JPH0260937B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 閉冷凍システム内のヒート・ポンプと２個の
熱交換器及び空気対空気の熱交換器を含み、 前記熱交換器が空気の流れに対して直列に接続
され且つ前記空気の流れを打撃する空気羽根装置
に接続され、 前記熱交換器の第１熱交換器が供給空気流路と
戻り空気流路を有する前記空気対空気の熱交換器
であり、 前記熱交換器の第２及び第３熱交換器が前記シ
ステムの冷媒対空気の交換器であり、 使用時に、前記羽根装置が空気の流れを第１熱
交換器の前記供給空気流路を通し、次に第２熱交
換器を通し、空気調和すべき空間を通して流し、
当該空間から戻り空気の少なくとも一部が前記戻
り空気流路を通じ、前記第３熱交換器を通じて流
れ、大気に排出するようにした空気調和装置。

２ 前記熱交換器の第２熱交換器が前記閉冷凍シ
ステムの蒸発器であり、前記第３熱交換器が前記
冷凍システムの凝縮器であるようにした請求の範
囲第１項に記載の空気調和装置。

３ 前記熱交換器の第２熱交換器が前記閉冷凍シ
ステムの凝縮器であり、前記第３熱交換器が前記
冷凍システムの蒸発器であるようにした請求の範
囲第１項に記載の空気調和装置。

４ 前記空気羽根装置が供給空気を前記第１熱交
換器を含む前記供給空気流路を通じて通すように
配列されたフアンと戻り空気を戻り空気流路から
排出させるよう配列された排出フアンを含むよう
にした請求の範囲第１又は第２又は第３項に記載
の空気調和装置。

５ 更に、前記空気対空気と熱交換器の下方の溜
めと、前記空気対空気の熱交換器の上方に位置付
けられた噴霧装置を含む水分配装置と、前記空気
対空気と熱交換器の前記戻り空気流路を通じての
水の排出を行なうよう溜めを噴霧装置に接続する
ポンプ装置を含むようにした請求の範囲第１又は
第２又は第３又は第４項に記載の空気調和装置。

６ 更に前記供給空気流路内にあるが前記第３熱
交換器の上流側にある水分配噴霧装置を含むよう
にした請求の範囲第５項に記載の空気調和装置。

７ 更に前記戻り空気流路内にあり前記第１及び
第２熱交換器の間に位置付けられた水分配噴霧装
置を含み、前記他の水分配噴霧装置が前記ポンプ
装置に接続してある請求の範囲第５又は第６項に
記載の空気調和装置。

８ 前記供給空気通路が前記第１熱交換器の上流
側の空気入口を組合せて有する入口ポートを含む
ようにした請求の範囲第１又は第２又は第３又は
第４又は第５又は第６又は第７項に記載の空気調
和装置。

９ 再循環空気を前記戻り空気路から前記入口空
気路内へ通過させ得るよう開くことが出来る前記
戻り空気路と入口空気路の間の別の空気弁を含む
請求の範囲第８項に記載の空気調和装置。

１０ 空気調和方法であつて、空気の流れを空気
対空気の熱交換器と供給空気流路を通じ、ヒー
ト・ポンプの閉冷凍システムの冷媒対空気の熱交
換器である第２熱交換器の空気流路を通じ、空気
調和すべき空間を通じて送り出し、前記空気流れ
を前記空気対空気の熱交換器と戻り空気流路を通
じて戻し、かくして前記供給空気流れと戻り空気
流れの間のエンタルピーを交換し、前記閉システ
ムの他の冷媒対空気の熱交換器である第３熱交換
器を通じて戻し空気を排出させ、一方、ヒートポ
ンプを作動させて冷媒の流れを各々蒸発器モード
と凝縮器モードで機能する前記冷媒対空気の熱交
換器の両者を通じて冷媒の流れを生ぜしめること
から成る空気調和方法。

１１ 前記閉冷凍システムの蒸発器モードにおい
て前記第１冷媒対空気の熱交換器を作動させるこ
とにより前記空気の除湿化と冷却を行なうことを
含む請求の範囲第１０項に記載の空気調和方法。

１２ 水を前記戻り空気流路を通じて前記空気対
空気の熱交換器の下方の溜め内に噴射させること
により空気対空気の熱交換器の前記戻り空気流路
からのその通過における戻し空気を冷却すること
から成る請求の範囲第１０項に記載の空気調和方
法。

１３ 前記空気除湿化により凝縮された水を前記
溜め内に通すことから成る請求の範囲第１１項に
記載の空気調和方法。

１４ 前記供給空気を前記冷媒対空気の熱交換器
の前記供給空気流路を通じて通し、当該供給空気
を前記熱交換器が凝縮器モードで作動している状
態の前記冷凍システムの前記第１熱交換器を通じ
て通すことにより前記供給空気を加熱することを
含む請求の範囲第１０項に記載の空気調和方法。

１５ 前記空気対空気の熱交換器と前記第１冷媒
対空気の熱交換器の間の供給空気流路にあるとき
水の噴霧を前記空気内に与えることにより前記供
給空気を加湿化することから成る請求の範囲第１
４項に記載の空気調和方法。

明細書 本発明はヒート・ポンプにおける伝統的先行技
術で要求されるもの以上の相当のエネルギー節約
を可能にする、例えば住居、事務所、レストラ
ン、病院、工場又は倉庫等の空間の制御された空
気調和を達成するよう空気の冷却、加熱及び湿度
変化をもたらす改良された装置と方法に関するも
のである。

本明細書において、〓ヒート・ポンプ〓という
用語は冷却装置、湿度制御装置又は加熱装置が供
給空気の流れ内にあるか否かに応じて空気調和を
もたらす目的に使用可能な一般的な意味での冷凍
システムで使用される。

〓供給空気〓は前述した装置を通つた後の空気
調和されている空間に入る空気を示す。〓戻り空
気〓はその空間を離れて前述した装置を通過する
空気を示す。

実施態様によれば、本発明は冷却中又は加熱中
に空気の湿度と温度の両方を制御出来る一方、同
時に所要の室内空気の性状と空気の運動を維持す
るよう高い換気速度をもたらすことが出来る。

発明の経緯 建物内の人の占有空間に対する空気調和システ
ムの使用目的は制御された快適で健康的な室内環
境を提供することにある。空気調和システムの他
の目的は建物内での収納、処理又は機器の作動に
対する特別の要件を提供出来ることにある。

