JP2011511244A - 除湿のために、膜に含有された液体乾燥剤を用いる間接蒸発冷却器 - Google Patents

Abstract

液体冷却剤および排出またはパージ空気の流れを用いて、流入供給空気を第１の温度から第２のより低い温度まで冷却する間接蒸発冷却器である。この冷却器は、流入供給空気のための第一フローチャネル、および第１フローチャネルに隣接する、排出空気のための第２フローチャネルを含む。第１および第２フローチャネルは、膜シートによってある程度規定される。膜シートは、熱が流入供給空気から液体冷却剤に伝達されるにつれて、質量が蒸気として、流入供給空気から膜を通って除湿のために含有されている液体乾燥剤および排出空気へと伝達されるように、水蒸気に対して浸透性である。分離壁は液体乾燥剤と液体冷却剤を仕切るが、供給空気から、水蒸気を逆流または直交流の排出空気へと放出する冷却剤へと熱が伝達されることは許容する。

Description

米国政府は、ユナイテッド ステイツ デパートメント オブ エナジーと、ミッドウエスト リサーチ インスティチュートの一部門であるナショナル リニューワブル エナジー ラボラトリーのとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ３６−９９ＧＯ１０３３７に従い、本発明における権利を有する。

適切に換気および冷却され、また適切な湿度コントロールを有する快適かつ健康的な室内環境を提供するために、空調設備は世界中で使用されている。従来の空調設備システムは供給空気を調整するのに有用であるが、大量のエネルギー（例えば電力）を使用するため、運転にはコストがかかる。エネルギーへの需要増加により、空調設備のコストは増大することが予測され、より効果的な空調設備の方法および技術に対する需要が高まっている。また、例えば、従来の多くの冷却剤のように、放出または液漏れの際に環境を破壊するおそれのある化学物質および材料を使用しない冷却技術に対する需要も高まっている。保守管理もまた多くの空調設備技術に関する懸念であり、結果として、とりわけ住宅での使用に対して保守管理の要求が増大すると認められる新しい技術は全て、市場からの抵抗を受けるだろう。

蒸発冷却器は、空調設備の需要またはニーズに応えるためにいくつかの状況で用いられているが、数多くの制限ゆえに、従来の蒸発冷却器は商業用または住宅用の建物での使用には広く取り入れられていなかった。しばしばスワンプ・クーラー（swamp cooler）と称される蒸発冷却器は、単純な空気中の水分の蒸発によって冷却をもたらす装置であって、蒸気圧縮または吸収による冷却サイクルを用いる冷却または吸収装置を使用する従来の空調設備とは対照をなす。蒸気冷却の使用は一般的に、米国西部などの、高温で湿度が低い気候に限られていた。そのような乾燥した気候においては、従来の蒸発冷却器の取り付けおよび運転コストは、冷却剤による空調設備よりも低い。住宅用および産業用の蒸発冷却器は一般的に、水分と混合されている暖かく乾いた空気を用いて水分を蒸気に変え、蒸発の潜熱を用いて冷たく湿った空気を生み出す直接的な蒸発冷却を使用する（例えば、相対湿度が５０〜７０％である冷たい空気）。例えば蒸発冷却器は、ファンまたは送風機を含むベント側、ファンを運転する電気モータ、および蒸発冷却パッドを濡らす水ポンプ備える、囲いのある金属またはプラスチックの箱において、提供され得る。冷却をもたらすために、ファンはユニット側にあるベントおよび湿らされたパッドを通して周囲の空気を引きこむ。空気中の熱はパッドからの水分を蒸発させ、パッドは冷却工程を続けるために連続的に濡らされる。冷却され、かつ湿った空気はその後、屋根または壁にあるベントを通して建物へと運ばれる。

蒸発冷却器の運転コストは、冷却剤による空調設備の４分の１程度であるが、より効率がよく低コストの調整技術に対するニーズに応えるためには、広く取り入れられてこなかった。多くのサンプ・クーラー（sump cooler）に関する１つの問題は、一定の条件においてこれらの蒸発冷却器が、充分に冷却された空気を提供するように作動できないということである。例えば、流入空気が華氏９０度で５０％の相対湿度である場合、空気は華氏７５度程度までしか冷却されず、このような冷却は特定の空間を冷却するのに適切でないおそれがある。この問題は、例えば華氏１００度を大幅に上回る気温ではさらに深刻化し、このような気温は米国の南西部および他の場所で多く見られる。結果として、空調設備システムは、蒸発冷却器からの流出空気を冷却するために、冷却剤による空調設備を含む必要があり、これは購入、運転、保守管理がより高額なシステムを招く。

また、従来の蒸発冷却器は空気の除湿をもたらさず、実際、相対湿度が８０〜９０％である流出空気は、非常に高い湿度の空気は建物の使用者のための蒸発率を低下させ（例えば、快適水準を低下させる）、また腐食または他の問題を招く結露を引き起こす場合があることから、非常に乾燥した環境でしか条件を満たさない。除湿は、いくつかの蒸発冷却器において第２または後の段階として、例えば液体乾燥剤を空気流チャネルまたはチャンバの壁に沿って運ぶことによりもたらされるが、このようなシステムは、増大する運転および保守管理のコスト、および調整された空気と共に放出される乾燥剤を有する懸念から、広く取り入れられていなかった。一般的に、蒸発工程は、冷却パッドまたは冷却器の他の表面上での鉱床を引き起こすおそれがあり、これらはシステムの性能を維持するためには冷却器の清浄または取替えが必要であって、また水供給ラインは、オフ・シーズンの間システムを乾燥させるなどして凍結から保護される必要があるので、保守管理は蒸発冷却器に関する懸念である。これらおよびその他の懸念により、蒸発冷却器は、保守管理の懸念を軽減させつつも達成可能な冷却を改善する重大な改良がなされる（例えば、建物内で直接使用するために、充分に冷却された流出空気を提供する）まで、商業用および住居用の用途に利用できる、エネルギー効率のよい空調設備を提供するためには用いられないだろう。

上記した関連技術の例およびこれらに関する制限事項は、例証を意図するものであって、限定を意図するものではない。関連技術の他の制限事項は、明細書を読み込み、また図面を検討することに基き、当業者に明らかになるだろう。

以下の実施形態およびそれらの態様は、範囲内で非制限的な代表的かつ例証となることを意図されたシステム、道具および方法に関連して記載および説明される。様々な実施形態において、上記した問題の１つ以上が軽減または取り除かれ、その一方で他の実施形態は他の改良を導く。

本発明の目的は、１つには、間接蒸発冷却器または熱交換器において使用するための、質量／熱伝達アセンブリを提供することによって達成される。このアセンブリは、それぞれが第１の（または上側の）層または膜材料のシート、分離壁、および第２の（または下側の）層または膜材料のシートを含むものを交互に積み重ねることで形成される。各層の膜または膜材料は、蒸気の状態において水分子に浸透性であり、一方で分離壁は、水に対して不浸透性であるが熱伝達を許容する（例えば、薄い層および／または熱を伝導する材料で作られる）。隣接する積層の組の第１の部分では、水などの冷却剤が第１の膜層および分離壁の間を流れ、液体乾燥剤が分離壁および第２の膜層の間を流れるが、隣接する積層の組の第２のまたは次の部分では、流れの順序が逆になる。交互の供給および排出空気流チャネルまたはチャンバを形成するために、この順序付けは質量／熱伝達アセンブリを通して繰り返される。供給空気（または調整されるべき空気）は、第１の積層の組の間のチャネルを通して導かれるが、あらかじめ冷却された排出空気の部分（例えば、積層を流れることによって冷却される供給空気の一部分）は、積み重ねの第２のまたは次の積層の組の間のチャンバを通して導かれる（例えば、一般的には入ってくる供給空気の流れに関して逆流の配置で）。液体乾燥剤は、供給流入空気流に近接して提供され、一方で水などの冷却剤は、水が浸透する膜によってこれら流れる液体から分離されているだけの空気を伴う排出空気流（つまり、排出されるように導かれる供給流出空気流の一部分）に近接して提供される。供給空気流入空気流、供給流出空気流、排出空気流、液体乾燥剤の流れ、および冷却液の流れは、１つ以上の種々のアセンブリを介すなどして質量／熱伝達アセンブリに配管され、種々のアセンブリは、単一ユニットとしてハウジングで提供されてもよい（例えば、間接蒸発冷却器）。

