JP2016176674A - 水回収システム、加湿システムおよび空気調和システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 実施形態の水回収システム、加湿システムおよび空気調和システムは、効率的に水回収を行う。【解決手段】 実施形態の水回収システムは、第1室と第2室に水透過膜で隔てられた水供給部と、減圧手段と、水回収部と、第1切替バルブと水回収部を冷却する冷却手段と、第1室に第1の気体を送風する送風手段と、を有し、第2室と、減圧手段と、水回収部と第1切替バルブとが第2の気体が流れる第1回路を構成し、減圧手段は、第1回路を流れる第2の気体を減圧して、水回収部で水を回収し、冷却手段は、水回収部内を通る第2の気体を冷却して第2の気体に含まれる気体水を液化させることを特徴とする。【選択図】 図1
Description
実施形態は、水回収システム、加湿システムおよび空気調和システムに関する。
家庭やオフィス空間の快適性向上のため、空間の湿度を制御する調湿モジュールが知られている、除湿膜を備えた除湿膜モジュールと、吸着材を備えた吸着手段と、除湿膜モジュール及び吸着手段に空気を供給するための空気供給手段とを有し、除湿膜の一方の面に除湿すべき空気を供給し、もう一方の面に減圧した空気を供給することで、除湿すべき空気中に含まれる水分を除湿膜を介して減圧した空気側へと排出し、除湿された空気を得る方法が提案されている。また、フッ素計樹脂等の高分子膜を有する水蒸気分離器と減圧ポンプを用い、室内から室外に排出される空気から分離回収した蒸気を、室外から室内に供給される空気へと直接供給することで、室内を加湿する方法が提案されている。
このような湿度交換膜を用いた調湿モジュールを用い、家庭やオフィス空間の除湿、加湿を行うことを想定した場合、モジュールの駆動動力低減(低消費電力)、低騒音化、およびモジュール全体の小型化が求められている。
実施形態の水回収システム、加湿システムおよび空気調和システムは、効率的に水回収を行う。
実施形態の水回収システムは、第1室と第2室に水透過膜で隔てられた水供給部と、減圧手段と、水回収部と、第1切替バルブと水回収部を冷却する冷却手段と、第1室に第1の気体を送風する送風手段と、を有し、第2室と、減圧手段と、水回収部と第1切替バルブとが第2の気体が流れる第1回路を構成し、減圧手段は、第1回路を流れる第2の気体を減圧して、水回収部で水を回収し、冷却手段は、水回収部内を通る第2の気体を冷却して第2の気体に含まれる気体水を液化させることを特徴とする。
(実施形態1)
実施形態1は、水回収システムおよび水回収方法に関する。図1に実施形態1の水回収(水回収装置)システム100の模式図を示す。図1の水回収システム100は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、を有する。第1室1には第1の気体が流れ、第2室2には第2の気体が流れる。液体水は、水回収部6で回収される。送風手段4、減圧ポンプ5、冷却手段7と第1切替バルブ8などは、制御部Cでその動作が制御されることが好ましい。制御部Cは、図示しない配線で減圧ポンプ5などと接続される。第2室2と、減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8とが第2の気体が流れる第1回路を構成する。第1回路は、第2の気体が循環する閉回路を構成する。ラインL1〜L5は第2の気体が流れる配管である。水回収システム100は、例えば、調湿を行う装置に液体水を供給するシステムとして用いることができる。また、水電解反応を行う装置に水回収システム100を用いて、水回収システム100の水回収部6を水電解反応で消費される水の供給源としてもよい。実施形態1の水回収システムは、室内もしくは室外に設けられ、室外に設けられることが好ましい。
実施形態1は、水回収システムおよび水回収方法に関する。図1に実施形態1の水回収(水回収装置)システム100の模式図を示す。図1の水回収システム100は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、を有する。第1室1には第1の気体が流れ、第2室2には第2の気体が流れる。液体水は、水回収部6で回収される。送風手段4、減圧ポンプ5、冷却手段7と第1切替バルブ8などは、制御部Cでその動作が制御されることが好ましい。制御部Cは、図示しない配線で減圧ポンプ5などと接続される。第2室2と、減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8とが第2の気体が流れる第1回路を構成する。第1回路は、第2の気体が循環する閉回路を構成する。ラインL1〜L5は第2の気体が流れる配管である。水回収システム100は、例えば、調湿を行う装置に液体水を供給するシステムとして用いることができる。また、水電解反応を行う装置に水回収システム100を用いて、水回収システム100の水回収部6を水電解反応で消費される水の供給源としてもよい。実施形態1の水回収システムは、室内もしくは室外に設けられ、室外に設けられることが好ましい。
水供給部は、第1室1と、第2室2と、水透過膜3とを有する。第1室1は、第1の気体が流れる空間である。第1の気体は、例えば水(気体水)を含む大気などの気体である。第1室1を第1の気体が通ると、減圧ポンプ5で減圧された第1回路側の第2室2へ第1の気体に含まれる気体水の一部が水透過膜3を通って移動する。
