JP2016151408A - 空気調和システム - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機で結露が発生することを抑制することができる空気調和システムを提供すること
【解決手段】空気調和システムＳは、圧縮機１１及び膨張機３１が連結された回転軸Ｍａを回転させるモータＭと、膨張弁４１と、膨張弁４１で膨張させた第１空気中の水分を分離する水分離装置５１と、圧縮機１１に流入する前の第１空気の湿度を測定する湿度計２８と、を備える。また、空気調和システムＳは、制御装置２９を備える。制御装置２９は、膨張機３１での第１空気の湿度が１００％未満となるように、湿度計２８の測定結果に基づいてモータＭの回転数、及び膨張弁４１の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気サイクル装置を含む空気調和システムに関する。

近年、地球環境問題への関心が高まり、自然環境に対するフロン系冷媒の影響が懸念されている。そのため、空気を冷媒として用いる空気サイクル装置を利用した空気調和システムが採用されるようになっている。

空気調和システムの空気サイクル装置では、空気は圧縮機に吸い込まれ、断熱圧縮されて温度が上昇する。圧縮機から吐出された高温空気は、熱交換器を介して冷却され、膨張機に吸い込まれる。膨張機に吸い込まれた空気は、断熱膨張を行って温度が低下し、低温空気となる。そして、室内の冷房時には、低温空気は室内に供給され、室内の暖房時には、低温空気がリヒートされて室内に供給される。

このような空気サイクル装置では、冷却時や膨張時に、空気中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。例えば、特許文献１に開示の空気調和システムにおいては、圧縮後に冷却させた空気中の水分を水分離器を用いて空気から除去している。

特開２００４−２２６０３３号公報

ところが、特許文献１の空気調和システムでは、水分離器による水分の除去を行っているが、膨張機に吸い込まれた空気中に水蒸気が含まれている場合があり、この場合には、膨張機での膨張時に水蒸気が凝縮し、膨張機のタービンに結露が発生してタービンが損傷しやすくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、膨張機で結露が発生することを抑制することができる空気調和システムを提供することにある。

上記問題点を解決するための空気調和システムは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された前記空気を熱交換させる熱交換器、及び前記熱交換器で熱交換された前記空気を膨張させる膨張機を含む空気サイクル装置と、前記膨張機で膨張した前記空気を膨張させる膨張弁と、前記圧縮機及び前記膨張機が連結された回転軸を回転させるモータと、前記膨張弁で膨張した前記空気から水分を分離する水分離装置と、前記膨張機で膨張する前の前記空気の湿度を把握するための湿度計測装置と、前記膨張機で膨張した前記空気の湿度が１００％未満となるように、前記湿度計測装置で把握した湿度に基づいて前記モータの回転数、及び前記膨張弁の開度の少なくとも一方を制御する制御装置と、を有することを要旨とする。

これによれば、空気は、圧縮機で圧縮され、熱交換器で熱交換した後、膨張機で膨張する。このとき、モータの回転数及び膨張弁の開度の少なくとも一方を制御装置で制御し、膨張機での空気の膨張量を制御して、膨張機で膨張した空気の湿度が１００％未満となるようにする。このため、空気が膨張機で膨張し、温度及び圧力が低下しても、空気に含まれる水蒸気が凝縮することが抑制され、膨張機のタービンに結露が発生することを抑制できる。

また、空気調和システムについて、前記膨張弁と前記水分離装置は一体化されているのが好ましい。
これによれば、膨張機では空気の水蒸気が凝縮することが抑制されるため、膨張弁で空気が膨張する際に空気中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。膨張弁に水分離装置が一体化されているため、膨張弁で発生した水分は水分離装置で速やかに空気から分離される。

