JP3253021B1 - ヒートポンプ及び除湿空調装置 - Google Patents

ヒートポンプ及び除湿空調装置

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JP3253021B1
JP3253021B1 JP2001059330A JP2001059330A JP3253021B1 JP 3253021 B1 JP3253021 B1 JP 3253021B1 JP 2001059330 A JP2001059330 A JP 2001059330A JP 2001059330 A JP2001059330 A JP 2001059330A JP 3253021 B1 JP3253021 B1 JP 3253021B1
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evaporator
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heat
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Abstract

【要約】 【課題】 動作係数（ＣＯＰ）の高いヒートポンプ及び
エネルギー消費量当たりの除湿能力の高い除湿空調装置
を提供する。 【解決手段】 冷媒を昇圧する昇圧機４と、冷媒を凝縮
させる凝縮器５と、冷媒を蒸発させて処理空気を露点温
度以下まで冷却する蒸発器１と、凝縮器５と蒸発器１と
の間で複数列に分岐する分岐冷媒経路４２〜４４と、凝
縮器５の凝縮圧力と蒸発器１の蒸発圧力との中間の圧力
で冷媒を蒸発させて処理空気を冷却する第１の熱交換部
２１と、凝縮器５の凝縮圧力と蒸発器１の蒸発圧力との
中間の圧力で冷媒を凝縮させて処理空気を加熱する第２
の熱交換部２２と、第１の熱交換部２１と蒸発器１と第
２の熱交換部２２とをこの順番で接続する処理空気経路
とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ及び
除湿空調装置、特に動作係数（ＣＯＰ）の高いヒートポ
ンプ及びこのようなヒートポンプを備え、エネルギー消
費量当たりの除湿能力の高い除湿空調装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来の空調システムの構成を図１０に示
す。図１０に示すように、従来の除湿空調装置は、冷媒
を圧縮する圧縮機２０１と、圧縮機２０１により圧縮さ
れた冷媒を外気ＯＡで凝縮する凝縮器２０２と、凝縮さ
れた冷媒を膨張弁２０３で減圧し冷媒を蒸発させて空調
空間１００からの処理空気を露点温度以下に冷却する蒸
発器２０４と、この露点以下に冷却された処理空気を、
凝縮器２０２の下流側で膨張弁２０３の上流側の冷媒で
再熱する再熱器２０５とを備えている。これら圧縮機２
０１、凝縮器２０２、再熱器２０５、膨張弁２０３及び
蒸発器２０４によって、蒸発器２０４を流れる処理空気
から凝縮器２０２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】図１１は、従来の除湿空調装置において、
冷媒としてＨＦＣ１３４ａを用いた場合のヒートポンプ
ＨＰのモリエ線図である。図１１において、点ａは蒸発
器２０４で蒸発した冷媒の状態を示しており、このとき
の冷媒は飽和ガスの状態にある。冷媒の圧力は０．３４
ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４００．９ｋＪ／ｋ
ｇである。点ｂはガスを圧縮機２０１で吸込圧縮した状
態、即ち圧縮機２０１の吐出口での状態を示しており、
このときの冷媒は過熱ガスの状態にある。
【０００４】点ｂの状態にある冷媒ガスは、凝縮器２０
２内で冷却され、点ｃで示される状態に至る。このとき
の冷媒は飽和ガスの状態であり、その圧力は０．９４Ｍ
Ｐａ、温度は３８℃である。冷媒はこの圧力下で更に冷
却され凝縮して点ｄで示される状態に至る。このときの
冷媒は飽和液の状態であり、その圧力と温度は点ｃにお
ける圧力及び温度と同じである。このときのエンタルピ
は２５０．５ｋＪ／ｋｇである。
【０００５】この冷媒液は、膨張弁２０３で減圧され、
温度５℃の飽和圧力である０．３４ＭＰａまで減圧され
て点ｅで示される状態に至る。点ｅの状態における冷媒
は、５℃の冷媒液とガスの混合物として蒸発器２０４に
至り、蒸発器２０４において処理空気から熱を奪い、蒸
発して、点ａで示される状態の飽和ガスとなる。この飽
和ガスは再び圧縮機２０１に吸入され、上述したサイク
ルが繰り返される。
【０００６】図１２は、従来の除湿空調装置における空
調サイクルを示す湿り空気線図である。図１２におい
て、符号Ｋ、Ｌ、Ｍは、図１０においてそれぞれの符号
を付した経路状態に対応している。図１２に示すよう
に、従来の除湿空調装置において、空調空間１００から
の空気（状態Ｋ）は、蒸発器２０４で露点温度以下に冷
却され、乾球温度が低下すると共に絶対湿度が低下して
状態Ｌに至る。この状態Ｌは湿り空気線図において飽和
