JP6475746B2 - 第1の空気ストリームを冷却しかつ除湿する装置および方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年10月25日出願の米国仮特許出願第61/895,809号明細書(「LIQUID−DESICCANT DIRECT−EXPANSION AIR CONDITIONER」)、および2014年6月20日出願の米国仮特許出願第62/015,155号明細書(「LIQUID−DESICCANT VAPOR−COMPRESSION AIR CONDITIONER」)に基づく非仮特許出願であり、それらの内容全体を本書に援用する。
本発明は、認可番号SBIR FA8501−14−P−0005下において、国防総省によって支給された政府支援によって行われた。政府は、本発明に権利を有している。
Petersonの特許では、空調装置の蒸発器および凝縮器の双方の外部表面が液体乾燥剤によって湿潤している蒸気圧縮式空調装置が説明されている。蒸発器の乾燥剤湿潤面上を流れる処理空気から水蒸気および熱の双方ともが吸収される。乾燥剤は、凝縮器の乾燥剤湿潤面上を流れる冷却空気ストリームへ水を排除する。定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、水分が蒸発器上で乾燥剤によって吸収される割合と、水分が凝縮器で乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。
Forkoshの特許およびGriffithsの特許の双方において、液体乾燥剤が冷媒蒸発器において冷却され、かつ冷媒凝縮器において加熱される蒸気圧縮式空調装置が説明されている。冷却された乾燥剤は、第1の多孔質接触媒質床に送給され、かつそこに散布される。この第1の多孔質床を通って流れる処理空気は、冷却されかつ乾燥される。加熱された乾燥剤は、第2の多孔質接触媒質床に送給され、かつそこに散布される。この第2の多孔質床を通って流れる冷却空気は、温かい液体乾燥剤から熱エネルギーおよび水蒸気を得る。Petersenの特許と同様に、定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、ヒートポンプの蒸発器側で水分が乾燥剤によって吸収される割合と、凝縮器側で水分が乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。
Vandermeulenの特許出願には、第1の熱伝達流体が冷媒蒸発器において冷却され、および第2の熱伝達流体が冷媒凝縮器において加熱される蒸気圧縮式空調装置が説明されている。冷却された第1の熱伝達流体は第1の組の膜被覆プレートを冷却し、この第1の組の膜被覆プレートは、膜の下側の各プレートの表面上を流れる液体乾燥剤を有する。処理空気は、膜に接触する第1の組のプレート間の間隙に処理空気が流れるときに、冷却されかつ乾燥される。加熱された第2の熱伝達流体は第2の組の膜被覆プレートを加熱し、この第2の組の膜被覆プレートは、膜の下側の各プレートの表面上を流れる液体乾燥剤を有する。冷却空気は、膜と接触する第2の組のプレート間の間隙に冷却空気が流れるときに、乾燥剤から熱エネルギーおよび水蒸気を得る。Petersenの特許と同様に、定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、ヒートポンプの蒸発器側上で水分が乾燥剤によって吸収される割合と、凝縮器側上で水分が乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。
Dinnageの特許では、空調装置の冷媒蒸発器を流出する冷たい飽和処理空気が、デシカントホイール(desiccant wheel)の2つのセクターのうちの第1のセクターを通って流れ、および空調装置の冷媒凝縮器を流出する温かい不飽和冷却空気は、第2のセクターを通って流れる、蒸気圧縮式空調装置が説明されている。水蒸気は、第1のセクターにおいて処理空気から乾燥剤によって吸収され、および第2のセクターにおいて乾燥剤によって冷却空気に脱着される。デシカントホイールは、2つの空気ストリームの間で回転するため、吸収プロセスおよび脱着プロセスは、同時におよび連続的に生じる。
(a)デシカントホイールが、除湿されるべき空気ストリームへと回転するときに、デシカントホイールの暖かい再生(すなわち、水分の脱着)セクターを予冷する単純な方法がない。それゆえ、ホイールの塊に蓄えられた熱は、この空気ストリームに伝達され、それにより、空調装置によってもたらされる冷却効果を減少させる。同様に、固体デシカントホイールの冷却処理(すなわち水分の吸収)セクターが、暖かい空気ストリームへと回転するときに、固体乾燥剤を再生する暖気における熱エネルギーのかなりの割合が、ホイールの塊を加熱するタスクを実行する。この加熱タスクは、暖気における熱エネルギーの量を減少させ、乾燥剤から水分を積極的に脱着する。
