JP3614774B2 - ヒートポンプ式空調機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプ式空調機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄熱式ヒートポンプは、蒸発器の熱源を蓄熱槽と冷凍機で切換えて運転するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため大容量の蓄熱槽が必要で屋内設置困難となり配管が面倒であった。また、除湿のみでよい場合でも蒸発器の運転が必要でランニングコストが高くつく。そこで、これらの問題点を解決するヒートポンプ式空調機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式空調機は、同一本体ケーシング内に、蒸発器と、通風外気と熱交換する蓄熱槽と、蒸発器と蓄熱槽の冷暖運転切換自在な圧縮機と、蒸発器の循環冷媒を熱交換する水冷コンデンサと、を設け、蒸発器へ混合して送風される蓄熱槽通過空気と生外気と還気の各風量を個別に制御するダンパ機構を、備えた。また、同一本体ケーシング内に、蒸発器と、通風還気又は通風還気と通風外気の混気と熱交換する蓄熱槽と、蒸発器と蓄熱槽の冷暖運転切換自在な圧縮機と、蒸発器の循環冷媒を熱交換する水冷コンデンサと、を設け、蒸発器へ混合して送風される蓄熱槽通過空気と生外気の各風量を個別に制御するダンパ機構を、備えた。さらに、蓄熱槽が、槽内蓄熱材と熱交換する複数の空気通風管を備えた。さらに、蓄熱槽を有する蓄熱ブロックと、水冷コンデンサ、蒸発器及び圧縮機を有する冷凍ブロックと、に区画して、上下又は左右に配列した。さらに、蒸発器を風上側と風下側に二分割し、この２つの分割蒸発器を各々別冷凍回路の圧縮機に接続した。さらに、蒸発器をその空気入口面を二分する方向に二分割し、２つの分割蒸発器を各々別冷凍回路の圧縮機に接続し、一方の分割蒸発器と冷風給気口を連通連結する冷風路と、他方の分割蒸発器と温風給気口を連通連結する温風路を、本体ケーシング内に形成した。さらに、２つの冷凍回路の圧縮機の能力比を４：６に設定した。さらに、１台の水冷コンデンサで、２つの冷凍回路の循環冷媒を熱交換するように構成した。さらに、水冷コンデンサの熱媒を熱交換するコイルを設けたクーリングユニットを、備え、このクーリングユニットに、室内排気を取入れる排気口と、排気兼用のコイル用送風機と、を設けた。さらに、クーリングユニットに、コイル熱媒流量を制御自在なポンプを設けた。さらに、コイルの伝熱管を楕円管にした。さらに、本体ケーシングに連通する複数の室内吹出口の吹出風量信号を数値に置き換えてその合計数値に基づいて給気風量と圧縮機の運転・停止を別個に制御する制御装置を、設けた。さらに、蒸発器のフィンチューブを楕円管にした。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明のヒートポンプ式空調機の一実施例を示しており、この空調機は、本体ケーシング１とクーリングユニット１９を備えている。この同一本体ケーシング１内に、冷媒で空気を冷風又は温風に熱交換する蒸発器５と、蓄熱材で通風外気を冷風又は温風に熱交換する蓄熱槽６と、蒸発器５と蓄熱槽６の冷暖熱交換運転切換自在な圧縮機２と、蒸発器５の循環冷媒を熱交換する水冷コンデンサ７と、を設ける。さらに本体ケーシング１は、圧縮機２、切換弁３、受液器等から成る冷房・暖房切換自在な２つの冷凍回路４と、蒸発器５へ混合して送風される蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃの各風量を個別に制御するダンパ機構８と、を備えている。ここで生外気Ｂとは、熱交換などの外気処理をせずに屋外から取入れたそのままの新鮮外気のことをいう。
【０００６】
本体ケーシング１は、蓄熱槽６を有する蓄熱ブロック９と、加湿器１１、水冷コンデンサ７、蒸発器５及び圧縮機２を有する冷凍ブロック１０と、に区画して、上下又は左右に配列するが、蓄熱ブロック９と冷凍ブロック１０の何れが上であってもよく、また何れが左であってもよい。冷凍ブロック１０には、蒸発器用送風機１２を蒸発器５と加湿器１１よりも風上に設け、蒸発器５を最も風下側に配置し、蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃを十分に混合した状態で蒸発器５に送風して空気と循環冷媒との熱交換効率を良くする。加湿器１１は蒸発器５の風下に設ける。
