JP5250954B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、散水装置を備えた空気調和装置に関する。

外気温上昇により冷房運転の負荷が増大したときの成績係数を向上させるために、空気調和装置の放熱器に散水して放熱器を冷却する散水装置が使用されている（特許文献１参照）。従来のフロン冷媒を採用している空気調和装置では、放熱器において冷媒が凝縮するため放熱器内の冷媒の温度分布はほぼ均一であり熱交換量もほぼ均一になるため、散水装置は放熱器へ均一に散水すれば良い。
特開平１０−２１３３６１号公報

近年、地球環境保護の観点からＣＯ２冷媒の採用が検討されており、上述した空気調和装置への適用が要求されている。しかしながら、ＣＯ２冷媒を採用した場合、冷媒の臨界温度（３１．１℃）が外気温に近いことから、外気温に対応して高圧側圧力が冷媒の臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上になる場合と、臨界圧力未満になる場合とがある。高圧側圧力が臨界圧力以上になる場合は、冷媒は超臨界状態となるため放熱器で凝縮せず、放熱器内の冷媒の温度分布は不均一となり、冷媒入口側から冷媒出口側に近づくにしたがって温度が降下していく。このため、熱交換量も部分的に不均一になるので、従来のような均一な散水では部分的に散水量不足が生じ熱交換性能が低下する。

本発明の課題は、ＣＯ２冷媒を使用した空気調和装置において、ＣＯ２冷媒の状態変化に対応して高い熱交換性能を実現することができる空気調和装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和装置は、高圧側の冷媒が超臨界状態となる空気調和装置であって、放熱器と、散水装置と、制御装置とを備えている。放熱器は、高圧側の冷媒から大気に対して放熱を行わせ、散水装置は、放熱器へ散水する。制御装置は、冷媒が超臨界状態か非超臨界状態かを判定し、冷媒が超臨界状態の場合と冷媒が非超臨界状態の場合とに応じて散水装置の散水形態を切り替える。また、散水装置は、散水量を調整することができる少なくとも放熱器の冷媒入口に近いノズルおよび放熱器の冷媒出口に近いノズルを含む複数のノズル（５５）を有している。また、制御装置は、冷媒が超臨界状態の場合、冷媒入口に近いノズルの散水量を、冷媒出口に近いノズルの散水量よりも多くする制御を行う。

この空気調和装置では、冷媒が超臨界状態か否かによって放熱器における熱交換量の分布が異なるので、その分布に合わせた散水が行われる。即ち、冷媒温度が高く熱交換量を多く見込める領域へはより多く散水する。例えば、冷媒が超臨界状態のときは、放熱器内の冷媒温度が冷媒入口から冷媒出口に至るまでの間に連続的に降下するので、冷媒温度の高い領域に多く、冷媒温度の低い領域に少なく散水される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、冷媒が非超臨界状態の場合、制御装置が、放熱器に対して均一に散水させる制御を行う。

この空気調和装置では、冷媒が非超臨界状態のときは、放熱器内で冷媒が凝縮し冷媒入口から冷媒出口に至るまで冷媒温度はほぼ一定となるので、均一な散水が行われる。このため、室外熱交換器全域で熱交換性能が最大限に向上する。

第３発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、放熱器周辺の雰囲気温度を検知する外気温センサをさらに備えている。制御装置は、外気温センサが冷媒の臨界温度以上の温度を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断する。

この空気調和装置では、既存の温度センサで冷媒の超臨界状態が検知されるので、安価である。

第４発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、高圧側圧力を検知する圧力センサをさらに備えている。制御装置は、圧力センサが冷媒の臨界圧力以上の圧力を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断する。

この空気調和装置では、冷媒の超臨界状態が正確に検知されるので、誤検知による不適切な散水が防止される。

第５発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、放熱器の所定の少なくとも２点の温度を検知する２つの温度センサをさらに備えている。制御装置は、２つの温度センサがそれぞれ異なる温度を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断する。

