JP5285964B2

JP5285964B2 - Ｐｓａ式除湿装置および方法

Info

Publication number: JP5285964B2
Application number: JP2008148934A
Authority: JP
Inventors: 将行河岡; 貴洋秋山
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP2009291732A

Description

本発明は、圧力スイング吸着により低露点空気を得るＰＳＡ式除湿技術に関する。

半導体製造分野などでは、例えば露点温度が−１００℃以下の低露点空気が用いられる。この低露点空気を得るために、ＰＴＳＡ式除湿方法やＰＳＡ式除湿方法が利用されている。ＰＴＳＡ式除湿方法は、吸着材を収納した吸着容器内に処理空気を加圧して通す処理工程と、吸着容器内に常圧または減圧下で高温の再生空気を通す再生工程を交互に行い、吸着／脱離（再生）を繰り返す方法である。かかるＰＴＳＡ式除湿方法によれば、露点温度が−１００℃以下といった除湿率の高い低露点空気を得ることができる。しかし、その反面、ＰＴＳＡ式除湿技術は、（１）高温の再生空気を作るために、大型の加熱機構を常設する必要がある、（２）再生空気の通過部分の部品を耐熱性にする必要がある、（３）2本の吸着容器で吸着／再生サイクルを交互に行う場合、一方の吸着容器内で吸着材を加熱および冷却している間中、他方の吸着容器内で吸着工程を続けなければならず、吸着時間を長くさせるために吸着材の使用量が多くなり、吸着容器のサイズも大きくしなければならない、等の問題がある。このため、ＰＴＳＡ式除湿方法によると、ＰＳＡ式除湿方法に比べて装置が大型となり、装置コストが高くなる。

一方、ＰＳＡ式除湿方法は、再生時に加熱することなく常圧または減圧下で吸着材の再生を行う方法である。ＰＴＳＡ式除湿方法とＰＳＡ式除湿方法の違いは再生時の加熱の有無にあり、ＰＳＡ式除湿方法によれば、加熱操作を必要としないために装置の小型化・低コスト化が可能である。また、再生時に吸着材を加熱しないので、ＰＴＳＡ式除湿方法に比べて吸着材の劣化を軽減できる。しかし、ＰＳＡ式除湿方法はＰＴＳＡ式除湿方法に比べ水分除去性能が低く、特に除湿運転を長期間停止した後の運転再開時や、吸着材の交換後の運転開始時に、水分除去性能が低下してしまい、露点温度−１００℃以下の低露点空気を作り出すことが困難になっていた。そこで、ＰＳＡ式除湿方法の除湿性能を向上させるために、適当なタイミングで吸着材に高温の加熱空気を供給して、吸着材中に残留する水分を排出させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１７９１３６号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、吸着容器内の吸着材から水分を完全に排出させるまで加熱空気を供給していた。このため、水分の排出に長期間を要し、その間、除湿運転ができなくなっていた。また、吸着容器内に高温の加熱空気を長時間供給し続けなければならないため、吸着容器、配管等の耐熱性も過大に向上させることが必要になっていた。そのため、上記特許文献１の方法によると、ＰＳＡ式除湿方法の利点である装置の小型化・低コスト化が図れなくなる問題があった。

本発明の目的は、安価かつ簡便に露点温度−１００℃以下の低露点空気を作ることにある。

本発明によれば、吸着材を収納した吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行い、圧力スイング吸着により低露点空気を得るＰＳＡ式除湿装置であって、前記吸着容器を複数有し、前記各吸着容器に加熱空気を供給する共通の加熱機構を有し、前記加熱機構は、処理空気から加熱空気を作るための除湿機とヒータを有し、前記各吸着容器内において、処理空気の入り口と出口の間であって、入り口と出口の中央から出口側の位置で吸着材の温度を測定する温度センサを有し、前記各吸着容器において、吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行う状態と、前記加熱機構で作られた加熱空気を前記各吸着容器に供給する加熱工程を行い、吸着材中に残留する水分を排出させる状態とに切り替えられる、ＰＳＡ式除湿装置。が提供される。なお、前記加熱機構が接続ポートを介して切り離し自在であっても良い。

