JP2009121698A - デシカント空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温熱源であっても除湿湿度差を大きくとることができ、それにより、特に盛夏時の外気を通常の室内設定湿度以下まで除湿することができるようなデシカント空調装置を提供する。
【解決手段】 このデシカント空調装置においては、処理空気流路２４は、デシカントロータ１０の第１および第２の吸着ゾーン２８ａ，２８ｂを処理空気が順次通過する際に処理空気の水分が吸着されるように構成され、再生空気流路２６は、デシカントロータ１０の再生ゾーン３０ａ，３０ｂを再生空気が通過する際にデシカントロータ１０の水分が脱着されるように構成されている。さらに、再生ゾーン３０ａ，３０ｂに入る前の再生空気を加熱する高熱源熱交換器４２ａと、第１の吸着ゾーン２８ａと第２の吸着ゾーン２８ｂとの間において処理空気を冷却する低熱源熱交換器４６が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デシカントにより処理空気の吸着を行うことによって効率的に空調を行うデシカント空調装置に関する。

デシカント空調装置は、例えば、特許文献１等において多くの提案がなされている。そして、室内の環境を維持するために外気を処理空気として湿度および温度を調整し、室内に導入するデシカント空調装置として、図８に示すように、処理空気流路２４と再生空気流路２６に跨って配置されたデシカントロータ１０と、これに高温熱源４２および低温熱源４６を提供するヒートポンプ３６組み合わせて用いるものが周知である。デシカントロータ１０は、円盤状のハニカム構造の中に、吸湿および再生効率が高いデシカント素材が保持された通気性部材であり、モータ１４によって低速で回転する。

この空調装置により夏季の冷房を行う場合、高温多湿の外気（処理空気）はデシカントロータ１０の処理空気流路２４内の部分である吸着ゾーン２８を通過する際に水分を吸着され、ヒートポンプ３６の低温熱源である蒸発器４６により冷却されてから室内に供給される。一方、室内からの還気は、再生空気流路２６においてヒートポンプ３６の高温熱源である凝縮器４２によって加熱され、デシカントロータ１０の再生空気流路２６内の部分である再生ゾーン３０を通過する際に水分を脱着してデシカント１０を再生し、外部に排気される。デシカントロータ１０の各部は、一定サイクルで処理空気流路２４と再生空気流路２６を出入りする間に、処理空気からの水分吸着と、再生空気による再生を交互に繰り返す。

このような空調装置には、熱源として蒸気圧縮冷凍機のようなヒートポンプ３６が用いられるが、COP（成績係数）が高い高熱源温度は実用上65℃程度までである。このような装置で、例えば東京の盛夏時の最高温多湿外気条件を想定した35℃、22g/kgDA（乾燥空気）の外気を処理して導入する場合を、図９の湿り空気線図に示す。この場合、室内空気が乾球温度27℃、絶対湿度10.5g/kgDA（５）であるとすると、再生空気は乾球温度60℃、相対湿度9％（６）程度にしかならず、処理空気である外気を等エンタルピー変化（１→２）で吸着しても、室内空気と同じ絶対湿度10.5g/kgDAにまで下げることはできない。そのため、室内湿度が高くなる問題があり、これを解決するためには、COPが低いヒートポンプや、70℃以上の高温熱源が必要であった。

また、このような装置では、処理空気がデシカントロータ１０内を流れる間の水分吸着過程において、吸着のための駆動力となるデシカントと処理空気の含水率の差が順次縮小し、デシカントロータ１０の出口側部分での水分吸着量が大きく低下する。このため、処理空気の吸着に寄与するのはデシカントロータ１０の空気流入側部分のみであり、デシカントロータ全体として十分に水分を吸脱着できず、除湿量当りの所要デシカント量が多くなり、コストがかかっていた。

