JP3699623B2 - ヒートポンプ及び除湿装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ及び除湿装置に関し、特にＣＯＰの高いヒートポンプ、及びそのようなヒートポンプを備え、エネルギー消費量当たりの除湿能力の高い除湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から図７に示すように、冷媒Ｃを圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒Ｃを外気Ｂで凝縮する凝縮器２と、凝縮した冷媒Ｃを膨張弁５で減圧し、これを蒸発させて空調空間１０からの処理空気Ａを露点温度以下に冷却する蒸発器３と、露点以下に冷却された処理空気Ａを、凝縮器２の下流側で膨張弁５の上流側の冷媒Ｃで再熱する再熱器４とを備える除湿装置があった。冷媒Ｃは凝縮器２と再熱器４とで凝縮される。この装置では、圧縮機１、凝縮器２、再熱器４、膨張弁５及び蒸発器３とでヒートポンプＨＰが構成されている。ヒートポンプＨＰは、蒸発器３を流れる処理空気Ａから凝縮器２を流れる外気Ｂに熱を汲み上げる。
【０００３】
ここで、図８のモリエ線図を参照して図７に示されるヒートポンプＨＰの作用を説明する。図８に示すのは冷媒ＨＦＣ１３４ａのモリエ線図である。点ａは蒸発器３で蒸発した冷媒Ｃ（図７）の状態を示し、飽和ガスの状態にある。圧力は０．３５ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４０１．５ｋＪ／ｋｇである。この冷媒ガスＣを圧縮機１で吸込圧縮した状態、圧縮機１の吐出口での状態が点ｂで示されている。点ｂは、過熱ガスの状態にある。この冷媒ガスＣは、凝縮器２内で冷却され、モリエ線図上の点ｃに到る。この点は飽和ガスの状態であり、圧力は０．９６ＭＰａ、温度は３８℃である。この圧力下でさらに冷却され凝縮して、点ｄに到る。この点は飽和液の状態であり、圧力と温度は点ｃと同じであり、エンタルピは２５３．４ｋＪ／ｋｇである。この冷媒液Ｃは、膨張弁５で減圧され、温度５℃の飽和圧力である０．３５ＭＰａとなり、５℃の冷媒液Ｃと冷媒ガスＣの混合物として蒸発器３に到り、ここで処理空気Ａ（図７）から熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点ａの状態の飽和ガスとなり、再び圧縮機１に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。
【０００４】
図９の湿り空気線図を参照して、図７の除湿装置の作用を説明する。図中のアルファベット符号Ｋ、Ｌ、Ｍは、図７に丸で囲んで示した符号に対応する。空調空間１０からの空気（状態Ｋ）は、蒸発器３で露点温度以下に冷却され、乾球温度を低下させると共に絶対湿度を下げて状態Ｌに到る。状態Ｌは、湿り空気線図で飽和線上にある。状態Ｌの空気は、再熱器４で再熱され、絶対湿度一定のまま乾球温度を上昇させ、状態Ｍに到り、空調空間１０に供給される。状態Ｍは、状態Ｋと比べて、絶対湿度、乾球温度共に低い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のヒートポンプ及び除湿装置では、露点までの冷却量が多いためヒートポンプの蒸発器における冷凍効果のうち半分程度が顕熱負荷を奪うのに消費され、電力消費量当たりの除湿能力（除湿性能）が低かった。またヒートポンプの圧縮機に単段圧縮機を用いる場合には、１段圧縮の圧縮式冷凍サイクルになり、動作係数（ＣＯＰ）が低く、除湿量当たりの電力消費量が大きかった。また、処理空気Ａを冷却し除湿した後に、再熱するために、冷房処理能力が低く、高顕熱比の空調負荷の場合には十分対応できなっかった。
【０００６】
そこで本発明は、動作係数の高いヒートポンプ及び除湿量当たりのエネルギー消費量が小さく、さらに高顕熱比の空調負荷の場合にも十分対応できる除湿装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるヒートポンプＨＰ１は、例えば図１に示されるように、冷媒Ｃを昇圧する昇圧機２６０と；冷媒Ｃを凝縮して高熱源流体Ｂを加熱する凝縮器２２０と；冷媒Ｃを蒸発して低熱源流体Ａを冷却する蒸発器２１０と；凝縮器２２０と蒸発器２１０とを接続する冷媒経路２０２、２０３中に設けられた、凝縮器２２０の凝縮圧力と蒸発器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒Ｃの蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により低熱源流体Ａを冷却し、前記中間圧力凝縮により低熱源流体Ａを加熱する熱交換手段３００と；凝縮器２２０と熱交換手段３００との間の冷媒経路２０２中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構２９１と；熱交換手段３００と蒸発器２１０との間の冷媒経路２０３中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構２９２とを備え；低熱源流体Ａは、熱交換手段３００での冷却と蒸発器２１０での冷却と熱交換手段３００での加熱とをこの順番で受けるように構成される。
【０００８】
好ましくは、中間圧力で行われる蒸発と凝縮は、交互に繰り返して行われるように、熱交換手段３００は構成される。典型的には、高熱源流体Ｂを加熱して凝縮器で凝縮した冷媒は昇圧機２６０で昇圧された冷媒であり、低熱源流体Ａを冷却して蒸発器２１０で蒸発した冷媒は昇圧機２６０で昇圧される。第１の絞り機構２９１は、典型的には、開口面積が大きい絞りを形成する場合と、開口面積が小さい絞りを形成する場合とに切り替え可能である。第２の絞り機構２９２は、典型的には、開口面積を小さくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成する場合と、開口面積を大きくし、例えばほぼ冷媒経路の面積に等しくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成しない場合とに切り替え可能である。
【０００９】
このように構成すると、第１の絞り機構２９１を開口面積が大きい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構２９２の開口面積を小さくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成するように設定することができる。この場合は、凝縮器２２０の凝縮圧力と蒸発器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮が熱交換手段３００で行われる。よって、中間圧力蒸発により低熱源流体Ａを冷却し、前記中間圧力凝縮により低熱源流体Ａを加熱する熱交換手段３００を備え、低熱源流体Ａは、熱交換手段３００での冷却と蒸発器２１０での冷却と熱交換手段３００での加熱とをこの順番で受けるので、蒸発器２１０での冷却の前の低熱源流体Ａを熱交換手段３００により予冷できるし、その予冷の熱を使って蒸発器２１０を出た後の低熱源流体Ａを熱交換手段３００で加熱（再加熱）することができる。
【００１０】
すなわち、蒸発器２１０での低熱源流体Ａの冷却により、低熱源流体Ａ中の水分を結露させ除湿を行うことができ、低熱源流体Ａを蒸発器２１０での冷却前に、熱交換手段３００で予冷し、蒸発器２１０での冷却後に、熱交換手段３００で再加熱するので、顕熱比を下げ、ヒートポンプの動作係数を増加させることができる。
【００１１】
第１の絞り機構２９１を開口面積が小さい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構２９２の開口面積を大きくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成しないように設定することができる。この場合は、低熱源流体Ａが、熱交換手段３００での冷却（冷媒が蒸発器とほぼ同じ圧力で蒸発）と、蒸発器２１０での冷却と、熱交換手段３００での冷却（冷媒が蒸発器２１０とほぼ同じ圧力で蒸発）とをこの順番で受ける。よって、熱交換手段３００で蒸発器２１０とほぼ同じ圧力で冷媒を蒸発させ低熱源流体Ａを冷却することができる。
