JP2015210005A - 除湿空調方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストな手段で、エアクーラ出口側の処理空気温度を空調室に適した温度に制御する。
【解決手段】エアクーラ３９出口の処理空気ＳＡの温度ＴＥを検出する第１工程と、第１工程で検出した処理空気温度ＴＥが閾値（例えば２０℃）に達しないとき、デシカントロータ２２の出口側再生空気室１４に設けられた熱交換器４０で再生空気ＤＡと熱流体とを熱交換させ、該熱流体を加熱する第２工程と、第２工程で加熱された熱流体をデシカントロータ２２の出口側処理空気室１２に設けられた熱交換器４２に循環させ、熱流体で処理空気ＳＡを加熱し、エアクーラ３９の出口側処理空気温度を前記閾値以上に昇温させる第３工程とを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、デシカントロータとヒートポンプ装置とを備え、空調室などに除湿及び空調された空気を供給する除湿空調方法及び装置に関する。

空気中の水蒸気を吸着し除湿する手段として、円盤状のロータ表面に吸着剤を担持した吸着面又は親水性吸着面をもつデシカントロータが用いられている。このデシカントロータは、空調室などに送る処理空気から前記吸着面に水蒸気を吸着する。その後、ロータを半回転させ、該吸着面を加熱した低湿度の再生空気に晒し、再生空気の保有熱で該吸着面から水蒸気を放出させる再生処理を行う。このように、ロータを回転させ、処理空気流路と再生空気流路とに交互に晒し、吸着工程と再生工程とを交互に行っている。

吸着工程では吸着熱が発生し処理空気が昇温するため、吸着工程の後で処理空気を冷却する必要がある。また、再生工程では再生空気を予め予熱し、高温かつ低湿度とする必要がある。
そのため、デシカントロータと共に、吸着工程後の処理空気を冷却するエアクーラと、再生空気を予熱するエアヒータとを有するヒートポンプ装置を備えた除湿空調装置が用いられている。

本発明者等はデシカントロータを用いた除湿空調技術の開発を行っている。そして、先に、ヒートポンプ装置を構成する圧縮機の回転数や再生空気流を形成する再生ファンの送風量を制御することで、結露や霜付きをなくした低コストな除湿空調手段を提案している（特許文献１）。また、エアクーラの冷却負荷とエアヒータの加熱負荷とがアンバランスなときでも、安定運転を可能にする除湿空調手段を提案している（特許文献２）。

特許第４８７０８４３号公報 特開２０１４−０１６０９０号公報

デシカントロータとヒートポンプ装置とを備えた前記除湿空調手段では、デシカントロータの再生を確実に行うために、エアヒータの制御が主体となり、エアクーラの制御が従とならざるを得ない（特許文献１参照）。そのため、冬期などエアクーラの冷却負荷が小さいとき、エアクーラの出口で処理空気温度が下がってしまい、空調室に供給するには不適な温度となりやすい。
また、エアクーラの入口側の処理空気温度がさらに下がれば、蒸発温度が下がり、ヒートポンプ装置のＣＯＰ（成績係数）が低下するだけでなく、ヒートポンプ装置の正常な運転ができなくなるおそれがある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものである。即ち、エアクーラの冷却負荷が足りないときでも、低コストな手段で、エアクーラ出口側の処理空気温度を空調室に適した温度に制御可能にすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の除湿空調方法は、デシカントロータで処理空気中の水分を吸着し、処理空気を除湿する除湿工程と、該除湿工程で昇温した処理空気をヒートポンプ装置の一部を構成するエアクーラで冷却する冷却工程と、ヒートポンプ装置の一部を構成するエアヒータで再生空気を予熱する予熱工程と、該予熱工程で高温低湿度となった再生空気でデシカントロータを再生する再生工程とを行う除湿空調方法に適用される。

