| 【発明の名称】 |
空調装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】遠藤 浩一
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| 【要約】 |
【課題】太陽熱を利用した吸着式冷凍機１０と蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０とを組み合わせたうえ、太陽エネルギー利用により暖房能力を高め、それにより蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０を小型化できる空調装置を提供する。
【解決手段】蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０で暖房を行なう際に、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０の蒸発器２５と直列に配置した熱交換器２７に太陽熱温水器２から供給する温水を通すことによって、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０の冷媒を加熱する。これにより、蒸発器２５で外気の温度から冷媒の蒸発熱として熱回収を行なうのに加えて、それと直列で外気より高い温度の温水から更に熱回収を行なうため、エネルギー利用効率が良くなり暖房能力が向上する。このことから、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０を小型化することが可能となるうえ、加熱に用いる熱源が太陽熱であることから、省エネルギーともなる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒の蒸発により冷房能力を発揮すると共に、蒸発した蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）が収納された吸着器（１１）、及び前記吸着剤（Ｓｉ）より脱離した蒸気冷媒を凝縮させる放熱器（１８）を有する吸着式冷凍機（１０）と、太陽より熱を得て前記吸着剤（Ｓｉ）を加熱することにより、前記吸着剤（Ｓｉ）に吸着された蒸気冷媒を脱離させる太陽熱加熱装置（２）と、冷媒を圧縮し凝縮と蒸発をさせることにより、暖房または冷房の能力を得る蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）と、前記吸着式冷凍機（１０）及び前記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）より冷房または暖房の能力を得て空調空気を冷房または暖房する空調用熱交換器（６）とを備え、前記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）で暖房を行なう際に、前記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）の蒸発器（２５）と直列に配置した熱交換器（２７）に前記太陽熱加熱装置（２）から供給する熱交換媒体を通すことによって、前記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）の冷媒を加熱することを特徴とする空調装置。
【請求項２】 前記熱交換媒体の温度が外気温度より高い場合にだけ、前記蒸発器（２５）下流の冷媒に加熱を行なうことを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽熱を利用した空調装置に関するものであり、住宅や工場等の建築物の空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】熱エネルギーの有効利用として、太陽熱（温水器）を利用した吸着式冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機を組み合わせ、省エネルギーを図った冷凍装置が特開平１１−２２３４１５号公報に開示されている。
【０００３】発明者はこのような冷凍装置に四方弁を加え、蒸気圧縮式冷凍機を蒸気圧縮式ヒートポンプとして暖房能力を持たせ、空調装置として構成する発想に至った。
【０００４】このような太陽熱を利用した吸着式冷凍機と蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の組み合わせでは、大きな冷房能力が必要な時（通常、太陽からの日射も多い時）には、太陽熱を利用した吸着式冷凍機の能力も上がり、吸着式冷凍機だけでその冷房能力を賄うことができるか、或いは僅かな蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の併用で賄うことができる。
【０００５】また、冷房能力がさほど必要でない時（通常、太陽からの日射も少ない時）には、太陽熱を利用した吸着式冷凍機は運転できない場合も出て来るが、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置で賄うにしても冷房能力がさほど必要でないため、僅かな蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の能力で賄うことができる。
