JP4803816B2

JP4803816B2 - デシカント空調機

Info

Publication number: JP4803816B2
Application number: JP2006341974A
Authority: JP
Inventors: 寛金田; 純治安部; 圭介澤野; 敏志中藤; 彰人早野; 孝生荏開津
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008151459A

Description

本発明は、デシカント空調機に関し、特に、熱交換器と温水配管における凍結を有効に防止することが可能なデシカント空調機に関する。

機器本体の内部に形成された通風路を流通する空気を温水熱交換器によって加熱する機能を備えた空気調和機は、広く用いられている。空気調和機は、部屋の壁や天井に設置され、室内の空気の冷房、暖房、除湿、又は加湿を行う。この場合、温水熱交換器には、部屋の外部に設置された室外ユニット（給湯器）から、配管を通して温水が循環される。

寒冷地においては、冬季に空気調和機の停止中に気温が氷点下まで低下すると、温水熱交換器の内部の水が凍結し、温水熱交換器やそれに接続された給湯管が破損する場合がある。そのため、温水熱交換器や給湯管などの配管の温度を監視して、配管内が凍結温度に達しそうになると、凍結防止動作を行わせる必要がある。

このような凍結防止機能を備えた空気調和機としては、特許文献１，２に記載のものが公知である。

図４は、特許文献１に記載の空気調和機１００の構成を表す図である。特許文献１に記載の空気調和機１００は、室内に設置された複数の室内ユニット１０１と、室外に設置された室外ユニット１０２とが温水循環路１２０で接続されている。また、各室内ユニット１０１と、室外に設置された熱源機１０３とが温水循環路１２１と通信線１２２で接続されている。

各室内ユニット１０４ａ，１０４ｂは、室内熱交換器１０４、熱交温度センサ１０５、及びマイコン１０６を備えている。室内熱交換器１０４は、放熱器１０４ａ及び蒸発機１０４ｂから構成される。また、放熱器１０４ａの近傍に、熱交温度センサ１０５が設けられている。

熱源機１０３は、温水熱交換器１０７、ガスバーナ１０８、循環ポンプ１０９、マイコン１１０、及び外気温度センサ１１１を備えている。マイコン１０６とマイコン１１０は、通信線１２２により接続されている。

この空気調和機１００において、凍結防止制御は以下のように行われる。まず、マイコン１１０が外気温度センサ１１１が検出する室外温度Ｔを取り込む。次に、室外温度Ｔが凍結温度Ｔ_０以下か否かを判定する。

室外温度Ｔが凍結温度Ｔ_０以下の場合、循環ポンプ１０９を起動して温水循環路１２１に水を循環させる。そして、バーナ１０８を起動して、温水熱交換器１０７を加熱し、温水循環路１２１を循環する水の加熱を行う。これにより、室内熱交換器１０４及び温水循環路１２１の凍結を防止する。

図５は、特許文献２に記載の空気調和機２００の構成を表す図である。この空気調和機２００は、室外に設置される温水暖房熱源機２０１と、室内（浴室Ｒ内）に設置される温水暖房端末装置２０２とから構成されている。

温水暖房熱源機２０１は、熱交換器２０３，循環ポンプ２０４，熱源周囲温度センサ２０５，及びコントローラ２０６を備えている。

また、温水暖房端末装置２０２は、循環ファン２１０，熱交換器２１１，熱動弁２１２，浴室温度センサ２１３，熱交換器温度センサ２１４，換気口２１５，及びコントローラ２１６を備えている。温水暖房熱源機２０１のコントローラ２０６と温水暖房端末装置２０２のコントローラ２１６は、シリアルインターフェースを介して双方向に通信線２２０で接続されている。

