JPH11262620A - 乾燥空気の生成方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 清浄な乾燥空気を連続でかつ、半永久的にメ
ンテナンスフリーで供給する。 【解決手段】 ポリシロキサン系高分子材料からなる中
空糸２の内部を流れる空気から、そこに含まれる水蒸気
を除湿用真空ポンプ６により、中空糸２の外周に選択的
に排出して除湿する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乾燥空気の生成方
法および装置に関し、特に乾燥空気を連続で、半永久的
に、かつメンテナンスフリーに供給できる乾燥空気の生
成方法および装置に関するものであり、環境計測機器、
分析機器、光学機器、精密計測機器、医療機器、空圧器
機、低温器機など各種産業機器類に必要とされる乾燥空
気を生成する場合に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、乾燥空気の簡便な生成方法とし
て、シリカゲルやアルカリ土類硫酸塩などの吸湿剤を充
填した容器内に空気を通す方法がある。この方法では、
吸着剤からのダストの混入や飽和吸着に達してからの機
能停止などの問題があり、メンテナンスの面で措置を講
じる必要性が大きかった。また、吸着剤と水分との反応
生成物が混入したり、経時的な吸着量の変化による除湿
機能の劣化の問題が顕著となる場合も多く見られた。

【０００３】一方、高分子材料より成る中空糸を用いた
乾燥空気の生成方法がある。一般に、空気を中空糸に導
入する際に、常圧もしくは効果を上げるため加圧により
中空糸の外周に水分を除去する方法を採用している。こ
の場合、中空糸の外周が除湿した水分を水蒸気として運
び去るパージラインとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、このような従
来の乾燥空気の生成方法および装置では、パージライン
に乾燥させる対象である空気よりも乾燥した（水蒸気濃
度の低い）パージガスを流す必要があるが、このパージ
ラインより乾燥した（水蒸気濃度のより低い）空気を生
成することは原理上不可能であるという問題点があっ
た。フィールドワークでのメンテナンスフリーな連続運
転を必要とする場合、乾燥ガスボンベを使用することは
不適当であるため、生成した乾燥空気の一部を戻してパ
ージラインとして使用する方法も考案され実用化されて
いる。

【０００５】しかしこの方法では、パージガスの乾燥度
が低いため、空気の除湿が不十分であり、要求レベルに
達しない場合が多々あるという問題点があった。さら
に、ある程度の効果を引き出し得るパージガス流量を獲
得するためには一次側の導入空気をコンプレッサー等に
より加圧する必要があり、装置の複雑化やシステムの耐
久性やメンテナンス等の問題点が発生する。本発明はこ
のような課題を解決するためのものであり、清浄な乾燥
空気を連続でかつ、半永久的にメンテナンスフリーで供
給できる簡便な方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による乾燥空気の生成方法および装置
は、液体／気体間での透過気化膜として汎用的に用いら
れているポリシロキサン系高分子材料を素材とした中空
糸を気体／気体間でのガス（水蒸気）分離に用いたもの
である。すなわち、ポリシロキサン系高分子材料からな
る中空糸の内部を流れる空気から、そこに含まれる水蒸
気を真空ポンプにより中空糸の外周に選択的に排出して
除湿することにより乾燥空気を生成するようにしたもの
である。

【０００７】一般に、空気の主成分である窒素や酸素分
子は、その分子形状が点対称で非極性であることから、
ポリシロキサン系高分子中でのガス透過係数（溶解度）
が極めて小さい。これに対して、分子形状が点対称では
なく有極性である水分子や種々の有機分子のそれらは大
きいことが報告されている。

【０００８】なお、このようなポリシロキサン系高分子
材料のガス溶解特性とそれを利用した環境分析用質量分
析装置の報告は、例えば、G.Baykut,"Modular sampIing
andinlet systems for mobile environmental mass sp
ectrometry",Trends in Analytical Chemistry,vol.14
(No.1),pp.10-23(1995),Elsevier Science B.V. などの
論文に詳しく記載されている。

