JP2015031421A - 空気熱交換ユニットおよびこの空気熱交換ユニットを使用するヒートポンプ式暖房機 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする能力に応じた空気熱交換器を設置することができ、供給された空気の温度が均等化されて空気熱交換器の能力を最大限引き出すことができる空気熱交換ユニットを提供するとともに、メンテナンスが容易なヒートポンプ式暖房機を提供する。【解決手段】略直方体の筐体に収納されるパネル状の空気熱交換器は、側面から見て矩形状の該筐体の対角線上に重ね合わされるように斜めに設置されて、該空気熱交換器を境界として該筐体の上部には第１の空気室が形成されるとともに下部には第２の空気室が形成され、給気ファンが前記第１の空気室の上部に位置する第３の空気室内に配置されてその吹き出し口は該第１の空気室に開口し、排気ファンが前記第２の空気室内の前記空気熱交換器に対向する位置に配置されてその吹き出し口は外部に開口し、前記第３の空気室は室内空気流通ダクトを介して室内と連通している構成とした。【選択図】図１

Description

本願発明は、住宅用空調システムに使用される空気熱交換ユニットおよびヒートポンプ式暖房機に関し、より詳しくは寒冷地住宅の室内の排熱を熱交換に利用する空気熱交換ユニットおよびこの空気熱交換ユニットを使用するヒートポンプ式暖房機に関する。

寒冷地の住宅の暖房設備については、第三種換気に適した室内廃熱の有効利用を図る廃熱回収型の空調システムが提案されていて、例えば、特開２００４−３１７０８０号公報、特開２０１１−５２８９９号公報、および本願出願人に係る実用新案登録第３１４６８６４号公報に開示されている。

特開２００４−３１７０８０号公報に開示の換気排熱回収装置は、「比較的小さなスペースを利用して設置することができる換気排熱回収装置を提供する」ことを目的とし、その解決手段を「屋内の空気を屋外に排出する換気扇の排気口と密接して一体に設けられて、換気配管を流通する換気排気から吸熱して冷媒配管中を循環する冷媒を加熱する換気熱交換器と、換気熱交換器と別体に冷媒配管と接続して設けられて換気熱交換器により加熱された冷媒から熱を回収するヒートポンプユニットとを備え、ヒートポンプユニットに備えられたヒートポンプ熱交換器により加熱された温水を循環ポンプにより温水配管中に循環させて、コンベクターから温風を送出する」構成としている。

また、特開２０１１−５２８９９号公報に開示のヒートポンプ装置は、「２４時間換気用のシステムを別個に設置することなく、ヒートポンプ装置の負荷に左右されずに２４時間換気を一定換気量で行うことができ、さらに、排気からの熱回収を行うことができるヒートポンプ装置を提供する」ことを目的としていて、その解決手段を「空気を導入し、該空気と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器に空気を供給する第１のファン及び第２のファンとを備えるヒートポンプ装置において、第１のファンとは独立して、第２のファンの空気取込口及び部屋の壁に設けられた換気口を接続するダクトと、第２のファンの回転数を一定に保持する回転数保持手段とを備え、第２のファンにより、第３種換気を常時一定換気量で行う」構成とすることとしている。

そして、実用新案登録第３１４６８６４号公報に開示の廃熱回収型住宅用室内及び１階床下空間空調システムは、「２４時間換気システムによる室内の換気排熱を利用し、多湿の１階床下空間を乾燥することができるイニシャルコストやランニングコストが低廉な住宅用の空調システムを提供する」ことを課題としていて、その解決手段を「送風ファンおよび空気・冷媒間で熱交換する空気熱交換器が収納される空気熱交換ユニットを住宅の１階床下空間に設置する一方、圧縮機、四方弁、冷温水・冷媒間で熱交換する水熱交換器および減圧弁が収納される水熱交換ユニットを住宅の屋外に設置し、２４時間換気する換気ファンの排気と１階床下空間内の空気を該空気熱交換ユニットに取り込み、取り込んだ排気および空気を該送風ファンで付勢して該空気熱交換器に送るようにし、水熱交換器による熱交換後の温水を床に布設した温水管を介して室内を暖房し、熱交換後の冷水を天井裏に設置したファンコイルユニットを介して室内を冷房する構成」としている。

