JP2020186906A - 向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転するための斬新な方法および装置を提供する。【解決手段】向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転する方法であって、他の空気の温度を調整するように、排気から他の空気に熱含有量を伝達するか、または他の空気から排気に熱含有量を伝達するように、ダクト付き換気フードからの排気を熱交換器に通し、他の空気を熱交換器に通すステップを含む方法。【選択図】図３

Description

発明者
Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｈａｕｖｉｌｌｅ
係属中の従来の特許出願への参照
本特許出願は、Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｈａｕｖｉｌｌｅによって２００９年１１月１９日に出願されたＭＯＤＵＬＡＲ ＦＩＬＴＲＡＴＩＯＮ ＡＳＳＥＭＢＬＹ（整理番号ＦＩＰＡＫ−１１ ＰＲＯＶ）という係属中の従来の米国特許仮出願第６１／２８１，５９２号の利益を主張するものであり、この特許出願は参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に空気ろ過システムに関し、より具体的には、空気から危険物を除去するための空気ろ過システムに関する。

空気ろ過システムは、望ましくない物質を空気から除去するために多くの状況で使用される。このようなろ過システムは、その機能次第で、一般に様々な形で存在する。
例えば研究所でよく使われるタイプの空気ろ過システムの１つは、換気フードを備える。換気フードは、危険物が、近くの人員を危険にさらすことなく換気フード内で安全に扱われるように、研究所の周囲空気からベンチトップ作業空間を隔離するための保護された囲壁である。

換気フードは、ダクト付きまたはダクトなしでよい。ダクト付き換気フードでは、換気フードからの排気は、外気に通じている建屋配管に導かれ、換気フードと外気の間の配管の中間にはフィルタが配置されている。ダクトなし換気フードでは、換気フードからの排気は、換気フードに直接取り付けられているフィルタへ導かれ、フィルタは、排気が研究所の周囲空気に戻される前に排気から危険物を除去する。

ダクト付き換気フードには、例えば、複数の換気フードが１つのフィルタを通して排出され得ること、ダクト付き換気フードの固定された位置（建屋内部の固定された配管の結果）が監視および管理を容易にすることなどの特定の利点がある。しかし、ダクト付き換気フードには、研究所の周囲空気が換気フードを通って外気へと排出される不利益もある。結果として、冬季には加熱された空気が研究所から失われ、夏季には冷却された空気が研究所から失われ、それによってエネルギーのコストを押し上げる。ダクトなし換気フードは、ろ過された排気を研究所の周囲空気へ戻すので、ダクトなし換気フードにはこの不利益がない。しかし、ダクトなし換気フードには、各換気フードがそれ自体のフィルタを必要とし、フィルタの監視、フィルタの交換など補給管理上の課題が複雑になる可能性があるという不利益がある。

本発明は、ダクト付き換気フードに向けられており、より具体的には、向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを動作させるための斬新な方法および装置に向けられたものである。

本発明は、向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転するための斬新な方法および装置を提供する。
より具体的には、本発明は、換気フードの排気と他の空気の間で、他の空気の温度を調整するように、熱含有量を伝達する斬新な方法および装置を提供する。

本発明の好ましい一形態では、向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転する方法が提供され、この方法は、
他の空気の温度を調整するように、排気から他の空気に熱含有量を伝達するか、または他の空気から排気に熱含有量を伝達するように、ダクト付き換気フードからの排気を熱交換器に通し、他の空気を熱交換器に通すステップを含む。

本発明の別の形態では、向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転するための装置が提供され、この装置は、
他の空気の温度を調整するように、排気から他の空気に熱含有量を伝達するか、または他の空気から排気に熱含有量を伝達するように、ダクト付き換気フードからの排気を受け取り、他の空気を受け取るように構成された熱交換器を備える。

