(57)【要約】  ガス流を除湿するためのプロセスおよび装置を提供する。本プロセスは、ａ）少なくともそのいくつかが毛管凝縮を生じることができるように動作可能にサイズ設定された複数の孔と、第１の側部と、第２の側部とを備えた浸透膜を有する半透壁を提供するステップと、ｂ）半透壁によって部分的に形成された区画内に浸透流体を収容するステップであって、浸透膜の第２の側部は、浸透流体に露出するステップと、ｃ）浸透膜の第１の側部を除湿されるガス流に露出するステップと、ｄ）除湿プロセス中に、浸透膜全体に十分高い水濃度勾配を保持して、浸透膜を通る水の流量を得るステップとを含む。該装置は、少なくとも１つの半透性浸透壁と、浸透壁によって部分的に形成された少なくとも１つのガス流区画と、浸透壁によって部分的に形成された少なくとも１つの浸透流体区画とを含む。各半透性浸透壁は、第１の側部と第２の側部とを備えた浸透膜を有する。各浸透膜の第１の側部はガス流区画に露出し、各浸透膜の第２の側部は浸透流体区画に露出する。
2010501065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流を除湿するためのプロセスであって、
そのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように十分小さい、複数の孔と、第１の側部と、第２の側部とを備えた浸透膜を有する半透壁を提供するステップと、
前記半透壁によって部分的に形成された区画内に浸透流体を収容するステップであって、前記浸透膜の前記第２の側部は、前記浸透流体に露出するステップと、
前記浸透膜の前記第１の側部を除湿される前記ガス流に露出するステップと、
前記除湿プロセス中に、前記浸透膜にわたって十分高い水濃度勾配を維持して、前記浸透膜を通る水の流量を得るステップと、を含む、プロセス。
【請求項２】
浸透層は、前記第１の側部と第２の側部との間に延在する厚さを有し、前記厚さは、前記除湿プロセス中に、水架橋が前記第１の側部から前記第２の側部の方へ延在するような厚さである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記浸透層の厚さは、約５ナノメートルから１００ナノメートルの間である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記半透壁は、可撓性である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記半透壁は、折り畳み構造を含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記折り畳み構造は、複数のひだを含む、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記半透壁は複数の管を形成し、前記浸透流体は前記管の内側に配置される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記半透壁は複数の管を形成し、前記浸透流体は前記管の外側に配置される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記浸透流体を再生して、高濃度の溶質を前記浸透流体内に維持するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記浸透流体を再生するステップは、前記浸透流体から余分な水を蒸発させるステップを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記浸透流体を再生するステップは、溶質を前記浸透流体に添加するステップを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記浸透流体は、前記浸透流体内にその飽和限度を上回る溶質を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
除湿のための装置であって、
毛管凝縮を生じることができるように十分小さいいくつかの孔と、第１の側部と、第２の側部とを備えた浸透膜を有する、少なくとも１つの半透性浸透壁と、
前記浸透壁によって部分的に形成された、少なくとも１つのガス流区画であって、前記各浸透膜の第１の側部は、前記ガス流区画に露出するガス流区画と、
前記浸透壁によって部分的に形成された、少なくとも１つの浸透流体区画であって、前記各浸透膜の第２の側部は、前記浸透流体区画に露出する浸透流体区画と、を備える、装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの浸透流体区画内に配置され、浸透膜層の前記第２の側部と接触する、浸透流体をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記浸透流体は、前記浸透流体内にその飽和限度を上回る溶質を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの浸透壁は、折り畳み構造を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
