JPH06341694A - 乾燥剤空間空気調和制御システム及びその方法 - Google Patents

乾燥剤空間空気調和制御システム及びその方法

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JPH06341694A
JPH06341694A JP3242903A JP24290391A JPH06341694A JP H06341694 A JPH06341694 A JP H06341694A JP 3242903 A JP3242903 A JP 3242903A JP 24290391 A JP24290391 A JP 24290391A JP H06341694 A JPH06341694 A JP H06341694A
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wheel
air
mass
regeneration
fluid flow
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JP3242903A
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A Koorunaa James
エー． コールナー ジェイムス
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ICC Technologies LLC
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I C C TECHNOL Inc
ICC Technologies LLC
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 乾燥剤による空調システムの制御応答性を高
めること。 【構成】 長いシステム時定数の対象とならないシステ
ム有効度の尺度及び計算された質量移送比の最適化によ
る多重ホイール吸収剤の質量及びエネルギー移送システ
ムの実時間コンピュータ制御のためのシステム及び方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明のシステム及び方法は、Ｃ
ＦＣ冷媒の使用を低減するか又は全く無くするべく空気
調和システムを最適な形で制御するために用いることが
できる。
【０００２】
【従来の技術】１つの流体流から他の流体流へひいては
空間内の１つの部域つまりゾーンからもう１つの部域つ
まりゾーンまで熱又はその他の構成要素を移送するため
には、従来、再生型の周期流装置が用いられている。標
準的には、上又は中を流れる１つの流体流から熱又は特
定の質量構成要素を収集するには、収着性質量が使用さ
れる。流れる流体は、より低温にされる（熱収着の場
合）か又はより低濃度にされる（例えば特定の気体の吸
着の場合）。この収着性質量は次に「流れの外」に取り
出され、有利なエネルギー論で脱離された熱又は材料を
受入れることのできる第２の流体流にさらすことによっ
て再生される。
【０００３】数多くの場合において、この収着性材料は
１つの容器内に収納されているか又は、層構造の中に分
布している。このような材料には最大限の表面積が具備
されていること、及び収着性材料マトリクスを通って流
れる流体流が平滑（非乱流）かつ規則的であることが望
ましい。収着性材料がひとたび飽和した（すなわちその
最大設計収着能力に達した）ならば、この容器又は層は
流体流通路から除去され、第２の流体流にさらされて例
えば「流れ内」作業の間に取り上げられた収着性材料又
は脱離材料を冷却することによって材料の収着能力を再
生する。このような再生の後、収着性材料はもう一度
「流れ内」に戻され、作業は続行する。
【０００４】このような単一のサイクルから、システム
は、流れ内と流れ外の作業の間で２つ以上の収着性容器
を同期的に交替させることにより半連続的（又は半バッ
チ式）作業を可能にする多容器システムへと発展した。
サイクル構造及び容器の数の選択は、数多くの要因によ
り左右されるが、最も重要なものは容器の収着能力の消
費速度とこの同じ容器の再生速度の間の比率である。
【０００５】いくつかの利用分野においては、半連続シ
ステムは、収着性媒質自体が２つ以上の流れる流体流の
間を移動させられるような連続システムへと発展してい
った。このはようなシステムに利用される最も一般的な
構造は、往々にしてホイール又は回転子と呼ばれる多孔
性ディスクである。このようなディスクはその最も単純
な形状においては、２つの流れゾーンに分割されてお
り、流体は、収着性材料を１つのゾーンから他のゾーン
に運び又再度戻して一回転を完成させるようにホイール
が回転させられるにつれて（標準的にはシリンダの回転
軸に対して、平行なディスクの厚みを通って流れなが
ら）ホイールの収着性表面の上を通過させられる。例え
ば熱交換器ホイールなどにおいては、暖かい流体のゾー
ン１つと、さらに低温の流体のゾーン１つが存在する。
