JP3943556B2 - 低水分空気供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ロータ形状を為す複数の水分除去ろ材を用いた低水分空気供給装置に関する。
従来、半導体製造工程や精密電子部品製造工程などにおいては、空気中の水分、有機物、無機物などの不純物ガス状物質の製品への汚染を防止し、製造の歩留まり向上を図るために、液体窒素から窒素の純ガスを生成し、半導体製造装置などへ供給している。
しかしながら、純ガス製造コストが高価(数十円/m3)であり、室内へ漏洩した際の作業者への悪影響(窒息)が懸念され、空気を浄化する方法との併用が試みられている。
空気を浄化する従来技術としては、回転可能なロータ式の形状を為すゼオライトを用いた水分除去ろ材を多段配置し、露点温度を下げるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
その一例を図2により説明する。
図2に示す除湿装置は、被処理空気(外気)が通る除湿用通気路1と、温風が通る再生用通気路2と、ゼオライトを回転可能なロータ形状に形成した水分除去ろ材3,4と、上流側の水分除去ろ材3の処理部を通過した処理空気の一部を上流側の水分除去ろ材3のパージ部に通して再生用通気路2に導入する第1パージ用通気路5と、下流側の水分除去ろ材4の処理部を通過した処理空気の一部を下流側の水分除去ろ材4のパージ部に通して再生用通気路2に導入する第2パージ用通気路6と、上流側の水分除去ろ材3の処理部を通過した処理空気の一部を上流側の水分除去ろ材3の処理部よりも上流側の除湿用通気路1に還気する還気用通気路7と、上流側の水分除去ろ材3の外気導入通気路と換気用通気路7との合流点よりも上流側の除湿用通気路1に配置されたクーラ8と、換気用通気路7に配置されたクーラ9と、上流側の水分除去ろ材3の再生部を通過する前の再生用通気路2中の空気を加熱するヒータ10と、下流側の水分除去ろ材4の再生部を通過する前の再生用通気路2中の空気を加熱するヒータ11と、換気用通気路7と外気導入通気路の合流部と上流側の水分除去ろ材3との間の除湿用通気路1に配置されたファン12と、上流側の水分除去ろ材3の再生部よりも下流側の再生用通気路2に配置されたファン13とを有する。
この除湿装置では、上流側の水分除去ろ材3を通過した空気の一部を上流側の水分除去ろ材3よりも上流側の除湿用通気路1に換気用通気路7を介して還気することにより、上流側の水分除去ろ材3を通過した空気を、露点温度が−70℃まで除湿し、そして、下流側の水分除去ろ材4の処理部を通過してさらに除湿し、露点温度が−100℃まで除湿することができる。下流側の水分除去ろ材4の処理部を通過した空気のうち、再生用通気路2に導かれた空気は、ヒータ11に導かれ、ヒータ11によって下流側の水分除去ろ材4の再生温度(例えば、120℃)に加熱される。また、ヒータ10に導かれた空気は、ヒータ10によって上流側の水分除去ろ材3の再生温度(例えば、120℃)に加熱される。
特開2002−320817号公報
しかし、図2に示す従来技術では、下記の問題点が挙げられる。
1)上流側の水分除去ろ材3および下流側の水分除去ろ材4への負荷を軽減するため、外気をクーラ8で5℃まで冷やし前除湿を行っている。そのため、給気中水分の31.6%を凝縮冷却する必要があり、クーラ8の冷却源の消費が多大となる。また、凝縮冷却により、雑菌の発生繁殖のおそれがある。
2)必要風量100に対して、低水分空気は48%しか供給できず、残りは水分除去ろ材3,4の再生に用いられるため無駄である。
3)水分除去ろ材3,4の水分吸着性能が低いため、上流側水分除去ろ材3の下流空気の乾燥空気の再利用のためのクーラ9と前処理のクーラ8が必要となる。
本発明は斯かる従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、水分除去ろ材を多段にする場合の省エネルギー化を可能とした低水分空気供給装置を提供することにある。
