JP4942785B2 - 空気調和装置及び空気調和システム - Google Patents

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Description

本発明は、空気を除湿もしくは加湿して調整する空気調和装置及び空気調和システムに関するものである。
従来、空気調和装置として例えば「室外の空気を室内に給気するように設けられた給気経路と、室内の空気を室外に排気するように設けられた排気経路とが並設され、吸湿材を備える円板形状のデシカントロータが前記給気経路と前記排気経路とに跨って配置され、前記デシカントロータを回転駆動した状態にて前記給気経路を通過する空気から前記デシカントロータに吸湿すると共に前記排気経路を通過する空気に前記デシカントロータから放湿するようにした空調装置であって、前記デシカントロータを略水平姿勢に支持した状態で回転駆動される構成としたことを特徴とする空調装置・・・」が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
さらに、従来の空気調和装置の風路構造として例えば「冷房時において、第1の空間を空調空間として室内空気を第1の空気系統とし第2の空間を屋外空間として外気を第2の空気系統として運転する場合と、暖房時において、第1の空間を屋外空間として第1の空気系統が外気とし第2の空間を空調空間として排気を第2の空気系統として運転する場合のいずれにおいても、2系統のヒートポンプを切り換えて冷暖房を切り換えることによって、同一の空気の流通経路で冷暖房に対応することができて、冷暖房のための空気系統入れ替え用ダンパが不要・・・」な空気調和装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−4255号公報(請求項1、第1図) 特開平10−205820号公報(請求項1、第1図)
上記の特許文献1の空気調和装置では、顕熱熱交換器とデシカントロータとの両方を水平方向に設置し、これらの中間にヒーターを設置していた。従って装置の高さ方向は低くできるが、除湿手段がデシカントロータのみであり除湿性能が高くなかった。また、冷房除湿運転と暖房除湿運転との切替えを行う際には、風路の仕切り板を移動させて風路側の回路を切替えており、駆動機構のスペースが必要であった。
また、上記の特許文献2の空気調和装置では、全熱交換器とヒートポンプ熱交換器とデシカントロータとを組合せ、除加湿性能を高めていた。具体的には、冷房除湿・暖房加湿を行う第一段目の全熱交換器では、外気OAと室内空気RAとを直交流で流し、その後の第二段目のデシカントロータでは対向流で流すという構造であった。しかし、風路が交差するため風路構成が大型・複雑化してしまい、これらを装置筐体内にコンパクトに収めることができなかった。このため、特にビル階層間の天井裏など、高さ方向に制約が大きい場所で、外気処理用の空気調和装置を設置することが困難であった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷房除湿と暖房加湿との運転切替えの際に風路側の回路切替えが不要で、かつ装置の高さ方向を低く抑えてコンパクトな構造を有し、さらに除加湿性能を高めた空気調和装置及び空気調和システムを提供することを目的とする。
本発明に関わる空気調和装置は、
室外から室内へ向かう空気の流れを形成する第1の空気流路と、
前記室内から前記室外へ向かう空気の流れを形成する第2の空気流路と、
前記第1の空気流路を流れる空気と記第2の空気流路を流れる空気との間で全熱交換を行う積層型全熱交換器と、
前記第1の空気流路と前記第2の空気流路とに跨がって配置され、前記第1の空気流路及び第2の空気流路の何れか一方に位置するときに吸着除湿し、いずれか他方に位置するときに加熱再生されるとともに、前記第1の空気流路及び第2の空気流路にて行われる前記吸着除湿及び前記加熱再生の動作を交互に繰り返すロータ形状を成す水分吸着手段と、
前記第1の空気流路と前記第2の空気流路の空気の流れに配置され、前記水分吸着手段のいずれかの上流側に設けられた熱交換器である加熱手段と
圧縮機によって前記熱交換器に冷媒を循環させるとともに、前記熱交換器を凝縮器とするように絞り装置と前記冷媒の流れを切り替える四方弁とを有する冷媒回路とを備え、
前記積層型全熱交換器及び前記水分吸着手段は、前記積層型全熱交換器の積層平面と、前記水分吸着手段のロータ面とが互いに略90°の角度を成して設置され、
前記水分吸着手段は、そのロータ面の回転軸を鉛直方向として略水平に設置され
前記積層型全熱交換器は、その本体が前記水分吸着手段の前記ロータ面を含む平面と交わる位置に設置されたことを特徴とするものである。
本発明の空気調和装置では、ロータ状の水分吸着手段20を、回転軸が鉛直方向となるように水平に設置し、この前段に全熱交換器10を設けている。水分吸着手段20の風路手前側にはヒートポンプの凝縮器と蒸発器を配置し、水分吸着手段20の除加湿能力を高めて高効率な運転を行う。これにより、天井裏高さに収まる程度の薄型コンパクトさを有し、かつ高効率な空気調和装置を得る。また、風路側の切替え無しで冷房除湿と暖房加湿のモード切替えを可能とする。
本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の構成で上面図と側面図を示している(第三角法)。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の構成の斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における回路構成図である。 図3に示す冷房除湿運転時における動作状態を表す湿り空気線図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の暖房加湿運転時における回路構成図である。 図4に示す暖房加湿運転時における動作状態を表す湿り空気線図である。 図3及び図5に示す空気調和装置における冷媒回路動作状態を示したph線図である。 本発明の実施の形態1に係る空調システム全体の構成例の図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における回路構成図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の暖房加湿運転時における回路構成図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における回路構成図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の暖房加湿運転時における回路構成図である。 本発明の実施の形態4に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における回路構成図である。 本発明の実施の形態4に係る空気調和装置の暖房加湿運転時における回路構成図である。
実施の形態1.
《装置構成》
図1及び図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の構成例を示すものである。図1は上面方向及び側面方向から見た図であり、図1のb)が上面から見た図、a)及びc)はb)を第三角法でそれぞれの側方から見た側面図を表す。図2は、図1の構成例を立体的に描いた斜視図である。なお、本実施例の空気調和装置は、図2に示すような上下の配置関係で設置されるものであり、図2の上面を鉛直上方向としている。また、図1b)は鉛直上方から見た図である。
前記空気調和装置は筐体60の中に、全熱交換器10と、ロータ形状をした水分吸着手段20と、第1〜第4の熱交換器5a〜5dと、送風機30a及び30bとを備えている。さらに、前記筐体60には、空気調和装置に外気OAを導入する吸込口40aと、室内空気RAを導入する吸込口40bと、OA空気を処理後装置外へ給気SAとして吹出す吹出口41aと、RA空気を処理後装置外へ排気EAとして吹出す吹出口41bとが設けられている。空気調和装置内では、仕切壁50a〜50i及び前記その他構成部品のシール部により2つの風路が構成されており、今後は、OA→SA経路の風路を外気導入経路A、RA→EA経路の風路を排気放出経路Bと呼ぶことにする。
なお、ロータ形状の水分吸着手段20の回転機構は一般的に、モーターなどの駆動力をベルトや歯車を介して伝達することにより回転運動を行う構造である。ただし図1及び図2では、ロータを回転させる機構については省略している。また、図2では送風機を省略している。
さらに図1及び図2に示すように、水分吸着手段20のロータ上下面を略2分割して境界面をシールする仕切壁50aと、ロータ側面をシールする仕切壁50dとが設けられている。なお別形態のシール構造として、ロータ面上下それぞれの外周部にシール部を設け、これらをロータの回転軸方向に押し付けるという、周知の一般的な構造を設けるなどしてもよい。また、図1及び図2では第1〜第4の熱交換器5a〜5dを動作させるヒートポンプに関する部品類を省略している。
では、外気導入経路Aについて説明する。外気OAは吸込口40aから吸い込まれ、全熱交換器10で排気放出経路Bを流れる空気と全熱交換した後に、図2の手前側下方へと導かれる。そして外気導入空気は、図2の手前側の下方から上方へと向かい、第2の熱交換器5bを経た後、水分吸着手段20にて排気放出経路Bを流れる空気との間で、吸着もしくは脱着の水分交換を行い、さらに第4の熱交換器5dを経た後に送風機30aを経て、給気SAとして室内側へ給気される。
