(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸素富化手段と、前記酸素富化手段に差圧を発生させる運転容量可変の差圧発生手段とを備えた室外機を有し、前記酸素富化手段及び前記差圧発生手段により発生された酸素富化空気を室内側に送出するよう構成された空気調和機であって、前記室外機が配置された屋外空気温度を検知し、検知された空気温度に基づいて、室内側に供給される酸素富化空気の供給量が所定供給量以上となるように前記差圧発生手段の運転容量を制御することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
少なくとも酸素富化手段と、前記酸素富化手段に差圧を発生させる運転容量可変の差圧発生手段とを備えた室外機を有し、前記酸素富化手段及び前記差圧発生手段により発生された酸素富化空気を室内側に送出するよう構成された空気調和機であって、前記酸素富化膜近傍の空気温度を検知し、検知された空気温度に基づいて、室内側に供給される酸素富化空気の供給量が所定供給量以上となるように前記差圧発生手段の運転容量を制御することを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
空気温度が所定温度以下であるときに、前記差圧発生手段の運転容量を高めるように制御することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、富化されたガスの供給量制御に特徴を有する空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガス富化装置として酸素を富化する酸素富化空気供給装置を設けた空気調和機が開示されている（特許文献１）。これは、被空調空気を加熱、冷却する空気調和手段と、空気中の酸素と窒素を分離する空気分離手段とを具備している。空気分離手段は酸素と窒素を分離して酸素を選択的に透過させる機能膜と、この機能膜の酸素が透過する側に設け機能膜に圧力差を発生させるための減圧ポンプと、機能膜の酸素が透過しない側には窒素を排気する送風手段とを設けている。
【０００３】
空気分離手段は次の動作を行う。すなわち、ポンプが運転されると機能膜である酸素富化膜のポンプ側の空気が減圧されて、上流側の空気から富化される特定ガスとして酸素が選択的に多く取り込まれ、相対的に酸素濃度の高い空気を被空調空間に対して放出させ、被空調空間の酸素濃度を高めるものである。
【特許文献１】特開平２−１３６６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記酸素富化膜のような選択性ガス透過膜は、一般に次のような特性を有している。すなわち、減圧ポンプの運転容量すなわち発生する真空度をほぼ一定の条件とすると、選択性ガス透過膜の温度が高くなればその透過流量は増大するが、膜透過後の特定ガスである酸素濃度は低下する。逆に温度が低くなれば特定ガスの濃度は上昇するが透過流量は低下する。したがって、選択性ガス透過膜を透過する特定ガスである酸素の供給量を、
特定ガス供給量＝（膜透過後の特定ガス濃度）×（膜を透過する特定ガスが富化された富化ガスの透過流量）
で評価すると、一般に特定ガスの供給量は温度が低いほど低下する傾向にある。
【０００５】
このため、このような選択性ガス透過膜を用い、温度が低い条件でも所定量の特定ガスを供給するためには、必然的に選択性ガス透過膜、あるいは減圧ポンプのポンプ能力を大型化することなどが必要となる。したがって、ガス富化装置のコストアップやその大型化につながり、一方では温度が高い条件下では特定ガスの供給過多になるなどの課題を有していた。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、このような選択性ガス透過膜の温度特性の影響を受けず、所望する特定ガスの供給量を確保することのできる空気調和機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、少なくとも流入する流入ガスに含まれる特定ガスを富化させるガス富化手段と、ガス富化手段に差圧を発生させるとともに流入ガスをガス富化手段に導く差圧発生手段とを備え、ガス富化手段によって富化される特定ガスの濃度と流量とによって決定される特定ガスの供給量を、ガス富化手段の配置環境情報にもとづいて制御している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の空気調和機は、ガス富化手段の温度特性の影響を極力低減し、ユーザの所望する濃度の特定ガスを安定して供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態では、特定ガスを酸素とした酸素富化の用に供する装置について具体的に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
