JP2008075949A

JP2008075949A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2008075949A
Application number: JP2006254860A
Authority: JP
Inventors: Manabu Yoshimi; 学吉見
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】ＣＯ２冷媒を使用し、且つ高い成績係数を実現することができる空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置１は、室外熱交換器１３と散水装置５１とを備えている。室外熱交換器１３は、冷房運転時に冷媒から大気に対して放熱を行わせる。散水装置５１は、冷房運転時に室外熱交換器１３に対して散水し、且つ室外熱交換器１３における熱交換量の分布に合わせて散水の分布を変える。そして、熱交換量を多く見込める領域へ多く散水することで、散水による熱交換量の増加と、室外熱交換器１３の冷媒出口温度の低下を最大化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、散水装置を備えた空気調和装置に関する。

外気温上昇により冷房運転の負荷が増大したときの成績係数を向上させるために、空気調和装置の放熱器に散水して放熱器を冷却する散水装置が使用されている（特許文献１参照）。従来のフロン冷媒を採用している空気調和装置では、放熱器において冷媒が凝縮するため放熱器内の冷媒の温度分布はほぼ均一であり熱交換量もほぼ均一になるため、散水装置は放熱器へ均一に散水すれば良い。
特開平１０−２１３３６１号公報

近年、地球環境保護の観点からＣＯ２冷媒の採用が検討されており、上述した空気調和装置への適用が要求されている。しかしながら、ＣＯ２冷媒を採用した場合、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となるため冷媒は放熱器で凝縮せず、放熱器内の冷媒の温度分布は不均一で、冷媒入口側から冷媒出口側に近づくにしたがって温度が降下していく。このため、熱交換量も部分的に不均一になるので、従来のような均一な散水では部分的に散水量不足が生じ熱交換性能が低下する。

本発明の課題は、ＣＯ２冷媒を使用し、且つ高い成績係数を実現することができる空気調和装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和装置は、高圧側圧力が臨界圧力以上となる空気調和装置であって、放熱器と散水装置とを備えている。放熱器は、高圧側の冷媒から大気に対して放熱を行わせる。散水装置は、放熱器に対して散水し、且つ放熱器における熱交換量の分布に合わせて散水の分布を変える。

この空気調和装置では、放熱器へ散水し水の蒸発潜熱を利用して放熱量を増大させ、放熱器の冷媒出口温度を低下させることができる。このため、冷凍能力が増大し成績係数が向上する。また、冷媒温度が高く熱交換量を多く見込める領域へはより多く散水することで、散水量不足による水切れを回避し散水による成績係数改善効果を最大化する。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、散水装置が散水用の複数のノズルを有する。

この空気調和装置では、熱交換量の分布に合わせた散水が実現される。このため、放熱器の全域で熱交換性能が向上する。

第３発明に係る空気調和装置は、第２発明に係る空気調和装置であって、ノズルごとに散水量が可変である。

この空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの散水量が多くなるように調節される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第４発明に係る空気調和装置は、第２発明に係る空気調和装置であって、ノズルが散水と休止を繰返し、ノズルごとに散水と休止との時間比率が可変である。

この空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの単位時間当たりの散水量が多くなるように散水時間が調節される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第５発明に係る空気調和装置は、第２発明に係る空気調和装置であって、前記ノズルごとに配置が可変である。

この空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対する散水量が多くなるように、ノズル同士の間隔が調節される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第６発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、散水装置が、散水時に散水の疎密を作り出すノズルを有する。

この空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの散水量が密の部分が向くように設定され、熱交換量の分布に合わせた散水が行なわれる。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第１発明に係る空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域へ多く散水することで、散水量不足による水切れを回避し、散水による成績係数改善効果を最大化することができる。

第２発明に係る空気調和装置では、熱交換量の分布に対応した散水が実現され、放熱器の全域で熱交換性能が最大限に向上する。

第３発明から第５発明に係る空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対して、散水量が多くなるように調節される。このため、散水による放熱器の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

第６発明に係る空気調和装置では、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの散水量が密の部分が向くように設定され、熱交換量の分布に合わせた散水が行なわれる。このため、散水による放熱器の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

〔第１実施形態〕
＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図である。空気調和装置１は、ビル用のマルチタイプの空気調和装置であって、１つ又は複数の室外機２に対して複数の室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、膨張機構である室外膨張弁１４および室内膨張弁１５、さらに室内熱交換器１６などの機器が接続されて冷媒回路１０が形成されている。

