JP3977161B2 - 除湿空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除湿空調装置に関し、特に成績係数（ＣＯＰ）が高く、また冷媒注入が容易な除湿空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図６に示すような除湿空調装置があった。図示のように、従来の装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された冷媒を外気ＯＡで凝縮する凝縮器２と、凝縮された冷媒を膨張弁３で減圧し冷媒を蒸発させて空調空間１０１からの処理空気を露点温度に冷却する蒸発器４と、この露点に冷却された処理空気を、凝縮器２の下流側で膨張弁３の上流側の冷媒で再熱する再熱器５とを備えている。これら圧縮機１、凝縮器２、再熱器５、膨張弁３及び蒸発器４によって、蒸発器４を流れる処理空気から凝縮器２を流れる外気ＯＡに熱を汲み上げるヒートポンプＨＰが構成されている。
【０００３】
この装置は、さらに、処理空気を蒸発器４と再熱器５に送風するファン６と、外気を凝縮器２に送風するファン７を備える。
【０００４】
この装置では、冷媒としてＨＦＣ１３４ａが用いられているが、季節の変わり目等のメンテナンスの際、また冷媒の消耗が起こったときのサービスの際等に、冷媒を補充、充填する必要が生じる。従来の装置では、蒸発器４と圧縮機１の吸込口との間の冷媒経路に冷媒注入口８が設けられており、ここに冷媒容器９を接続して、ガス状の冷媒を圧縮機１に吸い込ませることにより、冷媒を装置に充填していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の除湿空調装置では、複数の単一冷媒を混合した混合冷媒、特にＨＦＣ４０７Ｃ、ＨＦＣ４１０Ａ等の非共沸混合冷媒を充填しようとすると、沸騰温度が構成成分である冷媒毎に異なるので冷媒の混合比が一定に保たれないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、冷媒を容易に注入できる除湿空調装置を提供することを目的とする。特に、液状の冷媒を充填しやすく、混合冷媒を注入しやすい除湿空調装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による除湿空調装置は、例えば図１に示されるように、冷媒Ｃを蒸発して処理空気Ａを冷却する蒸発器２１０と；蒸発した冷媒Ｃを吸入して昇圧する昇圧機２６０と；冷却流体Ｂにより前記昇圧された冷媒Ｃから熱を奪って凝縮する凝縮器２２０と；蒸発器２１０と凝縮器２２０とを接続する冷媒経路中に設けられ、凝縮器２２０の凝縮圧力と蒸発器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒Ｃの蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により処理空気Ａを冷却し、前記中間圧力凝縮により処理空気Ａを加熱する中間熱交換器３００と；中間熱交換器３００と蒸発器２１０との間の前記冷媒経路中に設けられた第１の絞り機構２５０と；凝縮器２２０と中間熱交換器３００との間の前記冷媒経路中に設けられた、第２の絞り機構７１３と；第１の絞り機構２５０と蒸発器２１０との間に、又は前記蒸発器に、設けられた、冷媒Ｃを注入する冷媒注入部９０２とを備え；処理空気Ａは、中間熱交換器３００での冷却と蒸発器２１０での冷却と中間熱交換器３００での加熱とをこの順番で受けるように構成され；冷媒注入部９０２に接続された冷媒注入管９０２Ａが、蒸発器２１０から昇圧機２６０へ冷媒Ｃが流れる経路２０４に沿って敷設され、かつ、蒸発器２１０から昇圧機２６０へ冷媒Ｃが流れる経路２０４と一緒に保冷される。
【０００８】
このように構成すると、第１の絞り機構と蒸発器との間に、又は前記蒸発器に、設けられた、冷媒を注入する冷媒注入部を備えるので、冷媒を容易に注入することができる。特に、装置の運転中に冷媒注入を容易に行うことができ、混合冷媒の注入に適する。
【０００９】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載の除湿空調装置では、また例えば図５に示すように、第１の絞り機構２９２は、絞り度が切り替え可能に構成されるようにしてもよい。
【００１０】
典型的には、第１の絞り機構は、蒸発器の蒸発圧力と中間熱交換器の蒸発圧力が実質的に等しくなるほどに絞り度を小さくすることができる。言い換えれば、絞り度を実質的にゼロにまで減ずることが可能である。このときは、中間熱交換器は蒸発器と共に蒸発器として機能する。すなわち、本装置は第１の絞り機構の絞り度が高いときは除湿装置として機能し、第１の絞り機構の絞り度が低い（開口面積が十分に大きい）ときは冷房装置として機能することができる。このように構成すると、いずれの場合でも混合冷媒を容易に注入することができる。
