WO2014129027A1

WO2014129027A1 - 気化式空気調和機

Info

Publication number: WO2014129027A1
Application number: PCT/JP2013/080638
Authority: WO
Inventors: 愛雄一井; 林　豊; 喜代志安福; 磯野　仁志
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-08-28
Also published as: JP2014163580A

Abstract

　気化式空気調和機（１）は、垂直に配置された気化板（１１）により構成される気化部（１０）と、平板状材料からなり、気化板の側面に近接して水平に配置された水拡散板（１２）と、水拡散板に給水する給水装置（２０）と、水拡散板から伝わる水で濡らされた気化板の側面に風を送って水を気化させる送風装置（３０）を備える。気化板は複数枚が所定間隔で平行に並べられる。

Description

気化式空気調和機

　本発明は気化式空気調和機に関する。

　空気調和機の分野において、水の気化により気化熱が奪われる現象を冷房に利用しようという考えは古くから存在し、それを実現するための装置も多々工夫されている。そのような装置の例をいくつか紹介する。

　特許文献１には冷風発生装置が記載されている。この冷風発生装置は圧縮機、凝縮器、蒸発器などを含む通常のヒートポンプサイクルを備えず、水の気化熱のみにより空気の冷却を行う。この冷風発生装置では冷却容器内に珪藻土を原料とする礫状の多孔質材を充填し、その多孔質材に散水器で散水する。多孔質剤の上方でファンを作動させると、多孔質材を支えているメッシュ状の底板から空気が吹き上がり、多孔質材の表面の水が気化する。それによる冷却作用で冷風を発生させる。

　特許文献２には湿式冷却塔が記載されている。この冷却塔は内部にプレートフィン付熱交換器をＶ字形に配置しており、プレートフィンに散水しつつ、当該熱交換器を横切る外気の流れを形成することにより、熱交換器内を流れる被冷却媒体を水の蒸発潜熱で冷却する。

　図１４に記載されているのは従来の気化式空気調和機の一例である。この気化式空気調和機１００では、筐体１０１の内部の下部に水タンク１０２、上部に給水樋１０３が配置されている。水タンク１０２の中の水をポンプ１０４での給水樋１０３に給水する。水タンク１０２と給水樋１０３の内部の斜め格子の網掛け部分は溜まった水を象徴する。給水樋１０３の下には蒸発ネット１０５が垂直に配置されており、給水樋１０３は蒸発ネット１０５に所定の時間当たり滴下量で水を滴下する。これにより蒸発ネット１０５は湿潤状態となる。

　クロスフローファン（図示せず）を内蔵した送風装置１０６を駆動すると、筐体１０１の背面から吸い込まれて蒸発ネット１０５を通り抜ける気流が発生する。この気流により蒸発ネット１０５を湿潤させている水が気化し、冷却作用が生じる。空気は冷却されると共に加湿され、筐体１０１の正面のルーバー付吹出口１０７より室内に吹き出される。

特開２０１２－２２５５５１号公報特開２００６－１８９２００号公報

　特許文献１の冷風発生装置で用いられている多孔質材は熱容量が小さく、気化熱で冷却された状態で温かい空気に接触したとしても熱交換は限定的なものであり、空気の温度低下量は僅かである。

　空気の温度低下量を大きくするには空気の接触対象として熱容量の大きな部材、例えば金属板などを用いる必要がある。特許文献２に記載された湿式冷却塔は金属製のプレートフィンを用いており、前記要請に沿った構成を備えると言えるが、この冷却塔はヒートポンプサイクルの一部分であり、ヒートポンプサイクルを用いることなく水の気化熱で空気の冷却を行う気化式空気調和機とは一線を画す。

　本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ヒートポンプサイクルを用いることなく水の気化熱で空気の冷却を行う気化式空気調和機において、冷却効率を向上させる新規な構造を提供することを目的とする。

