JPS61283325A - 炭酸ガス除去装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、空気中に含まれる炭酸ガスの除去装置に関
するもので、特に宇宙基地、宇宙船、潜水艦、深海潜水
艇などの密閉容器内に於いて人間の諸活動に伴って発生
する炭酸ガスを除去し、その蓄積を防いで、これら密閉
容器内の人間等生物の生命維持を図るとともに人間の諸
活動を容易にするための炭酸ガスの除去装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第４図は先行する炭酸ガス除去装置を示す構成図である
。図において、（１ａ、）＃（ｌｂ）はそれぞれ空気及
び再生用ガスの送給手段であり、この例では軸流式送風
機が使われている。（２ａ）、（２ｂ）は送風機（１ａ
）から送られる空気を冷却する熱交換器＜ａａ＞＊（８
ｂ）はそれぞれ熱交換器（２ａ）、（２ｂ）に取付けら
れた加熱手段であってこの例では電熱器が使われている
。（４ａ）、（４ｂ）はそれぞれ上記熱交換器（２ａ）
。

（２ｂ）より流出する空気から炭酸ガスを除去する吸着
塔（５ａ）、（５ｂ）はそれぞれ吸着塔（４ａ）、（４
ｂ）内に吸着剤を充填した吸着剤充填層ｅ　（６ａＬ（
６ｂ）はそれぞれ吸着塔（４ａ）　、　（４ｂ）に取付
けられた冷却手段であり、この例では冷凍機が用いられ
ている。ま？：　（Ｔａ）、（７ｂ）はそれぞれ上記吸
着塔（４ａ）、（４ｂ）に取り付けられた加熱手段であ
り、この例では電熱器が用いられている。（１１ａ）、
（ｌｌｂ）、（ｘ２ａ）、（ｘ２ｂ）はバルブ、（２１
ａ）（２５ａ）　ｐ　（２１ｂ）Ａ（２５ｂ）　ｐ　Ｃ
”＄　ｔ　＠は気体を通す導管である。図面に向かって
左側を炭酸ガス除去ユニットＡ１右側を炭酸ガス除去ユ
ニットＢと呼ぶことにする。

次に、動作について説明する。

この炭酸ガス除去装置は、炭酸ガスの吸着過程（より詳
しくは、炭酸ガスと水分の除去過程）゛と、吸着剤（５
ａ）、（５ｂ）および熱交換器（２ａ）ｐ（ｚｂ）の再
生過程（より詳しくは　吸着剤（５ａ）、（５ｂ）から
炭酸ガスを脱着させると（もに熱交換器（２ａ）、（２
ｂ）内に氷結した水分を融解させて、炭酸ガスと水分を
回収するか、あるいは密閉空間の外へ排出する過程）を
交互に繰り返し、一方の炭酸ガス除去ユニットが吸着過
程にある時、他方の炭酸ガス除去ユニットが再生過程に
あるように構成されており、第４図では左側の炭酸ガス
除去ユニットＡが吸着過程、右側の炭酸ガス除去ユニッ
トＢが再生過程に入ったところを示している。バルブ（
ｌｘａ）は導管（２４ａ）と導管（２５ａ）が、バルブ
（ｏｄ）は導管（２４ｂ）と導管（２２）が、バルブ（
１２ａ）は導管（２１ａ）と導管（２７）が、バルブ（
１２ｂ）は導管（２１ｂ）と導管（２６）がそれぞれつ
ながっている状態にある。また、送風機（１ａ）は稼動
状態にある。炭酸ガスを吸着する過程にある炭酸ガス除
去ユニットＡでは、電熱器（７ａ）＊（ｓａ）は通電せ
ず、冷凍機（６ａ）のみに通電している。逆に再生過程
にある炭酸ガス除去ユニットＢでは冷凍機（６ｂ）には
通電せず、電熱器（７ｂ）　１（８ｂ）に通電している
。まず、吸着過程にある左側のユニットＡの動作につい
で説明する。密閉空間（図示せず）内の空気は、ａより
送風機（１ａ）によって吸引され、導管（２７）、バル
ブ（１２ａ）導管（２１ａ）熱交換器（２ａ）、第１の
導ＩＦ（２８ａ）を経て吸着塔（４ａ）に導入され、こ
こで冷却された吸着剤充填層（５ａ）の吸着剤と接触す
る。このとき、空気中に含まれる炭酸ガスと水分が吸着
剤によって吸着除去されるとともに、吸着剤の冷熱が空
気によって奪われる。

