JP7320966B2

JP7320966B2 - 空調機

Info

Publication number: JP7320966B2
Application number: JP2019060814A
Authority: JP
Inventors: 栄菊地
Original assignee: Nippon Pmac Co Ltd
Current assignee: Nippon Pmac Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159641A

Description

本発明は、空調機に関する。

空調空間の快適性を高め、生産性を向上させるため、夏期の室温を２８度、相対湿度を４０％とするニーズがある。このような温湿度環境を効率的に実現するためには、外気の潜熱を除去して再熱し、室内側では顕熱処理のみを行う空調機が有用である。

例えば、デシカントロータを用いて空気を潜熱処理して、空調空間に給気する空調機が知られている。

特開２０１８－５４１４６号公報

デシカントロータを用いた空調機は、吸着剤の再生用の高熱の熱源が必要となる。このため、デシカントロータを用いて顕熱処理を行うことは、空調機内の配管構成を複雑にするという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱源水配管を削減し、配管構成を簡素化し、かつ高効率運転が可能な空調機を提供することを目的とする。

本発明に係る空調機は、上述した課題を解決するために、空気を導入して潜熱を除去し、空調対象室に給気する除湿機能付き空調機であって、熱源水と冷媒との間で熱交換し凝縮器として機能する水熱交換器と、空気と前記冷媒との間で熱交換し蒸発器として機能する空気熱交換器と、を有するヒートポンプ回路と、前記空気熱交換器の前段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換するプレクール用空気－水熱交換器と、前記空気熱交換器の後段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換する再熱用空気－水熱交換器と、前記熱源水を、前記プレクール用空気－水熱交換器、前記水熱交換器、および前記再熱用空気－水熱交換器の順に流す流路を形成する配管と、前記水熱交換器から前記再熱用空気－水熱交換器に流れる前記熱源水の流量を制御する三方弁と、を有する。

本発明に係る空調機においては、熱源水配管を削減し、配管構成を簡素化し、かつ高効率運転が可能である。

本発明に係る空調機の一実施形態である外気処理機を示す概略的な構成図。

本発明に係る空調機の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明に係る空調機が、外気を処理して空調対象室に供給する外気処理機である例を用いて説明する。

図１は、本発明に係る空調機の一実施形態である外気処理機１を示す概略的な構成図である。

例えば、外気処理機１は、冷暖房処理を行うと同時に外気２の潜熱を除去して再熱または加湿し得る。また、外気処理機１で処理された外気２は、給気として室内側に設置された空調機（狭義の空調機）に供給される。空調機がこの外気２を主に顕熱処理することにより、外気処理機１と空調機との潜顕分離空調が実現される。

外気処理機１は、ヒートポンプ回路１０と、プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器２０と、再熱用空気－水熱交換器３０と、加湿器４０と、送風機５０と、ケーシング６０と、を有する。

ヒートポンプ回路１０は、ヒートポンプ用水熱交換器１１と、ヒートポンプ用空気熱交換器１２と、圧縮機１３と、膨張弁１４と、四方弁１５と、を有する。ヒートポンプ回路１０は、冷媒が流れる冷媒配管１６により接続されている。

ヒートポンプ用水熱交換器１１（以下単に「ＨＰ用水熱交換器１１」という）は、熱源水と冷媒との間で熱交換する。ヒートポンプ用空気熱交換器１２（ＨＰ用空気熱交換器１２）は、空気と冷媒との間で熱交換する。ＨＰ用水熱交換器１１およびＨＰ用空気熱交換器１２は、外気処理機１の運転状態に応じて、蒸発器または凝縮器として機能する。圧縮機１３は、冷媒配管１６内を流れる冷媒を圧縮する。圧縮機１３は、インバータ制御可能な能力可変の圧縮機であることが好ましい。なお、圧縮機１３は、能力可変でない、定速の圧縮機であってもよい。膨張弁１４は、ＨＰ用水熱交換器１１とＨＰ用空気熱交換器１２との間の冷媒配管１６に設けられ、冷媒を膨張させる。四方弁１５は、４つの出入口を有し、外気処理機１の運転状態に応じて冷媒の流路を切り替える。

冷媒は、冷房処理時には、圧縮機１３、ＨＰ用水熱交換器１１、膨張弁１４、ＨＰ用空気熱交換器１２の順に循環する。冷媒は、暖房処理時には、圧縮機１３、ＨＰ用空気熱交換器１２、膨張弁１４、ＨＰ用水熱交換器１１の順に循環する。

プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器２０（以下、冷房処理の説明においては、単に「プレクール用空気－水熱交換器２０」という）は、ＨＰ用空気熱交換器１２の前段に配置され、熱源水と空気との間で熱交換する。再熱用空気－水熱交換器３０は、ＨＰ用空気熱交換器１２の後段に配置され、熱源水と空気との間で熱交換する。加湿器４０は、プレクール用空気－水熱交換器２０の後段で、通過する空気を加湿する。加湿器４０は、たとえば冬期の暖房処理の際に使用される。加湿器４０は、気化式加湿器や蒸気式加湿器、自然蒸発式加湿器である。気化式加湿器は、原料水の配管４１から供給される原料水を気化し、通過する空気と気化した原料水とを混合して加湿する。蒸気式加湿器は、原料水の配管４１から供給される原料水を蒸気化し、通過する空気と蒸気とを混合して加湿する。自然蒸発式加湿器は、供給される原料水を布などに保持し、通過する空気を加湿する。送風機５０は、ケーシング６０の吸込口から外気を取り入れ、再熱用空気－水熱交換器３０を経た空気を空調対象室へ送風する。

ケーシング６０は、ヒートポンプ回路１０、プレクール用空気－水熱交換器２０、再熱用空気－水熱交換器３０、加湿器４０、および送風機５０を収容する。また、外気処理機１は、ケーシング６０内に配管７０を有する。配管７０は、熱源水をプレクール用空気－水熱交換器２０、ＨＰ用水熱交換器１１、および再熱用空気－水熱交換器３０の順に流す流路を形成する。配管７０は、二方弁７１および三方弁７２を有する。二方弁７１は、プレクール用空気－水熱交換器２０の上流側の配管７０上に設けられ、外部からケーシング６０内（プレクール用空気－水熱交換器２０）に供給される熱源水の流量を制御する。三方弁７２は、ＨＰ用水熱交換器１１の下流側の配管７０上に設けられ、ＨＰ用水熱交換器１１を経て再熱用空気－水熱交換器３０に流れる熱源水の流量を制御する。

このような外気処理機１は、ヒートポンプ回路１０の冷媒の流路を切り替えることにより、室内温度や外部からの指示信号に基づく設定露点温度および設定給気温度となるよう、外気の潜熱を除去し、空調対象室に給気する冷房除湿を行うことができる。以下、冷房処理の詳細を説明する。

冷房処理は、熱源水ＣＨＳとして、例えば１５度の中温冷水を用いる。中温冷水は、一般的に用いられる冷水（例えば８度）よりも温度が高く、１０～２２度、好ましくは１５～２０度になるよう冷凍機で作られる。外気処理機１（外気処理機１の図示しない制御装置）は、四方弁１５を制御し、ヒートポンプ回路１０を冷房処理に切り替える。

例えば、温度３３度、相対湿度６０％の外気２は、プレクール用空気－水熱交換器２０で熱源水ＣＨＳと熱交換し、一次冷却除湿される。外気２は、例えば温度１８度、相対湿度９５％となる。次に、外気２は、蒸発器として機能するＨＰ用空気熱交換器１２で冷媒と熱交換し、設定露点温度（例えば温度１０度）までさらに冷却除湿される。外気２の露点温度は、圧縮機１３のインバータ回転数で制御される。次に、外気２は、再熱用空気－水熱交換器３０でＨＰ用水熱交換器１１を経た熱源水と熱交換し、設定給気温度（例えば温度１７度）まで再熱される。再熱用空気－水熱交換器３０の熱源水入口温度が設定値（例えば「再熱用空気－水熱交換器３０の出口空気温度」＋３度）以上となるように、二方弁７１により熱源水流量を制御する。外気処理機１は、三方弁７２で再熱用空気－水熱交換器３０への通水量を制御することにより、熱源水の再熱量を制御する。設定給気温度まで冷却除湿・再熱された空気（例えば温度２４度、露点温度１０度）は、送風機５０により各空調対象室に供給される。