【０００９】そこで、真空ポンプで中空糸の外周を減圧
し、その内部から外周方向へ圧力勾配をつけた場合、中
空糸内部を流れる空気中に含まれる極性分子は、選択的
に中空糸の壁膜中に浸透し、その膜厚方向に膜中を拡散
した後、外周表面に達し除去される。

【００１０】この溶解度の差異は、ポリジメチルシロキ
サンのように分子運動の活発なゴム状高分子の場合、溶
質の凝集性に起因するものと考えられている。したがっ
て、窒素と酸素以外で空気中の含有率の最も大きい極性
分子である水分子の除去、すなわち除湿が進行する。

【００１１】この方法によれば、パージラインが不要で
あり、除湿能力は中空糸を構成する高分子の材質や中空
糸の形状、さらに高分子の架橋度など、素材に一義的に
依存する。従来の乾燥したパージラインを用いて除湿を
行う方式のものは、パージライン中の湿度が乾燥の下限
であった。

【００１２】しかし、本発明による乾燥空気の生成方法
によれば、パージラインは不要であり、また原理上の除
湿限界は存在しないため、到達乾燥度は大きく向上す
る。この方法では、除湿能力は中空糸の形状や高分子の
架橋度などの中空糸の素材パラメータと排気パラメータ
とに大きく依存する。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。図１は、本発明の一実施の形態である乾
燥空気の生成装置を示す説明図である。本発明は、液体
／気体分離用気化透過分離膜として実用化されているポ
リシロキサン系高分子材料からなる中空糸を用い、この
透過分離機能を気体／気体の系に発展、適応させたもの
と位置づけられる。

【００１４】なお、分離膜としては、本発明の除湿の原
理説明で述べたように、空気成分の窒素や酸素分子のガ
ス透過係数が小さく、それに比べて水分子の透過係数が
大きいものであれば原理上、どんな材料でも効果が期待
される。ここでは分離膜として、汎用性の高いポリシロ
キサン系高分子、特にポリジメチルシロキサンを素材と
した外径２５０ミクロンの中空糸を用いた場合を例に説
明する。

【００１５】ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）
からなるシリンダー形状の除湿モジュール１の中には、
ポリジメチルシロキサンを素材とした管状の中空糸２が
約２０００本入っている。これら中空糸２は、除湿モジ
ュール１を構成する容器１Ａの両端面のほぼ中央部に設
けられた空気供給口３と空気排出口４に、中空糸２の両
端口が集約され、密閉部材１Ｂ，１Ｃでシール固定され
ている。

【００１６】この場合、空気排出口４は、製品である乾
燥空気の取り出し口となる。また、容器１Ａと密閉部材
１Ｂ，１Ｃとで形成された閉空間１Ｄの側面には、真空
ポンプ接続口５が設けられている。この真空ポンプ接続
口５には、除湿用真空ポンプ６が接続されており、ガス
リークが生じないようにしっかりとシールされている。

【００１７】この除湿用真空ポンプ６を駆動して、閉空
間１Ｄ内の気圧を、中空糸２の内部と比較して減圧する
ことにより、中空糸２内を流れる空気から水蒸気が、中
空糸２の外周に選択的に排出される。なお、原理的に
は、中空糸２のの外周を、その内部に比較して低い気圧
中に配置しうる構成であれば、どのような手段を用いて
もよい。

【００１８】さらに、空気供給口３には、空気サンプリ
ング用ポンプ７が接続されて、原料となる空気（大気）
が強制的に供給される。これらの真空ポンプ類は、清浄
な乾燥空気を得るためにオイルフリーポンプ用いること
が望ましい。代表的なものとして、ダイヤフラムポンプ
が上げられる。

