JP2014233690A - 二酸化炭素除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気中から二酸化炭素（ＣＯ２）を除去する装置において、ＣＯ２吸脱着サイクルの短時間化、装置の小型化及びコスト低減が可能なＣＯ２除去装置の提供。【解決手段】互いに隣接して配置された第１及び第２のＣＯ２吸脱着部２１，２２と、第１及び第２のＣＯ２吸脱着部に対して浄化前のガスを選択的に導入するガス導入部１２と、第１のＣＯ２吸脱着部から浄化ガスを排出するときに第２のＣＯ２吸脱着部からＣＯ２を排出し、第１のＣＯ２吸脱着部から二酸化炭素を排出するときに第２のＣＯ２吸脱着部から浄化ガスを排出するガス排出部１３と、第１のＣＯ２吸脱着部と第２のＣＯ２吸脱着部との間に配置された第１ペルチェ素子２３と、第１のＣＯ２吸脱着部を第１ペルチェ素子と挟むように配置された第２ペルチェ素子２４と、第２のＣＯ２吸脱着部を第１ペルチェ素子と挟むように配置された第３ペルチェ素子２５とを有するＣＯ２除去装置。【選択図】図１

Description

本発明は、空気中から不要ガスである二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置に関する。

従来から、月面有人探査又は月面基地建設等の次世代宇宙ミッションのために、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ：International Space Station）の開発及び運用が注目されている。特に、国際宇宙ステーションにおいては、宇宙環境における生命維持のために、空気の再生が必要不可欠となっている。具体的には、国際宇宙ステーションにおける宇宙生活環境中から二酸化炭素を効率よく除去するための二酸化炭素除去技術、及びこれを利用した二酸化炭素除去装置の開発が重要視されている。

このような二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去方法として、例えば、特許文献１及び２には、プロセス空気流から二酸化炭素を除去するシステム及びその方法が開示されている。特許文献１においては、二酸化炭素を吸着又は脱離する第１の吸着床及び第２の吸着床がヒートパイプ等の熱交換器を介して熱的に接続され、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、他方の吸着床における二酸化炭素を脱離する（すなわち、吸着床の再生を行う）構造が開示されている。また、特許文献２においては、固体アミンが充填された２つのキャニスターが共通する熱電素子を介して接続され、２つのキャニスターを交互に吸着温度又は脱離温度に調整することにより、２つのキャニスターから交互に二酸化炭素を排出する構造が開示されている。

特開２００８−２０７１７７号公報 米国特許出願公開第２０１２／０１６００９８号明細書

しかしながら、特許文献１のような一方の吸着床から引き出された熱を利用して他方の吸着床における二酸化炭素の脱離を行う構造では、他方の吸着床の加熱に時間がかかり、脱離及び吸着の変換サイクルが比較的長くなる。同様に、特許文献２のように２つのキャニスターの接合部分に共通の熱電素子を設ける構造では、１つのキャニスターの加熱に時間がかかり、脱離及び吸着の交換サイクルが比較的長く（具体的には２０分〜３０分）なる。

また、特許文献１及び特許文献２に記載されている二酸化炭素の吸着剤は、固体アミン等の固体状の材料であるため、二酸化炭素を含むガスとの接触面積が小さくなる。このため、二酸化炭素の除去効率を向上させるために、当該ガスとの接触面積を拡大しようとすると、当該吸着剤の数量を増加する必要があり、二酸化炭素除去装置の大型化及びコスト増加という問題が生じていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二酸化炭素の脱離及び吸着の交換サイクルの短縮化を図りつつ、小型化及びコスト低減を容易に図ることができる二酸化炭素除去装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の二酸化炭素除去装置は、浄化前のガスから二酸化炭素を除去して浄化ガスを排出する二酸化炭素除去装置であって、前記浄化前のガスに含まれる前記二酸化炭素を吸着し、且つ加熱によって前記二酸化炭素を脱離する互いに隣接して配置された第１の二酸化炭素吸脱着部及び第２の二酸化炭素吸脱着部と、前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部に対して前記浄化前のガスを選択的に導入するガス導入部と、前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記二酸化炭素及び前記浄化ガスを交互に排出するとともに、前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記二酸化炭素を排出するときに前記浄化ガスを前記第２の二酸化炭素吸脱着部から排出し、前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記浄化ガスを排出するときに前記二酸化炭素を前記第２の二酸化炭素吸脱着部から排出するガス排出部と、前記第１の二酸化炭素吸脱着部と前記第２の二酸化炭素吸脱着部との間に配置された第１ペルチェ素子と、前記第１の二酸化炭素吸脱着部を前記第１ペルチェ素子と挟むように配置された第２ペルチェ素子と、前記第２の二酸化炭素吸脱着部を前記第１ペルチェ素子と挟むように配置された第３ペルチェ素子と、を有することを特徴とする。