浸透層は、前記第１の側部と第２の側部との間に延在する厚さを有し、前記厚さは、前記除湿プロセス中に、水架橋が前記第１の側部から前記第２の側部の方へ延在するような厚さである、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記浸透層の前記厚さは、約５ナノメートルから１００ナノメートルの間である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記半透性浸透壁は、可撓性である、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
浸透流体再生器をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
ガス流を除湿するためのプロセスであって、
そのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように十分小さい複数の孔を備えた浸透膜を有する半透壁を提供するステップと、
前記半透壁によって部分的に形成された区画内に浸透流体を配置するステップと、
前記浸透膜を利用して、浸透流体が前記半透膜を通過しないようにするステップと、
前記浸透膜内の毛管凝縮によって、前記ガス流から水蒸気を除去するステップと、
前記除湿プロセス中に、前記浸透膜に十分高い水濃度勾配を維持して、前記浸透膜を通る水の流量を得るステップと、を含む、プロセス。
【請求項２２】
除湿のための装置であって、
毛管凝縮を生じることができるように十分小さいいくつかの孔を備えた浸透膜を有する、少なくとも１つの半透性浸透壁と、
前記浸透壁によって部分的に形成された、少なくとも１つのガス流区画と、
前記浸透壁によって部分的に形成された、少なくとも１つの浸透流体区画と、
前記浸透流体区画内に配置される浸透流体であって、該浸透流体は、前記浸透膜を通る水の流量を生じさせるのに十分大きな水濃度勾配を前記浸透膜にわたって生じさせるのに十分大きな溶質濃度を有する浸透流体と、を備え、
前記浸透膜は、実質的に全ての浸透流体を前記浸透流体区画内に維持し、前記ガス流区画内に配置されたガス内に含まれる水蒸気を凝縮するように動作可能である、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
出願人は、米国特許法１１９条（ｅ）に基づき、２００６年８月１４日出願の米国特許出願番号第１１／５０３，７１２号の優先権を主張し、その開示をここに援用する。
【０００２】
本発明は、空気等のガス流を調節するプロセスおよび装置に関し、特にガス流の除湿に関する。
【背景技術】
【０００３】
空気等のガス流の調節は、概して、ガス流をその意図する環境に適したものとするために、水分の除去または添加、および温度の上昇または低下を伴う。温暖な天候での空気調節の場合は、一般的に、空気の快適なレベルへの除湿および冷却を伴う。
【０００４】
現在の除湿技術は、一般的に、従来の冷媒蒸気圧縮サイクル（以下、ＤＸ技術と称する）、または乾燥基質捕集技術（以下、ＤＳ技術と称する）に基づいたものである。ＤＸ技術では、室内の空気および／または外気のような湿度の高い供給空気を、圧縮側での外部排熱によって、水蒸気の凝縮点まで冷却する必要がある。これには、通常、供給空気を快適温度よりも低く冷却し、その後、再加熱するか、または暖かい空気と混合して、除湿されている空間に該空気が導かれる前に、その温度を許容可能なレベルまで上昇させる必要がある。高湿度の空気を冷却する際に費やされるエネルギの２０乃至３５％が、空気からの潜熱（水蒸気凝縮に関連する凝縮熱）を除去するのに利用される。このようにして、空気の冷却と除湿が結び付けられる。これは、快適性パラメータを独立して制御することを不可能にし、全体的なシステムの観点から、顕熱および潜熱の独立制御が可能となる技術よりも、ＤＸサイクルを非効率的なものにする。
【０００５】
外気が高温多湿であり、内部空間がその本来の機能を果たすために使用されると水蒸気レベルが高くなる場合（例えば、人の集まった会議場、運動室、校舎等）の適用においては、ＤＸ技術は、内部空間に導かれた空気を、快適性を保持するのに適切な湿度および温度に保持することができない場合がある。さらに冷却してさらに水を除去すると、空気が不快なまでに冷却されることになるので、供給される空気は冷たいが「蒸し暑く」感じる。
【０００６】
従来の圧縮サイクルを使用した独立型の除湿では、熱は、室内空気と直接接触して除去される。その結果、室内空気は、湿度については快適になるが、温度パラメータの観点からはあまり快適ではない（暖かすぎる）場合がある。やはり、快適性パラメータが結び付けられる。
【０００７】
ＤＳシステムは、概して、中央空調ダクトシステムに適用される。水蒸気は、毛管凝縮を生じるのに適切なサイズ（一般的に１００オングストローム未満）の細孔を含む固相基質上での毛管凝縮によって捕集される。捕集プロセスは、効率的かつ迅速である。しかしながら、水の固有蒸気圧が、ケルビン方程式に対応して低下する場合の、細孔からの水蒸気の除去には、エネルギー入力が必要である。また、再蒸発エネルギーを加える前に、基質を高湿度の空気流から除去し、該基質を排気、水除去流内に配置する必要もある。代替的に、基質を固定したままとして、処理済空気流と排気流との流れ方向を、並列ベッドの乾燥剤による乾燥システム内で行われるように、入れ換えることができる。
【０００８】
これらのＤＳシステムでは、再蒸発エネルギは、基質細孔材料内の水蒸気の凝縮の潜熱に吸着熱を加えたものである。ＤＳ技術では、定常状態運転において、乾燥基質内の水の凝縮の潜熱以上の割合で、このエネルギを加えることが必要であることに留意されたい。すなわち、水蒸気の除去のための入力する電力は、同等の凝縮潜熱の電力よりも大きくなければならない。乾燥基質から水を除去した後に、基質が水を捕集する温度範囲まで、基質を再冷却しなければならない。その結果、後続の冷却システム（例、ＤＸ冷却システム）の顕熱の一部は、除湿された空気を冷却するためにではなく、ＤＳ基質を処理する際に利用しなければならない。