或る定められた室内大気内の制御を行なう空気
調和システムの基本的変数は空気温度、空気湿
度、空気の運動及び空気の性状である。

科学者の研究によれば、空気の乾球温度の値、
平均輻射温度、湿度及び空気の流れが〓快感式〓
と称する或る定められた関係を満たす場合に人の
快感（熱的受容性とも称する）が達成されること
が示されている。

この式は又、人間の活動と被服のレベルという
付加的な変数も入れてある。

快適な室内空間又は他の要求される条件は占拠
される空間内の空気の換気温度、湿度及び空気の
動きを制御することにより本明細書で説明した発
明により達成される。

特に、快感適用での冷房用に使用された場合の
本発明の有利な特性は除湿という同じ処理を行な
う伝統的なヒート・ポンプ・システムに関連ある
エネルギー損失を伴なわずに除湿を維持し、かく
してヒート・ポンプ・システムの除湿容量を低減
化させる間に高い乾球温度にて大量の供給空気を
もたらす能力にある。本発明のこの特性上の利点
は３点あり、相互に関係がある。これらの特徴は
以下の通りである。

(1) 前述した〓快感式〓に従つて快感状態を提供
出来る間に（伝統的に使用される量以上の）供
給空気量を増加させ、こうして（伝統的に使用
される以上の、高い空気乾球温度）を可能に出
来ること。

ASHRAE規格55−1981において、空気の運
動、空気乾球温度及び快感の間の関係は
0.275m／ｓの空気運動増加により同じ快感条
件に対し1゜Kの空気乾球温度増加を可能にする
ような関係にて示されている。本発明は同じ快
感条件に対し2゜Kの増加（即ち、0.55m／ｓの
空気運動の増加）を容易に可能にする。

(2) 供給空気の乾球温度を高めることにより建物
の外側と内側の間の温度差が小さくなる結果、
建物の空間を通じての熱の伝達が少なくなる。
伝えられる熱と量は直接この温度差に関係があ
り、そのため熱の量が少なくなる程、その熱を
建物から取り出す冷房システムには少ないエネ
ルギーが要求されることになる。

(3) 供給空気の温度を（伝統的に使用される空気
温度以上に）高めることにより熱帯性気候でし
ばしば生ずる建物内部の表面に対する損傷を回
避出来る。供給空気が分配システムを通じてそ
の占拠された空間に入るとき、この空気が直接
内壁又は天井の面に当たることはしばしば避け
ることが出来ない。この衝突が内部空気との混
合前又は内部空気の捕獲前に生じて、これが逆
にその混合された温度を結露点以上に上昇させ
る場合は建物表面が湿気分をその表面上に凝縮
させるのに充分な程冷たくなり、汚れと質量増
加により損傷を生ぜしめ、これが構造上の欠陥
をもたらす。

同時に供給空気温度が建物表面の内側の湿気
分の蒸気圧を減少させ、こうしてその湿気分を
外側の高い蒸気圧からその表面を通じて引寄せ
るような低い結露温度も有する場合は関連した
問題点が生じる。適切に位置付けられた湿気分
を通さない材料は建物を損傷させるこうした問
題点を防止出来るが、据付けにコストがかか
る。

これらの損傷状態は排出される供給空気の湿度
が不必要に低いレベルになるのを防止することが
出来ない伝統的なヒート・ポンプ・システムの場
合生じる。

供給空気の高い温度を可能にし且つ供給空気の
不必要な低い温度を防止することにより本発明で
は特に熱帯性気候で生ずる前述した諸問題を確実
に防止する。湿度を低下させ過ぎると静電気の発
生や呼吸器系疾患の増加といつた他の居住上の危
険性を生じ得ることも理解されよう。

多種類の疾病が室内空気の汚染と関係があるこ
とから、健康的な環境をもたらす室内空気の性状
について最近総当の化学的注目を浴びている。

最近の研究では、新しい室内汚染物質とその物
質の作用について確認とその数量化が行なわれた
だけでなく、発病微生物と同様料理、喫煙及び天
然に発生する放射性ラドン・ガスといつた伝統的
な汚染源についても一層精密に調査されている。

この新しい汚染物は主としてホルムアルデヒ
ド、塩素化有機薬品、アスベスト繊維及び燃焼生
成物である。これらの室内発生汚染物の多くは有
害であり、発癌性がある。

一方、大部分の環境における戸外の空気は健康
な状態を維持すべく多くの協同体の努力と規制が
なされたことから全ての汚染物の量が少ない。戸
外の空気による換気作用は室内で発生した汚染の
除去と酸素発生をもたらすのに極めて有効であ
る。

一般に、戸外の空気は換気目的に適した量を達
成するよう簡単なろ過作用のみが必要である。室
内にて発生した汚染物を希釈又は置換以外の方法
で除去することは一般に困難でコスト高となる化
学的方法であり、供給源を戸外に持つ換気空気の
加熱と冷却を行なうエネルギー・コストが過剰で
ない場合に正当と認められるのはまれである。

本明細書で説明する本発明は換気空気の冷暖房
に必要とするエネルギーを著しく低減化し、異常
に汚染された環境での適用を除いて室内空気処理
を考える必要性を無くすものである。

先行技術 本出願人に知られている先行技術は極めて少な
く、その最も近いものはGLANCYの米国特許第
3926249号である。GLANCY特許では吸入空気
温度と排出空気温度の差を有利に利用出来るよう
導管とポンプによつて相互に接続された水含有コ
イルを含む熱交換器を利用している。GLANCY
特許では又、循環水を含む熱交換器により行なわ
れる冷却に加えて凝縮器の熱交換器を冷却する水
の噴霧を利用することを開示している。

発明の目的 本発明の目的はヒート・ポンプ式空気調和シス
テムにおける現在の技術の欠点を著しく低減化す
ることにある。これらのヒート・ポンプ式システ
ムの欠点の一部は次の通りである。