熱源水の流れについては、熱源水ＣＨＳは、外気処理機１の外部から供給され、プレクール用空気－水熱交換器２０に通水される。熱源水ＣＨＳは、プレクール用空気－水熱交換器２０で送風機５０により吸い込まれた外気と熱交換し、外気を一次冷却除湿する。プレクール用空気－水熱交換器２０を経た熱源水は、例えば２２度となる。

熱源水は、凝縮器として機能するＨＰ用水熱交換器１１に通水され、冷媒と熱交換する。ＨＰ用水熱交換器１１を経た熱源水は、例えば２７度となる。熱源水は、再熱用空気－水熱交換器３０に通水され、外気と熱交換する。再熱用空気－水熱交換器３０を経た熱源水ＣＨＲは、例えば、温度２４度となり、再び冷凍機などに戻される。

このような外気処理機１は、熱源水としての中温冷水を往き管および戻り管の２本の配管（と、加湿用給水配管１本）を有するのみであるので、外部から外気処理機１の本体に接続する配管数を削減できる上、高効率運転が可能である。

すなわち、外気処理機１は、外気処理機１の設置時には、中温冷水の２本の配管（と加湿用給水配管１本）を外部と接続するのみであるため、施工時の省力化を実現できる。また、外気処理機１は、中温冷水を外気の一次冷却、ヒートポンプ回路１０の熱源、および過度に冷却された外気の再熱にカスケード利用することができる。これにより、外気処理機１は、再熱用空気－水熱交換器３０が空気を加熱する際に必要な熱量を外気処理機１内で中温冷水に回収させることができ、エネルギーロスが少なく、高効率運転が可能である。また、外気処理機１は、中温冷水温度差を大きくすることができ、熱源水の搬送動力を低減することができる。

外気処理機１は、四方弁１５を制御し、ヒートポンプ回路１０を暖房処理に切り替えることにより、熱源水の温度および加湿器の種類に応じた第１および第２の暖房処理を行うことができる。

第１の暖房処理は、熱源水ＣＨＳとして、例えば３５度の中温温水を用いる。中温温水は、一般的に用いられる温水（例えば５０度）よりも温度が低く、１５～３５度、好ましくは３５度になるようボイラやヒートポンプなどで作られる。また、加湿器４０として、気化式加湿器を用いる。

３５度の中温温水の場合、例えば温度０度、相対湿度５０％の外気２は、プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器２０（以下、暖房処理の説明においては、単に「プレヒート用空気－水熱交換器２０」という）で熱源水ＣＨＳと熱交換し、例えば３０度まで一次加熱される。加熱された外気２は、加湿器４０で温度１４度、相対湿度８０％まで加湿される。次に、外気２は、凝縮器として機能するＨＰ用空気熱交換器１２で冷媒と熱交換し、設定給気温度（例えば２２度、相対湿度５０％）までさらに加熱される。外気２の給気温度は、圧縮機１３のインバータ回転数で制御される。設定給気温度まで加熱された空気は、送風機５０により各空調対象室に供給される。

熱源水の流れについては、熱源水ＣＨＳは、外気処理機１の外部から供給され、プレヒート用空気－水熱交換器２０に通水される。熱源水ＣＨＳは、プレヒート用空気－水熱交換器２０で送風機５０により吸い込まれた外気と熱交換し一次加熱する。プレヒート用空気－水熱交換器２０を経た熱源水は、例えば２９度となる。熱源水は、蒸発器として機能するＨＰ用水熱交換器１１に通水され、冷媒と熱交換する。ＨＰ用水熱交換器１１を経た熱源水は、例えば２７度となる。熱源水ＣＨＲは、三方弁７２の制御により再熱用空気－水熱交換器３０に通水されることなく、再びボイラなどに戻される。

第２の暖房処理は、熱源水ＣＨＳとして、第１の暖房処理で用いた熱源水よりも低温の、例えば１５度の中温温水（冷水）を用いる。また、加湿器４０として自然蒸発式加湿器を用いる。この場合、加湿器４０は、ＨＰ用空気熱交換器１２の後段に設置される。

例えば温度０度、相対湿度５０％の外気２は、プレヒート用空気－水熱交換器２０で熱源水ＣＨＳと熱交換し、例えば１２度まで一次加熱される。外気２は、凝縮器として機能するＨＰ用空気熱交換器１２で冷媒と熱交換し、設定給気温度（例えば３８度）まで加熱される。外気２の給気温度は、圧縮機１３のインバータ回転数で制御される。加熱された外気２は、加湿器４０で相対湿度５０％まで加湿される。設定給気温度まで加熱された空気は、送風機５０により各空調対象室に供給される。

