JPS63501169A - 空気調和装置及びその方法 - Google Patents
空気調和装置及びその方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
空気調和装置及びその方法
本発明はヒート・ポンプにおける伝統的先行技術で要求されるもの以上の相当の
エネルギー節約を可能にする、例えば住居、事務所、レストラン、両院、工場又
は倉庫等の空間の制御された空気調和を達成するよう空気の冷却、加熱及び湿度
変化をもたらす改良された装置と方法に関するものである。
本明細書において、「ヒート・ポンプ」という用語は冷却装置、湿度制御装置又
は加熱装置が供給空気の流れ内にあるか否かに応じて空気調和をもたらす目的に
使用可能な一般的な意味での冷凍システムで使用される。
r供給空気jは前述した装置を通った後の空気調和されている空間に入る空気を
示す。r戻り空気」はその空間を離れて前述した装置を通過する空気を示す。
実施態様によれば、本発明は冷却中又は加熱中に空気の湿度と温度の両方を制御
出来る一方、同時に所要の室内空気の性状と空気の運動を維持するよう高い換気
速度をもたらす乙とが出来る。
発明の経緯
建物内の人の占有空間に対する空気調和システムの使用目的は制御された快適で
健康的な室内環境を提供することにある。空気調和システムの他の目的は建物内
での収納、処理又は機器の作動に対する特別の要件を提供出来ることにある。
成る定められた室内大気内の制御を行なう空気調和システムの基本的変数は空気
温度、空気湿度、空気の運動及び空気の性状である。
科学者の研究によれば、空気の乾球温度の値、平均輻射温度、湿度及び空気の流
れがr快感式」と称する成る定められた関係を満たす場合に人の快感(熱的受容
性とも称する)が達成されることが示されている。
この式は又、人間の活動と被服のレベルという付加的な変数も入れである。
快適な室内空間又は他の要求される条件は占拠される空間内の空気の換気温度、
湿度及び空気の動きを制御することにより本明細書で説明した発明により達成さ
れる。
特に、快感適用での冷房用に使用された場合の本発明の有利な特性は除湿という
同じ処理を行なう伝統的なヒート・ポンプ・システムに関連あるエネルギー損失
を伴なわずに除湿を維持し、かくしてヒート・ポンプ・システムの除湿容量を低
減化させる間に高い乾球温度にて大量の供給空気をもたらす能力にある。本発明
のこの特性上の利点は3点あり、相互に関係がある。これらの特黴は以下の通り
である。
(1)前述した「快感式jに従って快感状態を提供出来る間に(伝統的に使用さ
れる量以上の)供給空気旦を増加させ、こうして(伝統的に使用される以上の、
高い空気乾球温度)を可能に出来ること。
ASHRAE規格55−1981において、空気の運動、空気乾球温度及び快感
の間の関係は0.275 m / sの空気運動増加により同じ快感条件に対し
1°にの空気乾球温度増加を可能にするような関係にて示されている。
本発明は同じ快感条件に対し2°にの増加(即ち、0.55m / sの空気運
動の増加)を容易に可能にする。
(2)供給空気の乾球温度を高めることにより建物の外側と内側の間の温度差が
小さくなる結果、建物の空間を通じての熱の伝達が少なくなる。伝えられる熱と
量は直接この温度差に関係があり、そのため熱の量が少なくなる程、その熱を建
物から取り出す冷房システムには少ないエネルギーが要求されることになる。
(3)供給空気の温度を(伝統的に使用される空気温度す上に)高めることによ
り熱帯性気候でしばしば生ずる建物内部の表面に対する損隔を回避出来る。供給
空気が分配システムを通じてその占拠された空間に入るとき、この空気が直接内
壁又は天井の面に当たることはしばしば避けることが出来ない。この衝突が内部
空気との混合前又は内部空気の捕獲前に生じて、これが逆にその混合された温度
を結露点以上に上昇させる場合は建物表面が湿気分をその表面上で凝縮させるの
に充分な程冷たくなり、汚れと質量増加により損傷を生ぜしめ、これが構造上の
欠陥をもたらす。
同時に供給空気温度が建物表面の内側の湿気分の蒸気圧を減少させ、こうしてそ
の湿気分を外側の高い蒸気圧からその表面を通じて引寄せるような低い結露温度
も有する場合は関連した問題点が生じる。適切に位置付けられた湿気分を通さな
い材料は建物を損傷させろこうした問題点を防止出来るが、据付けにコストがか
かる。
これらの損傷状態は排出される供給空気の湿度が不必要に低いレベルになるのを
防止することが出来ない伝統的なヒート・ポンプ・システムの場合生じる。
供給空気の高い温度を可能にし且つ供給空気の不必要な低い湿度を防止すること
により本発明では特に熱帯性気候で生ずる前述した諸問題を確実に防止する。湿
度を低下させ過ぎると静電気の発生や呼吸器系疾患の増加といった他の居住上の
危険性を生じ得ることも理解されよう。
多種類の疾病が室内空気の汚染と関係があることから、健康的な環境をもたらす
室内空気の性状について最近総当の化学的注目を浴びている。
最近の研究では、新しい室内汚染物質とその物質の作用について確認とその数量
化が行なわれただけでなく、発病微生物と同様料理、喫煙及び天然に発生する放
射性ラドン・ガスといった伝統的な汚染源についても一層精密に調査されている
。
この新しい汚染物は主としてホルムアルデヒド、塩素化有機薬品、アスベスト繊
維及び燃焼生成物である。これらの室内発生汚染物の多くは有害であり、発癌性
がある。
一方、大部分の環境における戸外の空気は健康な状態を維持すべく多くの協同体
の努力と規制がなされたことから全ての汚染物の量が少ない。戸外の空気による
換気作用は室内で発生した汚染の除去と酸素発生をもたらすのに極めて有効であ
る。
一般に、戸外の空気は換気目的に適した量を達成するよう簡単なろ過作用のみが
必要である二室内にて発生した汚染物を希釈又は置換以外の方法で除去すること
は一般に困難でコスト高となる化学的方法であり、供給源を戸外に持つ換気空気
