(57)【要約】【課題】生命生活環境における生活環境ガスから二酸化炭素を浄化する簡易な生命維持ガス浄化装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素を規定値以下に除去して浄化ガス１２とする生命維持ガス浄化装置１０Ａであって、活性炭素繊維吸着材１３が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着するＣＯ2吸着・脱着塔１４と、二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前ガス１１を前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４に導入するために前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の入口側に接続された入口側流路１５と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の出口側に接続されて浄化ガス１２を排出する出口側流路１６と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の入口側流路１５側に設けられ、塔内部を減圧する減圧流路１７と、前記入口側流路１５、前記出口側流路１６及び前記減圧流路１７を開閉自在とする第１の流路開閉手段２１、第２の流路閉手段２２及び第３の流路開閉手段２３とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生命体の呼気から発生する二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前のガス中から二酸化炭素を規定値以下に除去して浄化ガスに再生する生命維持ガス浄化装置であって、
活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着するＣＯ2吸着・脱着塔と、
前記二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前のガスを前記ＣＯ2吸着・脱着塔に導入するために前記ＣＯ2吸着・脱着塔の入口側に接続された入口側流路と、
前記ＣＯ2吸着・脱着塔の出口側に接続されて浄化ガスを排出する出口側流路と、
前記ＣＯ2吸着・脱着塔の入口側流路側に設けられ、ＣＯ2吸着・脱着塔内部を減圧する減圧流路と、
前記入口側流路を開閉自在とする第１の流路開閉手段と、
前記出口側流路を開閉自在とする第２の流路閉手段と、
前記減圧流路を開閉自在とする第３の流路開閉手段とを具備することを特徴とする生命維持ガス浄化装置。
【請求項２】
請求項１において、
活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着する２台の第１のＣＯ2吸着・脱着塔及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔と、
第１のＣＯ2吸着・脱着塔及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔との出口側流路を連通する連通路と、
前記連通路に介装され連通路を開閉する第４の開閉手段と、を具備することを特徴とする生命維持ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記加圧状態は、前記ＣＯ2吸着・脱着塔から二酸化炭素を脱着する圧力より、圧力が高いことを特徴とする生命維持ガス浄化装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が、塩基性窒素を含む活性炭素繊維であることを特徴とする生命維持ガス浄化装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が、ＰＡＮ系活性炭素繊維であることを特徴とする生命維持ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生命生活環境における生活環境ガスから二酸化炭素を浄化する生命維持ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙ステーションでは、生命維持のために、宇宙生活環境中から効率よく二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置が必要である。
ところで、ジェームズ・Ｃ・ノックス（Ｊａｍｅｓ Ｃ． Ｋｎｏｘ）によって「国際宇宙ステーション二酸化炭素除去装置試験（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｐａｃｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｓｔｉｎｇ）」（アメリカ航空宇宙局技術報告、２０００年）に二酸化炭素除去装置の提案がある。この二酸化炭素除去装置は、除湿剤床と、二酸化炭素吸収剤床とを備える（特許文献１）。
【０００３】
また、コンパクト化を図った空気清浄装置の提案がある（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７４００７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ジェームズ・Ｃ・ノックス、「国際宇宙ステーション二酸化炭素除去装置試験」、アメリカ航空宇宙局技術報告、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の二酸化炭素吸収装置では、環境中の水分の存在が二酸化炭素の吸着を阻害するので、予め水分を除去するための除湿装置が必須であるので、除湿装置を用いることなく、簡易な構成で、環境中の二酸化炭素を除去することができる二酸化炭素除去装置の出現が切望されている。