JP2014178098A - 冷却加熱モジュール及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッチ式空気調和装置の性能向上を図る。
【解決手段】応力の付与により発熱し前記応力の解除により吸熱する熱歪部材（21）と、熱歪部材（21）に応力を加えるアクチュエータ（22）と、利用側の熱交換の時間よりも熱源側の熱交換の時間が短くなるように、熱歪部材（21）の熱交換を促進させる熱交換促進手段（40）と、を備えた冷却加熱モジュール（20）を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気の冷却と加熱を行う冷却加熱モジュール、及びこの冷却加熱モジュールを用いた空気調和装置に関するものである。

従来、張力の付与により発熱して張力の解除により吸熱する熱歪材料が知られている。特許文献１には、この種の熱歪材料としてニッケルチタン合金等が開示されている。特許文献１の段落００２０には、熱歪材料からなるワイヤーに張力を付与するとワイヤーが発熱し、ワイヤーの放熱後に張力を解除するとワイヤーが吸熱することが記載されている。また、この特許文献１には、熱歪材料からなる部材を利用した冷却システムが開示されている。

特開２０１２−２２０１８４号公報

前記のように、熱歪材料を用いると、空気の冷却と加熱を行う冷却加熱モジュールを構成できる。このような冷却加熱モジュールを空気調和装置に用いる場合には、例えば、利用側の熱交換と熱源（例えば排熱）側の熱交換を同一の冷却加熱モジュールに交互に行わせるように空気調和装置を構成することが考えられる（以下、このような空気調和装置をバッチ式空気調和装置と呼ぶ）。

しかしながら、このようなバッチ式空気調和装置では、利用側の熱交換が間欠的に行われるので、いっそうの性能向上が求められることになる。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、前記バッチ式空気調和装置の性能向上を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
利用側の熱交換と熱源側の熱交換を交互に行う冷却加熱モジュールにおいて、
応力の付与により発熱し前記応力の解除により吸熱する熱歪部材（21）と、
前記熱歪部材（21）に応力を加えるアクチュエータ（22）と、
利用側の熱交換の時間よりも熱源側の熱交換の時間が短くなるように、前記熱歪部材（21）の熱交換を促進させる熱交換促進手段（40）と、
を備えたことを特徴とする。

この構成では、熱交換促進手段（40）によって熱歪部材（21）の熱交換（例えば排熱）が促進される。

また、第２の発明は、
第１の発明の冷却加熱モジュールにおいて、
前記熱交換促進手段（40）は、前記熱歪部材（21）に水を噴霧するように構成されていることを特徴とする。

この構成では、水の噴霧によって熱歪部材（21）の熱交換（例えば排熱）が促進される。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明の冷却加熱モジュールにおいて、
前記熱交換促進手段（40）は、前記熱歪部材（21）に送風するファン（50）を備え、熱源側の熱交換時には前記熱歪部材（21）への風量を、利用側の熱交換時よりも増大させることを特徴とする。

この構成では、風量調整によって、熱歪部材（21）の熱交換（例えば排熱）が促進される。

また、第４の発明は、
第１から第３の発明の何れかの冷却加熱モジュールを備えたことを特徴とする空気調和装置である。

第１の発明によれば、熱交換促進手段が利用側の熱交換の時間よりも熱源側の熱交換の時間が短くなるように、熱歪材料の熱交換を促進させるので、単位時間当たりに利用できる熱量が増大する。

また、第２の発明によれば、熱源側の熱交換において水を用いるので、空気のみで熱源側の熱交換（熱回収）を行う場合と比べてより速やかに熱交換を行うことが可能になる。

また、第３の発明によれば、より簡単な構成で、熱源側の熱交換を促進できる。

また、第４の発明によれば、いわゆるバッチ式空気調和装置において、熱源側のバッチ時間を利用側のバッチ時間に比べて短く設定できる。その結果、空気調和装置の単位時間当たりの性能が向上する。

