JP5061581B2 - 吸着素子およびそれを用いた調湿用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸着素子に関するものであり、詳しくは、吸着式冷凍機または調湿空調用のデシカント用のロータ等の吸着素子に関するものである。

吸着素子は、吸着材、担体およびバインダーより構成され、シート状をはじめ、平板状、フィン状あるいはハニカム状といった様々な構造に形成される。吸着性能に大きく関与するものは吸着材であるが、実際の吸着性能は吸着素子自体、すなわち吸着材がバインダーにより担体に固着されたものの吸着性能によって決まる。

例えば、調湿用空調デシカントでは、できるだけ低温での再生が可能であることが望まれている。それにより、これまで捨てられていた排熱を利用することができ、省エネ空調となる。高湿度の空気を除湿する場合に、できるだけ低温で再生するためには、吸着素子として高い相対湿度領域での吸着の相対湿度と脱着の相対湿度での吸着量差ができるだけ大きいことが望ましい。また、冬などに乾燥している空気を加湿する場合、今度は低湿度の空気から水分を吸着し、低温で再生して、その脱着した水分で加湿するということができなければならない。そのためには、１０％以下を含む、低い相対湿度領域での吸着の相対湿度と脱着の相対湿度の吸着量差ができるだけ大きいことが望ましい。

従来公知の吸着材のうち、上記要求に応えられるような比較的高性能なものとして特定の構造を有するアルミノフォスフェート（ＡＬＰＯ）が挙げられる（特許文献１）。しかしこの文献では、担体に担持した場合にどのような吸着性能を有するかについては開示がなく、また示唆もない。

吸着素子（吸着材を担持させたものをいう）の吸着性能は、担体やバインダーの種類、組み合わせ、固着方法などにより変化することが予測されるが、吸着素子自体についての吸着性能を研究した例は少なく、特に吸着等温線を報告した文献は少ない。

その代表的な例として、吸着素子であるハニカムロータとして、シリケートやゼオライトをセラミック繊維に担持したものが知られており、その吸着等温線が開示されている（非特許文献１、図９）。
この文献において筆者らはシリケートあるいはゼオライトを、異なる担持方法、具体的には、合成固着法（carrying by synthesis reaction）あるいは含浸法（carrying by impregnating）により担持してハニカムロータを作成している。そのロータの吸着性能（吸着等温線）は図９に記載されており、吸着材の種類、担体の種類、および担持方法によって当該曲線の形が異なることが理解できる。
つまり、吸着材の吸着等温線が知られていても、それを担体に担持した場合の吸着素子の吸着等温線は構成材の組み合わせ、担持条件等によって全く異なる曲線となるため、当業者には予測できないことが理解される。

また、除湿とともに低湿度の空気中から水分を吸着し、低温熱源により加熱して吸着した水分を放出して加湿を行うというような用途の場合には、低湿度領域、具体的には相対湿度１０％以下についての吸着特性が重要になってくる。しかしながら、文献１にはそのような低湿度領域の記載は無い。
したがって、吸着材をはじめとする、吸着素子の構成材、担持条件等による組み合わせによってできる吸着素子の低湿度から高湿度までの吸着特性を詳しく調べることにより、それらの構成要素、吸着素子作成条件などと低湿度から高湿度までの吸着特性との関係を詳しく調べ、はじめて除湿、加湿など種々の調湿条件に対応できる吸着素子が完成するの
である。

特開平９−１７８２９２ 第７回吸着基礎国際会議要旨集（7th Internatinal Conference on Fundamentals of Adsorption May 20-25, 2001 Nagasaki）

しかしながら、非特許文献１で開示された吸着素子ではまだその性能が充分ではなく、市場要求に十分応えられるものではなかった。

本発明は、高湿度空気の除湿や低湿度空気の加湿などの両方が可能となるような調湿用デシカント空調装置を実現するための吸着素子を提供することも目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、２５℃の吸着等温線において、相対湿度が２８％と相対湿度５％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であり、かつ相対湿度７０％と相対湿度９０％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上の吸着素子、好ましくは相対湿度が２８％と相対湿度７％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であり、かつ相対湿度７２％と相対湿度９０％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上の吸着素子を用いることにより、本発明を完成させた。

本発明により、従来技術では解決できなかった、高湿度空気の除湿や低湿度空気の加湿などの両方が可能となるような調湿用デシカント空調装置を実現することが可能となる。加えて、５０℃以下での低温での再生も可能となり、これまで使用されていなかった排熱などの利用にも有効である。

吸着性能の定義：
高湿度の空気の低温での再生を行う場合、例えば、夏場の３５℃で相対湿度約９０％の空気を除湿し、この空気を排熱などを利用し、４０℃にして再生に用いようとすると相対湿度約７０％が脱着空気の湿度となる。さらにより低温での再生にしようとすると、脱着の空気の湿度はより高くなり、例えば７２％などになる。

また、低湿度の空気を加湿する場合、例えば、冬場の１２℃で相対湿度２８％の空気を利用して室内などを加湿する場合、この空気から水分を吸い取る必要があるので、吸着の相対湿度は約２８％となり、この空気を、低温廃熱などを利用して４０℃にし、再生させて脱着させた水分により加湿しようとすると、脱着の相対湿度は約５％となる。さらにより低温での再生にしようとすると、脱着の空気の湿度はより高くなり、例えば７％となる。

このような高湿度、低湿度の空気の両方において除湿、加湿の調湿が可能である吸着素子が必要であることになる。そのためには、上記のような吸着と脱着の相対湿度における吸着量差が大きくなければならない。

