JP5040981B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気を除湿又は加湿して調整する空気調和装置に関するものである。

従来、空気調和装置を構成する蒸発器や凝縮器の上流側又は下流側にデシカントロータを設け、蒸発器や凝縮器を通過する空気の温度や相対湿度を調整する技術が知られている。

例えば、加湿器の給水及び除湿機の排水を不要とし、かつ、加湿と除湿が切替可能な湿度調節装置を得ることを目的として、蒸発器の下流側にデシカントロータの吸着ゾーン、凝縮器の下流側に再生ゾーンを設けるとともに、圧縮機とこれら蒸発器及び凝縮器とからなる冷凍サイクルを構成した湿度調整装置がある（例えば特許文献１参照）。

また、冷媒を空気と熱交換させて冷凍サイクルを行う空気調和装置において、ドレン水の発生を抑制してその使い勝手を向上させることを目的として、蒸発器の上流側に吸着素子（デシカントロータ）を設けるとともに、蒸発器の蒸発温度が、その蒸発器を通過中の空気の露点温度よりも高く設定されるドレンレス空調システムが知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００７−３２７７１２号公報（［０００８］段落、図１） 特開２００５−１０６３５３号公報（［０００９］段落、図２）

上述したいずれの空気調和装置においても、蒸発器の蒸発温度を制御するには圧縮機の周波数を変更して行う必要がある。しかし、室内機と室外機（熱源機）を分離し、１つの室外機に対して複数の室内機を接続して同時運転するマルチ接続タイプの空気調和装置の場合には、他の室内機の冷房能力を維持するために圧縮機の周波数を自由に変更できず、蒸発温度の制御ができないため、蒸発温度が露点以下となって蒸発器に結露してドレン水が発生してしまうという課題があった。

また、マルチ接続タイプでない空気調和装置であっても、圧縮機の運転範囲の制約から、蒸発温度に上限が設けられる場合もあり、この場合、蒸発温度の上限よりも通過空気の露点温度が高くなってしまうと、やはり蒸発器に結露してドレン水が発生してしまうという課題があった。

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、蒸発温度を自由に調整できない冷凍サイクルや、圧縮機吸入圧力固定運転を行う冷凍サイクルに対しても、蒸発器の蒸発温度を通過空気の露点温度より高く保ち、蒸発器の結露を防ぐ空気調和装置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、２つの空気流路が通過するとともに水分の吸着及び再生を行う水分吸着再生手段であって、一方の前記空気流路が通過する領域と他方の前記空気流路が通過する領域とが入れ替わる水分吸着再生手段と、圧縮機と蒸発器とを含む冷媒回路であって、前記蒸発器は一方の前記空気流路において前記水分吸着再生手段よりも上流側に設けられている冷媒回路と、前記蒸発器の冷媒入口側に接続された入口膨張弁と、前記蒸発器の冷媒出口側に接続された出口膨張弁と、前記蒸発器に液冷媒を供給する液冷媒供給手段と、前記出口膨張弁の開度制御を行う制御部と、を備えたを備えたものである。

本発明によれば、蒸発温度を自由に調整できない冷凍サイクルや、圧縮機吸入圧力固定運転を行う冷凍サイクルに対しても、蒸発器の蒸発温度を通過空気の露点温度より高く保ち、蒸発器の結露を防ぐ空気調和装置を得ることができる。

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。 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換気調湿機の拡大図である。 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。 実施の形態１に係る冷媒の状態変化を示したｐｈ線図である。 実施の形態２に係る空気調和装置の膨張弁制御の流れを示すフローチャート図である。 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換気調湿機の拡大図である。 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換気調湿機の拡大図である。 実施の形態５に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における換気調湿機の拡大図である。 実施の形態６に係る空調システム全体の構成例の図である。

実施の形態１．
図１は、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。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される。空気調和装置は、室外機３００と室内機３０１と中継ユニット３０２と換気調湿機３０３とから構成されている。

中継ユニット３０２は、室外機３００と負荷側の機器である室内機３０１及び換気調湿機３０３との間に設けられている。室外機３００と中継ユニット３０２とは２本の配管で、換気調湿機３０３と中継ユニット３０２とは４本の配管で、それぞれ接続されている。また、室内機３０１と中継ユニット３０２とは２本の配管で接続されている。

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とから構成され、これら機器を配管で接続して冷媒回路が構成されている。四方弁２ａは、冷房除湿運転時においては、圧縮機１出口と室外熱交換器５ｅとが接続されるよう設定されており、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２ａ、室外熱交換器５ｅ、ブリッジ回路１５を経由して配管接続口Ｘｅから中継ユニット３０２に流れるよう冷媒回路が構成される。また、中継ユニット３０２から配管接続口Ｘｆを経て室外機３００に流入する冷媒は、ブリッジ回路１５、四方弁２ａ、アキュムレータ１４を経由して圧縮機１に至るよう冷媒回路が構成される。また、冷房除湿運転時には、室外熱交換器５ｅは凝縮器として動作する。

また、ブリッジ回路１５は４つの逆止弁から構成され、室外機３００と中継ユニット３０２とを接続する２本の配管内における冷媒流れを１方向のみに規制している。すなわち、ブリッジ回路１５は、配管接続口Ｘｆに繋がる配管では低圧冷媒が常に室外機３００へ流れる方向、配管接続口Ｘｅに繋がる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よう構成されている。また、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。