本発明方法は、エアクーラ出口の処理空気温度を検出する第１工程と、第１工程で検出した処理空気温度が閾値に達しないとき、デシカントロータ出口の再生空気流路に設けられた第１の熱交換器で再生空気と熱流体とを熱交換させ熱流体を加熱する第２工程と、第２工程で加熱された熱流体をデシカントロータ出口の処理空気流路に設けられた第２の熱交換器に循環させ、熱流体で処理空気を加熱し、エアクーラ出口の処理空気温度を前記閾値以上に昇温させる第３工程とを行うものである。
前記閾値は、例えば、処理空気を空調室に供給する場合、空調室の設定温度に適合する温度範囲の下限値に設定する。

本発明方法によれば、デシカントロータ出口側の再生空気の保有熱を利用して、エアクーラ出口の処理空気温度を予め設定された閾値以上に昇温させるので、エアクーラの冷却負荷が足りないときでも、処理空気を供給先の空調室に適した温度に調整できる。
また、再生空気の保有熱を有効利用するため、処理空気の温度調整を他の熱源を必要とせず、低コストで行うことができる。

本発明方法の一実施態様は、前記第３工程において、第２の熱交換器に循環する熱流体の循環量を調整し、エアクーラ出口側の処理空気温度を前記閾値以上の設定温度に調整するものである。
このように、第２の熱交換器に循環する熱流体の循環量を調整するだけで、エアクーラ出口の処理空気温度を前記閾値以上の所望温度に容易に調整できる。

前記本発明方法を直接実施するための本発明の除湿空調装置は、処理空気中の水分を吸着し、処理空気を除湿するデシカントロータと、該デシカントロータで除湿された処理空気を冷却するエアクーラ、及びデシカントロータを再生する再生空気を予熱して高温低湿度とするエアヒータを有するヒートポンプ装置とを備えていることを前提とする。

そして、前記目的を達成するため、本発明装置は、エアクーラ出口の処理空気温度を検出する温度センサと、デシカントロータ出口側の再生空気流路に設けられ、再生空気と熱流体と熱交換させる第１の熱交換器と、エアクーラ出口の処理空気流路に設けられ、処理空気と熱流体とを熱交換させる第２の熱交換器と、第１の熱交換器と第２の熱交換器間に接続され、熱流体が循環する熱流体閉回路と、温度センサの検出値が閾値に達しないとき、第１の熱交換器及び第２の熱交換器に熱流体を循環させて温度センサの検出値が前記閾値以上になるように制御する制御装置とをさらに備えている。

前記構成において、温度センサでエアクーラ出口の処理空気温度を検出し、検出した処理空気温度が閾値に達しないとき、第１の熱交換器と第２の熱交換器間に熱流体を循環させる。そして、熱流体の保有熱で処理空気を加熱し、処理空気温度を前記閾値以上に昇温させる。そのため、他の熱源を必要とせず、低コストで、処理空気を供給先の空調室に適した温度に調整できる。

本発明装置の一実施態様は、第２の熱交換器がエアクーラ入口側又はエアクーラ出口側の処理空気流路に設けられている。
第２の熱交換器がエアクーラの入口側に設けられると、第２の熱交換器で加熱された処理空気をエアクーラに送ることができる。そのため、エアクーラの冷却負荷が足りない場合でも、第２の熱交換器による加熱量でエアクーラの冷却負荷を補うことができ、かつヒートポンプ装置を循環する冷媒のエアクーラにおける蒸発温度を上昇できるため、ヒートポンプ装置のＣＯＰを向上できる。従って、高いＣＯＰを維持した運転が可能になる。

一方、第２の熱交換器が温度センサと同じようにエアクーラ出口側処理空気流路に設けられると、ヒートポンプ装置のＣＯＰの向上には寄与しないが、温度センサによる処理空気温度の検出に対して、処理空気温度の調整を迅速かつ精度良く行うことができる。

本発明装置の別な一実施態様は、第２の熱交換器に循環される熱流体の循環量を調整する循環量調整手段をさらに備えている。
前記循環量調整手段により第２の熱交換器に循環される熱流体の循環量を調整することで、エアクーラ出口の処理空気温度を閾値以上の所望温度に容易に調整できる。

