第 6 章サイクル再熱除湿サイクルにおける室温 湿度制御方法 6.1 概要 第 4 章, 第 5 章において, ルームエアコンディショナの除湿機能としてサイクル再熱除湿サイクルの研究開発を行い, 主にその性能と冷媒音低減の検討を行った. サイクル再熱除湿サイクルの構成の特徴は, 除湿運転時に, 室内熱交換器を除湿弁を介して再熱器と冷却器に分け, 吸込空気を冷凍サイクルにより冷却 除湿すると同時に加熱することである. その結果, 省エネルギーで吹出空気温度が室温と同等の等温除湿運転が可能となり, 特に梅雨時などの高湿で外気温がそれ程高くない場合には, 室温を保持したまま湿度を下げて快適な環境を実現できる. ここで除湿運転としては, 以下の点が重要である. 1) 除湿能力の確保 2) 冷媒音の低減 3) 室温, 湿度の制御これらは互いに密接に関連している. 除湿能力を増大させるには, 圧縮機の回転数を増して冷媒流量を増やす必要があるが, 圧縮機の回転数を増すと除湿弁から発生する冷媒音が大きくなるため, 冷媒音の低減が必要になる. しかし湿度を下げる時間を短縮したり, 高湿時に低湿度まで下げるには, 十分な除湿能力が必要になる. ところで, 近年ルームエアコンディショナでは, オゾン層保護の点から冷媒が R 22 から R 410A へ切り替わった. また洗濯物の乾燥時間短縮等の点から除湿能力増大に対するニーズが大きくなっている. これに対応して, 第 5 章において, 十分な除湿能力を確保でき, 冷媒音を低減できる 二段絞り除湿弁 を開発した. また, 特に女性の方から, 温度および湿度を好みの値に設定したい というニーズが大きい. しかし,4.5 節で述べた従来の制御方法では, 湿度センサを組み込んでいなかったこともあり, 室温や湿度を十分精度良く制御できていなかった. 本章は上記 3) の室温, 湿度の制御について検討したもので, 第 5 章の R 410A 化と除湿能力増大を可能にした二段絞り除湿弁を用いたサイクル再熱除湿サイクルにおいて, 温度センサに加えて湿度センサを組み込み, さらに圧縮機と室外ファンの回転数をそれぞれ湿度と室温に応じて操作することにより, 室温と湿度を好みの - 80 -
値に制御できる除湿運転制御方法の研究開発を行った. 6.2 除湿サイクルの構成と使用センサ 室内機と室外機からなるサイクル再熱除湿ルームエアコンディショナの冷凍サイクルを図 6.1 に示す. 図 6.1 のサイクル構成は, 第 5 章の図 5.1 と同一で, これに従来から使用されている室温センサと外気温センサに加えて, 新たに室内湿度センサを取り付けてある. < Outdoor unit > < Indoor unit > Outdoor temperature sensor Four-way valve Inlet air (Humidified air) Indoor heat exchanger (Reheating device) Expansion valve for dehumidification (Dehumidification valve) Outdoor heat exchanger Outdoor fan Compressor Electronic expansion valve for cooling and heating Indoor fan Indoor temperature sensor Indoor humidity sensor Indoor heat exchanger (Cooling device) Outlet air (Dehumidified air kept at room temperature) Refrigerant flow direction : Dehumidification Cooling Heating Fig.6.1 Cycle-reheating dehumidification system 図 6.1 のサイクルの動作や冷媒流動状態は 5.2.1 項と同一であり, 除湿運転時には, 室外機側の電子膨張弁を全開にし, 室内機側の除湿運転時にのみ絞り作用を行う除湿弁を絞り, 冷媒を一点鎖線矢印のように流す ( 冷房運転と同様 ). これにより, 室外熱交換器は凝縮器, 室内熱交換器は, 除湿弁の上流側の山形の再熱器が凝縮器の一部, 下流側の冷却器が蒸発器となり, 冷媒は, 室外熱交換器および室内の再熱器で放熱 凝縮し, 室内の冷却器で吸熱 蒸発する. そして再熱器を通過した空気は加熱され, 冷却器を通過した空気は冷却 除湿され, そのあと各空気は混合 - 81 -
