JP5932438B2 - 冷房システム - Google Patents

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Description

本発明は、間接気化冷却装置とデシカント調湿装置とを備えた冷房システムに関するものである。
互いに熱交換が可能な乾流路と湿流路の二つの気体の流路と、湿流路に設けられる液体供給手段と、を備え、湿流路を流れる気体により該湿流路に供給された液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより、乾流路を流れる気体が冷却されることで、乾流路を流れる気体を加湿することなく冷却する間接気化冷却装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
この間接気化冷却装置にあっては、乾流路と湿流路を流れる気体の流量と、湿流路に供給する液体の流量を制御することで、乾流路を流通して得られる冷却空気の温度を間接的に調節していたが、誤差が大きいものであった。
乾流路を流通して得られる冷却空気の温度を調節するにあたり、別の方法が考えられる。すなわち、間接気化冷却装置にあっては、湿流路を流れる気体の湿度が低い程、この湿流路での蒸発(気化)が促進されて、湿流路を流れる気体が奪われる熱が大きくなり、この結果、乾流路を流れる気体の冷却が促進される。このため、湿流路に流入する気体の湿度を制御することで、乾流路を流通して得られる冷却空気の温度を調節することが可能である。
そこで、吸湿流路と放湿流路の二つの気体の流路と、この流路間に跨って回転するデシカントロータと、を備え、吸湿流路を流れる気体に対し吸湿(除湿)を行うとともに、放湿流路においてデシカントロータの再生を行うデシカント調湿装置(例えば特許文献2参照)を組み合わせることが考えられるものである。
特開2008−101890号公報 特開2008−164203号公報
本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、間接気化冷却装置にデシカント調湿装置を組み合わせ、簡単な構成で高い冷房能力が得られる冷房システムを提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、
互いに熱交換が可能な乾流路11および湿流路12と、湿流路12に設けられる液体供給手段13と、を備え、湿流路12を流れる気体により湿流路12に供給された液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより乾流路11を流れる気体を加湿することなく冷却する間接気化冷却装置1と、
吸湿流路21および放湿流路22と、吸湿流路21と放湿流路22との間に跨って回転するデシカントロータ20と、放湿流路22に設けられる再生手段23と、を備え、吸湿流路21を流れる気体に対し吸湿を行うとともに、放湿流路22においてデシカントロータ20の再生を行うデシカント調湿装置2と、
を備えた冷房システムであって、
乾流路11の入口と湿流路12の出口とを屋外に連通させ、
乾流路11の出口と放湿流路22の入口との間に接続流路を接続し、
吸湿流路21の出口と湿流路12の入口との間に接続流路を接続し、
放湿流路22の出口と吸湿流路21の入口とを屋内に連通させることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、
互いに熱交換が可能な乾流路11および湿流路12と、湿流路12に設けられる液体供給手段13と、を備え、湿流路12を流れる気体により湿流路12に供給された液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより乾流路11を流れる気体を加湿することなく冷却する間接気化冷却装置1と、
吸湿流路21および放湿流路22と、吸湿流路21と放湿流路22との間に跨って回転するデシカントロータ20と、放湿流路22に設けられる再生手段23と、を備え、吸湿流路21を流れる気体に対し吸湿を行うとともに、放湿流路22においてデシカントロータ20の再生を行うデシカント調湿装置2と、
を備えた冷房システムであって、
