JP2006308246A

JP2006308246A - 空気調和機

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Publication number: JP2006308246A
Application number: JP2005133141A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Uchida; 毅内田; Hitoshi Iijima; 等飯嶋; Hiroaki Makino; 浩招牧野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: JP4688561B2

Abstract

【課題】加湿空気の室内外搬送動力を低減し、低騒音化を図れる無給水加湿機能を備えた空気調和機を提供する。
【解決手段】室外機２と一体化させて設置された加湿ユニット１において、デシカントロータ４に室外空気中の水分を吸着し、その水分を、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温された加熱空気により脱着し、生成された加湿空気を、脱着風路７に設置された冷却用熱交換器２０にて冷却し、凝縮水として送水ポンプ２２により水配管２３を介して室内に搬送することによって、室内外の加湿空気の搬送圧力損失を小さくし、接続ダクトの径を細くし低騒音化ができる連続加湿機能を備えた空気調和機が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、室外空気の水分を吸着剤で吸着し、その水分で室内の加湿を行う空気調和機に関するものである。

従来、加湿ロータに吸着した水分を脱着させるための加熱手段であるヒータを、加湿ロータの面に対して垂直に設置し、ヒータの輻射熱による加湿ロータの性能劣化や寿命短縮を防ぐ構造の加湿装置が存在する（たとえば、特許文献１参照）。この加湿装置は、ヒータの加湿ロータに対する投影面積は最小であり、加湿ロータに対する放射熱の量も最小であるために、性能劣化や寿命短縮、火災の発生を防止するようにしたものである。

また、吸着剤による加湿ユニットを室外機内部に設け、室外空気中の水分を加湿ロータに吸湿し、加熱ヒータによって昇温した室内空気で脱着した水分を室内に搬送し加湿する加湿機能付き空気調和機が存在する（たとえば、特許文献２参照）。この加湿機能付き空気調和機は、吸湿剤で水分を吸着した後の乾燥した室外空気を、室外機熱交換器の通過空気に活用して、着霜現象を抑制するようにしたものである。

また、加湿ユニットを室外に設置し、室外空気中の水分を加湿ロータで吸湿し、室外空気を加熱手段によって昇温してその水分を脱着させて加湿を行う加湿装置が存在する（たとえば、特許文献３参照）。この加湿装置は、加湿ロータの端面近傍において、加湿通路の空気と吸湿通路の空気との間の圧力差が小さく、空気の漏れが少なくなるために、加湿効率を向上させるようにしたものである。

さらに、加湿ロータに用いる吸着剤を吸着エネルギの小さい疎水性ゼオライトにして、ＳｉＯ₂（二酸化珪素）のモル分率がＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）のモル分率よりも大きいもの、すなわちＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃が１より大きいものを使用する湿度調節装置が存在する。（たとえば、特許文献４参照）。この湿度調節装置は、室外空気に含まれる水分を疎水性ゼオライトに吸着させた後に、ヒータで過熱して脱着して湿度を調整するようにしたものである。

特開２００１−９１００２号公報（第３頁、第１図）特開平０８−１２８６８１号公報（第４頁、第１図及び第２図）特開２００１−９９４５３号公報（第４頁、第１図）特開２００１−９６１２６号公報（第４頁、第２図）

特許文献１に記載の加湿装置は、ヒータを加湿ロータに対して垂直に設置しているので、加湿ロータが異常高温となることを防ぐことができるものの、ヒータの加湿ロータへの投影面積が最小となるため、輻射熱による脱着効果が大きく期待できない。つまり、輻射熱を利用することにより、加湿量は大幅に増加することが知られており、同じ加湿量を確保するにはより大きな容量を持ったヒータが必要となり、消費エネルギが大きくなるという問題があった。

特許文献２に記載の加湿機能付き空気調和機は、吸着剤を通過する風路が常に一つであり、回転型吸着剤のように連続して、吸着脱着工程を行うことが不可能であった。すなわち、連続して加湿が行えないという問題があった。また、室内の空気を加熱ヒータで加熱するので加湿量は確保することはできるものの、室内と室外とを接続する配管パイプが２本になるために、壁貫通の穴径が大きくないと配管パイプ内の圧力損失により騒音が室内まで伝搬するという問題があった。さらに、室外機熱交換器の風上側に加湿ユニットを配置するために、風路の圧力損失が増え、室外送風機の動力を増すことになり、消費エネルギの低減ができないという問題があった。

特許文献３に記載の加湿装置は、吸湿用及び加湿用のそれぞれの用途に対してファンが存在し、比較的高価なファンモータを必要とするため、加湿装置として使用する消費エネルギが大きく、且つコストがかかるという問題があった。また、複数のファンを加湿ロータの同一片側に配置して加湿ユニット内に設けるため、ファンモータの厚みにより加湿装置の高さが大きくなり、加湿装置を空気調和機の室外機と一体化させて設置した場合、屋外の室外機占有スペースが大きくなってしまうという問題があった。

特許文献４に記載の湿度調節装置は、吸着剤として吸着エネルギの小さい疎水性ゼオライトを用いており、ゼオライトはシリカゲルや活性炭等の吸着剤に比べて吸着量が少なく、特に疎水性ゼオライトは吸着エネルギが小さい反面吸着量も少ないため、充分な加湿量を得られないという問題があった。また、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃が１程度の親水性ゼオライトでは、疎水性ゼオライトよりも若干吸着量は増えるものの、吸着エネルギも大きくなるため、加湿量の低下、あるいは水分を脱着させるよりも大きな加熱容量を持ったヒータが必要になる等、トータル的にエネルギを無駄に消費してしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の熱を利用してヒータ入力を削減し、吸着量が多く且つ吸着エネルギの小さい吸着剤を使用する、あるいは異なった吸着特性を有する複数の吸着剤を組み合わせて使用することにより、トータル的に省エネルギで加湿性能の高い空気調和機を提供するものである。また、室外加湿ユニットで生成された高湿空気を、冷却し凝縮水として室内に搬送することにより、室内外の加湿空気の搬送圧力損失を小さくし、接続ダクトの径を細くし低騒音化ができる連続加湿機能を備えた空気調和機を提供するものである。さらに、ファンの数を削減し、装置全体を小型化して、省スペースで低コスト化を図る空気調和機を提供するものである。

本発明に係る空気調和機は、室内機と室外機とを冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルを有する空気調和機であって、室外空気を吸気して、該室外空気から水分を吸着させるための第１空気流路と、該水分を脱着するための室外空気を吸気する第２空気流路と、前記第２空気流路内に吸気された室外空気を昇温させる熱交換器と、前記第１空気流路内に吸気された室外空気から水分を吸着し、前記熱交換器で昇温された室外空気で該水分が脱着されるデシカントロータとを内蔵する加湿ユニットを備え、前記冷媒配管を分岐させて前記ヒートポンプサイクルを循環している冷媒を前記加湿ユニットの前記熱交換器に導くバイパス配管を設けたことを特徴とする。

本発明に係る空気調和機は、室内機と室外機とを冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルを有する空気調和機であって、室外空気を吸気して、該室外空気から水分を吸着させるための第１空気流路と、該水分を脱着するための室外空気を吸気する第２空気流路と、前記第２空気流路内に吸気された室外空気を昇温させる熱交換器と、前記第１空気流路内に吸気された室外空気から水分を吸着し、前記熱交換器で昇温された室外空気で該水分が脱着されるデシカントロータとを内蔵する加湿ユニットを備え、前記冷媒配管を分岐させて前記ヒートポンプサイクルを循環している冷媒を前記加湿ユニットの前記熱交換器に導くバイパス配管を設けたので、冷媒の熱を利用してヒータ入力を削減し、消費エネルギの低減が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の概略構成図である。空気調和機１００は、冷媒を循環させるヒートポンプサイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。また、空気調和機１００は、暖房運転時において加湿運転をあわせて行うことができるものである。なお、ヒートポンプサイクルは、暖房運転時におけるものを示している。

