(57)【要約】【課題】  室内温度を一定に保ちながら相対湿度を低下させるとともに、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることが可能な除湿装置を得る。【解決手段】  ２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔１１が多数設けられた多孔質膜１と、この多孔質膜１の内側の水蒸気圧を多孔質膜１の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段である冷却媒体４とを備える。さらに、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔１１が多数設けられた多孔質膜１と、この多孔質膜１の内側の水蒸気圧を多孔質膜１の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段である冷却媒体４と、多孔質膜１の内側の気体から水分を分離する気液分離手段である気液分離器４と、この気液分離器４により水分が分離された気体を排気する排気手段である真空ポンプ８とを備える。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、
前記多孔質膜の内側の水蒸気圧を前記多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段と、
を備えた除湿装置。
【請求項２】
２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、
前記多孔質膜の内側の水蒸気圧を前記多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段と、
前記多孔質膜の内側の気体から水分を分離する気液分離手段と、
前記気液分離手段により水分が分離された気体を排気する排気手段と、
を備えた除湿装置。
【請求項３】
圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷凍手段と、この冷凍手段により冷却される冷却媒体とを備え、
冷却手段が前記冷却媒体により多孔質膜の内部の水蒸気圧を外部の水蒸気圧よりも低く保つ請求項１又は請求項２に記載の除湿装置。
【請求項４】
冷凍手段が冷却媒体を所定の温度に保つ請求項３に記載の除湿装置。
【請求項５】
冷却媒体が水である請求項３又は請求項４のいずれかに記載の除湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空気中の水分を除去する除湿装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の除湿装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備え、蒸発器が凝縮器よりも風上側に配置される。蒸発器は吸い込み空気の露点以下の蒸発温度になるように、膨張弁により制御される。蒸発器における蒸発温度が露点以下のため、空気中の水分が蒸発器で凝縮することにより除湿する。蒸発器で除湿された空気は温度が下がっており、しかも相対湿度が１００％と大きい。そこで、蒸発器で冷却・除湿された空気を凝縮器に供給して加熱することにより相対湿度を低下させ、乾燥空気を得ている。しかし、凝縮器の凝縮排熱で得られる加熱能力は蒸発器における冷凍能力よりも大きいため、室内の温度を一定にし、相対湿度を低下させることはできなかった。そこで、冷媒回路を切り替えて運転し加熱能力を調節することにより、室内温度を一定に保つ除湿装置が開示されている（例えば、特開平１１−１４２０１７）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４２０１７号公報（第５頁〜第８頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷媒回路を切り替えて加熱能力を調節することにより室内温度を一定に保つ従来の除湿装置は、暖房運転と冷房運転の切り替えが頻繁に発生する。この運転の切り替えに伴い、電磁弁、送風機も頻繁にＯＮ・ＯＦＦするため、装置の信頼性低下を招くという問題があった。また、運転の切り替えによって冷凍サイクルの動作点が大きく変化するため、圧縮機の消費電力が増加する問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、室内温度を一定に保ちながら相対湿度を低下させるとともに、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることが可能な除湿装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る除湿装置においては、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段とを備えたものである。
