JP5720440B2 - ガス収着回収素子、ガス収着回収素子の製造方法及びガス収着回収装置 - Google Patents

Description

本願発明は、ガス収着回収素子、ガス収着回収素子の製造方法及びガス収着回収装置に関する。詳しくは、し尿処理や堆肥製造工程等において生成されるガスを効率よく収着（吸収あるいは吸着）し、濃縮して回収することができるガス収着回収素子等に関する。

たとえば、し尿処理や堆肥製造工程等において生じる種々のガスは悪臭の原因となる。このため、種々の手法を用いて上記ガスを回収し、処理する装置が提案されている。

たとえば、低い濃度で大量のガスを回収する手法として、上記ガスを収着する機能をもった収着剤、たとえば、活性炭やゼオライト等をハニカム状の多孔質体に担持したハニカムロータに、ガスを一旦収着させ、これを少量の加熱空気等のキャリヤガスで脱着させることにより回収し、その後燃焼処理等する手法が採用されることが多い。

特開２００１−３１０１１０号公報

上記特許文献１に記載されているガス収着方法では、収着ロータをその回転方向に対して順に、収着ゾーン、第１脱着ゾーン、第２脱着ゾーンに分割し、第１ヒータで加熱した空気等のキャリヤガスを上記第１脱着ゾーンに通し、第１脱着ゾーンを通ったキャリヤガスを第２ヒータで再度加熱して第２脱着ゾーンに通して収着ガスを収着剤から脱着するように構成されている。

上記手法においては、収着ガスを回収する空気等のキャリヤガスを収着ロータの外部で加熱して、上記ロータに保持した収着剤に作用させるように構成されているため、装置が大掛かりになる。また、加熱されたキャリヤガスの温度が、ガス収着剤内部を流動する間に低下するため、収着剤の全体を所定温度に加熱して収着ガスを回収することはできない。このため、ガスの回収効率が低くなる。また、高沸点のガスを回収するには、キャリヤガスを２度加熱して収着剤に作用させる必要があり、エネルギ効率も低い。

一方、収着ガスを回収せずに収着剤ごと焼却等する手法が採用されることも多いが、ランニングコストが大きくなる。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、収着剤に収着させたガスを確実に脱着して回収できるとともに、回収する際のエネルギ効率が高いガス収着回収素子を提供することを課題としている。

本願発明は、連続気孔を有する多孔質発熱体の各気孔表面にガス収着剤層を設け、上記多孔質発熱体に通電して発熱させることにより、上記ガス収着剤層に収着されたガスを脱着させるように構成されたガス収着回収素子に関するものである。

本願発明に係るガス収着回収素子は、ガス収着剤層と発熱体とが一体的に形成されているため、ガス収着剤層を直接加熱して収着されたガスを脱着させることができる。このため、収着されたガスを脱着させる際のエネルギ効率がきわめて高い。また、通電した多孔質発熱体の全域を、所定温度に迅速に加熱することができる。このため、ガスの脱着効率が高いばかりでなく、多量のガスを収着し、また、脱着することが可能となる。しかも、キャリヤガスを加熱する装置を別途設ける必要がないことから、装置の小型化を図ることができる。

上記ガス収着剤層を構成する材料、形成方法は特に限定されることはない。吸着ガスの種類に応じて選択することができる。たとえば、上記ガス収着剤層を、ゼオライト粉末を、バインダを介して気孔表面にコーティングして形成することができる。また、ガスの流動を阻害しない範囲であれば、上記ガス収着剤層の厚みも特に限定されることはない。たとえば、ガス収着剤層の厚みを、気孔孔径の２分の１以下に設定することができる。

多孔質発熱体の一部から通電すると、多孔質発熱体の一部に大きな電流が流れ、多孔質発熱体を均一に加熱することができない恐れがある。上記不都合を回避するために、連続気孔を有する多孔質導電体を備えて構成するとともに、この多孔質導電体を介して通電できるように構成している。

上記多孔質導電体は、上記多孔質発熱体より抵抗率の小さいＮｉ（ニッケル）を主成分とする多孔質体から形成することができる。上記多孔質導電体は、多孔質発熱体のように高い温度で発熱しないため、給電のための配線を容易に接続することができる。上記多孔質導電体の抵抗率は、多孔質発熱体の抵抗率の１００分の１以下に設定するのが好ましい。

本願発明では、上記多孔質発熱体と上記多孔質導電体とを共通の多孔質体から一体形成している。上記構成を採用することにより、上記ガス収着回収素子内の多孔質構造及び気孔率を一定にすることが可能となり、収着ガスを流動させた際の流動抵抗をガス収着回収素子内で均一にすることができる。このため、収着ガスの流動を阻害することなく、しかも、流動する収着ガスをガス収着剤層に効率よく収着させることができる。また、脱着する際のキャリヤガスの流動も均一になり、収着ガスを効率よく脱着して回収することができる。

本願発明では、上記多孔質発熱体を、上記多孔質導電体を構成できる上記共通の多孔質体の所定領域を発熱体化することにより形成する。上記発熱体化する部位及び領域の大きさや数は特に限定されることはない。

