JP5577754B2 - 温湿度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、園芸ハウス等における温湿度を調整する温湿度調整装置に関する。

園芸ハウスでは、内部の温度を好適な範囲に調整する必要がある。従来、夜間（特に冬季の夜間）において、石油系燃料を燃焼させることで、内部の温度低下を防止していた。
また、相対湿度が高ければ（例えば８０％程度）であれば、植物の光合成は気流の影響を受けないが、相対湿度が低い（例えば６５％以下）であると、気流の増加に伴い植物の光合成が減少しやすくなってしまう。よって、園芸ハウス内の相対湿度は、低過ぎないように調整する必要がある（非特許文献１参照）。

古在豊樹、後藤英司、富士原和宏著「最新施設園芸学」朝倉書店、２００６年１月３０日刊行、第６５〜６６頁

昨今の石油系燃料の値上がりのため、石油系燃料を燃焼させて暖房する方法は、農家の収益を圧迫している。また、この方法は、政府が打ち出した方針である「二酸化炭素排出量を２０２０年度までに１９９０年比で２５％削減する」に逆行する。

また、園芸ハウスでは、昼間に、相対湿度が低下し、好適な範囲から外れてしまうことがある。特に、冬季の昼間は、元々相対湿度が低いことに加えて、園芸ハウス内の温度が４０℃以上に上昇することにより、相対湿度が一層低下する。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、燃料コストを削減しながら、園芸ハウス等における温湿度を調整できる温湿度調整装置を提供することを目的とする。

本発明の温湿度調整装置は、
夜間に暖房を行い、昼間に加湿を行う温湿度調整装置であって、水分を吸着／脱着可能な吸着剤と、前記吸着剤に接触する経路に沿って空気を流通させる空気流通手段と、前記経路のうち、前記吸着剤よりも上流側の空気を、昼間に加熱する加熱手段と、前記経路における前記上流側に、夜間、前記加熱手段により加熱された空気よりも相対湿度が高い空気を供給する高湿度空気供給手段と、を備え、前記高湿度空気供給手段は、前記上流側の空気と水とを接触させることにより、前記相対湿度が高い空気を供給することを特徴とする。

本発明の温湿度調整装置では、夜間、相対湿度が高い空気が吸着剤に供給され、水蒸気が吸着剤に吸着する。そのときに放出される吸着熱により、吸着剤に供給された空気が暖められ、その暖められた空気が放出されることにより、暖房が行われる。よって、本発明によれば、夜間、石油系燃料を消費することなく、又は、その消費量を抑えて、暖房を行うことができる。

また、本発明の温湿度調整装置では、昼間、吸着剤よりも上流側の空気を、加熱手段により加熱することで、その空気の相対湿度を低下させる。この相対湿度が低下した空気を吸着剤に供給すると、夜間に水蒸気を吸着していた吸着剤は、供給された空気中に水蒸気を放出する。そして、吸着剤から水蒸気を受け取った空気が放出されることで、昼間における相対湿度が上昇する。よって、本発明によれば、昼間における相対湿度の低下を防止し、相対湿度を、植物の光合成に好適な範囲とすることができる。また、夜間に吸着していた水蒸気を吸着剤から放出することで、吸着剤を再生することができる。

前記加熱手段としては、例えば、太陽光により前記上流側の空気を加熱するものが挙げられる。さらに具体的には、太陽光を受けて昇温される受熱面と、その受熱面に接触する空気の流路とから構成され、受熱面から流路中を流れる空気に熱が伝導されるものが挙げられる。加熱手段は、昼間の全期間にわたって前記上流側の空気を加熱してもよいし、昼間のうちの一部の期間のみにおいて、前記上流側の空気を加熱してもよい。なお、昼間とは、例えば、日の出から日没までの期間とすることができる。また、夜間とは、例えば、日没から日の出までの期間とすることができる。加熱手段は、加熱する対象となる空気に、実質的に水分（水、水蒸気）を与えることなく加熱するものが好ましい。

また、加熱手段は、吸着剤よりも上流側の空気に加えて、吸着剤、又は吸着剤を収容したハウジングを加熱するものであってもよい。この場合も、太陽光により、吸着剤、又は吸着剤を収容したハウジングを加熱することができる。こうすることにより、吸着剤からの水分の放出、及び吸着剤の再生を一層促進することができる。

