JP2017032255A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒自然循環式の顕熱交換部により給気路を流れる空気と排気路を流れる空気との間で顕熱を融通して空調対象空間の空調を効率的に行えながら、空調対象空間への給気温度を安定させて空調対象空間の快適性も得られる優れた空調装置を提供する。【解決手段】給気路１０と、排気路２０と、給気路１０を流れる空気と排気路２０を流れる空気との間で顕熱交換を行う冷媒自然循環式の顕熱交換部５０が備えられ、給気路１０による空調対象空間Ｒへの給気温度を検出する給気温度検出手段６０と、顕熱交換部５０による顕熱交換量を調整する顕熱交換量調整手段７０と、給気温度検出手段６０による検出結果に基づいて顕熱交換量調整手段７０を制御して給気路１０による空調対象空間Ｒへの給気温度を設定給気温度に調整する制御手段８０が備えられている。【選択図】図１

Description

本発明は、空調対象空間に給気する給気路と、空調対象空間から排気する排気路と、冷媒の液状態とガス状態とでの密度差及び冷媒の圧力差を利用して冷媒を自然循環させることで冷媒を介して排気路を流れる空気と給気路を流れる空気との間で顕熱交換を行う冷媒自然循環式の顕熱交換部が備えられている空調装置に関する。

この種の空調装置としては、例えば、特許文献１に示すように、前記給気路、前記排気路、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部に加え、給気路を流れる空気から水分を吸着して排気路を流れる空気に水分を放出する除湿ロータ（除湿部の一例）を備えた空調装置が知られている。

この空調装置では、冷媒自然循環式の顕熱交換部を採用することで、冷媒の搬送動力が不要で、且つ、顕熱ロータ等に比べ圧損も少なくて済むようにしている。更に、この冷媒自然循環式の顕熱交換部により、給気路を流れる空気で除湿ロータよりも下流側の吸着除湿後の空気から水分吸着で生じた吸着熱（温熱）を回収し、その吸着熱を用いて排気路を流れる空気で除湿ロータよりも上流側の空気（除湿ロータの再生に用いられる空気）を加熱して再生に有利な温度状態とすることで、除湿を含む空調対象空間の空調を効率的に行い、高い省エネ性を実現している。

ところで、空調対象空間への給気温度は、除湿ロータによる吸着除湿過程で温度上昇した空気を冷媒自然循環式の顕熱交換部で冷却したものとなる。ここで、顕熱交換部での顕熱交換量は、給気路を流れる空気の状態と、排気路を流れる空気の状態と、自然循環式の顕熱交換部を流れる冷媒の状態との三者の相対関係で決まるが、この従来の空調装置では、これら三者の相対関係を自然の成り行きに任せて自由に変化させるようにしていた。

特開２００８−１１１６４９号公報

上記従来の技術では、上述した三者の相対関係が自然の成り行きで変化するのに伴い、空調対象空間への給気温度に影響する顕熱交換部での顕熱交換量も同様に成り行きで変化することになる。そのため、空調対象空間への給気温度が不測に変化して空調対象空間の快適性が損なわれ易い問題があった。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、冷媒自然循環式の顕熱交換部により給気路を流れる空気と排気路を流れる空気との間で顕熱を融通して空調対象空間の空調を効率的に行えながら、空調対象空間への給気温度を安定させて空調対象空間の快適性も得られる省エネ性と快適性とを両立した空調装置を提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、空調対象空間に給気する給気路と、
空調対象空間から排気する排気路と、
冷媒の液状態とガス状態とでの密度差及び冷媒の圧力差を利用して冷媒を自然循環させることで冷媒を介して前記給気路を流れる空気と前記排気路を流れる空気との間で顕熱交換を行う冷媒自然循環式の顕熱交換部が備えられている空調装置であって、
前記給気路による空調対象空間への給気温度を検出する給気温度検出手段と、
前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による前記排気路を流れる空気と前記給気路を流れる空気との間での顕熱交換量を調整する顕熱交換量調整手段と、
前記給気温度検出手段による検出結果に基づいて前記顕熱交換量調整手段を制御して前記給気路による空調対象空間への給気温度を設定給気温度に調整する制御手段が備えられている点にある。

上記構成によれば、まずは、冷媒自然循環式の顕熱交換部により、給気路を流れる空気と排気路を流れる空気との間で顕熱を効率的に融通（回収して利用）することで、空調対象空間の空調を効率的に行える。そして、制御手段により、給気温度検出手段の検出結果に基づいて顕熱交換量調整手段を制御して空調対象空間への給気温度を設定給気温度に調整することで、空調対象空間への給気温度を安定させて空調対象空間の空調を効果的に行える。これらのことから、省エネ性と快適性とを両立することができる。

