JP2009524400A - 回転式空気間エネルギー回復および乾燥除湿システムのホイールを回転するためのシステムおよび方法における改善 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの逆流する空気流間での熱および／または水分の交換を提供する移動ホイールを回転するシステムおよび方法。
【解決手段】該システムは、フレームと、２つの逆流する空気流を通って回転し、熱および／水分が２つの逆流する空気流の間で移動することができるようにフレームに対して取り付けられ、回転可能に固定された伝達マトリックスを含む伝達ホイールと、モータの回転子として機能するようにホイールに対して固定して取り付けられた第１の複数のモータ要素と、モータの固定子として機能するようにフレームに対して固定して取り付けられた第２の複数のモータ要素とを備え、第２の複数のモータ要素に供給された電力により、伝達ホイールが２つの逆流する空気流を通って回転する。
【選択図】図１

Description

（関連出願）
本出願は、２００６年１月１９日に出願された米国仮特許出願第６０／７６０、２８７号に関連し、優先権を主張する。

（分野）
本開示は、一般的にエネルギーおよび水分伝達ホイール、さらに具体的には、回転式空気間のエネルギー回復および能動および受動的加湿および除湿システムのそのようなホイールの回転を制御する方法のためのシステムにおける改善に関する。

エネルギーおよび水分伝達ホイールは、２つの逆流する空気流の間の熱および／または水分の移動をもたらすことで周知である。そのような伝達ホイールは、一般的に、建物内の空気温度および／または湿度を制御するために使用され、逆流する空気流は、流入および流出する空気であり得る。

通常、駆動モータは、滑車および駆動ベルトと共に、伝達ホイールに隣接して取り付けられ、それにより、ホイールが動作中に軸の周囲を回転駆動できるようになる。さらに、通常、駆動モータは、そのような用途に一般的に使用される多くの選択肢から選択され、具体的な選択は、ホイールの大きさおよび重量および典型的には５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数、単相または３相の１２０から５７５ＶＡＣの範囲である利用可能な建物の電源などの、種々の要因により異なる。

従って、すべての予想できる電源および動作周波数の範囲内で動作できる単一モータを提供し、ならびに必要に応じて可変回転速度を提供することが望ましい。

２つの逆流する空気流の間で熱および／水分交換を提供する伝達ホイールを回転するためのシステムおよび方法。システムは、フレームと、２つの逆流する空気流を通って回転し、熱および／水分が２つの逆流する空気流の間で移動することができるようにフレームに対して取り付けられ、回転可能に固定された伝達マトリックスを含む伝達ホイールと、モータの回転子として機能するようにホイールに対して固定して取り付けられた第１の複数のモータ要素と、モータの固定子として機能するようにフレームに対して固定して取り付けられた第２の複数のモータ要素とを備え、第２の複数のモータ要素に供給された電力により、伝達ホイールが２つの逆流する空気流を通って回転する。

同一の参照文字表示を有する要素は、文中において同様の要素を表す、添付図面を参照する。

図１および２を参照すると、本開示は、逆流する熱および／または水分交換システム１４内の熱および／または水分伝達ホイール１２の一部として使用する熱および／または水分伝達マトリックス１０を提供する。伝達ホイール１２は、フレーム１６内の回転軸１８の周囲に回転可能に取り付けられる。伝達マトリックス１０は、２つの逆流する空気流の間で熱および水分を移動させるために、狭い空気路を備える。移動マトリックス１０は、より湿度の高い空気からより乾燥空気への水分の移動を強化するための１つ以上の乾燥剤をさらに含むことができる。フレーム１６は、逆流する空気流の空気が、実質的にすべて移動マトリックスを通過するように、実質的に移動ホイール１２を取り囲む単一のシールプレート、または複数のプレート片を含む。

