JP6148021B2 - 空調システム - Google Patents

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Description

本発明は、空気から水分を除湿する吸脱着部材及びそれを用いた空調システムに関する。
従来、空気から直接水分を除去・分離し、適切な温度・湿度に調整して室内へ供給するデシカント空調システムが知られている(特許文献1参照)。
図13は、従来のロータ52を用いたデシカント空調システム50を示す図である。例えば、ロータ52を用いたデシカント空調システム50は、デシカント空調ユニット51と、ロータ52と、第1冷却部53と、第2冷却部54と、加熱部55と、を備える。
ロータを用いたデシカント空調システム50では、まず、温度ti0、湿度hi0の外気OAを処理空気として冷凍機等の第1冷却部53で冷却し、温度ti1、湿度hi1の処理空気とする。冷却された処理空気は、ロータ52を通り、吸着材に水分を吸着されることで、除湿される。ロータ52で除湿された温度ti2、湿度hi2の処理空気は、第2冷却部54で冷却され、温度tig、湿度higの給気SAとして室内に供給される。
室内からの再生空気RAは、加熱部55で、加熱され温度to1、湿度ho1の再生空気となる。再生空気は、ロータ52を通り、吸着材から水分が放出されることで、加湿される。ロータ52で加湿された温度tog、湿度hogの再生空気は、排気EAとして屋外に排出される。
すなわち、吸着材をロータ52内に収納し、ロータ52の上半分に湿った空気を通し、水分を吸着させ、ロータ52の回転により、水分を吸着した吸着材が下半分に移動した際に、温められた空気がロータ52の下半分を通過することで吸着材の水分が放出される。その後、ロータ52の回転により、再び、乾燥した吸着材が上半分に移動する。ロータ52を用いたデシカント空調システム50では、このロータ52の回転に伴う吸着剤による水分の吸着脱着を繰り返すことで空調を行う。
特許第5068293号公報
従来のロータ52を用いたデシカント空調システム50では、ロータ52が大きいので、装置が大型化し、広いスペースを有する場所しか設置できなかった。また、ロータ52を用いたデシカント空調システム50は、装置が大型で、設備を製作及び設置するためのコストも高いものであった。
さらに、ロータ52を用いたデシカント空調システム50では、加熱部55で加熱された再生空気がデシカント空調ユニット51を通過する際に、ロータ52を温め、温められたロータ52は、処理空気側に回転する。つまり、処理空気側を通過する第1冷却部53で冷却された処理空気は、ロータ52を通過する際に、温度が高くなってしまい、第2冷却部54で冷却する際に必要なエネルギが増加してしまう。
したがって、ロータ52を用いたデシカント空調システム50では、ロータ52を回転させるために多くのエネルギを必要とすると共に、処理空気を第2冷却部54で冷却する際のエネルギも多く必要となり、省エネルギを実現することが困難であった。
本発明の目的は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低コストで、小さいスペースに設置することが可能であると共に、省エネルギで使用することが可能な吸脱着部材及びそれを用いた空調システムを提供することである。
本発明に係る一実施形態の空調システムは、水分を吸脱着する吸脱着材及び前記吸脱着材を保持する繊維を有する吸脱着材シートと、波形に形成され前記吸脱着材シートの一方の面に積層されることで第1流路を形成する第1セパレータと、波形に形成され前記吸脱着材シートの他方の面に前記第1セパレータとは異なる角度で積層されることで前記第1流路とは異なる角度で第2流路を形成する第2セパレータと、で積層体を形成し、前記積層体を前記吸脱着材シートとは別の吸脱着材シートを挟んで少なくとも2つ積層する吸脱着部材を備える水分吸脱着部と、外気を冷却する第1冷却部と、前記第1冷却部で冷却され前記水分吸脱着部内の前記吸脱着部材の前記第1流路を通過した空気の流量を制御する第1ダンパと、前記第1ダンパを通過した空気を冷却する第2冷却部と、室内の空気を加熱する加熱部と、前記加熱部で加熱され前記水分吸脱着部内の前記吸脱着部材の前記第2流路を通過した空気の流量を制御する第2ダンパと、前記第1ダンパの開度及び前記第2ダンパの開度を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第1ダンパの開度が前記第2ダンパの開度よりも小さく前記第1流路の圧力が前記第2流路の圧力より高い第1の状態と、前記第1ダンパの開度が前記第2ダンパの開度よりも大きく前記第2流路の圧力が前記第1流路の圧力より高い第2の状態と、を交互に切り替えることを特徴とする。
本発明に係る一実施形態の空調システムは、前記制御部は、前記第1の状態と前記第2の状態とを所定時間毎に切り替える。