この吸着量差は処理する空気量、温湿度条件により必要な吸着量差は異なるが、吸着量差が大きいほど吸着素子の大きさは小さくなる。例えば、家庭用除湿機は、約６Ｌ／日の除湿性能があるが、ロータの回転数が約３０回／ｈで重量が約１６０ｇであることから、１回のロータの除湿量は約８ｇ／回となり、吸着素子の重量当たりの吸着量差としては約０．０５ｇ／ｇとなる。

これらのことから、望ましい吸着素子の吸着性能としては、吸着素子の重量当たりの吸着量の差で表すと、２５℃の吸着等温線において、相対湿度が２８％と相対湿度５％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であり、かつ相対湿度７０％と相対湿度９０％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上の吸着素子、好ましくは相対湿度が２８％と相対湿度７％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であり、かつ相対湿度７２％と相対湿度９０％との吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上である。

吸着素子：
吸着素子は、吸着材とバインダーと担体よりなる。本発明における吸着素子には、これらから成るいわゆるシート状、平板状、フィン状などの吸着機能を発揮する部材、および、これらを加工したハニカム状などの吸着機能を発揮する種々の構造の部品が含まれる。

吸着材：
本発明で用いる吸着材は、吸着素子とした場合に、上記のような吸着性能が生じるものであれば、何でもよいが、通常、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、アルミナ、高分子収着体、イオン交換樹脂などがあげられる。

中でも、水蒸気の吸着が容易であるゼオライトが好ましい。アルミノシリケートのゼオライトにおいては、シリカアルミナ比（ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３のモル比）が５．５以上、好ましくは６以上、さらに好ましくは７以上が良い。ゼオライトのなかでも、水蒸気の低温での脱着がより容易である、骨格に少なくともＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート類がより好ましい。

これらの吸着材を用いる場合、特に好ましいアルミノフォスフェート類の場合は、吸着素子を構成する担体、バインダーの種類、あるいは担体に固着する場合の吸着材を含む水性スラリーの調整方法や固着方法についての広い範囲から本発明の吸着性能を持った吸着素子を作成することが比較的容易である。

これに対して、他の吸着材の場合には、例えばアルミノシリケートのゼオライトの場合には、比較的シリカアルミナ比が高いゼオライトを選び、担体、バインダーも下記に例示するものから好ましい種類のものを選び、また水性スラリーの調整方法や固着方法などについてもそのゼオライトに適した条件を選ぶことによって、本発明の吸着素子を得ることが可能と考えられる。

吸着素子における水蒸気の吸着等温線において、高相対圧部分（相対湿度７０％と相対湿度９０％の間）で吸着量が増加するのは、吸着素子中にメソポア（メソ孔）が存在していることを示唆している。メソポアとは、吸着材が坦体に固着する場合に、吸着材の粒子同士の隙間、あるいは吸着材と担体との間に生じた間隙を通常メソポアと呼び、一般に、約２〜５０ｎｍの穴の大きさに相当する。
すなわち、本発明の吸着素子を得るためには、吸着材を担体に固着させた際、吸着素子中にメソポアを形成することが好ましい。

吸着材の大きさは通常、０．１から３００ミクロン、好ましくは０．５から１００ミクロン、さらに好ましくは１から５０ミクロン、最も好ましくはメソポアを形成し易い点において２から２０ミクロンである。

アルミノフォスフェート類：
本発明に用いられるアルミノフォスフェート類（以下、ＡＬＰＯ類と略することがある）は、ＩＺＡ（International Zeolite Association）の定める結晶性アルミノフォスフェートである。

結晶性アルミノフォスフェートは、骨格構造を構成する原子がアルミニウム及びリンであり、その一部が他の原子で置換されていても良い。中でも、Ｉ）アルミニウムがヘテロ原子（Ｍｅ１：但し、Ｍｅ１は周期表第三または第四周期に属し、２Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族、３Ｂ族（Alのぞく）の元素から選ばれる少なくとも一種類の元素を示す。）で一部置換されたＭｅ−アルミノフォスフェート、II）リンがヘテロ原子（Me２：但し、Me２は周期表第三または第四周期に属する４Ｂ族元素）で置換されたＭｅ−アルミノフォスフェート、あるいは、III）アルミニウムとリンの両方がヘテロ原子（それぞれMe１、Me２）で置換されたＭｅ−アルミノフォスフェートが吸着特性の点から好ましい。

ここで、骨格構造を構成しているＭｅ、Ａｌ及びＰの構成割合（モル比）は、通常、下記式１−１〜３−１のモル比であり、好ましくは、下記式１−２〜３−２である。ｘが上記範囲より小さいと、吸着質の圧力が低い領域での吸着量が小さくなったり、合成が困難となる傾向があり、上記範囲より大きいと、合成時に不純物が混入しやすい傾向がある。又、ｙ、ｚが上記範囲外であると、合成が困難である。

０≦ｘ≦０．３ ・・・１−１
（ｘは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＭｅのモル比を示す）
０．２≦ｙ≦０．６ ・・・２−１
（ｙは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＡｌのモル比を示す）
０．３≦ｚ≦０．６ ・・・・３−１
（ｚは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＰのモル比を示す）
０．０１≦ｘ≦０．３ ・・・１−２
（ｘは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＭｅのモル比を示す）
０．３≦ｙ≦０．５・・・２−２
（ｙは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＡｌのモル比を示す）
０．４≦ｚ≦０．５ ・・・３−２
（ｚは、Ｍｅ、Ａｌ、Ｐの合計に対するＰのモル比を示す）

