JP6086441B2 - 低湿度用途向け乾燥剤除湿装置の性能を向上させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、空気または他のガスから水分を除去するために固形乾燥性材料を使用する装置に関する。より詳細には、本発明は、空気流または他のガス流を継続的に除湿するために固形乾燥性材料を収容した回転マトリックスまたは回転ホイールを使用する熱再活性化型乾燥剤除湿器に関する。さらにより詳細には、本発明は、０．１穀粒水分／ポンド乾燥空気（０．０１４３グラム水分／Ｋｇ乾燥空気）以下などの非常に低い湿度含有量にて空間またはプロセスに空気または他のガスを継続的に送出することが要求される熱再活性化型乾燥剤除湿器に関する。これらの用途においては、典型的には、可能な限り多量の乾燥空気が、除湿器を通って空間またはプロセスから戻され再循環されることにより、除湿器における水充満度が最小限に抑えられるが、通常は、外気または周囲プラントからの空気などのより高湿度の供給源からの幾僅かの空気量が、これらの空間もしくはプロセスを加圧するために必要とされ、より高湿度の周囲エリアからこれらの空間またはプロセス内への空気漏れを防止する、および／または現場にいる者に対して換気を与え、かつ／または望ましくない蒸気、煙霧、もしくは埃を運び出すためにこれらの空間もしくはプロセスから排出されることが必要となり得る空気分を補填する。この加圧／補填空気は、除湿器から送出される他の空気と同一の非常に低い湿度含有量にまで除湿されなければならず、補填空気の割合は、除湿器を通過する総空気流量の中で典型的には低い比率を占めるにも関わらず、除湿器に対する除湿負荷の大部分を通常占めている。極端な例においては、除湿器は、より高湿度のエリアからの空気が１００％を占める空気を処理し、さらにそれを同じく非常に低い湿度含有量にて空間またはプロセスに送出するように設計されなければならない。

本出願は、空気を除湿するための装置および方法を説明するものであるが、同一の方法および同様の装置を、不活性雰囲気または天然ガスなどの空気以外のガスの除湿に適用することも可能であることが、当業者には理解されよう。

空気を除湿するために固形乾燥剤を使用することは、当技術において公知である。乾燥剤を使用した空気除湿において一般的に利用可能な技術の説明を以下に示す。

図１は、固形乾燥剤除湿器の基本要素を示す。この除湿器は、軸方向に配設された多数の小平行通路からなるマトリックスを収容するロータ（通例としてホイール１と呼ぶ）を備え、これにより、個別の空気流が、著しい交差混合を伴わずにホイール１を通過することが可能となる。マトリックスは、これらの通路の壁部に接着されたまたはこれらの通路の壁部の一体部分として、シリカゲルもしくは分子ふるいなどの吸収性材料または塩化リチウムなどの吸収性材料を多量に含むことをさらに特徴とする。この吸収性材料は、通例として乾燥剤と呼ぶ。これらの通路は、典型的には、乾燥剤を担持する平坦状基板材料および波状基板材料の交互層によって形成される。現在の開発状況においては、典型的には乾燥マトリックスの約８０重量％が、活性乾燥剤である。この乾燥性材料は、水に対する親和性を有し、したがってこの材料と接触状態にある空気から水分を除去することが可能である。その結果、このマトリックスを通過する湿った空気流が、除湿され得る。

しばらくすると、この乾燥性材料は、水で充満状態になる。乾燥剤が、水を吸収するにつれて、この材料の水に対する親和性は、低下し、進入してくる湿った空気流に対して相対湿度平衡状態になると、最終的には空気を全く除湿しなくなる。乾燥剤により吸収された水は、除去しなければならない。これを達成するために、乾燥剤ホイール１は、２つの別個の空気流がホイール１を通過することが可能となるように、チャンバまたはプレナムを画成するハウジングを備える。このハウジングは、空気流の漏れまたは交差混合を効果的に防止するために、ホイール１の面の近位に空気シールを備える。また、このハウジングは、マトリックスが通常はセクターと呼ばれるハウジングの個々のエリア内において２つの空気流に対して交互に晒されるように、ホイール１を継続的に回転させる手段を備える。一方の空気流は、除湿すべき空気である。これは、典型的にはプロセス空気６と呼ばれる。他方の空気流は、その相対湿度を低下させるために加熱される１０。これは、再活性化空気流または再生空気流８と呼ばれる。加熱された再活性化空気流８が、ホイール１の再活性化セクター３を通過する際に、この再活性化空気流８は、水で充満した乾燥剤を加熱し１０、それにより、プロセスセクター２内において吸収された水が、乾燥剤から蒸発し、再活性化空気流９により運び出される。

シリカゲルおよび分子ふるいなどの吸収剤の平衡相対湿度対水分収容能力は、製造プロセスの化学的性質を制御することにより、様々なタイプの用途に対して調整され得る。様々なタイプの吸収剤の一般的特徴が、非特許文献１に記載されている。

図２（ＡＳＨＲＡＥ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋから引用）は、通常使用される乾燥剤の水分収容能力対平衡Ｒ．Ｈ．曲線の一般的形状を示す。これらの水分含有量対平衡Ｒ．Ｈ．曲線は、通例は等温線と呼ばれる。低Ｒ．Ｈ．用途については、タイプ１の等温線を有する乾燥剤が、通常は使用される。なぜならば、この乾燥剤は、約１０％未満の平衡相対湿度にて事実上その完全な吸着能力を獲得するように調整され得るからである。その結果、タイプ１の吸収剤は、除湿器に進入するプロセス空気が低い相対湿度にある用途については、非常に適したものとなるが、以下の２つの欠点を有する。
１． 平衡Ｒ．Ｈ．が低下するにつれて、吸収熱が上昇するため、平衡相対湿度が低い場合には、単位吸収水分当たりのプロセス空気６に対して排出される熱は、実質的に増加する。これは、通常は、除湿器の下流のプロセス空気調整装置に対する冷却負荷を増加させる。さらに、吸収熱がより高いことにより、プロセスセクター２における媒体温度がより高くなり、これによってプロセス空気６を除湿する能力が低下する。
２． 再活性化空気８の相対湿度は、乾燥剤から水を追い出すために、より低くなくてはならず、そのため、再活性化空気８は、極度の乾燥空気７を必要としない用途の場合の２８０Ｆ未満に比べて、典型的には３００Ｆ〜３２０Ｆの範囲内のより高い温度にまで加熱されなければならない。これにより、再活性化空気８を加熱するために必要とされるエネルギー量が増加し、また、再活性化セクター３を出る乾燥された媒体の温度が上昇する。

