JP6605548B2 - 換気空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば室内で発生する二酸化炭素やＶＯＣ、臭気等汚染質または外気から侵入するＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣ等汚染質を吸着除去できるロータを用い、これら汚染質を除去することにより、少ない換気によって室内空気の質を上げることのできる二酸化炭素等汚染質除去換気空調装置を提供するものである。

業務ビルや商業ビル及び居住空間に用いる図１のような換気空調装置は、主に人の呼気に含まれる二酸化炭素や建材やＯＡ機器などから発生するＶＯＣ等の汚染質を排出する目的で用いられている。冷暖房中に換気を行うと、冷暖房負荷が増加するため、換気管路に全熱交換器が用いられ還気と排気を熱交換して排熱回収されている。

このような全熱交換機としてロータ型のものと静止型のものとが主に用いられ、排気：外気風量比１：１のとき、ロータ型のもので全熱交換効率が７０％程度、小型静止型のものでは全熱交換効率が５０％程度である。つまり全熱交換によって捨てられるエネルギーを回収しても３０〜５０％のエネルギーが無駄に捨てられている。又給気系と排気系夫々の大型ダクトが必要で、ビルの高価な有価スペースを無駄に占有するデメリットや、外気取り入れ場所が遠いと、ダクト配管が長くなる、工事費も増える、送風動力も増加する等の問題が有り設置場所にも制約がある。

さらに最近の住宅は各室独立した空調設備を有し、各室毎に換気扇を設け、各換気扇から天井裏に通したダクトを介して換気を行うようにしている。このようなダクトは長い管路である場合があり、このような場合には空気抵抗が大きい。よって換気に要するエネルギーも大きくなり、これも換気による無駄なエネルギーとなり、総合的なエネルギー効率が落ちていた。

特開２００５−９８５７１号公報 特開２００７−３７６７０号公報 特開２００３−１９４３５号公報 特開２００６−６１７５８号公報 特公平５−６８２９０号公報 特許５６２７８７０号公報 特許５８７７９２２号公報

上記の問題に対して、特許文献１に示されるように室内の二酸化炭素濃度が一定以上の値になった時に運転する換気扇が開発された。しかしながら、これも依然として換気に伴う冷暖房エネルギーの損失を十分に減少させるものではなかった。

このため特許文献２に示されるように、空気中の有害ガスを吸着したり分解したりするフィルターを有する脱臭装置が開発された。しかしながら、この種の装置は二酸化炭素の除去ができず、またフィルターの交換を行わなければならないため、フィルターの交換費用が別途掛かるという問題があった。

特許文献３には酸化カリウム等二酸化炭素の収・脱着が可能な吸収剤を担持した吸着ロータを用いて室内空気から二酸化炭素を収着して、再生ゾーンにて温風にて二酸化炭素を脱着して屋外に排気する装置が開示されている。

特許文献４には二酸化炭素を選択的に収・脱着する官能基を有するイオン交換樹脂や錯体をロータに担持した収着ロータを用いて室内空気から二酸化炭素を収着して、再生ゾーンにて温風にて二酸化炭素を脱着して屋外に排気する装置が開示されている。

しかしこれら文献に開示されている二酸化炭素収着装置は原理的に総て二酸化炭素と共に水蒸気も吸着除去する。夏期は多湿なので除湿できると都合が良いが、中間期や冬期において除湿すると室内空気が乾燥しすぎて加湿しなくてはならない。そのため夏期以外は利用メリットがないという問題があった。

さらに二酸化炭素吸着材及びロータの耐熱性や、省エネルギー目的でエネルギー密度の低い摂氏４０〜８０℃程度（以降、温度は全て「摂氏」とする）の低温排熱を利用するため、要求性能達成のためには処理空気量と同量の再生空気の取り入れと排気が必要になり、比較的大型のロータが必要で、設置スペースが大きく、コストも高いというデメリットがある。また再生空気取り入れ用と、排気用夫々の大型ダクトが必要で、ビルの高価な有価スペースを無駄に占有するデメリットや、外気取り入れと排気が容易な場所でないと、ダクト配管が長くなる、工事費も増える、送風動力も増加する等の問題が有り設置場所にも制約がある。

特許文献５には宇宙ステーション等閉鎖空間で使用する二酸化炭素除去装置の例が開示されている。吸着材（アミン系イオン交換樹脂、活性炭等）を充填した吸着層に処理空気を流し、処理空気中の二酸化炭素を除去して給気する。二酸化炭素を吸着した吸着材充填層は弁を切替えて、水蒸気を導入して二酸化炭素を脱着する。脱着が終了すると再度弁を切り替えて処理空気を導入して二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素を除去した空気を給気するというようにバッチ式で運転される。この方式は宇宙ステーションのような小空間用では成り立つが、大型化が困難で、かつイニシャルコスト、ランニングコストも高く一般空調用には適応が困難な装置である。

