JP2014089013A - デシカント空調装置用吸着熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】デシカント空調装置用吸着熱交換器において熱源ヒートポンプの低熱源温度を上昇させる一方高熱源温度を低下させるため、処理空気や再生空気とフィンとを吸着剤層を介することなく直接熱交換させる手段を設ける。
【解決手段】吸着熱交換器において処理空気や再生空気と伝熱フィンを直接熱交換させる手段として、伝熱フィンの一方の面に吸着剤を担持し他の面を露出させること、あるいは両面で吸着する吸着剤層と両面を露出させた伝熱フィンとを交互に複数個連結すること、あるいはほぼ等間隔で配設された複数の伝熱フィンに伝熱フィンとほぼ直角方向にほぼ等間隔で複数の吸着剤層を内挿し格子状の組立体とすることによって行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸脱着時の空気の温度変化が少なく、コンパクトで省エネルギーなデシカント空調装置用吸着熱交換器に関するものである。

熱源としてヒートポンプを用い、処理空気の除湿に吸着剤を用いるハイブリッドなデシカント空調装置の一形態として、伝熱管外周に平板状のフィンが嵌着されたプレートフィン熱交換器のフィン表面全体に吸着剤層を担持させた吸着熱交換器で、処理空気を冷却しつつ吸着除湿を行う方式が実用に供されている。実用の吸着熱交換器を用いるデシカント空調装置では、ヒートポンプの冷媒サイクルをバッチ切替え式として、ヒートポンプの低熱源（蒸発器）として使用する際に空気を吸着除湿する一方、高熱源（凝縮器）として使用する際に吸着剤中の水分脱着を行って空気を加湿するように構成されている。そのため従来の２ローター式デシカント空調装置と比べてコンパクトになるとともに吸着除湿過程と脱着加湿過程における空気の温度変化を少なくできるためＣＯＰが高く、また従来のエアコンに比べても低熱源と高熱源の温度差が小さくなるためＣＯＰが高く、実用上十分であった。

しかし吸着熱交換器においては、吸着の際に吸着熱が吸着剤層と処理空気との界面で発生し、吸着駆動力となる処理空気の相対湿度を低下させる方向に作用するため、処理空気を吸着剤層を介して冷却することによってなるべく吸着駆動力が低下しないように維持する必要があった。図６は特許文献１（米国特許ＵＳＰ−４４３０８６４号公報）に記述されている従来の吸着熱交換器の構造を示したものであり、７５は伝熱管、７０はフィン、８０は吸着剤層を示す。このような構造にあっては、吸着によって発生した吸着熱は厚み１００乃至５００ミクロン程度の吸着剤層８０の中を熱伝導で伝わった後フィン７０、伝熱管７５の順に伝わるが、その際熱伝導率が低い吸着剤層８０は大きな熱抵抗となり恰もスケールが厚く付着した熱交換器のように作用するため、伝熱管７５内部の低熱源温度（蒸発温度）を高くできない欠点があった。また同様に、脱着の際には脱着に必要な脱着熱（再生熱）を再生空気まで吸着剤層を介して熱伝導で伝える必要があり、高熱源温度（凝縮温度）を低くできない欠点があった。

またバッチ切替えを行う冷媒サイクルの経路切替えの際には、凝縮器側の圧縮された冷媒が蒸発器側に逃げるため損失が生じる。通常このバッチ切替えは吸着剤が水分で飽和した時点で行われ、この頻度は５分に１回程度であるが、この時間を延長し冷媒の損失を軽減するためには吸着剤の飽和水分量を増やすことが有効である。吸着剤の一般的特性として吸着等温線で示されるように、処理空気の相対湿度が上昇すると水分の飽和水分量が増加する。しかし相対湿度を上昇させるよう空気を冷却するには、前述した吸着剤層の熱抵抗が障害となって蒸発温度を低下させることが必要となる問題があった。

