除湿機

除湿機は、空気中の湿度を下げ、そのレベルを維持する空調装置です。 ^[1]これは通常、健康や温熱的快適性のため、または空気から水分を取り除くことでカビ臭を除去し、カビの繁殖を防ぐために行われます。家庭用、商業用、または工業用に使用できます。大型の除湿機は、屋内スケートリンク^[2]やプールなどの商業ビルや、製造工場や倉庫で使用されています。一般的な空調システムは、冷却コイルを露点以下で作動させ、凝縮した水を排出することで、除湿と冷却を組み合わせています。

除湿機は、ユニットを通過する空気から水分を抽出します。一般的な除湿機には、凝縮式除湿機と乾燥剤式除湿機の 2 種類があり、他の新しい設計も登場しています。

凝縮水除湿器は冷凍サイクルを使用して凝縮水と呼ばれる水を収集します。凝縮水は通常は中水と見なされますが、工業用途で再利用されることもあります。一部のメーカーは、凝縮水を飲料水に変える逆浸透フィルターを提供しています。

乾燥剤除湿器（吸収式除湿器とも呼ばれる）は、シリカゲルなどの親水性物質で水分を吸着します。安価な家庭用ユニットには、使い捨ての親水性物質カートリッジ、ゲル、または粉末が含まれています。大型の業務用ユニットは、熱風を使用して吸着剤を再生し、水分を除去して湿った空気を部屋の外に排出します。

イオン膜除湿器などの新しいタイプの膜除湿器は、水を液体ではなく蒸気として処理します。これらの新しい技術は、システムの小型化や優れた性能の実現を目的としている可能性があります。

除湿機のエネルギー効率は大きく異なります。

最初の除湿器は、1902年にアメリカの発明家ウィリス・キャリアーによってブルックリンの 印刷工場の除湿のために作られました。^[3]キャリアーはこの発見が、後に空調のさらなる発見のきっかけになったと述べています。^[1]これらの「能動的な」除湿器は空気中の水分を凝縮します。しかし、「受動的な」湿度制御、例えば自然換気の増加は、古代から使用されてきました。^[4]

これらの方法は、冷たい表面に沿って空気を引き寄せることに依存しています。温度が下がると水の飽和蒸気圧が下がるため、空気中の水が表面で凝縮し、水と空気が分離します。

電気冷却式除湿器は、最も一般的なタイプの除湿器です。ファンで冷却蒸発器に湿った空気を引き寄せることで機能します。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、フィン アンド チューブ、マイクロ チャネルテクノロジーです。

冷凍装置の冷たい蒸発器コイルは水を凝縮して除去し、その後、空気は凝縮器コイルによって再加熱されます。除湿され、再加熱された空気は、室内に放出されます。このプロセスは、周囲温度が高く、露点温度が高い場合に最も効果的に機能します。寒冷な気候では、このプロセスはそれほど効果的ではありません。最高の効率は、20 °C (68 °F) 以上、相対湿度 45% を超える場合に達成されます。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]

このタイプの除湿器は、蒸発器と凝縮器の両方が同じ空気経路に配置されている点で、標準的なエアコンとは異なります。標準的なエアコンは、凝縮器コイルが熱を外部に放出するため、熱エネルギーを部屋の外に移動します。ただし、除湿器のすべてのコンポーネントが同じ部屋にあるため、熱エネルギーは除去されません。代わりに、除湿器によって消費された電力は熱として部屋に残るため、同じ量の電力を消費する電気ヒーターと同じように、部屋は実際に暖められます。

さらに、室内で水が凝縮すると、その水を蒸発させるのに要した熱量も室内で再放出されます (蒸発潜熱)。除湿プロセスは、蒸発冷却器で室内に水を追加するのとは逆のプロセスで、代わりに熱を放出します。したがって、室内除湿器は常に部屋を暖め、間接的に相対湿度を下げるとともに、水を凝縮して除去することで湿度をより直接的に下げます。

暖かく湿った空気が、上図の A でユニットに引き込まれます。この空気はクロスフロー プレート熱交換器 (B) に流れ込み、ここで顕熱の大部分が冷たい給気流に伝達されます。このプロセスにより、排気は飽和状態に近くなります。次に、空気は排気ファン (C) のプレナム チャンバーに流れ込み、その一部は外部に排出されます。排出される量は変更可能であり、新鮮な空気の要件に関する法律、または新鮮で臭いのない環境を維持する要件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流れ込み、そこで冷却されて水分が凝縮されます。このプロセスにより、冷凍回路に大量の潜熱エネルギーが生成されます。次に、新鮮な空気が導入されて排気された量が補充され、その混合物が給気ファン (G) によってクロスフロー プレート熱交換器 (B) に排出され、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コンデンサー（F）を通過し、凝縮プロセス中に除去された潜熱エネルギーとコンプレッサーに入力されたエネルギーによって加熱されます。その後、暖かく乾燥した空気が室内に排出されます。^[要出典]

