JP2020521940A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、空調装置と、流体を調整する方法、特に空気流を冷却および／または乾燥するための方法、吸着式空気−空気クロスフロー熱交換器および一体型空調装置を含む外壁要素に関する。

Description

本発明は、流体を調整する方法に関し、特に空気の流れを冷却および／または乾燥するための方法、空調装置、吸着式空気−空気クロスフロー熱交換器、および一体型空調装置を含む外壁要素に関する。

空調設備は、現代の建築技術の重要な要素である。遮光とガラス技術と共に、それらは、外部条件とは独立して、平均相対大気湿度と２０°Ｃから２６°Ｃの範囲の適度な温度を有する室内の健全な作業環境を作り出す。既存の建物を稼動させるためのエネルギー消費量は、人類の全エネルギー消費量の約４０％に上昇しており、これは、熱せられる建物の断熱不良などの他の理由は別として、主に空調設備に起因するものである。湿潤および熱帯気候地域における都市化の進行、および、運転に空調設備を必要とする高層建築物のそれに伴う建設の結果、エネルギー効率の高い空調設備の開発の必要性が高まっている。特にこれらの気候地域では、空気の乾燥が、現在主流であるコンプレッサー技術によって必要な絶対大気湿度に達するまで空気が過冷却されるため、最大のエネルギー消費を持つ。このコンプレッサー技術は通常、ハロゲン化された、好ましくは部分的にフッ素化された炭化水素を冷媒として使用するが、これらは気候損害の可能性のために圧力を受けている。二酸化炭素のような代替冷媒はこの点では良くない。コンプレッサーをメンテナンスの必要性、例えば可動部品のフリーランニングや、アンバランスになった部品のリバランスの確保や、さらなる作動媒体や消耗品の導入は、中央断熱の選択に至らしめ、これまでのところ、建物に統合されて効果的にパーソナライズされた環境を可能にする分散型空調設備の開発を妨げてきた。一方、改造用の分割装置は、市場、特に一戸建て住宅において確立されている。

移動用途、例えば、冷房や除湿のために空調設備が使用される列車や自動車などにおいても、車載ネットワークからの電気エネルギーの使用は、ますます重要な役割を果たすようになっており；電気自動車の場合、空調設備の運転は自動車の走行距離と直接競合する。

より効率的な方法は、乾燥工程と冷却工程を別々に実行するハイブリッド空調である。空気を乾燥させるために、例えば臭化リチウム溶液の吸湿性を利用して大気中の湿度を結合させる吸収プロセスがある；リサイクルは蒸発工程を経て行われる。最良の溶液、すなわち臭化リチウムおよび塩化リチウムの活発な性質のために、特別な非腐食性材料の使用が工業的実施に必要であるが、これらはシステムを高価にし、維持するのを複雑にする。代わりとして、吸着システムを使用することが可能であり、該吸着システムでは、大気中の湿度がゼオライトまたはシリカゲルのような通常固体物質中に結合する−研究分野（例えばＹ．Ｄ．Ｔｕら、Ｎａｔｕｒｅ７、４０４３７；ＤＯＩ １０．１０３８／Ｓｒｅｐ４０４３７）では、ナノポーラスシリカ中のリチウム塩から構成される配合物も記載されている；リサイクルは吸着剤を加熱することにより効果的である。乾燥剤での水の反応は、空気および材料を加熱する大量のエネルギーを放出し、さらなる冷却負荷をもたらす。同時に、吸着剤の再生にはエネルギーが必要となるため、このよう空調設備のエネルギー消費量はさらに増大する。乾燥ホイールを使用するインテリジェントなプロセス手順は、その場合では吸着剤が回転ホイール上に薄層として配置され、その回転ホイールを通って空気が流れ、吸着剤がその回転の一部において熱風によって再生されるが、例えばデシクール（ＤｅｓｉＣｏｏｌ；登録商標）ムンターズ（Ｍｕｎｔｅｒｓ）プラントにおいて、再生に必要な加熱および追加エネルギーを低減することを可能にする。しかしながら、空気の過乾燥は空気の再加湿を必要とし、これは蒸発冷却により冷却流を減少させるが、液体水の使用により、健康を害する細菌の吸着および増殖の可能性のため、衛生上の懸念をもたらす。多数の回転部品を有するこれらの空調設備の装置に関する支出は、メンテナンスのための多額な支出のリスクとなる。

ＥＰ １ ４０８ ２８６は、２つの吸着式空気−空気熱交換器または回転式吸着熱ホイールと圧縮ユニットとからなる空調設備を記載している。吸着モードでは、外部空気は吸着式熱交換器で除湿された後、圧縮ユニットで冷却されると記載している。また、吸着モードの間、さらなる外部空気が吸着式熱交換器を通って流れ、潜熱を取り込み、これによって、熱交換器および調整される内部空気の加熱を制限することも記載されている。この加熱された外部空気は、圧縮ユニットの再生モードでさらに加熱され、装填された吸着式熱交換器を通過して蒸発した水蒸気を屋外に搬送する。吸着式熱交換器がヒートホイールとして設計される場合、吸着モードと再生モードは向流プロセスとして設計され得る。ゼオライト、シリカゲル、陰イオン交換樹脂が吸着材料として開示されている。

ＥＰ ２ ３８５ ３１８は、吸着式空気−水熱交換器と、圧縮ユニットなしで作動する空気熱交換器とから構成される空調設備を記載している。結露水生成の問題は、大気中の湿度が吸着式熱交換器に吸着物として保存され、後続の乾燥工程で大気湿度として再び放出されることによって解決される。乾燥機の容量、吸着エンタルピーによる熱発生および空気の過乾燥の問題は、空気の総量が冷水導管により冷却される前に、乾燥した空気に相対的に湿った暖かい内部空気を混合することにより、低減される。空気熱交換器での冷却は１５°Ｃの水を用いて行われる。吸着物を排出するために、内部空気は、再生モードで加熱要素によって加熱され、乾燥ホイールの再生部分を通過する。ゼオライト、シリカゲル、活性炭、親水性官能基を有する有機ポリマーが吸着材料として開示されている。ＥＰ２３８５３１８に開示されている方法の欠点は、調整中に外部空気を既存の内部空気の一部と混合しなければならず、その結果、臭気物質および病原体が蓄積する可能性があることである。