(b)デシカントホイールの再生セクターおよび処理セクターは、互いに隣同士である必要がある。この幾何学的制約は、供給空気および再生空気が、互いにごく接近して逆流することを求める。
(c)再生セクターおよび処理セクターの円形形状は、空調装置の冷媒蒸発器および冷媒凝縮器の機能を果たすフィン付きチューブ熱交換器でよく見られる長方形とは異なる。空調装置の高さまたは幅のいずれかにおける設計制約は、長方形熱交換器のアスペクト比を調整することによって、適合され得る一方、デシカントホイールは、その高さおよび幅の双方を同じ割合で増大させる(または縮小させる)必要がある。
装置は、液体乾燥剤が、吸収器内で第1の空気ストリームから湿分を除去し、および第1の熱交換器を流出する第1の空気ストリームの第2の温度が、吸収器に供給される液体乾燥剤の温度よりも低い条件下で、動作する。
w)から上方移送ライン(40w)を通って脱着器の下側のサンプ(45s)までの弱い乾燥剤の流れを確立し、および脱着器の下側のサンプ(45s)から下方移送ライン(40s)を通って吸収器の下側のサンプ(45w)までの強力な乾燥剤の流れを確立し、ならびにこれらの2つの流れは、吸収器から脱着器までの水分の正味流れが処理空気から吸収される水分の割合と等しく、かつ乾燥剤の非水成分(例えば、液体乾燥剤が塩化リチウムの水溶液であるときには塩化リチウム)の正味流れがゼロである、という条件を満たす。
多孔質接触媒質:ガラス繊維の波形シート
媒質の体積表面領域(Volumetric Surface Area):420m2/m3(湿潤表面領域に基づく)
媒質の寸法:1.0×0.1×1.0m(幅×深さ×高さ)
乾燥剤のフラッディング率:25l/分−m2(媒質の上部水平面に基づく)
空気面速度(Air Face Velocity):1.3m/秒
有され得る構成要素は、圧縮器、膨張弁、冷媒レシーバ、冷媒アキュムレータ、冷媒フィルター、またはこれらの構成要素のいくつかの組み合わせを含む。
Claims (16)
- 第1の空気ストリームを冷却しかつ除湿する装置であって、
前記第1の空気ストリームを第1の温度から、それよりも低い第2の温度に冷却する第1の熱交換器と、
第2の空気ストリームを加熱する第2の熱交換器と、
吸収器であって、
接触媒質の第1の多孔質床であって、その表面は、前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第1の流れによって湿潤されており、かつ前記第1の空気ストリームが、前記第1の熱交換器において冷却された後で前記接触媒質の第1の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第1の多孔質床、および
前記接触媒質の前記第1の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第1の収集リザーバを含む、吸収器と、
脱着器であって、
接触媒質の第2の多孔質床であって、その表面は、液体乾燥剤の第2の流れによって湿潤されており、かつ前記第2の空気ストリームが、前記第2の熱交換器において加熱された後で前記接触媒質の第2の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第2の多孔質床、および前記接触媒質の第2の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第2の収集リザーバを含む、脱着器と、
液体乾燥剤を前記吸収器及び前記脱着器に供給する1つ以上のポンプと
を含み、
前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第1の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の第2の流れとは、独立して制御され、
前記液体乾燥剤が前記吸収器において前記第1の空気ストリームから湿分を除去し、かつ前記脱着器において前記第2の空気ストリームに湿分を放出し、
液体乾燥剤が、前記吸収器及び前記脱着器の間で交換され、
前記第1の熱交換器を流出する前記第1の空気ストリームの前記第2の温度が、前記吸収器に供給される前記液体乾燥剤の温度よりも低い、装置。 - 前記第1の熱交換器および前記第2の熱交換器が、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の熱交換器が、第1の蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器であり、および前記第2の熱交換器が凝縮器である、請求項2に記載の装置。
- 前記吸収器から前記脱着器まで流れる前記液体乾燥剤、および前記脱着器から前記吸収器まで流れる前記液体乾燥剤が、熱交換器において熱エネルギーを交換する、請求項1に記載の装置。
