JP2022173019A

JP2022173019A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2022173019A
Application number: JP2021101202A
Authority: JP
Inventors: 浩二尊田; Koji Sonda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-17

Abstract

【課題】冷房時に電力の供給のひっ迫の原因となることを低減し、外気との熱交換時に発生する排熱によるヒートアイランドの発生原因を低減し、冷房が効くまでの時間短縮を行うことができるという空気調和機を提供する。
【解決手段】室内の冷房を行う空気調和機を、室内の冷房を行う側の冷凍サイクル（３）と、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）とに独立した冷凍サイクルに分割し、それぞれ独立させた冷凍サイクル（１）の熱交換器（５）と冷凍サイクル（３）の熱交換器（１１）との熱エネルギーのやりとりを断熱密閉した容器（２）に充満している冷媒（１０）の対流で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を用いた冷凍サイクルにて冷房を行う空気調和機の技術に関するものである。

室内の冷房を行うために、冷媒を用いた冷凍サイクルの空気調和機を用いている。しかし、これらの空気調和機は、猛暑の時には１日の電力消費量のピークの発生と電力の供給のひっ迫の原因となることが懸念され、外気との熱交換時に発生する排熱によるヒートアイランドの発生も懸念される。また、これらに相反する形で、猛暑の中で外出先から帰ってきたとき、室内の冷房が効くまでの時間短縮も望まれている。

対策として、先行技術文献１から５に示される解決方法が提示されている。また、冷房が効くまでの時間短縮を行うため熱交換器で外気へ排熱する熱量を増加させる方法としては圧縮機の能力向上で対処している。

しかし、これらの技術で外気側の熱交換器と室内側の熱交換器の間で熱エネルギーのやり取りをする箇所を低温にして使用するには莫大な電力を消費する。また、圧縮機の能力向上の目的が室内の冷房が効くまでの時間短縮である場合は、消費電力の増加に繋がる。地中と熱量のやりとりをする方法は地中配管設置工事が大変である。

特開２００５－１４０４４４号公報（図１）特開平５－２８０８１８号公報（図１）特開２００１－２８９４６５号公報（図１）特開２００３－３４３９３６号公報（図１）特開２０１８－１３２２１３号公報（図１）

猛暑の時の、電力消費量のピークの発生とそれに伴う電力の供給のひっ迫に対する影響の低減や、排熱によるヒートアイランドの発生を抑制しながら冷房を行うことができ、室内の冷房が効くまでの時間短縮を圧縮機の能力向上で行わないため消費電力の増加も無い空気調和機を提供する。

図１に示す発明した冷房を行う空気調和機は、室内の冷房を行う冷凍サイクル（３）と、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）を備えており、この２つの冷凍サイクル（３・１）はそれぞれに冷媒が通っている配管（８・１４）を備えており、それぞれの配管（８・１４）は繋がっておらず別配管になっている。これら２つの冷凍サイクル（３・１）はそれぞれ独立して別々に動作する事が出来、また、これら２つの冷凍サイクル（３・１）を連動させなくてはならないというような制約は全くない。

室内の冷房を行う側の冷凍サイクル（３）は、室内を冷却する熱交換器（１５）と、室内へ冷却された空気を送り込む送風ファン（１６）と、逆カルノーサイクルで冷却するためＨＦＣなどの冷媒を循環させる配管（１４）と、圧縮機（１３）と、膨張弁（１２）と、断熱密閉した容器に設置されている熱交換器（１１）で構成されている。

外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）は、外気と熱交換する熱交換器（４）と、熱交換器（４）を冷却する冷却ファン（９）と、逆カルノーサイクルで冷却するためＨＦＣなどの冷媒を循環させる配管（８）と、圧縮機（７）と、膨張弁（６）と、断熱密閉した容器に設置されている熱交換器（５）で構成されている。

それぞれ独立した冷凍サイクル（１・３）の、それぞれの熱交換器（５・１１）は、断熱密閉した容器（２）に設置されており、断熱密閉した容器（２）は冷媒（１０）で充満されており、充満された冷媒（１０）を介してそれぞれ独立した冷凍サイクル（１・３）の熱交換器（５・１１）にて熱エネルギーのやりとりを冷媒（１０）の対流で行う。