たとえば、少なくとも２以上の多孔質発熱体を備え、選択した１又は２以上の発熱体に通電して発熱させることができるように構成することができる。

上記構成を採用することにより、ガス収着回収素子内の所要の部分を発熱させることが可能となる。これにより、収着ガスの脱着量を容易に調節することが可能になり、後に設けられるガス焼却装置やガス分解装置の能力等に応じて供給するガス量を調節できる。また、一部の発熱体が溶断等によって発熱しなくなった場合にも、他の発熱体に給電することによりガス収着回収素子の機能を維持することも可能となる。

また、発熱体化する手法も特に限定されることはない。たとえば、上記共通の多孔質体として、上記多孔質導電体を構成できるＮｉ（ニッケル）又はＮｉを主成分とする金属多孔質体を採用し、この金属多孔質体の所定領域を合金化することにより、上記多孔質発熱体を形成することができる。

多孔質発熱体の形態も特に限定されることはない。たとえば、シート状又は板状の多孔質発熱体を採用することができる。シート状又は板状の多孔質体を採用することにより、所要の領域を容易に発熱体化あるいは導電体化することができる。

さらに、２以上のガス収着回収素子を組み合わせることにより、所要の形態及び大きさのガス分解回収素子を構成することができる。この場合、対接する発熱体及び／又は上記導電体を電気的に接続することができる。この構成を採用することにより、種々の形態のガス収着回収素子を形成することができる。また、一体的に形成するのが不可能な形態のガス収着回収素子を構成することも可能となる。特に、シート状又は板状のガス収着回収素子を複数積層することにより、所要の部位を発熱させて収着ガスを脱着できる立体的なガス収着回収装置を容易に構成することができる。なお、組み合わされるガス収着回収素子の数及び形態は特に限定されることはなく、同一形態のガス収着回収素子のみならず、異なる形態のガス収着回収素子を組み合わせることができる。たとえば、気孔率やガス収着特性の異なるガス収着回収素子を組み合わせることも可能となる。

また、対接する多孔質発熱体及び／又は上記多孔質導電体を電気的に接続することにより、複数のガス収着回収素子を構成する発熱体及び／又は導電体を一体化させて、一のガス収着回収素子として機能させることも可能となる。上記多孔質発熱体及び／又は上記多孔質導電体を電気的に接続する手法は特に限定されることはない。たとえば、対接する部分を溶接により接続して導通させることができる。また、複数の導電体を貫通して導通させる接続部材を設けることもできる。

上記多孔質導電体に、給電を行う配線を直接接続することもできるが、上記多孔質導電体に所要の面積で接続された電極部を設けるのが好ましい。たとえば、上記多孔質導電体の表面に所要の面積で接続される電極板を溶接等によって設けて、この電極板に対して配線を接続することができる。上記電極板の接続面積は、多孔質発熱体及び多孔質導電体の大きさや給電量により設定することができる。上記電極板を構成する材料も特に限定されることはなく、Ｃｕ板等を採用できる。また、複数のガス収着回収素子を組み合わせる場合、複数の導電体の表面に掛け渡し状に上記電極板を接合することができる。また、複数の多孔質導電体を貫通して接続される棒状の電極部を設けることもできる。

上記多孔質発熱体及び上記多孔質導電体を構成する共通の多孔質体として、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を構成しているものを採用することができる。

上記共通の多孔質体は、骨格が３次元網目構造に形成されているため、気孔率をきわめて大きく設定することができる。これにより、気孔内におけるガスの流動抵抗が小さくなり、大量の収着ガスを流動させて収着することが可能となる。また、上記骨格は、一体的に連続するように形成されている。このため、繊維状の発熱体を充填して構成される多孔質発熱体のように、隣接する各繊維間の接触抵抗が生じることがなく、多孔質発熱体内各部における電気抵抗が大きく変化することはない。また、上記多孔質発熱体と上記多孔質導電体とが同一の形態で連続しているため、境界部分において気体の流動抵抗や電気抵抗が大きくなることもない。したがって、ガス収着回収素子内を流動する収着ガスやキャリヤガスの流れが偏在することはない。また、多孔質体内を流れる電流に偏在が生じることもなく、多孔質発熱体の全体を均一に加熱することが可能となる。

また、上記多孔質体における上記３次元網目構造は、上記骨格を構成する複数の枝部が結節部に集合して一体的に連続しているとともに、一の結節部に集合する上記各枝部の外殻の厚みがほぼ一定となるように構成するのが好ましい。上記結節部では各骨格（枝部）からの電流が集中するため、一の結節部に集合する各枝部の電気抵抗が異なると、結節部周りの一部の枝部に過大な電流が流れて温度が上昇し、骨格が溶断したり劣化する恐れがある。一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みをほぼ一定に設定することにより、一の結節部に集合する各骨格の電気抵抗に大きな差異が生じることがなくなり、一の結節点に集合する一部の骨格に過大な電流が流れることもなくなる。これにより、多孔質発熱体における骨格の溶断や劣化を防止することが可能となる。

多孔質発熱体の一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みがほぼ一定であればよく、発熱体全体の外殻の厚みが一定であることまで要求されるものではない。たとえば、製造方法等によっては、外殻の厚みが、発熱体の表層部と内部で異なることが考えられる。この場合、表層部の結節部に集合する各枝部の外殻厚みと、内部の結節部に集合する枝部の外殻厚みが異なることになる。しかし、各結節部に集合する骨格の厚みがほぼ一定であれば、一部の枝部に過大な電流が流れることはなく、結節部近傍の骨格が溶断するのを防止することができる。また、結節部周りの骨格が均等な強度を備えるため、強度も確保することができる。