図１は、実施形態１に係る空気調和装置を室内に設置した状態を示す概略図であり、図１（Ａ）が冷却動作（後述）の状態を示し、図１（Ｂ）が加熱動作（後述）の状態を示している。 図２は、実施形態１に係る冷却加熱モジュールの概略構成図である。 図３は、熱歪材料のＴ−Ｓ線図の一例である。 図４は、（Ａ）が実施形態１に係る冷却加熱モジュールによる冷却動作の状態を示し、（Ｂ）がその冷却加熱モジュールによる加熱動作の状態を示している。 図５は、（Ａ）が空気のみを用いて利用側の熱交換と排熱側の熱交換を行う空気調和装置におけるバッチ時間を示し、（Ｂ）が本実施形態の空気調和装置におけるバッチ時間を示している。 図６は、（Ａ）が実施形態２に係る冷却加熱モジュールによる加熱動作の状態を示し、（Ｂ）がその冷却加熱モジュールによる冷却動作の状態を示している。 図７は、冷却加熱モジュールの他の構成例を示す。 図８は、他の構成例に係る冷却加熱モジュールの要部拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
〈全体構成〉
図１は、実施形態１に係る空気調和装置（1）を室内（3）に設置した状態を示す概略図であり、図１（Ａ）が冷却動作（後述）の状態を示し、図１（Ｂ）が加熱動作（後述）の状態を示している。空気調和装置（1）は、建物（2）の室内（3）に設置されて、室内（3）を空調（この場合、冷房）するものである。図１に示すように、空気調和装置（1）は、ケーシング（10）、冷却加熱モジュール（20）、ファン（50）、及び制御部（55）を備えている。

ケーシング（10）の内部には、空気通路（P）が形成されている。この空気通路（P）には、冷却加熱モジュール（20）とファン（50）とが配置されている。空気通路（P）は、室内（3）から流入した空気を冷却加熱モジュール（20）へ送り該冷却加熱モジュール（20）で処理された空気を室内（3）へ戻すように構成されている。さらに、空気通路（P）は、室外から流入した空気を冷却加熱モジュール（20）へ送り該冷却加熱モジュール（20）で処理された空気を室外へ戻すように構成されている。ファン（50）は、室内空気（RA）または室外空気（OA）を冷却加熱モジュール（20）へ送るものである。このファン（50）は、制御部（55）でその回転方向を切り換えることで、空気通路（P）における空気の流通方向を切り換えるように構成されている。

〈冷却加熱モジュールの構成〉
図２は、実施形態１に係る冷却加熱モジュール（20）の概略構成図である。図２に示すように、冷却加熱モジュール（20）は、複数の熱歪部材（21）（後述）、アクチュエータ（22）、及び水噴霧装置（40）を備えている。図２に示すように、熱歪部材（21）は、ワイヤー状の部材であり、所定の間隔で横方向（図２における横方向）に配列されている。各熱歪部材（21）は、下端が固定部材（28）に接続され、上端がアクチュエータ（22）に接続されている。

熱歪部材（21）は、応力（例えば張力や圧縮力）を付与することで発熱し該応力の付与を解除することで吸熱する材料（Thermoelastic）によって構成されている。熱歪部材（21）として、例えば、チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）系の合金（例えば形状記憶合金）やエラストマ樹脂が挙げられる。

図３は、熱歪材料のＴ−Ｓ線図の一例である。チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）系の合金の場合、図３に示すように、熱歪部材（21）に応力を加えると、熱歪部材（21）を構成する熱歪材料が母相（オーステナイト相）からマルテンサイト相へと相変化することで、エントロピーが減少し、その分、発熱して熱歪部材（21）自身が加熱される（IからII）。熱歪部材（21）に応力を加えたまま、該熱歪部材（21）を加熱対象物に接触させると、熱歪部材（21）の熱が加熱対象物に伝わる（IIからIII）。こうすることで、熱歪部材（21）の温度は下がる。そして、熱歪部材（21）にかけられている応力を除去（解除）すると、マルテンサイト相から母相（オーステナイト相）に変化する（IIIからIV）。このとき、熱歪部材（21）が断熱されていると、熱歪部材（21）の温度が下がる。温度が下がった熱歪部材（21）に冷却対象物を接触させると、該冷却対象物の熱が熱歪部材（21）に伝わる（IVからI）。

アクチュエータ（22）は、熱歪部材（21）に応力（具体的には引張力）を付与する（この場合、熱歪部材（21）を上向きに引張る）ものである。このアクチュエータ（22）は、制御部（55）に接続され、該制御部（55）によって熱歪部材（21）への引張力の付与と解除とが制御される。アクチュエータ（22）の構成には特に限定はない。アクチュエータ（22）は、例えば、カムやクランクをモータで駆動して往復運動を行う機構を用いて構成できる。アクチュエータ（22）の往復運動により、熱歪部材（21）に対して、引張力の付与と解除を行わせることができる。