本発明の第２特徴構成は、前記給気路を流れる空気で前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換が行われる前の空気を除湿する除湿部が備えられている点にある。

上記構成によれば、給気路を流れる空気を除湿部で除湿することで、空調対象空間への給気湿度を低下させることができる。更に、冷媒自然循環式の顕熱交換部により、給気路を流れる空気で除湿部による除湿後の空気と、排気路を流れる空気との間で顕熱を融通しながら、温度変化を伴い易い除湿部による除湿後の空気の温度を設定給気温度に調整することができる。したがって、除湿を含む空調対象空間の空調を効率的且つ効果的に行える。

なお、本構成の実施において、除湿部は、給気路を流れる空気を露点温度以下に冷却して除湿する構成や給気路を流れる空気から吸着材等で水分を吸着して除湿する構成等の各種の構成を適宜に採用することができる。

本発明の第３特徴構成は、前記給気路を流れる空気で前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換が行われる前の空気と、前記排気路を流れる空気との間で全熱交換を行う全熱交換部が備えられている点にある。

上記構成によれば、全熱交換部により、給気路を流れる空気で冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換が行われる前の空気と排気路を流れる空気との間で全熱（顕熱及び潜熱）を融通することで、空調対象空間の空調を一層効率的に行える。しかも、冷媒自然循環式の顕熱交換部により、給気路を流れる空気で全熱交換部による全熱交換後の空気と排気路を流れる空気との間で顕熱を融通しながら、温度変化を伴い易い全熱交換部による全熱交換の後の空気の温度を設定給気温度に調整することができる。したがって、空調対象空間の空調を一層効率的且つ効果的に行える。

本発明の第４特徴構成は、前記顕熱交換量調整手段が、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部において自然循環させる冷媒の流量を調整する冷媒流量調整部から構成されている点にある。

上記構成によれば、顕熱交換量調整手段を構成する冷媒流量調整部により顕熱交換部で自然循環する冷媒の流量を調整することで、空調対象空間への給気量及び空調対象空間からの排気量は換気に必要な設定量に維持しながら、顕熱交換部による顕熱交換量を調整することができ、空調対象空間への給気温度の調整を効果的に行える。

本発明の第５特徴構成は、前記排気路には、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換を行って排気する第一排気路と、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換を行わずに排気する第二排気路とが備えられ、
前記顕熱交換量調整手段が、前記排気路にて排気する空気のうち、前記第一排気路にて排気する空気と前記第二排気路にて排気する空気との風量比を調整する排気風量比調整部から構成されている点にある。

つまり、冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換を行って排気する第一排気路を流れる空気の風量が変化すれば、冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換量が変化することになる。そのため、上記構成によれば、顕熱交換量調整手段を構成する排気風量比調整部により、第一排気路にて排気する空気と第二排気路にて排気する空気との風量比を調整することで、全体としての排気量を維持しながら、第一排気路を流れる空気の風量を調整して、冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換量を調整することができる。
したがって、空調対象空間への給気量及び空調対象空間からの排気量は換気に必要な設定量に維持しながら、顕熱交換部による顕熱交換量を調整することができ、空調対象空間への給気温度の調整を効果的に行える。

第１実施形態の空調装置の概略構成図 第２実施形態の空調装置の概略構成図

本発明に係る空調装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この空調装置１００は、図１に示すように、屋内Ｒ（空調対象空間の一例）の換気・除湿・温調を行うものであり、屋内Ｒに給気する給気路１０、屋内Ｒから排気する排気路２０、給排気間で全熱交換を行う全熱交換部３０、給気路１０を流れる空気を除湿する除湿部４０、給排気間で顕熱交換を行う冷媒自然循環式の顕熱交換部５０等が備えられている。

前記給気路１０は、給気ファンＦｓに接続され、屋外Ｏから屋内Ｒに外気ＯＡを供給するように構成されている。この給気路１０は、空気の流れ方向において、屋外Ｏ側の外気取入口１１から全熱交換部３０の給気側領域３１、除湿部４０、顕熱交換部５０の給気側領域５１を順に通り、屋内Ｒ側の給気口１２に至る風路として構成されている。

前記排気路２０は、排気ファンＦｅに接続され、屋内Ｒから屋外Ｏに屋内空気ＲＡを排出するように構成されている。この排気路２０は、空気の流れ方向において、屋内Ｒ側の屋内空気取入口２１から顕熱交換部５０の排気側領域５２、全熱交換部３０の排気側領域３２を順に通り、屋外Ｏ側の排気口２２に至る風路として構成されている。

