超饱和外气省能空调系统的制作方法

专利名称：超饱和外气省能空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气调节系统。
背景技术：
无尘室为了维持高洁净度的空气品质，空调系统均采用全外气的设 计方式，因此需要耗费大量的能源，根据调查，在相同的半导体厂房面
积下，洁净度每升高一级(如由100级升为10级)其空调耗电量约增加 三倍，若是以12寸晶原厂所需之洁净度1级为例，其空调所需要的耗电 是100级的9倍之多，因此如何能够提供高洁净度的环境也同时节省能 源的消摔毛，进而降低产业生产成本，提升竟争力是相当重要的。
传统的洁净室空调系统如图la所示，包括有处理空气尘粒的初级1、 中级2、高级滤网3、驱动空气的风机4及调整空气状态的冰水盘管5、 热水盘管6及加湿器7等组件。外气8首先经过滤网将尘粒与杂质滤除 之后，经过水水盘管5将空气的降温达到除湿的目的，经过降温除湿后 的空气温度往往过低，因此再辅以热水盘管6加热将温度提高到默认值， 空气再经过加湿器7调整湿度，而后状态调整的空气9在进入空间10中 使用。
传统的洁净室空调系统的空气线图如图lb所示。外气以状态OA (35°C， 70%RH)进入空调箱，经过滤网3之后，透过冰水盘管5完成 降温除湿过程，并以状态A离开冰水盘管5，而后外气8经过热水盘管6 加热到达状态B，此时依照室内空间的空气状态要求，利用加湿器7微 调湿度，外气8以状态SA(23。C, 50%RH)进入室内空间，外气8吸收 室内负荷状态到达RA (28°C, 38%RH),最后以RA离开室内空间。
在整个外气8的状态调整过程之中，空气8通过冰水盘管5之后呈 现过于低温及干燥的状态，需再透过热水盘管6与加湿器7的协助完成 状态的调整，造成能源的二次浪费，徒增不必要的能源消耗与制程成本。 此外传统空调之水水盘管5需供应低温的水水进行空气的除湿过程，以 致冰水主机低效率运转。
传统的洁净室全外气空调系统乃是将室内排气11直接排放于大气之 中，由于室内排气ll大多属于低温且干燥的状态，若能够将其所具有的 冷能加以回收，用以预冷进入空调箱的外气8，将有助于节省空调系统中 冰水主机的电力消耗。传统的空调系统是采用全热交换器作为外气冷能 回收的主要工具，传统的全热交换器最为常用者是平板式与转轮式两种， 在实际使用时，两者均有进气与排气相互污染的情况，使得进入室内的 空气品质难以控制，因此在高洁净环境需求的情况下，两种全热交换器 将无法提供所需的空气品质，使得传统空调系统在高洁净度洁净室的空 气处理上面遇到^f瓦颈。
由上所述可知传统的全外气空调系统具有以下的缺点冰水盘管5 与加热水盘管6的二次能源浪费；室内排气11冷能没有回收所造成的冷 能浪费；即使装有全热交换器，亦有排气与进气交互污染的情况发生； 需要使用水水主机与冷媒，不利环保且主机需常维修，有鉴于此，乃研 发出本发明之超饱和外气省能空调箱。

发明内容
本发明的目的是提供一种可结合超饱和雾化制冷、除湿轮湿度控制、 热管热交换器冷能回收等技术且不需要压缩机之全外气空调系统。
一种超饱和外气省能空调系统，该空调系统是由文件板组搭配除湿 轮、热管热交换器、太阳能空气加热器、加湿器以及超饱和雾化装置所 组合构成，其内的系统分为外气进气侧、室内排气侧以及再生侧三个部 分，而空气的处理过程主要分为外气加热除湿、降温、超饱和雾化制冷 以及排气冷能回收等四个步骤。
本发明的有益效果在于
本发明所具有的一大特色是利用超饱和雾化装置来制冷。有别于传 统喷嘴造雾的方式，本发明是采用超饱和雾化装置产生极为微细的水雾， 再将之与排气混合，使排气产生超饱和状态(亦即排气中所含有的水分，
