JP4430612B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、室内機と室外機とが各々別個に設置されるタイプの空気調和装置に関する。

この種の空気調和装置は、セパレート型空気調和装置とも言われている。この種の空気調和装置では、室外機を小型化等すると冷房運転時の室外熱交換器の能力（凝縮能力）が不足し易くなるので、このような能力の不足を補うために種々の工夫がなされている。例えば、冷房運転時に室内機に生じる結露水を室内機から配水管を用いて室外機の上部まで導き、室外熱交換器の熱交換部分に滴下するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。結露水は、室外熱交換器に滴下されて蒸発し、その蒸発潜熱で室外熱交換器（この場合には凝縮器となる）が冷却される。結露水で室外熱交換器を冷却することで室外熱交換器において冷媒が液化し易くなり、凝縮能力が向上する。
実用新案第３０３００４２号公報

しかしながら、このような空気調和装置では、結露水を室内機から室外機まで導く排水管を設けなければならかった。室外機が室内機よりも高い位置に設置されている場合には、ポンプなどによって結露水を強制的に搬送する必要であった。
また、凝縮器として機能する室外熱交換器に結露水を滴下して冷却する場合に、室外の雰囲気の湿度が非常に高い場合には、結露水の蒸発が進まずに、そのまま室外熱交換器の下部に滴下することがあり、十分な冷却効果が得られなかった。
さらに、結露水を室内機から室外機上部に導いて、室外熱交換器に直接滴下する構成になっているので、熱交換部分の下部まで流れた結露水を再利用することはできなかった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で空気調和装置を効率良く運転させることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明は、室内機と室外機とを配管接続し、前記室内機と前記室内機の間で冷媒を循環させる空気調和装置において、前記室内機で生じた結露水を蒸発させることで室内熱交換器に流入する高温の冷媒を過冷却する蒸発式補助熱交換器と、室内熱交換器における熱交換で形成される低湿空気の一部を取り込んで前記蒸発式補助熱交換器に送気するためのダクトとを前記室内機に設けたことを特徴とする空気調和装置とした。
この空気調和装置では、冷房運転時に室外機から流れ出る冷媒が室内機内の蒸発式補助熱交換器で過冷却される。過冷却された冷媒は室内機熱交換器で熱交換することで室内等を冷却する。蒸発式補助熱交換器で冷媒を過冷却するために使用する空気は、室内等を冷却する低湿空気の一部を取り込んで使用する。

本発明によれば、室内機に蒸発式補助熱交換器を設けたので、結露水の蒸発潜熱を利用した冷媒の過冷却を室内機内で行うことが可能になる。室内熱交換器に流入する直前の冷媒を室内機で生成した結露水を用いて過冷却するのでエネルギ効率が向上する。また、従来のように室内機から室外機に排水管を引き回す必要がなくなり、装置構成を簡略化できる。室内等を冷房する低湿空気を蒸発式補助熱交換器における熱交換に使用するので、外気条件に影響を受け難くなり、効率の良い運転を安定して行える。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に第１の実施の形態に係る空気調和装置の全体構成の概略を示す。空気調和装置１は、室外機３と室内機３とを配管接続した構成を有する。
室外機３は、圧縮機４を有し、圧縮機４の吐出口に接続された吐出配管５は、室外熱交換器（以下、凝縮器６という）の流入口に接続されている。凝縮器６の流出口からは液管７が延び、液管７は室内機３内に引き込まれている。
室内機３は、蒸発式補助熱交換器１０（以下、補助熱交換器１０という）と、膨張弁１１と、室内熱交換器（以下、蒸発器１２という）とが直列に配管接続されている。蒸発器１２の流出口には、ガス管１３が接続されている。ガス管１３は、吸引配管となって室外機３の圧縮機４の吸引口に接続されている。なお、空気調和装置１全体としてもみると、凝縮器６と補助熱交換器１０とが直列に接続されている。

図２に具体的な構成を示すように、室内機３は、ケース２０を有し、ケース２０の前面２０Ａには上部に送気口２１が形成され、下部に吸気口２２が形成されている。ケース２０内には、吸気口２２から送気口２１に抜ける空気の流路が形成されており、空気の流路の途中に室内ファン２３が設置されている。室内ファン２３の排気側（下流側）で、送気口２１よりも手前には、蒸発器１２が斜めに設置されている。つまり、室内ファン２３を運転させると、空気が吸気口２２から取り込まれて、室内ファン２３から排気されて蒸発器１２の外表面を通って熱交換をした後に送気口２１から室内に送気される。なお、蒸発器１２の下端には、空気中の水分が蒸発器１２の外表面に結露してできる結露水を溜める樋２４が配置されている。

