FI125188B - Vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite - Google Patents

Description

Vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite Tekninen ala Tämän keksinnön tekninen ala on ilmastointi. Sen kohteena on vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, joka muodostuu vastavirtaperiaatteella toimivien regeneratiivisten lämmönvaraajien tapaan vettä osittain sisältävistä säiliöistä. Ilmanvaihdon yhteydessä jäijestelmällä ilma itsepuhdistuu. Kesällä se jäähdytetään ja kuivataan sekä talvella lämmitetään ja kostutetaan. Rakennusten lisäksi käyttökohteita ovat kulkuneuvot sekä prosessien ja laitteiden kuten tietokoneiden sekä telekommunikaatiolaitteiden jäähdytys. Ilman ja kaasun lisäksi lämmönvaihdin soveltuu fluidien lämmönsiirtoon. Jäqestelmä voi kierrättää ilmaa, jolloin ilmanvaihtoa ei tarvita.

Tekniikan taso

Globaalisti runsaasti energiaa käytetään jäähdytykseen, sillä lämpöenergia siirtyy luonnollisesti aina viileämpään. Ilmaston lämpenemisen myötä viilennykseen ja kosteuden poistoon täytyy käyttää enemmän energiaa. Mitä lämpimämpi ilma on, sitä enemmän se voi absorboida kosteutta eli lämmin ilma voi sisältää enemmän vesihöyryä kuin kylmä.

Tavanomainen kompressorijäähdytys vaatii runsaasti energiaa ja sen sähköliityntätehon tarve on suuri. Sen tehokkuus on parhaimmillaan silloin kun sisä-ja ulkotilan lämpötilaero on pienimillään eli silloin kun jäähdytystä tarvitaan vähinten. Äärioloissa tehokkuus COP on tunnetusti 1. Kompressorijäähdytys hyödyntää väliaineen faasinmuutosenergioita höyrystimessä ja lauhduttimessa, mutta kun kompressori lämmittää sitä, se välittömästi jäähdytetään lauhduttimessa, näin ollen tehokkuus ei ole paras mahdollinen. Absorptiojäähdytys hyödyntää mm. jätelämpöä energiatehokkaasti. Seebeck -ilmiöön perustuva termoelektroninen yksikkö muuttaa lämmön sähköksi, mutta sen valmistaminen on kallista, jolloin se ei sovellu suurempia energiamääriä vaativiin kohteisiin.

Ilmankuivauslaitteet perinteisesti perustuvat siihen, että laitteessa on metallipinta, minkä lämpötila mahdollistaa kastepisteen, jolloin verihöyry tiivistyy ja näin ollen ilma kuivaa.

Yhä enemmän mm. normiohjattuna kiinnitetään huomiota hyvään sisäilman laatuun. Tavanomaiset jäähdytyslaitteet eivät vaihda ilmaa. Perinteisistä ilmanvaihdon lämmöntalteenottolaitteista alkeellisin on ristilevylämmönvaihdin, sen teoreettinen hyötysuhde on 50 %. Pyörivä lämmönvaihdin on vain osittain varaava, koska merkittävä osa lämmönsiirrosta tapahtuu suoraan ilmasta-ilmaan, jolloin ilmojen sekoittuminen on runsasta. Molempien tekniikoiden merkittävänä puutteena on se, että ilman sisältämä kosteus tiivistyy pysyvästi lämmönsiirtokennon pintaan, jolloin pinta toimii erittäin hyvänä mikrobien kasvualustana, talvella tehokkuutta vielä huonontaa välttämätön sulatusenergian käyttö.

Pysyvä kosteuspinta estää myös tehokkaan lämmön siirron.

Rakennusten, kulkuvälineiden ja teollisuusprosessien lämpötilan hallinta on tärkeä myös lämpöä tuottavissa laitteissa kuten tietokoneissa.

Ilmanvaihto on tärkeä, mutta usein sen jäljestäminen on mahdotonta, näin mm. katutasossa olevissa myymälöissä, joihin ei voi ottaa pakokaasuista ilmaa. Useissa sovelluksissa kuten tietokoneiden jäähdytyksessä se on tarpeetonta.

