JP4948513B2 - 空気調和機とその運転方法並びに空調システム - Google Patents
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Description
また、それに伴って圧縮機の運転負荷が増大するため、圧縮機の運転許容範囲を逸脱する恐れがあるといった問題があった。
前記第2の空間から前記第1の空間に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の空気流路と前記第2の空気流路とを入れ替える空気流路切替手段と、
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全熱交換器と、
冷媒を圧縮する第1の圧縮機、凝縮器、第1の絞り装置および第2の絞り装置、第2の蒸発器、第2の圧縮器および前記第1の圧縮機が順次接続されると共に、入側が前記第1の絞り装置の下流側で分岐する配管に接続され、出側が前記第2の圧縮機と前記第1の圧縮機との間に合流する配管に接続された第1の蒸発器を具備する冷媒回路と、
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の空気流路内に位置する領域が前記第2の空気流路内に移動自在で、かつ、前記第2の空気流路内に位置する領域が前記第1の空気流路内に移動自在な吸着除湿する水分吸着手段と、
を備え、
前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器および前記水分吸着手段が、風上側から風下側に向かって順次配置され、かつ、前記空気流路切替手段によって前記第1の空気流路と前記第2の空気流路とが入れ替わった際、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器および前記水分吸着手段が、風上側から風下側に向かって順次配置されることを特徴とする。
すなわち、水分吸着手段(デシカント)の再生側における再生排熱を利用して冷媒蒸発を行うためヒートポンプの効率を向上させることができる。また、暖房時の室内供給空気の温度上昇を抑え、空調目標温度に近づけることが可能となる。
《システム構成》
図1および図2は本発明の実施の形態1に係る空気調和機を説明するものであって、図1の(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図1の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図2の(a)は冷房時の外気導入経路Aにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図、図2の(b)は冷房時の排気放出経路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2の(a)および(b)において、縦軸は絶対湿度、横軸は乾球温度である。
また、デシカントロータは吸着材として、例えばゼオライト、シリカゲル、活性炭等、からなる多孔質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。
外気導入経路Aと排気放出経路Bと(以下、まとめた又は一方を「空気経路」と称する場合がある)には、それぞれ例えばファンのような送風手段(図示せず)が設けられ、空気経路のそれぞれにおいて空気を流す。
両方の空気経路にまたがって全熱交換器10とデシカントロータ20とが設けられ、デシカントロータ20の吸脱着を補助する熱源として冷媒回路100が設けられている。
また、外気導入経路Aと排気放出経路Bとの間には空気流路切替手段(図示せず)が設けられており、冷房運転モードまたは暖房運転モードへの切替に連動して、外気導入経路Aと排気放出経路Bとが入れ替わる構造となっている。なお、空気流路切替手段については、例えばダンパーのようなものを用いることとする。
《冷房運転モード動作説明》
図1の(a)において、外気導入経路Aでは、外気OAより導入された室内導入空気SAが全熱交換器10で除湿され、さらにデシカントロータ20における吸着側領域で吸着材により水分が吸着・除湿される。その除湿空気が室内に供給される。
一方、排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気が全熱交換器10で加湿され、凝縮器3に送られる。凝縮器3で冷媒と熱交換し、加熱された排出空気はデシカントロータ20の再生側領域に流入する。この時、加熱された排出空気は5〜25%RH程度と相対湿度が低くなるため、吸着材は水分を放出(脱着)する。これにより再生側領域の排出空気は加湿され、蒸発器4を通り熱交換し、冷却された後、この空気は室外に排気EAとして排出される。
図1の(b)において、外気導入経路Aでは、外気OAより導入された室内導入空気SAが全熱交換器10で加湿されて、凝縮器3に送られる。凝縮器3で冷媒と熱交換し、加熱された導入空気はデシカントロータ20の再生側領域に流入する。この時、加熱された導入空気は5〜25%RH程度と相対湿度が低いため、吸着材は水分を放出(脱着)する。これにより再生側領域の導入空気は加湿され、蒸発器4を通り熱交換し、冷却された後、室内導入空気SAとなり室内に供給される。
一方、排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気が全熱交換器10で除湿され、さらにデシカントロータ20における吸着側領域で吸着材により水分が吸着・除湿される。その除湿された排出空気を室外に排気EAとして排出する。