第2室2は、第1回路に含まれ、減圧ポンプ5と水回収部6の間に存在する。第2室2と減圧ポンプ5は、ラインL1で接続される。また、第2室2と水回収部6は、ラインL4で接続される。第2室2は、第1室1から水透過膜3を通って移動した気体水が第2の気体と混合する領域である。第1室1からの気体水を含んだ第2の気体の水蒸気量は増加する。
水透過膜3は、第1室1と第2室2を隔てる膜である。水透過膜3は、窒素、酸素の透過に対して水蒸気の透過性が高い特徴を有する膜であり、例えば、固体高分子膜(ナフィオン(商標)など)、アクリル樹脂を含む膜、アクリル樹脂からなる膜やシリカ膜などのうちのいずれか1種以上を用いることができる。シリカ膜とは、ヒドロポリシラザンを基本ユニットとして含む樹脂膜であり、より具体的には、パーヒドロポリシラザンからなる膜である。ここで、水蒸気の透過性は、大気圧(1atm)の25℃相対湿度90%以上の飽和空気と大気圧(1atm)の25℃相対湿度5%の飽和空気を水透過膜3で隔てて、25℃相対湿度90%以上の飽和空気を単位面積(m2)当たり100m3/hour/m2供給した時、膜を通した水の透過量が100g/hour/m2以上有するものを水蒸気の透過性を有する膜と定義する。水透過膜3は、水を透過し、窒素、酸素および有機物を透過しないため、回収される水の汚染を防ぐ効果も有する。水透過膜3は、水のみを透過する選択性がより高い膜がより好ましい。
送風手段4は、第1室1と接続し、第1の気体を第1室1へ送る手段である。送風手段4としては、例えば、ブロアやファンを用いることが好ましい。空気中に含まれる水分量が少ない場合であっても、短時間で、水回収量を確保するために、送風手段4を用いることが好ましい。
減圧ポンプ5は、減圧手段であって、第1回路内を流れる第2の気体を減圧する装置である。ラインL1は、減圧ポンプ5の吸気側と第2室2を接続する。また、ラインL2は、減圧ポンプ5の排気側と第1切替バルブ8を接続する。また、減圧ポンプ5は、第2の気体を送気する手段である。減圧ポンプ5によって、第2の気体の圧力は、第1の気体よりも圧力が低くなる。減圧ポンプ5によって第2の気体を減圧にすることで、第1室1に含まれる気体水を第2室2への第2の気体へ移動させて、水回収部6で液体水を回収する。減圧ポンプ5としては、例えば、ダイアフラム型真空ポンプやスクロール型真空ポンプを用いることができる。第2の気体には、気体水を含んだ、外気空気や窒素などが用いられる。
水回収部6は、第2室2と第1切替バルブ8の間に存在する。ラインL4は、水回収部6と第2室2を接続する。ラインL3は、水回収部6と第1切替バルブ8を接続する。水回収部6は、第2の気体を冷却して第2の気体に含まれる気体水を凝集して液体水を回収する。水回収部6は、気液分離手段を有することが好ましい。気液分離手段は、液体水が気化することを防ぎ、回収された液体水がたまる領域と第2の気体が流れる領域を分けるものであればよい。気液分離手段は、ラインL3とラインL4に回収された液体水が第1回路を循環することを妨げる仕切りとしての機能を兼ね備えることがより好ましい。気液分離手段としては、例えば、重力を利用し、密度の高い液体水を下に貯め分離する手段が用いられる。回収された液体水は、加湿等に用いられることが好ましい。
冷却手段7は、水回収部6を冷却する。冷却手段7によって、水回収部6が冷却される。そして、水回収部6が冷却されることによって、水回収部6を流れる第2の気体が冷却される。このように冷却手段7は、第2の気体を冷却して、第2の気体に含まれる気体水を液化する。液体水は、水回収部6で回収される。冷却手段7は、低温空気、熱交換器やペルチェ素子もしくは氷など、例えば、水回収部6を外気温度(水回収部6の外部の温度、例えば、屋外の温度)よりも低い温度に冷却することが可能なものであれば特に限定されない。典型的には、水回収部6が外気温度より2℃〜15℃低いことが好ましい。冷却手段7は、水回収部6と熱的に連結していることが好ましい。
第1切替バルブ8は、減圧ポンプ5と水回収部6の間に配置される。第1切替バルブ8は、減圧ポンプ5の排気側、水回収部6と第1回路外へ排気する配管であるラインL5と接続する。ラインL2は、第1切替バルブ8と減圧ポンプ5を接続する。ラインL4は、第1切替バルブ8と水回収部6とを接続する。第1切替バルブ8は、減圧ポンプ5から水回収部6へ第2の気体が流れる第1流体経路と、減圧ポンプ5から第1回路外へ排気する配管であるラインL5へ第2の気体が流れる第2流体回路とを切り替える。第1切替バルブ8がラインL2とラインL3を導通させるように切り替えられると、第1回路は閉回路となり、第2の気体は減圧ポンプ5から水回収部6へ流れて第1回路を循環する。また、第1切替バルブ8がラインL2とラインL5を導通させるように切り替えられると、第1回路は開回路となり、減圧ポンプ5から送り出される第2の気体は、ラインL5を通り、第1回路の外部へ排気され、第1回路内の気圧は減圧される。減圧ポンプ5の動作と第1切替バルブ8の切り替えによって、第1回路内の圧力が調整される。第1回路内の圧力は、図示しない圧力センサを設けて測定してもよいし、減圧ポンプ5と第1切替バルブ8の動作から推定してもよい。第1切替バルブ8は、例えば、三方弁である。
制御部Cは、送風手段4、減圧ポンプ5、冷却手段7と第1切替バルブ8などと接続し、その動作を制御する。制御部Cは、マイコンやPLD(プログラマブルロジックデバイス)などの集積回路を用いてもよいし、手動の動作スイッチを用いてもよいし、集積回路とスイッチの両方を用いてもよい。図示しない水回収量を計測するセンサを用いて、水回収量を基に水回収システムの動作を制御してもよい。また、図示しない第2気体の圧力を測定するセンサを用いて、圧力を基に水回収システム100の動作を制御してもよい。