(a) 暖房と冷房の両方に対して受容出来る健康な
室内環境を確保するため充分な換気空気を発生
するとき生じる高いエネルギー損失。

(b) 冷却後の供給空気の再加熱が使用されない場
合に、この伝統的な空気調和システムにおいて
典型的になつている湿度の制御欠落。供給空気
再加熱システムはその第１段階として余分のエ
ネルギーを加えて供給空気を湿気分低減化の目
的で必要とされる乾球温度以下に冷却し、次
に、第２段階としてエネルギーを加えて供給空
気を所要の乾球温度迄高める。両方の段階はエ
ネルギーの無駄である。ヒート・ポンプから排
出された熱を使用する再加熱システムは据付け
の点でコスト高であり、制御が困難である。温
度の下限の制御では湿気蒸気分を供給空気に加
えるため余分の加湿機器が必要である。こうし
た機器は通常、直接電気的になつている余分の
エネルギーを加えることが必要であり、そのた
めエネルギーの効率が悪い。再加熱と加湿シス
テムはその据付けと作動上の両点でコスト高で
ある。

(c) 空気中の高い凝縮温度がピークの冷却要求中
にヒート・ポンプを冷却した。これらの温度は
過剰なエネルギー消費を生じ性能が低下する。
冷凍効率は大気空気温度の増加に伴ない減少し
大気空気は冷房が必要な場合は最高温度にある
ので、特に暑い天候の場合、大部分の適用例に
対しその必要が最大となり、エネルギー消費量
はこれらの状態下で最高になる。

(d) 約６℃以下の大気空気温度において効果的に
加熱する空気供給源のヒート・ポンプの非作動
は熱交換器のコイル上に氷が付くことによる。
このためヒート・ポンプの性能減少をつぐなう
ため高エネルギー消費の伝熱機器又は別の加熱
装置を設ける必要がある。大気温度が大部分の
適用例において最低の場合、性能を最大にする
必要がある。

(e) 凝縮に適した温度において冷却水の連続的供
給を行なうよう冷却塔の如き余分な機器を必要
とする冷却中に水冷型ヒート・ポンプが必要で
ある。このため設備の据付けコストが増加す
る。

(f) 供給空気を加熱するのに使用される水供給源
のヒート・ポンプ内に貯蔵タンクと太陽熱交換
器の如き余分な機器が必要である。代替的に、
熱を冷凍なしに取り出すことが出来る常時的6゜
を越える流れ又は池が要求される。

発明の簡単な説明 本発明は包囲された空間又は帯域内の空気の所
要の状態を達成するのに適している除湿と加湿の
機能を含めた冷房若しくは暖房システムのいずれ
かとして機能する改良された空気調和装置とその
方法に関するものである。

本発明は少なくとも次の３つと熱交換器要素を
含み、その(1)の要素は各構成要素(2)及び(3)と直列
関係的に作用する。

要素(1)は温度変化のみ若しくは熱交換器通路内
若しくは熱交換器通路に隣接する２つの空気の流
れのいずれか一方の流れ内での凝縮若しくは水の
蒸発と組合せることにより顕熱のみとして若しく
は顕熱と潜熱の両者のいずれかとして２つの空気
の流れの間のエンタルピーを交換する型式になつ
て空気対空気のエネルギー変換器である。こうし
た熱交換器の例は固定板型熱交換器、回転式熱交
換器及びヒート・パイプ、サーモ・サイホン又は
コイルループ・システムである。

要素(2)は冷媒吸収材料と同様、水、グリコー
ル、アンモニア及び各種ハロゲン化化合物から成
る液体、蒸気若しくはガス状冷媒と空気の流れの
間でエネルギーを顕熱若しくは顕熱と潜熱のいず
れかで伝える空気対冷媒のエネルギー変換器であ
る。この熱交換器の例は裸管、ひれ付きコイル及
び中空プレートである。

要素(3)は本明細書で掲げた例を含む要素(2)に対
して延べた好適冷媒と空気の流れに水が加えられ
る場合、顕熱としてのみ若しくは顕熱と潜熱とし
て空気の流れの間でエネルギーを伝える空気対冷
媒のエネルギー変換器である。

本発明の主要特性は、最初に１次空気流れと称
する空気の一方の流れと２次空気流れと称する空
気の別の流れと間で要素(1)において説明した如
く、エネルギー変換器内のエンタルピーを交換
し、次に、要素(2)において述べた如く空気を空気
対冷媒のエネルギー変換器に通すことにより空気
の前記流れの一方の流れをそのエンタルピーの点
で更に増加若しくは減少させ且つ空気を要素(3)で
述べた如く空気対冷媒のエネルギー変換器に通す
ことにより空気の前記流れの他方の流れをそのエ
ンタルピーの点で更に減少若しくは増加させるよ
うにした方法と装置にある。要素(1)，(2)及び(3)と
して述べたエネルギー変換器を通る前記空気流れ
の通過中に前記空気流れの湿度を変化させ、適当
であれば温度を変化させる目的から蒸発されるよ
う一方の空気流れ若しくは他方の空気流れ若しく
は両方の前記流れに水が導入される。

本発明の典型的な実施態様においては、前記１
次空気流れは供給空気と称し、一方、前記２次空
気流れは戻り空気と称している。

更に詳細には、本発明の閉冷凍システムにおけ
るヒート・ポンプと２個の熱交換器、空気対空気
の熱交換器から成り、前記熱交換器が空気の流れ
に対して直列に接続され、前記空気の流れを与え
る空気インペラー装置を含み、前記熱交換器の第
１熱交換器が供給空気流路と戻り空気流路を有す
る前記空気対空気の熱交換器であり、前記熱交換
器の第２及び第３熱交換器が前記システムの冷媒
対空気の熱交換器であり、そこで使用時に、前記
空気インペラー装置が空気の流れを第１熱交換器
の前記供給空気流路を通し、次に、第２熱交換器
を通し、更に空気調和すべき空間に通し、そこか
ら少なくとも戻り空気の一部分が前記戻り空気流
路を通つて且つ前記第３熱交換器を通つて流れ、
大気に排出されるようにした空気調和装置にあ
る。

本発明の作動の多くの考えられるモードの中で
一部のモードは次の機能をもたらす。

(a) 除湿若しくは加湿を行なわずに供給空気を冷
却すること (b) 除湿による供給空気の冷却 (c) 加湿による供給空気の冷却 (d) 加湿無しの供給空気の加熱 (e) 加湿による供給空気の加熱 機能(a)ないし(e)の各機能は所要の如く論理的で
あれば同時的に又は対象とされている空気調和の
適用例に対し適切な場合は個別に前記機能の一部
若しくは全てをもたらすことが出来る一層複雑な
実施態様への空気ろ過の如き他の機能と組合せる
ことが出来る。

