JP4799635B2 - 液体デシカント再生装置及びデシカント除湿空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、デシカント溶液の除湿能力を再生する液体デシカント再生装置及びこの再生装置を備えたデシカント除湿空調装置に関するものである。

従来より、デシカント除湿空調装置は、フロン系冷媒を使用しないこと、消費電力が少ないこと、排熱など低質エネルギーが利用可能であること、除菌・殺菌作用があることなどの特徴がある。中でも、デシカント（除湿剤）として液体を用いる装置は、固体を使用するものに比べて除湿能力が高く、最近特に注目されている。この種の液体デシカントを使用した除湿装置は、デシカント水溶液を除湿器と再生器との間で循環させて処理空気の除湿を行っている。具体的には、除湿器では処理空気を除湿器内部に取り入れ、ノズルから噴出させたデシカント溶液（濃溶液）の微細な液滴と接触させて処理空気中の水分を溶液中に吸着させ、除湿する。水分を吸着したことによって濃度が薄くなり、除湿能力が低下したデシカント溶液（希溶液）は再生器へと送られる。再生器では、吸湿能力が低下した希溶液を加熱し、水分を放出しやすい状態としてノズルから噴出させ、その噴出した溶液に再生空気を接触させて再生空気に水分を与えることにより除湿能力を再生し、除湿器に戻すようにしている（例えば、特許文献１参照）。

この種のデシカント除湿空調装置では、全体システムのエネルギー効率の向上が望まれており、その課題として、デシカント水溶液の除湿能力の再生に必要なエネルギーを低減可能な再生装置が望まれている。そこで、近年ではエネルギー消費の低減を可能とした２段再生方式が提案されている。

２段再生方式は、第１再生器における１次加熱により発生した蒸気を第２再生器における２次加熱のための熱源として利用することで、再生装置全体としてのエネルギー効率を向上させるものである。２段再生方式の再生装置では、第１再生器において液体デシカント溶液を加熱してデシカント溶液内の水分を蒸発させ、その蒸気を、熱交換器を備えた第２再生器に送る。第２再生器では、第１再生器からの蒸気を第２再生器内部の熱交換器の伝熱管内に送り、この熱交換器上に第１再生器からのデシカント溶液を散布すると同時に、そのデシカント溶液に再生空気を接触させる。これにより、デシカント溶液が熱交換器内の蒸気と熱交換して加熱されると同時に、再生空気にデシカント溶液内の水分が与えられ、デシカント溶液の除湿能力を再生している。このように、第１再生器で加熱濃縮されたデシカント溶液を第１再生器の蒸気を利用して第２再生器で更に濃縮することで、熱効率を向上している。

特開２００８−１１１６４４号公報（第４頁、第５頁、図１） 特開昭６０−２４１９０１号公報（第２頁、図１） 特開昭６１−１４９２２９号公報（第２頁、第３頁、図１）

従来の除湿器及び再生器では、デシカント溶液をノズルから噴霧し、その噴霧した溶液に処理空気又は再生空気を接触させている。このため、この空気流によりデシカント溶液が外部へと飛散することがある。そこで、特許文献１ではフィルターやデミスター（フィルターの一種）を設け、空気流をフィルターを通過させることで空気流内から液滴を除去し、外部に飛散するのを防止している。しかしながら、フィルターやデミスターを設置すると、圧力損失が増大し、その結果ファン入力が増加する。また、フィルターやデミスターが目詰まりするのを防止するためのメンテナンスが必要となるなど、種々の問題があった。

