JP3664306B2 - ヒートポンプ式空調機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプ式空調機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のルームエアコンは、冷暖房運転のみで外気処理は別の機器で行う必要があった。また、還気を室内機の蒸発器で熱交換して給気し、蒸発器で熱交換した冷媒を、室外機の凝縮器へ送風される外気で熱交換している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、外気処理用の機器の設備費が余分にかかり、室内機と室外機をつなぐ配管工事が必要となる。また、外気で凝縮器を熱交換するため効率が悪く、極寒地や酷暑地での使用に制限があった。そこで、これらの問題点を解決するヒートポンプ式空調機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式空調機は、ケーシング内に、冷媒循環回路を構成する蒸発器、凝縮器及び圧縮機と、還気と外気の混合空気が通る前記蒸発器を設けた給気送風路と、前記還気と前記外気の混合空気が通る前記凝縮器を設けた排気送風路と、を設け、前記還気温度と前記外気温度とこれらの混合空気温度に基いて前記給気送風路のみ又はこの給気送風路及び前記排気送風路において所定の風量混合比となるように制御する風量混合比制御手段と、前記給気送風路から被空調ゾーンへ給気するための複数の給気ダクトと、この給気ダクトの給気風量を調整自在な変風量ユニットと、前記給気ダクト毎の変風量ユニットボリュームポイントと給気ダクト内径比ポイントとの積算値を全給気ダクト分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて前記給気送風路の給気用送風機の風量制御のみ又はこの給気用送風機の風量制御及び前記圧縮機の容量制御を行う出力制御手段と、熱負荷に応じて前記排気送風路の排気用送風機の風量制御を行う増補手段と、を備えたものである。さらに、ケーシング内に還気送風路を備え、このケーシングに、給気送風路と排気送風路に連通する外気取入口を、形成し、前記排気送風路と前記給気送風路と前記還気送風路を三列に隣接させると共にその列方向一端部において前記給気送風路と前記還気送風路を連通連結させかつ前記排気送風路と前記還気送風路を連通連結させて前記ケーシングを形成した。さらに、給気送風路に連通する又はこの給気送風路と還気送風路に連通するダクト用チャンバを、設け、このチャンバに、空気清浄機構を収納・取出自在に内装させた。さらに、冷媒循環回路を、ケーシングに対して取出・収納自在に構成した。さらに、蒸発器と凝縮器のフィンチューブを楕円管で構成した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明のヒートポンプ式空調機の一実施例を示しており、この空調機は、ケーシング１内に、冷媒循環回路Ｃを構成する蒸発器２、凝縮器３及び圧縮機４と、還気と外気の混合空気が通る前記蒸発器２を設けた給気送風路Ａと、前記還気と前記外気の混合空気が通る前記凝縮器３を設けた排気送風路Ｂと、を設け、前記還気温度と前記外気温度とこれらの混合空気温度に基いて給気送風路Ａ及び前記排気送風路Ｂにおいて所定の風量混合比となるように制御する風量混合比制御手段１８と、前記給気送風路Ａから被空調ゾーンへ給気するための複数の給気ダクト１６と、この給気ダクト１６の給気風量を調整自在な変風量ユニット１９と、前記給気ダクト１６毎の変風量ユニットボリュームポイントと給気ダクト内径比ポイントとの積算値を全給気ダクト分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて前記給気送風路Ａの給気用送風機１１の風量制御及び前記圧縮機４の容量制御を行う出力制御手段２０と、熱負荷に応じて前記排気送風路Ｂの排気用送風機１２の風量制御を行う増補手段２１と、を備えている。なお、実線及び点線の白抜き矢印で風向き（送風方向）を示す。
【０００６】
ケーシング１には、外気取入口７（給気用外気取入口７ａ、排気用外気取入口７ｂ）、給気口８、還気口９及び排気口１０を形成し、給気用外気取入口７ａと給気口８を給気送風路Ａにて連通連結し、排気用外気取入口７ｂと排気口１０を排気送風路Ｂにて連通連結し、還気口９を還気送風路Ｅに連通連結する。排気送風路Ｂと給気送風路Ａと還気送風路Ｅは三列に隣接させると共にその列方向一端部において給気送風路Ａと還気送風路Ｅを連通連結させかつ排気送風路Ｂと還気送風路Ｅを連通連結させてケーシング１を扁平状に形成する。外気取入口７ａ、７ｂには夫々風量調整用外気ダンパ２３、２４を設け、給気送風路Ａと還気送風路Ｅの連通部と、排気送風路Ｂと還気送風路Ｅの連通部には、夫々風量調整用還気ダンパ２５、２６を設けて、複数種類の空気（還気と外気）を風量比率調整自在に混合させるダンパ機構Ｄを構成し、風量混合比制御手段１８にて、前記複数種類の各空気温度と混合後の空気温度に基いて所定の風量混合比となるようにダンパ機構Ｄを制御する。
