JP4169747B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、デシカント空気調和機に、圧縮機等を備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置を組み合わせた空気調和機に関する。
従来、デシカント空気調和機に圧縮機等を備えた冷凍サイクルを組み合わせた空気調和機が知られており、例えば特許文献1には、デシカント空気調和機と、ガスエンジン等の排熱を伴う機器と、冷凍サイクルを有する冷凍装置と、を組み合わせてなる空気調和機が開示されている。この空気調和機は図5に示すように構成されている。尚、図5において、実線矢印は屋外から室内に取り入れられる外気(以下給気と称する)の流れを示し、破線矢印は室内から屋外に排出される室内空気(以下室内排気と称する)の流れを示す。
図5に示されるように、空気調和機100は、外気を室内2に導入する給気通路3と、室内空気を排気する排気通路4とを含むデシカント空気調和機120と、冷凍装置110と、を備えている。そして、給気通路3と排気通路4とが隣接して配置されている。
冷凍装置110は、圧縮機65と、該圧縮機65の駆動要素としての駆動源63と、加熱器12と、膨張弁14と、蒸発器15と、駆動源63の排熱を利用する排熱加熱器64と、を備え、これらが順次接続され冷凍サイクルが形成されている。
給気通路3には、屋外側から室内2側に向けて、回転式除湿機5の給気通路部、回転型顕熱熱交換器6の給気通路部、蒸発器15が順次配列されている。一方、排気通路4には、室内2側から屋外側に向けて、加湿冷却器8、回転型顕熱熱交換器6の排気通路部、加熱器12、排熱加熱器64、回転式除湿機5の排気通路部、が順次配列されている。
回転式除湿機5は、図5に示すように、隣接する給気通路3と排気通路4とに跨って配置されることにより、上述のように給気通路部が給気通路3側に、排気通路部が排気通路4側に配置されるように取り付けられている。この回転式除湿機5は、給気通路3中の給気通路部において、通過する給気中の水分を吸着して除湿し、排気通路4中の排気通路部において、通過する加熱器12等により加熱された高温の室内排気により、水分を吸着した吸着部が加熱、乾燥されて再生される。
回転型顕熱熱交換器6は、回転式の熱交換用ロータである。そして、この回転型顕熱熱交換器6は、給気通路3中の給気通路部を通過する給気と、排気通路4中の排気通路部を通過する室内排気との間で顕熱熱交換させるように構成されている。
蒸発器15は、膨張弁14で減圧された冷媒が蒸発することにより周囲から吸熱するものであり、回転型顕熱熱交換器6の給気通路部により冷却された給気を更に冷却する。
また、加熱器12は、圧縮機65で高温高圧に圧縮された冷媒が放熱することにより周囲を加熱するものであり、回転型顕熱熱交換器6の排気通路部により加熱された室内排気を更に加熱する。そして、この加熱器12で加熱された室内排気は排熱加熱器64で更に加熱された後、回転式除湿機5の排気通路部に至る。
尚、加湿器8は、水道水などの水を噴霧して、室内排気を加湿するものである。
次に、以上のように構成された空気調和機100の作用について説明する。まず、屋外の外気、即ち給気が給気通路3を介して回転式除湿機5へ搬送される。この給気は、回転式除湿機5の給気通路部において除湿される。このとき、この給気通路部では吸着熱が発生する。
そして、上記の如く除湿された給気は、回転型顕熱熱交換器6の給気通路部において、当該回転型顕熱熱交換器の排気通路部に流入する室内排気により冷却された後、更に蒸発器15により冷却されて室内2に供給される。
一方、室内排気は、まず加湿器8において加湿され、水の蒸発潜熱により冷却される。その後、この室内排気は、回転型顕熱熱交換器6の排気通路部において、当該回転型顕熱熱交換器6の給気通路部に流入する給気の持つ熱により加熱される。そして、この室内排気は、加熱器12において加熱された後、更に排熱加熱器64で加熱された後、回転式除湿機5の排気通路部において、吸着剤を加熱して吸着剤を乾燥し、自身は加湿されて屋外に排出される。
