JP3307803B2 - 冷房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は冷房装置に関し、
特に外気温を問わず常時運転される冷房装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷房装置の用途は、人間を対象と
する対人空調だけでなく、電算機室や移動体通信の中継
電子機器を納めたカプセルなどに代表されるような電子
機器の発生した熱を除去する用途分野が急速に拡がりつ
つある。

【０００３】外気温度がこれら冷却の対象の温度よりも
低い場合には、例えば電子機器を納める部屋又はカプセ
ルの断熱性能を低下させて、発生した熱を壁を通して外
部に拡散させることが可能である。しかし、この方法
は、夏期など外気温が高い場合には、逆に外部から熱が
流入することになり都合が悪い。また、低温外気を室
内、カプセル内に直接導入し、対流により熱を外部に放
出する方法は、空気に含まれる湿気、塵埃などが電子機
器にとって悪影響を及ぼすため採用することができな
い。そこで、この場合には何らかの作動媒体を介して間
接的に放熱する方法として、ヒートパイプが使用される
ことがある。

【０００４】しかし、上述したような電子機器を対象と
した冷房装置は四季、昼夜間等の外界の寒暖を問わず年
間運転、常時運転されることが求められる場合が多く、
その場合、積極的に低温熱源である被冷却部から高温熱
源である外界に熱を汲み上げる冷房装置を用いる必要が
ある。ここで物質を外気温以下に冷却する操作を冷凍と
いい、またある体系が一つの状態から出発し、いろいろ
な状態を経て元の状態に戻るとき、この体系はサイクル
を行ったという。今、ここで求められている冷房装置は
冷凍サイクルを行うものにほかならない。

【０００５】冷凍サイクルには幾つかの種類があるが、
最も効率がよい理想的な冷凍サイクルは、カルノー（Ca
rnot）の冷凍サイクルである。現実の冷凍サイクルの中
では、蒸発しやすい作動流体である冷媒を用いた蒸気圧
縮冷凍サイクルが、カルノーの冷凍サイクルに近い熱力
学的状態変化を有しており、効率がよい。そのため冷蔵
庫、エアコンなど広く一般に利用されており、上記用途
の従来の冷房装置もこの蒸気圧縮冷凍サイクルを用いた
ものであった。

【０００６】図２は、従来技術の冷房装置における蒸気
圧縮冷凍サイクルの構成図である。圧縮機２１は、冷媒
ガスを断熱的に圧縮して過熱状態の冷媒ガスとする。ま
た圧縮機２１は冷媒ガスを吸い込み、加圧して送出する
ことによって、冷媒に冷凍サイクル内を循環する駆動力
を供給する機能もある。凝縮器２２は、空冷凝縮器であ
りファン２３を備えている。凝縮器２２はファン２３を
回転し冷媒容器２４の外表面に送風することによって、
前記過熱状態冷媒ガスからこれより低温の外部媒体であ
る大気への放熱を促進する。この放熱過程は等圧的に行
われ、冷媒ガスは放熱により液化して冷媒液となる。膨
張弁２５は、冷媒液を減圧して気液混合状態の湿り蒸気
とする弁である。湿り蒸気は被冷却物に直接・間接に接
した蒸発器２６に導かれ、この蒸発器２６において被冷
却物から気化熱を吸収して冷媒ガスとなり、一方、被冷
却物は冷却される。従来の冷房装置では、この膨張弁２
５は凝縮器２２の出口の近くに設けられていた。この理
由は、凝縮器２２から次の蒸発器２６までの導管内にお
いて、膨張弁２５後の気液混合状態の部分をできるだけ
多くする一方、膨張弁２５前の液相部分をできるだけ少
なくすることによって、冷凍サイクルに封入する冷媒量
を削減することができるからである。蒸発器２６から出
た冷媒ガスは、サクションアキュムレータ２７に導入さ
れる。サクションアキュムレータ２７は運転の過渡的現
象や冷媒封入量過多などの場合に、緩衝の役割を果たす
器である。サクションアキュムレータ２７に一時的に蓄
積された冷媒ガスは、次に圧縮機２１に吸い込まれ、サ
イクルが完結する。また、従来技術の冷房装置では、凝
縮器から流出した冷媒液を蓄積する余剰冷媒貯留容器２
８を設けていた。