上述した二酸化炭素除去装置において、前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部は、金属材料の表面上に粉末状の活性炭を塗布してなる積層構造を有していてもよい。この場合に、前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部は、複数のアルミ板、及び前記複数のアルミ板のそれぞれの表面上に前記活性炭からなる活性炭薄膜を有していてもよい。

また、上述したいずれかの二酸化炭素除去装置において、前記第２ペルチェ素子及び前記第３ペルチェ素子のそれぞれには、ヒートシンクが設置されていてもよい。

更に、上述したいずれかの二酸化炭素除去装置において、前記ガス導入部及び前記ガス排出部を制御するとともに、前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部を選択的に加熱するように前記第１ペルチェ素子、前記第２ペルチェ素子、及び前記第３ペルチェ素子に供給する電流の極性を制御する制御部を有していてもよい。

本発明の二酸化炭素除去装置においては、各二酸化炭素吸脱着部がペルチェ素子に挟まれているため、各二酸化炭素吸脱着部を効率よく加熱及び冷却することができる。また、本発明の二酸化炭素除去装置においては、二酸化炭素吸脱着部を２つのペルチェ素子によって挟む構造を備えない従来の二酸化炭素除去装置と比較して、二酸化炭素の脱離及び吸着のサイクルを短縮することができる。

また、本発明の二酸化炭素除去装置においては、二酸化炭素吸脱着部に粉末状の活性炭が用いられるため、二酸化炭素と活性炭との接触面積を増加させることができる。これにより、二酸化炭素吸脱着部の小型化を図ることができ、二酸化炭素除去装置自体のコスト低減を実現することができる。

実施例に係る二酸化炭素除去装置の全体構成の概略を示す概略構成図である。 実施例に係る二酸化炭素除去装置の二酸化炭素除去部の側面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 図３の破線ＩＶによって囲まれた領域の拡大図である。 実施例に係る二酸化炭素除去装置の動作フロー図である。 図４と同様にして示す変形例に係る二酸化炭素除去装置の二酸化炭素吸脱着部の拡大断面図である。 図４と同様にして示す他の変形例に係る二酸化炭素除去装置の二酸化炭素吸脱着部の拡大断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について、実施例及び変形例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例及び変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による二酸化炭素除去装置及びその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例及び変形例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例＞
（二酸化炭素除去装置の全体構成）
先ず、図１を参照しつつ本発明の実施例に係る二酸化炭素除去装置１０の構成を説明する。図１は、実施例に係る二酸化炭素除去装置１０の全体構成の概略を示す概略構成図である。

図１に示すように、二酸化炭素除去装置１０は、二酸化炭素を含む空気（すなわち、浄化前のガス）から二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部１１と、二酸化炭素除去部１１に当該浄化前のガスを導入するガス導入部１２と、二酸化炭素が除去された空気（すなわち、浄化ガス）及び二酸化炭素を排出するガス排出部１３と、各部を制御する制御部１４とから構成されている。

二酸化炭素除去部１１は、温度変化によって二酸化炭素の吸着及び脱離を自在に行うことができる第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２と、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２を加熱及び冷却する３つのペルチェ素子（第１ペルチェ素子２３、第２ペルチェ素子２４、及び第３ペルチェ素子２５）と、第２ペルチェ素子２４及び第３ペルチェ素子２５を冷却するためのヒートシンク２６、２７と、を有している。具体的な配置構成としては、２つの第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２が第１ペルチェ素子２３を挟んで隣接して配置され、第１の二酸化炭素吸脱着部２１を第１ペルチェ素子２３と挟むように第２ペルチェ素子２４が配置され、第２の二酸化炭素吸脱着部２２を第１ペルチェ素子２３と挟むように第３ペルチェ素子２５が配置されている。また、第２ペルチェ素子２４の第１の二酸化炭素吸脱着部２１が配置されていない側にはヒートシンク２６が設置され、第３ペルチェ素子２５の第２の二酸化炭素吸脱着部２２が配置されていない側にはヒートシンク２７が設置されている。