まず本発明の実施の形態１について、図１〜図６を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１におけるガス富化装置の構成を示す断面図である。図１においてガス富化装置１の内部には、流入する流入ガスとして空気を用い、その空気中の酸素を特定ガスとして選択的に分離するためのガス富化手段である酸素富化膜ユニット２と、酸素富化膜ユニット２に差圧を発生させ空気を酸素富化ユニット２に導くための差圧発生手段である容量可変のポンプ３が設けられている。酸素富化膜ユニット２は例えばシリコン系材料よりなる選択性ガス透過膜により構成された酸素富化膜２ａが多層に積層されている。
【００１２】
ここでは、上記容量可変のポンプ３は減圧型のポンプであり、接続ホース４の酸素富化膜ユニット側接続部４ｂを介して酸素富化膜ユニット２と接続され、吐出側接続部４ａによってポンプ３の吐出側と接続されている。さらに、酸素富化膜ユニット２の近傍には、その配置環境情報である温度を検出する温度検出センサ５と、温度検出センサ５により検出した温度によってポンプ３の駆動、制御を行うコントロールユニット７が設けられている。また、酸素富化膜ユニット２の吸い込み部２ｃには、酸素富化膜２ａの近傍に滞留する窒素が富化された空気を掃気する送風ファン６が設けられている。
【００１３】
次に、このように構成されたガス富化装置１の動作について説明する。コントロールユニット７からの運転開始指令にもとづいてポンプ３が運転されると、酸素富化膜ユニット２の酸素富化膜２ａの間の空間２ｂが減圧され、吸い込み部２ｃから空気６ａ吸入され、酸素富化膜２ａを透過しやすい酸素がその圧力差により酸素富化膜２ａを透過する。酸素富化膜２ａを透過し、相対的に酸素濃度が高められた富化空気がポンプ３を経由して接続ホース４を通過し吐出側接続部４ａより放出される。一方、酸素富化膜２ａを透過しにくい窒素は送風ファン６により酸素富化膜ユニット２付近に滞留しないように掃気される。
【００１４】
次に、このような選択性ガス透過膜の特性について述べる。図２から図４に酸素富化膜２ａに流入する空気に含まれる特定ガスとしての酸素の透過特性を示している。図２はポンプ３の運転容量を一定とした場合の酸素富化膜２ａの温度と透過後の酸素濃度との関係を示す特性図である。図２に示すように、酸素富化膜２ａの温度が上がるに従い、透過した酸素富化状態の空気中における酸素の濃度が相対的に低下し、逆に温度が下がるに従い濃度が上昇するという特性を示している。一方、図３はポンプ３の運転容量を一定とした場合の酸素富化膜２ａの温度と酸素富化膜２ａを透過する空気の透過流量との関係を示す特性図である。図３に示すように、温度が上がるに従い透過流量が上昇し、温度が下がるに従い透過流量が低下するという温度特性を示している。図４は図２、図３の特性によって決定される温度と富化空気供給量との関係を示す特性図である。
【００１５】
ポンプ３の運転容量を回転数で制御する場合において、基準となる酸素富化膜の近傍の
温度ｔａ１に対して基準の回転数Ｒ１のときに、酸素濃度ｃ１、透過流量ｑ１で目標の酸素富化空気供給量を満足するとした場合について説明する。
【００１６】
図２に示すように、温度検出センサ５で検知された酸素富化膜２ａ近傍の温度が、基準となる温度ｔａ１より低いｔａ３であったとすれば酸素富化膜２ａの出口側すなわち透過後の富化空気の酸素濃度はｃ１よりも高いｃ３になる。
【００１７】
例えば、ｔａ１が２０℃のときｃ１は３２％となり、ｔａ３が０℃のときにはｃ３が３３．５％に増加する。
【００１８】
しかしながら図３に示されるように、富化空気の透過流量は温度の低下に対して、ｑ１を１００とするとｑ３は約６０に低下する。その結果、図４に示すように、富化空気供給量は温度がｔａ３の場合は基準の温度ｔａ１の場合に比べてｗ１からｗ３に低下する。
【００１９】
本発明の実施の形態１におけるガス富化装置１では、温度検出センサ５により検出した温度にもとづいてポンプ３の運転容量をコントロールしている。図５は、容量可変のポンプ３の制御系を示すブロック図である。制御系は交流電源８、交流電源８の出力を整流して各回路に直流を供給するための電源供給回路９、制御手段となるマイクロプロセッサー１０、ポンプドライブ回路１５より構成されている。マイクロプロセッサー１０は、入力回路１１、中央演算処理装置（以下ＣＰＵと称する）１２、メモリ１３および出力回路１４により構成されている。ここで、メモリ１３はあらかじめ設定された温度を記憶する設定温度記憶手段である。ポンプ３は出力回路１４から送出された信号に応じてポンプドライブ回路１５によって駆動制御される。