大于100%的相对湿度时之排气所能含有者)使接下来的冷能回收将可使 性能大幅提升。而一般的喷雾制冷系统的空气在通过热交换器完成冷能 传递之后，会因吸收了来自新鲜空气侧的热能而温度提高，使得热传能 力因与进、排气端间的温度差减少而降低，若是采用利用超饱和的空气 状态则可避免此点之发生。当处于超饱和状态的空气通过热管热交换器 吸收来自进气侧的热能时，由于空气中含有极为微细的水雾颗粒，此水 雾颗粒由于表面积与体积之间的比值甚大，因此能够迅速地吸收来自新
鲜空气侧的热能而产生蒸发，同时带走相当大的潜热，使得在完成热交 换之后的排气温度几乎维持恒定，且在超饱和空气的吸热过程之中，由 于随时都有水雾处于蒸发的状态，整个空气的比容亦会产生上下震荡的 变化，此震荡的现象将使得热交换器内的排气侧流场产生更多的紊流结 构，提升热交换器的性能。
本发明之超饱和外气省能空调系统系利用太阳能空气加热器提供的 热能来再生除湿轮。除湿轮的转轮可分为除湿側与再生侧两大部分，在 除湿侧完成水分吸收的轮面，利用旋转的方式，移至再生侧中，此时利 用太阳能空气加热器所提供的热能加热将转轮中的水气并使其脱离轮面达到再生的作用，而后干燥的轮面重新回到除湿侧完成循环。在除湿轮 的运转过程中，用太阳能再生转轮的设计可以取代原本用来再生转轮的 电热设备，可以进一步节约空调箱的电能消耗，且太阳能属于洁净能源， 使得本发明更具有环保价值。
本发明采用热管热交换器作为能量传输的主要组件，在热交换的过 程之中，能量的传递系透过热管内部工作流体的蒸发与冷凝等热传机制 完成，除了具有优异热传性能之外，进气与排气间也能完全隔离，完全 避免进、排气间交互污染的可能性，除了能够提供一般民生家庭高品质 的空调环境之外使用，在医院中如病房的中央空调、负压隔离病房或半 导体高洁净厂房等对于空气洁净度要求极为严苛的环境都能够完全胜
任，并且由于热管采用蒸发段与冷凝段分离的设计，即使风管的进气侧 与排气侧相隔一段距离，热管仍然可以达到能量传递的功能，使得在风
管系统^:计上更具弹性。本发明除了可以回收能源、节省电力消耗之外， 由于可以完全避免进气与排气交互污染的情况发生，将有助于提供半导 体厂区或是医院隔离病房更加洁净的空调环境，使得具更高精密度的制 程或更为安全舒适的环境能够顺利达到。
附图
的简要说明
图la是传统全外气空调系统示意图。
图lb是传统全外气空调系统空气线图。
图2是本发明超饱和外气省能空调系统示意图。
图3a是本发明超饱和外气省能空调系统于夏季操作时之系统示意图。
图3b是本发明超饱和外气省能空调系统于夏季搡作时之空气线图。 图4a是本发明超饱和外气省能空调系统于冬季操作时之系统示意
图。
图4b是本发明超饱和外气省能空调系统于冬季操作时之空气线图。
图5a是本发明超饱和外气省能空调系统以双级设计时之系统示意图。
图5b是本发明超饱和外气省能空调系统以双级设计时之空气线图。 图6是本发明超饱和外气省能空调系统采用除湿物质喷雾系统时之 系统示意图。
主要组件符号说明
空气尘粒的初级滤网1空气尘粒的中级滤网2
高级滤网3风机4
水水盘管热水盘管6
加湿器7外气8、 28
空气9室内空间10
室内排气11外气进气侧12
室内排气侧13再生侧14、 30
热管热交换器15除湿轮16
超饱和雾化装置17太阳能空气加热器18
档板组19档板21、 22、 23、 24
除湿侧25蒸发端26
冷凝端27雾化喷头31
除湿物质颗4立32拦截装置33
除湿物质颗粒传送装置34高压泵3具体实施方式
请参阅图2所示，本发明超饱和外气省能空调系统，其内的系统分