次に図３を参照すると、極めて低い送出空気露点が要求されるプロセスについては、必要な加圧／補填空気６はいずれも、冷却コイル１３の表面上における凝縮により可能な限り多量の水分を除去するために、４０Ｆ〜５５Ｆの温度への冷却を使用して通常は冷却される。次いで、この通常は事前冷却される補填空気６は、プロセス還気１６と混合され、この混合空気１２は、プロセスセクター２に進入する前に冷却コイル１４を使用して４０〜５５Ｆの温度にまで冷却されることにより、その相対湿度が上昇し、プロセスセクター２において乾燥剤の温度を低下させ、したがって除湿器の乾燥能力を上昇させる。乾燥剤ホイール１は、先述のように実際には円筒状の形状を有するが、単純化のために、示唆される様々なセクターおよび空気流方向を有する矩形のものとして図示される。この矩形の内部の矢印は、ホイール１の回転方向、すなわち様々なセクターをマトリックスが通過する順序を示唆する。補填空気６およびプロセス空気の事前冷却により、典型的な補填空気の割合において、プロセスセクター２に進入する空気の相対湿度は、２０％以下となる。プロセス空気１２放出物の湿度がより低い７場合には、再活性化流入空気は、加熱された再活性化空気８がより低い相対湿度を有するように加熱される前に、その湿度比を低下させるために、冷却コイル１１を用いてやはり事前冷却され得る。

再活性化セクター３を出る乾燥された媒体の温度は、典型的には、再活性化進入空気温度（高温）に近いものとなるため、この媒体の平衡湿度比は、高くなり、この媒体は、プロセス空気１２が媒体を冷却させ、したがってこの媒体の平衡湿度比を低下させるまでは、この媒体が初めにプロセスセクター２内に回転する際に非常に効果的には空気を乾燥させなくなる。さらに、この媒体を冷却させるために媒体から除去される熱は、プロセス空気１２に移動され、これにより、除湿器の下流に位置するプロセス空気調整装置に対する冷却負荷が増加する。全体的には、この効果は、除湿器の除湿能力を低下させ、プロセス空気調整システムが要求する冷却量を増加させるものとなる。現行においては、これらの課題に対処し、除湿器の除湿能力を向上させ、プロセス空気調整システムの冷却要件を低減させるために、複数の方法が使用される。

また、乾燥剤除湿器において、パージセクターと通例的に呼ばれる少なくとも１つの追加のセクターを使用することが当技術において知られている。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、および特許文献７はいずれも、乾燥剤除湿器にける１つまたは複数のパージセクターの使用を開示している。

図４は、通例的にパージセクターと呼ばれる少なくとも１つの追加のセクター（および現在広く使用される）を有する乾燥剤除湿器の基本構成を示す。この構成においては、第３の空気流（通例としてパージ空気１８と呼ぶ）が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間に連続的に位置するホイール１を通過する。このパージ空気流の方向は、典型的には、プロセス空気流１２とは並流であり、再活性化空気流２０とは対向流である。パージ空気１８の供給源は、プロセス還気１６、または加圧／補填空気６用に事前冷却コイル１３を通過する空気などの別の供給源からの空気の一部分であってもよい。パージ空気１８は、再活性化セクター３を出る高温媒体がプロセスセクター２に進入する前に、この高温媒体を冷却することにより、この高温媒体がプロセス空気に対して排出する熱をより低減させて、下流のプロセス空気冷却装置に対する冷却負荷を低下させる。また、プロセスセクター２に進入する冷媒は、プロセスセクター２の除湿性能を向上させる。パージ空気１８は、ホイール１を通過する間に加熱され、通常は再活性化流入空気の少なくとも一部分のために使用されて、再活性化１０に必要な熱入力を低下させる。さらに、パージ空気１８は、幾僅か除湿されることにより、再活性化進入空気２０の湿度を低下させ、さらに除湿器の性能を向上させることができる。除湿器の性能を向上させるために、複数の異なる構成において１つまたは複数のパージセクターを使用することが、先行技術において公知である。

図５は、乾燥剤除湿器の除湿性能およびエネルギー効率を向上させるために現行において使用される別の構成を示す。この構成は、閉ループパージを備える。この構成においては、セクター化は、順次、プロセス２／パージ１７ａ／再活性化３／パージ１７ｂとなる。パージ空気２４、２３は、独立ファン２５を使用して２つのパージセクター間において閉ループ内を循環される。パージ空気２４は、再活性化セクター３を出る媒体がプロセスセクター２に進入する前に、この媒体を事前冷却し、回収した熱を使用して、この媒体が再活性化セクター３に進入する前にプロセスセクター２から出る媒体を事前加熱する。プロセス２と再活性化空気流８との間における高い空気圧差に対応するために、または乾燥剤ユニットもしくは乾燥剤マトリックスのある部分に霜が形成されるのを防止するためになど、いくつかの状況下において、２つ以上の閉パージループを使用することができる。複数のパージループではサイズ、コスト、および複雑性が増加するため、通常は１つのみのパージループが使用される。この構成により、図４に示す構成と基本的に同一の目的が達成されるが、パージ空気用の別の空気供給源は必要とならない。特許文献８、特許文献５、特許文献９、特許文献７、特許文献２、および特許文献１０は、この構成の典型的な例である。図５には図示しないが、パージループは、除湿器ハウジング内のある特定のプレナムと、ハウジングのセクター間に好ましい静圧平衡を生じさせるために配置されたパージ再循環ファン２５とに通気されてもよく、これにより、プレナム間またはセクター間において生じ得る空気漏れが、除湿器の性能全体に対して殆どまたは全く影響を及ぼさなくなる。パージループ内の空気流は、個々の用途に応じていずれの方向であってもよい。特許文献１１は、プロセスおよび／または再活性化空気流と連通状態にあるパージループを備える複数の構成を示す。