実施形態の配管であるラインLは、金属製や樹脂製の配管を用いることができる。配管を通す流体に応じて好適な素材、外形、内径等を選択することができる。
実施形態1の水回収方法である水回収システム100の水回収サイクルについて、説明する。図2に、実施形態1の水回収サイクルのチャート図を示す。図2のチャート図に示す水回収サイクルは、水回収開始工程(S1−1)、送風手段運転開始工程(S1−2)、冷却手段運転開始工程(S1−3)、切替バルブ切替(L2→L5)工程(S1−4)、減圧ポンプ運転開始工程(S1−5)、圧力比較(P≦PSET)工程(S1−6)、切替バルブ切替(L2→L3)工程(S1−7)、水回収量比較(V≧VSET1)工程(S1−8)、減圧ポンプ運転停止工程(S1−9)、冷却手段運転停止工程(S1−10)と水回収停止工程(S1−11)とを有する。図2中の矢印は、以下に説明する運転サイクルの流体の流れる方向を示している。
水回収開始工程(S1−1)は、例えば、水の回収を開始するための制御部Cからの指示である。制御部Cからの指示は、水の回収量が定められた量を下回った時機、制御部Cで設定された時機や操作者によるスイッチの操作などである。
送風手段運転開始工程(S1−2)は、第1の気体を第1室1に送る送風手段4の運転を開始する工程である。送風量は、冷却手段7の冷却能力や第1の気体の温度や湿度に応じて好適な量に定められる。送風手段4の運転は、連続的でも間欠的であってもよい。
冷却手段運転開始工程(S1−3)は、冷却手段7を運転して水回収部6の冷却を開始する工程である。冷却手段7に用いる装置によって、本工程は異なる。冷却手段7が低温空気の場合は、例えば、低温空気を生成する装置を作動し、水回収部6に向けて低温空気を送風する。冷却手段7が熱交換器の場合は、例えば、空気調和機の暖房サイクルにおいて、液体冷媒を気化させる際に熱交換器で生じる気化熱で水回収部6を冷却する。冷却手段7がペルチェ素子の場合は、ペルチェ素子と接続した電源を動作させて、ペルチェ素子の一方の面を冷却して、ペルチェ素子の低温側で水回収部6を冷却する。冷却手段運転開始工程(S1−3)は、S1−2の工程以後のS1−8より前に行えばよい。冷却手段7は、連続的又は間欠的に動作して、水回収部6内の領域を冷却し、水回収部6内の飽和水蒸気量を減らして、蒸気を液化させる。
切替バルブ切替(L2→L5)工程(S1−4)は、第1切替バルブ8を操作して、ラインL2からラインL5に第2の気体が流れるようにする工程である。第2の気体は第2流体経路を流れる。第1切替バルブ8を操作すると第1回路は閉回路から開回路となり、ラインL5から第2の気体が排出されて、減圧が可能となる。
減圧ポンプ運転開始工程(S1−5)は、減圧ポンプ5の運転を開始して、第2の気体をラインL5から排出する工程である。減圧ポンプ5で送気された第2の気体は、ラインL2およびラインL5を通り、ラインL5から排出される。そして、減圧された第2の気体が流れることで、第1の気体から第2の気体へ気化水が移動しやすくなる。減圧ポンプ5の送気量を増やして、減圧速度および第2の気体の流速を変えることができる。圧力が低く第2の気体の流速が早いと、水透過膜3から第二の気体への物質移動抵抗が低減し,第1の気体から第2の気体への気体水の移動が促進される傾向がある。減圧ポンプ5は、水透過膜3の特性、水回収量、水回収時間等の条件を考慮して好適な条件で運転されることが好ましい。
圧力比較(P≦PSET1)工程(S1−6)は、第2の気体の圧力Pが設定された圧力PSET1以下の圧力まで低下したか判定する工程である。P≦PSET1を満たす時(true)、次工程に移行する。P≦PSETを満たさない時(false)、第1切替バルブ8を切り替えずに減圧ポンプ5による減圧動作を続ける。PSET1は、水透過膜3の特性、水回収量、水回収時間等の条件を考慮して好適な条件で運転されることが好ましい。PSET1は第1の気体の圧力をP1とする時、P1より小さい数値であり、例えば、PSET1は、0.9P1とすることができる。
切替バルブ切替(L2→L3)工程(S1−7)は、第1切替バルブ8を操作して、ラインL2からラインL3に第2の気体が流れるようにする工程である。第1切替バルブ8を操作すると第1回路は開回路から閉回路となり、第2の気体が第1回路を循環する。第2の気体は第1流体経路を流れる。第2の気体が第1回路を循環すると、第1の気体から第2の気体へ気体水が移動して、第2の気体の湿度がより上昇する。第1回路を循環する第2の気体は、水回収部6を通る際に冷却される。冷却された第2の気体の飽和水蒸気量は低下し、過飽和となった分の気体水が液化して液体水を回収することができる。第2の気体の循環を続けることで、水の回収量を増やすことができる。S1−7より前の工程でも、本工程よりも回収速度は遅いが、同様の機序によって気体水が液化して液体水が回収される。なお、水の回収を続けると第2の気体の圧力が上昇する場合がある。図2の水回収サイクルのチャート図では省略しているが、S1−7とS1−8の間の工程において、切替バルブ切替(L2→L5)工程(S1−4)、圧力比較(P≦PSET1)工程(S1−6)と切替バルブ切替(L2→L3)工程(S1−7)を繰り返し行なってもよい。かかる繰り返しの工程を行う前に、第2の気体の圧力Pが設定された圧力PSET2以下であるかどうか判定し、第2の気体の圧力Pが設定された圧力PSET2より高ければ、再度、第2の気体を減圧することが好ましい。圧力PSET2は、例えば、圧力PSET1以上の値が好ましい。