されて吹き出される. このように室内熱交換器において冷却 除湿と加熱の両方を行い, さらに冷却能力と加熱能力を調節することにより, 空気の温度を変化させずに除湿を行う 等温除湿運転, 空気を冷却しながら除湿を行う 冷房気味除湿運転, および空気を加熱しながら除湿を行う 暖房気味除湿運転 が可能になる. 6.3 除湿制御実験装置 除湿運転の制御方法や除湿性能を実験するために, 実際のルームエアコンディショナの制御装置を改造し, パーソナルコンピュータ ( パソコン ) によって制御を行えるようにした図 6.2 のルームエアコンディショナ制御システムを製作した. この制御システムによって, 従来室内のマイクロコンピュータ ( マイコン ) が行なっていた圧縮機や室外ファンの回転数の決定や除湿弁の開閉などの機能をパソコンで実行できるようにした. 図 6.2 において, パソコンは,A/D 変換器を介して, 室内機から室温と湿度を取り込み, 室外機から外気温を取り込む. またパソコンは, 室内機側では, インターフェイスを介して駆動回路を駆動し, 室内ファンや除湿弁を制御する. 室外機側では, インターフェイスを介して室外マイコンとデータを送受信し, さらに室外マイコンは受信データに基づいて駆動回路を駆動し, 圧縮機回転数, 室外ファン回転数及び電子膨張弁の制御を行う. 実験では室内機, 室外機を, 図 6.3 のように, それぞれ温度 湿度を制御できる恒温室に設置し, 一定の温湿度条件の下で特性の測定を行った. 除湿能力は単位時間当たりに排出される除湿水をメスシリンダで測定して求めた. 熱交換器各部温度や吸込 吹出空気温度は銅 -コンスタンタン熱電対によって測定した. 圧縮機の吐出冷媒圧力と吸入冷媒圧力は圧力センサにより測定した. 室内機用恒温室内には加湿器と電気ヒータを設置し, 必要に応じて負荷を与えた. また供試エアコンは, 第 5 章と同じで, 冷媒 R 22 使用で定格冷房能力 2.8 kw の 1999 年度機を改造して, 圧力レベルが約 1.5 倍になる冷媒 R 410A を封入し, これに伴い圧縮機の行程容積を定格冷房能力が R 22 の場合と同一になるように小さくした (67%). - 82 -
< Outdoor unit > < Indoor unit > Outdoor sensor Temperature (thermister) Compressor Outdoor fan E.E.V. Drive circuit Indoor fan Dehumidifiction valve Drive circuit Indoor sensor Temperature (thermister) Humidity Outdoor microcomputer Indoor microcomputer Outdoor controller Indoor controller Electronic expansion valve Interface Personal computer A/D converter Fig.6.2 Room air conditioner control system < Constant temperature and humidity room > ( for outdoor unit) ( for indoor unit) Outdoor unit Indoor unit Outdoor control device Indoor control device Connecting pipe Electric heater Humidifier Personal computer Fig.6.3 Experimental equipment - 83 -