また、本発明によれば、吸着材を収納した吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行い、圧力スイング吸着により低露点空気を得るＰＳＡ式除湿方法であって、前記吸着容器を複数有し、前記各吸着容器に加熱空気を供給する共通の加熱機構を有し、前記加熱機構は、処理空気から加熱空気を作るための除湿機とヒータを有し、前記各吸着容器内において、処理空気の入り口と出口の間であって、入り口と出口の中央から出口側の位置で吸着材の温度を測定する温度センサを有し、前記各吸着容器において、吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行う状態と、前記加熱機構で作られた加熱空気を前記各吸着容器に供給する加熱工程を行い、吸着材中に残留する水分を排出させる状態とに切り替えられ、前記加熱工程は、前記吸着容器内の吸着材の一部の温度が所定の温度となった時点で停止する、ＰＳＡ式除湿方法が提供される。なお、除湿運転の再開時または吸着材の交換後の運転開始時に、前記加熱工程を行うようにしても良い。

本発明によれば、吸着材中に残留する水分を排出させるに際し、吸着容器内の吸着材の一部のみを所定の温度に加熱すれば良く、容器内の吸着材全部を加熱する必要はない。このため、水分の排出を短時間で行うことができ、除湿運転の稼働停止時間を短縮できるようになる。その結果、安価かつ簡便に露点温度−１００℃以下の低露点空気を作ることが可能となる。

なお、複数の吸着容器に対して共通の加熱機構から加熱空気を供給すれば、各吸着容器毎に加熱機構を設ける必要がなく、装置が簡便ですみ、省スペース化も図れるようになる。この場合、加熱機構は常設である必要はなく、吸着材中に残留する水分を排出させる場合にのみ取り付けても良い。また、除湿運転の再開時または吸着材の交換後の運転開始時に、吸着材中から水分を排出させる加熱工程を行うことにより、特に除湿運転を長期間停止した後の運転再開時や、吸着材の交換後の運転開始時における、水分除去性能の低下を回避できるようになる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。図１〜３は、本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ式除湿装置１の説明図である。図１は、一方の吸着容器１０ａ内で処理工程を行い、他方の吸着容器１０ｂ内で再生工程を行っている状態を示している。図２は、一方の吸着容器１０ａ内で再生工程を行い、他方の吸着容器１０ｂ内で処理工程を行っている状態を示している。図３は、一方の吸着容器１０ａ内および他方の吸着容器１０ｂ内で加熱工程を行っている状態を示している。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

このＰＳＡ式除湿装置１は、一対の吸着容器１０ａ、１０ｂを備える。吸着容器１０ａ、１０ｂは、いずれも中空の筒形状をなし、各吸着容器１０ａ、１０ｂの内部には、例えばゼオライトなどの吸着材が収納されている。

一方の吸着容器１０ａの下面には、下部配管１１ａが接続され、他方の吸着容器１０ｂの下面には、下部配管１１ｂが接続されている。これら下部配管１１ａ、１１ｂには、処理空気の給気配管１２が三方弁１３を介して接続されている。三方弁１３は、一方の下部配管１１ａと給気配管１２を接続させた状態と、他方の下部配管１１ｂと給気配管１２を接続させた状態とに、選択的に切り替えることができる。この三方弁１３の切り替えにより、図１に示すように、給気配管１２から下部配管１１ａを介して一方の吸着容器１０ａに処理空気を上向きに流通させる状態と、図２に示すように、給気配管１２から下部配管１１ｂを介して他方の吸着容器１０ｂに処理空気を上向きに流通させる状態とに、選択的に切り替えることができる。図示の例では、これら下部配管１１ａ、１１ｂが接続された吸着容器１０ａ、１０ｂの下面が処理空気の入り口である。

一方の下部配管１１ａと他方の下部配管１１ｂの間には、バイパス配管１５が接続されている。バイパス配管１５には、後述する再生空気の排気配管１６が三方弁１７を介して接続されている。三方弁１７は、図１に示すように、バイパス配管１５を介して、他方の下部配管１１ｂと排気配管１６を接続させた状態と、図２に示すように、バイパス配管１５を介して、一方の下部配管１１ａと排気配管１６を接続させた状態とに、選択的に切り替えることができる。

一方の吸着容器１０ａの上面には、上部配管２０ａが接続され、他方の吸着容器１０ｂの上面には、上部配管２０ｂが接続されている。これら上部配管２０ａ、２０ｂには、低露点空気の送出配管２１が接続されている。上部配管２０ａ、２０ｂには、逆止弁２２がそれぞれ装着されている。図示の例では、これら上部配管２０ａ、２０ｂが接続された吸着容器１０ａ、１０ｂの上面が処理空気の出口である。