【０００７】上記従来の冷房装置は、室内ユニット３０
と室外ユニット３１とに分けられ、これらが冷媒を流動
させるための導管で接続されている。室内ユニット３０
は蒸発器２６を有し、室外ユニット３１は、サクション
アキュムレータ２７、圧縮機２１、凝縮器２２及び膨張
弁２５を有している。室内ユニット３０と室外ユニット
３１の相互の位置の上下関係には制限はなく、室内ユニ
ット３０が室外ユニット３１よりも高い位置にあっても
よい。

【０００８】冬期のように外気温が低下する場合におい
ては、凝縮器２２の凝縮温度が電子機器を収めた室内に
おける保持すべき温度よりも低くなって冷凍サイクルが
動作しなくなる場合がある。すなわち、冷凍サイクルで
は、凝縮器２２で冷媒ガスが等圧変化により凝縮してで
きる冷媒液は過冷却液であって、それゆえ膨張弁２５に
よって減圧して湿り蒸気状態とすることができるのであ
る。もしここで、外気温が低いと、凝縮圧力が低下し
て、膨張弁２５によって湿り蒸気とすることができなく
なるのである。

【０００９】そこで、従来の「低外気温仕様」、「年間
運転仕様」の冷房装置は、空冷凝縮器のファンコントロ
ールを行い、低外気温になるとファンの回転数を低下さ
せて、凝縮温度を常に電子機器を収めた室内の温度以上
に維持し、冷えすぎないようにする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の年間運転仕様の冷房装置では外気温が低下しても凝縮
温度が下がり過ぎないように人為的に制御した上で、圧
縮機を常に運転しなければならない。このため、圧縮機
運転動力の経費が高いという問題と、圧縮機の耐用年数
といった寿命が短くなるという問題とがあった。後者の
寿命に関しては、単に冷房装置の修理費用がかさむとい
う問題のみならず、冷房装置が故障した場合には被冷却
物であるコンピュータや中継電子機器といった高価な機
器が破損するという問題及びこれらコンピュータシステ
ム、通信システムがダウンすることによる社会的影響が
大きいという問題もあり、冷房装置の故障予防のための
メンテナンスに格別の配慮が必要であるという点も問題
であった。

【００１１】本発明は、冬期のように外気温が被冷却部
である室内等の温度よりも低い場合には、圧縮機を運転
することなく被冷却部から外部へ放熱を行い、運転経費
を節減できるとともに、圧縮機の寿命を長くし、また圧
縮機の故障が被冷却部に及ぼす悪影響を抑制する冷房装
置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の冷房装置は、圧
縮機をバイパスして、蒸発器からの冷媒ガスを凝縮器に
導くバイパス管と、バイパス管を開閉する冷媒流路切替
弁と、を有し、凝縮器が蒸発器から所定の高位置にあ
り、膨張弁が蒸発器の入り口に設けられ、室内温度が外
部媒体よりも所定値以上、高温である場合、及び前記圧
縮機の故障により蒸気圧縮式冷媒循環系が機能しなくな
った場合に、自動的に冷媒流路切替弁を開いてバイパス
管を冷媒ガスの流路とすることにより、冷媒ガスが圧縮
機を用いずに凝縮器に達し、凝縮器で冷媒液とされて膨
張弁側へ流下する自然液化放熱運転をなし、自然液化放
熱運転と蒸気圧縮式冷媒循環系による運転との両方にて
膨張弁が利用されることを特徴とする。

【００１３】ここで、凝縮器の蒸発器に対する所定の高
位置は、圧縮機を停止した状態にて、蒸発器から出た冷
媒ガスが凝縮器に到達し、膨張弁から噴出した冷媒の湿
り蒸気が蒸発器に到達し、冷媒が蒸発器で得る熱エネル
ギーと凝縮器で有する重力エネルギーとによって循環す
るように定められる。この決定においては、冷媒導管の
空洞の断面積・形状、配管形状といった条件に起因す
る、冷媒流の流動圧力損失が影響を与える。例えば、低
い凝縮器位置に対しては、上記条件等を冷媒導管のコン
ダクタンスが大きくなるように設計する。また冷媒封入
量に応じ、凝縮器から出た冷媒液が凝縮器から膨張弁ま
での冷媒導管内に蓄積されるという条件も上記決定に際
し、上記条件と併せて考慮される。