Ｍｅは、１種でも２種以上含まれていても良い。好ましいＭｅ（Ｍｅ１，Ｍｅ２）は、周期表第３、第４周期に属する元素である。

Ｍｅ１は２価の状態でイオン半径が３以上、０．８ｎｍ以下であるのが好ましく、更に好ましくは２価、４配位の状態でイオン半径が０．４以上、７ｎｍ以下である。上記の中でも、合成の容易さ、吸着特性の点から、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｚｎから選ばれる少なくとも一種類の元素であるのが好ましく、特にＦｅであるのが好ましい。Ｍｅ２は、周期表第三または第四周期に属する４Ｂ族元素であり、好ましくはＳｉである。

また、本発明のアルミノフォスフェート類は、そのフレームワーク密度（ＦＤ）が、通常、１３Ｔ／ｎｍ^３以上２０Ｔ／ｎｍ^３以下、好ましくは、１３．５Ｔ／ｎｍ^３以上であり、更に好ましくは１４Ｔ／ｎｍ^３以上であり、一方、１９Ｔ／ｎｍ^３以下が好ましい。ここで、Ｔ／ｎｍ^３は、単位体積ｎｍ^３あたり存在するＴ原子（ゼオライトの１ｎｍ^３当たりの酸素以外の骨格を構成する元素の数）を意味し、フレームワーク密度：ＦＤを示す単位である。上記範囲未満では、構造が不安定となる傾向があり耐久性が低下する問題があり、一方、上記範囲を越えると吸着容量が小さくなり、吸着材としての使用に適さなくなる傾向がある。

また、本発明のアルミノフォスフェート類は、その構造としては、International Zeolite Association（ＩＺＡ）が定めるコードで、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＥＴ、ＡＦＩ、ＡＦＮ、ＡＦＲ、ＡＦＳ、ＡＦＴ、ＡＦＸ、ＡＴＯ、ＡＴＳ、ＣＨＡ、ＥＲＩ、ＬＥＶ、ＶＦＩが挙げられるが、中でも、吸着特性、耐久性の点から、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＦＩ、ＣＨＡ、ＬＥＶから選ばれるいずれかであるのが好ましく、特にＡＦＩ、ＣＨＡが好ましい。尚、ＡＬＰＯ類は１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。

ＡｌＰＯ類の合成は公知の方法を用いて合成できる。例えば、特公平１−５７０４１などに合成法が記載されている。以下に例を示す。

ＡｌＰＯ類の合成方法は特に限定さないが、通常、アルミニウム源、リン源、必要に応じてＳｉ，ＦｅなどのＭｅ源、及びテンプレートを混合した後、水熱合成して製造される。

先ず、アルミニウム源、必要に応じて鉄源又はケイ素源などのＭｅ源、リン源、及び、テンプレートを混合する。

アルミニウム源：アルミニウム源は特に限定されず、通常、擬ベーマイト、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリエトキシド等のアルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、アルミナゾル、アルミン酸ナトリウムなどが挙げられるが、擬ベーマイトが取り扱い易く反応性が高いので好ましい。

Ｍｅ源：ヘテロ原子としては、上記のアルミノフォスフェート類の説明におけるＭｅを意味し、好ましくは、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ、Ｚｎなどである。これらのＭｅ源としては通常これらの硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩等の有機酸塩、あるいは有機金属化合物のかたちで用いられる。場合によっては、コロイド状の水酸化物等を用いても良い。

ケイ素源：ケイ素源としてはfumedシリカ、シリカゾル、コロイダルシリカ、水ガラス、ケイ酸エチル、ケイ酸メチルなどが用いられる。

リン源：リン源としては通常リン酸が用いられるが、リン酸アルミニウムを用いてもよい。

テンプレート：テンプレートとしては、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等の４級アンモニウム塩、モルホリン、ジ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、ピペリジン、ピペラジン、シクロヘキシルアミン、２−メチルピリジン、Ｎ，Ｎ−ジメチルベンジルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン、ジシクロヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミン、コリン、Ｎ，Ｎ‘−ジメチルピペラジン、１，４−ジアザビシクロ（２，２，２）オクタン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−メチルピペリジン、３−メチルピペリジン、Ｎ−メチルシクロヘキシルアミン、３−メチルピリジン、４−メチルピリジン、キヌクリジン、Ｎ，Ｎ’−ジメチル−１，４−ジアザビシクロ−（２，２，２）オクタンイオン、ジ−ｎ−ブチルアミン、ネオペンチルアミン、ジ−ｎ−ペンチルアミン、イソプロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミン、ピロリジン、２−イミダゾリドン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、シクロペンチルアミン、Ｎ−メチル−ｎ−ブチルアミン、ヘキサメチレンイミン、等の１級アミン、２級アミン、３級アミン、ポリアミンが挙げられる。これらは混合して用いてもよい。

このなかでも、モルホリン、トリエチルアミン、シクロヘキシルアミン、イソプロピルアミン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、Ｎ−メチル−ｎ−ブチルアミン、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドが反応性の点で好ましく、工業的にはより安価なモルホリン、トリエチルアミン、シクロヘキシルアミンがより好ましい。これらは単独で使用しても良いし、２種以上組み合わせて用いても良い。

水性ゲルの調製：
上述のアルミニウム源、リン源、必要に応じてＭｅ源及びテンプレートを混合して水性ゲルを調合する。混合順序は条件により異なるが、通常は、先ず、リン酸源、アルミニウム源を混合し、これにＭｅ源と、テンプレートとを混合する。

