JP3765932B2

JP3765932B2 - 除湿空調装置及び除湿空調システム

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Publication number: JP3765932B2
Application number: JP29762398A
Authority: JP
Inventors: 健作前田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2018-10-05
Also published as: JP2000111094A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除湿空調装置及び除湿空調システムに関し、特にデシカントを有する除湿空調装置及びそのような除湿空調装置を備える除湿空調システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に示すように従来から、低熱源と高熱源を利用するデシカント空調機があった。この空調機では、デシカントロータ１０３により水分を吸着される処理空気Ａの経路と、高熱源によって加熱されたのち、前記水分吸着後のデシカントロータ１０３を通過してデシカント中の水分を脱着して再生する再生空気Ｂの経路を有する。ここで再生空気を高熱源で加熱するためには、熱交換器１２０に高熱源供給口４２に接続された経路１５１を通して温水を熱交換器１２０に供給し、その温水は経路１５２を通して高熱源戻り口４３に戻される。
【０００３】
また、図１１の空調機は、水分を吸着された処理空気と、デシカントロータ１０３のデシカント（乾燥剤）を再生する前かつ熱交換器１２０により加熱される前の再生空気との間に顕熱熱交換器１０４を有し、再生空気を熱交換器１２０で加熱する前に熱交換器１０４によりある程度加熱し、またデシカントで乾燥された処理空気を、熱交換器１０４によりある程度冷却した後、低熱源供給口４０から経路１６１を通して熱交換器１１５に供給され、経路１６２を通して低熱源戻り口４１に排出される低熱源によってさらに冷却を行うものである。なお、図１１の従来例では熱交換器１１５を出た処理空気は加湿器１０６により加湿され、湿度を上げると同時に乾球温度を下げて空調空間１０１に供給される。
【０００４】
そして、この空調装置では、デシカントロータ１０３を出た後の処理空気と、熱交換器１２０に入る前の再生空気との間で熱交換する顕熱熱交換器１０４が、省エネルギー効果を高めている。なお図１１に示す従来の装置の高熱源、低熱源は、不図示の圧縮ヒートポンプが提供している。
【０００５】
ここで図１２に、図１１の装置で用いられる圧縮ヒートポンプのモリエ線図を示す。これは冷媒としてＨＦＣ１３４ａを用いた場合のモリエ線図である。点ａはヒートポンプの蒸発器で蒸発した冷媒の状態を示し、飽和ガスの状態にある。圧力は４．２ｋｇ／ｃｍ²、温度は１０℃、エンタルピは１４８．８３ｋｃａｌ／ｋｇである。このガスをヒートポンプの圧縮機で吸込圧縮した状態、圧縮機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２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は８５℃であり、過熱ガスの状態にある。この冷媒ガスは、ヒートポンプの凝縮器内で温水により冷却され（温水を加熱し）、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２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は７５℃である。この圧力下でさらに温水により熱を奪われ凝縮して、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と同じく、圧力は２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は７５℃、そしてエンタルピは１２７．１３ｋｃａｌ／ｋｇである。この冷媒液は、膨張弁で減圧され、温度１０℃の飽和圧力である４．２ｋｇ／ｃｍ²まで減圧され、１０℃の冷媒液とガスの混合物として前述の蒸発器に到り、ここで冷水から熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点ａの状態の飽和ガスとなり、再び前述の圧縮機に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。なお、図１３に冷媒と温熱媒体としての温水の熱交換における温度変化の様子を示す。
【０００６】
