JP2013245829A - 輻射式空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】輻射式空気調和機において、暖房運転時に熱を持つ放熱部を室内の加湿に役立てる。
【解決手段】輻射式空気調和機は、室外機と、室内に配置される輻射パネルを備える。室外機の内部には、室外側熱交換器と、輻射パネル及び室外側熱交換器に冷媒を循環させる圧縮機が設けられている。輻射パネルは筐体の内部に複数の放熱部３２を配置したものである。放熱部３２に、その表面を水で濡らす給水装置５０が組み合わせられる。
【選択図】図７

Description

本発明は輻射式空気調和機に関する。

家屋用のヒートポンプ式空気調和機で、室外機と室内機に分かれたいわゆるセパレート型の空気調和機では、室外機に熱交換器とファンが設けられるとともに、室内機にも熱交換器とファンが設けられるのが通常の構造である。これに対し、同じセパレート型の空気調和機であっても、室内機の熱交換器を輻射パネルとして構成し、ファンを用いることなく、熱の輻射により室内の冷房または暖房を行うタイプのものも存在する。その例を特許文献１に見ることができる。

特許文献１に記載された空気調和機は建屋の天井に配設される輻射パネルを備える。輻射パネルの内部には冷媒配管が蛇行状に配置されている。冷房運転時には輻射パネルで吸熱がなされて輻射式冷房が行われる。暖房運転時には輻射パネルで放熱がなされて輻射式暖房が行われる。輻射式冷暖房は室内ファンによる空気の攪拌や騒音と無縁であり、静粛で快適な冷暖房を行うことができる。

特開平１０−２０５８０２号公報

輻射式空気調和機では、暖房運転時、輻射パネルの放熱部が熱を持った状態で室内に露出することになる。本発明は、暖房運転時に熱を持つ放熱部を室内の加湿に役立てようとするものである。

本発明に係る輻射式空気調和機は、室内に配置される輻射パネルと、室外側熱交換器と、前記輻射パネル及び前記室外側熱交換器に冷媒配管を通じて冷媒を循環させる圧縮機とを備え、前記輻射パネルは筐体内に放熱部を配置したものであり、前記放熱部を水で濡らす給水装置が組み合わせられることを特徴としている。

上記構成の輻射式空気調和機において、前記給水装置は、水タンクと、前記放熱部の上部に水を与える給水部と、前記水タンク内の水を汲み上げて前記給水部に送るポンプを備えることが好ましい。

上記構成の輻射式空気調和機において、前記放熱部で生成される凝縮水を受けるドレンパンが前記水タンクを構成し、前記ドレンパンに溜まったドレンを外部に排水する排水ポンプが前記ポンプの役割を果たすものであり、前記排水ポンプからの排水経路には、送水先を前記給水部とする切替弁が設けられていることが好ましい。

前記放熱部は柱状であり、筐体内に前記放熱部が複数本立設されて前記輻射パネルを構成することが好ましい。

前記放熱部を水で濡らして室内を加湿した後、前記放熱部を乾燥させることが好ましい。

輻射式空気調和機の輻射パネルは、暖房運転中、放熱部の表面温度が通常の空気調和機の室内側熱交換器の表面温度よりも高くなる。この放熱部の熱を利用して水を蒸発させ、室内を加湿するものであるから、効果的に加湿を行うことができる。

本発明に係る輻射式空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る輻射式空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 輻射パネルの第１実施形態を示す概略構成図である。 輻射パネルの第２実施形態を示す概略構成図である。 放熱部の第１実施形態を示す断面図である。 放熱部の第２実施形態を示す断面図である。 加湿機構の第１実施形態を示す概略構成図である。 加湿機構の第２実施形態を示す概略構成図である。 輻射式空気調和機の制御ブロック図である。

図１に基づき輻射式空気調和機１の概略構成を説明する。輻射式空気調和機は室外機１０と輻射パネル３０により構成される。輻射パネル３０は室内に配置されるものであり、通常のセパレート型空気調和機の室内機に相当する。