蒸発器１２から送気口２１に至るまでの流路中には、ダクト２５の吸い込み口２５Ａが配置されている。ダクト２５は、吸気口２２を避けるようにしてケース２０の底部２０Ｂに向けて下った後に底部２０Ｂと略平行に延びる本体部２５Ｂを有する。本体部２５Ｂには、吸い込み口２５Ａ側から順番に補助ファン２６と、補助熱交換器１０とが配置されている。さらに、補助熱交換器１０の配設位置から先のダクト２５は、水滴分離部２５Ｃになっている。水滴分離部２５Ｃは、ダクト径が増大すると共に、上方に略垂直に屈曲させられて、本体部２５Ｂよりも高い位置に延びた後にケース２０の背面２０Ｃから屋外に引き出されている。

ここで、水滴分離部２５Ｃの底部には、開口２８を介してドレンタンク２９が接続されている。ドレンタンク２９には、上方に設置された蒸発器１２の樋２４から延びるドレンパイプ３０が引き込まれている。ドレンタンク２９に貯溜された結露水は、ポンプ３１によって汲み出され、補助熱交換器１０の上部に設けられた散水装置３２に供給されるようになっている。散水装置３２は、例えば、結露水を通すパイプに複数の小孔を補助熱交換器１０に向けて穿孔した構成や、微小な孔が多数形成されたノズルを補助熱交換器１０に向けた構成などを有し、補助熱交換器１０の外表面に略均一に結露水を散布できるように構成されている。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
図１に示す空気調和装置１を運転させるときには、圧縮機４でガス冷媒を圧縮して吐出する。高圧のガス冷媒は、凝縮器６において熱交換して液冷媒あるいは一部ガス冷媒が残る二相冷媒となる。液冷媒あるいは二相冷媒は、室内機３の補助熱交換器１０に流入する。補助熱交換器１０には、散水装置３２から結露水が散水されているので、補助熱交換器１０の外表面に付着した結露水が補助熱交換器１０内を流れる。液冷媒あるいは二相冷媒と熱交換して暖められて蒸発する。このときに結露水が吸収する気化熱によって補助熱交換器１０及び冷媒が冷却される。液冷媒あるいは二相冷媒は、熱交換によって過冷却された液冷媒になり、膨張弁１１で減圧された後、蒸発器１２に流入する。

蒸発器１２では、蒸発器１２の外側を流れる空気の熱を熱交換によって奪って蒸発し、低圧のガス冷媒となる。低圧のガス冷媒は、室外機３に戻されて圧縮機４に吸引され、再び圧縮して吐出される。図２に示す蒸発器１２における熱交換によって冷却された空気は、室内を冷房する空気（室内吹き出し用空気）として吸気口２２から吹き出される。なお、室内吹き出し用空気が形成される際に、空気中の水分が蒸発器１２表面に凝縮して結露水を形成する。このため、室内吹き出し用空気は、低湿空気になる。

結露水は、蒸発器１２の外表面を伝って樋２４に流れ落ち、ドレンパイプ３０からドレンタンク２９に回収される。また、ダクト２５内の補助ファン２６が回転することで、吸い込み口２５Ａから室内吹き出し用空気の一部が吸い込まれる。

ダクト２５に吸い込まれた室内吹き出し用空気は、補助ファン２６から補助熱交換器１０を通って水滴分離部２５Ｃに導かれる。このとき、補助熱交換器１０に散布され、補助熱交換器１０の外表面で蒸発した結露水の蒸気が室内吹き出し用空気に混合されて、加湿された空気となる。加湿された空気は、補助熱交換器１０から断面積の大きい水滴分離部２５Ｃに流入したときに流速が落ちる。これによって、大きな水滴などの余剰な水分が落下等して開口２８からドレンタンク２９に回収される。さらに、水滴分離部２５Ｃの屈曲形状に倣って加湿された空気の流れの向きが変化させられるので、大きな水滴などの余剰な水分が水滴分離部２５Ｃの内壁に衝突したり、凝縮したりする。水滴分離部２５Ｃの内壁に残された水滴は、ダクト２５を伝ってドレンタンク２９に回収される。なお、ダクト２５から排気される加湿空気は、屋外に排気される。

