JP2018021711A

JP2018021711A - 水蒸発冷却器

Info

Publication number: JP2018021711A
Application number: JP2016153392A
Authority: JP
Inventors: 健児梅津; Kenji Umetsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08

Abstract

【課題】エネルギーの視点から、地球環境の課題として現在の電動式圧縮機を持った冷凍
サイクルで室内を冷暖房するシステムに対し、エネルギーや動力が必要なく、または太陽熱や燃料電池の排熱で作動することができる冷暖房装置の実現は多くの技術検討や提案がなされてきた。最も製品価格が安い方式としての吸着式除湿を生かした冷房機では莫大な熱源量が必要で、装置の大きさが大きすぎるという基本的課題があった。
【解決手段】冷却用に極めて簡単な構造で高性能な水蒸発式冷却器の技術を開発し、上記の課題を解決した。吸着式除湿器との組み合わせの最適化を前提としている。
【選択図】図２

Description

太陽熱、燃料電池の排熱、ガスエンジン発電装置の排熱など、４５℃から８０℃程度の低温度の熱源を利用して室内空気を除湿即ちデシカントし、其の空気をさらに水の蒸発潜熱を利用して冷却することにより。高いエネルギー効率と室内空気快適性を高めて冷房を行うことを特徴とした、いわゆる熱源利用空気調和装置が開発されてきている。
この装置では主に室内空気からなる処理される空気、及び主に室外空気からなる処理する空気との間で熱移動及び湿氣の移動を行って処理される空気の冷却と除湿を行う、即ち冷房を行う事を目的としている。

その為、普及している電動式の冷房装置では、冷媒を圧縮して冷凍サイクルを構成させて、室内空気を冷却しその熱を冷凍サイクルで高い温度の熱に変換し、室外空気に放熱する方法が実現され普及している。この方式は優れた冷却特性を実現できるが冷凍サイクルを構成するため冷媒を圧縮機で圧縮して高圧にする必要があり、その為圧縮機を駆動するため大きな動力の電動モーターを使い、その消費電力が大きく、社会全体で膨大な電力消費と一次エネルギーの消費、更には地球温暖化の一因になっている。

そのため、この冷凍サイクルを使わずに冷却、冷房を行う技術の実現が嘱望されている。その為の基幹技術として、処理する空気により処理される空気の冷却を直接に行う装置では、より高いエネルギー変換性能と冷却能力を得るため、処理する空気即ち冷却用空気の温度として乾球温度ではなくて湿球温度を利用することが有効であることは知られている。このために冷却用空気に散水しその温度を湿球温度まで下げて、それを冷熱源として利用することが有効であることは良く知られている。

本出願は、この様に、水の蒸発潜熱を使って冷却を行うという、処理される空気である室内空気を処理する空気である室外空気によって冷却を行う冷房装置の技術に関するものである。其の技術により、冷房効果を高め、蒸発潜熱による冷却における水の消費量を軽減し、当該水の蒸発潜熱を利用して電気消費量の少ない冷却装置の実現を目指したものである。且つ装置の構成を簡略化し、ひいては装置の費用を大幅に軽減するなどの成果を高めることを目指している。

特許文献１及び２には何れも換気の排熱の空気の温湿度即ちエンタルピーを高めてその結果室内空間を冷房する方式ではあるが、何れも冷却空気は乾球温度を用いており、それより低温度が得られる湿球温度を利用していない。即ち乾球温度を利用して換気冷房乃至は換気除湿を行っている事例であり、そのエネルギー効率は優れているとは云えない。
確かに、これらの技術は建物の内部空間から単純に室内空気を排気する方式に比べて換気空気のエンタルピーを高めて廃棄し、それによる空調エネルギーの損失が減少する効果を生じている。しかも何れも換気エレメント乃至は全熱交換器と呼ばれる室内外空気間の温度と湿度即ち全熱の熱交換器を設置して換気によるエネルギー損失を低減させている効果も有しているし、デシカント除湿機能や除湿運転機能を備えている点では湿度制御による空調の快適性確保という点でも優れたシステムである。
しかしながら、前述した加熱乃至は冷却にエネルギーを消費している事に加え、デシカ
ント除湿機能と排気を利用した換気空調の間には相乗効果が無く、消費エネルギー削減効
果が限定的である。即ち特許文献１では冷却器と再熱器の実現に多大なエネルギーを消費
しており、特許文献２では冷却器６、７と加熱再手段４にやはり多大なエネルギーを消費
している。

特許文献３では換気するために室外に排気する室内空気を使って室内空気を冷却する技術が提示されており、優れた冷却効果を実現している。しかしながら室内空気を室外空気で冷却する本来の冷房効果は得ることが出来ない。
本発明は、冷凍サイクルなどを介在せずに室外空気で直接室内空気を効率良く冷却する技術を提示するものである。

特開平０６−１２３４４４号広報特開２０００−１１１０９６号広報特開２０１５−１６６６４９号広報

本発明が解決しようとしている課題は、
冷却する空気の温度を散水によって湿球温度近くまで低温度化した上で、冷却される空気と熱的に接触させて、効果的に冷却を実現しようとするもので、所謂水蒸発間接冷却器に関するものである。例えば双方の空気が同じ温度でも冷却する空気に散水して湿球温度近くまでその温度を下げ、それで冷却される空気と熱交換させれば冷却される空気を冷却することができるわけで、この原理を利用すれば湿度の低い時には、室内空気を、室外空気の湿球温度近くまで冷却することが可能になるわけで、冷凍サイクルや、吸着装置、デシカント装置を使うことなく冷房ができるわけである。