図2の(a)において、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4)と全熱交換して、全熱交換器の公知の状態変化過程の通り、状態1と状態4と結ぶ直線上に沿って状態変化して、エンタルピが減少し、温度および絶対湿度が低下する(状態2)。
エンタルピが減少し、除湿冷却された導入空気(状態2)はデシカントロータ20の吸着領域に流入し、等エンタルピ過程で水分を吸着され、絶対湿度が低下する(状態3)。このように外気導入経路Aにおいて除湿された導入空気(状態4)が室内導入空気SAとして室内空間に供給される。
エンタルピが増加し、加湿加熱された空気(状態5)は凝縮器3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6)。相対湿度が低下した排出空気(状態6)は、デシカントロータ20の再生領域に流入し、等エンタルピ過程で水分を脱着され、相対湿度が上昇する(状態7)。相対湿度が上昇した排出空気(状態7)は、デシカントロータ20の再生領域下流に設置される蒸発器4に送られ、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8)。
《システム構成》
図3および図4は本発明の実施の形態2に係る空気調和機を説明するものであって、図3の(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図3の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図4の(a)は冷房時の外気導入経路Aにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図、図4の(b)は冷房時の排気放出経路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、空気調和機1000(実施の形態1)と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。また、空気状態を示す「状態1〜状態8」は、図4における丸で囲った数字「1〜8」にそれぞれ対応している。
なお、空気調和機2000は図3に示すとおり、第1の蒸発器4aと第2の蒸発器4bとが1本の配管によって直列に接続され、一方から流出した冷媒が他方に流入するものであるが、本発明はこれに限定するものではなく、第1の蒸発器4aと第2の蒸発器4bとを並列に配置して、分岐してそれぞれに流入した冷媒が、それぞれを通過して流出した後、合流するようにしてもよい。また、第1の蒸発器4aと第2の蒸発器4bとを直列接続とした場合、何れを上流側(より高温の冷媒が供給される側)に配置してもよい。
《冷房運転モード動作説明》
図3の(a)において、空気調和機2000における外気導入経路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4aに送り込まれる。ここで導入空気(外気OAに同じ)は第1の蒸発器4aと熱交換して冷却される。そして、冷却された導入空気がデシカントロータ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。その除湿空気が室内導入空気SAとなって、室内に供給される。
図3の(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が全熱交換器10で除湿された後、第1の蒸発器4aに送り込まれる。ここで排出空気は第1の蒸発器4aと熱交換して冷却される。冷却された排出空気がデシカントロータ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。その除湿空気を室外に排気EAとして排出する。
図4の(a)において、空気調和機2000の外気導入経路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5)と全熱交換して、全熱交換器の公知の状態変化過程の通り、状態1と状態5を結ぶ直線上に沿って状態変化して、エンタルピが減少し、温度および絶対湿度が低下する(状態2)。
エンタルピが減少し、除湿冷却された導入空気(状態2)は第1の蒸発器4a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)がデシカントロータ20の吸着領域に流入し、等エンタルピ過程で水分が吸着され、絶対湿度が低下する(状態4)。このように外気導入経路Aにおいて除湿された導入空気(状態4)が室内導入空気SAとして室内空間に供給される。
図5は本発明の実施の形態2に係る空気調和機に設置されたデシカントロータ20に担持する吸着材の吸着特性の一例を示す水蒸気吸着特性図であって、横軸は相対湿度[%]、縦軸は水蒸気吸着量[Wt%]である。
図5において、ある相対湿度を境に急激に水蒸気吸着量が増加し、立ち上がる特性を示している。
このようにすることで、図5に示すような特性の吸着材を使用する場合、吸着空気の相対湿度を上げることにより、吸着空気と脱着空気との相対湿度差ΔRHが大きくなるため、デシカントロータ20における吸着材の吸脱着能力Δqが増大し、空気調和機1000(実施の形態1)や従来技術の場合よりも大きな除加湿能力を得ることが可能となる。
《システム構成》