ここで空気調和機100の冷凍装置110における冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図について図2に基づき説明する。図2中に破線で示すサイクル線図、即ち、(1)、(2)、(6)、(5)で示されるものが、この場合の冷凍サイクル線図である。この場合、冷媒が、(1)圧縮機65の吸い込み、(2)圧縮機65の吐出、(6)加熱器12の出口、(5)膨張弁14の出口であり、蒸発器15の入口、(1)圧縮機65の吸い込み、の順に流通することで冷凍サイクルが形成される。
特開2004−85096号公報
以上の如き空気調和機100では、上記加熱器12で加熱された室内排気を排熱加熱器64で更に加熱するので、排気通路4における回転式除湿機5の他半部での温度が高くなるため、当該回転式除湿機5の給気通路部を通過する給気空気の温度も高くなると共に、回転型顕熱熱交換器6での温度も上昇する。そこで、この空気調和機100では、室内排気を加湿器8により冷却して、回転型顕熱熱交換器6の温度を低下させる構成がなされている。
しかしながら、上記の如き構成では加湿器8が必要であり、また、このような加湿器8を設けたとしても、加熱器12に流入する室内排気の温度が高いことから加熱器12を出た冷媒温度も高くなり、結果として蒸発器15での冷却能力(図2中破線で示すサイクル線図における(5)から(1)の間)が非常に小さいものとなる。これにより、室内への給気の冷却能力が低下し、空調機全体でのエネルギー効率が低下するという問題がある。
本発明は、このような従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、デシカント空気調和機と圧縮機等を備える冷凍サイクルにより室内を冷房する冷凍装置とを組み合わせた場合において、エネルギー効率の低下を抑制できる空気調和機を提供することを目的とする。
本発明の空気調和機は、外気を室内に導入する給気通路と、室内空気を排出する排気通路と、空気中の水分を吸着可能な吸着手段を有し、一部が前記給気通路に配置されると共に残部の一部又は全部が前記排気通路に配置され、前記吸着手段により前記給気通路中の水分を吸着して除湿し且つ前記排気通路中の排気により前記吸着手段が乾燥される除湿機と、圧縮機と、この圧縮機の吐出側に設けられ前記圧縮機で圧縮された冷媒が放熱して前記排気通路中の排気を加熱可能に配置された加熱器と、この加熱器で放熱した後の冷媒が流入する膨張弁と、この膨張弁の出口側に設けられ前記膨張弁で減圧された冷媒が蒸発して前記給気通路中の給気を冷却可能に配置された蒸発器と、を含む冷凍サイクルを備えた冷凍装置と、前記除湿機で除湿された給気と前記加熱器に流入する前の排気とを顕熱熱交換させる顕熱熱交換器と、を備えた空気調和機において、前記冷凍装置は、前記加熱器の出口側と前記膨張弁の入口側との間に熱交換器を有し、この熱交換器は前記排気通路及び前記給気通路の外部に配置され、当該水熱交換器内に貯水することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、外気を室内に導入する給気通路と、室内空気を排出する排気通路と、空気中の水分を吸着可能な吸着手段を有し、一部が前記給気通路に配置されると共に残部の一部又は全部が前記排気通路に配置され、前記吸着手段により前記給気通路中の水分を吸着して除湿し且つ前記排気通路中の排気により前記吸着手段が乾燥される除湿機と、圧縮機と、この圧縮機の吐出側に設けられ前記圧縮機で圧縮された冷媒が放熱して前記排気通路中の排気を加熱可能に配置された加熱器と、この加熱器で放熱した後の冷媒が流入する膨張弁と、この膨張弁の出口側に設けられ前記膨張弁で減圧された冷媒が蒸発して前記給気通路中の給気を冷却可能に配置された蒸発器と、を含む冷凍サイクルを備えた冷凍装置と、前記除湿機で除湿された給気と前記加熱器に流入する前の排気とを顕熱熱交換させる顕熱熱交換器と、を備えた空気調和機において、前記冷凍装置は、前記加熱器の出口側と前記膨張弁の入口側との間に水熱交換器を有し、この水熱交換器は前記排気通路及び前記給気通路の外部に配置すると共に、当該水熱交換器内に補助熱交換器を配置し、その補助熱交換器に水を散水することを特徴とする
