JP6611826B2 - 除湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、デシカントとヒートポンプとを組み合わせた除湿装置に関するものである。

従来、水分の吸着及び脱着を行うデシカントとヒートポンプとを組み合わせた除湿装置が存在している。そのような除湿装置として、相対湿度が異なる空気がロータ状のデシカント材を通過するように風路を区画し、デシカント材を回転させることで吸着反応と脱着反応と繰り返すようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１に記載の除湿装置は、低温時（例えば１０℃）にはヒータで加熱した空気をデシカント材に流入させて水分の送出を促進するようにしている。こうすることで、高湿化し、加湿量を増加して、加熱空気が蒸発器を通過することで蒸発温度を上昇させて熱交換器の着霜を抑制していた。

特許第４６４９９６７号公報

上記の特許文献１に記載の除湿装置は、着霜を抑制することは可能であるが、さらに温度が低下する場合（例えば５℃等）ではヒータ能力が不足して、低温空気が蒸発器に流入してしまう。そのため、そのような低外気時においては、やはり着霜が発生することになってしまう。

また、上記の特許文献１に記載の除湿装置では、着霜時にはヒータ加熱による除霜が必要であった。しかしながら、ヒータを用いた除霜の場合には、消費電力の増加、除霜時に周囲空気を加湿してしまうといった問題があった。

さらに、冷凍サイクルでは凝縮熱が発生するが、上記の特許文献１においては大半の凝縮熱がそのまま放出されており、除霜に使える熱源として利用できない状況であった。

本発明は、上記のような課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、熱交換器の用途を明確にし、熱交換器の寸法の最適化を行うことで小サイズ、低コストの除湿装置を提供することを目的としている。

本発明に係る除湿装置は、風路内に配置され、凝縮器又は蒸発器として機能する第１の熱交換器と、前記風路内に配置され、蒸発器又は凝縮器として機能する第２の熱交換器と、前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第３の熱交換器と、前記風路内における前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置され、相対湿度の高い空気から水分を吸着し、相対湿度の低い空気に水分を脱着する水分吸着手段と、前記第１の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第２の熱交換器、前記第３の熱交換器の順に空気を送出する送風手段と、吐出側が前記第３の熱交換器に接続される圧縮機と、前記第１の熱交換器又は前記第２の熱交換器で凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、を有し、前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、及び、前記第３の熱交換器は、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、前記第３の熱交換器のフィンピッチは、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のフィンピッチよりも小さく、前記第３の熱交換器は、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器より小さく構成されているものである。

本発明に係る除湿装置は、風路内に配置され、蒸発器として機能する第１の熱交換器と、前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第２の熱交換器と、前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第３の熱交換器と、前記風路内における前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置され、相対湿度の高い空気から水分を吸着し、相対湿度の低い空気に水分を脱着する水分吸着手段と、前記第１の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第２の熱交換器、前記第３の熱交換器の順、あるいは、前記第２の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第１の熱交換器、前記第３の熱交換器の順に空気を送出する送風手段と、吐出側が前記第３の熱交換器に接続される圧縮機と、前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器で凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、を有し、前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、及び、前記第３の熱交換器は、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器のフィンピッチは、前記第１の熱交換器のフィンピッチよりも小さく、前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器より小さく構成されているものである。

本発明に係る除湿装置によれば、第３の熱交換器が常に凝縮器として機能するので、低温環境においても第３の熱交換器には着霜がないために着霜状態での性能維持を考慮する必要なく、熱交換器の寸法の最適化を行うことができ、小サイズ、低コストが実現できる。

本発明の実施の形態１に係る除湿装置の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置の第１の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置の第２の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置が有する水分吸着手段の相対湿度に対する飽和水分吸着量の推移を示した吸着等温線図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置の第１の運転モードでの除湿装置の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置の第２の運転モードでの除湿装置の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。 本発明の実施の形態１に係る除湿装置の第２の運転モードでの除湿装置の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。 熱交換器の通風面積を同一とした条件での周囲温度１０℃におけるフィンピッチと着霜を考慮した能力との関係を示したグラフである。 熱交換機の容積を同一として条件での周囲温度１０℃におけるフィンピッチと着霜を考慮しない能力との関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態２に係る除湿装置の構成の一例を示す概略図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る除湿装置１００の構成の一例を示す概略構成図である。図２は、除湿装置１００の第１の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。図３は、除湿装置１００の第２の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。図４は、除湿装置１００が有する水分吸着手段の相対湿度に対する飽和水分吸着量の推移を示した吸着等温線図である。図１〜図４に基づいて、除湿装置１００について説明する。