また、特許文献２及び特許文献３では２段再生方式を採用することで熱効率の向上を可能としている。しかしながら、第２再生器においてデシカント溶液を再生空気に接触させるに際し、デシカント溶液をノズルから散布している。このため、デシカント溶液の外部への飛散の問題が依然として残されており、改善が要望されていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、再生効率の向上が可能で、引いてはシステム全体の効率を向上することが可能な液体デシカント再生装置及びこの再生装置を備えたデシカント除湿空調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液体デシカント再生装置は、高段再生器と低段再生器と凝縮器とを有し、外部から供給されるデシカント溶液が高段再生器と低段再生器とに分けて供給されるとともに、低段再生器と凝縮器との間を伝熱流体が循環するように構成され、高段再生器は、外部から供給されたデシカント溶液を加熱源により加熱して蒸気を発生させて再生すると共に、デシカント溶液を加熱することにより発生した蒸気を、凝縮器と低段再生器との間で循環する伝熱流体の加熱源として凝縮器に供給し、凝縮器は、高段再生器からの蒸気を低段再生器からの伝熱流体に直接接触させ、高段再生器からの蒸気を凝縮液化して伝熱流体の一部とする一方、低段再生器からの伝熱流体を高段再生器からの蒸気により加熱して低段再生器に戻し、低段再生器は、伝熱流体が通過する通路を内部に有するプレートが間隔を空けて複数並設され、且つ外部から供給されたデシカント溶液が各プレートそれぞれの外表面に沿って流下して液膜を形成する構成を有し、外部から供給されたデシカント溶液と凝縮器で加熱された伝熱流体とをプレートの内外で熱交換させてデシカント溶液を加熱し、加熱されたデシカント溶液に、各プレート間の隙間を通過する再生空気を接触させ、デシカント溶液中の水分を再生空気に放出させてデシカント溶液を再生するものである。

本発明によれば、再生部を、高段再生器と低段再生器とを備えた二段再生器とし、外部投入された熱エネルギーを二重効用化するようにしたので、熱利用効率を向上させることができ、システムのCOP を大幅に改善することができる。また、低段再生器としてプレート型熱交換器を用いるようにしたので、デシカント溶液を再生するに際し、デシカント溶液の液滴が発生することはほとんどない。よって、フィルターやデミスターを用いることなく、デシカント溶液の液滴が処理空気や再生空気によって外部に飛散するのを防止することができる。

本発明の一実施の形態の液体デシカント再生装置を備えた液体デシカント除湿空調装置の構成を示す概略模式図である。 図１の再生部の構成を示す概略模式図である。 図１の高段再生器の構成を示す概略模式図である。

以下、本発明の一実施の形態の液体デシカント除湿空調装置について説明する。図１は、液体デシカント除湿空調装置の構成を示す概略模式図である。図２は、図１の再生部２０の構成を示す概略模式図である。
液体デシカント除湿空調装置１は、処理空気中の水分をデシカント溶液で吸着して除湿を行う除湿部１０と、除湿を行ったことにより除湿能力が低下したデシカント溶液を再生する再生部２０と、溶液熱交換器３３とを備えている。除湿部１０と再生部２０は、濃溶液管３１及び希溶液管３２で互いに接続されており、デシカント溶液（例えば、塩化リチウム水溶液や臭気リチウム水溶液）が濃溶液又は希溶液に状態を変えながら濃溶液ポンプ３４及び希溶液ポンプ３５により循環する。溶液熱交換器３３は、除湿部１０と再生部２０との循環経路途中（濃溶液管３１及び希溶液管３２の途中）に設けられ、除湿部１０から再生部２０へと向かう希溶液と、再生部２０から除湿部１０へと戻る濃溶液との熱交換を行う。以下、デシカント溶液をその状態に合わせて濃溶液又は希溶液という場合がある。

以下、除湿部１０、溶液熱交換器３３及び再生部２０のそれぞれについて詳細に説明する。
除湿部１０は、処理空気中の水分をデシカント溶液で吸着して除湿を行う除湿器１１と、室内の空気（処理空気）を除湿部１０内に取り入れ、除湿器１１に送風する送風機１２とを備えている。

除湿器１１は、プレート１１ａを所定間隔をおいて複数枚並設した構成のプレート型熱交換器で構成されている。除湿器１１は、濃溶液を各プレート１１ａに分配するための分配器１３を有し、分配器１３で分配された濃溶液は、各プレート１１ａの上部側から、それぞれのプレート１１ａの表面に液膜を形成しながら流下する。各プレート１１ａ間の隙間には、送風機１２によって取り入れられた室内空気（処理空気）が通過しており、プレート１１ａの表面の液膜は処理空気と接触して処理空気中の水分を吸着し、除湿を行う。このようにプレート１１ａの表面を流下する過程で処理空気中の水分を吸着して薄くなったデシカント溶液（希溶液）は、除湿器１１の下部から除湿器１１外へと排出され、溶液熱交換器３３に供給される。