【０００７】
さらに、給気送風路Ａと還気送風路Ｅに連通するダクト用チャンバ５を、設け、このチャンバ５に、空気清浄機構６を収納・取出自在に内装させる。空気清浄機構６は、例えば花粉やタバコなどの除塵・脱臭・殺菌を行う光触媒フィルタなどで構成すればよいが、これ以外の電気式機器などで構成するも自由である。チャンバ５と給気送風路Ａと還気送風路Ｅはダクトなどを介して連通連結するが、チャンバ５と給気送風路Ａと還気送風路Ｅを直接連通連結してもよい。図例ではチャンバ５は内部を２分割し、給気送風路Ａに連通する分割空室に空気清浄機構６を設けているが、内部を分割せずに給気送風路Ａのみに連通させて空気清浄機構６を内装してもよく、その場合は、還気送風路Ｅと屋内をダクトなどで連通連結する。チャンバ５の給気側と被空調ゾーンは複数の給気ダクト１６にて連通連結する。
【０００８】
冷媒循環回路Ｃは、蒸発器２、凝縮器３、圧縮機４、図示省略の受液器、膨張弁及び冷媒循環方向の切換弁等を配管接続して成り、蒸発器２及び凝縮器３の吸熱と放熱を切換自在に構成する。凝縮器３と蒸発器２は隣合わせて設けて、冷媒循環回路Ｃに占める容積を最小限に抑える。凝縮器３と蒸発器２のフィンチューブ２２は低圧損の楕円管で構成する（図５参照）のが好ましいが円形管でもよい。
【０００９】
冷媒循環回路Ｃは、ケーシング１に対して取出・収納自在に構成する。例えば、ケーシング１内に着脱自在に取付けられるフレーム１３に、冷媒循環回路Ｃを固定して一体化し、ケーシング１の一面に開口部を形成し、この開口部に対して冷媒循環回路付フレーム１３を取出・収納自在に構成する。開口部には、着脱又は開閉自在な外装板を設ける。なお、前述以外の構成で冷媒循環回路Ｃを取出・収納自在に設けるも自由である。排気送風路Ｂには風量制御自在な排気用送風機１２を設け、給気送風路Ａに風量制御自在な給気用送風機１１を設ける。送風機１１、１２はインバータ制御などで風量（翼回転数）制御自在に構成する。圧縮機４は、インバータ制御などで容量制御自在に構成する。
【００１０】
変風量ユニット１９は、室内などの被空調ゾーンの熱負荷に応じて自動又は手動で駆動され、各給気ダクト１６の給気風量を個別に制御する。例えば「切」が０ポイント、「弱」が２ポイント、「中」は３ポイント、「強」は４ポイントのように、給気風量変動に対する変風量ユニットボリュームポイントを設定する。なお、変風量ユニット１９は給気ダクト１６毎に設けているが、図例と異なる部位に設けるも自由である。給気ダクト１６は、その給気ダクト内径（断面積）によって風量が変わるので、変風量ユニット上流側の給気ダクト内径比ポイントを補正係数として、例えば表１のように設定する
【００１１】
【表１】

【００１２】
この変風量ユニットボリュームポイントと給気ダクト内径比ポイントの積算値を給気ダクト１６毎に算出し、それらを全給気ダクト分合計する。その合計積算値が全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対して何割あるかによって、給気用送風機１１の風量と圧縮機４の容量を変動させる。例えば表２のように給気ダクト１６の内径（ｍｍ）が７５、１００、１００、２００であったとすると、全変風量ユニット最大ボリューム時の合計積算値が４８となる。そして、空調機運転中の変風量ユニットボリュームポイントが、給気ダクトNo１が４（強）、給気ダクトNo２が３（中）、給気ダクトNo３が２（弱）、給気ダクトNo４が３（中）の場合、合計積算値が３５となるので、送風機１１と圧縮機４を定格出力の７３％（３５／４８×１００）で駆動し、全体の給気バランスをとり省エネ化を図る。なお、前記の各ポイント数値は一例であり変更は自由である。また、図示省略するが、給気ダクト１６毎の変風量ユニットボリュームポイントと給気ダクト内径比ポイントとの積算値を全給気ダクト分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて給気用送風機１１の風量制御のみを行う出力制御手段２０に、構成するも自由である。
【００１３】
【表２】

【００１４】
