JP2005195285A - 空気調和機 - Google Patents

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Abstract

【課題】
冷凍サイクルを使用して除湿能力が大きい除湿空調を可能とすると共に、信頼性が向上した空気調和機を得る。
【解決手段】
給気側通風路2において水分吸着材1により吸着除湿し、排気側通風路3において水分吸着材1を加熱再生する空気調和機において、給気側通風路2において水分吸着材1より室外側に配置された給気側熱交換器9と、排気側通風路3において水分吸着材1より室内側に配置された排気側熱交換器10と、給気側熱交換器9及び排気側熱交換器10に接続された冷凍サイクルと、を備え、外気を給気側熱交換器9により冷却した後に水分吸着材1を通過して室内に導き、室内空気を排気側熱交換器10により加熱した後に水分吸着材1を通過させて排出する。
【選択図】 図1

Description

本発明は空気調和機に関し、特に冷凍サイクルと水分吸着材を併用して温度および湿度を調整するものに好適である。
空気調和に利用される除湿空調方式として冷凍サイクルによる冷却除湿方式や再熱除湿方式、水分吸着材を使用したデシカント空調方式等が知られている。しかし、冷凍サイクルによる除湿方式は冷媒の蒸発温度以下の露点に下げることができず、蒸発温度を下げることは圧縮機の仕事が増し、エネルギー消費の増加となる。また、デシカント方式による除湿では吸着材の再生に高温空気を必要とするため、コジェネレーションの熱を利用した加熱や、ガス焚き加熱器等による加熱が行われているが、コジェネレーションの場合電力需要と熱需要が一致しない時間帯も生じるため補助熱源としてガス焚き加熱器等を必要とする場合がある。
そこで、冷凍サイクルで生じる凝縮器排熱を利用するデシカント空調方式と冷凍サイクル方式を組み合わせることが知られ、例えば特許文献1に記載されている。
特開2003−130391号公報
上記従来装置は、室内からの排気を再生空気として使用し、冷凍サイクルの凝縮器排熱で加熱を行いことにより、ガス焚き加熱器等を使用する装置と比較してエネルギー効率を改善することができるが、水分吸着材の再生温度は低温再生用とされているものでも概ね60〜80℃を必要とする。そのため、冷媒凝縮温度は概ね65〜90℃となる。一方、室内空気の冷却や処理空気を略室内空気温度まで冷却するためには冷媒蒸発温度は10〜20℃程度とする必要があるため、冷凍サイクルは高圧縮比運転となり、信頼性が低下する。また、室内の冷房機器としてみると、通常の外気で冷却する冷凍サイクル方式の空調システムよりも冷媒凝縮温度が高いためCOPの劣る運転条件となる。
本発明の目的は、冷凍サイクルを使用して除湿能力が大きい除湿空調を可能とすると共に、信頼性が向上した空気調和機を得ることにある。また、他の目的は、負荷に応じた冷却、除湿、加温、加湿等多様な運転を行い、省電力を図ることにある。
上記目的を達成するため本発明は、外気を室内に導入する給気側通風路と、室内空気を排出する排気側通風路と、水分吸着材と、を有し、前記給気側通風路において前記水分吸着材により吸着除湿し、前記排気側通風路において前記水分吸着材を加熱再生する空気調和機において、前記給気側通風路において前記水分吸着材より室外側に配置された給気側熱交換器と、前記排気側通風路において前記水分吸着材より室内側に配置された排気側熱交換器と、前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器に接続された冷凍サイクルと、を備え、外気を前記給気側熱交換器により冷却した後に前記水分吸着材を通過して室内に導き、室内空気を前記排気側熱交換器により加熱した後に前記水分吸着材を通過させて排出するものである。
これにより、処理空気を給気側熱交換器により冷凍サイクルで冷却除湿し、吸着しやすい低温かつ相対湿度が高い状態とし、水分吸着材で除湿するとともに吸着熱で加熱し、略室内空気温度で低湿な空気を供給することができるので、再生空気も低温かつ高い相対湿度の空気を用いても必要とする吸着能力の再生が可能となる。
