特許 7094482 空気調和装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-24

(45)【発行日】2022-07-04

(54)【発明の名称】空気調和装置

(51)【国際特許分類】

   F24F 11/41 20180101AFI20220627BHJP

   F25B 47/02 20060101ALI20220627BHJP

【ＦＩ】

F24F11/41 230

F25B47/02 570Z

F24F11/41 240

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020173175

(22)【出願日】2020-10-14

(65)【公開番号】P2022064500

(43)【公開日】2022-04-26

【審査請求日】2020-10-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000244958

【氏名又は名称】木村工機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】木村 恵一

(72)【発明者】

【氏名】石田 貴之

(72)【発明者】

【氏名】後藤 和也

【審査官】佐々木 訓

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０９９０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３２７６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０１９４３４７１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｆ １１／００ － １１／８９

Ｆ２５Ｂ ４７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空調用空気を冷媒で熱交換する空気熱源圧縮式のヒートポンプ（１）と、前記空調用空気を加熱するヒーター（２）と、前記空調用空気の給気温度を目標給気温度に調整する制御装置（６）と、を備え、
前記制御装置（６）は、前記ヒートポンプ（１）の除霜運転の要否を監視して除霜開始信号と除霜終了信号を出す除霜監視部（１９）と、前記除霜開始信号を受けて前記ヒートポンプ（１）の加熱能力をゼロになるまで下げつつこれに伴う前記給気温度の下降分を相殺させるように前記ヒーター（２）の加熱能力を上げた後に除霜運転を開始すると共に前記除霜終了信号を受けて前記除霜運転を終了した後に前記ヒートポンプ（１）の加熱能力をゼロから上げつつこれに伴う前記給気温度の上昇分を相殺させるように前記ヒーター（２）の加熱能力を下げて前記給気温度と前記目標給気温度との差を抑制する除霜時温度抑制部（２０）と、前記ヒートポンプ（１）の最小限界出力で加熱したときの前記空調用空気の予測給気温度が前記目標給気温度を上回るか否かを判断して上回る場合は前記ヒートポンプ（１）で加熱せずに前記ヒーター（２）で前記空調用空気を前記目標給気温度まで加熱する加熱補償部（２２）と、を備えたことを特徴とする空気調和装置。

【請求項2】

前記除霜時温度抑制部（２０）は、前記ヒートポンプ（１）の空気加熱温度と目標給気温度との差の絶対値（Ｋ）が変動する毎に前記絶対値（Ｋ）を前記ヒーター（２）の目標空気加熱温度（Ｔ）に設定し直してヒーター（２）の加熱能力を増減させるヒーター制御部（２１）を、備えた請求項１に記載の空気調和装置。

【請求項3】

前記ヒートポンプ（１）は冷凍サイクル（８）を複数備え、前記冷凍サイクル（８）は、前記空調用空気に前記冷媒の熱を授受させる給気用熱交換器（１０）と、前記冷媒に熱源用空気の熱を授受させる熱源用熱交換器（１１）と、を備え、前記熱源用熱交換器（１１）を複数の前記冷凍サイクル（８）にて共用した請求項１又は２に記載の空気調和装置。

【請求項4】

前記給気用熱交換器（１０）と前記熱源用熱交換器（１１）は、楕円管で構成した伝熱管群（１４）を備えた請求項１から３のいずれかに記載の空気調和装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は空気調和装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

