JP5118629B2 - 復熱式環境調整システム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、外部から内部の調整する領域への第１媒体の流れと、内部の上記調整する領域から外部への第２媒体の流れとの間で、熱エネルギを交換する装置に関するものである。上記装置は、外部と内部との間に配置されている熱交換器と、上記熱交換器の外部につながる上記第１媒体の流れを誘導するための第１供給ダクトと、上記熱交換器の内部につながる上記第１媒体の流れを誘導するための第１排出ダクトと、上記熱交換器の内部につながる第２媒体の流れを誘導するための第２供給ダクトと、上記熱交換器の外部につながる上記第２媒体の流れを誘導するための第２排出ダクトとを備えている。上記第２媒体の流れの方向は、上記第１媒体の流れにおけるそれと対向している。上記熱交換器は、外部の上記ダクトのうちの１つに配置されている第１熱交換素子と、内部の上記ダクトのうちの１つに配置されている第２熱交換素子とともに設けられ、上記第１熱交換素子および上記第２熱交換素子はともに、膨張装置およびコンプレッサを有するカルノー回路を備えている。

このような装置は、欧州特許出願公開第０８４６９２３号明細書によって知られている。

このような復熱式環境調整システムは、通常、熱い湿った空気を冷却するために用いられる。領域を冷却するとき、冷却するための上記熱交換素子は、一般的に上記領域に空気を供給するためのダクトに配置され、冷却加熱装置から除去される、加熱するための上記熱交換素子は、一般的に空気を外部へ排出するためのダクトに配置される。領域を加熱するとき、加熱するための上記熱交換素子は、一般的に上記領域に空気を供給するためのダクトに配置され、冷却加熱装置へ外気から熱を取り去るための上記熱交換素子は、一般的に空気を外部へ排出するためのダクトに配置される。従来技術によれば、上記熱交換器から排出された上記媒体の流れにおいて上記熱交換器を置き換えることにより、上記熱交換器内においてポテンシャルエンタルピーの一部分のみが用いられる。

上記熱交換器において大きな温度差が達成され、その結果、上記媒体の流れに冷却用熱交換素子を配置することにより、上記媒体の流れが低温側の上記熱交換器上の上記熱交換器に流入して、大きな範囲で潜熱が伝達される。また、上記媒体の流れに加熱用熱交換素子を配置することにより、上記媒体の流れが高温側の上記熱交換器上の上記熱交換器から流出して、大きな範囲で潜熱が伝達される。このような装置はよく知られており、２つの媒体の流れの間で知覚（perceptible）可能な熱のみが交換される。カルノーサイクルを適用することで、上記媒体の流れ間の温度差およびそれによる熱の伝達は明らかに増加しているが、実に大きな熱伝達のために、熱交換器を必要とする。このような熱交換器は、熱エネルギおよび位相遷移エネルギの双方を交換するように設定することにより、得られる。位相遷移エネルギの伝達を設定する熱交換器は、エンタルピー復熱装置として知られており、欧州特許出願公開第１４８５６５７号明細書に開示されている。

第１の好ましい実施形態によれば、上記カルノー回路における上記膨張装置および上記コンプレッサの接続は、上記熱交換素子に対して交換可能であるとともに、上記カルノー回路は、上記第１媒体の流れのエネルギ伝達と同方向に熱エネルギの伝達を適合させる。

いわゆる加熱ポンプである冷却加熱機は、通常、気相を圧縮するコンプレッサ、膨張装置、そのうちの１つが熱を放出する２つの熱交換素子、媒体を凝縮するいわゆる凝縮装置、および熱を吸収して媒体が蒸発するいわゆる蒸発装置などから成る。

本発明では、領域を冷却するとき、上記蒸発装置が上記調整する領域から上記熱交換器に流入する媒体の流れに配置されていることが好ましく、また、上記凝縮装置が外部から上記熱交換器に流入する媒体の流れに配置されていることが好ましい。

本発明では、領域を加熱するとき、上記蒸発装置が外部から上記熱交換器に流入する媒体の流れに配置されていることが好ましく、また、上記凝縮装置が上記熱交換器から上記調整する領域に流入する媒体の流れに配置されていることが好ましい。

冷却時の上記蒸発装置と加熱時の上記凝縮装置とは、同じ熱交換素子とすることができ、加熱時の上記蒸発装置と冷却時の上記凝縮装置とは、加熱冷却機における流れの方向が、冷却から加熱に、および加熱から冷却に切り替えられる場合に、４用途のバルブによって変更されるのであれば、同じ熱交換部品とすることができる。

