(57)【要約】【課題】空調装置の負荷を低減し且つ装置の大型化を防止しながら、部屋内の空気を効率よく浄化可能な空気浄化システムを実現する。【解決手段】  空気浄化システムは、直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔を有する少なくとも１つの気体透過膜により仕切られた第１空間及び第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、部屋内から清浄化対象空気を第１空間へ導く送り路と、清浄化対象空気よりも二酸化炭素濃度が低く且つ酸素濃度が高い清浄ガスを第２空間へ供給する供給路と、第１空間側から気体透過膜を透過した二酸化炭素と清浄ガスとが混合されてなる混合ガスを第２空間から排出する排出路と、清浄化対象空気から二酸化炭素が除去されてなる清浄空気を第１空間から部屋内へ導く戻り路と、第１空間内及び第２空間内の気圧を実質的に同等に調整する調整装置とを備え、第１空間内に気体透過膜の表面に沿って清浄化対象空気が流れ、第２空間内に気体透過膜の表面に沿って清浄ガスが流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔を有する少なくとも１つの気体透過膜により仕切られた第１空間及び第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、
部屋内から清浄化対象空気を前記第１空間へ導く送り路と、
前記清浄化対象空気よりも二酸化炭素濃度が低く且つ酸素濃度が高い清浄ガスを前記第２空間へ供給する供給路と、
前記第１空間側から前記気体透過膜を透過した二酸化炭素と前記清浄ガスとが混合されてなる混合ガスを前記第２空間から排出する排出路と、
前記清浄化対象空気から二酸化炭素が除去されてなる清浄空気を前記第１空間から前記部屋内へ導く戻り路と、
前記第１空間内及び前記第２空間内の気圧を実質的に同等に調整する調整装置とを備え、
前記第１空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄化対象空気が流れ、前記第２空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄ガスが流れる、空気浄化システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素除去装置は、前記第１空間、前記第２空間、及び前記気体透過膜を含む少なくとも１つの膜モジュールを有し、
前記膜モジュールは、
前記清浄化対象空気を前記第１空間に導入する第１導入口と、
前記清浄空気を前記第１空間から排出する第１排出口と、
前記清浄ガスを前記第２空間に導入する第２導入口と、
前記混合ガスを前記第２空間から排出する第２排出口とを有し、
前記調整装置は、
前記膜モジュール内の前記第１導入口と前記第１排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調節可能に配置された少なくとも１つの第１空間側調整機構と、
前記膜モジュール内の前記第２導入口と前記第２排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調整可能に配置された少なくとも１つの第２空間側調整機構とを有する、請求項１に記載の空気浄化システム。
【請求項３】
複数の前記膜モジュールの前記第１導入口同士を接続すると共に、複数の前記第１導入口に一括して前記清浄化対象空気を供給する第１供給配管と、
複数の前記膜モジュールの前記第２導入口同士を接続すると共に、複数の前記第２導入口に一括して前記清浄ガスを供給する第２供給配管とを更に備え、
前記調整装置は、
前記第１供給配管の流量を調節する第１流量調節機構と、
前記第２供給配管の流量を調節する第２流量調節機構とを更に有する、請求項２に記載の空気浄化システム。
【請求項４】
前記気体透過膜が、限外濾過膜である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気浄化システム。
【請求項５】
前記気体透過膜は、中空糸膜であり、前記第１空間は、前記中空糸膜が含む中空糸の内側に配置され、前記第２空間は、前記中空糸の外側に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気浄化システム。
【請求項６】
前記二酸化炭素除去装置は、厚み方向に間隔をおいて配置されたシート状の複数の前記気体透過膜を有し、
各々の前記気体透過膜の厚み方向一方側に隣接する前記気体透過膜との間に、前記第１空間が配置され、厚み方向他方側に隣接する前記気体透過膜との間に、前記第２空間が配置されている、請求項１に記載の空気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
人が活動する部屋においては、人の呼吸により酸素濃度が低下して二酸化濃度が上昇する。これを抑制して室内環境基準を満足するため、通常は換気が行われる。また、部屋の快適性を保つため、暖房または冷房といった空気調和を行うための空調装置が設けられる場合がある。
【０００３】
ここで、一般家屋のように気密性の低い建物では、室内空気と屋外空気の交換が自然に促進されて換気が行われるが、オフィスビル等の気密性の高い建物では、換気装置により強制的に室内空気を屋外空気と交換することが必要となる。
【０００４】
換気が行われると、新たに部屋内に取り入れられた空気を調和する必要が生じるため、空調負荷が高くなる。そこで近年では、空調負荷を低減するために、部屋内の空気から二酸化炭素を選択的に除去して当該空気を浄化することで換気量を低減することが提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、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た空気浄化システムが開示されている。この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（以下、単に分離膜と称する。）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）との間に気圧差を与えるために、透過側を真空引きする減圧ポンプが接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来のシステムにおいて、空気の浄化効率を向上させるためには、分離膜において、二酸化炭素以外のガス成分をできるだけ透過させない高い二酸化炭素選択性が要求される。しかしながら、現在知られている高い二酸化炭素選択性を有する分離膜は、二酸化炭素の透過速度が遅く、所定の二酸化炭素の除去量を実現するために膜面積を増加させる必要がある。これにより、装置が大型化すると共にコストが増大するおそれがある。