一般的な実施形態において除湿および蒸発冷却は、処理されるべき空気と、液体および／または気体物質（例えば、液体乾燥剤、水、乾燥した空気など）との分離を膜によって行うことで達成される。この膜は、蒸気の状態において水分子に浸透性である１つ以上の物質または材料で形成される。膜を通した水分子の浸透は、１つ以上のプロセス空気流の除湿（またはいくつかの実行における除湿）および蒸発冷却の駆動力（またはそれらを可能にするもの）である。前述のように、複数の空気流は、あらかじめ冷却された供給空気の排出空気流などの二次的な（パージ）空気流が、加湿され、また後に供給流出空気流として建物へと導かれる（例えば住居用または商業用の建物などのための補給空気）供給流入空気流などの一次的な（プロセス）空気流からエンタルピーを吸収するように、質量／熱伝達アセンブリ中のチャンバを通して流れるように配置される。プロセス空気流は充分に冷却され、またいくつかの実施形態においては、供給流入空気流チャネルまたはチャンバの横壁を規定する膜に含有される液体乾燥剤の流れを提供することによって、同時に除湿される。

また、いくつかの実施形態においてこの膜は、膜が排出気流からの冷却剤の液体を抑制または分離するように、排出（例えば、逆流の）空気流チャネルまたはチャンバの横壁を規定するためにも使用される。材料／表面または他の装置の運搬は、水の流れを阻止するためまたは抑制するために使用され得るが（例えば、直接接触する運搬表面は、膜によって含有される液体乾燥剤の使用と共に用いられ得る）、膜による液体抑制は、本明細書に記載される冷却、除湿、および／または加湿を提供する熱および質量交換器／アセンブリの構造に有用である、積層または種々の構造の組み立てを容易にする。このような構造では、蒸発冷却ユニットにおいて、所望の熱および質量の同時伝達を行うために、気流は逆流、あらかじめ冷却された流出空気に対して逆流、直交流、並流および衝突流で設置され得る。

例として挙げるものであって制限するものではないが、ある実施形態は、液体冷却剤の流れおよび排出またはパージ空気の流れを用いて、流入供給空気の流れを第１温度から第２のより低い温度へと冷却する間接蒸発冷却器を含む。この冷却器は、流入供給空気の流れが流れる第１フローチャネルと、排出空気の流れが供給空気の入口または第１温度よりも低い温度で流れる、第１フローチャネルに隣接する第２フローチャネルとを含む。第２フローチャネルは、１つには、水蒸気に対して浸透性の膜または膜材料、またそうでない場合には液体冷却剤を含有する膜または膜原料のシートによって、形成または規定される。このようにして冷却剤は、第２フローチャネル内で（空気とは直接接触せずに）膜側を流れるが、質量は、流入供給空気から液体冷却剤に熱が伝えられた際またはこの熱伝達を受けて、蒸気として膜を通して排出空気へと運搬される。いくつかの場合または構成においては、後に明確になることであるが、供給空気流（または流入供給空気）はこの第１段階において冷却および除湿される。第２段階は空気流を非常に低い温度まで充分に冷却するために提供でき、供給流入空気はあらかじめまたは第１段階で除湿されているため、温度は当初の供給流入空気の露点を下回る場合がある。

膜シートから離れて配置される分離壁は、液体冷却剤のフローチャネルを規定するために用いられ、この壁は、冷却剤に対して不浸透性である一方で、熱を伝導または熱が流入空気供給から冷却剤へ伝達されることを許容する材料（プラスチックなど）によって形成されている。第２の膜シートは、液体乾燥剤のフローチャネルを規定するために、上記の分離壁の反対側から離れて配置され得る。運転の間、水蒸気は膜を通して流入供給空気の流れから液体乾燥剤へと移され、これは流入供給空気が同時に冷却および除湿されるという結果を招く。この膜は液体冷却剤および液体乾燥剤の流れを妨害さらには完全に遮断するために効果的であるが、その一方で水蒸気の流れは許容し、いくつかの実施形態においては、冷却剤は水であって乾燥剤はハライド塩溶液（例えば、ＣａＣｌなどの弱い乾燥剤）である。排出空気はいくつかの場合（例えば、第１フローチャネルを抜け出る時に）、第２のより低い温度まで冷却された後の流入供給空気の流れの再び導かれる部分であって、排出空気は、第１フローチャネルを流れる供給空気に関して交差、逆またはそれらの組み合わせである第２フローチャネルを通して一方向に流れる。

他の代表的な実施形態においては、住居用または商業用の建物のために、プロセス空気または戻り空気を調整する方法が提供される。この方法は、プロセス空気を、第１フローチャネルを通して導く第１導入段階、および第１フローチャネルを規定する１つ以上の壁に隣接する液体乾燥剤の気流または体積を導く第２段階を含む。この液体乾燥剤は、液体乾燥剤を含有し、かつプロセス空気からの水蒸気が、液体乾燥剤へ流入し該乾燥剤により吸収されることを許容し、これによりプロセス空気を除湿する膜によって（例えば、膜は壁を備える）プロセス空気から離れて配置される。この方法は、第１および第２導入段階に伴って、第１フローチャネルに近接する（例えば、平行かつ隣接する）第２フローチャネルを通して、パージ空気の流れを導く第３導入段階をさらに含む。パージ空気は、第１フローチャネルにおけるプロセス空気の全てまたは少なくとも実質的な部分よりも、低い温度である。いくつかの場合では、パージ空気は、第２フローチャネルを通るプロセス空気に関して逆流の方向に向けられる第１フローチャネルを抜け出る、除湿されたプロセス空気の一部分である。この方法はまた、第２フローチャネルの壁に隣接する液体冷却剤の流れを導く第４導入段階を含む。液体冷却剤もまた、質量が冷却剤からパージ空気へ運搬されるように、冷却剤からの蒸気に浸透性である膜によって空気から離れて配置される。この方法は、プロセス空気の除湿および冷却を、同時に（または単一段階で）提供する。

他の態様によれば、質量および熱伝達アセンブリは、間接蒸発冷却器および交換器において使用するために備えられる。このアセンブリは、上側の膜、下側の膜、および上側の膜と下側の膜の間の分離壁を含む第１の積層を含む。上側および下側の膜は、水蒸気に対して浸透性であり、分離壁は液体および蒸気に対して実質的に不浸透性である。第２および第３の積層もまた、それぞれが上側の膜、下側の膜、およびそれらの間の分離壁を含むように提供される。このアセンブリにおいて、第１の積層および第２の積層は、空気（例えば、調整されるべき空気）の第１の流れを受け取るフローチャネルを規定するために離れて配置され（例えば、およそ０．２５〜０．５インチ未満離れて）、第２および第３の積層は、空気の第２の流れ（例えば、空気の第１の流れに関して直交流または逆流に方向づけられるパージまたは排出空気）のためのフローチャネルを規定するために離れて配置される。いくつかの構造および／または運転モードにおいて、この装置は蒸発冷却のみを行い、除湿は行わない。この場合、膜はパージ側でのみ使用され、壁のもう一方の側は供給空気が熱を交換するために露出したままにされる。

第１、第２、および第３の積層は一組の積層と考えられ、アセンブリは、膜および分離壁の積層または層によって隔てられる複数の空気流チャネルを規定するために、このような積層の組を複数含む。仕切り板または隔離板は、膜の間隔を維持しつつ、チャネルにおける空気流の流れを可能にするために、フローチャネルに備えられ得る。アセンブリは第１の積層において、上側の膜と分離壁との間を流れる液体冷却剤、および分離壁と下側の膜との間を流れる液体乾燥剤をさらに含んでもよい。第２の積層において、液体乾燥剤は上側の膜と分離壁との間を流れ、一方で液体冷却剤は分離壁と下側の膜との間を流れる。第３の積層において、液体乾燥剤は上側の膜と分離壁との間を流れ、一方で液体冷却剤は分離壁と下側の膜との間を流れる。液体冷却剤は水でもよく、運転中に、水蒸気は膜を通って冷却剤から空気の第２の流れへと伝達され得る。液体乾燥剤は塩溶液（例えば、ＣａＣｌなどの弱い乾燥剤）でもよく、運転中またはアセンブリの使用中に、水蒸気は膜を通って空気の第１の流れから液体乾燥剤へと伝達され得る。これにより、空気の第１の流れは、除湿され、かつ同時により低い温度へと冷却される。

上記の代表的な態様および実施形態に加えて、さらなる態様および実施形態は、図面への参照および以下の記載の検討により明らかになるだろう。

代表的な実施形態は図面中の参照図において記載される。本明細書で開示される実施形態および図面は、制限的なものというよりも、むしろ例証的なものとみさなれることを意図する。

