JP5601795B2 - 空気調和方法及び空気調和装置 - Google Patents
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Description
本発明は、デシカント材による水分の凝縮と蒸発のメカニズムを利用した室内などの閉空間の温度と湿度を調節する空気調和方法及び空気調和装置に関する。
一般の住居や事務室、作業場などの閉空間の室内の温度と湿度を好ましい状態に制御し、調節すること、即ち空気調和（空調）を達成することは、快適な生活や活動を行なうための重要な要素の一つである。
この空気調和のために、従来からさまざまなタイプの冷房装置、加温装置、加湿装置、除湿装置などが採用されている。このようなさまざまな空気調和装置の中で、空気中の水分の吸着・脱着性能をもつデシカント材を用いたデシカント空気調和法はその効率やエネルギーコストなどの点から優れた方法の一つである。
この空気調和のために、従来からさまざまなタイプの冷房装置、加温装置、加湿装置、除湿装置などが採用されている。このようなさまざまな空気調和装置の中で、空気中の水分の吸着・脱着性能をもつデシカント材を用いたデシカント空気調和法はその効率やエネルギーコストなどの点から優れた方法の一つである。
しかしながら、このデシカント空気調和法には、次のような課題があり、そのためにエネルギー効率を低下させ、高コストを招いている。
(イ) シリカゲル、ゼオライトなど一般に広く使用されているデシカント材は、デシカント材の除湿機能を十分に発揮させるためには、吸着した水分の脱着のために６０℃以上の比較的高い乾燥空気による乾燥が必要である。
(ロ) 除湿と乾燥を連続的に行なう方法として、ハニカム構造で円柱状に成型されたデシカント材のローターを回転させ、水分の吸着・脱着のステップを連続的に行なうローター方式が採用されている（例えば、非特許文献１参照）。
(ハ) デシカント材への水分の吸着により吸着熱が発生し、除湿された空気（被処理空気）の温度上昇が大きくなる。多くのデシカント材の吸着能は、関係湿度が高いほど大きいため、吸着による温度の上昇は関係湿度を下げ、吸着能を低下させる要因となる。
（ニ）水分の吸着により吸着熱が発生し、被処理空気の温度が上昇するので、除湿された空気を再び所定の温度まで冷却するために、各種の冷却装置と組み合わせて運転することが必要となる（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。
(イ) シリカゲル、ゼオライトなど一般に広く使用されているデシカント材は、デシカント材の除湿機能を十分に発揮させるためには、吸着した水分の脱着のために６０℃以上の比較的高い乾燥空気による乾燥が必要である。
(ロ) 除湿と乾燥を連続的に行なう方法として、ハニカム構造で円柱状に成型されたデシカント材のローターを回転させ、水分の吸着・脱着のステップを連続的に行なうローター方式が採用されている（例えば、非特許文献１参照）。
(ハ) デシカント材への水分の吸着により吸着熱が発生し、除湿された空気（被処理空気）の温度上昇が大きくなる。多くのデシカント材の吸着能は、関係湿度が高いほど大きいため、吸着による温度の上昇は関係湿度を下げ、吸着能を低下させる要因となる。
（ニ）水分の吸着により吸着熱が発生し、被処理空気の温度が上昇するので、除湿された空気を再び所定の温度まで冷却するために、各種の冷却装置と組み合わせて運転することが必要となる（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。
これらの問題を解決し、エネルギー効率が大きく、かつ低コスト化を達成するために、次のような方法が提案されている。
一つの方法は、除湿時に発生する吸着熱を連続的に効率よく除去することである。例えば、アルミニウム製のスリットの間にハニカム構造のデシカント材を組み込み、スリットに冷却流体を流すことにより吸着熱を除去する（非特許文献３参照）。この冷却流体を利用してデシカント材を冷却し、吸着熱を除去する方法は、除去熱量が大きいことや種々の除去温度域に柔軟に対応でき、冷却温度効果も確実であるが、デキカント機器の構造が複雑となり、まだ実用化されていない。
一つの方法は、除湿時に発生する吸着熱を連続的に効率よく除去することである。例えば、アルミニウム製のスリットの間にハニカム構造のデシカント材を組み込み、スリットに冷却流体を流すことにより吸着熱を除去する（非特許文献３参照）。この冷却流体を利用してデシカント材を冷却し、吸着熱を除去する方法は、除去熱量が大きいことや種々の除去温度域に柔軟に対応でき、冷却温度効果も確実であるが、デキカント機器の構造が複雑となり、まだ実用化されていない。
もう一つの方法は、除湿時に発生する吸着熱を発生させないことである。水分の吸着により熱が発生するので、吸着による除湿に代えて、熱交換法によって除湿する空気を冷却するとともに除湿する、間接冷却法がある。間接冷却法では、冷却用空気の流路と除湿空気の流路を、ガス及び水分の浸透性のない分離壁で分離する。
即ち、分離壁の一方の面に除湿される空気の流路を形成し、反対側の面に冷却用空気の流路を形成する。除湿される空気の流路に除湿される空気を流し、冷却用空気の流路に冷却用空気を流す。除湿される空気が接する除湿空気の流路の壁面は乾燥し、反対側の冷却用空気の流路の冷却用空気に接する壁面は湿潤した状態とし、冷却用空気の流路に冷却用空気を流通して壁面上の湿潤している液体を蒸発させ、蒸発潜熱を利用してこの分離壁を冷却する。その結果、その反対側の除湿空気の流路を流れる除湿する空気を冷却し、除湿することができる（非特許文献４参照）。
