JP7118185B2 - 住宅空調システム - Google Patents

Description

本発明は住宅空調システムに関するものである。

特許文献１のように住宅の天井に冷温水式の放射空調機を設けて、各部屋の室内を空調する住宅空気システムが知られている。

特開２０２０－６７２００号公報

この放射空調機は、加湿機能がないため室内の湿度が成り行きになる問題があった。また、近年、在宅ワークが急増するなかで、住宅空気システムのさらなる快適性と省エネ性の向上の要求が高まっている。

本発明は上記課題を解決するため、内部に熱交換コイルと蒸気加湿器を有すると共に住宅の各部屋の室内に空調用空気を供給する空調ユニットと、前記空調ユニットの前記空調用空気を分流させて前記各部屋に送る送風路と、前記空調ユニットの前記空調用空気を前記室内に吹出す吹出ユニットと、前記空調ユニットの前記空調用空気を前記送風路を介して前記吹出ユニットに送風するファンユニットと、前記ファンユニットの送風量の増減により室内温度を調整する風量スイッチと、前記空調ユニットの前記熱交換コイルの交換熱量と前記蒸気加湿器の加湿量を制御して前記空調用空気を設定温湿度に調整する制御装置と、を備え、前記蒸気加湿器が、前記空調ユニットの下部に設けた蒸気発生器と、前記空調ユニットの上部に設けた加湿ノズルと、前記蒸気発生器と前記加湿ノズルを上下に連通連結して下から上に向かって蒸気を送る蒸気ホースと、を備え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、空調ユニットが熱交換コイルと蒸気加湿器を有しているので室内の温湿度制御ができ快適性が向上する。１つのファンユニットが故障しても、それ以外の室内空調を継続可能なので、リスクを最小限に抑え、かつ、住宅全体の空調を止めずに故障対応でき、住宅の全館空調に好適である。一般的な電極式蒸気加湿器の加湿量（蒸気発生量）は水に触れる電極の表面積（浸漬水位）を給排水により増減させることで電流値を変化させて制御しており、蒸気発生等に伴って電極の浸漬水位が増減して電流値が変化すると蒸気発生量も変動し、加湿量が安定せず制御性が悪くなるが、本発明では電極の浸漬水位が増減して電流値が変化しても、加湿制御部によって蒸気発生量が安定するので設定加湿量と実加湿量の差が少なくなり、高精度に加湿量を制御できる。しかも、無接点の半導体リレーなので長寿命で信頼性が高い。

請求項２の発明によれば、冷房時に熱交換用水を熱交換器の分流回路の第１グループに通水させて第２グループに通水させないようにし、重複ゾーンで過冷却除湿した空気を、前記過冷却除湿空気よりも高温の不重複ゾーンのバイパス空気で再熱し、不快な冷感がないドライエアーを得ることができる。このとき、重複ゾーンが不重複ゾーンで積層状に挟まれるので、過冷却除湿空気とバイパス空気の接触時間が長くなり、混合が促進されて確実に再熱することができる。そのため、湿度が高くてジメジメする中間期でも、コールドドラフトのないカラッとした気流で空調ができ快適性が向上する。しかも、バイパスダンパ等の機器が不要でコストダウンとコンパクト化を図れる。

請求項３の発明によれば、吹出ユニットで空調用空気と室内空気を誘引混合して、混合空気の温度を室内の温度に近づけることができるため、冷房時はコールドドラフトがなくて結露防止効果が得られ、暖房時は室内上部の熱溜りと室内温度ムラの抑制を図れる。誘引放射ユニットの熱放射の作用によりドラフト感や温度ムラがなく快適性が向上する。

請求項４の発明によれば、伝熱管群の通風抵抗が小さくてさらに省エネとなり、熱交換効率が向上するので、熱交換コイル及び空調ユニットの小型化を図れる。
請求項５の発明によれば、熱源装置が、エクセルギーの高い室内空気を混ぜて熱源用空気として利用するので、デフロスト運転の軽減と熱交換用水の温度調整能力の高効率化を図れる。

