JP4989307B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は年間を通して安定した温度、湿度の調整を行うことのできる冷却除湿式の空気調和装置に関する。

冷却除湿方式による空気調和装置では、除湿のために被空調室内（被空調ゾーン）からの還気を冷却器において一旦露点温度以下に冷却して絶対湿度を低減せしめるので、冷却器出口における空気温度が室内の空調に適する温度以下になることが多く、したがって除湿のために所望の温度より低くなった空気を再熱器にて加熱し、所望の適温にしてから被空調室内に供給している。

前記再熱器の熱源には、前記冷却器に冷媒を供給する冷凍機のホットガスを利用することが一般に行われているが、この場合、冷凍機にかかる冷却負荷に応じた冷凍機凝縮熱量の範囲内でしか加熱することができない。

したがって、上記冷凍機凝縮熱量の範囲を超えて還気を加熱しなければならない場合や、冷却を必要としない加熱負荷に対応させる場合（暖房運転）には、適用できなかった。

すなわち、単一の冷凍機で冷却除湿とホットガスによる再熱を行う場合には、被空調室内（被空調ゾーン）を冷却・除湿する冷房運転を行うことができる時季が例えば夏季のみに制限され、冷却負荷が小なる時季（春季や秋季）や冷却負荷が殆どない時季（冬季）では、除湿のため低温にした還気を加熱したり、あるいは暖房用に加熱を行ったりするための、例えば電気ヒータなどの熱源を別途用意する必要がある。

そして単一の冷凍機で冷暖房を行うことができるようにしたものとしては冷媒回路の操作により冷房と暖房を切替えて行うことができるヒートポンプ式のもの（例えば、特許文献１参照）がある。

しかしながら、このヒートポンプ式空気調和装置は冷媒回路の操作によって冷房と暖房を切替えており、具体的には冷却器と加熱器とを冷媒回路における冷媒の流通方向を弁操作で入れ替えているので、この切替え時に被空調室内（被空調ゾーン）へ給気している空気の温度と湿度の調整を安定して行うことができないという問題がある。

特開平７−３１０９６４号公報（第１〜４頁、図１〜４）

本発明は、冷却負荷の量にかかわらず単一の冷凍機によって冷却除湿後の再熱を行うことができ、冷却負荷が小なる春季や秋季、それに冷却負荷が殆どない冬季においても安定した運転を行うことができる空気調和装置を提供できるようにした。

上述した課題を解決するために、本発明に係る空気調和装置は、被処理空気流路に、上流側の冷却器と下流側の再熱器を備え、またこの被処理空気流路とは独立する外気流路に外気熱交換器を備え、冷却除湿運転時には圧縮機からの冷媒を前記再熱器と外気熱交換器に送って凝縮せしめてから前記冷却器に供給して蒸発させて圧縮機へ戻し、加熱運転時には圧縮機からの冷媒を再熱器に供給して凝縮せしめ、前記外気熱交換器にて蒸発させて圧縮機へ戻すように構成したものとしてある。

具体的には、被処理空気流路の上流側に冷却器を、下流側に再熱器をそれぞれ備えるとともに、前記被処理空気流路とは独立する外気流路に外気熱交換器を備え、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、前記再熱器、レシーバ、第一の管路切替手段、冷却器側膨張弁、前記冷却器をこの順に介して前記圧縮機の吸入側に接続され、また、前記冷媒管における圧縮機と再熱器との間から分岐する冷媒管の他端を、前記外気熱交換器、第二の管路切替手段をこの順に介して前記レシーバに接続し、前記第一の管路切替手段に一端を接続した冷媒管の他端を、外気熱交換器側膨張弁を介して前記外気熱交換器に接続し、また前記第二の管路切替手段に一端が接続される冷媒管の他端を、前記冷却器と圧縮機との間における冷媒管の途中に接続し、前記第一の管路切替手段は、冷却除湿運転時には前記レシーバと冷却器との間が開成されるとともに前記外気熱交換器側が閉止され、加熱運転時には前記レシーバと外気熱交換器との間が開成されるとともに前記冷却器側が閉止され、前記第二の管路切替手段は、冷却除湿運転時には前記外気熱交換器とレシーバとの間が開成されるとともに前記冷却器と圧縮機間の冷媒管側が閉止され、加熱運転時には前記外気熱交換器と、前記冷却器と圧縮機間の冷媒管との間が開成されるとともに前記レシーバ側が閉止されるように構成したものとしてある。

