JP2005172389A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来この種の空調装置は、得られる空調効果に対してエネルギーロスが大きく、また、熱伝素子が十分に冷却されるまでに時間がかかることで冷涼感の即効性がないものであった。コンパクトな構成では空気を冷却することに伴って生じる結露水の処理の問題や、直接身体に送風する特性上、結露水によって熱伝素子に取り付けられた熱交換フィンにカビや雑菌が繁殖することで健康に及ぼす影響も懸念されていた。
【解決手段】少なくとも除湿手段と冷却手段と、前記除湿手段を加熱する加熱手段と、送風手段と、吸気口と排気口から構成され、前記除湿手段は吸湿剤からなり水分吸着時は非加熱状態とし、水分脱着時に加熱され、前記送風手段に吸気口から取り入れられた空気は前記除湿手段により除湿された後、前記冷却手段に設けられた熱交換手段により冷却され、排気口から排気されるようにした空調装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば住居やオフィスや自動車などの人の居住空間において、環境温湿度が高く、かつスポーツの後などで比較的汗をかいている場合や、定常時も冷涼感を持続して得たいときなど、個々の使用者に対して、快適な環境を提供する空調装置に関するものである。

従来、この種の空調装置は、熱電素子を用いて冷却板を冷却し、ペルチェ効果による輻射冷房と、微風吹き出しによって対流冷房を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−５９９９３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、空調冷房用途として複数個の熱電素子を用いることは、得られる空調効果に対してエネルギーロスが大きく、また、熱伝素子が十分に冷却されるまでに時間がかかることで冷涼感の即効性がないものであった。コンパクトな構成では空気を冷却することに伴って生じる結露水の処理の問題や、直接身体に送風する特性上、結露水によって熱伝素子に取り付けられた熱交換フィンにカビや雑菌が繁殖することで健康に及ぼす影響も懸念されていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、エネルギーロスが小さく、冷涼感の即効性があり、健康に及ぼす影響もない空調装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空調装置は、除湿手段と冷却手段により除湿および冷却された空気を身体に直接送気するようにしたものである。

これによって、初期は汗の気化熱を積極的に奪い素早く冷涼感を得ることができ、定常状態では湿度の低い冷涼感のある空気を得ることができる。

本発明の空調装置は、エネルギーロスが小さく、初期は除湿空気による汗の気化熱で冷涼感を提供するため、冷涼感の即効性があり、定常時は湿度の低い冷風を送気することで冷涼感を持続することができ、またカビや雑菌による健康に及ぼす影響もない空調装置とすることができる。

第１の発明は、吸湿剤からなる除湿手段と、熱交換器である冷却手段と、前記除湿手段を加熱する加熱手段と、送風手段と、吸気口と、排気口とを有する空調装置において、運転モードには吸着モードと脱着モードを設け、吸着モードにおいては前記加熱手段を非加熱状態とし、脱着モード時においては前記加熱手段は加熱状態とするとともに前記送風手段に吸気口から取り入れられた空気は前記除湿手段により除湿され、その後前記冷却手段により冷却され、排気口から排気されるようにした空調装置とすることにより、エネルギーロスが小さく冷涼感の即効性があり定常時も冷涼感を持続することができ、カビや雑菌による健康に及ぼす影響もない空調装置とすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の除湿手段は加熱手段の表面に吸湿剤層を形成したことにより、温度上昇が速く、温度分布が均一となり水分脱着効率を高くすることでより冷涼感の即効性が強い空調装置とすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の除湿手段は、熱交換手段と一体の構成とし、前記熱交換手段は、冷却手段および加熱手段としての役割を有し、前記吸着モード時は熱交換手段を冷却状態とし、脱着モード時に熱交換手段を加熱状態にするようにしたことにより、冷涼感の即効性がありかつコンパクトな空調装置とすることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の熱交換手段は金属製のフィンで構成され、除湿手段は、前記フィンの表面に吸湿剤層を形成することで、エネルギーロスが小さく、水分脱着効率の高い空調装置とすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の送風手段を制御する第一の制御手段を有し、除湿空気の風量を制御することにより、使用者に快適な環境を提供できるものである。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の加熱手段を制御する第二の制御手段を有し、除湿空気の湿度を制御することにより、使用者に快適な環境を提供できるものである。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の除湿および冷却された空気の送風量を、定常時に比べて運転開始直後の方が多くなるようにすることにより、使用者の汗の気化熱がより多く奪われより素早く冷涼感を得ることができるものである。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の除湿および冷却された空気の絶対湿度を、定常時に比べて運転開始直後の方が低くなるようにすることにより、使用者の汗の気化熱がより多く奪われより素早く冷涼感を得ることができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における空調装置の断面図を示すものである。図１において、１は外筐体であり、その一方には吸気口２が設けられ、他方には３および４に示す排気口Ａおよび排気口Ｂが設けられている。５は送風手段で本実施の形態ではシロッコファンを用いた。６および７は空気を導く流路Ａおよび流路Ｂであり、送風手段５の下流すぐの部分から分岐している。分岐点８は流路Ａおよび流路Ｂの最上流部を示している。排気口Ａおよび排気口Ｂには空気の吹き出す方向を可変できるルーバが備えられている。９および１０は除湿手段でありそれぞれ吸湿剤を表面に設けた除湿デバイスＡおよび除湿デバイスＢから成り、流路ＡおよびＢの途中に設置されている。１１および１２は熱交換手段ＡおよびＢでありアルミ製のフィンから成り、それぞれ１３および１４に示す冷却手段である熱電素子ＡおよびＢの表面に取り付けられ、流路ＡおよびＢの途中、除湿手段より下流に設置されている。また、熱電素子には１５および１６に示す放熱フィンＡおよび放熱フィンＢが取り付けられている。