図１および２に示すとおり、交換システム１４は、空気流システム２２に配置される。システム２２は、フローダクト２４、および（一つ、あるいは複数の）壁２８により分離される逆流ダクト２６を含むことができる。第１の空気流はフローダクト２４により受けられ、第２の空気流は逆流ダクト２６により受けられる。それぞれの名前が示すとおり、フローおよび逆流ダクト２４、２６は、ホイール１２を通して逆方向に空気流を向ける。１つの空気流は、一方に比べより温かい、および／またはより湿度が高く、それにより、ホイールが回転すると、一部の熱および／または水分がホイールにより移動する。あるいは、空気流システムは、２つの逆流する空気流が通るように設計され、伝達ホイール１２およびフレーム１６がその中に取り付けられるように構成されたキャビネットを含むことができる。

伝達ホイール１２は、フローダクト２４および逆流ダクト２６を通して同時回転するように空気流システム２２内に取り付けられ、流れが確実にマトリックスを通るようにホイール１２とフレーム１６の間、および、ダクト２４と２６の間の漏出を防止するためにフローならびに逆流ダクト２４および２６の間に、ほぼ気密のシールを形成するホイール１２の外周を有する。ホイールの周りのシールによって、ホイールが回転する際、空気がマトリックスを通って流れることを確実とする。

移動ホイール１２の伝達マトリクス１０の狭い空気路は、ホイール１２の表面３０と３２の間に延在する。したがって、第１の空気流は、ホイール１２を通過し、第２の表面３２から第１の表面３０へ向かい、第２の空気流はホイール１２を通過し、第１の表面３０から第２の表面３２へ向かう。ホイールが回転すると、熱および／または水分を２つの空気流の間で交換することができる。

本開示の教示にしたがい、個別の駆動モータ、ベルト、滑車が排除され、ホイール１２およびフレーム１６に対してそれぞれ固定して取り付けられたモータ要素を含むように、移動ホイール１２およびフレーム１６は構成且つ配置され、それによりそこ（ホイール）に固定されたモータ要素は、モータの回転子として機能し、フレームに対して固定されたモータ要素は、モータの固定子として機能する。電力が固定子モータ要素に供給されると、ホイール１２が、２つの逆流する空気流を通って回転する。

使用されるモータ要素は、モータ設計により異なる。望ましくは、ホイール１２に対して固定されたモータ要素は、回転子として機能し、フレーム１６に対して固定されたモータ要素は固定子として機能する。固定子は、１つ以上の固定子電磁気磁極セグメントまたは磁極片を使用して、３６０度のホイールの円周の一部のみで作動することが望ましい。
これは、「不完全」固定子または固定子セグメントとも言われる場合がある。そのようなモータには多くの種類がある。例えば、ブラシレスモータ設計は、センサ付きブラシレスＤＣモータ、センサなしＤＣモータ、またはブラシレスＤＣモータの一形態であるＤＣステッピングモータの形態をとることができる。すべてのそのようなモータは、所望の配電を実行するために電子制御装置を使用する。そのような制御に適した制御装置の一つは、オン・セミコンダクタ社（Ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）により製造されるＭＣ３３０３３、ＮＣＶ３３０３３である。オン・セミコンダクタ（Ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）出版の、ブラシレスＤＣモータ制御器（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、出版注文番号（Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｏｒｄｅｒ Ｎｕｍｂｅｒ）：ＭＣ３３０３３／Ｄ、２００４年４月第７版１〜２４頁（Ａｐｒｉｌ、２００４、Ｒｅｖ．７、ｐａｇｅ１−２４）を参照されたい。