の加熱と冷却を行なうエネルギー・コストが過剰でない場合に正当と認められる
のはまれである。
本明細書で説明する本発明は換気空気の冷暖房に必要とするエネルギーを著しく
低減化し、異常に汚染された環境での適用を除いて室内空気処理を考える必要性
を無くすものである。
先行技術
本出願人に知られている先行技術は極めて少なく、その最も近いものはGLAN
CYの米国特許第3.926.249号である。GLANCY特許では吸入空気
温度と排出空気温度の差を有利に利用出来るよう導管とポンプによって相互に接
続された水含有コイルを含む熱交換器を利用している。GLANCY特許では又
、循環水を含む熱交換器により行なわれる冷却に加えて凝縮器の熱交換器を冷却
する水の噴霧を利用することを開示している。
発明の目的
本発明の目的はヒート・ポンプ式空気調和システムにおけろ現在の技術の欠点を
著しく低減化することにある。
これらのヒート・ポンプ式システムの欠点の一部は次の通りである。
(al 暖房と冷房の両方に対して受容出来る健康な室内環境を確保するため充
分な換気空気を発生するとき生じる高いエネルギー損失。
(bl 冷却後の供給空気の再加熱が使用されない場合に、この伝統的な空気調
和システムにおいて典型的になっている湿度の制御欠落。供給空気再加熱システ
ムはその第1段階として余分のエネルギーを加えて供給空気を湿気分低減化の目
的で必要とされる乾球温度息下に冷却し、次に、第2段階としてエネルギーを加
えて供給空気を所要の乾球温度息下める。両方の段階はエネルギーの無駄である
。ヒート・ポンプから排出された熱を使用する再加熱システムは据付けの点でコ
スト高であり、制御が困難である。湿度の下限の制御では湿気蒸気分を供給空気
に加えるため余分の加湿機器が必要である。こうした機器は通常、直接電気的に
なっている余分のエネルギーを加えることが必要であり、そのためエネルギーの
効率が悪い。再加熱と加湿システムはその据付けと作動上の画点でコスト高であ
る。
(C) 空気中の高いR縮温度がピークの冷却要求中にヒート・ポンプを冷却し
た。これらの温度は過剰なエネルギー消費を生じ性能が低下する。冷凍効率は大
気空気温度の増加に伴ない減少し大気空気は冷房が必要な場合は最高温度にある
ので、特に暑い天候の場合、大部分の適用例に対しその必要が最大となり、エネ
ルギー消費量はこれらの状態下で最高になる。
(d) 約6℃以下の大気空気温度において効果的に加熱する空気供給源のヒー
ト・ポンプの非作動は熱交換器の゛コイル上に氷が付くことによる。このためヒ
ート・ポンプの性能減少をつぐなうため高エネルギー消費の伝熱機器又は別の加
熱装置を設ける必要がある。大気温度が大部分の適用例において最低の場合、性
能を最大にする必要がある。
(e) 凝縮に適した温度において冷却水の連続的供給を行なうよう冷却塔の如
き余分な機器を必要とする冷却中に水冷型ヒート・ポンプが必要である。このた
め設備の据付はコストが増加する。
(fl 供給空気を加熱するのに使用される水供給源のヒート・ポンプ内に貯蔵
タンクと太陽熱交換器の如き余分な機器が必要である。代替的に、熱を冷凍なし
に取り出すことが出来る常時約6°を越える流れ又は池が要求される。
発明の詳細な説明
本発明は包囲された空間又は帯域内の空気の所要の状態を達成するのに適してい
る除湿と加湿の機能を含めた冷房若しくは暖房システムのいずれかとして機能す
る改良された空気調和装置とその方法に関するものである。
本発明は少なくとも次の3つと熱交換器要素を含み、その(1)の要素は各構成
要素(2)及び(3)と直列関係的に作用する。
要素(1)は温度変化のみ若しくは熱交換器通路内若しくは熱交換器通路に隣接
する2つの空気の流れのいずれか一方の流れ内での凝縮若しくは水の蒸発と組合
せることにより顕熱のみとして若しくは顕熱と潜熱の両者のいずれかとして2つ
の空気の流れの間のエンタルピーを交換する型式になって空気対空気のエネルギ
ー変換器である。
こうした熱交換器の例は固定板型熱交換器、回転式熱交換器及びヒート・パイプ
、サーモ・サイホン又はコイルループ・システムである。
要素(2)は冷媒吸収材料と同様、水、グリコール、アンモニア及び各種ハロゲ
ン化化合物から成る液体、蒸気若しくはガス状冷媒と空気の流れの間でエネルギ
ーを顕熱若しくは顕熱と潜熱のいずれかで伝える空気対冷媒のエネルギー変換器
である。この熱交換器の例は裸管、ひれ付きコイル及び中空プレートである。
要素(3)は本明細書で掲げた例を含む要素(2)に対して延べた好適冷媒と空
気の流れに水が加えられる場合、顕熱としてのみ若しくは顕熱と潜熱として空気
の流れの間でエネルギーを伝える空気対冷媒のエネルギー変換器である。
本発□明の主要特性は、最初に1次空気流れと称する空気の一方の流れと2次空
気流れと称する空気の別の流れと間で要素(1)において説明した如く、エネル
ギー交換器内のエンタルピーを交換し、次に、要素(2)において述べた如く空
気を空気対冷媒のエネルギー変換器に通すことにより空気の前記流れの一方の流
れをそのエンタルピーの点で更に増加若しくは減少させ且つ空気を要素(3)で
述べた如(空気対冷媒のエネルギー変換器に通すことにより空気の前記流れの他
方の流れをそのエンタルピーの点で更に減少若しくは増加させるようにした方法
と装置にある。要素tt>、 (2)及び(3)として述べたエネルギー変換器
を通る前記空気流れの通過中に前記空気流れの湿度を変化させ、適当であれば温
度を変化させる目的から蒸発されるよう一方の空気流れ若しくは他方の空気流れ
若しくは両方の前記流れに水が導入される。
本発明の典型的な実施態様においては、前記1次空気流れは供給空気と称し、一
方、前記2次空気流れは戻り空気と称している。
更に詳細には、本発明は閉冷凍システムにおけるヒート・ポンプと2個の熱交換
器、空気対空気の熱交換器から成り、前記熱交換器が空気の流れに対して直列に
接続され、前記空気の流れを与える空気インペラー装置を含み、前記熱交換器の
