(57)【要約】【課題】  消費電力が少なく、水の気化効率を向上させ、排出空気に水を含まず、かつ、冷媒回路等を必要とせず、保守も容易な水の潜熱を利用した熱交換器、およびそれを用いた空調機を提供する。【解決手段】  水の気化により冷却する冷却層と該冷却層と熱交換する熱交換層とを有する金属管体からなり、該金属管体の一方の壁の表面を多孔質金属にして表面積を増大させ、該内壁に水を滴下させてた該金属管体内に空気を流通させて前記冷却層を形成して該金属管体を冷却し、冷却された該金属管体の他方の壁の表面に外気を接して熱交換し冷却しながら通過させて給気する水の潜熱を利用した熱交換器及び空調機。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の気化により冷却する冷却層と該冷却層と熱交換する熱交換層とを有する金属管体からなり、
該金属管体の一方の壁の表面を多孔質金属にして表面積を増大させ、該内壁に水を滴下させてた該金属管体内に空気を流通させて前記冷却層を形成して該金属管体を冷却し、
冷却された該金属管体の他方の壁の表面に外気を接して熱交換し冷却しながら通過させて給気することを特徴とする水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項２】
前記金属管体の一方の壁は内壁であり、他方の壁は外壁であることを特徴とする請求項１の記載の水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項３】
前記多孔質金属は、セルとセルが境界面が開いているオープンセル形としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項４】
前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中空であることを特徴とする請求項３に記載の水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項５】
前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中空であって、中空の一部が割れて外気の出入りが可能であることを特徴とする請求項４に記載の水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項６】
前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中実であることを特徴とする請求項３に記載の水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項７】
前記外気を熱交換層で冷却した給気の一部を、冷却層への供給空気として用いることを特徴とする請求項１から６の記載から選択される水の潜熱を利用した熱交換器。
【請求項８】
請求項１乃至７の記載から選択される熱交換器を、空調機の冷却コイルの上流に配置して、外気を予め冷却する補助冷却器として用いることを特徴とする水の潜熱を利用した空調機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水が気化する時に生じる潜熱を利用して冷却する熱交換器、及び、その熱交換器を組み込んだ空調機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、夏期に水ミストを噴霧して周囲の温度を下げることはよく行われることである。この水の潜熱冷却を利用した空調機は、消費電力を大量に使用することもなく、エコにも合致するので特許文献１に見られるように既に多く開発されているが、この特許文献１の技術は水に濡らした無端マットに吸入空気を通過させ、通過の際に温度が低下した排出空気を、さらに通常の空調機の冷却コイルに供給するものである。
この場合、空気の状態の挙動を図１の空気線図で説明すると、符合ａの点線のように供給空気の温度が下がるが絶対湿度が高くなり、夏場の冷房空調には適さない。
【０００３】
そこで、湿度を押さえて温度だけを下げてエンタルピーを減少させた空調機も特許文献２に見られるように提案されている。この特許文献２に見られるのは、散水器により水を散水して温度を下げた雰霧気中に第１熱交換器を配置し、この第１熱交換器での冷えた冷媒を冷媒回路によって第２熱交換器に供給し、冷えた冷媒が供給された第２熱交換器を冷却し、第２熱交換器を通過する対象空気を冷却する。この場合の空気の状態の挙動を図１で説明すると、符合ｂの実線のように供給空気の温度が下がるが湿度が同じ程度で推移する。
また、特許文献１に示されるような冷却装置が、気化による潜熱放出が大量に可能となるので、夏期の冷却の補助冷却熱源として有効であることも、特許文献３に開示されているが、ミスト中の排水処理が厄介になるという問題があった。