【０００９】
ＤＳ技術の利点は、外気および／または再循環させた空気の湿度レベルを、後続の冷却ステップとは独立して調整できることである。不利な点は、水蒸気の捕集および除去のために、基質および処理済空気流を互いに移動させなければならないことである。これには、密閉システム内を通して大きな気質を移動させるか、または、平行ベッドのＤＳシステムでは、乾燥剤ベッドに、湿度の高い空気流と排気流とを交互に移動させるように、複雑な弁調節および弁サイクルが必要である。ここでも、典型的な独立型でダクトの無い室内型の除湿器への適用は、不可能でないとしても困難である。
【００１０】
米国特許第６，５３９，７３１号は、浸透流体から湿度の高い空気を分離する多孔壁を利用した、別のタイプの除湿を開示している。この多孔壁は、毛細管凝縮層と浸透層とを含む。毛細管凝縮層は、空気中の水蒸気を液体状態に凝縮させるのに十分小さいサイズに設定された細孔を有する、セラミック材料から形成される。水濃度勾配から得られる浸透駆動力は、毛細管凝縮層および連続した浸透層を通じて、凝縮水を浸透流体に運ぶ。浸透層は、実質的に全ての浸透流体が毛細管凝縮器に入らないようにする。このタイプの装置は、１リットル／平方メートル−時間を上回る流量での水輸送を促進する上で効果的である。しかしながら、ある状態の下では、毛細管凝縮器の細孔構造が不安定になり、湿度の高い環境において、比較的短期間で劣化する可能性がある。加えて、毛細管凝縮器は、一般的に、剛性材料で作製され、したがって、剛体が許容される用途に制限される。すなわち、剛性の毛細管凝縮器は、可撓性の装置が必要な用途に使用することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、従来技術の欠点を解決する、ガス流を除湿するためのプロセス及び装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ガス流から水を除去するための効率的な方法および手段を提供することを目的とし、除湿レベルは、ガス流が調節される空間に排出される前に、そのガス流を（快適性または他の目的のために）最終的に冷却しなければならない温度と相互依存しない。
【００１３】
本発明の一側面によれば、ガス流を除湿するためのプロセスが提供され、当該プロセスは、以下のステップを含む。すなわち、ａ）少なくともそのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように動作可能に寸法設定された複数の細孔と、第１の側部と、第２の側部とを備えた浸透膜を有する半透壁を提供するステップと、ｂ）半透壁によって部分的に形成された区画内に浸透流体を収容するステップであって、浸透膜の第２の側部は、浸透流体に露出するステップと、ｃ）浸透膜の第１の側部を、除湿されるガス流に露出するステップと、ｄ）除湿プロセス中に、浸透膜前後に十分高い水濃度勾配を維持して、浸透膜を通って、第１の側部から第２の側部の方へ向かう水の流量を得るステップである。
【００１４】
本発明の別の側面によれば、ガス流を除湿するための装置が提供される。本装置は、少なくとも１つの半透性浸透壁と、浸透壁によって部分的に形成された少なくとも１つのガス流区画と、浸透壁によって部分的に形成された少なくとも１つの浸透流体区画とを含む。各半透性浸透壁は、毛管凝縮を生じることができるように十分小さい、いくつかの細孔を有する浸透膜と、第１の側部と、第２の側部とを有する。各浸透膜の第１の側部はガス流区画に露出し、各浸透膜の第２の側部は浸透流体区画に露出する。
【００１５】
本発明のプロセスおよび装置の両方において、浸透流体区画は、半透壁の第２の側部によって部分的に形成される。ほとんどの場合、ガス流区画は、半透壁の第１の側部によって部分的に形成される。ガス流区画は、完全に閉じ込められた形態でなくてもよく、例えば、ガス流がそれを通過することができる配管の形態をとってもよい。ガス流（例えば、高湿度の外気および／または再循環させた屋内の空気）は、ガス流区画に入ってこれを通るように導かれて、浸透膜の第１の側部を通過する。ガス流内の水蒸気は、凝縮して、膜を通って、第１の側部から第２の側部の方へ向かい、浸透流体内に移動する。水が膜を通じて移動する際、水は、おそらく、第１の側部および第２の側部の両方に対して垂直な方向のみに移動ということはないであろう。むしろ、浸透膜を通る経路は、横方向の成分と、垂直な成分とを含む可能性が高い。しかしながら、全体としては、膜を通る水が通る経路は、第１の側部から第２の側部の方へ向かうものと説明することができる。湿気が少なくなったガス流はガス流区画を出るが、次いで、必要に応じて別個の空気調節装置で冷却することができる。
【００１６】