空気調和機１００は、加湿ユニット１と、室外機２と、室内機３とで構成されている。加湿ユニット１と室外機２とは室外に、室内機３は室内にそれぞれ設置されている。加湿ユニット１と室外機２とは、冷媒を導通するバイパス配管５０及びバイパス配管５１で接続されている。加湿ユニット１と室内機３とは、室内外接続ダクト１３で接続されている。室外機２と室内機３とは、冷媒配管４０と冷媒配管４１とで接続されている。

（加湿ユニット１）
加湿ユニット１は、室内の加湿を行う機能を果たすものである。加湿ユニット１は、吸着風路６（第１空気流路）と、脱着風路７（第２空気流路）とを内蔵している。吸着風路６と脱着風路７とは、仕切壁５で二分されて構成されている。吸着風路６には、デシカントロータ４と、吸着ファン８（送風手段）とが空気の流れ方向（矢印ａ及び矢印ｂ）に対してこの順番になるように配置されている。脱着風路７には、加熱用熱交換器１１と、加熱ヒータ１０と、デシカントロータ４と、脱着ファン９とが空気の流れ方向（矢印ｃ及び矢印ｄ）に対してこの順番になるように配置されている。

吸着風路６は、室外空気を吸気し、デシカントロータ４で室外空気から水分を吸着された乾燥空気を室外に排気するものである。この乾燥空気の排気は、吸着風路６内に設けられている吸着ファン８の回転で行われるようになっている。脱着風路７は、室外空気を吸気し（以下、脱着風路７で吸気された室外空気を脱着空気と称する）、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温され、デシカントロータ４で水分が放出（以下、脱着と称する）されて、生成された高温高湿空気を室内機３に搬送するものである。この高温高湿空気の搬送は、脱着ファン９の回転で行われるようになっている。脱着ファン９は、室内外接続ダクト１３を介して室内機３の室内機熱交換器１７と接続されている。

デシカントロータ４は、吸着剤が担持され、軸方向に通気性を有するハニカム構造で構成されており、吸着風路６及び脱着風路７に跨って各風路を遮るように仕切壁５に設けられている。すなわち、デシカントロータ４は、吸着風路６内を流れてくる水分を含んだ室外空気から水分を吸着し、回転することによって、この部分を脱着風路７に面するようにして、脱着風路７に吸気・昇温された高温空気でその水分を脱着するようになっている。脱着された水分と、高温空気とが一体となって高温高湿空気として生成される。このデシカントロータ４には、ゼオライトやシリカゲル、活性炭からなる多孔質基材等の吸着剤を塗布、表面処理または含浸されたものを使用するとよい。これらの吸着剤の詳細については、後述する。

加熱用熱交換器１１は、室外機２に内蔵されている圧縮機１４から吐出され、バイパス配管５０を介して流れ込む冷媒の熱を利用して、脱着空気を昇温させるものである。なお、脱着空気を昇温させた後の冷媒は、バイパス配管５１を流れてヒートポンプサイクルに戻るようになっている。また、冷房運転時に冷媒がバイパス配管５０及びバイパス配管５１に流入させないために逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとが設けられている。加熱ヒータ１０は、加熱用熱交換器１１と同様に脱着空気を昇温させるものである。

（室外機２）
室外機２は、圧縮機１４と、四方弁３９と、室外機熱交換器１５と、膨張弁１９とを順次冷媒配管で接続して構成されている。冷媒配管は、暖房運転時において、室外機２から室内機３に冷媒を導通する冷媒配管４０と、室内機３から室外機２に冷媒を導通する冷媒配管４１とから成る。冷媒配管４０は、圧縮機１４で圧縮されて気体になった冷媒を導通させるガス側冷媒配管である。冷媒配管４１は、室内機熱交換器１７で凝縮されて液体となった冷媒を導通させる液側冷媒配管である。冷媒配管４０は、途中で分岐してバイパス配管５０と連通するようになっている。また、室外機２には、室外機熱交換器１５に送風するための室外機ファン１６（送風機）が内蔵されている。

圧縮機１４は、冷媒配管４１から吸入した冷媒を圧縮するためのもの機器である。四方弁３９は、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを反転させるものである。ここでは、暖房運転時の冷媒の流れを示している。室外機熱交換器１５は、空気または水を熱源として冷媒を凝縮させるものである。膨張弁１９は、室外機熱交換器１５で凝縮された冷媒を減圧して膨張させるものである。

（室内機３）
室内機３は、室内機熱交換器１７と、室内機ファン１８とを内蔵している。この室内機熱交換器１７は、冷媒配管４０及び冷媒配管４１を介して室外機２を構成する四方弁３９と減圧弁２４とに接続されている。室内機ファン１８は、室内や室内機熱交換器１７に送風するためのものである。また、室内機熱交換器１７は、室内外接続ダクト１３を介して加湿ユニット１に内蔵されている脱着ファン９と接続している。

次に、空気調和機１００の動作について説明する。
まず、吸着風路６から室外空気を吸気する（矢印ａ）。この室外空気には水分が含まれており、この水分が室内の加湿に利用される。そして、この室外空気は、吸着風路６内を流れてデシカントロータ４に到達する。デシカントロータ４は、この室外空気から水分を吸着し、その室外空気を乾燥空気にする。吸着ファン８は、この乾燥空気を室外に排気する（矢印ｂ）。

一方、脱着風路７からも脱着空気を吸気する（矢印ｃ）。この脱着空気は、脱着風路７内の加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温されて高温空気となりデシカントロータ４に到達する。デシカントロータ４は、回転するようになっており、吸着風路６で水分を吸着した面が脱着風路７側に回転移動する。そして、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温された高温空気により水分が脱着されて、この水分と高温空気とが一体となって高温高湿空気が生成される。生成された高温高湿空気は、脱着ファン９に到達し（矢印ｄ）、脱着ファン９により室内外接続ダクト１３を介して室内機３へ搬送される（矢印ｅ）。

室内機３では、この高温高湿空気を室内機熱交換器１７で室内空気と混合し、室内機ファン１８により室内へ放出する。こうすることで、室内を加湿するようになっている。デシカントロータ４にゼオライトやシリカゲルのような吸着剤を用いて、水分の脱着を行うには、少なくとも８０℃以上の脱着温度が要求される。しかしながら、加熱ヒータ１０のみで昇温する場合には、約５１０Ｗのヒータ入力が必要となる（暖房標準条件７℃からの昇温、脱着風量０．３５ｍ３／ｍｉｎ）。

空気調和機１００は、加湿ユニット１内に加熱用熱交換器１１を備えており、圧縮機１４からの吐出冷媒を加熱用熱交換器１１の内部に導通して脱着空気と熱交換させることにより、その脱着空気を昇温するのでヒータ入力を大幅に削減できる。たとえば、冷媒にＲ４１０を用いている場合には、表１に示すように暖房運転時の標準的なサイクル条件において、吐出条件から飽和蒸気になるまで加熱用熱交換器１１で熱交換されるとすると、加熱用熱交換器１１通過後の脱着空気温度は約５５℃となるため、加熱ヒータ１０の入力は約１８０Ｗ（５１０Ｗの約３５％）で済み、加熱ヒータ１０のみの加熱の場合に対し約６５％のヒータ入力を削減できることになる。