ＭｅＡＰＯに係る水性ゲルの組成は、酸化物のモル比で表して、０．０１≦ＭｅＯｘ（ｘはＭｅが２価の場合は１、３価の場合は１．５）／Ｐ_２Ｏ_５≦１．５であり、さらに合成のし易さの観点からは０．０２≦ＭｅＯ／Ｐ_２Ｏ_５≦１．０が好ましく、０．０５≦ＭｅＯ／Ｐ_２Ｏ_５≦０．８がより好ましい。また、Ｐ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３の比は、０．６以上１．７以下であり、さらに合成のし易さの観点からは０．７以上１．６以下が好ましく、０．８以上１．５以下がより好ましい。また、水の割合の下限としては、Ａｌ_２Ｏ_３に対して、モル比で３以上であり、合成のし易さの観点からは５以上が好ましく、１０以上がより好ましい。水の割合の上限としては、２００以下、合成のし易さや生産性の高さの観点からは１５０以下が好ましく、１２０以下がより好ましい。水性ゲルのｐＨは、４〜１０であり、合成のし易さの観点からは５〜９が好ましく、５．５〜８．５がより好ましい。

なお、各水性ゲル中には、所望により、上記以外の成分を共存させても良い。このような成分としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩、アルコール等の親水性有機溶媒が挙げられる。

水熱合成：
水熱合成は、水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧下、又は結晶化を阻害しない気体の加圧下で、攪拌又は静置状態で所定温度を保持することにより、行われる。水熱合成の条件は、１００〜３００℃であり、合成のし易さの観点からは１２０〜２５０℃が好ましく、１５０〜２２０℃がより好ましい。

反応時間は、３時間〜３０日であり、合成のし易さの観点からは５時間〜１５日が好ましく、７時間〜７日がより好ましい。水熱合成後、生成物を分離し、水洗、乾燥し、焼成等の方法により、含有する有機物を除去し、骨格に少なくともＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート類を得る。

担体：
担体とは、吸着材を固着させ、吸着材を一体化させて使用、加工するための基材を言い、例えば、紙状物、シート状物、板状物、繊維状物、樹脂、粒状物などが挙げられる。吸着材を固着させる担体の形状、すなわち、素子を構成する場合の形状としては、シート状を始めとし、平板状、フィン状、あるいは穴の形状が略三角、略四角、略六角形等のハニカム状等が挙げられる。

担体の材質は、シート状、平板、フィン状の素子では、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属が挙げられ、ハニカム状の素子では、金属の他に、無機あるいは有機の繊維状物質の集合体、具体的にはシリカ、アルミナを主成分としたセラミックスペーパーなどのセラミックス繊維、ガラス繊維、ＦｅやＣｕ，Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属から製造された金属繊維、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリクラール、ナイロン、レーヨン、ビニロン、ビニリデン、ポリ塩化ビニル、アセテート、ポリエステル等の化学繊維、あるいは、セルロース、絹、木綿等の天然系繊維を使用することも出来る。また炭素繊維も使用可能である。

これらの中で、吸着材を固着することにより、メソポアの生成により高湿領域での吸着量が増加する傾向にあるハニカム状の担体が好ましく、材質としては繊維状物質のものが好ましく、なかでもセラミックス繊維のものが好ましい。セラミックス繊維の直径は、通常１〜１０μｍの範囲であるものが使用される。

吸着素子の構造：
吸着素子の構造としては、図６〜図１０に示す様な各種の構造が挙げられる。図６に示す吸着素子（１ａ）は、シート状に形成された素子であり、担体である基材シート（１２）の表面に吸着材層（１３）を配置して構成される。吸着素子（１ａ）は、各種の形状に整形して吸着式冷凍機やデシカントに使用できる。また、図８に示す様なプレートフィン型の構造の吸着素子（２Ａ）を構成できる。

図８に示す吸着素子（２Ａ）は、いわゆるプレートフィン型の素子であり、例えば長方形の平板状に形成された多数の吸着素子（１ａ）と、熱媒体（温熱媒体および冷熱媒体）が流れる一筋の熱媒流路（３）とを備えている。各吸着素子（１ａ）は、これらの各板面が平行かつ並列になる様に、一定の微小な通気空間を介して配列される。そして、熱媒流路（３）は、各吸着シート（１ａ）を貫通した状態に配置される。熱媒流路（３）の一端は、熱媒体の入口ポート（３１）であり、他端は、熱媒体の出口ポート（３２）である。

図７に示す吸着素子（１ｂ）は、図６の素子と同様に、基材シート（１２）の表面に吸着材層（１３）を配置して構成される。吸着素子（１ｂ）は、基材シート（１２）を波板状に形成されたものであり、例えば、図９に示す様なコルゲートフィン型の構造の吸着素子（２Ｂ）を構成できる。

図９に示す吸着素子（２Ｂ）は、いわゆるコルゲートフィン型の素子であり、長さ方向に沿ってジグザグに屈曲する帯状の吸着素子（１ｂ）を複数備えている。吸着素子（２Ｂ）は、熱媒体（温熱媒体および冷熱媒体）が供給される入口側ヘッダー（４１）と、熱媒体を排出する出口側ヘッダー（４２）と、これら各ヘッダーの間に平行かつ並列に架け渡され且つ熱媒体が流れる複数の直管状の熱媒流路（４）とを備えており、帯状の各吸着素子（１ｂ）は、図示する様に熱媒流路（４）の間に挿入される。なお、符号（４３）、（４４）は、ヘッダーへ熱媒体を供給する入口ポート、および、ヘッダーから熱媒体を回収する出口ポートを示す。