特開平９−１９６４８２号公報

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、低温熱源であっても除湿湿度差を大きくとることができ、それにより、特に盛夏時の外気（例えば22g/kgDA）を通常の室内設定湿度（例えば10.5g/kgDA）以下まで除湿することができるようなデシカント空調装置を提供することを目的とする。
また、この発明の他の目的は、デシカントの作用湿度差が大きくとることができ、それにより少ないデシカントで十分な除湿ができるコンパクトでコストの安いデシカント空調装置を提供することである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のデシカント空調装置は、処理空気が流れる処理空気流路と、再生空気が流れる再生空気流路と、これらの処理空気流路および再生空気流路を交差するように回転するデシカントロータとを備え、前記処理空気流路は、前記デシカントロータの第１および第２の吸着ゾーンを処理空気が順次通過する際に前記処理空気の水分が吸着されるように構成され、前記再生空気流路は、前記デシカントロータの再生ゾーンを再生空気が通過する際にデシカントロータの水分が脱着されるように構成され、さらに、前記再生ゾーンに入る前の再生空気を加熱する高熱源熱交換器と、前記第１の吸着ゾーンと第２の吸着ゾーンとの間において前記処理空気を冷却する低熱源熱交換器とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、処理空気がデシカントロータの第１の吸着ゾーンを通過する際に水分吸着がなされた後、さらに、処理空気が低熱源熱交換器を通過する際に冷却されてから第２の吸着ゾーンへ流入し、第１の吸着ゾーンでの吸着処理を終えた後のデシカントの吸着駆動力を向上させた状態で水分吸着がなされる。これにより、吸着駆動力が低下した状態で吸着処理を継続する従来の場合に比べて吸着反応速度を向上させて、全体的な除湿性能を向上させることができる。

請求項２に記載のデシカント空調装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１および第２の吸着ゾーンは互いの処理空気が対向流をなすように流れることを特徴とする。

請求項２に記載の発明においては、第１および第２の吸着ゾーンは互いの処理空気が対向流をなすように流れるので、第２の吸着ゾーンでは第１の吸着ゾーンにおける処理で含水量が比較的少ない出口側から処理空気が流入し、デシカントの厚み方向に均等に含水量が分布する効率の良い水分吸着が行われる。

請求項３に記載のデシカント空調装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記再生ゾーンは、互いに隣接しかつ再生空気が対向流をなすように流れる第１および第２の再生ゾーンからなり、前記第１の再生ゾーンと第２の再生ゾーンとの間において前記再生空気を加熱する第２の高熱源熱交換器とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明においては、再生空気がデシカントロータの第１の再生ゾーンを通過する際に水分脱着がなされた後、さらに、再生空気が第２の高熱源熱交換器を通過する際に加熱されてから第２の再生ゾーンへ流入し、第１の再生ゾーンでの脱着処理を終えた後のデシカントの再生駆動力を向上させた状態で水分脱着がなされる。これにより、再生駆動力が低下した状態で脱着処理を継続する従来の場合に比べて脱着反応速度を向上させて、全体的な除湿性能を向上させることができる。

請求項４に記載のデシカント空調装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明において、前記低熱源熱交換器を低熱源とし、前記高熱源熱交換器を高熱源とするヒートポンプを備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明においては、ヒートポンプの低熱源熱交換器を低熱源とし、高熱源熱交換器を高熱源とすることで、コンパクトで実用的なデシカント空調装置を提供することができる。

請求項１ないし請求項４に記載のデシカント空調装置によれば、低温の再生熱源であっても除湿湿度差を大きくとることができ、それにより、特に盛夏時の高温多湿の条件下でも快適な室内環境を提供することができる。また、デシカントの作用湿度差が大きくとることができ、それにより少ない量のデシカントで十分な除湿ができるコンパクトでコストの安いデシカント空調装置を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の第１の実施の形態のデシカント空調機を示すもので、円盤状のデシカントロータ１０が、円筒状の内部空間を形成するケーシング１２（一部のみ表示）の内部に同軸に配置され、駆動装置であるモータ１４によって緩やかに回転するようになっている。デシカントロータ１０としては、所定の多孔質なデシカント（吸着剤）を、ハニカム状補強構造を有する円盤状部材に成形した周知のものを採用することができる。

ケーシング１２内には、デシカントロータ１０の前後の内部空間を軸線を含む面で区分する仕切板１６ａ，１６ｂ，１８，２０，２２が設けられている。図においてデシカントロータ１０より左側の空間では、水平方向に延びる一対の仕切板１６ａ，１６ｂと、上下に延びる仕切板１８，２０があり、これによりそれぞれ中心角９０度ずつの扇状断面を有する４つの部分空間が形成されている。一方、デシカントロータ１０より右側の空間では、水平方向に延びる１枚の仕切板２２があり、上下に２つの部分空間が形成されている。水平方向に延びる仕切板１６ａ，１６ｂ，２２は、内部空間を上側の処理空気流路２４と下側の再生空気流路２６に分けている。また、縦方向の仕切板１８，２０と右側のケーシング１２の密閉構造により、上下の処理空気流路２４と再生空気流路２６がそれぞれデシカントロータ１０を２度通過してＵターンする空気流路として形成されている。

