JP2007240128A - 熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents

熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置 Download PDF

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Abstract

【課題】水分吸着手段による除湿機能を備え、潜熱処理と顕熱処理とを分離して行なうことによって圧縮機の運転効率を向上させると共に、冷凍サイクルにおける凝縮排熱を利用して水分吸着手段で水分を吸着して蒸発器への着霜を防止しつつ、水分吸着手段からの水分の脱着・再生が可能な熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置を提供する。
【解決手段】熱交換器用フィン４５の表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段（たとえば、メソポーラスシリカ）を担持させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置に関し、特に潜熱処理と顕熱処理とを分離して行なうことによって冷凍サイクルの性能向上を図るとともに、蒸発器への着霜を防止する熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置に関するものである。
従来から、除湿機能を備えた空気調和装置が存在する。この空気調和装置は、一般的に、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒配管で順次接続した冷凍サイクルを備えている。この冷媒配管内には、非共沸混合冷媒や擬似共沸混合冷媒、単一冷媒等の冷媒が充填されており、空気調和装置は、この冷媒と外気との間で熱交換を行なって冷暖房運転を行なうようになっている。
このような空気調和装置は、圧縮機で高温・高圧に圧縮された冷媒は、高温・高圧のガス冷媒となって圧縮機から吐出する。このガス冷媒は、凝縮器に流入し、送風機が取り込んだ外気と熱交換（放熱）して凝縮液化する。この液化した冷媒は、膨張弁で減圧されて気液二相流状態となり、蒸発器で送風機が取り込んだ空気と熱交換（吸熱）して蒸発ガス化する。このとき、冷却対象域を冷却することになる。そして、蒸発ガス化した冷媒は、圧縮機に再度吸入される。つまり、冷媒が外気との熱交換を繰り返しながら冷凍サイクルを循環するのである。
特に、冷凍・冷蔵倉庫においては１０［℃］より低い温度帯域を維持するように制御しなければならないことが多いため、蒸発器での蒸発温度が０［℃］より低くなることになる。このため、蒸発器に霜が発生してしまい、それが原因となって空気調和装置の冷却能力を低下させていた。そこで、デフロスタヒータ等の加熱装置を蒸発器に取り付け定期的に霜取り運転（除霜運転）を行なうようにしていた。
除霜運転を行なうと、蒸発器への着霜を防止することはできるものの、その結果として、余計なエネルギを消費してしまい、空気調和装置の効率を向上させることはできなかった。また、除霜運転終了直後は、所定の温度帯域を維持しなければならない冷凍・冷蔵倉庫内の温度が上昇してしまうことになり、必要な温度帯域とするまでの負荷が増大し、消費電力が更に増加し、効率の悪いものとなってしまっていた。
また、空気調和装置がルームエアコン等の場合、冷房の中間期（梅雨や秋の時期等）において、冷房負荷が小さくなる傾向にある。このような空気調和装置は、通常、圧縮機の回転数を制御可能にしている。そして、冷房負荷が小さくなる場合には、冷凍サイクルを循環する冷媒の流量を小さくするように制御している。その結果、蒸発温度が上昇し、部屋の顕熱は除去できるものの、潜熱（空気中の水分（湿気））は除去できないという状態に陥ってしまっていた。部屋の潜熱を除去できないと、部屋の相対湿度が上昇し、不快感が増大することになっていた。
このような問題を解決するために、「圧縮機、放熱器、膨張弁及び吸熱器を順に接続して、冷媒回路を構成する。冷媒回路には、冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）が充填される。調湿機構には、デシカントロータが設けられる。吸熱器には、デシカントロータにより減湿した第１空気を供給する。また、放熱器で加熱された第２空気を利用して、デシカントロータを再生する。そして、減湿されて冷却された第１空気を、室内へ供給する」空気調和装置が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
この空気調和装置は、冷媒冷凍機と水分吸着手段であるデシカントロータとを組み合わせ、蒸発器（吸熱器）に空気が流れ込む前に、その空気から水分をデシカントロータによってあらかじめ除去し、蒸発器への着霜を防止して霜取運転を無くすようになっている。すなわち、デシカントロータで減湿した空気を蒸発器へ供給すると共に、デシカントロータで吸着した水分を脱着再生するために、凝縮器で加熱された高温の空気をデシカントロータへ供給するようになっている。
また、デシカントロータの表面に設けられる水分吸着手段としてゼオライトを使用した空気調和装置が開示されている（たとえば、非特許文献１参照）。このゼオライトの水分吸着特性は、吸着した水分を効率よく脱着して再生するために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というものである（図２の等温吸着線Ａ参照）。つまり、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るということである。そのため、冷媒にＣＯ２（二酸化炭素）を使用し、凝縮器で放熱される熱が比較的高温になるようにしていた。
さらに、デシカントロータの表面に設けられる水分吸着手段としてシリカゲルを使用した空気調和装置が開示されている（たとえば、非特許文献２参照）。このシリカゲルの水分吸着特性については、２種類の吸着特性をもつことが知られている。すなわち、関係相対湿度の低い領域で水分の吸収率が高まり、関係相対湿度の高い領域で吸収率が飽和するというゼオライトと同様の特性と、関係相対湿度の低い領域では吸収率が低く、関係相対湿度の高い領域で吸収率が高まるという特性との２種類である。
特開２００１−２４１６９３号公報（第６頁〜第８頁、第２図） 濱本芳徳、岡島次郎、松岡文雄、秋澤淳、柏木孝夫、「除湿・加湿ローターとシステムの性能解析 第１報：理論モデル」日本冷凍空調学会論文集 Ｔｒａｎｓ． ｏｆ ｔｈｅ ＪＳＲＡＥ Ｖｏｌ．１９， Ｎｏ．３（２００２） ｐｐ．２８１−２９２（第２８７頁、（１７）式） "シリカゲルについて"、信越化成工業株式会社ホームページ、［平成１６年６月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈｉｎ−ｅｔｓｕ−ｋａｓｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｉｌｉｃａ．ｈｔｍｌ＞
特許文献１に記載の空気調和装置は、デシカントロータの表面に設けられる固体吸着剤としてゼオライトやシリカゲル等の多孔性の無機酸化物が用いられている。ゼオライトやシリカゲル等を固体吸着剤に使用した場合には、それぞれの有する特徴によって、ゼオライトやシリカゲルで吸着した水分を効果的に脱着し、再生すること（脱着した水分を加湿等に利用すること）ができないという問題を有していた。
非特許文献１に記載の空気調和装置に使用されるゼオライトは、低湿度領域で急激に吸着量が増加するものの、高湿度になっても吸着量の増加が少ないため、吸着領域を通過する湿度が高い場合に吸着ロスが発生するという特性を有している。つまり、ゼオライトに吸着した水分を効率よく脱着・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しなければならず、空気の相対湿度を減少するためには空気を高温に加熱する必要がある。
ゼオライトを水分吸着手段に使用する場合、上述したように脱着・再生には高温の空気（たとえば、１５０℃）が必要となるため、空気の温度を上昇させる冷媒にも高温が要求される。したがって、物性上比較的高い冷媒温度が得られやすいＣＯ2 （二酸化炭素）が冷媒として使われることが多い。このＣＯ2 を冷媒に使用すると、圧縮機の吐出から膨張弁に吸入されるまでの間が、臨界圧を超えた超臨界状態となる。
冷媒にＣＯ2 を使用すると、圧縮機で圧縮される高圧が１００〜１５０［ｋｇｆ／ｃｍ２］程度であり、冷媒にＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）を用いた通常の臨界圧を越えない冷凍サイクルの場合の２倍程度となるので、圧縮機、凝縮器及びこれらを接続する配管の耐圧を確保するために製品コストが上昇することになってしまう。また、ゼオライトの再生温度が１５０［℃］程度と高いため、凝縮器出口の空気温度を高くする必要があり、圧縮機の圧縮比が増大し、圧縮機の効率が低下してしまうという問題があった。
非特許文献１に記載の空気調和装置に使用されるシリカゲルは、上述したように２つの吸着特性をもっている。したがって、ゼオライトと同様な特性を有しているシリカゲルは、ゼオライトが有している問題を同様に有しており、関係相対湿度の低い領域では吸収率が低く、関係相対湿度の高い領域で吸収率が高まるという特性を有しているシリカゲルは、標準的な空気の相対湿度６０［％］では、水分を吸着できなくなり、かなり用途が限定されてしまうという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、水分吸着手段による除湿機能を備え、潜熱処理と顕熱処理とを分離して行なうことによって圧縮機の運転効率を向上させると共に、冷凍サイクルにおける凝縮排熱を利用して水分吸着手段で水分を吸着して蒸発器への着霜を防止しつつ、水分吸着手段からの水分の脱着・再生が可能な熱交換器用フィン、熱交換器及び空気調和装置を提供することを目的とする。
本発明に係る熱交換器用フィンは、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を表面に担持させたことを特徴とする。また、本発明に係る熱交換器は、上記の熱交換器用フィンを使用したことを特徴とする。
本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、絞り装置と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させたことを特徴とする。
また、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、熱交換器を第１の熱交換器と第２の熱交換器とで構成して、それらを並列に配置し、凝縮器と第１の熱交換器との間における冷媒配管に第１の開閉弁を、凝縮器と第２の熱交換器との間における冷媒配管に第２の開閉弁を接続し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させたことを特徴とする。
本発明に係る熱交換器用フィンは、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を表面に担持させたので、水分吸着手段に吸着した水分の脱着・再生が３０％程度の相対湿度を有する空気で十分である。
本発明に係る熱交換器は、上記の熱交換器用フィンを使用したので、水分吸着手段に吸着した水分の脱着・再生が３０％程度の相対湿度を有する空気で十分であり、冷凍サイクルを構成する凝縮器の凝縮排熱で水分吸着手段に吸着した水分の脱着・再生を行なうことができる。つまり、水分吸着手段に吸着した水分を脱着させるための脱着・再生用ヒータを設けなくて済み、余計な消費電力を低減することが可能である。
本発明に係る熱交換器は、圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、絞り装置と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させたので、潜熱の除去を水分吸着手段で行ない、顕熱の除去を冷凍サイクルで行なうことができる。
