JP6475746B2 - 第１の空気ストリームを冷却しかつ除湿する装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１０月２５日出願の米国仮特許出願第６１／８９５，８０９号明細書（「ＬＩＱＵＩＤ−ＤＥＳＩＣＣＡＮＴ ＤＩＲＥＣＴ−ＥＸＰＡＮＳＩＯＮ ＡＩＲ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＥＲ」）、および２０１４年６月２０日出願の米国仮特許出願第６２／０１５，１５５号明細書（「ＬＩＱＵＩＤ−ＤＥＳＩＣＣＡＮＴ ＶＡＰＯＲ−ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ ＡＩＲ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＥＲ」）に基づく非仮特許出願であり、それらの内容全体を本書に援用する。

政府の関与
本発明は、認可番号ＳＢＩＲ ＦＡ８５０１−１４−Ｐ−０００５下において、国防総省によって支給された政府支援によって行われた。政府は、本発明に権利を有している。

ヒートポンプは、第１の温源から第２のより高温のシンクまで熱エネルギーを動かすことができる熱力学デバイスである。受動的に流れる（すなわち、より高い温度からより低い温度へと受動的に流れる）方向とは反対方向へのこの熱エネルギーの伝達では、電気、化学エネルギー、機械的仕事またはハイグレードな熱エネルギーを含む様々な形態でヒートポンプに供給され得るエネルギーを消費する必要がある。

温暖な天気の最中、ヒートポンプは、一般に、建造物内から周囲へと熱エネルギーを動かすために使用される、すなわち、ヒートポンプは、建造物内に占められた空間に快適な空調をもたらす。この空調は、２つの重要な構成要素を有する：建造物内の温度を下げる感覚的冷却、および湿度を下げる潜在的冷却。快適かつ健康的な室内状況は、室内の温度および湿度の双方が制御されるときにのみ維持されるため、ヒートポンプの感覚的および潜在的冷却の双方が重要である。

残念ながら、ヒートポンプは、効率的な潜在的冷却装置ではない。ヒートポンプは、熱エネルギーを「ポンプでくみ上げ」、および湿分はくみ上げないため、処理空気がその初期の露点温度未満に冷却されるときにのみ除湿する。多くの適用例では、水蒸気が凝縮するように低温に冷却される処理空気は、快適な室内温度が維持されるように、再加熱される必要がある。この過冷却および再加熱のプロセスは、エネルギーを浪費し、かつ快適な室内状況を維持するためのコストを増大させてしまう。

デシカント空調装置は、室内湿度を制御するためのより効率的な手段とし得る。デシカントすなわち乾燥剤は、水蒸気に対して高親和性である材料である。乾燥剤は、空気を初めにその露点温度未満に冷却することなく、空気から水蒸気を直接吸収するために使用され得る。乾燥剤が水蒸気を吸収した後、乾燥剤は、吸収された水蒸気が適切なシンク（例えば、屋外の周囲）へ放出されるように、加熱される。この水蒸気の放出によって、乾燥剤を、再び水蒸気を吸収できる状態まで、再生する。

デシカント空調装置の１つのタイプでは、乾燥剤を再生するための熱エネルギーは、蒸気圧縮式ヒートポンプの冷媒凝縮器によって供給される。以下の５つの特許および特許出願には、冷媒凝縮器から回収した熱エネルギーによって乾燥剤を再生する液体デシカント空調装置を実装するための異なる方法が説明されている。

Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．、（特許文献１）
Ｐｅｔｅｒｓｏｎの特許では、空調装置の蒸発器および凝縮器の双方の外部表面が液体乾燥剤によって湿潤している蒸気圧縮式空調装置が説明されている。蒸発器の乾燥剤湿潤面上を流れる処理空気から水蒸気および熱の双方ともが吸収される。乾燥剤は、凝縮器の乾燥剤湿潤面上を流れる冷却空気ストリームへ水を排除する。定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、水分が蒸発器上で乾燥剤によって吸収される割合と、水分が凝縮器で乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。

Ｆｏｒｋｏｓｈ，ｅｔ ａｌ．、（特許文献２）；Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ、（特許文献３）
Ｆｏｒｋｏｓｈの特許およびＧｒｉｆｆｉｔｈｓの特許の双方において、液体乾燥剤が冷媒蒸発器において冷却され、かつ冷媒凝縮器において加熱される蒸気圧縮式空調装置が説明されている。冷却された乾燥剤は、第１の多孔質接触媒質床に送給され、かつそこに散布される。この第１の多孔質床を通って流れる処理空気は、冷却されかつ乾燥される。加熱された乾燥剤は、第２の多孔質接触媒質床に送給され、かつそこに散布される。この第２の多孔質床を通って流れる冷却空気は、温かい液体乾燥剤から熱エネルギーおよび水蒸気を得る。Ｐｅｔｅｒｓｅｎの特許と同様に、定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、ヒートポンプの蒸発器側で水分が乾燥剤によって吸収される割合と、凝縮器側で水分が乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。

Ｖａｎｄｅｒｍｅｕｌｅｎ，ｅｔ ａｌ．、（特許文献４）
Ｖａｎｄｅｒｍｅｕｌｅｎの特許出願には、第１の熱伝達流体が冷媒蒸発器において冷却され、および第２の熱伝達流体が冷媒凝縮器において加熱される蒸気圧縮式空調装置が説明されている。冷却された第１の熱伝達流体は第１の組の膜被覆プレートを冷却し、この第１の組の膜被覆プレートは、膜の下側の各プレートの表面上を流れる液体乾燥剤を有する。処理空気は、膜に接触する第１の組のプレート間の間隙に処理空気が流れるときに、冷却されかつ乾燥される。加熱された第２の熱伝達流体は第２の組の膜被覆プレートを加熱し、この第２の組の膜被覆プレートは、膜の下側の各プレートの表面上を流れる液体乾燥剤を有する。冷却空気は、膜と接触する第２の組のプレート間の間隙に冷却空気が流れるときに、乾燥剤から熱エネルギーおよび水蒸気を得る。Ｐｅｔｅｒｓｅｎの特許と同様に、定常運転条件下では、乾燥剤の濃度によって、自然に、ヒートポンプの蒸発器側上で水分が乾燥剤によって吸収される割合と、凝縮器側上で水分が乾燥剤によって脱着される割合とが等しい値を求める。

Ｄｉｎｎａｇｅ，ｅｔ ａｌ．、（特許文献５）
Ｄｉｎｎａｇｅの特許では、空調装置の冷媒蒸発器を流出する冷たい飽和処理空気が、デシカントホイール（desiccant wheel）の２つのセクターのうちの第１のセクターを通って流れ、および空調装置の冷媒凝縮器を流出する温かい不飽和冷却空気は、第２のセクターを通って流れる、蒸気圧縮式空調装置が説明されている。水蒸気は、第１のセクターにおいて処理空気から乾燥剤によって吸収され、および第２のセクターにおいて乾燥剤によって冷却空気に脱着される。デシカントホイールは、２つの空気ストリームの間で回転するため、吸収プロセスおよび脱着プロセスは、同時におよび連続的に生じる。

Ｌｏｗｅｎｓｔｅｉｎら（（特許文献６））による第５の特許には、液体乾燥剤が腐食性のハロゲン化物塩溶液であるときに、Ｐｅｔｅｒｓｏｎの特許に説明されているものと機能的に同様の液体デシカント空調装置を実装するための技術が説明されている。

