JP3942323B2

JP3942323B2 - ヒートポンプ及びヒートポンプを備える除湿装置

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Publication number: JP3942323B2
Application number: JP26343199A
Authority: JP
Inventors: 健作前田
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Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2007-07-11
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ及びヒートポンプを備える除湿装置に関し、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る除湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、従来から熱源としてヒートポンプを備えたデシカント空調装置があった。図７の空調装置では、ヒートポンプとして、圧縮機２６０を用いた圧縮ヒートポンプＨＰが用いられている。この空調装置は、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、加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の経路を有し、水分を吸着された処理空気Ａとデシカントロータ１０３のデシカント（乾燥剤）を再生する前かつ加熱源により加熱される前の再生空気Ｂとの間に顕熱熱交換器１０４を有する空調機と、圧縮ヒートポンプＨＰとを有し、前記圧縮ヒートポンプＨＰの高熱源として前記空調機のデシカントを再生する再生空気を用い、この再生空気を加熱器２２０で加熱し、圧縮ヒートポンプＨＰの低熱源として前記空調機の処理空気を用い、この処理空気を冷却器２１０で冷却するものである。
【０００３】
ここで、図８のモリエ線図を参照して図７に示される圧縮ヒートポンプ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は冷却器２１０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１９．３ｋｇ／ｃｍ² 、温度は７８℃であり、過熱ガスの状態にある。この冷媒ガスは、加熱器（冷媒側から見れば冷却器あるいは凝縮器）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１９．３ｋｇ／ｃｍ² 、温度は６５℃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１２２．９７ｋｃａｌ／ｋｇである。この冷媒液は、膨張弁２５０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冷却器（冷媒から見れば蒸発器）２１０に到り、ここで処理空気から熱を奪い、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。
【０００４】
図９を参照して、また構成については適宜図７を参照して、従来の除湿空調装置の作用を説明する。図９中、アルファベット記号Ｋ〜Ｎ、Ｑ〜Ｕにより、各部における空気の状態を示す。この記号は、図７のフロー図中で丸で囲んだアルファベットに対応する。
【０００５】
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１０１からの処理空気（状態Ｋ）は、送風機１０２により吸い込まれ、デシカントロータ１０３に送り込まれる。ここで乾燥エレメント中の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。この空気は熱交換器１０４に送られ、ここで絶対湿度一定のまま冷却され状態Ｍの空気になり、冷却器２１０に入る。ここでやはり絶対湿度一定でさらに冷却されて状態Ｎの空気になる。この空気は、供給空気ＳＡとして空調空間１０１に戻される。
【０００６】
再生空気Ｂについて説明する。図９において、屋外ＯＡから送風機１４０により吸い込まれた再生空気（状態Ｑ）は、熱交換器１０４に送り込まれる。ここで、処理空気（状態Ｌ）と熱交換して乾球温度を上昇させ状態Ｒの空気になる。この空気は冷媒凝縮器（再生空気から見れば加熱器）２２０に送り込まれ、ここで加熱されて乾球温度を上昇させ状態Ｔの空気になる。この空気はデシカントロータ１０３に送り込まれ、ここで乾燥エレメント中のデシカントから水分を奪い（水分を脱着し）、デシカントを再生して、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に到り排気ＥＸされる。
【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装置に用いられていたヒートポンプＨＰでは、冷媒サイクルにおける冷媒の冷凍効果が必ずしも大きくはなく、ＣＯＰが優れているとは言えなかった。また従来の空調装置では処理空気を冷却器２１０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。
【０００８】