【００１９】本発明において、ポンプ７を空気排出口４
でなく、空気供給口３に取り付けたのは、ポンプから発
生するガス（水蒸気も含まれる）も中空糸を通すこと
で、これら余分なガスを除去するための措置である。な
お、ポンプから発生するガスが所望の乾燥空気にある程
度含まれていてもよい場合、あるいはポンプ７として、
ガス発生が極めて少ないものを用い得た場合は、ポンプ
７を空気排出口４側に設けてもよい。

【００２０】次に、図１で示した乾燥空気の生成装置を
稼働させた時の実際の除湿効果を説明する。サンプリン
グした実験室内空気、すなわち空気供給口３に入る除湿
前の空気のＲＨ値（相対湿度％）と、乾燥処理した後の
空気、すなわち空気排出口４より出てくる除湿後の空気
のＲＨ値との経時変化を図２に示す。

【００２１】この場合、各空気のＲＨ値は高分子を感応
膜に用いた誘電率式湿度計により測定した。また、空気
サンプリング用ポンプにより約１８０ｃｃ／分の流速で
乾燥空気を排出している。なお、実験室内の温度は２２
゜Ｃであった。

【００２２】図２によれば、ＲＨ値が５０％近い実験室
内の空気を除湿モジュール１を通すことにより、急速に
除湿できることが解る。特に、除湿開始より１０分後で
はＲＨ値を１０％未満に下げられ、ほぼ２５分後にはＲ
Ｈ値が６％の２乾燥空気が得られることが示されてい
る。

【００２３】実際には、図１で示した乾燥空気の生成装
置で長時間稼動させて乾燥処理することにより、ＲＨ値
が９０％の高温な空気を４．５％に、ＲＨ値が４２％の
空気を２．５％に低下させることができた。

【００２４】次に、この乾燥空気の生成装置を稼働させ
て生成した乾燥空気の具体的な用途を説明する。本発明
にかかる乾燥空気の生成方法により得られた乾燥空気
を、イオン交換膜による除湿フィルタより分離発生した
湿潤空気を排気するためのパージガスとして使用した場
合の効果を図３に示す。

【００２５】以下に述べる実験システムは、既に特許出
願［「臭気検出装置における湿度制御方法」（特願平９
−２８９７５７、発明者：小川茂樹、杉本岩薙）］した
ものに記載されたものである。このシステムは、飽和水
蒸気よりなる湿潤空気と除湿フィルタにより生成した乾
燥空気とを混合させて、所望のＲＨ値の空気を供給する
ものである。

【００２６】ここでは、湿潤空気と乾燥空気との各々の
流量を独立にＰＩＤ制御によりコントロールし、設定し
たＲＨ値と供給空気の流量を常に一定に保てるよう処理
している。図３に示されているように、実験室内の空気
や容器に入れた水道水の表面上部空間（ヘッドスペー
ス）よりサンプリングした湿潤空気の相対湿度は主に実
験室内の温度変動により約１０％の帽で変動している。

【００２７】これを原料として、本発明にかかる乾燥空
気の生成方法により得られた乾燥空気をパージラインに
導いて除湿処理することにより乾燥空気を得る。そし
て、この乾燥空気と水道水の上部空間（ヘッドスペー
ス）よりサンプリングした湿潤空気（このＲＨ値も変動
している）とを混合させることにより、ＲＨ値を４５％
に湿度コントロールした空気が得られることが示されて
いる。

【００２８】水道水のヘッドスペース（湿潤空気）のＲ
Ｈ値が変動しても、湿度コントロールして生成した空気
のＲＨ値は４５％で一定であり、成分空気の変動の影響
を受けない。この状態を維持するためには、乾燥空気の
供給能力として大きな供給能力が必要となり、パージラ
インのＲＨ値が１５％以下の乾燥ガスを用いる必要があ
ることが、経験上得られている。