そして、吸着剤の冷熱を奪った空気は第２の導管（２４
ａ）　、バルブ（ｈａ）を経て再び熱交換器（２ａ）に
導入され、ここで上記冷熱を吸着塔（４ａ）へ導入され
るべき、空気に与えたのち、導管（２５ａ）を経てｂよ
り密閉空間へ戻される。

こうして、次第に熱交換器（２ａ）の温度が下るので、
密閉空間から吸引された空気は熱交換器（２ａ）内で前
置って冷却され、空気中の水分を実質的に全て除去され
たのち、吸着塔（４ａ）へ導入され、吸着剤（５ａ）に
よって空気中の炭酸ガスを除去されるようになる。再生
過程から、吸着過程へ運転モードを切換えた直後は上記
の如く処理一温度が最適温度にすぐには達せず、若干処
理効率は低いが、時間の経過と共に定常状態に達し、炭
酸ガスの効率的な除去が行なわれる。吸着過程では、時
間の経過とともに吸着剤（５ａ）に吸着された炭酸ガス
の量が増え、吸着剤の炭酸ガス吸着余力が減り、遂には
炭酸ガスの破過（即ち、空気中に含まれる炭酸ガスの大
部分が、そのまま吸着剤充填層（５ａ）を通過する現象
）が起こり出しｔ；時点で吸着過程を終了し、再生過程
へ切り換える。つぎに、再生過程にある右側のユニット
Ｂの動作について説明する。

再生用のガス（例えば窒素ガス）は、Ｃより送風機（１
ｂ）によって吸引され、導管（２２）、バルブ（ｕｂ）
％第２の導管（２４ｂ）　、吸着塔（４ｂ）　ｅ第１の
導管（２８ｂ）。

熱交換器（２ｂ）　＊導管（２ｘｂ）　、バルブ（ｘ２
ｂ）　、導管（２６）を経て、吸着剤（５ｂ）より炭酸
ガスを奪い、熱交換器（２ｂ）より水分を奪ってｄよ′
り回収される。

なお、この時の再生用ガスの流量は、吸着過程における
空気の流量の数分の一程度が望ましい。

電熱器（ａｂ）、（７ｂ）は通電中、また冷凍機（６ｂ
）は停止しているので、熱交換器（２ｂ）　を吸着塔（
４ｂ）の温度は上昇し、それぞれ氷結した水分の融解、
吸着されている炭酸ガスの脱着が起る。

炭酸ガス除去装置へ導入された窒素は導管（２２Ｌバル
ブ（ｏｂ）　、導管（２４ｂ）を経て吸着塔（４ｂ）内
へ流入し、ここで吸着剤充填層（５ｂ）の吸着剤と接触
し吸着剤から炭酸ガスを脱着させてこれを取り込んだあ
と、導管（２８ｂ）を経て熱交換器（２ｂ）内へ流入し
、ここで氷の融解によって生じた水を蒸発させて水分と
して取り込み、導管（２ｔｂ）バルブ（１２ｂ）および
導管（２６）を経てｄより密閉空間外へ排出される。

このようにして吸着剤および熱交換器（２ｂ）を再生し
たあと、再び吸着過程へ切換える。なお、吸着過程と再
生過程への切換はバルブ（ｌｌａ）、（ｌｌｂ）。

（ｘ２ａ）、（ｘ２ｂ）の切換え、および電熱器Ｃ８ａ
＞ｅｃ８ｂ）　＃（７ａ）＃（７ｂ）を冷凍機（６ａ）
、（６ｂ）の稼動、停止によって行なわれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の炭酸ガス除去装置は以上のように構成されている
ので、■再生ガスならびにこの供給手段が必要であるた
め処理コストが高く不経済、■再生ガスによって炭酸ガ
スと水分が一括して回収されるため、■回収ガス中から
、炭酸ガスを原料として例えばボッシュ反応により酸素
を生産しようとする場合、（イ）水分のみを回収しよう
とする場合、炭酸ガスと水を分離する装置が必要、■炭
酸ガスと水分が同時除去されるため、密閉空間内の湿度
コントロールが不安定になるといった問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、炭酸ガスと水分を別個に回収するとともに、
再生ガスが不用で、かつ除去した水分をまた密閉空間内
へ戻すようにして密閉空間内の湿度変化を起こさない装
置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る炭酸ガス除去装置は、空気を冷却し空気
中に含まれる水分の少なくとも一部を凍結させる熱交換
器、冷却手段により冷却され、上記冷却された空気中の
炭酸ガスを吸着する吸着剤、上記吸着剤が充填された吸
着塔、上記熱交換器と吸着塔を連通ずる第１および第２
の導管、上記熱交換器で冷却された空気を第１の導管、
上記吸着塔、第２の導管、および上記熱交換器の順に送
給する送給手段、上記熱交換器を加熱して凍結された水
分を除去し、上記熱交換器を再生する第１の加熱手段、
並びに上記吸着剤を加熱して吸着された炭酸ガスを除去
し、上記吸着剤を再生する第２の加熱手段を備える炭酸
ガス除去ユニットを少すくとも２個具備し、一方のユニ
ットが吸着過程・にある時他方のユニットが再生過程に
あるように吸着運転と再生運転を交互に繰り返すと共に
、吸着過程を経た空気を再生過程にある上記熱交換器に
導入するように構成したものである。