しかし、特許文献２の従来技術は、散水器の散水では気化効率が低いという問題点があり、このために排出空気に水が大量に含まれ、これを処理するために再度循環させる等の処理手段が必要となるといた問題点や、第１熱交換器と第２熱交換器を連結するために冷媒回路が必要となるといった問題点があった。
【０００４】
このため、本発明者らによって、特許文献４に開示されているように、水の気化により冷却する冷却層と該冷却層と熱交換する熱交換層を設け、冷却層は水が供給され一時貯留する貯留層と、空気が供給され排出される空気流通層とを設け、両層の間には水蒸気だけを通過させる透湿防水素材による透湿層によって区画され、水の気化によって供給された空気を冷却するとともに、熱交換層は冷却された空気流通層と金属板を介して気密に隣接して設けられ、層内は外気を熱交換して冷却しながら通過させて給気する水の潜熱を利用した熱交換器及び空調機が提案されている。また、ヒートポンプに代表される蒸発コイルでは必要な蒸発量を得るために、水に対して数十倍の蒸発速度をもつフロン等を用いて解決している。
【０００５】
なお、金属を軽量化する為にポーラス金属材料とすることは、非特許文献１等に開示されているが、水の蒸発を促進するために利用することまでは開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７４７６７号公報
【特許文献２】特開２００２−２２２９１号公報
【特許文献３】特開２００９−１６２４２２号公報
【特許文献４】特開２０１２−１６３２４６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】財団法人：機械システム振興協会．「ポーラス金属の利用技術の可能性に関する調査研究報告書．平成１８年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献４の従来技術でも、水が供給され一時貯留する貯留層と、空気が供給され排出される空気流通層とを設け、両層の間には水蒸気だけを通過させる透湿防水素材による透湿層によって区画され、水の気化によって供給された空気を冷却すす冷却層を設けているが、気化する表面が空気流通層の透湿層の表面積だけであるので、表面積を大きくしようとすると、空気流通層自体を大型にしなければならず、金網や透湿層の保守も厄介であるとゆう問題点があった。
更に、水が供給され一時貯留する貯留層の接する熱交換器の壁が断熱作用をもたらすので、効率の良い冷却が行えないといった問題点もあった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、消費電力の少ない熱交換器及び空調機で、水の気化効率をより向上させ、効率よく潜熱を利用して冷却可能な熱交換機であって、排出空気に水をあまり含まず、かつ、冷媒回路等の必要とせず、保守も容易な水の潜熱を利用した熱交換器、およびそれを用いた空調機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水の潜熱を利用した熱交換器であって、水の気化により冷却する冷却層と該冷却層と熱交換する熱交換層とを有する金属管体からなり、該金属管体の一方の壁の表面を多孔質金属にして表面積を増大させ、該内壁に水を滴下させてた該金属管体内に空気を流通させて前記冷却層を形成して該金属管体を冷却し、冷却された該金属管体の他方の壁の表面に外気を接して熱交換し冷却しながら通過させて給気することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の記載の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記金属管体の一方の壁は内壁であり、他方の壁は外壁であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記多孔質金属は、セルとセルが境界面が開いているオープンセル形としたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中空であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中空であって、中空の一部が割れて外気の出入りが可能であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項３に記載の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記多孔質金属のオープンセル形のセルが中実であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項１から６の記載