JPWO2009037759A1

JPWO2009037759A1 - 冷凍空調装置

Info

Publication number: JPWO2009037759A1
Application number: JP2009532992A
Authority: JP
Inventors: 裕之森本; 杉本　猛; 猛杉本; 文雄松岡; 山下　浩司; 浩司山下; 山下　哲也; 哲也山下; 孝史福井; 武之前川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2011-01-06
Also published as: WO2009037759A1; US20100170273A1

Abstract

冷凍サイクルの風速範囲０．５〜３．５（ｍ／ｓ）において、風速依存性が小さい吸着剤を冷凍サイクルと組み合わせた場合、風速を変化させることによって、除湿能力を増減させることができず、実負荷とのマッチングが悪かった。冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機２０ａ、凝縮器２０ｂ、絞り弁２０ｃ及び蒸発器２０ｄを備えた冷凍機２０と、水分吸着手段であるデシカントロータ１を有する冷凍空調装置において、デシカントロータ１に風速が０．５〜３．５ｍ／ｓの範囲において、水分吸着平衡の時定数が風速の増加とともに小さくなる吸着剤を担持させ、デシカントロータ１の風上に凝縮器２０ｂを配置し、デシカントロータ１の風下に蒸発器２０ｄを配置した。

Description

この発明は、デシカントと蒸気圧縮式冷凍サイクルを組み合わせた冷凍空調装置に関するものであり、特に冷凍サイクルとのマッチングが良い吸着剤と組み合わせることによって、負荷への追従性の向上に関する。

従来の除湿機能を有する冷凍空調装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、デフロストヒータとで構成されている。冷凍空調装置の冷凍サイクル内には冷媒が充填されている。圧縮機で圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器に送り込まれる。凝縮器に流れ込んだ冷媒は、空気に熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は膨張弁で減圧されて気液二相流状態となり、蒸発器にて周囲空気から熱を吸収することでガス化し、圧縮機へと流れる。蒸発温度（蒸発器吸込み温度）を露点温度以下にすることによって、水分を除去する方式が一般的である。
圧縮機の回転数が制御できる冷凍空調装置（ルームエアコン等）の場合、冷房の中間期（梅雨、秋等）において、冷房負荷が小さくなるため、圧縮機の回転数を低下させることにより、負荷に追従していた。その結果、蒸発温度が上昇し、部屋の顕熱は除去できるが、潜熱は除去できない状態に陥り、部屋の相対湿度が上昇し、不快感が増大していた。

そこで、冷凍機と水分吸着手段を組合せ、蒸発器（吸熱器）に流れ込む空気の水分を水分吸着手段によりあらかじめ除去（潜熱除去）する方式が開示されている。すなわち、水分吸着手段であるデシカントロータで減湿した空気を蒸発器（吸熱器）へ供給する。一方、吸湿したデシカントロータの水分を脱着して再生するために、凝縮器（放熱器）で加熱された高温の空気をデシカントロータへ供給している（例えば、特許文献１参照）。
また、冷凍機と水分吸着手段を組み合わせた方式においても、冷凍・冷蔵倉庫、部屋の負荷状況によっては、冷凍空調装置の能力を制御する必要があり、風量によって能力を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２４１６９３号公報（段落００７１〜００７９、図２）特開２００６−３０８２３６号公報（段落００２０、図２）

特許文献１のように、デシカントを有する空気調和機では、デシカントロータの表面に設けられる固体吸着剤にゼオライトやシリカゲルが用いられる。固体吸着剤にゼオライトを用いる場合について、図１３にゼオライトの水分平衡吸着特性を示す。図１３より、ゼオライトに吸着した水分を効率よく脱着して再生するには、相対湿度が数パーセント以下の空気を供給する必要があることがわかる。空気の相対湿度を減少させるためには空気を高温に加熱する必要があり、例えば、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）のような臨界温度以下で動作する冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器から発生する排熱で、ゼオライトやシリカゲルを再生することはできなかった。

また、図１４は、従来の水分吸着手段に用いられる吸着剤であるゼオライトの除湿能力と風速との関係を示すグラフである。
図１４に示すように、吸着剤として広く用いられているゼオライトは風速が約１[ｍ／ｓ]あたりで、除湿能力（吸着能力）がサチュレートしてしまうことが我々の研究で、分かっている。一方、冷凍サイクルの熱交換器においては、風速が４[ｍ／ｓ]付近までは、リニアに熱交換能力（蒸発能力、凝縮能力）が増加するので、吸着剤の能力（除湿能力）が適正（約０．５〜１．５[ｍ／ｓ]になる風速と熱交換器の能力が適正(０．５〜３．５[ｍ／ｓ])になる風速とが一致していなかった。例えば、冷凍サイクルの平均的な風速２ｍ／ｓに合わせた場合、風速に見合っただけの除湿能力が吸着剤で得られず、その結果、熱交換器では十分な顕熱能力は得られるが、吸着剤での潜熱能力は不十分なものとなり、ＳＨＦ（＝顕熱能力／［顕熱能力＋潜熱能力］）が大きくなるという問題が発生していた。このような状態では、送風機の入力分が除湿能力（潜熱能力）に寄与しないため、
ＣＯＰ（＝［顕熱能力＋潜熱能力］／［圧縮機入力＋送風機入力］）が悪化していた。