　本発明に係る気化式空気調和機は、垂直に配置された気化板を含む気化部と、前記気化板の側面に近接して水平に配置された水拡散板と、前記水拡散板に給水する給水装置と、を備えることを特徴としている。

　この構成によると、気化板の側面に水拡散板で水を拡散させ、拡散した水を気化させるものであるから、空気の温度低下量を大きくすることができる。

　上記構成の気化式空気調和機において、前記水拡散板にはスリットが形成され、当該スリットに前記気化板が挿入されるものであり、前記スリットには前記気化板との間隔が大きくなる箇所と小さくなる箇所が交互に形成されていることが好ましい。

　この構成によると、広がりの大きな水膜を気化板の側面に形成することができ、気化効率が向上する。言い換えると冷却効率が向上する。

　上記構成の気化式空気調和機において、前記水拡散板の周縁に溢水防止用の溢水防止部が形成されていることが好ましい。

　この構成によると、供給された水を水拡散板の周縁から溢れさせることなく気化板に伝わらせることができる。

　上記構成の気化式空気調和機において、前記気化部は、前記気化板を複数枚、所定間隔で平行に並べたものであることが好ましい。

　この構成によると、気化部の面積が増大し、大量の気化熱が奪い去られるから冷却能力が向上する。またこのような構成の場合、気化板の間で水がブリッジを形成し、ブリッジがはじけた時などに水飛び現象が発生することが多いが、気化板の表面に水膜を形成することを第一義とする本発明では水飛び現象をそれほど気にせずに済む。

　上記構成の気化式空気調和機において、前記水拡散板は吸水性物質からなることが好ましい。

　この構成によると、水は一旦水拡散板に溜まった後、気化板全体に行き渡ることになり、広い範囲に水膜が形成される。

　本発明によると、気化板の側面に水拡散板で水を拡散させ、拡散した水を気化させて冷却した気化部で空気を冷却するものであるから、冷却効率が向上し、空気の温度低下量が大きくなる。

本発明の実施形態に係る気化式空気調和機の概略構成図である。気化部の斜視図である。第１実施形態の気化部に用いられる水拡散板の平面図である。図３の水拡散板のスリットに気化板が挿入された状態を示す部分断面図である。第２実施形態の気化部に用いられる水拡散板の平面図である。図５の水拡散板のスリットに気化板が挿入された状態を示す部分断面図である。第３実施形態に係る気化式空気調和機の概略構成図である。第３実施形態の気化部の部分断面図である。第４実施形態の気化部の部分断面図である。水拡散板が垂直に配置された状態を示す斜視図である。従来の気化式空気調和機と本発明気化式空気調和機の冷房能力の差を示す第１のグラフである。従来の気化式空気調和機と本発明気化式空気調和機の冷房能力の差を示す第２のグラフである。従来の気化式空気調和機と本発明気化式空気調和機の冷房能力の差を示す第３のグラフである。従来構造の気化式空気調和機の概略構成図である。

　本発明に係る気化式空気調和機１の実施形態を図１に示す。気化式空気調和機１は直方体形状の筐体２を有し、その内部には気化部１０、給水装置２０、及び送風装置３０が配置されている。筐体２は図１において左側の側面が正面、右側の側面が背面となる。筐体２の正面には多数のスリットからなる吹出口（図示せず）が形成され、筐体２の背面には多数のスリットまたは小孔の集合からなる吸込口（図示せず）が形成される。気化部１０は吹出口の側に配置され、送風装置３０は吸込口の側に配置される。

　給水装置２０は、筐体２の底部に配置された水タンク２１と、気化部１０の上方に配置された給水樋２２と、水タンク２１の中の水を給水配管２３経由で給水樋２２に給水するポンプ２４により構成される。給水樋２２からは所定の時間当たり滴下量で水が滴下し、この水が後述の水拡散板１２に通水し、気化部１０を濡らす。なお、給水樋２２の真下に水拡散板１２が配置されているとよい。送風装置３０はクロスフローファンとそれを囲むケーシングを備えるクロスフローファンユニット３１と、クロスフローファンユニット３１の動力源となるモータ３２により構成される。送風装置３０はプロペラファンを用いるものであってもよい。