図４および図５（および引用した特許）において説明される性能強化をもってしても、除湿器は、十分に低い湿度にて空気を送出することが依然としてできない。

図６は、いくつかの用途に対して要求される高い補填／加圧空気の割合および／または極度に低い湿度に対処するために、２つの除湿器を直列で使用する、一般的に現行において使用されているさらに別の構成を示す。これらの構成においては、独立した除湿ユニットを使用して、加圧／補填空気３１の事前処理、および下流のプロセス負荷除湿器に対する湿度負荷の低減が行われる。大型の用途に対してこの構成を使用する場合には、典型的には、１つの除湿器が、複数のルーム空気除湿器またはプロセス空気除湿器のための加圧／補填および再活性化空気２６を事前除湿する。特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、および特許文献１５はいずれも、２つの除湿器を直列で使用するシステムの例である。このコンセプトは、公知であり、２つのホイール１を直列で使用する他の構成が、通例は使用される。

この公知の技術に伴う重大な欠点は、提供されるシステムの複雑性、および必要となるエネルギー消費量の増加である。これらの欠点は、機能上において効率的であるばかりでなく、さらに費用対効果の高いシステムに対する必要性を示している。

米国特許第５，６６７，５６０号明細書 米国特許第２，９９３，５６３号明細書 米国特許公開第２００９−０４４５５５号明細書 特開平０６−０００３２０号公報 英国特許第８９０，７９０号明細書 米国特許第５，２４２，４７３号明細書 米国特許第５，６５９，９７４号明細書 特開昭５９−１３０５２１号公報 国際公開第２００９／０９０４９２ Ａ２号パンフレット 米国特許第７，１０１，４１４Ｂ２号明細書 米国特許第４，７０１，１８９号明細書 特開昭６１−０７１８２１号公報 米国特許第５，１６７，６７９号明細書 米国特許第７，２０７，１２３Ｂ２号明細書 米国特許第７，２１７，３１３Ｂ２号明細書

２００９ ＡＳＨＲＡＥ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ

本発明の１つの目的は、乾燥剤ユニットが、上述の現行の最新技術よりも良好なエネルギー効率を達成すると共に、ルームまたはプロセスに対して乾燥空気を送出し得るようにすることである。

本発明の他の目的は、単一のホイールを有する乾燥剤ユニットが、先述の現行の技術に比較して、最高で１００％までの外気率においてプロセスに対してより乾燥した空気を送出し得るようにすることである。

本発明のさらに他の目的は、乾燥剤ユニットが、単一の乾燥剤ホイールを用いて、７０Ｆ以下の露点の湿度の空気またはガスを必要とするプロセスに対して１００％外気または１００％外部ガスを送出し得るようにすることである。

