JP3874623B2 - ヒートポンプ及び除湿空調装置 - Google Patents
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Description
【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９に示す。図９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２０１、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１０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１０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０．３４ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４００．９ｋＪ／ｋｇ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２０２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０．９４ＭＰａ、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１１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１１において、符号Ｋ、Ｌ、Ｍは、図９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１１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３０％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（ＣＯＰ）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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、上記第２の熱交換手段を通過した冷媒を上記第１の熱交換手段に流す還流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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、上記第２の熱交換手段を通過した冷媒を上記第１の熱交換手段に流す還流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】
また、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００１３】
【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５を参照して説明する。図１は第１の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）ＲＡ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ＳＡが空調空間１００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。
【００１４】
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１００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、冷媒を加熱して処理空気を冷却する第１の熱交換部２１と、冷媒を冷却し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。
【００１５】
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。
【００１６】
一方、冷媒が流通する冷媒経路は、図２に示すように、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と熱交換器２とを接続する経路４２と、熱交換器２と蒸発器１とを接続する経路４３と、熱交換器２を通過した冷媒を熱交換器２を通過する前の冷媒に合流させる還流経路４４とから構成されている。還流経路４４には、冷媒を循環させるポンプ４５が設けられている。また、熱交換器２内において冷媒経路は第２の熱交換部２２と第１の熱交換部２１とをそれぞれ交互に貫通しており、第１の熱交換部２１内には、冷媒を加熱することによって第１の熱交換部２１を流れる空気Ｋを冷却する冷媒加熱セクション６１が形成され、第２の熱交換部２２内には、冷媒を冷却することによって第２の熱交換部２２を流れる空気Ｌを加熱する冷媒冷却セクション６２が形成されている。また、第２の熱交換部２２の下流側の冷媒経路４３には絞り５１が配置されている。この絞り５１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。
【００１７】
また、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）。
【００１８】
図３は、図２の除湿装置の熱交換器２内の冷媒経路を示す拡大図である。冷媒加熱セクション６１と冷媒冷却セクション６２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、熱交換器２内の冷媒経路は、図３に示すように、凝縮器５側から順番に、冷媒加熱セクション６１ａ、冷媒冷却セクション６２ａ及び６２ｂ、冷媒加熱セクション６１ｂ及び６１ｃ、冷媒冷却セクション６２ｃ及び６２ｄ、冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅ、冷媒冷却セクション６２ｅを有している。
【００１９】
ここで、蒸発器１を通過する前の空気Ｋを流す第１の熱交換部２１と、蒸発器１を通過した後の空気Ｌ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いる。これらの直方体空間内には、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。第１の熱交換部２１と第２の熱交換部２２とは、隔壁２３と隔壁２４とが隣接してそれぞれ設けられており、熱交換チューブはこの２つの隔壁２３、２４を貫通して設けられている。熱交換器２は、別の形態として１つの直方体の空間を１つの隔壁で分割して、熱交換チューブがこの隔壁を貫通して、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを交互に貫通するように構成してもよい。