そのため、冷凍サイクルの蒸発温度を高く設定でき、圧縮比の低減を図ること可能となり、ＣＯＰ（成績係数）が大幅に改善される。また、第１の相対湿度が３０％なので、水分吸着手段に吸着した水分を脱着して再生させるのに３０％程度の相対湿度を有する空気で十分であるため、冷凍サイクルを構成する凝縮器の凝縮排熱で水分吸着手段の脱着・再生を行うことができるため、脱着・再生用ヒータを設けなくて済み、消費電力を大幅に削減できる。この凝縮排熱で水分吸着手段の脱着・再生を行うことができるので、除霜運転を無くすことが可能となり、消費電力を更に低減できる。
また、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、熱交換器を第１の熱交換器と第２の熱交換器とで構成して、それらを並列に配置し、凝縮器と第１の熱交換器との間における冷媒配管に第１の開閉弁を、凝縮器と第２の熱交換器との間における冷媒配管に第２の開閉弁を接続し、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、相対湿度の範囲外における相対湿度に対する平衡吸着量の変化率よりも大きく、かつ、第１相対湿度及び第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させたことので、潜熱の除去を水分吸着手段で行ない、顕熱の除去を冷凍サイクルで行なうことができる。
そのため、冷凍サイクルの蒸発温度を高く設定でき、圧縮比の低減を図ることが可能となり、ＣＯＰが大幅に改善される。また、第１の相対湿度が３０％なので、水分吸着手段に吸着した水分を脱着して再生させるのに３０％程度の相対湿度を有する空気で十分であるため、冷凍サイクルを構成する凝縮器の凝縮排熱で水分吸着手段の脱着・再生を行うことができるため、脱着・再生用ヒータを設けなくて済み、消費電力を大幅に削減できる。この凝縮排熱で水分吸着手段の脱着・再生を行うことができるので、除霜運転を無くすことが可能となり、消費電力を更に低減できる。
また、第１の開閉弁の開度の状態と、第２の開閉弁の開度の状態とを切り替えることができるので、第１の熱交換器及び第２の熱交換器のそれぞれを吸着熱交換器及び脱着熱交換器として、交互に切り替えて利用することができる。つまり、第１の開閉弁の開度の状態と第２の開閉弁の開度の状態とを切り替えることにより、連続して水分の吸着運転を行うことができ、冷凍サイクルの信頼性が大きく向上する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器４０の要部を示す概略構成図である。図１に基づいて、本発明の特徴部分である熱交換器４０の構成について説明する。ここでは、この熱交換器４０が冷凍装置や空気調和装置に広く利用されているプレートフィンチューブ式の熱交換器である場合を例に示すものとする。
また、この熱交換器４０は、熱交換器用フィン４５（以下、単にフィン４５と称する）を使用して構成されている。つまり、熱交換器４０は、フィン４５が積層されて構成されているのである。このフィン４５は、その表面に水分吸着手段である吸着剤を担持して形成されている。なお、フィン４５に担持する吸着剤の量（厚さ）を特に限定するものではないが、たとえば、１ｍｍ（ミリメートル）以下程度の吸着剤を担持するとよい。
また、熱交換器４０には、各フィン４５を貫通するように所定の間隔で複数の伝熱管４６が設けられている。ここでは、６本の伝熱管４６がフィン４５を貫通するように設けられている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。この伝熱管４６は、内部に冷媒が流れるようになっている。そして、各伝熱管４６を流れる冷媒は、各フィン４５の間を流れる空気との間で熱交換を行なうようになっている。
このように、実施の形態１では、熱交換器４０に吸着剤を担持させる必要があるため、冷凍装置用（ユニットクーラ）に通常使用されている比較的フィンピッチ（４〜１０ｍｍ）の広いものをベースとして熱交換器４０を構成するのが望ましい。つまり、実施の形態１に係る熱交換器４０は、通常使用されている熱交換器を使用すればよく、形状や構成を特別なものとする必要がないのである。したがって、熱交換器４０を製造するために要する手間やコストの低減を図ることができる。
次に、フィン４５の表面に吸着剤を担持させる方法について説明する。
フィン４５の表面に吸着剤を担持させる一例としてディッピングによる方法がある。ディッピングとは、含浸加工のことをいい、フィン４５の表面に均一に所定量の吸着剤を含浸させて、新しい機能を付与することである。このディッピングによって吸着剤をフィン４５の表面に担持させる一般的な手順を以下に示す。
（１）まず、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤を１０μｍ（マイクロメートル）程度にまで粉砕する。
（２）次に、粉砕した吸着剤とバインダ（接合剤）と呼ばれる物質とを所定の割合で混ぜ合わせて混合溶液を作製する。このバインダは、吸着剤をフィン４５の表面に接着させるものであればよく、特に種類を限定するものではない。また、吸着剤とバインダとを混合する割合も特に限定するものではなく、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤の量や厚さを考慮して決定するとよい。
（３）作製した混合溶液にフィン４５やフィン４５を積層させて組み立てられた熱交換器４０を所定の回数浸ける（ディッピングする）。ディッピングする回数は、担持させた吸着剤が目的の量に達しているかどうかで決定するとよい。
（４）ディッピングを所定の回数行なった後、吸着剤が含浸しているフィン４５や熱交換器４０を乾燥させる。
このようにして、フィン４５の表面に吸着剤を担持することができる。
フィン４５の表面に吸着剤を担持させる他の一例として電気泳動による方法がある。電気泳動とは、溶液中の荷電物質が電場のもとで移動する現象のことであり、一般的に生化学的な分野で利用されることが多い。この性質を利用して、吸着剤をフィン４５の表面に担持させることができるのである。つまり、吸着剤を担持させるフィン４５と電極との間に電位をかけることによって、吸着剤の粒子をフィン４５の表面に移動させて付着させるのである。この電気泳動によって吸着剤をフィン４５の表面に担持させる一般的な手順を以下に示す。
（１）まず、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤を１０μｍ（マイクロメートル）程度にまで粉砕する。
（２）次に、粉砕した吸着剤とバインダ（接合剤）と呼ばれる物質とを所定の割合で混ぜ合わせて混合溶液を作製する。このバインダは、吸着剤をフィン４５の表面に接着させるものであればよく、特に種類を限定するものではない。また、吸着剤とバインダとを混合する割合も特に限定するものではなく、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤の量や厚さを考慮して決定するとよい。
（３）作製した混合溶液にフィン４５やフィン４５を積層させて組み立てられた熱交換器４０と電極とを浸し、フィン４５や熱交換器４０と電極との間に電位を所定時間かける。この電位をかける時間は、担持させたい吸着剤が目的の量に達しているかどうかで決定するとよい。
（４）目的の量の吸着剤を担持させたフィン４５や熱交換器４０を混合溶液から取り出す。
このようにして、フィン４５の表面に吸着剤を担持することができる。
フィン４５の表面に吸着剤を担持させる他の一例としてスプレードライ装置による方法がある。スプレードライ装置による方法とは、吸着剤を噴霧してフィン４５の表面に塗布することでフィン４５の表面に吸着剤を担持させる方法である。なお、スプレードライ装置は、特別なものではなく、一般的に広く利用されているものを利用すればよい。このスプレードライ装置によって吸着剤をフィン４５の表面に担持させる一般的な手順を以下に示す。
（１）まず、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤を１０μｍ（マイクロメートル）程度にまで粉砕する。
（２）次に、粉砕した吸着剤とバインダ（接合剤）と呼ばれる物質とを所定の割合で混ぜ合わせて混合溶液を作製する。このバインダは、吸着剤をフィン４５の表面に接着させるものであればよく、特に種類を限定するものではない。また、吸着剤とバインダとを混合する割合も特に限定するものではなく、フィン４５の表面に担持させたい吸着剤の量や厚さを考慮して決定するとよい。
（３）作製した混合溶液をフィン４５やフィン４５を積層させて組み立てられた熱交換器４０にスプレードライ装置により噴霧し、フィン４５や熱交換器４０に均一に所定の量が添着するまで継続する。
（４）目的の量の吸着剤が添着されたフィン４５や熱交換器４０を焼成処理によってバインダを除去する。
このようにして、フィン４５の表面に吸着剤を担持することができる。
なお、実施の形態１では、フィン４５の表面に吸着剤を担持する方法として３つの例を示して説明したが、これに限定するものではなく、フィン４５の表面に吸着剤を担持できる方法であればよい。たとえば、真空蒸着法や、イオンプレーティング法等によってフィン４５の表面に吸着剤を担持させてもよい。つまり、フィン４５に担持させる吸着剤の種類や性質によって、担持させる方法を決定するのが望ましいのである。
次に、本発明の基本的なコンセプトについて簡単に説明する。
フィン４５の表面に担持させる吸着剤の水分吸着性能を向上させるためには、空気の温度を低くし、相対湿度を大きくすることが効果的である。そのために、熱交換器４０を構成するフィン４５の表面に吸着剤を担持させて、吸着剤自身と吸着された空気とを同時に冷却するようにしている。こうすることによって、相対湿度を大きくすることができ、吸着剤の持っている吸着性能の潜在能力を最大限に発揮させることができる。
また、フィン４５の表面に担持させる吸着剤の水分脱着性能を向上させるためには、空気の温度を高くし、相対湿度を小さくすることが効果的である。そのために、熱交換器４０を構成するフィン４５の表面に吸着剤を担持させて、吸着剤自身と吸着された空気を同時に加熱するようにしている。こうすることによって、相対湿度を小さくすることができ、吸着剤の持っている脱着性能の潜在能力を最大限に発揮させることができる。
次に、フィン４５の表面に担持させる吸着剤について説明する。
図２は、フィン４５の表面に担持させることのできる吸着剤の成分に応じた水分吸着特性を示す特性図である。図２に基づいて、フィン４５の表面に担持させるのに適した吸着剤について、各吸着材を比較して説明する。ここでは、シリカゲル、ゼオライト及び多孔質ケイ素材料を吸着剤としたそれぞれの場合を示している。また、横軸は空調空間の相対湿度（％）を、縦軸は水分の平衡吸着量（ｋｇ／ｋｇ）をそれぞれ示している。
図２において、等温吸着線Ａは、シリカゲルの等温吸着線を示している。このシリカゲルは、一般的な性質として、高湿度範囲において吸着量が多くなるために除湿用途に適している。図２において、等温吸着線Ｂはゼオライトの等温吸着線を示している。このゼオライトは、一般的な性質として、シリカゲルとは反対に広い湿度範囲でほぼ一定の吸着量を有しているために加湿用途に適している。また、ゼオライトは、吸着及び脱着の反応速度が速いという特性がある。
図２において、等温吸着線Ｃは、多孔質ケイ素材料の等温吸着線を示している。この材料多孔質ケイ素材料は、１．５〜３．０ｎｍ（ナノメートル）程度の穴径の細孔が多数設けられたものであり、空気の相対湿度の狭い領域（相対湿度が３０％〜４０％）で平衡吸着量がたとえば０．１ｋｇ／ｋｇから０．４ｋｇ／ｋｇまで急峻に増大する特性を示すという特徴を有している。つまり、３０％〜４０％の範囲における相対湿度にたいする水分の平衡吸着量の変化率である傾斜が、３０％未満または４０％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顕著に大きいという性質を有している。
