JP6877229B2 - 空気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、部屋内の空気を浄化する空気浄化システムに関する。
建物や輸送機器などにおける人を収容する部屋に対しては、二酸化炭素濃度の上昇を抑えるために換気が行われる。また、部屋には、暖房または冷房を行う空調装置が設けられる。
上記の二酸化炭素濃度の上昇を抑えるための換気量は比較的に大きいために、その分、空調装置の負荷が高くなる。近年では、空調装置の負荷を低減するために、部屋内の空気から二酸化炭素を除去して当該空気を浄化することが提案されている。
例えば、特許文献１には、鉄道車両に搭載される空気浄化システムが開示されている。この空気浄化システムでは、部屋内の空気を循環させる循環路に二酸化炭素除去装置が設けられている。二酸化炭素除去装置は、二酸化炭素を選択的に透過させる分離膜を含む。また、二酸化炭素除去装置には、分離膜の循環路側（分離膜で仕切られる空間の一方）と透過側（分離膜で仕切られる空間の他方）との間に圧力差を与えるために、透過側を真空引きする減圧ポンプが接続されている。
特開２００３−２５９９１号公報
特許文献１には、分離膜の透過側の圧力を２０ｋＰａ程度として、分離膜の循環路側と透過側との間に８０ｋＰａ程度の圧力差を生じさせることで、循環される空気中の二酸化炭素が分離膜を選択的に透過すると記載されている。
しかしながら、空気中の二酸化炭素分圧は、二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍの場合で約０．１ｋＰａである。従って、２０ｋＰａという圧力は空気中の二酸化炭素分圧よりもかなり高く、仮に分離膜が二酸化炭素のみを選択的に透過させる場合には、透過側の二酸化炭素分圧が即座に上昇してしまうため、透過する二酸化炭素は極めて少なくなる、もしくは優位な二酸化炭素透過量を得るためには、透過側の二酸化炭素分圧を低く維持するために二酸化炭素以外のガス成分も同時に大量に透過させる必要があり減圧ポンプの消費電力が過大となる。
一方、分離膜としては、二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過させるものもある。しかしながら、分離膜の二酸化炭素透過度と水蒸気透過度とが同程度の場合でも、透過側の全圧が２０ｋＰａであれば、透過側の二酸化炭素分圧は空気中の二酸化炭素分圧よりも高く、この場合でもやはり透過側の二酸化炭素分圧が即座に上昇してしまうため、透過する二酸化炭素は極めて少なくなる、もしくは現実的な二酸化炭素透過量を得るために大量の空気を二酸化炭素と合わせて透過させることが必要となり装置が非現実的なものとなる。すなわち、引用文献１に記載された程度の真空度においては、部屋内の空気から二酸化炭素を除去することは現実的ではない。
そこで、本発明は、分離膜および減圧ポンプを用いて二酸化炭素を効率的に除去することができる空気浄化システムを実現することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の空気浄化システムは、部屋内の空気を浄化する空気浄化システムであって、二酸化炭素を選択的に透過させる分離膜で仕切られた第１空間および第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、前記部屋内の空気を前記第１空間へ導く送り路と、二酸化炭素が除去された清浄空気を前記第１空間から前記部屋へ導く戻り路と、前記第２空間の二酸化炭素分圧が、前記部屋内の空気中の二酸化炭素分圧よりも低くなるように前記第２空間を真空引きする減圧ポンプと、を備える、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、二酸化炭素除去装置の第２空間の二酸化炭素分圧が第１空間の二酸化炭素分圧よりも低くなるため、二酸化炭素が分離膜を選択的に透過し続ける。従って、部屋内の空気から二酸化炭素を効率的に除去することができる。
前記分離膜は、二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過させるものであり、前記減圧ポンプは、前記第２空間の全圧が前記部屋内の空気中の水蒸気分圧よりも低くなるように、前記第２空間を真空引きしてもよい。分離膜が二酸化炭素のみを選択的に透過させるものである場合、すなわち、第２空間内が二酸化炭素のみである場合には、第２空間を第１空間の二酸化炭素分圧未満の圧力となるように真空引きする必要がある。例えば、部屋内空気中の二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍである場合には、第２空間の圧力を０．１ｋＰａ未満とする必要がある。これに対し、分離膜が二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過さるものであれば、部屋内空気中には二酸化炭素よりも多くの水蒸気が存在するため、第２チャンバ内でも二酸化炭素よりも水蒸気の量を多くすることができる。従って、第２空間の全圧を第１空間の水蒸気分圧未満に設定すれば、第２空間の二酸化炭素分圧の増加を抑制することが可能となり、現実的な装置規模によって必要となる二酸化炭素透過量を得ることが可能となる。