6.4 除湿サイクルの特性 新しい除湿制御方法の研究開発に際して, まず除湿サイクルの特性を把握するために先の 5.5 節の実験を行い, 圧縮機回転数と室外ファン回転数が除湿能力や吹出空気温度に与える影響を測定した. この結果, 除湿弁として図 5.2-(a) の一段絞り除湿弁 ( 絞り部 ;V 溝 -2 個 ) を用いた場合, 室外ファン回転数をパラメータとして, 圧縮機回転数を変化させた時の除湿能力と吹出空気温度をプロットした結果は図 5.3 のようになり, 以下のことが分った. 1) 圧縮機回転数を増すと, 除湿能力はほぼ直線的に大きく増加するが, 吹出空気温度の変化は小さく僅かに増加する. 2) 室外ファン回転数を増すと吹出空気温度が大きく下がり, 除湿能力は増加する. 3) 以上より, 湿度や室温を制御するためには圧縮機や室外ファンの回転数を制御することが有効である. 4) 除湿運転では, 冷房運転や暖房運転に比べて圧縮機や室外ファンの回転数が低いことから, 再熱器出口で過冷却度が比較的小さく, 冷却器出口で過熱度がほとんど取れない状態となった. しかし過熱度が過大になったり, 液戻りが問題になることも無く, 安定したサイクル状態であった. なお室内ファン回転数は, 除湿能力や吹出空気温度にはほとんど影響しない. 6.5 新しい除湿運転制御 6.5.1 従来の除湿運転制御従来のルームエアコンディショナでは, 室温センサと外気温センサの温度に基づいて除湿運転を行っていた. 詳細は 4.5 節で述べたが, 概要は以下のようである. 室温, 外気温をそれぞれ段階的に数段に分割し, 各室温範囲と各外気温範囲の組み合わせで指定される各温度範囲ブロック毎に, 圧縮機と室外ファンの回転数を, 以下のように, 一定に設定して運転する. 圧縮機回転数は, 室温と設定温度の差に応じて変化させる. 室外ファン回転数は, 低外気温ほど低くする. 室温が高すぎる場合には冷房運転に, 室温が低すぎる場合には暖房運転に, 自動的に切り換える. - 84 -
しかしこの従来の除湿運転制御方法では, 湿度を直接検出していなかったり, 使用しているマイコンの処理能力やメモリ容量の制限から圧縮機や室外ファンの回転数設定が荒くなったりで, 温度 湿度を十分精度良く制御できなかった. また従来の除湿弁では, 比較的大きい冷媒音や間欠音発生のために, 圧縮機回転数を広い範囲で変えることができなかった. 6.5.2 新しい除湿運転制御の考え方新しい除湿運転制御方法は, 次の 6.5.3 項に詳述するように, 室内機に温度センサに加えて湿度センサも取り付け, マイコンの処理能力やメモリ容量を高めて, 従来の方法に対して温度および湿度に対する補正項を追加し, 室温と湿度を好みの値に制御できるようにした. 補正方法は,6.4 節の 1)~4) の特性に基づいている. この方法により, 除湿運転では, 冷房運転や暖房運転に比べて, 使用温度範囲が狭く, 圧縮機や室外ファンの回転数可変範囲が狭いことから, 大きなハンチングが無く, 実用的な室温 湿度制御が可能になると考えられる. 6.5.3 新しい除湿運転制御方法使用マイコンの処理能力やメモリ容量を考慮し, さらには温度や湿度の応答速度が速くないことを考慮して, できるだけ簡単な補正により, 実用上問題ない精度で室温や湿度を制御できるようにした. 具体的には, 以下のように, 圧縮機と室外ファンの回転数を, 最初は室温と外気温に応じて定める従来制御方法で設定して暫く運転し, そのあと室温, 湿度それぞれの測定値と設定値の差に応じて所定量の補正を時間的に交互に行う制御とした. (a) 運転開始圧縮機, 室外ファンの回転数の初期値を 4.5 節の従来制御方法により設定し, 所定時間 t 0 運転する. (b) 次の圧縮機回転数の設定 ΔRH = RH-RH S として, N C (n) - ΔN C1 (ΔRH<-ΔRH 1 ) (6.1) N C (n+1) = N C (n) (-ΔRH 1 ΔRH ΔRH 2 ) (6.2) N C (n)+δn C2 (ΔRH >ΔRH 2 ) (6.3) - 85 -
ここに,RH; 測定相対湿度,RH S ; 設定相対湿度 ΔRH 1, ΔRH 2 ; 定数 ( 相対湿度差 ) N C ; 圧縮機回転数 ΔN C1, ΔN C2 ; 圧縮機回転数の補正量 n; サンプリング番号 (c) 次の室外ファン回転数の設定 ΔRT = RT-RT S として, N f (n) - ΔN f1 (ΔRT<-ΔRT 1 ) (6.4) N f (n+1) = N f (n) (-ΔRT 1 ΔRT ΔRT 2 ) (6.5) N f (n)+δn f2 (ΔRT>ΔRT 2 ) (6.6) ここに,T; 測定室温,RT S ; 設定室温 ΔRT 1, ΔRT 2 ; 定数 ( 温度差 ) N f ; 室外ファン回転数 ΔN f1, ΔN f2 ; 室外ファン回転数の補正量 n; サンプリング番号 (d) t 0 時間の初期運転後, 圧縮機回転数および室外ファン回転数を, それぞれ式 (6.1) ~ 式 (6.3), 式 (6.4)~ 式 (6.6) によって, 湿度や室温の測定値と設定値の差に応じて補正し, それらの回転数変更指示を時間的に交互に出し, それぞれ所定時間 t 1, t 2 運転する. 