米国特許ＵＳＰ−４４３０８６４号公報 特開２００５−３１５４８５号公報

稲葉英男ほか著 「熱交換器伝熱面に塗布した有機系収着剤の収着特性」日本伝熱学会論文集ＶＯＬ．１５、Ｎｏ．３、ｐｐ１４１−１５０、２００７年

解決しようとする問題点は、デシカント空調装置用吸着熱交換器において吸着剤層が熱抵抗となってヒートポンプの低熱源温度（蒸発温度）を高くできず、また高熱源温度（凝縮温度）を低くできない点である。

本発明は、デシカント空調装置用吸着熱交換器において熱源ヒートポンプの低熱源温度（蒸発温度）を上昇させる一方高熱源温度（凝縮温度）を低下させるため、処理空気や再生空気とフィンとを吸着剤層を介することなく直接熱交換させる手段を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明のデシカント空調装置用吸着熱交換器は、冷媒の蒸発温度を上昇させる一方凝縮温度を低下させるため熱源ヒートポンプのＣＯＰが高く、また担持する吸着剤の総量を従来と同じに設定した場合には、処理空気の相対湿度が高くなって吸着剤に保持できる飽和水分量が多くなるためバッチ切替え周期が長くなるという利点がある。

図１は本発明のデシカント空調装置用吸着熱交換器を示した説明図である。（実施例１） 図２は本発明の吸着熱交換器を使用したデシカント空調装置の説明図である。 図３は主な吸着剤の吸着特性を示す吸着等温線である。 図４は本発明のデシカント空調装置用吸着熱交換器の第２の実施例を示した説明図である。（実施例２） 図５は本発明のデシカント空調装置用吸着熱交換器の第３の実施例を示した説明図である。（実施例３） 図６は従来の吸着熱交換器の構造を示した説明図である。（従来の実施例）

処理空気や再生空気とフィンとを吸着剤層を介することなく直接熱交換させるという目的を、フィンの一部の表面の金属を露出させることで実現した。

図１は、本発明装置の実施例１の吸着熱交換器１００の詳細図であって、７０はフィン、７５は伝熱管、８０は吸着剤層であり、フィン７０は複数で構成され一方の面７０ａに吸着剤層８０が担持されている一方、他の面７０ｂは金属が露出していて、伝熱管７５に嵌着され伝熱を促進するように構成されている。吸着熱交換器１００は図２に示すデシカント空調装置の中でヒートポンプの低熱源である蒸発器１００ａ、高熱源である凝縮器１００ｂとして使用される。

蒸発器１００ａでは吸着除湿と処理空気と吸着剤層の冷却が行われて吸着で発生した吸着熱を除去する一方、凝縮器１００ｂでは吸着剤の再生と再生空気の加湿が行われ、ほぼ蒸発器１００ａの吸着剤層８０の含水率が飽和に至った時点で、四方弁２の冷媒経路を切り替えて低熱源（蒸発器）と高熱源（凝縮器）の入れ替えを行う。本発明の主体は吸着熱交換器の構造にあるので、デシカント空調装置系サイクルの詳細な説明は省略する。

一般にデシカント空調に用いられる吸着剤の吸着特性は、図３に示す吸着等温線で示される。図３の横軸に示す相対湿度は、次式（式１）で示される。

相対湿度ＲＨ（％）＝（空気中の水蒸気分圧）／（空気乾球温度相当の飽和蒸気圧）Ｘ１００。（式１）

一方図３の縦軸に示す含水率は、吸着剤の乾燥重量に対する吸着水分量の重量比で示される。例えば図３においては高分子収着剤が相対湿度９０％ＲＨで１００％以上の含水率で水分を吸着することが分かる。なお高分子（有機系）収着剤は厳密には収着現象により水分を取り込むのであるが、本発明で使用する範囲においては機能的に吸着現象と差異がないため、本発明では吸着剤に含むものとする。