ＵＳ６，１９９，３９２は、２つの流路と、複数の熱交換器と、圧縮ユニットとを有する回転吸着式ヒートホイールから構成される空調設備を記載している。調整方向では、外部空気は吸着式ヒートホイール内で除湿された後に圧縮ユニット内で冷却され、再生方向では、外部空気または使用済み室内空気は圧縮ユニット内で加熱された後、部分的にヒートホイールのロード部分の半分を通過し、部分的に再加熱されてヒートホイールのロード部分の他方の半分を通過すると記載されている。高度な再生が、この段階的再生により、エネルギー消費量を低減しつつ実現できるため、乾燥ホイールの容量を増大することができる。吸着材料については言及していない。欠点は、吸着熱が吸着性ヒートホイールで利用されないことである。さらに、乾燥した空気は乾燥し過ぎており、室内で使用するには加湿をしなければならない。

吸着中に吸着式熱交換器が発熱しないように、ＤＥ１０ ２００９ ０５０ ０５０は、収着側と冷却側を有する収着式熱交換器を使用することを提案しており、吸着中に発生する吸着熱は冷却流体、例えばエアゾール状の熱伝達媒体に伝達される。欠点は吸着熱が利用されないことである。

同様の意味で、クボタらによる（Ａｐｐｌ． Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇ．１２２（２０１７）６１８−６２５）は、湿った外部空気が吸着体でコーティングされた空気−空気熱交換器によって乾燥され得る実験装置について記載している。文献に公表された実施例は、吸着剤で被覆された熱交換器によって空気を乾燥できることを示している。しかしながら、この公報には、吸着剤の再生を含む、外部空気を乾燥および冷却するための連続プロセスを可能にする完全な構成が記載されていない。さらに、吸着熱が装置の熱回路に組み込まれる可能性については何も述べられていない。公報に記載されているように、コーティングされた熱交換器に外部空気を供給するための供給設備の長い導管もまた、小型な構成を必要とする商業的使用の妨げとなる。

吸着剤ベースの空調設備に関連するさらなる課題は、吸着剤の効率的な再生に必要な高温である。慣例的に使用されるゼオライトの場合、これは、１４０°Ｃから２００°Ｃである。いくつかの刊行物は、より低い温度で吸着剤の再生が可能であることを記載しているが、この場合、より多量の空気および／または予め乾燥させた空気を使用しなければならない（クボタら、Ａｐｐｌ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇ．１２２（２０１７）６１８−６２５、およびＷａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｉｎｔｅｒｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ１２６（２０１８）１３−２２）。

Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ７８（２０１５）３４７１−３４７６において、Ｐｏｒｔｉａ Ｍｕｒｒａｙらは回転乾燥ホイールおよび回転熱伝達ホイールを使用する分散型空調換気設備について記載している。しかし、この構成では、空気の乾燥（潜熱冷却）は冷却水導管によってのみ行われる。

さらなる問題は、熱力学的乾燥平衡「吸着剤に結合した水（気体）」の吸着剤特性が、先行技術に記載された吸着剤の場合、結合水の側に強く存在するため、過乾燥が生じ、これがその後さらなるステップで水を追加することによって補償されなければならないことである。この第２のステップは、装置およびエネルギー集約という点で複雑であるだけでなく、このステップは、健康に有害な細菌の吸着および増殖の可能性のリスクも生じる。さらに、大量の吸着熱が吸着剤ベースの空調設備では放出され、これまでは熱回路に非効率的にしか組み込まれていなかった。

ＷＯ９９／３６７３３は、一般化学式Ａｌ_２Ｏ_３ｋ（Ｐ_２Ｏ_５）、ここでｋ＝１．０±０．２、を有する多孔質リン酸アルミニウムを開示しており、これはサポゼオライトとして知られ、１２０〜１４０°Ｃで再生され得る、したがって、乾燥剤として、エネルギー効率の良い空調設備の可能性を提供している。

ＥＰ２２３０２８８は、ＭＯＦとして知られている多孔性金属有機構造体の、冷／熱機械の吸着材料としての使用を記載している。通常使用されるゼオライトと比較して、これらのＭＯＦは、より高い容量と、より低い再生温度を有する。

さらに、換気システムにおける吸着材料としての多孔性金属有機構造体の使用は、欧州特許出願第１５１９５１６６．２に開示されている。

空調設備に対する一般的に大きな要求およびこれらの設備を稼働するためのエネルギー要求の増加により、装置の点で有利に単純であり、有利に小型に構成することができる、よりエネルギー効率の良い空調設備に対する大きな関心がある。

したがって、本発明の目的は、結果として、可能であれば、不必要なエネルギーを消費する過乾燥または過冷却をしない空調装置の熱力学的に有利な運転を達成することである。乾燥は、好ましくは、その後の冷却要求が軽減されるように、等温的に達成されるべきである。さらに、吸着熱は装置の熱回路に統合する必要がある。さらに、エネルギー集約的な再生は可能な限り効果的に実現されるべきである。さらに、吸着乾燥とエネルギー効率の高い再生と、維持と液体水の回避のための低コストを組み合わせた完全なシステムが提供されるべきである。

本発明のさらなる目的は、装置の点で削減された経費を有し、少ない機械的要素を有し、効果的な運転モードを可能にする空調装置を提供することである。また、簡素化された制御が実現されることを要する。

本発明のさらなる目的は、空気の流れ、すなわち処理空気と内部廃棄空気が互いに分離され、新鮮な空気を１００％導入することが確保できる空調装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、小型でメンテナンスの少ない空調装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、圧縮機なしで運転することができる空調装置を提供することである。

