JP2006317012A - エアコン - Google Patents

Abstract

【課題】 大幅な省エネルギー化ができても、価格が相応以上に高価については普及が困難になる。このコストアップを最小に抑える事が課題で、最も高価な部品である圧縮機を１台のままでこの省エネルギー化改善を実施することが理想である。
【解決手段】 最近、市販されているエアコンの一部に直列２段圧縮型の冷媒ガス圧縮機を搭載した高性能機種があるが、その直列２段圧縮型の圧縮機の低圧段に除湿用の冷媒・空気熱交換器で蒸発した低温の冷媒ガスを、高圧段に冷却用の冷媒・空気熱交換器で蒸発した比較的に高温の冷媒ガスを吸入させて、前者については在来の圧縮比で、後者については在来より遥に低い圧縮比で圧縮し、圧倒的大部分を占める冷却負荷に関わる圧縮機入力の削減を１台の圧縮機によって可能とする。
【選択図】 図１

Description

空気調和設備に関する。

従来のエアコンは一つの空気・冷媒熱交換器と一対の冷媒ガスの出口、入口をもつ圧縮機を使用して、空調の重要な要素である処の冷却と除湿との２つの操作を同時に行って来た。従って、冷房時のその冷媒・空気熱交換器における冷媒の蒸発温度は除湿には欠かせない条件である室内空気の露点温度より低い５℃〜７℃程度の低温であることが必要で、逆に室内温度を２５℃程度の適温に保つ事を目的とする冷却のためには低すぎ、エアコンの快適性を阻害している。

殊に住宅のサッシュがアルミなどで気密度が高くなった今日では室内における除湿の必要性の要因は在室者が発生する水蒸気が主で、多湿の隙間風による除湿の必要性は殆どなくなり、従って従来に比較すると、除湿の要求度合いが極端に減り、逆に家電製品の多用などにより冷却の要求度合いが増して来ている。

この冷却に対しては室温を２５℃程度に保つと言う目的から考えても、給気温度は家庭用の様にエアコン使用時間が長い場合は低すぎない方が望ましく、たっぷりな風量による２２℃以上での給気が快適である。その観点から、冷却を対象とする場合の蒸発温度は１９℃〜２１℃で充分と考えられる。低温を好む者は風量を減らして使用することもできる。

然し乍ら、従来のエアコンでは冷媒・空気熱交換器は一つで、冷媒圧縮機による冷媒ガスの圧縮比も単段圧縮であるがために一つの数値に限られており、除湿に必要な露点温度以下の低温で、僅かな除湿と大部分を占める冷却との双方を行わざるを得ない状態であり、冷却については不必要な圧縮比での冷媒ガスの圧縮が行われ、非省エネルギー的であった。

エアコンを使用する側から見ても、吹き出し口から給気される冷風が除湿の必要性からどうしても室内空気の露点温度より低い１２〜１３℃程度の低温となっているため、不快なコールドドラフトを感じたり、室内の空気温度に大きなバラツキが生じたり、冷房病と言われる倦怠感などを惹起する原因ともなっている。

上に述べたように、サッシュなどの建築部材の進歩により、隙間風が減って、テレビ、照明、パソコンなど電気製品が増し、除湿の要求が減って冷却の要求が増していると言う家庭用、小形業務用エアコンが使用される状況に変化が生じて来た一方で、人類にとって省エネルギーは大層に重要な課題ともなって来た今日、除湿と冷却とを一つの冷媒・空気熱交換器で処理する従来からのエアコンは今日的な社会の要求に合致せず、非省エネルギー的であり、快適さを作る事が本来の目的でありながら、給気温度が低すぎてその目的をも十分に達していない。

本発明は上の問題を解決する方法として、エアコンの冷房時の除湿能力と冷却能力との実際に必要な比率に概ね合致させて、除湿用の冷媒・空気熱交換器と冷却用の冷媒・空気熱交換器、すなわち、冷房使用時の蒸発器を除湿用蒸発器と冷却用蒸発器の２台に別け、それぞれ別々の目的に適した冷媒の蒸発温度で使用する様に改める事を提案するものである。