更に、シート状の担体を立体的に加工することにより、図１０に示す様なハニカム構造の吸着素子（２Ｃ）を構成することも出来る。吸着素子（２Ｃ）は、一方の端面から他方の端面へ通気可能に構成されることにより溶質蒸気や水蒸気を吸脱着する円柱状のローター型素子であり、吸着ヒートポンプや各種のデシカントシステムに適用される。

吸着素子（２Ｃ）は、繊維質の担体から成る多数のシート状の吸着素子（１）により円柱状（例えば短軸円柱状）のハニカム構造体に構成される。そして、略波板状に形成された吸着シート（１ａ）及び略平板状に形成された吸着シート（１ｂ）が交互に直径方向に沿って積層状態に配列されることにより、略三角形の開口形状を有する通気用のセル（５０）が端面に多数設けられる。すなわち、吸着素子（２Ｃ）は、平板状の吸着素子（１ａ）に波板状の吸着素子（１ｂ）を重ねることにより一列のセル（５０）を形成したハニカムシートが中心軸の周りに多数積層された構造を備えている。なお、符号（Ｘ）は、セル（５０）の配列方向を示している。

上記の吸着素子（２Ｃ）におけるハニカムは、通常、セラミックス繊維とパルプなどを混抄したセラミックシートをコルゲート加工した波型シートと、平面シートを交互積層または捲回することにより得られる。このようにして得られるハニカムは、ガスの流れ方向に直線の孔を有することから圧力損失が少ない。断面形状は略三角形となり、ピッチが１〜４ｍｍ、波高さが１．５〜５ｍｍが好ましく、より好ましくはピッチが１．５〜３．５ｍｍ、波高さが２〜４ｍｍの範囲にあるものが良い。ピッチが１ｍｍ未満、波高さが１．５ｍｍ未満の場合、ハニカムのガス通気孔が小さいため、圧力損失が大きくなり不利である。またピッチが４ｍｍを越えて、波高さが５ｍｍを越える場合は、接触効率が悪くなり結果として除湿性能が悪化する可能性がある。

デシカント空調装置に用いられるハニカムローターの場合、回転軸と平行にハニカムの孔を有する円盤状のセラミックハニカムの外径は、通常１０〜４５０ｃｍで、流れ方向の長さは２〜５０ｃｍが好ましく、通常は外径２０〜３００ｃｍで、流れ方向の長さは５〜４０ｃｍの範囲にあるものがより好ましい。

吸着材を固着させるためのバインダーとしては、有機系、無機系バインダーのいずれでも良いが、例えば、有機系バインダーとしては、アクリル樹脂、酢ビ系樹脂、スチレン系樹脂、各種共重合樹脂、オレフィン系樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン系樹脂などの樹脂成分を有機溶剤に溶解した接着剤、あるいはアクリル系樹脂エマルジョン、酢ビ系樹脂エマルジョン、スチレン系樹脂エマルジョン、各種共重合樹脂エマルジョン、オレフィン系樹脂エマルジョン、エポキシ系樹脂エマルジョン、ウレタン系樹脂エマルジョン、フェノール樹脂エマルジョン等の樹脂成分をエマルジョン化したエマルジョン系接着剤が挙げられる。無機系のバインダーとしては、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾル、ジルコニアゾルなどが挙げられる。これらに熱伝導性の良い金属繊維、炭素繊維などの繊維状物質やアルミ、銅、銀などの金属粉体やグラファイト等を添加しても良い。これらの中で吸着材を固着させるバインダーとしては、メソポアを形成し易い点で無機系のバインダーが好ましい。メソポアを一層形成し易くする観点からは、シリカゾルがより好ましい。

また、セピオライト、イモゴライトなどの粘土や繊維状無機化合物を添加させることも、固着性の向上やメソポアの生成による高湿度領域での吸着量の増加に有効である。これらの中で、ハニカム状担体に固着させる場合は、メソポアをより生成し易い点で無機系のバインダーが好ましい。中でもシリカゾルが好ましい。

吸着素子の製造：
吸着素子の製造方法は、製造される素子が本発明の吸着性能を満足する限り特に限定されないが、通常、担体に、吸着材、バインダー、水などの溶剤からなる水系分散液を塗布するか、担体を上記水系分散液に浸漬させる等の方法により添着した後、乾燥または焼成することにより製造される。なかでも、担体を水系分散液に浸漬させる方法がメソポアを生成し易い点で好ましい。

この水系分散液には、本発明の効果を損なわない程度に安定剤などの他の物質が添加されても良い。水系分散液の上記３成分の配合割合は、通常、吸着材が５〜６０重量％、バインダーが０．１〜５０重量％、溶剤が３０〜９４．９重量％の範囲である。好ましくは、吸着材が１０〜４５重量％、バインダーが１〜３０重量％、溶剤が４０〜８０重量％の範囲である。更には、吸着材に対する溶剤の重量比率は、通常は１〜２０％、好ましくは１．２５〜５％の範囲にあり、バインダーの量が吸着材の量を超えないことが好ましい。

水系分散液に占める吸着材とバインダの固形分重量は通常２０〜５０重量％、吸着材に対するバインダ固形分の割合は０．０５〜１が好ましく、より好ましくは固形分が２５〜４５重量％でバインダの割合が０．１〜０．６の範囲である。固形分重量が２０重量％未満の場合は除湿性能が不足する可能性があり、５０重量％を越える場合は、担時困難でハニカム孔が閉塞し圧力損失が増大する可能性がある。吸着材に対するバインダ固形分の割合が０．０５未満の場合は、吸着材の剥離を生じる可能性があり、バインダ固形分の割合が０．６を越える場合は除湿性能が悪化する恐れがある。

