JP4710869B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、空気調和装置に関し、特に、冷媒を用いて室内温度を調整する空気調和装置に関する。

フロン系冷媒は地球温暖化係数が大きいため、それに代わる冷媒として二酸化炭素が着目されている。特許文献１は二酸化炭素を使用する空気調和装置の開示例である。この空気調和装置は、圧縮機、放熱器、流量制御手段、蒸発器を主な構成要素として備え、これらの構成要素は伝熱管（冷媒配管）で順次接続されている。

冷媒である二酸化炭素は、圧縮機から高温高圧状態の超臨界流体として吐出され、放熱器で空気を加熱しながら温度が低下し、さらに、流量制御手段で低温低圧状態の二相（気相と液相）混合流体に変化する。ついで冷媒は、蒸発器で空気を冷却しながら液体が蒸発して低温低圧状態の気体に変化し、圧縮機に戻る。

ここでは、フィンを有する放熱器は空気の流れる方向と冷媒の流れる方向を対向させて熱交換させるように構成されている。こうすることにより、熱交換する際に空気と超臨界状態の二酸化炭素の温度差がほぼ一定に保たれることをねらっている。

特開２００１−２６３７７２号公報

超臨界状態の二酸化炭素が放熱器で空気と熱交換すると、二酸化炭素の温度は急激に低下するが、放熱器のフィンが大きな温度分布をもち、このフィンを介して高温高圧状態の二酸化炭素が、空気を加熱するよりもむしろ温度の低い二酸化炭素を再加熱する（図７参照）。

この再加熱することを防ぐには、空気の流れる方向に熱交換部材の長さを長くとり、高温高圧状態の二酸化炭素が流れる伝熱管と、低温状態の二酸化炭素が流れる伝熱管との距離を大きくする必要がある。しかしこうすると放熱器は大型化し、空気の圧力損失の増大による空気調和装置の効率の低下を招く。本発明は、圧力損失の増大を生じることなく放熱器の熱効率を向上させることを目的としている。

この発明に係る空気調和装置は、二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発器と、気化した二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第１の熱交換器と、同じく所定枚数のフィンプレートに二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第２の熱交換器と、第１の熱交換器と第２の熱交換器に空気を供給する送風機を備えてなり、送風機から供給される空気は第２の熱交換器を通過してから第１の熱交換器に流れるとともに、圧縮機で圧縮された二酸化炭素冷媒は第１の熱交換器を通過中に急激に温度を下げて温度の減少量が低下してから第２の熱交換器に流入するように構成されているものである。

この発明に係る空気調和装置は、二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発器と、気化した二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第１の熱交換器と、同じく所定枚数のフィンプレートに二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第２の熱交換器と、第１の熱交換器と第２の熱交換器に空気を供給する送風機を備えてなり、送風機から供給される空気は第２の熱交換器を通過してから第１の熱交換器に流れるとともに、圧縮機で圧縮された二酸化炭素冷媒は第１の熱交換器を通過中に急激に温度を下げて温度の減少量が低下してから第２の熱交換器に流入するように構成されていることにより、熱効率が高い。

実施の形態１．
本発明にかかわる空気調和装置は、図１に示されるように、圧縮機１、放熱器２、流量制御弁３、蒸発器４、送風機５を備えている。これらの構成要素１から４は冷媒配管（伝熱管）で順次接続されており、冷媒である二酸化炭素が循環する。フロン系冷媒を使用する空気調和装置では、放熱器２は、凝縮器と呼ばれることが多い。

実施の形態１にかかわる放熱器２は、熱交換器２Ａと熱交換器２Ｂからなり、冷媒が熱交換器２Ａを通過してから熱交換器２Ｂを通過するように両者は伝熱管で接続されている。送風機５で起こされた冷却風は熱交換器２Ｂを通ってから熱交換器２Ａに到達する。