一方の上部配管２０ａと他方の上部配管２０ｂの間には、バイパス配管２５が接続されている。バイパス配管２５には、オリフィス２６が設けられている。

一方の吸着容器１０ａの上部と他方の吸着容器１０ｂの上部の間には、後述する加熱空気の加熱給気配管３０が接続されている。加熱給気配管３０には、開閉自在な接続ポート３１を介して、加熱空気の導入配管３２が接続されている。また、前述の給気配管１２には、開閉自在な接続ポート３３を介して、分岐配管３４が接続されている。

これら導入配管３２と分岐配管３４の間には、高温の加熱空気を供給する加熱機構３５が設けられている。加熱機構３５は、移動自在な走行台車３６の上に、除湿機３７とヒータ３８を搭載させた構成である。除湿機３７とヒータ３８の間には、開閉バルブ３９を備えた配管４０が接続されている。また、加熱機構３５は、除湿機３７とヒータ３８の稼動を制御する制御部４１を備えている。

なお、接続ポート３１、３３はいずれも取り外し可能である。これら接続ポート３１、３３を取り外すことにより、加熱機構３５を、ＰＳＡ式除湿装置１から切り離すことができる。また、切り離した加熱機構３５は、走行台車３６によって所望の位置まで容易に移動させることができる。

一方の吸着容器１０ａの下部と他方の吸着容器１０ｂの下部には、開閉自在な排気ポート４５がそれぞれ設けられている。

一方の吸着容器１０ａには、加熱給気配管３０の接続位置と排気ポート４５の接続位置の間の高さにおいて、吸着容器１０ａ内に充填された吸着材の温度を測定する熱電対等の温度センサ５０ａが設けられている。温度センサ５０ａは、処理空気の入り口（吸着容器１０ａの下面）と出口（吸着容器１０ａの上面）の間であって、入り口と出口の中央（吸着容器１０ａの中央高さ）から出口側の位置に配置されている。このため、温度センサ５０ａは、吸着容器１０ａの中央から上部の位置において吸着材の温度を測定することができる。同様に、他方の吸着容器１０ｂには、加熱給気配管３０の接続位置と排気ポート４５の接続位置の間の高さにおいて、吸着容器１０ｂ内に充填された吸着材の温度を測定する熱伝対等の温度センサ５０ｂが設けられている。温度センサ５０ｂは、処理空気の入り口（吸着容器１０ｂの下面）と出口（吸着容器１０ｂの上面）の間であって、入り口と出口の中央（吸着容器１０ｂの中央高さ）から出口側の位置に配置されている。このため、温度センサ５０ｂは、吸着容器１０ｂの中央から上部の位置において吸着材の温度を測定することができる。

これら温度センサ５０ａ、５０ｂによって測定された温度は、加熱機構３５の制御部４１に入力されている。加熱機構３５の制御部４１は、こうして入力された温度に基いて、除湿機３７とヒータ３８の稼動を制御するようになっている。

さて、以上のように構成されたＰＳＡ式除湿装置１において、先ず、一方の吸着容器１０ａ内で処理工程を行い、他方の吸着容器１０ｂ内で再生工程を行う場合、図１に示すように、三方弁１３を、一方の下部配管１１ａと給気配管１２を接続させる状態に切り替え、三方弁１７を、他方の下部配管１１ｂと排気配管１６を接続させる状態に切り替える。また、接続ポート３１、３３を閉じた状態にする。また、吸着容器１０ａ、１０ｂの下部に設けられた排気ポート４５をいずれも閉じた状態にする。また、加熱機構３５に設けられている除湿機３７とヒータ３８は、いずれも稼動させない。

そして、図１に示すように、給気配管１２から下部配管１１ａを介して一方の吸着容器１０ａに処理空気を上向きに流通させる。これにより、加圧された状態で、一方の吸着容器１０ａ内において、処理空気中の水分や二酸化炭素を吸着材に吸着させる処理工程が行われる。こうして、吸着容器１０ａ内の処理工程で水分を除去された例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が、一方の上部配管２０ａから送出配管２１を通って所望の箇所に送り出される。

また、吸着容器１０ａを出た低露点空気の一部は、再生空気としてバイパス配管２５に取り出される。こうして、バイパス配管２５に取り出される再生空気（低露点空気）の量は、オリフィス２６によって調整される。そして、バイパス配管２５に取り出された再生空気は、他方の上部配管２０ｂを経由して、他方の吸着容器１０ｂ内を下向きに流通させられる。これにより、他方の吸着容器１０ｂ内においては、常圧または減圧下で吸着材から水分や二酸化炭素を脱離させる再生工程が行われる。こうして、再生工程に用いられた再生空気は、他方の下部配管１１ｂを経由し、バイパス配管１５を介して排気配管１６から外部に排気される。