【００１２】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載のヒートポンプでは、前記中間圧力が、少なくとも第１の中間圧力と、該第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力とを含み；前記熱交換手段における冷却は、前記第１の中間圧力での蒸発、前記第２の中間圧力での蒸発の順番で行われ；前記熱交換手段における加熱は、前記第２の中間圧力での凝縮、前記第１の中間圧力での凝縮の順番で行われるように構成され；前記熱交換手段は、開口面積の増減が可能に構成された中間絞り機構を有し；前記第１の中間圧力で蒸発し凝縮した前記冷媒が前記中間絞り機構を通過し、前記第２の中間圧力で凝縮し蒸発するよう構成してもよい。
【００１３】
このように構成すると、除湿運転のときに、すなわち第１の絞り機構を開口面積が大きい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構の開口面積を小さくし第２の絞り機構が絞りを形成するように設定した場合に、例えば中間絞り機構の開口面積を絞りが形成される開口面積にする場合と、中間絞り機構の開口面積を絞りが形成されない冷媒経路の断面積にほぼ等しい開口面積にする場合というように、除湿負荷によって中間絞り機構の開口面積を増減することができる。
【００１４】
中間絞り機構の開口面積を絞りが形成される開口面積にすると、中間圧力を、中間絞り機構を境として第１の中間圧力と第２の中間圧力と分けることができる。中間絞り機構の開口面積を絞りが形成されない冷媒経路の断面積にほぼ等しい開口面積にすると、中間圧力を第１の中間圧力と第２の中間圧力とに分けないようにすることができる。中間圧力を第１の中間圧力と第２の中間圧力と分けると、除湿低熱源流体同士の熱交換という観点から見ると、対向流熱交換であるので、高い熱交換効率を達成できる。
【００１５】
一方、冷房運転のとき、すなわち第１の絞り機構を開口面積が小さい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構の開口面積を大きくして、第２の絞り機構が絞りを形成しないように設定した場合に、例えば中間絞り機構の開口面積を絞りが形成される開口面積に設定する場合、あるいは、中間絞り機構の開口面積を絞りが形成されない開口面積（冷媒経路の断面積にほぼ等しい開口面積）にする場合というように、冷房負荷によって中間絞り機構の開口面積を増減することができる。この場合、中間絞り機構の開口面積を絞りが形成される開口面積にすると、熱交換器に流入した冷媒は中間絞り機構までの部分では、中間圧力で蒸発、凝縮し、中間絞り機構から下流側の熱交換器の部分では、蒸発器とほぼ同じ圧力で蒸発する。中間絞り機構の開口面積を絞りが形成されない開口面積にすると、熱交換器に流入した冷媒は熱交換器全体に渡って、蒸発器と同じ圧力で蒸発するので、冷却能力が増大する。
【００１６】
前記目的を達成するために、請求項３に係る発明による除湿装置は、例えば図１に示されるように、冷媒Ｃを昇圧する昇圧機２６０と；冷媒Ｃを凝縮して高熱源流体Ｂを加熱する凝縮器２２０と；冷媒Ｃを蒸発して処理空気Ａを露点温度以下まで冷却する蒸発器２１０と；凝縮器２２０と蒸発器２１０とを接続する冷媒経路２０２、２０３中に設けられた、凝縮器２２０の凝縮圧力と蒸発器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒Ｃの蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により処理空気Ａを冷却し、前記中間圧力凝縮により処理空気Ａを加熱する熱交換手段３００と；処理空気Ａが熱交換手段３００での冷却と蒸発器２１０での冷却と熱交換手段３００での加熱とをこの順番で受けるように、熱交換手段３００と蒸発器２１０とを接続する、処理空気経路１０８と；凝縮器２２０と熱交換手段３００との間の前記冷媒経路２０２中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構２９１と；熱交換手段３００と蒸発器２１０との間の前記冷媒経路２０３中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構２９２とを備える。
【００１７】
典型的には高熱源流体Ｂは外気である。第１の絞り機構２９１を開口面積が大きい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構２９２の開口面積を小さくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成するように設定すると、除湿装置２１は主として除湿運転が行われる。除湿運転が行われる場合、熱交換手段３００での処理空気Ａの冷却は蒸発器２１０での冷却に先立って行われる予冷である。なお、予冷中にこの熱交換手段３００で結露してもよい。また、好ましくは、中間圧力で行われる蒸発と凝縮は、交互に繰り返して行われるように、熱交換手段３００は構成される。
【００１８】
また、熱交換手段３００は、前記中間圧力が少なくとも第１の中間圧力と、該第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力とを含み、熱交換手段３００における処理空気Ａの冷却は前記第１の中間圧力での蒸発、前記第２の中間圧力での蒸発の順番で行われ、熱交換手段３００における処理空気Ａの加熱は前記第２の中間圧力での凝縮、前記第１の中間圧力での凝縮の順番で行われるように構成してもよい。
【００１９】
一方、第１の絞り機構２９１を開口面積が小さい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構２９２の開口面積を大きくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成しないように設定する場合に、除湿装置２１は主として冷房運転が行われる。
【００２０】
また請求項４に記載の除湿装置では、冷媒を昇圧する昇圧機と；前記冷媒を凝縮する凝縮器と；前記冷媒を蒸発させて処理空気を露点温度以下まで冷却する蒸発器と；前記蒸発器で冷却する前記処理空気の流れの上流側と下流側とで前記処理空気の予冷と再加熱とを行う熱交換手段と；前記熱交換手段に供給される直前の前記冷媒が通過する、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構と；前記蒸発器に入る直前の冷媒が通過する、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構とを備え；前記熱交換手段に、前記蒸発器に入る前の冷媒を供給するように構成する。
【００２１】
第１の絞り機構を開口面積が大きい絞りを形成するように設定し、第２の絞り機構の開口面積を小さくし、第２の絞り機構が絞りを形成するように設定することにより、低熱源流体としての処理空気が、熱交換手段での冷却（冷媒が凝縮器の圧力と蒸発器の圧力の中間圧力で蒸発）と、蒸発器での冷却と、熱交換手段での加熱（冷媒が同中間圧力で凝縮）とをこの順番で受けるようにすることができる。よって主として除湿能力を発揮する、除湿運転をすることができる。
【００２２】
第１の絞り機構を開口面積が小さい絞りを形成するよう設定し、第２の絞り機構の開口面積を大きくし、第２の絞り機構が絞りを形成しないように設定することにより、低熱源流体としての処理空気が、熱交換手段での冷却（冷媒が蒸発器とほぼ同じ圧力で蒸発）と、蒸発器での冷却と、熱交換手段での冷却（冷媒が蒸発器とほぼ同じ圧力で蒸発）とをこの順番で受けるようにすることができる。よって、熱交換手段で蒸発器とほぼ同じ圧力で冷媒を蒸発させ処理空気を冷却するので、主として冷房能力を発揮する、冷房運転をすることができる。
【００２３】