この空気対空気熱交換器の冷却効果を高めるには、冷却する空気側の伝熱面に散水した水を伝熱面全体に広めて伝熱面全面の濡れ性を維持して伝熱量を確保し、かつ伝熱面を当該散水した水が連続的に流れ落ちることにより全伝熱面の水の温度が均一化されてしまって其の結果十分な総伝熱量を確保できない現象を防ぐ？この両方の性能向上効果を如何に実現するか、大きな課題である。
通常、この種の熱交換器で、双方の空気間で顕熱熱交換する場合、対向流で流す場合は空気の流れ方向に従って温度分布は変わり、全伝熱面が同じ温度に成らない。対向流の効果により冷却伝熱量が増加するのが普通である。
今回の水蒸発潜熱を利用するケースでは冷却用の水を大量に供給して循環させると水の温度は伝熱面に渡って均一化されてしまい、空気を対向流で流してその間の伝熱量を増やそうとする場合、其の対向流による温度傾斜による伝熱量が増える効果は失われてしまうからである。

以上の空気対空気熱交換器を用いて熱交換して後に冷却される空気を室内空間に、冷却する空気を室外に排気させることにより室内を冷房させることは可能である。
しかしながら、その効果は冷却される空気の到達温度は冷却する空気の湿球温度によって冷却されるため、当該湿球温度以下には下げることが出来ない。例えばその場合の空気の状態変化を図６の空気線図に依り説明すると、図に示した通り、冷房機に関するJISの運転標準条件は室外空気温度は３５℃、其の相対湿度は４０％であり、其の湿球温度は２４℃である。従ってこの空気を冷却する空気として利用した場合は冷却される空気の理論上の到達最低温度は２４℃となり、水の蒸発潜熱利用技術では決してそれ以下の温度に冷却することは得ることはできない。冷房の快適性から要求される冷房機の吹き出し温度は２０℃以下であるので、この温度ギャップが課題であり、冷媒圧縮に依る冷凍サイクルを用いた方式のエアコンが使われる理由であると言える。

そこで、本発明に依る技術は、冷却する空気を冷却する空気自身の湿球温度で一端冷却し、冷却されたその空気に散水する事により湿球温度より低温度の露点温度に近い温度まで冷却させることができる原理を有効に使おうとするものである。
従って冷却する空気として一端露点温度を目指して冷却し、その温度の冷却する空気（室外空気）により室内空気を冷却する方式の具体的な実現を図る。その場合の空気の状態変化を図６の空気線図に依り説明する。
図からわかる通り、上記の温度条件では室外空気の露点温度は１９．５℃であるから、この室外空気で室内空気を冷却すれば２０．０℃近い温度まで冷却する事が出来ることになり、冷房装置として１００％充分では無いが、実質的に冷房機として人々に受け入れられる装置が実現できる。本発明の目的とするところは上記の様な優れた冷却効果のある技術である。
本発明はこの様な従来に無い冷却効果を得ることが出来る冷却方法としての空気対空気熱交換方法の方式、構造、作動方法、材料等に関する新しい具体的な技術を提示する事である

上記空気対空気熱交換器の冷却する空気側の伝熱面には水を散水して其の温度を下げることが行われる。この散水された水は分散ノズルで通風路吹き出し口である上部から散水される。しかしながら、この水は通風路の伝熱面を下に流れると同時に相互に集まり、筋状になって伝熱面上を流れ落ちるため、伝熱面にくまなく分散して其の面を濡らすことは無い。このため伝熱面の表面の材料にもよるが、水に濡れていない面積が大半となってしまい、当初計画した冷却特性を発揮できない。この伝熱面の濡れ性を確保することが性能向上に重要で、伝熱面に細い繊維を植毛したり、伝熱面上に吸湿性の良い布状の材料を貼り付けたりする。この結果、水濡れ性は向上し、冷却性能が向上する。しかしながら、使用時間が経つと、この方法では水に含まれるケイ酸カルシュームや炭酸カルシュームなどが析出してスケールと成って固着するため、植毛や布は吸湿性を失う。この結果水濡れ性は劣化し、伝熱面を効果的に濡らすことができなくなり、冷却性能を維持できなくなるという問題がある。

冷却効果を高めるため、冷却する空気と冷却される空気の流れる方向を対向流に構成した通風路を形成し、一方水はその蒸発潜熱を利用するため、水の自然落下の効果を利用して上部の通風路入口に於いて散水し、通風路下端でドレンパンに集める。これらをうまく作動させる空気対空気熱交換器としての構成は簡単では無く、複雑な構成であって高度な冷却性能を発揮させることができる構造である必要がある。
さらに、冷却装置としての次の様な特性に叶った材料、構造である必要がある。即ち全部材の水に対する耐蝕性、水濡れ性、伝熱面と本体枠体の構成と製造性、水の散水と集水保持構造、其の上での熱交換器のサービス交換性などを満たす空気対空気熱交換器を構成する基本的な技術、材料、構造の明確化が重要であり、本発明の空気対空気熱交換器を具体化する技術が求められる。