なお、相対湿度３０％を第１相対湿度（低湿度である第１相対湿度）と、相対湿度４０％を第２相対湿度（第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度）とそれぞれ称することにする。そうすると、多孔質ケイ素材料の細孔径を増加または減少することにより、第１相対湿度及び第２相対湿度を変化（増加または減少）させることが可能になる。このような多孔質ケイ素材料としては、たとえばメソポーラスシリカが存在する。したがって、このメソポーラスシリカを吸着剤として使用するのが望ましい。
このメソポーラスシリカは、均一で規則的に配列したメソ孔（直径２〜５０ｎｍ）を持つシリカ（二酸化珪素）系多孔質材料の総称であり、厚みが約１ｎｍの隔壁で仕切られたシリンダー状の細孔がヘキサゴナル配列した規則的な配列構造を有していることを特徴とする。また、このメソポーラスシリカは、メソポーラスシリカのメソ孔内において、その孔径に応じた相対湿度において毛管凝縮が起こり、特定の狭い相対湿度範囲で大きな吸脱着量を示すという特異的な特徴も有している。
したがって、このような性質を有しているメソポーラスシリカをフィン４５の表面に担持する吸着剤とすれば、相対湿度４０％以上の空気から水分を吸着し、空気を相対湿度３０％以下になるように昇温すれば、吸着されている水分を脱着することが可能になる。すなわち、熱交換器４０の伝熱管４６内を流れる冷媒との熱交換で得られる５０℃程度に昇温された空気でも、フィン４５から水分を脱着することが可能になるのである。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置１００の構成例を示す概略構成図である。図３に基づいて、空気調和装置１００の冷凍サイクルの基本的な構成について説明する。この空気調和装置１００は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。この空気調和装置１００は、実施の形態１で説明した熱交換器を備えているものとする。なお、空気調和装置１００は、加湿運転を行うことができるものであるとよい。
空気調和装置１００は、圧縮機１０、凝縮器２０、第１の絞り装置６０、熱交換器４０、第２の絞り装置６１及び蒸発器７０が冷媒配管１で順次接続されて構成されている。なお、一般的に、圧縮機１０と凝縮器２０とは室外ユニットに内蔵されており、第１の絞り装置６０と熱交換器４０と第２の絞り装置６１と蒸発器７０とは室内ユニットに内蔵されている。また、熱交換器４０で吸着した水分を利用して加湿運転を行なうようにした加湿ユニットを空気調和装置１００に搭載してもよい。
冷媒配管１は、気体になった冷媒を導通させるガス側冷媒配管と、液体になった冷媒を導通させる液側冷媒配管とで構成されている。液側冷媒配管は、凝縮されて液体となった冷媒を導通するものである。ガス側冷媒配管は、蒸発されて気体になった冷媒を導通するものである。また、凝縮器２０の近傍には、凝縮器２０に空気を取り込むためのファン等の図示省略の送風機が設けられている。同様に、蒸発器７０の近傍には、蒸発器７０に空気を取り込み、熱交換された空気を送風するためのファン等の図示省略の送風機が設けられている。なお、冷媒配管１に封入される冷媒については、後の詳述する。
圧縮機１０は、冷媒配管１を流れる冷媒を吸入して、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。凝縮器２０は、冷媒と空気との間で熱交換を行なって冷媒を凝縮液化するものである。第１の絞り装置６０は、一般に減圧弁や膨張弁で構成されており、冷媒を減圧して膨張させるものであり、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。熱交換器４０は、図１及び図２で説明したように、フィン４５の表面に水分吸着手段である吸着剤が担持されている。この熱交換器４０は、空気中の水分を吸着する吸着熱交換器として機能する役目を果たす。また、吸着した水分を脱着して加湿運転等を行なう脱着熱交換器としても機能する役目を果たす。
第２の絞り装置６１は、一般に減圧弁や膨張弁で構成されており、冷媒を減圧して膨張させるものであり、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。蒸発器７０は、冷媒と空気との熱交換によって、その冷媒を蒸発ガス化するものである。なお、蒸発器７０の近傍に設けられている送風機は、空気を取り込むと共に、蒸発器７０で熱交換して冷却された空気を冷却対象域（室内や冷蔵庫内、冷凍庫内等）に供給するものである。なお、圧縮機１０の駆動周波数や、第１の絞り装置６０及び第２の絞り装置６１の開度の制御は、図示省略の制御装置が行なうようになっている。
ここで、空気調和装置１００の動作について説明する。まず、熱交換器４０が吸着熱交換器として機能する場合について説明する。
圧縮機１０で圧縮された高温・高圧の冷媒は、凝縮器２０で外気に熱を放出しながら凝縮液化して液冷媒となる。この液冷媒は、第１の絞り装置６０に流入し、そこで減圧されて低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、熱交換器４０に流入し、吸着剤及び空気を同時に冷却しながら蒸発するようになっている。つまり、熱交換器４０が吸着熱交換器として機能しているのである。そして、この気液二相冷媒は、全開状態の第２の絞り装置６１を通過し、蒸発器７０に流入する。この気液二相冷媒は、蒸発器７０ですべて蒸発ガス化し、気体冷媒となって圧縮機１０に再度吸入されるようになっている。
次に、熱交換器４０が脱着熱交換器として機能する場合について説明する。
圧縮機１０で圧縮された高温・高圧の冷媒は、凝縮器２０で外気に熱を放出しながら気液二相冷媒となる。この高圧状態の気液二相冷媒は、全開状態の第１の絞り装置６０を通過し、熱交換器４０に流入する。熱交換器４０に流入した気液二相冷媒は、吸着剤及び空気を同時に加熱しながら液化するようになっている。つまり、熱交換器４０が脱着熱交換器として機能しているのである。この液化した冷媒は、第２の絞り装置６１で減圧されて低圧の気液二相冷媒となる。そして、気液二相冷媒は、蒸発器７０に流入し、そこですべて蒸発ガス化し、気体冷媒となって圧縮機１０に再度吸入されるようになっている。
実施の形態２に係る空気調和装置１００は、熱交換器４０を吸着熱交換器として機能させるか、脱着熱交換器として機能させるかによって、潜熱処理（除湿運転）と顕熱処理（冷却運転や冷房運転）とが分離可能になっている。すなわち、潜熱の除去は、フィン４５の表面に担持させた吸着剤（水分吸着手段）で賄い、顕熱の除去は、冷凍サイクルで賄うことができるのである。このため、冷凍サイクルの蒸発器７０における冷媒を蒸発させる温度を高く設定できる。つまり、蒸発器７０での蒸発温度を霜が発生しない程度に高く設定することができるのである。
したがって、熱交換器４０を吸着熱交換器として機能させれば、蒸発器７０の蒸発温度を高く設定することができ、蒸発器７０に霜を発生させないようにできる。換言すれば、霜を除去する除霜運転が不要になるのであり、デフロスタヒータを備えなくて済むのである。また、蒸発器７０の蒸発温度を高く設定できるということは、圧縮機１０における冷媒の圧縮比の低減も図ることが可能ということである。つまり、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）を大幅に改善することが可能になる。
さらに、熱交換器４０を脱着熱交換器として機能させれば、冷凍サイクルの凝縮器２０における凝縮排熱を利用することで吸着されている水分を脱着し、その水分を廃棄したり、加湿運転に利用したりする等の再生が可能になる。つまり、吸着された水分を脱着・再生するための再生用ヒータ等の加熱手段を設けなくてよいのである。したがって、加熱手段に要していた消費電力が不要となり、消費電力を大幅に削減できる。なお、実施の形態２に係る空気調和装置１００の典型的な例としては、冷凍装置として冷蔵倉庫に適用することである。
空気調和装置１００を冷蔵倉庫に適用した場合を例に示すと、外気側の条件が乾球温度３０［℃］、相対湿度６０［％］、絶対湿度１６．０４［ｇ／ｋｇ］として維持されている場合において、冷蔵倉庫内の冷蔵室（空調空間）を、乾球温度１０［℃］、相対湿度６０［％］、絶対湿度４．５６［ｇ／ｋｇ］という条件で維持・継続するために冷凍サイクルを運転するよう各機器を制御するとよい。
図４は、蒸発温度とＣＯＰ（成績係数：冷却能力／消費電力）との関係を示した関係図である。図４に基づいて、蒸発温度とＣＯＰとの関係について説明する。図４において、蒸発温度とＣＯＰとは、比例関係にあることがわかる。たとえば、蒸発温度が１１［℃］である場合、ＣＯＰが３．１程度（図で示す（Ａ））であり、蒸発温度を２０［℃］に上げた場合、ＣＯＰが３．９程度（図で示す（Ｂ））にまで上昇することがわかる。したがって、蒸発温度を高く設定できれば、ＣＯＰをその分改善できるのである。
ここで、空気調和装置１００に使用する冷媒について説明する。
空気調和装置１００の冷凍サイクルに使用できる冷媒には、非共沸混合冷媒や擬似共沸混合冷媒、単一冷媒等がある。非共沸混合冷媒には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒であるＲ４０７Ｃ（Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａ）等がある。この非共沸混合冷媒は、沸点が異なる冷媒の混合物であるので、液相冷媒と気相冷媒との組成比率が異なるという特性を有している。擬似共沸混合冷媒には、ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５）やＲ４０４Ａ（Ｒ１２５／Ｒ１４３ａ／Ｒ１３４ａ）等がある。この擬似共沸混合冷媒は、非共沸混合冷媒と同様の特性の他、Ｒ２２の約１．６倍の動作圧力という特性を有している。
また、単一冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒であるＲ２２やＨＦＣ冷媒であるＲ１３４ａ等がある。この単一冷媒は、混合物ではないので、取扱いが容易であるという特性を有している。その他、自然冷媒である二酸化炭素やプロパン、イソブタン、アンモニア等を使用することもできる。なお、Ｒ２２はクロロジフルオロメタン、Ｒ３２はジフルオロメタンを、Ｒ１２５はペンタフルオロエタンを、Ｒ１３４ａは１，１，１，２−テトラフルオロエタンを、Ｒ１４３ａは１，１，１−トリフルオロエタンをそれぞれ示している。したがって、空気調和装置１００の用途や目的に応じた冷媒を使用するとよい。
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る空気調和装置１００ａの構成例を示す概略構成図である。図５に基づいて、空気調和装置１００ａの冷凍サイクルの基本的な構成について説明する。この空気調和装置１００ａは、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。この空気調和装置１００ａは、実施の形態１で説明した熱交換器を備えているものとする。なお、空気調和装置１００ａは、加湿運転を行うことができるものであるとよい。また、実施の形態３では実施の形態２との相違点を中心に説明し、実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
空気調和装置１００ａは、実施の形態１で説明した吸着剤（水分吸着手段）を担持させた熱交換器４０ａ（第１の熱交換器）及び熱交換器４０ｂ（第２の熱交換器）を備えている。そして、この２つの熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂは、室内ユニットに別々に内蔵されている（図５参照）。また、空気調和装置１００ａは、圧縮機１０、凝縮器２０、並設されている第１の開閉弁である開閉弁３０及び第２の開閉弁である開閉弁３１、並設されている熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂ、並設されている逆流防止手段５０及び逆流防止手段５１、絞り装置６２及び蒸発器７０が冷媒配管１で順次接続されて構成されている。