Rakennusten viilennystarve riippuu kolmesta osatekijästä: ulkoisesta, sisäisestä ja ilmanvaihdon aiheuttamasta lämpökuormasta, joka kaksinkertaistaa lämmitys- ja jäähdytyskulut. Vastavirtaperiaatteella toimivalla lämmön talteenotolla on todettu olevan parempi hyötysuhde kuin myötävirtaperiaatteella toimivalla järjestelmällä (kuten julkaisussa US 7,059,385). Regeneratiivisessa järjestelmässä lämpö varastoidaan tehokkaasti lämmön talteenottokennoihin.

Rekuperatiivisissa ristivirta-levylämmönsiirtimissä ei tapahdu ilmavirtojen suunnan muutosta, jolloin ne eivät voi optimaalisesti toimia faasinmuutosten yhteydessä, kuten eivät myöskään regeneratiiviset pyörivät lämmöntalteenottolaitteet. Kaikissa näissä kondensoitunut vesi johdetaan viemärillä pois prosessista, jolloin veden olomuodon muutosenergioita ei edes pyritä hyödyntämään, samalla kun kosteus on niille ongelma.

Vastavirtaperiaatteella toimivassa varaavassa, regeneratiivisessa, kiinteäkennoisessa laitteessa kaikki kosteus hyödynnetään eikä siinä ole viemäriä. Se on yksinkertainen ja tehokas sekä sen teoreettinen hyötysuhde on 100 %.

Patentissa FI 119705 on järjestely, missä on aikaansaatu tehokas jäähdytys, mutta kun jäähdytetty ilma tulee sisälle, sen lämpötila nousee välittömästi. Ilman lämpötila on kuitenkin saatava alenemaan perinteisellä järjestelyllä niin alhaiseksi, että PCM:n olomuoto muuttuu takaisin kiinteäksi. Edellä mainitussa patentissa mainitun vastavirtaperiaatteella toimiva regeneratiivinen ilmanvaihdon lämmöntelteenotto toimii siten, että kun sisä-ja ulkoilmojen lämpötilaero on riittävän suuri, ilman kosteus syklisesti kondensoituu lämmönsiirtimen viileälle pinnalle, seuraavan jakson aikana kosteus haihtuu. Kondensoituminen tapahtuu ilman lauhdutinta ja haihtuminen ilman höyrystintä, ilman kompressoria. Koska haihtumiseen tarvitaan energiaa, se otetaan lämmönsiirtimestä ja ilmasta, ja on osoitettu, että sisälle tuleva korvausilma voi olla jopa viisi celsius-astetta viileämpi kuin sisäilma, samalla kun ilman sisältämät epäpuhtauden irtoavat lämmönsiirtimen pinnalta kosteuden mukana.

On tunnettua, että nestemäinen vesi alkaa kiehua, jos sen höyrynpaine on suurempi kuin ympäröivän ilman paine, riippumatta siitä mikä on lämpötila. Veden höyrystäminen vaatii 540 kaloria grammaa kohti. Tyhjiössä kyseinen energia otetaan nestemäisestä vedestä kunnes vesi jäätyy. Tällaista prosessia käyttäen jäätyminen on nopeaa, sitä voidaan nopeuttaa lisäämällä veteen höyryä hyvin absorboivaa materiaalia kuten asetoonia tai zeoliittia. Kyseisessä menetelmässä on hyödynnetty latenttia lämpöä kun veden olomuoto muuttuu nesteestä höyryksi ja edelleen kiinteäksi. Näin toteutettuna järjestelmä ei kiehumisen aikana tuota viileyttä, eikä jään aikana lämpöä. Kun höyry poistuu prosessista, siihen on lisättävä vettä ja mahdollisesti mainittuja komponentteja, koska niitä ei kierrätetä.

Keksinnön tarkoitus

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, mikä ilman kompressoria, höyrystintä tai lauhdutinta toimii ilmanvaihdon lämmöntalteenottolaitteena, samalla se energiatehokkaasti itsepuhdistaa sekä kesällä viilentää ja kuivaa sekä talvella lämmittää ja kostuttaa sisäilman. Se toimii myös oloissa, missä ulkopuolista fluidia ei ole käytössä tai sitä ei tarvita sekä oloissa, missä uiko- ja sisälämpötilaero ei ole riittävä ulkoilman vesihöyryn kondensoitumiseksi.