処理空気流路２４にあるデシカントロータ１０の部分は高温高湿度の処理空気と接触して処理空気中の水分を吸着するので、その部分を吸着ゾーンと称し、再生空気流路２６にあるデシカントロータ１０の部分は低温低湿度の再生空気と接触して再生空気中に水分を脱着するので、その部分を再生ゾーンと称する。この実施の形態では、縦方向の仕切板１８，２２により、それぞれ第１および第２の吸着ゾーン２８ａ，２８ｂおよび第１および第２の再生ゾーン３０ａ，３０ｂが形成されている。処理空気および再生空気の流入口はそれぞれ第１の吸着ゾーン２８ａおよび第１の再生ゾーン３０ａに対応して設けられており、また、それぞれに送風機３２，３４が設けられている。

この実施の形態では、第１の吸着ゾーン２８ａと第２の吸着ゾーン２８ｂはデシカントロータ１０の回転方向に逆順に隣接し、第１の再生ゾーン３０ａと第２の再生ゾーン３０ｂはデシカントロータ１０の回転方向に同順に隣接している。従って、デシカントロータ１０上のデシカントは第２の吸着ゾーン２８ｂ→第１の吸着ゾーン２８ａ→第１の再生ゾーン３０ａ→第２の再生ゾーン３０ｂの順に回転移動する。このような配置は、これまでの実験では、図２に示すような第１および第２の吸着ゾーンおよび再生ゾーンがともにデシカントロータ１０の回転方向に沿って同順に隣接している場合よりも良い成績が得られた。

このように形成された処理空気流路２４と再生空気流路２６に、図示するように蒸気圧縮冷凍機（ヒートポンプ）３６の低熱源および高熱源がそれぞれ配置され、これらの流路の空気と熱交換を行うようになっている。このヒートポンプ３６は所定の冷媒が循環する冷媒流路３８に、圧縮機４０、第１および第２の凝縮器（高熱源熱交換器）４２ａ，４２ｂ、膨張弁４４、および蒸発器（低熱源熱交換器）４６が順次設けられている。そして、蒸発器４６は、処理空気流路２４中の第１の吸着ゾーン２８ａと第２の吸着ゾーンの間の空間に配置され、また、第１の凝縮器４２ａは、再生空気流路２６中の第１の再生ゾーン３０ａの上流側に、第２の凝縮器４２ｂは第１の再生ゾーン３０ａと第２の再生ゾーン３０ｂの間の空間に配置されている。

以下、従来例の場合と同様に、図１のデシカント空調機を、東京の盛夏時の最高温多湿外気条件を想定した35℃、22g/kgDAの外気を処理して導入する空調運転の際の動作を、経験的なデータを基にシミュレートした結果について、図３の湿り空気線図を参照して説明する。なお、室内空気の設定は乾球温度27℃、絶対湿度10.5g/kgDA（５）であるとする。また、以下の説明では、図１および図３に示された装置の各場所を表す符号を文中に示す。

室内空間から再生空気として送風機３４により再生空気流路２６に取り込まれた室内の空気は、第１の凝縮器において昇温し（６）、デシカントロータ１０の第１の再生ゾーン３０ａを通過する際にデシカントロータ１０の水分を脱着し、等エンタルピー過程で温度低下する（６→７）。この室内空気は、さらに第２の凝縮器４２ｂにおいて昇温し（８）、デシカントロータ１０の第２の再生ゾーン３０ｂを通過する際にデシカントロータ１０の水分を脱着し、等エンタルピー過程で温度低下（８→９）した後、外部に排気される。

現在入手可能な蒸気圧縮冷凍機では、このように２つの熱源を設定した場合には、この蒸気圧縮冷凍機は、ヒートポンプとして従来と同じ程度の能力のものを使用し、エンタルピー差Δｈを小さくした場合、高熱源が分割されているために高熱源温度は特に第２の高熱源温度はΔＴだけ低くなり、５５℃程度で運転される。このようなヒートポンプの運転条件は、蒸気圧縮冷凍機によって高いＣＯＰで運転できる範囲内である。

一方、室外空間から処理空気として送風機３２により処理空気流路２４に取り込まれた高温多湿の外気（１）は、デシカントロータ１０の第１の吸着ゾーン２８ａを通過する際に、第１の再生ゾーン３０ａで脱着された量にほぼ対応する量の水分を吸着され、等エンタルピー過程で温度上昇する（１→２）。この処理空気は、さらに蒸発器４６において冷却され、飽和線に沿って水分を結露させた後（３）、デシカントロータ１０の第２の吸着ゾーン２８ｂを通過する際にさらに第２の再生ゾーン３０ｂで脱着された量にほぼ対応する量の水分を吸着され、等エンタルピー過程で温度上昇する（３→４）。