前記循環量調整手段は、例えば、熱流体が第１の熱交換器から第２の熱交換器に向かう熱流体閉回路の往路から分岐し、第２の熱交換器から第１の熱交換器に向かう熱流体閉回路の復路に接続されたバイパス路と、該バイパス路を流れる熱流体の流量を調整可能な弁機構とで構成されている。
かかる構成により、第２の熱交換器に循環する熱流体の循環量を調整することで、低コストな設備で、エアクーラ出口の処理空気温度を閾値以上の所望温度に精度良く調整できる。

前記循環量調整手段の別な実施態様は、熱流体循環路を流れる熱流体の一部を収容可能な貯留タンクで構成されている。
前記貯留タンクに貯留される熱流体量を調整することで、第２の熱交換器に循環する熱流体量を調整できる。これによって、エアクーラ出口の処理空気温度を閾値以上の所望温度に精度良く調整できる。
なお、貯留タンクは熱流体閉回路の圧力変動を吸収する膨張タンクとしての役割を果たすことができる。

本発明によれば、第１の熱交換器、第２の熱交換器及びこれらの熱交換器に接続された熱流体閉回路を設けることで、エアクーラの冷却負荷が足りないときでも、低コストな手段で、エアクーラ出口側の処理空気温度を空調室に適した温度に制御できる。

本発明の第１実施形態に係る除湿空調装置の全体構成図である。 前記除湿空調装置の操作手順を示すフロー図である。 前記除湿空調装置の制御系を示すブロック線図である。 本発明の第２実施形態に係る除湿空調装置の全体構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態に係る除湿空調方法及び装置を図１〜図３に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る除湿空調装置１０Ａの全体構成図である。図１において、処理空気室１２及び再生空気室１４が隔壁１６で並列配置となるように仕切られている。処理ファン２０の作動によって、処理空気室１２の一方の端部１２ａに設けられた入口から、外気ＯＡ又は空調室１８の室内空気ＲＡが処理空気室１２に導入される。導入された空気によって他方の端部１２ｂに設けられた出口に向かう空気流が形成される。
一方、再生空気室１４には、再生ファン２４の作動によって、処理空気室１２の端部１２ａと反対側の端部１４ａに設けられた入口から、外気ＯＡ又は空調室１８の室内空気ＲＡが導入される。導入された空気によって他方の端部１４ｂに設けられた出口に向かう空気流が形成される。

処理空気室１２では、取り込んだ外気ＯＡ又は室内空気ＲＡの温度及び湿度を空調室１８に適した処理空気ＳＡとし、これを空調室１８に供給する。再生空気室１４では取り込んだ外気ＯＡ又は室内空気ＲＡをデシカントロータ２２を再生可能な温度及び湿度に調整し、再生空気ＤＡとしてデシカントロータ２２に送り込む。
空調室１８は、室内を低温雰囲気に保持する必要がある空間、例えば、冷凍食品などを冷凍保管する冷凍倉庫に隣接した荷捌き室や、食肉用家畜屠体のカット室等として用いられる。

デシカントロータ２２は処理空気室１２と再生空気室１４とに跨って配置され、回転軸２２ａを中心に低速で回転する。デシカントロータ２２は、処理空気室１２に位置する部位で処理空気室１２に導入された空気流に含まれる水蒸気を吸着する。水蒸気を吸着した部位は回転して再生空気室１４に移動し、再生空気室１４で吸着した水蒸気を再生空気ＤＡに放出する。デシカントロータ２２の上流側には、ヒートポンプ装置３０の一部を構成するエアヒータ３６が設けられている。再生空気ＤＡはエアヒータ３６で加熱され、その温度及び相対湿度が水蒸気の取り込みに適するように調整される。

デシカントロータ２２は、吸着剤を含浸させた特殊シートでハニカム状に製作されており、駆動モータ（不図示）で１時間に数十回転という低速で回転し、連続的に吸着と再生とを繰り返している。該吸着剤は、例えばシリカゲルやゼオライト等の無機系吸着剤や高分子吸着剤が用いられる。