この冷媒配管１は、分岐して冷媒配管１ａと冷媒配管１ｂとなって、開閉弁３０、熱交換器４０ａ及び逆流防止手段５０を冷媒配管１ａで接続し、開閉弁３１、熱交換器４０ｂ及び逆流防止手段５１を冷媒配管１ｂで接続してから再度合流するように構成されている。この冷媒配管１を流れる冷媒には、実施の形態２で説明したような冷媒を使用するとよい。また、この空気調和装置１００ａには、蒸発器７０の温度及び湿度を検知するための温度・湿度検知手段８１（第１の温度・湿度検知手段）が蒸発器７０の風路入口側に備えられている。
この温度・湿度検知手段８１は、温度及び湿度を検知できるものであればよく、特に種類を限定するものでない。たとえば、サーミスタ等の温度センサや、温度計、湿度センサ、湿度計等で構成すればよい。また、空気調和装置１００ａには、圧縮機１０の駆動周波数や開閉弁３０及び開閉弁３１の開度、絞り装置６２の開度を制御する制御手段８０が備えられている。
開閉弁３０及び開閉弁３１は、冷媒配管１ａ及び冷媒配管１ｂを流れる冷媒の流量を調整するものであり、特に種類を限定するものではない。逆流防止手段５０及び逆流防止手段５１は、冷媒配管１ａ及び冷媒配管１ｂを流れる冷媒の逆流を防止するものであり、逆流弁等で構成するとよいが、特に種類を限定するものではない。絞り装置６２は、一般に減圧弁や膨張弁で構成されており、冷媒を減圧して膨張させるものであり、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。なお、制御手段８０は、各機器を制御する他、温度・湿度検知手段８１からの情報に基づいて、蒸発器７０での空気の相対湿度を算出し、その相対湿度を露点（露点温度）に換算するようになっており、マイクロコンピュータ等で構成するとよい。
図６は、蒸発器７０が内蔵された室内ユニット３００の構成を示す概略構成図である。図６に基づいて、室内ユニット３００の基本的な構成について説明する。図６では、室内ユニット３００の一部分が冷凍庫内（空調空間）４００に、それ以外の部分が外気５００側に設置されている場合を示している。この室内ユニット３００には、図５で示した熱交換器４０ａ、熱交換器４０ｂ及び蒸発器７０が内蔵されている。そして、熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂの近傍には、それぞれ遠心ファンや軸流ファン等の送風機９０及び送風機９１が備えられている。また、室内ユニット３００にはダクト３１０が設けられており、冷凍庫内４００と連通するようになっている。
この室内ユニット３００は、熱交換器４０ａと熱交換器４０ｂとを風路的に遮断するような構造となっている。そして、室内ユニット３００は、風路を切り替えることができるようになっており、風路を切り替えることによって熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂを冷凍庫内４００や外気５００と連通させることが可能になっている。この風路の切り替えは、風路切替手段３０１ａ及び風路切替手段３０１ｂ、風路切替手段３０２ａ及び風路切替手段３０２ｂ、風路切替手段３０３ａ及び風路切替手段３０３ｂ、そして風路切替手段３０４ａ及び風路切替手段３０４ｂで行なわれるようになっている。
次に、室内ユニット３００内の空気の流れについて説明する。
図６において、風路切換手段３０１ａ、風路切替手段３０２ｂ、風路切替手段３０３ｂ及び風路切替手段３０４ａが開状態であり、風路切換手段３０１ｂ、風路切替手段３０２ａ、風路切替手段３０３ａ及び風路切替手段３０４ｂが閉状態であることを示している。各風路切替手段がこのような状態のとき、熱交換器４０ａの内蔵スペースは外気５００と連通し、外気から空気が流れ込むようになっている（矢印Ａ）。また、熱交換器４０ｂの内蔵スペースは、ダクト３１０を介して、冷凍庫内４００と連通し、庫内空気（たとえば、気温１０［℃］、相対湿度６０［％］）が流れ込むようになっている（矢印Ｂ）。
このように風路を形成している場合において、熱交換器４０ａは脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｂは吸着熱交換器として機能するようになっているのである。つまり、脱着熱交換器を顕熱除去のために機能させ、吸着熱交換器を潜熱除去のために機能させることで、顕熱処理と潜熱処理とを分離しているのである。一方、各風路切換手段の開閉状態が逆の状態になっている場合には、熱交換器４０ａの内蔵スペースには、庫内空気が流れ込むようになっており、熱交換器４０ｂの内蔵スペースには、外気からの空気が流れ込むようになっている。そして、熱交換器４０ａは吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｂは脱着熱交換器として機能するようになっている。
図７は、室内ユニット３００の風路を切り替えた状態を示す説明図である。図７では、室内ユニット３００の一部分が冷凍庫内４００に、それ以外の部分が外気５００側に設置されている場合を示している。なお、図７（ａ）は、風路切換手段３０１ａ、風路切替手段３０２ｂ、風路切替手段３０３ｂ及び風路切替手段３０４ａが閉状態であり、風路切換手段３０１ｂ、風路切替手段３０２ａ、風路切替手段３０３ａ及び風路切替手段３０４ｂが開状態であることを示している。
つまり、図７（ａ）では、熱交換器４０ｂの内蔵スペースは外気５００と連通し、外気からの空気が流れ込むようになっている（矢印Ｃ）。また、熱交換器４０ａの内蔵スペースは、ダクト３１０を介して、冷凍庫内４００と連通し、庫内空気が流れ込むようになっている（矢印Ｄ）。このように風路を形成すると、熱交換器４０ｂは脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ａは吸着熱交換器として機能するようになっている。
また、図７（ｂ）は、図６で示した場合と同様に、風路切換手段３０１ａ、風路切替手段３０２ｂ、風路切替手段３０３ｂ及び風路切替手段３０４ａが開状態であり、風路切換手段３０１ｂ、風路切替手段３０２ａ、風路切替手段３０３ａ及び風路切替手段３０４ｂが閉状態であることを示している。つまり、熱交換器４０ａの内蔵スペースには、庫内空気が流れ込むようになっており、熱交換器４０ｂの内蔵スペースには、外気が流れ込むようになっている。このように風路を形成すると、熱交換器４０ｂは吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ａは脱着熱交換器として機能するようになっているのである。
図８は、冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図（モリエル線図）である。図８に基づいて、冷凍サイクルにおける冷媒の状態について説明する。この図は、縦軸が絶対圧力（Ｐ）で、横軸がエンタルピー（ｈ）を示している。この図８において、飽和液線と飽和蒸気線とで囲まれた部分では気液二相状態の冷媒であることを示し、飽和液線の左側では液化した冷媒であることを示し、飽和蒸気線の右側ではガス化した冷媒であることを示している。つまり、状態（１）及び状態（５）ではガス冷媒であることがわかり、状態（２）及び状態（４）では気液二相冷媒であることがわかり、状態（３）では液冷媒であることがわかるようになっている。
次に、空気調和装置１００ａの動作について説明する。
図７及び図８に基づいて、空気調和装置１００ａの動作について説明する。なお、開閉弁３０を開状態、開閉弁３１を閉状態にし、熱交換器４０ａを脱着熱交換器として、熱交換器４０ｂを吸着熱交換器として機能させた場合における空気調和装置１００ａの動作について説明するものとする。また、開閉弁３１が閉状態になっているので、熱交換器４０ｂに冷媒は流れ込まないようになっている。
圧縮機１０で圧縮された高温・高圧のガス状態の冷媒（図８で示す状態（１））は、凝縮器２０に流入する。この状態の冷媒は、凝縮器２０で外気に一部を放熱しながら気液二相冷媒となる（図８で示す状態（２））となる。この高圧状態の気液二相冷媒は、吸着剤が担持された熱交換器４０ａに流入する。熱交換器４０ａに流入した気液二相冷媒は、吸着剤を加熱することで吸着剤に吸着されている水分を飛ばし（脱着工程）、液化した液冷媒となる（図８で示す状態（３））。
この冷媒は、逆流防止手段５０を流れて、絞り装置６２で減圧される。減圧された冷媒は、低圧の気液二相冷媒となる（図８で示す状態（４））。そして、この気液二相冷媒は、蒸発器７０に流入し、空調空気から熱を奪うことで蒸発し、低圧のガス冷媒となる（図８で示す状態（５））。このガス冷媒は、圧縮機１０に再吸入されるように冷凍サイクルを循環する。したがって、冷媒が吸熱及び放熱を繰り返し状態変化を遷移させながら冷凍サイクルを循環することで冷房・冷凍運転を行なうようになっている。
図９は、空気調和装置１００ａの動作を説明するための空気線図である。この空気線図及び図６の構成図を用いて、上述した空気調和装置１００ａの動作について説明する。図６及び図９において、冷凍庫内４００側と連通させている熱交換器４０ｂを通過する空気に対し、熱交換器４０ｂの通過前の空気を図９示す状態（１）、熱交換器４０ｂを通過した直後の空気を図９で示す状態（２）、蒸発器７０と熱交換した直後の空気を図９で示す状態（３）として説明するものとする。
熱交換器４０ｂが冷凍庫内４００内に存在する空気の水分を吸着する場合について説明する。状態（１）の空気は、乾球温度が１０［℃］、相対湿度が６０［％］、絶対湿度が４．５６［ｇ／ｋｇ］である。この状態の空気が熱交換器４０ｂに供給されると、等エンタルピー線に沿って、相対湿度が６０［％］からたとえば３０［％］まで減湿され、絶対湿度が４．５６［ｇ／ｋｇ］から２．９６［ｇ／ｋｇ］まで減湿され、乾球温度が１０［℃］から１４［℃］まで上昇した状態（２）の空気となって蒸発器７０へ流れるようになっている。
つまり、実施の形態１で説明したように、熱交換器４０ｂに担持されている吸着剤は、相対湿度４０％以上の領域で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のである。そして、状態（２）の空気は、蒸発器７０で熱交換されて状態（３）の空気となる。この状態（２）の空気は、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが除去されることで冷却されて、相対湿度が１００［％］未満、乾球温度が−２［℃］である状態（３）の空気となる。
冷凍庫内４００を１０［℃］よりも低い温度帯域で維持するようになっており、蒸発温度を０［℃］よりも低く設定しなければならないことが多い。しかしながら、この空気調和装置１００ａは、冷凍サイクルが蒸発器７０に着霜した霜を除去する除霜運転を実行しないようにするために、蒸発器７０の蒸発温度（状態（２）の温度１４［℃］）を露点温度（たとえば、状態（２）の露点温度−２．９［℃］）よりも高く設定することが可能になっている。
なお、蒸発器７０の蒸発温度を高くするように、制御手段８０は、絞り装置６２の開度や、圧縮機１０の駆動周波数、送風機９１の回転数等を制御して蒸発温度を調節するとよい。また、蒸発温度を高く設定できれば、ＣＯＰをその分改善できることは、図４で説明した通りである。また、蒸発器７０の蒸発温度を露点以上とすることができるので、ドレインが発生しない。つまり、ドレイン配管が不要となり、製造コストを低減することが可能になる。
この制御手段８０は、温度・湿度検知手段８１からの情報によって、蒸発器７０での空気の相対湿度を算出し、その相対湿度を露点に換算するようになっており、その結果に基づいて露点の検知をするとよい。それから、状態（３）の空気は、冷凍庫内４００内へ拡散されて、冷凍庫内４００の乾球温度を１０［℃］以下に保つようになっている。また、吸着熱交換器として機能している熱交換器４０ｂで吸着できる水分量には限界が存在する。そのため、制御手段８０は、温度・湿度検知手段８１からの検知情報により熱交換器４０ｂの風路出口側の相対湿度が所定の閾値以上になった判断した時は、開閉弁３０を開状態から閉状態へ、開閉弁３１を閉状態から開状態へ変更し、冷媒の流れを切り替えるようになっている。そして、熱交換器４０ｂに高温・高圧のガス冷媒を流入し、吸着剤が加熱されるようにする。
つまり、吸着熱交換器として機能していた熱交換器４０ｂを、今度は脱着熱交換器として機能させて吸着した水分を脱着するのである。熱交換器４０ｂの吸着剤が加熱されると、吸着剤で保持されていた水分が放出され、吸着剤が再生されるのである。一方、冷媒の流路を切り替えたので、熱交換器４０ａが吸着熱交換器として機能するようになる。この熱交換器４０ａでは、空気中の水分を吸着し、図９で示したように状態（１）から状態（２）へと庫内空気が減湿されるようになっている。