から選択される水の潜熱を利用した熱交換器において、前記外気を熱交換層で冷却した給気の一部を、冷却層への供給空気として用いることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至７の記載から選択される熱交換器を、空調機の冷却コイルの上流に配置して、外気を予め冷却する補助冷却器として用いることを特徴とする水の潜熱を利用した空調機である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１から６の熱交換器の発明によれば、費用が安い水の潜熱(気化熱)を用いることによって消費電力の少ない冷房用の熱交換器となり、加湿することもなく、快適な冷房の空調環境を省エネで実現することができ、また、金属管体の一方の壁の表面を多孔質金属にして表面積を増大させることによって、水の気化効率を著しく向上させることができ、このように、同じ平面で平滑平面よりも格段に表面積が増大する多孔質金属（ポーラス金属）であるので、熱伝導率が良く断熱作用が少なくので効率がよく、全てが金属であるので耐久性があり、掃除等の保守の容易になる。
また、潜熱を排出した空気はほぼ水蒸気だけとなるので、大規模な排水処理は必要がない。さらに、熱交換層は直接冷却層に接しているので別途冷媒回路等の必要とせず、この点の保守も容易となる。
なりよりも、潜熱を利用による冷房のための熱交換器に単位面積当たりの表面積が格別に増大する多孔質金属（ポーラス金属）を用いたので、従来の水の潜熱を利用した空調機よりも格段に小型化することができる。
【００１３】
また、請求項７の発明によれば、請求項１から６の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記外気を熱交換層で冷却した給気の一部を、冷却層への供給空気として用いることによって、より冷却効果を高めることができる。
更に、請求項８の発明によれば、請求項１乃至６の熱交換器を空調機の補助冷却熱源として用いれば、空調機本体の能力が小さくても夏場の冷房が十分可能となり、全体として省エネの空調機とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来例と本発明の作動を説明する空気線図、
【図２】本発明の実施例の水の潜熱を利用した熱交換器の全体の斜視図、
【図３】図２の熱交換器の主要部の説明斜視図、
【図４】図のＸ−Ｘ線での拡大断面図、
【図５】図５(ａ)は図４のＹ部分の部分拡大断面図、図５(ｂ)は図５(ａ)のＺ部分の部分拡大断面図、図５(ｃ)は同Ｚ部分の別実施例の部分拡大断面図、図５(ｄ)は同Ｚ部分の更に別実施例の部分拡大断面図、図５(ｅ)は同Ｚ部分が繊維状の更に別実施例の部分拡大断面図、
【図６】本発明の実施例の熱交換器を応用したブロック図である。
【図７】本発明の実施例の熱交換器を通常の空調機に応用したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の水の潜熱を利用した熱交換器及びそれを用いた空調機の実施例を図２から図４を参照して説明する。
本実施例の水の潜熱を利用した熱交換器１は、図２に示すように、複数の扁平の金属管体２が並列に並べられ、本実施例では、金属管体２はアルミ、銅、その他の金属から選択される金属で制作されていて、熱交換を行う主たる部材で、金属管体２の下側の複数の開口２１は下部供給室３の上板板３２に連通して外気ＯＡ或いは冷却された給気ＳＡの一部を吸い込むように構成されている。
また、金属管体２の上側の複数の開口２２は上部排気室４に連通して上部排気室４から排気ＥＡされるように構成されている
【００１６】
本実施例では、図３に示すように、扁平の金属管体２の管内２３側を水の気化により冷却する冷却層２Ａとして、この冷却層２Ａにより冷却される金属管体２の管外周２４側は、外気ＯＡを熱交換する熱交換層２Ｂを構成する。
管外周２４の外壁２４１には、熱交換効率を高めるため、図４の波形の点線のように放熱フィン２４２を設けてもよい。
すなわち、図２で、金属管体２の管内２３は水の気化により冷却し、この冷却され金属管体２の管外周２４である外壁２４１に対象なる冷房対象空気である外気ＯＡを外気ダクト５から送風機(図示せず)によって吸引して接触させて冷房し、この際、外気ＯＡには水は供給されていないので、空気の絶対湿度を上げることなく冷房され、給気ダクト６で集められ給気ＳＡとすることができる。
【００１７】
次に、金属管体２での水を気化させる構成を図２及び図４を主に参照して説明する。
前記上部排気室４の底板部４１は水平に保たれ、金属管体２の排気開口２２の上端部２２１は底板部４１より僅かに突出しており、上端部２２１の底板部４１の付け根近傍には水平に適宜の数の貫通孔２２２が設けられている。