前記吸着剤に関する構成は、例えば、以下のようなものが好ましい。すなわち、吸着剤は、ハウジング内に収容され、そのハウジング内の空間は、吸着剤の第１層から第ｎ層（ｎ≧２）により、複数の分割空間に分割されており、吸着剤の任意の第ｍ層（ｎ≧ｍ≧１）を挟んで対向する２つの分割空間のうち、一方は、経路の上流側に連通しており、他方は、経路の下流側に連通している。

上記のような構成をとることにより、ハウジング内で吸着剤を１つにまとめる場合よりも、空気が吸着剤を通過する際の圧損を小さくし、空気の流れを円滑にすることができる。また、上流側に連通している分割空間と、下流側に連通している分割空間とは、吸着剤の層で隔てられているので、それらの間で熱交換が起こり難い。そのため、夜間の暖房時に、下流側に連通している分割空間内の空気（吸着剤を既に通過し、昇温した空気）の熱が、上流側に連通している分割空間へ逃げてしまうようなことがない。

上記の吸着剤に関する構成は、ユニットを、任意の個数組み合わせたものであることが好ましい。このユニットとは、１又は複数の吸着剤の層と、それを収容するユニットハウジングとから成るものである。このユニットを複数組み合わせると、ユニットハウジングは全体として上述したハウジングとなり、ユニット内の吸着剤の層は、上述した吸着剤の第１層から第ｎ層（ｎ≧２）になる。この場合、組み合わせるユニットの数を変化させることにより、設置する場所の状況に応じて、温湿度調整装置の性能を調整することができる。

前記高湿度空気供給手段は、所定の空気を水と接触させることで、相対湿度を高めた空気を作成し、その空気を供給する。例えば、空気の経路に、表面積が広い部材（例えば多数のヒダが表面に形成されている部材）を設け、その部材に水のシャワーをかける方法をとることができる。高湿度空気供給手段は、夜間の全期間にわたって相対湿度が高い空気を供給してもよいし、夜間のうちの一部の期間のみにおいて、相対湿度が高い空気を供給してもよい。

本発明の温湿度調整装置は、例えば、園芸ハウス内の温湿度の調整に用いることができる。
前記吸着剤としては、水分の吸着／脱着が可能な材料を広く用いることができる。そのような吸着剤としては、シリカゲルが好適である。シリカゲルの具体例としては、富士シリシア株式会社製の球状ゲルＡＢ、Ｂが挙げられる。

加温工程における温湿度調整装置１の構成を表す説明図である。 加湿・再生工程における温湿度調整装置１の構成を表す説明図である。 吸着器９の構成を表す断面図である。 加温工程において、入口４から導入される空気の温度と、出口６から排出される空気の温度との差を表すグラフである。 加湿・再生工程において、入口４から導入される空気の湿度と、出口６から排出される空気の湿度との差を表すグラフである。

本発明の実施形態を説明する。
１．温湿度調整装置１の構成
温湿度調整装置１の構成を図１〜図３に基づき説明する。図１は、加温工程における温湿度調整装置１を表す説明図であり、図２は、加湿・再生工程における温湿度調整装置１を表す説明図であり、図３は、吸着器９の構成を表す断面図である。

温湿度調整装置１は、園芸ハウス（図示略）内に設置される。温湿度調整装置１は、管状の空気流通管３と、その空気流通管３の一端から空気を送り込む送風機（空気流通手段）５と、空気流通管３の途中に設けられた再生装置（加熱手段）７と、空気流通管３における前記一端とは反対側の端部付近に設けられた吸着器９と、切り替えスイッチ１１、１３とから構成される。

上記空気流通管３において、送風機５が設けられた側を上流側とし、吸着器９が設けられた側を下流側とする。空気流通管３の入口４（最も上流側）は、園芸ハウスの内部に位置する。よって、入口４から、園芸ハウス内の空気を空気流通管３内に取り込むことができる。なお、必要に応じ、入口４を園芸ハウス外に設け、外部の空気を空気流通管３内に取り込んでもよい。空気流通管３の出口６は、園芸ハウスの内部に位置する。よって、空気流通管３は、園芸ハウス内に空気を排出する。空気流通管３は、分岐部３ａと合流部３ｂとの間では、並行する２つの経路３ｃ、３ｄに分かれている。