上記骨格を形成する手法は特に限定されることはない。たとえば、上記骨格を、３次元網目状樹脂の表面にめっき層又は金属コーティング層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成することができる。上記骨格の外殻を金属めっき層又は金属コーティング層から形成することにより、骨格の厚みを非常に薄くかつ均一に設定することが可能となる。これにより、大きな気孔率を備える多孔質発熱体及び多孔質導電体を形成することが可能となる。

また、外殻をめっき層等から形成すると、一の結節部に集合する骨格の外殻の厚みをほぼ一定に形成することが可能となる。これにより、結節部周りの外殻の電気抵抗に大きな差異が生じることがなくなり、ガス収着回収素子の全域を均一に加熱することができる。

上記芯部は、製造方法に応じて、中空又は／及び導電性材料から構成される。たとえば、上述したように、上記骨格を、３次元網目状樹脂の表面にめっき層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成する場合、上記樹脂が消失した部分が中空状となる。また、上記めっき層を設けるために上記３次元網目状樹脂の表面に導電性材料をコーティング等して導電化処理を施した場合には、上記導電性材料からなる表面導電化層が中空芯部の内周面に残存する場合がある。さらに、めっき処理の後に熱処理等を施した場合は、外殻が収縮して、中空部分がなくなる場合もある。なお、上記芯部の構造は、多孔質体の全体において均一である必要はなく、部分によって異なっていてもよい。たとえば、芯部を構成する導電性材料が後の熱処理によって溶解して、発熱体内で偏在したり、一部の中空部が消失した状態であってもよい。なお、上記表面導電化層は、多孔質発熱体の所要の発熱性能を阻害しないように厚み等が設定される。

Ｎｉ（ニッケル）又はＮｉを主成分とする金属から上記多孔質導電体となる外殻を形成することができる。多孔質発熱体を構成する発熱性を有する外殻を構成する材料も、特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉを５０〜９５％と、Ｃｒを５〜５０％とを含む合金から形成するのが好ましい。上記範囲の配合量に設定することにより、上記多孔質発熱体を効率よく発熱させることができる。なお、上記ＮｉとＣｒの配合比を保持した状態で他の成分が配合されてもよい。

上記発熱性を有する外殻を、Ｎｉ又はＮｉを主成分とするとともに多孔質導電体を構成できる金属多孔質体の所定部分に、Ｃｒを拡散させることにより合金化して発熱性を付与することにより形成することができる。Ｎｉ−Ｃｒ合金から、直接所要の気孔率を有する多孔質体を形成するのは困難な場合がある。たとえば、上述しためっき法によって、所要部分にＮｉ−Ｃｒ合金のめっき層を直接形成するのは困難である。

このため、まず、Ｎｉから多孔質導電体を構成できる多孔質体を形成し、この多孔質体の多孔質発熱体を設ける所定の領域において、上記Ｎｉの表面から、Ｃｒを拡散させて発熱体として機能するＮｉ−Ｃｒ合金とすることができる。

Ｎｉは、めっき処理しやすいため、上記骨格を容易に形成することができる。また、骨格の厚みや気孔率の異なる種々の金属多孔質体を容易に構成できる。そして、このＮｉ多孔質体をＣｒ合金化することによって、所要の電熱特性を備える多孔質発熱体を構成できる。また、多孔質導電体を構成する多孔質導電体の所定の領域を合金化することにより、上記多孔質発熱体と上記多孔質導電体とを、ほぼ同一の形態及び気孔率を有する多孔質体で一体的に形成することができる。

上記Ｎｉ多孔質体を、Ｃｒ合金化する手法は特に限定されることはない。たとえば、多孔質導電体を構成する領域にマスキングを施したＮｉ多孔質体に、Ｃｒ粉末を充填して加熱することにより、Ｎｉ多孔質体の上記領域以外の部分をＮｉ−Ｃｒ合金とすることができる。また、Ｃｒ源粉末の加熱により発生させた拡散浸透成分ガスと還元性希釈ガスとの混合ガス中で熱処理することにより、Ｎｉ多孔質体の所定領域をＮｉ−Ｃｒ合金とすることができる。

また、Ｎｉ又はＮｉを主成分とする金属によって形成された第１の外殻の所定部分に、Ｃｒで形成された第２の外殻を積層形成した後、所定の熱処理を行うことにより、上記第１の外殻と上記第２の外殻とを互いに拡散させて合金化することにより、発熱性を付与した外殻を構成できる。

本願発明に係るガス収着回収素子は、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を有し、上記多孔質導電体を構成できる第１の外殻を備えるＮｉ多孔質体を形成する工程と、上記Ｎｉ多孔質体の所定領域を合金化することにより、上記多孔質発熱体を形成する合金化工程と、少なくとも上記多孔質発熱体の気孔表面にガス収着剤層を設けるガス収着剤層形成工程とを含んで製造することができる。上記合金化工程は、上記第１の外殻の所定部分に、Ｃｒで形成された第２の外殻を積層形成した後、所定の熱処理を行うことにより、上記第１の外殻と上記第２の外殻とを互いに拡散させて合金化することにより行われる。