半透性浸透壁は、一般的に、浸透膜を備えたマクロ多孔性支持体を含む。典型的な半透性浸透膜の厚さは、１００ナノメートル未満である。膜は、その厚さ全体にランダムに配列され、浸透膜内で内側面構成によって形成された、複数の孔（細孔）を備える。孔のうちのいくつかは、毛管凝縮を生じることができるように互いに十分近くに位置決めされた表面によって形成される。われわれの調査によって、これらの孔内で形成された液体は、隣接する孔内で形成された液体とつながり、集合的に、連続した液体の経路（本願明細書では「液橋」と称する）を形成することが分かった。われわれが考える過程で、または他の過程で形成されたこれらの「液橋」は、半透膜の厚さ全体に延在し、それによって、水が、浸透膜の第１の側部から第２の側部の方へ向かって集合的に移動できる経路を提供する。膜は非常に薄いので、膜全体の水濃度勾配が大きくなり得る。これによって、湿度の高い空気と浸透流体との間の水輸送に対して、大きな駆動力を提供することができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、浸透流体は、水に溶解された溶質であり、該溶質は、イオン濃度が高く（例えば、塩）、浸透層は、水は透過させるが溶液中のイオンは透過させない膜である。溶質、および浸透流体を構成する他の添加剤の選択は、膜を通じた移送特性によって決定される。例えば、溶質および浸透膜は、溶質が浸透膜を通じて湿度の高い空気に向かって流れないようにするために、水和した溶質分子のサイズが、浸透膜の孔サイズよりも大きくなるように選択される。また、溶質は、溶質の分子が、半透性浸透膜の孔内に滞留し、それによって、半透性浸透膜の孔を塞ぐことがないようにも選択される。半透膜から浸透流体内に凝縮水が流れるようにするために、高濃度の溶質を浸透流体内に保持して、膜全体に高い水濃度勾配を保持する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、浸透流体は、グリセロールまたはエチレングリコールのような、全ての濃度において水と混和可能なものである。ここで、流体は、浸透流量を最大化するために、低水濃度で維持することができる。典型的な膜は、グリセロールに対しては、水に対しての約１０００分の１の浸透性を有する。しかしながら、いくらかの逆移送が生じる場合がある。
【００１９】
場合によっては、膜を通じた流量が最大になるように選択した溶質とともに、殺菌成分を浸透流体に添加することができる。殺菌成分は、含水環境内に自然に生じて、最終的には膜または孔を塞いでしまう、微生物の表面での成長、または表面への生物付着を防ぐように選択される。イオン種として浸透流体中に存在することができる殺菌性または静菌性添加剤の例には、銀および銅が挙げられる。これらの単純なイオン抗菌剤に加えて、低い濃度の、４原子のアミンまたはグルタルアルデヒドのような、低い濃度の大きな分子を用いることができる。グルタルアルデヒドは、他の大部分の化学薬品よりも腐食性が少なく、プラスチックを傷めない、滅菌剤および消毒剤の一例である。例えば、漂白剤（例えば、次亜塩素酸）は、抗菌物質であるが、腐食を促進するので、浸透流体への好適な添加剤とはならない。
【００２０】
高溶質濃度の浸透流体は、複数の異なる方法で維持することができ、その方法には、１）余分な水を、蒸発させるなどして流体から除去すること、２）溶質を、適切な時間または間隔で補充すること、および／または３）浸透流体内の水濃度が、溶質によって水を完全に飽和させるのに必要な程度を超えたときに自動的に溶解する、過剰な溶質（未溶解）を流体に提供することが挙げられる。高い溶質濃度を維持するために、他の手法または手法の組み合わせを使用することもできる。
【００２１】
しかしながら、除湿装置は、浸透流体を再生する手段を含むことが好ましく、これにより、浸透流体内の溶質の濃度を高く維持し、したがって、装置の運転中に、浸透層全体に高い水濃度勾配を維持する。再生手段は、例えば、連続的に、または必要に応じて浸透流体から余分な水を蒸発させるように運転可能な装置を含むことができる。
【００２２】
本発明の主な利益の１つは、流入する空気の湿度を温度から独立して制御できることである。水は、流入した湿度の高いガス流から凝縮することができるが、これには、浸透壁が、空気流から潜熱を除去する必要なしに、迅速かつ効率的に水蒸気を除去する（すなわち、水分を、周囲温度でガス流から除去することができる）という能力を利用する。浸透膜において凝縮した水は、膜全体に水濃度勾配を維持することによって、浸透流体内へ移動させられる。浸透膜全体の水濃度勾配は、浸透流体内の水の濃度を十分低くさせる（すなわち、溶質または混和性流体の濃度が高い）ことによって、形成および維持される。空気から除去された水蒸気が、処理済空気と接触せずに排気領域へ除去された場合、除湿されたガス流は、標準的な空気調節サイクルを使用するような、適切な手段によって任意の所望の温度に冷却することができる。流入空気流は、したがって、その湿度および温度を別々に制御することによって、より快適なものとなる。
【００２３】
本発明によって提供される別の利点は、従来技術の方法に必要なエネルギよりも少ないエネルギを使用して、ガス流を除湿できることである。例えば、本発明に対する再蒸発の所要電力は、例えば乾燥剤ベッドを再加熱することによって、水をシステムから除去する場合よりも低い。その理由は、浸透流体が、捕集した水蒸気に対する潜在的なエネルギバッファとして機能する（すなわち、水蒸気が凝縮されたときに放出される凝縮熱が、浸透流体によって緩衝される）からである。余分な水を（例えば、分離または再蒸発によって）浸透流体から除去するのを補助するのにエネルギ源を使用することが必要、または望ましい場合があるが、本プロセスは、例えば乾燥剤ベッドが通常オフラインで加熱される、ＤＳサイクルの類似したステップと比較して、比較的単純でエネルギ効率が良いものとなり得る。
【００２４】