【００２０】
冷媒加熱セクション６１ｂと冷媒加熱セクション６１ｃの端部、冷媒加熱セクション６１ｄと冷媒加熱セクション６１ｅの端部はそれぞれＵチューブ（ユーチューブ）６３によって接続されている。同様に、冷媒冷却セクション６２ａと冷媒冷却セクション６２ｂの端部、冷媒冷却セクション６２ｃと冷媒冷却セクション６２ｄの端部もそれぞれＵチューブ６４によって接続されている。このような構成によって、冷媒経路４２において、冷媒加熱セクション６１ａから冷媒冷却セクション６２ａに向かって流れた冷媒は、Ｕチューブ６４により冷媒冷却セクション６２ｂに導かれる。冷媒冷却セクション６２ｂに導かれた冷媒は、更に冷媒加熱セクション６１ｂに流入し、Ｕチューブ６３により冷媒加熱セクション６１ｃに導入され、更に冷媒冷却セクション６２ｃに流入する。このように熱交換器２内の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、温度の高い空気と温度の低い空気に交互に接触するようになっている。
【００２１】
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。
【００２２】
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を出た冷媒液は、還流経路４４を介して供給される冷媒液と合流して第１の熱交換部２１の冷媒加熱セクション６１ａに至り、ここで冷媒液は冷媒加熱セクション６１ａのチューブの内壁を濡らすように流れる。この冷媒加熱セクション６１ａには液相の冷媒が流入する。冷媒液が冷媒加熱セクション６１ａを流れる間に、蒸発器１に流入する前の処理空気が冷却（予冷）され、冷媒液自身は加熱される。
【００２３】
熱交換器２内の冷媒経路は一連のチューブにより構成されているので、上記冷媒加熱セクション６１ａにおいて加熱された冷媒液は冷媒冷却セクション６２ａに流入する。冷媒冷却セクション６２ａでは、蒸発器１で冷却除湿され、冷媒加熱セクション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ながら、次の冷媒冷却セクション６２ｂに流入する。冷媒は、冷媒冷却セクション６２ｂを流れる間に、低温の処理空気で更に熱を奪われて冷却される。
【００２４】
次に、冷媒液は、次の冷媒加熱セクション６１ｂ及びこれに続く冷媒加熱セクション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。更に冷媒冷却セクション６２ｃ及び冷媒冷却セクション６２ｄに冷媒液が流入して処理空気が加熱（再熱）される。このように、冷媒は液相の状態で熱交換器内の冷媒経路を流れ、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。
【００２５】
最後の冷媒冷却セクション６２ｅにおいて冷却された冷媒液は、ポンプ４５によって還流経路４４に導かれる流れと、第２の熱交換部２２の下流側に配置された絞り５１に向かう流れとに分かれる。ポンプ４５によって還流経路４４に導かれた冷媒液は、上述したように、第１の熱交換部２１に流入する前の冷媒液と合流し、再び冷媒加熱セクション６１及び冷媒冷却セクション６２において加熱と冷却が行われる。一方、絞り５１に至った冷媒液は、この絞り５１で減圧され膨張して温度が下がる。そして、冷媒は蒸発器１に至り、この蒸発器１において蒸発する。この冷媒の蒸発熱で第１の熱交換部２１を通った処理空気Ｘが冷却される。蒸発器１で蒸発してガス化した冷媒は、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。
【００２６】
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４は図２の除湿空調装置に含まれるヒートポンプＨＰ１の冷媒モリエ線図である。なお、図４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。ＨＦＣ１３４ａ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。
【００２７】
図４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０．３５０ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４０１．５ｋＪ／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０．９６３ＭＰａであり、過熱ガスの状態にある。
【００２８】
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０．９６３ＭＰａ、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２５３．４ｋＪ／ｋｇである。
【００２９】
この冷媒液は、還流経路４４を介して供給される冷媒液と合流した後、第１の熱交換部２１の冷媒加熱セクション６１ａに流入する。このときの状態は点ｅで示されており、過冷却液の状態となっている。そして、冷媒加熱セクション６１ａ内で、凝縮器５における冷媒の凝縮温度と蒸発器１における冷媒の蒸発温度との中間の温度で冷媒液が加熱される。
【００３０】
そして、この冷媒液は、冷媒冷却セクション６２ａ及び６２ｂに流入し、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冷却されて点ｆ１で示される状態となる。このときの冷媒液の温度は１８℃、エンタルピは２２４．７ｋＪ／ｋｇである。なお、図４における点ｆ１、点ｆ２、点ｆ３、点ｇ１、点ｇ２は、便宜上、縦軸方向にずらして図示されているが、実際には点ｅ及び点ｄとほぼ同一の圧力を有する点である。
【００３１】
点ｆ１の状態の冷媒は、冷媒加熱セクション６１ｂ及び６１ｃにおいて加熱されて点ｇ１の状態に至る。そして、点ｇ１の状態の冷媒は、冷媒冷却セクション６２ｃ及び６２ｄに流入し、ここで冷却されて点ｆ２の状態に至り、更に、冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅに流入する。冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅにおいて冷媒は加熱されて点ｇ２の状態に至る。その後、冷媒は、更に冷媒冷却セクション６２ｅに流入して、ここで冷却されて点ｆ３の状態に至る。このときの冷媒液の温度は１８℃、エンタルピは２２４．７ｋＪ／ｋｇである。
【００３２】