本発明に係る一実施形態によれば、低コストで、小さいスペースに設置することが可能であると共に、省エネルギで使用することが可能な吸脱着部材及びそれを用いた空調システムを提供することが可能となる。
本発明にかかる一実施形態の空調システム10を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の吸脱着部材1を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の吸脱着材シート11を示す図である。 本発明にかかる他の実施形態の吸脱着材シート11を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の吸脱着部材1の相対湿度に対する水分吸脱着量を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の空調システム10によって空調される空気の各状態での温度と湿度を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の空調システム10の制御フローチャートの一例を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の空調システム10のタイミングチャートの一例を示す図である。 ダンパの開度と圧力の関係を示す図である。 処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも高い場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。 処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも低い場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。 図11の後、再び、処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも高くなった場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。 従来のデシカントローラーを用いた空調システム50を示す図である。
本発明にかかる一実施形態の空調システムについて、以下説明する。
図1は、本発明にかかる一実施形態の空調システム10を示す図である。
図1に示すように、本発明にかかる一実施形態の空調システム10は、水分吸脱着部1と、第1冷却部2と、第1ダンパ3と、第2冷却部4と、加熱部5と、第2ダンパ6と、を備える。
第1冷却部2は、湿気を含んだ温度Ti0、湿度Hi0の外気OAを冷却する。第1冷却部2によって冷却された温度Ti1、湿度Hi1の空気を水分吸脱着部1にファン等で送風する。水分吸脱着部1は、送風された空気を除湿し、温度Ti2、湿度Hi2の空気とする。第1ダンパ3は、開度を調節することで流れる空気の流量を制御し、水分吸脱着部1によって除湿される空気の圧力を制御することが可能である。第2冷却部4は、第1ダンパ3を通過した空気を冷却して、温度Tig、湿度Higの給気SAとする。その後、ファン等により室内に送風する。
室内からの温度To0、湿度Ho0の戻り空気RAは、加熱部5によって加熱され温度To1、湿度Ho1の空気となる。水分吸脱着部1は、加熱された空気を加湿し、温度Tog、湿度Hogの空気とする。第2ダンパ6は、開度を調節することで、流れる空気の流量を制御し、水分吸脱着部1によって加湿される空気の圧力を制御することが可能である。
なお、本実施形態では、一例として、冷却除湿時の空調システム10について説明している。例えば、第2冷却部4は、冷却機能のみ有するものではなく、加熱及び加湿機能を有してもよい。また、第1冷却部2には、冷凍機を用いて、加熱部5の加熱時の温水として、第1冷却部2で発生する排熱を利用することが好ましい。さらに、第1冷却部2で発生する排熱を、水分吸脱着部1での再熱として利用してもよい。
図2は、本発明にかかる一実施形態の吸脱着部材1’を示す図である。
水分吸脱着部1で用いられる吸脱着部材1’は、吸脱着材シート11及びセパレータ12を備える。
セパレータ12は、図2に示すように、波形に形成され吸脱着材シート11の一方の面に積層されることで第1流路Aを形成する第1セパレータ121と、波形に形成され吸脱着材シート11の他方の面に第1セパレータ121とは異なる角度で積層されることで第1流路Aとは異なる角度で第2流路Bを形成する第2セパレータ122と、を備える。
例えば、図2に示すように、第1セパレータ121と吸脱着シート11と第2セパレータ122とが順に積層された積層体21を形成している場合、第1セパレータ121と第1の吸脱着シート11との間に第1流路Aを形成し、矢印Aの方向に空気を流すことが可能となり、吸脱着シート11と第2セパレータ122と間に第2流路Bを形成し、矢印Bの方向に空気を流すことが可能となる。