また、上記のものにおいて、前記給気側通風路において前記水分吸着材より室内側に配置された第2の給気側熱交換器を備えたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器の冷却あるいは加熱能力の制御を行うことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記水分吸着材を静止型水分吸着材としたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、外気又は室内空気の少なくとも一方の温湿度状態に応じて前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器の運転モード(冷却、加熱、停止)を切り替えることが望ましい。
本発明によれば、処理空気を冷凍サイクルの蒸発器により冷却除湿した後に水分吸着材でさらに除湿する一方、再生空気は凝縮器により加熱した後、水分吸着材を再生するようにしたので、冷凍サイクルの信頼性を損なうことなく、除湿能力を大きくすることができる。
処理空気を給気側熱交換器により冷凍サイクルで冷却除湿し、吸着しやすい低温かつ相対湿度が高い状態とし、水分吸着材で除湿するとともに吸着熱で加熱し、略室内空気温度で低湿な空気を供給する。これにより、水分吸着材で処理する空気が低温かつ相対湿度が高いため、再生空気もより低温かつ高い相対湿度の空気を用いても必要とする吸着能力の再生が可能となり、デシカント空調機と同等な除湿能力を持ち、動力および加熱冷却の全てを電力で行うので保安点検の手間を省くことができる。
さらに、給気側熱交換器と排気側熱交換器の冷却と加熱が任意に行える冷凍サイクルを使用することにより、熱回収を行って省電力を図るとともに、負荷に応じた冷却、除湿、加温、加湿等多様な運転を行うことが可能となる。
図1において、水分吸着材で構成され複数の空気流路と回転機構をもつ水分吸着材1、給気側通風路2、排気側通風路3、給気側送風機4、排気側送風機5と、圧縮機6、四方弁7a、7b、室外側熱交換器8a、8b、給気側通風路2に設置された給気側熱交換器9、排気側通風路3に設置された排気側熱交換器10、膨張弁11a、11b、11c、11d、逆止弁12、開閉弁13a、13b、13c、13d、レシーバ17、アキュームレータ18を備え、それぞれ配管接続して冷凍サイクルが構成される。
空気流路は、給気側通風路2と排気側通風路3に区分され、水分吸着材1の流路の一方は給気側通風路2、一方は排気側通風路3に設置されている。給気側通風路2は給気側送風機4、給気側熱交換器9、水分吸着材1を有し、排気側通風路3は排気側熱交換器10、水分吸着材1、排気側送風機5で構成される。
圧縮機6の吐出側配管は分岐されて四方弁7a、7bに接続される。四方弁7aは熱交換器8a、膨張弁11aの順に、さらに、逆止弁12、高圧ガス管14、及び低圧ガス管15へ接続されている。四方弁7bは熱交換器8b、膨張弁11bに接続され、膨張弁11bは、四方弁7aから膨張弁11aへ接続された配管と合流した後レシーバ17に接続されている。また、四方弁7bは高圧ガス管14及び低圧ガス管15へ接続され、高圧ガス管14は分岐された後、開閉弁13a、13cへ接続されている。さらに、四方弁7bはアキュームレータ18を通り圧縮機6の吸入側に接続され、さらに分岐して開閉弁13b、13dへ接続されている。開閉弁13aおよび開閉弁13bは合流した後、給気側熱交換器9、膨張弁11c、液管16の順に接続されている。開閉弁13cと開閉弁13dは合流した後、排気側熱交換器10、膨張弁11d、液管16の順に接続されている。給気側の膨張弁11cと排気側の膨張弁11dは合流して液管16、レシーバ17の順に接続されている。