上記の空気浄化システムは、前記第２空間の水蒸気分圧が前記第１空間の水蒸気分圧と実質的に等しくなるように前記第２空間に水蒸気を供給する水蒸気供給装置をさらに備えてもよい。この構成によれば、水蒸気が第１空間から第２空間へ向かって分離膜を透過することが抑制される。従って、減圧ポンプの吸引量が減少するため、減圧ポンプの負荷を低減することができる。
本発明によれば、分離膜および減圧ポンプを用いて二酸化炭素を効率的に除去することができる。
本発明の第１実施形態に係る空気浄化システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る空気浄化システムの概略構成図である。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る空気浄化システム１Ａを示す。この空気浄化システム１Ａは、人を収容する部屋２内の空気を浄化するものである。
例えば、部屋２は、オフィスビルのような建物の部屋であってもよいし、鉄道車両や航空機のような輸送機器の部屋（いわゆるキャビン）であってもよい。あるいは、部屋２は、宇宙ステーション、潜水船、災害時避難設備などの部屋であってもよい。
空気浄化システム１Ａは、二酸化炭素除去装置４を含む。図例では、二酸化炭素除去装置４が部屋２外に配置されているが、二酸化炭素除去装置４は部屋２内に配置されてもよい。
二酸化炭素除去装置４は、分離膜４３で仕切られた第１空間４１および第２空間４２を含む。分離膜４３は、第１空間４１から第２空間４２へ向かって、二酸化炭素を選択的に透過させる。本実施形態では、分離膜４３が、二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過させる。
分離膜４３の二酸化炭素透過度および水蒸気透過度は、窒素透過度および酸素透過度の１０００倍以上であることが望ましい。各成分についての透過度は、下記式で表される。
ｍ＝Ｋ×Ａ×ΔＰ
ｍ：特定成分の透過速度［mol/sec］
Ｋ：特定成分の透過度［mol/(m2・sec・Pa)］
Ａ：分離膜の面積［m2］
ΔＰ：分離膜の両側での特定成分の分圧差［Pa］
例えば、分離膜４３は、中空糸膜である。この場合、多数の中空糸膜が１つの膜モジュールを構成し、二酸化炭素除去装置４が多数の膜モジュールを含んでもよい。分離膜４３が中空糸膜である場合、中空糸膜の内側が第１空間４１、中空糸膜の外側が第２空間４２である。
二酸化炭素除去装置４の第１空間４１へは、送り路５１を通じて部屋２内の空気が導かれ、第１空間４１からは、戻り路５２を通じて二酸化炭素が除去された清浄空気が部屋２へ導かれる。本実施形態では、送り路５１に送風機５３が設けられているが、送風機５３は戻り路５２に設けられてもよい。送風機５３は、ブロアであってもよいしファンであってもよい（後述する送風機も同様）。
二酸化炭素除去装置４の第２空間４２には、吸引路６１が接続されている。吸引路６１の下流端は、大気中に開口している。吸引路６１には、減圧ポンプ６２が設けられている。
減圧ポンプ６２は、第２空間４２の二酸化炭素分圧が部屋２内の空気中の二酸化炭素分圧よりも低くなるように第２空間４２を真空引きする。例えば、部屋２内の空気が２５℃で大気圧であり、部屋２内の空気中の二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍである場合、二酸化炭素分圧は約０．１ｋＰａである。本実施形態では、分離膜４３が二酸化炭素だけでなく水蒸気をも透過させるため、第２空間４２の全圧が１．０ｋＰａ程度であっても、第２空間４２の二酸化炭素分圧を第１空間４１の二酸化炭素分圧未満に抑えることができる。
例えば、第２空間４２の全圧が０．１ｋＰａの場合には、減圧ポンプ６２の駆動に非常に大きなエネルギーが必要になる。しかし、第２空間４２の全圧が１．０ｋＰａ程度であれば、二酸化炭素除去装置４のサイズは大きくなるものの、減圧ポンプ６２の駆動に必要なエネルギーを少なくすることができる。
