JP2008207177A

JP2008207177A - プロセス空気流から二酸化炭素を除去するシステムおよび方法

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Publication number: JP2008207177A
Application number: JP2008041536A
Authority: JP
Inventors: Timothy A Nalette; エー．ナレッテティモシー; Tony Rector; レクタートニー
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2008-09-11
Also published as: EP1964601A2; EP1964601A3; EP1964601B1; US20080202339A1; US7736416B2

Abstract

【課題】一定温度で、かつ周囲温度で作動する二酸化炭素除去システムを提供すること。
【解決手段】ＣＯ₂除去システム１０が、通常、第１の吸着床１２、第２の吸着床１４、流入路１６、入口弁１８、流出路２０、出口弁２２、二酸化炭素流路２４、二酸化炭素弁２６、負圧源２８、および制御装置３０を含む。第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは熱的に接続され、これらの床の間で熱が伝達される。一方の吸着床から引き出された熱をエネルギーとして利用し、他方の吸着床を再生する。ＣＯ₂除去システム１０を再生するのに必要なエネルギーの一部が吸着側の吸着床と脱離側の吸着床との間の熱伝達によってまかなわれるので、ＣＯ₂除去システム１０の再生に必要とされる総合的な所要電力が減少する。一実施例において、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とが熱的に接続されることにより、ＣＯ₂除去システム１０の性能が約３０％向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、二酸化炭素の除去の分野に関し、詳しくは、分子ふるいを用いての二酸化炭素の除去に関する。

人間や他の哺乳動物が、長時間にわたって二酸化炭素（ＣＯ₂）に曝露されると、これらの健康が害される恐れがある。従って、潜水艦、宇宙船、または宇宙服のような閉鎖環境においては、一般に、二酸化炭素濃度のレベルが約１％未満となるように維持される。空気から二酸化炭素を除去する現在の方法は、固体の二酸化炭素吸着剤を使用することを含む。固体の二酸化炭素吸着剤としては、ソーダ石灰、ゼオライト、分子ふるい、固体酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属水酸化物、アミンおよびこれらの組合せを含むが、これらに限定されない。吸着剤としてアミンを使用する二酸化炭素除去システムの具体例は、特許文献１に記載され（出願人はＨａｍｉｌｔｏｎＳｕｎｄｓｔｒａｎｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、これは本願の参照となる。
米国特許第６,３６４,９３８号明細書

当技術分野で現在使用されている分子ふるいを用いての二酸化炭素除去システムは、典型的に、水および二酸化炭素を除去するための吸着床を含む。吸着床が飽和した後に、内蔵された電気ヒーターを用いてこの吸着床を再生させる。吸着床は、一般的に、一体式冷却（ｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｏｌｉｎｇ）や積極冷却（ａｃｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇ）を使わずに、断熱モードで作動する。その結果、吸着床は高温で作動し、吸着等温曲線に否定的な影響を及ぼす。この影響を緩和する１つの方法は、吸着床の一体式冷却操作である。しかしこの方法は、二酸化炭素除去システムをさらに複雑化する。

当技術分野において、実質的に一定温度で、かつ周囲温度で作動する二酸化炭素除去システムが必要とされている。

二酸化炭素（ＣＯ₂）の除去システムが、第１の吸着床および第２の吸着床を含む。第１の吸着床および第２の吸着床の各々は、ＣＯ₂を吸着または脱離するための分子ふるいの吸着剤を有する。一方の吸着床がＣＯ₂を吸着し、他方の吸着床がＣＯ₂を脱離する。これらの第１の吸着床および第２の吸着床は、これらの吸着床の間で熱を伝達できるように互いに熱的に接続されている。

図１は、二酸化炭素（ＣＯ₂）除去システム１０を概略的に示す。ＣＯ₂除去システム１０は、実質的に一定温度で、ほぼ周囲温度で作動し、吸着プロセスの際に、効果的に取り込むことができるＣＯ₂の量を増やす。ＣＯ₂除去システム１０は、通常、第１の吸着床１２、第２の吸着床１４、流入路１６、入口弁１８、流出路２０、出口弁２２、二酸化炭素流路２４、二酸化炭素弁２６、負圧源（ｖａｃｕｕｍ）２８、および制御装置３０を含む。第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは熱的に接続され、これらの床の間で熱が伝達される。一方の吸着床から引き出された熱をエネルギーとして利用し、他方の吸着床を再生する。ＣＯ₂除去システム１０を再生するのに必要なエネルギーの一部が吸着側の吸着床と脱離側の吸着床との間の熱伝達によってまかなわれるので、ＣＯ₂除去システム１０の再生に必要とされる総合的な所要電力が減少する。一実施例において、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とが熱的に接続されることにより、ＣＯ₂除去システム１０の性能が約３０％向上する。ＣＯ₂除去システム１０は、二酸化炭素を除去することが重要な任意の閉鎖環境で使用することができ、一例として宇宙船が挙げられるが、これに限定されない。