本発明の方法および装置は、可動部品がほとんど無く、除湿能力が持続するというさらなる利点を有する。蓄積された除去水を最終的には除去して、エネルギを費やさなければならないが、このような水の除去を行わずに、装置の運転を長期間にわたって続けることができる。それが可能な理由は、水が生成される際と同じ速度で、または同時に、水を分離または再蒸発させる必要が無いからである。水が外部に導かれる場合、または湿度の低い廃棄流が存在する場合、あるいは、好ましくは、（空気調節システムの凝縮器または圧縮器のような）廃熱源が存在する場合は、システムがさらなる操作を行うことなく、水を段階的に蒸発させることができる。
【００２５】
本発明のさらに別の利点は、空気処理装置のダクト、自動車、トラック、および船のパネル、家および社屋の壁、ハイカーおよび手術室内の医師の衣類、および湿度の高い環境で眠る人々のベッドリネンのような、特異な輪郭で使用できる、ガス流を除湿するための方法および手段が提供されることである。膜は、浸透溶液が隣接する空間に含められた状態で、除湿される容量の境界の輪郭に成型されることができる。本浸透壁は、剛性または可撓性の区画内に構成することもでき、この壁は、折り畳まれるか、または、他の方法で、例えば区画全体に延在する平面の壁よりもはるかに大きな表面積を提供するように構成される。その結果、浸透壁を通る全体の流量が著しく高められる。
【００２６】
本発明の方法および装置のこれらの、および他の目的、特徴、および利点は、以下に示される本発明の詳細な説明および添付図面に照らすことで明らかとなろう。下記に述べる方法および装置は、本発明の基礎となる好適な実施形態を構成するものであり、したがって、当業者に、本願明細書に開示された本発明を考慮することによって明らかとなるであろう本発明の全ての側面を包含するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態の特徴を組み込んだ、空気調節システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態の特徴を組み込んだ、空気調節システムの概略図である。
【図３】本発明の教示に従って構成した装置の概略分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１および２は、閉鎖空間１０２内のガス（例えば、空気）を調節するための空気調節システム１００を概略的に示す図である。システム１００は、除湿装置１０４（破線内の構成要素によって表される）と、冷却装置１０６とを含む。除湿装置は、除湿器１０８と、蒸発器１１０とを含む。本実施形態では、蒸発器は、補助ヒータ１１２を含む。除湿器１０８は、空気流区画１１６と浸透流体区画１１８とに分割されるエンクロージャ１１４として、概略的に示される。区画１１８は浸透流体を含み、該流体は、溶質をその中に溶解させた水である。区画１１６、１１８は、後述するように、浸透膜１２６を備えた半透性浸透壁１２０によって分離される。
【００２９】
半透性浸透壁および浸透流体の特性および特徴、ならびにそれらの相互関係を詳細に説明する前に、まず、それらが組み込まれた空気調節システム１００の全体的な動作を概略的に理解することが有用である。
【００３０】
システム１００は、一般的に、以下のように動作する。ファン１２８または他の好適な空気流発生器は、矢印１３０で表されるように、湿度の高い外気を入口ダクト１３２内へ引き込み、空気流区画１１６を通るように吹き付ける。ダクト１３２内の弁１３４は、除湿要件に応じて、バイパスダクト１３６を通じて、除湿器周辺の空気の全てを、または一部を導くか、またはいかなる空気も導かないことができる。この概略図では、弁１３４は、空気流が除湿器１０８を出るときの湿度を測定するセンサ１３５からの信号に基づいて制御される。
【００３１】
空気が区画１１６を通過するときに、空気中の水蒸気は、浸透膜１２６の孔内において液体状態に凝縮する。水は、その後浸透膜１２６を通じて区画１１８内の浸透流体に移動する。これで空気の湿度が下がり、ダクト１３９を通じて空気流区画１１６を出て、任意の所望のタイプ冷却装置１０６に導かれる。冷却装置１０６は、必要に応じて、または望ましい場合に空気を冷却し、矢印１３７で示されるように、その空気をダクト１４１を介して、調節されている閉鎖空間１０２内に排出する。冷却および除湿された空気の一部は、その一部をダクト１３８を介して入口ダクト１３２に返すなどによって、流入外気１３０と混合されるように、除湿器および冷却装置を通じて再循環させてもよい。弁１４０等は、再循環させる空気の量を制御し、外気１３０および空間１０２内の空気のいずれかまたは両方の湿度および／または温度のような、任意の数のパラメータに対応することができる。図１には示されていないが、空間１０２内の調節された空気は、除湿が必要でなければ、冷却装置だけを通じて再循環させることもできる。
【００３２】
さらに、システム１００の動作に関して、浸透溶液は、ダクト１４２を介して区画１１８を出て、蒸発器１１０を通過して、ダクト１４４を介して区画１１８に戻る。上述のように、蒸発器１１０は、浸透流体を再生するための手段の一例であり、本発明は、蒸発器１１０とともに使用することに限定されない。蒸発器１１０では、浸透流体内の水は、区画１１８内の浸透流体を所望の水濃度に維持するように選択された速度で、大気中に蒸発する。図１に示されるように、補助ヒータ１１２およびダクト１４２内のポンプ１４６を使用して、蒸発の速度に作用することができる。それらの動作は、区画１１８内の浸透流体の水濃度を監視するセンサ１４８からの信号によって制御される。蒸発器１１０内の水を蒸発させるのに必要な補助熱は、冷却装置１０６からの廃熱とすることができるが、この熱伝達は図１には示されていない。