第1熱交換器が供給空気流路と戻り空気流路を有する前記空気対空気の熱交換器
であり、前記熱交換器の第2及び第3熱交換器が前記システムの冷媒対空気の熱
交換器であり、そこで使用時に、前記空気インペラー装置が空気の流れを第1熱
交換器の前記供給空気流路を通し、次に、第2熱交換器を通し、更に空気調和す
べき空間に通し、そこから少なくとも戻り空気の一部分が前記戻り空気流路を通
って且つ前記第3熱交換器を通って流れ、大気に排出されるようにした空気調和
装置にある。
本発明の作動の多くの考えられるモードの中で一部のモードは次の機能をもたら
す。
(、) 除湿若しくは加湿を行なわずに供給空気を冷却すること
(bl 除湿による供給空気の冷却
(C) 加湿による供給空気の冷却
(d) 加湿無しの供給空気の加熱
(e) 加湿による供給空気の加熱
機能(、)ないしくe)の各機能は所要の如く論理的であれば同時的に又は対象
とされている空気調和の適用例に対し適切な場合は個別に前記機能の一部若しく
は全てをもたらすことが出来る一層複雑な実施態様への空気ろ過の如き他の機能
と組合せることが出来る。
前記各モードは(再環境サイクルと称する)空間から取り出した部分的な空気と
(戸外空気と称する)空間外部から取り出した空気と混合されるか若しくは全体
的に戸外空気で構成されるか若しくは建物以外からの適当な他の供給源から取ら
れる適当な状態の空気としての供給空気に対しアレンジ可能である。
冷却と除湿のみが要求される多くの空気調和の適用例に対し高度に適しているこ
とが判明した一実施態様は供給空気全てが建物外から得られ、建物の空気が装置
を通じて建物内へ再循環されないような実施態様である。この実施態様において
は、空気対空気のエネルギー交換器要素(1)が交差流れの空気対空気のプレー
ト交換器であり、エネルギー交換器要素(2)はひれ付きコイル型の空気対冷媒
の熱交換器であり、エネルギー交換器の要素(3)は又、ひれ付きコイル型の空
気対冷媒型熱交換器であり、要素(2)及び(3)においてはR12とR22が
適した型式の参照表示となっているハロゲン化冷媒が循環される。
この実施態様においては、要素(2)内で蒸発した冷媒ガスを吸引する圧縮機に
より要素(2)と(3)を通して冷媒が循環され、冷媒ガスの圧縮後にこのガス
は要素(3)内に排出され、そこで冷媒ガスが液体に凝縮される。
次に、この冷媒液体は調節装置を通じて要素(2)内に送出され、そこで液状冷
媒は圧縮機を通じて再び吸い寄せられる前に蒸発し、閉管回路で再循環される。
要素(2)内の冷媒の蒸発作用は供給空気がその上を通過する表面の温度を低下
させることにあり、かくして空気乾球温度を下げ、その表面温度が供給空気の結
露点を下廻わる場合は除湿も生じる。
要素(3)内の圧縮されて凝縮する冷媒と作用は排気空気がプレート型熱交換器
要素(1)を通過するとき及びそれが要素(1)を離れた後並びにその空気が要
素(3)に入る前後に水を当該空気に加えることにより蒸発すべく冷却されるこ
とで熱交換器の表面より低い温度にて当該空気が維持されるとき建物からの排出
空気がその上を通過する。又、熱エネルギーが内部へ流されるその表面の温度を
上昇させることにある。
建物空間はその温度と湿度が本発明の実施態様による冷却と除湿作動により制御
されているので、建物空間からの戻り空気は比較的低いエンタルピーにあり且つ
戸外空気と比較して比較的湿球温度になっている。戻り空気が要素(1)に入る
とき当該戻り空気内に水を蒸気化させる方法によりその乾球温度はその湿球温度
に一層接近する。
戻り空気が要素(1)を通過するとき水がその戻り空気内に蒸発され続けると温
度差が原因で供給空気が、又、要素(1)を通過するときに供給空気に冷却作用
が与えられる。
この冷却作用は供給空気の乾球温度を低減化させるだけでなく除湿も生じさせる
。
次に、供給空気は要素(2)を通り、そこで供給空気は更に冷却可能とされ、建
物内の空間の空気調和に対し要求される如く除湿される。
本発明の好適実施態様の一部として戻り空気内に蒸発される水は収集タンクから
再循環される水の流れの一部分にされることが有利である。
要素(1)と(2)のいずれか一方若しくは両方における供給空気の除湿から生
ずる水が前記収集タンク内に流入出来ることもこの実施態様に説明された如く本
発明の一部であるが、必ずしも本発明の本質的部分ではない。この手段により、
典型的には比較的高いエンタルピー・レベルにある通常の使用供給源からの水の
代わりに蒸発水を置換する等除湿による水の低いエンタルピー・レベルを利用す
ることでエネルギーと水の両方が節約される。実際上、除湿による水は不純物と
塩分が少なく、そのため典型的な水の供給源におけるこれらの因子を制御する必
要性が低減化されることも判明している。
本実施態様において示された本発明の他のエネルギー節約上の利点は戸外から来
る空気よりむしろ建物からの蒸発で冷却された戻り空気の低い温度の使用が原因
で凝縮冷媒の比較的低い温度と圧力が可能にされる点である。
冷媒凝縮温度と圧力が低くなる程圧縮機により要求されるエネルギーが少なくな
る。
本実施態様で示された本発明の他のエネルギー節約上の利点は空気対空気のエネ
ルギー交換器要素の作動が当該空気がエネルギー交換器要素(2)に入る前に供
給のエンタルピーを典型的なヒート・ポンプ・システムで経験され不値以下に下
げ、これにより要素(2)内の蒸発冷媒の比較的高い温度と圧力を可能にする点
にある。冷媒蒸発温度が高くなる程圧縮機により要求されるエネルギーが小さく
なる。
本発明の他のエネルギー節約上の利点は戻り空気の流れを供給空気の流れより低
い流れにすることで可能にされる。この流れ上の不均衡性を適確にすることは建
物構造の気密性に関係のあることが判明している。住居の如き典型的な建物にお
いては、実際上この不均衡は供給空気対戻り空気の比率が1.1対1.10と1
.25対1.0の間にある場合最適であることが判明している。こうした不均衡
