JP2009287911A - 切替方式液体デシカント装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 室内の空気の温度と湿度を制御する液体デシカント空調装置は、冷媒圧縮機出入口に設けられた四方弁で加熱と冷却が切り替えられており、除湿暖房時は再生機側熱交換器に高温の冷媒が送られ溶液を加熱、その後膨張弁を通って低温になって処理機側熱交換器へと入り溶液を冷却する。この時、冷媒と溶液が対抗流となるように設定されると、加湿暖房時には冷媒が逆方向に流れるために、熱交換器では冷媒と溶液が並行流となり、熱交換効率が低下する。
【解決手段】 溶液配管に切り替え弁を設けて、熱交換器において冷媒と溶液が対向流となるように溶液の流れを切り替える。
【選択図】図１

Description

液体吸収材を利用した加湿・除湿機能を備えた空調装置に関する技術

最近、地球温暖化対策として、２８℃冷房と２０℃暖房が推奨されている。最先端の空調機でＣＯＰ６以上の効率の高いものが開発されているが、前記の２８℃冷房を行うと室内の湿度は８０％程度となり、不快指数の高い状態となる。

また、室内の炭酸ガスの増加、臭気や浮遊粉塵の除去、院内感染に代表されるような空気感染による疾病の蔓延を防止し、室内の快適な環境を作るべく、換気を適正に行い、室内空気環境を改善するように建築基準法などで換気率が規定されている。

従来のほぼ密閉状態における空調に対し、換気量を増加した場合、空気中の湿分を凝縮させて除去する従来のエアコンでは、夏期の空気中の湿分（絶対湿度で２０ｇ／ｋｇ）の半分を除湿すると、凝縮に使われるエアコンのエネルギーは、エアコンで消費するエネルギーの約７０％に達する。

エアコンの湿分凝縮器要するエネルギーを減少させることがデシカント空調機を採用するメリットであり、エアコンは室内で発生する熱量や外部からの入熱分を冷却する働きを、デシカント空調機は、外部から導入する外気中の湿分を除去する働きをする。

デシカント空調機は、固体デシカントと液体デシカントに大別される。固体デシカントは、ロータ型が最も多く使用されており、蜂の巣状の流路を有する円盤状に吸湿材成形したもので、ファイバーなどで強化されている。このロータの一部に比較的低温度で空気を流して除湿、残りに部分に高温の空気を流して吸湿材を再生する。このロータをゆっくり回転させることで連続的に除湿が行われる。再生には８０−１２０℃の高温空気が使われ、再生空気量は除湿（処理）される空気量の２倍以上となるのが一般的である。再生空気量が少ない場合は、除湿材を多く使用し、再生空気の温度を高くする必要がある。

液体デシカントは、液体の除湿材が用いられる除湿装置である。液体除湿材として、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ）、エチレングリコール（ＨＯ（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｎＨ；Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ、略称ＰＥＧ）、などが使用されている。液体デシカントは、空気と直接接触が高密度で行われ、空気との熱交換を直接、即ち直蝕式熱交換器として高効率の熱交換が行われる。また、固体デシカントの処理と再生が同一の、或いは非常に近接した場所で行われるのに対して、液体デシカントは同じ場所でも、別の場所でも行うことができるという利点を有している。

液体デシカント装置は、上記の溶液の温度を調整して溶液と空気中の水分との分圧の差を利用するものであり、再生機で溶液を加熱して空気中の水分の分圧より溶液の分圧を上げて空気中に水分を放出し、濃くなった溶液を処理機に送り、溶液を冷却して溶液の分圧を空気中の水分より下げて吸収するものである。

溶液の加熱と冷却をヒートポンプで行って高効率化が図られている。ヒートポンプの冷媒は、四方弁で切り替えられ、加熱時と冷却時は管路を逆方向に流れるように設計されている。

