JP4565936B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、全熱交換素子を備えた空気調和装置に関する。

一般に、室内を締め切った状態が長時間に亘ると、室内の空気が汚れてくるため、室外の新鮮な空気を室内に取り入れて換気を行う換気装置が知られている。この種の換気装置として、換気を行う場合に、室内の温度をあまり変動させないように、室外に排出する内気と室内に供給する外気との間で熱交換させる全熱交換素子を備えた換気装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、一般に、圧縮機、熱源側熱交換器及び利用側熱交換器を備えた空気調和装置を運転させる場合、通常、室内を締め切った状態で行われるので、上記換気装置を備え、室内の空調を行うとともに室内の換気を行う空気調和装置も知られている。
特開２００１−２３５２００号公報

しかしながら、上記換気装置では、外気が低温（例えば、氷点下）のときに換気を行う場合、全熱交換素子に低温の外気が供給され続けると、この外気によって内気が冷やされて、全熱交換素子の内気入口に結露が生じ、この結露水が凍結して全熱交換素子の内気入口が閉塞されてしまう可能性があった。このように全熱交換素子の内気入口が閉塞された状態では、必要な換気量が得られないばかりでなく、全熱交換素子にかかる風圧が増大し、全熱交換素子が破損する恐れがあった。

上記不具合に対して、低温の外気をヒータ等で暖め、この空気を全熱交換素子に供給することによって、全熱交換素子の内気入口の凍結を防止することも考えられるが、この場合には、別熱源が必要となるため、換気装置が複雑になりエネルギーコストも余分にかかることになる。

そこで、本発明の目的は、新たな熱源を設けることなく、全熱交換素子の内気入口の凍結を抑制することができる空気調和装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、天井に吊り下げられる空気調和装置本体と、この空気調和装置本体の後部に連結されて一体化された換気装置本体とを備え、前記空気調和機本体には、利用側熱交換器及び利用側送風機が配置され、前記換気装置本体が外気を室内に供給する給気ファンと、内気を室外に排出する排気ファンと、前記外気と前記内気との間で熱交換させる全熱交換素子とを備え、前記各本体の吹出し口が夫々独立し、前記換気装置本体の吹出し口を前記空気調和機本体の吹出し口の上方に近接配置して、前記空気調和機本体の吹出し口から吹出される空気と、前記換気装置本体の吹出し口から吹出される空気とが、各吹出し口の出口でミキシング自在に構成され、前記換気装置本体は、外気温度が所定温度以下の場合には、前記全熱交換素子の凍結を防止すべく、前記排気ファンの排出する内気の熱によって前記全熱交換素子を暖めるように、前記排気ファンを所定の排気量に保った状態で運転するとともに、前記給気ファンが供給する外気の供給量を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

この場合において、制御手段は、外気温度に応じて、給気ファンの運転時間を変更可能とする構成としても良い。また、制御手段は、所定の単位時間における給気ファンの運転時間を互いに異ならせた複数の間欠運転モードを備え、これら各運転モードの中から、外気温度に対応する所定の間欠運転モードを選択して、 給気ファンを運転する構成としても良い。また、制御手段は、外気温度に応じて、給気ファンの運転周波数を変更可能とする構成としても良い。

本発明によれば、全熱交換素子の内気入口の凍結を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る空気調和装置の一実施形態を示す回路図である。この図１において、符号１０は空気調和装置を示し、この空気調和装置１０は、熱源側ユニット１１と利用側ユニット１３とを有して構成され、熱源側ユニット１１の冷媒配管１４と、利用側ユニット１３の冷媒配管３０とが、冷媒配管（液管）１６、冷媒配管（ガス管）１７により接続される。熱源側ユニット１１は、例えば、室外に設置され、利用側ユニット１３は、被空調室である室内に設置される。