《除湿装置１００の空気流路（風路）構成》
除湿装置１００における除湿対象空気は、第１の熱交換器１１ａ、水分吸着手段１６、第２の熱交換器１１ｂ、第３の熱交換器１１ｃを通過後、送風手段１２によって除湿対象空間に放出される。なお、図１では、送風手段１２を風路の最下流に配置しているが、目標の風量が第１の熱交換器１１ａ〜第３の熱交換器１１ｃ、水分吸着手段１６を通過すれば最上流に配置してもよく、送風手段１２の配置位置を図示している位置に限定するものではない。

風路内に配置するセンサについて説明する。
温湿度センサ２ａ〜２ｅは、風路内の乾球温度、相対湿度、露点温度、絶対湿度、湿球温度のいずれかを検知するものである。
温湿度センサ２ａは、除湿対象空気の温湿度を検知する。
温湿度センサ２ｂは、第１の熱交換器１１ａの通過後の空気の温湿度を検知する。
温湿度センサ２ｃは、水分吸着手段１６の通過後の空気の温湿度を検知する。
温湿度センサ２ｄは、第２の熱交換器１１ｂの通過後の空気の温湿度を検知する。
温湿度センサ２ｅは、第３の熱交換器１１ｃの通過後の空気の温湿度を検知する。
温湿度センサ２ａ〜２ｅは、必要に応じて設置すればよく、必ずしも設置することはない。また、温湿度センサ２ａ〜２ｅの設置個所を特に限定するものではない。

また、風路内には風量検知手段３が配置されている。
風量検知手段３は、風路内の通過空気風量を検知するものである。なお、風量検知手段３の配置位置は、風路の通過風量が検知できる配置位置であればよく、配置位置を特に限定するものではない。

除湿装置１００の風路内には温湿度センサ２ａ〜２ｅ、及び、風量検知手段３が配置される。
温湿度センサ２ａは、除湿装置１００の風路の流入部に配置される。
温湿度センサ２ｂは、第１の熱交換器１１ａの通過後に配置される。
温湿度センサ２ｃは、水分吸着手段１６の通過後に配置される。
温湿度センサ２ｄは、第２の熱交換器１１ｂの通過後に配置される。
温湿度センサ２ｅは、第３の熱交換器１１ｃの通過後に配置される。

《除湿装置１００の冷媒回路構成》
除湿装置１００は、冷媒回路Ａを備えている。冷媒回路Ａは、冷媒を圧縮する圧縮機１３、冷媒を凝縮させる凝縮器もしくは冷媒を蒸発させる蒸発器となる第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂ、常に冷媒を凝縮させる凝縮器となる第３の熱交換器１１ｃ、凝縮された冷媒を減圧する絞り手段１４、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂに流れる冷媒の流れを反転する四方弁１５が配管接続されることで構成されている。

除湿装置１００の運転モードは、四方弁１５の切り替えによって２つの運転モードに分けられる。
第１の運転モードでは、冷媒が、圧縮機１３、第３の熱交換器１１ｃ、四方弁１５、第２の熱交換器１１ｂ、絞り手段１４、第１の熱交換器１１ａ、四方弁１５の順に流れ、再び圧縮機１３に流入する冷媒流路（図２の実線で示す冷媒流路１０１）を形成する。
第２の運転モードでは、冷媒が、圧縮機１３、第３の熱交換器１１ｃ、四方弁１５、第１の熱交換器１１ａ、絞り手段１４、第２の熱交換器１１ｂ、四方弁１５の順に流れ、再び圧縮機１３に流入する冷媒流路（図３の実線で示す冷媒流路１０２）を形成する。

（圧縮機１３）
圧縮機１３は、モータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機である。なお、圧縮機１３の台数を１台に限定するものではなく、２台以上の圧縮機を並列もしくは直列に接続して搭載されていてもよい。

（第１の熱交換器１１ａ〜第３の熱交換器１１ｃ）
第１の熱交換器１１ａ〜第３の熱交換器１１ｃは、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。また、第１の熱交換器１１ａ〜第３の熱交換器１１ｃの冷媒配管接続は、加熱又は冷却を切り替えることが可能で、加熱量を調整できるようになっていれば、直列接続、並列接続のどちらであってもよい。

（送風手段１２）
送風手段１２は、除湿装置１００の風路を通過する空気の流量を可変することが可能なファンで構成されている。例えば、ＤＣファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等で構成するとよい。

（絞り手段１４）
絞り手段１４は、冷媒回路Ａ内を流れる冷媒の流量の調節等が行うことが可能なもので構成するとよい。例えば、ステッピングモータ（図示せず）により絞りの開度を調整することが可能な電子膨張弁、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁、または、キャピラリーチューブで構成するとよい。