この空気調和装置では、冷媒の超臨界状態が検知されるとともに、２点の温度差から冷媒の温度分布が推定され、熱交換量が多く見込まれる領域へ多く散水される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第１発明に係る空気調和装置では、冷媒が超臨界状態か否かによって散水形態を切り替え、冷媒温度が高く熱交換量を多く見込める領域へはより多く散水する。これによって、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれるので、散水による成績係数改善効果を最大化する。

第２発明に係る空気調和装置では、冷媒が非超臨界状態のときは、放熱器内で冷媒が凝縮し冷媒入口から冷媒出口に至るまで冷媒温度はほぼ一定となるので、均一な散水が行われる。このため、室外熱交換器全域で熱交換性能が最大限に向上する。

第３発明に係る空気調和装置では、既存の温度センサで冷媒の超臨界状態が検知されるので、安価である。

第４発明に係る空気調和装置では、正確に冷媒の超臨界状態が検知されるので、誤検知による不適切な散水が防止され、高い冷凍能力を維持することができる。

第５発明に係る空気調和装置では、冷媒の超臨界状態が検知されるとともに、２点の温度差から冷媒の温度分布が推定され、熱交換量が多く見込まれる領域へ多く散水される。このため、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図である。空気調和装置１は、ビル用のマルチタイプの空気調和装置であって、１つ又は複数の室外機２に対して複数の室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、膨張機構である室外膨張弁１４および室内膨張弁１５、さらに室内熱交換器１６などの機器が接続されて冷媒回路１０が形成されている。

室外熱交換器１３は、クロスフィン型の熱交換器である。室外熱交換器１３の近傍には、室外ファン４１が設けられており、冷媒は室外ファン４１によって発生する空気流と熱交換を行なう。

空気調和装置１には、冷房運転時のみ室外熱交換器１３の表面に散水する散水装置５１が設けられている。散水装置５１は、給水配管５２、ポンプ５３、流量制御弁５４、および複数のノズル５５を有している。給水配管５２は、水源である給水タンク（図示せず）に接続されており、ポンプ５３によって全てのノズル５５に一定圧の水が供給されている。また、室外機２に設けられた制御装置４は、流量制御弁５４を制御して散水量を調節する。

室内熱交換器１６は、室外熱交換器１３と同様のクロスフィン型の熱交換器である。室内熱交換器１６の近傍には、室内ファン４２が設けられており、冷媒は室内ファン４２によって発生する空気流と熱交換を行なう。

外気温センサ４３は、室外機２に設けられており、室外熱交換器１３周辺の雰囲気温度、即ち外気温を検出する。圧力センサ４４は、圧縮機１１の吐出管側に設けられており、冷媒回路１０の高圧側圧力を検出する。冷媒温度センサ４５は、室外熱交換器１３の冷媒出口側（冷房運転時）に設けられ、高圧側の冷媒出口温度を検出する。さらに、室外熱交換器１３の所定の２点に温度センサ４６，４７が設けられている。

制御装置４は、空気調和装置１の高効率運転を達成するために、圧縮機１１、室外膨張弁１４、および室内膨張弁１５を制御する。また、制御装置４は、外気温センサ４３、冷媒温度センサ４５、および温度センサ４６，４７によって計測された値から室外熱交換器１３内の冷媒の温度分布を推定するため、ＣＰＵとメモリを内蔵したマイコン５を搭載している。

＜空気調和装置の動作＞
（冷房運転）
冷房運転時において、四路切換弁１２は、図１の実線で示すように接続され、圧縮機１１と室外熱交換器１３とが連通し、室外熱交換器１３および室内熱交換器１６は、それぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の超臨界状態の冷媒が室外熱交換器１３に導入される。ここで、冷媒は高圧を保ったまま超臨界状態で放熱し温度が低下して行く。室外熱交換器１３を経て中温・高圧になった冷媒は室内膨張弁１５で減圧され、低温・低圧の二相冷媒となり室内熱交換器１６に導入される。ここで室内空気と熱交換が行われた後、再び圧縮機１１に吸入される。

