(57)【要約】吸着式熱交換器（Ｅ）は複数の熱交換通路（１０）を包含し、これらの熱交換通路はそれぞれの収着通路（１１）と熱接触している。収着材料（１２）は、通路（１１）の内面に固定されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱交換通路（１０）を包含し、これらの熱交換通路がそれぞれの収着通路（１１）と熱接触している収着式熱交換器において、前記収着通路（１１）がそれらの内面に固定した収着材料（１２）を包含していることを特徴とする収着式熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の収着式熱交換器において、前記熱交換通路（１０）が冷却流体（Ｆ２）を受け入れるために設けられていると共に、前記収着通路（１１）が少なくともひとつの成分を抽出しなければならない流体（Ｆ１）を受け入れるために設けられている収着式熱交換器。
【請求項３】
請求項２記載の収着式熱交換器において、前記冷却流体（Ｆ２）が空気である収着式熱交換器。
【請求項４】
請求項２記載の収着式熱交換器において、前記収着材料（１２）が前記流体（Ｆ１）の少なくともひとつの成分の収着のために適当である収着式熱交換器。
【請求項５】
請求項４記載の収着式熱交換器において、前記流体（Ｆ１）が湿り空気であると共に、前記収着材料（１２）が例えばシリカゲル、又はゼオライト、又は例えば塩化リチウムの様な吸湿性塩である収着式熱交換器。
【請求項６】
請求項４記載の収着式熱交換器において、前記流体（Ｆ２）が熱交換器（Ｅ）の前記熱交換器通路（１０）に入る前に前記流体（Ｆ２）を加湿するための加湿器（１９）を包含している収着式熱交換器。
【請求項７】
請求項６記載の収着式熱交換器において、前記加湿器（１９）は前記流体（Ｆ２）が前記熱交換通路（１０）を通過する間に前記流体（Ｆ２）を加湿するように設けられている収着式熱交換器。
【請求項８】
請求項６記載の収着式熱交換器において、前記流体（Ｆ２）が前記熱交換通路（１０）を通過する間に前記流体（Ｆ２）を加湿するために用いられる加湿器（１９）が、前記熱交換通路（１０）の入口又は熱交換器の内部に設けられている水噴射器である収着式熱交換器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が熱源（２０）から熱を運ぶ加熱流体により前記収着材料（１２）の脱離を行うように配置され、前記熱源（２０）が好適は廃熱、地域暖房システムからの熱、コージュネレーションプラントからの熱、又は太陽集熱器からの熱である収着式熱交換器。
【請求項１０】
請求項９記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が前記熱交換通路を通して流れる、飽和に近い流体により前記収着材料（１２）の再生を行うように配置され、前記飽和に近い流体が例えば１００℃の蒸気である収着式熱交換器。
【請求項１１】
請求項９記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が前記熱交換通路を通して流れる、飽和に近い流体により前記収着材料（１２）の再生を行うように配置され、凝縮の発生はこの凝縮が発生する場所にとどまっている収着式熱交換器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が前記熱交換通路（１１）内を流れる加熱流体により前記収着材料（１２）の並流脱離を行うように配置されている収着式熱交換器。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が前記熱交換通路（１０）内及び前記収着通路（１１）内を同一方向に流れる加熱流体（Ｇ，Ｇ１，Ｇ２）により前記収着材料（１２）の並流脱離を行うように配置されている収着式熱交換器。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が最初に前記熱交換通路（１０）内を流れ、それから熱源（２０）により加熱され、それから前記収着通路（１１）内に吹き付けられる加熱流体（Ｇ）により前記収着材料（１２）の向流脱離を行うように配置されている収着式熱交換器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の収着式熱交換器において、熱交換器（Ｅ）が前記熱交換通路（１０）内に導入されて前記収着通路（１１）から熱を取り上げる流体（２４）により、脱離に続く予冷却を行うように配置されている収着式熱交換器。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の収着式熱交換器を包含する空気調和又は気候順応装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の空気調和又は気候順応装置において、２つの熱交換器と、２つの加湿器と、熱交換通路（１０）における加湿のための２つの追加の加湿器と、熱源と、空気弁と、それぞれの制御装置とを包含する空気調和又は気候順応装置。