上述した多孔質ガス収着回収素子を用いて、ガス収着回収装置を構成することができる。

本願発明に係るガス収着回収素子は、自体で発熱する多孔質発熱体の気孔表面にガス収着剤層を設けてガスを流動させることができるため、ガスを効率よく収着させることが可能となる。しかも、上記ガス収着剤層を内部から直接加熱して、収着ガスを脱着することができるため、脱着に要するエネルギを小さくすることが可能になる。また、ガス収着回収素子の全体を均一に加熱することができるため、ガスの脱着効率の良いガス収着回収装置を構成できる。

収着ガスを効率よく収着させることができるばかりでなく、ガス収着剤層を直接加熱することができるため、収着ガスを効率よく脱着させることが可能となり、大量のガスを効率よく収着及び脱着させることができる。

本願発明の第１の実施形態に係るガス収着回収素子の構造を模式的に示す側面図である。 多孔質発熱体及び多孔質導電体を構成する多孔質体の一例を示す電子顕微鏡写真である。 図２に示す多孔質体から形成したガス収着回収素子の要部の断面を模式的に示す図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 図１に示すガス収着回収素子の製造工程を示す図である。 第２の実施形態に係るガス収着回収装置の概略斜視図である。 図１３におけるＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。 第３の実施形態に係るガス収着回収装置のシステム図である。 第４の実施形態に係るガス収着回収素子の断面図である。

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本願発明の第１の実施形態に係るガス収着回収素子１００の概略構成を模式的に示す側面図である。図１に示すように、ガス収着回収素子１００は、外形が矩形板状に形成されているとともに、全体が連続気孔１０１ｂを有する多孔質状に形成されている。

上記連続気孔１０１ｂの表面には、ガス収着剤層１７０が設けられている。上記ガス収着剤層１７０の内部には、中間部分に多孔質発熱体１０２が設けられているとともに、この多孔質発熱体１０２の両側に多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂが設けられている。上記多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂの上面に、導電性金属から形成された電極板１０３ａ，１０３ｂが溶接等によって接合されている。各電極板１０３ａ，１０３ｂには、電源１０６から延びるリード線１０５ａ，１０５ｂが接続されており、上記ガス収着回収素子１００の内部に設けた多孔質発熱体１０２に、上記電極板１０３ａ，１０３ｂ及び多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂを介して給電して発熱させることができるように構成されている。なお、リード線を多孔質発熱体に直接接続して給電するように構成することもできる。

上記多孔質発熱体１０２と上記多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂは、ほぼ同じ形態及び気孔率の多孔質体で形成されているため、ガスの流動抵抗もほぼ同一である。この多孔質体の気孔表面にガス吸着剤層を設けたガス吸着回収素子内にガスを流動させて、上記ガス収着剤層に効率よく収着させることができる。

図２は、上記多孔質発熱体１０２及び多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂを構成する金属多孔質体の一例の外観構造を示す電子顕微鏡写真である。なお、後に述べるように、本実施形態では、多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂを構成できるＮｉ多孔質体の中間部分を合金化することにより、上述した多孔質発熱体１０２が形成されている。そして、上記多孔質発熱体１０２及び多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂの連続気孔面にガス収着剤をコーティングすることにより、上記ガス収着剤層１７０が形成されている。上記多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂと上記多孔質発熱体１０２とは、ほぼ同一の多孔質構造を備えているため、以下の説明は、多孔質発熱体１０２について説明する。

図３及び図４に、上記多孔質発熱体１０２及び多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂに、上記ガス収着剤層１７０を設けて構成したガス収着回収素子１００の断面構造を示す。多孔質発熱体１０２は、連続気孔１０１ｂを有する３次元網目構造を備える。図３に示すように、上記３次元網目構造は、三角柱状の骨格１１０が３次元に連続して連なった形態を備え、上記骨格１１０を構成する複数の枝部１１２が結節部１５０に集合して一体的に連続する形態を備える。また、骨格１１０の各部は、図４に示すように、外殻１１０ａと、中空状の芯部１１０ｂとを備えて構成される。なお、図３及び図４に示す実施形態では、上記外殻１１０ａは、後に説明するように、めっき層１１２ａと表面導電化層１１２ｂとが、一体的に合金化されて発熱体として機能するように構成されている。

上記多孔質発熱体１０２は、連続気孔１０１ｂを有する多孔質状に形成されているため、上記気孔１０１ｂ内でガスを流動させることができる。しかも、上記多孔質発熱体１０２は、３次元網目構造を採用することによって、気孔率をきわめて大きく設定することができる。このため、ガス収着剤層１７０を設けても、気孔内におけるガスの流動抵抗が低く、大量のガスを流動させて収着することが可能となる。

また、図３に示すように、上記３次元網目構造における一の結節部１５０に集合する上記枝部１１２の外殻１１０ａの厚みｔがほぼ一定に形成されている。一の結節部１５０に集合する枝部１１２の外殻の厚みｔがほぼ一定であるため、一の結節部１５０に集合する各枝部１１２の電気抵抗もほぼ一定となる。したがって、一の結節部に集合する一部の枝部に過大な電流が流れることもなくなる。これにより、骨格の溶断や劣化を防止することが可能となる。