流入路１６は、閉鎖環境からＣＯ₂除去システム１０へプロセス空気流を取り込む。プロセス空気流は、一般に、水分と二酸化炭素とを含む。入口弁１８は、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の上流で流入路１６と接続され、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることにより、第１の吸着床１２または第２の吸着床１４のいずれの方向へもプロセス空気流の流入方向を調節することができる。入口弁１８が第１のポジションにある場合、プロセス空気流は第１の吸着床１２にのみ流入することができ、第２の吸着床１４には侵入できない。入口弁１８が第２のポジションにある場合、プロセス空気流は第２の吸着床１４にのみ流入することができ、第１の吸着床１２には侵入できない。図１では、１個の入口弁のみを示しているが、本発明の範囲を逸脱することなく、流入路１６の形状に応じて２個の入口弁を使用し、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４へのプロセス空気流の流れを調節することもできる。

第１の吸着床１２が第１の吸着剤３２を含み、第２の吸着床１４が第２の吸着剤３４を含み、プロセス空気流に含まれる二酸化炭素を吸着する作用をする。一定温度で、かつ周囲温度で作動できるように、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは互いに熱的に接続されている。第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは、直接的な物理接触により熱的に接続されていてもよいし、間接的な物理接触により熱的に接続されていてもよい。一実施例において、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは熱交換器すなわちヒートパイプを介して間接的に接続されている。所定の任意の時間で、吸着床１２，１４の一方が二酸化炭素を吸着している間に、他方が二酸化炭素を脱離している。考察を容易にするために、ＣＯ₂除去システム１０は、第１の吸着床１２が二酸化炭素を吸着しており、第２の吸着床１４が二酸化炭素を脱離している（再生）と仮定して考察する。しかし、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とは、常に互いに協働していることに留意されたい。第１の吸着床１２が二酸化炭素で完全に飽和すると、入口弁１８が第２のポジションに切り替わり、第２の吸着床１４が二酸化炭素を吸着し始め、第１の吸着床１２が再生を開始する。第１の吸着床１２および第２の吸着床１４がそれぞれ有する吸着剤３２，３４は、二酸化炭素を吸着できる任意の吸着剤であってよく、例えば４Ａ分子ふるいまたは５Ａ分子ふるいなどがあるが、これらに限定されない。

第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とを熱的に接続することにより、吸着プロセスで生じる発熱を第２の吸着床１４へ伝達することで、第１の（吸着側の）吸着床１２を受動的に冷却することができる。吸着プロセスは熱を発生するので、第１の吸着床１２を冷却する必要がある。第１の吸着床１２の温度が周囲温度よりも実質的に高くなると、吸着は起こらない。吸着プロセスとは対比的に、脱離プロセスは吸熱反応であり、反応を進行させるためにエネルギーを必要とする。従って、再生プロセスは吸熱反応であるため、第２の（脱離側の）吸着床１４の温度が低下し、温度の低下とともに脱離速度が遅くなりつつ、急速に平衡に達する。従って、第１の吸着床１２の吸着プロセスで生じる熱が、周囲温度において、吸着プロセスと脱離プロセスの両方を高いレベルに維持できるような速度で第２の吸着床１４へ伝達されるように、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とが熱的に接続されている。第１の吸着床１２と第２の吸着床１４との間に温度勾配が生じることで、これらの床の間でエネルギーの移動が可能となる。従って、一方の床が吸着している間に他方の床が脱離していることを周期的に交替するように、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とが接続されていることにより、ＣＯ₂除去システム１０は作動する。さらに、熱を伝達することにより、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４が、ほぼ一定の温度で作用することができる。

