(57)【要約】空気から湿気を除去する方法が、冷媒が圧縮機から、凝縮器を通り、熱交換器を通り、蒸発器を通って流れ、圧縮機に戻る連続回路を備える空気調和システムを設けるステップと、冷媒の一部が熱交換器を迂回して通過するバイパス弁を設けるステップと、冷媒の一部が凝縮器の上流点から、凝縮器の下流点で冷媒と混合するように通過するバイパス回路を設けるステップと、バイパス回路を通過して流れる冷媒の一部を制御するための吐出ガス弁を設けるステップと、戸外温度および相対湿度を測定するステップと、冷却段階を決定するステップと、戸外温度、相対湿度、および冷却段階に基づいて空気から湿気の一部を除去するためにバイパス弁および吐出ガス弁を動作させるステップとを含む。
2008500509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気から湿気を除去する方法であって、
冷媒が圧縮機から、凝縮器を通り、熱交換器を通り、蒸発器を通って流れ、前記圧縮機に戻る連続回路を備える空気調和システムを設けるステップと、
前記冷媒の一部が前記熱交換器を迂回して通過するバイパス弁を設けるステップと、
前記冷媒の一部が前記凝縮器の上流点から、前記凝縮器の下流点で前記冷媒と混合するように通過するバイパス回路を設けるステップと、
前記バイパス回路を通過して流れる前記冷媒の前記一部を制御するための吐出ガス弁を設けるステップと、
戸外温度および相対湿度を測定するステップと、
冷却段階を決定するステップと、
前記戸外温度、前記相対湿度、および前記冷却段階に基づいて前記空気から前記湿気の一部を除去するために前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記冷却段階を決定する前記ステップは、
戻り空気温度が冷却設定値を下回るときに冷却無し段階を決定するステップと、
前記戻り空気温度が前記冷却設定値を超えるが、偏差を加えた前記冷却設定値を下回るときに第１の冷却段階を決定するステップと、
前記戻り空気温度が前記偏差を加えた前記冷却設定値を超えるときに第２の冷却段階を決定するステップとを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却設定値は７０°Ｆ〜８０°Ｆであり、前記偏差は約３°Ｆである請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が低く、前記相対湿度が高く、さらに冷却無し段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を開き、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が高く、前記相対湿度が高く、さらに冷却無し段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を開き、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が低く、前記相対湿度が高く、さらに前記第１の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を開き、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が高く、前記相対湿度が低く、さらに前記第１の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を開くことを含む請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が低く、前記相対湿度が低く、さらに前記第２の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を開くことを含む請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が高く、前記相対湿度が低く、さらに前記第２の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を開くことを含む請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が高く、前記相対湿度が高く、さらに前記第１の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が低く、前記相対湿度が高く、さらに前記第２の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記バイパス弁および前記吐出ガス弁を動作させる前記ステップは、前記戸外温度が高く、前記相対湿度が高く、さらに前記第２の冷却段階が決定されたときに、前記吐出ガス弁を閉じ、かつ前記バイパス弁を閉じることを含む請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