により処理されていない戸外の空気の望ましくないろ過作用を著しくオフセット
させる建物の加圧化が生ずることを理解すべきである。
本発明のこの実施態様における空気流れ内の乾湿球湿度計変化の分析によれば、
一方ではろ過作用の結果冷却モードで他の方法により必要とされる場合より要素
(2)(又は任意のヒート・ポンプ)内での相当低い蒸発温度が要求されること
が示され、一方、全体的に空気流れの不均衡に起因する実施態様の性能の効果が
こうした高い蒸発熱を有する戻り空気水の水蒸発の効果に起因して無視すること
が出来る。
本発明のこの実施態様の作動において、更にエネルギー節約をもたらす本発明の
特徴は要素(2)及び(3)における冷媒システムが戻り空気が建物を離れて要
素(1)に入るとき当該戻り空気により表わされる空間の湿度が所要のレベルを
上回わる場合にのみ作動を必要とする点にあることが判明している。本発明では
要素(2)及び(3)における冷媒システムが受容レベルにある空間内の湿度が
原因で作動の必要がない場合においても温度制御を維持出来る。
大部分の天候領域においては、作動状態にある要素(2)及び(3)内の閉サイ
クル冷凍システムを伴なわずに要素(1)内の開すイクル冷凍若しくは間接的蒸
発冷却システムとして本発明を作動させることで相当のエネルギー節約を図るこ
とが出来るようにする程充分大気湿度レベルが低くなっている期間が相当ある。
伝統的なヒート・ポンプ・システムは温度が受容レベル以上になっている場合は
いつでも作動する必要があり、こうしたシステムは湿度が受容レベルにある場合
、効果的な開すイクル冷媒若しくは間接的蒸発冷却システムの場合より3倍以上
の多くのエネルギーを必要とすることが示されている。
本発明の別のエネルギー節約上の利点は典型的な換気空気の冷却と除湿を行なう
のに相当余分のエネルギー消費を要する伝統的なシステムより高い換気割合を本
発明がもたらす点にある。
今説明した実施態様は建物の空気を再循環させないが、本発明は建物の空気の一
部分が戸外空気との混合によって供給空気をなすよう再循環されろよう本発明が
作動可能であることを理解しなければならない。明らかに本発明は供給空気に再
循環空気のみを含む場合は適用不可能である。
一部の建物の空気を再循環させることが的している適用例においては、戸外の空
気を戻り空気の流れに導入して要素(3)内で凝縮する冷媒に必要とされる空気
の量を構成することも適していることが判明しよう。
エネルギー節約を最大にする目的から建物の空気の再循環が保証されることは稀
れであることが本発明の実際的な適用において判明しており、説明した実施態様
においては性能試験の結果、典型的な商業的に利用可能な空気冷却式ビート・ポ
ンプと直接比較した場合に35%以上のエネルギー節約が熱帯性気候において達
成され、65%以上のエネルギー節約が温暖な天候において達成されるという住
居の冷房といった典型的な適用に些いて全体的なエネルギー節約が図られること
が性能試験により判明した。
先に説明した実施態様に対する改変では冷媒回路を低温大気状態下での作動を対
象に逆に出来る装置を提供する。この実施態様においては、冷媒弁が含まれ、こ
れが要素(2)と(3)に交換機能を行なわせ、かくして供給空気を冷却の代わ
りに加熱させる。実施態様のこの改変においては、戻り空気内での水の循環は水
が戸外源により効率的に加熱されないならば作動しない。
空気対空気エネルギー変換器の要素(1)を通過する戻り空気は最初、熱を供給
空気内に排除し、次にそのエネルギーの多くをこのモードにおいては冷媒蒸発型
として作動している空気対冷媒エネルギー交換器の要素(3)内で排除すること
が理解出来る。
加熱モードにおける本発明の性能を伝統的な逆サイクル・ビート・ポンプ・シス
テムと比較することによって、要素(3)の表面上に氷が形成し始めてその熱交
換性能を低下させる戸外空気温度は典型的には伝統的ヒート・ポンプ・システム
における第1氷結段階を5°下廻わることが判明した。氷結開始前に戸外空気の
着霜温度を低下させることにより7℃を下延わる期間が長い場合多くの天候場面
で相当のエネルギー節約を図ることが出来る。
図面の簡単な説明
本発明の諸実施態様について以後添附図面を参照し乍ら幾分詳細に説明し且つ添
附図面に図解する。
第1図は冷房モードにて配列された場合の図示の第1実施態様による空気調和装
置を示す模式的に表わした図。
第2図はこれも冷房モードにて配列された図示の第2実施態様による空気調和装
置を示す模式的に表わした図。
第3図は乾湿球湿度計のチャート図。
第4図は本発明による空気調和装置の斜視図。
第5図は空気調和装置の端面図。
第6図は側面図。
第7図は他の端面図。
図面の簡単な説明
図面において、第1図は本発明の第1実施態様の模式的配列を示し、ここで、所
要の供給空気の状態を達成する適切性に従って以下の機能を(部分的には同時的
に)行なうことが出来る。
(a) 全て戸外の空気か若しくは部分的に戸外の空気で部分的に再循環される
戻り空気である供給空気の送出。
(b) 全て戻り空気か若しくは部分的に戻り空気で部分的に戸外空気である排
出空気の抽出。
(C) 間接的な水の蒸発を戻り空気を使用して行ないヒート・ポンプによる冷
却で若しくは冷却無しで供給空気を冷却し、かくして両方の装置若しくは一方の
装置による冷却に除湿を含ませる。
(d) 戻り空気を使用する間接的水蒸発化によし且っ直接的水蒸発による除湿
若しくは空気洗浄による除湿と冷却で若しくは冷却無しで供給空気を冷却するこ
と。
(e) 戻り空気からの熱回収により且つヒート・ポンプ12による加熱を以っ
て若しくけ加熱無しで且つ電気的素子、湯若しくは他の適当な加熱装置による加
熱を以って若しくは加熱無しで供給空気を加熱すること。
(f) 戻り空気からの熱回収により且つ水噴射による加熱を以って若しくは加
熱無しで且つ水噴射による加湿の双方若しくは一方で且つ電気的素子、湯コイル