また、吸着熱交換器として機能している熱交換器４０ａで吸着できる水分量には限界が存在する。そのため、制御手段８０は、温度・湿度検知手段８１からの検知情報により熱交換器４０ａの風路出口側の相対湿度が所定の閾値以上になった判断した時は、開閉弁３０を閉状態から開状態へ、開閉弁３１を開状態から閉状態へ変更し、冷媒の流れを切り替えるようになっている。そして、熱交換器４０ａに高温・高圧のガス冷媒を流入し、吸着剤が加熱されるようにする。
以上のように、空気調和装置１００ａは、一方の熱交換器（熱交換器４０ｂ）を吸着熱交換器として機能させている場合は他方の熱交換器（熱交換器４０ａ）を脱着熱交換器として機能させ、水分の吸着量に応じて、吸着熱交換器としての機能と脱着熱交換器としての機能とを交互に切り替えるようになっている。したがって、連続的に冷凍庫内４００の空気の湿度（潜熱）を除去することが可能となる。つまり、開閉弁３０及び開閉弁３１と、風路切替手段３０１ａ〜風路切替手段３０４ｂとを適宜切り替えることによって、連続的に庫内空気の湿度を除去することが可能となるのである。
表１は、開閉弁３０、開閉弁３１及び風路切替手段３０１ａ〜風路切替手段３０４ｂの制御状態と、熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂの機能をまとめたものである。表１において、パターン１は、図７（ａ）で示したように、熱交換器４０ａが吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｂが脱着熱交換器として機能している場合を示しており、パターン２は、図７（ｂ）で示したように、熱交換器４０ａが脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｂが吸着熱交換器として機能している場合を示している。つまり、パターン１とパターン２とを交互に切り替えることによって、連続運転を可能としているのである。
Figure 2007240128
このように、図２で示した等温吸着線Ｃの特性を有した水分吸着手段を吸着材としてフィン４５の表面に担持させ、そのフィン４５で構成された熱交換器４０ａ及び熱交換器４０ｂを使用して冷凍サイクルを構成するので、従来、頻繁に発生していた除霜運転を無くすことが可能となり、除霜運転に伴う消費電力を更に低減できる。また、蒸発器７０の蒸発温度を露点温度よりも高く設定可能なので、冷凍サイクルを効率よく運転することができる。
このフィン４５の表面に担持させた吸着材の性質は、図２で説明したように、３０［％］程度の相対湿度（第１相対湿度）を有する空気で、吸着した水分を十分に脱着・再生させることができることである。したがって、空気調和装置１００ａでは、吸着した水分をヒータ等の加熱手段で加熱するものとは異なり、凝縮器２０からの凝縮排熱（放熱）で吸着材を加熱し、吸着されている水分を脱着できる。つまり、ヒータを備えなくて済み、ヒータの設置スペースを省略できると共に、ヒータによる加熱の電力が不要となるのである。
また、この空気調和装置１００ａでは、蒸発器７０の蒸発温度を高く設定できるので、冷凍サイクルにおける冷媒が臨界圧を越えるほどの高圧を必要としない。つまり、圧縮機１０、凝縮器２０及びこれらを接続する冷媒配管１（冷媒配管１ａ及び冷媒配管１ｂも含めて）の耐圧性能の低いものを使用することができ、製品コストを低減することができる。また、圧縮機１０における冷媒の圧縮比も抑制できるので、圧縮機１０の運転効率を改善できる。つまり、ＣＯＰを大幅に改善することが可能であり、省エネルギーを図ることができる。
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係る空気調和装置１００ｂの構成例を示す概略構成図である。図１０に基づいて、空気調和装置１００ｂの冷凍サイクルの基本的な構成について説明する。この空気調和装置１００ｂは、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。この空気調和装置１００ｂは、実施の形態１で説明した熱交換器を備えているものとする。
この空気調和装置１００ｂは、潜熱処理と顕熱処理とを分離することにより、高いＣＯＰを実現することを目的としている。なお、実施の形態４に係る空気調和装置１００ｂの典型的な例としては、室内空間を冷却するルームエアコンやパッケージエアコンに適用することである。なお、空気調和装置１００ｂは、加湿運転を行うことができるものであるとよい。また、実施の形態４では実施の形態２及び実施の形態３との相違点を中心に説明し、実施の形態２及び実施の形態３と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
空気調和装置１００ｂは、実施の形態１で説明した吸着剤（水分吸着手段）を担持させた熱交換器４０ｃ（第１の熱交換器）及び熱交換器４０ｄ（第２の熱交換器）を備えている。そして、この２つの熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄは、室内ユニットに別々に内蔵されている（図１１参照）。また、空気調和装置１００ｂは、圧縮機１０、凝縮器２０、並設されている第１の開閉弁である開閉弁３２及び第２の開閉弁である開閉弁３３、並設されている熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄ、並設されている開閉弁３４及び開閉弁３５、そして蒸発器７０が冷媒配管１で順次接続されて構成されている。
この冷媒配管１は、分岐して冷媒配管１ｃと冷媒配管１ｄとなって、開閉弁３２、熱交換器４０ｃ及び開閉弁３４を冷媒配管１ｃで接続し、開閉弁３３、熱交換器４０ｄ及び開閉弁３５を冷媒配管１ｄで接続してから再度合流するように構成されている。この冷媒配管１を流れる冷媒には、実施の形態２で説明したような冷媒を使用するとよい。また、冷媒配管１ｃ及び冷媒配管１ｄには、開閉弁３２と熱交換器４０ｃとの間における冷媒配管１ｃから分岐し、熱交換器４０ｄと開閉弁３５との間における冷媒配管１ｄに合流するバイパス管２（第１のバイパス管）と、開閉弁３３と熱交換器４０ｄとの間における冷媒配管１ｄから分岐し、熱交換器４０ｃと開閉弁３４との間における冷媒配管１ｃに合流するバイパス管３（第２のバイパス管）が設けられている。
このバイパス管３には、絞り装置６３（第１の絞り装置）及び開閉弁３６（第３の開閉弁）が設けられている。また、このバイパス管２には、絞り装置６４（第２の絞り装置）及び開閉弁３７（第４の開閉弁）が設けられている。また、この空気調和装置１００ｂには、蒸発器７０の温度及び湿度を検知するための温度・湿度検知手段８１が蒸発器７０の風路入口側に、熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄの温度及び湿度を検知するための温度・湿度検知手段８２（第２の温度・湿度検知手段）が熱交換器４０ｃの風路出口側にそれぞれ備えられている。
この温度・湿度検知手段８１及び温度・湿度検知手段８２は、温度及び湿度を検知できるものであればよく、特に種類を限定するものでない。たとえば、サーミスタ等の温度センサや、温度計、湿度センサ、湿度計等で構成すればよい。また、温度・湿度検知手段８１及び温度・湿度検知手段８２がそれぞれ１つ設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものでなく、複数個設置してもよい。さらに、温度・湿度検知手段８２は、熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄのそれぞれの風路出口側に設置してもよい。
空気調和装置１００ｂには、圧縮機１０の駆動周波数や開閉弁３２〜開閉弁３７の開度、絞り装置６３、絞り装置６４及び絞り装置８５（第３の絞り装置）の開度を制御する制御手段８０ａが備えられている。開閉弁３２〜開閉弁３７は、冷媒配管１ａ及び冷媒配管１ｂを流れる冷媒の流量を調整するものであり、特に種類を限定するものではない。絞り装置６３、絞り装置６４及び絞り装置８５は、一般に減圧弁や膨張弁で構成されており、冷媒を減圧して膨張させるものであり、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。
この制御手段８０ａは、各機器を制御する他、温度・湿度検知手段８２からの情報に基づいて、熱交換器４０ｃの風路出口側の相対湿度を算出してその相対湿度を露点（露点温度）に換算し、また温度・湿度検知手段８１からの情報に基づいて、蒸発器７０での相対湿度を算出してその相対湿度を露点（露点温度）に換算するようになっている。なお、熱交換器４０ｃの機能と熱交換器４０ｄの機能とを切り替えた場合は、制御手段８０ａは、熱交換器４０ｄの風路出口側の相対湿度を算出してその相対湿度を露点（露点温度）に換算するようになっている。
図１１は、蒸発器７０が内蔵された室内ユニット３００ａの構成を示す概略構成図である。図１１に基づいて、室内ユニット３００ａの基本的な構成について説明する。なお、図７で示した室内ユニット３００と相違点を中心に説明するものとする。図１１では、室内ユニット３００ａの一部分が室内（空調空間）４０１に、それ以外の部分が外気５００側に設置されている場合を示している。この室内ユニット３００ａには、図１０で示した熱交換器４０ｃ、熱交換器４０ｄ及び蒸発器７０が内蔵されている。
この室内ユニット３００ａは、熱交換器４０ｃと熱交換器４０ｄとを風路的に遮断するような構造となっている。そして、室内ユニット３００ａは、風路を切り替えることができるようになっており、風路を切り替えることによって熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄを室内４０１や外気５００と連通させることが可能になっている。この風路の切り替えは、風路切替手段３１１ａ及び風路切替手段３１１ｂ、風路切替手段３１２ａ及び風路切替手段３１２ｂ、風路切替手段３１３ａ及び風路切替手段３１３ｂ、そして風路切替手段３１４ａ及び風路切替手段３１４ｂで行なわれるようになっている。
次に、室内ユニット３００ａ内の空気の流れについて説明する。
図１１において、風路切換手段３１１ａ、風路切替手段３１２ｂ、風路切替手段３１３ｂ及び風路切替手段３１４ａが開状態であり、風路切換手段３１１ｂ、風路切替手段３１２ａ、風路切替手段３１３ａ及び風路切替手段３１４ｂが閉状態であることを示している。各風路切替手段がこのような状態のとき、熱交換器４０ｃの内蔵スペースは外気５００と連通し、外気から空気が流れ込むようになっている（矢印Ａ）。また、熱交換器４０ｄの内蔵スペースは、ダクト３１０を介して、室内４０１と連通し、室内空気（たとえば、気温２６［℃］、相対湿度６０［％］）が流れ込むようになっている（矢印Ｂ）。
このように風路を形成している場合において、熱交換器４０ｃは脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｄは吸着熱交換器として機能するようになっているのである。つまり、脱着熱交換器を顕熱除去のために機能させ、吸着熱交換器を潜熱除去のために機能させることで、顕熱処理と潜熱処理とを分離しているのである。一方、各風路切換手段の開閉状態が逆の状態になっている場合には、熱交換器４０ｃの内蔵スペースには、庫内空気が流れ込むようになっており、熱交換器４０ｄの内蔵スペースには、外気からの空気が流れ込むようになっている。そして、熱交換器４０ｃは吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｄは脱着熱交換器として機能するようになっている。
図１２は、室内ユニット３００ａの風路を切り替えた状態を示す説明図である。図１２では、室内ユニット３００ａの一部分が室内４０１に、それ以外の部分が外気５００側に設置されている場合を示している。なお、図１２（ａ）は、風路切換手段３１１ａ、風路切替手段３１２ｂ、風路切替手段３１３ｂ及び風路切替手段３１４ａが閉状態であり、風路切換手段３１１ｂ、風路切替手段３１２ａ、風路切替手段３１３ａ及び風路切替手段３１４ｂが開状態であることを示している。