以上の各種課題を解決するための技術を説明し、各特許提案請求項との関係を明確化する。
この冷却効果の高い空気対空気熱交換器を実現する基本的な技術を請求項１に示す。この空気対空気熱交換器は冷却する空気をあらかじめ一端冷却しておいて更に冷却して冷却効果を上げる技術に関するものであり、図２、図３を用いて説明する。あらかじめ冷却するために自分自身の下流部分の空気５に散水し、それで自分自身の上流部分の空気３を冷却させ、その冷却された空気（上流部分の空気の出口空気）を使って、その後、下流部分となった空気に散水して、上流部分の冷却する空気と冷却される空気２−４を冷却するもので、その構成についての技術について考案している。室外空気３は冷却する空気の流入、上流部分であり、５は冷却する空気の下流部分である。冷却する空気は３の如く流入し、５の空気に依り冷却されながら冷却される空気の流れる通風路ゾーン１ゾーン２内を上昇し、最上部でＵターンして５に代わり、冷却する空気の流れる通風路に入り、冷却する空気３及び冷却される空気２の両方を冷却する。冷却される空気２は冷却されて上部に達し、上部の側面から４となって吹き出される。このとき、冷却する空気の下流部分は図３の上部側面図に５に依って示す様に、散水ノズル１３に依って散水された水とともに冷却する空気の流れる通風路（図では薄く塗りつぶした通風路）へと流入し下方へと流れる。

以上で分かる通り、下方に流れる空気の通風路は冷却器１４の上面、下部の側面に開口部がありその他の部分は閉じている。一方情報に流れる空気の流れる通風路は冷却器１４
の下面、上部の側面に開口部がありその他の部分は閉じている。しかして冷却する通風路に上から散水された水は冷却される通風路に流れ込むことは無く、冷却される空気及び冷却する空気の上流部分に入り込むことは無い。しかして冷却される空気の出口の空気４には水分が入り込まない。
請求項２では冷却する空気３−５を室外空気、冷却される空気２−４を室内空気とすれば、この水蒸発式冷却器を使って室外空気に依り室内空気を冷却して冷房装置となすものである。
以上述べたような蒸発間接冷却器では理論上、冷却する空気の湿球温度が冷却達成限度となる。図６の空気線図を参照して、例えば、空調装置のＪＩＳ基準の試験評価条件である室外空気温度３５℃湿球温度２４℃、室内温度２７℃、湿球温度１９．５℃の場合で説明する。２７℃の室内空気（図中Ａ点）を３５℃の室外空気（図中a点）では冷却できない。そこで室外空気に散水してｂ点まで冷却して２４℃にしておけば、これで２７℃の室内空気を冷却できる。しかしながらその温度差は３℃しかないため冷却効果は小さくなる。そこで請求項１及び２の技術により、まず室外空気３５℃（a点）をｇ点（２４．０より僅かに低い温度）に冷却した空気に散水するとｈ点（２１．０℃）まで冷却できる。これは冷却する空気の下流部分の空気に散水して熱交換することにより実現できる。上流部分でa点からｇ点までの冷却は、ｈ点の空気（ｇ点の空気に散水した下流部分の空気）とa点の上流の空気とを熱交換させることにより実現できる。このとき下流の空気は散水状態にあり、ｈ点からｆ点まで移動することにより上記の空気を冷却した熱を吸収する。

この結果冷却する室外空気は原理的には最大２１℃に冷やすことが出来ることになり、この室外空気と２７℃の室内空気と熱交換させればそれを冷やすこと（即ち冷房が）できる。この結果、３５℃の室外空気で、２７℃の室内空気を冷やすことが可能となる。但し以上は原理的なものを説明するもので、熱交換性能は無限に高性能な場合である。現実的にはこの原理的特性に何処まで近づけることが出来る化は実用的な問題がある。請求項３ではこの為、具体的な水蒸発冷却器についての技術を提示している。冷却器は多数の伝熱面を積層させて構成し、互い違いに冷却される空気と冷却する空気を流す通風路を保持させ、両空気を対向流に流して熱交換させる。冷却される空気を流す通風路の一部に冷却する空気を流して冷却する空気を冷却するのである。

請求項４はこの水蒸発式熱交換器の構成の基本に関する技術である。即ち水蒸発熱交換器を、冷却する空気を上から下に流すとともに、その入口の通風路の上部から同時に水を散水又は噴霧させ、その冷却水が該通風路の伝熱面を下方に流れ落ちながら伝熱面を濡らす。冷却される空気は逆に下から上へ冷却する空気と対向流に流し、散水した水は下に流れながら伝熱面を広く濡らし冷却する空気に蒸発しながら伝熱面を冷却し、その結果、冷却される空気を冷却する、同時に全熱交換器として、空気同士が図２、図３で解かる通り対向流であるため高い伝熱性能を発揮する。