特開２００４−３１７０８０号公報 特開２０１１−５２８９９号公報 実用新案登録第３１４６８６４号公報

しかしながら、特開２００４−３１７０８０号公報に開示の空調システムでは、換気扇の排気口と密接して換気熱交換器を一体に設けているため、圧力損失が大きくなり、このシステムで使用する換気扇の能力を２４時間換気システムで使用する換気扇よりも大きなものとしなければならないし、天井裏という限定された空間に換気熱交換器を設置していることから、換気熱交換器の能力が限定されてしまうため、場合によっては複数台の換気熱交換器が必要となる。

また、実用新案登録第３１４６８６４号公報に開示の廃熱回収型住宅用室内及び１階床下空間空調システムでは、床下空間に空気熱交換ユニットを設置しているため、空気熱交換ユニットの点検等のメンテナンスがし難いという課題を有している。

そして、特開２０１１−５２８９９号公報に開示のヒートポンプ装置では、明示されてはいないが、第１の熱交換器は第１のファンや第２のファンに対して直交するように設置されているため、第１のファンや第２のファンによる供給された空気は第１の熱交換器に直接吹き当てられて局部的に短絡した流れが生じやすいという課題があると思われる。

そこで、本願発明は、必要とする能力に応じた空気熱交換器を設置することができ、空気熱交換ユニットの点検等のメンテナンスがし易く、供給された空気の温度が均等化されて空気熱交換器の能力を最大限引き出すことができる空気熱交換ユニットを提供するとともに、すべてユニット化されて設置やメンテナンスが容易で第三種換気としても使用することができるヒートポンプ式暖房機を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本願請求項１に記載の空気熱交換ユニットは、住宅の屋外に設置されて第三種換気にも使用可能な空気熱交換ユニットであって、略直方体の筐体に収納されるパネル状の空気熱交換器は、側面から見て矩形状の該筐体の対角線上に重ね合わされるように斜めに設置されて、該空気熱交換器を境界として該筐体の上部には第１の空気室が形成されるとともに下部には第２の空気室が形成され、給気ファンが前記第１の空気室の上部に位置する筐体状の第３の空気室内に配置されてその吹き出し口は該第１の空気室の上面に開口し、前記第３の空気室は室内空気が流通する室内空気流通ダクトを介して室内と連通し、排気ファンが前記第２の空気室内の前記空気熱交換器に対向する位置に配置されてその吹き出し口は外部に開口している、ことを特徴としている。
また、本願請求項２に係る空気熱交換ユニットは、請求項１に記載の空気熱交換ユニットであって、前記給気ファンはシロッコファンまたはクロスフローファンであり、前記排気ファンは軸流ファンである、ことを特徴としている。
そして、本願請求項３に係るヒートポンプ式暖房機は、請求項１または請求項２に記載の前記空気熱交換ユニットの下部に、冷媒配管を介して直列的に連結された圧縮機、水熱交換器および減圧弁が収納される筐体状の水熱交換ユニットが配置されている、ことを特徴としている。
さらに、本願請求項４に係るヒートポンプ式暖房機は、請求項３に記載のヒートポンプ式暖房機であって、前記空気熱交換ユニットおよび前記水熱交換ユニットの筐体内部には断熱材が貼着されている、ことを特徴としている。

