JP4398705B2 - 雪を利用した冷凍空調システム - Google Patents

Description

この発明は、冷凍空調システムに関するものである。更に、詳細には、冷凍空調システムの消費エネルギーの低減を図るための技術に関する。

従来から、冷凍・冷蔵倉庫等の空調には室外機を使用する冷凍空調システムが利用されている。冷凍空調機（又は冷凍機）の原理については古くから知られており、教科書、その他の参考書等に説明されている。しかし、冷凍空調機は長期間にわたって連続運転されるために消費エネルギーが大きいという課題がある。この課題を解決するために、種々の提案がなされてきた。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、水の蒸発熱を利用して消費エネルギーを節減する方法が記載されている。この従来技術（従来技術１）は、冷媒を圧縮して、圧縮により高温になった冷媒を熱交換機により冷却、凝縮させるために、外気と熱交換する熱交換器の伝熱管表面に水を噴霧して、水の蒸発熱を利用して冷媒を冷却する方法を採用している。
公開特許公報、特開２００１−３１７８２１号（空気熱源式冷房装置およびこれを用いた冷房方法）。 公開特許公報、特開２００３−１３０４２７号（空気調和機の凝縮器の補助冷却装置）。

また、特許文献３、特許文献４には熱回収を行うことにより消費エネルギーを節減する方法が記載されている。以下、従来技術２という。特許文献３に記載されている技術は、冷凍機熱源サイクルの凝縮器と空調機熱源サイクルの熱交換器の間で熱伝達させること、即ち、室外機の凝縮器の熱を空調機の室外熱交換器に伝え、熱回収をする方法である。特許文献４に記載されている技術は、蓄熱槽を利用して熱回収を行う方法である。この技術は、冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間に蓄熱槽を設置し、熱回収を図る方法である。又、特許文献５には、蓄熱冷媒体を内蔵した蓄冷熱用熱交換器を有する蓄熱ユニットを備えた冷凍装置に関する技術が記載されている。
公開特許公報、特開２００１−２８９５３２号（冷凍空調装置、及びその運転方法） 公開特許公報、特開２００３−７５００９号（ヒートポンプシステム） 公開特許公報、特開２００２−３２７９６８号（蓄冷熱式冷凍装置）

また、雪を冷熱源として冷房、冷蔵方法が従来から知られており、以下の特許文献６、７に記載されている。従来技術３という。特許文献６に記載の技術は、雪を集積して長期保存し、エアポンプを使用して（送風機で外気を送風）雪の冷気を取り出して目的の場所で冷気を使用するものである。特許文献７に記載の技術は、降雪期に断熱構造にした蓄雪槽内に雪を圧縮状態に詰入して保存しておき、夏季等において給気機構によって、蓄雪槽内の雪の潜熱により冷却された空気通過パイプ内の空気を建物室内に給送排出することにより室内の冷房を行うものである。
公開特許公報、特開平８−２１９４９０号（雪を利用した冷房、冷蔵方法） 公開特許公報、特開平７−２９３９３６号（雪冷房装置）

従来技術１は、水を噴霧する噴霧装置が必要であり、しかも、噴霧された水の蒸発が水温や外気温度、湿度等によって左右されるために制御装置が複雑になるという課題がある。従来技術２は、熱回収は装置が複雑になり、しかも回収される熱量は消費される熱量に比べて相対的に少ないために、消費エネルギーの低減効果が小さいという課題がある。従来技術３は、常に（外気温度が低いときも）雪の冷熱を利用するために、雪の冷熱を効率的に利用できないという課題と雪が無くなった場合は冷熱源が使用できないために、長期間連続運転を必要とする冷凍空調システムが停止せざるを得なくなるという課題がある。
本願発明は、上記のような背景の下でなされたもので、冷熱量が大きく、しかもコストの安い雪を有効利用して長期間の連続運転に適した冷凍空調システムを提供することを課題としている。

