JP4045551B2 - ヒートポンプ式空調機 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式空調機に関するものである。

電子工場や農業工場、飼育室、穀物倉庫などの特殊環境の空調では、空調用空気に対して加熱と冷却を所定順序で行い適宜加湿して温湿度調整をする必要がある。そのため、たとえば冷水コイル（冷却コイル）と温水コイル（加熱コイル）や加湿器などを備え、熱源水回路を４管式として冷水コイルと温水コイルに冷水と温水を別々に流して運転する方式があるが、４管式の熱源水回路では配管距離が長くて設備コストがかかり、冷水と温水を同時に作る必要があるため熱源機の運転コストもかかる問題がある。

また、冷水コイルと温水コイルの替わりに水冷ヒートポンプを使用するとなると、たとえば水冷ヒートポンプのプレート式水熱交換器などは能力維持のため定期的に分解清掃が必要でメンテナンスに手間がかかる問題がある。また、ヒートポンプは空気加熱温度（冷媒凝縮温度）に上限があるため、所望の給気温湿度（特に高温高湿）に対して空気温湿度が低く加湿量を多く必要とする条件では、気化方式で加湿すると蒸発潜熱により所望の給気温度に達しない場合がある。そのため、空調可能な温湿度範囲が狭くなり、圧縮効率ひいては成績係数（ＣＯＰ）が低下する問題がある。また、寒冷地や暑地では外気などの空調用空気の予熱や予冷を行う場合があるが、空調機とは別個に冷温水コイルなどの加熱器や冷却器が必要となる問題がある。

特開昭６３−２３３２４４号公報 特開平１１−１４２９６号公報

解決しようとする問題点は、設備コストや運転コストが高くなる点と、水熱交換器のメンテナンスが面倒な点であり、各種の特殊環境の空調に幅広く対応でき、コンパクトでＣＯＰの良いヒートポンプ式空調機を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、第１と第２と第３の圧縮式のヒートポンプを備え、前記第１ヒートポンプの冷媒−空気熱交換用第１蒸発器と前記第２ヒートポンプの冷媒−空気熱交換用第２蒸発器と前記第３ヒートポンプの冷媒−空気熱交換用第３蒸発器とを送風方向へ順に配設すると共に、第１凝縮器を前記第１ヒートポンプと前記第２ヒートポンプにて共用し、前記第１と第２と第３のヒートポンプの各蒸発器を冷媒蒸発・冷媒凝縮切換え自在に構成し、前記第１蒸発器と前記第２蒸発器との間、前記第２蒸発器と前記第３蒸発器との間、前記第３蒸発器の風下、のうちの一箇所又は二箇所又は全箇所に加湿器を配設したことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、空調用空気に対して加熱と冷却が必要な特殊環境の空調運転が冷温水コイルを使わずにヒートポンプのみででき、設備コストと運転コストの削減を図り得る。動物飼育室や病院治療室等の外気処理、農業工場や美術館等での恒温恒湿空調運転、食品売場でのコールドエイル解消やレストランでのドライ厨房などの除湿乾燥空調運転、穀物倉庫での保存や電子工場での静電気防止等のための低温加湿空調運転ができる。第１と第２のヒートポンプの凝縮器を共用しているので部品点数の削減とコンパクト化を図れる。２箇所又は３箇所に加湿器を配設すれば、複数段階に分けて加熱と加湿を行えるので、空調可能な温湿度範囲（特に高温高湿側）が広がり、圧縮効率ひいてはＣＯＰが良くなる。３つの蒸発器を設けて複数の加湿器を組合わせることにより、温湿度制御幅が広がり、特に外気処理をして給気する場合に有効で、空調機と別個の予冷・予熱用機器が不要となる。第１と第２の凝縮器がいわゆる水冷式のため熱交換能力とＣＯＰが高く性能が安定するので、生外気を温湿度調整して給気する場合でも気象・気候に影響されず精度良く空調が行えて、寒冷地から暑地まで広範囲の地域で使用できる。共用の第１凝縮器において冷媒の一方が蒸発で他方が凝縮する場合、冷媒同士の熱交換も行えてＣＯＰが高まり省エネとなる。プレート式の冷媒−熱源水熱交換器を分解せずに洗浄による清掃ができメンテナンスが容易となる。
請求項２の発明によれば、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。冷媒−空気熱交換用熱交換器も小型化でき空調機をコンパクト化できる。