その実施方法として、在来のエアコンと余り掛け離れた価格になり、その普及を妨げる事のないよう、エアコンを構成する部品の内、最も高価な冷媒圧縮機を２台にせず、例えば２シリンダー型直列２段圧縮式ロータリー圧縮機の如く、現在すでにエアコンの性能向上のために一部の製品に使用されている部品を利用して、低圧側、高圧側の２段の異なる冷媒ガスの吸入圧力を利用して、２つの異なる冷媒の蒸発温度を除湿用と冷却用に別けられた２台の蒸発器で、前者では低圧段の低い蒸発温度で、後者では高圧段の高い蒸発温度で運転できる様に工夫した。

本発明ではエアコンの主要部品を上に述べたように、除湿と冷却とを別々の冷媒・空気熱交換器でそれぞれに適した冷媒の蒸発温度で冷房運転を可能とし、かつ高価な冷媒ガス圧縮機を直列２段圧縮型として１台で運用できるようにした。

この改善によって、冷房負荷の内、１０％程度の除湿に関しては在来通りに、室内空気の露点温度より低い５℃〜７℃程度の低温の蒸発温度で冷媒ガス圧縮機の低圧段の吸い込み圧力を利用して冷凍サイクルを運用するが、他方、冷房負荷のうち、９０％程度の圧倒的大部分を占める冷却については、室内空気露点温度に関わりなく、室内空気乾球温度より低い１９℃〜２１℃程度のこれまでには考えられない高い蒸発温度で冷媒ガス圧縮機の高圧段の高い圧力を利用して、高圧段のみの、在来と比較すると１／３程度の圧縮比で冷凍サイクルを運用することが可能となる。

冷凍サイクルの理論効率ηは周知の通り次式で計算される。
η＝（２７３＋Ｔｅ）／（Ｔｃ−Ｔｅ）
茲に、Ｔｃ；凝縮温度℃、Ｔｅ；蒸発温度℃

在来のエアコンで蒸発温度６℃、凝縮温度は空冷式として５２℃とした場合の冷凍サイクルの理論効率η_１は
η_１＝（２７３＋６）／（５２−６）＝６．１
他方、本発明による、２段式の蒸発温度により、１０％の除湿に関する蒸発温度を在来のエアコンと同様に６℃、９０％を占める冷却に関する蒸発温度を２０℃とし、凝縮温度は共に在来と同様の５２℃とした場合の冷凍サイクルの理論効率η_２は
η_２＝｛（２７３＋６）／（５２−６）｝×０．１
＋｛（２７３＋２０）｝／（５２−２０）｝×０．９＝９．１
両者の比較は６．１／９．１＝０．６７ となり３３％の省エネルギー化が実現する。室内循環ファンの風量が増すことによるファン電力の増加分を見込んでも充分に３０％に省エネルギー化は達成できる。

また、本来、快適な居住性を図る事を目的とするエアコンが、過冷な給気のためにその快適性が損なわれる傾向があった処が、本発明により適温で冷却が行われる様になり、本来の快適な居住性を実現出来る。さらに、低圧段の圧縮と高圧段の圧縮との比率を冷媒の流量制御によって変更することにより、これまでのエアコンでは不可能だった温度と湿度の独立した調節も可能となる。

さらに、除湿用冷媒・空気熱交換器の空気下流側に、凝縮器からの暖かい液冷媒による再熱用冷媒・空気熱交換器を設ければ、液冷媒の過冷却が確実に得られ冷凍サイクルの効率が更に改善されると同時に、除湿のために低温となった空気が室内に給気される前に適温まで再熱され、コールドドラフトなどの不快の原因を完全に防止出来る。

本発明を実施するためのエアコンは次の通りの構成とする。すなわち、冷媒ガス圧縮機からの高温高圧の吐出ガスは高圧冷媒ガス管を経て室外機の空冷凝縮器、または水冷凝縮器または散水蒸発冷却式凝縮器に入り、凝縮して常温高圧の液冷媒となり、冷媒液管を経て、絞り装置に至る。ここまでは従来のエアコンと特に変わりがない。絞り装置は除湿を目的とする低圧用と、冷却を目的とする高圧用の２組を並列接続とし、それぞれに絞りを調節出来る構造として、低圧用の絞り装置出口を除湿用の冷媒・空気熱交換器に接続し、高圧用の絞り装置出口を冷却用の冷媒・空気熱交換器にそれぞれ接続する。

