JP2001091080A - ヒートポンプ及びヒートポンプを備える除湿装置 - Google Patents

ヒートポンプ及びヒートポンプを備える除湿装置

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heat pump
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 COPの高いヒートポンプ、COPが高くま
たコンパクトにまとまった除湿装置を提供する。 【解決手段】 冷媒を昇圧する昇圧機260と;昇圧さ
れる冷媒の蒸発熱で低熱源側流体Aを冷却する蒸発器2
10と;昇圧された冷媒の凝縮熱で高熱源側流体Bを加
熱する凝縮器220と;蒸発器210よりも上流側の低
熱源側流体Aと、低熱源側流体A及び高熱源側流体B以
外の第3の流体Cとを熱交換させる中間熱交換器300
aとを備え;中間熱交換器300aは、低熱源側流体A
を流す第1の区画310と、第3の流体Cを流す第2の
区画320とを有し、さらに第1の区画310と第2の
区画320を貫通する冷媒流路251、252を有し、
冷媒流路251、252は凝縮器220と第1の絞り2
30を介して接続され、かつ第1の区画310と第2の
区画320とを交互に繰り返し貫通した後、第2の絞り
270を介して蒸発器210と接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ及び
ヒートポンプを備える除湿装置に関し、特にCOPの高
いヒートポンプ及びそのようなヒートポンプを備える除
湿装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図7に示すように、従来から熱源として
ヒートポンプを備えたデシカント空調装置があった。図
7の空調装置では、ヒートポンプとして、圧縮機260
を用いた圧縮ヒートポンプHPが用いられている。この
空調装置は、デシカントロータ103により水分を吸着
される処理空気Aの経路と、加熱源によって加熱された
のち前記水分吸着後のデシカントロータ103を通過し
てデシカント中の水分を脱着して再生する再生空気Bの
経路を有し、水分を吸着された処理空気Aとデシカント
ロータ103のデシカント(乾燥剤)を再生する前かつ
加熱源により加熱される前の再生空気Bとの間に顕熱熱
交換器104を有する空調機と、圧縮ヒートポンプHP
とを有し、前記圧縮ヒートポンプHPの高熱源として前
記空調機のデシカントを再生する再生空気を用い、この
再生空気を加熱器220で加熱し、圧縮ヒートポンプH
Pの低熱源として前記空調機の処理空気を用い、この処
理空気を冷却器210で冷却するものである。
【0003】ここで、図8のモリエ線図を参照して図7
に示される圧縮ヒートポンプHPの作用を説明する。図
8に示すのは冷媒HFC134aのモリエ線図である。
点aは冷却器210で蒸発した冷媒の状態を示し、飽和
ガスの状態にある。圧力は4.2kg/cm2 、温度は
10℃、エンタルピは148.83kcal/kgであ
る。このガスを圧縮機260で吸込圧縮した状態、圧縮
機260の吐出口での状態が点bで示されている。この
状態は、圧力が19.3kg/cm2 、温度は78℃で
あり、過熱ガスの状態にある。この冷媒ガスは、加熱器
(冷媒側から見れば冷却器あるいは凝縮器)220内で
冷却され、モリエ線図上の点cに到る。この点は飽和ガ
スの状態であり、圧力は19.3kg/cm2 、温度は
65℃である。この圧力下でさらに冷却され凝縮して、
点dに到る。この点は飽和液の状態であり、圧力と温度
は点cと同じであり、エンタルピは122.97kca
l/kgである。この冷媒液は、膨張弁250で減圧さ
れ、温度10℃の飽和圧力である4.2kg/cm2
で減圧され、10℃の冷媒液とガスの混合物として冷却
器(冷媒から見れば蒸発器)210に到り、ここで処理
空気から熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点aの状態
の飽和ガスとなり、再び圧縮機260に吸入され、以上
のサイクルを繰り返す。
【0004】図9を参照して、また構成については適宜
図7を参照して、従来の除湿空調装置の作用を説明す
る。図9中、アルファベット記号K〜N、Q〜Uによ
り、各部における空気の状態を示す。この記号は、図7
のフロー図中で丸で囲んだアルファベットに対応する。
【0005】先ず処理空気Aの流れを説明する。図9に
おいて、空調空間101からの処理空気(状態K)は、
送風機102により吸い込まれ、デシカントロータ10
3に送り込まれる。ここで乾燥エレメント中のデシカン
トにより水分を吸着されて絶対湿度を下げるとともに、
デシカントの吸着熱により乾球温度を上げて状態Lに到
る。この空気は熱交換器104に送られ、ここで絶対湿
度一定のまま冷却され状態Mの空気になり、冷却器21
0に入る。ここでやはり絶対湿度一定でさらに冷却され
て状態Nの空気になる。この空気は、供給空気SAとし
て空調空間101に戻される。
【0006】再生空気Bについて説明する。図9におい
て、屋外OAから送風機140により吸い込まれた再生
空気(状態Q)は、熱交換器104に送り込まれる。こ
こで、処理空気(状態L)と熱交換して乾球温度を上昇
させ状態Rの空気になる。この空気は冷媒凝縮器(再生
空気から見れば加熱器)220に送り込まれ、ここで加
熱されて乾球温度を上昇させ状態Tの空気になる。この
空気はデシカントロータ103に送り込まれ、ここで乾
燥エレメント中のデシカントから水分を奪い(水分を脱
着し)、デシカントを再生して、自身は絶対湿度を上げ
るとともに、デシカントの水分脱着熱により乾球温度を
下げて状態Uに到り排気EXされる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の空