本発明の住宅空調システムを正面から見た簡略説明図である。 空調ユニットの側面断面図である。 熱交換コイルを示す斜視図である。 図３のＤ矢視の簡略説明図である。 図３のＥ矢視の簡略説明図である。 誘引放射ユニットの斜視図である。 誘引放射ユニットの断面図である。 蒸気加湿器の説明図である。 蒸気加湿器の加湿制御の説明図である。

図１と図２は本発明の住宅空調システムの一実施例で、この住宅空調システムは、空調ユニット１、ファンユニット２、吹出ユニット３、風量スイッチ４、空調スイッチ５、排気ファン６、送風路７、水配管８、熱源装置９及び制御装置１０を備えている。空調ユニット１は住宅内の所定場所に設置し、ファンユニット２及び吹出ユニット３は各部屋に分散設置する。住宅は、一戸建住宅やマンションなどの集合住宅が該当する。

送風路７は、分岐チャンバ１１及び送風ダクト１２を備えている。この送風路７にて、空調ユニット１とファンユニット２、ファンユニット２と吹出ユニット３、排気ファン６と熱源装置９、の間で空気が流れるように接続する。室内空気（還気）、屋外空気（外気）、給気、排気などの空気の流れる方向は太い点線の矢印で図示する。図中の符号ＲＡは室内空気、ＯＡは屋外空気、ＳＡは空調用空気（給気）、ＥＡは排気を示し、住宅Ｈの内壁、外壁、床、天井等に穴部（図示省略）を設けて、これらの空気が通るようにする。

空調ユニット１は、二部屋以上の住宅の各部屋の室内Ｓに、送風路７、ファンユニット２及び吹出ユニット３を介して、空調用空気を供給する。空調ユニット１は、ケーシングの内部に熱交換コイル１３、蒸気加湿器１４及びフィルタ１５を備えており、設置面積をとらない縦長形状にする。図例では、１台のファンユニット２に２台の吹出ユニット３を接続した例と、１台のファンユニット２に１台の吹出ユニット３を接続した例と、を示しているが接続台数の増減や、分岐チャンバ１１の省略も自由である。

空調ユニット１の上下中間部には、室内空気を取入れる還気口１６と、送風ダクト１２を介して屋外空気を取入れる外気口１７と、を設ける。還気口１６及び外気口１７から空調ユニット１の内部に取入れた室内空気と屋外空気は、フィルタ１５及び熱交換コイル１３を通過して、空調ユニット１の上面に設けた給気口１８から空調ユニット１の外部へ出る。熱交換コイル１３は、空調ユニット１の上部に設け、内部を流れる熱交換用水で、室内空気と屋外空気の混合空気を冷却又は加熱する。

ファンユニット２は、ケーシング内に送風ファンを設けたもので、送風路７を介して室内空気と屋外空気の一方又は両方（図例では両方）を空調ユニット１に取込んで熱交換コイル１３の熱交換用水で熱交換して空調用空気として吹出ユニット３に送風する。ファンユニット２の送風量の増減は、公知のインバーターモータによる方式や、公知の多段階切換モータによる方式を用いるが、コストや設備の簡略化の点から多段階切換モータ方式が好適である。風量スイッチ４は各部屋に設け、ファンユニット２の送風量の増減により室内温度を調整する。

図３から図５に示すように、熱交換コイル１３は、フィン群１９と分流回路２０とを備えている。フィン群１９は、空気が通る隙間をあけて配置した多数のプレートフィン２１から成る。分流回路２０は、熱交換用水が通水される伝熱管群２２を複数のグループＧに分配しかつ一部又は全部のグループＧの熱交換用水の限界通水量（熱交換量）の割合が異なるように分配して構成する。たとえば、太い一点鎖線で示す第１のグループＧ（Ｇ１）と、細い一点鎖線で示す第２のグループＧ（Ｇ２）と、に分け、第１グループＧ１は最少の限界通水量となるように構成し、第１グループＧ１を除いた第２グループＧ２は、第１グループＧ１よりも限界通水量が多くなるように構成する。