流出路２０は第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とに接続され、清浄化された空気を環境へ戻す。出口弁２２は、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の下流で流出路２０に接続され、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることにより、清浄化されたプロセス空気流を環境に戻すことができる。出口弁２２が第１のポジションにある場合、二酸化炭素が除去されたばかりのプロセス空気流が第１の吸着床１２から閉鎖環境に戻される。このとき、プロセス空気流が、第２の吸着床１４から流出路２０を通って流出することはできない。出口弁２２が第２のポジションにある場合、プロセス空気流が第２の吸着床１４から閉鎖環境に流出するが、第１の吸着床１２から流出することはできない。第１の吸着床１２が二酸化炭素を吸着しているとき、出口弁２２は第１のポジションにあり、清浄化されたプロセス空気流を閉鎖環境に戻して空気を循環させる。このとき第２の吸着床１４は、脱離しており、気体に二酸化炭素を多く含み得るが、この気体が環境に排出されることはない。図１において、１個の出口弁のみを示しているが、本発明の範囲を逸脱することなく、流出路２０の形状に応じて２個の出口弁を使用して、閉鎖環境に戻すプロセス空気流の流れを調節することもできる。

二酸化炭素流路２４は、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の上流で流入路１６に接続されている。二酸化炭素弁２６は二酸化炭素流路２４に接続され、入口弁１８の下流に配置されている。二酸化炭素弁２６は、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることにより、負圧源２８へ流入する、二酸化炭素を多く含む空気の量を調節することができる。二酸化炭素弁２６が第１のポジションにある場合、第１の吸着床１２からのプロセス空気流が、第１の吸着床１２から負圧源２８へ流入することができる。二酸化炭素弁２６が第２のポジションにある場合、第２の吸着床１４からのプロセス空気流が、第２の吸着床１４から負圧源２８へ流入することができる。従って、第１の吸着床１２が二酸化炭素を吸着しており、第２の吸着床１４が二酸化炭素を脱離しているとき、二酸化炭素弁２６は第２のポジションにあり、二酸化炭素を多く含む流れが、第２の吸着床１４から二酸化炭素流路２４を通って負圧源２８に流れ込むようにしている。図１には１個の二酸化炭素弁のみを示しているが、本発明の範囲を逸脱することなく、二酸化炭素流路２４の形状に応じて２個の二酸化炭素弁を使用して、負圧源２８へ流れる、二酸化炭素を多く含む流れを調節することもできる。

負圧源２８は二酸化炭素流路２４に接続され、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４を減圧し、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４から二酸化炭素を多く含む流れを吸引して、排出する。一実施例において、負圧源が第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の圧力を約１ｍｍＨｇ（０.１３３ｋＰａ）まで減圧させる。すなわち、脱離床の脱離速度は、負圧源２８が作動しているときの圧力に部分的に依存する。圧力が低下するほど脱離効率が向上する。一実施例において、閉鎖環境が宇宙船であり、負圧源２８は宇宙空間の負圧源（ｓｐａｃｅｖａｃｕｕｍ）であり、汚染された流れは宇宙空間へ放出される。この場合、宇宙空間の負圧源は、周囲圧力で作用し、真空の宇宙に近接しているので、真空近くまで圧力を下げる。他の実施例において、負圧源２８は、コンプレッサや負圧源ポンプを含む。コンプレッサは、脱離側の第２の吸着床１４が再生できるレベルにまで、吸着床１４の圧力を低下させる。

制御装置３０は、入口弁１８、出口弁２２および二酸化炭素弁２６に接続され、弁１８、２２および２６を、第１のポジションと第２のポジションとに切り替える。制御装置３０は、吸着床１２および１４のどちらで吸着を行い、どちらで脱離を行うかを決め、それに応じて弁１８、２２および２６の位置を決定する。第１の吸着床１２で二酸化炭素を吸着するとき、制御装置３０は、入口弁１８および出口弁２２を第１のポジションに、二酸化炭素弁２６を第２のポジションに位置決めする。第２の吸着床１４で吸着するとき、制御装置３０は、入口弁１８および出口弁２２を第２のポジションに、二酸化炭素弁２６を第１のポジションに位置決めする。

操作時、入口弁１８および出口弁２２は、最初は、プロセス空気流を第１の吸着床１２に流す第１のポジションにあり、二酸化炭素弁２６は、最初は、第２の吸着床１４からの二酸化炭素を多く含む空気を環境へ放出させる第２のポジションにある。そして、第１の吸着床１２が二酸化炭素で充満し、第２の吸着床１４が再生されて二酸化炭素を実質的に含まなくなるまで、ＣＯ₂除去システム１０はバッチ操作方式で作動する。第２の吸着床１４が再生された段階において、入口弁１８および出口弁２２を第２のポジションに切り替えて、プロセス空気流を第２の吸着床１４へ流入させ、環境へ放出させるようにする。第１の吸着床１２が脱離した二酸化炭素が負圧源２８へ吸引されるように、二酸化炭素弁２６は、第１のポジションに切り替えられる。そして、第２の吸着床１４が二酸化炭素を限界まで取り込み、かつ第１の吸着床１２が再生するまで、第１の吸着床１２が脱離を行い、第２の吸着床１４が吸着を行う。ＣＯ₂除去システム１０は、第１の吸着床１２と第２の吸着床１４とが、吸着プロセスと脱離プロセスを周期的に交替しながら作動し続ける。同様に、熱伝達の方向も周期的に変化する。