また、以上のようにして一方の吸着容器１０ａ内で処理工程を継続して行うと、一方の吸着容器１０ａ内における吸着材への水分の吸着量が次第に増加していき、やがて、露点温度−１００℃以下の低露点空気が得られなくなってしまう。そこで、一方の吸着容器１０ａ内における吸着材への水分の吸着量が限界に達する前に、他方の吸着容器１０ｂ内で処理工程を行う状態に切り替える。

即ち、図２に示すように、三方弁１３を、他方の下部配管１１ｂと給気配管１２を接続させる状態に切り替え、三方弁１７を、一方の下部配管１１ａと排気配管１６を接続させる状態に切り替える。また、接続ポート３１、３３を閉じた状態にする。また、吸着容器１０ａ、１０ｂの下部に設けられた排気ポート４５をいずれも閉じた状態にする。また、加熱機構３５に設けられている除湿機３７とヒータ３８は、いずれも稼動させない。

そして、図２に示すように、給気配管１２から下部配管１１ｂを介して他方の吸着容器１０ｂに処理空気を上向きに流通させる。これにより、加圧された状態で、他方の吸着容器１０ｂ内において、処理空気中の水分や二酸化炭素を吸着材に吸着させる処理工程が行われる。こうして、吸着容器１０ｂ内の処理工程で水分を除去された例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が、他方の上部配管２０ｂから送出配管２１を通って所望の箇所に送り出される。

また、吸着容器１０ｂを出た低露点空気の一部は、再生空気としてバイパス配管２５に取り出される。こうして、バイパス配管２５に取り出される再生空気（低露点空気）の量は、オリフィス２６によって調整される。そして、バイパス配管２５に取り出された再生空気は、一方の上部配管２０ａを経由して、一方の吸着容器１０ａ内を下向きに流通させられる。これにより、一方の吸着容器１０ａ内においては、常圧または減圧下で吸着材から水分や二酸化炭素を脱離させる再生工程が行われる。こうして、再生工程に用いられた再生空気は、一方の下部配管１１ａを経由し、バイパス配管１５を介して排気配管１６から外部に排気される。

こうして、図１に示すように、一方の吸着容器１０ａ内で処理工程を行い、他方の吸着容器１０ｂ内で再生工程を行う状態と、図２に示すように、他方の吸着容器１０ｂ内で処理工程を行い、一方の吸着容器１０ａ内で再生工程を行う状態を交互に繰り返すことにより、圧力スイング吸着によって作り出された例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が、送出配管２１から連続的に送り出される。

ところで、本発明の解決すべき課題の一つである、「装置を長期間停止して運転再開した直後に除湿性能が低下している」点について、その原因を発明者は次のように推察した。即ち、一つは外部周囲からの水分の混入、他には、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材中における水分拡散を原因と推察した。後者については、図４に示すとおりである。図４中、（ａ）は、処理工程開始時の水分の分布状態を示している。（ｂ）は、処理工程終了時の水分の分布状態を示している。なお、（ｃ）は、除湿運転を長期間停止した後の運転再開時や、吸着材の交換後の運転開始時における水分の分布状態を示している。図４（ａ）〜（ｃ）において、吸着容器１０ａ、１０ｂの底辺（横軸）は水分量を示しており、右向きに水分が多くなっている。吸着容器１０ａ、１０ｂの左縦辺（縦軸）は吸着容器１０ａ、１０ｂ内における高さを示している。吸着容器１０ａ、１０ｂの内部に記入したグラフ線ｘは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の各高さにおける水分の分布状態を示している。

ところで、この実施の形態では、例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が得られなくなる前に、処理工程を停止し、再生工程を開始する。これにより、図４（ａ）に示すように、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の下部では吸着材に水分がまだ残っていても、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部では、吸着材に水分がほとんど残留していない状態に戻される。こうして、一方の吸着容器１０ａ内で処理工程を行い、他方の吸着容器１０ｂ内で再生工程を行う状態と、他方の吸着容器１０ｂ内で処理工程を行い、一方の吸着容器１０ａ内で再生工程を行う状態を交互に繰り返す。これにより、例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が、送出配管２１から連続的に送り出される。

この実施の形態では、吸着材の除湿性能を復活させるための運転再開時や、吸着材の交換後の運転開始時には、吸着容器１０ａ、１０ｂ内に高温の加熱空気を供給して、吸着材中に残留する水分を排出させる加熱工程を行う。