ガス導入部１２は、所定の空間内の浄化前のガスを二酸化炭素除去装置１０内に導入するためのガス導入弁３１と、ガス導入弁３１と第１の二酸化炭素吸脱着部２１とを接続する流入路３２と、ガス導入弁３１と第２の二酸化炭素吸脱着部２２とを接続する流入路３３と、を有している。ガス導入弁３１は、制御部１４から送信される制御信号に応じて、弁の開口状態を変更することができ、流入路３２及び流入路３３のいずれか一方に浄化前のガスを導入することができる構造を有している。すなわち、ガス導入弁３１は、二酸化炭素除去装置１０の外部と流入路３２及び流入路３３とを選択的に連通し、選択した流路に対して浄化前のガスを導入することになる。換言すれば、ガス導入部１２は、制御部１４から送信される制御信号に応じて、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２に対して浄化前のガスを選択的に導入する。

ガス排出部１３は、二酸化炭素が除去された空気である浄化ガスを排出する浄化ガス排出弁４１と、二酸化炭素を排出するための二酸化炭素排出弁４２と、二酸化炭素排出弁４２を介して二酸化炭素除去装置１０の外部に二酸化炭素を効率よく排出するためのポンプ４３と、第１の二酸化炭素吸脱着部２１と浄化ガス排出弁４１及び二酸化炭素排出弁４２とを接続する流出路４４と、第２の二酸化炭素吸脱着部２２と浄化ガス排出弁４１及び二酸化炭素排出弁４２とを接続する流出路４５と、二酸化炭素排出弁４２とポンプ４３と接続する流出路４６と、を有している。

浄化ガス排出弁４１は、制御部１４から送信される制御信号に応じて、弁の開口状態を変更することができ、流出路４４及び流出路４５のいずれか一方と二酸化炭素除去装置１０の外部とを連通することができる構造を有している。すなわち、浄化ガス排出弁４１は、流出路４４及び流出路４５から選択して浄化ガスを排出することになる。

二酸化炭素排出弁４２は、制御部１４から送信される制御信号に応じて、弁の開口状態を変更することができ、流出路４４及び流出路４５のいずれか一方とポンプ４３とを連通することができる構造を有している。すなわち、二酸化炭素排出弁４２は、流出路４４及び流出路４５から選択し、選択した流路から二酸化炭素排出をポンプ４３に向かって排出することになる。

ポンプ４３には、ロータリーポンプ、拡散ポンプ、又はターボ分子ポンプ等の各種の一般的なポンプを用いることができる。例えば、本実施例に係る二酸化炭素除去装置１０が国際宇宙ステーション等の所定の空間に設置される場合、ポンプ４３は、当該国際宇宙ステーションから外部の宇宙空間に二酸化炭素を排出することになる。

以上のようなガス排出部１３の構成から、ガス排出部１３は、第１の二酸化炭素吸脱着部２１から二酸化炭素及び浄化ガスを交互に排出するとともに、第１の二酸化炭素吸脱着部２１から二酸化炭素を排出するときに浄化ガスを第２の二酸化炭素吸脱着部２２から排出し、第１の二酸化炭素吸脱着部２１から浄化ガスを排出するときに二酸化炭素を第２の二酸化炭素吸脱着部２２から排出することができる。換言すれば、ガス排出部１３は、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２から各種のガスを交互に排出することになる。

制御部１４は、第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５、ガス導入弁３１、浄化ガス排出弁４１、二酸化炭素排出弁４２、及びポンプ４３の動作を制御する一般的な中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）等を含む制御装置から構成されている。具体的に、制御部１４は、第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５に供給する電流の向きを決定し、当該電流の向きに対応させて、第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５への電流供給を行う。また、制御部１４は、ガス導入弁３１、浄化ガス排出弁４１、及び二酸化炭素排出弁４２の開口状態を決定し、当該開口状態に応じた制御信号を各弁に送信し、各弁の開口状態を制御する。更に、制御部１４は、ポンプ４３の駆動を制御する制御信号を送信し、ポンプ４３のオンオフ駆動を行う。