【００３３】
浸透流体の適切な水濃度を維持するための代替の方法は、浸透流体を、区画１１８から、外気に露出された表面積の大きなオーバーフローパン内に導くことである。適切な水濃度を有する新鮮な浸透流体は、必要に応じて該区画に給送される。
【００３４】
半透性浸透壁１２０は、一般的に、浸透膜１２６を支持するマクロ多孔性構造体１４９を含む。マクロ多孔性構造体１４９は、浸透膜１２６と同じ材料、異なる材料、またはそれらを組み合わせた材料を含むことができる。マクロ多孔性構造体１４９は、浸透膜１２６の一方または両方の側部に配置されるか、または浸透膜１２６と一体化される。マクロ多孔性構造体１４９は、一般的に、多孔性であり、使用される特定のマクロ多孔性構造体１４９および浸透膜１２６に対する該構造体の位置に応じて、水蒸気を浸透膜１２６の第１の側部に接触させることができる、および／または浸透流体を浸透膜１２６の第２の側部に接触させることができる、セル、孔等を有する。図１は、例示目的で、浸透膜１２６の第２の側部上にマクロ多孔性構造体を概略的に示している。
【００３５】
浸透膜１２６は、一般的に厚さが約５ナノメートル乃至１００ナノメートルの範囲である親水性の膜である。浸透膜１２６を通る流量は、浸透膜１２６の厚さに反比例するので、浸透膜１２６が薄くなるほど、浸透膜１２６を通る水の流量が大きくなる。浸透流体によって与えられる、浸透膜１２６にわたる大きなギブズ自由エネルギの駆動力により、浸透膜１２６の孔形態によって、水は、浸透膜１２６を通じて浸透流体区画１１８内に入るように移動することができる。その理由は、浸透膜１２６の孔内で凝縮された水が純粋な液体状態の水であるからであり、浸透流体が高濃度の溶質を有するように選択されているからである。浸透流体は、凝縮された純水に、ある種の浸透「圧」をもたらす。浸透圧の大きさはファントホフの式によって説明され、一方で、浸透圧勾配は、浸透圧の大きさに正比例し、浸透膜１２６の厚さに反比例する。
【００３６】
浸透膜１２６の好適な孔サイズは、浸透流体に使用される溶質の性質に依存する。上述のように、水和した溶質の分子が、孔を通過したり、孔に入ってこれを塞ぐことがないように、孔は、大きすぎないようにしなければならない。大部分の浸透流体との使用に許容可能な孔径（すなわち、膜の内面間の分離距離）は、約１０乃至２０オングストローム台である。浸透流体として塩溶液を使用する場合、孔径は、約５乃至１０オングストロームであることが好ましい。浸透膜１２６を通る水流量は、膜の透過率と、浸透膜１２６にわたる水の濃度差との関数である。流量は、浸透膜１２６にわたる透過率と、断面積と、濃度差との積に等しい。浸透性は、膜１２６厚さに反比例する。
【００３７】
本発明の浸透膜１２６は、これに限定されないが、合成ポリマーを含む、合成材料で作られることが好ましい。酢酸セルロースおよびポリアミドは、許容可能な合成ポリマーの実施例である。
【００３８】
除湿器１０８、より具体的には、浸透壁１２０、空気流区画１１６、および浸透流体区画１１８は、様々な異なる構成をとり得る。図１に概略的に示したように、浸透壁１２０は、箱型のエンクロージャ内に配置することができ、空気流区画１１６と浸透流区画１１８とを分離することができる。図２に概略的に示された代替の配置は、円筒管１２１の形態での浸透壁１２０の列を含み、湿度の高い空気１３０は管１２１の周囲および間を流れ、浸透流体は管１２１を通じて流れる。代替的に、湿度の高い空気は管１２１を通じて流すことができ、浸透流体は管の外側に配置することができる。さらなる代替の配置は、可撓性の平坦な浸透壁を含み、可撓性の浸透壁は、空気流区画１１６と浸透流体区画１１８との間に延在する浸透壁の表面積を増加させる構成（例えば、蛇腹およびひだのような非ランダムな構造、またはランダムに折り畳んだ束状の構造）に折り畳まれる。図１内に示された実施形態は、例えば、特定の表面積を有する平坦な浸透壁を含む。図示された平坦な構成ではなく、折り畳み構成を有する浸透壁を用いることによって、図１の実施形態に、浸透壁のさらなる表面積を提供することができる。折り畳み構成によって像たいした表面積により、所与の時間内に浸透壁を通じた流れを増加させることができる。上述のように、このような柔軟な構造により、ハイカーおよび手術室内の医師の衣類、および湿度の高い環境で眠る人々のベッドリネンのような用途において、かなりの有用性を提供することができる。さらなる代替の構造では、浸透壁１２０は、浸透流体が隣接する空間に含められた状態で、除湿される容量の境界の輪郭に成型されることができる。
【００３９】
１）脱水および／または水和状態で浸透膜１２６を通過しない、２）水への可溶性が高い、および３）浸透膜１２６を劣化させない溶質分子を有する浸透流体は、許容可能な浸透流体の一例である。浸透流体は、イオン溶液か、または非イオン溶液とすることができる。非水系溶液を使用することもできる。浸透流体の例には、リチウムおよびマグネシウム塩溶液、およびリン酸塩溶液が挙げられるが、他の塩類を用いることもできる。非水性浸透流体溶液の２つの例には、グリセロールおよびエチレングリコールが挙げられる。
【００４０】