図２は図１に示されている熱交換器２Ａ、２Ｂを紙面に平行な方向から見た状態を表している。伝熱管６は所定の間隔で平行に配置されているフィンプレート７と一体化されており、このフィンプレート７に設けられている貫通孔（図示せず）を通った後、左右の両端で折り返され、再びフィンプレートに戻るように配列されている。フィンプレート７は、各々の熱交換器において、最上段から最下段までを連絡する熱伝導性に優れた一枚の板状部材で、冷媒の流入部分と冷媒の流出部分の温度差を最小にする。なおこの図ではフィンプレートが８枚描かれているが、本発明がその枚数や、厚さ、材質等に制限されることがないことは言うまでもない。

図１では熱交換器２Ａと熱交換器２Ｂを接続する伝熱管の長さを短くするために熱交換器２Ｂでは冷媒が下方向に流れているが、図３に示すように両者を長い伝熱管で接続して、熱交換器２Ｂを冷媒が上方向に流れるようにすることも出来る。どちらの場合も、熱交換器２Ａと熱交換器２Ｂは伝熱管で接続されているだけであるため、両者の間には大きな熱抵抗が存在し、熱交換器２Ａから熱交換器２Ｂに伝導される熱量は最小限度に抑制される。なお、熱交換器の数は２段に限られるものではなく、空気の流れが悪くならない範囲で、自由に段数を増やすことが出来る。

図４は二酸化炭素の状態図（エントロピ−温度曲線）を示している。二酸化炭素は条件に応じて液相、２相（液相と気相）混合体、気相、超臨界相を示す。標準冷房条件であれば、放熱器２における空気の吸い込み温度は、臨界温度よりも若干高い３５℃である。

次に図５に基いて空気調和装置の動作を説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧状態にある超臨界状態の二酸化炭素は、放熱器２で、熱交換器２Ａ、熱交換器２Ｂの順に流れ、空気と熱交換して、温度を低下させる。このとき、超臨界状態の二酸化炭素は、高温（約４０〜１００℃の温度範囲）では比熱が小さいため熱交換によって温度が急激に低下するが（図５中▲１▼から▲２▼）、低温（約３０〜４０℃の温度範囲）では比熱が大きく、温度はわずかしか変化しない（図５中▲２▼から▲３▼）。放熱器２に流入する空気は、先ず熱交換器２Ｂで比較的温度の低い二酸化炭素によって加熱されたのち、さらに熱交換器２Ａで高温の二酸化炭素によって加熱される。

温度が下がった二酸化炭素は流量制御弁３によって減圧され、低温の気液二相状態に変化したあと（図中▲３▼から▲４▼）、蒸発器４に流入する。蒸発器４では、空気を冷却しながら冷媒液が蒸発し、気体に変化した冷媒は圧縮機１に戻る（図中▲５▼から▲１▼）。

比較のためにフロン系冷媒の状態図（エントロピ−温度曲線）を図６に示した。フロン系冷媒を用いる空気調和装置においても、冷媒は、圧縮機から高温高圧状態の気体（図６中▲１▼）として吐出され、凝縮器（放熱器）では気体が凝縮しながら空気を加熱し高圧の液体（図６中▲２▼）に変化する。この液体は流量制御手段で低温低圧の二相状態（図６中▲４▼）に変化する。蒸発器では液体だけが蒸発し、空気を冷却しながら低温低圧の気体（図６中▲５▼）に変化し、圧縮機に戻る。

圧縮機から吐出されるフロン系冷媒は高温で、空気との熱交換によって温度が低下する。しかし、この高温高圧状態のフロン系冷媒は、気体であるため比熱が極めて小さく、温度変化が大きくて高温の領域（図６に示した斜線部分）は狭い。凝縮器では冷媒が凝縮しながら空気を加熱するために冷媒の温度はほぼ一定で（図６中▲２▼から▲３▼）、凝縮器を構成するフィンの温度もほぼ一定に保たれる。熱交換率を高めるには空気温度と冷媒の温度差を一定にすることが重要である。