【０００８】
そこで本発明は、空調負荷を低減し且つ装置の大型化を防止しながら、部屋内の空気を効率よく浄化可能な空気浄化システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る空気浄化システムは、直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔を有する少なくとも１つの気体透過膜により仕切られた第１空間及び第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、部屋内から清浄化対象空気を前記第１空間へ導く送り路と、前記清浄化対象空気よりも二酸化炭素濃度が低く且つ酸素濃度が高い清浄ガスを前記第２空間へ供給する供給路と、前記第１空間側から前記気体透過膜を透過した二酸化炭素と前記清浄ガスとが混合されてなる混合ガスを前記第２空間から排出する排出路と、前記清浄化対象空気から二酸化炭素が除去されてなる清浄空気を前記第１空間から前記部屋内へ導く戻り路と、前記第１空間内及び前記第２空間内の気圧を実質的に同等に調整する調整装置とを備え、前記第１空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄化対象空気が流れ、前記第２空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄ガスが流れる。
【００１０】
上記構成によれば、部屋内の空気から所定量の二酸化炭素を除去するために必要な量の清浄ガスが二酸化炭素除去装置の第２空間に供給され、調整装置により第１空間及び第２空間の気圧が実質的に同等に調整された状態において、第１空間内の清浄化対象空気と第２空間内の清浄ガスとの間の二酸化炭素及び酸素の分圧差により、上記気体透過膜の微細孔を通じて第１空間から第２空間へ二酸化炭素を移動させ、また、第２空間から第１空間へ酸素を移動させることができる。これにより、清浄化対象空気から二酸化炭素を除去できると共に、清浄化対象空気に酸素を供給できる。
【００１１】
また、第１空間及び第２空間の気圧を実質的に同等に調整された状態とすることで、第１空間及び第２空間の気体が混合されるのを大幅に抑制できる。このため、清浄化対象空気と清浄ガスの熱量が混合により均一化されるのを防止できる。よって、二酸化炭素除去装置から部屋内に清浄空気を戻した後の部屋内の空調負荷を低減できる。
【００１２】
前記二酸化炭素除去装置は、前記第１空間、前記第２空間、及び前記気体透過膜を含む少なくとも１つの膜モジュールを有し、前記膜モジュールは、前記清浄化対象空気を前記第１空間に導入する第１導入口と、前記清浄空気を前記第１空間から排出する第１排出口と、前記清浄ガスを前記第２空間に導入する第２導入口と、前記混合ガスを前記第２空間から排出する第２排出口とを有し、前記調整装置は、前記膜モジュール内の前記第１導入口と前記第１排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調節可能に配置された少なくとも１つの第１空間側調整機構と、前記膜モジュール内の前記第２導入口と前記第２排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調整可能に配置された少なくとも１つの第２空間側調整機構とを有していてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、第１空間側調整機構及び第２空間側調整機構を調節することで、膜モジュール内の第１空間及び第２空間の気圧を実質的に同等に調整された状態に調節し易くすることができる。
【００１４】
複数の前記膜モジュールの前記第１導入口同士を接続すると共に、複数の前記第１導入口に一括して前記清浄化対象空気を供給する第１供給配管と、複数の前記膜モジュールの前記第２導入口同士を接続すると共に、複数の前記第２導入口に一括して前記清浄ガスを供給する第２供給配管とを更に備え、前記調整装置は、前記第１供給配管の流量を調節する第１流量調節機構と、前記第２供給配管の流量を調節する第２流量調節機構とを更に有していてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、例えば、第１空間側バルブ及び第２空間側バルブにより、各膜モジュール内の第１空間及び第２空間の気圧を実質的に同等に調整した状態において、第１流量調節機構により第１供給配管の流量を調節し、第２流量調節機構により第２供給配管の流量を調節することで、各膜モジュールに導入される清浄化対象空気及び清浄ガスの流量を、各膜モジュール内の第１空間及び第２空間の気圧を保持したまま調節できる。このため、流量変更に伴う各膜モジュール内の第１空間及び第２空間の気圧調整の手間を省略でき、空気浄化システムを大幅に運転し易くすることができる。
【００１６】
前記気体透過膜が、限外濾過膜であってもよい。このように、通常は水処理に用いられる限外濾過膜を気体透過膜として用いることで、微細孔の直径を１０ｎｍ以下に設定できる。よって、ウイルス、細菌、及び真菌等の他、スギ花粉やヒノキ花粉等の異物が気体透過膜を通過するのを防止し、部屋内に戻される清浄空気にこれらの異物が混入するのを防止できる。
【００１７】
前記気体透過膜は、中空糸膜であり、前記第１空間は、前記中空糸膜が含む中空糸の内側に配置され、前記第２空間は、前記中空糸の外側に配置されていてもよい。これにより、気体透過膜の膜面積を広く確保し、装置の大型化を一層防止し易くできると共に、気体透過膜による空気の清浄効率を更に向上できる。
【００１８】