なお、本実施の形態では、圧縮機１などの部品を室外機３００内に収める構成としているが、換気調湿機３０３の筐体内に全てを収める構成としてもよい。

室内機３０１は、室内熱交換器５ｆと膨張弁１１ｈ、送風機（図示せず）とから構成される。図１の例では室内機３０１は１台のみ接続されているが、中継ユニット３０２に対して複数並列接続してもよい。また、図１では電磁弁、逆止弁からなる公知の配管接続切替機構を省略しているが、図１の回路で、室内機３０１からＸｄに接続されている配管をＸｃに、室内機３０１からＸａに接続されている配管をＸｂに、それぞれ変更すると、暖房運転が可能となる。このように室内機３０１を並列に複数接続し、それぞれの用途に合わせて接続を切替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、冷房運転の室内機３０１と暖房運転の室内機３０１とが混在できる構成となっている。

中継ユニット３０２の構成について説明する。

室外機３００からの配管が接続される配管接続口Ｘｅと気液分離器１３とが配管で接続されている。気液分離器１３の気相部（上部）は、配管接続口Ｘｃを経由して加熱熱源を要する負荷側へ接続されている。加熱熱源を要する負荷側機器（凝縮器として動作する熱交換器を有する機器）からの戻り配管は、配管接続口Ｘｂに接続され、さらに膨張弁１１ａと冷媒熱交換器１２ｂとの中間部に接続されている。

一方、気液分離器１３の液相部（下部）は、冷媒熱交換器１２ａ（１次側）、膨張弁１１ａを経て冷媒熱交換器１２ｂ（１次側）に接続される。冷媒熱交換器１２ｂの出口は２分岐しており、一方は配管接続口Ｘａを経由して冷却熱源を要する負荷側へと接続される。他方は膨張弁１１ｂを経て、冷媒熱交換器１２ｂ、冷媒熱交換器１２ａを経て、さらに配管接続口Ｘｆから室外機３００へ戻る配管へと繋がる。冷却熱源を要する負荷側機器（蒸発器として動作する熱交換器を有する機器）からの戻り配管は、配管接続口Ｘｄに接続され、さらに配管接続口Ｘｆを経由して室外機３００へ戻る配管へ接続される。

なお、冷暖切替回路１６は、電磁弁や逆止弁から構成される公知の回路であり、負荷側の冷暖要求に応じて、負荷側へ繋がる配管の接続関係を切替えて、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。すなわち、配管接続口Ｘａに接続されていた配管を配管接続口Ｘｂに接続するとともに、配管接続口Ｘｂに接続されていた配管を配管接続口Ｘａに接続する。同時に、配管接続口Ｘｃと配管接続口Ｘｄにおいても同様の切替を行う。このような切替後の接続形態は、後述する図３に図示している。

換気調湿機３０３の構成について説明する。
図２は、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換気調湿機３０３の拡大図である。図１に示した換気調湿機３０３を拡大するとともに、センサ類を追記した図である。

まず、冷媒回路について説明する。気液分離器１３で分離された液冷媒が供給される配管接続口Ｘａからは、膨張弁１１ｇ、第２の熱交換器５ｂ、膨張弁１１ｃが順次接続されて配管接続口Ｘｄに至る冷媒回路が形成されている。冷房除湿運転時には、第２の熱交換器５ｂが蒸発器として動作しており、第２の熱交換器５ｂの入口側に接続された膨張弁１１ｇが入口膨張弁、出口側に接続された膨張弁１１ｃが出口膨張弁として動作する。また、本実施の形態ではマルチ接続タイプを前提としており、気液分離器１３が液冷媒供給手段として動作しているが、例えば通常の冷凍サイクルであれば、凝縮器で凝縮された液冷媒を入口膨張弁に供給するような構成としても良い。

また、気液分離器１３で分離された気体冷媒が供給される媒配管接続口Ｘｃからは、膨張弁１１ｄ、第１の熱交換器５ａ、膨張弁１１ｅ、が順次接続されて配管接続口Ｘｂに至る冷媒回路が形成されている。冷房除湿運転時には、第１の熱交換器５ａは凝縮器として動作する。

第１の熱交換器５ａの入口側（膨張弁１１ｄと接続される側）に入口側配管温度を検出する温度センサ３１ｆ、出口側（膨張弁１１ｅと接続される側）に出口側配管温度を検出する温度センサ３１ｅが設けられている。また、第２の熱交換器５ｂの入口側（膨張弁１１ｇと接続される側）に入口側配管温度を検出する温度センサ３１ａ、出口側（膨張弁１１ｃと接続される側）に出口側配管温度を検出する温度センサ３１ｂが設けられている。

次に空気流路について説明する。空気流路として、外気導入経路Ａと排気放出経路Ｂの２つが形成されている。外気導入経路Ａには、水分吸着再生手段２０の上流側に、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂが設けられている。水分吸着再生手段２０のうち、外気導入経路Ａが通過する領域は、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂを通過した空気によって水分の吸着が行われ、外気ＯＡは、除湿された給気ＳＡとして室内へ給気される。一方、排気放出経路Ｂには、水分吸着再生手段２０の上流側に、凝縮器として動作する第１の熱交換器５ａが設けられている。水分吸着再生手段２０のうち、排気放出経路Ｂが通過する領域は、凝縮器として動作する第１の熱交換器５ａを通過した空気によって水分の再生が行われ、室内空気ＲＡは、加湿された排気ＥＡとして室外へ排気される。