実施の形態１では、空気の流れに対し加熱用熱交換器１１、加熱ヒータ１０の順で脱着風路７内に配置されている場合を例に示したが、両者を逆に配置してもよい。また、要求される加湿量（高温高湿空気の量）が少量であれば、加熱ヒータ１０を設置せずに加熱用熱交換器１１のみで脱着空気の昇温を行ってもよい。また、実施の形態１では、冷房運転時においては、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しないようにバイパス配管５０とバイパス配管５１とに逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、冷房運転が行われる夏期に加湿運転を行わない、すなわち、脱着ファン９を運転させなければ、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しても熱交換されないため、逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置しなくてもよい。

以上のように、空気調和機１００では、ヒートポンプサイクルにおける、圧縮機１４から吐出された吐出冷媒を、加湿ユニット１に内蔵されている脱着風路７内の加熱用熱交換器１１に誘導して脱着空気と熱交換させることにより、脱着に使用する加熱ヒータ１０の入力を大幅に削減でき、消費エネルギの低減を図ることが可能となる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機２００の概略構成図である。空気調和機２００は、冷媒を循環させるヒートポンプサイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。また、空気調和機２００は、暖房運転時において加湿運転をあわせて行うことができるものである。なお、ヒートポンプサイクルは、暖房運転時におけるものを示している。また、実施の形態１と同一箇所については同一符号を付し、説明を省略する。

空気調和機２００の加湿ユニット１は、冷却用熱交換器２０（冷却器）と、ドレンタンク２１（凝縮容器）と、ドレンヒータ２４（加熱手段）と、送水ポンプ２２と、水配管２３とを備えている。冷却用熱交換器２０は、デシカントロータ４と脱着風路７出口側との間に配置されている。ドレンタンク２１は、冷却用熱交換器２０の下方に配置されている。また、ドレンタンク２１は、ドレンヒータ２４を備えている。ドレンタンク２１は、送水ポンプ２２及び水配管２３を介して室内機３と接続されている。なお、水配管２３は、その出口に透湿膜２５を備えている。また、脱着ファン９には、室内外接続ダクト１３が接続されておらず、その吹出し口は室外へ開放されている。すなわち、空気調和機１００のように、加湿ユニット１と室内機３とが室内外接続ダクト１３を介して接続されておらず、水配管２３を介して接続されているのである。

次に、空気調和機２００の動作について説明する。
まず、吸着風路６から室外空気を吸気する（矢印ａ）。この室外空気には水分が含まれており、この水分が室内の加湿に利用される。そして、この室外空気は、吸着風路６内を流れてデシカントロータ４に到達する。デシカントロータ４は、この室外空気から水分を吸着し、その室外空気を乾燥した空気にする。吸着ファン８は、この乾燥空気を室外に排気する（矢印ｂ）。

一方、脱着風路７からも脱着空気を吸気する（矢印ｃ）。この脱着空気は、脱着風路７内の加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温されて高温空気となりデシカントロータ４に到達する。デシカントロータ４は、回転するようになっており、吸着風路６で水分を吸着した面が脱着風路７側に回転移動する。そして、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０で昇温された高温空気により水分が脱着されて、この水分とその高温空気とが一体となって高温高湿空気が生成される。生成された高温高湿空気は、冷却用熱交換器２０により冷却されて結露し、凝縮水としてドレンタンク２１に貯蔵される（矢印ｄ２）。結露しなかった高温高湿空気は、脱着ファン９に到達し（矢印ｄ１）、脱着ファン９により室外へ排気される（矢印ｅ）。

ドレンタンク２１に貯蔵された凝縮水は、送水ポンプ２２により水配管２３を介して室内機３へ搬送される。このとき、凝縮水は、水配管２３の出口に備えてある透湿膜２５でナノサイズの分子として滲み出されるようになっている。そして、室内機３では、透湿膜２５から滲み出した水分を室内機熱交換器１７で室内空気と混合し、室内機ファン１８により室内へ放出されることにより、室内が加湿されるようになっている。なお、ドレンタンク２１内に設置されたドレンヒータ２４は、凝縮水中に発生する可能性のある細菌の殺菌や、凝縮水の凍結防止のために適宜運転するようにするとよい。また、透湿膜２５は、その種類を特に限定するものではない。たとえば、限外濾過過膜や逆浸透膜、イオン交換膜等で構成するとよい。

一般に、加湿量は次の式（１）で求められる。
Ｗ＝ｍ・ΔＸ式（１）
ここで、Ｗ（ｋｇ／ｈ）は加湿量を、ｍ（ｋｇ／ｈ）は加湿空気流量を、ΔＸ（ｋｇ／ｋｇ’）は加湿空気と外気との絶対湿度差をそれぞれ示している。

加湿量Ｗを増加させるには、加湿空気流量ｍまたは絶対湿度差ΔＸのどちらかを増加させる必要がある。この場合、絶対湿度差ΔＸを増加させることは容易ではないが、加湿空気流量ｍを増加させることは比較的容易である。つまり、デシカントロータ４で生成される高温高湿空気を室内機３に多く搬送すれば良いのである。しかしながら、加湿ユニット１が室外に設置されている場合には、一般的に、空気調和機１００のように室内外接続ダクト１３を介して高温高湿空気を室内機３に搬送しなければならない。

通常、室内外接続ダクト１３を通す壁穴には、冷媒配管や室内機ドレンパイプ、電気配線等が既に連通されており、太い室内外接続ダクト１３を通すことは困難な場合が多い。細い室内外接続ダクト１３で加湿空気流量ｍを増加させると、圧力損失が大きくなってしまい、それに伴って脱着ファン９の動力が増加してしまうことになる。また、高温高湿空気が室内外接続ダクト１３を流れる際に発生する音が、室内機３を介して室内に伝播するので、騒音の増加にも繋がることになる。

このようなことを防止するために、空気調和機２００は、デシカントロータ４で生成された高温高湿空気を冷却用熱交換器２０で一旦凝縮させて、水配管２３を介して水の状態で室内機３に搬送するようにしているのである。こうすることで、高温高湿空気を室内外接続ダクト１３を介して搬送しないので低騒音化を図ることができる。また、脱着ファン９の吹出し口は室外へ開放されているため、室内外接続ダクト１３を介して室内へ伝播する騒音を気にすることなく加湿空気流量ｍを増加させることができる。

図３は、空気調和機２００の加湿ユニット１を立体的に示した概略構成図である。図３に基づいて、空気調和機２００での高温高湿空気を凝縮させる一例を説明する。ここでは、加湿ユニット１が室外機２の上に設置されている場合を例に示している。加湿ユニット１に内蔵されている冷却用熱交換器２０は、加湿ユニット１の底板、すなわち室外機２の天板上に配置されている。なお、冷却用熱交換器２０は、フィンとして構成されている。また、加熱ヒータ１０は、ヒータケース２６内に設置されている。

冷却用熱交換器２０では、デシカントロータ４で生成された高温高湿空気と、冷却用空気との間で熱交換するようになっている。このとき、デシカントロータ４で吸着・脱着された水分を全て凝縮させるためには、冷却用空気温度は少なくとも室外空気の露点温度（５℃）以下である必要があり、温度が高いほど当然ドレンタンク２１に滴下する凝縮水は少なくなる。

