JP2007255813A - 太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム - Google Patents

Abstract

【課題】 盛夏のような高負荷時であっても冷房を安定して行なえ、かつ冷房の安定運転のための運転費が廉価で、しかも維持管理と施工性の改善したパッケージエアコンを用いた冷却システムを提供する。
【解決手段】 圧縮機と凝縮器を備えた室外機と、室内機と減圧装置からなるパッケージエアコンによる冷却システムにおいて、さらに太陽電池を付設し、室内機から圧縮機に冷媒が戻る管路の途中に、ペルチェ素子を前記管路の少なくとも一部を覆うように設け、前記ペルチェ素子に前記太陽電池から直流電源を供給するようにした。太陽電池は、建物の冷房負荷の大きな時間帯に対応した方位に設置され、前記ペルチェ素子の設けられる管路は冷媒が前記室内機を出た後凝縮器に至るまでの間の管路である。前記ペルチェ素子は矩形の冷却で、管路に沿って筒状に前記管路を覆い、冷却ユニット外側に向けてフィンが取り付けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルチパッケージエアコン（マルチエアコンとも呼ばれる）その他、圧縮機と冷房時に凝縮器として機能する排熱用熱交換器を備えた室外機と熱利用側熱交換器を備えた室内機と減圧装置からなるパッケージエアコンによる冷却システムに関し、より詳しくは室外機と室内機の間で冷媒を過冷却するパッケージエアコンによる冷却システムに関する。

空調設備でマルチエアコン等パッケージエアコンの導入が進んでいるが、負荷の多い時間帯に室外機から外気への排熱効率が落ちる。冷房時には圧縮機の吐出側の冷媒温度と圧力が上昇して効率が落ち、最悪の場合機器が停止してしまう場合がある。これは一般的に高圧カットと呼ばれている。高圧カットをはじめとする盛夏等冷房高負荷時の効率低下を防止する対策として、室外機の排熱用熱交換器（冷房時に凝縮器として作用する。以下「凝縮器」と表記することがある）に水を噴霧し水の蒸発潜熱で冷媒を冷やす方法（特許文献１）や、外部冷熱、例えば蓄熱槽の熱媒水や空調負荷と熱交換済みの冷水還水を利用して凝縮器の前段で冷媒を過冷却器を介して冷やす冷媒過冷却システム（特許文献２、特許文献３）が開発されている。

一方、太陽電池を用いたシステムは、太陽光を利用しているがゆえの不安定さから、建築設備に用いるには系統連系を行なったり、蓄電池に蓄えて用いることが多い。どちらの場合も、交直変換器や出力調整を行なうインバーターやコンバーターなどの調整機器を取付けなくてはならないため、システムが複雑となりコスト高の要因となっている。それゆえ、太陽電池で発電された電流は、そのまま直流電流で利用できることが望ましいが、直流電源を使用する機器類が電灯や送風機などあまり多くなく、さらに機器類は一般的に電力の安定が求められるため、利用するのが難しい。
そこで、太陽電池にて生じた直流電流によって直接熱交換を行なうペルチェ素子を空調装置として用いて設備費を低減する処法も開示されている（特許文献４）。

特開２００３−１６６７４４号公報 特開２００４−２１１９９８号公報 特開２００５−２４９２２１号公報 特開平０８―１７８３４０号公報

しかし、特許文献１に示された処法では節水に反し、かつ水質管理や水噴霧の対象となる凝縮器の防食対策に留意する必要がある。この点、特許文献２と特許文献３に示された処法では冷媒を過冷却する過冷却器が閉じた系で構成され器内が常時通水されることから前記問題は改善しているが、過冷却のための熱媒管の敷設や過冷却器との接続等、工事施工の手間に改善の余地があった。

なお、特許文献４に記載されたような、ペルチェ素子それ自体をそのまま空調に使用しようという考えは、賄える負荷の程度が現在のパッケージエアコン利用の場合の負荷と比べて著しく小さく、しいて同様の冷房効果を得ようとすると初期の設備費も電力代も経済性を欠き現実的でない。