（四方弁１５）
四方弁１５は、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂを流れる冷媒の方向を切り替えるための弁である。四方弁１５が、本発明の「冷媒回路切替手段」に相当する。
四方弁１５は、第１の運転モードで動作する際には、四方弁１５に流入した後、第２の熱交換器１１ｂ、絞り手段１４、第１の熱交換器１１ａ、四方弁１５の順に冷媒が流れる冷媒回路を構成する。
四方弁１５は、第２の運転モードで動作する際には、四方弁１５に流入した後、第１の熱交換器１１ａ、絞り手段１４、第２の熱交換器１１ｂ、四方弁１５の順に冷媒が流れる冷媒回路を構成する。
なお、実施の形態１では、「冷媒回路切替手段」の一例として四方弁１５を挙げて説明するが、冷媒回路を選択的に切り替えられるもの、例えば複数個の電磁弁を組み合わせたようなものを「冷媒回路切替手段」としてもよい。

（水分吸着手段１６）
除湿装置１００は、水分吸着手段１６を備えている。ここでの水分吸着手段１６とは、除湿装置１００の風路の風路断面積に対して多くの通風断面積を多くとれるように、風路断面に沿った多角形（例えば、四角形、五角形、六角形、八角形など）又は円形の多孔質平板などになっており、厚さ方向に空気が通過できるように構成したものである。
また、水分吸着手段１６を構成する多孔質平板の表面には、ゼオライト、シリカゲル、活性炭、高分子吸着材等のような相対的に湿度の高い空気から吸湿して相対的に湿度の低い空気に対して放湿する特性を有する吸着材が、塗布、表面処理あるいは含浸されて使用されている。

図４には、水分吸着手段１６に用いられる吸着材が空気の相対湿度に対して吸着できる水分量（平衡吸着量）を示している。平衡吸着量は、一般に空気相対湿度が高くなると増加する。除湿装置１００で使用する吸着材は、相対湿度が８０％以上の平衡吸着量と相対湿度が４０〜６０％での平衡吸着量の差が大きいものを使用する。こうすることによって、水分吸着手段１６の吸着、脱着能力を上昇させることが可能になる。

（冷媒）
除湿装置１００の冷媒回路Ａに用いられる冷媒は、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがある。

（冷媒回路Ａのセンサ配置）
除湿装置１００の冷媒回路Ａには複数のセンサが配置されている。
吐出温度センサ１ａは、圧縮機１３の吐出側に設けられ、圧縮機１３から吐出された冷媒の温度を検知する。
吸入温度センサ１ｂは、圧縮機１３の吸入側に設けられ、圧縮機１３に吸入される冷媒の温度を検知する。

温度センサ１ｃ、１ｄは、第１の熱交換器１１ａに入口側、出口側に設けられ、第１の熱交換器１１ａに流入、流出する冷媒の温度を検知する。
温度センサ１ｅ、１ｆは、第２の熱交換器１１ｂの入口側、出口側に設けられ、第２の熱交換器１１ｂに流入、流出する冷媒の温度を検知する。
温度センサ１ｇ、１ｈは、第３の熱交換器１１ｃの入口側、出口側に設けられ、第３の熱交換器１１ｃに流入、流出する冷媒の温度を検知する。

また、除湿装置１００は、除湿運転時間を検知する図示省略のカウンタ４を備えている。さらに、除湿装置１００は、吐出温度センサ１ａ、吸入温度センサ１ｂ、温度センサ１ｃ〜１ｈ、温湿度センサ２ａ〜２ｅ、風量検知手段３、カウンタによる計測情報が入力される制御回路５０を備えている。この制御回路５０は、各種センサからの情報に基づいて、各種アクチュエータを制御して後述する各運転モードを実行する。

《第１の運転モード：冷媒流路（第１の冷媒流路）１０１》
上述したように、図２は、除湿装置１００の第１の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。図２に基づいて、除湿装置１００の冷媒回路Ａの第１の運転モードでの冷媒流路１０１の冷媒動作について説明する。
第１の運転モードでは、第３の熱交換器１１ｃは凝縮器、第２の熱交換器１１ｂは凝縮器、第１の熱交換器１１ａは蒸発器としてそれぞれ作用する。

圧縮機１３から圧縮されて吐出された冷媒は、第３の熱交換器１１ｃへと流れる。凝縮器として作用している第３の熱交換器１１ｃに流れた冷媒は、空気と熱交換する際に一部が凝縮液化する。この冷媒は、第３の熱交換器１１ｃを通過した後、四方弁１５を通過して第２の熱交換器１１ｂへと流れる。凝縮器として作用している第２の熱交換器１１ｂに流れた冷媒は、空気と熱交換する際に凝縮液化し、絞り手段１４へと流れる。この冷媒は、絞り手段１４で減圧された後、第１の熱交換器１１ａに流れる。蒸発器として作用している第１の熱交換器１１ａに流れた冷媒は、空気と熱交換して蒸発した後、四方弁１５を通過して再び圧縮機１３に吸入される。