乾燥温度は通常５０〜１４０℃、好ましくは９０〜１４０℃である。焼成の場合は２００〜７００℃、好ましくは３００〜６００℃である。

吸着材の目付け量は、通常、吸着素子に対して、３０〜２５０ｋｇ／ｍ^３かつ２０〜９００ｇ／ｋｇであり、好ましくは、メソポアを形成し易い目付量である４０〜１８０ｋｇ／ｍ^３、かつ３０〜６００ｇ／ｋｇである。

目付け量が少なすぎると、十分な吸着量が得られない。また多すぎる場合は、メソポアが形成され難く、目詰まりや、水蒸気や処理空気の通風において抵抗となったりして十分な性能が出ない。

製造例１：
ＦＡＰＯ−５の合成：
水３８ｇと８５％リン酸１７．５ｇの混合物に、擬ベーマイト（２５％水含有、サソール製）９．５ｇを加えて攪拌した。これを３時間攪拌し、これに硫酸第一鉄７水和物６．７８ｇを水３７ｇに溶かした水溶液を加え、さらにトリエチルアミン１０．８ｇを混合して３時間攪拌して、出発反応混合物を得た。これをテフロン（登録商標）製内筒の入った２００ｃｃのステンレス製オートクレーブに仕込み、静置状態で１９０℃１０時間反応させた。反応後冷却して、デカンテーションにより上澄みを除いて、沈殿物を回収した。その沈殿物を水で３回洗浄して、１００℃のオーブンに入れて乾燥した。その後、乾式で平均５ミクロンまで粉砕した。こうして得られたテンプレート含有のサンプル３ｇを縦型の石英管に入れて、２００ｍｌ／分の５ｖｏｌ％酸素含有の窒素気流下、１℃／分で５５０℃まで昇温し、そのまま５５０℃で６時間焼成した。

こうして得られた結晶性鉄アルミノフォスフェートのＸＲＤ（Ｃｕ−Ｋα線使用）を測定した。その結果、ＡＦＩ型のＦＡＰＯ−５であった。また、塩酸水溶液で加熱溶解させ、ＩＣＰ分析により、元素分析を行ったところ、骨格構造のＡｌとＰとＦｅの合計に対する各成分の構成割合（モル比）は、Ｆｅ／Ａｌ／Ｐ＝４．２／４６．６／４９．２％であった。

製造例２：
ＳＡＰＯ−３４の合成：
水１３０ｇに８５％リン酸６５．５ｇを加え、これに擬ベーマイト（２５％含水、サソール製）４３ｇをゆっくり加え、３時間攪拌した。これをＡ液とする。これとは別に、ｆｕｍｅｄシリカ（アエロジル２００）３．８ｇ、モルホリン２７．５ｇ、トリエチルアミン３２．１ｇ、水１８５ｇを混合した液を調製した。これをＡ液に攪拌しながらゆっくりと加えた。これをさらに３時間攪拌した。この混合物をテフロン（登録商標）内筒入りの１Ｌステンレス製オートクレーブに仕込み、３００ｒｐｍで攪拌しながら１９０℃４８時間反応させた。反応後、冷却し、デカンテーションにより上澄みを除いて沈殿物を回収した。その後水洗し、１００℃で乾燥した。その後、乾式で平均６ミクロンまで粉砕した。

こうして得られたテンプレート含有のサンプル３ｇを縦型の石英管に入れて、１００ｍｌ／分の空気気流下、１℃／分で５５０℃まで昇温し、そのまま５５０℃で６時間焼成した。こうして得られた結晶性シリコアルミノフォスフェートのＸＲＤ（Ｃｕ−Ｋα線使用）を測定した。その結果ＣＨＡ型のＳＡＰＯ−３４であることがわかった。また、塩酸水溶液で加熱溶解させ、ＩＣＰ分析により、元素分析を行ったところ、骨格構造のＡｌとＰとＳｉの合計に対する各成分の構成割合（モル比）は、Ｓｉ／Ａｌ／Ｐ＝８．２／４９．８／４２．０％であった。

製造例３：
ＡＩＰＯ−５の合成：
水３８ｇと８５％リン酸１７．５ｇの混合物に、擬ベーマイト（２５％水含有、サソール製）１０．３ｇを加えて攪拌した。これを３時間攪拌し、これに水３７ｇを加え、さらにトリエチルアミン６．８ｇを混合して３時間攪拌して、出発反応混合物を得た。これをテフロン（登録商標）製内筒の入った２００ｃｃのステンレス製オートクレーブに仕込み、静置状態にて１９０℃で１２時間反応させた。反応後冷却して、デカンテーションにより上澄みを除いて、沈殿物を回収した。その沈殿物を水で３回洗浄して、１００℃のオーブンに入れて乾燥した。その後、乾式で平均５ミクロンまで粉砕した。こうして得られたテンプレート含有のサンプル３ｇを縦型の石英管に入れて、２００ｍｌ／分の５ｖｏｌ％酸素含有の窒素気流下、１℃／分の昇温速度で５５０℃まで昇温し、そのまま５５０℃で６時間焼成した。

こうして得られた結晶性鉄アルミノフォスフェートのＸＲＤ（Ｃｕ−Ｋα線使用）を測定した。その結果、ＡＦＩ型のＡＩＰＯ−５であった。

実施例１：
平均粒径が５μｍのＦＡＰＯ−５を４０ｇ、バインダーとして触媒化成工業（株）のシリカゾル Ｃａｔａｌｏｉｄ Ｓ−２０Ｌ（ＳｉＯ_２として２０ｗｔ％）を８５．７ｇ、水１７．２ｇを混合したスラリーを調製した。