【００１４】本発明の第１の態様である冷房装置は、凝
縮器の出口から膨張弁までの冷媒の導管が冷媒液で満た
されていることを特徴とする。

【００１５】本発明の第２の態様である冷房装置は、冷
媒ガスを蓄積するサクションアキュムレータが圧縮機の
入り口に設けられ、バイパス管が、サクションアキュム
レータと圧縮機とをバイパスすること、を特徴とする。

【００１６】本発明の第３の態様である冷房装置は、冷
媒ガスを蓄積するサクションアキュムレータが圧縮機の
入り口に接続され、バイパス管が、サクションアキュム
レータと圧縮機とをバイパスし、膨張弁が蒸発器の入り
口に設けられ、凝縮器の出口から膨張弁までの冷媒の導
管が冷媒液で満たされていること、を特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１８】［実施形態１］ 図１は、本発明の冷房装置における冷凍サイクルの構成
図である。圧縮機１は、外部動力源によって駆動され、
冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態の冷媒ガスとする
機能を担う。圧縮機は、往復動式、回転式、スクリュー
式といった種類に大別されるが、ここで用いられる圧縮
機１には必要とされる冷凍能力などの条件によって好適
なものが選定され使用される。凝縮器２は、蒸発器で生
じた冷媒ガスから大気への放熱を行い、冷媒ガスを液化
して冷媒液とする。凝縮器２は空冷凝縮器でありファン
３を備えている。このファン３は冷媒容器４の外表面に
送風し蒸発器で生じた冷媒ガスからこれより低温の外部
媒体である大気への放熱を促進する。膨張弁５は、温度
自動膨張弁であり、蒸発器６の入り口の直前に設けられ
ている。温度自動膨張弁は、高圧の冷媒液を絞り膨張に
より減圧して気液混合状態の低温低圧の湿り蒸気とする
という膨張弁の機能のほかに、蒸発器の出口の温度を検
知して、この蒸発器の出口における冷媒の状態を適正な
過熱度に維持する制御機能を有する。蒸発器６に導かれ
た湿り蒸気は被冷却物から気化熱を吸収して冷媒ガスと
なり、一方、被冷却物は冷却される。サクションアキュ
ムレータ７は圧縮機１の入り口に設けられ、蒸発器６か
ら出た冷媒ガスを一時的に蓄積し、運転の過渡的現象や
冷媒封入量過多などの場合に、緩衝の役割を果たす器で
ある。

【００１９】以上の構成は、従来技術の冷房装置とほと
んど同様であるが、サクションアキュムレータ７と圧縮
機１とをバイパスして蒸発器６からの冷媒ガスが直接に
凝縮器２に流れうるバイパス管８と、このバイパス管８
を開閉する冷媒流路切替弁９とは本冷房装置の特徴的な
構成である。

【００２０】本冷房装置は、室内ユニット１０と室外ユ
ニット１１とに分けられ、これらが冷媒を流動させるた
めの導管である冷媒上昇管１２と冷媒下降管１３とによ
り接続されている。室内ユニット１０は膨張弁５と蒸発
器６を有し、室外ユニット１１は、サクションアキュム
レータ７、圧縮機１、凝縮器２、バイパス管８及び冷媒
流路切替弁９を有している。後で説明するように、室内
ユニット１０は室外ユニット１１よりも低い位置になけ
ればならない。ここで膨張弁５が蒸発器６の入り口の直
前という低い位置に設けられている点は従来技術と異な
り、本冷房装置の特徴的な構成である。

【００２１】次に、本冷房装置の動作を説明する。動作
には２つの運転モードがある。１つは、夏期のように外
気温が高く、蒸発器６から出た冷媒ガスの圧力とその気
温で定まる相状態が気相である場合に主に用いられる運
転モードであり、蒸気圧縮冷凍モードと呼ぶことにす
る。もう１つは、冬期のように外気温が低く、蒸発器６
から出た冷媒ガスの圧力とその気温で定まる相状態が液
相である場合に主に用いられる運転モードであり、自然
液化放熱モードと呼ぶことにする。

【００２２】蒸気圧縮冷凍モードは圧縮機１を駆動し
て、蒸発器６で吸熱して気相となった冷媒を圧縮し、こ
れにより過熱状態ガスとなった冷媒を凝縮器２にて放熱
して液相とする、いわゆる蒸気圧縮冷凍サイクルを行う
モードである。このモードは、従来技術のように、ファ
ンコントロールすれば、外気温が室温より低い場合でも
用いることができる。この運転モードにおいては、冷媒
流路切替弁９は閉じており、冷媒はバイパス管８ではな
く、サクションアキュムレータ７と圧縮機１とを流れ
る。