《第２の運転モード：冷媒流路１０２》
上述したように、図３は、除湿装置１００の第２の運転モードでの冷媒循環経路を示した概略回路図である。図３に基づいて、除湿装置１００の冷媒回路Ａの第２の運転モードでの冷媒流路１０２の冷媒動作について説明する。
第２の運転モードでは、第３の熱交換器１１ｃは凝縮器、第２の熱交換器１１ｂは蒸発器、第１の熱交換器１１ａは凝縮器としてそれぞれ作用する。

圧縮機１３から圧縮されて吐出された冷媒は、第３の熱交換器１１ｃへと流れる。凝縮器として作用している第３の熱交換器１１ｃに流れた冷媒は、空気と熱交換する際に一部が凝縮液化する。この冷媒は、第３の熱交換器１１ｃを通過した後、四方弁１５を通過して第１の熱交換器１１ａへと流れる。凝縮器として作用している第１の熱交換器１１ａに流れた冷媒は、空気と熱交換する際に凝縮液化し、絞り手段１４へと流れる。この冷媒は、絞り手段１４で減圧された後、第２の熱交換器１１ｂに流れる。蒸発器として作用している第２の熱交換器１１ｂに流れた冷媒は、空気と熱交換して蒸発した後、四方弁１５を通過して再び圧縮機１３に吸入される。

ここで、凝縮器を単一の熱交換器で構成せず、複数の熱交換器で構成している。第１の運転モードでは第２の熱交換器１１ｂと第３の熱交換器１１ｃを凝縮器にし、第２の運転モードでは第１の熱交換器１１ａと第３の熱交換器１１ｃを凝縮器としているが、これは主に第２の運転モードにおける水分吸着手段１６への空気温度を調整するためのものである。つまり、第２の運転モードにおける水分吸着手段１６への空気温度を上げ過ぎないようにするためである。第２の運転モードで水分吸着手段１６への空気温度を上げ過ぎると水分吸着手段１６からの放出水分量が多くなり、放出された水分の内、第２の熱交換器１１ｂで発揮する能力以上の水分はそのまま除湿空間へ放出されて効率の悪い運転となるのを防止するためである。

《除湿装置１００の除湿動作》
図５〜図７を用いて除湿装置１００の各運転モードでの空気動作について説明する。図５は、除湿装置１００の第１の運転モードでの除湿装置１００の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。図６は、除湿装置１００の第２の運転モードでの除湿装置１００の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。図７は、除湿装置１００の第２の運転モードでの除湿装置１００の風路内の空気の温湿度変動を示した湿り空気線図である。

ここでは、水分吸着手段１６は、第１の運転モードでは水分保持量が少なく、高湿の空気（例えば相対湿度７０％以上）に対して吸着反応する状態であるものとする。また、水分吸着手段１６は、第２の運転モードでは水分保持量が多く、低湿の空気（例えば相対湿度６０％以下）に対して脱着反応する状態であるものとする。なお、第２の運転モード時は、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂに着霜しているか否かで動きが異なる。そのため、着霜なしの場合を図６に示し、着霜ありの場合を図７に示している。

＜第１の運転モードでの除湿動作＞
図５に基づいて、第１の運転モードの除湿動作について説明する。図５の空気状態を示す（１−１）〜（１−５）は、第１の運転モードにおける流入空気（１−１）、第１の熱交換器１１ａ通過後（１−２）、水分吸着手段１６通過後（１−３）、第２の熱交換器１１ｂ通過後（１−４）、第３の熱交換器１１ｃ通過後（１−５）を示している。
上述したように、第１の運転モードでは、第３の熱交換器１１ｃは凝縮器、第２の熱交換器１１ｂは凝縮器、第１の熱交換器１１ａは蒸発器としてそれぞれ作用する。

除湿装置１００の第１の運転モードでは、風路の流入部より導入された導入空気（１−１）が第１の熱交換器１１ａに送り込まれる。ここで導入空気は、蒸発器として機能している第１の熱交換器１１ａによって冷却される。導入空気が露点温度以下にまで冷却された場合には、水分が除湿された除湿空気（１−２）となり、水分吸着手段１６に送り込まれる。冷却除湿された空気の相対湿度は８０〜９０％ＲＨ程度と高くなっているため、水分吸着手段１６の吸着材は水分を吸着しやすくなる。

冷却された導入空気は、水分吸着手段１６の吸着材により水分が吸着されて除湿され、高温低湿化して第２の熱交換器１１ｂに流入する（１−３）。第２の熱交換器１１ｂは凝縮器として機能するため、第２の熱交換器１１ｂに流入した導入空気は、加熱され、通過空気温度を上昇させる（１−４）。第２の熱交換器１１ｂを通過した後の空気は、第３の熱交換器１１ｃに流入する。第３の熱交換器１１ｃは凝縮器として機能しているため、第３の熱交換器１１ｃに流入した通過空気温度を上昇させ（１−５）、風路の流出部より放出される。