風量混合比制御手段１８は、複数種類の各空気温度（還気温度と外気温度）と送風路毎の混合後の空気温度とを検出する温度検出手段１７と、複数種類の空気の予定の風量比設定値を送風路毎に設定する設定手段３１と、温度検出手段１７による各検出温度から複数種類の空気の現状の風量比計算値を送風路毎に演算する演算手段３２と、送風路毎にこの風量比計算値が予定の風量比設定値になるようにダンパ機構Ｄへ補正分の風量増減信号を出す指令手段３３と、混合前の複数種類の空気の各検出温度が同値の場合に送風路毎に予定の風量比設定値になるようにダンパ機構Ｄへ特定の風量増減信号を出す補助手段３４と、備えている。図例では、温度検出手段１７は、混気前の外気温度を検出する温度検出器２７と、混気前の還気温度を検出する温度検出器２８と、給気送風路Ａにおける混気後の還外混気温度を検出する温度検出器２９と、排気送風路Ｂにおける混気後の還外混気温度を検出する温度検出器３０と、から構成しているが構成の変更は自由である。またダンパ機構Ｄの構成変更も自由で、複数種類の空気を送風路毎に風量比率調整自在に混合できる機構のものであればよい。
【００１５】
例えば送風状態で、給気送風路Ａ及び排気送風路Ｂの各々の混合前の還気温度と外気温度と混合後の還外混気温度とを温度検出手段１７で検出し、還気温度と外気温度が同値でない場合は、空気線図などに基いて還気温度と外気温度と還外混気温度から給気送風路Ａと排気送風路Ｂの各々の還気：外気の風量比計算値を演算手段３２で演算し、送風路毎に、この現状の風量比計算値と、設定手段３１で設定した風量比設定値と、の差がなくなるようにダンパ機構Ｄへ補正分の風量増減信号を出力する。還気温度と外気温度が同値の場合は送風路毎に予定の風量比設定値になるように経験的に定められた特定の風量増減信号をダンパ機構Ｄへ出力して制御する。なお、風量混合比制御手段１８が、複数種類の各空気温度（還気温度と外気温度）と混合後の空気温度とを検出する温度検出手段１７と、複数種類の空気の予定の風量比設定値を設定する設定手段３１と、温度検出手段１７による各検出温度から複数種類の空気の現状の風量比計算値を演算する演算手段３２と、この風量比計算値が予定の風量比設定値になるようにダンパ機構Ｄへ補正分の風量増減信号を出す指令手段３３と、混合前の複数種類の空気の各検出温度が同値の場合に予定の風量比設定値になるようにダンパ機構Ｄへ特定の風量増減信号を出す補助手段３４と、備えたものとして、還気温度と外気温度とこれらの混合空気温度に基いて給気送風路Ａのみにおいて所定の風量混合比となるように制御する風量混合比制御手段１８に、構成するも自由である。
【００１６】
増補手段２１は、熱負荷の変動に応じて排気用送風機１２の風量制御を行う。例えば、冷房負荷又は暖房負荷が大きくなると凝縮器風量を適宜増加させ、冷房負荷又は暖房負荷が小さくなると凝縮器風量を適宜減少させる。なお、風量混合比制御手段１８、出力制御手段２０及び増補手段２１はマイコンなどで構成する。
【００１７】
このヒートポンプ式空調機では、還気口９から取入れた還気（屋内からの排気）と外気取入口７ａから取入れた外気を蒸発器２の流通冷媒で熱交換し、必要に応じて加湿器１４を作動させて給気口８から給気し、同時に還気口９から取入れた還気と外気取入口７ｂから取入れた外気で凝縮器３の流通冷媒を熱交換して吸熱又は放熱し排気口１０から屋外へ排気する。このようにして還気熱を利用して凝縮器３の熱交換負荷を下げることができ、あたかも全熱交換器を用いたような効果を凝縮器３で得ることができる。このとき、増補手段２１によて凝縮器風量を増加させることにより圧縮機４の性能限界以上の熱量（冷暖房能力）を得ることができ、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。なお、熱負荷が小さくなって圧縮機容量を減少させる場合、定風量の送風機では無駄に送風電力を消費するが、本発明では送風機の風量を減らして省エネ化を図れる。また、複数の送風機を運転・停止することにより風量制御する場合と比べて安価で細かく能力調整できる。
【００１８】
なお、排気送風路Ｂと給気送風路Ａと還気送風路Ｅの配列順序の変更は自由であり、送風機１１、１２は吸込み式でなく押込み式とするも自由である。外気取入口７ａ、７ｂは給気送風路Ａと排気送風路Ｂに別々に１つずつ連通させる以外に、給気送風路Ａと排気送風路Ｂにまたがるように設けて１つとしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明では、１台の空調機で冷暖房運転と換気などの外気処理ができ、配管工事が不要となる。還気熱を利用して凝縮器を運転できるので熱交換能力が高く冷媒循環回路を小型化できて省エネを図れ、全熱交換器などの余分な外気処理用機器が不要となり、空調機全体をコンパクト化でき、設置スペースが少なくて済み、設備コスト及びランニングコストの低減を図れる。