本願発明は、上記構成により以下の効果を奏する。
（１）寒冷地において外気温度がマイナス域になっても、それによりヒートポンプ能力が低下することなく、常に高効率で運転出来る。
（２）空気熱交換ユニットを屋外に設置することにより空間の制限が無くなることから、必要とする能力に応じた空気熱交換器を設置することができ、点検等のメンテナンスがし易くなる。
（３）空気熱交換器により形成される第１の空気室の断面は側面から見て下に向かってその幅が狭くなる逆三角形となっていて、排熱を伴う室内の空気は給気ファンにより吹き下ろされてデッドスペースを作ることなく第１の空気室内で混ざり合う。そして、混ざり合った空気は排気ファンにより空気熱交換器を通り抜けて空気熱交換ユニットの外部に排出される。このため、供給された排熱を伴う室内の空気はその温度が第１の空気室内で均等化されて空気熱交換器の能力を十分に引き出すことができる。
（４）給気ファンを吸引力の強いシロッコファンまたはクロスフローファンとすることにより、暖かい室内空気は室内空気流通ダクトを介して第３の空気室にスムーズに吸引され、吸引された室内空気は給気ファンにより第１の空気室に拡散することなく真下に向かって流れて空気熱交換器の表面に当たり、その一部は上昇して第１の空気室内で均等化し、空気熱交換器を通って第２の空気室に流入する。また、軸流ファンはファンの前後の空気を攪拌する作用があるため、排気ファンに軸流ファンを使用することにより第２の空気室内の空気は攪拌されながら外部に排出することとなり、その影響で暖かい室内空気は略均等に空気熱交換器を通過し、空気熱交換器の熱交換効率が上昇する。
（５）空気熱交換器の外周縁を筐体の壁面に密着させることにより、第１の空気室および第２の空気室の機密性が増大し、外気の影響による空気熱交換器の熱交換効率が低下することはない。
（６）ヒートポンプ式暖房機を、圧縮機、水熱交換器および減圧弁を収納した水熱交換ユニットと、空気熱交換ユニットとから成るようにすることにより、設置が容易となるばかりでなく、水熱交換ユニットと空気熱交換ユニットとの組み合わせによる様々なバリエーションのヒートポンプ式暖房機が廉価に容易に製造可能となる。
（７）ヒートポンプ式暖房機は室内空気を吸引して外部に排出するようになっていることから、住宅の外壁に給気口を嵌設することにより第三種換気が可能となり、別途、第三種換気装置を設置する必要はない。
（８）ヒートポンプ式暖房機の空気熱交換ユニットおよび前記水熱交換ユニットの筐体内部に断熱材を貼着することにより、断熱効果が高まり熱交換効率もさらに上昇する。

本発明を実施するための形態に係る実施例について、図１に基づいて説明する。

図１において、符号１はヒートポンプ式暖房機、符号１０は空気熱交換ユニット、符号１１は空気熱交換器、符号１２は第１の空気室、符号１３は第２の空気室、符号１４は排気ファン、符号１５は給気ファン、符号１６は第３の空気室、符号３０は水熱交換ユニット、符号３１は減圧弁、符号３２は水熱交換器、符号３３は圧縮機、符号３４は冷媒配管、符号３５は循環ポンプ、符号３６は温水流通管、符号３７は室内空気吸引ダクト、符号４１は室内空間、符号４２は床下空間、符号θは空気熱交換ユニット１０の筐体の底面と空気熱交換器１１との挟角、である。また、実線の矢印は冷媒または温水の流通方向を示し、点線の矢印は空気の流通方向を示している。

まず、実施例に係るヒートポンプ式暖房機について説明する。なお、図１に示すように、実施例に係るヒートポンプ式暖房機の説明の都合上、平屋の住宅に設置された場合を想定しているが、必ずしも平屋の住宅に限定されるわけではなく、２階建てや３階建て等の住宅であっても使用することができることは勿論である。

実施例に係るヒートポンプ式暖房機１は、主に、直方体状の空気熱交換ユニット１０と、空気熱交換ユニット１０の下部に設置される直方体状の水熱交換ユニット３０と、空気熱交換ユニット１０の上部に載置される室内空気吸引ダクト３７と、から構成されていて、これらはすべて住宅の屋外に据え付けられている。