請求項1に係る発明は、外気が通る除湿用通気路と、温風が通る再生用通気路と、細孔径が7Å以上、比表面積が500g/m2以上のX型ゼオライトもしくはY型ゼオライト60〜85wt%、バインダー5〜10wt%、骨格繊維残wt%、接着剤1〜15wt%量によって構成されるとともに回転可能なロータ形状を為し、前記除湿用通気路の外気取入口側に配置される上流側水分除去ろ材および前記上流側水分除去ろ材より下流側の前記除湿用通気路に配置される下流側水分除去ろ材と、前記上流側水分除去ろ材の処理部を通過する前の前記除湿用通気路を通る外気の一部を前記上流側水分除去ろ材のパージ部を経由して前記再生用通気路に導入する第1パージ用通気路と、前記上流側水分除去ろ材の処理部を通過する前記除湿用通気路中の外気の一部を前記下流側水分除去ろ材のパージ部を経由して前記再生用通気路に導入する第2パージ用通気路と、前記上流側水分除去ろ材と前記下流側水分除去ろ材との間の前記除湿用通気路に配置されたクーラと、前記第1パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部と前記上流側水分除去ろ材との間の前記再生用通気路に配置され、前記上流側水分除去ろ材の再生部を通過する前の前記再生用通気路中の空気を加熱する下流側ヒータと、前記第2パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部と前記下流側水分除去ろ材との間の前記再生用通気路に配置され、前記下流側水分除去ろ材の再生部を通過する前の前記再生用通気路中の空気を加熱する上流側ヒータと、前記上流側水分除去ろ材の処理部よりも前記除湿用通気路の外気取入口側に配置された上流側ファンと、前記上流側水分除去ろ材の再生部よりも前記再生用通気路の排気側に配置された下流側ファンと、前記下流側水分除去ろ材の再生部を通過した前記再生用通気路中の空気を、前記下流側水分除去ろ材の再生部の空気導入側で前記第2パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部よりも前記再生部の反対側に位置する前記再生用通気路に還気する還気用通気路とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、従来の低水分空気供給装置に比し、ヒータ発熱量を低減でき、回収率が17%増加し、クーラ削減によるランニングコスト、エネルギーの大幅な削減が可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る低水分空気供給装置20を示す。
本実施形態に係る低水分空気供給装置20は、被処理空気(外気)が通る除湿用通気路21と、温風が通る再生用通気路22と、細孔径が7Å以上、比表面積500g/m 2 以上のX型ゼオライトもしくはY型ゼオライト60〜85wt%、バインダー5〜10wt%、骨格繊維残wt%、接着剤1〜15wt%量によって構成されている回転可能なロータ形状に形成した通気性と吸湿性とを有する上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24とを備えている。
上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24は、除湿用通気路21と再生用通気路22とにそれぞれロータ端面が横切るように配置されている。また、上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24は、従来の装置と同様に、被処理空気から水分を吸着する処理部23a,24aと、除湿用通気路21と再生用通気路22とを結ぶパージ部23b,24bと、処理部23a,24aにおいて吸着した水分を放出する再生部23c,24cとを備えている。さらに、上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24は、モータなどの回転駆動手段および回転駆動を伝達するベルトなどの伝達手段によって所定の速度で回転し、処理部23a,24aで水分を吸着し、再生部23c,24cで吸着した水分を放出する作用を連続的に行うことができるように構成されている。