次に、図２乃至図４を参照しつつ、二酸化炭素除去部１１の構成をより詳細に説明する。図２は二酸化炭素除去部１１の側面図であり、図３は図２のIII−III線（一点鎖線で示す）に沿った断面図であり、図４は図３の破線ＩＶによって囲まれた領域の拡大図である。なお、図２乃至４においては、流入路及び流出路の延在方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する方向をそれぞれＹ方向及びＺ方向と定義している。

図２及び図３から分かるように、二酸化炭素除去部１１は、金属又はプラスチック等の比較的硬質な材料からなる筐体５１を備えており、当該筐体５１の内部に第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５が配置され、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２が形成されている。より具体的には、筐体５１の内部には、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２を形成するための２つの空洞５２、５３が隣接して設けられており、当該空洞５２、５３の間に第１ペルチェ素子２３を埋設するための空洞５４が形成されている。また、空洞５２を空洞５４と挟むように空洞５５が＋Ｚ方向側（一方側）に設けられ、空洞５３を空洞５４と挟むように空洞５６が−Ｚ方向側（他方側）に設けられている。

空洞５２、５３には、ＸＺ平面（すなわち、ガスの流れる方向）において延在する薄板状の複数のアルミ板５７が互いに離間して平行に配設されている。各空洞に配設されるアルミ板５７の枚数は、図３及び図４に示すような７枚に限定されることなく、それ以上（例えば１０枚）又はそれ以下（例えば５枚）であってもよい。なお、二酸化炭素の吸着効率を向上させる観点からは、できる限りその枚数を多くすることが好ましい。また、空洞５２、５３内に配設される薄板の材料はアルミに限定されることなく、他の金属材料（例えば、金、銀、銅）又は他の熱伝導率が比較的高い材料（例えば、樹脂からなるプラスチック）を用いることができる。

アルミ板５７の表面には、図４に示すように、二酸化炭素の吸着及び脱離をなす活性炭の粉末を塗布してなる活性炭薄膜５８が形成されている。ここで、活性炭の粉末は、接着剤を用いてアルミ板５７に塗布されている。活性炭薄膜５８は、その温度が約１５℃〜２５℃の範囲では二酸化炭素を吸着し、その温度が約３５℃〜８５℃の範囲では二酸化炭素を脱離する特性を有している。

以上のように、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２は、複数のアルミ板５７、及びその表面上に形成された活性炭薄膜５８から構成され、アルミ板５７及び活性炭薄膜５８からなる２層の積層構造を備えている。

図３から分かるように、第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５は、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２を構成するアルミ板５７に近接しているため、当該アルミ板５７を第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５によって効率よく加熱又は冷却することができる。そして、アルミ板５７は比較的高い熱伝導率を有しているため、活性炭薄膜５８も効率よく加熱又は冷却することができる。本実施例においては、第１の二酸化炭素吸脱着部２１を冷却する場合には、第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に同一方向に流れる電流を供給する。この際、第１ペルチェ素子２３の第１の二酸化炭素吸脱着部２１に隣接する面（すなわち、冷却面）とは反対側面は加熱されるため、当該加熱を利用し且つ第３ペルチェ素子２５に電流を供給することによって第２の二酸化炭素吸脱着部２２を同時に加熱することができる。この場合に、第３ペルチェ素子２５に供給する電流の向きは、第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に供給する電流の向きとは逆になる。なお、上述した電流の向き関係が成立するためには、第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５の配置方向が同一であることが前提となる。

また、図２及び図３から分かるように、アルミ板５７及び活性炭薄膜５８からなる第１の二酸化炭素吸脱着部２１が配置された空洞５２には、流入路３２及び流出路４４が連通されている。同様に、アルミ板５７及び活性炭薄膜５８からなる第２の二酸化炭素吸脱着部２２が配置された空洞５３には、流入路３３及び流出路４５が連通されている。このような連通構造により、流入路３２、３３を経由して浄化前のガスが空洞５２、５３に導入され、空洞５２、５３に設けられた第１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２１、２２によって当該浄化前のガスに含まれる二酸化炭素が除去され、浄化ガス及び二酸化炭素が空洞５２、５３から流出路４４、４５、４６を経由して二酸化炭素除去装置１０の外部（すなわち、浄化ガスは二酸化炭素除去装置１０の設置空間内、二酸化炭素は宇宙空間）に排出される。

