JP2019211138A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータの放熱能力を増加させ、ラジエータの伝熱面積を低減する。【解決手段】室外ユニット１００の筐体側部に設けた室外熱交換器１０５を介して外気を筐体内に導入し、筐体上部に排出する送風ファン１０６を筐体上部に設け、室外熱交換器１０５を筐体の側部のうち対向する一方の側部の各々に配置するとともに、ガスエンジンの冷却水が流通するラジエータ１１３を、筐体側部のうち室外熱交換器１０５を配置した他方の側部に少なくとも一つ配置する。【選択図】図１１

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機をガスエンジンによって駆動するガスヒートポンプ式空気調和装置に関するものである。

冷媒を圧縮する圧縮機をガスエンジンによって駆動するガスヒートポンプ式空気調和装置（以下ＧＨＰ）において、ガスエンジンの冷却水回路に設けられるラジエータと、冷媒が循環する室外熱交換器とを、導入外気の流れ方向に並べて配置し、ラジエータと室外熱交換器との間に隙間を設けて分離し、ラジエータを冷房運転時における導入外気の流れ方向下流側に配置した空気調和装置が提案されている。（例えば、特許文献１）
図１４は、特許文献１において、冷媒が循環する室外熱交換器４０１とラジエータ４０２を並べ構成された室外熱交換器ユニット４００の構造を示したものである。特許文献１では、ガスエンジンの冷却水回路に設けられるラジエータ４０２と、冷媒が循環する室外熱交換器４０１とを導入外気の流れ方向に並べて配置し、ラジエータ４０２と室外熱交換器４０１との間に隙間４０３を設けて分離すると共に、ラジエータ４０２を冷房運転時における導入外気の流れ方向下流側に配置し、室外熱交換器ユニット４００として構成している。

特許文献１の構成によれば、ラジエータ４０２と室外熱交換器４０１の間に隙間４０３があるため両者間の熱伝達がなくなり、また、ラジエータ４０２を冷房運転時の導入空気流れ方向下流側に配置したので、冷房運転時にラジエータ４０２により加熱された導入空気が室外熱交換器４０１を通過しなくなる。このため、冷房運転時に室外熱交換器４０１がエンジン排熱の影響を受けるのを防止でき、成績係数（ＣＯＰ）を向上させることが可能としている。

特開２００２−１３０７４３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ラジエータと室外熱交換器の間に隙間があるため、両者間の熱伝達はなくなるものの、冷房運転時、ラジエータに導入される外気は、室外熱交換器で冷媒の熱を奪い、温度が上昇しているため、ラジエータ内の冷却水温度とラジエータ導入外気の温度差が小さくなるという課題があった。すなわち、必要放熱量を確保するためにラジエータの伝熱面積を大きくする必要があり、ラジエータが大型化する。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ラジエータ内の冷却水温度と導入外気の温度差を大きくすることを目的とする。すなわち、必要放熱量を確保するためのラジエータの伝熱面積を小さくし、ラジエータを小型化することが可能なガスヒートポンプ式空気調和装置を提供するもことを目的とする。

上記従来の課題を解決するため、本発明の空気調和装置は、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機を搭載した室外ユニットを有し、室外ユニットの筐体側部に設けた冷媒用の室外熱交換器を介して外気を室外ユニットの筐体内に導入し、室外ユニットの筐体上部に排出する送風ファンを室外ユニットの筐体上部に設け、ガスエンジンの冷却水が流通するラジ
エータを、室外ユニットの筐体側部のうち、室外熱交換器を配置していない位置に配置したことを特徴とする。これによれば、ラジエータを室外熱交換器の配置されていない筐体側面に設けたので、ラジエータには室外熱交換器で冷媒の熱を奪った外気ではなく、外気が直接流入する。

本発明の空気調和装置は、ラジエータに外気が直接流入するため、ラジエータ内の冷却水温度とラジエータ導入外気の温度差を大きくすることができる。よって、ラジエータの伝熱面積を小さく、延いてはラジエータを小型化することができる。