図２は、本発明の第１の実施の形態における空調装置の除湿手段である除湿デバイスの斜視図を示すものである。図３は、図２に示す除湿デバイスを展開した図である。図４は除湿デバイスの拡大断面図である。

図２において、２１は除湿デバイスで通電可能なエキスパンドメタルの表面に吸湿剤層が形成されている。２２、２２′は給電端子であり、スポット溶接によりエキスパンドメタルに取り付けられている。

エキスパンドメタルの材料としては、体積抵抗率が大きく、耐熱性、耐食性、耐孔食性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系耐熱鋼、Ｎｉ−Ｃｒ系耐熱鋼のいずれかが適している。本実施例では、エキスパンドメタル２１の表面に形成する吸湿剤層の熱膨張係数と整合するために、相対的に熱膨張係数が小さいＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系耐熱鋼（Ｒ２０−５ＳＲ ｔ０．１ｍｍ（川崎製鉄製））を用いた。

以上のエキスパンドメタルを図２に示すように波板状に加工する。この時、繰返し応力による基材の破断を防止するため、山谷部に適切なＲ加工を施すと良い。

次に、基材の耐腐食性を向上させ、かつアンカー効果により吸湿剤層との密着性を向上させる目的で、エキスパンドメタルに焼鈍処理を施している。焼鈍処理温度としては、９００〜１０００℃が適切である。すなわち、９００℃未満では酸化皮膜の形成量が不十分であり、１０００℃より高くなると結晶粒の成長による脆化が問題になるためである。本実施例における焼鈍処理は大気中で行っているが、不活性ガス雰囲気中で行うこともできる。

こうして焼鈍を終了したエキスパンドメタルの表面に、図４に示すようにアルミナを主成分とするアンダーコート層３２を塗布し焼成を行った後、ゼオライトを主成分とする吸湿剤層３３の作製を行った。

吸湿剤層３３は、ゼオライト１００重量部、コロイダルシリカ３０重量部、イオン交換水１００重量部を攪拌、混合して形成しているものである。このスラリーを、アンダーコート層３２の上に塗布した後、１３０℃で２０分間乾燥させ、６００℃で２０分間焼成して吸湿剤層３３を形成している。本実施の形態では、吸湿剤としてゼオライトを用いたが、他にシリカゲルや活性アルミナを用いても良い。

以上のようにして作製された除湿デバイスを、図１に示した除湿装置の流路Ａおよび流路Ｂの上流部に設置した。

また、冷却手段としては、２種類の導体や半導体の接合部に直流電流を流し、一方からもう片方への熱の移動を利用してユニットへの電流の大きさを変化させることにより空気の温度制御を行う熱電素子（ペルチェ素子）を用いた。

以上のように構成された空調装置について、以下その動作、作用を説明する。最初、流路Ａの最上流部に設置された図示されていないダンパーＡが閉じた状態になっており流路Ａは吸気口と連通しておらず、一方流路Ｂは流路Ｂの最上流部に設置された図示されていないダンパーＢが開いた状態になっており流路Ｂは吸気口と連通している。

この状態で、シロッコファン５と除湿デバイスＡおよび熱交換手段Ｂに通電すると、外部空気が吸気口２から空調装置に取り入れられる。取り入れられた空気は、流路Ｂに導かれ除湿デバイスＢを通過した後、熱交換手段Ｂを通過し排気口Ｂから排気される（吸着モード）。一方、同時に除湿デバイスＡは加熱状態になり、吸湿剤層が加熱される。水分脱着温度に達した吸湿剤層からは、吸着されていた水分が脱着する。脱着した水分は、ダンパーＡが閉じることにより開く排気口より流路Ａから外部に放出される（脱着モード）。一定時間経過すると、ダンパーＡが開き、ダンパーＢが閉じる。同時に、除湿デバイスＡは非通電状態となり、除湿デバイスＢは通電状態となる（脱着モード）。吸気口２から取り入れられた空気は、流路Ａに導かれ除湿デバイスＡを通過した後、熱交換手段Ａを通過し排気口Ａから排気される（吸着モード）。以上の動作を繰り返すことにより、常に除湿された冷涼感のある空気を使用者に供給することができる。