【０００７】
この本体ケーシング１には、冷凍ブロック１０の風上側に連通する還気口１３と、冷凍ブロック１０の風下側に連通する給気口１４と、蓄熱ブロック９の風上側に連通する外気口１５と、を形成し、外気口１５と冷凍ブロック１０の連通路には冷凍ブロック１０への生外気風量を調整する外気バイパスダンパ１６を、蓄熱ブロック９の風下側と冷凍ブロック１０の風上側の連通路には冷凍ブロック１０への蓄熱槽通過空気風量を調整する外気ダンパ１７を、還気口１３には冷凍ブロック１０への還気風量を調整する還気ダンパ１８と、を夫々設けて、ダンパ機構８を構成する。還気口１３にはダクトを介して複数の室内吸込口を連通連結し、給気口１４にはダクトを介して複数の室内吹出口を連通連結し、室内を空調する。
【０００８】
この給気口１４に連通する複数の室内吹出口の吹出風量信号を数値（ポイント）に置き換えてその合計数値に基づいて給気風量と各圧縮機２の運転・停止を別個に制御する制御装置２０を、設ける。制御装置２０はマイコンなどにて構成し、圧縮機２と送風機１２の回転速度を制御する。制御装置２０は、送風機１２に別個に回転速度の指令を出して風量を無段階又は段階的に制御しかつ各圧縮機２に別個に回転速度の指令を出して循環冷媒流量を無段階又は段階的に制御する。たとえば、各室内吹出口に図示省略のセンサーを設け、そのセンサーの吹出風量信号の合計数値（ポイント）の変動に応じて、送風機１２の風量を増減制御し、冷凍回路４の圧縮機２による冷媒流量を増減制御する。なお、本発明において圧縮機２の運転とは、冷媒流量の増減制御を行わないもの（単に起動・停止を行うだけ）と、冷媒流量の増減制御を行うものの両方が含まれるものとする。
【０００９】
蒸発器５は風上側と風下側に距離を隔てて所定割合で二分割し、２つの分割蒸発器５ａ、５ｂを各々別冷凍回路４の圧縮機２に一対一で接続する。２つの冷凍回路４、４の圧縮機２、２（風下側の分割蒸発器５ｂ：風上側の分割蒸発器５ａ）の能力比は４：６に設定するのが最適であるが、これ以外の割合でもよい。通常、同一の蒸発器で冷房と暖房を切り替えて使用する場合、暖房に要する能力は冷房時の６割程度である。そのため、上述のような分割比にすることにより、暖房時には風上側の分割蒸発器５ａのみ即ち一方の冷凍回路４の圧縮機２のみを使用するだけでよく省エネ化を図れる。
【００１０】
蓄熱槽６は、温水や氷などの各種の槽内蓄熱材と熱交換する複数の空気通風管２１を、備える。この空気通風管２１内に外気や還気などの空気を通し、空気通風管２１を介して槽内蓄熱材にて空気を熱交換するのに用いる。そのため空調用冷媒の蓄熱槽として使用する場合と比べて蓄熱容量が少なくて済み蓄熱槽６を小型化できる。蓄熱槽６は、各冷凍回路４の圧縮機２に切換弁３を介して接続して、蒸発器５と蓄熱槽６の運転を切換自在に構成する。蓄熱槽６は夜間などに運転し、温水や氷などで蓄熱する。
【００１１】
２つの冷凍回路４、４の循環冷媒は、１台の水冷コンデンサ７で共用して熱交換するように構成する。水冷コンデンサ７には水などの熱媒を用いて冷凍回路４の循環冷媒を熱交換するが、寒冷地などでは凍結防止のためにブライン液などを用いて熱交換してもよい。水冷コンデンサ７の熱媒はクーリングユニット１９のコイル２３にて熱交換する。このクーリングユニット１９には、ダクトを介して室内排気を取入れる排気口２４と、排気兼用のコイル用送風機２５と、コイル熱媒流量を制御自在なポンプ２６と、を設ける。このクーリングユニット１９では、排気熱を利用してコイル２３の熱交換負荷を下げることができ、あたかも全熱交換器を用いたような効果をコイル２３のみで得ることができる。なお、蒸発器５のフィンチューブとコイル２３の伝熱管は楕円管（図５参照）にするのが好ましいが円形管でもよい。
【００１２】
このヒートポンプ式空調機による運転例を説明する。
▲１▼冷房／暖房運転
外気バイパスダンパ１６、外気ダンパ１７、還気ダンパ１８を開き、外気口１５からの外気を蓄熱ブロック９と冷凍ブロック１０に分流させ、分流外気の一方を蓄熱ブロック９の蓄熱槽６で熱交換して冷凍ブロック１０へ送り、この蓄熱槽通過空気Ａと、前記分流外気の他方である生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ、蒸発器５を介して給気口１４から室内へ給気し冷暖房を行う。暖房時に加湿する場合は、加湿器１１も作動させ、加湿した温風を室内へ給気し、暖房を行う。このとき、２つの分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の運転切換により、次のように冷暖房能力を段階的に制御してきめ細かく温度調整できる。