他の好ましい実施形態によれば、上記装置は上記調整する領域を加熱するために切り替えられ、上記第１熱交換素子は上記第１供給ダクトに配置される。上記調整する領域を加熱する場合、上記第１供給ダクトもしくは上記第２排出ダクトに配置する第１熱交換素子の熱力学的実現性がある。本発明者によれば、後者の場合、上記第１熱交換素子が凍結する危険があり、それゆえに上記第１熱交換素子は上記第１供給ダクトに配置されるのが好ましい。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記第２熱交換素子は、上記第１排出ダクトに配置されている。

熱交換素子は、空気側の媒体の流れと上記冷却加熱機側の媒体の流れとが対向している場合に、最大限に活用される。このため、４用途のバルブは、上記冷却加熱機の媒体側での、外部から上記熱交換器、さらに上記冷却加熱機への媒体の流れにおける上記熱交換素子に接続されていることが好ましい。加熱時、上記蒸発装置は、外部から上記熱交換器への媒体の流れに配置されており、それゆえに媒体は最大凝縮温度まで冷却される。そのため、外部温度が０℃以下であっても、凍結することなく、外気から熱が抽出される。従来技術による構成では、上記蒸発装置は、上記熱交換器から外部への媒体の流れに配置されており、この場合、外部温度が０℃以下で凝縮温度で上記熱交換器から流出した媒体は上記熱交換素子において直ちに凍結してしまう。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記第１供給ダクトと上記熱交換器との接続、および、上記第２排出ダクトと上記熱交換器との接続は、バイパス接続によって接続される。

ここで、上述した特別に適用された特別なバルブを有するバイパスダクトに代えて、上記第１供給ダクトと上記熱交換器との間、もしくは上記第２排出ダクトと上記熱交換器との間のバルブを部分的にオープン位置とすることにより、バイパス接続を導入することができる。バルブの制御装置は、バルブの部分的なオープン位置を制御するように設定されている。この実施形態は、上述した実施形態と同様な効果を得ることができ、かつ、技術形態が非常に簡素である。しかしながら、バルブの制御は、大きな変更を必要とするであろう。

バイパスダクトにおける調整バルブの状態、およびファンの能力は、凝縮温度に到達しないように、かつ、必要な加熱能力が供給されるように調整する。このため、加熱能力が凍結することなく増加する。これにより、冷却環境における本発明の適用範囲が大幅に向上する。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記装置は上記調整する領域を冷却するために切り替えられ、上記第１熱交換素子は上記第１供給ダクトに配置される。この構成では、導入するために構造的な変更を必要とせず、加熱時に最適な構成とすることが可能となる。結局のところ、加熱時において、上記第１排出ダクトに上記第１熱交換素子を配置することが好ましい。請求項における手段によれば、この構成は、逆向きの流れとともに、余分なバルブ、ダクト、もしくはファンを追加することなく、冷却時に用いることができる。

特に、外気が、乾燥しているとともに高温の場合、冷却工程は、上記第１熱交換素子が外部からの空気へ上記カルノー回路からの熱を伝達させるために切り替えられる場合、非常に効果的な方法で実行される。結局のところ、この構成では、上記復熱装置における損失を防止することができる。なお、ちなみに、上記損失は、湿った外気とともに取り戻された潜熱によって補償される。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記復熱装置は、内部の上記復熱装置における上記交換素子の逆位相制御を設定する。

この構成によれば、上記調整する領域の流れの方向が反転するため、簡素なシステムを達成できるとともに、換気を達成できる。そのため、シックハウス症候群および消費エネルギを低減できる。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記第１熱交換素子と上記第２熱交換素子との間に、バイパス接続が存在している。この構成では、内部を冷却する必要がある場合に、また、外部温度が所望の内部温度より低い場合に、切り替えられることが好ましい。この構成では、上記第１熱交換素子は冷却用である。放出される空気は、上記第２熱交換素子によって加熱され、実際の熱交換器によって外部へ排出される。

好ましくは、上記第１熱交換素子において上記カルノー回路の流れの方向を反転させるために、手段を講じる。その結果、上記第１熱交換素子において逆流が維持される。

特別に好ましい実施形態によれば、上記第２供給ダクトと上記第２排出ダクトとは、クローズ状態が可能なバイパス接続によって接続されている。この構成では、上記復熱装置の調整範囲が、全体のうち広範囲に及ぶことになる。