【０００６】このように冷房だけを考えれば、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置は小型の物で間に合うこととなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし暖房能力が必要な時には、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置だけでしか暖房ができないことより全ての暖房能力を賄う必要があり、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置は最大の暖房能力に合わせた仕様となって大型化が避けられない。
【０００８】また、暖房が必要となる冬季等には太陽熱（温水器）の温度も低く、直接暖房に用いることができないため、太陽より得た熱エネルギーは使用せず放熱するか、又は、利用可能な温度とするためにガス給湯機等の補助加熱手段で昇温する必要があり、空調装置の構成が複雑となるうえ、常に高温での利用となってエネルギー効率が悪くなる。
【０００９】本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、太陽熱を利用した吸着式冷凍機と蒸気圧縮式ヒートポンプ装置とを組み合わせたうえ、太陽エネルギー利用により暖房能力を高め、それにより蒸気圧縮式ヒートポンプ装置を小型化できる空調装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。
【００１１】請求項１記載の発明では、冷媒の蒸発により冷房能力を発揮すると共に、蒸発した蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）が収納された吸着器（１１）、及び吸着剤（Ｓｉ）より脱離した蒸気冷媒を凝縮させる放熱器（１８）を有する吸着式冷凍機（１０）と、太陽より熱を得て吸着剤（Ｓｉ）を加熱することにより、吸着剤（Ｓｉ）に吸着された蒸気冷媒を脱離させる太陽熱加熱装置（２）と、冷媒を圧縮し凝縮と蒸発をさせることにより、暖房または冷房の能力を得る蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）と、吸着式冷凍機（１０）及び蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）より冷房または暖房の能力を得て空調空気を冷房または暖房する空調用熱交換器（６）とを備え、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）で暖房を行なう際に、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）の蒸発器（２５）と直列に配置した熱交換器（２７）に太陽熱加熱装置（２）から供給する熱交換媒体を通すことによって、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（２０）の冷媒を加熱することを特徴とする。
【００１２】これは、例えば太陽熱温水器等の太陽熱加熱装置から供給される水等の熱交換媒体は、外気温度よりも充分に高い温度となることに着目したものである。
【００１３】これにより、蒸発器で外気の温度から冷媒の蒸発熱として熱回収を行なうのに加えて、それと直列で外気より高い温度の熱交換媒体から更に熱回収を行なうため、エネルギー利用効率が良くなり暖房能力が向上する。
【００１４】このことから、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置を小型化することが可能となるうえ、加熱に用いる熱源が太陽熱であることから、省エネルギーともなる。
【００１５】請求項２記載の発明では、熱交換媒体の温度が外気温度より高い場合にだけ、蒸発器（２５）下流の冷媒に加熱を行なうことを特徴とする。
【００１６】これにより、確実に外気温度より高い温度での加熱が行われるうえ、希に熱交換媒体の温度が外気温度より低い場合は熱交換媒体の供給を止めて、冷媒から熱を奪うような状況は回避することとなる。
【００１７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
【００１９】図１は本発明の一実施形態における空調装置１の模式図であり、図２は空調装置１の回路図である。図中１０は、略真空（０．１ｍｍＨｇ以下）に保たれた容器（吸着器）内の液冷媒（本実施形態では水）の蒸発により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機である。
【００２０】この吸着式冷凍機１０内には、図２に示すように、液冷媒Ｌｒ及び蒸発した蒸気冷媒を吸着する吸着剤（本実施形態ではシリカゲル）Ｓｉが収納された吸着器１１ａ、１１ｂ、液冷媒Ｌｒと熱交換媒体（本実施形態では水）との間で熱交換を行う第１熱交換器１２ａ、１２ｂ、および吸着剤Ｓｉと熱交換媒体との間で熱交換を行う第２熱交換器１３ａ、１３ｂが設けられている。
【００２１】なお、以下、吸着器１１ａ、１１ｂを総称するときは吸着器１１と表記し、第１熱交換器１２ａ、１２ｂを総称するときは第１熱交換器１２と表記し、第２熱交換器１３ａ、１３ｂを総称するときは第２熱交換器１３と表記する。