特許文献６には、一般空調にも適応可能なように二酸化炭素の吸着が可能なイオン交換樹脂など収着材の粉末を担持したハニカムロータを用い、図２のように処理空気側はヒートポンプのエバポレータを通して冷却除湿した空気をハニカムロータに通して二酸化炭素等汚染質を収着除去して給気する。一方再生ゾーンにはコンデンサを通して昇温した空気を通すことで、ロータに吸着した二酸化炭素等汚染質を脱着して外気に排出する。ハニカムロータを使用することで大風量処理を可能にし、かつヒートポンプも組み合わせて排熱も利用することで省エネ性を確保する案が開示されている。

特許文献７には処理入り口エンタルピより再生入り口エンタルピが高くなるように湿度調整手段を設けて二酸化炭素の分離効率を高める例が開示されている。しかし特許文献６、特許文献７何れも、再生効果の低い低温排熱利用の空気を用いるため、再生エネルギーの不足を再生風量で補おうとして処理空気とほぼ同量の再生脱着空気が必要で、表１のようにロータ径が大型化して装置の小型化が困難、大風量送風機が２台必要で送風ランニングコストも嵩む。さらに大面積の脱着再生用給・排気ダクトも必要になり、ビルの有価空間を多く占有するという欠点がある。

二酸化炭素吸着性または収着性のある材料のゼオライト、活性炭、アミン系化合物、アミン系イオン交換樹脂、炭酸カリウム等炭酸塩の何れも吸湿性を有し、また通常再生脱着用空気は加熱により相対湿度が低下するので、再生ゾーンではロータの水分が脱着され、処理ゾーンでは通過空気が除湿される。夏季であれば除湿するメリットもあるが、給気が除湿の吸着熱で昇温するので、ロータ処理出口に設けた気化冷却器やアフタークーラで再冷却しなければ室内に給気できないという欠点もある。

また除湿の吸着熱による昇温により図６のように二酸化炭素の収着性能は阻害される傾向があり、かつ脱着再生ゾーンでは水蒸気の脱着熱に再生エネルギーが消費され二酸化炭素の分離性能が悪くなるという性能上のデメリットもある。

さらに冬期にはむしろ加湿したい条件になり、この除湿機能はデメリットとなり、また余剰な排熱も無いので冬期の運用はできない。つまり夏期しか活用できないという根本的な欠点がある。

本件発明は以上のような課題を解決するため、湿った状態で二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、空気中の二酸化炭素や汚染質を除去浄化することができるため、最小限の換気量でエネルギーの損失を抑えつつ室内空気質を確保できる。また小容量の飽和蒸気で脱着再生するため、表１のようにロータ及び装置の大幅な小型化が可能になる。
また従来の換気空調装置で必要な給・排気量が格段に少なく出来るので、空調装置やダクトの設置スペースを少なくでき、有価なダクト占有スペース削減や設置コストも抑えられる、省スペース、低コスト、省エネルギー換気空調装置を提供しようとするものである。

本発明の換気装置は上記の如く構成したので、室内で発生する二酸化炭素や臭気やＶＯＣ、外気から侵入するＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質も同時にハニカムロータに吸着（収着）され、脱着ゾーンにて飽和水蒸気で脱着されて外気へ放出される。ここで換気量を削減すると、室内空気中の酸素が次第に減少するが、空気中の酸素濃度は２１％程あり、１〜２％程度の減少は人の呼吸に全く影響がなく、ドアからの出入りや、酸素の濃度差により隙間からの拡散等にて酸素が供給されるので実質的に問題にならない。逆に呼吸により酸素１〜２％が消費され、その結果発生した二酸化炭素１〜２％を除去しなければ人体に対し有害な影響を及ぼすことになる。

二酸化炭素の濃度は許容値が建築基準法では０．１％、（米国国立職業安全衛生研究所及び米国産業衛生専門家会議による許容値０．５％）と言われ、空気中にわずかに増加するだけで人の健康に影響をもたらすため、建築基準法の設計基準では在室人員１名あたり３０ｍ^３／Ｈの換気が必要とされている。しかし近年外気の二酸化炭素濃度が徐々に上昇しており３０ｍ^３／Ｈの換気では室内二酸化炭素濃度０．１％は達成できなくなっている。また換気の主たる目的は建材や家具、ＯＡ機器などから発生するＶＯＣや喫煙で発生する汚染質を排気して濃度を下げることである。従って、３０ｍ^３／Ｈ以下の換気量でも、室内から二酸化炭素とＶＯＣ等の汚染質を排出して基準値以下に維持できれば、建築基準法の運用基準では問題ない。

さらに本発明の方法及び装置は、二酸化炭素およびＶＯＣ等汚染質ガスの吸・脱着作用を有するハニカムロータを用いているため、フィルターを用いた空気清浄装置のように頻繁に交換する部材が無く、消耗品交換経費も小さくすることができる。