若しくは他の適当な加熱源による加熱を思つて若しくは加熱無しで供給空気を加
熱すること。
(g) 供給空気のろ過。
供給空気は熱交換器1の1次空気通#!11aを通り、次にコイル2を通り、一
方、戻り空気は熱交換器1の2次空気通路1bを通り、次にコイル3を通る。
ファン4は供給空気を移動させ、ファン5は戻り空気を移動させる。
ポンプ6は溜め7から水を循環させて各々制御弁10a及び10bを介して分配
器8a、8b及び9内に噴射させる。水はドレン制訂弁11の使用により戸外ユ
ニット若しくは溜め7へ排出する。
圧縮機12は(本明細書で説明した如く)冷却モードにある場合、熱交換器2(
蒸発器)と熱交換器3(凝縮!!!りのコイルを通じて冷媒を循環させる。
戸外空気は下方ポート14と上方ボート15から流入し、戻り空気は出口ボート
16から排出し、一方、供給空気はダクト17を通じて空気調和装置を離れ、空
気調和すべき空間にいたり、当該空間からの戻り空気はダクト18を通じて戻る
。
補給水は入口管20を通じて流入する。(ドレン又はオーバー・フローについて
は図示せず)空気弁21は再循環のため供給空気内に戻される戻り空気の量を制
御する。これは通常、加熱モードでの使用に限定される。空気弁22は供給空気
内に導入される戸外空気の量を制御する。空気弁23はこれも加熱モードでの使
用に限定されるコイル3を通過する戸外空気の量を制御する。
水入口弁25は水内の望ましくない固体の濃度を限定するため水の流出を制御す
る。
空気フィルター26は粒状物汚染制御をもたらす。
コイル27は加湿過程若しくは除湿過程に対し水の加熱入力若しくは冷却入力を
提供する。これは例えば電気的素子若しくは蒸気若しくは湯コイル若しくは冷媒
冷却型(若しくは加熱型)コイルに出来ろ。
ヒーター28は例えば極めて低い戸外空気温度によってコイル3の氷結が生じる
場合等、冷媒システムが不充分な容量を有している場合の条件下に熱入力を供給
空気に与える。この加熱は例えば電気的若しくは蒸気若しくは湯若しくは他の適
当な加熱源にすることが出来る。
第2図は本発明の図示の第2実施態様を模式的に配列したものであるが、ここで
、特に熱帯性気候で要求される供給空気の条件を達成する適切性に応じて以下の
機能を部分的には同時に行なうことも出来る。
(a) 全て戸外空気である供給空気の退出。
(bl 全て戻り空気である排出空気の抽出。
(C) 戻り空気を使用する間接的水蒸発により且つヒート・ポンプによる冷却
を以って若しくは冷却無しで供給空気を冷却し、か(して両方の装置若しくはい
ずれか一方の装置による冷却が除湿を含み得ること。
(d) 供給空気のろ過。
(e) 戻り空気からの熱回収による、ビート・ポンプ12での加熱を以って若
しくは加熱無しでの供給空気の加熱。
第2図のハードウェアは実質的に第1図の八−ドウエアと類似しているが、説明
の目的上簡略化されていることが理解されよう。同様の要素は同じ表示番号にて
示されている。
空気弁21,22,23及び24は再循環空気と戸外空気の量及び機器を通過す
る当該両空気の混合気を調整する目的で使用可能である。
第2図に図解された配列のその加熱モード時の作動の要約について以下に簡単に
掲げる。
空気流ファン4は空気をエネルギー熱交換器1の1次空気流路1aを通じて送出
する。
湿気を増加させる必要がある場合は分配器の噴霧9からの1次空気流れに水を加
えるべきである。(第1図参照)
一方、第1実施態様においては、エネルギー熱交換器2はヒート・ポンプ圧縮機
12の蒸発器コイルであったが、第2実施態様ではコイル2は凝縮器コイルとし
て作動し、コイル3は蒸発器コイルとして作動する。弁構成はこの達成上逆サイ
クル空気調和装置に通常使用されているものと同じであるので、本明細書では図
解されていない。空気はコイル2によって加熱され、かくして冷媒温度を下げ、
ヒート・ポンプ12の性能効率を改善する。
加熱された空気はダクト17を通過し、空気調和される空間にいたり当該空間か
らの戻り空気は空気対空気の熱変換器1の2次空気通路1bを通過する。これは
1次空気の流れを予熱するが、(その依然暖かい)戻り空気は(蒸発器モードで
作動している)熱交換器3のコイル上を流れ、同様に当該コイル上での氷結を低
減化させると共に冷媒温度を上げることによりヒート・ポンプ12の性能効率を
改善する。ファン5は第1実施態様の場合と同様、戻り空気を出口ボート6を通
じて大気へ排出させる。
更に特定の作動状態についての詳細は以下に一層完全に説明する。
所定の気候状態の下での特別の適用に対し最も適している機能を達成すべく第1
図又は第2図の要素の各種組合せを利用する多くの実施態様を提供出来ることを
図面から理解すべきである。
機能が全て主として1つのハウジング内に配列される空気調和システムについて
図面は図解しているが、本発明は又、構成要素と諸機能を別々のハウジング内に
配列することで図示可能であることも理解すべきである。
第4図、第5図、第6図及び第7図は、構成要素が全て1つのハウジング内にコ
ンパクトに配列しである本発明の実施態様を表わす多数の図を使って典型的な空
気調和装置を図解している。
好適実施態様において、第1図及び第2図における空気対空気のエネルギー交換
要素(1)の設計は、隣接する板材の対向縁部上の閉鎖装置によって身空洞導管
に分割された板材の積層体を含む、当該閉鎖装置が隣接する板材の任意の対の間
にあって隣接する板材の次の対に対し代替的な縁部上にある、本発明の場合と同
じ発明者によるオーストラリア特許第325.702号及び米国特許第4、26
3.962号に記載の型式になっている。従って、導管は2つの流体流れを板材
と当該板材の縁部上の閉鎖装置により相互に分離出来、従って流体流れの間の板
材の材料を通じて熱交換を可能にするよう配列しである。
要素(1)の材料は流体からのfJ撃又はそれ自体の破断に対して高い抵抗性を
有する無毒性の熱可塑性型である。
板材は極めて薄く且つ材料の熱抵抗は板材表面上の流体の流れの被膜の熱抵抗に