そこで本発明は、ＣＯＰの高いヒートポンプ、ＣＯＰが高くまたコンパクトにまとまった除湿装置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に係る発明によるヒートポンプは、例えば図１に示されるように、冷媒を昇圧する昇圧機２６０と；昇圧機２６０で昇圧される冷媒の蒸発熱で低熱源側流体Ａを冷却する蒸発器２１０と；昇圧機２６０で昇圧された冷媒の凝縮熱で高熱源側流体Ｂを加熱する凝縮器２２０と；蒸発器２１０よりも上流側の低熱源側流体Ａと、低熱源側流体Ａ及び高熱源側流体Ｂ以外の第３の流体Ｃとを熱交換させる中間熱交換器３００ａとを備え；中間熱交換器３００ａは、低熱源側流体Ａを流す第１の区画３１０と、第３の流体Ｃを流す第２の区画３２０とを有し、さらに第１の区画３１０と第２の区画３２０を貫通する冷媒流路２５１、２５２を有し、冷媒流路２５１、２５２は凝縮器２２０と第１の絞り２３０を介して接続され、かつ第１の区画３１０と第２の区画３２０とを交互に繰り返し貫通した後、第２の絞り２７０を介して蒸発器２１０と接続されるように構成されている。
【００１０】
このように構成すると、中間熱交換器を備えるので、低熱源側流体と第３の流体との間で、冷媒を利用して、あるいは特に冷媒の蒸発と凝縮を利用して熱交換させることができる。
【００１１】
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、冷媒流路２５１、２５２は、内側に凝縮器２２０からの冷媒を通し、外側に低熱源側流体Ａと第３の流体Ｃとを接触させる細管群で構成されるようにしてもよい。
【００１２】
さらに請求項３に記載のように、請求項１または請求項２に記載のヒートポンプでは、第３の流体Ｃに気化加湿するように構成するのが好ましい。第３の流体は典型的には空気（外気あるいは排気する室内空気）であり、気化加湿は、第２の区画の空気入口に設けられた気化加湿器により行うように構成されていてもよいし、前記冷媒流路（細管群）に水をスプレーすることにより行うように構成されていてもよい。
【００１３】
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装置は、例えば図１に示されるように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプＨＰ１と；中間熱交換器３００ａに対して低熱源側流体Ａの上流に配置され、低熱源側流体Ａ中の水分を吸着するデシカントを有する水分吸着装置１０３とを備える。
【００１４】
本除湿装置は、典型的には、前記凝縮器で加熱された前記高熱源側流体で前記デシカントの水分を脱着するように構成される。本除湿装置を除湿空調装置として用いる場合は、低熱源側流体は処理空気であり、高熱源側流体は再生空気となる。
【００１５】
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、処理空気Ａから水分を除去し、再生空気Ｂで水分を脱着されて再生される水分吸着装置１０３と；凝縮器２２０と蒸発器２１０と、凝縮器２２０と蒸発器２１０とを連結する細管群とを有するヒートポンプＨＰ１とを備え；前記細管群は凝縮器２２０で凝縮された冷媒を蒸発器２１０に導くように構成され、且つ処理空気Ａと第３の流体Ｃとに交互に接触するように構成されている。
【００１６】
【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。
【００１７】
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とそれを備える除湿空調装置のフロー図である。この除湿空調装置はデシカントを用いた空調装置である。図２は、図１の空調装置に用いる中間熱交換器の構造の一例を示す模式的側面図、図３は中間熱交換器の別の例を示す平面図と側面図、図４はヒートポンプＨＰ１の冷媒モリエ線図、図５は図１の空調装置の湿り空気線図、図６は図１の空調装置の機械的配置の例を示す模式的正面図である。
【００１８】
図１のフロー図を参照して、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、この経路に接続された処理空気を循環するための送風機１０２、経路１０８、デシカントを充填したデシカントロータ１０３、経路１０９、本発明の中間熱交換器３００ａの第１の区画３１０、経路１１０、冷媒蒸発器（処理空気から見れば冷却器）２１０、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。
【００１９】
また、屋外ＯＡから再生空気Ｂの経路に沿って、経路１２４、熱交換器１２１、経路１２６、冷媒凝縮器（再生空気から見れば加熱器）２２０、経路１２７、デシカントロータ１０３、経路１２８、再生空気を循環するための送風機１４０、経路１２９、熱交換器１２１、経路１３０とこの順番で配列され、そして屋外に排気ＥＸするように構成されている。
【００２０】
さらに、屋外ＯＡから第３の流体である冷却流体としての外気Ｃの経路に沿って、経路１７１、第３の流体である外気Ｃとデシカントロータ１０３から出た処理空気との間で熱交換させる熱交換器３００ａの第２の区画３２０、経路１７２とこの順番で配列され、経路１７２の途中には、第３の流体を送風するための送風機１６０が設けられている。
【００２１】
