JP4816267B2 - 湿度調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、湿度調節装置に係り、特に加湿と除湿が切替可能な湿度調節装置に関する。

空調を行う場合、空気が乾燥する冬には、処理空気（室内空気や外気）に水分を加えて蒸発させ加湿する加湿器が使われ、空気湿度が高くなる夏の雨季や冬の豪雪時には処理空気を蒸発器で冷却除湿し、凝縮器で再熱して空調空間に供給する除湿機が使われる。これらは、通常、それぞれ別々の装置が使用されていた。

しかしながら、このような加湿器は水の補給が必要であり、多くの部屋毎に設置されている場合などは、給水作業に大きな手間が掛かっていた。また、水分の蒸発に電気ヒーターが使われ、エネルギー効率が悪かった。さらに、夏になると収納する必要があった。

一方、除湿機については、除湿した水を定期的に排水する必要があり、排水作業に手間が掛かっていた。さらに、豪雪地以外では冬になると収納する必要があった。また、夏季以外で室温が低い時、蒸発器に霜が成長し、霜取りが必要になるため連続運転が不可能であった。

これに対して、特許文献１には、夏冬兼用の湿度調節装置が記載されている。しかしながら、この装置では、取り入れる外気の導入経路と室内空気の排気経路に、夏冬でそれぞれ使用される異なる装置が設置されており、実質的に２つの装置が設置されているのと変わらず、コスト低下や収納不要である等の利点は少なく、水の補給も必要であった。

特表2003-531354号公報

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、１つの目的は給水が不要な湿度調節装置を提供することである。また、他の目的は、排水が不要な湿度調節装置を提供することである。さらに他の目的は、加湿と除湿が切替可能な湿度調節装置を提供することである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の湿度調節装置は、空気中の水分を吸着し、かつ空気中に水分を脱着できるデシカントが担持されたハニカム状のデシカントロータであって、前記デシカントロータは水分を吸着する吸着ゾーンと水分を脱着する再生ゾーンとに仕切られており、吸着ゾーンを流れる空気と再生ゾーンを流れる空気とがほぼ対向流をなすデシカントロータと、圧縮機と蒸発器と凝縮器とからなる冷凍サイクルと、システムに導入した空気を冷凍サイクルの蒸発器、前記デシカントロータの吸着ゾーンの順に流して、空気を冷却除湿して空気中から水分を回収した後、吸着除湿させる第１の空気経路と、システムに導入した空気を冷凍サイクルの凝縮器、デシカントロータの再生ゾーンの順に流した後、第１の空気経路で回収した水分を加えて加湿する第２の空気経路とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、第１の空気経路中を流れる空気中の水分が、冷凍サイクルの蒸発器およびデシカントロータの吸着ゾーンにおいてそれぞれ回収され、第２の空気経路を流れる空気の加湿に用いられる。それぞれの空気経路においては、冷凍サイクルとデシカントロータの組合せにより、効率の良い除湿および加湿が行われる。

請求項２に記載の湿度調節装置は、請求項１に記載の発明において、加湿運転時に第１の空気経路に室内からの排気を導くことを特徴とする。
請求項２に記載の発明においては、第１の空気経路に室内からの排気を導き、水分を回収した後、第２の空気経路から導入される空気の加湿に用いられる。これにより定期的に水を補給する必要がなくなる。

請求項３に記載の湿度調節装置は、請求項１に記載の発明において、除湿運転時に第２の空気経路に室内からの排気を導くことを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、第１の空気経路から導入される空気を除湿し、第２の空気経路に室内からの排気を導いて、その中に除去した水分を蒸発させて排出する。これにより、定期的に結露水を排水したり、排水溝まで排水配管を設置したりする必要がなくなる。また冷却除湿の後にデシカントによる吸着除湿を行うため、従来に比べて蒸発器における冷却温度が高くて済み、蒸発器に霜が成長することがなくなるので、低温でも連続除湿できる。

請求項４に記載の湿度調節装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、冷凍サイクルの冷媒流動方向の切替によって、第１の空気経路と第２の空気経路を入れ替えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明においては、冷凍サイクルの冷媒流動方向の切替によって、第１の空気経路と第２の空気経路が入れ替えられ、機械的・構造的な変更手段によらずに空気経路の変更が行われる。