調装置に用いられていたヒートポンプHPでは、冷媒サ
イクルにおける冷媒の冷凍効果が必ずしも大きくはな
く、COPが優れているとは言えなかった。また従来の
空調装置では処理空気を冷却器210で冷却する前に予
備的に冷却する顕熱熱交換器104が重要な役割を演じ
ているが、この顕熱熱交換器104は一般にシステム中
で大きな容積を占めるため、システム構成を困難にし、
ひいてはシステムの大型化が余儀なくされていた。
【0008】そこで本発明は、COPの高いヒートポン
プ、COPが高くまたコンパクトにまとまった除湿装置
を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係る発明によるヒートポンプは、例えば
図1に示されるように、冷媒を昇圧する昇圧機260
と;昇圧機260で昇圧される冷媒の蒸発熱で低熱源側
流体Aを冷却する蒸発器210と;昇圧機260で昇圧
された冷媒の凝縮熱で高熱源側流体Bを加熱する凝縮器
220と;蒸発器210よりも上流側の低熱源側流体A
と、低熱源側流体A及び高熱源側流体B以外の第3の流
体Cとを熱交換させる中間熱交換器300aとを備え;
中間熱交換器300aは、低熱源側流体Aを流す第1の
区画310と、第3の流体Cを流す第2の区画320と
を有し、さらに第1の区画310と第2の区画320を
貫通する冷媒流路251、252を有し、冷媒流路25
1、252は凝縮器220と第1の絞り230を介して
接続され、かつ第1の区画310と第2の区画320と
を交互に繰り返し貫通した後、第2の絞り270を介し
て蒸発器210と接続されるように構成されている。
【0010】このように構成すると、中間熱交換器を備
えるので、低熱源側流体と第3の流体との間で、冷媒を
利用して、あるいは特に冷媒の蒸発と凝縮を利用して熱
交換させることができる。
【0011】また請求項2に記載のように、請求項1に
記載のヒートポンプでは、冷媒流路251、252は、
内側に凝縮器220からの冷媒を通し、外側に低熱源側
流体Aと第3の流体Cとを接触させる細管群で構成され
るようにしてもよい。
【0012】さらに請求項3に記載のように、請求項1
または請求項2に記載のヒートポンプでは、第3の流体
Cに気化加湿するように構成するのが好ましい。第3の
流体は典型的には空気(外気あるいは排気する室内空
気)であり、気化加湿は、第2の区画の空気入口に設け
られた気化加湿器により行うように構成されていてもよ
いし、前記冷媒流路(細管群)に水をスプレーすること
により行うように構成されていてもよい。
【0013】前記目的を達成するために、請求項4に係
る発明による除湿装置は、例えば図1に示されるよう
に、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のヒー
トポンプHP1と;中間熱交換器300aに対して低熱
源側流体Aの上流に配置され、低熱源側流体A中の水分
を吸着するデシカントを有する水分吸着装置103とを
備える。
【0014】本除湿装置は、典型的には、前記凝縮器で
加熱された前記高熱源側流体で前記デシカントの水分を
脱着するように構成される。本除湿装置を除湿空調装置
として用いる場合は、低熱源側流体は処理空気であり、
高熱源側流体は再生空気となる。
【0015】前記目的を達成するために、請求項5に係
る発明による除湿装置は、例えば図1に示されるよう
に、処理空気Aから水分を除去し、再生空気Bで水分を
脱着されて再生される水分吸着装置103と;凝縮器2
20と蒸発器210と、凝縮器220と蒸発器210と
を連結する細管群とを有するヒートポンプHP1とを備
え;前記細管群は凝縮器220で凝縮された冷媒を蒸発
器210に導くように構成され、且つ処理空気Aと第3
の流体Cとに交互に接触するように構成されている。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似
符号を付し、重複した説明は省略する。
【0017】図1は、本発明による第1の実施の形態で
あるヒートポンプHP1とそれを備える除湿空調装置の
フロー図である。この除湿空調装置はデシカントを用い
た空調装置である。図2は、図1の空調装置に用いる中
間熱交換器の構造の一例を示す模式的側面図、図3は中
間熱交換器の別の例を示す平面図と側面図、図4はヒー
トポンプHP1の冷媒モリエ線図、図5は図1の空調装
置の湿り空気線図、図6は図1の空調装置の機械的配置
の例を示す模式的正面図である。
【0018】図1のフロー図を参照して、第1の実施の
形態であるヒートポンプ及びそれを備える除湿空調装置
の構成を説明する。この空調装置は、デシカント(乾燥
剤)によって処理空気の湿度を下げ、処理空気の供給さ
れる空調空間101を快適な環境に維持するものであ
る。図中、空調空間101から処理空気Aの経路に沿っ
て、処理空気関連の機器構成を説明する。先ず、空調空
間101に接続された経路107、この経路に接続され
た処理空気を循環するための送風機102、経路10
8、デシカントを充填したデシカントロータ103、経
路109、本発明の中間熱交換器300aの第1の区画
310、経路110、冷媒蒸発器(処理空気から見れば
冷却器)210、経路111とこの順番で配列され、そ
して空調空間101に戻るように構成されている。
【0019】また、屋外OAから再生空気Bの経路に沿
って、経路124、熱交換器121、経路126、冷媒
凝縮器(再生空気から見れば加熱器)220、経路12
7、デシカントロータ103、経路128、再生空気を
循環するための送風機140、経路129、熱交換器1
21、経路130とこの順番で配列され、そして屋外に
排気EXするように構成されている。
【0020】さらに、屋外OAから第3の流体である冷