次に、排気放出経路Bについて説明する。室内空気RAは吸込口40bから吸い込まれ、全熱交換器10で外気導入経路Aを流れる空気と全熱交換した後に、図2の奥側上方へと導かれる。そして排気放出空気は、図2の奥側の上方から下方へと向かい、第1の熱交換器5aを経た後、水分吸着手段20にて外気導入経路Aを流れる空気との間で水分交換を行い、さらに第3の熱交換器5cを経た後に送風機30bを経て、排気EAとして室外側へ排気される。なお上記説明において、空気経路AとBは室内空気RAと外気OAとの関係、すなわち換気・外気処理について説明しているが、この関係に限定するものではなく、例えば外気OAを温湿度の異なる別の部屋の空気RA2などとしてもよく、換気空調目的に用途が限定されるものではない。
以上のように、外気導入経路Aと排気放出経路Bとを備えることにより、前段の全熱交換器10に対して、外気OAと室内空気RAを直交流で流し、後段の水分吸着手段20に対して、全熱交換器10で処理後の外気OAと室内空気RAを対向流で流すことが可能となる。従って、全熱交換器10には運転効率のよい直交流で、また水分吸着手段20には運転効率のよい対向流で流すことにより、除加湿効率を高めることが可能となる。
水分吸着手段20は、例えばデシカントロータなどの吸着材をロータ状に形成したものである。デシカントロータは、回転軸方向に通気性を有するハニカム構造やコルゲート構造のロータであり、モーター等の回転機構を有する。風路の空気と接するロータ表面には吸着材が担持されており、水分の吸着と放出とを繰り返すことが可能である。なお、同様な役割を果たす機構が備えられていれば、この形式に限定されるものではない。デシカントロータの吸着材としては、例えばゼオライト、シリカゲルまたは活性炭などを用い、多孔質のロータ基材に塗布あるいは表面処理あるいは含浸されたものを使用する。
全熱交換器10は、全熱交換対象の2経路の空気を、全熱交換器10を構成する全熱交換エレメントへ導入し、2経路の空気間で顕熱と潜熱とを交換し、それぞれの出口経路へ吹出すものである。図1及び図2の例に示す全熱交換器10は直交流タイプのものであり、全熱交換エレメントの扁平な風路が90°の角度で互い違いに複数積層されている積層型である。全熱交換対象の2経路の空気が互いに90°の角度を成す位置関係で導入され、それぞれの対向面から吹出される構造となっている。
全熱交換器10の全熱交換能力を大きくするためには、1層当りの積層面を大きくするか、もしくは積層方向の長さを長くするか、の何れかの選択となる。仮に1層当りの積層面を大きくした場合、積層面は略正方形であるため、この対角方向のサイズを大きくすると積層面の2辺が同時に長くなる。すなわち積層方向の長さは短くできるが、全熱交換器10の対角長さが長くなり、全熱交換器10を小型化できない。このため本実施の形態1では、1層当りの積層面の対角長さが装置高さとほぼ等しくなるようにし、積層方向の長さを長くする構成を採用した。これにより、全熱交換器10の熱交換容量を大きくしても、高さ方向を低く抑えることができる。
水分吸着手段20の処理能力を大きくするためには、ロータ径を大きくすることが有効である。なぜならロータ断面積は、ロータ径の2乗に比例して大きくなるからである。そこで図1及び図2に示すように、全熱交換器10の全熱交換エレメント積層方向を水平方向とし、ロータ形状の水分吸着手段20の回転軸を鉛直方向とする。すると、双方の処理能力を大きくする際に必要な、長さを増やす方向が水平方向で一致し、高さ方向の長さを短く抑えた上で処理能力を大きくすることが可能となる。これにより、薄型の空気調和装置を構成することが可能となる。
また、ここでエレメント積層方向とロータ回転軸とのなす角を略直角にする理由は、仮に、上記積層面とロータ面とを同一平面上に配置すると、ロータ、エレメントともに水平面のX、Y軸方向に大きくなり、水平方向の容積が大きくなりすぎるためである。
続いて、水分吸着手段20の空気経路A、Bの上流側に位置する熱交換器5a及び5bについて説明する。
水分吸着手段20の前段に設置される熱交換器は、水分吸着手段20に導入される空気の相対湿度を調整し、水分吸着手段20における水分交換能力を高めるために付加されている。水分吸着手段20の水分交換の駆動力は相対湿度差であり、一般的に水分吸着手段20へ流入する2経路の空気間の相対湿度差が大きい程、水分交換量が大きくなる。なお、空気の相対湿度は、絶対湿度が同一の条件であれば空気温度を上昇させれば相対湿度が低くなり、空気温度を下げれば相対湿度が高くなる性質を持つ。このため水分吸着手段20へ流入する、除湿を行う側の空気の温度を予め下げて相対湿度を大きくし、加湿を行う側の空気温度を予め上昇させて相対湿度を小さくすることで、水分交換能力を大きくすることが可能となる。これにより除湿能力及び加湿能力の双方を大きくすることができる。
水分吸着手段20の空気経路A及びBの上流側に位置する、第1の熱交換器5a及び第2の熱交換器5bは、この相対湿度差を大きくする目的で設けられている。なお、冷房除湿モードと暖房加湿モードとでは、加熱側・冷却側の熱交換器の役割が反転する。
次に、水分吸着手段20の空気経路A及びBの下流側に位置する、第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dの役割について説明する。
第3の熱交換器5cは、室内空気RAから排気される空気の排熱回収のために設けられている。また第4の熱交換器5dは、給気SAの温度調節及び水分吸着手段20にて発生する水分吸着熱の回収のために設けられている。熱交換器5a〜5dはヒートポンプ(図1及び図2では、ヒートポンプに関連する圧縮機などその他部品は省略している)熱源により運転されるため、第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dを設け蒸発器側の排熱を回収することにより、ヒートポンプの運転効率を高めることが可能となる。なお、本実施の形態1では、第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dを設けた場合で説明したが、第3の熱交換器5c若しくは第4の熱交換器5dのいずれか一方、または第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dを外した構成であってもよい。
以上の説明のように、前段に設置する積層型の全熱交換器10の積層面に対し、後段に設置する水分吸着手段20のロータ面を90°ずらして設置して、なおかつ水分吸着手段20のロータ面を水平方向に設置することにより、空気調和装置の高さ方向を低く抑えることができる。その上で、空気の流れを全熱交換器10では直交流、水分吸着手段20では対向流という、それぞれの運転効率が良くなるように風路を構成することが可能となる。
また、積層型全熱交換器10の全熱交換エレメントの対角面を小さくして積層枚数を増やすことで薄型で細長い形状を実現し、また水分吸着手段20を構成するロータ面を水平方向に設置することで、水分交換に寄与する交換面積を大きく確保した上で薄型化することが可能となる。
《システム構成》
図3〜図7を用いて、本実施の形態1の冷房除湿運転モード及び暖房除湿運転モードについて説明する。そして、図1及び図2では省略した、熱交換器5a〜5dに繋がる冷凍サイクル側の構成及び動作についても説明する。
図3は、冷房除湿運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図5は暖房加湿運転モードの風路構成を模式的に示す構成図である。図4(a)は冷房除湿時の外気導入経路Aにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図、図4(b)は冷房除湿時の排気放出経路Bにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図である。図6(a)は暖房加湿時の外気導入経路Aにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図、図6(b)は暖房加湿時の排気放出経路Bにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図である。なお、図4、図6において、縦軸は絶対湿度、横軸は乾球温度である。
また、空気状態を示す「状態1〜状態10」は、図4、図6における丸で囲った数字「1〜10」にそれぞれ対応している。
図3及び図5において、空気調和装置全体は、圧縮機1、四方弁2a、膨張弁3a、3d、3f及び3g、第1の熱交換器5a、第2の熱交換器5b、第3の熱交換器5c、第4の熱交換器5d並びに電磁弁8a及び8bを備えている冷媒回路と、全熱交換器10と、水分の吸着と放出を繰り返す水分吸着手段20とを有している。両方の空気経路にまたがって、全熱交換器10と水分吸着手段20とが設けられ、水分吸着手段20の吸脱着を補助促進する熱源として冷媒回路が設けられる構成となっている。
第1の熱交換器5aは、膨張弁3aを介して第2の熱交換器5bと直列に接続されている。図3における冷房除湿運転時には、第1の熱交換器5aが凝縮器、第2の熱交換器5bが第1の蒸発器として動作し、図5における暖房加湿運転時には、第2の熱交換器5bが凝縮器、第1の熱交換器5aが第1の蒸発器として動作するように構成されている。
膨張弁3f及び3gは、第1の熱交換器5aと膨張弁3aの間に膨張弁3fの入口側が、第2の熱交換器5bと膨張弁3aの間に膨張弁3gの入口側が設けられている。そして、膨張弁3fの出口側は第3の熱交換器5cに、膨張弁3gの出口側は第4の熱交換器5dに接続されている。
図3に示す冷房除湿運転時には、第3の熱交換器5c、膨張弁3d、第4の熱交換器5d、電磁弁8b(開)及び圧縮機1の吸入側がこの順番で回路構成され、図5に示す暖房加湿運転時には、第4の熱交換器5d、膨張弁3d、第3の熱交換器5c、電磁弁8a(開)及び圧縮機1の吸入側がこの順番で回路構成される。
冷房除湿運転時には、第3の熱交換器5cが第2の蒸発器、第4の熱交換器5dが第3の蒸発器として動作し、暖房加湿運転時には、第3の熱交換器5cが第3の蒸発器、第4の熱交換器5dが第2の蒸発器として動作する。