請求項１に記載の発明は、膨張弁によって膨張し低温にされた冷媒と蒸発器を介して熱交換し、冷却空調された空気を空調エリア内に吹出す室内機と、該空調エリア外部に設置され、前記蒸発器で暖められ、圧縮機で圧縮されたガス冷媒を冷却する凝縮器を有し、２本のパイプで前記室内機と接続することで冷凍サイクルを構成する室外機と、を設けた空調システムにおいて、
前記室外機の空気入口側と空気出口側とを仕切って、外気を取り入れる取入口を有する冷気室と排出口を有する温気室とに分離して前記室外機を設置する冷凍機室と、雪を貯蔵して内部に冷風通路を有する貯雪槽と、該貯雪槽を内部に設置し、前記冷風通路に空気を取入れる入口と前記冷気室の冷風取入れ口に接続される出口とを有する貯雪庫と、該貯雪庫内に外気を取り入れる外気取入口と、該外気取入口と前記冷風通路に空気を取入れる入口とを結ぶ空気路、及び前記室外機の空気出口側と前記冷風通路に空気を取入れる入口とを結ぶ空気路とからなる連通空気路と、該連通空気路の前記外気取入口側及び前記室外機の空気出口側に設ける各開閉用のダンパと、前記冷風通路に空気を取り入れる入口と前記冷風通路とを結ぶ空気通路の入口側に設けるファンと、外気温度を計測する外気温度計と、前記貯雪庫出口から送風される前記冷気室の冷風取入れ口の温度を計測する前記凝縮器の吸込口側温度計と、前記温気室内の空気温度を計測する前記凝縮器の出口側温度計と、前記外気温度計、前記凝縮器の吸込口側温度計、前記凝縮器の出口側温度計の各出力を入力端子に接続し、出力端子に前記各開閉用のダンパ及び前記ファンの各制御端を接続したコントローラと、を具備し、
該コントローラは外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも高い場合には、貯雪槽の冷風通路で冷却された前記冷気室の冷風取入れ口からの空気で前記室外機の凝縮器を冷却し、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも低い場合は、外気で前記室外機の凝縮器を冷却するように空気流路を前記各開閉用のダンパ及び前記ファンにより切換えるように構成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記貯雪庫は断熱施工した貯蔵庫からなり、該貯蔵庫内に前記冷凍機室を前記貯雪槽と仕切りを介して分離して設けたことを特徴とする。
又、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の何れか１に記載の発明において、前記ファンは、前記冷気室における前記凝縮器の吸込口側空気計測温度が設定温度となるように台数制御或いは回転数制御したことを特徴とする。

更に、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１に記載の発明において、前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも低い場合は、前記取入口→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口→前記排出口の順に流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１に記載の発明において、前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値よりも高く、かつ、前記凝縮器の出口側温度計計測値よりも低い場合は、前記外気取入口→前記貯雪槽の冷風通路→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口→前記排出口の順に流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５の何れか１に記載の発明において、前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値よりも高い場合は、前記温風室内の室外機の空気出口→前記貯雪槽の冷風通路→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口の順に循環して流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする。

本発明（請求項１）は室外機の凝縮器における発熱を冷却するために冷熱源として雪及び外気を利用し、冷却風の流通路を切換えるようにしたので、凝縮器の冷却用空気温度を低下させることが可能となり、ランニングコストの低減を図れるという効果が得られる。また、請求項２記載の発明は、貯雪庫は断熱施工した貯蔵庫からなり、貯蔵庫内に前記室外機を併設したので、より一層のランニングコストの低減を図れるという効果が得られる。

以下本発明の実施形態１を図１〜図５に基づいて説明する。図１は本発明を実施した冷凍空調システムの全体構成を示した図である。図２は本実施形態に使用した制御系のブロック線図である。図３はコントローラ３７の入力信号と出力信号の関係を示す表である。図４〜図６は外気温度の変化に対して冷風流通路を示した図である。

図１において、低温倉庫１１の周囲壁は断熱が施されている。低温倉庫１１の内側が空調エリア１２であり、空調エリア１２の適当な個所に冷風を空調エリア１２内部に送風する室内機１３が設置される。室内機１３は室外機１５とパイプ１４ａ、１４ｂによって接続されている。パイプ１４ａは室外機１５によって冷却された冷媒（液体）を室内機１３に送るパイプであり、パイプ１４ｂは室内機１３の熱交換によって温められた冷媒（気体）を室外機１５に戻すためのパイプである。

室外機１５は貯雪庫１７の内部に設けられている。貯雪庫１７は貯雪槽１８と冷凍機室１９からなり、仕切り２５によって仕切られている。また、仕切り２５には空気を取入れる入口２６が設けられている。貯雪槽１８には入口２６から取入れた空気を貯雪と接触させながら冷風とする冷風通路２０が設けられている。また、冷凍機室１９は室外機１５に冷風を供給する冷気室１９ａと室外機１５の熱交換器で温められた温風を排出するための温気室１９ｂとに仕切られている。冷気室１９ａには冷風通路２０からの冷風を取入れる取入口２１と外気を取入れる取入口２２が設けられている。取入口２１、２２には格子状に形成した仕切り、いわゆる「ガラリ」が設けられている。温気室１９ｂには温風を外気中に放出する排出口２３が設けられている。排出口２３にもガラリが装着されている。