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明による除湿空調装置は、例えば図５に示されるように、冷媒Ｃを昇圧する昇圧機２６０と；除湿運転モードと暖房運転モードとを切り替える切り替え機構７０１と；前記除湿運転モードで冷媒Ｃを蒸発して処理空気Ａを露点温度まで冷却し、前記暖房運転モードで冷媒Ｃを凝縮して処理空気Ａを加熱する第１の熱交換器２１０と；前記除湿運転モードで冷媒Ｃを凝縮して熱源流体Ｂを加熱し、前記暖房運転モードで冷媒Ｃを蒸発して熱源流体Ｂを冷却する第２の熱交換器２２０と；第１の熱交換器２１０と第２の熱交換器２２０とを接続する冷媒経路中に設けられ、前記除湿運転モードで第２の熱交換器２２０の凝縮圧力と第１の熱交換器２１０の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒Ｃの蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により処理空気Ａを冷却し、前記中間圧力凝縮により処理空気Ａを加熱し、前記暖房運転モードで第１の熱交換器２１０の凝縮圧力とほぼ同じ圧力で冷媒Ｃを凝縮し処理空気Ａを加熱する第３の熱交換器３００と；第３の熱交換器３００と第１の熱交換器２１０との間の前記冷媒経路中に設けられた、絞り度が切り替え可能な第１の絞り機構２９２と；第２の熱交換器２２０と第３の熱交換器３００との間の前記冷媒経路中に設けられた、第２の絞り機構７３１と；第２の絞り機構７３１と第２の熱交換器２２０との間に、又は前記第２の熱交換器２２０に設けられた、冷媒Ｃを注入する冷媒注入部９０２とを備え；処理空気Ａは、前記除湿運転モードで、第３の熱交換器３００での冷却と第１の熱交換器２１０での冷却と第３の熱交換器３００での加熱とをこの順番で受けるように構成されていてもよい。
【００１２】
冷媒は典型的には混合冷媒である。また典型的には、家庭用除湿空調機等では、第１の熱交換器と第３の熱交換器と第１の絞り機構を含んで室内機が構成され、昇圧機と第２の熱交換器と第２の絞り機構を含んで室外機が構成される。このようなときは、冷媒注入部を室外に設けることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明による第１の実施の形態である除湿空調装置２１のフロー図である。この除湿空調装置２１は処理空気Ａをその露点温度に冷却して水分を除いた後に再熱して除湿する除湿運転と、主として顕熱を奪う冷房運転ができ、さらに処理空気Ａの温度を上げる暖房運転が可能な除湿空調装置２１である。ここで、「処理空気Ａをその露点温度に冷却して除湿」というとき、処理空気Ａは多少過冷却されることがあるがこのときは「露点温度以下に冷却して除湿」となるが、この概念も含むものとする。また露点温度に冷却されて水分が除かれた空気は当初の空気よりも露点温度が低下するので、当初の露点温度を基準にすると「露点温度以下に冷却して除湿」となるが、この概念も含む。
【００１５】
図１を参照して、第１の実施の形態である除湿空調装置２１の構成を説明する。この除湿空調装置２１は、除湿運転で蒸発器２１０によって処理空気Ａの湿度を下げ、処理空気Ａの供給される空調空間１０１を快適な環境に維持するものである。
【００１６】
以下、本装置の構成を説明する。空調空間１０１から処理空気Ａの経路に沿って、処理空気関連の機器構成を説明する。先ず、空調空間１０１に接続された経路１０７、中間熱交換器３００の中間蒸発器としての第１の区画３１０、経路１０８、処理空気Ａをその露点温度に冷却する蒸発器２１０、経路１０９、中間熱交換器３００の中間凝縮器としての第２の区画３２０、経路１１０、経路１１０に接続された処理空気Ａを循環するための送風機１０２、経路１１１とこの順番で配列され、そして空調空間１０１に戻るように構成されている。図中、除湿空調装置２１から空調空間１０１に供給される空気をＳＡ、空調空間１０１から除湿空調装置に戻る空気をＲＡとして示してある。
【００１７】
また、屋外ＯＡから冷却流体としての冷却空気（外気）Ｂの経路に沿って、経路１２４、冷媒Ｃから熱を奪って凝縮させる凝縮器２２０、経路１２５、冷却空気Ｂを送風するための送風機１４０、経路１２６とこの順番で配列され、そして屋外ＯＡに排気ＥＸするように構成されている。
【００１８】
次に蒸発器２１０から冷媒Ｃの経路に沿って、除湿空調装置２１の構成要素であるヒートポンプＨＰ１の機器構成を説明する。図中蒸発器２１０、経路２０４、蒸発器２１０で蒸発してガスになった冷媒Ｃを圧縮する（昇圧する）昇圧機としての圧縮機２６０、経路２０１、凝縮器２２０、経路２０２、経路２０２に挿入配置された第２の絞り機構としての膨張弁７１３、熱交換器３００の第１の区画３１０を流れる処理空気Ａを冷却する蒸発セクション２５１、冷媒経路２０２Ｂ、熱交換器３００の第２の区画３２０を流れる処理空気Ａを加熱（再熱）する凝縮セクション２５２、経路２０３、絞り２５０がこの順番で配列され、そして再び蒸発器２１０に戻るようにして、ヒートポンプＨＰ１が構成されている。
【００１９】
また、絞り２５０と蒸発器２１０との間には、冷媒注入部９０２が設けられている。本実施の形態では、冷媒注入部９０２は冷媒経路２０３にあり、冷媒注入管９０２Ａが冷媒注入部９９２に接続されている。冷媒注入管９０２Ａには、サービス弁９０１が取りつけられている。