請求項５に記載の湿度調節装置は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、第１の空気経路の蒸発器流入直前の空気と第２の空気経路の凝縮器流入直前の空気とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明においては、熱交換器によって第１の空気経路の蒸発器流入直前の空気と第２の空気経路の凝縮器流入直前の空気とを熱交換させることにより、回収熱を有効利用して、エネルギー効率を向上させることができる。

請求項１ないし請求項５に記載の発明によれば、給水が不要な加湿器や、排水が不要な除湿機を提供することができ、運転時の手間が軽減した湿度調節装置を提供することができる。また、第１の空気経路と第２の空気経路の切替により、加湿と除湿が切替可能な湿度調節装置を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１および図２は、この発明の１つの実施の形態の湿度調節装置を示すもので、新鮮な外気を空調処理して室内に導入する換気型システムとして採用され、湿度調節装置の本体部１０と、その空気経路を室内空間又は室外空間と切替可能に連絡するダクト１２とを有している。

図１に詳細に示す本体部１０は、フレーム１４内に、導入した被処理空気を冷却除湿する第１の空気経路１６と、第１の空気経路１６の空気から除去した水分を用いて被処理空気を加湿する第２の空気経路１８とが構築されている。これらの空気経路１６，１８は少なくとも一部が隣接して平行配置され、空気が対向して流れるように、各空気経路１６，１８の所定箇所にファン（送風機）２０が設けられている。これらの第１の空気経路１６と第２の空気経路１８の間には、水分を移動させる第１の手段であるデシカントロータ２２と、第２の手段である冷凍サイクル装置２４および気化式加湿器２６が設けられている。この実施の形態では、第１の空気経路１６が第２の空気経路１８の上側に設置されている。これらの空気経路１６，１８には、必要に応じてフィルタ（図示略）が設けられている。

デシカントロータ２２の収容部は、第１の空気経路１６と第２の空気経路１８の断面がそれぞれ半円形で隣接し、全体として円形となっている。そして、その間の仕切壁２８がデシカントロータ２２の断面に相当する大きさで切り欠かれており、ここにデシカントロータ２２が２つの空気経路１６，１８を遮るように配置されている。デシカントロータ２２は、空気中の水分を吸着し、かつ空気中に水分を脱着できるデシカントが担持されたハニカム状のロータであって、図示しない回転駆動機構によって各部が２つの空気経路１６，１８を交互に移動するように軸線Ｘの周りに所定速度で回転させられる。第１の空気経路１６中のデシカントロータ２２の部分が空気から水分を吸着する吸着ゾーン２２ａを構成し、第２の空気経路１８中のデシカントロータ２２の部分がデシカントロータ２２から水分を脱着する再生ゾーン２２ｂを構成する。

冷凍サイクル装置２４は、この例では圧縮機３０、凝縮器３２、膨張弁３４および蒸発器３６とこれらを結ぶ冷媒流路３８からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルである。空気の冷却器となる蒸発器３６と加熱器となる凝縮器３２は、それぞれ第１の空気経路１６および第２の空気経路１８のデシカントロータ２２より上流側に配置されている。蒸発器３６の下側には冷却された空気から結露した水分を受けるための貯水容器４０が設けられている。

気化式加湿器２６は、第２の空気経路１８のデシカントロータ２２より下流側に配置されており、ほぼ蒸発器３６の下に位置している。気化式加湿器２６は、蒸発器３６の貯水容器４０に溜められた水を給水管４１を介して第２の空気経路１８中に設置した流水部材４２に導いて、気流中に水を蒸発させて加湿するものである。流水部材４２は、水を比表面積が大きい状態で流すために、線状材を平板状あるいはバルク状に集合させたり、多孔質体を用いたりしている。流水部材４２の下側にも、未蒸発の水分を受ける貯水容器４４が設けられており、例えば、これに水センサが設置されて、その警報によってこれへの給水量を調整したりすることができる。また流水部材４２は貯水容器４０の底部に接触させて、毛細管現象により貯水容器４０に水が貯まっている間、継続的に加湿作用を維持するように構成してもよい。