为外气进气侧12、室内排气侧13以及再生侧14三个部分，而内部主要 包含有热管热交^灸器15、除湿4仑6、超《包和雾4b装置17、太阳能空气加 热器18、加湿器7以及档板组19等五大部分，本发明可针对不同的外气 条件，如不同季节，调整系统的外气处理流程，或是依照不同的设备特 性或是外气处理量，而有双级或是多级系统的设计。
本发明由于采用热管热交换器15作为冷能传输的组件，外气8与室 内排气ll完全隔离，能够提供无交互污染的高品质空调环境。整个空气 的处理过程之中，系统以超饱和雾化装置17制冷，不需要使用到任何冰 水主机，除了没有使用冷媒所造成环境负担之外，亦没有装设冷却水塔 所造成的噪音与安装空间等问题，且除湿轮16系利用太阳空气加热器18 提供的热能予以再生，除了可节省再生过程的电热消耗之外，绿色能源 的使用亦使得本发明更具环保的价值，整个系统采用模块化设计，可以 完全兼容于目前半导体厂的空调系统，为一能够大幅节省能源同时提供 高品质环境之创新空调系统。
本发明之超饱和外气省能空调系统，可依照不同的外气条件调整空 气处理过程。在夏季时，系统针对高温高湿的外气8条件提供降温除湿 的处理，在冬季时低温干燥的外气8在进入室内空间IO之前即需要经过 加热与加湿的空气处理过程。本发明可以依照不同的外气处理需求，以
控制空调机的操作模式与外气8在其内部的流向来达到不同外气8处理 的过程，使系统无论是在夏季或是冬季等不同的气候条件中，均可以提 供室内空间IO所需的空气状态，并达到节约能源的目的。
本发明所提出之超饱和外气省能空调系统，可依照不同的外气处理 量，或是不同的除湿转轮除湿能力与热管热交换器的热交换效率，而有 双级与多级的系统设计。若外气处理量较大或是室内空间的空气条件需
求较为严苛时，若只采用单一除湿轮16与热管热交换器15的系统进行 外气的处理，则此除湿轮16的尺寸将相当巨大，且所需的热管热交换器 15效率也将过高，针对这种情况，本发明提出采用多级系统的设计，空 调系统以串连多个除湿轮16与热管热交换器15的方式，将外气8的处 理过程分成数阶段来完成，除了可以满足冷房的空调需求外，系统所采 用的除湿轮16尺寸与热管热交换器15效率也将较为合理。
于夏季的外气条件下，系统的运转模式示意如图3a所示，高温高湿 的外气8必须经过降温除湿的处理过程方能提供至室内空间IO使用，此 时系统关闭文件板23并开启档板21、档板22、与档板24，外气8自进 气侧流入，另有一部份的外气28自再生侧流入，空气的处理过程主要分 为外气加热除湿、降温、超饱和雾化制冷以及排气冷能回收等四个步骤。
外气8首先经过除湿轮16的除湿侧25进行加热除湿的过程。当外 气8自进气侧进入时，除湿轮16的除湿侧25利用其表面具有的多孔性 物质吸收外气8内部多余的水蒸气，此过程中除湿轮16的除湿侧25所 吸收之水蒸气的部分潜热会传递至外气8之中使外气8温度升高，达到 加热除湿的目的，而后外气8以干燥高温的状态离开除湿轮16的除湿侧 25。在此过程中完成除湿过程的除湿轮16轮面需要透过加热的方式将轮 面中的水分去除，使转轮恢复除湿能力，本系统是利用太阳能空气加热 器18作为还原轮面的所需的热能来源。系统以太阳能空气加热器18所 提供的热能加热自大气引入的部分外气28,而后高温的部分外气28流经 除湿4仑16的再生侧30,以加热脱附的方式去除轮面的水分，而后完成还 原过程的轮面即再回到除湿侧25完成循环。
离开除湿轮16的外气8而后通过热管热交换器15位于外气进气侧 的蒸发端26，此时高温干燥的外气8加上热管热交换器15内部的工作流 体，使得热管热交换器15其蒸发端26内液态工作流体吸收外气的热量
之后产生沸腾，气态工作流体因浮力的驱动向上流动至排气侧的热管内
冷凝将热量传递至室内排气侧的热管热交换器冷凝端27,达到使外气8 降温，而后外气8即导入至室内空间10以供4吏用。