水回収量比較(V≧VSET1)工程(S1−8)は、水の回収量(水残量)Vが定められた量VSET1以上になったかどうかを判定する工程である。V≧VSET1を満たす時(true)、次工程に移行する。V≧VSET1を満たさない時(false)、水の回収を続ける。定められた量VSET1は、必要な水回収量によって、好適に定められてもよい。なお、水回収量は、実際の水の量を測定してもよいし、第1の気体の温度および湿度や水回収システム100の動作履歴等の情報を解析して推定した値であってもよい。
減圧ポンプ運転停止工程(S1−9)は、減圧ポンプ5の運転を停止する工程である。
冷却手段運転停止工程(S1−10)は、冷却手段7の運転を停止する工程である。S1−9とS1−10の工程の順番は、どちらが先でもよい。
水回収停止工程(S1−11)は、水回収の全ての工程が終了し、次の水回収サイクルが開始するまで待機する工程である。
上記に説明した工程によって、水が効率的に回収される。水透過膜3を通った気体水を液体水として回収するため、実施形態で回収される水は、低汚染もしくは汚染されていないため、衛生的観点および保存性の観点から好ましい。
(実施形態2)
実施形態2は、加湿システムおよび加湿方法に関する。図3に実施形態2の加湿システム(加湿装置)200の模式図を示す。図3の加湿システム200は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、液体水気化手段10と、制御部Cとを有する。第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4とは実施形態1の水回収システム100と共通する。水回収部6と、送液ポンプ9と、液体水気化手段10は第2回路を構成する。第2回路は、水回収部6で回収した液体水が流れる開回路である。ラインL6〜L7は、水回収部6で回収した液体水が流れる配管である。加湿システム200は、例えば、空気調和装置や加湿器などの室内の調湿を行う装置に用いることができる。実施形態2の加湿システム200は、水回収システム部分が室外に設けられ、液体水気化手段10が加湿対象の空間である室内に設けられることが好ましい。図4中の矢印は、以下に説明する運転サイクルの流体の流れる方向を示している。
実施形態2は、加湿システムおよび加湿方法に関する。図3に実施形態2の加湿システム(加湿装置)200の模式図を示す。図3の加湿システム200は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、液体水気化手段10と、制御部Cとを有する。第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4とは実施形態1の水回収システム100と共通する。水回収部6と、送液ポンプ9と、液体水気化手段10は第2回路を構成する。第2回路は、水回収部6で回収した液体水が流れる開回路である。ラインL6〜L7は、水回収部6で回収した液体水が流れる配管である。加湿システム200は、例えば、空気調和装置や加湿器などの室内の調湿を行う装置に用いることができる。実施形態2の加湿システム200は、水回収システム部分が室外に設けられ、液体水気化手段10が加湿対象の空間である室内に設けられることが好ましい。図4中の矢印は、以下に説明する運転サイクルの流体の流れる方向を示している。
実施形態2の水回収システムは、実施形態1の水回収システム100と水回収方法と共通する。実施形態2と実施形態1とで共通する構成、工程、動作方法等に関しては、その説明を省略する。
送液ポンプ9は、水回収部6で回収された液体水を液体水気化手段10に送る送液手段である。送液ポンプ9としては、例えば、チューブポンプやダイアフラム送液ポンプを用いることができる。ラインL6は、送液ポンプ9と水回収部6を接続する。また、ラインL7は、送液ポンプ9と液体水気化手段10を接続する。送液ポンプ9中の逆止弁またはラインL7中にバルブを設け、送液ポンプ9の停止中に液体水が逆流することを防ぐことが好ましい。ラインL7中には、図示しない3方バルブを設けて、一方を送液ポンプ9側と接続し、もう一方を液体水気化手段10と接続し、他方をドレイン配管と接続し、加湿終了時や長期間加湿を行わない時に水回収部6からラインL7間に存在する液体水を排出してもよい。送液ポンプ9は、液体水を輸送するため、水を含んだ湿り空気を輸送する場合に比べて水輸送能力(g/hour)あたりのポンプの輸送エネルギーをあまり要しない。したって、送液ポンプ9の動作時の音の発生を抑えることができるという観点から、液体水を輸送する加湿システムは好ましい。
液体水気化手段10は、液体水を吸水して、吸水した水を気化させる手段である。液体水気化手段10としては、親水性多孔体を少なくとも有することが好ましい。親水性多孔体は、吸水性(多孔性)と親水性を備えた例えば不織布構造を有する高分子繊維(例えば、ポリエステル繊維やレーヨン繊維)、不織布構造を有する高分子繊維をフェノール樹脂等の強化剤で強化したもの(例えば、ユニペックス SB)、ポリオレフィン系の樹脂を焼結したものや不織布構造を有するパルプ(例えば、キムタオル)などである。親水性多孔体は、吸水した液体水を気化させるが、気化速度を速めるために、液体水気化手段10に親水性多孔体へ風を当てる送風機を用いることがより好ましい。
制御部Cは、さらに、送液ポンプ9や液体水気化手段10の送風機を制御することが好ましい。制御部Cは、加湿システム100によって、湿度の変化を図示しない湿度センサで検知して、検知した湿度情報をもとに加湿運転を制御することができる。