【００２２】液冷媒Ｌｒの蒸発により第１熱交換器１２にて冷却された熱交換媒体は空調用熱交換器６へ送られる。また、第１熱交換器１２と空調用熱交換器６との間には後述する蒸気圧縮式ヒートポンプ装置１０の熱交換器２３が接続されていて、空調用熱交換器６へ循環する熱交換媒体を加熱したり冷却したりする。
【００２３】そして、空調用熱交換器６は空調用送風機７で供給される空気（空調空気）を加熱したり冷却したりする。本実施形態では、空調用熱交換器６にて空調された空気は、図示しないダクトを介して複数の部屋に分配供給されて、暖房や冷房を行なっている。
【００２４】一方、第２熱交換器１３には、放熱器１８にて冷却用送風機１９で供給された外気で冷却された熱交換媒体と、太陽熱により熱交換媒体を加熱する太陽熱温水器（太陽熱加熱装置）２側にて加熱された熱交換媒体とが切り換え流通される。
【００２５】因みに、１５〜１７は熱交換媒体を循環させる第１〜３ポンプであり、１４ａ、１４ｂは熱交換媒体の循環経路を切り換える第１、２流路切り換え弁である。また、３は太陽熱温水器２により加熱された温水を保温貯蔵する保温タンクであり、２９は太陽熱温水器２側から供給する水の温度を検出するための水温センサである。
【００２６】次に２０は、冷媒を圧縮し凝縮と蒸発をさせる蒸気圧縮式ヒートポンプ装置であり、下記の各機能部材間を冷媒配管で接続して構成される。
【００２７】暖房時は、冷媒を圧縮する圧縮機２１→冷媒流路を切り換える四方弁２２（実線流路）→圧縮機２１から吐出した冷媒を凝縮させる凝縮器となる熱交換器２３→熱交換器２３から流出した高圧冷媒を減圧する膨張弁２４→膨張弁２４から流出した低圧の液冷媒を蒸発させる蒸発器となる熱交換器２５→四方弁２２（実線流路）→圧縮機２１の順に冷媒を流通させ、熱交換器２３で後述する空調用熱交換器６に供給する熱交換媒体を加熱する。
【００２８】また冷房時は、圧縮機２１→四方弁２２（破線流路）→凝縮器となる熱交換器２５→膨張弁２４→蒸発器となる熱交換器２３→四方弁２２（破線流路）→圧縮機２１の順に冷媒を流通させ、やはり熱交換器２３で吸着式冷凍機１０から空調用熱交換器６に供給する熱交換媒体を冷却する。
【００２９】２６は熱交換器２５に外気を供給する送風機であり、２８は外気の温度を検出するための外気温センサである。
【００３０】また、本発明のポイントとして、太陽熱温水器２から第２熱交換器１３に温水を供給する配管の途中に三方切り換え弁４を設けて切り換えられるようにし、その温水を蒸気圧縮式ヒートポンプ装置１０の熱交換器２５と四方弁２２との間に設けた熱交換器２７に廻して、冷媒の加熱にも用いるようにしている。
【００３１】次に、本実施形態に係る空調装置１の作動のうち、まず冷房運転について述べる。
【００３２】吸着式冷凍機１０の第１〜３ポンプ１５〜１７を稼働させ、第１、第２流路切り換え弁１４ａ、１４ｂを作動させて、冷房能力を発揮して吸着状態にある吸着器１１（例えば吸着器１１ａ）の第１熱交換器１２（この例では第１熱交換器１２ａ）と空調用熱交換器６との間に熱交換媒体を循環させると共に、冷房能力を発揮して吸着状態にある吸着器１１（この例では吸着器１１ａ）の第２熱交換器１３（この例では第２熱交換器１３ａ）と放熱器１８との間に熱交換媒体を循環させる。
【００３３】同時に、再生状態（吸着剤Ｓｉに吸着した蒸気冷媒を脱離させる状態）にある吸着器１１（この例では吸着器１１ｂ）の第２熱交換器１３（この例では第２熱交換器１３ｂ）と太陽熱温水器２との間で熱交換媒体を循環させるとともに、再生状態にある吸着器１１（この例では吸着器１１ｂ）の第１熱交換器１２（この例では第１熱交換器１２ｂ）と放熱器１８との間に熱交換媒体を循環させる。
【００３４】そして、所定時間ごとに、吸着状態にある吸着器１１ａと再生状態にある吸着器１１ｂとを切り換えながら運転する。なお、所定時間は、吸着剤Ｓｉの吸着能力や脱離量等を考慮して適宜選定されるものである。
【００３５】このように、吸着式冷凍機１０だけで冷房能力を賄える場合は、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０は稼動させずエネルギーを節約する。
【００３６】しかし、吸着式冷凍機１０による冷房だけでは不足する場合や、太陽熱温水器２側から供給する温水の温度が所定温度以下であって吸着式冷凍機１０が充分な冷房能力を発揮できない場合には、圧縮機２１を稼働させて蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０を稼働させて安定した冷房能力を得る。
【００３７】蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０においては、四方弁２２は冷房運転状態（破線流路）とし、冷媒は圧縮機２１→四方弁２２→熱交換器２５→膨張弁２４→熱交換器２３→四方弁２２→圧縮機２１と循環して、熱交換器２３で吸着式冷凍機１０から空調用熱交換器６へ供給する熱交換媒体を冷却して冷房能力を発揮する。
【００３８】このように、冷房負荷、太陽熱温水器２で加熱された温水の温度等により、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０を単独運転か吸着式冷凍機１０との併用かは適宜制御され、可変速度圧縮機を用いていれば、その回転数が適宜制御される。