前記冷却された冷熱媒体としての冷水は経路１６１を介して熱交換器１１５に供給され経路１６２を介してヒートポンプの蒸発器に戻る。また、７０℃程度に加熱された温水は経路１５１を介して熱交換器１２０に供給され、ここで６０〜６５℃程度まで冷却され、経路１５２を介してヒートポンプの凝縮器に戻る。また顕熱熱交換器１０４としては、図１１に示すようなロータリー熱交換器や、処理空気と再生空気を直交して流す直交流熱交換器が用いられていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の空調システムによれば、処理空気を冷却器１１５で冷却する前に予備的に冷却する顕熱熱交換器１０４が重要な役割を演じているが、この顕熱熱交換器１０４は一般にシステム中で大きな容積を占めるため、システム構成を困難にし、ひいてはシステムの大型化が余儀なくされていた。また、温水あるいは冷水の量は大きく、特に除湿空調装置をビルの空調に用いる場合などには、温水や冷水を循環する温水配管あるいは冷水配管の口径も大きく施工の困難性があり、温水や冷水を搬送するポンプの動力が大きくなり勝ちであった。
【０００８】
そこで本発明は、コンパクトにまとまった除湿空調装置、及び温熱媒体あるいは冷熱媒体の搬送動力の小さい除湿空調装置及び除湿空調システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【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に係る発明による除湿空調装置は、図１に示すように、処理空気中の水分を吸着し、再生空気により水分を脱着されるデシカントを有する水分吸着装置１０３と；前記再生空気と気相の温熱媒体とを熱交換させる第１の熱交換器であって、前記水分吸着装置に対して前記再生空気の流れの上流側に設けられた第１の熱交換器１２０と；前記処理空気と、第１の熱交換器１２０で熱交換された前記温熱媒体とを熱交換させる第２の熱交換器であって、水分吸着装置１０３に対して前記処理空気の流れの下流側に設けられた第２の熱交換器２２０とを備えることを特徴とする。典型的には、第１の熱交換器１２０で熱交換された温熱媒体は、凝縮して液相となり、第２の熱交換器２２０では、その液相になった温熱媒体と処理空気とを熱交換するように構成される。
【００１０】
このように構成すると、温熱媒体を、第１の熱交換器と第２の熱交換器の順に流すように構成したので、第１の熱交換器で再生空気の加熱に使用した熱の一部に相当する熱を第２の熱交換器で処理空気から回収することができる。また典型的には、熱が熱媒体の相変化を利用して搬送される。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、上記の装置では、前記処理空気と液相の冷熱媒体とを熱交換させる第３の熱交換器であって、第２の熱交換器２２０に対して前記処理空気の流れの下流側に設けられた第３の熱交換器１１５を備えるようにしてもよい。このときは、第３の熱交換器１１５は、第２の熱交換器２２０で冷却された処理空気をさらに冷却する。
【００１２】
また、請求項３に記載のように、請求項１または請求項２に記載の除湿空調装置では、図８に示すように、第１の熱交換器１２０と第２の熱交換器２２０との間に、第１の熱交換器１２０で熱交換された前記温熱媒体の流れを切り換える切替装置１７０を備えるようにしてもよい。このように構成すると、温熱媒体の流れを切り換える切替装置により温熱媒体の流れを切り換えて、第２の熱交換器２２０を温熱媒体がバイパスするようにできる。
【００１３】
また前記目的を達成するために、請求項４に係る発明による除湿空調システムは、図１０に示すように、請求項２に記載された除湿空調装置と；第３の熱交換器１１５に供給する冷熱媒体から、第１の熱交換器１２０に供給する温熱媒体に熱を汲み上げるヒートポンプ１とを備えることを特徴とする。
【００１４】
このよう構成すると、ヒートポンプを備えるので、第３の熱交換器で冷熱媒体から取り込んだ熱を、汲み上げて第１の熱交換器で温熱媒体に与えることができる。また、熱媒体の相変化を利用して熱を搬送するし、典型的には重力による自然循環作用を利用することもでき、搬送動力が極めて少なくなる。
【００１５】
また、請求項５に記載のように、請求項４に記載の除湿空調システムでは、１台のヒートポンプ１に対して、複数台の前記除湿空調装置を備えるものとしてもよい。このように構成すると、１台のヒートポンプで集中的に加熱する温熱媒体と集中的に冷却する冷熱媒体とを、複数の除湿空調装置で利用するシステムを構成することができる。
【００１６】
さらに、請求項６に記載のように、請求項４または請求項５に記載の除湿空調システムでは、ヒートポンプ１は、前記温熱媒体に熱を与える第４の熱交換器３５と；前記冷熱媒体から熱を奪う第５の熱交換器２５とを備えるようにしてもよい。
【００１７】
また、請求項７に記載のように、請求項６に記載の除湿空調システムでは、第４の熱交換器３５は、前記除湿空調装置に対して相対的に鉛直方向下方に設置され、第５熱交換器２５は、前記除湿空調装置に対して相対的に鉛直方向上方に設置されるのが好ましい。
【００１８】
このよう構成すると、典型的には第４の熱交換器では温熱媒体は熱を与えられ気化するが、気化した温熱媒体は液体の温熱媒体より軽いので自然循環作用により相対的に鉛直方向上方の除湿空調装置に送られ、典型的には第５の熱交換器では冷熱媒体は熱を奪われ液化するが、液化した冷熱媒体は気体の冷熱媒体より重いので自然循環作用により相対的に鉛直方向下方の除湿空調装置に送られる。
【００１９】