特に近年、ＰＭ２．５や光化学スモッグなどの大気汚染が都市圏で相次ぎ、このような場合には換気を行うことで、室内にＰＭ２．５や光化学スモッグが入って来ることが懸念される。また幹線道路沿いでは自動車の排気ガスが、繁華街では調理排気による臭気が換気によって室内に入ってくる可能性がある。しかし、本発明の換気装置であれば換気量が少ないためにこのような問題はなく、もし入っても、本発明の装置で吸着濃縮排気される。

図１は換気空調装置の従来例のフロー図である。 図２は換気空調装置の特許文献６の従来例のフロー図である。 図３は本発明の換気空調装置の実施例１のフロー図である。 図４は本発明の換気空調装置の実施例２のフロー図である。 図４は本発明の換気空調装置の実施例３のフロー図である。 図６は固体アミン系収着材の二酸化炭素吸着平衡図である。 図７は本発明の蒸気導入ホッパと排気ホッパの断面図である。 図８は飽和蒸気脱着再生時のハニカム表面を示す図である。 図９は気化冷却収着時のハニカム表面を示す図である。 図１０は温風再生と飽和蒸気再生を比較した空気線図である。 図１１は乾式吸着と気化冷却収着を比較した空気線図である。 図１２は冬期処理空気の変化を示す空気線図である。 図１３は０．１ｍｍ以下の弱塩基性イオン交換樹脂の微小粒子とバインダーを混合したスラリーを多孔質ガラス繊維シートにコーティングして、１ｍｍ以下のシートにしたシート表面の顕微鏡写真を示す図である。

本発明は湿った状態で二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと脱着再生ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して、二酸化炭素や汚染質を脱着して屋外に排出することを特徴とする換気空調方法及び装置である。

吸着と吸収現象は異なるが似た現象で、両方の要素がある場合には収着という言葉を用いることもある。本発明では収着という言葉を用いる。アミン系二酸化炭素吸収剤は吸収と言えるが、アミン系イオン交換樹脂は含水すると水で満たされた細孔が存在し、その細孔内を拡散して細孔表面のアミン基に二酸化炭素が収着する吸着材と考えられる。また多孔質固体吸着材の細孔内にアミン液やイオン液体など吸収剤を添着した吸着材もこれに含まれ、何れであっても操作原理において非水溶性で固体状の湿った状態で二酸化炭素等汚染質を収着する機能を有する小径粒子を取り込んだハニカムロータを用いることが本発明の要点である。

前記ハニカムロータの処理ゾーンに処理空気を流すとハニカムは二酸化炭素等汚染質を除去して清浄空気を給気する。二酸化炭素等汚染質を収着したロータハニカムはロータの回転によって脱着ゾーンに移動し、飽和水蒸気を導入して二酸化炭素等汚染質を脱着する。脱着ゾーンからロータハニカムに導入された飽和水蒸気は図８のようにハニカムの加熱や二酸化炭素等汚染質の脱着熱供給により冷却して凝縮し、ハニカム内表面に結露する。ロータの回転によりハニカムの内面は凝縮結露水で濡れたまま処理ゾーンに移動するが、処理空気が通過すると結露水の気化冷却現象によってハニカムの冷却を促進し、かつ二酸化炭素ガスの収着熱を冷却除去することで高効率に二酸化炭素ガスや汚染質ガスを収着できるという効果を発揮する。

さらに、高エネルギー密度で小容量の６０〜１００℃の飽和水蒸気で炭酸ガスやＶＯＣなど汚染質ガスを濃縮脱着排気することで、脱着風量と換気風量を少なくすることができる。例えば図９のように３５℃５０％RHの空気を６０℃まで加熱するエンタルピに対し、６０℃の飽和蒸気では十数倍のエンタルピを有するので、飽和蒸気は十数分の１で脱着再生が可能になり表１の様にロータが小型化でき、排気も取り入れ外気も大幅に削減でき、給・排気系のダクトも建築基準法の最小限で良く、運用上は室内空気質を確保できれば換気量は大幅に絞れるので送風エネルギーの削減になる。また大風量の換気によって冷暖房エネルギーが失われることもなく省エネルギー性が向上する。全熱交換器で排熱回収しても３０〜５０％のエネルギーが回収できずに失われるが、本考案の換気装置では室内の二酸化炭素、ＶＯＣ等汚染質を濃縮排気することで全熱交換器を上回る省エネルギー効果が見込まれる。