間接蒸発冷却器に、一体化型ユニットまたは単一段階において同時に行われる除湿を提供するために用いられる、浸透性の膜層またはアセンブリの代表的なものを含む、蒸発冷却器または熱交換器を概略的な形状で描く。 蒸発冷却器の別の代表的なものを描き、供給および排出空気流を、膜に含まれた液体乾燥剤および冷却剤（例えば、冷却水）に関して導き、冷却および除湿を達成するために組み合わせて使用される膜／壁／膜と積み重ねられるアセンブリを示す。 図２に示されたものと同様のものだが、排出／冷却済みの空気のために内蔵式の逆流通路を備えて構成される蒸発冷却器を示す。 代表的な熱交換器の上面図であって、図１〜３で示されるような、または本明細書で提示または記載される他の実施形態で示されるような、膜に基づくアセンブリによって提供される複数のチャネルまたはチャンバを通る空気流を描く。 図２に示される積層アセンブリおよび図４に示されるフロー配置を備える、蒸発冷却器または逆流の熱／質量交換器の代表的なモデリングを描く。 図２に示される積層アセンブリおよび図４に示されるフロー配置を備える、蒸発冷却器または逆流の熱／質量交換器の代表的なモデリングを描く。 図５に示されるように作られた交換器の長さに沿う空気流および表面温度のグラフである。 図５に示されるように作られた交換器の長さに沿う空気の湿度レシオ（humidity ratio）のグラフである。 図５に従って作られた熱交換器を通して流れる液体乾燥剤の濃度を示すグラフである。 図５に示されるように作られた冷却および除湿工程を示す湿度図表である。 他の代表的な熱交換器の上面図であって、図１〜３で示されるような、または本明細書で提示または記載される他の実施形態で示されるような、膜に基づくアセンブリによって提供される複数のチャネルまたはチャンバを通る空気流を描く。 図４および図１０に示されるものと同様の、他の代表的な熱交換器の上面図であって、異なる排出空気流を伴う異なるユニットの配置を示す。 図１０に示される熱交換器の構成のために、図５に示されるモデリングと同様に作られた冷却および除湿工程を示す湿度図表である。 間接蒸発冷却器を用いて調和空気を建物に提供するＨＶＡＣを描く。 図２の積層アセンブリを用いる図４の実施形態と同様に組み立てられたプロトタイプの１つの検査の結果を提供する湿度図表である。

以下では、除湿を伴う代表的な間接蒸発冷却器、およびこのような冷却器のための質量／熱伝達アセンブリを記述し、これらアセンブリは、流入空気流チャンバに、液体乾燥剤を含有する浸透性の膜シートによって規定される横壁を備える。これらアセンブリはまた、水などの冷却剤を含有する浸透性の膜シートによって規定される横壁を備える流出または排出空気流チャンバ（流入空気流に対して逆流のものなど）も含む。前述の実施形態において、膜は、一般的に蒸気状の水分（例えば、蒸気の状態の水）が、流入供給空気および蒸発を介した液体冷却剤などから、すぐに膜に浸透できるという意味では「浸透性」である。しかしながら、膜は一般的に、液状の水分がチャネルまたはチャンバを貫流することを阻止または遮断するものであって、実際にはチャネルまたはチャンバ内で流れるように導くものである。いくつかの場合においては、液状の水はおよそ２０ｐｓｉ未満、より一般的にはおよそ５ｐｓｉ未満の圧力で、膜により阻止される。いくつかの実施形態において冷却剤および液体乾燥剤は、およそ２ｐｓｉ未満の圧力で維持され、浸透性の膜は液状の水などの水分を阻止するが、一方で水蒸気は膜に浸透する。

以下の記載から明らかになることであるが、蒸発冷却器または質量／熱交換器などにアセンブリを用いることは、多くの利益を提供する。流入またはプロセス空気流は、同時または単一のチャンバ／段階で冷却され、かつ除湿され得る。一体化されたこの動作は、システムの大きさおよびコストを低下させると共に、要求される構成要素および装置も減らす（例えば、冷却した後に除湿し、および／または冷却剤などでさらに冷却するための、多段階ユニットまたは装置を必要としない）。液体乾燥剤による除湿を間接蒸発冷却に組み合わせることは、蒸発および吸収による、非常に高いエネルギー伝達率を提供する。この設計は、液体乾燥剤の冷却のための分離した装置（例えば、冷却塔または冷却装置）を必要としない液体乾燥剤システムを作り出す。積層配置または多層の質量／熱伝達アセンブリ（または種々のフローチャンバ／チャネル）は、極めて低流動性の液体乾燥剤の設計を可能にする。これは、１つには向上されたアセンブリの配置、および液体乾燥剤の温度を、従来の冷却塔技術で達成できる温度よりも低い温度まで減少させるアセンブリの能力によるものである。ゆえに、冷却器において、より高い濃度勾配の液体乾燥剤（例えば、２０パーセント・ポイントよりも高い塩化リチウム（ＬｉＣｌ）および他の乾燥剤に関しても同様の勾配）が存在し、これは以下の利点、すなわち、（ａ）冷却器で再利用するように乾燥剤を再度作り出すため（例えば、乾燥剤から水分を取り除くため）の、より高い熱性能係数（ＣＯＰ）、（ｂ）より良い稼働率による、より少ない乾燥剤の保管要件、（ｃ）塩化カルシウム（ＣａＣｌ）などの、ＬｉＣｌよりも安価な乾燥剤を使用する能力、を提供する。塩化カルシウム（ＣａＣｌ）は、吸収性質がＬｉＣｌほど好ましくないことから従来のシステムでは使用されてこなかったが、本明細書に記載の冷却器の実施形態によって提供される低温での運転が、ＣａＣｌおよび他の「より弱い」乾燥剤の性質を、より受容可能な、または好ましいものにする。

チャンバの横壁として膜を使用することは、逆流およびあらかじめ冷却された流出空気に対して逆流である実施形態の組立てを容易にする。水分子が浸透する膜による液体乾燥剤の封じ込めは、直接接触する配置の際の懸念であった、乾燥剤の少量の水滴が空気流に到達する液体乾燥剤の「持ち越し（carry over）」を排除する。本明細書に記載の実施形態はまた、水分の蒸発または吸収工程の間に生じる固形物の沈着を相当に減少させ、またはなくす（液体の流速は、潜在的な沈着物をさらに制御するのに充分な高さの水準で維持され得る）が、従来の蒸発冷却器では、付着物が保守管理および運転コストの増加を導く。

図１は、プロセスまたは流入空気流１２０（例えば、建物の換気システム中に供給される前に冷却および調整されるべき外気またはプロセス空気）を、共同または同時に除湿および冷却するのに有用な、蒸発冷却器（または質量／熱交換器）１００を概略的に描く。冷却器１００は、点線で示されるハウジングを備える単純な形式で示され、流入および流出ダクト、配管、および／または多岐管は示されていない。また、冷却器１００は、単一の質量／熱伝達積層１１０を伴って示されているが、一般的な冷却器１００においては、アセンブリに複数の空気および液体フローチャネルまたはチャンバを備え、積層１１０に関して記載される所望の質量および熱伝達機能を提供するために、示されている構造を繰り返すことにより（例えば、膜および壁によって規定されるチャンバを貫流する液体を交互にすることにより）提供される多数の積層１１０が存在する。

示されているように、流入空気流１２０は、１つには膜のシートまたは層１１２によって規定されるチャンバまたはチャネル内に導かれる。液体乾燥剤１２４は、膜１１２のもう一方の側にある隣接するチャンバまたはチャネルを流れる。液体乾燥剤１２４は、液状または蒸気状の水分子に浸透性であって、一方で一般的には液体乾燥剤１２４の成分には不浸透性である膜１１２によって阻止される。乾燥剤フロー１２４のためのチャンバも、チャンバまたは流路において液体乾燥剤１２４を阻止するために、流体フローに対して不浸透性である物質のシートまたは層（つまり、分離壁）１１４によって規定される。流れ１２０のためのチャンバもまた、液体乾燥剤の他のフローを阻止するために用いられる対向する膜（図示せず）により規定される。このような方法で、熱は流入空気流１２０を通り抜け、またはそこから取り除かれ、液体乾燥剤フロー１２４（および対向する横壁／膜の後ろの乾燥剤（図示せず））へと伝達される。水分１３０は浸透性の膜１１２を通って液体乾燥剤１２４へと流れることにより取り除かれるので、流入空気流１２０は同時に除湿される。