また、各プレート１１ａの内部には、冷水供給口１１ｂを介して外部から供給された冷却流体としての冷水が通過する冷水通路が形成されており、冷水通路を通過する冷水とプレート１１ａ表面の液膜とがプレート１１ａの内外で熱交換する構成となっている。これにより、デシカント溶液は常に冷水によって冷却され、処理空気から水分を吸着しやすい状態となっている。各プレート１１ａ内部の冷水通路を通過後の冷水は、冷水排水口１１ｃから外部へと排出される。なお、各プレート１１ａ内は複数の小径の内部チャンネル（冷水通路）を有する構造とされ、熱交換性能の向上が図られている。なお、冷水は、井戸水、冷水製造装置などから供給される。

溶液熱交換器３３は、除湿部１０からの低温の希溶液と、再生部２０からの高温の濃溶液とを熱交換する。すなわち、除湿部１０からの低温の希溶液は、再生部２０からの高温の濃溶液と熱交換して温度上昇した後、再生部２０へと供給される。一方、再生部２０からの高温の濃溶液は、除湿部１０からの低温の希溶液と熱交換することにより温度低下した後、除湿部１０へと供給される。このように、除湿部１０から再生部２０へと向かう希溶液と、再生部２０から除湿部１０へと戻る濃溶液との熱交換を行うことにより、再生部２０におけるデシカント溶液の加熱と、除湿部１０におけるデシカント溶液の冷却とに必要なエネルギーを低減する効果がある。

再生部２０は、処理空気中の水分を吸着したことによって除湿能力が低下したデシカント溶液の除湿能力を再生する部分である。本例の再生部２０は２段再生方式を採用しており、高段再生器２１と、低段再生器２２と、凝縮器２３と、低段再生器２２に再生空気を送る送風機２４とを有している。

溶液熱交換器３３から再生部２０へと供給されてくる希溶液は、高段側バルブ２５と低段側バルブ２６とにより２つに分けられ、高段再生器２１と低段再生器２２とにそれぞれ供給される。このように高段再生器２１と低段再生器２２とに分けて流入させることにより、全体システムのCOP （Coefficient Of Performance：成績係数）の向上が可能となっている。この点については以下に詳述する。また、低段再生器２２と凝縮器２３との間は熱水管２７で接続されており、デシカント液とは別の伝熱流体（例えば、水）が低段再生器２２と凝縮器２３の間を循環する構成となっている。

高段再生器２１は、高段側バルブ２５を介して送られてくる希溶液を加熱源２１ａにより加熱して蒸気を発生させて再生する。また、デシカント溶液を加熱することにより発生した蒸気を、凝縮器２３と低段再生器２２との間で循環する伝熱流体の加熱源として、図２に示すように蒸気流出管２１ｂを介して凝縮器２３に供給する。加熱源２１ａとしては外部装置の排熱を利用している。具体的には、ガス、太陽集熱器による熱水、エンジンや燃料電池の排熱などの低級のエネルギーを用いている。図２には高段再生器２１の加熱源２１ａとして熱水を用いる場合の例を示しており、高段再生器２１は、ここでは大気圧ボイラーで構成されている。

図３は、高段再生器２１の構成を示す概略模式図で、図３（ａ）は平面模式図、図３（ｂ）は断面模式図である。
高段再生器２１は、サイクロン式気液分離器の原理を用いた円筒容器２１Ａで構成されている。円筒容器２１Ａの側面に希溶液が流入する液流入管２１ｃが設けられ、円筒容器２１Ａの底面に濃溶液を流出する液流出管２１ｄが設けられ、円筒容器２１Ａの上面に蒸気が流出する蒸気流出管２１ｂが設けられている。高段再生器２１に供給された希溶液は加熱され、円筒容器２１Ａ内の矢印に示すように円周方向に回転することにより蒸気と濃溶液とに分離される。分離された蒸気は蒸気流出管２１ｂから凝縮器２３へ供給される。一方、蒸気が分離された濃溶液は液流出管２１ｄから排出される。ここで、高段再生器２１をサイクロン式気液分離器の原理を用いた円筒容器２１Ａとすることによって、蒸気と共にデシカント溶液が凝縮器２３へと供給されることが防止される。