水蒸発式冷却器の構成に関する技術を請求項５に示す。図２に示す様に多数の通風路を
重ね合わせた水蒸発冷却器を、重ね合わせる方向に二つのゾーンにわけて、ゾーン１の冷却される空気を流す通風路には冷却する空気２−４（室外空気）が、ゾーン２の同様の通風路には冷却される空気３−５（室内空気）が上向きに流れる。両ゾーンにおける冷却する空気を流す下向きの通風路には、ゾーン１で上昇してきた冷却された冷却する空気（室外空気）が流される。そのゾーンに繋がる水蒸発冷却器の周囲外側の送風路（図は省略している）はゾーン毎の空気の流れに合わせて構成される。即ちゾーン１の冷却される通風路には室外空気入口及び冷却する空気通風口と連通する風路が連結され、ゾーン２の冷却される通風路には室内空気流入口と吹き出し口が、そしてゾーン１及び２の冷却する空気の通風口はゾーン１の冷却される通風路の上部と室外空気の排気口が連通される。

請求項６では水蒸発式冷却器の構造的な技術に付いて提案している。伝熱面を長方形とし、冷却される空気は下面から上へ、冷却する空気は上面から下へ対向流に流し、図２，３で知れる通り夫々最上部、又は最下部で側面から吹き出される。同時に冷却する空気の冷却水と同じ上面から冷却する空気の通風路に散水する。図から知れる通り散水ノズル１３を多数用いて、満遍なく散水する。散水した水は蒸発して冷却を助けるが、大半は流れ落ちてドレンパン１５に集められ、繰り返し散水噴霧される。対向流の熱交換を行い、且つ上面から散水して下部で水を受けてそれを繰り返す運転がこの冷却器の構造で容易に安定して実現でき、装置全体への収納性の点でも、長方形の水蒸発熱交換器は有効である。
以上の水蒸発式冷却器を用いて冷房装置を構成する技術を請求項７に示す。製品の構成としてこの水蒸発式冷却器を組み込んだ冷房装置を提示したもので、冷却される室内空気は室内から導入され冷却されて室内に吹き出される。冷却する室外空気は室外から導入され室外へ吹き出される。この方式では、扇風機並みの電力消費量で３〜７℃冷却された室内空気が吹き出される。図６でその作動を説明する。室内外空気ともにa点（３５℃
湿度６０％）と想定すると、冷却する空気は先ずｇ点近くまで冷却される。冷却された後に散水によりｈ点まで冷却される。最初にｇ点近くまで冷却する冷熱源は後にｈ点近くまで冷却された室外空気自身であり、この室外空気の３０％程度を利用して上流の室外空気を冷却する。室外空気の残りの７０％程度は３５℃の室内空気をa点からｈ点近くまで冷却する。しかして室内空気吹き出し温度は２４℃近く（実機試験では２７℃程度）まで冷却され、充分な涼風感が得られる。

a点の温度が若干低く（３０℃）、湿度が高い（７５％）時は、冷却効果は阻害されて３．５℃程度の冷却効果となり、吹き出し温度は２６．５℃程度となる。其れでも扇風機以上の充分な涼風感が得られることが分かっている。
この請求項６と請求項７の組み合わせは、圧縮機と冷媒を使った、所謂ヒートポンプエアコンとして広く普及している装置に対抗できる冷房機としての構成を実現して居り、地球環境に負担である冷媒や電力の浪費の解消策として商品化を目指すことが出来るものである。
請求項８は更に冷却性能を向上させる技術を提示している。図３に依り説明する。ここでは冷却する空気である室外空気３は二本の一点鎖線で示されている。図中、この２本の線の下側の鎖線は、今まで説明してきたように水蒸発熱交換器の冷却空気としての室外空気である。水蒸発熱交換器１４の下から流入し、前述したゾーン１を上昇し、最上部で側面から流出して上面に回り、上面から冷却する空気としてその通風路を下に流れ、室内空気２を冷却する。最下段近くで側面から流出し、図の屋外送風機１２により屋外に排出される。新技術として図２で解かる通り、その最下段部分を更に下に延長し、室外空気が右から左へ流れる部分を追加している。この部分は水蒸発熱交換器の今まで述べてきた上下方向の通風路を下に延長し、冷却する空気の通風路の最下端部分を左右ともに開口させ、冷却する空気を左側に排出させると同時に、右から導入した別の室外空気を一緒にして左側から流出させている。

勿論、その追加した通路の右側から散水ノズルで散水噴霧している。上面から散水した
水とこの散水した水は合流してドレパン１５に集められる。この追加した部分は追加前の冷却器を大きくし、兼用のファン１２を使い、兼用のドレパンを使う一体型であるから構造は簡単で、費用の増大は少なく、大幅な性能の向上が図れるものである。
さらに、性能を確保する技術を請求項９に示す。伝熱面をアルミ薄板を用い、水平方向に渡って保水のための溝を形成する方法である。溝の上下巾は３ｍｍで溝の深さは０．７ｍｍで溝ピッチは６ｍｍ程度が選ばれる。伝熱面に水を散水すると各溝の中に水が保持されつつ蒸発し、５〜６分間伝熱面の冷却に有効に働くことが解って居る。
溝は水を保持する効果を有するが、例えば伝熱面の全幅に渡ってこの溝を整形し枠体などに取り付けて冷却器を構成する方法の場合、当該溝に保持された水は伝熱面が枠体と接するところで枠体を伝わり流れ落ちてしまうことが解って居る。そこで枠体と接するところの近傍で当該溝を終了させておくことが有効である。