本発明の別の形態では、
ダクト付き換気フードと、
他の空気の温度を調整するように、排気から他の空気に熱含有量を伝達するか、または他の空気から排気に熱含有量を伝達するように、ダクト付き換気フードからの排気を受け取り、他の空気を受け取るように構成された熱交換器とを備えるシステムが提供される。

本発明のこれらおよび他の目的および特徴が、添付図面と一緒に検討されるべき本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明によって、より完全に開示されるかまたは明白にされることになり、図面では同じ番号は同じ部品を指す。

ダクト付き換気フードを示す概略図である。 とりわけ、ダクト付き換気フード、屋根フィルタ、およびダクト付き換気フードを屋根フィルタに接続する配管を示す概略図である。 他の空気の温度を調整することによって研究所の周囲空気の温度を調整するために、換気フードの排気と他の空気の間で熱含有量を伝達するように熱交換器が使用される、本発明の斬新な方法および装置を示す概略図である。 図３のシステムの好ましい形態の詳細を示す概略図である。 熱交換器が、換気フードの排気から熱を回収して研究所の周囲空気に戻すように構成された可逆熱ポンプを備える、本発明の好ましい一形態を示す概略図である。 他の空気の温度を調整することによって研究所の周囲空気の温度を調整するために、可逆熱ポンプが、他の空気から換気フードの排気に熱含有量を伝達するように構成されていることを除けば、図５と同じシステムを示す概略図である。

最初に図１を見ると、一般的なダクト付き換気フード５が示されている。ダクト付き換気フード５は、一般に、前部ドア１５で出入りされる囲まれた作業空間１０を備え、囲まれた作業空間が「封止される」とき、前部ドア１５が戸枠２０と係合する。空気入口２５が、研究所からの周囲空気を囲まれた作業空間１０の中へ入れ、空気出口３０が、囲まれた作業空間１０から排気を取り出す。空気出口３０からの排気が、フィルタ（図１には示されていない）に通じている配管３５の中へ通されて、外気に放出される前にフィルタリングされる。

より具体的には、ここで図２を見ると、ダクト付き換気フード５からの排気は、配管３５をフィルタ４０まで通され、危険物を取り出す（それによって安全な排気にする）ためにフィルタリングされてから、外気に放出される。吸気ファン４５が、排気を換気フード５からフィルタ４０を通して引き込むように、フィルタ４０の下流に設けられる。また、好ましくは、囲まれた作業空間の内部のあらゆる空気がフィルタ４０を通ってから外気に放出されることを保証するために、換気フード５の囲まれた作業空間１０が研究所の周囲空気に対して負の圧力差に保たれることを保証するように、換気フード５の空気出口３０に排気ファン５０（図１）も設けられる。

一般的な設置では、ダクト付き換気フード５は建屋内部の研究所に配置され、フィルタ４０は建屋の屋根５５上に配置され（図２）て、配管３５がダクト付き換気フード５の出力をフィルタ４０の入力に接続し、フィルタ４０の出力が外気に放出される。さらに、一般的な設置では、複数の換気フード５が屋上フィルタ４０に接続されるが、図では、説明を簡単にするために、１つのダクト付き換気フード５だけがフィルタ４０に接続して示されている。

比較的温暖な気候では、研究所（その内部に換気フードが配置されている）の室温は、外気の温度にかなり近いはずであることが理解されよう。この状況では、研究所の温度調整された空気を外気へ放出して、外気の温度調整されていない空気と置換することからのエネルギー損は比較的小さいはずである。

しかし、例えば大陸の米国およびヨーロッパといった他の気候では、研究所の周囲空気の温度と外気温度の間にかなりの差があることが多い。この状況では、研究所の温度調整された空気を外気へ放出して、外気の温度調整されていない空気と置換することからのエネルギー損は比較的大きいことがある。