（１）蒸発器５（圧縮機２、２）の運転を停止し、蓄熱槽６による外気熱交換のみでの運転。
（２）蓄熱槽６と能力比４０％の分割蒸発器５ｂ（圧縮機２）のみの運転。
（３）蓄熱槽６と能力比６０％の分割蒸発器５ａ（圧縮機２）のみの運転。
（４）蓄熱槽６と両方の分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の運転。
さらに、外気バイパスダンパ１６と外気ダンパ１７を閉じて、蓄熱槽６を使わずに分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の一方又は両方の運転切換により、冷暖房能力を段階的に制御して一層きめ細かく温度調整できる。
【００１３】
▲２▼外気冷房運転
外気冷房運転する場合、圧縮機２、２を止めて外気ダンパ１７を閉じ、外気バイパスダンパ１６と還気ダンパ１８を開いて、生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ給気口１４から室内へ給気し外気冷房を行う。外気の除湿や加熱などの外気処理が必要な場合には、外気ダンパ１７を開いて蓄熱槽６で外気処理し、この蓄熱槽通過空気Ａと還気Ｃを所定割合で混合させ、給気口１４から室内へ給気し外気冷房を行う。なお、必要に応じて、蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃを所定割合で混合させて、外気冷房することもできる。このように多くのエネルギーを消費する圧縮機２、２を運転せずに外気処理でき省エネとなる。
【００１４】
▲３▼除湿／再熱運転
除湿／再熱運転する場合、外気バイパスダンパ１６と還気ダンパ１８を開いて、生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ、その混気を風上側分割蒸発器５ａの循環冷媒にて冷却して除湿した後、その除湿空気を風下側分割蒸発器５ｂの循環冷媒にて加熱して給気口１４から室内へ給気して空調する。このとき、冷凍回路４、４の各冷媒は１台の水冷コンデンサ７の熱媒を介して熱交換するので、冷媒と熱媒の熱交換だけでなく、それよりも温度差の大きな冷媒同士（加熱用冷媒温度−冷却用冷媒温度）での熱交換も行えて熱交換能力が高まる。なお、必要に応じて外気ダンパ１７を開き、蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃを所定割合で混合させて、除湿／再熱運転することもできる。
【００１５】
図例では、冷凍ブロック１０において、送風機１２、蒸発器５、水冷コンデンサ７及び圧縮機２を同一面上に配置して本体ケーシング１の全高を低く抑え、冷媒配管の容易化を図っているが、図６のように、送風機１２及び蒸発器５と、水冷コンデンサ７及び圧縮機２を、上下二段又は左右に配置して設置床面積を抑えるようにしてもよい。
【００１６】
図７と図８は他の実施例で、図１の実施例において、蒸発器５をその空気入口面を二分する方向に所定割合で二分割し、２つの分割蒸発器５ａ、５ｂを各々別冷凍回路４、４の圧縮機２、２に一対一で接続し、一方の分割蒸発器５ａと冷風給気口２７を連通連結する冷風路２８と、他方の分割蒸発器５ｂと温風給気口２９を連通連結する温風路３０を、本体ケーシング１内に形成したものである。２つの冷凍回路４、４の圧縮機２、２（分割蒸発器５ｂ：分割蒸発器５ａ）の能力比は４：６に設定するのが最適であるが、これ以外の割合でもよい。分割蒸発器５ａ、５ｂの何れか一方又は両方の風下には加湿器１１を設ける。冷風給気口２７にはダクトを介して複数の冷房ゾーン用室内吹出口を連通連結し、温風給気口２９にはダクトを介して複数の暖房ゾーン用室内吹出口を連通連結する。その他の構成は図１と同じであるので説明を省略する。
【００１７】
このヒートポンプ式空調機による運転例を説明する。
▲１▼冷暖房同時運転
外気バイパスダンパ１６と還気ダンパ１８を開いて、生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ、その混気を一方の分割蒸発器５ａの循環冷媒で冷風に熱交換して冷風給気口２７から室内の冷房ゾーンへ給気しかつ他方の分割蒸発器５ｂの循環冷媒で温風に熱交換して温風給気口２９から室内の暖房ゾーンへ給気して空調する。このとき、冷凍回路４、４の各冷媒は１台の水冷コンデンサ７の熱媒を介して熱交換するので、冷媒と熱媒の熱交換だけでなく、それよりも温度差の大きな冷媒同士（加熱用冷媒温度−冷却用冷媒温度）での熱交換も行えて熱交換能力が高まる。なお、必要に応じて外気ダンパ１７を開き、蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃを所定割合で混合させて、冷暖房同時運転することもできる。