従来のエアコンは電気式除湿器に非常に似ており、空気を冷やす際に本質的に除湿器として機能します。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てから直接室内に入ります。冷凍式除湿器のように、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、冷媒はコンプレッサーによって、調整する部屋の外にある凝縮器に送り込まれ、その後、熱が外気に放出されます。従来のエアコンは、空気を外に排出するために余分なエネルギーを使用し、新しい空気は、すでに空気中に大量の水分を含んでいるプールルームなどの部屋に必要な量よりも多くの水分を含む可能性があります。^{[引用が必要]}

エアコンの蒸発器で凝縮した水は、通常、空調された空間から抽出された水を除去するために送られます。新しい高効率の窓用ユニットは、凝縮した水を屋外の空気中に蒸発させることでコンデンサーコイルを冷却するのに役立てますが、古いユニットは単に水を外に滴らせていました。

水が大気の露点以下に冷却されると、大気中の水分は水が蒸発するよりも速く水に凝縮します。スプレー式除湿器は、冷却した水と空気のスプレーを混合して大気中の水分を捕らえます。また、花粉などの汚染物質や不純物も捕らえるため、「エアウォッシャー」と呼ばれることもあります。

窓用エアコンには凝縮器と膨張装置が備わっているため、その一部は、排気熱を外気ではなく、冷却された空気と同じ部屋に送り返すことで、即席の除湿器として使用できます。冷却コイルからの凝縮水が冷却コイルから滴り落ちると同時に部屋から排出されると、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、多くの窓用エアコンは、凝縮水を排気流に再蒸発させて処分するように設計されており、冷却コイル上の水分の凝縮によって生じる湿度の低下を相殺します。除湿器として効果を発揮するには、エアコンは、凝縮した水のほとんどまたはすべてが再蒸発するのではなく、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。たとえ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専用機器よりも効率が悪くなります。除湿器は、空気を冷却コイルに直接通し、次に加熱コイルに 1 回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、湿度を感知し、通常は除湿器を制御するために使用される湿度計ではなく、温度を感知するサーモスタットによって制御されます。サーモスタットは湿度を制御するように設計されておらず、湿度を制御するとしても不十分です。

特定の温度と湿度の条件下では、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。氷が蓄積すると空気の流れが妨げられ、最終的にはコイルを包む固いブロックが形成される可能性があります。^[6]この蓄積により、除湿機が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収集トレイに入らない場合、水による損傷を引き起こす可能性があります。極端な場合には、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。

より高品質の除湿機には、霜や氷のセンサーが付いている場合があります。このセンサーは機械の電源をオフにし、氷で覆われたコイルを温めて解凍します。解凍されると、機械は通常自動的に再起動します。ほとんどの氷センサーは単純な熱スイッチであり、氷の蓄積の有無を直接感知するものではありません。別の設計では、空気の流れが妨げられていることを感知し、同様の方法で冷却コイルを遮断します。

除湿器の特定の故障、例えば冷媒の部分的な損失により、コイルの繰り返しの凍結が発生する場合があります。この状態の場合、機器の修理または交換が必要です。

熱電式除湿器は、ペルチェ熱ポンプを使用して表面を冷却し、空気中の水蒸気を凝縮します。機械式コンプレッサーを使用した除湿器に比べて設計が単純で、静音性に優れています。ただし、性能係数が比較的低い ため、この設計は主に小型除湿器に使用されます。冷凍式除湿器と同様に、氷の堆積が問題になる場合があります。

このプロセスでは、乾燥剤（湿気を吸収する材料）を使用して水分を吸収します。次に、飽和した材料を移動させ、集められた水分を通常は加熱によって排出します。^{[7] [5]}

吸収原理に基づいて動作する除湿機は、低温で高湿度の場合に適しています。業界では、湿度レベルを 35% 未満に抑えるためによく使用されます。

コンプレッサー部品がないため、乾燥剤除湿器はコンプレッサー除湿器よりも軽量で静かです。乾燥剤除湿器は冷却コイルを必要としないため、より低い温度で動作できます。

初期設置コストにより乾燥剤除湿の導入が制限されており、運用上の利点の理解不足、技術認識の欠如、企業の優先事項によって状況は悪化している。^[8]

AirJoule システムは、水分子に合うサイズの細孔を持つ金属有機構造体(MOF) を使用しています。重量の 55% の水を吸収できます。2 つのチャンバーが交互に除湿を行います。1 つのチャンバーが空気を乾燥させている間に、もう 1 つのチャンバーが水分を液体の水として放出します。乾燥チャンバーからの熱により、MOF は内容物を放出します。空洞は 10 分ごとに役割を交換します。研究者によると、AirJoule は水蒸気 1 リットルあたり 100 ワット時未満しか消費せず、除湿に必要なエネルギーを最大 90% 削減します。対照的に、Blue Frontier は液体塩乾燥剤を使用しています。^[9]