液体デシカント空調機は、除湿冷房時にヒートポンプの冷媒で冷却された低温の溶液で空気中の湿分が吸収される処理機と湿分が吸収されて希釈された溶液が冷媒で加熱されて溶液中の水分が大気中に放出される再生機で構成されている。

加湿暖房時には、ヒートポンプの四方弁で切り替えられ、冷媒の流れ方向は除湿暖房時と逆方向に流れる。

技術文献１に記載されているように、図６の凝縮機１４と蒸発器１６では冷媒と溶液が対向流となっているが、図７では冷媒と溶液の流れが並行流となっている。除湿暖房時に冷媒と溶液を熱交換器内で対向流とすると、加湿暖房時には並行流となり、冷媒と溶液間の熱交換効率が大きく低下する。技術文献１に記載されているように一般的に冷媒を四方弁で切り替えて暖房と冷房の切り替えが行われており、このような方法を液体デシカント空調装置に採用すると、前述のごとく冷房又は暖房のいずれかで冷媒と溶液の流れが並行流となることが避けられない。

図４に従来の液体デシカント空調装置の除湿冷房時の構成図を、図５に加湿暖房時の構成図を示している。破線の矢印は冷媒の流れを、実線の矢印は溶液の流れを示しており、除湿冷房時は熱交換器（５１０）と熱交換器（５２０）で冷媒と溶液が対向流となっているが、加湿暖房時は四方弁（８１０）で冷媒の流れが切り替えられ、熱交換器（５１０）と熱交換器（５２０）で冷媒と溶液が並行流となっている。

従来は高温多湿の夏季と低温乾燥の冬季に分かれていた（少なくともそのように考えられていた）が、最近の温暖化なども影響して、冬でも湿度が高い日が多く、春と秋も昼夜の温度と湿度の差が大きく、夜間は暖房、昼間は冷房を行うことが必要となりつつある。

また、多くの人が快適な空気環境を望むようになり、老人や病人には快適湿度域で維持することが必要となりつつある。更に、Ｈ５Ｎ１型インフルエンザで知られるようになった新型インフルエンザ菌のようなウィルスは、５０％以上の湿度では長時間生存ができないため、年中湿度を適切に調整することが望まれている。

従来の液体デシカント空調装置は、技術文献１に示されているように、ヒートポンプの切り替えで加熱と冷却の切り替えが行なわれており、熱容量の大きな冷媒系統の管路や熱交換器が切り替えによって一方は５０℃以上から１０℃以下に、他方は１０℃以下から５０℃以上に加熱冷却され、大きなエネルギー損失が発生する。

技術文献１

特開２００５−２１４５９５

従来の液体デシカント空調装置は除湿冷房と加湿暖房の機能を有しており、冷媒圧縮機の四方弁を切り替えて除湿冷房と加湿暖房を行っている。この場合、溶液側の切り替えは行われないために、冷媒と溶液間の熱交換を行う熱交換器の冷媒の流れが逆方向となり、熱交換効率が低下している。

冷媒の方向を四方弁で切り替えて加熱と冷却を切り替える場合、熱交換器や配管をそれまでの温度から加熱又は冷却により温度を変えるために、熱交換器や配管の有する温熱量又は冷熱量を無駄に消費することになる。

春や秋の中間期においては、夜の気温は低く、昼の温度は高いために、夜は暖房、昼は冷房の必要があり、朝と夕方に冷房と暖房を切り替える必要があり、この切り替えによって前記のような大きなエネルギー損失が発生する。

除湿冷房と加湿暖房時に冷媒の切り替えを行わずに溶液の流れを３方弁などで切り替えて、加湿暖房時には処理機の溶液を熱交換器（５１０）に、再生機の溶液を熱交換器（５２０）に、除湿冷房時には処理機の溶液を熱交換器（５２０）に、再生機の溶液を熱交換器（５１０）に送り、冷媒の流れと溶液の流れが対向流となるように設定する。