図6および図7は本発明の実施の形態3に係る空気調和機を説明するものであって、図6の(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図6の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図7の(a)は冷房時の外気導入経路Aにおける作動状態の動きを示す湿り空気線図、図7の(b)は冷房時の排気放出経路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、空気調和機1000(実施の形態1)と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。また、空気状態を示す「状態1〜状態8」は、図7における丸で囲った数字「1〜8」にそれぞれ対応している。
なお、空気調和機3000は図6に示すとおり、第1の蒸発器4aと第2の蒸発器4bと第3の蒸発器4cが1本の配管によって順番に直列接続され、一方から流出した冷媒が他方に流入するものであるが、本発明はこれに限定するものではなく、第1の蒸発器4a、第2の蒸発器4bおよび第3の蒸発器4cの何れか2個または全てを、並列に配置して、分岐してそれぞれに流入した冷媒が、それぞれを通過して流出した後、合流するようにしてもよい。また、3個の蒸発器の接続順は限定するものではなく、何れの蒸発器をより上流側(より高温の冷媒が供給される側)に配置してもよい。
《冷房運転モード動作説明》
図6の(a)において、空気調和機3000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4aに送り込まれる。ここで導入空気は第1の蒸発器4aと熱交換して冷却される。冷却された導入空気がデシカントロータ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2の蒸発器4b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。
図6の(b)において、空気調和機3000の排気放出経路Bでは、導入された室内空気RAが全熱交換器10で除湿された後、第1の蒸発器4aに送り込まれる。ここで排出空気は第1の蒸発器4aと熱交換して冷却される。冷却された排出空気がデシカントロータ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。除湿された導入空気はさらに第2の蒸発器4bと熱交換して冷却され、室外に排気EAとして排出する。
図7の(a)において、空気調和機3000の冷房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5)と全熱交換して、全熱交換器の公知の状態変化過程の通り、状態1と状態5を結ぶ直線上に沿って状態変化して、エンタルピが減少し、温度および絶対湿度が低下する(状態2)。
エンタルピが減少し、除湿冷却された導入空気(状態2)は第1の蒸発器4a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)がデシカントロータ20の吸着領域に流入し、等エンタルピ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2の蒸発器4bに送り、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として室内空間に供給される。
《システム構成》
図8および図9は本発明の実施の形態4に係る空気調和機を説明するものであって、図8の(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図8の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図9は冷媒状態についての作動状態の一例を示すp−h線図(モリエル線図)である。
なお、空気状態を示す「状態A〜状態F」は、図9における丸で囲った英文字「A〜F」にそれぞれ対応している。
すなわち、空気調和機4000は、空気調和機2000(実施の形態2)における第1の蒸発器4aと凝縮器3との間に、第2の膨張弁2bを追加して設置したものに相当し、その他の構成は空気調和機2000に同じであるから、空気調和機2000と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図8の(a)および(b)において、空気調和機4000における冷房運転モード、暖房運転モードの各風路構成は、図3に示す空気調和機2000と同様であるため、説明を省略する。
図9において、空気調和機4000の冷媒回路400における冷媒状態は、圧縮機1に吸入された冷媒蒸気(状態A)は、圧縮され高温高圧の冷媒ガスとなる(状態B)。高温高圧の冷媒ガス(状態B)は凝縮器3に流入して、空気と熱交換し冷却・凝縮され、高圧の液冷媒となる(状態C)。高圧の液冷媒(状態C)は第1の膨張弁2aを通過し、絞り膨張(等エンタルピ変化)により圧力が低下、気液2相冷媒(状態D)となる。
この気液2相冷媒は、一旦第1の蒸発器4aに入り、空気と熱交換し、液冷媒は加熱・蒸発される(状態E)。さらに第2の膨張弁2bを通過し絞り膨張され、低温低圧の液冷媒となり、第2の蒸発器4bに流入する(状態F)。ここで、再び液冷媒(状態F)は加熱・蒸発され、冷媒は過熱蒸気(状態A)となり、圧縮機1に吸入される。
《システム構成》
図10および図11は本発明の実施の形態5に係る空気調和機を説明するものであって、図10(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図10の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図11は冷媒状態についての作動状態の一例を示すp−h線図(モリエル線図)である。