本発明の実施の形態における空気調和装置の冷媒流路、冷却水流路を示す図 本発明の実施の形態における室外熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態における室外熱交換器の正面図 本発明の実施の形態における室外熱交換器の流路調整面を示す図 本発明の実施の形態における室外熱交換器の単純接続面を示す図 本発明の実施の形態における室外熱交換器の流路調整面一部の拡大図 本発明の実施の形態におけるラジエータの斜視図 本発明の実施の形態におけるラジエータの正面図 本発明の実施の形態におけるラジエータの流路調整面を示す図 本発明の実施の形態におけるラジエータの単純接続面を示す図 （ａ）本発明の実施の形態における空気調和装置の側面図 （ｂ）本発明の実施の形態における空気調和装置の正面図 （ｃ）本発明の実施の形態における空気調和装置の上面図 本発明の実施の形態における空気調和装置の別の第１の例を示す上面図 本発明の実施の形態における空気調和装置の別の第２の例を示す上面図 従来技術における室外熱交換器ユニットの構成図

本発明における空気調和装置は、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機を搭載した室外ユニットにおいて、室外ユニットの筐体側部に設けた冷媒用の室外熱交換器を介して外気を室外ユニットの筐体内に導入し、室外ユニットの筐体上部に排出する送風ファンを室外ユニットの上部に設け、ガスエンジンの冷却水が流通するラジエータを、室外ユニットの筐体側部のうち、室外熱交換器を配置していない位置に配置したことを特徴とする。また、室外熱交換器を室外ユニットの筐体側部のうち一方の対向する側部の各々に配置するとともに、ラジエータを、室外熱交換器を配置していない他方の対向する側部のうち少なくとも一方に配置したものである。

上記により、ラジエータを室外熱交換器の配置されていない筐体側面に設けたので、ラジエータには室外熱交換器で冷媒の熱を奪った外気ではなく、外気が直接流入する。ラジエータに外気が直接流入するため、ラジエータ内の冷却水温度とラジエータ導入外気の温度差を大きくすることができる。よってラジエータの伝熱面積を小さく、延いてはラジエータを小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における空気調和装置の冷媒流路、冷却水流路を示すものである。実線は冷媒流路を、点線は冷却水流路を示している。

まず、冷媒流路について説明する。図１において、空気調和装置１は、室外ユニット１００、室内ユニット２００で構成され、室内ユニット２００は室外ユニット１００から延びるユニット配管に接続されている。

室外ユニット１００において、圧縮機１０１はガスエンジン１０２とベルト等の動力伝達手段により連結されている。

オイルセパレータ１０３は圧縮機１０１の吐出配管の下流に設置されており、圧縮機１０１の吐出冷媒ガスに含まれる冷凍機油（以下、オイル）を分離する。オイルセパレータ１０３で分離されたオイルは図示しない油戻し管により圧縮機１０１の吸入配管に戻される。四方弁１０４は冷房と暖房で冷凍サイクルを切替えるためのものであり、図１では冷房時の流れを示している。室外熱交換器１０５は、送風ファン１０６により冷房時は冷媒の熱を外部へ放熱し、暖房時は外気の熱を吸熱する。減圧装置１０７は冷媒の圧力、流量を調節する。アキュムレータ１０８は、圧縮機１０１の吸入配管に接続され、圧縮機１０１にガス冷媒を供給する。

排熱回収熱交換器１０９は、排熱回収減圧装置１１０を介して、室外熱交換器１０５と並列に接続され、暖房時、冷媒は後述する冷却水からも吸熱できる構成となっている。

室内ユニット２００において、室内熱交換器２０１は、室内送風ファン２０２により、冷房時は室内の熱を吸熱し、暖房時は冷媒の熱を室内へ放熱する。室内機減圧装置２０３は、冷媒の圧力、流量を調節する。図１において、室内ユニット２００は、一台のみ設置されているが、室外ユニット１００に対し、複数台並列に設置されてもよい。