Ｇｒｉｆｆｔｈｓ、Ｆｏｒｋｏｓｈ、ＶａｎｄｅｒｍｅｕｌｅｎまたはＤｉｎｎａｇｅの特許のいずれかに説明されている技術を使用する、それらの潜在的冷却を増強させるヒートポンプは全て、基本的な性能限界がある。ＧｒｉｆｆｉｔｈｓおよびＦｏｒｋｏｓｈの特許は、断熱性の多孔質接触媒質床を使用するため（すなわち、床には内部冷却または加熱源が埋め込まれていない）、乾燥剤のフラッディング率（flooding rate）は、床を通る空気の流れと比較して、高い必要がある。これらの高いフラッディング率は、乾燥剤の温度が著しく高くなったり（乾燥剤が水分を吸収するときに熱が放出される床において）、著しく低くなったり（乾燥剤が水分を脱着するときに熱が吸収される床において）しないようにするために、必要とされる。これらの高いフラッディング率は、高電力を引き出す大きなポンプを必要とする。これらはまた、フラデッド床において、大きな空気側の圧力低下を生じて、ヒートポンプのファンの出力を高める。

Ｖａｎｄｅｒｍｅｕｌｅｎの技術を使用するヒートポンプは、その熱シンク（例えば、蒸気圧縮技術を使用するヒートポンプ用の冷媒蒸発器）と液体デシカント吸収器との間に冷却用熱伝達流体をポンプでくみ上げる必要があり、およびその熱源（例えば、蒸気圧縮技術を使用するヒートポンプ用の冷媒凝縮器）と液体デシカント脱着器との間に加熱用熱伝達流体をポンプでくみ上げる必要がある。これらの２つの熱伝達ループは、温度低下を導入してヒートポンプの熱シンクをより低温で運転させかつその熱源をより高温で運転させることによって、ヒートポンプの電力利用の増大、および性能の低下の双方を行う。

Ｄｉｎｎａｇｅの技術を使用するヒートポンプに固有の限界の源は、固体デシカントロータである。特に：
（ａ）デシカントホイールが、除湿されるべき空気ストリームへと回転するときに、デシカントホイールの暖かい再生（すなわち、水分の脱着）セクターを予冷する単純な方法がない。それゆえ、ホイールの塊に蓄えられた熱は、この空気ストリームに伝達され、それにより、空調装置によってもたらされる冷却効果を減少させる。同様に、固体デシカントホイールの冷却処理（すなわち水分の吸収）セクターが、暖かい空気ストリームへと回転するときに、固体乾燥剤を再生する暖気における熱エネルギーのかなりの割合が、ホイールの塊を加熱するタスクを実行する。この加熱タスクは、暖気における熱エネルギーの量を減少させ、乾燥剤から水分を積極的に脱着する。
（ｂ）デシカントホイールの再生セクターおよび処理セクターは、互いに隣同士である必要がある。この幾何学的制約は、供給空気および再生空気が、互いにごく接近して逆流することを求める。
（ｃ）再生セクターおよび処理セクターの円形形状は、空調装置の冷媒蒸発器および冷媒凝縮器の機能を果たすフィン付きチューブ熱交換器でよく見られる長方形とは異なる。空調装置の高さまたは幅のいずれかにおける設計制約は、長方形熱交換器のアスペクト比を調整することによって、適合され得る一方、デシカントホイールは、その高さおよび幅の双方を同じ割合で増大させる（または縮小させる）必要がある。

Ｌｏｗｅｎｓｔｅｉｎの特許の技術を適用するヒートポンプにはまた、重要な限界があるが、これら限界は基本的なものではなく、新しいヒートポンプ設計の製造に必要とされる資本設備への投資の実際的な関心事に集中している。特に、蒸気圧縮式空調装置として実装されるとき、Ｌｏｗｅｎｓｔｅｉｎの特許の技術は、製造者に、空調装置の蒸発器および凝縮器に対して、従来のフィン付きチューブ熱交換器に対して現在使用されているものとは根本的に異なる組み立て手順を使用することを求める。

米国特許第４，９４１，３２４号明細書 米国特許第６，５４６，７４６号明細書 米国特許第４，２５９，８４９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１２５０２０号明細書 米国特許第７，０４７，７５１号明細書 米国特許第７，２６９，９６６号明細書

本発明の例示的な実施形態によれば、第１の空気ストリームを冷却しかつ除湿する装置は：第１の空気ストリームを第１の温度から、それよりも低い第２の温度に冷却する第１の熱交換器と；吸収器であって：表面が、吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れによって湿潤され、かつ第１の空気ストリームが、第１の熱交換器において冷却された後に通って流れる、接触媒質の多孔質床；および接触媒質の多孔質床を流れ出る液体乾燥剤を受け取る第１の収集リザーバを含む、吸収器と；第１の収集リザーバに流入する液体乾燥剤の少なくとも一部分を受け取り、かつ受け取った液体乾燥剤から水分を除去する再生器と；吸収器と再生器との間での液体乾燥剤の交換、吸収器内での液体乾燥剤の再循環、または再生器内での液体乾燥剤の再循環のうちの少なくとも１つを実施する１つ以上のポンプおよび導管と；を含み、
装置は、液体乾燥剤が、吸収器内で第１の空気ストリームから湿分を除去し、および第１の熱交換器を流出する第１の空気ストリームの第２の温度が、吸収器に供給される液体乾燥剤の温度よりも低い条件下で、動作する。

少なくとも１つの実施形態では、再生器は、第２の熱交換器内で第３の温度に加熱された第２の空気ストリームが、液体乾燥剤で湿潤される多孔質接触媒質床を通って流れ、それにより、第２の空気ストリームへ湿分を放出する、脱着器、および脱着器において多孔質媒質床から流れ出る液体乾燥剤を受け取る第２の収集リザーバである。

少なくとも１つの実施形態では、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である。

少なくとも１つの実施形態では、第１の熱交換器は、第１の蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器であり、および第２の熱交換器は凝縮器である。

少なくとも１つの実施形態では、吸収器から再生器まで流れる液体乾燥剤、および再生器から吸収器まで流れる液体乾燥剤が、熱交換器において熱エネルギーを交換する。

少なくとも１つの実施形態では、１つ以上の導管が、第１の収集リザーバと第２の収集リザーバとを流体的に接続する。

少なくとも１つの実施形態では、第１の収集リザーバおよび第２の収集リザーバが、共通の少なくとも１つの壁と、少なくとも１つの壁にある、液体乾燥剤が２つのリザーバ間で流れることができるようにする少なくとも１つの開口とを有する。

少なくとも１つの実施形態では、第１の収集リザーバおよび第２の収集リザーバは、単一の共通の収集リザーバへと組み合わせられる。

少なくとも１つの実施形態では、液体乾燥剤の第１の流れと第１の空気ストリームとの質量流量比は、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ接触媒質の表面が液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、０．１４７未満である。

少なくとも１つの実施形態では、液体乾燥剤を吸い上げる接触媒質が、ガラス繊維の波形シートを含む。

少なくとも１つの実施形態では、装置は、さらに、第１の収集リザーバと第２の収集リザーバとを流体的に接続する少なくとも２つの導管を含み、ポンプは、少なくとも１つの導管における乾燥剤の流れを支援する。

少なくとも１つの実施形態では、ポンプは、第１の収集リザーバと第２の収集リザーバとの間での乾燥剤の交換を変化させるように変調されるように適合される。

少なくとも１つの実施形態では、バルブが、１つのポンプを流出する流れを２つの流れに分割し、そのうちの一方は、吸収器および／または第１の収集リザーバに送給され、および他方は、脱着器および／または第２の収集リザーバに送給される。