次に冷媒蒸発器２１０から冷媒の経路に沿って、ヒートポンープＨＰ１の機器構成を説明する。図中冷媒蒸発器２１０、経路２０５、冷媒蒸発器２１０で蒸発してガスになった冷媒を圧縮する圧縮機２６０、経路２０１、冷媒凝縮器２２０、経路２０２、第１の絞りとしての絞り２３０、熱交換器３００ａ、経路２０３、第２の絞りとしての絞り２７０、経路２０４がこの順番で配列され、そして再び冷媒蒸発器２１０に戻るようにして、ヒートポンプＨＰ１が構成されている。
【００２２】
デシカントロータ１０３は、回転軸ＡＸ回りに回転する厚い円盤状のロータとして形成されており、そのロータ中には、気体が通過できるような隙間をもってデシカントが充填されている。例えばチューブ状の乾燥エレメントを、その中心軸が回転軸ＡＸと平行になるように多数束ねて構成している。このロータは回転軸ＡＸ回りに一方向に回転し、また処理空気Ａと再生空気Ｂとが回転軸ＡＸに平行に流れ込み流れ出るように構成されている。各乾燥エレメントは、ロータ１０３が回転するにつれて、処理空気Ａ及び再生空気Ｂと交互に接触するように配置される。一般に処理空気Ａと再生空気Ｂとは、回転軸ＡＸに平行に、それぞれ円形のデシカントロータ１０３のほぼ半分の領域を、対向流形式で流れるように構成されている。
【００２３】
このように、この空調装置では、圧縮ヒートポンプＨＰ１がデシカント空調機の処理空気の冷却と再生空気の加熱を同時に行うよう構成したことで、圧縮ヒートポンプＨＰ１に外部から加えた駆動エネルギーによって圧縮ヒートポンプＨＰ１が処理空気の冷却効果を発生させ、さらにヒートポンプ作用で処理空気から汲み上げた熱と圧縮ヒートポンプＨＰ１の駆動エネルギーを合計した熱でデシカントの再生が行えるため、外部から加えた駆動エネルギーの多重効用化を図ることができ、高い省エネルギー効果が得られる。また、熱交換器３００ａを設けて処理空気と再生空気との熱交換を行わせることで、さらに省エネルギー効果を高めている。
【００２４】
次に図２を参照して、ヒートポンプＨＰ１に利用して好適な熱交換器３００ａの構成を説明する。本図は、プレートフィンチューブ型の熱交換器を、冷媒流路としてのチューブを長手方向に切断して見た側面図である。図中、熱交換器３００ａは、処理空気Ａを流す第１の区画３１０と、冷却流体である第３の流体としての外気Ｃを流す第２の区画３２０とが、１枚の隔壁３０１を介して隣接して設けられている。
【００２５】
処理空気Ａは、図中上方から経路１０９を通して、第１の区画３１０に供給され、下方から経路１１０を通して出て行くように構成されている。
【００２６】
また外気Ｃは、図中下方から経路１７１を通して第２の区画３２０供給され、上方から経路１７２を通して出て行くように構成されている。第２の区画３２０の入口側には、気化加湿器１６５が、経路１７１から入ってくる外気Ｃに加湿して、その乾球温度を低下させるように設けられており、後述の冷媒流路としての凝縮セクションの鉛直方向上方には、スプレー配管３２５が配置されており、スプレー配管３２５には、スプレーノズル３２６が複数取り付けられている。
【００２７】
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ように構成されている。冷媒流路が第１の区画を貫通する部分では、冷媒は蒸発するので、蒸発セクション２５１と呼び、第２の区画を貫通する部分では凝縮するので、凝縮セクション２５２と呼ぶ。また、冷媒流路が最初に第１の区画を貫通する蒸発セクションを２５１Ａ、２番目を２５１Ｂ、３番目を２５１Ｃと順番に符号を付けるものとする。蒸発セクションを、そのように区別する必要がないときは、単に蒸発セクション２５１と呼ぶ。
【００２８】
同様に、冷媒流路が最初に第２の区画を貫通する凝縮セクションを２５２Ａ、２番目を２５２Ｂ、３番目を２５２Ｃと順番に符号を付けるものとする。凝縮セクションを、そのように区別する必要がないときは、単に凝縮セクション２５２と呼ぶ。
【００２９】
図２では、例えば蒸発セクション２５１Ａとそれに対となっている凝縮セクション２５２Ａは、第１の区画３１０と第２の区画３２０をそれぞれ１回貫通した後、処理空気の下流側、外気の上流側に蛇行して進むものとして図示されている。しかしながら、処理空気と外気の流量にもよるが、実際には図中紙面に垂直な平面内で水平に蛇行して複数回第１の区画３１０と第２の区画３２０とを交互に繰り返し貫通した後に、処理空気の下流側、外気の上流側に蛇行して進むように構成される。その様子を図３に示す。なお図３では、第１の区画３１０が右に、第２の区画３２０が左に図示されている。また図３では、気化加湿器１６５や散水パイプ３２５は図示を省略してある。
【００３０】
図３に、実際の中間熱交換器３００ｂの例を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。（ｂ）に示されるように、ほぼ水平な（図中紙面に直交する）複数の互いに異なる平面ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ・・内のそれぞれに、（ａ）に示されるように、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。それら複数のチューブはＵチューブで連結される結果１本のチューブが蛇行して第１と第２の区画とを交互に繰り返し貫通していることになる。
【００３１】