対して低いので、他の型式の熱又換器と比較して優れた全体的伝熱作用が得られ
る。
空気対冷媒の熱交換器(2)及び(3)は、金属製ひれが金属管に固定され且つ
当該ひれと管が流体の流れに対する抵抗を最小にすることと流体同志間のエネル
ギー交換を最大にすることの間の均衡を最適にする寸法にされ且つ隔置されてい
る伝統的な空気調和システムで使用される典型的な構成になっている。
好適実施態様の他の構成要素にはファン、ポンプ、圧縮機が含まれ、伝統的な空
気調和システムで使用される典型的なものであり、関連ある流体の温度と圧力に
対し最適の効率が得られるよう選択される。
性能の詳細な説明
(1) 冷房、除湿作動
建物外部からの供給空気の絶対湿度と戸内諸活動から結果的に生ずる空間内の絶
対湿度の利得を合計した値が当該空間内で要求される絶対湿度に対する設計値に
等しいか又はその値を越える場合に除湿が要求される。
除湿不要の場合は、第1図及び第2図における要素(1)、(6)及び(8)が
(第2図がその冷却モードにあるとき)開サイクル冷凍のみとして要素(4)と
(5)と組合って作動する。
除湿が要求される場合は、付加的な要素(2)、 (3)及び0乃が第1図及び
第2図に示された如く開サイクル冷凍と組合って閉サイクル冷凍として作動する
。
これらの過程の組合せは、全て戸外での供給空気の処理がA、B、C,Dで表わ
されている第3図の乾湿球湿度計チャート上での典型的な熱帯性性能に対する冷
却モードで示しである。Aは戸外空気の状態で、Dは建物内の占拠空間内の状態
であり、Eは機器に流入する戻り空気の状態である。
線EFGHは戻り空気が状態Hにおいて建物外部へ排出される迄の占拠空間から
の戻り空気の処理を表わす。
要素(1)内で発生する供給空気と戻り空気に対する一致した処理を各々熱交換
器(1)の隣接する通路内の線AB及びFGの処理線にて第3図に示す。
戻り空気は状態Eにおいてダクトを離れた後、第1図のダクト18を通じて機器
に流入し、要素(1)から収集溜め(7)内へ落下する噴霧(8)からの再循環
水により湿潤化される。要素(1)と溜め(7)の間の室内と要素(1)への入
口にある表面上でのこの戻り空気の湿潤化によって戻り空気はほぼ飽和状態にな
り(典型的には90%以上)、これは状態点Fで表わされたその湿球温度にほぼ
近い温度低下を伴なう。戻り空気はそれが要素(1)を通過するとき及びそれが
状態Gにて離れる迄湿潤化され続は飽和に近い状態にされる。この手段により、
戻り空気は常時側の分離した通路内の空気に隣接している供給空気より低い温度
に維持される。
典型的な熱帯性気候の適用例における供給空気は状態Aにて要素(1)に流入す
る。供給空気は次に状態Bにて要素(2)に流入し、状態Cにて再び離れ、はぼ
飽和状態にされ、17にて機器から離れ、建物内に流入する。
供給空気は建物空間内の空気と混合して状態りをなし、かくして当該空間内に発
生している熱と湿気分を取る。
処理線DEは空間の空気が18にて機器に流入する前のダクト・システム内に戻
る場合の当該空気により得られる熱を表わしている。
状態Gにて要素(1)を離れた後の戻り空気は噴霧8aと8bを通過することに
より要素(3)に流入し、後者の噴霧は要素(3)の表面を湿潤化させるよう配
列しである。この手段により、戻り空気が要素(3)を通過して状態Hにて建物
外部に排出のため離れるのに伴ない戻り空気の連続した加湿が原因で当該戻り空
気内に低い温度が維持される。
息下の点が注目されよう。
(a) 第3図での処理は熱帯性気候の典型的なものであり異なる処理線を有す
るが、同様にエネルギーの相当の節約を呈する一方同時にエネルギー損失を伴な
わずに戸外空気の高レベルを建物に与える。
(′b)戻り空気に対する供給空気の質量流れ割合は全体の性能で無視出来る効
果の1.2:1.0迄にすることが出来、一方間時に建物の加圧による高温戸外
空気の浸透を偏寄させる。
(c) 第3図に図解された例における除湿段階中に供給空気から凝縮物として
除去された湿気分は排出空気を通じて再周期化のため溜め内に収集され、こうし
て全体的な熱効率を高める。この凝縮物は典型的には蒸発に対する補給のため水
供給の約60%をもたらす。この凝縮物は又、実質上純粋であるため水の内部の
不純物のレベルを低く維持する。
(d) 戻り空気が要素(3)を通過し閉サイクル冷凍凝縮器からの熱が内部へ
伝えられている当該戻り空気の熱的状態と湿潤化により空冷式の伝統的なシステ
ムで使用される如く大気空気で達成可能温度より相当低い凝縮温度が可能になる
。
(el 飽和状態に近い要素(2)に流入する供給空気の熱的状態は部分、的に
乾燥している伝統的システムに適用されるものより高い冷媒温度をコイル内にて
可能にし完全に湿潤化された熱交換器の熱流れに対する抵抗とする。
前述した冷却、除湿作動にて達成される諸利点の簡単な要約を次に掲げる。
(a) エネルギー損失無しで伝統的換気割合より高い換気の提供。
(b) 加圧に起因する浸透の低下。
(C) 除湿から生じる凝縮物の捕獲によりエネルギー損失が低減化し、水の純
度が上昇し、水の使用量が低減化する。
(dl 冷媒の高い蒸発温度と組合った低い冷媒凝縮温度により同じ冷凍効果に
対し圧縮機のエネルギー消費量が低減化される。
これらの諸利点は全て熱力学と乾湿球学の充分に確立された諸原理に基づいてい
る。
本発明のこれらの利点に加えて、全体的な利点は湿度が充分に低い期間中に圧縮
機を作動させろ必要がある極めて効果的な冷却を行なえる点にある。これは熱帯
性気候においても極めて長い期間に亘って提供出来る。
(2)加熱と加湿
加熱と加湿に関する作動の詳細な説明を息下に掲げる。
この作動モードにおいて、冷却と除湿について説明した実施態様では要素(2)
をその熱を供給空気に与える冷媒凝縮器にし且つ要素(3)を当該要素を通過す
る戻り空気から熱を奪う冷媒蒸発器にするよう(図面に示されていない)弁によ
り冷媒の流れる方向が変えられている。