本発明の別の目的は、構築が簡単および安価であり制御が単純なユニット設計およびハウジング設計によって、上述の性能目標を実現することである。

再循環プロセス空気１６および補填／加圧空気３６の混合気を除湿するように構成された、本説明の全体にわたって「乾燥パージ」と呼ばれる場合がある本発明の概略図である。 パージセクター１７が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間に連続的に加えられた点を除いては、図７において説明するような本発明の概略図である。パージセクター３７を出た空気は、再活性化流入空気２０の少なくとも一部分８のために使用され得る。これにより、ユニットの除湿性能およびエネルギー効率がさらに向上する。 補填／加圧用に１００％外気３４を必要とする、すなわち空間またはプロセスからの空気が再循環されないプロセスのための空気を除湿するように構成された本発明の概略図である。 パージセクター１７が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間に連続的に加えられた点を除いては、図８において説明するような本発明の概略図である。これにより、ユニットの除湿性能およびエネルギー効率がさらに向上する。 プロセス空気７が、加熱され１０再活性化セクター３を通過する前に、ＯＳＡセクター３３において事前除湿される外気／周囲空気３４から隔離される、空気または他のガス１６を除湿するように構成された本発明の概略図である。プロセス空気は、あるプロセスから再循環された空気もしくは他のガス、別の供給源からの空気もしくはガス、またはこれら２つの混合気であってもよい。プロセス空気またはプロセスガスは、いずれの方向に向かってもプロセスセクターを通過し得る点に留意されたい。 本発明の上記の概略図は、再活性化空気セクターおよび外気／周囲空気セクターとは完全に別個にプロセス空気を処理するように構成され、これにより、再活性化のために周囲空気を使用して不活性ガス（低酸素プロセスガスなど）を除湿することが可能となる。 パージセクター１７が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間において連続的に加えられることにより、ユニットの除湿性能およびエネルギー効率を向上させた点を除いては、図９において説明するような本発明の概略図である。パージ空気３７は、再活性化流入空気２０の一部分を形成することにより、再活性化に必要とされる加熱入力１０を低減させるように、再利用８され得る。 ２つのプロセスセクターが、再活性化セクターの後に連続的に続き、プロセス空気が、除湿性能の向上のためにこれら２つのプロセス空気セクターを逐次的に通過する点を除いては、図９と同様の本発明の概略図である。プロセス空気またはプロセスガスは、再活性化セクターの後にいずれの順序においても、および再活性化空気流および外気流に対していずれの方向においても、これら２つのプロセスセクターを通過し得る点に留意されたい。 パージセクター１７が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間において連続的に加えられることにより、ユニットの除湿性能およびエネルギー効率を向上させた点を除いては、図１０において説明するような本発明の概略図である。パージ空気３７は、再活性化流入空気２０の一部分を形成することにより、再活性化に必要とされる加熱入力１０を低減させるように、再利用８され得る。 ２つの再活性化セクター３および４０を備えることにより異なる熱源１０および４１を再活性化空気流２０および４２のそれぞれに対して使用し得るように構成され、さらに空間もしくはプロセスからの再循環空気または再循環ガス１６と、外気セクター３３において除湿された補填／加圧空気との混合気を除湿するように構成された、本発明の概略図である。 空間またはプロセス７に対して１００％外気または１００％外部ガスを送出するように構成された点を除いては、図１１ａと同様の本発明の概略図である。 単一プロセスセクター２において別個の空気流またはガス流１６を除湿するように構成された点を除いては、図１１ａと同様の本発明の概略図である。プロセス空気流またはプロセスガス流の供給源は、雰囲気、空間もしくはプロセスからの再循環空気もしくは再循環ガス、またはそれらの任意の混合気であってもよい。 ２つのプロセスセクター２および４４を有することにより、ホイールを貫通する２つの通路を用いてプロセス空気またはプロセスガスを除湿するように構成された点を除いては、図１１ａと同様の本発明の概略図である。プロセス空気またはプロセスガスは、雰囲気、プロセスからの再循環空気もしくは再循環ガス、またはそれらの任意の混合気であってもよい。 図１１ａ〜図１１ｄにおける２つの再活性化空気流２０および４２は、同一の供給源からのものである必要はなく、例えば再活性化セクター１用の空気またはガスが、雰囲気から得たものであってもよく、再活性化セクター２用の空気またはガスが、事前調整セクター３３から得たものであってもよい点を理解されたい。 タイプＩＩの特徴を有する、すなわち低い相対湿度における良好ではあるが限定的な水分吸着能力と、中間および高い相対湿度における良好な水分吸着能力とを有する、乾燥剤についての等温線の概略図である。 ホイール１が本発明のＯＳＡ（加圧／補填空気）セクター３３を通過して回転する際に、吸着波が、時間の経過と共にこのセクターを通り移動する様子を示すグラフである。 ホイール１が本発明のプロセス空気セクター２を通過して回転する際に、吸着波が、時間の経過と共にこのセクターを通り移動する様子を示すグラフである。 ホイール１が本発明の再活性化セクター３を通過して回転する際に、脱着波が、時間の経過と共にこのセクターを通り移動する様子を示すグラフである。 プロセス送出空気露点および再活性化空気熱要件の一般的関係を示し、さらに本発明の使用による再活性化空気熱要件に対する補填空気の割合の増加の一般的効果を示す、グラフである。 製造空間を−４０Ｆ露点（０．５５５穀粒水分／ポンド空気）に維持することを必要とする、リチウム電池製造などの、極度に乾燥した空気を必要とする用途向けの典型的性能を示す、本発明の概略図である。典型的な送出空気条件は、−７０Ｆ以下の露点（０．０７３穀粒水分／ポンド空気）である。図１７ａは、これらの用途においては典型的である、１５％加圧／補填空気および製造エリアからの８５％再循環空気を処理するように設計されたユニットの性能を示す図である。 製造空間を−４０Ｆ露点（０．５５５穀粒水分／ポンド空気）に維持することを必要とする、リチウム電池製造などの、極度に乾燥した空気を必要とする用途向けの典型的性能を示す、本発明の概略図である。典型的な送出空気条件は、−７０Ｆ以下の露点（０．０７３穀粒水分／ポンド空気）である。図１７ｂは、除湿器が−７０Ｆの露点にて１００％外気を送出しなければならない、極端な例についての性能を示す図である。当技術の現状では、本発明が、−７０Ｆ以下の露点にて１００％外気を送出し得る唯一の実用的装置である。 樹脂ホッパーに送出される非常に乾燥した空気（約−７０Ｆ露点）を必要とする乾燥剤除湿器のもう１つの一般的な用途であるプラスチック樹脂乾燥用の典型的性能を示す、本発明の概略図である。本発明の２つの異なる構成の１つを示す。この用途においては、プロセス空気は、１００％再循環空気に対してほぼ実用的である。図１７ｃは、図９に示すような構成を有する、すなわち単一プロセス空気セクターを有する本発明のユニットの性能を示す図である。この図面から分かるように、この構成は、優れた性能を示し、図１７ｃに示す構成は、より小型でより安価に構築される。 樹脂ホッパーに送出される非常に乾燥した空気（約−７０Ｆ露点）を必要とする乾燥剤除湿器のもう１つの一般的な用途であるプラスチック樹脂乾燥用の典型的性能を示す、本発明の概略図である。本発明の２つの異なる構成の１つを示す。この用途においては、プロセス空気は、１００％再循環空気に対してほぼ実用的である。図１７ｄは、図１０に示すような構成を有する、すなわち２つのプロセス空気セクターを有する本発明の性能を示す図である。この図面から分かるように、この構成は、優れた性能を示し、図１７ｄに示す構成は、エネルギー効率がより高いことが明らかである。

図７は、低湿度空間もしくは低湿度プロセスからの還気（または再循環空気）１６と、加圧／補填用の外気３６との混合気を除湿するように構成された本発明の概略図である。乾燥剤ホイール内部の矢印は、ホイール１がセクターを通過して回転する、すなわちホイール１が再活性化セクター３、プロセスセクター２、および外部空気（または事前調整）セクター３３を逐次的に通過して回転し次いで再活性化セクター３に戻る、順序を示す。

図７Ａは、パージセクター１７が、再活性化セクター３とプロセスセクター２との間において連続的に加えられたことを除いては、図７と同様である。パージセクターは、再活性化セクターを出る乾燥剤媒体がプロセスセクターに進入する前にこの乾燥剤媒体を事前冷却することにより、ユニットの除湿性能を向上させ、再活性化セクターからプロセスセクターへの再活性化熱の持越しを低減する。パージ排出空気３７は、再利用されることにより再活性化供給空気２０の少なくとも一部分を形成して、再活性化熱要件１０を低減させ、除湿器の全体的なエネルギー効率をさらに向上させる。

