JP3540107B2 - 流体の冷却および気体の除湿冷却の方法および装置 - Google Patents
流体の冷却および気体の除湿冷却の方法および装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は流体たとえば空気と空気または液体と気体との熱交換による気体の除湿冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気その他の気体または液体を冷却するのに従来から、フロン等の揮発性の冷媒をコンプレッサで圧縮液化し液化したフロンの気化熱によって冷却するようにした冷凍機が一般的である。またこのような冷凍機はフロンの圧縮熱を放出させるために、フロンを蛇管に通しその蛇管に水を流下させるとともに空気をカウンタ方向に流し、その水の気化熱によって冷却するクーリングタワーが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般の空気調和においては快適な温度および湿度の空気を得ることが求められており、高温多湿の外気を処理する場合には温度および湿度をともに低下させることが必要である。このような空気調和を行う場合には、フロンをコンプレッサで圧縮するようにしているため、消費エネルギーが大きく、またフロンによる大気のオゾン層の破壊が問題になっている。さらにクーリングタワーでも大きくエネルギーが消費されている。
【０００４】
本発明は熱交換器を利用して空気その他の気体を除湿し冷却して快適な温度および湿度を有する空気、その他低温・低湿の気体を少ないエネルギーでフロンを用いることなく連続的に供給しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は直交流型熱交換器その他温度が異なる２種類の流体が互いに直接接触しない熱交換器を使用して低温の気体Ａと高温の流体Ｂとの顕熱交換により高温の流体Ｂを冷却するにあたり、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし高効率で流体Ｂを冷却するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし流体Ｂを除湿冷却するという作用を有する。
【０００７】
（実施例１）アルミニウムその他の金属のシートまたはポリエステルその他の合成樹脂のシートよりなる平板１と波長３.０mm、波高１.６mmの波板２とを交互に且つ波板２の波の方向が一段毎に直交するように積重ね互に接着して図２に示す如き直交流型熱交換器３を得る。また、シートの表面にブラスト等で小さな凹凸を形成すると親水性が生じるとともに表面積が増加する。アルミニウムシートに親水性を与えるには燐酸ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム、クロム酸、燐酸、シュウ酸、水酸化ナトリウム等の水溶液にシートを浸漬したり、沸騰水に浸漬する等の方法によりアルミニウムシート表面に親水性の物質を生成させる。こうしてアルミニウムシートに親水性を与えると、アルミニウムシートの表面に水滴が付着しても水滴が平になり、流体抵抗を増加させることはない。
【０００８】
直交流型熱交換器３として平板１と波板２との組合せを例示したが、平板の一部分に細かな波を形成すると、表面積がさらに増大し熱交換効率が増大する。また、平板１や波板２の表面を黒くすると輻射熱の放射・吸収が増大し熱交換効率が向上する。
【０００９】
図２，図３に示す如くこの直交流型熱交換器３の一方の小透孔群４をほぼ垂直に他の小透孔群５をほぼ水平になるように配置し、図３に示す如く小透孔群４の流入口４ａおよび流出口４ｂに夫々ダクト８ａ，８ｂを取付け、ダクト８ａに送風機Ｆａおよび水噴霧器６を取付け、小透孔群５（図２）の流入口５ａおよび流出口５ｂに夫々ダクト９ａ，９ｂを取付け、ダクト９ａに送風機Ｆを取付ける。尚図中Ｖａは水噴霧器６の噴霧量を調節する弁である。
【００１０】
水噴霧器６としてはできるだけ細かな水滴を均一に分布させることができるものが望ましく、例えばエアミストノズル等が適する。また、水滴はできるだけ細かな方が望ましく径が１０μｍ程度がよいが、エアミストノズルを用いて噴霧した場合に水滴の最大径が２８０μｍ程度になるようにすると約７０％の水滴の径は１００μｍ以下となり、本発明の効果は十分発揮される。
【００１１】
なお、エアミストノズルは水と空気を用いて噴霧するものであり、水及び空気とも加圧すると噴霧水滴が小さくなる。特に、噴霧水滴の大きさは空気の圧力の影響を受け易く３ｋｇｆ／ｃｍ2以上の圧を加えることが望ましい。またエアミストノズル以外に液体のみを使用するノズルを用いてもよい。
【００１２】
次にこの冷却装置の作用を説明する。図３に示す如く外気または室内空気流Ａに上記水噴霧器６を使用して、空気流Ａに微細な水滴を多量に噴霧することによって水滴の気化熱によって温度を下げ、かつ相対湿度を上げる。そして更に大量の微細な水滴Ｍを浮遊させた状態の空気流Ａａとして送風機Ｆａの吐出圧により熱交換器３の一方の多数の流路入口４ａに送入する。
【００１３】
他方送風機Ｆにより熱交換器３の流路入口５ａに高温の空気流Ｂを送入すれば、空気流Ａａが熱交換器３の流路を通過する間に流路の隔壁１（図２参照）を介して高温空気流Ｂの顕熱を奪って空気流Ａａの温度が上がる。その結果空気流Ａａの相対湿度が下がり、空気流Ａａに含まれた多量の微細な水滴Ｍが気化しその気化熱によって空気流Ａａの温度を下げることにより隔壁１を介して高温空気流Ｂを冷却する。
【００１４】
この冷却装置の冷却原理をさらに詳細に説明する。液体の蒸気圧は、液体が水平表面を有する状態より液滴状態の方が大きく、その液滴の径が小さい程大きくなる。この現象はケルヴィンの式として次のように表される。
【００１５】
ｌｏｇ（ｐr／ｐ）＝２δＭ／ρｒＲＴ
ここでｐは水平表面の蒸気圧、ｐrは半径ｒの液滴の蒸気圧、Ｍはモル質量、δは表面張力、ρは液体の密度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。
【００１６】
従って、水滴の半径は小さいほど気化が速く、冷却作用が強くなる。更に噴霧された水滴Ｍが熱交換器３内で気化する過程において、水滴Ｍの直径は小さくなり、水滴Ｍの直径が小さくなるに従って蒸気圧が上昇するため、熱交換器３内で加速度的に水滴Ｍの気化が進む。つまり、微細な水滴Ｍは熱交換器３内で極めて短時間で気化し、多量の気化熱を奪う。
【００１７】
上記の式に当てはめて計算すると１８℃の水の場合、水滴の半径が１μになると蒸気圧は水面が平な状態の時と比較して０.１％上昇し、水滴の半径が１０ｍμになると蒸気圧は約１０％上昇する。さらに水滴の半径が１ｍμになると蒸気圧はほぼ倍に上昇する。このように微細な水滴Ｍが多量に浮遊した空気を熱交換器３に送入すると、水滴Ｍは熱交換器３内で急激に気化するという現象を呈する。
【００１８】