熱源水の流れについては、熱源水ＣＨＳは、外気処理機１の外部から供給され、プレヒート用空気－水熱交換器２０に通水される。熱源水ＣＨＳは、プレヒート用空気－水熱交換器２０で送風機５０により吸い込まれた外気と熱交換し一次加熱する。プレヒート用空気－水熱交換器２０を経た熱源水は、例えば１２．５度となる。熱源水は、蒸発器として機能するＨＰ用水熱交換器１１に通水され、冷媒と熱交換する。ＨＰ用水熱交換器１１を経た熱源水は、例えば８度となる。熱源水ＣＨＲは、再熱用空気－水熱交換器３０に通水されることなく、再びボイラなどに戻される。

このような外気処理機１は、デシカントロータを用いて潜熱処理する外気処理機に比べて、吸着剤再生用の高温の熱源を用意する必要がないため、配管数を削減することができ、システムを簡素化できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、配管７０は、プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器２０の後にＨＰ用水熱交換器１１を経由することなく再熱用空気－水熱交換器３０に熱源水を流すバイパス路を有してもよい。これにより、外気処理機１は、ヒートポンプ回路１０の処理能力を制御することができる。

また、本発明に係る空調機は、上述した外気処理機１の通り、空調対象室（室内）に設置された空調機（狭義の空調機）に供給する空気を前処理するための外気処理機として好適に用いられるが、空調対象室に設置された空調機にも適用することができる。また、空調対象室に設置された空調機に、外気処理機での前処理の有無は問わない。

さらに、外気処理機１で説明した暖房処理は必須ではない。この場合、加湿器４０は省略される。

１外気処理機
２外気
１０ヒートポンプ回路
１１ヒートポンプ（ＨＰ）用水熱交換器
１２ヒートポンプ（ＨＰ）用空気熱交換器
１３圧縮機
１４膨張弁
１５四方弁
１６冷媒配管
２０プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器（プレクール用空気－水熱交換器）
３０再熱用空気－水熱交換器
４０加湿器
４１配管
５０送風機
６０ケーシング
７０配管
７１二方弁
７２三方弁
ＣＨＲ、ＣＨＳ熱源水

Claims

空気を導入して潜熱を除去し、空調対象室に給気する除湿機能付き空調機であって、
熱源水と冷媒との間で熱交換し凝縮器として機能する水熱交換器と、空気と前記冷媒との間で熱交換し蒸発器として機能する空気熱交換器と、を有するヒートポンプ回路と、
前記空気熱交換器の前段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換するプレクール用空気－水熱交換器と、
前記空気熱交換器の後段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換する再熱用空気－水熱交換器と、
前記熱源水を、前記プレクール用空気－水熱交換器、前記水熱交換器、および前記再熱用空気－水熱交換器の順に流す流路を形成する配管と、
前記水熱交換器から前記再熱用空気－水熱交換器に流れる前記熱源水の流量を制御する三方弁と、を有する空調機。
前記熱源水は、１０～２２度の中温冷水である、請求項１記載の空調機。
前記ヒートポンプ回路は、前記冷媒の流れを切り替える四方弁を有し、冷房処理および暖房処理を切替可能である、請求項１または２記載の空調機。
前記配管は、前記プレクール用空気－水熱交換器の後で前記水熱交換器を経由することなく前記再熱用空気－水熱交換器に前記熱源水を流すバイパス路を有する、請求項１から３の何れか一項記載の空調機。
熱源水と冷媒との間で熱交換する水熱交換器と、空気と前記冷媒との間で熱交換する空気熱交換器と、前記冷媒の流路を切り替える四方弁と、を有するヒートポンプ回路と、
前記空気熱交換器の前段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換するプレクール・プレヒート用空気－水熱交換器と、
前記空気熱交換器の後段に配置され、前記熱源水と前記空気との間で熱交換する再熱用空気－水熱交換器と、
前記熱源水を、前記プレクール・プレヒート用空気－水熱交換器、前記水熱交換器、および前記再熱用空気－水熱交換器の順に流す流路を形成する配管と、
前記水熱交換器から前記再熱用空気－水熱交換器に流れる前記熱源水の流量を制御する三方弁と、を有する空調機。