上流側水分除去ろ材23のパージ部23bには、上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過する前の除湿用通気路21を通る被処理空気の一部を再生用通気路22に導入する第1パージ用通気路25が配置されている。
下流側水分除去ろ材24のパージ部24bには、上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過した処理空気の一部を再生用通気路22に導入する第2パージ用通気路26が配置されている。
上流側水分除去ろ材23と下流側水分除去ろ材24との間の除湿用通気路21には、被処理空気の温度を調整するクーラ27が配置されている。
上流側水分除去ろ材23の再生部23cの上流側の再生用通気路22には、再生部23cを通過する前の再生用通気路22中の空気を加熱する流側ヒータ28が配置されている。
下流側水分除去ろ材24の再生部24cの上流側の再生用通気路22には、再生部24cを通過する前の再生用通気路22中の空気を加熱する流側ヒータ29が配置されている。
上流側水分除去ろ材23の処理部23aよりも上流側の除湿用通気路21には、上流側ファン30が配置されている。
上流側水分除去ろ材23の再生部23cよりも下流側の再生用通気路22には、下流側ファン31が配置されている。
下流側水分除去ろ材24の再生部24cを通過した再生用通気路中22の空気を、下流側水分除去ろ材24の再生部24cの空気導入側で第2パージ用通気路26と再生用通気路22との接続部よりも下流側水分除去ろ材24の再生部24cの反対側に位置する再生用通気路22に還気する還気用通気路32が配置されている。
本実施形態において、再生用通気路22は、第2パージ用通気路26と接続し、上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過した処理空気の一部を下流側水分除去ろ材24のパージ部24bを経由して導入する通気路である。第1パージ用通路25は、上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過する前の除湿用通気路21を通る被処理空気の一部を上流側水分除去ろ材23のパージ部23bを経由して流側ヒータ28に導入するように、流側ヒータ28より流側の再生用通気路22に接続する通気路である。第2パージ用通路26は、上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過した被処理空気の一部を下流側水分除去ろ材24のパージ部24bを経由して流側ヒータ29に導入するように、流側ヒータ29より流側の再生用通気路22に接続する通気路である。
また、上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24を構成するローターは、細孔径が7Å以上のゼオライト60〜85wt%、バインダー5〜10wt%、骨格繊維残wt%、接着剤1〜15wt%量によって形成されている。
ここで、細孔径が7Å以上のゼオライトの種類はX型ゼオライトもしくはY型ゼオライトが好ましい。より好ましくは細孔径が7Å以上、比表面積が500g/m2以上のX型ゼオライトもしくはY型ゼオライトが好ましい。細孔径が7Åより小さく、比表面積が500g/m2より小さいと、PVA系ポリマーにより、ゼオライトの細孔が被覆されて、ゼオライトの吸着性能が低下する。細孔径の上限は、処理する排ガスの種類によるが、有機溶剤の場合で30Å以下、水分の場合で25Å以下であることが望ましい。また、ゼオライト吸着材の量は、60〜85wt%の範囲が好ましく、吸着性能および吸着材の脱落などを考慮すると、70〜82wt%がより好ましい。その理由は60wt%未満では十分な吸着性能を得ることができず、また担持比率が低いPVA系ポリマーのゼオライト細孔径の被覆により吸着性能の低下が発現するためであり、85wt%を超えると吸着材の脱落が多くなり、またペーパーの強度が著しく低下するためである。