次に冷却水流路について説明する。冷却水流路は、冷却水ポンプ１１１、リザーバタンク１１２、ラジエータ１１３、三方弁１１４、排熱回収熱交換器１０９を備え、これらにより構成される回路を巡る冷却水により、ガスエンジン１０２を冷却するための流路である。冷却水ポンプ１１１は、ガスエンジン１０２の冷却水を回路に循環させるために設けられている。リザーバタンク１１２は、冷却水の余剰分を一時貯留したり、冷却水が不足した場合に補充したりするためのものである。ラジエータ１１３は、送風ファン１０６により冷却水の放熱を行う。ラジエータ１１３の配置については後述する。三方弁１１４は、冷却水の流路をラジエータ１１３側へ流したり、排熱回収熱交換器１０９側へ流したり、ラジエータ１１３および排熱回収熱交換器１０９の双方へ流すことができるようになっており、冷房時はラジエータ１１３へ、暖房時は一部の冷却水をラジエータ１１３へ、残りの冷却水を排熱回収熱交換器１０９へ流し、エンジンに戻る冷却水の温度を略一定に保つように制御する。前述したように、暖房時、冷媒および冷却水を排熱回収熱交換器１０９に流すことで、冷媒は冷却水の熱から吸熱し、蒸発することができる。

次に室外熱交換器１０５の構造について図２から図６を用いて説明する。図２は室外熱交換器１０５の斜視図、図３は同じく室外熱交換器１０５の正面図である。室外熱交換器１０５は、平行に並べられた複数の伝熱管３０１、伝熱管３０１に密着された伝熱フィン群３０２で構成され、本実施例では、伝熱管３０１は水平方向に３本（３列）、鉛直方向に４８本（４８段）の伝熱管が用いられている。

図４は室外熱交換器１０５における伝熱管３０１の一方の端部を示した図で、室外熱交換器１０５に流入する冷媒の入口、出口および流路を決定するための流路調整面３０３である。

図５は、室外熱交換器１０５における伝熱管３０１の他方の端部を示した図で、鉛直方向に隣り合う２本の伝熱管を、Ｕ字型接続管３０４で接続する単純接続面３０５である。

流路調整面３０３側には、冷媒の流入する入口ヘッダ３０６と、出口ヘッダ３０７が設けられている。本実施例では、入口ヘッダ３０６には、端部に冷媒の流入口３０８と、側部に流入した冷媒を１６方向に分岐させるための１６個の出口孔３０９が、出口ヘッダ３０７には、側部に４個の冷媒の流入孔３１０、端部に冷媒の流出口３１１が設けられ、入口ヘッダ３０６の出口孔３０９および出口ヘッダ３０７の流入孔３１０は室外熱交換器１０５の伝熱管３０１と接続管３１２により接続されている。

同じく流路調整面３０３側には、冷媒の流路を調整するためのＵ字型接続配管３０４および分岐合流型接続配管３１３が室外熱交換器１０５の伝熱管３０１に接続され、流路が決定されている。

図６は、室外熱交換器１０５の流路調整面３０３の上部１２段を拡大した図である。室外熱交換器１０５において、冷房運転時における冷媒の流れを、図６を用いて説明する。なお、冷媒の流れについては、図６における上部１２段部分についてのみ説明し、１３段目以降は、上部１２段部分と同様となるため説明を省略する。また、図６には、冷媒の流れを説明するために、各伝熱管に０１から３６の番号を記した。

入口ヘッダ３０６に流入した過熱蒸気冷媒は、側部に設けられた１６個の出口孔から、接続管３０９を通って室外熱交換器１０５の伝熱管３０１の伝熱管０１、０６、０７、１２に流入する。伝熱管０１に流入した過熱蒸気冷媒は、伝熱管０２、１４、１３、２５、２６、２７、２８の順に流れ、冷却されながら冷媒液と冷媒ガスが混合した二相冷媒となる。同様に、伝熱管０６に流入した過熱蒸気冷媒は、伝熱管０５、０４、０３、１５、１６の順に、伝熱管０７に流入した過熱蒸気冷媒は、伝熱管０８、０９、１０、２２、２１の順に、伝熱管１２に流入した過熱蒸気冷媒は、伝熱管１１、２３、２４、３６、３５、３４、３３の順に流れる。伝熱管１６、１７、２８は分岐合流型接続配管３１３で接続されており、伝熱管１６と２８を通過した冷媒が合流し、伝熱管１７に流入する。同様に伝熱管２１、３２、３３は分岐合流型接続配管３１３で接続されており、伝熱管２１と３３を通過した冷媒が合流し、伝熱管３２に流入する。