冷房運転時は、散水装置５１のノズル５５から室外熱交換器１３に対して散水される。ノズル５５から撒かれた水は室外熱交換器１３表面で吸熱して蒸発する。つまり冷媒と水とが熱交換をすることになり、室外熱交換器１３における熱交換量は、撒かれた水の蒸発潜熱相当分だけ増大することとなる。

（暖房運転）
一方、暖房運転時において、四路切換弁１２は、図１の点線で示すように接続され、圧縮機１１と室内熱交換器１６とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３はそれぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１より吐出された高温・高圧の超臨界状態の冷媒が室内熱交換器１６に導入される。ここで、冷媒は室内空気と熱交換して温度が低下し、中温・高圧の状態になる。その後冷媒は配管を通過し、室外膨張弁１４で減圧されて室外熱交換器１３に導入される。ここで室外空気と熱交換が行われ、再び圧縮機１１に吸入される。

＜室外熱交換器における冷媒の温度分布と散水方法＞
空気調和装置１は、冷媒としてＣＯ２を使用しており、高圧側圧力がＣＯ２冷媒の臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上となる超臨界冷凍サイクルで運転される。

図２（ａ）は、室外熱交換器の正面図であり、図２（ｂ）は、冷媒が非超臨界状態である場合の放熱器（室外熱交換器）における冷媒の温度分布を示すグラフであり、図２（ｃ）は、冷媒が超臨界状態である場合の放熱器（室外熱交換器）における冷媒の温度分布を示すグラフである。

図２（ａ）において、室外熱交換器１３は、複数の放熱板１３ａと複数の伝熱管１３ｂとで形成されている。放熱板１３ａは、薄いアルミニウム製の平板で形成され、伝熱管１３ｂは銅管で形成されている。冷媒は室外熱交換器１３の入口から出口に至るまでの間に、伝熱管１３ｂ、放熱板１３ａを介して大気へ放熱する。

図２（ｂ）に示すように、冷媒が非超臨界状態の場合、冷媒は室外熱交換器１３内で凝縮するので、冷媒温度は凝縮温度であり室外熱交換器１３の冷媒入口から冷媒出口へ至るまで大部分が均一の状態になっている。したがって、散水時は室外熱交換器１３に対して均一に散水するのが好ましい。

一方、図２（ｃ）に示すように、冷媒が超臨界状態の場合、冷媒は室外熱交換器１３内で凝縮しないため、冷媒温度は室外熱交換器１３の冷媒入口から冷媒出口へ至るまで連続的に降下する。このため、室外熱交換器１３表面の温度は、冷媒の上流側の温度が高く下流側の温度が低くなる分布となっている。外気温は一定であるので、室外熱交換器１３での熱交換量は、表面温度が高いほど大きくなる。したがって、この場合に室外熱交換器１３に対して均一に散水すると、表面温度が高い領域では散水量が不足して十分な放熱ができなくなるおそれがある。そこで、室外熱交換器１３での熱交換量を最大化するためには、表面温度の高い領域へは多く散水するのが好ましい。

図３は、本発明の実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図である。ノズル５５は、室外熱交換器１３の冷媒入口側から冷媒出口側に向かって等間隔で配置されている。また、ノズル５５は、図３正面視の方向にも等間隔で配置されている。給水配管５２と各ノズル５５との間には流量制御弁５４が設けられており、ノズル５５ごとに散水量を調節することができる。

たとえば、マイコン５は、外気温センサ４３、冷媒温度センサ４５、および温度センサ４６，４７によって計測された値から室外熱交換器１３内の冷媒の温度分布を推定し、その後、室外熱交換器１３の冷媒出口温度を目標値へ近づけるために、熱交換量が多く見込まれる領域（例えば冷媒入口側の放熱板１３ａ）に対して多く散水されるように、冷媒入口側のノズル５５に設けられた流量制御弁５４を制御する。

