JP2005114185A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】
構造を簡単にし低コスト化を図ると共に、予冷・再熱のための入力増加を低減した除湿機能を有する空気調和機を得る。
【解決手段】
圧縮機１、熱源側熱交換器２、膨張弁３、利用側熱交換器４が冷媒配管にて接続されて冷凍サイクルを構成する空気調和機において、利用側熱交換器４の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う熱伝導性部材と、運転モードに連動して熱伝導部材を分割する切り替え機構と、を備え、除湿運転する場合、利用側熱交換器４を除湿器として利用し、熱伝導性部材７により吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行い、除湿以外の運転をする場合には、切り替え機構により熱伝導部材を分割して吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は除湿機能を有する空気調和機に関し、特に、除湿能力の向上に好適である。

従来、空気調和機の除湿能力を向上させるため、除湿器を設け、その通過前の空気を予冷すること、予冷のために利用側熱交換器を分割、あるいは増設すること、が知られ、例えば、特許文献１、２に記載されている。

また、予冷のための新たな電気入力を不要とするため、室内機の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換をヒートパイプや全熱交換器を用いて予冷・再熱を行うことが知られ、非特許文献１に記載されている。

特開２００１-１４７０３２号公報

特許３２５３０２１号公報 ＡＳＨＲＡＥ ＲＰ−１１２１ Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ：§４．１２−１４,"Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｔｈｅ Ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｉｔａｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ Ｍａｉｎｔａｉｎ Ａｄｅｑｕａｔｅ Ｓｐａｃｅ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｌｅｖｅｌｓ：Ｐｈａｓｅ1"

上記従来技術において、熱交換器を分割、あるいは増設するものは、熱交換器構造が複雑となるばかりでなく、冷媒回路、制御機構も複雑となり、新たに電気入力も必要とされる。また、全熱交換器やヒートパイプを用いるものは、除湿運転以外では運転の妨げとなり、効率が低下する恐れがある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、構造を簡単にし低コスト化を図ると共に、予冷・再熱のための入力増加を低減することにある。
また、他の目的は、除湿運転時ばかりでなく、暖房、冷房運転時でも支障なくして全ての運転モードにおいても運転効率の向上を図ることにある。
なお、本発明は、上記目的のうち少なくとも一つを達成することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、利用側熱交換器が冷媒配管にて接続されて冷凍サイクルを構成する空気調和機において、前記利用側熱交換器の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う熱伝導性部材と、運転モードに連動して前記熱伝導性部材を分割する切り替え機構とを備え、除湿運転する場合、前記利用側熱交換器を除湿器として利用し、前記熱伝導性部材により吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行い、
除湿以外の運転をする場合には、前記切り替え機構により前記熱伝導部材を分割して吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を停止する。

また、上記のものにおいて、熱伝導性部材を複数のヒートシンクとし、切り替え機構は複数のヒートシンクを機械的に分離することが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記熱伝導性部材を複数のヒートシンクとし、複数のうちそれぞれの間にペルチェ素子を配置したことが望ましい。

さらに、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、利用側熱交換器が冷媒配管にて接続されて第一の冷媒回路を構成する空気調和機において、前記利用側熱交換器の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う第二の冷媒回路を備え、除湿運転する場合、前記利用側熱交換器を除湿器として利用し、前記第二の冷媒回路により吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行い、除湿以外の運転をする場合には、前記第二の冷媒回路における前記冷媒の流れを停止するものである。

また、上記のものにおいて、第二の冷媒回路において冷媒ポンプを用いて冷媒循環及び停止を行うことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、第二の冷媒回路において自然循環により冷媒循環を行い、循環の停止は第二の冷媒回路内に設けた弁を閉じることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、第二の冷媒回路の冷媒は第一の冷媒回路のものとは異なることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、利用側熱交換器を備えた室内機が複数設けられたことが望ましい。