低段再生器２２は、除湿部１０の除湿器１１と同様の構成を有し、プレート２２ａを所定間隔をおいて複数枚並設した構成のプレート型熱交換器で構成されている。低段再生器２２は、希溶液を各プレート２２ａに分配するための分配器２８を有し、分配器２８で分配された希溶液は、各プレート２２ａの上部側から、それぞれのプレート２２ａの表面に液膜を形成しながら流下する。各プレート２２ａ間の隙間には、送風機２４によって取り入れられた再生空気が通過しており、プレート２２ａの表面の液膜は再生空気と接触して液膜中の水分を再生空気に放出し、濃溶液となり除湿能力を再生する。このようにプレート２２ａの表面を流下する過程で再生空気に水分を放出して濃くなったデシカント溶液（濃溶液）は、低段再生器２２の下部から低段再生器２２外へと排出され、溶液熱交換器３３に戻される。

また、各プレート２２ａの内部には、凝縮器２３から熱水管２７及び伝熱流体供給口２２ｂを介して流入した伝熱流体としての熱水が通過する熱水通路が形成されており、熱水通路を通過する熱水とプレート２２ａ表面の液膜とがプレート２２ａの内外で熱交換する構成となっている。これにより、デシカント溶液は常に熱水によって加熱され、再生空気に水分を放出しやすい状態となっている。

また、伝熱流体供給口２２ｂを介して凝縮器２３から流入した高温の伝熱流体は、各プレート２２ａ内部の熱水通路を通過後、伝熱流体排水口２２ｃから熱水管２７を通って再度凝縮器２３に戻るように構成されている。すなわち、低段再生器２２と凝縮器２３との間で伝熱流体が高温熱水又は低温熱水に状態を変えながらポンプ２７ａにより循環する構成となっている。なお、低段再生器２２のプレート型熱交換器も除湿器１１と同様、伝熱流体通路として複数の小径の内部チャンネルを有する構造とされ、熱交換性能の向上が図られている。

凝縮器２３は直接接触式凝縮器で構成され、高段再生器２１からの蒸気を低段再生器２２からの伝熱流体（熱水）と直接接触させて熱交換するものである。この熱交換により、高段再生器からの蒸気を凝縮液化して伝熱流体の一部とする一方、低段再生器２２からの伝熱流体を高段再生器２１からの蒸気により加熱する。具体的には、低段再生器２２からの低温熱水をノズル２３ａから散布し、高段再生器２１からの高温蒸気と直接接触させて加熱し、高温の熱水として低段再生器２２に戻す。ここで、凝縮器２３ではノズル２３ａから伝熱流体を散布するようにしているが、これは、低温熱水を微粒子化し、加熱源である蒸気との接触面積を増やすことにより熱交換量を増加させるためである。

このように、高温再生器の蒸気を低段再生器２２の熱源として利用するに際し、蒸気のままではなく凝縮器２３で液体にしてから低段再生器２２内の伝熱管に供給するようにしているので、伝熱管における圧力損失を少なく循環させることが可能となっている。

また、高段再生器２１から凝縮器２３に供給された蒸気は、上述したように低段再生器２２からの低温熱水と熱交換する過程で凝縮液化する。このため、デシカント溶液の再生を継続して行う過程で伝熱流体の量が徐々に増加する。したがって、適宜ドレーン排水するようにしている。

以下、デシカント除湿空調装置の動作について図１及び図２を参照して説明する。
除湿部１０では、デシカント溶液がプレート１１ａの上部から下方に流下して液膜を形成しており、送風機１２によって除湿部１０内部に取り入れられた処理空気と接触し、処理空気中の水分を吸着し、除湿する。除湿された処理空気は、室内へと放出される。

プレート１１ａの上部から下方に流下する過程で水分を吸着したことによって濃度が薄くなり除湿能力が低下した希溶液は、プレート１１ａの下方から希溶液ポンプ３５により溶液熱交換器３３に送られる。そして、溶液熱交換器３３で加熱されて再生部２０へと送られる。