前記各モードは、（再環境サイクルと称する）
空間から取り出した部分的な空気と（戸外空気と
称する）空間外部から取り出した空気と混合され
る若しくは全体的に戸外空気で構成されるか若し
くは建物以外からの適当な他の供給源から取られ
る適当な状態の空気としての供給空気に対しアレ
ンジ可能である。

冷却と除湿のみが要求される多くの空気調和の
適用例に対し高度に適していることが判明した一
実施態様は供給空気全てが建物外から得られ、建
物の空気が装置を通じて建物内へ再循環されない
ような実施態様である。この実施態様において
は、空気対空気のエネルギー交換器要素(1)が交差
流れの空気対空気のプレート交換器であり、エネ
ルギー交換器要素(2)はひれ付きコイル型の空気対
冷媒の熱交換器であり、エネルギー交換器の要素
(3)は又、ひれ付きコイル型の空気対冷媒型熱交換
器であり、要素(2)及び(3)においてはR12とR22が
適した型式の参照表示となつているハロゲン化冷
媒が循環される。

この実施態様においては、要素(2)内で蒸発した
冷媒ガスを吸引する圧縮機により要素(2)と(3)を通
じて冷媒が循環され、冷媒ガスの圧縮後にこのガ
スは要素(3)内に排出され、そこで冷媒ガスが液体
に凝縮される。

次に、この冷媒液体は調節装置を通じて要素(2)
内に送出され、そこで液状冷媒は圧縮機を通じて
再び吸い寄せられる前に蒸発し、閉管回路で再循
環される。要素(2)内の冷媒の蒸発作用は供給空気
がその上を通過する表面の温度を低下させること
にあり、かくして空気乾球温度を下げ、その表面
温度が供給空気の結露点を下廻わる場合は除湿も
生じる。

要素(3)内の圧縮されて凝縮する冷媒と作用は排
気空気がプレート型熱交換器要素(1)を通過すると
き及びそれが要素(1)を離れた後並びにその空気が
要素(3)に入る前後に水を当該空気に加えることに
より蒸発すべく冷却されることで熱交換器の表面
より低い温度にて当該空気が維持されるとき建物
からの排出空気がその上を通過する。又、熱エネ
ルギーが内部へ流されるその表面の温度を上昇さ
せることにある。

建物空間はその温度と湿度が本発明の実施態様
による冷却と除湿作動により制御されているの
で、建物空間からの戻り空気は比較的低いエンタ
ルピーにあり且つ戸外空気と比較して比較的湿球
温度になつている。戻り空気が要素(1)に入るとき
当該戻り空気内に水を蒸気化させる方法によりそ
の乾球温度はその湿球温度に一層接近する。戻り
空気が要素(1)を通過するとき水がその戻り空気内
に蒸発され続けると温度差が原因で供給空気が、
又、要素(1)を通過するときに供給空気に冷却作用
が与えられる。この冷却作用は供給空気の乾球温
度を低減化させるだけでなく除湿も生じさせる。

次に、供給空気は要素(2)を通り、そこで供給空
気は更に冷却可能とされ、建物内の空気の空気調
和に対し要求される如く除湿される。

本発明の好適実施態様の一部として戻り空気内
に蒸発される水は収集タンクから再循環される水
の流れの一部分にされることが有利である。

要素(1)と(2)のいずれか一方若しくは両方におけ
る供給空気の除湿から生ずる水が前記収集タンク
内に流入出来ることもこの実施態様に説明された
如く本発明の一部であるが、必ずしも本発明の本
質的部分ではない。この手段により、典型的には
比較的高いエンタルピー・レベルにある通常の使
用供給源からの水の代わりに蒸発水を置換する等
除湿による水の低いエンタルピー・レベルを利用
することでエネルギーと水の両方が節約される。
実際上、除湿による水は不純物と塩分が少なく、
そのため典型的な水の供給源におけるこれらの因
子を制御する必要性が低減化されることも判明し
ている。

本実施態様において示された本発明の他のエネ
ルギー節約上の利点は戸外から来る空気よりむし
ろ建物からの蒸発で冷却された戻り空気の低い温
度の使用が原因で凝縮冷媒の比較的低い温度と圧
力が可能にされる点である。冷媒凝縮温度と圧力
が低くなる程圧縮機により要求されるエネルギー
が少なくなる。

本実施態様で示された本発明の他のエネルギー
節約上の利点は空気対空気のエネルギー交換器要
素の作動が当該空気がエネルギー交換器要素(2)に
入る前に供給のエンタルピーを典型的なヒート・
ポンプ・システムで経験される値以下に下げ、こ
れにより要素(2)内の蒸発冷媒の比較的高い温度と
圧力を可能にする点にある。冷媒蒸発温度が高く
なる程圧縮機により要求されるエネルギーが小さ
くなる。

本発明の他のエネルギー節約上の利点は戻り空
気の流れを供給空気の流れより低い流れにするこ
とが可能にされる。この流れ上の不均衡性を適確
にすることは建物構造の気密性に関係のあること
が判明している。住居の如き典型的な建物におい
ては、実際上この不均衡は供給空気対戻り空気の
比率が1.1対1.10と1.25対1.0の間にある場合最適
であることが判明している。こうした不均衡によ
り処理されていない戸外の空気の望ましくないろ
過作用を著しくオフセツトさせる建物の加圧化が
生ずることを理解すべきである。

本発明のこの実施態様における空気流れ内の乾
湿球湿度計変化の分析によれば、一方ではろ過作
用の結果冷却モードでの他の方法により必要とさ
れる場合より要素(2)（又は任意のヒート・ポン
プ）内での相当低い蒸発温度が要求されることが
示され、一方、全体的に空気流れの不均衡に起因
する実施態様の性能の効果がこうした高い蒸発熱
を有する戻り空気水の水蒸気の効果に起因して無
視することが出来る。