図２の（ａ）（ｂ）に示すように、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を貫通して設けられている。例えば（ｂ）に示される平面ＰＡ内に配置された熱交換チューブは、（ａ）に示されるように、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２５１（複数の蒸発セクションを２５１Ａ１、２５１Ａ２、２５１Ａ３、・・２５１Ａ８とする（この例では一つの平面ＰＡ内のチューブ本数は８本である））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２５２（複数の凝縮セクションを２５２Ａ１、２５２Ａ２、２５２Ａ３、・・２５２Ａ８とする）と呼ぶ。ここで蒸発セクション２５１Ａ１と凝縮セクション２５２Ａ１、２５１Ａ２と２５２Ａ２、２５１Ａ３と２５２Ａ３、・・２５１Ａ８と２５２Ａ８は、それぞれ一対の第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。
【００３２】
さらに、平面ＰＢ内に配置された熱交換チューブも、同様に第１の区画３１０を貫通している部分である複数の蒸発セクションを２５１Ｂ１、２５１Ｂ２、２５１Ｂ３、・・２５１Ｂ８（符号不図示）（この例では平面ＰＢ内のチューブ本数は８本である）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複数の凝縮セクション２５２Ｂ１、２５２Ｂ２、２５２Ｂ３、・・２５２Ｂ８とする。以下図示しないが、平面ＰＣについても平面ＰＡ、ＰＢと同様に冷媒流路が構成されている。
【００３３】
図３に示す熱交換器の形態では、蒸発セクション２５１Ａ１と凝縮セクション２５２Ａ１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。蒸発セクション２５１Ａ２、２５１Ａ３、・・と凝縮セクション２５２Ａ２、２５２Ａ３、・・、あるいは蒸発セクション２５１Ｂ１、２５１Ｂ２、２５１Ｂ３、・・と凝縮セクション２５２Ｂ１、２５２Ｂ２、２５２Ｂ３、・・とについても同様である。したがって、第１の区画３１０と第２の区画３２０とが、１枚の隔壁３０１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３００ｂを全体として小型コンパクトに形成することができる。
【００３４】
さらに（ａ）に示されるように、凝縮セクション２５２Ａ１の端部（隔壁３０１の反対側の端部）と凝縮セクション２５２Ａ２の端部（隔壁３０１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２５１Ａ２の端部と凝縮セクション２５２Ａ３の端部とは、同様にＵチューブで接続されている。以下同様にＵチューブの接続が行われる。
【００３５】
したがって、蒸発セクション２５１Ａ１から凝縮セクション２５２Ａ１を、全体として一方向に流れる冷媒は、Ｕチューブにより凝縮セクション２５２Ａ２に導かれ、ここから蒸発セクション２５１Ａ２に流れ、Ｕチューブにより蒸発セクション２５１Ａ３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、処理空気と再生空気に交互に接触する。
【００３６】
そして処理空気あるいは外気の流れと直交する平面ＰＡを一渡り蛇行して配置されたチューブは、蒸発セクション２５１Ａ８に到り、その端部（隔壁３０１の反対側の端部）と蒸発セクション２５１Ｂ８の端部（隔壁３０１の反対側の端部）とは、Ｕチューブ（ユーチューブ）で接続される。
【００３７】
同様にチューブは平面ＰＢを蛇行して配置、さらに同様に平面ＰＣを蛇行して配置される。
【００３８】
一方、処理空気Ａは、図３（ｂ）中で第１の区画３１０にダクト１０９を通して上から入り下から流出するように構成されており、冷却流体として用いる外気Ｃは、図中で第２の区画３２０にダクト１２５を通して下から入り上から流出するように構成されているので、蒸発セクション２５１Ａ１に導入された冷媒は、蒸発セクション２５１Ａ１内で一部が蒸発して、湿り状態になって凝縮セクション２５２Ａ１に流入する。さらにＵチューブで方向転換して凝縮セクション２５２Ａ２に流入して、さらに凝縮して蒸発セクション２５１Ａ２に流入する。ここで一部の冷媒が蒸発し、Ｕチューブにより方向転換して蒸発セクション２５１Ａ３に流入する。このように蒸発と凝縮を交互に繰り返しながら、平面ＰＡ内の最後の列の蒸発セクション２５１Ａ８に到り、次に平面ＰＢ内の蒸発セクション２５１Ｂ８に流入する。
【００３９】
同様に、平面ＰＢ内の凝縮セクションと蒸発セクションとを交互に通過して凝縮と蒸発を繰り返しながら、平面ＰＢ内の最後の蒸発セクション２５１Ｂ１に到る。ここから、Ｕチューブで方向転換して平面ＰＣ内の蒸発セクション２５１Ｃ１に流入する。
【００４０】
このように図３に示す実施の形態では、冷媒流路としてのチューブは、処理空気あるいは冷却流体の流れに直交する平面内で第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とともに、処理空気あるいは冷却流体の流れに沿った方向にも第１の区画３１０と第２の区画３２０とを交互に繰り返し貫通している。一方、処理空気と冷却流体の流量が少ないときには、図２に示すように、処理空気あるいは冷却流体の流れに沿った方向にだけ第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ようにしてもよい。
【００４１】