さらに他の好ましい実施形態によれば、上記第１供給ダクトおよび上記第１排出ダクトは、上記熱交換器の両側に接続可能である。この構成では、上記熱交換器を完全にバイパスすることが可能となる。

この効果は、上記第１供給ダクトおよび上記第１排出ダクトがクローズ状態が可能なバイパス接続によって接続されている場合にも、同様に得ることができる。

上述した状態では、上記熱交換器の両側の間に一種の短絡回路を得ることになる。これらの接続を通過する気流を制御するために、上記熱交換器を通過する流れを関連するバイパス接続におけるバルブを外側に調整できるところに利点がある。したがって、上記制御装置は、バイパス接続がオープン状態のとき、上記熱交換器の一方の側に配置されているバルブを少なくとも部分的にクローズ状態とする。

冷却断熱を可能とするためには、蒸発装置が、上記熱交換器と上記第１熱交換素子との間の上記第１排出ダクトに配置されていることが好ましい。その結果、冷却機を切り替える必要がなく、余分な湿気が外部へ放出される。

外気が乾燥しているとともに高温の場合、この外気を断熱的に冷却するだけでなく、内部の空気も断熱的に冷却することに利点がある。この構成は、蒸発装置を上記第２供給ダクトに導入することにより達成される。

簡素な構成を得るために、上記媒体の輸送ポンプが上記第１供給ダクトおよび上記第２排出ダクトに配置されていることが好ましく、上記第１供給ダクトにおける上記媒体ポンプは、上記第１熱交換素子の上流に配置される。

本発明に係る装置の重要な応用例は、上記装置が空気調整装置として切り替えられることである。

様々な実施形態においても、小型化が可能であること、かつ、消費エネルギの低減が可能であること、などの本発明の有利な点は、何ら除外されるものではない。特に、このような有利な点は、上記空気調整装置がキャンピング車に導入されるように設定される場合に、顕著に表れる。

また、上記空気調整装置を建物に適用することも可能である。ここで、利用可能な領域は、特に制限されないが、省エネルギおよび快適さの向上が非常に重要である。このような建物としては、オフィスもしくは住宅が挙げられるが、さらに、上記調整する領域として冷蔵庫などでもよい。

オフィスもしくは住宅に適用する場合、上記調整する領域を加熱するとき、上記第１排出ダクトが、上記調整する領域の上部へ上記第１媒体を導くように設定されるとともに、上記第２排出ダクトが、上記調整する領域の底部周辺へ上記媒体を排出するように設定されているところに利点がある。また、オフィスもしくは住宅に適用する場合、上記調整する領域を冷却するとき、上記第１排出ダクトが、上記調整する領域の底部へ上記第１媒体を導くように設定されるとともに、上記第２排出ダクトが、上記調整する領域の上部周辺へ上記媒体を排出するように設定されるところに利点がある。これらの結果、最低限のエネルギ消費で、空気の流れが最適な快適さとなる。

本発明について、図面を用いて説明すると以下の通りである。

図１Ａは、加熱モードにおける本発明の基本的な実施形態を示す図である。

図１Ｂは、図１Ａで示した実施形態の冷却モードを示す図である。

図２は、２用途のバルブが熱交換器の両側に配置されている、好ましい実施形態を示す図である。

図３ＡＡは、図２で示した実施形態に対応しており、加熱モードでの第１切替状態における媒体の流れを示す図である。

図３ＡＢは、図２で示した実施形態に対応しており、加熱モードでの第２切替状態における媒体の流れを示す図である。

図３ＡＣは、図２で示した実施形態に対応しており、加熱モード、第１切替状態、かつ、オープンバイパス接続での媒体の流れを示す図である。

図３ＢＡは、図２で示した実施形態に対応しており、冷却モードでの第１切替状態における媒体の流れを示す図である。

図３ＢＢは、図２で示した実施形態に対応しており、冷却モードでの第２切替状態における媒体の流れを示す図である。

図３Ｃは、図２で示した実施形態に対応しており、断熱冷却モードでの媒体の流れを示す図である。

図３Ｄは、図２で示した実施形態に対応しており、バイパスモードでの媒体の流れを示す図である。

図４Ａは、図３ＡＡ、図３ＡＢ、および図３ＡＣで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。

図４Ｂは、図３ＢＡおよび図３ＢＢで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。

図４Ｃは、図３Ｃで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。

図５は、図２で示した実施形態の部分的な断面斜視図である。

本発明に係る装置は、その全体が図１Ａにおいて参照番号１が付されて表されており、熱交換器２を備えている。熱交換器２は、知覚できる熱だけでなく、凝縮熱および潜熱も交換するように設定されている。これは、熱交換器２を通過する媒体の流れを交替することによって達成可能であり、この技術は、欧州特許出願公開第１４８５６５７号明細書に開示されている。上記装置は、２つの領域間の壁に配置され、それらの領域をそれぞれ外部および内部と称する。調整する領域３０は内部であり、その外側の領域が外部である。