さらに、請求項８に記載のように、請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の除湿空調システムでは、前記冷熱媒体から熱を奪う冷凍機９をさらに備えてもよい。このときは、冷凍機９を備えるので、冷房負荷が大きいとき、ヒートポンプ１に加えて、これを運転することにより対処できる。このとき冷凍機は冷熱媒体経路のどこに設けてもよいが、典型的には第５の熱交換器２５に接続され、例えば冷凍機の蒸発器を第５の熱交換器に組み込むようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１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。
【００２１】
図１のフロー図を参照して、本発明の第１の実施の形態である除湿空調装置の構成を説明する。この空調装置は、デシカント（乾燥剤）によって処理空気の湿度を下げ、処理空気の供給される複数の空調空間６１Ａ〜Ｅを快適な環境に維持するものである。図中、空調空間６１Ａ〜Ｅから処理空気Ａの経路に沿って、処理空気を循環するための送風機１０２、デシカントを充填したデシカントロータ１０３、本発明の第２の熱交換器２２０、第３の熱交換器１１５、加湿器１０６がこの順番で配列され、そして処理空気を空調空間６１Ａ〜Ｅに戻すように構成されている。
【００２２】
また、屋外ＯＡから再生空気Ｂの経路に沿って、デシカントロータ１０３に入る前の再生空気を加熱する本発明の第１の熱交換器１２０、デシカントロータ１０３、再生空気を循環するための送風機１４０がこの順番で配列され、そして使用済みの再生空気を屋外に排気ＥＸするように構成されている。
【００２３】
気相の温熱媒体を導く配管１５１が、図２（後で説明）に示す熱媒体供給装置としてのヒートポンプＨＰの第４の熱交換器３５の温熱媒体供給口４２と熱交換器１２０の気相温熱媒体入口に接続されている。熱交換器１２０は、気相温熱媒体と再生空気とが対向流で熱交換するように構成された対向流型熱交換器である。熱交換器１２０の温熱媒体出口は、熱交換器２２０の温熱媒体入口に温熱媒体配管により接続されている。熱交換器２２０も、温熱媒体と処理空気とが対向流で熱交換するように構成されている。熱交換器２２０の温熱媒体出口は、温熱媒体配管１５２により、ヒートポンプの温熱媒体戻り口４３に接続されている（図２）。
【００２４】
また液相の冷熱媒体を導く冷熱媒体配管１６１が、ヒートポンプＨＰの冷熱媒体供給口４０と熱交換器１１５の冷熱媒体入口に接続されている。第３の熱交換器１１５は、熱交換対象である処理空気と冷熱媒体とが対向流で熱交換するように構成されている。熱交換器１１５の冷熱媒体出口は、冷熱媒体配管１６２により、ヒートポンプの冷熱媒体戻り口４１に接続されている（図２）。
【００２５】
水分吸着装置であるデシカントロータ１０３には、これを数分間に１回転程度の割合で回転する駆動機であるギヤドモータ１０５が、チェーンやベルトのような伝導装置で連結されている。
【００２６】
次に図２のフロー図を参照して、図１に示す装置に使用できるヒートポンプの例を示す。図中、冷媒圧縮機３の吐出口は冷媒ガス配管により冷媒凝縮器である第４の熱交換器３５に接続されており、第４の熱交換器３５の下方には第４の熱交換器３５で凝縮した冷媒液の取り出し口があり、この口と冷媒蒸発器である第５の熱交換器２５とが冷媒配管により接続されており、この冷媒配管の途中には絞りである膨張弁７が設けられている。第５の熱交換器２５の上方には第５の熱交換器２５で蒸発した冷媒ガスの取り出し口があり、この口と圧縮機３の吸入口とが冷媒ガス配管により接続されている。ここで典型的には、第５の熱交換器２５は、第４の熱交換器３５よりも鉛直方向上方に設置される。
【００２７】
第４の熱交換器３５は、図２に示すように、例えばシェルアンドチューブ構造を有しており、チューブ内をヒートポンプＨＰの作動媒体である冷媒が流れて凝縮し、シェル側のチューブの外部に液相の温熱媒体が接触して蒸発する。シェルの上部には気相の温熱媒体をヒートポンプＨＰから外部に供給する温熱媒体供給口４２が、シェルの底部には液相の温熱媒体を外部からヒートポンプＨＰに戻す温熱媒体戻り口４３が設けられている。温熱媒体供給口４２には温熱媒体配管１５１が接続されており、温熱媒体戻り口４３には温熱媒体配管１５２が接続されている。
【００２８】
第５の熱交換器２５も、やはり例えばシェルアンドチューブ構造を有しており、チューブ内をヒートポンプＨＰの作動媒体である冷媒が流れて蒸発し、シェル側のチューブの外部に温熱媒体が接触して凝縮する。シェルの下部には液相の冷熱媒体をヒートポンプＨＰから外部に供給する冷熱媒体供給口４０が、シェルの上部には気相の冷熱媒体を外部からヒートポンプＨＰに戻す冷熱媒体戻り口４１が設けられている。冷熱媒体供給口４０には冷熱媒体配管１６１が接続されており、冷熱媒体戻り口４１には冷熱媒体配管１６２が接続されている。
【００２９】
このような構成において、冷熱媒体戻り口４１からの気相の冷熱媒体により、第５の熱交換器２５内で加熱され蒸発した冷媒ガスは、圧縮機３に吸入され圧縮されて第４の熱交換器３５に吐出される。一方第５の熱交換器２５内で冷媒の蒸発により冷却され凝縮した冷熱媒体は、冷熱媒体供給口４０から外部に供給される。