前記目的を達成するために、請求項５に係る発明による除湿装置は、例えば図１に示されるように、冷媒Ｃを昇圧する昇圧機２６０と；冷媒Ｃを凝縮して高熱源流体Ｂを加熱する凝縮器２２０と；冷媒Ｃを蒸発して処理空気Ａを露点温度以下まで冷却する蒸発器２１０と；凝縮器２２０と蒸発器２１０とを接続する冷媒経路２０２、２０３中に設けられた、凝縮器２２０の凝縮圧力と蒸発器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒Ｃの蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により処理空気Ａを蒸発器２１０に入る前に冷却し、前記中間圧力凝縮により処理空気Ａを蒸発器２１０を出た後に加熱する熱交換手段３００とを備え；熱交換手段３００によって処理空気Ａを冷却した後熱交換手段３００によって加熱する第１の運転形態と、熱交換手段３００を蒸発器２１０とほぼ同じ圧力で冷媒Ｃを蒸発させるように切り替えることによって処理空気Ａを冷却する第２の運転形態とを切り替え可能に構成したことを特徴とする。
【００２４】
第１の運転形態の場合、蒸発器２１０によって処理空気Ａを露点温度以下まで冷却し、熱交換手段３００で加熱するので処理空気Ａの除湿を行い湿度を大きく下げることができる。蒸発器２１０に入る前の処理空気Ａを熱交換手段３００で冷却し、その熱を使って熱交換手段３００により、蒸発器２１０を出た処理空気Ａの加熱を行うので、顕熱比を下げ、除湿を効率的に行うことができる。また、第２の運転形態に切り替えて、熱交換手段３００と蒸発器２１０においてほぼ同じ圧力で冷媒を蒸発させて処理空気Ａの冷却を行うので蒸発の伝熱面積を増やすことができ、蒸発温度を上げて、冷房能力すなわち顕熱処理能力を増加させることができる。熱交換手段３００の一部で蒸発器２１０とほぼ同じ圧力下の蒸発を起こすようにすれば、蒸発器２１０とほぼ同じ圧力下で起こる蒸発の伝熱面積の増加割合を変えることができ、冷房能力の増加割合を変えることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図１は、本発明による第１の実施の形態であるヒートポンプＨＰ１とそれを備える、本発明の除湿装置としての除湿空調装置２１のフロー図である。この除湿空調装置２１は処理空気Ａをその露点温度以下に冷却して除湿する除湿運転と、冷房運転ができる除湿空調装置２１である。図２は、図１の除湿空調装置２１に含まれるヒートポンプＨＰ１の除湿運転時の冷媒モリエ線図であり、図３は図１の除湿空調装置２１の除湿運転時の湿り空気線図である。
【００２６】
図１を参照して、第１の実施の形態であるヒートポンプ及びそれを備える除湿空調装置２１の構成を説明する。この除湿空調装置２１は、蒸発器２１０によって低熱源流体としての処理空気Ａの湿度を下げ、処理空気Ａの供給される空調空間１０１を快適な環境に維持するものである。図中、空調空間１０１から処理空気Ａの経路に沿って、処理空気関連の機器構成を説明する。先ず、空調空間１０１に接続された経路１０７、熱交換手段としての熱交換器３００の第１の区画３１０、経路１０８、処理空気Ａをその露点温度以下に冷却する蒸発器２１０、経路１０９、熱交換器３００の第２の区画３２０、経路１１０、この経路に接続された処理空気Ａを循環するための送風機１０２、経路１１１とこの順番で配列され、そして空調空間１０１に戻るように構成されている。
【００２７】
また、屋外ＯＡから高熱源流体としての冷却空気Ｂの経路に沿って、経路１２４、冷媒Ｃを冷却して凝縮させる凝縮器２２０、経路１２５、冷却空気Ｂを送風するための送風機１４０、経路１２６とこの順番で配列され、そして屋外ＯＡに排気ＥＸするように構成されている。
【００２８】
次に蒸発器２１０から冷媒Ｃの経路に沿って、ヒートポンプＨＰ１の機器構成を説明する。図中蒸発器２１０、経路２０４、蒸発器２１０で蒸発してガスになった冷媒Ｃを圧縮する（昇圧する）昇圧機としての圧縮機２６０、経路２０１、凝縮器２２０、経路２０２、絞り３３０、熱交換器３００の第１の区画３１０を流れる処理空気Ａを冷却する蒸発セクション２５１、熱交換器３００の第２の区画３２０を流れる処理空気Ａを加熱（再熱）する凝縮セクション２５２、この蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２とを交互に通過した後、経路２０３、絞り２５０がこの順番で配列され、そして再び蒸発器２１０に戻るようにして、ヒートポンプＨＰ１が構成されている。
【００２９】
なお、冷媒Ｃの経路２０２に絞り３３０をバイパスする経路２０２Ａを設け、経路２０２Ａに絞り３３５とソレノイドバルブ３３６を直列に設けている。また、冷媒Ｃの経路２０３に絞り２５０をバイパスする経路２０３Ａを設け、経路２０３Ａにソレノイドバルブ２５３を設けている。絞り３３０と、絞り３３５と、ソレノイドバルブ３３６とを含んで第１の絞り機構２９１が構成され、絞り２５０とソレノイドバルブ２５３を含んで第２の絞り機構２９２が構成されている。ソレノイドバルブ２５３が開となると、開口面積は経路２０３の断面積にほぼ等しくなるように形成されている。
【００３０】
ソレノイドバルブ３３６を開とした場合は、第１の絞り機構２９１を開口面積が大きい絞りを形成するように設定した場合（絞り３３０の開口面積、プラス絞り３３５の開口面積）である。ソレノイドバルブ３３６を閉とした場合は、第１の絞り機構２９１を開口面積が小さい絞りを形成するように設定した場合（絞り３３０の開口面積）である。ソレノイドバルブ２５３を開とした場合は、第２の絞り機構２９２の開口面積を大きくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成しないように設定した場合である。ソレノイドバルブ２５３が閉とした場合が、第２の絞り機構２９２の開口面積を小さくし、第２の絞り機構２９２が絞りを形成するように設定した場合である。
【００３１】
ここで、熱交換器３００の構成を説明する。熱交換器３００は、蒸発器２１０に流入する前後の処理空気Ａ同士の間で、冷媒Ｃを介して間接的に熱交換をさせる熱交換器である。熱交換器３００は、図中紙面に直交し、処理空気Ａの流れに直交する複数の互いに異なる平面ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ・・内のそれぞれに、冷媒流路としての熱交換チューブが複数本ほぼ平行に配列されている。本図では、図示の便宜上各平面内に１本づつのチューブだけが示されている。
【００３２】
この熱交換器３００は、蒸発器２１０を通過する前の処理空気Ａを流す第１の区画３１０と、蒸発器２１０を通過した後の処理空気Ａを流す第２の区画３２０とが、別々の直方体空間を構成している。両区画は、隔壁３０１と隔壁３０２が隣接して設けられており、熱交換チューブはこの２つの隔壁を貫通して設けられている。
【００３３】
熱交換器３００は、別の形態として１つの直方体の空間を１つの隔壁３０１で分割して、熱交換チューブがこの隔壁３０１を貫通して、第１の区画３１０と第２の区画３２０とを交互に貫通するように構成してもよい。
【００３４】
図中、蒸発器２１０に導入される前の処理空気Ａは、右方から経路１０７を通して、第１の区画３１０に供給され、左方から経路１０８を通して出て行く。また蒸発器２１０を通して露点温度以下に冷却され絶対湿度の低下した処理空気Ａは、図中左方から経路１０９を通して供給され、右方から経路１１０を通して出て行く。
【００３５】
図示のように、前記複数の熱交換チューブは、第１の区画３１０と第２の区画３２０及びそれら区画間を仕切る隔壁３０１及び隔壁３０２を貫通して設けられている。例えば平面ＰＡ内に配置された熱交換チューブは、第１の区画３１０を貫通している部分を、第１の冷媒流路としての蒸発セクション２５１Ａ（以下複数の蒸発セクションを個別に論じる必要がないときは単に２５１という）と呼び、第２の区画３２０を貫通している部分は第２の冷媒流路としての凝縮セクション２５２Ａ（以下複数の凝縮セクションを個別に論じる必要のないときは単に２５２という）と呼ぶ。ここで蒸発セクション２５１Ａと凝縮セクション２５２Ａは、一対の第１の区画貫通部と第２の区画貫通部であり、冷媒流路を構成している。
【００３６】
さらに、平面ＰＢ内に配置された熱交換チューブは、第１の区画３１０を貫通している部分である蒸発セクションを２５１Ｂとする。また、第２の区画３２０を貫通している部分である、前記蒸発セクションと一対の冷媒流路を形成している部分は、第２の冷媒流路としての凝縮セクション２５２Ｂとする。以下、平面ＰＣ・・についても平面ＰＢと同様に冷媒流路が構成されている。
【００３７】