なお、多孔質発熱体１０２の一の結節部１５０に集合する枝部１１２の外殻１１０ａの厚みがほぼ一定であればよく、発熱体全体の外殻の厚みが一定であることまで要求されるものではない。たとえば、製造方法等によっては、外殻の厚みｔが、発熱体の表層部と内部で異なることが考えられる。この場合、表層部の結節部に集合する各骨格の外殻厚みと、内部の結節部に集合する骨格の外殻厚みが異なることになる。しかし、一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みがほぼ一定であれば、少なくとも上記結節部周りの一部の枝部に過大な電流が流れることはなく、結節部近傍の骨格が溶断するのを防止することができる。

本実施形態に係る上記多孔質発熱体１０２は、少なくともＮｉとＣｒとを含む合金から形成されている。上記ＮｉとＣｒの配合量は、所要の発熱量に応じて設定することができる。たとえば、上記多孔質発熱体１０２の上記外殻１１０ａを、Ｎｉを５０〜９５％と、Ｃｒを５〜５０％とを含む合金から形成することができる。

上記多孔質発熱体１０２は、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、上述した構造を備える多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂを構成できる多孔質体を形成する工程と、この多孔質体の所定領域（発熱体に対応する領域）をＣｒ合金化することにより、上記多孔質発熱体１０２を形成する合金化工程を経て、上記多孔質発熱体１０２と上記多孔質導電体とが一体化された多孔質体を形成することができる。

上記多孔質発熱体１０２を構成する骨格をめっきによって形成する場合、３次元網目状樹脂に導電化処理を施す工程と、３次元網目状樹脂にＮｉめっきを施す工程と、上記合金化する領域以外の領域に、めっき処理又はコーティング処理に対するマスキング層を設けるマスキング工程と、上記マスキングを施していない領域に、Ｃｒ等の金属をめっき又はコーティングする積層工程と、上記３次元網目状樹脂を除去する工程と、上記めっき又はコーティングが施された多孔質体を加熱して、積層されたＮｉ層とＣｒ層とを合金化する熱処理工程とを含んで構成することができる。

上記３次元網目状樹脂の形態として、樹脂発泡体、不織布、フェルト、織布等を用いることができる。上記３次元網目状樹脂を構成する素材は特に限定されることはないが、金属めっきした後、加熱等によって消失させることができるものを採用するのが好ましい。また、加工性やハンドリング性を確保するため、柔軟性を有するものを採用するのが好ましい。特に、３次元網目状樹脂として樹脂発泡体を採用するのが好ましい。樹脂発泡体は、連続気孔を有する多孔質状であればよく、既知のものを採用できる。たとえば、発泡ウレタン樹脂、発泡スチレン樹脂等を採用することができる。発泡樹脂の気孔の形態や気孔率、寸法等は特に限定されることはなく、用途に応じて適宜設定することができる。

上記３次元網目状樹脂を導電化する処理は、各気孔の表面に上記骨格を構成する金属めっき層を設けるために行われるものであり、図３における表面導電化層１１２ｂを設けることができれば特に限定されることはない。たとえば、ニッケルを用いる場合には、無電解めっき処理、スパッタリング処理等を採用することができる。また、チタン、ステンレス等の金属やカーボンブラック、黒鉛等を採用する場合には、これらの微粉末にバインダを添加した混合物を、上記３次元網目状樹脂に含浸塗着する処理を採用することができる。

上記めっき処理も特に限定されることはなく、公知のめっき法によって処理をすることができる。たとえば、ニッケルめっきの場合、生産性、コスト等の観点から電気めっき法を採用するのが好ましい。電気めっきに用いるめっき浴として、公知あるいは市販のものを採用できる。

上記Ｎｉめっき層の厚み（目付量）も特に限定されることはない。所要の気孔率や、強度を勘案して設定することができる。たとえば、１００ｇ／ｍ² 〜２０００ｇ／ｍ² の目付量を採用することができる。

上記手法によって、まず、Ｎｉめっき層を形成し、導電体を構成する領域にマスキングを施した後、Ｃｒめっき層を積層形成する。上記Ｃｒめっき層の厚み（目付量）も特に限定されることはなく、たとえば、１０ｇ／ｍ² 〜１０００ｇ／ｍ² の範囲で設定することができる。

上記めっき層を形成した後、上記３次元網目状樹脂を除去する工程が行われる。上記３次元網目状樹脂を除去する工程は、たとえば、ステンレスマッフル内で大気等の酸化性雰囲気において、上記めっき層を設けた多孔質体を、６００℃〜８００℃で熱処理することにより、上記３次元網目状樹脂を焼却除去することができる。

さらに、上記Ｎｉめっき層にＣｒめっき層を積層形成した多孔質体を、ステンレスマッフル内でＣＯやＨ₂ 等の還元性ガス雰囲気のもとで８００℃〜１０００℃で熱処理することにより、上記Ｃｒめっき層とＮｉめっき層とを互いに拡散させてＮｉ−Ｃｒ合金層を形成することができる。また、Ｎ₂ やＡｒ等の不活性ガス雰囲気では、カーボンマッフル内で１０００℃〜１５００℃に加熱して上記Ｃｒめっき層とＮｉめっき層とから合金層を形成することもできる。Ｎｉによって、図３及び図４に示す表面導電化層１１２ｂを設けた場合には、表面導電化層１１２ｂも上記合金化工程においてＮｉ−Ｃｒ合金化されて全体が発熱体となる。