ここで飽和水蒸気とは、４０〜１００℃以下の基本的に大気圧である。脱着ゾーンに導入された飽和水蒸気はハニカムの加熱や二酸化炭素の脱着熱供給により冷却して凝縮し、ハニカム表面に結露する。ハニカムの表面は結露した水で濡れたままロータの回転により処理ゾーンに移動するが、処理空気の通過により結露水の気化冷却現象によってハニカムの冷却を促進し、かつ二酸化炭素ガスの収着熱を除去冷却することで高効率に処理空気中の二酸化炭素ガスや汚染質ガスを収着できるという効果を発揮する。つまり本発明の装置は、蒸気による置換脱着でなく、飽和蒸気による高エンタルピを利用する。

固体非水溶性のアミン系二酸化炭素収着材としてはアミン基を有する塩基性イオン交換樹脂の他にアミン基を有する高分子ゲル、あるいは細孔内にアミン系二酸化炭素吸収剤又は炭酸塩、イオン液体などの二酸化炭素吸収剤を細孔内に添着したシリカゲル、活性炭、活性アルミナ、メソポーラスシリカ等の吸着材を用いることもできる。吸着材の細孔内に浸水して二酸化炭素収着性能が阻害される場合には、吸着材の表面を撥水性にして細孔内への浸水を防止することもできるが、微細孔なので微弱な撥水性で目的を達成することが出来る。逆に強い撥水性では凝縮水が収着材表面を避け、水滴が大径化して気化冷却効果が低下するので望ましくない。

一例として０．１ｍｍ以下の弱塩基性イオン交換樹脂の微小粒子とバインダーを混合したスラリーを多孔質ガラス繊維シートにコーティングして、１ｍｍ以下のシートにして用いれば毛細管力を有効利用して収着効果を高めた気化冷却収着ハニカムが実現できる（図１３にシート表面写真の例を示す）。脱着ゾーンにて飽和蒸気を導入すると、図８のようにハニカム表面に水蒸気が凝縮結露するが、微小粒子コーティング層内で複数重なった微小粒子間の毛細管力により凝縮水は吸い込まれ、ハニカム形状なので通気に影響は無く、処理空気通過時には図９のように広いハニカム内表面からシートの内部へと二酸化炭素ガスの収着と水の蒸発冷却が進むので、特許文献５のような１〜２ｍｍの比較的大きな球状のイオン交換樹脂を充填した層（床）で問題になるようなデメリットは解消される。

またシートの表裏で収着速度や収着容量の差や、凝縮水量や気化冷却効果にむらがあっても、薄いシートのハニカムなので、表裏での凝縮水の毛細管力や水蒸気の拡散による物質移動や、熱移動によってむらは緩和され、従って性能向上できる。さらに活性炭、疎水性ゼオライト、合成吸着材VOC吸着材を混ぜることでVOCや臭気等の汚染質も同時に除去することが出来る。

また長期運用上の効果として耐久性の向上がある。アミン系二酸化炭素収着材やアミン系イオン交換樹脂は酸素がなければ耐熱性は１００℃まで耐えるものがあるが、酸素のあるガス中では５０〜６０℃でも著しく劣化する例がある。本発明の装置では、収着時のアミン系収着材の温度は図１１のように低温に抑えられ、脱着時は図１０のように４０〜１００℃以下になるが、イオン交換樹脂は水和状態の方が安定性が増し、かつ結露水で覆われるので酸化劣化が防止され、耐久性が向上する。

本発明の換気装置は以上のように構成され、以下その動作について説明する。室内に人が居て、呼気中の二酸化炭素や喫煙によって室内の二酸化炭素濃度が上がる場合や、冬期に室内で開放型のストーブを使用して発生する二酸化炭素によって室内の二酸化炭素濃度が上昇するので、室内空気を換気させる必要がある。近年はヒートポンプエアコンの普及や、分煙化が進んだことから呼気以外の二酸化炭素発生は少なくなったが、換気の重要性は変わらない。

このような場合にはハニカムロータ１を回転させながら、室内空気または外気を換気空調装置２に通す。ロータを通過した空気は二酸化炭素など汚染質ガスが除去されて給気される。図３のように室内からの還気を、収着装置のハニカムロータに通過させると、換気に含まれる二酸化炭素や汚染質濃度を減量して室内に給気することができる。

同時に脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して収着された二酸化炭素等汚染質を脱着して外気に放出する。このようにして処理空気に含まれる二酸化炭素やＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質ガスは濃縮されて室外へ排出される。

以下本発明の換気空調装置の実施例について図３に沿って詳細に説明する。1はハニカムロータであり、ガラス繊維など無機繊維の多孔質のシートをコルゲート（波付け）加工しロータ状にしたもので、二酸化炭素を吸収するアミン系二酸化炭素吸収剤を添着した活性炭の吸着材が担持されている。