この冷却装置を使用して試験を行った。図４に示す如く温度２５.９℃、絶対湿度８.０５g/kg、相対湿度３９％の空気流Ａを水噴霧器６に通して温度を１７.５℃に下げるとともに、大量の微細な水滴Ｍを浮遊させた相対湿度１００％の空気流Ａａとし、この空気流Ａａを熱交換器３のほぼ垂直に配置した小透孔群４の入口４ａに風速２ｍ／秒で送入する。一方温度７０.６℃、絶対湿度１０.４４g/kg、相対湿度５.２％の高温空気流Ｂを送風機Ｆにより熱交換器３のほぼ水平に配置した小透孔群の流入口５ａに風速２ｍ／秒で送入する。小透孔群４は正確に垂直でなくても水滴が空気中に浮遊した状態で送通すればよい。図５はこの時の空気冷却を示す空気線図、表１はその試験成績である。
【００１９】
【表１】
高温空気流Ｂと空気流Ａａとの間で顕熱交換が行われ、前述の如く空気流Ａａ中に浮遊した微細な水滴の気化により空気流Ａａの温度を連続的に下げ、空気流Ｂを冷却して空気流Ｂは絶対湿度を上げることなく温度は下がり、温度１８.６℃、絶対湿度１０.４４g/kg、相対湿度７８％の快適な空気となりこれを給気ＳＡとして使用する。気体流Ａａは熱交換器３を通ることにより温度３０.７℃、相対湿度１００％の空気流Ａｂとなる。この空気流Ａｂは大気中に放出される。
【００２０】
この場合の顕熱交換効率η1は表１中の（１）式に示す如く９７.９％となり、熱交換効率が非常に高いことを示す。（１）式中Ｂ，ＳＡ，Ａａは各々の空気の温度を示す。この場合水滴Ｍの噴霧量は凡そ１時間当り８〜１５リットルである。この場合の空気流ＡおよびＢの流量は約１８０ｍ3／時である。熱交換器の寸法は０.２５×０.２５＝０.０６２５ｍ2 の広さであり、その入口４ａ, ５ａの表面積は夫々０.０６２５ｍ2、開孔率が約４０％であるので小透孔の断面積は０.０６２５ｍ2 ×４０％＝０.０２５ｍ2 であり、風速は２ｍ／秒であるので風量は０.０２５ｍ2 ×２ｍ／秒＝１８０ｍ3 / 時となる。
【００２１】
これと比較するために対照例として実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用い冷却用空気流に水噴霧器を使用しない場合の試験成績を図６および表２並びに図７の空気線図に示す。ここで（２）式中Ｂ，Ｂａ，Ａは各々空気の温度を示す。
【００２２】
【表２】
温度２２.３℃の空気流Ａは顕熱交換により温度６２.０℃の空気流Ａｂとなり、温度６７.２℃の高温空気流Ｂは顕熱交換により温度３６.０℃の空気流Ｂａとなる。 絶対湿度は空気流Ａ, 空気流Ｂともに変わらない。このときの顕熱交換効率η1 は表２中の（２）式に示す如く６９.５％となる。 水を噴霧した場合には顕熱交換効率は９７.９％となり水を噴霧しない場合には顕熱交換効率は６９.５％となり、水の噴霧によって約３０％熱交換効率が上昇する。この場合他の条件は実施例１の水を噴霧した場合と同じである。
【００２３】
（実施例２）また同様にこの冷却装置を使用して図８に示す如く温度２５.７℃、絶対湿度１２.２０g/kg、相対湿度５９.０％の空気を風速２ｍ／秒の空気流Ａとし、これを水噴霧器６に通して温度２０.２℃、相対湿度が１００％で且つ霧状の微細な水滴を大量に均一に浮遊させた空気流Ａａとし、この空気流Ａａを熱交換器の小透孔群４の入口４ａに送入する。一方冷却すべき空気として温度３４.２℃、絶対湿度１４.４１g/kg、相対湿度４３％の高温空気を風速２ｍ／秒の空気流Ｂとして熱交換器の小透孔群５の入口５ａに送入する。高温空気流Ｂは空気流Ａａとの間で顕熱交換が行われ、空気流Ｂは温度２０.６℃、絶対湿度１４.４１g/kg、相対湿度９５％の冷却空気ＳＡとなった。気体流Ａａは温度２５℃、相対湿度ほぼ１００％の空気流Ａｂとなり、空気流Ａｂは大気中に放出される。この時の空気線図を図９に試験成績を表３に示す。
【００２４】
【表３】
図示する如く気体流Ｂに気体流Ａａ中の水滴の気化熱が隔壁を通して伝わり、空気線図に示すように気体流Ｂの絶対湿度は変らず、空気線図の水平の線に沿って温度が下りＳＡ点（２０.６℃）に達し、空気流ＡａはＡｂ点まで相対湿度１００％の線を通って温度が上昇する。この場合の顕熱交換効率は表３中（３）式に示す如く９７.１％となり、実施例１の顕熱交換効率とほぼ同じである。即ち流体Ｂの温度が降下し、給気ＳＡの温度が２０.６℃と空調用として適切になった場合には水の噴霧量を減少しその温度を維持するようにすればよい。その場合の水の噴霧量は約８リットル／時間である。
【００２５】
上記と比較するために対照例として実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用い冷却用空気流に水噴霧器を使用しない場合の試験成績を図１０、図１１の空気線図および表４に示す。
【００２６】
【表４】
２１.８℃の空気流Ａは３２.７℃の空気流Ａｂとなり、３４.４℃の高温空気流Ｂは空気流Ａとの顕熱交換により２５.７℃の空気流ＳＡとなる。 絶対湿度は空気流Ａ, 空気流Ｂともに変わらない。このときの顕熱交換効率は表４中（４）式に示す如く６９.０％となる。
【００２７】
（実施例３）図１に示す如く実施例１で説明した図３の装置に空気流Ａｂとともに排出された水滴を受ける水槽Ｄ、該水槽Ｄに溜った水の還流装置すなわちポンプＰ，導水管１０，電動弁Ｖａおよび水位調節装置即ち水位浮きＶｓ，水位センサーＳｅ，電動弁Ｖｂ、並に水滴噴霧装置６の噴霧量調節装置即ちサーモカップルＴａ，サーモカップルＴｂ，電気信号増幅機Ｃ，電動弁Ｖａを加えたものである。図中図３と同じ番号をつけた部品は実施例１において図３で説明した部品と同一であるのでその説明は省略する。
【００２８】
水槽Ｄ内の水を水噴霧器６に還流する導水管１０を取付けその中途にポンプＰおよび電動弁Ｖａを設ける。また水槽Ｄには給水管１１を取付け、水槽Ｄ内の水面１３には水位浮きＶｓを浮かべ、給水管１１に設けたオンオフ電磁弁Ｖｂと水位センサーＳｅとを連結し、図１のＱ部拡大図に示す如く水位の変化を水位浮きＶｓおよび水位センサーＳｅでキャッチし水面が１３Ｌまで下れば電磁弁Ｖｂが開き水を補給し、水面が１３Ｈまで上れば電磁弁Ｖｂが閉じ水の補給を停止する。
【００２９】
水噴霧器６の上流には気体流Ａの温度センサーたとえばサーモカップルＴａ、流体Ｂの中に温度センサーたとえばサーモカップルＴｂを配置し、該サーモカップルＴａおよびＴｂを電気信号増幅器Ｃを介在させ連結する。この両サーモカップルＴａ，Ｔｂの温度差をキャッチして電気信号増幅器Ｃに入れ、温度差が大きくなるに従い電動弁Ｖａを操作し水噴霧量を増大させ、温度差が小さくなるに従い水噴霧量を減少させる。必要に応じて水の噴霧量の増加とともに送風機Ｆａの出力を増加させて空気流Ａａを加速させる。
【００３０】
この場合水噴霧器６からの噴霧量が多過ぎると微細な水滴が熱交換器３の小透孔群４内の内壁面に集まり水流となるとともに十分な気化をせずに滴下してしまう。その水流は微細な水滴と比べて表面積は極めて小さくなり高温空気流Ｂから奪った熱量では水の気化が少なく、冷却に寄与しない。したがって気体流Ａａの温度を充分低下させることはできず、よって高温空気流Ｂの温度を充分に下げることはできない。気体流Ａａ内の微細な水滴Ｍが均一に必要量含まれるように噴霧すれば冷却効率がよく、水も節約できる。
【００３１】
（実施例４）噴霧器６において使用する水（沸点１００℃）の代りにエタノール（沸点７８.３℃）、酢酸メチル（沸点５６.３℃）、メタノール（沸点６４.７℃）等揮発性の有機質液体または揮発性有機質液体と水との混合液体を使用することもできる。
【００３２】