温気室１９ｂには、更に外気を取り入れる取入口２７が設けられており、取入口２７と入口２６、及び温気室１９ｂと入口２６とを連通させる連通空気路２８が設けられている。連通空気路２８の各入口側には開閉用のダンパ２９、３０が設けられ、出口側（入口２６側）には強制的に貯雪槽１８に空気を送風するためのファン３１が設けられている。さらに、外気の温度を計測する温度計３３、冷気室１９ａの温度（室外機１５の吸込口側の空気温度）を計測する温度計３４、温気室１９ｂの温度（室外機１５の出口側の空気温度）を計測するための温度計３５が設けられている。温度計３３〜３５はコントローラ３７の入力側に接続され、コントローラ３７の出力側にはダンパ２９、３０並びにファン３１の制御端子が接続されている。

図２は制御系の構成を示すブロック線図である。図２において、室外機１５は凝縮器１５ａと圧縮機１５ｂとから構成され、室内機１３は膨張弁１３ａと蒸発器１３ｂとから構成されており、凝縮器１５ａと膨張弁１３ａとがパイプ１４ａで接続され、蒸発器１３ｂと圧縮機１５ｂとがパイプ１４ｂで接続されている。即ち、凝縮器１５ａで冷却され、液化した冷媒液が膨張弁１３ａによって膨張し、低温に（気化）される。気化した冷媒は蒸発器１３ｂにおいて熱交換され温められる。温められた冷媒ガスが圧縮機１５ｂによって圧縮され、凝縮器１５ａに帰還されるというサイクルを構成している。ここで、凝縮器１５ａは取入口２２から取り入れられた外気、又は貯雪槽１８によって冷却され、取入口２１から取り入れられた冷風によって冷却され、熱交換して温められた空気が排出口２３から放出され、或いはダンパ３０を経由して貯雪槽１８に帰還される。また、取入口２７から取り入れられた外気はダンパ２９を介して貯雪槽１８に導かれる。

ダンパ２９、３０並びにファン３１はコントローラ３７によって制御されており、コントローラ３７は貯雪庫１７の外部に設けられた外気温度を計測する温度計３３、凝縮器１５ａの吸込口側に設けられた温度計３４及び凝縮器１５ａの吐出口側に設けられた温度計３５によって、図３に示す制御を行っている。即ち、外気温度（Ｔ３３）が凝縮器１５ａの吸込口側温度（Ｔ３４）よりも低い場合はダンパ２９、３０を閉じて、ファン３１は停止させる。この場合は、図４に示すように、外気が、外気取入口２２→室外機の吸込口２１→室外機の吐出口→外気放出口２３の順に流れる空気流路を確立する。

外気温度（Ｔ３３）が凝縮器１５ａの吸込口側温度（Ｔ３４）よりも高く、且つ、外気温度（Ｔ３３）が凝縮器１５ａの出口側温度（Ｔ３５）よりも低い場合は、ダンパ２９は開き、ダンパ３０は閉じる。ファン３１は回転させる。この場合、図５に示すように、外気が、外気取入口２７→貯雪槽１８→室外機の吸込口２１→室外機の吐出口→外気放出口２３の順に流れる空気流路を確立する。また、外気温度が（Ｔ３３）が凝縮器１５ａの出口側温度（Ｔ３５）よりも高い場合は、図６に示すように、室外機の吐出口→貯雪槽１８→室外機の吸込口２１→室外機の吐出口の順に流れる空気流路を確立する。

また、凝縮器１５ａの吸込口側温度（Ｔ３４）、即ち、室外機の吸込口側の温度は設定温度となるようにファン３１を台数制御或いは回転数制御したファンとする。設定温度としては、例えば摂氏３度〜摂氏７度の範囲で適宜選択する。なお、室外機の吐出口側の温度は、室外機の仕様、その他周囲の環境により変化する。例えば、現在市販されている凝縮器を使用した場合は、吸込口側の温度より摂氏７度〜摂氏８度程度高くなる。従って、この温度は特に制御を必要としない。又、貯雪槽１８への雪の補充は適宜行う。例えば、年に３回程度雪山等から自然に積もった雪を搬入する。しかし、補充の回数や量は、貯雪槽の大きさや、外気温度によっても異なる。

以上に説明したように、本実施形態によれば、コストの安い、しかも冷熱量の大きい雪を冷熱源として使用し、外気による冷却と併用したので、長期間連続運転を必要とする冷凍空調システムの運転コストが安くなるという効果が得られる。また、室外機を冷凍庫内に設けることで雪の冷熱源を一層有効利用できるという効果が得られる。