なお、本実施の形態1では、冷房除湿運転と暖房加湿運転とで役割を変える3個の蒸発器の役割を、各運転モードにおいて、水分吸着手段20に対して吸着側風上に位置する蒸発器を第1の蒸発器、再生側風下に位置する蒸発器を第2の蒸発器、吸着側風下に位置する蒸発器を第3の蒸発器として定義している。
また、水分吸着手段20における吸着側領域と再生側領域の割合は、本発明においては1:1としているが、任意の割合に変更してもよい。
冷媒回路において使用される冷媒は、限定するものではなく、二酸化炭素、炭化水素若しくはヘリウムのような自然冷媒、HFC410A若しくはHFC407Cなどの塩素を含まない冷媒、または既存の製品に使用されているR22若しくはR134aなどのフロン系冷媒などである。そして、かかる冷媒を循環させる圧縮機などの流体機器は、レシプロ、ロータリー、スクロールまたはスクリューなどの各種タイプが適用可能である。
《冷媒回路の動作説明》
次に、冷媒回路の冷房除湿運転と暖房加湿運転との運転切替え動作について説明する。
冷房除湿運転と暖房加湿運転の運転切替えは、膨張弁3f及び3gの開度並びに電磁弁8a及び8bの開閉動作により行う。
(冷房除湿運転モード)
図3における冷房除湿運転では、四方弁2aに関して、圧縮機1の吐出側と第1の熱交換器5aとが接続されるように設定する。第1の熱交換器5aは凝縮器として動作し、膨張弁3aを経た冷媒は低温低圧に減圧された後に、第2の熱交換器5bへ流入する。ここで第2の熱交換器5bは第1の蒸発器として動作する。
また、冷媒は膨張弁3fを経て中温中圧となり、第3の熱交換器5cへ流入する。第3の熱交換器5cは第2の蒸発器として動作し、冷媒は膨張弁3dを経て低温低圧となり、第4の熱交換器5dへ流入する。第4の熱交換器5dは第3の蒸発器として動作し、冷媒は電磁弁8b(開)を経て圧縮機1の吸入側へ戻る。第2の熱交換器5bを経た冷媒も同様に、圧縮機1の吸入側へ戻る。
ここで、膨張弁3gは全閉、電磁弁8aは閉であり、これらを通る配管には冷媒が流れないため、上記説明の回路が成立する。
(暖房加湿運転モード)
図5における暖房加湿運転では、四方弁2aに関して、圧縮機1の吐出側と第2の熱交換器5bとが接続されるように設定する。第2の熱交換器5bは凝縮器として動作し、膨張弁3aを経た冷媒は低温低圧に減圧された後に、第1の熱交換器5aへ流入する。ここで第1の熱交換器5aは第1の蒸発器として動作する。
また、冷媒は膨張弁3gを経て中温中圧となり、第4の熱交換器5dへ流入する。第4の熱交換器5dは第2の蒸発器として動作し、冷媒は膨張弁3dを経て低温低圧となり、第3の熱交換器5cへ流入する。第3の熱交換器5cは第3の蒸発器として動作し、冷媒は電磁弁8a(開)を経て圧縮機1の吸入側へ戻る。第2の熱交換器5bを経た冷媒も同様に圧縮機1の吸入側へ戻る。
ここで、膨張弁3fは全閉、電磁弁8bは閉であり、これらを通る配管には冷媒が流れないため、上記説明の回路が成立する。
《冷凍サイクル上の動作》
図7は、冷凍サイクル上の動作をPh線図上に表したものである。
ここでは、冷房除湿運転モードと暖房加湿運転モードとに分けて説明し、それぞれの場合において第1〜第4の熱交換器が、凝縮器または蒸発器のどちらの役割を果たすかを明記した後、符号を付けることにする。
(冷房除湿運転モード)
本実施の形態1では、冷媒回路にて構成される冷凍サイクルの低圧側が2系統の並列回路となっており、さらにその1系統には「膨張弁3fと第2の蒸発器5c」と「膨張弁3dと第3の蒸発器5d」とが直列2段で接続されている。従って、第2の蒸発器5cと第3の蒸発器5dとが接続される側の系統では、膨張弁3f及び3dの開度比率を変化させることにより、膨張弁3fの下流に接続される第2の蒸発器5cの冷媒圧力を調整することが可能となる。これにより、第2の蒸発器5cと第3の蒸発器5dを異なる蒸発温度で運転することが可能となる。
第2の蒸発器5cの空気経路の上流側には、水分吸着手段20の再生側が配置されている。このため第2の蒸発器の入口空気は、第1の蒸発器5b及び第3の蒸発器5dに比べて湿度が高い状態となる。上記説明のように、第2の蒸発器5cと第3の蒸発器5dを直列2段構成とすることにより、結露しやすい第2の蒸発器の冷媒温度を上昇させて運転することが可能となる。
例えば、第2の蒸発器5cの配管温度を露点以上に制御して運転することにより、第2の蒸発器5cにおける結露を確実に防止することが可能となる。これにより、空気調和装置からドレンパンを取り除くことができ、装置構成を簡素化した薄型の空気調和装置を構成することが可能となる。
また、第2の蒸発器5c及び第3の蒸発器5dを、異なる蒸発温度で最適に運転することにより、冷凍サイクルの効率を高めることが可能となる。
(暖房加湿運転モード)
本実施の形態1では、冷媒回路にて構成される冷凍サイクルの低圧側が2系統の並列回路となっており、さらにその1系統には「膨張弁3gと第2の蒸発器5d」と「膨張弁3dと第3の蒸発器5c」とが直列2段で接続されている。従って、第2の蒸発器5dと第3の蒸発器5cとが接続される側の系統では、膨張弁3g及び3dの開度比率を変化させることにより、膨張弁3gの下流に接続される第2の蒸発器5dの冷媒圧力を調整することが可能となる。これにより、第2の蒸発器5d及び第3の蒸発器5cを異なる蒸発温度で運転することが可能となる。
第2の蒸発器5dの空気経路の上流側には、水分吸着手段20の再生側が配置されている。このため第2の蒸発器の入口空気は、第1の蒸発器5a及び第3の蒸発器5cに比べて湿度が高い状態となる。上記説明のように、第2の蒸発器5d及び第3の蒸発器5cを直列2段構成とすることにより、結露しやすい第2の蒸発器の冷媒温度を上昇させて運転することが可能となる。
例えば、第2の蒸発器5dの配管温度を露点以上に制御して運転することにより、第2の蒸発器5dにおける結露を確実に防止することが可能となる。これにより、空気調和装置からドレンパンを取り除くことができ、装置構成を簡素化した薄型の空気調和装置を構成することが可能となる。
また、第2の蒸発器5d及び第3の蒸発器5cを、異なる蒸発温度で最適に運転することにより、冷凍サイクルの効率を高めることが可能となる。
なお、上記説明では、第2の蒸発器と第3の蒸発器との間に膨張弁3dを設け、蒸発器側を2段階で減圧しているが、第2の蒸発器と第3の蒸発器それぞれに膨張弁を設けて並列回路とし、各蒸発器の冷媒循環量を調整して熱交換量を調整する回路構成としてもよい。
《空気側回路の動作説明》
続いて、各運転モードにおける空気側回路の動作について説明する。
(冷房除湿運転モード)
図3に示す冷房除湿運転において、空気調和装置の外気導入経路Aでは、外気OAより導入された導入空気が全熱交換器10で除湿された後、第1の蒸発器5bに送り込まれる。ここで導入空気は、第1の蒸発器5bと熱交換して冷却される。このとき、冷却された空気は80〜100%RH程度と相対湿度が高くなるため、吸着材は水分を吸着しやすくなる。冷却された導入空気が水分吸着手段20における吸着側領域に流入し、吸着材により水分が吸着・除湿される。さらに除湿された導入空気は、第3の蒸発器5dと熱交換して冷却され、室内導入空気SAとなり、供給される。
一方、排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された導入空気が全熱交換器10で加湿された後、凝縮器5aに送り込まれる。ここで、導入空気は凝縮器5aと熱交換して加熱される。このとき、加熱された空気は5〜25%RH程度と相対湿度が低くなるため、吸着材は水分を脱着しやすくなる。加熱された導入空気が水分吸着手段20における再生側領域に流入し、吸着材により水分が脱着・加湿される。そして加湿された導入空気は、第2の蒸発器5cと熱交換して冷却され、排気EAとなり、室外へ排出される。このとき、第2の熱交換器5cでは高温の排気から排熱を回収しており、冷媒回路側の蒸発温度を高めることにより、冷凍サイクル運転効率を高めている。
(暖房加湿運転モード)
図5に示す暖房加湿運転において、空気調和装置の外気導入経路Aでは、外気OAより導入された導入空気が全熱交換器10で加湿された後、凝縮器5bに送り込まれる。ここで、導入空気は凝縮器5bと熱交換して加熱される。このとき、加熱された空気は5〜25%RH程度と相対湿度が低くなるため、吸着材は水分を脱着しやすくなる。加熱された導入空気が水分吸着手段20における再生側領域に流入し、吸着材により水分が脱着・加湿される。そして、加湿された導入空気は、第2の蒸発器5dと熱交換して冷却され、室内導入空気SAとなり、室内へ供給される。このとき、第2の蒸発器5dでは高温の空気から熱を回収しており、冷媒回路側の蒸発温度を高めることにより、冷凍サイクル運転効率を高めている。また、熱を回収した後のSAは、室内設定温度よりも高い温度になるように、第2の蒸発器5dにおける熱交換量を制御して暖房効果も得ることができ、SAの暖房加熱効果と熱回収による加湿量増大効果との両方を得ることができる。
一方、排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された導入空気が全熱交換器10で除湿された後、第1の蒸発器5aへ送り込まれる。ここで、導入空気は第1の蒸発器5aと熱交換して冷却される。このとき、冷却された空気は80〜100%RH程度と相対湿度が高くなるため、吸着材は水分を吸着しやすくなる。冷却された導入空気が水分吸着手段20における吸着側領域に流入し、吸着材により水分が吸着・除湿される。さらに、除湿された導入空気は第3の蒸発器5cと熱交換して冷却され、排気EAとなり、室外へ排出される。
《システム動作による作用の説明》
図4及び図6の空気線図を用いてシステム動作を説明する。
(冷房除湿運転モード)
図4(a)において、空気調和装置の冷房除湿時における外気導入経路Aでは、外気OAから導入された導入空気(状態1)が、全熱交換器10において室内空気RAより導入された排出空気(状態6)と全熱交換して、状態1と状態2とを結ぶ直線上に沿って状態変化する。すなわちエンタルピーが減少し、温度及び絶対湿度が低下する(状態2)。