＜第２の運転モードでの除湿動作＞
図６及び図７に基づいて、第２の運転モードの除湿動作について説明する。図６及び図７の空気状態を示す（２−１）〜（２−５）は、第２の運転モードにおける流入空気（２−１）、第１の熱交換器１１ａ通過後（２−２）、水分吸着手段１６通過後（２−３）、第２の熱交換器１１ｂ通過後（２−４）、第３の熱交換器１１ｃ通過後（２−５）を示している。
上述したように、第２の運転モードでは、第３の熱交換器１１ｃは凝縮器、第２の熱交換器１１ｂは蒸発器、第１の熱交換器１１ａは凝縮器としてそれぞれ作用する。

まず、図６に基づいて着霜なしの場合について説明する。
除湿装置１００の第２の運転モードでは、風路の流入部より導入された導入空気（２−１）が第１の熱交換器１１ａに送り込まれる。ここで導入空気は、凝縮器として機能する第１の熱交換器１１ａによって加熱される。第１の熱交換器１１ａによって導入空気の通過空気温度が上昇し（２−２）、水分吸着手段１６に送り込まれる。この際、加熱された空気の相対湿度は流入空気よりも低くなっているため、水分吸着手段１６の吸着材は水分を脱着しやすくなる。

加熱された空気は水分吸着手段１６の吸着材により水分が脱着され、加湿され、低温高湿化して第２の熱交換器１１ｂに流入する（２−３）。第２の熱交換器１１ｂは蒸発器として機能するため、第２の熱交換器１１ｂに流入した通過空気を冷却する。第２の熱交換器１１ｂで冷却された通過空気が露点温度以下に冷却された場合には、水分が除湿された除湿空気（２−４）となる。第２の熱交換器１１ｂを通過した後の空気は、第３の熱交換器１１ｃに流入する。第３の熱交換器１１ｃは凝縮器として機能しているため、第３の熱交換器１１ｃに流入した通過空気温度を上昇させ（２−５）、風路の流出部より放出される。

次に、図７に基づいて着霜ありの場合について説明する。なお、ここでの着霜とは第１の熱交換器１１ａに着霜しているものとする。
除湿装置１００の第２の運転モードでは、風路の流入部より導入された導入空気（２−１）が第１の熱交換器１１ａに送り込まれる。第１の熱交換器１１ａは着霜しているため、凝縮器として機能する第１の熱交換器１１ａでは除霜が行なわれる。第１の熱交換器１１ａを通過した空気の温度は除霜時には相対湿度が上昇し（２−２）、水分吸着手段１６に送り込まれる。この際、空気温度は流入空気温湿度と除霜状況によって変化する。

次に、空気は水分吸着手段１６に流入するが、相対湿度が高いため、水分吸着手段１６の吸着材は水分を着霜なしの場合と比較して脱着しにくくなっている（時間経過とともに吸脱着反応が変化する）。水分吸着手段１６の通過後の空気は第２の熱交換器１１ｂに流入する（２−３）。第２の熱交換器１１ｂは蒸発器として機能するため、通過空気を冷却する。第２の熱交換器１１ｂで冷却された通過空気が露点温度以下に冷却された場合には、水分が除湿された除湿空気（２−４）となる。第２の熱交換器１１ｂを通過した後の空気は、第３の熱交換器１１ｃに流入する。第３の熱交換器１１ｃは凝縮器として機能しているため、通過空気を上昇させ（２−５）、風路の流出部より放出される。

《熱交換器の仕様と性能》
ここで熱交換器の仕様と性能について説明する。図８は、熱交換器の通風面積を同一とした条件での周囲温度１０℃におけるフィンピッチと着霜を考慮した能力との関係を示したグラフである。図９は、熱交換機の容積を同一として条件での周囲温度１０℃におけるフィンピッチと着霜を考慮しない能力との関係を示したグラフである。図８及び図９では、縦軸が能力を、横軸が時間を、それぞれ示している。

熱交換器の性能Ｑは下記にて表される。
Ｑ＝Ｋ・Ａ・ΔＴ
Ｋ：熱通過率（冷媒や空気風量などで決定する定数で冷媒と空気の熱の伝わりやすさを示す）
Ａ：熱交換器の伝熱面積
ΔＴ：冷媒と空気の温度差

空気条件、冷媒条件、風量一定の条件では、伝熱面積が大きい方が、Ａが大きい分だけ熱交換器の性能Ｑは高い傾向にある。また、前述のとおり熱交換器は、フィン・アンド・チューブ式を採用しており、容積を同じにした場合に伝熱面積を大きくするためにフィンの枚数を増やすことで対応できる。フィン枚数を増やすことは結果的にフィンとフィンのピッチ（以下フィンピッチと呼ぶ）を小さくすることになり、伝熱面積を確保しての性能アップとなる。