逆に吸着剤の適正風速（約０．５〜１．５[ｍ／ｓ]）に合わせた場合、除湿能力は十分得られても、熱交換器での風量(風速)が小さいため、顕熱能力が小さくなり、ＳＨＦが小さくなるという問題があった。また、熱交換器での風量(風速)が小さいため、蒸発器の蒸発温度が低下し、その結果、圧縮機の入力が大きくなり、ＣＯＰが悪化していた。

また、吸着剤の除湿能力が風速の増加とともにリニアに変化しないので、風速で除湿能力（潜熱能力）を制御することができず、その結果、ＳＨＦ（顕熱能力／［潜熱能力＋顕熱能力］）が大きくなり、負荷にマッチングしていないという現象が発生していた。

また、吸着剤での潜熱除去が不十分になり、吸着剤の下流に設置している蒸発器において、着霜が発生し、冷凍空調装置の信頼性を低下させていた。

本発明は、このような問題を解決するために為されたものであり、冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクルと相性の良い吸着剤とを組み合わせることによって、負荷への追従性を向上させ、信頼性の高い冷凍空調装置を得ることを目的としている。

本発明に係わる冷凍空調装置は、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路と、空調空間の水分を吸着して外気へ排出する水分吸着手段と、を有する冷凍空調装置において、水分吸着手段に水分吸着平衡の時定数が風速の増加とともに小さくなる吸着剤を用いたものである。別の言い方をすれば、風速の増加とともに、除湿能力が大きくなる吸着剤を用いたものである。

この発明に係る冷凍空調装置によれば、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路と、空調空間の水分を吸着して外気へ排出する水分吸着手段とを有する冷凍空調装置において、水分吸着平衡の時定数が風速の増加とともに小さくなる吸着剤を用いたので、風速を変化することによって、除湿能力と潜熱能力を変化させることが可能となり、負荷への追従性が向上し、冷凍空調装置の信頼性が向上する。

この発明の実施の形態における冷凍空調装置の構成を説明する概略図である。この発明の実施の形態における冷凍空調装置の要部構成である水分吸着手段の駆動状態を説明する概略図である。この発明の実施の形態における冷凍空調装置の動作を説明する空気線図である。この発明の実施の形態における冷凍空調装置の要部構成である水分吸着手段に設けられる吸着剤の吸着特性を説明する特性図である。空調装置の機種と風速との関係を示すグラフである。吸着剤の重量変化と時間との関係を示すグラフである。時定数と風速との関係を示すグラフである。除湿ロータの円筒内部の構造を示す図である。吸脱着時間と吸脱着量との関係を表す図である。風速と吸着剤の時定数との関係を示すグラフである。冷凍能力と風速との関係を示すグラフである。本実施の形態で用いられている吸着剤の除湿能力と風速との関係を示すグラフである。従来の水分吸着手段に用いられる吸着剤であるゼオライトの吸着特性を説明する特性図である。従来の水分吸着手段に用いられる吸着剤であるゼオライトの除湿能力と風速との関係を示すグラフである。

符号の説明

１デシカントロータ、２駆動手段、３ａファン、３ｂファン、４ａ第１の空気、４ｂ第２の空気、５デシカントロータの回転方向、６デシカントロータ、７駆動手段、２０冷凍機、２０ａ圧縮機、２０ｂ凝縮器、２０ｃ絞り装置、２０ｄ蒸発器、２０ｅ温度検知手段、２０ｆ温湿度検知手段、２０ｇ温湿度検知手段、２０ｈ温湿度検知手段、２０ｉ制御・演算手段、３０円筒内部、３１バルク空気層、３２境界層、３３吸着剤層、３４吸着剤細孔、３５バルク空気層−境界層間、３６境界層−吸着剤細孔間、３７吸着剤層厚さ、１００ａ外気側、１００ｂ冷蔵室（空調空間）。

本実施の形態における冷凍空調装置の構成を説明する。図１において、冷凍空調装置は、水分吸着手段と冷凍機２０を備えている。水分吸着手段であるデシカントロータ１、デシカントロータ１を駆動可動させるための駆動手段２であるモータ、外気側１００ａの空気である第１の空気４ａをデシカントロータ１へ供給するためのファン３ａ、冷蔵室１００ｂの空気である第２の空気４ｂをデシカントロータ１へ供給するためのファン３ｂに加え、ＨＦＣ系の冷媒であるＲ４０４Ａが封入され、圧縮機２０ａ、凝縮器２０ｂ、絞り装置である膨張弁２０ｃ、蒸発器２０ｄからなる冷凍機２０により構成される。冷媒はＲ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、アンモニア、ＨＣなどでもよい。ＣＯ₂は、臨界点以上で動作する冷媒であるため、凝縮時に高温の空気温度が得られやすいという特徴がある。その結果、吸着剤の再生温度を高くすることができるので、デシカントロータ１を小さくすることができる。ファン３ａが回転することにより、第１の空気４ａが凝縮器２０ｂと熱交換するとともにデシカントロータ１を通過するように気流を形成する。また、ファン３ｂが回転することにより、第２の空気４ｂがデシカントロータ１を通過し、さらに蒸発器２０ｄに供給されてこの蒸発器２０ｄと熱交換するように気流を形成する。また、凝縮器２０ｂは、水分吸着手段であるデシカントロータ１に対し第１の空気４ａの風上側に配置される。さらに、蒸発器２０ｄは、水分吸着手段であるデシカントロータ１に対し第２の空気４ｂの風下側に配置される。図２に示すように、デシカントロータ１は円柱形をしており、モータ２により矢印５の方向に回転し、外気側１００ａと冷蔵室１００ｂのスペースにあって、時間とともに回転移動する。