更に、図２及び図３から分かるように、第２ペルチェ素子２４の第１の二酸化炭素吸脱着部２１が配置されている逆側にはヒートシンク２６が配置され、第３ペルチェ素子２５の第２の二酸化炭素吸脱着部２２が配置されている逆側にはヒートシンク２７が配置されている。ヒートシンク２６、２７は、複数のフィン２６ａ、２７ａを備えており、第２ペルチェ素子２４及び第３ペルチェ素子２５において生じる熱を効率よく冷却することができる。

（二酸化炭素除去装置の動作）
次に、図１及び図５を参照しつつ、本実施例に係る二酸化炭素除去装置１０の動作について説明する。図５は、本実施例に係る二酸化炭素除去装置１０の一連の動作を説明するための動作フロー図である。なお、本動作の開始前の状態において、二酸化炭素除去装置１０の第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２のいずれにも二酸化炭素が存在しないことを前提とする。

先ず、制御部１４がガス導入弁３１の開口状態を制御し、二酸化炭素除去装置１０の外部と流入路３２とを連通する（ステップＳ１）。これにより、二酸化炭素除去装置１０の外部から二酸化炭素を含む空気である浄化前のガスが流入路３２に導入され、流入路３２を経由して二酸化炭素吸脱着部２１に当該浄化前のガスが供給されることになる。この際、流入路３３と二酸化炭素除去装置１０の外部とは連通されておらず、流入路３３には当該浄化前のガスが導入されることはない。

次に、第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に電流を供給して第１の二酸化炭素吸脱着部２１を冷却し、第１の二酸化炭素吸脱着部２１を構成する活性炭薄膜５８に二酸化炭素を吸着させる（ステップＳ２）。この際、制御部１４は、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の温度が１５℃〜２５℃となるように電流の方向及び電流量を調整する。ここで、第２ペルチェ素子２４の二酸化炭素吸脱着部２１と近接する部分が冷却されると、第２ペルチェ素子２４の二酸化炭素吸脱着部２１と近接しない部分（すなわち、冷却面とは反対の面）が加熱されるが、当該加熱面側にヒートシンク２６が設置されていることから第２ペルチェ素子２４の熱がヒートシンク２６から放熱されるため、第２ペルチェ素子２４の加熱面によって二酸化炭素吸脱着部２１が影響を受けることがない。

次に、制御部１４が浄化ガス排出弁４１の開口状態を制御し、二酸化炭素除去装置１０の外部と流出路４４とを連通する（ステップＳ３）。これにより、第１の二酸化炭素吸脱着部２１において二酸化炭素が除去された状態の空気である浄化ガスが、二酸化炭素除去装置１０の外部に排出される。すなわち、浄化前のガスから二酸化炭素が除去され、浄化ガスが二酸化炭素除去装置１０の設置空間内に戻されることになる。この際、流出路４５と二酸化炭素除去装置１０の外部（設置空間内）とは連通されていない。

なお、上述したステップＳ１からステップＳ３までの動作は、順次行われる必要はなく、同時に行われてもよい。すなわち、ガス導入弁３１から導入された浄化前のガスが流入路３２、第１の二酸化炭素吸脱着部２１、及び流出路４４を経由して浄化ガス排出弁４１から二酸化炭素除去装置１０の外部へ排出されるための流路を形成するとともに、第１の二酸化炭素吸脱着部２１を冷却して二酸化炭素の吸着を同時に行ってもよい。

次に、制御部１４がガス導入弁３１の開口状態を制御し、二酸化炭素除去装置１０の外部と流入路３３とを連通する（ステップＳ４）。これにより、流入路３２への浄化前のガスの供給が停止し、二酸化炭素除去装置１０の外部から二酸化炭素を含む空気である浄化前のガスが流入路３３に導入され、流入路３３を経由して二酸化炭素吸脱着部２２に当該浄化前のガスが供給されることになる。