少なくとも１つの実施形態では、流れを２つの流れに分割するバルブは、２つの流れの相対的な大きさを制御できるように、変調され得る。

少なくとも１つの実施形態では、吸収器内の多孔質接触媒質床は、埋め込み式の内部冷却源を有しておらず、および脱着器内の多孔質接触媒質床は、埋め込み式の内部加熱源を有していない。

少なくとも１つの実施形態では、吸収器内の多孔質接触媒質床は、埋め込み式の内部冷却源を有し、その冷却源は、第２の蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器であり、および脱着器内の多孔質接触媒質床は、埋め込み式の内部加熱源を有し、その加熱源は、第２の蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮器である。

少なくとも１つの実施形態では、第１および第２の蒸気圧縮式ヒートポンプは、共通の圧縮器を共有している。

本発明の例示的な実施形態によれば、第１の空気ストリームを冷却しかつ除湿する方法は：第１の空気ストリームを第１の熱交換器によって、第１の温度から、それよりも低い第２の温度に冷却するステップと；吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れによって、接触媒質の多孔質床を含む吸収器の表面を湿潤させるステップと；吸収器内の液体乾燥剤によって、第１の空気ストリームから湿分を除去するステップであって、第１の熱交換器を流出する第１の空気ストリームの第２の温度は、吸収器に供給される液体乾燥剤の温度よりも低い、ステップと；第１の収集リザーバによって、接触媒質の多孔質床を流れ出る液体乾燥剤を受け取るステップと；再生器によって、第１の収集リザーバに流入する液体乾燥剤の少なくとも一部分を受け取って、受け取った液体乾燥剤から水分を除去するステップと；吸収器と再生器との間で液体乾燥剤を交換するステップ、吸収器内で液体乾燥剤を再循環させるステップ、または再生器内で液体乾燥剤を再循環させるステップのうちの少なくとも１つのステップとを含む。

少なくとも１つの実施形態では、再生器は脱着器であり、および方法は、さらに：第２の熱交換器内で第２の空気ストリームを第３の温度に加熱するステップと；第２の空気ストリームを、液体乾燥剤によって湿潤される多孔質接触媒質床を通して流して、第２の空気ストリームへ湿分を放出するステップと；第２の収集リザーバによって、脱着器において多孔質媒質の床から流れ出る液体乾燥剤を受け取るステップとを含む。

少なくとも１つの実施形態では、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である。

少なくとも１つの実施形態では、液体乾燥剤の第１の流れと第１の空気ストリームとの質量流量比は、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ接触媒質の表面が液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、０．１４７未満である。

米国特許第７，０４７，７５１号明細書において説明されている、固体デシカント蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 典型的な動作の最中の、本発明の例示的な実施形態を流れる処理空気および冷却空気の双方の状態点を示す、湿り空気線図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる断熱性の液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。 空調装置の潜在的冷却を増強させる液体デシカント吸収器および脱着器を備える、本発明の別の例示的な実施形態による蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。

ここで特許請求する本発明、および本発明がもたらす利点は、その動作を、Ｄｉｎｎａｇｅの特許に説明されている技術の動作と比較することによって、認識され得る。図１は、Ｄｉｎｎａｇｅの特許において開示されているような蒸気圧縮式空調装置のブロック図である。供給空気ストリームが冷媒蒸発器（５２）において冷却され、かつ再生空気ストリームが冷媒凝縮器（５８）において加熱される、蒸気圧縮式空調装置を示す。冷媒蒸発器（５２）を流出する冷たい飽和供給空気は、回転するデシカントホイール（５５）の処理セクター（５４）を通過するときに、乾燥される。乾燥剤によって吸収される水分は、ホイールが回転するとき、再生空気へと排除され、および「処理セクター」であったものが、乾燥剤が再生空気によって加熱される「再生セクター」（６０）になる。

蒸気圧縮式空調装置に適用されるとして示されているが、Ｄｉｎｎａｇｅの特許において説明されている技術は、他のタイプのヒートポンプの潜在的冷却を増強させ得る。その有効性は、全ての乾燥剤の基本特性に依存する：均衡条件下で乾燥剤によって吸収される水分量は、その環境の相対湿度に応じる。建造物を冷却するヒートポンプに関し、より低温の熱シンク（例えば、蒸気圧縮式空調装置の冷媒蒸発器）から出る空気の相対湿度は、より高温の熱源（例えば、蒸気圧縮式空調装置の冷媒凝縮器）から出る空気よりも遥かに高い。これら２つの空気ストリームに交互に曝される乾燥剤は、湿分を、より高い相対湿度のストリームから、より低い湿度のストリームへ動かす。この湿分移動の正味の影響は、ヒートポンプによってもたらされる潜在的冷却を増強させることであろう。

例示的な実施形態では、本発明は、デシカントホイールの処理セクターを液体デシカント吸収器で、および再生セクターを液体デシカント脱着器で置き換えることによって、Ｄｉｎｎａｇｅの特許の技術に関する２つの幾何学的な限界（前述の限界の第２および第３の限界）をなくす。図２に示す本発明の実施形態に関し、この固体乾燥剤の技術の代用としての液体乾燥剤の技術では、吸収器（５３）と脱着器（５１）との間で液体乾燥剤（４６ｓ、４６ｗ）を動かすために、少なくとも２つのポンプ（４４ｓ、４４ｗ）を必要とする。吸収器および脱着器の双方とも、内部多孔質接触媒質床（５９）を有し、表面が、液体乾燥剤分配器（４９）から供給された液体乾燥剤によって湿潤されている。液体乾燥剤は、別個の多孔質接触媒質床（５９）を通って流れた後、液体乾燥剤をポンプ（４４ｓ、４４ｗ）の入口に供給する別個のサンプ（４５ｓ、４５ｗ）に流れ出る。

図２に示す本発明の実施形態は、ＨＶＡＣ応用において、一般に屋外、室内または２つの箇所の組み合わせから引き入れられる処理空気ストリーム（６６）を冷却しかつ除湿する。処理空気ストリーム（６６）は、まず、冷媒蒸発器（５２）において冷却される。この冷却によって、その相対湿度が一般に９０％を上回るように、冷媒蒸発器（５２）を流出する処理空気ストリーム（６３）の温度の低下および相対湿度の上昇の双方を行う。高相対湿度の処理空気ストリーム（６３）は、吸収器（５３）の乾燥剤で湿潤された多孔質接触媒質床（５９）を流れる。処理空気（６３）は非常に高い相対湿度を有するため、液体乾燥剤は、処理空気（６３）から水蒸気を吸収する。この吸収は３つの効果を有する：（ａ）処理空気の絶対湿度の低下、（ｂ）液体乾燥剤の濃度の低下、および（ｃ）処理空気の温度の上昇（この最後の効果は、吸収プロセスにおいて放出された熱に起因している）。それゆえ、蒸発器（５２）を流出する処理空気（６３）と比較して、処理空気（６４）は、より低い絶対湿度およびより高い温度で吸収器（５３）を流出する。その後、冷たく乾燥した空気ストリーム（６４）が、建造物へ放出される。