第１グループＧ１の熱交換用水の入口は第１の分岐ヘッダ２３に接続し、第２グループＧ２の熱交換用水の入口は第２の分岐ヘッダ２３に接続する。第１グループＧ１と第２グループＧ２の熱交換用水の出口は両方とも合流ヘッダ２４に接続する。分岐ヘッダ２３はバルブ２５を介して水配管８の往管に接続し、合流ヘッダ２４は水配管８の還管に接続する。バルブ２５は、第１グループＧ１の熱交換用水の通水量と、第２グループＧ２の熱交換用水の通水量とを別個に調整する。

伝熱管群２２は、熱交換コイル１３を通る空気の気流方向を横切るように蛇行しつつ前記気流方向に向かって延伸し、かつ、前記気流方向から見たときに、第２グループＧ２と第１グループＧ１が重ならない不重複ゾーンＦ１と、第２グループＧ２と第１グループＧ１が重なる重複ゾーンＦ２と、が積層状に形成され、かつ、重複ゾーンＦ２が不重複ゾーンＦ１で挟まれるように分流回路２０を構成する。伝熱管群２２はフィン群１９と接続する。伝熱管群２２の直管部は楕円管にて構成するのが望ましいが円形管としてもよい。なお、図例では分流回路２０のグループＧを２つのグループＧ１とＧ２に分配しているが、３つ以上のグループＧに分配してそのうちの１つのグループＧを最少限界通水量とするも自由である。

図１から図５に示すように、熱交換用水は、熱源装置９にて、屋外空気及び室内空気の混合空気と、熱交換用水と、を内蔵のヒートポンプ（図示省略）を用いて熱交換して熱交換用水の温度を調整し、冷房用の冷水又は暖房用の温水にする。この冷水と温水を季節に応じて切換えて水配管８を介して熱交換コイル１３と熱源装置９の間で循環させる。熱源装置９は屋外に設置し、排気ファン６と送風ダクト１２を介して、室内からの排気（室内空気）を取り入れる。

蒸気加湿器１４は、室内Ｓに給気される空調用空気を蒸気で加湿する。蒸気加湿器１４は、空調ユニット１の下部に設けられて蒸気を発生させる蒸気発生器２６と、空調ユニット１の上部に設けられて熱交換コイル１３を通過した空調用空気に蒸気を放出する加湿ノズル２７と、蒸気発生器２６と加湿ノズル２７を上下に連通連結して下から上に向かって蒸気を送る蒸気ホース２８と、を備えている。

このように縦長形状の空調ユニット１の内部空きスペースを有効活用して蒸気加湿器１４を収める。空調ユニット１の上面の給気口１８から空調用空気と蒸気が出るように構成してあるので、蒸気の上昇する力を利用して空調用空気と蒸気の混合を促進し、蒸発吸収距離を短くできる。そのため、加湿効率が良くて飽和効率を高めることができ、湿度制御範囲が広がって快適性が向上する。

制御装置１０は、空調ユニット１の熱交換コイル１３の交換熱量と蒸気加湿器１４の加湿量を制御して空調用空気を設定温湿度に調整すると共に、冷房時に熱交換用水を熱交換コイル１３の分流回路２０の第１グループＧ（Ｇ１）に流通させて第２グループＧ２に流通させないようにバルブ２５を制御する。例えば、空調ユニット１に取入れる還気の温湿度を図示省略のセンサーで検出し、この検出温湿度が設定温湿度となるように制御する。

制御装置１０は、加湿制御部３１、空調負荷対応部３２と、熱源装置９と空調ユニット１の運転・停止と空調用空気の温湿度を設定する空調スイッチ５と、を備える。バルブ２５は通水量（弁開度）を無段階に調整することができる電動の比例制御弁とし、分流回路２０のグループＧごとに設ける。空調負荷対応部３２は、室内Ｓが低空調負荷の場合に分流回路２０の最少限界通水量の第１グループＧ１で熱交換水の通水量を増減させる。

空調負荷対応部３２は、高空調負荷の場合に全グループＧで熱交換用水の通水量を増減させると共に、高空調負荷と低空調負荷域との間の通常空調負荷の場合に第２グループＧ２で熱交換用水の通水量を増減させる。これにより真夏や真冬などのように最大の熱交換量が必要となる高空調負荷の場合から、中間期などのように僅少な熱交換量で足りる低空調負荷の場合まで幅広く対応できる。