Latentti eli piilevä lämpö ei ole lämpönä havaittavissa, vaan se on sitä energiaa, mikä tarvitaan materiaalin olomuodon muutokseen esim. jäästä vedeksi ja vedestä höyryksi. Nämä olomuodon muutokset voivat olla endotermisiä eli energiaa sitovia tai eksotermisiä eli energiaa vapauttavia. Esimerkiksi veden höyrystymiseen tarvittava energia vapautuu höyryn kondensoituessa takaisin vedeksi.

Maailmassa riittää vettä ja sen on edullista sekä ympäristöystävällistä verrattuna esimerkiksi perinteisiin lämmönsiirtoaineisiin. Kuten tunnettua, veden faasinmuutosenergiat tarjoavat oikein hyödynnettyinä merkittäviä etuja.

Keksinnön mukaisesti perinteiset lämmöntalteenottokennot on korvattu kahdesta tai useammasta vedellä täytetystä tiiviistä säiliöstä, jotka on yhdistetty alipainepumppuun.

Keksintö hyödyntää useaa veden olomuotojen muutosenergiaa. Kahta niistä hyödynnetään kun keksintö toimii vastavirtaperiaatteelle toimivan regeneraattorin tapaan seuraavasti. Kun nestettä sisältävän astian ympärillä lämpötila laskee, jossain vaiheessa lämpötilaa vastaava kylläisen höyryn paine on sama kuin ilmassa olevan höyryn paine. Tämä on kastepiste. Vesi alkaa tiivistyä eli kondensoitua, samalla höyrystämiseen tarvittu energia vapautuu. Haihtuminen on tälle käänteinen reaktio. Keksintö aikaansaa kastepisteen, kondensoitumisen vapauttava ja haihtumisen sitova energia hyödynnetään optimaalisesti sekä kesällä että talvella.

Lisäksi keksintö hyödyntää nestemäisen veden kiehumista ja jäätymistä seuraavasti. Veden ominaishöyrystymislämpö on normaalipaineessa noin 2260 kJ/kg, mikä vastaa 40.8 kJ/mol. Tämä on noin viisi kertaa energiamäärä, joka tarvitaan veden lämmittämiseksi 0 °C lämpötilasta 100 °C lämpötilaan. Tiivistyminen eli kondensoituminen on höyrystymisen eli haihtumisen vastaprosessi, mikä energian häviämättömyyden vuoksi luovuttaa saman energianmäärän kuin höyrystettäessä. Kun pyritään korkeaan energiatehokkuuteen, olisi järkevää hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti näitä olomuotojen muutosenergioita, eli latenttia lämpöä.

Ylipaineessa veden jäätyminen on tunnettua, mutta korkean painevaatimuksen vuoksi se ei ole kustannustehokasta, ainakaan ilmastoinnissa.

Veden kiehuminen eroaa haihtumisesta siinä, että kiehumisessa höyryä muodostuu myös veden sisällä eikä pelkästään sen pinnalla. Veden kiehumispiste alenee, kun ulkoinen paine pienenee, tätä kutsutaan vakuumitislaukseksi.

Kun vesihöyryn paine on yhtä suuri tai suurempi kuin ulkoinen paine, höyrystymistä tapahtuu myös veden sisällä, syntyy kaasukuplia ja vesi kiehuu. Höyrystyminen voimistuu, koska nesteen pinta ei ole enää estä sitä. Mikäli paine-eroa ylläpidetään, koko nestemäärä kiehuu. Kiehuminen tarvitsee energiaa, se otetaan nestemäisestä vedestä kunnes kaikki energia on hyödynnettyjä nestemäisen veden olomuoto muuttuu alemmalle tasolle, jolloin vesi on kiinteässä eli jää-olomuodossa. Näin jäähdytystoiminnossa, mutta lämmitystoiminnossa paine-eron ylläpito lopetetaan ennen kuin höyry muuttuu jääksi, näin saadaan kiehumisen lämpö hyödynnetyksi tilaan.

Esimerkki kylläisen vesihöyryn osapaineesta: Mikäli huoneen lämpötila on 21 °C ja suhteellinen kosteus on 37 % ja kastepiste 5,6 °C lämpötilassa.