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、即ち蒸発器２１０の蒸発圧力と凝縮器２２０の凝縮圧力との中間にある中間圧力は、処理空気Ａの温度と第３の流体である外気Ｃの温度とによって定まる。熱交換器３００ａ、３００ｂ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いる。また冷媒は、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、処理空気と外気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。この実施の形態では、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。
【００４２】
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、即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、即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。
【００４３】
蒸発セクション２５１、凝縮セクション２５２を構成する熱交換チューブの内面には、ライフル銃の銃身の内面にある線状溝のようなスパイラル溝を形成する等により高性能伝熱面とするのが好ましい。内部を流れる冷媒液は、通常は内面を濡らすように流れるが、スパイラル溝を形成すれば、その流れの境界層が乱されるので熱伝達率が高くなる。
【００４４】
また、第１の区画３１０には処理空気が流れるが、熱交換チューブの外側に取り付けるフィンは、ルーバー状に加工して流体の流れを乱すようにするのが好ましい。第２の区画３２０は、同様にフィンは流体の流れを乱すように構成するのが好ましい。また、フィンはアルミニウムまたは銅あるいはこれらの合金を用いるのが好ましい。
【００４５】
次に先ず図１を参照して、各機器間の冷媒の流れを説明し、続けて図４を参照して、ヒートポンプＨＰ１の作用を説明する。
【００４６】
図１において、冷媒圧縮機２６０により圧縮された冷媒ガスは、圧縮機２６０の吐出口に接続された冷媒ガス配管２０１を経由して再生空気加熱器（冷媒凝縮器）２２０に導かれる。圧縮機２６０で圧縮された冷媒ガスは、圧縮熱により昇温しており、この熱で再生空気を加熱する。冷媒ガス自身は熱を奪われ凝縮する。
【００４７】
冷媒凝縮器２２０の冷媒出口は、熱交換器３００ａの蒸発セクション２５１Ａの入り口に冷媒経路２０２により接続されており、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２３０が設けられている。
【００４８】
冷媒凝縮器（再生空気から見れば加熱器）２２０を出た液冷媒は、絞り２３０で減圧され、膨張して一部の液冷媒が蒸発（フラッシュ）する。その液とガスの混合した冷媒は、蒸発セクション２５１Ａに到り、ここで液冷媒は蒸発セクション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を流れる処理空気を冷却する。
【００４９】
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。即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（及び蒸発しなかった冷媒液）は、凝縮セクション２５２Ａに流入して、第２の区画３２０を流れる外気Ｃにより熱を奪われ凝縮する。
【００５０】
このように、熱交換器３００ａ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１対、例えば２５１Ａ１と２５２Ａ１）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１対、例えば２５２Ｂ１と２５１Ｂ１）を有し、平面ＰＡ内の凝縮セクション２５２Ａから平面ＰＢ内の凝縮セクション２５２Ｂに移動する箇所にＵチューブを有する。
【００５１】
熱交換器３００ａの最後の凝縮セクションの出口側は、第２の絞りとしての膨張弁２７０を介して冷媒蒸発器２１０に接続されているので、凝縮セクションで凝縮した冷媒液は、絞り２７０で減圧され膨張して温度を下げて、冷媒蒸発器２１０に入り蒸発し、その蒸発熱で処理空気を冷却する。絞り２３０あるいは２７０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。
【００５２】
冷媒蒸発器２１０で蒸発してガス化した冷媒は、冷媒圧縮機２６０の吸込側に導かれ、以上のサイクルを繰り返す。
【００５３】
図２を参照して、熱交換器３００ａの蒸発セクションと凝縮セクション内の冷媒の挙動を説明する。先ず蒸発セクション２５１Ａには、液相の冷媒が流入する。一部が気化した、気相を僅かに含む冷媒液であってもよい。この冷媒液は、蒸発セクション２５１Ａを流れる間に、処理空気Ａで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、外気Ｃを加熱し、自身は熱を奪われ気相冷媒を凝縮させながら、次の凝縮セクション２５２Ｂに流入する。冷媒は、凝縮セクション２５２Ｂを流れる間に、外気Ｃでさらに熱を奪われ気相冷媒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、ヒートポンプＨＰ１の低熱源側流体である処理空気Ａと、第３の流体である外気Ｃとの間で熱交換させる。
【００５４】