冷媒が圧縮機から、凝縮器を通り、熱交換器を通り、蒸発器を通って流れ、前記圧縮機に戻る連続回路と、
前記冷媒の一部が前記熱交換器を迂回して通過するバイパス弁と、
前記冷媒の一部が前記凝縮器の上流点から、前記凝縮器の下流点で前記冷媒と混合するように通過するバイパス回路と、
前記バイパス回路を通過して流れる前記冷媒の前記一部を制御するための吐出ガス弁と、
戸外温度、相対湿度、および戻り空気温度を受け取り、前記圧縮機、前記吐出ガス弁、および前記バイパス弁の動作を制御するための制御モジュールと、を備える空気調和装置。
【請求項１４】
前記制御モジュールは、冷却無し段階が決定され、前記戸外温度が低く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を再加熱モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項１５】
前記制御モジュールは、冷却無し段階が決定され、前記戸外温度が高く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を再加熱モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項１６】
前記制御モジュールは、第１の冷却段階が決定され、前記戸外温度が低く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を再加熱モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項１７】
前記制御モジュールは、第１の冷却段階が決定され、前記戸外温度が高く、さらに前記相対湿度が低いときに、前記装置を標準モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項１８】
前記制御モジュールは、第２の冷却段階が決定され、前記戸外温度が低く、さらに前記相対湿度が低いときに、前記装置を標準モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項１９】
前記制御モジュールは、第２の冷却段階が決定され、前記戸外温度が高く、さらに前記相対湿度が低いときに、前記装置を標準モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項２０】
前記制御モジュールは、第１の冷却段階が決定され、前記戸外温度が高く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を過冷却モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項２１】
前記制御モジュールは、第２の冷却段階が決定され、前記戸外温度が低く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を過冷却モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項２２】
前記制御モジュールは、第２の冷却段階が決定され、前記戸外温度が高く、さらに前記相対湿度が高いときに、前記装置を過冷却モードで動作させる請求項１３に記載の空気調和装置。
【請求項２３】
前記制御モジュールは、前記圧縮機がオフであるオフモード、前記吐出ガス弁が開かれかつ前記バイパス弁が閉じられる再加熱モード、前記吐出ガス弁および前記バイパス弁が閉じられる過冷却モード、さらに前記吐出ガス弁が閉じられかつ前記バイパス弁が開かれる標準モードで前記システムを選択的に動作させるように設けられている請求項１３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、除湿を利用する空気調和システムの融通性を増大させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は２００４年１月３０日に出願の米国特許出願第１０／７６９１９８号の一部継続出願である。
【０００３】
従来の空気調和システムは、協働して冷却を行うように機能する３つの基本的な構成要素を備える。これらの３つのシステム構成要素は、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含む。図１を参照すると、当技術分野で知られた空気調和システム１０が例示されている。空気調和システム１０は、連続する閉回路２３によって、連続する動作サイクルで、作動流体、すなわち、冷媒をこれらの動作構成要素を通して移動させる。冷媒は、典型的にはフロンを含むが、アルコールなど、その温度が上昇および低下するとき、およびその状態がガスと液体との間で変化するとき、熱エネルギーの受容および放出が可能な任意の流体から成り得る。
【０００４】
冷媒は、低圧および低温のガスとして圧縮機１１に流入し、圧縮される。圧縮後、冷媒は高温および高圧のガスとして圧縮機１１から流出する。
【０００５】