Kylläisen vesihöyryn osapaine 5 °C:ssa on 8,72 mbar ja 6 °C:ssa on 9,35 mbar. Koska kyseinen paine on lähes suoraan verrannollinen lämpötilaan, voimme interpoloimalla kaavaan f = p/p max x 100% saadaan osapaineeksi 9,10 mbar. Lämpötilassa 21 °C on maksimipaine Pmax = 24,9 mbar, vastaavasti lämpötilassa 0 °C 6,1; 20 °C 23; 23 °C 28; 25 °C 32; 30 °C 42,4; 40 °C 74 ja 50 °C 123 mbar. Jään ominaissulamislämpö on 333kJ/kg. Kun lämmin ilma ohjataan jäätä sisältävän säiliön kautta, ilman lämpötila laskee, samalla jää alkaa sulaa.

Kun vesi kiehuu säiliössä, muodostuu lämpöä, mikä keksinnössä on ohjattu jäähdytyksessä ulos ja lämmityksessä sisälle.

Tiivis säiliö on tehty hyvin lämpöä siirtävästä materiaalista, esimerkiksi alumiinista tai kuparista. Säiliössä voi olla lämmönsiirron parantamiseksi esim. ripoja.

Keksinnön mukaiselle vesifaasinmuutosta hyödyntävälle ilmastointilaitteelle on tunnusomaista se, että vettä sisältävä tiivis säiliö on esimerkiksi putkella yhdistetty alipainepumppuun. Kun alipainepumppu imee säiliöstä ilmaa, muodostuu alipaine, alipainepumpun poistoilma ohjataan toiseen säiliöön, jossa ilmanpaine kasvaa. Järjestelyyn voi kuulua takaiskuventtiili. Kun säiliössä oleva vesi on jäätynyt, ilmavirta ohjataan sen kautta tilaan. Kun jää on sulanut, alipainepumpun toimintasuunta vaihdetaan, jolloin jäätä alkaa muodostua toisessa säiliössä, samalla jäähdytyksessä tilaan tuleva ilmavirta ohjataan tämän jäätä sisältävän säiliön kautta. Tilasta ulos menevä ilmavirta on aina vastakkainen sisälle virtaavan ilman kanssa. Lämmityksen yhteydessä tilaan ohjataan se ilmavirta, mikä tulee nestemäisen veden tai höyryn kautta.

Keksintö kierrättää energiatehokkaasti energiaa ja materiaaleja. Jäähdytystä vaativilla alueille suositeltava mukavuuslämpötila on noin 23 °C, mikä tarkoittaa, että tilaan johdettavan ilman lämpötila on huomattavasti alhaisempi. Sisäilman suhteellisen kosteuden suositus enintään 55 %, näin ollen tilaan tulevan ilman suhteellinen kosteus voisi olla 40 %. Esimerkiksi, mikäli halutaan saavuttaa tilaan tulevan ilman lämpötilaksi 16,8 °C ja suhteelliseksi kosteudeksi 40 %, kastepiste on 3,14 °C, vastaavasti 40 °C ja 90 RH % kastepiste on 38°C. Lähellä 0°C oleva tilaan tulevan ilman lämpötila on tietenkin liian alhainen asunto-oloissa, mutta joissain prosesseissa sitä voidaan käyttää. On useita keinoja, joilla alhaista lämpötilaa voidaan keksinnössä nostaa, esimerkiksi lämpimän ilman määrää lisäämällä, jään määrää vähentämällä. Sisältä poistettava ilma voidaan tarvittaessa ohjata säiliön ohi esimerkiksi lämmöntalteenottokennon kautta jäähdytystoiminnossa, kun halutaan jäähdyttää lämmöntalteenottokennoa viileällä sisäilmalla.

Hyvän tehokkuuden lisäksi keksinnön mukaisen järjestelyn yksi merkittävimmistä eduista on se, että kosteuden kondensoitumiseen vaadittavan kastepisteen vaatima lämpötilaero saavutetaan nopeasti ja tehokkaasti, samalla kun sisälle tuleva ilma on puhdasta ulkoilmaa ja se on viilennetty tai lämmitettyjä puhdistettu.