それぞれの絞り装置で圧力を低く保たれた冷媒・空気熱交換器に入った冷媒液は蒸発し低温となり、熱交換器を通過する空気から熱を奪って蒸発し、冷媒ガスとなる。除湿用の冷媒・空気熱交換器からの冷媒ガス出口管は直列２段圧縮型冷媒ガス圧縮機の低圧段の入り口に接続され、冷却用の冷媒空気熱交換器からの冷媒ガス出口管は直列２段圧縮型冷媒ガス圧縮機の高圧段の入り口に接続される。

除湿用の冷媒・空気熱交換器と冷却用の冷媒・空気熱交換器の空気流通上の配置関係は、室内からの還気がフィルター通過の後、まず冷却用の冷媒・空気熱交換器を通過し２５℃の空気は２３℃程度まで冷却され、その空気流の上流側に置かれた冷却用の冷媒・空気熱交換器より遥に空気通過面積の小さな除湿用の冷媒・空気熱交換器を、その２３℃の空気の一部分が通過し、そこを通過する２３℃の空気は更に１０℃程度まで冷却除湿される。

外気を取り入れるエアコンについては取り入れ外気の全量をこの除湿用の冷媒・空気熱交換器を、空気の流速などの関係から必要に応じて冷却用の冷媒・空気熱交換器を通過してきた２３℃の空気の一部分と混合させて通過させるようにすると、湿度の高い外気中に含まれる多くの水蒸気は効率よく除湿される。この様にして冷却された２３℃の空気と一部分さらに除湿されて１０℃になった空気は混合されて２２℃程度の空気となって室内に給気される。

さらに、除湿用の冷媒・空気熱交換器の空気下流側に設置された再熱用の冷媒・空気熱交換器には前記絞り装置に至る前の段階で、凝縮器で液化した暖かい液冷媒を通過させるようにして、ここで液冷媒の持つ温熱と１０℃程度に冷却除湿された低温の空気を熱交換させて、液冷媒を完全に過冷却状態として冷凍サイクルの熱効率を向上させて、かつ、除湿のために１０℃の低温まで冷却された空気を室内に給気する前に室温に近づけて、不快なコールドドラフトや室内温度のバラツキを防止することが出来る。

この除湿空気と冷却用の冷媒・空気熱交換器を出た２３℃の大部分の空気は混合して送風機に吸い込まれ、加圧されて室内に給気される。

本発明による実施例について図面に沿って説明する。

図１

は請求項１についての実施例の系統図を示し、図中１は直列２段圧縮型の冷媒ガス圧縮機で２．３はそれぞれ低圧側シリンダー、高圧側シリンダー、４．５はそれぞれ低圧段の入口管、出口管、６．７は高圧段の入口管、出口管、８は低圧段出口管５と高圧段入口管６を連絡する低圧段高圧段接続管を示すもので、低圧段入口管４には除湿用の冷媒・空気熱交換器９の低圧冷媒ガス出口管１０に、低圧段高圧段接続管８の中央部混合点１１には冷却用の冷媒・空気熱交換器１２の高圧冷媒ガス出口管１３にそれぞれ接続されていて低圧段の吐き出し冷媒ガスと冷却用の冷媒・空気熱交換器１２で蒸発した高圧冷媒ガスとが混合されるようになっている。

高圧段の出口管７は高圧冷媒ガス管１４を経て凝縮器１５へ接続され、凝縮器１５では圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒ガスが、空冷式の場合は冷却用送風機による冷却空気、水冷式の場合は冷却水、散水蒸発冷却式の場合は散水並びに冷却空気によって冷却され液化し、高圧常温の冷媒液となる。

凝縮器１４で液化した高圧常温の液冷媒は液冷媒管１６を経て分岐点１７で、一方は除湿用絞り装置１８を経て圧力が低下し除湿用の冷媒・空気熱交換器９に至り、ここを通過する空気を１０℃程度の低温まで冷却除湿し、これに接続されている低圧冷媒ガス出口管１０を経て、冷媒ガス圧縮機１の低圧段の入口管４から低圧側シリンダー２に入り低圧段で圧縮されて低圧段の出口管５へ吐出される。