線上にある。状態Ｌの空気は再熱器２０５で再熱され、
絶対湿度一定のまま乾球温度が上昇して状態Ｍに至り、
空調空間１００に供給される。この状態Ｍは、状態Ｋと
比べて絶対湿度、乾球温度共に低い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の除湿空調装置においては、露点までの冷却量が
多いためヒートポンプの蒸発器における冷凍効果のうち
半分程度が顕熱負荷を奪うのに消費され、電力消費量当
たりの除湿能力（除湿性能）が低かった。また、ヒート
ポンプの圧縮機として単段圧縮機を用いる場合には、１
段圧縮の圧縮式冷凍サイクルになり、動作係数（ＣＯ
Ｐ）が低く、除湿量当たりの電力消費量が大きかった。
【０００８】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、動作係数（ＣＯＰ）の高いヒー
トポンプ及びエネルギー消費量当たりの除湿能力の高い
除湿空調装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような従来技術にお
ける問題点を解決するために、本発明の一態様は、冷媒
を昇圧する昇圧機と、上記冷媒を凝縮させて高熱源流体
を加熱する凝縮器と、上記冷媒を蒸発させて低熱源流体
を冷却する蒸発器と、上記凝縮器と上記蒸発器との間で
複数列に分岐する分岐冷媒経路と、上記凝縮器と上記蒸
発器との間であって上記分岐冷媒経路中に設けられ、上
記凝縮器の凝縮圧力と上記蒸発器の蒸発圧力との中間の
圧力で冷媒を蒸発させて上記低熱源流体を冷却する第１
の熱交換手段と、上記凝縮器と上記蒸発器との間であっ
て上記分岐冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮圧
力と上記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒を凝縮
させて上記低熱源流体を加熱する第２の熱交換手段と、
上記第１の熱交換手段と上記蒸発器と上記第２の熱交換
手段とをこの順番で接続する低熱源流体経路とを備えた
ことを特徴とするヒートポンプである。
【００１０】また、本発明の他の一態様は、冷媒を昇圧
する昇圧機と、上記冷媒を凝縮させて高熱源流体を加熱
する凝縮器と、上記冷媒を蒸発させて処理空気を露点温
度以下まで冷却する蒸発器と、上記凝縮器と上記蒸発器
との間で複数列に分岐する分岐冷媒経路と、上記凝縮器
と上記蒸発器との間であって上記分岐冷媒経路中に設け
られ、上記凝縮器の凝縮圧力と上記蒸発器の蒸発圧力と
の中間の圧力で冷媒を蒸発させて上記処理空気を冷却す
る第１の熱交換手段と、上記凝縮器と上記蒸発器との間
であって上記分岐冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の
凝縮圧力と上記蒸発器の蒸発圧力との中間の圧力で冷媒
を凝縮させて上記処理空気を加熱する第２の熱交換手段
と、上記第１の熱交換手段と上記蒸発器と上記第２の熱
交換手段とをこの順番で接続する処理空気経路とを備え
たことを特徴とする除湿空調装置である。
【００１１】このような構成により、蒸発器での冷却の
前に第１の熱交換手段において低熱源流体を予冷でき、
その予冷の熱を使って、蒸発器での冷却の後に第２の熱
交換手段において低熱源流体を加熱し、また、処理空気
を低熱源とし、蒸発器で処理空気を露点温度以下に冷却
するようにすれば、除湿量当たりのエネルギー消費量が
小さい除湿空調装置を提供することが可能となる。
【００１２】更に、分岐冷媒経路を設けることによっ
て、冷媒の作用温度を段階的に変化させることができる
ので、熱交換効率を高めることが可能となる。ここで、
熱交換効率φは、高温側の流体の熱交換器入口温度をＴ
Ｐ１、出口温度をＴ、低温側の流体の熱交換器入口温度
をＴＣ１、出口温度をＴＣ２としたとき、高温側の流体
の冷却に注目した場合、即ち、熱交換の目的が冷却の場
合は、φ＝（ＴＰ１−ＴＰ２）／（ＴＰ１−ＴＣ１）、
低温の流体の加熱に注目した場合、即ち、熱交換の目的
が加熱の場合は、φ＝（ＴＣ２−ＴＣ１）／（ＴＰ１−
ＴＣ１）と定義されるものである。
【００１３】また、本発明の好ましい一態様において
は、上記分岐冷媒経路が、上記蒸発器の内部を並列に延
び、該蒸発器の下流側で合流する。この場合において、
上記分岐冷媒経路のうち、温度が高い処理空気と熱交換
をする冷媒が通過する冷媒経路には、温度が低い処理空
気と熱交換する冷媒を上記冷媒経路を通過した冷媒によ
り昇圧するエゼクタを設置してもよい。
【００１４】このような構成により、蒸発器の作用温度
が上昇するので、理論冷凍効果が増加し、理論圧縮仕事
が減少して効率を高めることが可能となる。また、冷媒
の比体積が減少するので、昇圧機で吸引する冷媒の流量
が増加する。従って、冷凍効果の増加に伴って除湿量が
増加し、効率を高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る除湿空調装置
の第１の実施形態について図１乃至図６を参照して説明