Laite voi toimia myös ilman ilmanvaihtoa, eli silloin kun ei ole lämpötilaeroa kastepisteen saavuttamiseksi, jolloin tilan ilma kierrätetään laitteen kautta. Kuumissa oloissa laite ilman ilmanvaihtoa toimii lähinnä jäähdyttäjänä sekä kuvaajana. Kylmissä oloissa lämmityksen lisäksi erittäin merkittävä käyttökohde on kosteiden tilojen kuten uimahallien ja teollisuusprosessien kuivaus. Homerakennusten kuivaus on myös tärkeä sovelluskohde. Ilman ilmanvaihtoa toimiessaan laite tarvitsee poikkeuksellisesti viemärin.

Prosessia voidaan nopeuttaa lisäämällä veteen esim. zeoliittia tai asetonia, mitkä auttavat kosteuden absorboitumista ilmaan. Jatkuvatoimista jäähdytystä ja lämmitystä voidaan tehostaa useammalla kuin kahdella säiliöllä. Höyryn siirtäminen säiliöstä toiseen ei ole välttämätöntä, mutta keksinnön mukaisella kahden säiliön järjestelyllä mm. vältytään lisäämästä vettä ja mahdollisia lisäaineita. Esimerkiksi veden jatkuva lisääminen tarkoittaa käytännössä sitä, että laitteeseen on rakennettava vesiputkijärjestelmä ohjauksineen ja venttiileineen, mikä lisää hankinta-ja käyttökustannuksia. Keksinnön mukaisella kahdella säiliöllä tämä haitta on eliminoitu samalla kun on aikaansaatu jatkuva viilenny s tai lämmitys.

Keksinnössä on yhdistetty regeneratiivisen ilmanvaihdon lämmöntalteenoton edut eli ilman kosteuden syklinen kondensoituminen, mikä lämmittää säiliössä olevaa ainetta ja haihtuminen, mikä viilentää säiliössä olevaa ainetta. Nämä prosessit voimistavat veden olomuodon muutoksia säiliössä nesteestä kiinteäksi ja päinvastoin. Samalla tilaan saadaan raikasta ulkoilmaa, joka on myöskin puhdistunut. Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle vesifaasinmuutoksia hyödyntävälle ilmastointilaiteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Coefficient of performancem eli tehokkuuden laskukaava on COP = Q1 (siirrettävä lämpö)/W (työ). Lämpöopillisesti ilmaa ei voi jäähdyttää, sen voi vain siirtää tilasta. Mitä pienempi työn määrä on, sitä parempi on tehokkuus.

Keksinnön mukainen laite vaatii hyvin vähän energiaa, vain kahteen puhaltimeen ja alipainepumppuun, mikä sekin käyttää energiaa erittäin vähän, koska painevaatimus on kohtuullinen, normaaleissa asunto-oloissa vain 20- 100 mbar. Tavanomaisen kompressorikäyttöisen jäähdytyslaitteen tehokkuus COP on keskimäärin 2,7. Keksinnön mukaisen laitteen COP voi olla 10 kertaa suurempi, ilmanvaihdon häviö mukaan otettuna jopa yli 20 kertaa suurempi. Keksinnön vuotuinen - SEER (seasonal energy efficiency ratio) - on suhteellisesti vieläkin parempi talvella jäätymättömyyden sekä kesällä ilmaisen haihdutusjäähdytyksen vuoksi. Keksintö vähentää oleellisesti sähkön huippukäyttöä sekä talvella että kesällä. Tämä on erittäin tärkeä seikka niissä maissa, joissa on puutetta sähköstä.

Keksinnön mukainen laite on yksinkertainen, halpa, kevyt, huoltoystävällinen, eikä se sisällä vaarallisia aineita.

Keksinnön mukaisen laitteen sähköinen liityntätehon tarve on alhainen. Tämä mahdollistaa järkevästi mm. aurinkokennojen käytön mm. rahdin kuljetuksiin tarkoitetuissa konteissa samoin kuin gsm -tukiasemissa.

Autojen kompressorikäyttöiset jäähdyttimet vaativat moottorin käyntiä toimiakseen, jolloin ilma saastuu vaikka autolla ei ajettaisi. Keksinnön mukaista menettelyä voidaan käyttää akun avulla vaikka moottori ei olisi päällä. Sukellusveneissä alhainen äänitaso on perusvaatimus, toisaalta ulkoilman saanti on mahdotonta. Tällaiseen käyttöön keksintö soveltuu meluttomana erinomaisesti.