他方、分岐点１７から冷却用絞り装置１９を経て圧力が低下した液冷媒は冷却用の冷媒・空気熱交換器１２至り、ここを通過する大量の空気を２３℃程度まで冷却し、これに接続されている高圧冷媒ガス出口管１３から、低圧段高圧段接続管８の中央部混合点１１に至り、低圧段からの圧縮ガスと混合して高圧側のシリンダー３に入り共に高圧段で圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧段の出口管７から高圧冷媒ガス管１４を経て凝縮器１５へ至り冷凍サイクルを形成する。

空気流に沿って説明すると室内２０からの２５℃〜２６℃程度の還気はフィルター２１を経て、冷却用の冷媒・空気熱交換器１２で、高圧段の冷媒ガス入口管６に接続されているため１８℃〜２０℃で蒸発する冷媒に熱を奪われて２３℃程度に冷却される。この際、冷媒の蒸発温度は室内空気の露点温度よりも高いために空気側では結露することがなく、除湿されることもない。

冷却用の冷媒・空気熱交換器１２を出た２３℃の空気の一部分はその下流側に設置された冷却用の冷媒・空気熱交換器１２より小形の空気通過面積を持つ、除湿用の冷媒・空気熱交換器９を通過し、ここで低圧段の冷媒ガス入口管４に接されているため５℃〜８℃で蒸発する冷媒に熱を奪われて１０℃程度に冷却除湿されて除湿用の冷媒・空気熱交換器を出る。

除湿用の冷媒・空気熱交換器９を出た１０℃の低温除湿空気は、冷却用の冷媒・空気熱交換器を通過して２３℃に冷却された大部分の空気と混合して、概ね２２℃程度となり、送風機２３に吸い込まれ、加圧されて室内に給気される。

外気を取り入れるエアコンでは外気吸い込み口２２からの取り入れ外気の全量に冷却用の冷媒・空気熱交換器を通過して２３℃に冷却された空気を熱交換器に流速などから考えて必要に応じて混合し、除湿用の冷媒・空気熱交換器９を通過させて高い湿度を持つ外気の水蒸気を冷却除湿する。

除湿用絞り装置１８と冷却用絞り装置１９をそれぞれ又は片方を自動可変型とすれば、除湿能力、冷却能力に変化を与える事が可能となり、これまでのエアコンでは殆ど不可能だった温度と湿度の双方の調節を温度センサー、湿度センサーなどの信号によって同時に自動調整出来ることとなる。

図２

は請求項６についての説明図で、

図１

の凝縮器１５で凝縮した常温高圧の冷媒液が液冷媒管１６を通過し分岐点１７に至る前に再熱用の冷媒・空気熱交換器２４を除湿用の冷媒・空気熱交換器９の空気下流に設けて、液冷媒の持つ温熱を１０℃まで冷却除湿された出口空気を再熱するために利用するものである。この改良で１０℃の低温空気は除湿能力を保持したまま、室温近くまで再熱され、室内の居住性を向上し、１０℃の低温空気を再熱して温度の低下した液冷媒は完全に過冷却となり、冷房能力が向上し一石二鳥の効果が期待出来る。

直列２段圧縮型の冷媒ガス圧縮機１に替えて、独立した２台の圧縮機を使用することは勿論のこと可能で、またスクロール型圧縮機の様に回転に伴って徐々に各位置で圧力が上昇する圧縮機については、中間ポートを設ける事によって、直列２段圧縮と同様の取り扱いも可能である。

ヒートポンプエアコンについては冷房時に省エネルギー上有効となる直列２段圧縮型の冷媒ガス圧縮機１について、冬季ヒートポンプ運転中は室内ユニットの凝縮器１５で凝縮液化した液冷媒を気液分離器を通過させ、過冷却が不充分で、再ガス化した気体状の冷媒を高圧段の入口管６へ導き、充分に液化した冷媒のみを低圧段の入口管４に分離して導き、空気熱源用の冷房媒・空気熱交換器での熱吸収能力を高めヒートポンプの成績係数の向上に寄与する事ができる。

本発明はエアコンの３０％にも及ぶ省エネルギー改善を可能とし、さらにエアコンによる空調の質を高めることが出来る一方、圧縮機の仕様についても現在、市販されている一部の製品で、性能改善のために既に使用されている直列２段圧縮式の冷媒ガス圧縮機を使用すれば、その他は小形の冷媒・空気熱交換器を１台〜２台追加し、伝熱面積を広げるなどの改良で容易に、あまり高額にならずに実施出来ると考えられるので、当然、家庭用、小形店舗用、小形業務用などに使用されるエアコンとして遍く多くの設備に利用されることは確実と見られる。