図３および４は、逆流交換システム１４のホイール１２およびフレーム１６の一実施形態を示す。上記システムは、ブラシレスＤＣモータ動作を提供するために、モータ要素を含むように変更されている。具体的には、ホイール１２は、ブラシレスＤＣモータの回転子として機能するように、ホイールに対して固定された第１の複数のモータ要素を含むように変更され、第２の複数の要素がそのモータの固定子として機能するように、フレームに対して固定される。電力変換器７０（必要に応じて、変圧器を含む）は、利用可能な電力を、ホイール１２を駆動するための適切な電力パラメータに適合するように変換するために提供される。電力変換器は、別のいかなる場所にも固定することができるが、フレーム１６に固定されて示されている。さらに、整流コントローラ７２は、同様に提供され、フレーム１６に付着して示される。固定子コイル７４およびバックアイアンアセンブリ７６は、フレーム１６に対して固定される。少なくとも３つの固定子コイル７４が使用され、３つのコイル７４がホイール１２の縁に隣接して位置付けられるようにフレーム１６に固定される。カバー８２は、整流コントローラ７２およびコイル７４を覆うために使用される。最後に、複数の整流センサ８０は、軸を中心に回転する際のホイール１２の位置を検出するためにフレーム１６に対して固定される。必要に応じて、センサ８０は、示すとおり、固定子コイル７４から間隔が開くように、または２つのコイル７４との間、または３つ以上のコイル７４の間に取り付けることができる。以下に具体的に記述するとおり、センサ８０も、センサなしブラシレスＤＣモータ設計を用いる際に除外することができる。さらに、大きいホイールには、付加トルクを提供するために固定子コイル７４の追加セットが使用される場合がある。３相モータ配列を使用する際に、少なくとも３つのそのようなセンサが提供され、４相モータ配列を使用する際に、少なくとも２つのそのようなセンサが使用されることが好ましい。

図３および４に示すホイール１２も、モータ要素を含むように変更されている。ブラシレスＤＣモータとして機能するために、ホイールは、縁周辺に分配された複数の永久磁石部分を提供するために、ホイールの縁に断続的に配置されたバックアイアンまたは類似の強磁性体の形態である連続ベースストリップ８４および可塑性のセグメント化された接触子磁気ストリップ８６と共に提供されることが望ましい。ストリップ８６の代替として、ホイールに、互いに離れた複数の永久磁石が、縁周辺に分配されて提供される場合がある。ベースストリップ８４は、磁気ストリップまたは永久磁石の方向付けをする。図３に最もよくみられるように、磁気ストリップ８６（または、永久磁石の交互配列が使用される場合）は、ホイール１２の縁を移動するにしたがって、Ｎ極およびＳ極を交互に繰り返す電磁気のパターンを提供する（図３に最もよく見られる）。

動作中、外部電力は電力変換器７０に供給され、次いで、電力変換器は、適切なパラメータ範囲内の適切な電力をコントローラ７２に供給する。コントローラ７２は、ホイールの縁通る、具体的には、磁気ストリップ８６およびベースストリップ８４に対してパルス状の磁束フィールドを生成するために固定子コイル７４に必要な駆動信号を提供する。これにより、ホイールを回転させる電磁力（ＥＭＦ）が発生する。コントローラ７２はに、入力が提供され、それにより、実質的にすべての交換システムの動作の予想モ−ドに適応し、且つ回転が望ましくない場合に確実に回転しないようにしながら、ホイールの回転速度を容易に制御することができる。

センサを使用するタイプおよびセンサなしのブラシレスＤＣモータは、ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ＿ＤＣ＿ｅｌｅｃｔｒｉｃ＿ｍｏｔｏｒ（２００７年１月１２日）に記載される。示すとおり、コントローラは回転子の回転を指揮するために使用される。センサを使用する設計には、コントローラは、（固定子コイルに対する）回転子の配置／位置を決定するために整流センサ配列を使用する。一部の設計は、ホール効果センサを使用するが、ある設計は、回転子の位置を直接測定するために、回転エンコーダなどの別の配列を使用することもできる。別の設計は、駆動していないコイル内のバックＥＭＦ（逆起電力）を測定して回転子の位置を推測することにより、個別の整流センサの必要性をなくしているため、多くの場合「センサレス」コントローラと呼ばれる。

センサタイプおよびセンサレスタイプ両方のブラシレスＤＣモータの一般的なコントローラは、大電流ＤＣ電力を駆動するための３つの双方向ドライバを含む。ドライバは、通常、論理回路により制御される。単純なコントローラは、出力位相を進めるべき時期を決定するためにコンパレータを使用し、より高度なコントローラは、加速、制御速度、および効率の微調整を管理するためのマイクロコントローラを使用する。バックＥＭＦ（逆起電力）に基づき回転子の位置を察知するセンサレスＤＣモータ用のコントローラは、回転子が静止状態の際、バックＥＭＦが形成されないために、動作を開始する上で追加課題を有する。通常、これは、任意位相から回転を開始し、次いで誤りであると分かった場合に正しい位相にスキップすることにより実現される。これにより、モータが一時的に後方向に作動し、起動順序においてより複雑さが増す。