図２に示す如く厚さ２５μのアルミニウムシートよりなる隔壁１と、波長３.４mm、波高１.７mmのアルミニウム波板２との両表面に吸湿剤シリカゲルの微粒子を散布接着しこれを交互に積層して２５０mm×２５０mm×２５０mmのサイズの直交流型熱交換器３を得る。この熱交換器３を使用して図１２に示す冷却装置を組立て、実施例１，２において噴霧器６に使用した水の代わりにメタノールの４５％水溶液を使用した場合のデータを図１２に示す。この場合水の代わりにメタノール水溶液を使用したためその沸点が下り、温度２５.９℃であった空気流Ａはメタノール水溶液の噴霧後（空気流Ａａ）１４.６℃へと下がった。
【００３３】
この空気流Ａａの１４.６℃と高温空気流Ｂの５１.３℃との熱交換により１７.２℃の低温空気ＳＡが得られた。従って水のみの噴霧よりも低沸点の液体を使用して噴霧すれば低温の空気ＳＡが得られる。図１１の空気線図は以上の空気流Ｂ→ＳＡと、空気流Ａ→Ａａ→Ａｂとの状態変化を示す空気線図である。
【００３４】
（実施例５）本実施例の装置は図１４に示す如く実施例１で説明した装置に熱交換器３の出口４ｂから排出された気体流Ａｂを高湿度の気体流Ａａに還流する装置を加え、水噴霧器６の上流側に加湿器７を設けたものである。図１４において熱交換器３の出口４ｂと送風機Ｆｃとをダクト８ｅで連結し、送風機Ｆｃと高湿度の気体流Ａａの流路とをダクト８ｄで連結し、ダクト８ｅの一部に外気ＯＡを必要に応じて送入するための分岐ダクトＫを接続する。
【００３５】
加湿器７には給水管Ｗｐの中途にバルブＶを取り付け加湿する必要が生じた場合に水を供給できるようにする。加湿器７としてはたとえば超音波型、水を浸潤した多数の織布等を使用したものがある。
【００３６】
気体流Ａａを熱交換器３に通し出口４ｂから排気Ａｂを送風機Ｆｃにより還流させ気体流Ａｃとして使用する。この気体流Ａｃは必要に応じて加湿器７に通し更に噴霧器６により微細な水滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとして熱交換器３に循環して送入するものである。
【００３７】
図１２においてダクト８ｅの中間に冷却部Ｃｏを設け、ダクト８ｅの外周に多数のフィンＦｅを取付けこれにカバーを取り付けて送風機Ｆｄを連結し、送風機ＦｄによりフィンＦｅを冷却することによりダクト８ｅ内の流体Ａｂを冷却し高湿度流体Ａｂ内の湿気を冷却し結露させて結露水をタンクＤａ内に溜め、タンク内の水を時々弁Ｖｃにより排出し、噴霧器６に戻す。
【００３８】
以上本発明の流体の冷却方法を直交流型熱交換器を使用する空気の冷却方法の例により説明したが、空気以外の気体または水その他の液体の冷却においても同様に実施し得ることは勿論である。
【００３９】
使用する熱交換器は上記の直交流型に代えて斜交流型、図１５に示す対向流型、図１６に示す対向流と交差流とを組合わせた熱交換器を使用することもできる。図１５に示す対向流型、図１６に示す対向流と交差流とを組合わせた熱交換器においてはともに微細な水滴を浮遊させた気体流Ａａ、流体Ｂは夫々図中矢印方向に小透孔内を通過し夫々気体流Ａｂ，流体ＳＡとして排出され、両流体Ａａ，Ｂの間で顕熱交換を行う。また図１７に示す如く平板１，１…の間に多数のスペーサー１２，１２…を一段毎に直交する方向に多数挟んで組立てた直交流型の熱交換器を使用することができ、また上記ハニカム積層体と同様対向流型、対向流と交差流とを組合わせた熱交換器を使用することもできる。
【００４０】
（実施例６）図１８に示す如く２５０mm×２５０mm×２５０mmの直交流型熱交換器３と噴霧加湿器６を配置し除湿ロータ１４を熱交換器３の前段に配置する。除湿ロータ１４は、吸着剤又は吸湿剤を結合したハニカム積層体を直径３２０mm、幅２００mmの円筒状に形成したものである。また、除湿ロータ１４はセパレータ１５、１５’により吸着ゾーン１６と再生ゾーン１７とに分離され夫々ダクト（図示せず）により矢印Ｂ→ＨＡ→ＳＡに示す如く流路を構成されており、除湿ロータ１４は図中矢印方向に１６r.p.h.で連続的に回転駆動される。温度３４.０℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度４３.１％の外気ＯＡを送風機Ｆｂにより空気流Ｂとし、これを風速２ｍ／秒で除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６に送入する。
【００４１】
これにより空気流Ｂの湿気を吸着除去して乾燥空気流ＨＡを得る。ついで乾燥空気流ＨＡを熱交換器３の水平な小透孔群５の入口５ａに送入する。除湿ロータ１４の再生ゾーン１７にはヒータＨにより外気ＯＡを８０℃程度に加熱した再生空気ＲＡとして図中矢印方向に送入し、再生ゾーン１７を通り除湿ロータ１４を脱湿再生し、多湿の排気ＥＡとして外気中に放出する。
【００４２】
一方空気流Ａの温度が２６℃で相対湿度５８％の時に噴霧加湿器６によって加湿し相対湿度１００％にすれば、空気流Ａａの温度は１７.０℃になった。更にこの空気流Ａａに水を噴霧し微細な水滴が無数浮遊した状態にして熱交換器３の流入口４ａに送通する。
【００４３】
上述の乾燥空気流ＨＡは熱交換器３を通ることによって、微細な水滴が無数浮遊した空気流Ａａと顕熱交換をし、第１実施例の説明と同様熱交換器３内部で空気流Ａａの微細な水滴の気化熱により冷却され温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の快適な給気ＳＡとなった。
【００４４】
この実施例から分かるように３４℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度４３.１％の外気を除湿し、湿分の吸着熱により温度が上昇するとともに湿度の下がった乾燥空気を熱交換器３に通すことによって温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の冷却された乾燥空気を得る。この空気を空調に使用する場合には適宜加湿して快適な空気条件とすることができる。
【００４５】
除湿機としては本実施例で使用したロータリー式の他に吸湿剤を充填した２筒式、シリンダー式あるいはカサバー式（米国カサバー社製）等の除湿機も使用できるのはもちろんである。
【００４６】
（実施例７）本実施例では７０.０℃の高温空気を熱交換器により冷却したのち除湿ロータにより除湿する過程について述べる。
【００４７】
図１９に示す如く直交流型熱交換器３の上部側に噴霧加湿器６を配置し除湿ロータ１４を熱交換器３の後段に配置する。送風機Ｆａを通して温度２６.０℃、絶対湿度１２.２g/kg、相対湿度５８％の外気ＯＡに噴霧加湿器６で水を噴霧し相対湿度１００％にすると温度１７.５℃になり、これにさらに水を噴霧し、多量の水の微粒子を浮遊させた空気流Ａａを熱交換器３の一方の流路４ａに通す。
【００４８】
他方温度７０.０℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度７％の空気流Ｂを送風機Ｆｂにより風速２ｍ／秒で熱交換器３の入口５ａに送入する。空気流Ｂは熱交換器で顕熱交換し低温の空気流Ｂａとなる。空気流Ｂａの絶対湿度は空気流Ｂのそれとほぼ同一である。空気流Ａａは熱交換器３を通過した後、熱交換器３の出口では温度３０.０℃、相対湿度約１００％の空気流Ａｂとなり外気中に放出される。除湿ロータ１４は図中矢印方向に１６r.p.h.で回転駆動される。
