JP4715082B2

JP4715082B2 - 除湿素子とその製造方法および除湿装置と装置運転方法

Info

Publication number: JP4715082B2
Application number: JP2003325831A
Authority: JP
Inventors: 雅大久保
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2005087906A

Description

本発明は、空気中の水分を吸着方式によって吸着させて除湿することができる除湿素子とその製造方法およびそれを用いた除湿装置と装置運転方法に関するものである。

従来の除湿素子は、無機繊維や有機繊維等で抄紙したものをコルゲート加工し、無機バインダ等を含浸添着させて焼成によって有機分を飛ばしたものに水分吸着剤と無機バインダーを混合したスラリーに含浸添着させて乾燥固化して使用していたり（例えば、特許文献１参照）、無機繊維や有機繊維等で抄紙したものをコルゲート加工し、無機バインダ等を含浸添着させて焼成によって有機分を飛ばしたものに水ガラス等を含浸添着させ、酸処理することによってシリカゲルを合成させて使用していたりした（例えば、特許文献２参照）。
特開平８―７１３５２号公報特許第２９３７４３７号公報

従来の除湿素子の製法は有機分を焼き飛ばしているため耐熱性が得られ再生温度を高くすることができるという長所があるが、非常に工程数が多いことや、水分吸着剤をバインダと共に含浸添着させなければならないので吸着剤性能が下がってしまうことや、水ガラスを酸処理してシリカゲルを合成させなければならないため合成するための設備が必要かつ様々な空気条件や除湿装置の運転条件に最適な除湿素子を設計する際に水分吸着剤自身の合成条件から検討しなければならないという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、水分吸着剤を内添させた抄紙から除湿素子を成形させるので市販の様々な水分吸着剤を用いたり、市販品に後処理を加えて性質を変えた水分吸着剤を用いたり、自社で合成した水分吸着剤を用いることができ、安価でかつ様々な除湿性能を有する除湿素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、抄紙の比表面積を高くするように、シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ ^２で抄紙し、その抄紙を除湿素子に必要な厚みに予めスリットしておき、このスリットした抄紙をコルゲート加工して端面を揃えながら積層または巻いていき除湿素子にしたものである。

本発明によれば、抄紙の比表面積を高くするように、シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ ^２で抄紙し、その抄紙からなることを特徴とする除湿素子としたことにより、抄紙の比表面積が高くなり、除湿量が向上し、再生する熱源が比較的低温である場合の除湿装置として有効になり、また、水分吸着剤を内添した抄紙を様々な任意の形状に加工して使用可能となり、またバインダを用いなくても加工することができる。さらに使用環境の空気条件や除湿装置の運転条件に合わせて様々な市販品の吸着剤の中から選んで除湿素子とすることができるため、シリカゲルの合成条件を検討しなくても除湿素子を製造することができる。

本発明の実施の形態は、抄紙の比表面積を高くするように、シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ ^２で抄紙したものをコルゲート加工し除湿素子としたものである。

水分吸着剤はシリカゲル、活性白土、活性アルミナ、合成ゼオライト、天然ゼオライト、活性炭、活性炭繊維、モレキュラーシーブカーボン、メソポーラスシリカ、高分子吸着剤、イオン交換樹脂などが挙げられる。

抄紙の比表面積を高くするように、シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ ^２で抄紙し、その抄紙は除湿素子に必要な厚みに予め抄紙の段階でスリットしておくようにする。

スリットした抄紙は２つのギアを通してコルゲート加工することで波型抄紙を形成し、ギアを通さない平型抄紙と端面を合わせながら接着するようにする。

さらに、波型抄紙と平型抄紙を張り合わせた抄紙の端面を揃えながら巻いていき最終的な除湿素子の形状とする。もしくは波型抄紙と平型抄紙を張り合わせた抄紙の端面を揃えながら積層して最終的な除湿素子の形状とする。