吸脱着材シート11とセパレータ12が交互に積層される際、第1セパレータ121と第2セパレータ122とは、波形の向きを約90°回転させて設置されると好ましい。また、積層体21の両外層には、第1外層部材131及び第2外層部材132を設置して、積層体21を挟んでもよい。外層部材は、吸脱着材シート11を用いてもよいし、または、吸脱着材シート11よりも強度の強い板状の部材を用いてもよい。
また、第1セパレータ121と吸脱着シート11と第2セパレータ122とで形成される積層体21は、少なくとも2層積層されることが好ましい。すなわち、両外層に第1外層部材131及び第2外層部材132を設置し、その間に、第1積層体211、第2積層体212、・・・第n積層体21n(nは自然数)のように、複数の積層体を設置してもよい。
図3は、本発明にかかる一実施形態の吸脱着材シート11を示す図である。
吸脱着材シート11は、繊維11a、バインダ11b、及び吸脱着材11cから形成される。
繊維11aは、無機又は有機の繊維からなる。バインダ11bは、方向性のない繊維同士を接着する接着材である。吸脱着材11cは、水分を吸着及び脱着可能な部材からなり、バインダ11bで接着された繊維11aに付着させる。吸脱着材シート11は、まず繊維11aをそれぞれバインダ11bで接着してシートを形成し、続いて吸脱着材11cを含む懸濁液に浸漬することで吸脱着材11cをシートに含浸させた後に、に成形される。
図4は、本発明にかかる他の実施形態の吸脱着材シート11を示す図である。
図4に示す吸脱着材シート11は、繊維11a及び吸脱着材11cから形成される。この吸脱着材シート11は、まず無機又は有機の繊維11aを層状に形成し、続いて吸脱着材11cを間に挟んでシート状に成形される。
図5は、本発明にかかる一実施形態の吸脱着部材1’の相対湿度に対する水分吸脱着量を示す図である。
図5に示すように、吸脱着部材1’は、相対湿度が上昇すると水分吸脱着量が増加し、相対湿度が下降すると水分吸脱着量が減少し、この特性はヒステリシスを持つ。しかしながら、吸脱着部材1’は、温度依存性はほとんど持っていない。
図6は、本発明にかかる一実施形態の空調システム10によって空調される空気の各状態での温度と湿度を示す図である。
図6において、○印は、図1に示した空調システム10によって外気から設定温湿度までの処理空気の各状態を示している。例えば、外気Ti0,Hi0と記載された○印は外気の状態、Ti1,Hi1と記載された○印は、図1に記載された第1冷却部2で冷却された処理空気の状態、Ti2,Hi2と記載された○印は、図1に記載された吸脱着部1で除湿された処理空気の状態、Tig,Higと記載された○印は、図1に記載された第2冷却部4で冷却された処理空気の状態をそれぞれ示している。
また、図6において、●印は、図1に示した空調システム10によって室内空気から外部に放出されるまでの再生空気の各状態を示している。例えば、室内To0,Ho0と記載された●印は室内空気の状態、To1,Ho1と記載された●印は、図1に記載された加熱部5で加熱された再生空気の状態、Tog,Hogと記載された●印は、図1に記載された吸脱着部1で加湿された再生空気の状態をそれぞれ示している。
さらに、図6において、△印は、図13に示した空調システム50によって外気から設定温湿度までの処理空気の各状態を示している。例えば、外気ti0,hi0と記載された△印は外気の状態、ti1,hi1と記載された△印は、図13に記載された第1冷却部53で冷却された処理空気の状態、ti2,hi2と記載された△印は、図13に記載されたロータ52で除湿された処理空気の状態、tig,higと記載された△印は、図13に記載された第2冷却部54で冷却された処理空気の状態をそれぞれ示している。
また、図6において、▲印は、図13に示した空調システム50によって室内空気から外部に放出されるまでの再生空気の各状態を示している。例えば、室内to0,ho0と記載された▲印は室内空気の状態、to1,ho1と記載された▲印は、図13に記載された加熱部5で加熱された再生空気の状態、tog,hogと記載された▲印は、図13に記載されたロータ52で加湿された再生空気の状態をそれぞれ示している。
図13に示した空調システム50では、外気から室内に送風する処理空気が、室内から排気され加熱部55で加熱された再生空気が通過した後の回転したロータ52を通過する影響で、ロータ52で除湿される際に、処理空気の状態が温湿度ti1,hi1からti2,hi2へ変化する。
これに対して、本実施形態の吸脱着部材1’を用いた空調システム10によれば、セパレータ12による熱の移動が少ないため、外気から室内に送風する空気が吸脱着部材1’で除湿される際の空気の状態の変化は、温湿度Ti1,Hi1からTi2,Hi2である。
したがって、その後、設定温湿度まで、第2冷却部4で空気を冷却する際の比エンタルピーは、図6に示すように、本実施形態の吸脱着部材1’を用いた空調システム10の方が、図13に示したロータ52を用いた空調システム50よりも少なくてすむ。