本発明のこの実施態様の作動において、更にエ
ネルギー節約をもたらす本発明の特徴は要素(2)及
び(3)における冷媒システムが戻り空気が建物を離
れて要素(1)に入るとき当該戻り空気により表わさ
れる空間の湿度が所要のレベルを上回わる場合に
のみ作動を必要とする点にあることが判明してい
る。本発明では要素(2)及び(3)における冷媒システ
ムが受容レベルにある空間内の湿度が原因で作動
の必要がない場合においても温度制御を維持出来
る。大部分の天候領域においては、作動状態にあ
る要素(2)及び(3)内の閉サイクル冷凍システムを伴
なわずに要素(1)内の開サイクル冷凍若しくは間接
的蒸発冷却システムとして本発明を作動させるこ
とで相当のエネルギー節約を図ることが出来るよ
うにする程充分大気湿度レベルが低くなつている
期間が相当ある。伝統的なヒート・ポンプ・シス
テムは温度が受容レベル以上になつている場合は
いつでも作動する必要があり、こうしたシステム
は湿度が受容レベルにある場合、効果的な開サイ
クル冷媒若しくは間接的蒸発冷却システムの場合
より３倍以上の多くのエネルギーを必要とするこ
とが示されている。

本発明の別のエネルギー節約上の利点は典型的
な換気空気の冷却と除湿を行なうのに相当余分の
エネルギー消費を要する伝統的なシステムより高
い換気割合を本発明がもたらす点にある。

今説明した実施態様は建物の空気を再循環させ
ないが、本発明は建物の空気の一部分が戸外空気
との混合によつて供給空気をなすよう再循環され
るよう本発明が作動可能であることを理解しなけ
ればならない。明らかに本発明は供給空気に再循
環空気のみを含む場合は適用不可能である。

一部の建物の空気を再循環させることが的して
いる適用例においては、戸外の空気を戻り空気の
流れに導入して要素(3)内の凝縮する冷媒に必要と
される空気の量を構成することも適していること
が判明しよう。

エネルギー節約を最大にする目的から建物の空
気の再循環が保証されることは稀れであることが
本発明の実際的な適用において判明しており、説
明した実施態様においては性能試験の結果、典型
的な商業的に利用可能な空気冷却式ヒート・ポン
プと直接比較した場合に35％以上のエネルギー節
約が熱帯性気候において達成され、65％以上のエ
ネルギー節約が温暖な天候において達成されると
いう住居の冷房といつた典型的な適用において全
体的なエネルギー節約が図られることが性能試験
により判明した。

先に説明した実施態様に対する改変では冷媒回
路を低温大気状態下での作動を対象に逆に出来る
装置を提供する。この実施態様においては、冷媒
弁が含まれ、これが要素(2)と(3)に交換機能を行な
わせ、かくして供給空気を冷却の代わりに加熱さ
せる。実施態様のこの改変においては、戻り空気
内での水の循環は水が戸外源により効率的に加熱
されないならば作動しない。

空気対空気エネルギー変換器の要素(1)を通過す
る戻り空気は最初、熱を供給空気内に排除し、次
にそのエネルギーの多くをこのモードにおいて冷
媒蒸発器として作動している空気対冷媒エネルギ
ー交換器の要素(3)内で排除することが理解出来
る。

加熱モードにおける本発明の性能を伝統的な逆
サイクル・ヒート・ポンプ・システムと比較する
ことによつて、要素(3)の表面上に氷が形成し始め
てその熱交換性能を低下させる戸外空気温度は典
型的には伝統的ヒート・ポンプ・システムにおけ
る第１氷結段階を5゜下廻わることが判明した。氷
結開始前に戸外空気の着霜温度を低下させること
により７℃を下廻わる期間が長い場合多くの天候
場面で相当のエネルギー節約を図ることが出来
る。

図面の詳細な説明 本発明の諸実施態様について以後添附図面を参
照し乍ら幾分詳細に説明し且つ添附図面に図解す
る。

第１図は冷房モードにて配列された場合の図示
の第１実施態様による空気調和装置を示す模式的
に表わした図。

第２図はこれも冷房モードにて配列された図示
の第２実施態様による空気調和装置を示す模式的
に表わした図。

第３図は乾湿球湿度計のチヤート図。

第４図は本発明による空気調和装置の斜視図。

第５図は空気調和装置の端面図。

第６図は側面図。

第７図は他の端面図。

【図面の簡単な説明】

図面において、第１図は本発明の第１実施態様
の模式的配列を示し、ここで、所要の供給空気の
状態を達成する適切性に従つて以下の機能を（部
分的には同時的に）行なうことが出来る。

(a) 全て戸外の空気か若しくは部分的に戸外の空
気で部分的に再循環される戻り空気である供給
空気の送出。

(b) 全て戻り空気か若しくは部分的に戻り空気で
部分的に戸外空気である排出空気の抽出。

(c) 間接的な水の蒸発を戻り空気を使用して行な
いヒート・ポンプによる冷却で若しくは冷却無
しで供給空気を冷却し、かくして両方の装置若
しくは一方の装置による冷却に除湿を含ませ
る。

(d) 戻り空気を使用する開接的水蒸発化により且
つ直接的水蒸発による除湿若しくは空気洗浄に
よる除湿と冷却で若しくは冷却無しで供給空気
を冷却すること。

(e) 戻り空気からの熱回収により且つヒート・ポ
ンプ１２による加熱を以つて若しくは加熱無し
で且つ電気的素子、湯若しくは他の適当な加熱
装置による加熱を以つて若しくは加熱無しで供
給空気を加熱すること。

(f) 戻り空気からの熱回収により且つ水噴射によ
る加熱を以つて若しくは加熱無しで且つ水噴射
による加湿の双方若しくは一方で且つ電気的素
子、湯コイル若しくは他の適当な加熱源による
加熱を以つて若しくは加熱無しで供給空気を加
熱すること。

(g) 供給空気のろ過。

供給空気は熱交換器１の１次空気通路１ａを通
り、次にコイル２を通り、一方、戻り空気は熱交
換器１の２次空気通路１ｂを通り、次にコイル３
を通る。

フアン４は供給空気を移動させ、フアン５は戻
り空気を移動させる。

ポンプ６は溜め７から水を循環させて各々制御
弁１０ａ及び１０ｂを介して分配器８ａ，８ｂ及
び９内に噴射させる。水はドレン制御弁１１の使
用により戸外ユニツト若しくは溜め７へ排出す
る。

圧縮機１２は（本明細書で説明した如く）冷却
モードにある場合、熱交換器２（蒸発器）と熱交
換器３（凝縮器）のコイルを通じて冷媒を循環さ
せる。

戸外空気は下方ポート１４と上方ポート１５か
ら流入し、戻り空気は出口ポート１６から排出
し、一方、供給空気はダクト１７を通じて空気調
和装置を離れ、空気調和すべき空間にいたり、当
該空間からの戻り空気はダクト１８を通じて戻
る。