断熱密閉した容器（２）は、冷媒（１０）が十分冷却された後に外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）を完全に停止した後も低温を維持できる。熱容量の値を大きくなるよう容積が大きいものを使用し、構成する素材については上面、側面、底面にステンレスなどの金属もしくは強化プラスチックを使用し、断熱密封するために全て内側に空間を設け二重構造もしくはそれ以上の多重構造で作製し、二重構造もしくは多重構想の中は真空もしくは発泡スチロールなどの断熱材で断熱し、あるいは二重構造もしくは多重構造内を真空にした上で発泡スチロールなどの断熱材で容器をコーティングし、断熱密閉した容器（２）に冷媒（１０）を充満させる。冷媒（１０）を充満させた後は、断熱密閉した容器（２）をふた付きにしても良いし、ふた無しで完全に溶接で冷媒（１０）を閉じ込めても良い。

それぞれ独立した冷凍サイクルの熱交換器（５・１１）の熱エネルギーのやりとりは断熱密閉した容器（２）に充満している冷媒（１０）の対流で行う。冷媒（１０）は比熱が高い水Ｈ２Ｏを用いる。なお、冷媒（１０）は水Ｈ２Ｏより高い比熱で人体および断熱密閉した容器（２）に対して悪影響がない流体であれば水Ｈ２Ｏにはこだわらない。他の種類たとえばオイル類の液体などに替えても良い。

また、断熱密閉した容器（２）に充満された冷媒（１０）の中にファン（１７）を設置し、ファン（１７）は熱伝導率が低い樹脂などの材料で作られた回転軸（１８）で断熱密閉した容器（２）の外部の発電機（１９）と繋げる。冷媒（１０）中に対流が発生したとき、ファン（１７）を回転させ発電機（１９）で電気エネルギーに変換させることで対流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す。対流は冷媒（１０）中の分子において低温となる熱交換器（５）と接した分子の振動は減少し冷たくなり断熱密閉した容器（２）の下側へ移動するため対流が発生し、高温となる熱交換器（１１）と接した分子の振動は増加し熱くなり断熱密閉した容器（２）の上側へ移動するため対流が発生する。対流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことで冷媒（１０）に蓄えられた熱エネルギーを奪うことでができ冷媒（１０）の自然な温度上昇を低減することができる。

図２に示す発明した冷房を行う空気調和機の冷凍サイクル（１）を駆動さているインバータ回路を内蔵した制御回路（２０）と、インターネットに接続する機能を内蔵したマイコンを搭載した制御回路（２１）を接続し、マイコンを搭載した制御回路（２１）とインターネットの中継器（２２）を接続し、インターネット上から１日の中で外気の温度が最も低くなる時間帯の情報を収集し、外気へ排熱する室外機の冷凍サイクル（１）をその時間帯で動作させるように制御回路（２１）からインバータ回路を内蔵した制御回路（２０）へ指示命令を行う。

冷房を行う室内の冷凍サイクル（３）を動作させないで、室内の冷房を行なわない時間帯で、外気へ排熱する室外機の冷凍サイクル（１）を単独で動作させて断熱密閉した容器（２）に充満された冷媒（１０）をあらかじめ冷却することができる。

それぞれの冷凍サイクル（１・３）を動作させる時間帯を一致させずに、動作する時間帯をずらすことができる。

室内を冷却しない時間帯、例えば外気の温度が１日の中で最も低いことが多い夜明け前などに、断熱密閉した容器（２）の冷媒（１０）を冷却する。室外機の冷凍サイクル（１）は外気の温度が最も低いときに熱交換器（４）で排熱するので、低い消費電力で冷媒（１０）を冷却できる。

室外機の冷凍サイクル（１）のみを単独で動作させて、急激に冷却する必要のない冷媒（１０）をゆっくり時間をかけて冷却する。このことにより冷却時の急激な消費電力の上昇を抑えることができる。

断熱密閉した容器（２）の充満された冷媒（１０）が充分に冷却された後に、室外機冷凍サイクル（１）の動作を停止しても、自然な状態の冷媒（１０）の温度上昇は断熱密閉の容器（２）の中にあるため緩やかなものとなる。

１日の電力消費量のピークの発生と電力の供給のひっ迫が起こる時間帯において、室内の冷凍サイクル（３）を動作させ冷房を行う場合、断熱密閉した容器（２）に充満されあらかじめ低温に保った冷媒（１０）を熱交換器（１１）の冷却に使うため、室外機の冷凍サイクル（１）をフルパワーで動作する必要が無くなる。

これにより電力消費量のピークの発生とそれに伴う電力の供給のひっ迫に対する影響が低減され、また、室外機の熱交換器（４）から外気への総排熱量が低減されヒートアイランドの発生を低減することができる。