室外機１０は、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される筐体１１の内部に、圧縮機１２、四方弁１３、室外側熱交換器１４、膨張弁１５、室外側送風機１６などを収納している。

室外機１０は２本の冷媒配管１７、１８で輻射パネル３０に接続される。冷媒配管１７は液体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１８に比較して細い管が用いられている。そのため冷媒配管１７は「液管」「細管」などと称されることがある。冷媒配管１８は気体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１７に比較して太い管が用いられている。そのため冷媒配管１８は「ガス管」「太管」などと称されることがある。冷媒には例えばＨＦＣ系のＲ４１０ａやＲ３２等が用いられる。

室外機１０の内部の冷媒配管で、冷媒配管１７に接続される冷媒配管には二方弁１９が設けられ、冷媒配管１８に接続される冷媒配管には三方弁２０が設けられる。二方弁１９と三方弁２０は、室外機１０から冷媒配管１７、１８が取り外されるときに閉じられ、室外機１０から外部に冷媒が漏れることを防ぐ。室外機１０から、あるいは輻射パネル３０を含めた冷凍サイクル全体から、冷媒を放出する必要があるときは、三方弁２０を通じて放出が行われる。

輻射パネル３０は室内の壁際に立設されることが多く、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される正面形状矩形の筐体３１の内部に、柱状の放熱部３２が複数本立設されている。簡潔さを尊び「放熱部」と命名したが、この部品は暖房運転時に周囲の空気に対し放熱を行うだけでなく、冷房運転時に周囲の空気から吸熱を行うものでもある。

放熱部３２は筒状の部品であり、垂直に配置される。図５、６に示すように、中心の冷媒管３３を放熱フィン３４が取り囲む、というのが放熱部３２の基本的な構成である。冷媒管３３と放熱フィン３４は銅やアルミニウムのような熱伝導の良い金属で形成され、互いに密着する。なお、ここで言う「垂直」とは厳密な垂直方向に限られない。多少の傾きを含む垂直方向であってもよい。

図５の放熱フィン３４も図６の放熱フィン３４も複数のフィンが放射状に展開する水平断面形状を有している。図５の放熱フィン３４は軸線方向に沿って二つ割りにされた部品として形成され、冷媒管３３を前後から挟み込んでいる。二つ割りにされた部品は密着状態ではなく相互間に隙間が存在する形で配置されている。図６の放熱フィン３４は単一の部品であり、中心の、車輪で言えばハブに相当する部分に冷媒管３３が挿入されている。言うまでもないが、図５、６に示す放熱部３２の構造は単なる例示であり、異なる断面形状の放熱フィン３４を用いることもできるし、冷媒管３３と放熱フィン３４を異なる様式で組み合わせることも可能である。

筐体３１の内部に複数（図においては７本）の放熱部３２が互いに並行するように配置される。筐体３１の前面には放熱部３２を露出させる開口部３５が設けられている。複数の放熱部３２は全て冷媒配管１７、１８に接続される。図３に示す接続構成例では全ての放熱部３２が冷媒配管１７、１８に並列接続される。図４に示す接続構成例では全ての放熱部３２を直列接続したものが冷媒配管１７、１８に接続されている。

複数の放熱部３２を接続するのに、図３、４に示した方式以外の方式を採用することもできる。例えば、複数の放熱部３２を所定本数ずつグループ分けし、同一グループに属する放熱部３２は互いに並列接続し、グループ同士を直列接続するといった方式も可能である。あるいは、複数の放熱部３２を所定本数ずつグループ分けし、同一グループに属する放熱部３２は直列接続し、グループ同士を並列接続するといった方式も可能である。

図７に示す通り、放熱部３２の下方にはドレンパン３７が配置される。ドレンパン３７
からの排水経路を構成するのはドレンパン３７の底部に接続された排水管３８である。排水管３８には排水ポンプ３９が設けられている。排水ポンプ３９を運転すると、ドレンパン３７の中の水は輻射パネル３０の外部に排水される。

本発明では、暖房運転時に放熱部３２の表面を水で濡らして室内を加湿する。暖房運転時に凝縮器となる放熱部３２に水をかけることで放熱部３２の内部圧力が下がり、消費電力を抑えることができるから、省エネルギーの効果も生まれる。