図示のように、蒸発セクション２５１Ａと凝縮セクション２５２Ａとは、一対をなし、１本のチューブで一体の流路として構成されている。したがって、第１の区画３１０と第２の区画３２０とが、２枚の隔壁３０１、３０２を介して隣接して設けられていることと相まって、熱交換器３００を全体として小型コンパクトに形成することができる。
【００３８】
本図の熱交換器３００の形態では、蒸発セクションは図中右から２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ・・の順番で並んでおり、凝縮セクションも図中右から２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ・・の順番で並んでいる。
【００３９】
さらに図示のように、凝縮セクション２５２Ａの端部（隔壁３０２の反対側の端部）と凝縮セクション２５２Ｂの端部（隔壁３０２の反対側の端部）とは、Ｕチューブ（ユーチューブ）で接続されている。また、蒸発セクション２５１Ｂ端部と蒸発セクション２５１Ｃの端部とは、同様にＵチューブで接続されている。
【００４０】
したがって、蒸発セクション２５１Ａから凝縮セクション２５２Ａを、全体として一方向に流れる冷媒Ｃは、Ｕチューブにより凝縮セクション２５２Ｂに導かれ、ここから蒸発セクション２５１Ｂに流れ、Ｕチューブにより蒸発セクション２５１Ｃに流れるように構成されている。このようにして、蒸発セクションと凝縮セクションとを含んで構成される冷媒流路は、第１の区画３１０と第２の区画３２０とを交互に繰り返し貫通する。言い換えれば、冷媒流路は蛇行する細管群を構成している。細管群は蛇行しながら、第１の区画３１０と第２の区画３２０を通過し、温度の高い処理空気Ａと温度の低い処理空気Ａに交互に接触する。
【００４１】
次に先ず図１を参照して、各機器間の冷媒Ｃの流れを説明し、続けて図２を参照して、ヒートポンプＨＰ１の作用を説明する。
【００４２】
図１において、先ず第１の運転形態としての除湿運転時の場合を説明する。このときは、ソレノイドバルブ３３６は開、ソレノイドバルブ２５３は閉とする。
圧縮機２６０により圧縮された冷媒ガスＣは、圧縮機２６０の吐出口に接続された冷媒ガス配管２０１を経由して凝縮器２２０に導かれる。圧縮機２６０で圧縮された冷媒ガスＣは、冷却空気としての外気Ｂで冷却され凝縮する。
【００４３】
凝縮器２２０の冷媒出口は、熱交換器３００の蒸発セクション２５１Ａの入り口に冷媒経路２０２により接続されている。冷媒経路２０２の途中、蒸発セクション２５１Ａの入り口近傍には、絞り３３０が冷媒経路２０２に、冷媒経路の絞り３３０をバイパスするバイパス経路２０２Ａには絞り３３５、ソレノイドバルブ３３６が直列に設けられ、ソレノイドバルブ３３６は開となっている。
【００４４】
凝縮器２２０を出た液冷媒Ｃは、絞り３３０、３３５で減圧され、膨張して一部の冷媒Ｃが蒸発（フラッシュ）する。その液とガスの混合した冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１Ａに到り、ここで液冷媒Ｃは蒸発セクション２５１Ａのチューブの内壁を濡らすように流れ蒸発して、第１の区画３１０を流れる、蒸発器２１０に流入する前の処理空気Ａを冷却（予冷）する。
【００４５】
蒸発セクション２５１Ａと凝縮セクション２５２Ａとは、一連のチューブである。すなわち一体の流路として構成されているので、蒸発した冷媒ガスＣ（及び蒸発しなかった冷媒液Ｃ）は、凝縮セクション２５２Ａに流入して、第２の区画３２０を流れる、蒸発器２１０で冷却除湿され、蒸発器２１０に流入する前より温度が低くなった処理空気Ａを加熱（再熱）し、自身は熱を奪われ凝縮する。
【００４６】
このように、熱交換器３００は、第１の平面ＰＡ内にある、第１の区画３１０を貫通する冷媒流路である蒸発セクションと第２の区画３２０を貫通する冷媒流路である凝縮セクション（少なくとも一対、例えば２５１Ａと２５２Ａ）を有し、また第２の平面ＰＢ内にある、第２の区画３２０を貫通する冷媒流路である凝縮セクションと第１の区画３１０を貫通する冷媒流路である蒸発セクション（少なくとも一対、例えば２５２Ｂと２５１Ｂ）を有する。
【００４７】
熱交換器３００の最後の凝縮セクション２５２Ｅの出口側は、冷媒液配管２０３により、蒸発器２１０に接続され、冷媒配管２０３中には膨張弁２５０、膨張弁２５０をバイパスするソレノイドバルブ２５３が設置されている。
【００４８】
凝縮セクションで凝縮した冷媒液Ｃは、絞り２５０で減圧され膨張して温度を下げて、蒸発器２１０に入り蒸発し、その蒸発熱で処理空気Ａを冷却する。絞り３３０、２５０としては、例えばオリフィス、キャピラリチューブ、膨張弁等を用いる。ソレノイドバルブ２５３は閉となっているので、冷媒液ｃはソレノイドバルブを２５３通過しない。
【００４９】
蒸発器２１０で蒸発してガス化した冷媒Ｃは、経路２０４を通して圧縮機２６０の吸込側に導かれ、以上のサイクルを繰り返す。
【００５０】
図中、熱交換器３００の蒸発セクションと凝縮セクション内の冷媒Ｃの挙動を説明する。先ず蒸発セクション２５１Ａには、液相及び気相の冷媒Ｃが流入する。一部が気化した、気相を僅かに含む冷媒液Ｃであってもよい。この冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１Ａを流れる間に、処理空気Ａを予冷し自身は加熱され気相を増やしながら凝縮セクション２５２Ａに流入する。凝縮セクション２５２Ａでは、冷却除湿されることにより蒸発セクション２５１Ａの処理空気Ａよりも温度の低くなった処理空気Ａを加熱し、自身は熱を奪われ気相冷媒Ｃを凝縮させながら、次の凝縮セクション２５２Ｂに流入する。冷媒Ｃは、凝縮セクション２５２Ｂを流れる間に、低温の処理空気Ａでさらに熱を奪われ気相冷媒Ｃをさらに凝縮させる。そして次の蒸発セクション２５１Ｂに流入する。このように冷媒Ｃは気相と液相の相変化をしながら、冷媒流路を流れる。このようにして、蒸発器２１０で冷却される前の処理空気Ａと、蒸発器２１０で冷却されて絶対湿度を低下させた処理空気Ａとの間で熱交換させる。
【００５１】
第２の運転形態としての冷房運転の場合は、ソレノイドバルブ３３６を開から閉として絞り３３５を冷媒Ｃが流れないようにし、ソレノイドバルブ２５３を閉から開として冷媒Ｃが絞り２５０の前後で圧力低下を起こさないようにし、第１の運転形態としての除湿運転から、第２の運転形態としての冷房運転に運転形態を切り替える。こうすることにより、絞り２５０前後の冷媒Ｃの圧力低下をほぼゼロとし、配管圧損を除いた冷媒Ｃの圧力低下を絞り３３０で発生させることができ、熱交換器３００の凝縮セクション２５２と、蒸発セクション２５１における冷媒Ｃの圧力が、蒸発器２１０における冷媒Ｃの圧力にほぼ等しくなり、蒸発器２１０に加えて凝縮セクション２５２と、蒸発セクション２５１においても冷媒Ｃの蒸発が発生する。よって、蒸発の伝熱面積が増えるので蒸発温度を上げて、冷房能力すなわち顕熱処理能力を増加させることができる。
【００５２】
そして、除湿運転時では、熱交換器３００を蒸発器２１０を通過する前後の処理空気Ａのレヒート熱交換器として使うことによって冷却による結露水分量を冷房運転時より増やし、冷房運転時より除湿能力すなわち潜熱処理能力を増加させることができる。これによって、除湿運転時では、冷房運転時より速やかに湿度を下げることができ、いわゆる低顕熱比の湿度の高い室内空調負荷にも対応できる。
【００５３】
本第１の実施の形態の除湿装置を、家庭用のエアコンに適用した場合、除湿運転を行うことによって、夏期夜間の就寝時に室内が冷えすぎることなく、低湿度で快適な環境を作ることができる。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態の除湿装置は、空調負荷の顕熱比が可変であり、しかも除湿運転、冷房運転いずれの運転形態においても省エネルギーな運転ができる。
【００５５】
次に図２を参照して、ヒートポンプＨＰ１の除湿運転時の作用を説明する。なお、機器等については適宜図１を参照する。図２は、冷媒ＨＦＣ１３４ａを用いた場合のモリエ線図である。この線図では横軸がエンタルピ、縦軸が圧力である。この他に、本発明のヒートポンプ、除湿装置に適した冷媒Ｃとしては、ＨＦＣ４０７ＣやＨＦＣ４１０Ａがある。これらの冷媒Ｃは、ＨＦＣ１３４ａよりも作動圧力領域が高圧側にシフトする。
【００５６】