また、前記再熱器の冷媒入口側に加熱用制御弁を設けるとともに、前記冷却器の冷媒出口側に冷却用制御弁を設け、被処理空気の入口における温度、湿度に応じてこれら加熱用制御弁、冷却用制御弁の開度が調節されるように構成したものとしてある。

さらに、前記外気熱交換器を並列に複数設け、前記被処理空気流路に外気を混合できるように構成したものとしてある。

本発明によれば、冷却負荷に応じて外気熱交換器を凝縮器として、または蒸発器として機能せしめ、再熱器は冷却除湿運転時（冷房運転時）および加熱運転時（暖房運転時）において常に加熱用熱源として利用されるので、単一の冷凍機により、別途加熱用の熱源を設けることなしに、季節の違いに関わらず安定した運転を行うことができる。

また、前記加熱用制御弁および冷却用制御弁は被処理空気の入口温度、湿度に応じて自動制御を容易かつ正確に行うことができ、さらにこの被処理空気の入口温度、湿度に応じて制御される加湿器を追加することによって被空調室内を恒温、恒湿に自動的に維持することもできる。

以下、本発明の空気調和装置の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、空気調和装置１のケーシング２内は、被空調室内（被空調ゾーン）より還気を導入する還気導入口２ａと外気導入口２ｄから、被空調室内へ処理後の空気を供給する給気供給口２ｂに至る被処理空気流路３と、外部の空気を導入する外気導入口２ｃからこの外気を排出する排気ファン１３を備える排気口に至る外気流路１１とを備えており、被処理空気流路３と外気流路１１は独立して設けてある。
なお、図中の符号２４は前記外気導入口２ｄに設けたエアフィルタを示している。

前記被処理空気流路３内には、上流側から順に、冷却器４、再熱器５、加湿器６、送風機７を設けてあり、還気導入口２ａからの還気と外気導入口２ｄからの外気は冷却器４の上流側で合流するように構成してある。

前記外気流路１１には外気熱交換器１２を設けてあり、本実施例のものは外気流路１１、外気熱交換器１２、排気ファン１３を並列に２系統備えていて、冷却負荷が小もしくは無である場合に、一方を蒸発器として作用させ、その間に他方にホットガスを送ってデフロストを行うというような運転を行うことも可能であり、かくすると装置の運転を停止することなく必要に応じてデフロストを行うことができる。このときの冷媒の流れを図６と図７に示す。図６は、左側の外気熱交換器を蒸発器、右側の外気熱交換器を凝縮器（デフロスト用）として機能させた場合を示し、図７は、右側の外気熱交換器を蒸発器、左側の外気熱交換器を凝縮器（デフロスト用）として機能させた場合を示す。

次に冷媒回路の構成について説明する。
圧縮機８の吐出側に一端が接続された冷媒送管１４の他端を、加熱用制御弁２２、再熱器５、逆止弁２１、レシーバ９、第一の管路切替手段１８、冷却器側膨張弁１９をこの順に介して冷却器４の入口に接続してあり、同出口に一端が接続された冷媒吸入管１６の他端を、冷却用制御弁２３、アキュムレータ１０をこの順に介して圧縮機８の吸入側に接続してある。

また、前記冷媒送管１４における圧縮機８と加熱用制御弁２２との間には、分岐管１５の一端を接続してあって、この分岐管１５の他端は、開閉弁２５、逆止弁２６を介して外気熱交換器１２、１２の冷媒入口に接続してあり、同出口に一端を接続した冷媒戻し管２７の他端を、第二の管路切替手段１７を介して前記レシーバ９に接続してある。

さらに、前記第一の管路切替手段１８に一端を接続した分岐管２８の他端を、外気熱交換器側膨張弁２０、２０を介して前記外気熱交換器１２、１２の入口に接続してあるとともに、前記第二の管路切替手段１７に一端を接続した分岐管２９の他端を、前記冷媒吸入管１６の途中における冷却用制御弁２３とアキュムレータ１０の間に接続してある。

そして前記第一の管路切換手段１８の具体的な構成例としては、図２（ａ）に示すように、２基の開閉弁１８ａ、１８ａを組み合わせ、これら開閉弁１８ａ、１８ａを互いに一方が開となると他方が閉となるように交互に開閉操作されるように構成する。

また、前記第二の管路切換手段１７は、図２（ｂ）に示すように、２基の開閉弁１７ａ、１７ａと、逆止弁１７ｂとを組み合わせ、２基の開閉弁１７ａ、１７ａを互いに一方が開、他方が閉となるように交互に開閉操作されるように構成する。