〔作用〕

この発明においては、吸着過程を経た空気を再生過程に
ある熱交換器に導入し、湿度の低い空気を用いて、水分
を回収するので、吸着過程で水分。

炭酸ガスを取り除かれた空気は、再び再生過程にある熱
交換器において加湿されるの゛で、密閉空間内の湿度に
及ぼす影響は殆んどなく、湿度コントロールも安定に行
なえる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図である。

図において、（１４ａ）、（１４ｂ）はバルブであり、
他の符号は第４図に示す従来のものと同一部分を示す。

第５図に向かって左側のユニットＡは吸着過程、右側の
ユニットＢは再生過程にあり、バルブ（ｌｌａ）。

（ｌｌｂ）ｔ（１８ａ）、（１８ｂ）の状態は第４図に
示す従来のと同一である。バルブ（１４ａ）は、導管（
２９）と導管（２ｘａ）をつなぐ状態、即ち、送風機（
１ａ）によってまず熱交換器（２ａ）に端然を供給する
状態にある。

またバルブ（１４ｂ）は、導管（２５ａ）と導管（２１
ｂ）をつなぐ状態、すなわち、吸着過程で処理された空
気を再生過程にある熱交換器へ送る状態にある。

吸着過程にある左側のユニットＡは従来の場合と同様に
して操作するが、ここで処理された空気は、導管（２５
ａ）　、バルブ（１４ｂ）　、導管（２１ｂ）を経て、
熱交換器（２ｂ）内へ流入し、ここで氷の融解によって
生じた水を蒸発させて水分として取り込み、導管（２ｓ
ｂ）　、バルブ（ｔａｂ）　、導管（２８ｂ）を経てｅ
より密閉空間内へ回収される。一方吸着剤に吸着された
炭酸ガスは、従来例と同一動作で濃縮炭酸ガスとして回
収されるか、あるいは密閉空間外へ排出される。このよ
うに、除湿されている吸着過程の処理ガスを再生ガスと
して熱交換器に流入させるようにしたので、■密閉空間
内の湿度に影響を及ぼさない、■再生ガスが不用、■炭
酸ガスのみを回収できるという極めて優れた効果がある
。

第２図はこの発明の他の実施例を示し、第１図の実施例
において熱交換器（２ａ）、（２ｂ）に冷凍機などの冷
却手段（ａｘａ）、（８ｔｈ）を備えたものである。こ
の実施例によれば、吸着過程において空気中の水分が効
率的に除去されるので、吸着剤と接触してこれに吸着さ
れる水分の量が著しく減少し、吸着剤の炭酸ガス吸着容
量がさらに増大する。

第８図はこの発明の他の実施例を示し、吸着剤（５ａ）
、（５ｂ）用の冷却手段及び加熱手段として一台の冷凍
機を用い、吸着過程で奪った熱を再生過程で加熱用に利
用せんとするものである。この実施例によれば、冷凍機
が一台で済み、吸着剤再生用の加熱器が不用となる上に
、省エネルギ効果がさらに増大する。

なお、この発明に用いる熱交換器の型式については、特
に制約はなく、例えばシェルチューブ型熱交換器を支障
なく使用できる。

また、冷却手段として用いる冷凍機の型式についても特
に制約はなく、フレオンなどを用いた圧縮式冷凍機、ヘ
リウムなどを用いたＪ−Ｔ膨張サイクル冷凍機、ヘリウ
ムなどを用いたスターリングサイクル冷凍機などを支障
なく使用できるが、スターリングサイクル冷凍機は、（
７）フレオンなどの毒性ガスを使わないので安全である
。（１′）圧８１６２を使わないので騒音が小さい、＠
排熱を利用できるので省エネルギ的である。に）成積保
数が圧縮式に次いで高い、など多くの利点を持っている
ので、宇宙基地などの密閉空間に於ける使用に適してい
る。