出力制御手段によって、個別空調制御が簡単容易に行え、高価なセンサが不要となり、変風量ユニットの風量変動に応じて空調機側の送風機風量と圧縮機容量を変動させて空調することができるので、省エネとなり、吹出風量のしぼりすぎによる気流の不均一や温度ムラなどを防止し得る。風量混合比制御手段によって、高価なセンサを用いずに風量混合比制御を行え、風量比算出の基となる温度は、検出が容易で場所による検出値のバラツキがないので、複数種類の空気の混合比を精度良く制御できる。増補手段によって、細かく空調機の能力調整ができ、成績係数が向上して省エネとなり、圧縮機を大型化せずとも極寒地から酷暑地まで広範囲の地域で使用できる。
請求項２の発明では、排気送風路と給気送風路と還気送風路を三列にしてケーシングを扁平状にし、その列方向他端部に屋内と連通する給気口や還気口を設けることができるので、空調機を壁などに沿って僅かな床面積で容易に設置し得る。
請求項３の発明では、高度な外気処理を行えるので病院やクリーンルームなどにも使用できる。チャンバを空気清浄機構のケーシングに兼用でき、空気清浄機構の保守や設置が容易で、空調機のコンパクト化も図れる。
請求項４の発明では、ケーシング全体を取り外すことなく冷媒循環回路のみをケーシングから取出して冷媒回収作業やメンテナンスを容易に行え、取付け収納にも手間がかからない。また、冷媒循環回路だけ交換することにより、リニューアル時のコストダウンも図れる。
請求項５の発明では、高風速で使用しても圧力損失が増加せずかつ熱交換能力も低下しないので小型の蒸発器と凝縮器を使用でき空調機を大幅にコンパクト化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す正面図である。
【図２】図１の要部断面図である。
【図３】図１の側面図である。
【図４】全体構成の簡略説明図である。
【図５】フィンチューブの断面図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 蒸発器
３ 凝縮器
４ 圧縮機
５ チャンバ
６ 空気清浄機構
７ 外気取入口
６ 空気清浄機構
１１ 送風機
１２ 送風機
１６ 給気ダクト
１８ 風量混合比制御手段
１９ 変風量ユニット
２０ 出力制御手段
２１ 増補手段
２２ フィンチューブ
Ａ 給気送風路
Ｂ 排気送風路
Ｃ 冷媒循環回路
Ｅ 還気送風路

Claims (5)

1. ケーシング１内に、冷媒循環回路Ｃを構成する蒸発器２、凝縮器３及び圧縮機４と、還気と外気の混合空気が通る前記蒸発器２を設けた給気送風路Ａと、前記還気と前記外気の混合空気が通る前記凝縮器３を設けた排気送風路Ｂと、を設け、前記還気温度と前記外気温度とこれらの混合空気温度に基いて前記給気送風路Ａのみ又はこの給気送風路Ａ及び前記排気送風路Ｂにおいて所定の風量混合比となるように制御する風量混合比制御手段１８と、前記給気送風路Ａから被空調ゾーンへ給気するための複数の給気ダクト１６と、この給気ダクト１６の給気風量を調整自在な変風量ユニット１９と、前記給気ダクト１６毎の変風量ユニットボリュームポイントと給気ダクト内径比ポイントとの積算値を全給気ダクト分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて前記給気送風路Ａの給気用送風機１１の風量制御のみ又はこの給気用送風機１１の風量制御及び前記圧縮機４の容量制御を行う出力制御手段２０と、熱負荷に応じて前記排気送風路Ｂの排気用送風機１２の風量制御を行う増補手段２１と、を備えたことを特徴とするヒートポンプ式空調機。
2. ケーシング１内に還気送風路Ｅを備え、このケーシング１に、給気送風路Ａと排気送風路Ｂに連通する外気取入口７を、形成し、前記排気送風路Ｂと前記給気送風路Ａと前記還気送風路Ｅを三列に隣接させると共にその列方向一端部において前記給気送風路Ａと前記還気送風路Ｅを連通連結させかつ前記排気送風路Ｂと前記還気送風路Ｅを連通連結させて前記ケーシング１を形成した請求項１記載のヒートポンプ式空調機。
3. 給気送風路Ａに連通する又はこの給気送風路Ａと還気送風路Ｅに連通するダクト用チャンバ５を、設け、このチャンバ５に、空気清浄機構６を収納・取出自在に内装させた請求項１又は２記載のヒートポンプ式空調機。
4. 冷媒循環回路Ｃを、ケーシング１に対して取出・収納自在に構成した請求項１、２又は３記載のヒートポンプ式空調機。
5. 蒸発器２と凝縮器３のフィンチューブ２２を楕円管で構成した請求項１、２、３又は４記載のヒートポンプ式空調機。

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