【００４９】
上述の冷却された空気流Ｂａをこの除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６に送入し、湿気を吸着除去して温度５５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度５％の乾燥空気流ＨＡを得る。除湿ロータ１４の操作は実施例５で述べた通りである。高温空気からの吸着方式による除湿は極めて困難であるが、この実施例に示す通り熱交換器で冷却した後に除湿機を使用すれば簡単に効果的な除湿ができ、冷却された乾燥空気が得られる。
【００５０】
（実施例８）実施例７で得られた空気流ＨＡは温度が５５.０℃、相対湿度５％で一般の空調用としては温度が高過ぎかつ相対湿度が低過ぎる。そこで本実施例はこの空気流ＨＡを更に熱交換器３ｂに通して空調用に適した温度および湿度を有する給気ＳＡを得ようとするものである。
【００５１】
図２０に示す如く実施例７と同様に高温空気流Ｂを直交流型熱交換器３ａおよび除湿ロータ１４に通して空気流ＨＡを得る。ここまでの操作は実施例７と全く同一であるので繰返し説明するのを省略する。第２の直交流型熱交換器３ｂを除湿ロータ１４の後段即ち処理空気の出口から流出する空気流ＨＡの流路に設置し、第２の熱交換器３ｂの一方の流路４の上流側にも上述の実施例７と同様に噴霧加湿器６ｂを設ける。この第２の熱交換器３ｂの作用は上述の実施例７の熱交換器３と同一であるので説明を省略する。
【００５２】
他方除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６を通った乾燥空気流ＨＡを熱交換器３ｂの水平に設置した小透孔群５の流路入口５ａに送入し、多量の微細な水滴を含み冷却された空気流Ａａと顕熱交換を行わせ、温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の快適な給気ＳＡを得る。給気ＳＡの空気状態を調節する場合は空気流Ａａに噴霧する水の量を加減すれば給気ＳＡの温度を変化させることができ、一方給気ＳＡの湿度が低過ぎる場合には除湿ロータの再生温度を下げれば除湿ロータ１４の除湿性能が下がるため給気Ｓａの湿度を上げることができ、自由に快適な空調を行うことができる。
【００５３】
以上の実施例６〜８において噴霧加湿器で使用する水の代わりに沸点の低い液体、例えばエタノール、酢酸メチル、メタノールなどを空気流Ａａに噴霧すれば更に供給空気流ＳＡの温度を下げることができる。
【００５４】
さらに、全ての実施例において霧化手段として、超音波霧化装置を用いることができる。また、水噴霧器としてエアミストノズル以外に、空気を用いない一流体ノズルを用いることができる。なお、以上の実施例では噴霧加湿器１段で相対湿度を１００％にするとともに多量の水の微粒子を浮遊させるようにしたが、噴霧加湿器を複数段設け、初段で相対湿度を１００％になるよう加湿し、次段で多量の水の微粒子を浮遊させるようにしてもよい。要は、相対湿度１００％の空気中に直径１０μ程度の水の微粒子が多量に浮遊した状態の空気を熱交換器に通すようにすればよい。
【００５５】
以上の実施例では熱交換器として波板と平板を交互に積層したものを例示したが、本発明はこれに限らず複数の流路を有し流路の表面積の大きなものであればどのようなものでもよく、例えばヒートパイプの両端に多数の熱交換フィンを有する流路を設けたものでもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は上記の如く構成したので、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし流体Ｂを除湿冷却する原理であり、その特徴は水噴霧器６における水噴霧量を加減することにより流体Ｂを冷却する度合いを制御することができる。あるいは気体流Ａａと高温空気流Ｂとの温度差が大きくなればなる程水噴霧量を増大すれば流体Ａａは高温空気流Ｂとの温度差に比例して高温空気流Ｂの冷却度を強め、ほぼ一定の快適な温度まで空気流Ｂを冷却することができる。
【００５７】
実施例１で述べた如く直交流型熱交換器３に噴霧加湿器６を配置し、微細な水滴を大量に浮遊させた空気流Ａａを冷却用空気流として高温空気流Ｂを冷却したときの顕熱交換効率は約９７％以上と非常に高い値を示した。実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用いて冷却用空気流に噴霧器および加湿器を使用しない場合においては実施例１で対照例として示したように顕熱交換効率は６３％であり、本発明の流体の冷却における熱交換の効率は著しく高いことがわかる。
【００５８】
尚この熱交換に要する消費エネルギーは送風機の運転エネルギー約２５０Ｗであり、これに対して流体Ｂの冷却に要した熱エネルギーはたとえば消費エネルギーの１.５倍から数十倍になり、この値は流体Ｂの温度が高い程上昇する。
【００５９】
この流体の冷却装置を気体の冷却に使用し、これに除湿機を加えて実施例６乃至実施例８に示したように気体の除湿冷却に使用することができ、空調装置として用いることができる。この場合運転に要する経費は上述の如く著しく低廉になるので、たとえば密閉室内の除湿冷房に使用する場合には室内の空気を繰返し循環して使用する必要なく絶えず新鮮な外気を取入れて除湿冷房を続けることができる。従って室内空気中に二酸化炭素その他の有害ガスの増加するのを抑えることができ、快適空間を提供することができる。
【００６０】
更に従来の冷房のようにフロンを使用することがないため環境問題がなく、コンプレッサーを使用する必要なく排熱の熱風により細菌類またはカビを発生することがないので衛生的に見ても極めて優れた効果を有する。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体冷却の方法および装置の一例を示す説明図およびその一部拡大図である。
【図２】直交流型熱交換器の一例を示す斜視図およびその一部拡大図である。
【図３】本発明の流体の冷却方法および装置の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図５】図４に示す流体の冷却のデータを示す空気線図である。
【図６】流体の冷却方法および装置の対照例を示す説明図である。
【図７】図６に示す流体の冷却のデータを示す空気線図である。
【図８】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図９】図８に示す流体の冷却データを示す空気線図である。
【図１０】対照例の熱交換のデータを示す説明図である。
【図１１】対照例の熱交換のデータを示す空気線図である。
【図１２】メタノール水溶液を用いた冷却のデータを示す説明図である。
【図１３】メタノール水溶液を用いた冷却のデータを示す空気線図である。
【図１４】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図１５】対向流型熱交換器の斜視図である。