本発明によれば、膨張機で結露が発生することを抑制することができる。

空気調和システムによる冷房状態を示す模式図。 空気調和システムによる暖房状態を示す模式図。 一体化された膨張弁と水分離装置を模式的に示す断面図。

以下、空気調和システムを具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１又は図２に示すように、空気調和システムＳは、室内の冷房又は暖房を行う。空気調和システムＳは、圧縮機１１と、熱交換器２１と、膨張機３１と、膨張弁４１と、水分離装置５１と、を順に流路で接続して構成されている。空気調和システムＳは、圧縮機１１と、熱交換器２１と、膨張機３１を流路で順次接続してなる空気サイクル装置１２を備える。

空気調和システムＳは、圧縮機１１の入口に一端が接続された第１外気導入路１３を備え、第１外気導入路１３の他端は室外に開口している。空気調和システムＳでは、圧縮機１１の駆動により、空気である第１空気が第１外気導入路１３を介して圧縮機１１に吸入可能である。圧縮機１１は、モータＭの回転軸Ｍａの一端側に連結されている。圧縮機１１は、モータＭの回転に伴う回転軸Ｍａの回転によって駆動される。また、モータＭの回転軸Ｍａの他端側には膨張機３１が連結されている。圧縮機１１と膨張機３１とは共通の回転軸Ｍａによって連結されている。

空気調和システムＳは、圧縮機１１の出口に一端が接続された第１導入路１４を備え、第１導入路１４の他端は熱交換器２１の入口に接続されている。熱交換器２１は、放熱側流路２１ａを備える。放熱側流路２１ａの入口には第１導入路１４が接続されている。そして、放熱側流路２１ａには、圧縮機１１で圧縮された後の高温の第１空気が第１導入路１４を介して導入される。

熱交換器２１は、放熱側流路２１ａに沿って配置された吸熱側流路２１ｂを備える。空気調和システムＳは、第２外気導入路２５を備え、第２外気導入路２５の一端は吸熱側流路２１ｂの入口に接続されている。また、第２外気導入路２５の他端は室外に開口している。第２外気導入路２５は、第２空気としての室外空気を熱交換器２１の吸熱側流路２１ｂに導入可能である。そして、熱交換器２１では、放熱側流路２１ａを流れる第１空気と、吸熱側流路２１ｂを流れる第２空気との間で熱交換が行われ、第１空気は冷却される。

空気調和システムＳは、放熱側流路２１ａの出口に一端が接続された第２導入路１５を備え、第２導入路１５の他端は膨張機３１の入口に接続されている。熱交換器２１で第２空気と熱交換された第１空気は、第２導入路１５を介して膨張機３１に吸い込まれる。そして、熱交換後の第１空気によって膨張機３１のタービンが駆動され、第１空気が断熱膨張し、第１空気の温度が下がる。このとき、圧縮機１１は、モータＭの回転と膨張タービンの膨張仕事とによって駆動される。

空気調和システムＳは、膨張機３１の出口に一端が接続された第１導出路１６を備え、第１導出路１６の他端は室内に開口している。第１導出路１６には膨張弁４１が配置されている。膨張弁４１では、膨張機３１で膨張した第１空気がさらに断熱膨張し、第１空気の温度がさらに低下する。

図３に示すように、膨張弁４１は、第１導出路１６の流路断面積を調節可能なスプール４１ａを備える。そして、スプール４１ａによって膨張弁４１の開度を調節し、第１導出路１６の絞り量を調節することで、膨張機３１での第１空気の膨張比を制御可能である。膨張弁４１の開度が小さくなり、第１導出路１６の流路断面積が小さくなるほど、膨張機３１での第１空気の膨張比が小さくなる。一方、膨張弁４１の開度が大きくなり、第１導出路１６の流路断面積が大きくなるほど、膨張機３１での第１空気の膨張比が大きくなる。

空気調和システムＳは、第１導出路１６で第１空気が流れる方向において、膨張弁４１より下流に水分離装置５１を備える。膨張弁４１と水分離装置５１は一体化されている。水分離装置５１は、膨張弁４１で膨張した際に発生した水分を第１空気から分離する。