なお、上記第一および第二の管路切替手段１８、１７は上述のように開閉弁の組み合わせによって構成する場合もあるし、三方切替弁等の他の構成とする場合もある。

次に、上述のように構成した冷媒回路における、装置の運転状態と冷媒の流れとの関係について説明する。
＜冷却除湿運転時＞
被空調室内（被空調ゾーン）に対して冷却除湿運転（冷房運転）を行う場合には、前記第一の管路切替手段１８が前記レシーバ９からの冷媒が冷却器４側に送られ、前記外気熱交換器１２、１２への分岐管２８側が閉止されるように開閉制御される。
また、前記第二の管路切替手段１７が前記冷媒戻し管２７からの冷媒がレシーバ９に送られ、分岐管２９側が閉止されるように開閉制御される。
さらに、分岐管１５に設けた開閉弁２５が開成される。

しかして冷媒は、その流通経路が図３に太線および矢印で示されるように、圧縮機８から吐出された冷媒が冷媒送管１４によって加熱用制御弁２２を経て再熱器５に送られ、この再熱器５で被処理空気流路３内を通過する被処理空気との熱交換により凝縮し、その凝縮潜熱によって被処理空気を加熱し、次いで逆止弁２１を経てレシーバ９に液冷媒として貯留される。

また、前記冷媒送管１４から分岐管１５にも圧縮機８からの冷媒の一部が流入し、この分岐管１５に流入した冷媒は開閉弁２５、逆止弁２６を経て外気熱交換器１２、１２に送られ、同外気熱交換器内において外気流路１１を流通する外気との熱交換により凝縮し、前記冷媒戻し管２７により第二の管路切替手段１７を経て前記レシーバ９に液冷媒として貯留される。

上述のように、再熱器５と外気熱交換器１２、１２で凝縮し、レシーバ９に貯留された液冷媒は、第一の管路切替手段１８と冷却器側膨張弁１９、１９を経て冷却器４に送られ、被処理空気流路３を流通する被処理空気から蒸発潜熱を奪って気化するとともに被処理空気を冷却し、冷却器４から冷媒吸入管１６により冷却用制御弁２３とアキュムレータ１０を経て圧縮機に戻される。

この際、被処理空気流路を流通する被処理空気は、まず冷却器４において露点以下の温度まで冷却されて絶対湿度を低下させられ、次いで再熱器５にて所要の温度まで加熱されて送風機７によって被空調室へ供給される。

そして、冷却器４による冷却と、再熱器５による加熱はそれぞれ冷却用制御弁２３と加熱用制御弁２２の開度制御によってコントロールされ、これらの開度制御は還気導入口２ａに設けた温度調節器と湿度調節器（図示省略）および、外気導入口２ｄに設けた温度調節器からの制御信号により行われる。
また、必要に応じては加湿器６によって湿度の調節を行う場合もあり、この場合にもこれら温度調節器、湿度調節器からの信号により加湿器６における加湿量がコントロールされるように構成してある。

＜加熱運転時＞
被空調室内に対して加熱運転（暖房運転）を行う場合には、前記第一の管路切替手段１８が前記レシーバ９からの冷媒が外気熱交換器１２、１２側に送られ、前記冷却器４側が閉止されるように開閉制御される。
また、前記第二の管路切替手段１７が、前記冷媒戻し管２７からの冷媒が分岐管２９側へ送られ、レシーバ９側が閉止されるように開閉制御される。
さらに、分岐管１５に設けた開閉弁２５が閉止される。

しかして冷媒は、その流通経路が図４に太線および矢印で示されるように、圧縮機８から吐出された冷媒が冷媒送管１４によって加熱用制御弁２２を経て再熱器５に送られ、この再熱器５で被処理空気流路３内を通過する被処理空気との熱交換により凝縮し、その凝縮潜熱によって被処理空気を加熱し、次いで逆止弁２１を経てレシーバ９に液冷媒として貯留される。

すなわち、再熱器５への冷媒の流れは冷却除湿運転時と同じであり、したがって再熱器には、運転の状態に関わらず常に圧縮機８からの高温ガス冷媒が送られる。

前記再熱器５で凝縮し、レシーバ９に貯留された液冷媒は、第一の管路切替手段１８から分岐管２８に流入し、外気熱交換器側膨張弁２０、２０を経て外気熱交換器１２、１２に送られ、これら外気熱交換器にて外気流路１１を流通する外気の熱を奪って気化し、外気熱交換器１２、１２から冷媒戻し管２７により第二の管路切替手段１７、分岐管２９を経て冷媒吸入管１６に送られ、さらにアキュムレータ１０を経て圧縮機に戻される。