そこで本発明の課題は、盛夏のような高負荷時であっても冷房を安定して行なえ、かつ冷房の安定運転のための運転費が廉価で、しかも維持管理と施工性の改善した冷房システムを提供することにある。

前記課題を解決すべく請求項1の発明は、圧縮機と冷房時に凝縮器として機能する排熱用熱交換器を備えた室外機と、熱利用側熱交換器を備えた室内機と減圧装置からなるパッケージエアコンによる冷却システムにおいて、さらに太陽電池を付設し、室内機から圧縮機に冷媒が戻る管路の途中に、ペルチェ素子を前記管路の少なくとも一部を覆うように設け、前記ペルチェ素子に前記太陽電池から直流電源を供給するようにしたことを特徴とする、太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システムである。
熱利用側熱交換器は熱の利用先を直膨方式で冷却するものであり、冷却対象は空気のような気体である。排熱用熱交換器は例えば水冷または空冷の凝縮器であり、これを備えたパッケージエアコンのシステムでさらに冷媒を冷却するのは、盛夏など屋外の熱負荷が大きい場合である。ここでは付加する冷媒冷却手段として太陽電池を採用したので、日射の程度と屋外の温度をほぼ比例する関係とみなせることから、高負荷であるほど高効率なシステムが構築できる。また、冷房その他熱負荷の冷却時に室内機で熱交換されてガス化された冷媒を液化して圧縮機に導くに際し、太陽電池から供給される直流電流を複雑な構成を採ることなく簡易に構成されたシステムで、冷媒の冷却ができる。ペルチェ素子は管路に巻きまわしてもよいし、ユニット化して後述のように管路に対して間接的に（冷）熱を付与してもよい。

さらに請求項２の発明は、上記構成に加え、太陽電池は、建物の冷房負荷の大きな時間帯に対応した方位に設置され、前記ペルチェ素子の設けられる管路は冷媒が前記室内機を出た後前記排熱用熱交換器に至るまでの間の管路であり、前記ペルチェ素子は冷却ユニットとして前記管路に沿って筒状に前記管路を連続的に覆い、かつ、前記冷却ユニットの外壁から外側に向けてフィンが断続的に取り付けられていることを特徴とする。
社団法人日本冷凍空調学会刊「冷凍空調技術」（平成13年4月1日大2次改訂版 185ページ 編集・発行（社）日本冷凍空調学会 図３、４）では南の方位で１２時から１４時、西の方位で１６時から１７時、東の方位で８時から９時の間に熱負荷のピーク（いずれも４０００W以上）に至ることが示されている。本発明に係る太陽電池を、負荷の大きい時間帯に対応した方位に設ければ、太陽電池から受ける（冷）熱量を多くできる。また、冷却ユニットを排熱用熱交換器の前段に設けることで、室外機に改造を要さずにその運転負荷を低減する。

さらに請求項３の発明は、上記請求項２の構成に加え、冷却ユニットは矩形の外形であり、前記冷却ユニットとその内部の前記管路の間には、相変化可能な作動流体が充填されていることを特徴とする。
矩形の外形とすることで平坦な面に載置しやすく、この矩形内壁面と管路の円形外壁面の隙間に作動流体を充填すれば、ペルチェ素子の伝熱面と冷媒管の外壁面との間でエネルギーの移動が活発に行われ、設置面積に対して熱交換効率が向上した冷却システムが構築できる。

請求項４の発明は、上記請求項１から３のいずれかの構成に加え、太陽電池の下端は、前記室外機の排熱用熱交換器の下端より高い位置に設置され、日射に対して前記室外機を遮るように設けられていることを特徴とする。
この構成により、太陽電池は冷却システムに補助熱を付与するほか室外機のひさしの機能を持ち、輻射熱や機内の熱のこもり等に由来する日射による効率低下を防止する。