図１〜図３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、実線及び点線の白抜き矢印は送風方向を示す。この空調機は、ケーシング１内に、給気送風路９と、第１と第２と第３の圧縮式のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃと、加湿器５、５と、空調用空気を被空調空間へ給気する送風機６と、を備えている。この第１ヒートポンプＡの冷媒−空気熱交換用第１蒸発器２ａと第２ヒートポンプＢの冷媒−空気熱交換用第２蒸発器２ｂと第３ヒートポンプＣの冷媒−空気熱交換用第３蒸発器２ｃとを送風方向へ順に配設すると共に、第１凝縮器３ａを第１ヒートポンプＡと第２ヒートポンプＢにて共用し、第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃとの間、第３蒸発器２ｃの風下、の両方に加湿器５を配設する。

第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃの各蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃは冷媒蒸発・冷媒凝縮切換え自在に構成し、たとえば、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷媒蒸発させるサイクルと第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷媒蒸発かつ第３蒸発器２ｃにて冷媒凝縮させるサイクルと第１蒸発器２ａにて冷媒蒸発かつ第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて冷媒凝縮させるサイクルと第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷媒凝縮させるサイクルとにすくなくとも切換自在、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷媒蒸発かつ第３蒸発器２ｃにて冷媒凝縮させるサイクルと第１蒸発器２ａにて冷媒蒸発かつ第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて冷媒凝縮させるサイクルと第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷媒凝縮させるサイクルとにすくなくとも切換自在、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷媒蒸発させるサイクルと第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷媒凝縮かつ第３蒸発器２ｃにて冷媒蒸発させるサイクルと第１蒸発器２ａにて冷媒凝縮かつ第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて冷媒蒸発させるサイクルとにすくなくとも切換自在、に構成する。

第１凝縮器３ａ及び第３ヒートポンプＣの第２凝縮器３ｃはプレート式の冷媒−熱源水熱交換器とし、第１凝縮器３ａ内の第１ヒートポンプＡの冷媒流通路と第２ヒートポンプＢの冷媒流通路と熱源水流通路とを互いに熱交換自在として配設する。プレート式の第１凝縮器３ａ及び第２凝縮器３ｃは、たとえば幾枚もの伝熱板（プレート）を重ねその伝熱板と伝熱板の間を熱源水と２つの冷媒が交互に流れて互いに熱交換するように構成する。第１凝縮器３ａ及び第２凝縮器３ｃは、熱源機１１で温度調整された熱源水が流れる熱源水回路１２に接続される。（図３参照）第１ヒートポンプＡは、熱源水で循環冷媒の熱交換をする共用の第１凝縮器３ａと、循環冷媒で空調用空気の熱交換をする第１蒸発器２ａと、第１の圧縮機４ａと、膨張弁と、冷媒循環方向の正逆の切換弁（四方弁）と、図示省略の受液器等と、を備え、これらを配管接続して冷媒循環回路を構成しかつ切換弁により第１凝縮器３ａと第１蒸発器２ａでの吸熱と放熱（蒸発機能と凝縮機能）を切換自在に構成する。第２ヒートポンプＢは、共用の第１凝縮器３ａと、循環冷媒で空調用空気の熱交換をする第２蒸発器２ｂと、第２の圧縮機４ｂと、膨張弁と、冷媒循環方向の正逆の切換弁（四方弁）と、図示省略の受液器等と、を備え、これらを配管接続して冷媒循環回路を構成しかつ切換弁により第１凝縮器３ａと第２蒸発器２ｂでの吸熱と放熱（蒸発機能と凝縮機能）を切換自在に構成する。第３ヒートポンプＣは、熱源水で循環冷媒の熱交換をする第２凝縮器３ｃと、循環冷媒で空調用空気の熱交換をする第３蒸発器２ｃと、圧縮機４ｃと、膨張弁と、冷媒循環方向の正逆の切換弁（四方弁）と、図示省略の受液器等と、を備え、これらを配管接続して冷媒循環回路を構成しかつ切換弁により第２凝縮器３ｃと第３蒸発器２ｃの吸熱と放熱（蒸発機能と凝縮機能）を切換自在に構成する。加湿器５は、気化方式や蒸気吹出し方式など各種方式のものを用いることができるが、蒸気吹出し方式とすれば、温度降下せず無段階制御が可能で精度良く温湿度制御を行えて、蒸発器の負荷を少なくできる。

空調用空気入口と空調用空気出口はケーシング１に設け、空調用空気入口は還気取入用や外気取入用あるいは還気と外気の混合空気取入用としてダクトなどを介して室内などの被空調空間や屋外と連通させ、空調用空気出口は給気用としてダクトなどを介して室内などの被空調空間に連通させる。第１凝縮器３ａ及び第２凝縮器３ｃに熱源水を流し、送風機６で送風することにより第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃにて空調用空気を熱交換（冷却・加熱）して被空調空間に給気し、各種環境に応じた空調運転を行う。第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃで冷却と加熱を行うときの熱源水の使用限界水温範囲はたとえば１０℃〜４５℃なので、エアハンなどの冷温水コイルでは冷却・加熱できないような温度の熱源水を用いて、第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃで冷却と加熱を切換自在に行え、熱源水回路１２が２管式ですむ。第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃのフィンチューブは圧損の少ない楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