次に、第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に対してステップＳ２とは逆方向に流れる電流を供給して第１の二酸化炭素吸脱着部２１を加熱し、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の活性炭薄膜５８に吸着した二酸化炭素を脱離するとともに、第３ペルチェ素子２５に対して第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に流れる電流とは逆方向に流れる電流を供給して第２の二酸化炭素吸脱着部２２を冷却し、第２の二酸化炭素吸脱着部２２を構成する活性炭薄膜５８に二酸化炭素を吸着させる（ステップＳ５）。この際、制御部１４は、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の温度が３５℃〜８５℃であって、第２の二酸化炭素吸脱着部２２の温度が１５℃〜２５℃となるように各ペルチェ素子に供給する電流量を調整する。

ここで、第１ペルチェ素子２３の二酸化炭素吸脱着部２１と近接する部分が加熱されると、第１ペルチェ素子２３の二酸化炭素吸脱着部２１と近接しない部分（すなわち、加熱面とは反対の面）が冷却されるが、第１ペルチェ素子２３の冷却面は二酸化炭素吸脱着部２２と近接しているため、二酸化炭素吸脱着部２２の冷却も同時に行うことが可能になる。また、第３ペルチェ素子２５の二酸化炭素吸脱着部２２と近接する部分が冷却されると、第３ペルチェ素子２５の二酸化炭素吸脱着部２２と近接しない部分（すなわち、冷却面とは反対の面）が加熱されるが、当該加熱面側にヒートシンク２７が設置されていることから第３ペルチェ素子２５の熱がヒートシンク２７から放熱されるため、第３ペルチェ素子２５の加熱面によって二酸化炭素吸脱着部２２が影響を受けることがない。

次に、制御部１４が、浄化ガス排出弁４１の開口状態を制御して二酸化炭素除去装置１０の外部と流出路４５とを連通し、二酸化炭素排出弁４２の開口状態を制御して第１の二酸化炭素吸脱着部２１からポンプ４３までを連通させるとともに、ポンプ４３の駆動を開始させる（ステップＳ６）。これにより、第２の二酸化炭素吸脱着部２２において二酸化炭素が除去された状態の空気である浄化ガスが、二酸化炭素除去装置１０の外部に排出されるとともに、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の活性炭薄膜５８から脱離した二酸化炭素をポンプ４３から二酸化炭素除去装置１０が設置された空間の更に外部（例えば、宇宙空間）に排出される。

なお、上述したステップＳ４からステップＳ６までの動作は、順次行われる必要はなく、同時に行われてもよい。すなわち、ガス導入弁３１から導入された浄化前のガスが流入路３３、第２の二酸化炭素吸脱着部２２、及び流出路４５を経由して浄化ガス排出弁４１から二酸化炭素除去装置１０の外部へ排出されるための流路の形成と、第１の二酸化炭素吸脱着部２１において脱離された二酸化炭素が流出路４４、二酸化炭素排出弁４２、及び流出路４６を経由してポンプ４３から二酸化炭素除去装置１０の設置空間の更に外部へ排出されるための流路の形成と、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の加熱による二酸化炭素の脱離と、第２の二酸化炭素吸脱着部２２の冷却による二酸化炭素の吸着と、を同時に行ってもよい。

次に、制御部１４がガス導入弁３１の開口状態を制御し、二酸化炭素除去装置１０の外部と流入路３２とを連通する（ステップＳ７）。これにより、流入路３３への浄化前のガスの供給が停止し、二酸化炭素除去装置１０の外部から二酸化炭素を含む空気である浄化前のガスが流入路３２に導入され、流入路３２を経由して二酸化炭素吸脱着部２１に当該浄化前のガスが供給されることになる。

次に、第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に対してステップＳ２と同一の方向に流れる電流を供給して第１の二酸化炭素吸脱着部２１を冷却し、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の活性炭薄膜５８に二酸化炭素を吸着させるとともに、第３ペルチェ素子２５に対して第１ペルチェ素子２３及び第２ペルチェ素子２４に流れる電流とは逆方向に流れる電流を供給して第２の二酸化炭素吸脱着部２２を加熱し、第２の二酸化炭素吸脱着部２２を構成する活性炭薄膜５８から二酸化炭素を脱離させる（ステップＳ８）。この際、制御部１４は、第２の二酸化炭素吸脱着部２２の温度が３５℃〜８５℃であって、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の温度が１５℃〜２５℃となるように各ペルチェ素子に供給する電流量を調整する。

