除湿機

電気式冷凍除湿機は最も一般的なタイプの除湿機です。ファンを使って湿った空気を冷凍式蒸発器に送り込むことで除湿します。蒸発器には主に3つのタイプがあります。コイルチューブ式、フィンアンドチューブ式、そしてマイクロチャネル式です。

冷凍装置の冷たい蒸発器コイルで水が凝縮され、それが除去された後、空気は凝縮器コイルで再加熱されます。除湿され、再加熱された空気が室内に放出されます。このプロセスは、外気温度が高く露点温度が高い場合に最も効果的に機能します。寒冷地では、このプロセスは効果が低下します。最高の効率は、 20 °C (68 °F)以上、相対湿度 45% で達成されます。この相対湿度の値は、空気の温度が低いほど高くなります。^{[ 5 ]}  

このタイプの除湿機は、蒸発器と凝縮器が同じ空気経路内に配置されている点で、一般的なエアコンとは異なります。一般的なエアコンは、凝縮器コイルから熱が放出されるため、室内の熱エネルギーを室外に運び出します。しかし、除湿機はすべての部品が同じ室内にあるため、熱エネルギーは除去されません。その代わりに、除湿機が消費する電力は熱として室内に残るため、同じ電力を消費する電気ヒーターと同様に、実際には部屋が暖められます。

さらに、室内で水が凝縮すると、その水を蒸発させるために以前必要とされた熱量（蒸発潜熱）も室内に放出されます。除湿プロセスは、蒸発式冷却器で室内に水を加えるプロセスとは逆で、熱を放出します。したがって、室内除湿機は、水を凝縮して除去することで湿度を直接的に下げるだけでなく、間接的に室内を暖めて相対湿度を下げる効果も常にあります。

上図のAから、暖かく湿った空気がユニット内に吸い込まれます。この空気はクロスフロープレート式熱交換器（B）に入り、顕熱の大部分が冷たい供給空気流に伝達されます。このプロセスにより、抽出された空気は飽和状態に近い状態になります。次に、空気は排気ファン（C）のプレナム室に入り、その一部が外部に排出されます。排出される量は変更可能で、新鮮な空気の必要量に関する法令、または新鮮で無臭の環境を維持する必要性によって決定されます。残りの空気はヒートポンプの蒸発器コイルに入り、そこで冷却され、水分が凝縮されます。このプロセスにより、冷凍回路に相当量の潜熱が供給されます。その後、排出された空気量を補うために新鮮な空気が導入され、混合空気は供給ファン（G）によってクロスフロープレート式熱交換器（B）に排出され、そこでプールからの排気によって加熱されます。この予熱された空気は、ヒートポンプの凝縮器（F）を通過し、凝縮過程で除去された潜熱と圧縮機への入力エネルギーによって加熱されます。その後、温かく乾燥した空気が室内に放出されます。

従来のエアコンは電気除湿機と非常によく似ており、空気を冷却する際に本質的に除湿機としても機能します。ただし、エアコンでは、空気は冷たい蒸発器コイルを通過した後、直接室内に送られます。冷凍式除湿機のように凝縮器を通過して再加熱されることはありません。代わりに、冷媒は圧縮機によって空調対象の部屋の外にある凝縮器に送られ、そこで熱が外気に放出されます。従来のエアコンは、外に空気を排出するために余分なエネルギーを消費し、また、室内の空気には、すでに空気中に多量の水分が含まれているプール室など、室内に必要な水分量よりも多くの水分が含まれている可能性があります。

エアコンの蒸発器で凝縮した水は、通常、空調空間から排出されるように処理されます。最新の高効率窓型エアコンは、凝縮水を利用して凝縮器コイルを冷却し、水を屋外に蒸発させますが、旧型のエアコンは単に水を屋外に滴らせていました。

水が大気の露点以下に冷やされると、水から蒸発するよりも速く、大気中の水蒸気が水面に凝結します。スプレー式除湿機は、冷水と空気を混合したスプレーを噴射することで、大気中の水分を除去します。また、花粉などの汚染物質も除去するため、「エアウォッシャー」と呼ばれることもあります。

窓型エアコンには凝縮器と膨張弁が備わっているため、一部の機種は、排気を室外ではなく室内に送り込むことで、簡易的な除湿器として利用できます。冷却コイルから滴り落ちる凝縮水を室外に排出すれば、室内の空気は乾燥しますが、わずかに暖かくなります。

しかし、多くの窓型エアコンは、凝縮水を排気流に再蒸発させることで排出するように設計されており、冷却コイルに結露することで生じる空気湿度の低下を相殺しています。除湿機として効果的に機能させるには、エアコンは、凝縮した水の大部分またはすべてが再蒸発ではなく液体の形で排出されるように設計または改造する必要があります。凝縮水が排出されたとしても、改造されたエアコンは、除湿用に最適化された設計の単機能機器よりも効率が劣ります。除湿機は、冷却コイルと加熱コイルを一度に効率的に通過させるように設計されています。

さらに、ほとんどのエアコンは、湿度を感知する湿度調節器（通常は除湿機の制御に使用される）ではなく、温度を感知するサーモスタットによって制御されています。サーモスタットは湿度制御用に設計されておらず、たとえ制御できたとしても、その効果は限定的です。