冷却用空気の流路と除湿空気の流路を分離する分離壁は、プラスチックフィルムなどのガス不浸透性のフィルムの冷却用空気の流路の壁面に水分を保持できるセルロース、多孔質固体などの物質を膜状に付けて湿潤面とするコンポジット材などがある。（特許文献２参照）
このような間接冷却法では、水など液体を蒸発させて冷却（直接冷却）して熱交換面を冷却し、この冷却された熱交換面に除湿空気を接触させて冷却（間接冷却）する工程をカスケード的に多数回繰り返す方法（このカスケード的に繰り返す工程を「マイソトセンコサイクル（Maisotsenco cycle）」という）によって、低湿度で低温度の空気を得ることができる（特許文献３参照）。
間接冷却法は、水分の吸着による温度上昇はなく、理想状態では除湿する空気の露点温度まで冷却できる可能性を有するが、冷却用空気が接する湿潤面へ蒸発させる水などの液体を適切に補給する方法や冷却効果を高めるために複雑な構造が必要となることなどの問題がある。
また、除湿される空気の流路と冷却用空気の流路を分離する分離壁は気体透過性の高いものとし、除湿空気の流路の表面にはデシカント材を付け、冷却用空気の流路の冷却用空気の接する面は水などの蒸発する液体あるいはデシカント液体で湿潤した面とする方法が提案されている（特許文献４参照)。この方法では、除湿される空気の流路の中の空気は冷却用空気の流路の中の冷却用空気と混合するとともに、除湿される空気の流路の空気が冷却用空気の流路を流通することになり、直接冷却と間接冷却が混合した方法になるので、除湿される空気の十分な除湿と冷却、及びこれらを決められた状態に簡単に制御することは困難である。
デシカント材からなるローターを使用する場合、吸着場所と脱着場所が異なることが、デシカント材や空気の大きな温度上昇の要因となるので、ローターの半径方向にデシカント材の付着する吸着部と付着しない非吸着部を設け、吸着による潜熱の発生を抑制するとともに、非吸着部に低温流体などを流して冷却する方法が提案されている。また、水分の脱着（再生）部では、脱着による潜熱でデシカント材が冷却されるので、脱着部と吸着部で温度差があり、熱伝導による吸着部の冷却を促進し、吸着熱による温度上昇を抑制する方法も出されている（特許文献５）。しかし、吸着熱の除去のため非吸着部を作る必要があるので吸着効率が低下し、また、吸着部から非吸着部への熱伝導による熱移動なので放熱量が小さく、また、非吸着部に低温流体を流通させる場合などは、処理空気と冷却空気の流路の分離など空気調和装置の構造も複雑になり、冷却効果は小さい。
AkioKodama et al. : "Experimental study of optimal operationfor a honeycomb adsorber operated with thermal swing"J. Chem. Eng. of Japan, Vol.26, 530〜535(1993)、
福井伊津志、頭島康博「省エネルギー型低露点用乾式除湿機、建築設備と配管工事」10、61〜63（2006）
児玉昭雄「吸着熱除去によるデシカント空調プロセスの低温度駆動−断熱除湿限界の克服」日本機械学会誌 Vol.110、No.1065、654（2007）
宮崎隆彦、秋澤 淳、秋山 誠、二階 勲、上田 祐樹、柏木孝夫「Maisotosenko型気化式冷却器の性能解析」第42回空気調和・冷凍連合講演会講演論文集、77〜80（2008）
本発明は、以上のような水分の吸着及び水分の透過性のない分離壁を用いる従来の間接冷却法の問題点を解決して、簡単な構造の装置で、より効率よく除湿や加湿という空気調和処理を行うことができる空気調和方法とその装置を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、空気の除湿や加湿のような空気調和処理を行うに際して、空気中の水分の凝縮により発生する吸着熱を、吸着した水分の蒸発による蒸発潜熱でうまく除去する方法について着目して鋭意検討の結果、これを巧みに組み合わせて、間接冷却法により吸着熱を除去しつつ連続的に空気調和処理を行うことのできる方法を見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は、以下の内容をその要旨とする発明である。
（１）デシカント材からなる分離膜の一つの側に被処理ガス用流路を形成し、他の側に再生ガス用流路を形成し、被処理ガス用流路に被処理空気を、再生ガス用流路に再生用空気を流通させるとともに、被処理ガス用流路の被処理空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を再生ガス用流路の再生用空気で蒸発させる、または再生ガス用流路の再生用空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を被処理ガス用流路の被処理空気で蒸発させることを特徴とする、空気調和方法。
（１）デシカント材からなる分離膜の一つの側に被処理ガス用流路を形成し、他の側に再生ガス用流路を形成し、被処理ガス用流路に被処理空気を、再生ガス用流路に再生用空気を流通させるとともに、被処理ガス用流路の被処理空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を再生ガス用流路の再生用空気で蒸発させる、または再生ガス用流路の再生用空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を被処理ガス用流路の被処理空気で蒸発させることを特徴とする、空気調和方法。
