JP6198960B2 - 調湿装置 - Google Patents

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Description

本発明は、温度の変化により親水性から疎水性、疎水性から親水性へ変化する性質を有する高分子吸着材を利用した調湿装置に関する。
ゼオライト、シリカゲルなどは従来より吸湿材（除湿材）として広く知られており、これらを利用したデシカント式の吸湿（除湿）装置が市販されている（たとえば、特開２０００−１２６５４０号公報（特許文献１）、特開２０１０−６９４２８号公報（特許文献２）などを参照）。このようなゼオライト、シリカゲルなどを利用した除湿装置では、ゼオライト、シリカなどをハニカム状などの通気性のローターに塗布したものに室内の空気を当てて空気中の水分を吸着させ、そこから水分を取り出すためにはヒーターを使った高温の風によって温めることによって水蒸気となって放出させる。この水蒸気を含んだ高温の空気を熱交換機によって冷却し、水分を取出し室内空気を除湿する。
ゼオライト、シリカゲルなどの従来の吸湿材は、放湿させるために多くの熱エネルギーを必要とする。具体的には、これらの吸湿材は、水分を吸着後、再度、水分を吸着できる状態に再生するために、２００℃以上といった非常に高い温度で加熱し、水分を除去する必要がある。上述のデシカント式の吸湿（除湿）装置では、吸湿部と加熱部を分け、ローターを回転させながら常時吸放湿を可能とする構造が採られており、常時加熱用のヒーターなどを通電する必要があり、消費電力が高く、また高温加熱による発火の危険性もあった。また吹出し風も除湿後加熱放出するため、室温が高くなり過ぎてしまい、特に気温も湿度も高い梅雨時期の使用に懸念の声がある。さらに、従来のデシカント式の吸湿装置では、放湿させて水に変えるためには、せっかく温めた空気を冷却しなければならないという問題もあった。
一方、特開２００２−１２６４４２号公報（特許文献３）では、相転移温度を境として吸水特性が変化するゲルを用いて除湿・吸水するゲルシートが記載されている。
特開２０００−１２６５４０号公報 特開２０１０−６９４２８号公報 特開２００２−１２６４４２号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、必要とされる熱エネルギーが少なく、効率的に湿度調節を行なうことができる調湿装置を提供することである。
本発明の調湿装置は、回転軸を中心に回転可能な基材の外周に高分子吸湿材を層状に設けた吸湿部と、前記吸湿部を部分的に加熱する熱源とを備える調湿装置であって、前記高分子吸湿材が、空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに収着した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有する。
本発明の調湿装置において、前記吸湿部は、回転軸を中心に回転されながら、吸収した空気中の水分を熱源により加熱された部分において水滴として放出し得るように構成されていることが好ましい。
本発明の調湿装置において、前記基材は円柱状または円筒状であることが好ましい。
本発明の調湿装置において、円柱状または円筒状の基材の外周に、水分を吸着し、加圧すると水分を放出可能な吸湿素材を層状に設けた水回収部が、前記吸湿部に隣接して設けられていることが好ましい。この場合、前記吸湿部は、前記水回収部から圧力を加えられた状態で、前記水回収部と隣接していることが好ましい。
本発明の調湿装置によれば、従来のデシカント式の吸湿装置とは異なり、非常に高い温度で加熱することなく、かつ、せっかく温めた空気を冷却するようなことなく吸湿した水分を放出することが可能であり、必要とする熱エネルギーが少なく、かつ、効率的な湿度の調節が可能となる。
本発明の好ましい一例の調湿装置１を切断面線Ｉ−Ｉからみた断面図である。 本発明の好ましい一例の調湿装置１を切断面線ＩＩ−ＩＩからみた断面図である。 本発明において基材が金属（鉄の場合を例示）である場合の高分子吸湿材の接合例である。
図１は、本発明の好ましい一例の調湿装置１を切断面線Ｉ−Ｉからみた断面図であり、図２は、本発明の好ましい一例の調湿装置１を切断面線ＩＩ−ＩＩからみた断面図である。以下、図１、２に示す例を挙げて本発明を詳細に説明するが、図１、２に示す調湿装置１はあくまで本発明の好ましい一例であり、本発明はこの例に限定されるものではない。