ロータは、処理ゾーンと、脱着再生ゾーンに区分されシールされたケーシングに収納され、ロータはギヤドモーターにて回転駆動されるように構成されている。

処理ゾーンに処理空気を導入し、処理空気に含まれている二酸化炭素等汚染質を収着除去し、浄化された空気を室内に供給する。処理空気は還気でも外気でも可能で、目的に応じて混合することも可能である。二酸化炭素や汚染質を収着したロータハニカムは脱着再生ゾーンに回転移動し、脱着ゾーンでは４０〜１００℃以下の飽和水蒸気を導入し、ハニカムを加熱して二酸化炭素や汚染質を脱着排気する。飽和蒸気はハニカムの加熱と二酸化炭素等の脱着熱供給にエネルギーを消費して、ハニカム内の表面に結露凝縮する。飽和蒸気は乾燥空気の十数倍〜数十倍のエネルギーを持っているので、飽和蒸気の導入量は処理空気に対し十数分の一以下で脱着再生が可能になりロータ及び装置全体のコンパクト化ができる。脱着用の飽和蒸気はボイラからの供給でも良く、空調装置に内蔵したパン型加湿器や、空調用の電熱式又は電極式の蒸気加湿器を用いることもできる。

脱着ゾーンにて二酸化炭素等汚染質が飽和水蒸気により加熱脱着され、水蒸気が凝縮結露したロータハニカムは、回転して再び処理ゾーンに移動するが、ハニカム内表面の結露水が、処理空気により蒸発することで気化冷却効果を生じ、ハニカムは速やかに冷却されて二酸化炭素や汚染質の収着が開始される。収着が開始された後もハニカムは湿っているので、二酸化炭素や汚染質の収着熱は気化冷却効果で除去され、かつ処理空気入り口温度よりも低温になって給気される。本発明の装置は、デシカント空調機のような除湿機能は無いが、処理空気は気化冷却されて供給されるので冷房装置として機能するという特徴を有する。

本発明の実施例２のフロー図を図４に示す。装置の構成は実施例１の図３とほぼ同じである。ハニカムロータ１は、ガラス繊維等無機繊維主体のプラスチック繊維を含む３０ｇ／ｍ^２の多孔質ペーパに、粒度分布０．０２〜０．１ｍｍのアミン系イオン交換樹脂の微粒子と、平均粒径０．０３ｍｍの活性炭微粒子と耐熱耐水性のバインダーとを混合したスラリー液をコーティングし、乾燥したシート（図１３）をピッチ３．０ｍｍ、高さ２．０ｍｍにコルゲート加工し、それを巻きつけてロータ化して、アミン系イオン交換樹脂と活性炭の微粒子を５０重量％含む嵩比重１５０ｋｇ／ｍ^３のハニカムロータ１を得る。

本発明では、収着した二酸化炭素の脱着に蒸気を使用するため、ハニカムロータ１の不燃化は不要だが、湿潤時の保形性と強度確保のためガラス繊維等の無機繊維やPET等の合成繊維を混抄した紙を支持体にすることが望ましいが、耐蒸気性、保形性、強度を有する合成繊維の不織布等であれば無機繊維の介在は必須ではない。また脱着時の水蒸気凝縮と、収着時の気化冷却効果を目的とする収着体として、ハニカム特有の新規なメリットがある。例えばシートの表裏で収着速度や収着量の差や、凝縮水量や気化冷却効果にむらがあっても、１ｍｍ以下の薄いシートで形成されたハニカムなので、ハニカム内での収着材の付着むらや、流入空気の温・湿度むらがあっても、図８、図９のように表裏での凝縮水の毛細管力や水蒸気の拡散による物質移動や、熱移動が良いことでむらは緩和される。従って性能向上できる。

ハニカムロータ１は全体が換気空調装置内に開口し、その一部の前後にシール付きのホッパーを設置し、入り口ホッパーに外部から飽和蒸気を導入する管が併設されている。入り口ホッパーに５０〜１００℃の飽和蒸気を導入し、ハニカムロータに収着された二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質を出口ホッパーに脱着して外気へ放出する。換気空調装置を通過した空気は、二酸化炭素や汚染質を除去されて室内に給気される。

ハニカムロータは、ガラス繊維等無機繊維主体の３５ｇ／ｍ^２の多孔質ペーパをピッチ３．０ｍｍ、高さ２．０ｍｍにコルゲート加工し、それを巻きつけてロータ化して、アミン基を有する二酸化炭素収着性のある高分子ゲルをディップコート乾燥した二酸化炭素収着ゲルを７０重量％含む嵩比重１５０ｋｇ／ｍ^３のハニカムロータ１を得る。

装置の構成的には実施例２とほぼ同様であるが、図５のようにハニカムロータは外周シール構造を備えるロータ吸着装置内に固定され、処理空気を前記空調装置に通し、前記装置を通過した空気を再び室内へ戻すようにした装置において、吸着装置ロータの一部前後にロータ軸を中心として連動して回転するシールを有する扇形のホッパーを取り付け、片方のホッパーから飽和蒸気を導入して、もう一方のホッパーに脱着された二酸化炭素や汚染質を屋外に排出することを特徴とする。ロータは回転させないので大型化が容易になり、摺動するのはホッパーのシールのみなので摺動抵抗が少なく、耐磨耗性の高い高価なシール材は不要で、メンテナンスコストが削減できる。