液体（または気体）乾燥剤１２４は、空気流１２０が膜１１２を通り抜ける際に、空気流１２０を除湿および冷却するよう作用するために、多くの形状で具体化できる。乾燥剤１２４は一般的に、流れ１２０などの空気流から水分および水蒸気を除去または吸収するために用いられるあらゆる吸湿性の液体である。好適には、選択される乾燥剤１２４はグリコール（ジエチレン、トリエチレン、テトラエチレンなど）などの再生可能な乾燥剤（例えば、吸収された水分を分離および／または除去できる乾燥剤）、ＬｉＣｌ、ＣａＣｌなどの塩濃縮またはイオン塩溶液、または他の乾燥剤である。膜１１２は、液体乾燥剤１２４、および一般的には冷却剤１２６（例えば、水など）を阻止するために機能する一方で、液状または蒸気状の水分子に浸透性であるあらゆる物質によって形成され得る。例えば、水分子と同程度の大きさまたは水分子よりも少し大きい気孔を有する高分子膜を用いることができ、いくつかの場合においてこの膜は、膜１１２を通して高い流動性を備える水分子を提供するよう適合されることも可能である。ある特定の実施形態においては、膜１１２はWnekに付与された米国特許第６，４１３，２９８号明細書に詳細に記載されているような膜材料によって形成され、これより、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする。また、膜材料は多くの卸業者または製造業者からも得ることができ、例えば、これに限定するわけではないが米国フロリダ州のDias-Analytic Corporation, Odessaから得られる。膜１１２、１１８および分離壁１１４もまた、好適には乾燥剤の腐食作用に抵抗する材料から形成される。この点で、これらは壁を有する重合体またはプラスチックから加工され、いくつかの場合においては、プラスチックと比較してより高い熱伝導性を提供する耐食金属または合金から形成される。

示されている実施形態１００は、あらかじめ冷却された排出空気流１２８の逆流（流入空気流１２０に関して）のために構成される。他の実施形態は、交差流（およそ９０度の流路）または順逆流（ちょうど逆または反対の方向ではないが、空気流１２０に関して９０度よりも大きい流路などの横軸）を用いる。排出空気流１２８は、膜のシートまたは層（例えば、第２のまたは下側の膜）１１８および他の積層（図示せず）の上側の層によって規定されるチャネルまたはチャンバ中を流れる。分離壁１１４および膜１１８は、冷却剤フロー１２６のためのフローチャンバまたはチャネルを規定し、冷却剤フロー１２６は一般的には水などのフローである。熱は分離壁を通して液体乾燥剤１２４から冷却剤１２６へと伝達され、冷却剤１２６は、熱および質量（例えば、水または他の湿度１３２）が膜１１８を介して排気流１２８へと伝達されるにつれ冷却される。熱伝達は図示されていないが、一般的には膜１１２を通って液体乾燥剤１２４へと流れ、分離壁１１４を通って液体乾燥剤１２４から冷却剤１２６へと流れ、さらに膜１１８を通って冷却剤１２６から排出空気流１２８へと流れる。膜１１２、１１８は比較的薄く、一般的には０．２５インチ未満、より一般的には１００〜１３０ミクロンなどの０．１インチ未満の厚さｔ_memを有する。膜１１２、１１８は制御されない場合外側へ広がる傾向を有し、図３に示されるものなどのいくつかの実施形態においては、隣接する膜（例えば、空気流のための穴または開口部、およびジグザグ、Ｓ字またはＷ字状の、もしくは膜１１２、１１８との比較的小さな接合点を多く提供する他の断面（または横面）を備えるプラスチックまたは金属網）の分離を維持するために、流入空気流１２０および流出空気流１２８において（つまり、空気流チャンバにおいて）仕切り板または「流れ場（flow field）」支持材が備えられる。分離壁１１４もまた一般的には、乾燥剤１２４と冷却剤１２６との間の熱伝達を容易にするため比較的薄く、例えば０．１２５インチ未満の厚さｔ_wallを有する。空気、乾燥剤、および冷却剤のためのフローチャンバもまた比較的薄く、いくつかの実施においては１インチの厚さ（または深さ）未満のチャンバを用い、一方で他の実施ではおよそ０．２５インチ以下など、０．５インチ未満のチャンバを用いる。

図２は、除湿および冷却が単一の段階内で生じ、ゆえに一体または単一の装置である質量／熱交換装置を提供するために、膜／分離壁／膜の積層またはアセンブリの構成を利用する間接蒸発冷却器２１０を描く。いくつかの実施形態（図示せず）においては、乾燥剤側の膜または乾燥剤フローは存在しない。ゆえにこれらの実施形態は、膜が液体冷却剤を含有するが液体乾燥剤を含有せず、また分離壁によりよい熱伝達面を提供するために、膜が一般的に供給空気側（または供給空気側のチャネル）に設けられない間接蒸発冷却器を提供するのに有用である。図２に示されるように、冷却器２１０は、積層または装置２１２、２３０、２４０から形成される質量／熱伝達アセンブリを含み、このような積層アセンブリは一般的に、冷却器２１０中に複数の流入および流出空気、冷却剤、および乾燥剤のフローチャネルまたはチャンバを設けるために、繰り返される。示されるように、それぞれの積層のセット（または層状アセンブリまたは装置）２１２、２３０、２４０は、膜、分離壁、膜を含むために、質量および熱伝達を可能にするよう分子程度の水に浸透性である膜と、熱伝達のみを可能にし質量伝達を許可しないように不浸透性（またはほぼ不浸透性）である壁により、同様に形成される。

とりわけ、積層２１２は上側の膜層２１４、分離壁２１６、および下側の膜層２１８を含む。仕切り板またはスペーサ（図示せず）は一般的に、冷却剤２１５および液体乾燥剤２１７のためのフローチャネルを規定するために、層の間隔をあける目的で提供される。例えば、隔離板を、冷却剤および再度作り出される乾燥剤のための供給ラインに接続をもたらし、様々な積層２１２、２３０、２４０を通るフローを規定する多岐管を提供し、冷却剤および希釈された乾燥剤のための戻りラインに接続をもたらすように構成することもできる。積層２３０および２４０も同様に、上側の膜層２３２、２４２、分離壁２３４、２４４、下側の膜層２３８、２４８を含む。積層２４０は積層２１２と同様に、上側の膜２４２および壁２４４の間のチャンバ中に導かれる（水などの）冷却剤２４３、および壁２４４と下側の膜層２４８との間を流れる乾燥剤２４６を有する。対照的に、積層２３０は、上側の膜層２３２および壁２３４により規定されるチャンバ内を流れるように導かれる液体乾燥剤２３３、および壁２３４および下側の膜層２３８により規定されるチャンバまたはチャネル内を流れるように導かれる冷却剤２３６を有する。

冷却器２１０は、供給流入空気２５０を、積層２１２および積層２３０の間のチャネルまたは流路を通して導くために、ダクトなど（図示せず）を含む。積層２１２、２３０、２４０および含有される流体のこのような配置は、供給流入空気２５０が、液体乾燥剤２１７、２３３を含有する膜２１８、２３２の表面を通り越すことを招く。結果として、空気２５０中の湿度が、浸透性の膜２１８、２３２を介して乾燥剤２１７、２３３によって吸収されるにつれて、除湿される供給流出空気２５４が排出される。冷却器２１０における冷却効果は、１つには、あらかじめ冷却された排出空気２５５として積層２３０、２４０の間のチャネルまたは流路を通って流れ、後に加温および加湿空気２５８として排出されるように、ダクト／多岐管（図示せず）によって冷却器２１０内に再度導かれる供給流出空気２５４の組立てによりもたらされる。熱は、壁２３６を通って乾燥剤２３３から冷却剤２３６へと移動し（同様の熱伝達が積層２１２、２４０においても生じる）、冷却剤２３６は膜２３８を介して熱および質量（例えば、水分子）を次の排出空気２５５へと伝達できる。前述のように、２１２、２３０、２４０により提供される積層パターンまたはセットは、空気、冷却剤、および乾燥剤のための膨大な数の平行するフローチャネルを備えた質量／熱伝達アセンブリを作成するために、一般的には冷却器２１０中で繰り返される。