乾流路11の入口と湿流路12の出口とを屋外に連通させ、
乾流路11の出口を屋内に連通させ、
吸湿流路21の出口と湿流路12の入口との間に接続流路を接続し、
放湿流路22の出口を屋外に連通させ、
吸湿流路21の入口を屋内に連通させ、
放湿流路22の入口を屋内または屋外に連通させることを特徴とする。
本発明の冷房システムにあっては、間接気化冷却装置にデシカント調湿装置を組み合わせ、簡単な構成で高い冷房能力が得られる。
本発明の第一の実施形態の概略構成図である。 本発明の第二の実施形態の概略構成図である。 本発明の第三の実施形態の概略構成図である。 運転を説明するフロー図である。 運転の一部を説明するフロー図である。
以下、本発明の一実施形態に基いて説明する。まず、間接気化冷却装置とデシカント調湿装置について説明する。
間接気化冷却装置は、乾流路と湿流路の二つの流路を備え、この流路間で熱交換を行うものである。乾流路と湿流路の間には、熱伝導性部材が介在しており、この熱伝導性部材により、各流路を流れる気体間で熱交換が行われる。湿流路には、液体供給手段および液体保持手段が設けられ、液体供給手段により液体が供給され、供給された液体は液体保持手段により保持される。液体保持手段において、液体は、湿流路を流れる気体と直接接触可能に保持される。
この間接気化冷却装置は、乾流路に冷却対象となる気体を流通させ、湿流路には、相対湿度が100%未満の気体を流通させるのであるが、この気体の相対湿度は低い程好ましいものである。そして、液体保持手段により供給された液体が液体保持手段に保持された状態で、乾流路と湿流路とに気体が流れると、湿流路において、液体保持手段に保持されている液体が湿流路を流れる気体により気化されていく。この時、液体保持手段に保持されている液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより、乾流路を流れる気体が冷却される。これにより、乾流路を流れる気体は、加湿されることなく冷却されるものである。
間接気化冷却装置としては、特許文献1に記載されたものが利用可能であるが、特にこれに限定されない。間接気化冷却装置の一具体例について概略説明する。本例では、乾流路と湿流路とを、セルロース系紙に、通気性を有さず熱伝導性を有する合成樹脂製フィルムを貼り合わせた仕切りにて、セルロース系紙が湿流路側に面するようにして仕切る。セルロース系紙が液体保持手段として機能し、合成樹脂製フィルムが熱伝導性部材として機能する。この場合、液体が蒸発する際に乾流路を流れる気体が奪われる熱は、主に、湿流路の乾流路側の壁面に保持されていた液体が、気化熱として、乾流路から直接的に奪う熱であるが、液体が蒸発する際に湿流路から熱を奪うことで湿流路の温度が低下し、これにより奪われる熱もある。
液体供給手段は、チューブと、ポンプと、ポンプを駆動するモータ等の駆動手段と、駆動手段を制御するマイクロコンピュータ等からなる制御部と、タンク等の液体貯留部と、を備える。チューブの一端は液体貯留部に接続され、チューブの他端は湿流路のセルロース系紙付近に配置される。
この乾流路と湿流路は交互に積層され、各乾流路の入口および出口、各湿流路の入口および出口はそれぞれ一つの入口および出口に集約される。
乾流路と湿流路には、それぞれ送風手段が設けられる。送風手段は、ファンと、ファンを駆動するモータ等の駆動手段と、駆動手段を制御するマイクロコンピュータ等からなる制御部と、を備える。
乾流路と湿流路とを流れる気体の流量と、湿流路に供給される液体の流量を制御部により制御することで、乾流路を流れて得られる冷却空気の量、温度がある程度調節可能となっている。
また、湿流路を流れる気体中の蒸気が結露して液体となった場合に、この液体を排出する排出手段を備えている。この排出手段としては、湿流路と外部とを連通する流路となる管等を備え、途中に逆止弁やポンプを有するものが用いられるが、特に限定されない。
なお、上記のような間接気化冷却装置は一例であってこれに限定されない。また、液体としては水が好適に用いられるが、他の液体が用いられてもよく、この場合には揮発性の高い液体が好ましい。また、乾流路と湿流路とを流れる気体は空気が好適に用いられるが、特に限定されない。