実施形態2の加湿方法である加湿システム200の加湿サイクルについて、説明する。図4に、実施形態2の加湿サイクルのチャート図を示す。図4のチャート図に示す加湿サイクルは、水回収工程S1、加湿運転開始工程(S2−1)、送液ポンプ運転開始工程(S2−2)、湿度比較(β≧βSET1)工程(S2−3)、送液ポンプ運転停止工程(S2−4)と加湿運転停止工程(S2−5)とを有する。
水回収工程S1は、実施形態1で説明した、水回収システム100の水回収サイクルの工程S1−1からS1−11である。なお、水回収量(水残量)Vが定められた量VSET2以上であれば水回収工程S1を省略して、加湿運転工程S2を行ってもよい。また、任意の時機に加湿運転工程S2を行えるように、加湿運転を行っていない期間に水回収工程S1を行ってもよい。水量VSET2は、加湿条件から適した値が定められることが好ましい。
加湿運転開始工程S2−1は、制御部Cからの加湿運転を開始するための指示である。制御部Cからの指示は、加湿対象の空間の湿度βが定められた湿度βSET2以下になった時機、制御部Cで設定された時機や操作者によるスイッチの操作などである。加湿運転と水回収運転は、同時には行わないため、水回収工程S1の終了後に加湿運転を行う。加湿運転と水回収運転を同時に行うと、送液ポンプ9を液体水が逆流して、液体水を安定に液体水気化手段10へ送ることができなくなる場合があって好ましくない。湿度βSET2は、加湿条件から適した値が定められることが好ましい。
送液ポンプ運転開始工程(S2−2)は、送液ポンプ9を動作させて、水回収部6の液体水を液体水気化手段10へ送る工程である。ラインL6とL7を通った液体水は、液体水気化手段10の親水性多孔体に吸水される。親水性多孔体に吸水された水が気化することで、加湿対象の空間内の水蒸気量を増加させることができる。加湿においける親水多孔体からの水の気化量は、送液ポンプ9と液体水気化手段10の送風機の動作条件によって制御することができる。
湿度比較(β≧βSET1)工程(S2−3)は、加湿対象の空間の湿度βが定められた湿度βSET1以上になったかどうかを判定する工程である。加湿対象の空間には、図示しない湿度センサが用いられることが好ましい。β≧βSET1を満たす時(true)、次工程に移行する。β≧βSET1を満たさない時(false)、加湿を続ける。湿度βSET1は、予め定められた値、加湿対象の室内の温度、室外の気候等の条件を基に制御部Cが求めた値や操作者が設定した値などである。湿度は、相対湿度または絶対湿度のどちらかである。なお、本工程は、送液ポンプ9による液体水の送液量や加湿時間などから気化した水の量を計算もしくは推定して、設定された条件を満たす時にtrueとして、次工程に移行してもよいし、設定された条件を満たさない時にfalseとして加湿を続けてもよい。また、水回収部6の水がなくなり、液体水気化手段10へ水を送液することができなくなった時にもtrueとして、次工程に移行することができる。S2−3工程とS2−4工程の間に、水回収部6からラインL7間にたまった液体水を排出する処理を行ってもよい。水回収部6からラインL7間にたまった液体水を排出する方法としては、例えば、ラインL7を図示しないドレインと接続して、ドレインから液体水を排出してもよいし、液体水がなくなるまで、液体水気化手段10による液体水の気化を続けてもよい。
送液ポンプ運転停止工程(S2−4)は、送液ポンプ9の運転を停止する工程である。送液ポンプ9の運転を停止した後に、長期間、加湿運転を行わない場合は、ラインL7にたまった液体水や水回収部6にたまった液体水を図示しない排気経路を経由して排出してもよい。
加湿運転停止工程(S2−5)は、加湿の全ての工程が終了し、次のサイクルが開始するまで待機する工程である。本工程の次のサイクルは、水回収工程S1のサイクルでもよいし、十分量の液体水が残存していれば、加湿工程S2のサイクルでもよい。
上記に説明した工程によって、水が効率的に回収された液体水を用いて加湿を行うことができる。液体水を送液しているため、気体水を配管を通して加湿する場合よりも、短時間で、安定的にかつ効率的に加湿することが可能である。室外から回収した気体水をそのまま用いて加湿を行う場合、室外の空気の湿度が低ければ、湿度を上げるために大きなエネルギーを要するため、目的とする湿度にすることが困難である場合があるし、また、加湿に大きな騒音を伴うポンプを要してしまう。また、本実施形態の他の利点として、水透過膜3を通った気体水を液体水として回収するため、実施形態で回収される水は、低汚染もしくは汚染されていないため、加湿で放出される気化水も衛生的観点および保存性の観点から好ましい。
(実施形態3)
実施形態3は、空気調和システムおよび加湿方法に関する。図5に実施形態2の空気調和システム(空気調和装置)300の模式図を示す。空気調和システム300は、加湿システム200とヒートポンプサイクルを有し、ヒートポンプサイクルの冷媒の吸熱によって水回収部6を冷却して水を回収し、加湿及び空気調和運転を行う。図5の空気調和システム300は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段である第3熱交換器7と、送風手段4と、送液ポンプ9と接続した液体水気化手段10と、第1熱交換器11と、圧縮器12と、冷暖房切替用の四方弁13と、第1膨張弁14と、第2熱交換器15と第2切替バルブ16と、制御部Cとを有する。第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、は実施形態1の水回収システム100又は実施形態2の加湿システム200と共通する。