本発明によれば、構造が簡単で低コスト化に有利となり、除湿運転時の予冷・再熱のための入力も低減された除湿機能を有する空気調和機を得ることができる。

以下、図を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図２は、圧縮機1によって冷媒を昇圧し、熱源側熱交換器２で冷媒・外気間で放熱または吸熱し、膨張弁３で冷媒を減圧し、利用側熱交換器４にて室内雰囲気の冷房・暖房等を行うヒートポンプ式空気調和機を示し、除湿運転時には利用側熱交換器４を除湿器として利用する。そして、吸い込み空気を除湿器へ流入する手前で予冷するために予冷器５、吹き出し空気を再熱するために再熱器６を設けている。予冷器とは、熱交換器等を用いて予め吸い込み空気の顕熱を除去し、除湿効率を高めるもので、再熱器とは利用者が肌寒い思いをしないように、除湿器を通過した冷たい空気を電気ヒータなどによって顕熱を加えるものである。

予冷器を備える効果を説明する。図３は予冷器の無い場合の再熱除湿性能をあらわす空気線図、図４は予冷器を備えた再熱除湿性能をあらわす空気線図であり、図中の各点は次の空気状態を示している。Ａ１は吸い込み空気、Ａ２は予冷器を通過してΔＴ_pc℃だけ温度降下した空気（予冷器を備える場合のみ）、Ａ３はさらに露点以下まで冷却されて除湿された空気、Ａ４は再熱器を通過しΔＴ_rhだけ温度上昇して吹き出される空気の状態を表している。
図３と図４とを比較すると、同じ除湿能力ｈ_ccを持つ除湿器を使用した場合でも、予冷器を通さない場合の除湿量Δχ₁と、予冷器を通してあらかじめ顕熱ｈ_pcを除去した場合の除湿量Δχ_２のほうが大きくなることが分かる。したがって、予冷・再熱を効率良く行えば、つまり電気入力を低減すれば、消費エネルギ当りの除湿能力が高い再熱除湿が可能となる。

図５は天井埋め込み型カセット式室内機の断面を示し、主に利用側熱交換器４と室内ファン１０で構成されており、吸い込み口と吹き出し口１０は隣接している。そこで、電気入力を必要とせずに予冷・再熱を可能にするため、吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う熱伝導性部材を複数のヒートシンクで構成したものである。

室内機は、断熱壁に囲まれた筐体内に室内ファン１１とその四方を囲む利用側熱交換器４が組み込まれている。ファンによって吸い込みグリルから吸入された室内空気は、予冷器を通過した後、除湿器の役割をする利用側熱交換器４を通過する事で露点以下に冷却されて除湿が行なわれ、その後再熱器によって加熱され室内に吹き出される。吸い込み口と吹き出し口１０が隣接しているので、熱伝導性部材８（図２のサイクル図で示した予冷器５と再熱器６にあたるもの）を用い、吸い込み空気と除湿器出口空気の温度差を利用して熱交換させ、電気入力を必要とせずに予冷・再熱を行う。

熱伝導性部材として、熱伝導性に優れたアルミ等の素材で、ピンフィンやプレートフィンを有するヒートシンク７を向かい合わせに設置し、この二つを機械的に接合させたものを採用することにより、吸い込み側ヒートシンク（予冷器）から吹き出し側ヒートシンク（再熱器）へ熱移動が発生し、吸い込み空気の予冷と吹き出し空気の再熱が可能となる。

ヒートシンク（熱伝導性部材）８は、熱伝導性に優れたアルミ等の素材で、ピンフィンやプレートフィンを有する二つのヒートシンク（予冷側ヒートシンク、）を向かい合わせに設置し、この二つを機械的に接合させている。そして、二つのうち一方（予冷側ヒートシンク）で吸い込み空気の予冷を、他方（再熱側ヒートシンク）で吹き出し空気の再熱を行う。つまり、吸い込みグリルから流入した空気は図１のヒートシンク８左側の予冷側ヒートシンクによって冷却され、次に除湿器４で露点以下まで冷却されて除湿し、最後に図１のヒートシンク８右側の再熱側ヒートシンクで暖められて吹き出される。また、除湿運転以外の運転モードでは吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行わないようヒートシンク８の予冷側と再熱側との機械的な接合を解く。つまり、運転モードに連動して切り替え機構によって、二つに分割されたヒートシンクを機械的に移動させ分離したり、接触させて接合させたりし、除湿以外の運転をする場合には予冷側と再熱側との接合を解く事で、冷房または暖房能力を損なわないようにする。