Tavanomaisten ilmanvaihdon lämmön talteenottolaitteiden ja jäähdytyslaitteiden takaisinmaksuajat muodostuvat hyvin pitkiksi. Ulkoilmaa hyödyntävät, lämpöpumppuperiaatteella toimivat jäähdytyslaitteet eivät toimi pakkasilla. Sisäilmalämpöpumput eivät taas hyödytä silloin, kun ulkoilma on lämpimämpää kuin sisäilma. Niiden vuotuinen käyttöaika jää siis erittäin lyhyeksi. Mikäli tarvittaisiin molemmat jäqestelmät sekä lisäksi vielä ilmankuivaaja ja -kostutin, hinta nousee vieläkin korkeammaksi. Yhdysvaltojen lämpimien alueiden olosuhteiden ja sikäläisten keskimääräisten sähkön hintojen mukaan laskien keksinnön mukaisen ilmastointilaitteen takaisinmaksuaika saattaa jäädä jopa alle vuoteen. Erittäin hyvä vuotuinen hyötysuhde - Seasonal Performance Factor (SPF) - johtuu pitkästä vuotuisesta käyttöajasta, mikä on käytännössä koko vuosi, sillä laite toimii kesällä ja talvella.

Kaikkiin näihin tunnettuihin tarkoituksiin on kehitetty eri ratkaisuja ja ne ovat sinänsä tunnettuja menetelmiä. Tämä keksintö mahdollistaa edellä mainittujen ongelmien ratkaisun yhdellä laitteella.

Keksinnön erilaisia sovellusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joista

Piirros 1 esittää kaaviomaisesti vesifaasinmuutoksia hyödyntävää ilmastointilaitetta sekä sen ilma-, kaasu- ja neste- eli fluidivirtauksia.

Vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite muodostuu vähintään kahdesta regeneratiivisesta, vastavirtaperiaatteella toimivasta lämmöntalteenottokennon tapaan toimivasta vettä osittain sisältävästä tiiviistä säiliöstä 1, 2, joiden kautta ilma-, kaasu-ja fluidivirtaukset 6a, 6b, 7a, 7b ohjautuvat laitteeseen ja laitteesta vuorotellen siten, että niiden suunnat ovat vastakkaiset, ja ne muuttuvat jaksoittain. Ilmavirtaukset on esitetty nuolien 6a, 6b, 7a, 7b avulla (puhaltimia ei ole esitetty piirustuksessa). Ilmavirtausten 6a, 6b, 7a, 7b suunnat säiliöiden 1,2 kautta vaihdetaan sinänsä tunnetulla tekniikalla kuten kääntölevyillä, puhaltimilla, läpillä, ovilla tai käyttäen pyörivää kiekkoa rotary wheel. Säiliöt 1,2 on asennettu erillisiin kammioihin siten, että niiden välissä on ilma-, kaasu-ja nestevirtojen sekoittumisen ja lämmönjohtumisen estävä levy 8. Säiliöitä 1, 2 voi olla useampia kuin kaksi. Säiliöt 1,2 on yhdistetty putkilla 4, 5 alipainepumppuun 3. Kun alipainepumppu 3 kytketään toimintaan, se imee toisesta päästään 3a putken 4 kautta ilmaa säiliöstä 1, minne syntyy paine, joka on yhtä suuri tai alhaisempi kuin kylläisen vesihöyryn osapaine, minkä seurauksena säiliössä 1 oleva vesi alkaa kiehua. Esimerkiksi 21 °C:ssa se on maksimipaine pmax = 24,9 mbar. Kiehumiseen tarvittava energia on otettu nestemäisestä vedestä, mikä lopulta kiinteytyy eli jäätyy. Tilaan menevä ilmavirta 6a on ohjattu mainitun säiliön 1 kautta, tällöin ilma viilenee viilentäen sisäilman. Käytetty ilmavirta 6b on ohjattu tilasta. Samaan aikaan alipainepumpun 3 vastakkaisesta päästä 3b putken 5 kautta poistopaine on ohjattu toiseen säiliöön 2.

