JP2007218529A

JP2007218529A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2007218529A
Application number: JP2006041029A
Authority: JP
Inventors: Kimio Kouda; 祈実男国府田; Shinji Kanai; 伸二金井; Tetsuya Nagaoka; 徹也長岡
Original assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems Co Ltd
Current assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems Co Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】液冷媒の過冷却度が大きく、冷媒液管の圧力損失により膨張弁の手前でフラッシュガスが発生することがなく、膨張弁が正常に機能を果たす空気調和機を提供すること。
【解決手段】少なくとも圧縮機２０３と、膨張弁２０５と、気液接触手段を有し室内からの排気（熱源空気）と冷媒との間で熱交換する蒸発式凝縮器２０４と、外気（処理空気）と冷媒との間で熱交換する蒸発器２０６と、蒸発器２０６を出た外気と蒸発式凝縮器２０４を出た冷媒との間で熱交換して外気の再熱と冷媒の過冷却を行う過冷却器２０７とから構成されるヒートポンプ回路を具備してなる空気調和機２００である。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液接触手段を用いた凝縮器を有するヒートポンプ回路を備えた空気調和機に関し、特に凝縮液冷媒の過冷却度が大きく、安定的に運転が可能な空気調和機に関するものである。

従来、室内からの排気等の熱源空気をヒートシンクとするヒートポンプ回路によって外気の負荷を処理して室内へ給気する外調機（外気調和機）等の空気調和機がある。図１はこの種の空気調和機１００の概略構成図である。同図に示すように空気調和機１００は、外気（処理空気）を室内に導入する外気ファン１０１と、室内からの排気（熱源空気）を屋外へ排気する排気ファン１０２と、冷媒を圧縮する圧縮機１０３と、圧縮された冷媒と前記排気ファン１０２による排気との間で熱交換する蒸発式凝縮器１０４と、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁１０５と、減圧された冷媒と前記外気ファン１０１による外気との間で熱交換する蒸発器１０６と、蒸発器１０６に投入される前の外気と蒸発器１０６を通過した後の外気との間で主に顕熱を熱交換する顕熱交換器１０８とを備えて構成されている。

以上のように構成された空気調和機１００において、排気ファン１０２によって室内から吸込まれた排気は、蒸発式凝縮器１０４において散布ノズル１１３から供給される散布水を介して冷媒と熱交換して主に潜熱を増加された後、排熱として屋外に放出される。一方、外気ファン１０１によって屋外から導入された外気は、顕熱交換器１０８の高温流体側通路を流れながら、顕熱交換器１０８の低温流体側通路を流れる蒸発器１０６通過後の外気と熱交換して、主に顕熱を削減させた後、蒸発器１０６に供給される。蒸発器１０６に供給された外気は、冷媒と熱交換して、主に潜熱を削減させた後、顕熱交換器１０８の低温流体側通路へ供給される。顕熱交換器１０８の低温流体側通路に供給された外気は、高温流体側通路を流れる蒸発器１０６投入前の外気と熱交換して、顕熱を増加させた後、室内へ供給される。

ここで蒸発式凝縮器１０４内の各流体の温度分布に着目すると、図４に示す通り、散布水の温度は入口と出口において等しく、出口の湿球温度と飽和液冷媒温度の間に存在する。冷媒の出口付近において飽和液冷媒は散布水との熱交換で過冷却されるが、両流体間の温度差は一般に３〜５℃しかなく、従って液冷媒の過冷却度は１〜２℃程度しかとることができない。そのため、蒸発式凝縮器１０４を出た後の冷媒液管における圧力損失により、膨張弁１０５の手前でフラッシュガスが発生してしまい、膨張弁１０５が正常に機能しなくなってしまうという問題があった。
特開２００１−１１６２８７

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、液冷媒の過冷却度が大きく、従って冷媒液管の圧力損失により膨張弁の手前でフラッシュガスが発生することがなく、従って膨張弁が正常に機能を果たすことが可能な空気調和機を提供することを目的とする。