冷凍機２０の動作について説明する。圧縮機２０ａで圧縮された冷媒は、高温・高圧の冷媒となって凝縮器２０ｂに流れ込む。凝縮器２０ｂに流れ込んだ冷媒は、周囲の空気に熱を捨て、液冷媒になる。この周囲の空気に捨てた熱（凝縮排熱）を、水分吸着手段の再生に利用する。液状態となった冷媒は、膨張弁２０ｃにて減圧されて、低圧の気液二相冷媒になり、蒸発器２０ｄに送り込まれる。

蒸発器２０ｄに送り込まれた気液二相冷媒は、周囲の空気から熱を吸収することで、ガス状態になり、圧縮機２０ａに吸引される。蒸発器２０ｄに流れ込む空気は、あらかじめデシカントロータ１によって水分を除去された空気から吸熱されたものであるため、蒸発器２０ｄの表面（フィン、伝熱管）に霜が着かないのが特徴である。

次に、空気線図上での動作について説明する。図３はこの発明の本実施の形態における冷凍空調装置の動作を説明する空気線図である。図１及び図２において、冷蔵室１００ｂ側のデシカントロータ１を通過する第２の空気４ｂに対し、デシカントロータ１の通過前空気の状態を（１）、デシカントロータ１を通過した直後の空気の状態を（２）、蒸発器２０ｄと熱交換した直後の空気の状態を（３）とする。また、外気側１００ａのデシカントロータ１を通過する第１の空気４ａに対し、凝縮器２０ｂの風上側空気の状態を（４）、凝縮器２０ｂと熱交換した直後の空気の状態を（５）、デシカントロータ１の通過直後の空気状態を（６）とする。

まず、デシカントロータ１が冷蔵室１００ｂ内の水分を吸着する動作を説明する。状態（１）の空気は、乾球温度が−１０［℃］、相対湿度が６０％、絶対湿度が０．９６［ｇ／ｋｇ］である。デシカントロータ１に供給された状態（１）の空気は、等エンタルピ線に沿って、相対湿度が６０％から例えば２０％まで減湿され、絶対湿度は０．９６［ｇ／ｋｇ］から０．３６［ｇ／ｋｇ］まで減湿され、乾球温度は−１０［℃］から−８．５［℃］まで上昇した状態（２）の空気となって蒸発器２０ｄへ向かう。図４に示すように、デシカントロータ１に設けられる吸着剤は、相対湿度３０％以上の領域では吸着できる水分量が大きいので、状態（１）の空気を減湿できる。状態（２）の空気は蒸発器２０ｄで熱交換され、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが除去されて冷却され、相対湿度が１００％未満、乾球温度が−２０［℃］である状態（３）の空気となる。蒸発器２０ｄに着霜して冷凍機２０が除霜運転をしないようにするために、蒸発器２０ｄの蒸発温度が状態（２）の空気における露点温度（本実施の形態では−２５．７[℃]）よりも高くなるように、膨張弁２０ｃの開度、圧縮機２０ａの回転数、ファン３ｂの回転数等を調節している。状態（３）の空気は冷蔵室１００ｂ内へ拡散され、冷蔵室１００ｂの乾球温度を−１０［℃］に保つ。また、モータ２によりデシカントロータ１の水分を吸着した領域が外気側１００ａに移動され、デシカントロータ１に吸着した水分は後述するように外気側１００ａで脱着される。

次に、デシカントロータ１に吸着された水分が外気側１００ａで脱着される動作を説明する。状態（４）の空気は、外気温である乾球温度が３２［℃］、相対湿度が６０％、絶対湿度が１８．０４［ｇ／ｋｇ］である。凝縮器２０ｂに供給された状態（４）の空気は、凝縮器２０ｂで熱交換されて加熱され、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが加わり、乾球温度が５３［℃］まで上昇し、相対湿度が２０％まで減湿された状態（５）の空気となってデシカントロータ１へ供給される。凝縮器２０ｂの凝縮温度が５５［℃］になるように、膨張弁２０ｃの開度、圧縮機２０ａの回転数、ファン４ａの回転数等を調節する。デシカントロータ１へ供給された状態（５）の空気は、等エンタルピ線に沿って、相対湿度が２０％から６０％まで増湿され、絶対湿度が１８．０４［ｇ／ｋｇ］から２４．３８［ｇ／ｋｇ］まで増湿され、乾球温度が５３［℃］から３７.３［℃］まで低下した状態（６）の空気となり、外気側１００ａへ放出される。相対湿度が２０％である状態（５）の空気がデシカントロータ１に供給されれば、図４に示すようにデシカントロータ１に設けられる吸着剤で保持できる水分量が相対湿度３０％以上の領域における水分量よりも極端に小さくなるため、外気側１００ａの空気に水分を放出することができる。水分が脱着されたデシカントロータ１の領域は、モータ２の駆動力によって再び冷蔵室１００ｂ内へ移動する。この動作を繰り返すことにより、冷蔵室１００ｂ内を減湿する。