前記二酸化炭素除去装置は、厚み方向に間隔をおいて配置されたシート状の複数の前記気体透過膜を有し、各々の前記気体透過膜の厚み方向一方側に隣接する前記気体透過膜との間に、前記第１空間が配置され、厚み方向他方側に隣接する前記気体透過膜との間に、前記第２空間が配置されていてもよい。
【００１９】
上記構成によれば、複数のシート状の気体透過膜を間隔をおいて重ねて配置することで、二酸化炭素除去装置のサイズを抑制しながら気体透過膜の膜面積を広く確保できる。これにより、装置の大型化を一層防止し易くできると共に、気体透過膜による清浄化対象空気の清浄効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、空調装置の負荷を低減し且つ装置の大型化を防止しながら、部屋内の空気を効率よく浄化可能な空気浄化システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】図１の二酸化炭素除去装置が有する膜モジュールの断面図である。
【図３】図２の気体透過膜の拡大断面図である。
【図４】図１の二酸化炭素除去装置内におけるフィードガスとスイープガスのエンタルピー変化を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の変形例に係る空気浄化システムの部分構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素除去装置の外観図である。
【図７】図６の二酸化炭素除去装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、各実施形態について各図を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気浄化システム１の概略構成図である。図１に示す空気浄化システム１は、人が収容された部屋２内の空気を浄化する。ここで言う部屋２は、人の居住空間及びこれに準ずる空間であって、空調が求められる空間を指す。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システムに設けられた部屋（いわゆるキャビン）であってもよい。
【００２３】
また部屋２は、宇宙ステーション、潜水船、災害時避難設備等に設けられた部屋であってもよい。また部屋２は、人が立ち入らないものの、動植物が管理される部屋等であって、二酸化炭素の濃度が一定以下に保たれるように調節される部屋であってもよい。
【００２４】
図１に示すように、空気浄化システム１は、空調装置３、二酸化炭素除去装置４（以下、単に除去装置４と称する。）、調整装置５、供給路Ｒ１、排出路Ｒ２、送り路Ｒ３、戻り路Ｒ４、第１換気路Ｒ５、第２換気路Ｒ６、及び複数の送風機Ｂ１〜Ｂ４を備える。
【００２５】
空調装置３は、部屋２内の空気を調和する。除去装置４の排気方式は、スイープ排気方式である。除去装置４は、部屋２内の二酸化炭素を除去する。図例の除去装置４は、部屋２外に配置されている。除去装置４は、部屋２内に配置されていてもよい。調整装置５は、所定の二酸化炭素除去量を得るために必要となる空気供給量を得た上で、後述する除去装置４の第１空間Ｓ１内及び第２空間Ｓ２内の気圧を調整する。
【００２６】
供給路Ｒ１は、下流端が除去装置４に接続され、部屋２内の空気（以下、清浄化対象空気とも称する。）よりも二酸化炭素濃度が低く且つ酸素濃度が高い清浄ガス（以下、スイープガスとも称する。）を除去装置４の第２空間Ｓ２へ供給する。スイープガスとしては、屋外空気の他、例えば、ビル内で別途調整及び浄化された空気が挙げられるが、これに限定されない。排出路Ｒ２は、上流端が除去装置４に接続され、除去装置４の第１空間Ｓ１側から気体透過膜４１ａ（図２参照）を透過した二酸化炭素とスイープガスとが混合されてなる混合ガスを第２空間Ｓ２から排出する。
【００２７】
送り路Ｒ３は、上流端が部屋２に接続され、下流端が除去装置４に接続されている。送り路Ｒ３は、部屋２内から清浄化対象空気（以下、フィードガスとも称する。）を除去装置４の第１空間Ｓ１へ導く。
【００２８】
戻り路Ｒ４は、上流端が除去装置４に接続され、下流端が部屋２に接続されている。戻り路Ｒ４は、フィードガスから二酸化炭素が除去されてなる清浄空気を除去装置４の第１空間Ｓ１から部屋２内へ導く。
【００２９】
第１換気路Ｒ５は、下流端が部屋２に接続され、外部から部屋２内に換気を供給する。第２換気路Ｒ６は、上流端が部屋２に接続され、部屋２から外部に部屋２内の空気を排出する。各路Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６の途中には、送風機Ｂ１〜Ｂ４が設けられている。
【００３０】
本空気浄化システム１では、二酸化炭素除去装置を設けることで、二酸化炭素除去装置を設けない場合と比較して、第１換気路Ｒ５、第２換気路Ｒ６の断面積を小さくできると共に、送風機Ｂ３、Ｂ４の容量を低減することができる。
【００３１】
図２は、図１の除去装置４が有する膜モジュール１４の断面図である。図３は、図２の気体透過膜４２の拡大断面図である。
【００３２】
図２及び３に示すように、除去装置４は、直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔４１ｂを有する少なくとも１つの気体透過膜４１ａで仕切られた第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を含む。気体透過膜４１ａは、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の分圧差に応じ、二酸化炭素は第１空間Ｓ１から第２空間Ｓ２へ向けて、酸素は第２空間Ｓ２から第１空間Ｓ１へ向けて透過させる。なお気体透過膜４１ａは、窒素等の他のガス成分も、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とにおける分圧差に応じて透過させるが、一般にその分圧差は小さく、移動量は僅かとなる。
【００３３】
ここで本実施形態の除去装置４は、第１空間Ｓ１、第２空間Ｓ２、及び気体透過膜４１ａを含む少なくとも１つ（ここでは複数）の膜モジュール１４を有する。膜モジュール１４は、フィードガスを第１空間Ｓ１に導入する第１導入口１４ａと、清浄空気を第１空間Ｓ１から排出する第１排出口１４ｂと、スイープガスを第２空間Ｓ２に導入する第２導入口１４ｃと、混合ガスを第２空間Ｓ２から排出する第２排出口１４ｄとを有する。