図８は、１００％外気３４を処理し、−７０Ｆ以下の露点にてプロセスに空気をさらに送出するように構成された、本発明の別の概略図である。適切な平衡ダンパーを用いることにより、この構成は、除湿器全体に対して単一のファン３９と共に作動するようになされ得る点に留意されたい。

本発明は、先行技術においては発見されていない３つの固有の構成特徴を有する。これらの特徴は、以下のとおりである。
１． 除湿器が、除湿すべき空気を処理するための２つのセクターを備える。図７に示すように、第１の除湿セクター２は、再活性化セクター３の直後に連続的に続き、これにより、第１の除湿セクター２に進入する乾燥剤は、非常に低い平衡相対湿度を有し、その結果として非常に乾燥した空気７を生成することが可能となる。このセクターに進入する空気のかなりの割合を占めるのが、典型的には、ルームまたはプロセスからの再循環空気１６である。この再循環空気１６は、リチウム電池製造などのプロセス用の０．５穀粒／ポンド空気以下のような低さで既に非常に乾燥している。
２． 第２の除湿セクター３３は、第１の除湿セクター２の直後に連続的に続く。この第２の除湿セクター３３は、典型的には、外部または周囲プラントからのより湿った空気である補填／加圧空気３４を処理する。この空気は、通常は、冷却された冷却コイル３５を通過することにより、その温度が下げられ、除湿器への進入前に凝縮により可能な限り多量の水分を除去される。
その結果として、この空気は、第２の除湿セクター３３への進入時には、通常は相対湿度が高い。このようにすることで、除湿器は、第１の除湿セクター２が、プロセスに対して非常に乾燥した空気７を送出し、第２の除湿セクター３３が、より高い相対湿度にて除湿負荷の殆どを引き受ける、「２ユニット一体型」となり、したがって、除湿プロセスおよび再活性化プロセスの両方の熱効率が大幅に向上する。
３． 再活性化セクター３への空気供給の全てまたは少なくとも一部分は、ＯＳＡセクター３３を出る除湿された空気３６から得られるため、加熱１０の後に再活性化セクター３に進入する空気は、非常に低い相対湿度となり、その結果、再活性化セクター３を出る乾燥剤マトリックスは、ほぼ無水となる。図７および図８に概略図に示すように、ホイール１にプロセス空気流７および再活性化空気流９を並流にて通過させることにより、ハウジングの構築がはるかに容易かつ安価になる。プロセス空気７および再活性化空気９を逆流にて流す場合には、ハウジングは、追加の管路および同様に追加のファンを含む必要がある。実際に、図８および図８ａに概略的に示すシステムは、１００％外気３４を処理するユニットが、ユニット全体用に単一のファン３９を備えて作製され得ることを示す。
再活性化セクター３においては、乾燥剤は、実質的に無水状態になるまで乾燥される。

図９は、プロセス空気流またはプロセスガス流１６が、他の空気流から完全に独立し、外気セクター３３が、再活性化セクター３への空気供給２０のみを除湿するために使用される、本発明の別の構成を示す。この構成を用いることにより、乾燥剤は、再活性化セクター３においてほぼ無水状態にまで乾燥され、これにより、プロセスセクター２は、より乾燥した空気を生成することが可能となる。このプロセス空気は、プロセスから再循環された空気もしくは他のガス、別の供給源からの空気もしくはガス、またはこれら２つの混合気であってもよい。プロセス空気またはプロセスガスは、いずれの方向においてもプロセスセクターを通過し得る点に留意されたい。

本発明の上述の概略図は、再活性化空気セクターおよび外気／周囲空気セクターから完全に独立してプロセス空気を処理することにより、再活性化用の周囲空気を使用した不活性ガス（低酸素プロセス空気など）の除湿が可能となるように構成される。

図９ａは、図９に示すものと同一の構成であるが、パージセクター１７が、反応セクター３を出る高温媒体を冷却するために再活性化セクター３とプロセスセクター２との間において連続的に加えられていることにより、ユニットの除湿性能が向上する。パージセクター３７からの空気は、この高温媒体により加熱されており、通常は再活性化流入空気８へと再利用されて、再活性化流入空気に必要な空気加熱１０を低減させる。

図１０は、プロセス空気流またはガス流１６が他の空気流から完全に独立している点においては、図９と同様の構成であるが、このユニットは、２つのプロセスセクター４４および２が存在し、プロセス空気がホイールを２回通過することにより、ユニットがより乾燥した空気を生成することが可能となるように、構成される。

図１０ａは、図１０と同一の構成であるが、パージセクター１７が、再活性化セクター３を出る高温媒体を冷却するために再活性化セクター３とプロセスセクター２との間に連続的に加えられることにより、ユニットの除湿性能が向上する。パージセクター３７からの空気は、この高温媒体により加熱されており、通常は再活性化空気流入８へと再利用されて、再活性化流入空気に必要な空気加熱１０を低減させる。

図１１ａ〜図１１ｄは、本発明の他の構成を示す。これらの構成においては、除湿器は、２つ以上の再活性化セクターを備える。各セクターは、異なる供給源からの空気を供給され得る。例えば、２つの再活性化セクター３および４０を備えるユニットにおいては、第１の再活性化セクター３に進入するマトリックスは、高湿度の外気セクター３３を出た直後であり、そのほぼ完全な吸着能力まで水分で充満されているため、水分でほぼ飽和状態となる。つまり、吸着剤再活性化の殆どが、周囲空気２０および直接燃焼された天然ガスなどの安価な熱源１０を使用して達成し得ることになる。水分の殆どが、周囲空気２０および低コスト熱源を用いてマトリックスから追い出されると、この媒体は、外気／周囲空気セクター３３からの少量の空気４２と、再活性化空気４２を加熱するが湿度は増加させない電気熱源または同様の熱源４１とを使用して、第２の再活性化セクター４０において最終乾燥を受けることが可能となり、これにより、第２の再活性化セクター４０を出る乾燥剤は、実質的に無水状態となる。