エンタルピーが減少し、除湿冷却された導入空気(状態2)は、第1の蒸発器5bに送り込まれ、冷却されることにより相対湿度が上昇する(状態3)。相対湿度が上昇した導入空気(状態3)が水分吸着手段20の吸着領域に流入し、等エンタルピー過程で水分を吸着され、絶対湿度が低下する(状態4)。絶対湿度が低下した導入空気(状態4)は、デシカントの吸着熱により温度が上昇しているため、第3の蒸発器5dへ送り、再び冷却する(状態5)。この冷却された導入空気(状態5)が室内導入空気SAとして室内空間へ供給される。
以上のように、空気調和装置においては、水分吸着手段20の吸着側領域の下流に第3の蒸発器5dを配置することにより、特に冷房運転時において、導入空気における吸着材の吸着熱による温度上昇分の顕熱を除去することができ、冷房負荷を軽減させることが可能となる。また、吸着材の吸着熱を回収することにより、冷凍サイクルの冷媒回路側の効率改善の効果も得ることができる。
このようにして得られる導入空気SA(状態5)は、全熱交換器10による除湿に加え、さらにそこで残った水分をデシカントによってさらに除湿することが可能なため、全熱交換による除湿及びデシカントによる吸着除湿というように、二重の除湿効果によって絶対湿度が大きく低下し、高い除湿効果を得ることができる。
図4(b)の排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気(状態6)が全熱交換器10において、外気OAから導入された導入空気(状態1)と全熱交換してエンタルピーが増加する。その結果、温度が上昇し、さらに絶対湿度が増加する(状態7)。
エンタルピーが増加し、加湿加熱された空気(状態7)は、凝縮器5aへ送られて、熱交換して加熱され、相対湿度は低下する(状態8)。相対湿度が低下した排出空気(状態8)は、水分吸着手段20の再生領域へ流入し、等エンタルピー過程で水分を脱着され、相対湿度が上昇する(状態9)。相対湿度が上昇した排出空気(状態9)は、水分吸着手段20の再生領域下流に設置される第2の蒸発器5cへ送られ、熱交換することにより温度が低下し、排気EAとして室外へ排出される(状態10)。
また、排気放出経路Bにおいては、デシカントの再生に凝縮器5aの排熱を利用するとともに、再生後の高温空気である再生排熱を、第2の蒸発器5cに導入して排熱回収を行うため、冷媒回路における圧縮機1の入力を低減させることができる。これにより省エネ効果が得られ、システムの高効率化にもつながる。
(暖房加湿運転モード)
図6(a)において、空気調和装置の冷房除湿時における外気導入経路Aでは、外気OAから導入された導入空気(状態1)が、全熱交換器10において室内空気RAより導入された排出空気(状態6)と全熱交換して、状態1と状態2とを結ぶ直線上に沿って状態変化する。すなわちエンタルピーの増加により、温度が上昇し、絶対湿度が増加する(状態2)。
エンタルピーが増加し、加熱加湿された空気(状態2)は凝縮器5bに送られて、熱交換して加熱され、相対湿度は低下する(状態3)。相対湿度が低下した排出空気(状態3)は、水分吸着手段20の再生領域へ流入し、等エンタルピー過程で水分を脱着され、相対湿度が上昇する(状態4)。相対湿度が上昇した排出空気(状態4)は、水分吸着手段20の再生領域下流に設置される第2の蒸発器5dへ送られ、熱交換することにより温度が低下し(状態5)、室内導入空気SAとして室内空間に供給される。
このようにして得られる導入空気SA(状態5)は、全熱交換器10による加湿に加え、さらにデシカントによって加湿することが可能なため、全熱交換による加湿及びデシカントによる脱着加湿という、二重の加湿効果によって絶対湿度が大きくなり、高い加湿効果を得ることができる。また空気中の水分を全熱交換器10またはデシカントにて吸着し、導入空気SA側へ放出して空気を加湿するため、無給水加湿が可能となり、水道配管工事を不要にすることが可能となる。
また、デシカントの再生に凝縮器5bの排熱を利用するとともに、再生後の高温空気である再生熱を第2の蒸発器5dへ導入して熱回収を行うため、冷媒回路における圧縮機1の入力を低減させることができる。その結果、省エネ効果が得られ、システムにおける高効率化につながる。
図6(b)において、排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気(状態6)が全熱交換器10において、外気OAから導入された導入空気(状態1)と全熱交換して、エンタルピーが減少し、温度及び絶対湿度が低下する(状態7)。
エンタルピーが減少し、除湿冷却された導入空気(状態7)は、第1の蒸発器5aへ送り込まれ、冷却されることにより相対湿度が上昇する(状態8)。相対湿度が上昇した導入空気(状態8)が、水分吸着手段20の吸着領域へ流入し、等エンタルピー過程で水分が吸着され、絶対湿度が低下する(状態9)。絶対湿度が低下した導入空気(状態9)は、デシカント(吸着材)の吸着熱により温度が上昇しているため、第3の蒸発器5cへ送り再び冷却する(状態10)。この冷却された排出空気(状態10)が排気EAとして室外へ排出される(状態10)。
以上のように、排気放出経路Bにおける、水分吸着手段20の吸着材の吸着熱を第3の蒸発器5cへ回収することにより、冷媒回路側の冷凍サイクルの効率を改善することができる。
《システム制御方法》
図3及び図5に記載された、装置の制御のために必要なセンサー類の説明をする。
本発明の空気調和装置には、冷媒回路側に、第1の熱交換器の配管温度を検出する温度センサー6a、第2の熱交換器の配管温度を検出する温度センサー6b、第3の熱交換器の配管温度を検出する温度センサー6c及び第4の熱交換器の配管温度を検出する温度センサー6dが、圧縮機1の吐出側に吐出温度検出用の温度センサー6eが設けられている。
また、空気回路側には、第1の熱交換器の出口空気温度と湿度(相対湿度もしくは絶対湿度、または露点でもよい。以降、温湿度センサーの湿度という記述では同様の意味を表す。)を検出する温湿度センサー7a、第2の熱交換器の出口空気温度と湿度を検出する温湿度センサー7b、第3の熱交換器の出口空気温度と湿度を検出する温湿度センサー7c、第4の熱交換器の出口空気温度と湿度を検出する温湿度センサー7d、外気OAの空気温度と湿度を検出する温湿度センサー7e及び室内空気RAの空気温度と湿度を検出する温湿度センサー7fが設けられている。
これらの温湿度センサーは、空気調和装置を制御する制御基板に接続される。制御基板ではこれらの温湿度情報を取得し、制御アクチュエーターである圧縮機1、膨張弁3a、3b、3c並びに外気導入経路A及び排気放出経路Bに設けられた各送風ファンの制御を行うことが可能である。なお、制御基板及び送風ファンは、図中では省略してある。
本発明の冷媒回路構成では、第1〜第3の蒸発器の各蒸発器の温度または各蒸発器の出口の空気温湿度に基づいて冷媒循環量を制御することにより、各々の蒸発器の冷却能力を制御できる。従って、各蒸発器において通過空気を飽和する直前にまで冷却し、結露させないようにして、ドレン処理を不要にすることが可能となる。
図8に、本実施の形態1の空気調和装置100と、顕熱処理装置200とを組み合わせた空調システムの例を示す。本システム構成では、本発明の空気調和装置100を外気処理空気調和装置として利用して、外気を室内へ導入する際の湿度調整を主に行い、これとは別に顕熱処理用の空気調和装置200を併設する。これにより、顕熱処理用の空気調和装置200では除湿を行う必要がないため、冷媒の蒸発温度を高める運転が可能となり、圧縮機は高低差圧の少ない低圧縮比の高効率運転を行うことが可能となる。従って、このような外気処理空気調和装置100と顕熱処理用の空気調和装置200とを別置するシステム構成では、空調負荷の大きな割合を占める顕熱負荷を、高効率運転が可能な顕熱処理用空気調和装置200で賄うことが可能となり、空調システム全体の効率を高めることが可能となる。
冷凍サイクル運転を行う場合、冷媒は、密度の大きい高圧ガス冷媒と、これが液化凝縮された液冷媒とが流れる凝縮器に多く偏在してしまう。このため、冷凍サイクルの封入冷媒量は、凝縮器の容積に大きく依存する。本実施の形態1では、冷房時に第1の熱交換器5aが凝縮器、暖房時には第2の熱交換器5bが凝縮器となる回路構成であり、第1の熱交換器5a及び第2の熱交換器5bの内容積を概略同等としている。
従って、冷房運転時と暖房運転時の必要冷媒量をほぼ同等とすることができるため、液溜めなどの部品を追加することなく冷凍サイクルを構成することが可能となる。これにより、回路部品の点数を少なく簡素にすることが可能となり、装置の小型・低コスト化が可能となる。
図3及び図5に示す空気調和装置は、内容積が大きくかつ容量がほぼ等しい第1の熱交換器5a及び第2の熱交換器5bを、ほぼ同一厚みにすることが可能となる。また、内容積が小さくかつ容量がほぼ等しい第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dについても、ほぼ同一厚みにすることが可能となる。また、第3の熱交換器5c及び第4の熱交換器5dについては、熱交換容量が小さいため薄型にすることも可能である。
このように各熱交換器の厚みを設計し、図3及び図5に示す順番で第1〜第4の熱交換器5a〜5dと水分吸着手段20を配置して構成することにより、熱交換器5a〜5dと水分吸着手段20とで構成される部分の構成部品を、無駄なスペースなく収めることが可能となり、かつ高さ方向の合計厚さを薄くすることが可能となる。
上記図3及び図5に関する説明において、圧縮機1は空気調和装置のそばに設置される構成としているが、室外機などの別ユニット内に、圧縮機1や四方弁2aなどの構成部品の一部を収めて別置きとすることも可能である。振動が発生する圧縮機を、空気調和装置内の構成から外すことができるため、空気調和装置の小型化、軽量化及び低騒音化が可能となる。また、稼動部品が多い圧縮機を別置とすることで、圧縮機が故障した際のメンテナンスが容易となる。
実施の形態2.