【請求項１８】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の収着式熱交換器により固体収着材料でガス混合体（Ｆ１）から少なくともひとつの成分を冷却収着する方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記流体（Ｆ１）が空気である方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の方法において、予冷却作用を包含する収着及び脱離作用が時間的に順々に行われる方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の方法において、２つの熱交換器が用いられ、いつも、それぞれ、一方の熱交換器が収着作用の状態に作動されるのに対し、他方の熱交換器が次の収着作用のために脱離又は予冷却される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収着式熱交換器及び関連する冷却収着方法に関する。
【０００２】
特に、本発明は、冷却吸着作用が固体収着材料で行われる装置及び固体収着材料での関連する冷却収着方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々の産業の適用において、ガス混合体から少なくともひとつの成分の存在を除去又は減少するために収着方法が用いられている。このようなガス混合体として例えば産業処理で用いられている湿りガスがあり、この湿りガスからは液体を抽出しなければならない。
【０００４】
空気、すなわち、水蒸気を含有するガス混合体の場合において、空気調和の間中、冷却除湿作用が行われる。空気の除湿は、空気からガス成分の水蒸気を部分的に抽出することを意味する。したがって、固体収着材料での空気からの水蒸気の冷却収着作用が空気調和の目的のために用いられ、空気流れから水蒸気を抽出する（すなわち、除湿する）。
【０００５】
オフィスビルディングのエネルギー消費の半分は、空気調和のためである。近年、太陽熱エネルギーを利用すると共に収着材料を使用する空気調和プラントが開発され、設置され、そして監視されている。例えば収着作用はサーモダイナミックオープンサイクル（乾燥蒸発冷却プラント（Desiccant and Evaporative Cooling plant：ＤＥＣプラント）で行われており、収着材料は空気加熱用太陽集熱器で得た熱エネルギーを用いる脱着又は脱離作用により再生される。多くの冷却装置が環境のために危険なものとされ、これに反して、冷媒として用いられる水は大気に対していかなる危険も生じさせない。
【０００６】
収着材料の再生は暖かい空気流れにより行われ、この暖かい空気流れは例えば太陽集熱器から来ることができる。次の段階において、再生された収着材料は外部空気を除湿し、この除湿された空気はそれから更に冷却除湿され、その後建物内に吹き付けられる。オープンサイクルを現実するために、現在に至るまで、収着材料は熱い空気で再生され、それから外部空気との接触にもたらされ、これにより空気の除湿を生じせしめる。
【０００７】
図１は、従来技術による従来のＤＥＣプラントのレイアウトを示す。この概要図において、周囲空気１は収着ホイール又はロータＳＲを通して流れる。周囲空気は、この収着ロータＳＲ内で除湿及び加熱される。空気は、それから、通路２を通して流れる。その後、空気は熱回収ホイール又はロータＷＲに到達し、この熱回収ロータＷＲ内で空気は冷却される。通路３により熱回収ロータＷＲを去る空気は、蒸発冷却作用を利用する加湿器４内の加湿により更に冷却される。その後、空気は建物内５に運ばれる。建物内５において、空気は湿分Ｍ及び熱Ｑを吸収する。空気は、建物内５を去り、それから加湿器６内で再び加湿冷却される。熱回収ロータＷＲにおいて、空気は熱を取り上げ、それから通路７に到達する。好適にはソーラヒーティングユニット８（例えば、空気加熱用太陽集熱器）である加熱ユニットにおいて、空気は更に加熱され、その後収着ロータＳＲに運ばれる。この収着ロータＳＲにおいて、熱い空気は収着材料を乾燥させる。その後、空気は収着ロータＳＲを通路９により去る。
【０００８】
回転式除湿器の技術が用いられているこの種のプラントは、それらの大きさ、すなわち、空気体積流量が約１０，０００ｍ３／ｈよりも大きい場合のみ、経済的に適当であるとされている。空気処理が熱交換器内で行われる収着式空気調和システムにおいては、収着作用が最大に行われ、コストが減少させられ、小さい大きさ（空気体積流量が１０，０００ｍ３／ｈよりもかなり低い）でも収着式空気調和システムを実現できる利点がある。