送液ポンプ9と液体水気化手段10は、実施形態2の加湿システム200と共通する。第1熱交換器11と、圧縮器12と、四方弁13と、第1膨張弁14と、第2熱交換器15と第2切替バルブ16と、第2膨張弁17と第3熱交換器7は第3回路を構成する。第3回路は、冷媒が循環する回路である。ラインL8〜L16は、冷媒が流れる配管である。四方弁13がラインL8とラインL9を導通し、ラインL12とラインL13を導通するとき、空気調和システム300は、暖房運転を行う。四方弁13がラインL8とラインL12を導通し、ラインL9とラインL13を導通するとき、空気調和システム300は、暖房運転を行う。実施形態3の空気調和システム300は、第1熱交換器11と液体水気化手段10が加湿対象の空間である室内に設けられ、他は室外に設けられることが好ましい。なお、実施形態3では、冷却手段7として空気調和システム300の冷媒を流して熱交換を行う第3熱交換器を用いている。冷却手段としては、第3熱交換器7に限定されるものではなく、ペルチェ素子や低温空気を用いてもよいし、これらを第3熱交換器と組み合わせてもよい。冷却手段7としてペルチェ素子や低温空気などの第3熱交換器7以外の冷却手段を用いる場合は、第2膨張弁17、第2切替バルブ16、ラインL14、L15、L16を省略することができる。
実施形態3は、空気調和システムおよび加湿方法に関する。図5に実施形態2の空気調和システム(空気調和装置)300の模式図を示す。空気調和システム300は、加湿システム200とヒートポンプサイクルを有し、ヒートポンプサイクルの冷媒の吸熱によって水回収部6を冷却して水を回収し、加湿及び空気調和運転を行う。図5の空気調和システム300は、第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段である第3熱交換器7と、送風手段4と、送液ポンプ9と接続した液体水気化手段10と、第1熱交換器11と、圧縮器12と、冷暖房切替用の四方弁13と、第1膨張弁14と、第2熱交換器15と第2切替バルブ16と、制御部Cとを有する。第1室1と第2室2に水透過膜3で隔てられた水供給部と、減圧手段である減圧ポンプ5と、水回収部6と、第1切替バルブ8と、冷却手段7と、送風手段4と、は実施形態1の水回収システム100又は実施形態2の加湿システム200と共通する。送液ポンプ9と液体水気化手段10は、実施形態2の加湿システム200と共通する。第1熱交換器11と、圧縮器12と、四方弁13と、第1膨張弁14と、第2熱交換器15と第2切替バルブ16と、第2膨張弁17と第3熱交換器7は第3回路を構成する。第3回路は、冷媒が循環する回路である。ラインL8〜L16は、冷媒が流れる配管である。四方弁13がラインL8とラインL9を導通し、ラインL12とラインL13を導通するとき、空気調和システム300は、暖房運転を行う。四方弁13がラインL8とラインL12を導通し、ラインL9とラインL13を導通するとき、空気調和システム300は、暖房運転を行う。実施形態3の空気調和システム300は、第1熱交換器11と液体水気化手段10が加湿対象の空間である室内に設けられ、他は室外に設けられることが好ましい。なお、実施形態3では、冷却手段7として空気調和システム300の冷媒を流して熱交換を行う第3熱交換器を用いている。冷却手段としては、第3熱交換器7に限定されるものではなく、ペルチェ素子や低温空気を用いてもよいし、これらを第3熱交換器と組み合わせてもよい。冷却手段7としてペルチェ素子や低温空気などの第3熱交換器7以外の冷却手段を用いる場合は、第2膨張弁17、第2切替バルブ16、ラインL14、L15、L16を省略することができる。
圧縮機12は、第1熱交換器11と第2熱交換器15との間に配置され、冷媒を圧縮する。圧縮機12と第1熱交換器11の間には、冷媒の流れる方向を切り替える四方弁13が配置される。ラインL8とラインL13は、圧縮機12と四方弁13を接続する。圧縮機12の一部に液冷媒を貯蔵するアキュムレーターが取り付けられている場合がある。暖房運転を行う場合、圧縮機12を出た冷媒は、四方弁13、第1膨張弁14、第1熱交換器11、第2熱交換器15を経て圧縮機12に再び吸い込まれる。もしくは、圧縮機12を出た冷媒は、四方弁13、第2切替バルブ16、第2膨張弁17、第3熱交換器7を経て、圧縮機12に再び吸い込まれる。実施形態の冷媒としては、例えば、ハイドロフルオロカーボンやハイドロクロロフルオロカーボン等の空気調和装置に用いられる冷媒を用いることができる。
四方弁13は、圧縮機12と第1熱交換器11及び圧縮機12と第2熱交換器15の間に配置される。ラインL9は、四方弁13と第1熱交換器11を接続する。ラインL15は、四方弁13と第2熱交換器15を接続する。四方弁13は、圧縮機12で圧縮された冷媒の循環方向を切り替えることができる。圧縮された冷媒が第1交換器11に向かう循環回路は、暖房時の回路である。暖房の場合は、暖められた空気が第1熱交換器11から室内に向かって送風される。圧縮された冷媒が第2熱交換器15に向かう循環回路は、冷房時の回路である。冷房の場合は、冷やされた空気が第1熱交換器11から室内に向かって送風される。以下、実施形態は、暖房について説明し、冷房については省略するが、空気調和システム300は、冷房と暖房の両機能を備えることができる。暖房のみの機能を有する空気調和システム300は、四方弁13を省略することができる。