冷媒は、ガス状態で凝縮器１３まで移動する。凝縮器１３で、受け入れられた冷媒ガスは、定圧でエネルギーが減少し、凝縮器から流出するときに完全に過冷却される。その後、液体冷媒が蒸発器１７まで進む。
【０００６】
蒸発器１７で、冷媒圧が膨張装置１６によって下げられる。蒸発器の中で、エネルギーが空気流から取り込まれ、冷媒はガス状態で流出する。蒸発器１７では、冷却すべき空気が、例えば、最初は約８０°Ｆである。このような空気は、ファンによって蒸発器１７を通して移動され、約５０°Ｆから５５°Ｆ以下まで冷却される。
【０００７】
空気がより大きな除湿を要するときにはしばしば、冷媒をさらに過冷却するために熱交換器１５が設けられる。蒸発器１７を横切る空気は、熱交換器が作動された状態では、より大きな潜熱および顕熱冷却を示す。しかし、熱交換器１５によって冷媒から除去されたエネルギーは、空気が蒸発器１７から流出すると空気流に戻される。したがって、熱交換器１５が作動された状態では、熱交換器１５が作動されていない状態におけるよりも、流出する空気は、より高い乾球温度にあり（比較的顕熱容量が低く）、かつ湿度が低い（比較的潜熱容量が高い）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、除湿を利用する空気調和システムの融通性を増大させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、空気から湿気を除去する方法は、冷媒が圧縮機から、凝縮器を通り、熱交換器を通り、蒸発器を通って流れ、圧縮機に戻る連続回路を備える空気調和システムを設けるステップと、冷媒の一部が熱交換器を迂回して通過するバイパス弁を設けるステップと、冷媒の一部が凝縮器の上流点から、凝縮器の下流点で冷媒と混合するように通過するバイパス回路を設けるステップと、バイパス回路を通過して流れる冷媒の一部を制御するための吐出ガス弁を設けるステップと、戸外温度および相対湿度を測定するステップと、冷却段階を決定するステップと、戸外温度、相対湿度、および冷却段階に基づいて空気から湿気の一部を除去するためにバイパス弁および吐出ガス弁を動作させるステップとを含む。
【００１０】
本発明によれば、空気調和装置は、冷媒が圧縮機から、凝縮器を通り、熱交換器を通り、蒸発器を通って流れ、圧縮機に戻る連続回路と、冷媒の一部が熱交換器を迂回して通過するバイパス弁と、冷媒の一部が凝縮器の上流点から、凝縮器の下流点で冷媒と混合するように通過するバイパス回路と、バイパス回路を通過して流れる冷媒の一部を制御するための吐出ガス弁と、戸外温度、相対湿度、および戻り空気温度を受け取り、圧縮機、吐出ガス弁、およびバイパス弁の動作を制御するための制御モジュールとを備える。
【００１１】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明白となろう。
【００１２】
様々な図面中の同様の参照数字および記号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
したがって、本発明の教示は、顕熱冷却の望ましくない効果を打ち消すために、空気調和システムにおいて以前では廃棄されていた熱を利用するための方法およびこのような方法を活用するシステムを提供することである。
【００１４】
顕熱冷却を行わず、単に除湿することがときには望ましい。このような場合では、図２を参照すると例示されているように、凝縮器１３を通過しないように流れの一部を迂回させる弁１９を作動させることによって、追加的な熱が空気に加えられる。そうする際に、熱交換器１５は、この熱交換器１５に流入する２相混合物の凝縮器になり、かつ冷媒がこの熱交換器１５から流出する前のその過冷却器になる。
【００１５】
したがって、この方式では、様々な水準の除湿および顕熱冷却が利用可能である。
【００１６】
図２を参照すると、本発明の空気調和システムが例示されている。最も注目すべきことは、吐出ガスの一部が凝縮器に流入しないように、その一部を迂回させるための回路と、同回路に沿って設けられた吐出ガス弁１９とを含むことである。吐出ガス弁１９は、開かれるとき、圧縮機から流出する高温のガスの一部が凝縮器１３を迂回することを可能にし、これにより、除湿を要するときに高い融通性がもたらされ得る。除湿は、空間中の相対湿度が望ましい値を超えるときにしばしば必要である。好ましい実施形態では、ガス弁１９はソレノイド弁である。
【００１７】
上記で指摘したように、過冷却ユニットまたはコイルも内蔵するように構成される熱交換器１５を利用する従来技術の実施態様は、除湿の必要がない通常動作時に過冷却器コイルを迂回するためのバイパス弁を利用する。除湿の必要性が生じると、通常は開いている好ましくはソレノイド弁であるバイパス弁２１が閉じられ、熱交換器１５の中の過冷却コイルが作動されて、潜熱容量が増大するとともに顕熱容量が減少する。
【００１８】