【０００９】
図１に示されているような従来の収着式空気調和プラントの方法は、まだ満足する方法で解決されない問題に直面する。これは、物理的作用の２つの状態から明らかになる。
【００１０】
第１に、収着ロータ（乾燥ホイール）は、熱脱離の後に著しく加熱される。この熱は、次の吸着作用、すなわち、水分吸い上げ作用ではじゃまなものである。なぜなら、加熱された収着材料は高温の入来空気流れから水分の量を少なく吸収するからである。収着可能性（及びこれによる冷却容量）は、もし吸着材料が収着作用中に冷却される場合には、高くなる。
【００１１】
第２に、周囲空気が収着ロータ内に入ったときに、周囲空気から湿分が取り上げられる。これにより、化学熱は、収着材料の温度増加を導かないように設定される。この熱は、流動空気により取り上げられ、その流れ方向へ運ばれる。この流れ方向に続く収着材料は、この熱の一部分を取り上げる。これは、再び、収着材料の吸収（収着）可能性の減少を導く。このほかにも、空気は好ましくない方法で加熱される。なぜなら、これは作用全体の主たる目的、すなわち、空気の冷却と矛盾するからである。再び述べるが、収着材料が収着使用中に冷却されて低い温度レベルのままである場合は、一層好適なことである。これにより、また、収着工程を去る空気の温度を著しく減少せしめることができる。
【００１２】
上述の欠点のために、従来の方法においては、吸着式空気調和プラントが不十分な又は一様ではない冷却容量を与えるたくさんの作動状態が起る。
【００１３】
従来の吸着式空気調和システム（ロータを用いる乾燥システム）の他の欠点は、２つの回転部品（ホイールＳＲ及びＷＲ）を必要とすることである。この構成は、高コストを生じせしめ、またさらに、不可避的に空気流れの混合が起る。上述の理由のために、以上述べた型式のシステムは少なくとも低い容量（すなわち、小さい大きさ）では経済的に競争できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の主たる目的は、固体収着材料でガス混合体から成分の冷却収着作用を行う装置を実現することにある。この装置は、たとえ小さい大きさの装置でも、高い効率を達成でき、また低コストを成し遂げることができる。
【００１５】
本発明の他の目的は、固体収着材料でガス混合体から成分の冷却収着作用を行う装置を用いて、高い効率を提供する空気調和又は気候順応（climatization）装置を実現することにある。この装置は、それから、小さい空気体積流量（すなわち、装置の低い容量）のために低いコストを提供して、経済的に便利なものとする。
【００１６】
本発明の更に他の目的は、特に蒸気圧縮式チラーに基づいた単一空気調和システムの代りとして、例えば単一システムとして用いることができる（すなわち、集中されない）空気調和又は気候順応装置を実現することにある。
【００１７】
本発明の更に他の目的は、固体収着材料でのガス混合体からの成分の収着方法、特に、固体収着材料での空気流れからの水蒸気の冷却収着方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上述した目的及び他の目的は、独立する請求項に記載されている収着式熱交換器及び関連する冷却吸着方法により達成される。
【００１９】
本発明による収着式熱交換器は、複数の分離した通路から成る熱交換器を包含し、これらの分離した通路は熱接触しており、かつその一部分には収着材料が固定されている。本発明によれば、収着材料はこれらの通路の一部分の内面に固定されている。
【００２０】
固体収着材料でガス混合体からの成分の冷却収着作用を行う、本発明による熱交換器の特徴及び利点は、添付図面を参照して例示的及び非限定的に述べられる下記の説明からより一層明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図２〜図８に略図的に示されているように、収着式熱交換器Ｅは、熱接触している少なくとも２つの分離した通路を包含する。
【００２２】
好適には向流式熱交換器、特に交差向流式熱交換器である熱交換器は複数の熱交換通路１０を包含し、これらの熱交換通路１０はそれぞれの収着通路１１と熱接触している。収着材料１２は収着通路１１の各々の内面に固定されている。
【００２３】
図２は、熱接触している２つの通路と、交差向流式熱交換器Ｅを通る２つの流体の通路とを示す。もし例えば熱交換器が空気調和の目的のために用いられている場合には、熱交換器を通過する流体は空気であるが、しかし、熱交換器はまた産業処理において使用される一般的な湿りガスを処理するためにも適当であり、これらの湿りガスからは流体又は少なくともひとつの成分を抽出しなければならない。