冷却器２１０は逆流形交換器として示されているが、本発明に記載の乾燥剤に基づく除湿および冷却を実施するために、他のフローパターンを用いてもよい。例えば、直交流形のパターンを容易に設置することができ、また準（または完全に対向しない）逆流形のパターンについても同様である。これらのパターンは、冷却器の多岐管および／またはダクトおよび／または配管、および積層間に設けられる仕切り板を変えることにより、達成され得る。また、逆流通路は冷却器２１０の場合と同様に、積層アセンブリの外側というよりもむしろ内蔵して提供され得る。例えば、冷却器３１０は、図２の冷却器２１０に示されるものと同様の積層配置を有するが、流入空気２５０および流出空気２５８のためのフローチャネルの端部にある、逆流バッフルまたは仕切り壁３６０を含む。逆流の仕切り板３６０は、冷却された空気の大部分が供給流出空気３５４として積層から排出することを可能にする（例えば、５０％よりも多く、より一般的には６０〜９０％、または空気流２５０よりも多い）。より少量の部分（例えば、補給外気などと同量）は、仕切り板３６０によって、積層２３０、２４０の間をあらかじめ冷却された排出空気３５５として流れるように導かれる。図３はまた、積層２１２、２３０、２４０において膜の分離を分かれたままの状態（またはいくつかの浸透性の膜を用いる際に生じ得る、膨らんだまたは拡張した厚さではなく、当初の厚さ程度）に維持するよう機能する仕切り板または流れ場バッフル３７０の使用を描く。仕切り板３７０は波形型を有する網目など、多くの形状をとることができ（例えば、Ｓ字またはＷ字状の側面または断面図）、網目は、実用的である限りは空気流になるべく少ない抵抗をもたらし、一方で充分な強度を提供するものが選択される。さらに、膜との接触点または接触場所は、空気２５０からおよび空気３５５への水分の移送を遮断し得るので、これらの数を制限することが望ましい。

図４は、ある実施形態による間接蒸発冷却器４００を描く。例えば図１〜３に示される積層セットを用いて形成されるような質量／熱伝達アセンブリを支持するために、ハウジング４１０が提供される。示されるように、ハウジング４１０は供給流入空気流４１５のための入口４１４、および排出空気流４１７のための出口４１６を備える第１端部４１２を含む。冷却器４１００はさらに、第１端部４１２の反対側にある第２端部４１８を含み、この第２端部は、供給流出空気流４２０を最終用途の装置またはシステム（例えば、建物への戻り空気のための入口または供給）へ導くための出口またはベントを提供する。第２端部４１８はまた、供給流入空気流４１５の逆流冷却で用いるために、冷却された（また、いくつかの運転モードにおいては除湿された）空気４２６の部分４２６を向けなおすように構成される。冷却器４００の試作品は、３２個の乾燥剤チャネルを備えた、図２に示されるような積層アセンブリを用いて組み立てられた。この試作品は、毎分１０リットル（ＬＰＭ）のフロー（または各乾燥剤チャネルにつき０．３ＬＰＭほど）でテストされた。冷却剤は、蒸発速度の１．２５〜２．００倍の流速で、水として提供された。この試作品の蒸発速度は、およそ１．３３ｇａｌｌｏｎｓ／ｔｏｎ−ｈｒまたはおよそ５ｌｉｔｅｒｓ／ｔｏｎ−ｈｒであって、これは、およそ６〜１０ｌｉｔｅｒｓ／ｔｏｎ−ｈｒの冷却の水または冷却剤の流速をもたらす。当然ながら、これらは例示的なもので流速を制限するものではなく、液体乾燥剤および冷却剤の流速は膨大な要因に依存し、特定のチャネル設計および冷却の必要性、また他の検討材料に適合されるだろう。

図２に示されるような積層セットを用いる冷却器４００のような間接蒸発冷却器は、冷却剤および液体乾燥剤に浸透性の膜を使用することの有効性を判定するようにモデリングされ得る。図５は、同一の段階また工程において流入またはプロセス空気を冷却および除湿するために、図２に関して記載される積層２１２、２３０および２４０の使用を示し、このようなモデリングの図表５００を提供する。モデル５００への入力値が示され、一般的な流入空気の条件が提供される。この場合、結果およびモデリングはＥＥＳ（Engineering Equation Solver）を用いて行われている。箱の中で、または罫線に囲まれて示される数値は入力値（または推測される一般的な運転条件）であって、箱の外または箱のない値はモデリングの出力値または結果である。図表５００で示されるモデリング結果は、加熱、換気、および空調（ＨＶＡＣ）技術における当業者にとっては自明であると考えられるので、間接蒸発冷却器において膜による封じ込めを用いる実施形態に関して達成された有効性を詳細に説明する必要はない。しかしながら以下の記載は、モデル５００中の結果のいくつかについて図式的な説明を提供する。

図６は、積層間のチャネルにおける空気流の温度を示すグラフまたは図表６１０を描く（例えば、本明細書に記載される質量／熱伝達アセンブリなどを用いる蒸発冷却器において）。グラフ６１０はまた、逆流の質量／熱交換器（例えば、図２に示されるような積層配置を備える交換器４００）の長さに沿った表面温度を示す。とりわけ、グラフ６１０は線６１２で示される供給空気の温度、線６１４で示される排気／パージ空気の温度、線６１６で示される乾燥剤側の膜表面（例えば、膜および供給空気の境界面）の温度、線６２０で示される乾燥剤側の膜表面（例えば、膜および供給空気の境界面）の露点温度、および線６１８で示される水分側の膜表面（例えば、膜および排気／パージ空気の境界面）の温度を示す。

図７は、逆流の熱／質量交換器の長さに沿う空気の湿度レシオを示すグラフまたは図表７１０である。とりわけ、グラフ７１０は、線７１２で示される供給空気のバルク湿度レシオ（bulk humidity ratio）、線７１４で示される排気／パージ空気のバルク湿度レシオ、線７１６で示される乾燥剤側の膜表面（例えば、膜および供給空気の境界面）に近接する空気の湿度レシオ、線７１８で示される水分側の膜表面（例えば、膜および排気／パージ空気の境界面）に近接する空気の湿度レシオを示す。図８は線８１５を用いて、逆流の質量／熱交換器の全長を流れ落ちる供給空気流と同時に流れる際の、乾燥剤（この特定のモデリングにおいて、乾燥剤はＬｉＣｌである）の濃度を示すグラフ８１０を描く。線８１５で示されるように、乾燥剤は空気から水分子を吸収するので、膜と分離壁の間のチャネルを通って流れるにつれて弱まり、例えばこの特定のモデリング例においては、乾燥剤の濃度はおよそ４４％からおよそ２４％まで低下する（これは、これらの運転条件で流れる空気において、水分子に対し浸透性（特定の入力率または設定で）であることを特徴とする膜に起因する）。

図９は、図５のモデル５００の過程を、湿度図表９１０で示す。線９１２を用いて示される供給空気は、徐々に湿度を失うことが分かる（数キログラムの乾燥空気に対して数キログラムの水蒸気、すなわちｋｇ_v／ｋｇ_daで）。供給空気９１２は、乾燥剤への蒸気吸収の多量の熱流によって、最初にわずかに温度を上昇する。供給空気９１２が交換器の全長（または液体乾燥剤を含有する隣接する積層の膜層または壁の間のフローチャネルまたはチャンバ）を降下するにつれて、温度はその後入口における冷却器／乾燥機の条件まで低下する。交換器の出口において、供給空気９１２は２つの流れに分けられる。空気の過半数は冷却された場所に供給され、少量の空気（例えば容積の５０％未満、より一般的には３０％未満）は熱／質量交換器または冷却器の排気／パージ側（または冷却剤を含有する膜壁の間の排気／逆流チャネル）へと流し込まれ、これは線９１６を用いて示される。排出空気９１６は露点が低いので、大量の熱を蒸発させて捕らえることができる。あらかじめ冷却された排出またはパージ空気９１６は、湿気がある側のチャネルから水蒸気（および関連する気化熱）を捕らえる。空気９１６は、線９１２で示される供給流入または流出のどちらよりもかなり高いエンタルピーを伴って、ユニットから出る。図表９１０はまた、線９１８を用いて、乾燥剤側の膜表面（ｄｓ）に近接する供給空気の湿度レシオおよび温度を示す。

以下の表は、流入および流出空気流に関する図５のモデリングの結果を、表形式で示す。示されるように、広範囲の温度および湿度レベルを選択し、モデル５００に入力することができる。以下の表で結果が示されている構成において、停止される乾燥剤フローに対する相当湿球の有効性は（例えば、いくつかの運転モードにおいては、空気を除湿するために乾燥剤を利用することは必要ではないか、または有用でない）は１１３％であって、これは冷却器が、供給空気を入口の湿球温度よりも低い温度まで冷却できることを意味する。