熱は、暖かい流れゾーン内のホイールの材料により吸着
され、収着性材料が低温流れゾーン内を通過するにつれ
てホイールから離れるよう運ばれる。
【０００６】標準的には、ホイールシステムは、既知の
流体特性、既知の流量、既知の温度／濃度、既知の及び
予め選定された収着特性（収着定数及び能力）、既知の
ホイール幾何形状及び予め選定されたホイール回転速度
を含む予め規定されたパラメータに従って設計されてい
る。特定の一組の特徴的運転条件に対して設計されてい
るものの、ホイールメーカーは標準的にはその他の条件
での運転についての情報も提供する。この情報は標準的
には、一定の与えられたシステムについて経験的に誘導
されたものであり、このような方法により識別された関
係は、きわめて限られた条件範囲にわたってのみ有効で
ある。一定の与えられたシステムについて、広い運転条
件範囲にわたる性能（能力又は効率のいずれかとして
の）の最適化を可能にする手段は全く利用できる状態に
ない。
【０００７】変化する運転条件にホイール収着システム
の作動を調整するための閉ループ制御システムを用いる
試みがなされてきた。これらの先行技術に基づくシステ
ムは、まず第１に物理的システム自体の大きな時定数を
理由として、成功しなかった。このようなシステムの時
定数は、条件又は運転パラメータの変化の後にシステム
が定常状態を達成するのに必要とされる時間の量の尺度
である。例えば、標準的な空気対空気の熱交換器システ
ムについては、時定数は約７５秒であると考えられる。
しかしながら、乾燥剤／水蒸気質量交換器については、
時定数は７５分をかなり上回る可能性がある。制御され
ていない独立した大気条件に基づくホイール回転速度と
いった運転パラメータを制御する標準的な制御システム
においては、応答時間がシステムの制御を促進する傾向
をもち、安定性を破る傾向にある。適切な積分時定数を
内含するシステムについては、変化する条件に反応する
システムの能力はきわめて制限されているため、システ
ムの効率に対する制御システムの何らかの影響を否定す
ることはできない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に基づくシステム
及び方法は、「移送有効度」という計算された尺度に基
づく収着性ホイールの性能を予測するような予測閉ルー
プ制御方法に基づく制御システムを含んでいる。熱交換
器システムの場合、移送有効度は、一定の与えられたシ
ステムについての理論上の最大熱伝達量に対する熱伝達
量の比率として定義づけすることができる。質量移送シ
ステムについては、類似の無次元比率を類推することが
でき、有効度を計算することができる。計算された移送
有効度の値に基づいて、一定の与えられたシステムの性
能を正確に予測することができ、システム動作の単数又
は複数の面を最適化する制御戦略を実行することができ
る。
【０００９】本発明の好ましい実施態様においては、ス
ーパーマーケット又はショッピングモールといった閉鎖
された空間（「空気調和された空間」）に対して低温乾
燥空気を与えるための乾燥剤／水蒸気交換システムは、
空間空気調和システム自体による空気調和された空間内
での消費のための電力ならびに乾燥剤媒質の再生に用い
るための熱エネルギー源の両方を提供するような同時再
生装置と連続された乾燥剤／水蒸気交換器（好ましくは
多ホイールシステム）から成る。
【００１０】
【実施例】ここで図１を参照すると、本発明に従って制
御されうる多ホイール乾燥剤／水蒸気交換システムが概
略的な形で示されている。このシステムを通じて２つの
空気流通路が構成されており、そのうち１つは閉鎖され
空気調和された空間からとり出された空気である。この
空気流は標準的には大量の水蒸気を含み、空気調和され
た空間を維持すべき望ましい温度よりも暖かいものとな
る。例えばスーパーマーケットにおいては、商品からの
水の蒸発、及び呼気及び発汗による湿気は高湿度に寄与
する。冷蔵装置、照明及びその他の機械の作動ならびに
人から発散する熱は温度をも上昇させる。
【００１１】標準的な直接膨張タイプの空気調和システ
ムは、空気流からの湿度を凝縮させ（潜熱負荷）、空気
流を冷却する（顕熱負荷）という両方の目的で蒸発器コ
イルを用いる。このようなシステムは、現在環境にとっ
て有害なものとして知られているクロロフルオロカーボ
ン（ＣＦＣ）冷媒を標準的に用いている。先行技術に基
づく直接膨張システムとは対照的に、より水和度の高い
状態に対して高いＫ値を有する無機材料を用いて空気流
からまず水を吸着するような乾燥剤システムが用いられ
てきた。水蒸気の吸着（乾燥してはいるものの、きわめ
て高温の空気を生成する発熱プロセス）の後、冷却段階
が必要であり、この冷却作業は、吸着された水を追い出
すべく加熱により乾燥剤を再生する上で熱エネルギーを
回収しこれを再循環させるのに熱交換器を使用して行う
ことができる。適切に作動させられた場合、このような
システムは比較的低温（７８゜Ｆ…２５．５℃）で乾燥
した（２０ｇｒ／ｌｂ）空気を送り出すことができ、こ