本発明の目的は、流体の調整、特に外部空気の乾燥および／または冷却のための以下の方法によって達成することができ、これは以下のステップを含む。

（ａ）第１の吸着式熱交換器、好ましくはクロスフロー熱交換器の収着チャネルに、処理流体、有利には外部空気を流すステップと、
（ｂ）前記第１の吸着式熱交換器において前記処理流体を乾燥するステップと、
（ｃ）前記乾燥した処理流体を冷熱源の低温側に流すステップと、
（ｄ）冷熱源で前記乾燥した処理流体を冷却するステップと、
（ｅ）前記乾燥および冷却した処理流体を調整される領域へ流すステップと、
（ｆ）再生流体、有利には前記調整される領域からの排気を前記第１の吸着式熱交換器の熱交換器チャネルに流すステップと、
（ｇ）前記再生流体によって吸着熱を取り込むステップと、
（ｈ）前記加熱された再生流体を温熱源の高温側に流すステップと、
（ｉ）前記温熱源で前記再生流体をさらに加熱するステップと、
（ｊ）前記加熱された再生流体を第２の吸収式熱交換器、有利には、クロスフロー熱交換器の収着チャネルに流すステップと、
（ｋ）前記第２の吸収式熱交換器にある吸着剤を蒸発させ、前記再生流体によって前記吸着剤を取り込むステップと、
（ｌ）外部領域へ前記湿潤された再生流体を流すステップ。

収着チャネルは、吸着材料を含む。熱交換器チャネルは、吸着材料を有する収着チャネルの負荷に対して、有利には５％未満の吸着材料を含む。熱交換器チャネルは、有利には吸着材料を有さない。

吸着材料は、有利には、０．２から２ｇ／ｃｍ^３、好ましくは０．３から１．５ｇ／ｃｍ^３、特に０．３から１ｇ／ｃｍ^３の厚さを有する。

流速は、熱交換器の総流れ断面の関数として有利に決定される。典型的な流速は、分散型の小型空調設備では３０から１５０ｍ^３／ｈ、有利には５０から１００ｍ^３／ｈである。集中型の大型空調設備の場合、典型的な流速は１０００から３００００ｍ^３／ｈであり、有利には１５００から２００００ｍ^３／ｈである。

処理流体は、熱交換器を流通する前に、有利には濾過され、粒子および／または液滴が無いようにされる。

処理流体は、有利には、熱交換器を流通する前に外部ノイズを最小にするように、音響減衰のための装置を経て搬送される。

温熱源または冷熱源として、圧縮設備、熱または電気駆動の好ましくは太陽熱駆動に基づくヒートポンプ、または水導管、任意で加熱装置を有し、有利には水導管と吸着ヒートポンプまたはそれら組合せを用いることができる。加熱装置は、有利には、電気的または太陽熱的に作動させることができる。適切な加熱および冷却装置はまた、ペルチェ素子、磁気熱量素子、電線および面加熱のような純粋に電気的に作動するコンポーネントを含む。本発明の目的のために、「温−冷熱源の低温側」は、コールドポールであり、コンプレッサー設備の場合には気化器側である。「温−冷熱源の高温側」はホットポールであり、コンプレッサー設備の場合には凝縮器側である。

流体、好ましくは外部空気の調整は、効果的に連続運転を達成するために、少なくとも２つの収着式熱交換器を必要とする。吸着、すなわち除湿は２つの収着式熱交換器の一方で起こり、他方の収着式熱交換器は並行して再生される。いずれの場合もしたがって、少なくとも１つの収着式熱交換器が吸着段階にあり、少なくとも１つの収着式熱交換器が再生段階にある。

収着式熱交換器は特定の量の水分のみを取り込むことができ、吸着速度は負荷の増加と共に減少するので、吸着段階および再生段階は有利には周期的に変化する。これにより、効果的な連続運転が保証される。

所望の調整は、選択された収着材料および吸着式熱交換器面積のサイズを考慮してサイクル時間を調整することによって、設定されしたがって現気候に適合され得る。所望の調節は、気候の異なる地域で異なり、すなわち、海岸に近い地域では除湿が優勢であり、内陸地域では冷房が優勢である。サイクルタイムは通常、５分から１時間である。温度および／または大気湿度を測定することができるセンサは、現天候への切り替え時間を最適化するために有利に使用される。これらのセンサは、有利には導管に設置される。

吸着段階の前に、再生吸収式熱交換器を任意に冷却することができる。この冷却は、再生流体、有利に調整される領域からの排気の熱交換器への流れにより、または、乾燥冷却された処理流体、すなわち調整された空気の熱交換器への流れにより、行われ得る。さらに、この冷却は、外部空気の熱交換器への流れによっても行うことができる。有利には、流れは、冷却される熱交換器の熱交換器チャネルのみに生じる。この冷却段階は有利には１分から５分かかる。この冷却段階は、有利には、サイクルの約１から２０％を取り込む。冷却段階では、再生された吸収式熱交換器は、有利には、８０〜１００°Ｃの温度から２５〜３５°Ｃの温度に冷却される。

第１の吸収式熱交換器の収着チャネルを通る処理流体の流れと、第１の吸収式熱交換器の熱交換器チャネルを通る再生流体の流れは、有利には、第２の熱交換器の冷却段階の前に中断される。

任意の冷却段階の後、次のステップが行われる：
（ｍ）第１の吸着式熱交換器の処理流体および再生流体の流れが、中断がまだ行われていない場合、任意に中断されるステップと、
（ｎ）第２の吸収式熱交換器の収着チャネルへ前記処理流体を流すステップと、
（ｏ）前記第２の吸収式熱交換器において前記処理流体を乾燥するステップと、
（ｐ）前記乾燥された処理流体を冷熱源の低温側へ流すステップと、
（ｑ）前記冷熱源で前記乾燥された処理流体を冷却するステップと、
（ｒ）前記乾燥および冷却された処理流体を調整される領域へ流すステップと、
（ｓ）前記第２の吸収式熱交換器の熱交換器チャネルへ前記再生流体を平行して流すステップと、
（ｔ）前記再生流体により吸着熱を取り込むステップと、
（ｕ）前記加熱された再生流体を温熱源の高温側へ流すステップと、
（ｖ）前記温熱源において前記再生流体をさらに加熱するステップと、
（ｗ）前記加熱された再生流体を前記第１の吸収式熱交換器の収着チャネルへ流すステップと、
（ｘ）前記第１の吸収式熱交換器にある吸着剤を蒸発させ、前記再生流体によってこれらの吸着剤を取り込むステップと、
（ｙ）前記湿潤された再生流体を外部領域へ流すステップ。