図４は、室外空気条件７℃／８７％ＲＨで運転した際の、各工程におけるユニット温湿度条件と冷却用空気温度との関係を示す関係図である。図４において、縦軸は相対湿度を、横軸は温度をそれぞれ示している。ここで、冷却用空気として、室外空気（たとえば、７℃程度）を直接用いてもよいが、より多くの凝縮水を確保するためには、室外機熱交換器１５を通過した後の室外空気（たとえば、２〜３℃程度）を用いる方が望ましい。これは、室外機熱交換器１５では、暖房運転時においては、室外空気から吸熱して冷媒をガス化するために、室外空気が相対的に冷却されるようになっているからである。

以上のように、高温高湿空気を凝縮させるようにすれば、冷却媒体としてのフィンから成る冷却用熱交換器２０を加湿ユニット１内に設置するだけで、効率良く凝縮水を得ることが可能になる。したがって、余分なファンの設置や、特に煩雑な配管の引き回し等をする必要がなくなる。ここでは、冷却用熱交換器２０がフィンである場合を例に示したが、これに限定するものではない。

実施の形態２では、脱着ファン９の吹出し口を室外へ開放し、ドレンタンク２１に滞留した凝縮水のみを、送水ポンプ２２により水配管２３を介して室内機３へ搬送する場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、脱着ファン９から吹出された、すなわち、冷却用熱交換器２０で凝縮しきれなかった高温高湿空気をドレンタンク２１へ誘導し、凝縮水とともに室内機３に搬送することにより、デシカントロータ４で吸着された室外空気中の水分を無駄なく室内機３へ供給することができる。この場合、送水ポンプ２２は気体も同時に搬送できる、たとえば真空ポンプ等を用い、また水配管２３も気液両用の配管とすればよい。

実施の形態２では、ドレンタンク２１が加湿ユニット１及び室外機２の内部に配置されている場合を例に示したが、これに限定するものではなく、加湿ユニット１及び室外機２の外部に配置してもよい。たとえば、ドレンタンク２１を室外機２の側面等に配置すれば、加湿ユニット１及び室外機２の小型化を図ることが可能になる。また、実施の形態２では、室内機３に搬送された凝縮水を一旦透湿膜２５で受け、そこから滲み出した水分を室内空気と混合し室内に放出する場合を例に示したが、室内機熱交換器１７の吸込み側において、凝縮水を直接噴霧状にして室内空気と混合し、室内に放出してもよい。

実施の形態２では、空気の流れに対し加熱用熱交換器１１、加熱ヒータ１０の順で脱着風路７内に配置されている場合を例に示したが、両者を逆に配置してもよい。また、要求される加湿量（高温高湿空気の量）が少量であれば、加熱ヒータ１０を設置せずに加熱用熱交換器１１のみで脱着空気の昇温を行ってもよい。また、実施の形態２では、冷房運転時においては、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しないようにバイパス配管５０とバイパス配管５１とに逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、冷房運転が行われる夏期に加湿運転を行わない、すなわち、脱着ファン９を運転させなければ、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しても熱交換されないため、逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置しなくてもよい。

以上のように、デシカントロータ４から脱着した高温高湿空気を冷却し凝縮させ、水の状態で室内機３に搬送することにより、室内へ接続されている水配管２３内の搬送流量を小さくでき、水配管２３内の圧力損失が低減するため、低騒音化を図ることができる。また、脱着ファン９の吹出し口を室外に開放することにより、室内へ伝播する騒音を気にすることなく、デシカントロータ４を通過する脱着風量を増加させることができるため、容易に加湿量を増加させることができる。さらに、冷却に室外空気や、より低温の室外熱交換器１５通過後の室外空気を使用することにより、冷却媒体としてフィンからなる冷却用熱交換器２０を設置するだけで、余分なファンの設置や、特に煩雑な配管の引き回し等をすることなく凝縮水を得ることが可能になる。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る空気調和機３００の概略構成図である。空気調和機３００は、冷媒を循環させるヒートポンプサイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。また、空気調和機３００は、暖房運転時において加湿運転をあわせて行うことができるものである。なお、ヒートポンプサイクルは、暖房運転時におけるものを示している。また、実施の形態１及び実施の形態２と同一箇所については同一符号を付し、説明を省略する。

空気調和機３００の加湿ユニット１に設けられている冷却用熱交換器２０には、冷媒配管４１から分岐させたバイパス配管５２とバイパス配管５３とが接続されている。バイパス配管５２は、室内機熱交換器１７を通過した後の、冷媒の一部を冷却用熱交換器２０に搬送するためのものである。また、バイパス配管５２は、キャピラリチューブ２７を備えている。バイパス配管５３は、冷却用熱交換器２０で熱交換した後の冷媒を冷媒配管４１に戻すものである。

キャピラリチューブ２７は、細い管の中を冷媒が通過する時の摩擦抵抗を利用して必要な蒸発温度に相当する低圧圧力（蒸発圧力）まで降下させるものである。キャピラリチューブ２７は、その前後の圧力の変化に対応して冷媒流量が変化するという性質を有している。この性質を利用して、冷媒流量を調節している。なお、冷房運転時に冷媒がバイパス配管５２及びバイパス配管５３に流入させないために逆止弁１２ｃと逆止弁１２ｄとが設けられている。

次に、空気調和機３００の動作について説明する。
まず、吸着風路６から室外空気を吸気する（矢印ａ）。この室外空気には水分が含まれており、この水分が室内の加湿に利用される。そして、この室外空気は、吸着風路６内を流れてデシカントロータ４に到達する。デシカントロータ４は、この室外空気から水分を吸着し、その室外空気を乾燥した空気にする。吸着ファン８は、この乾燥空気を室外に排気する（矢印ｂ）。

空気調和機３００では、室内機熱交換器１７で室内空気と熱交換した後の凝縮した冷媒（０℃程度）を加湿ユニット１内の冷却用熱交換器２０に搬送するようになっている。すなわち、冷媒配管４１を流れる冷媒の一部がバイパス配管５２を介して冷却用熱交換器２０に流入するようになっているのである。また、バイパス配管５２には、キャピラリチューブ２７が備えてあり、このキャピラリチューブ２７によってヒートポンプサイクルの低圧条件（たとえば、表１に示した０．７５ＭＰａ）まで膨張されるようになっている。

キャピラリチューブ２７で膨張された冷媒は、冷却用熱交換器２０の内部に流入し、高温高湿空気と熱交換する。このときの冷媒の温度は、０℃以下であり、室外空気の露点温度（５℃）を大きく下回るため（図４参照）、デシカントロータ４から放出された水分を全て凝縮させることが可能となる。高温高湿空気を冷却する冷媒の温度は、キャピラリチューブ２７の長さで調整可能であり、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒の流量については室外機２に内蔵されている膨張弁１９で制御するようになっている。このように、バイパス管３２は、室外機２と室内機３との間の冷媒配管４１から分岐しているため、室外機２内部を特に加工することなく、高温高湿空気を露点温度以下まで容易に冷却することが可能である。

実施の形態３では、キャピラリチューブ２７によって冷媒を膨張させているが、これに限定するものではなく、膨張弁を設置して冷媒を膨張させてもよい。膨張弁を設置した場合には、冷却温度を弁の開度で細かく制御するようにするとよい。また、実施の形態３では、脱着ファン９の吹出し口を室外へ開放し、ドレンタンク２１に滞留した凝縮水のみを、送水ポンプ２２により水配管２３を介して室内機３へ搬送する場合を例に示したが、これに限定するものではない。

