JP2006162225A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない熱ロスで換気を可能にしつつ、同時に安定的に少ない動力で換気分の除湿を冷凍サイクルで可能にする。
【解決手段】 外気を導入する第１通路４および内気を排出する第２通路５に顕熱用熱交換器７を設け、この顕熱用熱交換器７により内気と外気とを熱交換させて顕熱分を回収する。また、導入される外気を冷却する第１蒸発器８７と、排出される内気と冷媒とを熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器８４とを備え、第１蒸発器８７で発生する凝縮水を過冷却用熱交換器８４に供給し、第１蒸発器８７で発生する凝縮水の蒸発潜熱を液相冷媒の過冷却に利用して、その凝縮水の蒸発潜熱を回収する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導入される流体と排出される流体との間で熱交換を行うようにした空調装置に関するものである。

従来、冷凍サイクル内で発生した凝縮水を液相冷媒の過冷却に使用することで、凝縮水の蒸発潜熱を回収するようにした空調装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特に、特許文献２に示された装置では、外気で凝縮水の蒸発を促進させるようにしている。
特開平１０−１６０２６９号公報 特開２００３−３５４６０号公報

しかしながら、特許文献１に示された装置では、発生した凝縮水の蒸発潜熱の全てを液相冷媒の過冷却で回収することは困難であり、凝縮水の蒸発潜熱の大部分は未利用の状態になってしまう。

また、特許文献２に示された装置では、外気で凝縮水の蒸発を促進させるようにしているが、凝縮水が多量に発生する時は冷却空気の湿度が高い時であり、このように湿度が高い時は空気側での水分蒸発量は少なくなるため全ての凝縮水を使うことが出来ない。一方、湿度が低い時期は凝縮水が少なく且つ水分の蒸発量が多くなるものの、そのような湿度が低い時期は、一般に冷凍サイクルの負荷も低く冷媒循環量が少なくなり、このように冷媒循環量が少ない場合には、凝縮水の蒸発潜熱を１００％回収することが困難になる。

このように、実際の使用状況では、凝縮水の蒸発潜熱を利用した冷媒過冷却部の冷却が安定しないため、安定した冷房性能が発揮できないという問題があった。

また、最近は室内の空気質が問題となり、室内換気を実施しており、その際に室内の空調された空気と未空調の外気が入れ替ることになり、空調負荷が増大するという問題もあった。

本発明は上記点に鑑みて、少ない熱ロスで換気を可能にしつつ、同時に安定的に少ない動力で換気分の除湿を冷凍サイクルで可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１流体を第１空間（２）から第２空間（３）に向かって導く第１通路（４）と、第１流体よりも絶対湿度が低い第２流体を第２空間（３）から第１空間（２）に向かって導く第２通路（５）と、第１通路（４）および第２通路（５）に設置されて、第１流体と第２流体とを熱交換させる顕熱用熱交換器（７、７ａ、７ｂ）と、第２空間（３）内にある流体を冷媒と熱交換させて冷却する冷凍サイクル（８）と、冷凍サイクル（８）の一部を成すとともに、第１通路（４）における顕熱用熱交換器（７、７ｂ）の下流側に設置され、冷媒と第１流体とを熱交換させて第１流体を冷却する第１蒸発器（８７）と、冷凍サイクル（８）の一部を成すとともに、第２通路（５）における顕熱用熱交換器（７、７ａ）の下流側に設置され、液相の冷媒と第２流体とを熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器（８４）とを備え、第１蒸発器（８７）で発生する凝縮水が過冷却用熱交換器（８４）に供給されることを特徴とする。

これによると、顕熱用熱交換器により第１流体と第２流体とを熱交換させるため、顕熱分を回収することができる。また、第１蒸発器で発生する凝縮水の蒸発潜熱を液相冷媒の過冷却に利用するため、その凝縮水の蒸発潜熱を回収することができる。したがって、換気による熱ロスを大幅に抑えることが可能となり、また第２空間冷房用の冷凍サイクルの動力をほとんど消費することなく、換気分の除湿が可能となる。

また、顕熱用熱交換器の下流に過冷却用熱交換器を設置しているため、顕熱用熱交換器で回収できなかった顕熱分も、過冷却用熱交換器で回収することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の空調装置において、第１蒸発器（８７）は、過冷却用熱交換器（８４）よりも上部に配置されていることを特徴とする。