点ｆ３の状態の冷媒液の一部は、上述したように還流経路４４を通って第１の熱交換部２１を通過する前の冷媒液に合流されるが、残りの冷媒液は、絞り５１で、温度１８℃の飽和圧力である０．３５０ＭＰａ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。
【００３３】
このように、熱交換器２内において、冷媒は、冷媒加熱セクション６１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加熱の顕熱変化を、冷媒冷却セクション６２では点ｅから点ｆ１、点ｇ１から点ｆ２、あるいは点ｇ２から点ｆ３までといったように冷却の顕熱変化をしているため、熱伝達率が非常に高く、また熱交換効率が高い。
【００３４】
ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り５１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４０１．５−２５３．４＝１４８．１ｋＪ／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、４０１．５−２２４．７＝１７６．８ｋＪ／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１６％（＝１−１４８．１／１７６．８）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。
【００３５】
このように、本実施形態における除湿空調装置によれば、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器１で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００３６】
図５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５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、冷媒加熱セクション６１内で加熱され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、冷媒加熱セクション６１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。
【００３７】
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５１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５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。
【００３８】
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、冷媒冷却セクション６２内で冷却される冷媒により、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。
【００３９】
ここで、図５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。
【００４０】
上述したように、熱交換器２では、冷媒加熱セクション６１での冷媒により処理空気を予冷し、冷媒冷却セクション６２での冷媒により処理空気を再熱する。そして冷媒加熱セクション６１で加熱された冷媒は、冷媒冷却セクション６２で冷却される。このように同じ冷媒の加熱と冷却作用により、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。
【００４１】
上述の実施形態においては凝縮器を用いて冷却空気としての外気ＯＡを加熱することとしたが、第２の熱交換部において加熱された空気を凝縮器を用いて更に加熱（レヒート）することとしてもよい。図６には、上述の実施形態の除湿空調装置において、第２の熱交換部２２で加熱された空気を凝縮器５で加熱（レヒート）して、これを空調空間１００に供給する場合の構成例を示す。なお、図６の例では、蒸発器１と熱交換器２との間に送風機３が設置されているが、この位置に限られるものではない。
【００４２】
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７及び図８を参照して説明する。図７は、第２の実施形態における除湿装置内のフローを模式的に示す図、図８は図７の除湿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。
【００４３】
本実施形態においては、冷媒加熱用の第１の熱交換器１２１と冷媒冷却用の第２の熱交換器１２２とが設けられている。処理空気経路は、図７に示すように、空調空間１００と第１の熱交換器１２１とを接続する経路１３０と、第１の熱交換器１２１と蒸発器１とを接続する経路１３１と、蒸発器１と送風機１０３とを接続する経路１３２と、送風機１０３と第２の熱交換器１２２とを接続する経路１３３と、第２の熱交換器１２２と凝縮器５とを接続する経路１３４と、凝縮器５と空調空間１００とを接続する経路１３５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、第１の熱交換器１２１と蒸発器１と第２の熱交換器１２２とが順番に接続されている。
【００４４】
一方、冷媒が流通する冷媒経路は、図７に示すように、蒸発器１と昇圧機４とを接続する経路１４０と、昇圧機４と凝縮器５とを接続する経路１４１と、凝縮器５と第２の熱交換器１２２とを接続する経路１４２と、第２の熱交換器１２２と蒸発器１とを接続する経路１４３と、第２の熱交換器１２２を通過した冷媒を第１の熱交換器２に流入させた後、これを第２の熱交換器１２２を通過する前の冷媒に合流させる還流経路１４４とから構成されている。冷媒経路は第１の熱交換器１２１及び第２の熱交換器１２２の内部をそれぞれ蛇行しており、第１の熱交換器１２１では、冷媒を加熱することによって第１の熱交換器１２１を流れる空気を冷却し、第２の熱交換器１２２では、冷媒を冷却することによって第２の熱交換器１２２を流れる空気を加熱する。
【００４５】
次に、各機器間の冷媒の流れについて図７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１４１を経由して凝縮器５に導かれ、第２の熱交換器１２２で加熱された空気を加熱（レヒート）して冷媒自身は凝縮する。凝縮器５を出た冷媒液は、還流経路１４４を介して供給される冷媒液と合流して液相の冷媒として第２の熱交換器１２２に至り、ここで蒸発器１で冷却除湿された処理空気が加熱（再熱）され、冷媒自身は熱を奪われ冷却される。
【００４６】