−水噴霧装置（40）−
水噴霧装置（40）は、本発明の熱交換促進手段の一例であり、制御部（55）の制御に応じて、霧状の水を各熱歪部材（21）に噴霧するようになっている。水噴霧装置（40）は、タンク（40a）、ポンプ（40b）、ノズル（40c）を備えている。タンク（40a）は、ケーシング（10）内に設けられ、熱歪部材（21）に噴霧する水が蓄えられている。ポンプ（40b）は、その吐出口がノズル（40c）に配管接続され、タンク（40a）から吸入した水をノズル（40c）から噴霧する。ノズル（40c）は、その吐出口が熱歪部材（21）に向けて設置されている。

ポンプ（40b）の制御(オンオフ制御、流量制御等)は、制御部（55）が行う。なお、冷却加熱モジュール（20）の下側には、ドレンパン（40d）が設けられている。ドレンパン（40d）は、噴霧された水が冷却加熱モジュール（20）から流れ落ちた場合に、それを受け止めて室外に排出するようになっている。

−運転動作−
空気調和装置（1）の運転動作について説明する。この空気調和装置（1）では、室内（3）を冷房するための冷房運転が行われる。冷房運転では、所定の時間間隔で冷却動作と加熱動作が交互に行われる。図４は、（Ａ）が実施形態１に係る冷却加熱モジュール（20）による冷却動作の状態を示し、（Ｂ）がその冷却加熱モジュール（20）による加熱動作の状態を示している。本実施形態の冷却加熱モジュール（20）は、利用側の熱交換と熱源側（この例では排熱側）の熱交換を交互に行う。

〈冷却動作〉
まず、冷却動作（利用側の熱交換）について、図１（Ａ）及び図４（Ａ）を参照しながら説明する。冷却動作が開始すると、ファン（50）によって、室内空気（RA）が空気通路（P）へ流入して、冷却加熱モジュール（20）へと送られる。この時、冷却加熱モジュール（20）では、熱歪部材（21）に付与されていた引張力が解除される。

熱歪部材（21）に付与されていた引張力が解除されると、熱歪部材（21）は吸熱しつつ下向きに縮む。この時、熱歪部材（21）の間を通過する空気が冷却される。そして、その冷却された空気は、空気通路（P）を通って室内（3）へと供給される。

〈加熱動作〉
次に、加熱動作（排熱側の熱交換）について、図１（Ｂ）と図４（Ｂ）とを参照しながら説明する。

加熱動作が開始すると、ファン（50）によって、室外空気（OA）が空気通路（P）へ流入して、冷却加熱モジュール（20）へと送られる。この時、冷却加熱モジュール（20）では、アクチュエータ（22）が駆動して、熱歪部材（21）に引張力が上向きに付与される。また、制御部（55）によってポンプ（40b）が駆動されて、ノズル（40c）からは、タンク（40a）内の水が熱歪部材（21）に噴霧される。

熱歪部材（21）は、引張力が付与されることで、発熱しつつ上向きに伸びる。すなわち、それぞれの熱歪部材（21）は加熱される。このように熱歪部材（21）が加熱されると、熱歪部材（21）間を通過する空気が加熱される。加熱された空気（EA）は、空気通路（P）を通って室外へと排出される（すなわち、空気により熱歪部材（21）の排熱が行われる）。また、熱歪部材（21）に噴霧された霧状の水も、該熱歪部材（21）によって加熱される（すなわち、水により熱歪部材（21）の排熱が行われる）。このとき、制御部（55）は、処理すべき熱量(すなわち、引張力を加えたことによって熱歪部材（21）から発生する熱量)に応じて、噴霧した水が概ね全部蒸発するように、水の噴霧量を制御する。また、蒸発した水(蒸気)は、ファン（50）によって室外へと排出させる。このように水噴霧装置（40）からの噴霧量を制御することで、水の消費量を削減できるとともに、冷却加熱モジュール（20）から排出する水を減少ないし無くすことが可能になる。

そして、各熱歪部材（21）から発生した熱の排熱が完了すると前記加熱動作が終了する。加熱動作が終了すると、熱歪部材（21）は冷却動作前の状態へ戻る。本実施形態の冷房運転では、冷却動作時に室内（3）を冷房し、加熱動作時に熱歪部材（21）を冷却動作前の状態へ戻しており、室内（3）を冷房する動作が間欠的に行われる。

なお、利用側の熱交換の時間と、排熱側（すなわち熱源側)の熱交換の時間（これら熱交換の時間をそれぞれバッチ時間と呼ぶ)の決定は、例えば、制御部（55）に予め記憶させた空気の温湿度条件と、それに対応する最適なバッチ時間の関係を関数あるいはテーブルを用いて決定するとよい。また、室内への吹出空気温度をセンシングして決定してもよい。

