JP5805833B1 - ヒートポンプ式空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 低空調負荷時に省エネ性と快適性を両立できるヒートポンプ式空気調和機を得る。【解決手段】 一つの給気側熱交換器３並びに複数の冷媒圧縮搬送用圧縮機２ａ、２ｂ及び熱源側熱交換器４ａ、４ｂを少なくとも備えかつ給気側熱交換器３を共用した複数のヒートポンプ５ａ、５ｂと、気化式加湿器６と、蒸気式加湿器７と、を備える。給気側熱交換器３の空気入口面１３に沿った方向に隣合う多数の伝熱管１２ａ、１２ｂに対して、一つ置き又は二つ置きに異なるヒートポンプ５ａ、５ｂの冷媒が流れるように構成する。空調負荷の増減に応じて複数のヒートポンプ５ａ、５ｂの圧縮機２ａ、２ｂの始動と停止を切換えかつ出力を増減調整する制御装置８を、設ける。【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式空気調和機に関するものである。

従来のヒートポンプ式空気調和機は、ヒートポンプを構成する圧縮機と給気側熱交換器と熱源側熱交換器とが各々一つで、これらを冷媒が循環するように配管接続した構造であった。このような構造では、大きな冷暖房能力が必要になるほど、圧縮機の最小限界出力が大きくならざるを得なかった。

特開平９−２６４６１号公報

そのため、中間期などの低空調負荷時に、冷暖房能力が過大となったり過大になりすぎると停止して冷暖房能力不足となったりを繰り返しており、冷暖房が効き過ぎたり効きが悪かったりし、圧縮機の無駄なエネルギー消費が多くなって快適性と省エネ性を損なう問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、一つの給気側熱交換器並びに複数の冷媒圧縮搬送用圧縮機及び熱源側熱交換器を少なくとも備えかつ前記給気側熱交換器を共用した複数のヒートポンプと、気化式加湿器と、蒸気式加湿器と、を備え、前記給気側熱交換器が多数の冷媒流通用伝熱管を有し、前記給気側熱交換器の空気入口面に沿った方向に隣合う多数の前記伝熱管に対して、一つ置き又は二つ置きに異なる前記ヒートポンプの冷媒が流れるように構成し、空調負荷の増減に応じて複数の前記ヒートポンプの前記圧縮機の始動と停止を切換えかつ出力を増減調整する制御装置を、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、
（１）１台の空調機で必要な冷暖房能力を複数のヒートポンプで分配してまかない、空調負荷の増減に応じて各々のヒートポンプの始動と停止を切換えつつ出力を増減調整するので、大きな冷暖房能力の空調機でも、空調機全体の最小限界出力を、ヒートポンプひとつ分に抑えることができる。そのため、中間期などの低空調負荷時に、冷暖房能力の過不足のない適温空調が可能となり、圧縮機の無駄なエネルギー消費もなくなって、快適性と省エネ性を向上させることができる。
（２）複数のヒートポンプで給気側熱交換器を共用し、給気側熱交換器の空気入口面に沿った方向に隣合う多数の伝熱管に対して、一つ置き又は二つ置きに異なるヒートポンプの冷媒を流しているので、（例えば、一つの給気側熱交換器の空気入口面を二等分した領域でそれぞれ異なる冷媒が偏って流れる場合と比べて）一つのヒートポンプのみでも給気側熱交換器のほぼ全域にわたって偏りなく冷媒が流れる。したがって、僅少のバイパス空気で伝熱部位をムラなく熱交換に活用でき、熱交換ロスのない省エネ空調が可能となる。
（３）複数のヒートポンプ出力の増減を相殺させてオーバーシュートとアンダーシュートを無くすことで、偏りのない制御性に優れた比例制御ができ、冷暖房のムラとロスのない安定した快適空調を行える。

請求項２の発明によれば、
（１）複数のヒートポンプの始動・停止の偏りを少なくして、一部のヒートポンプだけを使いすぎないようにし、空調機のライフサイクルコスト（Life cycle cost）を低減できる。
（２）例えば制御ソフトウエアにより運転パターンを切換えるだけでよいので容易に実施でき、タイマーなどの余分な機器が不要でコストダウンにつながる。

請求項３の発明によれば、
（１）複数のヒートポンプの合計始動回数又は合計作動時間の偏りを無くして、全てのヒートポンプの使用頻度又は使用時間を均一化でき、空調機のライフサイクルコストの大幅削減につながる。

請求項４の発明によれば、
（１）暖房運転のデフロスト時には複数のヒートポンプが全て同時に停止することなくローテーションでデフロストするので、暖房運転が途切れず別個にヒーターなどの余分な装置を設ける必要もなくなる。

請求項６の発明によれば、
（１）ヒートポンプ毎に最小限界出力を異なるようにしてあるので（例えば６：４）、各最小限界出力が同じ場合（例えば５：５）と比べて、さらに少ない最小限界出力制御（例えば５よりも少ない４）が可能となり、空調負荷の一層広い変動幅に対応して快適性と省エネ性を確実に保障することができる。