さらに省エネ性を高め、かつ夏期だけでなく冬期でも活用できる実施例について説明する。基本構成は図３と同様だが図７のように飽和蒸気導入ゾーン出口側に、ロータ回転方向に対して下手にパージゾーンを追加した排気ゾーン扇形部を設ける。排気ゾーンでは飽和蒸気と共に排気ゾーン反対側の給気ゾーンの空気を、排気送風機で吸引パージして排気するが、冷房時と、暖房時で排気送風機の風量を切替える。

冷房時には排気送風機の風量を多くして予冷効果を十分に発揮できる空気量を流して、予冷したハニカムが処理ゾーンに移動するように予冷空気量を設定する。そうすることでロータの蓄熱の給気への持込を防止でき、処理ゾーンでは凝縮水の気化冷却効果で冷却された処理空気を給気することが出来る。予冷空気で気化冷却した後処理ゾーンに移動したロータハニカムは冷却されているので、給気のエンタルピは上昇せず、かつハニカムは湿っているので除湿せず吸着熱が発生しないため給気の温度上昇は無い。図１１、図１２のようにむしろ気化冷却効果で入り口より低温の給気ができるという効果がある。たとえば処理入り口空気が２５℃５０％RHであれば、出口空気は湿球温度１８℃に近い温度に気化冷却される。さらに３５℃５０％RHの外気を処理するのであれば、湿球温度２６℃に近い温度に気化冷却される。以上の様に本発明の装置では除湿はしないが、この湿度領域の除湿はヒートポンプで容易に調整できるので問題ない。

予冷空気量には最適値が存在し、パージゾーンを単位時間に横切るハニカムの熱容量と、通過させる空気による気化冷却熱量を同等になるよう設定する必要が有る。過少であると、ハニカムの蓄熱が給気に持ち込まれ、エンタルピが上昇して冷房効果と省エネ効果を減じる。
気化冷却効果がない場合の最適な予冷空気風量Wは式‐１で計算できる。
W（ｋｇ/ｈ）＝π/４×（D²−ｄ²）×ζ×L×N ×γ_H×C_H/C_G…式‐１
ここでD：ロータ有効外径(m)、ｄ：ロータ有効内径(m)、ζ：ロータ端面有効面積（通風に有効な面積）率、L：ロータ幅(m)、N：ロータ回転数(rph)、γ_H：ハニカムの嵩比重（ｋｇ/ｍ^３）、C_G: ガスの比熱、C_H：ハニカム材の比熱。
本発明では凝縮水による気化冷却効果が加わるので、処理空気条件により変わるが、以上の計算風量の数分の１の風量でよい。ハニカムロータ除湿機であれば処理空気の１／３〜１／９の予冷空気を導入しているが、本発明の装置では、さらにこれの１／３以下の冷却空気で目的を達せられる。

冬期には排気送風機の排気風量を絞って、ハニカムロータの回転によって処理ゾーンに持ち込まれるハニカムの空隙に残っている二酸化炭素や、汚染質ガスをパージするだけの最小風量に設定する。このようにすることで、二酸化炭素や汚染質ガスは排気されながらも図１２のようにロータの蓄熱の大部分は処理空気側に持ち込まれる。従って再生エネルギーの大部分は暖房に回収利用され無駄にならない。また処理ゾーンにてさらに通気を続けると処理空気は気化冷却効果により冷却されて給気されるが、処理空気のエンタルピは減少せず加湿されているだけなので、必要なだけ加熱すれば給気できる。つまり冬期において必要な加湿が不要になる効果を有する。従って冬期でも運転可能な省エネ換気空調装置が実現できる。

暖房時には排気送風機の風量を絞ってハニカム空隙内に残存している、濃縮脱着された二酸化炭素等汚染質をパージ排出できるだけの空気量を通過させる。パージ空気量が過少であれば収着された汚染質が給気に混入するので少し過剰気味にするのが望ましいが、過剰すぎるとハニカムの蓄熱が外気に排出され、給気に回収されるエンタルピが減少する。
最適パージ空気量Q_GPは式‐２で計算する。
Q_GP（ｍ^３/ｈ）＝π／４×（D^２−ｄ^２）×ζ×L×N×ψ …式‐２
ここでψ：ハニカム空隙率。式‐１の予冷最適ガス量Wは熱容量が重要なのでｋｇ/ｈで表示したが、最適パージ空気量Q_GPは容積が重要なのでｍ^３/ｈで計算している。
仮にD＝4、ｄ＝0.6、ζ＝0.8、L＝0.5、N＝10、ψ＝0.8の場合、最適パージ量はQGP＝39.2ｍ^３/ｈとなる。この条件でもしパージ排気しなければ二酸化炭素や汚染質濃度の高い39.2m³/ｈの空気が給気に混入する計算になる。