【００３４】
具体的に膜モジュール１４は、長尺状の中空部材１４ｅと、中空部材１４ｅの内部に収納されて中空部材１４ｅの長手方向に延びる複数本の中空糸４１とを有する。中空糸４１の外径は、適宜設定可能であるが、例えば数ｍｍ（ここでは２ｍｍ）に設定されている。
【００３５】
一つの膜モジュール１４が有する中空糸４１の本数は適宜設定可能であるが、例えば数十本以上数千本以下の範囲の本数に設定できる。図２では説明のため中空糸４１を太く描いている。
【００３６】
中空部材１４ｅの長手方向一端には、第１導入口１４ａが設けられ、他端には、第１排出口１４ｂが設けられている。また中空部材１４ｅの第１導入口１４ａ近傍の側面には、第２導入口１４ｃが設けられ、中空部材１４ｅの第１排出口１４ｂ近傍の側面には、第２排出口１４ｄが設けられている。第１導入口１４ａから導入されたフィードガスは、中空部材１４ｅの長手方向一端から他端に向けて流通し、清浄空気となって第１排出口１４ｂから排出される。
【００３７】
本実施形態の中空糸４１の側面は、気体透過膜４１ａである。即ち気体透過膜４１ａは、本実施形態では中空糸膜である。このような気体透過膜としては、水処理用途に用いられる限外濾過膜（ＵＦ膜）を利用できる。本実施形態の気体透過膜４１ａは、この限外濾過膜である。
【００３８】
第１空間Ｓ１は、この中空糸膜が含む中空糸４１の内側に配置され、第２空間Ｓ２は、中空糸４１の外側に配置されている。複数の中空糸４１の長手方向一端には、第２導入口１４ｃが接続され、他端には、第２排出口１４ｄが接続されている。第２導入口１４ｃから導入されたスイープガスは、複数の中空糸４１の内部をその長手方向一端から他端に向けて流通し、混合ガスとなって第２排出口１４ｄから排出される。
【００３９】
気体透過膜４１ａは、直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔４１ｂを有する。複数の微細孔４１ｂは、気体透過膜４１ａの表面に沿って分散して配置され、気体透過膜４１ａの厚み方向に貫通している。ここで言う微細孔４１ｂは、気体透過膜４１ａの一方の面と他方の面とに形成された一対もしく複数の開口の間を連通する孔を指す。
【００４０】
微細孔４１ｂの直径Ｄは、フィードガス及びスイープガスに含まれる気体分子のうち、二酸化炭素分子及び酸素分子が、空気浄化システム１の駆動時に微細孔４１ｂ内をブラウン運動に基づく拡散現象によって選択的に移動可能に設定されたものである。
【００４１】
直径Ｄは、５０ｎｍ以下の範囲で適宜設定可能であるが、例えば、４０ｎｍ以下が望ましく、２５ｎｍ以下がより望ましく、１０ｎｍ以下が一層望ましい。直径Ｄが５０ｎｍを超えると、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２における空気の混合が促進され、エンタルピー交換が進むため好ましくない。
【００４２】
気体透過膜４１ａの内外の表面は、微細孔４１ｂが設けられた領域以外では、気体透過膜４１ａの表面に沿って気体を流通させた際に気体が渦を巻かない程度に平坦である。気体透過膜４１ａの膜厚寸法は、適宜設定可能であるが、一例として数十μｍ以上数百μｍ以下の範囲の値（ここでは４００μｍ）に設定されている。
【００４３】
気体透過膜４１ａは、ここでは有機膜であるが、無機膜であってもよい。気体透過膜４１ａが有機膜である場合、気体透過膜４１ａの材料としては、例えば、酢酸セルロース、三酢酸セルロース（ Cellulose diacetate and triacetate （ＣＡ、ＣＴＡ））、硝酸セルロース（ Cellulose nitrate （ＣＮ））、セルロース（ Cellulose ）、ポリアクリロニトリル（ Polyacrylonitrile （ＰＡＮ））、ポリアミド、芳香族ポリアミド（ Polyamide （aromatic and aliphatic））、ポリスルホン（ Polysulfone （ＰＳ））、ポリエーテルスルホン（ Polyether sulfone （ＰＥＳ））、ポリカーボネート（ Polycarbonate ）、ポリエチレンテレフタレート（ Polyethylene terephthalate （ＰＥＴ））、ポリイミド（ Polyimide（ＰＩ））、ポリエチレン（ Polyethylene （ＰＥ））、ポリプロピレン（ Polypropylene （ＰＰ））、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））（ Polytetrafluoroethylene （ＰＴＦＥ））、ポリフッ化ビニリデン（ Polyvinylidene fluoride （ＰＶＤＦ））、ポリ塩化ビニル（ polyvinylchloride （ＰＶＣ））、ポリビニルアルコール（ Polyvinylalchol （ＰＶＡ））等が挙げられる。気体透過膜４１ａが無機膜である場合、気体透過膜４１ａの材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化シリカ（ＳｉＯ２）等が挙げられる。なお、気体透過膜４１aは、中空糸膜以外の膜であってもよい。
【００４４】
調整装置５は、第１空間Ｓ１内及び第２空間Ｓ２内の気圧を実質的に同等に調整する。調整装置５は、少なくとも１つの第１空間側調整機構、少なくとも１つの第２空間側調整機構、及び制御部１５を有する。本実施形態の第１空間、第２空間側調整機構は夫々バルブである。以下、第１空間側バルブ、第２空間側バルブと称す。
【００４５】
第１空間側バルブは、膜モジュール１４の第１導入口１４ａと第１排出口１４ｂとを接続する流路における流量及び気圧を調節可能に配置されている。第１空間側バルブは、フィードガスから所定量の二酸化炭素を除去するために必要となるフィードガス供給量を確保した上で、第１空間Ｓ１の気圧を第２空間Ｓ２の気圧と実質同等とすべく調整可能なように配置されている。
【００４６】
なお、気圧を実質的に同等に調整可能であれば、上記調整機構はバルブに限定されない。例えば、第１空間Ｓ１内及び第２空間Ｓ２内に流入する流量が常に一定の場合や、送風機のインバータ回路によって流量が制御されている場合、上記調整機構として、圧力損失が一定のオリフィスなどの弁を用いてもよい。その場合は、制御部１５がなくとも、あらかじめ設定された圧力損失によって、気圧調整するため、個別の制御が不要となる。