伝熱管１７に流入した二相冷媒は、伝熱管１８を通って、伝熱管３２に流入した二相冷媒は、伝熱管３１、２０、１９を通ってさらに冷却される。伝熱管１８、１９、３０は分岐合流型接続配管３１３で接続されており、伝熱管１８、１９を通過した冷媒が合流し、伝熱管３０に流入する。伝熱管３０に流入した冷媒は、伝熱管２９を通過しさらに冷却されて過冷却冷媒となり、接続管３１２を通過して流入孔３１０から出口ヘッダ３０７に流入する。

つまり、伝熱管０１、０６、０７、１２から室外熱交換器１０５に流入した冷媒は、各々合流を２回繰り返すことで伝熱管２９から流出する。

冷媒は熱交換の過程で過熱蒸気（ガス相）域、二相域、過冷却（液相）域と相変化を伴い、ガス相域、二相域、液相域で密度が大きく異なる。一様の冷媒流路では、密度の小さいガス相域での冷媒流速が大きくなり、内部流体の圧力損失が増加する。

室外熱交換器の冷媒の流路を上記の様に構成しているのは、冷媒の熱交換の過程で冷媒の流路面積を調整する、すなわちガス相域では伝熱管の本数を多くし、二相域、液相域に進むにつれ伝熱管の本数を減らすことで、各相での冷媒流速を略均一化し、圧力損失を抑
えるためである。

次に、ラジエータ１１３の構造について図７から図１０を用いて説明する。ラジエータ１１３は、平行に並べられた複数の伝熱管３１４、伝熱管３１４に密着された伝熱フィン群３１５で構成され、本実施例では、伝熱管３１４は水平方向に１本（１列）、鉛直方向に２８本（２８段）の伝熱管が用いられている。

図９はラジエータ１１３における伝熱管３１４の一方の端部を示した図でラジエータ１１３に流入する冷却水の入口、出口および流路を決定するための流路調整面３１６である。

図１０は、ラジエータ１１３における伝熱管３１４の他方の端部を示した図で、鉛直方向に隣り合う２本の伝熱管を、Ｕ字型接続管３１７で接続する単純接続面３１８である。

流路調整面３１６側には、冷却水の流入する入口ヘッダ３１９と、出口ヘッダ３２０が設けられている。本実施例では、入口ヘッダ３１９には、端部に冷却水の流入口３２１と、側部に流入した冷却水を７方向に分岐させるための７個の出口孔３２２が、出口ヘッダ３２０には、側部に７個の冷媒の流入孔３２３、端部に冷媒の流出口３２４が設けられ、入口ヘッダ３１９の出口孔３２２および出口ヘッダ３２０の流入孔３２３はラジエータ１１３の伝熱管３１４と接続管３２５により接続されている。

同じく流路調整面３１６側には、冷却水の流路を調整するためのＵ字型接続配管３１７がラジエータ１１３の伝熱管３１４に接続され、流路が決定されているが、室外熱交換器１０５のような複雑な流路にはなっておらず、７個の冷却水入口に対し、７個の冷却水出口が設定され、一様な流路となっている。冷却水は、熱交換の過程で相変化を伴わず、常に液相であるため、流路面積を変化させて、冷却水の流速を調整する必要がないからである。

次に、室外熱交換器１０５およびラジエータ１１３の配置について図１１を用いて説明する。図１１において、室外ユニット１００は、圧縮機１０１、ガスエンジン１０２、アキュムレータ１０８、および図示しないオイルセパレータ、四方弁、減圧装置、排熱回収熱交換器等を配置した機械室１２１が室外ユニット１００の下側に設けられ、室外熱交換器１０５、送風ファン１０６、リザーバタンク１１２、ラジエータ１１３等を配置した熱交換器室１２２が室外ユニット１００の上側に設けられ構成される。各要素の機能は上述した通りである。

室外熱交換器１０５は、室外ユニット１００の熱交換器室１２２内で、室外ユニット１００の側部のうち、対向する一方の側部の各々に配置されている。本実施例では、図１１（ｃ）に示すように、室外ユニット１００の側部のうち、対向する長辺を含む両側面に配置されている。