冷却する空気を室外空気、冷却される空気を室内空気とする技術を既に述べた。
請求項１０では冷却する空気も室内空気を用いて冷却する空気として作動させ、高湿度に成ったこの室内空気は屋外に排気する。この排気空気は換気としての建物の空気調和に寄与する。換気が重要な装置の場合、この様な冷房装置が選択されることがある。一端冷やされた室内空気でを使って冷房するので冷房性能は高い。換気が必要で、他に換気装置を設置する様な場合はこの方式の冷房装置を選択する。
従って、請求項１１では、冷房装置を換気無しで運転する場合と換気有りで運転する場合とで選択して使用することができる技術について提示している。冷房性能、換気性能のどちらを重視するかを選択するために、図視していないがダンパーの開閉に依り風路ダクトの切り替えに依って冷却する空気を室内から導入するか、室外から導入するかの選択を行うことにより決めることが出来る。

請求項１２は、冷却水の蒸発によって水に含まれるミネラル成分である炭酸カルシュームなどが濃縮されて析出し生じるスケールやゴミの装置内への析出、堆積を最小化する技術を提示している。供給する水道水を装置が必要とする水量より多く供給し、ドレンパン等から自然にオーバーフローさせる方法である。極めて簡単な方法で確実な効果が見込める。
水道水の供給水圧には夫々の地域で差があるから、水道水供給部に定圧供給弁を設置するか、装置を設置する時に供給水量を設定した水量に調節できる機構を設置する方法などが有効である。
以上述べてきた水蒸発式冷却器の性能は、伝熱面の水濡れ性を良好にし、且つ伝熱面の温度分布を保持した状態に維持するという双方の効果を満たす技術として、実際上は断続的に散水することが有効である。実験ではアルミ板の伝熱面の場合、２０〜３０秒間連続最大量散水を行い、４〜６分間散水を停止する方式が有効であった。この繰り返しにより述べてきた水蒸発冷却効果を実現できることを確認している。３０秒間の多量の散水により伝熱面のほぼ全面に水が行き渡る、散水を停止すると数秒後には伝熱面の各点の温度、即ち水の温度は空気側の条件によって其の分布を変える。この結果、全面が均一な温度であるより多量の伝熱が行われることが確認できている。双方の空気が対向流であれば前述した通りに、より多くの伝熱を行わせえることができるし、対向流でない場合でも、其の伝熱量増加への影響は小さくない。６分間の散水停止時間は伝熱面の状態、即ち水を保持しやすいか否かによって最適時間を選定する。

以上の発明により以下の様な効果を期待できる。
１、水蒸発潜熱の冷却効果と冷却する空気を一旦冷却させてから水蒸発冷却する空気として使う２段冷却に依り、ファンモータと水ポンプ以外に動力源を使わずに効果てｒ機に室内空気の冷却を行う冷房装置を提供できる。
２、以上の冷房装置は圧縮機や冷媒による冷凍サイクルを用いた従来の冷房装置に比べ、製造減価の低減が期待でき、また一次エネルギー使用量の少ない冷房装置を実現できる。
３，高い伝熱特性による高性能な空気対空気熱交換を実現でき、これを用いた冷房装置の高性能化、小型化、コスト低減が実現できる
４，冷却用の水の最適利用が実現でき、水の使用量の削減とスケールや汚れの発生を少なくし、製品の長寿命化が実現できる。
５，環境エネルギー装置として今後の普及が期待される燃料電池、バイオマス発電装置、太陽光ハイブリッド発電温熱装置などの電力と温熱をハイブリッドで出力する装置の電力と温熱を夫々本冷房機のファンモータ電力とデシカント再生用温熱に利用して作動させるシステムの実現に適している。
６，本冷房機の低温度及び低湿度化技術を駆使して、低温度出力空気で冷却水をつくりそれを冷房空間の外周壁や床や天井の冷却に利用し、低湿度空気をその冷房空間に送り、合わせて極めて快適な未来型冷房を簡単なシステムで実現することができる可能性がある。

本発明による水蒸発冷却器を使って、製品化した冷暖房装置の構造の側面図本発明による水蒸発冷却器の構造斜視図本発明による高性能化した水蒸発冷却器と周囲構造の側面図と冷却器上部の散水方式と通風路の概要図本発明による水蒸発冷却器の伝熱面図本発明による水蒸発冷却器とともに図１の冷暖房機に使用されるデシカントブロック構造略図本発明による水蒸発冷却器の作動状態を表す空気線図

図１に本発明の技術を織り込んだ冷房装置1を示す。其の中に水蒸発冷却器１４を設置している。この冷却器の構造をわかりやすくした図を図２に示す。冷却される空気である室内空気２は図１の左下の室内側から室内空気送風機１１により装置１に取り込まれる。室内空気の温湿度はJIS空調標準条件では２７℃相対湿度５０％である。室内空気送風機は図１では手前の遠心シロッコファンのみ記載されているが、奥にもう一台のシロッコファンがあり、合わせて２台のファンで室内空気を送風している。室内空気が図の左下部分から吸い込まれ、
デシカントブロック６を通過して除湿され、水蒸発冷却器１４の下部に送風され、そこで室外空気３更にはUターンされた室外空気５により冷却されて冷却器１４の最上部に達しA部矢視図にみられる様に冷却器１４の最上部の側面から送風機１１の手前側ファンに吸引され、加湿器１６で調湿されて室内に送風され、室内吹出し空気として室内に送られ室内を冷房する。温湿度は２０℃、相対湿度：RH４０％で。この空気の湿球温度は１２．３℃である。