加湿のため、放熱部３２に給水装置５０が組み合わせられる。給水装置５０は、水タンクと、放熱部３２の上部に水を与える給水部と、水タンク内の水を汲み上げて給水部に送るポンプを備える。

本実施形態では、ドレンパン３７を水タンクとして利用し、排水ポンプ３９をポンプとして利用する。このようにすることにより、構成を簡略化することができる。

放熱部３２の上部に配置された水分配トラフ５１が給水部となる。水分配トラフ５１は底部より各放熱部３２の上端を受け入れている。給水管５２を通じて水分配トラフ５１に水を入れると、水分配トラフ５１と放熱部３２の外面の間に設けられた隙間５１ａから水が浸みだし、放熱部３２の表面を濡らす。

給水管５２は、排水管３８の途中の、配水ポンプ３９よりも下流側の位置に設けられた切替弁５３より延び出している。すなわちドレンパン３７と排水ポンプ３９に加え、切替弁５３と、ドレンパン３７から切替弁５３までの排水管３８も給水装置５０の構成要素となるものである。

「放熱部３２の表面」とは放熱フィン３４の表面のことであるが、そこではなく、冷媒管３３に直接水をかけることも考えられる。図５の構造例のように、冷媒管３３の外面と放熱フィン３４の内面をあえて密着させないこととし、両者間に隙間３２ａを設けておけばそれが可能である。隙間３２ａは冷媒管３３の表面で発生した蒸気の放出路ともなる。
また前述の通り図５の構成例では放熱フィン３４の二つ割り部品は互いに密着することなく隙間を有して配置されているため、その隙間からも蒸気が空気中に放出される。

上記の構成によると、放熱フィン３４より高温である冷媒管３３に直接水をかけることにより、一層効率的に水を蒸発させることができる。また、放熱部３２の表面が水垢やカビで汚れるのを防ぐこともできる。

輻射式空気調和機１の運転制御を行う上で、各所の温度を知ることが不可欠である。この目的のため、室外機１０と輻射パネル３０に温度検出器が配置される。室外機１０においては、室外側熱交換器１４に温度検出器２１が配置され、圧縮機１２の吐出部となる吐出管１２ａに温度検出器２２が配置され、圧縮機１２の吸入部となる吸入管１２ｂに温度検出器２３が配置され、膨張弁１５と二方弁１９の間の冷媒配管に温度検出器２４が配置されている。輻射パネル３０には温度検出器３６が配置される。温度検出器２１、２２、２３、２４、３６はいずれもサーミスタにより構成される。

温度検出器３６は放熱部３２の温度測定を目的とするが、放熱部３２に直接取り付けられるのでなく、図３に示す通り、液体冷媒用の冷媒配管１７に取り付けられる。温度検出器３６を冷媒配管１７に配置するのは次の理由による。すなわち放熱部３２は位置（特に上下の位置）によって温度が異なるため、どの位置に温度検出器３６を配置するかを決めるのが難しい。

複数の放熱部３２を結ぶ冷媒経路がどのように設計されているかによっても放熱部３２の表面温度は左右される。冷媒経路が単一経路の場合、圧力損失や冷媒の気液相変化によって温度差が生じやすい。冷媒経路が複数経路の場合、経路によって温度差が生じる可能性がある。また、温度検出器には感温性を良くするために金属で覆われているものがある。放熱部３２を構成する金属と温度検出器に使われている金属の種類が異なる場合、それらの接触部において異種金属による電位差が生じ、電蝕を起こす可能性がある。いずれにしても、放熱部３２のどの位置に温度検出器３６を配置するかを決めるのは容易ではない。

筐体３１の内部の冷媒配管１７を温度検出器３６の取付箇所とすれば、上記の問題は解消される。冷媒配管１７は、冷房運転時には膨張弁１５で絞られた冷媒が流入する箇所であり、暖房運転時には凝縮した冷媒が放熱部３２から流出する箇所である。