上述の説明では、余分な水の蒸発、または新鮮な浸透流体の浸透流体区画１１８への追加を含む、浸透膜１２６に高い水濃度勾配を維持するための方法を説明した。さらなる一実施形態では、浸透流体は、飽和限度を上回る溶質を意図的に含む。したがって、最初は、浸透流体内に溶質の結晶が存在する。水が浸透膜１２６を通過して浸透流体内に入ると、余分な水の存在によって、より多くの溶質が溶解し、したがって、溶液内の溶質の濃度は、最も高いレベル、すなわち飽和状態を維持する。最終的には、未溶解の溶質の結晶が全て溶解し、より多くの水が浸透流体に入ると、溶質の濃度が徐々に減少して浸透駆動力が低下し、それによって、浸透膜１２６を通じて移送される水の量が減少する。この時点で、水を除去して、浸透溶液を再凝縮させなければならない。
【００４１】
浸透膜１２６の形成に使用することができる市販の材料には、逆浸透法による汽水の浄化用の「ポリアミド  ＲＯ  ＡＫ膜」、および「薄膜  ＮＦ  ＨＬ膜」が挙げられ、どちらも、ＧＥ  Ｏｓｍｏｎｉｃｓが製造し、Ｓｔｅｒｌｉｔｅｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国ワシントン州、ケント）が販売している。浸透膜１２６の形成に使用することができる他の市販の材料には、前方浸透による水の浄化用の「Ｘ−Ｐａｃｋ」および「Ｅｘｐｅｄｉｔｉｏｎ」が挙げられ、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国オレゴン州、オールバニー）が販売している。
【００４２】
以下、図３を参照すると、本発明の除湿プロセスが示されており、内部容量２０１が１００ｍｌの容器２００を、塩化リチウムの飽和含水溶液を含む浸透溶液で満たした。それぞれ直径が約５ｃｍである複数の異なる浸透壁１２０を、容器の上部リップ２０３と、上部リップ２０３の上部が空気に開放された区画２０４との間に個別に配置した。容器２００から延在する管２０５を使用して、容器２００に対する水の増加速度を測定した。相対湿度が約７０％乃至９０％の湿度の高い空気を、容器２００の上部から吹き付けて、各壁１２０ごとに、管２０５内の液体レベルの変化を時間の関数として測定した。浸透流体は、容器２００の底部の磁気混合器を使用して、流入水と混合した。結果を下表に示す。
【００４３】
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【００４４】
これらの実験から、各半透性浸透壁１２０の小さい孔サイズの領域において毛管凝縮が生じ、水は、おそらくは壁１２０の厚さ全体に形成された水架橋を介して、浸透壁１２０の厚さ全体を移動したことは明らかである。各浸透壁１２０は、浸透流体を湿り空気の方向へ著しく透過させないようにすることによって、高い水濃度勾配を維持し、それによって、水は浸透壁１２０を通じて駆動されて浸透流体に入った。厚さおよび透過率が異なるため、種々の浸透壁１２０が異なる水流量を呈したと考えられる。これらの特性は、壁１２０を通って浸透流体内に移動する流体を連結する水架橋に影響を及ぼし、したがって水流速にも影響を及ぼす。
【００４５】
本発明を、その例示的な実施形態に関して説明および図示したが、当業者は、上述の、および種々の変更、省略、および追加を、本発明の精神と範囲から逸脱することなく行うことができるものと理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年4月13日(2009.4.13)
【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】
ガス流を除湿するためのプロセスであって、
そのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように十分小さいランダムに配置された細孔と、第１の側部と、第２の側部とを備えた半透性の親水性浸透膜を提供するステップと、
前記半透膜によって部分的に形成された区画内に浸透流体を収容するステップであって、前記浸透膜の前記第２の側部を、前記浸透流体に露出するステップと、
前記浸透膜の前記第１の側部を除湿される前記ガス流に露出するステップと、
前記除湿プロセス中に、前記浸透膜にわたって十分高い水濃度勾配を維持して、前記浸透膜を通る水の流量を得るステップと、を含む、プロセス。
【請求項２】
前記浸透膜の前記孔は、前記浸透膜の厚さにわたって、ランダムに配置され、該厚さは、前記第１の側部と第２の側部との間に延在し、前記膜内の前記孔のランダムな配置によって、前記除湿プロセス中に、前記膜内で凝縮された水が、前記第１の側部から前記第２の側部の方へ移動することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記浸透膜の前記厚さは、約５ナノメートルから１００ナノメートルの間である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記半透膜は、可撓性である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記半透膜は、折り畳み構造を含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記折り畳み構造は、複数のひだを含む、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記半透膜は複数の管を形成し、前記浸透流体は前記管の内側に配置される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記半透膜は複数の管を形成し、前記浸透流体は前記管の外側に配置される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記浸透流体を再生して、高濃度の溶質を前記浸透流体内に維持するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記浸透流体を再生するステップは、前記浸透流体から余分な水を蒸発させるステップを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記浸透流体を再生するステップは、溶質を前記浸透流体に添加するステップを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記浸透流体は、前記浸透流体内にその飽和限度を上回る溶質を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