補給水は入口管２０を通じて流入する。（ドレ
ン又はオーバー・フローについては図示せず） 空気弁２１は再循環のため供給空気内に戻され
る戻り空気の量を制御する。これは通常、加熱モ
ードでの使用に限定される。空気弁２２は供給空
気内に導入される戸外空気の量を制御する。空気
弁２３はこれも加熱モードでの使用に限定される
コイル３を通過する戸外空気の量を制御する。

水入口弁２５は水内の望ましくない固体の濃度
を限定するため水の流出を制御する。

空気フイルター２６は粒状物汚染制御をもたら
す。

コイル２７は加湿過程若しくは除湿過程に対し
水の加熱入力若しくは冷却入力を提供する。これ
は例えば電気的素子若しくは蒸気若しくは湯コイ
ル若しくは冷媒冷却型（若しくは加熱型）コイル
に出来る。

ヒーター２８は例えば極めて低い戸外空気温度
によつてコイル３の氷結が生じる場合等、冷媒シ
ステムが不充分な容量を有している場合の条件下
に熱入力を供給空気に与える。この加熱は例えば
電気的若しくは蒸気若しくは湯若しくは他の適当
な加熱源にすることが出来る。

第２図は本発明の図示の第２実施態様を模式的
に配列したものであるが、ここで、特に熱帯性気
候で要求される供給空気の条件を達成する適切性
に応じて以下の機能を部分的には同時に行なうこ
とも出来る。

(a) 全て戸外空気である供給空気の送出。

(b) 全て戻り空気である排出空気の抽出。

(c) 戻り空気を使用する間接的水蒸発により且つ
ヒート・ポンプによる冷却を以つて若しくは冷
却無しで供給空気を冷却し、かくして両方の装
置若しくはいずれか一方の装置による冷却が除
湿を含み得ること。

(d) 供給空気のろ過。

(e) 戻り空気からの熱回収による、ヒート・ポン
プ１２での加熱を以つて若しくは加熱無しでの
供給空気の加熱。

第２図のハードウエアは実質的に第１図のハー
ドウエアと類似しているが、説明の目的上簡略化
されていることが理解されよう。同様の要素は同
じ表示番号にて示されている。

空気弁２１，２２，２３及び２４は再循環空気
と戸外空気の量及び機器を通過する当該両空気の
混合気を調整する目的で使用可能である。

第２図に図解された配列のその加熱モード時の
作動の要約について以下に簡単に掲げる。

空気流フアン４は空気をエネルギー熱交換器１
の１次空気流路１ａを通じて送出する。

湿気を増加させる必要がある場合は分配器の噴
霧９からの１次空気流れに水を加えるべきであ
る。（第１図参照） 一方、第１実施態様においては、エネルギー熱
交換器２はヒート・ポンプ圧縮機１２の蒸発器コ
イルであつたが、第２実施態様ではコイル２は凝
縮器コイルとして作動し、コイル３は蒸発器コイ
ルとして作動する。弁構成はこの達成上逆サイク
ル空気調和装置に通常使用されているものと同じ
であるので、本明細書では図解されていない。空
気はコイル２によつて加熱され、かくして冷媒温
度を下げ、ヒート・ポンプ１２の性能効率を改善
する。加熱された空気はダクト１７を通過し、空
気調和される空間にいたり当該空間からの戻り空
気は空気対空気の熱変換器１の２次空気通路１ｂ
を通過する。これは１次空気の流れを予熱する
が、（その依然暖かい）戻り空気は（蒸発器モー
ドで作動している）熱交換器３のコイル上を流
れ、同様に当該コイル上での氷結を低減化させる
と共に冷媒温度を上げることによりヒート・ポン
プ１２の性能効率を改善する。フアン５は第１実
施態様の場合と同様、戻り空気を出口ポート６を
通じて大気へ排出させる。

更に特定の作動状態についての詳細は以下に一
層完全に説明する。

所定の気候状態の下での特別の適用に対し最も
適している機能を達成すべく第１図又は第２図の
要素の各種組合せを利用する多くの実施態様を提
供出来ることを図面から理解すべきである。

機能が全て主として１つのハウジング内に配列
される空気調和システムについて図面は図解して
いるが、本発明は又、構成要素と諸機能を別々の
ハウジング内に配列することで図示可能であるこ
とも理解すべきである。

第４図、第５図、第６図及び第７図は、構成要
素が全て１つのハウジング内にコンパクトに配列
してある本発明の実施態様を表わす多数の図を使
つて典型的な空気調和装置を図解している。

好適実施態様において、第１図及び第２図にお
ける空気対空気のエネルギー交換要素(1)の設計
は、隣接する板材の対向縁部上の閉鎖装置によつ
て多空洞導管に分割された板材の積層体を含む、
当該閉鎖装置が隣接する板材の任意の対の間にあ
つて隣接する板材の次の対に対し代替的な縁部上
にある、本発明の場合と同じ発明者によるオース
トラリア特許第325702号及び米国特許第4263962
号に記載の型式になつている。従つて、導管は２
つの流体流れを板材と当該板材の縁部上の閉鎖装
置により相互に分離出来、従つて流体流れの間の
板材の材料を通じて熱交換を可能にするよう配列
してある。

要素(1)の材料は流体からの衝撃又はそれ自体の
破断に対して高い抵抗性を有する無毒性の熱可塑
性型である。板材は極めて薄く且つ材料の熱抵抗
は板材表面上の流体の流れの被膜の熱抵抗に対し
て低いので、他の型式の熱交換器と比較して優れ
た全体的伝熱作用が得られる。

空気対冷媒の熱交換器２及び３は、金属製ひれ
が金属管に固定され且つ当該ひれと管が流体の流
れに対する抵抗を最小にすることと流体同志間の
エネルギー交換を最大にすることの間の均衡を最
適にする寸法にされ且つ隔置されている伝統的な
空気調和システムで使用される典型的な構成にな
つている。

好適実施態様の他の構成要素にはフアン、ポン
プ、圧縮機が含まれ、伝統的な空気調和システム
で使用される典型的なものであり、関連ある流体
の温度と圧力に対し最適の効率が得られるよう選
択される。

性能の詳細な説明 (1) 冷房、除湿作動 建物外部からの供給空気の絶対湿度と戸内諸
活動から結果的に生ずる空間内の絶対湿度の利
得を合計した値が当該空間内で要求される絶対
湿度に対する設計値に等しいか又はその値を越
える場合に除湿が要求される。