第１供給ダクト３が外部から熱交換器２へ伸ばされており、第１排出ダクト４が熱交換器２から内部へ伸ばされている。第２供給ダクト５が内部から熱交換器２へ伸ばされていおり、第２排出ダクト６が熱交換器２から外部へ伸ばされている。通常状態では、媒体の流れ１５は、第１供給ダクト３によって熱交換器２へ供給され、第１排出ダクト４を介して排出される。また、通常状態において、媒体の流れ１６は、第２供給ダクト５によって熱交換器２へ供給され、第２排出ダクト６を介して排出される。上記装置は、技術の状態によって、復熱装置もしくは熱交換器に対応している。

第１熱交換素子７は第１供給ダクト３上に配置されており、第２熱交換素子８は第１排出ダクト４上に配置されている。なお、図１Ａにおいて破線で示しているように、第１熱交換素子７が第２排出ダクト６上に、第２熱交換素子８が第２供給ダクト５上にさらに配置されていることが好ましい。いずれにせよ、ここでの必須事項は、第１熱交換素子７が外部に、第２熱交換素子８が内部に配置されていることである。

また、蒸発装置１４が第２熱交換素子８と熱交換器２との間に追加されてもよい。蒸発装置１４は、断熱冷却を行うものであり、媒体の流れ２９が供給ダクト２８から供給される。

第１熱交換素子７および第２熱交換素子８は、カルノー回路９を備えている。カルノー回路９は、コンプレッサ１０、膨張装置１１、蒸発装置／凝縮装置７、および凝縮装置／蒸発装置８を備えている。カルノー回路９を通過する熱の流れを変更するために、４用途のバルブ１２が取り付けられている。第１熱交換素子７を通過するカルノー回路９の媒体の流れを変更するために、４用途のバルブ１３が取り付けられており、それゆえ常時逆流動作が可能となる。

上述した構成により、内部の領域が加熱される。第１媒体の流れ（低温）１５が、第１熱交換素子７においてさらに冷却される、すなわち第１媒体の流れ１５の熱がカルノー回路９に与えられる。そして、第１媒体の流れ１５が、熱交換器２において第２媒体の流れ１６による熱によって加熱されて熱の伝達が行われる。次いで、熱交換器２を通過した第１媒体の流れ１５は、カルノー回路９による熱により第２熱交換素子８においてさらに加熱される。カルノー回路９を適用することにより、熱交換器２における温度差が増加し、熱の伝達がより効果的となる。ここで、４用途のバルブ１２を、熱の伝達のために、第１熱交換素子７から第２熱交換素子８へ切り替える。４用途のバルブ１３は、第１熱交換素子７において逆流が生じるように切り替える。

図１Ｂは、上記装置を示しているが、熱の伝達方向が逆である。この場合、熱は内部から外部へと伝達される。これは、カルノー回路での熱の伝達方向を反対にすることによって達成でき、具体的には４用途のバルブ１２によって容易に達成できる。４用途のバルブ１３は、再度第１熱交換素子７において逆流が生じるように切り替える。

ところで、この実施形態では、第２熱交換素子８を第１排出ダクト４に代えて第２供給ダクト５に配置するところに利点がある。これは、図１Ａに示す状態に対して、接続関係を変更することにより達成できるが、逆位相において操作する熱交換器２と一端が接続されるバルブシステムによっても達成できる。上記利点は、構造的な変更を必要とせずに効果を享受できる。

供給／排出ダクト３〜６と、実際の熱交換器、いわゆる復熱装置１７との接続は、図２に示すように、同時にそれぞれ制御可能なバルブ２０，２２および２１，２３によって得られる。このようなバルブの構造は、欧州特許出願公開第１４８５６５７号明細書に開示されている。復熱装置１７の全体および制御可能なバルブ２０，２２および２１，２３のそれぞれは、エンタルピー復熱装置と呼ばれ、図中において参照符号２を付して示している。