一方室外空気３は、そのうち５０％以上がそのまま直進し、冷却器１４の下部部分を通過して室内空気２を冷却する。このとき散水ノズル１３から散水して冷却を促す。室内空気はそのまま上昇し、冷却される。室外空気の５０％以下が分離され、冷却器１４の下から図２のゾーン１を通過して、冷却される。その後冷却器の上部側面から流出し、冷却器上面へと流れ、冷却する通風路を上部から散水された水を伴って１２．３℃に近い温度で冷却器１４の冷却風路に入り、下方向に流れ、前述した室内空気と対向流状に流れ、室内空気を２０℃まで冷却した後に、図１にみられる様に屋外空気送風機１２により屋外へと排気される。

この結果２７℃ RH５０％の室内空気は最後に加湿に依り１７．０℃ RH７８％に冷房されて室内空間に送風され、室内空間を冷房する。この結果、温度降下１０．０℃、絶対湿度降下０．００１５ｋｇ／ｋｇの冷房効果が得られる。
以上の様にして通常の冷房運転を行うことは可能であるが、最終段の加湿を行なわなけれ
ば室内への吹き出し空気は２０℃で温度降下７．０℃、絶対湿度降下０．００３kg／ｋｇとなり、乾いた空気が得られる。其の相対湿度は５５％となり、この様な低湿度化運転が可能である。電動式の冷凍サイクル方式エアコンでは吹き出し空気の相対湿度は７０％〜１００％であり、その値は成り行き状態で決まるため、湿度制御が出来ないのに対し、この技術の実施例では室内吹き出し空気は約６０％〜９５％の相対湿度に調整が可能であり、冷房運転の快適性確保、黴や臭い発生の防止に有効な運転を実現でる。

このとき冷却器の上部の散水ノズル１３から散水する水道水は、３０秒散水後６分間停止する。この３０秒の散水により冷却器１４の冷却側通風路に十分な水と冷却用室外空気が図２のA矢視図に示す様に上から下に流れこみ、伝熱面全域に行き渡る。其の水は冷却器１４の伝熱面であるアルミニュームに形成した水保持用の溝に保持される。その後６分間は其の保持された水が蒸発してUターンした室外空気と伝熱面を冷却し、其の冷却熱で伝熱面の反対面を流れる室内空気を冷却する。大量の水を連続して散水する場合に比べ、散水停止する６分間は２０〜３０％多くの伝熱量、即ち冷却効果を得ることが出来る。それは冷却する側のUターンされた室外空気と冷却される室内空気の熱交換が温度分布的に対向流の温度分布を実現できるためと考えている。

冷却室外空気５の流れる冷却器１４の冷却側の通風路には上述した様に室外空気が流れ、伝熱面の水保持用の溝に保持された水道水を蒸発させて自らは伝熱面を冷却する。伝熱面は図４に概要を示す。０．１ｍｍ厚さのアルミ板に耐蝕性処理をして其の外側に親水性塗膜を付けたもので、保水用の溝を形成している。その形状は重要で、この実施例では溝の横断面形状は高さ３ｍｍ、深さ０．７ｍｍ、溝同士間の距離は３ｍｍ、であり、従って溝ピッチは６ｍｍとなっている。溝の両端は伝熱面両端との間に８ｍｍの溝なし部分があり、其の部分を樹脂枠体で固定保持しても、溝に保持された冷却水は枠体を伝って流れ落ちることは無い。

前述した溝形状は伝熱面のほぼ全幅に渡って形成されているが、伝熱面の中央部を保持する場合などは溝形状の横幅を短くし、伝熱面の中間に溝のつながらない溝形状であっても其の部分の溝が連続的に上下につながらない形状にして、保水性を保つ工夫が重要である。伝熱面の表側は図示した様に溝のある面で、冷却する空気が冷却水と共に流れる通風路を隣同士の伝熱面との間で構成する。裏側が冷却される空気の流れる通風路側である。冷却される通風路の伝熱面間の間隙は４ｍｍ、冷却する側の通風路の伝熱面間の間隙は１．５ｍｍである。これは冷却される側の風量が冷却する側の風量に比べ３〜５倍と多いからである。このピッチ寸法を精度良く保つて組み立てるために額縁状の枠体で伝熱面を保持する構成にしており、この事例では伝熱面を２枚、溝の形成している側を向き合うように周囲枠部分で相互に貼り付け、その間を冷却する空気である室外空気と散布水を流している。

水蒸発冷却器の構成を図２に示している。その主な構成は下半分の室外空気３による冷却する部分と其の上部の室外空気で冷却する部分と一体で構成されており、冷却される空気である室内空気は、先ず横方向に流れる室外空気３と上から流れて来る室外空気５の双方により冷却され、その後さらに水蒸発冷却器内を上流へ流れ、上から流れる室外空気のみによって冷却される部分で更に冷却される。この部分は冷却される室内空気と冷却する室外空気は完全に対向流となる。

冷却水として散水ノズル１３から水道水を散水させる。最上部の散水ノズルは図２から推測できる様に８ケの散水ノズルから散水する。３０秒の散水時間と６分の停止時間を繰り返している。一方、屋外空気で冷却する部分は下の散水ノズルから横向きに散水する。
こちらは連続散水か、散水時間率を増やすと冷却効果は高まる。