外形が略直方体の筐体である空気熱交換ユニット１０は内部が上下２層に区切られていて、筐体状となっている下層にはパネル状の空気熱交換器１１が側面から見て矩形状の筐体の対角線上に重ね合わされるように斜めに設置されていて、空気熱交換器１１を境界として筐体の上部には第１の空気室１２が形成されるとともに下部には第２の空気室１３が形成されている。すなわち、空気熱交換ユニット１０の筐体の底面と空気熱交換器１１との挟角θは、空気熱交換ユニット１０の矩形状の断面の対角線と底辺とを成す挟角に略一致する。そして、第２の空気室１３には排気ファン１４が空気熱交換器１１に対向する位置に設置されていてその吹き出し口は外部に開口している。また、空気熱交換ユニット１０の上層は第３の空気室１６となっていて、内部にはその吹き出し口が第１の空気室１２の上面に開口する給気ファン１５が設置されている。なお、給気ファン１５にはシロッコファンを使用している。

水熱交換ユニット３０も空気熱交換ユニット１０と同様に略直方体の筐体であって、その内部には減圧弁３１、水熱交換器３２および圧縮機３３が収納されている。これらと空気熱交換器１１とは冷媒配管３４を介して結ばれていて、冷媒の流れに沿って空気熱交換器１１→圧縮機３３→水熱交換器３２→減圧弁３１→空気熱交換器１１の循環流路が形成されている。

室内空気吸引ダクト３７は一端が室内空間４１に開口し、他端が空気熱交換ユニット１０の筐体状となっている上層に連結していて、室内空間４１と第３の空気室１６とが室内空気吸引ダクト３７を介して連通している。なお、住宅の外壁には図示外の給気口が嵌設されていて、給気口から流入した外気は最終的には室内空気吸引ダクト３７を介して外部に排出される。

水熱交換ユニット３０内の水熱交換器３２には一対の温水流通管３６が接続されていて、これら一対の温水流通管３６はいずれも水熱交換ユニット３０を貫通して床下空間４２に敷設されている。一対の温水流通管３６の一方は往管であり他方は還り管となっていて、往管に循環ポンプ３５が介設されている。そして、温水流通管３６を流れる温水は、水熱交換器３２→温水流通管３６の往管→循環ポンプ３５→温水流通管３６の往管→各部屋に設置された暖房機（図示外）→温水流通管３６の還り管→水熱交換器３２の循環流路が形成されている。

つぎに、ヒートポンプ式暖房機１が行う暖房システムについて説明するが、まず、全体の概要について説明し、その後、空気熱交換ユニット１０の特徴について説明する。なお、以下に記載の数値は出願人が行った実証実験データに基づくものである。

前述したように、ヒートポンプ式暖房機１では冷媒配管３４により順に、空気熱交換器１１→圧縮機３３→水熱交換器３２→減圧弁３１→空気熱交換器１１の循環流路が形成されている。このように形成された冷媒の循環流路では、冷媒は、圧縮機３３により高温（略７０℃）高圧のガス体となって水熱交換器３２に送られ、この水熱交換器３２により温水流通管３６を流れる略４０℃の温水は熱交換して略４５℃の温水とされる一方で、冷媒自身は略３７℃の液体となる。略３７℃の液体となった冷媒は減圧弁３１により減圧されて２℃の液・ガス混合体となって空気熱交換器１１に送られる。さらに、冷媒は空気熱交換器１１で略２３℃の空気と熱交換して蒸発しガス化して、略４℃の冷媒ガスとなって圧縮機３３に送られる。

ところで、給気口から取り込んだ新鮮な外気は各部屋に設置された暖房機（図示外）で暖められ、室内空間４１の暖められた空気は、室内空気吸引ダクト３７を通って空気熱交換ユニット１０の第３の空気室１６に送られる。第３の空気室１６に送られた空気は、給気ファン１５により付勢されて第１の空気室１２に送られて均等に混ざり合い、空気熱交換器１１を通過する。そして、空気熱交換器１１で冷媒と熱交換して略７℃まで冷やされた空気は第２の空気室１３に入り排気ファン１４により空気熱交換ユニット１０外に排出される。

本願発明における特徴は、空気熱交換器１１を斜めに設置して第１の空気室１２および第２の空気室１３を形成し、第２の空気室１３に排気ファン１４を設置したことにある。そこで、排気ファン１４を設置した場合と設置しない場合とでエネルギー消費効率（ＣＯＰ）を求めた。
なお、この実証実験は２０１３年４月２日に行ったが、このときの外気温度は１１．２℃、室内温度は２３．０℃であった。また、温度測定点は温水流通管３６の還り管（温水入口：ＣＨ００１）と温水流通管３６の往管（温水出口：ＣＨ００２）とした。