このシミュレーション結果によれば、第１および第２の吸着ゾーン２８ａ，２８ｂにおける２度の吸着により、比較的低温の熱源を用いて、盛夏時の外気22g/kgDAを通常の室内設定10.5g/kgDA以下まで除湿することができた。この理由は、処理空気の吸着およびデシカントの脱着の工程をそれぞれ２つのゾーンで行うことにより、図８に示す従来の場合と比較して、吸着および脱着のそれぞれの工程での効率が上昇しているからであるが、以下に詳しく説明する。

デシカントロータ１０による水分の吸着および脱着の過程は、それぞれデシカントが各流路に存在する限定された時間に行われるので、完全に平衡状態に到達することはない、非平衡な過程である。従って、吸着または脱着の効率は、これらの反応の速度に依存し、これはデシカントが吸着できる最大の含水率αと実際の含水率βの差（α−β）（以下、吸着駆動力と言う。）に依存すると考えられる。吸着できる最大の含水率αは、図４に示すようにデシカントの相対湿度に比例する。

まず、吸着工程について説明すると、デシカントロータ１０では空気の入口側から吸着現象が進行するので、相対湿度はデシカントの厚み方向において入口から出口に向かうに従い低下し、従って最大含水率αも同様に低下する。また、実際の含水率βは当然に処理の進行に伴って入口側から順次増加し、そして全体としても増加するので、吸着駆動力は処理の進行とともに全体として低下する。

例えば、図８に示す従来の例では、吸着処理が終わる時点での出口側の相対湿度は９％であるので最大含水率αは３．６％と低下しており、実際の含水率βの値に拘わらず、最終段階での吸着処理の効率はかなり低くなっていたと判断される。

これに対して、図１の装置では、第１段階の吸着工程は従来の場合の約半分の時間で終わり、この時の出口側の相対湿度は約３０％であるので最大含水率αは１２％とまだ高く、吸着駆動力も高い段階である。そして、ここで処理空気を蒸発器４６により冷却することで相対湿度が上昇（この例では１００％まで）するので、図４に点Cで示すように第２の吸着ゾーン２８ｂの最大含水率αは４０％となり、デシカントの吸着駆動力が回復した状態で吸着処理が継続される。このようにして、総計の処理時間あるいはデシカントの量は同じでも、従来の場合のように吸着駆動力の落ちた状態で処理を継続するのではなく、２つの処理の間で処理空気を冷却することにより吸着駆動力を回復させ、反応速度を高めているので、所定の処理時間においてより高い吸着作用を得ることができると考えられる。

また、吸着効率向上の第２の理由として、この実施の形態では、第１の吸着ゾーン２８ａの下流で処理空気流路２４を反転させて第２の吸着ゾーン２８ｂに第１の吸着ゾーン２８ａと反対側から流入させていることが挙げられる。吸着ゾーンの出口側は上述したように実際の含水率βは低い状態であるので、冷却により最大含水率αが上昇することで吸着駆動力が高くなり、これにより吸着量の偏在を修正してデシカントの全体を活用して吸着量を増大させることができる。

次に、脱着工程について説明する。脱着工程も基本的に考え方は吸着工程と同じである。すなわち、図４に示す吸着駆動力と同じように脱着駆動力を最大含水率α’とその時の実際の含水率β’の差として定義すれば、間に再生空気の再加熱を挟む２段階の再生工程とすることにより、高い温度の熱源を使って１回の脱着を行う従来の場合より高い脱着量を達成することができる。これは、従来の場合の図９の点（７）と本発明の図３の点（９）の縦軸位置（絶対湿度）を比較すると、後者の方が高い位置に有ることから理解できる。

なお、図１の実施の形態では、吸着ゾーンと再生ゾーンの比率は等しく設定されており、これは吸着と脱着の工程が同じであることを意味している。しかしながら、使用するデシカント素材の特性や熱源の温度条件等によって最適な吸着・脱着処理時間比率は変化するので、これらの条件に応じて適宜に設定することが望ましい。また、各ゾーンにおける第１および第２のゾーンの比率も同様に適宜の比率に設定することができる。これらの調整は仕切板１６ａ，１６ｂ，１８，２０，２２の位置を変えて各ゾーンの中心角を変更することで容易に行うことができる。また、この実施の形態では、吸着処理後の処理空気の温度が室内空気より高くなっているが、これは例えば第２の吸着ゾーン２８ｂの出口に第２の低熱源熱交換器を設けて顕熱を取り除くようにすることで対処できる。