吸収器（５３）の上部に供給される液体乾燥剤は、吸収器（５３）の底部を流出する液体乾燥剤よりも強力（すなわち、より高濃度）である。より弱い液体乾燥剤（４６ｗ）が、吸収器（５３）の下側でサンプ（４５ｗ）から分配器（４９）へとポンプでくみ上げられて、液体乾燥剤を脱着器（５１）へ送給する。脱着器（５１）では、液体乾燥剤によって吸収された水分は、冷媒凝縮器（５８）を流出しかつ脱着器（５１）内の多孔質接触媒質の乾燥剤湿潤床（５９）を流れる温かい低相対湿度の冷却空気（６１）へと排除される。脱着器（５１）において水分を得た後、より高湿度になった冷却空気（６２）が周囲に排出される（例えば、排除されて屋外に戻される）。水分が冷却空気（６２）へと排除された液体乾燥剤は、脱着器に入った時よりも強力な状態で脱着器（５１）の底部を流出する。このより強力な乾燥剤（４６ｓ）は、液体乾燥剤を吸収器（５３）の上部に供給する分配器（４９）へポンプでくみ上げられる。

（図２では、脱着器を通って流れるとき水分を得る空気は、蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮器を最初に冷却するため、「冷却空気」と呼ばれる。乾燥剤の技術の説明では、この空気はまた、「再生空気」および「掃去空気」とも呼ばれる。冷却空気（６１）は、建造物の外部から集められ得る。）

図２は、ヒートポンプが蒸気圧縮式空調装置である、本発明の一実施形態を示す。その蒸発器（５２）および凝縮器（５８）に加えて、この空調装置は、冷媒（４３）を循環させる圧縮器（４１）と、冷媒（４３）の圧力を、圧縮器（４１）の排出圧力に近い高圧から圧縮器の吸気圧力に近い低圧まで低下させる膨張弁（４２）とを有する。蒸気圧縮式空調装置はまた、冷却空気（６１）を凝縮器にわたっておよび処理空気（６３）を蒸発器にわたって移動させるファンを有する（ファンは、図２には示さない）。

図２に示す本発明によってもたらされた潜在的冷却の強化は、図３に示す湿り空気線図でのプロセスを見ることによって、認識し得る。図３に示すプロセスに関し、８６Ｆ（乾球温度）および０．０１８８９ｌｂ／ｌｂ（絶対湿度比）での周囲空気（状態点Ａ）は、ヒートポンプの蒸発器において処理され、かつヒートポンプの凝縮器において冷却用に使用される。冷却に使用される空気の体積流量は、処理されるものの４倍である。

図３に示すように、処理されるべき周囲空気（状態点Ａ）は、まず、飽和（状態点Ｂ）に向かって蒸発器において冷却されてから、さらに蒸発器において状態点Ｃへと冷却される。状態点Ｃにおいて、処理空気の相対湿度は１００％に近い。その後、ほぼ飽和した処理空気は、吸収器において、多孔質接触媒質の乾燥剤湿潤床を通って流れて、状態点Ｄへと乾燥される。上述の通り、乾燥剤が水分を吸収するときに熱が放出され、および放出された熱は、処理空気の温度を上昇させる。温度の上昇および絶対湿度の低下の複合効果によって、処理空気の相対湿度を最終値４９％まで低下させる。

ヒートポンプの凝縮器を冷却する周囲空気（状態点Ａ）は、状態点Ｅで凝縮器を流出し、その温度は、８６Ｆから１１２Ｆへと上昇した。状態点Ｅにおける冷却空気の相対湿度は３５％であり、この湿度は、脱着器に向けられるとき、脱着器内へと流れる弱い液体乾燥剤を、液体デシカント吸収器に必要とされる強力な濃度へ戻すのに十分なほど低い。

その潜在的冷却を増強させるために液体乾燥剤を使用するヒートポンプの図２に示す本発明の実施形態は、図１に示す固体乾燥剤の実装例と熱力学的に等価である。液体乾燥剤および固体乾燥剤の両実装例において、乾燥剤成分によってもたらされた潜在的冷却の増強は、固体デシカントロータの回転を停止するかまたは液体デシカントポンプを停止するかのいずれかによって、止められ得る。乾燥剤成分が不活性である場合、空調装置は、不活性な乾燥剤成分による空気側の圧力低下に起因して性能がわずかに低下した状態で、従来のヒートポンプ空調装置と同様に機能する。乾燥剤成分のオン／オフの切り換えサイクルを使用して、空調装置によってもたらされる感覚的冷却と潜在的冷却との比を変調させ得る。

固体乾燥剤および液体乾燥剤の両実装例の性能は、乾燥剤が吸収側と脱着側との間で移動するときにこれら吸収側と脱着側との間で交換される熱エネルギーによって、低下される（すなわち、Ｄｉｎｎａｇｅの特許に関して上述した第１の限界）。潜在的冷却が増強されたヒートポンプの液体乾燥剤の実装例は、その効率が、吸収器から脱着器まで流れる冷たい乾燥剤を予熱する一方で脱着器から吸収器まで流れる温かい乾燥剤を予冷するために液−液式熱交換器を追加することによって改善され得る点で、その固体乾燥剤の相手方よりも重要な利点を有する。図４に、液−液相互交換式熱交換器（ＩＨＸ）で空調するために使用される液体デシカントヒートポンプのこの構成が示されている。この図面に示すように、脱着器（５１）からの温かく強力な乾燥剤（４６ｓ）は、吸収器からの冷たく弱い乾燥剤（４６ｗ）と熱エネルギーを交換し、これらの２つの乾燥剤のストリームは、相互交換式熱交換器（６９）の反対側を流れる。この熱エネルギーの交換は、２つの重要な効果を有する。第１に、液体乾燥剤から吸収器（５３）内の処理空気（６３）へ伝達される熱エネルギーを減少させ、ヒートポンプによってもたらされる冷却量を増やす。ＩＨＸ（６９）における熱エネルギーの交換はまた、脱着器に供給される弱い乾燥剤を温め、脱着器における水分排除性（water rejection）を高める。

図４に示すように、強力な乾燥剤（４６ｓ）および弱い乾燥剤（４６ｗ）の流れは、ＩＨＸ（６９）を通る並流である。熱交換器の設計で一般に実施されるように、ＩＨＸにおける熱エネルギーの交換は、ＩＨＸを通って対向流となるように２つの流れを方向付けることによって、増加させられ得る。

図２および図４に示す本発明の実施形態は、「ワンススルー」デシカント回路を有する−脱着器（５１）を流出する乾燥剤は全て、吸収器（５３）へとポンプでくみ上げられ、かつ吸収器（５３）を流出する乾燥剤は全て、脱着器（５１）へとポンプでくみ上げられる。デシカント回路を修正することによって潜在的冷却および感覚的冷却の相対量を制御するための手段が、本発明に援用され得るため、吸収器および脱着器への乾燥剤の流量は独立して制御される。

図５は、吸収器および脱着器への乾燥剤の流量が独立して制御され得る、本発明の実施形態を示す。この実施形態では、脱着器（５１）の下側のサンプ（４５ｓ）からの強力な乾燥剤（４６ｓ）は、脱着器（５１）の上部へとポンプでくみ上げられ、および吸収器（５３）の下側のサンプ（４５ｗ）からの弱い乾燥剤（４６ｗ）は、吸収器（５３）の上部へとポンプでくみ上げられる。揚水デシカント回路は、もはや、乾燥剤中の水分を吸収器から脱着器へ伝達するために必要な、脱着器と吸収器との間の流体連通をもたらさないため、代替的な流体連通手段を設ける必要がある。

図５に示す実施形態では、代替的な流体連通手段は、サンプ内の２つの異なる高さレベルで吸収器のサンプ（４５ｗ）と脱着器のサンプ（４５ｓ）を接続する一対の移送管（４０ｓ、４０ｗ）である。各サンプ内での乾燥剤の高さおよび密度は、サンプ内の静圧の垂直分布を決定する。２つのサンプ内の乾燥剤の高さが同じであるとき、より高密度な乾燥剤（すなわち、強力でより高濃度の乾燥剤）を備えるサンプ内の静圧は、常に、サンプ内の同じ高さレベルにある他方のサンプの静圧よりも高い（両サンプは、同じ水平平面に載置されると仮定する）。さらに、この静圧の差は、サンプ内のより低い高さレベルでは、より大きくなる。