恒温恒湿空調用の空気調和装置として、熱源用空気と空調用空気を冷媒を介して熱交換するヒートポンプと、ヒートポンプで熱交換した空調用空気を加熱する電気ヒーターと、空調用空気を加湿する蒸気加湿器と、これらの機器にて目標温湿度に調整した空調用空気を被空調空間に給気する送風機と、を備えたものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－２３８５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような空冷ヒートポンプでは、熱源空気が低温になるとヒートポンプの熱源用熱交換器に霜付きが発生するため、除霜運転が不可欠となる。除霜運転を行うとヒートポンプの給気用熱交換器で空調用空気を加熱できなくなるため、除霜運転の前後でヒートポンプ加熱と電気ヒーター加熱を切換えているが、両者の立上がりと立下りにズレが生じやすくなる。そのため、給気温度がバラツキを起こして目標給気温度の許容範囲を超える問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は上記課題を解決するため、空調用空気を冷媒で熱交換する空気熱源圧縮式のヒートポンプと、前記空調用空気を加熱するヒーターと、前記空調用空気の給気温度を目標給気温度に調整する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ヒートポンプの除霜運転の要否を監視して除霜開始信号と除霜終了信号を出す除霜監視部と、前記除霜開始信号を受けて前記ヒートポンプの加熱能力をゼロになるまで下げつつこれに伴う前記給気温度の下降分を相殺させるように前記ヒーターの加熱能力を上げた後に除霜運転を開始すると共に前記除霜終了信号を受けて前記除霜運転を終了した後に前記ヒートポンプの加熱能力をゼロから上げつつこれに伴う前記給気温度の上昇分を相殺させるように前記ヒーターの加熱能力を下げて前記給気温度と前記目標給気温度との差を抑制する除霜時温度抑制部と、を備えたことを最も主要な特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

請求項１の発明によれば、除霜時温度抑制部によって目標給気温度の許容範囲を超えるバラツキを抑制でき、ヒートポンプを用いて常時安定した恒温恒湿空調を行える。恒温恒湿空調のみならず、除霜運転が不可欠となる一般的な室内空調など広範囲に利用できる。空気熱源圧縮式のヒートポンプを用いた空気調和装置なので、冷温水式と比べて設備及び施工の簡略化を図れてコストダウンできる。ヒートポンプと比べてエネルギー効率の低いヒーターの使用を最小限に抑えながら、ヒートポンプの加熱による給気温度のオーバーシュートを防止でき、省エネで高精度な恒温恒湿空調を行える。

【0007】

請求項２の発明によれば、ヒートポンプの出力変化に伴う空調用空気の給気温度変化を、最小限界出力がなく制御性が良いヒーターの加熱で補填するので追従性が良く、オーバーシュートやハンチングのない高精度な恒温恒湿空調を行える。
請求項３の発明によれば、熱源用熱交換器を複数の冷凍サイクルで共用しているので部品点数の削減とコンパクト化を図れる。複数の冷凍サイクルを、正サイクル（給気冷却）と逆サイクル（給気加熱）を混在させて運転する場合、共用する熱源用熱交換器の内部で高温冷媒と低温冷媒が熱交換して熱エネルギーが相殺されるので省エネとなる。
請求項４の発明によれば、給気用熱交換器と熱源用熱交換器の伝熱管群の死水領域が減少し、伝熱管群の通風抵抗が小さくて省エネとなり、空調用空気及び熱源用空気との接触面積（貫流熱量)が増して熱交換効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の空気調和装置の構成を示す簡略説明図である。

【図2】熱交換器の簡略説明図である。

【図3】除霜運転時の空気調和装置の制御例を示す説明図である。

【図4】空気調和装置の運転パターン例を示す空気線図である。

【図5】空気調和装置の加熱制御例を示す空気線図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0010】

図１は本発明の空気調和装置の一実施例で、この空気調和装置は、空気熱源圧縮式のヒートポンプ１と、ヒーター２と、加湿器３と、給気用送風機４と、熱源用送風機５と、制御装置６と、ケーシング７と、を備えている。ヒートポンプ１、ヒーター２、加湿器３、給気用送風機４及び熱源用送風機５は、ケーシング７に内装する。制御装置６をケーシング７に内装できない場合は外付けにしてもよい。図の太い点線の矢印は空調用空気と熱源用空気の気流方向を示しており、前記空気調和装置から、空調用空気を被空調空間Ｓに給気し、熱源用空気を屋外等に排気する。

【0011】

ヒートポンプ１は冷凍サイクル８を２つ備え、空調用空気を冷媒で熱交換して冷却又は加熱する。冷凍サイクル８は、冷媒を圧縮して搬送する圧縮機９、空調用空気に冷媒の熱を授受させる給気用熱交換器１０、冷媒に熱源用空気の熱を授受させる熱源用熱交換器１１、膨張弁１２、四方弁１３、その他の機器で構成された冷媒循環回路で、冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱（空気冷却）を、冷媒凝縮工程で放熱（空気加熱）を、各々行う。２つの冷凍サイクル８は、各々が独自に空気冷却と空気加熱を四方弁１３にて切換できるように構成する。