以上の (a)~(d) の操作をまとめた除湿運転の制御アルゴリズムを図 6.4 に示す. まず図 6.4-(a) のように, リモコンで除湿運転が選択されると,4.5 節の従来制御方法のように, 測定室温 RT とリモコン設定温度 RT S に応じて,RT が RT S より一定値 ΔRT 3 以上低い場合には暖房運転,RT が RT S より一定値 ΔRT 4 以上高い場合には冷房運転を行い, その間が除湿運転領域となる. そしてこの判定は常時行う. なお, ここで選択される暖房運転や冷房運転は, リモコンで除湿運転が選択された中での運転である. 除湿運転領域が選択されると, 図 6.4-(b) のように, まず圧縮機と室外ファンの回転数の初期値 N C (0),N f (0) を設定し, 所定時間 t 0 の初期運転を行う. 初期値は,4.5 節の従来制御と同じ値であり, 室温と外気温によって決定される. - 86 -
初期運転が終ると, 圧縮機回転数を補正した運転 ( 図 6.4-(c); 運転時間 t 1 ) と室外ファン回転数を補正した運転 ( 図 6.4-(d); 運転時間 t 2 ) を交互に行う. 交互に行うのは, 室外ファン回転数は吹出空気温度と除湿能力の両方に影響するが, 圧縮機回転数は吹出空気温度にほとんど影響を与えないことから, 室外ファンを変化させて室温を設定値に制御したあと, ある程度時間をおいてから圧縮機回転数を変化させることにより, さらに湿度を設定値に制御するためである. 図 6.4-(c) の圧縮機回転数の補正は, 室内相対湿度 RH を測定し, これを設定相対湿度 RH S と比較して, その差 ΔRH(=RH-RH S ) が所定値 -ΔRH 1 より小さければ圧縮機回転数を所定値 ΔN C1 減少させ, 所定値 ΔRH 2 より大きければ所定値 ΔN C2 増加させ, その間では変えない. 図 6.4-(d) の室外ファン回転数の補正は, 室温 RT を測定し, これを設定室温 RT S と比較して, その差 ΔRT(=RT-RT S ) が所定値 -ΔRT 1 より小さければ室外ファン回転数を所定値 ΔN f1 だけ減少させ, 所定値 ΔRT 2 より大きければ所定値 ΔN f2 だけ増加させ, その間では変えない. - 87 -
(a) Dehumidification drive RT read Operation judge RT < RT S -ΔR T3 RT S +ΔRT 4 RT RT S -ΔRT 3 RT > RT S +ΔR T4 Operation Heating Dehumidifi -cation (b) Cooling (b) Dehumidification operaion Drive start or After operation change Initial drive-time passing N Y Y Initial rotational speed setting of compressor and outdoor fan N C (0), N f (0) Initial drive ; t 0 Compressor rotational speed setting (c) Return ΔRT 3,ΔRT 4 ;Room temperature difference Return drive ; t 1 Outdoor fan rotational speed setting (d) drive ; t 2 (c) (d) Compressor rotational speed setting Outdoor fan rotational speed setting RH read RT read ΔRH = RH - RH S ΔRT = RT-RT S ΔN C1 decrease ΔN f1 decrease ΔRH < -ΔRH 1 ΔRT < -ΔRT 1 -ΔRH 1 ΔRH ΔRH 2 -ΔRT 1 ΔRT ΔRT 2 ΔRH > ΔRH 2 ΔN C2 increase ΔRT > ΔRT 2 ΔN f2 increase Return Return Fig.6.4 Flow chart of new dehumidification control method - 88 -