（２）被処理ガス用流路に湿潤した被処理空気を、再生ガス用流路に乾燥した再生用空気を流通させるとともに、被処理ガス用流路の被処理空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を再生ガス用流路の再生用空気で蒸発させることにより被処理空気の除湿を行なうことを特徴とする、前記（１）に記載の空気調和方法。
（３）被処理ガス用流路に乾燥した被処理空気を、再生ガス用流路に湿潤した再生用空気を流通させるとともに、再生ガス用流路の再生用空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を被処理ガス用流路の被処理空気で蒸発させることにより被処理空気の加湿を行なうことを特徴とする、前記（１）に記載の空気調和方法。
（４）分離膜が、空気中の水分を吸着し、該膜の反対側表面まで拡散するが、空気はほとんど透過しない性質を有する膜であって、８０℃以下の温度で空気中の水分を吸着し、５℃以上の温度で吸着した水分を脱着（放出）する能力を有するデシカント材であることを特徴とする、前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の空気調和方法。
（５）分離膜が、その水分の吸着能が、分離膜１ｋｇあたり０．０１ｋｇ〜０．６５ｋｇであるデシカント材であることを特徴とする、前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の空気調和方法。
（６）分離膜が、その水分の拡散速度が、４ｍ／日〜１２０００ｍ／日であるデシカント材であることを特徴とする、前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の空気調和方法。
（７）分離膜が、その厚さが１０μｍ〜３ｍｍの薄膜のデシカント材であることを特徴とする、前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の空気調和方法。
（８）分離膜が、金属繊維膜、活性炭素繊維膜、セルロース繊維膜、多孔質高分子膜、高分子繊維織布、及びこれらのシート材料に水分吸着能のある無機物質を付着固定させた膜からなる群から選ばれるいずれかの薄膜状のデシカント材であることを特徴とする、前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の空気調和方法。
（９）被処理ガス用流路へ流入する被処理空気の比エンタルピーと再生用ガス用流路を流出する再生用空気の比エンタルピーの差と、被処理ガス用流路を流出する被処理空気の比エンタルピーと再生用ガス用流路へ流入する再生用空気の比エンタルピーの差がほぼ同一となる操作条件で空気を処理することを特徴とする、前記（１）ないし（８）のいずれかに記載の空気調和方法。
（１０）デシカント材からなる分離膜と、分離膜の一つの側に形成した被処理ガス用流路と、分離膜の他の側に形成した再生ガス用流路とからなり、該分離膜が、被処理ガス用流路の被処理空気又は再生ガス用流路の再生用空気と接する面で水分を吸着し、分離膜中を再生ガス用流路又は被処理ガス用流路に向けて拡散するが、空気はほとんど透過しない薄膜であることを特徴とする空気調和装置。
（１１）分離膜が、その水分の吸着能が分離膜１ｋｇあたり０．０１ｋｇ〜０．６５ｋｇであることを特徴とする、前記（１０）に記載の空気調和装置。
（１２）分離膜が、その水分の拡散速度が４ｍ／日〜１２０００ｍ／日であるデシカント材であることを特徴とする、前記（１０）または（１１）に記載の空気調和装置。
（１３）分離膜が、その厚さが１０μｍ〜３ｍｍの薄膜のデシカント材であることを特徴とする、前記（１０）ないし（１２）のいずれかに記載の空気調和装置。
本発明の空気調和方法によって、室内などの閉空間の空気調和処理を容易に、かつ効率的に行うことができる。即ち、高湿度の空気の除湿の場合に、３０℃〜５０℃の比較的低温度の再生用空気を用いても、効率的に除湿を行なうことができ、しかも除湿の終わった空気の温度上昇が抑制されるので、改めて処理後の空気を冷却するなどの操作が省略できる場合もある。また、逆に、本発明の空気調和方法によって、比較的低温度の乾燥した空気に対しても、再生用空気として３０℃〜５０℃程度の水分を含む空気を使用することで、これらの乾燥した空気を容易に加湿・加温することができる。
本発明は、図1に示すように、空気中の水分を吸着・脱着できるデシカント材からなる分離膜１を用いて、この分離膜１の一つの側に被処理ガス用流路２を形成し、他の側に再生ガス用流路３を形成し、被処理ガス用流路２に被処理空気８を、再生ガス用流路３に再生用空気９を流通させて空気の除湿、加湿、加温、冷却などの種々の空気調和処理を行うものである。
本発明の空気調和方法では、次の２通りの空気調和処理のパターンがある。