ここで蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２を流れる冷媒の流量は、ヒートポンプＨＰ１のサイクルに必要な流量であり、第１の区画３１０と第２の区画をそれぞれ流れる流体間の熱交換を行うには十分過ぎるほどの量である。したがってそれを蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２とで交互に利用するので、一つの蒸発セクション例えば２５１Ａを流れる間に完全に乾き蒸気になってしまう虞がない。
【００５５】
次に図４を参照して、図２のような熱交換器３００ａを備えるヒートポンプＨＰ１の作用を説明する。図４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。
【００５６】
図中、点ａは図１の冷媒蒸発器２１０の冷媒出口の状態であり、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１９．３ｋｇ／ｃｍ²、温度は７８℃であり、過熱ガスの状態にある。
【００５７】
この冷媒ガスは、冷媒凝縮器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１９．３ｋｇ／ｃｍ²、温度は６５℃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１２２．９７ｋｃａｌ／ｋｇである。
【００５８】
この冷媒液は、絞り２３０で減圧され熱交換器３００ａ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。温度は外気温度より多少高い温度である。圧力は、いわゆる中間圧力であり、本実施例では４．２ｋｇ／ｃｍ² と１９．３ｋｇ／ｃｍ² 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、冷媒液はかなり残っている。
【００６０】
点ｆ１で示される状態の冷媒が、凝縮セクション２５２Ａに流入する。凝縮セクション２５２Ａでは、冷媒は第２の区画３２０を流れる外気により熱を奪われ、かなりの蒸気が凝縮した状態で凝縮セクション２５２Ａの端部（隔壁３０１の反対側の端部）に到る。
【００６１】
この冷媒は、Ｕチューブで方向転換して凝縮セクション２５２Ｂに流入する。
凝縮セクション２５２Ｂでは、冷媒は第２の区画３２０を流れる外気によりさらに熱を奪われ、冷媒蒸気が凝縮し凝縮セクションの端部（隔壁３０１側の端部、蒸発セクション２５１Ｂとの境界部）に到る。モリエ線図上で点ｇ１の状態である。
【００６２】
同様にして、蒸発セクション２５１Ｂ、２５１Ｃを経て、点ｆ２に到り、さらに凝縮セクション２５２Ｃを経て凝縮セクションの出口に到り、点ｇ２の状態の冷媒となる。
【００６３】
点ｇ２の冷媒液は、絞り２７０で、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冷媒蒸発器２１０に到り、ここで処理空気から熱を奪い、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３００ａ内では、冷媒は蒸発セクション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い。
【００６５】
なお、冷媒流路内での蒸発と凝縮がモリエ線図上で飽和ガス線と飽和液線との間の湿り領域で確実に行われるように、また絞り２７０に送り込む冷媒が確実に液化されているように、蒸発セクションと凝縮セクションの伝熱面積を適切に定めるとよい。例えば、絞り２３０から冷媒液を先ず受け入れる蒸発セクションと、絞り２７０に冷媒液を送り込む直前の凝縮セクションの伝熱面積を、それぞれ他の蒸発セクションあるいは凝縮セクションの少なくとも２〜３倍とする。
【００６６】
さらに、圧縮機２６０、冷媒凝縮器２２０、絞り２３０、２７０及び冷媒蒸発器２１０を含む圧縮ヒートポンプＨＰ１としては、熱交換器３００ａを設けない場合は、冷媒凝縮器２２０における点ｄの状態の冷媒を、絞りを介して冷媒蒸発器２１０に戻すため、冷媒蒸発器２１０で利用できるエンタルピ差は１４８．８３−１２２．９７＝２５．８６ｋｃａｌ／ｋｇしかないのに対して、熱交換器３００ａ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、１４８．８３−１０９．９９＝３８．８４ｋｃａｌ／ｋｇになり、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３３％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。
【００６７】
また第２の区画には第３の流体例えば外気や室内からの排気を流すので、気化加湿することができ、温度の低い冷却流体とすることができる。
【００６８】
図５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の作用を説明する。図５中、アルファベット記号Ｋ〜Ｎ、Ｑ、Ｒ、Ｘ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｄ、Ｅ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。
【００６９】