ケーシング１内には、熱源水回路１２からの熱源水と洗浄装置１３からの洗浄液とを選択的に第１凝縮器３ａに流通自在とする第１の通水機構D1と、熱源水回路１２からの熱源水と洗浄装置１３からの洗浄液とを選択的に第２凝縮器３ｃに流通自在とする第２の通水機構D2と、を設ける。この第１と第２の通水機構D1、D2は同様の構成なので図３においてあわせて説明する。図３（ｂ）は、第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）を清掃する洗浄装置１３を接続した状態を示し、図３（ａ）は洗浄装置１３を外した状態を示している。通水機構D1（通水機構D2）は、熱源水回路１２と第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）を接続する熱源水入口路１６ａ及び熱源水出口路１６ｂと、熱源水入口路１６ａと熱源水出口路１６ｂに個別に設けられて洗浄装置１３の洗浄液入口路２０ａ及び洗浄液出口路２０ｂを接続・分離自在なプラグ付接続口１７、１７と、洗浄装置１３と第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）を洗浄液入口路２０ａ及び洗浄液出口路２０ｂで接続することにより構成される洗浄流路Ｅへの熱源水の流入を遮断する開閉弁１８、１８と、を備えている。このように、部品が少なく簡単な構造で通水機構D1（通水機構D2）を構成でき、製作が容易でコスト節減を図れ、スペースをとらなくて済み、洗浄流路Ｅへの熱源水の流入を遮断して薬品洗浄でき、洗浄効果が大となる。熱源水回路１２と第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）を熱源水入口路１６ａ及び熱源水出口路１６ｂで接続して成る熱源流路Ｆと、洗浄流路Ｅとの共用部にはストレーナ１９を設ける。これにより、ストレーナ１９を熱源流路Ｆと洗浄流路Ｅの異物除去に兼用でき、個別にストレーナを設ける必要がなくコストダウンを図れる。空調運転時は図３（ａ）の状態で接続口１７、１７のプラグを閉め、開閉弁１８、１８を開いて熱源水を流し、ストレーナ１９は適宜清掃する。第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）の清掃時はケーシング１内を露出させ、図３（ｂ）のように接続口１７、１７のプラグを外して洗浄装置１３の洗浄液入口路２０ａ及び洗浄液出口路２０ｂを接続し、開閉弁１８、１８を閉じて第１凝縮器３ａ（第２凝縮器３ｃ）に洗浄液を流して洗浄し、洗浄後にストレーナ１９を清掃する。なお、ストレーナ１９は図例以外の位置に変更自由である。また、通水機構D1（通水機構D2）は、ケーシング１内でなく、全て外部に設けたり、一部を外部に設けるも自由である。

図例の空調機は、第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃと送風機６と風上側と風下側の加湿器５、５の各々の容量制御をすると共に給気送風路入口空気温湿度に応じて第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの冷媒蒸発・冷媒凝縮を切換する制御手段（図示省略）を、備える。被空調空間の外気処理を行うには、たとえば、所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が高い場合は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷却減湿、又は、第１蒸発器２ａにて冷却減湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて加熱して温調、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷却減湿してから第３蒸発器２ｃにて加熱して温調し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が低く湿度が高い場合は、第１蒸発器２ａにて冷却減湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて加熱して温調、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷却減湿してから第３蒸発器２ｃにて加熱して温調し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が低い場合は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて加熱してから風上側加湿器５にて加湿し、さらに、第３蒸発器２ｃにて加熱してから風下側加湿器５にて加湿し、所定の給気温湿度に制御する。この場合、所望の給気温湿度にするのに必要な加熱量と加湿量に応じて、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて加熱し風上側加湿器５と風下側加湿器５のいずれか一方のみで加湿して所定の給気温湿度に制御することもできる。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が高く湿度が低い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて乾き冷却し、風上側加湿器５と風下側加湿器５の両方又は一方にて加湿し、所定の給気温湿度に制御する。

