JP2009156549A

JP2009156549A - 空気調和機の加湿装置

Info

Publication number: JP2009156549A
Application number: JP2007337838A
Authority: JP
Inventors: Takechika Mishima; 毅睦三島; Takaomi Miura; 渉臣三浦
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】室内を加湿するために生成した水を貯留するタンクを必要としない空気調和機の加湿装置を提供することである。
【解決手段】空気調和機の加湿装置において、空気調和機１の室外機２に設けられ、外気中の水分を用いて水を生成する水生成装置７と、水生成装置７と室内との間に配設された水搬送チューブ１４と、水生成装置７により生成された水を水搬送チューブ１４内を通して搬送するチューブポンプ８と、を備え、チューブポンプ８の水１００%時の水搬送量は、水生成装置７の水生成量より大きく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機の加湿装置に関し、特に、外気中に含まれる水分を捕集して液化し、液化した水を室内に搬送して室内を加湿するようにした空気調和機の加湿装置に関する。

冬季においては、外気温度が低下するとともに湿度が低下する傾向にあり、室外は乾燥化する。室内においてもその影響を受けるので、加湿して室内の湿度を上げることが理想である。室内の湿度を上げるためには、室内に専用の加湿器を設置して作動させればよいが、頻繁に加湿水（水道水）を補給する手間がかかり、面倒な作業が要求される。

そこで、加湿水を補給する手間がかからず、確実に室内を加湿できる装置が求められている。この要望に応える装置としては、例えば、下記特許文献１に開示された空気調和機に設けられた加湿装置が知られている。この加湿装置は、外気中の水分を回転式吸着体に吸着させ、水分を吸着した回転式吸着体に温風を送風することにより吸着した水分を回転吸着体から離脱させて高温高湿空気を生成し、高温高湿空気を冷却することにより水（結露水）を生成し、生成した水を室内機に搬送して室内を加湿している。
特開２００３−２０２１３６号公報

特許文献１に開示された加湿装置は、生成された水を一旦タンク内に貯留し、タンク内から室内機に搬送している。このため、タンク内に貯留されている水が汚れる場合があり、また、暖房運転終了後にタンク内に残留する水が冷えて凍結する場合がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、室内を加湿するために生成した水を貯留するタンクを必要としない空気調和機の加湿装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、空気調和機の加湿装置において、空気調和機の室外機に設けられ、外気中の水分を用いて水を生成する水生成装置と、前記水生成装置と室内との間に配設された水搬送チューブと、前記水生成装置により生成された水を前記水搬送チューブ内を通して搬送するチューブポンプと、を備え、前記チューブポンプの水１００%時の水搬送量は、前記水生成装置の水生成量より大きく設定されていることである。

本発明によれば、水生成装置の水生成量に比べてチューブポンプの水搬送量が大きいため、水生成装置で生成された水がチューブポンプにより搬送されずに溢れるという事態が発生せず、水生成装置で生成された水をチューブポンプの入口側で貯留するタンクを不要とすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る加湿装置を備えた空気調和機１は、図１に示すように室外機２と室内機３とを有している。室外機２には、室外熱交換器４、圧縮機５、室外送風機６、水生成装置７、チューブポンプ８が設けられている。室内機３には、室内熱交換器９、気化蒸発器１０、室内送風機１１、結露水を排水するドレンホース１２が設けられている。室外熱交換器４と室内熱交換器９とは、冷媒が流れる冷媒配管１３により接続されている。また、チューブポンプ８と気化蒸発器１０とは、水搬送チューブ１４により接続されている。なお、加湿装置を構成する部材としては、水生成装置７とチューブポンプ８と水搬送チューブ１４とが含まれている。

水生成装置７は、外気中の水分を利用して室内を加湿するための水（結露水）を生成する装置である。この水生成装置７は、図２に示すように、一側部と他側部とが屋外に対して開口されるダクトからなる吸着用通風路１５と、実質的に開口部のない閉ループを構成する循環ダクトである再生用通風路１６とを備えている。

吸着用通風路１５の一側部には、シロッコファンタイプの吸着用送風機１７が配置されている。この吸着用送風機１７を駆動することにより、一方の開口部１５ａから外気が吸込まれ、吸込まれた外気は図中の実線矢印で示すように吸着用通風路１５内を通風して他方の開口部１５ｂから吐出される。すなわち、一方の開口部１５ａが外気導入部となり、他方の開口部１５ｂが外気導出部となる。