さらに、複数のヒートシンク８の間にペルチェ素子１２を挟み込むように配置する。これにより、予冷器における顕熱除去量ｈ_pcと再熱器における顕熱増加量ｈ_rhは等しくなり、吸い込み吹き出し空気間の温度差に依存してしまうが、ペルチェ素子１２に通電する事で、片面で吸熱を、その反対の面で放熱を行うようにし、予冷器の吸熱量ｈ_pc及び再熱器の放熱量ｈ_rhを大きくすることができ、除湿能力を高める事ができる。図６は、このときの空気の状態変化を示し、同じ除湿能力を有する場合（図４に示すヒートシンクのみの場合の除湿量Δχ_２）と比較して除湿量Δχ_３を大きくとる事ができるうえ、吹き出し温度Ａ４も上昇できることが分かる。
さらに、ペルチェ素子１２に通電する電圧、または電流の大きさを可変にすることで予冷・再熱能力を制御することが可能となる。例えば、一時的に高い除湿能力を必要とする際に、ペルチェ素子１２へ電気入力を行えば、快適性の面で非常に有効となり、再熱量も大きく取れるため、除湿中の吹き出し空気温度が低く、利用者が肌寒く感じるという不快感も大きく改善される。
さらに、ペルチェ素子１２は電気入力を必要とするが、一時的に高い除湿能力を必要として補助的に使用するのに適し、再熱量が大きく取れるため、除湿中の吹き出し空気温度が低く、利用者が肌寒く感じるという不快感も大きく改善される。そして、ペルチェ素子１２には新たな配管等が必要無く、小型・軽量であるうえ振動・騒音も無いなど、室内機への利用メリットが多い。

次に、吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う手段として圧縮機１、熱源側熱交換器２、膨張弁３、利用側熱交換器４を接続する主冷媒回路（第一の冷媒回路）に対して第二の冷媒回路を利用したものについて説明する。図９はこのサイクル図であり、第二の冷媒回路は、室内ユニット内に小型の圧縮機を設け、この圧縮機より昇圧された冷媒が再熱器６を通過し、その後電子膨張弁によって減圧された冷媒が予冷器５を通過して圧縮機へ戻り一巡する。こうする事により予冷器・再熱器の能力は圧縮機と電子膨張弁によって制御する事が可能となる。
図７は第二の冷媒回路を利用した天井埋め込み型室内機の断面図を示す。この室内機は、一つの室内機からダクトによって複数の吹き出し口が接続されており、上記のように利用側熱交換器の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行うヒートシンクを配置することが部品点数の増加、コンパクト化の点から困難であり、第二の冷媒回路を利用することが良い。

図８は、天井吊り型の室内機を示し、耐荷重やスペースが制限されるので、圧縮機の代わりに小型で軽量の冷媒ポンプ１３を循環装置として用い、除湿以外の運転の際には、運転切り替えに連動させて冷媒ポンプ１３を停止させる。

図１０は、床置き縦型室内機を示し、予冷器・再熱器の高低差を確保できる室内機形態であるので、第二冷媒回路の循環方式として自然循環を利用する。室内機下部の吸い込み口から室内ファン１１によって吸い上げられた室内空気は、予冷器５を通過し、利用側熱交換器４（除湿器）で除湿された後、再熱器６を通過して吹き出し口１０より吹き出される。つまり、予冷器５内で吸い込み空気に温められて気化した冷媒は管内を上昇し、再熱器６内で除湿器出口空気によって冷却されて凝縮し降下する。
予冷・再熱に要する電気入力は必要なくなるため、より高効率の除湿性能が確保できる。除湿以外の運転の際には、運転切り替えに連動させて図１０に示すとおり電磁弁１５を用いて、冷媒の流れを遮断させる。したがって、冷房または暖房能力を損なうことなく運転できる。