請求項５の発明は、上記請求項１から４のいずれかの構成に加え、さらに冷媒の水冷却手段を備え、前記太陽電池と前記ペルチェ素子とは一体化され、放熱面と太陽電池裏面の間に冷却水を供給することで、空冷よりも水冷の方が奪える熱量が大きいため、ペルチェ素子の吸熱効率および太陽電池の発電効率（「太陽光発電導入ガイドブック」、92ページ 編集・発行 新エネルギー・産業技術開発機構）の上がった状態で、前記冷媒を冷却することを特徴とする。
本発明では主要部材である太陽電池とペルチェ素子を一体化して配管や電気・通信配線を一体化ユニット廻りに集約することが可能である。

請求項６の発明は、上記請求項５の構成に加え、水冷却手段は冷却塔であり、前記太陽電池と前記冷却ユニットが一体化されたユニットは日射を受ける面を太陽電池、その背面を冷却ユニットの関係で一体化され、かつ、前記冷却ユニットは前記ペルチェ素子を挟んで日射を受ける側に水、その背面側に冷媒が導かれ、前記水は冷却塔、前記冷媒は前記管路との間を循環するよう構成されたことを特徴とする。
この構成によれば、前述した効果を規格化された構成で得ることが可能となる。

本発明の効果は、太陽電池は高負荷に追随して出力が上がるため、冷凍サイクルからみれば高負荷時であればあるほど効率が高い冷却システムを提供できること、高圧カットなどの不意の機器効率低下を免れて安定的にシステムを運用できること、維持管理が容易で、施工性を向上させ得ること、前述の高効率かつ安定運転のための運転費が廉価であることである。

図１に本発明に係る冷却システム１の基本的な構成を示す。この例では冷却システム１は室内空気を冷却する冷房システムであり、主要な機器として冷却システム１に太陽電池２と、室内機３ａと室外機３ｂからなるパッケージエアコン２を備えている。室内機３ａは冷却熱負荷としての室内空気を冷却するものである。室内機には熱利用側熱交換器としての蒸発器と、減圧装置としての膨張弁と、蒸発器に空気を流通させるための送風機を備える。室外機３ｂは圧縮機３ｂ１のほか排熱用熱交換器としての凝縮器３ｂ２を機内に備えている。そして室内機３ａと室外機３ｂは冷媒往管５ａと冷媒還管５ｂからなる冷媒管５で接続されている。そして、本発明に係る主要部材としてペルチェ素子4が圧縮機３ｂ１の出口の下流、本例では凝縮器３ｂ２の下流と室内機近傍の膨張弁との間の冷媒往管に設けられている。また図示では室内機が１台であるが、継手を介して複数の室内機を室外機３ｂに接続してももちろん構わない。この場合ペルチェ素子は継手よりも凝縮器３ｂ２寄りに設けることが好ましい。

ペルチェ素子４には前述の特許文献３に開示されているような、ｐ型半導体とｎ型半導体とを電極板によって交互に直列に接続し、これらの半導体の表裏に絶縁板を配設したものを例示できる。そして、このペルチェ素子４の電極板を＋極及び−極に接続して直流電流を流すことにより、一方の絶縁板が吸熱し、他方の絶縁板が発熱するものである。本例では、電極板の吸熱側を冷媒往管５ａに巻き回している。もっとも、４枚の電極板で冷媒管外壁面を接して囲うようにしてもよい。なお、冷媒管はペルチェ素子と接して冷熱を受ける面を除いて断熱材で被覆される。施工上はペルチェ素子と接する面の管軸方向でわずかに重なるように予め断熱施工することが好ましい。
太陽電池１としてはシリコン系のものや色素増感型等公知のものが採用でき、形状はパネル型であり両面受光型も採用できるがここではコストの関係から表面のみで受光する形式を採用している。
そして、太陽電池１はペルチェ素子４に電線７を介して接続され、受光パネルで得た太陽光により生成した電流をペルチェ素子４の電極板に供給する。太陽電池の発電能力はペルチェ素子の最大冷却能力に合わせ、太陽電池本体面積、設置方位、設置角度を決定する。