図５に冷凍サイクル（冷凍空調装置）における用途毎の適正な風速範囲を示す。図５より冷凍サイクルの風速範囲としては、０．５〜３．５［ｍ／ｓ］であることが分かる。風速を大きくしすぎると、熱交換器の風路圧損は大きくなる。その結果、ファンモータが非常に大きくなって、コストが高くなるため、風速の上限は３．５［ｍ／ｓ］程度となっている。即ち、風速が約３．５［ｍ／ｓ］以上においては、風速によって伝熱性能を上げるより熱交換器の伝熱面積の増大によって伝熱性能を上げる方がコスト的に有利であることを意味する。
（１）室内機は、人が居る空間を冷房又は暖房するため、風が強い（風速が大きい）と、利用者に不快感を与えたり、騒音が大きくなったりするため、比較的小さい風速０．５〜２［ｍ／ｓ］（低ノッチを含む）に設定されている。また、室内で用いるため、できるだけコンパクトにする必要があり、また着霜することはないので、フィンピッチを小さくしている（１〜２ｍｍ程度）。
（２）設備用空調機は、工場のような大空間を冷却するために、到達距離を稼ぐ必要があり、大風量が要求される。このような制約から設備用空調機の風速は１〜３．５［ｍ／ｓ］程度に設定されている。
（３）冷凍機（熱源側、室外機）や空調機の室外機は、屋外に設置される。熱交換器に埃などが付着し、経年劣化が激しいため、風速によって伝熱性能を上げるのではなく、伝熱面積を大きくすることによって経年劣化に対応している。このような制約から冷凍機や空調機の室外機の風速は１．５〜２［ｍ／ｓ］程度に設定されている。
（４）ユニットクーラ（冷凍機の室内機側）は冷凍倉庫や冷蔵倉庫に設置され、着霜が発生しやすいため、フィンピッチが広く（４〜１０ｍｍ）、しかも騒音に対して寛容であるため、比較的大きい風速１．５〜３［ｍ／ｓ］で使用されている。

次に、冷凍サイクルとのマッチングが良い吸着剤の選定方法を説明する。デシカントロータ１を回転させ、風速をパラメータに除湿能力を測定する方法が考えられるが、「最適な回転数」や「吸着と脱着の最適な分割比」が存在するため、測定には多大な時間を要する。そこで、デシカントロータ１を停止させた状態で、デシカントロータ１の重量の時間変化を測定する。その一例を図６に示す。図６はある風速条件下における水分吸着量（吸着剤重さ）と時間との関係を示したものである。吸着剤の静的な特性は図６に示されるような一次遅れ系である。図６から時定数（平衡吸着量の０．６３倍まで要する時間）を求める。
次に、冷凍サイクルの風速範囲（０．５〜３．５[ｍ／ｓ]）で風速を変化させて、時定数を測定する。風速を変化させて測定した時定数を図７に示す。図７中の材料Ａは冷凍サイクルとの組合せに適さない吸着剤であり、材料Ｂは冷凍サイクルとの組合せに適している吸着剤である。材料Ａは冷凍サイクルでの風速域（０．５〜３．５[ｍ／ｓ]）において、時定数が風速１．５［ｍ／ｓ］以上では変化しない。時定数は吸着速度を表しており、時定数が小さいほど吸着速度が大きい。すなわち、材料Ａは風速が０．５〜３．５[ｍ／ｓ]の範囲において、時定数がほとんど変化していないため、除湿能力が変化しないことを意味している。一方、材料Ｂは風速が０．５〜３．５[ｍ／ｓ]において、風速が増加するとともに、時定数が小さくなって行く。すなわち、冷凍サイクルでの風速範囲において、風速を増加させることによって、除湿能力を増減させることが可能であることを意味している。

図７に示す材料Ｂは、０．５〜３．５［ｍ／ｓ］において、式（１）で表される関係を満たしている。
Ｔ＝√Ｔａ／（Ｃ１×Ｘａ×ｖ）・・・・・・・・・・・・（１）
ここで、Ｔ：時定数［ｓ］、Ｔａ：空気温度［Ｋ］、Ｃ１：定数（実験より求める）、Ｘａ：絶対湿度［ｋｇ_H2O／ｋｇ_air］、ｖ：風速である。
これより、材料Ｂの時定数は、風速に反比例することが分かる。即ち、風速が大きいほど材料Ｂの時定数は小さくなり、風速が小さいほど吸着剤の時定数は大きくなる。