処理空気室１２では、デシカントロータ２２により空気流から水蒸気を吸着するとき、吸着剤は吸着熱を放出するため、処理空気ＳＡは加熱され昇温する。デシカントロータ２２を通過した処理空気ＳＡは、デシカントロータ２２の出口に設けられた熱交換器４２で加熱される。その後、処理空気ＳＡはヒートポンプ装置３０の一部を構成するエアクーラ３９で冷却される。エアクーラ３９で冷却された処理空気ＳＡは、熱交換器４２で加熱され空調室１８に適した設定温度に昇温された後、空調室１８に供給される。
再生空気室１４において、デシカントロータ２２から水蒸気を取り込んだ再生空気ＤＡは、例えば４０〜５０℃の温度を有し、デシカントロータ２２の出口に設けられた熱交換器４０で熱流体として用いられる水と熱交換し該熱流体を加熱する。その後、再生空気ＤＡは再生空気室１４の外部に放出される。

ヒートポンプ装置３０は、ＣＯ２冷媒が循環する冷媒循環路３２に、圧縮機３４、エアヒータ３６、膨張弁３８及びエアクーラ３９等のヒートポンプサイクル構成機器が設けられている。冷媒として高圧側で超臨界状態となるＣＯ２を用いることで、エアヒータ３６により再生空気ＤＡを８０℃以上の高温に加熱できる。

熱交換器４０及び４２間には熱流体閉回路４４が接続されている。熱流体閉回路４４は熱流体として水が用いられ、該熱流体が熱交換器４０から熱交換器４２に流れる往路４４ａと、熱流体が熱交換器４２から熱交換器４０に流れる復路４４ｂとで閉回路を構成している。復路４４ｂには熱流体を循環するポンプ４８が設けられている。往路４４ａの途中でバイパス路４６が分岐し、バイパス路４６は復路４４ｂに接続されている。バイパス路４６と復路４４ｂとの接続部には三方弁５０が設けられている。三方弁５０の開度を調整することで、バイパス路４６を通る熱流体の流量を調整でき、この流量を調整することにより、熱交換器４２に流入する熱流体の流量を調整できる。

処理空気室１２において、熱交換器４２の出口側領域に温度センサ５２が設けられている。温度センサ５２で検出された処理空気ＳＡの温度検出値はＰＩＤ制御器５４に入力される。ＰＩＤ制御器５４は該温度検出値に基づいて三方弁５０の開度をＰＩＤ制御する。

かかる構成において、温度センサ５２の検出値が閾値に達しないとき、例えば、エアクーラ３９の出口側処理空気温度が５〜１０℃であり、空調室１８の設定温度が２０℃以上であるとき、処理空気温度を２０℃以上に加熱する必要がある。そのため、ＰＩＤ制御器５４によって三方弁５０が開放され、かつポンプ４８が起動する。これによって、熱流体である水は熱交換器４０で再生空気ＤＡと熱交換して加熱される。再生空気ＤＡは熱流体を加熱可能な温度、例えば４０〜５０℃の温度を有している。加熱された熱流体はポンプ４８によって熱交換器４２に循環される。そして、熱交換器４２に循環した熱流体によって処理空気ＳＡが加熱されるため、エアクーラ３９の出口で処理空気ＳＡは閾値以上に昇温して空調室１８に供給される。

図２は除湿空調装置１０Ａの制御系を示している。温度センサ５２の検出値はＰＩＤ制御器５４に入力され、ＰＩＤ制御器５４は該検出値に応じて三方弁５０の開度をＰＩＤ制御する。

次に、図３に基づいて、ＰＩＤ制御器５４による除湿空調装置１０Ａの操作手順を説明する。温度センサ５２の検出値が閾値（ＴＥ＝２０℃）に達しないとき（Ｓ１０）、ＰＩＤ制御器５４がポンプ４８を起動させ（Ｓ１２）、かつ三方弁５０の開度をＰＩＤ制御する（Ｓ１４）。こうして、熱交換器４２に熱流体を循環させると共に、バイパス路４６を通る熱流体の流量を調整することで、熱交換器４２に循環する熱流体の流量を調整する。これによって、熱交換器４２下流側の処理空気ＳＡの温度を閾値ＴＥ以上の設定温度に調整する。