【００２４】
各熱交換通路１０において、冷却流体Ｆ２（例えば、空気調和又は気候順応装置の場合には空気である）は矢印の方向にしたがって流れる。一方、収着通路１１において、ガス混合体Ｆ１（このガス混合体からは少なくともひとつの成分を抽出しなければならず、例えば空気調和又は気候順応装置の場合には、湿った高温の空気である）は矢印の方向にしたがって左側から右側へ流れる。
【００２５】
収着材料１２は、収着通路１１の内壁に配置されている。収着材料は、収着作用を良好に行うことができる材料の中から選ばなければならず、例えば空気調和の場合には、空気除湿のために適当な材料はシリカゲル、ゼオライト及び例えば塩化リチウムのような吸湿性塩である。
【００２６】
もし通路１０内を流れる流体Ｆ２がガスである場合には、設備は、熱交換器Ｅに入る前に流体Ｆ２を加湿するための、例えば超音波加湿器のような加湿器１９を包含することができる。
【００２７】
好適な方法では、流体Ｆ２が通路１０を通過する間に流体Ｆ２を実質的に連続して加湿するように加湿器１９を設けることができる。
【００２８】
この方法において、流体Ｆ２は過剰飽和される。すなわち、流体Ｆ２が空気の場合には、この空気は熱交換通路１０を通過する前に連続して加湿され、その結果空気が熱を取り上げるや否や蒸発が生じ、これにより冷却能力が連続して与えられる。これは、例えば、通路１０の入口区域又は内部に設けられているインジェクタの手段により行われる。
【００２９】
図３は、本発明による収着式熱交換器を使用して実現した収着式空気調和装置を示す。
【００３０】
作動において、収着（すなわち、冷却）作用の間中、周囲空気は、再生収着材料１２に沿って収着通路１１内を流体Ｆ１の矢印にしたがって流れ、これにより除湿される。これにより生じた熱は、その大部分が熱交換通路１０内の冷却空気により取り上げられる。好適な方法において、熱交換通路１０内の空気は過剰飽和される。すなわち、この空気は熱交換通路１０を通過する間に連続して加湿され、その結果空気が熱を吸収するや否や蒸発が生じ、これにより冷却能力が通路１０の通過中に連続して与えられる。空気が通路１５により収着通路１１を去った後に、この空気はかなり冷却及び乾燥させれられる。すなわち、選択的に、この空気は加湿器１６内の加湿により更に冷却され、その後ファン１３により建物の空気調和室内１７に導入される。室内空気は、ファン１４により建物の室内１７から取り出され、その後加湿器１８内で更に加湿される。これは、好適には空気が過剰飽和されるまで行われる。それから、空気は熱交換通路１０内に導入される。この熱交換通路１０内において、空気は、この熱交換通路１０を通過する間に、それぞれの適当な装置（加湿器１９）により、連続して加湿することができる。
【００３１】
図４〜図６は、収着材料１２を再生する方法の３つの異なる方法を示す。一般には、広い種類の熱源を収着材料の再生のために用いることができ、このような熱源として例えば廃熱、地域暖房システムからの熱、コージュネレーションプラントからの熱、又は太陽集熱器からの熱がある。収着材料の脱離のために、例えば太陽集熱器のような熱源２０からの熱を使用するときには、ひとつ又はそれ以上の脱離方法が、太陽集熱器２０の特性、収着材料１２の種類、及び気候・気象周辺条件に依存して用いられる。収着材料１２を脱離するための他の可能性のある方法（脱離方法）は、好適には蒸発状態に近い流体、例えば１００℃の蒸気を通路１０内に循環させることである。収着材料の脱離の場合において、蒸気は通路１０内で凝縮し、脱離のための凝縮エネルギーを生じせしめる。凝縮液は好適には通路１０内にとどまり、その後通路１１内のガスの除湿作用において発生する収着エネルギーは好適には凝縮液の蒸発エネルギーにより吸収される（このシステムは、ヒートパイプシステムと同じである）。この場合において、加湿器１９は必要ではない。
【００３２】
図４は、最も簡単な脱離方法を示す。この第１の再生方法Ｒ’による熱交換器Ｅにおいては、通路１０内には流体が吹き付けられていない。その代わりに、熱源２０により加熱された後の流体が収着通路１１内に吹き付けられている。
【００３３】
第２の再生方法Ｒ”による図５においては、熱交換器Ｅの両方の通路１０及び１１に流体Ｇが同一方向へ流れされている。この２つの流体流れはそれぞれＧ１及びＧ２により示されており、これらの流体流れは例えば太陽集熱器のような熱源２０により予め加熱されている。この変形例は、流体から収着材料１２への熱伝達が改良されるという利点を有する。なぜなら、収着材料が熱交換器Ｅの収着通路１１と熱交換通路１０との両方により加熱されるからである。熱交換通路１０からの加熱流体は、例えば周囲空気２４と混合され、それから熱源２０に導入される。この方法によれば、流体は、脱離作用に用いられる前に、熱源２０により高温度に達する。
【００３４】