部屋２内の空気が２５℃で大気圧である場合、部屋２内の空気中の水蒸気分圧は、部屋２内の相対湿度が２０％の場合に０．６ｋＰａ、相対湿度が８０％の場合に２．５ｋＰａである。従って、減圧ポンプ６２の制御の目標値である第２空間４２の全圧は、例えば０．５ｋＰａ以下としてもよい。あるいは、第２空間４２の全圧は、部屋２内の相対湿度に応じて変動させてもよい。
部屋２には、暖房および冷房を行う空調装置３が設けられている。また、部屋２には、第１換気路７１および第２換気路７２が接続されている。
部屋２へは、第１換気路７１を通じて大気中から外気が供給され、部屋２内の空気は、第２換気路７２を通じて大気中へ排出される。第１換気路７１および第２換気路７２には、それぞれ送風機７３，７４が設けられている。
以上説明したように、本実施形態の空気浄化システム１Ａでは、二酸化炭素除去装置４の第２空間４２の二酸化炭素分圧が第１空間４１の二酸化炭素分圧よりも低くなるため、二酸化炭素が分離膜４３を選択的に透過し続ける。従って、部屋２内の空気から二酸化炭素を効率的に除去することができる。
また、本実施形態では、分離膜４３が二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過させる。分離膜４３が二酸化炭素のみを選択的に透過させるものである場合、すなわち、第２空間４２内が二酸化炭素のみである場合には、第２空間４２を第１空間４１の二酸化炭素分圧未満の圧力となるように真空引きする必要がある。例えば、部屋内空気中の二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍである場合には、第２空間４２の圧力を０．１ｋＰａ未満とする必要がある。これに対し、本実施形態のように分離膜４３が二酸化炭素だけでなく水蒸気をも選択的に透過さるものであれば、部屋内空気中には二酸化炭素よりも多くの水蒸気が存在するため、第２チャンバ４２内でも二酸化炭素よりも水蒸気の量を多くすることができる。従って、第２空間４２の全圧を第１空間４１の水蒸気分圧未満に設定すれば、第２空間４２の二酸化炭素分圧の増加を抑制することが可能となり、現実的な装置規模によって必要となる二酸化炭素透過量を得ることが可能となる。
（第２実施形態）
図２に、本発明の第２実施形態に係る空気浄化システム１Ｂを示す。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
本実施形態の空気浄化システム１Ｂは、第１実施形態の空気浄化システム１Ａに水蒸気供給装置８を加えたものである。水蒸気供給装置８は、二酸化炭素除去装置４の第２空間４２の水蒸気分圧が第１空間４１の水蒸気分圧と実質的に等しくなるように、第２空間４２に水蒸気を供給する。例えば、二酸化炭素除去装置４の第２空間４２の水蒸気分圧は、第１空間４１の水蒸気分圧の±１０％の範囲内に保たれることが望ましい。
本実施形態では、水蒸気が第１空間４１から第２空間４２へ向かって分離膜４３を透過することが抑制される。従って、減圧ポンプ６２の吸引量が減少するため、減圧ポンプ６２の負荷を低減することができる。
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、部屋２には、必ずしも空調装置３が設けられている必要はない。
また、二酸化炭素と共に分離膜４３を選択的に透過する成分は、必ずしも水蒸気である必要はなく、窒素または酸素であってもよい。つまり、分離膜４３は、二酸化炭素だけでなく窒素または酸素をも選択的に透過させるものであってもよい。
あるいは、分離膜４３は、二酸化炭素のみを選択的に透過させるものであってもよい。この場合、減圧ポンプ６２は、第２空間４２の圧力が０．１ｋＰａ未満となるように、第２空間４２を真空引きすればよい。
１Ａ，１Ｂ 空気浄化システム
２ 部屋
４ 二酸化炭素除去装置
４１ 第１空間
４２ 第２空間
４３ 分離膜
５１ 送り路
５２ 戻り路
６２ 減圧ポンプ
８ 水蒸気供給装置

Claims (1)

  1. 部屋内の空気を浄化する空気浄化システムであって、
    二酸化炭素および水蒸気を選択的に透過させる分離膜で仕切られた第１空間および第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、
    前記部屋内の空気を前記第１空間へ導く送り路と、
    二酸化炭素が除去された清浄空気を前記第１空間から前記部屋へ導く戻り路と、
    前記第２空間の二酸化炭素分圧が、前記部屋内の空気中の二酸化炭素分圧よりも低くなるように前記第２空間を真空引きする減圧ポンプと、
    前記第２空間の水蒸気分圧が前記第１空間の水蒸気分圧と実質的に等しくなるように前記第２空間に水蒸気を供給する水蒸気供給装置と、
    を備える、空気浄化システム。
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