【０００７】
この発明に係る除湿装置においては、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段と、多孔質膜の内側の気体から水分を分離する気液分離手段と、この気液分離器により水分が分離された気体を排気する排気手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る除湿装置によれば、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段とを備えたので、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器等を順次接続してなる冷凍サイクル装置でないため、室内温度が低下することなく一定に保ちながら相対湿度を低下することができ、さらに、冷媒回路の切り替えが不要なため、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることができる。
【０００９】
また、この発明に係る除湿装置によれば、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段と、多孔質膜の内側の気体から水分を分離する気液分離手段と、この気液分離手段により水分が分離された気体を排気する排気手段とを備えたので、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器等を順次接続してなる冷凍サイクル装置でないため、室内温度が低下することなく一定に保ちながら相対湿度を低下することができ、さらに、冷媒回路の切り替えが不要で、多孔質膜に非凝縮性ガスが漏れて通過する場合であっても、非凝縮性ガスを排気するので水蒸気の透過性が高く、排気に必要な消費電力が低減されるため、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における除湿装置の構成を示す概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１における除湿装置における多孔質膜の断面図、図３は多孔質膜の動作を説明する図である。本実施例における除湿装置は、多孔質膜１、冷凍手段２、配管３、冷却手段である冷却媒体４、タンク５及びオーバフロー管６から構成される。
【００１１】
多孔質膜１は２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔１１が多数設けられる。細孔１１は、多孔質膜１の外側（除湿対象である室内側）と内側（配管３の内側と連通する側）とを連通し、多孔質膜１の外側及び内側の細孔１１の開口をそれぞれ開口１１ａ及び開口１１ｂとする。多孔質膜１は、例えばセラミック材料や高分子材料等により構成される。
【００１２】
冷凍手段２は、圧縮機２ａ、凝縮器２ｂ、絞り装置である膨張弁２ｃ及び蒸発器２ｄを備え、Ｒ２２やＲ４０４Ａ等の冷媒が充填される。蒸発器２ｄは、蒸発器２ｄの周囲に存在する冷却媒体４と熱交換する構造を備え、タンク５内の冷却媒体４を所定の温度に保つ。ここで、冷却媒体４は多孔質膜１の内側の空間を低温に冷却する冷却手段である。また、所定の温度とは、多孔質膜１の内側の水蒸気圧を多孔質膜１の外側の水蒸気圧よりも低く保つように、冷却媒体４が配管３を介して多孔質膜１内側の空間を冷却する温度である。なお、冷凍手段２は、図示しない隔絶手段により、除湿対象である多孔質膜１外側の室内空気と隔絶されて設けられ、冷凍手段２における凝縮器２ｂの凝縮排熱が室内空気を加熱しない。
【００１３】
冷却媒体４として水を用いる。後述するように、多孔質膜１を通して多孔質膜１外側の室内空気から多孔質膜１の内側へ取り込まれた水蒸気は、配管３を経由してタンク５内の冷却媒体４である水に加わり、冷却媒体４の水位を上昇させる。スピルオーバ管６は、タンク５内の水が所定の水位を超えると、タンク５外部の所定の場所に流出させ、タンク５からの水あふれを防止する。なお、タンク５内の水から蒸発した水蒸気は、図示しない隔絶手段により多孔質膜１外側の室内空気と隔絶され、室内空気に混入しないように構成される。また、所定の場所とは、スピルオーバ管６から流出した水から蒸発した水蒸気が室内空気に混入しないように設定される場所である。