たとえば、脱着ファン９から吹出された、すなわち、冷却用熱交換器２０で凝縮しきれなかった高温高湿空気をドレンタンク２１へ誘導し、凝縮水とともに室内機３に搬送することにより、デシカントロータ４で吸着された室外空気中の水分を無駄なく室内機３へ供給することができる。この場合、送水ポンプ２２は気体も同時に搬送できる、たとえば真空ポンプ等を用い、また水配管２３も気液両用の配管とすればよい。

実施の形態３では、ドレンタンク２１が加湿ユニット１及び室外機２の内部に配置されている場合を例に示したが、これに限定するものではなく、加湿ユニット１及び室外機２の外部に配置してもよい。たとえば、ドレンタンク２１を室外機２の側面等に配置すれば、加湿ユニット１及び室外機２の小型化を図ることが可能になる。また、実施の形態３では、室内機３に搬送された凝縮水を一旦透湿膜２５で受け、そこから滲み出した水分を室内空気と混合し室内に放出する場合を例に示したが、室内機熱交換器１７の吸込み側において、凝縮水を直接噴霧状にして室内空気と混合し、室内に放出してもよい。

実施の形態３では、空気の流れに対し加熱用熱交換器１１、加熱ヒータ１０の順で脱着風路７内に配置されている場合を例に示したが、両者を逆に配置してもよい。また、要求される加湿量（高温高湿空気の量）が少量であれば、加熱ヒータ１０を設置せずに加熱用熱交換器１１のみで脱着空気の昇温を行ってもよい。また、実施の形態３では、冷房運転時においては、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しないようにバイパス配管５０とバイパス配管５１とに逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、冷房運転が行われる夏期に加湿運転を行わない、すなわち、脱着ファン９を運転させなければ、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しても熱交換されないため、逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置しなくてもよい。逆止弁１２ｃ及び逆止弁１２ｄについても同様である。

以上のように、デシカントロータ４から脱着した高温高湿空気の冷却にヒートポンプサイクルで凝縮した後の冷媒を用いることにより、室外空気の露点温度を大きく下回る冷却温度が容易に得られるようになる。そのために、高温高湿空気中の水分を全て凝縮させることが可能となる。また、高温高湿空気を水の状態で室内に搬送することにより、室内へ接続されている水配管２３内の搬送流量を小さくでき、水配管２３内の圧力損失が低減するため、低騒音化を図ることができる。さらに、脱着ファン９の吹出し口を室外に開放することにより、室内へ伝播する騒音を気にすることなく、デシカントロータ４を通過する脱着風量を増加させることができるため、容易に加湿量を増加させることができる。

［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態４に係る空気調和機４００の加湿ユニット１を立体的に示した概略構成図である。空気調和機４００は、冷媒を循環させるヒートポンプサイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。また、空気調和機４００は、暖房運転時において加湿運転をあわせて行うことができるものである。なお、実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３と同一箇所については同一符号を付し、説明を省略する。

空気調和機４００は、空気調和機１００と同様に、デシカントロータ４で生成された高温高湿空気を脱着ファン９により室内外接続ダクト１３を介して室内機３へ搬送する構成となっている。また、空気調和機４００の加湿ユニット１は、室外機２の上に設置されており、室外機連通口２８により室外機２と連通している。なお、室外機ファン１６が吸着ファン８の機能を併用するようになっている。したがって、空気調和機４００では、室外機連通口２８がデシカントロータ４と吸着ファン８との間に配置されている。

図７は、デシカントロータ４の構成を示す詳細図である。図に示すように、デシカントロータ４は、それぞれの動作内容（吸着、脱着、熱回収）に対応するように、吸着領域４ａと、脱着領域４ｂと、熱回収（パージ）領域４ｃとに分割されている。これらの領域は、デシカントロータ４の回転を停止させたとき、その停止位置での役割を示している。つまり、吸着領域４ａが脱着風路７に面する位置に回転移動すれば脱着領域４ｂとなり、さらに回転移動すれば熱回収（パージ）領域４ｃとなるのである。ここでは、吸着風路６と脱着風路７との内径に対応した中心角で内分されている場合を便宜的に示している。

すなわち、吸着領域４ａが吸着風路６に対応し、脱着領域４ｂと熱回収（パージ）領域４ｃとが脱着風路７に対応していることになる。これらの領域は、デシカントロータ４の回転により、順次移動するようになっている。なお、吸着領域４ａは、加湿ユニット１の背面側半分を占有する場合を示しており（すなわち、中心角が１８０°とする）、脱着領域４ｂと熱回収領域４ｃとは、加湿ユニット１の前面側半分を占有する場合を示している（すなわち、脱着領域４ｂと熱回収領域４ｃとの中心角が２：１から１：１の範囲で内分されるものとする）。

次に、空気調和機４００の動作のついて説明する。
まず、加湿ユニット１背面から室外空気を吸気する。この室外空気には水分が含まれており、この水分が室内の加湿に利用される。デシカントロータ４の吸着領域４ａで室外空気から水分を吸着し、その室外空気を乾燥空気にする。この乾燥空気は、室外機連通口２８を通って室外機２内部へ導かれる。そして、室外機ファン１６により、室外熱交換器１５を通過した空気と共に室外機２前面から室外に排気される。

一方、加湿ユニット１背面から吸気した室外空気（脱着空気）は、デシカントロータ４の熱回収領域４ｃに到達する。そして、この脱着空気は、脱着領域４ｂで与えられた熱を回収した後、ヒータケース２６の中に導かれ、加熱用熱交換器１１により昇温されて高温空気となる。この高温空気が、脱着領域４ｂを通過する際に、吸着領域４ａで吸着された水分を脱着しする。そして、この水分と高温空気とが一体となって高温高湿空気が生成される。生成された高温高湿空気は、脱着ファン９により室内外接続ダクト１３を介して室内機３に搬送されて室内を加湿する。

実施の形態４では、空気調和機４００のヒータケース２６内に加熱用熱交換器１１のみを設置している場合を例に示したが、より多くの加湿量を得るために加熱ヒータ１０を併設してもよい。また、加熱用熱交換器１１と加熱ヒータ１０とを併設した場合、その配置順序を特に限定するものではない。また、実施の形態４では、冷房運転時においては、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しないようにバイパス配管５０とバイパス配管５１とに逆支弁１２ａと逆止弁１２Ｂｂとを設置している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、冷房運転の行われる夏期に加湿運転を行わない、すなわち、脱着ファン９を運転させなければ、加熱用熱交換器１１に冷媒が流入しても熱交換されないため、逆支弁１２ａと逆止弁１２ｂとを設置しなくてもよい。

実施の形態４では、デシカントロータ４において生成された高温高湿空気を、脱着ファン９により室内外接続ダクト１３を介して室内機３に搬送している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、実施の形態２や実施の形態３で示したように、冷却用熱交換器２０やドレンタンク２１等を設置し、水配管２３を介して凝縮させた水の状態で室内機３へ搬送してもよい。

また、実施の形態４では、デシカントロータ４に熱回収（パージ）領域４ｃを設け、脱着領域４ｂに与えられた熱を回収し、脱着空気を昇温している場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、熱回収（パージ）領域４ｃの面積を小さく設定して（全く、設けなくても構わない）、脱着領域４ｂの面積を大きくして加湿量（高温高湿空気の量）の増加を図ってもよい。