の空気は直接空気調和された空間内に戻されてもよい
し、或いは又小型直接膨張システム又は他のタイプの従
来の冷凍システムを用いてさらに冷却されてもよい。問
題は、日周的に及び季節的に変化するつねに変わる環境
条件内で効率の良い作動を維持するべくこのような乾燥
剤システムを適切に作動させることにあった。
【００１２】先行技術は、乾燥剤質量移送システムの挙
動をモデリングするためのコンピュータ化された有限要
素解析の使用を教示しており、しかもその予測と経験的
に誘導された観察事実の間のすぐれた相関関係を主張し
ていたが、このような有限要素をベースとするシステム
は開発用の手段であり、制御装置として用いるよう意図
されたものでもなければ又そのような目的に適したもの
でもない。このようなシステムは、コンピュータを集中
的に使用するものであり、開発エンジニアリングの利用
分野において適切な性能を示すには大型コンピュータシ
ステムが必要である。このようなモデルを有効な実時間
制御装置に変換するのに必要なコンピュータ資源からみ
て、これらのモデルはこのような利用分野で用いるのに
不適当である。
【００１３】熱交換器の場合に対する類推により、本発
明は、収着性システムの挙動を経済的に予測し、システ
ム性能を最適化する目的でこのような挙動を制御するよ
うな制御方法及びシステムを含んでいる。先行技術は、
熱交換器システムが「移動単位数つまりＮＴＵ」及び
「熱容量比」として知られている無次元変数によって特
徴づけされうるということを教示している。一定の与え
られた交換器について、伝達されうる理論上の最大熱量
（すなわち最大伝熱量）に対する伝達された熱（すなわ
ち伝熱量）の比率に基づいて、性能を予想することがで
きる。このような比率はそのシステムの「有効度」と呼
ばれる。
【００１４】類推により、このとき、質量移送システム
は、類似の無次元変数によって特徴づけされうる：すな
わち、移動単位数は流体質量流量に対する移送面積の比
率として概算することができ、容量比は、流体内の質量
の濃度及び吸収剤の挙動を支配する平衡定数として一般
化でき、有効度を計算することが可能である。下表Ｉ
は、これら２つの無次元変数（ＮＴＵ及び質量容量比）
に対する特定の運転パラメータの影響を示すものであ
る。
【００１５】
【００１６】一定の与えられたシステムについて、ＮＴ
Ｕ、質量容量比が有効度の間の関係は設計に応じて定め
られる（ただし或る種の設計構成要素を調整することに
より最大限にすることができる）。本発明に基づく方法
は同様に、その他の収着性システムの設計及び実施にお
いても使用可能である。本発明の方法は、通常以下の段
階に従うシステム設計の間のいくつかの選択を制御する
ことができる：（ｉ）使用される流体、望まれる吸収
物、当初の及び最終的吸収物濃度及び移送量を含むシス
テムの最終目的の決定；（ｉｉ）吸収剤及び移送接触タ
イプの選定；（ｉｉｉ）設備費、サイズ、利用可能なユ
ーティリティ及び運転費用についての設計基準の解析；
（ｉｖ）最終システム設計。
【００１７】設計者は、究極的システムに対して設計上
の決定が及ぼす影響を迅速かつ正確に見極めるために本
発明の方法を用いることができる。例えば、ホイールを
用いた溶剤回収システムを設計する任務に直面している
設計者は、自らの一次基準として一定の与えられた回収
速度及び低い第１原価を有している可能性がある。従っ
てこの設計者は、ホイールを横断しての移送量を最大に
する最高の流体流量でコストを低減させるできるかぎり
小さなホイールを選択したいと考えることになるだろ
う。本発明に基づく方法は、流量とホイールサイズのさ
まざまな組合せを評価し、各々の組合せについての運転
性能を最適化することを可能にする。当業者ならば、本
発明の方法が先行技術において利用できたものに比べて
優れた結果を提供するものであることがわかるであろう
（すなわち、極端な変数数での有限要素解析又はプロト
タイプ製造及びテスト）。下表ＩＩは、一般的にシステ
ムエンジニアに提示される設計基準に対して、設計上の
選択（本発明の方法の応用に基づく）が及ぼす効果のい
くつかを示している。
【００１８】
【００１９】図２は、いくつかの設計上の関係をグラフ
で示している。例えば最大のホイールサイズ、ホイール
上の乾燥剤濃度及び最大の回転速度（これは単にエンジ
ニリアリング上の理由からホイールサイズの増大と和合
せず、従って設計上の妥協を必要とする可能性があ
る）、で設計することにより、ＮＴＵ及び質量移送比は
最大限になる。当然のことながら、エネルギー消費量、
システム重量、サイズ及びコストといったその他の設計
上の制約条件が、このような最大比を制限する。ＮＴ
Ｕ、質量容量比及び有効度の間の関係は一定の与えられ
た設計について計算でき、又経験的に確認できることか
ら、独立した運転パラメータがわかっているシステムが
いくつかの制御された運転パラメータを最適化し全体的
システム性能を最適化することができる。
【００２０】独立した運転パラメータには、標準的に言