いくつかの方法では、水蒸気が侵入できる膜に空気を流すことで水蒸気を除去できます。^[10]膜を使用した除湿では、結露せずに水蒸気を除去できます。これにより、蒸発エンタルピーに必要なエネルギーが回避され、適切に設計されたシステムでは高い効率が得られます。このような除湿は、排除された空気流で受動的に行うことができます。エネルギー回収換気を参照してください。能動システムでは、圧力勾配または電気触媒アプローチを使用できます。

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、濃度差の下でこれらの膜を拡散します。このような濃度差 (分圧) は、真空ポンプによって発生する場合もあれば、単に水分濃度の低い気流を通過することによって発生する場合もあります。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 つの膜を使用することでエネルギーを節約します。^[11]これにより、真空ポンプ全体の圧力が大幅に低下し、エネルギーを節約できます。このようなシステムは「等温膜除湿」と呼ばれることがよくありますが、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 が向上し (より近い温度間で動作することにより)、 [13]}膜付近の空気の混合が強化され、パフォーマンスが向上します。^[14]

選択膜は、水（または他の溶質）を吸収できる液体を膜内に固定化することで作成でき、「支持液体膜」と呼ばれます。^[15]通常、2つの層タイプがあります。吸収液を含む高多孔質膜と、液体が逃げるのを防ぐ捕捉層です。この液体吸収層により、固体の選択材料や非常に小さな孔がなくても、選択膜のように機能します。水をよく吸収する（吸湿性）液体には、グリコール混合物またはイオン液体 が含まれます。

イオン膜は、凝縮や選択的物質ではなく化学反応を利用して、密閉された容器の内外に湿気を移動させるために使用できます。これらのシステムでは、電極とプロトン伝導膜を使用して電気分解により水蒸気を除去します。陽極では、H ₂ O はプロトン、O ₂、電子に分割され、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、再び水を生成します。^[16]

おそらく、このような電気分解ベースの除湿に最初に使用された材料は、固体ポリマー電解質 (SPE) 膜でした。このアプローチは、長期メンテナンスが難しい密閉されたエリアに、低電力で安定した除湿装置を提供します。この電解プロセスは、0.2 m³ (​​7 cu ft) のスペースで 0.2 グラム/日から、8 m³ (​​280 cu ft) で 58 グラム/日までの除湿能力を提供します。SPE システムは一般に高い脱水能力はありませんが、水蒸気は電気分解によって除去されるため、メンテナンスは不要です。また、このプロセスは動作に非常に少ない電気エネルギーしか使用せず、可動部品が不要なため、イオン膜は動作時に静かで、長期間にわたって非常に信頼性があります。SPE 除湿装置は、通常、敏感な電気部品、医療機器、博物館の標本、または科学機器を湿気の多い環境から保護するために使用されます。

SPEは、プロトン伝導性の固体高分子電解質と、貴金属粒子からなる触媒層を備えた多孔質電極で構成されています。^[17]膜に取り付けられた多孔質電極に電圧が印加されると、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（湿気排出側）に排出され、空気中の酸素と反応して水分子（蒸気）となって排出されます。^[18]酸素は除湿側から放出され、密閉された容器に多量の水が流入すると、容器内に酸素が蓄積する可能性があります。

すべての除湿器が結露を集めるわけではありません。たとえば、多くの乾燥剤タイプは、加熱された乾燥剤から水分を含んだ空気を排出します。これは、再凝縮されて結露として集められるか、または外部に排出されます。また、一部のエアコンタイプは、集められた結露を外部のコンデンサーコイルに吹き付けて蒸発により冷却し、全体的な効率を高めます。

凝縮技術を使用した製品は、伝統的に、暖かい空気中の湿気が凝縮される冷たい表面を使用していました。今日では、密閉された環境内の過飽和蒸気の概念に基づく暖かい凝縮技術により、^{[説明が必要]}氷点下の温度でも空気を除湿することが可能になりました。これは非常にエネルギー効率の高い技術であり、すべての温度で同様に効率的です。

ほとんどのポータブル除湿器には、凝縮水収集容器が装備されています。これには通常、収集容器が満杯になるとそれを検知するフロート センサーが付いており、除湿器を停止して収集された水の溢れを防ぎます。暖かく湿度の高い環境では、これらのバケツは通常 8 ～ 12 時間で水で満たされるため、継続して動作させるには、1 日に数回手動で空にして交換する必要があります。