する。図１は本実施形態における空調システムの全体構
成を示す図、図２は第１の実施形態における除湿空調装
置内のフローを模式的に示す図である。本実施形態にお
ける除湿空調装置は、空調空間１００内の空気（処理空
気）をその露点温度以下に冷却して除湿するものであ
り、内部にヒートポンプＨＰ１を含んでいる。除湿空調
装置によって湿度が下げられた処理空気が空調空間１０
０に戻されることによって、空調空間１００が快適な環
境に維持される。
【００１６】除湿空調装置は、図１に示すように、空調
空間１００内に設置される室内機１０と、空調空間１０
０の外部（室外）に設置される室外機２０とから基本的
に構成されている。除湿空調装置の室内機１０は、冷媒
を蒸発させる冷媒蒸発器１と、冷媒と処理空気との間で
熱交換を行う熱交換器２と、処理空気を循環するための
送風機３とを備えている。熱交換器２は、蒸発器１に流
入する前後の処理空気同士の間で、冷媒を介して間接的
に熱交換を行うものであり、冷媒を蒸発させて処理空気
を冷却する第１の熱交換部２１と、冷媒を凝縮させて処
理空気を加熱する第２の熱交換部２２とを備えている。
また、除湿空調装置の室外機２０は、冷媒を圧縮する昇
圧機４と、冷媒を冷却して凝縮させる冷媒凝縮器５と、
冷却空気を送風するための送風機６とを備えている。
【００１７】処理空気が流通する経路（処理空気経路）
は、図２に示すように、空調空間１００と熱交換器２の
第１の熱交換部２１とを接続する経路３０と、第１の熱
交換部２１と蒸発器１とを接続する経路３１と、蒸発器
１と熱交換器２の第２の熱交換部２２とを接続する経路
３２と、第２の熱交換部２２と送風機３とを接続する経
路３３と、送風機３と空調空間１００とを接続する経路
３４とから構成されている。このような処理空気経路に
よって、熱交換器２の第１の熱交換部２１と蒸発器１と
熱交換器２の第２の熱交換部２２とが順番に接続されて
いる。
【００１８】一方、冷媒経路は、蒸発器１と昇圧機４と
を接続する経路４０と、昇圧機４と凝縮器５とを接続す
る経路４１と、凝縮器５と蒸発器１とを接続する経路と
から構成される。ここで、凝縮器５と蒸発器１とを接続
する経路は、凝縮器５の下流側において複数列（図２に
おいては３列）に分岐しており、分岐冷媒経路４２〜４
４が形成されている。この分岐冷媒経路４２〜４４は、
蒸発器１の上流側において１本の経路４５に合流してい
る。
【００１９】凝縮器５には、経路４６を介して冷却空気
としての外気ＯＡが導入される。この外気ＯＡは凝縮す
る冷媒から熱を奪い、加熱された外気は経路４７を経由
して送風機６に吸い込まれ、経路４８を経由して屋外に
排出される（ＥＸ）。
【００２０】分岐冷媒経路４２〜４４は、熱交換器２の
第１の熱交換部２１と第２の熱交換部２２とをそれぞれ
貫通しており、第１の熱交換部２１内には、冷媒を蒸発
させることによって第１の熱交換部２１を流れる処理空
気を冷却する蒸発セクション５１が形成され、第２の熱
交換部２２内には、冷媒を凝縮させることによって第２
の熱交換部２２を流れる処理空気を加熱（再熱）する凝
縮セクション５２が形成されている。また、各分岐冷媒
経路４２〜４４には、第１の熱交換部２１の上流側に絞
り１１〜１３がそれぞれ配置され、第２の熱交換部２２
の下流側に絞り１４〜１６がそれぞれ配置されている。
これらの絞り１１〜１６として、例えば、オリフィス、
キャピラリチューブ、膨張弁などを用いることができ
る。
【００２１】図３は、図２の除湿空調装置の熱交換器２
における分岐冷媒経路４２〜４４を示す拡大図である。
蒸発セクション５１と凝縮セクション５２とを含んで構
成される冷媒経路は、第１の熱交換部２１と第２の熱交
換部２２とを交互に繰り返し貫通する。即ち、分岐冷媒
経路４２は、図３に示すように、凝縮器５側から順番
に、蒸発セクション６１ａ、凝縮セクション６２ａ、凝
縮セクション６２ｂ、蒸発セクション６１ｂ、蒸発セク
ション６１ｃ、凝縮セクション６２ｃを有している。ま
た同様に、分岐冷媒経路４３は、蒸発セクション６３
ａ、凝縮セクション６４ａ、凝縮セクション６４ｂ、蒸
発セクション６３ｂ、蒸発セクション６３ｃ、凝縮セク
ション６４ｃを有し、分岐冷媒経路４４は、蒸発セクシ
ョン６５ａ、凝縮セクション６６ａ、凝縮セクション６
６ｂ、蒸発セクション６５ｂ、蒸発セクション６５ｃ、
凝縮セクション６６ｃを有している。
【００２２】ここで、蒸発器１を通過する前の処理空気
を流す第１の熱交換部２１と、蒸発器１を通過した後の
処理空気を流す第２の熱交換部２２とは、別々の直方体
空間に収容されており、これら第１の熱交換部２１と第
２の熱交換部２２との間には上述した蒸発器１が配置さ
れている。参考までに、冷媒経路が分岐していない場合
の熱交換器及び蒸発器の配置を図４（ａ）及び図４
（ｂ）に示す。図４（ａ）は正面側から見た斜視図、図
４（ｂ）は背面側から見た斜視図である。
【００２３】第１の熱交換部２１及び第２の熱交換部２
２には、処理空気の流れに直交する面に複数本の熱交換
チューブが冷媒経路として平行に配置されている。蒸発
セクション６１ａと凝縮セクション６２ａ、蒸発セクシ