本願請求項１に記載の発明は、少なくとも圧縮機と、膨張弁と、気液接触手段を有し熱源空気と冷媒との間で熱交換して凝縮器として作用する第１熱交換器と、処理空気と冷媒との間で熱交換して蒸発器として作用する第２熱交換器と、第２熱交換器を出た処理空気と第１熱交換器を出た冷媒との間で熱交換して処理空気の再熱と冷媒の過冷却を行う第３熱交換器とから構成されるヒートポンプ回路を具備したことを特徴とする空気調和機にある。

本願請求項２に記載の発明は、前記第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過した後の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機にある。

本願請求項３に記載の発明は、前記第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過する前の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機にある。

本願請求項１の発明によれば、第２熱交換器を出た処理空気と第１熱交換器を出た冷媒との間で熱交換して処理空気の再熱と冷媒の過冷却を行う第３熱交換器を設けたので、冷媒が十分に過冷却され、従って冷媒液管の圧力損失があっても膨張弁の手前でフラッシュガスが発生することが無く、膨張弁が正常に機能し、空気調和機の安定的な運転が可能となる。

本願請求項２の発明によれば、第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過した後の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたので、第２熱交換器に投入される処理空気の顕熱が削減でき、第２熱交換器の潜熱処理能力を増加させることができる。

本願請求項３の発明によれば、第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過する前の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたので、第４熱交換器の低温流体側通路を流通する処理空気の温度が低下し、これによって第４熱交換器における熱交換能力を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図２は本発明の第１実施形態にかかる空気調和機２００の概略構成図である。同図に示すように空気調和機２００は、外気（この実施形態の場合は外気が処理空気である）を室内（被空調室内）に導入する外気ファン（処理空気ファン）２０１と、室内からの排気（この実施形態の場合は排気が熱源空気である）を屋外へ排気する排気ファン（熱源空気ファン）２０２と、冷媒を圧縮する圧縮機２０３と、圧縮された冷媒と前記排気ファン２０２による排気との間で熱交換する蒸発式凝縮器（第１熱交換器）２０４と、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁２０５と、減圧された冷媒と前記外気ファン２０１による外気との間で熱交換する蒸発器（第２熱交換器）２０６と、蒸発式凝縮器２０４と膨張弁２０５の間に設置され、蒸発式凝縮器２０４において凝縮された液冷媒と蒸発器２０６を通過した後の外気との間で熱交換する過冷却器（第３熱交換器）２０７と、蒸発器２０６に投入される前の外気と過冷却器２０７を通過した後の外気との間で熱交換する顕熱交換器（第４熱交換器）２０８とを具備してなるヒートポンプ回路（排気ヒートシンク型ヒートポンプ回路）を備えて構成されている。

ここで外気ファン２０１は、屋外の外気が顕熱交換器２０８と蒸発器２０６と過冷却器２０７を介した後に室内に導入されるように接続されている。また排気ファン２０２は、室内の空気が蒸発式凝縮器２０４を介した後に屋外に排気されるように接続されている。

圧縮機２０３は、蒸発器２０６から導入された冷媒を加圧して蒸発式凝縮器２０４に供給するものである。なお圧縮機２０３及び冷媒には種々のものがあり、冷凍サイクルを構成できるものであればどのような種類のものであっても良い。圧縮機２０３の吸込側には冷媒の気液を分離するアキュムレータ２０９が、吐出側には、冷媒の流れ方向を逆転する冷媒流路切替弁（冷媒流路切替手段）２１０が設置されている。