これによると、第１蒸発器から発生する凝縮水を、重力を利用して過冷却用熱交換器へ供給することが可能である。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の空調装置において、顕熱用熱交換器（７ａ、７ｂ）は、ヒートパイプ型熱交換器であり、第１蒸発器（８７）の直下に過冷却用熱交換器（８４）が配置されていることを特徴とする。

これによると、ヒートパイプ型熱交換器は分離配置が可能であるため、第１蒸発器を第１通路における顕熱用熱交換器の下流側に設置し、過冷却用熱交換器を第２通路における顕熱用熱交換器の下流側に設置し、さらに、第１蒸発器の直下に過冷却用熱交換器を配置する構成を実現することができる。これにより、第１流体と第２流体との顕熱交換をはじめに行いながら、その後の第１蒸発器による冷却除湿で発生した凝縮水を、重力のみで過冷却用熱交換器へ供給することができる。

請求項４に記載の発明のように、第１通路（４）を第２通路（５）よりも上部に位置させることにより、請求項２、３に記載の発明を実施することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の空調装置においては、過冷却用熱交換器（８４）内を流通する冷媒の量は、第１蒸発器（８７）内を流通する冷媒の量より多いことを特徴とする。

これによると、第１蒸発器内を流通する冷媒の量は相対的に少ないため、発生する凝縮水の量は少なく、一方、過冷却用熱交換器内を流通する冷媒の量は相対的に多いため、冷媒過冷却による熱回収可能な熱量は多くなる。したがって、凝縮水の蒸発潜熱をより確実に回収することができ、熱ロスおよび冷凍サイクルの動力を大幅に抑制しつつ換気を行うことができる。

請求項６に記載の発明のように、請求項５に記載の空調装置において、冷凍サイクル（８）は、第２空間（３）内にある第２流体と冷媒とを熱交換させて第２流体を冷却する第２蒸発器（８８）を備え、冷凍サイクル（８）内を循環する冷媒を、全量を過冷却用熱交換器（８４）内に流通させた後、第１蒸発器（８７）と第２蒸発器（８８）に分配することにより、請求項５に記載の発明を実施することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の空調装置において、顕熱用熱交換器（７、７ａ、７ｂ）内での第１流体と第２流体の流れは対向流であることを特徴とする。これによると、顕熱用熱交換器の熱交換効率を高めることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、隔壁１によって室外２と室内３が隔てられ、室外２と室内３は隔壁１を貫通する第１通路４と第２通路５によって連通されている。第２通路５内には空気流を発生させるファン６が設けられており、このファン６の作動により、第２通路５を介して室内３の空気（以下、内気ａという）が室外２に排出される。また、内気ａが室外２に排出されるのに伴い、第１通路４を介して室外２の空気（以下、外気ｂという）が室内３に導入される。

なお、室外２は本発明の第１空間に相当し、室内３は本発明の第２空間に相当し、外気ｂは本発明の第１流体に相当し、内気ａは本発明の第２流体に相当する。

第１通路４および第２通路５中には、内外気を入れ替える際に内外気間で顕熱分を熱交換するための顕熱用熱交換器７が設けられている。因みに、顕熱用熱交換器７内での内外気の流れは対向流である。

空調装置は冷凍サイクル８を備えており、この冷凍サイクル８は、冷媒を圧縮して高圧化する圧縮機８１、高温高圧の気相冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器８２、気相冷媒と液相冷媒とを分離する気液分離器８３、液相冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器８４、過冷却された液相冷媒を減圧膨張させる第１、第２膨張弁８５、８６、この第１膨張弁８５にて膨張された後の冷媒と第１通路４を通過する外気ｂとを熱交換させる第１蒸発器８７、第２膨張弁８６にて膨張された後の冷媒と室内３にある内気とを熱交換させる第２蒸発器８８等の構成部品から構成されている。

冷凍サイクル８の構成部品は、冷媒が循環する冷媒配管８９によって接続されている。そして、その冷媒配管８９は過冷却用熱交換器８４の冷媒流れ下流側で２つに分岐されており、冷凍サイクル８内を循環する冷媒は、全量が過冷却用熱交換器８４内を流通した後、第１蒸発器８６と第２蒸発器８８に分配されるようになっている。

圧縮機８１、凝縮器８２、および気液分離器８３は、室外２に設置されている。第１、第２膨張弁８５、８６、および第２蒸発器８８は、室内３に設置されている。過冷却用熱交換器８４は、第２通路５における顕熱用熱交換器７の空気流れ下流側に設置されている。第１蒸発器８７は、第１通路４における顕熱用熱交換器７の空気流れ下流側に設置されている。