図５に示す実施形態の動作の最中、吸収器における乾燥剤による水分の吸収は、吸収器サンプ（４５ｗ）における乾燥剤のレベルを上昇させる。同様に、脱着器における乾燥剤による水分の脱着は、脱着器サンプ（４５ｓ）における乾燥剤のレベルを低下させる。定常状態の動作条件が、以下のときに達成される。すなわち、２つのサンプ中の乾燥剤の高さおよび濃度によって、吸収器の下側のサンプ（４５
ｗ）から上方移送ライン（４０ｗ）を通って脱着器の下側のサンプ（４５ｓ）までの弱い乾燥剤の流れを確立し、および脱着器の下側のサンプ（４５ｓ）から下方移送ライン（４０ｓ）を通って吸収器の下側のサンプ（４５ｗ）までの強力な乾燥剤の流れを確立し、ならびにこれらの２つの流れは、吸収器から脱着器までの水分の正味流れが処理空気から吸収される水分の割合と等しく、かつ乾燥剤の非水成分（例えば、液体乾燥剤が塩化リチウムの水溶液であるときには塩化リチウム）の正味流れがゼロである、という条件を満たす。

図５に示す実施形態では、脱着器と吸収器との間の流体連通手段は、吸収器（５３）に送給されるより弱い乾燥剤（４６ｗ）と、脱着器（５１）に送給されるより強力な乾燥剤（４６ｓ）との間での濃度差に影響を及ぼす。吸収器と脱着器との間の乾燥剤の交換を促進する流体連通手段は、乾燥剤濃度の差を減少させ、かつ交換を抑制する流体連通手段は、差を増大させる。さらに、吸収器によってもたらされる潜在的冷却（すなわち、除湿）量は、乾燥剤濃度の差が増大するにつれ、減少する。なぜなら、この乾燥剤濃度の差の増大は、吸収器に送給されるより弱い乾燥剤、および脱着器に送給されるより強力な乾燥剤を反映するためである。脱着器と吸収器との間に、乾燥剤の交換を制御できる流体連通手段を設けることによって、ヒートポンプによってもたらされる全体的な冷却の、潜在的である一部は、潜在的および感覚的冷却に関する建造物のニーズに適合するように、積極的に調整され得る。

図５に示すように、流体連通手段が２つの移送管であるとき、移送管（４０ｓ、４０ｗ）がサンプに接続される箇所の直径、長さおよび高さレベルは、２つのサンプ（４５ｓ、４５ｗ）間で強力な乾燥剤と弱い乾燥剤とが交換される割合に影響を及ぼす。概して、より長くかつ直径がより小さい管が、乾燥剤の交換を制限し、かつ２つのサンプ間の乾燥剤の濃度の差を大きくする。２つの移送管がサンプに接続される箇所の高さレベルの差を小さくすることも、乾燥剤の交換を制限する傾向がある。

乾燥剤の交換に対しては非常に制限があるが、図５に示す２つの移送管（４０ｓ、４０ｗ）を単一の移送管で置き換えることも実現可能である。この実施形態では、弱い乾燥剤および強力な乾燥剤の２つの交換された流れは、双方とも１つの移送管内にあり、弱い乾燥剤は、管の上半分において一方向に流れ、および強力な乾燥剤は、下半分において反対方向に流れている。この単一移送管の長さは、それが課す制限を減らすために、短くされ得る。さらに、２つのサンプが共通の側壁を共有する実施形態では、移送管は、側壁内の単一の孔で置き換えられ得る。

図６、図７および図８は、本発明の２つのサンプ間の弱い乾燥剤と強力な乾燥剤との交換を制御する異なる手段を示す。図６に示す本発明の実施形態では、移送ポンプ（４４ｔ）が、吸収器の下側のサンプ（４５ｗ）から脱着器の下側のサンプ（４５ｓ）まで弱い乾燥剤を移動させ、かつ強力な乾燥剤は、ポンプの入口と出口とを接続する箇所の下側の、サンプに接続される移送管（４０）を通って、反対方向に移動する。

図７に示す本発明の実施形態では、弱い乾燥剤のための、ポンプ（４４ｗ）の下流に配置されたスプリッターバルブ（６８）が、弱い乾燥剤（４６ｗ）の一部分を脱着器（５１）へとそらす。強力な乾燥剤は、移送管（４０）を通って、吸収器（５３）の下側のサンプ（４５ｗ）に戻る。スプリッターバルブが制御され得る実施形態に関し、２つのサンプ間での弱い乾燥剤と強力な乾燥剤の交換を、変調することができる。スプリッターバルブが強力な乾燥剤用のポンプ（４４ｓ）の下流にある構成、およびスプリッターバルブが、乾燥剤の流れの一部分を、対応する乾燥剤分配器にではなく、強力な乾燥剤のサンプまたは弱い乾燥剤のサンプのいずれかの方向に向ける構成である場合に、スプリッターバルブ（６８）の利益を得られ得る。

図８に示す本発明の実施形態では、吸収器の下側のサンプ（４５ｗ）と脱着器の下側のサンプ（４５ｓ）との間での弱い乾燥剤と強力な乾燥剤の交換は、図５に示す実施形態の交換と同様に、静圧の差によって引き起こされる。しかしながら、図８に示す実施形態における交換は、移送ライン（４０）における抵抗を変化させ得るフローバルブ（６９）を変調することによって、制御される。

図６、図７および図８に示す本発明の実施形態は、２つのサンプ間での弱い乾燥剤と強力な乾燥剤の交換を制御することによって、吸収器および脱着器に送給される乾燥剤の濃度を変化させる手段を提供する。上述の通り、この乾燥剤濃度の制御は、ヒートポンプによってもたらされる全体的な冷却の、潜在的冷却である一部を制御するために、使用され得る。

図５は、移送管が吸収器と脱着器との間の唯一の流体連通手段である、本発明の実施形態を示す。図５、図６および図８に示す吸収器と脱着器との間の代替的な流体連通手段はまた、図２および図４に示す本発明の実施形態にも適用でき、ここでは、デシカントポンプ（４４ｓ、４４ｗ）は、既に、吸収器と脱着器との間に流体連通をもたらしている。代替的な流体連通手段が適用されるとき、弱い乾燥剤用のポンプ（４４ｗ）、および強力な乾燥剤用のポンプ（４４ｓ）は、独立して制御され得る。吸収器の下側のサンプ（４５ｗ）中へと流れ出る乾燥剤が全て、脱着器へポンプでくみ上げられ、および脱着器の下側のサンプ（４５ｓ）中へと流れ出る乾燥剤が全て、吸収器へポンプでくみ上げられる「ワンススルー」条件は、もはや当てはまらない。

本発明の商業的価値は、その性能およびその資本コストの双方に依存する。その設計を単純化し、それにより、その製造コストを削減する本発明の実施形態は、関連する性能の低下が著しすぎなければ、より商業的に実現可能な製品を生産できる。