図中、点ａは蒸発器２１０の冷媒出口の状態であり、冷媒Ｃは飽和ガスの状態にある。圧力は０．３５ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４０１．５ｋＪ／ｋｇである。このガスを圧縮機２６０で吸込圧縮した状態、圧縮機２６０の吐出口での状態が点ｂで示されている。この状態は、圧力が０．９６ＭＰａであり、過熱ガスの状態にある。
【００５７】
この冷媒ガスＣは、凝縮器２２０内で冷却され、モリエ線図上の点ｃに到る。
この点は飽和ガスの状態であり、圧力は０．９６ＭＰａ、温度は３８℃である。
この圧力下でさらに冷却され凝縮して、点ｄに到る。この点は飽和液の状態であり、圧力と温度は点ｃと同じであり、エンタルピは２５３．４ｋＪ／ｋｇである。
【００５８】
この冷媒液Ｃは、絞り３３０で減圧され熱交換器３００の蒸発セクション２５１Ａに流入する。モリエ線図上では、点ｅで示されている。圧力は、本発明の中間圧力であり、本実施例では０．３５ＭＰａと０．９６ＭＰａとの中間の値となる。ここでは、一部の液が蒸発して液とガスが混合した状態にある。
【００５９】
蒸発セクション２５１Ａ内で、前記中間圧力下で冷媒液Ｃは蒸発して、同圧力で飽和液線と飽和ガス線の中間の点ｆ１に到る。ここでは液の一部が蒸発しているが、冷媒液Ｃはかなり残っている。
【００６０】
点ｆ１で示される状態の冷媒Ｃが、凝縮セクション２５２Ａに流入する。凝縮セクション２５２Ａでは、冷媒Ｃは第２の区画３２０を流れる低温の処理空気Ａにより熱を奪われ、点ｇ１に到る。
【００６１】
点ｇ１の状態の冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１Ｂに流入し、ここで熱を奪われ液相を増やして点ｆ２に到り、凝縮セクション２５２Ｂに流入する。ここで液相を増やして点ｇ２に到る。同様にさらに蒸発セクション、凝縮セクションでの蒸発、凝縮を繰り返すが、図のモリエ線図では、面ＰＣの蒸発、凝縮セクション以下を省略して、凝縮セクション２５２Ｂが膨張弁２５０に接続してあるものとして示してある。
【００６２】
点ｇ２はモリエ線図では飽和液線上にある。温度は１８℃、エンタルピは２２4．7ｋＪ／ｋｇである。
【００６３】
点ｇ２の冷媒液Ｃは、絞り２５０で、温度５℃の飽和圧力である０．３５ＭＰａまで減圧され、点ｊに到る。この点ｊの冷媒Ｃは、５℃の冷媒液Ｃと冷媒ガスＣの混合物として蒸発器２１０に到り、ここで処理空気Ａから熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点ａの状態の飽和ガスとなり、再び圧縮機２６０に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。
【００６４】
以上説明したように、熱交換器３００内では、冷媒Ｃは蒸発セクション２５１では点ｅから点ｆ１、あるいはｇ１からｆ２までといったように蒸発の状態変化を、凝縮セクション２５２では、点ｆ１から点ｇ１、あるいは点ｆ２からｇ２までといったように凝縮の状態変化をしており、蒸発伝熱と凝縮伝熱であるため、熱伝達率が非常に高くまた熱交換効率が高い。
【００６５】
さらに、圧縮機２６０、凝縮器２２０、絞り３３０、２５０及び蒸発器２１０を含む圧縮ヒートポンプＨＰ１としては、熱交換器３００を設けない場合は、凝縮器２２０における点ｄの状態の冷媒Ｃを、絞りを介して蒸発器２１０に戻すため、蒸発器２１０で利用できるエンタルピ差は４０１．５−２５３．４＝１４８．１ｋＪ／ｋｇしかないのに対して、熱交換器３００を設けた本実施の形態で用いるヒートポンプＨＰ１の場合は、４０１．５−２２４．７＝１７６．８ｋＪ／ｋｇになり、同一冷却負荷に対して圧縮機２６０に循環するガス量を、ひいては所要動力を１６％も小さくすることができる。すなわち、サブクールサイクルと同様な作用を持たせることができる。
【００６６】
次に、ヒートポンプＨＰ１の冷房運転時の作用を説明する。図中点ｄまでは除湿運転時と同様であるので点ｄまでの説明は省略する。凝縮器２２０を出た、冷媒Ｃは絞り３３０を通過する。絞りを通過すると圧力は０．９６ＭＰａから０．３５ＭＰａまで減少し、図中点ｄから点ｊ´に移行する。この点ｊ´のエンタルピは、２５３．４ｋＪ／ｋｇで、温度は５℃である。そして冷媒は熱交換器３００、蒸発器２１０で蒸発し点ａに至る。
【００６７】
図３の湿り空気線図を参照して、また構成については適宜図１を参照して、ヒートポンプＨＰ１を備えた除湿空調装置２１の除湿運転時の作用を説明する。図３中、アルファベット記号Ｋ、Ｘ、Ｌ、Ｍにより、各部における空気の状態を示す。この記号は、図１のフロー図中で丸で囲んだアルファベットに対応する。また、湿り空気線図は、後で説明する他の実施の形態である除湿空調装置についても、図３が適用できる。
【００６８】
図中、空調空間１０１からの処理空気Ａ（状態Ｋ）は、処理空気経路１０７を通して、熱交換器３００の第１の区画３１０に送り込まれ、ここで蒸発セクション２５１で蒸発する冷媒Ｃによりある程度まで冷却される。これは蒸発器２１０で露点温度以下まで冷却される前の予備的冷却であるので予冷と呼ぶことができる。この間、蒸発セクション２５１で予冷されながら、ある程度は水分を除去され僅かながら絶対湿度を低下させながら点Ｘに到る。点Ｘは飽和線上にある。あるいは予冷段階では、点Ｋと点Ｘとの中間点まで冷却するものであってもよい。
又は点Ｘを越えて、多少飽和線上を低湿度側に移行した点まで冷却されるものであってもよい。
【００６９】
予冷された処理空気Ａは、経路１０８を通して、蒸発器２１０に導入される。
ここでは、膨張弁２５０によって減圧され、低温で蒸発する冷媒Ｃにより、処理空気Ａはその露点温度以下に冷却され、水分を奪われながら、絶対湿度を低下させつつ乾球温度を下げて、点Ｌに到る。点Ｘから点Ｌまでの変化を示す太線は、便宜上飽和線とはずらして描いてあるが、実際は飽和線と重なっている。
【００７０】
点Ｌの状態の処理空気Ａは、経路１０９を通して熱交換器３００の第２の区画３２０に流入する。ここでは凝縮セクション２５２内で凝縮する冷媒Ｃにより、絶対湿度一定のまま加熱され点Ｍに到る。点Ｍは、点Ｋよりも絶対湿度は十分に低く、乾球温度は低すぎない、適度な相対湿度の空気として、送風機１０２により吸い込まれ、空調空間１０１に戻される。
【００７１】
熱交換器３００では、蒸発セクション２５１での冷媒Ｃの蒸発により処理空気Ａを予冷し、凝縮セクション２５２での冷媒Ｃの凝縮により処理空気Ａを再熱する。そして蒸発セクション２５１で蒸発した冷媒Ｃは、凝縮セクション２５２で凝縮する。このように同じ冷媒Ｃの蒸発と凝縮作用により、蒸発器２１０で冷却される前後の処理空気Ａ同士の熱交換を間接的に行う。
【００７２】
凝縮器２２０には、経路１２４を通して外気Ｂが導入される。この外気Ｂは凝縮する冷媒Ｃから熱を奪い、加熱された外気Ｂは経路１２５を経由して送風機１４０に吸い込まれ、経路１２６を経由して屋外に排出される（ＥＸ）。
【００７３】
ここで図３の湿り空気線図上に示す空気側のサイクルでは、第１の区画３１０で処理空気Ａを予冷した熱量、すなわち第２の区画３２０で処理空気Ａを再熱した熱量ΔＨが熱回収分であり、蒸発器２１０で処理空気Ａを冷却した熱量分がΔＱである。また空調空間１０１を冷房する、冷房効果がΔｉである。
【００７４】
本第１の実施の形態の除湿空調装置２１は、冷房運転時に空気・空気熱交換器としての熱交換器３００を蒸発器として使用することにより、蒸発器の伝熱面積を増やして蒸発温度を上げて、冷房処理能力すなわち顕熱処理能力を増加させることができる。これによって、速やかに室温を下げることができ、いわゆる高顕熱比の乾燥し、高温の室内空調負荷に対応できる。
【００７５】
すなわち、冷房運転時においては、図３の湿り空気線図中、空調空間１０１（図１）（状態Ｋ）を出た処理空気Ａは熱交換器の第１の区画３１０（図１）、蒸発器２１０（図１）、熱交換器の第２の区画３２０（図１）において冷却され、熱交換器の第２の区画３２０を出た処理空気Ａは図中の点Ｘの近傍の点で表される状態にある。
【００７６】
本実施の形態の除湿空調装置２１は、除湿運転時に、熱交換器３００を蒸発器２１０を通過する前後の処理空気Ａのレヒート熱交換器として使うことによって冷却による結露水分量を冷房運転時より増やし、除湿能力すなわち潜熱処理能力を増加させることができる。これによって、除湿運転時では、速やかに湿度を下げることができ、いわゆる低顕熱比の湿度の高い室内空調負荷にも対応できる。