次に、制御部１４が、浄化ガス排出弁４１の開口状態を制御して二酸化炭素除去装置１０の外部と流出路４４とを連通し、二酸化炭素排出弁４２の開口状態を制御して第２の二酸化炭素吸脱着部２２からポンプ４３までを連通させる（ステップＳ９）。これにより、第１の二酸化炭素吸脱着部２１において二酸化炭素が除去された状態の空気である浄化ガスが、二酸化炭素除去装置１０の外部に排出されるとともに、第２の二酸化炭素吸脱着部２２の活性炭薄膜５８から脱離した二酸化炭素をポンプ４３から二酸化炭素除去装置１０が設置された空間の更に外部に排出される。

そして、ステップＳ９の後は、ステップＳ４からステップＳ９を繰り返すことにより、浄化前のガスから二酸化炭素の除去、二酸化炭素の排出、及び浄化ガスの排出を断続的に行う。すなわち、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２における二酸化炭素の吸着を交互に行いつつ、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２における二酸化炭素の脱離も交互に行い、二酸化炭素除去装置１０から断続的に浄化ガス及び二酸化炭素が排出されることになる。

（実施例の効果）
本実施例の二酸化炭素除去装置１０においては、各二酸化炭素吸脱着部の両側にペルチェ素子が配置されている（すなわち、Ｚ方向において各二酸化炭素吸脱着部がペルチェ素子に挟まれている）ため、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２を効率よく加熱及び冷却することができる。また、＋Ｚ側及び−Ｚ側に位置する第２ペルチェ素子２４及び第３ペルチェ素子２５のそれぞれにヒートシンク２６、２７が近接して設けられているため、第２ペルチェ素子２４及び第３ペルチェ素子２５の熱移動を促し、効率よく加熱及び冷却を行うことができる。

そして、本実施例の二酸化炭素除去装置１０においては、二酸化炭素吸脱着部を２つのペルチェ素子によって挟む構造を備えない従来の二酸化炭素除去装置と比較して、二酸化炭素の脱離及び吸着のサイクルを短縮することができる。具体的には、実施例の二酸化炭素除去装置１０においては、当該サイクルを５分から１０分程度にすることができる。

更に、本実施例の二酸化炭素除去装置１０においては、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２にアルミ板５７が用いられているため、アルミ板５７の表面上に形成される活性炭薄膜５８と第１〜第３ペルチェ素子２３、２４、２５との間における熱移動を効率よく行うことができ、二酸化炭素の吸着及び脱離を容易且つ迅速に行うことができる。

また、本実施例の二酸化炭素除去装置１０においては、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２に粉末状の活性炭が用いられているため、浄化前のガスと活性炭との接触面積をより大きくすることができる。これにより、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２の小型化を図ることができ、二酸化炭素除去装置１０自体のコスト低減を実現することができる。

＜変形例＞
上述した実施例においては、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２が平板状のアルミ板５７及び活性炭薄膜５８から構成されていたが、図６又は図７に示すような構造を有する二酸化炭素吸脱着部を形成してもよい。以下において、図６及び図７を参照しつつ二酸化炭素吸脱着部の変形例を説明する。ここで、図６及び図７は図４と同様にして示す二酸化炭素吸脱着部の拡大断面図である。

図６に示すように、変形例に係る第１の二酸化炭素吸脱着部２１’は、Ｙ方向及びＺ方向において規則的に並列した複数の貫通孔６１が形成されたアルミ部材６２と、貫通孔６１の側面においてアルミ部材６２の表面上に積層された活性炭薄膜５８と、から構成されている。また、ＹＺ平面における貫通孔６１の形状は正方形であり、ＹＺ平面における第１の二酸化炭素吸脱着部２１’の形状は格子状である。そして、活性炭薄膜５８の形状は、全体形状が筒状であって、ＹＺ平面における断面形状が正方形となっている。

このような構成においては、ガス導入部１２から導入される浄化前ガスは、貫通孔６１を通過する際に、活性炭薄膜５８によって二酸化炭素が除去されることになる。そして、二酸化炭素が除去された浄化ガスは、貫通孔６１を通過して流出路４４又は流出路４５に到達することになる。