図２に示す実施形態が図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態と異なっている点は、バイパス接続の有無である。このバイパス接続は、第１供給ダクト３と第１排出ダクト４との間にバルブ２４を備えている。このバルブの機能は、図３ＡＣに基づいて後述する。

また、他のバイパス接続を、第１供給ダクト３と第２排出ダクト６との間に示している。上記他のバイパス接続は、凍結を生じることなく、あるいは冷却時に低温のカルノー回路を実現するために、熱交換素子７において一定の温度差で加熱する間に、大きな電力を抽出するために用いられる。

媒体が流れるためには、ポンプあるいはファンが必要である。ポンプ２６は第１供給ダクト３に取り付けられ、ポンプ２７は第２排出ダクト６に取り付けられる。この場合、上記装置の外部の同じ側にポンプ２６，２７双方を配置するという点に利点があり、熱交換器の音減衰が活用される。

図３ＡＡ、図３ＡＢ、および図３ＡＣは、システムを示している。参照番号Ｓ１〜Ｓ８は、それらが記されたポイントの温度および湿度を示しており、図４Ａにおいて用いる。

図３ＡＡは第１切替状態でのバルブ２０〜２３を示しており、図３ＡＢは第２切替状態でのバルブ２０〜２３を示している。図３ＡＣは、第１切替状態でのバルブ２０〜２３を示しているとともに、バイパスバルブ２５が熱交換素子７を通過する流れを増加するように開かれている状態を示している。状態１から状態２への切替頻度は、熱交換器２からの凝縮物と、エンタルピーとに損失がないように調整される。

図３ＡＡ、図３ＡＢ、および図３ＡＣは、Ｓ１〜Ｓ８の位置を示しており、それらについては図４Ａの説明で言及する。ここで、位置Ｓ１はポンプ２６の外部での第１供給ダクト３の外部の入力部分であり、位置Ｓ２は第１熱交換素子７の出力部分であり、位置Ｓ３は熱交換器２の出力部分であり、位置Ｓ４は加湿器１４の出力部分であり、位置Ｓ５は第１排出ダクト４の排出口部分である。これらの位置は、第１媒体の流れ１５に関するものである。

位置Ｓ６は第２供給ダクト５の注入口部分であり、位置Ｓ７は熱交換器２と第２排出ダクト６との間のであり、位置Ｓ８はポンプ２７の入力部分であり、位置Ｓ２は第１熱交換素子７の出力部分であり、位置Ｓ３は熱交換器２の出力部分であり、バイパスダクト２５の下流である。これらの位置は、第２媒体の流れ１６に関するものである。

この工程は、エンタルピー図において、環境調整システムを経てそれらの経路へ流入および流出する媒体の流れ１５，１６の温度および湿度を追うことに特徴がある。上記エンタルピー図は、温度および湿度（相対湿度および絶対湿度）を示しており、１５０ｍ^３ｈ^−１の空気の流れに対するエンタルピーの流れである。

図４Ａは、加熱時の状態を示したエンタルピー図である。外部状態である位置Ｓ１（温度５℃、相対湿度５０％）と、内部状態である位置Ｓ６（温度２０℃、相対湿度５０％）とを例とする。外気は、第１熱交換素子７において凝縮点まで冷却される（位置Ｓ２ 温度−４．５℃、相対湿度１００％）。バイパスバルブ２５が、第１熱交換素子７を通過した媒体の流れの相対湿度が高くなるように（１００％は超えない）調整されるので、凍結は生じない。熱交換器２において、第１媒体の流れ１５は、前の切替期間において凝縮によって得られた水を吸収する。第１媒体の流れ１５は、熱交換器２において、さらに加熱および湿らされ、上記凝縮点で飽和状態となる。このとき、第２媒体の流れ１６の凝縮が始まる。次に、第１媒体の流れ１５の空気は、さらに加熱され（但し、湿度は一定）、熱交換器２から排出されたときには（位置Ｓ３）その温度は１８．１℃である。

なお、相対湿度は、加湿器１４によって所望の値に増加させてもよい。それにより、第１媒体の流れ１５は、断熱的に冷却される（位置Ｓ４）。次に、第１媒体の流れ１５は、第２熱交換素子８に流入し、カルノー回路の凝縮熱によって調整する領域に必要な熱を供給するために所望の値に加熱される（位置Ｓ５）。但し、湿度は一定である。