また、吸着剤の冷却方法についても特に制約はなく、吸
着剤と冷凍機の冷却管を直接接触させる直接法、または
吸着塔の外壁から冷却したり吸着剤と接触させる空気を
冷却する間接法のいずれであってもよく、あるいはこれ
らを併用してもよい。

また、この発明で用いる加熱手段についても特に制約は
なく、電熱器、冷凍機の高温排熱などを支障なく使用で
きる。また、吸着剤の加熱方法も上記の冷却方法と同じ
ように直接法と間接法のいずれも用いることができる。

さらに、この発明で用いる送風機の型式についても特に
制約はない。上記実施例では押し込み型を示したが、も
ちろん吸引型を用いてもよい。

この発明に使用する吸着剤としては、シリカゲル等も使
えるが炭酸ガスに対する吸着容量の大きなゼオライト即
ち、結晶性アルミノシリケートが好ましく、特にモレキ
ュラーシーブ４Ａ、モレキュラーシーブ５Ａ、モレキュ
ラーシーブ１８Ｘ（ユニオンカーバイド社製）若しくは
これらの同等品が好ましい。

尚、この発明の炭酸ガス除去装置を運転するにあたり、
空気の冷却温度には特に制約はないが、通常０°Ｃ〜−
１００°Ｃが好ましい。また、吸着剤の冷却温度にも特
に制約はなく、通常０’Ｃ〜−１００°Ｃであり、吸着
剤の再生温度も特に限定されず、通常、常温〜１００°
Ｃの範囲で適宜設定すればよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、空気を冷却し空気中
に含まれる水分の少なくとも一部を凍結させる熱交換器
、冷却手段により冷却され、上記冷却された空気中の炭
酸ガスを吸着する吸着剤、上記吸着剤が充填された吸着
塔、上記熱交換器と吸着塔を連通ずる第１および第２の
導管、上記熱交換器で冷却された空気を第１の導管、上
記吸着塔、第・２の導管、および上記熱交換器の順に送
給する送給手段、上記熱交換器を加熱して凍結された水
分を除去し、上記熱交換器を再生する第１の加熱手段、
並びに上記吸着剤を加熱して吸着された炭酸ガスを除去
し、上記吸着剤を再生する第２の加熱手段を備える炭酸
ガス除去ユニットを少なくとも２個具備し、一方のユニ
ットが吸着過程にある時他方のユニットが再生過程にあ
るように吸着運転と再生運転を交互に繰り返すと共に、
吸着過程を経た空気を再生過程にある上記熱交換器に導
入するように構成したので、■密閉空間内の湿度に影響
を及ぼさない、■再生ガスが不用、■炭酸ガスのみ回収
できるという極めて優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第図におい
て、（ｌａ）＃（ｌｂ）は送給手段、（２ａＬ　（２ｂ
）は熱交換器、（８ａ）、（８ｂ）は第１の加熱手段、
（４ａ）。 （４ｂ）は吸着塔、（５ａ）ｐ（５ｂ）は炭酸ガス吸着
剤、（６）。 （６ａＬ（６ｂ）、（８１ａ）、（８１ｂ）は冷却手段
、（ｌｌａ）〜（１５ａ）。 （ｌｌｂ）〜（ｔｓｂ）はバルブ、（２ｘａ）−ａ５ａ
）、（２ｘｂ）〜（２５ｂ）　、　（２６）〜（２７）
、　（２８ａ）　、　（２８ｂ）　、　（２９）　、　
（８０ａ）　、　（８０ｂ）（８２ａ　）　ｐ　（ａ　
２　ｂ　）は導管である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）空気を冷却し空気中に含まれる水分の少なくとも
   一部を凍結させる熱交換器、冷却手段により冷却され、
   上記冷却された空気中の炭酸ガスを吸着する吸着剤、上
   記吸着剤が充填された吸着塔、上記熱交換器と吸着塔を
   連通する第１および第２の導管、上記熱交換器で冷却さ
   れた空気を第１の導管、上記吸着塔、第２の導管、およ
   び上記熱交換器の順に送給する送給手段、上記熱交換器
   を加熱して凍結された水分を除去し、上記熱交換器を再
   生する第１の加熱手段、並びに上記吸着剤を加熱して吸
   着された炭酸ガスを除去し、上記吸着剤を再生する第２
   の加熱手段を備える炭酸ガス除去ユニットを少なくとも
   ２個具備し、一方のユニットが吸着過程にある時他方の
   ユニットが再生過程にあるように吸着運転と再生運転を
   交互に繰り返すと共に、吸着過程を経た空気を再生過程
   にある上記熱交換器に導入するように構成した炭酸ガス
   除去装置。