また、断熱密閉した容器（２）に充満されあらかじめ低温に保った冷媒（１０）を熱交換器（１１）の冷却に使うため、冷房を行う室内は急激に冷却され、冷房が効くまでの時間短縮に効果がある。

このことから、冷房が効くまでの時間短縮をするため、圧縮機（７）の能力を向上させて熱交換器（４）で外気へ排熱する熱量を増加させる必要がなくなり、冷房が効くまでの時間短縮をするための目的においては圧縮機（７）の能力向上はあまり重要ではなくなる。

通常、室内にて冷房をスタートさせた時、室外機の冷凍サイクル（１）はフルパワーで動作し、消費電力は急激に上昇するが、発明した冷凍サイクルを使えば、冷房を行う室内にて冷房をスタートさせても、あらかじめ冷却された冷媒（１０）により、室内の冷凍サイクルの熱交換機（１１）は素早く冷却されるため、室外機の冷凍サイクル（１）をフルパワーで動作する必要が無い。このことより消費電力が急激に上昇することを防ぐことができる。

なお、騒音対策として、室内の冷房を行う側の冷凍サイクル（３）の圧縮機（１３）と膨張弁（１２）を格納するＢＯＸ（２３）を室外へ設置し、その中へ圧縮機（１３）と膨張弁（１２）を格納しても良い。

なお、断熱密閉した容器（２）の寸法は、熱容量の値を大きくできるように可能な限り容積が大きいものが良いが、例として標準的な一般家庭用空気調和機の室外機の上に設置できるような寸法で、横幅Ｗ４００ｍｍ、高さＨ２５０ｍｍ、奥行きＤ２００ｍｍ程度でも良い。

１外気へ排熱する側の冷凍サイクル
２断熱密閉した容器
３室内の冷房を行う側の冷凍サイクル
４外気と熱交換する熱交換器
５断熱密閉した容器に設置されている熱交換器
６外気へ排熱する側の膨張弁
７外気へ排熱する側の圧縮機
８外気へ排熱する側の配管
９外気へ排熱する側の冷却ファン
１０断熱密閉した容器の冷媒
１１室内の冷房を行う側の熱交換器
１２室内の冷房を行う側の膨張弁
１３室内の冷房を行う側の圧縮機
１４室内の冷房を行う側の配管
１５断熱密閉した容器に設置されている熱交換器
１６室内の冷房を行う側の送風ファン
１７断熱密閉した容器に設置されたファン
１８断熱密閉した容器に設置されたファンの回転軸
１９断熱密閉した容器の外部に設置された発電機
２０外気へ排熱する側の冷凍サイクル側の制御回路
２１インターネットに接続する機能を内蔵したマイコンを搭載した制御回路
２２インターネットの中継器
２３膨張弁と圧縮機を格納するＢＯＸ
２４室内の冷房を行う側の制御回路
２５外気へ排熱する側と室内の冷房を行う側の制御回路を繋ぐ制御通信ケーブル

特開２００５―１４０４４４号公報（図１）特開平５―２８０８１８号公報（図１）特開２００１―２８９４６５号公報（図１）特開２００３―３４３９３６号公報（図１）特開２０１８―１３２２１３号公報（図１）

また、断熱密閉した容器（２）に充満された冷媒（１０）の中にファン（１７）を設置し、ファン（１７）は熱伝導率が低い樹脂などの材料で作られた回転軸（１８）で断熱密閉した容器（２）の外部の発電機（１９）と繋げる。冷媒（１０）中に対流が発生したとき、対流によりファン（１７）が回転し、ファン（１７）と接続している発電機（１９）にて電気エネルギーに変換させることで、対流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す。冷媒（１０）中の流体の分子において、低温となる熱交換器（５）と接した流体の分子の振動は減少し冷たくなり断熱密閉した容器（２）の下側へ移動し、また、高温となる熱交換器（１１）と接した流体の分子の振動は増大し熱くなり断熱密閉した容器（２）の上側へ移動する。これら流体の分子の移動により対流が発生する。流体の対流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出
すことで、冷媒（１０）に蓄えられた熱エネルギーを奪うことでができ、冷媒（１０）の自然な温度上昇を低減することができる。

図２に示す発明した冷房を行う空気調和機において、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）の中の圧縮機（７）、膨張弁（６）、冷却ファン（９）に対して、圧縮機（７）を制御する回路、膨張弁（６）を制御する回路、冷却ファン（９）を駆動するインバータ回路を内蔵した制御回路（２０）が接続されている。