図１に除湿冷房時の実施例１の構成を示す。液体デシカント空調装置は、一般の空調機の室内機に相当する処理機（３００）、室外機に相当する再生機（１００）、冷媒圧縮機（６１０）を主体とするヒートポンプ（６００）で構成されている。

再生機（１００）は、空気吸入口（１１０）から吸込まれた空気にノズル（１５０）から噴出された溶液（１５１）に接触、除湿冷房時には高温溶液で空気を加熱、空気中に湿分を放出、加湿暖房時には低温溶液で空気を冷却、空気中の湿分を吸収する働きをする。

処理機（３００）は、空気吸入口（３１０）から吸込まれた空気にノズル（３５０）から噴出された溶液（３５１）に接触、除湿冷房時には低温溶液で空気を冷却、空気中の湿分を吸収、加湿暖房時には高温溶液で空気を加熱、空気中に湿分を放出する働きをする。

ヒートポンプ（６００）は、圧縮機（６００）から吐出された高温高圧の冷媒によって熱交換器（５１０）で溶液を加熱、膨張弁（６２０）で膨張後に低温となった冷媒によって熱交換器（５２０）で溶液を冷却する働きをする。

除湿冷房時、４個の３方弁（７１０）から（７４０）は直線的に流れるように設定されている。図３のＢ→Ａの流れに設定されており、溶液は実線で示した溶液配管（２１０）、（４１０）を通る流れとなっている。

図２に加湿暖房時の実施例１の構成を示す。
４個の３方弁（７１０）から（７４０）は、図３のＣ→Ａの流れに設定され、図２に実線で示された管路を通る流れとなっている。

図１及び図２に示された黒線は溶液が流れることを、グレーの線は溶液が流れないことを示す。

発明の効果

冷媒の切り替えを行う四方弁が不要となり、冷媒側の配管が簡素化されて生産コストが低減される。これに伴い冷媒側の制御が簡素化され、制御用の電子回路も簡素化される。

冷媒と溶液の熱交換は、常に対向流で行われるために、熱交換効率がよくなり、空調装置としてのＣＯＰが高くなる。

除湿冷房と加湿暖房の切り替えを溶液側で行うことができるために、短時間で容易に除湿冷房と加湿暖房の切り替えができる。

冷媒の切り替えを行わないために、熱交換器や冷媒配管の冷媒側の温度変化が小さく、エネルギーを節約できる。

除湿冷房時の実施例１の構成図 加湿暖房時の実施例１の構成図 ３方弁 従来の液体デシカント空調機の除湿冷房時の構成図 従来の液体デシカント空調装置の加湿暖房時の構成図 特開２００５−２１４５９５の除湿冷房時の構成図 特開２００５−２１４５９５の加湿暖房時の構成図

符号の説明

（１００） 再生機
（１１０） 空気吸入口
（１２０）、（３２０） 溶液溜
（１３０）、（３３０） フィルター
（１４０）、（３４０） ファン
（１５０）、（３５０） ノズル
（１５１）、（３５１） 溶液
（２１０）、（２３０）、（４１０）、（４３０） 溶液配管
（２２０）、（４２０） 溶液ポンプ
（５１０）、（５２０） 熱交換器
（６００） ヒートポンプ
（６１０） 圧縮機
（６１０）、（６３０） 冷媒配管
（６２０） 膨張弁
（７１０）、（７２０）、（７３０）、（７４０） ３方弁
（８１０） 四方弁

Claims (1)

1. 冷媒圧縮機を有するヒートポンプ、水分を吸収する溶液（例えば塩化リチウム、塩化カルシウムなど）、溶液を散布して空気中の湿分を吸収又は空気中に湿分を放出する処理機と再生機、冷媒と溶液間の熱交換を行う少なくとも２個の熱交換器、冷媒配管、溶液配管、少なくとも４個の溶液切り替え弁で構成される液体デシカント空調装置において、熱交換器において冷媒と溶液の流れが対抗流となるように溶液の流れを弁（例えば３方弁）で切り替えられることを特徴とする液体デシカント空調装置。