一方で、着霜のある条件では、着霜によりフィン間が閉塞され、風量低下することでＫが小さくなり性能がダウンする場合がある。したがって、着霜のある熱交換器は、着霜のない状態での性能と着霜のある状態での性能をトータルに検討し、フィン枚数つまりフィンピッチを決定する必要がある。そこで、除湿装置１００では、第１の熱交換器１１ａは第１の運転モードの時に、第２の熱交換器１１ｂは第２の運転モードの時にそれぞれ冷却器（蒸発器）として機能するため、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂ共に着霜を考慮したフィンピッチの設定が必要となる。

着霜を考慮する場合のフィンピッチの例としては周囲温度が０℃以上の環境では２．１〜４ｍｍ程度とするとよい。通風面積を同一とするのは熱交換器のスペースが限られた中で性能発揮するためで、客先での設置自由度とユニットコストに関連するためである。図８に示す通り、着霜のない初期は、フィンピッチが小さい方が、Ａが大きい分だけ性能は高いが、運転を継続する内に着霜で風路閉塞率が高くなることで風量が低下し、Ｋが小さくなることで能力低下する。着霜がある程度進行した段階で除霜運転となるが除霜運転に入る段階までの積算での能力を考慮してフィンピッチを選択する。

一方、第３の熱交換器１１ｃは、常に凝縮器として機能するため着霜する可能性がない。つまり、着霜することでＫが低下することもなく空気側、冷媒側の条件が一定では常に一定の性能を発揮することができる。着霜の可能性のある第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂと相違し、図９からわかるように第３の熱交換器１１ｃはフィンピッチを小さくし、伝熱面積を大きくすることで運転中継続して高性能を発揮できる。着霜の可能性のない熱交換器は着霜を考慮せず、例えばフィンピッチを１．５〜２ｍｍ程度とするとよい。

つまり、除湿装置１００では、冷却器として機能することがある第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂに比較して常に凝縮器として機能する第３の熱交換器１１ｃのフィンピッチを小さくできる。フィンピッチが４ｍｍの場合と２ｍｍの場合では同一の熱交換器容量でフィン枚数が２倍相違し、熱交換器の性能Ｑへの影響は他の条件（Ｋ、ΔＴ）が一定であれば２倍の性能となる。

また、フィンピッチと同様に熱交換器の高さ方向のチューブ本数を多くすることも同様に熱交換器の性能アップとなる。熱交換器の配置スペースが決まっているユニットにおいて、チューブ本数を増やすにはチューブの高さ方向である段と段のピッチ（以下段ピッチと呼ぶ）を小さくする必要がある。段ピッチを小さくすると伝熱面積Ａが大きくなる分、初期性能は大きくなるが、段ピッチが小さくチューブ間の段方向の単位寸法が小さくなる。それゆえ、着霜時は風路閉塞率が大きくなり性能低下が早い。これは、フィンピッチが小さい場合と同様である。

一方で、着霜の可能性のない熱交換器においては、同一必要スペースで伝熱面積Ａが大きく確保できる段ピッチの小さな熱交換器が運転中常に高性能となり、上記フィンピッチと同様である。したがって、除湿装置１００では、着霜の可能性のある第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂに比較し、着霜の可能性のない第３の熱交換器１１ｃの段ピッチを小さくしている。

さらに、熱交換器のチューブの風路奥行方向のチューブ本数を増やすことも同様に性能アップとなる。熱交換器の配置スペースが決まっているユニットにおいて、チューブ本数を増やすにはチューブの風路奥行方向である列と列のピッチ（以下列ピッチと呼ぶ）を小さくする必要がある。列ピッチを小さくすると伝熱面積Ａが大きくなる分、初期性能は大きくなるが、列ピッチが小さくチューブ間の列方向の単位寸法が小さくなる。それゆえ、着霜時は風路閉塞率が大きくなり性能低下が早い。これば、フィンピッチが小さい場合と同様である。

一方で、着霜の可能性のない熱交換器においては、同一必要スペースで伝熱面積Ａが大きく確保できる列ピッチの小さな熱交換器が運転中常に高性能となり、上記フィンピッチと同様である。したがって、除湿装置１００では、着霜の可能性のある第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂに比較し、着霜の可能性のない第３の熱交換器１１ｃの列ピッチを小さくしている。

また、熱交換器の性能を発揮するためには、列ピッチ、段ピッチと伝熱管の外径、つまり流路断面積にはある程度の相関がある。段ピッチ、列ピッチを大きくすると伝熱管からフィンへの伝熱が少なくなるため段ピッチ、列ピッチの小さな場合に比較して外径の大きな伝熱管を使用して伝熱管とフィンの接触面積を増大させて伝熱量を確保するとよい。