って、流体質量流量、流体濃度、流体温度、ホイール幾
何形状、及びホイール吸収着質量が含まれる。制御され
た運転パラメータには、標準的に言って、再生流体流
量、再生流体温度及びホイール回転速度が含まれる。独
立パラメータの実時間測定及び制御関係等式を解くこと
により、望ましい結果を得るためシステム性能を最適化
すべく依存性パラメータを制御することができる。
【００２１】本発明の方法に従うと、システム内の４つ
の点を通って流れる流体の温度を測定するためには、適
切なセンサーが用いられる。これら４つの点とはすなわ
ち、乾燥剤ホイール大気取込み口２０、熱交換ホイール
側方取込み口２５、熱交換ホイール大気取込み口３０及
び乾燥剤ホイール高温空気取込み口３５である。温度
は、例えばサーミスタ又は類似のセンサー装置を用いて
測定できる。流れ１０及び１５の中の流体流量は、例え
ば、アネロイド又は固体ひずみゲージといった従来の圧
力センサーを用いて、各ホイールの相対する面で検知さ
れたホイール圧力差を用いて測定される。水蒸気濃度
は、取込み口２０，２５，３０及び３５において従来の
センサーを用いて測定でき、乾燥剤媒質自体の水分濃度
を計算するのに用いることができる。最後に、周波数検
出器又は回転計数器、といった従来のセンサーにより各
ホイールについてのホイール速度を測定することが可能
である。
【００２２】擬似コード付録に記されているように、測
定された数量は、各々のシステム構成要素について予め
決定された制御変数に変換される。例えば、各ホイール
は、流体流量と圧力差の間の既知の関係を有することに
なり、各々の構成要素は、最大回転速度、温度などとい
った設計上の運転制約条件を有する。測定量を制御変数
に変換した後、ＮＴＵ及び容量比が計算される。一般に
ＮＴＵはホイールの物理的構造の変化によってのみ変わ
るため、これをシステム作動についての検査としてのみ
計算することが可能であり、容量比はシステム性能につ
いての主要な制御変数を構成することになる。
【００２３】容量比の決定の後、システムは、再生流体
流量及び温度ならびにホイール回転速度についての最適
な設定値を計算し、設計上の制約条件の範囲内でこれら
の運転パラメータを調整する。次にシステムは、変化す
る独立パラメータが再び最適化の必要性を表示するまで
監視される。このようにして、システムは、それがその
長い時定数全体にわたり「整定」するまで待つことな
く、連続的に及び増分的に調整されうる。
【００２４】オプションとしては、本発明に基づくシス
テム及び方法は同様に、後置空気調和システム、同時生
成システム、空気流制御装置などのようなその他の補助
システムを制御して、空気調和された空間の温度及び湿
度の予め定められた限界内での全エネルギー消費量の最
適化又はエネルギー消費量の予め定められた限界内での
空気調和された空間の「ｈｕｍｉｔｕｒｅ」（生理学的
に感知される温度）の最適化といった多変数システムに
対する最適な解決法を提供することもできる。
【００２５】本発明のシステムは、モトローラ６８０３
０といった汎用デジタルマイクロプロセッサを用いたソ
フトウェア／ハードウェアシステムとして実施されうる
（オプションとして、１つの汎用コンピュータシステム
の一部として、又は必要とされる信号及び記憶機構を提
供するのに必要となる可能性のある周辺回路及びインタ
ーフェイスと共に用いられる）。当然のことながら、当
業者ならば、本発明は特定の実施態様及び利用分野に関
して記述されてきたものの、本発明の範囲は前述のクレ
ームに基いてのみ決定されるべきものであるということ
がわかるだろう。
【００２６】擬似コード付録 始め 流体取込み口の温度２０，２５，３０，３５を検知す
る。変数Ｔ２０，Ｔ２５，Ｔ３０，Ｔ３５として、検知
温度を記憶する。取込み口２０，２５，３０，３５にお
ける流体圧力を検知する。変数Ｐ２０，Ｐ２５，Ｐ３
０，Ｐ３５として検知圧力を記憶する。取込み口２０，
２５，３０，３５での水蒸気濃度を検知する。変数Ｃ２
０，Ｃ２５，Ｃ３０，Ｃ３５として濃度を記憶する。熱
交換器及び乾燥剤ホイールのホイール速度を検知する。
変数ＳＨ及びＳＤとしてホイール速度を記憶する。Ｐ２
０−Ｐ２５の参照値として流体流量１０を計算する。変
数Ｒ１０として流体流量１０を記憶する。Ｐ３０−Ｐ３
５の参照値として流体流量１５を計算する。変数Ｒ１５
として流体流量１５を記憶する。ＮＴＵを計算する。質
量比を計算する。運転制約条件を検査する。最適化す
る。再生流体流量を設定する。再生流体温度を設定す
る。再生流体圧力を設定する。乾燥剤ホイール速度を設
定する。熱交換器ホイール速度を設定する。反復する。 終り。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の乾燥剤／水蒸気交換空間空気調和シス
テムの概略図を示す。
【図２】標準的な質量移送収着ホイールシステムについ
ての移送有効度と質量容量比の関係をグラフで示してい
る。
【符号の説明】
１０，１５…流れ ２０，２５，３０，３５…取込み口