請求項７の発明によれば、
（１）主としてランニングコストの少ない気化式加湿器にて加湿して不足分のみを蒸気式加湿器で加湿制御するので、加湿コストが僅少となるうえに、低空調負荷時には蒸気式加湿器にて加湿暖房および低温加湿を行えて、省エネと快適性を両立できる。しかも、加熱された空気が温度ムラのない状態で気化式加湿器のほぼ全域に通風されるため、加湿ムラと加湿ロスを削減でき、加湿効率が向上して一層省エネとなる。

請求項８の発明によれば、
（１）通風抵抗が小さくて圧力損失が減少し、かつ、給気側熱交換器と通風空気との接触面積（伝熱面積)が増して、一層熱交換効率が良好となり省エネ性が向上する。

図１〜図３は、本発明のヒートポンプ式空気調和機の一実施例を示しており、このヒートポンプ式空気調和機は、ケーシング１と、給気用送風機１４と、一つの給気側熱交換器３並びに複数の冷媒圧縮搬送用圧縮機２ａ、２ｂ及び熱源側熱交換器４ａ、４ｂを少なくとも備えかつ一つの給気側熱交換器３を共用した冷暖房兼用の複数のヒートポンプ５ａ、５ｂと、給気側熱交換器３の風下に配置した気化式加湿器６と、気化式加湿器６の風下に配置した蒸気式加湿器７と、制御装置８と、を備えている。ケーシング１の入口から入った空気は給気側熱交換器３で熱交換されて冷風又は温風となり、ケーシング１の出口から被空調空間に給気される。各図中の白抜き矢印は空調用通風空気の風向を示している。

ヒートポンプ５ａは、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う給気側熱交換器３および熱源側熱交換器４ａと、循環冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２ａと、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構９ａと、給気側熱交換器３および熱源側熱交換器４ａの蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１０ａと、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。

ヒートポンプ５ｂも、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う給気側熱交換器３および熱源側熱交換器４ｂと、循環冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２ｂと、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構９ｂと、給気側熱交換器３および熱源側熱交換器４ｂの蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１０ｂと、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。

給気側熱交換器３は、通風自在に設けられた多数のプレート状の伝熱板１１…に多数の冷媒流通用伝熱管１２ａ、１２ｂを挿着して成り、伝熱管１２ａ、１２ｂ内を流れる冷媒と通過空気が伝熱管１２ａ、１２ｂ及び伝熱板１１…を介して熱交換する。伝熱管１２ａ、１２ｂは、給気側熱交換器３の風下側から風上側へ冷媒が流れるように配置してカウンターフローとなるようにするのが好ましいが、これ以外のフローであってもよい。この伝熱管１２ａ、１２ｂは楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

熱源側熱交換器４ａ、４ｂも、図示省略するが通風自在に設けられた多数の伝熱板に多数の冷媒流通用伝熱管を挿着して成り、伝熱管内を流れる冷媒と通過空気が伝熱管及び伝熱板を介して熱交換する。この熱源側熱交換器４ａ、４ｂの伝熱管も楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。１５ａ、１５ｂは、熱源側熱交換器４ａ、４ｂに通風させるための送風機である。

図３（Ａ）に示すように、給気側熱交換器３の空気入口面１３に沿った方向に隣合う多数の伝熱管１２ａ、１２ｂに対して、一つ置きに異なるヒートポンプ５ａ、５ｂの冷媒が交互に流れるように構成したり、図３（Ｂ）に示すように、多数の伝熱管１２ａ、１２ｂに対して、二つ置きに異なるヒートポンプ５ａ、５ｂの冷媒が流れるように構成する。同図は、白色で示す伝熱管１２ａにヒートポンプ５ａの冷媒が流れ、黒色で示す伝熱管１２ｂにヒートポンプ５ｂの冷媒が流れる場合を例示している。

制御装置８はマイクロプロセッサや各種センサー等にて構成され、空調負荷の増減に応じて複数のヒートポンプ５ａの圧縮機２ａとヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂの始動と停止を切換えかつ出力を増減調整する。具体的には、複数のヒートポンプ５ａの圧縮機２ａとヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを一つずつ順次始動・停止させる運転パターンであってその始動・停止順序を異ならせた複数の運転パターンをヒートポンプ５ａの圧縮機２ａとヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂのどれか一つを停止させるときに順次切換える制御装置８とする。

あるいは、複数のヒートポンプ５ａの圧縮機２ａとヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを一つずつ順次始動・停止させるときに複数のヒートポンプ５ａの圧縮機２ａとヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂの合計始動回数又は合計作動時間の多少を比較して少ないヒートポンプ５ａの圧縮機２ａ又はヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを優先的に始動させかつ多いヒートポンプ５ａの圧縮機２ａ又はヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを優先的に停止させる制御装置８としてもよい。これらの始動・停止切換制御を複数のヒートポンプ５ａ、５ｂのローテーション・デフロスト時以外は実行させかつローテーション・デフロスト時は実行させない制御装置８としてもよい。