第２の熱交換器１２２において冷却された冷媒液は、ポンプ４５によって還流経路１４４に導かれる流れと、第２の熱交換部１２２の下流側に配置された絞り５１に向かう流れとに分かれる。ポンプ４５によって還流経路１４４に導かれた冷媒液は、第１の熱交換器１２１に至り、ここで蒸発器１に流入する前の処理空気が冷却（予冷）され、冷媒液自身は加熱される。第１の熱交換器１２１において加熱された冷媒液は、上述したように、第２の熱交換器１２２に流入する前の冷媒液と合流し、再び第２の熱交換器１２２において冷却される。一方、絞り５１に至った冷媒液は、この絞り５１で減圧され膨張して温度が下がる。そして、冷媒は蒸発器１に至り、この蒸発器１において蒸発する。この冷媒の蒸発熱で第１の熱交換器１２１を通った空気が冷却される。蒸発器１で蒸発してガス化した冷媒は、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。
【００４７】
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ＨＰ２の作用について図８を参照して説明する。
図８において点ａから点ｄまでは、図４に示される第１の実施形態の場合と同様であるので説明を省略する。点ｄの状態の冷媒液は、還流経路１４４を介して供給される冷媒液と合流した後、第２の熱交換器１２２に流入する。このときの状態は点ｅで示されており、過冷却液の状態となっている。そして、第２の熱交換器１２２内で、凝縮器５における冷媒の凝縮温度と蒸発器１における冷媒の蒸発温度との中間の温度で冷媒液が冷却され、点ｆ１で示される状態となる。ここでも冷媒は過冷却液の状態となっており、このときの冷媒液の温度は１４℃、エンタルピは２１９．１ｋＪ／ｋｇである。
【００４８】
そして、点ｆ１で示される状態の冷媒液のうち、還流経路１４４を通る冷媒液はポンプ４５によって昇圧されて点ｆ２で示される状態となる。そして、この冷媒液は第１の熱交換器１２１に流入し、この第１の熱交換器１２１内で加熱されて点ｇで示される状態となる。このときの冷媒液の温度は１７℃である。そして、点ｇで示される状態の冷媒液は、第２の熱交換器１２２に流入する前の冷媒と合流して点ｅで示される状態となる。一方、点ｆ１で示される状態の冷媒液の残りは、絞り５１で、温度１４℃の飽和圧力である０．３５０ＭＰａ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。なお、図８においては、点ｅ−点ｆ１間を結ぶ線と点ｄ−点ｇ間を結ぶ線とはずらして図示されているが、実際にはこれらの線は重なっている。
【００４９】
ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り５１及び蒸発器１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１２１、１２２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４０１．５−２５３．４＝１４８．１ｋＪ／ｋｇしかない。しかし、本発明に係る熱交換器１２１、１２２を設けた場合には、４０１．５−２１９．１＝１８２．４ｋＪ／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１９％（＝１−１４８．１／１８２．４）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。
【００５０】
このように、本実施形態における除湿空調装置によれば、冷媒液の顕熱変化を更に大きくすることができるので、蒸発器１で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００５１】
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、各冷媒経路の第１の熱交換部における冷媒加熱セクションの数、第２の熱交換部における冷媒冷却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、上述の実施形態においては空調空間を空調する除湿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。
【００５２】
【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、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。
【００５３】
また、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る除湿空調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冷媒経路を示す拡大図である。
【図４】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５】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】本発明の他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７】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８】図７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９】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１０】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１１】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 蒸発器
２ 熱交換器
３、６、１０３ 送風機
４ 昇圧機
５ 凝縮器
７ ドレンパン
１０ 室内機
２０ 室外機
２１ 第１の熱交換部
２２ 第２の熱交換部
４５ ポンプ
５０、５１ 絞り
３０〜３４、４０〜４３、４６〜４８、１３０〜１３５、１４０〜１４４ 経路
６１ 冷媒加熱セクション
６２ 冷媒冷却セクション
１００ 空調空間
１２１、１２２ 熱交換器