【００７７】
除湿空調装置２１は、空調負荷の顕熱比が可変であり、しかも除湿運転、冷房運転いずれの運転形態においても省エネルギーな運転ができる。
【００７８】
図４、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態の除湿空調装置２２を説明する。この実施の形態の、図１に示した第１の実施の形態の除湿空調装置２１との相違点は、熱交換器３００ｂで、平面ＰＡと平面ＰＢの蒸発セクション同士の間、また平面ＰＣと平面ＰＤの蒸発セクション同士の間に、それぞれ中間絞り３３１、３３２が設けられていることである。さらに、中間絞り３３１をバイパスするバイパス経路２０５が、中間絞り３３１をバイパスするバイパス経路２０６が設けられ、バイパス経路２０５中にソレノイドバルブ３３７、バイパス経路２０６中にソレノイドバルブ３３８が設けられていることである。
【００７９】
すなわち図中、平面ＰＡ内の蒸発セクション２５１Ａの端部と、平面ＰＢ内の蒸発セクション２５１Ｂの端部とが、中間絞り３３１を介して接続されており、平面ＰＣ内の蒸発セクション２５１Ｃの端部と、平面ＰＤ内の蒸発セクション２５１Ｄの端部とが、中間絞り３３２を介して接続されている。なお、中間絞り３３１と、ソレノイドバルブ３３７を含んで中間絞り機構２９３Ａが、中間絞り３３２と、ソレノイドバルブ３３８とを含んで中間絞り機構２９３Ｂが構成されている。
【００８０】
なお、本第２の実施の形態において、除湿運転時にソレノイドバルブ３３６を開とし、ソレノイドバルブ２５３を閉とし、冷房運転時にソレノイドバルブ３３６を閉とし、ソレノイドバルブ２５３を開とする点に関しては、前述の第１の実施の形態と同様である。また、典型的には、除湿運転時にソレノイドバルブ３３７、３３８は閉とする。除湿運転時にソレノイドバルブ３３７、３３８のどちらか一方を開とすることも可能である（共に開とした場合は、第１の実施の形態と実質的に同様となる）。以下、特記しない場合は、除湿運転時にはソレノイドバルブ３３７、３３８は閉とするとして説明する。ソレノイドバルブ３３７、３３８を閉とした場合、冷媒は、ソレノイドバルブ３３７、３３８を通過して流れることない。なお、中間絞り３３１、３３２は所定の開口面積を有する。
【００８１】
このような構成において、除湿運転時に、絞り３３０を経て、蒸発セクション２５１Ａに導入された冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１Ａ内で一部が蒸発して、湿り状態になって、凝縮セクション２５２Ａに流入し凝縮する。そして中間絞り３３１で減圧され、平面ＰＢ内の凝縮セクション２５２Ｂに流入する。ここでさらに凝縮して、蒸発セクション２５１Ｂに流入し、蒸発する。さらにＵチューブで方向転換して蒸発セクション２５１Ｃに流入して、さらに蒸発し、凝縮セクション２５２Ｃに流入する。ここで一部の冷媒Ｃが凝縮し、次に冷媒Ｃは中間絞り３３２に到る。ここで減圧され平面ＰＤ内の凝縮セクション２５２Ｄに流入し凝縮する。そして次に蒸発セクション２５１Ｄに流入する。ここで十分に蒸発した冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１Ｅと、凝縮セクション２５２Ｅとを経て、経路２０３、そして膨張弁２５０に到り、減圧されて蒸発器２１０に流入する。
【００８２】
ここで、蒸発セクション２５１Ａでの蒸発圧力、ひいては凝縮セクション２５２Ａに於ける凝縮圧力、すなわち第１の中間圧力、あるいは蒸発セクション２５１Ｂ、２５１Ｃ、凝縮セクション２５２Ｂ、２５２Ｃにおける圧力すなわち第２の中間圧力は、あるいは蒸発セクション２５１Ｄ、２５１Ｅ、凝縮セクション２５２Ｄ、２５２Ｅにおける圧力すなわち第３の中間圧力は、蒸発器２１０に入る前の処理空気Ａの温度と後の処理空気Ａの温度とによって定まる。圧力は、第１の中間圧力、第２の中間圧力、第３の中間圧力と順次低下する。
【００８３】
図４に示す熱交換器３００ｂ、あるいは図１に示す熱交換器３００は、蒸発伝熱と凝縮伝熱とを利用しているので、熱伝達率が非常に優れており、特に除湿運転時に熱交換器３００ｂでは対向流形式で熱交換するので熱交換効率が非常に高い。また冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１から凝縮セクション２５２、また凝縮セクション２５２から蒸発セクション２５１というように、冷媒流路内で全体としてほぼ一方向に強制的に流されるので、温度の高い処理空気Ａと温度の低い処理空気Ａとの間の熱交換効率が高い。ここで、全体としてほぼ一方向に流れるとは、例えば乱流であれば局所的には逆流することがあっても、また気泡の発生や瞬断により圧力波が発生し冷媒Ｃが流れ方向に振動しても、全体的に見れば冷媒流路中をほぼ一方向に流れることをいう。この第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、圧縮機２６０により昇圧された圧力で強制的に一方向に流される。
【００８４】
ここで、熱交換効率φとは、高温側の流体の熱交換器入り口温度をＴＰ１、出口温度をＴ、低温側の流体の熱交換器入り口温度をＴＣ１、出口温度をＴＣ２としたとき、高温側の流体の冷却に注目した場合、すなわち熱交換の目的が冷却の場合は、φ＝（ＴＰ１−ＴＰ２）／（ＴＰ１−ＴＣ１）、低温の流体の加熱に注目した場合、すなわち熱交換の目的が加熱の場合は、φ＝（ＴＣ２−ＴＣ１）／（ＴＰ１−ＴＣ１）と定義されるものである。
【００８５】
図５を参照して、図４の実施の形態のヒートポンプＨＰ２の除湿運転時の作用を説明する。図中、点ａから点ｅまでは、図２の場合の除湿運転時と同様であるので、説明を省略する。
【００８６】
熱交換器３００ｂの蒸発セクション２５１Ａに流入した点ｅの状態の冷媒Ｃは図２で説明した通り、第１の中間圧力で一部の液が蒸発して液とガスが混合した状態にある。
【００８７】
この冷媒Ｃが蒸発セクション２５１Ａでさらに蒸発し、モリエ線図上では湿り領域において飽和ガス線に近づいた点ｆ１に到る。この状態の冷媒Ｃが凝縮セクション２５２Ａに入り、ここで凝縮され点ｇ１ａに到る。ここまではほぼ第１の中間圧力における変化である。
【００８８】
点ｇ１ａの状態の冷媒Ｃが、中間絞り３３１を介して減圧され、第２の中間圧力にある点ｇ１ｂに到る。このとき前述のようにソレノイドバルブ３３７は閉である。平面ＰＡ内の冷媒流路である凝縮セクション２５２Ａから平面ＰＢの冷媒流路である凝縮セクション２５２Ｂに流入し、飽和液線に近い点ｈ１に到る。この冷媒Ｃは、さらに蒸発セクション２５１Ｂ内において第２の中間圧力で蒸発して点ｆ２に到る。以下同様に凝縮・蒸発を交互に繰り返して、中間絞り３３２で減圧され第３の中間圧力となった後、凝縮セクション２５２Ｄ、蒸発セクション２５１Ｄ、蒸発セクション２５１Ｅ、凝縮セクション２５２Ｅと冷媒流路を経由した冷媒Ｃは、モリエ線図上で図２の点ｇ２に対応する点ｈ３に到る。この点はモリエ線図では飽和液線上にある。温度は１２℃、エンタルピは２１５．０ｋＪ／ｋｇである。
【００８９】
点ｈ３の冷媒液Ｃは、図２の場合と同様に、絞り２５０で温度５℃の飽和圧力である０．３５ＭＰａまで減圧され、点ｊの状態になり、５℃の冷媒液Ｃと冷媒ガスＣの混合物として蒸発器２１０に到り、ここで処理空気Ａから熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点ａの状態の飽和ガスとなり、再び圧縮機２６０に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。
【００９０】
次に、ヒートポンプＨＰ２の冷房運転時の作用を説明する。図中点ｄまでは除湿運転時と同様であるので点ｄから説明する。凝縮器２２０を出た、冷媒Ｃは絞り３３０を通過する。絞りを通過すると圧力は０．９６ＭＰａから０．３５ＭＰａまで減少し、図中点ｊ´に移行する。この点ｊ´のエンタルピは、２５３．４ｋＪ／ｋｇで、温度は５℃である。そして冷媒は熱交換器３００、蒸発器２１０で蒸発し点ａに至る。
【００９１】
以上説明したように、熱交換器３００ｂ内では、冷媒Ｃが蒸発・凝縮の状態変化を交互に繰り返しており、蒸発伝熱と凝縮伝熱であるため、熱伝達率が非常に高い点は熱交換器３００と同様である。
【００９２】