6.6 除湿制御実験 前節の除湿運転での室温 湿度制御方法の実用性を実機により検討した. 6.6.1 実験方法 (1) 除湿弁と実験機湿度が高く潜熱負荷が大きい時に湿度を目標値に制御するには, 十分な除湿能力が必要である. また冷媒の R 410A 化に伴い, 圧力レベルが約 1.5 倍になることから, 冷媒音の増加が懸念される. そこで除湿能力の増大と冷媒音の低減ができる, 第 5 章で新しく開発した図 5.2-(c) のV 溝 2 個 -4 個二段絞り除湿弁を使用した. この除湿弁は, 絞り量を出口大気開放で入口に 98 kpag の空気圧をかけた時の出口側空気流量で表すと 5.8 L/min で, 従来の図 5.2-(a) の一段絞り除湿弁の 7 L/min に比べて絞り量を大きくしてあり, 第 5 章の表 5.3 のように, 従来除湿弁に対して, 圧縮機回転数を増して除湿能力を 1.4 倍 (530 745 ml/h) と増大させても, 騒音レベルを低くできる (33.7 32.4 db(a)). 実験機としては,5.2 節のように,R 22 使用で定格冷房能力 2.8 kw のルームエアコンディショナを R 410A 用に改造して使用した. (2) 実験条件と方法供試ルームエアコンディショナの室内機, 室外機をそれぞれ別の恒温室に設置し, 表 6.1 の条件で, 冷房気味除湿運転と暖房気味除湿運転の場合の実験を行った. 冷房気味除湿運転は冷房負荷がある場合の運転であり, 室内機側恒温室内に加湿器と電気ヒータを入れて熱負荷とした. 暖房気味除湿運転の場合には加湿器のみを入れた. また室外機側恒温室内の温度は 24 一定とした. なお熱負荷は, 定格冷房能力 2.8 kw ルームエアコンディショナの場合に対応した以下の条件に相当する値で, サイクル再熱除湿運転における代表的な条件である. 温度, 湿度 ; 室内 24,50 % / 室外 24,80 % 部屋 ; 床面積 16 m 2 (10 畳相当 ), 天井 2.3 m 在室者 ;4 人, 静座換気回数 ;1 回 /h 電気品 ;400 W( 照明, テレビ, パソコン等 ) ( 但し, 夜を想定して, 日射は考慮しない.) - 89 -
Table 6.1 Experimental condition Set temperature of air conditioner ( ) Set humidity of air conditioner (%) Ambient temperature of outdoor unit ( ) Heat load in the room Cooling-like Heating-like 24 24 60 50 24 24 Latent heat (420 ml/h) Sensible heat (700 W) Latent heat (420 ml/h) Temperature around constant temperature rooms = 17~18 実験時の制御における設定値を表 6.2 に示す. 記号は, 式 (6.1)~ 式 (6.6) および図 6.4 の記号に対応している. 表 6.2 の設定値は, インバータエアコンにおける従来からの制御設定値を参考にし, さらに次の点を考慮して, 幾通りかの実験を行なって決定した. ΔRH 1,ΔRH 2,ΔRT 1,ΔRT 2 ; 快適性, 能力. ΔN C1,N C2,ΔN f1,δn f2,t 0,t 1,t 2 ; 圧縮機や室外ファンの回転数変化時の湿度や室温の変化勾配や制御の安定性. Table 6.2 Set values for the proposed humidity and temperature control Symbol Value Comments ΔRH 1 2 % ΔRH 2 2 % ΔRT 1 0.8 ΔRT 2 0.8 ΔN C1 ΔN C2 ΔN f1 ΔN f2 50 rpm 50 rpm 140 rpm 140 rpm Relative humidity difference Room temperature difference Rotational speed change of compressor Rotational speed change of outdoor fan t 0 1 min Initial driving time t 1 t 2 1 min 1 min Driving time - 90 -