また、上記の除湿素子の中心にボスを設け、外周には外周枠体を設けた形状で除湿装置に組み込まれる。除湿装置はこの形状の除湿素子を外周押え部材で外周枠体を押えながらギアモータで除湿素子を回転させる構造で、再生する方法は分散化電源の廃熱や自然エネルギーや電気ヒータ・ガスヒータ・温水ヒータのいずれかを用い、再生温度は１００℃以下で除湿・再生を繰り返すものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（参考例１）
平均粒子径が約５μｍのＲＤ型シリカゲルをフィブリル化した有機パルプに対して３０％（Ｎｏ．１）、５０％（Ｎｏ．２）、７０％（Ｎｏ．３）、９０％（Ｎｏ．４）混合して坪量を１５０ｇ／ｍ^２で抄紙したものを用意した。用意した抄紙約０．２ｇを１５０℃
で５時間真空脱気しながら前処理し、ＢＥＬＳＯＲＰ１８（日本ベル株式会社製）吸着装置を用いて２７℃における水吸着等温線を測定した。図１はその結果を示しており横軸は吸着剤と接する空気の相対湿度（ここでは相対圧）を表し、縦軸は各相対湿度における乾燥抄紙１ｇ当りの水分吸着量を表している。シリカゲルの内添量が増えると共に水分吸着量は増える傾向となった。しかし、シリカゲルの内添量が９０％付近を越えると抄紙自体の強度の低下や、粉（シリカゲル）落ちの増大につながり、さらに抄紙の柔軟性が無くなるためコルゲート加工すると割れが発生する結果となった。従ってシリカゲルを内添してコルゲート加工した除湿素子を製造するためには内添量７０〜８０％が適当となる。通常、家庭用除湿機の除湿性能を評価する際には２７℃６０％ＲＨで行っていることからこの温湿度を吸着時の空気状態とした。また再生は比較的低温である７０℃程度を想定しているため、２７℃６０％ＲＨの空気を再生熱源で７０℃まで昇温した場合、相対湿度は７％ＲＨとなるため再生時の空気状態を７０℃７％ＲＨとした。つまり２７℃６０％ＲＨにおける水分吸着量が多くなるだけでなくこの吸着時と再生時の空気における吸脱着量差が重要になるため、図２に示すように測定した水吸着等温線から２７℃６０％ＲＨと７０℃７％ＲＨにおける吸着量の差を有効吸着量として計算した。この有効吸着量という指標からもシリカゲルの内添量は７０％以上必要であることが分かった。

（参考例２）
平均粒子径が約５μｍのＲＤ型シリカゲルを７０％でフィブリル化した有機パルプを３０％混合して坪量を５０ｇ／ｍ^２（Ｎｏ．３−１）よび１５０ｇ／ｍ^２（Ｎｏ．３−２）抄紙したものを、図３に示すようなピッチ３．４ｍｍ、高さ１．９ｍｍにコルゲート加工したものを積層し、９２ｍｍ×９２ｍｍで厚み５０ｍｍの除湿素子を用意した。この除湿素子を７０℃７％ＲＨで乾燥し、図４に示すような固定式吸着量測定装置に設置し、２７℃６０％ＲＨに調整した空気を風量０．５ｍ^３／ｍｉｎで除湿素子に送りその時の吸着量の測定を行った。吸着量の測定は吸着量測定装置全体の重量増加を電子天秤で測定し、水分吸着量の経時変化として求めた。図５は水分吸着量の経時変化の結果を示しており、横軸は経過時間を表し、縦軸は乾燥除湿素子１ｇ当りの水分吸着量を表している。その結果、従来の方法で製造された市販の除湿素子に対して坪量５０ｇ／ｍ^２の除湿素子（Ｎｏ．３−２）では水分吸着量が不足しており、坪量が１５０ｇ／ｍ^２の除湿素子（Ｎｏ．３−１）でほぼ同等であることが分かった。しかし、従来の方法で製造された市販の除湿素子に比べて坪量５０ｇ／ｍ^２の除湿素子（Ｎｏ．３−２）は単位経過時間に対する吸着量増加が低く、吸着速度が劣っていることが分かった。