次に、上記の式（１）の導出方法について以下に説明する。
図８は除湿ロータ１１における吸脱着を行う部分の構造とその平板モデルを表す図である。デシカントロータ１の円筒内部は図８（ａ）のようなハニカム構造をしており、簡易的な平板モデルに置き換えると、図８（ｂ）のように表すことができる。平板モデルにおいて、円筒内部３０の構造はバルク空気層３１、境界層３２および吸着剤層３３で表され、さらに吸着剤層３３には吸着剤細孔３４による凹凸が形成されている。また、バルク空気層３１と境界層３２との間をバルク空気層−境界層間３５とし、境界層３２と吸着剤細孔３４との間を境界層−吸着剤細孔間３６とする。そして、吸着剤層３３の厚さを吸着剤層厚さ３７で表す。

吸着速度、脱着速度は、バルク空気層−境界層間３５と境界層−吸着剤細孔間３６とにおける二段階のＨ₂Ｏ分子の流れを経由して決定される。ここで、統合物質伝達移動係数ｋｔを用いて吸着速度、脱着速度を表すと、１次のLangmuir型吸着脱着式に基づいて式（２）のようになる。そして、この（２）式の解析解として、一次遅れ系の応答となる（３）式が得られる。時定数Ｔは、除湿ロータ１１が空気中の水分を吸脱着したときの量が、吸着剤１ｋｇに対する平衡吸着水分量ｑ＊の１−ｅ^-1倍（約６３．２％）に達するまでの時間を表すこととなる。
ここで、
ｑ：任意時刻における水分吸脱量（ｋｇ_H2O／ｋｇ_ads）
ｔ：任意時刻（ｓ）
ｑ＊：吸着剤１ｋｇに対する平衡吸着水分量（ｋｇ_H2O／ｋｇ_ads）
ｋｔ：統合物質伝達移動係数（１／ｓ）
Ｔ：時定数（ｓ）（Ｔａｄ：吸着時定数（ｓ）またはＴｄｅ：脱着時定数（ｓ））
である。

吸着速度、脱着速度を決定する要因である統合物質伝達係数ｋｔは、図８に示すように、バルク空気層−境界層間３５における物質移動抵抗と、吸着剤層内の表面張力による境界層−吸着剤細孔間３６における物質移動抵抗の２段階メカニズムに起因し、次式（４）で表される。
ここで、
ｋｔ：統合物質伝達移動係数（１／ｓ）
ｋａ：バルク空気層−境界層間３５の物質伝達移動係数（１／ｓ）
ｋｂ₁：境界層−吸着剤細孔間３６の物質伝達移動係数（１／ｓ）
である。
１／ｋｔ＝１／ｋａ＋１／ｋｂ₁ …（４）

また、バルク空気層−境界層間３５の吸着時の単位時間かつ単位面積当たりの水分移動量Ｍａｄ、脱着時の水分移動量Ｍｄｅは次式（５）で表される。バルク空気層−境界層間３５の物質伝達移動係数ｋａはバルク空気層−境界層間３５のＨ₂Ｏ分子の物質伝達係数αｍに比例する。
ここで、
Ｍａｄ：吸着時の水分移動量（ｋｇ_H2O／（ｍ²・ｓ））
Ｍｄｅ：脱着時の水分移動量（ｋｇ_H2O／（ｍ²・ｓ））
ｘａ：バルク空気層絶対湿度（ｋｇ_H2O／ｋｇ_air）
ｘｃ：境界層絶対湿度（ｋｇ_H2O／ｋｇ_air）
ρａ：バルク空気層空気密度（ｋｇ_air／ｍ³）
ρｃ：境界層空気密度（ｋｇ_air／ｍ³）
αｍ：バルク空気層と境界層間のＨ₂Ｏ分子の物質伝達係数（ｍ／ｓ）
である。
吸着時：Ｍａｄ＝αｍ×（ｘａ−ｘｃ）×ρａ（ｘａ＞ｘｃ）
脱着時：Ｍｄｅ＝αｍ×（ｘｃ−ｘａ）×ρｃ（ｘｃ＞ｘａ） …（５）

さらに、バルク空気層−境界層間３５のＨ₂Ｏ分子の物質伝達係数αｍは、単位時間かつ単位面積あたりに飛び込んでくる分子数で表される凝縮頻度Ｊｉｎと風速ｖの積に比例する。凝縮頻度Ｊｉｎは次式（６）より算出される。また、（６）式に基づいて（７）式も得られる。
ここで、
αｍ：バルク空気層と境界層間のＨ₂Ｏ分子の物質伝達係数（ｍ／ｓ）
Ｊｉｎ：凝縮頻度（個／（ｍ²・ｓ））
ｖ：風速（ｍ／ｓ）
ｍ：水分子の質量（ｋｇ／個）＝３×１０^-26
ｋ：ボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）＝１．３８×１０^-23
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
ｐ：水蒸気分圧（Ｎ／ｍ²）
ｃ１：係数（静特性実験等に基づいて得られる）
Ｔａ：空気層絶対温度（Ｋ）
である。