また、ＣＯ₂除去システム１０は、選択的に、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の上流に位置する第３の吸着床３６を含んでもよい。第３の吸着床３６は、プロセス空気流が第１の吸着床１２および第２の吸着床１４へ流入する前に、プロセス空気流から水分を除去する第３の吸着剤３８を含む。プロセス空気流は、典型的に、約３０％〜約７０％の相対湿度を示す。水分は、吸着床１２および吸着床１４に吸着された二酸化炭素と置き換わることにより、吸着剤３２および吸着剤３４の働きを劣化させてしまう。従って、二酸化炭素が分子ふるいからの水分で置き換えられるのを避けるため、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４の上流に、第３の吸着床３６を設置する。一実施例において、第３の吸着剤３８は１３Ｘ分子ふるいである。

第３の吸着床３６が水で飽和したら、負圧源２８またはスイープガスとともに熱を使用して、第３の吸着床３６から水分を脱離する。熱を供給することは、第３の吸着床３６の内部に設置された加熱ロッドを使用することや、第３の吸着床３６を別の吸着床と熱的に接続することを含む、当技術分野で周知の方法により行うことができる。負圧源を利用するとき、第３の吸着床３６は、制御装置３０で制御される水弁４０によって負圧源２８と接続されている。水弁４０は、第１のポジション（閉）と第２のポジション（開）とに切り替わることができる。水弁４０が第１のポジションにあるとき、第３の吸着床３６は負圧源２８に接続されず、第３の吸着床３６から水分が除去されない。第３の吸着床３６がすでに脱離できる状態であれば、制御装置３０が水弁４０を第１のポジションから第２のポジションに切り替えて、第３の吸着床３６と負圧源２８との連絡を可能にする。図１には、水分を除去するための吸着床を１つのみ示しているが、ＣＯ₂除去システム１０が、互いに協働する２個の水分除去用の吸着床を備え、一方の床が水分を吸着し、他方の床が水分を脱離するようにしてもよい。さらに、この２つの吸着床は、第１の吸着床１２および第２の吸着床１４について考察したプロセスと同様に、吸着側の吸着床から脱離側の吸着床へ熱が伝達されるように熱的に接続されていてもよい。プロセス空気流からの水分除去に２個の吸着床を利用する場合、負圧源２８へ流入させる水の流れを調節するために、選択的に２つの水弁を使用してもよい。

スイープガスを利用する場合、水分または二酸化炭素を含まない任意のガスを使用することができ、このスイープガスは、第３の吸着床３６を再生するのに必要な駆動力を供与するために、水分が吸着されている時の分圧よりも低い分圧を有していなければならない。例えば、スイープガスは、二酸化炭素を吸着中の吸着床から出る二酸化炭素の廃棄流であってよい。廃棄流は発熱反応の吸着プロセスによって乾燥していて高温なので、スイープガスとして効率よく作用する。ＣＯ₂除去システム１０が、選択的に宇宙船に搭載される場合、加熱ガスを使用して、水分を第３の吸着床３６からパージしてもよい。このガスは、キャビンへ戻され、復水熱交換機（ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ）によって除去される。ＣＯ₂除去システム１０が第３の吸着床３６を含むものとして考察しているが、第３の吸着床３６は選択的であり、ＣＯ₂除去システム１０の作動に必須ではないことに留意されたい。例えば、乾燥雰囲気において二酸化炭素が除去されているのであれば、第３の吸着床３６は必要ではない。