【0012】

図１と図２に示すように、給気用熱交換器１０と熱源用熱交換器１１は、伝熱管群１４にフィン群１５を接続して成る。伝熱管群１４の内部に冷媒が流通し、伝熱管群１４の外面及びフィン群１５を空調用空気と熱源用空気が通過する。伝熱管群１４は楕円管で構成するのが望ましいが円形管としてもよい。給気用熱交換器１０は、外気又は還気を空調用空気として冷媒で熱交換したり、外気と還気の混合空気を空調用空気として冷媒で熱交換する。熱源用熱交換器１１は、外気又は外気と還気の混合空気を熱源用空気として冷媒を熱交換する。図例では、１つの熱源用熱交換器１１を２つの冷凍サイクル８で共用しているが、共用せずに冷凍サイクル８毎に別個の熱源用熱交換器を設けてもよい。

【0013】

ヒーター２は、電熱で空調用空気を加熱する電気加熱式とする。加湿器３は、蒸気で空調用空気を加湿する蒸気式とする。ヒートポンプ１の給気用熱交換器１０とヒーター２は、空調用空気を給気用熱交換器１０で熱交換した後にヒーター２で加熱するようにを設置する。給気用送風機４は、機内に空調用空気を取込んで、ヒートポンプ１の給気用熱交換器１０とヒーター２と加湿器３に通過させ、図示省略のダクト等を介して被空調空間Ｓに給気する。熱源用送風機５は、機内に熱源用空気を取込んで、熱源用空気をヒートポンプ１の熱源用熱交換器１１に通過させ、機外に排気する。

【0014】

制御装置６は、被空調空間Ｓの目標温度及び目標湿度を設定する設定部１６と、被空調空間Ｓの温度及び湿度を検出する検出部１７と、空調制御部１８と、除霜監視部１９と、除霜時温度抑制部２０と、ヒーター制御部２１と、加熱補償部２２と、冷却補償部２３と、を備えており、これらはマイクロプロセッサ、各種センサー、スイッチ、その他の制御機器にて構成する。

【0015】

空調制御部１８は、検出部１７で検出した被空調空間Ｓの温度及び湿度が、設定部１６で設定した被空調空間Ｓの目標温度及び目標湿度になるように、ヒートポンプ１、ヒーター２及び加湿器３の能力と、給気用送風機４と熱源用送風機５の風量を増減させて、空調用空気の給気温度を目標給気温度及び目標給気湿度に調整する。被空調空間Ｓの温度及び湿度は、被空調空間Ｓに設けた図示省略の温温度センサーなどにて検出する。

【0016】

除霜監視部１９は、ヒートポンプ１の除霜運転の要否を監視して除霜開始信号と除霜終了信号を出力する。ヒートポンプ１の除霜運転の要否は、熱源用熱交換器１１に霜付きが発生するときの熱源用空気の温度や冷媒圧力、冷媒温度などが検出される否かによって除霜運転の要否を判断する。これらの温度や圧力は、ヒートポンプ１に設けた図示省略の温度センサーや冷媒圧力センサー、冷媒温度センサーなどにて検出する。除霜方式は、冷凍サイクル８にバイパス弁２４を設けて、熱源用熱交換器１１と圧縮機９のみに高温の冷媒を循環させて除霜を行うホットガスバイパス方式とするが、他の除霜方式としてもよい。

【0017】

図１と図３に示すように、除霜時温度抑制部２０は、除霜監視部１９の除霜開始信号を受けてヒートポンプ１の加熱能力（ＨＰ出力）をゼロになるまで漸次下げつつこれに伴う空調用空気の給気温度の下降分を相殺させるようにヒーター２の加熱能力（ＨＴ出力）を漸次上げた後に除霜運転を開始すると共に、除霜監視部１９の除霜終了信号を受けて除霜運転を終了した後にヒートポンプ１の加熱能力（ＨＰ出力）をゼロから漸次上げつつこれに伴う空調用空気の給気温度の上昇分を相殺させるようにヒーター２の加熱能力（ＨＴ出力）を漸次下げて給気温度と目標給気温度との差を抑制する。