Ensimmäisessä säiliössä 1 oleva jää alkaa vähitellen sulaa lämpimän ilmavirran 6a vaikutuksesta. Kun se on sulanut vedeksi, alipainepumpun 3 toimintasuunta muutetaan päinvastaiseksi siten, että alipainepumpun 3 toisen pään 3b kautta ohjatun putken 5 kautta alipaine muodostuu toiseen säiliöön 2, jolloin edellä kuvatun mukaisesti siinä oleva vesi kiehuu ja jäätyy, samalla paineinen ilma ohjataan säiliöstä 2 alipainepumpulla 3 putkien 5,4 kautta ensimmäiseen säiliöön 1. Samanaikaisesti tilaan menevä ilmavirta 7a on ohjattu kulkemaan jäätä sisältävän säiliön 2 kautta, jolloin ilmavirta 7a viilenee viilentäen sisäilman. Käytetty ilmavirta 7b on ohjattu tilasta.

Tilaan ohjatun ilmavirran 6a, 7a sisältämä kosteus kondensoituu kastepisteisen säiliön 1,2 pinnalle. Kun ilmavirran 6a, 6b, 7a, 7b suunta on vaihdettu, kosteus puolestaan haihtuu. Haihtumiseen tarvittava energia on otettu säiliön 1, 2 lämpöä varaavasta pintamateriaalista ja vedestä/jäästä, tällöin säiliön 1, 2 pinta-materiaali ja vesi viilenee tehostaen veden jäätymistä. Tämän jälkeen ilmavirtojen 6a, 7a suunnat on taas syklisesti vaihdettu. Lämmityksessä tilaan tuleva ilmavirta 6a, 7a on ohjattu sen säiliön kautta 1,2, missä vesi kiehuu, vastaavasti tilasta menevä ilmavirta 6b, 7b on ohjattu toisen säiliön 1, 2 kautta. Lämmitystoiminnossa alipaineen tuotto lopetetaan ennen kuin jäätä alkaa muodostua, tilaan ilmavirta tulee siis vain silloin kun säiliössä on nestettä tai höyryä eli kiehumisen lämpö tuodaan tilaan.

Kun materiaalin olomuodon muutos (latentti lämmitys) vaatii huomattavasti enemmän energiaa kuin vastaava lämmitys tai jäähdytys, keksinnön tarkoitus on operoida mahdollisimman lähellä veden/höyryn/jään olomuodon muutospistettä/lämpötilaa. Toisin sanoen keksintö pakottaa vaihtamaan veden olomuotoja nesteen, höyryn ja kiinteän välillä niin usein kuin mahdollista tiettynä aikana.

Laitteessa voi olla takaiskuventtiilejä sekä toimintaa tehostamassa useampi kuin 2 säiliötä. Säiliöt 1,2 on tehty hyvin lämpöä johtavasta materiaalista kuten alumiinista tai kuparista. Tiiviisiin säiliöihin 1,2 on jätetty ilmatila. Säiliöiden on kestettävä jään laajeneminen.

Keksintöä voidaan käyttää faasinmuutos hyödyntäen ilmanvaihdon yhteydessä myöskin silloin, kun sisä-ja ulkolämpötilojen ero ei ole riittävä aikaansaamaan kastepistettä säiliön 1, 2 pinnalla.

Keksintöä voidaan käyttää myös ilman ilmanvaihtoa eli sisäilma kierrätetään laitteen kautta. Tällöin kuumissa ulkoilmaoloissa päätoiminto on ilman jäähdytys ja kuivaus. Kylmissä ulkoilmaoloissa mm. uimahalleissa ja teollisuusprosesseissa keksintö soveltuu erinomaisesti kosteuden poistoon. Homerakennusten kuivaus on myös tärkeä käyttökohde. Ilman ilmanvaihtoa toimiessaan keksinnössä on poikkeuksellisesti viemäri.

Keksinnön mukaisella järjestelyllä saadaan se etu, ettei vettä tarvitse lisätä. Veden absorboitumista ilmaan voidaan tehostaa esim. zeoliitilla tai asetonilla, jolloin niitäkään ei tarvitse lisätä prosessiin. Jäähdytyksessä sisältä poistettava ilma 6b, 7b voidaan tarvittaessa ohjata säiliön 1, 2 ohi esimerkiksi lämmöntalteenottokennon kautta, kun halutaan jäähdyttää lämmöntalteenottokennoa viileällä sisäilmalla.