即ち、加熱工程を行う場合は、図３に示すように、接続ポート３１、３３を開き、吸着容器１０ａ、１０ｂの下部に設けられた排気ポート４５をいずれも開く。また、加熱機構３５に設けられている除湿機３７とヒータ３８を、いずれも稼動させる。

そして、図３に示すように、給気配管１２から分岐配管３４に流入させた処理空気を加熱機構３５に導入する。加熱機構３５では、処理空気を除湿機３７で除湿し、ヒータ３８で加熱することにより、乾燥した高温の加熱空気を作り、こうして加熱機構３５で作られた加熱空気が、導入配管３２から加熱給気配管３０を経て、吸着容器１０ａ、１０ｂの上部に供給される。そして、吸着容器１０ａ、１０ｂ内において、加熱空気が下向きに流通させられ、これにより、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部から、吸着材中に残留していた水分が徐々に除去され、処理済の加熱空気と一緒に、排気ポート４５を経て、吸着容器１０ａ、１０ｂの下部から外部に排気される。

こうして、吸着材の除湿性能を復活させた後、再び、吸着容器１０ａ、１０ｂ内において処理工程と再生工程を順次行う。これにより、圧力スイング吸着によって作り出された例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気が、送出配管２１から連続的に送り出される。

ここで、加熱工程を行う場合、加熱機構３５の除湿機３７とヒータ３８の稼動は、制御部４１によって、次のように制御される。即ち、加熱工程中は、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材の温度が温度センサ５０ａ、５０ｂで測定される。この場合、温度センサ５０ａ、５０ｂは、吸着容器１０ａ、１０ｂの中央高さから出口側の位置に配置されている。このため、吸着容器１０ａ、１０ｂ内において、中央から上部の位置において吸着材の温度が温度センサ５０ａ、５０ｂで測定される。こうして、測定された吸着容器１０ａ、１０ｂ内上部の吸着材の温度が制御部４１に入力されることになる。

図５は、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の各高さでの吸着材の温度を示す説明図であり、温度Ｔｈは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の最上部における吸着材の温度、温度Ｔｍは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の中間部（中央から上部の位置）における吸着材の温度、温度Ｔｌは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の最下部における吸着材の温度である。図６は、加熱工程中における各高さの温度Ｔｈ、Ｔｍ、Ｔｌの経時変化を示すグラフである。なお、中間部の温度Ｔｍは、温度センサ５０ａ、５０ｂによって測定される温度である。

加熱工程中は、吸着容器１０ａ、１０ｂの上部から供給された高温の加熱空気が、吸着容器１０ａ、１０ｂ内を下向きに流通させられて、吸着容器１０ａ、１０ｂの下部から排気される。このため、図６に示すように、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材の温度は、最上部の温度Ｔｈが最初に上昇し、次に中間部の温度Ｔｍが上昇し、最下部の温度Ｔｌが最後に上昇していく。そして、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された中間部の温度Ｔｍが制御部４１に入力される。

そこで、本発明では、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された中間部の温度Ｔｍが所定の温度となった時点で加熱工程を停止する。即ち、中間部の温度Ｔｍについて、目標とする所定の温度Ｔを予め設定しておき、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された温度Ｔｍがこの温度Ｔとなった時点（時刻ｔ）で加熱工程を停止する。

なお、時刻ｔでは、図６に示すように、最上部の温度Ｔｈが温度Ｔよりも高く、中間部の温度Ｔｍが温度Ｔに等しく、最下部の温度Ｔｌが温度Ｔよりも低くなる温度勾配が生ずる。加熱工程を終了後は、吸着容器１０ａ、１０ｂ内に冷却ガスを導入して、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材を冷却して温度勾配を無くしてから、吸着工程と再生工程を再開する。

ここで、図７は、加熱工程による吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材の水分の分布状態を示す説明図である。図７中、（ａ）は、加熱工程を行う前の状態を示している。（ｂ）は、従来技術に従う加熱工程を行った直後の状態を示している。（ｃ）は、従来技術に従う加熱工程を行った後に吸着工程と再生工程を再開した直後の状態を示している。（ｄ）は、本発明に従う加熱工程を行った直後の状態を示している。（ｅ）は、本発明に従う加熱工程を行った後に吸着工程と再生工程を再開した直後の状態を示している。図７（ａ）〜（ｅ）において、吸着容器１０ａ、１０ｂの底辺（横軸）は水分量を示しており、右向きに水分が多くなっている。吸着容器１０ａ、１０ｂの左縦辺（縦軸）は吸着容器１０ａ、１０ｂ内における高さを示している。吸着容器１０ａ、１０ｂの内部に記入したグラフ線ｘは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の各高さにおける水分の分布状態を示している。