ガス流を除湿するための装置であって、
ランダムに配置され、そのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように十分小さい孔と、第１の側部と第２の側部とを有する少なくとも１つの半透性の親水性浸透膜と、
前記ガス流が流れることができ、前記浸透膜によって部分的に形成される少なくとも１つのガス流区画であって、前記浸透膜の前記第１の側部は、前記ガス流区画内で前記ガス流に露出するように位置決めされるガス流区画と、
前記浸透膜によって部分的に形成された少なくとも１つの浸透流体区画であって、前記浸透膜の前記第２の側部は、前記浸透流体区画内で浸透流体に露出するように位置決めされる浸透流体区画と、を備える、装置。
【請求項１４】
前記浸透流体区画内に配置され、前記浸透膜の前記第２の側部と接触する、浸透流体をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記浸透流体は、前記浸透流体内にその飽和限度を上回る溶質を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの浸透壁は、折り畳み構造を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記浸透膜の前記孔は、前記浸透膜の厚さにわたって、ランダムに配置され、該厚さは、前記第１の側部と第２の側部との間に延在し、前記膜内の前記孔のランダムな配置によって、前記除湿中に、前記膜内で凝縮された水が、前記第１の側部から前記第２の側部の方へ移動することができる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記浸透膜の前記厚さは、約５ナノメートルから１００ナノメートルの間である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記半透性浸透膜は、可撓性である、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
浸透流体再生器をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
ガス流を除湿するためのプロセスであって、
そのいくつかは毛管凝縮を生じることができるように十分小さい複数の孔を備えた半透性の親水性浸透膜を提供するステップと、
前記半透性浸透膜によって部分的に形成された区画内に浸透流体を配置するステップと、
前記浸透膜を利用して、浸透流体が前記半透膜を通過しないようにするステップと、
前記浸透膜内の毛管凝縮によって、前記ガス流から水蒸気を除去するステップと、
前記除湿プロセス中に、前記浸透膜にわたって十分高い水濃度勾配を維持して、前記浸透膜を通る水の流量を得るステップと、を含む、プロセス。
【請求項２２】
除湿のための装置であって、
毛管凝縮を生じることができるように十分小さいいくつかの孔を備えた、少なくとも１つの半透性の親水性浸透膜と、
前記浸透膜によって部分的に形成された、少なくとも１つのガス流区画と、
前記浸透膜によって部分的に形成された、少なくとも１つの浸透流体区画と、
前記浸透流体区画内に配置される浸透流体であって、該浸透流体は、前記浸透膜を通る水の流量を生じさせるのに十分大きな水濃度勾配を前記浸透膜全体にわたって生じさせるのに十分大きな溶質濃度を有する浸透流体と、を備え、
前記浸透膜は、実質的に全ての浸透流体を前記浸透流体区画内に維持し、前記ガス流区画内に配置されたガス内に含まれる水蒸気を凝縮するように動作可能である、装置。
【請求項２３】
前記浸透膜の前記ランダムに配置された孔は、前記浸透膜の厚さにわたってランダムに配置され、該厚さは、前記第１の側部と第２の側部との間に延在し、前記膜内の前記細孔のランダムな配置によって、前記除湿プロセス中に、前記膜内で凝縮された水が、前記ランダムに配置された孔を通って延在する経路に沿って、前記第１の側部と前記第２の側部との間を移動することができる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記浸透膜の前記ランダムに配置された孔は、前記浸透膜の厚さにわたってランダムに配置され、該厚さは、前記第１の側部と第２の側部との間に延在し、前記膜内の前記孔のランダムな配置によって、前記除湿プロセス中に、前記膜内で凝縮された水が、前記ランダムに配置された孔を通って延在する経路に沿って、前記第１の側部と前記第２の側部との間を移動することができる、請求項１３に記載の装置。
【国際調査報告】
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