この表において、ＬｉＣｌの流入濃度は４４％、流速（フロー排出÷（フロー排出＋フロー供給））は０．３、供給流出の面速は１７５ＳＣＦＭ、および周囲圧力は１０１．３ｋＰａである。

図２の冷却器２１０は、所望の液体を封じ込めるために、水分子に浸透性である膜または膜物質の層を利用する、乾燥力が強化された間接蒸発冷却器と考えられる。基準となる湿度図表（例えば１４．７ｐｓｉの周囲圧力および他の一般的なパラメータにおける湿度図表）は、一般的な室内の設定において生じる等しい顕熱率（ＳＨＲｓ）の線を見るために用いられ得る。蒸気圧縮除湿のために、およそ０．７未満のＳＨＲは再加熱なしでは到達するのが困難である（例えば、所定の適切な蒸発器温度）。また、再加熱なしでおよそ０．６未満のＳＨＲに到達することは、湿度計測学的に不可能であり、このようなＳＨＲを試みることはしばしば、霜取りサイクルを必要とする蒸発器コイルの凍結を導く。図２の２００で示されるような乾燥力が強化された間接蒸発冷却器は、（上述され、以下でさらに詳細に提示されるような）特異な、新しいプロセスを用いて、この問題を扱う。

ここで、図２および図３を参照してプロセスを見直すことが有用である。図２および図３は、蒸発冷却器２１０、３２０において使用するためのユニットまたはアセンブリの内側のフローチャネルを描く図表を示す。混合された戻り空気／外気は、矢印２５０によって示される（例えば、４００ｃｆｍ／ｔｏｎの供給空気および１７５ｃｆｍ／ｔｏｎの外気など、外気の補給空気を伴う調整された場所からの戻り空気）。空気２５０は、膜２１８、２３２を通して、乾燥剤２１７、２３３によって除湿される。これは、この空気流が２５４または３５４で流出するまで、空気流の露点と温度の両方を低下させる。供給空気通路の出口（液体乾燥剤を含有する膜の間）で、空気の一部は矢印２５５および３５５で示されるように細分化され、膜２３８、２４２を通して水分層２３６、２４３から湿度をとる隣接通路（冷却剤含有膜２３８、２４２の間）に送られる。蒸発熱は、顕熱および吸収熱を取り除くために作用する冷却の供給源となる。この空気はその後、２５４、３５４で除去（parge：パージ）される。

図４中の４００で示される熱交換器の構造は、発明者によって実験室で形成され、図５に示されるようにモデリングされた。フロー／ハウジングの設計に関する他の選択肢は、図１０の冷却器１０００および図１１の冷却器１１００を用いる構造で示される。冷却器１０００は、第１部分または端部１０１２および第２部分または端部１０２０を備えるハウジング１０１０を有するものとして示される。第１部分１０１２は、供給流入空気流１０１３および入力排出空気流１０１４を受け取るための入口またはベントを備えて構成され、また第１部分１０１２は、ユニット１０００から排出空気流１０１５を出力するためのベントまたは出口も含む。第２部分１０２０は、供給流出空気流１０２２のための出口（例えば、多岐管および空気流を導くための他の構成要素を伴って）を備えて構成され、この供給流出空気流は、供給流入空気流１０１３（チャネルの他のまたは開始部分における直交流として提供される排出空気流１０１４を伴って）のために提供されるチャネルの一部分に対して逆流を提供するために、矢印１０２７で示されるようにハウジング１０１０中へと再び導かれる部分１０２５を有し、この空気はその後１０２８で、ハウジング部分１０２０から排出される。入力排出空気流１０１４は、排出された空気または外気へと戻されてもよい（例えば、建物の場所から）。この流入路１０００は、より少ないパージ空気１０２５、１０２７を利用することによって効率性を改良し、とりわけ、所望の効率性を増大または維持するためにパージ空気を制限することに好適である。

再び図４を参照すると、冷却器４００の運転は、図９の湿度図表９１０で示される冷却プロセスを有することが予測される。示されるように、線９１２は供給空気流を表し、線９１６はパージ空気流の流れを表す。乾燥剤側空気の境界層は、線９１８を用いて表される。この図は、冷却器４００用の除湿駆動体が、どのようにしてより効率的な冷却器を提供するために利用されているのかを図式的に示す。冷却器４００は、有意な除湿をもたらすために、ＣａＣｌ溶液のような弱い乾燥剤も使用でき、これは１つには、弱い乾燥剤が高い除湿素質に到達することを可能にする冷却器４００の構造によって低温が達成されることによるものである。

図１０の冷却器１０００で示される構造は、性能の好ましさを測定するために作られ、結果は図１２の湿度図表１２００で提供される。図表１２００において、線１２１０は供給空気を、線１２１２は周囲の排出空気を、線１２１４は乾燥剤側の表面温度を、線１２２０は冷却後の供給空気を、線１２２４は冷却後のパージ空気をそれぞれ表し、線１２３０は建物にかかる負荷が流れる顕熱率の線（ＳＨＲ）である。ゆえに例えば、建物は０．６７ユニットの顕熱および戻り空気の状態に到達するために空間に加えられる０．３３ユニットの潜熱を有し、これは華氏８０度でおよそ７０グレイン／ポンド（grains/lb）の、ミドル ダイアモンド（middle diamond）であって、この地点が戻り空気の状態であると考えられる。線１２１０の第１地点は、「混合空気」状態で、外気および戻り空気が３０：７０の混合物である。冷却器１０００によりもたらされる冷却に対する２段階のアプローチは、プロセスが、後の冷却段階を加えた２つの異なる除湿部分に分けられることを可能にする（例えば、乾燥剤の層および除湿が存在せずに蒸発冷却のみがもたらされるような、有意な冷却のみの段階）。この冷却器１０００は当然ながら、本明細書に記載される膜を封じ込める特徴を用いて、２段階以上の冷却を提供するために実施され得る多大な構造の一例でしかなく、ほぼ全ての所望のＳＨＲ（例えば、この場合、およそ０．６７のＳＨＲ）に到達する可能性を示す。図表１２００を提供するためのモデリングにおいて、１立方フィートの磁心（または質量／熱伝達アセンブリ）が、１７６ＳＣＦＭ、およびおよそ０．３の流速と共に用いられる（例えば、３０％のパージ空気および７０％の供給空気）。また、戻り空気は華氏８０度および相対湿度４０％、周囲空気は華氏８６度および相対湿度６０％であった。アセンブリへと供給される液体乾燥剤は４４％のＬｉＣｌであった（ただし、塩分がおよそ２０〜４０重量％である塩（例えば、これに限定するわけではないがハライド塩）と水の溶液など、他の乾燥剤も使用できる）。アセンブリは、約７Ｂｔｕ／ｌｂでこの１立方フィートのみで０．５トンの建物に冷却をもたらすことができた。この例およびモデリングから認識されるように、（例えば、液体を含有するために）乾燥剤および冷却剤を含有するために膜を使用することは、間接蒸発冷却器が従来の設計よりも小型に製造されることを可能にし、より小型な設計は保守管理しやすく（例えば、付着物の問題がより少ないか、またはない）、また冷却を引き起こす（例えば、同時に除湿および冷却を行うことにより、プロセス空気を調整および冷却できる蒸発冷却器を提供する）際により効率的である。

図１１は蒸発冷却器１１００を描き、逆流の冷却空気（またはあらかじめ冷却された供給空気）が、積層またはフローチャンバの選択された長さ（全長の半分から８０〜９０％またはそれ以上）以外は直接反対方向であるような、他の逆流配置を提供する（例えば、完全な逆流が要求されない、または望まれない場合）。示されるように、冷却器１１００は、供給流入空気流１１１２および逆流空気（例えば、再度導かれる供給流出空気流１１１４）のためのフローチャネルの変更を伴う（上記のような）質量／熱伝達アセンブリとして構成される複数の積層または積層のセットを含有するハウジング１１１０を含む。ハウジング１１１０は、供給流入空気流１１１２（例えば、外から補給される空気および戻り空気）を、乾燥剤を含有する膜の間のチャネルに導き、冷却され、かつしばしば除湿される供給流出空気流１１１４を産出するために、ベントおよび／または多岐管を含む。冷却器１１００は、供給流出空気流の一部をハウジング１１１０内へと再び導き、１１１６で示されるような冷却逆流空気を提供するために（例えば、冷却剤を含有する膜の間のフローチャネルに）、ダクト、多岐管などをさらに含む。逆流空気１１１６は一般的には、ハウジング１１１０の全ての長さを移動せず、代わりに、チャネルの全長に沿うある点においてサイドベントから排出される（例えば、全長のおよそ６０〜８０％の距離で）。このような構造は、冷却器１１００を特定の運転環境に合わせるために有用である（例えば、外気の気温、湿度および他の運転パラメータに基づいて、所望の量の冷却を供給流出空気流にもたらすために）。