さらに、図４に示すように、出力増加調整時において複数のヒートポンプ５ａ、５ｂの圧縮機２ａ、２ｂのうちの一つの５ａの圧縮機２ａを最小限界出力以上の始動時出力で遅延始動させると同時に先行始動させているヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを前記始動時出力だけ下げ、かつ、出力減少調整時において複数のヒートポンプ５ａ、５ｂの圧縮機２ａ、２ｂのうちの一つのヒートポンプ５ａの圧縮機２ａを最小限界出力以上の停止直前出力で先行停止させると同時に未停止のヒートポンプ５ｂの圧縮機２ｂを前記停止直前出力だけ上げる制御装置８としてもよい。

また、ヒートポンプ５ａ、５ｂ毎に最小限界出力を相違させたり、主として気化式加湿器６にて加湿して不足分のみを蒸気式加湿器７で加湿制御する制御装置８としてもよい。上述した各制御を単一又は適宜組合わせたものとして制御装置８を構成する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由である。図例では、ケーシング１内に給気側熱交換器３を設け、ケーシング１外に熱源側熱交換器４ａ、４ｂを設けた構成であるが、ケーシング１内にヒートポンプ５ａ、５ｂを一体に設けた構成でもよく、熱源側熱交換器４ａ、４ｂは空気熱源式のみならず水熱源式とするも自由である。また、上記各実施例ではヒートポンプ５ａ、５ｂが二つの場合を例示しているが二以上であってもよい。

本発明の全体構成を示す簡略説明図である。 給気側熱交換器を伝熱板の平坦部と平行な方向から見た簡略説明図である。 給気側熱交換器を伝熱板の平坦部に垂直な方向から見た伝熱管配置例の簡略説明図である。 出力増減調整の制御例を示す説明図である。

２ａ、２ｂ 圧縮機
３ 給気側熱交換器
４ａ、４ｂ 熱源側熱交換器
５ａ、５ｂ ヒートポンプ
６ 気化式加湿器
７ 蒸気式加湿器
８ 制御装置
１２ａ、１２ｂ 伝熱管
１３ 空気入口面

Claims (7)

1. 一つの給気側熱交換器並びに複数の冷媒圧縮搬送用圧縮機及び熱源側熱交換器を少なくとも備えかつ前記給気側熱交換器を共用した複数のヒートポンプを、備え、前記給気側熱交換器が多数の冷媒流通用伝熱管を有し、前記給気側熱交換器の空気入口面に沿った方向に隣合う多数の前記伝熱管に対して、一つ置き又は二つ置きに異なる前記ヒートポンプの冷媒が流れるように構成し、
   空調負荷の増減に応じて複数の前記ヒートポンプの前記圧縮機の始動と停止を切換えかつ出力を増減調整すると共に出力増加調整時において複数の前記ヒートポンプのうちの一つの前記ヒートポンプを最小限界出力以上の始動時出力で遅延始動させると同時に先行始動させている前記ヒートポンプを前記始動時出力だけ下げかつ出力減少調整時において複数の前記ヒートポンプのうちの一つの前記ヒートポンプを最小限界出力以上の停止直前出力で先行停止させると同時に未停止の前記ヒートポンプを前記停止直前出力だけ上げる制御装置を、設けたことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
2. 複数のヒートポンプを一つずつ順次始動・停止させる運転パターンであってその始動・停止順序を異ならせた複数の運転パターンを前記ヒートポンプのどれか一つを停止させるときに順次切換える制御装置とした請求項１記載のヒートポンプ式空気調和機。
3. 複数のヒートポンプを一つずつ順次始動・停止させるときに各々の前記ヒートポンプの合計始動回数又は合計作動時間の多少を比較して少ない前記ヒートポンプを優先的に始動させかつ多い前記ヒートポンプを優先的に停止させる制御装置とした請求項１記載のヒートポンプ式空気調和機。
4. 請求項２又は３記載の始動・停止切換制御を複数のヒートポンプのローテーション・デフロスト時以外は実行させかつ前記ローテーション・デフロスト時は実行させない制御装置とした請求項２又は３に記載のヒートポンプ式空気調和機。
5. ヒートポンプ毎に最小限界出力を相違させた請求項１から４のいずれかに記載のヒートポンプ式空気調和機。
6. 気化式加湿器を給気側熱交換器の風下に配置し、前記気化式加湿器の風下に蒸気式加湿器を配置し、主として前記気化式加湿器にて加湿して不足分のみを前記蒸気式加湿器で加湿制御する制御装置とした請求項１から５のいずれかに記載のヒートポンプ式空気調和機。
7. 伝熱管を楕円管にて形成した請求項１から６のいずれかに記載のヒートポンプ式空気調和機。

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