【００１４】
次に、動作について説明する。
図３は多孔質膜１の細孔１１の断面を拡大したものであり、多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気を多孔質膜１の内側に移送する動作を説明する図である。室内空気中の水蒸気は、多孔質膜１外側の開口１１ａの室内側近傍に存在し水蒸気分圧の圧力勾配であるガス境膜中を拡散して、細孔１１内に入る。水蒸気は凝縮性ガスであり、細孔１１内で毛細凝縮した凝縮液膜４１となる。このように、多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気が多孔質膜１の細孔１１内に吸着される。
【００１５】
多孔質膜１の内側は飽和水蒸気で満たされ、冷凍手段２により所定の温度に保たれる冷却媒体４によって室内空気側よりも低温に保たれる。ここで所定の温度とは、多孔質膜１の内側の飽和水蒸気圧が多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気圧よりも低くなるように、冷却媒体４が多孔質膜１の内側の空間を冷却する温度である。多孔質膜１の内側の飽和水蒸気圧が多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気圧よりも低いので、多孔質膜１の内側のメニスカス面４１ｂで凝縮液が蒸発、すなわち多孔質膜１の細孔１１内に吸着された水分が多孔質膜１の内側の空間に脱着し、凝縮液膜４１における多孔質膜１の内側及び外側との界面であるメニスカス面４１ａ及び４１ｂにおいてメニスカス半径に差が生じる。したがって、凝縮液は、毛管吸引力の差によって多孔質膜１の内側の方向へ移動する。多孔質膜１外側のメニスカス面４１ａにおける凝縮潜熱が内側のメニスカス面４１ｂにおける蒸発潜熱に使用されるため、多孔質膜１の透過において水分はほとんど等温となる。多孔質膜１の内側に蒸発した水蒸気は、配管３の内壁又は配管３を経由して冷却媒体４の界面で凝縮して水となり、冷却媒体４に加わる。
【００１６】
このように、室内空気の温度を一定に保ちながら、多孔質膜１が外側の室内空気中の水蒸気を吸着と脱着とにより連続的に内側へ移送することが可能となる。さらに、細孔１１内で水蒸気が凝縮するために、窒素、酸素が多孔質膜１を透過するのを阻止することが可能となり、水蒸気の高い透過性能が得られる。
【００１７】
図４は多孔質膜１の水分の透過特性図である。図において、横軸は多孔質膜１の外側と内側との水蒸気圧差、縦軸は、単位面積、単位時間あたりの水の透過量である透過速度であり、水蒸気圧差が約３６（ｍｍＨｇ）で、約５０（ｍｏｌ／ｍ２ｈ）の水分を移動できる。以下に除湿能力の見積もり例を示す。
【００１８】
多孔質膜１外側の室内空気は、空気温度が２５℃、相対湿度が８０％である。このときの水蒸気分圧は、約１９（ｍｍＨｇ）である。タンク５内の水は冷却手段２によって冷却され所定の温度になるように制御されている。本実施の形態では、１５℃に制御されている。多孔質膜１の内側の水蒸気は１５℃の水と接しているため、多孔質膜１の内側の飽和水蒸気圧は約１３（ｍｍＨｇ）である。よって、多孔質膜１の外側と内側との水蒸気圧差は、約６（ｍｍＨｇ）となる。このときの多孔質膜１の水分の透過速度は、図４より、約８（ｍｏｌ／ｍ２ｈ）、すなわち約１５２（ｃｃ／ｍ２ｈ）となる。
【００１９】
この多孔質膜１を用いて、従来の除湿装置と消費電力を比較した結果を以下に示す。除湿対象の空気について、空気温度が２５℃、相対湿度が８０％である。従来の除湿装置としては、蒸発器との熱交換で水蒸気を凝縮して除湿する冷凍サイクル方式で、毎時６．５（ｋｇ）の水を除湿する除湿能力があり、冷凍サイクルにおける圧縮機の入力電力が２．２（ｋＷ）とする。すなわち、従来の除湿装置の消費電力は２．２（ｋＷ）である。
【００２０】
一方、本実施例の除湿装置としては、冷却媒体４である水の温度が１５℃、冷却媒体４を冷却する冷凍手段２における蒸発器２ｄの蒸発温度は５℃とし、冷却媒体４を１５℃に保つように制御される。従来の冷凍サイクル方式を用いた除湿装置の除湿能力と同じとするためには約４３（ｍ２）の多孔質膜の面積が必要となる。本実施例の除湿装置の冷却能力は、毎時６．５（ｋｇ）分の２５℃の水蒸気が１５℃まで冷却するのに必要な顕熱と、毎時６．５（ｋｇ）分の１５℃の水蒸気が液化するのに必要な凝縮潜熱とのエネルギの合計であり、約４．５（ｋＷ）となる。蒸発温度が５℃の蒸発器２ｄにおいて、約４．５（ｋＷ）の冷却能力を有する冷凍機の消費電力は１．５（ｋＷ）クラスとなる。したがって、従来の冷凍サイクル方式を用いた除湿装置と比較し、消費電力を３０％程度低減できる。