図３を参照すると、冷媒が空気調和システム１０の閉回路を通過するときの従来技術のシステムの冷媒のエンタルピー対圧力のグラフが例示されている。点４は圧縮機１１への流入を示す。冷媒は、点４から点１まで移動するときに、圧力およびエネルギーが増大する。冷媒は、点１から点２まで移動するときに、凝縮器１３を通過し、ほぼ定圧を維持しながらエンタルピーが減少する。次いで、冷媒の圧力は蒸発器に流入するまで低下するが、蒸発器では、点４で圧縮機に戻るまで、ほぼ定圧を維持しながらエンタルピーは増加する。
【００１９】
ソレノイド２１が閉じると、冷媒は点２から点３までさらに冷却され、より低いエンタルピーで蒸発器に流入する。次いで、蒸発器は空気からより多くのエネルギーを吸収する。しかし、このエネルギーは、空気が熱交換器１５を横切ると空気に戻され、したがってより大きい潜熱容量およびより小さい顕熱容量がもたらされる。上記で指摘したように、本発明は、開かれるとき、圧縮機から流出する高温のガスの一部が凝縮器１３を迂回することを可能にする吐出ガス弁１９を具備する。迂回ガスは、凝縮器から流出する液体冷媒と混合される。得られる混合物（今や２相である）は、熱交換器１５に流入し、凝縮されかつ過冷却される。
【００２０】
図４を参照すると、吐出ガス弁１９が開かれているときに冷媒が本発明の回路を移動するときの冷媒のエンタルピー対圧力のグラフが例示されている。冷媒は点５で圧縮機に流入しかつ流出して点１まで進むが、そこでは冷媒の一部が凝縮器を通過して進み、他方で冷媒の残りの部分が凝縮器を迂回して吐出ガス弁１９を通過して進む。このような迂回ガスは点１から点３まで移動する。点１で凝縮器を通過する冷媒は、点２で凝縮器から流出して迂回ガスと混合して点３まで進むが、この点で冷媒の凝縮および過冷却、ならびに空気の再加熱が実行される。次いで、蒸発器に流入しかつそれから流出して、凝縮器に戻る。
【００２１】
その結果として、高温のガス状冷媒を、凝縮器１３から流出する冷媒と混合することの追加により、図３の点２から点３までの距離よりも大きくなるように、図４の点３から点４までの距離が増大される。本発明おける冷媒に対する熱の追加は顕熱冷却を打ち消す。吐出ガス弁１９を通過して流れる冷媒の量は、生じる顕熱容量がゼロになるように制御されること、すなわち、蒸発器に流入する乾球温度が蒸発器から流出する乾球温度に等しいことが好ましい。
【００２２】
吐出ガス弁１９の開放、すなわち作動は、主として、冷却すべき空間中の除湿の必要性、外気温度、および熱交換器１５における過冷却の実行能力によって決まる。冷却の必要がない状態で除湿が望ましいとき、空気調和システム１０は、バイパスを設けるために吐出ガス弁１９が開かれ、かつバイパス弁２１が閉じられた状態で動作する。除湿および冷却が望ましく、かつ外気温度が低ければ、低温の外気を引き込むためにダンパが開放されるエコノマイザモードが利用可能であるかどうかを確認しなければならない。エコノマイザが利用可能であれば、バイパスを設けるために吐出ガス弁１９が開かれ、かつバイパス弁２１が閉じられた状態で、エコノマイザが作動される。除湿および冷却が望ましく、かつ外気が高温であれば、吐出ガス弁１９が閉じられ、エコノマイザが遮断され、かつ熱交換器１５が過冷却モードで動作する。除湿の必要がなく、かつ冷却が必要なときには、吐出ガス弁１９が閉じられ、かつバイパス弁２１が開かれる。「低温」および「高温」とは、外気が、望ましい温度または空気調和システム１０によって冷却すべき空気のエンタルピーをそれぞれ下回っているか、それとも上回っているかを意味する。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、望ましい性能を実現するために、圧縮機１１を作動すべき時点、ならびに吐出ガス弁１９およびバイパス弁２１を開閉すべき時点を決定する方法が提供される。この方法では、どのような場合において吐出ガス弁１９およびバイパス弁２１を開閉すべきかが、次の表によって規定される。
【００２４】
［表１］
冷却段階    戸外温度    相対湿度    エコノマイザ    圧縮機
無し        低          低        最小戸外空気    オフ
高        最小戸外空気    再加熱
高          低        最小戸外空気    オフ
高        最小戸外空気    再加熱
第１        低          低        最大戸外空気    オフ
高        最大戸外空気    再加熱
高          低        最小戸外空気    標準
高        最小戸外空気    過冷却モード
第２        低          低        最小戸外空気    標準
高        最小戸外空気    過冷却モード
高          低        最小戸外空気    標準
高        最小戸外空気    過冷却モード。
【００２５】