つまり、図１２（ａ）では、熱交換器４０ｄの内蔵スペースは外気５００と連通し、外気からの空気が流れ込むようになっている（矢印Ｃ）。また、熱交換器４０ｃの内蔵スペースは、ダクト３１０を介して、室内４０１と連通し、室内空気が流れ込むようになっている（矢印Ｄ）。このように風路を形成すると、熱交換器４０ｄは脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｃは吸着熱交換器として機能するようになっている。
また、図１２（ｂ）は、図１１で示した場合と同様に、風路切換手段３１１ａ、風路切替手段３１２ｂ、風路切替手段３１３ｂ及び風路切替手段３１４ａが開状態であり、風路切換手段３１１ｂ、風路切替手段３１２ａ、風路切替手段３１３ａ及び風路切替手段３１４ｂが閉状態であることを示している。つまり、熱交換器４０ｃの内蔵スペースには、室内空気が流れ込むようになっており、熱交換器４０ｄの内蔵スペースには、外気が流れ込むようになっている。このように風路を形成すると、熱交換器４０ｄは吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｃは脱着熱交換器として機能するようになっているのである。
空気調和装置１００ｂをルームエアコンやパッケージエアコンに適用した場合を例に示すと、外気５００側の条件が乾球温度３０［℃］、相対湿度６０［％］、絶対湿度１６．０４［ｇ／ｋｇ］として維持されている場合において、室内４０１（空調空間）を、乾球温度２６［℃］、相対湿度６０［％］、絶対湿度８．７４［ｇ／ｋｇ］という条件で維持・継続するために冷凍サイクルを運転するよう各機器を制御するとよい。
図１３は、冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図（モリエル線図）である。図１３に基づいて、冷凍サイクルにおける冷媒の状態について説明する。この図は、縦軸が絶対圧力（Ｐ）で、横軸がエンタルピー（ｈ）を示している。この図１３において、飽和液線と飽和蒸気線とで囲まれた部分では気液二相状態の冷媒であることを示し、飽和液線の左側では液化した冷媒であることを示し、飽和蒸気線の右側ではガス化した冷媒であることを示している。つまり、状態（１）及び状態（７）ではガス冷媒であることがわかり、状態（２）、状態（４）、状態（５）及び状態（６）では気液二相冷媒であることがわかり、状態（３）では液冷媒であることがわかるようになっている。
次に、空気調和装置１００ｂの動作について説明する。
図１０及び図１３に基づいて、空気調和装置１００ｂの動作について説明する。なお、開閉弁３２、開閉弁３６及び開閉弁３５を開状態、開閉弁３３、開閉弁３７及び開閉弁３６を閉状態にし、熱交換器４０ｃを脱着熱交換器として、熱交換器４０ｄを吸着熱交換器として機能させた場合における空気調和装置１００ｂの動作について説明するものとする。
圧縮機１０で圧縮された高温・高圧のガス状態の冷媒（図１３で示す状態（１））は、凝縮器２０に流入する。この状態の冷媒は、凝縮器２０で外気に一部を放熱しながら気液二相冷媒となる（図１３で示す状態（２））となる。この高圧状態の気液二相冷媒は、吸着剤が担持された熱交換器４０ｃに流入する。熱交換器４０ｃに流入した気液二相冷媒は、吸着剤を加熱することで吸着剤に吸着されている水分を飛ばし（脱着工程）、液化した液冷媒となる（図１３で示す状態（３））。
この冷媒は、開閉弁３６を流れて、絞り装置６３で減圧される。減圧された冷媒は、低圧の気液二相冷媒となる（図１３で示す状態（４）、第１の蒸発温度）。そして、この気液二相冷媒は、熱交換器４０ｄに流入し、第１の蒸発温度で吸着材を冷却することで吸着性能を高めるようになっている。つまり、主に空気中の水分を除去（潜熱除去）するのである。熱交換器４０ｄに流入した気液二相冷媒は、吸着熱によって蒸発し、低圧の気液二相冷媒となる（図１３で示す状態（５））。この気液二相冷媒は、絞り装置８５によって減圧され、第２の蒸発温度となって、蒸発器７０に流入し、空気中の顕熱を奪うこと（冷房）で、低圧のガス冷媒となる（図１３で示す状態（６））。このガス冷媒は、圧縮機１０に再吸入されるように冷凍サイクルを循環する。
この空気調和装置１００ｂは、一方の熱交換器（ここでは、熱交換器４０ｃ）を通過した冷媒をバイパス管（ここでは、バイパス管３）を経由させて、他方の熱交換器（ここでは、熱交換器４０ｄ）に流入させるようになっている。つまり、熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄを構成するフィン４５の表面に担持されている吸着材の性能を高めて、冷凍能力の向上を図っているのである。
図２で示したように、等温吸着線Ｃの特性を有した水分吸着手段を吸着材としてフィン４５の表面に担持させている場合、その吸着材を加熱すれば、吸着材の周囲における相対湿度が小さいものとなる。つまり、吸着材で吸着保持できる水分量が低下するために、周囲の空気に水分を放出（脱着）することとなる。このような吸着材を使用すれば、脱着させるのに必要な相対湿度が３０［％］と比較的高くすることができる。従来のゼオライト（図２で示す等温吸着線Ａ）のように、相対湿度を１［％］程度にする必要がない。その結果、比較的低い温度でも吸着剤を再生させることが可能となる。したがって、冷凍サイクルの凝縮排熱（５０［℃］程度）でも容易に再生することができる。
また、冷媒を一方の熱交換器を通った後に、バイパス管を経由させて他方の熱交換器に流入させるようになっているので、他方の熱交換器では、吸着剤を冷媒で直接冷却することが可能になっている。そのため、吸着剤の周囲の空気も同時に冷却されることとなり、、相対湿度４０［％］以上の状態で吸着剤を利用できるため、吸着剤の性能を十分に活用することができ、吸着剤の量を削減することができる。
図１４は、空気調和装置１００ｂの動作を説明するための空気線図である。この空気線図及び図１１の構成図を用いて、上述した空気調和装置１００ｂの動作について説明する。図１１及び図１４において、室内４０１側と連通させている熱交換器４０ｄを通過する空気に対し、熱交換器４０ｄの通過前の空気を図１４で示す状態（１）、熱交換器４０ｄを通過した直後の空気を図１４で示す状態（２）、蒸発器７０と熱交換した直後の空気を図１４で示す状態（３）として説明するものとする。
熱交換器４０ｄが室内４０１内に存在する空気の水分を吸着する場合について説明する。状態（１）の空気は、乾球温度が２６［℃］、相対湿度が６０［％］である。この状態の空気が熱交換器４０ｄに供給されると、熱交換器４０ｄで等温あるいは冷却吸着によって、状態（２）の空気となって蒸発器７０へ流れるようになっている。つまり、実施の形態１で説明したように、熱交換器４０ｄに担持されている吸着剤は、相対湿度４０％以上の領域で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のである。
そして、状態（２）の空気は、蒸発器７０で熱交換されて状態（３）の空気となる。この状態（２）の空気は、蒸発器７０によって、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが除去されることで冷却されて、相対湿度が１００［％］未満、乾球温度が１４［℃］である状態（３）の空気となる。この状態（３）の空気が室内４０１に供給される。
熱交換器４０ｄでは、吸込み空気の露点以上（この実施の形態では１８［℃］）、蒸発器７０では、熱交換器４０ｄの出口空気の露点以上（この実施の形態では１４［℃］）になるように、制御手段８０ａは、絞り装置６３及び絞り装置８５の開度や、圧縮機１０の駆動周波数、送風機９１の回転数等を制御して第１の蒸発温度及び第２の蒸発温度を調節するとよい。露点温度の検知は、温度・湿度検知手段８１及び温度・湿度検知手段８２で検知した温度及び湿度の情報をもとに、制御手段８０ａで露点に換算する。この実施の形態では、第１の蒸発温度が１８［℃］、第２の蒸発温度が１４［℃］である場合を例に示している。
また、吸着熱交換器として機能している熱交換器４０ｄで吸着できる水分量には限界が存在する。そのため、制御手段８０は、温度・湿度検知手段８１からの検知情報により蒸発器７０での相対湿度が所定の閾値以上になった判断した時は、開閉弁３２、開閉弁３７及び開閉弁３４を開状態から閉状態へ、開閉弁３３、開閉弁３６及び開閉弁３５を閉状態から開状態へ変更し、冷媒の流れを切り替えるようになっている。そして、熱交換器４０ｄに高温・高圧のガス冷媒を流入し、吸着剤が加熱されるようにする。
つまり、吸着熱交換器として機能していた熱交換器４０ｄを、今度は脱着熱交換器として機能させて吸着した水分を脱着するのである。熱交換器４０ｄの吸着剤が加熱されると、吸着剤で保持されていた水分が放出され、吸着剤が再生されるのである。一方、冷媒の流路を切り替えたので、熱交換器４０ｃが吸着熱交換器として機能するようになる。この熱交換器４０ｃでは、空気中の水分を吸着し、図１４で示したように状態（１）から状態（２）へと室内空気が減湿されるようになっている。
また、吸着熱交換器として機能している熱交換器４０ｃで吸着できる水分量には限界が存在する。そのため、制御手段８０は、温度・湿度検知手段８１からの検知情報により熱交換器４０ｃ出口の相対湿度が所定の閾値以上になった判断した時は、開閉弁３３、開閉弁３６及び開閉弁３５を開状態から閉状態へ、開閉弁３２、開閉弁３７及び開閉弁３４を閉状態から開状態へ変更し、冷媒の流れを切り替えるようになっている。そして、熱交換器４０ｃに高温・高圧のガス冷媒を流入し、吸着剤が加熱されるようにする。
以上のように、空気調和装置１００ｂは、一方の熱交換器（熱交換器４０ｄ）を吸着熱交換器として機能させている場合は他方の熱交換器（熱交換器４０ｃ）を脱着熱交換器として機能させ、水分の吸着量に応じて、吸着熱交換器としての機能と脱着熱交換器としての機能とを交互に切り替えるようになっている。したがって、連続的に室内４０１の空気の湿度（潜熱）を除去することが可能となる。
一方、外気５００側からは、乾球温度が３２［℃］、相対湿度が６［％］の空気が送風機９０によって熱交換器４０ｃに供給される。このとき、熱交換器４０ｃは、脱着熱交換器として機能しており、吸着剤が加熱され、吸着剤が吸着保持していた水分を空気中に放出（脱着）し、絶対湿度が増加した状態の空気となって、再び外気５００へ放出される。なお、この脱着された水分を加湿に利用するとよい。このように、潜熱の除去は、吸着熱交換器として機能している熱交換器４０ｄで行ない、顕熱の除去は、冷凍サイクル（蒸発器７０）で行なうことが可能となっている。しかも、水分吸着手段の脱着・再生を冷凍サイクルの凝縮器２０における凝縮排熱を利用することにより行なうことができ、冷房・冷凍能力は大幅に改善される。
表２は、開閉弁３２〜開閉弁３７の制御状態と、熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄの機能をまとめたものである。表２において、パターン１は、図１２（ｂ）で示したように、熱交換器４０ｄが吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｃが脱着熱交換器として機能している場合を示しており、パターン２は、図１２（ａ）で示したように、熱交換器４０ｄが脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｃが吸着熱交換器として機能している場合を示している。つまり、パターン１とパターン２とを交互に切り替えることによって、連続運転を可能としているのである。
Figure 2007240128
パターン１は、開閉弁３２、開閉弁３７及び開閉弁３４が開状態で、開閉弁３３、開閉弁３６及び開閉弁３５が閉状態であり、熱交換器４０ｃが脱着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｄが吸着熱交換器として機能していることを示している。一方、パターン２は、開閉弁３３、開閉弁３６及び開閉弁３５が開状態で、開閉弁３２、開閉弁３７及び開閉弁３４が閉状態であり、このとき熱交換器４０ｃが吸着熱交換器として機能し、熱交換器４０ｄが脱着熱交換器として機能していることを示している。