室内排气11在排气的过程之中，首先与超饱和雾化装置17所产生 的微细水雾混合，由于排出的室内排气ll较为千燥，促使超饱和雾化装 置17内的^f敬细水雾吸收排气热量产生蒸发，在极短的时间内以潜热的方 式吸收大量的热量达到制冷的目的，并将室内排气ll加以冷却，室内排 气11以低温且超饱和的状态离开超饱和雾化装置17。
低温的室内排气11而后再经过热管热交换器15位于室内排气侧的 冷凝端27将冷能传递至空调箱的进气侧。在此过程中，热管热交换器15 内部来自蒸发端26的气态工作流体在热管热交换器15的冷凝端27内部 产生冷凝，将热量释放给低温室内排气ll吸收，达到冷能传递的目的， 而后液态工作流体再向下流回热管热交换器15蒸发端26的内部完成循 环，同时完成冷能传递的排气侧室内排气11即排放至大气之中。
本发明之超饱和外气省能空调系统于夏季操作时的空气热力线图如 图3b所示，整个过程中假设房间内的供风条件与室内负载均与传统空调 机者一致。外气8首先以状态OA (35。C， 70%RH)进入空调箱，经过 滤网之后，透过除湿轮16进行除湿加热过程，并以状态A( 45°C， 16%RH) 离开除湿转轮16，而后高温干燥的外气通过热管热交换器15吸收来自排 气側的冷能到达状态SA (23°C， 50%RH)并进入室内空间，在吸收室内 的空调负载之后以状态RA(28。C, 38%RH)离开室内空间，而后经超饱 和雾化装置17制冷降温，以状态B离开超饱和雾化装置17，再经过热 管热交换器15的冷能回收后，外气以状态EA离开空调机。
若是在冬季的干冷外气条件下操作，因此热管热交换器15、除湿轮 16与超^:包和雾化装置17均不需激活，系统主要以加热与加湿的方式调整 外气，系统的操作示意如笫4a图所示，此时开启檔板23，关闭档板21、 檔板22与档板24。外气28首先经太阳能空气加热器18加热，由于档板 24与档才反22均已关闭，因此加热后的外气28直接流经加湿器7并喷出 水雾混合达到湿度调整的目的，而后完成状态调整的外气28即被导入室 内空间10内使用。室内循环完毕后的空气，即直接排放至大气之中。
本发明的超饱和外气省能空调系统于冬季操作下的空气热力线图如 图4b所示。外气以状态OA进入空调机之后，首先经太阳能空气加热器 18加热至状态A，而后在经过加湿器7的湿度调整以状态SA进入空调 空间，在吸收室内空调负荷之后以状态RA离开室内空间并被导引至大 气之中排放。
图5a所示者，则是本发明在实施于当采用双级设计时的系统示意图， 若是在实施时单一的除湿轮16不足以满足外气的除湿量，或是外气处理 过程中所需的热管热交换器15的热交换面积(或是热交换效率)过大时， 本发明可改以双级或是多级的系统设计，以多阶段的方式处理外气，使 其满足室内空间的负荷。实施时如图5a所示，外气8在经过第一阶段的 降温除湿过程之后，再经过第二次的降温除湿处理以达到冷房室内空气 负荷的要求，而后室内排气11经过超饱和雾化装置17超饱和雾化制冷 过程，并透过两个热管热交换器15将冷能传递至进气侧中，而后再进行 第二次的超饱和制冷以及冷能回收的步骤，最后排气及引导至大气中排 出。
本发明之多级系统的空气热力线图如图5b所示。外气8以状态OA 进入空调才几之后，首先通过第一个除湿轮16进行第一次加热除湿过程， 而后以状态A进入第一个热管热交换器15,并以状态B离开，接着外气 再经过第二次的加热除湿过程到达状态C,亦经过第二次的降温过程并 以状态SA进入室内空间。外气在吸收室内空调负荷之后以状态RA进入 空调机的排气侧，排气首先经过第一个超饱和雾化装置17的制冷过程， 而后到达状态D，而后经过热管热交换器15的冷能回收过程，吸收来自 进气侧外气的热量，并以状态E再进入第二个超饱和雾化装置17的制冷 过程到达状态F,在经过第二次的冷能回收过程，最后以状态EA离开空 调机。若双级系统无法满足冷房所需要的外气处理量，系统亦可以三级 甚至多级的设计，透过多阶段的外气处理来增加系统的外气处理容量， 此时系统所需的除湿轮16的尺寸也可以较小，热管热交换器15的热交 换效率亦可不用太高即可以达到冷房需求。