また、バインダーに相当するポリマーは、PVA系ポリマー、ポリアクリロニトリル系ポリマー、ポリエチレン系ポリマー、ポリエステル系ポリマーが好ましいが、ゼオライト吸着材と骨格繊維をバインダー効果により接合できるものであれば特に限定されるものではない。このバインダーに相当するポリマーの量は、5〜10wt%の範囲が好ましい。吸着性能、吸着材の脱落およびペーパー強度などを考慮すると、6〜8wt%がより好ましい。その理由は5wt%未満では、吸着材の脱落が多くなり、またペーパーの強度が著しく低下するためであり、10wt%を超えるとPVA系ポリマーのゼオライト細孔径の被覆により極端に吸着性能が低下するためである。
また、骨格繊維は、嵩密度の低い叩解度の高いフィブル化された難燃性耐熱性の合成パルプで構成されている。合成パルプは、ゼオライト吸着材を担持する担体として作用するものであり、嵩密度の低い叩解度の高いフィブリル化された難燃性かつ耐熱性を有する合成パルプの使用がゼオライトを高い担時比率で含有するためには好ましい。具体的にはアラミド系ポリマー、ベンズイミダゾール系ポリマー、ベンゾオキサゾール系ポリマー、ポリイミド系ポリマーから少なくとも1種を用いることが望ましい。
また、成形時に使用する接着剤は、酢酸ビニル接着剤、シリカゾル系接着剤、酢酸ビニル接着剤・ユリア樹脂の混合液など多数存在するが、より望ましくは変性酢酸ビニルが望ましい。その理由は、耐熱性、初期接着力に優れており、さらに安全に使用することができるためである。しかし、特にこれに限ることはない。ハニカムに対する接着剤の含有比率が1〜15wt%であることが好ましい。より好ましくは、接着剤のハニカムに対する含有比率は2〜9wt%であることが好ましい。接着剤の含有比率が1wt%より小さいと、ハニカム状構造の平面シートと波形シートが容易に剥離を起こしてしまい、接着剤の有比率が15wt%より大きいと、吸着エレメントの性能低下が起こるためである。
ここで、ゼオライトの細孔径、比表面積と、ゼオライトペーパーの抄紙用バインダーとして用いられるPVA系ポリマーなどの有機系バインダー、ゼオライト吸着エレメントに含まれる平面シートと波形シートを接着およびハニカムを積層する時に用いる接着剤の使用量によるゼオライトの吸着性能の関係について検討した結果を説明する。(1)有機バインダーがゼオライトの吸着性能を低下させる、(2)接着剤として従来用いられていたユリア樹脂は、酢酸ビニルと比較してシートに対する浸透性が高く、特に吸水度の高いシートの場合にシート内部まで浸透しゼオライトを被覆してしまうため吸着性能が低下する、つまり、バインダーと相互作用がある、(3)上記(1),(2)の両方の現象においてゼオライトの細孔径がその吸着性能低下の程度と関係があることを確認した。そこで、細孔径の異なるゼオライト,シート作成時のバインダー素材,ハニカム形成時の接着剤の多数ある組み合わせの中から、本発明に最適な作成方法を見い出した。
その結果、PVA系ポリマーなどの有機バインダーによるゼオライト吸着材の吸着性能低下は、特に細孔径が小さく、さらに比表面積の小さいゼオライトに発生し、あるサイズの細孔径、比表面積のゼオライトを使用してゼオライト含有量とPVA量を調整すると、ゼオライトの吸着性能低下は抑制できることを見い出した。
例えば、細孔径が5.5Å、比表面積が350g/m2のZSM−5型ゼオライトを80wt%含有し、PVA系ポリマーを5wt%含有したシートは、ゼオライトの吸着性能が約30%低下することを確認した。
しかし、細孔径が7.4Å、比表面積が700g/m2のY型ゼオライトを80wt%含有し、PVA系ポリマーを5wt%含有したシートは、ゼオライトの吸着性能は低下しないことを発見した。また、PVA系ポリマーの含有量が10wt%まではゼオライトの吸着性能に大幅な低下が見られないことが解った。
さらに、細孔径が10Å、比表面積が850g/m2のX型ゼオライトを80wt%含有し、PVA系ポリマーを10wt%含有したシートは、ゼオライトの吸着性能の低下が見られないことが解った。
上記のようにある種の細孔径、比表面積を有するゼオライト吸着材を選定し、PVA系ポリマーなどの有機バインダーの含有量を調整することでゼオライト吸着材を使用してもPVA系ポリマーなどの有機バインダーが使用できることを見い出した。
さらに、上記の手法により得られたゼオライトシートを用いて、平面シートと波形シートを接着およびハニカムを積層する時に用いる接着剤について鋭意検討を行なった。