上記の式１から、分母となる空気の乾球温度相当の飽和蒸気圧を下げると相対湿度が増加することが分かる。また飽和蒸気圧は温度の増加につれて増加することは公知である。このことと図３から空気の乾球温度を下げると、吸着剤が吸着できる水分量すなわち含水率が増加することが分かる。すなわち吸着熱交換器は処理空気の乾球温度を下げることで吸着能力が増加する。なお本発明と同様に吸着剤を用いた非特許文献１に記載されているような吸着冷凍機の用途では流体が水蒸気の単流体であるため、式１の分母が吸着剤層の表面温度に相当する飽和蒸気圧となり、混合流体を処理する本発明の作用とは大きく異なる。ちなみに本発明のデシカント空調では処理空気に占める水分の割合は０．５％から２．５％であって乾燥空気の割合が圧倒的に多いため、空気の乾球温度が大きく影響するのに対し、吸着冷凍機では冷媒（水分）の占める割合が１００％であるため吸着剤の表面温度が大きく影響する。

以上の関係を踏まえて実施例１の作用について説明する。すなわち処理空気は複数のフィン７０の金属が露出している側面７０ｂを通過して直接フィン７０と熱交換し、吸着によって空気中に放出された吸着熱が除去され乾球温度が低下して相対湿度が高くなり、それによって吸着剤の状態が吸着等温線図３の特性線の右向き{吸着できる含水率（飽和含水率）が増加する方向}に作用し、これにより水分吸着能力（吸着駆動力）が持続して、水分はフィン側面７０ｂと対向した吸着剤８０が担持されている側面の吸着剤８０に吸着される。ちなみに吸着剤の温度拡散率は１．０乃至３．０［ｍ２／ｓ］であり、一方空気は約１９０［ｍ２／ｓ］と約１００倍速いため、処理空気の温度は吸着剤を担持したフィン側面７０ａからの伝熱よりも金属が露出した側面７０ｂからの伝熱の影響の方を受けやすい。従って吸着剤が熱抵抗となって伝熱管７５内を流れる冷媒と処理空気との温度差を増加させることがなくなるので、冷媒蒸発温度（低熱源温度）が高くなり、デシカント空調装置のＣＯＰが高くなる効果がある。さらに吸着熱交換器に担持する吸着剤の総量を従来と同じにした場合、フィン７０から直接冷却することで処理空気温度をコントロールできるので、相対湿度を高く設定でき、それによって吸着剤の飽和含水率を高くして１バッチで沢山の水分を保持するようにできるため、冷媒サイクルのバッチ切替え時間が長くでき、切替えの際に圧縮した冷媒が低圧側に漏れる損失がなくなり、省エネルギー化が図れる効果もある。

一方再生空気側となる凝縮器１００ｂ側の作用は、前記蒸発器１００ａの作用説明において熱の授受関係が逆転することと、吸着が脱着に代わることで、凝縮温度（高熱源温度）が低くなり、デシカント空調装置のヒートポンプのＣＯＰが高くなる効果が得られる効果が得られるが、詳細な作用については当業者にとって自明であるので詳細な説明は省略する。

なお吸着等温線（図３）に示すように本発明では高分子収着剤を用いる場合に高湿度領域で吸着剤の吸脱着量の差が大きくとれるため、吸着剤として高分子収着剤を使用することが好ましい。ただし吸着時の相対湿度をむやみに高くしてしまうと、フィン側面７０ｂに結露を生じる可能性があり、結露水処理の付帯設備を要する可能性が生じる。そのため処理空気の露点温度を検出するセンサを設け、その信号に応じて冷媒の蒸発温度を制御する蒸発圧力制御装置（図示せず）を設けても差し支えない。さらに本実施例ではヒートポンプとして蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用し吸着熱交換器と直接冷媒回路で連結したが、他の形式例えば吸収ヒートポンプなどを用いて、熱源と吸着熱交換器の間を他の熱媒体で連結しても差し支えない。