続いて、圧縮機1や四方弁2aなどの冷媒回路構成部品の一部を室外機などのユニット内に別置きとした場合の例について説明する。なお、以下の実施例では、温度、圧力のセンサー類、制御用の基板類は図から省略しているが、基本的なセンサー配置と動作は実施の形態1に同じとなる。
《機器構成》
図9、図10は、室外機300と中継ユニット302を接続する主冷媒配管が2本の回路構成で、中継ユニット302に繋がる空調負荷側の室内機301の冷暖同時運転(複数の室内機が接続された場合に、冷房運転と暖房運転が混在できる)が可能な冷凍サイクル回路構成の例である。このような回路構成は既知のものであり、例えば特許文献(特開平04−335967号公報)と基本構成は同じである。このような回路構成では、接続配管(延長配管)が2本で、負荷側の冷暖房同時運転が可能となるため、後に説明する接続配管が3本の冷暖同時方式に比べて、設置工事の省力化、使用部材(配管類)の削減が可能となる。
本実施例では、このような冷暖同時運転が可能な冷凍サイクルの負荷側に実施の形態1で説明したような換気と調湿が可能な空気調和装置(303)を接続している。なお、以降、他の負荷側接続機器である室内機301と区別するために、実施の形態1で説明したような換気と調湿が可能な空気調和装置のことを換気調湿機(303)と呼ぶこととする。
以下、冷凍サイクルを構成する各機器について説明する。なお、実施の形態1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(室外機300)
室外機300は、圧縮機1と、四方弁2aと、室外熱交換器5eと、アキュムレータ14とを有しており、これらを順に接続して室外機300のメイン回路を構成する。逆止弁4個からなるブリッジ回路15は、室外機300と中継ユニット302とを接続する2本の延長配管の冷媒流れ方向を1方向のみに規制する(図中、配管接続口Xfに繋がる延長配管では低圧冷媒が常に室外機300へ戻る方向、配管接続口Xeに繋がる延長配管では常に中継ユニット302へ流れる方向にのみ冷媒が流れる)。圧縮機1は運転容量(運転周波数)が可変であり、負荷状況に応じた周波数で運転することが可能である。
(中継ユニット302)
中継ユニット302は、室外機300と、負荷側である室内機301及び換気調湿機303との中間に設けられ、負荷側回路へ加熱(暖房)熱源、冷却(冷房)熱源の両方を同時に供給することが可能である。中継ユニット302の部品構成について説明する。
図9の四方弁2aが冷房側設定(圧縮機1出口と室外熱交換器5eを繋ぐ方向)の場合の冷房モードについて説明する。このモードは主に負荷側冷房運転比率が多い場合に選択する。気液分離器13の気相部(上部)は、加熱熱源を要する負荷側(Xc)へ、その液相部(下部)は冷媒熱交換器12a(1次側)、膨張弁11a、冷媒熱交換器12b(1次側)を経て冷却熱源を要する負荷側(Xa)へと接続される。前記冷媒熱交換器12bの出口は2分岐しており、他方は膨張弁11bを経て、冷媒熱交換器12bの二次側、冷媒熱交換器12aの2次側を通過し、室外機300へ戻る配管へと繋がる。冷却熱源を要する負荷側へは、冷媒を配管接続口Xaから供給したのち、負荷側機器(蒸発器として動作する熱交換器を有する機器)を経て配管接続口Xdへ戻り、室外機300へ戻る配管へと繋がる。一方、加熱熱源を要する負荷側へは、配管接続口Xcから冷媒を供給したのち、負荷側機器(凝縮器として動作する熱交換器を有する機器)を経て配管接続口Xbへ戻り、さらに、膨張弁11aと冷媒熱交換器12bの中間部へと繋がる。
続いて図10の四方弁2aが暖房側設定(圧縮機1入口と室外熱交換器5eを繋ぐ方向)の場合の暖房モードについて説明する。16は冷暖切替回路であり、図9、図10ではその詳細を省略しているが電磁弁や逆止弁から構成されており機能としては、負荷側の冷暖要求に応じて負荷側へ繋がる2本の冷媒出入口管の接続関係を切替え、冷房熱源もしくは暖房熱源を選択的に供給するためのものである。この構造は既知のものであり、本特許の主目的ではないため詳細説明を省く。暖房モードの場合には冷暖切替回路16により負荷側へ繋がる回路の切替が行われ、加熱熱源を要する負荷側機器へは配管接続口Xdから高温冷媒を供給し、配管接続口Xaから中継ユニット302へ戻る回路を、冷却熱源を要する負荷側機器へは配管接続口Xbから高圧液冷媒を供給し、配管接続口Xcから中継ユニット302へ戻る回路を構成する。
(換気調湿機303)
換気調湿機303の基本構成は実施の形態1にほぼ同じであり、全熱交換器10、水分吸着手段20、冷房除湿運転時(図9)に凝縮器、暖房加湿運転時(図10)に蒸発器として動作する第1の熱交換器5a、冷房除湿運転時(図9)に蒸発器、暖房加湿運転時(図10)に凝縮器として動作する第2の熱交換器5b、冷房除湿運転時に蒸発器として動作する第3の熱交換器5c、これらの熱交換器を動作させるために必要な膨張弁11c〜g、送風機(図示せず)により構成される。本実施例では、水分吸着剤20のRA→EA風路出口側の熱交換器をひとつ省いているところが実施の形態1とは異なり、EA排熱を回収しない構成であるが、実施の形態1のように蒸発器を追加する構成とすることも可能である。また、OA→SA風路出口側の熱交換器を省く構成でも除湿、加湿を行うことは可能である。風路出口側の熱交換器を省くと吹出空気の温度調節ができなくなるが、用途・目的に合せて変更することが可能である。また、送風機は風量を制御することが可能であり、例えば設置条件に応じて風量を大小設定したり、風路圧損が大きくても送風機の回転数を上昇させて風量を目標値に調整することが可能である。風量制御は、ファンを回転させるモーターにDCモーターを用いて回転数を制御したり、ACモーターではインバータ制御により電源周波数を変化させて回転数を変化させることにより実現が可能となる。
(室内機301)
室内機301は、室内熱交換器5fと膨張弁11hと送風機(図示せず)とから構成される。図9の例では室内機301は冷房運転、図10の例では室内機301は暖房運転が可能である。図の例では室内機は1台接続であるが、並列に複数接続することも可能である。また、図では配管接続切替機構(電磁弁、逆止弁からなる)を省略しているが、図9の回路で配管接続の位置関係をXd→Xc、Xa→Xbに変更すると暖房運転が、図10の回路で配管接続の関係をXd→Xc、Xa→Xbに変更すると冷房運転が可能となる。このように室内機を複数接続し、それぞれの用途に合せて接続を切替えることにより各室内機において冷房と暖房の個別選択が可能となり、冷暖同時運転ができる。
《運転動作》
(冷房除湿モード)
図9に基づき、冷房除湿モード運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は四方弁2aを通り、室外熱交換器5eで熱交換して凝縮された後、中継ユニット302へ流入する。中継ユニット302へ流入した冷媒は気液分離器13にて気液分離され、高圧ガス冷媒は凝縮器として動作する第1の熱交換器5aへ流入する(膨張弁11dは全開)。第1の熱交換器5aの過冷却度は膨張弁11eで制御され、高温液冷媒が配管接続口Xbを経て中継ユニット302へ戻る。一方、気液分離後の液冷媒は冷媒熱交換器12a、12bで過冷却された後2分岐して膨張弁11g、11fを経て、蒸発器として動作する第2の熱交換器5b、第3の熱交換器5cへ流入する。膨張弁11g、11fはそれぞれの熱交換器の加熱度制御を行い、冷媒は合流して膨張弁11cへ至る。膨張弁11cでは、OA→SAへ至る空気風路に存在する蒸発器(第2の熱交換器5b、第3の熱交換器5c)で結露が起きないように蒸発器における冷媒圧力を調整する。これにより熱交換器からドレンが出ないドレンレス運転が可能となる。そして配管接続口Xdを経た低温低圧冷媒は中継ユニット302を経て圧縮機へ吸入される。室内機301側は、冷房(蒸発器)動作する場合には配管接続口Xa→室内熱交換器5f→配管接続口Xdの順番で接続され、暖房(凝縮器)動作する場合には配管接続口Xc→室内熱交換器5f→配管接続口Xbの順番で接続され、それぞれの熱交換器で空気と熱交換を行う。以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着手段20の再生(RA→EA側風路)、吸着(OA→SA側風路)が行われ、SA側へは除湿空気が供給される。