本発明の二酸化炭素除去システムは、熱的に接続された２個の吸着床を有する。これらの吸着床は、プロセス空気流から二酸化炭素を吸着するための分子ふるいを有する。所定の任意の時間において、一方の吸着床が、プロセス空気流から二酸化炭素を吸着しており、他方の吸着床が、プロセス空気流から吸着した二酸化炭素を脱離することにより再生している。二酸化炭素を吸着している吸着床が飽和したとき、２つの吸着床が吸着と脱離との間で切り替わるように、複数の弁が位置を切り替える。従って、２つの吸着床は、一方の床が吸着している間に他方の床が脱離していることを周期的に交替する。吸着プロセスは、発熱反応であり、脱離プロセスは吸熱反応であるから、２つの床の間に熱勾配が生じることにより、これらの吸着床の間でエネルギーが移動できるようになる。従って、本発明の二酸化炭素除去システムの吸着床は、ほぼ一定温度で作用し、二酸化炭素除去システムをほぼ周囲温度に維持し、脱離プロセスを行うために必要とされるエネルギーの一部を供給することができる。

好ましい実施例を参照して本発明を記載したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、全体または細部でいくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。

二酸化炭素除去装置の概略図。

Claims

第１の吸着床と、
第２の吸着床と、
を備え、
前記吸着床の各々がＣＯ₂を吸着または脱離するための分子ふるいの吸着剤を有し、前記吸着床の一方がＣＯ₂を吸着し、他方がＣＯ₂を脱離し、これらの吸着床の間で熱を伝達するように、前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とが熱的に接続されていることを特徴とする、二酸化炭素（ＣＯ₂）除去システム。
前記システムが制御装置をさらに備え、前記制御装置が、前記吸着床のどちらでＣＯ₂を吸着し、前記吸着床のどちらでＣＯ₂を脱離するかを決定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記システムが複数の吸着床をさらに備え、前記複数の吸着床がＣＯ₂を吸着および脱離するための分子ふるいの吸着剤を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記第１および第２の分子ふるいの吸着剤が、４Ａ分子ふるいおよび５Ａ分子ふるいからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記システムが水分を吸着するための乾燥剤を有する第３の吸着床をさらに備え、前記第３の吸着床が前記第１の吸着床および前記第２の吸着床の上流に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記乾燥剤が１３Ｘ分子ふるいであることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
前記システムが、前記第１の吸着床および前記第２の吸着床からＣＯ₂を除去するための、前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とに接続された負圧源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
プロセスがほぼ一定温度で行われることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
プロセス空気流から二酸化炭素（ＣＯ₂）を除去するシステムであって、
第１の分子ふるいを有する第１の吸着床と、
第２の分子ふるいを有し、前記第１の吸着床と熱的に接続されている第２の吸着床と、
前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とに接続することができる流入路と、
前記流入路に接続され、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることができる入口弁と、
前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とに接続することができる流出路と、
前記流出路に接続され、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることができる出口弁と、
前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とに接続することができる二酸化炭素流路と、
前記二酸化炭素流路に接続され、第１のポジションと第２のポジションとに切り替わることができる二酸化炭素弁と、
を備え、
前記第１の吸着床と前記第２の吸着床との間で熱が伝達されることを特徴とするシステム。
前記二酸化炭素弁を介して前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とに接続することができる負圧源をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいが、４Ａ分子ふるいおよび５Ａ分子ふるいからなる群から選択されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記システムが、前記入口弁、前記出口弁および前記二酸化炭素弁の各々を第１のポジションと第２のポジションとに切り替えるための制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記第１の吸着床と前記第２の吸着床とが、ＣＯ₂の吸着とＣＯ₂の脱離を交替で行うことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記システムが周囲温度で作動されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記システムが、水分を除去するための乾燥剤を有する第３の吸着床をさらに備え、前記第３の吸着床が前記第１の吸着床および前記第２の吸着床の上流に設置されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
プロセス空気流から二酸化炭素（ＣＯ₂）を除去する方法であって、
前記プロセス空気流からＣＯ₂が吸着除去されるように、第１の分子ふるいおよび第２の分子ふるいへ前記プロセス空気流を供給し、
前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいの一方が吸着し、他方が脱離するように、前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいの一方を減圧してＣＯ₂を脱離除去させ、
前記吸着している分子ふるいから前記脱離している分子ふるいへ熱を伝達する方法。
前記第１の分子ふるいと前記第２の分子ふるいとが、吸着と脱離を交替で行うことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいの各々が、４Ａ分子ふるいおよび５Ａ分子ふるいからなる群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記プロセス空気流から水分を吸着することをさらに含む請求項１６に記載の方法。
前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいの上流に配置された乾燥剤により前記プロセス空気流から水分が吸着されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
前記第１の分子ふるいおよび前記第２の分子ふるいの一方を減圧するために、負圧源を使用することを特徴とする請求項１６に記載の方法。