凍結予防運転は、次のように行われる。まず、温水暖房熱源機２０１のコントローラ２０６が、熱源周囲温度センサ２０５が検出する温度Ｔを取り込む。そして、取り込まれた温度Ｔが、熱源側凍結危険温度以下に低下した場合、コントローラ２０６が温水暖房端末装置２０２のコントローラ２１６に熱動弁２１２の開弁指令を送信する。そして、熱交換器２０３を加熱するバーナを燃焼させることなく、循環ポンプ２０４を起動する。これにより、配管内における凍結の予防を行っている。

一方、近年、空調空間の空気の換気を行うと共に、外気空間の外気を除湿して空調空間に取り入れるようにしたデシカント空調機が開発されている。デシカント空調機とは、シリカゲルやゼオライト粉末等の乾燥剤（デシカント（desiccant））が担持されたハニカム構造の潜熱ロータを備え、この潜熱ロータに湿気を吸着させることで除湿を行う吸着方式の除湿機である（例えば、特許文献３，非特許文献１，２参照）。

デシカント空調機では、潜熱ロータに湿気を吸着するのみでは、吸着熱により給気温度が高くなる。そこで、除湿を行う減湿側空気と潜熱ロータの乾燥剤を乾燥させて再生するための再生空気（加湿側空気）との間で熱交換を行うための顕熱交換器を備えたデシカント空調機が開発されている（特許文献３参照）。

図６に、特許文献３に記載の代表的なデシカント空調機の構成を示す。デシカント空調機３００は筐体３０１を備え、筐体３０１の内部は、隔壁３０２によって、第１通風路３０３と第２通風路３０４とに区画されている。

室内側に面する筐体３０１の一端には、再生空気吸込口３０５及び処理空気吹出口３０６が形成されており、室外側に面する筐体３０１の他端には、処理空気吸込口３０７及び再生空気吹出口３０８が形成されている。再生空気吸込口３０５及び再生空気吹出口３０８は、それぞれ、第１通風路３０３の入口と出口となっており、処理空気吸込口３０７及び処理空気吹出口３０６は、それぞれ、第２通風路３０４の入口と出口となっている。

第１通風路３０３の再生空気吹出口３０８付近には、第１通風路３０３内の空気を再生空気吸込口３０５から再生空気吹出口３０８へ流通させるための第１送風機３０９が備えられている。また、第２通風路３０４の処理空気吸込口３０７付近には、第２通風路３０４内の空気を処理空気吸込口３０７から処理空気吹出口３０６へ流通させるための第２送風機３１０が備えられている。

更に、筐体３０１の内部には、顕熱交換器３１１、再生熱交換器３１２、潜熱ロータ３１３、及び駆動モータ３１４が配設されている。潜熱ロータ３１３は、駆動モータ３１４により低速で回転駆動されている。

再生空気吸込口３０５から第１通風路３０３に流入した室内の空気は、顕熱交換器３１１において、第２通風路３０４を流通する空気と熱交換を行う。そして、再生熱交換器３１２で加熱された後、潜熱ロータ３１３を通過する。この際、潜熱ロータ３１３に吸着された水分を脱離させて湿気を取り込む。そして、再生空気吹出口３０８から室外へ放出される。

一方、処理空気吸込口３０７から第２通風路３０４に流入した室外の空気は、まず潜熱ロータ３１３を通過する。この際、外気に含まれている水分は潜熱ロータ３１３に吸着され、潜熱ロータ３１３から第２通風路３０４に流出する空気は乾燥空気となる。そして、顕熱交換器３１１において、第１通風路３０３を流通する空気と熱交換を行った後、処理空気吹出口３０６から室内に放出される。

このようにして、室外の空気を除湿して室内に取り込むと共に、室内空気の熱は、顕熱交換器３１１によって、室内に取り込まれる空気に移される。このようなデシカント空調機の運転を、「除湿運転」という。
特開平８−１７８３９８号公報特開２００４−１１６８５５号公報特開２０００−３４６４００号公報社団法人空気調和・衛生工学会編，「空気調和・衛生工学便覧」，第１３版，社団法人空気調和・衛生工学会，２００１年１１月３０日，pp.451-452 桑原哲，平岡貢，大塚則男，"加湿と除湿(6) 除湿の応用―デシカント空調"，［online］，２００２年９月３日，社団法人空気調和・衛生工学会，［平成１８年８月８日検索］，＜http://www.shasej.org/gakkaishi/0211/0211-koza-01.html＞