これらの工程（ｍ）から（ｙ）の後、処理流体および再生流体の流れは再び中断されることが好ましい。また、任意に上記第１吸収式熱交換器は、上記（ａ）から（ｌ）の工程が再度行われる前に冷却される。

処理流体、特に外部空気は、有利には、１０°Ｃから５０°Ｃ、好ましくは２５°Ｃから３５°Ｃの温度、および４０から１００％の相対大気湿度を有する。吸収式熱交換器での吸着後、処理流体は、有利には、２０°Ｃから４５°Ｃ、好ましくは２５°Ｃから４０°Ｃの温度、および２５から３５％、好ましくは２８から３３％の相対大気湿度を有する。温−冷熱源の低温側による調整の後、処理流体は、有利には、１８°Ｃから２５°Ｃ、好ましくは２２°Ｃから２４°Ｃの温度、および４０から５５％、好ましくは４５から５５％の相対大気湿度を有する。

再生流体は、有利には、調整される領域からの排気は、有利には、２５°Ｃから３０°Ｃの温度および５０から８０％、好ましくは６０から７５％の相対大気湿度を有する。吸収式熱交換器における熱伝達の後、再生流体は、有利には、２５°Ｃから４５°Ｃ、好ましくは２５°Ｃから４０°Ｃの温度、および３０から７０％、好ましくは３５から６０％の相対大気湿度を有する。温−冷熱源の高温側による調整の後、再生流体は、有利には、６０°Ｃから１００°Ｃ、好ましくは７０°Ｃから９５°Ｃの温度、および１から１０％、好ましくは３から７％の相対大気湿度を有する。第２の吸収式熱交換器における再生後、再生流体は、有利には、３０°Ｃから５０°Ｃ、好ましくは３３°Ｃから４５°Ｃの温度と、７０から９５％、好ましくは８０から９５％の相対大気湿度とを有する。

内部空気は、任意に、乾燥および冷却された処理流体、すなわち調整された処理流体に、後者が調整される領域に流入する前に混合される。このような混合の場合、乾燥および冷却された処理流体の内部空気に対する比は、有利には１から６０、好ましくは１０から４０である。

しかしながら、乾燥および冷却された処理流体の１００％を調整される領域に導入することが有利である。

乾燥および冷却された処理流体は、調整される領域に導入される前に、任意に、吸着装置を通過する。相対大気湿度の変動は、この吸着装置により均一化され得る。

種々の流体の流れの可能な経路を図１に示す。

本発明による装置は、電気的に作動可能なバルブまたはエアフラップを除いて、可動部品、特に回転部品を含まない。空気の乾燥を行う吸収式熱交換器、好ましくはクロスフロー熱交換器と、供給空気および再生空気の加熱／冷却を行う温−冷熱源は、接続品、例えば剛性パイプまたは可動ホースを介して排他的に互いに接続されている。

本発明の装置は、有利には小型の機器である。本発明の目的のために、「小型」とは、長さ寸法が３００ｃｍから６０ｃｍ、好ましくは２００ｃｍから８０ｃｍ、好ましくは１２０ｃｍから１００ｃｍ、第２の長さ寸法が２００ｃｍから５０ｃｍ、好ましくは１２０ｃｍから６０ｃｍ、好ましくは１００ｃｍから７０ｃｍ、第３の長さ寸法が１００ｃｍから２５ｃｍ、好ましくは５０ｃｍから２５ｃｍ、好ましくは３５ｃｍから２５ｃｍである、特に小さい構造をいう。

狭いパイプ、すなわち流れが生じる断面積が熱交換器の流れ断面積よりも少なくとも３０％小さいパイプが使用される場合、同様の圧力下で全てのチャネルで流れが生じるように、熱交換器を通る空気の流れの挙動を最適化することが有利である。この目的のために、空気の流れを扇状に広げおよび／または層流化する要素は、有利には、熱交換器の前に、すなわち１から１０ｃｍの距離で直接挿入される。挙げられ得る例は、円錐形の接続部品と組み合わせて任意に使用され得るフィルタ、メッシュおよび／またはグリッドであり、または、バルブおよび／またはエアフラップを備え、一サイクル中に熱交換器の異なるチャネルシステムを体系的に作動させることができる複数経路システムである。空気流を層流化し、熱交換器を通過させる準備をする、文献に記載された長い供給導管は、このようにして省略することができる。

本発明は、水以外の他の収着剤にも適用可能である。

好ましい吸着剤は、気体から極性蒸気分子を吸着する高い選択性を示す。湿潤した空気から水蒸気を吸着する能力は、以下の材料：修飾カーボン（活性炭）、シリカゲル、活性酸化アルミニウム、活性ボーキサイト、モレキュラーシーブと金属有機構造体（ＭＯＦ）、酸化物中に固定化されたリチウム塩、例えば、酸化ケイ素によって有されている。

水吸着特性および／または修飾カーボン（活性炭）を有する金属有機構造体（ＭＯＦ）を使用することは有利である。

ＭＯＦは、多くの特性に関して、シリカゲルやゼオライトのような従来の吸着剤より優れている：（ｉ）飽和容量：ゼオライトは水１リットル当たり１０ｋｇの吸着材料を必要とする一方、ＭＯＦは水１リットル当たり１から２ｋｇの吸着材料を必要とする、（ｉｉ）再生温度：ゼオライトは１４０から１７０°Ｃを必要とする一方、ＭＯＦは７０から８０°Ｃを必要とする、（ｉｉｉ）吸着エンタルピー：ＭＯＦは平均して２０〜３０％少ない吸着熱を放出する。

