JP2015004454A - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】利用側熱交換器の部位に応じて冷媒流通方向を適宜選択し冷媒配管のパスパターンを決めることにより、最適な熱交換能力向上化および消費動力入力低減化を図ることのできる空気調和装置が望まれている。【解決手段】この空気調和装置は、本体ケーシングと、本体ケーシングの通風路内に配備されて通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器3と、本体ケーシングの通風路内に配備された利用側送風機と、を備えている。利用側熱交換器3の通風領域Nは、通過空気の風速が相対的に速い高速領域L2と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域L1とに区画されている。高速領域L2は、通風方向Wと冷媒流通方向R2とが互いに並行対向する並行流のパスパターン13Bとして冷媒配管4が配置されている。低速領域L1は、通風方向Wと冷媒流通方向R1とが互いに対向する対向流のパスパターン13Aとして冷媒配管4が配置されている。【選択図】図2

Description

この発明は、電算室などの被空調空間に設置される利用機に組み込まれた利用側熱交換器の改良に係り、特に、利用側熱交換器を通過する冷媒流通方向と通風方向の工夫により熱交換能力と消費動力入力とのバランスの改善に関するものである。
一般に、被空調空間に設置される利用機は、本体ケーシング内に利用側送風機を備えており、電算室など被空調空間の空気を本体ケーシングの空気入口から吸い込み、吸い込んだ空気を利用側熱交換器に通過させるようになっている。そして、吸い込まれた空気は利用側熱交換器を通過することにより、利用側熱交換器の冷媒配管内を流れる冷媒と熱交換し冷却されて空気調和される。その際に、冷媒配管内を流れる冷媒の温度が吸い込み空気の露点温度よりも低い場合は、吸い込み空気の状態変化により凝縮水が発生する。そのため、凝縮水が風に伴って機外に吹き飛ばされないよう、利用側熱交換器にはサブドレンパンなどの露飛び構造が施される場合が多い。
ここで、従来の空気調和装置の利用側熱交換器を図5および図6に示す。各図に示した利用側熱交換器3は、通風方向(矢印W方向)と平行にされた複数枚のフィン板3A,3A,3A,・・・が図5および図6の紙面と直交する方向に適宜間隔で離間して配置されており、冷媒配管4がフィン板3A,3A,3A,・・・を貫通する方向(紙面と直交する方向)に延在したのちに幾重にも折り返されて形成されている。図5および図6において、符号の4iは利用側熱交換器3における冷媒配管4の入側管であり、符号の4tは利用側熱交換器3における冷媒配管4の出側管である。また、符号の4cは図の紙面手前側で折り返された冷媒配管4の折返し部であり、符号の4d(破線)は図の紙面奥側で折り返された冷媒配管4の折返し部である。そして、利用側熱交換器3の冷媒配管4内を流れる冷媒流通方向と通風方向Wの組み合わせは、冷媒流通方向R1と通風方向Wが対向する対向流態様11と、冷媒流通方向R2と通風方向Wが並行する並行流態様12とがある。例えば、冷媒流通方向R1,R2は、対向流態様11が冷媒配管4のパスパターン13Aに示すパターンであり、並行流態様12が冷媒配管4のパスパターン13Bに示すパターンである。従来の空気調和装置は暖房時、冷房時ともに、前記並行流態様または対向流態様のどちらか一様であり、例えば下記の特許文献1に開示されている。
特開平7−280375号公報
ところで、前記した従来の空気調和装置の利用側熱交換器3において、対向流態様11は、図5に示すように、冷媒流通方向R1と通風方向Wとが対向しているため、冷媒温度の温度勾配と吸い込み空気の温度勾配とが逆傾向になる。そのため、利用側熱交換器3の空気入側では温度の高い吸い込み空気と冷媒とが熱交換するので、冷媒に過熱度がつきやすく熱交換能力が出しやすくなる。その一方で、利用側熱交換器3の空気出側では温度の低い冷媒と吸い込み空気とが熱交換するので、冷媒の温度が露点温度を下回っている場合は利用側熱交換器3の空気出側付近で凝縮水が発生するために露飛びがしやすくなる。従って、露を受け止めるためのサブドレンパン7を数多く設置する必要があり、数多く設置したサブドレンパン7の存在により機内通風抵抗が高くなる。そのために、同じ風量を確保するためには、利用側送風機8の能力アップが必要になり、消費動力入力が高くならざるを得ないという不具合がある。また、場合によっては、1ランク上の送風機出力の電動機が必要となり、コストアップや設置スペース不足による更なる消費動力アップにつながるという悪循環となってしまう。