上記工程を採用することにより、外殻のクロム濃度のバラツキが少なく、高い耐蝕性を有するとともに発熱特性の高い多孔質発熱体を形成することができる。また、めっき層によって外殻が構成されるため、外殻の厚み（断面積）を多孔質体内でほぼ均一に設定することが可能となる。このため、多孔質体内における電気抵抗のばらつきが少なくなり、通電することにより、多孔質体の全体を均一に加熱することができる。

図３及び図４に示すように、本実施形態に係る上記芯部は、中空状に形成されるが、これに限定されることはない。すなわち、上述した実施形態は、Ｎｉから形成された表面導電化層１１２ｂがＣｒ合金化されたため外殻と一体化されたが、上記表面導電化層を別の導電性材料から形成する場合、芯部として残存する場合もある。たとえば、上記表面導電化層をチタンやカーボン等から形成するとともに、Ｎｉめっきによって骨格を形成した後Ｃｒ合金化した場合、上記表面導電化層が合金化されずに芯部として残存することになる。また、Ｎｉめっき層をＣｒ合金化する熱処理工程において、外殻が収縮して、中空の芯部が消失する場合もある。なお、上記表面導電化層は、多孔質発熱体の所要の発熱性能を阻害しないように厚み等が設定される。

上記のようにして形成された、多孔質発熱体１０２と上記多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂとが一体形成された多孔質体の連続気孔表面に、ガス収着剤をコーティングすることにより、ガス収着剤層１７０が形成される。

上記ガス収着剤層１７０を形成する手法は特に限定されることはなく、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、ゼオライト粉末とバインダと溶剤とを混合して形成されるペーストを、上記多孔質体に塗布し、乾燥させることにより、上記ガス収着剤層１７０を形成することができる。

上記ガス収着剤層１７０の厚みは特に限定されることはない。本実施形態の場合は１００μｍの厚みで上記ガス収着剤層１７０を形成したが、ガスの流動を阻害しない気孔率を確保できれば大きな厚みで形成して収着容量を増大させることができる。たとえば、上記ガス収着剤層１７０の厚みを、気孔孔径の２分の１以下に設定するのが好ましい。また、上記ガス収着剤層１７０を形成した後の気孔率が２６％〜３２％となるように構成するのが好ましい。上記ガス収着剤層を形成する手法は特に限定されることはない。他の手法を用いて形成することができる。

図１に示すガス収着回収素子１００は、具体的に、図５〜図１２に示す手法によって形成することができる。なお、図５〜図１２は、上記ガス収着回収素子１００を製造する手法を模式的に示したものである。また、これら図面においては、図１におけるガス収着回収素子の一部の製造工程を表している。

まず、図１に示す多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂと多孔質発熱体１０２を構成する共通の骨格を形成するため、図５に示す３次元網目状樹脂１６０を準備する。上記３次元網目状樹脂１６０は、上述した骨格を構成する中空の芯部に対応する部分１６０ａと、連続気孔に対応する連続気孔部分１６０ｂとを備えて構成されている。たとえば、上記３次元網目状樹脂１６０を、ウレタン樹脂を所定の気孔率で発泡させることにより形成することができる。

図６に示すように、上記３次元網目状樹脂１６０に、上述した手法によって表面を導電化処理した後、全体にＮｉめっき層１１１を形成する。上記Ｎｉめっき層１１１は、図１における多孔質導電体１０４ａ，１０４ｂを構成するものであり、上述したように、１００ｇ／ｍ² 〜２０００ｇ／ｍ² の目付量で形成することができる。その後、図７に示すように、上記多孔質導電体１０４ｂを構成する部分に、上記Ｃｒめっき処理に対するマスキング層１２２を形成する。上記マスキング層１２２は、たとえば、エポキシ樹脂等で形成することができる。

次に、図８に示すように、上記マスキング層１２２を設けた多孔質体に、上述した手法によって、Ｃｒめっき層１１３を設ける。上記マスキング層１２２を設けているため、上記多孔質発熱体１０２に対応した領域にのみ上記Ｃｒめっき層１１３を形成することができる。これにより、上記多孔質発熱体１０２を構成する部分に、Ｎｉめっき層１１１とＣｒめっき層１１３とが積層形成された複合めっき層１２０が形成される。

図９に示すように、複合めっき層１２０を形成した後に上記マスキング層１２２が除去される。その後、上述した３次元網目状樹脂を除去する工程が行われ、図１０に示すように、Ｎｉめっき層１１１のみ設けられて導電体１０４ｂを構成する領域と、上記Ｎｉめっき層１１１にＣｒめっき層１１３が積層された複合めっき層１２０を備える領域とが一体的に連続する３次元網目状の金属多孔質体１１４が形成される。

上記金属多孔質体１１４を、ステンレスマッフル内でＣＯやＨ _２ 等の還元性ガス雰囲気のもとで８００℃〜１０００℃で熱処理することにより、上記複合めっき層１２０を構成する上記Ｎｉめっき層１１１と上記Ｃｒめっき層１１３とを互いに拡散させてＮｉ−Ｃｒ合金化し、多孔質発熱体１０２が形成される。図１１に示すように、金属多孔質体１１４は、中空の芯部１０１ｃとＣｒ合金化された外殻１０１ａとからなる多孔質発熱体１０２の骨格１０１と、中空の芯部１１１ｃとＮｉのみから形成された外殻１１１ａとからなる導電体１０４ｂの骨格１２１とが連続的に形成された形態を備えている。