蒸発式凝縮器２０４は気液接触手段を有する凝縮器であり、冷媒流路切替弁２１０によって冷媒の流れを逆転することによって蒸発器にもなる第１熱交換器である。この蒸発式凝縮器２０４に設置される気液接触手段は、この蒸発式凝縮器２０４に散布する散布水を貯蔵する散布水槽２１１と、貯蔵された散布水を循環させる散布水ポンプ２１２と、散布水ポンプ２１２によって送られた散布水を蒸発式凝縮器２０４の伝熱面全体に均一に散布する散布水ノズル２１３と、散布水槽２１１内の水位を検知するフロートスイッチ２１４と、フロートスイッチ２１４に連動して散布水槽２１１の水位を一定に保つように給水の供給量を制御する給水弁２１５と、散布水槽２１１内の散布水がある濃縮度に達した場合に給水の供給を持続させて散布水槽２１１の水位を上昇させて排水させるオーバーフロー管２１６と、空気調和機２００の停止時や暖房サイクル時等に必要に応じて散布水槽２１１内の水を全て排水する全ブロー弁２１７とを具備して構成されている。散布水の濃縮度の測定は、例えば導電率センサによって散布水の導電率を測定することで行ったり、散布水の濃縮倍数を制御すること（例えば特開平１１−６３８５８号公報参照）等の各種濃度測定手段によって行なう。なおこの気液接触手段の構造に種々の変形が可能であることはいうまでもない。そしてこの蒸発式凝縮器２０４において冷媒から排気へ放出される熱量は、顕熱としては排気の温度を上昇させ、潜熱としては排気の絶対湿度を上昇させ、排気ファン２０２によって屋外へ排出される。

膨張弁２０５は絞りを具備して構成されており、前記過冷却器２０７によって過冷却された液冷媒を減圧する。膨張弁２０５の直前には受液器２１８が設置され、また冷媒の流れ方向が逆転しても過冷却器２０７と受液器２１８と膨張弁２０５への冷媒の流れ方向が変化しないようにその流れを切り替える複数の逆止弁２１９が設置されている。

蒸発器２０６は、冷媒流路切替弁２１０によって冷媒の流れを逆転することによって凝縮器にもなる第２熱交換器である。

過冷却器２０７は第３熱交換器であり、蒸発器２０６を通過した後の外気と蒸発式凝縮器２０４を通過した後の液冷媒との間で熱交換を行う。これにより蒸発式凝縮器２０４を出た液冷媒はさらに過冷却され、膨張弁２０５の入口においてフラッシュガスが発生することがないので膨張弁２０５が安定的に機能し、冷凍サイクルの運転状態を安定的にするとともに冷凍効果を増大させて冷凍能力と成績係数を向上させることができる。

顕熱交換器２０８は第４熱交換器であり、その内部が高温流体側通路（処理前外気流路）と低温流体側通路（処理後外気流路）に隔壁で仕切られており、蒸発器２０６に投入される前の温度の高い外気は高温流体側通路を流通し、過冷却器２０７通過後の温度の低い外気は低温流体側通路を流通し、両者は隔壁を通じて主に顕熱の熱交換を行う。これにより、高温流体側通路を流通する外気は温度を下げて顕熱負荷を削減した後に蒸発器２０６に投入される。従って、蒸発器２０６において冷媒が外気から除去する負荷熱量における顕熱負荷の割合が削減し、その分潜熱負荷の割合が増加する。なお顕熱交換器２０８の構造変更は自由であって静止型や回転式等の公知の各種の顕熱交換器を用いても良い。

また、顕熱交換器２０８の高温流体側通路の入口には第１ダンパ２２０が設置され、第１ダンパ２２０の入口と顕熱交換器２０８の高温流体側通路の出口を連絡するバイパス流路上には第２ダンパ２２１が設置されていて、通常は第１ダンパ２２０を開いて第２ダンパ２２１を閉じて高温流体側通路を流通する温度の高い外気と低温流体側通路を流通する温度の低い外気の間で熱交換が行なわれるが、第１ダンパ２２０を閉じて第２ダンパ２２１を開くと温度の高い外気は顕熱交換器２０８をバイパスして顕熱交換器２０８における熱交換を停止するように切替が可能になっている。

以上のような空気調和機２００において、排気ファン２０２によって室内から吸い込まれた排気は、蒸発式凝縮器２０４において散布水を介して冷媒と熱交換して主に潜熱を増加させた後、排熱として屋外に放出される。