図４は本発明の第２の実施例である。本実施例２では、フィン基材８５両面に吸着剤層８０ａ、８０ｂを担持していて両面で吸着することができる吸着剤層組立体と両面を露出させた伝熱フィン７０とを交互に複数個連結したもので、伝熱フィン７０は伝熱管７５に嵌着されている。そのため処理空気は両面吸着剤層と伝熱フィン７０の隙間を流れる間にフィン７０と直接熱交換して冷却される。作用については前記実施例１と同じであるため省略するが、これによっても冷媒蒸発温度（低熱源温度）が高くなり、デシカント空調装置のＣＯＰが高くなる効果がある。さらに吸着熱交換器に担持する吸着剤の総量を従来と同じにした場合には冷媒サイクルのバッチ切替え時間が長くでき、省エネルギー化が図れる。なお本実施例２では吸着剤層８０ａ、８０ｂをフィン基材８５に担持した事例を示したが、十分な強度が得られれば平板状の吸着剤シートを用いても差し支えない。

図５は本発明の第３の実施例である。本実施例３では、ほぼ等間隔で伝熱フィン７０の形状に合わせて櫛のようにスリットを切った複数の平板状の吸着剤層８０を伝熱フィン７０とほぼ直角方向に内挿接着して格子状の組立体としたもので、フィン７０は伝熱管７５に嵌着されている。そのため処理空気はフィン７０と吸着剤層８０で囲まれたほぼ四角形断面の隙間を流れる間にフィン７０と直接熱交換して冷却される。作用については前記実施例１と同じであるため省略するが、本実施例３によれば吸着剤層８０を伝熱フィン７０に担持させる必要がなくなり、また吸着熱交換器１００の吸着剤の内部保有量を伝熱フィンの数に影響されずに設定できる効果がある。

省エネルギー効果が高いため、エネルギー消費が多く夏季日中の省エネルギー化がもとめられている空調設備用途において、除湿負荷が大きい空調用の外気処理装置や工場設備にも適用できる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 膨張弁
７０ 伝熱フィン
７０ａ フィンの片面
７０ｂ フィンの片面
７５ 伝熱管
８０ 吸着剤層
８０ａ 吸着剤層
８０ｂ 吸着剤層
８５ フィン基材
１００ 吸着熱交換器
１００ａ 蒸発器として使用する吸着熱交換器
１００ｂ 凝縮器として使用する吸着熱交換器
２０１〜２０６ 冷媒経路

Claims (5)

1. 熱源ヒートポンプを備え該ヒートポンプの低熱源で処理空気を冷却しつつ吸着除湿するデシカント空調装置用であって、伝熱管、伝熱フィン、吸着剤を備えた吸着熱交換器において、前記処理空気と前記伝熱フィンを直接熱交換させる手段を設けたことを特徴とするデシカント空調装置用吸着熱交換器。
2. 伝熱フィンの一方の面に吸着剤を担持し他の面を露出させることによって、処理空気と伝熱フィンを直接熱交換させることを特徴とする特許請求範囲第１項記載のデシカント空調装置用吸着熱交換器。
3. 両面で吸着する吸着剤層と両面を露出させた伝熱フィンとを交互に複数個連結することによって、処理空気と伝熱フィンを直接熱交換させることを特徴とする特許請求範囲第１項記載のデシカント空調装置用吸着熱交換器。
4. ほぼ等間隔で配設された複数の伝熱フィンに前記伝熱フィンとほぼ直角方向にほぼ等間隔で複数の吸着剤層を内挿し格子状の組立体とすることによって、処理空気と伝熱フィンを直接熱交換させることを特徴とする特許請求範囲第１項記載のデシカント空調装置用吸着熱交換器。
5. 吸着剤として高分子収着剤を用いたことを特徴とする特許請求範囲第１乃至４項記載のデシカント空調装置用吸着熱交換器。