【００２３】次に自然液化放熱モードを説明する。自然
液化放熱モードでは冷媒流路切替弁９を開き、圧縮機１
を駆動しない。冷媒流路切替弁９を開くことにより、蒸
発器６と凝縮器２とは冷媒上昇管１２とバイパス管８と
により直接接続される。凝縮器２の冷媒容器４の外表面
には冷媒ガスを凝縮させることができる外気が接してお
り、凝縮器２に流入したおよそ室内温度の冷媒ガスは冷
媒容器４を介して外部へ放熱し凝縮し、冷媒液となって
流れ出る。つまり凝縮器２は冷媒ガスの吸収源であり、
蒸発器６は冷媒ガスの発生源であるので、冷媒ガスの圧
力は蒸発器６側で高く凝縮器２側で低くなる。よって冷
媒上昇管１２内には冷媒ガスの圧力勾配が生じ、これに
より冷媒ガスは蒸発器６から凝縮器２に上昇する。一
方、凝縮器２から流れ出た冷媒液は膨張弁５側に流下す
る。膨張弁５の上には冷媒下降管１３が位置するので、
流下した冷媒液はこの冷媒下降管１３に貯められる。蓄
積した冷媒液は、自重による圧力によって膨張弁５から
噴出する。膨張弁５は蒸発器６の直前に設けられてお
り、噴出した冷媒の湿り蒸気はその運動量により蒸発器
６に流入する。すなわち、圧縮機１を駆動しなくても、
冷媒は冷媒上昇管１２を上昇し冷媒下降管１３を下降
し、冷房装置内を循環する。

【００２４】従来技術において、本冷房装置と異なり膨
張弁５を凝縮器２の出口近くに設けていた理由は既に述
べたように、冷媒サイクルに封入する冷媒量を削減する
ことができるからである。この膨張弁５を従来の凝縮器
２の出口ではなく蒸発器６の入り口に近い位置に設けて
も、蒸気圧縮冷凍モードにおける冷凍サイクルの性能に
は影響を与えない。また、従来技術の冷房装置では、膨
張弁を凝縮器の出口近くに設けていたため、凝縮器から
流出した冷媒液を蓄積する余剰冷媒貯留容器を設けてい
たが、本冷房装置では冷媒下降管１３に冷媒液を蓄積で
きるので、冷媒貯留容器を別途設ける必要がない。

【００２５】上記、自然液化放熱モードにおける冷媒の
循環を実現させるための留意点は、１つには、室内ユニ
ット１０と室外ユニット１１との設置高低差に依存する
冷媒循環の駆動力を損失する、流動圧力損失を抑制する
ことであり、もう１つは循環系の中で冷媒の気相部分と
液相部分のそれぞれが循環駆動力を発生するように決定
され確立されることである。このため、本冷房装置で
は、サクションアキュムレータ７と圧縮機１における流
動圧力損失を避ける目的で、これらをバイパス管８でバ
イパスし、下部にある蒸発器６の出口と上部にある凝縮
器２の入り口とが低流動圧力損失で接続されている。ま
た、設置高低差を大きくし、冷媒下降管１３内の冷媒液
量を多くすると冷媒下降管１３における冷媒の下降駆動
力は大きくなる。そのため設計上、設置高低差や冷媒導
管の空洞の断面積・形状、配管形状といった条件を考慮
する必要がある。例えば、小さな設置高低差に対して
は、冷媒導管のコンダクタンスを大きくする。

【００２６】本冷房装置の動作を確認するための試験的
装置により、熱負荷の発生する室内の温度と外気温度の
差が５℃以上ある場合には、自然液化放熱モード運転に
よる室内熱負荷の外気への放出が可能であること、また
室内ユニット１０と室外ユニット１１とを、冷媒流路と
して通常の設計で用いられる導管で接続し、冷媒下降管
１３には冷媒液を凝縮器２の出口付近まで充満させた場
合には、設置高低差は２ｍ程度の実用的な値に収まるこ
と、を確かめた。

【００２７】そこで本冷房装置は、圧縮機１の故障によ
り蒸気圧縮冷凍サイクルが機能しなくなった場合に、こ
れを検知して冷媒流路切替弁９を自動的に開く。

【００２８】これにより、室内の機器が発熱しても、自
然液化放熱モードによる放熱が行われるので、室内は外
気温に応じた温度に抑制されるというバックアップ機能
が得られる。本機能により、圧縮機故障時に被冷却室内
の電子機器等の損害が抑制される、及び故障修理に必要
な時間を稼げるという効果がある。