デシカント調湿装置は、放湿流路と吸湿流路とからなる二つの流路と、この流路間に跨って回転するデシカントロータと、デシカントロータを駆動するモータ等の駆動手段と、駆動手段を制御するマイクロコンピュータ等からなる制御部と、を備え、吸湿流路を流れる気体に対し吸湿を行うとともに、放湿流路を流れる気体に対し放湿を行うものである。デシカントロータは、通常は円盤状をしたもので、その中心軸(回転軸)方向に通気性を有する。なお、デシカントロータは円盤状に限定されない。そして、デシカントロータの表面に吸湿材(デシカント)が担持されている。また、放湿流路には、デシカントロータの上流側に、デシカントロータを再生するための加熱手段からなる再生手段を備えている。加熱手段(再生手段)としては、例えば気−液熱交換器と、熱媒と、循環路と、ポンプと、ポンプを駆動するモータ等の駆動手段と、熱媒を加熱するガスバーナ等の加熱部と、を備えた温水コイルが好適に用いられるが、特に限定されず、電熱ヒータ等であってもよい。
二つの流路には、それぞれ送風手段が設けられる。送風手段は、ファンと、ファンを駆動するモータ等の駆動手段と、駆動手段を制御するマイクロコンピュータ等からなる制御部と、を備えている。
なお、上記に加え、二つの流路間に跨って回転する顕熱交換ロータと、顕熱交換ロータを駆動するモータ等の駆動手段と、駆動手段を制御するマイクロコンピュータ等からなる制御部と、を備えていてもよい。顕熱交換ロータは、吸湿流路のデシカントロータよりも上流側の部分と、放湿流路のデシカントロータよりも下流側の部分に跨るように回転する。また、顕熱交換ロータに代えて、間に熱伝導性部材を介在させて二つの流路を仕切る一般的な熱交換器を備えてもよい。
このデシカント調湿装置は、除湿対象とする気体を吸湿流路に流通させ、除湿対象となる気体がデシカントロータを通過すると、吸湿材に液体の蒸気が吸収され、除湿された気体となって流出する。放湿流路においては、再生手段(加熱手段)によりデシカントロータが加熱され、気体がデシカントロータを通過する際、デシカントロータが吸湿材が吸収していた液体を気体中に蒸気として放出し、吸湿材が再生される。
また、顕熱交換ロータを備えている場合には、顕熱交換ロータを回転させることで、放湿流路から流出する気体から熱を奪うとともに吸湿流路に流入する気体に放熱し、熱の回収が行われる。顕熱交換ロータでなく一般的な熱交換器の場合も同様である。
吸湿流路と放湿流路とを流れる気体の流量と、加熱手段による加熱量と、場合によってはデシカントロータの回転速度を制御部により制御することで、吸湿流路から流出する除湿気体の量、湿度が調節可能である。
なお、上記のようなデシカント調湿装置は一例であって、これに限定されない。
以下、本発明の冷房システムの第一の実施形態について図1に基づいて説明する。
間接気化冷却装置1の乾流路11および湿流路12、デシカント調湿装置2の吸湿流路21および放湿流路22は、送風手段による送風方向が定まっており、入口および出口が固定されている。湿流路12には、流路の途中に液体供給手段13および液体保持手段(不図示)、排出手段14が設けられ、出口に温度センサ15が設けられている。放湿流路22には、再生手段23が設けられている。
本実施形態では、再生手段23として気−液熱交換器が用いられ、熱媒と、循環路と、ポンプと、ポンプを駆動するモータ等の駆動手段と、熱媒を加熱するガスバーナ等を備えた熱源と、を備える。熱源および熱媒は、他の温水暖房システム等の熱源および熱媒が好適に用いられ、熱源にて所定の温度(例えば80℃)となった熱媒が利用可能である。この場合、再生手段23の気−液熱交換器を介して供給する熱量を制御するには、気−液熱交換器を流れる熱媒を流す時間の割合、すなわち、全体の時間に対する熱媒を流通させる時間の比(=デューティ比)を変化させる所謂デューティ制御を行う。そして、熱媒要求レベルはデューティ比が異なる複数段階が用意されている。
また、吸湿流路21のデシカントロータ20の下流側の部分と、放湿流路22のデシカントロータ20の上流側の部分とで、熱伝導性部材により互いに熱交換を可能とする熱交換器24が設けられてもよいが、熱交換器24は任意の構成である。