その結果、平面状シートと波形シートを接着する接着剤およびハニカムを積層する接着剤量をハニカムに対する含有比率が1〜15wt%になるようにハニカムの接着部分が剥離しない程度に調整することで、ハニカムの吸着性能低下を抑制できることを見い出した。
次に、ローターの製法について説明する。
吸着材として細孔径7Å以上のY型ゼオライトまたはX型ゼオライトを80wt%と、抄紙用バインダーとしてPVA系バインダー(ポリアクリロニトリル系ポリマー、ポリエチレン系ポリマー、ポリエステル系ポリマー)5wt%と、骨格繊維(アラミド系ポリマー、ベンズイミダゾール系ポリマー、ベンゾオキサゾール系ポリマー、ポリイミド系ポリマー)6.8wt%とを用いて、湿式抄紙法によりシートを得る。この吸着シートから成る平面シートと波形シートを耐熱性、初期接着力に優れている変性酢酸ビニル接着剤を用いてハニカムの接着部分が剥離しない程度に接着し、ハニカム状にして、さらに同変性酢酸ビニル接着剤を用いて接着部分が剥雌しない程度にハニカムを芯材に巻き付げてローター状にした円柱状のろ材に加工した。このローター状にした円柱状のろ材に対する接着剤含有比率は8.2wt%になった。
次に、斯くして構成された本実施形態に係る低水分空気供給装置20の作用を説明する。
先ず、上流側ファン30により被処理空気としての取入外気OAを、除湿用通気路21に導入する。
次に、給気の風量を100とすると、給気の風量100の内、20%が上流側ファン30より上流において第1パージ用通気路25に吸引され、80%が上流側ファン30により吸引される。
従って、第1パージ用通気路25に導入された20%の被処理空気(例えば、乾球温度23℃、露点温度10.5℃、絶対湿度7890mg/kg’)は、上流側水分除去ろ材23のパージ部23bを通過し、乾球温度85℃まで加温され、再生用通気路22へ導かれる。
一方、上流側ファン30により導入された80%の被処理空気(例えば、乾球温度23℃、露点温度10.5℃、絶対湿度7890mg/kg’)は、所定の速度で回転する上流側水分除去ろ材23の処理部23aを通過し、例えば、52℃まで加温されるとともに、露点温度−30℃まで除湿されて除湿用通気路21に導かれる。
次に、除湿用通気路21に導入した80%の被処理空気を、クーラ27によって例えば12℃程度に冷却する(例えば、露点温度−30℃、絶対湿度314mg/kg’)。
次に、冷却された80%の被処理空気の内、60%の被処理空気(例えば、乾球温度12℃、露点温度−30℃、絶対湿度314mg/kg’)を、所定の速度で回転する下流側水分除去ろ材24の処理部24aを通過させ、例えば、露点温度−90℃まで除湿して除湿用通気路21に導き、低水分空気の給気SA(例えば、乾球温度17℃、露点温度−90℃、絶対湿度313.94mg/kg’)とし供給する。冷却された80%の被処理空気の残の20%を、下流側水分除去ろ材24のパージ部24bを通過させ、第2パージ用通気路26を介して再生用通気路22へ導く。ここで、70℃まで加温される。
次に、第2パージ用通気路26を介して再生用通気路22に導入された20%の被処理空気を、流側ヒータ29により下流側水分除去ろ材24の再生温度(例えば、120℃)に加熱する。ここでは、還気用通気路32から5%の被処理空気(乾球温度76℃)が戻されるため、25%の被処理空気(乾球温度は71.5℃、)となる。
次に、流側ヒータ29により下流側水分除去ろ材24の再生温度(例えば、120℃)に加熱された25%の被処理空気を、下流側水分除去ろ材24の再生部24cに導入し、下流側水分除去ろ材24に吸着された湿分を離脱し再生する。再生部24cから出る空気は74℃に冷却される。
次に、下流側水分除去ろ材24の再生部24cから再生用通気路22へ導出する20%の被処理空気を、第1パージ用通気路25と合流した後、流側ヒータ28により上流側水分除去ろ材23の再生温度(例えば、120℃)に加熱する。ここでは、第1パージ用通気路25からの20%の被処理空気(乾球温度85℃)により、乾球温度が80.2℃に上昇する。
次に、流側ヒータ28により上流側水分除去ろ材23の再生温度(例えば、120℃)に加熱された40%の被処理空気を、上流側水分除去ろ材23の再生部23cに導入し、上流側水分除去ろ材23に吸着された湿分を離脱し再生する。