ラジエータ１１３は、室外ユニット１００の熱交換器室１２２内で、室外ユニット１００の側部のうち、室外熱交換器１０５の配置されていない側部に配置されている。本実施例では、図１１（ｃ）に示すように、室外ユニット１００の側部のうち、対向する短辺を含む側面に配置されている。

次に、空気調和装置１の全体の動作について、冷房運転時を例に挙げ、図１を用いて説明する。全体の動作については、大きく分けて冷媒側の動作と冷却水の動作がある。

まず、冷媒側の動作について説明する。冷房運転時、冷媒を圧縮する圧縮機１０１はガ
スエンジン１０２によって駆動される。圧縮機１０１で圧縮された高温高圧の冷媒はオイルセパレータ１０３に流入する。オイルセパレータ１０３にて、オイルが分離された純度の高いガス冷媒は、四方弁１０４を通り、室外熱交換器１０５に入る。ガス冷媒は、室外熱交換器１０５にて外気と熱交換して放熱したのち凝縮し、高圧の液冷媒となって減圧装置１０７を通り、室内ユニット２００に供給される。

室内ユニット２００に入った高圧の液冷媒は、室内機減圧装置２０３にて減圧され、気液二相状態となって、室内熱交換器２０１に流入する。気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器２０１にて、空調対象となっている空間の空気と熱交換して吸熱したのち蒸発し、ガス冷媒となって室内ユニット２００から流出する。

室内ユニット２００から流出したガス冷媒は、再度室外ユニット１００に戻る。室外ユニット１００に流入したガス冷媒は四方弁１０４、アキュムレータ１０８を通って、圧縮機１０１に戻り、上記過程を繰り返す。オイルセパレータ１０３で分離されたオイルは、図示しないオイル戻し管を通って圧縮機吸入管に戻され、圧縮機１０１に戻り、上記過程を繰り返す。

次に、冷却水側の動作について説明する。冷房運転時、冷却水ポンプ１１１で押し出された冷却水は、排気ガス熱交換器１２８に流入し、ガスエンジン１０２の排気ガスを冷却する。排気ガス熱交換器１２８で冷却された排気ガスは排気ガスマフラ１２９から外気へ放出される。排気ガス熱交換器１２８を通過した冷却水は、ガスエンジン１０２に流入し、ガスエンジン１０２を冷却する。ガスエンジン１０２を冷却した冷却水は、三方弁１１４に流入する。三方弁１１４は、冷房時にはガスエンジン１０２からの冷却水をラジエータ１１３に流す方向に制御され、暖房時にはラジエータ１１３および排熱回収熱交換器１０９の双方に冷却水を流す役割を担う。ラジエータ１１３に流入した冷却水は、室外ユニット１００にて、導入された外気によって冷却され、再び冷却水ポンプ１１１に戻り、上記過程を繰り返す。なお、図示しない室外ユニット制御部により、ガスエンジン１０２の冷却水出口温度は監視され、略一定温度となるように冷却水ポンプ１１１の回転数が制御されている。

以上のように構成された本発明における空気調和装置について、以下その動作、作用を説明する。

本発明における空気調和装置では、室外ユニットの筐体側部に設けた冷媒用の室外熱交換器を介して外気を室外ユニットの筐体内に導入し、室外ユニットの筐体上部に排出する送風ファンを室外ユニットの筐体上部に設け、ガスエンジンの冷却水が流通するラジエータを、室外ユニットの筐体側部のうち、室外熱交換器を配置していない位置に配置したことを特徴とする。また、室外熱交換器を室外ユニットの筐体側部のうち一方の対向する側部の各々に配置するとともに、ラジエータを、室外熱交換器を配置していない他方の対向する側部のうち少なくとも一方に配置したので、ラジエータには室外熱交換器で冷媒の熱を奪った外気ではなく、外気が直接流入する。