被空調空間を構成する部屋の壁４６には、２つの通気口４８，５０が設けられており、一方が空気取入口、他方が排気口となる。この実施の形態では、図２（ａ）に示すように、本体部１０は２つの空気経路１６，１８が壁に平行になるように配置され、各空気経路１６，１８の出入口１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂは側面に開口している。そして、空気取入口又は排気口となる２つの通気口４８，５２は、入口１６ａ，出口１８ｂとダクト１２を介して接続するようになっている。ダクトは夏と冬で接続を変えられるように、フレキシブルなものが好ましい。なお、ダクト１２の接続を変える方式の替わりに、固定したダクト１２内にダンパを設けてこれの開閉で経路接続を切り替えるようにしてもよい。

上記のように構成した湿度調節装置の動作を説明する。図３は、おもに冬季暖房時に室内の加湿運転を行うためにダクト１２を接続した状態を示すもので、図２において示した場合と同じである。すなわち、第１の空気経路１６の入口１６ａは室内に開口し、出口１６ｂはダクト１２および部屋の通気口４８を介して室外に開口している。一方、第２の空気経路１８の入口１８ａはダクト１２および部屋の他の通気口５０を介して室外に開口し、出口１８ｂは室内に開口している。

このように室内加湿運転用に接続された湿度調節装置の作用を、図４の湿り空気線図を参照しつつ説明する。図４において、室内空気は暖房かつ加湿されており、比較的高温高湿度の状態Ａにある。これが第１の空気経路１６に導入されて、冷凍サイクル装置２４の蒸発器３６において顕熱比（SHF）で冷却され、状態Ｂに至る間に水分を放出し、これは蒸発器３６の下の貯水容器４０に回収される。この空気はさらにデシカントロータ２２の吸着ゾーン２２ａにおいてデシカントに水分を吸着され、ほぼ等エンタルピー線に沿って状態Ｃに至るまで除湿される。除湿された空気はダクト１２、通気口４８を介して室外空間に排気される。この状態で絶対湿度が外気よりも低下しているので、室内から室外空間に空気中の水分（湿気）が排出される事態が回避される。

一方、第２の空気経路１８に通気口５０、ダクト１２を介して導入された室外空気は、低温低湿度の状態Ｄにあり、冷凍サイクル装置２４の凝縮器３２において加熱されて高温低湿度の再生空気（状態Ｅ）となり、デシカントの再生ゾーン２２ｂに導入されて、ほぼ等エンタルピー線に沿って状態Ｆに至るまでデシカントの水分を脱着し、自らは加湿される。状態Ｆの空気はさらに気化式加湿器２６に導入されて、蒸発器３６で回収された水を用いて加湿された状態Ｇの空気となり、室内空間に供給される。このように、この実施の形態の湿度調節装置では、排気される室内空気から回収した水を、導入される処理空気の加湿に用いるので、加湿のための水の補給が不要であり、メンテナンスの手間を省くことができる。

次に、おもに夏季冷房時に行う除湿運転の場合の動作を、図５を参照して説明する。この図のダクト１２接続は、図２（ａ）と同様であり、第１の空気経路１６の入口１６ａをダクト１２および部屋の通気口４８を介して室外に開口させ、出口１６ｂを室内に開口させているとともに、第２の空気経路１８の入口１８ａを室内に開口させ、出口１８ｂをダクト１２および部屋の他の通気口５０を介して室外に開口させている。

このように室内除湿運転用に接続された湿度調節装置の動作を図６を参照して説明する。高温多湿の外部空気（状態Ａ）は第１の空気経路１６に導入されて、冷凍サイクル装置２４の蒸発器３６において冷却され、水分を放出し（状態Ｂ）、放出された水分は、蒸発器３６の下の貯水容器４０に回収される。状態Ｂの空気はさらにデシカントロータ２２の吸着ゾーン２２ａにおいてデシカントに水分を吸着され、ほぼ等エンタルピー線に沿って低温低湿度の空気となり（状態Ｃ）、出口１６ｂを介して室内空間に供給される。