本発明の調湿装置１は、回転軸を中心に回転可能な基材３の外周に高分子吸湿材４を層状に設けた吸湿部２と、前記吸湿部２を部分的に加熱する熱源５とを基本的に備える。本発明の調湿装置１によれば、従来のデシカント式の吸湿装置とは異なり、非常に高い温度で加熱することなく、かつ、せっかく温めた空気を冷却するようなことなく吸湿した水分を放出することが可能であり、必要とする熱エネルギーが少なく、かつ、効率的な湿度の調節が可能となる（低消費電力、室温上昇の抑制、除湿効率化）。
＜実施の形態１：基材＞
本発明における基材３は、回転軸周りに回転可能であれば、その形状については特に制限されるものではなく、円柱状、円筒状、三角柱状、三角筒状、四角柱状、四角筒状、多角柱状、多角筒状、断面真円の球状、断面楕円の球状、円盤状、平板状、多面体、ワイヤー状、その他不定形状であってよいが、高分子吸湿材の層の形成のし易さ、加熱部との整合性、吸湿・放水を両立する全体的なバランス、さらには高分子吸湿材を利用した湿度調節の効率などの観点から、基材の形状は円柱状、円筒状、円盤状または平板状であることが好ましい。
基材３を形成する材料としても特に制限されるものではなく、金属、樹脂、セラミック、ゴム、ガラスペーパーなどを挙げることができる。中でも、熱伝導性の観点からは、金属（たとえば鉄）、高熱伝導性樹脂またはセラミックが好ましい。
基材３上に形成される層状の高分子吸湿材４は、空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに収着した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有するものである。このような本発明における高分子吸湿材は、特許文献３などにより公知のものであり、当業者であれば、たとえばポリＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＰＮＩＰＡＭ）およびその誘導体、さらには多糖類、ポリアルギン酸などの高分子電解質を材料として用いて所望の性質を有する高分子吸湿材を適宜調製することが可能である。
＜実施の形態２：高分子吸湿材＞
このような本発明における高分子吸湿材は、ゼオライト、シリカゲルなどを利用する場合に、吸着した水分を放湿するために必要となるような高温（たとえば２００℃）の熱源を必要とすることがなく、必要とする熱エネルギーが少なくて済む。また、ゼオライト、シリカゲルなどを利用する場合に、放湿された水分を水として回収するために冷却する必要がなく、高分子吸湿材からそのまま水分として回収できるという利点もある。
高分子吸湿材４の層は、その厚みは特に制限されるものではないが、吸湿速度、加熱時の熱伝導性、また、全体のサイズなどを考慮して適宜決定され得る。厚みが大き過ぎると、高分子吸湿材４の層単体での含水量は当然増加するが、吸湿に要する速度が遅く、加熱時の熱伝導も遅くなる傾向にある。
本発明において、基材３と高分子吸湿材４の層との間には、基材の材質にもよるが、たとえば基材がセラミックで形成されている場合などには、従来公知の適宜の接着剤が介在されていることが好ましい。
＜実施の形態３：基材（金属接合）＞
また、図３は、本発明において基材３が金属（図示しているのはＳＵＳ表面の鉄）である場合の高分子吸湿材４の接合例を模式的に示している。樹脂などの有機物と金属などの無機物を結合させる技術については、たとえばヒーターに関して、特開２０１３−００７３５５号公報やＷＯ２０１３／１４０８４５などより公知である。たとえば、基材３が金属（たとえばＳＵＳ）である場合には、金属表面の酸化膜を除去した後、シランカップリング６を介して、高分子吸湿材（たとえばＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ））４のアルキル鎖（主鎖）が結合されることで、無機物である金属と有機物である高分子吸湿材４とが、水素結合やファンデルワールス力とは異なる強い結合で、強力に接合される。金属の材料、シランカップリングの種類、高分子吸湿材４の種類については勿論これに限定されるものではない。シランカップリング６に用いるシランカップリング剤としては、従来公知の適宜のシランカップリング剤を用いることができ、特に制限されないが、好適な例として、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン（ＫＢＭ−５１０３（信越化学工業株式会社製））などが挙げられ、それぞれ公知の手順、条件でシランカップリング６を好適に行なうことができる。