【００４７】
本実施形態の第１空間側バルブは、バルブＶ１，Ｖ２である。このバルブＶ１，Ｖ２を適宜調整することで、フィードガスから所定量の二酸化炭素を除去するために必要となるフィードガス供給量を確保した上で、第１空間Ｓ１の気圧を第２空間Ｓ２の気圧と実質同等とすべく調整可能となる。
【００４８】
なお、仮にバルブＶ１，Ｖ２を調整しても除去装置４へのフィードガス供給量が不足する場合、例えば送風機Ｂ２を駆動させて除去装置４へのフィードガスの供給気圧を上昇させることで、除去装置４へのフィードガス供給量を増加させることができる。この場合、送風機Ｂ２によりフィードガスの昇圧を行った上で、バルブＶ１，Ｖ２により流量と気圧の調整が共に行われる。
【００４９】
第２空間側バルブは、膜モジュール１４の第２導入口１４ｃと第２排出口１４ｄとを接続する流路における流量及び気圧を調整可能に配置されている。第２空間側バルブは、フィードガスから所定量の二酸化炭素除去量を得るために必要となるスイープガス供給量を確保した上で、第２空間Ｓ２の気圧を第１空間Ｓ１の気圧と実質同等とすべく調整可能なように配置されている。
【００５０】
本実施形態の第２空間側バルブは、バルブＶ３，Ｖ４である。このバルブＶ３，Ｖ４を適宜調整することで、フィードガスから所定量の二酸化炭素を除去するために必要となるスイープガス供給量を確保した上で、第２空間Ｓ２の気圧を第１空間Ｓ１の気圧と実質同等とすべく調整可能となる。
【００５１】
なお、仮にバルブＶ３，Ｖ４を調整しても除去装置４へのスイープガス供給量が不足する場合、例えば送風機Ｂ１を駆動させて除去装置４へのスイープガスの供給気圧を上昇させることで、除去装置４へのスイープガス供給量を増加させることができる。この場合、送風機Ｂ１によりスイープガスの昇圧を行った上で、バルブＶ３，Ｖ４により流量と気圧の調整が共に行われる。送風機Ｂ１，Ｂ２を駆動させる場合、インバータ回路により周波数を変化させて送風機Ｂ１，Ｂ２の回転数を可変制御することで、省エネルギー化が図られる。
【００５２】
制御部１５は、第１空間側バルブ及び第２空間側バルブを個別に制御する。本実施形態の制御部１５は、バルブＶ１〜Ｖ４を個別に制御する。バルブＶ１〜Ｖ４は、一例として背圧バルブである。制御部１５は、第１空間Ｓ１内の平均気圧Ｐ１（ここでは第１導入口１４ａにおける気圧と第１排出口１４ｂにおける気圧の平均気圧）と、第２空間Ｓ２内の平均気圧Ｐ２（ここでは第２導入口１４ｃにおける気圧と第２排出口１４ｄにおける気圧の平均気圧）とが実質的に等しくなるように、バルブＶ１〜Ｖ４を個別に制御する。
【００５３】
送風機Ｂ２の回転数が可変制御可能であれば、第１空間側バルブは、バルブＶ１，Ｖ２のいずれか一方だけでもよい。また、送風機Ｂ１の回転数が可変制御可能であれば、第２空間側バルブは、バルブＶ３，Ｖ４のいずれか一方だけでもよい。この場合、第１空間側バルブとしてバルブＶ２のみを用い、第２空間側バルブとしてバルブＶ４のみを用いることができる。また本実施形態の調整装置５は、送風機Ｂ１〜Ｂ４を個別に制御する。
【００５４】
空気浄化システム１の駆動時には、送風機Ｂ１が駆動されることにより、スイープガスが、外部から供給路Ｒ１を流通して除去装置４に導入され、部屋２内の二酸化炭素を含んだ状態となり、除去装置４から排出路Ｒ２を流通して混合ガスとして排出される。また、送風機Ｂ２が駆動されることにより、フィードガスが、部屋２内から送り路Ｒ３を流通して除去装置４に導入され、二酸化炭素が除去され且つ酸素が供給された状態となる。これにより除去装置４内で生じた清浄空気が、戻り路Ｒ４を流通して部屋２内に戻される。空気浄化システム１の駆動により、部屋２内の二酸化炭素濃度は、室内環境基準である１，０００ｐｐｍ以下となる。
【００５５】
なお、本空気浄化システム１では、除去装置４を設けることで、当該除去装置を設けない場合と比較して、第１換気路Ｒ５、第２換気路Ｒ６の断面積を小さくできると共に、送風機Ｂ３、Ｂ４の容量を低減することができる。
【００５６】
また必要に応じて、送風機Ｂ３が駆動されることにより、第１換気が第１換気路Ｒ５を流通して部屋２内に導入され、送風機Ｂ４が駆動されることにより、部屋２内の空気が第２換気路Ｒ６を流通して排出される。
【００５７】
ここで空気浄化システム１では、調整装置５により第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧が実質的に同等に調整される。ここで言う「実質的に同等」とは、例えば、平均気圧Ｐ１，Ｐ２の気圧差が１．０ｋＰａ以下の値に設定された状態を指す。この状態において、第１空間Ｓ１内に気体透過膜４１ａの表面に沿ってフィードガスが流れ、第２空間Ｓ２内に気体透過膜４１ａの表面に沿ってスイープガスが流れる。
【００５８】
このように上記気圧差を１．０ｋＰａ以下の値に設定することで、気体透過膜４１ａの微細孔４１ｂ内を通じてフィードガス及びスイープガスが直接混合するのが適切に防止される。
【００５９】
このとき、気体透過膜４１ａの一方の面に沿って流通するスイープガスは、気体透過膜４１ａの他方の面に沿って流通するフィードガスに比べて二酸化炭素分圧が低く、且つ、酸素分圧が高い。その他のガス成分、例えば窒素については、スイープガスの窒素分圧とフィードガスの窒素分圧はほぼ等しい。そのため、気体透過膜４１ａに形成された微細孔４１ｂにより二酸化炭素はフィードガスからスイープガスへ、酸素についてはスイープガスからフィードガスへ移動される。一方、窒素等の他のガス成分については、スイープガスとフィードガスでほとんど移動しない。
【００６０】
これにより、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧が実質的に同等に調整された状態で、気体透過膜４１ａを挟んで流通するフィードガスとスイープガスの二酸化炭素分圧差により、フィードガス中の二酸化炭素分子が微細孔４１ｂ内を通ってスイープガス中に移動する。また、フィードガスとスイープガスの酸素分圧差により、スイープガス中の酸素分子が微細孔４１ｂ内を通ってフィードガス中に移動する。微細孔４１ｂ内では、二酸化炭素分子と酸素分子とはブラウン運動に基づく拡散現象により移動する。