以上の様に、冬期においてハニカム空隙に内包されている二酸化炭素等汚染質ガスをパージするだけのパージ空気量を通気して、まだ再生後の蓄熱の残った状態でハニカムが処理ゾーンに回転移動するように運転する。そうすると脱着再生時のロータの蓄熱は給気に持ち込まれ暖房に再利用されるので省エネ効果が向上する。ロータが冷却した後は気化冷却効果により給気は加湿されて温度低下するがエンタルピのロスは無いので少し加熱するだけで加湿温風を給気できる。つまり蓄熱分は回収されて暖房に寄与し、しかも加湿されるので好都合で、冬期でも運転するメリットがある。以上のように夏期だけでなく中間期や冬期でも、年間を通して利用可能な省エネ換気装置が実現できる。

本発明の換気装置は以上のように構成され、以下その動作について説明する。室内に人が居て、呼気中の二酸化炭素や喫煙によって室内の二酸化炭素濃度が上がり、冬期に室内で開放型のストーブを使用して発生する二酸化炭素によって室内の二酸化炭素濃度が上昇するので、室内空気を換気させる必要がある。近年はヒートポンプエアコンの普及や、分煙化が進んだことから呼気以外の二酸化炭素発生は少なくなったが、換気の重要性は変わらない。

このような場合には図３のようにハニカムロータ１を回転させながら、室内または外気を換気装置に通す。収着ロータを通過した空気は二酸化炭素やＶＯＣなど汚染質ガスが除去されて室内に給気される。室内からの還気を、換気装置のハニカムロータに通過させると、還気に含まれる二酸化炭素や汚染質濃度を減量して室内に給気することができる。

同時に脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して収着された二酸化炭素等染質が脱着されて外気へ排気する。このようにして処理空気に含まれる二酸化炭素やＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質ガスは濃縮されて室外へ排出される。脱着ゾーンより飽和蒸気を導入すると、水蒸気はハニカムを加熱すると共に二酸化炭素や汚染質の脱着熱を供給して凝縮し、ハニカム内表面に凝縮結露する。ハニカム内表面の結露水は、次の処理ゾーンではプラスの効果を発揮する。結露水の第一の効果は、脱着直後のハニカムは高温で収着能力が乏しいが、処理空気によりハニカム表面の凝縮水が蒸発して気化潜熱を持ち去るので素早く冷却して収着を開始する。

結露水の第二の効果は処理空気の二酸化炭素等汚染質の収着により収着熱が発生し、特許文献３、４、６のような乾燥状態の操作では図１１の乾式吸着のように空気温度が上昇して収着力が低下するが、本発明ではハニカム表面の凝縮水の蒸発冷却により収着熱は潜熱に変換除去され、図１１の気化冷却収着のように昇温は抑制されて収着性能が向上する。つまりロータに処理空気を流してハニカムに二酸化炭素を収着させるときに、収着熱により収着材や原料ガスが温度上昇すると図６の様に収着量が減少するが、本発明では凝縮水の気化冷却効果により処理空気の温度が低下し、かつ二酸化炭素の収着によって生ずる収着熱も気化冷却によって除去されることで、ハニカムや原料ガスの温度上昇が抑制され、高効率に二酸化炭素など汚染質ガスを収着することが出来る。例えば３５℃、５０％RHの外気を導入すると通過空気とハニカムはこのときの湿球温度２６℃に近づくように気化冷却効果を生じる。また、還気２５℃、５０％RHの還気であれば、湿球温度１８℃に近づくように気化冷却効果を生じる。

結露水の第三の効果は、アミン系イオン交換樹脂等の二酸化炭素収着材は、イオン交換基の水和により吸湿し、乾燥状態よりも吸湿状態の方が二酸化炭素収着能力も高くなるので、その意味でも収着性能向上効果がある。また水和状態の方が安定性が高く、従って耐熱、耐酸化性も向上する。アミン系吸収剤を活性炭等に含浸添着する場合も同様の効果があり、アミン系吸収剤の耐久性を向上する効果がある。

在室者によって室内空気中の酸素が消費されるが、前述したように酸素は大気中に約２１％もあり、１〜２％程度の消費では特に問題とならないが、酸素の消費と同時に排出される二酸化炭素１〜２％は人間に対して致命的な濃度である。濃縮脱着された二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質の排出によって室内が負圧になれば、窓やドアから外気が隙間風として侵入し、又は濃度差による拡散によって酸素が供給される。つまり室外に排出される汚染質排気の量とほぼ等しい量の外気が隙間風として供給され、この中に２１％近い酸素があるため酸素量が不足することはない。