は本発明によるエアコンの系統図であり、 は再熱用の冷媒・空気熱交換器を付加してさらに改善を加えた場合の系統図を示す。

符号の説明

１． 直列２段圧縮型の冷媒ガス圧縮機
２． 低圧シリンダー
３． 高圧シリンダー
４． 低圧段の入口管
５． 低圧段の出口管
６． 高圧段の入口管
７． 高圧段の出口管
８． 低圧段高圧段接続管
９． 除湿用の冷媒・空気熱交換器
１０． 低圧冷媒ガス出口管
１１． 中央部混合点
１２． 冷却用の冷媒・空気熱交換器
１３． 高圧冷媒ガス出口管
１４． 高圧冷媒ガス管
１５． 凝縮器
１６． 液冷媒管
１７． 分岐点
１８． 除湿用絞り装置
１９． 冷却用絞り装置
２０． 室内
２１． フィルター
２２． 外気吸い込み口
２３． 送風機
２４． 再熱用の冷媒・空気熱交換器

Claims (8)

1. 冷媒ガス圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器、冷媒配管、送風機などを備えるエアコンの冷媒ガス圧縮機に直列２段圧縮型のものを使用し、蒸発器を冷却用と除湿用に別けて、前者は後者より大量の室内循環空気を流通させ、後者には少ない空気を流通させて、前者における蒸発温度を後者における蒸発温度より高く保ち、前者によって蒸発した比較的高温の冷媒ガスを前者専用の戻りガス管によって前記圧縮機の高圧段吸い込み口に接続し、後者によって蒸発した低温の冷媒ガスを後者専用の戻りガス管によって、圧縮機の低圧段吸い込み口に接続した事を特色とするエアコン。
2. 請求項１における除湿用蒸発器を冷却用蒸発器の空気出口側に直列に並べて、冷却用蒸発器を通過して冷却された空気の一部分がさらに除湿用蒸発器を通過する様にして除湿を容易ならしめた事を特色とする請求項１のエアコン。
3. 請求項１における冷却用蒸発器には室内からの還気のみを通過させて、除湿用蒸発器には少なくとも取り入れ外気の全部と場合によっては還気の一部分とを混合した空気を通過させる様にした事を特色とする請求項１のエアコン。
4. 請求項１のエアコンに使用する冷媒ガス圧縮機を、スクロール型圧縮機とし、圧縮機のローターの１回転の工程の前半と後半に別けて中間に高圧の戻りガス冷媒の入り口を設けて直列２段圧縮型に準じた作用をさせる事を特色とする請求項１のエアコン。
5. 請求項１のエアコンにおいて、絞り装置は高圧段、低圧段共通でもよいが、これを高圧段用の絞り装置と低圧段用に絞り装置に別けて、何れか一方又は双方の絞り装置の絞り性能を可変とした事を特色とする請求項１のエアコン。
6. 請求項１のエアコンにおいて除湿用の蒸発器の空気出口側に、再熱用の熱交換器を設けて、絞り装置に入る前の冷媒液と熱交換させる様にした事を特色とする請求項１のエアコン。
7. 請求項１のエアコンにおいて、圧縮機の吐出管、吸込管、凝縮器の入口管、蒸発器の出口管の間に４方切り替え弁を設けたヒートポンプの機種で、ヒートポンプ運転に際して液冷媒が通過する冷媒液管途上に気液分離槽を設け、ヒートポンプ暖房時に過冷却不足で蒸発しやすい冷媒液から分離した冷媒ガスを冷媒液から分離して、冷房運転の省エネルギーを目的として使用する前記直列２段型圧縮機の高圧段側の圧縮機吸い込み管から吸い込ませる事により暖房運転時の効率を向上させるようにした事を特色とする請求項１のエアコン。
8. 請求項１のエアコンにおいて、直列２段型の冷媒ガス圧縮機に替えて、除湿用冷却用にそれぞれに専用の冷媒ガス圧縮機、凝縮器、絞り装置、冷媒配管などを備えた事を特色とするエアコン。

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