本発明の重要な利点は、熱力学的乾燥平衡「水（気体）と吸着媒体に結合した水」である：ＭＯＦの場合、この平衡は、ゼオライトと比較して、結合水の側面から少なく離れている。このように、ＭＯＦを使用すると、過乾燥を回避することができる。また、上記のような問題を伴う再加湿を完全に回避することができる。さらに、修飾カーボン（活性炭）を使用する場合にも、同様に過熱を回避することができる。

以下の群からのＭＯＦは、個別にまたは混合物として、水吸着性ＭＯＦとして、有利に使用することができる：ＨＫＵＳＴ−１、ＭＯＦ−８０４、Ｂａ−ｓｏｌｉｔｅ Ａ１２０、ＢＡＳＯＬＩＴＥ（登録商標）Ａ５２０、ＭＩＬ−１６０、ＭＯＦ−８４１、ＵＩＯ−６６、ＤＵＴ−６７および／またはＭＯＦ−８０１。

水吸着性ＭＯＦはまた、有利には、吸着と再生のモードで構成されるサイクルで、１０００００超のサイクル安定性を有する。

以下の群からのＭＯＦは、個別にまたは混合物として、水吸着性およびサイクル安定ＭＯＦとして、有利に使用することができる：ＢＡＳＯＬＩＴＥ（登録商標）Ａ５２０、ＭＩＬ−１６０、ＭＯＦ−８４１、ＵＩＯ−６６、ＤＵＴ−６７および／またはＭＯＦ−８０１。

ＢＡＳＯＬＩＴＥ（登録商標）Ａ５２０として市販されているフマル酸アルミニウムＭＯＦおよびＭＩＬ１６０は、吸着材料として特に適している。

ＭＯＦは安価な試薬から容易に製造することができ、水に対する十分な安定性を有する。ＭＯＦは、従来技術において公知であり、例えば、ＵＳ５，６４８，５０８、ＥＰ−Ａ−０ ７９０ ２５３、Ｍ．Ｏ’Ｋｅｅｆｆｅ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｓｏｌ．Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．，１５２（２０００），頁３〜２０，Ｈ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ ４０２，（１９９９），頁２７６，Ｍ．Ｅｄｄａｏｕｄｉ ｅｔ ａｌ．，Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ ９，（１９９９），頁１０５〜１１１，Ｂ．Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９１，（２００１），頁１０２１〜１０２３，ＤＥ−Ａ−１０１ １１ ２３０，ＤＥ−Ａ１０ ２００５ ０５３４３０，ＷＯ−Ａ２００７／０５４５８１，ＷＯ−Ａ２００５／０４９８９２およびＷＯ−Ａ２００７／０２３１３４に記載されている。

吸着材料、特にＭＯＦは、粉末状材料、粒状材料、成形体またはモノリスとして提供することができ、例えば、ハウジング内に、マトリックスとして、コーティングとして、またはパッキングとして、例えば充填床または流動床として配置することができる。

本発明の好ましい実施形態では、収着材料は、基板上に、有利には吸着式熱交換器の収着チャネルの壁および／または内部に、コーティングとして堆積される。収着材料は、結合剤の有しまたは有さずにコーティングすることができる。基板は有利には金属から構成される。

本発明はさらに、流体を調整するための、好ましくは空気を冷却および／または乾燥するための空調装置であって、
− 少なくとも１つの流れ方向に収着チャネルを有し、かつ少なくとも１つの流れ方向に熱交換器チャネルを有する、好ましくはクロスフロー式熱交換器の第１の吸収式熱交換器と、
− 前記収着チャンネルの流れ方向において前記第１の吸収式熱交換器の下流に配置された熱を除去するための温−冷熱源と、
− 前記熱交換器チャンネルの流れ方向において前記第１の吸収式熱交換器の下流に配置された熱を取り込むための温−冷熱源と、
− 前記熱を取り込むために温−冷熱源の下流に配置され、少なくとも１つの流れ方向に収着チャネルを有し、かつ少なくとも１つの流れ方向に熱交換器チャネルを有する第２の吸収式熱交換器であって、該第２の熱交換器の前記収着チャネルが前記第１の熱交換器の前記熱交換器チャネルの流れ方向に配置される、好ましくはクロスフロー熱交換器の第２の吸収式熱交換器と、
を含む空調装置を提供する。

ＭＯＦは、吸着材料として有利に使用される、上記の説明と選好を参照のこと。

フィルタおよび浄化装置は、吸収式熱交換器の上流に有利に設置される。処理流体の音響減衰装置は、吸収式熱交換器の上流に有利に設置される。

本発明はさらに、吸着式空気−空気熱交換器を提供し、該吸着式空気−空気熱交換器は、少なくとも１つの流れ方向に吸水性金属有機構造体を有する収着チャネルと、少なくとも１つの他の流れ方向に熱交換器チャネルを有する熱交換器チャネルを有し、該熱交換器チャネルは、吸着材料を有する収着チャネルの負荷に対して、５％未満の吸着材料を含む。

熱交換器チャネルは、有利には、吸着材料を有さない。

空気−空気クロスフロー熱交換器は、有利には、複数の平行な収着チャネルと複数の平行な熱交換器チャネルとが存在するように構成される。ここで、平行配置とは、これらの流れチャネルがそれぞれジョイント入口およびジョイント出口を有することを意味する。収着式熱交換器の収着チャネルおよび熱交換器チャネルは、有利には交互に配置される。このような交互配置は、熱交換器内での最適な熱伝達を可能にする。同時に、流体の流れの混合が避けられる。

チャネル幅は、有利には、０．５から２ｍｍ、特に０．７から１．５ｍｍである。収着チャネルと熱交換器チャネルのチャネル幅は異なっていてもよい。収着チャネルおよび熱交換器チャネルの流れ抵抗は、有利には同じである。収着チャネルは、したがって、有利には、熱交換器チャネルよりも吸着材料のコーティング厚の２倍広い。