散水ノズルからの散水量は図示していないがドレンパンの下に設けたポンプにより１０L／時間程度の総循環流量を確保する。一方供給する水道水は図２に示す様に加湿器部分への散水ノズルを通して１０L／時間、を目安にトータル散水量を制御している。装置全体の冷却による水蒸発量は４L／時間程度であるから、其の差である６L／時間の水量はドレンパン１５からオーバーフローしてドレンニップル１８から装置外へ排出される。この結果循環する冷却水に含まれるミネラル成分の過度の濃縮を避ける事が出来、スケールの発生、汚れの堆積などを防ぐことができる。

デシカントブロックは図１及び図５の６、に依って示される。二枚の平坦なブロックを全体が円筒状の構造で支持円盤右２３及び左２４で回転自在に設置されて、回転用モータ１０で４分毎に１８０℃回転され、二つのデシカントブロックは室内空気流路２と室外空気流路３の中で繰り返し配置位地替えをしている。デシカントブロックはエアコンの最下端部で、熱源冷媒流入管から温熱を供給されたデシカント熱交換器７により６０℃の温水又は冷媒に依り加熱された室外空気３により加熱され、脱湿される。脱湿されたデシカントブロックは定期的に回転されて室内空気側に回り、室内空気２から吸湿する。これを繰り返して室外へ放湿し、室外から吸湿する。デシカントブロックは高分子素材又はシリカゲル素材をハニカム条に成形して図の風の方向に流れる構造となっている。今回の事例では流路方向暑さ寸法が１００ｍｍ、円筒の軸方向が６００ｍｍ、幅方向が３００ｍｍである。ブロック回転用モ―タは図１，５で知れる通り、軸センターに設置され、同軸回転作動させる。円筒ブロック停止位置はセンサーにより設定され、空気の密閉性は円筒の外周の適宜場所に備えた封止ブラシでシールして保たれている。

デシカント熱交換器７には太陽熱温水やガス給湯温水を流して使うが、スプリット型電動ヒートポンプ空調機の冷房運転時の放熱器（凝縮器）を用いて、ヒートポンプが冷房運転すればその排熱がそのまま、このデシカントブロックの放湿用熱源として利用され、両方の空調機が冷房運転を行い、著しい省エネ（効率２００％）を実現することが出来る。
熱交換器７として、ヒートポンプ用と温水用の２台の熱交換器を組み込んでおいても良い。
放熱用熱交換器３０は吸熱用熱交換器３１とを温水又は熱倍で連結して、３１で室内空気を冷却した熱を室外空気に排熱して、冷房効果を高めるものである。そのための温水循環用にポンプを用いても良く散水ノズル１３用の温水ポンプと兼用させても良い。

冷媒と圧縮機による冷凍サイクルを用いた冷房装置に変わって動力無しもしくは電力は無くて、主に温熱を動力源にした冷房装置を実現できる可能性がある。その結果世界的に課題である冷房による電力の消費量を削減できる可能性がある。

１冷房装置本体
２室内空気
３室外空気
４室内吹き出し空気
５水蒸発式冷却器冷却用室外空気
６デシカントブロック
７デシカント加熱用熱交換器
８熱源冷媒又は温水
９室内外壁
１０デシカントブロック回転用モータ
１１室内空気送風機
１２屋外空気送風機
１３散水ノズル
１４水蒸発式冷却器
１５ドレンパン
１６加湿器
１７水蒸発式冷却器周囲壁
１８ドレパン排水管
１９水蒸発式冷却器伝熱面
２０水蒸発式冷却器保水溝
２１水蒸発冷却器伝熱面両端
２２デシカントブロック仕切り版
２３デシカントブロック支持円盤右
２４デシカントブロック支持円盤左
３０放熱用熱交換器
３１冷却用熱交換器
３２ゾーン１
３３ゾーン２
３４ゾーン間仕切り