限定するものでない一例として、大陸の米国およびヨーロッパでは、冬季には、研究所の周囲空気の温度が２２℃で、外部空気の温度が０℃である可能性がある。同様に、夏季には、研究所の内部の空気温度が２２℃で、外気の温度が３２℃である可能性がある。これらの環境では、「空調された」空気を研究所の内部から外気へ放出すると、新しい空気（外気から引き込まれたもの）が研究所に供給される前に「調整する」ためにさらなるエネルギーが必要とされるので、エネルギー効率がかなり低下する恐れがある。

したがって、冬季には、加熱された研究所の空気を外気へ放出して、調整された研究所の空気の熱含有量を「浪費し」、夏季には、冷却された研究所の空気を外気へ放出して、調整された研究所空気の「冷たい熱含有量」を「浪費する」。

限定するものでない一例として、大陸の米国およびヨーロッパでは、それぞれの排出口付き換気フードに対して、研究所の周囲空気の温度を調整するコスト（すなわち暖房または冷房のコスト）に、おおよそ６，０００ドル〜８，０００ドルを追加するのが一般的である。

本発明は、換気フードの排気と他の空気の間で、他の空気の温度を調整するように、熱含有量を伝達するための極めて高効率で費用対効果が大きい手段を提供する。
より具体的には、ここで図３を見ると、本発明に従って、フィルタ４０の出力と吸気ファン４５の入力の間に、すなわち最終的に排気を外気へ放出する前段に、熱交換器１００が配置される。より具体的には、熱交換器１００は、熱交換器を通るろ過された空気の系統１０２およびこれも熱交換器を通る新規空気の系統１０３を備える。ろ過された空気の系統１０２と新規空気の系統１０３は互いに連絡しておらず、すなわち、ろ過された空気の系統の内容は新規空気の系統の内容と混合しない。しかし、ろ過された空気の系統１０２および新規空気の系統１０３は、一方の空気系統から他方の空気系統へ熱エネルギーの伝達を可能にする。

より具体的には、ここで引き続き図３を見ると、ろ過された空気の系統１０２は、フィルタ４０の出力に接続される第１の入力系統１０５および吸気ファン４５の入力に接続される第１の出力系統１１０を備える。新規空気の系統１０３は、外気から新規の空気を引き込む第２の入力系統１１５および新規の空気を建屋の内部に供給する第２の出力系統１２０を備える。送風ファン１２５が、第２の入力系統１１５に新規の空気を引き込んで、それを第２の出力系統１２０へ吹き出すように、第２の入力系統１１５に接続される。

熱交換器１００は、新規の空気を建屋の中に導入するのに先立って新規の空気の温度を調整する（すなわち、暖めるかまたは冷やす）ように、熱交換器のろ過された空気の系統１０２と熱交換器の新規空気の系統１０３の間で熱含有量を伝達する。換言すれば、熱交換器１００は、ろ過された空気の系統１０２と新規空気の系統１０３の間の温度差を低減することによって外部の空気が研究所の中に導入される以前にその温度を調整するように、ろ過された空気の系統１０２と新規空気の系統１０３の間で熱エネルギーを伝達する。

前述のように、熱交換器のろ過された空気の系統１０２と熱交換器の新規空気の系統１０３は互いに連絡しておらず、すなわち、ろ過された空気の系統の内容は新規空気の系統の内容と混合しない。しかし、ろ過された空気の系統１０２および新規空気の系統１０３は、一方の空気系統から他方の空気系統へ熱エネルギーの伝達を可能にする。ここで図４を見ると、この目的のために、本発明の一形態では、熱交換器１００は、好ましくは、ろ過された空気の系統１０２の気流の中に挿入された第１の熱交換器要素１３０と新規空気の系統１０３の気流の中に挿入された第２の熱交換器要素１３５とを備え、第１の熱交換器要素１３０が、流体系統１４０によって第２の熱交換器要素１３５に接続さる。この構造では、第１の熱交換器要素１３０は、熱交換器のろ過された空気の系統１０２と熱交換器の新規空気の系統１０３の間で熱含有量を伝達することにより、新規の空気が建屋の中に入る前に新規の空気の温度を調整する。