第1熱交換器11は、四方弁13と第1膨張弁14との間に配置される。ラインL9は、第1熱交換器11と四方弁13を接続する。ラインL10は、第1熱交換器11と第1膨張弁14を接続する。第1熱交換器11は、圧縮機12で圧縮した高温高圧の冷媒と室内空気とを熱交換し、冷媒を凝縮させて昇温した空気を室内に放出する。熱交換した空気は、モーターで回転させたファンによる送風で室内に放出される。図5では、第1熱交換器11中に液体水気化手段10を配置している。これは、加湿及び加温された空気を共通の送風口から送風するためであるが、これに限定されるこのではない。例えば加湿された空気を送風する送風口と加温された空気を送風する送風口をそれぞれ別に設けることもできる。
第1膨張弁14は、第1熱交換器11と第2熱交換器15の間に配置される。ラインL10は、第1膨張弁14と第1熱交換器11を接続する。第1膨張弁14と第2熱交換器15は、ラインL11で接続される。第1膨張弁14は、第1熱交換器11を経た冷媒を減圧させる部材である。
第2熱交換器15は、第1膨張弁14と四方弁13との間に配置される。ラインL11は、第2熱交換器15と第1膨張弁14を接続する。ラインL12は、第2熱交換器15と四方弁13を接続する。第1膨張弁14で減圧した低温低圧の冷媒と室外空気とを熱交換し、冷媒を蒸発させて降温した空気を室外に放出する部材である。
第2切替バルブ16は、第1膨張弁14と第2膨張弁17の間に存在する。ラインL10は、第2切替バルブ16、第1熱交換器11及び第1膨張弁14を接続する。ラインL14は、第2切替バルブ16と第2熱交換器15を接続する。第2切替バルブ16は、第2膨張弁17と第3熱交換器7への冷媒の流れを制御する。第2切替バルブ16が開いていると、冷媒は第2膨張弁17及び第3熱交換器7へ流れる。第2切替バルブ16が閉じていると、冷媒は第2膨張弁17及び第3熱交換器7へ流れない。
第2膨張弁17は、第1熱交換器11と第3熱交換器7の間に配置される。ラインL10及びラインL14は、第2膨張弁17と第1熱交換器11を接続する。ラインL15は、第2膨張弁17と第3熱交換器7を接続する。第2膨張弁17は、第1熱交換器11を経た冷媒を減圧させる部材である。
第3熱交換器7は、第2膨張弁17で減圧した低温低圧の冷媒と水回収部6とを熱交換し、水回収部6を冷却する。ラインL15は、第2膨張弁17と第3熱交換器7を接続する。ラインL16は、第3交換機7と第2熱交換器15を接続する。ラインL16及びラインL12は、第2膨張弁17と四方弁13を接続する。水回収部6を冷却する時に第2切替バルブ16を開けて、ラインL10とラインL14を導通させる。第3熱交換器7の熱交換は、水回収部6と直接熱交換してもよいし、空気等を媒体として用いて、間接的に熱交換してもよい。
なお、図5の模式図は、第2熱交換器15と第3熱交換器7を並列に接続した形態であるが、接続方法は、図5の形態に限られず、例えば、第2熱交換器15と第3熱交換器7を直列に接続することもでき、このとき等は第2切替バルブ16を省略してもよい。
実施形態3の空気調和システム300の加湿を行う空気調和サイクルについて、説明する。図6に、実施形態3の加湿を行う空気調和サイクルのチャート図を示す。図6のチャート図に示す加湿サイクルは、空気調和運転開始工程(S3−1)、水回収工程S1、加湿工程S2、圧縮機運転開始工程(S3−2)、送風開始工程(S3−3)と空気調和運転停止工程(S3−4)とを有する。なお、以下に説明する加湿を行う空気調和サイクルは、暖房運転に関して説明する。冷房運転を行う場合は、第2切替バルブ16を閉じて、第2の膨張弁17と第3熱交換器7を冷媒が流れないようにすることが好ましい。図6中の矢印は、以下に説明する運転サイクルの流体の流れる方向を示している。
空気調和運転開始工程(S3−1)は、例えば、空気調和運転を開始するための制御部Cからの指示である。制御部Cからの指示は、制御部Cで設定された時機や操作者によるスイッチの操作などである。
水回収工程S1は、実施形態1で説明した、水回収システム100の水回収サイクルの工程S1−1からS1−11である。なお、水回収量(水残量)Vが定められた水量VSET2以上であれば水回収工程S1を省略して、加湿運転工程S2を行ってもよい。また、任意の時機に加湿運転工程S2を行えるように、加湿運転を行っていない期間に水回収工程S1を行ってもよい。また、空気調和運転を行わない期間に、水回収工程S1を行ってもよい。空気調和運転を行わない期間に、水回収工程S1を行う場合は、空気調和の予備運転時でもよいし、図示しないペルチェ素子等の冷却手段をさらに用いて水回収工程S1を単独で行ってもよい。水量VSET2は、加湿条件から適した値が定められることが好ましい。
加湿工程S2は、実施形態で説明した加湿システム200の加湿サイクル工程S2−1からS2−5である。なお、加湿工程S2の開始時機は、加湿対象の空間の湿度βが定められた湿度βSET2以下になった時機や、水回収工程S1が終了した時機などである。加湿工程S2の終了後は、空気調和運転の停止まで待機してもよいし、加湿対象の空間の湿度βが定められた湿度βSET3以下になった時機に再度加湿運転や水回収工程を再開してもよい。湿度βSET2や湿度βSET3は、加湿条件から適した値が定められることが好ましい。また、室内の湿度がβSET1になった後に、次の加湿工程S2に備えて、水回収工程S1を行ってもよい。また、空気調和運転中に加湿に用いる液体水が不足するなどの場合には、空気調和システム中の加湿システムを用いて水を回収する工程と、空気調和システム中の加湿システムを用いて回収した水を用いて加湿する工程と、を交互に行ってもよく、これらの工程を交互に繰り返し行ってもよい。言い換えると、空気調和運転中に水回収工程S1と加湿工程S2を交互に行ってもよく、これらの工程を交互に繰り返し行ってもよい。予め、水回収工程S1を行っている場合は、空気調和運転を開始して、水回収工程S1を行わずに加湿運転を行うことができる。
