JP2011064436A

JP2011064436A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2011064436A
Application number: JP2009217901A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nagasawa; 敦氏長澤
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: JP5250519B2

Abstract

【課題】省エネルギー化を図ることができ、構造が簡単で安価、かつ省スペース化を図ることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】本冷却装置は回転数可変の圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り状態と全開状態に制御可能な減圧手段および室外熱交換器を順次配管接続してなる媒体循環サイクルを備え、室外温度が室内温度より高い場合、液相冷媒は絞り状態にある減圧手段で減圧され、室内熱交換器で蒸発して室内空気を冷却し、室外温度が室内温度より低い場合、圧縮機は気相冷媒圧縮時に比べて低速運転して、室外空気により冷却された液相媒体を室内熱交換器に搬送し、室内空気を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却装置に係り、特に媒体の蒸発熱を利用した冷却と、顕熱を利用した冷却とに切り換えて使用可能な冷却装置に関する。

一般に室内空間などを冷房する冷却装置には、媒体の蒸発熱を利用するヒートポンプ方式が用いられている。

この種の冷却装置は、圧縮機で高温、高圧に圧縮された気相冷媒を、室外熱交換器で放熱して液相冷媒にし、減圧装置で減圧した後、室内熱交換器で室内空気と熱交換して蒸発し、気相冷媒になり、圧縮機に戻る。

一方、室内熱交換器で熱交換した室内空気は、冷却され、室内送風機により、室内を循環し室内が冷房されるようになっている。

しかしながら、従来の冷房装置では、夏季の昼間など外気温度が室内温度より高い場合はもとより、夏季の夜間など外気温度が室内温度より低い場合にも、圧縮機により冷媒を圧縮して冷房を行っているため、電力消費量が増加し、省エネルギー性に欠ける。

なお、主冷却装置にヒートポンプ方式の強制循環冷媒回路を用い、この主冷却装置と別個に設置された補助冷却装置にヒートパイプを用いた自然循環冷媒回路を備えた筐体の冷却システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の冷却システムは、主冷却装置と補助冷却装置が別個に設けられるので、構造が複雑になり、高価になる。また、補助冷却装置は、冷媒の重量差を用いて、冷媒を自然循環冷媒回路内で循環させるため、自然循環冷媒回路を立てて設置する必要があり、大きな設置スペースを必要とする。

特開２００２−２７７００２号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、省エネルギー化を図ることができ、構造が簡単で安価、かつ省スペース化を図ることができる冷却装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る冷却装置は、回転数が可変の圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り状態と全開状態に制御可能な減圧手段および室外熱交換器を順次配管接続してなる媒体循環サイクルを備え、室外温度が室内温度より高い場合、前記圧縮機により高温、高圧に圧縮され、前記四方弁を介して前記室外熱交換器に流入した気相媒体は、前記室外熱交換器で外気に放熱して液相冷媒になり、絞り状態にある前記減圧手段で減圧され、前記室内熱交換器で蒸発して室内空気を冷却し、室外温度が室内温度より低い場合、前記圧縮機は気相冷媒圧縮時に比べて低速運転することで、室外空気により冷却された液相媒体を前記四方弁を介して前記室内熱交換器に搬送し、室内空気を冷却することを特徴とする。

本発明に係る冷却装置によれば、省エネルギー化を図ることができ、構造が簡単で安価、かつ省スペース化を図ることができる冷却装置を提供することができる。

本発明に係る冷却装置の一実施形態に用いる媒体循環サイクルの概念図。本発明に係る冷却装置の一実施形態（蒸発熱利用冷却）の概念図。本発明に係る冷却装置の一実施形態（顕熱利用冷却）の概念図。

本発明に係る冷却装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る冷却装置１は、媒体循環サイクル２を備え、媒体循環サイクル２の動作を制御する制御装置（図示せず）を備える。