冷房運転時には冷媒配管１７に気液二相状態の冷媒（ただし、気化があまり進んでいない、液相冷媒が多い状態の冷媒）が流れるので、言い換えれば冷媒の気液相変化が少ないので、冷媒配管１７の温度を放熱部３２の温度として取り扱うことができる。一方、暖房運転時には冷媒配管１７は冷凍サイクルの過冷却部（液相部）となり、液体の冷媒が溜まるため、冷媒配管１７の温度を直ちに放熱部３２の温度として取り扱うことはできない。しかしながら、適切に温度を補正することにより、暖房運転時においても温度検出器３６の測定温度から放熱部３２の表面温度を求めることができる。温度補正値は実験を通じて決定する。

温度検出器３６の取付位置は、冷媒配管１７の筐体３１内部分の中でも比較的上位にある部分とされる。このような場所を温度検出器３６の取付位置として選択した理由は後で説明する。

輻射式空気調和機１の全体制御を司るのは図９に示す制御部４０である。制御部４０は
室内温度が使用者によって設定された目標値に達するように制御を行う。

制御部４０は圧縮機１２、四方弁１３、室外側送風機１６、及び排水ポンプ３９と切替弁５３に対し動作指令を発する。また制御部４０は温度検出器２１〜２４、及び温度検出器３６からそれぞれの検出温度の出力信号を受け取る。制御部４０は温度検出器２１〜２４及び温度検出器３６からの出力信号を参照しつつ、圧縮機１２、室外側送風機１６、及び排水ポンプ３９に対し運転指令を発し、四方弁１３と切替弁５３に対しては状態切り替えの指令を発する。

図１は輻射式空気調和機１が冷房運転（除湿運転）あるいは除霜運転を行っている状態を示す。圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側熱交換器１４に入り、そこで室外空気との熱交換が行われる。すなわち冷媒は室外空気に対し放熱を行う。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は室外側熱交換器１４から膨張弁１５を通じて輻射パネル３０の放熱部に送られ、減圧し膨張して低温低圧となり、放熱部３２の表面温度を下げる。表面温度の下がった放熱部３２は室内空気から吸熱し、これにより室内空気は冷やされる。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４からの放熱を促進する。

図２は輻射式空気調和機１が暖房運転を行っている状態を示す。この時は四方弁１３が切り替えられて冷房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は放熱部３２に入り、そこで室内空気との熱交換が行われる。すなわち冷媒は室内空気に対し放熱を行い、室内空気は暖められる。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は放熱部３２から膨張弁１５を通じて室外側熱交換器１４に送られ、減圧し膨張して室外側熱交換器１４の表面温度を下げる。表面温度の下がった室外側熱交換器１４は室外空気から吸熱する。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４による吸熱を促進する。吸熱により室外側熱交換器１４に付着した霜は、除霜運転を行うことにより取り除かれる。

暖房運転中、温度検出器３６により温度検出が行われる。前述の通り温度検出器３６は冷媒配管１７に配置されており、輻射パネル３０の表面温度（より正確に言うならば放熱部３２の表面温度）を直接検出するものではない。また、過冷却度がどのような値になるかによっても冷媒配管１７の温度と輻射パネル３０の表面温度の差が変化する。そこで暖房運転時には、冷媒配管１７の温度から放熱部３２の過冷却度を予測して温度を補正することにより、輻射パネル３０の表面温度を予測する。補正温度は前述の通り実験を通じて求めておく。

上記のように、温度検出器３６が検出した温度を補正して求めた輻射パネル３０の表面温度を参照しつつ、制御部４０は輻射式空気調和機１の暖房運転の制御を行う。

暖房運転中、制御部４０は輻射パネル３０が設定温度以上の高温になったか、どうかを調べる。この場合の温度検出にも温度検出器３６を利用することができる。このように、輻射パネル３０が設定温度以上の温度になったかどうかを調べるのに温度検出器３６を利用することにより、つまり空調制御用の温度検出器３６を保護用の温度検出器に兼用することにより、輻射式空気調和機１の制御システムを簡素化することができる。