【００２９】この安定した湿度制御機能は、本発明にか
かる乾燥空気の生成方法が連続的に乾燥空気を生成する
ことに極めて有効な手法であることを例示すものであ
る。以上、実施例により本発明にかかる乾燥空気の生成
の効果を説明したが、空気主成分の窒素や酸素のガス透
過係数が小さく、水蒸気のガス透過係数が大きいもの材
料よりなる中空糸を用いれば同様の効果が期待できる。

【００３０】この指針に則り、ポリシロキサン系高分子
材料より除湿能力の大きな素材で同様の装置を構成し、
機能を向上させることも原理上可能である。さらに、除
湿モジュールを多数直列に接続し、多段にわたり除湿を
行うことにより、供給する空気の乾燥度をさらに上げる
ことも可能である。また、本発明にかかる空気の乾燥方
法は、平膜タイプのガス分離膜を除湿モジュールとして
構成したものを用いても実現可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
連続的にかつメンテナンスフリーで乾燥空気を生成する
簡便な方法であり、特に、装置全体が軽量でコンパクト
に構成することが可能なことから、フィールドワークに
適していることが特徴として上げられる。今後、ますま
す重要性が高まる環境計測やリモートセンシング技術の
分野において、しばしば重大な問題となる水蒸気の影響
を低減させる方策に貢献することが期待できる。

【００３２】このような環境計測機器のほか、乾燥空気
を必要とする様々な分野での有効利用が考えられ、分析
機器、光学機器、精密計測機器、医療機器、空圧器機、
低温器機など、各種産業機器類に必要とされる乾燥空気
の生成方法としての利用価値が大きい。特に、発塵の心
配が無く清浄な乾燥空気を移動可能なサイズの装置構成
で供給できるため可搬型器機への適応が有効である。具
体的には、環境計測機器や分析機器に用いるサンプルガ
スの脱水処理、貴重なサンプルを保管するドライボック
ス中の環境維持や精巧なエアーベアリング状態維持に効
果が大きいと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態による乾燥空気の生成
装置を示す説明図である。

【図２】 本発明の乾燥空気の生成方法により得られた
乾燥空気の相対湿度の経時変化を示す説明図である。

【図３】 本発明の乾燥空気の生成方法により得られた
乾燥空気を用いて湿度コントロールした空気の経時変化
を示す説明図である。

【符号の説明】

１…除湿モジュール、１Ａ…容器、１Ｂ，１Ｃ…密閉部
材、１Ｄ…閉空間、２…中空糸、３…空気供給口、４…
空気排出口、５…真空ポンプ接続口、６…除湿用真空ポ
ンプ、７…空気サンプリング用ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 雅之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 河西 奈保子 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 飯橋 真輔 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリシロキサン系高分子材料からなる中
   空糸の一端から原料となる空気をその内部に供給し、 中空糸の内部に比較してその外周の気圧を減圧すること
   により、中空糸の特性を利用して、中空糸の内部を流れ
   る空気に含まれる水蒸気を中空糸の外周に選択的に排出
   し、 中空糸の他端から乾燥した空気を得ることを特徴とする
   乾燥空気の生成方法。
2. 【請求項２】 ポリシロキサン系高分子材料からなる中
   空糸と、 中空糸の一端からその内部に原料となる空気を供給する
   供給手段と、 中空糸の外周をその内部に比較して低い気圧中に配置す
   る配置手段と、 中空糸の他端からその内部の乾燥した空気を排出する排
   出手段とを備えることを特徴とする乾燥空気の生成装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の乾燥空気の生成装置にお
   いて、 配置手段は、 中空糸の外周を取り囲んで閉空間を形成する容器と、 この容器に接続され、閉空間の内部気圧を中空糸の内部
   より減圧する減圧手段とからなることを特徴とする乾燥
   空気の生成装置。
4. 【請求項４】 請求項２または３記載の乾燥空気の生成
   装置において、 原料となる空気を中空糸の内部へ強制的に供給する手段
   を備えることを特徴とする乾燥空気の生成装置。