却流体としての外気Cの経路に沿って、経路171、第
3の流体である外気Cとデシカントロータ103から出
た処理空気との間で熱交換させる熱交換器300aの第
2の区画320、経路172とこの順番で配列され、経
路172の途中には、第3の流体を送風するための送風
機160が設けられている。
【0021】次に冷媒蒸発器210から冷媒の経路に沿
って、ヒートポンープHP1の機器構成を説明する。図
中冷媒蒸発器210、経路205、冷媒蒸発器210で
蒸発してガスになった冷媒を圧縮する圧縮機260、経
路201、冷媒凝縮器220、経路202、第1の絞り
としての絞り230、熱交換器300a、経路203、
第2の絞りとしての絞り270、経路204がこの順番
で配列され、そして再び冷媒蒸発器210に戻るように
して、ヒートポンプHP1が構成されている。
【0022】デシカントロータ103は、回転軸AX回
りに回転する厚い円盤状のロータとして形成されてお
り、そのロータ中には、気体が通過できるような隙間を
もってデシカントが充填されている。例えばチューブ状
の乾燥エレメントを、その中心軸が回転軸AXと平行に
なるように多数束ねて構成している。このロータは回転
軸AX回りに一方向に回転し、また処理空気Aと再生空
気Bとが回転軸AXに平行に流れ込み流れ出るように構
成されている。各乾燥エレメントは、ロータ103が回
転するにつれて、処理空気A及び再生空気Bと交互に接
触するように配置される。一般に処理空気Aと再生空気
Bとは、回転軸AXに平行に、それぞれ円形のデシカン
トロータ103のほぼ半分の領域を、対向流形式で流れ
るように構成されている。
【0023】このように、この空調装置では、圧縮ヒー
トポンプHP1がデシカント空調機の処理空気の冷却と
再生空気の加熱を同時に行うよう構成したことで、圧縮
ヒートポンプHP1に外部から加えた駆動エネルギーに
よって圧縮ヒートポンプHP1が処理空気の冷却効果を
発生させ、さらにヒートポンプ作用で処理空気から汲み
上げた熱と圧縮ヒートポンプHP1の駆動エネルギーを
合計した熱でデシカントの再生が行えるため、外部から
加えた駆動エネルギーの多重効用化を図ることができ、
高い省エネルギー効果が得られる。また、熱交換器30
0aを設けて処理空気と再生空気との熱交換を行わせる
ことで、さらに省エネルギー効果を高めている。
【0024】次に図2を参照して、ヒートポンプHP1
に利用して好適な熱交換器300aの構成を説明する。
本図は、プレートフィンチューブ型の熱交換器を、冷媒
流路としてのチューブを長手方向に切断して見た側面図
である。図中、熱交換器300aは、処理空気Aを流す
第1の区画310と、冷却流体である第3の流体として
の外気Cを流す第2の区画320とが、1枚の隔壁30
1を介して隣接して設けられている。
【0025】処理空気Aは、図中上方から経路109を
通して、第1の区画310に供給され、下方から経路1
10を通して出て行くように構成されている。
【0026】また外気Cは、図中下方から経路171を
通して第2の区画320供給され、上方から経路172
を通して出て行くように構成されている。第2の区画3
20の入口側には、気化加湿器165が、経路171か
ら入ってくる外気Cに加湿して、その乾球温度を低下さ
せるように設けられており、後述の冷媒流路としての凝
縮セクションの鉛直方向上方には、スプレー配管325
が配置されており、スプレー配管325には、スプレー
ノズル326が複数取り付けられている。
【0027】冷媒流路は、第1の区画310と第2の区
画320とを交互に繰り返し貫通するように構成されて
いる。冷媒流路が第1の区画を貫通する部分では、冷媒
は蒸発するので、蒸発セクション251と呼び、第2の
区画を貫通する部分では凝縮するので、凝縮セクション
252と呼ぶ。また、冷媒流路が最初に第1の区画を貫
通する蒸発セクションを251A、2番目を251B、
3番目を251Cと順番に符号を付けるものとする。蒸
発セクションを、そのように区別する必要がないとき
は、単に蒸発セクション251と呼ぶ。
【0028】同様に、冷媒流路が最初に第2の区画を貫
通する凝縮セクションを252A、2番目を252B、
3番目を252Cと順番に符号を付けるものとする。凝
縮セクションを、そのように区別する必要がないとき
は、単に凝縮セクション252と呼ぶ。
【0029】図2では、例えば蒸発セクション251A
とそれに対となっている凝縮セクション252Aは、第
1の区画310と第2の区画320をそれぞれ1回貫通
した後、処理空気の下流側、外気の上流側に蛇行して進
むものとして図示されている。しかしながら、処理空気
と外気の流量にもよるが、実際には図中紙面に垂直な平
面内で水平に蛇行して複数回第1の区画310と第2の
区画320とを交互に繰り返し貫通した後に、処理空気
の下流側、外気の上流側に蛇行して進むように構成され
る。その様子を図3に示す。なお図3では、第1の区画
310が右に、第2の区画320が左に図示されてい
る。また図3では、気化加湿器165や散水パイプ32
5は図示を省略してある。
【0030】図3に、実際の中間熱交換器300bの例
を示す。(a)は平面図、(b)は側面図である。
(b)に示されるように、ほぼ水平な(図中紙面に直交
する)複数の互いに異なる平面PA、PB、PC・・内
のそれぞれに、(a)に示されるように、冷媒流路とし
ての熱交換チューブが複数本ほぼ平行に配列されてい
る。それら複数のチューブはUチューブで連結される結
果1本のチューブが蛇行して第1と第2の区画とを交互
に繰り返し貫通していることになる。
【0031】図2の(a)(b)に示すように、前記複
数の熱交換チューブは、第1の区画310と第2の区画
320及びそれら区画間を仕切る隔壁301を貫通して
設けられている。例えば(b)に示される平面PA内に