吸着材料のコーティング厚は、有利には、１０μｍから２００μｍ、好ましくは２０μｍから１５０μｍ、特に２５μｍから１００μｍである。

本発明の空気−空気クロスフロー熱交換器は、新鮮な空気の調整のために有利に使用され、有利には建物または車両において使用される。

流体を調節するための方法および対応する空調装置は、有利には、建物または車両、特に電車および電気自動車の空調のための空気の調整に使用される。この方法およびこの装置は、病院、研究所および、１００％の新鮮な空気の導入が規定されている他の施設の空調に特に有利に使用される。

さらに、本発明は、本発明によるビルトイン空調装置を有する外壁要素を提供する。本発明の空調装置の小ささは、外壁要素への設置を可能にし、したがって、分散型のフレキシブルな空調を可能にする。さらに、この分散化は、個別の効果的にパーソナライズされた空調の制御、例えば、外壁要素ごとの温度選択を可能にする。この個別制御は、例えば、アプリを使用して実行することができる。

本発明の利点は、以下の特徴間の相乗作用にある：（ｉ）効率的な吸着材料、特に高い負荷容量と低い再生温度を有する吸着材料の使用、（ｉｉ）選択された（再生された）吸着材料と非常に大きい温度差および水分含有量差を有する再生流体の使用、および（ｉｉｉ）再生のために吸着熱の利用。過乾燥およびそれに伴う再加湿の問題は、本発明によって回避することができた。凝縮水はどの点でも生成されない。さらに、２つの流体流れ、すなわち外部空気と内部排気は、空調装置全体を通して分離された状態に保つことができる。本空調装置は、コンプレッサーユニットの回避により、低メンテナンスである。大容量の吸着材料を使用することにより、建物に分散型の形で有利に一体化される小型の空調装置を構築することができる。小型の空調装置は、このユニットを外壁要素に一体化し分散型の方式で制御することができる。また、再生は、高容量で再生温度の低い吸着材料を用いることにより、簡略化することができる。本発明による再生は、低減された再生要求のため、外部空気から内部排気へ切り替えることができる。内部排気の再生流体としてのこの使用は、外部空気とは異なり、内部排気の温度と湿度の変動が狭い範囲に留まるため、制御を簡素化する機会を提供する。

図１は空調装置の概略構造を示す。 図２は空気−空気クロスフロー熱交換器の構造を示す。 図３は本発明の空調装置の第１の経路状態を示す。 図４は本発明の空調装置の第２の経路状態を示す。 測定曲線の評価の説明 図６はフマル酸アルミニウムＭＯＦの吸着および脱着曲線を示す。 図７のＭｏｌｌｉｅｒ線図の説明

図１：空調装置の概略構造
図１では、次の略語が使用される：
ＯＬ 外部空気
ＫＬ 調整空気
ＩＬ 内部空気
ＡＬ 排気
１０ 吸収器熱交換器１
１１ 吸収器熱交換器２
２０ ヒートポンプ
２１ ヒートポンプのホットポール
２２ ヒートポンプのコールドポール
２３ ヒートポンプの駆動エネルギー

図２：空気−空気クロスフロー熱交換器の構造
図２では、次の略語が使用される：
５０ 吸収剤でコーティングされた熱交換器エリア
５１ コーティングされていない熱交換器エリア
６０ 乾燥または再生される流体、有利には空気の流れ
６１ 冷却される再生流体、有利には排気の流れ

図３：本発明の空調装置の第１の経路状態
図３の下側部分では、任意で濾過された外部空気が装置に流入し、左側分岐を介して、本発明に従ってコーティングされた第１の熱交換器の収着チャネルへ搬送される。乾燥された空気は、冷却要素の方向に上向きに熱交換器を出る（ここでは例としてペルチェ冷却で示す）。図の左上では、空気が内部空間から第１の活性化された熱交換器の熱交換器チャネルに流入し、吸着熱によって加熱され、後者を補助加熱装置の方向に右に出る（ここでは、例として電気チューブ加熱として構成される）。加熱された空気は、上方から再生される第２の熱交換器の収着チャネルへ流入し、再生プロセスからの水蒸気とともに装置から流出する。

図４：本発明の空調装置の第２の経路状態
図４の下側部分では、任意で濾過された外部空気が装置に流入し、右側分岐を介して、本発明に従ってコーティングされた予め再生された熱交換器の収着チャネルへ搬送される。乾燥された空気は、冷却要素の方向に上向きに熱交換器を出る（ここでは例としてペルチェ冷却で示す）。図の左上では、空気が内部空間から活性化された熱交換器の熱交換器チャネルに流入し、吸着熱によって加熱され、後者を補助加熱装置の方向に左に出る（ここでは、例として電気チューブ加熱として構成される）。加熱された空気は、上方から再生される第２の熱交換器の収着チャネルへ流入し、再生プロセスからの水蒸気とともに装置から流出する。

実施例１：
フマル酸アルミニウムがＥＰ２ ２３０ ２８８に記載されているように調製された。

フマル酸アルミニウム１３００ｇと蒸留水３３００ｇとからなる分散液は、鋸歯状のディスク撹拌機（直径７ｃｍのディスク；Ｈｅｉｄｏｌｐｈ ＲＺＲ２０１０制御）によって５７０ｒｐｍで１５分間撹拌することにより製造された。ポリアクリレート分散液（Ａｃｒｏｎａｌ（登録商標）Ｅｄｇｅ、固形分４０％）８１０ｇを添加した後、攪拌機の速度を１５分間７４０ｒｐｍに上げた。このようにして製造された５つのバッチをプロペラ撹拌機（直径１０ｃｍ、ＩＫＡ ＥＵＲＯ ＳＴ４０ＤＳ００００）を用いて混合し、１２時間均質化した。その後、泡を除去し、ゆっくり攪拌することにより分散液は脱気された。分散液は１０Ｈｚで４Ｐａ・ｓの粘度であった（Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ、ＭＣＲ１０２、ＰＰ５０、４００μｍギャップ、２５°Ｃを用いて測定）。