除湿装置１００では、例えば以下のような伝熱管サイズ、段ピッチ、列ピッチとするとよい。第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂでは伝熱管φ９．５２程度に対し、第３の熱交換器１１ｃではφ８程度とし、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂの段ピッチを２５．４、列ピッチを２２程度とし、第１の熱交換器１１ａ、第２の熱交換器１１ｂの列ピッチを２２、第３の熱交換器の列ピッチを１７．７程度とするとよい。

《除湿装置１００の奏する効果》
着霜の有無により熱交換器のフィンピッチ、段ピッチ、列ピッチ、伝熱管径を変えることで特に第３の熱交換器１１ｃでは小型化、低コスト化が可能となる。吸着材と冷却式を併用した除湿装置１００では、第１の熱交換器１１ａと第２の熱交換器１１ｂとは別に第３の熱交換器１１ｃを設置することで高性能を実現している。ただし、第３の熱交換器１１ｃを追加することでユニットのスペースが大きくなる可能性があるが、追加の第３の熱交換器１１ｃのスペックを小さくすることでコストアップと寸法アップを最小限にすることができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る除湿装置２００の構成の一例を示す概略図である。図１０に基づいて、除湿装置２００について説明する。なお、除湿装置２００の基本的な構成は、実施の形態１に係る除湿装置１００の構成と同様である。また、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

実施の形態１では、第１の熱交換器１１ａと第２の熱交換器１１ｂに流れる冷媒を四方弁１５等を使用して切り替えて、風の流れは変えずに水分吸着手段１６の吸着、脱着を行う構成を説明した。これに対し、実施の形態２では、冷媒回路を切り替えずに風路を切り替えることで同様の運転を行う構成について説明する。つまり、実施の形態２に係る除湿装置２００は、四方弁１５等の冷媒回路切替手段が設けられていない。なお、構成部品は実施の形態１と同様であるのでここでは説明を省略する。

＜第１の運転モード：吸着＞
第１の運転モードでは、実施の形態１に係る除湿装置１００と同様に、空気は図５の温湿度変動をする。除湿装置２００の第１の運転モードでは、風路の流入部より導入された導入空気（１−１）が第１の熱交換器１１ａに送り込まれる。ここで導入空気は、蒸発器として機能している第１の熱交換器１１ａによって冷却される。導入空気が露点温度以下にまで冷却された場合には、水分が除湿された除湿空気（１−２）となり、水分吸着手段１６に送り込まれる。冷却除湿された空気の相対湿度は８０〜９０％ＲＨ程度と高くなっているため、水分吸着手段１６の吸着材は水分を吸着しやすくなる。

冷却された導入空気は、水分吸着手段１６の吸着材により水分が吸着されて除湿され、高温低湿化して第２の熱交換器１１ｂに流入する（１−３）。第２の熱交換器１１ｂは凝縮器として機能するため、第２の熱交換器１１ｂに流入した導入空気は、加熱され、通過空気温度を上昇させる（１−４）。第２の熱交換器１１ｂを通過した後の空気は、第３の熱交換器１１ｃに流入する。第３の熱交換器１１ｃは凝縮器として機能しているため、第３の熱交換器１１ｃに流入した通過空気温度を上昇させ（１−５）、風路の流出部より放出される。

＜第２の運転モード：脱着＞
第２の運転モードでは、空気は以下のように温湿度変動をする。除湿装置２００の第２の運転モードでは、風路の流入部より導入された導入空気が第２の熱交換器１１ｂに送り込まれる。ここで導入空気は、凝縮器として機能する第２の熱交換器１１ｂによって加熱される。第２の熱交換器１１ｂによって導入空気の通過空気温度が上昇し、水分吸着手段１６に送り込まれる。この際、加熱された空気の相対湿度は流入空気よりも低くなっているため、水分吸着手段１６の吸着材は水分を脱着しやすくなる。

加熱された空気は水分吸着手段１６の吸着材により水分が脱着され、加湿され、低温高湿化して第１の熱交換器１１ａに流入する。第１の熱交換器１１ａは蒸発器として機能するため、第１の熱交換器１１ａに流入した通過空気を冷却する。第１の熱交換器１１ａで冷却された通過空気が露点温度以下に冷却された場合には、水分が除湿された除湿空気となる。第１の熱交換器１１ａを通過した後の空気は、第３の熱交換器１１ｃに流入する。第３の熱交換器１１ｃは凝縮器として機能しているため、第３の熱交換器１１ｃに流入した通過空気温度を上昇させ、風路の流出部より放出される。

＜第３の運転モード：デフロスト＞
第１の運転モード又は第２の運転モード時に常に冷却器として機能する第１の熱交換器１１ａに着霜がある場合であっても、除湿装置２００では冷媒回路切替を実施しない。そのため、除湿装置２００では、冷凍サイクルの運転を停止して周辺空気を着霜している熱交換器に供給することで霜を溶かすデフロスト、いわゆるオフサイクルデフロスト運転を実行する。