図９に示す本発明の実施形態は、吸収器（５３）を流出する乾燥剤、および脱着器（５１）を流出する乾燥剤が、共通サンプ（４５ｃ）中へと流入する単純化した例である。この実施形態は、別個のサンプ、および２つのサンプ間の乾燥剤交換手段のコストを節減する。しかしながら、単一サンプ（４５ｃ）では、吸収器（４６ｗ）および脱着器（４６ｓ）に送給される乾燥剤の濃度は同じであるため、この単純化した実施形態は、ヒートポンプによって供給される潜在的冷却の制御を行わない。また、吸収器および脱着器に送給される乾燥剤は共通サンプから来るため、図４に示す相互交換式熱交換器（６９）によってもたらされる性能の向上は、得られない。

上述の通り、相互交換式熱交換器（６９）は、液体デシカント吸収器および脱着器を使用するヒートポンプの性能を向上させ、２つの効果によってその潜在的冷却を増強させる：（ａ）液体乾燥剤から吸収器（５３）内の処理空気（６３）へ伝達される熱エネルギーを減少させる、および（ｂ）脱着器に供給される弱い乾燥剤を温め、それにより脱着器内の水分排除性を高める。相互交換式熱交換器を使用しない本発明の実施形態では、吸収器および脱着器の双方への液体乾燥剤の流れを最小限にすることが重要であるため、これらの流れを伴う有害な熱エネルギー交換は、最小限にされる。

図２〜９に示す本発明の実施形態に使用される液体デシカント吸収器（５３）および脱着器（５１）の双方とも、断熱性である、すなわち、それらは、それらの多孔質接触媒質床（５９）内に、内部加熱または冷却源を有していない。米国特許第４，２５９，８４９号明細書および同第６，５４６，７４６号明細書における発明の一部である液体デシカント吸収器および脱着器は、内部熱交換を有していないが、それらが動作する条件は、比較的速い流れの液体乾燥剤が供給されることを必要とする。特に、両特許の吸収器は、最初は暖かくかつ湿っている空気ストリームを冷却しかつ乾燥させるように設計される。この機能を果たすために、吸収器に供給される液体乾燥剤は、処理されている空気の最終温度未満の温度に冷却される必要がある。さらに、既に説明したように、液体乾燥剤による発熱性の水分吸収の最中に乾燥剤の温度が著しく上昇しないようにするために、高フラッディング率が必要とされる。

米国特許第４，２５９，８４９号明細書および同第６，５４６，７４６号明細書の双方における吸収器の動作とは対照的に、本発明の実施形態における吸収器は、最初は湿っているが冷たい空気（例えば、蒸気圧縮式空調装置の蒸発器または他の空冷式熱交換器によって冷却された空気）を処理する。処理されるべき空気（６３）の温度は、吸収器に供給される乾燥剤（４６ｗ）の温度よりも低い。ここでも、液体乾燥剤が処理空気から湿分を吸収するときに、熱が放出されるが、低温の処理空気は、ここでは、液体乾燥剤を冷却し、かつその温度上昇を制限する。本発明の実施形態の動作条件下では、乾燥剤の温度上昇を制限する手段として、高速で乾燥剤を流す必要はない。

例として、本発明は、水平の空気の流れおよび垂直の乾燥剤の流れによって動作する吸収器を有することができ、および以下の特徴を有する：
多孔質接触媒質：ガラス繊維の波形シート
媒質の体積表面領域（Volumetric Surface Area）：４２０ｍ^２／ｍ^３（湿潤表面領域に基づく）
媒質の寸法：１．０×０．１×１．０ｍ（幅×深さ×高さ）
乾燥剤のフラッディング率：２５ｌ／分−ｍ^２（媒質の上部水平面に基づく）
空気面速度（Air Face Velocity）：１．３ｍ／秒

これらの特徴をもって、多孔質媒質を通る総空気流および乾燥剤流は、それぞれ、１．３ｍ^３／秒および２．５ｌ／分である。空気（１．２ｋｇ／ｍ^３）および乾燥剤（１．２５ｋｇ／ｌ）に対する密度の典型的な値において、液体乾燥剤対気体空気の質量比（Ｌ／Ｇ）は０．０３３である。吸収器に入る処理空気が５４°Ｆおよび９９％ｒｈ（０．００８７８８ｌｂ／ｌｂ絶対湿度）であり、および吸収器に供給される液体乾燥剤が８５．６°Ｆにおいて２７．５％の塩化リチウムである場合、吸収器を流出する処理空気は、６５．９°Ｆおよび５７．５％ｒｈ（０．００７７６４ｌｂ／ｌｂの絶対湿度）である。

本発明の実施形態の吸収器を低流量の液体乾燥剤で動作させることが好都合である。なぜなら、（１）低流量は、液体乾燥剤を循環させるために必要なポンプのサイズを小さくし、かつ出力を低減させ、（２）吸収器を通して空気を動かすために必要なファンの出力が、乾燥剤の流量が低いときには少なくなり、（３）液体乾燥剤の液滴が、液体の流量が低いときには、空気によって取り込まれる（entrained）可能性が少なく、および（４）液体乾燥剤の流れに熱エネルギーを伴う上述の不利益が少なくなるためである。

Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓは、米国特許第４，２５９，８４９号明細書において、吸収器用の多孔質接触媒質を、「熱硬化性樹脂を含浸させた波形シート材料」で構成されたと説明している。ハロゲン化物塩溶液を有する市販の液体デシカントシステムの吸収器において最も一般的に使用されている多孔質接触媒質は、Ｍｕｎｔｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ａａｃｈｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）によってＣＥＬｄｅｋ（著作権）として製造販売されているものと同様のセルロース系材料の波形媒質である。

ＣＥＬｄｅｋ（著作権）の工学的用途マニュアルでは、水分で動作するときに「十分な湿潤および最適な性能を得るために」、ＣＥＬｄｅｋ（著作権）パッド５０９０−１５のフラッディング率（本発明の上述の例における波形媒質とほぼ同じ体積表面領域を有する）は、上部水平表面領域１平方メートル当たり９０ｌ／分以上である必要があると規定されている。さらに、ＣＥＬｄｅｋ（著作権）５０９０−１５パッドからの液滴の取り込み（entrainment）を生じないようにする、水平に流れる空気に対する最高の面速度は、３．０ｍ／秒である。それゆえ、最低のフラッディング率および最高の気流速度では、従来のＣＥＬｄｅｋ（著作権）５０９０−１５パッドの液体対気体の質量比（Ｌ／Ｇ）は、０．０４２に等しい。

ＣＥＬｄｅｋ（著作権）に対する前述の最小フラッディング率−９０ｌ／分−ｍ^２−は、媒質の表面を水分によって良好に被覆するために必要とされることに留意することが重要である。ＣＥＬｄｅｋ（著作権）、およびＣＥＬｄｅｋ（著作権）と同様のセルロース系材料の波形媒質が、塩化リチウム溶液などの液体乾燥剤と一緒に使用されるとき、液体乾燥剤のより高い表面張力によって、媒質の湿潤を抑制する。従って、より高いフラッディング率は、液体が液体乾燥剤であるときに、媒質の良好な湿潤および被覆を確実にするために使用される必要がある。Ｋａｔｈａｂａｒによって製造販売される液体デシカント除湿器のセルロース系材料の波形媒質のフラッディング率は、一般に２４０ｌ／分−ｍ^２（６ｇｐｍ／ｆｔ^２）である。液体乾燥剤の密度は、一般に、水分の密度の１．３倍であるため、従来の液体デシカント除湿器の吸収器は、０．１４７に近い液体対気体の質量比（Ｌ／Ｇ）で動作する−この値は、本発明の上述の例における吸収器に関するＬ／Ｇ比よりも４倍超高い。