分散液は、アルミニウム製の向流式熱交換器の２つのチャネルシステムの１つ（長さ３９７ｍｍ；高さ１７２ｍｍ；幅２００ｍｍ；コーティングされていないチャネル幅約１ｍｍ；クリンゲンブルクＧＳ１８−２００）を通して２回導入され、チャネル内が空気によって吹き飛ばされた。熱交換器の乾燥後、平均層厚９６μｍに対応する３４６ｇの総重量増加が得られた。

実施例２：
実施例１のようにコーティングされた熱交換器は、２７°Ｃで相対大気湿度（ＯＬ）９０％の空気がコーティングされたチャネルバンドル（１）を通過し、２０°Ｃで相対大気湿度（ＩＬ）８０％の空気が他のチャネルバンドルを通過するように接続された。流量は５０ｍ^３／ｈであった。吸着器の動作の最初の５分以内に、２８°Ｃから３２°Ｃの範囲の温度および３５％から５０％の範囲の相対大気湿度が、コーティングされたチャネルバンドル（ＫＬ）の流出端において確立された。空気のエンタルピーはこの目的のために８０ｋＪ／ｋｇから６３ｋＪ／ｋｇに等温減少した。コーティングされていないチャンネルバンドル（ＡＬ）からの流出は、３０°Ｃまで温度上昇を示した。この空気流のエンタルピーは、約５１ｋＪ／ｍ^３から約６３ｋＪ／ｍ^３に上昇した。熱交換器は１０°Ｃまで加熱された。最初の５分以内に、６０ｋＪ／ｍ^３が外部空気流（ＯＬ・ＫＬ）から内部空気流（ＩＬ・ＡＬ）に移動し、これはフマル酸アルミニウム上の水の吸着エンタルピーの約５０％に相当した。

実施例３：
実施例２の熱交換器は、高温の乾燥空気（９０°Ｃ、相対大気湿度３％）で５分間フラッシュされた。次に、実施例２の実験を繰り返した。最初の５分内に２７°Ｃから３３°Ｃの範囲の温度および４０から５０％の範囲の相対大気湿度が、コーティングされたチャネルバンドルの流出端で測定された。

実施例４：
クボタらとの比較。

最大値の半分までの吸着時間：
外部空気（ＯＤＡ）は、新たに再生された熱交換器を流れると、急速に乾燥される。ここに関わる吸着エンタルピーは温度上昇を引き起こす。水による吸収剤の負荷の増加は、水分の取り込みおよび吸着エンタルピーの減少をもたらす。したがって、出空気（ＳＵＰ）は、時間の増加に伴って大気の湿度および温度に関して外部空気に接近する。次に、運転は別のサイクルに切り替えられる必要がある。吸着開始時から温度または大気湿度が外部空気条件の最大値の半分に等しくなる時点までの時間が、２つの交互に操作されるコーティングされた熱交換器を有する構成のサイクル時間の特徴的な尺度として選択される。これらの条件下では、吸着剤の迅速に利用可能な量が充填され、吸着エンタルピーの分布がほぼ結論付けられると想定され得る。

測定曲線の評価の説明：図５
６０ｍ^３／ｈの測定曲線の評価。外部空気（ＯＤＡ）の大気湿度は２０ｇ／ｋｇであり、供給空気（ＳＵＰ）の大気湿度は吸着剤の飽和度によって変化する。再生された吸着剤の場合、大気湿度は５ｇ／ｋｇであり、長時間経過すると外部空気に近くなる。曲線は、最大時間の半分によって特徴づけることができ、ここでは、１３ｇ／ｋｇおよび約３５０ｓにおける線によって示されている。

図６：フマル酸アルミニウムＭＯＦの吸着および脱着曲線。
このグラフは、相対大気湿度の関数としての水によるＭＯＦの負荷の平衡状態を示す。ゼオライトについての典型的な類似の測定とは対照的に、ＭＯＦは、２部の曲線を示す：相対大気湿度２０％未満では、ＭＯＦは水蒸気を全く取り込まない、すなわち空気を過乾燥させない。相対大気湿度が２０から４０％の範囲では、ＭＯＦは空気から自身の重量の３０％までの水分を吸収する。さらに高い相対大気湿度では、水のさらなる連続的な取り込みが起こる。

図７のＭｏｌｌｉｅｒ線図の説明：
このグラフは、絶対大気湿度と温度の可能な組み合わせを示している。この図では、空気の密度に対する大気湿度の影響は無視されている（この効果により、等温線（同じ温度の状態）は左から右にわずかに増加する。）。

水蒸気に対する空気の取り込み量は温度の上昇とともに増加する。飽和曲線は、相対大気湿度１００％として示される。この温度以下では大気中の水分がミストとして凝縮する。このため、「ミスト曲線」ともいう。オフィスルームの快適範囲は、相対大気湿度４０％／２０°Ｃ〜相対大気湿度６０％／２６°Ｃである。

高温多湿の気候における外部条件の典型的な例は、３０°Ｃで相対大気湿度８０％（約２３ｇ／ｋｇの水蒸気）の点である。室内の快適性の範囲に入るためには、空気を、特に、乾燥させなければならない。確立された空調技術では、約１０°Ｃまで冷却することで達成され、空気中の水分は絶対大気湿度で約１０〜１２ｇ／ｋｇ（ミスト曲線）になるまで凝縮する。空気は、冷却されることなく、本発明のコーティングされた熱交換器によって実質的に等温的に乾燥させることができる。熱交換器なしで乾燥すると、凝縮のエンタルピーの放出と水の吸着の結果として空気の温度が上昇する。

Claims (21)