本発明によれば、デシカント空気調和機に圧縮機等を備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置を組み合わせた空気調和機において、冷凍装置での冷却能力の低下を抑制して、空気調和機のエネルギー効率を向上することができる。
以下、本発明の空気調和機の好適な実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
本発明の一実施例を図1に基づき詳述する。図1は、本発明の一実施例としての空気調和機200の構成説明図である。尚、本実施例において上記従来の空気調和機100における要素と同一符号を付しているものは、同一又は同様の機能、効果を奏するものとする。
本実施例の空気調和機200は、デシカント空気調和機220と、冷凍装置210と、制御装置80と、を備える。
デシカント空気調和機220は、図5で示す従来例のデシカント空気調和機120と同様に、給気通路3と排気通路4とが隣接して配置されている。また、このデシカント空気調和機220は、給気通路3及び排気通路4における屋外側には、給気通路3と排気通路4とに跨って回転式除湿機5が配置され、また、給気通路3及び排気通路4における室内2側には、給気通路3と排気通路4とに跨って回転型顕熱熱交換器6が配置されている。また給気通路3の外気給気口及び排気通路4の室内排気の排出口付近には夫々給気用ファン31及び排気用ファン41が配置されている。
給気通路3には、屋外側から室内2側に向けて、給気用ファン31、回転式除湿機5の給気通路部、回転型顕熱熱交換器6の給気通路部、蒸発器15が順次配列されている。一方、排気通路4には、室内2側から屋外側に向けて、回転型顕熱熱交換器6の排気通路部、加熱器12、回転式除湿機5の排気通路部、排気用ファン41が順次配列されている。
また給気通路3の給気用ファン31より屋外側には外気ダンパ71が配置されると共に、室内2から給気用ファン31と外気ダンパ71との間に室内空気を供給するための循環通路73が設けられ、この循環通路73の給気通路3との合流部付近には内気ダンパ72が備えられる。これら2つのダンパ71、72は、通常の運転時には図中実線で示すように、外気ダンパ71は開かれ、内気ダンパ72は閉じられた状態であるが、どちらも制御装置80により図中破線で示す位置まで任意の角度に開閉を制御され、これにより給気通路3及び循環通路73の空気流量が制御される。
本実施例において、回転式除湿機5は、ガラス繊維を基材として水分吸着手段としてのシリカゲルを含浸合成したシート状材料により、ハニカム状の空気通路を形成した回転ロータである。このように、回転式除湿機5は通過する空気とシート状材料とを高効率で接触させるように構成されている。また回転型顕熱熱交換器6は、アルミ板によりハニカム状の空気通路を形成した回転式の熱交換用ロータである。そして、この回転型顕熱熱交換器6は、ハニカム状の空気通路を形成するアルミ板を介して給気通路3中での給気通路部を通過する給気と、排気通路4中での排気通路部を通過する室内排気との間で顕熱熱交換させるように構成されている。
冷凍装置210は、冷媒として二酸化炭素を充填したものであって、図示しないインバータ装置により能力を可変に制御できる圧縮機65と、この圧縮機65から吐出された高圧冷媒を冷却すると共に室内排気を加熱するための加熱器12と、この加熱器12を出た冷媒を更に冷却するために外気中、即ち給気通路3及び排気通路4の外部に配置される補助熱交換器17と、この補助熱交換器17に近接して取付けられ、冷媒の熱を外気に放熱するための送風装置18と、補助熱交換器17を出た冷媒が流入する膨張弁14と、この膨張弁14を経た冷媒が蒸発すると共に周囲から吸熱して室内2への給気を冷却するための蒸発器15と、を備え、これらが冷媒配管により順次接続され冷凍サイクルが形成されている。
制御装置80は、室内2に設置された温度センサ81及び湿度センサ82、補助熱交換器17の出口側冷媒配管に設置された温度センサ83、排気通路4における加熱器12の室内2側に設置された温度センサ84、同屋外側に設置された温度センサ85などの検出値に基づき送風装置18の回転数、若しくは駆動及び停止、更には外気ダンパ71及び内気ダンパ72の開度などを制御するものである。