〈本実施形態における効果〉
前記のように、本実施形態では、排熱側の熱交換（熱回収）において水を用いる。水の熱伝導率は空気の約２３倍であり、水の密度は空気の約１０００倍である。そのため、本実施形態では、排熱側の熱回収を、空気のみで行う場合と比べてより速やかに行うことが可能になる。したがって、排熱側のバッチ時間を利用側のバッチ時間に比べて短く設定でき、空気調和装置（1）の単位時間当たりの性能が向上する。図５は、（Ａ）が空気のみを用いて利用側の熱交換と排熱側の熱交換を行う空気調和装置（比較例）におけるバッチ時間を示し、（Ｂ）が本実施形態の空気調和装置（1）におけるバッチ時間を示している。図５の各グラフの縦軸は、排熱側の動作及び吸熱側の動作の何れの動作(バッチモードという)が行われるかを示し、横軸が時間を示している。同図に示すように、本実施形態では、単位時間当たりの利用側のバッチ時間を増加させることができ、その結果、単位時間当たりの性能が向上する。

なお、加熱動作時（排熱時)には、ファン（50）を止めておいてもよい。すなわち、噴霧する水のみによって排熱側の熱交換を行ってもかまわない。

《発明の実施形態２》
実施形態１の空気調和装置（1）は、制御部（55）の構成を変更することで、暖房運転を行わせることができる。図６は、（Ａ）が実施形態２に係る冷却加熱モジュール（20）による加熱動作の状態を示し、（Ｂ）がその冷却加熱モジュール（20）による冷却動作の状態を示している。

−暖房運転動作−
空気調和装置（1）による暖房運転動作について説明する。暖房運転でも、所定の時間間隔で冷却動作と加熱動作が交互に行われる。すなわち、暖房運転でも、冷却加熱モジュール（20）は、利用側の熱交換と排熱側の熱交換を交互に行う。

〈加熱動作〉
まず、冷却加熱モジュール（20）による加熱動作（利用側の熱交換）について、図６（Ａ）を参照しながら説明する。制御部（55）によって加熱動作が開始すると、ファン（50）によって、室内空気（RA）が空気通路（P）へ流入して、冷却加熱モジュール（20）へと送られる。この時、冷却加熱モジュール（20）では、アクチュエータ（22）が駆動して、熱歪部材（21）に引張力が上向きに付与される。熱歪部材（21）は、引張力が付与されることで、発熱しつつ上向きに伸びる。すなわち、それぞれの熱歪部材（21）は加熱される。このように熱歪部材（21）が加熱されると、熱歪部材（21）間を通過する空気が加熱される。加熱された空気（SA）は、空気通路（P）を通って室内（3）へ供給される。

〈冷却動作〉
次に、冷却加熱モジュール（20）による冷却動作（熱源側の熱交換）について、図６（Ｂ）を参照しながら説明する。冷却動作が開始すると、ファン（50）によって、室外空気（OA）が空気通路（P）へ流入して、冷却加熱モジュール（20）へと送られる。この時、冷却加熱モジュール（20）では、熱歪部材（21）に付与されていた引張力が解除される。また、制御部（55）によってポンプ（40b）が駆動されて、ノズル（40c）からは、タンク（40a）内の水が熱歪部材（21）に噴霧される。

熱歪部材（21）に付与されていた引張力が解除されると、熱歪部材（21）は、周囲の空気から吸熱しつつ下向きに縮む。このとき、熱歪部材（21）の間を通過する空気が冷却される。そして、その冷却された空気は、空気通路（P）を通って室外へと排出される。

一方、熱歪部材（21）に噴霧された霧状の水も、該熱歪部材（21）によって冷却される（すなわち、熱歪部材（21）が水から吸熱する）。このとき、制御部（55）は、必要な熱量(すなわち、引張力を解除することによる熱歪部材（21）の吸熱量)に応じて、噴霧量を制御する。

各熱歪部材（21）の吸熱が完了すると前記冷却動作が終了する。冷却動作が終了すると、熱歪部材（21）は加熱動作前の状態へ戻る。本実施形態の暖房運転では、加熱動作時に室内（3）を暖房し、冷却動作時に熱歪部材（21）を加熱動作前の状態へ戻しており、室内（3）を暖房する動作が間欠的に行われる。

〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態では、熱源側の熱交換において水を用いる。したがって、実施形態１の例と同様に、熱源側の熱交換を、空気のみで行う場合と比べてより速やかに行うことが可能になる。そのため、熱源側のバッチ時間を利用側のバッチ時間に比べて短く設定でき、空気調和装置（1）の単位時間当たりの性能が向上する。