また、第１通路４は第２通路５よりも上部に位置しており、したがって、第１通路４中に設置された第１蒸発器８７は、第２通路５中に設置された過冷却用熱交換器８４よりも上部に位置する。

第１通路４における第１蒸発器８６の下部には、第１蒸発器８６で発生する凝縮水を受けるドレン受け９が設けられている。そのドレン受け９に溜まった凝縮水は、凝縮水配管１０を介して過冷却用熱交換器８４側に導かれ、過冷却用熱交換器８４の熱交換コア部に供給される（かける）ようになっている。凝縮水配管１０中には、凝縮水を移送するためのポンプ１１が設けられている。

次に、上記構成になる空調装置の作動を説明する。

冷凍サイクル８が作動すると、第２蒸発器８８により室内３にある内気が冷却・除湿され、室内３にある内気は外気よりも温度および絶対湿度が低くなる。

一方、ファン６の作動により換気が行われる。この換気の際に第１通路４を介して導入される外気ｂは、顕熱用熱交換器７により内気ａと熱交換して温度が下げられた後、第１蒸発器８６により冷媒と熱交換してさらに冷却・除湿される。これにより、換気の際に導入される空気を、室内３にある空気と同等の温度および湿度状態にする。

このとき第１蒸発器８６で発生した凝縮水はドレン受け９で回収され、その凝縮水は凝縮水配管１０とポンプ１１を使って過冷却用熱交換器８４に供給される。そして、過冷却用熱交換器８４に供給された凝縮水は、第２通路５を介して排出される低湿度の内気ａにより、安定的に蒸発させられる。このときの蒸発潜熱により、過冷却用熱交換器８４を通過する液相冷媒が過冷却される。

このように、換気時に排出される空気の顕熱分を導入される空気に回収させるため、冷凍サイクル８側の能力の大部分は室外２から来る空気の除湿分となる。そして、その除湿により発生した凝縮水分を冷凍サイクル８の過冷却に利用することで、この換気時に発生する除湿分のエネルギーを冷凍サイクル８へ回収させるため、室内の空調負荷を増加させずに、最小限の動力で室内外の空気を入れ替えることが可能となる。

本実施形態では、換気時に排出される空気の顕熱分を導入される空気に回収させるため、第１蒸発器８６は除湿能力のみでよく、しかも、その除湿で発生する凝縮水の蒸発潜熱を冷凍サイクル８へ回収させるため、最小限の動力で空調負荷を高めずに換気を行うことができる。

また、空調された低湿度の内気ａにより、過冷却用熱交換器８４に供給された凝縮水を蒸発させるため、その凝縮水を安定的に蒸発させることができる。

また、室内３の冷房を行う既設の冷凍サイクルに、本実施形態の換気装置部分を取り付けても、動力を悪化させることがない。

また、顕熱用熱交換器７の下流に過冷却用熱交換器８４を設置しているため、顕熱用熱交換器７で回収できなかった顕熱分も、過冷却用熱交換器８４で回収することができる。

また、第１蒸発器８７内を流通する冷媒の量は相対的に少ないため、発生する凝縮水の量は少なく、一方、過冷却用熱交換器８４内を流通する冷媒の量は相対的に多いため、冷媒過冷却による熱回収可能な熱量は多くなる。したがって、凝縮水の蒸発潜熱をより確実に回収することができ、熱ロスおよび冷凍サイクルの動力を大幅に抑制しつつ換気を行うことができる。

また、顕熱用熱交換器７内での内外気の流れは対向流であるため、顕熱用熱交換器７の熱交換効率を高めることができる。

また、第１蒸発器８７は過冷却用熱交換器８４よりも上部に位置するため、ポンプ１１を廃止して、重力のみで凝縮水を過冷却用熱交換器８４へ供給することも可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２施形態について説明する。図２は第２実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図、図３は図２の第１クロス型通路箱の斜視図、図４は図２の第１クロス型通路箱の平面図、図５は図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、図６は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態は、第１蒸発器８７の直下に過冷却用熱交換器８４を配置するようにしたものであり、これにより、第１蒸発器８７による冷却除湿で発生した凝縮水を重力のみで過冷却用熱交換器８４へ確実に供給可能にして、ポンプ１１（図１参照）を廃止している。