また、マイクロコンピュータからなり、間接気化冷却装置1とデシカント調湿装置2とを制御するとともに、別の温水暖房システムに対し熱媒の供給を指令する、この冷房システム全体の制御部を備えている。そして、冷房システムの運転の開始/停止、冷房レベル(例えば強、中、弱等による目標温度)の設定や直接目標温度の設定を行う操作部が設けられている。
乾流路11の入口には、先端が屋外の大気に連通する大気開放端となる外気吸入流路31が接続される。
湿流路12の出口には、先端が屋外の大気に連通する大気開放端となる外気連通流路32が接続される。
乾流路11の出口と放湿流路22の入口との間には接続流路33が接続され、吸湿流路21の出口と湿流路12の入口との間には接続流路34が接続される。
放湿流路22の出口には、先端が屋内の空間に連通する内気開放端となる内気連通流路35が接続され、吸湿流路21の入口には、先端が屋内の空間に連通する内気開放端となる内気吸入流路36が接続される。
外気は、外気吸入流路31を介して乾流路11に流入し、間接気化冷却装置1により加湿されることなく冷却され、接続流路33を介してデシカント調湿装置2の放湿流路22に流入する。そして、デシカントロータ20を通過する際に放湿され、熱交換器24がある場合には熱交換器24を通過する際に冷却され、内気連通流路35を介して屋内へ供給される。
内気は、内気吸入流路36を介してデシカント調湿装置2の吸湿流路21に流入し、デシカントロータ20を通過する際に吸湿されて低湿度となり、接続流路34を介して間接気化冷却装置1の湿流路12に流入する。そして、低湿度となった気体は、湿流路12を通過する際に、水保持手段により保持されていた水が気化して生成される水蒸気を含んで、外気連通流路32を介して屋外へ排出される。
第一の実施形態における運転について図4に基づいて説明する。運転をスタートさせると(S1)、制御部は、設定されている冷房レベルに応じた目標温度T0(直接目標温度を設定する場合には設定されている目標温度)が設定される(S2)。
間接気化冷却装置1の動作を開始し、送風手段を動作させ、液体供給手段13および排出手段14を動作させる(S3)。デシカント調湿装置2の動作を開始し、温水暖房システムに対し所望の熱媒を要求し、デシカントロータ20を動作させる(S4)。
(S4)が実行されてから所定時間Tiが経過したか否かが判定され(S5)、所定時間Tiが経過していない場合には再度(S5)が実行され、所定時間Tiが経過している場合には温度センサ15により湿流路12の出口における温度t1を検出する(S6)。そして、温度t1と目標温度T0との比較が行われ(S7)、温度t1が目標温度T0より高い場合には、熱媒要求レベルを一段階上げる(S8)。熱媒要求レベルは、複数段階のうち低い(デューティ比が小さい)段階からはじめ、一段階ずつ上げていく。熱媒要求レベルを上げることで、放湿流路22におけるデシカントロータ20からの放湿量が増加するとともに吸湿流路21における吸湿量が増加する。これに伴い、湿流路12に流入する気体の湿度が低下し、乾流路11を流れる気体が奪われる熱量が増加して温度が低下する。
(S8)が実行されると(S5)へ戻り、(S8)が実行されてから所定時間Tiが経過したか否かが判定される。
(S7)において温度t1が目標温度T0以下の場合には、(S7)が実行されてから所定時間Tiが経過したか否かが判定され(S9)、所定時間Tiが経過していない場合には再度(S9)が実行され、所定時間Tiが経過している場合には温度センサ15により湿流路12の出口における温度t2が検出される(S10)。そして、温度t2と温度t1との比較が行われ(S11)、温度t2が温度t1より低い場合には、熱媒要求レベルを一段階下げる(S12)。熱媒要求レベルを下げることで、乾流路11を流れる気体が奪われる熱量が減少して温度が上昇する。(S12)が実行されると(S5)へ戻り、(S12)が実行されてから所定時間Tiが経過したか否かが判定される。以降、運転の停止までこのフローが繰り返される。