この際、被処理空気流路を流通する被処理空気は、冷却器４において熱交換されることなくそのまま流過させられて再熱器５に送られ、この再熱器５にて所要の温度まで加熱され、さらに必要に応じて加湿器６にて所要の湿度まで加湿され、送風機７によって被空調室へ供給される。

そして、再熱器５による加熱は加熱用制御弁２２の開度制御によってコントロールされ、この開度制御は還気導入口２ａに設けた温度調節器と湿度調節器（図示省略）および、外気導入口２ｄに設けた温度調節器からの制御信号により行われる。

また、加湿器６によって湿度の調節もこれら温度調節器、湿度調節器からの信号により加湿器６における加湿量がコントロールされるように構成してある。

図５は、上述のように構成した本発明の空気調和装置における空気の状態の一例を空気線図に示したもので、図５中の実線が、夏季の冷房（冷却除湿）運転時の状態を示していて、図５中の破線が、冬季における暖房（加熱）運転時の状態を示している。
また、図５中の給気点は、空気調和装置１の給気供給口２ｂ部位、また還気点は、空気調和装置１の還気導入口２ａ部位である。

本発明に係る空気調和装置を示す構成図。 管路切替手段の構成例を示す図。 冷房運転時における冷媒の流れを示す図。 暖房運転時における冷媒の流れを示す図。 冷房および暖房運転時の飽和空気線図。 右側の外気熱交換器のデフロスト運転時における冷媒の流れを示す図。 左側の外気熱交換器のデフロスト運転時における冷媒の流れを示す図。

符号の説明

１ 空気調和装置
２ ケーシング
２ａ 還気導入口
２ｂ 給気供給口
２ｃ 外気導入口
２ｄ 外気導入口
３ 被処理空気流路
４ 冷却器
５ 再熱器
６ 加湿器
７ 送風機
８ 圧縮機
９ レシーバ
１０ アキュムレータ
１１ 外気流路
１２ 外気熱交換器
１３ 排気ファン
１４ 冷媒送管
１５ 分岐管
１６ 冷媒吸入管
１７ 第二の管路切換手段
１７ａ 開閉弁
１７ｂ 逆止弁
１８ 第一の管路切換手段
１８ａ 開閉弁
１９ 冷却器側膨張弁
２０ 外気熱交換器側膨張弁
２１ 逆止弁
２２ 加熱用制御弁
２３ 冷却用制御弁
２４ エアフィルタ
２５ 開閉弁
２６ 逆止弁
２７ 冷媒戻し管
２８ 分岐管
２９ 分岐管

Claims (3)

1. 被処理空気流路の上流側に冷却器を、下流側に再熱器をそれぞれ備えるとともに、前記被処理空気流路とは独立する２つの外気流路に対応する２つの外気熱交換器を並列に備え、圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、前記再熱器、レシーバ、第一の管路切替手段、冷却器側膨張弁、前記冷却器をこの順に介して前記圧縮機の吸入側に接続され、また、前記冷媒管における圧縮機と再熱器との間から分岐する冷媒管の他端を、前記外気熱交換器、第二の管路切替手段をこの順に介して前記レシーバに接続し、前記第一の管路切替手段に一端を接続した冷媒管の他端を、外気熱交換器側膨張弁を介して前記外気熱交換器に接続し、また前記第二の管路切替手段に一端が接続される冷媒管の他端を、前記冷却器と圧縮機との間における冷媒管の途中に接続し、前記第一の管路切替手段は、冷却除湿運転時には前記レシーバと冷却器との間が開成されるとともに前記外気熱交換器側が閉止され、加熱運転時には前記レシーバと外気熱交換器との間が開成されるとともに前記冷却器側が閉止され、前記第二の管路切替手段は、冷却除湿運転時には前記外気熱交換器とレシーバとの間が開成されるとともに前記冷却器と圧縮機間の冷媒管側が閉止され、加熱運転時には前記外気熱交換器と、前記冷却器と圧縮機間の冷媒管との間が開成されるとともに前記レシーバ側が閉止されるように構成してなる空気調和装置であって、
   前記２つの外気熱交換器のうちの、一方の外気熱交換器を蒸発器として機能させつつ、他方の外気熱交換器を凝縮器として機能させるように運転することもできる空気調和装置。
2. 前記再熱器の冷媒入口側に加熱用制御弁を設けるとともに、前記冷却器の冷媒出口側に冷却用制御弁を設け、被処理空気の入口における温度、湿度に応じてこれら加熱用制御弁、冷却用制御弁の開度が調節されるように構成してなる請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記被処理空気流路に外気を混合できるように構成してなる請求項１に記載の空気調和装置。
   

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