再生用通風路１６内には、シロッコファンタイプの再生用送風機１８が配置されている。再生用通風路１６は、上述したように閉ループを構成しているので、再生用送風機１８を駆動することにより、再生用通風路１６内に存在している空気が図中の一点鎖線の矢印で示すように再生用通風路１６内を循環する。

吸着用通風路１５と再生用通風路１６とは、互いの一部が所定長さで並行し、かつ、密に接する部位を備えている。これらの吸着用通風路１５と再生用通風路１６とが接する部位に、吸着回転体１９が設けられている。吸着回転体１９は、吸着用通風路１５と再生用通風路１６との長手方向に対して斜めに傾斜して設けられ、図示しない回転駆動部に連結されている。

吸着回転体１９は、例えば、直径が２０〜３０ｃｍ、厚みが２〜３ｃｍ程度の円盤状であり、３〜５ｒＰｍのゆっくりとした速度で回転される。吸着回転体１９は一側面から他側面に亘って多数のハニカム状空気通路を備えてており、これらのハニカム状空気通路の表面にはゼオライト等の吸湿材が均一な厚みで担持されている。この吸湿材は、低温環境で空気中の水分を効率よく吸着し、高温環境では吸着した水分を速やかに離脱する特性を有する。

吸着回転体１９のハニカム状空気通路の形成方向と、吸着用通風路１５及び再生用通風路１６の長手方向とは一致している。そのため、時間の経過とともに吸着回転体１９が回転するが、回転速度が遅いので、吸着用通風路１５と再生用通風路１６とに通風があるとき、空気は何らの支障なく円滑に吸着回転体１９のハニカム状空気通路内を通過する。

再生用通風路１６の一部に吸着用通風路１５の一部が交差しており、この交差部には凝縮用熱交換器２０が設けられている。この凝縮用熱交換器２０は、再生用通風路１６内を流れる空気が上方から下方へ流通する複数の管路２０ａと、これらの管路２０ａが貫通する複数枚の放熱フィン２０ｂとを備えている。吸着用通風路１５内を流れる外気が、放熱フィン２０ｂの間を管路２０ａと直交する向きに流れる。

再生用通風路１６内における再生用送風機１８による送風方向下流側と吸着回転体１９との間には、再生用送風機１８から吹き出される空気を加熱する空気加熱体２１が設けられている。すなわち、吸着回転体１９に導かれる空気は、吸着回転体１９の直前部位で空気加熱体２１により加熱されて高温化する。この空気加熱体２１としては、圧縮機を可変速駆動する電気回路を構成するインバータ装置のスイッチング素子２１ａや、インバータ装置の電源側に設けられるリアクタ２１ｂ、あるいは、冷凍サイクルを構成する圧縮機５の吐出側に設けられる補助熱交換器２１ｃを用いることができる。いずれも、それ自体の作用に伴って高温化するので、ランニングコストが不要で加熱することができる。

ここで、このように構成された水生成装置７の作用について説明する。水生成装置７により水を生成する場合には、吸着用送風機１７を駆動させ、外気導入側の開口部１５ａから外気を取り込み、取り込んだ外気を吸着用通風路１５に沿って通風させたあと外気導出側の開口部１５ｂから排出する。同時に、再生用送風機１８を駆動させ、再生用通風路１６内で空気を循環させる。さらに、吸着回転体１９を回転駆動させ、及び、空気加熱体２１を発熱させる。

吸着用通風路１５内に取り込まれた外気は、再生用通風路１６との交差部に設けられた凝縮用熱交換器２０の放熱フィン２０ｂ相互間を流通し、後述するように再生用通風路１６内を循環する高温高湿空気と熱交換する。さらに、吸着用通風路１５内に取り込まれた外気は、凝縮用熱交換器２０の放熱フィン２０ｂ相互間を流通したあと、吸着回転体１９の一部に導かれ、ハニカム状空気通路内を流通する。このとき、吸着回転体１９のハニカム状空気通路の表面に担持された吸着材により、外気に含まれる水分が吸着される。なお、吸着回転体１９は回転駆動されているので、吸着用通風路１５において外気中の水分が吸着した部分が時間の経過ととともに再生用通風路１６内に移動する。

再生用通風路１６においては、空気加熱体２１によって加熱された高温の空気が吸着回転体１９の一部に導かれ、ハニカム状空気通路を流通する。高温の空気がハニカム状空気通路内を流通することにより吸着回転体１９が加熱され、吸着回転体１９の吸着材に吸着されていた水分が吸着材から離脱する。この結果、高温の空気には吸着材から離脱した水分が含まれ、吸着回転体１９を通過した後の空気は高温高湿の空気となる。