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホイールベースの流体媒質質量移送シス
    テムを制御するための方法において、（ａ）このシステ
    ムの物理的状態を表わす信号を生成するため運転パラメ
    ータを検知する段階、（ｂ）コンピュータのメモリー内
    にこの信号を記憶する段階、（ｃ）前記記憶された信号
    からこのシステムの物理的状態及び効率を表わす少なく
    とも１つの質量容量比を計算する段階、（ｄ）前記質量
    容量比を増大させるべく、再生流体流量、再生流体流温
    度、再生圧力及び吸収剤ホイール回転速度というグルー
    プの中から選ばれたこのシステムの少なくとも１つの運
    転パラメータを制御する段階、（ｅ）（ａ）から（ｄ）
    までの段階をくり返す段階、を含む方法。
  2. 【請求項２】 ホイールベースの流体媒質質量移送シス
    テムを制御する方法において、（ａ）このシステムの物
    理的状態を表わす信号を生成するため運転パラメータを
    検知する段階、（ｂ）コンピュータのメモリー内にこの
    信号を記憶する段階、（ｃ）前記記憶された信号からシ
    ステム有効度を計算する段階、（ｄ）前記システム有効
    度を増大させるべく、再生流体流量、再生流体流温度、
    再生圧力及び吸収剤ホイール回転速度というグループの
    中から選ばれたこのシステムの少なくとも１つの運転パ
    ラメータを制御する段階、（ｅ）（ａ）から（ｄ）まで
    の段階をくり返す段階、を含む方法。
  3. 【請求項３】 前記流体媒質は空気であり、前記移送さ
    れた質量は水であることを特徴とする請求項１又は２に
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記流体媒質は空気であり、前記移送さ
    れた質量は有機化合物であることを特徴とする、請求項
    １又は２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記流体媒質は空気であり、前記移送さ
    れたルイス酸及びルイス塩基から成るグループの中から
    選ばれた化合物であることを特徴とする、請求項１又は
    ２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 ホイールベースの流体媒質質量移送シス
    テムを制御するためのシステムにおいて、（ａ）このシ
    ステムの物理的状態を表わす信号を生成するため運転パ
    ラメータを検知する手段、（ｂ）メモリー内に前記信号
    を記憶するためのコンピュータ手段；（ｃ）前記記憶さ
    れた信号からシステム有効度をくり返し計算するための
    手段；及び（ｄ）システム有効度を最適化するべく、再
    生流体流量、再生流体流温度、再生圧力及び吸収剤ホイ
    ール回転速度というグループの中から選ばれたこのシス
    テムの少なくとも１つの運転パラメータを変化させるた
    めの、前記計算手段に対する応答性を有する制御手段、
    を含むシステム。
  7. 【請求項７】 表面上に乾燥剤材料が分散されているホ
    イールをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載
    のシステム。
  8. 【請求項８】 表面上に分子ふるい材料が分散されてい
    るホイールをさらに含むことを特徴とする、請求項６に
    記載のシステム。
  9. 【請求項９】 表面上に活性炭材料が分散されているよ
    うなホイールを更に含むことを特徴とする請求項６記載
    のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記乾燥剤は塩化リチウムであること
    を特徴とする、請求項７に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記乾燥剤はシリカゲルであることを
    特徴とする、請求項７に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記分子ふるいはゼオライトであるこ
    とを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
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CN102422089A (zh) * 2009-05-04 2012-04-18 百瑞空气工程(亚洲)有限公司 干燥剂单元控制系统和方法
JP2012525954A (ja) * 2009-05-04 2012-10-25 ブライ エアー（アジア）プライベート リミティド 乾燥剤ユニット制御システム及び方法

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