除湿不要の場合は、第１図及び第２図におけ
る要素(1)，(6)及び(8)が（第２図がその冷却モー
ドにあるとき）開サイクル冷凍のみとして要素
(4)と(5)と組合つて作動する。

除湿が要求される場合は、付加的な要素(2)，
(3)及び(12)が第１図及び第２図に示された如く開
サイクル冷凍と組合つて閉サイクル冷凍として
作動する。

これらの過程の組合せは、全て戸外での供給
空気の処理がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで表わされている
第３図の乾湿球湿度計チヤート上での典型的な
熱帯性性能に対する冷却モードで示してある。
Ａは戸外空気の状態で、Ｄは建物内の占拠空間
内の状態であり、Ｅは機器に流入する戻り空気
の状態である。

線EFGHは戻り空気が状態Ｈにおいて建物外
部へ排出される迄の占拠空間からの戻り空気の
処理を表わす。

要素(1)内で発生する供給空気と戻り空気に対
する一致した処理を各々熱交換器１の隣接する
通路内の線AB及びFGの処理線にて第３図に
示す。

戻り空気は状態Ｅにおいてダクトを離れた
後、第１図のダクト１８を通じて機器に流入
し、要素(1)から収集溜め７内へ落下する噴霧８
からの再循環水により湿潤化される。要素(1)と
溜め７の間の室内と要素(1)への入口にある表面
上でのこの戻り空気の湿潤化によつて戻り空気
はほぼ飽和状態になり（典型的には90％以上）、
これは状態点Ｆで表わされたその湿球温度にほ
ぼ近い温度低下を伴なう。戻り空気はそれが要
素(1)を通過するとき及びそれが状態Ｇにて離れ
る迄湿潤化され続け飽和に近い状態にされる。
この手段により、戻り空気は常時別の分離した
通路内の空気に隣接している供給空気より低い
温度に維持される。

典型的な熱帯性気候の適用例における供給空
気は状態Ａにて要素(1)に流入する。供給空気は
次に状態Ｂにて要素(2)に流入し、状態Ｃにて再
び離れ、ほぼ飽和状態にされ、１７にて機器か
ら離れ、建物内に流入する。

供給空気は建物空間内の空気と混合して状態
Ｄをなし、かくして当該間内に発生している熱
と湿気分を取る。

処理線DEは空間の空気が１８にて機器に流
入する前のダクト・システム内に戻る場合の当
該空気により得られる熱を表わしている。

状態Ｇにて要素(1)を離れた後の戻り空気は噴
霧８ａと８ｂを通過することにより要素(3)に流
入し、後者の噴霧は要素(3)の表面を湿潤化させ
るよう配列してある。この手段により、戻り空
気が要素(3)を通過して状態Ｈにて建物外部に排
出のため離れるのに伴ない戻り空気の連続した
加湿が原因で当該戻り空気内に低い温度が維持
される。

以下の点が注目されよう。

(a) 第３図での処理は熱帯性気候の典型的なも
のであり異なる処理線を有するが、同様にエ
ネルギーの相当の節約を呈する一方同時にエ
ネルギー損失を伴なわずに戸外空気の高レベ
ルを建物に与える。

(b) 戻り空気に対する供給空気の質量流れ割合
は全体の性能で無視出来る効果の1.2：1.0迄
にすることが出来、一方同時に建物の加圧に
よる高温戸外空気の浸透を偏寄させる。

(c) 第３図に図解された例における除湿段階中
に供給空気から凝縮物として除去された湿気
分は排出空気を通じて再周期化のため溜め内
に収集され、こうして全体的な熱効率を高め
る。この凝縮物は典型的には蒸発に対する補
給のため水供給の約60％をもたらす。この凝
縮物は又、実質上純粋であるため水の内部の
不純物のレベルを低く維持する。

(d) 戻り空気が要素(3)を通過し閉サイクル冷凍
凝縮器からの熱が内部へ伝えられている当該
戻り空気の熱的状態と湿潤化により空冷式の
伝統的なシステムで使用される如く大気空気
で達成可能温度より相当低い凝縮温度が可能
になる。

(e) 飽和状態に近い要素(2)に流入する供給空気
の熱的状態は部分的に乾燥している伝統的シ
ステムに適用されるものより高い冷媒温度を
コイル内にて可能にし完全に湿潤化された熱
交換器の熱流れに対する抵抗とする。

前述した冷却、除湿作動にて達成される諸利
点の簡単な要約を次に掲げる。

(a) エネルギー損失無しで伝統的換気割合より
高い換気の提供。

(b) 加圧に起因する浸透の低下。

(c) 除湿から生じる凝縮物の捕獲によりエネル
ギー損失が低減化し、水の純度が上昇し、水
の使用量が低減化する。

(d) 冷媒の高い蒸発温度と組合つた低い冷媒凝
縮温度により同じ冷凍効果に対し圧縮機のエ
ネルギー消費量が低減化される。

これらの諸利点は全て熱力学と乾湿球学の充
分に確立された諸原理に基づいている。

本発明のこれらの利点に加えて、全体的な利
点は湿度が充分に低い期間中に圧縮機を作動さ
せる必要がある極めて効果的な冷却を行なえる
点にある。これは熱帯性気候において極めて長
い期間に亘つて提供出来る。

(2) 加熱と加湿 加熱と加湿に関する作動の詳細な説明を以下
に掲げる。

この作動モードにおいて、冷却と除湿につい
て説明した実施態様では要素(2)をその熱を供給
空気に与える冷媒凝縮器にし且つ要素(3)を当該
要素を通過する戻り空気から熱を奪う冷媒蒸発
器にするよう（図面に示されていない）弁によ
り冷媒の流れる方向が変えられている。

逆サイクル供給空気加熱器として作動する伝
統的な空気源ヒート・ポンプは冷媒蒸発器上を
通過する戸外大気空気を有している。大気温度
が7゜を下廻わる気候においては、蒸発器の表面
に氷結が始まる。その結果、氷結に起因して性
能効率が直ちに典型的には3.0から2.4へ下が
り、即ち20％の減少となる。性能は氷が空気の
動きを阻止する迄低下し、そのため機器は除霜
しなければならない。これは典型的には高温気
体を戸外空気蒸発器に通す目的で冷却モードに
切換えるか又は電気的抵抗素子により達成され
る。除霜と性能低下期間中は、電気的抵抗素子
の如き代替的加熱装置が要求される。その結
果、建物の暖房コストは暖房要求量の増加に伴
なつて反比例的に増加する。その上、電気的エ
ネルギー供給要求量が急激に増加する。