すなわち、水分吸着再生手段２０のうち、外気導入経路Ａが通過する領域は吸着領域、排気放出経路Ｂが通過する領域は再生領域となっている。なお、図２では、外気導入経路Ａと排気放出経路Ｂとは、水分吸着再生手段２０において、水分の吸着及び再生の効率を高めるために、互いに逆向きに通過するよう構成されているが、同じ向きに通過するよう構成しても良い。

水分吸着再生手段２０は、通気性を有するとともに水分の吸着と再生が可能な部材であって、例えばデシカントロータを使用することができる。デシカントロータは、通気性を有するハニカム構造やコルゲート構造をしているとともに、空気が通過する面には吸着材が担持されており、水分の吸着と再生とを繰り返すことが可能である。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、有機系吸着剤などを用い、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ことができる。

図１及び図２では、円柱形状をした水分吸着再生手段２０を側面から見た様子を示しており、円柱の底面及び上面を空気流路が通過するように配置している。これは図３以降でも同様である。空気流路が水分吸着再生手段２０を通過する領域のうち外気導入経路Ａが通過する吸着領域は、図示しないモータ等の領域入替手段によって、円柱底面の中心である回転軸２１を中心に水分吸着再生手段２０が回転して、排気放出経路Ｂが通過する再生領域と入れ替わる。逆も同様である。なお、同様な役割を果たす機構が備えられていれば、この形式に限定するものではない。例えば、水分吸着再生手段２０ではなく空気流路の方をダンパー等により切替える構成でもよい。

外気導入経路Ａの吸込み側には、外気ＯＡの露点温度を検出する露点温度センサ３０ｂが設けられており、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂを通過する空気の露点温度を検出することができる。排気放出経路Ｂの吸込み側には、室内空気ＲＡの露点を検出する露点温度センサ３０ａが設けられている。露点温度センサ３０ａ、３０ｂに替えて温湿度センサを用い、この温湿度センサで検出される温度及び湿度から露点温度を求めることも可能である。これは、他の実施の形態でも同様である。

上述した温度センサ３１ａ〜ｆ及び露点温度センサ３０ａ〜ｂは、換気調湿機３０３を制御する制御部（図示せず）に接続されている。制御部ではこれらの温度情報及び露点温度情報を取得し、膨張弁１１ｃ〜ｇの開度制御、及び外気導入経路Ａ及び排気放出経路Ｂに設けられた各送風ファン（図示せず）の回転数制御を行うことが可能なように構成されている。

また、上記で説明した各熱交換器の近傍には、図示しない送風機が設けられており、熱交換器と空気との熱交換を促進している。この送風機の風量は、制御部により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、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にＤＣモータを用いて回転数を制御したり、ＡＣモータであれば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たりすることにより実現が可能となる。

なお、室外機３００、中継ユニット３０２にもそれぞれ制御部（図示せず）が設けられており、圧縮機、膨張弁、送風機などの制御を行っている。これらの制御部間は通信線で接続されており、運転情報、制御目標値などの情報を送受信することにより連携制御が可能となる。また、必ずしも各ユニットに制御部が設けられている必要はなく、いずれかのユニットに制御部を設け、他のユニットの情報取得や機器操作を行うように構成しても良い。

図３は、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。このモードは主に負荷側暖房運転比率が多い場合に選択される。図１との差異について説明する。

暖房加湿運転時の室外機３００では、四方弁２ａは、圧縮機１の入口と室外熱交換器５ｅとを繋ぐ暖房側設定になっている。圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２ａ、ブリッジ回路１５を経由して配管接続口Ｘｅから中継ユニット３０２に流れるよう冷媒回路が構成される。また、中継ユニット３０２から配管接続口Ｘｆを経て室外機３００に流入する冷媒は、ブリッジ回路１５、室外熱交換器５ｅ、四方弁２ａ、アキュムレータ１４を経由して圧縮機１に至るよう冷媒回路が構成される。また、暖房加湿運転時には、室外熱交換器５ｅは蒸発器として動作する。

図３の中継ユニット３０２では、冷暖切替回路１６により、負荷側へ繋がる冷媒回路の切替が行われている。すなわち、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、Ｘａから中継ユニット３０２へ戻る冷媒回路が構成されている。また、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、Ｘｃから中継ユニット３０２へ戻る冷媒回路が構成されている。これにより、図３の室内機３０１では、室内熱交換器５ｆが凝縮器として動作する。

また、図３の換気調湿機３０３では、冷媒の流れる方向及び流れる冷媒の相（気相・液相）が図１とは逆になっている。従って、熱交換器の動作も逆になる。すなわち、第１の熱交換器５ａは蒸発器として動作し、第２の熱交換器５ｂは凝縮器として動作する。従って、膨張弁１１ｅが入口膨張弁、膨張弁１１ｄが出口膨張弁、気液分離器１３が液冷媒供給手段として動作する。また、これにより、水分吸着再生手段２０における水分の吸着再生動作も逆になる。すなわち、外気導入経路Ａが通過する領域は再生領域、排気放出経路Ｂが通過する領域は吸着領域となる。

次に動作について説明する。まず図１に基づき冷房除湿モード運転動作について説明する。

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で制御される。その後、高温液冷媒は、配管接続口Ｘｂを経て中継ユニット３０２へ戻る。