本明細書に記載される積層および膜は、多数の間接蒸発冷却器の設計（除湿のための液体乾燥剤を備えるものおよび備えないもの）および応用にすぐに適用可能である。しかしながら、当業者が、この技術が他の多くのシステムにおいても有用であると容易に理解するという信条の下、空調設備またはＨＶＡＣシステム中での技術の使用を論じることが有用であるかもしれない。図１３は、建物１３１０（例えば、住居用または商業用の建物、または調整され冷却された空気を必要とする他の構造物）内の条件空気に乾燥剤による除湿および蒸発冷却をもたらすために、膜技術が備えられる空調設備システム１３００を単純化して描く。示されるように、システム１３００は、図１〜１２に関して上述されたような膜積層アセンブリを収納するために用いられるハウジング１３２２を伴った冷却器１３２０を含む。ファンまたは送風機１３２２４は、外または補給空気１３２５を引き込み、建物１３１０から戻り空気１３２６を移動させるために、提供される。このファン１３２４は、上述されたような積層（例えば、除湿をもたらす実施形態においては隣接する、膜に含有された液体乾燥剤、または蒸発冷却のみを伴う実施形態においては隣接する分離壁）を通して、これら２つの空気流を流入供給空気として押し進める。冷却された（および一般的には調整された）空気は、建物１３１０への供給物として１３３０で排出され、一部がパージまたはあらかじめ冷却された排出空気として１３３２へ戻される。戻された空気は、ハウジング１３２２中の積層の冷却剤または蒸発冷却の側を進み、その後排気１３２８として排出される。冷却剤は給排水路１３３４の形状でハウジング（および積層アセンブリを通って）に提供され、液体乾燥剤は給排水路として１３３８で提供される。乾燥剤１３３８は、この実施例では乾燥剤ボイラー１３４２を含む蓄熱器１３４０を用いて再び生じさせられる。

乾燥力のある向上した間接蒸発冷却器（ＤＥ−ＩＤＥＣ）１３２０は、建物１３１０に冷却をもたらすために強い乾燥剤および水を取り込むシステム１３００の一部である。システム１３００は、要望に応じて、また要望に準じて、建物１３１０に感知し得る冷却および潜在的な冷却の両方をもたらす。例えばシステム１３００は、１００％感知し得る形状で冷却をもたらすことも、１００％潜在的な形状で冷却をもたらすこともでき、またそれらのあらゆる組み合わせも可能である。ＤＥ−ＩＤＥＣ１３２０は、建物１３１０の外側の熱負荷を取り除くために、外気の一部１３２５を、同量の排出空気１３２８を伴って用いる。ＤＥ−ＩＤＥＣ１３２０は湿った表面を有さず、液体流１３３４、１３３８は閉ループであるので、ＤＥ−ＩＤＥＣ１３２０そのものは建物外装の内側にも外側にも置くことができる。これは、システム１３００を、屋内の使用、および建物１３１０の内側での冷却器１３２０の設置に好ましいものにする。水または冷却剤１３３４の水源（または冷却剤の源、図示せず）は、飲用に適したものである必要はなく、システム１３００は、建物の管理者によって容認可能であるのに充分な小型さである。電力の使用は、一般的な蒸気圧縮システムまたはユニットよりも大変少ない（例えば、従来の圧縮ユニットに一般的である１．２ｋＷ／ｔｏｎと比較すると、最大でも０．２ｋＷ／ｔｏｎ未満）。

蓄熱器１３４０は、システム１３００の運転にために重大な構成要素のもう一方である。このユニット１３４０は、ＤＥ−ＩＤＥＣ１３２０から弱くなった乾燥剤を取り込み、乾燥剤１３３８に含有される湿気を取り除くために、ボイラー１３４２を用いて熱を加える（以下の熱源一覧を参照）。この結果、高い塩濃度を有する乾燥剤１３３８が生じ、ＤＥ−ＩＤＥＣ１３２０により再び用いられ得る（例えば、供給流入空気１３２５、１３２６に隣接するフローチャネルを含有する／規定する膜において）。乾燥剤を再び生じさせるのに適した熱源の一覧は、（ａ）ガスまたは他の化石燃料、（ｂ）太陽熱、（ｃ）結合加熱および動力装置などのあらゆる廃熱流からの廃熱、および（ｄ）蒸気圧縮サイクルに起因する濃縮装置からの廃熱を含む。

本発明者は、図２に示されるような積層アセンブリを用いて、図４に示される冷却器と同様に組み立てられた試作品のテストを行った。図１４は、華氏１０４度および９３グレイン／ポンドの流入空気で組み立てられ、かつ検査された試験用の概念試作品の検査結果を提供する。この試作品は、乾燥剤フローを伴って、または伴わずに検査されるが、液体乾燥剤のフローチャネルを規定するために提供される膜を伴ってテストされる。乾燥剤フローが存在しない場合、間接蒸発冷却器は７３％の湿球効果を有した。乾燥剤が用いられた場合（乾燥剤として４１％のＬｉＣｌを用いて）、効果は６３％で、１２グレイン／ポンドの除湿を有した。これは０．７３の有意な熱消費率という結果を招いた。この試作品は、上で説明したようなモデル期待値には達しなかった。これは、この試作品が空気、水、および乾燥剤の不等流を作り出すことにおいて欠陥があったためと考えられる。

多くの代表的な態様および実施形態が論じられてきたが、当業者はこれらの実施形態のいくつかの変更、置換え、付加および小結合を認識するだろう。したがって、以下に添付される特許請求の範囲およびこれより展開される特許請求の範囲は、特許請求の範囲の正確な精神および範囲内にある限り、上述されたような代表的な態様および実施形態に対し、変更、置換え、付加および小結合を含むものと理解されることを意図する。上記の記載は、特異な間接蒸発冷却器の提供において使用するための熱／質量伝達アセンブリの設計に焦点を当て、またはそれら設計を強調した。当業者は、記載された冷却器が、住居または商業上の使用のためのより完全なＨＶＡＣシステムにおいて、容易に含まれ得るということを認識するだろう。このようなＨＶＡＣシステムは、所望かつ制御可能な流速で、液体乾燥剤を冷却器へ、また冷却器から循環させるための配管および構成要素を含む。これらのシステムはまた、乾燥剤のための蓄熱器を含む（例えば、太陽電池パネル、電気ヒーターなど、吸収された水分を取り除くために液体乾燥剤を加熱するもの）。この蓄熱器はまた、乾燥剤から飲用に適した水を回収するための水だめおよびラインを含み、冷却器中に注入または供給される前の乾燥剤のために貯蔵庫が提供される。乾燥剤と接触するシステムの部分は、一般的にはある種の金属など腐食作用に抵抗のある物質、またより一般的にはプラスチックで構成される。ＨＶＡＣシステムはまた、建物からの戻り空気を、冷却器を通して移動させ冷却された場所に戻すため、補給空気を、冷却器を通して移動させ冷却された場所に戻すため、およびパージまたは排出空気を排出するために、ダクトおよびファンまたは送風機など他の構成要素を含む。飲用に適した水などの冷却剤を冷却器の積層（例えば、膜および分離壁の間のチャネル）に提供するために、配管およびポンプ／バルブ（必要に応じて）を備える冷却剤供給システムもまた備えられる。

示される実施形態は一般的に、供給またはプロセス空気を除湿する液体乾燥剤の継続的な使用を論じた。しかしながら、多くの運転条件において、冷却器は乾燥剤フローなしでも運転でき、これらの運転条件は「自由蒸発冷却」条件（または湿度図表上の区域）と考えられる。「自由冷却」は高い冷却効果によって体言されるので、システムを稼動させるエネルギーのコストは重大でない。例えば、湿度がおよそ８０％よりも低い場合(および乾球温度が華氏６０度を超える場合)、乾燥／除湿を伴わない冷却は本明細書に記載される冷却器によって行われ得るが、８０％を超える湿度の場合冷却および乾燥が要求され、この時点では冷却器は流れる液体乾燥剤と共に運転され得る。このような「自由」冷却は、世界中で湿度の少ない日が比較的多い場所（米国の南西部など）で実用的である。

