JP2005520119A - 霜保護を持つ熱レキュペレータ - Google Patents

Abstract

本発明は、暖かいガス流から冷たいガス流へ熱エネルギーを移すための熱交換器（１）に関する。この熱交換器は、第一の連結と第二の連結を持つ第一のグループのダクト（２）、この第一のグループのダクトへ熱効率的に結合され、第三の連結と第四の連結を持つ第二のグループのダクト（３）、第一の連結へ冷たいガス流を供給するための第一の供給手段（６）、第二の連結から冷たいガス流を排出するための第一の排出手段（７）、第三の連結へ暖かいガス流を供給するための第二の供給手段（８）、そして第四の連結から暖かいガス流を排出するための第二の排出手段（９）からなり、装置は、連結上の供給及び排出手段を対で一時的に、そして繰り返して交替させる交替手段を含む。

Description

本発明は、暖かいガス流から冷たいガス流へ、熱エネルギーを移すための熱交換器に関する。この熱交換器は、
第一の連結及び第二の連結を持つ第一のグループのダクト、
第一のグループのダクトへ熱効率的に結合された、第三の連結及び第四の連結を持つ第二のグループのダクト、
第一の連結へ冷たいガス流を供給するための第一の供給手段、
第二の連結から冷たいガス流を排出するための第一の排出手段、
第三の連結へ暖かいガス流を供給するための第二の供給手段、そして
第四の連結から暖かいガス流を排出するための第二の排出手段からなる。

このような熱交換器は、一般的に知られているが、オランダ特許出願第１０００７０６号からのものが特に知られている。

このような熱交換器は、通常、水蒸気を含む気体の移送に適用される。したがって、関連するガス流の熱含有量は、温度差と熱容量との積が表す熱エネルギーの部分からなるだけのものではなく、水の融解及び氷結熱、そして水の蒸発及び凝結熱も寄与している。

第一の熱含有量は、感知可能な熱としても言及され、また、相変化を表す第二のタイプは潜熱とも呼ばれる。両形態のエネルギーは共に、エンタルピとも呼ばれる。

周知の熱交換器は、感知可能な熱を移すように適応している。

多くの応用分野では、使用条件の結果として、ガス流内に吸収された水の凝結及び氷結は、通常、冷却ガス流内で起きる。氷結はダクトの閉塞という結果を生じ、これによって熱交換器は使用不可能になる。

温度差があるため、加熱ガス流の凝結及び凍結から生じる潜熱を移すことは不可能である。このため、熱交換器の有効性はさらに減少する。結局、熱力学第二の法則には、熱エネルギーは高い温度の質量から低い温度の質量へのみ移すことが可能であると述べられている。

本発明の目的は、氷結が起こらず、潜熱を移すことが可能な熱交換器を提供することである。

この目的は、装置が、連結上の供給及び排出手段を一時的に、そして繰り返し、対で交替させる交替手段からなることによって達成される。

これらの対策の結果、第一のグループのダクトと第二のグループのダクトとの機能、ダクトを通過する流れの方向、あるいはそれらの両方を規則的に交替させることができる。このようにして上述の欠点を避ける。

ここで注目すべきことは、本発明の効果は、ダクト間が直接、密接に結合した熱交換器、すなわち熱交換器それ自体に蓄えることなく、熱エネルギーを移す熱交換器において最も明らかなことである。このような熱交換器は、レキュペレータとしても知られている。

第一の実施例によれば、交替手段は、
第一の供給手段を第四の連結へ、
第一の排出手段を第三の連結へ、
第二の供給手段を第二の連結へ、そして
第二の排出手段を第一の連結へ一時的に結合するように形成される。

この好適実施例では、第一のグループのダクトと第二のグループのダクトの機能は、規則的に交替する。その結果、第一のグループのダクト内でガス流からの水蒸気が凝結し氷へと凍結しても、この水蒸気は、ダクト機能の交替後、加熱ガス流に吸収される。この場合、氷による閉塞は減少し消滅する。