【図１６】対向流と交差流とを組合わせた熱交換器の例を示す斜視図である。
【図１７】直交流型熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の他の例を示す説明図である。
【図１９】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の他の例を示す説明図である。
【図２０】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 平板
２ 波板
３ 直交流型熱交換器
６ 噴霧器
７ 加湿器
１４ 除湿ロータ
Ａａ 過飽和気体流
Ｂ 冷却すべき流体
Ｄ 水槽
【産業上の利用分野】
本発明は流体たとえば空気と空気または液体と気体との熱交換による気体の除湿冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気その他の気体または液体を冷却するのに従来から、フロン等の揮発性の冷媒をコンプレッサで圧縮液化し液化したフロンの気化熱によって冷却するようにした冷凍機が一般的である。またこのような冷凍機はフロンの圧縮熱を放出させるために、フロンを蛇管に通しその蛇管に水を流下させるとともに空気をカウンタ方向に流し、その水の気化熱によって冷却するクーリングタワーが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般の空気調和においては快適な温度および湿度の空気を得ることが求められており、高温多湿の外気を処理する場合には温度および湿度をともに低下させることが必要である。このような空気調和を行う場合には、フロンをコンプレッサで圧縮するようにしているため、消費エネルギーが大きく、またフロンによる大気のオゾン層の破壊が問題になっている。さらにクーリングタワーでも大きくエネルギーが消費されている。
【０００４】
本発明は熱交換器を利用して空気その他の気体を除湿し冷却して快適な温度および湿度を有する空気、その他低温・低湿の気体を少ないエネルギーでフロンを用いることなく連続的に供給しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は直交流型熱交換器その他温度が異なる２種類の流体が互いに直接接触しない熱交換器を使用して低温の気体Ａと高温の流体Ｂとの顕熱交換により高温の流体Ｂを冷却するにあたり、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし高効率で流体Ｂを冷却するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし流体Ｂを除湿冷却するという作用を有する。
【０００７】
（実施例１）アルミニウムその他の金属のシートまたはポリエステルその他の合成樹脂のシートよりなる平板１と波長３.０mm、波高１.６mmの波板２とを交互に且つ波板２の波の方向が一段毎に直交するように積重ね互に接着して図２に示す如き直交流型熱交換器３を得る。また、シートの表面にブラスト等で小さな凹凸を形成すると親水性が生じるとともに表面積が増加する。アルミニウムシートに親水性を与えるには燐酸ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム、クロム酸、燐酸、シュウ酸、水酸化ナトリウム等の水溶液にシートを浸漬したり、沸騰水に浸漬する等の方法によりアルミニウムシート表面に親水性の物質を生成させる。こうしてアルミニウムシートに親水性を与えると、アルミニウムシートの表面に水滴が付着しても水滴が平になり、流体抵抗を増加させることはない。
【０００８】
直交流型熱交換器３として平板１と波板２との組合せを例示したが、平板の一部分に細かな波を形成すると、表面積がさらに増大し熱交換効率が増大する。また、平板１や波板２の表面を黒くすると輻射熱の放射・吸収が増大し熱交換効率が向上する。
【０００９】
図２，図３に示す如くこの直交流型熱交換器３の一方の小透孔群４をほぼ垂直に他の小透孔群５をほぼ水平になるように配置し、図３に示す如く小透孔群４の流入口４ａおよび流出口４ｂに夫々ダクト８ａ，８ｂを取付け、ダクト８ａに送風機Ｆａおよび水噴霧器６を取付け、小透孔群５（図２）の流入口５ａおよび流出口５ｂに夫々ダクト９ａ，９ｂを取付け、ダクト９ａに送風機Ｆを取付ける。尚図中Ｖａは水噴霧器６の噴霧量を調節する弁である。
【００１０】
水噴霧器６としてはできるだけ細かな水滴を均一に分布させることができるものが望ましく、例えばエアミストノズル等が適する。また、水滴はできるだけ細かな方が望ましく径が１０μｍ程度がよいが、エアミストノズルを用いて噴霧した場合に水滴の最大径が２８０μｍ程度になるようにすると約７０％の水滴の径は１００μｍ以下となり、本発明の効果は十分発揮される。
【００１１】
なお、エアミストノズルは水と空気を用いて噴霧するものであり、水及び空気とも加圧すると噴霧水滴が小さくなる。特に、噴霧水滴の大きさは空気の圧力の影響を受け易く３ｋｇｆ／ｃｍ2以上の圧を加えることが望ましい。またエアミストノズル以外に液体のみを使用するノズルを用いてもよい。
【００１２】
次にこの冷却装置の作用を説明する。図３に示す如く外気または室内空気流Ａに上記水噴霧器６を使用して、空気流Ａに微細な水滴を多量に噴霧することによって水滴の気化熱によって温度を下げ、かつ相対湿度を上げる。そして更に大量の微細な水滴Ｍを浮遊させた状態の空気流Ａａとして送風機Ｆａの吐出圧により熱交換器３の一方の多数の流路入口４ａに送入する。
【００１３】
他方送風機Ｆにより熱交換器３の流路入口５ａに高温の空気流Ｂを送入すれば、空気流Ａａが熱交換器３の流路を通過する間に流路の隔壁１（図２参照）を介して高温空気流Ｂの顕熱を奪って空気流Ａａの温度が上がる。その結果空気流Ａａの相対湿度が下がり、空気流Ａａに含まれた多量の微細な水滴Ｍが気化しその気化熱によって空気流Ａａの温度を下げることにより隔壁１を介して高温空気流Ｂを冷却する。
【００１４】
この冷却装置の冷却原理をさらに詳細に説明する。液体の蒸気圧は、液体が水平表面を有する状態より液滴状態の方が大きく、その液滴の径が小さい程大きくなる。この現象はケルヴィンの式として次のように表される。
【００１５】
ｌｏｇ（ｐr／ｐ）＝２δＭ／ρｒＲＴ
ここでｐは水平表面の蒸気圧、ｐrは半径ｒの液滴の蒸気圧、Ｍはモル質量、δは表面張力、ρは液体の密度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。
【００１６】
従って、水滴の半径は小さいほど気化が速く、冷却作用が強くなる。更に噴霧された水滴Ｍが熱交換器３内で気化する過程において、水滴Ｍの直径は小さくなり、水滴Ｍの直径が小さくなるに従って蒸気圧が上昇するため、熱交換器３内で加速度的に水滴Ｍの気化が進む。つまり、微細な水滴Ｍは熱交換器３内で極めて短時間で気化し、多量の気化熱を奪う。
【００１７】
上記の式に当てはめて計算すると１８℃の水の場合、水滴の半径が１μになると蒸気圧は水面が平な状態の時と比較して０.１％上昇し、水滴の半径が１０ｍμになると蒸気圧は約１０％上昇する。さらに水滴の半径が１ｍμになると蒸気圧はほぼ倍に上昇する。このように微細な水滴Ｍが多量に浮遊した空気を熱交換器３に送入すると、水滴Ｍは熱交換器３内で急激に気化するという現象を呈する。