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、生命生活環境における生活環境ガスから二酸化炭素を浄化する簡易な生命維持ガス浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、生命体の呼気から発生する二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前のガス中から二酸化炭素を規定値以下に除去して浄化ガスに再生する生命維持ガス浄化装置であって、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着するＣＯ2吸着・脱着塔と、前記二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前のガスを前記ＣＯ2吸着・脱着塔に導入するために前記ＣＯ2吸着・脱着塔の入口側に接続された入口側流路と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔の出口側に接続されて浄化ガスを排出する出口側流路と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔の入口側流路側に設けられ、ＣＯ2吸着・脱着塔内部を減圧する減圧流路と、前記入口側流路を開閉自在とする第１の流路開閉手段と、前記出口側流路を開閉自在とする第２の流路閉手段と、前記減圧流路を開閉自在とする第３の流路開閉手段とを具備することを特徴とする生命維持ガス浄化装置にある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着する２台の第１のＣＯ2吸着・脱着塔及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔と、第１のＣＯ2吸着・脱着塔及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔との出口側流路を連通する連通路と、前記連通路に介装され連通路を開閉する第４の開閉手段と、を具備することを特徴とする生命維持ガス浄化装置にある。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記加圧状態は、前記ＣＯ2吸着・脱着塔から二酸化炭素を脱着する圧力より、圧力が高いことを特徴とする生命維持ガス浄化装置にある。
【００１１】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が、塩基性窒素を含む活性炭素繊維であることを特徴とする生命維持ガス浄化装置にある。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材が、ＰＡＮ（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ；ポリアクリロニトリル）系活性炭素繊維であることを特徴とする生命維持ガス浄化装置にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生命生活環境においても生活環境ガスから二酸化炭素を簡易な装置で浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１に係る生命維持ガス浄化装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の概略図である。
【図３−１】図３−１は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の吸着工程の概略図である。
【図３−２】図３−２は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の吸着工程の概略図である。
【図３−３】図３−３は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の吸着工程の概略図である。
【図４】図４は、吸着量の対比試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１６】
本発明による実施例に係る生命維持ガス浄化装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る生命維持ガス浄化装置の概略図である。図１に示すように、実施例１に係る生命維持ガス浄化装置１０Ａは、生命体の呼気から発生する二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前のガス（以下「浄化前ガス」という）１１中から二酸化炭素を規定値以下に除去して浄化ガス１２に再生する生命維持ガス浄化装置であって、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着するＣＯ2吸着・脱着塔１４と、前記二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前ガス１１を前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４に導入するために前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の入口側に接続された入口側流路１５と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の出口側に接続されて浄化ガス１２を排出する出口側流路１６と、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４の入口側流路１５側に設けられ、ＣＯ2吸着・脱着塔１４内部を減圧する減圧流路１７と、前記入口側流路１５を開閉自在とする第１の流路開閉手段２１と、前記出口側流路１６を開閉自在とする第２の流路開閉手段２２と、前記減圧流路１７を開閉自在とする第３の流路開閉手段２３とを具備するものである。
なお、図１中、符号２４は減圧ガス、２５は昇圧手段及び２６は減圧手段を各々図示する。