上記再生装置７は、経路３ｄの途中に設けられている。再生装置７は、中空箱状の部材であり、一方の側面に入口７ａを備え、他方の側面に出口７ｂを備えている。入口７ａは、経路３ｄのうちの上流側に接続し、出口７ｂは、経路３ｄのうちの下流側に接続している。よって、経路３ｄの上流側から、再生装置７の内部を通り、経路３ｄの下流側に至る空気の流路が形成されている。再生装置７の上面７ｃは、熱伝導率の高いアルミニウムで構成され、太陽光を吸収し易い蛇腹構造を有し、黒色に塗装されている。また、上面７ｃの内側面には、アルミニウム製の多数のフィンが形成されており、再生装置７内を通過する空気と上面７ｃとの接触面積が大きくなっている。

上記吸着器９は、図３に示すように、中空箱状のハウジング１５と、その内部に収容されたシリカゲル（吸着剤）の第１層１７、第２層１９、第３層２１、第４層２３とを有する。第１層１７、第２層１９、第３層２１、及び第４層２３は、それぞれ、所定の間隔をおいて、互いに平行に配置されている。よって、ハウジング１５内の空間（シリカゲルで占められていない部分）は、第１分割空間２５、第２分割空間２７、第３分割空間２９、第４分割空間３１、及び第５分割空間３３に分割されている。使用したシリカゲルは、富士シリシア株式会社製の球状ゲルＡＢである。

ハウジング１５は、上流側の面に、第１分割空間２５に開口する第１入口３５と、第３分割空間２９に開口する第２入口３７と、第５分割空間３３に開口する第３入口３９とを有している。空気流通管３は、吸着器９の上流側で３つに分岐し、第１入口３５、第２入口３７、及び第３入口３９にそれぞれ接続している。

また、ハウジング１５は、下流側の面に、第２分割空間２７に開口する第１出口４１と、第４分割空間３１に開口する第２出口４３とを有している。空気流通管３は、吸着器９の下流側で２つに分岐し、第１出口４１、及び第２出口４３にそれぞれ接続している。

すなわち、第１分割空間２５は、第１入口３５により、空気流通管３の上流側に連通しており、第１層１７を挟んで第１分割空間２５と対向する第２分割空間２７は、第１出口４１により、空気流通管３の下流側に連通している。また、第２層１９を挟んで第２分割空間２７と対向する第３分割空間２９は、第２入口３７により、空気流通管３の上流側に連通している。また、第３層２１を挟んで第３分割空間２９と対向する第４分割空間３１は、第２出口４３により、空気流通管３の下流側に連通している。また、第４層２３を挟んで第４分割空間３１と対向する第５分割空間３３は、第３入口３９により、空気流通管３の上流側に連通している。

上記の構成により、吸着器９では、以下のような空気の流れが生じる。空気流通管３の上流側から送られてきた空気は、３つに分岐して、第１入口３５、第２入口３７、及び第３入口３９からそれぞれハウジング１５内に入る。第１入口３５からハウジング１５内に入った空気は、第１分割空間２５から第１層１７を通過して第２分割空間２７に入り、第１出口４１からハウジング１５外に排出される。排出された空気は、空気流通管３の下流側に流れる。

第２入口３７からハウジング１５内に入った空気の一部は、第３分割空間２９から第２層１９を通過して第２分割空間２７に入り、第１出口４１からハウジング１５外に排出される。排出された空気は、空気流通管３の下流側に流れる。また、第２入口３７からハウジング１５内に入った空気の一部は、第３分割空間２９から第３層２１を通過して第４分割空間３１に入り、第２出口４３からハウジング１５外に排出される。排出された空気は、空気流通管３の下流側に流れる。

第３入口３９からハウジング１５内に入った空気は、第５分割空間３３から第４層２３を通過して第４分割空間３１に入り、第２出口４３からハウジング１５外に排出される。排出された空気は、空気流通管３の下流側に流れる。

吸着器９は、ユニット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを積み上げて構成される。ユニット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄはそれぞれ、１つのシリカゲル層（第１層１７、第２層１９、第３層２１、第４層２３のいずれか）と、それを収納するユニットハウジング（ハウジング１５の一部）とから成る。なお、図３には、４つのユニットから成る吸着器９を示すが、ユニットの数は４には限定されず、２、３、又は５以上のいずれであってもよい。温湿度調整装置１を設置する場所の状況（例えば園芸ハウスの内積、温度、湿度等）に応じて、積み上げるユニットの数を変更し、温湿度調整装置１の性能を調整することができる。