以上のように、加湿ユニット１と室外機２とを一体化させて構成すれば、室外機ファン１６が吸着ファン８の機能を兼用することが可能になり、吸着ファン８を削減することができる。すなわち、加湿ユニット１内に無駄なスペースがなくなり、加湿ユニット１のコンパクト化を実現することが可能になる。そして、加湿ユニット１の小型化が実現可能であれば、製造コストを低減することにもなる。

図８は、デシカントロータ４を構成する吸着剤の成分に応じた等温吸着線を示す概念図である。ここでは、吸着剤としてシリカゲルとゼオライトとを混合させて、それらの配合比を３パターンに変化させたものを示している。また、横軸は対象空気の相対湿度（％）を、縦軸は水分の平衡吸着量（ｋｇ／ｋｇ）をそれぞれ示している。等温吸着線２９は、シリカゲル１００％で吸着剤を構成した場合の等温吸着線を示している。等温吸着線３０は、ゼオライト１００％で吸着剤を構成した場合の等温吸着線を示している。等温吸着線３１は、ゼオライトとシリカゲルとの配合比が８：２で吸着剤を構成した場合の等温吸着線を示している。

シリカゲルは、一般的な性質として、高湿度範囲において吸着量が多くなるために除湿用途に適している。ゼオライトは、一般的な性質として、シリカゲルとは反対に広い湿度範囲でほぼ一定の吸着量を有しているために加湿用途に適している。また、ゼオライトは、吸着及び脱着の反応速度が速いという特性がある。このシリカゲル及びゼオライトが有する性質を併せれば、高湿度範囲における吸着量を確保しつつ、より広い湿度範囲における対応が可能となることになる。

以上のように、シリカゲルとゼオライトとを混合した吸着剤をデシカントロータ４に担持させれば、室外の高湿空気を吸着し、吸着した水分を脱着して高温高湿空気を生成することを、効率良く行うことができるのである。特に、ゼオライトとシリカゲルとの配合比を８：２あるいは７：３程度に配合することにより（すなわち、ゼオライトを多めに配合）、脱着の速度が向上し、より高い加湿性能を確保することができるようになる。なお、ゼオライトの単純な吸脱着試験では、ゼオライトを多めに配合した場合、脱湿速度が２割程度増加することを確認している。

図９は、ゼオライトの各終端カチオン種による吸着エネルギ分布の解析結果を示す説明図である。ここでは、横軸に吸着エネルギを、縦軸に水分量（水分子数）をそれぞれ示している。つまり、各吸着エネルギで吸着している水分量を、吸着エネルギの小さい方から積算したものをグラフ化したものである。図９（ａ）は、ゼオライトの終端カチオンがＮａ（ナトリウム）の場合における吸着エネルギ分布を示したものであり、図９（ｂ）は、ゼオライトの終端カチオンがＫ（カリウム）の場合における吸着エネルギ分布を示したものである。図中に示すの各線は、それぞれのＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比における分布を示している。

カオチンとは、ゼオライトの分子構造、すなわち、イオン結合した陽イオンのことである。このカオチンを様々な物質でイオン交換することにより、吸着特性が変化するのである。この性質により、吸着特性を改善することが可能になる。なお、ゼオライトを増やす目的は、吸着量を増加させるためである。一方、ゼオライトを増やすと吸着エネルギも増加することになる。そのために、終端カオチンを変化させれば、吸着エネルギを減少させることができ、脱着時に必要な入力エネルギを減らすことが可能になる。すなわち、吸着量を増やしつつ、入力エネルギの増加の低減が可能になる。

図９（ａ）の終端カチオンがＮａのときは、水分の吸着している吸着エネルギが４０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上までの広い範囲にわたっているのに対し、図９（ｂ）の終端カチオンがＫのときには、２０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の範囲でしか吸着していないことがわかる。これは、水分子がゼオライトへ吸着する位置等が起因すると考えられる。すなわち、Ｋカチオンの場合は、ポアフィーリングと呼ばれる吸着エネルギの小さい酸素の六員環への吸着だけであるが、Ｎａカチオンの場合は、吸着エネルギの大きいカチオン種静電場への吸着する水分子も存在するためである。

ここで、加熱容量５００Ｗのヒータにより、加湿量を確保するために脱着し得る吸着エネルギは、たとえば加湿量５００ｃｃ／ｈでは約１３ｋｃａｌ／ｍｏｌと試算され、これ以上のエネルギで吸着している水分については、５００Ｗのヒータでは脱着しないことになる。したがって、図９（ａ）のＮａカチオンの吸着エネルギ分布において、２０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上のエネルギで吸着している水分は加湿に寄与することはない。

一方、図９（ｂ）のＫカチオンの吸着エネルギ分布において、吸着しているほとんど全ての水分が加湿に寄与し、その量はどのＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比においてもＮａカチオンの吸着エネルギの倍程度となる。特に、ゼオライトは、１０〜２０ｋｃａｌ／ｍｏｌにおいて吸着量の多い、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比が２．５〜３．０のＹ型ゼオライトを使用することが望ましい。

さらに、ここでは５００Ｗという一定の加熱量に対する脱着水分量についての場合を例にに説明したが、吸着エネルギの小さいＫカチオンのゼオライトを用いることにより、同じ水分量を脱着するのに必要なヒータの加熱量を少なくすることが可能になる。すなわち、ヒータを使用しなくても、加熱用熱交換器１１等で加熱することができ、低温脱着が可能になる。これは、同時に消費エネルギの低減になり、省エネ効果にもなる。

このＫカチオンのゼオライトは、比較的安価なＮａカチオンのゼオライトを用い、ＮａイオンをＫイオンに交換してＫカチオンのゼオライトを生成するのが一般的である。この際、なるべくＫイオンを多く、例えばＫイオン：Ｎａイオンを９０％：１０％とすれば、上述のように吸着エネルギが小さくなるので、一定の加熱量に対する水分脱着量の増加、あるいは一定の水分脱着量に必要な加熱容量の削減等の効果がある。また、Ｋイオンへの交換量を減らし、たとえばＫイオン：Ｎａイオンを５０％：５０％程度とすれば、イオン交換にかかるコストを削減しつつ、吸着エネルギ低下の効果も期待できる。

以上のように、吸着剤としてゼオライトとシリカゲルとを混合し、その配合比をゼオライトが半分以上、すなわち、シリカゲルより多めとすることにより、広い湿度範囲への対応が可能で、また脱着の速度が早くなるため、より高い加湿性能を確保することができる。また、ゼオライトの終端カチオンを、吸着エネルギの小さいＫカチオンとすることにより、一定の加熱量に対する加湿量が増加、あるいは一定の水分脱着量に必要な加熱容量の削減、すなわち低温脱着が可能となり、加湿効率が向上する。

図１０は、デシカントロータ４の構成の一例を示す概略構成図である。このデシカントロータ４は、２つのロータで構成されている。高湿空気用ロータ３２（第１デシカントロータ）は、高湿空気用ロータ吸着領域３２ａと、高湿空気用ロータ脱着領域３２ｂとで構成されている。低湿空気用ロータ３３（第２デシカントロータ）は、低湿空気用ロータ吸着領域３３ａと、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂとで構成されている。矢印ａは、吸着時の空気の流れを示している。また、矢印ｂは、脱着時の空気の流れを示している。