上記手法を採用することにより、Ｎｉによって形成された金属多孔質体の所要の部分をＮｉ−Ｃｒ合金化して、多孔質発熱体１０２と、この多孔質発熱体１０２に連続するＣｒ合金化されていない多孔質導電体１０４ｂとを一体的に形成することができる。ガス収着剤層１７０は、絶縁性材料から形成されることが多いため、ガス収着剤層１７０を形成する前に、上記多孔質導電体１０４ｂの上面には、電極板１０３ｂが設けられる。

上記構成の金属多孔質体１１４の電極を除く全域に、ゼオライト粉末とバインダ（ＰＶｄＦ１２％ＮＭＰ）と溶媒（ＮＭＰ）とを、３：４：５の重量比で混合して形成されるペーストを塗布し、上記溶媒を加熱除去して、図１２に示すガス収着回収素子１００が形成される。

図１３に、上述した手法によって形成されたガス収着回収素子を用いてガス収着回収装置２００を形成した例を示す。

本実施形態に係るガス収着回収装置２００は、円筒状のロータ２０１を半径方向に延びる電気絶縁性のある隔壁２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄで４つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに区画し、この区画にガス収着回収素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄをそれぞれ配置して構成されている。

上記ロータ２０１は、図示しないモータによって回転させられ、所定の回転位置にある領域に収着ガスを流動させて上記ガス収着剤層に収着させる一方、所定の回動位置において上記多孔質発熱体に通電して加熱するとともにキャリヤガスを流動させることにより、収着剤層に収着させたガスを脱着させて回収できるように構成したものである。

図１４に示すように、本実施形態では、上記各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに配置されるガス収着回収素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄは、内周部が回転軸２１２に保持された円筒壁状の第１の電極板２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１３ｄと、外周部を覆うように設けられた円筒壁状の第２の電極板２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄと、これら電極板の間の空間に設けられた多孔質収着部２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄとを備えて構成されている。なお、図示はしないが、各多孔質収着部２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄは、一体形成された多孔質発熱体と多孔質導電体に、ガス収着剤をコーティングして形成されている。

電源２２０からの電流が、ロータ２０１の回転軸２１２の外周に設けた第１の電極板２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１３ｄと、回転しながら上記第２の電極板２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄおよびこれら電極板に接触させられる通電体２１５を介して、上記ガス収着回収素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄに順次流される。これにより、上記ガス収着回収素子２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄが順次発熱させられて、各ガス収着剤層に収着されたガスが脱着させられ、キャリヤガスとともに回収される。

上記構成のガス収着回収装置２００に、濃度２００ｐｐｍのアンモニアガスを流速８ｃｍ／ｓｅｃで通気したところ、収着後のアンモニアガス濃度が１〜２ｐｐｍとなった。

一方、上記アンモニアガスを収着させた領域のガス収着回収素子に通電して１００〜１５０℃に加熱するとともに、キャリヤガスとしてＮ_２を流動させたところ、濃度１５００ｐｐｍのアンモニアを検出した。

上記構成を採用することにより、発生するガスを連続的に収着し、回収することが可能となる。

図１５に、本願発明の第３の実施形態に係るガス収着回収装置３００を示す。なお、この実施形態においても、多孔質収着体、多孔質発熱体及びガス収着回収素子の基本的構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

第３の実施形態においては、複数の筒状容器３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃに、ガス収着回収素子３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃをそれぞれ充填するとともに、これら容器を２組の切替え弁に繋がる配管で接続して、ガス収着回収装置３００を構成している。

各筒状容器３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃには、収着ガスを流入させる収着ガス流入口３０３ａと、収着後の残余のガスを排出する排出口３０３ｂとが設けられている。上記各筒状容器３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃの上記収着ガス流入口３０３ａには、第１の４方弁３５１から延びる配管及び第２の４方弁３５２から延びる配管がそれぞれ接続されている。上記第１の４方弁３５１と上記第２の４方弁３５２を切り換えることにより、収着ガスを各筒状容器に順次流入させて収着させることができるとともに、収着後の残余のガスを排出できるように構成されている。

また、各筒状容器３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃには、キャリヤガスを流入させるキャリヤガス流入口３０４ａと、脱着した脱着ガス及びキャリヤガスを回収する回収口３０４ｂがそれぞれ設けられている。上記各筒状容器の上記キャリヤガス流入口３０４ａには、第３の４方弁３５３から延びる配管が接続されているとともに、上記回収口３０４ｂには、第４の４方弁３５４から延びる配管が接続されている。上記第３の４方弁３５３と上記第４の４方弁３５４を切り換えることにより、キャリヤガスを各筒状容器に順次流入させることができるとともに、脱着したガスを回収できるように構成されている。

上記ガス収着回収素子３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃは、筒状容器に対応した円筒形態を備える多孔質体から形成されているとともに、軸方向端縁外周部に、第１の電極部３１１及び第２の電極部３１２がそれぞれ設けられている。上記第１の電極部３１１及び第２の電極部３１２は、リード線を介して電源３０６にそれぞれ接続されている。上記各４方弁を制御して、ガスを回収する容器にキャリヤガスを流入させるとともに、収容された上記ガス収着回収素子に通電することにより、ガス収着回収素子に収着されたガスを脱着してキャリヤガスとともに回収することができる。