【００６１】
この移動中、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧が実質的に同等であるため、二酸化炭素分子と酸素分子以外の成分が微細孔４１ｂを通じて混合されるのが防止される。よって、フィードガス中の二酸化炭素成分及び酸素成分の濃度のみを気体透過膜４１ａにより調整し、除去装置４に供給したフィードガスから清浄空気を得ることができる。
【００６２】
なお、例えば一般的に用いられる気体分離膜では、気体透過膜の一方の面側の空間と、他方の面側の空間とに静圧差をつけることにより、気体透過膜に気体を膜表面に対して垂直方向に流通させることで、気体中の異物の濾過や気体分子の分離が行われる。これに対して気体透過膜４１ａは、一方の面側の空間と、他方の面側の空間との気圧を実質的に同等となるように調整しながら、気体を気体透過膜４１ａの表面に沿って流通させるように用いられる点で大きく異なっている。
【００６３】
また気体透過膜４１ａでは、その表面に沿って流体が流通させられることで、フィードガス及びスイープガスに異物が混入している場合でも、気体透過膜４１ａが異物により目詰まりを生じにくい。これにより、長期間にわたり気体透過膜４１ａを使用できる。
【００６４】
ここで図４は、図１の除去装置４内におけるフィードガスとスイープガスのエンタルピー変化を示すグラフである。グラフ中の横軸方向に延びる破線は、フィードガスとスイープガスが完全に混合した場合の混合エンタルピーである。図４に示されるように、空気浄化システム１では、フィードガスとスイープガスとの直接的な混合が抑制されているので、フィードガスとスイープガスを除去装置４内に流通させても、フィードガスとスイープガスとがそれぞれ有する熱量をある程度個別に維持できる。
【００６５】
フィードガスがスイープガスと混合することでエンタルピーが同一となることを防止し、除去装置４のフィードガスの出口（第１排出口１４ｂ）側において、フィードガスのスイープガスに対するエンタルピー差ΔＥをある程度維持できる。結果として、部屋２内の空気の熱量を維持し、空調装置３の空調負荷及び、空調電力の低減を可能とする。
【００６６】
以上説明したように、空気浄化システム１によれば、フィードガスから所定量の二酸化炭素を除去するために必要な量のスイープガスが除去装置４の第２空間Ｓ２に供給され、調整装置５により第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧が実質的に同等に調整された状態において、第１空間Ｓ１内のフィードガスと第２空間Ｓ２内のスイープガスとの間の二酸化炭素と酸素の分圧差により、気体透過膜４１ａの微細孔４１ｂを通じて第１空間Ｓ１から第２空間Ｓ２へ二酸化炭素分子を移動させ、また、第２空間Ｓ２から第１空間Ｓ１へ酸素を移動させることができる。これにより、部屋２内の空気から二酸化炭素を除去できると共に、部屋２内の空気に酸素を供給できる。
【００６７】
また、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧を実質的に同等に調整された状態とすることで、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気体が混合されるのを大幅に抑制できる。このため、フィードガスとスイープガスの熱量が混合により均一化されるのを防止できる。よって、除去装置４から部屋２内に清浄空気を戻した後の部屋２内の空調負荷を低減できる。
【００６８】
なお本実施形態の空気浄化システム１では、窒素等の他のガス成分については、スイープガスとフィードガスの分圧差が僅かであり、スイープガスとフィードガスの間を移動しない。
【００６９】
また本実施形態では、除去装置４内において第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを仕切る気体透過膜４１ａは、一定の熱伝導抑制効果を有する。これにより、フィードガスとスイープガスの熱量が混合により均一化されるのを更に防止でき、部屋２内の空調負荷を一層良好に低減できる。
【００７０】
また、スイープガスとして外気を用いることにより、スイープガスに掛かるコストを大幅に低減できる。
【００７１】
また、本実施形態の気体透過膜４１ａは限外濾過膜である。このように、通常は水処理に用いられる限外濾過膜を気体透過膜４１ａとして用いることで、微細孔４１ｂの直径を１０ｎｍ以下に設定できる。よって、ウイルス、細菌、及び真菌等の他、スギ花粉やヒノキ花粉等の異物が気体透過膜を通過するのを防止し、部屋内に戻される清浄空気にこれらの異物が混入するのを防止できる。
【００７２】
気体透過膜として、水処理で用いられる細孔の平均直径が４ｎｍの限外濾過膜（ＵＦ）を用いた場合、その二酸化酸素の透過速度は、現在知られている二酸化炭素選択分離膜の１０〜３０倍となる。このため、空気浄化システムの大幅な小型化とコストの低減を実現しながら、部屋２内の空気を効率よく浄化できる。また、減圧ポンプ等の設備を良好に省略できる。
【００７３】
また、本実施形態の空気浄化システム１では、制御部１５により第１空間側調整機構及び第２空間側調整機構を個別に制御することで、所定の二酸化炭素除去量を得るために必要となる空気供給量を得た上で、第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧を実質的に同等に調整された状態に調節し易くすることができる。
【００７４】
また気体透過膜４１ａは、中空糸膜であり、第１空間Ｓ１は、中空糸４１の内側に配置され、第２空間Ｓ２は、中空糸４１の外側に配置されているので、気体透過膜４１ａの膜面積を広く確保し、空気浄化システム１の大型化を一層防止し易くできると共に、気体透過膜４１ａによる空気の清浄効率を更に向上できる。
【００７５】
また、気体透過膜４１ａとして、例えば、限外濾過膜（ＵＦ）を用いた場合、微細孔の直径が１０ｎｍ以下に設定することが可能となるため、ウイルス、細菌、及び真菌等の他、スギ花粉やヒノキ花粉等は気体透過膜４１ａを通過できない。このため、部屋２内に戻される清浄空気にこれらの異物が気体透過膜４１ａを通過して混入するのを防止できる。
【００７６】