次に、以上のような構成の空気調和機200の作用について、図1及び図2に基づき説明する。図2は同空気調和機200における冷凍装置210の冷凍サイクルを説明するためのエンタルピ・圧力線図である。
まず、屋外の外気(給気)A1(例えば、乾球温度32℃、相対湿度ψ=40%)が、給気通路3を介して回転式除湿機5へ搬送される。この給気は、回転式除湿機5の給気通路部において除湿される。このとき、回転式除湿機5の給気通路部では吸着熱が発生する。その結果、給気は、この回転式除湿機5の給気通路部では、エネルギー変化を伴わずに除湿され点A2に至る。このときA2での空気状態は、例えば、乾球温度約55〜65℃、相対湿度ψ=約4%となる。
そしてこの給気A2は、回転型顕熱熱交換器6の給気通路部において、排気通路4において点B1の状態(例えば、乾球温度約26℃、相対湿度ψ=約60%)で当該回転型顕熱熱交換器6の排気通路部に流入する室内排気により、例えば、乾球温度約30℃、相対湿度ψ=約45%まで冷却され、更に蒸発器15により冷却されてA3の状態(例えば、乾球温度約14〜18℃、相対湿度ψ=約75%)となり、室内2に供給されて、この室内2を空調する。
一方、室内排気B1(例えば、乾球温度26℃、相対湿度ψ=60%)は、回転型顕熱熱交換器6の排気通路部において、点A2の状態(例えば、乾球温度約55〜65℃、相対湿度ψ=約4%)で当該回転型顕熱熱交換器6の給気通路部に流入する給気の持つ熱により、点B3(例えば、乾球温度約50〜55℃、相対湿度ψ=約42%)まで加熱される。
そしてこの点B3の室内排気は、更に加熱器12において、点B4(例えば、乾球温度約70〜80℃、相対湿度ψ=約5%)まで加熱される。点B4の室内排気は、回転式除湿機5の排気通路部において、当該回転式除湿機5の吸着剤を加熱して乾燥し、自身は加湿冷却されて点B5(例えば、乾球温度約38〜42℃、相対湿度ψ=約50%)となって屋外に排出される。尚、制御装置80により、点B4が所定の温度、即ち温度センサ85の検出値が回転式除湿機5の乾燥に必要な温度(例えば、80℃)となるように、圧縮機65の回転数及び膨張弁14の開度を制御することも可能である。
ここで、空気調和機200の冷凍装置210における冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図について図2に基づき説明する。図2中に実線で示すサイクル線図、即ち、(1)、(2)、(7)、(3)、(4)で示されるものが、この場合の冷凍装置210の冷凍サイクル線図である。冷凍装置210では冷媒が、(1)圧縮機65の吸い込み、(2)圧縮機65の吐出、(7)加熱器12の出口であり、補助熱交換器17の入口、(3)補助熱交換器17の出口、(4)膨張弁14の出口であり、蒸発器15の入口、(1)圧縮機65の吸い込み、の順に流通して冷凍サイクルが形成される。
本実施例の空気調和機200の冷凍装置210は以上のような構成としたことにより、冷媒は、加熱器12に、例えば入口温度約110℃で流入し、出口温度約65℃で流出するのに対し、排気通路4中を流れる室内排気は、加熱器12に対して、例えば入口温度約50℃で流入し、上記冷媒の出口温度より高い出口温度、例えば約80℃で流出するため、この高温の排気が回転式除湿機5の排気通路4側の排気通路部に流入することで、当該回転式除湿機5を高効率で乾燥、再生することが可能となる。また本実施例では二酸化炭素を冷媒として用いているので、加熱器12等の高圧部は超臨界状態となり、より室内排気を高効率で高温に加熱することができる。しかしながら、この場合における冷媒の加熱器12での出口温度は約65℃となっており、このような温度で冷媒が蒸発器15に導入されたとしても上記従来例の如く蒸発器15での冷却能力が低下する。
そこで本実施例の冷凍装置210は、冷凍サイクル中で、加熱器12の後段部分に補助熱交換器17を配置し、この補助熱交換器17を外気に放熱可能に構成して、この補助熱交換器17により膨張弁14及び蒸発器15に流入する前の冷媒を冷却するようにしているので、図2中の(4)から(1)に示す如く、蒸発器15での冷却性能を大幅に向上させることができる。これにより、上記従来例の如く、給気通路3の蒸発器15の下流側、又は排気通路4の顕熱熱交換器6の室内2側に加湿器(冷却手段)を設けることなく室内2に流入する給気を十分に冷却することができる。