ョン６１ｂと凝縮セクション６２ｂ、蒸発セクション６
１ｃと凝縮セクション６２ｃといった対応するセクショ
ン間には、蒸発器１を跨ぐチューブが設けられ（図４
（ｂ）参照）、対応する蒸発セクションと凝縮セクショ
ンとが互いに接続される。また、蒸発セクション６１ｂ
と蒸発セクション６１ｃの端部、蒸発セクション６３ｂ
と蒸発セクション６３ｃの端部、蒸発セクション６５ｂ
と蒸発セクション６５ｃの端部はそれぞれＵチューブ
（ユーチューブ）６８によって接続されている。同様
に、凝縮セクション６２ａと凝縮セクション６２ｂの端
部、凝縮セクション６４ａと凝縮セクション６４ｂの端
部、凝縮セクション６６ａと凝縮セクション６６ｂの端
部もそれぞれＵチューブ６９によって接続されている
（図４（ａ）参照）。
【００２４】このような構成によって、例えば、冷媒経
路４２において、蒸発セクション６１ａから凝縮セクシ
ョン６２ａに向かって流れた冷媒は、Ｕチューブ６９に
より凝縮セクション６２ｂに導かれる。凝縮セクション
６２ｂに導かれた冷媒は、更に蒸発セクション６１ｂに
流入し、Ｕチューブ６８により蒸発セクション６１ｃに
導入され、更に凝縮セクション６２ｃに流入する。この
ように冷媒経路は蛇行する細管群により構成され、この
細管群は蛇行しながら第１の熱交換部２１と第２の熱交
換部２２内部を通過し、温度の高い処理空気と温度の低
い処理空気に交互に接触するようになっている。
【００２５】なお、図１及び図２に示すように、除湿空
調装置の室内機１０の内部にはドレンパン７が設けられ
ているが、このドレンパン７は蒸発器１だけでなく、熱
交換器２の下方もカバーするように設けるのが好まし
い。熱交換器２の第１の熱交換部２１においては処理空
気を主として予冷するが、一部の水分はここで結露する
ことがあるので、特に第１の熱交換部２１の下方に設け
るのが好ましい。
【００２６】次に、各機器間の冷媒の流れについて図２
及び図３を参照して説明する。昇圧機４により圧縮され
た冷媒ガスは、昇圧機４の吐出口に接続された冷媒ガス
配管４１を経由して凝縮器５に導かれ、冷却空気として
の外気ＯＡで冷却され凝縮する。凝縮器５を出た液冷媒
は分岐冷媒経路４２〜４４に分岐される。以下では、冷
媒経路４２を流れる冷媒を中心として説明し、他の冷媒
経路４３、４４を流れる冷媒についての説明はこれと同
様であるので省略する。
【００２７】分岐冷媒経路４２を流れる冷媒は、絞り１
１で減圧され膨張して一部の液冷媒が蒸発（フラッシ
ュ）する。その液とガスの混合した冷媒は蒸発セクショ
ン６１ａに至り、ここで液冷媒は蒸発セクション６１ａ
のチューブの内壁を濡らすように流れる。蒸発セクショ
ン６１ａには液相の冷媒が流入するが、蒸発セクション
６１ａに流入する冷媒は、一部が気化した、気相を僅か
に含む液冷媒であってもよい。蒸発セクション６１ａを
流れる間に液冷媒が蒸発し、蒸発器１に流入する前の処
理空気が冷却（予冷）され、冷媒自身は加熱され気相を
増やす。
【００２８】上述したように、蒸発セクション６１ａと
凝縮セクション６２ａは一連のチューブにより構成され
ているので、上記蒸発セクション６１ａにおいて蒸発し
た冷媒ガス（及び蒸発しなかった液冷媒）は凝縮セクシ
ョン６２ａに流入する。凝縮セクション６２ａでは、蒸
発器１で冷却除湿され、蒸発セクション６１ａの処理空
気よりも温度の低くなった処理空気が加熱（再熱）さ
れ、冷媒自身は熱を奪われ気相冷媒を凝縮させながら、
次の凝縮セクション６２ｂに流入する。冷媒は、凝縮セ
クション６２ｂを流れる間に、低温の処理空気で更に熱
を奪われ気相冷媒を更に凝縮させる。
【００２９】凝縮された液冷媒は、次の蒸発セクション
６１ｂ及びこれに続く蒸発セクション６１ｃに流入し、
上記と同様にして蒸発器１に流入する前の処理空気が冷
却（予冷）される。更に凝縮セクション６２ｃに冷媒ガ
スが流入して処理空気が加熱（再熱）される。このよう
に、冷媒は気相と液相の相変化をしながら分岐冷媒経路
を流れ、蒸発器１で冷却される前の処理空気と、蒸発器
１で冷却されて絶対湿度を低下させた処理空気との間で
間接的に熱交換が行われる。
【００３０】凝縮セクション６２ｃにおいて凝縮した液
冷媒は、第２の熱交換部２２の下流側に配置された絞り
１４で減圧され膨張して温度が下がる。そして、他の分
岐冷媒経路４３、４４を流れてきた冷媒と合流し、合流
した冷媒は経路４５を通って蒸発器１に至る。蒸発器１
では冷媒が蒸発し、その蒸発熱で処理空気が冷却され
る。蒸発器１で蒸発してガス化した冷媒は、経路４０を
通って昇圧機４の吸込側に導かれる。そして、上述のサ
イクルが繰り返される。
【００３１】次に、本実施形態における除湿空調装置に
含まれるヒートポンプＨＰ１の作用について説明する。
図５は図２の除湿空調装置に含まれるヒートポンプＨＰ
１の冷媒モリエ線図である。なお、図５に示す線図にお
いては、冷媒としてＨＦＣ１３４ａを用いており、横軸
にエンタルピ、縦軸に圧力が取られている。ＨＦＣ１３
４ａに限らず、ＨＦＣ４０７ＣやＨＦＣ４１０Ａを冷媒
として利用することもでき、これらの冷媒を用いた場合