冷房運転（除湿運転）あるいは除霜運転の場合には、温度検出器３６が検出した温度を放熱部３２の表面温度として取り扱うことができる。このため、暖房運転の場合のような温度補正は必要ない。

前述の通り、温度検出器３６は冷媒配管１７の筐体３１内部分に取り付けられているので、輻射パネル３０の冷媒経路が冷房運転時の冷媒経路であるか暖房運転時の冷媒経路であるかに関係なく、同じ位置で輻射パネル３０の表面温度を検出できる。このため、冷房運転時と暖房運転時とで制御の仕様を変える必要がない。

冷房運転時、放熱部３２には結露水が発生する。温度検出器３６は筐体３１内の冷媒配管１７の中でも比較的上位の部分に取り付けられているので、放熱部３２の結露水がドレンパン３７にドレン水として溜まったとしても、ドレン水に接触せずにいられる。このため、温度検出器３６の検出温度に誤りが生じたり、温度検出器３６が故障したりすることを懸念せずに済む。放熱部３２ほどではないにせよ、冷媒配管１７にも結露水が生じるが、その結露水による影響を小さくする上でも、冷媒配管１７の上位部分に温度検出器３６を配置することは有意義である。

図４のように複数の放熱部３２を直列接続した場合においても、温度検出部３６は冷媒配管１７の上位部分に配置する。要は、結露水の発生しにくい箇所に温度検出器３６を配置する、というのが守るべき事柄である。

適宜のタイミングで排水ポンプ３９を運転し、ドレンパン３７に溜まったドレン水を排水する。ドレンパン３７に水位センサを設け、ドレン水の水位が所定水準に達したら排水ポンプ３９を自動運転する仕組みを採用してもよい。

暖房運転時には放熱部３２の表面が高温になる。この時放熱部３２の表面を水で濡らせば水が蒸発し、室内を加湿することができる。そこで、暖房運転時に室内を加湿したいときは給水装置５０より放熱部３２に水を供給して放熱部３２の表面を水で濡らす。

最初に、放熱部３２の表面温度が所定温度以上になっていることを確認する。次いで、ドレンパン３７に水が溜まっていることを確認する。この水はドレン水であってもよいし、加湿のために新たに注いだ水であってもよい。ドレンパン３７に水が溜まっていることを確認した後、排水ポンプ３９から送られる水の送水先が給水管５２となるように切替弁５３を切り替える。その後、排水ポンプ３９を運転する。

排水ポンプ３９を運転すると、ドレンパン３７の水が排水ポンプ３９で押し上げられ、給水管５２を通じて水分配トラフ５１に給水される。水分配トラフ５１に入った水は各放熱部３２に分配され、放熱フィン３４のフィンの表面を伝って流下する。放熱フィン３４が図５に示す二つ割り部品である場合、部品同士の隙間を伝って水を流下させることとすることもできる。流下する水は放熱フィン３４の表面を濡らす。その水は放熱フィン３４の表面温度により蒸発し、室内を加湿する。

切替弁５３は、図９の構成のように制御部４０により切り替え制御されることとすることができるが、手動で切り替えられるものを使用してもよい。制御部４０により切り替え制御される切替弁５３を用いる場合は、ドレンパン３７に水が溜まっていることを水位センサで確認し、切替弁５３を切り替え、排水ポンプ３９を運転するといった一連の動作を制御部４０が自動的に遂行するようにしておくのがよい。この場合、輻射式空気調和機１の本体操作パネルあるいはリモートコントローラに「加湿」のスイッチを設定しておき、そのスイッチを押すだけで制御部４０の上記自動動作が遂行されるようにしておくとよい。

ドレン水を加湿用の水として利用する場合には、ドレン水の一部が給水管５２に送られ、残りは外部に排水されるようにすることもできる。

加湿用の水を、ドレンパン３７からではなく、別途設けた水タンクから給水するようにすることもできる。その水タンクに対し、専用の給水ポンプと給水管を設けてもよい。また、ドレンパン３７あるいは別途設けた水タンクに対し、水道管から自動給水するようにすることもできる。