第２熱交換素子８によって加熱された第１媒体の流れ１５である空気は、上記調整する領域に供給されて元から存在している空気と混合され、この結果、この例では、上記調整する領域を所望の状態（温度２０℃、相対湿度５０％）（位置Ｓ６）とする。

上記調整する領域からの第２媒体の流れ１６（位置Ｓ６）は、熱交換器２に流入し、この熱交換器２の第１部分において凝縮するまで冷却される。第２媒体の流れ１６は、さらに冷却され、水蒸気が凝縮され、それにより図４Ａにおいて１００％の相対線湿度線が生じる。ここで、凝縮熱は、熱交換器２の他方側の第１媒体の流れ１５へ直接伝達され、蒸発熱に変換される。熱交換器２から排出された第２媒体の流れ１６は、その温度が−２．６℃、相対湿度が１００％（位置Ｓ７）である。位置Ｓ２における第１媒体の流れ１５と混合された後、システムから排出された第２媒体の流れ１６は、その温度が−３．５℃、相対湿度が１００％（位置Ｓ８）である。

エンタルピーの変化の結果、この例では熱ポンプの性能が７７％に増加し、第１熱交換素子８および熱交換器２の凍結が回避される。

図３ＢＡおよび図３ＢＢは、冷却時の状態を示しており、図４Ｂは、その状態を示したエンタルピー図である。外部状態である位置Ｓ１（温度３０℃、相対湿度８０％）と、内部状態である位置Ｓ４（温度２４℃、相対湿度５０％）とを例とする。

図３ＢＡは、第１切替状態でのバルブ２０〜２３を示しており、第１排出ダクト４が第２供給ダクト５と交換されているとともに、内部において第１媒体の流れ１５および第２媒体の流れ１６も交換されている。図３ＢＢは、第２切替状態でのバルブ２０〜２３を示している。

外気は、まず第１熱交換素子７において加熱され、バイパスバルブ２５が位置Ｓ２の温度がある値に制限されないように調整される。そのため、この例では、カルノー回路によって形成される加熱冷却機が十分効果的である（位置Ｓ２ 温度４１．４℃）。次に、第１媒体の流れ１５は、熱交換器２に流入し、凝縮点に至るまで湿度は一定のままで冷却される。その後、第１媒体の流れ１５は、さらに冷却され、１００％の相対湿度線に従って凝縮する。熱交換器２から排出された第１媒体の流れ１５は、その温度が１３．３℃、相対湿度が１００％（位置Ｓ３）である。これらの特徴を有して、第１媒体の流れ１５の空気は、上記調整する領域へ流入し、上記調整する領域に元から存在している空気と混合され、上記調整する領域は所望の状態（温度２４℃、相対湿度５０％）となる（位置Ｓ４）。

上記調整する領域からの第２媒体の流れ１６（位置Ｓ４）は、第２熱交換素子８に流入し、相対湿度が１００％に到達するまで冷却される。その後、第２媒体の流れ１６は、さらに冷却され、位置Ｓ５，Ｓ６（温度１１．１℃、相対湿度が１００％）において凝縮物が形成される。次に、第２媒体の流れ１６は、熱交換器２に流入し、加熱される。前の切替期間に凝縮したことにより生じ、熱交換器２のダクト壁に存在している凝縮物が、蒸発する。この凝縮熱から直接抽出された蒸発熱は、熱交換器２の他方側の第１媒体の流れに生成される。第１媒体の流れ１５が熱交換器２において凝縮点に到達したとき、湿度は一定であるが、第２媒体の流れ１６の温度がさらに増加する。熱交換器２から排出された第２媒体の流れ１６（位置Ｓ７）は、その温度が３９．１℃、相対湿度が４５％であり、その後、バイパスバルブ２５を介して第１媒体の流れ１５と混合され、温度が４０．１℃、相対湿度が４６％となる（位置Ｓ８）。

第２熱交換素子８において形成される凝縮物を熱交換器２へ加えることにより、冷却能力が増加し、上記調整する領域への第１媒体の流れ１５の供給温度は、１２．３℃となる（位置Ｓ３ａ）。熱交換器２からの第２媒体の流れ１６の排出温度は、３８．１℃（位置Ｓ７ａ）もしくは、温度４０．１℃（位置Ｓ８）である。エンタルピーの変化の結果、カルノー回路を導入した冷却加熱機の性能は、この例では８３％に増加している。