まず、被処理空気８として湿潤した空気を用い、再生用空気９として乾燥した低温度の空気を用いる場合には、この被処理空気８中の水分を分離膜１の一つの側である被処理空気と接する面で吸着させ、この吸着した水分を分離膜１の他の側である再生用空気と接する面において蒸発・放散させて、吸着熱をその蒸発潜熱として吸収することにより分離膜１を冷却し、更には、その結果として分離膜１の一つの側に接する被処理空気８を冷却することによって、被処理空気８の温度上昇を抑制しながら、同時に被処理空気８中の水分を除去する、空気の除湿冷却操作を行なうことができる。
まず、被処理空気８として湿潤した空気を用い、再生用空気９として乾燥した低温度の空気を用いる場合には、この被処理空気８中の水分を分離膜１の一つの側である被処理空気と接する面で吸着させ、この吸着した水分を分離膜１の他の側である再生用空気と接する面において蒸発・放散させて、吸着熱をその蒸発潜熱として吸収することにより分離膜１を冷却し、更には、その結果として分離膜１の一つの側に接する被処理空気８を冷却することによって、被処理空気８の温度上昇を抑制しながら、同時に被処理空気８中の水分を除去する、空気の除湿冷却操作を行なうことができる。
また、逆に、被処理空気８として乾燥した低温度の空気を用い、再生用空気９として湿潤した比較的高温度の空気を用いる場合には、この再生用空気９中の水分を分離膜１の一つの側である再生用空気と接する面で吸着させ、この吸着した水分を分離膜１の他の側である被処理空気と接する面で蒸発・放散させることによって、分離膜１の他の側に接する被処理空気８を加温しながら水分を供給する、加湿加温操作を行なうことができる。
これらの方法のうち、前者の除湿冷却操作を行なう場合を例として、本発明の方法を更に詳しく説明する。図１において、デシカント材からなる分離膜１の上部に被処理ガス用流路２が、下部に再生ガス用流路３が形成されており、図１の左側から水分を含んで湿潤した被処理空気８が被処理空気入口４から流入し、右端から除湿された被処理空気８が被処理空気出口５から流出する。また、同じく分離膜１の下部右側から乾燥した再生用空気９が再生用空気入口６から流入し、左側の再生用空気出口７から水分を含んだ再生用空気９が流出する。
被処理ガス用流路２においてデシカント材からなる分離膜１の一つの面に接した被処理空気８は、デシカント材の水分吸着能によってその水分がデシカント材に吸着される。デシカント材に吸着された水分は分離膜１の内部を拡散して、分離膜１の反対側の他の面にまで移行する。分離膜１の他の面に移行してきた水分は、ここで再生ガス用流路３を流れる乾燥した再生用空気９に接して水分が蒸発・放散されて、水分が再生用空気９中に移行する。
このようにして被処理空気８中の水分が再生用空気９の中に移行することによって、被処理空気８の除湿を行なうことができる。この水分の凝縮・吸着による除湿の際に吸着熱が発生し、これを除去しないと除湿後の空気が加熱され、温度の上昇した被処理空気となってしまい、改めてこの除湿された空気を冷却する必要が生ずる。このような余分な冷却操作を避けるためには、この水分の凝縮・吸着の際に発生する吸着熱を冷却その他の方法によって除去することが必要となる。また、デシカント材からなる分離膜１からも、吸着した水分を乾燥操作などによって除去しなければ、その吸着能が低下する。
この吸着熱の除去とデシカント材の冷却、乾燥を行なうために、本発明では吸着した水分の蒸発潜熱を利用する。即ち、分離膜１であるデシカント材の被処理ガス用流路２の被処理空気８に接する面で吸着した水分が、多孔質の材料からなるデシカント材の水分の拡散特性に基づき、デシカント材の中を反対側の再生ガス用流路３の再生用空気９に接する面まで拡散・透過してくる。ここで乾燥した再生用空気９と接触して、デシカント材の水分が蒸発して、水分が再生用空気９中に放散される。水分の凝縮・吸着の際に吸着熱が発生するが、本発明の方法によれば、この吸着熱は再生用空気９と接触した水分が蒸発する際の蒸発潜熱として吸収され、除去されることとなる。この結果、分離膜１のデシカント材の中に熱が蓄積したり、温度が上昇することが少なくなる。
また、デシカント材の中の水分が再生用空気９の中に放散されるので、同時にデシカント材の乾燥も行われることとなり、分離膜１のデシカント材の水分吸着能が低下することが避けられる。
このような被処理空気８中の水分の吸着、拡散、脱着が円滑に行なわれるためには、分離膜１が、水分を効率よく吸着し、拡散するための十分な能力を有するデシカント材であって、かつ被処理空気８そのものはほとんど透過しない膜であることが必要である。このようなデシカント材としては、一般的に表面に数ｎｍから数１００μｍのミクロポア及びマクロポアを有する多孔質構造の膜であり、このミクロポアに水分が吸着される。特に、水の物理特性、表面張力などから数ｎｍから数十ｎｍ程度のミクロポアを有する多孔質構造の膜が好ましい。
分離膜の水分の吸着能は、具体的には分離膜の単位重量（ｋｇ）あたり水分量が０．０１ｋｇ〜０．６５ｋｇ程度であることが必要であり、０．０５ｋｇ〜０．２ｋｇ程度であることが好ましい。
また、吸着した水分が分離膜の反対側に移行するために、分離膜の中の水分の拡散速度が４ｍ／日〜１２０００ｍ／日程度であることが必要であり、４０ｍ／日〜１２００ｍ／日程度であることが好ましい。
更には、分離膜１は、水分の吸着能や多孔質構造を持たせること、分離膜としての強度を確保するという観点からはその厚さがある程度大きいほうが好ましいが、水分の効率的、かつ円滑な拡散という観点からはできるだけ厚さが薄いものが好ましい。これらの点を考慮して、分離膜１の厚さは１０μｍから３ｍｍであり、より好ましくは１００μｍ〜６００μｍのものである。