先ず処理空気Ａの流れを説明する。図５において、空調空間１０１からの処理空気（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を通してデシカントロータ１０３に送り込まれる。ここで乾燥エレメント中の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。この空気は処理空気経路１０９を通して熱交換器３００ａの第１の区画３１０に送られ、ここで絶対湿度一定のまま蒸発セクション２５１（図２）内で蒸発する冷媒により冷却され状態Ｍの空気になり、経路１１０を通して冷却器２１０に入る。ここでやはり絶対湿度一定でさらに冷却されて状態Ｎの空気になる。この空気は、乾燥し冷却され、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１１１を経由して空調空間１０１に戻される。
【００７０】
次に再生空気Ｂの流れを説明する。図５において、屋外ＯＡからの再生空気（状態Ｑ）は、再生空気経路１２４を通して吸い込まれ、熱交換器１２１に流入し、後述の排気される再生空気と熱交換して加熱され状態Ｒの空気になる。この空気は経路１２６を通して、冷媒凝縮器（再生空気から見れば加熱器）２２０に送り込まれ、ここで加熱されて乾球温度を上昇させ状態Ｔの空気になる。この空気は経路１２７を通して、デシカントロータ１０３に送り込まれ、ここで乾燥エレメント中のデシカントから水分を奪い（水分を脱着し）、デシカントを再生して、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１２８を通して送風機１４０に吸い込まれ、送風機１４０から吐出され経路１２９を通して熱交換器１２１に流入する。ここで先に述べたように凝縮器２２０に入る前の再生空気と熱交換しこれを加熱する。自身は熱を奪われ温度を下げて経路１３０を通して排気ＥＸされる。
【００７１】
第３の流体としての外気Ｃ（状態Ｑ）は、経路１７１を通して熱交換器３００ａの第２の区画３２０に流入する。ここで気化加湿器１６５あるいはスプレー３２５により気化加湿され、湿度を上げるとともに乾球温度を下げて状態Ｄの空気となる。状態Ｄはほぼ飽和線上にある。この空気は第２の区画３２０内で、スプレー３２５により絶対湿度を上昇させつつ飽和線上を移動し状態Ｅに到る。この間に凝縮セクション２５２中の冷媒を冷却あるいは凝縮させる。状態Ｅの空気は送風機１６０により経路１７２を通して排気ＥＸされる。
【００７２】
ここで図５の湿り空気線図上に示す空気側のサイクルで判るように、以上説明した空調装置では、デシカントの再生のために再生空気に加えられた熱量をΔＨ、処理空気から汲み上げる熱量をΔｑ、圧縮機の駆動エネルギーをΔｈとすれば、ΔＨ＝Δｑ＋Δｈの関係がある。この熱量ΔＨによる再生の結果得られる冷房効果ΔＱは、水分吸着後の処理空気（状態Ｌ）と熱交換させる第３の流体である外気（状態Ｑ）の温度が低いほど大きくなる。即ち図中ΔＱ−Δｑが大きくなるほど大きくなる。したがって、外気に散水等するのは冷房効果を高めるのに有用である。図中、状態Ｍ’と状態Ｎ’として示した点は、気化加湿器１６５と散水パイプ３２５を用いない場合の、それぞれ状態Ｍ、状態Ｎの位置を概念的に示したものである。
【００７３】
次に図６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。図中、装置を構成する機器はキャビネット７００の中に収容されている。キャビネット７００は、例えば薄い鋼板で作られた直方体の筺として形成されており、その鉛直方向下方の側面に処理空気ＲＡの吸込口が開口している。その開口には、空調空間の埃を装置内に持ち込まないようにフィルター５０１が設けられている。フィルター５０１の内側のキャビネット７００内には、送風機１０２が設置されており、その吸入口がフィルター５０１を介してキャビネット７００の処理空気吸込口に通じている。
【００７４】
送風機１０２の吐出口は水平方向を向いている。送風機１０２と同一レベルには圧縮機２６０、送風機１４０が、キャビネット７００の鉛直方向最下部に設置されている。送風機１０２の吐出流路１０８は、ガイド板で鉛直方向上方に向けられる。上方には、デシカントロータ１０３が回転軸ＡＸを鉛直方向に向けて配置されている。デシカントロータ１０３は、その近傍にやはり回転軸を鉛直方向に向けて配置された駆動機である電動機１０５と、ベルト、チェーン等により結合され、数分間に１回転程度の低速で回転可能に構成されている。このように、デシカントロータ１０３を、鉛直方向に向いた回転軸ＡＸ回りに、ほぼ水平な面内で回転させるように配置すると、装置全体の高さを低く抑えることができ、コンパクトにまとまる。
【００７５】
送風機１０２の吐出口は通路１０８によりデシカントロータに接続されている。通路１０８は、キャビネット７００を形成しているのと同様な例えば薄い鋼板で他の部分と区切られるようにして形成されている。処理空気が流入するのは、円形のデシカントロータ１０３の、約半分（半円）の領域である。
【００７６】
デシカントロータ１０３の鉛直方向上方、特に処理空気が流入する方の半分（半円）の領域の上方には、熱交換器３００ａの第１の区画３１０、即ち蒸発セクション２５１が配置されている。この機械的配置の例は、処理空気が図２の場合と違って鉛直方向下方から上方に流れるようになっている。第２の区画３２０の外気は気化加湿され、凝縮セクション２５２内の冷媒はほぼ一定の温度で凝縮するので、処理空気の流れ方向は熱交換効率にあまり影響しない。
【００７７】
第１の区画３１０の鉛直方向上方には、冷媒蒸発器２１０がその熱交換チューブを水平にして配置されている。冷媒蒸発器２１０の鉛直方向上方は、経路１１１を構成する空間となっており、キャビネット７００の天井部分に開口した供給空気ＳＡ供給口に到る。