【００３０】
第４の熱交換器３５では、温熱媒体戻り口４３からの液相の温熱媒体の蒸発により、第４の熱交換器３５内で冷却され凝縮した冷媒液は、絞り７を介して減圧され、第５の熱交換器２５に供給される。一方第４の熱交換器３５内で冷媒の凝縮により加熱された液相の温熱媒体は、気相となり温熱媒体供給口４２から外部に供給される。なお、第４の熱交換器３５からの凝縮した冷媒液と第４の熱交換器に戻る液相の温熱媒体とを熱交換し、冷媒液を過冷却するサブクーラ３６が、第４の熱交換器３５に隣接して設けられている。
【００３１】
図３の湿り空気線図を参照して、図１の第１の実施の形態の作用を、具体的な温度を考慮した実施例について説明する。構成については適宜図１を参照する。図３中、アルファベット記号Ｋ〜Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｔ、Ｕ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。
【００３２】
先ず処理空気Ａの流れを説明する。図３において、空調空間６１Ａ〜Ｅからの約２７℃の処理空気（状態Ｋ）は、処理空気経路１０７を通して、送風機１０２により吸い込まれ、処理空気経路１０８を通して水分吸着装置であるデシカントロータ１０３に送り込まれる。ここでデシカントにより水分を吸着されて絶対湿度を下げるとともに、デシカントの吸着熱により乾球温度を上げて約５０℃の状態Ｌに到る。この空気は処理空気経路１０９を通して第２の熱交換器２２０に送られ、ここで絶対湿度一定のまま（後述のように第１の熱交換器１２０で凝縮されさらに過冷却された）温熱媒体により冷却され約３８℃の状態Ｍの空気になり、経路１１０を通して第３の熱交換器１１５に入る。ここでやはり絶対湿度一定で、冷熱媒体によりさらに冷却されて約１５℃の状態Ｎの空気になる。この空気は、ダクト１１１を通って加湿器１０６に送り込まれ、ここで等エンタルピ変化をして、絶対湿度を上げ、乾球温度を下げて状態Ｐの空気になり、適度な湿度でかつ適度な温度の処理空気ＳＡとして、ダクト１１２を経由して空調空間６１Ａ〜Ｅに戻される。
【００３３】
次に再生空気Ｂの流れを説明する。図３において、屋外ＯＡからの約３２℃の再生空気（状態Ｑ）は、再生空気経路１２５を通して吸い込まれ、第１の熱交換器１２０に送り込まれる。ここでヒートポンプＨＰからの温度の高い気相の温熱媒体と熱交換して乾球温度を上昇させ約７０℃の状態Ｔの空気になる。
【００３４】
状態Ｔの再生空気は、経路１２８を通ってデシカントロータ１０３に到り、ここでデシカントから水分を奪いこれを再生して、自身は絶対湿度を上げるとともに、デシカントの水分脱着熱により乾球温度を下げて状態Ｕに到る。この空気は経路１２９を通して、再生空気を循環するための送風機１４０に吸い込まれ、経路１３０を通して排気ＥＸされる。
【００３５】
ここで図４を参照して、熱交換器１２０と熱交換器２２０との関係を説明する。先ず熱交換器１２０で約７２℃の飽和温度で凝縮され、凝縮によって液体になった温熱媒体はさらに約３６℃まで過冷却される。この３６℃の温熱媒体は、先に説明したように処理空気を冷却しつつ自身は約４７℃まで温度を上昇させる。
【００３６】
これは温熱媒体にとっては熱回収である。このように回収された熱をもって温熱媒体は液相でヒートポンプＨＰ（図２）に戻り、そこで第４の熱交換器３５で加熱、蒸発されて先に説明したように約７２℃の気相状態で熱交換器１２０に供給される。そして再生空気を加熱する。先に説明したように、再生空気は約３２℃から約７０℃まで加熱されるが、この温度上昇のうち、処理空気から熱交換器２２０が回収した分によるものは、図３に示すように、約３２℃の状態Ｑから約４６℃の状態Ｒまでの上昇である。
【００３７】
熱交換器１２０中では、約７２℃の温熱媒体は、再生空気として利用される約３２℃の外気と対向流で熱交換する。温熱媒体は最初は気相であり、先ず約７２℃の状態で凝縮する。凝縮により液相になった温熱媒体は約７２℃から約３６℃まで過冷却される。温熱媒体と熱交換する再生空気は、この間、約３２℃から約７０℃に温度上昇する。
【００３８】
次に、先に説明したように約３６℃に過冷却された温熱媒体は、熱交換器２２０で、処理空気と対向流で熱交換する。温熱媒体は約３６℃から約４７℃に加熱される。温熱媒体と熱交換する処理空気は、この間、約５０℃から約３８℃に温度低下する。
【００３９】
以上の処理は、複数の空調空間６１Ａ〜Ｅ全体に対して１基設けられた除湿空調装置で集中的に行ってもよいが、典型的には各空調空間毎に設けられた個別の除湿空調装置で行うように構成する。
【００４０】
次に図５を参照して、ヒートポンプＨＰの冷媒サイクルを説明する。図５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。ヒートポンプＨＰの構成については、適宜図２を参照する。
【００４１】