ブラシレスＤＣモータは、いくつかの異なるな物理的形態で構成することができる。「従来」（「インランナ」としても知られる）の形態において、永久磁石が、回転接極子（回転子）に取り付けられる。複数の固定子巻線が、ホイールに隣接して提供される。巻線の数は、必要な位相数および電力により決定される。

記述されたとおり、変更された交換システム１４に使用するブラシレスモータ設計は、ステッピングモータの設計であってもよい。ステッピングモータとして構成される逆流熱交換器の一実施形態は、図５に示されており、そこで、フレーム１６は、コイルおよび磁極片アセンブリ９０を担持し、ホイール１２は、連続バックアイアン（強磁性体から成る）のベースストリップ９２および磁気ストリップ９４（あるいは、永久磁石）を担持する。磁気ストリップ（または極性を交互に替えた磁石）の極性は、ホイールの縁周辺でＮ極とＳ極を交互に繰り返す。コイルおよび磁極片アセンブリを、図６Ａ〜６Ｃにより詳細に示す。示すとおり、それぞれのアセンブリ９０は、リードワイヤ９８を有するセンターコイル９６を含む。コイル９６は、フレーム１６に取り付けられる際に、互いから半径方向に離れて配置される２つの磁極歯１００の間に置かれる。磁極歯および磁気ストリップ（または極性を交互に替えた磁石）の交互に替わる極性は、オフセットであり、それにより、すべての磁極歯が、常に、磁気ストリップ（または極性を交互に替えた磁石）のＮおよびＳ極のすべてと配向することがないようになる。ＡＣ信号は、適切な電力変換器（図示せず）からコイル９６に適用することができる。

ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｔｅｐｐｅｒ＿ｍｏｔｏｒ（２００７年１月１２日）に記載するとおり、ステッピングモータは、センサ付きブラシレスＤＣモータと異なる動作をする。センサ付きブラシレスＤＣモータは、単に、固定子の駆動コイルに電圧がかけられた場合に回転する。一方、ステッピングモータは、効果的に、中央の回転子周辺に配置された複数の電磁石を有する。モータシャフトを回転するために、第１の電磁石に、固定子に提供されたコイルおよび磁極片の配置を介して電力が供給され、それにより、既定の角度だけ回転子を回転させる。固定子の磁極片に形成される磁場が、回転子に提供される磁場と配向する場合、それらは隣の電磁石からわずかにオフセットされる。したがって、隣の電磁石が作動し、第１の電磁石が停止すると、回転子は隣の電磁石に配向するためにわずかに回転し、そこから、回転を生じるためにこのプロセスが反復される。これらのそれぞれのわずかな回転は「ステップ」と呼ばれる。この方法において、モータは正確な角度の増分で回転することができ、またはＡＣ駆動信号を固定子に備えるコイルに適用することにより、回転子は、継続的に回転することができる。ステッピングモータの電磁石コイル用に両極および単極という２つの基本的配置がある。

ステッピングモータは、共通点を有しないことに配慮した、（回転子および固定子の両方に）より多くの極を有するＤＣモータとして考えることができる。また、回転子および固定子上の多くの磁極歯を有する軟磁性材料は、極の数（リラクタンスモータ）を安価に倍増させることができる。これは、正弦波電流により駆動され、ステップレス動作を可能にするのが、理想的である。パルス幅の変調が、一般的に平均電流を制御するために使用される。両極コントローラは、供給電圧、アース、非接続間を切り替えることができる。単極コントローラは、電圧が既に接続されているため、ケーブルを接続または接続を絶つことのみが可能である。単極コントローラは、中心がタップされた巻線を必要とする。定格トルクを達成するために、ステッピングモータ内のコイルは、各ステップ中に、定格電流に達しなければならない。