分離膜１の厚さが３ミリメートルを超えると、分離膜中の水分の拡散速度が律速となり、水分の吸着・脱着の速度が低下してしまい、好ましくない。また、分離膜１の厚さが１０ミクロン以下となると、膜が分離壁として十分な強度を持つことができず、実用的ではない。
分離膜１の厚さが３ミリメートルを超えると、分離膜中の水分の拡散速度が律速となり、水分の吸着・脱着の速度が低下してしまい、好ましくない。また、分離膜１の厚さが１０ミクロン以下となると、膜が分離壁として十分な強度を持つことができず、実用的ではない。
このような水分の吸着、拡散、脱着能力を有するデシカント材としては、具体的には例えば、金属繊維膜、活性炭素繊維膜、セルロース繊維膜などの種々の繊維でできた多孔性シート、多孔質高分子膜や高分子繊維織布などの多孔性シート、及びこれらのシート材料を基材にして水分吸着能のある無機物質や有機物質を付着固定させた膜を利用することができる。
更に詳しくは、銅、アルミニウムなどの金属繊維、ガラス繊維などの無機繊維、炭素繊維、合成繊維、セルロース繊維などの有機繊維など種々の繊維材料でできた多孔性のシートに対して、吸着材としてシリカゲル、活性炭、アルミナ、アルミノシリケートよりなるゼオライト類、メソポーラスシリカ、非晶質アルミニウムケイ酸塩を含む粘土などとの複合体、チタン−シリカゲル系の吸着材から選ばれる種々の吸着材を塗布または化学反応により固着させたデシカント材が利用できる。更に、ポリアクリル酸架橋体などの吸水性高分子を利用した不織布シートのデシカント材、スポンジ状酸化チタンよりなるシートのデシカント材なども利用することができる。
分離膜１の形状は、一般的には平面状のものでよいが、空気とデシカント材との接触効率をより大きくするために、また、強度を高める点から、波板状のもの、突起のあるフィン付のものなどでもよい。
次に、本発明の空気調和方法の除湿・再生の場合のメカニズムについて、図１の空気調和装置において、図６に示す空気線図を用いて説明する。
被処理空気８は被処理ガス入口４から被処理ガス用流路２に流入し、被処理ガス用流路２流通して、分離膜１の被処理ガス用流路２の側の面と接触しながら被処理ガス出口５に至る。被処理空気８の入口の状態は、図６の空気線図のＫの位置である。被処理空気８中の水分は被処理ガス用流路２の分離膜1と接触して吸着・除去され、絶対湿度を低下しつつ流れ、分離膜１の温度は水分の吸着により発生する吸着熱により上昇するので、分離膜1に接する被処理空気８の温度も上昇することになる。被処理ガス用流路２内でこの変化が断熱的に行われれば、被処理空気の温度は、図６の空気線図の等比エンタルピー線に沿って変化し、被処理ガス用流路２の出口５では状態Ｌになる。
一方、再生用空気９は、再生用ガス入口６から再生ガス用流路３に流入し、再生ガス用流路３を流通して、分離膜１の再生ガス用流路３の側の面と接触して水分を蒸発させ、絶対湿度を増加させながら再生ガス用流路３の出口７に至る。再生用空気９の再生用ガス入口６での状態は図６の空気線図のＰである。再生用空気９は再生ガス用流路３の分離膜1と接触して水分を蒸発させ、絶対湿度を増加しつつ流れる。分離膜１の温度は水分の蒸発により発生する蒸発潜熱により冷却されるので、分離膜１に接する再生用空気９の温度も降下することになる。再生ガス用流路３内でこの変化が断熱的に行われれば、再生用空気９の温度は、図６の空気線図の等比エンタルピー線に沿って変化し、再生ガス用流路３の出口７では状態Ｑになる。
本発明のように、分離膜１の厚さが非常に薄く、物質移動及び熱移動が十分速く行われれば、分離膜１の被処理ガス用流路２の被処理空気８と接する面で発生した吸着熱は、分離膜１の中を移動して反対側の再生ガス用流路３に接する表面に速やかに伝達され、再生用空気９と接する表面で水分の蒸発の潜熱に利用される。このため、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３の間での熱交換が行なわれ、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３の中の変化はそれぞれ独立して断熱的には進まず、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３を全体として断熱的変化をする。このため、被処理空気８の被処理ガス用流路２の出口５の状態は上記の場合とは異なり、被処理空気の出口５の状態は図６の空気線図のＭ、再生用空気９の再生ガス用流路３の出口７での状態は同じくＲとなる。したがって、被処理空気８のＬの状態の温度ＴＬとＭの状態の温度ＴＭの温度差ＴＬ―ＴＭだけ冷却される。
本発明の空気調和方法では、上述の被処理ガス用流路の被処理空気と再生ガス用流路の再生用空気の流通方法について、図２〜図４に示す種々の方法を採用することができる。即ち、図２に示すような被処理空気と再生用空気を分離膜を挟んで同じ位置から導入して同じ方向に流す並流方式、図３に示すような被処理空気と再生用空気を分離膜を挟んで反対の位置から導入してそれぞれ反対の方向に流す向流方式、図４に示すような被処理空気と再生用空気を分離膜を挟んで反対の位置から導入しながら、処理済みの被処理空気の一部を再生ガス用流路に流し再生用空気と混合する一部循環方式などがあり、使用条件に応じて任意に選択すればよい。