【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９に示す。図９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２０１、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１０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１０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０．３４ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４００．９ｋＪ／ｋｇ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２０２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０．９４ＭＰａ、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１１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１１において、符号Ｋ、Ｌ、Ｍは、図９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１１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３０％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（ＣＯＰ）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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、上記第２の熱交換手段を通過した冷媒を上記第１の熱交換手段に流す還流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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、上記凝縮器の凝縮温度と上記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、上記第２の熱交換手段を通過した冷媒を上記第１の熱交換手段に流す還流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】
また、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００１３】
【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５を参照して説明する。図１は第１の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）ＲＡ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ＳＡが空調空間１００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。
【００１４】
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１００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、冷媒を加熱して処理空気を冷却する第１の熱交換部２１と、冷媒を冷却し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。
【００１５】
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。
【００１６】
一方、冷媒が流通する冷媒経路は、図２に示すように、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と熱交換器２とを接続する経路４２と、熱交換器２と蒸発器１とを接続する経路４３と、熱交換器２を通過した冷媒を熱交換器２を通過する前の冷媒に合流させる還流経路４４とから構成されている。還流経路４４には、冷媒を循環させるポンプ４５が設けられている。また、熱交換器２内において冷媒経路は第２の熱交換部２２と第１の熱交換部２１とをそれぞれ交互に貫通しており、第１の熱交換部２１内には、冷媒を加熱することによって第１の熱交換部２１を流れる空気Ｋを冷却する冷媒加熱セクション６１が形成され、第２の熱交換部２２内には、冷媒を冷却することによって第２の熱交換部２２を流れる空気Ｌを加熱する冷媒冷却セクション６２が形成されている。また、第２の熱交換部２２の下流側の冷媒経路４３には絞り５１が配置されている。この絞り５１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。
【００１７】
また、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）。
【００１８】
図３は、図２の除湿装置の熱交換器２内の冷媒経路を示す拡大図である。冷媒加熱セクション６１と冷媒冷却セクション６２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、熱交換器２内の冷媒経路は、図３に示すように、凝縮器５側から順番に、冷媒加熱セクション６１ａ、冷媒冷却セクション６２ａ及び６２ｂ、冷媒加熱セクション６１ｂ及び６１ｃ、冷媒冷却セクション６２ｃ及び６２ｄ、冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅ、冷媒冷却セクション６２ｅを有している。
【００１９】
ここで、蒸発器１を通過する前の空気Ｋを流す第１の熱交換部２１と、蒸発器１を通過した後の空気Ｌ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いる。これらの直方体空間内には、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。第１の熱交換部２１と第２の熱交換部２２とは、隔壁２３と隔壁２４とが隣接してそれぞれ設けられており、熱交換チューブはこの２つの隔壁２３、２４を貫通して設けられている。熱交換器２は、別の形態として１つの直方体の空間を１つの隔壁で分割して、熱交換チューブがこの隔壁を貫通して、第１の熱交換部と第２の熱交換部とを交互に貫通するように構成してもよい。
【００２０】
冷媒加熱セクション６１ｂと冷媒加熱セクション６１ｃの端部、冷媒加熱セクション６１ｄと冷媒加熱セクション６１ｅの端部はそれぞれＵチューブ（ユーチューブ）６３によって接続されている。同様に、冷媒冷却セクション６２ａと冷媒冷却セクション６２ｂの端部、冷媒冷却セクション６２ｃと冷媒冷却セクション６２ｄの端部もそれぞれＵチューブ６４によって接続されている。このような構成によって、冷媒経路４２において、冷媒加熱セクション６１ａから冷媒冷却セクション６２ａに向かって流れた冷媒は、Ｕチューブ６４により冷媒冷却セクション６２ｂに導かれる。冷媒冷却セクション６２ｂに導かれた冷媒は、更に冷媒加熱セクション６１ｂに流入し、Ｕチューブ６３により冷媒加熱セクション６１ｃに導入され、更に冷媒冷却セクション６２ｃに流入する。このように熱交換器２内の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、温度の高い空気と温度の低い空気に交互に接触するようになっている。