熱源側ユニット１１は、容量可変型の圧縮機１８と、アキュムレータ１９と、四方弁２０と、熱源側熱交換器２１と、電動膨張弁２２とを備え、冷媒配管１４に圧縮機１８が配設され、この圧縮機１８の吸込側にアキュムレータ１９が、吐出側に四方弁２０がそれぞれ配設され、この四方弁２０に熱源側熱交換器２１及び電動膨張弁２２が冷媒配管１４を介して接続される。更に、熱源側ユニット１１は、熱源側熱交換器２１に送風する熱源側送風機２４を備えている。

利用側ユニット１３は、利用側熱交換器２５及び電動膨張弁２６を備え、冷媒配管３０に利用側熱交換器２５が配設され、この冷媒配管３０において利用側熱交換器２５近傍に電動膨張弁２６が配設されて構成される。この電動膨張弁２６は、空調負荷に応じて弁開度が調整される。更に、利用側ユニット１３は、利用側熱交換器２５に送風する利用側送風機２７を備えており、空気が利用側熱交換器２５で冷媒と熱交換した後に、被調和室に吹出される。また、利用側ユニット１３は、室内の換気を行う換気装置５０を備えている。この換気装置５０は、空調用の各種機器２５、２６、２７等が収められる利用側ユニット１３の筐体内に一体に収められている。

この空気調和装置１０において、実線矢印は、暖房運転時の冷媒の流れを示す。圧縮機１８から吐出されたガス冷媒は、四方弁２０を経て利用側熱交換器２５へ流入し、この利用側熱交換器２５にて凝縮液化され、室内を暖房する。この液冷媒は、電動膨張弁２６を通過して、電動膨張弁２２で減圧され、熱源側熱交換器２１にて蒸発され、四方弁２０、アキュムレータ１９を経て圧縮機１８に戻される。

破線矢印は、冷房運転時の冷媒の流れを示す。この状態で、圧縮機１８から吐出されたガス冷媒は、四方弁２０を経て熱源側熱交換器２１に流入して凝縮し、電動膨張弁２２を通過して、利用側ユニット１３の電動膨張弁２６にて減圧され、利用側熱交換器２５に流入する。そして、この利用側熱交換器２５にて蒸発して、室内を冷房する。利用側熱交換器２５で蒸発気化した冷媒は、熱源側ユニット１１の四方弁２０、アキュムレータ１９を経て圧縮機１８に戻される。

熱源側ユニット１１には、空気調和装置１０全体の運転制御を行う制御手段としての制御装置４５が設けられている。ここで、この制御装置４５は、利用側ユニット１３に設けられる場合であってもよいし、これらユニット１１，１３とは別体（例えば、リモートコントローラ）に設けられてもよい。

次に、利用側ユニット１３の換気装置５０について説明する。この換気装置５０は、全熱交換素子５３を備えて構成されている。この全熱交換素子５３は、図２に示すように、蛇行状に折り曲げた折曲げ紙Ａに平板状紙Ｂをのせ、その上に、折曲げ紙Ａとはその折り曲げ方向を変えた折曲げ紙Ｃを重ねるようにして、これら折曲げ紙Ａ，Ｃと平板状紙Ｂとを順次積層させて構成されている。この全熱交換素子５３には、図１に示すように、外気が導入されるとともに、被空調室からの排気（内気）が供給され、この内気と外気の間で熱交換した後、外気を被調和室に供給し、内気を被調和室の外に排気する機能を備える。

つまり、空気調和装置１０が冷房運転を行っている際に換気装置５０が換気運転を行う場合、全熱交換素子５３は、暖かい外気と冷えた室内の排気との間で熱交換して外気を冷やし、室内に給気している。また、空気調和装置１０が暖房運転を行っている際に換気装置５０が換気運転を行う場合、全熱交換素子５３は、冷たい外気と暖かい室内の排気との間で熱交換して外気を暖め、室内に給気している。これによって、換気運転により空調性が低下するのを抑制することができる。

外気は、給気ダクト５４、給気ファン５５を経た後、外気フィルタ５６を介して全熱交換素子５３に至り、ここから給気風路５７、加湿器５８、吹出しルーバ５９を経て被調和室に吹出される。この加湿器５８には加湿タンク５８Ａが接続され、このタンクに直接給水しておけば、この加湿器５８に加湿水が順次供給される。