【００２０】
サービス弁９０１は、冷媒容器９０３から導かれる耐圧ホース９０４が、公知のローレット付きの口金で着脱可能に構成されている。耐圧ホースは、内面にナイロンコーティングした可撓性のホースである。
【００２１】
冷媒容器９０３は、（ｂ）に示すように、元弁９０５を有しており、ここから容器内部に挿入され容器のほぼ底部に達するチューブが装着されている。このチューブがあるため、容器内の液状冷媒が該チューブを通して、また元弁９０５を介して耐圧ホース９０４に導かれる。液状冷媒は、容器９０３上部に溜まった気体状の冷媒によって押し出される。
【００２２】
なお、蒸発セクション２５１は第１の区画３１０中を蛇行するチューブで形成され、凝縮セクション２５２は第２の区画３２０中を蛇行するチューブで形成されている。本実施の形態では、蒸発セクション２５１は第１の区画３１０を複数回蛇行した後、経路２０２Ｂを介して凝縮セクション２５２に接続される。凝縮セクション２５２は第２の区画３２０を複数回蛇行した後、経路２０３に接続される。図中、各セクションは、処理空気Ａの流れに沿った面内で蛇行するように示されているが、実際は処理空気Ａの流れに直交する面内で蛇行するようにするとよい。但し、直交する面を複数設けて蛇行層が複数あるようにしてもよい。
【００２３】
このように蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２とを連続した伝熱チューブで形成し、蒸発セクション２５１を第１の区画３１０内で複数回十分に蛇行させた後に、即ち内部を流れる冷媒を蒸発させた後に、凝縮セクション２５２を第２の区画内で複数回蛇行させる構成にすると、蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２を接続する配管が１本乃至は最小限（２〜４本）の本数で足りるので、第１の区画３１０と第２の区画３２０とを離間して設置し易い。
【００２４】
絞り２５０が第１の絞り機構を構成し、膨張弁７１３が第２の絞り機構を構成している。
【００２５】
経路２０４にはそこを流れる冷媒温度を検出する温度検出器としての感温筒７２２が設けられ、温度検出信号が膨張弁７１３に送られる。また膨張弁７１３と経路２０４との間には均圧管７２２Ａが設けられている。
【００２６】
次に、熱交換器３００の構成を説明する。熱交換器３００は、蒸発器２１０に流入する前後の処理空気Ａ同士の間で、冷媒Ｃを介して間接的に熱交換をさせる熱交換器である。
【００２７】
この熱交換器３００は、蒸発器２１０を通過する前の処理空気Ａを流す第１の区画３１０と、蒸発器２１０を通過した後の処理空気Ａを流す第２の区画３２０とが、別々の直方体空間を構成している。両区画は、双方を流れる処理空気が混合しないように隔壁３０１、３０２が設けられており、熱交換チューブである蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２とを接続する配管２０２Ｂはこの２つの区画の隔壁を貫通している。
【００２８】
図中、蒸発器２１０に導入される前の処理空気Ａは、右方から経路１０７を通して、第１の区画３１０に供給され、左方から経路１０８を通して出て行く。また蒸発器２１０を通して露点温度（以下）に冷却され絶対湿度の低下した処理空気Ａは、図中左方から経路１０９を通して第２の区画３２０に供給され、その右方から経路１１０を通して出て行く。
【００２９】
冷媒注入部９０２を通して冷媒を注入する方法を説明する。耐圧ホース９０４をサービス弁９０１に接続する。このとき、圧縮機２６０、ファン１０２、ファン１４０は運転中とする。または、耐圧ホースをサービス弁９０１に接続した後にこれらを始動する。ファン１０２が運転されているので、処理空気Ａが蒸発器２１０に流れており、ファン１４０が運転されているので、外気Ｂが凝縮器２２０に流れている。次に元弁９０５とサービス弁９０１を開とする。
【００３０】
冷媒容器９０３には、混合冷媒であるＨＦＣ４０７Ｃが貯留されており、この冷媒は常温での蒸発圧力が大気圧以上であるので、また蒸発器２１０内の蒸発圧力よりも高いので、元弁９０５とサービス弁９０１を開とすると、冷媒容器９０３内の圧力により液状の冷媒が押し出される。その結果、冷媒は、経路２０３に、そして蒸発器２１０内に注入される。注入された液状の冷媒は、装置内を循環している冷媒と一緒に、蒸発器２１０内で蒸発して、圧縮機２６０に吸入される。
【００３１】
このように混合冷媒ＨＦＣ４０７Ｃは、液体の状態で装置内に注入されるので、混合比が所定の割合から崩れることがない。また、注入部である配管接続箇所９０２が第１の絞りとしての絞り２５０と蒸発器２１０との間に設けられている、即ち冷媒の常温に対応する蒸発圧力よりも低圧の部分にあるので、冷媒は冷媒容器９０３内の自圧で容器９０３から装置内に移動することができる。このようにして冷媒の注入を容易に行うことができる。
【００３２】
なお、冷媒注入部は経路２０３ではなく、蒸発器２１０の伝熱チューブに直接設けてもよい。このようにしても、注入された冷媒は蒸発器２１０内で蒸発するので混合比を維持する効果に変わりはない。但し、経路２０３に設けると構造が単純となる利点がある。