圧縮機（７）を制御する回路、膨張弁（６）を制御する回路、冷却ファン（９）を駆動するインバータ回路を内蔵した制御回路（２０）と、インターネットに接続する機能を内蔵したマイコンを搭載した制御回路（２１）が接続されている。

マイコンを搭載した制御回路（２１）とインターネットの中継器（２２）を接続し、インターネット上から１日の中で外気の温度が最も低くなる時間帯の情報を収集する。

これにより、外気へ排熱する室外機の冷凍サイクル（１）を、１日の中で外気の温度が最も低くなる時間帯で動作するように、インターネットに接続する機能を内蔵したマイコンを搭載した制御回路（２１）から、圧縮機（７）を制御する回路、膨張弁（６）を制御する回路、冷却ファン（９）を駆動するインバータ回路を内蔵した制御回路（２０）へ指示命令を行う。

図３に、発明した冷房を行う空気調和機において、膨張弁と圧縮機を格納するＢＯＸ（２３）の中の、圧縮機（１３）および膨張弁（１２）と、圧縮機（１３）と膨張弁（１２）を制御する制御回路（２４）が接続されていることを示す。

図４に、外気へ排熱する側の冷凍サイクル側の制御回路（２０）と、室内の冷房を行う側の制御回路（２４）が、外気へ排熱する側と室内の冷房を行う側の制御回路を繋ぐ制御通信ケーブル（２５）にて接続されていることを示す。

これにより、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）と、室内の冷房を行う側の冷凍サイクル冷凍サイクル（３）のどちらか一方のみに異常が発生した場合、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）と、室内の冷房を行う側の冷凍サイクル（３）の両方の動作を停止することが可能になる。

また、室内の冷房を行う側の制御回路（２４）から、外気へ排熱する側の冷凍サイクル側の制御回路（２０）へ、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）のスタート、ストップについての制御信号を、制御通信にて行うことが可能になる。

空気調和機の全体構成図外気へ排熱する側の冷凍サイクルの制御回路とインターネットとの接続系統図室内の冷房を行う側の冷凍サイクルの圧縮機と膨張弁と制御回路の接続系統図外気へ排熱する側と室内の冷房を行う側の制御回路を繋ぐ制御通信ケーブルの接続系統図

Claims

図１に示す発明した冷房を行う空気調和機は、室内の冷房を行う冷凍サイクル（３）と、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）を備えており、この２つの冷凍サイクル（３・１）はそれぞれに冷媒が通っている配管（８・１４）を備えており、それぞれの配管（８・１４）は繋がっておらず別配管になっている。それぞれ独立した冷凍サイクル（１・３）の、それぞれの熱交換器（５・１１）は、断熱密閉した容器（２）に設置されており、断熱密閉した容器（２）は冷媒（１０）で充満されており、充満された冷媒（１０）を介してそれぞれ独立した冷凍サイクル（１・３）の熱交換器（５・１１）にて熱エネルギーのやりとりを行う。これらの構成により、それぞれの冷凍サイクル（１・３）を動作させる時間帯を一致させずに、動作する時間帯を自由にずらすことができることを特徴とする空気調和機を提供する。
断熱密閉した容器（２）は、冷媒（１０）が十分冷却された後に、外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）を完全に停止した後も低温を維持できる構造になっていることを特徴とする空気調和機を提供する。
断熱密閉した容器（２）の充満された冷媒（１０）の中にはファン（１７）が設置されており、ファン（１７）は熱伝導率が低い樹脂などの材料で作られた回転軸（１８）で断熱密閉した容器（２）の外部の発電機（１９）と繋がっており、熱交換時の熱で発生する冷媒の対流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す。これにより断熱密閉した容器（２）の中の総エネルギー量を下げ、冷媒（１０）の自然な温度上昇を低減させることを特徴とする空気調和機を提供する。
外気へ排熱する側の冷凍サイクル（１）の制御回路（２０）へインターネットに接続する機能を内蔵したマイコンを搭載した制御回路（２１）を接続し、マイコンを搭載した制御回路（２１）はインターネット中継器（２２）と接続し、インターネット上から１日の中で外気の温度が最も低くなる時間帯の情報をマイコンを搭載した制御回路（２１）で収集する。外気へ排熱する室外機の冷凍サイクル（１）をインターネット上から収集した１日の中で外気の温度が最も低くなる時間帯で動作させるようにマイコンを搭載した制御回路（２１）から冷凍サイクル（１）の制御回路（２０）へ指示命令することを特徴とする空気調和機を提供する。