もう一つの利点は、問題の融解及び蒸発熱が再利用され、より良い熱平衡が生じることである。このため、熱交換器の「暖かい」側の湿度レベルは維持される、あるいは少なくともほとんど減少しない。

この好適実施例では、ダクトのグループの機能が交替する。この結果、交替の際、ダクト・グループの間で、ある種の漏れが起こる。

第二のグループのダクト内で水の凝結及び氷結の際に解放される熱を、第一のグループのダクト内で水を蒸発させることによって吸収することが可能である。空気が十分な湿気を含んでいない場合、この目的で、第一のグループのダクトへ水を供給するのに供給手段を使用することができる。

両グループのダクトが厳密に分離していなければならない状況では、もう一つの実施例を用いることができる。この場合、装置は、
第一の供給手段を第二の連結へ、
第一の排出手段を第一の連結へ、
第二の供給手段を第四の連結へ、そして
第二の排出手段を第三の連結へ一時的に結合する手段を含む。

しかしながら、この実施例の有効性は、第一の実施例よりも低いため、この後者は、ガス流間の厳密な分離が重要である場合にのみ適用すべきである。

もう一つの実施例においては、交替手段は、第一の供給手段を第三の連結へ、第一の排出手段を第四の連結へ、第二の供給手段を第一の連結へ、そして第二の排出手段を第二の連結へ一時的に結合するように形成される。

さらにもう一つの好適実施例によれば、熱交換器は、連結を繰り返し変えるための制御手段からなる。

もちろん上述の対策は、限定的な持続時間に対して効果がある。繰り返し交替させることによって、長期間に渡って、原則的には無制限に効果を得ることができる。

固定間隔で交替させるように制御手段を改造することも可能である。ここで指摘するが、結果は、ガス流の構成等の条件に応じる。例えば、多くの場合、空気には大量の水蒸気が含まれている。この場合、温度、特に熱交換器の「暖かい」側と「冷たい」側との間の温度差が非常に重要である。また、絶対温度も、例えば、水の氷点の上下で生じるプロセスに関しては重要である。

したがって、交替する頻度は、状況に応じることが好ましい。これは、測定値に基づいて交替を実行する実施例によって達成できる。測定値は、温度を意味するが、相対あるいは絶対湿度、または熱交換器内の所定位置で測定できる別の変数であってもよい。

本発明の適用範囲は、建物内で使用するレキュペレータに限定されるものではないが、そのような応用例において本発明の利点は特に明白である。

したがって、熱交換器は、建物の換気用空気から熱エネルギーを回収するレキュペレータによって形成されることが好ましい。

レキュペレータの構造が、オランダ特許出願第１０００７０６号にある説明のように適用される場合、第一の連結と第四の連結は第一のチャンバ内へ流出し、第二の連結と第三の連結は第二のチャンバ内へ流出することが好ましい。交替手段が、各々が一つのチャンバ内に配置された二つの弁からなり、構造が単純である。

添付の図面を参照して、本発明を説明する。

図１Ａは、全体として符号１で付した、第一のグループのダクト２と第二のグループのダクト３からなる熱交換器を概略的に示す。このような熱交換器の構成は、オランダ特許出願第１０００７０６号に開示されている。

明快にするために、熱交換器は、建物内を換気するレキュペレータとして機能すると仮定し、そして建物の内側を４で指し、建物の外部を５で指し示す。第一の供給手段６によって外から換気用空気を入れる。第一のグループのダクト２を通った空気が、第一の排出手段７を介して建物の内部へ通過する。

建物の内側４から来る空気は、第二の供給手段８を介して第二のグループのダクト３へ供給される。この空気は、第二のグループのダクトを通過した後、第二の排出手段９を介して外部へ再び排出される。

第一のグループのダクト２と第二のグループのダクト３とは、熱効率的に相互に結合されており、第二のグループのダクト３内の気流が放出した熱は、第一のグループのダクトを通る気流によって吸収される。このように、気流を加熱する有効な方法が得られる。