前記全熱交換部３０は、給気側領域３１を流れる空気として給気路１０を流れる空気で冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換が行われる前の空気と、排気側領域３２を流れる空気として排気路２０を流れる空気で冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換が行われた後の空気との間で全熱交換（顕熱交換及び潜熱交換）を行うように構成されている。

このとき、排気路２０を流れる空気で冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換（熱回収）が行われた後の空気（屋内空気ＲＡ）は、外気ＯＡに比べて低温且つ低湿の空気であるので、当該空気との全熱交換部３０での全熱交換により、給気路１０を流れる空気（外気ＯＡ）に対して第１段目の処理として冷却と除湿とが行われる。

全熱交換部３０としては、各種の方式のものを採用することができるが、本実施形態では、アルミニウム製のハニカム等からなる円盤状の通気性蓄熱体３３を給気側領域３１と排気側領域３２との間で駆動手段（図示省略）にて回転駆動させることで、給気側領域３１を流れる空気と排気側領域３２を流れる空気との間で全熱交換を行う回転式のものを採用している。

前記除湿部４０は、給気路１０を流れる空気で全熱交換部３０の下流側の全熱交換後の空気を除湿するように構成されている。この除湿部４０も各種の方式のものを採用することができるが、本実施形態では、冷水等の熱搬送媒体の供給を受けて空気を冷却する冷却器からなり、給気路１０を流れる空気を露点温度以下まで冷却して除湿する冷却除湿式の除湿部として構成されている。この除湿部４０により、給気路１０を流れる空気に対して第２段目の処理として冷却と除湿とが行われる。

前記冷媒自然循環式の顕熱交換部５０は、冷媒ｒの液状態とガス状態とでの密度差及び冷媒ｒの圧力差を利用して冷媒ｒを自然循環させることで、冷媒ｒを介して給気側領域５１を流れる空気と排気側領域５２を流れる空気との間で顕熱交換を行うように構成されている。

顕熱交換部５０は、給気側領域５１に配設される給気側熱交換部５３と、排気側領域５２に配設される排気側熱交換部５４と、給気側熱交換部５３と排気側熱交換部５４との間で冷媒ｒを一方向に循環させる冷媒循環路５５とから構成されている。

これらの給気側熱交換部５３と排気側熱交換部５４と冷媒循環路５５は、例えば、給気側熱交換部５３が排気側熱交換部５４よりも上方に位置する配置関係とされ、低位側の排気側熱交換部５４で蒸発したガス状態の冷媒ｒが冷媒循環路５５を通じて自然に上方に移動して高位側の給気側熱交換部５３に流入し、高位側の給気側熱交換部５３で凝縮した液状態の冷媒ｒが冷媒循環路５５を通じて自然に下方に移動して低位側の排気側熱交換部５４に流入するように構成されている。

また、この冷媒自然循環式の顕熱交換部５０は、給気側領域５１を流れる空気として、給気路１０を流れる空気で全熱交換部３０による全熱交換と除湿部４０による除湿が行われた後の空気と、排気側領域５２を流れる空気として、排気路２０を流れる空気で全熱交換部３０による全熱交換が行われる前の空気との間で顕熱交換を行うように構成されている。

このとき、排気路２０を流れる空気で全熱交換部３０による全熱交換が行われる前の空気（屋内空気ＲＡ）は、給気路１０を流れる空気で除湿部４０による冷却除湿後の空気に比べて高温の空気である。そのため、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０の排気側熱交換部５４が熱回収器となり、液状態の冷媒ｒを蒸発させる形態で排気路２０を流れる空気で全熱交換部３０による全熱交換が行われる前の空気の顕熱（温熱）が回収される。更に、顕熱交換部５０の給気側熱交換部５３が再熱器となり、ガス状態の冷媒ｒを凝縮させる形態で給気路１０を流れる空気で除湿部４０による冷却除湿後の空気が再熱される。

そして、この空調装置１００は、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持するように構成されている。そのため、この空調装置１００には、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を検出する給気温度検出手段６０と、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換量を調整する顕熱交換量調整手段７０と、給気温度検出手段６０による検出結果に基づいて顕熱交換量調整手段７０を制御して給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に調整する制御部（制御手段の一例）８０が備えられている。

前記給気温度検出手段６０は、給気路１０における顕熱交換部５０の下流側で給気口１２の直上流側の箇所に設けられた温度センサ等からなり、当該箇所における空気の温度、すなわち、屋内Ｒへの給気温度を検出するように構成されている。