また、気液分離器１３にて気液分離された液冷媒は冷媒熱交換器１２ａ，１２ｂで過冷却された後、換気調湿機３０３に入る。その後液冷媒は、膨張弁１１ｇ、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂ、膨張弁１１ｃを通り、配管接続口Ｘｄから中継ユニット３０２に戻る。

また、室内機３０１では、冷房（蒸発器）動作する場合には、図１に示すように、配管接続口Ｘａ、室内熱交換器５ｆ、配管接続口Ｘｄが接続されて熱交換を行う。また、図１では示していないが、暖房（凝縮器）動作させる場合には配管接続口Ｘｃ、室内熱交換器５ｆ、配管接続口Ｘｂを接続して熱交換を行うことも可能である。

続いて、図２に基づき空気流路の動作について説明する。

外気導入経路Ａでは、外気ＯＡが、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂへ送り込まれる。外気ＯＡは第２の熱交換器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、水分吸着再生手段２０に担持された吸着材は水分を吸着しやすくなる。そして、冷却された導入空気が水分吸着再生手段２０に流入し、吸着領域にて水分が吸着され、除湿された給気ＳＡとなって、室内へ供給される。

一方、排気放出経路Ｂでは、室内空気ＲＡが、凝縮器として動作する第１の熱交換器５ａに送り込まれる。室内空気ＲＡは第１の熱交換器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、水分吸着再生手段２０に担持された吸着材は水分を再生しやすくなる。そして、加熱された導入空気が水分吸着再生手段２０に流入し、再生領域にて水分が再生され、加湿された排気ＥＡとなって、室外へ排出される。

ここで、水分吸着再生手段２０の水分交換の駆動力は相対湿度差であり、一般的に水分吸着再生手段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。空気の相対湿度は、絶対湿度が同一の条件下では、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ので、水分吸着再生手段２０へ流入する空気のうち、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。

つまり、排気放出経路Ｂにおいて水分吸着再生手段２０の上流側に位置し、凝縮器として動作する第１の熱交換器５ａと、外気導入経路Ａにおいて水分吸着再生手段２０の上流側に位置し、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂとにより、この相対湿度差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。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。

なお、上述したとおり、水分吸着再生手段２０は回転軸２１を中心に回転する。従って、水分吸着再生手段２０のうち外気導入経路Ａが通過することにより水分が吸着された領域は、水分吸着再生手段２０が回転することにより、排気放出経路Ｂが通過するようになって水分が再生される。また、逆に、水分吸着再生手段２０のうち排気放出経路Ｂが通過することにより水分が再生された領域は、水分吸着再生手段２０が回転することにより、外気導入経路Ａが通過するようになって水分が吸着される

以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着再生手段２０において再生（室内空気ＲＡ→排気ＥＡ側風路）、吸着（外気ＯＡ→給気ＳＡ側風路）が行われ、給気ＳＡ側へは除湿空気が供給される。

次に、図１により、蒸発器における結露防止制御について説明する。

中継ユニット３０２を介して複数の室内機３０１が繋がる室外機３００では、室内機３０１の空調能力を確保するために、凝縮温度（圧縮機高圧圧力）と蒸発温度（圧縮機低圧圧力）を一定にする制御を行っている。このため、換気調湿機３０３内の蒸発器（冷房除湿運転の場合は第２の熱交換器５ｂ）は膨張弁１１ｃがなければ、ほぼ圧縮機の低圧圧力と同じ蒸発圧力となってしまい、蒸発温度を自由に設定することはできない。また、圧縮機の運転範囲に制約がある場合にも蒸発温度の上限が決まってしまう。そこで本発明では蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂの冷媒出口側に膨張弁１１ｃを設け、制御部により膨張弁１１ｃの開度制御をすることで、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂにおける蒸発温度を露点温度以上に保つことを可能としている。

まず、第２の熱交換器５ｂは膨張弁１１ｇにより、蒸発器出口スーパーヒート目標制御がなされている。ここで、蒸発器出口スーパーヒートは「蒸発器の出口温度−入口温度」で表され、例えば第２の熱交換器５ｂの場合では、「温度センサ３１ｂの温度−温度センサ３１ａの温度」であり、制御目標値は例えば５℃などである。

そして、図４は、実施の形態１に係る冷媒の状態変化を示したｐｈ線図であって、第２の熱交換器５ｂの蒸発温度を、膨張弁１１ｃの開度により制御する様子を示したものである。ＬＥＶ＿ｅは蒸発器入口側の膨張弁（膨張弁１１ｇ）、ＬＥＶ＿ｒは蒸発器出口側の膨張弁（膨張弁１１ｃ）を表す。なお、前述したように、複数の室内機３０１が繋がる室外機３００では、室内機３０１の空調能力を確保するために、凝縮温度（圧縮機高圧圧力Ｐｈ）と蒸発温度（圧縮機低圧圧力ＰＬ）を一定にしている。

このとき、ＬＥＶ＿ｒを絞ると図中のＰｍ−ＰＬの差圧が大きくなり、蒸発圧力Ｐｍは上昇する（蒸発温度が上昇する）。逆にＬＥＶ＿ｒを開くと蒸発圧力Ｐｍは低圧（圧縮機吸入圧力）ＰＬに近づく。このようにして、制御部により、蒸発器出口側の膨張弁（膨張弁１１ｃ）を調整することで、蒸発温度を調整することが可能となる。この蒸発温度を、蒸発器を流れる空気の露点温度以上に制御することで蒸発器での結露を防止し、ドレン発生を防ぐ（ドレンレス）ことが可能となる。なお、蒸発器を流れる空気の露点温度は、露点温度センサ３０ｂにより検出することができる。