には、作動圧力領域がＨＦＣ１３４ａの場合よりも高圧
側にシフトする。
【００３２】図５において、点ａは図２の蒸発器１で蒸
発した冷媒の状態を示しており、このときの冷媒は飽和
ガスの状態にある。冷媒の圧力は０．２３４ＭＰａ、温
度は５℃、エンタルピは３９５．１ｋＪ／ｋｇである。
点ｂはこのガスを昇圧機４で吸込圧縮した状態、即ち昇
圧機４の吐出口での状態を示しており、このときの冷媒
は、圧力が０．７０６ＭＰａであり、過熱ガスの状態に
ある。
【００３３】点ｂの状態にある冷媒ガスは、凝縮器２内
で冷却され、点ｃで示される状態に至る。このときの冷
媒は飽和ガスの状態であり、その圧力は０．７０６ＭＰ
ａ、温度は３８℃である。冷媒はこの圧力下で更に冷却
され凝縮して点ｄで示される状態に至る。このときの冷
媒は飽和液の状態であり、その圧力と温度は点ｃにおけ
る圧力及び温度と同じである。このときのエンタルピは
２３７．４ｋＪ／ｋｇである。
【００３４】この冷媒液は分岐冷媒経路４２〜４４に分
かれて熱交換器２に流入するが、まず、冷媒経路４３を
通る冷媒について説明する。冷媒経路４３に流入した冷
媒液は、絞り１２で減圧され、第１の熱交換部２１の蒸
発セクション６３ａに流入する。このときの状態は点ｅ
で示されており、一部の液が蒸発して液とガスが混合し
た状態となっている。このときの圧力は、凝縮器５の凝
縮圧力と蒸発器１の蒸発圧力との中間圧力であり、本実
施形態では、０．２３４ＭＰａと０．７０６ＭＰａの間
の値となる。
【００３５】蒸発セクション６３ａ内で、上記中間圧力
下で冷媒液が蒸発して、同圧力で飽和液線と飽和ガス線
の中間に位置する点ｆ１の状態となる。この状態では液
の一部が蒸発しているが、冷媒液はかなり残っている。
そして、点ｆ１で示される状態の冷媒が、凝縮セクショ
ン６４ａ及び６４ｂに流入する。凝縮セクション６４ａ
及び６４ｂでは、冷媒は第２の熱交換部２２を流れる低
温の処理空気により熱を奪われ、点ｇ１の状態に至る。
【００３６】点ｇ１の状態の冷媒は、蒸発セクション６
３ｂ及び６３ｃに流入し、ここで熱を奪われ液相を増や
して点ｆ２の状態に至り、更に、凝縮セクション６４ｃ
に流入する。凝縮セクション６４ｃにおいて、冷媒は液
相を増やして点ｇ２の状態に至る。点ｇ２はモリエ線図
では飽和液線上に位置しており、このときの冷媒の温度
は１８℃、エンタルピは２０９．５ｋＪ／ｋｇである。
【００３７】点ｇ２の状態の冷媒液は、絞り１５で、温
度５℃の飽和圧力である０．２３４ＭＰａまで減圧され
て点ｈで示される状態に至る。点ｈの状態における冷媒
は、５℃の冷媒液とガスの混合物として蒸発器１に至
り、ここで処理空気から熱を奪い、蒸発して点ａで示さ
れる状態の飽和ガスとなる。この飽和ガスは再び昇圧機
４に吸入され、上述したサイクルが繰り返される。
【００３８】同様に、冷媒経路４２を通る冷媒は、絞り
１１、蒸発セクション、凝縮セクション、絞り１４を通
り、点ｊ、点ｉ１、点ｋ１、点ｉ２、点ｋ２で示される
状態を経て点ｌで示される状態に至る。冷媒経路４４を
通る冷媒は、絞り１３、蒸発セクション、凝縮セクショ
ン、絞り１６を通り、点ｍ、点ｎ１、点ｏ１、点ｎ２、
点ｏ２で示される状態を経て点ｐで示される状態に至
る。
【００３９】このように、熱交換器２内において、冷媒
は蒸発セクション５１では点ｅから点ｆ１、あるいは点
ｇ１から点ｆ２までといったように蒸発の状態変化を、
凝縮セクション５２では、点ｆ１から点ｇ１、あるいは
点ｆ２から点ｇ２までといったように凝縮の状態変化を
しており、蒸発伝熱と凝縮伝熱が行われているため、熱
伝達率が非常に高く、また熱交換効率が高い。
【００４０】ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り１１〜
１６及び蒸発器１を含む圧縮ヒートポンプＨＰ１として
考えると、本発明に係る熱交換器２を設けない場合に
は、凝縮器５における点ｄの状態の冷媒を、絞りを介し
て蒸発器１に戻すため、蒸発器１で利用できるエンタル
ピ差は３９５．１−２３７.４＝１５７．７ｋＪ／ｋｇ
しかない。しかし、本発明に係る熱交換器２を設けた場
合には、３９５．１−２０９．５＝１８５．６ｋＪ／ｋ
ｇとなり、同一冷却負荷に対して圧縮機に循環するガス
量を、ひいては所要動力を１５％（＝１−１５７．７／
１８５．６）も小さくすることができる。即ち、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。
【００４１】図６は図２の除湿空調装置における空調サ
イクルを示す湿り空気線図である。図６において、符号
Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｘは、図２においてそれぞれの符号を付し
た経路状態に対応している。空調空間１００からの処理
空気（状態Ｋ）は、処理空気経路３０を通って、熱交換
器２の第１の熱交換部２１に送り込まれ、蒸発セクショ
ン５１内で蒸発する冷媒によりある程度まで冷却され
