除湿と乾燥と水蒸気:除湿機はどのようにして空気中の水分を集めているのか?

湿度と言うのは、気温と空気中に含まれる水分の量によって変化します。洗濯物を乾かしたり、過ごしやすい湿度に変えたりする際には気温や空気中の水分量を変化させる必要があります。

エアコンや暖房で気温を変える事は出来ますが、暑い日に温度を上げるわけにはいきませんし、寒い日に温度を下げるわけにはいきません。すると、湿度の調節は必然的に空気中の水分量を変化させる事によって行うことになります。

では、除湿するために空気中の水分を集めて下さいと言われたらあなたならどうしますか? 本記事では水の性質と共に、除湿機の仕組みついてご説明します。

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除湿に最適な二つの方法

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空気中の水分を集めると言っても、手やコップで空気を掬って集めるわけには行きません。水の性質を利用した特別な方法が必要になります。

そこで、考えられるのが「温度を下げて結露させる方法」と「乾燥剤を使って水分を集める方法」です。

結露というと、冬に窓が結露してびしょびしょになったり、夏にコップの周りが結露してテーブルが濡れるあれです。これは空気中の水蒸気が冷やされて一箇所に集まり、液体の水になってしまう現象です。また、乾燥剤というとお菓子箱によく入っているシリカゲルなどのことで、乾燥剤は水を中に溜め込んで逃がさないようにする性質があります。

一般に使われている除湿乾燥機はほぼ間違いなくこのどちらかの方法を使っていて、除湿するとなったらほぼこれに似た原理の方法を使うしかありません

温度変化を使ったコンプレッサー(圧縮)方式

中学の理科で習いますが、物質は固体→液体→気体の順に温度が高くなり、温度が高いほど高いエネルギーを持っています。熱エネルギーの量が増えると固体が液体に、液体が気体になる一方で、エネルギーが減ると気体が液体に、液体が気体になりますよね。

今さら何を言うんだと言う話ですが、結露を利用した除湿と言うのは要はそれです。

常温では、空気中の水分は液体になったり気体になったりを常に繰り返しています。湿度が温度によって変化するのは、この「液体→気体」「気体→液体」の現象の割合が温度によって変わるからだと考えて貰っても良いでしょう。「液体→気体」が極端に減って「気体→液体」ばかりになると結露が起こりますし、逆に「液体→気体」ばかりになると乾いていくのです。

気圧が一定であれば、基本的にはこれは気温の影響で変化します。暖かければ気体になる水分の方が多くなり、寒ければ液体になる水分の方が多くなるのです。この結露と言うのは湿度が局地的に100%になることで発生しますが、湿度は「気温か水分量」によって変わります。つまり、局地的に水分量が増えるか、気温が下がるかすると結露するのです。これを利用して急激な温度低下を作れれば、意図的に結露を起こすことが出来ます

ただ、温める温度変化は「火や電気」を使うことで簡単に発生させられますが、冷やす温度変化は難しいです。冷却グッズのような吸熱反応を使うと言う手もありますが、長時間除湿し続ける事は難しいです。

しかし、一つだけ簡単に出来る方法があります。それは気化熱です。液体が気化する時に周囲の熱を奪いますが、これを意図的に起こすことで物体を冷やせます。人が濡れた体に風を当てると涼しいのは、水分が気化した際に体の熱を奪っているからです。

そして、風で水分が気化して熱を奪うように、液体を気体にしたり気体を液体にしたりする作業は実は温度変化を伴わなくても圧力変化を使えば出来ます。この際の圧力変化を行っているのがコンプレッサーであり、結露を利用した除湿機がコンプレッサー方式と呼ばれるのはこのためです。

コンプレッサー方式というと仰々しいですが、要は「エアコンや冷蔵庫」と同じ原理です。

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冷媒と呼ばれる「液体←→気体」の状態変化が圧力変化によって簡単に起こせる物質を用意し、この冷媒を圧縮して液体にした後に一気に圧力を下げると再び気体になります。そして、気体になった際に周囲の熱を奪うので、これを利用して物(金属や空気)を冷やすことが出来ます。

気体になった冷媒を再び圧縮して液体にすればまた気化熱で熱を奪うことが出来るのですが、実は気体が液体になる時には熱を発しています。つまり、気体になった時に奪った熱を液体になる時に放出するのです。

これを熱を奪った場所でやったらあまり意味がないので、冷媒を移動させて熱を放出しても良い場所で行います。つまり、それが除湿機や冷蔵庫の外側だったり、エアコンの室外機がある室外だったりするのです。

冷房の場合は冷やした空気を室内に送り、奪った熱は室外に放出しているので部屋が冷えますが、除湿乾燥機の場合は湿度の高い空気を冷やして水分を結露させて抽出した後、その空気をそのまま温めて放出することで、冷房のように部屋を冷やさずに除湿する事が出来るようになっています。

つまり、熱を奪って空気を冷やし結露した水を取り除いた後で、奪った熱を空気に返して乾いた状態にして放出するのです。

(次ページ:乾燥剤を利用した除湿)