吸着材を担時するハニカムは、縦５０ｍｍ 横５０ｍｍ 高さ１０ｍｍのサイズで、セラミックス繊維シートを用いピッチ３．４ｍｍ 波高さ２．０ｍｍの略三角形の孔を有するようコルゲート加工し積層したものである。

このハニカムを前記水スラリーに浸漬、その後引き上げて、液きりを行い、ＦＡＰＯ−５を含浸させた。これを１４０℃のオーブンに１２０分間入れて乾燥し、吸着素子を作った。重量測定から、ＦＡＰＯ−５の含有量は吸着素子に対して４０６ｇ／ｋｇであった。体積あたりの重量は、９９．３ｋｇ／ｍ^３である。

この吸着素子の一部について約５ｍｍ四方に切り取って２５℃における水蒸気の吸着等温線を測定した。吸着等温線の測定は、日本ベル（株）社製の容量法の装置である“ベルソープ１８”（商品名）を使用し、前処理を５Ｐａ以下の真空条件下、１２０℃の温度で５時間行った後、５０℃の空気恒温槽において、吸着温度２５℃、初期導入圧力３ｔｏｒｒ、飽和蒸気圧２３．７５５ｔｏｒｒ、平衡時間５００秒の条件で行った。その結果を図１に示す。

吸着等温線より求められる吸着素子の重量当たりの相対湿度０．７と０．９における吸着量差は０．０６８ｇ／ｇであり、相対湿度０．７２と０．９における吸着量差は０．０６３ｇ／ｇであり、相対湿度０．０５と０．２８における吸着量差は０．０７９ｇ／ｇであり、相対湿度０．０７と０．２８における吸着量差は０．０７６ｇ／ｇである。

実施例２：
平均粒径が６μｍのＳＡＰＯ−３４を４０ｇ、バインダーとして触媒化成工業（株）のシリカゾル Ｃａｔａｌｏｉｄ Ｓ−２０Ｌ（ＳｉＯ_２として２０ｗｔ％）を１０７．７ｇ、水１０ｇを混合したスラリーを調製した。

実施例１と同じセラミックハニカムをこの水スラリーに浸漬、その後引き上げて、液きりを行い、ＳＡＰＯ−３４を含浸させた。これを１４０℃のオーブンに１２０分間入れて乾燥し、吸着素子を作った。重量測定から、ＳＡＰＯ−３４の含有量は吸着素子に対して３５０ｇ／ｋｇであった。体積あたりの重量は、７６．２ｋｇ／ｍ^３である。

この吸着素子の一部について実施例１と同様に２５℃における水蒸気の吸着等温線を測定した。その結果を図２に示す。これにより吸着素子の重量当たりの相対湿度０．７と０．９における吸着量差は０．０６２ｇ／ｇであり、相対湿度０．７２と０．９における吸着量差は０．０６０ｇ／ｇであり、相対湿度０．０５と０．２８における吸着量差は０．０８３ｇ／ｇであり、相対湿度０．０７と０．２８における吸着量差は０．０６９ｇ／ｇである。

実施例３：
平均粒径が５μｍのＡＩＰＯ−５を４０ｇ、バインダーとして触媒化成工業（株）のシリカゾル Ｃａｔａｌｏｉｄ Ｓ−２０Ｌ（ＳｉＯ_２として２０ｗｔ％）を１０７．７ｇ、水１０ｇを混合したスラリーを調製した。

実施例１と同じセラミックハニカムをこの水スラリーに浸漬、その後引き上げて、液きりを行い、ＡＩＰＯ−５を含浸させた。これを１４０℃のオーブンに１２０分間入れて乾燥し、吸着素子を作った。重量測定から、ＡＩＰＯ−５の含有量は吸着素子に対して３８０ｇ／ｋｇであった。体積あたりの重量は、９３．２ｋｇ／ｍ^３である。

この吸着素子の一部について実施例１と同様に２５℃における水蒸気の吸着等温線を測定した。その結果を図３に示す。これにより吸着素子の重量当たりの相対湿度０．７と０．９における吸着量差は０．０７０ｇ／ｇであり、相対湿度０．７２と０．９における吸着量差は０．０６０ｇ／ｇであり、相対湿度０．０５と０．２８における吸着量差は０．０７２ｇ／ｇであり、相対湿度０．０７と０．２８における吸着量差は０．０６９ｇ／ｇである。

比較例１：
平均粒径が１μｍの市販のＹ型のアルミノシリケートゼオライト（シリカアルミナ比５）を４０ｇ、バインダーとして触媒化成工業（株）のシリカゾル Ｃａｔａｌｏｉｄ Ｓ−２０Ｌ（ＳｉＯ_２として２０ｗｔ％）を１０７．７ｇ、水１０ｇを混合したスラリーを調製した。

実施例１と同じセラミックハニカムをこの水スラリーに浸漬、その後引き上げて、液きりを行い、Ｙゼオライトを含浸させた。これを１４０℃のオーブンに１２０分間いれて乾燥し、吸着素子を作った。重量測定から、Ｙゼオライトの含有量は吸着素子に対して３４８ｇ／ｋｇであった。体積あたりの重量は、７５．８ｋｇ／ｍ^３である。

この吸着素子の一部について実施例１と同様に２５℃における水蒸気の吸着等温線を測定した。その結果を図３に示す。これにより吸着素子の重量当たりの相対湿度０．７と０．９における吸着量差は０．０４７ｇ／ｇであり、相対湿度０．７２と０．９における吸着量差は０．０４４ｇ／ｇであり、相対湿度０．０５と０．２８における吸着量差は０．０３０ｇ／ｇであり、相対湿度０．０７と０．２８における吸着量差は０．０２２ｇ／ｇであり、低湿側、高湿側ともに吸着量は不十分であることがわかる。