処理空気の冷却除湿を行う場合、冷凍サイクル上で給気側熱交換器9は蒸発器、排気側熱交換器10は凝縮器として作用する。冷却除湿運転における処理空気および再生空気の状態変化を図2の空気線図で説明する。処理空気は給気側熱交換器9で冷却されて温度が下がるとともに水分の一部が凝縮して排出されることにより絶対湿度が下がり、概ね10〜20℃相対湿度85〜100%近くの低温高湿な水分が吸着されやすい状態となった後、水分吸着材1の給気側を通過しながら、さらに水分が吸着除湿されるとともに吸着熱により空気温度が上がり、略室内温度の絶対湿度の低い空気となって給気される。再生空気は排気側熱交換器10で加熱されて温度が上がるとともに相対湿度が低い空気となり、水分吸着材1の排気側を通過しつつ吸着された水分を脱着して排気される。
処理空気の制御は、膨張弁11cの開度を制御して給気側熱交換器9の出口の温湿度を調節すること、膨張弁11dの開度を制御して排気側熱交換器10を制御して水分吸着材1の再生温度を変化させること、水分吸着材1の回転速度を調整することを個別もしくは組み合わせて行い、処理空気の温度や水分吸着材1の吸着能力を調整することにより行う。
つぎに冷却除湿運転の場合の冷凍サイクル動作を説明する。
給気側熱交換器9の冷却負荷と冷凍サイクルの冷却能力および排気側熱交換器10の加熱負荷と冷凍サイクルの加熱能力がつりあう場合、圧縮機6から出た冷媒は四方弁7b、開閉弁13cを通り、排気側熱交換器10で凝縮液化した後、全開された排気側膨張弁11dを通り、給気側膨張弁11cで減圧され、給気側熱交換器9で蒸発した後、開閉弁13b、アキュームレータ18を通り圧縮機6へ戻る。
冷凍サイクルの加熱能力が過剰の場合は、圧縮機6から出た冷媒は四方弁7a、7bへ流れ、四方弁7bへ流れた高温高圧のガスは高圧ガス管14から開閉弁13cを通り、排気側熱交換器10で冷却されて液化しつつ再生空気を加温し、液化された冷媒は全開した排気側膨張弁11dを通過し液管16へ合流する。一方、四方弁7aへ流れた冷媒ガスは室外側熱交換器8aへ流されて外気等と熱交換して冷却液化され、全開された膨張弁11aとレシーバ17を通り、液管16で排気側熱交換器10からきた冷媒と合流した後、給気側膨張弁11cで減圧され、給気側熱交換器9で蒸発して低圧ガスとなり、開閉弁13b、低圧ガス管15、アキュームレータ18を通って圧縮機6に戻る。
冷凍サイクルの冷却能力が過剰の場合は、圧縮機6から四方弁7bへ流れた高温高圧のガスは高圧ガス管14、開閉弁13cを通り、排気側熱交換器10で液化し、全開した排気側膨張弁11dを通過し液管16へ流れる。液管16の冷媒の一部は給気側膨張弁11cで減圧された後、給気側熱交換器9で蒸発して低圧ガスとなり、開閉弁13b、低圧ガス管15へ流れる。液管16の他の液冷媒はレシーバ17を通り、膨張弁11aで減圧されて熱交換器8aで外気等と熱交換して蒸発気化した後、四方弁7aを通り、低圧ガス管15で合流してアキュームレータ18から圧縮機6へ戻る。
処理空気を加温加湿する運転の場合、再生空気は除湿しないように露点温度以上に制御された排気側熱交換器10で冷却されて相対湿度を高めた後、水分吸着材1の排気側を通過しつつ水分を吸着されて排気される。処理空気は給気側熱交換器9で加温されて相対湿度を下げた後、水分吸着材1の給気側を通過する際に水分を脱着して絶対湿度を上げるとともに温度を下げた後、室内へ給気される。処理空気を加温加湿する場合の冷凍サイクルは、給気側熱交換器9が凝縮器、排気側熱交換器10が蒸発器として作用する。他は冷却除湿運転の場合と同様に運転することにより処理空気を加熱、再生空気を冷却することができる。
処理空気を冷却する運転の場合は、給気側熱交換器9が蒸発器となる。圧縮機6から夫々四方弁7a、7bへ流れた高温高圧のガスは夫々熱交換器8a、8bで外気等と熱交換して液化し、全開された減圧弁11a、11bを通ったのちに合流し、レシーバ17から液管16を通り給気側膨張弁11cで減圧され給気側熱交換器9で蒸発し、開閉弁13b、低圧ガス管15、アキュームレータ18を通り圧縮機6へ戻る。冷却負荷が少ない場合は、圧縮機6の回転数を下げるとともに、熱交換器8a、8bのいずれか一方を停止するなど冷媒循環量を調整することにより、さらに省エネルギーを図ることも可能である。また、処理空気を加熱する運転の場合は、給気側熱交換器9を凝縮器とし、熱交換器8a、8bは蒸発器として運転する。