通常太陽電池の出力は太陽電池の表面に入射する日射強度にほぼ比例する。一般的に太陽の日射強度は太陽高度が最高になる南中時刻が最大になる。また、パッケージエアコンの最大負荷は、建物の用途や方位によって異なるが、ピーク負荷は12：00〜15：00の間に来ることが多い。そこで、予めビル用マルチの最大負荷になるときに太陽電池出力が最大になるよう、ここでも太陽電池パネルの受光面を南向きに配置している。本例の冷却システムの冷媒は圧縮機３ｂ１により高圧ガスとなり、凝縮器３ｂ２で液化され、この液冷媒が冷媒往管５ａのペルチェ素子４で被覆される位置に至って過冷却される。過冷却された液冷媒が膨張弁により室内機３ａの蒸発器で高いＣＯＰで気化する。あるいは、過冷却器として機能するペルチェ素子の存在により、凝縮器３ｂ２の放熱量を低減することもでき、ここからも前述した高圧カットの問題を回避できる。

太陽電池で発電された直流電流をペルチェ素子に直接供給することができるので、交流から直流へ変換するインバーターなどの装置がいらないシンプルな回路構成とすることができる。このように発電された直流電流はペルチェ素子により高出力で供給することができる。また、日射強度により変化する太陽電池の出力特性と、一般的に天候が良いときは増加、悪いときは減少するパッケージエアコンの冷房負荷特性が合致するため、太陽電池出力を調整させるためのコンバーターなどの装置もなくすことができる。
以上のような構成によれば、既設設備の冷却能力を向上させるリニューアルが容易である。すなわち室内機と室外機には一切改造をせず、太陽電池を新設し工事はこれと冷媒管廻りに施すだけ（冷媒管に被覆された断熱材をペルチェ素子の取付部位で剥がす必要はある）で、ＯＡ機器による内部負荷の増大などに簡単に対応できる。

図２に別の実施形態を示す。ここでは図１の実施形態で用いるペルチェ素子を冷却ユニットとして構成した例を示している（システム構成は変更がない）。すなわち、冷媒往管５ａの管外壁をとりまいて４枚の板状のペルチェ素子４により矩形の筒体カバー１４aを構成している。筒体カバー１４aは長い（例えば３ｍ）一体物であってもよいが、図２の例では１６個の短い（例えば２０ｃｍ）の筒体カバー１４aを、間に放熱板としてのフィン１４ｂを挟んで接続して形成している。フィンとしてはアルミニウムや亜鉛鉄板、ステンレスのような耐食性と熱伝導性が良好なものが好ましく、筒体カバー１４aを形成するペルチェ素子の放熱面（筒体カバーの外壁面）に取り付けられ、熱を逃がしている。さらに、ペルチェ素子の外側に前述のフィンと同じ材料でフィンと一体に構成した筒体を重ねてもよい。いずれにせよペルチェ素子の冷却能力は、液冷媒の温度が10〜40℃の間になるように取付け長さで調整する。
筒体カバー１４aの管軸方向の開口は、吸熱効率を落とさないようキャップで閉止されている。このキャップは冷媒往管５ａと筒体カバー１４aとの間に隙間が生じないよう、例えば軟質で接着性のあるものが施工上好ましい。このように筒体カバー１４aは気密に形成される。ここではペルチェ素子の吸熱面が冷媒冷媒往管５ａの管外壁に接してもよいが、間隔が空いていてもよい。後者の場合は密閉された空気層が冷熱の伝達媒体となる。
以上の構成では、太陽電池から電力を供給されるペルチェ素子が冷媒配管のカバーを兼ねている。通常、ビル用マルチの冷媒配管を屋外配管する場合、配管部分の風雨からの保護と見栄えを良くするため、プラスチック製もしくは鋼板製のカバーを掛けているが、このシステムでは、冷媒液配管部分がペルチェ素子（内蔵）のカバーで囲む方法とすることで、上記目的を満足し、またペルチェ素子の取付けを簡易に行えるようにしている。