吸着回転体１９を通過した高温高湿の空気は、凝縮用熱交換器２０に導かれ、凝縮用熱交換器２０の管路２０ａ内を上方から下方へ流通する。一方、凝縮用熱交換器２０の放熱フィン２０ｂ相互間に、吸着用通風路１５内を流れる外気が流通しており、この外気と、管路２０ａ内を流通する高温高湿の空気との間で熱交換が行なわれる。この熱交換により、管路２０ａ内を流通する高温高湿の空気が冷却され、この空気中に含まれる水分が凝縮して管路２０ａの内面に結露水が付着し、室内を加湿するための水（結露水）が生成される。管路２０ａの内周面に付着した結露水は、管路２０ａの内周面に沿って流れ落ち、凝縮用熱交換器２０の下方に配置された受け皿２２上に落下する。受け皿２２の底面は、一方向に向けて傾いている。

チューブポンプ８は、液体のみを搬送することができるとともに、気体が混合した状態の液体を搬送することができるポンプであり、低流量でかつ高揚程の特性を備えている。このチューブポンプ８は、受け皿２２の底面の傾斜方向下端側に接続され、受け皿２２に落下した結露水がチューブポンプ８の入口に自動的に流入するように配置されている。

水生成装置７において生成された水（結露水）は、チューブポンプ８の駆動により水搬送チューブ１４内を搬送され、室内機３内の気化蒸発器１０に供給される。

気化蒸発器１０は、水搬送チューブ１４内を搬送されて供給された水を気化蒸発させる。気化蒸発器１０において水が気化蒸発されることにより、室内が加湿される。

単位時間当たりのチューブポンプ８の水１００％時の水搬送量と、水生成装置７の水生成量とを比較すると、チューブポンプ８の水１００%時の水搬送量は、水生成装置７の水生成量より大きく設定されている。“水１００％時の水搬送量”とは、空気を含まない状態の水を搬送する場合の水搬送量を意味する。具体的には、チューブポンプ８の水搬送量を５００ｃｃ／ｈ、水生成装置７の水生成量を４００ｃｃ／ｈとしている。

なお、チューブポンプ８は、外気温や外気湿度に応じて水生成装置７の水生成量が変動した場合でも、その変動する範囲の水生成量より大きな水搬送量に設定されている。このため、水生成装置７で生成される水の生成量に応じてチューブポンプ８の回転数を変化させる必要がなく、チューブポンプ８は予め設定した一定速度で駆動される。

このような構成において、水生成装置７において生成された水は受け皿２２上に落下し、受け皿２２上に落下した水はチューブポンプ８の入口部分に流れ込む。チューブポンプ８の入口に流れ込んだ水は、チューブポンプ８の駆動により水搬送チューブ１４内を通って室内機３内の気化蒸発器１０に搬送され、搬送された水は気化蒸発器１０において気化蒸発され、室内が加湿される。

ここで、チューブポンプ８の水１００%時の水搬送量は、水生成装置７の水生成量より大きく設定されているため、水生成装置７で生成された水をチューブポンプ８により搬送する場合に、チューブポンプ８による水搬送量が水生成装置７による水生成量に追いつかず、生成された水がチューブポンプ８の入口側で溢れるという事態の発生を防止することができる。したがって、水生成装置７で生成された水を溜めておくタンクをチューブポンプ８の入口側に設ける必要がなく、タンク内に溜まった水が汚れたり、タンク内に残留する水が凍結したりするという不都合の発生を防止することができる。

また、チューブポンプ８は一定速度で回転駆動される構造であるため、室外の温度や湿度に応じて変化する水生成装置７の水生成量を計測するためのセンサや、そのセンサの計測結果に応じてチューブポンプ８の速度を変速制御する制御機構を設ける必要がなく、生成された水を室内に搬送するための機構を簡単化することができる。

なお、第１の実施の形態では、高温高湿の空気を生成し、この空気を凝縮して結露水を生成する方式の水生成装置７を例に挙げて説明したが、水生成装置としてはこの方式に限定されるものではなく、他の方式の水生成装置、例えば、空気を減圧することにより結露水を得る様式の水生成装置を使用することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る加湿装置について説明する。なお、第２の実施の形態に係る加湿装置の外観構成は第１の実施の形態に係る加湿装置と同じであるので、図面は図１及び図２を援用して説明する。