なお、空気状態を示す「状態A〜状態G」は、図11における丸で囲った英文字「A〜G」にそれぞれ対応している。
このとき、第1の圧縮機1aと第2の圧縮機1bとは直列接続され、両者を接続する配管には、第1の蒸発器4aの出側に接続された配管が合流している。また、第1の膨張弁と第1の蒸発器4aとは直列接続され、両者を接続する配管は分岐して、第2の膨張弁2bの入側に接続されている。そして、第2の膨張弁2b(の出側)は、第2の蒸発器4bを経由して第2の圧縮機(の入側)に接続されている。
なお、空気調和機4000(実施の形態4)と同一の箇所については説明を省略する。
図10の(a)および(b)において、空気調和機5000における冷房運転モード、暖房運転モードの各風路構成は、図3または図8に示す空気調和機2000または空気調和機4000と同様であるため、説明を省略する。
図11において、空気調和機5000の冷媒回路500における冷媒状態は、低段の第2の圧縮機1bに吸入された冷媒蒸気(状態A)は、圧縮され吐出冷媒ガスとなる(状態B)。この吐出冷媒ガス(状態B)は第1の蒸発器4aより流入してきた冷媒と混合し冷却され、高段の第1の圧縮機1aに吸入される(状態C)。第1の圧縮機1aにより圧縮された高温高圧の吐出冷媒ガス(状態D)は凝縮器3に流入して、空気と熱交換し冷却・凝縮され、高圧の液冷媒となる(状態E)。
高圧の液冷媒(状態E)は第1の膨張弁2aを通過し、絞り膨張(等エンタルピ変化)により圧力が低下、気液2相冷媒(状態F)となる。この気液2相冷媒は、一部分流されて第1の蒸発器4aに流入し、空気と熱交換し液冷媒は加熱・蒸発される(状態C)。この分流された冷媒が前述の高段の圧縮機1aに吸入される混合冷媒となる。
もう一方の本流は第2の膨張弁2bで絞り膨張されて、低温低圧の液冷媒(状態G)となり、第2の蒸発器4bに流入する。ここで、低温低圧の液冷媒(状態G)は加熱・蒸発され、冷媒は過熱蒸気(状態A)となり、第2の圧縮機1bに吸入される。
なお、一段圧縮(単段圧縮)では、凝縮器吸込空気の温度が高い等、高圧が高くなるような条件で、圧縮比が大きくなり、吐出温度が著しく上昇し、その吐出温度上昇の影響で、潤滑油の粘度が低下し潤滑作用がなくなり、油が劣化し、圧縮機は潤滑不良を起こして運転不能となる。また、体積効率や圧縮効率も著しく減少して、冷凍能力が極端に低下し、COPも著しく低下するという弊害があった。
《システム構成》
図12および図13は本発明の実施の形態6に係る空気調和機を説明するものであって、図12(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図12の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図13は冷媒状態についての作動状態の一例を示すp−h線図(モリエル線図)である。
なお、空気状態を示す「状態5〜状態11」は、図13における丸で囲った数字「5〜11」にそれぞれ対応している。
すなわち、空気調和機6000は、デシカントロータ20の再生側領域出口に配置された放熱部11aと、凝縮器3の吸込側に配置された吸熱部11bと、放熱部11aと吸熱部11bとを連通する熱伝達部11cとからなる顕熱熱交換器11を有する点が空気調和機2000(実施の形態2)と相違するものの、その他の構成は空気調和機2000と同じであるから、一部の説明を省略する。
図12の(a)および(b)において、空気調和機6000における冷房運転モード、暖房運転モードの各風路構成は、図3に示す空気調和機2000と同様であるため、説明を省略する。
図13において、空気調和機6000の冷房時の排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気(状態5)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、エンタルピが増加し、温度が上昇、絶対湿度が増加する(状態6)。エンタルピが増加し、加湿加熱された空気(状態6)は顕熱熱交換器11の放熱部11a(温熱を放出する)で、デシカントロータ20の再生側出口空気(状態9)と顕熱熱交換し(状態7)、凝縮器3に送られる。そして、そこで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、デシカントロータ20の再生領域に流入し、等エンタルピ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、顕熱熱交換器11の吸熱部11b(温熱を吸収する、冷熱を放出するに同じ)で凝縮器3の吸込空気(状態6)と顕熱熱交換し(状態10)、デシカントロータ20の再生領域下流に設置される蒸発器4に送られる。そして、そこで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11)。
このため、凝縮器3と第2の蒸発器4bとの熱交換の負荷を軽減することができるから、冷媒回路200としての負荷を上げることなく、デシカントロータ20の再生能力を増大させることが可能となる。よって、圧縮機1の入力が低減され、効率向上につながる。例えば、空気調和機2000(実施の形態2)の場合と比較すると、最大15%程度効率が向上する。