図８に給水装置５０の第２実施形態を示す。第２実施形態において給水部を構成するのは水分配トラフではなく放熱部３２毎に配置された給水ノズル５４である。給水ノズル５４は並列状態で給水管５２に接続される。各給水ノズル５４には、制御部４０によって開度を全開状態から全閉状態まで制御される電磁弁５５が設けられている。

給水装置５０の第２実施形態では、どの放熱部３２にどの程度水を注ぐかを任意に制御することができる。従って、各放熱部３２の放熱特性や、輻射パネル３０に対する日照・通風などを考慮した、きめ細かい加湿制御が可能である。例えば、加湿開始当初は左右両端の各２本の放熱部３２に水を注ぎ、それらの放熱部３２の表面温度が下がった頃を見計らって、水を注ぐ対象を中央３本の放熱部３２に切り替える、などといった制御も可能である。

給水装置５０は、第１実施形態においても第２実施形態においても、冷房運転（除湿運転）時には排水管３８側とドレンパン３７とがつながるように切替弁５３を切り替え、排水ポンプ３９を駆動することで、排水管３８を通じて排水することができる。暖房運転時には給水管５２側とドレンパン３７とがつながるように切替弁５３を切り替え、適宜のタイミングで放熱部３２に給水することで、加湿を行うことができる。このように、排水ポンプ３９を冷房運転（除湿運転）時だけに使用するのではなく、暖房運転時の室内加湿にも使用することにより、排水ポンプ３９を有効活用することができる。

加湿を終了する場合、給水を終えてからしばらくの間は圧縮機１２を駆動して放熱部３２を高温に保ち、放熱部３２が乾燥してから圧縮機１２を停止させる、という制御を制御部４０に行わせることもできる。このようにすれば、放熱部３２にカビが発生するのを防ぐことができる。

輻射パネル３０に湿度センサを設け、室内の湿度が所定値以下に低下したとき、自動的に加湿が行われるようにしてもよい。

これまで、放熱部３２は垂直に配置するものとして話を進めてきたが、放熱部３２を水平に配置する構成も可能である。その場合の放熱フィン３４は、冷媒管３３の軸線に直交する薄板を、互いの間に間隔を置いて多数配置する構成とするのがよい。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は輻射式空気調和機に広く利用可能である。

１ 輻射式空気調和機
１０ 室外機
１１ 筐体
１２ 圧縮機
１３ 四方弁
１４ 室外側熱交換器
１５ 膨張弁
１６ 室外側送風機
１７、１８ 冷媒配管
３０ 輻射パネル
３１ 筐体
３２ 放熱部
３６ 温度検出器
３７ ドレンパン
３８ 排水管
３９ 排水ポンプ
４０ 制御部
５０ 給水装置
５１ 水分配トラフ
５２ 給水管
５３ 切替弁
５４ 給水ノズル
５５ 電磁弁

Claims (5)

1. 室内に配置される輻射パネルと、室外側熱交換器と、前記輻射パネル及び前記室外側熱交換器に冷媒配管を通じて冷媒を循環させる圧縮機とを備えた輻射式空気調和機において、
   前記輻射パネルは筐体内に放熱部を配置したものであり、
   前記放熱部を水で濡らす給水装置が組み合わせられることを特徴とする輻射式空気調和機。
2. 前記給水装置は、水タンクと、前記放熱部の上部に水を与える給水部と、前記水タンク内の水を汲み上げて前記給水部に送るポンプを備えることを特徴とする請求項１に記載の輻射式空気調和機。
3. 前記放熱部で生成される凝縮水を受けるドレンパンが前記水タンクを構成し、前記ドレンパンに溜まったドレンを外部に排水する排水ポンプが前記ポンプの役割を果たすものであり、前記排水ポンプからの排水経路には、送水先を前記給水部とする切替弁が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の輻射式空気調和機。
4. 前記放熱部は柱状であり、筐体内に前記放熱部が複数本立設されて前記輻射パネルを構成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の輻射式空気調和機。
5. 前記放熱部を水で濡らして室内を加湿した後、前記放熱部を乾燥させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の輻射式空気調和機。

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