第２の実施の形態に係る加湿装置では、水生成装置７の水生成量を“Ｗ（ｃｃ／ｈ）”、水搬送チューブ１４の水の通過する断面積を“Ｓ（ｃｍ^２）”、水搬送チューブ１４の長さを“Ｌ（ｃｍ）”とするとき、水搬送チューブ１４の容積“Ｓ×Ｌ”が、水生成装置７の水生成量“Ｗ”に対し、１／４＜（ＳＬ／Ｗ）＜１／２となるように設定されている。

言い換えると、水生成装置７の駆動を開始してから１／４時間（１５分）〜１／２時間（３０分）の間に水搬送チューブ１４内が生成された水で満たされ、室内の加湿が開始されるように設定されている。この関係を、水搬送チューブ１４の断面積“Ｓ”を規準に表わすと、
（Ｗ／４Ｌ）＜Ｓ＜（Ｗ／２Ｌ）
となる。なお、水搬送チューブ１４の断面積Ｓは、水搬送チューブ１４の全長における平均値である。

具体的には、水生成装置７の水生成量を“Ｗ＝５００ｃｃ／ｈ”、円筒形の水搬送チューブ１４の内径を“φ＝５ｍｍ”、水搬送チューブ１４の長さを“Ｌ＝１０００ｃｍ”とした場合、断面積Ｓは、０．１９６ｃｍ^２で、“ＳＬ／Ｗ”の値は、０．３９３ｈとなる。また、第１の実施の形態にて説明したようにチューブポンプ８の水１００%時の水搬送量は、水生成装置７の水生成量より大きく設定されていることから、生成した水は即座に水搬送チューブ１４へと搬送されるため、約２４分で水搬送チューブ１４内が水で満たされ、運転を開始してから２４分後に室内の加湿が開始されることになる。

また、水生成装置７の水生成量を“Ｗ＝４００ｃｃ／ｈ”、円筒形の水搬送チューブ１４の内径を“φ＝４ｍｍ”、水搬送チューブ１４の長さを“Ｌ＝１０００ｃｍ”とした場合、断面積Ｓは、０．１２６ｃｍ^２で、“ＳＬ／Ｗ”の値は、０．３１４ｈとなり、約１９分で水搬送チューブ１４内が水で満たされ、運転を開始してから１９分後に室内の加湿が開始されることになる。

このような構成において、この加湿装置によれば、水搬送チューブ１４の断面積Ｓを、（Ｗ／４Ｌ）＜Ｓ＜（Ｗ／２Ｌ）となるように設定することにより、暖房運転と同時に水生成装置７の運転を開始した場合、運転を開始してから１５分〜３０分で室内の加湿を開始することができる。

また、この第２の実施の形態においては、搬送されてきた水を直接室内熱交換器9にたらすことで気化蒸発させて室内の加湿を行なうようになっている。暖房時においては、室内熱交換器９が高温となるため、第１の実施の形態のように新たに気化蒸発器１０を向けることなく、室内の加湿が可能である。この場合、室内に加湿用の水を供給すると、その水を気化するために室内熱交換器９から熱が奪われて室内の空気の温度上昇が妨げられるため、暖房運転を開始してから１５〜３０分の間は、加湿用の水を供給せずに室内の温度上昇を優先させることが好ましい。また、暖房運転を開始してから１５〜３０分の間は、室内の空気の温度が充分に上昇していないことと相俟って、室内の湿度（相対湿度）があまり下がっておらず、早急に加湿する必要性が低い。よって、加湿の開始が、暖房運転を開始した後の１５〜３０分後に開始されることについて不都合はない。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の加湿装置を、図３に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態で説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

第３の実施の形態に係る加湿装置の基本的な構造は第１の実施の形態に係る加湿装置と同じであり、第３の実施の形態では、水搬送チューブ１４に対する防寒対策を施し、水搬送チューブ１４内を搬送される水の凍結を防止するようにしたものである。水搬送チューブ１４は室外機２から室内機３の間に設けられる。この部分は外気に晒されるため、厳冬期では、０℃以下に低下し、内部の水が凍結するおそれがある。

そこで、室外機２内の冷媒配管１３のうち圧縮機５からの吐出側の部分に、冷媒からの熱が伝わる受熱部２３が設けられている。また、熱伝導性のよい銅やアルミニウムの金属で形成された線状の熱伝導体２４が設けられ、この熱伝導体２４は水搬送チューブ１４に沿わせて配設され、一端が受熱部２３に接続されている。熱伝導体２４と水搬送チューブ１４とは、断熱材２５により覆われている。

このような構成において、冷媒からの熱が受熱部２３を介して熱伝導体２４に伝わり、この熱が水搬送チューブ１４に伝えられる。このため、水搬送チューブ１４及びその内部の水が温められ、水搬送チューブ１４内の水が凍結することを防止できる。