吹出ユニット３は、ファンユニット２から送風された空調用空気を室内Ｓに吹出す。吹出ユニット３は、誘引放射ユニット２９や誘引レジスタ３０、従来公知の空気吹出口を用いる。誘引放射ユニット２９は、ファンユニット２から送風された空調用空気で室内空気を誘引して混合すると共にこの混合空気を室内Ｓに給気しつつ混合空気の熱を放射する。誘引レジスタ３０は、ファンユニット２から送風された空調用空気で室内空気を誘引して混合すると共にこの混合空気を室内Ｓに給気する。

図６と図７に示すように、誘引放射ユニット２９は、空気供給部３３、空気誘引部３４及び空気混合部３５を備え、天井板の開口部から空気混合部３５の底面を室内Ｓに向けた状態で設置する。空気供給部３３はファンユニット２から送風された空調用空気を噴流し、空気誘引部３４は噴流空気の誘引作用にて室内Ｓの還気を引き込んで空調用空気と混合する。空気混合部３５は、混合空気の熱を蓄熱するプレート３６と貫孔３７の群を備え、貫孔３７を介してプレート３６から熱を室内Ｓへ放射しつつ混合空気を室内Ｓへ放出する。

図８に示すように、蒸気加湿器１４は電極式とする。蒸気発生器２６は、水容器４０、電極４１、リレー回路４２、給水部４３と、排水部４４を、備えている。水容器４０の内部には、複数の電極４１…を隔てて設け、加湿用の水を入れて電極４１…を浸漬させる。この電極４１…間に電圧印加して電流を発生させ、電流値に応じた量の加湿用蒸気をジュール熱で発生させて加湿する。

水容器４０で発生させた加湿用の蒸気は、蒸気ホース２８を介して管状の加湿ノズル２７から放出する。給水部４３は、水容器４０へ水を送る給水管４５に電磁弁４６を設けて成り、電磁弁４６を介して水を給水する。排水部４４は、水容器４０から水を排出する排水管４７にポンプ４８を設けて成り、ポンプ４８で排水する。

リレー回路４２は、ソリッドステートリレーなどの無接点の半導体リレー等で構成し、電圧印加を周期的にＯＮ・ＯＦＦさせる。加湿制御部３１は、電流値検出器４９、水位検出器５０及び設定器５１を備え、電極４１の浸漬水位と、電圧印加のＯＮ・ＯＦＦ時間と、を制御する。

電流値検出器４９は、電極４１間に流れる電流値を検出する。水位検出器５０は、水容器４０の浸漬水位を検出する。加湿量、電極４１の浸漬上限水位及び浸漬下限水位等の設定は、設定器５１で行う。浸漬上限水位と浸漬下限水位は、設定加湿量を超える蒸気を発生させる電流値となるように設定する。

図８と図９に示すように、加湿制御部３１によって、電極４１の浸漬下限水位から浸漬上限水位になるまで給水を続け、浸漬上限水位から浸漬下限水位になるまで給水を停止する。このサイクルを蒸気加湿器１４の稼働中繰り返す。稼働中は、電圧印加による蒸気発生に伴い電極４１の浸漬水位が低くなるにしたがって、リレー回路４２の電圧印加のＯＮ時間をＯＦＦ時間よりも長くして設定加湿量となるように蒸気発生量を調整する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。例えば、空調ユニット１を、外気が入る住宅の物置部屋などに設置して、空調ユニット１に外気を直接導入し、室内空気をダクトを介して導入するように構成してもよい。また、蒸気加湿器１４の電極４１の数の増減や位置、形状などの構造を変更したり、リレー回路４２を、電磁開閉器等で構成してもよい。