【００３３】
同じ絞りの下流側であっても、絞りである膨張弁７１３の下流側で中間熱交換器３００の上流側では、冷媒の注入を迅速に行うことはできない。それは、中間熱交換器３００の作動圧力が冷媒のほぼ常温に対応する蒸発圧力であり、冷媒容器９０３の圧力とあまり差がないからである。
【００３４】
次に先ず図１のフロー図を参照して、除湿運転における各機器間の冷媒Ｃの流れを説明し、続けて図３に示すヒートポンプＨＰ１の冷媒モリエ線図を参照して、ヒートポンプＨＰ１の作用を説明する。
【００３５】
蒸発器２１０で蒸発した冷媒は、圧縮機２６０により圧縮される。圧縮された冷媒ガスＣは、圧縮機２６０の吐出口に接続された経路２０１を経由して凝縮器２２０に導かれる。圧縮機２６０で圧縮された冷媒ガスＣは、冷却流体としての外気Ｂで冷却され凝縮する。
【００３６】
凝縮した冷媒は、凝縮器２２０の冷媒出口に設けられた膨張弁７１３で絞られる。膨張弁７１３は、感温筒７２２からの経路２０４内の冷媒の温度に応じた信号（圧力）と経路２０４内の冷媒の圧力を均圧管７２２Ａを通して受けている。
経路２０４内の冷媒の過熱度はその圧力と温度の関数であるので、両者を受信することにより、膨張弁７１３は冷媒の過熱度に応じた開閉作用を行うことができる。即ち、経路２０４内の冷媒（蒸発器２１０で蒸発した冷媒）の過熱度が高いときは開方向として冷媒流量を増やし、過熱度が低いとき（冷媒が湿っているときも含む）は閉方向として冷媒流量を減らすようにする。
【００３７】
膨張弁７１３は、熱交換器３００の蒸発セクション２５１の入り口に冷媒経路２０２により接続されている。
【００３８】
凝縮器２２０を出た液冷媒Ｃは、膨張弁７１３で減圧され、膨張して一部の冷媒Ｃが蒸発（フラッシュ）する。その液とガスの混合した冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１に到り、ここで液冷媒Ｃはプレートフィンを貫通しながら蛇行する蒸発セクション２５１のチューブの内壁を濡らすように繰り返し流れ蒸発して、第１の区画３１０を流れる、蒸発器２１０に流入する前の処理空気Ａを冷却（予冷）する。
【００３９】
蒸発セクション２５１である程度蒸発し、ガスと液の混合物となった冷媒は、配管２０２Ｂに導かれて、凝縮セクション２５２に流入する。第２の区画３２０を流れる処理空気Ａ、即ち第１の区画３１０で予冷された後に蒸発器２１０で冷却除湿され、蒸発器２１０に流入する前より温度が低くなった処理空気Ａを加熱（再熱）し、冷媒自身は熱を奪われ凝縮する。本実施の形態では蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２とは一連のチューブ（Ｕチューブを含む）で形成されている。すなわち一体の流路として構成されているので、蒸発セクション２５１で蒸発した冷媒ガスＣ（及び蒸発しなかった冷媒液Ｃ）は、凝縮セクション２５２に流入して凝縮することにより、物質移動と同時に熱移動を行う。
【００４０】
熱交換器３００の最後の凝縮セクション２５２の出口側は、冷媒液配管２０３により、蒸発器２１０に接続されている。
【００４１】
凝縮セクションで凝縮した冷媒液Ｃは、絞り２５０で減圧され膨張して温度を下げて、蒸発器２１０の伝熱チューブに入り蒸発し、その蒸発熱で処理空気Ａを冷却する。絞り２５０としては、例えばオリフィス、キャピラリチューブ、膨張弁、フロート弁等を用いる。
【００４２】
蒸発器２１０で蒸発してガス化した冷媒Ｃは、経路２０４を通って圧縮機２６０の吸込側に導かれ、以上のサイクルを繰り返す。
【００４３】
図中、熱交換器３００の蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２内の冷媒Ｃの挙動を説明する。先ず蒸発セクション２５１には、液相及び気相の冷媒Ｃが流入する。一部が気化した、気相を僅かに含む冷媒液Ｃであってもよい。この冷媒Ｃは、蒸発セクション２５１を流れる間に、処理空気Ａを予冷し自身は加熱され気相を増やしながら凝縮セクション２５２に流入する。凝縮セクション２５２では、冷却除湿されることにより蒸発セクション２５１の処理空気Ａよりも温度の低くなった処理空気Ａを加熱し、自身は熱を奪われ気相冷媒Ｃを凝縮させる。このように冷媒Ｃは気相と液相の相変化をしながら冷媒流路を流れ、蒸発器２１０で冷却される前の処理空気Ａと、蒸発器２１０で冷却されて絶対湿度を低下させた処理空気Ａとの間で熱交換させる。
【００４４】
本第１の実施の形態の除湿空調装置を、家庭用のエアコンに適用した場合、除湿運転を行うことによって、梅雨時や夏期夜間の就寝時に室内が冷えすぎることなく、低湿度で快適な環境を作ることができる。
【００４５】
なお図１では、冷媒注入管９０２Ａは絞り２５０と蒸発器２１０に近傍にあるように示してある。業務用の除湿空調装置等ではこれでも差し支えない。
【００４６】