熱交換器４０ｃまたは熱交換器４０ｄのいずれかが脱着熱交換器として機能している場合には、その熱交換器で冷媒が凝縮し、吸着材に吸着保持されている水分は空気中に放出（脱着）され、熱交換器４０ｃまたは熱交換器４０ｄのいずれかが吸着熱交換器として機能している場合には、その熱交換器で冷媒が蒸発し、吸着剤を冷却し、空気中の水分を吸着するのである。すなわち、各開閉弁の開度を制御し、冷媒の流れ切り替えることによって、熱交換器４０ｃ及び熱交換器４０ｄの機能も切り替えることが可能となり、吸着と脱着とを交互に切り替えながら連続的に運転できるのである。
たとえば、従来の空気調和装置の冷凍サイクルでは、空調空間の状態が乾球温度２６［℃］、相対湿度６０［％］であり、外気側の状態が乾球温度３２［℃］、相対湿度６０［％］である場合には、凝縮器での凝縮温度４７［℃］、蒸発器での蒸発温度１１［℃］付近でバランスを調整し、空調空間の顕熱処理（冷房運転）と潜熱処理（除湿運転）との両方を同時に行なうようになっていた。このような空気調和装置は、蒸発温度を低く設定しなければならず、冷凍サイクルの効率を悪いものとしていた。
実施の形態４で説明した空気調和装置１００ｂは、空調空間の顕熱処理（冷房運転）と潜熱処理（除湿運転）との両方を別々に行なうことを可能としている。つまり、各熱交換器のフィン４５の表面に担持させた吸着材（水分吸着手段）で潜熱処理を行なうので、冷凍サイクルは顕熱処理のみを行なえばよく、蒸発温度を高く設定することができる。つまり、従来の蒸発温度が１１［℃］と設定されていたものを、１４［℃］程度まで高く設定できるのである。その結果、冷凍サイクルの効率を大幅に改善できるようになっている。
図４に示したように、蒸発温度とＣＯＰとは比例関係にある。たとえば、実施の形態４の場合であると、蒸発温度が１１［℃］である場合、ＣＯＰが３．１程度（図で示す（Ａ））であるが、この蒸発温度を１４［℃］に上げた場合、ＣＯＰが３．３程度（図で示す（Ｂ））にまで上昇することがわかる。つまり、蒸発温度を９［℃］あげて設定するだけで、ＣＯＰが約１４％程度改善されるのである。
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５に係る空気調和装置１００ｃの構成例を示す概略構成図である。図１５に基づいて、空気調和装置１００ｃの冷凍サイクルの基本的な構成に付いて説明する。この空気調和装置１００ｃは、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して、冷房運転及び暖房運転を行うものである。この空気調和装置１００ｃは、実施の形態１で説明した熱交換器を備えているものとする。
この空気調和装置１００ｃは、潜熱処理と顕熱処理とを分離することにより、高いＣＯＰを実現することを目的としている。なお、実施の形態５に係る空気調和装置１００ｂの典型的な例としては、冷凍装置として冷蔵倉庫に適用したり、室内空間を冷却するルームエアコンやパッケージエアコンに適用したりすることである。なお、空気調和装置１００ｃは、加湿運転を行うことができるものであるとよい。また、実施の形態５では実施の形態２〜実施の形態４との相違点を中心に説明し、実施の形態２〜実施の形態４と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
空気調和装置１００ｃは、実施の形態１で説明した吸着剤（水分吸着手段）を担持させた熱交換器４０ｅ（第１の熱交換器）及び熱交換器４０ｆ（第２の熱交換器）を備えている。そして、この２つの熱交換器４０ｅ及び熱交換器４０ｆは、実施の形態４と同様に室内ユニットに別々に内蔵されている（図１０参照）。また、空気調和装置１００ｃは、圧縮機１０、凝縮器２０、並設されている開閉弁３２及び開閉弁３３、並設されている熱交換器４０ｅ及び熱交換器４０ｆ、並設されている三方弁３８及び三方弁３９、並設されている絞り装置６３及び絞り装置６４、そして蒸発器７０が冷媒配管１で順次接続されて構成されている。
この冷媒配管１は、実施の形態４に係る空気調和装置１００ｂと同様に、分岐して冷媒配管１ｃと冷媒配管１ｄとなって、開閉弁３２、熱交換器４０ｅ及び三方弁３８を冷媒配管１ｃで接続し、開閉弁３３、熱交換器４０ｆ及び三方弁３９を冷媒配管１ｂで接続してから再度合流するように構成されている。この冷媒配管１を流れる冷媒には、実施の形態２で説明したような冷媒を使用するとよい。また、冷媒配管１ｃ及び冷媒配管１ｄには、開閉弁３２と熱交換器４０ｅとの間における冷媒配管１ｃから分岐し、熱交換器４０ｆと三方弁３９との間における冷媒配管１ｄに合流するにバイパス管２ａ（第１のバイパス管）と、開閉弁３３と熱交換器４０ｆとの間における冷媒配管１ｄから分岐し、熱交換器４０ｅと三方弁３８との間における冷媒配管１ｃに合流するバイパス管３ａ（第２のバイパス管）が設けられている。
このバイパス管３ａには、絞り装置６３が設けられている。また、このバイパス管２ａには、絞り装置６４が設けられている。また、この空気調和装置１００ｃには、蒸発器７０の温度及び湿度を検知するための図示省略の温度・湿度検知手段が蒸発器７０の風路入口側に備えられている。この温度・湿度検知手段は、温度及び湿度を検知できるものであればよく、特に種類を限定するものでない。たとえば、サーミスタ等の温度センサや、温度計、湿度センサ、湿度計等で構成すればよい。
空気調和装置１００ｃには、圧縮機１０の駆動周波数や開閉弁３２及び開閉弁３３の開度、絞り装置６３、絞り装置６４及び絞り装置８５の開度、三方弁３８及び三方弁３９の開度を制御する図示省略の制御手段が備えられている。三方弁３８及び三方弁３９は、冷媒配管１ａ及び冷媒配管１ｂを流れる冷媒の流れを切り替えて、熱交換器４０ｅと熱交換器４０ｆの機能（吸着と脱着）を切り替えるものである。
次に、空気調和装置１００ｃの動作について説明する。
図１５に基づいて、空気調和装置１００ｃの動作について説明する。なお、開閉弁３２を開状態、開閉弁３３を閉状態にし、熱交換器４０ｅを脱着熱交換器として、熱交換器４０ｆを吸着熱交換器として機能させた場合における空気調和装置１００ｃの動作について説明するものとする。
圧縮機１０で圧縮された高温・高圧のガス状態の冷媒は、凝縮器２０に流入する。この状態の冷媒は、凝縮器２０で外気に一部を放熱しながら気液二相冷媒となる。この高圧状態の気液二相冷媒は、吸着剤が担持された熱交換器４０ｅに流入する。熱交換器４０ｅに流入した気液二相冷媒は、吸着剤を加熱することで吸着剤に吸着されている水分を飛ばし（脱着工程）、液化した液冷媒となる。
この冷媒は、三方弁３８の制御によって流れる方向が決定する。たとえば、バイパス管３ａを流れるように制御されていれば、冷媒は、絞り装置６３で減圧される。減圧された冷媒は、低圧の気液二相冷媒となる。そして、この気液二相冷媒は、熱交換器４０ｆに流入し、吸着材を冷却することで吸着性能を高めるようになっている。つまり、主に空気中の水分を除去（潜熱除去）するのである。熱交換器４０ｆに流入した気液二相冷媒は、吸着熱によって蒸発し、低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、絞り装置８５によって減圧され蒸発器７０に流入し、空気中の顕熱を奪うこと（冷房）で、低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、圧縮機１０に再吸入されるように冷凍サイクルを循環する。
この空気調和装置１００ｃは、一方の熱交換器（ここでは、熱交換器４０ｅ）を通過した冷媒をバイパス管（ここでは、バイパス管３ａ）を経由させて、他方の熱交換器（ここでは、熱交換器４０ｆ）に流入させるようになっている。つまり、熱交換器４０ｅ及び熱交換器４０ｆを構成するフィン４５の表面に担持されている吸着材の性能を高めて、冷凍能力の向上を図っているのである。
図２で示したように、等温吸着線Ｃの特性を有した水分吸着手段を吸着材としてフィン４５の表面に担持させている場合、その吸着材を加熱すれば、吸着材の周囲における相対湿度が小さいものとなる。つまり、吸着材で吸着保持できる水分量が低下するために、周囲の空気に水分を放出（脱着）することとなる。このような吸着材を使用すれば、脱着させるのに必要な相対湿度が３０［％］と比較的高くすることができる。従来のゼオライト（図２で示す等温吸着線Ａ）のように、相対湿度を１［％］程度にする必要がない。その結果、比較的低い温度でも吸着剤を再生させることが可能となる。したがって、冷凍サイクルの凝縮排熱（５０［℃］程度）でも容易に再生することができる。
また、冷媒を一方の熱交換器を通った後に、バイパス管を経由させて他方の熱交換器に流入させるようになっているので、他方の熱交換器では、吸着剤を冷媒で直接冷却することが可能になっている。そのため、吸着剤の周囲の空気も同時に冷却されることとなり、、相対湿度４０［％］以上の状態で吸着剤を利用できるため、吸着剤の性能を十分に活用することができ、吸着剤の量を削減することができる。
このように、図２で示した等温吸着線Ｃの特性を有した吸着剤を担持させたフィン４５を熱交換器４０ｅ及び熱交換器４０ｆを冷凍サイクルに使用し、吸着材の持つ特性と冷凍サイクルとを組み合わせることによって、顕熱処理と潜熱処理を分離し、冷凍能力を向上させることが可能となっている。すなわち、蒸発器７０で蒸発温度を吸込み空気温度の露点よりも高く設定でき、圧縮機１０の圧縮比をその分小さくすることができるので、冷凍サイクルの性能が飛躍的に向上する。
また、従来の吸着剤（たとえば、ゼオライト）の再生には１００［℃］レベルの高い温度が必要であったが、図２で示す等温吸着線Ｃの特性を有した吸着剤を使用することで、冷凍サイクルの凝縮排熱を利用することで吸着材の加熱をすることができ、容易に再生することができる。すなわち、ヒータを設置しなくてもよく、またヒータに使っていた電力を削減することが可能となり、省スペースや省エネルギーを実現することができる。
各実施の形態では、圧縮機１０の種類を特に限定するものではないが、容量制御が可能なインバータ圧縮機や、定速運転を行なう定速圧縮機を使用すればよい。また、各実施の形態では、冷凍サイクルに圧縮機１０の１台が備えられている場合を例に示したが、これに限定するものでなく、複数の圧縮機を備えてもよい。この場合は、制御手段８０が設けた圧縮機の台数分のマルチ制御を行うようにするとよい。
各実施の形態では、制御手段８０及び制御手段８０ａが、各開閉弁の開度、圧縮機１０の駆動周波数、各絞り装置の開度、各三方弁の開度を制御する場合を例に説明したが、これに限定するものでない。各機器毎に制御手段を設けてもよい。また、各実施の形態では、蒸発器７０の風路入口側に温度・湿度検知手段８１を１つ設けている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、温度検知手段と湿度検知手段とに分けて設けてもよく、複数個設けてもよい。また、冷媒の圧力を検知する圧力検知手段を各機器の近傍に設けてもよい。
なお、空気調和装置１００〜空気調和装置１００ｃは、冷凍装置やルームエアコン、パッケージエアコン等に適用した場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、空気調和装置１００〜空気調和装置１００ｃは、冷蔵庫や、加湿器、調湿装置等に適用することも可能である。つまり、適用される目的・用途に応じて使用する冷媒を決定したり、冷凍サイクルでの風路及び流路を決定したりすればよいのである。
実施の形態１に係る熱交換器の要部を示す概略構成図である。 吸着剤の成分に応じた水分吸着特性を示す特性図である。 実施の形態２に係る空気調和装置の構成例を示す概略構成図である。 蒸発温度とＣＯＰとの関係を示した関係図である。 実施の形態３に係る空気調和装置の構成例を示す概略構成図である。 空気調和装置の加湿ユニットを立体的に示した概略構成図である。 室内ユニットの風路を切り替えた状態を示す説明図である。 冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。 空気調和装置の動作を説明するための空気線図である。 実施の形態４に係る空気調和装置の構成例を示す概略構成図である。 蒸発器が内蔵された室内ユニットの構成を示す概略構成図である。 室内ユニットの風路を切り替えた状態を示す説明図である。 冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。 空気調和装置の動作を説明するための空気線図である。 実施の形態５に係る空気調和装置の構成例を示す概略構成図である。