この実施の形態における効果について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の空調装置と従来の空調装置を用いた際の、空調装置を動作させてからの時間変化に対する、被験者の皮膚表面温度の変化を示したグラフである。被験者は、空調装置から４０ｃｍ離れた位置に座り、被験者の顔に送気した。雰囲気温湿度は２５℃／４０％Ｒｈに設定した。また、被験者は実験開始直前までの２０分間、３０℃／５０％Ｒｈのチャンバー内の椅子に座ってもらった。また、比較例として用いた従来の空調装置は、流路の途中にペルチェ素子からなる冷却装置を備えたものを用いた。風量は両者とも２００Ｌ／ｍｉｎとし、入力電力は本実施の形態が１５０Ｗで比較例が２００Ｗとした。

図５に示すように、本実施の形態では空調装置を動作させると同時に被験者の皮膚表面温度が下がり始め、３０秒経過後には約２℃低下し、１分経過後には約４℃低下した。さらに、約３分後には温度が上がり始め、約５分後には初期から約３℃低下の３３℃でほぼ一定となった。一方、比較例では皮膚表面温度はなだらかな曲線を描いて下がっていく傾向を示し、５分後には約２℃低下し、１０分後には約３℃低下し初期から約３℃低下の３３℃でほぼ一定となった。また、本実験において本実施の形態における空調装置の熱交換手段であるアルミのフィンに結露が発生することはなかったが、従来の空調装置ではフィンに結露が発生した。以上の結果より、本実施の形態における空調装置は従来の空調装置よりも少ない消費電力にもかかわらず、冷涼感の即効性があり定常時も冷涼感を持続することができ、カビや雑菌による健康に及ぼす影響もない空調装置とすることができる。

また、本実施の形態では、エキスパンドメタルの表面に吸湿剤層を形成し、エキスパンドメタルに通電したときの発熱を利用した伝導熱により吸湿剤層を加熱するため、吸湿剤層の温度上昇が速く、水分脱着温度に達するまでの時間が非常に短くなるものである。すなわち、従来のようにハニカム状セラミックス基材の表面に吸湿剤を担持し、この吸湿剤に空気中の水分を吸着させ、吸湿剤に吸着した水分を外部から主に輻射熱や対流熱により加熱して脱着再生する方法と比較して、本実施の形態では入力電力量を同一とした場合、約３倍の速度で水分脱着温度に達した。従来のものでは、吸着剤層の温度が２００℃に達するまでの時間は１００Ｗ入力で約６０秒であったが、本実施の形態では１００Ｗ入力で２０秒弱であった。以上の結果より、吸脱着サイクルが比較的短い使用用途においては、本実施の形態におけるの除湿デバイスは非常に有用である。

また、送風手段を制御する第一の制御手段を有し、除湿空気の風量を制御し、除湿空気の送風量を、定常時に比べて運転開始直後の方が多くなるようにすることにより、より冷涼感を得ることができるものである。すなわち、空調装置を使用する直前は、使用開始後の定常時と比較して、使用者の皮膚表面の汗の量が多いことが予想され、送風量を多くすることにより使用者の汗の気化熱がより多く奪われ、即効性が期待できるものである。

また、加熱手段を制御する第二の制御手段を有し、除湿空気の湿度を制御し、除湿空気の絶対湿度を、定常時に比べて運転開始直後の方が低くなるようにすることにより、より冷涼感を得ることができるものである。すなわち、吸湿材の加熱時間を長くすることで、吸湿材に吸着された水分の脱着量が多くなり、より湿度の低い除湿空気を得ることができる。よって、前記の理由により運転開始直後は湿度を低くすることで、使用者の汗の気化熱がより多く奪われ、即効性が期待できるものである。

（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態における空調装置の断面図を示すものである。図６において、４１は外筐体であり、その一方には吸気口４２が設けられ、他方には４３および４４に示す排気口Ｃおよび排気口Ｄが設けられている。４５は送風手段で本実施例ではシロッコファンを用いた。４６および４７は空気を導く流路Ｃおよび流路Ｄであり、送風手段４５の下流直後の部分から分岐している。分岐点４８は流路Ｃおよび流路Ｄの最上流部を示している。排気口Ｃおよび排気口Ｄには空気の吹き出す方向を可変できるルーバが備えられている。４９および５０は除湿手段、熱交換手段、加熱手段の役割を有し、冷却手段である熱電素子５１に取り付けられたアルミ製のフィンの表面に、吸湿剤層が設けられている。４９、５０を除湿冷却デバイスＣおよびＤと表現する。