図３に示す実施形態では、筒カバー１４aと冷媒往管５ａとの間に充填材１４ｃを収容したものである。充填材としては潜熱蓄熱カプセルのほかアンモニアやパーフルオロカーボンのような、ヒートパイプで使用される作動流体が採用できる。かかる構成により、管の外表面とペルチェ素子との間で熱が移動しやすいような構造になっている

図４に示す実施形態では、太陽電池パネルを、室外機を覆うように室外機の上方に適宜の支持架台を介して、太陽光を全面に受けるよう傾斜して設けている。太陽電池パネルの下端は室外機の下端より上の位置にあることが好ましいが本例のように太陽電池パネルの下端が室外機の凝縮器の上端より高い位置で、室外機から日射の方向に間隔をおいて傾斜して設置されると一層好ましい。太陽電池、室外機共に屋上に設置されることが多く、このように太陽電池を室外機の上部に設置することで太陽電池自体が日よけの役割をはたすため、室外機の直射日光による能力低下を防ぐことができる。

以上の実施形態は、ペルチェ素子４を空気で冷却するものであったが、本発明はペルチェ素子４を水で冷却する水冷方式である。図５の実施形態ではその例を示している。この例では、太陽電池２とペルチェ素子4が後述する構成で一体化された冷却ユニット２４を構成している。室内機３ａの構成は前述の実施形態と同じである。室内機３ａに冷媒往管５ａと冷媒還管５ｂからなる冷媒管５が接続されることも同様であるが、本例では冷媒往管５ａが太陽電池２とペルチェ素子4を一体化した冷却ユニット２４に接続され、この冷却ユニット２４が冷却水配管を介して冷却塔８に接続され、ユニット内に冷却水を導く点で異なっている。なお、冷却ユニットと冷却塔８の間に熱交換器を設ければ、冷却システムの系内を密閉系で構築でき、系内の汚れ等を防止できる。
なお、図５では圧縮機３ｂ１と凝縮器３ｂ２を機内に備える室外機３ｂが図示され、冷媒は室内機３ａ→冷却ユニット２４→室外機３ｂの順で循環するが、これは例えばターボ冷凍機を用いた中央熱源方式からパッケージエアコンによる個別空調方式に改修する場合等に、既設の冷却塔を使用して効果を高める例である。この意味で冷却塔８はエアワッシャ等の既設の気液接触手段や別の系統の冷水還管（例えば工場であれば生産装置を冷却した後の水）や消火用水も用いられ、熱交換器を介する方式では手洗い水のような雑用水・再利用水、さらにまた場合によってはトイレ排水等の汚水を用いることもできる。

図６に冷却ユニットの詳細を示す。太陽電池から電力を供給されるペルチェ素子さらに放熱のための冷却水配管がユニット化されている。具体的には、太陽光の照射される側から、太陽電池パネル２４ａが最も近い位置にユニット表面部として形成され、その背面に冷却水流路２４ｂ、ペルチェ素子２４ｃ、冷媒流路２４ｄの順でケーンシングの内部に設けられている。ケーシングの一面はパネル２４ａの面となっている。冷却水流路２４ｂと冷媒流路２４ｄはペルチェ素子２４ｃを挟んで、流れの向きが直交するようにそれぞれ配管接続されている。また、冷却水流路２４ｂと冷媒流路２４ｄは空洞室でもよく、それぞれ往管（冷媒の場合は液冷媒管）が導かれ熱交換後にそれぞれ各流路の出口から出る構成とすることができる。ただし、ここではそれぞれコイル（熱交換器）を各流路部に納め、前述の作動流体を用いた構成としている。なお、冷却水流路２４ｂには流量調整弁が、冷媒流路２４ｄには逆止弁がそれぞれ介装される。そしてペルチェ素子２４ｃは放熱面を冷却水流路２４ｂに、吸熱面を冷媒流路２４ｄに面するように配置されている。
太陽電池で発電された直流電流は、ペルチェ素子に供給され、冷媒配管の冷却に使用される。冷媒配管からペルチェ素子が奪った熱と太陽電池の発電による発熱を冷却水で奪い、奪った熱を冷却塔で放熱するような仕組みになっている。冷却水による水冷方式の採用は、空冷と比較し太陽電池の効率とペルチェ素子の放熱の向上に貢献する。
水冷システムの概略エネルギーフローを図７に示すとおりである。なお、冷却ユニットの設置は図４の説明の太陽電池２の位置に冷却ユニット２４を設置する態様を例示できる。