また、被空調空間を恒温恒湿に空調するには、たとえば、風下側加湿器５を蒸気吹出し方式とした場合を例示すると、所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が高い場合と所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が低く湿度が高い場合は、第１蒸発器２ａにて冷却減湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて加熱して温調、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷却減湿してから第３蒸発器２ｃにて加熱して温調、又は、第１蒸発器２ａにて冷却減湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて加熱して温調したのち風下側加湿器５にて蒸気により温度を下げずに加湿、又は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷却減湿してから第３蒸発器２ｃにて加熱して温調したのち風下側加湿器５にて蒸気により温度を下げずに加湿し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が低い場合は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて加熱して温調したのち風下側加湿器５にて蒸気により温度を下げずに加湿し、所定の給気温湿度に制御する。この場合、第１蒸発器２ａ又は第２蒸発器２ｂにて加熱してから風上側加湿器５にて加湿し、さらに、第３蒸発器２ｃにて加熱してから風下側加湿器５にて蒸気により温度を下げずに加湿し、所定の給気温湿度に制御することもできる。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が高く湿度が低い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて乾き冷却して温調したのち風下側加湿器５にて蒸気により温度を下げずに加湿し、所定の給気温湿度に制御する。

この場合、風上側と風下側の加湿器５、５を止めて加湿せずに被空調空間を除湿乾燥することができる。たとえば、所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が高い場合と所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が低く湿度が高い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて冷却減湿してから第３蒸発器２ｃにて加熱、又は、第１蒸発器２ａにて冷却減湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて加熱し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が低い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて加熱し、所定の給気温湿度に制御する。

また、被空調空間を低温加湿するには、たとえば、所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が高い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの１つもしくは２つもしくは全てにて冷却減湿し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気温湿度が低い場合は第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂの両方又は一方にて加熱してから風上側加湿器５にて加湿しそののち第３蒸発器２ｃにて乾き冷却し、所定の給気温湿度に制御する。所望の給気温湿度に対して給気送風路入口空気の温度が高く湿度が低い場合は風上側加湿器５にて加湿してから第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの両方又は一方にて乾き冷却し、所定の給気温湿度に制御する。なお、図示省略するが、加湿器５は、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂとの間、第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃとの間、第３蒸発器２ｃの風下、のうちの一箇所又は二箇所又は全箇所に配設するも自由であり、全個所とすれば３段階で加熱・加湿が可能となり、一層給気温湿度制御幅が広がる。

なお、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由であり、たとえば、第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃや制御手段の構成、第１蒸発器２ａと第２蒸発器２ｂと第３蒸発器２ｃの冷媒蒸発と冷媒凝縮のサイクルの変更や増減は自由である。

ヒートポンプ式空調機の実施例を示す正面図。 ヒートポンプの簡略説明図。 通水機構の簡略説明図。

符号の説明

２ａ 第１蒸発器
２ｂ 第２蒸発器
２ｃ 第３蒸発器
３ａ 第１凝縮器
３ｃ 第２凝縮器
５ 加湿器
１２ 熱源水回路
１３ 洗浄装置
Ａ 第１ヒートポンプ
Ｂ 第２ヒートポンプ
Ｃ 第３ヒートポンプ
D1 第１通水機構
D2 第２通水機構

Claims (2)

1. 第１と第２と第３の圧縮式のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃを備え、前記第１ヒートポンプＡの冷媒−空気熱交換用第１蒸発器２ａと前記第２ヒートポンプＢの冷媒−空気熱交換用第２蒸発器２ｂと前記第３ヒートポンプＣの冷媒−空気熱交換用第３蒸発器２ｃとを送風方向へ順に配設すると共に、第１凝縮器３ａを前記第１ヒートポンプＡと前記第２ヒートポンプＢにて共用し、前記第１と第２と第３のヒートポンプＡ、Ｂ、Ｃの各蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃを冷媒蒸発・冷媒凝縮切換え自在に構成し、前記第１蒸発器２ａと前記第２蒸発器２ｂとの間、前記第２蒸発器２ｂと前記第３蒸発器２ｃとの間、前記第３蒸発器２ｃの風下、のうちの一箇所又は二箇所又は全箇所に加湿器５を配設し、前記第１凝縮器３ａ及び前記第３ヒートポンプＣの第２凝縮器３ｃをプレート式の冷媒−熱源水熱交換器とし、前記第１凝縮器３ａ内の前記第１ヒートポンプＡの冷媒流通路と前記第２ヒートポンプＢの冷媒流通路と熱源水流通路とを互いに熱交換自在として配設し、熱源水回路１２からの熱源水と洗浄装置１３からの洗浄液とを選択的に前記第１凝縮器３ａに流通自在とする第１の通水機構D1と、前記熱源水回路１２からの熱源水と前記洗浄装置１３からの洗浄液とを選択的に前記第２凝縮器３ｃに流通自在とする第２の通水機構D2と、を設けたことを特徴とするヒートポンプ式空調機。
2. 第１と第２と第３の蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃのフィンチューブを楕円管にした請求項１記載のヒートポンプ式空調機。

Images