ここで、一般に蒸発式熱交換器の能力Ｑは、単位時間当たりの水の蒸発量Ｅに比例する。したがって、結露水を利用した補助熱交換器１０を最も効率良く利用するためには、結露水を余すことなく蒸発させ、その蒸発潜熱を凝縮器６の冷却に用いることが好ましい。空気中における単位時間当たりの水の蒸発量Ｅは、Ｅ＝ｋ×Ｆ×（ｈｗ−ｈ）で表せる。ただし、ｋは蒸発係数であり、Ｆは蒸発面積である。ｈｗは蒸発温度ｔｗにおける水蒸気圧力を示し、ｈは空気の水蒸気分圧とする。

蒸発係数ｋは、圧力によって決まる係数なので、一定の蒸発面積Ｆを有する熱交換器で蒸発量Ｅを多くするためには、（ｈｗ−ｈ）を大きくする必要がある。ｈｗは、蒸発温度ｔｗにおける水蒸気圧力であるので、凝縮温度ｔによって決定されることを考えると、蒸発量Ｅを多くするためには蒸発させる空気の水蒸気分圧ｈを小さくすれば良い。空気の水蒸気分圧ｈは、空気の絶対湿度ｘによって定まり、絶対湿度ｘが小さいほど小さくなる。

したがって、本実施の形態の室内吹き出し用空気のように、絶対湿度ｘが小さい除湿された空気を利用することで補助熱交換器１０の外表面における蒸発量を増加させることができる。例えば、蒸発温度ｔｗが３８℃であった場合、ＪＩＳ冷房標準条件での外気温度条件（乾球温度３５℃／湿球温度２４℃）と室内吹き出し用空気（乾球温度１１℃／湿球温度１０℃）での蒸発量Ｅを比較すると、室内吹き出し用茎を利用した場合の方が約１．２５倍の蒸発量になる。

この実施の形態によれば、室内機３に補助熱交換器１０を凝縮器６の手前側に設けたので、室内機３において蒸発潜熱を利用した効率の良い補助熱交換が可能になり、エネルギの利用効率を向上させることができる。さらに、従来のように液管、ガス管の他に室内機３から室外機３に排水管を引き回す必要がなくなる。その結果、装置構成が簡略化し、レイアウト変更が容易になる。空気調和装置１の設置作業が容易になる。
また、室内吹き出し用空気の一部を補助ファン２６を使用してダクト２５に引き込んで補助熱交換に使用するようにした。室内吹き出し用空気は、一定の温度や湿度の空気なので、外気条件に影響を受けずに結露水を補助熱交換器１０で蒸発させることが可能になり、安定した運転が実現できる。なお、室内吹き出し用空気の一部が室内の空調には用いずに、結露水の蒸発や、加湿された空気の排気に用いることになるが、補助熱交換器１０の冷却に用いることでエネルギが回収されるとことになるので、動力が無駄に消費されることにはならない。
ダクト２５に水滴分離部２５Ｃを設けたので、ダクト２５から排気される空気が過剰に加湿された状態になることが防止される。このため、ドレンタンク２９の結露水を有効に活用することが可能になり、補助熱交換器１０に結露水を安定して散布することが可能になる。また、適度に加湿した状態で空気を排気することで、結露水をそのまま排出するために外部に露出するドレンホースなどが不要になる。

なお、この実施の形態は、多段膨張冷凍サイクルに適用することが可能である。その一例として、図３に２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの場合を示す。この空気調和装置４１の室内機３は、図１と同じ構成である。室外機４２は、一段目の圧縮機４からの吐出配管５が中間冷却器４３に接続されている。中間冷却器４３には、例えば、気液分離器が用いられる。中間冷却器４３からは、吸引配管４４が二段目の圧縮機４５の吸引口に向けて延びている。吸引配管４４は、中間冷却器４３から流出する中間圧のガス冷媒が流れる配管である。二段目の圧縮機４５の吐出配管４６は、高圧のガス冷媒が流れる配管であり、凝縮器６の流入口に接続されている。凝縮器６の流出口には配管４７が接続されており、配管４７は途中に補膨張弁４８が設けられた後に中間冷却器４３に接続されている。さらに、中間冷却器４３からは、中間圧の液冷媒が流出する液管７が接続されている。液管７は、室内機３に引き込まれている。