る。これは蒸発器１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。処理空
気は、蒸発セクション５１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
飽和線上にある点Ｘに至る。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こととしてもよい。また
は点Ｘを越えて、多少飽和線上を低湿度側に移行した点
まで冷却されることとしてもよい。
【００４２】第１の熱交換部２１で予冷された処理空気
は、経路３１を通って、蒸発器１に導入される。蒸発器
１では、絞り１４〜１６によって減圧された、低温で蒸
発する冷媒によって、処理空気が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に至る。図６において、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。
【００４３】点Ｌの状態の処理空気は、経路３２を通っ
て熱交換器２の第２の熱交換部２２に流入し、凝縮セク
ション５２内で凝縮する冷媒により、絶対湿度一定のま
ま加熱され点Ｍに至る。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
空気である。この点Ｍの状態の空気は送風機３により吸
い込まれ、経路３４を通って空調空間１００に戻され
る。
【００４４】ここで、図６の湿り空気線図上に示す処理
空気側のサイクルでは、第１の熱交換部２１で処理空気
を予冷した熱量、即ち第２の熱交換部２２で処理空気を
再熱した熱量ΔＨが熱回収分であり、蒸発器１で処理空
気を冷却した熱量分がΔＱである。また空調空間１００
を冷房する、冷房効果がΔｉである。
【００４５】上述したように、熱交換器２では、蒸発セ
クション５１での冷媒の蒸発により処理空気を予冷し、
凝縮セクション５２での冷媒の凝縮により処理空気を再
熱する。そして蒸発セクション５１で蒸発した冷媒は、
凝縮セクション５２で凝縮する。このように同じ冷媒の
蒸発と凝縮作用により、蒸発器１で冷却される前後の処
理空気同士の熱交換が間接的に行われる。
【００４６】このように、本実施形態においては、処理
空気を露点以下に冷却する蒸発器と、処理空気を予冷却
する予冷却器と、再加熱を行う再加熱器の熱伝達媒体を
同じ冷媒を用いるようにしたので、冷媒系が単一に単純
化され、また蒸発器、凝縮器間の圧力差を利用できるた
め循環が能動的になり、更に予冷、再加熱の熱交換に相
変化を伴う沸騰現象を応用できるようにしたので、効率
を高くすることができる。
【００４７】上述の実施形態においては冷媒経路を３列
に分岐させた例を説明したが、これに限られるものでは
なく、冷媒経路を何列に分岐させてもよい。図７は、本
発明に係る除湿空調装置における分岐冷媒経路の列数と
温度効率との関係を示すグラフである。図７から、分岐
冷媒経路の列数を多くすれば温度効率が向上することが
推測できる。このように、複数列に分岐した冷媒経路を
設けることによって、冷媒の作用温度を段階的に変化さ
せることができるので、熱交換効率を高めることが可能
となる。
【００４８】次に、本発明に係る除湿空調装置の第２の
実施形態について図８及び図９を参照して説明する。図
８は第２の実施形態における除湿空調装置内のフローを
模式的に示す図、図９は図８の除湿空調装置に含まれる
ヒートポンプＨＰ２の冷媒モリエ線図である。なお、上
述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用
又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、
特に説明しない部分については第１の実施形態と同様で
ある。
【００４９】本実施形態においても、凝縮器５の下流側
において冷媒経路が複数列に分岐しており、分岐冷媒経
路１４２〜１４４が形成されているが、この分岐冷媒経
路１４２〜１４４が冷媒蒸発器１０１の内部まで延びて
おり、蒸発器１０１の下流側で合流している点が上述の
第１の実施形態と異なる。これらの分岐冷媒経路１４２
〜１４４のうち、温度が高い処理空気と熱交換をする冷
媒が通過する冷媒経路、即ち分岐冷媒経路１４２には、
温度が低い処理空気と熱交換をする冷媒、即ち冷媒経路
１４４を通過した冷媒を昇圧するエゼクタ８が設置され
ている。
【００５０】図９において、点ａは図８の蒸発器１０１
で蒸発した冷媒の状態を示しており、このときの冷媒は
飽和ガスの状態にある。圧力は０．２６２ＭＰａ、温度
は８℃、エンタルピは３９６．８ｋＪ／ｋｇである。点
ｂはこのガスを昇圧機４で吸込圧縮した状態、即ち昇圧
機４の吐出口での状態を示しており、このときの冷媒
は、圧力が０．７０６ＭＰａであり、過熱ガスの状態に
ある。
【００５１】点ｂの状態にある冷媒ガスは、凝縮器５内
で冷却され、点ｃで示される状態に至る。このときの冷
媒は飽和ガスの状態であり、その圧力は０．７０６ＭＰ
ａ、温度は３８℃である。冷媒はこの圧力下で更に冷却
され凝縮して点ｄで示される状態に至る。このときの冷