以上のように、本実施の形態においては、ガスエンジンの冷却水が流通するラジエータを、室外ユニットの筐体側部のうち、室外熱交換器を配置していない位置に配置した。また、室外熱交換器を室外ユニットの筐体側部のうち一方の対向する側部の各々に配置するとともに、ラジエータを、室外熱交換器を配置していない他方の対向する側部のうち少なくとも一方に配置したので、ラジエータに外気が直接流入し、ラジエータ内の冷却水温度とラジエータ導入外気の温度差を大きくすることができる。すなわち、ラジエータの伝熱面積を小さく、延いてはラジエータを小型化することができる。

なお、本発明においては、ラジエータに外気を直接流入させ、冷却水温度と導入外気の温度差を大きくすることで、ラジエータの伝熱面積を小さくすることができる効果について述べた。一般的に熱交換器における交換熱量Ｑは、熱交換器の熱通過率をＫ、伝熱面積をＡ、熱交換を行なう流体の温度差をΔＴとした場合、式１で与えられる。

Ｑ ＝ Ｋ・Ａ・ΔＴ ・・・・・・・ （式１）
本発明では、必要放熱量Ｑを一定とした場合、熱通過率Ｋが一定（同じ仕様の熱交換器）であれば、温度差ΔＴを大きくすることで、伝熱面積Ａを小さくすることができるということである。

式１によれば、熱通過率Ｋを大きくしても、伝熱面積Ａを小さくすることができる。熱通過率Ｋを大きくする方法としては、フィンとフィンの間隔を小さくしたり、フィンの形状を複雑化したりすることで、熱伝達率を向上させる手法が用いられている。

室外熱交換器は、冷房運転時には凝縮器（冷媒温度＞外気温度）として、暖房運転時は蒸発器（冷媒温度＜外気温度）として用いられる。蒸発器として用いられる場合、室外熱交換器では外気中の水分が室外熱交換器表面で凝縮し、結露水となって付着する。そのため、室外熱交換器では結露水が付着した場合でも、外気が通り抜けられるように排水性を良好に保つ必要がある。そのため、室外熱交換器を構成するフィンとフィンの隙間は一定以上の間隔を設ける必要があり、室外熱交換器の小型化には限界がある。

一方ラジエータにおいては、冷房運転時、暖房運転時ともに放熱器（冷却水温度＞外気温度）となるため、外気中の水分の凝縮がおこらず、フィンとフィンの隙間を詰め、高密度化することでも小型化することが可能である。

従来例では、室外熱交換器とラジエータを外気の導入方向に並べ、外気の流れ方向下流側にラジエータを配置しているが、外気の流れ方向に並べて配置する場合、ラジエータの大きさは室外熱交換器に依存すると伴に、導入外気は、室外熱交換器とラジエータが抵抗となり、外気を導入させるためのファンの入力が増加するという課題もある。

本発明では、室外熱交換器の配置されていない側面にラジエータを配置したので、外気を導入させるためのファンの入力を低減させる効果もある。

なお、本実施例では、図１１（ｃ）のように、平面で形成された室外熱交換器の例でラジエータの設置位置を示したが、ラジエータの配置は室外熱交換器が設置されていない側面であれば、図１２のようにＬ字型に形成された室外熱交換器が対向して設置された場合や、図１３のようにコの字型に設置された場合でもよい。

本発明にかかる空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動源として、ガスエンジンを利用したガスヒートポンプ式空気調和装置に適する。

１ 空気調和装置
１００ 室外ユニット
１０１ 圧縮機
１０２ ガスエンジン
１０５ 室外熱交換器
１０６ 送風ファン
１１３ ラジエータ

Claims (2)

1. ガスエンジンを駆動源とする圧縮機を搭載した室外ユニットを有し、前記室外ユニットの筐体側部に設けた冷媒用の室外熱交換器を介して外気を前記室外ユニットの筐体内に導入し、前記室外ユニットの筐体上部に排出する送風ファンを前記室外ユニットの筐体上部に設け、前記ガスエンジンの冷却水が流通するラジエータを、前記室外ユニットの筐体側部のうち、前記室外熱交換器を配置していない位置に配置したことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記室外熱交換器を前記室外ユニットの筐体側部のうち対向する一方の側部の各々に配置するとともに、前記ラジエータを、前記室外熱交換器を配置していない他方の対向する側部のうち少なくとも一方に配置することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。