図２の模式的側面図を参照して、例えば家庭用エアコンに適した構成を説明する。図示のように、中間熱交換器３００、蒸発器２１０、ファン１０２は、通常は室内に設置される室内機を構成しており、凝縮器２２０、圧縮機２６０、ファン１４０は屋外に設置される室外機を構成している。したがって、冷媒注入部９０２は屋内にある。このような場合は、冷媒注入管９０２Ａを経路２０４、経路２０１に沿わせて屋外に導き出して、サービス弁９０１を屋外、特に室外機の近傍に設置するのが好ましい。このようにすると、冷媒注入を屋外で行うことができ、サービスマンが家庭の室内に入り込む必要がない。
【００４７】
このとき冷媒注入管９０２Ａは、特に経路２０４に沿わせて敷設するのがよい。冷媒注入中に圧縮機２６０を運転していると、冷媒注入管９０２Ａ中では、蒸発機２１０と同様に冷媒が蒸発するので、経路９０２Ａとほぼ同じ程度の低温になっているからである。したがって、冷媒注入管９０２Ａは経路２０４と一緒に保冷する。経路２０２の特に膨張弁７１３よりも凝縮器２２０側は、温度が高いので他の２本の管、経路とは一緒に保温することはしない。
【００４８】
次に図３のモリエ線図を参照して、ヒートポンプＨＰ１の作用を説明する。なお、機器等については適宜図１を参照する。図３は、混合冷媒ＨＦＣ４０７Ｃを用いた場合のモリエ線図である。この線図では横軸がエンタルピ、縦軸が圧力である。
【００４９】
図中、点ａは蒸発器２１０の冷媒出口の状態であり、冷媒Ｃは飽和ガスの状態にある。圧力は０．６７ＭＰａ、温度は１１．２℃、エンタルピは４１４．０ｋＪ／ｋｇである。このガスを圧縮機２６０で吸込圧縮した状態、圧縮機２６０の吐出口での状態が点ｂで示されている。この状態は、圧力が１．６６ＭＰａであり、過熱ガスの状態にある。
【００５０】
この冷媒ガスＣは、凝縮器２２０内で冷却され、モリエ線図上の点ｃに到る。この点は飽和ガスの状態であり、圧力は１．６６ＭＰａ、温度は４２．９℃である。この圧力下でさらに冷却され凝縮して、点ｄに到る。この点は飽和液の状態であり、圧力は点ｃと同じであり、温度は３８℃、エンタルピは２５６．９ｋＪ／ｋｇである。使用している冷媒が混合冷媒であるので、同圧力での凝縮でも飽和ガス線上の温度と飽和液線上の温度が異なる。
【００５１】
この冷媒液Ｃは、膨張弁機構７１１で減圧され熱交換器３００の蒸発セクション２５１に流入する。モリエ線図上では、点ｅで示されている。圧力は、本発明の中間圧力であり、本実施例では０．６７ＭＰａと１．６６ＭＰａとの中間の値となる。ここでは、一部の液が蒸発して液とガスが混合した状態にある。
【００５２】
蒸発セクション２５１内で、前記中間圧力下で冷媒液Ｃは蒸発して、同圧力で飽和液線と飽和ガス線の中間の点ｆに到る。ここでは液の一部が蒸発しているが、冷媒液Ｃはある程度残っている。
【００５３】
点ｆで示される状態の冷媒Ｃが、凝縮セクション２５２に流入する。凝縮セクション２５２では、冷媒Ｃは第２の区画３２０を流れる低温の処理空気Ａにより熱を奪われ、点ｇに到る。
【００５４】
点ｇはモリエ線図では飽和液線上にある。温度は１８℃、エンタルピは２２６．１ｋＪ／ｋｇである。
【００５５】
点ｇの冷媒液Ｃは、絞り２５０で、温度５．２℃の飽和圧力である０．６７ＭＰａまで減圧され、点ｊに到る。この点ｊの冷媒Ｃは、５．２℃の冷媒液Ｃと冷媒ガスＣの混合物として蒸発器２１０に到り、ここで処理空気Ａから熱を奪い、蒸発してモリエ線図上の点ａの状態の飽和ガスとなり、再び圧縮機２６０に吸入され、以上のサイクルを繰り返す。凝縮器におけるのと同様に、混合冷媒を使用しているので、同圧力での蒸発でも飽和ガス線上の温度と飽和液線上の温度とが異なる。
【００５６】
以上説明したように、熱交換器３００内では、冷媒Ｃは蒸発セクション２５１では点ｅから点ｆまでと蒸発の状態変化を、凝縮セクション２５２では点ｆから点ｇ１までと凝縮の状態変化をしており、蒸発伝熱と凝縮伝熱であるため、熱伝達率が非常に高くまた熱交換効率が高い。
【００５７】
さらに、圧縮機２６０、凝縮器２２０、膨張弁機構７１１、絞り２５０及び蒸発器２１０を含む圧縮ヒートポンプＨＰ１としては、熱交換器３００を設けない場合は、凝縮器２２０における点ｄの状態の冷媒Ｃを、絞りを介して蒸発器２１０に戻すため、蒸発器２１０で利用できるエンタルピ差は４１４．０−２５６．９＝１５７．１ｋＪ／ｋｇしかないのに対して、熱交換器３００を設けた本実施の形態で用いるヒートポンプＨＰ１の場合は、４１４．０−２２６．１＝１８７．９ｋＪ／ｋｇになり、同一冷却負荷に対して圧縮機２６０に循環するガス量を、ひいては所要動力を１６％も小さくすることができる。すなわち、サブクールサイクルと同様な作用を持たせることができる。
【００５８】
本モリエ線図に示すように、冷媒の注入は点ｊ又は点ｊ’で行われるので、冷媒の圧力は温度５．２℃程度の低温の蒸発圧力であり、常温の蒸発圧力よりも十分に低いので冷媒容器からの冷媒注入をスムーズに行うことができる。
【００５９】
図４に示す除湿空調装置２１の除湿運転モード時の湿り空気線図を参照して、また構成については適宜図１を参照して、ヒートポンプＨＰ１を備えた除湿空調装置２１の除湿運転モード時の作用を説明する。図中、アルファベット記号Ｋ、Ｘ、Ｌ、Ｍにより、各部における空気の状態を示す。この記号は、図１のフロー図中で丸で囲んだアルファベットに対応する。
【００６０】