【００１８】
▲２▼冷房／暖房運転
外気バイパスダンパ１６、外気ダンパ１７、還気ダンパ１８を開き、外気口１５からの外気を蓄熱ブロック９と冷凍ブロック１０に分流させ、分流外気の一方を蓄熱ブロック９の蓄熱槽６で熱交換して冷凍ブロック１０へ送り、この蓄熱槽通過空気Ａと、前記分流外気の他方である生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ、蒸発器５を介して冷風給気口２７と温風給気口２９から室内へ給気し冷暖房を行う。暖房時に加湿する場合は、加湿器１１も作動させ、加湿した温風を室内へ給気し、暖房を行う。このとき、２つの分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の運転切換により、次のように冷暖房能力を段階的に制御してきめ細かく温度調整できる。
（１）蒸発器５（圧縮機２、２）の運転を停止し、蓄熱槽６による外気熱交換のみでの運転。
（２）蓄熱槽６と能力比４０％の分割蒸発器５ｂ（圧縮機２）のみの運転。
（３）蓄熱槽６と能力比６０％の分割蒸発器５ａ（圧縮機２）のみの運転。
（４）蓄熱槽６と両方の分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の運転。
さらに、外気バイパスダンパ１６と外気ダンパ１７を閉じて、蓄熱槽６を使わずに分割蒸発器５ａ、５ｂ（圧縮機２、２）の一方又は両方の運転切換により、冷暖房能力を段階的に制御して一層きめ細かく温度調整できる。
【００１９】
▲３▼外気冷房運転
外気冷房運転する場合、圧縮機２、２を止めて外気ダンパ１７を閉じ、外気バイパスダンパ１６と還気ダンパ１８を開いて、生外気Ｂと、還気口１３からの還気Ｃと、を所定割合で混合させ冷風給気口２７と温風給気口２９から室内へ給気し外気冷房を行う。外気の除湿や加熱などの外気処理が必要な場合には、外気ダンパ１７を開いて蓄熱槽６で外気処理し、この蓄熱槽通過空気Ａと還気Ｃを所定割合で混合させ、冷風給気口２７と温風給気口２９から室内へ給気し外気冷房を行う。なお、必要に応じて外気ダンパ１７を開き、蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃを所定割合で混合させて、外気冷房することもできる。このように多くのエネルギーを消費する圧縮機２、２を運転せずに外気処理でき省エネとなる。
【００２０】
図９は、前記各実施例において、通風還気又は通風還気と通風外気の混気を蓄熱槽６で熱交換できるように構成したもので、通風還気又は通風還気と通風外気の混気と熱交換する蓄熱槽６とし、蒸発器５へ混合して送風される蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂの各風量を個別に制御するダンパ機構８を、備えている。外気口１５には、外気取入口３１と還気取入口３２を有するチャンバ３３を、取付け、このチャンバ３３に、外気取入風量を調整する外気ダンパ３４と、還気取入風量を調整する還気ダンパ３５と、を設ける。
【００２１】
なお、図示省略するが、前記各実施例において、蒸発器５を分割せずに１つとし、冷凍回路４（圧縮機２）も１つとして空調機を構成してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１、２の発明では、蓄熱槽を外気熱交換処理に用いるのでコンパクトにできる。蓄熱槽を本体ケーシング内に組込んであるので冷媒の配管と回収が容易となり、屋外設置の場合のような熱対策が不要であり、熱交換能力ロスもない。蓄熱槽を除湿などの外気処理に用いることにより蒸発器の運転が不要となりランニングコストを低減できる。蒸発器と蓄熱槽に圧縮機を兼用できるので空調機が一層コンパクトとなりコストダウンを図れる。蓄熱槽の外気入口と外気出口の温度差を大きくとることができるのでその蓄熱槽通過空気と生外気と還気を混合するだけで蒸発器を運転せずに温度制御を含めた室内空調ができる。ダンパ機構により還気を蓄熱槽に通して空調することもできる。空気通風管２１内に外気や還気などの空気を通し、空気通風管２１を介して槽内蓄熱材にて空気を熱交換するため空調用冷媒の蓄熱槽として使用する場合と比べて蓄熱容量が少なくて済み蓄熱槽６を小型化できる。