【００７８】
一方キャビネット７００の側方の上方には、外気ＯＡ導入口が開口しており、ここには外気の埃を遮断するためのフィルター５０２が設けられている。フィルター５０２の内側の空間が経路１２４を構成して、直交流型の熱交換器１２１を介して、冷媒蒸発器２１０と並行して設けられた冷媒凝縮器２２０の上方に到る。冷媒凝縮器２２０の鉛直方向下方には、デシカントロータ１０３の、再生側の半分領域が位置している。その下方には、送風機１４０が設置されている。送風機１４０の出口は、キャビネット７００の側方を鉛直方向上方に向けて設けられた経路１２９に接続されており、経路１２９の上端には先に説明した直交流型の熱交換器１２１があり、供給空気ＳＡの開口と並べてキャビネット７００の天井部分に設けられた排気口につながっている。
【００７９】
処理空気ＲＡの入口の上方、キャビネット７００の側方には、第３の流体である外気Ｃの入口が開口しており、そこにはフィルタ５０３が設けられている。その内側には、気化加湿器１６５を含む第２の区画３２０が配置されている。その上方には散水パイプ３２５があり、さらにその上方には送風機１６０が設置され、温度の上昇した外気を排出するようになっている。
【００８０】
以上の実施の形態では、昇圧機は圧縮機として説明したが、それに限らず、例えば吸収冷凍機に備えられているような、吸収液で冷媒を吸収する吸収器と、冷媒を吸収した吸収液を昇圧するポンプと、昇圧された吸収液から冷媒を発生する発生器との組合せであってもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、中間熱交換器を備えるので、低熱源側流体と第３の流体との間で、冷媒を利用して、あるいは特に冷媒の蒸発と凝縮を利用して熱交換させることができるし、冷媒を第３の流体で冷却できる。
【００８２】
また中間熱交換器では、冷媒流路を第１の区画と第２の区画とを交互に繰り返し貫通させるので、蒸発器あるいは凝縮器を流れる冷媒が第１と第２の区画を複数回通過でき、低熱源側流体と第３の流体との熱交換に冷媒を複数回使用することができ、第１の区画を貫通する冷媒流路で冷媒が蒸発するとき、この冷媒流路中で冷媒が完全に乾いてしまうのを防止することができる。したがって、ＣＯＰの高いヒートポンプ及び除湿装置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ヒートポンプとそれを備える除湿空調装置のフロー図である。
【図２】図１のヒートポンプに使用して好適な熱交換器の模式的側面図である。
【図３】図１のヒートポンプに使用して好適な別の熱交換器の模式的平面図及び側面図である。
【図４】図１に示すヒートポンプのモリエ線図である。
【図５】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６】本発明の第１の実施の形態であるヒートポンプを備える除湿空調装置の実際の構造の例を示す模式的正面図である。
【図７】従来のヒートポンプとそれを含む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】
１０１空調空間
１０２、１４０、１６０送風機
１０３デシカントロータ
２１０冷媒蒸発器
２２０冷媒凝縮器
２５１Ａ、２５１Ｂ、２５１Ｃ蒸発セクション
２５２Ａ、２５２Ｂ、２５２Ｃ、２５２Ｄ凝縮セクション
２３０絞り
２６０圧縮機
２７０絞り
３００ａ、３００ｂ中間熱交換器
３１０第１の区画
３２０第２の区画
５０１、５０２、５０３フィルター
７００キャビネット
ＨＰ１ヒートポンプ
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ平面

Claims

冷媒を昇圧する昇圧機と；
前記昇圧機で昇圧される冷媒の蒸発熱で低熱源側流体を冷却する蒸発器と；
前記昇圧機で昇圧された冷媒の凝縮熱で高熱源側流体を加熱する凝縮器と；
前記蒸発器よりも上流側の前記低熱源側流体と、前記低熱源側流体及び高熱源側流体以外の第３の流体とを熱交換させる中間熱交換器とを備え；
前記中間熱交換器は、前記低熱源側流体を流す第１の区画と、前記第３の流体を流す第２の区画とを有し、さらに前記第１の区画と第２の区画を貫通する冷媒流路を有し、前記冷媒流路は前記凝縮器と第１の絞りを介して接続され、かつ前記第１の区画と第２の区画とを交互に繰り返し貫通した後、第２の絞りを介して前記蒸発器と接続されるように構成された；
ヒートポンプ。
前記冷媒流路は、内側に前記凝縮器からの冷媒を通し、外側に前記低熱源側流体と前記第３の流体とを接触させる細管群で構成された、請求項１に記載のヒートポンプ。
前記第３の流体に気化加湿するように構成された、請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプと；
前記中間熱交換器に対して前記低熱源側流体の上流に配置され、前記低熱源側流体中の水分を吸着するデシカントを有する水分吸着装置とを備える；
除湿装置。
処理空気から水分を除去し、再生空気で水分を脱着されて再生される水分吸着装置と；
凝縮器と蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器とを連結する細管群とを有するヒートポンプとを備え；
前記細管群は前記凝縮器で凝縮された冷媒を前記蒸発器に導くように構成され、且つ前記処理空気と第３の流体とに交互に接触するように構成されていることを特徴とする；
除湿装置。