【００３９】この時、太陽熱温水器２からの温水は吸着式冷凍機１０に供給し、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０に設けた熱交換器２７には流さないよう三方弁４を制御する。
【００４０】次に、本実施形態に係る空調装置１の作動のうち、暖房運転について述べる。
【００４１】吸着式冷凍機１０においては第１ポンプ１５、第２ポンプ１６のみ運転する。
【００４２】また、第１流路切り換え弁１４ａは太陽熱温水器２と吸着器１１ａを熱交換媒体が循環する経路となるよう固定され、第２流路切り換え弁１４ｂは吸着器１１ｂと空調用熱交換器６を熱交換媒体が循環する経路となるよう固定され、実質的には吸着式冷凍機１０は稼動しない。
【００４３】蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０においては、圧縮機２１を稼働させ、四方弁２２は暖房運転状態（実線流路）とし、冷媒は圧縮機２１→四方弁２２→熱交換器２３→膨張弁２４→熱交換器２５→四方弁２２→圧縮機２１と循環して、熱交換器２３で吸着式冷凍機１０から空調用熱交換器６へ供給する熱交換媒体を加熱して暖房能力を発揮する。
【００４４】そして、三方弁４は蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０側へ切り換えて、太陽熱温水器２で加熱された熱交換媒体を熱交換器２７に通して、熱交換器２５で蒸発した冷媒を更に加熱するのに利用する。
【００４５】これは、例えば太陽熱温水器等の太陽熱加熱装置２から供給される水等の熱交換媒体は、外気温度よりも充分に高い温度となることに着目したものである。
【００４６】これにより、熱交換器２５で外気の温度から冷媒の蒸発熱として熱回収を行なうのに加えて、その下流の熱交換器２７で外気より高い温度の熱交換媒体から更に熱回収を行なうため、エネルギー利用効率が良くなり暖房能力が向上する。
【００４７】このことから、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０を小型とすることが可能となるうえ、加熱に用いる熱源が太陽熱であることから、省エネルギーともなる。
【００４８】但し、外気温センサ２８で検出される外気温度より、水温センサ２９で検出される熱交換媒体の温度が低い条件では、第１ポンプ１５を停止するか三方弁４を切り換えて熱交換器２７への熱交換媒体の供給を行なわないように制御する。
【００４９】これにより、確実に外気温度より高い温度での加熱が行われるうえ、希に熱交換媒体の温度が外気温度より低い場合は熱交換媒体の供給を止めて、冷媒から熱を奪うような状況は回避することとなる。
【００５０】なお、保温タンク３には太陽熱で加熱された熱交換媒体が蓄えられており（蓄熱効果）、一時的に大きな暖房能力が必要になった場合には、第１ポンプ１５で熱交換器２７への熱交換媒体の供給量を増加させて暖房能力を向上させることができる。
【００５１】（その他の実施形態）上述の実施形態では、太陽熱温水器２から供給する温水により蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０の冷媒を加熱する熱交換器２７を、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置２０の蒸発器２５の下流側に設けているが、蒸発器２５上流側の膨張弁２４との間に設けてもよい。
【００５２】また、上述の実施形態では、吸着式冷凍機１０の放熱器１８は、第１熱交換器１２の冷却と第２熱交換器１３の冷却とを兼ねているが、それぞれの熱交換器冷却用に放熱器を分けて構成してもよく、その場合、第１熱交換器１２側と第２熱交換器１３側とで熱交換媒体となる物質を違えてもよい。
【００５３】また、上述の実施形態では、吸着剤Ｓｉとしてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸着剤Ｓｉとして活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。
【００５４】また、上述の実施形態では、液冷媒として水を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール、フロンなど吸着剤Ｓｉに吸着されるものであれば、その他の物であってもよい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２１日（２０００．１１．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９６９９８
【弁理士】
【氏名又は名称】碓氷 裕彦 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６２１３０（Ｐ２００２−１６２１３０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３５４５１２（Ｐ２０００−３５４５１２） |
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