図中、点ａは図１の第３の熱交換器１１５に冷熱媒体を供給する第５の熱交換器２５（図２）の冷媒出口の状態であり、飽和ガスの状態にある。圧力は約４．２ｋｇ／ｃｍ²、温度は約１０℃、エンタルピは約１４８．８３ｋｃａｌ／ｋｇである。このガスを圧縮機３で吸込圧縮した状態、圧縮機３の吐出口での状態が点ｂで示されている。この状態は、圧力が約２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は約８５℃であり、過熱ガスの状態にある。
【００４２】
この冷媒ガスは、第４の熱交換器３５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、圧力は約２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は約７５℃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と同じく、圧力は約２４．１ｋｇ／ｃｍ²、温度は約７５℃、そしてエンタルピは約１２７．１３ｋｃａｌ／ｋｇである。第４の熱交換器３５に戻ってくる液相の温熱媒体は、先に説明したように約４７℃である。第４の熱交換器３５に付属するサブクーラ３６により温熱媒体と熱交換し冷媒液はサブクールされる。このようにして、冷媒液は約５５℃の状態ｅまで過冷却される。点ｅのエンタルピは約１１９．０５ｋｃａｌ／ｋｇである。この状態の冷媒液は、絞り７を介して減圧され第５の熱交換器２５に戻る。この点はｆで示されている。冷媒液は、冷熱媒体から熱を奪い、自身は蒸発して点ｆから点ａに戻るこのようにして冷媒サイクルが繰り返される。
【００４３】
この実施例の場合、図１２のモリエ線図に示す従来の例と比較すると、冷房効果が、（１４８．８３−１１９．０５）／（１４８．８３−１２７．１３）＝２９．７８／２１．７０＝１．３７と、約３７％も向上する。このような冷房効果の増加は、図３の湿り空気線図でいえば、図中、点Ｎの左方向（乾球温度の低い方向）への移動につながり、温熱媒体の加熱容量の増加、効率の上昇、機器の小型化、ひいてはコスト低減を図ることができる。またここでは圧縮ヒートポンプの場合で説明したが、吸収ヒートポンプを用いる場合でも、同様に凝縮冷媒の顕熱を回収することで、冷房効果の増加や、温熱媒体の加熱容量の増加を図ることができる。
【００４４】
次に図６を参照して、以上説明した実施例について、第４の熱交換器３５における冷媒と温熱媒体のエンタルピ変化に対する温度変化を説明する。先ず冷媒のエンタルピと温度の変化に注目する。図中、冷媒は図５の点ｂに示す過熱状態（温度は約８５℃、エンタルピは約１５８．５０ｋｃａｌ／ｋｇ）で第４の熱交換器３５に供給される。この冷媒ガスは温熱媒体で冷却され、図５に示す点ｃの飽和ガスの状態（温度約７５℃、エンタルピ約１５４．８６ｋｃａｌ／ｋｇ）になる。ここから温度は約７５℃一定で熱を奪われ、エンタルピは約１５４．８６ｋｃａｌ／ｋｇから約１２７．１３ｋｃａｌ／ｋｇまで変化する。図５では、点ｄの飽和液の状態である。ここからさらに温熱媒体で約５５℃まで過冷却され図５に示す点ｅに到る。
【００４５】
このように冷媒の状態が変化する間、対向流の関係にある温熱媒体は、約４７℃で先ずサブクーラ３６に供給され、点ｅに対応する点で冷媒と熱交換を開始する。冷媒の点ｅと点ｄの中間（実際にはかなり点ｄに近い位置）に対応する点では、約６７℃まで加熱される。この温熱媒体は、サブクーラ３６を出て第４の熱交換器（コンデンサ）３５に入り、さらに冷媒の点ｄに対応する点に向かって熱交換し、温熱媒体は約７２℃まで温度上昇し、蒸発を開始する。このようにして温熱媒体は気化する。
【００４６】
温熱媒体はヒートポンプＨＰのコンデンサである第４の熱交換器３５から除湿空調装置に気相で供給され、除湿空調装置から液相で戻されるため、同じ熱量を搬送する温熱媒体の流量が少なくて済む上、第４の熱交換器３５を除湿空調装置よりも鉛直方向下方に設置すれば、液相の温熱媒体は第４の熱交換器３５へ重力で戻り、気相の温熱媒体は第４の熱交換器３５から除湿空調装置へ僅かな圧力差で供給できる。即ち、温熱媒体は重力の作用により自然流動するので、熱の搬送動力は極めて少なくて済む。また、特に液相の温熱媒体を通す配管１５２の口径を小さくでき、施工性の向上を図ることができる。
【００４７】
なお本実施の形態では、温熱媒体の熱交換器である第２の熱交換器２２０が処理空気の系統に設けられているので、暖房運転モードでの運転が行える。暖房運転モードでは、再生空気を停止する。即ち、例えば送風機１４０を停止すればよい。そして、ヒートポンプの低熱源としては例えば外気を用いればよい。そのためには、不図示の低熱源用熱交換器を用いて外気からの熱を第５の熱交換器２５に導入すればよい。または、不図示の高熱源用熱交換部を第４の熱交換器３５に設けて、温熱媒体を加熱できるようにすればよい。
【００４８】
冷熱媒体はヒートポンプＨＰの蒸発器である第５の熱交換器２５から除湿空調装置に液相で供給され、除湿空調装置から気相で戻されるため、同じ熱量を搬送する冷熱媒体の流量が少なくて済む上、第５の熱交換器２５を除湿空調装置よりも鉛直方向上方に設置すれば、液相の冷熱媒体は第５の熱交換器２５から除湿空調装置へ重力で供給され、除湿空調装置で気化した気相の冷熱媒体は第５の熱交換器２５へ僅かな圧力差で戻る。即ち、冷熱媒体は重力の作用により自然流動するので、熱の搬送動力は極めて少なくて済む。また、特に液相の冷熱媒体を通す配管１６１の口径を小さくでき、施工性の向上を図ることができる。