図中、空調空間１０１からの処理空気Ａ（状態Ｋ）は、処理空気経路１０７を通して、熱交換器３００の第１の区画３１０に送り込まれ、ここで蒸発セクション２５１で蒸発する冷媒Ｃによりある程度まで冷却される。これは蒸発器２１０で露点温度（以下）まで冷却される前の予備的冷却であるので予冷と呼ぶことができる。この間、蒸発セクション２５１で予冷されながら、ある程度は水分を除去され僅かながら絶対湿度を低下させながら点Ｘに到る。点Ｘは飽和線上にある。あるいは予冷段階では、点Ｋと点Ｘとの中間点まで冷却するものであってもよい。又は点Ｘを越えて、多少飽和線上を低湿度側に移行した点まで冷却されるものであってもよい。
【００６１】
予冷された処理空気Ａは、経路１０８を通して、蒸発器２１０に導入される。ここでは、絞り２５０によって減圧され、低温で蒸発する冷媒Ｃにより、処理空気Ａはその露点温度（以下）に冷却され、水分を奪われながら、絶対湿度を低下させつつ乾球温度を下げて、点Ｌに到る。点Ｘから点Ｌまでの変化を示す太線は、便宜上飽和線とはずらして描いてあるが、実際は飽和線と重なっている。
【００６２】
点Ｌの状態の処理空気Ａは、経路１０９を通して熱交換器３００の第２の区画３２０に流入する。ここでは凝縮セクション２５２内で凝縮する冷媒Ｃにより、絶対湿度一定のまま加熱され点Ｍに到る。点Ｍは、点Ｋよりも絶対湿度は十分に低く、乾球温度は低すぎない、適度な相対湿度の空気として、送風機１０２により吸い込まれ、空調空間１０１に戻される。
【００６３】
熱交換器３００では、蒸発セクション２５１での冷媒Ｃの蒸発により処理空気Ａを予冷し、凝縮セクション２５２での冷媒Ｃの凝縮により処理空気Ａを再熱する。そして蒸発セクション２５１で蒸発した冷媒Ｃは、凝縮セクション２５２で凝縮する。このように同じ冷媒Ｃの蒸発と凝縮作用により、蒸発器２１０で冷却される前後の処理空気Ａ同士の熱交換を間接的に行う。
【００６４】
凝縮器２２０には、経路１２４を通して外気Ｂが導入される。この外気Ｂは凝縮する冷媒Ｃから熱を奪い、加熱された外気Ｂは経路１２５を経由して送風機１４０に吸い込まれ、経路１２６を経由して屋外に排出される（ＥＸ）。
【００６５】
ここで図４の湿り空気線図上に示す空気側のサイクルでは、第１の区画３１０で処理空気Ａを予冷した熱量、すなわち第２の区画３２０で処理空気Ａを再熱した熱量ΔＨが熱回収分であり、蒸発器２１０で処理空気Ａを冷却した熱量分がΔＱである。また空調空間１０１を冷房する、冷房効果がΔｉである。
【００６６】
次に、図５を参照して、第２の実施の形態である除湿空調装置２２の構成を説明する。この除湿空調装置２２は、第１の運転モードとしての除湿運転モード及びその延長上の冷房運転モードでは第１の熱交換器（蒸発器として作用する）２１０によって処理空気Ａの湿度又は温度あるいは湿度と温度を下げ、第２の運転モードとしての暖房運転モードでは第１の熱交換器（凝縮器として作用する）２１０によって処理空気Ａの温度を上げ、処理空気Ａの供給される空調空間１０１を快適な環境に維持するものである。
【００６７】
図５（ａ）は除湿運転の場合を示し、（ｂ）は暖房運転の場合を示す。なお図中黒塗りの弁は閉であることを示す。弁２５３を白抜きにすれば冷房運転の場合となる。ここでは、便宜上除湿運転の場合の機能をもって構成を説明する。
空調空間１０１から処理空気Ａの経路と冷却流体としての外気Ｂの経路に沿った機器については、第１の実施の形態と同様であるので重複した説明は省略する。
【００６８】
次に蒸発器２１０から冷媒Ｃの経路に沿って、除湿空調装置２２の構成要素であるヒートポンプＨＰ２の機器構成を説明する。図中蒸発器２１０、経路２０４、四方弁７０１（ポート７０１Ａからポート７０１Ｂ）、経路２０４−１、蒸発器２１０で蒸発してガスになった冷媒Ｃを圧縮する（昇圧する）昇圧機としての圧縮機２６０、経路２０１−１、再び四方弁７０１（ポート７０１Ｃからポート７０１Ｄ）、経路２０１、凝縮器２２０、経路２０２、経路２０２に挿入配置された第２の絞り機構としての膨張弁機構７１１、熱交換器３００の第１の区画３１０を流れる処理空気Ａを冷却する蒸発セクション２５１、冷媒経路２０２Ｂ、熱交換器３００の第２の区画３２０を流れる処理空気Ａを加熱（再熱）する凝縮セクション２５２、経路２０３、絞り２５０がこの順番で配列され、そして再び蒸発器２１０に戻るようにして、ヒートポンプＨＰ２が構成されている。
【００６９】
絞り２５０にはこれをバイパスするバイパス回路２０３Ａが設けられ、バイパス回路２０３Ａにはソレノイドバルブ２５３が設けられている。
【００７０】
本実施の形態では、第１の熱交換器２１０、第３の熱交換器３００、ファン１０２を含んで室内機が構成され、第２の熱交換器２２０、圧縮機２６０、四方弁７０１、ファン１４０を含んで室外機が構成されている。
また冷媒注入部９０２は膨張弁７３１と第２の熱交換器２２０との間の室外機側に設けられている。
【００７１】