図７（ａ）に示すように、加熱工程を行う前の状態では、吸着材全体に一様な分布で水分が拡散した状態であり、吸着容器１０ａ、１０ｂ内のいずれの高さにおいても、吸着材に水分が残留した状態になっていると考えられる。このように吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部においても吸着材に水分が残留していると、吸着材の除湿性能が劣ってしまい、例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気を作り出すことができなくなる。そのため、吸着容器１０ａ、１０ｂ内に高温の加熱空気を供給して、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部において吸着材中に残留する水分を排出させる加熱工程を行う。

なお、従来技術においては、図７（ｂ）に示すように、加熱工程を行うことにより、吸着容器１０ａ、１０ｂ内から水分を完全に除去させていた。換言すれば、従来技術においては、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の全範囲において、吸着材中に残留する水分を排出させており、加熱工程終了した時点では、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部から下部までの全部において水分がほとんど残っていない状態になっていた。

そして、従来技術に従う加熱工程を行った後に吸着工程と再生工程を再開した場合、図７（ｃ）に示すように、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の下部から水分が多くなっていく。この場合、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部では、吸着材に水分が付着していないため、除湿性能を十分に発揮できる状態にある。このため、処理工程が行われる吸着容器１０ａ、１０ｂ内では、上向きに流通していく処理空気が吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部を通過する際に、水分や二酸化炭素が吸着材に吸着され、例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気を作り出すことができる。

しかしながら、従来技術のように吸着容器１０ａ、１０ｂ内から水分を完全に除去させるまで加熱工程を行った場合、水分の排出に長期間を要し、その間、ＰＳＡ式除湿装置１は除湿運転ができなくなる。また、吸着容器１０ａ、１０ｂ内に高温の加熱空気を供給し続ける時間が長いため、吸着容器１０ａ、１０ｂや配管等の耐熱性も過大に向上させることが必要になってしまう。

そこで本発明では、図７（ｄ）に示すように、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された温度Ｔｍが所定の温度Ｔとなった時点で加熱工程を停止する。この場合、加熱工程を停止させるための温度Ｔは、吸着容器１０ａ、１０ｂ内において、例えば、温度センサ５０ａ、５０ｂが設置されている位置よりも下部では、吸着材からまだ水分が十分には除去されていないが、温度センサ５０ａ、５０ｂが設置されている位置よりも上部では、吸着材から水分が十分に除去されていることが検出できるような指標値を設定すれば良い。

このように、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された温度Ｔｍが所定の温度Ｔとなった時点で加熱工程を停止することにより、従来技術のように吸着容器１０ａ、１０ｂ内から水分を完全に除去させるまで加熱工程を行う必要がなくなり、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部において、吸着材から水分を除去された時点で、加熱工程を終了することができる。

なお、本発明にしたがって加熱工程をした後に吸着工程と再生工程を再開した場合も、図７（ｅ）に示すように、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の下部から水分が多くなっていく。従来技術（ｃ）に比べて、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の下部では、水分の多い範囲（高さ）が広いが、吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部では、吸着材に水分が付着していないため、除湿性能を十分に発揮できる状態にある。このため、処理工程が行われる吸着容器１０ａ、１０ｂ内では、上向きに流通していく処理空気が吸着容器１０ａ、１０ｂ内の上部を通過する際に、水分や二酸化炭素が吸着材に吸着され、例えば露点温度−１００℃以下の低露点空気を作り出すことができる。

したがって、本発明によれば、加熱工程を短時間で終了することができ、除湿運転の稼働停止時間を短縮できるようになる。その結果、安価かつ簡便に露点温度−１００℃以下の低露点空気を作ることが可能となる。なお、上述したように、加熱工程を終了後に吸着容器１０ａ、１０ｂ内の吸着材を冷却する場合も、温度センサ５０ａ、５０ｂで測定された温度Ｔｍを目安とすることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、図８に示すように、ＰＳＡ式除湿装置１から取り外した吸着容器１０ａ、１０ｂを、別の加熱機構３５’を用いて加熱工程を行い、その後、ＰＳＡ式除湿装置１に戻して、ＰＳＡ運転を再開しても良い。