図１１は、デシカントロータ４に担持される各種吸着剤の等温吸着線の概念図である。図１１では、横軸は対象空気の相対湿度（％）を、縦軸は水分の平衡吸着量（ｋｇ／ｋｇ）をそれぞれ示している。等温吸着線３０は、ゼオライト１００％で吸着剤を構成した場合の等温吸着線を示している。等温吸着線３４は、１．５ｎｍ（ナノメートル）程度の細孔が多数設けられた多孔質ケイ素材料で吸着剤を構成した場合の等温吸着線を示している。ここで、高湿空気用ロータ３２として等温吸着線３４で示される多孔質ケイ素材料を担持したものを用い、低湿空気用ロータ３３として等温吸着線３０で示されるゼオライトを担持したものを用いてデシカントロータ４を構成するとよい。なお、この多孔質ケイ素材料は、たとえばメソポーラスシリカ等で構成するとよい。

等温吸着線３４に示す多孔質ケイ素材料は、空気の相対湿度が３０％から４０％の範囲における水分の平衡吸着量の変化率である傾斜が、３０％未満または４０％を超える範囲における傾斜よりも顕著に大きいという性質を有している。なお、この相対湿度３０％を第１相対湿度と、この相対湿度４０％を第２相対湿度とそれぞれ称することにする。そうすると、多孔質ケイ素材料の細孔径を増加または減少することにより、第１相対湿度及び第２相対湿度を変化させることが可能になる。等温吸着線３０に示すゼオライトは、空気の相対湿度が２０％以下の範囲における水分の平衡吸着量の変化率である傾斜が、２０％を超える範囲における傾斜よりも大きいという性質を有している。なお、この相対湿度２０％を第３相対湿度と称することにする。

図１０に基づいて、デシカントロータ４の動作を説明する。このデシカントロータ４を、空気調和機１００〜空気調和機４００に設置すれば、すなわち、デシカントロータ４の高湿空気用ロータ３２及び低湿空気用ロータ３３を吸着風路６の上流側から見て高湿空気用ロータ３２が手前にくるように設置すれば、吸着ファン８で吸気された室外空気は、高湿空気用ロータ吸着領域３２ａ、低湿空気用ロータ吸着領域３３ａの順序で通過して水分を吸着され、乾燥空気となって室外に排気される（矢印ａ）。

一方、脱着風路７では、脱着ファン９で吸気された室外空気が、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０により昇温された後、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂ、高湿空気用ロータ脱着領域３２ｂの順序で通過する。このとき、高湿空気用ロータ３２及び低湿空気用ロータ３３がそれぞれ回転し、高湿空気用ロータ吸着領域３２ａ、低湿空気用ロータ吸着領域３３ａで吸着した水分は脱着風路７側に移行し、高温空気により脱着されて高温高湿空気となる（矢印ｂ）。なお、ここでは、７℃／８７％ＲＨの室外空気を吸着風路６及び脱着風路７で吸気している。

図１２は、空気相対湿度の変化を表す概念図である。図１２において、空気相対湿度変化３５は吸着時における高湿空気用ロータ３２及び低湿空気用ロータ３３での室外空気の相対湿度を（図１２（ａ））、空気相対湿度変化３６は脱着時における高湿空気用ロータ３２及び低湿空気用ロータ３３での室外空気の相対湿度を（図１２（ｂ））それぞれ示している。吸着風路６において、７℃／８７％ＲＨの室外空気は、まず高湿空気用ロータ吸着領域３２ａを通過し、空気中の水分が吸着される。

図１１で示したように、高湿空気用ロータ３２に担持されている多孔質ケイ素材料の吸着量は、高湿空気に対して多く、相対湿度４０〜３０％の範囲で急激に低下する。そのために、室外空気は、吸着時の空気相対湿度変化３５に示されているように、高湿空気用ロータ吸着領域３２ａ流入初期においては、多くの水分が吸着されてロータの厚み方向に対して相対湿度が低下する。

しかしながら、相対湿度３０％以下になると吸着量は、ほとんど変化しなくなる。これに対し、高湿空気用ロータ３２の下流に配置された低湿空気用ロータ３３に担持されているゼオライトの吸着量は、図１１で示したように、相対湿度１００〜２０％程度までほとんど変わらず、かつ多孔質ケイ素材料より多いので、高湿空気用ロータ吸着領域３２ａから流出した低湿空気の水分は、低湿空気用ロータ吸着領域３３ａにおいてある程度吸着される。

一方、脱着風路７においては、７℃／８７％ＲＨの室外空気は、加熱用熱交換器１１及び加熱ヒータ１０により昇温された後、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂに流入する。ここで、室外空気が仮に５０℃まで昇温されたとすると、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂへの流入空気条件は５０℃／７％ＲＨとなる。図１１で示したように、低湿空気用ロータ３３に担持されているゼオライトの吸着量は、相対湿度０〜２０％の範囲では少なく、相対湿度に対する変化率も大きい。そのために、室外空気は、脱着時の空気相対湿度変化３６に示されているように、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂ流入初期においては、ロータに吸着されている水分を脱着し、ロータの厚み方向に対して相対湿度が増加するが、相対湿度２０％以上になるとほとんど変化しなくなる。

これに対し、低湿空気用ロータ３３の下流に配置された高湿空気用ロータ３２に担持されている多孔質ケイ素材料の吸着量は、図１１で示したように、相対湿度０〜３０％までは非常に少なく、４０％までは相対湿度に対する変化率も大きい。そのために、低湿空気用ロータ脱着領域３３ｂから流出したある程度湿度の上がった空気でも、相対湿度が４０％に到達するまでは、高湿空気用ロータ脱着領域３２ｂにおいて、ロータに吸着された水分を脱着することができる。

以上のように、２種類の吸着特性の異なる吸着剤を担持したデシカントロータ４を直列に配置することにより、１種類の吸着剤を使用するよりも吸着量、脱着量が増加し、その結果として、空気調和機の除加湿性能が向上することになる。さらに、等温吸着線３４の多孔質ケイ素材料のように、相対湿度３０〜４０％の範囲で相対湿度に対する吸着量の変化率が大きい、すなわち、第１相対湿度が３０％、第２相対湿度が４０％である吸着剤を用いることにより、相対湿度４０〜１００％まで吸着量が多い状態を維持できるので、より低湿度の空気に対しての吸着量を確保することが可能になる。

また、この吸着量の変化率が大きい相対湿度の範囲は、多孔質ケイ素材料の細孔径を調整することで変更することができる。したがって、細孔径を２．５ｎｍ（ナノメートル）とすることにより、第１相対湿度は４５％、第２相対湿度は６０％となり、図１２（ｂ）に示される脱着時では、高湿空気用ロータ３２における脱着が相対湿度６０％まで継続されることになり、脱着量が増加する。

さらに、等温吸着線３０のゼオライトのように、ゼオライトでは脱着時の空気相対湿度が２０％以下になるまで加熱ヒータ１０や加熱用熱交換器１１で昇温しなければならないが、細孔径が２．５ｎｍ（ナノメートル）である多孔質ケイ素材料では、空気相対湿度が６０％以下であれば脱着が可能となるため、加熱ヒータ１０及び加熱用熱交換器１１の消費エネルギを大幅に削減することができる。

図１２では、低湿空気用ロータ３３に担持する吸着剤を一般的なゼオライトとした場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、図９で示したように、終端カチオンを吸着エネルギの小さいＫ（カリウム）カチオンにしたゼオライトを用いてもよい。この場合、低湿空気用ロータ３３における一定の加熱量に対する脱着量を増加、あるいは一定の水分脱着量に必要な加熱容量を削減できるので、加湿効率を向上することができる。