温度センサ５２の検出値が閾値ＴＥ以上の設定温度に達しているとき（Ｓ１０）、ポンプ４８の稼働を停止させ（Ｓ１６）、かつ三方弁５０を閉鎖し（Ｓ１８）、熱流体の循環を停止させる。

本実施形態によれば、処理空気室１２において、デシカントロータ２２の出口で処理空気ＳＡを熱交換器４２で熱流体である水の保有熱で処理空気ＳＡを加熱し、閾値以上に昇温させると共に、熱交換器４２に循環する熱流体の循環量を調整することで、処理空気室出口の処理空気ＳＡの温度を空調室１８に適した設定温度に精度良く調整できる。そのため、冬期などエアクーラ３９の冷却負荷が足りない時でも、処理空気ＳＡを空調室１８に適した温度とすることができる。

また、エアクーラ３９で処理空気ＳＡを冷却する際に、冷媒の蒸発温度を上昇させることができるため、ヒートポンプ装置３０のＣＯＰを向上でき、高いＣＯＰでヒートポンプ装置３０を運転できる。
また、前記作用効果を新たな熱源を必要とせず、再生空気ＤＡの保有熱を利用し、バイパス路４６及び三方弁５０を付設した低コストな手段で実現できる。

また、ＰＩＤ制御器５４で三方弁５０の開度をＰＩＤ制御することで、処理空気室出口の処理空気ＳＡの温度がハンチングすることなく、迅速に所望の温度に調整できる。
なお、本実施形態では、熱流体として水を用い、熱交換器４０及び４２で処理空気ＳＡと顕熱熱交換させているが、水以外の熱流体を用いてもよい。例えば、熱流体として低沸点流体を用い、この低沸点流体を熱交換器４０で相変化させ、熱交換器４２で処理空気ＳＡと潜熱熱交換させることができる。これによって、処理空気ＳＡに対する加熱量を増加させることができる。
また、再生空気室１４において、熱交換器４０をデシカントロータ２２と再生ファン２４との間の領域に配置してもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態に係る除湿空調方法及び装置を図４に基づいて説明する。図４において、本実施形態に係る除湿空調装置１０Ｂでは、処理空気室１２において、熱交換器４２をエアクーラ３９の出口であって、温度センサ５２の近傍に設けた例である。また、熱流体閉回路４４を循環する熱流体の循環量調整手段として、前記第１実施形態とは別な手段を用いている。

即ち、本実施形態の熱流体の循環量調整手段は、バイパス路４６及び三方弁５０を設ける代わりに、熱流体閉回路４４の往路４４ａ及び復路４４ｂに分岐路６２ａ及び６２ｂを介して連通する熱流体貯留タンク６０が設けられている。分岐路６２ａ及び６２ｂには夫々流量調整弁６４及び６６が設けられている。ＰＩＤ制御器５４は、温度センサ５２の検出値に応じて、開閉弁６４及び６６の開度をＰＩＤ制御する。その他の構成は前記第１実施形態と同一である。

本実施形態の熱流体の循環量調整手段では、熱流体閉回路４４を循環する熱流体の一部を熱流体貯留タンク６０に収容する。そして、ＰＩＤ制御器５４によって流量調整弁６４及び６６の開度を調整することで、熱流体閉回路４４を循環する熱流体の循環量を調整できる。

本実施形態によれば、熱交換器４２がエアクーラ３９の出口側に設けられているので、熱交換器４２はヒートポンプ装置３０のＣＯＰの向上には寄与しない。一方、熱交換器４２が温度センサ５２の近傍に配置されているので、温度センサ５２による処理空気ＳＡの温度検出に対して、処理空気ＳＡの温度調整を迅速に行うことができる。
また、前記熱流体の循環量調整手段により、エアクーラ３９の出口側の処理空気温度を閾値以上の所望温度に精度良く調整できる。
また、熱流体貯留タンク６０は熱流体閉回路４４の圧力変動を吸収する通常の膨張タンクとしての役割をも果たすことができる。

なお、第１実施形態及び第２実施形態において、両者の熱流体の循環量調整手段を置き換えるようにしてもよい。

本発明によれば、デシカントロータとヒートポンプ装置とを備えた除湿空調装置において、低コストな手段で、エアクーラ出口側の処理空気温度を空調室に適した温度に制御できる。