Samalla kun kosteus haihtuu säiliön 1,2 pinnalta, sen mukana irtoavat kondensoitumisen yhteydessä säiliön 1, 2 pinnalle tilapäisesti kiinnittyneet ilmassa olevat kiinteät epäpuhtaudet, suurin osa niistä on ohjattu kosteuden ja lämmön mukana ulos, sisälle ohjatussa ilmavirrassa on suodatin. Jäähdytystä vaativilla alueille suositeltava mukavuuslämpötila on noin 23 °C, mikä tarkoittaa, että tilaan johdettavan ilman lämpötila on huomattavasti alhaisempi. Sisäilman suhteellisen kosteuden suositus enintään 55 %, näin ollen tilaan tulevan ilman suhteellinen kosteus voisi olla 40 %. Esimerkiksi, mikäli halutaan saavuttaa korvausilman lämpötilaksi 16,8 °C ja suhteelliseksi kosteudeksi 40 %, ilman kastepiste on 3,14 °C, vastaavasti 40 °C ja 90 %RH kastepiste on 38°C. Lähellä 0°C oleva korvausilman lämpötila on liian alhainen asunto-oloissa, mutta joissain prosesseissa sitä voidaan käyttää. On useita keinoja, joilla alhaista lämpötilaa voidaan keksinnön mukaisesti nostaa, esimerkiksi lämpimän ilman määrää lisäämällä, jään määrää vähentämällä.

Keksintö soveltuu rakennuksiin ja kulkuvälineisiin sekä teollisuuden prosesseihin, erilaisten laitteiden kuten tietokoneiden ja elektroniikan jäähdytykseen

Claims (6)

1. Vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, joka muodostuu vähintään kahdesta vedellä täytetystä tiiviistä säiliöstä (1,2), joiden kautta ilma-, kaasu- tai neste- eli fluidiviirat (6a, 6b, 7a, 7b) on ohjattu ilmastointilaitteeseen ja -laitteesta siten, että niiden suunnat laitteen sisällä jaksoittain on vaihdettu kuitenkin niin, että ne ovat vastakkaiset, ja alipainepumpusta (3), missä on aukot (3a, 3b), joiden kautta putkien (4,5) välityksellä on jäljestetty säiliöön (1,2) sellainen alipaine, että säiliöön (1,2) on muodostettu höyryä ja jäätä, samalla alipainepumpusta (3) on tuotettu korkeampi paine, joka on ohjattu toiseen säiliöön (1,2), tunnettu siitä, että painevirtojen (4a, 4b, 5a, 5b) suunnat ovat vastakkaiset ja niiden suunta on vaihdettu jaksoittain alipainepumpun (3) sisällä siten, että jäähdytystoiminnossa tilaan tulevaan ilma-, kaasu- tai neste- eli fluidivirtaan (6a, 7a) on järjestetty se säiliö (1,2) missä on jäätä, ja lämmitystoiminnossa sen säiliö (1,2) missä on vettä tai höyryä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, tunnettu siitä, että säiliön (1,2) pinnalle on aikaansaatu kastepiste.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, tunnettu siitä, että säiliössä (1,2) olevaan veteen on ennen prosessin aloittamista vain kerran lisätty asetonia tai zeoliittia.

4. Jokin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, tunnettu siitä, että se toimii myös ilman ilmanvaihtoa, jolloin laite on kuivannut tilaan tulevan ilman myös kylmissä ulkoilmaoloissa esim. uimahalleissa ja teollisuusprosesseissa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, tunnettu siitä, että säiliöitä (1,2) on enemmän kuin kaksi.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vesifaasinmuutoksia hyödyntävä ilmastointilaite, tunnettu siitä, että sitä on käytetty rakennuksissa, kulkuneuvoissa kuten autoissa ja sukellusveneissä sekä lentokoneissa, kuljetuskonteissa sekä laitteissa kuten tietokoneissa ja gsm -tukiasemissa, erilaisissa prosesseissa kuten kryogeenisissä menetelmissä, avaruusteknologiassa ja ylikriittisissä hiilidioksidisovelluksissa sekä ilmanvaihdon yhteydessä.