図５は、第１実施形態の変形例に係る空気浄化システムの部分構成図である。図５に示すように、当該システムは、第１供給配管Ｒ７、第１排出配管Ｒ８、第２供給配管Ｒ９、第２排出配管Ｒ１０を備える。また、当該システムの調整装置は、第１流量調節機構及び第２流量調節機構を有する。除去装置５４は、複数の膜モジュール１４を有する。
【００７７】
第１供給配管Ｒ７は、複数の膜モジュール１４の第１導入口１４ａ同士を接続すると共に、複数の第１導入口１４ａに一括してフィードガスを供給する。第１排出配管Ｒ８は、複数の膜モジュール１４の第１排出口１４ｂ同士を接続すると共に、複数の第１排出口１４ｂから排出された清浄空気を一括して戻り路Ｒ４に供給する。
【００７８】
第２供給配管Ｒ９は、複数の膜モジュール１４の第２導入口１４ｃ同士を接続すると共に、複数の第２導入口１４ｃに一括してスイープガスを供給する。第２排出配管Ｒ１０は、複数の膜モジュール１４の第２排出口１４ｄ同士を接続すると共に、複数の第２排出口１４ｄから排出された混合ガスを一括して排出路Ｒ２に供給する。
【００７９】
ここで、第１供給配管Ｒ７のバルブＶａから各膜モジュール１４に対応するバルブＶ１に至る間の気圧損失の差は、数％以下に抑制されている。また、第２供給配管Ｒ９のバルブＶｂから各膜モジュール１４に対応するバルブＶ２に至る間の気圧損失の差は数％以下に抑制されている。
【００８０】
第１流量調節機構は、第１供給配管Ｒ７の流量を調節する。第２流量調節機構は、第２供給配管Ｒ９の流量を調節する。本変形例では、第１流量調節機構はバルブＶａであり、第２流量調節機構はバルブＶｂである。
【００８１】
本変形例では、システムの駆動前に、定格流量において、各膜モジュール１４に対応するバルブＶ１，Ｖ２を調整することで、バルブＶ１，Ｖ２を含む各膜モジュール１４のフィードガスの流路の圧力損失を一致させると共に、各膜モジュール１４の平均気圧Ｐ１，Ｐ２が実質的に同等になるようにする。
【００８２】
次に、定格流量において、各膜モジュール１４に対応するバルブＶ３，Ｖ４を調整することで、バルブＶ３，Ｖ４を含む各膜モジュール１４のスイープガスの流路の圧力損失を一致させると共に、各膜モジュール１４の平均気圧Ｐ１，Ｐ２が実質的に同等になるようにする。
【００８３】
このような調整を行うことで、その後、第１及び第２流量調節機構により、各膜モジュール１４に供給するフィードガス及びスイープガスの流量を変化させても、各膜モジュール１４における平均気圧Ｐ１，Ｐ２は実質的に同等に維持される。
【００８４】
即ち上記構成によれば、例えば、第１空間側バルブ及び第２空間側バルブにより、各膜モジュール１４内の第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧を実質的に同等に調整した状態において、第１流量調節機構により第１供給配管Ｒ７の流量を調節し、第２流量調節機構により第２供給配管Ｒ９の流量を調節することで、各膜モジュール１４に導入される清浄化対象空気（フィードガス）及びスイープガスの流量を、各膜モジュール１４内の第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧を保持したまま調節できる。このため、流量変更に伴う各膜モジュール１４内の第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧調整の手間を省略でき、空気浄化システムを大幅に運転し易くすることができる。
【００８５】
なお、第１及び第２流量調節機構は、バルブに限定されず、例えば送風機のインバータ回路であってもよい。この場合、インバータ回路の周波数を変化させることで流量調節を行うことができる。また本変形例においては、バルブＶ１〜Ｖ４の少なくともいずれかとして、流量が調節済みのオリフィスを用いてもよい。なお、第１及び第２流量調整機構は、第１及び第２空間側調整機構の機能を一部または全部を兼ねていてもよい。以下、第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。
【００８６】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る除去装置１０４の外観図である。図７は、図６の除去装置１０４の断面図である。図６及び７に示すように、除去装置１０４は、複数のシート状の気体透過膜４２を含む積層型膜モジュール４４を有する。
【００８７】
具体的に除去装置１０４は、厚み方向に間隔をおいて配置された複数の気体透過膜４２を有する。気体透過膜４２の表面には、微細孔４２ａが分散して配置されている。一例として、複数の気体透過膜４２は、表面が上下方向に延びるように配置されている。
【００８８】
各々の気体透過膜４２の厚み方向一方側に隣接する気体透過膜４２との間に、第１空間Ｓ１が配置されている。また、各々の気体透過膜４２の厚み方向他方側に隣接する気体透過膜４２との間に、第２空間Ｓ２が配置されている。
【００８９】
除去装置１０４の側面には、複数の気体透過膜４２を貫通するように複数の配管（供給配管６、戻り配管７、送り配管８、及び排出配管９）が設けられている。
【００９０】
供給配管６は、供給路Ｒ１の下流端に接続される。スイープガスは、供給配管６を流通して第２空間Ｓ２に供給される。排出配管９は、排出路Ｒ２の上流端に接続される。混合ガスは、排出配管９を流通して排出路Ｒ２に排出される。送り配管８は、送り路Ｒ３の下流端に接続される。フィードガスは、送り配管８を流通して第１空間Ｓ１に供給される。
【００９１】
戻り配管７は、戻り路Ｒ４の上流端に接続される。第１空間Ｓ１を流通することにより二酸化炭素が除去され且つ酸素を含んだ清浄空気は、戻り配管７を流通して部屋２内に戻される。
【００９２】
図７に示す例では、フィードガスは、気体透過膜４２の表面に沿って、下方から上方に向かって流通する。またスイープガスは、気体透過膜４２の表面に沿って、上方から下方に向かって流通する。
【００９３】
第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２の気圧が実質的に同等に調整された状態において、フィードガス中の二酸化炭素分子は、微細孔４２ａを通じてスイープガス側に移動する。またスイープガス中の酸素分子は、微細孔４２ａを通じてフィードガス側に移動する。