再生部２０へと送られた希溶液は、高段側バルブ２５と低段側バルブ２６とにより希溶液Ａと希溶液Ｂとに分配され、希溶液Ａは高段再生器２１に流入し、希溶液Ｂは低段再生器２２に流入する。高段再生器２１に流入された希溶液Ａは、加熱源２１ａにより加熱され、希溶液Ａ中の水分が蒸発し濃縮液Ａとなって吸湿能力を回復し、溶液熱交換器３３へと戻される。

一方、低段再生器２２に供給された希溶液Ｂは、分配器２８で分配されて各プレート２２ａの表面に液膜を形成する。この液膜は、プレート２２ａ内部を通過する高温熱水と熱交換して加熱され、再生空気に水分を放出しやすい状態となっている。そして、液膜状の希溶液Ｂに含まれる水分を送風機２４からの再生空気に放出し、濃溶液Ｂとなって吸湿能力を回復し、溶液熱交換器３３へと戻される。

ここで、低段再生器２２において希溶液Ｂを加熱する高温熱水は凝縮器２３から供給されたものであり、その加熱源は高段再生器２１において希溶液Ａを加熱することにより発生した蒸気である。このように高段再生器２１において発生した蒸気を、低段再生器２２の加熱源とすることにより、デシカント水溶液の除湿能力の再生に必要なエネルギーの低減が可能となっている。

以上のようにして高段再生器２１及び低段再生器２２のそれぞれで再生された濃溶液Ａ及び濃溶液Ｂは、合流して溶液熱交換器３３へと送られ、除湿部１０からの希溶液と熱交換して冷却された後、濃溶液ポンプ３６によって除湿部１０へと戻される。溶液熱交換器３３では、このように再生部２０からの濃溶液と除湿部１０からの希溶液とを熱交換させることにより、再生部２０におけるデシカント溶液の加熱と、除湿部１０におけるデシカント溶液の冷却に必要なエネルギーを低減する。

除湿部１０に戻された濃溶液は、分配器１３により分配されて各プレートの表面に液膜を形成し、再び処理空気の除湿に供される。

このように本実施の形態では、再生部２０を、高段再生器２１と低段再生器２２とを備えた二段再生器とし、外部投入された熱エネルギーを二重効用化するようにしたので、熱利用効率を向上させることができ、システムのCOP を大幅に改善することができる。

また、高段再生器２１における再生過程で発生する蒸気を低段再生器２２の熱源として利用するに際し、凝縮器２３を用いて蒸気を凝縮液化した上で低段再生器２２に供給するようにしている。すなわち、低段再生器２２において希溶液を加熱する際に、高段再生器２１で発生した蒸気をそのまま低段再生器２２内の熱水通路に流入させるのではなく、蒸気を凝縮液化した上で流入させるようにしている。このため、低段再生器２２と凝縮器２３との間で伝熱流体（熱水）をポンプ２７ａにより循環させることが可能となる。また、液体を低段再生器２２内の伝熱管２７に供給するため、蒸気を伝熱管２７に供給する場合に比べて圧力損失を少なく循環させることが可能となる。その結果、再生部２０におけるエネルギー効率を向上でき、システム全体のエネルギー効率を大幅に改善することが可能となる。

また、除湿器１１及び低段再生器２２としてプレート型熱交換器を用いるようにしたので、ノズルからデシカント溶液を噴霧して処理空気の除湿及びデシカント溶液の再生を行う従来構成のようにデシカント溶液の液滴が発生することはほとんどない。よって、フィルターやデミスターを用いることなく、デシカント溶液の液滴が処理空気や再生空気によって外部に飛散することを防止することができる。

また、デシカント再生過程で必要とされる熱量はシステム全体のCOP に大きく影響する。そのため、加熱源２１ａとして、太陽集熱器による温水、エンジンや燃料電池などの排熱、凝縮熱など、外部装置の排熱を利用するようにしているため、システム全体のCOP を向上することが可能となる。