第１通路４には外気ａを導入するためのファン６ａが設置され、第２通路５には内気ｂを排出するためのファン６ｂが設置されている。

顕熱用熱交換器７として、分離配置が可能なヒートパイプ型熱交換器を用いている。このヒートパイプ型の顕熱用熱交換器７は、内部に封入された冷媒の蒸発・凝縮を利用した熱移動を行っているため、冷媒ガスが凝縮する側７ａ（以下、冷却部という）を上部に配置し、液相冷媒を蒸発させる側７ｂ（以下、加熱部という）を下部に配置している。また、第１蒸発器８７を第１通路４における加熱部７ｂの空気流れ下流側に設置し、過冷却用熱交換器８４を第２通路５における冷却部７ａの空気流れ下流側に設置している。

ところで、外気ａは、下部に位置する加熱部７ｂを通過させた後、上部に位置する第１蒸発器８７に流す必要があり、一方、内気ｂは、上部に位置する冷却部７ａを通過させた後、下部に位置する過冷却用熱交換器８４に流す必要がある。すなわち、室内３と室外２から流れて来る空気を上下方向にクロスさせる必要がある。

そのため、内外気を混合させずにクロスさせるクロス型通路箱２０ａ、２０ｂを、第１蒸発器８７および過冷却用熱交換器８４の出入り口前後に、それぞれ１つずつ設置している。

図３〜図６に示すように、クロス型通路箱２０ａ、２０ｂは、２方向に開口部２０１、２０２を有する直方体の箱体を多数積層したものであり、１列毎に開口部２０１、２０２の位置が９０°ズレた状態で組み立てられている。換言すると、ある箱体の２つの開口部２０１は外気ａの入口および出口に相当し、その箱体に隣接する箱体の２つの開口部２０２は内気ｂの入口および出口に相当する。

そして、図２および図３に示すように、外気ａは加熱部７ｂを通過した後に第１クロス型通路箱２０ａ内を下部から上部へ流れて第１蒸発器８７に流入し、第１蒸発器８７を通過した外気ａは第２クロス型通路箱２０ｂ内を上部から下部へと流れて室内３へ導入される。

一方、図２に示すように、内気ｂは冷却部７ａを通過した後に第２クロス型通路箱２０ｂ内を上部から下部へと流れて過冷却用熱交換器８４に流入し、過冷却用熱交換器８４を通過した内気ｂは第１クロス型通路箱２０ａ内を下部から上部に向かって流れて室外２へ排出される。

本実施形態では、顕熱用熱交換器７として、分離配置が可能なヒートパイプ型熱交換器を用いることにより、第１蒸発器８７を第１通路４における加熱部７ｂの空気流れ下流側に設置し、過冷却用熱交換器８４を第２通路５における冷却部７ａの空気流れ下流側に設置し、さらに、第１蒸発器８７の直下に過冷却用熱交換器８４を配置する構成を実現することができる。これにより、内外気の顕熱交換をはじめに行いながら、その後の第１蒸発器８７による冷却除湿で発生した凝縮水を、重力のみで過冷却用熱交換器８４へ供給することができる。

なお、クロス型通路箱２０ａ、２０ｂ内にフィンを設置することで、顕熱の熱交換を促進することも可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３施形態について説明する。図７は第３実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図、図８は図７の顕熱用熱交換器の斜視図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７、図８に示すように、本実施形態の顕熱用熱交換器７は、直方体であり、図７における左側面の下部位置に外気ａの取り入れ口となる外気給気口７１、図７における上部位置に外気ａの排出口となる外気排出口７２、図７における右側面の上部位置に内気ｂの取り入れ口となる内気給気口７３、図７における下部位置に内気ｂの排出口となる内気排出口７４が形成されている。

また、外気給気口７１から外気排出口７２へ流れる外気ａと、内気給気口７３から内気排出口７４へ流れる内気ｂが混合しないように、顕熱用熱交換器７内には中間に仕切り板７５を入れた構造となっている。

さらに、顕熱用熱交換器７内において内外気が通り抜ける部分に、熱交換用のプレート状のフィン７６が多数設置され、このフィン７６を介して内外気の顕熱熱交換を行うようになっている。

顕熱用熱交換器７の上部には第１蒸発器８７が設置され、顕熱用熱交換器７と第１蒸発器８７の間には外気ａを導入するためのファン６ａが設置され、顕熱用熱交換器７の下部には過冷却用熱交換器８４が設置され、顕熱用熱交換器７と過冷却用熱交換器８４の間には内気ｂを排出するためのファン６ｂが設置されている。そして、第１蒸発器８７による冷却除湿で発生した凝縮水は、重力のみで過冷却用熱交換器８４へ供給されるため、ポンプ１１（図１参照）を廃止している。