また、ステップ(S5)に代えて、図5に示すルーチン(S21)〜(S24)を実行してもよい。これは、温度センサ15により湿流路12の出口における温度t1を検出する(S21)。そして、(S12)が実行されてから所定時間Ti1が経過したか否かが判定され(S22)、所定時間Ti1が経過していない場合には再度(S21)が実行され、所定時間Ti1が経過している場合には温度センサ15により湿流路12の出口における温度t2が検出される(S23)。そして、温度t2と温度t1との差の絶対値と、閾値dとの比較が行われ(S24)、温度t2と温度t1との差の絶対値が閾値dより大きければ、再度(S21)が実行され、温度t2と温度t1との差の絶対値が閾値d以下であれば、このルーチンを終了し、ステップ(S6)へ移行する。
なお、上記運転は一例であり、特に限定されない。
第一の実施形態においては、主に夏期に、換気するとともに、取り入れる外気を冷却して供給するものである。この時、湿流路12に流入する気体の湿度が低くなって、湿流路12での気化が促進され、乾流路11を流れる気体の冷却能力が向上し、高い冷房能力が得られるものである。
次に、第二の実施形態について図2に基づいて説明する。第二の実施形態においては、間接気化冷却装置1とデシカント調湿装置2は第一の実施形態と同じであり、流路構成の一部が異なるため、同じ部分については同符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。
乾流路11の出口には、先端が屋内の空間に連通する内気開放端となる内気連通流路37が接続され、乾流路11の出口は内気連通流路37を介して屋内に連通している。
放湿流路22の入口に、一端が内気吸入流路36に接続される内気吸入流路38の他端が接続され、放湿流路22の入口は内気吸入流路36および内気吸入流路38を介して屋内に連通している。なお、内気吸入流路38の先端が屋内の空間に連通する内気開放端となっていてもよい。
放湿流路22の出口には、一端が外気連通流路32に接続される外気連通流路39の他端が接続され、放湿流路22の出口は外気連通流路39および外気連通流路32を介して屋外に連通している。なお、外気連通流路39の先端が屋外の空間に連通する外気開放端となっていてもよい。
外気は、外気吸入流路31を介して乾流路11に流入し、間接気化冷却装置1により加湿されることなく冷却され、接続流路37を介して屋内へ供給される。
内気は、内気吸入流路36を介して一部がデシカント調湿装置2の吸湿流路21に流入し、デシカントロータ20を通過する際に吸湿されて低湿度となり、接続流路34を介して間接気化冷却装置1の湿流路12に流入する。そして、低湿度となった気体は、湿流路12を通過する際に、水保持手段により保持されていた水が気化して生成される水蒸気を含んで、外気連通流路32を介して屋外へ排出される。
また、内気吸入流路36を介して吸入される内気の残りがデシカント調湿装置2の放湿流路22に流入する。そして、デシカントロータ20を通過する際に放湿され、熱交換器24がある場合には熱交換器24を通過する際に冷却され、外気連通流路39および外気連通流路32を介して屋外へ排出される。
第二の実施形態においては、主に夏期に、換気するとともに、取り入れる外気を冷却して供給するものである。この時、湿流路12に流入する気体の湿度が低くなって、湿流路12での気化が促進され、乾流路11を流れる気体の冷却能力が向上し、高い冷房能力が得られるものである。更に、第一の実施形態においては、デシカントロータ20を通過する際に放湿された気体が屋内に供給されていたのに対し、第二の実施形態においては、デシカントロータ20を通過して放湿されることなく、間接気化冷却装置1により加湿されることなく冷却された気体のみが屋内に供給され、湿度の上昇を抑えられる。
次に、第三の実施形態について図3に基づいて説明する。第三の実施形態においては、間接気化冷却装置1とデシカント調湿装置2は第二の実施形態と同じであり、流路構成の一部が異なるため、同じ部分については同符号を付して説明を省略し、第二の実施形態と異なる部分について説明する。
放湿流路22の入口に、一端が外気吸入流路31に接続される外気吸入流路40の他端が接続され、放湿流路22の入口は外気吸入流路40および外気吸入流路31を介して屋外に連通している。なお、外気吸入流路40の先端が屋外の空間に連通する外気開放端となっていてもよい。
外気は、外気吸入流路31を介して一部が乾流路11に流入し、間接気化冷却装置1により加湿されることなく冷却され、接続流路37を介して屋内へ供給される。