斯かるデシカント空調機において、上記従来の空気調和機の凍結防止機構を適用した場合、凍結を有効に防止することができない場合がある。

例えば、再生熱交換器３１２及び潜熱ロータ３１３を停止した状態で、第１送風機３０９及び第２送風機３１０のみを作動させることによって、除湿を行うことなく室内空気と室外空気の換気を行う「換気運転」を行っている場合を考える。この場合、再生熱交換器３１２は、第１送風機３０９により常に冷たい外気の流れに曝され、再生熱交換器３１２の熱が奪われる。この場合、外気温度が氷点以下まで低下すると、単に再生熱交換器３１２に通水しただけでは、凍結を完全に防止することができない場合もある。

一方、外気温度が氷点付近まで低下すると、再生熱交換器３１２に温水を通水すれば上記のような問題は生じない。しかし、凍結防止運転のために常に再生熱交換器３１２に温水を通水するのは、温水生成のためのエネルギー消費が大きくなり、省エネルギー性に欠けてしまう。

そこで、本発明の目的は、温水熱交換器における凍結を確実に防止することが可能であるとともに、凍結防止のためのエネルギー消費も少ないデシカント空調機を提供することにある。

本発明に係る空気調和機の第１の構成は、空調空間と外気空間とを連通する第１通風路及び第２通風路と、前記第１通風路を通して、前記空調空間内の空気を前記外気空間へ流通させる第１送風機と、前記第２通風路を通して、前記外気空間内の空気を前記空調空間へ流通させる第２送風機と、前記第１通風路を流通する空気と第２通風路を流通する空気との間で熱交換を行わせる顕熱交換器と、前記第２通風路を通って前記顕熱交換器に流入する空気中の水分を吸着し、その水分を、前記第１通風路を通って前記顕熱交換器から流入してくる空気中に放出する潜熱ロータと、前記第１通風路を通って前記潜熱ロータに流入する空気を、外部の熱源機から供給される温水の温水熱により加温する再生熱交換器と、前記再生熱交換器を流通する温水の通断を行う熱動弁と、前記外気空間の温度を検出する外気温度センサと、制御部と、を備えたデシカント空調機において、前記制御部は、前記第１送風機及び第２送風機のみを動かす換気モードにおいて、前記外気温度センサにより検出された外気温度Ｔ_ｏｕｔが第１の閾値Ｔ_１以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し、前記外気温度センサにより検出された外気温度Ｔ_ｏｕｔが前記第１の閾値Ｔ_１より低い第２の閾値Ｔ_２以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し、前記第２送風機が作動している場合には前記第２送風機を強制的に停止させる制御を行うことを特徴とする。

この構成によれば、外気温度センサにより検出される外気温度Ｔ_ｏｕｔが、あまり低温ではない閾値Ｔ_１以下となった場合、制御部は、まず、熱動弁を強制的に開弁し、再生熱交換器に通水させる。これにより、再生熱交換器の凍結を防止できる。

外気温度Ｔ_ｏｕｔが、更に低温の閾値Ｔ_２以下となった場合、熱動弁を強制的に開弁し、外部の熱源機に対して再生熱交換器への温水の循環を要求するとともに、第２送風機が作動している場合には第２送風機を強制的に停止させる。これにより、再生熱交換器が室外の冷たい空気に曝気されることがなくなるため、再生熱交換器の熱喪失が小さくなる。また、外部の熱源機に対して再生熱交換器への温水の循環を要求することで、熱交換器に温水が循環されるため、再生熱交換器が暖められる。これにより、再生熱交換器の凍結を確実に防止できる。