なお、顕熱熱交換器11の放熱部11aと吸熱部11bとを連通させる熱伝達部11cの例として、例えばヒートパイプがある。ヒートパイプは、管の内壁に毛細管構造を持たせた金属製のパイプであり、内部は真空で、少量の水もしくは代替フロンなどが封入されている。管の材質としては、通常、銅などの熱伝導の大きい物質が用いられる。ヒートパイプの一端を熱源に接触させて加熱すると、内部の液体が蒸発して気化し、この時、潜熱(気化熱)として熱が取り込まれる。そして低温部へ高速に(ほぼ音速で)移動し、そこで冷却されまた液体に戻り、熱を放出する(凝縮潜熱による熱放出)。液体は毛細管構造を通って元の場所へ戻る。ヒートパイプはこのサイクルを繰り返すことによって、極めて高い効率での熱伝導を可能とする装置である。
《システム構成》
図14は本発明の実施の形態7に係る空気調和機を説明するものであって、図14(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図14の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図である。
排気放出経路Cは、冷房時には、室内空気RAを導入して、全熱交換器10にて外気導入経路Aより導入されてきた空気と全熱熱交換して排気するためのものであり、暖房時には、外気OAを導入して、全熱交換器10にて排気放出経路Bより導入されてきた空気と全熱熱交換して排気するためのものである。
《冷房運転モード動作説明》
図14の(a)において、空気調和機7000の冷房運転モードにおける排気放出経路Bでは、室内空気RAより導入された排出空気が、凝縮器3に送り込まれ熱交換して加熱される。加熱された空気がデシカントロータ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・放湿される。その脱着空気が第2の蒸発器4bに送り込まれ、熱交換し冷却される。その冷却空気を室外に排気EAとして排出する。
図14の(b)において、空気調和機7000の暖房運転モードにおける外気導入経路Aでは、外気OAより導入された導入空気が、凝縮器3に送り込まれ熱交換して加熱される。加熱された導入空気がデシカントロータ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・放湿される。その脱着された導入空気が第2の蒸発器4bに送り込まれ、熱交換し冷却され、室内導入空気SAとして室内空間に供給される。
空気調和機7000の冷媒回路200の作動状態における湿り空気線図上の動きは、空気調和機2000(実施の形態2)と同様な傾向となるため、説明及び図示は省略する。
なお、空気調和機2000と異なる点としては、凝縮器3に送り込む空気は全熱交換器10を介さず、冷房時は図14の(a)に示すように室内空気RAを送り込み、一方、暖房時は図14の(b)に示すように外気OAを送り込んでいることにある。
絶対湿度が低い空気を凝縮器3に送り込み、熱交換し加熱すると、デシカントロータ20の再生側領域に流入する空気の相対湿度は低い状態にすることができ、吸着側領域に流入する空気の相対湿度との相対湿度差ΔRHが大きくなる。
よって、図5に示すような特性の吸着材を使用する場合、吸着空気と脱着空気との相対湿度差ΔPHが大きくなると、デシカントロータ20における吸着材の吸脱着能力Δqが増大し、空気調和機2000の場合よりもさらに大きな除加湿能力を得ることが可能となる。
図17〜図19は本発明の実施の形態8に係る空気調和機を説明するものであって、図17の(a)は冷房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図17の(b)は暖房運転モードの風路構成を模式的に示す構成図、図18は冷房運転における制御動作を示すフロー図、図19は暖房運転における制御動作を示すフロー図である。なお、空気調和機3000(実施の形態3)と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図17の(a)および(b)において、空気調和機8000は、冷媒回路800と、全熱交換器10、水分の吸着と放出(再生)を繰り返すデシカントロータ20とを有している。なお、冷媒回路800は、圧縮機1、第1の膨張弁2a、第2の膨張弁2b、第3の膨張弁2c(以下、まとめてまたはそれぞれを「膨張弁2」と称す場合がある)、凝縮器3、第1の蒸発器4a、第2の蒸発器4bおよび第3の蒸発器4c(以下、まとめてまたはそれぞれを「蒸発器4」と称す場合がある)で構成されている。
なお、凝縮器3には、熱交換器温度(冷媒温度)を検知する冷媒温度サーミスタ60と、吹出温度を検知する吹出温度サーミスタ61と、吹出空気の露点温度を検知する露点温度検知手段(以下「露点温度センサ」と称す)62と、が設置されている。
また、第1の蒸発器4a、第2の蒸発器4bおよび第3の蒸発器4cの各熱交換器には、熱交換器温度(冷媒温度)を検知する熱交換器(冷媒)温度検知手段(以下「冷媒温度サーミスタ」と称す)40a、40b、40cと、吹出温度を検知する吹出空気温度検知手段(以下「吹出温度サーミスタ」と称す)41a、41b、41cと、吹出空気の露点温度を検知する露点温度検知手段(以下「露点温度センサ」と称す)42a、42b、42cと、が設置されている。
さらに、圧縮機1の吐出冷媒配管部には吐出冷媒の温度を検知する吐出冷媒温度検知手段(以下「冷媒温度サーミスタ」)50が設置されている。
また、第1の蒸発器4aはデシカントロータ20の吸着側領域の上流に、第2の蒸発器4bは吸着側領域の下流に、第3の蒸発器4cは再生側領域の下流に、それぞれ配置されている。