(暖房加湿モード)
図10に基づき、暖房加湿モードの運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は四方弁2aを通り、気液分離器13へ至る。気液分離器13を経た高温高圧冷媒は凝縮器として動作する第2の熱交換器5bへ流入する(膨張弁11cは全開)。膨張弁11gでは凝縮器の過冷却制御が行われ、高温液となった冷媒は中継ユニット302へ戻る。ここで、本実施例では膨張弁11fを閉止もしくは微開とし、第3の熱交換器5cの運転をほぼ停止しているが、第3の熱交換器5cの配管接続を冷暖で切替え蒸発器として動作させて吹出空気SAの温度調整を行う構成とすることも可能である。一方、気液分離後を経て冷媒熱交換器12a、12bで過冷却された高温液冷媒は膨張弁11eを経た後、蒸発器として動作する第1の熱交換器5aへ流入する。
膨張弁11eは蒸発器の加熱度制御を行い冷媒は膨張弁11dへ至る。膨張弁11dでは、RA→EAへ至る空気風路に存在する蒸発器(第1の熱交換器5a)で結露が起きないように蒸発器における冷媒圧力を調整する。これにより熱交換器からドレンが出ないドレンレス運転が可能となる。そして配管接続口Xcを経た低温低圧冷媒は中継ユニット302を経て圧縮機へ吸入される。室内機301側は、冷房(蒸発器)動作する場合には配管接続口Xb→室内熱交換器5f→配管接続口Xcの順番で接続され、暖房(凝縮器)動作する場合には配管接続口Xd→室内熱交換器5f→配管接続口Xaの順番で接続され、それぞれの熱交換器で空気と熱交換を行う。以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着手段20の再生(OA→SA側風路)、吸着(RA→EA側風路)が行われ、SA側へは加湿空気が供給される。
《特徴、効果》
(蒸発温度、凝縮温度制御)
図9、図10に示すような冷暖同時運転が可能な冷凍サイクルでは、蒸発温度と凝縮温度を独立で任意に変更することが可能である。例えば冷房モードでは、凝縮器となる熱交換器(主に室外熱交換器5e)の風量を制御(送風機回転数制御)することで凝縮温度を、蒸発温度を圧縮機1の運転周波数で制御できる。暖房モードの場合には、凝縮温度を圧縮機1の周波数で、蒸発器となる熱交換器(主に室外熱交換器5e)の風量を送風機の回転数で制御することで蒸発温度を制御できる。従来このような冷凍サイクルを有する装置では、室内機の冷房、暖房能力を確保するために、蒸発温度、凝縮温度を一定に制御することが多かった。しかし、本実施例のような換気調湿機303が負荷側に接続される場合には冷暖空調運転とは蒸発温度、凝縮温度の最適な動作ポイントが異なる。このため、運転状況に応じて蒸発温度、凝縮温度を適切に制御することにより、省エネ効果、除加湿能力増大効果が見込まれる。以下その内容について説明する。
換気調湿機303で冷房除湿運転を行う場合には(図9)、結露防止のため蒸発器(第2の熱交換器5b、第3の熱交換器5c)の蒸発圧力を圧縮機吸入圧力より高くしている(熱交換器と圧縮機吸入側に介在する膨張弁(11c)により制御)。これは室内機301が連動する場合、室内機301で必要とする蒸発温度より、換気調湿機303が必要とする蒸発温度の方が高いためである。圧縮機の吸入圧力の高い方が、圧縮機が動作する高低差圧が小さくなり、入力が少なくなり省エネとなる。このため、換気調湿機303単独運転の場合や、冷房として運転する室内機301が存在しない場合(暖房運転は除外)には、圧縮機の吸入圧力(通常蒸発圧力と呼ばれることが多い)を高くして運転することにより、換気調湿機303の省エネ運転が可能となる。また、冷房運転の室内機301が存在する場合でも、空調目標設定温度からの偏差量が小さい場合など空調負荷が小さいときには、冷房能力が小さくてもよいため、蒸発器として動作する室内機301の蒸発温度を高くすることが可能となる(蒸発温度が高いと吸込空気との温度差が小さくなるため冷房能力は小さくなる)。このため、換気調湿機303と室内機301の両方が動作している場合でも、冷房運転を行う室内機301の空調負荷(冷房負荷)が小さい場合には、圧縮機の吸入圧力を高くして運転することにより、換気調湿機303の省エネ運転が可能となる。
換気調湿機303で暖房加湿運転を行う場合には(図10)、凝縮温度が高いほど、水分吸着手段20の再生能力が高まるため、結果として吸着量が増え、加湿量が増大する(水分吸着手段20を構成する吸着剤の吸着・再生範囲が広がるためロータが移動できる水分量が増える)。従って、加湿量が多く必要な立上がり時や、目標湿度からの偏差が大きいとき(加湿量が不足する場合)などには、空調条件の通常設定値よりも凝縮温度が高い状態で運転を行うことにより加湿量が大きい運転を行うことができる。これにより例えばオフィスなどにおける起動直後の加湿立上がりを早くすることが可能となり、目標室内湿度に早期に到達することができる。また、暖房加湿立上がり時は、暖房能力(顕熱能力)の大きい方が立上がりは早くなるため、室内機301にとっても凝縮温度を高くすることで暖房能力増大が可能となり、好適である。このように、暖房加湿運転において換気調湿機303の加湿量増大が必要な場合には、室内機301の暖房運転有無によらず凝縮温度を高く設定することにより、顕熱、潜熱能力の両方を高め、目標温湿度へ早期に到達することが可能となる。
上記説明のような凝縮温度、蒸発温度の個別調整は、換気調湿機303に熱源容量が大きい室外機300を接続するために可能となることであり、圧縮機容量に制限がある実施の形態1のような圧縮機内蔵型に比べより広い範囲の運転が可能となる。
(換気風量制御)
本発明のような換気調湿機では、ヒートポンプを熱源とするため、圧縮機容量を変化させることにより熱交換器の温度を一定に保つことが可能である。このため、換気風量が変化しても水分吸着手段20の運転状態(水分移動の駆動力となる空気と水分吸着手段20を構成する吸着剤との相対湿度差)を一定に保つ運転が実現可能となる。従って、換気風量を増加させると加湿能力が大きくなる。このことを式で説明すると、加湿能力は次式にて表される。
加湿量[kg/h]=空気密度[kg/m3]×風量[m3/h]×(OA絶対湿度―SA絶対湿度)[kg/kg’] (式1)
上式に表されるように加湿量は風量(OA→SAの給気風量)と、OAとSAの絶対湿度差に比例する。本発明の換気調湿機では風量によらず、熱交温度を一定に保つことによりSA絶対湿度をほぼ一定に保つことができるため、風量増加分に比例して加湿量を増加させることができる。除湿量についても同様である。
また、同様のことは、冷暖房の顕熱能力についても言える。すなわち、本発明のような換気調湿機では熱交換器の温度を一定に保つことができるため、風量(OA→SAの給気風量)増加に比例して加熱、冷却の顕熱能力が増大する。暖房の顕熱能力は次式にて表される。
暖房顕熱能力[kW]=空気密度[kg/m3]×風量[m3/s]×空気比熱[kJ/kg/℃]÷(OA湿度―SA湿度)[℃] (式2)
以上の説明のように、本発明のような換気調湿機では換気風量を増加させることにより、空調の顕熱、潜熱(加湿、除湿)能力の両方を増大することが可能である。従って、空調起動時や目標温湿度に対する偏差量が大きいとき(除加湿量が不足する場合)などに、一時的に換気風量を増大して換気調湿機303の運転を行うことにより、空調立上がりの顕熱・潜熱能力を増大することが可能となり、温度目標値、湿度目標値への到達が早くなる。これにより、室内を快適な温湿度に素早く到達させることができる。