また、第二冷媒回路で使用する冷媒IIは、ヒートポンプで使用する冷媒Ｉと同じでは無く、冷媒循環方式や予冷・再熱能力から最適なものを選択することが望ましい。さらに、図１１のように、複数台室内機を設けた形体のヒートポンプには、室内機個々に予冷器・再熱器を設け、効率を向上できる。

以上、除湿装置において、除湿器へ入る前の空気を予冷することにより除湿器内冷媒の蒸発温度を低下させることが可能になり、エネルギ消費当りの除湿能力が高い運転が可能となる。さらに、吸い込み空気と吹き出し空気の温度差を利用することで、予冷と再熱をわずかな電気的入力で行う機構を持たせることにより、さらに高効率な除湿が可能となる。

本発明による一実施形態を示す天井埋込形室内機の部分断面図。 本発明による一実施形態の冷凍サイクルを示すブロック図。 予冷を行わない場合の再熱除湿性能を説明する空気線図。 予冷の効果を説明する空気線図。 他の実施の形態を示す天井埋込形室内機の部分断面図。 ペルチェ素子を利用した再熱除湿性能を説明する空気線図。 第二の冷媒回路を備える他の実施の形態を示すダクト式室内機の断面図。 第二冷媒回路の循環手段として液ポンプを採用した他の実施の形態を示す天井吊り下げ型室内機の断面図。 第二の冷媒回路を備える他の実施の形態による冷凍サイクルを示すブロック図。 自然循環を備える他の実施の形態を示す床置き縦型室内機の断面図。 室外機１台に複数台の室内機を接続した他の実施形態を示すブロック図。

符号の説明

１…圧縮機、２…熱源側熱交換器、３…膨張弁、４…利用側熱交換器、５…予冷器、６…再熱器、７…四方弁、８…熱伝導性部材（ヒートシンク）、９…ドレンパン、１０…吹き出し口、１１…室内ファン、１２…ペルチェ素子、１３…冷媒ポンプ、１４…阻止弁、１５…電磁弁、Ａ１…吸い込み空気、Ａ２…予冷器出口空気、Ａ３…除湿器出口空気、Ａ４…再熱器出口空気。

Claims (8)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、利用側熱交換器が冷媒配管にて接続されて冷凍サイクルを構成する空気調和機において、前記利用側熱交換器の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う熱伝導性部材と、運転モードに連動して前記熱伝導性部材を分割する切り替え機構とを備え、
   除湿運転する場合、前記利用側熱交換器を除湿器として利用し、前記熱伝導性部材により吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行い、
   除湿以外の運転をする場合には、前記切り替え機構により前記熱伝導性部材を分割して吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を停止することを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記熱伝導性部材を複数のヒートシンクとし、前記切り替え機構は前記複数のヒートシンクを機械的に分離することを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記熱伝導性部材を複数のヒートシンクとし、複数のうちそれぞれの間にペルチェ素子を配置したことを特徴とする空気調和機。
4. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、利用側熱交換器が冷媒配管にて接続されて第一の冷媒回路を構成する空気調和機において、
   前記利用側熱交換器の吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行う第二の冷媒回路を備え、
   除湿運転する場合、前記利用側熱交換器を除湿器として利用し、前記第二の冷媒回路により吸い込み空気と吹き出し空気間の熱交換を行い、
   除湿以外の運転をする場合には、前記第二の冷媒回路における前記冷媒の流れを停止することを特徴とする空気調和機。
5. 請求項４に記載のものにおいて、前記第二の冷媒回路において冷媒ポンプを用いて前記冷媒循環及び停止を行うことを特徴とする空気調和機。
6. 請求項４に記載のものにおいて、前記第二の冷媒回路において自然循環により前記冷媒循環を行い、循環の停止は前記第二の冷媒回路内に設けた弁を閉じることにより行うことを特徴とする空気調和機。
7. 請求項４に記載のものにおいて、前記第二の冷媒回路の冷媒は前記第一の冷媒回路のものとは異なることを特徴とした空気調和機。
8. 請求項１又は４に記載のものにおいて、前記利用側熱交換器を備えた室内機が複数設けられたことを特徴とする空気調和機。
   

Images