また、このように、温度によって段階的に凍結防止動作を切り替え、必要最小限の凍結防止動作を実行する。また、第２送風機を強制的に停止させることにより、再生熱交換器の熱喪失が小さくなるため、エネルギーロスが小さくなる。従って、凍結防止のためのエネルギー消費量を抑え、高い省エネルギー性を得ることができる。

ここで、「第１の閾値Ｔ_１」「第２の閾値Ｔ_２」は、再生熱交換器の容量、第２送風機の風量によって異なるため、凍結防止処理が必要と考えられる温度に適宜設定される。

本発明に係る空気調和機の第２の構成は、前記第１の構成において、前記制御部は、さらに、外気温度Ｔ_ｏｕｔが前記第２の閾値Ｔ_２より低い第３の閾値Ｔ_３以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し前記外部の熱源機に対して前記再生熱交換器への温水の循環を要求するとともに、前記第１送風機及び第２送風機をともに停止させ、所定の時間間隔で一時的に前記第２送風機を作動させる制御を行うことを特徴とする。

本発明に係る空気調和機の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記制御部は、全ての運転が停止している停止モードにおいて、外気温度Ｔ_ｏｕｔが第１の閾値Ｔ_１又は第２の閾値Ｔ_２以下となった場合は、前記熱動弁のみを開弁し、外気温度Ｔ_ｏｕｔが第３の閾値Ｔ_３以下となった場合には、前記熱動弁を開弁するとともに、前記外部の熱源機に対して前記再生熱交換器への温水の循環を要求することを特徴とする。

この構成により、運転停止時にも凍結を防止することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、温度によって段階的に凍結防止動作を切り替え、必要最小限の凍結防止動作を実行し、また、第２送風機を強制的に停止させることにより、再生熱交換器の熱喪失が小さくなるため、エネルギーロスが小さくなる。従って、凍結防止のためのエネルギー消費量を抑え、高い省エネルギー性を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るデシカント空調機の構成を表す図である。

デシカント空調機１は、筐体２を備え、筐体２の内部は、隔壁３，４，５によって、第１通風路Ａ及び第２通風路Ｂに区画されている。筐体２の一端側は空調空間に面しており、他端側は外気空間に面している。

ここで、「空調空間」とは、空気調和が行われる空間であり、本実施例の場合は室内空間をいう。また、「外気空間」とは、空調空間の外の空間をいい、本実施例の場合は室外空間をいう。

筐体２の空調空間に面した側面には、第１通風路Ａの内気の給気口である再生空気吸込口６及び第２通風路Ｂの排気口である処理空気吹出口９が形成されている。また、筐体２の外気空間に面した側面には、第２通風路Ｂの外気の給気口である処理空気吸込口８及び第１通風路Ａの排気口である再生空気吹出口７が形成されている。

また、筐体２の内部には、第１送風機１０、第２送風機１１、顕熱交換器１２、再生熱交換器１３、熱動弁１３ａ、熱交温度センサ１３ｂ、潜熱ロータ１４、内気温湿度センサ１５、外気温湿度センサ１６、及び制御部１７が配設されている。

第１送風機１０は、第１通風路Ａ内の再生空気吹出口７の近傍に配設されている。第１送風機１０は、第１通風路Ａを通して、空調空間内の空気を外気空間へ流通させる。第２送風機１１は、第２通風路Ｂ内の処理空気吹出口９の近傍に配設されている。第２送風機１１は、第２通風路Ｂを通して、外気空間内の空気を空調空間へ流通させる。

顕熱交換器１２は、第１通風路Ａを流通する空気と、第２通風路Ｂを流通する空気との間で熱交換を行う。

潜熱ロータ１４は、第２通風路Ｂを通って顕熱交換器１２に流入する空気中の水分を吸着し、その水分を、第１通風路Ａを通って顕熱交換器１２から流出する空気中に放出する。尚、潜熱ロータは、中心軸が隔壁５に平行な円柱形の多孔材で形成されており、ロータ・モータ１８（図示せず）によって低速で回転される。