前記顕熱交換量調整手段７０は、冷媒循環路５５を流れる冷媒ｒの流量を調整する冷媒流量調整部７１からなり、制御部８０からの制御指令に応じて冷媒循環路５５を流れる冷媒ｒの流量を調整することで、顕熱交換部５０での顕熱交換量を調整するように構成されている。

この冷媒流量調整部７１は、例えば、冷媒循環路５５における給気側熱交換部５３から排気側熱交換部５４へ冷媒ｒが流れる区間に電子膨張弁等を介装して構成され、制御部８０からの制御指令に応じた弁開度の調整により冷媒循環路５５を流れる冷媒ｒの流量を調整する。

前記制御部８０は、給気温度検出手段６０から検出温度を通信等で取得し、その検出温度に基づき、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度が設定給気温度となるように冷媒流量調整部７１に対して冷媒ｒの流量を調整する制御指令を出力することで、冷媒流量調整部７１を制御し、顕熱交換部５０での顕熱交換量を調整して給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持する。

例えば、この制御部８０は、給気温度検出手段６０から取得した検出温度と予め設定された設定給気温度とを比較し、検出温度が設定給気温度よりも低い場合は、顕熱交換部５０での顕熱交換量を増大させるべく冷媒ｒの流量を増大させる制御指令を冷媒流量調整部７１に出力し、他方、検出温度が設定給気温度よりも高い場合は、顕熱交換部５０での顕熱交換量を減少させるべく冷媒ｒの流量を減少させる制御指令を冷媒流量調整部７１に出力することで、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持する。

このように構成された空調装置１００は、全熱交換部３０と顕熱交換部５０の双方における給排気間での熱融通により屋内Ｒの空調を効率的に行え、更に、制御部８０による冷媒流量調整部７１の制御により、屋内Ｒへの給気量と屋内Ｒからの排気量を設定量に維持しながら屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持し、屋内Ｒの空調を効果的に行える。

〔第２実施形態〕
前述の第１実施形態では、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０の顕熱交換量を調整する顕熱交換量調整手段７０が、顕熱交換部５０の冷媒循環路５５を流れる冷媒ｒの流量を調整するものである場合を例に示したが、例えば、顕熱交換部５０の排気側熱交換部５４で顕熱交換させる空気の風量を調整するものであってもよい。

この第２実施形態では、図２に示すように、屋内Ｒから排気する排気路２０として、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換を行って排気する第一排気路２０Ａと、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０による顕熱交換を行わずに排気する第二排気路２０Ｂとが備えられている。

前記第一排気路２０Ａは、空気の流れ方向において、屋内空気取入口２１から顕熱交換部５０の手前側の分岐部２３に至る第一区間Ａ１と、分岐部２３から顕熱交換部５０の排気側領域５２を通って合流部２４に至る第二区間Ａ２と、合流部２４から排気口２２に至る第三区間Ａ３から構成されている。

他方、前記第二排気路２０Ｂは、空気の流れ方向において、第一区間Ａ１と、分岐部２３から顕熱交換部５０の排気側領域５２を迂回して合流部２４に至るバイパス区間Ａｂと、第三区間Ａ３から構成されている。

また、顕熱交換量調整手段７０が、排気路２０にて排気する空気のうち、第一排気路２０Ａにて排気する空気と、第二排気路２０Ｂにて排気する空気との風量比を調整する排気風量比調整部７２からなり、制御部８０からの制御指令に応じて第一排気路２０Ａにて排気する空気と、第二排気路２０Ｂにて排気する空気との風量比を調整して、排気路２０にて排気する空気の全体風量（排気量）を維持しながら第一排気路２０Ａにて排気する空気の風量を調整することで、顕熱交換部５０での顕熱交換量を調整するように構成されている。

前記排気風量比調整部７２は、第二排気路２０Ｂのバイパス区間Ａｂに介装された風量調整ダンパ等からなり、当該バイパス区間Ａｂの通風面積を調整することで、第一排気路２０Ａを流れる空気の風量と第二排気路２０Ｂを流れる空気の風量の比を調整するように構成されている。

前記制御部８０は、給気温度検出手段６０から検出温度を通信等で取得し、その検出温度に基づき、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度が設定給気温度となるように排気風量比調整部７２に対して排気風量比を調整する制御指令を出力することで、排気風量比調整部７２を制御し、顕熱交換部５０での顕熱交換量を調整して給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持する。