並流方式は、除湿操作の場合には、向流方式に比べて同じ除去水分量であってもより低温度の除湿した空気が得られる。一部循環方式では、温度や湿度の条件に制約はあるが、並流方式よりも更に低温度の除湿空気が得られる。一部循環方式では、除湿された被処理空気の一部を外部に抜き出すが、残りの除湿された空気を再生ガス用流路に導入し、外部から導入された空気と混合して再生用空気とする。被処理空気の一部が再生ガス用流路に導入されるため、再生用空気の外部からの導入量は必要に応じて調節する。一部循環方式では、再生用空気の入口温度及び湿度は外気温度、湿度より低下し、乾燥除去される水分量が増加するとともに吸着量も増加し発生する吸着熱も大きくなるが、乾燥により除去される水分の蒸発潜熱で除去され、被処理空気の温度は低下する。
また、この３種類の処理方式のいずれかを前段とし、他の方式を後段として直列に設置する２段処理方式にすれば、更に高い除湿効率が達成できる。
また、この３種類の処理方式のいずれかを前段とし、他の方式を後段として直列に設置する２段処理方式にすれば、更に高い除湿効率が達成できる。
このほかに、図５に示すように、被処理ガス用流路と再生ガス用流路を直交させ、被処理ガス用流路を流通させる被処理空気と再生ガス用流路を流通させる再生用空気を直交させ、必要に応じてこのユニットを多数積み重ねる、いわゆるクロスフロー方式がある。この方式では、再生用ガスの脱着（乾燥）能力は、並流方式や向流方式に比べて大きく、高湿度の被処理ガスの除湿では高い除去効率が期待できる。
従来のローター方式のように、デシカント材の水分の脱着と乾燥を吸着とは異なった別の場所で加熱によって行なう方式では、デシカント材の十分な乾燥と再生のために９０〜１００℃の高温度の空気を用いる必要があった。しかし、本発明の方法では、上記のように、同じ調和装置の内部で、しかも再生用空気としてこのような高温度の空気を使用する必要はなく、４０〜５０℃程度の温度の空気を用いて乾燥・再生を行なうことができる。
このように再生用空気として比較的低い温度の空気を使用できるということは、さまざまな冷房設備や冷凍設備から多量に発生する排気空気をそのまま利用することが可能となり、排熱の有効利用という点でも大きなメリットを有する。
次に、本発明を実施例によって更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
向流方式による空気の除湿・乾燥処理
図1に示す向流方式の空気調和装置を用いて、次のような操作で室内空気の除湿・乾燥処理を行った。 空気調和装置は、被処理ガス用流路２が２０ｃｍ×０．３ｃｍ、再生ガス用流路３が２０ｃｍ×０．３ｃｍ、長さが４０ｃｍの直方体のサイズであり、分離膜１のデシカント材として厚さが０．１５ｍｍのセルロース繊維の集合した実体内に抗菌効果のある金属を担持したゼオライトを含ませた薄膜を用いた。
このデシカント材の特性は次の通りであった。
・水分吸着能： ２０℃の吸着平衡 Ｘ＝５．５Ｈ0.914
ここで、Ｘは平衡吸着量（g-H2O／kg-吸着剤）、
Ｈは絶対湿度（g-H2O／kg-乾燥空気）
・水分拡散速度： ５１００ｍ／日
図1に示す向流方式の空気調和装置を用いて、次のような操作で室内空気の除湿・乾燥処理を行った。 空気調和装置は、被処理ガス用流路２が２０ｃｍ×０．３ｃｍ、再生ガス用流路３が２０ｃｍ×０．３ｃｍ、長さが４０ｃｍの直方体のサイズであり、分離膜１のデシカント材として厚さが０．１５ｍｍのセルロース繊維の集合した実体内に抗菌効果のある金属を担持したゼオライトを含ませた薄膜を用いた。
このデシカント材の特性は次の通りであった。
・水分吸着能： ２０℃の吸着平衡 Ｘ＝５．５Ｈ0.914
ここで、Ｘは平衡吸着量（g-H2O／kg-吸着剤）、
Ｈは絶対湿度（g-H2O／kg-乾燥空気）
・水分拡散速度： ５１００ｍ／日
除湿・乾燥処理の操作条件は次の通りであった。
・被処理空気（除湿する空気）：
流入速度：２．１ｍ／秒、
温度：３０．６℃、湿度：０．０２４（kg-H2O／kg-乾燥空気）
・再生用空気：
流入速度：１．８ｍ／秒、
温度：４０．５℃、湿度：０．０１５５（kg-H2O／kg-乾燥空気）
・被処理空気（除湿する空気）：
流入速度：２．１ｍ／秒、
温度：３０．６℃、湿度：０．０２４（kg-H2O／kg-乾燥空気）
・再生用空気：
流入速度：１．８ｍ／秒、
温度：４０．５℃、湿度：０．０１５５（kg-H2O／kg-乾燥空気）
この操作条件で被処理空気８を被処理ガス入口４から、再生用空気９を再生用ガス入口６から図１に示す空気調和装置に流通させて、４時間連続して運転を行い、空気の除湿・乾燥処理を行なった。
およそ０．５時間経過した時点から後の被処理ガス出口５及び再生用ガス出口７での空気の湿度と温度は次の通りであった。
・被処理空気（除湿された空気）：
温度：３７．８℃、湿度：０．０１８（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
・再生用空気：
温度：３０．０℃、湿度：０．０２２（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
およそ０．５時間経過した時点から後の被処理ガス出口５及び再生用ガス出口７での空気の湿度と温度は次の通りであった。
・被処理空気（除湿された空気）：
温度：３７．８℃、湿度：０．０１８（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
・再生用空気：
温度：３０．０℃、湿度：０．０２２（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