上記の記載および付随する図面による間接蒸発冷却器の実施形態は、多くの分離壁を利用する内蔵の熱および質量伝達装置を提供する単一ユニットとして提供され得る。伝達装置およびアセンブリは、膜による封じ込めを用い、空気流は乾燥剤または水（冷却剤）と直接には接触しない。冷却器は熱および質量の交換を引き起こすために（例えば、膜を横切る空気流からの水の）蒸発冷却を使用し、ここで熱は液体乾燥剤および冷却剤の間の分離壁を通して伝達されている。熱交換は２つの逆流および／または直交流空気流の間である。除湿中などの質量交換は一般的に、流入供給空気またはプロセス空気から、水分子に対し浸透性である膜を通って液状になる水蒸気の伝達である（例えば、液体乾燥剤による吸収のために）。冷却器の蒸発部分は、分離壁を通して熱を導き、冷却剤／水から空気流への蒸発によってその熱を放出する（例えば、水蒸気は浸透性の膜を通って再び伝達されるが、この時排出または逆流／直交流空気流において水蒸気の状態である）。

Claims (20)

1. 液体冷却剤および排出またはパージ空気流を用いて、流入供給空気の空気流を、第１温度から第２のより低い温度へと冷却するための間接蒸発冷却器であって、
   前記流入供給空気の空気流を受け取る第１フローチャネルと、
   前記第１フローチャネルに隣接し、前記第１温度よりも低い温度で排出空気の空気流を受け取る第２フローチャネルと
   を含み、前記第２フローチャネルが、水蒸気に対して少なくとも部分的に浸透性である膜シートによってある程度規定され、前記液体冷却剤の空気流が、前記第２フローチャネルと反対側の前記膜の側を流れる間接蒸発冷却器。
2. 前記液体冷却剤が、前記第１フローチャネルにおいて前記流入供給空気流から伝達された熱を受け取ることに応じて、前記膜を通して前記排出空気流に、蒸気として質量を伝達する請求項１記載の冷却器。
3. 前記液体冷却剤の流れのための液体冷却剤フローチャネルを規定する前記膜シートから離れて配置される分離壁をさらに含み、前記分離壁が、液体冷却剤に対して不浸透性かつ流入供給空気の流れからの熱に対し伝導性である物質からなる請求項２記載の冷却器。
4. 前記第１膜シートの反対側で分離壁から離れて配置される第２膜シートをさらに含み、該第２シートが前記第１フローチャネルをある程度規定し、前記第２膜シートおよび前記分離壁が液体乾燥剤の流れを受け取る乾燥剤フローチャネルを規定し、水蒸気が前記第２膜シートを通して前記流入供給空気から前記液体乾燥剤の流れへと伝達される請求項３記載の冷却器。
5. 前記第１および第２膜シートが、該膜を通る前記液体冷却剤および前記液体乾燥剤の流れを阻止し、これにより、前記液体乾燥剤および前記液体冷却剤が、前記第１および第２フローチャネルへ流入することをそれぞれ阻止される請求項４記載の冷却器。
6. 前記液体乾燥剤が塩溶液からなり、前記液体冷却剤が水からなる請求項５記載の冷却器。
7. 前記液体乾燥剤が弱い乾燥剤である請求項６記載の冷却器。
8. 前記排出空気が、前記第２のより低い温度で前記第２フローチャネルに入る前期流入空気の流れの一部を含む請求項１記載の冷却器。
9. 前記流入供給空気の流れが前記第１フローチャネルにおいて第１の方向に流れ、前記排出空気の流れが前記第２フローチャネルにおいて第２の方向に流れ、前記第２の方向が、少なくとも前記第２の方向に対して交差または反対方向である請求項１記載の冷却器。
10. 蒸発冷却器において使用するための質量および熱伝達アセンブリであって、
    上側の膜、下側の膜、および該上側および下側の膜の間の分離壁を含み、前記上側および下側の膜が水蒸気に対して浸透性であって、前記分離壁が液体および蒸気に対して実質的に不浸透性である第１の積層と、
    上側の膜、下側の膜、および該上側および下側の膜の間の分離壁を含み、前記上側および下側の膜が水蒸気に対して浸透性であって、前記分離壁が液体および蒸気に対して実質的に不浸透性である第２の積層と、
    上側の膜、下側の膜、および該上側および下側の膜の間の分離壁を含み、前記上側および下側の膜が水蒸気に対して浸透性であって、前記分離壁が液体および蒸気に対して実質的に不浸透性である第３の積層と
    を含み、前記第１の積層および第２の積層が、第１空気流を受け取るフローチャネルを規定するために離れて配置され、前記第２および第３の積層が、第２空気流のためのフローチャネルを規定するために離れて配置される質量および熱伝達アセンブリ。
11. 前記第１、第２および第３の積層が積層の組を含み、前記アセンブリが、前記第１空気流および前記第２空気流のための前記フローチャネルの、平行なものを複数規定する２つ以上の前記積層の組をさらに含む請求項１０記載のアセンブリ。
12. 前記第１空気流および前記第２空気流が、フローチャネルにおいて交差方向に流れる請求項１０記載のアセンブリ。
13. 前記第１空気流および前記第２空気流が、フローチャネルにおいて反対方向に流れる請求項１２記載のアセンブリ。
14. 前記第１および第２積層の間の前記フローチャネルに存在する仕切り板、および前記第２および第３の積層の間の前記フローチャネルに存在する仕切り板をさらに含み、前記仕切り板が、前記積層の前記膜の間隔を維持し、前記第１および第２空気流の流れを可能にするよう構成される請求項１０記載のアセンブリ。
15. 前記第１の積層においては、前記上側の膜および前記分離壁の間を流れる液体冷却剤、および前記分離壁および前記下側の膜の間を流れる液体乾燥剤を、
    前記第２の積層においては、前記上側の膜および前記分離壁の間を流れる液体乾燥剤、および前記分離壁および前記下側の膜の間を流れる液体冷却剤を、
    前記第３の積層においては、前記上側の膜および前記分離壁の間を流れる液体冷却剤、および前記分離壁および前記下側の膜の間を流れる液体乾燥剤を
    さらに含む請求項１０記載のアセンブリ。
16. 前記液体冷却剤が水からなり、前記液体乾燥剤が塩溶液からなり、前記膜の各々が水分子に対して浸透性である物質からなる請求項１５記載のアセンブリ。
17. プロセス空気を調整する方法であって、
    第１フローチャネルを通して前記プロセス空気を導入する第１導入工程と、
    前記第１フローチャネルの壁に隣接する液体乾燥剤の流れを導入する第２導入工程であって、前記液体乾燥剤は、前記液体乾燥剤を含有し、前記プロセス空気からの水蒸気が前記液体乾燥剤に流入することを許容する膜によって、前記第１フローチャネルにおける前記プロセス空気から離れて配置され、これにより、前記プロセス空気が除湿される工程と、
    前記第１フローチャネルに近接する第２フローチャネルを通してパージ空気の流れを導入する、前記第１および第２導入工程と同時に生じる第３導入工程であって、前記パージ空気は少なくとも前記プロセス空気の一部よりも低い温度である工程と、
    前記第２フローチャネルの壁に隣接する液体冷却剤の流れを導入する、前記第１、第２および第３導入工程と同時に生じる第４導入工程であって、前記液体冷却剤は、前記液体冷却剤を含有し、前記液体冷却剤からの蒸気が前記パージ空気に流入することを許容する膜によって、前記第２フローチャネルにおける前記パージ空気から離れて配置され、これにより、熱が液体冷却剤から放出され、前記プロセス空気が冷却され、かつ同時に除湿される工程と
    を含む方法。
18. 前記パージ空気が、前記プロセス空気が前記第１フローチャネルと通して導入される方向と、少なくとも部分的に反対の方向で導入される請求項１７記載の方法。
19. 前記パージ空気が、前記第１フローチャネルを通した導入後の前記プロセス空気の一部を含む請求項１８記載の方法。
20. 前記液体冷却剤が水であり、前記液体乾燥剤が塩溶液を含む弱い乾燥剤であって、前記膜が、前記塩溶液が前記第１フローチャネルに流入することを阻止する請求項１７記載の方法。

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