【００２１】
このように構成された実施の形態１による除湿装置によれば、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段とを備えたので、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器等を順次接続してなる冷凍サイクル装置でないため、室内温度が低下することなく一定に保ちながら相対湿度を低下することができ、さらに、冷媒回路の切り替えが不要なため、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における除湿装置の構成を示す概略構成図である。図において、多孔質膜１、冷凍手段２、冷却媒体４及びタンク５は、図１に示す実施の形態１の構成と同じである。気液分離手段である気液分離器７は、その内側の空間が露点以下に冷却されることにより、水蒸気の混じった気体から分離された水４２が気液分離器７の底部にたまる。図示しない隔絶手段により、水蒸気が分離された乾燥空気である非凝縮性の気体と、水蒸気分離前の気体及び水４２から蒸発する水蒸気とが隔絶される。気液分離器７の内側の空間は、配管３ａを介して多孔質膜１の内側と連通され、また、配管３ｂを介して排気手段である真空ポンプ８と連通される。気液分離器７の内側の空間は冷却手段である冷却媒体４により冷却され、気液分離器７の内側と連通する多孔質膜１の内側の水蒸気圧が多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気圧よりも低く保たれる。真空ポンプ８により吸引される気液分離器７の内部の気体は、水分が分離されて水蒸気を含まない非凝縮性の気体であり、配管３ｃを経由して室外へ排出される。
【００２３】
次に動作について説明する。
多孔質膜１の動作は実施の形態１と同様である。すなわち、室内空気中の水蒸気は、多孔質膜１外側の開口１１ａの室内空気側近傍に存在するガス境膜中を拡散して細孔１１内に入る。水蒸気は凝縮性ガスであり、細孔１１内で毛細凝縮した凝縮液膜４１となる。このように、多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気が多孔質膜１の細孔１１内に吸着される。
【００２４】
多孔質膜１の内側は飽和水蒸気で満たされる。冷凍手段２により所定の温度に保たれる冷却媒体４によって気液分離器７の内部の空間が室内空気側よりも低温に冷却される。気液分離器７の内部の気体が配管３ａを介して多孔質膜１の内側を冷却する。ここで所定の温度とは、多孔質膜１内側の飽和水蒸気圧が多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気圧よりも低くように、冷却媒体４が、気液分離器７及び配管３ａを介して、多孔質膜１の内側の空間を冷却する温度である。多孔質膜１内側の飽和水蒸気圧が多孔質膜１外側の室内空気の水蒸気圧よりも低いので、多孔質膜１の内側のメニスカス面４１ｂで凝縮液が蒸発、すなわち多孔質膜１に吸着された水分が多孔質膜１の内側に脱着し、凝縮液膜４１における多孔質膜１の内側及び外側との界面であるメニスカス面４１ａ及び４１ｂにおいてメニスカス半径に差が生じる。したがって、凝縮液は、毛管吸引力の差によって多孔質膜１の内側へ移動する。多孔質膜１外側のメニスカス面４１ａにおける凝縮潜熱が内側のメニスカス面４１ｂにおける蒸発潜熱に使用されるため、多孔質膜１の透過において水分はほとんど等温となる。多孔質膜１の内側に蒸発した水蒸気は、配管３の内壁、配管３ａを経由して気液分離器７の内壁又は分離された水４２の界面で凝縮し、気液分離器７の底にたまる。
【００２５】
しかし、実際には非凝縮性のガスである乾燥空気の一部が漏れて多孔質膜１を通過し、多孔質膜１の内側に水蒸気とともに混在する。この非凝縮性ガスが多孔質膜１の内側に存在すると、水蒸気が多孔質膜１を通過することを阻害する。排気手段である真空ポンプ８を用いて非凝縮性ガスを排出することにより、多孔質膜１外側の開口１１ａの室内空気側近傍にあるガス境膜の厚さが薄くなり、多孔質膜１外側の室内空気中の水蒸気が多孔質膜１の細孔１１に浸入して毛管凝縮することと、多孔質膜１の内側のメニスカス面４１ｂで凝縮液４１が蒸発することを促進して、水蒸気の透過性が高くなる。また、非凝縮性ガスのみを排気するので、真空ポンプの消費電力を小さくすることができる。以下に除湿能力の見積もり例を示す。
