(57)【要約】【課題】  大規模ビルの空気調和設備に使用されている各種の熱交換器の性能向上、コンパクト化、軽量化、価格低減を進めること。【解決手段】  無公害なポリエステル樹脂の微細繊維を固化してシート状に成型した材料を使用して空調用の熱交換器としては初めての通水性の良い材料を使用することによって初めて可能となる、重力で下へ落ちる水を遮る形状にプリーツ加工を施したシートを配列し、これまでは垂直使用のみに限られていた形状の自由度を広げてコンパクトで平面積当たりの散水量を増加して熱伝達係数と物質移動係数を高め、かつ、送風機電力を節約できるようにする。  かつ空気調和機に使用すれば完全なカウンターフロー熱交換となり、熱伝達係数が増加し、コンパクトになる他、直接接触式の利点を活かして、外気に含まれる水溶性の不純物ＳＯＸ，ＮＯＸなどの除去を可能にする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリエステルなど無公害の樹脂製微細繊維をバインダーまたは熱加工によって通水性の高いシート状に成型し、隙間を空けて配列し、これを主材料とすることを特色とした充填材に被冷却水を散水をして、ここを送風機で通風させる空気に散水を蒸発させて被冷却水を冷却する冷却塔に使用する熱交換器ブロック。
【請求項２】
請求項１と同様の充填材と被冷却水を冷却する冷却管を適宜配列し、循環式散水装置で散水し、ここを送風機で通風させる空気に散水を蒸発させて被冷却水を冷却する密閉式冷却塔に使用する熱交換器ブロック。
【請求項３】
請求項１と同様の充填材と冷媒ガスを凝縮させる冷媒凝縮管を適宜配列し、循環式散水装置で散水し、ここを送風機で通風させる空気に散水を蒸発させて冷媒ガスを冷却凝縮液化させる散水蒸発冷却式凝縮器に使用する熱交換器ブロック。
【請求項４】
請求項１と同様の充填材と冷媒ガスを凝縮させる冷媒凝縮管と外気が低温の季節に冷水を冷却するフリークーリング用水冷却管を併設し適宜配列して、循環式散水装置で散水し、ここを送風機で通風させる空気に散水を蒸発させて冷媒ガスを冷却凝縮液化させ、またはフリークーリングで冷水を冷却させる、フリークーリング機能付き散水蒸発冷却式冷媒凝縮に使用する熱交換器ブロック。
【請求項５】
請求項１と同様の充填材にチラーからの冷水を循環散水して、ここを送風機で通風する空気から冷水に熱と水蒸気を吸収させて、当該空気を冷却除湿させるための空気調和機に使用する熱交換器ブロック。
【請求項６】
通水性の高い素材の特色を活かして重力で下方へ流れまたは落下する散水と交差する状態で充填材を成型するシートを配列し、熱交換器ブロックの体積当たりの熱伝達率、物質伝達率を向上した請求項１の熱交換器ブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  空気調和設備の各種熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】  今日、空気調和設備で使われている、空気調和機用、凝縮器用の金属製プレートフィン熱交換器、シート状樹脂を間隔を置いて配列した冷却塔の充填材、密閉式冷却塔に使用されている前記充填材と冷却管との組み合わせなど、熱交換器について基本的な改善がここ１０年以上なされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  空気調和設備において、熱交換器は圧縮機、送風機、ポンプなどと同様に重要な性能部品であり、使用される数から考えると圧縮機などより多く、その性能の改善、コストの低減、コンパクト化、軽量化は重要な課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  近年、アスベスト公害が認知され、それまで加湿用の素材として使用されて来たアスベストに代わって、無公害なポリエステル系などの樹脂の微細繊維をバインダーまたは熱加工によって成型したシート状の素材が開発され、加湿用の素材として使用されるようになった。この素材は加湿用の皿から水を吸い上げる性質に優れており、これは微細繊維の隙間による毛細管現象による。【０００５】  冷却塔に使用される充填材はここ数十年は樹脂シートを熱成型または真空成型して空気流通のための隙間を空けて等間隔に垂直に配列したクロスフロー用のものや、ハニカム状に接着、展伸して成型したカウンターフロー用のものが定着しここ数１０年進歩が見られないが、上記、加湿用に開発されたポリエステル樹脂などの微細繊維を固化して成型した新素材を使用して冷却塔用の充填材を造り、性能試験をおこなった処、これまでに比較してコンパクトで省エネルギー性能の高い充填材となることが判明した。【０００６】  これはシートの通水性の高さを利用して、水平方向に配列された冷却管群の隙間にプリーツ状に折り曲げた前記シートをプリーツの折り曲げと冷却管が直交しプリーツの幅が上下の冷却管にきつく当たる様に、かつ、ほぼ水平に配置する。