そして本件発明の換気装置の排気は、二酸化炭素濃度が高くなっているため、排気をビニールハウスなどの植物工場の育成室に導くと植物の成長が早くなるとともに、大気への二酸化炭素の排出を抑制できる。

このように室内のわずか数ｐｐｂ〜数百ｐｐｍの汚染物質を排気するために、多量の空気を室外へ排出するのと比較して、エネルギーの無駄を削減することができる。また二酸化炭素センサーを設けて、二酸化炭素濃度が所定値以上になった時だけ飽和蒸気を導入して脱着再生運転するようにすると、さらにエネルギーの無駄を防止できる。

以上の説明のとおり、飽和水蒸気によって脱着再生しているため、少ない換気量によって室内の二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質が排出され、換気に伴うエネルギーのロスを防止することができる。また外気中に汚染質が含まれていても、換気量が少ないために室内への侵入量は最小に抑えられ、局所換気やドア等から侵入した汚染質はロータを通過するときに吸着排気されるので問題がない。

本発明は、少量の換気で室内の二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質を外気放出可能な換気装置を提供するものであり、夏期冬期の何れでも使用でき、換気に伴うエネルギー消失を防止でき、省スペースな省エネ換気空調装置を提供することができる。

１ ハニカムロータ
２ 換気空調装置

Claims (11)

1. 二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと再生脱着ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して、二酸化炭素等汚染質を脱着して屋外に排出し、前記飽和蒸気が凝縮によって前記ハニカムロータのハニカム内で結露し、前記ハニカムロータの回転により前記ハニカムロータが濡れたまま前記処理ゾーンに移動し、気化冷却現象が発生するようにしたことを特徴とする換気空調方法。
2. 二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと再生脱着ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して、二酸化炭素等汚染質を脱着して屋外に排出し、前記飽和蒸気が凝縮によって前記ハニカムロータのハニカム内で結露し、前記ハニカムロータの回転により前記ハニカムロータが濡れたまま前記処理ゾーンに移動し、気化冷却現象が発生するようにしたことを特徴とする換気空調装置。
3. 請求項２記載の換気空調装置において、ハニカムロータを、外周シール構造を備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記ロータ回転装置に通して二酸化炭素等汚染質を除去した空気を給気するようにし、前記ハニカムロータの一部前後に内周から外周にシールを有する扇形のホッパーを取り付け、片方のホッパーから飽和蒸気を導入して、もう一方のホッパーに二酸化炭素等汚染質を脱着して屋外に排出することを特徴とする換気空調装置。
4. 請求項２記載の換気空調装置において、ハニカムロータを前記装置内に固定してシールし、処理空気を前記装置に通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気し、前記ハニカムロータの前後に、ロータ軸を中心として前後連動して回転するシールを有する扇形のホッパーを取り付け、片方のホッパーから飽和蒸気を導入して、もう一方のホッパーに二酸化炭素等汚染質を脱着して排出することを特徴とする換気空調装置。
5. 脱着再生ゾーン出口側に、ロータ回転方向に対して下手にパージゾーンを追加した排気ゾーン扇形部を設け、排気ゾーンでは飽和蒸気と共に排気ゾーン反対側の給気ゾーンの空気を、排気送風機で吸引パージして排気する請求項２、３、４のいずれか一項に記載の換気空調装置
6. 暖房条件の場合、ハニカム空隙に内包されているガスをパージできる量のみ空気量を導入し、冷房条件の又は外気冷房条件の場合は、脱着再生直後のハニカムがロータの蓄熱量以上の気化熱を発生する空気量を導入するように運転する請求項５記載の換気空調方法。
7. 暖房条件の場合、ハニカム空隙に内包されているガスをパージできる量のみ空気量を導入し、冷房条件の又は外気冷房条件の場合は、脱着再生直後のハニカムがロータの蓄熱量以上の気化熱を発生する空気量を導入するように運転する請求項５記載の換気空調装置。
8. ０．１ｍｍ以下の、アミン系イオン交換樹脂粒子を担持したことを特徴とするロータとそのロータを搭載した請求項２、３、４のいずれか一項に記載の換気空調装置。
9. ０．１ｍｍ以下の、アミン系イオン交換樹脂粒子と、活性炭粒子を担持したことを特徴とするロータと、そのロータを搭載した請求項２、３、４のいずれか一項に記載の換気空調装置。
10. 厚さ１ｍｍ以下の二酸化炭素収着機能を持つ高分子シートで構成したハニカムロータと、そのロータを搭載した請求項２、３、４のいずれか一項に記載の換気空調装置。
11. 二酸化炭素センサーを設けて、二酸化炭素濃度が所定値以上になった時だけ飽和蒸気を導入して脱着再生運転するようした請求項２、３、４のいずれか一項に記載の換気空調装置。