【００１７】
ここで、生命維持ガス浄化装置を用いた浄化対象である生命維持空間は、宇宙構造体の内部空間である。
また、宇宙構造体は、宇宙船、宇宙ステーション、宇宙基地、及び宇宙服のいずれかである。
また、浄化対象空間では少なくとも一人の人が活動する。
さらに、浄化対象空間における圧力は宇宙真空における圧力よりも高い。
【００１８】
浄化対象空間内の空気は、窒素及び酸素に加え、人体から排出された二酸化炭素、水蒸気、及び他のガス成分を含む。他のガス成分は、炭素元素、水素元素、又は両方を含む。他のガス成分は、例えば、メタノール（ＭｅＨＯ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、アセトアルデヒド（ＣＨ3ＣＨＯ）、メタン（ＣＨ4）、硫化水素（Ｈ2Ｓ）、水素（Ｈ2）、アンモニア（ＮＨ3）、メタンチオール（ＣＨ3ＳＨ）、一酸化炭素（ＣＯ）、インドール（Ｃ8Ｈ7Ｎ）等である。
【００１９】
浄化前ガス１１中に含まれる二酸化炭素の量は１％程度であり、水分は３〜５％程度である。この浄化前ガス１１から二酸化炭素を例えば１０００ｐｐｍの規定値以下に除去することが求められている。
本実施例では、ＣＯ2吸着・脱着塔１4は一塔式であり、ＡＣＦ吸着材１３が内部に充填されている。
【００２０】
このＡＣＦ吸着材１３に用いる本発明の活性炭素繊維の原料の炭素繊維としては、その製造原料の違いにより、ピッチ系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、フェノール系、セルロース系等の各種のものを挙げることができる。前記炭素繊維は、市販品であってもよい。前記した公知の炭素繊維の中でも好ましい種類は、ピッチ系、フェノール系、セルロース系のような炭素繊維、および含窒素官能基を有する炭素繊維である。
【００２１】
これらの炭素繊維を賦活処理して活性炭素繊維（ＡＣＦ）を得る。
賦活処理とは、触媒や高温ガス流通下での部分酸化反応により、炭素繊維原料の表面にナノメートルからマイクロメートル程度の径をもつ細孔を作り出し、比表面積を増大させ、且つ、表面状態の変化を生じさせ反応活性を向上させる手法である。賦活処理には、薬品賦活法とガス賦活法とがある。薬品賦活法では炭化の作用と賦活の作用との両方が生じる。ただし、原料として炭素繊維を用いる場合は炭化が完了しているため、通常はガス賦活法を用いている。
【００２２】
賦活処理は、水蒸気、二酸化炭素、空気等を用い、反応温度を例えば７００℃以上にして行われるのが通常である。本発明では、より好ましくは８００〜９５０℃、より好適には８５０〜９００℃で処理している。
なお、上限値を超える温度での賦活処理は炭素繊維の消費が激しく、収率が低下するので好ましくない。なお、反応に必要な時間は、その温度によって適宜設定することができ、例えば２〜５時間程度とするのが好ましい。
【００２３】
前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３としては、塩基性窒素を含む活性炭素繊維であることが好ましい。
これは、ＡＣＦに窒素（Ｎ）を所定量含むものが二酸化炭素の吸着に有効であるからである。
この添加量としては、４重量％程度とするのが好ましい。
【００２４】
前記活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３が、ＰＡＮ系活性炭素繊維とするのが好ましい。これはＰＡＮ系活性炭素繊維の場合には、骨格に窒素（Ｎ）を含有しているからである。
【００２５】
図４は、吸着量の対比試験結果を示すグラフである。図４に示すように、窒素（Ｎ）を４重量％担持したＰＡＮ系活性炭素繊維を用いた試験例と、従来の吸着材を用いた比較試験例との吸着量について、物理吸着量と化学吸着量とに顕著な差異があった。
図４に示すように、ＡＣＦの場合には、化学吸着量は物理吸着量の約２３０倍であったが、従来の吸着材の化学吸着量は物理吸着量の約１３０倍であった。
【００２６】
ここで、ＡＣＦによるＣＯ2吸着の作用・機構は現時点では定かではないが、以下のような反応が生じ、ＣＯ2が吸着されるものと推定される。
２Ｃ（活性炭素繊維表面）−ＮＨ2＋ＣＯ2⇔Ｃ（活性炭素繊維表面）−ＮＨ3＋Ｃ（活性炭素繊維表面）−ＮＨＣＯＯ-
あるいは、下記のような反応も推定される。
(活性炭素繊維表面)Ｃ２Ｎ＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2→（活性炭素繊維表面）Ｃ２ＮＨ+＋ＨＣＯ3ー
【００２７】
この一塔式の生命維持ガス浄化装置１０Ａの二酸化炭素の除去工程を説明する。
１）  まず、前記第１の流路開閉手段２１と第２の流路開閉手段２２を開くと共に、第３の流路開閉手段２３を閉じる。
２）  二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前ガス１１を加圧状態でＣＯ2吸着・脱着塔１４内に供給し、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３で二酸化炭素を吸着させ、二酸化炭素を規定値以下に除去して規定値（例えば１０００ｐｐｍ）以下の浄化ガス１２とする。
３）  その後、前記第１の流路開閉手段２１と第２の流路開閉手段２２を閉じると共に第３の流路開閉手段２３を開き、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４内を減圧状態とし、吸着した二酸化炭素を活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３から脱着させる。
【００２８】
これにより、二酸化炭素の除去がなされた浄化ガス１２を得ることができる。
【実施例２】
【００２９】