符号の説明
１ 冷媒配管、１ａ 冷媒配管、１ｂ 冷媒配管、１ｃ 冷媒配管、１ｄ 冷媒配管、２ バイパス管、２ａ バイパス管、３ バイパス管、３ａ バイパス管、１０ 圧縮機、２０ 凝縮器、３０ 開閉弁、３１ 開閉弁、３２ 開閉弁、３３ 開閉弁、３４ 開閉弁、３５ 開閉弁、３６ 開閉弁、３７ 開閉弁、３８ 三方弁、３９ 三方弁、４０ 熱交換器、４０ａ 熱交換器、４０ｂ 熱交換器、４０ｃ 熱交換器、４０ｄ 熱交換器、４０ｅ 熱交換器、４０ｆ 熱交換器、４５ フィン、４６ 伝熱管、５０ 逆流防止手段、５１ 逆流防止手段、６０ 絞り装置、６１ 絞り装置、６２ 絞り装置、６３ 絞り装置、６４ 絞り装置、７０ 蒸発器、８０ 制御手段、８０ａ 制御手段、８１ 温度・湿度検知手段、８５ 絞り装置、９０ 送風機、９１ 送風機、１００ 空気調和装置、１００ａ 空気調和装置、１００ｂ 空気調和装置、３００ 室内ユニット、３００ａ 室内ユニット、３０１ａ 風路切替手段、３０１ｂ 風路切替手段、３０２ａ 風路切替手段、３０２ｂ 風路切替手段、３０３ａ 風路切替手段、３０３ｂ 風路切替手段、３０４ａ 風路切替手段、３０４ｂ 風路切替手段、３１１ａ 風路切替手段、３１１ｂ 風路切替手段、３１２ａ 風路切替手段、３１２ｂ 風路切替手段、３１３ａ 風路切替手段、３１３ｂ 風路切替手段、３１４ａ 風路切替手段、３１４ｂ 風路切替手段、４００ 冷凍庫内、４０１ 室内、５００ 外気。

Claims (16)

  1. 低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、前記相対湿度の範囲外における相対湿度に対する前記平衡吸着量の前記変化率よりも大きく、かつ、前記第１相対湿度及び前記第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を表面に担持させた
    ことを特徴とする熱交換器用フィン。
  2. 前記請求項１に記載の熱交換器用フィンを使用した
    ことを特徴とする熱交換器。
  3. 圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、絞り装置と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、
    前記熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、前記相対湿度の範囲外における相対湿度に対する前記平衡吸着量の前記変化率よりも大きく、かつ、前記第１相対湿度及び前記第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させた
    ことを特徴とする空気調和装置。
  4. 圧縮機と、凝縮器と、熱交換器と、蒸発器とが冷媒配管で順次接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを有する空気調和装置であって、
    前記熱交換器を第１の熱交換器と第２の熱交換器とで構成して、それらを並列に配置し、
    前記凝縮器と前記第１の熱交換器との間における冷媒配管に第１の開閉弁を、前記凝縮器と前記第２の熱交換器との間における冷媒配管に第２の開閉弁を接続し、
    前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器を構成する熱交換器用フィンの表面に、低湿度である第１相対湿度と該第１相対湿度よりも高湿度である第２相対湿度と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が、前記相対湿度の範囲外における相対湿度に対する前記平衡吸着量の前記変化率よりも大きく、かつ、前記第１相対湿度及び前記第２相対湿度が３０％から４０％の範囲である水分吸着手段を担持させた
    ことを特徴とする空気調和装置。
  5. 前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度を制御する制御手段と、
    前記蒸発器の風路入口側に、該蒸発器の温度及び湿度を検知するための第１の温度・湿度検知手段とを設け、
    前記制御手段は、
    前記第１の温度・湿度検知手段からの情報に基づいて前記蒸発器での空気の相対湿度を算出し、
    前記第１の熱交換器または前記第２の熱交換器のいずれか一方を吸着熱交換器として、他方を脱着熱交換器として機能させるように、その算出した相対湿度に応じて前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度を制御する
    ことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
  6. 前記制御手段は、
    算出した相対湿度に応じて、
    前記第１の開閉弁または前記第２の開閉弁のいずれか一方の開閉弁を開状態に、他方の開閉弁を閉状態に制御することによって、前記第１の熱交換器または前記第２の熱交換器に流入する冷媒の流路を交互に切り替える
    ことを特徴とする請求項５に記載の空気調和装置。
  7. 前記制御手段で前記圧縮機の駆動周波数も制御するようになっており、
    該制御手段は、
    前記相対湿度を露点に換算し、
    前記蒸発器の蒸発温度が、該露点以上となるように前記圧縮機の駆動周波数と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度とを制御する
    ことを特徴とした請求項５または６に記載の空気調和装置。
  8. 前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の温度及び湿度を検知するための第２の温度・湿度検知手段を該第１の熱交換器及び該第２の熱交換器の風路出口側に設け、
    前記制御手段は、
    前記第２の温度・湿度検知手段からの情報に基づいて前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器での空気の相対湿度を算出し、
    その結果を露点に換算し、
    前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の設定温度が、該露点以上となるように前記圧縮機の駆動周波数と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度とを制御する
    ことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の空気調和装置。
  9. 前記第１の開閉弁と前記第１の熱交換器との間で冷媒配管を分岐させ、前記第２の熱交換器の冷媒出口側における冷媒配管に合流する第１のバイパス管と、
    前記第２の開閉弁と前記第２の熱交換器との間で冷媒配管を分岐させ、前記第１の熱交換器の冷媒出口側における冷媒配管に合流する第２のバイパス管とを設け、
    前記第１のバイパス管に、第１の絞り装置と第３の開閉弁を、前記第２のバイパス管に、第２の絞り装置と第４の開閉弁をそれぞれ直列に配置した
    ことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
  10. 前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度と、前記第１の絞り装置及び前記第２の絞り装置の開度と、前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁の開度とを制御する制御手段と、
    前記蒸発器の風路入口側に、該蒸発器の温度及び湿度を検知するための第１の温度・湿度検知手段とを設け、
    前記制御手段は、
    前記第１の温度・湿度検知手段からの情報に基づいて前記蒸発器での空気の相対湿度を算出し、
    前記第１の熱交換器または前記第２の熱交換器のいずれか一方を吸着熱交換器として、他方を脱着熱交換器として機能させるように、その算出した相対湿度に応じて前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度と、前記第１の絞り装置及び前記第２の絞り装置の開度と、前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁の開度との開度を制御する
    ことを特徴とする請求項９に記載の空気調和装置。
  11. 前記制御手段は、
    算出した相対湿度に応じて、
    前記第１の開閉弁または前記第２の開閉弁のいずれか一方の開閉弁を開状態に、他方の開閉弁を閉状態に制御することによって、第１の熱交換器または第２の熱交換器に流入する冷媒の流路を交互に切り替え、
    前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁の開度を前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度の状態に応じて制御する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の空気調和装置。
  12. 前記制御手段で前記圧縮機の駆動周波数も制御するようになっており、
    前記制御手段は、
    前記相対湿度を露点に換算し、
    前記蒸発器の蒸発温度が、該露点以上となるように前記圧縮機の駆動周波数と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度と、前記第１の絞り装置及び前記第２の絞り装置の開度と、前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁の開度とを制御する
    ことを特徴とした請求項１０または１１に記載の空気調和装置。
  13. 前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の温度及び湿度を検知するための第２の温度・湿度検知手段を該第１の熱交換器及び該第２の熱交換器の風路出口側に設け、
    前記制御手段は、
    前記第２の温度・湿度検知手段からの情報に基づいて前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器での相対湿度を算出し、
    その結果を露点に換算し、
    前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の設定温度が、該露点以上となるように前記圧縮機の駆動周波数と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度と、前記第１の絞り装置及び前記第２の絞り装置の開度と、前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁の開度とを制御する
    ことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の空気調和装置。
  14. 前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器は、室内ユニット内に別々に内蔵されており、
    前記制御手段は、
    前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開度の状態に応じて、前記室内ユニット内の風路を切り替える
    ことを特徴とする請求項４〜１３のいずれかに記載の空気調和装置。
  15. 前記水分吸着手段を、１．５〜３．０ナノメートルの穴径の細孔が多数設けられたケイ素材料で構成した
    ことを特徴とする請求項３〜１４のいずれかに記載の空気調和装置。
  16. 前記ケイ素材料をメソポーラスシリカとする
    ことを特徴とする請求項１５に記載の空気調和装置。
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