風機構
４ 吸着デバイス
５ 二酸化炭素吸着材
６、１０６ 再生機構
７、１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７ 高分子化合物
７ｂ、１７ｂ、２７ｂ、３７ｂ、４７ｂ、５７ｂ、６７ｂ、７７ｂ、８７ｂ、９７ｂ 官能基

Claims (15)

1. 少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含み、
   多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である、空気調和用の二酸化炭素吸着材。
2. 前記官能基は、前記アミン基が前記化学構造における分枝鎖の末端に位置している、請求項１に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
3. 前記化学構造は、前記アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含む、請求項１又は２に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
4. 前記官能基の分子量が、７０以上２００以下の範囲の値である、請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
5. 前記高分子化合物は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
6. アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である、請求項１～５のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
7. 平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である、請求項１～６のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
8. １０％変形時応力が、５×１０^６Ｐａ以上１４×１０^６Ｐａ以下の範囲の値である、請求項１～７のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材を備える、吸着デバイス。
10. 請求項９に記載の吸着デバイスと、
    前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、
    前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備える、空気調和装置。
11. 前記高分子化合物は、更に、繰り返し水を吸着及び放出するものであって、加熱により二酸化炭素及び水の少なくともいずれかを放出し、
    前記高分子化合物の二酸化炭素放出量のピーク温度と、前記高分子化合物の水放出量のピーク温度とが、互いに異なる、請求項１～８のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
12. 前記高分子化合物の二酸化炭素放出量のピーク温度が、４０℃以上８０℃以下の範囲の温度であり、前記高分子化合物の水放出量のピーク温度が、２０℃以上４０℃未満の範囲の温度である、請求項１１に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
13. 請求項１１又は１２に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材を備える、吸着デバイス。
14. 請求項１３に記載の吸着デバイスと、
    前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、
    前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素及び水を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備え、
    前記再生機構は、
    前記二酸化炭素吸着材を第１温度域の温度で加熱して前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させ、
    前記二酸化炭素吸着材を第２温度域で加熱して前記二酸化炭素吸着材に水を放出させる、空気調和装置。
15. 前記第１温度域中の最低温度が、前記第２温度域中の最高温度よりも高温である、請求項１４に記載の空気調和装置。

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