この点まで説明したレキュペレータは、上記に既に言及したオランダ特許出願書に表されたレキュペレータに一致する。

十分に低い外気温度での凝結、そして氷の形成を避けるために、図１Ｂに示すように、第一のグループのダクト２の機能と、第二のグループのダクト３の機能とを反転させることは可能であり、図１Ｂに示す状態を得る。

ここで、第一の供給手段６は第二のグループのダクト３へ外の空気を供給し、第一の排出手段７はそこから来る加熱空気を内部空間４へ供給する。また、第二の供給手段８は、暖かい内側の空気を第一のグループのダクト２へ供給し、そして第二の排出手段９は、熱を放出した内側からの空気を外部環境５へ供給する。

図１Ｂに示す状態では、第一の、そして第二のグループのダクトの機能が交替したため、内部空気は、今、外部空気が最初に流れた第一のグループのダクトを通って流れることは明らかである。この逆もまた同様である。図１Ａに示す状態の間に凝結して形成された氷は、このとき融けて、第二のグループのダクト内で再び蒸発し、内部環境へ供給される。これによって、氷の形成の問題、それが原因となる閉塞、そして多分高湿度が原因と考えられる衛生上の問題等の、他の問題を避けることができる。

また、熱交換の有効性を向上させ、全エンタルピを移すことができる。さらに、内部空間内に初期の湿度レベルを維持できる。

他の構成を適用することも原則として可能である。そこで、図１Ｃに、ダクトのグループ間におけるガス流の分離を維持し、ダクトのグループを通過する流れを反対方向に向けた構成を示す。これは可能ではあるが、望ましいものではない。初期の状態に比べ改善は得られるが、有利な効果は、図１Ｂに示す解決策よりもかなり少ない。

図１Ｄに示す状態に対しても同様な考察を適用すると、図１Ａに比較して、この場合、異なるガス流がダクトのグループを通過するため、図１Ｂで達成した状態の利点を得ている。流れ方向は反対方向であり、それ自体は好ましいが、それを成就するためには、複雑な技術的な準備が必要である。

図２Ａ及び図２Ｂは、概略的に、図１Ａ及び図１Ｂに示す状態間での規則的な変更を達成するための実施例を示す。この目的で、二つの同時に操作可能な弁１０及び１１を使用する。図２Ａでは、弁１０及び１１は、図１Ａの構成が得られる位置に設置され、そして図２Ｂでは、弁１０及び１１は、図１Ｂの構成が得られる位置に設置される。

図２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅは、すべて、図２Ａ及び図２Ｂの実施例が弁１０及び１１によって満たす交替機能を、個別の弁４０から４７を使用して達成する実施例を示す。

この実施例は、さらに、バイパス弁４８を備える点で異なる。この弁は、内部から外部への、追加のダクトを提供するのに役立ち、その通路を調節することができる。

所望の内気温度よりも外気温度が少し低く、内部で生じる熱エネルギーが、外部への熱損失を補償するのに十分である場合に、このようなダクトは有効である。

上記の実施例においては、交替のときに一時的なショートが起こり、大量の流れが混ざることになる。しかし、大量の流れの間に分離が必要な場合は、図３Ａ及び３Ｂに示す構成を用いることができる。

この構成では、弁１２及び１３を使用する。弁１２は、第二の供給手段を、第二のグループのダクトの各々第一及び第二の側に結合し、第二の排出手段を、第二のグループのダクトの各々第二及び第一の側に結合する。

弁１２を、図３Ａに示す位置から図３Ｂに示す位置へ回転させることによって、第二のグループのダクト内の流れ方向だけを逆にすることができる。しかしながら、このような流れ方向の変化によって、第一の、そして第二のグループのダクト内の大量の流れの分離をさらに維持するという上記の利点に関する、確かな効果を引き出すことができる。

また、図１Ｄに示す構成を同じ方法で用いることも可能である。この場合の弁構成の可能性は自明である。

図４Ａは、図１Ｄによる構成を具体化するための図であり、弁が第一の位置にある状態を示し、この同じ図を、弁が第二の位置にある状態で図４Ｂに示す。この図は、本発明の利点を達成するものではあるが、図１Ｂ及び図１Ｃによる構成の利点を達成しないため、さほど重要ではない。