前記上部排気室４の上板部４２には給水部４３及び給水口４３１が設けられ、所定の水が上部排気室４に供給される構成になっており、給水口４３１から給水される水は底板部４１に薄く貯留され、貫通孔２２２から金属管体２の内壁２３１に水が滲み出るようにしてある。
ここで、潜熱(気化)冷却用の外気ＯＡは、下部供給室３の側面部３４に設けられた外気供給口３５から送風機３６(送風機は潜熱空気排気口４５側に配置してもよい。)等によって供給され、金属管体２の管内２３で水の気化(潜熱)によって冷却され、上部排気室４の側面部４４には潜熱冷却剤空気が排気口４５から排気される。他方、空調対象なる外気ＯＡは、図２に示すように、外気ダクト５から導入され、導入された空気は金属管体２が冷やされてた管外周２４の外壁２４１やフィン２４２を接触しながら冷やされ、冷やされた空気は給気ダクト６から必要な次の空調機や居室や空調された空気が給気される。
【００１８】
ここで、金属管体２の気化による冷却される作用を更に詳しく説明する。
図５（ａ)は、図４のＹ部分を更に拡大した図であるが、金属管体２の管材は厚さ３mm程度のアルミニウムの管で、内壁２３１側の深さ１mmまでを表面を多孔質金属にして表面積を増大させ、本実施例では、前記の多孔質金属２３２はセルとセルが境界面が開いているオープンセル形とし、図オープンセル形のセルが中空(２３２)としたものであり、図５(ｂ)は図５(ａ)のＺ部分の部分拡大断面図だある。
この多孔質金属（ポーラス金属）は、前掲した非特許文献１の財団法人：機械システム振興協会．「ポーラス金属の利用技術の可能性に関する調査研究報告書(平成１８年３月）で開示されている公知の手法で製造すればよい。  
また、図５(ｃ)に示すように、図５(ａ)のＺ部分の別実施例の部分拡大断面図で、多孔質金属２３２'が中空のオープンセル形のセルを一部を割れた形状として外気の出入りが可能として、セル中に水が入り込み、より濡れた表面積を広げるようにしてもよい。さらに、図５(ｄ)に示すように、図５(ａ)のＺ部分の更に別実施例の部分拡大断面図で面積が広がるのであれば、多孔質金属２３２''がオープンセル形のセルが中実であってもよい。また、図５(ｅ)に示すように、柱状形状(繊維状)が横たわった状態の多孔質金属２３２'''でもよい。
【００１９】
なお、本実施例では管材はアルミニウム製としたが、勿論、熱導率が高い銅製としても、他の金属でもよい。言い換えれば、同じ平面で平滑平面よりも格段に表面積が増大する多孔質金属（ポーラス金属）で、断熱作用が少なく逆に熱伝導率が良く、耐久性があり保守の容易なものである必要がある。
この金属管体２の内壁２３１を多孔質金属（ポーラス金属）層２３２で本実施例では、セルとセルが境界面が開いているオープンセル形とすることにより、従来の汎用熱交換部材や親水処理熱交換部材に比べて、表面積が３０倍から４０倍にも増大し、その分だけ気化する面積も増大し、気化すなわち潜熱による冷却も促進される。
これを、必要熱交換量で論ずれば、例えば、金属管体２の管内の風速２.５m／secとし、風量を６.１m3／h とすれば、蒸発量は２２g／h となり、従来の平滑平０.６０６g／h と比べると、３６倍程度にもなる。
付言すれば、ヒートポンプに代表される蒸発コイルでは必要な蒸発量を得るために、水に対して数十倍の蒸発速度をもつフロン等を用いて解決している。
【００２０】
ところで、金属管体２の内壁に供給される水は、金属管体２の下端部２１１の吸気開口２２まで移動するまでに気化するように制御される。この制御は、図４に示すように、底板部４１に薄く貯留される水位を検知する水位計７１或いは潜熱排気口４２の近傍に配置し、これらの検出値によって、給水部４３の給水制御弁４３２を制御することによって、下部供給室３の底板部３１に水が溜まらないようにしている。なお、下部供給室３の底板部３１に水溜まるような場合には、底板部４１の適所に配置した排水部３３から余分な水を排出する。
【００２１】
また、金属管体２の内壁２３１を多孔質金属して潜熱を利用して冷却する外気を供給し、空調対象なる外気を金属管体２の外壁２４１或いはフィンによって冷房するが、勿論この逆も構成の可能であり、すなわち、金属管体２の外壁２４１多孔質金属して潜熱を利用して冷却する外気を供給し、空調対象なる外気を金属管体２の内壁２３１よって冷房することも可能である。
【００２２】
以上が本発明の水の潜熱を利用した熱交換器の基本的な実施例であるが、本発明の実施例の水の潜熱を利用した熱交換器によれば、費用が安い水の潜熱を用いることによって消費電力の少ない熱交換器となり、加湿することもなく、快適な空調環境を省エネで実現することができ、また、金属管体の一方の壁の表面を多孔質金属にして表面積を増大させることによって、水の気化効率を著しく向上させることができ、このように、同じ平面で平滑平面よりも格段に表面積が増大する多孔質金属（ポーラス金属）であるので、熱伝導率が良く断熱作用が少なくので効率がよく、全てが金属であるので耐久性があり、掃除等の保守の容易になる。