第２図の第２実施態様に関連して先に一般的
用語を使つて説明した如く、その加熱モードを
除き、逆サイクル・ヒート・ポンプとして作動
する場合は要素(2)は冷媒凝縮器として作動し、
要素(3)は戻り空気が要素(1)を離れた後に熱を当
該戻り空気から取る蒸発器として作動する。

要素(1)は熱を戻り空気から供給空気内へ伝
え、戻り空気内の熱の均衡が第１図及び第２図
における１７から建物に流入する前に要素(2)か
ら供給空気内へ〓ヒート・ポンプ〓化される蒸
発器要素(3)内への伝達のため利用可能である。
再循環と加湿が要求される場合は、噴霧９、空
気弁２１及び２２等第１図に示したものを第２
図の簡略化された配列内に導入すべきである。
噴霧８ａは加熱モードでは使用されないであろ
う。

この手段によつて、ヒート・ポンプは全体的
に戸外空気温度が２℃になる迄氷結の無い状態
に維持出来る。約１℃を下廻わる大気空気によ
る氷結は一般に伝統的なヒート・ポンプ・シス
テムでの経験においてはこれらの温度における
戸外空気が乾燥していることから極めて少量で
あることが判明している。

約２℃を下廻わる大気状態にて作動する場合
の本発明に対し、戸外空気は戻り空気と混合さ
れるよう配列される。第２図において空気弁２
３と２４がこの状態に対して調節可能である。
この手段により、氷結を最小にすることが出来
る。

大気空気が約−５℃である場合、戻り空気か
らの凝縮物は要素(1)の戻り空気通路に氷結し始
めることが判明している。然し乍ら、大気状態
とこの段階によれば戸外空気は乾燥しているの
で蒸発器要素(3)を通じての単独使用時に（即ち
その混合された戻り空気無しに）氷結が皆無と
なる。

ヒート・ポンプの性能は−５℃の大気空気か
ら熱を抽出するのに必要な蒸発温度が低いこと
から劣化する。（注意：一層高い性能係数を得
るためこうした低温と気候に対しては２段階型
ヒート・ポンプ・システムを考えることが出来
る。） 戸外空気の温度と要素(1)の戻り空気通路内の
戻り空気の温度がこれらの通路に氷結を生ぜし
める場合、当該システムは要素(1)の除霜だけで
なく要素(3)の除霜も要求すべき溜め７内の水に
熱を加えることによつて容易に除霜出来る。こ
の熱の大部分は供給空気と蒸発器内で回収され
る。

溜め７内の水は電気的抵抗素子又は太陽エネ
ルギー・パネル用の湯によつて加熱出来、建物
の給湯システムと相互に接続可能である。

建物からの別の熱源として、戻り空気配管シ
ステムを台所と風呂場の排管に相互に接続する
ことが出来、又は商業用処理と工業用処理から
得られ、かくして他の低温の廃熱をヒート・ポ
ンプを通じて供給空気内に再度向けることが出
来る。こうした余分の熱は更に機器内で霜が出
来始める大気空気温度を低減化させるので本発
明はこうしたエネルギーの収集にあたつて著し
い柔軟性を有する。

本発明の第１図の実施態様の別の特徴は噴霧
９を通じての除霜に対し前述した如く加熱され
る溜めの水７を噴霧することにより供給空気を
加湿化出来る設備である。

こうした熱源が全て不充分であると仮定すれ
ば、建物内の所要の温度を達成する目的から要
素（28）に更に加熱をすることが必要とされよ
う。

前掲の説明から、伝統的なシステムで達成され
るものより全ての作動状態下で著しく高いレベル
に性能係数を維持出来ることから、７℃を下廻わ
る相当の期間続く気候に対しては本発明は伝統的
な空気源のヒート・ポンプと比較した場合相当の
エネルギー節約を図ることが出来ることが理解さ
れよう。その上、他の廃熱を収集する本発明の設
備はこの点に対し著しい利点になつている。

伝統的な空気源のシステムは頻繁に除霜する必
要があることからサイクル上の非効率性の結果、
相当の欠点を有していることに注意すべきであ
る。これは典型的には約15％であるが、この損失
は低温度に除霜することを延期するので大いに回
避出来る。

本発明における全体的性能の最適化は一部の作
動状態下においては建物内への一部の戻り空気の
リサイクル化を可能に出来る第１図における空気
弁２１，２２，２３及び２４の使用により援助可
能である。

任意の状況に対する本発明の完全な効率と利点
は例えばマイクロプロセツサーを通じて作成出来
る最適化プログラムに従つて変数成分の各成分の
設定を行なう場合得られることを理解すべきであ
る。

当技術の熟知者は例えば、冷却に対しては、戻
り空気の湿球温度にて実際上作動する水溜め内の
サーモスタツトを使用することにより間接的蒸発
過程とは無関係に作動するようにヒート・ポンプ
冷却、除湿化過程を作動出来ることが理解されよ
う。この手段によつて、供給空気の湿度は建物内
の占有空間の必要量に見合うようその乾球温度と
は無関係に大略制御可能である。

本発明の原理は供給空気が戸外空気のみを含
み、排出空気が戻り空気のみ含み、水分配器９と
加熱器２７，２８が省略される場合に適合し且つ
その最も単純な冷却形態にて説明されていること
も理解すべきである。

本発明の原理は、供給空気が戸外空気のみを含
み、排出空気が戻り空気のみを含み、水分配器８
ａ，８ｂ，９等弁１０ａと１０ｂ付きのものを省
略し、加熱器２７，２８が省略され、ドレン弁１
１と戸外へのドレンが省略される場合にも適合
し、又その最も簡単な加熱形態にて説明してあ
る。

冷却形態において、コイル２は空気冷却器とし
て作用し、コイル３はコイル２から熱を排除する
ことにより空気加熱器として作用し、これは又、
ヒート・ポンプ過程に従つて行なわれる。

加熱過程においては、コイル２は空気加熱器と
して作用し、コイル３はコイル２により要求され
た熱を吸収することにより空気冷却器として作用
し、これは又、ヒート・ポンプ過程により行なわ
れる。