熱交換器は、一般に、フィルタの前段ではなくフィルタの後段に配置するのが好ましく、その結果、有害物質が、熱交換器に到達する前に換気フードの排気から除去され得ることに留意されたい。これは、熱交換器を、排気に含まれる有害物質との接触により生じる恐れのあるあらゆる損傷から保護することになる。したがって、フィルタが、第１に、望ましくない物質が外気に放出されないように排気から望ましくない物質を取り出し、第２に、熱交換器を有害物質との接触から保護する、といった２つの目的に役立つはずであることが理解されよう。

本発明の好ましい一形態では、熱交換器１００は可逆熱ポンプ１００Ａを備える。より具体的には、ここで図５および図６を見ると、可逆熱ポンプ１００Ａは、ろ過された空気の系統１０２の気流に配置された第１の熱交換器要素１３０、および新規空気の系統１０３の気流に配置された第２の熱交換器要素１３５を備える。圧縮機１４５は、冷却系統１４０を通して冷媒を循環させる。より具体的には、冷媒系統１４０は、熱交換するために第１の熱交換器要素１３０を通り、熱交換するために第２の熱交換器要素１３５を通る。可逆熱ポンプ１００Ａは、冷媒系統１４０を通る冷媒の流れを逆転するための逆転弁１５０も備える。可逆熱ポンプ１００Ａは、好ましくは、冷媒系統１４０に、１対の熱膨張弁１５５および１対のバイパス弁１６０も備える。

図５および図６は、それぞれ加熱モードおよび冷却モード中の可逆熱ポンプ組立体１００Ａの動作を示す。
より具体的には、図５では、逆転弁１５０は、ろ過された空気の系統１０２から熱含有量を抽出して、その熱含有量を新規空気の系統１０３へ伝達することにより、新規空気の系統１０３を加熱するように設定される。

図６では、逆転弁１５０は、新規空気の系統１０３から熱含有量を抽出して、その熱含有量をろ過された空気の系統１０２へ伝達することにより、新規空気の系統１０３を冷却するように設定される。

重要なことには、可逆熱ポンプ１００Ａがろ過された空気の系統１０２との間で熱含有量を伝達するように設計され、また、ろ過された空気の系統１０２が室温に非常に近い温度を有する空気を含むので、可逆熱ポンプは、ほぼ２２℃の空気を常に徐々に減らす。これは、ろ過された空気系統からの非常に効率的なエネルギー回収に役立ち、より小さくより効率的な可逆熱ポンプの使用を可能にする。可逆熱ポンプを使用することにより、ろ過された空気系統の熱エネルギーの９０％もの量を回収することができると考えられる。

変更形態
本発明は、本明細書に開示された特定の構造および／または図面に示された特定の構造に限定されるものではなく、本発明の範囲内のいかなる変更形態または等価物も包含することを理解されたい。

Claims (21)