【００１８】
この冷却装置を使用して試験を行った。図４に示す如く温度２５.９℃、絶対湿度８.０５g/kg、相対湿度３９％の空気流Ａを水噴霧器６に通して温度を１７.５℃に下げるとともに、大量の微細な水滴Ｍを浮遊させた相対湿度１００％の空気流Ａａとし、この空気流Ａａを熱交換器３のほぼ垂直に配置した小透孔群４の入口４ａに風速２ｍ／秒で送入する。一方温度７０.６℃、絶対湿度１０.４４g/kg、相対湿度５.２％の高温空気流Ｂを送風機Ｆにより熱交換器３のほぼ水平に配置した小透孔群の流入口５ａに風速２ｍ／秒で送入する。小透孔群４は正確に垂直でなくても水滴が空気中に浮遊した状態で送通すればよい。図５はこの時の空気冷却を示す空気線図、表１はその試験成績である。
【００１９】
【表１】
【００２０】
この場合の顕熱交換効率η1は表１中の（１）式に示す如く９７.９％となり、熱交換効率が非常に高いことを示す。（１）式中Ｂ，ＳＡ，Ａａは各々の空気の温度を示す。この場合水滴Ｍの噴霧量は凡そ１時間当り８〜１５リットルである。この場合の空気流ＡおよびＢの流量は約１８０ｍ3／時である。熱交換器の寸法は０.２５×０.２５＝０.０６２５ｍ2 の広さであり、その入口４ａ, ５ａの表面積は夫々０.０６２５ｍ2、開孔率が約４０％であるので小透孔の断面積は０.０６２５ｍ2 ×４０％＝０.０２５ｍ2 であり、風速は２ｍ／秒であるので風量は０.０２５ｍ2 ×２ｍ／秒＝１８０ｍ3 / 時となる。
【００２１】
これと比較するために対照例として実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用い冷却用空気流に水噴霧器を使用しない場合の試験成績を図６および表２並びに図７の空気線図に示す。ここで（２）式中Ｂ，Ｂａ，Ａは各々空気の温度を示す。
【００２２】
【表２】
【００２３】
（実施例２）また同様にこの冷却装置を使用して図８に示す如く温度２５.７℃、絶対湿度１２.２０g/kg、相対湿度５９.０％の空気を風速２ｍ／秒の空気流Ａとし、これを水噴霧器６に通して温度２０.２℃、相対湿度が１００％で且つ霧状の微細な水滴を大量に均一に浮遊させた空気流Ａａとし、この空気流Ａａを熱交換器の小透孔群４の入口４ａに送入する。一方冷却すべき空気として温度３４.２℃、絶対湿度１４.４１g/kg、相対湿度４３％の高温空気を風速２ｍ／秒の空気流Ｂとして熱交換器の小透孔群５の入口５ａに送入する。高温空気流Ｂは空気流Ａａとの間で顕熱交換が行われ、空気流Ｂは温度２０.６℃、絶対湿度１４.４１g/kg、相対湿度９５％の冷却空気ＳＡとなった。気体流Ａａは温度２５℃、相対湿度ほぼ１００％の空気流Ａｂとなり、空気流Ａｂは大気中に放出される。この時の空気線図を図９に試験成績を表３に示す。
【００２４】
【表３】
【００２５】
上記と比較するために対照例として実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用い冷却用空気流に水噴霧器を使用しない場合の試験成績を図１０、図１１の空気線図および表４に示す。
【００２６】
【表４】
【００２７】
（実施例３）図１に示す如く実施例１で説明した図３の装置に空気流Ａｂとともに排出された水滴を受ける水槽Ｄ、該水槽Ｄに溜った水の還流装置すなわちポンプＰ，導水管１０，電動弁Ｖａおよび水位調節装置即ち水位浮きＶｓ，水位センサーＳｅ，電動弁Ｖｂ、並に水滴噴霧装置６の噴霧量調節装置即ちサーモカップルＴａ，サーモカップルＴｂ，電気信号増幅機Ｃ，電動弁Ｖａを加えたものである。図中図３と同じ番号をつけた部品は実施例１において図３で説明した部品と同一であるのでその説明は省略する。
【００２８】
水槽Ｄ内の水を水噴霧器６に還流する導水管１０を取付けその中途にポンプＰおよび電動弁Ｖａを設ける。また水槽Ｄには給水管１１を取付け、水槽Ｄ内の水面１３には水位浮きＶｓを浮かべ、給水管１１に設けたオンオフ電磁弁Ｖｂと水位センサーＳｅとを連結し、図１のＱ部拡大図に示す如く水位の変化を水位浮きＶｓおよび水位センサーＳｅでキャッチし水面が１３Ｌまで下れば電磁弁Ｖｂが開き水を補給し、水面が１３Ｈまで上れば電磁弁Ｖｂが閉じ水の補給を停止する。
【００２９】
水噴霧器６の上流には気体流Ａの温度センサーたとえばサーモカップルＴａ、流体Ｂの中に温度センサーたとえばサーモカップルＴｂを配置し、該サーモカップルＴａおよびＴｂを電気信号増幅器Ｃを介在させ連結する。この両サーモカップルＴａ，Ｔｂの温度差をキャッチして電気信号増幅器Ｃに入れ、温度差が大きくなるに従い電動弁Ｖａを操作し水噴霧量を増大させ、温度差が小さくなるに従い水噴霧量を減少させる。必要に応じて水の噴霧量の増加とともに送風機Ｆａの出力を増加させて空気流Ａａを加速させる。
【００３０】
この場合水噴霧器６からの噴霧量が多過ぎると微細な水滴が熱交換器３の小透孔群４内の内壁面に集まり水流となるとともに十分な気化をせずに滴下してしまう。その水流は微細な水滴と比べて表面積は極めて小さくなり高温空気流Ｂから奪った熱量では水の気化が少なく、冷却に寄与しない。したがって気体流Ａａの温度を充分低下させることはできず、よって高温空気流Ｂの温度を充分に下げることはできない。気体流Ａａ内の微細な水滴Ｍが均一に必要量含まれるように噴霧すれば冷却効率がよく、水も節約できる。
【００３１】
（実施例４）噴霧器６において使用する水（沸点１００℃）の代りにエタノール（沸点７８.３℃）、酢酸メチル（沸点５６.３℃）、メタノール（沸点６４.７℃）等揮発性の有機質液体または揮発性有機質液体と水との混合液体を使用することもできる。
【００３２】
図２に示す如く厚さ２５μのアルミニウムシートよりなる隔壁１と、波長３.４mm、波高１.７mmのアルミニウム波板２との両表面に吸湿剤シリカゲルの微粒子を散布接着しこれを交互に積層して２５０mm×２５０mm×２５０mmのサイズの直交流型熱交換器３を得る。この熱交換器３を使用して図１２に示す冷却装置を組立て、実施例１，２において噴霧器６に使用した水の代わりにメタノールの４５％水溶液を使用した場合のデータを図１２に示す。この場合水の代わりにメタノール水溶液を使用したためその沸点が下り、温度２５.９℃であった空気流Ａはメタノール水溶液の噴霧後（空気流Ａａ）１４.６℃へと下がった。
【００３３】
この空気流Ａａの１４.６℃と高温空気流Ｂの５１.３℃との熱交換により１７.２℃の低温空気ＳＡが得られた。従って水のみの噴霧よりも低沸点の液体を使用して噴霧すれば低温の空気ＳＡが得られる。図１１の空気線図は以上の空気流Ｂ→ＳＡと、空気流Ａ→Ａａ→Ａｂとの状態変化を示す空気線図である。
【００３４】
（実施例５）本実施例の装置は図１４に示す如く実施例１で説明した装置に熱交換器３の出口４ｂから排出された気体流Ａｂを高湿度の気体流Ａａに還流する装置を加え、水噴霧器６の上流側に加湿器７を設けたものである。図１４において熱交換器３の出口４ｂと送風機Ｆｃとをダクト８ｅで連結し、送風機Ｆｃと高湿度の気体流Ａａの流路とをダクト８ｄで連結し、ダクト８ｅの一部に外気ＯＡを必要に応じて送入するための分岐ダクトＫを接続する。