被調和室からの内気は、吸込みグリル６１を経て全熱交換素子５３に至り、この全熱交換素子５３を経てダンパ６２、排気ファン６３、排気ダクト６４を介して室外に排気される。ダンパ６２は風路を遮断自在であり、これが風路を遮断した場合、吸込みグリル６１を経た内気は、全熱交換素子５３をバイパスし、普通換気風路６５を介して排気ファン６３に至り、排気ダクト６４を介して室外に排気される。

本実施形態では、空気調和装置１０の利用側ユニット１３が、図３に示すように、天井に吊り下げられる空気調和機本体１３Ａと、この空気調和機本体１３Ａの後部に連結されて一体化された外気調温用の換気装置本体５０Ａとを備えて構成されている。

空気調和機本体１３Ａは、図４に示すように、その内部に、上述した利用側熱交換器２５、利用側送風機２７、ドレンパン７１、さらには電装箱７２等が配置され、その吸込みグリル７３にはフィルタ７３Ａが配置されている。これが運転されると、吸込みグリル７３を介して内気が吸い込まれ、この内気は、利用側送風機２７を経て利用側熱交換器２５に至り、ここで冷媒と熱交換した後に、吹出し口７４を介して被調和室に吹出される。

換気装置本体５０Ａの内部には、上述した全熱交換素子５３、給気ファン５５、排気ファン６３等が配置され、その吸込みグリル６１にはフィルタ６１Ａが配置されている。これが運転されると、吸込みグリル６１を介して内気が吸い込まれ、この内気は、全熱交換素子５３に至り、ここで、外気と熱交換した後に、排気ファン６３を介して室外に排気される。一方、外気は、給気ファン５５を介して、全熱交換素子５３に至り、ここで、内気と熱交換した後に、給気風路５７、吹出しルーバ５９を経て、吹出し口６７から被調和室に吹出される。

本実施形態では、各本体１３Ａ，５０Ａの吹出し口７４，６７は、夫々独立して形成されている。吹出し口６７の全幅は、図３に示すように、空気調和機本体１３Ａの吹出し口７４の全幅とほぼ等しくなるように形成されており、これら各吹出し口７４，６７は、近接配置され、空気調和機本体１３Ａの吹出し口７４から吹出される空気と、換気装置本体５０Ａの吹出し口６７から吹出される空気とを、各吹出し口７４，６７の出口でミキシング自在に構成されている。

空気調和機本体１３Ａの高さＨ１は、図４に示すように、換気装置本体５０Ａの高さＨ２よりも低く形成され、この低くなった空気調和機本体１３Ａの上部には、換気装置本体５０Ａの給気風路５７が形成されている。この給気風路５７の高さと空気調和機本体１３Ａの高さＨ１とを足した全高が、換気装置本体５０Ａの高さＨ２とほぼ等しくなるように形成されている。

また、換気装置本体５０Ａは、その内部に全熱交換素子５３の収納部Ｒ１と、給気ファン５５及び排気ファン６３の収納部Ｒ２とを、換気装置本体５０Ａの奥行き方向に横並びに備え、この収納部Ｒ２の下部には、給気ダクト５４および排気ダクト６４が、複数本のねじ（図示せず）を介して止着されている。そして、各給排気ダクト５４、６４にはエルボ８０がつけられ、このエルボ８０を介してダクトが後方に引き回されている。これによれば、ダクトの引き回し作業が容易となるだけでなく、空気調和装置１３を壁面２００に寄せて設置することができ、見栄えが向上する。