（実施例１）
坪量を１５０ｇ／ｍ^２、平均粒子径が約５μｍのＲＤ型シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％混合し、残り１０％をセラミックファイバーとした抄紙（Ｎｏ．５）とポリエステルファイバーとした抄紙（Ｎｏ．６）を用意した。用意した抄紙の２７℃における水吸着等温線を測定すると共に、−１９６℃におけるＮ_２吸着等温線も測定し、ＢＥＴ比表面積を算出した。図６には水吸着等温線の結果を示し、図７にはＮ_２吸着等温線から算出した比表面積を示している。その結果、２７℃６０％ＲＨにおける水分吸着量はセラミックファイバーを１０％混合した場合（Ｎｏ．５）の有効吸着量は０．１９ｇ／ｇと高いが、ポリエステルファイバーを１０％混合した場合（Ｎｏ．６）は０．１３ｇ／ｇと低いことが分かった。またポリエステルファイバーを混合した抄紙の比表面積は３２０ｍ^２／ｇと低い値となり有効吸着量が低いことと一致している。さらにフィブリル化した有機パルプ２０％でセラミックファイバー１０％の場合（Ｎｏ．５）とフィブリル化した有機パルプ３０％の場合（Ｎｏ．３）と比較すると前者の方が高い比表面積となりフィブリル化したパルプがシリカゲル表面を覆う可能性を示唆している。しかし、フィブリル化したパルプを減らしてセラミックファイバーを１０％以上増やすと抄紙自体の柔軟性が無くなりコルゲート加工ができなくなるためフィブリル化した有機パルプは２０％付近が適当である。

（参考例３）
平均粒子径が約５μｍのＲＤ型シリカゲルを７０％でフィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ^２で抄紙したものを、図３に示すようなピッチ３．４ｍｍ、高さ１．９ｍｍにコルゲート加工したものを積層し、９２ｍｍ×９２ｍｍで厚み５０ｍｍの除湿素子（Ｎｏ．５−１）を用意した。この除湿素子を７０℃７％ＲＨで乾燥し、図４に示すような固定式吸着量測定装置に設置し、２７℃６０％ＲＨに調整した空気を風量０．５ｍ^３／ｍｉｎで除湿素子に送りその時の吸着量の測定を行った。吸着量の測定は吸着量測定装置全体の重量増加を電子天秤で測定し、吸着量の経時変化として求めた。図８は水分吸着量の経時変化の結果を示しており、横軸は経過時間を表し、縦軸は乾燥除湿素子１ｇ当りの水分吸着量を表している。その結果、従来の方法で製造された市販の除湿素子に比べて参考例３の除湿素子（Ｎｏ．５−１）は経過時間に対する吸着量増加がほぼ同等となることが分かった。

（実施例２）
平均粒子径が約５μｍのＲＤ型シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ^２で抄紙し、図９に示
すように幅を１００ｍｍにスリットした後にピッチ３．４ｍｍ、高さ１．８ｍｍのコルゲート加工をして平板と端面を合わせながら貼り合せて片段を作製しさらに端面を合わせて直径が３００ｍｍになるまで巻いていった除湿素子を用意した。これを図１０のような回転式除湿素子評価装置に組み込み除湿量の測定を行った。除湿素子１０ａの中心にボス１０ｃを備え、外周には外周枠体１０ｂを設けている。この除湿素子の外周枠体を外周押え部材１０ｄで規制しながらギアモータ１０ｅとベルト１０ｆで除湿素子を回転させる。除湿素子は軸心１０ｇによって固定されており仕切り板１０ｈと上部筒１０ｉおよび下部筒１０ｊによって風路を仕切っている。処理と再生の風は処理ファン１０ｋと再生ファン１０ｌで送られ、再生熱源１０ｍは電気ヒータ・ガスヒータ・温水ヒータなどもしくは分散化電源の廃熱（マイクロガスタービン・燃料電池・ディーゼル発電機）や工場の廃熱および自然熱エネルギー（太陽光・地熱）が挙げられる。除湿装置の運転条件は、処理風量２．９ｍ^３／ｍｉｎ、再生風量２．９ｍ^３／ｍｉｎで処理面積：再生面積＝１：１に設定し、除湿素子回転数２０〜４０ｒｐｈの範囲で、再生温度を６０℃に固定して除湿量の測定を行った。除湿量の測定は除湿素子の入口・出口の絶対湿度を露点計で測定しその差から一日当りの除湿量（Ｌ／日）として算出した。図１１には除湿素子回転数を変えた場合の除湿性能を表している。従来の方法で製造された市販の除湿素子の除湿量は最大１３．６Ｌ／日となったのに対し、実施例２で製作した除湿素子は最大１５．９Ｌ／日となり約１７％向上する結果となった。