【００３５】
加湿器７には給水管Ｗｐの中途にバルブＶを取り付け加湿する必要が生じた場合に水を供給できるようにする。加湿器７としてはたとえば超音波型、水を浸潤した多数の織布等を使用したものがある。
【００３６】
気体流Ａａを熱交換器３に通し出口４ｂから排気Ａｂを送風機Ｆｃにより還流させ気体流Ａｃとして使用する。この気体流Ａｃは必要に応じて加湿器７に通し更に噴霧器６により微細な水滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとして熱交換器３に循環して送入するものである。
【００３７】
図１２においてダクト８ｅの中間に冷却部Ｃｏを設け、ダクト８ｅの外周に多数のフィンＦｅを取付けこれにカバーを取り付けて送風機Ｆｄを連結し、送風機ＦｄによりフィンＦｅを冷却することによりダクト８ｅ内の流体Ａｂを冷却し高湿度流体Ａｂ内の湿気を冷却し結露させて結露水をタンクＤａ内に溜め、タンク内の水を時々弁Ｖｃにより排出し、噴霧器６に戻す。
【００３８】
以上本発明の流体の冷却方法を直交流型熱交換器を使用する空気の冷却方法の例により説明したが、空気以外の気体または水その他の液体の冷却においても同様に実施し得ることは勿論である。
【００３９】
使用する熱交換器は上記の直交流型に代えて斜交流型、図１５に示す対向流型、図１６に示す対向流と交差流とを組合わせた熱交換器を使用することもできる。図１５に示す対向流型、図１６に示す対向流と交差流とを組合わせた熱交換器においてはともに微細な水滴を浮遊させた気体流Ａａ、流体Ｂは夫々図中矢印方向に小透孔内を通過し夫々気体流Ａｂ，流体ＳＡとして排出され、両流体Ａａ，Ｂの間で顕熱交換を行う。また図１７に示す如く平板１，１…の間に多数のスペーサー１２，１２…を一段毎に直交する方向に多数挟んで組立てた直交流型の熱交換器を使用することができ、また上記ハニカム積層体と同様対向流型、対向流と交差流とを組合わせた熱交換器を使用することもできる。
【００４０】
（実施例６）図１８に示す如く２５０mm×２５０mm×２５０mmの直交流型熱交換器３と噴霧加湿器６を配置し除湿ロータ１４を熱交換器３の前段に配置する。除湿ロータ１４は、吸着剤又は吸湿剤を結合したハニカム積層体を直径３２０mm、幅２００mmの円筒状に形成したものである。また、除湿ロータ１４はセパレータ１５、１５’により吸着ゾーン１６と再生ゾーン１７とに分離され夫々ダクト（図示せず）により矢印Ｂ→ＨＡ→ＳＡに示す如く流路を構成されており、除湿ロータ１４は図中矢印方向に１６r.p.h.で連続的に回転駆動される。温度３４.０℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度４３.１％の外気ＯＡを送風機Ｆｂにより空気流Ｂとし、これを風速２ｍ／秒で除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６に送入する。
【００４１】
これにより空気流Ｂの湿気を吸着除去して乾燥空気流ＨＡを得る。ついで乾燥空気流ＨＡを熱交換器３の水平な小透孔群５の入口５ａに送入する。除湿ロータ１４の再生ゾーン１７にはヒータＨにより外気ＯＡを８０℃程度に加熱した再生空気ＲＡとして図中矢印方向に送入し、再生ゾーン１７を通り除湿ロータ１４を脱湿再生し、多湿の排気ＥＡとして外気中に放出する。
【００４２】
一方空気流Ａの温度が２６℃で相対湿度５８％の時に噴霧加湿器６によって加湿し相対湿度１００％にすれば、空気流Ａａの温度は１７.０℃になった。更にこの空気流Ａａに水を噴霧し微細な水滴が無数浮遊した状態にして熱交換器３の流入口４ａに送通する。
【００４３】
上述の乾燥空気流ＨＡは熱交換器３を通ることによって、微細な水滴が無数浮遊した空気流Ａａと顕熱交換をし、第１実施例の説明と同様熱交換器３内部で空気流Ａａの微細な水滴の気化熱により冷却され温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の快適な給気ＳＡとなった。
【００４４】
この実施例から分かるように３４℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度４３.１％の外気を除湿し、湿分の吸着熱により温度が上昇するとともに湿度の下がった乾燥空気を熱交換器３に通すことによって温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の冷却された乾燥空気を得る。この空気を空調に使用する場合には適宜加湿して快適な空気条件とすることができる。
【００４５】
除湿機としては本実施例で使用したロータリー式の他に吸湿剤を充填した２筒式、シリンダー式あるいはカサバー式（米国カサバー社製）等の除湿機も使用できるのはもちろんである。
【００４６】
（実施例７）本実施例では７０.０℃の高温空気を熱交換器により冷却したのち除湿ロータにより除湿する過程について述べる。
【００４７】
図１９に示す如く直交流型熱交換器３の上部側に噴霧加湿器６を配置し除湿ロータ１４を熱交換器３の後段に配置する。送風機Ｆａを通して温度２６.０℃、絶対湿度１２.２g/kg、相対湿度５８％の外気ＯＡに噴霧加湿器６で水を噴霧し相対湿度１００％にすると温度１７.５℃になり、これにさらに水を噴霧し、多量の水の微粒子を浮遊させた空気流Ａａを熱交換器３の一方の流路４ａに通す。
【００４８】
他方温度７０.０℃、絶対湿度１４.４g/kg、相対湿度７％の空気流Ｂを送風機Ｆｂにより風速２ｍ／秒で熱交換器３の入口５ａに送入する。空気流Ｂは熱交換器で顕熱交換し低温の空気流Ｂａとなる。空気流Ｂａの絶対湿度は空気流Ｂのそれとほぼ同一である。空気流Ａａは熱交換器３を通過した後、熱交換器３の出口では温度３０.０℃、相対湿度約１００％の空気流Ａｂとなり外気中に放出される。除湿ロータ１４は図中矢印方向に１６r.p.h.で回転駆動される。
【００４９】
上述の冷却された空気流Ｂａをこの除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６に送入し、湿気を吸着除去して温度５５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度５％の乾燥空気流ＨＡを得る。除湿ロータ１４の操作は実施例５で述べた通りである。高温空気からの吸着方式による除湿は極めて困難であるが、この実施例に示す通り熱交換器で冷却した後に除湿機を使用すれば簡単に効果的な除湿ができ、冷却された乾燥空気が得られる。
【００５０】
（実施例８）実施例７で得られた空気流ＨＡは温度が５５.０℃、相対湿度５％で一般の空調用としては温度が高過ぎかつ相対湿度が低過ぎる。そこで本実施例はこの空気流ＨＡを更に熱交換器３ｂに通して空調用に適した温度および湿度を有する給気ＳＡを得ようとするものである。
【００５１】
図２０に示す如く実施例７と同様に高温空気流Ｂを直交流型熱交換器３ａおよび除湿ロータ１４に通して空気流ＨＡを得る。ここまでの操作は実施例７と全く同一であるので繰返し説明するのを省略する。第２の直交流型熱交換器３ｂを除湿ロータ１４の後段即ち処理空気の出口から流出する空気流ＨＡの流路に設置し、第２の熱交換器３ｂの一方の流路４の上流側にも上述の実施例７と同様に噴霧加湿器６ｂを設ける。この第２の熱交換器３ｂの作用は上述の実施例７の熱交換器３と同一であるので説明を省略する。