再生熱交換器１３は、第１通風路Ａを通って潜熱ロータ１４に流入する空気を加温する熱交換器である。再生熱交換器１３には、外部に設置された熱源機３０との間で温水が循環され、熱源機３０によって熱の供給が行われる。これにより、潜熱ロータ１４の第１通風路Ａの側は加熱され、潜熱ロータ１４に吸着した水分が脱離する。

熱動弁１３ａは、再生熱交換器１３に供給する温水の断通を行う弁である。熱交温度センサ１３ｂは、再生熱交換器１３に供給される温水の温度を検出する温度センサである。

内気温湿度センサ１５は、第１通風路Ａの再生空気吸込口６の近傍に設置されている。この内気温湿度センサ１５は、再生空気吸込口６から第１通風路Ａに流入する空調空間内の空気（内気）の温度及び湿度を検出するセンサである。

外気温湿度センサ１６は、第２通風路Ｂの処理空気吸込口８の近傍に設置されている。この外気温湿度センサ１６は、処理空気吸込口８から第２通風路Ｂに流入する外気空間内の空気（外気）の温度及び湿度を検出するセンサである。

制御部１７は、熱交温度センサ１３ｂ、内気温湿度センサ１５、及び外気温湿度センサ１６が検出する各温度及び湿度に基づいて、第１送風機１０、第２送風機１１、熱動弁１３ａ、及び潜熱ロータ１４の動作を制御する回路基板である。

図２は、図１のデシカント空調機１の凍結防止機構の機能構成を表すブロック図である。尚、図１と同様の構成部分に関しては、図１と同一の符号を付して説明は省略する。

デシカント空調機１の制御部１７は、凍結防止手段１７ａを備えている。また、熱源機３０は、コントローラ３０ａを備えている。制御部１７とコントローラ３０ａとは、通信線２０により接続されており、双方向で通信が可能である。

以上のように構成された本実施例のデシカント空調機１において、以下その凍結防止動作を説明する。

図３は、デシカント空調機１の換気運転中の凍結防止動作を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、凍結防止手段１７ａは、内気温湿度センサ１５及び外気温湿度センサ１６が検出する内気温度Ｔ_ｉｎ及び外気温度Ｔ_ｏｕｔを取り込む。

次に、ステップＳ２において、凍結防止手段１７ａは、外気温度Ｔ_ｏｕｔが第１の閾値Ｔ_１以下か否かを判定する。もし、外気温度Ｔ_ｏｕｔが閾値Ｔ_１よりも高い場合には、凍結防止動作を終了する。外気温度Ｔ_ｏｕｔ≦Ｔ_１の場合、凍結防止手段１７ａは、熱動弁１３ａを開弁する（Ｓ３）。これにより、凍結しにくくなる。

次に、ステップＳ４において、凍結防止手段１７ａは、外気温度Ｔ_ｏｕｔが第２の閾値Ｔ_２以下か否かを判定する。ここで、Ｔ_２＜Ｔ_１である。

もし、外気温度Ｔ_ｏｕｔが閾値Ｔ_２よりも高い場合には、凍結防止動作を終了する。外気温度Ｔ_ｏｕｔ≦Ｔ_２の場合、凍結防止手段１７ａは、第２送風機１１を強制的に停止する（Ｓ５）。これにより、再生熱交換器１３に送風される室外からの空気の流れが止まり、再生熱交換器１３の熱喪失が小さくなる。