なお、空気調和機8000は図17に示すとおり、第1の蒸発器4aと第2の蒸発器4bと第3の蒸発器4cがすべて並列接続されているが、3つの蒸発器のうち少なくとも1つが並列接続となっていてもよい。また、3つの蒸発器の配置位置は限定するものではなく、何れの蒸発器を吸着側領域上流、吸着側領域下流、脱着側領域下流の3箇所のうち、何れの位置に配置してもよい。
空気調和機8000の冷媒回路800における冷媒状態は、圧縮機1に吸入された冷媒蒸気は、圧縮され高温高圧の冷媒ガスとなる。高温高圧の冷媒ガスは凝縮器3に流入して、空気と熱交換し冷却・凝縮され、高圧の液冷媒となる。ここで、高圧の液冷媒は配管で3方向に分岐されて、そのうち一方は第1の膨張弁2aを通過し、絞り膨張(等エンタルピ変化)により圧力が低下、気液2相冷媒となる。この気液2相冷媒は、第1の蒸発器4aに入り、空気と熱交換し、液冷媒は加熱・蒸発される。
もう一方でも同様に、第2の膨張弁2bを通過し、絞り膨張(等エンタルピ変化)により圧力が低下、気液2相冷媒となる。この気液2相冷媒は、第2の蒸発器4bに入り、空気と熱交換し、液冷媒は加熱・蒸発される。
他方でも同じく、第3の膨張弁2cを通過し、絞り膨張(等エンタルピ変化)により圧力が低下、気液2相冷媒となる。この気液2相冷媒は、第3の蒸発器4cに入り、空気と熱交換し、液冷媒は加熱・蒸発される。
これらは、各蒸発器4を通過した後の下流側において合流し、合流した冷媒は過熱蒸気の状態で、圧縮機1に吸入される。
それに基づき、空気調和機で圧縮機1の運転容量、第1の膨張弁2a、第2の膨張弁2b、第3の膨張弁2cの初期値が設定され(ST102)、運転開始する(ST103)。
圧縮機運転容量の制御については、吹出空気サーミスタ60で検知される凝縮器3の吹出温度が予め設定された目標値、例えば60℃となるように制御される(ST105)。
圧縮機1の運転容量が大きいと冷媒の凝縮温度が高くなるため、凝縮器3の吹出空気温度が高くなる。一方で、圧縮機1の運転容量が小さいと冷媒の凝縮温度が低くなり、凝縮器3の吹出空気温度は低くなる。そこで、凝縮器3の吹出空気温度と目標値とを比較し、目標値よりも吹出空気温度が低ければ、圧縮機1の運転容量を増加させ、目標値よりも高ければ、圧縮機1の運転容量は減少させる(ST106)。
なお、制御値を前記説明の凝縮器3の吹出空気温度に代えて、露点温度センサ62が検知する凝縮器3の冷媒凝縮温度としても良い。
第1の膨張弁2aは膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第1の蒸発器4aの吹出空気温度が高くなる。一方で、第1の膨張弁2aの開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第1の蒸発器4aの吹出空気温度が低くなる。そこで、第1の蒸発器4aの吹出空気温度と露点温度センサ42aが検知する露点温度とを比較し、露点温度よりも吹出空気温度が低ければ、第1の膨張弁2aの開度を大きくし、露点温度+2℃よりも吹出空気温度が高ければ、第1の膨張弁2aの開度を小さくする(ST108)。
なお、制御値を前記説明の第1の蒸発器4aの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40aが検知する第1の蒸発器4aの冷媒蒸発温度としても良い。
第2の膨張弁2bは膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第2の蒸発器4bの吹出空気温度が高くなる。一方で、膨張弁開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第2の蒸発器4bの吹出空気温度が低くなる。そこで、第2の蒸発器4bの吹出空気温度と室内空調温度の目標値とを比較し、目標値よりも吹出空気温度が低ければ、第2の膨張弁2bの開度を大きくし、目標値よりも吹出空気温度が高ければ、第2の膨張弁2bの開度を小さくする(ST110)。
なお、制御値を前記説明の第2の蒸発器4bの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40bが検知する第2の蒸発器4bの冷媒蒸発温度としても良い。
第3の膨張弁2cは膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第3の蒸発器4cの吹出空気温度が高くなる。一方で、膨張弁開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第3の蒸発器4cの吹出空気温度が低くなる。そこで、第3の蒸発器4cの吹出空気温度と露点温度センサ42cが検知する露点温度とを比較し、露点温度よりも吹出空気温度が低ければ、第3の膨張弁2cの開度を大きくし、露点温度+2℃よりも吹出空気温度が高ければ、第3の膨張弁2cの開度を小さくする(ST112)。
その後、ST104〜ST112のサイクルを繰り返す(図18中の記号Aから記号Aへ)。
なお、制御値を前記説明の第3の蒸発器4cの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40cが検知する第3の蒸発器4cの冷媒蒸発温度としても良い。
それに基づき、空気調和機で圧縮機1の運転容量、第1の膨張弁2a、第2の膨張弁2b、第3の膨張弁2cの初期値が設定され(ST202)、運転開始する(ST203)。
圧縮機1の運転容量の制御については、吹出空気サーミスタ60で検知される凝縮器3の吹出温度が予め設定された目標値、例えば45℃となるように制御される(ST205)。