次に、本発明の吸着特徴および作動サイクルに注目して、以下の情報を提示する。

図１２は、本発明に理想的に適した、すなわちタイプＩＩの等温線を概して有し、１０％以下の相対湿度にてその全能力の約５〜２０％の水分吸着能力を有するが、その残りの吸着能力は、より高い相対湿度へのバイアスを伴いつつ最大で１００％相対湿度まで割り当てられ、これにより、総平均吸収熱が、最高の熱効率のために最小限に抑えられる、乾燥剤についての等温線である。

以下の数字は、吸着プロセスおよび脱着プロセスが、連続作動中に除湿器マトリックスにより時間関数として行われる様子を概念的に示す。示唆する時間数は、ある特定の用途についての実時間を示すようには意図されず、吸着波／脱着波が作動中にマトリックスを通過して移動する様子を示すように意図される。実時間、ロータセクターのサイズ、ロータ速度、および各セクターを通過する空気質量流量は、用途によって異なる。最適なロータ速度は、リチウム電池組立ルームなどの低湿度用途については非常に低く、１００％外気を処理するユニットについては２〜３回転／時間、ならびにプロセス空気用の９０％還気および１０％補填／加圧空気を処理するユニットについては０．５回転／時間未満の範囲となることを、我々は発見した。

図１３は、吸着波が、ホイールの第２の吸着セクターにおいてマトリックスの深さ（典型的には４００〜５００ｍｍ）を通過する様子を示す。ホイールのセクターサイズおよび回転速度は、このセクターからの排出空気のほぼ全てが、大幅に除湿されており、吸着波が、ホイールの排出空気側においてちょうど「突破」し始めているように、選択される。このセクターに進入する空気は、典型的には、外部または周囲プラントからの空気であり、通常は、飽和状態またはほぼ飽和状態になるように事前冷却され、吸着プロセスは、熱的に効率的なものとなる。４００〜５００フィート／分の範囲の空気前面速度が、典型的である。

図１４は、吸着波が、ホイールの第１の吸着セクター（プロセス空気セクター）においてマトリックスを通過する様子を示す。このセクターに進入する空気は、通常は、ルームまたはプロセスからの還気と、第２の吸着セクターにおいて既に除湿されている加圧／補填空気との混合気である。この空気の相対湿度は、ルームまたはプロセスにおいて維持される湿度と、プロセス還気対加圧対補填空気比との関数となる。プロセス還気を含まない場合（１００％外気）の場合でも、このセクターに進入する空気の相対湿度は、１０％未満であり、通常は、プロセス還気の割合およびその湿度に応じてはるかにより低い。リチウム電池組立などの用途については、このセクターに進入する空気の相対湿度は、典型的には約１％ＲＨである。想定し得る最低露点については、セクターサイズおよび空気前面速度は、吸着波がマトリックス排出空気前面を突破するのにはちょうど不足するものとなるように、選択される。このセクターにおける典型的な前面速度は、４００〜５００フィート／分の範囲である。

図１５は、脱着波が、ホイールの再活性化セクターを通過する様子を示す。２つのプロセス空気セクターを有することに加えて、本発明は、先行技術と比較した場合に２つの他の固有の特徴を有する。
１． 第１のプロセスセクターおよび再活性化セクターにおける空気流は、並流、すなわち同一方向である。これは、当業者にとって全く直観的なことではない。なぜならば、乾燥した乾燥剤除湿器の最高性能は、通常は、プロセスセクターおよび再活性化セクターにおける空気流が、相互に対して対向流である場合に実現されるからである。これは、本発明によってもなし得ることであるが、図７および図８を見ることにより、このユニットハウジングが、追加の内部管路を必要とし、製造がより困難かつ高価なものとなるであろうことが、容易に理解することができる。しかし、ホイール１は、プロセスセクター、補填／加圧セクター、および次いで再活性化セクターを逐次的に通過する。除湿負荷の大部分は、マトリックスが高い水充満状態でこのセクターを出るように、ＯＳＡ／補填／加圧セクターにおいて吸着され、このセクターは、再活性化空気流の対向流となっている。これにより、吸着された水分の殆どが高ＲＨ補填／加圧空気流から得られるため、除湿プロセスの熱効率が大幅に改善し、再活性化セクターにおける乾燥剤乾燥の殆どが、吸着プロセスに付随するより高い平衡ＲＨにて行われる。先に論じたように、吸収熱は、平衡相対湿度が低下するにつれて、指数関数的に上昇する。再活性化空気の少なくとも一部分が、加圧−補填空気セクターにより事前処理されているため、その湿度比は大幅に低下し、これにより再活性化セクターの少なくとも最終部分は、非常に乾燥した空気を供給される。これにより、再活性化セクターは、実質的な無水状態にまで乾燥剤を乾燥させることが可能となる。マトリックスの無水性により、マトリックスは、補填空気が補填／加圧空気セクターにおいて既に乾燥されているため除湿負荷を殆ど伴わずに、プロセス空気を極度に低い露点にまで乾燥させることが可能となる。このセクターは、このセクターに進入する空気が、気候にもよるが一般的にその殆どの時間において飽和状態またはほぼ飽和状態にあるため、除湿負荷の大部分を担うこととなる。
２． マトリックスがその深さ全体にわたって実質的に無水状態になるまで確実に乾燥されるようにするために、より低速の空気前面速度が再活性化セクターにおいて必要とされることを我々は発見した。一般的には、１５０〜４００フィート／分の、より限定的には１５０〜２５０フィート／分の範囲の前面速度により、最良の熱効率が実現される。