1. 向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転する方法であって、
   他の空気の温度を調整するように、排気から前記他の空気に熱含有量を伝達するか、または前記他の空気から前記排気に熱含有量を伝達するように、前記ダクト付き換気フードからの前記排気を熱交換器に通し、前記他の空気を前記熱交換器に通すステップを含む方法。
2. 前記ダクト付き換気フードからの前記排気が、フィルタを通されてから、ろ過された空気の系統として前記熱交換器の中へ導入される請求項１に記載の方法。
3. 前記他の空気が、新規空気の系統としてダクト付き換気フードを含む建屋の中へ導入される新規の空気を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記ろ過された空気の系統と前記新規空気の系統が、前記熱交換器を通るが互いと連絡していない請求項３に記載の方法。
5. 前記熱交換器が、前記ろ過された空気の系統から前記新規空気の系統への熱エネルギー伝達、および逆方向の熱エネルギー伝達を可能にするように構成される請求項４に記載の方法。
6. 前記熱交換器が、前記ろ過された空気の系統の気流に挿入された第１の熱交換器要素と、前記新規空気の系統の気流に挿入された第２の熱交換器要素を備え、さらに、流体系統が、前記第１の熱交換器要素を前記第２の熱交換器要素に接続する請求項３に記載の方法。
7. 前記熱交換器が熱ポンプを備え、さらに、前記流体系統が、冷媒で満たされた冷媒系統を備え、選択的に冷媒を圧縮するための圧縮機をさらに備える請求項６に記載の方法。
8. 前記熱交換器が可逆熱ポンプを備えるように、前記冷媒系統に配置された逆転弁をさらに備える請求項７に記載の方法。
9. 前記可逆熱ポンプが、液体の冷媒を、前記第１の熱交換器要素から前記第２の熱交換器要素へ向けることによって、前記ろ過された空気の系統から熱含有量を抽出して、その熱含有量を前記新規空気の系統に付加する請求項８に記載の方法。
10. 前記可逆熱ポンプが、液体の冷媒を、前記第２の熱交換器要素から前記第１の熱交換器要素へ向けることによって、前記新規空気の系統から熱含有量を抽出して、その熱含有量を前記ろ過された空気の系統に付加する請求項８に記載の方法。
11. 向上されたエネルギー効率を有するダクト付き換気フードを運転するための装置であって、
    他の空気の温度を調整するように、排気から前記他の空気に熱含有量を伝達するか、または前記他の空気から前記排気に熱含有量を伝達するように、前記ダクト付き換気フードからの前記排気を受け取り、前記他の空気を受け取るように構成された熱交換器を備える装置。
12. 前記ダクト付き換気フードからの前記排気が、フィルタを通されてから、ろ過された空気の系統として前記熱交換器の中へ導入される請求項１１に記載の装置。
13. 前記他の空気が、新規空気の系統として前記ダクト付き換気フードを含む建屋の中へ導入される新規の空気を含む請求項１２に記載の装置。
14. 前記ろ過された空気の系統と前記新規空気の系統が、前記熱交換器を通るが互いと連絡しない請求項１３に記載の装置。
15. 前記熱交換器が、前記ろ過された空気の系統から前記新規空気の系統への熱エネルギー伝達、および逆方向の熱エネルギー伝達を可能にするように構成される請求項１４に記載の装置。
16. 前記熱交換器が、前記ろ過された空気の系統の気流に挿入された第１の熱交換器要素と、前記新規空気の系統の気流に挿入された第２の熱交換器要素を備え、さらに、流体系統が、前記第１の熱交換器要素を前記第２の熱交換器要素に接続する請求項１３に記載の装置。
17. 前記熱交換器が熱ポンプを備え、さらに、前記流体系統が、冷媒で満たされた冷媒系統を備え、選択的に冷媒を圧縮するための圧縮機をさらに備える請求項１６に記載の装置。
18. 前記熱交換器が可逆熱ポンプを備えるように、前記冷媒系統に配置された逆転弁をさらに備える請求項１７に記載の装置。
19. 前記可逆熱ポンプが、液体の冷媒を、前記第１の熱交換器要素から前記第２の熱交換器要素へ向けることによって、前記ろ過された空気の系統から熱含有量を抽出して、その熱含有量を前記新規空気の系統に付加する請求項１８に記載の装置。
20. 前記可逆熱ポンプが、液体の冷媒を、前記第２の熱交換器要素から前記第１の熱交換器要素へ向けることによって、前記新規空気の系統から熱含有量を抽出して、その熱含有量を前記ろ過された空気の系統に付加する請求項１８に記載の装置。
21. ダクト付き換気フードと、
    他の空気の温度を調整するように、排気から前記他の空気に熱含有量を伝達するか、または前記他の空気から前記排気に熱含有量を伝達するように、前記ダクト付き換気フードからの前記排気を受け取り、前記他の空気を受け取るように構成された熱交換器とを備えるシステム。

Images