媒は飽和液の状態であり、その圧力と温度は点ｃにおけ
る圧力及び温度と同じである。このときのエンタルピは
２３７．４ｋＪ／ｋｇである。
【００５２】冷媒経路１４３に流入した冷媒液は、絞り
１２で減圧され、点ｅの状態に至る。このときの圧力
は、凝縮器５の凝縮圧力と蒸発器１０１の蒸発圧力との
中間圧力であり、本実施形態では、０．２６２ＭＰａと
０．７０６ＭＰａの間の値となる。その後、冷媒は第１
の熱交換部２１の蒸発セクションと第２の熱交換部２２
の凝縮セクションとを交互に通り、点ｆ１、点ｇ１、点
ｆ２、点ｇ２で示される状態を経て、絞り１５で、温度
８℃の飽和圧力である０．２６２ＭＰａまで減圧されて
点ｈで示される状態に至る。点ｈの状態における冷媒
は、８℃の冷媒液とガスの混合物として蒸発器１０１に
至り、ここで処理空気から熱を奪い、蒸発して点ａで示
される状態の飽和ガスとなる。この飽和ガスは再び昇圧
機４に吸入され、上述したサイクルが繰り返される。
【００５３】また、冷媒経路１４２に流入した冷媒液
は、絞り１１、蒸発セクション、凝縮セクション、絞り
１４を通り、点ｊ、点ｉ１、点ｋ１、点ｉ２、点ｋ２で
示される状態を経て点ｌで示される状態に至る。点ｌで
示される状態の冷媒は、蒸発器１０１に至り、ここで処
理空気から熱を奪い、蒸発して点ｑで示される状態とな
る。一方、冷媒経路１４４に流入した冷媒液は、絞り１
３、蒸発セクション、凝縮セクション、絞り１６を通
り、点ｍ、点ｎ１、点ｏ１、点ｎ２、点ｏ２で示される
状態を経て点ｐで示される状態に至る。
【００５４】点ｐで示される状態の冷媒は、蒸発器１０
１に至り、ここで処理空気から熱を奪い、蒸発して点ｒ
で示される状態となる。点ｒで示される状態の冷媒は、
冷媒経路１４２に設置されたエゼクタ８によって昇圧さ
れる。即ち、エゼクタ８において、点ｑで示される状態
の高圧の冷媒によって、点ｒで示される状態の低圧の冷
媒が昇圧される。これにより、点ｒで示される状態の冷
媒と点ｑで示される状態の冷媒は点ａで示される状態の
飽和ガスとなる。このように、エゼクタ８を設置するこ
とにより、蒸発器の作用温度が上昇するので、理論冷凍
効果が増加し、理論圧縮仕事が減少して効率を高めるこ
とが可能となる。また、冷媒の比体積が減少するので、
昇圧機で吸引する冷媒の流量が増加する。従って、冷凍
効果の増加に伴って除湿量が増加し、効率を高めること
ができる。
【００５５】ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り１１〜
１６及び蒸発器１０１を含む圧縮ヒートポンプＨＰ２と
して考えると、本発明に係る熱交換器２を設けない場合
には、凝縮器５における点ｄの状態の冷媒を、絞りを介
して蒸発器１に戻すため、蒸発器１０１で利用できるエ
ンタルピ差は３９６．８−２３７.４＝１５９．４ｋＪ
／ｋｇしかない。しかし、本発明に係る熱交換器２を設
けた場合には、３９６．８−２０９．５＝１８７．３ｋ
Ｊ／ｋｇとなり、同一冷却負荷に対して圧縮機に循環す
るガス量を、ひいては所要動力を１５％（＝１−１５
９．４／１８７．３）も小さくすることができる。即
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。
【００５６】さてこれまで本発明の一実施形態について
説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、そ
の技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施
されてよいものである。例えば、各分岐冷媒経路におけ
る第１の熱交換部における蒸発セクションの数、第２の
熱交換部における凝縮セクションの数は図示のものに限
られるものではない。また、熱交換器における冷媒経路
の順序について、上述の実施形態における熱交換器の入
口部の第１の熱交換部を第２の熱交換部と入れ替えて、
第２の熱交換部、第１の熱交換部、第２の熱交換部とい
う順序にしてパス数を増やすこともできる。更に、上述
の実施形態においては空調空間を空調する除湿空調装置
を例として説明したが、必ずしも空調空間に限らず、本
発明の除湿装置を、他の除湿を必要とする空間に応用す
ることもできる。
【００５７】
【発明の効果】上述したように本発明によれば、蒸発器
での冷却の前に第１の熱交換手段において低熱源流体を
予冷でき、その予冷の熱を使って、蒸発器での冷却の後
に第２の熱交換手段において低熱源流体を加熱すること
ができるので、動作係数の高いヒートポンプを提供する
ことが可能となる。また、処理空気を低熱源とし、蒸発
器で処理空気を露点温度以下に冷却するようにすれば、
除湿量当たりのエネルギー消費量が小さい除湿空調装置
を提供することが可能となる。更に、分岐冷媒経路を設
けることによって、冷媒の作用温度を段階的に変化させ
ることができるので、熱交換効率を高めることが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシステムの全体構成を示す図であ