この空気の除湿・乾燥処理の前後における被処理空気と再生用空気の温度と湿度の変化を図７に示す。
この結果から、処理前には湿度が０．０２４（kg-H2O／kg-乾燥空気）であった被処理空気８（図７のＡ１）が、本発明の方法による除湿・乾燥処理を行なったところ、その湿度が０．０１９（kg-H2O／kg-乾燥空気）まで減少し（図７のＡ２）、被処理空気の湿度は０．００５（kg-H2O／kg-乾燥空気）除去された。この除湿操作にもかかわらず、被処理空気の温度は３０．６℃から３７．８℃とわずかな温度上昇だけであった。
この結果から、処理前には湿度が０．０２４（kg-H2O／kg-乾燥空気）であった被処理空気８（図７のＡ１）が、本発明の方法による除湿・乾燥処理を行なったところ、その湿度が０．０１９（kg-H2O／kg-乾燥空気）まで減少し（図７のＡ２）、被処理空気の湿度は０．００５（kg-H2O／kg-乾燥空気）除去された。この除湿操作にもかかわらず、被処理空気の温度は３０．６℃から３７．８℃とわずかな温度上昇だけであった。
もし、このデシカント材による空気中の水分の吸着・脱着が、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３のそれぞれの流路でそれぞれ断熱的に変化すれば、被処理ガス用流路２の被処理空気の温度は等比エンタルピー線に沿って変化し、被処理ガス用流路２の出口５の空気の温度は４５℃になる。一方、再生ガス用流路３の空気の温度も等比エンタルピー線に沿って変化し、再生ガス用流路３の出口７では２７．２℃になる。
即ち、上記の実施例の場合には、被処理空気の比エンタルピーｈ１は、流入温度３０．６℃、絶対湿度２４（g-H2O／kg-乾燥空気）であるので、図７の比エンタルピー線図よりｈ１＝９２（ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）、再生用空気の比エンタルピーｈｄ１は、流入空気温度４０．５℃、絶対湿度１５．５（g-H2O／kg-乾燥空気）であるので、ｈｄ１＝８２（ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）となる。
もし、被処理ガス用流路２及び再生ガス用流路３内で、被処理空気８と再生用空気９がそれぞれ断熱的に変化すれば、等比エンタルピー線に沿って変化するので、被処理ガス用流路２の出口５の被処理空気の比エンタルピーは入口４と同じで変化せず、再生ガス用流路３の出口７の再生用空気の比エンタルピーも入口６と同じで変化しない。この実施例では、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３の間で熱交換があり、被処理ガス用流路２と再生ガス用流路３全体で断熱的に変化し、被処理空気８の出口温度と湿度は、それぞれ上記の実験結果（平均値）から、３７．８℃、絶対湿度１９（g-H2O／kg-乾燥空気）であるので、比エンタルピーｈ２は、ｈ２＝８７（ｋＪ／ｋｇ-乾燥空気）となる。湿度が小さくなるので比エンタルピーは小さくなる。また、再生用空気９の出口の温度と湿度の実験結果（平均値）は、それぞれ３０．０℃、絶対湿度２２（g-H2O／kg-乾燥空気）であるので、比エンタルピーｈｄ２は、ｈｄ２＝８７．５（ｋＪ／ｋｇ乾燥空気）である。湿度が大きくなるので比エンタルピーは大きくなる。被処理空気８の被処理ガス用流路２の入口４の比エンタルピーと再生用空気９の再生ガス用流路３の出口の比エンタルピーとの差Δｈ１は、Δｈ１＝９２―８７＝５（ｋＪ／ｋｇ-乾燥空気）となり、再生用空気９の再生ガス用流路３の入口の比エンタルピーと被処理空気８の被処理ガス用流路２の出口の比エンタルピーとの差Δｈ２は、Δｈ２＝８７．５−８２＝５．５（ｋＪ／ｋｇ-乾燥空気）となり、それぞれの比エンタルピー差は凡そ一致する。
向流方式による低温空気の加温・加湿処理
図１の実施例１と同一の空気調和装置を用いて、実施例１とは逆に、以下のようにして低温度、低湿度の空気を加温・加湿する空気調和処理を行った。
・被処理空気（加温・加湿する空気）：
流入速度：１．８ｍ／秒、
温度：２１．７℃、湿度：０．００５６（kg-H2O／kg-乾燥空気）
・再生用空気：
流入速度：２．３ｍ／秒、
温度：３６．９℃、湿度：０．０２０５（kg-H2O／kg-乾燥空気）
図１の実施例１と同一の空気調和装置を用いて、実施例１とは逆に、以下のようにして低温度、低湿度の空気を加温・加湿する空気調和処理を行った。
・被処理空気（加温・加湿する空気）：
流入速度：１．８ｍ／秒、
温度：２１．７℃、湿度：０．００５６（kg-H2O／kg-乾燥空気）
・再生用空気：
流入速度：２．３ｍ／秒、
温度：３６．９℃、湿度：０．０２０５（kg-H2O／kg-乾燥空気）
この操作条件で被処理空気を被処理ガス入口４から、再生用空気を再生ガス入口６から空気調和装置に流通させて、４時間連続して運転を行い、空気の加温・加湿処理を行なった。
０．５時間経過した時点での被処理ガス出口５及び再生用ガス出口７での空気の湿度と温度は次の通りであった。
・被処理空気（加温・加湿された空気）：
温度：２７℃、湿度：０．００８６（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
・再生用空気：
温度：２９．５℃、湿度：０．０１４２（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