【００９４】
このような構成を有する除去装置１０４を備える第２実施形態の空気浄化システムにおいても、第１実施形態と同様の効果が奏される。また除去装置１０４によれば、複数のシート状の気体透過膜４２を間隔（第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２）をおいて重ねて配置することで、除去装置１０４のサイズを抑制しながら気体透過膜４２の膜面積を広く確保できる。これにより、空気浄化システムの大型化を一層防止し易くできると共に、気体透過膜４２による空気の清浄効率を向上できる。
【００９５】
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、または削除できる。上記各実施形態は、互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成または方法を他の実施形態に適用してもよい。空気浄化システムの制御部は必須ではなく、例えば、オペレータが第１空間側バルブ及び第２空間側バルブを個別に制御してもよい。また、第１空間側バルブ及び第２空間側バルブのいずれか一方の代わりに、送風機のインバータ回路により流路の流量及び気圧を調節する機構を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９６】
Ｒ１    供給路
Ｒ２    排出路
Ｒ３    送り路
Ｒ４    戻り路
Ｒ７    第１供給配管
Ｒ９    第２供給配管
Ｓ１    第１空間
Ｓ２    第２空間
Ｖａ    バルブ（第１流量調節機構）
Ｖｂ    バルブ（第２流量調節機構）
Ｖ１，Ｖ２    バルブ（第１空間側調整機構）
Ｖ３，Ｖ４    バルブ（第２空間側調整機構）
１    空気浄化システム
４，１０４    二酸化炭素除去装置
５    調整装置
１４    膜モジュール
１４ａ    第１導入口
１４ｂ    第１排出口
１４ｃ    第２導入口
１４ｄ    第２排出口
４１    中空糸
４１ａ，４２    気体透過膜
４１ｂ，４２ａ    微細孔
【図１】
2020124684.tif 000003
【図２】
2020124684.tif 000004
【図３】
2020124684.tif 000005
【図４】
2020124684.tif 000006
【図５】
2020124684.tif 000007
【図６】
2020124684.tif 000008
【図７】
2020124684.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月23日(2019.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が５０ｎｍ以下の複数の微細孔を有する少なくとも１つの気体透過膜により仕切られた第１空間及び第２空間を含む二酸化炭素除去装置と、
部屋内から清浄化対象空気を前記第１空間へ導く送り路と、
前記清浄化対象空気よりも二酸化炭素濃度が低く且つ酸素濃度が高い清浄ガスを前記第２空間へ供給する供給路と、
前記第１空間側から前記気体透過膜を透過した二酸化炭素と前記清浄ガスとが混合されてなる混合ガスを前記第２空間から排出する排出路と、
前記清浄化対象空気から二酸化炭素が除去されてなる清浄空気を前記第１空間から前記部屋内へ導く戻り路と、
前記第１空間内及び前記第２空間内の気圧を実質的に同等に調整する調整装置とを備え、
前記第１空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄化対象空気が流れ、前記第２空間内に前記気体透過膜の表面に沿って前記清浄ガスが流れ、
前記二酸化炭素除去装置は、前記第１空間、前記第２空間、及び前記気体透過膜を含む少なくとも１つの膜モジュールを有し、
前記膜モジュールは、
前記清浄化対象空気を前記第１空間に導入する第１導入口と、
前記清浄空気を前記第１空間から排出する第１排出口と、
前記清浄ガスを前記第２空間に導入する第２導入口と、
前記混合ガスを前記第２空間から排出する第２排出口とを有し、
前記調整装置は、
前記膜モジュール内の前記第１導入口と前記第１排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調節可能に配置された少なくとも１つの第１空間側調整機構と、
前記膜モジュール内の前記第２導入口と前記第２排出口とを接続する流路における流量及び気圧を調整可能に配置された少なくとも１つの第２空間側調整機構と、
前記第１空間側調整機構と前記第２空間側調整機構とを個別に制御する制御部と、を有し、
前記第１空間側調整機構と前記第２空間側調整機構とが、バルブである、空気浄化システム。
【請求項２】
前記第１空間側調整機構は、前記清浄化対象空気から所定量の二酸化炭素を除去するために必要となる前記清浄化対象空気の供給量を確保した上で、前記第１空間の気圧を前記第２空間の気圧と実質同等とすべく調整可能なように配置されている、請求項１に記載の空気浄化システム。
【請求項３】
複数の前記膜モジュールの前記第１導入口同士を接続すると共に、複数の前記第１導入口に一括して前記清浄化対象空気を供給する第１供給配管と、
複数の前記膜モジュールの前記第２導入口同士を接続すると共に、複数の前記第２導入口に一括して前記清浄ガスを供給する第２供給配管とを更に備え、
前記調整装置は、
前記第１供給配管の流量を調節する第１流量調節機構と、
前記第２供給配管の流量を調節する第２流量調節機構とを更に有する、請求項１又は２に記載の空気浄化システム。
【請求項４】
前記気体透過膜が、限外濾過膜である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気浄化システム。
【請求項５】
前記気体透過膜は、中空糸膜であり、前記第１空間は、前記中空糸膜が含む中空糸の内側に配置され、前記第２空間は、前記中空糸の外側に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気浄化システム。
【請求項６】
前記送り路の途中に設けられた送風機を更に備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気浄化システム。