他方で、並行流態様12は、図6に示すように、冷媒流通方向R2と通風方向Wとが並行しているため、冷媒温度と吸い込み空気の温度勾配が同じ傾向となる。そのため、利用側熱交換器3の空気出側で、温度の低い吸い込み空気と冷媒とが熱交換するので、冷媒の過熱度がつきにくく、熱交換能力を出しにくくなる。その一方で、利用側熱交換器3の空気出側での冷媒温度が高くなって露点温度を下回りにくいため、利用側熱交換器3の空気出側付近で凝縮水が発生しにくくなり露飛びがしにくくなる。それにより、露を受け止めるためのサブドレンパン7の枚数を減らすことができる。その結果、機内通風抵抗が低くなることにより、消費動力入力を抑制することができる。また、対向流とは逆に、1ランク下の送風機出力の電動機の使用が期待できる。
図7は対向流態様11(同図(a))と並行流態様12(同図(b))による温度変化を示したものである。前述の通り、対向流態様11(図5参照)は、冷媒の過熱度がつきやすく熱交換能力が出やすくなっている。反面、利用側熱交換器3の空気の出口付近で凝縮水が発生するので露飛びが生じやすくなる。他方、並行流態様12(図6参照)は、冷媒の過熱度がつきにくく熱交換能力が出にくくなっている。反面、利用側熱交換器3の空気の出口付近で凝縮水が発生しにくくなり、露飛びが生じにくくなることを表している。
因みに、電算室で使用される従来の利用機において、利用側熱交換器3全体の冷媒配管4は、冷媒流通方向R1と通風方向Wとが対向する対向流態様11、または冷媒流通方向R2と通風方向Wとが並行する並行流態様12のうち、どちらか一方だけの仕様となっているため、熱交換能力向上化と消費動力入力低減化のどちらを優先させるかといったトレードオフの関係になっている。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、利用側熱交換器の部位に応じて冷媒流通方向を適宜選択し冷媒配管のパスパターンを決めることにより、最適な熱交換能力向上化および消費動力入力低減化を図ることのできる空気調和装置を得るものである。
この発明に係る空気調和装置は、空気入口、空気出口、および、空気入口と空気出口とをつなぐケーシング内の通風路、を有する本体ケーシングと、本体ケーシングの通風路内に配備されて通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器と、本体ケーシングの通風路内に配備されていて利用側熱交換器により空気調和された空気を空気出口から被空調空間へ吹き出すとともに被空調空間の空気を空気入口から通風路内へ吸い込む利用側送風機と、を備えて成り、利用側熱交換器の通風領域は、通過空気の風速が相対的に速い高速領域と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域とに区画され、高速領域は、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行対向する並行流の態様で冷媒配管が配置され、低速領域は、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置されていることを特徴とするものである。
この発明の空気調和装置において、利用側熱交換器の高速領域には、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行対向する並行流の態様で冷媒配管が配置され、低速領域には、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置されているので、サブドレンパンなどのような露飛び対策が施されていたとしても消費動力入力増加と熱交換能力とのバランスを最適化できるという効果がある。すなわち、利用側熱交換器を通過する通過空気の風速に関し、風速が遅い低速領域については対向流態様とし、風速が速い高速領域については並行流態様にすることで、冷媒配管が対向流態様のみで構成されていた従来技術の利用側熱交換器と比べて、並行流態様が施された領域で発生する凝縮水の量を抑制することができる。これにより、機内通風抵抗を低減化させて消費動力入力の増加を抑制できる。他方で、冷媒配管が並行流態様のみで構成されていた従来技術の利用側熱交換器と比べると、利用側熱交換器に対向流態様の領域が存在することにより、熱交換能力の向上化を図ることも可能となる。
この発明の実施の形態1における空気調和装置の概略構成図である。 前記空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 この発明の実施形態2における空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 この発明の実施形態3における空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 従来の空気調和装置の利用側熱交換器(対向流態様のみ)の概略側面図である。 従来の空気調和装置の利用側熱交換器(並行流態様のみ)の概略側面図である。 一般的な利用側熱交換器を通過する際の空気の温度変化と冷媒の温度変化を示した図であって、(a)は図5の利用側熱交換器による場合を示した説明図、(b)は図6の利用側熱交換器による場合を示した説明図である。
実施の形態1.