配置された熱交換チューブは、(a)に示されるよう
に、第1の区画310を貫通している部分を、第1の冷
媒流路としての蒸発セクション251(複数の蒸発セク
ションを251A1、251A2、251A3、・・2
51A8とする(この例では一つの平面PA内のチュー
ブ本数は8本である))と呼び、第2の区画320を貫
通している部分は第2の冷媒流路としての凝縮セクショ
ン252(複数の凝縮セクションを252A1、252
A2、252A3、・・252A8とする)と呼ぶ。こ
こで蒸発セクション251A1と凝縮セクション252
A1、251A2と252A2、251A3と252A
3、・・251A8と252A8は、それぞれ一対の第
1の区画貫通部と第2の区画貫通部であり、冷媒流路を
構成している。
【0032】さらに、平面PB内に配置された熱交換チ
ューブも、同様に第1の区画310を貫通している部分
である複数の蒸発セクションを251B1、251B
2、251B3、・・251B8(符号不図示)(この
例では平面PB内のチューブ本数は8本である)とす
る。また、第2の区画320を貫通している部分であ
る、前記蒸発セクションと一対の冷媒流路を形成してい
る部分は、第2の冷媒流路としての複数の凝縮セクショ
ン252B1、252B2、252B3、・・252B
8とする。以下図示しないが、平面PCについても平面
PA、PBと同様に冷媒流路が構成されている。
【0033】図3に示す熱交換器の形態では、蒸発セク
ション251A1と凝縮セクション252A1とは、一
対をなし、1本のチューブで一体の流路として構成され
ている。蒸発セクション251A2、251A3、・・
と凝縮セクション252A2、252A3、・・、ある
いは蒸発セクション251B1、251B2、251B
3、・・と凝縮セクション252B1、252B2、2
52B3、・・とについても同様である。したがって、
第1の区画310と第2の区画320とが、1枚の隔壁
301を介して隣接して設けられていることと相まっ
て、熱交換器300bを全体として小型コンパクトに形
成することができる。
【0034】さらに(a)に示されるように、凝縮セク
ション252A1の端部(隔壁301の反対側の端部)
と凝縮セクション252A2の端部(隔壁301の反対
側の端部)とは、Uチューブ(ユーチューブ)で接続さ
れている。また、蒸発セクション251A2の端部と凝
縮セクション252A3の端部とは、同様にUチューブ
で接続されている。以下同様にUチューブの接続が行わ
れる。
【0035】したがって、蒸発セクション251A1か
ら凝縮セクション252A1を、全体として一方向に流
れる冷媒は、Uチューブにより凝縮セクション252A
2に導かれ、ここから蒸発セクション251A2に流
れ、Uチューブにより蒸発セクション251A3に流れ
るように構成されている。このようにして、蒸発セクシ
ョンと凝縮セクションとを含んで構成される冷媒流路
は、第1の区画310と第2の区画320とを交互に繰
り返し貫通する。言い換えれば、冷媒流路は蛇行する細
管群を構成している。細管群は蛇行しながら、第1の区
画310と第2の区画320を通過し、処理空気と再生
空気に交互に接触する。
【0036】そして処理空気あるいは外気の流れと直交
する平面PAを一渡り蛇行して配置されたチューブは、
蒸発セクション251A8に到り、その端部(隔壁30
1の反対側の端部)と蒸発セクション251B8の端部
(隔壁301の反対側の端部)とは、Uチューブ(ユー
チューブ)で接続される。
【0037】同様にチューブは平面PBを蛇行して配
置、さらに同様に平面PCを蛇行して配置される。
【0038】一方、処理空気Aは、図3(b)中で第1
の区画310にダクト109を通して上から入り下から
流出するように構成されており、冷却流体として用いる
外気Cは、図中で第2の区画320にダクト125を通
して下から入り上から流出するように構成されているの
で、蒸発セクション251A1に導入された冷媒は、蒸
発セクション251A1内で一部が蒸発して、湿り状態
になって凝縮セクション252A1に流入する。さらに
Uチューブで方向転換して凝縮セクション252A2に
流入して、さらに凝縮して蒸発セクション251A2に
流入する。ここで一部の冷媒が蒸発し、Uチューブによ
り方向転換して蒸発セクション251A3に流入する。
このように蒸発と凝縮を交互に繰り返しながら、平面P
A内の最後の列の蒸発セクション251A8に到り、次
に平面PB内の蒸発セクション251B8に流入する。
【0039】同様に、平面PB内の凝縮セクションと蒸
発セクションとを交互に通過して凝縮と蒸発を繰り返し
ながら、平面PB内の最後の蒸発セクション251B1
に到る。ここから、Uチューブで方向転換して平面PC
内の蒸発セクション251C1に流入する。
【0040】このように図3に示す実施の形態では、冷
媒流路としてのチューブは、処理空気あるいは冷却流体
の流れに直交する平面内で第1の区画310と第2の区
画320とを交互に繰り返し貫通するとともに、処理空
気あるいは冷却流体の流れに沿った方向にも第1の区画
310と第2の区画320とを交互に繰り返し貫通して
いる。一方、処理空気と冷却流体の流量が少ないときに
は、図2に示すように、処理空気あるいは冷却流体の流
れに沿った方向にだけ第1の区画310と第2の区画3
20とを交互に繰り返し貫通するようにしてもよい。
【0041】ここで、蒸発セクション251Aでの蒸発
圧力、ひいては凝縮セクション252Aに於ける凝縮圧
力、即ち蒸発器210の蒸発圧力と凝縮器220の凝縮
圧力との中間にある中間圧力は、処理空気Aの温度と第
3の流体である外気Cの温度とによって定まる。熱交換
器300a、300bは、蒸発伝熱と凝縮伝熱とを利用
しているので、熱伝達率が非常に優れている。また冷媒