一方、吸着剤細孔３４内の表面張力による境界層−吸着剤細孔間３６の吸着速度、脱着速度は次式（８）により算出される。
ここで、
ｑ：任意時刻における吸着水分量（ｋｇ_H2O／ｋｇ_ads）
ｔ：任意時刻（ｓ）
ｄｐ：吸着剤平均粒子径（ｍ）
Ｄｓ：吸着剤細孔３４内の表面拡散係数（ｍ²／ｓ）
ｑ＊：吸着剤１ｋｇに対する平衡吸着水分量（ｋｇ_H2O／ｋｇ_ads）
ｋｂ：境界層−吸着剤層細孔内のＨ₂Ｏ分子の物質伝達移動係数（ｍ／ｓ）
ａｂ：吸着剤層厚さ（ｍ）
である。

また、（８）式における吸着剤細孔３４内の表面拡散係数Ｄｓはアレニウスの式と呼ばれる次式（９）により算出される。ただし、吸着剤層絶対温度Ｔｂは短時間で空気層絶対温度Ｔａとなるため、Ｔｂ≒Ｔａとする。
ここで、
Ｄｓ：吸着剤細孔内の表面拡散係数（ｍ²／ｓ）
Ｄｓ０：２．５４×１０−４（ｍ²／ｓ）
Ｅａ：活性化エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）＝４．２×１０４
Ｒ０：気体常数（Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ））
Ｔｂ：吸着剤層絶対温度（Ｋ）
である。

吸着剤細孔３４内の表面張力による境界層−吸着剤細孔間３６の物質移動係数ｋｂ１は吸着剤細孔３４内の表面拡散係数Ｄｓに比例する。よって次式（１０）が得られる。
ここで、
ｋｂ₁：境界層−吸着剤細孔内の物質伝達移動係数（１／ｓ）
ｋｂ：境界層−吸着剤層細孔内のＨ₂Ｏ分子の物質伝達移動係数（ｍ／ｓ）
ａｂ：吸着剤層厚さ（ｍ）
ｃ２：係数（静特性実験等に基づいて得られる）
Ｄｓ：吸着剤細孔３４内の表面拡散係数（ｍ²／ｓ）
である。
ｋｂ₁ ＝ｋｂ／ａｂ ∝ｃ２×Ｄｓ …（１０）

（３）式、（７）式および（１０）式より、時定数Ｔは次式（１１）により表される。また吸着時定数Ｔａｄおよび脱着時定数Ｔｄｅは（１１）式に基づいて決定する。
ここで、
Ｔ：時定数（ｓ）（Ｔａｄ：吸着時定数（ｓ）またはＴｄｅ：脱着時定数（ｓ））
ｋａ：バルク空気層−境界層１６間の物質伝達移動係数（１／ｓ）
ｋｂ₁：境界層−吸着剤細孔内の物質伝達移動係数（１／ｓ）
Ｔａ：空気層絶対温度（Ｋ）
ｃ１：係数（静特性実験等に基づいて得られる）
ｘａ：バルク層絶対湿度（ｋｇ_H2O／ｋｇ_air）
ｖ：風速（ｍ／ｓ）
ｃ２：係数（静特性実験等に基づいて得られる）
Ｄｓ：吸着剤細孔３４内の表面拡散係数（ｍ²／ｓ）
である。

図９は吸脱着時間と吸脱着量との関係を表す図である。実際に空気調和装置に適用する場合には、例えば除湿ロータ１１を用いた静特性実験を行い、上述した式に基づいて、吸着時定数Ｔａｄおよび脱着時定数Ｔｄｅの値等を決定する。

ここで、式（１１）について考察する。
細孔内径（以下、ｄとする）がｎｍのオーダーになると、細孔内径ｄが小さくなるにつれて細孔内に収容される水（Ｈ₂Ｏ）分子と細孔壁を構成する分子との間の結合力（保存力）が強くなっていくので、水分子は細孔からの分離・拡散がしにくくなる。すなわち、式（９）における活性化エネルギーＥａは細孔内径ｄに依存する。ゼオライトの場合、細孔径は０．５nm程度であり、ゼオライトの活性化エネルギーは相対的に大きくなる。活性化エネルギーが大きくなると、式（９）より、表面拡散係数Ｄｓは相対的に小さくなる。これは、ゼオライトでは細孔内の水分が動きにくくなることを示している。表面拡散係数Ｄｓが相対的に小さくなると、境界層と吸着剤層細孔間の物質伝達移動抵抗１／ｋｂ₁ が相対的に大きくなる。これより、統合物質伝達移動抵抗１／ｋｔは、式（１１）により、細孔内側の抵抗により律速されて一定値以下にはならなくなる。
従って、式（１１）で表される時定数Ｔは、風速ｖを大きくすると、式（１１）の右辺第１項は小さくなるが、右辺第２項が大きいため、右辺第２項によって律速されて一定値以下にはならなくなる。
これに対して、細孔内径ｄ＞１ｎｍの場合、活性化エネルギーＥａはゼオライトよりも小さい。従って、式（１１）の右辺第２項の影響が小さくなり、時定数Ｔは式（１１）の右辺第１項に強く依存することになる。その結果、式（１）が導出されることになり、風速の増大とともに時定数は小さくなっていく。
以上より、風速と吸着剤の時定数との関係を、グラフで表すと、図１０のようになる。また、上記検討から、細孔径、時定数、風速には依存性があることを理論的に裏付けることができた。実験からも（図７、図１２）、この理論が妥当であることを裏付けるデータが得られた。冷凍サイクルとマッチングの良い吸着剤の細孔径は１ｎｍ以上であることが分かった。具体的には、１ｎｍ以上の細孔を有し、なおかつ細孔分布が小さい（均一）メソポーラスシリカが冷凍サイクルとの相性が良い代表的な材料であることが分かった。