【０００７】  上方からの散水は最上段のシートを充分に濡らし、通水性のために下面に流れ下方の冷却管との接点から冷却管の表面に伝わり、冷却管の表面を濡らして、冷却管下方の下段のシートとの接点から下段のシートに伝わりこれを充分に濡らして次々に下方へ散水を極めて均一に分布し、熱交換ブロック全体のシートが濡れて充分の水を含み、冷却管表面も全て濡れた状態を造る事ができる。【０００８】  このプリーツ状シートのプリーツに沿って冷却空気を通風すると散水が蒸発して循環散水の温度が下がり、冷却管も循環散水との蒸発と空気によって冷却されて極めて効率よく冷却され、内部を通過する被冷却水や冷媒ガスを冷やして冷却水の温度を低下させまたは冷媒ガスを凝縮冷却させることができる。【０００９】  在来の樹脂製シートは通水性がないため、重力で下方に流れるか落下する散水を横切る方向の配列はできず、したがって垂直方向の配列に制限されていた。そのためコンパクトな配置が困難であり、熱交換器の体積が大きく、構造的に空気の通過面積が制限を受ける場合、奥行きが長くなり通風抵抗が大きくなって、送風機電力が過大になる傾向を免れなかった。【００１０】  空気調和機については同様に、前記、新素材を使用して平面状の長尺シートを１枚とプリーツ状に折った長尺シート１枚をプリーツの突起の部分で接着したものを、プリーツに平行な軸を中心に必要な直径になるように巻き取り、軸垂直に取り付けて、上部に回転式散水管を設けて冷水を散水し、空気を下面から垂直に上向きに通風して完全なカウンターフローで直接熱交換を行う。これもまた、在来のプレートフィン熱交換器に比較すると体積当たりの熱交換率、物質交換率が高い値が得られ、かつ、空気抵抗も小さいため、除湿空気の露点温度を冷水入り口温度に極めて接近させることができ、省エネルギー性能を向上させることができる。【００１１】  冬季の加熱・加湿にも直接温水と熱交換できるために、１５℃程度の微温水でも��気または還気と外気の混合空気の露点を、給気に必要な条件まで加熱・加湿が可能となるため、廃熱を利用しての暖房の可能性を大きく高めることができる。【００１２】  在来の空気調和機にはここ３０年以上金属熱交換器が主流で使用されてきたが本発明による熱交換器ブロックは直接接触式であるため、最近、公害問題で悩みの種となっている、外気中に含まれるＳＯＸ、ＮＯＸなどの水溶性の不純物をい容易に除去できる。
【発明の効果】
【００１３】  本発明による熱交換器ブロックを開放型冷却塔や密閉型冷却塔、散水蒸発冷却式凝縮器、フリークーリング機能付き散水蒸発冷却式凝縮器に用いると、その通水性の良さが要因で、熱交換器がコンパクトで通風抵抗が少なくなるため、全体の寸法がコンパクトになり送風機電力が節減でき、大幅な省エネルギー化と据え付けスペースの節減など多大な効果が期待できる。【００１４】  本発明による熱交換器ブロックを空気調和機に用いると、熱交換器の体積当たりの熱伝達率、物質交換率が高いため、コンパクトとなり、さらに直接接触式熱交換器としての効果が得られ、水溶性の不純物質が除去され、空気調和の質を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  大形開放型冷却塔に多用されるクロスフロー熱交換器ついてはポリエステルなど無公害の樹脂製の微細繊維を固化したシート状の素材を平面状のものとプリーツ状のものを交互に、プリーツの方向が一定になるようにほぼ水平に重ねてブロックを造り、上方から散水し、プリーツに沿わせて送風機で通風できる構造が望ましい。【００１６】  通常の大形解放型冷却塔は上向き排気の軸流れ送風機を中心に２台のクロスフロー熱交換器を設置する形が多く、空気の流通経路が垂直方向には仕切りがなく自由通路になっているため、送風機に近い部分では熱交換器の下方は通風量が少なくなり、熱交換が行われない。また垂直に開放されている熱交換器内部の空気流通路に飛び出した水滴は熱交換シートに触れずに短時間で下部水槽に達し、蒸発が殆ど起こらず、さらに空気入口付近下部では風速による散水の気流による偏りのためシート表面が乾燥し勝ちで熱交換に関与しなくなるなどの欠点がある。【００１７】
【００１５】に述べた構造にすることで、上に述べた在来の熱交換器の欠点を無くすことが可能で、かつ、在来の垂直配列の熱交換器と同じ２０ｍｍピッチで配列をした場合プリーツのかくど６０°とした場合には同じ通風面積で３倍の熱交換面積となり、奥行きを１／３に縮小出来るため、冷却塔の平面積が５０％まで小さくなり、平面積当たりの散水量が増えて熱伝達係数も物質移動係数も大幅に向上するため性能が大幅に向上する。【００１８】  密閉型冷却塔については在来の垂直配列のシートでは冷却管の縦方向の隙間にシートを配列することが不可能に近いが、プリーツ状に折ったシートを冷却管の上下方向の隙間に水平に、気流方向にプリーツの列の方向を合わせて配列すればコンパクトな構造が実現する。【００１９】  在来の１００トンの密閉型冷却塔では１９ｍｍの冷却管１１００ｍ、散水蒸発シート２００ｍ２を使って、通風面積８ｍ２、平面積（熱交換器のみ）３．