は、蒸発セクション251から凝縮セクション252、
また凝縮セクション252から蒸発セクション251と
いうように、冷媒流路内で全体としてほぼ一方向に強制
的に流されるので、処理空気と外気との間の熱交換効率
が高い。ここで、全体としてほぼ一方向に流れるとは、
例えば乱流であれば局所的には逆流することがあって
も、また気泡の発生や瞬断により圧力波が発生し冷媒が
流れ方向に振動しても、全体的に見れば冷媒流路中をほ
ぼ一方向に流れることをいう。この実施の形態では、圧
縮機260により昇圧された圧力で強制的に一方向に流
される。
【0042】ここで、熱交換効率φとは、高温側の流体
の熱交換器入り口温度をTP1、出口温度をT、低温側
の流体の熱交換器入り口温度をTC1、出口温度をTC
2としたとき、高温側の流体の冷却に注目した場合、即
ち熱交換の目的が冷却の場合は、φ=(TP1−TP
2)/(TP1−TC1)、低温の流体の加熱に注目し
た場合、即ち熱交換の目的が加熱の場合は、φ=(TC
2−TC1)/(TP1−TC1)と定義されるもので
ある。
【0043】蒸発セクション251、凝縮セクション2
52を構成する熱交換チューブの内面には、ライフル銃
の銃身の内面にある線状溝のようなスパイラル溝を形成
する等により高性能伝熱面とするのが好ましい。内部を
流れる冷媒液は、通常は内面を濡らすように流れるが、
スパイラル溝を形成すれば、その流れの境界層が乱され
るので熱伝達率が高くなる。
【0044】また、第1の区画310には処理空気が流
れるが、熱交換チューブの外側に取り付けるフィンは、
ルーバー状に加工して流体の流れを乱すようにするのが
好ましい。第2の区画320は、同様にフィンは流体の
流れを乱すように構成するのが好ましい。また、フィン
はアルミニウムまたは銅あるいはこれらの合金を用いる
のが好ましい。
【0045】次に先ず図1を参照して、各機器間の冷媒
の流れを説明し、続けて図4を参照して、ヒートポンプ
HP1の作用を説明する。
【0046】図1において、冷媒圧縮機260により圧
縮された冷媒ガスは、圧縮機260の吐出口に接続され
た冷媒ガス配管201を経由して再生空気加熱器(冷媒
凝縮器)220に導かれる。圧縮機260で圧縮された
冷媒ガスは、圧縮熱により昇温しており、この熱で再生
空気を加熱する。冷媒ガス自身は熱を奪われ凝縮する。
【0047】冷媒凝縮器220の冷媒出口は、熱交換器
300aの蒸発セクション251Aの入り口に冷媒経路
202により接続されており、冷媒経路202の途中、
蒸発セクション251Aの入り口近傍には、絞り230
が設けられている。
【0048】冷媒凝縮器(再生空気から見れば加熱器)
220を出た液冷媒は、絞り230で減圧され、膨張し
て一部の液冷媒が蒸発(フラッシュ)する。その液とガ
スの混合した冷媒は、蒸発セクション251Aに到り、
ここで液冷媒は蒸発セクション251Aのチューブの内
壁を濡らすように流れ蒸発して、第1の区画310を流
れる処理空気を冷却する。
【0049】蒸発セクション251Aと凝縮セクション
252Aとは、一連のチューブである。即ち一体の流路
として構成されているので、蒸発した冷媒ガス(及び蒸
発しなかった冷媒液)は、凝縮セクション252Aに流
入して、第2の区画320を流れる外気Cにより熱を奪
われ凝縮する。
【0050】このように、熱交換器300aは、第1の
平面PA内にある、第1の区画310を貫通する冷媒流
路である蒸発セクションと第2の区画320を貫通する
冷媒流路である凝縮セクション(少なくとも1対、例え
ば251A1と252A1)を有し、また第2の平面P
B内にある、第2の区画320を貫通する冷媒流路であ
る凝縮セクションと第1の区画310を貫通する冷媒流
路である蒸発セクション(少なくとも1対、例えば25
2B1と251B1)を有し、平面PA内の凝縮セクシ
ョン252Aから平面PB内の凝縮セクション252B
に移動する箇所にUチューブを有する。
【0051】熱交換器300aの最後の凝縮セクション
の出口側は、第2の絞りとしての膨張弁270を介して
冷媒蒸発器210に接続されているので、凝縮セクショ
ンで凝縮した冷媒液は、絞り270で減圧され膨張して
温度を下げて、冷媒蒸発器210に入り蒸発し、その蒸
発熱で処理空気を冷却する。絞り230あるいは270
としては、例えばオリフィス、キャピラリチューブ、膨
張弁等を用いる。
【0052】冷媒蒸発器210で蒸発してガス化した冷
媒は、冷媒圧縮機260の吸込側に導かれ、以上のサイ
クルを繰り返す。
【0053】図2を参照して、熱交換器300aの蒸発
セクションと凝縮セクション内の冷媒の挙動を説明す
る。先ず蒸発セクション251Aには、液相の冷媒が流
入する。一部が気化した、気相を僅かに含む冷媒液であ
ってもよい。この冷媒液は、蒸発セクション251Aを
流れる間に、処理空気Aで加熱され気相を増やしながら
凝縮セクション252Aに流入する。凝縮セクション2
52Aでは、外気Cを加熱し、自身は熱を奪われ気相冷
媒を凝縮させながら、次の凝縮セクション252Bに流
入する。冷媒は、凝縮セクション252Bを流れる間
に、外気Cでさらに熱を奪われ気相冷媒をさらに凝縮さ
せる。そして次の蒸発セクション251Bに流入する。
このように冷媒は気相と液相の相変化をしながら、冷媒
流路を流れる。このようにして、ヒートポンプHP1の
低熱源側流体である処理空気Aと、第3の流体である外
気Cとの間で熱交換させる。
【0054】ここで蒸発セクション251と凝縮セクシ
ョン252を流れる冷媒の流量は、ヒートポンプHP1
のサイクルに必要な流量であり、第1の区画310と第
2の区画をそれぞれ流れる流体間の熱交換を行うには十
分過ぎるほどの量である。したがってそれを蒸発セクシ
ョン251と凝縮セクション252とで交互に利用する