一方外気ファン２０１によって屋外から導入された外気は、顕熱交換器２０８の高温流体側通路を流れながら、顕熱交換器２０８の低温流体側通路を流れる過冷却器２０７通過後の外気と熱交換して、主に顕熱を削減させた後、蒸発器２０６に供給される。蒸発器２０６に供給された外気は、冷媒と熱交換して、主に潜熱を削減させた後、過冷却器２０７へ供給される。過冷却器２０７に供給された外気は、蒸発式凝縮器２０４を通過した後の液冷媒と熱交換して顕熱を増加させた後、顕熱交換器２０８の低温流体側通路に供給される。顕熱交換器２０８の低温流体側通路に供給された外気は、高温流体側通路を流れる蒸発器２０６投入前の外気と熱交換して、顕熱を増加させた後、室内へ供給される。

このようにこの空気調和機２００によれば、外気の顕熱負荷についても、潜熱負荷についても十分に除去することが可能である。これは蒸発式凝縮器２０４を使用する場合は、ヒートシンクとなる排気は顕熱と潜熱の形態で熱搬送でき、冷媒が排気へ放出できる熱量が大きく、従って蒸発器２０６で冷媒が外気から除去できる負荷熱量が大きいからである。またこの空気調和機２００は顕熱交換器２０８を用いて蒸発器２０６に投入される外気の顕熱負荷を削減するように構成しているので、蒸発器２０６で外気から除去する負荷熱量に占める潜熱負荷の割合を増大させることができ、外気負荷のような、顕熱負荷に比べて潜熱負荷の割合が大きい負荷形態にも十分対応できる。

そして本実施形態にかかる空気調和機２００によれば、過冷却器２０７を設けたので、過冷却器２０７において冷媒は蒸発器２０６通過後の外気と熱交換して十分に過冷却される。従って、冷媒液管の圧力損失があっても膨張弁２０５の手前でフラッシュガスの発生が無く、従って安定的な運転が可能となる。

また蒸発器２０６を出た外気が過冷却器２０７において顕熱を増加させてしまうが、冷凍サイクルとしては過冷却の効果により冷凍能力と成績係数が向上するので、過冷却器２０７における外気の顕熱増加分はほぼ相殺される。

なおこの空気調和機２００を排気ヒートソース型ヒートポンプ回路として使用する場合は、前記冷媒流路切替弁２１０を切り替えることで冷媒の流れ方向を逆転し、同時に前記蒸発式凝縮器２０４の気液接触手段である散布水ポンプ２１２等を停止すれば良い。これによって第１熱交換器である蒸発式凝縮器２０４は排気ファン２０２による排気と冷媒との間で熱交換する蒸発器として作用し、第２熱交換器である蒸発器２０６は外気ファン２０１による外気と冷媒との間で熱交換する凝縮器として作用し、排気をヒートソースとする排気ヒートソース型ヒートポンプ回路が構成される。

〔第２実施形態〕
図３は本発明の第２実施形態にかかる空気調和機２００−２の概略構成図である。同図に示す空気調和機２００−２において、前記図２に示す第１実施形態の空気調和機２００と同一部分には同一符号を付す。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記図２に示す実施形態と同じである。

同図に示す空気調和機２００−２においても、前記空気調和機２００と同様に、外気（処理空気）を室内（被空調室内）に導入する外気ファン（処理空気ファン）２０１と、室内からの排気（熱源空気）を屋外へ排気する排気ファン（熱源空気ファン）２０２と、冷媒を圧縮する圧縮機２０３と、圧縮された冷媒と前記排気ファン２０２による排気との間で熱交換する蒸発式凝縮器（第１熱交換器）２０４と、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁２０５と、減圧された冷媒と前記外気ファン２０１による外気との間で熱交換する蒸発器（第２熱交換器）２０６と、蒸発式凝縮器２０４と膨張弁２０５の間に設置される過冷却器（第３熱交換器）２０７と、蒸発器２０６に投入される前の外気と蒸発器２０６を通過した後の外気との間で熱交換する顕熱交換器（第４熱交換器）２０８とを具備してなるヒートポンプ回路（排気ヒートシンク型ヒートポンプ回路）を備えて構成されている。