【００２９】上述の冷房装置において、膨張弁５を蒸発
器６の入り口の直前以外の位置に設けることもできる。
このとき、実施形態１で述べたところにより、膨張弁５
の上の冷媒下降管に蓄積する冷媒液によって循環に必要
な下降駆動力が生じれば、膨張弁５は蒸発器６より高い
位置にあっても、逆に低い位置にあってもよく、また蒸
発器６との配管距離は噴出する冷媒の運動量によって冷
媒の湿り蒸気が蒸発器６に流入することができる距離で
あればよい。

【００３０】また上述の冷房装置において、冷媒流路切
替弁９をバイパス管とサクションアキュムレータへの導
管との分岐点に設けられた流路切替弁とすることもでき
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、冬期のように外気温が
被冷却部である室内等の温度よりも低い場合には圧縮機
を停止し、自然液化放熱モードにより被冷却部から外部
へ放熱を行うので、圧縮機の運転経費が節減されるとい
う効果がある。また冷房装置の運転動力を節減すること
は、単に運転経費が節減されるというユーザメリットだ
けでなく、地球温暖化防止などの社会的要請に応えるこ
とにもなる。一試算例を示せば、発熱量５ｋＷの電子機
器の冷却を、本発明の冷房装置を用いて、東京の気象条
件下において夏期のみ蒸気圧縮冷凍モードで冷却し、他
の季節は自然液化放熱モードで冷却した場合、年間の動
力節減率は約７０％にも達する。

【００３２】またこのことは年間の圧縮機の運転時間が
短くなることを意味し、圧縮機の寿命が長くなり、冷房
装置のライフサイクルコストが低減するという効果が得
られる。

【００３３】さらに圧縮機が故障しても自然液化放熱モ
ードによる放熱により、室内は外気温に応じた温度に抑
制されるというバックアップ機能が得られ、被冷却部が
被る悪影響を抑制することができるという効果がある。

【００３４】加えて本発明に係る冷房装置では、従来必
要であった凝縮器のファンコントロール装置や冷媒貯留
容器が不必要であり、装置が簡略化できるという効果も
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の冷房装置における冷凍サイクルの構
成図。

【図２】 従来技術の冷房装置における蒸気圧縮冷凍サ
イクルの構成図。

【符号の説明】

１，２１ 圧縮機、２，２２ 凝縮器、３，２３ ファ
ン、４，２４ 冷媒容器、５，２５ 膨張弁、６，２６
蒸発器、８ バイパス管、９ 冷媒流路切替弁、１
０，３０ 室内ユニット、１１，３１ 室外ユニット、
１２ 冷媒上昇管、１３ 冷媒下降管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 F24F 11/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態冷
   媒ガスとする圧縮機と、過熱状態冷媒ガスを、外部媒体
   へ等圧的に放熱させて冷媒液とする凝縮器と、冷媒液を
   減圧して気液混合状態の湿り蒸気とする膨張弁と、冷媒
   の湿り蒸気が冷媒ガスとなる際の気化熱を被冷却部から
   吸収する蒸発器と、が順次接続された蒸気圧縮式冷媒循
   環系を備える冷房装置において、前記 圧縮機をバイパスして、前記蒸発器からの前記冷媒
   ガスを前記凝縮器に導くバイパス管と、前記 バイパス管を開閉する冷媒流路切替弁と、 を有し、前記 凝縮器が前記蒸発器から所定の高位置にあり、前記 膨張弁が前記蒸発器の入り口に設けられ、 室内温度が外気温度よりも所定値以上、高温である場
   合、及び 前記圧縮機の故障により前記蒸気圧縮式冷媒循
   環系が機能しなくなった場合に、自動的に前記冷媒流路
   切替弁を開いて前記バイパス管を前記冷媒ガスの流路と
   することにより、前記冷媒ガスが前記圧縮機をバイパス
   して前記凝縮器に達し、当該凝縮器で前記冷媒液とされ
   て前記膨張弁側へ流下する自然液化放熱運転をなし、 前記自然液化放熱運転と前記蒸気圧縮式冷媒循環系によ
   る運転との両方にて前記膨張弁が利用されること を特徴
   とする冷房装置。