なお、従来の換気装置では換気風量を増大すると外気からの顕熱、潜熱空調負荷が侵入し、空調負荷が増加して省エネ面では悪化する方向であった。しかし、本発明のような換気調湿機では、風量を増加させることにより除加湿量を増大、あるいは顕熱空調能力を増大することが可能となり、室内の空調負荷を減らす方向に働く。このため風量を増大することにより省エネ運転を実現することも可能となる。また、換気の排気熱エネルギーを回収した顕熱、潜熱空調運転が可能となるため、通常の室外機を設置し、外気を熱源とした室内機のみによる空調よりも省エネ運転が可能となる。このため、換気調湿機と室内機がひとつの室外機に接続、あるいは別置の場合でも換気調湿機の運転割合を高めたほうが(台数、風量)、空調全体のシステムエネルギーを低く抑えた省エネ運転となる。
また、上記とは逆に換気風量を小さくすることにより、換気調湿機の顕熱、潜熱(加湿、除湿)能力を小さくした運転を行うことができる。空調対象の室内が目標温湿度に達した後や、目標温湿度に対する偏差量が小さい場合には空調能力が小さくてもよいので、このような場合には換気風量が小さい運転を行うことにより、圧縮機入力を低減した省エネ運転が可能となる。換気風量を下げすぎると必要換気風量以下となる場合があるが、これに対しては予め空調対象に必要とする最低換気風量を設定して換気調湿機303(の内蔵記憶手段)に記憶させておき、この最低換気風量を運転下限値とする方法がある。また、空調対象空間にCO2センサーを設置し、この出力(CO2濃度信号)を換気調湿機303で受信し、CO2濃度信号が予め設定した基準値、例えば1000ppmを下回るように換気風量を制御するなどの方法がある。
上記説明の効果は本実施例の換気調湿機303の構成にて説明したが、これに限るものではなく、同様の目的を果たすものであれば効果は得られる。例えば、本実施例に記載の全熱交換器10を無くして水分吸着剤20と熱交換器だけの構成としたものや、熱交換器の変わりに電気ヒーターを用いたもの、水分吸着剤20がロータ形状ではなく、熱交換器表面に直接吸着剤を担持させたものなどでもよい。また、水分吸着手段の設置方向にも制約はなく、熱交換器を蒸発器として用いたときに積極的に熱交換器を結露させて熱交換器でも除湿(ドレン水)を行う方式でもよい。また、除湿、加湿の何れか一方のみでもよく、加湿手段として透湿膜などの水蒸気を透過する膜を用い、膜内部の水分を空気に放湿する方式の加湿手段に対して用いてもよい。
実施の形態3.
ここでは、室外機300と換気調湿機303を実施の形態2とは別形態とした場合の例について説明する。なお、以下の実施例では、温度、圧力のセンサー類、制御用の基板類は図から省略しているが、基本的なセンサー配置と動作は実施の形態1に同じとなる。
《機器構成》
図11、図12は、実施の形態2とは異なり中継ユニット302を設けず、室外機300と室内機301の間に換気調湿機303を介在する構成とした例である。延長配管は2本であるが、室内機側では冷暖同時運転ができず、全ての室内機が冷房もしくは暖房のどちらか一方を選択した運転となる。
以下、冷凍サイクルを構成する各機器について説明する。なお、実施の形態1、実施の形態2と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(室外機300)
室外機300は、圧縮機1と、四方弁2aと、室外熱交換器5eと、アキュムレータ14とを備えており、これらを順に接続して冷媒回路を構成する。圧縮機1は運転容量(運転周波数)が可変であり、負荷状況に応じた周波数で運転することが可能である。
(室内機301)
室内機301は、室内熱交換器5fと膨張弁11hと送風機(図示せず)とから構成される。図11の例では室内機301は冷房運転、図12の例では室内機301は暖房運転が可能である。図の例では室内機は1台接続であるが、並列に複数接続することも可能である。
(換気調湿機303)
換気調湿機303の存在目的は基本的に実施の形態1、実施の形態2とほぼ同じであるが、本実施例では簡略化のために全熱交換器10を省略している。全熱交換器や蒸発器を追加することにより実施の形態1、実施の形態2と同様の動作を実現することも可能である。また、本実施例では水分吸着手段20を鉛直方向設置(回転軸が水平方向)の構成としているが、実施の形態1、実施の形態2のように水平方向設置(回転軸が鉛直方向)の構成としてもよい。本実施例の換気調湿機303は、水分吸着手段20、冷房除湿運転時(図11)に凝縮器、暖房加湿運転時(図12)に蒸発器として動作する第1の熱交換器5a、冷房除湿運転時(図11)に蒸発器、暖房加湿運転時(図12)に凝縮器として動作する第2の熱交換器5b、これらの熱交換器を動作させるために必要な膨張弁11i〜11k、送風機(図示せず)により構成される。送風機は風量を制御することが可能である。
《運転動作》
(冷房除湿モード)
図11に基づき、冷房除湿モード運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は四方弁2aを通り、室外熱交換器5eで熱交換して凝縮された後、換気調湿機303へ流入する。換気調湿機303では、凝縮器(第1の熱交換器5a)と蒸発器(第2の熱交換器5b)が直列接続されており、凝縮器の加熱能力は、バイパス管18に設けられた膨張弁11jにて調節が可能であり、蒸発器の蒸発能力は膨張弁11jにて調節が可能である。なお、本実施例の構成は蒸発器の蒸発温度が熱交換器を流れる空気の露点以下に低下し熱交換器でも除湿(ドレン)を行う構成であるが、蒸発器(第2の熱交換器5b)出口側に膨張弁を追加し、実施の形態1、実施の形態2と同様に蒸発器の蒸発温度を露点以下に下げない運転(ドレンレス)にすることも可能である。以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着手段20の再生(RA→EA側風路)、吸着(OA→SA側風路)が行われ、SA側へは除湿空気が供給される。一方、室内機301側へは膨張弁11kの手前から冷媒配管が2分岐し、室内機301側へ流れ、第2の熱交換器5bの出口側で合流する構成とすることにより、冷房運転が可能となる。室内機301は並列に複数接続することも可能である。
(暖房加湿モード)
図12に基づき、暖房加湿モードの運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は四方弁2aを通り、換気調湿機303へ流入する。換気調湿機303では、凝縮器(第1の熱交換器5a)と蒸発器(第2の熱交換器5b)が直列接続されており、凝縮器の加熱能力は圧縮機運転周波数で、蒸発器の蒸発能力はバイパス管18に設けられた膨張弁11jにて調節が可能である。これにより、水分吸着手段20の再生(OA→SA側風路)、吸着(RA→EA側風路)が行われ、SA側へは加湿空気が供給される。一方、室内機301側へは第2の熱交換器5bの入口側から冷媒が2分岐して室内機301側へ流れ、膨張弁11kの出口で合流する構成とすることにより、暖房運転が可能となる。室内機301は並列に複数接続することも可能である。
《特徴、効果》
(蒸発温度、凝縮温度制御)
本実施例においても実施の形態2にて説明したように、換気調湿機303の運転に適した蒸発温度、凝縮温度で運転を行うことにより、省エネ、除加湿能力増大効果が見込まれる。例えば、冷房除湿運転において、換気調湿機の303単独運転あるいは室内機301との複合運転の場合でも冷房負荷が小さい場合には蒸発温度を高くする、暖房加湿運転において、加湿量が多く必要な場合には凝縮温度が高めた運転を行うなどである。
(換気風量制御)
実施の形態2にて説明したように、本実施例においても換気風量を増加させることにより、空調の顕熱、潜熱(加湿、除湿)能力の両方を増大することが可能である。従って、空調起動時や目標温湿度に対する偏差量が大きいときなどに、一時的に換気風量を増大して換気調湿機303の運転を行うことにより、空調立上がりの顕熱・潜熱能力を増大することが可能となり、温度目標値、湿度目標値への到達が早くなる。これにより、室内を快適な温湿度に素早く到達させることができる。また、空調対象の室内が目標温湿度に達した後や、目標温湿度に対する偏差量が小さい場合には換気風量が小さい運転を行うことにより、圧縮機入力を低減した省エネ運転が可能となる。
実施の形態4.