図1は本発明の実施形態1における空気調和装置の概略構成を示している。尚、図1〜図4において、図5〜図7に示した従来の空気調和装置の利用側熱交換器と同一の構成要素には、同一の符号を付すとともにその詳細な説明を省略することがある。
図1において、この実施形態1に係る空気調和装置は、例えば室外に配備される室外機20と、被空調空間である電算機1の室内5内に配備される利用機2と、を備えている。一般に、電算室1にはフリーアクセスフロア16が敷かれ、フリーアクセスフロア16の下方はフリーアクセス空間18となっている。そして、このような利用機2が室内5内に複数台設置されている。また、室内5のフリーアクセスフロア16上には、コンピュータなどの複数台のIT装置14が設置されている。前記の室外機20には、容量可変の圧縮機21、熱源側熱交換器22、および熱源側送風機25などが配備されている。前記の利用機2には、膨張弁23、利用側熱交換器3、および利用側送風機8などが配備されている。これら、圧縮機21、熱源側熱交換器22、膨張弁23、利用側熱交換器3、およびアキュムレータ24が、当該順に環状に冷媒配管4Aを介して接続されて冷媒回路26を構成している。なお、圧縮機21は、利用機2内にあってもよい。
そして、前記の利用機2は、中空箱状に形成された本体ケーシング6と、本体ケーシング6の通風路6A内に配備された利用側熱交換器3と、通風路6A内の下部に配備された利用側送風機8と、を備えている。利用側送風機8は、インバータ装置により制御されるモータ(いずれも図示省略)によって回転数可変に駆動される。本体ケーシング6の上面には空気入口9が形成され、本体ケーシング6の底面には空気出口10が形成されている。本体ケーシング6のケーシング内は通風路6Aとなっている。この通風路6Aは空気入口9と空気出口10とを連通している。そして、通風路6A内の途中には、通風路6Aを通風可能に仕切る利用側熱交換器3が傾斜姿勢で配置されている。利用側熱交換器3の下方位置には、利用側熱交換器3の外表面で生じて滴下したドレンを収受するメインドレンパン17が配備されている。傾斜配置にされた利用側熱交換器3の空気出側には、複数個のサブドレンパン7,7,7,・・・が上下方向の適宜間隔で配備されている。これらのサブドレンパン7,7,7,・・・は露飛び対策用として設けられている。利用側送風機8は、通風路6A内の利用側熱交換器3により空気調和された空気を空気出口10からフリーアクセス空間18へ吹き出すとともに、吹出し口19から室内5へ吹き出した空気を空気入口9から通風路6A内へ吸い込ませる働きをする。このとき、吹出し口19から吹き出された空気は、各IT装置14の装置内ファン15の駆動により装置ケーシング14A内に吸い込まれて、装置ケーシング14A内の発熱電子部品を冷却したのち室内5へ吹き出される。
上記した利用側熱交換器3の具体構成を図2に示す。この利用側熱交換器3は、複数枚のフィン板3A,3A,3A,・・・が通風方向(矢印W方向)と平行姿勢で適宜間隔離間して配置されており、冷媒配管4がフィン板3A,3A,3A,・・・を貫通したのちに幾重にも折り返されて構成されている。図2において、符号の4iは利用側熱交換器3における冷媒配管4の入側管であり、符号の4tは利用側熱交換器3における冷媒配管4の出側管である。これら冷媒配管4の入側管4iと出側管4tは冷媒回路26の冷媒配管4Aにそれぞれ接続されている。また、符号の4cは手前側で折り返された冷媒配管4の折返し部であり、符号の4d(破線)は奥側で折り返された冷媒配管4の折返し部である。そして、冷媒配管4の配置態様は、冷媒流通方向R1と通風方向Wが対向する対向流態様11と、冷媒流通方向R2と通風方向Wが並行する並行流態様12とが並存している。冷媒配管4の配置は、対向流態様11がパスパターン13Aのように定められ、並行流態様12がパスパターン13Bのように定められる。