図１に示すように、空気調和システムＳは、第１導出路１６で第１空気が流れる方向において、水分離装置５１より下流に第１冷房側切換弁３３を備える。また、空気調和システムＳは、第１冷房側切換弁３３に一端が接続された第１排出流路３４を備え、第１排出流路３４の他端は室外に開口している。第１冷房側切換弁３３は、第１位置３３ａ又は第２位置３３ｂに切り換え可能である。第１位置３３ａは、第１導出路１６から室内側へ第１空気が流れることを許容し、かつ第１導出路１６から第１排出流路３４への第１空気の流れを遮断する位置である。また、第２位置３３ｂは、第１導出路１６から室内側への第１空気の流れを遮断し、かつ第１導出路１６から第１排出流路３４へ第１空気が流れることを許容する位置である。

空気調和システムＳは、第１外気導入路１３上に第２冷房側切換弁６１を備える。また、空気調和システムＳは、第２冷房側切換弁６１に一端が接続された第１内気循環流路６２を備え、第１内気循環流路６２の他端は室内に開口している。第２冷房側切換弁６１は、第１位置６１ａ又は第２位置６１ｂに切り換え可能である。第１位置６１ａは、第１内気循環流路６２から圧縮機１１へ室内空気が流れることを許容し、かつ第１外気導入路１３から圧縮機１１への室外空気の流れを遮断する位置である。また、第２位置６１ｂは、第１内気循環流路６２から圧縮機１１への室内空気の流れを遮断し、かつ第１外気導入路１３から圧縮機１１へ室外空気が流れることを許容する位置である。

空気調和システムＳは、吸熱側流路２１ｂの出口に一端が接続された第２導出路２２を備え、第２導出路２２の他端は室内に開口している。そして、熱交換器２１で第１空気と熱交換され、温度の上昇した第２空気は吸熱側流路２１ｂから第２導出路２２に流れる。

空気調和システムＳは、第２導出路２２に第１暖房側切換弁２３を備える。また、空気調和システムＳは、第１暖房側切換弁２３に一端が接続された第２排出流路２４を備え、第２排出流路２４の他端は室外に開口している。第１暖房側切換弁２３は、第１位置２３ａ又は第２位置２３ｂに切り換え可能である。第１位置２３ａは、第２導出路２２から室内側へ第２空気が流れることを許容し、かつ第２導出路２２から第２排出流路２４への第２空気の流れを遮断する位置である。また、第２位置２３ｂは、第２導出路２２から室内側への第２空気の流れを遮断し、かつ第２導出路２２から第２排出流路２４へ第２空気が流れることを許容する位置である。

空気調和システムＳは、第２外気導入路２５上に第２暖房側切換弁２６を備える。また、空気調和システムＳは、第２暖房側切換弁２６に一端が接続された第２内気循環流路２７を備え、第２内気循環流路２７の他端は室内に開口している。第２暖房側切換弁２６は、第１位置２６ａ又は第２位置２６ｂに切り換え可能である。第１位置２６ａは、第２内気循環流路２７から熱交換器２１へ室内空気が流れることを許容し、かつ第２外気導入路２５から熱交換器２１への室外空気の流れを遮断する位置である。また、第２位置２６ｂは、第２内気循環流路２７から熱交換器２１への室内空気の流れを遮断し、かつ第２外気導入路２５から熱交換器２１へ室外空気が流れることを許容する位置である。

空気調和システムＳは、第１外気導入路１３に湿度計測装置としての湿度計２８を備える。湿度計２８は、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度を測定し、把握する。圧縮機１１に吸入される前の第１空気とは、第２冷房側切換弁６１が第１位置６１ａにある場合は、室内空気であり、第２冷房側切換弁６１が第２位置６１ｂにある場合は、室外空気となる。

また、空気調和システムＳは、第１導出路１６で第１空気が流れる方向において、膨張機３１より下流で、かつ膨張弁４１より上流に温度計１８及び圧力計１９を備える。温度計１８は、膨張機３１で膨張した直後の第１空気の温度を測定し、圧力計１９は、膨張機３１で膨張した直後の第１空気の圧力を測定する。