る。
【図２】本発明の第１の実施形態における除湿空調装置
内のフローを模式的に示す図である。
【図３】図２の除湿空調装置の熱交換器における分岐冷
媒経路を示す拡大図である。
【図４】冷媒経路が分岐していない場合の熱交換器及び
蒸発器の配置を示す斜視図である。
【図５】図２の除湿空調装置に含まれるヒートポンプの
冷媒モリエ線図である。
【図６】図２の除湿空調装置における空調サイクルを示
す湿り空気線図である。
【図７】本発明に係る除湿空調装置における分岐冷媒経
路の列数と温度効率との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態における除湿空調装置
内のフローを模式的に示す図である。
【図９】図８の除湿空調装置に含まれるヒートポンプの
冷媒モリエ線図である。
【図１０】従来の除湿空調装置内のフローを模式的に示
す図である。
【図１１】従来の除湿空調装置に含まれるヒートポンプ
の冷媒モリエ線図である。
【図１２】従来の除湿空調装置における空調サイクルを
示す湿り空気線図である。
【符号の説明】
１、１０１ 蒸発器 ２ 熱交換器 ３、６ 送風機 ４ 昇圧機 ５ 凝縮器 ７ ドレンパン ８ エゼクタ １０ 室内機 １１〜１６ 絞り ２０ 室外機 ２１ 第１の熱交換部 ２２ 第２の熱交換部 ３０〜３４、４０〜４８、１４２〜１４４ 経路 ５１ 蒸発セクション ５２ 凝縮セクション ６７〜６９ チューブ １００ 空調空間
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−211668（ＪＰ，Ａ) 特開2000−356481（ＪＰ，Ａ) 特開2001−21175（ＪＰ，Ａ) 特開2001−215030（ＪＰ，Ａ) 特許2761379（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F24F 3/06 F24F 3/153 F25B 29/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒を昇圧する昇圧機と、 前記冷媒を凝縮させて高熱源流体を加熱する凝縮器と、 前記冷媒を蒸発させて低熱源流体を冷却する蒸発器と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間で複数列に分岐する分岐
    冷媒経路と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間であって前記分岐冷媒経
    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を蒸発させて前記低熱源
    流体を冷却する第１の熱交換手段と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間であって前記分岐冷媒経
    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を凝縮させて前記低熱源
    流体を加熱する第２の熱交換手段と、 前記第１の熱交換手段と前記蒸発器と前記第２の熱交換
    手段とをこの順番で接続する低熱源流体経路とを備えた
    ことを特徴とするヒートポンプ。
  2. 【請求項２】 冷媒を昇圧する昇圧機と、 前記冷媒を凝縮させて高熱源流体を加熱する凝縮器と、 前記冷媒を蒸発させて処理空気を露点温度以下まで冷却
    する蒸発器と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間で複数列に分岐する分岐
    冷媒経路と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間であって前記分岐冷媒経
    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を蒸発させて前記処理空
    気を冷却する第１の熱交換手段と、 前記凝縮器と前記蒸発器との間であって前記分岐冷媒経
    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を凝縮させて前記処理空
    気を加熱する第２の熱交換手段と、 前記第１の熱交換手段と前記蒸発器と前記第２の熱交換
    手段とをこの順番で接続する処理空気経路とを備えたこ
    とを特徴とする除湿空調装置。
  3. 【請求項３】 前記分岐冷媒経路は、前記蒸発器の内部
    を並列に延び、該蒸発器の下流側で合流することを特徴
    とする請求項２に記載の除湿空調装置。
  4. 【請求項４】 前記分岐冷媒経路のうち、温度が高い処
    理空気と熱交換をする冷媒が通過する冷媒経路には、温
    度が低い処理空気と熱交換する冷媒を前記冷媒経路を通
    過した冷媒により昇圧するエゼクタを設置したことを特
    徴とする請求項３に記載の除湿空調装置。
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