そして、本発明者等により数多くの実験が鋭意行なわれた結果、サブドレンパン7,7,7,・・・の空気出側の風速に関する設定値として、8m/秒±10%の値(第2風速設定値)が得られた。この第2風速設定値に基づいて、利用側熱交換器3の全体の通風領域Nのうち、8m/秒±10%の値以上の領域が高速領域L1として設定されている。また、8m/秒±10%の値未満の領域が低速領域L2として設定されている。更に、対向流態様11と並行流態様12の区画割合は、サブドレンパン7出口の風速により判断される。例えば、インバータ装置による利用側送風機8の最大周波数運転時におけるサブドレンパン7出口の空気の風速が8m/秒±10%未満の低速領域L2は対向流態様11の冷媒配管配置とされ、サブドレンパン7出口の空気の風速が8m/秒±10%以上の高速領域L1は並行流態様12の冷媒配管配置とされた。
次に動作について説明する。上記のように構成された空気調和装置においては、サブドレンパン7,7,7,・・・の出口風速が遅い利用側熱交換器3の上部領域では露飛びが発生しにくいため、対向流態様11を採用することが可能である。その結果として、熱交換能力を向上させ得る。一方、利用側熱交換器3の下部領域は出口風速が早いので、並行流態様12を採用することでドレンの発生を低減化させ得る。これにより、露飛びを発生させにくくできるから、サブドレンパン7の枚数を減らすことができる。その結果、機内通風抵抗の低減化および消費動力入力の抑制化を図ることができる。
以上のように、この実施形態1の空気調和装置では、サブドレンパン7を有する利用側熱交換器3において、対向流態様11と並行流態様12との組み合わせを採用できるとともに、サブドレンパン7出口の風速に応じて対向流態様11と並行流態様12の区画割合が決定できるので、熱交換能力と消費動力入力との最適なバランスを実現することが可能となる。
実施の形態2.
実施形態1は「サブドレンパン7の出口風速」に基づいて対向流態様と並行流態様の区画割合を決定したものであるが、この実施形態2は、図3に示すように、例えばサブドレンパン7,7,7,・・・を備えているものでありながら、インバータ装置により制御される利用側送風機8の最大周波数運転時における「利用側熱交換器3の通過空気の風速」に基づいて上記の区画割合を決定するようにしたものである。
この実施形態2において、利用側熱交換器3の全体の通風領域Nは、利用側熱交換器3の下部のように通過空気の風速が相対的に速い高速領域M2と、利用側熱交換器3の上部のように通過空気の風速が相対的に遅い低速領域M1とに区画される。すなわち、最大周波数運転時における利用側熱交換器3の通過空気の風速に関する設定値として、4m/秒±10%の値(第1風速設定値)が実機試験により得られている。この第1風速設定値に基づいて、利用側熱交換器3の全体の通風領域Nのうち、4m/秒±10%の値以上の領域が高速領域M2として設定される。また、4m/秒±10%の値未満の領域が低速領域M1として設定される。そして、利用側送風機8の低速領域M1は、パスパターン13Aのように通風方向(矢印W方向)と冷媒流通方向(矢印R1方向)とが互いに対向する対向流態様11で、冷媒配管4が配置される。高速領域M2は、パスパターン13Bのように通風方向(矢印W方向)と冷媒流通方向(矢印R2方向)とが互いに並行する並行流態様12で、冷媒配管4が配置される。
以上のように構成したことにより、利用側熱交換器3の通過空気の風速を適用して、1つの利用側熱交換器3に対して対向流態様12と並行流態様11の双方を採用できることはもとより、利用側熱交換器3の通過空気の風速に応じて対向流態様12と並行流態様11の区画割合を決定できる。これにより、熱交換能力と消費動力入力との最適なバランスを実現することができる。
実施の形態3.