なお、膨張弁１１ｃの制御は、蒸発温度が急低下した場合に、制御部が膨張弁開度を絞るように制御することもできる。これにより、蒸発温度が瞬時に上昇するので、結露を防止することができる。これは、例えば、温度センサ３１ａ又は３１ｂの温度変化が一定時間内に所定温度以上変化したときに、膨張弁開度を絞るという制御により実現可能である。蒸発温度急変化時の保護制御を加えることで、より確実に熱交換器の結露によるドレン発生を防止することができる。

なお、上述した説明では、外気導入経路Ａと排気放出経路Ｂについては、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。

次に、図３に基づき、暖房加湿モードの運転動作について説明する。

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。

また、気液分離器１３にて気液分離された液冷媒は冷媒熱交換器１２ａ，１２ｂで過冷却された後、換気調湿機３０３に入る。その後液冷媒は、膨張弁１１ｅ、蒸発器として動作する第１の熱交換器５ａ、膨張弁１１ｄを通り、配管接続口Ｘｃから中継ユニット３０２に戻る。

また、室内機３０１では、暖房（凝縮器）動作する場合には、図３に示すように、配管接続口Ｘｄ、室内熱交換器５ｆ、配管接続口Ｘａが接続されて熱交換を行う。また、図３では示していないが、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が接続されて熱交換を行うことも可能である。

続いて、図３に基づき空気流路の動作について説明する。

外気導入経路Ａでは、外気ＯＡが、凝縮器として動作する第２の熱交換器５ｂに送り込まれる。外気ＯＡは第２の熱交換器５ｂと熱交換して加熱される。加熱された外気ＯＡが水分吸着再生手段２０を通過するので、水分が再生され加湿された空気が室内へ給気ＳＡとして供給される。一方、排気放出経路Ｂでは、室内空気ＲＡが、蒸発器として動作する第１の熱交換器５ａに送り込まれる。室内空気ＲＡは第１の熱交換器と熱交換して冷却される。冷却された室内空気ＲＡが水分吸着再生手段２０を通過するので、水分が吸着され除湿された空気が室外へ排気ＥＡとして排出される。

以上のように冷凍サイクルを動作させることにより、水分吸着再生手段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、蒸発器における結露防止制御については、冷房除湿運転時（図１）の蒸発器（第２の熱交換器５ｂ）の場合と同様である。水分吸着再生手段２０が回転することも図１と同様である。

実施の形態１によれば、蒸発器の冷媒出口側に膨張弁を設け、制御部がこの膨張弁を制御することにより、蒸発温度を制御することができるので、蒸発温度を自由に調整できない冷凍サイクルや、圧縮機吸入圧力固定運転を行う冷凍サイクルに対しても、空気調和装置の蒸発温度を通過空気の露点温度以上に保ち、蒸発器の結露を防ぐことができるという効果がある。

また、制御部が蒸発温度の急低下時に膨張弁開度を絞る制御を行うことで、蒸発温度急変化時の保護制御が可能となり、より確実に結露によるドレン発生を防止することができる効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、温度センサや露点温度センサの測定値に基づき、制御を行っていたが、蒸発器出口側に設けられる膨張弁の制御は、蒸発器が蒸発温度以下となることを避けるために極力早期に収束させる必要がある。このため、上記制御に加え、膨張弁の開度制御を膨張弁特性式から予測するフィードフォワード制御にて行うことも可能である。

図５は実施の形態２に係る空気調和装置の膨張弁制御の流れを示すフローチャート図であって、フィードフォワード制御の計算の流れを表したものである。

図４に示される記号を用いて、蒸発器スーパーヒート制御用の入口膨張弁ＬＥＶ＿ｅ（図２の例では膨張弁１１ｇ）を流れる液冷媒流量Ｇｒ＿ｅは以下の式（１）から求めることができる。また、ガス冷媒が流れる出口膨張弁ＬＥＶ＿ｒ（図２の例では膨張弁１１ｃ）のガス冷媒流量Ｇｒ＿ｒは以下の式（２）から算出することができる。ここで、膨張弁のＣｖ値とは弁の流量係数を表し、式（１）及び式（２）に基づき予め流量とＣｖ値の相関式を作成しておけば、圧力などの運転状態から流量を算出することができる。また、Ｃｖ値を膨張弁開度の相関式とすることにより、膨張弁開度からＣｖ値、またその逆の関係を求めることができる。このような膨張弁特性式である式（１）及び式（２）を用いて出口膨張弁の開度を求める。

Ｇｒ＿ｅ ＝ Ａ・Ｃｖ＿ｅ・（ρＬ（Ｐ１−Ｐ２））＾０．５ ・・・（１）
Ｇｒ＿ｒ ＝ Ｂ・Ｃｖ＿ｒ・（ρｇ・Ｐ２（Ｐ１−Ｐ２）÷（２７３＋ｔ））＾０．５ ・・・（２）
ここで、
Ａ、Ｂ:定数、Ｃｖ＿ｅ：ＬＥＶ＿ｅのＣｖ値、Ｃｖ＿ｒ：ＬＥＶ＿ｒのＣｖ値、
ρＬ：液密度、ρｇ：ガス密度、Ｐ１：１次圧力（高圧側）、
Ｐ２：２次圧力（低圧側）、ｔ：流体温度