さて、図５に基づいて、レキュペレータの構成例を説明する。図５では、箱のような構造１４が形成されている。１５の符号を持つその中央部分は、熱効率的に相互に結合された二つのグループのダクトからなる。同じく、空間１５の一部を形成するのが、二つのいわゆる「ヘッダー」、各々１６、１７である。これらは、各々第一のグループのダクト、第二のグループのダクトが、共通な連結へ誘導されることを保証する。「ヘッダー」１６及び１７に各々結合するチャンバ１８及び１９は、箱のような構造１４に形成されている。

チャンバ内には、図面内で各々２０、２１の符号を持つ弁構造が配置されている。弁２０及び２１は、各々適切な「ヘッダー」１６及び１７へ、ガス流を分配するように設けられている。各々チャンバ１８及び１９への、あるいはそこからのガス流の供給及び排出のために、結合部品２２及び２３を各々使用している。図面には示していないが、さらに二つの結合部品がある。

図６は、中央部分３０内に、２連の、二つの連続的に設置されたレキュペレータの構造を示す。それらに対応する連結は、連結に隣接するダクト３１から３４として形成されている。ダクトは、弁構造４０から４７を持つチャンバ３５及び３６に接続している。ガス流の供給のために、結合部品６から９を用いており、それらの番号は、図２Ｃのものと一致する。弁を結合することによって、単純なシステムが得られる。この場合、一つサイズのレキュペレータを用い、レキュペレータのアレイを形成することによって、ハウジングを所望の空気量に応じて製造することができる。

また、レキュペレータの排出流内にクーラーを設置することも可能である。これによって、レキュペレータ内で、より多くの凝結が起こり、交替後、より多くの蒸発が起こるようにできる。

この原理は、例えば温室内での使用に適した、図７Ａ及び７Ｂに示す実施例でさらに詳述することができる。

相対湿度が８５％を超えると菌の成長の可能性があまりにも大きいため、温室内では１年中除湿が必要である。現在、これは、夏期及び冬期の間、ある程度窓を開けることによって行っている。したがって、レキュペレータによる一方での外部空気の供給と、他方での湿った温室空気の排出は、既にこれ自体が、エネルギー使用あるいは誤用に関しての大きな改善である。欠点は、窓を開けたとき、温室内の貴重なＣＯ２ 成分が減少することである。緑色植物の育成では、たとえ熱が必要でなくとも、日中ボイラーを加熱して温室にＣＯ２ を供給することによって、ＣＯ２ を付加する。図７Ａ及び７Ｂは、温室へ外部空気を供給せずに、すなわちＣＯ２ を温室から消失させずに、温室内の空気を除湿するシステムを示す。温室空気８は、レキュペレータ１２へ供給され、そこで乾燥温室空気７へ熱を譲渡する。空気は、第一のレキュペレータ１２を去った後、弁１１を介して第二のレキュペレータ１へ誘導される。そこで、弁１０を介して第二のレキュペレータ１へ流入する外部空気６との熱交換が行われ、さらに冷却及び凝結が起こる。冷却及び除湿された温室空気は、それから第一のレキュペレータ１２へ供給され、そこで、レキュペレータ１２の品質に応じて、温室空気温度８へ最大限に加熱が行われる。凝結がレキュペレータ１内に残らないような、弁１０及び１１の規則的な切り換えは、すべての凝結が外部空気６内で蒸発すること、そしてこれ（流れ９）が温室の湿度増加及び少々の温度増加をもたらすことを保証する。

この構成が単に温室あるいは建物に適用可能であるだけではなく、また他のプロセスにも適用できることは明らかである。

上記説明の構成では、補助熱交換器がシステムの「暖かい」側に設置されている。しかし、このような補助熱交換器をシステムの「冷たい」側に設置することも、あるいは補助熱交換器をシステムの両側に設置することも可能であることは明らかである。