これに対し、超臨界状態にある二酸化炭素は、温度変化が大きくて高温の領域（図５に示した斜線部分）が広い。このため、放熱器を構成するフィンに大きな温度分布が生じ、フィンを介して高温の二酸化炭素が空気を加熱するのではなく低温の二酸化炭素を再加熱し、放熱器の出口の二酸化炭素の温度を上昇させることが熱交換率を低下させていた（図７参照）。

実施の形態１にかかわる空気調和装置は、熱交換器２Ａと熱交換器２Ｂがそれぞれ独立したフィンプレート７を備えているため、高温の二酸化炭素が低温の二酸化炭素を加熱すること（再加熱現象）を防ぐことが出来る（図７参照）。これにより、高温の領域から低温の領域への熱移動を抑制でき、放熱器の出口の二酸化炭素の温度を低くできるため、熱効率が向上する。さらに、放熱器の伝熱管の構成が簡単で低コストで実現できる。

実際に、直径７ｍｍの伝熱管を用い、フィンプレートの間隔を１．５ｍｍにして作成した熱交換器２Ａ、２Ｂを、空気吸入温度３５℃、二酸化炭素の熱交換器２Ａの入口温度６８℃、入口圧力９．３ＭＰａで運転し、熱効率を測定した。実施の形態１にかかわる放熱器は、フィンプレートが独立（分離）していない放熱器に比べて、熱交換熱量が６％以上向上した。

実施の形態２．
実施の形態２にかかわる放熱器の形態を図８と図９に示す。他の構成要素は図１に示されているものと同じである。放熱器２は、第１の熱交換部と第２の熱交換部からなるが、両者は共通のフィンプレート７で一体化されていて、両者の間に空隙は存在しない。冷媒は第１の熱交換部を通ってから第２の熱交換部に流入する。放熱器２に流入した空気は、第１の熱交換部に流入するものと、第２の熱交換部に流入するものとに別れる。

第１の熱交換部は、空気の流れる方向に対向して冷媒が流れるように構成されている。すなわち、冷媒は風下側に位置する後列に配置された伝熱管から流れ込み、風上側に位置する前列に配置された伝熱管から流出する。これに対し、第２の熱交換部は、空気の流れる方向と直交する方向でしかも第１の熱交換部から遠ざかる方向に冷媒が流れるように構成されている。すなわち、冷媒は第１の熱交換部を通過した後、断面で見ると千鳥状に前後しながら最終的に第１の熱交換部から遠ざかる方向（放熱器の上端）に向かう。

次に図１０を参照して動作について説明する。圧縮機１から吐出された超臨界状態の二酸化炭素は、放熱器２に流入し、第１の熱交換部で空気とほぼ一定の温度差を保ちながらその温度を急激に低下させる（図１０中▲１▼から▲２▼）。次に、温度が低下した二酸化炭素は、第２の熱交換部に流入し、空気との熱交換によって二酸化炭素の温度はさらに下がるが、温度の減少量はわずかである（図１０中▲２▼から▲３▼）。

これにより、第１の熱交換部で熱交換する空気は高温の冷媒との温度差が一定に保たれ、効率的な運転ができる。また第２の熱交換部で熱交換する空気も、温度変化が少ない低温の領域ではあるが、ほぼ一定の温度差を保つことができる。さらに第２の熱交換部では温度差が少ないため、再加熱現象が起こらない。

このあと、二酸化炭素は流量制御弁３によって減圧され、低温の気液二相状態に変化し、蒸発器４に流入する。蒸発器４では、空気を冷却しながら液体のみが蒸発し、気体に変化した冷媒は圧縮機１に戻る。

実施の形態２にかかわる空気調和装置は、第１の熱交換部と第２の熱交換部を独立して設ける必要がないが、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、冷媒の温度変化が大きい第１の熱交換部で空気と冷媒が互いに対向して熱交換できるため、放熱器の大型化や空気の圧力損失の増大を招くことなく、熱効率がさらに上昇する。

実施の形態３．
実施の形態３にかかわる放熱器の形態を図１１から図１３に示す。他の構成要素は図１に示されているものと同じである。放熱器は、熱交換器２Ｃと熱交換器２Ｄからなり、各々は独立したフィンプレート７を備えている。両者は伝熱管で接続されていて、冷媒は熱交換器２Ｃを通ってから熱交換器２Ｄに流れる。