なお、第１の二酸化炭素吸脱着部２１’を構成するアルミ部材６２は、ＸＺ平面における断面形状も格子状となるように、Ｙ方向に延在する貫通孔が更に形成されていてもよい。

図７に示すように、他の変形例に係る第１の二酸化炭素吸脱着部２１”は、Ｙ方向及びＺ方向においてランダムに配置された複数の貫通孔７１が形成されたアルミ部材７２と、貫通孔７１の側面においてアルミ部材７２の表面上に積層された活性炭薄膜５８と、から構成されている。また、ＹＺ平面における貫通孔７１の形状は円形であり、活性炭薄膜５８の形状は、全体形状が筒状であって、ＹＺ平面における断面形状が円形となっている。

このような構成においても、ガス導入部１２から導入される浄化前ガスは、貫通孔７１を通過する際に、活性炭薄膜５８によって二酸化炭素が除去されることになる。そして、二酸化炭素が除去された浄化ガスは、貫通孔７１を通過して流出路４４又は流出路４５に到達することになる。

なお、上述した変形例においては、第１の二酸化炭素吸脱着部２１の変形例として、第１の二酸化炭素吸脱着部２１’及び第１の二酸化炭素吸脱着部２１”を説明したが、第２の二酸化炭素吸脱着部２２も同様に、第１の二酸化炭素吸脱着部２１’又は第１の二酸化炭素吸脱着部２１”の形状と同じようにしてもよい。また、第１の二酸化炭素吸脱着部２１及び第２の二酸化炭素吸脱着部２２の更なる変形例の形状として、図４、図６、及び図７から選択した２つ以上の形状を組み合わせてもよい。

１０ 二酸化炭素除去装置
１１ 二酸化炭素除去部
１２ ガス導入部
１３ ガス排出部
１４ 制御部
２１ 第１の二酸化炭素吸脱着部
２２ 第２の二酸化炭素吸脱着部
２３ 第１ペルチェ素子
２４ 第２ペルチェ素子
２５ 第３ペルチェ素子
２６、２７ ヒートシンク
３１ ガス導入弁
３２、３３ 流入路
４１ 浄化ガス排出弁
４２ 二酸化炭素排出弁
４３ ポンプ
４４、４５、４６ 流出路
５１ 筐体
５２、５３、５４、５５、５６ 空洞
５７ アルミ板
５８ 活性炭薄膜
６１、７１ 貫通孔
６２、７２ アルミ部材

Claims (5)

1. 浄化前のガスから二酸化炭素を除去して浄化ガスを排出する二酸化炭素除去装置であって、
   前記浄化前のガスに含まれる前記二酸化炭素を吸着し、且つ加熱によって前記二酸化炭素を脱離する互いに隣接して配置された第１の二酸化炭素吸脱着部及び第２の二酸化炭素吸脱着部と、
   前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部に対して前記浄化前のガスを選択的に導入するガス導入部と、
   前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記二酸化炭素及び前記浄化ガスを交互に排出するとともに、前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記二酸化炭素を排出するときに前記浄化ガスを前記第２の二酸化炭素吸脱着部から排出し、前記第１の二酸化炭素吸脱着部から前記浄化ガスを排出するときに前記二酸化炭素を前記第２の二酸化炭素吸脱着部から排出するガス排出部と、
   前記第１の二酸化炭素吸脱着部と前記第２の二酸化炭素吸脱着部との間に配置された第１ペルチェ素子と、
   前記第１の二酸化炭素吸脱着部を前記第１ペルチェ素子と挟むように配置された第２ペルチェ素子と、
   前記第２の二酸化炭素吸脱着部を前記第１ペルチェ素子と挟むように配置された第３ペルチェ素子と、を有することを特徴とする二酸化炭素除去装置。
2. 前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部は、金属材料の表面上に粉末状の活性炭を塗布してなる積層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素除去装置。
3. 前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部は、複数のアルミ板、及び前記複数のアルミ板のそれぞれの表面上に前記活性炭からなる活性炭薄膜を有することを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素除去装置。
4. 前記第２ペルチェ素子及び前記第３ペルチェ素子のそれぞれには、ヒートシンクが設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二酸化炭素除去装置。
5. 前記ガス導入部及び前記ガス排出部を制御するとともに、前記第１の二酸化炭素吸脱着部及び前記第２の二酸化炭素吸脱着部を選択的に加熱するように前記第１ペルチェ素子、前記第２ペルチェ素子、及び前記第３ペルチェ素子に供給する電流の極性を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二酸化炭素除去装置。

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