以上により、給気側熱交換器9の運転状態(冷却、加熱)および能力、排気側熱交換器10の運転状態および能力を個別に制御することが可能であり、多様な取入れ空気条件に対しても給気温湿度の制御が可能となる。
処理空気取入れ口の温湿度と本空気調和機の運転制御モードの一例を図3および表1により説明する。
Figure 2005195285
ある温度および湿度の範囲に調整した空気を給気する場合、処理空気の温湿度状態に応じて運転モードを切り替える。例えば図3に示すように上限および下限温度、上限および下限相対湿度で制御目標温湿度範囲を定め、取り入れる処理空気の温湿度状態に応じ、運転モードを定める。各運転モードの境界線は、例えば上下の境界は絶対湿度、左右の境界は温度および水分吸着材の性能により決まる吸着および脱着変化の状態線で区分けする。
吸着・脱着変化状態線は等エンタルピー線に近い傾きであることが知られており、等エンタルピー線で区分けすることもできる。また、制御目的領域は例えば上限・下限温度、上限・下限絶対湿度や、PMV値等の快適性の指標をもって設定してもよく、これらを組み合わせて設定してもよい。
以下、図3に示した領域A〜Iと、表1に示した各領域の主な運転モードをについて説明する。
領域Aでは、高温かつ高湿の処理空気を、給気側熱交換器9で冷却除湿され低温かつ相対湿度が高い状態とし、水分吸着材1で除湿するとともに吸着熱で加熱されて設定した温湿度空気となる。再生空気は排気側熱交換器10で加熱して水分吸着材1の水分を脱着した後排気される。領域Bでは、絶対湿度は設定範囲内であるので、処理空気は給気側熱交換器9で冷却される。
領域Cは、設定範囲より高温かつ低絶対湿度の処理空気条件で、冷却と加湿が必要な境域となる。処理空気を給気側熱交換器9で冷却する。一方再生空気を排気側熱交換器10で露点近傍まで冷却し低温かつ相対湿度が高い状態とし、水分吸着材1に吸着させ、給気側空気で脱着して加湿する。
領域Dは、目的温度近傍もしくは目的温度よりも低温で絶対湿度が高い場合で、再生空気を排気側熱交換器10で加熱し水分吸着材1を再生する。給気側空気は水分吸着材1を通過して除湿昇温される。
領域Eは、処理空気の状態は目的領域内であり、冷凍サイクルと吸着ローターの運転は停止し、処理空気をそのまま給気する。
領域Fは、目的温度近傍もしくは目的温度より高温かつ絶対湿度が低い場合であり、再生空気は相対湿度に応じて排気側熱交換器10で露点温度以下とならない程度に冷却されて相対湿度を高めた後、水分吸着材1に水分を吸着させる。一方の処理空気は水分吸着材1を通過しつつ加湿冷却される。
領域Gは低温高湿の場合であり、再生空気を排気側熱交換器10で加熱し、水分吸着材1を加熱して乾燥させる。一方の処理空気は水分吸着材1を通過しつつ除湿昇温される。
領域Hは温度設定より低温で、絶対湿度は目的範囲内の場合であり、処理空気は給気側熱交換器9で加熱される。
領域Iは、温度湿度ともに設定範囲より低い場合で、再生空気は露点以下とならない程度に排気側熱交換器10で冷却して相対湿度を高くした後、水分吸着材1に水分を吸着される。一方、処理空気は給気側熱交換器9で加熱し、水分吸着材1の水分を脱着して加湿される。
以上のように処理空気の温湿度状態に応じて運転モードを選択することにより、目標とする温湿度状態に調整した給気が可能となる。
本発明の第2の実施例を図4により説明する。
少なくとも、複数の空気流路と回転機構をもつ水分吸着材1、給気側通風路2、排気側通風路3、給気側送風機4、排気側送風機5と、圧縮機6、四方弁7a、7b、室外側熱交換器8a、8b、給気側通風路2に設置された第一の給気側熱交換器9a、第二の給気側熱交換器9b、排気側通風路3に設置された排気側熱交換器10、膨張弁11a、11b、11c、11c、11d、11e、逆止弁12、開閉弁13a、13b、13c、13d、13e、13f、レシーバ17、アキュームレータ18およびこれらを接続する配管で冷凍サイクルを構成している。