図５において、式（１）からＬＥＶ＿ｅを流れる冷媒流量Ｇｒ＿ｅを算出する（ＳＴ１）。式（１）を計算するために必要な変数は、入口膨張弁の入口の冷媒圧力であるＰ１及び蒸発器の蒸発圧力であるＰ２である。Ｐ１は例えば、室外機３００の圧縮機１の高圧側配管に圧力センサを設けて検出してもよいし、入口膨張弁の入口に圧力センサを設けて検出しても良い。Ｐ２は例えば、蒸発器に圧力センサを設けて検出しても良いし、温度センサ３１ａから取得した温度を飽和圧力に換算することにより検出しても良い。

次に、Ｇｒ＿ｒ＝Ｇｒ＿ｅであることから（ＳＴ２）、式（２）を用いてＬＥＶ＿ｒのＣｖ値Ｃｖ＿ｒを求める（ＳＴ３）。このとき、式（２）のＰ１は、目標とする空気露点温度（プラス側に数℃余裕をみてもよい）に相当する冷媒飽和圧力に設定する。Ｐ２は、出口膨張弁の出口の冷媒圧力であり、例えば、室外機３００の圧縮機１の吸入配管などに圧力センサを設けて検出しても良いし、出口膨張弁の出口に圧力センサを設けて検出しても良い。

次に、得られたＣｖ＿ｒに対応する膨張弁開度を求める（ＳＴ４）。これは、上述したように事前に求めた相関式から得ることができる。これらのステップにより、蒸発器の蒸発温度を目標とするＰｍにするためのＬＥＶ＿ｒの開度が予測できる。これにより、ＬＥＶ＿ｅが現在の開度から移動した場合でも素早くＬＥＶ＿ｒを適正開度に調整することが可能となり、蒸発温度を露点以上に保つことが可能となる。

なお、上記一連の処理は、制御部に制御プログラムを実装することにより実行可能となる。冷媒飽和温度や空気露点温度などの物性については近似式を制御部に実装してもよいし、物性データをテーブル化してメモリに記憶しておいてもよい。また、上述したセンサは制御部に接続され、制御部ではそれぞれの検出値を取得できるよう構成されている。

以上、膨張弁ＬＥＶ＿ｒの開度を速やかに収束させるためのフィードフォワード制御量演算方法について説明した。ＬＥＶ＿ｒの開度制御においては上記フィードフォワード制御に加え、現在の蒸発圧力と目標値（空気露点温度相当の冷媒飽和圧力）との差分に基づいたフィードバック制御と組み合わせることにより、早期収束性（フィードフォワード）と目標値に正確に合わせるための微調整（フィードバック）の両立が可能となる。

実施の形態２によれば、膨張弁特性式から予測するフィードフォワード制御により蒸発器の出口の膨張弁を制御することにより、蒸発温度予測の収束を早く正確にすることができ、熱交換器の結露によるドレン発生を確実に防止することができる効果がある。

実施の形態３．
水分吸着再生手段２０の下流側に蒸発器を設けるように構成することもできる。
図６は、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換気調湿機の拡大図である。

図６に示すように、外気導入経路Ａの水分吸着再生手段２０下流側に第３の熱交換器５ｃが設けられている。また、第３の熱交換器５ｃは、冷媒回路において、第２の熱交換器５ｂと並列に接続されている。すなわち、配管接続口Ｘａから接続されている配管は膨張弁１１ｇの入口側で２つに分岐し、一方は、膨張弁１１ｇ、第２の熱交換器５ｂを経由し、他方は、膨張弁１１ｆ、第３の熱交換器５ｃ、を経由して、膨張弁１１ｃの入口側にて合流して配管接続口Ｘｄに至るように構成されている。

また、第３の熱交換器５ｃの入口側（膨張弁１１ｆと接続される側）に入口側配管温度を検出する温度センサ３１ｃ、出口側（膨張弁１１ｃと接続される側）に出口側配管温度を検出する温度センサ３１ｄが設けられている。

冷房除湿時には、配管接続口Ｘａから液冷媒が換気調湿機３０３に入り、配管接続口Ｘｄから中継ユニット３０２に戻る。このとき、第３の熱交換器５ｃは蒸発器として動作し、上述したように、制御部が膨張弁１１ｃを制御することにより、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。

この第３の熱交換器５ｃにより、給気ＳＡの温度調整を行うことができるとともに、水分吸着再生手段２０通過後の排熱を回収することができ、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、図６では、蒸発器が２つ存在することになるが、いずれの蒸発器も蒸発温度はほぼ同じであり、ｐｈ線図上の動作は上記説明とほぼ同様である。図６では、第２の熱交換器５ｂを通過する吸着前の空気の方が、第３の熱交換器５ｃを通過する空気より露点温度が高い（絶対湿度が高い）。このため、蒸発器の結露防止制御は第２の熱交換器５ｂを通過する空気の露点を目標として制御すればよい。

一方、暖房加湿時には、配管接続口Ｘｄから気体冷媒が換気調湿機３０３に入り、配管接続口Ｘａから中継ユニット３０２に戻る。暖房加湿時には、第３の熱交換器５ｃは凝縮器として動作するが、これにより、給気ＳＡをさらに暖めて暖房効果を高めることが可能である。また、水分吸着再生手段２０通過後の排熱を回収することも可能である。また、膨張弁１１ｆを閉止して、第３の熱交換器５ｃの運転を停止しても良い。