切り替えスイッチ１１は、２つの経路３ｃ、３ｄのうち、一方のみを、空気流通管３の上流側と接続し、他方を閉とする。また、切り替えスイッチ１３は、２つの経路３ｃ、３ｄのうち、一方のみを、空気流通管３の下流側と接続し、他方を閉とする。切り替えスイッチ１１、１３は、手動で操作するものであってもよいし、タイマーやプログラムにより、自動的に動作するものであってもよい。

２．温湿度調整装置１の作用効果
温湿度調整装置１の作用効果を説明する。
（１）加温工程における作用効果
加温工程は夜間に行われる。温湿度調整装置１の切り替えスイッチ１１、１３は、それぞれ、図１に示すように、経路３ｃが開となり、経路３ｄが閉となる状態とされる。加温工程の初期において、吸着器９のシリカゲルは、後述する加湿・再生工程により、水分の吸着量が低い状態となっている。加温工程では、園芸ハウス内の空気が、空気流通管３の入口４から取り込まれ、経路３ｃを経て、吸着器９に供給される。このとき入口４から取り込まれる空気は、後述する加湿・再生工程において吸着器９に供給される空気（再生装置７で加熱されて昇温した空気）よりも相対湿度が高いため、空気中の水蒸気がシリカゲルに吸着する。そのときに放出される吸着熱により、吸着器９に供給された空気が暖められ、その暖められた空気流通管３の出口６から園芸ハウス内に放出されることにより、暖房が行われる。よって、温湿度調整装置１によれば、夜間、石油系燃料を消費することなく、又は、その消費量を抑えて、園芸ハウス内の暖房を行うことができる。
（２）加湿・再生工程における作用効果
加湿・再生工程は昼間に行われる。温湿度調整装置１の切り替えスイッチ１１、１３は、図２に示すように、経路３ｄが開となり、経路３ｃが閉となる状態とされる。加湿・再生工程の初期において、吸着器９のシリカゲルは、前述した加温工程により、水分の吸着量が高い状態となっている。

加湿・再生工程では、園芸ハウス内の空気が、空気流通管３の入口４から取り込まれ、経路３ｄに設けられた再生装置７の内部に供給される。再生装置７の内部の空気は、太陽光により加熱されて昇温し、相対湿度が低下する。ここで、再生装置７の上面７ｃは、上述したように、黒色に塗装された受熱面であるので、太陽光を受けて昇温され易い。そして、上面７ｃは熱伝導率の高いアルミニウムで構成されており、しかも、上面７ｃの内側面には、アルミニウム製の多数のフィンが形成されており、再生装置７内を通過する空気との接触面積が大きくなっているので、上面７ｃの熱は容易に、再生装置７内の空気に伝導される。

再生装置７により相対湿度が低下した空気が吸着器９に供給されると、吸着器９内のシリカゲルは、供給された空気中に水蒸気を放出する。そして、シリカゲルから水蒸気を受け取った空気が空気流通管３の出口６から園芸ハウス内に放出されることで、園芸ハウス内の相対湿度が上昇する。よって、温湿度調整装置１によれば、園芸ハウス内における昼間の相対湿度の低下を防止し、相対湿度を、植物の光合成に好適な範囲とすることができる。また、加温工程の間に吸着していた水蒸気をシリカゲルから放出することで、シリカゲルを再生し、次の加温工程の実行を可能にする。

また、温湿度調整装置１の再生装置７は太陽光を用いて空気を加熱するので、加熱のためのエネルギーを供給しなくてもよい。
（３）吸着器９の構成による作用効果
吸着器９は、シリカゲルの層を複数備えているので、ハウジング１５内でシリカゲルを１つにまとめる場合よりも、空気がシリカゲルを通過する際の圧損を小さくし、空気の流れを円滑にすることができる。また、吸着器９では、上述したように、空気流通管３の上流側に連通している分割空間（第１分割空間２５、第３分割空間２９、第５分割空間３３）と、空気流通管３の下流側に連通している分割空間（第２分割空間２７、第４分割空間３１）とは、シリカゲルの層で隔てられているので、それらの間で熱交換が起こり難い。そのため、加温工程において、空気流通管３の下流側に連通している分割空間内の空気（シリカゲル層を既に通過し、昇温した空気）の熱が、空気流通管３の上流側に連通している分割空間へ逃げてしまうようなことがない。