本発明の利益を効果的に獲得するために、全ての実施形態において使用される液体デシカント吸収器は、上部水平表面領域１平方メートル当たり約２５ｌ／分以下の流量で液体乾燥剤が吸収器に供給されるときに、接触媒質の多孔質床の良好な湿潤を有する必要がある。上述の通り、この流量は、セルロース系材料の波形媒質の表面の良好な湿潤を確実にするには低すぎる。

吸収器における接触媒質の良好な湿潤は、多孔質接触媒質が、液体乾燥剤を吸い上げる基材から作製されているとき、塩化リチウム溶液の塩濃度が２５％〜３５％の状態で、液体乾燥剤の流量が２５ｌ／分−ｍ^２で達成された。液体乾燥剤を吸い上げる多孔質接触媒質の例は、Ｍｕｎｔｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより、商品名ＧＬＡＳｄｅｋ（著作権）で製造販売されるガラス繊維の波形媒質である。

低流量の液体乾燥剤での吸収器の動作から生じる利点はまた、脱着器の動作にも適用される。さらに、図２〜図９に示す本発明の実施形態では、吸収器に供給される液体乾燥剤の特性は、脱着器に供給される液体乾燥剤の特性と非常に類似している。この特性の類似性ゆえに、脱着器の設計および動作は、吸収器の設計および動作と非常に類似している。吸収器と同様に、脱着器の性能は、脱着器を流れる液体対気体の低質量比でのその動作、および吸い上げ面を備える多孔質接触媒質から恩恵を受けるため、その表面は、遅い流れの液体乾燥剤によって均一に湿潤され得る。

図２〜図９は全て、ヒートポンプによってもたらされる潜在的冷却を増強させる、本発明の実施形態を示す。これらの実施形態では、液体デシカント吸収器は、最初にヒートポンプのヒートシンク（例えば、蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器）を通過する空気ストリームを受け取り、かつ液体デシカント脱着器は、最初にヒートポンプの熱源（例えば、蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮器）を通過する空気ストリームを受け取る。さらに、吸収器および脱着器は、流体的に結合されるため、脱着器を流出する強力な液体乾燥剤の一部分は吸収器に送給され、および吸収器を流出する弱い液体乾燥剤の一部分は脱着器に送給され得る。

本発明はまた、外部源から強力な液体乾燥剤を受け取る吸収器において、空気を冷却する熱交換器を流出する空気を乾燥させることによって、熱交換器によってもたらされる潜在的冷却を増強させ得る。図１０は、太陽熱収集器（８３）を照射する太陽放射（７９）が温水（８１）を生じ、それが空気加熱器（８５）へポンプでくみ上げられる、本発明の実施形態を示す。空気加熱器（８５）を流出する加熱された空気（８８）は、液体デシカント脱着器（５１）に供給され、そこで、低相対湿度の加熱空気は、液体乾燥剤から水分を得る。脱着器において生じた、濃縮した液体乾燥剤（４６ｓ）は、液体デシカント吸収器（５３）へポンプでくみ上げられる。空冷式熱交換器（７２）は、処理空気ストリーム（６６）の温度を低下させる。図１０に示す空冷式熱交換器（７２）は、蒸発冷媒またはチルド熱伝達流体とし得る冷却剤（８０）が供給される。空冷式熱交換器（７２）はまた、冷却剤または冷媒を循環させないヒートポンプ、例えば、（１）熱電デバイス、（２）スターリングクーラー、（３）熱弾性デバイス、（４）磁気音響デバイス、（５）磁気熱量デバイス、および（６）熱音響デバイスと呼ばれるヒートポンプのヒートシンクとし得る。空冷式熱交換器（７２）を流出する、ここでは高相対湿度を有する冷却された処理空気ストリーム（６３）は、液体デシカント吸収器（５３）に流入する。冷却された処理空気中の水蒸気は、吸収器において、液体乾燥剤によって吸収される。乾燥された処理空気（６４）は吸収器を流出し、および冷たくかつ乾燥した空気を必要とする最終用途に供給される。吸収器を流出する弱い液体乾燥剤（４６ｗ）は、脱着器へポンプでくみ上げられ、そこで、強力な濃度へ再生される。

図１０に示すシステムにおいて供される本発明の基本的な特徴は、（１）高相対湿度の冷却された処理空気は、流入する処理空気の温度よりも高い温度の液体乾燥剤が供給される液体デシカント吸収器において乾燥されること、および（２）吸収器に供給される液体乾燥剤の質量流れが、処理空気の質量流れと比較して少なく、２つの流れの液体対気体（Ｌ／Ｇ）質量比は、０．１４７を下回ることである。

図１０では、強力な液体乾燥剤を生じる液体デシカント再生器は、太陽熱収集器によってもたらされた温水によって加熱された熱交換器から、暖められた空気を受け取る、脱着器である。図１０に示す本発明の基本的な特徴に影響を及ぼすことなく、再生器、および再生器用の熱源の多くの他のタイプが、この図に示す再生器を置き換えることができる。特に、再生器は、掃気空気式再生器として一般に説明される装置とし得るか、または液体乾燥剤用のボイラーとし得る。また、再生器を駆動する熱エネルギー源は、コジェネレーションシステムから、またはガス湯沸かし器によってもたらされた温水から回収した熱とし得る。

図１０に示す実施形態は、熱エネルギーを強力な液体乾燥剤（４６ｓ）と弱い液体乾燥剤（４６ｗ）との間で伝達させる相互交換式熱交換器（６９）と一緒に、上述の「ワンススルー」デシカント回路を使用する。相互交換式熱交換器は、脱着器（５１）を流出する強力な液体乾燥剤（４６ｓ）が熱いときに（再生器が高温の熱エネルギーによって駆動されるときとし得るような）、性能を著しく高めるが、図１０に示す特定のデシカント回路は、図２、図５、図６、図７、図８および図９に示す液体デシカント回路で置き換えることができる。

図２〜１０に示す本発明の実施形態は、全て、断熱性の吸収器および脱着器を使用する。空冷式熱交換器によってもたらされる潜在的冷却を増強させる目的は、内部冷却された、液体デシカント吸収器内の空冷式熱交換器を流出する、冷たくて高相対湿度の空気をさらに処理することによって達成され得ることが認識される。また、ヒートポンプの熱源を最初に通過することによって予熱された空気ストリームへ水を排除して、液体デシカント脱着器の性能の向上はまた、脱着器が内部加熱されたときに生じることが認識される。図１１は、図２に示す実施形態と同様であるが、液体デシカント吸収器（５３ｉ）内に内部冷却源（９０）および液体デシカント脱着器（５１ｉ）内に内部加熱源（９２）を備える本発明の実施形態を示す。

図１１に示す、内部冷却された吸収器（５３ｉ）および内部加熱された脱着器（５１ｉ）は、それぞれ、蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器および凝縮器とすることができ、蒸発器および凝縮器の双方とも、乾燥剤湿潤面を有する。さらに、乾燥剤湿潤面を備える蒸発器および凝縮器は、それぞれ、Ｌｏｗｅｎｓｔｅｉｎらによる特許（米国特許第７，２６９，９６６号明細書）に説明されている技術と共に実装され得る。

内部冷却された吸収器を備える本発明の実施形態は、吸収器に氷や霜が付着することなく、３２°Ｆに近いまたはそれを下回る露点の空気を供給し得る。なぜなら、処理空気から除去される水蒸気は、常に、凍結温度が水分よりも低い液体乾燥剤によって吸収されるためである。３２°Ｆに近いまたはそれを下回る露点の空気を供給した従来の蒸気圧縮式ヒートポンプは、付着した氷および霜が全て溶けて蒸発器から水分として排水されるように蒸発器の温度が３２°Ｆ超に上昇させられた非効率的な除霜サイクルを必要としたが、内部冷却された吸収器を備える蒸気圧縮式ヒートポンプに適用された本発明の実施形態は、除霜サイクルによって中断されずに動作している間に、同じ低露点で空気を供給することができた。