尚、補助熱交換器17での放熱量は、この補助熱交換器17付近に設けられる送風装置18での風量により制御でき、この送風装置18の回転数、若しくは駆動及び停止は、温度センサ81及び湿度センサ82での検出値、所謂冷却負荷や、又は各温度センサ83、84、85での検出値に基づき制御装置80により制御されるものであり、当該検出値が所定の値よりも高い場合(例えば、温度センサ81での検出値が32℃以上)には、制御装置80により送風装置18の回転数が上昇させることで補助熱交換器17での放熱量を増加させ、同検出値が所定の温度よりも低い場合には、制御装置80により送風装置18を停止又は回転数を低下させることで補助熱交換器17での放熱量を減少させる。このような補助熱交換器17での放熱量の制御により、蒸発器15における冷却能力を高く維持することができ、空気調和機200のエネルギー効率を向上することができる。
ところで、空気調和機200において、通常運転時、デシカント空気調和機220の外気ダンパ71及び内気ダンパ72は上述の如く、図1中実線で示す位置としている。このように室内2への給気を全て外気とした場合には、外気の温度や湿度の変化に伴う除湿能力不足や冷却能力過多などの問題が生じる場合がある。しかしながら、本実施例の空気調和機200は、以上の如き構成を備えているため、外気の温度や湿度の条件に応じて制御装置80により、外気ダンパ71を閉じる方向に、内気ダンパ72を開く方向に制御することにより、特に外気温度や湿度が高い場合や低い場合での外気取り込み量を調整して、室内2を効率良く空調することができる。
次に図3を参照して本発明の空気調和機の他の形態の実施例を説明する。図3は、この場合の空気調和機300の構成説明図である。尚、本実施例において上記空気調和機100、200における要素と同一符号を付しているものは、同一又は同様の機能、効果を奏するものとする。本実施例の空気調和機300は、上記実施例1と比較した場合、補助熱交換器17及び送風装置18を有さず、冷凍装置310が第2補助熱交換器19を備えている点が相違する。
第2補助熱交換器19は、排気通路4における回転式除湿機5の排気通路部の屋外側に設けらるものであり、冷凍装置310での加熱器12の出口側と膨張弁14の入口側との間に冷媒配管により接続されている。そして、第2補助熱交換器19は、上記補助熱交換器17と同様な機能を果たすものである。尚、室内排気は、加熱器12で加熱された後、回転式除湿機5を加熱再生して冷却され、これにより第2補助熱交換器19において冷凍装置310の冷媒が冷却される。
以上、本実施例によれば、送風装置18が不要となりコスト削減が可能となるが、この場合には蒸発器15での冷却能力が上記実施例1の構成よりも低下する場合がある。しかしながら、使用状態や使用条件によっては本実施例の空気調和機300が有効となることは云うまでもない。
次に図4を参照して本発明の空気調和機の更に他の形態の実施例を説明する。図4は、この場合の空気調和機400の構成説明図である。尚、本実施例において上記実施例1の空気調和機200における要素と同一符号を付しているものは、同一又は同様の機能、効果を奏するものとする。本実施例の空気調和機400は、上記実施例1と比較した場合、送風装置18を有さず、冷凍装置410が水熱交換器部20を備えている点が相違する。
水熱交換器部20は貯水タンクの如きものであり、その内部に補助熱交換器17が配置され、図示しない水配管により当該水熱交換器20内に貯水される。これにより、補助熱交換器17の熱源として水を用いることで補助熱交換器17での放熱量を増加することができ、蒸発器15の冷却能力をより一層向上できる。尚、水熱交換器20は、貯水して補助熱交換器17の熱源とするものに限らず、補助熱交換器17に直接水を散水する構造も適用可能であり、更には水を強制対流させる二重管式熱交換器、プレート式熱交換器、プレートフィンアンドチューブ式熱交換器、シェルアンドチューブしき熱交換器若しくはチューブ接合式熱交換器なども用いることができる。