ので、一つの蒸発セクション例えば251Aを流れる間
に完全に乾き蒸気になってしまう虞がない。
【0055】次に図4を参照して、図2のような熱交換
器300aを備えるヒートポンプHP1の作用を説明す
る。図4は、冷媒HFC134aを用いた場合のモリエ
線図である。この線図では横軸がエンタルピ、縦軸が圧
力である。
【0056】図中、点aは図1の冷媒蒸発器210の冷
媒出口の状態であり、飽和ガスの状態にある。圧力は
4.2kg/cm2 、温度は10℃、エンタルピは14
8.83kcal/kgである。このガスを圧縮機26
0で吸込圧縮した状態、圧縮機260の吐出口での状態
が点bで示されている。この状態は、圧力が19.3k
g/cm2 、温度は78℃であり、過熱ガスの状態にあ
る。
【0057】この冷媒ガスは、冷媒凝縮器220内で冷
却され、モリエ線図上の点cに到る。この点は飽和ガス
の状態であり、圧力は19.3kg/cm2 、温度は6
5℃である。この圧力下でさらに冷却され凝縮して、点
dに到る。この点は飽和液の状態であり、圧力と温度は
点cと同じであり、エンタルピは122.97kcal
/kgである。
【0058】この冷媒液は、絞り230で減圧され熱交
換器300aの蒸発セクション251Aに流入する。モ
リエ線図上では、点eで示されている。温度は外気温度
より多少高い温度である。圧力は、いわゆる中間圧力で
あり、本実施例では4.2kg/cm2 と19.3kg
/cm2 との中間の値となる。ここでは、一部の液が蒸
発して液とガスが混合した状態にある。
【0059】蒸発セクション251A内で、前記中間圧
力下で冷媒液は蒸発して、同圧力で飽和液線と飽和ガス
線の中間の点f1に到る。ここでは液の一部が蒸発して
いるが、冷媒液はかなり残っている。
【0060】点f1で示される状態の冷媒が、凝縮セク
ション252Aに流入する。凝縮セクション252Aで
は、冷媒は第2の区画320を流れる外気により熱を奪
われ、かなりの蒸気が凝縮した状態で凝縮セクション2
52Aの端部(隔壁301の反対側の端部)に到る。
【0061】この冷媒は、Uチューブで方向転換して凝
縮セクション252Bに流入する。凝縮セクション25
2Bでは、冷媒は第2の区画320を流れる外気により
さらに熱を奪われ、冷媒蒸気が凝縮し凝縮セクションの
端部(隔壁301側の端部、蒸発セクション251Bと
の境界部)に到る。モリエ線図上で点g1の状態であ
る。
【0062】同様にして、蒸発セクション251B、2
51Cを経て、点f2に到り、さらに凝縮セクション2
52Cを経て凝縮セクションの出口に到り、点g2の状
態の冷媒となる。
【0063】点g2の冷媒液は、絞り270で、温度1
0℃の飽和圧力である4.2kg/cm2 まで減圧さ
れ、10℃の冷媒液とガスの混合物として冷媒蒸発器2
10に到り、ここで処理空気から熱を奪い、蒸発してモ
リエ線図上の点aの状態の飽和ガスとなり、再び圧縮機
260に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。
【0064】以上説明したように、熱交換器300a内
では、冷媒は蒸発セクション251では点eから点f
1、あるいはg1からf2までといったように蒸発の状
態変化を、凝縮セクション252では、点f1から点g
1、あるいは点f2からg2までといったように凝縮の
状態変化をしており、蒸発伝熱と凝縮伝熱であるため、
熱伝達率が非常に高い。
【0065】なお、冷媒流路内での蒸発と凝縮がモリエ
線図上で飽和ガス線と飽和液線との間の湿り領域で確実
に行われるように、また絞り270に送り込む冷媒が確
実に液化されているように、蒸発セクションと凝縮セク
ションの伝熱面積を適切に定めるとよい。例えば、絞り
230から冷媒液を先ず受け入れる蒸発セクションと、
絞り270に冷媒液を送り込む直前の凝縮セクションの
伝熱面積を、それぞれ他の蒸発セクションあるいは凝縮
セクションの少なくとも2〜3倍とする。
【0066】さらに、圧縮機260、冷媒凝縮器22
0、絞り230、270及び冷媒蒸発器210を含む圧
縮ヒートポンプHP1としては、熱交換器300aを設
けない場合は、冷媒凝縮器220における点dの状態の
冷媒を、絞りを介して冷媒蒸発器210に戻すため、冷
媒蒸発器210で利用できるエンタルピ差は148.8
3−122.97=25.86kcal/kgしかない
のに対して、熱交換器300aを設けた本実施の形態で
用いるヒートポンプHP1の場合は、148.83−1
09.99=38.84kcal/kgになり、同一冷
却負荷に対して圧縮機に循環するガス量を、ひいては所
要動力を33%も小さくすることができる。すなわち、
サブクールサイクルと同様な作用を持たせることができ
る。
【0067】また第2の区画には第3の流体例えば外気
や室内からの排気を流すので、気化加湿することがで
き、温度の低い冷却流体とすることができる。
【0068】図5を参照して、また構成については適宜
図1を参照して、ヒートポンプHP1を備えた除湿空調
装置の作用を説明する。図5中、アルファベット記号K
〜N、Q、R、X、T、U、V、D、Eより、各部にお
ける空気の状態を示す。この記号は、図1のフロー図中
で丸で囲んだアルファベットに対応する。
【0069】先ず処理空気Aの流れを説明する。図5に
おいて、空調空間101からの処理空気(状態K)は、
処理空気経路107を通して、送風機102により吸い
込まれ、処理空気経路108を通してデシカントロータ
103に送り込まれる。ここで乾燥エレメント中のデシ
カントにより水分を吸着されて絶対湿度を下げるととも
に、デシカントの吸着熱により乾球温度を上げて状態L
に到る。この空気は処理空気経路109を通して熱交換
器300aの第1の区画310に送られ、ここで絶対湿
度一定のまま蒸発セクション251(図2)内で蒸発す