【００４９】
次に図７を参照して、以上説明した除湿空調装置の機械的な配置の例を説明する。図７において、装置を構成する機器は例えば薄い鋼板で作られた直方体のキャビネット７００の中に収容されている。その鉛直方向下部側方に再生空気として用いる外気ＯＡ吸込口が開口しており、外気は鉛直方向下部から上方に向けて流れ、その間熱交換器１２０、デシカントロータ１０３を通過し、送風機１４０によって、キャビネット７００の上方には開口した再生空気の排気口から排気されるように配置されている。デシカントロータ１０３は、その回転軸を鉛直方向に向けて配置されている。
【００５０】
また、キャビネット７００の上面中央部、外気ＯＡ排気口に隣接して、処理空気ＲＡの入口が開口しており、その下方には送風機１０２が配置されており、さらにその下方にはデシカントロータ１０３、その下方に熱交換器２２０、さらにその下方に熱交換器１１５が配置されている。これらを通過した処理空気はキャビネット７００の底部で横に流れ上方に流れ方向を変え、キャビネット７００の上面に設けられた開口から、空調空間に供給されるように構成されている。なお、図中フィルター１７１が外気開口に、フィルター１７０が処理空気取り入れ開口に設けられている。また加湿器１０６が処理空気経路中、熱交換器１１５の下流側に設けられている。
【００５１】
以上のように、第１の実施の形態では、従来の装置で用いられていたロータリー式や直交流型の熱交換器１０４（図１１）を必要とせず、コンパクトにまとまった除湿空調装置とすることができる。
【００５２】
次に、図８のフロー図を参照して、本発明の第２の実施の形態である除湿空調装置の構成を説明する。この空調装置の第１の実施の形態との相違点は、除湿運転を容易に行えるように、温熱媒体の経路に本発明の切替装置としての切り換え弁が設けられていることである。即ち、図８に示されるように熱交換器１２０の温熱媒体出口と熱交換器２２０の温熱媒体入口との間の温熱媒体経路に３方弁１７０が設けられている。３方弁１７０の第３の口には経路１５３が接続されており、経路１５３は経路１５２に合流している。このような構成で、冷房運転の際は、３方弁１７０は経路１５３を閉として、第１の実施の形態の場合と同様に熱交換器１２０を通過した温熱媒体は全て熱交換器２２０に入るように運転される。
【００５３】
この装置を除湿運転するときは、３方弁１７０を切り換えて熱交換器１２０を通過した温熱媒体が、熱交換器２２０をバイパスして経路１５３を通して経路１５２に流れ、ヒートポンプＨＰの温熱媒体戻り口４３に向かうようにする。このときは、温熱媒体の熱は熱交換器１２０における再生空気の加熱だけに用いられ、また処理空気は熱交換器２２０で冷却されることなく、熱交換器１１５において冷熱媒体により冷却されるだけである。また除湿運転では、加湿器１０６も停止している。
【００５４】
以上の作用を、図９の湿り空気線図で説明する。図９中、アルファベット記号Ｋ〜Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｔ、Ｕにより、各部における空気の状態を示す。この記号は、図８のフロー図中で丸で囲んだアルファベットに対応する。
【００５５】
先ず処理空気Ａの流れを説明する。図９において、空調空間６１Ａ〜Ｅからの約２７℃の処理空気（状態Ｋ）は、水分吸着装置であるデシカントロータ１０３に送り込まれる。ここでデシカントにより水分を吸着されて絶対湿度を下げるとともに、デシカントの吸着熱により乾球温度を上げて状態Ｌに到る。この空気は第２の熱交換器２２０に送られるが、ここには温熱媒体は流れていないので、素通りして（分かり易く状態Ｌの近傍に状態Ｍを示してあるが実際は重なっている）第３の熱交換器１１５に入る。ここで絶対湿度一定で、冷熱媒体により冷却されて状態Ｎの空気になる。加湿器１０６も停止しているので、状態Ｎの空気が空調空間６１Ａ〜Ｅに供給される。図９では、分かり易く状態Ｎの近傍に状態Ｐの点を示してあるが、実際にはこれらは重なっている。状態Ｎの空気は、乾球温度は状態Ｋの空気とほぼ等しく、絶対湿度が低くなっている。
【００５６】
以上の説明では、３方弁は温熱媒体の全量を熱交換器２２０に流すか、あるいは全量について熱交換器２２０をバイパスさせるかの切り換えをするものとしたが、一部をバイパスさせるような構成としてもよく、このときは、処理空気の冷却量及び再生空気の加熱量を調節できるので、状態Ｎの温度を自由に設定、あるいは調節できる。
【００５７】
次に図１０を参照して、図１あるいは図８の除湿空調装置をビルの空調に利用した除湿空調システムの実施の形態を説明する。図中、ヒートポンプ（ＨＰ）１が、ビル６０の屋上に据え付けられている。ヒートポンプ１は、作動媒体である冷媒の蒸発器である第５の熱交換器２５と、そこで蒸発した冷媒ガスを吸入して圧縮する圧縮機３と、圧縮機３から吐出される冷媒ガスを凝縮する凝縮器である第４の熱交換器３５と、凝縮した冷媒液を減圧して蒸発器２５に戻す膨張弁７とを含んで構成されている。また、凝縮器３５に隣接して冷媒を過冷却するサブクーラ３６が設けられている。これらの機器は、冷媒ガス配管あるいは冷媒液配管で接続されている。ヒートポンプ１としては、例えば図２で説明したヒートポンプＨＰが用いられる。