【００５２】
他方除湿ロータ１４の吸着ゾーン１６を通った乾燥空気流ＨＡを熱交換器３ｂの水平に設置した小透孔群５の流路入口５ａに送入し、多量の微細な水滴を含み冷却された空気流Ａａと顕熱交換を行わせ、温度２０.５℃、絶対湿度４.５g/kg、相対湿度３０％の快適な給気ＳＡを得る。給気ＳＡの空気状態を調節する場合は空気流Ａａに噴霧する水の量を加減すれば給気ＳＡの温度を変化させることができ、一方給気ＳＡの湿度が低過ぎる場合には除湿ロータの再生温度を下げれば除湿ロータ１４の除湿性能が下がるため給気Ｓａの湿度を上げることができ、自由に快適な空調を行うことができる。
【００５３】
以上の実施例６〜８において噴霧加湿器で使用する水の代わりに沸点の低い液体、例えばエタノール、酢酸メチル、メタノールなどを空気流Ａａに噴霧すれば更に供給空気流ＳＡの温度を下げることができる。
【００５４】
さらに、全ての実施例において霧化手段として、超音波霧化装置を用いることができる。また、水噴霧器としてエアミストノズル以外に、空気を用いない一流体ノズルを用いることができる。なお、以上の実施例では噴霧加湿器１段で相対湿度を１００％にするとともに多量の水の微粒子を浮遊させるようにしたが、噴霧加湿器を複数段設け、初段で相対湿度を１００％になるよう加湿し、次段で多量の水の微粒子を浮遊させるようにしてもよい。要は、相対湿度１００％の空気中に直径１０μ程度の水の微粒子が多量に浮遊した状態の空気を熱交換器に通すようにすればよい。
【００５５】
以上の実施例では熱交換器として波板と平板を交互に積層したものを例示したが、本発明はこれに限らず複数の流路を有し流路の表面積の大きなものであればどのようなものでもよく、例えばヒートパイプの両端に多数の熱交換フィンを有する流路を設けたものでもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は上記の如く構成したので、揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を冷却すべき高温気体流とし流体Ｂを除湿冷却する原理であり、その特徴は水噴霧器６における水噴霧量を加減することにより流体Ｂを冷却する度合いを制御することができる。あるいは気体流Ａａと高温空気流Ｂとの温度差が大きくなればなる程水噴霧量を増大すれば流体Ａａは高温空気流Ｂとの温度差に比例して高温空気流Ｂの冷却度を強め、ほぼ一定の快適な温度まで空気流Ｂを冷却することができる。
【００５７】
実施例１で述べた如く直交流型熱交換器３に噴霧加湿器６を配置し、微細な水滴を大量に浮遊させた空気流Ａａを冷却用空気流として高温空気流Ｂを冷却したときの顕熱交換効率は約９７％以上と非常に高い値を示した。実施例１で使用したのと同一の直交流型熱交換器を用いて冷却用空気流に噴霧器および加湿器を使用しない場合においては実施例１で対照例として示したように顕熱交換効率は６３％であり、本発明の流体の冷却における熱交換の効率は著しく高いことがわかる。
【００５８】
尚この熱交換に要する消費エネルギーは送風機の運転エネルギー約２５０Ｗであり、これに対して流体Ｂの冷却に要した熱エネルギーはたとえば消費エネルギーの１.５倍から数十倍になり、この値は流体Ｂの温度が高い程上昇する。
【００５９】
この流体の冷却装置を気体の冷却に使用し、これに除湿機を加えて実施例６乃至実施例８に示したように気体の除湿冷却に使用することができ、空調装置として用いることができる。この場合運転に要する経費は上述の如く著しく低廉になるので、たとえば密閉室内の除湿冷房に使用する場合には室内の空気を繰返し循環して使用する必要なく絶えず新鮮な外気を取入れて除湿冷房を続けることができる。従って室内空気中に二酸化炭素その他の有害ガスの増加するのを抑えることができ、快適空間を提供することができる。
【００６０】
更に従来の冷房のようにフロンを使用することがないため環境問題がなく、コンプレッサーを使用する必要なく排熱の熱風により細菌類またはカビを発生することがないので衛生的に見ても極めて優れた効果を有する。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体冷却の方法および装置の一例を示す説明図およびその一部拡大図である。
【図２】直交流型熱交換器の一例を示す斜視図およびその一部拡大図である。
【図３】本発明の流体の冷却方法および装置の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図５】図４に示す流体の冷却のデータを示す空気線図である。
【図６】流体の冷却方法および装置の対照例を示す説明図である。
【図７】図６に示す流体の冷却のデータを示す空気線図である。
【図８】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図９】図８に示す流体の冷却データを示す空気線図である。
【図１０】対照例の熱交換のデータを示す説明図である。
【図１１】対照例の熱交換のデータを示す空気線図である。
【図１２】メタノール水溶液を用いた冷却のデータを示す説明図である。
【図１３】メタノール水溶液を用いた冷却のデータを示す空気線図である。
【図１４】本発明の流体の冷却方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【図１５】対向流型熱交換器の斜視図である。
【図１６】対向流と交差流とを組合わせた熱交換器の例を示す斜視図である。
【図１７】直交流型熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の他の例を示す説明図である。
【図１９】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の他の例を示す説明図である。
【図２０】本発明の気体の除湿冷却の方法および装置の更に他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 平板
２ 波板
３ 直交流型熱交換器
６ 噴霧器
７ 加湿器
１４ 除湿ロータ
Ａａ 過飽和気体流
Ｂ 冷却すべき流体
Ｄ 水槽
Claims (1)
- 揮発性液体の霧化手段によって気体流Ａに揮発性液体の霧を加え、飽和状態で且つ霧状の微細な液滴Ｍを大量に浮遊させた気体流Ａａとなし、複数の流路を有する熱交換器の一方の上から流路に該気体流Ａａを水滴が空気中に浮遊した状態で送通し他方の流路に冷却すべき高温の気体流Ｂを通し、気体流Ａａが熱交換器の一方の流路を通過する間に気体流Ａａが気体流Ｂの顕熱を奪い、気体流Ａａに浮遊する大量の微細な液滴Ｍが気化しその気化熱によって気体流Ａａの温度を連続的に下げることにより高温気体流Ｂを連続的に冷却するようにし、前記高温気体流の熱交換器より上流側に除湿ロータを設け、この除湿ロータの吸着ゾーンを通過した空気を前記冷却すべき高温気体流としたことを特徴とする気体の除湿冷却装置。
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