図６において除湿手段、熱交換手段、加熱手段を一つのデバイスに集約した以外は、実施の形態１に示した空調装置と同等の機能を持つ空調装置とした。

以上のように構成された空調装置について、以下その動作、作用を説明する。最初、流路Ｃの最上流部に設置された図示されていないダンパーＣが閉じた状態になっており流路Ｃは吸気口と連通しておらず、一方流路Ｄは流路Ｄの最上流部に設置された図示されていないダンパーＤが開いた状態になっており流路Ｄは吸気口と連通している。

この状態で、シロッコファン４５と熱電素子５１に通電すると、外部空気が吸気口４２から空調装置に取り入れられ、除湿冷却デバイス５０は冷却される。取り入れられた空気は、流路Ｄに導かれ除湿冷却デバイス５０を通過し排気口Ｄから排気される。一方、同時に除湿冷却デバイス４９は加熱状態になり、吸湿剤層が加熱される。水分脱着温度に達した吸湿剤層からは、吸着されていた水分が脱着する。脱着した水分は、ダンパーＣが閉じることにより開く排気口より流路Ｃから外部に放出される（脱着モード）。一定時間経過すると、ダンパーＣが開き、ダンパーＤが閉じる。同時に、除湿冷却デバイス４９は冷却状態となり、逆に除湿冷却デバイス５０は加熱状態となる。吸気口４２から取り入れられた空気は、流路Ｃに導かれ除湿冷却デバイス４９を通過した後排気口Ｃから排気される（吸着モード）。以上の動作を繰り返すことにより、常に除湿された冷涼感のある空気を使用者に供給することができる。

本実施の形態における空調装置は、図１に示した空調装置と同等の機能を有しながら、除湿手段、熱交換手段、加熱手段を一つのデバイスに集約することにより、装置をコンパクトにすることができるものである。

以上のように、本発明にかかる空調装置は、エネルギーロスが小さく、除湿空気による汗の気化熱で冷涼感を提供することが可能となるので、除湿機、デシカント空調、シート等のむれ感解消、調湿装置、また加湿器等の用途にも適用できる。

（ａ）本発明の実施の形態１における空調装置の側面図（ｂ）同、空調装置の縦断面図 本発明の実施の形態１における除湿デバイスの斜視図 本発明の実施の形態１における除湿デバイスの展開図 本発明の実施の形態１における除湿デバイスの拡大断面図 本発明の実施の形態１における経過時間と皮膚表面温度の関係を示すグラフ （ａ）本発明の実施の形態２における空調装置の側面図（ｂ）同、空調装置の縦断面図（ｃ）同、空調装置の平面図

符号の説明

３ 排気口Ａ
４ 排気口Ｂ
９ 除湿手段Ａ
１０ 除湿手段Ｂ
１１ 熱交換手段Ａ
１２ 熱交換手段Ｂ
１３ 熱電素子Ａ
１４ 熱電素子Ｂ
２１ 除湿デバイス
３３ 吸湿剤層
４３ 排気口Ｃ
４４ 排気口Ｄ
４９ 除湿冷却デバイスＣ
５０ 除湿冷却デバイスＤ
５１ 熱電素子

Claims (8)

1. 吸湿剤からなる除湿手段と、熱交換器である冷却手段と、前記除湿手段を加熱する加熱手段と、送風手段と、吸気口と、排気口とを有する空調装置において、運転モードには吸着モードと脱着モードを設け、吸着モードにおいては前記加熱手段を非加熱状態とし、脱着モード時においては前記加熱手段は加熱状態とするとともに前記送風手段に吸気口から取り入れられた空気は前記除湿手段により除湿され、その後前記冷却手段により冷却され、排気口から排気されるようにした空調装置。
2. 除湿手段は加熱手段の表面に吸湿剤層を形成した請求項１に記載の空調装置。
3. 除湿手段は、熱交換手段と一体の構成とし、前記熱交換手段は、冷却手段および加熱手段としての役割を有し、前記吸着モード時は熱交換手段を冷却状態とし、脱着モード時に熱交換手段を加熱状態にするようにした請求項１に記載の空調装置。
4. 熱交換手段は金属製のフィンで構成され、除湿手段は、前記フィンの表面に吸湿剤層を形成して成る請求項３に記載の空調装置。
5. 送風手段を制御する第一の制御手段を有し、除湿および冷却された空気の風量を制御するようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の空調装置。
6. 加熱手段を制御する第二の制御手段を有し、除湿および冷却された空気の温度と湿度を制御するようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載の空調装置。
7. 除湿および冷却された空気の送風量は、定常時に比べて運転開始直後の方が多いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の空調装置。
8. 除湿および冷却された空気の絶対湿度は、定常時に比べて運転開始直後の方が低いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の空調装置。

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