る冷媒により冷却され状態Mの空気になり、経路110
を通して冷却器210に入る。ここでやはり絶対湿度一
定でさらに冷却されて状態Nの空気になる。この空気
は、乾燥し冷却され、適度な湿度でかつ適度な温度の処
理空気SAとして、ダクト111を経由して空調空間1
01に戻される。
【0070】次に再生空気Bの流れを説明する。図5に
おいて、屋外OAからの再生空気(状態Q)は、再生空
気経路124を通して吸い込まれ、熱交換器121に流
入し、後述の排気される再生空気と熱交換して加熱され
状態Rの空気になる。この空気は経路126を通して、
冷媒凝縮器(再生空気から見れば加熱器)220に送り
込まれ、ここで加熱されて乾球温度を上昇させ状態Tの
空気になる。この空気は経路127を通して、デシカン
トロータ103に送り込まれ、ここで乾燥エレメント中
のデシカントから水分を奪い(水分を脱着し)、デシカ
ントを再生して、自身は絶対湿度を上げるとともに、デ
シカントの水分脱着熱により乾球温度を下げて状態Uに
到る。この空気は経路128を通して送風機140に吸
い込まれ、送風機140から吐出され経路129を通し
て熱交換器121に流入する。ここで先に述べたように
凝縮器220に入る前の再生空気と熱交換しこれを加熱
する。自身は熱を奪われ温度を下げて経路130を通し
て排気EXされる。
【0071】第3の流体としての外気C(状態Q)は、
経路171を通して熱交換器300aの第2の区画32
0に流入する。ここで気化加湿器165あるいはスプレ
ー325により気化加湿され、湿度を上げるとともに乾
球温度を下げて状態Dの空気となる。状態Dはほぼ飽和
線上にある。この空気は第2の区画320内で、スプレ
ー325により絶対湿度を上昇させつつ飽和線上を移動
し状態Eに到る。この間に凝縮セクション252中の冷
媒を冷却あるいは凝縮させる。状態Eの空気は送風機1
60により経路172を通して排気EXされる。
【0072】ここで図5の湿り空気線図上に示す空気側
のサイクルで判るように、以上説明した空調装置では、
デシカントの再生のために再生空気に加えられた熱量を
ΔH、処理空気から汲み上げる熱量をΔq、圧縮機の駆
動エネルギーをΔhとすれば、ΔH=Δq+Δhの関係
がある。この熱量ΔHによる再生の結果得られる冷房効
果ΔQは、水分吸着後の処理空気(状態L)と熱交換さ
せる第3の流体である外気(状態Q)の温度が低いほど
大きくなる。即ち図中ΔQ−Δqが大きくなるほど大き
くなる。したがって、外気に散水等するのは冷房効果を
高めるのに有用である。図中、状態M’と状態N’とし
て示した点は、気化加湿器165と散水パイプ325を
用いない場合の、それぞれ状態M、状態Nの位置を概念
的に示したものである。
【0073】次に図6を参照して、以上説明した除湿空
調装置の機械的な配置の例を説明する。図中、装置を構
成する機器はキャビネット700の中に収容されてい
る。キャビネット700は、例えば薄い鋼板で作られた
直方体の筺として形成されており、その鉛直方向下方の
側面に処理空気RAの吸込口が開口している。その開口
には、空調空間の埃を装置内に持ち込まないようにフィ
ルター501が設けられている。フィルター501の内
側のキャビネット700内には、送風機102が設置さ
れており、その吸入口がフィルター501を介してキャ
ビネット700の処理空気吸込口に通じている。
【0074】送風機102の吐出口は水平方向を向いて
いる。送風機102と同一レベルには圧縮機260、送
風機140が、キャビネット700の鉛直方向最下部に
設置されている。送風機102の吐出流路108は、ガ
イド板で鉛直方向上方に向けられる。上方には、デシカ
ントロータ103が回転軸AXを鉛直方向に向けて配置
されている。デシカントロータ103は、その近傍にや
はり回転軸を鉛直方向に向けて配置された駆動機である
電動機105と、ベルト、チェーン等により結合され、
数分間に1回転程度の低速で回転可能に構成されてい
る。このように、デシカントロータ103を、鉛直方向
に向いた回転軸AX回りに、ほぼ水平な面内で回転させ
るように配置すると、装置全体の高さを低く抑えること
ができ、コンパクトにまとまる。
【0075】送風機102の吐出口は通路108により
デシカントロータに接続されている。通路108は、キ
ャビネット700を形成しているのと同様な例えば薄い
鋼板で他の部分と区切られるようにして形成されてい
る。処理空気が流入するのは、円形のデシカントロータ
103の、約半分(半円)の領域である。
【0076】デシカントロータ103の鉛直方向上方、
特に処理空気が流入する方の半分(半円)の領域の上方
には、熱交換器300aの第1の区画310、即ち蒸発
セクション251が配置されている。この機械的配置の
例は、処理空気が図2の場合と違って鉛直方向下方から
上方に流れるようになっている。第2の区画320の外
気は気化加湿され、凝縮セクション252内の冷媒はほ
ぼ一定の温度で凝縮するので、処理空気の流れ方向は熱
交換効率にあまり影響しない。
【0077】第1の区画310の鉛直方向上方には、冷
媒蒸発器210がその熱交換チューブを水平にして配置
されている。冷媒蒸発器210の鉛直方向上方は、経路
111を構成する空間となっており、キャビネット70
0の天井部分に開口した供給空気SA供給口に到る。
【0078】一方キャビネット700の側方の上方に
は、外気OA導入口が開口しており、ここには外気の埃
を遮断するためのフィルター502が設けられている。
フィルター502の内側の空間が経路124を構成し
て、直交流型の熱交換器121を介して、冷媒蒸発器2
10と並行して設けられた冷媒凝縮器220の上方に到
る。冷媒凝縮器220の鉛直方向下方には、デシカント
ロータ103の、再生側の半分領域が位置している。そ