また熱交換器３００ｂでは、蒸発器２１０で冷却される前の処理空気Ａは、第１の区画３１０内で、蒸発セクション２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ、２５１Ｄ、２５１Ｅの順番に熱交換する。すなわち処理空気Ａの温度勾配と蒸発セクションの温度勾配は同じ方向である。同様に、蒸発器２１０で冷却された後の処理空気Ａは、第２の区画３２０内で、凝縮セクション２５２Ｅ、２５２Ｄ、２５２Ｃ、２５２Ｂ、２５２Ａの順番に熱交換する。すなわち処理空気Ａの温度勾配と凝縮セクションの温度勾配は同じ方向である。このことから、蒸発器２１０で冷却される前後の処理空気Ａ同士では、対向流の関係で熱交換していることになる。したがって、熱交換器３００ｂでは、蒸発伝熱と凝縮伝熱とを利用していることと相まって、非常に高い熱交換効率を達成できる。
【００９３】
また、除湿運転時に蒸発器２１０で利用できるエンタルピ差が従来のヒートポンプと比較して著しく大きく、同一冷却負荷に対して圧縮機に循環するガス量を、ひいては所要動力を２１％（１−（４０１．５−２５３．４）／（４０１．５−２１５．０）＝０．２１）も小さくすることができる点も、図２の場合と同様である。
【００９４】
次に、本実施の形態の除湿空調装置２２の冷房運転について説明する。冷房運転の場合は、ソレノイドバルブ３３６を閉として、絞り３３５を冷媒Ｃが流れないようにし、ソレノイドバルブ２５３を開として、冷媒Ｃが絞り２５０の前後で圧力損失が発生しないようにする。このとき、ソレノイドバルブ３３７、３３８を開にすると、中間絞り３３１、３３２が取り付けられていない場合に相当し、第１の実施の形態の冷房運転と実質的に同様である。すなわち、前述のように熱交換器３００ｂの凝縮セクション２５２Ａ〜Ｅと、蒸発セクション２５１Ａ〜Ｅにおける冷媒Ｃの圧力が、蒸発器２１０における冷媒Ｃの圧力にほぼ等しくなり、蒸発器２１０に加えて凝縮セクション２５２Ａ〜Ｅと、蒸発セクション２５１Ａ〜Ｅにおいて冷媒Ｃの蒸発が発生する。
【００９５】
ここで、例えば前述の状態からソレノイドバルブ３３７を閉とすれば、熱交換器３００ｂの凝縮セクション２５２Ｂ〜Ｅと、蒸発セクション２５１Ｂ〜Ｅにおける冷媒Ｃの蒸発圧力が、蒸発器２１０における冷媒Ｃの圧力にほぼ等しくなり、凝縮セクション２５２Ａと、蒸発セクション２５１Ａにおいて冷媒Ｃの、蒸発器２１０での蒸発圧力と凝縮器２２０での凝縮圧力との中間圧力での凝縮、蒸発が発生する。
【００９６】
ここで、さらにソレノイドバルブ３３８も閉とすれば、熱交換器３００ｂの凝縮セクション２５２Ｄ、Ｅと、蒸発セクション２５１Ｄ、Ｅにおける冷媒Ｃの蒸発圧力が、蒸発器２１０における冷媒Ｃの蒸発圧力にほぼ等しくなり、凝縮セクション２５２Ａと、蒸発セクション２５１Ａにおいて冷媒Ｃの第１の中間圧力での凝縮、蒸発が発生し、凝縮セクション２５２Ｂ、Ｃと、蒸発セクション２５１Ｂ、Ｃにおいて冷媒Ｃの第２の中間圧力での凝縮、蒸発が発生する。第１の中間圧力は第２の中間圧力より大きい。
【００９７】
したがって、冷房運転時において、ソレノイドバルブ３３７、３３８を開閉することによって、除湿空調装置２２の冷房能力を変えることができ、（１）ソレノイドバルブ３３７、３３８を閉にした状態から、（２）ソレノイドバルブ３３８を開にし、ソレノイドバルブ３３７を閉にした状態、（３）ソレノイドバルブ３３７、３３８を開にした状態と、冷却の伝熱面積を順次増やし、冷房能力を順次増やすことができる。
【００９８】
ヒートポンプＨＰ２を備えた除湿空調装置２２の作用は、定性的には図３の湿り空気線図で説明したのと同様であるので、説明を省略する。
【００９９】
本実施の形態では、熱交換器３００ｂにおいて、中間絞り３３１、３３２が凝縮セクション側に設けられてもよい。また、絞りと、この絞りをバイパスするソレノイドバルブを取り付ける代わりに、閉の状態になった場合、対応する絞りと同じ開口面積を有するように形成されたソレノイドバルブを取り付けてもよい。
すなわち、絞り３３０と並列に、絞り３３５の開口面積と同じ開口面積を持ったソレノイドバルブ３３６のみをバイパス経路２０２Ａに取り付けてもよく、絞り２５０の開口面積と同じ開口面積を持ったソレノイドバルブ２５３のみを経路２０３に取り付けてもよい。
【０１００】
なお図１、図４には、ドレンパン４５０が示されているが、これは蒸発器２１０の下方に限らず、熱交換器３００、３００ｂの下方もカバーするように設けるのがよい。特に第１の区画３１０の下方に設けるのがよい。熱交換器３００、３００ｂの第１の区画３１０では、処理空気Ａを主として予冷するが、一部の水分はここで結露することもあるからである。
【０１０１】
以上の第１、第２の実施の形態は、第１の区画３１０には、空調空間１０１からの戻り空気を導入するものとして説明したが、空調空間１０１からの戻り空気を導入せずに外気を導入してもよい。湿度と温度の高い外気は、蒸発器２１０で冷却する前に予冷するのが好ましく、このように構成することにより、全量外気を必要とする病院やレストランの空調を高いＣＯＰをもって行うことができる。
【０１０２】
図６を参照して、本発明の除湿空調装置に用いられる熱交換器３００ｃの構造の一例を、さらに説明する。（ａ）は温度の低い処理空気Ａ及び温度の高い処理空気Ａの流れ方向に見た平面図、（ｂ）は低温及び高温の処理空気Ａの流れに直角な方向から見た側面図である。すなわち、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視図である。（ａ）において、温度の低い処理空気Ａは紙面の手前から先方に流れ、温度の高い処理空気Ａは先方から手前側に流れる（図中の矢印参照）。この熱交換器では、チューブは、低温及び高温の処理空気Ａの流れに直交する４つの平面ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ内にそれぞれ８列に配列されている。平面ＰＤの下に不図示の平面ＰＥを設け、平面ＰＥ内にさらに８列配列してもよい。すなわち、本図に示す熱交換器３００ｃは、処理空気Ａの流れに沿って４行８列に配列されている。図１、図４では、便宜上、各平面ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ内の熱交換チューブは、各行１列であるものとして説明したが、典型的にはこのように各行に複数のチューブ列が含まれる。
【０１０３】
第１の平面ＰＡから次の平面ＰＢに移る箇所に中間絞り３３１が、平面ＰＢから平面ＰＣに移る箇所に、不図示の中間絞り３３２が、また平面ＰＣから平面ＰＤに移る箇所に中間絞り３３３が設けられている。ここでは、１つの平面から次の平面に移る箇所に１つの絞りが設けられているが、例えばＰＡに属するチューブ列は、複数の層に構成されていてもよい。そして各層から次の層に移る箇所に中間絞りが設けられる。
【０１０４】
また、図６に示されるような８列４層（行）の熱交換器を、低温と高温の処理空気Ａの流量に対応させて、それらの流れに対して並列に並べてもよいし、直列に並べてもよい。
【０１０５】
さらに、例えば図５のモリエ線図において、冷媒Ｃの蒸発と凝縮の繰り返しは、飽和液線を越えて過冷却領域に入り込んでもサイクルとしては成立するが、処理空気Ａ同士の熱交換であることを考慮すると、冷媒Ｃの相変化は湿り領域の中で行われるのが好ましい。したがって図６に示す熱交換器では、絞り３３０（図１、図４）に接続される最初の蒸発セクションの伝熱面積を、その後の蒸発セクションの伝熱面積よりも大きく構成するのが好ましい。また絞り２５０（図１、図４）に流入する冷媒Ｃは、飽和かあるいは過冷却領域にあるのが好ましいので、絞り２５０に接続される凝縮セクションの伝熱面積を、その前の凝縮セクションの伝熱面積よりも大きく構成するのが好ましい。
【０１０６】
以上説明した実施の形態では、処理空気Ａを露点以下に冷却する蒸発器２１０と、処理空気Ａを予冷却する予冷却器とての熱交換器３００、３００ｂ、３００ｃ、再加熱を行う再加熱器としての熱交換器３００、３００ｂ、３００ｃ、の熱伝達媒体を同じ冷媒を用いるようにしたので、冷媒系が単一に単純化され、また蒸発器２１０、凝縮器２２０間の圧力差を利用できるため循環が能動的になり、さらに予冷、再加熱の熱交換に相変化を伴う沸騰現象を応用できるようにしたので、効率を高くすることができる。
【０１０７】