室外熱交換器１３は、クロスフィン型の熱交換器である。室外熱交換器１３の近傍には、室外ファン４１が設けられており、冷媒は室外ファン４１によって発生する空気流と熱交換を行なう。

空気調和装置１には、冷房運転時のみ室外熱交換器１３の表面に散水する散水装置５１が設けられている。散水装置５１は、給水配管５２、ポンプ５３、流量制御弁５４、および複数のノズル５５を有している。給水配管５２は、水源である給水タンク（図示せず）に接続されており、ポンプ５３によって全てのノズル５５に一定圧の水が供給されている。また、室外機２に設けられた制御装置４は、流量制御弁５４を制御して散水量を調節する。

室内熱交換器１６は、室外熱交換器１３と同様のクロスフィン型の熱交換器である。室内熱交換器１６の近傍には、室内ファン４２が設けられており、冷媒は室内ファン４２によって発生する空気流と熱交換を行なう。

外気温センサ４３は、室外機２に設けられており外気温を検出する。圧力センサ４４は、圧縮機１１の吐出管側に設けられており高圧側圧力を検出する。冷媒温度センサ４５は、室外熱交換器１３の冷媒出口側（冷房運転時）に設けられ、高圧側の冷媒出口温度を検出する。さらに、室外熱交換器１３の所定の２点に温度センサ４６，４７が設けられている。

制御装置４は、空気調和装置１の高効率運転を達成するために、圧縮機１１、室外膨張弁１４、および室内膨張弁１５を制御する。また、制御装置４は、外気温センサ４３、冷媒温度センサ４５、および温度センサ４６，４７によって計測された値から室外熱交換器１３内の冷媒の温度分布を推定するため、ＣＰＵとメモリを内蔵したマイコン５を搭載している。

＜空気調和装置の動作＞
（冷房運転）
冷房運転時において、四路切換弁１２は、図１の実線で示すように接続され、圧縮機１１と室外熱交換器１３とが連通し、室外熱交換器１３および室内熱交換器１６は、それぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の超臨界状態の冷媒が室外熱交換器１３に導入される。ここで、冷媒は高圧を保ったまま超臨界状態で放熱し温度が低下して行く。室外熱交換器１３を経て中温・高圧になった冷媒は室内膨張弁１５で減圧され、低温・低圧の二相冷媒となり室内熱交換器１６に導入される。ここで室内空気と熱交換が行われた後、再び圧縮機１１に吸入される。

冷房運転時は、散水装置５１のノズル５５から室外熱交換器１３に対して散水される。ノズル５５から撒かれた水は室外熱交換器１３表面で吸熱して蒸発する。つまり冷媒と水とが熱交換をすることになり、室外熱交換器１３における熱交換量は、撒かれた水の蒸発潜熱相当分だけ増大することとなる。

（暖房運転）
一方、暖房運転時において、四路切換弁１２は、図１の点線で示すように接続され、圧縮機１１と室内熱交換器１６とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３はそれぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１より吐出された高温・高圧の超臨界状態の冷媒が室内熱交換器１６に導入される。ここで、冷媒は室内空気と熱交換して温度が低下し、中温・高圧の状態になる。その後冷媒は配管を通過し、室外膨張弁１４で減圧されて室外熱交換器１３に導入される。ここで室外空気と熱交換が行われ、再び圧縮機１１に吸入される。

＜室外熱交換器における冷媒の温度分布と散水方法＞
空気調和装置１は、冷媒としてＣＯ２を使用しており、高圧側圧力がＣＯ２冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルで運転される。

図２（ａ）は、室外熱交換器の正面図であり、図２（ｂ）は、超臨界冷凍サイクルでない場合の放熱器（室外熱交換器）における冷媒の温度分布を示すグラフであり、図２（ｃ）は、超臨界冷凍サイクルである場合の放熱器（室外熱交換器）における冷媒の温度分布を示すグラフである。

図２（ａ）において、室外熱交換器１３は、複数の放熱板１３ａと複数の伝熱管１３ｂとで形成されている。放熱板１３ａは、薄いアルミニウム製の平板で形成され、伝熱管１３ｂは銅管で形成されている。冷媒は室外熱交換器１３の入口から出口に至るまでの間に、伝熱管１３ｂ、放熱板１３ａを介して大気へ放熱する。

図２（ｂ）に示すように、超臨界冷凍サイクルでない場合、冷媒は室外熱交換器１３内で凝縮するので、冷媒温度は凝縮温度であり室外熱交換器１３の冷媒入口から冷媒出口へ至るまで大部分が均一の状態になっている。したがって、散水時は室外熱交換器１３に対して均一に散水するのが好ましい。