本実施形態によれば、第２実施形態と同様に、上部に設置した第１蒸発器８７から発生する凝縮水を、下部に設置した過冷却用熱交換器８４に重力のみで凝縮水を供給することが可能となる。これにより、室内の冷えた空気の顕熱を回収しつつ、冷凍サイクル８の冷房能力に影響を与えずに室内３に導入される外気ａの除湿が可能になる。

（第４実施形態）
本発明の第４施形態について説明する。図９は第４実施形態に係る空調装置における顕熱用熱交換器の斜視図、図１０は図９の顕熱用熱交換器の平面図、図１１は図１０のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図１２は図１０のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。本実施形態は、第３実施形態における顕熱用熱交換器７の構成を変更したものであり、その他の点は第３実施形態と共通している。

図９〜図１２に示すように、本実施形態の顕熱用熱交換器７は、２つの開口部を有する直方体の箱体を多数積層したものであり、１列毎に１８０度回転させて組み立てられている。また、各箱体の内部には熱交換用にコルゲート状のフィン７６が設置されている。

図１１は、外気ａが流通する箱体の断面図であり、図１１における左側面の下部位置に外気ａの取り入れ口となる外気給気口７１が形成され、図１１における上部位置に外気ａの排出口となる外気排出口７２が形成されている。

図１２は、内気ｂが流通する箱体の断面図であり、図１２における右側面の上部位置に内気ｂの取り入れ口となる内気給気口７３が形成され、図１２における下部位置に内気ｂの排出口となる内気排出口７４が形成されている。

本実施形態によれば、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図である。 図２の第１クロス型通路箱の斜視図である。 図２の第１クロス型通路箱の平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明の第３実施形態に係る空調装置の構成を示す模式図である。 図７の顕熱用熱交換器の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る空調装置における顕熱用熱交換器の斜視図である。 図９の顕熱用熱交換器の平面図である。 図１０のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図１０のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

符号の説明

２…第１空間（室外）、３…第２空間（室内）、４…第１通路、５…第２通路、７、７ａ、７ｂ…顕熱用熱交換器、８…冷凍サイクル、８４…過冷却用熱交換器、８７…第１蒸発器。

Claims (7)

1. 第１流体を第１空間（２）から第２空間（３）に向かって導く第１通路（４）と、
   前記第１流体よりも絶対湿度が低い第２流体を前記第２空間（３）から前記第１空間（２）に向かって導く第２通路（５）と、
   前記第１通路（４）および前記第２通路（５）に設置されて、前記第１流体と前記第２流体とを熱交換させる顕熱用熱交換器（７、７ａ、７ｂ）と、
   前記第２空間（３）内にある流体を冷媒と熱交換させて冷却する冷凍サイクル（８）と、
   前記冷凍サイクル（８）の一部を成すとともに、前記第１通路（４）における前記顕熱用熱交換器（７、７ｂ）の下流側に設置され、前記冷媒と前記第１流体とを熱交換させて前記第１流体を冷却する第１蒸発器（８７）と、
   前記冷凍サイクル（８）の一部を成すとともに、前記第２通路（５）における前記顕熱用熱交換器（７、７ａ）の下流側に設置され、液相の前記冷媒と前記第２流体とを熱交換させて前記冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器（８４）とを備え、
   前記第１蒸発器（８７）で発生する凝縮水が前記過冷却用熱交換器（８４）に供給されることを特徴とする空調装置。
2. 前記第１蒸発器（８７）は、前記過冷却用熱交換器（８４）よりも上部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記顕熱用熱交換器（７ａ、７ｂ）は、ヒートパイプ型熱交換器であり、
   前記第１蒸発器（８７）の直下に前記過冷却用熱交換器（８４）が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の空調装置。
4. 前記第１通路（４）は、前記第２通路（５）よりも上部に位置することを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
5. 前記過冷却用熱交換器（８４）内を流通する前記冷媒の量は、前記第１蒸発器（８７）内を流通する冷媒の量より多いことを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
6. 前記冷凍サイクル（８）は、前記第２空間（３）内にある前記第２流体と前記冷媒とを熱交換させて前記第２流体を冷却する第２蒸発器（８８）を備え、
   前記冷凍サイクル（８）内を循環する前記冷媒は、全量が前記過冷却用熱交換器（８４）内を流通した後、前記第１蒸発器（８７）と前記第２蒸発器（８８）に分配されることを特徴とする請求項５に記載の空調装置。
7. 前記顕熱用熱交換器（７、７ａ、７ｂ）内での前記第１流体と前記第２流体の流れは対向流であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の空調装置。

Images