５ｍ２、体積６ｍ３を必要としているが、【００１８】の述べた構造のシートの配列を使用すれば熱交換器の平面面積が２／３となり、平面面積当たりの散水量が増加するため、熱伝達係数も物質移動係数も大幅に向上するため性能が大幅に向上する。【００２０】  空気調和機については在来のプレートフィンチューブ熱交換器では空気対水の熱交換はクロスフローとカウンターフローの混在する形であるが、本発明の平面状のシート１枚にプリーツ状のシート１枚を着けて、プリーツと平行な垂直軸を中心に巻き取った形の熱交換器を使用する場合は冷水は上方から、空気は下方からの流れで完全にカウンターフローとなり、金属の管やフィンを通しての間接接触ではなく、空気と冷水がシートの表面で直接接触する事によって、大幅に熱伝達係数、物質移動係数が向上するため、金属熱交換器に比較して、体積当たりの伝熱面積は多少は少ないが結果的には単位体積当たりの性能は２倍近くに向上し、空気調和機は大幅に高性能化、コンパクト化が図れる。【００２１】  冬季の加熱・加湿については金属熱交換器は熱交換が間接的であるため、冬季の空気調和に必要な給気露点温度まで加熱・加湿するには４０℃以上の温水を使用する必要があるが、本発明による熱交換器ブロックは直接熱交換が行われるため１５℃程度の微温水で目的の加熱・加湿が可能で、大規模ビルでは冬季も必要なインテリアゾーンの冷却に使用する空調系統の戻り冷水の廃熱を熱源にして、加熱・加湿を行うことが出来る。【００２２】  都会地をはじめ、各地で公害問題の原因になっている空気中のＳＯＸ、ＮＯＸなどの不純物の内、大部分を占める水溶性のガスについては機械式のフィルターでは除去が困難で、外気を取り入れているビル空調では、ビル内部でもこの公害から被害を受ける状態であったが、本発明による熱交換ブロックを使用すれば、直接接触式で散水と空気とが十分に接触し、これら公害の原因となる水溶性のガスを効率よく取り除くことが出来、室内環境を向上出来る。
【実施例】
【００２３】  本発明の実施例を図面に沿って説明する。〔図１〕は本発明による通水性の良い材料で作成した通風散水蒸発シートをプリーツ状態お成型し、冷却管群に装着した凝縮器の実施例の一部分を示す説明図で、図中１は直径１０ｍｍ長さ３ｍの冷却管で、水平に７本が２５ｍｍピッチで平行にＵベンド２で接続され上下方向にも２５ｍｍピッチで１５ｍｍの間隔をもって、両端部と中間２カ所の支持材３により支持されていて、上下の冷却管１の各隙間にはポリエステル微細繊維を１ｍｍの厚さに熱で固化させた１８０ｍｍ幅の散水蒸発シート４を１６ｍｍ幅のプリーツ５状に折り曲げたものの１６ｍｍの中央に竹ひごの串６を２カ所で貫通させ、プリーツ５を８ｍｍの等間隔に固定した充填材ブロック７を支持材３の間隔９６０ｍｍ長さに調整して嵌めてある。〔図２〕は充墳材ブロック７のみの外形を示す鳥瞰説明図である。【００２４】  同じ材料による通水性の高い散水蒸発シート４を底部に重ねて栫８を作った上部散水槽９に注がれた水は一番上の充填材ブロックに滲み出して、これに接触しているその下段の冷却管１の表面を伝わり、さらにその下に同様に接触している２段目の充填材ブロック７に滲みだし、次々と各段の充填材ブロック７の表面と冷却管１の表面とを十分に濡れた状態とする。この充填材ブロック７のプリーツ５に沿って水平に冷却管１に直角に送風機で２．５ｍ／ｓの速度で外気を通風させる。【００２５】  このような構成により散水蒸発シート４の表面積は冷却管１の表面積の４〜５倍となって、かつ、散水蒸発シート４の表面はその通水性によってすみずみまで充分に水を含んで濡れた状態になり、全面が空気流に接して良くその水分の蒸発が起こり、冷却管１の表面もたっぷりとその冷却された水に濡れて、さらに周囲の気流による蒸発に助けられて、冷却管１の内部を流れる冷媒ガスを冷却凝縮させたり、冷水を冷却することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】  本発明は空気調和設備の改善のために考案されたもので、当然のことながら、空気調和設備に使用される熱交換器として遍く多くの空気調和設備に利用されることは確実と見られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】は本発明による散水蒸発凝縮器に熱交換ブロックの一部分を示す鳥瞰説明図であり、
【図２】は散水蒸発シートを加工してプリーツ状にした充填材ブロックの外形鳥瞰説明図である。
【符号の説明】
【００２８】  １．冷却管
２．Ｕベンド
３．支持材
４．散水蒸発シート
５．プリーツ
６．竹ひごの串
７．充填材ブロック
８．栫
９．上部散水槽
１０．熱交換器ブロック
【図１】
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【図２】
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