　続いて、本発明の眼目である気化部１０の構造を説明する。気化部１０には複数の実施形態が存在する。以下、それらを順次紹介する。

＜第１実施形態＞
　気化部１０の第１実施形態を図２から図４までの図に基づき説明する。気化部１０の主たる構成要素は垂直に配置される気化板１１である。気化板１１に近接する形で、水平な水拡散板１２が配置される。なお本明細書における「垂直」「水平」は単なる方向の目安であり、厳密な意味において垂直であること、あるいは水平であることが要求されるものではない。

　気化板１１は矩形の金属板により構成される。金属板としては錆を生じにくいアルミニウム板やステンレス鋼板、あるいは防錆処理を施した鋼板などが用いられる。気化板１１は長手方向を垂直にする形で複数枚が所定間隔で平行に並べられ、送風装置３０から送られる風が気化板１１同士の隙間を通り抜けるように配置される。

　気化板１１の表面には、そこに接する水が弾かれず、むしろ滞留傾向が生じるように、親水化処理が施される。気化板１１の素材がアルミニウムである場合、シリカ、酸化チタン、アルミナのいずれかを含む塗料を塗布したり、ゾルゲル膜、溶射膜、メッキ膜を形成したりすることが親水化処理となる。

　水拡散板１２は、給水樋２２から滴下する水滴を受け止め、それを一旦保持した上で気化板１１に伝わらせるものであり、平板状材料により構成される。平板状材料は、金属板や合成樹脂板のような吸水性を持たない材料でもよく、連続気泡の合成樹脂発泡体や繊維の集合のような吸水性物質であってもよい。吸水性を持たない材料と吸水性物質を組み合わせて使用してもよい。

　水拡散板１２を吸水性物質で形成することとした場合、例えば不織布を加熱及び加圧して厚み方向に圧縮した素材（例えばユニチカ株式会社が「ユニベックスＳＢ」という商品名で販売しているもの）などを用いることができる。この素材は給水特性において異方性があり、平面方向には水が広がりやすく、厚み方向には水が通りにくいので、水拡散板１２として好適である。この素材に、たわみ防止用の補強部材として金属板や合成樹脂板を組み合わせてもよい。

　水拡散板１２は複数枚の気化板１１に水を供給するものであり、図３に示す通り、それが受け持つ気化板１１の数だけのスリット１３が並列に形成されている。気化板１１は図４に示す通りスリット１３に挿入され、スリット１３の内面は気化板１１の側面に近接する。この場合の「近接」は、水拡散板１２に受け止められた水が気化板１１の側面に接触して気化板１１の側に移るように水拡散板１２と気化板１１の間の距離が設定されていることを指す。

　水拡散板１２は気化板１１の高さ方向に何段にもわたって配置され、最上段の水拡散板１２が受け止めた水が次段の水拡散板１２へ、そこからさらに下段の水拡散板１２へといった具合に、カスケード方式で順次落下するようになっている。

　気化式空気調和機１を運転すると、給水装置２０のポンプ２４が駆動され、ポンプ２４は水タンク２１の中の水を給水樋２２へと汲み上げる。また送風装置３０のモータ３２が駆動され、これにより、機外から吸い込まれ、気化部１０を通って機外に吹き出される気流が形成される。

　給水樋２２に給水された水は所定の時間当たり滴下量で滴下し、気化部１０の中の最上段の水拡散板１２に受け止められた後、カスケード方式で順次下段側の水拡散板１２に分配される。

　水拡散板１２は受け止めた水を一旦保水する。金属板や合成樹脂板のような吸水性を持たない材料で形成された水拡散板１２の場合は上面に水を溜めることで保水し、吸水性物質で形成された水拡散板１２の場合は内部に水を吸収することで保水する。