逆サイクル供給空気加熱器として作動する伝統的な空気源ヒート・ポンプは冷媒
蒸発器上を通過する戸外大気空気を有している。大気温度が7°を下延わる気候
においては、蒸発器の表面に氷結が始まる。その結果、氷結に起因して性能効率
が直ちに典型的には3.0から2.4へ下がり、即ち20%の減少となる。性能
は氷が空気の動きを阻止する迄低下し、そのため機器は除霜しなければならない
。これは典型的には高温気体を戸外空気蒸発器に通す目的で冷却モードに切換え
ろか又は電気的抵抗素子により達成される。除霜と性能低下期間中は、電気的抵
抗素子の如き代替的加熱装置が要求される。その結果、建物の暖房コストは暖房
要求量の増加に伴なって反比例的に増加する。その上、電気的エネルギー供給要
求量が急激に増加する。
第2図の第2実施態様に関連して先に一般的用語を使って説明した如く、その加
熱モードを除き、逆サイクル・ヒート・ポンプとして作動する場合は要素(2)
は冷媒凝m器として作動し、要素(3)は戻り空気が要素(1)を離れた後に熱
を当該戻り空気から取る蒸発器として作動する。
要素(1)は熱を戻り空気から供給空気内へ伝え、戻り空気内の熱の均衡が第1
図及び第2図における17から建物に流入する前に要素(2)から供給空気内へ
「ヒート・ポンプ」化される蒸発器要素(3)内への伝達のため利用可能である
。再循環と加湿が要求される場合は、噴霧9、空気弁21及び22等第1図に示
したものを第2図の簡略化された配列内に導入すべきである。噴g8aは加熱モ
ードでは使用されないであろう。
この手段によって、ヒート・ポンプは全体的に戸外空気温度が2℃になる迄氷結
の無い状態に維持出来る。約1℃を下延わる大気空気による氷結は一般に伝統的
なヒート・ポンプ・システムでの経験においてはこれらの温度における戸外空気
が乾燥していることから極めて少量であることが判明している。
約2℃を下延わる大気状態にて作動する場合の本発明に対し、戸外空気は戻り空
気と混合されるよう配列される。第2図において、空気弁23と24がこの状態
に対して調節可能である。この手段により、氷結を最小にすることが出来る。
大気空気が約−5℃である場合、戻9空気からの凝縮物は要素1の戻り空気通路
に氷結し始めることが判明している。然し乍ら、大気状態とこの段階によれば戸
外空気は乾燥しているので蒸発器要素(3)を通じての単独使用時に(即ちその
混合された戻り空気無しに)氷結が皆無となる。
七−ト・ポンプの性能は一5℃の大気空気から熱を抽出するのに必要な蒸発温度
が低いことから劣化する。
(注意ニ一層高い性能係数を得るためこうした低温と気候に対しては2段階型ヒ
ート・ポンプ・システムを考えることが出来る。)
戸外空気の温度と要素(1)の戻り空気通路内の戻り空気の温度がこれらの通路
に氷結を生せしめる場合、当該システムは要素(1)の除霜だけでなく要素(3
)の除霜も要求すべき溜めγ内の水に熱を加えることによって容易に除霜出来る
。この熱の大部分は供給空気と蒸発器内で回収される。
溜め7内の水は電気的抵抗素子又は太陽エネルギー・パネル用の湯によって加熱
出来、建物の給湯システムと相互に接続可能である。
建物からの別の熱源として、戻り空気配管システムを台所と風呂場の排管に相互
に接続することが出来、又は商業用処理と工業用処理から得られ、かくして他の
低温の廃熱をと−ト・ポンプを通じて供給空気内に再度向ける乙とが出来る。こ
うした余分の熱は更に機器内で霜が出来始める大気空気温度を低減化させるので
本発明はこうしたエネルギーの収集にあたって著しい柔軟性を有する。
本発明の第1図の実施態様の別の特徴は噴霧9を通じての除霜に対し前述した如
く加熱される溜めの水7を噴霧することにより供給空気を加湿化出来る設備であ
る。
こうした熱源が全て不充分であると仮定すれば、建物内の所要の温度を達成する
目的から要素28に更に加熱をすることが必要とされよう。
前掲の説明から、伝統的なシステムで達成されるものより全ての作動状態下で著
しく高いレベルに性能係数を維持出来ることから、7℃を下延わる相当の期間続
く気候に対しては本発明は伝統的な空気源のヒート・ポンプと比較した場合相当
のエネルギー節約を図ることが出来ることが理解されよう。その上、他の廃熱を
収集する本発明の設備はこの点に対し著しい利点になっている。
伝統的な空気源のシステムは頻繁に除霜する必要があることからサイクル上の非
効率性の結果、相当の欠点を有していることに注意すべきである。これは典型的
には約15%であるが、この損失は低温度に除霜することを延期するので大いに
回避出来る。
本発明における全体的性能の最適化は一部の作動状態下においては建物内への一
部の戻り空気のリサイクル化を可能に出来る第1図における空気弁21,22,
23及び24の使用により援助可能である。
任意の状況に対する本発明の完全な効率と利点は例えばマイクロプロセッサ−を
通じて作成出来る最適化プログラムに従って変数成分の各成分の設定を行なう場
合得られることを理解すべきである。
当技術の熟知者は例えば、冷却に対しては、戻り空気の湿球温度にて実際上作動
する水溜め内のサーモスタットを使用することにより間接的蒸発過程とは無関係
に作動するようにヒート・ポンプ冷却、除湿化過程を作動出来ることが理解され
よう。この手段によって、供給空気の湿度は建物内の占有空間の必要量に見合う
ようその乾球温度とは無関係に大略制御可能である。
本発明の原理は供給空気が戸外空気のみを含み、排出空気が戻り空気のみを含み
、水分配器9と加熱器27゜28が省略される場合に適合し且つその最も単純な
冷却形態にて説明されていることも理解すべきである。
本発明の原理は、供給空気が戸外空気のみを含み、排出空気が戻り空気のみを含
み、水分配器8a、8b、9答弁10aと10b付きのものを省略し、加熱器2
7゜28が省略され、ドレン弁11と戸外へのドレンが省略される場合にも適合
し、又その最も簡単な加熱形態にて説明しである。
冷却形態において、フィル2は空気冷却器として作用し、コイル3はコイル2か