の下方には、送風機140が設置されている。送風機1
40の出口は、キャビネット700の側方を鉛直方向上
方に向けて設けられた経路129に接続されており、経
路129の上端には先に説明した直交流型の熱交換器1
21があり、供給空気SAの開口と並べてキャビネット
700の天井部分に設けられた排気口につながってい
る。
【0079】処理空気RAの入口の上方、キャビネット
700の側方には、第3の流体である外気Cの入口が開
口しており、そこにはフィルタ503が設けられてい
る。その内側には、気化加湿器165を含む第2の区画
320が配置されている。その上方には散水パイプ32
5があり、さらにその上方には送風機160が設置さ
れ、温度の上昇した外気を排出するようになっている。
【0080】以上の実施の形態では、昇圧機は圧縮機と
して説明したが、それに限らず、例えば吸収冷凍機に備
えられているような、吸収液で冷媒を吸収する吸収器
と、冷媒を吸収した吸収液を昇圧するポンプと、昇圧さ
れた吸収液から冷媒を発生する発生器との組合せであっ
てもよい。
【0081】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、中間熱交
換器を備えるので、低熱源側流体と第3の流体との間
で、冷媒を利用して、あるいは特に冷媒の蒸発と凝縮を
利用して熱交換させることができるし、冷媒を第3の流
体で冷却できる。
【0082】また中間熱交換器では、冷媒流路を第1の
区画と第2の区画とを交互に繰り返し貫通させるので、
蒸発器あるいは凝縮器を流れる冷媒が第1と第2の区画
を複数回通過でき、低熱源側流体と第3の流体との熱交
換に冷媒を複数回使用することができ、第1の区画を貫
通する冷媒流路で冷媒が蒸発するとき、この冷媒流路中
で冷媒が完全に乾いてしまうのを防止することができ
る。したがって、COPの高いヒートポンプ及び除湿装
置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態であるヒートポンプ
とそれを備える除湿空調装置のフロー図である。
【図2】図1のヒートポンプに使用して好適な熱交換器
の模式的側面図である。
【図3】図1のヒートポンプに使用して好適な別の熱交
換器の模式的平面図及び側面図である。
【図4】図1に示すヒートポンプのモリエ線図である。
【図5】図1の除湿空調装置の作動を説明する湿り空気
線図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態であるヒートポンプ
を備える除湿空調装置の実際の構造の例を示す模式的正
面図である。
【図7】従来のヒートポンプとそれを含む除湿空調装置
のフロー図である。
【図8】図7に示す従来のヒートポンプのモリエ線図で
ある。
【図9】図7に示す従来の除湿空調装置の作動を説明す
る湿り空気線図である。
【符号の説明】
101 空調空間 102、140、160 送風機 103 デシカントロータ 210 冷媒蒸発器 220 冷媒凝縮器 251A、251B、251C 蒸発セクション 252A、252B、252C、252D 凝縮セクシ
ョン 230 絞り 260 圧縮機 270 絞り 300a、300b 中間熱交換器 310 第1の区画 320 第2の区画 501、502、503 フィルター 700 キャビネット HP1 ヒートポンプ PA、PB、PC、PD 平面

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷媒を昇圧する昇圧機と;前記昇圧機で
    昇圧される冷媒の蒸発熱で低熱源側流体を冷却する蒸発
    器と;前記昇圧機で昇圧された冷媒の凝縮熱で高熱源側
    流体を加熱する凝縮器と;前記蒸発器よりも上流側の前
    記低熱源側流体と、前記低熱源側流体及び高熱源側流体
    以外の第3の流体とを熱交換させる中間熱交換器とを備
    え;前記中間熱交換器は、前記低熱源側流体を流す第1
    の区画と、前記第3の流体を流す第2の区画とを有し、
    さらに前記第1の区画と第2の区画を貫通する冷媒流路
    を有し、前記冷媒流路は前記凝縮器と第1の絞りを介し
    て接続され、かつ前記第1の区画と第2の区画とを交互
    に繰り返し貫通した後、第2の絞りを介して前記蒸発器
    と接続されるように構成された;ヒートポンプ。
  2. 【請求項2】 前記冷媒流路は、内側に前記凝縮器から
    の冷媒を通し、外側に前記低熱源側流体と前記第3の流
    体とを接触させる細管群で構成された、請求項1に記載
    のヒートポンプ。
  3. 【請求項3】 前記第3の流体に気化加湿するように構
    成された、請求項1または請求項2に記載のヒートポン
    プ。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に
    記載のヒートポンプと;前記中間熱交換器に対して前記
    低熱源側流体の上流に配置され、前記低熱源側流体中の
    水分を吸着するデシカントを有する水分吸着装置とを備
    える;除湿装置。
  5. 【請求項5】 処理空気から水分を除去し、再生空気で
    水分を脱着されて再生される水分吸着装置と;凝縮器と
    蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器とを連結する細管群
    とを有するヒートポンプとを備え;前記細管群は前記凝
    縮器で凝縮された冷媒を前記蒸発器に導くように構成さ
    れ、且つ前記処理空気と第3の流体とに交互に接触する
    ように構成されていることを特徴とする;除湿装置。
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