実証実験に係るヒートポンプ式暖房機１の仕様を表１に示すが、空気熱交換器１１は筐体の底面に対して挟角θを７３°で設置している。また、排気ファン１４の仕様を表２に、給気ファン１５の仕様を表３に示す。そして、排気ファン１４を設置した場合の結果を表４に、排気ファン１４を設置しない場合の結果を表５に示す。

上表は排気ファンを設置した場合を示す。

上表は排気ファンを設置しない場合を示す。

排気ファン１４を設置した場合の測定点１の入口温度を３９．９℃から４１．０℃間で見ると、暖房能力は、最大出力５．６１ｋｗ、最小出力５．１２ｋｗ、平均出力５．３３ｋｗとなり、成績係数は、最大で３．３０ＣＯＰ、最小で３．０３ＣＯＰ、平均で３．１３ＣＯＰとなった。
一方、排気ファン１４を設置しないケースの測定点１の入口温度を４０．５℃から４０．８℃間で見ると、暖房能力は、最大出力４．４１ｋｗ、最小出力２．６７ｋｗ、平均出力３．０３ｋｗとなり、成績係数は、最大で１．９７ＣＯＰ、最小で１．５５ＣＯＰ、平均で１．７４ＣＯＰとなった。この実験データから、排気ファン１４を設置した場合は排気ファン１４を設置しない場合に比較して、暖房能力で７６％増加し、成績係数で８０％向上している。

ところで、空気熱交換器１１の設置角度θは、上下２層に区切られた空気熱交換ユニット１０の下層の高さ（ｈ）と図１の左右方向の幅（ｗ）で概ね決定される。すなわちｔａｎθ≒ｈ／ｗという関係式が成り立ち、設置角度θは設置場所の条件（例えば、隣家との距離が狭くｗが自ずと制限される。）等で制約を受けることから、従属的な数値であるが、出願人の知見では、８０°≧θ≧３０°が好ましい。

図１は、実施例に係るヒートポンプ式暖房機の構成図である。

１ ヒートポンプ式暖房機
１０ 空気熱交換ユニット
１１ 空気熱交換器
１２ 第１の空気室
１３ 第２の空気室
１４ 排気ファン
１５ 給気ファン
１６ 第３の空気室
３０ 水熱交換ユニット
３１ 減圧弁
３２ 水熱交換器
３３ 圧縮機
３４ 冷媒配管

Claims (4)

1. 住宅の屋外に設置されて第三種換気にも使用可能な空気熱交換ユニットであって、
   略直方体の筐体に収納されるパネル状の空気熱交換器は、側面から見て矩形状の該筐体の対角線上に重ね合わされるように斜めに設置されて、該空気熱交換器を境界として該筐体の上部には第１の空気室が形成されるとともに下部には第２の空気室が形成され、
   給気ファンが前記第１の空気室の上部に位置する筐体状の第３の空気室内に配置されてその吹き出し口は該第１の空気室の上面に開口し、
   前記第３の空気室は室内空気が流通する室内空気流通ダクトを介して室内と連通し、
   排気ファンが前記第２の空気室内の前記空気熱交換器に対向する位置に配置されてその吹き出し口は外部に開口している、ことを特徴とする空気熱交換ユニット。
2. 前記給気ファンはシロッコファンまたはクロスフローファンであり、前記排気ファンは軸流ファンである、ことを特徴とする請求項１に記載の空気熱交換ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の前記空気熱交換ユニットの下部に、冷媒の流れに沿って、冷媒配管を介して直列的に連結された圧縮機、水熱交換器および減圧弁が収納される筐体状の水熱交換ユニットが配置されている、ことを特徴とするヒートポンプ式暖房機。
4. 前記空気熱交換ユニットおよび前記水熱交換ユニットの筐体内部には断熱材が貼着されている、ことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式暖房機。

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