一方、図２（ｃ）に示すように、超臨界冷凍サイクルの場合、冷媒は室外熱交換器１３内で凝縮しないため、冷媒温度は室外熱交換器１３の冷媒入口から冷媒出口へ至るまで連続的に降下する。このため、室外熱交換器１３表面の温度は、冷媒の上流側の温度が高く下流側の温度が低くなる分布となっている。外気温は一定であるので、室外熱交換器１３での熱交換量は、表面温度が高いほど大きくなる。したがって、この場合に室外熱交換器１３に対して均一に散水すると、表面温度が高い領域では散水量が不足して十分な放熱ができなくなるおそれがある。そこで、室外熱交換器１３での熱交換量を最大化するためには、表面温度の高い領域へは多く散水するのが好ましい。

図３は、本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図である。ノズル５５は、室外熱交換器１３の冷媒入口側から冷媒出口側に向かって等間隔で配置されている。また、ノズル５５は、図３正面視の垂直方向にも等間隔で配置されている。図２（ｃ）で示したように、超臨界冷凍サイクルの場合は冷媒温度が均一ではないため、温度の高い冷媒入口側への散水量を多くし、冷媒出口側に近づくにしたがって散水量を徐々に少なくする必要がある。このためには、冷媒入口側のノズル５５の開度を大きくし、冷媒出口側に近づくにしたがってノズル５５の開度を小さくすればよい。

＜ノズルの形状＞
図４（ａ），（ｂ）は、ノズルの先端部分の拡大図である。図４（ａ）において、ノズル５５の先端部分は略円錐形状を成し、先端部分の側面には複数の散水口５５ａが設けられている。たとえば、散水口５５ａの数量を増やすことによって、ノズル５５の開度が大きくなり散水量は増大する。逆に、散水口５５ａの数量を減らすことによって、ノズル５５の開度が小さくなり散水量は減少する。本実施形態では、ノズル５５の位置に応じて散水口５５ａの数量を異ならせており、室外熱交換器１３の冷媒入口側に近いものほど散水口５５ａの数量が多い。また、ノズル５５は取替ができるので、散水口５５ａの数量が異なるノズル５５を予め準備しておくことによって、空気調和装置１の設置時あるいは修繕時にサービスパーソンがノズル５５を交換して流量を調節することができる。

なお、ここでは、散水口５５ａの数量を増減することで開度を調節しているが、散水口５５ａの径を増減して開度を調節してもよい。

また、図４（ｂ）に示すものは、特定の方向に多く散水するように、散水口５５ａの数量を部分的に増やしたノズルであり、散水の疎密を作り出すことができる。たとえば、室外熱交換器１３の端部寄りに配置されているノズル５５が、全方向に均一に散水することは無駄である。散水口５５ａを特定の方向に偏らせれば、必要な方向にのみ散水できるので節水にもなる。特に、室外熱交換器１３の側面から散水する場合、ノズル５５から全方向に均一に散水しても、重力の影響で水が均一に到達しない。したがって、上方に向かって散水するように、散水口５５ａを上方に向けることで、狙いの領域へ無駄なく散水することができる。

また、散水時に散水と休止との繰返し形態を変更することによって、散水量を調節することができる。例えば、散水時間、休止時間の双方を均等に増減し、あるいは散水時間、休止時間のいずれか一方を増減することによって、散水と休止との時間比率が増減され散水量が増減される。散水時間と休止時間の変更は、ポンプ５３の運転と停止、或は流量制御弁５４の開動作と閉動作で行うことができる。

＜第１実施形態の特徴＞
（１）
空気調和装置１は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる空気調和装置であって、室外熱交換器１３と散水装置５１とを備えている。室外熱交換器１３は、冷房運転時に冷媒から大気に対して放熱を行わせる。散水装置５１は、冷房運転時に室外熱交換器１３に対して散水し、且つ室外熱交換器１３における熱交換量の分布に合わせて散水の分布を変える。

この空気調和装置１では、室外熱交換器１３への散水によって熱交換量が増大する。そして、熱交換量を多く見込める領域へ多く散水することで、散水による熱交換量の増加と、室外熱交換器１３の冷媒出口温度の低下を最大化する。このため、成績係数の向上量も最大化される。

（２）
空気調和装置１では、散水装置５１が散水用の複数のノズル５５を有しており、熱交換量の分布に合わせた散水が実現される。このため、室外熱交換器１３の全域で熱交換性能が最大限に向上する。