以上本発明の実施形態を図面に基づいて詳述してきたが、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではなく、実質的に同一技術と見られる改良や変更があっても本発明の技術的範囲に属する。例えば、上記した空気流通路に多少の変更、例えば、複合の流通路を加える等の変更があっても本発明の技術的範囲に属する。

本発明を実施した実施形態の全体構成を示す。 本実施形態の制御ブロック図を示す。 本実施形態にコントローラの制御を示す。 本実施形態における凝縮器を冷却する空気流れを示す（Ｔ３３＜Ｔ３４の場合）。 本実施形態における凝縮器を冷却する空気流れを示す（Ｔ３４＜Ｔ３３＜Ｔ３５の場合）。 本実施形態における凝縮器を冷却する空気流れを示す（Ｔ３５＜Ｔ３３の場合）。

符号の説明

１３ 室内機
１５ 室外機
１７ 貯雪庫
１８ 貯雪槽
１９ 冷凍機室
２９、３０ ダンパ
３１ ファン
３３，３４，３５ 温度計
３７ コントローラ

Claims (6)

1. 膨張弁によって膨張し低温にされた冷媒と蒸発器を介して熱交換し、冷却空調された空気を空調エリア内に吹出す室内機と、
   該空調エリア外部に設置され、前記蒸発器で暖められ、圧縮機で圧縮されたガス冷媒を冷却する凝縮器を有し、２本のパイプで前記室内機と接続することで冷凍サイクルを構成する室外機と、を設けた空調システムにおいて、
   前記室外機の空気入口側と空気出口側とを仕切って、外気を取り入れる取入口を有する冷気室と排出口を有する温気室とに分離して前記室外機を設置する冷凍機室と、
   雪を貯蔵して内部に冷風通路を有する貯雪槽と、
   該貯雪槽を内部に設置し、前記冷風通路に空気を取入れる入口と前記冷気室の冷風取入れ口に接続される出口とを有する貯雪庫と、
   該貯雪庫内に外気を取り入れる外気取入口と、
   該外気取入口と前記冷風通路に空気を取入れる入口とを結ぶ空気路、及び前記室外機の空気出口側と前記冷風通路に空気を取入れる入口とを結ぶ空気路とからなる連通空気路と、
   該連通空気路の前記外気取入口側及び前記室外機の空気出口側に設ける各開閉用のダンパと、
   前記冷風通路に空気を取り入れる入口と前記冷風通路とを結ぶ空気通路の入口側に設けるファンと、
   外気温度を計測する外気温度計と、
   前記貯雪庫出口から送風される前記冷気室の冷風取入れ口の温度を計測する前記凝縮器の吸込口側温度計と、
   前記温気室内の空気温度を計測する前記凝縮器の出口側温度計と、
   前記外気温度計、前記凝縮器の吸込口側温度計、前記凝縮器の出口側温度計の各出力を入力端子に接続し、出力端子に前記各開閉用のダンパ及び前記ファンの各制御端を接続したコントローラと、を具備し、
   該コントローラは外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも高い場合には、貯雪槽の冷風通路で冷却された前記冷気室の冷風取入れ口からの空気で前記室外機の凝縮器を冷却し、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも低い場合は、外気で前記室外機の凝縮器を冷却するように空気流路を前記各開閉用のダンパ及び前記ファンにより切換えるように構成したことを特徴とする冷凍空調システム。
2. 前記貯雪庫は断熱施工した貯蔵庫からなり、該貯蔵庫内に前記冷凍機室を前記貯雪槽と仕切りを介して分離して設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調システム。
3. 前記ファンは、前記冷気室における前記凝縮器の吸込口側空気計測温度が設定温度となるように台数制御或いは回転数制御したことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の冷凍空調システム。
4. 前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値又はその設定値よりも低い場合は、前記取入口→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口→前記排出口の順に流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載の冷凍空調システム。
5. 前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値よりも高く、かつ、前記凝縮器の出口側温度計計測値よりも低い場合は、前記外気取入口→前記貯雪槽の冷風通路→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口→前記排出口の順に流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１に記載の冷凍空調システム。
6. 前記コントローラは、外気温度が前記凝縮器の吸込口側温度の計測値よりも高い場合は、前記温風室内の室外機の空気出口→前記貯雪槽の冷風通路→前記冷気室内の室外機の空気入口→前記温気室内の室外機の空気出口の順に循環して流れる空気流路を確立するように前記ダンパ及び前記ファンを制御することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１に記載の冷凍空調システム。
   

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