１０Ａ、１０Ｂ 除湿空調装置
１２ 処理空気室
１４ 再生空気室
１６ 隔壁
１８ 空調室
２０ 処理ファン
２２ デシカントロータ
２２ａ 回転軸
２４ 再生ファン
３０ ヒートポンプ装置
３２ 冷媒循環路
３４ 圧縮機
３６ エアヒータ
３８ 膨張弁
３９ エアクーラ
４０ 熱交換器（第１の熱交換器）
４２ 熱交換器（第２の熱交換器）
４４ 熱流体閉回路
４６ バイパス路
４８ ポンプ
５０ 三方弁
５２ 温度センサ
５４ ＰＩＤ制御器
６０ 熱流体貯留タンク
６２ａ、６２ｂ 分岐路
６４、６６ 流量調整弁
ＯＡ 外気
ＤＡ 再生空気
ＲＡ 室内空気
ＳＡ 処理空気

Claims (7)

1. デシカントロータで処理空気中の水分を吸着し、前記処理空気を除湿する除湿工程と、
   前記除湿工程で昇温した処理空気をヒートポンプ装置の一部を構成するエアクーラで冷却する冷却工程と、
   前記ヒートポンプ装置の一部を構成するエアヒータで再生空気を予熱する予熱工程と、
   前記予熱工程で高温低湿度となった前記再生空気で前記デシカントロータを再生する再生工程とを行う除湿空調方法において、
   前記エアクーラ出口の処理空気温度を検出する第１工程と、
   前記第１工程で検出した処理空気温度が閾値に達しないとき、前記デシカントロータ出口の再生空気流路に設けられた第１の熱交換器で前記再生空気と熱流体とを熱交換させ該熱流体を加熱する第２工程と、
   前記第２工程で加熱された熱流体を前記デシカントロータ出口の処理空気流路に設けられた第２の熱交換器に循環させ、前記熱流体で前記処理空気を加熱し、前記エアクーラ出口の処理空気温度を前記閾値以上に昇温させる第３工程とを行うことを特徴とする除湿空調方法。
2. 前記第３工程において、前記第２の熱交換器に循環する熱流体の循環量を調整し、前記エアクーラ出口側の処理空気温度を前記閾値以上の設定温度に調整することを特徴とする請求項１に記載の除湿空調方法。
3. 処理空気中の水分を吸着し、処理空気を除湿するデシカントロータと、
   前記デシカントロータで除湿された前記処理空気を冷却するエアクーラ、及び前記デシカントロータを再生する再生空気を予熱するエアヒータを有するヒートポンプ装置とを備えた除湿空調装置において、
   前記エアクーラ出口の処理空気温度を検出する温度センサと、
   前記デシカントロータ出口側の再生空気流路に設けられ、再生空気と熱流体と熱交換させる第１の熱交換器と、
   前記エアクーラ出口の処理空気流路に設けられ、処理空気と前記熱流体とを熱交換させる第２の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器間に接続され、前記熱流体が循環する熱流体閉回路と、
   前記温度センサの検出値が閾値に達しないとき、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に前記熱流体を循環させて前記温度センサの検出値が前記閾値以上になるように制御する制御装置とを備えていることを特徴とする除湿空調装置。
4. 前記第２の熱交換器が前記エアクーラ入口側又は前記エアクーラ出口側の処理空気流路に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の除湿空調装置。
5. 前記第２の熱交換器に循環される前記熱流体の循環量を調整する循環量調整手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の除湿空調装置。
6. 前記循環量調整手段は、
   前記熱流体が前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器に向かう前記熱流体閉回路の往路から分岐し、前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器に向かう前記熱流体閉回路の復路に接続されたバイパス路と、
   前記バイパス路を流れる前記熱流体の流量を調整可能な弁機構とで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の除湿空調装置。
7. 前記循環量調整手段は、
   前記熱流体循環路を流れる前記熱流体の一部を収容可能な貯留タンクで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の除湿空調装置。

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