給気側通風路2は給気側送風機4、第一の給気側熱交換器9a、水分吸着材1、第二の給気側熱交換器9bで構成され、排気側通風路3は排気側熱交換器10、水分吸着材1、排気側送風機5で構成されている。
次に冷凍サイクルは圧縮機6から高圧ガス管14、低圧ガス管15、液管16までは実施例1と同じ構成である。高圧ガス管14は分岐され開閉弁13a、13c、13eへ、低圧ガス管15は分岐され開閉弁13b、13d、13fへ接続されていて、開閉弁13aおよび開閉弁13bのもう一方は合流したのち第一の給気側熱交換器9a、膨張弁11c、液管16の順に接続されている。また、開閉弁13cと開閉弁13dのもう一方は合流した後に排気側熱交換器10、膨張弁11d、液管16の順に接続されている。開閉弁13eと開閉弁13fのもう一方は合流した後に第二の給気側熱交換器9b、膨張弁11e、液管16の順に接続されている。給気側の膨張弁11c、11eからの配管および排気側の膨張弁11dからの配管が合流した液管16はレシーバ17へ接続されている。
第一の給気側熱交換器9a、第二の給気側熱交換器9b、排気側熱交換器10は、運転状態(冷却、加熱、停止)や、冷却もしくは加熱の能力を個別に制御することが可能である。これにより、第一の給気側熱交換器9aと水分吸着材1により湿度を制御し、第二の給気側熱交換器9bにより温度を制御し、つまり温度と湿度を独立した制御とすることができるため、給気温度を精密に制御することができ、例えば恒温高湿室などにも適した給気が可能である。
本発明の第3の実施例を説明する。静止型水分吸着材19を図5に示し、処理空気および再生空気が通る空気通路20と冷却空気が通る空気流路21を有し、空気通路20に波板状に加工した水分吸着材のシートを配置し、第1空気流路と仕切り板と第2空気通路21とを交互に積層されている。
第1および第2の実施例は水分吸着材1が給気側と排気側に跨って設置されるため給気側通風路2と排気側通風路3が隣接していること、水分吸着材を回転する機構有することを必要とするが、第3の実施例は静止型水分吸着材19a、19bと給気側通風路2、排気側通風路3を任意に配置することが可能で、空気側の稼動部を空気流路の切り替え機構のみで構成することを特長とする。
処理空気を除湿する状態を図6により、静止型水分吸着材19aが吸着工程、静止型水分吸着材19bが再生工程の場合を説明する。処理空気は給気側送風機4から取り入れられ、給気側熱交換器9で冷却されて低温かつ相対湿度の高い空気となり、空気流路切り替えダンパ22aを通り、静止型水分吸着材19aで吸着除湿され、空気流路切り替えダンパ22bを通り給気される。吸着にともない静止型水分吸着材19aの温度が上昇し、除湿性能が低下するため冷却空気を冷却側送風機23から取り込み、空気流路切り替えダンパ22cを通して静止型水分吸着材19aの冷却空気流路に通して温度上昇による吸着性能低下を防ぐ。
一方再生空気は排気側送風機5から取り入れられ、排気側熱交換器10で加熱され、空気流路切り替えダンパ22bを通り、静止型水分吸着材19bを加熱しつつ水分を脱着した後、空気流路切り替えダンパ22aを通り排気される。
静止型水分吸着材19aがある一定の吸着量に達した場合、空気流路切り替えダンパ22a、22bおよび22cを切り替えることにより、静止型水分吸着材19bを吸着工程、静止型水分吸着材19aを再生工程に切り変えて同様に操作を行い、これを繰り返すことにより連続して処理を行う。
給気側熱交換器9と排気側熱交換器10の運転状態および冷却・加熱能力を個別に制御することができ、給気側空気流路の空気流路切り替えダンパ22bの下流に第二の給気側熱交換器を設けることにより、給気温湿度のより精密な制御を行うことができる。