本発明のように、風速が０．５〜３．５[m/s]の範囲においても、時定数が風速の増加とともに小さくなって行く吸着剤を冷凍サイクルに適用することによって、送風機の動力を有効に利用することができる。
図１１に風速と熱交換器の能力との関係の一例を示す。図１２に風速と除湿能力（吸着能力）との関係の一例を示す。
図１１から分かるように風速（熱交換器を通過する空気の風速）を増加させると、熱交換器におけるフィンから空気への熱伝達率が大きくなるため、熱交換器の能力が増す。この特性を利用して、後述の制御・演算手段は冷凍サイクルの負荷変動に対して風速を増減させることで、冷凍（凝縮）能力の調整を行っている。具体的には、冷凍（凝縮）能力を増大させるときは、制御・演算手段は送風機の回転速度をアップさせ、風速を大きくしている。冷凍（凝縮）能力を小さくするときは、制御・演算手段は送風機の回転速度を落とし、風速を小さくしている。風速（風量）制御は冷凍サイクルの能力制御の有効な手段である。
また、図１２から分かるように風速を増加させると、デシカントロータ１に担持される吸着剤に接触する空気の単位時間当たりの通過量が増大するため、吸着剤の除湿能力が増大する。

一般的な環境においては、外気侵入による負荷が大半を占めるため、顕熱負荷と潜熱負荷（除湿負荷）が同時に増大したり、減少したりする。すなわち、大きな潜熱能力（除湿能力）を必要とするときは、同時に大きな顕熱能力も必要とする。本発明のように、冷凍サイクルが必要とする風速域（０．５〜３．５[ｍ／ｓ]）において、風速の増加と共に除湿能力が増大する吸着剤を冷凍サイクルに適用することで、除湿能力と顕熱能力を風速（送風機の回転速度制御）によって、調節することができる。その結果、システムの運転範囲が広がるとともに、負荷変動への追従性が向上する。また、潜熱除去がきちんと行われるので、デシカントの下流に設置されている蒸発器への着霜を安定して防止することができ、システムの信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の制御方法の一例を説明する。図１に示すように本システムには、蒸発温度を検知する手段２０e、蒸発器吸い込み空気温度と相対湿度を検知する手段２０ｆ、デシカント（吸着側）の入口に空気温度と相対湿度を検知する手段２０ｇ、凝縮器吹き出し空気温度と相対湿度を検知する手段２０ｈを備えている。２０ｅは温度センサ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈは温湿度センサである。２０ｉは制御・演算手段である。
温湿度センサ２０ｇによって、庫内の温度(Ｔ０)と相対湿度(ＲＨ０)を検知する。計測されたＴ０とＲＨ０は制御・演算手段２０ｉによって、空気のエンタルピＨに換算される。予め表１に示すような空気エンタルピと風速との対応表を試験などで決めておき、この対応表を制御演算手段２０ｉ内の記憶手段（図示せず）に記憶させておき、必要時に、記憶手段の対応表に基づいて、送風機モータの電圧を制御することによって、風量を制御する。基本的には、空気エンタルピＨが大きいときは（負荷大）、風量を大きくし、空気エンタルピＨが小さいときは（負荷小）、風量を小さくする。

表１空気エンタルピＨと送風機モータの電圧（風速）との対応表

空気エンタルピＨ＜Ｈ１Ｈ１≦Ｈ＜Ｈ２Ｈ２≦Ｈ＜Ｈ３Ｈ３≦Ｈ

送風機モータの電圧Ｖ０Ｖ１Ｖ２Ｖ３

温湿度センサ２０ｆによって、蒸発器２０ｄの吸い込み温度(Ｔ１)と相対湿度(ＲＨ１)を検知する。計測されたＴ１とＲＨ１は、制御・演算手段２０ｉによって、露点（Ｔｄ）に換算される。蒸発温度(Ｔｅ)を露点以上に制御すれば、蒸発器に霜が付かず、デフロスト運転（除霜運転）が不要となり、大幅に効率を改善できる。本実施の形態では、この「露点Ｔｄ（℃）」を目標の蒸発温度Ｔｅｍとする。制御・演算手段２０ｉは、蒸発温度がＴｅｍ以上になるように、圧縮機２０ａの周波数、膨張弁の開度２０ｃを調節する。例えば、Ｔｅ＞Ｔｅｍの場合には、制御・演算手段２０ｉは、周波数をアップさせたり、膨張弁２０ｃの開度を小さくさせたりする。逆にＴｅ＜Ｔｅｍの場合、制御・演算手段２０ｉは周波数をダウンしたり、膨張弁２０ｃの開度を大きくしたりする。