本発明は、空調システムその他の冷却システムにおいて、冷却能力の低下を防止する用途に適用できる。

本発明を適用した冷却システムの基本的な装置構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却ユニットの斜視図である。 本発明の実施形態に係る冷却ユニットの断面図である。 本発明を適用した冷却システムの実施例を示す図である。 本発明のペルチェ素子の冷却を水冷方式にした場合の基本的な装置構成図である。 図５に係る冷却ユニットの詳細図である。 本発明の水冷システムの概略エネルギーフローを示す図である。

符号の説明

１ 冷却システム
２ 太陽電池
３ パッケージエアコン
３ａ 室内機
３ｂ 室外機
３ｂ１ 圧縮機
３ｂ２ 凝縮器
４ 冷却ユニット
８ 冷却塔
１４、２４ 冷却ユニット

Claims (6)

1. 圧縮機と冷房時に凝縮器として機能する排熱用熱交換器を備えた室外機と、熱利用側熱交換器を備えた室内機と減圧装置からなるパッケージエアコンによる冷却システムにおいて、さらに太陽電池を付設し、室内機から圧縮機に冷媒が戻る管路の途中に、ペルチェ素子を前記管路の少なくとも一部を覆うように設け、前記ペルチェ素子に前記太陽電池から直流電源を供給するようにしたことを特徴とする、太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム。
2. 前記太陽電池は、建物の冷房負荷の大きな時間帯に対応した方位に設置され、前記ペルチェ素子の設けられる管路は冷媒が前記室内機を出た後前記排熱用熱交換器に至るまでの間の管路であり、前記ペルチェ素子は冷却ユニットとして前記管路に沿って筒状に前記管路を連続的に覆い、かつ、前記冷却ユニットの外壁から外側に向けてフィンが断続的に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム。
3. 前記冷却ユニットは矩形の外形であり、前記冷却ユニットとその内部の前記管路の間には、相変化可能な作動流体が充填されていることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム。
4. 前記太陽電池の下端は、前記室外機の排熱用熱交換器の下端より高い位置に設置され、日射に対して前記室外機を遮るように設けられていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の太陽電池を用いたパッケージエアコンによる冷却システム。
5. さらに冷媒の水冷却手段を備え、前記太陽電池と前記ペルチェ素子とは一体化され、この一体化されたペルチェ素子の放熱面と太陽電池裏面の間に冷却水を供給することで、ペルチェ素子の吸熱効率および太陽電池の発電効率を上げ、前記冷媒を冷却することを特徴とする、請求項１、２、３または４に記載の太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム。
6. 前記水冷却手段は冷却塔であり、前記太陽電池と前記冷却ユニットが一体化されたユニットは日射を受ける面を太陽電池、その背面を冷却ユニットの関係で一体化され、かつ、前記冷却ユニットは前記ペルチェ素子を挟んで日射を受ける側に水、その背面側に冷媒が導かれ、前記水は冷却塔、前記冷媒は前記管路との間を循環するよう構成されたことを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池を用いたパッケージエアコン性能低下防止システム。

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