熱交換器２Ｃは空気の流れる方向に対向して冷媒が流れるように構成されている。すなわち、冷媒は風下側に位置する後列に配置された伝熱管から流入し、風上側に位置する前列に配置された伝熱管から流れ出る。熱交換器２Ｃは、図１２に２Ｃ’として示されているように、前列に配列されている伝熱管と後列に配列されている伝熱管の間を分離することも出来る。

これに対し、熱交換器２Ｄは空気の流れる方向と直交する方向に冷媒が流れるように構成されている。すなわち、熱交換器２Ｄでは、冷媒が後列に配置された伝熱管を通過してから前列に配置された伝熱管を通るようにしてもよいし（図１１と図１２参照）、断面で見ると前後しながら千鳥状に熱交換器２Ｃから遠ざかるように冷媒を通過させてもよい（図１３参照）。前者では冷媒の流出部は放熱器の途中に設けられることになるが、後者では流出部は放熱器２の端部に設けられることになる。

次に動作について説明する。圧縮機１から吐出された超臨界状態の二酸化炭素は、放熱器２に流入し、熱交換器２Ｃで空気とほぼ一定の温度差を保ちながら温度が急激に低下する（図１０中▲１▼から▲２▼）。次に、熱交換器２Ｄに流入し、空気と熱交換して温度がわずかに低下する（図１０中▲２▼から▲３▼）。温度が下がった二酸化炭素は流量制御弁３によって減圧され、低温の気液二相状態に変化し（図１０中▲３▼から▲４▼）、蒸発器４に流入する。蒸発器４では、空気を冷却しながら蒸気に変化し（図１０中▲４▼から▲５▼）、圧縮機１に戻る（図１０中▲５▼から▲１▼）。

熱交換器２Ｄに流入した空気は、冷媒との温度差をほぼ一定に保ちながら比較的温度の低い二酸化炭素によって加熱される。熱交換器２Ｃでも空気と冷媒との温度差をほぼ一定に保ちながら、高温の二酸化炭素によって加熱される。しかも熱交換器２Ｃと熱交換器２Ｄの間は伝熱管で接続されているだけであるため、熱交換器２Ｃから熱交換器２Ｄに伝導されて再加熱に寄与する熱量は最小限度に抑えられている。

以上のように実施の形態３にかかわる空気調和装置は、実施の形態２と同様の効果が得られる。さらに、熱交換器２Ｄの構成が熱交換器２Ｃの構成と関係なく決めることができるため、熱交換器２Ｄの伝熱管の配列の自由度が高い。

実施の形態１にかかわる空気調和装置の構成を示す図である。 伝熱管とフィンプレートの関係を説明するための図である。 実施の形態１にかかわる空気調和装置の別の構成を示す図である。 二酸化炭素のエントロピと温度の関係を示す状態図である。 二酸化炭素を使用する空気調和装置の動作原理を説明するための図である。 フロン系冷媒を使用する空気調和装置の動作原理を説明するための図である。 再加熱現象を説明するための図である。 実施の形態２にかかわる空気調和装置の構成を示す図である。 実施の形態２にかかわる空気調和装置の別の構成を示す図である。 実施の形態２にかかわる空気調和装置の動作原理を説明するための図である。 実施の形態３にかかわる空気調和装置の構成を示す図である。 実施の形態３にかかわる空気調和装置の別の構成を示す図である。 実施の形態３にかかわる空気調和装置のさらに別の構成を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 放熱器、３ 流量制御弁、４ 蒸発器、５ 送風機、６ 伝熱管、７ フィンプレート。

Claims (6)