したがって、本開示にしたがい、新規かつ改善された熱および／または水分交換システムおよび方法が記述された。本明細書の記述される例示的実施形態は、制限する目的ではなく、むしろ例示目的として示され、種々の変更、組み合わせ、代用は、広範囲の側面および添付請求項に説明される、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、当業者により行うことができる。したがって、モータ要素を熱および／または水分逆流交換システムのホイール１２およびフレーム１６に提供することにより、駆動モータ、ベルトおよび滑車の必要性がなくなる。さらに、考えられるホイールの大きさおよび電源の範囲を含むすべての潜在用途を対象とするために必要な設計上の選択少なくなくなる。また、ホイール１２は、ゼロから定格のｒｐｍにわたって、より良く制御することができる。

本書に開示するとおり、本開示の新規かつ改善された熱交換システムおよび方法、ならびにそのすべての要素は、以下の少なくとも１つの請求項の範囲に含まれる。現在開示されたいかなるシステムおよび方法の要素も、放棄されることを意図しておらず、請求項の解釈を必ずしも制限することを目的とするものではない。これらの請求項において、単数の要素の参照は、具体的に記載されないかぎり、「１つおよび１つのみ」を意味するのではなく、「１つ以上」を意味することを意図するものである。当業者に周知である、または後に知られる本開示に記載される種々の実施形態の要素の構造的および機能的等価形態は、参照することにより明確に本書に組み込まれ、請求項により包含されることを目的とする。また、そのような開示が請求項に明白に言及されているかどうかに関わらず、本書に開示されないものは、一般向けを目的とする。請求要素が、「の方法」の語句を使用して明白に言及されないかぎり、または方法の請求の場合、「のステップ」の語句を使用して要素が言及されないかぎり、いかなる請求要素も、３５３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１２、第６段落に準拠しないものとする。

逆流エアーシステム内に配置された熱および／水分逆流変換システム内に配置された逆流熱交換器の断面の側面図を示す。 熱および／水分逆流交換システムのフレームおよびホイールの正面図である。 熱および／または水分逆流交換システムに使用する組み立てられたブラシレスＤＣモータ配列の斜視図である。 図３のモータ配列の分解図である。 熱および／または水分逆流交換システム用のステッピングモータ配列の全面図である。 図６Ａ〜Ａ６Ｃは、図５に図示したステッピングモータ配列に使用する磁極片アセンブリの斜視図、側面図および正面図である。

Claims (9)

1. ２つの逆流する空気流の間の熱および／または水分交換を提供するためのシステムであって、
   フレームと、
   前記２つの逆流する空気流を通って回転し、熱および／または水分が前記２つの逆流する空気流の間で移動することができるように、前記フレームに対して取り付けられ、回転可能に固定された伝達マトリックスを含む、伝達ホイールと、
   モータの回転子として機能するように、前記ホイールに対して固定して取り付けられた第１の複数のモータ要素と、モータの固定子として機能するように、前記ホイールに固定して取り付けられた第２の複数のモータ要素と、を備え、
   前記第２の複数のモータ要素に供給される電力により、前記伝達ホイールが前記２つの逆流する空気流を通って回転する、システム。
2. 前記第１の複数のモータ要素は、回転子として機能するように構成され、前記第２の複数のモータ要素は、ブラシレスモータの固定子として機能するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記モータ要素は、永久磁石を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第２の複数のモータ要素は、前記フレームに対して構成され取り付けられた固定子磁場コイルを含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１の複数のモータ要素は、回転子として機能するように構成され、前記第２の複数のモータ要素は、センサ付きブラシレスＤＣモータの固定子として機能するように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１の複数のモータ要素は、回転子として機能するように構成され、前記第２の複数のモータ要素は、センサなしブラシレスＤＣモータの固定子として機能するように構成される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１の複数のモータ要素は、回転子として機能するように構成され、前記第２の複数のモータ要素は、ステッピングモータの固定子として機能するように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記伝達マトリックスは、水分を、逆流する空気流の間で移動させ、前記空気流のうちの１つの加湿を強化するために使用される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記移動マトリックスは、水分を、逆流する空気流の間で移動させ、前記空気流のうちの１つの加湿を低減するために使用される、請求項１に記載のシステム。

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