また、空気調和システムＳは、モータＭの駆動及び膨張弁４１の駆動を制御する制御装置２９を備える。制御装置２９には、温度計１８、圧力計１９及び湿度計２８が信号接続されている。制御装置２９には、温度計１８、圧力計１９及び湿度計２８の出力した測定結果を含む信号が入力される。

制御装置２９は、湿度計２８の測定した第１空気の湿度を把握し、その湿度に応じて、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度を調節する。制御装置２９によって、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度を制御することで、膨張機３１での第１空気の膨張比を所望する値にコントロールする。第１空気の所望する膨張比とは、膨張機３１で第１空気が膨張した際の温度及び圧力に応じた、第１空気の湿度が１００％未満となる膨張比である。これは、膨張機３１で第１空気が膨張した際、その第１空気の湿度が１００％以上になって膨張機３１で結露が発生するのを抑制するためである。なお、膨張機３１で第１空気が膨張した際の温度は温度計１８で測定され、圧力は圧力計１９で測定される。

制御装置２９には、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度と、膨張機３１での第１空気の温度及び圧力と、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度とを対応付けたテーブルが記憶されている。湿度と、圧力及び温度と、モータＭの回転数及び膨張弁４１との関係は、実験等によって予め測定され、対応付けられている。

空気調和システムＳは、第２導入路１５と第１導出路１６とを接続し、かつ膨張機３１をバイパスするバイパス流路３５を備える。また、空気調和システムＳは、バイパス流路３５に流量制御弁３６を備える。流量制御弁３６は、バイパス流路３５を流れる第１空気の流量を制御可能である。流量制御弁３６は制御装置２９に信号接続され、制御装置２９は流量制御弁３６の開度を制御可能である。制御装置２９は、湿度計２８の測定結果から把握した湿度に応じて流量制御弁３６の開度を制御し、バイパス流路３５の開度を調節する。

制御装置２９は、湿度が高いほど、流量制御弁３６の開度を大きくして、膨張機３１に吸い込まれる第１空気の量を減らし、湿度が低いほど、流量制御弁３６の開度を小さくして、膨張機３１に吸い込まれる第１空気の量を減らさないようにする。制御装置２９には、湿度と、流量制御弁３６の開度を対応付けたテーブルが記憶されている。湿度と、流量制御弁３６の開度との関係は、実験等によって予め測定され、対応付けられている。

空気調和システムＳでは、室内の冷房を行う際、第１冷房側切換弁３３を第１位置３３ａとしておく。また、冷房を行う際、第２冷房側切換弁６１を第１位置６１ａとした場合には、室内空気を内気循環させて冷房を行い、第２冷房側切換弁６１を第２位置６１ｂとした場合は、室外空気を外気から導入して冷房を行う。また、室内の冷房を行う際、第１暖房側切換弁２３を第２位置２３ｂとし、熱交換器２１で熱交換された第２空気の室内への流入を防止する。さらに、第２暖房側切換弁２６を第１位置２６ａとした場合には、室内空気を第２空気として内気循環させて冷房を行い、第２位置２６ｂとした場合には、室外空気を第２空気として冷房を行う。

そして、空気調和システムＳによる冷房を行う際、第１空気が圧縮機１１に吸入され、圧縮機１１で圧縮されて高温空気となる。圧縮機１１を流出した高温空気は、熱交換器２１の放熱側流路２１ａに流入し、吸熱側流路２１ｂを流れる第２空気によって冷却される。冷却された第１空気は、熱交換器２１を流出してから膨張機３１に吸い込まれ、膨張して更に温度が低下する。