1. 二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、前記二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発
   器と、気化した前記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに前
   記圧縮された二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される放熱器と、前記放
   熱器に空気を供給する送風機を備えてなり、
   前記放熱器は、前記送風機から供給される空気の風下側から順次風上側に向かって二酸化
   炭素冷媒が流れるように伝熱管が配管された第１の熱交換部と、この第１の熱交換部を通
   過中に急激に温度を下げて温度の減少量が低下した二酸化炭素冷媒が空気の流れる方向と
   直交する方向でしかも第１の熱交換部から遠ざかる方向に順次流れるように伝熱管が配置
   された第２の熱交換部を有し、第１の熱交換部には超臨界状態であって４０℃より温度が高い二酸化炭素冷媒が流れ、第２の熱交換部には超臨界状態であって４０℃より温度が低い二酸化炭素冷媒が流れ、第２の熱交換部において超臨界状態の二酸化炭素冷媒の温度を低下させ、第２の熱交換部から当該温度が低下した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流出することを特徴とする空気調和装置。
2. 二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、前記二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発
   器と、気化した前記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに前
   記二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第１の熱交換器と、同じく所
   定枚数のフィンプレートに前記二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される
   第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器に空気を供給する送風機を
   備えてなり、
   前記第１の熱交換器では前記送風機から供給される空気の風下側から順次風上側に向かっ
   て前記圧縮機で圧縮された二酸化炭素冷媒が流れるように伝熱管が配列されているととも
   に、前記第２の熱交換器では前記第１の熱交換器を通過中に急激に温度を下げて温度の減
   少量が低下した二酸化炭素冷媒が空気の流れる方向とは直交する方向に流れるように伝熱
   管が配列され、第１の熱交換器には超臨界状態であって４０℃より温度が高い二酸化炭素冷媒が流れ、第２の熱交換器には超臨界状態であって４０℃より温度が低い二酸化炭素冷媒が流れ、第２の熱交換器において超臨界状態の二酸化炭素冷媒の温度を低下させ、第２の熱交換器から当該温度が低下した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流出することを特徴とする空気調和装置。
3. 前記第２の熱交換部の前記伝熱管は、前記送風機から供給される空気の風上側および風
   下側に前後しながら、第１の熱交換部から遠ざかる方向に向かうことを特徴とする請求項
   １又は２に記載の空気調和装置。
4. 二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、前記二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発
   器と、気化した前記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに前
   記圧縮された二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される放熱器と、前記放
   熱器に空気を供給する送風機を備えてなり、
   前記放熱器は、前記送風機から供給される空気の風下側から順次風上側に向かって超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流れるように伝熱管が配管された第１の熱交換部と、この第１の熱交換部を通過して約４０℃で流入した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が空気の流れる方向と直交する方向でしかも第１の熱交換部から遠ざかる方向に順次流れるように伝熱管が配置された第２の熱交換部を有し、第２の熱交換部において超臨界状態の二酸化炭素冷媒の温度を低下させ、第２の熱交換部から当該温度が低下した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流出することを特徴とする空気調和装置。
5. 二酸化炭素冷媒の流量を制御する流量制御手段と、前記二酸化炭素冷媒を気化させる蒸発
   器と、気化した前記二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、所定枚数のフィンプレートに前
   記二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される第１の熱交換器と、同じく所
   定枚数のフィンプレートに前記二酸化炭素冷媒が通過する伝熱管を配列させて構成される
   第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器に空気を供給する送風機を
   備えてなり、
   前記第１の熱交換器では前記送風機から供給される空気の風下側から順次風上側に向かっ
   て前記圧縮機で圧縮された超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流れるように伝熱管が配列されているとともに、前記第２の熱交換器では前記第１の熱交換器を通過して約４０℃で流入した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が空気の流れる方向とは直交する方向に流れるように伝熱管が配列され、第２の熱交換部において超臨界状態の二酸化炭素冷媒の温度を低下させ、第２の熱交換部から当該温度が低下した超臨界状態の二酸化炭素冷媒が流出することを特徴とする空気調和装置。
6. 前記第２の熱交換器の前記伝熱管は、前記送風機から供給される空気の風上側および風
   下側に前後しながら、第１の熱交換器から遠ざかる方向に向かうことを特徴とする請求項
   ４又は５に記載の空気調和装置。

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