上記構成を採用することにより、収着ガスを連続的に収着できるとともに、連続的に脱着回収することが可能となる。

図１６に、本願発明の第４の実施形態を示す。第４の実施形態は、複数の多孔質発熱体４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃと、これら複数の多孔質発熱体４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃを挟むように交互に設けられた多孔質導電体４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄとから構成される多孔質体４１０の表面にガス収着剤層を設けて、ガス収着回収素子４００を構成したものである。なお、図１６においては、理解を容易にするため、ガス収着剤層を表示していないが、表面全域にガス収着剤層が設けられる。なお、ガス収着回収素子の各部の基本的構成は、上述した実施形態と同様であるので説明は省略する。

第４の実施形態に係るガス収着素子４００は、ガスの流動方向に、多孔質導電体４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄと多孔質発熱体４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃとが交互に形成された形態を備える。また、上記多孔質導電体と上記多孔質発熱体は、同一の骨格を備える多孔質体から形成されている。

各多孔質導電体４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄの上面には、導電性の金属から形成された電極板４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄが溶接等によって接合されている。

各電極板４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄには、電源４０６から延びる配線４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄが接続されており、上記各電極板４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄ及び各多孔質導電体４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄを介して、上記多孔質発熱体４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃに給電できるように構成されている。

本実施形態では、左端部の多孔質導電体４０４ａに設けた電極板４０３ａから延びる配線４０５ａが、電源４０６の一方の電極に接続されている。一方、他の多孔質導電体４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄに設けられた電極板４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄから延びる配線４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄは、選択的に上記電源４０６の他方の電極から延びる配線４０６ａに接続できるように構成されている。

上記構成を採用することにより、左端の多孔質導電体４０４ａから所望の範囲の多孔質発熱体に給電して発熱させることができる。このため、発熱させられた部分におけるガス収着剤層に収着されたガスを、選択的に脱着させることが可能となる。この結果、ガス処理装置等の能力に応じてガスを脱着させて処理することが可能となる。

本願発明は、種々の過程で生成されるガスに適用できる。また、本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

大量のガスを収着できるとともに、効率よく脱着して回収することができる。

１００ガス収着回収素子
１０１ｂ連続気孔
１０２多孔質発熱体
１７０ガス収着剤層

Claims (9)

1. 連続気孔を有する多孔質発熱体の各気孔表面にガス収着剤層を設け、上記多孔質発熱体に通電して発熱させることにより、上記ガス収着剤層に収着されたガスを脱着させるように構成されたガス収着回収素子であって、
   上記多孔質発熱体と共通の形態を有する多孔質体から一体形成されるとともに、上記多孔質発熱体に通電する多孔質導電体を備え、
   上記共通の形態を有する多孔質体は、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を有するとともに、
   上記多孔質発熱体は、Ｎｉ又はＮｉを主成分とする金属から形成されて上記多孔質導電体を構成できる第１の外殻の所定部分に、Ｃｒで形成された第２の外殻を積層形成した後、所定の熱処理を行い、上記第１の外殻と上記第２の外殻とを互いに拡散させて合金化することにより発熱性を付与して形成されている、ガス収着回収素子。
2. 少なくとも２以上の上記多孔質発熱体を備え、選択した１又は２以上の発熱体に通電して発熱させることができる、請求項１に記載のガス収着回収素子。
3. 上記ガス収着剤層は、ゼオライト粉末を、バインダを介して気孔表面にコーティングして形成されている、請求項１又は請求項２に記載のガス収着回収素子。
4. 上記多孔質導電体に所要の面積で接続された電極部を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス収着回収素子。
5. 上記３次元網目構造は、上記骨格を構成する複数の枝部が結節部に集合して一体的に連続しているとともに、一の結節部に集合する上記各枝部の外殻の厚みがほぼ一定である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス収着回収素子。
6. 上記骨格は、３次元網目状樹脂の表面にメッキ層又は金属コーティング層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成されたものである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載されたガス収着回収素子。
7. 上記多孔質発熱体は、Ｎｉを５０〜９５％と、Ｃｒを５〜５０％とを含む合金から形成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス収着回収素子。
8. 多孔質発熱体と多孔質導電体とを一体的に備えるとともに、少なくとも上記多孔質発熱体の気孔表面にガス収着剤層を設けたガス収着回収素子の製造方法であって、
   外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を有し、上記多孔質導電体を構成できる第１の外殻を備えるＮｉ多孔質体を形成する工程と、
   上記Ｎｉ多孔質体の所定領域を合金化することにより、上記多孔質発熱体を形成する合金化工程と、
   少なくとも上記多孔質発熱体の気孔表面にガス収着剤層を設けるガス収着剤層形成工程とを含み、
   上記合金化工程は、上記第１の外殻の所定部分に、Ｃｒで形成された第２の外殻を積層形成した後、所定の熱処理を行うことにより、上記第１の外殻と上記第２の外殻とを互いに拡散させて合金化することにより行われる、ガス収着回収素子の製造方法。
9. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載したガス収着回収素子を備えるガス収着回収装置。
   

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