【００２０】
次に図６を用いてその運転制御について説明する。図６は本発明の実施の形態１におけるポンプ３の制御仕様例を示すフローチャートである。図４に示すように、選択性ガス透過膜により構成された酸素富化膜２ａはその温度によって、富化空気の透過流量と透過後の特定ガスである酸素の濃度が変化し、透過流量とその酸素濃度との積によって決定される富化空気供給量が変化する。ここでは、回転数を可変としてその運転容量を制御するポンプ３を用い、所定回転数Ｒ１で運転されているときに、酸素富化膜２ａ近傍の温度Ｔａがｔａ１であれば目標の富化空気供給量が得られる場合について説明する。
【００２１】
図６に示すように、ガス富化装置１は、ポンプ回転数Ｒ１で運転を開始した後、温度検出センサ５が検出した配置環境情報としての温度Ｔａを入力回路１１を介してＣＰＵ１２に読み込むステップ１６に入る。次に、ステップ１６で読み込んだ温度Ｔａとメモリ１３にあらかじめ設定した第１の設定温度ｔａ１を比較するステップ１７に入り、Ｔａ＜ｔａ１ならステップ１８へ進み、Ｔａ≧ｔａ１ならステップ１９へ進む。
【００２２】
Ｔａ＜ｔａ１の場合には、酸素濃度は高いが透過流量が小さいため全体の富化空気供給量が小さくなる。そこで、ステップ１８では、ポンプ３の回転数を所定回転数Ｒ１より大きくした回転数Ｒ３とし、富化空気供給量を増大させるように作用させ、ある時間運転後にステップ１６へ戻る。一方、ステップ１９においては、温度Ｔａとメモリ１３にあらかじめ設定した第１の設定温度ｔａ１、第２の設定温度ｔａ２と比較し、ｔａ１≦Ｔａ＜ｔａ２ならばステップ２０へ進み、Ｔａ≧ｔａ２ならばステップ２１へ進む。温度ｔａ２では酸素濃度は低いが、透過流量が大きいため酸素富化空気の供給量が過大になる。したがって、ステップ２０では、ポンプ３の回転数を所定回転数Ｒ１より小さくした回転数Ｒ２に減少させ富化空気供給量を少なくし、ある時間運転後にステップ１６に戻る。また、ステップ２１ではポンプ３の運転を停止してステップ１６へ戻る。このようにして、所望の富化空気供給量に制御することが可能となる。
【００２３】
また本発明は、あらかじめ設定された特定ガスの供給量にもとづいて、その供給量を満足するようにポンプ３の運転容量を可変的に制御してもよい。すなわち、図４に示す富化空気供給量は、酸素富化膜２ａの温度、または酸素富化膜２ａを通過する空気温度、さらには酸素富化膜の配置されている装置筐体の周囲温度などからその温度特性にもとづいて推測可能であり、装置設計上もしくはユーザの要求レベルにより、富化空気の必要供給量が設定されていれば、その値に近づくようにポンプの運転容量をコントロールすればよい。
【００２４】
例えば富化空気供給量設定値可変つまみなどの供給量を設定する設定手段を介して特定ガスの富化空気供給レベルを調整可能に設定し、この設定手段で設定された供給量にもとづいて、ポンプの運転容量を可変的に制御するようにすれば、ユーザは設定可能な範囲で、ユーザの所望する特定ガスの濃度にコントロールすることができる。設定手段での設定は、「高」、「中」、「低」のような相対的なものが簡便で用いやすい。
【００２５】
なお、実施の形態１では図１に示すように、配置環境情報としての温度として、酸素富化膜ユニット２に流入する吸い込み部２ｃ近傍の空気温度を用いている。そのため、間接的に酸素富化膜２ａの温度を推定し、これらの温度検出センサ５を直接に酸素富化膜ユニット２に組み込む必要がなく、温度検出センサ５の配置や固定方法などについては設計的な自由度をもって選定することができる。
【００２６】
また、酸素富化膜２ａの配置環境情報としてこのように吸込み空気温度などを用いた場合には、その温度が直接的な膜の温度と推定しがたいので、装置の構成、配置などにより所定の温度補正を加えて酸素富化膜２ａの温度を推定するようにすることもできる。
【００２７】
また、積層配置された酸素富化膜２ａの空間２ｂの空気温度を検知してもよいし、酸素富化膜２ａそのものの温度を用いるとより厳密に酸素富化膜２ａの特性を把握でき制御がしやすくなる。また、酸素富化ユニット２を構成する筐体部の温度を用いてもよい。
【００２８】
なお、上記実施の形態では回転数としてＲ１、Ｒ２、Ｒ３の３段階の切り替えで説明したがインバータの駆動装置を用いて連続的に変化させるようにしてもよいのはいうまでもない。さらに、上記実施の形態ではポンプとしてその回転によって運転容量を制御する場合について述べたが、回転によらず往復動による場合、その往復動の周波数を制御する場合についても適用可能である。