（３）
空気調和装置１では、ノズル５５が散水と休止を繰返し、ノズル５５ごとに散水と休止との時間比率が可変である。熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの単位時間あたりの散水量が多くなるように散水時間が調節される。このため、散水による室外熱交換器１３の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

（４）
空気調和装置１では、散水装置５１が、散水時に散水量の疎密を作り出すノズル５５を有する。この空気調和装置１では、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの散水量が密の部分が向くように設定され、熱交換量の分布に合わせた散水が行なわれる。このため、散水による室外熱交換器１３の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図である。第１実施形態と同じ部品については、同じ符号を付与して説明を省略する。図５において、給水配管５２と各ノズル５５との間には流量制御弁５４が設けられており、ノズル５５ごとに散水量を調節することができる。たとえば、マイコン５は、外気温センサ４３、冷媒温度センサ４５、および温度センサ４６，４７によって計測された値から室外熱交換器１３内の冷媒の温度分布を推定し、その後、室外熱交換器１３の冷媒出口温度を目標値へ近づけるために、熱交換量を多く見込める領域（例えば冷媒入口側の放熱板１３ａ）に対して多く散水するように、冷媒入口側のノズル５５に設けられた流量制御弁５４を制御する。

＜第２実施形態の特徴＞
空気調和装置１は、ノズル５５ごとに散水量が可変であり、熱交換量を多く見込める領域に対して、ノズルの散水量が多くなるように調節される。このため、散水による室外熱交換器１３の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図である。ノズル５５はＬ字形状に形成されており、給水配管５２の接続部５２ａに接続されている。ノズル５５は水道の蛇口ように回動可能である。

ノズル５５が接続部５２ａを中心に回動することよってノズル同士の間隔が調節可能となり、本実施形態では室外熱交換器１３の冷媒出口側に位置するノズル同士の間隔が狭く、冷媒出口側へ近づくに従ってノズル同士の間隔が広くなるように、各ノズル５５が設定されている。ノズル同士の間隔は、設置時に手動で各ノズル５５を回動させて設定されるが、予めモータ等を接続部５２ａに設けて自動で回動させることもできる。

ノズル同士の間隔が狭いほど散水を集中させることができるので、熱交換量を多く見込める領域にノズル５５を偏らせることによって、熱交換性能が向上する。また、各ノズル５５の配置を調節して狙った領域へ正確に散水することができるので、散水のムラがなく熱交換量を最大化することができる。

＜第３実施形態の特徴＞
空気調和装置１では、ノズル５５ごとに配置が可変であり、熱交換量を多く見込める領域に対する散水量が多くなるように、ノズル同士の間隔が調節される。このため、散水による室外熱交換器１３の熱交換性能向上量が最大になり、常に高い成績係数が維持される。

以上のように、本発明は室外熱交換器が放熱器として機能するときに、散水装置によって室外熱交換器の熱交換性能を向上させるので、超臨界冷凍サイクルとなる空気調和装置に有用である。

本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図である。（ａ）室外熱交換器の正面図。（ｂ）超臨界冷凍サイクルでない場合の室外熱交換器における冷媒の温度分布を示すグラフ。（ｃ）超臨界冷凍サイクルである場合の室外熱交換器における冷媒の温度分布を示すグラフ。第１実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図。（ａ）ノズルの先端部分の拡大図。（ｂ）他のノズルの先端部分の拡大図。第２実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図。第３実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図。

符号の説明

１空気調和装置
１３室外熱交換器（放熱器）
４３外気温センサ
４４圧力センサ
５１散水装置
５５ノズル

Claims

高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる空気調和装置であって、
前記高圧側の冷媒から大気に対して放熱を行わせる放熱器（１３）と、
前記放熱器（１３）に対して散水し、且つ前記放熱器（１３）における熱交換量の分布に合わせて散水の分布を変える散水装置（５１）と、
を備えた空気調和装置（１）。
前記散水装置（５１）は、散水用の複数のノズル（５５）を有する、
請求項１に記載の空気調和装置（１）。
前記ノズル（５５）ごとに散水量が可変である、
請求項２に記載の空気調和装置（１）。
前記ノズル（５５）は散水と休止とを繰返し、前記ノズル（５５）ごとに前記散水と前記休止との時間比率が可変である、
請求項２に記載の空気調和装置（１）。
前記ノズル（５５）ごとに配置が可変である、
請求項２に記載の空気調和装置（１）。
前記散水装置（５１）は、散水時に散水の疎密を作り出すノズル（５５）を有する、
請求項１に記載の空気調和装置（１）。