【００５８】
また蒸発器２５には、ここで冷媒の蒸発により熱を奪われる冷熱媒体用の冷熱媒体配管（気相配管２１、液相配管２０）が接続されている。凝縮器３５には、ここで冷媒の凝縮により加熱される温熱媒体用の温熱媒体配管（加熱前液相配管３１、加熱後気相配管３０）が接続されている。冷熱媒体配管２０、２１と温熱媒体配管３０、３１は、最上階の空調空間６１Ａから最下階６１Ｅ（図１０では、Ａ〜Ｅの５階建のビルの場合を示しているがこれに限らない）までを貫いて敷設されている。
【００５９】
各階の北側の空間や中心（コア）のように潜熱負荷の大きい領域に、図１、図８で説明したものと同様な除湿空調装置（ＤＳＣ）７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅがそれぞれ設置されている。除湿空調装置７０Ａには、外気ＯＡ取り入れ開口、排気ＥＸのための開口が備えられ、また処理された供給空気（ＳＡ）を空調空間に供給する処理空気ダクトが接続されている。また、除湿空調装置７０Ａには、冷熱媒体配管２０からの分岐管４０Ａが、冷熱媒体配管２１からの分岐管４１Ａが、温熱媒体配管３０からの分岐管４２Ａが、そして温熱媒体配管３１からの分岐管４３Ａが、接続されている。他の階の除湿空調装置７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅについても同様である。分岐管４０Ａは図８の配管１６１に対応し、分岐管４１Ａは配管１６２に、分岐管４２Ａは配管１５１に、分岐管４３Ａは配管１５２にそれぞれ対応する。
【００６０】
また各階の南側の窓際の空間のように顕熱負荷の大きい領域（ペリメータ）には、ファンコイルユニット５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅがそれぞれ設置されている。除湿空調装置５１Ａには、冷熱媒体配管２０からの分岐管４４Ａが、冷熱媒体配管２１からの分岐管４５Ａが接続されている。他の階の除湿空調装置５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅについても同様である。
【００６１】
このような構成の空調システムでは、冷房負荷のうちいわゆる除湿効果を得るための潜熱負荷処理はデシカント空調機７０Ａ〜７０Ｅで行い、ペリメータ部分の日射し等による顕熱負荷処理はファンコイルユニット５１Ａ〜５１Ｅで行う。従来の冷房では潜熱負荷処理も冷水で行っていたため、空気を露点温度以下に冷却する必要があり、そのため冷水温度は５〜７℃で供給することが一般的であった。しかし本システムでは冷熱媒体は顕熱負荷処理のみ行えばよいので、冷熱媒体の温度は気温より１０℃程度低い温度で十分である。またデシカント空調機では、デシカント再生には６０〜８０℃の再生空気が必要でそのため、７０〜９０℃の温熱媒体を供給する。
【００６２】
本発明の実施の形態の除湿空調システムでは、ヒートポンプ１の冷媒の蒸発器であり冷熱媒体の凝縮器である第５の熱交換器２５がビルの屋上に据えつけられているので、低温で液相の冷熱媒体は重力による自然対流により除湿空調装置７０Ａ〜７０Ｅ、あるいはファンコイル５１Ａ〜５１Ｅに供給され、温度が上昇し気相になった冷熱媒体は重力による自然対流により第５の熱交換器２５に戻る。
【００６３】
本実施の形態では、冷熱媒体は液相で重力により各除湿空調装置７０Ａ〜７０Ｅ、及びファインコイルユニット５１Ａ〜５１Ｅに供給されるが、各除湿空調装置及びファンコイルユニットには、例えばトラップを設けて、過剰な液相の冷熱媒体が供給されないようにする。
【００６４】
またヒートポンプ１の冷媒の凝縮器であり温熱媒体の蒸発器である第４の熱交換器３５がビルの地下に据えつけられているので、高温で気相の温熱媒体は重力による自然対流により除湿空調装置７０Ａ〜７０Ｅに供給され、温度が低下し液相になった温熱媒体は重力による自然対流により第４の熱交換器３５に戻る。
【００６５】
このように、熱媒体の移送用のポンプや圧縮機を必要とせず、また設ける場合も低ヘッドのポンプを液相ラインに設置するだけで済むので、熱の搬送動力が極めて少なくて済む。
【００６６】
図１０の実施の形態では、第５の熱交換器２５に接続され、第５の熱交換器２５内の冷熱媒体から熱を奪う冷凍機９が設けられている。冷凍機９は圧縮式冷凍機であり、その蒸発器が第５の熱交換器２５に組み込まれた熱交換チューブＬで構成されている。ビルの冷房負荷が大きくなり、ヒートポンプ１の熱の汲み上げ量では、その冷房負荷をまかなえなくなったときに冷凍機９を運転し、冷熱媒体を冷却し凝縮するのを助ける。冷凍機９は圧縮式に限らず、吸収式であってもよい。
【００６７】
また、第４の熱交換器３５には、不図示の高熱源を設けてもよい。その高熱源は、第４の熱交換器２５に別途組み込まれた熱交換チューブで構成される。暖房運転をするときや、潜熱負荷が大きく除湿運転が必要となったりしたとき、ヒートポンプ１の熱の汲み上げ量では、暖房負荷や除湿負荷をまかなえなくなったときに、高熱源を稼働して、温熱媒体を加熱し蒸発させるのを助けることができる。