ここでは、室外機300と換気調湿機303を実施の形態2、実施の形態3とは別形態とした場合の例について説明する。なお、以下の実施例では、温度、圧力のセンサー類、制御用の基板類は図から省略しているが、基本的なセンサー配置と動作は実施の形態1と同じである。
《機器構成》
図13、図14は、実施の形態2とは異なり、延長配管を3本構成で冷暖同時運転を実現させる構成例である。以下、冷凍サイクルを構成する各機器について説明する。なお、実施の形態1乃至3と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(室外機300)
室外機300は、圧縮機1と、四方弁2aと、室外熱交換器5eと、アキュムレータ14と、膨張弁11pとを備えており、これらを順に接続して冷媒回路を構成する。圧縮機1は運転容量(運転周波数)が可変であり、負荷状況に応じた周波数で運転することが可能である。
(室内機301)
室内機301は、室内熱交換器5fと膨張弁11h、電磁弁19e、電磁弁19f、送風機(図示せず)とから構成される。図13の例では室内機301は冷房運転、図14の例では室内機301は暖房運転が可能である。図の例では室内機は1台接続であるが、並列に複数接続することも可能である。
(換気調湿機303)
換気調湿機303の存在目的は、基本的にこれまでに説明した実施例に同じであるが、本実施例では実施の形態3と同様に簡略化のために全熱交換器10を省略している。全熱交換器や蒸発器を追加することにより実施の形態1、実施の形態2と同様の動作を実現することも可能である。また、本実施例では水分吸着手段20を鉛直方向設置(回転軸が水平方向)の構成としているが、実施の形態1、実施の形態2のように水平方向設置(回転軸が鉛直方向)の構成としてもよい。本実施例の換気調湿機303は、水分吸着手段20、冷房除湿運転時(図13)に凝縮器、暖房加湿運転時(図14)に蒸発器として動作する第1の熱交換器5a、冷房除湿運転時(図13)に蒸発器、暖房加湿運転時(図14)に凝縮器として動作する第2の熱交換器5b、これらの熱交換器を動作させるために必要な膨張弁11m、膨張弁11n、電磁弁19a〜19d、送風機(図示せず)により構成される。送風機は風量を制御することが可能である。
《運転動作》
(冷房除湿モード)
図13に基づき、冷房除湿モード運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は2分岐され、一方は四方弁2aを通り、室外熱交換器5eで熱交換して凝縮される。他方は延長配管17bを経て凝縮器として動作する第1の熱交換器5aへ流入する(電磁弁19a:開、19b:閉)。そして、合流した冷媒は、膨張弁11nで減圧されて蒸発器として動作する第2の熱交換器5bへ、膨張弁11hで減圧されて室内機301内の室内熱交換器5fへ分岐して流れる。それぞれの蒸発器を経た冷媒は合流し(電磁弁19d:開、19c:閉、電磁弁19f:開、19e:閉)、延長配管17aを経て圧縮機1へ戻る。以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着手段20の再生(RA→EA側風路)、吸着(OA→SA側風路)が行われ、SA側へは除湿空気が供給される。なお、室内機301では電磁弁19eと電磁弁19fの開閉を逆(電磁弁19e:開、19f:閉)にすることで暖房運転を行うことも可能であり、室内機を複数設けて、冷暖同時運転を行うことも可能である。
(暖房加湿モード)
図14に基づき、暖房加湿モード運転動作について説明する。図中に冷媒の流れを矢印で示すように、圧縮機1より吐出された高温高圧ガス冷媒は延長配管17bを経て凝縮器として動作する第2の熱交換器5bと、室内機301へ流入し、それぞれの熱交換器で凝縮する(電磁弁19c:開、19d:閉、電磁弁19e:開、19f:閉)。そして、合流した冷媒は、膨張弁11mで減圧されて蒸発器として動作する第1の熱交換器5aへ、膨張弁11pで減圧されて室外熱交換器5eへ分岐して流れる。第1の熱交換器5aを経た冷媒は延長配管17aを経由して(電磁弁19b:開、19a:閉)、室外熱交換器5eを経た冷媒と合流し圧縮機1へと戻る。以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着手段20の再生(OA→SA側風路)、吸着(RA→EA側風路)が行われ、SA側へは加湿空気が供給される。なお、室内機301では電磁弁19eと電磁弁19fの開閉を逆(電磁弁19f:開、19e:閉)にすることで冷房運転を行うことも可能であり、室内機を複数設けて、冷暖同時運転を行うことも可能である。
《特徴、効果》
(蒸発温度、凝縮温度制御)
本実施例においても実施の形態2にて説明したように、換気調湿機303の運転に適した蒸発温度、凝縮温度で運転を行うことにより、省エネ、除加湿能力増大効果が見込まれる。例えば、冷房除湿運転において、換気調湿機303単独運転あるいは室内機301との複合運転の場合でも冷房負荷が小さい場合には蒸発温度を高くする、暖房加湿運転において、加湿量が多く必要な場合には凝縮温度が高めた運転を行うなどである。
(換気風量制御)
実施の形態6での説明のように、本実施例においても換気風量を増加させることにより、空調の顕熱、潜熱(加湿、除湿)能力の両方を増大することが可能である。従って、空調起動時や目標温湿度に対する偏差量が大きいときなどに、一時的に換気風量を増大して換気調湿機303の運転を行うことにより、空調立上がりの顕熱・潜熱能力を増大することが可能となり、温度目標値、湿度目標値への到達が早くなる。これにより、室内を快適な温湿度に素早く到達させることができる。また、空調対象の室内が目標温湿度に達した後や、目標温湿度に対する偏差量が小さい場合には換気風量が小さい運転を行うことにより、圧縮機入力を低減した省エネ運転が可能となる。
1 圧縮機、2a 四方弁、3a〜3g 膨張弁、5a 第1の熱交換器、5b 第2の熱交換器、5c 第3の熱交換器、5d 第4の熱交換器、5e 室外熱交換器、5f 室内熱交換器、6a〜e 温度センサー、7a〜f 温湿度センサー、8a、8b 電磁弁、10 全熱交換器、11a〜p 膨張弁、12a、b 冷媒熱交換器、13 気液分離器、14 アキュムレータ、15 ブリッジ回路、16 冷暖切替回路、17a〜c 延長配管、18 バイパス管、19a〜f 電磁弁、20 水分吸着手段、30a 送風機a、30b 送風機b、40a 吸込口a、40b 吸込口b、41a 吹出口a、41b 吹出口b、50a〜i 仕切壁、60 筐体、100 空気調和装置、200 顕熱処理装置、300 室外機、301 室内機、302 中継ユニット、303 換気調湿機、A 外気導入経路、B 排気放出経路、OA 外気、RA 室内空気、SA 室内導入空気。

Claims (6)

  1. 第1の空間から第2の空間へ向かう空気の流れを形成する第1の空気流路と、
    前記第2の空間から前記第1の空間へ向かう空気の流れを形成する第2の空気流路と、
    前記第1の空気流路を流れる空気と前記第2の空気流路を流れる空気との間で全熱交換を行う積層型全熱交換器と、
    前記第1の空気流路と前記第2の空気流路とに跨がって配置され、前記第1の空気流路及び第2の空気流路の何れか一方に位置するときに吸着除湿し、いずれか他方に位置するときに加熱再生されるとともに、前記第1の空気流路及び前記第2の空気流路にて行われる前記吸着除湿及び前記加熱再生の動作を交互に繰り返すロータ形状を成す水分吸着手段と、
    前記第1の空気流路と前記第2の空気流路の空気の流れに配置され、前記水分吸着手段のいずれかの上流側に設けられた熱交換器である加熱手段と
    圧縮機によって前記熱交換器に冷媒を循環させるとともに、前記熱交換器を凝縮器とするように絞り装置と前記冷媒の流れを切り替える四方弁とを有する冷媒回路とを備え、
    前記積層型全熱交換器及び前記水分吸着手段は、前記積層型全熱交換器の積層平面と前記水分吸着手段のロータ面とが互いに略90°の角度を成して設置され、
    前記水分吸着手段は、そのロータ面の回転軸を鉛直方向として略水平に設置され
    前記積層型全熱交換器は、その本体が前記水分吸着手段の前記ロータ面を含む平面と交わる位置に設置されたこと
    を特徴とする空気調和装置。
  2. 請求項に記載の空気調和装置において、
    前記第1の空気流路と前記第2の空気流路の空気の流れに配置され、前記水分吸着手段の下流側にさらに熱交換器を備え、前記下流側に設置した熱交換器を蒸発器として運転すること
    を特徴とする空気調和装置。
  3. 請求項に記載の空気調和装置において、
    備えられる全ての蒸発器の温度を、それぞれの蒸発器を流れる空気の露点温度以上になるように前記冷媒の流量または温度を制御すること
    を特徴とする空気調和装置。
  4. 請求項1乃至の何れかに記載の空気調和装置において、
    少なくとも圧縮機を別置とし、圧縮機を含むユニットを別ユニットとして空気調和装置を構成すること
    を特徴とする空気調和装置。
  5. 請求項1乃至の何れかに記載の空気調和装置において、
    前記第1の空間とは室外空間であり、前記第2の空間とは室内空間であること
    を特徴とする空気調和装置。
  6. 請求項1乃至の何れかに記載の空気調和装置に加えて、
    空気調和を行う前記第1の空間の顕熱負荷を、別に設けた冷媒回路を有する第2の空気調和装置にて処理すること
    を特徴とする空気調和システム。
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