以上の実施の形態では、空調空間を空調する除湿空調装置として説明したが、必ずしも空調空間に限らず、本発明の除湿装置は、他の除湿を必要とする空間に応用することもできる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、凝縮器の凝縮圧力と蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮を行い、中間圧力蒸発により低熱源流体を冷却し、中間圧力凝縮により低熱源流体を加熱する熱交換手段を備え、低熱源流体は、熱交換手段での冷却と蒸発器での冷却と熱交換手段での加熱とをこの順番で受けるので、蒸発器での冷却の前に熱交換手段により予冷できるし、その予冷の冷熱を、蒸発器で一旦冷却された低熱源流体から回収することができ、動作係数の高いヒートポンプを提供することが可能となる。
【０１０９】
また処理空気を低熱源とし、蒸発器で処理空気を露点温度以下に冷却するようにすれば、除湿量当たりのエネルギー消費量が小さい除湿装置を提供することが可能となる。
【０１１０】
さらに、凝縮器と熱交換手段との間の冷媒経路中に設けられた第１の絞り機構と、熱交換手段と蒸発器との間の冷媒経路中に設けられた第２の絞り機構とを備え、第１の絞り機構及び第２の絞り機構は、開口面積が切り替え可能に構成されているので、第１の絞り機構の開口面積を絞りを形成する開口面積とし、第２の絞り機構の開口面積を取り付けられた経路の断面積にほぼ等しく、絞りを形成しないようにすれば、熱交換手段で蒸発器での蒸発圧力にほぼ等しい圧力で冷媒が蒸発するようにでき、冷却能力を増すことができ、高顕熱比の冷却負荷に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である除湿空調装置のフロー図である。
【図２】図１に示す除湿空調装置のヒートポンプのモリエ線図である。
【図３】図１の除湿空調装置の除湿運転時の作動を説明する湿り空気線図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である除湿空調装置のフロー図である。
【図５】図４に示す除湿空調装置のヒートポンプのモリエ線図である。
【図６】本発明の実施の形態であるヒートポンプに使用して好適な熱交換器の模式的平面図及び側面図である。
【図７】従来のヒートポンプと除湿空調装置のフロー図である。
【図８】図７に示す従来のヒートポンプのモリエ線図である。
【図９】図７に示す従来の除湿空調装置の作動を説明する湿り空気線図である。
【符号の説明】
２１、２２ 除湿空調装置
１０１ 空調空間
１０２、１４０ 送風機
２１０ 蒸発器
２２０ 凝縮器
２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ、２５１Ｄ、２５１Ｅ 蒸発セクション
２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄ、２５２Ｅ 凝縮セクション
２５０ 絞り
２５３ ソレノイドバルブ
２６０ 圧縮機
２９１ 第１の絞り機構
２９２ 第２の絞り機構
２９３Ａ、Ｂ 中間絞り機構
３００、３００ｂ、３００ｃ 熱交換器
３１０ 第１の区画
３２０ 第２の区画
３３０ 絞り
３３１、３３２ 中間絞り
３３５ 絞り
３３６、３３７、３３８ ソレノイドバルブ
ＨＰ１、ＨＰ２
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＥ 平面

Claims (5)

1. 冷媒を昇圧する昇圧機と；
   前記冷媒を凝縮して高熱源流体を加熱する凝縮器と；
   前記冷媒を蒸発して低熱源流体を冷却する蒸発器と；
   前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する冷媒経路中に設けられた、前記凝縮器の凝縮圧力と前記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により前記低熱源流体を冷却し、前記中間圧力凝縮により前記低熱源流体を加熱する熱交換手段と；
   前記凝縮器と前記熱交換手段との間の前記冷媒経路中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構と；
   前記熱交換手段と前記蒸発器との間の前記冷媒経路中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構とを備え；
   前記低熱源流体は、前記熱交換手段での冷却と前記蒸発器での冷却と前記熱交換手段での加熱とをこの順番で受けるように構成された；
   ヒートポンプ。
2. 前記中間圧力が、少なくとも第１の中間圧力と、該第１の中間圧力よりも低い第２の中間圧力とを含み；
   前記熱交換手段における冷却は、前記第１の中間圧力での蒸発、前記第２の中間圧力での蒸発の順番で行われ；
   前記熱交換手段における加熱は、前記第２の中間圧力での凝縮、前記第１の中間圧力での凝縮の順番で行われるように構成され；
   前記熱交換手段は、開口面積の増減が可能に構成された中間絞り機構を有し；前記第１の中間圧力で蒸発し凝縮した前記冷媒が前記中間絞り機構を通過し、前記第２の中間圧力で凝縮し蒸発するよう構成された；
   請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 冷媒を昇圧する昇圧機と；
   前記冷媒を凝縮して高熱源流体を加熱する凝縮器と；
   前記冷媒を蒸発して処理空気を露点温度以下まで冷却する蒸発器と；
   前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する冷媒経路中に設けられた、前記凝縮器の凝縮圧力と前記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により前記処理空気を冷却し、前記中間圧力凝縮により前記処理空気を加熱する熱交換手段と；
   前記処理空気が前記熱交換手段での冷却と前記蒸発器での冷却と前記熱交換手段での加熱とをこの順番で受けるように、前記熱交換手段と前記蒸発器とを接続する、処理空気経路と；
   前記凝縮器と前記熱交換手段との間の前記冷媒経路中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構と；
   前記熱交換手段と前記蒸発器との間の前記冷媒経路中に設けられた、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構とを備える；
   除湿装置。
4. 冷媒を昇圧する昇圧機と；
   前記冷媒を凝縮する凝縮器と；
   前記冷媒を蒸発させて処理空気を露点温度以下まで冷却する蒸発器と；
   前記蒸発器で冷却する前記処理空気の流れの上流側と下流側とで前記処理空気の予冷と再加熱とを行う熱交換手段と；
   前記熱交換手段に供給される直前の前記冷媒が通過する、開口面積が切り替え可能な第１の絞り機構と；
   前記蒸発器に入る直前の冷媒が通過する、開口面積が切り替え可能な第２の絞り機構とを備え；
   前記熱交換手段に、前記蒸発器に入る前の冷媒を供給するように構成する；
   除湿装置。
5. 冷媒を昇圧する昇圧機と；
   前記冷媒を凝縮して高熱源流体を加熱する凝縮器と；
   前記冷媒を蒸発して処理空気を露点温度以下まで冷却する蒸発器と；
   前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する冷媒経路中に設けられた、前記凝縮器の凝縮圧力と前記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により前記処理空気を前記蒸発器に入る前に冷却し、前記中間圧力凝縮により前記処理空気を前記蒸発器を出た後に加熱する熱交換手段とを備え；
   前記熱交換手段によって前記処理空気を冷却した後前記熱交換手段によって加熱する第１の運転形態と、前記熱交換手段を前記蒸発器とほぼ同じ圧力で冷媒を蒸発させるように切り替えることによって前記処理空気を冷却する第２の運転形態とを切り替え可能に構成したことを特徴とする；
   除湿装置。

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