ここで第１の運転モードと第２の運転モードとを切り替える切り替え機構としての四方弁７０１の構成を説明する。四方弁７０１は、４つの出入口であるポートが形成されている。すなわち、ポート７０１Ａ、ポート７０１Ｂ、ポート７０１Ｃ及びポート７０１Ｄである。第１の運転モード及びその延長上である冷房運転モードでは、ポート７０１Ａとポート７０１Ｂとが連通し、ポート７０１Ｃとポート７０１Ｄとが連通するように構成されている。また第２の運転モードでは、ポート７０１Ａとポート７０１Ｄとが連通し、ポート７０１Ｂとポート７０１Ｃとが連通する。なお、本切り替え機構は、四方弁に限らず４個の二方弁の組合せであってもよいし、２個の三方弁の組み合わせであってもよい。
【００７２】
なお、蒸発セクション２５１と第１の区画３１０、凝縮セクション２５２と第２の区画３２０の関係については第１の実施の形態と同様であるので重複した説明は省略する。
【００７３】
経路２０２には、電子膨張弁７３１が設けられている。除湿空調装置２２は膨張弁コントローラ７３４を備えている。膨張弁コントローラ７３４は、典型的には、デジタルコントローラである。制御ソフトをインストールしたマイコンやパソコンであってもよい。
【００７４】
電子膨張弁７３１は、例えばステップモータで駆動するニードルを備えたニードル弁である。ニードルはスクリューの先端に設けられており、ステッピングモータの回転に応じて、弁座部分を出入することにより、開度を調節できる。
【００７５】
経路２０１には、過熱度検出器７３２を構成する圧力検出器７３２Ｐと温度検出器７３２Ｔとが設けられている。これは暖房運転モードで作動する。また経路２０４には、過熱度検出器７３３を構成する圧力検出器７３３Ｐと温度検出器７３３Ｔとが設けられている。これは除湿運転モード及び冷房運転モードで作動する。
【００７６】
膨張弁コントローラ７３４は、圧力検出器７３２Ｐで検出される圧力と温度検出器７３２Ｔで検出される温度、又は圧力検出器７３３Ｐで検出される圧力と温度検出器７３３Ｔで検出される温度とを受信して、過熱度を演算し、演算された過熱度が適切な値となるように（モリエ線図上で飽和ガス線上の状態となるように、または少なくとも乾き状態となるように）電子膨張弁を調節する。
【００７７】
除湿運転モードと冷房運転モードの場合は、圧力検出器７３３Ｐで検出される圧力と温度検出器７３３Ｔで検出される温度とに基いて、また暖房運転モードの場合は、圧力検出器７３２Ｐで検出される圧力と温度検出器７３２Ｔで検出される温度に基いて電子膨張弁を調節する。
【００７８】
ソレノイドバルブ２５３が開となると、開口面積は経路２０３の断面積にほぼ等しくなるように形成されている。言い替えれば、ソレノイドバルブ２５３が開となったときは、第１の絞り機構２９２の絞り度が減って（開口面積が増えて）、実質的に絞りとしては作用しない程度に大きい開口を有することになる（絞り度が実質的にゼロになる）。
【００７９】
言い替えれば、ソレノイドバルブ２５３を開とした場合は、第１の絞り機構２９２の開口面積を大きくし、第１の絞り機構２９２が実質的に絞りを形成しないように設定した場合である。ソレノイドバルブ２５３を閉とした場合が、第１の絞り機構２９２の開口面積を小さくし、第１の絞り機構２９２が絞りを形成するように設定した場合である。
【００８０】
図５（ａ）中、除湿運転モードではソレノイドバルブ２５３は黒塗りで示されている通り、閉になっている。熱交換器３００と蒸発器２１０との間の冷媒配管は、絞り２５０を介して接続されることになり、熱交換器３００における蒸発圧力及び凝縮圧力は、蒸発器２１０の蒸発圧力と凝縮器２２０の凝縮圧力との中間の圧力となる。
【００８１】
温度（気温）が比較的高いときは冷房運転モードを選択し、ソレノイドバルブ２５３を開く。このときは、膨張弁７３１が作用する。特に日本の気候では、気温の高いときは、通常は絶対湿度も高い。このときは冷房運転モードを選択して、顕熱と潜熱の両方を積極的に奪うのがよい。
【００８２】
ソレノイドバルブ２５３を開にすると、熱交換器３００と蒸発器２１０との間の冷媒配管は、実質的に絞り無しで接続されることになり、熱交換器３００内の伝熱チューブ内の圧力は蒸発セクション２５１と凝縮セクション２５２共に蒸発器２１０の蒸発圧力と実質的に等しくなり、熱交換器３００も蒸発器２１０と共に蒸発器として作用する。
【００８３】
なお、除湿運転モード、冷房運転モードの選択は、温度と湿度を検出して自動で行うようにしてもよいし、手動で行うようにしてもよい。湿度の高い低いは個人的好みもある。また、湿度や温度にかかわらず、強制的にとにかく温度を下げたい場合や、室内を強制的に乾燥させるためにとにかく湿度を下げたい場合もあるからである。
【００８４】
次に図５（ｂ）の部分フロー図を参照して、（ａ）で除湿・冷房の場合を説明した除湿空調装置を暖房運転モードで運転する場合を説明する。ここでは、四方弁７０１とその周辺の機器のみを抽出して示し、その他の機器は省略してある。
【００８５】
まず四方弁７０１の切り替えにより、圧縮機２６０の吸込側と吐出側とを切り替える。即ち、四方弁７０１のポート７０１Ａが７０１Ｄに連通し、ポート７０１Ｂが７０１Ｃに連通する。このことにより経路２０４は経路２０１−１に、経路２０１は経路２０４−１に連通する。
【００８６】
またソレノイドバルブ２５３が開となり、絞り機構２９２が絞り作用を実質的にゼロとする。したがって第１の熱交換器２１０と第３の熱交換器３００とは、ほぼ同圧となり圧縮機２６０の吐出圧を受けて凝縮器として作用する。