比較例２：
（シリカ素子）
実施例１と同じセラミックハニカムをケイ酸ソーダ（３号）水溶液に浸漬し、その後引き上げて、水きりを行い、水洗後、１５０℃で乾燥してシリカの含浸を行い、吸着素子を作った。シリカの含有量は、吸着素子に対して４２０ｇ／ｋｇであった。体積あたりの重量は、８８ｋｇ／ｍ^３であった。

この吸着素子の一部について実施例１と同様に２５℃における水蒸気の吸着等温線を測定した。その結果を図５に示す。これにより吸着素子の重量当たりの相対湿度０．７と０．９における吸着量差は０．０２５ｇ／ｇであり、相対湿度０．７２と０．９における吸着量差は０．０２４ｇ／ｇであり、相対湿度０．０５と０．２８における吸着量差は０．０４１ｇ／ｇであり、相対湿度０．０７と０．２８における吸着量差は０．０３６ｇ／ｇであり、低湿側、高湿側ともに吸着量は不十分であることがわかる。

除湿実験：
低湿度環境と高湿度環境において、実施例１のＦＡＰＯ−５を担持させたロータ（吸着素子）と、実施例２のシリカを担持させたロータ（吸着素子）について、除湿性能を比較した。

実施例４：
ＦＡＰＯ−５・ロータの作成：
実施例１と同様に、ピッチ３．４ｍｍ、波高さ２．０ｍｍの略三角形の孔を構成する様に、セラミック繊維シートをコルゲート加工し、これを捲回して円盤状のハニカムを形成した。このハニカムにＦＡＰＯ−５を実施例１と同様の方法で含浸させ、後処理を行い、ＦＡＰＯ−５・ロータの作成した。ハニカムの大きさは、直径３００ｍｍ、内径４４ｍｍ、厚さ２００ｍｍである。ＦＡＰＯ−５の含有量は、ロータに対して３００ｇ／ｋｇ、体積あたりの重量は、７５ｋｇ／ｍ^３であった。

比較例３：
シリカ・ロータの作成：
実施例１と同様に、ピッチ３．４ｍｍ、波高さ２．０ｍｍの略三角形の孔を構成する様に、セラミック繊維シートをコルゲート加工し、これを捲回して円盤状のハニカムを形成した。次に、ケイ酸ソーダ水溶液を含浸させ、液きりをした後にゲル化処理を行った。処理後、十分に水洗し、１５０℃で乾燥させた。得られたシリカ・ロータは、ハニカム部分が直径３００ｍｍ、内径４４ｍｍ、厚さ２００ｍｍである。シリカゲルの含有量は４８０ｇ／ｋｇ、体積あたりの重量は、１００ｋｇ／ｍ^３であった。

除湿実験方法：
ロータ有する除湿装置を用い、次式で示す除湿量Ｇを求めた。この測定は、装置の運転開始から１時間経過後に吸着と脱着が十分に繰り返され、処理がスの出口絶対湿度が安定して変化しなくなってから測定した。ロータの回転数は２４ｒｐｍとした。測定条件である低湿度環境条件および高湿度環境条件は次表の通りである。そして、測定の結果、以下の表に示す結果が得られた。

実施例１で得られた吸着素子の水蒸気吸着等温線である。 実施例２で得られた吸着素子の水蒸気吸着等温線である。 実施例３で得られた吸着素子の水蒸気吸着等温線である。 比較例１で得られた吸着素子の水蒸気吸着等温線である。 比較例２で得られた吸着素子の水蒸気吸着等温線である。 本発明の吸着素子の一形態であるシート状の吸着素子を示す部分的な斜視図である。 本発明の吸着素子の他の形態であるシート状の吸着素子を示す部分的な斜視図である。 本発明の吸着素子の更に他の形態であるプレートフィン型の吸着素子を示す斜視図である。 本発明の吸着素子の更に他の形態であるコルゲートフィン型の吸着素子を示す斜視図である。 本発明の吸着素子の更に他の形態である円柱状ハニカム構造のローター型の吸着素子を示す斜視図およびセルの形状を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ ：吸着素子
１ａ：吸着素子
１ｂ：吸着素子
１２：基材シート
１３：吸着材層
２Ａ：吸着素子
２Ｂ：吸着素子
２Ｃ：吸着素子
３ ：熱媒流路
４ ：熱媒流路
４１：入口側ヘッダー
４２：出口側ヘッダー
５０：セル

Claims (6)

1. 担体に吸着材をバインダーにより固着させてなる吸着素子であって、吸着材が、骨格構造に少なくともＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート類であり、バインダーが無機系バインダーであり、吸着素子に対する吸着材の目付け量が３０〜２５０ｋｇ／ｍ ^３ であり、かつ、吸着素子の２５℃の吸着等温線における相対湿度９０％での吸着量と相対湿度７０％での吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であり、かつ、相対湿度５％での吸着量と相対湿度２８％での吸着量の差が０．０５ｇ／ｇ以上であることを特徴とする吸着素子。
2. 担体が繊維状物質である請求項１に記載の吸着素子。
3. 担体がセラミックス繊維である請求項１又は２に記載の吸着素子。
4. 吸着素子の形状がハニカムである請求項１〜３の何れかに記載の吸着素子。
5. 吸着材の目付量が、吸着素子に対して４０〜１８０ｋｇ／m ^３ 、かつ３０〜６００ｇ／ｋｇであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の吸着素子。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の吸着素子を用いることを特徴とする調湿用空調装置。