特定の温度と湿度条件下では、冷凍式除湿機の蒸発器コイルに氷が形成されることがあります。氷の蓄積は空気の流れを妨げ、最終的にはコイルを覆う固い塊を形成します。^{[ 6 ]}この蓄積により除湿機は効果的に動作しなくなり、凝縮水が蓄積した氷から滴り落ちて集水トレイに入らない場合、水害を引き起こす可能性があります。極端な場合、氷が機械部品を変形または歪ませ、永久的な損傷を引き起こす可能性があります。

高品質の除湿機には、霜や氷を感知するセンサーが搭載されている場合があります。これらのセンサーは、氷が付着すると機械の電源を切り、氷で覆われたコイルを温めて解凍させます。解凍が完了すると、通常は自動的に再起動します。ほとんどの氷センサーは単純な温度スイッチであり、氷の付着の有無を直接感知するわけではありません。別の設計では、空気の流れが阻害されることを感知し、同様の方法で冷却コイルの電源を切ります。

除湿機の不具合、例えば冷媒の一部漏れなどは、コイルの繰り返し着氷を引き起こす可能性があります。このような状態になった場合は、機器の修理または交換が必要です。

熱電式除湿機は、ペルチェ素子を用いたヒートポンプで表面を冷却し、空気中の水蒸気を凝縮します。機械式コンプレッサーを備えた除湿機に比べて構造がシンプルで、静音性に優れているという利点があります。しかし、性能係数が比較的低い ため、主に小型除湿機に用いられています。冷凍式除湿機と同様に、氷の付着が問題となる場合があります。

選択膜は、水蒸気以外の周囲のガスを遮断する材料を使用します。水蒸気は、濃度差によってこれらの膜を透過します。このような濃度差（分圧）は、真空ポンプによる排気、または水蒸気濃度が低い気流を通過することによって生じます。最も効率的な構成では、真空ポンプを周囲の空気から隔離する2枚の膜を使用することでエネルギーを節約します。^{[ 10 ] [ 11 ]}これにより、真空ポンプにかかる圧力が大幅に低下し、エネルギーが節約されます。このようなシステムは「等温膜除湿」と呼ばれることが多いですが、最近の研究では、これらのシステムを熱交換と組み合わせることで効率を高めることができることが示されています。^{[ 12 ]}このような統合により、蒸気圧縮サイクルのCOP（より近い温度で動作させることによって）を向上させ、^{[ 13 ]}膜付近の空気混合を強化して性能を向上させることができます。^{[ 14 ]}これらのシステムでは、平板膜は中空糸膜よりも大幅に優れた性能を発揮する可能性がある。後者の圧力損失が大きいため、現代のHVACシステムの大きな空気流量に対して大きな抵抗力が生じるからである^{[ 15 ]}。

選択性膜は、膜内に水（または他の溶質）を吸収できる液体を固定化することによって作製でき、これを「支持液膜」と呼ぶ。^{[ 16 ]}通常、2つの層があり、吸収液を含む高多孔性膜と、液体が漏れるのを防ぐ捕捉層がある。この液体吸収層により、固体の選択性材料や非常に小さな孔がなくても、選択性膜のように機能することができる。水をよく吸収する（吸湿性）液体には、グリコール混合物やイオン液体が含まれる。

イオン膜は、凝縮や選択性材料ではなく化学反応を利用して、密閉容器内外の湿度を移動させるために使用できます。これらのシステムは、電極とプロトン伝導膜を使用して電気分解によって水蒸気を除去します。陽極では、H ₂ Oがプロトン、 O ₂ 、および電子に分解され、プロトンは材料を通過して反対側の周囲の酸素と反応して再び水を生成します。^{[ 17 ]}

おそらく、このような電気分解式除湿に最初に用いられた材料は、固体高分子電解質（SPE）膜でしょう。この方式は、長期メンテナンスが困難な密閉空間向けに、低消費電力で定常状態の除湿器を提供します。この電気分解プロセスは、0.2 m³（7 cu ft）の空間から1日あたり0.2グラム、8 m³（280 cu ft）の空間から1日あたり58グラムの除湿能力を実現します。SPEシステムは一般的に高い除湿能力は持ちませんが、水蒸気は電気分解によって除去されるため、メンテナンスフリーです。また、このプロセスは動作に必要な電力も非常に少なく、可動部品も不要なため、イオン膜は動作音が静かで、長期間にわたって非常に信頼性があります。SPE除湿器は、一般的に、高湿度環境から精密な電気部品、医療機器、博物館の標本、または科学機器を保護するために使用されます。

SPEは、プロトン伝導性固体高分子電解質と、貴金属粒子からなる触媒層を有する多孔質電極で構成されています。^{[ 18 ]}膜に取り付けられた多孔質電極に電圧を印加すると、陽極側（除湿側）の水分が水素イオン（H+）と酸素に解離します。水素イオンは膜を通過して陰極側（水分放電側）に移動し、そこで空気中の酸素と反応して水分子（水蒸気）が放出されます。^{[ 19 ]}酸素は除湿側から放出され、気密容器内に大量の水が持ち込まれた場合、容器内に酸素が蓄積される可能性があります。