０．５時間経過した時点での被処理ガス出口５及び再生用ガス出口７での空気の湿度と温度は次の通りであった。
・被処理空気（加温・加湿された空気）：
温度：２７℃、湿度：０．００８６（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
・再生用空気：
温度：２９．５℃、湿度：０．０１４２（kg-H2O／kg-乾燥空気）、
この結果から、実施例１とは逆に被処理空気と再生用空気を流すことにより、処理前には温度が２１．７℃、湿度が０．００５６（kg-H2O／kg-乾燥空気）という低温度、低湿度の処理空気が、本発明の方法による加温・加湿処理を行なったところ、温度が２７℃、湿度が０．００８６（kg-H2O／kg-乾燥空気）のように加温、加湿することができた。
このような比較的低温度の空気の加温・加湿処理は、例えばスーパーなどの冷凍ショーケースの周囲の冷気の調節などに利用することができる。
このような比較的低温度の空気の加温・加湿処理は、例えばスーパーなどの冷凍ショーケースの周囲の冷気の調節などに利用することができる。
本発明の空気調和方法及び空気調和装置を用いることによって、室内などの閉空間の除湿や加湿などの空気調和処理を容易に、効率的に行うことができる。従って、従来からさまざまな空調装置が使用されている居室や作業場、事務室などの閉空間の温度と湿度の調節などの空気調和処理に有用である。また、低温度の空気の加温・加湿処理には、例えばスーパーなどの冷凍ショーケースの周囲の滞留冷気の調節などに有用である。
また、本発明の空気調和方法は省エネルギーを促進しかつ室内空気環境、快適性指向にかなう環境調和型技術として、さまざまな産業用、民生用分野に適用できる。
また、本発明の空気調和方法は省エネルギーを促進しかつ室内空気環境、快適性指向にかなう環境調和型技術として、さまざまな産業用、民生用分野に適用できる。
１．分離膜（デシカント材）
２．被処理ガス用流路
３．再生ガス用流路
４．被処理ガス入口
５．被処理ガス出口
６．再生用ガス入口
７．再生用ガス出口
８．被処理空気
９．再生用空気
２．被処理ガス用流路
３．再生ガス用流路
４．被処理ガス入口
５．被処理ガス出口
６．再生用ガス入口
７．再生用ガス出口
８．被処理空気
９．再生用空気
Claims (5)
- 分離膜が、その表面に数ｎｍから数１００μｍのミクロポア及びマクロポアを有する多孔質構造の膜であり、その水分の吸着能が分離膜１ｋｇあたり０．０５ｋｇ〜０．２ｋｇであり、その水分の拡散速度が４０ｍ／日〜１２００ｍ／日であり、かつその厚さが１００μｍ〜６００μｍの薄膜状のデシカント材であって、かかるデシカント材からなる単一の分離膜を用いて、分離膜の一つの側に被処理ガス用流路を形成し、他の側に再生ガス用流路を形成し、被処理ガス用流路に被処理空気を、再生ガス用流路に再生用空気を流通させるとともに、被処理ガス用流路の被処理空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を再生ガス用流路の再生用空気で蒸発させる、または再生ガス用流路の再生用空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を被処理ガス用流路の被処理空気で蒸発させる、ことを特徴とする、空気調和方法。
- 被処理ガス用流路に湿潤した被処理空気を、再生ガス用流路に乾燥した再生用空気を流通させるとともに、被処理ガス用流路の被処理空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を再生ガス用流路の再生用空気で蒸発させることにより被処理空気の除湿を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の空気調和方法。
- 被処理ガス用流路に乾燥した被処理空気を、再生ガス用流路に湿潤した再生用空気を流通させるとともに、再生ガス用流路の再生用空気中の水分を分離膜に吸着させ、分離膜中を拡散した吸着水分を被処理ガス用流路の被処理空気で蒸発させることにより被処理空気の加湿を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の空気調和方法。
- 分離膜が、空気中の水分を吸着し、膜の反対側まで拡散するが、空気はほとんど透過しない性質を有する膜であって、８０℃以下の温度で空気中の水分を吸着し、５℃以上の温度で吸着した水分を放出する能力を有するデシカント材であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかの項に記載の空気調和方法。
- 分離膜がその表面に数ｎｍから数１００μｍのミクロポア及びマクロポアを有する多孔質構造の膜であり、分離膜の水分の吸着能が分離膜１ｋｇあたり０．０５ｋｇ〜０．２ｋｇであり、その水分の拡散速度が４０ｍ／日〜１２００ｍ／日であり、かつその厚さが１００μｍ〜６００μｍの薄膜状のデシカント材からなる分離膜と、分離膜の一つの側に形成した被処理ガス用流路と、分離膜の他の側に形成した再生ガス用流路とからなり、該分離膜が被処理ガス用流路の被処理空気又は再生ガス用流路の再生用空気と接する面で水分を吸着し、分離膜中を再生ガス用流路又は被処理ガス用流路に向けて拡散するが、空気はほとんど透過しない薄膜であることを特徴とする空気調和装置。
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