また、例えば、デシカントの素材が充分な吸着または脱着性能を持っている場合、ゾーンの分割をいずれか一方の工程だけに行うようにしてもよい。図５は、脱着性能が高いデシカントを用いる場合に、吸着ゾーンのみを分割するようにしたものである。さらに、図６は、図１の実施の形態に対して再生空気流路２６と処理空気流路２４の流入口・流出口の位置が反対側に来るようにしたものである。これは、単にこれらの空気流路への外部配管の都合を考慮したもので、状況に合わせて図１のタイプと図６のタイプのいずれかを選択すればよい。

また、上記の実施の形態では、熱源として低熱源および高熱源を供給できるヒートポンプである蒸気圧縮冷凍機３６を用いたが、もちろん他の形式の適宜なヒートポンプを使用することができる。また、空調装置が設置される状況において入手可能な個別の熱源を適宜に採用することによって省エネルギー効果を得ることもできる。図７は、そのような構成を示す実施の形態であって、高熱源として例えば工場からの低温廃熱４８を、低熱源として大地熱５２や地下水をそれぞれ利用するものである。

この発明の実施の形態のデシカント空調装置の構成を示す図である。 図１のデシカント空調装置の変形例の構成を示す図である。 図１のデシカント空調装置の動作を説明する湿り空気線図である。 図１のデシカント空調装置における吸着駆動力を説明する図である。 この発明の第２の実施の形態のデシカント空調装置の構成を示す図である。 この発明の第３の実施の形態のデシカント空調装置の構成を示す図である。 この発明の第４の実施の形態のデシカント空調装置の構成を示す図である。 従来のデシカント空調装置の構成を示す図である。 図８のデシカント空調装置の動作を説明する湿り空気線図である。

符号の説明

１０ デシカントロータ
１２ ケーシング
１４ モータ
１６ａ，１６ｂ，２２ 仕切板（横）
１８，２０ 仕切板（縦）
２４ 処理空気流路
２６ 再生空気流路
２８ 吸着ゾーン
２８ａ 第１の吸着ゾーン
２８ｂ 第２の吸着ゾーン
３０ 再生ゾーン
３０ａ 第１の再生ゾーン
３０ｂ 第２の再生ゾーン
３２，３４ 送風機
３６ ヒートポンプ（蒸気圧縮冷凍機）
３８ 冷媒流路
４０ 圧縮機
４２ 凝縮器（高熱源熱交換器）
４２ａ 第１の凝縮器（第１の高熱源熱交換器）
４２ｂ 第２の凝縮器（第２の高熱源熱交換器）
４４ 膨張弁
４６ 蒸発器（低熱源熱交換器）
４８ 低温廃熱
５０ａ，５０ｂ 高熱源熱交換器
５２ 大地熱
５４ 低熱源熱交換器

Claims (4)

1. 処理空気が流れる処理空気流路と、
   再生空気が流れる再生空気流路と、
   これらの処理空気流路および再生空気流路に跨って回転するデシカントロータとを備え、
   前記処理空気流路は、前記デシカントロータの第１および第２の吸着ゾーンを処理空気が順次通過する際に前記デシカント処理空気の水分が吸着されるように構成され、
   前記再生空気流路は、前記デシカントロータの再生ゾーンを再生空気が通過する際に前記再生空気がデシカントロータの水分を脱着するように構成され、
   さらに、前記再生ゾーンに入る前の再生空気を加熱する高熱源熱交換器と、
   第１の吸着ゾーンと第２の吸着ゾーンとの間において前記処理空気を冷却する低熱源熱交換器とを備えたことを特徴とするデシカント空調装置。
2. 前記第１および第２の吸着ゾーンは互いの処理空気が対向流をなすように流れることを特徴とする請求項１に記載のデシカント空調装置。
3. 前記再生ゾーンは、互いに隣接しかつ再生空気が対向流をなすように流れる第１および第２の再生ゾーンからなり、前記第１の再生ゾーンと第２の再生ゾーンとの間において前記再生空気を加熱する第２の高熱源熱交換器とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデシカント空調装置。
4. 前記低熱源熱交換器を低熱源とし、前記高熱源熱交換器を高熱源とするヒートポンプを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のデシカント空調装置。

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