次に、凝縮器側の制御を説明する。温湿度センサ２０ｈによって、凝縮器２０ｄの吹き出し温度(Ｔ２)と相対湿度(ＲＨ２)を検知する。制御・演算手段２０ｉは、凝縮器側の相対湿度が目標の相対湿度（ＲＨｍ、本実施の形態では２０％）になるように、圧縮機２０ａの周波数、膨張弁２０ｃの開度を調節する。ＲＨ２＞ＲＨｍの場合は、制御・演算手段２０ｉは、周波数をアップさせたり、膨張弁２０ｃの開度を小さくさせたりする。逆にＲＨ２＜ＲＨｍの場合、制御・演算手段２０ｉは、周波数をダウンしたり、膨張弁２０ｃの開度を大きくしたりする。
なお、除湿性能を確保するには、吸着剤を十分に再生しておく必要があるため、凝縮器側の相対湿度を目標相対湿度ＲＨｍ以下にすることが、運転範囲の大部分において、制御の優先項目となる。

図４は、この発明の本実施の形態における冷凍空調装置の要部構成図であり、同時に水分吸着手段であるデシカントロータ１に設けられる吸着剤の水分吸着特性を示している。吸着剤は多孔質ケイ素材料であり、２ｎｍ（ナノメートル）程度の細孔が多数設けられたものであり、毛管凝縮現象によって水分を吸着する。図４において、横軸は空調空間の相対湿度、縦軸は水分の平衡吸着量である。図４から分かるように、本実施の形態で用いる吸着剤は、相対湿度が２０％から３０％の範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率である傾斜が、２０％未満または３０％を超える範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率である傾斜よりも大きいことが特徴である。我々の研究によると、１〜１０ｎｍの均一な細孔を有するメソポーラスシリカは冷凍サイクルの風速範囲において、風速依存性が強く、冷凍サイクルとの相性が特に良い吸着剤である。

Claims

冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路と、空調空間の水分を吸着して外気へ排出する水分吸着手段と、を有する冷凍空調装置において、
前記水分吸着手段に水分吸着平衡の時定数が風速の増加とともに小さくなる吸着剤を用いたことを特徴とする冷凍空調装置。
前記吸着剤は、１〜１０ｎｍの均一な細孔径を有するメソポーラスシリカであり、前記水分吸着手段、前記蒸発器、前記凝縮器の通過風速を０．５〜３．５ｍ／ｓに設定したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
前記吸着剤は、
時定数をＴ[ｓ]、
空気温度をＴａ[Ｋ]、
定数をＣ１、
絶対温度をＸａ[ｋｇ_H2O／ｋｇ_air]、
風速をｖとすると、
Ｔ＝√Ｔａ／（Ｃ１×Ｘａ×ｖ）
の関係式を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍空調装置。
前記水分吸着手段は、前記吸着剤を担持させたロータ型の水分吸着手段であり、前記凝縮器の風下に配置されるとともに前記蒸発器の風上に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記空調空間内に設けられ、前記水分吸着手段に前記空調空間内の空気を通風させる前記蒸発器用の送風機と、
空気のエンタルピと、前記蒸発器用の送風機を駆動する駆動手段の制御電圧とを対応させたテーブルを記憶する記憶手段と、
前記水分吸着手段を通過する前の前記空調空間内空気の温度と相対湿度を検知する温湿度検知手段と、
前記温湿度検知手段の検知結果をエンタルピに換算し、前記記憶手段に記憶されたテーブルを参照して、前記エンタルピに対応する制御電圧を取得し、この制御電圧に基いて前記駆動手段を制御する制御演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記空調空間内に設けられ、前記水分吸着手段に前記空調空間内の空気を通風させる前記蒸発器用の送風機と、
この送風機の力により前記水分吸着手段を通過した後かつ前記蒸発器を通過する前の前記空調空間内空気の温度と相対湿度を検知する温湿度検知手段と、
前記温湿度検知手段の検知結果に基いて前記蒸発器の露点温度を換算し、前記蒸発器の蒸発温度が前記露点温度以上になるように前記圧縮機の周波数、前記膨張装置の開度を制御する制御演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍空調装置。
前記空調空間の外に設けられ、前記水分吸着手段に前記凝縮器を通過した空気を通風させる送風機と、
この送風機の力により前記凝縮器を通過した後かつ前記水分吸着手段を通過する前の前記空調空間の外の空気の温度と相対湿度を検知する温湿度検知手段と、
前記温湿度検知手段の検知結果に基いて相対湿度が所定値になるように前記圧縮機の周波数、前記膨張装置の開度を制御する制御演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍空調装置。