図１０では、高湿空気用ロータ３２と低湿空気用ロータ３３とを分離し、両者をある程度離して設置している場合を例に示しているが、接触させて設置してもよく、また一体型のロータとし、表裏に別々の吸着剤を担持させてもよい。接触させて設置する場合には、圧力損失が発生しないように、両者のデシカントローターハニカム基材のセル位置を合わせる必要がある。

以上のように、空気中の水分を吸着し、その水分を高温空気により脱着して加湿に用いるデシカントロータ４として、相対湿度に対する平衡吸着量の変化率が、相対湿度３０〜６０％の範囲で急激に変化する吸着剤を担持した高湿空気用ロータ３２と、相対湿度２０％以下で急激に変化する吸着剤を担持した低湿空気用ロータ３３とを直列に配置し、吸着空気を高湿用ロータ側から、脱着空気を低湿用ロータ側から供給することにより、それぞれの吸着剤に適した相対湿度範囲で吸着、脱着が行われるようになる。

すなわち、１種類の吸着剤でデシカントロータ４を構成するよりも加湿能力が向上し、また相対湿度３０〜６０％の範囲で急激に変化する吸着剤を用いることにより、脱着空気の相対湿度を下げるための加熱量を削減できる。そのために、一定の加熱量に対する加湿量の増加、あるいは一定の水分脱着量に必要な加熱容量の削減、すなわち低温脱着が可能となり、加湿効率が向上する。

図７〜図１２で説明したデシカントロータ４を空気調和機４００に備える場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、このデシカントロータ４を空気調和機１００や空気調和機２００、空気調和機３００に備えれば、これらの加湿ユニット１の構造と併せて、さらに加湿性能が向上することになる。また、このデシカントロータ４の性質を利用すれば、消費エネルギの低減及び装置の小型をより一層充実させることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機の概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る空気調和機の概略構成図である。空気調和機の加湿ユニットを立体的に示した概略構成図である。ユニット温湿度条件と冷却用空気温度との関係を示す関係図である。本発明の実施の形態３に係る空気調和機の概略構成図である。空気調和機の加湿ユニットを立体的に示した概略構成図である。デシカントロータの構成を示す詳細図である。吸着剤の成分に応じた等温吸着線を示す概念図である。ゼオライトの吸着エネルギ分布の解析結果を示す説明図である。デシカントロータの構成の一例を示す概略構成図である。デシカントロータに担持される各種吸着剤の等温吸着線の概念図である。空気相対湿度の変化を表す概念図である。

符号の説明

１加湿ユニット、２室外機、３室内機、４デシカントロータ、４ａ吸着領域、４ｂ脱着領域、４ｃ熱回収（パージ）領域、５仕切壁、６吸着風路、７脱着風路、８吸着ファン、９脱着ファン、１０加熱ヒータ、１１加熱用熱交換器、１２ａ逆止弁、１２ｂ逆止弁、１２ｃ逆止弁、１２ｄ逆止弁、１３室内外接続ダクト、１４圧縮機、１５室外機熱交換器、１６室外機ファン、１７室内機熱交換器、１８室内機ファン、１９膨張弁、２０冷却用熱交換器、２１ドレンタンク、２２送水ポンプ、２３水配管、２４ドレンヒータ、２５透湿膜、２６ヒータケース、２７キャピラリチューブ、２８室外機連通口、２９シリカゲル１００％の等温吸着線、３０ゼオライト１００％の等温吸着線、３１ゼオライトとシリカゲルの配合比が８：２のときの等温吸着線、３２高湿空気用ロータ、３２ａ吸着領域、３２ｂ脱着領域、３３低湿空気用ロータ、３３ａ吸着領域、３３ｂ脱着領域、３４多孔質ケイ素材料の等温吸着線、３５吸着時の空気相対湿度変化、３６脱着時の空気相対湿度変化、３９四方弁、４０冷媒配管、４１冷媒配管、５０バイパス配管、５１バイパス配管、５２バイパス配管、５３バイパス配管、１００空気調和機、２００空気調和機、３００空気調和機、４００空気調和機。

Claims

室内機と室外機とを冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルを有する空気調和機であって、
室外空気を吸気して、該室外空気から水分を吸着させるための第１空気流路と、
該水分を脱着するための室外空気を吸気する第２空気流路と、
前記第２空気流路内に吸気された室外空気を昇温させる熱交換器と、
前記第１空気流路内に吸気された室外空気から水分を吸着し、前記熱交換器で昇温された室外空気で該水分が脱着されるデシカントロータとを内蔵する加湿ユニットを備え、
前記冷媒配管を分岐させて前記ヒートポンプサイクルを循環している冷媒を前記加湿ユニットの前記熱交換器に導くバイパス配管を設けた
ことを特徴とする空気調和機。
前記第２空気流路の室外空気出口と前記デシカントロータとの間に冷却器を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記冷却器は、
前記第１空気流路に吸気された室外空気で前記デシカントロータを経由した空気を冷却する
ことを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
前記冷却器は、
前記室外機で凝縮された空気で前記デシカントロータを経由した空気を冷却する
ことを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
前記冷媒配管を分岐させて前記ヒートポンプサイクルを循環している冷媒を前記冷却器に導くバイパス配管を設け、
前記冷却器は、
前記バイパス配管を流れる冷媒で前記デシカントロータを経由した空気を冷却する
ことを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
前記冷却器で冷却された空気からの凝縮水を貯える凝縮容器を備え、
前記凝縮容器内に加熱手段を設けた
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の空気調和機。
前記凝縮容器と、前記室内機とを接続する配管を備え、
前記配管の前記室内機側出口に、透湿膜を設けた
ことを特徴とする請求項６に記載の空気調和機。
前記第１空気流路内に室外空気を排気するための送風手段を備え、
前記送風手段を、前記室外機に内蔵されている送風機と兼用する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空気調和機。
前記デシカントロータに担持される吸着剤は、
ゼオライトとシリカゲルとを混合したものであって、ゼオライトの配合比を多くしたものとする
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の空気調和機。
前記ゼオライトは、
終端カチオン種をカリウムが５０％以上の比率とした
ことを特徴とする請求項９に記載の空気調和機。
前記デシカントロータは、
第１の吸着剤が担持された第１デシカントロータと、第１の吸着剤とは異なる種類の第２の吸着剤が担持された第２デシカントロータとが直列に配置されて構成される
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の空気調和機。
前記第１の吸着剤は、
低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度との範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が、該相対湿度の範囲外における相対湿度に対する前記平衡吸着量の前記変化率よりも大きく、かつ、前記第１相対湿度及び前記第２相対湿度が３０％から６０％までの範囲であるものである
ことを特徴とする請求項１１に記載の空気調和機。
前記第２の吸着剤は、
前記第１相対湿度よりも低湿度である第３相対湿度以下の範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が、前記第３相対湿度以上の範囲における相対湿度に対する前記平衡吸着量の前記変化率よりも大きいものである
ことを特徴とする請求項１１記載の空気調和機。
前記第１の吸着剤の材料を、１．５〜２．５ナノメートルの穴径の細孔が多数設けられたケイ素材料で構成した
ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の空気調和機。
前記第２の吸着剤の材料を、ゼオライトとシリカゲルとを混合したものであって、ゼオライトの配合比を多くして合成したものとし、前記ゼオライトの終端カチオン種を、カリウムが５０％以上の比率とした
ことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の空気調和機。