図３Ｃは、システムを示しており、図中のＳ１〜Ｓ８は、断熱冷却時の状態を示したエンタルピー図である図４Ｃにおいて、上記符号が示されたポイントの湿度および温度を示すために用いられる。

断熱冷却時であって、外部状態である位置Ｓ１（温度３０℃、相対湿度８０％）と、内部状態である位置Ｓ４（温度２４℃、相対湿度５０％）とを例とする。熱交換器２において、第１媒体の流れ１５は、まず湿度が一定のままで凝縮点に到達するまで冷却される。次に、第１媒体の流れ１５は、さらに冷却され、１００％の相対湿度線に従って凝縮する。熱交換器２から排出された第１媒体の流れ１５（位置Ｓ３）は、その温度が１８℃、相対湿度が１００％である。その後、熱交換器２から排出された第１媒体の流れ１５としての空気は、上記調整する領域の空気と混合され、所望の内部状態（温度２４℃、相対湿度５０％）に達する（位置Ｓ４）。

上記調整する領域からの第２媒体の流れ１６（位置Ｓ４）は、加湿器１４に流入し、相対湿度が１００％となるまで一定のエンタルピーで冷却され、温度１７℃（位置Ｓ６）に達する。その後、第２媒体の流れ１６は、熱交換器２に流入し、加熱され、前の切替期間から壁に存在していた凝縮物が蒸発する。この凝縮熱から直接抽出された蒸発熱は、熱交換器２の他方側の第１媒体の流れに生成される。第１媒体の流れ１５が熱交換器２において凝縮点に到達したとき、湿度は一定であるが、温度がさらに増加する。熱交換器２から排出された第２媒体の流れ１６（位置Ｓ８）は、その温度が２９℃、相対湿度が８２％である。

図３Ｄは、システムを示しており、第２媒体の流れ１６が熱交換器２を完全にバイパスされるとともに、第１媒体の流れ１５が熱交換器２の両側を流れる。そのため、熱もしくは湿気が伝達されない。図３ＢＡのバルブ状態に対して、バイパスバルブ２４が完全にオープン状態であるとき、バルブ２２，２３は他の状態に切り替えられる。この状態は、外部温度が内部温度より低い場合に、小さい冷却能力を意味しており、あるいは、外部温度が内部温度より高い場合に、小さい加熱能力を意味している。冷却が十分でない場合、断熱冷却がまず行われ、この断熱冷却でも不十分な場合は、機械的な冷却が行われる。このように、省エネルギが達成される。

最後に、図５は、本発明に係る装置の概略の斜視図である。この図から、上記装置が小型の形状に容易に組み込めることがわかる。そのため、オフィス、住宅、もしくはキャンピング車における空気調整ユニットに用いることができる。

全体的なユニットは、箱型形状の筺体１を含んでおり、このような筺体１に復熱装置もしくは熱交換器を配置する技術は、欧州特許出願公開第１４８５６５７号明細書に開示されている。筺体１の壁において、外気を供給するために連結部３が取り付けられ、外部において空気を処理するために開口部６が取り付けられている。第１熱交換素子７は、熱交換器２の一方側に取り付けられており、カルノー回路のコンプレッサ１０、およびファン２６，２７も同様に取り付けられている。第２熱交換素子８は、熱交換器２の他方側に取り付けられ、同様に、内部において空気を処理するための開口部４、および上記調整する領域の内部の連結部５が取り付けられている。

これらの部品および他の部分は、図１Ａおよび図１Ｂで示したように接続される。

以上説明した本発明の実施形態は、本発明の保護範囲を逸脱することがなければ、様々な形態に変更することができることは明らかである。

加熱モードにおける本発明の基本的な実施形態を示す図である。 図１Ａで示した実施形態の冷却モードを示す図である。 ２用途のバルブが熱交換器の両側に配置されている、好ましい実施形態を示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、加熱モードでの第１切替状態における媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、加熱モードでの第２切替状態における媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、加熱モード、第１切替状態、かつ、オープンバイパス接続での媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、冷却モードでの第１切替状態における媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、冷却モードでの第２切替状態における媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、断熱冷却モードでの媒体の流れを示す図である。 図２で示した実施形態に対応しており、バイパスモードでの媒体の流れを示す図である。 図３ＡＡ、図３ＡＢ、および図３ＡＣで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。 図３ＢＡおよび図３ＢＢで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。 図３Ｃで示した状態でのエンタルピーを示すグラフである。 図２で示した実施形態の部分的な断面斜視図である。

Claims (22)