1. 流体を調整する方法であって：
   （ａ）第１の吸収式熱交換器の収着チャネルに処理流体を流すステップと、
   （ｂ）前記第１の吸収式熱交換器において前記処理流体を乾燥するステップと、
   （ｃ）前記乾燥した処理流体を冷熱源の低温側に流すステップと、
   （ｄ）前記冷熱源において前記乾燥した処理流体を冷却するステップと、
   （ｅ）前記乾燥および冷却した処理流体を調整される領域へ流すステップと、
   （ｆ）前記第１の吸収式熱交換器の熱交換器チャネルに再生流体を平行して流すステップと、
   （ｇ）前記再生流体によって吸着熱を取り込むステップと、
   （ｈ）前記加熱された再生流体を温熱源の高温側に流すステップと、
   （ｉ）前記再生流体を前記温熱源でさらに加熱するステップと、
   （ｊ）前記加熱された再生流体を、第２の吸収式熱交換器の収着チャネルに流すステップと、
   （ｋ）前記第２の吸収式熱交換器にある吸着剤を蒸発させ、前記再生流体によってこれらの吸着剤を取り込むステップと、
   （ｌ）前記湿潤された再生流体を外部領域へ流すステップと、
   を有する方法。
2. 前記調整される領域からの排気を前記再生流体として使用する、請求項１に記載の方法。
3. 続けてさらに：
   − 前記第２の吸収式熱交換器を冷却するステップ、
   を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の吸収式熱交換器の冷却は、前記第２の熱交換器のための前記再生流体、前記調整された処理流体および／または前記熱交換器を流れる外部空気によって達成される、請求項３に記載の方法。
5. 前記方法は周期的に運転される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ステップ（ａ）から（ｌ）および前記第２の吸収式熱交換器の冷却の後に、
   （ｍ）前記第１の吸着式熱交換器の処理流体および再生流体の流れが、中断がまだ行われていない場合に、任意で中断されるステップと、
   （ｎ）前記第２の吸収式熱交換器の前記収着チャネルへ前記処理流体を流すステップと、
   （ｏ）前記第２の吸収式熱交換器において前記処理流体を乾燥するステップと、
   （ｐ）前記乾燥された処理流体を冷熱源の低温側へ流すステップと、
   （ｑ）冷熱源で前記乾燥された処理流体を冷却するステップと、
   （ｒ）前記乾燥および冷却された処理流体を調整される領域へ流すステップと、
   （ｓ）前記第２の吸収式熱交換器の熱交換器チャネルへ前記再生流体を平行して流すステップと、
   （ｔ）前記再生流体により吸着熱を取り込むステップと、
   （ｕ）前記加熱された再生流体を温熱源の高温側へ流すステップと、
   （ｖ）前記温熱源において前記再生流体をさらに加熱するステップと、
   （ｗ）前記加熱された再生流体を前記第１の吸収式熱交換器の収着チャネルへ流すステップと、
   （ｘ）前記第１の吸収式熱交換器にある吸着剤を蒸発させ、前記再生流体によってこれらの吸着剤を取り込むステップと、
   （ｙ）前記湿潤された再生流体を外部領域へ流すステップと、
   が続く、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 流体を調整するための空調装置であって、
   − 少なくとも１つの流れ方向に収着チャネルを有し、少なくとも１つの流れ方向に熱交換器チャネルを有する、第１の吸収式熱交換器と、
   − 前記収着チャンネルの流れ方向における前記第１の吸収式熱交換器の下流に配置された熱を除去するための温−冷熱源と、
   − 前記熱交換器チャンネルの流れ方向における前記第１の吸収式熱交換器の下流に配置された熱を取り込むための温−冷熱源と、
   − 前記熱を取り込むために温−冷熱源の下流に配置され、少なくとも１つの流れ方向に収着チャネルを有し、かつ少なくとも１つの流れ方向に熱交換器チャネルを有する第２の吸収式熱交換器であって、該第２の熱交換器の前記収着チャネルが前記第１の熱交換器の前記熱交換器チャネルの流れ方向に配置されている、第２の吸収式熱交換器と、
   を含む空調装置。
8. 前記熱交換器と前記温−冷熱源が剛性パイプおよび／または可動ホースを介して接続されている、請求項７に記載の空調装置。
9. 前記装置は回転部品を含まない、請求項７または８に記載の空調装置。
10. 前記空気の流れを扇状に広げおよび／または層流化する要素が、前記熱交換器の上流に挿入されている、請求項７から９のうちの少なくとも１項に記載の空調装置。
11. 前記吸着材料の密度が０．２から２ｇ／ｃｍ^３である、請求項７から１０のうちの少なくとも１項に記載の空調装置。
12. 前記収着チャネルにおいて吸着材料として、金属有機構造体および／または修飾炭素が使用されている、請求項７から１１のうちの少なくとも１項に記載の空調装置。
13. 前記収着チャネルにおいて吸着材料として、ＢＡＳＯＬＩＴＥ（登録商標）Ａ５２０、ＭＩＬ−１６０、ＭＯＦ−８４１、ＵＩＯ−６６、ＤＵＴ−６７および／またはＭＯＦ−８０１が使用されている、請求項７に記載の空調装置。
14. クロスフロー熱交換器が使用されている、請求項７から１３のうちの少なくとも１項に記載の空調装置。
15. 建物および車両において流体を調整するための、請求項７から１３のうちの少なくとも１項に記載の空調装置の使用。
16. 病院および／または実験室において流体を調整するための、請求項７から１３のうちの少なくとも１項に記載の空調装置の使用。
17. 熱交換器が、少なくとも１つの流れ方向に水吸着性金属有機構造体を有する収着チャネルを有し、少なくとも１つの他の流れ方向に熱交換器チャネルを有し、前記熱交換器チャネルは、吸着材料を有する前記収着チャネルの負荷に基づいて、５％未満の吸着材料を有する、吸収式空気−空気クロスフロー熱交換器。
18. 前記チャネル幅が０．５から２ｍｍである、請求項１７に記載の吸収式空気−空気クロスフロー熱交換器。
19. 前記吸着材料のコーティング厚は、１０μｍから２００μｍである、請求項１７または１８に記載の吸収式空気−空気クロスフロー熱交換器。
20. 流体を調節するための、請求項１７に記載の空気−空気クロスフロー熱交換器の使用。
21. 請求項７から１４のうちの少なくとも１項に記載の空調装置を有する外壁要素。

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