なお、この実施の形態では、熱伝導体２４の熱源となる受熱部２３を室外機２の冷媒配管１３に設けた場合を例に挙げて説明したが、このような受熱部を他の箇所、例えば、高温となる圧縮機５の表面や、室内熱交換器９の表面に設けてもよい。

（変形例）
水搬送チューブ１４に対する防寒対策を施し、水搬送チューブ１４内を搬送される水の凍結を防止するようにした構造の変形例を以下に説明する。

線状の熱伝導体２４を図４（ａ）に示すように水搬送チューブ１４の回りに螺旋状に巻き付けてもよい。さらに、熱伝導体２４の形状としては線状のものに限定されず、図４（ｂ）に示すようにテープ状の熱伝導体２４ａを水搬送チューブ１４の回りに巻き付けてもよく、又は、図４（ｃ）に示すようにメッシュ状の熱伝導体２４ｂを水搬送チューブ１４に被せてもよい。

図５に示す構造は、熱伝導体２４が水搬送チューブ１４内に埋め込まれている。

図６に示す構造は、室内機３内に換気用の排気ファン２６が設けられ、排気ファン２６に室外に伸び出す排気用ダクト２７が接続され、この排気用ダクト２７内に水搬送チューブ１４が設置されている。この構造によれば、排気用ダクト２７内には室内から排気される温められた空気が流れ、この空気の熱により水搬送チューブ１４が温められる。

図７に示す構造は、水搬送チューブ１４の途中に水搬送チューブ１４の一部となる金属製のチューブ接続部１４ａが設けられ、このチューブ接続部１４ａが冷媒配管１３に接触している。なお、冷媒配管１３の周囲の一部に断熱配管２８で覆われていない部分が設けられ、断熱配管２８で覆われていない部分において冷媒配管１３とチューブ接続部１４ａとが接触している。この構造によれば、冷媒配管１３内を流れる冷媒の熱がチューブ接続部１４ａを介して水搬送チューブ１４に伝わり、水搬送チューブ１４が温められる。

図８に示す構造は、水搬送チューブ１４の断面積を調整するスぺーサ２９が水搬送チューブ１４の内部に挿通されている。スぺーサ２９は熱伝導性の高い金属で形成され、このスぺーサ２９の一端が受熱部２３に接続されている。この構造によれば、冷媒からの熱が受熱部２３を介してスぺーサ２９に伝わり、スぺーサ２９からの熱により水搬送チューブ１４及びその内部の水が温められる。なお、スペーサ２９を水搬送チューブ１４内に挿入した場合には、水搬送チューブ１４の断面積“Ｓ”はスペーサ２９の挿入前の水搬送チューブ１４の断面積からスペーサ２９の断面積を差し引いた値となることは明らかである。

本発明の第１及び第２の実施の形態に係る加湿装置を備えた空気調和機の全体構造を示す概略図である。加湿装置の構造を示す概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る加湿装置において、水搬送チューブに対する防寒対策を施した構造を示す斜視図である。水搬送チューブに対する防寒対策の構造の変形例を示す斜視図である。水搬送チューブに対する防寒対策の構造の他の変形例を示す縦断正面図である。水搬送チューブに対する防寒対策の構造の他の変形例を示す概略図である。水搬送チューブに対する防寒対策の構造の他の変形例を示す縦断側面図である。水搬送チューブに対する防寒対策の構造の他の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１…空気調和機、２…室外機、７…水生成装置、８…チューブポンプ、１４…水搬送チューブ

Claims

空気調和機の室外機に設けられ、外気中の水分を用いて水を生成する水生成装置と、
前記水生成装置と室内との間に配設された水搬送チューブと、
前記水生成装置により生成された水を前記水搬送チューブ内を通して搬送するチューブポンプと、
を備え、
前記チューブポンプの水１００%時の水搬送量は、前記水生成装置の水生成量より大きく設定されていることを特徴とする空気調和機の加湿装置。
前記チューブポンプは、一定速度で駆動されることを特徴とする請求項１記載の空気調和機の加湿装置。
前記水生成装置の水生成量を“Ｗ（ｃｃ／ｈ）”、前記水搬送チューブの断面積を“Ｓ（cｍ^２）”、前記搬送チューブの長さを“Ｌ（ｃｍ）”とするとき、前記水搬送チューブの断面積“Ｓ”は、
（Ｗ／４Ｌ）＜Ｓ＜（Ｗ／２Ｌ）
に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和機の加湿装置。