　保水した水拡散板１２は、気化板１１の側面との近接箇所、すなわちスリット１３の縁から、気化板１１の側面に徐々に水を伝わらせる。伝わった水は気化板１１の側面に水膜を形成する。送風装置３０が気化部１０に吹き付ける風が水膜の水を気化させ、気化部１０は冷却される。冷却された気化部１０との間で熱交換を行うことにより空気も冷却され、筐体２の吹出口から冷風が吹き出す。

　気化板１１の側面に水拡散板１２で水を拡散させ、拡散した水を気化させて冷却した気化部１０で空気を冷却するものであるから、空気の温度低下量を大きくすることができる。気化板１１が熱容量の大きな金属製気化板であることは、空気の温度低下量増大に一層効果がある。また複数枚の気化板１１が所定間隔で平行に並べられているから、奪われる気化熱の量が多くなり、冷却能力が向上する。気化板１１に伝わる水は気化板１１の表面に水膜を形成するようにされているから、気化板１１同士の隙間に水のブリッジが生じず、水飛び現象で使用者が不快な思いをすることもない。

＜第２実施形態＞
　気化部１０の第２実施形態を図５と図６に基づき説明する。第２実施形態の気化部１０が第１実施形態の気化部１０と異なるのは、スリット１３に、気化板１１との間隔が大きくなる箇所１３ａと小さくなる箇所が交互に形成されている点である。

　上記のような構成のスリット１３は、例えば、スリット幅よりも直径が大きい複数の小孔（形状は円であっても円以外の形状であってもよい）を一直線上に所定間隔で形成し、その後、それらの小孔をつなぐように切れ目を入れることで形成される。図５及び図６に示す例では平面形状円形の小孔により気化板１１との間隔が大きくなる箇所１３ａが形成されている。小孔以外の箇所は、気化板１１とすれすれで接触、あるいは気化板１１に密着することになる。

　第２実施形態の構成の効果を実験により確認した結果が表１である。

　水拡散板の下に、気化板の全幅にわたり水膜が形成され、どこにも乾いた箇所が残っていないという状態が「濡れ広がり面積１００％」である。気化板に対し、水拡散板が均等に接触している実施形態１のような構成では、水拡散板に含まれる水が、水拡散板と気化板との接触部の中で流れやすい箇所を勝手に探して流れ落ちるので、水の流れが筋状に見え、濡れ広がり面積は６０％に留まる。これに対し、水拡散板に、気化板との間隔が大きくなる箇所と小さくなる箇所を交互に形成した実施形態２の構成では、間隔の大きい箇所に水が誘導され、スリットの長さの大部分をカバーする幅の水膜となって流れ落ちるので、濡れ広がり面積は９０％に達する。

　このように第２実施形態の構成によれば、広がりの大きな水膜を気化板の側面に形成することができ、気化効率が向上する。言い換えると冷却効率が向上する。

＜第３実施形態＞
　気化部１０の第３実施形態を図７から図９に基づき説明する。第３実施形態は、第１実施形態の水拡散板１２あるいは第２実施形態の水拡散板１２の周縁に、溢水防止用の溢水防止部１２ａを形成したものである。図８は第１実施形態の水拡散板１２に溢水防止部１２ａを形成した例、図９は第２実施形態の水拡散板１２に溢水防止部１２ａを形成した例を示す。

　溢水防止部１２ａは水拡散板１２の全周にわたり土手のように形成される。溢水防止部１２ａは、別体の部材を水拡散板１２に接着あるいは圧着するか、あるいは水拡散板１２の原素材が不織布である場合には、厚み方向に圧縮するための圧力をその部分だけ減らすなどの手法で形成することができる。溢水防止部１２ａが存在することにより、供給された水を水拡散板１２の周縁から溢れさせることなく気化板１１に伝わらせることができる。

＜第４実施形態＞
　気化部１０の第４実施形態として、気化板１１の表面が多孔質構造とされているものを掲げる。このようにすることにより、気化板１１の表面の保水能力が高まり、気化前に流れ落ちてしまう水の割合を少なくし、供給した水の多くを冷房に利用することができる。