一方、第２の空気経路１８ａを介して導入された室内空気は、低温低湿度の状態Ｄにあり、冷凍サイクル装置２４の凝縮器３２において加熱されて高温低湿度の再生空気（状態Ｅ）となり、デシカントの再生ゾーン２２ｂに導入されて、ほぼ等エンタルピー線に沿って状態Ｆに至るまでデシカントの水分を脱着し、自らは加湿される。状態Ｆの空気はさらに気化式加湿器２６に導入されて、蒸発器３６で回収された水を蒸発して湿度が上昇し、状態Ｇの空気となり、室外空間に排気される。このように、この実施の形態の湿度調節装置では、供給される処理空気を除湿して回収した水を、排気する室内空気に吸収させて室外に排出するので、除湿水を排水する手間を省くことができる。また第１の空気経路の空気は、冷却除湿後の状態Bからデシカントにより吸着除湿されるため、状態Bに必要な装置露点温度が高くて済む。すなわち、従来に比べて蒸発器における冷却温度が高くて済み、蒸発器に霜が成長することがなくなるので、低温でも連続除湿できる。

図７は、この発明の他の実施の形態の湿度調節装置を示すもので、第１の空気経路１６の蒸発器３６流入直前の空気と、第２の空気経路１８の凝縮器３２流入直前の空気とを熱交換させるための追加空気経路５４と、熱交換器５６とを設けたものである。このように構成することにより、図８の湿り空気線図で示すように、冷凍サイクル装置２４による冷却熱量が少なくて済むため、圧縮機３０を小型化でき、消費電力も少なくて済むので、装置コスト、運転コストを低下させることができる。熱交換器５６の構成は、図のような蓄熱材が回転するタイプの他、直交流熱交換素子を用いた静止タイプでもよい。

図９および図１０は、この発明の他の実施の形態の湿度調節装置を示すものである。この実施の形態の装置が図１ないし図６の実施の形態と異なる点は、以下のとおりである。
（１）冷凍サイクル装置２４を構成する蒸発器３６と凝縮器３２は構成が同じ共用タイプ（蒸発／凝縮器）であり、これらに冷媒を供給する冷媒流路３８には、圧縮機３０からの冷媒をいずれに供給するか選択する４方切替弁５８が設けられている。すなわち、圧縮機３０からの冷媒が供給される蒸発／凝縮器が凝縮器３２となって、それが有る空気経路が第２の空気経路１８となる。また、気化式加湿器２６は各空気経路１６，１８のデシカントロータ２２の下流側に２つが設けられており、いずれか一方のみが使用され、他方は休止する。従って、冬季加湿動作と夏季除湿動作は、冷媒流路３８に設けた４方切替弁５８の操作によって切り替えることができ、ダクト１２の接続変更は不要である。

（２）加湿運転時において、蒸発器３６で回収された結露水を濾過・殺菌するための濾過・殺菌装置６０、およびこれに結露水を導くための水配管６２とポンプ６４を有する水循環経路６６が設けられている。図示例では、図９に示すように、加湿動作状態でこれが用いられるようになっており、除湿動作では、図１０に示すように、濾過・殺菌装置６０も水循環経路６６も使用せず、気化式加湿器２６には重力で給水される。

なお、加湿運転時における第２の空気経路１８の空気取入れ口１８ａ、および除湿運転時における第１の空気経路１６の空気取入れ口１６ａは、室外ではなく室内に開口していても差支えない。この場合、加湿運転においては、第１の空気経路１６ａから排気された量に見合う量の乾燥外気が換気口（図示なし）から室内に流入するが、第２の空気経路１８の入口１８ａの空気湿度が高くなるため、給気の絶対湿度も高くなり、加湿効果が高まる形で室内への加湿が行われ、隙間風による乾燥作用を補う。また除湿運転時においては、第１の空気経路１６の入口１６ａの空気湿度が低くなるため、給気の絶対湿度も低くなり、除湿効果が高まる形で室内の除湿が行われ、隙間風による湿気流入作用を補う。
この方式は通気口が１箇所で済むため、経済性、利便性に優れる。

図１１および図１２は、図９および図１０の変形例の湿度調節装置を示すものである。この実施の形態の装置には、水循環経路６６に、回収した結露水を蓄える水タンク６８が設けられている。そして、水タンク６８には、上部からオーバーフローさせた水を給水する通常給水配管７０ａと、底部から開閉弁７２を経由して給水する始動給水配管７０ｂが設けられている。

この水タンク６８は、図示するように冬季の暖房加湿運転時に用いるものであって、始動時には開閉弁７２を開いて蓄えていた水をタンクの底部から加湿器２６に給水する。一方、通常運転時には水タンク６８からオーバーフローさせた水を加湿器２６に給水する。これにより、始動時に室内温度・湿度が低い場合でも、加湿水源を確保して湿度の調整が早期に達成される。