多くのポータブル除湿器は、結露水滴出口をホースで直接排水口に接続できるようにもできます。除湿器モデルによっては、配管排水口に接続したり、内蔵のウォーターポンプを使用して水分を集めながら排水したりできるものもあります。また、重力排水が不可能な場合は、別の結露水ポンプを使用して集めた水を廃棄場所に移動させることもできます。

セントラル空調ユニットは通常、排水管に接続する必要があります。これは、このようなシステムによって抽出された凝縮水の複数の容器を頻繁に手動で空にすることが非現実的であるためです。凝縮水を下水道に流す場合は、腐敗臭や下水ガスが建物に入るのを防ぐために、適切に捕捉する必要があります。凝縮水は、排水として特別な処理を必要としないため、住宅の浄化槽に流してはいけません。空調機（蒸発器を含む）の高さが雨水用に使用される表面排水管のレベルより高い場合、凝縮水排水管をそれらのレベルに配線できる場合がよくあります。住宅の地下室など、地面より低い場所にある空調機では、凝縮水ポンプを使用して水を表面排水管に汲み上げる必要がある場合があります。

一般的に、除湿器の水は中水の中でもかなりきれいな水と考えられています。飲用には適していませんが、植物に水をやるには適していますが、庭の野菜には適していません。^[19]健康上の懸念は次のとおりです。^{[19] [より良い情報源が必要]}

• 水には、熱交換器からの銅やアルミニウムなどの微量金属、またはフレームと排水パンを支える亜鉛メッキ鋼からの亜鉛が含まれています。凝縮水は銅排水管の錫鉛はんだにのみさらされますが、鉛含有量は特に危険です。微量金属は生体内に蓄積する可能性があるため、食用植物に使用すると危険を及ぼす可能性があります。ただし、水は観賞用植物や芝生の灌漑には使用できると考えられています。
• 真菌胞子を含むさまざまな病原菌が、特に水が停滞しているために水中に蓄積する可能性があります。蒸留水の製造とは異なり、水は沸騰されないため、病原菌（細菌を含む）は死滅します。
• 蒸留水と同様に、有益なミネラルはほとんど含まれていません。

食品グレードの除湿器は、大気水生成器とも呼ばれ、有毒金属による汚染を防ぎ、水と接触するすべての表面を清潔に保つように特別に設計されています。この装置は主に純水を生成することを目的としており、除湿効果は動作の二次的なものと考えられています。

凝縮水が自動的に処理される場合、ほとんどの除湿器のメンテナンスはほとんど必要ありません。機器を通過する空気の量が多いため、空気の流れを妨げないようにほこりを取り除く必要があります。多くの設計では、取り外して洗えるエアフィルターを備えています。凝縮水収集トレイとコンテナは、蓄積したゴミを取り除き、水漏れやオーバーフローの原因となる排水路の詰まりを防ぐために、時々清掃する必要があります。特定の粒子やほこりが大量に収集された場合は、微生物の増殖を防ぐために、これを頻繁に実行する必要があります。

住居内の相対湿度は30％から50％の範囲が望ましい。^[20]

建物内の除湿により、以下を制御できます。

• 水分を含んだ空気中で蒸発できない過剰な体の発汗の蓄積
• 冷水パイプから滴り落ちる結露
• 家具やドアの反りや固着
• カビや白かびにより、布地、本、家具がカビ臭くなることがあります。
• 衣類の蛾、ノミ、ゴキブリ、シミ、ワラジムシ、ヤスデ、イエダニは、湿気の多い場所（地下室、床下、キッチン、寝室、浴室、スパ、屋内プール、倉庫、作業場）で繁殖します。

除湿機は、建築現場や屋内空間の改修工事でも、余分な湿気やカビを除去するために使用されます。

除湿器は工業用気候室で使用され、廃棄物処理場や淡水処理場から、水分管理が不可欠な屋内栽培室まで、多くの工業用途で相対湿度と露点を下げます。

2015年の推計によると、除湿機の世界の年間総市場規模は2022年までに約35億ドルになると予測されています。これには、家庭用や産業用などのさまざまな用途や、換気や乾燥剤などのさまざまな技術を含む、さまざまなタイプと用途が含まれます。^[21]

• 空気イオン化装置、空気調節用の別の装置
• 大気水生成器、空気から純粋な飲料水を抽出する機械
• クロマーサイクル、除湿剤として乾燥剤とエアコンを組み合わせたサイクル
• 食品乾燥機、食品の水分を減らして腐敗を防ぐ装置
• 加湿器は空気の湿度を上げる器具です
• 靴乾燥機
• 熱電冷却

ウィキメディア・コモンズには、除湿器に関連するメディアがあります。

• エネルギースター認定除湿機、Wayback Machineに 2010-12-19 にアーカイブ、除去率と効率を一覧にした表。ロングアイランド電力局、2011 年 1 月。
• AHAM 除湿機製品認証プログラム。家電メーカー協会。