上表は、本発明の空気調和システム１０が変数の範囲にわたって動作する圧縮機モードを規定する。これらの変数には、冷却段階、戸外温度、冷却すべき空間中の相対湿度、および戸外空気必要条件が含まれる。冷却段階は３つの場合に分類される。第１の冷却段階（「無」と呼ぶ）では、本システムの戻り空気温度が冷却設定値を下回っているので冷却の必要がない。冷却設定値は任意所望の温度に設定され得るが、典型的には７０°Ｆと８０°Ｆとの間であり、好ましくは約７５°Ｆである。第２の冷却段階（「第１」と呼ぶ）は、戻り空気温度が前述の冷却設定値を超えるが、偏差を加えた冷却設定値を下回る状況に対応する。この偏差は、第１の冷却段階が動作する望ましい範囲を実現するように選択され得るが、典型的な偏差は約プラスまたはマイナス３°Ｆである。最後に、「第２」と呼ぶ冷却段階では、戻り空気温度が前述の偏差を加えた冷却設定値を超える。
【００２６】
上記で指摘した冷却段階のそれぞれでは、上表は、調和すべき空間中の低いまたは高い相対湿度と低いまたは高い戸外温度との可能な全ての組合せを示す。圧縮機の設定は、冷却段階、戸外温度読取り値、および相対湿度読取り値の組合せから決定される。可能な圧縮機の設定には、オフ、再加熱、標準、および過冷却モードが含まれる。圧縮機「オフ」が冷却段階、戸外温度、および相対湿度値に基づいて適切であるとき、吐出ガス弁１９およびソレノイド２１の開閉の如何は問題ではなく、圧縮機１１が停止される。圧縮機「再加熱」モードが適切であると決定されたとき、吐出ガス弁１９が開かれ、かつソレノイド２１が閉じられる。圧縮機「過冷却モード」が適切であるとき、吐出ガス弁１９は、ソレノイド２１と同様に閉じられる。最後に、圧縮機「標準」が適切であるとき、吐出ガス弁１９が閉じられ、他方でソレノイド２１が開かれる。「オフ」モードを除いて、圧縮機は他のすべてのモードで作動される。
【００２７】
図５を参照すると、制御モジュール５１を備える、本発明の空気調和システムが示されている。制御モジュール５１は、戸外温度、戻り空気温度、相対湿度、および冷却段階から成る入力を受け取り、このような入力に基づいて、上で論じたモードで本システムを選択的に動作させるように、圧縮機１１を作動／停止させ、かつ吐出ガス弁１９およびソレノイド２１を開閉するように設けられている。制御モジュール５１は、例えば、適切なプログラミングおよび／またはソフトウェアによって、入力データを受け取って制御信号をソレノイド２１、吐出ガス弁１９、および圧縮機１１に送出するように設けられた任意の電子的な、デジタルまたはアナログ装置である。
【００２８】
上表から明らかなように、それぞれの冷却段階モードでは、戸外温度は「低」または「高」であり得る。「低」および「高」に対応する値は、吐出ガス弁１９およびソレノイド２１の望ましい動作を実現するように任意の様態で規定され得るが、低い戸外温度は典型的には冷却設定値を３°Ｆより下回る温度として規定され、他方で、高い戸外温度は同様に冷却設定値を３°Ｆより下回る温度を超える戸外温度として規定される。さらには、それぞれの冷却段階では、所与の戸外温度に対して、２つの可能な相対湿度設定値すなわち可変値、具体的には「低」および「高」が存在する。それを下回ると相対湿度が低いと見なされ、それを上回ると相対湿度が高いと見なされる相対湿度の実際の値は、望ましい圧縮機の設定をもたらすように選択され得る。典型的には、低い相対湿度は５５％の相対湿度を下回る相対湿度であると考えられ、反対に、高い相対湿度は５５％の相対湿度を上回る相対湿度であると考えられる。エコノマイザモードで稼動中のとき、圧縮機の代わりに戸外空気を冷却に使用することもときには可能である。このようなモードでは、戸外空気必要条件に応じて、最小限または最大限の戸外空気が利用され得る。その後に、冷却段階、戸外温度、および相対湿度の測定値に基づいて、空気調和システム１０の望ましい圧縮機モードが決定される。一旦圧縮機モードが確定されると、吐出ガス弁１９およびバイパス弁２１の動作位置が定められる。
【００２９】
本発明の１つまたは複数の実施形態が説明された。しかし、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更が実施され得ることが理解されよう。したがって、他の実施形態も特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】当技術分野で知られた空気調和システムを示す図である。
【図２】本発明の空気調和システムを示す図である。
【図３】従来技術の冷媒流の圧力対エンタルピーを示すグラフである。
【図４】本発明の冷媒流の圧力対エンタルピーを示すグラフである。
【図５】制御モジュールが示されている、本発明の実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008500509.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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