本発明による実施例に係る生命維持ガス浄化装置について、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の概略図である。図２に示すように、実施例１に係る生命維持ガス浄化装置１０Ｂは、実施例１の生命維持ガス浄化装置１０Ａにおいて、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３が充填され、加圧状態で二酸化炭素を吸着するＣＯ2吸着・脱着塔を２台（第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂ）設けてなると共に、第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ及び第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂとの出口側流路１６Ａ、１６Ｂを連通する連通路３１と、前記連通路３１に介装され、該連通路３１を開閉する第４の開閉手段３２と、を具備するものである。
なお、図２中、符号１５Ａ、１５Ｂは入口側流路、１７Ａ、１７Ｂは減圧流路、２５Ａ、２５Ｂは昇圧手段及び２６Ａ、２６は減圧手段を各々図示する。
【００３０】
本実施例では、第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａで吸着を行うと共に、第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂで再生を行うことを交互にしている。
【００３１】
この二塔式の生命維持ガス浄化装置１０Ｂの二酸化炭素の除去工程を図３−１〜図３−３を参照しつつ説明する。
図３−１〜図３−３は、実施例２に係る生命維持ガス浄化装置の吸着工程の概略図である。
１）  先ず、第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａで吸着を行うと共に、第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂで再生を行う際、以下の操作を行う。
第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ側の第１の流路開閉手段２１Ａと第２の流路開閉手段２２Ａを開くと共に第３の流路開閉手段２３Ａを閉じ、二酸化炭素と水分を所定値以上含む浄化前ガス１１を加圧状態で第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ内に供給して活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３Ａで二酸化炭素を吸着させ、二酸化炭素を規定値以下に除去して浄化ガス１２とする。
２）  これと同時に、第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂ側の第１の流路開閉手段２１Ｂと第２の流路開閉手段２２Ｂを閉じると共に第３の流路開閉手段２３Ｂを開き、減圧状態で第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂの活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３Ｂに吸着した二酸化炭素を脱着させる。
３）  その後、第３の流路開閉手段２３Ｂを閉じ、連通路３１の第４の開閉手段３２を開き、減圧状態の第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂ側と加圧状態の第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａとを連通し、第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ内に残存するＮ2とＯ2とを第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂへ移動させる。
４）  次いで、第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂを用いて吸着操作を行う。
一方、第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａでは再生操作を行う。
５）  ここで、第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂの再生操作において、移動されたＮ2とＯ2とが第２のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ｂの頭頂部側から浄化ガス１２と共に、出口側流路を経由して排出される。
【００３２】
本実施例によれば、吸着時に第１のＣＯ2吸着・脱着塔１４Ａ内に存在する貴重な酸素を回収できる。
【００３３】
前記加圧状態は、前記ＣＯ2吸着・脱着塔１４から二酸化炭素を脱着する圧力より、圧力が高いほうが好ましい。
これは、圧力が高いほうが、活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材１３での二酸化炭素の吸着が良好であるからである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明に係る生命維持ガス浄化装置によれば、生命生活環境においても生活環境ガスから二酸化炭素を簡易な装置で浄化することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０Ａ、１０Ｂ  生命維持ガス浄化装置
１１  浄化前ガス
１２  浄化ガス
１３  活性炭素繊維（ＡＣＦ）吸着材
１４  ＣＯ2吸着・脱着塔
１５  入口側流路
１６  出口側流路
１７  減圧流路
２１  第１の流路開閉手段
２２  第２の流路開閉手段
２３  第３の流路開閉手段
２４  減圧ガス
２５  昇圧手段
２６  減圧手段
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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