6.6.2 制御結果 (1) 冷房気味除湿運転冷房気味除湿運転の実験結果を図 6.5 に示す. スタート時は室温が高く冷房運転になっている. 約 30 分後に圧縮機回転数が下がり除湿運転に切り替わる. このとき一時的に湿度が上昇している. これは, 除湿弁の上流側の再熱器が蒸発器から凝縮器に変わり, この部分に凝縮していた除湿水が蒸発するためと, 除湿弁の下流側の冷却器の面積が小さくなり除湿能力が低下するためである. その後, 湿度の上昇に伴い圧縮機回転数は増加する. そして再び湿度が低下してくるにつれて, 圧縮機回転数は減少してくる. その後, 湿度は設定値付近で安定している. 室温は除湿運転に入ってから若干上昇し, 設定値付近で安定してくる. その後, 室温が徐々に上昇してくると, 室外ファン回転数が増加して室温が下がり, 設定値付近で安定する. このように, 湿度, 室温とも設定値付近に良く制御されていることが分かる. (2) 暖房気味除湿運転暖房気味除湿運転の実験結果を図 6.6 に示す. この実験では, 最初から圧縮機回転数が 2000 rpm で除湿運転に入っている. 最初, 湿度が高いため圧縮機回転数が徐々に増加していき, それにつれて湿度が低下して, ほぼ設定値で安定している. 室温は, 設定値よりもやや低いレベルで安定している. この時, 室外ファンは電気品冷却のための最低回転数で回っており, 再熱器の加熱能力は最大となっている. 従って表 6.2 の条件の暖房気味除湿運転では, 室内機の加熱能力が不足気味であることがわかる. そこでさらに加熱能力を増大させるために, 室外ファンを断続運転したり停止した実験も行ったが, 室温はほとんど上がらなかった. 実際には, こうした暖房能力不足の場合には, 四方弁により図 6.4-(a) における暖房運転に切り替え, 十分な加熱能力を発揮できるようにしてある. なお図 6.5, 図 6.6 では, 室温が ±0.5 以内でハンチングしているように見える. これは, 使用サーミスタの分解能が測定系も含めて 0.33 で, これによる ±0.33 の変動も含まれているためであり, 実際の室温ハンチングはもっと小さい. - 91 -
Relative humidity (%) Room temperature ( ) Compressor rotational speed (rpm) Outdoor fan rotational speed (rpm) Relative humidity (%) Room temperature ( ) Compressor rotational speed (rpm) Outdoor fan rotational speed (rpm) 第 6 章サイクル再熱除湿サイクルにおける室温 湿度制御方法 4000 3000 2000 1000 0 0 50 100 100 80 60 40 20 00 0 50 100 Setting humidity Time (min) 600 400 200 0 0 50 100 35 30 25 20 Setting temperature 150 0 50 100 Time (min) Fig.6.5 Cooling-like dehumidification operation 4000 3000 2000 1000 0 0 50 100 150 80 70 60 50 Setting humidity 40 0 50 100 150 Time (min) 600 400 200 0 0 50 100 150 26 25 Setting temperature 24 23 22 21 20 0 50 100 150 Time (min) Fig.6.6 Heating-like dehumidification operation - 92 -