次に、本発明にかかる一実施形態の空調システム10のダンパの制御について説明する。ダンパの制御の図示しない制御部によって行われる。
図7は、本発明にかかる一実施形態の空調システム10の制御フローチャートの一例を示す図である。図8は、本発明にかかる一実施形態の空調システム10のタイミングチャートの一例を示す図である。
本発明にかかる一実施形態の空調システム10は、まず、ステップ1で、スイッチをONとし、運転を開始する(ST1)。運転を開始する信号が入力されると、図示しない制御部が、図1に示した各部を作動させる。
次に、ステップ2で、第1ダンパ3の開度を50%に調節し、第2ダンパ6の開度を100%に調節する(ST2)。
次に、ステップ3で、所定時間が経過したか否かを判定する(ST3)。
ステップ3において、所定時間が経過していない場合、ステップ4で、空調システムを停止させるか否かを判定する(ST4)。
ステップ4において、空調システム10を停止させる場合、ステップ8へ進む。ステップ4において、空調システム10を停止させない場合、ステップ3へ戻る。
ステップ3において、所定時間が経過している場合、ステップ5で、第1ダンパ3の開度を100%に調節し、第2ダンパ6の開度を50%に調節する(ST5)。
次に、ステップ6で、所定時間が経過したか否かを判定する(ST6)。
ステップ6において、所定時間が経過している場合、ステップ2へ戻る。
ステップ6において、所定時間が経過していない場合、ステップ7で、空調システムを停止させるか否かを判定する(ST7)。
ステップ7において、空調システム10を停止させない場合、ステップ6へ戻る。
ステップ4及びステップ7において、空調システム10を停止させる場合、ステップ8で、第1ダンパ3及び第2ダンパ6を全閉する(ST8)。
次に、ステップ9で、スイッチをOFFとし、運転を終了する(ST9)。
なお、図7に示すような空調システム10の制御フローでは、第1ダンパ3と第2ダンパ6の開度を、それぞれ50%と100%で切り替える構成としたが、これに限らず、第1ダンパ3の開度が第2ダンパ6の開度よりも小さい第1の状態と、第1ダンパ3の開度が第2ダンパ6の開度よりも大きい第2の状態と、を交互に切り替える構成とすればよい。
図7に示すような空調システム10の制御フローを実行すると、図8に示すように、空調システム10がONの間、第1ダンパ3と第2ダンパ6は、開度50%と開度100%を交互に繰り返すこととなる。
すなわち、第1ダンパ3と第2ダンパ6は、第1の状態と、第2の状態とを交互に切り替える構成となる。なお、第1ダンパ3と第2ダンパ6は、予め設定された所定時間ごとに交互に切り替えてもよい。
図9は、ダンパの開度と圧力の関係を示す図である。
外気OAは、第1ファン7によって、水分吸脱着部1に送風され、吸脱着部材1’を通り、第1ダンパ3を通過して、給気SAとして送風される。戻り空気RAは、第2ファン8によって、水分吸脱着部1に送風され、吸脱着部材1’を通り、第2ダンパ6を通過して、排気EAとして送風される。ここで、+は圧力の状態を示し、+の数が多い位置が+の数が少ない位置よりも圧力が高いことを示している。
図9(a)は、第1ダンパ3の開度が50%、第2ダンパ6の開度が100%の場合を示す。図9(a)の場合、処理空気を通過させる第1ダンパ3を有する流路の方が、再生空気を通過させる第2ダンパ6を有する流路よりも、圧力が高い。
図9(b)は、第1ダンパ3の開度が100%、第2ダンパ6の開度が500%の場合を示す。図9(b)の場合、処理空気を通過させる第1ダンパ3を有する流路の方が、再生空気を通過させる第2ダンパ6を有する流路よりも、圧力が低い。
図10は、処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも高い場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。
図10(a)に示すように処理空気を通過させる第1ダンパ3を有する流路の方が、再生空気を通過させる第2ダンパ6を有する流路よりも、圧力が高い場合、湿った処理空気側から乾いた再生空気側へ向けて、空気が流れやすくなり、吸脱着材シート11に水分を含んだ空気がしみ込みやすくなる。その結果、図10(b)に示すように、吸脱着材11cへ水分が取り込まれる。
図11は、処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも低い場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。
図11(a)に示すように処理空気を通過させる第1ダンパ3を有する流路の方が、再生空気を通過させる第2ダンパ6を有する流路よりも、圧力が低い場合、乾いた再生空気側から湿った処理空気側へ向けて、空気が流れやすくなり、吸脱着材シート11に乾いた空気がしみ込みやすくなる。その結果、図11(b)に示すように、吸脱着材11cから水分が放出される。