また、潜熱を排出した空気はほぼ水蒸気だけとなるので、大規模な排水処理は必要がない。さらに、熱交換層は直接冷却層に接しているので別途冷媒回路等の必要とせず、この点の保守も容易となる。
【００２３】
次に、上述した水の潜熱を利用した熱交換器１の基本的な実施例を用い、図６に示すように、金属管体２の管内２３への潜熱(気化)潜熱冷却用の作動外気Ａ１として、外気ＯＡ(Ｂ１)を金属管体２で冷却した冷房供給空気Ｂ２(ＳＡ)の１部を、金属管体２の管内２３に供給する潜熱(気化)潜熱冷却用の作動外気Ａ１に混合すれば、通常より冷たい作動空気となるので、金属管体２を更に冷却されるので、結果として金属管体２の管外周２４３の通過空気をより冷却することとなるので冷却効率が向上する。
なお、本実施例では、上述したように、外気ＯＡを冷却した冷房供給空気Ｂ２の１部を利用したが、これに限らず、戸外からの外気ＯＡ、室内からの還気ＲＡを状況に応じて適宜選択される使用すればよい。
また、外気ダクト５からの外気ＯＡ(Ｂ１)は、冷房対象空気を意味し、通常の戸外からの外気ＯＡは勿論のこと、冷房対象であれば室内からの還気ＲＡをも意味する。
この実施例によれば、本発明の水の潜熱を利用した熱交換器において、前記外気を熱交換層で冷却した給気の一部を、冷却層への供給空気として用いることによって、より冷却効果を高めることができる。さらに、潜熱を利用による冷房のための熱交換器に単位面積当たりの表面積が格別に増大する多孔質金属（ポーラス金属）を用いたので、従来の水の潜熱を利用した空調機よりも格段に小型化することができる。
【００２４】
また、上述した水の潜熱を利用した熱交換器の基本的な実施例の応用例を説明する。
本発明の実施例の熱交換器１は、基本的には水の供給だけで、冷房が可能であるので省エネになるが、気化熱(潜熱)を活用することから、気化熱を大量に発生する夏期に効果がある。したがって、夏期にオーバーワークになりやすい空調機の補助冷却熱源として用いれば、空調機本体の能力が小さくても夏場の冷房が十分可能となる。
この場合の本実施例の熱交換器１の応用例を、図７で示して説明すると、外気ＯＡを熱交換器１である程度冷却して、この中間での冷却供給空気ＳＡを一般の空調機８の冷却コイル８１に供給し、適正温度に空調して、送風機８２により対象空調空間に給気ＳＡ１する。
なお、ここでも、金属管体２の外周通過の給気ＳＡの一部を、熱交換器１の金属管体２の管内２３への供給空気として利用し、他の冷却供給空気ＳＡの一部を空調機８の冷却コイル８１で冷やして対象空調空間に給気ＳＡ１とすれば冷房効率はより高まる。
このような空調機の構成により、外気が高温時、特に夏期の高温時に有効に稼働し、消費電力を著しく押さえることができる。
【００２５】
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論であり、例えば、本実施例では冷却層２Ａの空気通路の送風方向と、熱交換層２Ｂと空気通路の送風方向を直交させたが、複数のダクトを用いて平行する送風方向にしてもよい。また、実施例では熱交換部材である金属管体をアルミや銅としたが、熱伝導率が良く、水に対して耐腐食性があれば他の素材でもよいことは勿論であり、更に、実施例では金属管体を扁平管とし断面形状を楕円形としたが、断面形状が円形や矩形でもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００２６】
Ａ１・・潜熱冷却用の作動外気、Ａ２・・潜熱冷却用の動排気、
Ｂ１・・空調対象の外気ＯＡ、Ｂ２・・・空調対象の給気ＳＡ、
１・・熱交換器
２・・金属管体、
２１・・吸気開口、下端部２１１、
２２・・排出開口、２２１・・上端部、２２２・・貫通孔、
２３・・管内、２３１内壁、
２３２,２３２',２３２'’、２３２''’・・多孔質金属（ポーラス金属）層
２４・・管外周、２４１・・外壁、２４２・・フィン、
２Ａ・・冷却層、２Ｂ・・熱交換層
３・・下部供給室、３１・・底板部、  ３２・・上板部、
３３・・排水部、３４・・側面部、３５・・外気供給口、３６・・送風機
４・・上部排気室、４１・・底板部、４２・・上板部、４３・・給水部、
４３１・・給水口、４３２・・給水制御弁、
４４・・側面部、４５・・潜熱空気排気口、
５・・外気ダクト、
６・・給気ダクト、
７１・・水位計、７２・・湿度計、
８・・空調機、８１・・冷却コイル、８２・・送風機
【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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