実施形態2ではサブドレンパン7,7,7,・・・を備えているものを示したが、この実施形態3では、図4に示すようにサブドレンパン7を備えておらず、サブドレンパン7以外の導風板などによる露飛び対策が施されている場合、または露飛び対策が施されていない場合を説明する。
これらの場合も、実施形態2と同様、最大周波数運転時における利用側熱交換器3の通過空気の風速に関する設定値として4m/秒±10%の値(第1風速設定値)が実機試験により得られており、この値を境に全体の通風領域Nが利用側熱交換器3上部の低速領域M1と下部の高速領域M2とに区画されている。利用側熱交換器3の低速領域M1には冷媒配管4が対向流態様11で配置され、高速領域M2には冷媒配管4が並行流態様12で配置されている。
以上のように、この実施形態2では、利用側送風機8の最大周波数運転時において利用側熱交換器3の通過空気の風速が4m/秒±10%未満の低速領域M1にある冷媒配管4を対向流態様11とし、通過空気の風速が通過風速4m/秒±10%以上の高速領域M2にある冷媒配管4を並行流態様12としているので、利用側熱交換器3の通過空気の風速を適用して、1つの利用側熱交換器3に対し対向流態様12と並行流態様11の双方を採用できる。また、通過空気の風速に応じて対向流態様12と並行流態様11の区画割合を決定できる。すなわち、実施形態1または実施形態2と同様の効果を得ることができる。更に、この実施形態3は、サブドレンパン7を持たない汎用の熱交換器であっても享受することが可能であり、広く熱交換器技術の向上化に貢献できる。
1 電算室
2 利用機
3 利用側熱交換器
4 冷媒配管
5 室内(被空調空間)
6 本体ケーシング
6A 通風路
7 サブドレンパン
8 利用側送風機
9 空気入口
10 空気出口
11 対向流態様
12 並行流態様
13A,13B パスパターン
17 メインドレンパン
18 フリーアクセス空間
26 冷媒回路
L1 低速領域
L2 高速領域
M1 低速領域
M2 高速領域
N 通風領域
R1,R2 冷媒流通方向
W 通風方向

Claims (5)

  1. 空気入口、空気出口、および、前記空気入口と前記空気出口とをつなぐケーシング内の通風路、を有する本体ケーシングと、
    前記本体ケーシングの通風路内に配備されて前記通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器と、
    前記本体ケーシングの通風路内に配備されていて前記利用側熱交換器により空気調和された空気を前記空気出口から被空調空間へ吹き出すとともに前記被空調空間の空気を前記空気入口から前記通風路内へ吸い込む利用側送風機と、
    を備えて成り、
    前記利用側熱交換器の通風領域は、通過空気の風速が相対的に速い高速領域と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域とに区画され、
    前記高速領域は、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行対向する並行流の態様で冷媒配管が配置され、前記低速領域は、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置されていることを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記利用側熱交換器の通過空気の風速に関する第1風速設定値が予め設定され、前記利用側熱交換器の前記第1風速設定値以上の領域が前記高速領域として設定されるとともに前記第1風速設定値未満の領域が前記低速領域として設定されていることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記空気入口が前記本体ケーシングの上面に形成されるとともに前記空気出口が前記本体ケーシングの底面に形成され、前記利用側熱交換器が傾斜姿勢で配置されて前記通風路を通風可能に仕切り、前記利用側熱交換器の下方位置にメインドレンパンが配備されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の空気調和装置。
  4. 前記傾斜配置にされた利用側熱交換器の空気出側に、サブドレンパンが上下方向に複数個配備されていることを特徴とする請求項3に記載の空気調和装置。
  5. 前記サブドレンパンの空気出側の風速に関する第2風速設定値が予め設定され、前記複数個のサブドレンパンにおける前記第2風速設定値以上の領域が前記高速領域として設定されるとともに前記第2風速設定値未満の領域が前記低速領域として設定されていることを特徴とする請求項4に記載の空気調和装置。
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