【００２９】
また、本実施の形態ではＡＣ電源を用いたインバータ制御によってポンプ３の回転数制御を行う例について説明したが、ＤＣモータを用いそのＤＣモータに印加する電圧を制御してポンプ３の運転容量を制御するようにして構成を簡便にすることも可能である。
【００３０】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について図７、図８を用いて説明する。実施の形態１では、配置環境情報に応じてポンプの運転容量である回転数などを可変として所定の富化空気供給量を制御する例について述べた。実施の形態２においては、ポンプの回転数を一定とし、その運転率を可変にして富化空気供給量を制御する場合について述べる。ここで、運転率とはポンプをＯＮ−ＯＦＦの間欠運転とした場合の、所定時間におけるＯＮ時間の割合であり、運転率も広義の運転容量として定義される。
【００３１】
実施の形態２においては、実施の形態１で述べたガス富化装置１を用い、ポンプ３の運転状態が異なるのみであるので同一構成要素については同一の符号を用いている。図７は、実施の形態１で述べた図４の温度に対する富化空気供給量の特性に、さらに温度に対するポンプ３の運転率との関係を示した特性を付加した特性図である。図７に示すように、
ポンプ３の回転数を一定とすると富化空気供給量は温度上昇とともに増加する。そこで、実施の形態２では、温度に対して運転率を可変とし、温度が低いときには運転率を大きくし、温度が高いときには運転率を小さくするものである。
【００３２】
例えば、所定温度ｔａ４のときに運転率ＭＲ３で所定の富化空気供給量が得られる場合、温度がｔａ４以下の場合には運転率をＭＲ３よりも大きなＭＲ１、ＭＲ２とし、温度がｔａ４以上のときには逆に運転率をＭＲ３よりも小さなＭＲ４、ＭＲ５とするものである。
【００３３】
ここでＭＲ１＞ＭＲ２＞ＭＲ３＞ＭＲ４＞ＭＲ５であり、例えばＭＲ１は運転率が１００％の連続ＯＮ運転、ＭＲ５は運転率が０％の連続ＯＦＦ運転としている。したがって、このように温度に応じて運転率を可変とすることによって富化空気供給量を図７の斜線領域Ａで示すようにほぼ一定とすることができる。なお、図７においては温度に対する運転率の変化をステップ状としているが、このステップ数を多く取り、近似的に連続させて変化させることも可能である。
【００３４】
図８は実施の形態２において、図１に示す酸素富化膜ユニット２の吸い込み部２ｃに設けた温度検出センサ５の温度に対するポンプ３の運転状態を示すタイムチャートである。図８に示す例では、運転率が３つのステップで定義されている場合について示し、温度がｔａ９未満の場合には連続運転のＭＲ９で運転し、温度がｔａ９以上ｔａ１０以下では運転率ＭＲ１０で運転し、それ以上の温度では運転率ＭＲ１１で運転するようにしている。図８に示すようにガス富化装置１の運転は外気温度の変化によって吸い込み空気６ａの温度が変化しても、ポンプ３の運転率をその温度に応じて可変とすることにより、富化空気供給量をほぼ一定とすることができ、特に外気温度の低い場合などは連続運転として運転容量を高めることができる。
【００３５】
なお、必要富化空気供給量を決定する運転率の値は、ガス富化装置を構成する構成要素の特性によって任意に決定することができ、例えば冬場の低外気温時には連続運転によって必要富化空気供給量を確保できるようにして、それ以上の温度で運転率を任意に変えるようにしてもよい。
【００３６】
また、実施の形態１で述べたのと同様に、温度検出センサ５は酸素富化膜２ａの温度としてもよいし、酸素富化膜ユニット２の筐体部温度などを用いてもよい。
【００３７】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について図９、図１０、図１１を用いて説明する。図９はガス富化装置を用いた空気調和機の室外機の断面図、図１０は同空気調和機の室内機の側面図である。
【００３８】
図９に示すように、室外機２２は室外熱交換器２４、圧縮機２５、送風ファン２６を備え、酸素富化膜２ａからなる酸素富化膜ユニット２が室外機２２の風回路内に設けられている。酸素富化膜２ａに圧力差を発生し、酸素を搬送するための容量可変のポンプ３が酸素富化膜ユニット２に接続され、酸素富化された空気を室内側へ送出するホース４が酸素富化膜ユニット２からポンプ３を経由し、室内機２３までつながっている。酸素富化膜ユニット２の近傍には、酸素富化膜２ａ近傍の温度を検出する温度検出センサ５が設けられている。
【００３９】