また、いわゆる水冷式の空気調和装置では、冷房専用の装置として構成されるのが一般的である。それは、暖房運転時に熱源側の熱交換で水を利用すると凍結のおそれがあるためである。しかしながら、本実施形態の空気調和装置（1）は、利用側の熱交換と熱源側の熱交換を同一の冷却加熱モジュール（20）において交互に行わせるように構成してあるので、冷却加熱モジュール（20）において噴霧した水が凍結するおそれはない。

《実施形態１，２の変形例》
前記の水噴霧装置（40）の構成は熱交換促進手段の一例に過ぎない。前記の例の他にも、例えば空気を利用して熱交換を促進させることも可能である。

具体的には、利用側の熱交換、及び熱源側の熱交換にファン（50）による送風を利用するように熱交換促進手段を構成し、熱源側の熱交換時には熱歪部材（21）への風量を利用側の熱交換時よりも増大させることが考えられる。ファン（50）の制御は、制御部（55）で行う。この構成により、本変形例でも熱交換が促進され、実施形態１，２と同様に、熱源側のバッチ時間の短縮が可能になる。なお、風量の調整は、ファン（50）の回転数を調整したり、ファン（50）を複数台設けて利用側と熱源側とで作動させるファン（50）の台数を異ならせたりすることで実現できる。

《冷却加熱モジュール（20）、熱歪部材（21）の変形例》
前記実施形態やその変形例で説明した熱歪部材（21）の形状は例示である。例えば、板状の材料で熱歪部材（21）を構成することも可能である。

また、図７は、冷却加熱モジュール（20）の他の構成例を示す。この冷却加熱モジュール（20）は、複数の熱歪部材（21）と、アクチュエータ（22）と、伝熱体（30）とを備えている。図８は、他の構成例に係る冷却加熱モジュール（20）の要部拡大図である。伝熱体（30）は、複数の伝熱管（30c）と複数のフィン（30d）とを有している。伝熱管（30c）は、円筒状の金属管（例えば銅やアルミニウム）である。伝熱管（30c）は、上下方向に延びた状態で、所定の間隔で横方向に配列されている。各伝熱管（30c）には、熱歪部材（21）が挿入されている。各伝熱管（30c）は、挿入された熱歪部材（21）に引張力が加えられると、該熱歪部材（21）が伝熱管（30c）の内周面に摺接するように形成されている。

フィン（30d）は、金属板をプレス加工することによって形成された横長の板状フィンである。フィン（30d）は、横方向に延びた状態で上下に等間隔に配列され、交差する各伝熱管（30c）に接合されている。この場合、伝熱体（30）として、例えば、クロスフィン熱交換器を利用することができる。

《その他の実施形態》
なお、冷房運転と暖房運転の両方を行えるように空気調和装置（1）を構成することも可能である。

また、上述した各実施形態の熱歪部材（21）は、張力の付与により発熱し、張力の解除により吸熱するように構成される。しかし、熱歪部材（21）は、圧縮力の付与により発熱し、圧縮力の解除により吸熱する構成であってもよい。

本発明は、空気の冷却と加熱を行う冷却加熱モジュール、及びこの冷却加熱モジュールを用いた空気調和装置として有用である。

１ 空気調和装置
２０ 冷却加熱モジュール
２１ 熱歪部材
２２ アクチュエータ
４０ 水噴霧装置（熱交換促進手段）
５０ ファン

Claims (4)

1. 利用側の熱交換と熱源側の熱交換を交互に行う冷却加熱モジュールにおいて、
   応力の付与により発熱し前記応力の解除により吸熱する熱歪部材（21）と、
   前記熱歪部材（21）に応力を加えるアクチュエータ（22）と、
   利用側の熱交換の時間よりも熱源側の熱交換の時間が短くなるように、前記熱歪部材（21）の熱交換を促進させる熱交換促進手段（40）と、
   を備えたことを特徴とする冷却加熱モジュール。
2. 請求項１の冷却加熱モジュールにおいて、
   前記熱交換促進手段（40）は、前記熱歪部材（21）に水を噴霧するように構成されていることを特徴とする冷却加熱モジュール。
3. 請求項１又は請求項２の冷却加熱モジュールにおいて、
   前記熱交換促進手段（40）は、前記熱歪部材（21）に送風するファン（50）を備え、熱源側の熱交換時には前記熱歪部材（21）への風量を、利用側の熱交換時よりも増大させることを特徴とする冷却加熱モジュール。
4. 請求項１から請求項３の何れかの冷却加熱モジュールを備えたことを特徴とする空気調和装置。

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