なお、図６では熱交換器５ｂ、５ｃの出口側を合流させて膨張弁１１ｃに接続しているが、熱交換器５ｂと、５ｃの出口側にそれぞれ膨張弁を設け、制御部により個別制御する回路構成としてもよい。この回路構成によれば蒸発器の蒸発温度を個別に制御でき、この回路構成でも蒸発器の結露を防止することが可能である。

なお、本実施の形態では、第３の熱交換器５ｃのみを設けた場合で説明したが、排気放出経路Ｂ上の水分吸着再生手段２０を通過した後に熱交換器を設けてもよい。水分吸着再生手段２０通過後の排熱の回収を行うことが可能となる。

実施の形態３によれば、空気流路において水分吸着再生手段２０の下流側に熱交換器を設けることにより、給気の温度調整ができるとともに、水分吸着再生手段２０通過後の排熱を回収することができるので、ヒートポンプの運転効率を高めることができるという効果がある。

また、熱交換器の出口側にそれぞれ膨張弁を設ければ、蒸発器の蒸発温度を個別に制御できるようになる効果がある。

実施の形態４．
空気流路において、全熱交換器を設け、全熱交換器を通過した空気に対して、上述した処理を行うように構成することもできる。
図７は、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換気調湿機の拡大図である。

図７に示すように、外気ＯＡ及び室内空気ＲＡの吸込み側に、全熱交換器１０が設けられている。外気導入経路Ａは、全熱交換器１０、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂ、水分吸着再生手段２０、第３の熱交換器５ｃを順次通過するよう構成されており、外気ＯＡは給気ＳＡとして室内へ給気される。一方、排気放出経路Ｂは、全熱交換器１０、第１の熱交換器５ａ、水分吸着再生手段２０を順次通過するよう構成されており、室内空気ＲＡは排気ＥＡとして室外へ排気される。また、室内空気ＲＡと外気ＯＡとは、全熱交換器１０で熱交換を行う。

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７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。

すなわち、冷房動作時には、全熱交換器１０により外気ＯＡは除湿され、室内空気ＲＡは加湿されるよう機能する。つまり、外気ＯＡは、蒸発器として動作する第２の熱交換器５ｂの手前で除湿されることになる。一方、暖房加湿動作時には、全熱交換器１０により外気ＯＡは加湿され、室内空気ＲＡは除湿されるよう機能する。つまり、室内空気ＲＡは、蒸発器として動作する第１の熱交換器５ａの手前で除湿されることになる。

いずれの動作においても、蒸発器の手前で除湿されるので、蒸発器における結露が発生しにくくなる。

なお、全熱交換器１０を通過した空気は、熱交換されるので露点温度センサ３０ａ、３０ｂの示す値とはことなる。このため、これらの露点温度センサを制御部に接続し、それぞれのセンサが検出した値と、全熱交換器１０の交換効率から全熱交換機出口、すなわち蒸発器入口における空気の露点温度を算出する。全熱交換器１０の交換効率は、制御部に予め記憶しておく。交換効率はＯＡ、ＲＡ、風量などの関数として記憶してもいい。上記方法により、露点温度センサを蒸発器の手前に追加しなくてもＯＡ、ＲＡ測定用の露点温度センサのみで蒸発器を流れる空気の露点温度を知ることができる。

実施の形態４によれば、蒸発器の手前で除湿が行われるので、蒸発器における結露が発生しにくくなるという効果がある。

また、全熱交換器の上流側に設けた露点温度センサの計測値と、全熱交換器の交換効率とから、全熱交換器出口の空気の露点温度を算出することにより、蒸発器入口に露点温度センサを設けなくてもよく、センサの数を少なくすることができるためコスト抑制が可能になるという効果がある。

実施の形態５．
膨張弁の故障など、万が一、何らかの原因でドレンが発生してしまった場合には、すばやくドレン水を蒸発させる必要がある。
図８は、実施の形態５に係る空気調和装置の冷房除湿運転時における換気調湿機の拡大図である。

図８において蒸発器である熱交換器５ｂ、５ｃの近傍にドレン検出手段２２ｂ、２２ｃを設ける。図８では、模式的に示しているが、ドレン検出手段とは、例えば、蒸発器の下方にドレンパンを設置して、これに水位センサを設けたもので、これにより、何らかの不具合によりドレン水が発生したことを検知することが可能となる。水位センサの出力は制御部に接続されており、水発生（ドレンパンに水あり）の出力を検知した場合に、保護制御を行うことが可能となる。

制御部による保護制御の方法としては、たとえば、圧縮機の周波数を下げて蒸発圧力を上昇（蒸発温度を上昇）させる、圧縮機を停止させて送風運転のみとしドレン水を蒸発させる、送風状態で圧縮機の発停を繰り返しドレン水発生と蒸発を繰り返すことによりドレン水の過剰生成を防止する、などの制御が可能である。また、外部に信号を出力する出力手段（例えば、ＬＥＤなどの出力、リモコンへの異常表示、遠隔監視センターへの通知）を設ければ、ドレン検出時に、制御手段がこの出力手段により、異常発生を外部へ発報することで、早急に修理することができ、水漏れなどの被害を最小限に抑えることが可能となる。

実施の形態５によれば、ドレン水の発生を検知する手段を設けることで、膨張弁の故障など不測の事態が発生した場合でも水漏れなどの被害を最小限に抑えることが可能となる効果がある。さらに出力手段を設ければ、ドレン発生時の対応が素早くできるという効果がある。