【００２６】
比較対象である従来の除湿装置は、実施の形態１で比較したものと同じとする。多孔質膜１の水分透過特性は実施の形態１の図４の特性と同じで、蒸発器との熱交換で水蒸気を凝縮して除湿する冷凍サイクル方式で、毎時６．５（ｋｇ）の水を除湿する除湿能力があり、冷凍サイクルにおける圧縮機の入力電力が２．２（ｋＷ）とする。すなわち、従来の除湿装置の消費電力は２．２（ｋＷ）である。また、多孔質膜１の特性も、実施の形態１における図４と同じとする。また、多孔質膜１外側の室内空気も実施の形態１と同様に、空気温度が２５℃、相対湿度が８０％である。また、冷却媒体４である水の温度が１５℃、冷却媒体４を冷却する冷凍手段２における蒸発器２ｄの蒸発温度は５℃とし、冷却媒体４を１５℃に保つように制御される。実施の形態１と同様に、従来の除湿装置と同等の除湿能力を得るための冷却能力を有する冷凍機の消費電力は、１．５（ｋＷ）クラスとなる。
【００２７】
さらに、多孔質膜１を乾燥空気の一部である非凝縮性ガスが漏れて通過するために、この非凝縮性ガスを排出するための真空ポンプ８の消費電力が加わる。多孔質膜１において非凝縮性ガスが漏れて通過する量を毎分０．０１（ｃｃ／ｍ２）とすると、真空ポンプ８の排気速度は毎分５０（リットル）程度に抑えればよく、真空ポンプ８の消費電力は０．２（ｋＷ）程度となる。しがたって、本実施の形態における除湿装置の消費電力は合計で約１．７（ｋＷ）となり、従来の冷凍サイクル方式を用いた除湿装置と比較し、消費電力を２０％程度低減できる。
【００２８】
このように構成された実施の形態２による除湿装置によれば、２〜５オングストローム（Å）の穴径の細孔が多数設けられた多孔質膜と、この多孔質膜の内側の水蒸気圧を多孔質膜の外側の水蒸気圧よりも低く保つ冷却手段と、多孔質膜の内側の気体から水分を分離する気液分離手段と、この気液分離器により水分が分離された気体を排気する排気手段とを備えたので、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器等を順次接続してなる冷凍サイクル装置でないため、室内温度が低下することなく一定に保ちながら相対湿度を低下することができ、さらに、冷媒回路の切り替えが不要で、多孔質膜に非凝縮性ガスが漏れて通過する場合であっても、非凝縮性ガスを排気するので水蒸気の透過性が高く、排気に必要な消費電力が低減されるため、装置の信頼性向上と消費電力の低減を図ることができる。
【００２９】
上記の実施の形態１及び実施の形態２の説明において、冷却手段として冷却媒体４を用いたが、ペルチェ素子等の他の冷却手段を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１における除湿装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における除湿装置における多孔質膜の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における除湿装置における多孔質膜の動作を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１における除湿装置における多孔質膜の水分の透過特性図である。
【図５】この発明の実施の形態２における除湿装置の構成を示す概略構成図である。。
【符号の説明】
【００３１】
１  多孔質膜
１１  細孔
１１ａ  細孔の多孔質膜外側の開口
１１ｂ  細孔の多孔質膜内側の開口
２  冷凍手段
２ａ  圧縮機
２ｂ  凝縮器
２ｃ  絞り装置である膨張弁
２ｄ  蒸発器
３  配管
３ａ  配管
３ｂ  配管
４  冷却手段である冷却媒体
４１  凝縮液膜
４１ａ  凝縮液膜の多孔質膜外側のメニスカス面
４１ａ  凝縮液膜の多孔質膜内側のメニスカス面
４２  多孔質膜内側の気体から分離された水
５  タンク
６  オーバフロー管
７  気液分離手段である気液分離器
８  排気手段である真空ポンプ
【図１】
2006015186.tif 000003
【図２】
2006015186.tif 000004
【図３】
2006015186.tif 000005
【図４】
2006015186.tif 000006
【図５】
2006015186.tif 000007