- 1つ以上の導管が、前記第1の収集リザーバと前記第2の収集リザーバとを流体的に接続する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の収集リザーバおよび前記第2の収集リザーバが、共通の少なくとも1つの壁と、前記少なくとも1つの壁に、液体乾燥剤が前記2つのリザーバ間を流れることができるようにする少なくとも1つの開口とを有する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の収集リザーバおよび前記第2の収集リザーバが、単一の共通の収集リザーバへと組み合わせられる、請求項1に記載の装置。
- 前記液体乾燥剤の第1の流れと前記第1の空気ストリームとの質量流量比が、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ前記接触媒質の前記表面が前記液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、0.147未満である、請求項1に記載の装置。
- 前記液体乾燥剤を吸い上げる前記接触媒質が、ガラス繊維の波形シートを含む、請求項8に記載の装置。
- さらに、前記第1の収集リザーバと前記第2の収集リザーバとを流体的に接続する少なくとも2つの導管を含み、ポンプは、前記乾燥剤の流れを少なくとも1つの導管へ移動させる、請求項5に記載の装置。
- 前記ポンプが、前記第1の収集リザーバと第2の収集リザーバとの間での前記乾燥剤の交換を変化させるように、変調されるように適合されている、請求項10に記載の装置。
- 前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第1の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の第2の流れとは、少なくとも1つのバルブによって独立して制御され、
前記少なくとも1つのバルブは、1つのポンプにおいて流出する前記流れを制御する、請求項1に記載の装置。 - 第1の空気ストリームを冷却しかつ除湿する方法であって、
前記第1の空気ストリームを第1の熱交換器によって、第1の温度から、それよりも低い第2の温度に冷却するステップと、
接触媒質の多孔質床を含む吸収器の表面を、前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第1の流れによって、湿潤させるステップと、
前記吸収器内で前記液体乾燥剤によって前記第1の空気ストリームから湿分を除去するステップであって、前記第1の熱交換器を流出する前記第1の空気ストリームの前記第2の温度は、前記吸収器に供給される前記液体乾燥剤の前記温度よりも低いステップと、
第1の収集リザーバによって、前記接触媒質の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取るステップと、
液体乾燥剤を前記吸収器、及び脱着器の間で交換することによって、液体乾燥剤の第1の流れから湿分を除去するステップとを含み、
前記脱着器は、
接触媒質の第2の多孔質床であって、その表面は、液体乾燥剤の第2の流れによって湿潤されており、かつ第2の空気ストリームが、第2の熱交換器において加熱された後で前記接触媒質の第2の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第2の多孔質床、および前記接触媒質の第2の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第2の収集リザーバを含み、
前記吸収器に供給される液体乾燥剤の前記第1の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の前記第2の流れとは、独立して制御される、方法。 - 前記第1の熱交換器および前記第2の熱交換器が、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である、請求項13に記載の方法。
- 前記液体乾燥剤の第1の流れと前記第1の空気ストリームとの質量流量比が、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ前記接触媒質の前記表面が前記液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、0.147未満である、請求項13に記載の方法。
- 前記第1の収集リザーバおよび前記第2の収集リザーバが、単一の共通の収集リザーバへと組み合わせられる、請求項13に記載の方法。
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