この構成では、補助熱交換器１０に中間圧の冷媒が流入する。中間圧とは、一段目の圧縮機４の吐出圧以上で、二段目の圧縮機４５の吐出圧以下の圧力である。中間圧の冷媒は、室温との差が小さいので、従来の構成では空気への放熱が十分に行えなかったが、室内機３に設けた補助熱交換器１０を用いることで結露水の蒸発潜熱を利用した冷媒の過冷却を安定して実施することが可能になる。その他の効果は、前記と同じである。

本発明の第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
図４に示すように、室内機３は、ケース２０内にダクト５１を有する。ダクト５１は、室内吹き出し用空気の一部を吸い込む吸気口５１Ａを有し、本体部５１Ｂには空気の流れ方向に沿って順番に補助ファン２６と、ベンチュリ部５２と、補助熱交換器１０とが配置されている。補助熱交換器１０が配置されている部分から先は、開口２８でドレンタンク２９が接続された後に、ケース２０の背面２０Ｃから屋外に排気されるようになっている。

ベンチュリ部５２は、曲面形状によってダクト５１の断面積を縮小させた後に、補助熱交換器１０に向けてダクト５１の断面積を増大させた形状を有し、最も断面積が狭くなっているところにノズル５３が設けられている。ノズル５３は、一端側の開口がダクト５１内に配置され、他端側の開口がドレンタンク２９に貯溜された結露水の中に挿入されている。

この実施の形態の作用について説明する。
補助ファン２６を運転させると、吸気口５１Ａからダクト５１内に室内吹き出し用空気の一部が吸い込まれる。室内吹き出し用空気は、ベンチュリ部５２で流れが絞られて流速が増加する。これによって、ベンチュリ部５２の圧力が他の部分に比べて相対的に低圧になる。このため、ドレンタンク２９内の結露水がノズル５３を通して吸引される。結露水はノズル５３からダクト５１内に噴き出されてミスト状になって室内吹き出し用空気に混合される。結露水のミストを含む空気が補助熱交換器１０に導かれると、補助熱交換器１０の外表面にミスト状の結露水が付着する。ミスト状の結露水が蒸発することで補助熱交換器１０において蒸発潜熱を利用した熱交換が行われる。補助熱交換器１０内を流れる冷媒は、結露水の蒸発によって過冷却されてから凝縮器６に導かれる。一方、補助熱交換器１０の外表面を流れる空気は、結露水の蒸気を含む加湿された空気として屋外に排出される。この際に、余分な水分は、ドレンタンク２９に回収される。

この実施の形態によれば、ダクト５１中にベンチュリ部５２を設けて風速の変化によって生じる圧力差を利用して結露水を補助熱交換器１０の外表面に散布するようにしたので、結露水を散水するための電力が不要になる。また、装置構成が簡略化する。補助熱交換器１０を室内機３に設ける効果と、室内吹き出し用空気を使用することによる効果は、第１の実施の形態と同様である。
ここで、図５に示すように、ダクト５１は、補助熱交換器１０の設置位置よりも下流側に水滴分離部５１Ｃを設けても良い。水滴分離部５１Ｃの構成は、第１の実施の形態の水滴分離部２５Ｃと同様であえる。水滴分離部５１Ｃを設けることで、第１の実施の形態と同様に結露水の有効利用が可能になる。

本発明の第３の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、前記各実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
図６に示すように、室内機６３には、一部のみが図示されているダクト２５と、ダクトの下流側に接続されたドレンタンク２９を有し、ダクト２５内には補助熱交換器１０が配置されている。なお、図示は省略してあるが、図２と同様にダクト２５の上流側には補助ファン２６と吸い込み口２５Ａが設けられ、ダクト２５の下流側には水滴分離部２５Ｃを経てケース２０の背面２０Ｃから排気されるようになっている。

ここで、室外機３から室内機３に延びる液管７は、ドレンタンク２９内に挿入され、ドレンタンク２９の底部に沿って何度も折れ曲げられつつ引き回された後に補助熱交換器１０の流入口に接続されている。

この実施の形態の作用について説明する。
室外機３の凝縮器６で形成された液冷媒あるいは一部ガス冷媒が残る二相冷媒は、室内機６３に導かれ、ドレンタンク２９内に挿入された部分を通って補助熱交換器１０に流入する。このとき、ドレンタンク２９内の結露水は、例えば、１５℃程度で、冷媒との温度差は約３０℃程度なので、液管７を流れる冷媒は、ドレンタンク２９内で結露水と熱交換し、結露水の温度を上昇させる。熱交換によって温度上昇した結露水は、散水装置３２を介して補助熱交換器１０の外表面に散布されて蒸発潜熱によって冷媒を過冷却する。