なお、従来の除湿素子は焼結によって強度が向上するためコルゲート加工後に必要な製品サイズにカットすることができるが本発明の除湿素子の製造工程には焼結工程が無いため抄紙および除湿素子自体は柔軟である。従ってコルゲート加工後にカットすることができないため予め必要な製品サイズに抄紙段階でスリットしておき、コルゲート加工した波型抄紙と平型抄紙の端面を揃えながら貼り合せた。貼り合せた抄紙をさらに端面を揃えながら積層または巻いていき必要なサイズの除湿素子を製作した。また、本発明の柔軟な除湿素子を回転式除湿装置に備えるために、除湿素子の中心にボスを、外周には外周枠体を設けて、さらにギアモータとベルトで回転する際にボスと軸心がずれないように外周押え部材により外周枠体を規制しながら運転する構造とした。

上記した参考例１によればシリカゲルが７０％未満だと吸着性能が悪く、逆に９０％以上だと製造した抄紙の柔軟性が無くなりコルゲート加工できないことが分かった。また参考例２によれば、シリカゲルを７０％内添した抄紙の坪量は１５０ｇ／ｍ^２でないと目的の有効吸着量が出ないことが分かり、実施例１ではシリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合した抄紙の比表面積が最大になることが分かった。さらに参考例３では実施例１で比表面積が最大となった抄紙から製作した除湿素子の吸着速度は速いことが分かり、さらに実施例２では６０℃の再生温度において従来の除湿素子より１７％向上する除湿性能が得られることが分かった。これらの結果から再生する熱源が比較的低温である場合の除湿装置として有効になる特徴を奏するものである。

参考例１のシリカゲルの内添量を変えた時の水吸着等温線図同シリカゲルの内添量を変えた抄紙の有効吸着量を表す図参考例２のコルゲートした抄紙を積層して成る除湿素子構造図同固定式除湿量測定装置の概略図同坪量を変えた抄紙から製作した除湿素子と市販除湿素子の水分吸着量の経時変化図本発明の実施例１の有機・無機繊維を変えた抄紙の水吸着等温線図同有機・無機繊維を変えた抄紙の比表面積と有効吸着量を表す図参考例３の有機・無機繊維を変えた抄紙から製作した除湿素子と市販除湿素子の水分吸着量の経時変化図本発明の実施例２のコルゲートした抄紙を巻いて成る除湿素子構造図同回転式除湿量測定装置の概略図本発明の実施例２の除湿素子と市販除湿素子の除湿性能を表す図

符号の説明

４ａ除湿素子
４ｂファン
１０ａ除湿素子
１０ｂ外周枠体
１０ｃボス
１０ｄ外周押え部材
１０ｅモータ
１０ｆベルト
１０ｇ軸心
１０ｈ仕切り板
１０ｉ上部筒
１０ｊ下部筒
１０ｋ処理ファン
１０ｌ再生ファン
１０ｍ再生熱源

Claims

抄紙の比表面積を高くするように、シリカゲルを７０％、フィブリル化した有機パルプを２０％、セラミックファイバーを１０％混合して坪量を１５０ｇ／ｍ２で抄紙し、その抄紙からなることを特徴とする除湿素子。
コルゲート加工した抄紙の端面を揃えて積層して成る請求項１記載の除湿素子を製造する方法。
コルゲート加工した抄紙の端面を揃えて巻いて成る請求項１記載の除湿素子を製造する方法。
請求項１記載の除湿素子を備えることを特徴とする除湿装置。
請求項１記載の除湿素子を備え、６０℃の再生温度で除湿と再生を繰り返すようにした除湿装置。
請求項１記載の除湿素子の中心にボスを設け、除湿素子外周に外周枠体を設けて外周枠体を外周押え部材で押えながらギアモータで除湿素子を回転して除湿・再生を繰り返す除湿装置。
請求項１記載の除湿素子の中心にボスを設け、除湿素子外周に外周枠体を設けて外周枠体を外周押え部材で押えながらギアモータで除湿素子を回転すると共に１００℃以下の再生温度で除湿・再生を繰り返す運転方法。
再生の熱源が分散化電源としてマイクロガスタービン、燃料電池およびディーゼル発電機の廃熱、工場廃熱、自然熱エネルギーとして太陽光および地熱から少なくとも１つ選ばれる請求項７記載の運転方法。
再生の熱源が電気ヒータ、ガスヒータ、温水ヒータから少なくとも１つ選ばれる請求項７記載の運転方法。