１ 空調ユニット
２ ファンユニット
３ 吹出ユニット
４ 風量スイッチ
７ 送風路
９ 熱源装置
１０ 制御装置
１３ 熱交換コイル
１４ 蒸気加湿器
２０ 分流回路
２２ 伝熱管群
２６ 蒸気発生器
２７ 加湿ノズル
２８ 蒸気ホース
２９ 誘引放射ユニット
３１ 加湿制御部
３２ 空調負荷対応部
Ｆ１ 不重複ゾーン
Ｆ２ 重複ゾーン
Ｇ グループ
Ｓ 室内

Claims (5)

1. 内部に熱交換コイル（１３）と蒸気加湿器（１４）を有すると共に住宅の各部屋の室内（Ｓ）に空調用空気を供給する空調ユニット（１）と、前記空調ユニット（１）の前記空調用空気を分流させて前記各部屋に送る送風路（７）と、前記空調ユニット（１）の前記空調用空気を前記室内（Ｓ）に吹出す吹出ユニット（３）と、前記空調ユニット（１）の前記空調用空気を前記送風路（７）を介して前記吹出ユニット（３）に送風するファンユニット（２）と、前記空調ユニット（１）の前記熱交換コイル（１３）の交換熱量と前記蒸気加湿器（１４）の加湿量を制御して前記空調用空気を設定温湿度に調整する制御装置（１０）と、を備え、前記蒸気加湿器（１４）は、蒸気発生器（２６）の水容器（４０）内の水に浸漬させた電極（４１）間への電圧印加で生じる電流によって蒸気を発生させて加湿し、かつ、前記電圧印加を周期的にＯＮ・ＯＦＦさせるリレー回路（４２）を、備え、前記制御装置（１０）は、前記電極（４１）の浸漬水位が低くなるにしたがって前記リレー回路（４２）の前記電圧印加のＯＮ時間をＯＦＦ時間よりも長くして設定加湿量となるように前記蒸気の発生量を調整する加湿制御部（３１）を、備えたことを特徴とする住宅空調システム。
2. 熱交換コイル（１３）は、熱交換用水が流通する伝熱管群（２２）を複数のグループ（Ｇ）に分配しかつ前記分配の割合を相違させて成る分流回路（２０）を、備え、
   前記分流回路（２０）の最少分配割合の第１のグループＧ（Ｇ１）の前記熱交換用水の通水量と前記第１グループ（Ｇ１）を除いた前記分流回路（２０）の第２の前記グループ（Ｇ２）の前記熱交換用水の通水量とを別個に調整するバルブ（２５）を、備え、
   前記伝熱管群（２２）が前記熱交換コイル（１３）を通る空気の気流方向を横切るように蛇行しつつ前記気流方向に向かって延伸し、かつ、前記気流方向から見たときに、前記第２グループ（Ｇ２）と前記第１グループ（Ｇ１）が重ならない不重複ゾーン（Ｆ１）と、前記第２グループ（Ｇ２）と前記第１グループ（Ｇ１）が重なる重複ゾーン（Ｆ２）と、が積層状に形成され、かつ、前記重複ゾーン（Ｆ２）が前記不重複ゾーン（Ｆ１）で挟まれるように前記分流回路（２０）を構成し、
   冷房時に前記熱交換用水を前記熱交換コイル（１３）の前記分流回路（２０）の前記第１グループＧ（Ｇ１）に通水させて前記第２グループ（Ｇ２）に通水させないように前記バルブ（２５）を制御する制御装置（１０）を、備えた請求項１に記載の住宅空調システム。
3. 前記吹出ユニット（３）が、前記ファンユニット（２）から送風された前記空調用空気で室内空気を誘引して混合すると共にこの混合空気を前記室内（Ｓ）に給気しつつ前記混合空気の熱を放射する誘引放射ユニット（２９）、である請求項１又は２に記載の住宅空調システム。
4. 前記空調ユニット（１）の前記熱交換コイル（１３）の伝熱管群（２２）を楕円管にて構成した請求項１から３のいずれかに記載の住宅空調システム。
5. 屋外空気及び室内空気の混合空気と熱交換用水とをヒートポンプを介して熱交換して前記熱交換用水の温度を調整する熱源装置（９）を、備えた請求項１から４のいずれかに記載の住宅空調システム。

Images