次に、上流側水分除去ろ材23の再生部23cから再生用通気路22へ導出する40%の空気(乾球温度29℃)を、下流側ファン31により排気EAとして排出する。
以上により、必要風量100に対し60%を低水分空気とすることが可能なロータシステムを得ることができる。
従って、本実施形態に係る低水分空気供給装置20によれば、図2に示す従来の低水分空気供給装置に比し送風量が1.25倍(60/48)となる。
また、本実施形態に係る低水分空気供給装置20によれば、上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24の通過風量合計は、表1に示すように、図2に示す従来の低水分空気供給装置におけ上流側水分除去ろ材3および下流側水分除去ろ材4の通過風量合計に比し、0.725倍(245/338)となった。これは、上流側水分除去ろ材23および下流側水分除去ろ材24を構成する除湿材が従来より少なくなるとともに、ファンの動力の省エネルギーが図られていることを意味する
Figure 0003943556
本発明の一実施形態に係る低水分空気供給装置を示す説明図である。 従来の低水分空気供給装置を示す説明図である。
符号の説明
20 低水分空気供給装置
21 除湿用通気路
22 再生用通気路
23 上流側水分除去ろ材
23a 処理部
23b パージ部
23c 再生部
24 下流側水分除去ろ材
24a 処理部
24b パージ部
24c 再生部
25 第1パージ用通気路
26 第2パージ用通気路
27 クーラ
28 流側ヒータ
29 流側ヒータ
30 上流側ファン
31 下流側ファン
32 還気用通気路

Claims (1)

  1. 外気が通る除湿用通気路と、
    温風が通る再生用通気路と、
    細孔径が7Å以上、比表面積が500g/m2以上のX型ゼオライトもしくはY型ゼオライト60〜85wt%、バインダー5〜10wt%、骨格繊維残wt%、接着剤1〜15wt%量によって構成されるとともに回転可能なロータ形状を為し、前記除湿用通気路の外気取入口側に配置される上流側水分除去ろ材および前記上流側水分除去ろ材より下流側の前記除湿用通気路に配置される下流側水分除去ろ材と、
    前記上流側水分除去ろ材の処理部を通過する前の前記除湿用通気路を通る外気の一部を前記上流側水分除去ろ材のパージ部を経由して前記再生用通気路に導入する第1パージ用通気路と、
    前記上流側水分除去ろ材の処理部を通過する前記除湿用通気路中の外気の一部を前記下流側水分除去ろ材のパージ部を経由して前記再生用通気路に導入する第2パージ用通気路と、
    前記上流側水分除去ろ材と前記下流側水分除去ろ材との間の前記除湿用通気路に配置されたクーラと、
    前記第1パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部と前記上流側水分除去ろ材との間の前記再生用通気路に配置され、前記上流側水分除去ろ材の再生部を通過する前の前記再生用通気路中の空気を加熱する下流側ヒータと、
    前記第2パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部と前記下流側水分除去ろ材との間の前記再生用通気路に配置され、前記下流側水分除去ろ材の再生部を通過する前の前記再生用通気路中の空気を加熱する上流側ヒータと、
    前記上流側水分除去ろ材の処理部よりも前記除湿用通気路の外気取入口側に配置された上流側ファンと、
    前記上流側水分除去ろ材の再生部よりも前記再生用通気路の排気側に配置された下流側ファンと、
    前記下流側水分除去ろ材の再生部を通過した前記再生用通気路中の空気を、前記下流側水分除去ろ材の再生部の空気導入側で前記第2パージ用通気路と前記再生用通気路との接続部よりも前記再生部の反対側に位置する前記再生用通気路に還気する還気用通気路と
    を備えたことを特徴とする低水分空気供給装置。
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