【００６８】
以上説明した実施の形態においては、温熱媒体あるいは冷熱媒体は、冷凍機用の冷媒を用いることができる。また温熱媒体と冷熱媒体は別系統に分離されているので、異なる媒体を用いることができる。またヒートポンプ１で用いる冷媒と同じにしてもよいが、異なる冷媒とすることもできる。通常のビルの空調では、温熱媒体に適した媒体は、例えばＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ２４５ｃａであり、冷熱媒体に適した媒体は、例えばＨＦＣ４０７Ｃ、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ１３４ａである。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱媒体供給装置から供給される前記温熱媒体を、第１の熱交換器と第２の熱交換器の順に流すように構成したので、第１の熱交換器で再生空気の加熱に使用した熱の一部に相当する熱を第２の熱交換器で処理空気から回収することができ、コンパクトにまとまった除湿空調装置を提供することが可能となる。また、熱媒体の相変化を利用して熱を搬送するので、搬送動力が極めて少ない除湿空調システムを提供することが可能となる。
【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の除湿空調装置に使用して好適なヒートポンプのフロー図である。
【図３】図１の除湿空調装置の作動を説明する湿り空気線図である。
【図４】図３で考慮した実施例について、温熱媒体と処理空気間、温熱媒体と再生空気間の熱交換を説明する線図である。
【図５】図１の除湿空調装置に使用されているヒートポンプのモリエ線図である。
【図６】図３で考慮した実施例について、冷媒と温熱媒体間の熱交換を説明する線図である。
【図７】図１に示す第１の実施の形態である除湿空調装置の実際の構造の例を示す模式的正面断面図である。
【図８】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９】図８の除湿空調装置の作動を説明する湿り空気線図である。
【図１０】本発明の実施の形態である除湿空調システムの例を示すフロー図である。
【図１１】従来の除湿空調装置のフロー図である。
【図１２】図１１の従来の除湿空調装置に使用されるヒートポンプのモリエ線図である。
【図１３】図１２のヒートポンプの冷媒と温熱媒体間の熱交換を説明する線図である。
【符号の説明】
１ヒートポンプ
３圧縮機
７膨張弁
２０、２１冷熱媒体配管
３０、３１温熱媒体配管
２５第５の熱交換器（冷媒蒸発器）
３５第４の熱交換器（冷媒凝縮器）
５１Ａ〜５１Ｅファンコイルユニット
６１Ａ〜６１Ｅ空調空間
７０Ａ〜７０Ｅ除湿空調装置
１０２、１４０送風機
１０３デシカントロータ
１０６加湿器
１１５第３の熱交換器
１２０第１の熱交換器
２２０第２の熱交換器
７００キャビネット
ＨＰヒートポンプ

Claims

処理空気中の水分を吸着し、再生空気により水分を脱着されるデシカントを有する水分吸着装置と；
前記再生空気と気相の温熱媒体とを熱交換させる第１の熱交換器であって、前記水分吸着装置に対して前記再生空気の流れの上流側に設けられた第１の熱交換器と；
前記処理空気と、前記第１の熱交換器で熱交換された前記温熱媒体とを熱交換させる第２の熱交換器であって、前記水分吸着装置に対して前記処理空気の流れの下流側に設けられた第２の熱交換器とを備えることを特徴とする；
除湿空調装置。
前記処理空気と液相の冷熱媒体とを熱交換させる第３の熱交換器であって、前記第２の熱交換器に対して前記処理空気の流れの下流側に設けられた第３の熱交換器を備える、請求項１に記載の除湿空調装置。
前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に、前記第１の熱交換器で熱交換された前記温熱媒体の流れを切り換える切替装置を備える、請求項１または請求項２に記載の除湿空調装置。
請求項２に記載された除湿空調装置と；
前記第３の熱交換器に供給する冷熱媒体から、前記第１の熱交換器に供給する温熱媒体に熱を汲み上げるヒートポンプとを備えることを特徴とする；
除湿空調システム。
１台の前記ヒートポンプに対して、複数台の前記除湿空調装置を備えることを特徴とする、請求項４に記載の除湿空調システム。
前記ヒートポンプは、前記温熱媒体に熱を与える第４の熱交換器と；
前記冷熱媒体から熱を奪う第５の熱交換器とを備えることを特徴とする；
請求項４または請求項５に記載の除湿空調システム。
前記第４の熱交換器は、前記除湿空調装置に対して相対的に鉛直方向下方に設置され、前記第５熱交換器は、前記除湿空調装置に対して相対的に鉛直方向上方に設置されることを特徴とする、請求項６に記載の除湿空調システム。
前記冷熱媒体から熱を奪う冷凍機をさらに備えることを特徴とする、請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の除湿空調システム。