然而多级的设计可能将使得系统过于复杂，本发明提出以除湿物质 喷雾系统取代除湿轮16,来完成外气加热除湿过程。如图6所示，该装 置包括雾化喷头31、除湿物质颗粒32、拦截装置33与除湿物质颗粒传 送装置34与高压泵35等五个部分。外气8进入空调箱的进气侧后，首 先雾化喷头31喷出的除湿物质颗粒32会混合外气8中的水分将由除湿 物质颗粒32所吸收，此过程与除湿轮16的除湿方式相同，均为加热除 湿过程，在完成除湿过程之后，外气8中的除湿物质颗粒32由下游处的 拦截装置33滤出，而后外气即离开拦截装置33,被拦截下来的除湿物质 颗粒32透过除湿物质颗粒传送装置34传送到空调系统的再生侧，在传 送的过程中，除湿物质颗粒32系利用太阳能空气加热器18所提估的热 能加热部分的外气28,使其流经除湿物质颗粒传送装置34加热内部的除 湿物质颗粒32所吸收的水分，将除湿物颗粒32再生，完成再生的除湿 物质颗粒32带至高压泵35中，而后回到高压喷头31完成循环。本发明 中的除湿物质喷雾系统可利用改变除湿物质颗粒32的雾化量的方式来调 整除湿量，以因应不同的室内空间IO的需求，或是不同的外气8条件或 处理量。
权利要求
1. 一种超饱和外气省能空调系统，其特征在于该空调系统是由文件板组搭配除湿轮、热管热交换器、太阳能空气加热器、加湿器以及超饱和雾化装置所组合构成，其内的系统分为外气进气侧、室内排气侧以及再生侧三个部分，而空气的处理过程主要分为外气加热除湿、降温、超饱和雾化制冷以及排气冷能回收等四个步骤。
2. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于外气 加热除湿的方式为，设置有除湿轮，利用除湿轮其上端部分为除湿侧， 而下端部分为再生侧的设计，当外气自进气侧进入时，利用该除湿轮表 面上具有的多孔性物质，以吸收外气内部多余的水蒸气后将水蒸气的部 分潜热传递至外气之中，使外气温度升高，达到加热除湿的目的。
3. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于外气 降温的方式为，设置有热管热交换器，当离开除湿轮的外气而后通过热 管热交换器位于外气进气侧的蒸发端，此时高温干燥的外气加上热管热 交换器内部的工作流体，使得热管热交换器其蒸发端内液态工作流体吸 收外气的热量之后产生沸腾，气态工作流体因浮力的驱动向上流动至排 气侧的热管内冷凝将热量传递至室内排气侧的热管热交换器冷凝端，达 到使外气降温的目的。
4. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于外气 超饱和雾化制冷的方式为，当室内排气在排气的过程之中，可与超饱和 雾化装置所产生的微细水雾混合，促使超饱和雾化装置，在极短的时间 内以潜热的方式吸收大量的热量达到制冷的目的。
5. 如杈利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于外气 冷能回收的方式为，当低温的室内排气再经过热管热交换器位于室内排 气侧的冷凝端将冷能传递至空调箱的进气侧，在此过程中，热管热交换 器内部来自蒸发端的气态工作流体在热管热交换器的冷凝端内部产生冷 凝，将热量释放给低溫室内排气吸收，达到冷能传递的目的，而后液态 工作流体再向下流回热管热交换器蒸发端的内部完成循环。
6. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于除湿 轮是设置在位于进气侧与再生侧之间用以提供外气的加热除湿操作。
7. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于超饱 和雾化装置是设置在位于排气侧用以制造冷能，并通过热管热交换器将 冷能传递至进气侧来将外气降温。
8. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于空气 的处理过程于夏季时是外气自进气侧流入，经过除湿轮的除湿侧进行加 热除湿过程，使外气温度升高，并利用太阳能空气加热器作为还原轮面 的所需的热能来源，提供引入另外一部分高温的外气，来流经除湿轮的 再生侧，以加热脱附的方式去除轮面的水分，而后完成还原过程的轮面 即再回到除湿侧完成循环。
9. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于空气 的处理过程于冬季时是外气经太阳能空气加热器加热后直接流经加湿 器，并喷出水雾混合达到湿度调整的目的，而后完成状态调整的外气，即被导入室内空间内使用，室内循环完毕后的空气，即直接排放至大气 之中。
10. 如权利要求8或9所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于 除了可用太阳能空气加热器来作为加热除湿之构件外，亦可利用其它型 式的加热器来作为加热除湿之构件。
11. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于空 气的处理过程，亦可采用双级或是多级的多阶段系统设计方式来处理外 气，其处理方式为外气在经过第一阶段的降温除湿过程之后，再经过 第二次的降温除湿处理以达到冷房室内空气负荷的要求，而后室内排气经过超饱和雾化装置超饱和雾化制冷过程，并透过两个热管热交换器将 冷能传递至进气侧中，而后再进行第二次的超饱和制冷以及冷能回收的 步骤，最后排气及引导至大气中排出。
12. 如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于在 空气的处理过程中亦可以除湿物质喷雾系统取代除湿轮，来完成外气加 热除湿过程。
13. 如权利要求12所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于除 湿物质喷雾系统，包括有雾化喷头、除湿物质颗粒、拦截装置与除湿 物质颗粒传送装置与高压泵等五个部分。
14. 如权利要求13所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于除 湿物质喷雾系统，其在空气的处理过程上是利用改变除湿物质的雾化量 的方式来调整除湿量，以因应不同的室内空间的需求，或是不同的外气 条件或处理量。
全文摘要
本发明涉及一种空气调节系统，特别是一种超饱和外气省能空调系统，是指结合超饱和雾化制冷、除湿轮湿度控制、热管热交换器冷能回收等技术且不需要压缩机之全外气空调系统，该空调机中之系统分为进气侧、排气侧与再生侧等三个部分，并且包括有除湿轮、超饱和雾化装置与热管热交换器等主要组件，其中，除湿轮位于进气侧与再生侧之间用以提供外气的加热除湿操作，超饱和雾化装置位于排气侧用以制造冷能，并透过热管热交换器将冷能传递至进气侧将外气降温为其特征者。
文档编号F24F5/00GK101206062SQ200610165328
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者陈辉俊 申请人:陈辉俊