図12は、図11の後、再び、処理空気の流路の圧力が再生空気の流路の圧力よりも高くなった場合の吸脱着材シート11での水分の様子を示す図である。
図12に示すように、図11の後、再び、処理空気を通過させる第1ダンパ3を有する流路の方が、再生空気を通過させる第2ダンパ6を有する流路よりも、圧力を高くした場合、湿った処理空気側から乾いた再生空気側へ向けて、空気が流れやすくなり、吸脱着材シート11内の水分を含んだ空気が再生空気側に押し出されることになる。
したがって、第1ダンパ3と第2ダンパ6が開度小と開度大を交互に繰り返すように制御することにより、処理空気側から再生空気側へ水分を効率的に放出することが可能となる。
本実施形態の吸脱着部材1’によれば、水分を吸脱着する吸脱着材11a及び吸脱着材11aを保持する繊維11cを有する吸脱着材シート11と、波形に形成され吸脱着材シート11の一方の面に積層されることで第1流路Aを形成する第1セパレータ121と、波形に形成され吸脱着材シート11の他方の面に第1セパレータ121とは異なる角度で積層されることで第1流路Aとは異なる角度で第2流路Bを形成する第2セパレータ122と、を備えるので、低コストで、小さいスペースに設置することが可能であると共に、省エネルギを実現することが可能な吸脱着部材1’及びそれを用いた空調システム10を提供することが可能となる。
本実施形態の吸脱着部材1’によれば、吸脱着材シート11、第1セパレータ121、及び第2セパレータ122で積層体21を形成し、積層体21を吸脱着材シート11とは別の吸脱着材シート11を挟んで少なくとも2つ積層するので、簡単な構造で水分の吸脱着をすることが可能となる。
本実施形態の空調システム10によれば、外気を冷却する第1冷却部2と、第1冷却部2で冷却され第1流路Aを通過した空気の流量を制御する第1ダンパ3と、第1ダンパ3を通過した空気を冷却する第2冷却部4と、室内の空気を加熱する加熱部5と、加熱部5で加熱され第2流路Bを通過した空気の流量を制御する第2ダンパ6と、を備えるので、第1ダンパ3と第2ダンパ6の開度を制御することにより、水分の吸脱着を制御することが可能となる。
本実施形態の空調システム10によれば、第1ダンパ3の開度及び第2ダンパ6の開度を制御する制御部を備え、制御部は、第1ダンパ3の開度が第2ダンパ6の開度よりも小さい第1の状態と、第1ダンパ3の開度が第2ダンパ6の開度よりも大きい第2の状態と、を交互に切り替えるので、簡単に水分の吸脱着を制御することが可能となる。
本実施形態の空調システム10によれば、制御部は、第1の状態と第2の状態とを所定時間毎に切り替えるので、さらに簡単に水分の吸脱着を制御することが可能となる。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
1…水分吸脱着部
1’…吸脱着部材
2…第1冷却部
3…第1ダンパ
4…第2冷却部
5…加熱部
6…第2ダンパ
10…空調システム
11…吸脱着材シート
12…セパレータ

Claims (2)

  1. 水分を吸脱着する吸脱着材及び前記吸脱着材を保持する繊維を有する吸脱着材シートと、波形に形成され前記吸脱着材シートの一方の面に積層されることで第1流路を形成する第1セパレータと、波形に形成され前記吸脱着材シートの他方の面に前記第1セパレータとは異なる角度で積層されることで前記第1流路とは異なる角度で第2流路を形成する第2セパレータと、で積層体を形成し、前記積層体を前記吸脱着材シートとは別の吸脱着材シートを挟んで少なくとも2つ積層する吸脱着部材を備える水分吸脱着部と、
    外気を冷却する第1冷却部と、
    前記第1冷却部で冷却され前記水分吸脱着部内の前記吸脱着部材の前記第1流路を通過した空気の流量を制御する第1ダンパと、
    前記第1ダンパを通過した空気を冷却する第2冷却部と、
    室内の空気を加熱する加熱部と、
    前記加熱部で加熱され前記水分吸脱着部内の前記吸脱着部材の前記第2流路を通過した空気の流量を制御する第2ダンパと、
    前記第1ダンパの開度及び前記第2ダンパの開度を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、
    前記第1ダンパの開度が前記第2ダンパの開度よりも小さく前記第1流路の圧力が前記第2流路の圧力より高い第1の状態と、
    前記第1ダンパの開度が前記第2ダンパの開度よりも大きく前記第2流路の圧力が前記第1流路の圧力より高い第2の状態と、
    を交互に切り替える
    ことを特徴とする空調システム。
  2. 前記制御部は、前記第1の状態と前記第2の状態とを所定時間毎に切り替える
    ことを特徴とする請求項に記載の吸脱着部材を用いた空調システム。
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