冷房運転を中止する際には、室内ファン２３（図２参照）を先に停止させ、圧縮機４及び補助ファン２６の所定時間遅延して停止させる。補助ファン２６等が停止するまでの間は、ダクト２５内に低湿空気が供給されると共にドレンタンク２９内での放熱が継続される。その結果、ドレンタンク２９内及び補助熱交換器１０の外表面を乾燥させることができる。

この実施の形態によれば、液管７とドレンタンク２９内の結露水とを熱交換させ、結露水を散布する前に加温するようにしたので、補助熱交換器１０に散布された際に結露水が蒸発し易くなる。その結果、蒸発量が増加して潜熱を奪い易くなり、冷媒を効率良く過冷却できるようになる。冷房運転を中止する際に室内ファン２３のみを先に停止させると、ドレンタンク２９内及び補助熱交換器１０の外表面を乾燥させることができるので、雑菌やカビ等の繁殖を防止できる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。ここで、散水装置３２の代わりに図４に示すベンチュリ部５２を設けると、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、空気調和装置１は、四方弁などを設けて冷媒の向きを逆転させて、暖房運転が可能に構成しても良い。
第１の実施の形態において、補助ファン２６として正転、逆転可能なものを使用すると、正転時に排気し、逆転時に吸気することが可能になる。吸気が可能になることで、空気調和装置１は、換気機能が付加されることになる。つまり、外気を取り込んで散水装置３２から散布した結露水の蒸気を含む加湿した空気をダクト２５の吸い込み口２５Ａから送気して、送気口２１から室内に供給し、外気による換気が可能になる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の概略構成を示す図である。 室内機の具体的な構成を示す断面図である。 空気調和装置が２段圧縮２段膨張冷凍サイクルである場合の概略構成を示す図である。 室内機のダクトにベンチュリ部を設けた構成を示す断面図である。 室内機のダクトにベンチュリ部と水滴分離部とを設けた構成を示す断面図である。 室内気において液管の一部をドレンタンク内に引き回す構成を示す断面図である。

符号の説明

１，４１ 空気調和装置
２ 室外機
３ 室内機
６ 凝縮器（室外熱交換器）
７ 液管
１０ 補助熱交換器（蒸発式補助熱交換器）
１２ 蒸発器（室内熱交換器）
２５，５１ ダクト
２５Ｃ，５１Ｃ 水滴分離部（屈曲する部分）
２９ ドレンタンク
３２ 散水装置
４３ 中間冷却器
５２ ベンチュリ部
５３ ノズル

Claims (7)

1. 室内機と室外機とを配管接続し、前記室内機と前記室外機の間で冷媒を循環させる空気調和装置において、前記室内機で生じた結露水を蒸発させることで室内熱交換器に流入する高温の冷媒を過冷却する蒸発式補助熱交換器と、室内熱交換器における熱交換で形成される低湿空気の一部を取り込んで前記蒸発式補助熱交換器に送気するためのダクトとを前記室内機に設けたことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記蒸発式補助熱交換器は、室外熱交換器と直列に接続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. 前記蒸発式補助熱交換器を２段圧縮２段膨張冷凍サイクルの中間冷却器から膨張弁に至るまでの間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
4. 低湿空気の一部が引き込まれる前記ダクト内に前記蒸発式補助熱交換器が配設されており、前記室内機で生じた結露水を前記蒸発式補助熱交換器に散布する散水装置を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
5. 低湿空気の一部が引き込まれる前記ダクト内に前記蒸発式補助熱交換器が配設されており、前記ダクトには、前記蒸発式補助熱交換器の配設位置よりも上流側にベンチュリ部が設けられ、前記ベンチュリ部には前記室内機で生じた結露水が貯溜されるドレンタンクにつながるノズルが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
6. 前記ダクトは、前記蒸発式補助熱交換器の下流側で断面積を増大させると共に屈曲する部分を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の空気調和装置。
7. 前記室外機から延びて前記蒸発式補助熱交換器に接続される液管の一部を前記室内機で生じた結露水が貯溜されるドレンタンク内に引き込み、結露水と冷媒とによる熱交換が可能に配置したことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

Images