Relative humidity (%) 第 6 章サイクル再熱除湿サイクルにおける室温 湿度制御方法 以上のように, 開発した新除湿制御方法によって室内の温度 湿度を精度良く制御できるようになった. この結果, 快適性の向上ができ, さらに従来機には無かった湿度設定機能や温湿度表示機能をリモコンに設けることが可能となる. 6.6.3 除湿運転の起動時特性図 6.4 の新しい除湿運転制御方法および第 5 章の図 5.2-(c) の二段絞り除湿弁を搭載した開発機と, 第 4 章の図 4.6 の従来の除湿運転制御方法および図 5.2-(a) の一段絞り除湿弁を搭載した従来機とで, 室内湿度が下がる速度を比較した. 実験は, 空調可能な実験室内に実際の家に近い部屋を設け, この部屋内に開発機を設置して行なった. 最初, 部屋内を室温 24, 湿度 80 %( 実験室内 24 ) にし, その後は顕熱負荷および潜熱負荷を与えずに, リモコンを低湿度に設定して除湿運転を行なった. その時の室内の相対湿度変化を図 6.7 に示す. 開発機では, 従来機に比べて, 湿度が 80 % から 40 % に到達するまでの時間を, 従来の 180 分から 60 分へと 1/3 に短縮できた. これは, 従来機では除湿弁での冷媒音のために圧縮機回転数の上限を高くできなかったのに対して, 開発機では, 低冷媒音の二段絞り除湿弁の開発により, 圧縮機回転数の上限を高くでき, 除湿能力を大幅に増加できたことによる. 80 80 相 60 60 対湿 40 40 度 (%) 20 20 Developed unit 開発機 Previous year unit 前年度機 0 0 0 30 30 60 60 90 90 120 120 150 150 180 180 経過時間 Time (min) ( 分 ) Fig.6.7 Humidity decreasing rate - 93 -
Humidity (%) Temperature ( ) 第 6 章サイクル再熱除湿サイクルにおける室温 湿度制御方法 また図 6.8 に, ユニット性能がさらに改善された 2001 年度エアコンを用いて, 上記と同じ部屋 温湿度条件で,3 人相当の熱負荷を入れた時の,3.1.1 項で説明した三つの除湿方式による室温 湿度の時間変化を示す. 図 6.8 より, 低風量冷房運転やヒータ再熱除湿では, 湿度が十分下がらず, しかも室温が下がってしまう. これに対して, サイクル再熱除湿では, 室温は変わらずに湿度が十分低い 40% まで下がっており, 強力除湿の等温除湿運転が可能になっている. なお阿部ら 35) の研究によれば, 湿度が 40% くらいになるとカビ ダニの繁殖を抑制することができる. Cycle reheating サイクル再熱方式 dehumidification Heater reheating ヒータ再熱方式 dehumidification Weak 弱冷房方式 air flow cooling Condenser Heater Evaporator Evaporator Evaporator Wet air Fan Wet air Fan Wet air Fan Comfortable air Weakly cold air cold air 80 60 40 Weak air flow cooling Heater reheating dehumidification Cycle reheating dehumidification <Condition> Unit : RAS-2810MX (2001, 2.8kW) Room : 10 mats, 3 persons Indoor and outdoor temperature : 24, 80 % 28 Cycle reheating dehumidification Heater reheating dehumidification 24 20 Weak air flow cooling 0 30 60 90 120 Time (min.) 0 30 60 90 120 Time (min.) Fig.6.8 Comparison of dehumidification methods - 94 -