図7は図1に示した冷凍サイクルの給気側熱交換器9、排気側熱交換器10と並列に室内熱交換器27を設置した例を示す。給気側熱交換器9、排気側熱交換器10と同様に室内熱交換器27も任意の運転が可能である。暖房する場合は、室内空気と取入空気を加温するため、室内熱交換器27と給気側熱交換器9は加熱運転し、排気側熱交換器10は冷却運転を行い外気よりも高温な室内排気から熱回収を行うことにより、空調機はより高効率な運転となる。冷房する場合は、給気側熱交換器9と室内熱交換器27が冷却運転を行う一方、排気側熱交換器10は外気よりも低温な室内排気により加熱運転を行うことにより効率が向上する。
上記構成の冷凍サイクルによる空調機と、室内熱交換器27と室外機による冷凍サイクル、あるいは室内熱交換器27と給気側熱交換器9と室外機からなる冷凍サイクルによる冷暖房機と比較すると排気から熱回収を行うので、より効率の良い運転が可能となる。
図8は水分吸着材1の一方の流路を給気側通風路2、もう一方を排気側通風路3に配置した例である。
本発明による一実施例を示す空気調和機のブロック。 一実施例の空気調和機の作用を示す空気線図。 一実施例の空気調和機の運転モードを示す空気線図。 他の実施例を示す空気調和機のブロック図。 他の実施例に用いられる静止型除湿材の斜視図。 さらに、他の実施例を示す空気調和機のブロック図。 さらに、他の実施例を示す空気調和機のブロック図。 さらに、他の実施例を示す空気調和機のブロック図。
符号の説明
1…水分吸着材、2…給気側通風路、3…排気側通風路、4…給気側送風機、5…排気側送風機、6…圧縮機、7a、7b…四方弁、8a、8b…室外側熱交換器、9、9a…給気側熱交換器、9b…第2の給気側熱交換器、10…排気側熱交換器、11、11a〜11e…膨張弁、12…逆止弁、13a〜13f…開閉弁、14…高圧ガス管、15…低圧ガス管、16…液管、17…レシーバ、18…アキュームレータ、19、19a、19b…静止型水分吸着材、22a、22b、22c…空気流路切り替えダンパ、23…冷却側送風機、24…顕熱交換器、25…温水熱交換器、26…加湿冷却器、27…室内熱交換器。

Claims (5)

  1. 外気を室内に導入する給気側通風路と、室内空気を排出する排気側通風路と、水分吸着材と、を有し、前記給気側通風路において前記水分吸着材により吸着除湿し、前記排気側通風路において前記水分吸着材を加熱再生する空気調和機において、
    前記給気側通風路において前記水分吸着材より室外側に配置された給気側熱交換器と、
    前記排気側通風路において前記水分吸着材より室内側に配置された排気側熱交換器と、
    前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器に接続された冷凍サイクルと、
    を備え、
    外気を前記給気側熱交換器により冷却した後に前記水分吸着材を通過して室内に導き、室内空気を前記排気側熱交換器により加熱した後に前記水分吸着材を通過させて排出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、前記給気側通風路において前記水分吸着材より室内側に配置された第2の給気側熱交換器を備えた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、前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器の冷却あるいは加熱能力の制御を行うことを特徴とする空気調和機。
  4. 請求項1に記載のものにおいて、前記水分吸着材を静止型水分吸着材としたことを特徴とする空気調和機。
  5. 請求項1に記載のものにおいて、外気又は室内空気の少なくとも一方の温湿度状態に応じて前記給気側熱交換器及び前記排気側熱交換器の運転モード(冷却、加熱、停止)を切り替えることを特徴とした空気調和機。
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