例えば、この制御部８０は、給気温度検出手段６０から取得した検出温度と予め設定された設定給気温度とを比較し、検出温度が設定給気温度よりも低い場合は、顕熱交換部５０での顕熱交換量を増大させるべく第一排気路２０Ａにて排気する空気の風量を増大させる制御指令を排気風量比調整部７２に出力し、他方、検出温度が設定給気温度よりも高い場合は、顕熱交換部５０での顕熱交換量を減少させるべく第一排気路２０Ａにて排気する空気の風量を減少させる制御指令を排気風量比調整部７２に出力することで、給気路１０による屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持する。

このように構成された空調装置１００は、全熱交換部３０と顕熱交換部５０の双方における給排気間での熱融通により屋内Ｒの空調を効率的に行え、更に、制御部８０による排気風量比調整部７２の制御により、屋内Ｒへの給気量と屋内Ｒからの排気量を設定量に維持しながら屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持して、屋内Ｒの空調を効果的に行える。

なお、その他の構成は、第１実施形態で説明した構成と同一であるから、同一の構成箇所には、第１実施形態と同一の番号を付記してそれの説明は省略する。

〔別実施形態〕
（１）顕熱交換量調整手段７０は、前述の各実施形態で示した冷媒流量調整部７１や排気風量比調整部７２に限らず、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０での顕熱交換量を調整自在な各種の構成を採用することができる。

（２）前述の各実施形態では、全熱交換部３０や除湿部４０が付設されている場合を例に示したが、全熱交換部３０や除湿部４０を付設するか否かは、空調装置１００の設置目的や設置環境等に応じて適宜に選択することができる。

（３）前述の各実施形態の改良として、給気路１０における顕熱交換部５０の下流側に加熱部や冷却部を追加的に配置し、顕熱交換部５０による顕熱交換量の調整だけでは屋内Ｒへの給気温度が設定給気温度から外れる場合に、当該加熱部や冷却部を一時的に稼動させて屋内Ｒへの給気温度を設定給気温度に維持するようにしてもよい。

（４）前述の各実施形態では、除湿部４０として、給気路１０を流れる空気を露点温度以下まで冷却して除湿する冷却除湿式の除湿部を例に示したが、例えば、吸着材や高分子収着材等を備え、給気路１０を流れる空気から水分を吸着し、排気路２０を流れる空気に水分を放出する除湿ロータ等の吸着除湿式の除湿部等であってもよい。
この場合、冷媒自然循環式の顕熱交換部５０の排気側熱交換部５４が熱回収器、給気側熱交換部５３が冷却器となり、排気路２０を流れる空気から冷熱を回収し、給気路１０を流れる空気で吸着除湿式の除湿部にて吸着除湿後の高温の空気（吸着熱で高温化した空気）を冷却することができる。

１０ 給気路
２０ 排気路
２０Ａ 第一排気路
２０Ｂ 第二排気路
３０ 全熱交換部
４０ 除湿部
５０ 冷媒自然循環式の顕熱交換部
６０ 給気温度検出手段
７０ 顕熱交換量調整手段
７１ 冷媒流量調整部
７２ 排気風量比調整部
８０ 制御部（制御手段）
１００ 空調装置
Ｒ 屋内（空調対象空間）
ｒ 冷媒

Claims (5)

1. 空調対象空間に給気する給気路と、
   空調対象空間から排気する排気路と、
   冷媒の液状態とガス状態とでの密度差及び冷媒の圧力差を利用して冷媒を自然循環させることで冷媒を介して前記給気路を流れる空気と前記排気路を流れる空気との間で顕熱交換を行う冷媒自然循環式の顕熱交換部が備えられている空調装置であって、
   前記給気路による空調対象空間への給気温度を検出する給気温度検出手段と、
   前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換量を調整する顕熱交換量調整手段と、
   前記給気温度検出手段による検出結果に基づいて前記顕熱交換量調整手段を制御して前記給気路による空調対象空間への給気温度を設定給気温度に調整する制御手段が備えられている空調装置。
2. 前記給気路を流れる空気で前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換が行われる前の空気を除湿する除湿部が備えられている請求項１記載の空調装置。
3. 前記給気路を流れる空気で前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換が行われる前の空気と、前記排気路を流れる空気との間で全熱交換を行う全熱交換部が備えられている請求項１又は２記載の空調装置。
4. 前記顕熱交換量調整手段が、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部において自然循環させる冷媒の流量を調整する冷媒流量調整部から構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の空調装置。
5. 前記排気路には、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換を行って排気する第一排気路と、前記冷媒自然循環式の顕熱交換部による顕熱交換を行わずに排気する第二排気路とが備えられ、
   前記顕熱交換量調整手段が、前記排気路にて排気する空気のうち、前記第一排気路にて排気する空気と前記第二排気路にて排気する空気との風量比を調整する排気風量比調整部から構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の空調装置。
   
   

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