Claims

冷却する空気の上流部分の空気と、該冷却する空気の下流部分の空気を二分割した一方の空気とを伝熱面を介して熱的に接触させると同時に、
当該下流部分の二分割した一方の空気に乃至は当該二分割した一方の空気に接する前記伝熱面に水を散水又は噴霧して蒸発させて当該伝熱面を冷却し、前記伝熱面を介して伝熱面の反対面側を流れる前記冷却する空気の上流部分を冷却し、
冷却される空気と、冷却された前記冷却する空気のその下流部分の前期二分割した他方の空気とを伝熱面を介して熱的に接触させると同時に当該他方の冷却する空気に乃至は当該他方の冷却する空気に接する伝熱面に水を散水又は噴霧して蒸発させて当該伝熱面を冷却し、その結果当該伝熱面を介して前記冷却される空気を冷却することを特徴とした水蒸発式冷却器。
平面状の薄い仕切り壁を伝熱面として多数枚数の該伝熱面を所定の間隔の通風路を保持するべく順次重ねて伝熱面を垂直に設置し、該伝熱面の間の前記通風路に一つおきに流れる冷却する空気と冷却される空気を対向流に流して前記伝熱面を介して熱交換させる空気対空気熱交換器を利用し、
前記冷却される空気を流す全通風路の一部の通風路に前記冷却される空気を流し、同時に前記冷却される空気を流す全通風路の前記一部の通風路を除いたその他の通風路に冷却する空気を流して流出させた後に、前記冷却する空気を流す通風路に流し、
前記冷却する空気を流す通風路を流れる前記冷却する空気に散水させて又は該冷却する空気が流れる伝熱面に散水させて該伝熱面を濡らしながら蒸発させて、該伝熱面を冷却することにより該伝熱面の反対面の前記冷却される通風路を流れる前記冷却される空気と前記冷却する空気の双方を冷却することにより、前記冷却する空気に依って前記冷却される空気を冷却することを特徴とした水蒸発式冷却器。
前記冷却する空気は上から下へ、冷却される空気は下から上へ対向流に流し、冷却する空気を流す通風路の上部から散水又は噴霧させたことを特徴とした請求項３に記載の水蒸発冷却器
前記伝熱面を積み重ねて前記水蒸発熱交換器を一体に構成し、前記冷却される空気が流れる通風路を前記冷却される空気が流れる通風路ゾーンと前記冷却する空気が流れる通風路ゾーンに二つのゾーンに分け、且つ前記水蒸発熱交換器に流入する冷却される空気は前記冷却される空気の流れる通風路ゾーンに流入して、該ゾーンから流出させ、冷却する空気は前記冷却する空気が流れる通風路ゾーンに流入し、当該ゾーンを流出させた後に、前記冷却する空気の流れる通風路の両ゾーンの全ての通風路に流して流出させることを特徴とした請求項１、２、３の何れか一項に記載の水蒸発冷却器。
大略平面状で、外周が長方形の４辺からなる薄い板からなる仕切り壁を伝熱面として、多数枚数の垂直に設置した該伝熱面を所定の間隔で順次重ねて、該伝熱面の間に空気通風路を構成し、該空気通風路を一つおきに流れる冷却する空気と冷却される空気を前記伝熱面を介して熱交換させる熱交換器において、
冷却される空気は該熱交換器の下面から前記冷却される空気が流れる通風路を下から上へと流し、上記熱交換器の最上端近傍の側面又は両側面から流出させ、冷却する空気は上記熱交換器の上面から前記冷却する空気が流れる前記通風路を上から下へと流し、上記熱交換器の最下端近傍の側面又は両側面から流出させ、同時に冷却する空気の通風路には水を散水又は噴霧してそれを蒸発させて、冷却される空気と冷却する空気を熱交換させることを特徴とした水蒸発式冷却器。
前記水蒸発冷却器に於いて、前記冷却される空気と冷却する空気が熱交換する水蒸発熱交換器の冷却される空気の上流部分に於いて、前述した冷却する空気とは別の冷却する空気に依って冷却される空気を前段で水蒸発式冷却する熱交換部分を前述した通風路を下方向に一体的に延長した形で設けたことを特徴とした請求項１，２，３，４、の何れか一項に記載の水蒸発式冷却器。
平面状の薄い仕切り壁を伝熱面として多数枚数の該伝熱面を所定の間隔の通風路を開けて垂直に設置し、該伝熱面の間の前記通風路に一つおきに流れる冷却する空気と冷却される空気を前記伝熱面を通して熱交換させる空気対空気熱交換器を利用し、
前記冷却する空気乃至は其の通過する通風路内に水を散水させて水の蒸発潜熱で当該通風路に面する伝熱面を冷却することにより当該伝熱面の裏面において前記冷却される空気を冷却し、冷却された当該空気を室内空間に吹き出させ、又は当該空気の冷気を室内空間に伝え、一方、前記冷却する空気を室外に排気させることを特徴とした冷房装置に於いて、
前記伝熱面として薄いアルミ板を用い、当該伝熱面が垂直に成るように配置し、且つ当該伝熱面の表面に垂直方向の断面が連続する凸凹があり、水平方向の断面が大略直線と成る様に溝を成形し散水された前記水を当該溝部で保持させる様にしたことを特徴とした請求項１、２、３、４、５、６の何れか一項に記載の水蒸発式冷却器。
前記冷却する空気を室外空気とし、前記冷却される空気を室内空気とし、前記水蒸発熱交換器で熱交換させる請求項１、２、３、４，５、６、７に記載の水蒸発冷却器を搭載し、前記室外空気は室外に吹き出し、前記室内空気は室内に吹き出させたたことを特徴とした冷房装置
前記冷却する空気も冷却される空気も共に室内空気とし、前記水蒸発式熱交換器で熱交換させる請求項３、４、５、６、７に記載の水蒸発冷却器を搭載し、前記冷却される空気は室内に吹き出し、前記冷却する空気は室外に放出させたたことを特徴とした冷房装置
冷却する空気と冷却される空気を室外空気と室内空気とする設定と、室内空気と室内空気とする設定に切り替え操作が可能で、請求項１、２、３、４、５、６、７、の何れか一項に記載の水蒸発式冷却器を搭載し、前記冷却される空気は室内に吹き出し、前記冷却する空気は室外に放出させたたことを特徴とした冷房装置
水蒸発冷却器用の水道水を散水補給する機構を設けて、運転時に水の蒸発による水量よりも一定量だけ多い量の水道水を補給するか、一定時間運転後に一定量の水を排水させて、一定割合の水量を冷房装置外に排出させる制御を適用したことを特徴とした請求項８、９、１０のいづれか一項に記載の冷房装置