【００８７】
第２の熱交換器２２０は、四方弁７０１を介して圧縮機２６０の吸い込み側に接続される結果、蒸発器として作用する。
【００８８】
このようにして熱交換器２２０が蒸発器として作用し外気から熱を汲み上げ、熱交換器２１０及び熱交換器３００が凝縮器として作用し、経路１０７〜１１１を通って流れる処理空気を加熱するので、除湿空調装置２１は空調空間１０１を暖房する暖房装置として用いることができる。
冷媒のサイクルは、図３のモリエ線図において点ａ、ｂ、ｄ、ｊ’、ａのサイクルと同様になる。温度と圧力、エンタルピは、外気温度が冬季には図示よりも一般に低温となるので図とは異なるが、作用は同様であるので重複した説明は省略する。
【００８９】
本実施の形態では、冷媒注入部９０２、サービス弁９０１が室外機側に設けられているので、冷媒注入を屋外で行うことができる。なお冷媒注入作業を行うときは、四方弁７０１は、図５（ｂ）に示すように、暖房運転モードに切り替える。夏季であっても、冷媒注入の比較的短時間であるので、窓を開放して行う等すれば問題はほとんどない。
暖房運転への切り替えが可能な除湿空調装置は、家庭用の空調機として使用される場合が多いので、サービスが屋外で行えるということは大きな利点である。
【００９０】
以上の実施の形態は、第１の区画３１０には、空調空間１０１からの戻り空気を導入するものとして説明したが、空調空間１０１からの戻り空気を導入せずに外気を導入してもよい。湿度と温度の高い外気は、蒸発器２１０で冷却する前に予冷するのが好ましく、このように構成することにより、全量外気を必要とする病院やレストランの空調を高いＣＯＰをもって行うことができる。
【００９１】
以上の実施の形態では、空調空間を空調する除湿空調装置として説明したが、本発明の除湿空調装置は、必ずしも空調空間に限らず他の除湿を必要とする空間に、一般の除湿装置として応用することもでき、本発明の除湿空調装置とはそのような場合も含むものとする。
【００９２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１の絞り機構と蒸発器との間に、又は蒸発器に、設けられた、冷媒を注入する冷媒注入部を備えるので、冷媒を容易に注入することができる。特に、装置の運転中に冷媒注入を容易に行うことができ、混合冷媒の注入に適する除湿空調装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である除湿空調装置のフローを示すフロー図である。
【図２】図１に示す除湿空調装置の設置状態を示す模式的側面図である。
【図３】図１に示す除湿空調装置のヒートポンプのモリエ線図である。
【図４】図１の除湿空調装置の作動を説明する湿り空気線図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態である除湿空調装置のフローを示すフロー図である。
【図６】従来の除湿空調装置のフロー図である。
【符号の説明】
２１、２２ 除湿空調装置
１０１ 空調空間
１０２、１４０ 送風機
２１０ 蒸発器
２２０ 凝縮器
２５１ 蒸発セクション
２５２ 凝縮セクション
２５０ 絞り
２５３ ソレノイドバルブ
２６０ 圧縮機
２９２ 第１の絞り機構
３００ 熱交換器
３１０ 第１の区画
３２０ 第２の区画
７０１ 四方弁
７１３ 膨張弁
７２２ 感温筒
９０１ サービス弁
９０２ 冷媒注入部
９０３ 冷媒容器
９０４ 耐圧ホース
９０５ 元弁
ＨＰ１、ＨＰ２ ヒートポンプ

Claims (2)

1. 冷媒を蒸発して処理空気を冷却する蒸発器と；
   前記蒸発した冷媒を吸入して昇圧する昇圧機と；
   冷却流体により前記昇圧された冷媒から熱を奪って凝縮する凝縮器と；
   前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する冷媒経路中に設けられ、前記凝縮器の凝縮圧力と前記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒の蒸発と凝縮を行い、前記中間圧力蒸発により前記処理空気を冷却し、前記中間圧力凝縮により前記処理空気を加熱する中間熱交換器と；
   前記中間熱交換器と前記蒸発器との間の前記冷媒経路中に設けられた第１の絞り機構と；
   前記凝縮器と前記中間熱交換器との間の前記冷媒経路中に設けられた、第２の絞り機構と；
   前記第１の絞り機構と前記蒸発器との間に、又は前記蒸発器に、設けられた、前記冷媒を注入する冷媒注入部とを備え；
   前記処理空気は、前記中間熱交換器での冷却と前記蒸発器での冷却と前記中間熱交換器での加熱とをこの順番で受けるように構成され；
   前記冷媒注入部に接続された冷媒注入管が、前記蒸発器から前記昇圧機へ前記冷媒が流れる経路に沿って敷設され、かつ、前記蒸発器から前記昇圧機へ前記冷媒が流れる経路と一緒に保冷された；
   除湿空調装置。
2. 前記第１の絞り機構は、絞り度が切り替え可能に構成された、請求項１に記載の除湿空調装置。

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