このように、第１空気は熱交換器２１及び膨張機３１において温度が低下する。本実施形態では、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度を湿度計２８で測定しておき、膨張機３１で膨張した第１空気の温度及び圧力に応じて、制御装置２９によるモータＭの回転及び膨張弁４１の開度を調節し、圧縮前の第１空気の湿度に応じた膨張比で膨張させる。より具体的には、第１空気に含まれていた水蒸気の一部が凝縮水となる手前までの膨張とする。また、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度に応じて、制御装置２９は流量制御弁３６の開度を制御し、第２導入路１５から膨張機３１に吸い込まれる第１空気の量を調節する。

膨張機３１で膨張した第１空気は膨張弁４１に吸い込まれ、膨張して更に温度が低下する。このとき、第１空気に含まれていた水蒸気は凝縮して凝縮水となる。この凝縮水は、水分離装置５１において第１空気から分離される。水分離後の第１空気は第１冷房側切換弁３３を通過して第１導出路１６から室内に供給され、室内を冷却する。また、熱交換器２１で熱交換された第２空気は、第１暖房側切換弁２３を介して第２排出流路２４から室外に排出される。

図２に示すように、空気調和システムＳで室内の暖房を行う際、第１暖房側切換弁２３を第１位置２３ａに位置させる。また、第１冷房側切換弁３３を第２位置３３ｂとしておく。また、第２冷房側切換弁６１を第１位置６１ａとした場合には、室内空気を内気循環させて暖房を行い、第２冷房側切換弁６１を第２位置６１ｂとした場合は、室外空気を外気から導入して暖房を行う。また、室内の暖房を行う際、第２暖房側切換弁２６を第１位置２６ａとした場合には、内気循環させた室内空気を第２空気として使用し、第２暖房側切換弁２６を第２位置２６ｂとした場合は、室外空気を第２空気として使用する。

そして、暖房を行う際、第１空気が圧縮機１１に取り込まれ、圧縮機１１で圧縮されて高温空気となる。圧縮機１１を流出した高温空気は、熱交換器２１の放熱側流路２１ａに流入し、吸熱側流路２１ｂを流れる第２空気によって冷却される。冷却された第１空気は、熱交換器２１を流出してから膨張機３１に吸い込まれ、膨張して更に温度が低下する。暖房の際も、膨張機３１では第１空気の膨張が行われる。このときも、制御装置２９によって、モータＭの回転数、膨張弁４１の開度を制御して、膨張機３１での結露を抑制する。そして、熱交換器２１で熱交換され、暖められた第２空気は、第１暖房側切換弁２３を介して、そのまま室内に供給され、室内を加熱する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）空気調和システムＳは、膨張機３１を駆動させるモータＭ、及び膨張機３１より下流側に配置された膨張弁４１を備え、さらに、モータＭ及び膨張弁４１を制御する制御装置２９と、湿度計２８を備える。そして、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度に基づいてモータＭの回転数と膨張弁４１の開度を制御し、膨張機３１での膨張を制御して凝縮水が発生しないようにした。このため、膨張機３１での第１空気の膨張時にタービンに結露が発生することを抑制し、水分によってタービンが損傷を受けることを抑制できる。

（２）空気調和システムＳにおいて、膨張弁４１と水分離装置５１は一体化されている。このため、膨張弁４１で膨張した第１空気は、膨張直後に水分離装置５１に流入する。よって、水分離装置５１では、第１空気の膨張直後に水分を分離することができる。

（３）空気調和システムＳは、バイパス流路３５を備え、バイパス流路３５によって、熱交換器２１で熱交換された第１空気を、膨張機３１を避けて膨張弁４１へ供給可能とする。このため、膨張機３１に吸い込まれる第１空気の量を減らし、かつ膨張弁４１に吸い込まれる第１空気の量を増やすことで、膨張機３１での凝縮水の発生をより一層抑制することができる。また、膨張弁４１での膨張により凝縮水を発生させることで、膨張機３１での結露を抑制しやすくなる。

（４）空気調和システムＳは、第１外気導入路１３に第２冷房側切換弁６１を備え、第２冷房側切換弁６１には第１内気循環流路６２が接続されている。そして、第２冷房側切換弁６１を第１位置６１ａに切り換えることで、室内空気を第１空気とすることができる。このため、室外空気の湿度が高い場合には、室内空気を第１空気とすることで、膨張機３１での凝縮水の発生を抑制しやすくなる。