図１３は、図９および図１０の変形例の湿度調節装置を示すものである。この実施の形態の装置には、冷凍サイクル装置２４の冷媒流路３８の圧縮機３０出口から膨張弁３４と蒸発器３６を結ぶ経路に冷媒ガスを導くための、ホットガスバイパス経路７４とホットガスバイパス弁７６が設けられている。そして、冬季の暖房加湿運転において、室内温度・湿度が低い場合の始動時にホットガスバイパス弁７６を開くことにより、蒸発器３６の温度低下を緩和して凍結を防止できるとともに、凝縮器３２での放熱を維持し、デシカントの再生を促進してデシカントによる加湿作用を維持することができる。

この発明の第１の実施の形態の湿度調節装置の本体部の構成を示す図である。 この発明の第１の実施の形態のダクト接続部の構成を示す図である。 第１の実施の形態の湿度調節装置の１つの動作態様を示す図である。 図３の湿度調節装置の動作を説明する湿り空気線図である。 第１の実施の形態の湿度調節装置の他の動作態様を示す図である。 図５の湿度調節装置の動作を説明する湿り空気線図である。 この発明の他の実施の形態の湿度調節装置の構成を示す図である。 図７の湿度調節装置の動作を説明する湿り空気線図である。 この発明の他の実施の形態の湿度調節装置の構成を示す図である。 図７の湿度調節装置の他の動作態様を示す図である。 この発明のさらに他の実施の形態の湿度調節装置の構成を示す図である。 図１１の湿度調節装置の他の動作態様を示す図である。 この発明のさらに他の実施の形態の湿度調節装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 本体部
１２ ダクト
１４ フレーム
１６ 第１の空気経路
１８ 第２の空気経路
１６，１８ 空気経路
１６ａ，１８ａ 入口
１６ｂ，１８ｂ 出口
２０ ファン（送風機）
２２ デシカントロータ
２２ａ 吸着ゾーン
２２ｂ 再生ゾーン
２４ 冷凍サイクル装置
２６ 気化式加湿器
２８ 仕切壁
３０ 圧縮機
３２ 凝縮器
３４ 膨張弁
３６ 蒸発器
３８ 冷媒流路
４０ 貯水容器
４１ 給水管
４２ 流水部材
４４ 貯水容器
４６ 壁
４８，５０ 通気口
５２ 通気口
５４ 追加空気経路
５６ 熱交換器
５８ 切替弁
６０ 濾過・殺菌装置
６２ 水配管
６４ ポンプ
６６ 水循環経路
６８ 水タンク
７０ａ 通常給水配管
７０ｂ 始動給水配管
７２ 開閉弁
７４ ホットガスバイパス経路
７６ ホットガスバイパス弁

Claims (5)

1. 空気中の水分を吸着し、かつ空気中に水分を脱着できるデシカントが担持されたハニカム状のデシカントロータであって、前記デシカントロータは水分を吸着する吸着ゾーンと水分を脱着する再生ゾーンとに仕切られており、吸着ゾーンを流れる空気と再生ゾーンを流れる空気とがほぼ対向流をなすデシカントロータと、
   圧縮機と蒸発器と凝縮器とからなる冷凍サイクルと、
   システムに導入した空気を冷凍サイクルの蒸発器、前記デシカントロータの吸着ゾーンの順に流して、空気を冷却除湿して空気中から水分を回収した後、吸着除湿させる第１の空気経路と、
   システムに導入した空気を冷凍サイクルの凝縮器、デシカントロータの再生ゾーンの順に流した後、第１の空気経路で回収した水分を加えて加湿する第２の空気経路と
   を備えたことを特徴とする湿度調節装置。
2. 加湿運転時に第１の空気経路に室内からの排気を導くことを特徴とする請求項１に記載の湿度調節装置。
3. 除湿運転時に第２の空気経路に室内からの排気を導くことを特徴とする請求項１に記載の湿度調節装置。
4. 冷凍サイクルの冷媒流動方向の切替によって、第１の空気経路と第２の空気経路を入れ替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の湿度調節装置。
5. 第１の空気経路の蒸発器流入直前の空気と第２の空気経路の凝縮器流入直前の空気とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の湿度調節装置。
   

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