上述の本発明の構成により、この最後の再活性化セクターを出るマトリックスの温度は、ホイールの深さ全体にわたって、この最後の再活性化セクターに進入する再活性化空気温度に近いものとなる。先述のように、本発明による最適性能は、典型的にはスペースまたはプロセス用の１００％外気を処理するユニットについては２〜４回転／時間、ならびに７０Ｆ〜−４０Ｆ露点の９０％還気および約５０Ｆ乾球温度または飽和度にまで事前冷却された１０％外気３４を処理するユニットについては０．５回転／時間以下の範囲である、低回転速度にて実現される。ホイールの回転速度がこのように低いことにより、再活性化からプロセスへの再活性化熱の持越しは、比較的低いものとなるが、再活性化空気セクターとプロセス空気セクターとの間で連続的に非常に小さなパージセクターを使用することにより、この持越しは大幅に低減され得る。これは、図７ａ、図８ａ、図９ａ、および図１０ａにおいて概略的に示される。その規模は、僅かに数度のみであり、少量の空気を用いるものとなり得るが、必要とされる冷却の純減は、著しいものとなり得る。

図１６は、図１０に示すものと同様の乾燥剤等温線を有するマトリックスを使用した乾燥パージ構成における除湿器の典型的な性能を示す。垂直スケールは、プロセス排出空気の露点湿度を示し、水平スケールは、再活性化に必要とされるＫｗ（温度）熱当たりのＣＦＭにおけるプロセス空気排出量単位における再活性化熱要件を示す。これらの線は、８％、１０％、および１２％の補填／加圧空気率での性能を示す。このユニットの作動パラメータは、グラフの下方左隅に示される。例えば、１０％の補填／加圧空気率では、除湿器は、Ｋｗ（温度）再活性化エネルギー要件当たり約３００ＣＦＭのプロセス空気を送出することが可能であり、９０％のプロセス流入空気が、−４０Ｆ露点湿度のプロセスからの還気となる。この再活性化熱入力は、より単純かつより安価な装置設計を有しながらも、現行において入手可能な除湿器が必要とする入力以下となる。

図１７ａおよび図１７ｂは、２つの異なる状況における、すなわち上方の略図は１５％加圧／補填空気を必要とする用途についての、および下方の略図は１００％外気を必要とする用途についての、非常に乾燥したルームまたはプロセス（リチウム電池製造など）向けの乾燥パージ構成における除湿器の典型的な性能を図示する。これら両方の例において、ユニットは、−７０Ｆ露点以下でプロセスに１０，０００ＣＦＭの空気を送出することが要求される。これらの条件は、０％〜１００％の任意の補填空気率で極度に乾燥したプロセス空気を送出する乾燥パージユニットの能力を実証するために選択した。上方のグラフについては、還気条件は、リチウム電池生産ルームの典型的なものである。上方の例（１５％補填空気）においては、ユニットは、除湿器により空気から除去される水について約１，７９０ＢＴＵ／ポンドの再活性化比熱エネルギー入力を有する。下方の例（１００％補填空気）においては、再活性化比熱エネルギー入力は、除湿器により空気から除去される水について約２，９５０ＢＴＵ／ポンドである。この性能は、空間またはプロセスに対して極度に乾燥した空気を必要とする用途向けの当技術において現行で公知である任意の他の構成と同等であるかまたはそれより良好なエネルギー効率を実現するものであると考えられる。

図１７ｃおよび図１７ｄは、非常に乾燥した送出空気条件を必要とするが、より高い入力空気湿度または還気湿度を有する、もう１つの一般的な種類の用途向けの乾燥パージ構成における除湿器の性能を図示する。１つの良例は、約−７０Ｆの露点で乾燥ホッパーに送出される空気を必要とするプラスチック樹脂ペレット乾燥である。これらの用途は、通常は１００％再循環空気であり、乾燥ホッパーからの還気湿度は、典型的には約８〜１０穀粒水分／ポンド空気である。これらの状況において、乾燥パージ構成は、１００％プロセス空気再循環に対応するために幾僅か変更されなければならない。図１７ｃは、単一のプロセスセクターを使用し、再活性化セクター用の空気の全てを供給するために外気セクターを使用することにより、約２８５Ｆの温度の再活性化流入空気について非常に低い相対湿度をもたらす、乾燥パージ構成を示す。もう１つのアプローチが、図１７ｄに示され、ここでは、プロセス空気は、直列の２つのプロセスセクターを通過する。再活性化熱要件の比較から分かるように、図１７ｄに示す構成は、熱的により効率的であるが、より大型のユニットを必要とする。

示した性能は、本コンセプトの現在の開発状況におけるものである点に留意されたい。現行において進行中である乾燥剤の等温線ならびに空気質量流量およびセクターサイズ等々のさらなる開発および検査により、性能が著しく向上することが予期される。また、本開示における説明は、極度に乾燥した空気を必要とする用途に焦点を置いたが、開示したコンセプトの他の用途が、より高い湿度用途において優れた性能を実現し得る点に留意されたい。

１ ホイール
２ プロセスセクター
３ 再活性化セクター
６ 補填空気
７ 湿度
８ 再活性化空気
９ 再活性化空気流
１０ 加熱
１１ 冷却コイル
１２ 混合空気
１３ 冷却コイル
１４ 冷却コイル
１６ プロセス還気
１７ パージセクター
１８ パージ空気
２０ 再活性化空気流
２３ パージ空気
２４ パージ空気
２５ パージ再循環ファン
２６ 加圧／補填および再活性化空気
３１ 加圧／補填空気
３３ ＯＳＡセクター
３４ １００％外気
３５ 冷却コイル
３６ 補填／加圧空気
３７ パージセクター
３９ 単一のファン
４０ 再活性化セクター
４１ 熱源
４２ 再活性化空気
４４ プロセスセクター

Claims (18)