（５）空気調和システムＳでは、第１空気は膨張機３１で膨張し、膨張弁４１でさらに膨張した後、水分離装置５１で水分が分離される。このため、冷房時には、乾燥した空気を室内に供給することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 制御装置２９は、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度と、第１空気の湿度と、膨張機３１での圧力及び温度と、を対応付けたテーブルに基づいて、膨張機３１での第１空気の湿度が１００％以上にならないようにモータＭの回転数及び膨張弁４１の開度を制御したが、これに限らない。制御装置２９は、第１空気の湿度と、膨張機３１での圧力及び温度とから、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度を演算して決定してもよい。

○ 実施形態では、湿度計２８を圧縮機１１の入口付近に設け、圧縮機１１に吸入される前の第１空気の湿度を測定したが、これに限らない。圧縮機１１の出口付近や膨張機３１の入口付近に湿度計２８を設け、圧縮機１１による圧縮直後の第１空気の湿度や、膨張機３１で膨張される前の第１空気の湿度から、モータＭの回転数及び膨張弁４１の開度を決定してもよい。

○ 湿度計測装置として湿度計２８に具体化したが、湿度計測装置を温度計及び制御装置２９に変更してもよい。この場合、温度計を圧縮機１１の入口付近、圧縮機１１の出口付近、膨張機３１の入口付近等に設け、圧縮機１１による圧縮前後の第１空気の温度や、膨張機３１で膨張される前の第１空気の温度から、制御装置２９で湿度を推測し、把握するようにしてもよい。

○ 膨張弁４１は固定絞りであってもよい。この場合、膨張弁４１の開度は制御できないため、制御装置２９はモータＭの回転数を制御して、膨張機３１での第１空気の湿度が１００％未満となるようにする。

○ モータＭは回転数が一定なタイプであってもよい。この場合、モータＭの回転数は一定であるため、制御装置２９は膨張弁４１の開度を制御して、膨張機３１での第１空気の湿度が１００％未満となるようにする。

○ 膨張弁４１と水分離装置５１は別体でもよく、膨張弁４１と水分離装置５１は流路を介して接続されていてもよい。
○ 第１導出路１６から室内に供給される第１空気は、エンジンからの廃熱によってリヒートされて温度調節されてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記熱交換器と前記膨張機とを繋ぐ流路と、前記膨張機と前記膨張弁とを繋ぐ流路とはバイパス流路によって接続されている空気調和システム。

（ロ）前記バイパス流路には流量制御弁が配置されている空気調和システム。
（ハ）前記圧縮機に流入する空気は室内空気である空気調和システム。

Ｍ…モータ、Ｍａ…回転軸、１１…圧縮機、１２…空気サイクル装置、２１…熱交換器、２８…湿度計測装置としての湿度計、２９…制御装置、３１…膨張機、４１…膨張弁、５１…水分離装置。

Claims (2)

1. 空気を圧縮する圧縮機、圧縮された前記空気を熱交換させる熱交換器、及び前記熱交換器で熱交換された前記空気を膨張させる膨張機を含む空気サイクル装置と、
   前記膨張機で膨張した前記空気を膨張させる膨張弁と、
   前記圧縮機及び前記膨張機が連結された回転軸を回転させるモータと、
   前記膨張弁で膨張した前記空気から水分を分離する水分離装置と、
   前記膨張機で膨張する前の前記空気の湿度を把握するための湿度計測装置と、
   前記膨張機で膨張した前記空気の湿度が１００％未満となるように、前記湿度計測装置で把握した湿度に基づいて前記モータの回転数、及び前記膨張弁の開度の少なくとも一方を制御する制御装置と、を有する空気調和システム。
2. 前記膨張弁と前記水分離装置は一体化されている請求項１に記載の空気調和システム。