収着材料の異なる第３の再生方法Ｒ”’が、図６に示されている。この図６による方法を行うときには、大体直線状の温度プロフィルが熱交換器Ｅにおける脱離中に生じ、流体は熱交換器の左側入口Ｉ１では低い温度を有しまた右側の入口Ｉ２では高い温度を有する。この分布は、例えば空気調和の場合には、冷却モードの作動中、流体が収着通路１１を去る側で収着材料がより高く除湿されていることを意味する。したがって、空気は乾燥収着材料１２と連続して接触して収着通路１１を通して流れる間収着作用中であり、更なる冷却作用のためにより高い除湿の可能性を生じる。周囲空気の除湿の絶対値は、この方法の実施により最大限に利用することができる。図４及び図５に示されている脱離方法は“並流脱離”と呼ばれ、また図６に示されている脱離方法は“向流脱離”と呼ばれている。
【００３５】
図７は、図４、図５及び図６による脱離処理後の収着通路１１における温度プロフィルを定量的な方法で示す。これらの再生方法の３つの温度プロフィルは、それぞれ、Ｒ’，Ｒ”及びＲ”’で示されている。高温は収着材料１２の高乾燥を意味する。
【００３６】
図８は、脱離後の熱交換器Ｅの予冷却方法を示す。例えば空気調和の適用の場合には周囲空気であって前述したように加湿された又は加湿されていない流体２４、又は例えば前述したように加湿された又は加湿されていない室内戻り空気Ｆ２が、熱交換通路１０内に導入されて、収着通路１１から熱を取り上げ、これにより収着通路は次の収着作用のために予冷却される。
【００３７】
脱離、予冷却及び収着冷却の完全なサイクルは、外部周囲空気の例の場合には、図３〜図６及び図８に示されている装置の異なる作動モードを続けて結合することにより実現することができる。もし例えば１分が脱離のために用いることができる場合には、この時間の一部分において脱離を図６の方法にしたがって行い、それからこの時間の他の部分において脱離を図４の方法にしたがって行うことができ、その後熱交換器を図８にしたがって冷却することができる。このプロセスシーケンスの結果として、上述した図面に示されている熱交換器の収着通路１１内の収着材料１２は、次の収着作用（空気冷却）のために特別に高く乾燥させられ、それから十分に予冷却される。このような処置は、次の収着作用のために好適なものである。
【００３８】
収着作用を実現するために、脱離又は再生作用の後に収着作用が続く。
【００３９】
例えば空気調和の目的のためには、冷却収着作用は図３における空気流れＦ１の除湿冷却を生じせしめる。図３における冷たい湿り空気流れＦ２は、収着材料１２及びそれ故流体Ｆ１の冷却を引き受ける。
【００４０】
収着作用及び脱離により実現される再生作用は、本発明により作られた装置、すなわち熱交換器において交互に行われる。例えば、空気調和の適用において、冷たい除湿した空気を建物へ連続して供給することを実現するために、及び例えば空気加熱用太陽集熱器のような熱源及び加湿器を連続して使用するために、少なくとも２つの熱交換器、すなわち収着式熱交換器が必要とされる。これにより、２つの熱交換器は、いつも交互に“収着作用”及び“再生作用”の作動状態とされる。空気流れは、それぞれの流体ダイバータの制御により実際の作動状態に依存して切り換えられる。
【００４１】
本発明による熱交換器は、もし空気調和のために適用された場合には、固体収着材料を使用する他の収着式空気調和装置と比較して、より高い除湿率及び空気温度の減少を成し遂げることができるものであって、排気流れ、すなわち建物から来る排気流れと処理空気とが混合するいかなる可能性をも除去する。
【００４２】
従来の収着式空気調和装置と比較して、本発明による熱交換器を組み入れている構成は、新鮮な空気と室内戻り空気との間のいかなる混合もなしに、より高い空気除湿及び周囲空気のより高い温度減少を成し遂げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来技術による空気調和プラントの概要を示す図である。
【図２】本発明による収着式熱交換器を簡略に示す図である。
【図３】本発明による熱交換器を包含する空気調和装置の概要を示す図である。
【図４】一例の再生（すなわち、収着材料の脱離）方法の本発明による熱交換器の概要を示す図である。
【図５】異なる例の再生方法の本発明による熱交換器の概要を示す図である。
【図６】他の異なる例の再生方法の本発明による熱交換器の概要を示す図である。
【図７】図４〜図６による再生方法の三例における熱交換器内の温度傾向を定量的に示すグラフである。
【図８】予冷却方法の本発明のよる熱交換器の概要を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2005525528.tif 000011
2005525528.tif 000012
2005525528.tif 000013