媒体循環サイクル２は、媒体の蒸発熱利用冷却（ヒートポンプ運転）と媒体の顕熱利用冷却とに切り換えて用いられ、圧縮機３、四方弁４、室内熱交換器７、減圧手段６および室外熱交換器５を順次配管接続してなる。

圧縮機３は例えばレシプロ式であり、インバータ装置によって制御され回転数が可変である。その可変速範囲は、高速側で運転される媒体の蒸発熱利用冷却運転と低速側で運転される媒体の顕熱利用冷却運転とで切り換えられる。

室外熱交換器５は室外に設置されて、室外送風機５ａを備え、室内熱交換器７は室内に設置されて、室内送風機７ａを備える。

室外熱交換器５の熱交換能力は、室内熱交換器７の熱交換能力よりも大きく設定される。

また、室外送風機５ａが収納される室外機８の吸込口近傍には、室外温度センサーＳ１が設けられる。室内送風機７ａが収納された室内機９の吸込口近傍には室内温度センサーｓ２が設けられ、また、減圧手段６は絞り状態と全開とに絞り量が制御可能であり、例えば電子膨張弁からなり、ステッピングモータにより弁の開度を調整可能になっている。

なお、減圧手段６は電子膨張弁の替わりにキャピラリチューブと、このキャピラリチューブに並列に設けられ、閉止弁を備えたバイパス回路とで構成してもよい。電子膨張弁の場合は全開状態にすれば、ほとんど流通抵抗がなくなる状態になるように設定される。また、閉止弁を備えたバイパス回路を設ける場合には、逆止弁の流通可能方向に対してほとんど流通抵抗がないように配管設計される。

さらに、冷却装置１は温度センサやタイマーを備えた制御装置により、圧縮機３、四方弁４、減圧手段６を制御して、媒体の蒸発熱利用冷却から顕熱利用冷却へ及びその逆の切り換えが行われる。媒体の蒸発熱利用冷却から顕熱利用冷却への切り換えは、室外温度センサーＳ１が検知した室外温度が、室内温度センサーＳ２が検知した室内温度より低くなった時から所定の時間経過後、例えば、３０分後等に行うのが好ましい。この条件を満たさない場合、例えば室外温度センサーＳ１が検知した室外温度が、室内温度センサーＳ２が検知した室内温度より高い場合等では、媒体の蒸発熱利用冷却が行われる。

次に本実施形態の冷却装置の動作について説明する。

図１および図２に示すように、夏季の昼間など外気温度が例えば３５℃で、室内温度の２７℃より高い場合、媒体の蒸発熱利用冷却が行われる。

圧縮機３により高温、高圧に圧縮された気相媒体（冷媒）は、四方弁４を介して室外熱交換器５に流入し、室外空気と熱交換して放熱、冷却され、液相になる。

液相になった媒体は、開度が絞られた状態にある減圧手段６で減圧され、室内熱交換器７で蒸発して室内空気を冷却し、気相になった媒体は室外熱交換器５で放熱して冷却され、四方弁４を介して圧縮機３に戻る。圧縮運転を行うため、圧縮機の回転数は高速に設定され、例えば、２０ｒｐｓ以上に制御される。

室内熱交換器７により冷却された室内空気は、室内送風機７ａの働きで室内を循環し、室内を冷房する。なお、図２に示すように室内送風機７ａをなくし、自然対流や輻射熱による冷房を行うことも可能である。

一方、室外熱交換器５では外気と気相媒体が室外送風機７ａによる送風によって熱交換がなされる。室外熱交換器５においても図２に示すように室内送風機５ａをなくし、自然対流や輻射熱によって外気と冷媒との熱交換を行わせても良い。送風機７ａ、５ａをなくした場合、それぞれの熱交換器での熱交換量が低下し、冷却能力は低下するが、送風機駆動のための電力が削減でき、省エネルギーとなる。

また、外気温度が室内温度より高く、家屋などが直射日光を受けて、冷却負荷が大きい場合には、媒体の蒸発熱利用冷却の能力を大きくするため、圧縮機３を高回転させて気相媒体の循環量を増加させる。なお、このような場合には、消費電力も大きくなる。