オフサイクルデフロスト運転を行う除湿装置２００においても、実施の形態１に係る除湿装置１００と同様に冷却器として機能することがなく凝縮器としてのみ機能する第２の熱交換器１１ｂ及び第３の熱交換器１１ｃは着霜を考慮する必要がない。そのため、第２の熱交換器１１ｂ及び第３の熱交換器１１ｃのサイズダウンを図るようにするとよい。
なお、風路の切り替えは、風路にダンパーあるいはシャッター等を設けて、第１の熱交換器１１ａ又は第２の熱交換器１１ｂに空気を供給できるようにしておくとよい。

《除湿装置２００の奏する効果》
着霜の有無により熱交換器のフィンピッチ、段ピッチ、列ピッチ、伝熱管径を変えることで特に第３の熱交換器１１ｃでは小型化、低コスト化が可能となる。吸着材と冷却式を併用した除湿装置２００では、第１の熱交換器１１ａと第２の熱交換器１１ｂとは別に第３の熱交換器１１ｃを設置することで高性能を実現している。ただし、第３の熱交換器１１ｃを追加することでユニットのスペースが大きくなる可能性があるが、追加の第３の熱交換器１１ｃのスペックを小さくすることでコストアップと寸法アップを最小限にすることができる。さらに、除湿装置２００では、第２の熱交換器１１ｂも常に凝縮器として機能するために第３の熱交換器１１ｃと同様にスペックを小さくできる。

１ａ 吐出温度センサ、１ｂ 吸入温度センサ、１ｃ 温度センサ、１ｄ 温度センサ、１ｅ 温度センサ、１ｆ 温度センサ、１ｇ 温度センサ、１ｈ 温度センサ、２ａ 温湿度センサ、２ｂ 温湿度センサ、２ｃ 温湿度センサ、２ｄ 温湿度センサ、２ｅ 温湿度センサ、３ 風量検知手段、４ カウンタ、１１ａ 第１の熱交換器、１１ｂ 第２の熱交換器、１１ｃ 第３の熱交換器、１２ 送風手段、１３ 圧縮機、１４ 絞り手段、１５ 四方弁、１６ 水分吸着手段、５０ 制御回路、１００ 除湿装置、１０１ 冷媒流路、１０２ 冷媒流路、２００ 除湿装置、Ａ 冷媒回路。

Claims (3)

1. 風路内に配置され、凝縮器又は蒸発器として機能する第１の熱交換器と、
   前記風路内に配置され、蒸発器又は凝縮器として機能する第２の熱交換器と、
   前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第３の熱交換器と、
   前記風路内における前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置され、相対湿度の高い空気から水分を吸着し、相対湿度の低い空気に水分を脱着する水分吸着手段と、
   前記第１の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第２の熱交換器、前記第３の熱交換器の順に空気を送出する送風手段と、
   吐出側が前記第３の熱交換器に接続される圧縮機と、
   前記第１の熱交換器又は前記第２の熱交換器で凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、を有し、
   前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、及び、前記第３の熱交換器は、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、
   前記第３の熱交換器のフィンピッチは、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のフィンピッチよりも小さく、前記第３の熱交換器は、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器より小さく構成されている
   除湿装置。
2. 前記第１の熱交換器を凝縮器、前記第２の熱交換器を蒸発器として、又は、前記第１の熱交換器を蒸発器、前記第２の熱交換器を凝縮器として機能させる冷媒回路切替手段を備え、
   前記冷媒回路切替手段によって、
   前記圧縮機、前記第３の熱交換器、前記第２の熱交換器、前記絞り手段、前記第１の熱交換器の順で冷媒を循環させる第１の冷媒流路と、
   前記圧縮機、前記第３の熱交換器、前記第１の熱交換器、前記絞り手段、前記第２の熱交換器の順で冷媒を循環させる第２の冷媒流路と、が切り替えられる
   請求項１に記載の除湿装置。
3. 風路内に配置され、蒸発器として機能する第１の熱交換器と、
   前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第２の熱交換器と、
   前記風路内に配置され、凝縮器として機能する第３の熱交換器と、
   前記風路内における前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置され、相対湿度の高い空気から水分を吸着し、相対湿度の低い空気に水分を脱着する水分吸着手段と、
   前記第１の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第２の熱交換器、前記第３の熱交換器の順、あるいは、前記第２の熱交換器、前記水分吸着手段、前記第１の熱交換器、前記第３の熱交換器の順に空気を送出する送風手段と、
   吐出側が前記第３の熱交換器に接続される圧縮機と、
   前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器で凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、を有し、
   前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、及び、前記第３の熱交換器は、フィン・アンド・チューブ型熱交換器であり、
   前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器のフィンピッチは、前記第１の熱交換器のフィンピッチよりも小さく、前記第３の熱交換器及び前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器より小さく構成されている
   除湿装置。

Images