従来の技術による熱交換器を示す。 図１Ａに対応する図であり、ここでは、本発明の第一の実施例に従って、ダクトのグループの連結を交換している。 本発明の第二の実施例による、図１Ａに対する図である。 本発明の第三の実施例による、図１Ａに対応する図である。 四方弁を備え、それらの弁が第一の位置にある、本発明の第一の実施例を示す。 弁が第二の位置にある、図２Ａに対応する図である。 単弁を用いた、図２Ａに対応する図である。 図２Ｃの弁構成を適用した、図２Ｂに対応する図である。 代替的な弁位置にある、図２Ｃ及び図２Ｄ で適用した弁構成を示す。 弁が第一の位置にある、本発明の第二の実施例を示す。 弁が第二の位置にある、図３Ａに対応する図である。 弁が第一の位置にある、本発明の第三の実施例を示す。 弁が第二の位置にある、図４Ａに対応する図である。 本発明の第一の実施例による構成を部分的に分解した斜視図である。 本発明の第一の実施例による、もう一つの構成の分解斜視図である。 本発明の第四の実施例を示す。 本発明の第四の実施例を示す。

Claims (13)

1. 暖かいガス流から冷たいガス流へ熱エネルギーを移すための熱交換器であって、
   第一の連結と第二の連結とを持つ第一のグループのダクト、
   熱効率的に第一のグループのダクトに結合され、第三の連結と第四の連結を持つ第二のグループのダクト、
   第一の連結へ冷たいガス流を供給するための第一の供給手段、
   第二の連結から冷たいガス流を排出するための第一の排出手段、
   第三の連結へ暖かいガス流を供給するための第二の供給手段、そして
   第四の連結から暖かいガス流を排出するための第二の排出手段からなり、
   前記装置が、連結上の供給及び排出手段を一時的に、そして繰り返して、対で交替させるための交替手段からなることを特徴とする熱交換器。
2. 前記交替手段が、
   第一の供給手段を第四の連結へ、
   第一の排出手段を第三の連結へ、
   第二の供給手段を第二の連結へ、そして
   第二の排出手段を第一の連結へ一時的に結合するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記装置が、
   第一の供給手段を第二の連結へ、
   第一の排出手段を第一の連結へ、
   第二の供給手段を第四の連結へ、そして
   第二の排出手段を第三の連結へ一時的に結合するための手段からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記熱交換器が、前記第一のグループのダクトへ水を供給するための供給手段を備えることを特徴とする、請求項１、２あるいは３に記載の熱交換器。
5. 前記交替手段が、
   第一の供給手段を第三の連結へ、
   第一の排出手段を第四の連結へ、
   第二の供給手段を第一の連結へ、そして
   第二の供給手段を第二の連結へ一時的に結合するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記熱交換器が、繰り返して前記連結を変えるための制御手段からなることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記制御手段が、所定時間が経過した後、前記連結を交替させるようになっていることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記制御手段が、所定の測定値に到達したときに前記連結を交替するようになっていることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
9. 前記熱交換器が、建物の換気用空気から熱エネルギーを回収するためのレキュペレータから形成されることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記装置が、前記第二の供給手段と前記第二の排出手段との間にバイパス・ダクトを備え、このバイパス・ダクト内に制御可能な弁が配置されていることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の熱交換器。
11. 前記第一の連結と前記第四の連結が第一のチャンバ内へ流出し、前記第二の連結と前記第三の連結が第二のチャンバ内へ流出し、そして前記交替手段が、前記チャンバの一つに各々が配置された二つの弁からなることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の熱交換器。
12. 前記熱交換器が相互の上に、あるいは隣接して設置され、前記チャンバが上下重ねて設置され、そして前記チャンバ内に配置された前記弁が、共通のオペレーティング・エレメントによって操作できることを特徴とする、請求項１１に記載の熱交換器のセット。
13. 前記熱交換器が補助熱交換器に結合され、前記補助熱交換器の第一のグループのダクトが、前記第一の排出手段と前記第一の弁との間に結合され、そして前記補助熱交換器の第二のグループのダクトが、前記第二のグループのダクトと前記第二の供給手段との間に結合されていることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の熱交換器。
    

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