また、図１０に示すように、室内機２３にはホース４が室外機２２に設けた酸素富化膜ユニット２から延出して設けられ、室内機２３に設けた送風ファン（図示せず）により形成される風回路内に酸素吐出口４ａが開口している。したがって、被空調空間である室内
に、酸素富化膜ユニット２によりガス富化された酸素濃度の高い空気が放出される。
【００４０】
上記構成のガス富化装置を用いた空気調和機の動作を以下に説明する。室外機２２の送風ファン２６により酸素富化膜ユニット２近傍に取り込まれた空気が、容量可変のポンプ３の圧力差によって酸素富化膜２ａに流入する。酸素富化膜２ａは酸素が透過しやすい特性を有しているため、相対的に酸素濃度が高まった酸素富化された空気が、ポンプ３、ホース４を経由して室内機２３の内部にある酸素吐出口４ａより室内へ吹き出される。一方、酸素富化膜２ａを透過しにくい窒素は、送風ファン２６により室外機２２の外へ排出される。
【００４１】
ここで、ガス富化装置は実施の形態１および実施の形態２で述べたガス富化装置を用い、温度検出センサ５によってガス富化手段である酸素富化膜２ａ近傍の配置環境情報である温度を検知し、容量可変のポンプ３の回転数や運転時間である運転率を制御している。そのため、室内機２３の風回路内に送出する富化空気供給量をコントロールすることができ、室内機２３に設けた送風ファンによって被空調空間である室内に酸素量がコントロールされた風を送風することが可能な送風装置とすることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では図９に示すように、温度検出センサ５を、送風ファン２６によって吸い込まれた外気が室外熱交換器２４を通過した後の風回路内に設けているが、次の構成としても同様の効果を発現する。すなわち、図１１に示すように、温度検出センサ５を室外機２２の吸い込み温度センサ２７と兼用し、空気調和機の運転モードや圧縮機の運転容量などから室外熱交換器２４を通過して酸素富化膜ユニット２に流入する空気あるいは酸素富化膜２ａの温度を推測し、ポンプ３の運転容量を制御してもよい。
【００４３】
また、実施の形態３のように、ガス富化手段である酸素富化膜ユニット２を屋外に設ける場合の方が本発明の効果を発現できるものである。すなわち、酸素富化膜２ａの温度変化は室内に設けられる場合よりも大きくなるため富化空気供給量が大きく変動するが、本発明のようにポンプ３の運転容量を制御し、安定した酸素量を室内に供給することによって快適空調を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明のガス富化装置および送風装置によれば、選択性ガス透過膜の温度特性に鑑みて、差圧発生手段であるポンプの運転容量を制御し、酸素富化空気を外気温度などに左右されず安定して供給することができ、特に被空調空間に最適空気を供給する空気調和機などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガス富化装置の構成を示す断面図
【図２】同ガス富化装置におけるポンプの運転容量を一定とした場合の酸素富化膜の温度と透過後の酸素濃度との関係を示す特性図
【図３】同ガス富化装置におけるポンプの運転容量を一定とした場の酸素富化膜の温度と透過流量との関係を示す特性図
【図４】同ガス富化装置における酸素富化膜温度と富化空気供給量との関係を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１におけるポンプの制御系を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態１におけるポンプの制御仕様例を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２における酸素富化膜の温度と富化空気供給量およびポンプの運転率との関係を示す特性図
【図８】本発明の実施の形態２における温度検出センサの温度に対するポンプの運転状態を示すタイムチャート
【図９】本発明の実施の形態３におけるガス富化装置を用いた空気調和機の室外機の断面図
【図１０】同ガス富化装置を用いた空気調和機の室内機側面図
【図１１】同ガス富化装置を用いた他の空気調和機の室外機の断面図
【符号の説明】
【００４６】
１  ガス富化装置
２  酸素富化膜ユニット
２ａ  酸素富化膜
３  ポンプ
５  温度検出センサ
７  コントロールユニット
１２  中央演算装置（ＣＰＵ）
１４  出力回路
１５  ポンプドライブ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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