給気ファン５５及び排気ファン６３の収納部Ｒ２には、図５に示すように、幅Ｗ及び長さＬ並びに高さＨ（図４）を有する発泡樹脂製の風路形成体２０２が配置され、給気ファン５５及び排気ファン６３は、この風路形成体２０２の内部にまとめて収納されている。この風路形成体２０２は、両端部を規制部材２０５で規制された状態で、長さＬ方向に間隔をあけて固定された、長さＷ２及び高さＨ３（図４）を有する複数の載置板２０３上に載置されている。これら複数の載置板２０３は、給気ファン５５及び排気ファン６３における吸気通路及び排気通路を区画する仕切り板を兼ねている。また、風路形成体２０２の横位置を規制するため、図３に示すように、全熱交換素子５３の収納部Ｒ１には、幅Ｗ１（図４）及び長さＬ１並びに高さＨ２（図４）を有する発泡樹脂製のエレメントケーシング（図示せず）が嵌め込まれ、このケーシングに、全熱交換素子５３が保持されている。

全熱交換素子５３に対向する風路形成体２０２の面２０２Ａには、給気ファン５６の吹出し口に対応する開口部６０１と、この開口部６０１に連なり、給気ファン５６からの送風を全熱交換素子５３の全幅に導く導風部６０２とを備えて構成される。本実施形態では、全熱交換素子５３が、風路形成体２０２に形成された開口部６０１及び導風部６０２に対向して配置されているため、給気ファン５６による送風のかなりの量が、開口部６０１を経た後に、導風部６０２に導かれ、そこを通じて全熱交換素子５３の全幅にほぼ均等に配分される。

ところで、外気が低温の場合、全熱交換素子５３に低温の外気が供給され続けると、この外気によって内気が冷やされるため、全熱交換素子５３の内気入口に結露が生じ、この結露水が凍結しやすくなる。

そのため、換気装置５０は、外気の温度が所定温度（例えば０℃）以下の場合には、全熱交換素子５３が凍結することを防止するために、排気ファン６３の排出する内気の熱によって全熱交換素子５３を暖めるように、給気ファン５５が供給する外気の供給量を制御している。具体的には、予め、外気の温度領域を複数の温度領域（Ａ領域〜Ｄ領域）に区分けし、外気温度が、これら温度領域のいずれかに該当する場合には、給気ファン５５を上記温度領域に応じた間欠運転をするように制御する。この場合、排気ファン６３は、温度領域に関係なく、所定（一定もしくは可変）の排気量を保った状態で連続的に運転するように制御され、排気ファンの排出する内気の熱によって、全熱交換素子５３を暖める。

上記複数の領域（Ａ領域〜Ｄ領域）は、外気を全熱交換素子５３に供給した場合に、内気が結露して、全熱交換素子５３が凍結する可能性の高低に応じて区分けしたものである。Ａ領域は、全熱交換素子５３が凍結する可能性がほとんど無い領域であり、本実施形態では、Ａ領域は、０℃＜外気温度の範囲に設定されている。また、Ｂ領域からＤ領域は、全熱交換素子５３が凍結する可能性のある領域で、Ｂ領域からＤ領域に移行するに連れて、凍結する可能性が高くなっている。本実施形態では、Ｂ領域は、−５℃＜外気温度≦０℃の範囲に、Ｃ領域は、−１０℃＜外気温度≦−５℃の範囲に、Ｄ領域は、−１５℃＜外気温度≦−１０℃の範囲に設定されている。これらの領域の定め方（領域数、温度範囲等）については、適宜変更することが可能である。

給気ファン５５の運転制御は、制御装置４５により行われる。以下、制御装置４５による給気ファン５５の制御動作について、図６に示す制御フローチャートを参照しながら説明する。

まず、制御装置４５は、外気温度を検知し（ステップＳ１）、この検知された外気温度がＡ領域に該当するか否かを判別する（ステップＳ２）。外気温度がＡ領域に該当する場合には、外気が全熱交換素子５３に供給され続けたとしても、この全熱交換素子５３が凍結するおそれがないため、制御装置４５は、給気ファン５５を通常運転に制御する（ステップＳ３）。この場合、通常運転とは、空気調和装置１０が運転している間は、給気ファン５５を連続して運転するように制御するものをいう。一方、外気温度がＡ領域に該当しない場合、すなわち外気温度が０℃以下の場合には、全熱交換素子５３の凍結を防止するため、制御装置４５は処理をステップＳ４に移行する。