内気は、内気吸入流路36を介してデシカント調湿装置2の吸湿流路21に流入し、デシカントロータ20を通過する際に吸湿されて低湿度となり、接続流路34を介して間接気化冷却装置1の湿流路12に流入する。そして、低湿度となった気体は、湿流路12を通過する際に、水保持手段により保持されていた水が気化して生成される水蒸気を含んで、外気連通流路32を介して屋外へ排出される。
また、外気吸入流路31を介して吸入される外気の残りがデシカント調湿装置2の放湿流路22に流入する。そして、デシカントロータ20を通過する際に放湿され、熱交換器24がある場合には熱交換器24を通過する際に冷却され、外気連通流路39および外気連通流路32を介して屋外へ排出される。
第三の実施形態においては、主に夏期に、換気するとともに、取り入れる外気を冷却して供給するものである。この時、湿流路12に流入する気体の湿度が低くなって、湿流路12での気化が促進され、乾流路11を流れる気体の冷却能力が向上し、高い冷房能力が得られるものである。更に、第一の実施形態においては、デシカントロータ20を通過する際に放湿された気体が屋内に供給されていたのに対し、第三の実施形態においては第二の実施形態と同様に、デシカントロータ20を通過して放湿されることなく、間接気化冷却装置1により加湿されることなく冷却された気体のみが屋内に供給され、湿度の上昇を抑えられる。
1 間接気化冷却装置
11 乾流路
12 湿流路
13 液体供給手段
14 排出手段
15 温度センサ
2 デシカント調湿装置
20 デシカントロータ
21 吸湿流路
22 放湿流路
23 再生手段
24 熱交換器
31 外気吸入流路
32 外気連通流路
33〜34 接続流路
35 内気連通流路
36 内気吸入流路
37 内気連通流路
38 内気吸入流路
39 外気連通流路
40 外気吸入流路

Claims (2)

  1. 互いに熱交換が可能な乾流路および湿流路と、前記湿流路に設けられる液体供給手段と、を備え、前記湿流路を流れる気体により前記湿流路に供給された液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより前記乾流路を流れる気体を加湿することなく冷却する間接気化冷却装置と、
    吸湿流路と放湿流路と、前記吸湿流路と前記放湿流路との間に跨って回転するデシカントロータと、前記放湿流路に設けられる再生手段と、を備え、前記吸湿流路を流れる気体に対し吸湿を行うとともに、前記放湿流路において前記デシカントロータの再生を行うデシカント調湿装置と、
    を備えた冷房システムであって、
    前記乾流路の入口と前記湿流路の出口とを屋外に連通させ、
    前記乾流路の出口と前記放湿流路の入口との間に接続流路を接続し、
    前記吸湿流路の出口と前記湿流路の入口との間に接続流路を接続し、
    前記放湿流路の出口と前記吸湿流路の入口とを屋内に連通させることを特徴とする冷房システム。
  2. 互いに熱交換が可能な乾流路および湿流路と、前記湿流路に設けられる液体供給手段と、を備え、前記湿流路を流れる気体により前記湿流路に供給された液体が蒸発する際に気化熱として周囲から熱を奪うことにより前記乾流路を流れる気体を加湿することなく冷却する間接気化冷却装置と、
    吸湿流路と放湿流路と、前記吸湿流路と前記放湿流路との間に跨って回転するデシカントロータと、前記放湿流路に設けられる再生手段と、を備え、前記吸湿流路を流れる気体に対し吸湿を行うとともに、前記放湿流路において前記デシカントロータの再生を行うデシカント調湿装置と、
    を備えた冷房システムであって、
    前記乾流路の入口と前記湿流路の出口とを屋外に連通させ、
    前記乾流路の出口を屋内に連通させ、
    前記吸湿流路の出口と前記湿流路の入口との間に接続流路を接続し、
    前記放湿流路の出口を屋外に連通させ、
    前記吸湿流路の入口を屋内に連通させ、
    前記放湿流路の入口を屋内または屋外に連通させることを特徴とする冷房システム。
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