圧縮機1の運転容量が大きいと冷媒の凝縮温度が高くなるため、凝縮器3の吹出空気温度が高くなる。一方で、圧縮機1の運転容量が小さいと冷媒の凝縮温度が低くなり、凝縮器1の吹出空気温度は低くなる。そこで、凝縮器3の吹出空気温度と目標値とを比較し、目標値よりも吹出空気温度が低ければ、圧縮機1の運転容量を増加させ、目標値よりも高ければ、圧縮機運転容量を減少させる(ST206)。
なお、制御値を前記説明の凝縮器3の吹出空気温度に代えて、露点温度センサ62が検知した凝縮器3の冷媒凝縮温度としても良い。
第1の膨張弁2aの膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第1の蒸発器4aの吹出空気温度が高くなる。一方で、膨張弁開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第1の蒸発器4aの吹出空気温度が低くなる。そこで、第1の蒸発器4aの吹出空気温度と露点温度センサ42aが検知した露点温度とを比較し、露点温度よりも吹出空気温度が低ければ、第1の膨張弁2aの開度を大きくし、露点温度+2℃よりも吹出空気温度が高ければ、第1の膨張弁2aの開度を小さくする(ST208)。
なお、制御値を前記説明の第1の蒸発器4aの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40aが検知する第1の蒸発器4aの冷媒蒸発温度としても良い。
第2の膨張弁2bの膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第2の蒸発器4bの吹出空気温度が高くなる。一方で、膨張弁開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第2の蒸発器4bの吹出空気温度が低くなる。そこで、第2の蒸発器4bの吹出空気温度と露点温度センサ42bが検知した露点温度とを比較し、露点温度よりも吹出空気温度が低ければ、第2の膨張弁2bの開度を大きくし、露点温度+2℃よりも吹出空気温度が高ければ、第2の膨張弁2bの開度を小さくする(ST210)。
なお、制御値を前記説明の第2の蒸発器4bの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40bが検知する第2の蒸発器4bの冷媒蒸発温度としても良い。
第3の膨張弁2cの膨張弁開度が大きいと冷媒の蒸発温度が高くなるため、第3の蒸発器4cの吹出空気温度が高くなる。一方で、膨張弁開度が小さいと冷媒の蒸発温度が低くなるため、第3の蒸発器吹出空気温度が低くなる。そこで、第3の蒸発器4cの吹出空気温度と室内空調温度の目標値とを比較し、目標値よりも吹出空気温度が低ければ、第3の膨張弁2cの開度を大きくし、目標値よりも吹出空気温度が高ければ、第3の膨張弁2cの開度を小さくする(ST212)。
その後、ST204〜ST212のサイクルを繰り返す(図19中の記号Bから記号Bへ)。
なお、制御値を前記説明の第3の蒸発器4cの吹出空気温度に代えて、冷媒温度サーミスタ40cが検知する第3の蒸発器4cの冷媒蒸発温度としても良い。
また、この場合は各々の蒸発器4に流入する冷媒の比容積が異なるため、各々の蒸発器4において別の蒸発温度帯となり、各蒸発器の吹出温度を別々に制御することできる。
《水分吸着手段の説明》
以上説明したように、空気調和機1000〜8000(実施の形態1〜8)における水分吸着手段は限定するものではない。
図15および図16は本発明の実施の形態1〜8に係る空気調和機に設置される水分吸着手段の一例を説明するものであって、図15は模式的に示す斜視図、図16は構成する吸着材の吸着特性の概念を示す水蒸気吸着特性図(横軸は相対湿度[%]、縦軸は水蒸気吸着量[Wt%])である。
一方、第2の吸着材21bの相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が、第1の相対湿度22aよりも低湿度である第3の相対湿度22c以下の範囲(〜22c)における前記変化率が、第3の相対湿度22c以上の範囲(22c〜)における前記変化率よりも大きい吸着特性を有する。すなわち、第2の吸着材21bは、比較的低湿度域で吸着量が多い。
以上、実施の形態1〜8において説明した本発明は、以下のように整理することができる。
(1)絶対湿度差の小さくなった全熱交換器処理後空気を冷媒回路で熱交換させることにより、デシカントの再生側入口へは凝縮器で加熱した高温低湿度空気を送り、吸着側へは蒸発器で冷却した低温高湿空気を送り、吸着側と再生側の相対湿度差を大きくすることができる。そのため、吸着材の吸脱着特性より、吸着側と再生側の相対湿度差が大きいほど吸脱着能力は大きくなるため、吸着材の吸脱着性能を増大させることができる。
また、全熱交換器処理後空気は温度差が小さくなるため、これを凝縮器・蒸発器両方に送り込むことで、ヒートポンプの負荷は軽減され、圧縮機入力が低減されるため、効率を向上させることができる。
(3)冷媒回路においてLEVを2個設けることにより、蒸発器に流れる冷媒量を制御し、冷媒の蒸発温度帯を分離して制御可能となり、冷房除湿運転時は蒸発器の結露防止、暖房加湿運転時は結露防止に加え、着霜防止の効果が得られる。
(5)顕熱熱交換媒体を設け、熱回収を行うことでヒートポンプの負荷を軽減し、圧縮機入力が低減されるため、効率を向上させることが可能となる。
(6)冷房除湿時は室内空気、暖房加湿時は外気と、凝縮器に比較的低湿度となる空気を導入することにより、再生空気の相対湿度が低くなるため、蒸発器を通る吸着側と再生側の相対湿度差が大きくなる。吸着材の吸脱着特性より、吸着側と再生側の相対湿度差が大きいほど吸脱着能力は大きくなるため、デシカントの除加湿性能を増大させることができる。