続いて、制御装置４５は、外気温度がＢ領域に該当するか否かを判別する（ステップＳ４）。この判別において、外気温度がＢ領域に該当する場合には、制御装置４５は、低温下（０℃以下）の外気によって、全熱交換素子５３を流れる内気中の水分が凍結してしまうのを防止するために、給気ファン５５を第１の間欠運転モードで運転するように制御する（ステップＳ５）。

この第１の間欠運転モードは、暖房時（例えば室温２４℃）の内気を連続的に全熱交換素子５３に供給した状態で、Ｂ領域にある外気を全熱交換素子５３に供給した場合であっても、この全熱交換素子５３が凍結しないように、所定の単位時間（例えば６００秒）における、給気ファン５５の運転時間と停止時間とを定めたものである。本実施形態では、給気ファン５５の運転時間と停止時間との比率が略同一（例えば３００秒運転、３００秒停止）になるように設定されている。一方、この判別において、外気温度がＢ領域に該当しない場合には、処理をステップＳ６に移行する。

続いて、制御装置４５は、外気温度がＣ領域に該当するか否かを判別する（ステップＳ６）。この判別において、外気温度がＣ領域に該当する場合には、制御装置４５は給気ファン５５を第２の間欠運転モードに制御する（ステップＳ７）。

この第２の間欠運転モードは、Ｃ領域にある外気を全熱交換素子５３に供給した場合であっても、この全熱交換素子５３が凍結しないように、所定の単位時間（例えば６００秒）における、給気ファン５５の運転時間と停止時間とを定めたものであり、上記第１の間欠運転モードよりも所定の単位時間における給気ファン５５の運転時間を短くするように設定されている。本実施形態では、給気ファン５５を２００秒運転し、４００秒停止するように設定されている。一方、この判別において、外気温度がＣ領域に該当しない場合には、処理をステップＳ８に移行する。

続いて、制御装置４５は、外気温度がＤ領域に該当するか否かを判別する（ステップＳ８）。この判別において、外気温度がＤ領域に該当する場合には、制御装置４５は給気ファン５５を第３の間欠運転モードに制御する（ステップＳ９）。

この第３の間欠運転モードは、Ｄ領域にある外気を全熱交換素子５３に供給した場合であっても、この全熱交換素子５３が凍結しないように、所定の単位時間（例えば６００秒）における、給気ファン５５の運転時間と停止時間とを定めたものであり、上記第２の間欠運転モードよりも所定の単位時間における給気ファン５５の運転時間を短くするように設定されている。本実施形態では、給気ファン５５を１００秒運転し、５００秒停止するように設定されている。

ここで、上記第１〜第３の間欠運転モードは、全熱交換素子５３が凍結しないように、単に給気ファン５５の運転を停止するものではない。給気ファン５５の運転時間は、全熱交換素子５３を凍結させないためだけでなく、換気装置５０本来の機能である換気量を確保するために必要な運転時間に基づいて決定されている。従って、給気ファン５５の運転時間が最も短い第３の間欠運転においても、この第３の間欠運転の運転時間によって、換気量は確保される。また、この判別において、外気温度がＤ領域に該当しない場合には、処理をステップＳ１０に移行する。

制御装置４５は、外気温度が上記Ａ領域乃至Ｄ領域のいずれにも該当しない場合（本実施形態では、外気温度が−１５℃以下の場合）には、給気ファン５５の運転を停止する（ステップＳ１０）。この場合においても、排気ファン６３は連続的に運転されているため、給気ファン５５を停止した場合であっても、例えば、給気ダクト５４から給気風路５７に流入した空気が吹出しルーバ５９を経て、負圧となった被調和室に吸い込まれるため、この被空調室の換気が実行され、室内の空気を清浄に保つことができる。