6.7 本章のまとめ ルームエアコンディショナにおけるサイクル再熱除湿サイクルの室温 湿度制御方法を検討し, 以下の特徴を持つ制御方法を開発した. 1) 室外機ファン回転数を室温に基づいて制御し, 圧縮機回転数を室内の湿度に基づいて制御し, さらにこれらの制御を時間的に交互に行うことにより, 室温, 湿度を好みの値に制御できるようになった. 2) 本除湿制御方式と二段絞り方式除湿弁の開発により, 相対湿度が 80 % から 40 % に到達するまでの時間を従来の 1/3 にできた. 開発したサイクル再熱除湿サイクルの室温 湿度制御方法は, 以下の共通の特性や制御の考え方を適用して実現したものである. 圧縮機回転数を増すと, 除湿能力が増すが, 吹出空気の温度変化は小さい. 室外ファン回転数を増すと, 除湿能力が増し, 吹出空気の温度が下がる. 室外ファン回転数を変えて室温を調整した時に生じる湿度の変化を, 続いて行う圧縮機回転数の調整により補正するといった準定常的な考え方により, 室温, 湿度を好みの値に制御する. 従って空調機の容量が変わった場合には, 表 6.2 における温湿度差, 回転数の増減幅, サンプリング時間といった設定値を修正することで対応できる. - 95 -
第 2 部のまとめ 第 2 部のまとめ ルームエアコンディショナでは, 冷凍サイクルがもっている蒸発器を使って除湿機能を容易に実現できるため, これまでに以下の3つの除湿方式が開発されてきた. 1 弱冷房運転 : 冷房運転において室内側風量を減らして除湿能力を高める方式で, 吹出空気温度が低く, 足元付近が冷えるという問題がある. 2 ヒータ再熱除湿 : 冷却 除湿後の空気を, 蒸発器後の風路に設けた電気ヒータで再加熱して吹き出す方式で, 入力が多い. 3 サイクル再熱除湿 : 冷却 除湿後の空気を, 冷凍サイクルの凝縮熱で加熱して吹き出す方式. サイクル構成がやや複雑になるが, 除湿能力や加熱能力を大きくできる. 本論文では, 最近, 圧縮機やファンの回転数制御が可能になってきたことやマイコンの普及によりアクチュエーターの制御が容易になってきたことを十分活用して,3のサイクル再熱除湿サイクルの研究開発を行った. また冷媒が R 22 から R 410A に変換されたことから,R 410A を使った冷凍サイクルでの研究開発も行った. この場合, サイクル再熱除湿は, 冷房や暖房での性能を損なうことなく実現する必要があるため, 室内熱交換器を上側の再熱器 ( 凝縮器の一部 ) と下側の冷却器 ( 蒸発器 ) に分離し, その間に除湿運転時にのみ絞り作用を行う除湿弁を設けた構成とした. そして室内機の吸込空気を冷却器で冷却 除湿し, 再熱器で加熱するようにし, さらに室外ファンや圧縮機の回転数を制御して, 省エネルギーで, 吹出空気温度を室温以下から以上まで可変にできるサイクル再熱除湿サイクルを開発した. また除湿弁で発生する冷媒音の低減や除湿能力の増大に対する強いニーズに対応して, 弁座に複数のV 溝を二段に設けた二段絞り除湿弁の開発を行い, 大幅な冷媒音の低減と除湿能力の増大を実現した. 以上の結果, 初期の R 22 使用エアコンに対して冷媒音の増大が予想される R 410A 使用エアコンにおいて, 等温除湿 ( 室内機の, 吹出空気温度 吸込空気温度 ) を保ち, 騒音を抑え, 省エネルギーを保った状態で, 除湿能力を約 1.5 倍にできた. また除湿能力が 400~500 ml/h の時, 上記 2のヒータ再熱除湿に比べて, 除湿成績係数を 3 倍以上にできた. 次に, サイクル再熱除湿サイクルの室温 湿度制御方法を検討し, 以下の特徴を - 96 -
第 2 部のまとめ 持つ制御方法を開発した. 室外ファン回転数を室温に基づいて制御し, 圧縮機回転数を室内の湿度に基づいて制御し, さらにこれらの制御を時間的に交互に行うことにより, 室温, 湿度が精度良く制御できるようになった. 本除湿制御方法と二段絞り除湿弁により, 湿度が 80 % から 40 % になるまでの時間を, 従来除湿制御方法と一段絞り除湿弁を用いた場合の約 1/3 にできた. ここで, 第 2 部で得られた結果は, 蒸気圧縮式空調機の冷凍サイクルに対して共通の特性に基づくものであり, 除湿弁の仕様の修正, 除湿制御に使う設定定数の修正を行うことにより, 広い容量範囲の機種に適用できる. すなわち第 5 章の除湿能力の増大に関しては, 蒸発温度を変えずに冷媒流の運動エネルギーを減らしたり, 除湿弁の絞り流路であるV 溝の仕様を冷媒流同士および冷媒流が管壁に当るときの衝撃が小さくなるようにして冷媒音を低減することにより, 広い容量範囲の機種に対して, 除湿能力を増大できる. また第 6 章の室温 湿度制御方法に関しては, 圧縮機や室外ファンの回転数を変えるかどうかの判断をするための温度 湿度差, 回転数の増減幅, サンプリング時間といった設定値を修正することにより, 広い容量範囲の機種に対して, 適用できる. - 97 -