次に、ステップＳ６において、凍結防止手段１７ａは、外気温度Ｔ_ｏｕｔが第３の閾値Ｔ_３以下か否かを判定する。ここで、Ｔ_３＜Ｔ_２である。
もし、Ｔ_ｏｕｔ＞Ｔ_３ならば、凍結防止動作を終了する。一方、外気温度Ｔ_ｏｕｔ≦Ｔ_３の場合、ステップＳ７において、凍結防止手段１７ａは、熱源機３０のコントローラ３０ａに対して、熱要求を送信する。熱源機３０のコントローラ３０ａは、熱要求を受信すると、再生熱交換器１３に循環させる水を加熱して、再生熱交換器１３に温水を循環させる。

また、凍結防止手段１７ａは、第２送風機１１を間歇運転モードとする。ここで、「間歇運転モード」とは、所定の時間間隔で短時間だけ送風機を起動する運転方法をいう。このように、第２送風機１１を間歇運転モードとすることで、一定の時間間隔で第２通風路Ｂに外気が導入されるため、外気温湿度センサ１６において外気温度を正確に検出することができる。

次いで、ステップＳ８において、凍結防止手段１７ａは、第１送風機１０を強制的に停止し、ステップＳ６に戻る。これにより、デシカント空調機１の筐体２内に流入する空気の流れが止まり、再生熱交換器１３の熱喪失がさらに小さくなる。

本発明の実施例１に係るデシカント空調機の構成を表す図である。図１のデシカント空調機の凍結防止機構の機能構成を表すブロック図である。デシカント空調機１の凍結防止動作を表すフローチャートである。特許文献１に記載の空気調和機の構成を表す図である。特許文献２に記載の空気調和機の構成を表す図である。特許文献３に記載の代表的なデシカント空調機の構成を示す図である。

符号の説明

１デシカント空調機
２筐体
３，４，５隔壁
Ａ第１通風路
Ｂ第２通風路
６再生空気吸込口
７再生空気吹出口
８処理空気吸込口
９処理空気吹出口
１０第１送風機
１１第２送風機
１２顕熱交換器
１３再生熱交換器
１３ａ熱動弁
１３ｂ熱交温度センサ
１４潜熱ロータ
１５内気温湿度センサ
１６外気温湿度センサ
１７制御部
１７ａ凍結防止手段
２０通信線
３０熱源機
３０ａコントローラ

Claims

空調空間と外気空間とを連通する第１通風路及び第２通風路と、
前記第１通風路を通して、前記空調空間内の空気を前記外気空間へ流通させる第１送風機と、
前記第２通風路を通して、前記外気空間内の空気を前記空調空間へ流通させる第２送風機と、
前記第１通風路を流通する空気と第２通風路を流通する空気との間で熱交換を行わせる顕熱交換器と、
前記第２通風路を通って前記顕熱交換器に流入する空気中の水分を吸着し、その水分を、前記第１通風路を通って前記顕熱交換器から流入してくる空気中に放出する潜熱ロータと、
前記第１通風路を通って前記潜熱ロータに流入する空気を、外部の熱源機から供給される温水の温水熱により加温する再生熱交換器と、
前記再生熱交換器を流通する温水の通断を行う熱動弁と、
前記外気空間の温度を検出する外気温度センサと、
制御部と、
を備えたデシカント空調機において、
前記制御部は、
前記第１送風機及び第２送風機のみを動かす換気モードにおいて、前記外気温度センサにより検出された外気温度Ｔ_ｏｕｔが第１の閾値Ｔ_１以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し、
前記外気温度センサにより検出された前記外気温度Ｔ_ｏｕｔが前記第１の閾値Ｔ_１より低い第２の閾値Ｔ_２以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し、前記第２送風機が作動している場合には前記第２送風機を強制的に停止させる制御を行い、
外気温度Ｔ _ｏｕｔが前記第２の閾値Ｔ _２より低い第３の閾値Ｔ _３以下となった場合、前記熱動弁を強制的に開弁し前記外部の熱源機に対して前記再生熱交換器への温水の循環を要求するとともに、前記第１送風機及び第２送風機をともに停止させ、所定の時間間隔で一時的に前記第２送風機を作動させる制御を行うことを特徴とするデシカント空調機。