図１、２に示す例の調湿装置１は、吸湿部２の基材３は、ロータ９に嵌め込まれ、ロータ９に接続されたロータ駆動モータ１０により回転軸Ａ回りの回転が駆動されるように構成されている。ロータ９およびロータ駆動モータ１０は、従来公知の適宜のものを特に制限なく用いることができる。回転軸Ａ回りの回転の速度は特に制限されるものでもないが、材料の吸湿、放水能力、速度、熱伝導性、規模から自ずと最適値が決まる。
＜実施の形態４：熱源＞
本発明の調湿装置１における熱源５は、特に制限なく、シースヒータ、フィルムヒータ、電熱線を内蔵する加熱材、カーボンヒータなどの従来公知の適宜の熱源であればよい。ここで、上述のように、本発明における高分子吸湿材４は、従来のゼオライト、シリカゲルのように、吸湿した水分を放湿させる際に、非常に高い温度を必要としないため、本発明における熱源は、加熱する高分子吸湿材の感温点にもよるが、常温（２３℃）に加えて好ましくは４０〜６０℃の範囲にまで加温できるものであればよい。このように本発明の調湿装置では、加熱温度を従来よりも低く設定できるため、省電力化、発火発煙の危険性を軽減できる。また、調湿装置において加熱部（ＯＮ／ＯＦＦ）と非加熱部とを分けて構成しやすく、これにより常時水分の吸放出が可能となる（非加熱部において吸収、加熱部において放出）という利点もある。
本発明の調湿装置１において、熱源５は、高分子吸湿材４を部分的に感温点以上に加熱し得る位置に配置されていればよい（吸湿材の上から距離をとって熱源を配している例を図示しているが、基材側から加熱する方がより好ましい）。熱源５により加熱することで、空気中の水分を吸収して親水性の状態となっている高分子吸湿材を、熱源５からの温度の上昇の刺激を与え、この温度の上昇により、高分子吸湿材４が疎水性の状態に相転移し、吸収した水分は水滴１１として回収される。図１、２に示す例のように、円柱状または円筒状の基材３の外周に高分子吸湿材４が層状に形成されて吸湿部２が形成され、この基材３の回転軸Ａが水平方向に平行であり、熱源５は、基材３の回転軸Ａより下側のいずれかの、回転軸Ａより上側に対し回転方向下流となる側に配置されていることが好ましい。このように配置されることで、回転方向上流側で高分子吸湿材が水分を吸収して親水性の状態となり（図２中、高分子吸湿材４の領域４Ａ）、これが回転方向下流側に回転してきた際に熱源５からの加熱で疎水性の状態となり（図２中、高分子吸湿材４の領域４Ｂ）、水滴１１として水分が効率的に回収される。
＜実施の形態５：水回収部＞
本発明の調湿装置１は、前記吸湿部２に隣接して、吸湿部２から水分を効率的に回収するための水回収部１２が設けられていることが好ましい。水回収部１２は、図１、２に示す例のように、円柱状または円筒状の基材１３の外周に、水分を吸着し、加圧されることにより水分を放出可能な吸湿素材１４を層状に設けた構成であることが好ましい。このような水回収部１２が吸湿部２に隣接して設けられ、回転軸Ａ回りの吸湿部２の回転に併せて回転軸Ａに平行な基材１３の回転軸Ｂ回りに回転させることで、吸湿部２からより効率的に水分を回収することが可能となる。
水回収部１２における基材１３を形成する材料としては特に制限されるものではなく、金属、樹脂、セラミック、ゴムなどを挙げることができる。中でも、吸湿部を加熱し取水した後に除熱する（いち早く親水性に戻す）という観点からは、熱伝導性の高い材料、特に金属、高熱伝導性樹脂、あるいはそれらの複合材が好ましい。
水回収部１２における吸湿素材１４は、水分子が化学的に結合することなく主に毛細血管とファンデルワールス力で保水され物理的な圧力で放出することができる弾力を有する化学系スポンジ、吸水性化学繊維、天然素材であれば海綿、木綿、厚手の紙材などであればよく、特に制限されないが、従来公知のスポンジが好ましい。ただし、接触することによる摩耗、劣化を考慮し耐久性には注意が必要である。
＜実施の形態６：吸湿部＞