1. 乾燥剤ホイール（１）およびホイールドライブと、ハウジングとを備える固形乾燥剤タイプの除湿装置であって、該ハウジングは、内部バッフルと、セクターを形成しかつ隣接するセクター間における空気の漏れを防止するためのホイール面の近位の空気シールと、を有し、前記ホイールに空気を通過させるための少なくとも３つの経路を形成し、
   前記セクターは、連続的に、低平衡相対湿度まで前記乾燥剤を乾燥させるための再活性化セクター（３）、プロセスにプロセス空気流を供給し、かつプロセスからの還気および外気セクター（３３）から受ける補填空気を乾燥させるためのプロセスセクター（２）、ならびに前記プロセスセクター（２）用の補填空気（３６）および全ての前記再活性化セクター（３）用再活性化空気流を供給するために外気流（３４）を除湿するための前記外気セクター（３３）である、除湿装置。
2. プロセス空気流および再活性化空気流が、前記乾燥剤ホイール（１）を同一方向に通過し、外気流および前記再活性化空気流が、前記乾燥剤ホイールを逆方向に通過するように、前記乾燥剤ホイールが位置決めされる、請求項１に記載の除湿装置。
3. プロセス空気流および外気流は共に、再活性化空気流とは逆方向に前記乾燥剤ホイールを通過する、請求項１に記載の除湿装置。
4. 前記外気セクター（３３）に進入する空気を事前冷却することにより、凝縮によって前記空気から水を除去し、前記外気セクター（３３）に前記空気を送出するための手段（３５）が設けられている、請求項１に記載の除湿装置。
5. 前記プロセスセクター（２）に進入する空気を事前冷却することにより、この空気の相対湿度を上昇させて、除湿性能を向上させ、前記プロセスセクター（２）から送出される空気の温度を低下させるための手段（１４）が設けられている、請求項１に記載の除湿装置。
6. 追加の「パージ」セクター（１７）が、前記再活性化セクター（３）と前記プロセスセクター（２）との間に連続的に配設され、これにより、セクターの合計数が４つに増加し、該パージセクターへの供給空気は、前記外気セクター（３３）の排気から得られ、前記再活性化セクター（３）を出る乾燥剤媒体が前記プロセスセクター（２）に進入する前に前記乾燥剤媒体が事前冷却され、前記除湿装置がより乾燥したプロセス空気を生成することが可能となり、再活性化から前記プロセス空気への熱の持越しが低減される、請求項１に記載の除湿装置。
7. 前記パージセクター（１７）を出る空気は、再活性化流入空気の少なくとも一部分のために使用される、請求項６に記載の除湿装置。
8. さらなる再活性化セクターが、前記再活性化セクターの前に連続的に配設されることにより、異なる空気供給源および異なる熱源を２つのセクターに対して使用することが可能となり、前記さらなる再活性化セクターに対する供給空気は、加熱前に水分含有量を低減させるために事前冷却され得る周囲空気であり、前記外気セクター（３３）からの排気である前記再活性化セクターに対する供給空気は、この空気に対して水分を追加しない加熱手段（４１）により事前加熱される、請求項１に記載の除湿装置。
9. 前記外気流（３４）は、周囲空気である、請求項１に記載の除湿装置。
10. 除湿装置に３つの空気経路を形成するステップと、
    前記装置において再活性化セクター（３）内に供給された乾燥剤ホイールを低平衡相対湿度にまで乾燥させるステップと、
    プロセスセクター（２）からの還気および外気セクター（３３）からの補填空気を乾燥させるステップと、
    前記プロセスセクター（２）に対して補填空気、および再活性化セクター（３）に対しての全ての再活性化空気流を供給するために、前記外気セクター（３３）において外気流（３４）を乾燥させるステップと
    を含む、請求項１に記載の除湿装置を用いて空気を除湿するための方法。
11. プロセス空気流（７）および再活性化空気流（９）が、前記乾燥剤ホイール（１）を同一方向に通過し、外気流（３４）および前記再活性化空気流（９）が、前記乾燥剤ホイール（１）を逆方向に通過する、請求項１０に記載の方法。
12. プロセス空気流（７）および外気流（３４）は共に、再活性化空気流（９）とは逆方向に前記ホイールを通過する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記外気セクター（３３）に進入する空気（３４）は、事前冷却されることにより、凝縮によって前記空気から水が除去され、前記外気セクター（３３）に前記空気が送出される、請求項１０に記載の方法。
14. 前記プロセスセクター（２）に進入する空気（１２）は、事前冷却されることにより、この空気の相対湿度が上昇して、除湿性能が向上し、前記プロセスセクター（２）から送出される空気（７）の温度が低下する、請求項１０に記載の方法。
15. 追加の「パージ」セクター（１７）が、前記再活性化セクターと前記プロセスセクター（３、２）との間に連続的に配設され、これにより、セクターの合計数が４つに増加し、該パージセクターへの供給空気は、前記外気セクター（３３）の排気から得られ、前記再活性化セクター（３）を出る乾燥剤媒体が前記プロセスセクター（２）に進入する前に前記乾燥剤媒体が事前冷却され、前記除湿装置がより乾燥したプロセス空気を生成することが可能となり、再活性化から前記プロセス空気への熱の持越しが低減される、請求項１０に記載の方法。
16. さらなる再活性化セクターが、前記再活性化セクターの前に連続的に配設されることにより、異なる空気供給源および異なる熱源を２つのセクターに対して使用することが可能となり、前記さらなる再活性化セクターに対する供給空気（２０）は、加熱前に水分含有量を低減させるために事前冷却され得る周囲空気であり、前記外気セクターからの排気である前記再活性化セクターに対する供給空気（４２）は、この空気に対して水分を追加しない加熱手段（４１）により事前加熱される、請求項１０に記載の方法。
17. 前記外気流（３４）は、周囲空気である、請求項１０に記載の方法。
18. 除湿負荷のかなりの部分が、前記外気セクター（３３）において吸着されることにより、マトリックスは、高い水充満状態でこのセクターを出ることが確実になる、請求項１０に記載の方法。