1. 外部から内部の調整する領域への第１媒体の流れと、内部の上記調整する領域から外部への第２媒体の流れとの間で、熱エネルギを交換する装置であり、
   外部と内部との間に配置されている熱交換器と、
   上記熱交換器の外部につながる上記第１媒体の流れを誘導するための第１供給ダクトと、
   上記熱交換器の内部につながる上記第１媒体の流れを誘導するための第１排出ダクトと、
   上記熱交換器の内部につながる第２媒体の流れを誘導するための第２供給ダクトと、
   上記熱交換器の外部につながる上記第２媒体の流れを誘導するための第２排出ダクトと、
   外部の上記ダクトのうちの少なくとも第１供給ダクトに配置されている第１熱交換素子と、
   内部の上記ダクトのうちの少なくとも第１排出ダクトに配置されている第２熱交換素子とを備え、
   上記第２媒体の流れの方向と上記第１媒体の流れの方向とは、互いに対向しており、
   上記第１熱交換素子および上記第２熱交換素子が、膨張装置およびコンプレッサを備えるカルノー回路を備えている装置であって、
   上記熱交換器は、熱エネルギおよび潜熱の双方を交換し、
   上記カルノー回路は、上記ダクトの１つに配置された上記第１熱交換素子および上記第２熱交換素子のみを含むことを特徴とする装置。
2. 上記カルノー回路における上記膨張装置および上記コンプレッサの接続は、上記熱交換素子に対して交換可能であるとともに、上記カルノー回路では、上記熱交換器に流入する前の上記第１媒体および上記第２媒体の少なくとも一方を、加熱または冷却して、上記熱交換器における上記第１媒体および上記第２媒体の間の温度差を拡大することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記装置は、上記調整する領域を加熱するために切り替えられ、上記第１熱交換素子は、上記第１供給ダクトに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 上記第２熱交換素子は、上記第１排出ダクトに配置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 上記第１供給ダクトと上記熱交換器との接続、および、上記第２排出ダクトと上記熱交換器との接続は、バイパス接続によって接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. 上記バイパス接続は、上記第１供給ダクトと上記熱交換器との間に、もしくは、上記第２排出ダクトと上記熱交換器との間に存在しているバルブの部分的なオープン位置によって達成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 上記装置は、上記調整する領域を冷却するために切り替えられ、上記第１熱交換素子は、上記第１供給ダクトに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
8. 上記第１熱交換素子は、外部からの空気へ、上記カルノー回路からの熱を伝達させるために切り替えられることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 上記装置は、内部の上記装置における上記交換素子の逆位相制御を設定することを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
10. 上記第１熱交換素子において上記カルノー回路の流れの方向を反転させることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 上記第１熱交換素子と上記第２熱交換素子との間に、バイパス接続が存在していることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 上記第２供給ダクトと上記第２排出ダクトとは、クローズ状態が可能なバイパス接続によって接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 上記第１供給ダクトと上記第１排出ダクトとは、クローズ状態が可能なバイパス接続によって接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
14. バイパス接続がオープン状態のとき、上記熱交換器の一方の側に配置されているバルブを少なくとも部分的にクローズ状態とする制御装置を備えていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
15. 上記第１供給ダクトおよび上記第１排出ダクトは、上記熱交換器の両側に接続可能であることを特徴とする１２〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 蒸発装置が、上記熱交換器と上記第１熱交換素子との間の上記第１排出ダクトに配置されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 蒸発装置が、上記第２供給ダクトに配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 上記媒体の輸送ポンプが、上記第１供給ダクトおよび上記第２排出ダクトに配置され、上記第１供給ダクトにおける上記媒体ポンプは、上記第１熱交換素子の上流に配置されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 上記装置は、空気調整装置として切り替えられることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 上記空気調整装置は、キャンピング車に導入されるように設定されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 上記空気調整装置は、建物に導入されるように設定されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
22. 上記調整する領域を加熱するとき、上記第１排出ダクトは、上記調整する領域の上部へ上記第１媒体を導くように設定されるとともに、上記第２排出ダクトは、上記調整する領域の底部周辺へ上記媒体を排出するように設定され、
    上記調整する領域を冷却するとき、上記第１排出ダクトは、上記調整する領域の底部へ上記第１媒体を導くように設定されるとともに、上記第２排出ダクトは、上記調整する領域の上部周辺へ上記媒体を排出するように設定されることを特徴とする請求項２０または２１に記載の装置。

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