圧縮機運転開始工程(S3−2)は、圧縮機12の運転を開始して、冷媒を循環させる工程である。圧縮機運転開始工程(S3−2)でヒートポンプサイクルの運転が開始する。低温低圧の気体状の冷媒は、圧縮機12で圧縮されて気体状の高温高圧の冷媒となる。圧縮機12で圧縮された冷媒は、四方弁13を通り、第1熱交換器11で凝縮して冷媒は液化する。液化した冷媒は、第1膨張弁14で減圧されて冷却される。低温低圧の液化した冷媒は、第2熱交換器15で冷媒が吸熱して液化する。第2熱交換器15で液化した冷媒は、四方弁13を通り、再び圧縮機12へ戻る。ここで、水回収を行う時は、第2切替バルブ16を開けて、第2膨張弁17と第3熱交換器7へと冷媒を流す。第2膨張弁17と第3熱交換器7へ流れた冷媒は、同様に減圧と吸熱を行う。第3熱交換器7での吸熱を水回収部6から行うことで、水回収部6の熱を奪い、水回収部6を冷却することができる。水回収工程S1は、第3熱交換器7を冷却手段として用い、水回収量がVSET1以上になったら、水回収工程S1を終了して、加湿工程S2を開始する。なお、圧縮機12の運転を開始した直後は、冷媒の圧力が十分に調整されないため、送風開始前に圧縮機12で冷媒を循環させることが好ましい。
送風開始工程(S3−3)は、第1熱交換器11と室内空気の熱交換によって暖められた空気を室内に送風する。圧縮機12の運転や送風量は、空気調和の設定温度などによって、好適に調整される。送風は、液体水気化手段10にも行ってもよい。第1熱交換器11(液体水気化手段10)からの送風は、加湿及び加温された空気を共通の送風口から送風してもよいし、または、加湿された空気と加温された空気をそれぞれ別の送風口から送風してもよい。
空気調和運転停止工程(S3−4)は、送風と圧縮機12の運転を停止する工程である。室内の温度Tが定められた温度TSET1になったり、操作者がスイッチ操作で、運転を停止したりした場合などに運転を停止する。
実施形態3は、実施形態1の水回収システムと実施形態2の加湿システムを有し、ヒートポンプサイクルの熱サイクルを利用して暖房運転中に効率的に水回収と回収し液体水を用いて加湿と空気調和を行うことができる。従って、実施形態3の空気調和システムは、低騒音で、高効率で、多湿な空気調和運転を1つの装置(システム)で行うことができる。本実施形態の他の利点として、水透過膜3を通った気体水を液体水として回収するため、実施形態で回収される水は、低汚染もしくは汚染されていないため、加湿で放出される気化水も衛生的観点および保存性の観点から好ましい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…第1室、2…第2室、3…水透過膜、4…送風手段、5…減圧ポンプ、6…水回収部、7…冷却手段(第3交換機)、8…第1切替バルブ、9…送液ポンプ、10…液体水気化手段、11…第1熱交換器、12…圧縮器、13…四方弁、14…第1膨張弁、15…第2熱交換器、16…第2切替バルブ、C…制御部、100…水回収システム、200…加湿システム、300…空気調和システム
Claims (7)
- 第1室と第2室に水透過膜で隔てられた水供給部と、
減圧手段と、
水回収部と、
第1切替バルブと
前記水回収部を冷却する冷却手段と、
前記第1室に第1の気体を送風する送風手段と、を有し、
前記第2室と、前記減圧手段と、前記水回収部と前記第1切替バルブとが第2の気体が流れる第1回路を構成し、
前記減圧手段は、前記第1回路を流れる第2の気体を減圧して、前記水回収部で水を回収し、
前記冷却手段は、前記水回収部内を通る前記第2の気体を冷却して前記第2の気体に含まれる気体水を液化させることを特徴とする水回収システム。 - 前記減圧手段は、前記第2の気体の圧力を、前記第1の気体の圧力よりも低くし、
前記水透過膜を通して前記第1の気体に含まれる気体水を前記第2の気体へ移動させることを特徴とする請求項1に記載の水回収システム。 - 前記減圧手段の吸気側は、前記第2室と接続し、
前記減圧手段の排気側は、前記第1切替バルブと接続し、
前記第1切替バルブは、前記減圧手段の排気側、前記水回収部と前記第1回路外へ排気する配管と接続し、
前記第1切替バルブは、前記排気手段から前記水回収部へ第2の気体が流れる第1流体経路と、前記排気手段から前記第1回路外へ前記第2の気体が流れる第2流体経路とを切り替えることを特徴とする請求項1または2に記載の水回収システム。 - 前記水透過膜は、固体高分子膜、アクリル樹脂を含む膜とシリカ膜のうちのいずれか1種以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の水回収システム。
- 前記請求項1乃至4のいずれか1項に記載の水回収システムと、
液体水を気化する液体水気化手段と、
前記液体水気化手段へ前記水回収部で回収した液体水を送液する送液手段を有することを特徴とする加湿システム。 - 前記請求項5に記載の加湿システムと、
ヒートポンプサイクルを有し、
前記ヒートポンプサイクルの冷媒の吸熱によって前記水回収部を冷却して水を回収し、加湿及び空気調和運転を行うことを特徴とする空気調和システム。 - 前記加湿システムを用いて水を回収する工程と、前記加湿システムを用いて前記回収した水を用いて加湿する工程と,を交互に行うことを特徴とする請求項6に記載の空気調和システム。
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