処理空気（６６）の初期の冷却および再生空気（６１）の加熱が、蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器および凝縮器において行われ、かつ内部冷却された吸収器（５３ｉ）および内部加熱された脱着器も、蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器および凝縮器である、図１１に示す構成から派生する本発明の実施形態に関しては、２つの蒸気圧縮式ヒートポンプ用の冷却回路は、互いに無関係であるか、または構成要素を共有するかのいずれかとし得る。構成要素を共有する冷却回路を備える本発明の実施形態に関し、共
有され得る構成要素は、圧縮器、膨張弁、冷媒レシーバ、冷媒アキュムレータ、冷媒フィルター、またはこれらの構成要素のいくつかの組み合わせを含む。

本発明で説明する本発明の実施形態において、多くの異なる液体乾燥剤を使用し得る。本発明が、占められた空間に快適な調整をもたらす適用例では、非水成分の蒸気圧が極度に低い液体乾燥剤を使用することが望ましい。イオン性塩の例示的な溶液として、塩化リチウム、塩化カルシウム、臭化リチウム、臭化カルシウム、酢酸カリウム、ギ酸カリウム、硝酸亜鉛、硝酸アンモニウム、硝酸カリウムなどが、液体乾燥剤として使用され得る。また、イオン液体およびいくつかの液体ポリマーは、液体乾燥剤の非水成分の蒸気圧が極度に低い状態で、液体乾燥剤の役割を果たす。微量の液体乾燥剤が、最終用途に供給される空気において容認され得る本発明の適用例では、液体乾燥剤は、グリコールとし得る。

本発明の特定の実施形態を図示しかつ説明したが、当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な他の変更および修正を行い得ることが明白である。それゆえ、添付の特許請求の範囲において、本発明の範囲内にあるそのような全ての変更および修正を網羅するものとする。

Claims (16)

1. 第１の空気ストリームを冷却しかつ除湿する装置であって、
   前記第１の空気ストリームを第１の温度から、それよりも低い第２の温度に冷却する第１の熱交換器と、
   第２の空気ストリームを加熱する第２の熱交換器と、
   吸収器であって、
   接触媒質の第１の多孔質床であって、その表面は、前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れによって湿潤されており、かつ前記第１の空気ストリームが、前記第１の熱交換器において冷却された後で前記接触媒質の第１の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第１の多孔質床、および
   前記接触媒質の前記第１の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第１の収集リザーバを含む、吸収器と、
   脱着器であって、
   接触媒質の第２の多孔質床であって、その表面は、液体乾燥剤の第２の流れによって湿潤されており、かつ前記第２の空気ストリームが、前記第２の熱交換器において加熱された後で前記接触媒質の第２の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第２の多孔質床、および前記接触媒質の第２の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第２の収集リザーバを含む、脱着器と、
   液体乾燥剤を前記吸収器及び前記脱着器に供給する１つ以上のポンプと
   を含み、
   前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の第２の流れとは、独立して制御され、
   前記液体乾燥剤が前記吸収器において前記第１の空気ストリームから湿分を除去し、かつ前記脱着器において前記第２の空気ストリームに湿分を放出し、
   液体乾燥剤が、前記吸収器及び前記脱着器の間で交換され、
   前記第１の熱交換器を流出する前記第１の空気ストリームの前記第２の温度が、前記吸収器に供給される前記液体乾燥剤の温度よりも低い、装置。
2. 前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器が、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の熱交換器が、第１の蒸気圧縮式ヒートポンプの蒸発器であり、および前記第２の熱交換器が凝縮器である、請求項２に記載の装置。
4. 前記吸収器から前記脱着器まで流れる前記液体乾燥剤、および前記脱着器から前記吸収器まで流れる前記液体乾燥剤が、熱交換器において熱エネルギーを交換する、請求項１に記載の装置。
5. １つ以上の導管が、前記第１の収集リザーバと前記第２の収集リザーバとを流体的に接続する、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の収集リザーバおよび前記第２の収集リザーバが、共通の少なくとも１つの壁と、前記少なくとも１つの壁に、液体乾燥剤が前記２つのリザーバ間を流れることができるようにする少なくとも１つの開口とを有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の収集リザーバおよび前記第２の収集リザーバが、単一の共通の収集リザーバへと組み合わせられる、請求項１に記載の装置。
8. 前記液体乾燥剤の第１の流れと前記第１の空気ストリームとの質量流量比が、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ前記接触媒質の前記表面が前記液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、０．１４７未満である、請求項１に記載の装置。
9. 前記液体乾燥剤を吸い上げる前記接触媒質が、ガラス繊維の波形シートを含む、請求項８に記載の装置。
10. さらに、前記第１の収集リザーバと前記第２の収集リザーバとを流体的に接続する少なくとも２つの導管を含み、ポンプは、前記乾燥剤の流れを少なくとも１つの導管へ移動させる、請求項５に記載の装置。
11. 前記ポンプが、前記第１の収集リザーバと第２の収集リザーバとの間での前記乾燥剤の交換を変化させるように、変調されるように適合されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の第２の流れとは、少なくとも１つのバルブによって独立して制御され、
    前記少なくとも１つのバルブは、１つのポンプにおいて流出する前記流れを制御する、請求項１に記載の装置。
13. 第１の空気ストリームを冷却しかつ除湿する方法であって、
    前記第１の空気ストリームを第１の熱交換器によって、第１の温度から、それよりも低い第２の温度に冷却するステップと、
    接触媒質の多孔質床を含む吸収器の表面を、前記吸収器に供給される液体乾燥剤の第１の流れによって、湿潤させるステップと、
    前記吸収器内で前記液体乾燥剤によって前記第１の空気ストリームから湿分を除去するステップであって、前記第１の熱交換器を流出する前記第１の空気ストリームの前記第２の温度は、前記吸収器に供給される前記液体乾燥剤の前記温度よりも低いステップと、
    第１の収集リザーバによって、前記接触媒質の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取るステップと、
    液体乾燥剤を前記吸収器、及び脱着器の間で交換することによって、液体乾燥剤の第１の流れから湿分を除去するステップとを含み、
    前記脱着器は、
    接触媒質の第２の多孔質床であって、その表面は、液体乾燥剤の第２の流れによって湿潤されており、かつ第２の空気ストリームが、第２の熱交換器において加熱された後で前記接触媒質の第２の多孔質床を通って流れる、接触媒質の第２の多孔質床、および前記接触媒質の第２の多孔質床を流れ出る前記液体乾燥剤を受け取る第２の収集リザーバを含み、
    前記吸収器に供給される液体乾燥剤の前記第１の流れと、前記脱着器に供給される液体乾燥剤の前記第２の流れとは、独立して制御される、方法。
14. 前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器が、ヒートポンプの熱シンクおよび熱源である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記液体乾燥剤の第１の流れと前記第１の空気ストリームとの質量流量比が、両質量流れが同じ寸法単位で測定されかつ前記接触媒質の前記表面が前記液体乾燥剤を吸い上げる条件下で、０．１４７未満である、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第１の収集リザーバおよび前記第２の収集リザーバが、単一の共通の収集リザーバへと組み合わせられる、請求項１３に記載の方法。

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