【0018】

図３（ａ）は除霜時温度抑制部２０によるヒートポンプ１のＨＰ出力とヒーター２のＨＴ出力の変化を示し、図３（ｂ）はヒートポンプ１による空気加熱温度（ＨＰ温度）とヒーター２による空気加熱温度（ＨＴ温度）の変化を示す。除霜時温度抑制部２０はヒーター制御部２１を備えており、ヒーター制御部２１は、ヒートポンプ１による空気加熱温度と目標給気温度との差の絶対値Ｋ（Ｋ１、Ｋ２）が変動する毎に絶対値Ｋ（Ｋ１、Ｋ２）をヒーター２による目標空気加熱温度Ｔ（Ｔ１、Ｔ２）に設定し直してヒーター２の加熱能力を増減させる。

【0019】

図４は本発明の空気調和装置の代表的な運転パターンを示した空気線図である。黒丸で示すポイントＡは目標給気温湿度、白丸で示すポイントＢ、Ｃ及びＤは機内に取込んだときの空調用空気の温湿度を示している。ポイントＢの場合は、ヒートポンプ１でポイントＡの目標湿度まで冷却減湿した後にポイントＡの目標温度までヒートポンプ１又はヒーター２で加熱（再熱）する。ポイントＣの場合は、ヒートポンプ１又はヒーター２でポイントＡの目標温度まで加熱した後にポイントＡの目標湿度まで加湿する。ポイントＤの場合は、ヒートポンプ１でポイントＡの目標温度まで冷却した後にポイントＡの目標湿度まで加湿する。このように空調用空気を目標給気温度に調整して被空調空間Ｓに給気する。

【0020】

図１と図５に示すように、ヒートポンプ１の圧縮機９は、構造上運転可能な最低出力（最小限界出力）があるため、ヒートポンプ１で空調用空気を加熱する際に、ポイントＡの目標給気温度を超える（ポイントＥまでオーバーシュートする）場合がある。そこで、加熱補償部２２にて、ヒートポンプ１の最小限界出力で加熱したときの空調用空気の予測給気温度がポイントＡの目標給気温度を上回るか否かを判断して上回る場合はヒートポンプ１で加熱せずにヒーター２で空調用空気をポイントＡの目標給気温度まで加熱する。

【0021】

また、図４のポイントＤからヒートポンプ１の最小限界出力で空調用空気を冷却する際に、目標給気温度を下回る（アンダーシュートする）場合は、冷却補償部２３にて、ヒートポンプ１の最小限界出力で冷却したときの空調用空気の予測給気温度が目標給気温度を下回るか否かを判断して下回る場合はヒートポンプ１の最小限界出力で冷却してから、空調用空気を目標給気温度までヒートポンプ１で加熱せずにヒーター２で加熱（再熱）する。

【0022】

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。それぞれ図示省略するが、ヒートポンプ１の冷凍サイクル８の数の増減は自由である。ヒートポンプ１の冷凍サイクル８は、圧縮機９、熱源用熱交換器１１及び熱源用送風機５のセットを屋外に設置し、この屋外セットと、ケーシング７内の給気用熱交換器１０などの残りの冷凍サイクル８の構成部品である屋内セットと、を冷媒配管でつないだセパレート形としてもよい。また、気化式加湿器を加湿器３と給気用熱交換器１０の間に設けてもよく、気化式加湿器のみで加湿不足となる場合、その不足分を蒸気加湿器で加湿するように構成するも自由である。

【符号の説明】

【0023】

１ ヒートポンプ
２ ヒーター
６ 制御装置
８ 冷凍サイクル
１０ 給気用熱交換器
１１ 熱源用熱交換器
１４ 伝熱管群
１９ 除霜監視部
２０ 除霜時温度抑制部
２１ ヒーター制御部
２２ 加熱補償部
Ｓ 被空調空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】