（その他の配慮点）
　気化部１０の冷却能力の向上を図る上で、水拡散板１２の姿勢も重要なファクターとなる。図１０に示すように、水拡散板１２が、その平面方向を垂直にする形で気化板１１に接しているのは好ましくない。水拡散板１２が斜めになっている、例えば右肩上がり状態であったり、左肩上がり状態であったり、手前側が下がっていたり、手前側が上がっていたりするのも好ましくない。気化板に水膜を形成する上で、水拡散板が気化板に接触する姿勢がどのように影響するかを実験により確認した結果が表２である。

　気化板に対し、水拡散板を水平に接触させることで、水が気化板と水拡散板の境界から流れ落ちることとなり、良好な結果が得られた。水拡散板がその平面方向を垂直にする形で気化板に接触していると、水は水拡散板の表層を流れ落ちてしまい、筋状に水が流下する。水拡散板が斜めになって気化板に接触している場合には、水が特定箇所に集中しやすくなり、やはり筋状に流下する。

　気化部１０の冷却能力の向上を図る上では水拡散板に保水能力があるかどうかも重要なファクターとなる。気化板に水膜を形成する上で、水拡散板の保水能力がどのように影響するかを実験により確認した結果が表３である。

　水拡散板に保水能力があると、水を所定の時間当たり滴下量で滴下させたとき、水は一旦水拡散板に溜まる。水が溜まると、気化板が挿入されているスリットに均等に水圧がかかる。これにより、水が気化板全体に行き渡り、全面的に水膜を形成する。

　気化板に対し、水拡散板がどのように接触しているか、あるいは接触していないかも気化部の冷却能力の向上を図る上で重要なファクターである。気化板に水膜を形成する上で、水拡散板の非接触部の配置がどのように影響するかを実験により確認した結果が表４である。

　気化板に対する水拡散板の非接触部が等間隔で配置されているときは、流れ落ちる水は全面的に水膜を形成した。非接触部に関する配慮をしなかったときは、水は筋状に流下した。

　（気化式空気調和機の性能比較）
　図１４に示す従来構造の気化式空気調和機と、図１に示す本発明気化式空気調和機の性能比較を行った結果を図１１から図１３までのグラフに示す。室内の湿度を横軸にとり、所定の湿度条件で環境温度より何度低い冷風温度が得られたかをプロットしている。図１１は環境温度が３０℃のとき、図１２は環境温度が３５℃のとき、図１３は環境温度が４０℃のときである。いずれの場合でも、従来構造の気化式空気調和機よりも本発明空気調和機の方が冷風温度を低温にすることができた。

　以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

　本発明は気化式空気調和機に広く利用可能である。

　　　１　　気化式空気調和機
　　　２　　筐体
　　　１０　気化部
　　　１１　気化板
　　　１２　水拡散板
　　　１２ａ　溢水防止部
　　　１３　スリット
　　　１３ａ　気化板との間隔が大きくなる箇所
　　　２０　給水装置
　　　２１　水タンク
　　　２２　給水樋
　　　２３　給水配管
　　　２４　ポンプ
　　　３０　送風装置
　　　３１　クロスフローファンユニット
　　　３２　モータ

Claims

　垂直に配置された気化板を含む気化部と、
　前記気化板の側面に近接して水平に配置された水拡散板と、
　前記水拡散板に給水する給水装置と、
　を備えた気化式空気調和機。
　前記水拡散板にはスリットが形成され、当該スリットに前記気化板が挿入されるものであり、前記スリットには前記気化板との間隔が大きくなる箇所と小さくなる箇所が交互に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気化式空気調和機。
　前記水拡散板の周縁に溢水防止用の溢水防止部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気化式空気調和機。
　前記気化部は、前記気化板を複数枚、所定間隔で平行に並べたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気化式空気調和機。
　前記水拡散板は吸水性物質からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の気化式空気調和機。