請求項３の発明では、１台のヒートポンプ式空調機で、外気処理冷暖房運転、外気冷房運転、換気運転、除湿／再熱運転を行える。任意の冷凍機を運転・停止させるだけで能力調整でき、制御が容易で、制御機構の簡素化を図れ、故障が少なく、無駄の少ない省エネ運転を行える。
請求項４の発明では、１台のヒートポンプ式空調機で、外気処理冷暖房同時運転、外気処理冷房運転、外気処理暖房運転、外気冷房運転、換気運転を行える。任意の冷凍機を運転・停止させるだけで能力調整でき、制御が容易で、制御機構の簡素化を図れ、故障が少なく、無駄の少ない省エネ運転を行える。
請求項５の発明では、蒸発器での除湿／再熱運転などの場合において水冷コンデンサで温度差の大きな冷媒同士（加熱用冷媒温度−冷却用冷媒温度）での熱交換も行えて水冷コンデンサの熱交換能力が高まる。
請求項６の発明では、高風速で使用しても圧力損失が増加せずかつ熱交換能力も低下しないので小型の蒸発器とコイルを使用でき空調機を大幅にコンパクト化できる。また、通常風速では圧力損失が減少して熱交換効率が向上するので小型の送風機を用いることができ騒音低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す正面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の側面図である。
【図４】本発明の全体簡略構成図である。
【図５】要部断面図である。
【図６】他の実施例を示す正面図である。
【図７】別の実施例を示す正面図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】さらに別の実施例を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 本体ケーシング
２ 圧縮機
４ 冷凍回路
５ 蒸発器
５ａ 分割蒸発器
５ｂ 分割蒸発器
６ 蓄熱槽
７ 水冷コンデンサ
８ ダンパ機構
９ 蓄熱ブロック
１０ 冷凍ブロック
１９ クーリングユニット
２０ 制御装置
２１ 空気通風管
２３ コイル
２４ 排気口
２５ 送風機
２６ ポンプ
２７ 冷風給気口
２８ 冷風路
２９ 温風給気口
３０ 温風路
Ａ 蓄熱槽通過空気
Ｂ 生外気
Ｃ 還気

Claims (6)

1. 同一本体ケーシング１内に、蒸発器５と、複数の空気通風管２１を備えこの空気通風管２１内を通る外気を槽内蓄熱材にて熱交換する蓄熱槽６と、前記蒸発器５と前記蓄熱槽６の冷暖熱交換運転切換自在な圧縮機２と、前記蒸発器５の循環冷媒を熱交換する水冷コンデンサ７と、を設け、前記蒸発器５へ混合して送風される蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂと還気Ｃの各風量を個別に制御するダンパ機構８を、備えたことを特徴とするヒートポンプ式空調機。
2. 同一本体ケーシング１内に、蒸発器５と、複数の空気通風管２１を備えこの空気通風管２１内を通る還気又は還気と外気の混気を槽内蓄熱材にて熱交換する蓄熱槽６と、前記蒸発器５と前記蓄熱槽６の冷暖熱交換運転切換自在な圧縮機２と、前記蒸発器５の循環冷媒を熱交換する水冷コンデンサ７と、を設け、前記蒸発器５へ混合して送風される蓄熱槽通過空気Ａと生外気Ｂの各風量を個別に制御するダンパ機構８を、備えたことを特徴とするヒートポンプ式空調機。
3. 蒸発器５を風上側と風下側に二分割し、この２つの分割蒸発器５ａ、５ｂを各々別冷凍回路４の圧縮機２に接続した請求項１又は２記載のヒートポンプ式空調機。
4. 蒸発器５をその空気入口面を二分する方向に二分割し、２つの分割蒸発器５ａ、５ｂを各々別冷凍回路４の圧縮機２に接続し、一方の分割蒸発器５ａと冷風給気口２７を連通連結する冷風路２８と、他方の分割蒸発器５ｂと温風給気口２９を連通連結する温風路３０を、本体ケーシング１内に形成した請求項１又は２記載のヒートポンプ式空調機。
5. １台の水冷コンデンサ７で、２つの冷凍回路４、４の循環冷媒を熱交換するように構成した請求項３又は４記載のヒートポンプ式空調機。
6. 蒸発器５のフィンチューブを楕円管にした請求項１、２、３、４又は５記載のヒートポンプ式空調機。

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