これに対して、図１および図３に示すように、夏季の夜間など外気温度が例えば２０℃で、室内温度の２７℃より低い場合、媒体の顕熱利用冷却が行われる。

例えば、圧縮機３は制御装置およびインバータ装置によって、上記のような気相冷媒圧縮時においては使用されない、大幅な低速運転（例えば５〜１５ｒｐｓ程度）がなされ、圧縮機３は冷媒の圧縮をほとんど行わないポンプの機能をなし、室外空気により室内温度より低く冷却された液相媒体を、四方弁４を介して室内熱交換器７に搬送する。室外空気で冷却された液相媒体は、室内空気と熱交換して室内空気を冷却し、開放状態にある減圧手段６、四方弁４を介して圧縮機３に戻る。

なお、媒体の顕熱利用冷却においても図１に示される冷凍サイクルのように送風機７ａ、５ａを運転することで熱交換を促進しても良いし、図３のように送風機をなくして省エネルギー及び省スペースを図っても良い。

このように外気温度が室内温度より低く、冷却負荷が小さい場合には、媒体の顕熱を利用するので冷却能力は小さいが、圧縮機は低速運転による液相媒体の搬送を行うだけであり、消費電力を大幅に小さくできる。

上記蒸発熱利用冷却と顕熱利用冷却への切り換えは、室外温度センサーが検知した室外温度が、室内温度センサーが検知した室内温度より低くなった時から所定の時間経過後に行う。これにより、冷房負荷が小さくなってから冷却能力の小さな顕熱利用冷却が行われるので、確実に冷却（冷房）される。

また、顕熱利用の冷却により、窓を開けて外気を取り入れる場合と異なり、防犯上も安全であり、外部の騒音の影響も避けることができる。

さらに、高価な圧縮機を圧縮機とポンプとの２通りに用いるので、各々別個に用いる場合に比べて安価になる。

また、室外熱交換器の熱交換能力は室内熱交換器の熱交換能力よりも大きく設定されるので、顕熱利用冷却時、外気温度と液相媒体の温度差は、蒸発熱利用冷却時に比べて小さが、室外熱交換器での放熱と室内熱交換器での吸熱とのバランスをとることができる。

なお、本実施形態では、家屋の部屋を冷房する例で説明したが、ビルや倉庫などの冷却にも適用できる。

本実施形態の冷却装置によれば、省エネルギー化を図ることができ、構造が簡単で安価、かつ省スペース化を図ることができる冷却装置が実現される。

１…冷却装置、２…媒体循環サイクル、３…圧縮機、４…四方弁、５…室外熱交換器、５ａ…室外送風機、６…減圧手段、７…室内熱交換器、７ａ…室内送風機、８…室外機、９…室内機。

Claims

回転数が可変の圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り状態と全開状態に制御可能な減圧手段および室外熱交換器を順次配管接続してなる媒体循環サイクルを備え、
室外温度が室内温度より高い場合、
前記圧縮機により高温、高圧に圧縮され、前記四方弁を介して前記室外熱交換器に流入した気相媒体は、前記室外熱交換器で外気に放熱して液相冷媒になり、絞り状態にある前記減圧手段で減圧され、前記室内熱交換器で蒸発して室内空気を冷却し、
室外温度が室内温度より低い場合、
前記圧縮機は気相冷媒圧縮時に比べて低速運転することで、室外空気により冷却された液相媒体を前記四方弁を介して前記室内熱交換器に搬送し、室内空気を冷却することを特徴とする冷却装置。
前記室外温度が室内温度より高い場合の運転から、前記室外温度が室内温度より低い場合の運転への切り換えは、室外温度センサーが検知した室外温度が室内温度センサーが検知した室内温度より低くなった時から所定の時間経過後に行われることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記室外熱交換器の熱交換能力は、前記室内熱交換器の熱交換能力よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。