なお、先に図１〜３で説明したように、加熱機構３５をＰＳＡ式除湿装置１から切り離すことができるように構成すれば、安価かつ小型といったＰＳＡ式除湿装置の利点を活かしやすい。加熱工程は、サイクル毎に行なう必要が無く、必要なときにだけ加熱機構３５をＰＳＡ式除湿装置１に接続して加熱工程をすれば良い。加熱機構３５を常設せずに本体（ＰＳＡ式除湿装置１）と別個にすることで装置を簡略化できる。

また、先に図１〜３では、一対の吸着容器１０ａ、１０ｂを有する例を説明したが、吸着容器の数は２つに限らず３つ以上でも良い。図９に示すＰＳＡ式除湿装置１は、３対の吸着容器１０ａ、１０ｂを有する例を示している。もちろん、吸着容器１０ａ、１０ｂは２対あるいは４対以上でも良い。このＰＳＡ式除湿装置１では、３対の吸着容器１０ａ、１０ｂに対して、一台の共通の加熱機構３５を設けている。このように、複数の吸着容器１０ａ、１０ｂに対して共通の加熱機構３５から加熱空気を供給することにより、加熱機構３５の数を減らすことができ、装置が簡便ですみ、省スペース化も図れる。もちろん、加熱機構３５は常設である必要はなく、加熱工程が必要な場合な吸着容器１０ａ、１０ｂに取り付ければ良い。

その他、接続ポート３１や排気ポート４５の取り付け位置は、吸着容器１０ａ、１０ｂの壁面に限らず、加熱空気の放熱ロスを少なくすれば、上部配管２０ａ、２０ｂや下部配管１１ａ、１１ｂとしても良い。また、加熱機構３５の除湿機３７には、ＰＳＡ式の他、ＰＴＳＡ式やＴＳＡ式などの除湿装置を利用できる。

（実施例１）
図１０は、ＰＳＡ式除湿装置におけるサイクル回数（処理工程と再生工程の繰り返し回数）と、低露点空気の露点温度との関係を示すグラフである。吸着剤を新品に交換後に運転を再開した運転の初期では、図１０中のグラフ線ｘ１に示すように、露点温度−７０℃程度の低露点空気しか作ることができない。露点温度−１００℃の低露点空気を作るには、数万サイクル（数千時間）連続運転する必要がある。また、例えば除湿運転を長期間停止した後の、ＰＳＡ式除湿装置の運転開始直後に得られる低露点空気の露点温度は、運転開始前の吸着容器内の吸着材（特に吸着容器の上部の吸着材）の水分量に依存する。

そこで、ＰＳＡ式除湿装置の運転開始前に吸着材を加熱して吸着容器の上部に残留している水分量を一気に下げることにより、運転開始直後から露点温度−１００℃の低露点空気を供給することができる。図１０中のグラフ線ｘ２に示すように、運転開始前に吸着材を加熱した場合、運転開始直後の低露点空気の露点温度は−１０５℃となり、露点温度が上昇することなく、運転開始直後から露点温度−１００℃以下の低露点空気を連続供給可能であることを確認した。本発明者らの仮定が正しかったと推察される。

（実施例２）
次に、加熱工程を制御する温度センサ（熱電対）の挿入位置による効果の違いについて検討した。図１１に示すように、合成ゼオライトMS-13Xを充填した吸着筒（筒高さ500mmの吸着容器）に、250℃の加熱空気を40L(N)/minで上から下に向けて供給した場合について数値解析を行なった。図１１に示す筒内の各位置（筒下部から100mm、300mm、400mm、450mm）に挿入した熱電対について、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とし、加熱・冷却時間を比較した。なお、加熱工程を終了後は、吸着容器内に冷却ガスを導入し、吸着材を冷却して温度勾配を無くしてから、吸着工程と再生工程を再開するため、加熱・冷却時間について比較した。

計算結果を図１２〜１５に示す。これら図１２〜１５は、加熱・冷却中における筒内の各高さ（筒下部から１００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、４５０ｍｍ、５００ｍｍ）の温度の経時変化を示すグラフである。０図１２は、筒下部から450mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合である。図１３は、筒下部から400mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合である。図１４は、筒下部から300mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合である。図１５は、筒下部から100mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合である。

また、加熱・冷却後、運転を再開した時の低露点空気の露点温度（加熱後供給露点）についても比較した。結果を図１６（表1）に示す。筒最上部に挿入した熱電対（450mm）で制御すると、得られる低露点空気が露点温度−100℃以下を確保できないことが分かる。一方、筒下部に挿入した熱電対（100mm）で制御すると、筒下部から400mmの位置で制御したものに比べ、低露点空気の露点は向上するものの加熱・冷却時間が倍以上かかることが分かる。以上より、筒上部に挿入した熱電対により加熱・冷却時間を制御することにより、大幅な時間短縮が可能であることが分かる。