【００２１】
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。
【００２２】
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を出た冷媒液は、還流経路４４を介して供給される冷媒液と合流して第１の熱交換部２１の冷媒加熱セクション６１ａに至り、ここで冷媒液は冷媒加熱セクション６１ａのチューブの内壁を濡らすように流れる。この冷媒加熱セクション６１ａには液相の冷媒が流入する。冷媒液が冷媒加熱セクション６１ａを流れる間に、蒸発器１に流入する前の処理空気が冷却（予冷）され、冷媒液自身は加熱される。
【００２３】
熱交換器２内の冷媒経路は一連のチューブにより構成されているので、上記冷媒加熱セクション６１ａにおいて加熱された冷媒液は冷媒冷却セクション６２ａに流入する。冷媒冷却セクション６２ａでは、蒸発器１で冷却除湿され、冷媒加熱セクション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ながら、次の冷媒冷却セクション６２ｂに流入する。冷媒は、冷媒冷却セクション６２ｂを流れる間に、低温の処理空気で更に熱を奪われて冷却される。
【００２４】
次に、冷媒液は、次の冷媒加熱セクション６１ｂ及びこれに続く冷媒加熱セクション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。更に冷媒冷却セクション６２ｃ及び冷媒冷却セクション６２ｄに冷媒液が流入して処理空気が加熱（再熱）される。このように、冷媒は液相の状態で熱交換器内の冷媒経路を流れ、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。
【００２５】
最後の冷媒冷却セクション６２ｅにおいて冷却された冷媒液は、ポンプ４５によって還流経路４４に導かれる流れと、第２の熱交換部２２の下流側に配置された絞り５１に向かう流れとに分かれる。ポンプ４５によって還流経路４４に導かれた冷媒液は、上述したように、第１の熱交換部２１に流入する前の冷媒液と合流し、再び冷媒加熱セクション６１及び冷媒冷却セクション６２において加熱と冷却が行われる。一方、絞り５１に至った冷媒液は、この絞り５１で減圧され膨張して温度が下がる。そして、冷媒は蒸発器１に至り、この蒸発器１において蒸発する。この冷媒の蒸発熱で第１の熱交換部２１を通った処理空気Ｘが冷却される。蒸発器１で蒸発してガス化した冷媒は、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。
【００２６】
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４は図２の除湿空調装置に含まれるヒートポンプＨＰ１の冷媒モリエ線図である。なお、図４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。ＨＦＣ１３４ａ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。
【００２７】
図４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０．３５０ＭＰａ、温度は５℃、エンタルピは４０１．５ｋＪ／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０．９６３ＭＰａであり、過熱ガスの状態にある。
【００２８】
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０．９６３ＭＰａ、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２５３．４ｋＪ／ｋｇである。
【００２９】
この冷媒液は、還流経路４４を介して供給される冷媒液と合流した後、第１の熱交換部２１の冷媒加熱セクション６１ａに流入する。このときの状態は点ｅで示されており、過冷却液の状態となっている。そして、冷媒加熱セクション６１ａ内で、凝縮器５における冷媒の凝縮温度と蒸発器１における冷媒の蒸発温度との中間の温度で冷媒液が加熱される。
【００３０】
そして、この冷媒液は、冷媒冷却セクション６２ａ及び６２ｂに流入し、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冷却されて点ｆ１で示される状態となる。このときの冷媒液の温度は１８℃、エンタルピは２２４．７ｋＪ／ｋｇである。なお、図４における点ｆ１、点ｆ２、点ｆ３、点ｇ１、点ｇ２は、便宜上、縦軸方向にずらして図示されているが、実際には点ｅ及び点ｄとほぼ同一の圧力を有する点である。
【００３１】
点ｆ１の状態の冷媒は、冷媒加熱セクション６１ｂ及び６１ｃにおいて加熱されて点ｇ１の状態に至る。そして、点ｇ１の状態の冷媒は、冷媒冷却セクション６２ｃ及び６２ｄに流入し、ここで冷却されて点ｆ２の状態に至り、更に、冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅに流入する。冷媒加熱セクション６１ｄ及び６１ｅにおいて冷媒は加熱されて点ｇ２の状態に至る。その後、冷媒は、更に冷媒冷却セクション６２ｅに流入して、ここで冷却されて点ｆ３の状態に至る。このときの冷媒液の温度は１８℃、エンタルピは２２４．７ｋＪ／ｋｇである。
【００３２】
点ｆ３の状態の冷媒液の一部は、上述したように還流経路４４を通って第１の熱交換部２１を通過する前の冷媒液に合流されるが、残りの冷媒液は、絞り５１で、温度１８℃の飽和圧力である０．３５０ＭＰａ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。
【００３３】
このように、熱交換器２内において、冷媒は、冷媒加熱セクション６１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加熱の顕熱変化を、冷媒冷却セクション６２では点ｅから点ｆ１、点ｇ１から点ｆ２、あるいは点ｇ２から点ｆ３までといったように冷却の顕熱変化をしているため、熱伝達率が非常に高く、また熱交換効率が高い。
【００３４】
ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り５１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４０１．５−２５３．４＝１４８．１ｋＪ／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、４０１．５−２２４．７＝１７６．８ｋＪ／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１６％（＝１−１４８．１／１７６．８）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。
【００３５】
このように、本実施形態における除湿空調装置によれば、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器１で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００３６】
図５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５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、冷媒加熱セクション６１内で加熱され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、冷媒加熱セクション６１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。
【００３７】
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５１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５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。
【００３８】
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、冷媒冷却セクション６２内で冷却される冷媒により、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。
【００３９】
ここで、図５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。
【００４０】
上述したように、熱交換器２では、冷媒加熱セクション６１での冷媒により処理空気を予冷し、冷媒冷却セクション６２での冷媒により処理空気を再熱する。そして冷媒加熱セクション６１で加熱された冷媒は、冷媒冷却セクション６２で冷却される。このように同じ冷媒の加熱と冷却作用により、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。
【００４１】
上述の実施形態においては凝縮器を用いて冷却空気としての外気ＯＡを加熱することとしたが、第２の熱交換部において加熱された空気を凝縮器を用いて更に加熱（レヒート）することとしてもよい。図６には、上述の実施形態の除湿空調装置において、第２の熱交換部２２で加熱された空気を凝縮器５で加熱（レヒート）して、これを空調空間１００に供給する場合の構成例を示す。なお、図６の例では、蒸発器１と熱交換器２との間に送風機３が設置されているが、この位置に限られるものではない。
【００４２】
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７及び図８を参照して説明する。図７は、第２の実施形態における除湿装置内のフローを模式的に示す図、図８は図７の除湿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。
【００４３】
本実施形態においては、冷媒加熱用の第１の熱交換器１２１と冷媒冷却用の第２の熱交換器１２２とが設けられている。処理空気経路は、図７に示すように、空調空間１００と第１の熱交換器１２１とを接続する経路１３０と、第１の熱交換器１２１と蒸発器１とを接続する経路１３１と、蒸発器１と送風機１０３とを接続する経路１３２と、送風機１０３と第２の熱交換器１２２とを接続する経路１３３と、第２の熱交換器１２２と凝縮器５とを接続する経路１３４と、凝縮器５と空調空間１００とを接続する経路１３５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、第１の熱交換器１２１と蒸発器１と第２の熱交換器１２２とが順番に接続されている。
【００４４】
一方、冷媒が流通する冷媒経路は、図７に示すように、蒸発器１と昇圧機４とを接続する経路１４０と、昇圧機４と凝縮器５とを接続する経路１４１と、凝縮器５と第２の熱交換器１２２とを接続する経路１４２と、第２の熱交換器１２２と蒸発器１とを接続する経路１４３と、第２の熱交換器１２２を通過した冷媒を第１の熱交換器２に流入させた後、これを第２の熱交換器１２２を通過する前の冷媒に合流させる還流経路１４４とから構成されている。冷媒経路は第１の熱交換器１２１及び第２の熱交換器１２２の内部をそれぞれ蛇行しており、第１の熱交換器１２１では、冷媒を加熱することによって第１の熱交換器１２１を流れる空気を冷却し、第２の熱交換器１２２では、冷媒を冷却することによって第２の熱交換器１２２を流れる空気を加熱する。
【００４５】
次に、各機器間の冷媒の流れについて図７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１４１を経由して凝縮器５に導かれ、第２の熱交換器１２２で加熱された空気を加熱（レヒート）して冷媒自身は凝縮する。凝縮器５を出た冷媒液は、還流経路１４４を介して供給される冷媒液と合流して液相の冷媒として第２の熱交換器１２２に至り、ここで蒸発器１で冷却除湿された処理空気が加熱（再熱）され、冷媒自身は熱を奪われ冷却される。
【００４６】
第２の熱交換器１２２において冷却された冷媒液は、ポンプ４５によって還流経路１４４に導かれる流れと、第２の熱交換部１２２の下流側に配置された絞り５１に向かう流れとに分かれる。ポンプ４５によって還流経路１４４に導かれた冷媒液は、第１の熱交換器１２１に至り、ここで蒸発器１に流入する前の処理空気が冷却（予冷）され、冷媒液自身は加熱される。第１の熱交換器１２１において加熱された冷媒液は、上述したように、第２の熱交換器１２２に流入する前の冷媒液と合流し、再び第２の熱交換器１２２において冷却される。一方、絞り５１に至った冷媒液は、この絞り５１で減圧され膨張して温度が下がる。そして、冷媒は蒸発器１に至り、この蒸発器１において蒸発する。この冷媒の蒸発熱で第１の熱交換器１２１を通った空気が冷却される。蒸発器１で蒸発してガス化した冷媒は、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。
【００４７】
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ＨＰ２の作用について図８を参照して説明する。