本実施形態では、例えば氷点下の低温外気により全熱交換素子５３が凍結しそうな場合、給気ファン５５を間欠運転することによって、全熱交換素子５３への外気の供給を一時的に停止するとともに、暖められた内気を全熱交換素子５３を通じて連続的に排気することによって、この全熱交換素子５３は暖められるため、内気が全熱交換素子５３にて結露し、この結露水が凍結することが抑制される。

また、本実施形態によれば、換気装置５０は、所定の単位時間における給気ファン５５の運転時間を異ならせた複数の間欠運転モードを備え、これら各運転モードの中から、外気温度に対応する間欠運転モードを選択して、給気ファン５５を間欠運転する構成となっている。この間欠運転モードは、全熱交換素子５３を凍結させないためだけでなく、換気装置５０の必要換気量を確保するために設定されているものであるため、換気量を確保した状態で、全熱交換素子５３の内気入口の凍結を抑制することができる。

また、本実施形態では、ヒータ等の別熱源を設置する必要がないため、換気装置５０を簡略化できるとともに、余分なエネルギーコストがかかるのを防ぐことができる。

以上、一実施形態に基づいて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い。例えば、上記実施形態では、制御装置４５は、給気ファン５５を間欠運転することによって、全熱交換素子５３に供給される外気の供給量を減じて、全熱交換素子５３の凍結を防止していたが、給気ファン５５の運転周波数を低くすることによって、全熱交換素子５３に供給される外気の供給量を減じて、凍結を防止する構成としても良い。

また、本実施形態では、制御装置４５は、第１〜第３の間欠運転モードを行う構成としていたが、これに限るものではなく、４つ以上の間欠運転モードによって、より繊細に給気ファンの動作制御をする構成としても良い。また、本実施形態では、排気ファン６３を、所定の排気量に保った状態で連続的に運転するように制御しているが、これに限るものではなく、全熱交換素子５３の凍結を防止する範囲内で一時的に排気ファン６３の運転を停止するように制御する構成としても良い。

本発明にかかる空気調和装置の一実施形態を示す回路図である。 全熱交換素子の斜視図である。 空気調和装置の利用側ユニットを下から見た斜視図である。 空気調和装置の利用側ユニットを示す断面図である。 空気調和装置の利用側ユニットの平面図である。 制御装置による給気ファンの間欠運転制御を示す制御フローチャートである。

符号の説明

１０ 空気調和装置
１８ 圧縮機
２１ 熱源側熱交換器
２５ 利用側熱交換器
４５ 制御装置（制御手段）
５０ 換気装置
５３ 全熱交換素子
５５ 給気ファン
６３ 排気ファン

Claims (4)

1. 天井に吊り下げられる空気調和装置本体と、この空気調和装置本体の後部に連結されて一体化された換気装置本体とを備え、
   前記空気調和機本体には、利用側熱交換器及び利用側送風機が配置され、
   前記換気装置本体が外気を室内に供給する給気ファンと、内気を室外に排出する排気ファンと、前記外気と前記内気との間で熱交換させる全熱交換素子とを備え、
   前記各本体の吹出し口が夫々独立し、前記換気装置本体の吹出し口を前記空気調和機本体の吹出し口の上方に近接配置して、前記空気調和機本体の吹出し口から吹出される空気と、前記換気装置本体の吹出し口から吹出される空気とが、各吹出し口の出口でミキシング自在に構成され、
   前記換気装置本体は、外気温度が所定温度以下の場合には、前記全熱交換素子の凍結を防止すべく、前記排気ファンの排出する内気の熱によって前記全熱交換素子を暖めるように、前記排気ファンを所定の排気量に保った状態で運転するとともに、前記給気ファンが供給する外気の供給量を制御する制御手段を備えることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記制御手段は、外気温度に応じて、前記給気ファンの運転時間を変更可能とすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記制御手段は、所定の単位時間における前記給気ファンの運転時間を互いに異ならせた複数の間欠運転モードを備え、これら各運転モードの中から、外気温度に対応する所定の間欠運転モードを選択して、前記給気ファンを運転することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 前記制御手段は、外気温度に応じて、前記給気ファンの運転周波数を変更可能とすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

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