本発明は、低露点空気の製造に適用できる。

一方の吸着容器内で処理工程を行い、他方の吸着容器内で再生工程を行っている状態を示す本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ式除湿装置の説明図である。一方の吸着容器内で再生工程を行い、他方の吸着容器内で処理工程を行っている状態を示す本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ式除湿装置の説明図である。一方の吸着容器内および他方の吸着容器内で加熱工程を行っている状態を示す本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ式除湿装置の説明図である。加熱工程中における吸着容器内の吸着材の水分の分布状態を示す説明図である。吸着容器内の各高さでの吸着材の温度を示す説明図である。加熱工程中における各高さの温度の経時変化を示すグラフである。加熱工程による吸着容器内の吸着材の水分の分布状態を示す説明図である。ＰＳＡ式除湿装置から取り外した吸着容器を別の加熱機構を用いて加熱工程を行う実施の形態の説明図である。３対の吸着容器に対して、一台の共通の加熱機構を設けた本発明の実施の形態にかかるＰＳＡ式除湿装置の説明図である。実施例１における、ＰＳＡ式除湿装置におけるサイクル回数と、低露点空気の露点温度との関係を示すグラフである。加熱工程を制御する温度センサ（熱電対）の挿入位置による効果の違いについて検討した実施例２の説明図である。筒下部から450mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合の、筒内の各高さの温度の経時変化を示すグラフである。筒下部から400mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合の、筒内の各高さの温度の経時変化を示すグラフである。筒下部から300mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合の、筒内の各高さの温度の経時変化を示すグラフである。筒下部から100mmの高さに挿入した熱電対において、指示値が200℃に達した時を加熱工程の完了とし、その後、冷却して30℃に達した時を冷却完了とした場合の、筒内の各高さの温度の経時変化を示すグラフである。実施例２における、加熱・冷却後、運転を再開した時の低露点空気の露点温度（加熱後供給露点）についても比較した結果を示す表1である。

符号の説明

１ＰＳＡ式除湿装置
１０ａ、１０ｂ吸着容器
１１ａ、１１ｂ下部配管
１２給気配管
１５バイパス配管
１６排気配管
２０ａ、２０ｂ上部配管
２１送出配管
２５バイパス配管
３０加熱給気配管
３４分岐配管
３５加熱機構
３６走行台車
３７除湿機
３８ヒータ
４１制御部
５０ａ、５０ｂ温度センサ

Claims

吸着材を収納した吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行い、圧力スイング吸着により低露点空気を得るＰＳＡ式除湿装置であって、
前記吸着容器を複数有し、
前記各吸着容器に加熱空気を供給する共通の加熱機構を有し、
前記加熱機構は、処理空気から加熱空気を作るための除湿機とヒータを有し、
前記各吸着容器内において、処理空気の入り口と出口の間であって、入り口と出口の中央から出口側の位置で吸着材の温度を測定する温度センサを有し、
前記各吸着容器において、吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行う状態と、前記加熱機構で作られた加熱空気を前記各吸着容器に供給する加熱工程を行い、吸着材中に残留する水分を排出させる状態とに切り替えられる、ＰＳＡ式除湿装置。
前記加熱機構が接続ポートを介して切り離し自在である、請求項１に記載のＰＳＡ式除湿装置。
吸着材を収納した吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行い、圧力スイング吸着により低露点空気を得るＰＳＡ式除湿方法であって、
前記吸着容器を複数有し、
前記各吸着容器に加熱空気を供給する共通の加熱機構を有し、
前記加熱機構は、処理空気から加熱空気を作るための除湿機とヒータを有し、
前記各吸着容器内において、処理空気の入り口と出口の間であって、入り口と出口の中央から出口側の位置で吸着材の温度を測定する温度センサを有し、
前記各吸着容器において、吸着容器内に処理空気を通す処理工程と再生空気を通す再生工程を交互に行う状態と、前記加熱機構で作られた加熱空気を前記各吸着容器に供給する加熱工程を行い、吸着材中に残留する水分を排出させる状態とに切り替えられ、
前記加熱工程は、前記各吸着容器内の吸着材の一部の温度が所定の温度となった時点で停止する、ＰＳＡ式除湿方法。
除湿運転の再開時または吸着材の交換後の運転開始時に、前記加熱工程を行う、請求項３に記載のＰＳＡ式除湿方法。