ら熱を排除することにより空気加熱器として作用し、これは又、ヒート・ポンプ
過程に従って行なわれる。
加熱過程においては、コイル2は空気加熱器として作用し、コイル3はコイル2
により要求された熱を吸収することにより空気冷却器として作用し、これは又、
ヒート・ポンプ過程により行なわれる。
第1図
第2図
第4図
第5図 第6図 第7図
手続補正書(旗)
昭和63年2月17日
1、事件の表示 PCT/AU861002542、発明の名称 空気調和装置
及びその方法3、補正をする者
事件との関係 特許田麩
住所 オーストラリア国 サウスオーストラリア州 5033マーレストン、コ
マーシャル ロード 23名 称 トリコン エアー プロプライエタリ リミ
テイッド代表者 マクナブ、ジョン レスリー グレイヤム国籍 オーストラリ
ア国
4、代理人
東京都港区新橋1丁目1幡1暢キムラヤ大塚ビル61国際調査報告
ANNEW To THE INTERNATIONAL 5EARCHREP
ORT 0NINTERNATIONAL APPLICATION No、P
C丁/AU 86100254υS 3926249 US 4142575
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)閉冷凍システム内のヒート・ポンプと2個の熱交換器及び空気対空気の熱交 換器を含み、 前記熱交換器が空気の流れに対して直列に接続され且つ前記空気の流れを打撃す る空気羽根装置に接続され、 前記熱交換器の第1熱交換器が供給空気流路と戻り空気流路を有する前記空気対 空気の熱交換器であり、前記熱交換器の第2及び第3熱交換器が前記システムの 冷媒対空気の交換器であり、 使用時に、前記羽根装置が空気の流れを第1熱交換器の前記供給空気流路を通し 、次に第2熱交換器を通し、空気調和すべき空間を通して流し、当該空間から戻 り空気の少なくとも一部が前記戻り空気流路を通じ、前記第3熱交換器を通じて 流れ、大気に排出するようにした空気調和装置。 2)前記熱交換器の第2熱交換器が前記閉冷凍システムの蒸発器であり、前記第 3熱交換器が前記冷凍システムの凝縮器であるようにした請求の範囲第1)項に 記載の空気調和システム。 3)前記熱交換器の第2熱交換器が前記閉冷凍システムの凝縮器であり、前記第 3熱交換器が前記冷凍システムの蒸発器であるようにした請求の範囲第1)項に 記載の空気講和装置。 4)前記空気羽根装置が供給空気を前記第1熱交換器を含む前記供給空気流路を 通じて通すよう配列されたファンと戻り空気を戻り空気流路から排出させるよう 配列された排出ファンを含むようにした請求の範囲各項記載の空気調和装置。 5)更に、前記空気対空気と熱交換器の下方の溜めと、前記空気対空気の熱交換 器の上方に位置付けられた噴霧装置を含む水分配装置と、前記空気対空気と熱交 換器の前記戻り空気流路を通じての水の排出を行なうよう溜めを噴霧装置に接続 するポンプ装置を含むようにした請求の範囲各項記載の空気調和装置。 6)更に前記供給空気流路内にあるが前記第3熱交換器の上流側にある水分配噴 霧装置を含むようにした請求の範囲第5)項に記載の空気調和装置。 7)更に前記戻り空気流路内にあり前記第1及び第2熱交換器の間に位置付けら れた水分配噴霧装置を含み、前記他の水分配噴霧装置が前記ポンプ装置に接続し てある請求の範囲第5)項に記載の又は同第6)項に記載の空気調和装置。 8)前記供給空気通路が前記第1熱交換器の上流側の空気入口を組合せて有する 入口ボートを含むようにした請求の範囲各項記載の空気調和装置。 9)再循環空気を前記戻り空気路から前記入口空気路内へ通過させ得るよう開く ことが出来る前記戻り空気路と入口空気路の間の別の空気弁を含む請求の範囲第 8)項に記載の空気調和装置。 10)空気調和方法であって、空気の流れを空気対空気の熱交換器と供給空気流 路を通じ、ヒート・ポンプの閉冷凍システムの冷媒対空気の熱交換器である第2 熱交換器の空気流路を通じ、空気調和すべき空間を通じて送り出し、前記空気流 れを前記空気対空気の熱交換器と戻り空気流路を通じて戻し、かくして前記供給 空気流れと戻り空気流れの間のエンタルピーを交換し、前記閉システムの他の冷 媒対空気の熱交換器である第3熱交換器を通じて戻し空気を排出させ、一方、ヒ ートポンプを作動させて冷媒の流れを各々蒸発器モードと凝縮器モードで機能す る前記冷媒対空気の熱交換器の両者を通じて冷媒の流れを生ぜしめることから成 る空気調和方法。 11)前記閉冷凍システムの蒸発器モードにおいて前記第1冷媒対空気の熱交換 器を作動させることにより前記空気の除湿化と冷却を行なうことを含む請求の範 囲第10)項に記載の空気調和方法。 12)水を前記戻り空気流路を通じて前記空気対空気の熱交換器の下方の溜め内 に噴射させることにより空気対空気の熱交換器の前記戻り空気流路からのその通 過における戻し空気を冷却することから成る請求の範囲第10)項に記載の空気 調和方法。 13)前記空気除湿化により凝縮された水を前記溜め内に通すことから成る請求 の範囲第11)項に記載の空気調和方法。 14)前記供給空気を前記冷媒対空気の熱交換器の前記供給空気流路を通じて通 し、当該供給空気を前記熱交換器が凝縮器モードで作動している状態の前記冷凍 システムの前記第1熱交換器を通じて通すことにより前記供給空気を加熱するこ とを含む請求の範囲第10)項に記載の空気調和方法。 15)前記空気対空気の熱交換器と前記第1冷媒対空気の熱交換器の間の供給空 気流路にあるとき水の噴霧を前記空気内に与えることにより前記供給空気を加湿 化することから成る請求の範囲第14)項に記載の空気調和方法。 16)実質的に添附図面を参照し乍ら本文中で説明し且つ添附図面に図解した空 気調和装置。 17)実質的に添附図面を参照して本文中で説明し且つ添附図面に図解した空気 調和方法。
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