図８において点ａから点ｄまでは、図４に示される第１の実施形態の場合と同様であるので説明を省略する。点ｄの状態の冷媒液は、還流経路１４４を介して供給される冷媒液と合流した後、第２の熱交換器１２２に流入する。このときの状態は点ｅで示されており、過冷却液の状態となっている。そして、第２の熱交換器１２２内で、凝縮器５における冷媒の凝縮温度と蒸発器１における冷媒の蒸発温度との中間の温度で冷媒液が冷却され、点ｆ１で示される状態となる。ここでも冷媒は過冷却液の状態となっており、このときの冷媒液の温度は１４℃、エンタルピは２１９．１ｋＪ／ｋｇである。
【００４８】
そして、点ｆ１で示される状態の冷媒液のうち、還流経路１４４を通る冷媒液はポンプ４５によって昇圧されて点ｆ２で示される状態となる。そして、この冷媒液は第１の熱交換器１２１に流入し、この第１の熱交換器１２１内で加熱されて点ｇで示される状態となる。このときの冷媒液の温度は１７℃である。そして、点ｇで示される状態の冷媒液は、第２の熱交換器１２２に流入する前の冷媒と合流して点ｅで示される状態となる。一方、点ｆ１で示される状態の冷媒液の残りは、絞り５１で、温度１４℃の飽和圧力である０．３５０ＭＰａ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。なお、図８においては、点ｅ−点ｆ１間を結ぶ線と点ｄ−点ｇ間を結ぶ線とはずらして図示されているが、実際にはこれらの線は重なっている。
【００４９】
ここで、昇圧機４、凝縮器５、絞り５１及び蒸発器１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１２１、１２２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４０１．５−２５３．４＝１４８．１ｋＪ／ｋｇしかない。しかし、本発明に係る熱交換器１２１、１２２を設けた場合には、４０１．５−２１９．１＝１８２．４ｋＪ／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１９％（＝１−１４８．１／１８２．４）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。
【００５０】
このように、本実施形態における除湿空調装置によれば、冷媒液の顕熱変化を更に大きくすることができるので、蒸発器１で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【００５１】
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、各冷媒経路の第１の熱交換部における冷媒加熱セクションの数、第２の熱交換部における冷媒冷却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、上述の実施形態においては空調空間を空調する除湿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。
【００５２】
【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、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。
【００５３】
また、冷媒を顕熱変化させて熱交換を行うことができるので、蒸発器で利用できるエンタルピ差を大きくすることができ、冷凍効果を向上し、ひいては除湿能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る除湿空調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冷媒経路を示す拡大図である。
【図４】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５】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】本発明の他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７】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８】図７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９】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１０】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１１】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 蒸発器
２ 熱交換器
３、６、１０３ 送風機
４ 昇圧機
５ 凝縮器
７ ドレンパン
１０ 室内機
２０ 室外機
２１ 第１の熱交換部
２２ 第２の熱交換部
４５ ポンプ
５０、５１ 絞り
３０〜３４、４０〜４３、４６〜４８、１３０〜１３５、１４０〜１４４ 経路
６１ 冷媒加熱セクション
６２ 冷媒冷却セクション
１００ 空調空間
１２１、１２２ 熱交換器
Claims (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の冷媒経路中に設けられ、前記凝縮器の凝縮温度と前記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、前記凝縮器の凝縮温度と前記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、
前記第２の熱交換手段を通過した冷媒を前記第１の熱交換手段に流す還流経路とを備えたことを特徴とするヒートポンプ。 - 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の冷媒経路中に設けられ、前記凝縮器の凝縮温度と前記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を加熱し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の冷媒経路中に設けられ、前記凝縮器の凝縮温度と前記蒸発器の蒸発温度との中間の温度で冷媒を冷却し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、
前記第２の熱交換手段を通過した冷媒を前記第１の熱交換手段に流す還流経路とを備えたことを特徴とする除湿空調装置。
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