以上、上記各実施例により本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、上記各実施例では、冷媒回路中に二酸化炭素冷媒を封入しているが、これに限定されるものではなく、それ以外のフロン系冷媒等も適用可能である。また、上記各実施例における膨張弁14は必要に応じてキャピラリチューブに変更可能である。
また上記各実施例においても、従来例の空気調和機100と同様に、加湿器8を適用し、室内排気をより一層冷却することも可能である。
本発明の第1の実施例の空気調和機の構成説明図である。 従来例の空気調和機及び本発明の第1の実施例の空気調和機における冷凍装置の冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図である。 本発明の他の形態の実施例の空気調和機の構成説明図である。 本発明の更に他の形態の実施例の空気調和機の構成説明図である。 従来例の空気調和機の構成説明図である。
符号の説明
2 室内
3 吸気通路
4 排気通路
5 回転式除湿機
6 回転型顕熱熱交換器
12 加熱器
14 膨張弁
15 蒸発器
17 補助熱交換器
18 送風装置
19 第2補助熱交換器
20 水熱交換器部
31 給気用ファン
41 排気用ファン
65 圧縮機
71 外気ダンパ
72 内気ダンパ
80 制御装置
81、83、84、85 温度センサ
82 湿度センサ
100、200、300、400 空気調和機
110、210、310、410 冷凍装置
120、220 デシカント空気調和機

Claims (2)

  1. 外気を室内に導入する給気通路と、
    室内空気を排出する排気通路と、
    空気中の水分を吸着可能な吸着手段を有し、一部が前記給気通路に配置されると共に残部の一部又は全部が前記排気通路に配置され、前記吸着手段により前記給気通路中の水分を吸着して除湿し且つ前記排気通路中の排気により前記吸着手段が乾燥される除湿機と、
    圧縮機と、この圧縮機の吐出側に設けられ前記圧縮機で圧縮された冷媒が放熱して前記排気通路中の排気を加熱可能に配置された加熱器と、この加熱器で放熱した後の冷媒が流入する膨張弁と、この膨張弁の出口側に設けられ前記膨張弁で減圧された冷媒が蒸発して前記給気通路中の給気を冷却可能に配置された蒸発器と、を含む冷凍サイクルを備えた冷凍装置と、
    前記除湿機で除湿された給気と前記加熱器に流入する前の排気とを顕熱熱交換させる顕熱熱交換器と、を備えた空気調和機において、
    前記冷凍装置は、前記加熱器の出口側と前記膨張弁の入口側との間に熱交換器を有し、この熱交換器は前記排気通路及び前記給気通路の外部に配置され、当該水熱交換器内に貯水することを特徴とする空気調和機。
  2. 外気を室内に導入する給気通路と、
    室内空気を排出する排気通路と、
    空気中の水分を吸着可能な吸着手段を有し、一部が前記給気通路に配置されると共に残部の一部又は全部が前記排気通路に配置され、前記吸着手段により前記給気通路中の水分を吸着して除湿し且つ前記排気通路中の排気により前記吸着手段が乾燥される除湿機と、
    圧縮機と、この圧縮機の吐出側に設けられ前記圧縮機で圧縮された冷媒が放熱して前記排気通路中の排気を加熱可能に配置された加熱器と、この加熱器で放熱した後の冷媒が流入する膨張弁と、この膨張弁の出口側に設けられ前記膨張弁で減圧された冷媒が蒸発して前記給気通路中の給気を冷却可能に配置された蒸発器と、を含む冷凍サイクルを備えた冷凍装置と、
    前記除湿機で除湿された給気と前記加熱器に流入する前の排気とを顕熱熱交換させる顕熱熱交換器と、を備えた空気調和機において、
    前記冷凍装置は、前記加熱器の出口側と前記膨張弁の入口側との間に水熱交換器を有し、この水熱交換器は前記排気通路及び前記給気通路の外部に配置すると共に、当該水熱交換器内に補助熱交換器を配置し、その補助熱交換器に水を散水することを特徴とする空気調和機。
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