Claims (12)
- 第1の空間から第2の空間に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の空間に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の空気流路と前記第2の空気流路とを入れ替える空気流路切替手段と、
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全熱交換器と、
冷媒を圧縮する第1の圧縮機、凝縮器、第1の絞り装置および第2の絞り装置、第2の蒸発器、第2の圧縮器および前記第1の圧縮機が順次接続されると共に、入側が前記第1の絞り装置の下流側で分岐する配管に接続され、出側が前記第2の圧縮機と前記第1の圧縮機との間に合流する配管に接続された第1の蒸発器を具備する冷媒回路と、
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の空気流路内に位置する領域が前記第2の空気流路内に移動自在で、かつ、前記第2の空気流路内に位置する領域が前記第1の空気流路内に移動自在な吸着除湿する水分吸着手段と、
を備え、
前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器および前記水分吸着手段が、風上側から風下側に向かって順次配置され、かつ、前記空気流路切替手段によって前記第1の空気流路と前記第2の空気流路とが入れ替わった際、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器および前記水分吸着手段が、風上側から風下側に向かって順次配置されることを特徴とする空気調和機。 - 前記冷媒回路の前記第2の絞り装置と前記第2の蒸発器との間に、第3の蒸発器が設置され、
前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器、前記水分吸着手段および前記第3の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置され、かつ、前記空気流路切替手段によって前記第1の空気流路と前記第2の空気流路とが入れ替わった際、前記第1の空気流路に、前記全熱交換器、前記凝縮器、前記水分吸着手段および前記第2の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されると共に、前記第2の空気流路に、前記全熱交換器、前記第1の蒸発器、前記水分吸着手段および前記第3の蒸発器が、風上側から風下側に向かって順次配置されることを特徴とする請求項1記載の空気調和機。 - 前記凝縮器に流入する直前の空気と、前記第2の蒸発器に流入する直前の空気との間で、顕熱を交換する顕熱熱交換器が配置されることを特徴とする請求項1または2記載の空気調和機。
- 前記水分吸着手段の全部または一部に設けられる吸着材の相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が、第1の相対湿度と該第1の相対湿度よりも高湿度である第2の相対湿度との間の範囲において、前記第1の相対湿度よりも低湿度の範囲および前記第2の相対湿度よりも高湿度の範囲よりも、大きいことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の空気調和機。
- 前記第1の相対湿度が略30%で、前記第2の相対湿度が略60%であることを特徴とする請求項4記載の空気調和機。
- 前記水分吸着手段の全部または一部に設けられる吸着材の相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が、前記第1の相対湿度よりも低湿度である第3の相対湿度よりも高湿度の範囲において、前記第3の相対湿度よりも低湿度の範囲よりも大きいことを特徴とする請求項4または5記載の空気調和機。
- 前記水分吸着手段に固体吸着材が設けられ、
該固体吸着材が、1.5〜2.5ナノメートルの穴径の細孔が多数設けられたケイ素材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の空気調和機。 - 前記水分吸着手段は、第1の吸着材が担持された第1の水分吸着手段と、第1の吸着材とは異なる種類の第2の吸着材が担持された第2の水分吸着手段とから構成されることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の空気調和機。
- 請求項1乃至8の何れか一項に記載の空気調和機において、
前記蒸発器における冷媒蒸発温度が、前記蒸発器の吸込空気温度の露点以下にならないように冷媒循環量を制御することを特徴とする空調機運転方法。 - 請求項1乃至8の何れか一項に記載の空気調和機において、
前記第1の空間を室外とし、前記第2の空間を空調室として、該空調室を冷房することを特徴とする空調機運転方法。 - 請求項1乃至8の何れか一項に記載の空気調和機において、前記第1の空間を空調室とし、前記第2の空間を室外として、前記空調室を暖房することを特徴とする空調機運転方法。
- 請求項1乃至8の何れか一項に記載の空気調和機を外気処理空気調和機とし、顕熱処理用の空気調和機を併設したことを特徴とする空調システム。
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