３．温湿度調整装置１の評価試験
（１）まず、加湿・再生工程により、吸着器９に４０℃の乾燥空気を３時間供給し、シリカゲルを乾燥させた。次に、加温工程において、空気流通管３の入口４から導入される空気の温度と、出口６から排出される空気の温度との差を、継続的に測定した。測定結果を図４に示す。図４に示されるように、出口６から排出される空気の温度は、入口４から導入される空気の温度よりも顕著に高かった。そして、その状態が長時間継続した。よって、温湿度調整装置１の暖房効果が高いことが確認できた。
（２）まず、加温工程を行い、吸着器９内のシリカゲルに水分を吸着させた。次に、加湿・再生工程において、空気流通管３の入口４から導入される空気の湿度と、出口６から排出される空気の湿度とを、それぞれ、継続的に測定した。

図５に、入口４での湿度、出口６での湿度、及びそれらの差を示す。図５に示されるように、出口６から排出される空気の湿度は、入口４から導入される空気の湿度よりも顕著に高かった。そして、その状態が長時間継続した。よって、温湿度調整装置１の加湿効果が高いことが確認できた。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、経路３ｃの途中に、加湿器を設けてもよい。この加湿器は、経路３ｃを流れる空気と水とを接触させることにより、空気の相対湿度を高める。加湿器は、例えば、空気の経路に、表面積が広い部材（例えば多数のヒダが表面に形成されている部材）を設け、その部材に水のシャワーをかける方法で空気の相対湿度を高めることができる。

また、加温工程において、空気流通管３の入口４から、園芸ハウス内の空気よりも更に相対湿度が高い空気を導入してもよい。そのような空気としては、例えば、付近に温泉が湧き出ている場所の空気等が挙げられる。

再生装置７の上面７ｃ、及びその内側面のフィンの材質は、アルミニウムに限定されず、熱伝導性の高い材料を広く用いることができる。例えば、アルミニウム以外の金属（例えば、鉄、トタン等）を用いることができる。

吸着器９のハウジング１５を、黒色に塗装する等の方法で、太陽光による熱を受けやすい受熱面とすることができる。また、ハウジング１５の材質を、熱伝導率の高いアルミニウム等にすることができる。こうすることにより、加湿・再生工程のとき、吸着器９が加熱され、その熱が内部のシリカゲルに伝わることで、シリカゲルの水分放出（シリカゲルの再生）が促進される。

１・・・温湿度調整装置、３・・・空気流通管、３ａ・・・分岐部、３ｂ・・・合流部、
３ｃ、３ｄ・・・経路、４・・・入口、５・・・送風機、６・・・出口、
７・・・再生装置、７ａ・・・入口、７ｂ・・・出口、７ｃ・・・上面、
９・・・吸着器、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ・・・ユニット、
１１、１３・・・切り替えスイッチ、１５・・・ハウジング、１７・・・第１層、
１９・・・第２層、２１・・・第３層、２３・・・第４層、２５・・・第１分割空間、
２７・・・第２分割空間、２９・・・第３分割空間、３１・・・第４分割空間、
３３・・・第５分割空間、３５・・・第１入口、３７・・・第２入口、
３９・・・第３入口、４１・・・第１出口、４３・・・第２出口

Claims (5)

1. 夜間に暖房を行い、昼間に加湿を行う温湿度調整装置であって、
   水分を吸着／脱着可能な吸着剤と、
   前記吸着剤に接触する経路に沿って空気を流通させる空気流通手段と、
   前記経路のうち、前記吸着剤よりも上流側の空気を、昼間に加熱する加熱手段と、
   前記経路における前記上流側に、夜間、前記加熱手段により加熱された空気よりも相対湿度が高い空気を供給する高湿度空気供給手段と、
   を備え、
   前記高湿度空気供給手段は、前記上流側の空気と水とを接触させることにより、前記相対湿度が高い空気を供給することを特徴とする温湿度調整装置。
2. 前記加熱手段は、太陽光により前記上流側の空気を加熱することを特徴とする請求項１記載の温湿度調整装置。
3. 前記吸着剤は、ハウジング内に収容され、
   前記ハウジング内の空間は、前記吸着剤の第１層から第ｎ層（ｎ≧２）により、複数の分割空間に分割されており、
   前記吸着剤の任意の第ｍ層（ｎ≧ｍ≧１）を挟んで対向する２つの前記分割空間のうち、一方は、前記経路の上流側に連通しており、他方は、前記経路の下流側に連通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の温湿度調整装置。
4. 園芸ハウス内の温湿度の調整に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温湿度調整装置。
5. 前記吸着剤はシリカゲルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の温湿度調整装置。

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