そしてこの空気調和機２００−２において前記第１実施形態にかかる空気調和機２００と相違する点は、顕熱交換器２０８の高温流体側通路の入口に第１ダンパ３２０を設置し、第１ダンパ３２０の入口と低温流体側通路の入口を連絡するバイパス流路上に第３ダンパ３２２を設置し、低温流体側通路の出口に第２ダンパ３２１を設置し、第２ダンパ３２１の出口と高温流体側通路の出口を連絡するバイパス流路上に第４ダンパ３２３を設置している点と、過冷却器２０７が、顕熱交換器２０８の低温流体側通路を通過した後の外気と蒸発式凝縮器２０４を通過した後の液冷媒との間で熱交換が行なわれるように配置されている点とである。

そして第１ダンパ３２０と第２ダンパ３２１を開いて第３ダンパ３２２と第４ダンパ３２３を閉じると、顕熱交換器２０８の高温流体側通路を流れる温度の高い外気と、低温流体側通路を流通する温度の低い外気との間で熱交換が行なわれ、一方第１ダンパ３２０と第２ダンパ３２１を閉じ、第３ダンパ３２２と第４ダンパ３２３を開くと、外気は顕熱交換器３０８をバイパスして熱交換が行なわれないように切り替えることができる。この切り替えによって蒸発器２０６を流通する外気の流れ方向が逆転するが、空気調和機２００−２の構造上の外気の流路を簡素化することができる。

そして本実施形態にかかる空気調和機２００−２の場合も、過冷却器２０７を設けたので、過冷却器２０７において冷媒は蒸発器２０６通過後の外気と熱交換して十分に過冷却される。従って、冷媒液管の圧力損失があっても膨張弁２０５の手前でフラッシュガスの発生が無く、従って安定的な運転が可能となる。

同時に本実施形態にかかる空気調和機２００−２の場合は、上述のように過冷却器２０７を、顕熱交換器２０８の低温流体側通路を通過した後の外気と蒸発式凝縮器２０４を通過した後の液冷媒との間で熱交換が行なわれるように配置したので（言い換えれば、顕熱交換器２０８は、蒸発器２０６に投入される前の外気と、過冷却器２０７を通過する前の外気との間で主に顕熱を熱交換するので）、顕熱交換器２０８の低温流体側通路を流れる外気の温度を第１実施形態に比べてより低下でき、顕熱交換器２０８における熱交換能力を向上させることができる。

空気調和機１００の概略構成図である。空気調和機２００の概略構成図である。空気調和機２００−２の概略構成図である。蒸発式凝縮器１０４内の各流体の温度分布を示す図である。

符号の説明

２００空気調和機
２０１外気ファン（処理空気ファン）
２０２排気ファン（熱源空気ファン）
２０３圧縮機
２０４蒸発式凝縮器（第１熱交換器）
２０５膨張弁
２０６蒸発器（第２熱交換器）
２０７過冷却器（第３熱交換器）
２０８顕熱交換器（第４熱交換器）
２０９アキュムレータ
２１０冷媒流路切替弁（冷媒流路切替手段）
２１１散布水槽（気液接触手段）
２１２散布水ポンプ（気液接触手段）
２１３散布水ノズル（気液接触手段）
２１４フロートスイッチ（気液接触手段）
２１５給水弁（気液接触手段）
２１６オーバーフロー管（気液接触手段）
２１７全ブロー弁（気液接触手段）
２１８受液器
２１９逆止弁
２２０第１ダンパ
２２１第２ダンパ
２００−２空気調和機
３２０第１ダンパ
３２１第２ダンパ
３２２第３ダンパ
３２３第４ダンパ

Claims

少なくとも圧縮機と、膨張弁と、気液接触手段を有し熱源空気と冷媒との間で熱交換して凝縮器として作用する第１熱交換器と、処理空気と冷媒との間で熱交換して蒸発器として作用する第２熱交換器と、第２熱交換器を出た処理空気と第１熱交換器を出た冷媒との間で熱交換して処理空気の再熱と冷媒の過冷却を行う第３熱交換器とから構成されるヒートポンプ回路を具備したことを特徴とする空気調和機。
前記第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過した後の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記第２熱交換器に投入される前の処理空気と、第３熱交換器を通過する前の処理空気との間で主に顕熱を熱交換する第４熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。