１ 液体デシカント除湿空調装置、１０ 除湿部、１１ 除湿器、１１ａ プレート、１１ｂ 冷水供給口、１１ｃ 冷水排水口、１２ 送風機、１３ 分配器、２０ 再生部、２１ 高段再生器、２１Ａ 円筒容器、２１ａ 加熱源、２１ｂ 蒸気流出管、２１ｃ 液流入管、２１ｄ 液流出管、２２ 低段再生器、２２ａ プレート、２２ｂ 伝熱流体供給口、２２ｃ 伝熱流体排水口、２３ 凝縮器、２３ａ ノズル、２４ 送風機、２５ 高段側バルブ、２６ 低段側バルブ、２７ 熱水管、２７ａ ポンプ、２８ 分配器、３１ 濃溶液管、３２ 希溶液管、３３ 溶液熱交換器、３４ 濃溶液ポンプ、３５ 希溶液ポンプ。

Claims (6)

1. 高段再生器と低段再生器と凝縮器とを有し、外部から供給されるデシカント溶液が前記高段再生器と前記低段再生器とに分けて供給されるとともに、前記低段再生器と前記凝縮器との間を伝熱流体が循環するように構成され、
   前記高段再生器は、外部から供給されたデシカント溶液を加熱源により加熱して蒸気を発生させて再生すると共に、デシカント溶液を加熱することにより発生した蒸気を、前記凝縮器と前記低段再生器との間で循環する伝熱流体の加熱源として前記凝縮器に供給し、
   前記凝縮器は、前記高段再生器からの蒸気を前記低段再生器からの伝熱流体に直接接触させ、前記高段再生器からの蒸気を凝縮液化して伝熱流体の一部とする一方、前記低段再生器からの伝熱流体を前記高段再生器からの蒸気により加熱して前記低段再生器に戻し、
   前記低段再生器は、伝熱流体が通過する通路を内部に有するプレートが間隔を空けて複数並設され、且つ外部から供給されたデシカント溶液が前記各プレートそれぞれの外表面に沿って流下して液膜を形成する構成を有し、外部から供給されたデシカント溶液と前記凝縮器で加熱された伝熱流体とを前記プレートの内外で熱交換させてデシカント溶液を加熱し、加熱されたデシカント溶液に、前記各プレート間の隙間を通過する再生空気を接触させ、デシカント溶液中の水分を再生空気に放出させてデシカント溶液を再生することを特徴とする液体デシカント再生装置。
2. 前記高段再生器は、円筒容器の側面と底面に液体デシカントの入口と出口を有するサイクロン気液分離式再生器であることを特徴とする請求項１記載の液体デシカント再生装置。
3. 前記高段再生器は、外部装置の排熱を前記加熱源として利用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体デシカント再生装置。
4. 除湿部と、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体デシカント再生装置で構成された再生部とを有し、前記除湿部と前記再生部とにデシカント溶液が循環するように構成され、
   前記除湿部と前記再生部との間の循環経路途中に溶液熱交換器を備え、前記除湿部から前記再生部に向かうデシカント溶液と前記再生部から前記除湿部に戻るデシカント溶液とが前記溶液熱交換器で熱交換するように構成され、
   前記除湿部は、外部装置との間で循環する冷却流体とデシカント溶液とを熱交換し、前記デシカント溶液を冷却しながら処理空気と接触させ、処理空気内の水分を吸着して除湿し、
   前記溶液熱交換器は、前記除湿部において水分を吸着することにより除湿能力が低下したデシカント溶液を、前記再生部からのデシカント溶液との熱交換により加熱してから前記再生部に送り、
   前記再生部は、前記溶液熱交換器で加熱されたデシカント溶液を再生して前記溶液熱交換器に戻し、
   前記溶液熱交換器は、前記再生部からのデシカント溶液を前記除湿部からのデシカント溶液とを熱交換し、前記除湿部に戻す前に冷却してから前記除湿部に戻すことを特徴とするデシカント除湿空調装置。
5. 前記除湿部は、前記冷却流体が通過する通路を内部に有するプレートを間隔を空けて複数並設するとともに、前記各プレートそれぞれの外表面に沿ってデシカント溶液を流下させて液膜を形成し、前記プレートの内外で前記冷却流体と前記液膜とを熱交換させるプレート型熱交換器で構成されることを特徴とする請求項４記載のデシカント除湿空調装置。
6. 前記除湿部は、井戸水や、冷水製造装置で製造された冷水を前記冷却流体として利用することを特徴とする請求項５記載のデシカント除湿空調装置。

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