また、本発明の調湿装置１において、前記吸湿部２は、前記水回収部１２から圧力を加えられた状態で、前記水回収部１２と隣接していることが好ましい。図１、２に示す例では、水回収部１２の、吸湿部２と隣接する側とは反対側に隣接して、圧縮ローラ１６が設けられ、圧縮ローラ１６により、回転軸Ａ、Ｂに対し垂直な方向に、水回収部１２から吸湿部２に圧力が加えられている。これにより、水回収部１２における吸湿素材１４としてスポンジを用いている場合には特に、効率的な水分の回収が可能となる。圧縮ローラ１６による加圧は、効率的な水分の回収、水回収部１２および吸湿部２の機械的耐性（強度）、摩擦係数などを考慮して適宜決定され得る。また、図１、２に示す例では、吸湿部、水回収部を経て、圧縮ローラに伝わった水分は、その直下に配置されたドレンタンク１７に滴下し、回収される。圧縮ローラには、同様の目的で使用される公知の適宜のローラを特に制限されることなく利用することができる。
ここで、本発明において用いられているような高分子吸湿材は、直接水に触れさせれば自重の数十倍以上の吸湿能力を有するが、空気中の水分はせいぜい自重の２倍程度の量しか吸湿されにくい。したがって、空気中の水分を吸湿した高分子吸湿材を感温点を超えるように加熱して収着した水分を放出させようとしても、水分は高分子吸湿材の表面に付着したまま（高分子吸湿材の表面に浮き出し濡れた状態）となり滴下水となりにくい場合がある。また外部からの加熱で高分子吸湿材の外縁に水分子の移動を阻む疎水性の膜が形成され（スキン効果）、加熱面と放水面は両立し難いが、最表面は加熱により放水するので、膜内部と表面両者の水を活用するために、基材側からの加熱に重きを置く方がよい。上述のように、好ましくは水回収部１２を備えることにより、さらに好ましくは水回収部１２から吸湿部２に圧力が加えられた状態とすることにより、高分子吸湿材が感温点を超え、疎水性の状態となって放出された水分のうち、自重での滴下ができない水分を絞り出すことができ、効率的な水分の回収が可能となる。
図１、２に示す例では、調湿装置１は、吸湿部２に対応する高さの側面に吸気口２２を有する筐体２１内に設けられており、吸気口２２と吸湿部２との間の空間は、吸気口２２から筐体２１内に入り込んだ湿った空気２３により、高分子吸湿材が空気中の水分を吸収し、親水性の状態となるための領域（吸湿領域）２４となる。このように吸気口２２から湿った空気２３を入り込ませるために、図１、２に示す例では、吸気口２２と吸湿部２を挟んで反対側にも排気口２５が設けられ、排気口２５の手前（吸湿部２側）には、吸湿用ファン２６が設けられ、乾燥した空気２７を排気口２５から筐体２１外に排出するように構成されている。
１ 調湿装置、２ 吸湿部、３ 基材、４ 高分子吸湿材、５ 熱源、６ シランカップリング、７ 高分子吸湿材、９ ロータ、１０ ロータ駆動モータ、１１ 水滴、１２ 水回収部、１３ 基材、１４ 吸湿素材、１６ 圧縮ローラ、１７ ドレンタンク、２１ 筐体、２２ 吸気口、２３ 湿った空気、２４ 吸湿領域、２５ 排気口、２６ 吸湿用ファン、２７ 乾燥した空気。

Claims (4)

  1. 回転軸を中心に回転可能な基材の外周に高分子吸湿材を層状に設けた吸湿部と、前記吸湿部を部分的に加熱する熱源とを備える調湿装置であって、
    前記高分子吸湿材が、空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに収着した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有し、
    前記基材が円柱状または円筒状であり、当該基材の外周に、水分を吸着し、加圧により水分を放出可能な吸湿素材を層状に設けた水回収部が、前記吸湿部に隣接して設けられている、調湿装置。
  2. 前記吸湿部は、回転軸を中心に回転されながら、吸収した空気中の水分を熱源により加熱された部分において水滴として放出し得るように構成されている、請求項１に記載の調湿装置。
  3. 前記吸湿部は、前記水回収部から圧力を加えられた状態で、前記水回収部と隣接している、請求項１または２に記載の調湿装置。
  4. 前記水回収部の前記吸湿部に隣接する側とは異なる側に、前記水回収部に圧力を加える圧縮ローラが隣接して設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の調湿装置。
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