実施の形態６．
図９は、実施の形態６に係る空調システム全体の構成例を示す図であり、本実施の形態１の換気調湿機３０３と、顕熱処理装置２００とを組み合わせて空調対象室に適用した空調システムの例を示している。

本システム構成では、換気調湿機３０３を外気処理空気調和装置として利用して、外気を空調対象室内へ導入する際の湿度調整を主に行っている。これとは別に顕熱処理用の顕熱処理装置２００を併設する。顕熱処理装置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。

つまり、このような外気処理用の換気調湿機３０３と顕熱処理用の顕熱処理装置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。なお、図９の顕熱処理装置２００は、例えば図１、３に示す換気調湿機３０３と同一の室外機３００に繋がる室内機３０１で上記機能を果たしてもよいし、換気調湿機３０３（とこれに繋がる室外機３００）とは別置とするシステム構成でもよい。

上述したように、実施の形態６によれば、顕熱処理装置２００が設置されている空調対象室に、外気処理用として換気調湿機３０３を適用することにより、空調システム全体の効率を高める効果がある。

１ 圧縮機
２ａ 四方弁
５ａ 第１の熱交換器
５ｂ 第２の熱交換器
５ｃ 第３の熱交換器
５ｅ 室外熱交換器
５ｆ 室内熱交換器
１０ 全熱交換器
１１ａ〜ｈ 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
２０ 水分吸着再生手段
２１ 回転軸
２２ｂ、２２ｃ ドレン検出手段
３０ａ，ｂ 露点温度センサ
３１ａ〜ｆ 温度センサ
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 給気
ＥＡ 排気
Ｘａ〜Ｘｆ 配管接続口

Claims (9)

1. ２つの空気流路が通過するとともに水分の吸着及び再生を行う水分吸着再生手段であって、一方の前記空気流路が通過する領域と他方の前記空気流路が通過する領域とが入れ替わる水分吸着再生手段と、
   圧縮機と蒸発器とを含む冷媒回路であって、前記蒸発器は一方の前記空気流路において前記水分吸着再生手段よりも上流側に設けられている冷媒回路と、
   前記蒸発器の冷媒入口側に接続された入口膨張弁と、
   前記蒸発器の冷媒出口側に接続された出口膨張弁と、
   前記蒸発器に液冷媒を供給する液冷媒供給手段と、
   前記蒸発器を通過する空気の露点温度を検出する蒸発器露点温度検出手段と、
   前記蒸発器の蒸発温度を検出する温度センサーと、
   前記入口膨張弁の入口の冷媒圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、
   前記出口膨張弁の出口の冷媒圧力を検出する低圧側圧力検出手段と、
   前記蒸発器の蒸発圧力を検出する蒸発圧力検出手段と、
   前記出口膨張弁の開度制御を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記蒸発器露点温度検出手段で検出した露点温度よりも前記蒸発器の蒸発温度が高くなるように前記出口膨張弁の開度制御を行い、前記温度センサーで検出した蒸発温度の一定時間内の温度変化に基づき、前記出口膨張弁の開度制御を行うとともに、
   前記制御部は、前記入口膨張弁の入口の冷媒圧力と、前記出口膨張弁の出口の冷媒圧力と、前記蒸発器の蒸発圧力と、前記入口膨張弁及び前記出口膨張弁についての膨張弁特性式とに基づき、前記出口膨張弁の開度制御をする空気調和装置。
2. 前記膨張弁特性式は、膨張弁の一次圧力、二次圧力及び膨張弁開度と冷媒流量との関係を表す式である請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記蒸発器が設けられた前記空気流路において、前記水分吸着再生手段よりも下流側に設けられた下流側蒸発器を備え、
   前記下流側蒸発器は、前記入口側膨張弁の入口側及び前記出口側膨張弁の入口側との間に、前記蒸発器と並列に接続されているとともに、前記下流側蒸発器の入口側に膨張弁を設けた、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記蒸発器が設けられた前記空気流路において、前記水分吸着再生手段よりも下流側に設けられた下流側蒸発器を備え、
   前記下流側蒸発器は、前記入口側膨張弁の入口側及び前記出口側膨張弁の出口側との間に、前記蒸発器と並列に接続されているとともに、前記下流側蒸発器の入口側及び出口側に膨張弁が設けられ、
   前記制御部は、前記下流側蒸発器の出口側に設けた前記膨張弁を制御する請求項１又は２に記載の空気調和装置。
5. 前記蒸発器に対して前記空気流路の上流側に全熱交換器を設け、前記全熱交換器において、前記２つの空気流路間で熱交換が行われるようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の空気調和装置。
6. 前記全熱交換器の上流側の露点温度を検出する露点温度検出手段を備え、
   前記制御部は、前記露点温度検出手段の検出値と前記全熱交換器の交換効率から、前記蒸発器を通過する空気の露点温度を算出する請求項５に記載の空気調和装置。
7. 前記蒸発器からのドレン発生を検出するドレン検出手段を備え、
   前記制御部は、ドレン検出時にドレン水を排除するよう前記圧縮機を制御する請求項１乃至６のいずれかに記載の空気調和装置。
8. 外部に信号を出力する出力手段を備え、
   前記制御部は、ドレン検出時に前記出力手段により外部に信号を出力するよう制御する請求項７に記載の空気調和装置。
9. 顕熱処理装置が設置された空調対象室に、請求項１乃至８のいずれかに記載の空気調和装置を適用した空気調和システム。

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