散水量は、散水時に散水と休止との繰返し形態を変更することによって調節される。例えば、散水時間、休止時間の双方を均等に増減し、あるいは散水時間、休止時間のいずれか一方を増減することによって、散水と休止との時間比率が増減され散水量が増減される。散水時間と休止時間の変更は、ポンプ５３の運転と停止、或は流量制御弁５４の開動作と閉動作で行うことができる。

＜ノズルの形状＞
図４（ａ），（ｂ）は、ノズルの先端部分の拡大図である。図４（ａ）において、ノズル５５の先端部分は略円錐形状を成し、先端部分の側面には複数の散水口５５ａが設けられている。たとえば、散水口５５ａの数量を増やすことによって、ノズル５５の開度が大きくなり散水量は増大する。逆に、散水口５５ａの数量を減らすことによって、ノズル５５の開度が小さくなり散水量は減少する。

また、図４（ｂ）に示すものは、特定の方向に多く散水するように、散水口５５ａの数量を部分的に増やしたノズルであり、散水の疎密を作り出すことができる。たとえば、室外熱交換器１３の端部寄りに配置されているノズル５５が、全方向に均一に散水することは無駄である。散水口５５ａを特定の方向に偏らせれば、必要な方向にのみ散水できるので節水にもなる。特に、室外熱交換器１３の側面から散水する場合、ノズル５５から全方向に均一に散水しても、重力の影響で水が均一に到達しない。したがって、上方に向かって散水するように、散水口５５ａを上方に向けることで、狙いの領域へ無駄なく散水することができる。

ノズル５５は取替ができるので、散水口５５ａの数量が異なるノズル５５を予め準備しておくことによって、空気調和装置１の設置時あるいは修繕時にサービスパーソンがノズル５５を交換して流量を微調節することができる。

なお、ここでは、散水口５５ａの数量を増減することで開度を調節しているが、散水口５５ａの径を増減して開度を調節してもよい。

＜冷凍サイクルの選択＞
図５は、本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図である。本実施形態では、冷房運転時、図５に示す２つの冷凍サイクルを使い分けている。図５において、実線で示した第１の冷凍サイクルは、外気温がＣＯ２の臨界温度（３１．１℃）以上のときの冷凍サイクルであり、高圧側圧力は臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上で運転される。第１の冷凍サイクルで運転されているときは、室外熱交換器１３の冷媒入口側への散水量を多く、冷媒出口側に近づくにしたがって散水量を徐々に少なくする。

点線で示した第２の冷凍サイクルは、外気温がＣＯ２の臨界温度（３１．１℃）未満のときの冷凍サイクルであり、高圧側圧力が臨界圧力（７．３８ＭＰａ）未満で運転される。第２の冷凍サイクルで運転されているときは、室外熱交換器１３に対して均一に散水する。

＜特徴＞
（１）
空気調和装置１は、高圧側の冷媒が超臨界状態となる空気調和装置であって、室外熱交換器１３と、散水装置５１と、制御装置４とを備えている。室外熱交換器１３は、高圧側の冷媒から大気に対して放熱を行わせ、散水装置５１は、ノズル５５から室外熱交換器１３へ散水する。制御装置４は、冷媒が超臨界状態か非超臨界状態かを判定し、冷媒が超臨界状態の場合と冷媒が非超臨界状態の場合とに応じて散水装置５１の散水状態を切り替える。例えば、冷媒が超臨界状態の場合、制御装置４は、室外熱交換器１３の冷媒入口側への散水量を、冷媒出口側への散水量よりも多くする制御を行う。そして、熱交換量を多く見込める領域へ多く散水することで、散水による熱交換量の増加と、室外熱交換器１３の冷媒出口温度の低下を最大化する。このため、成績係数の向上量も最大化される。

また、冷媒が非超臨界状態の場合、制御装置４は、室外熱交換器１３に対して均一に散水させる制御を行う。冷媒が非超臨界状態のときは、室外熱交換器１３内で冷媒が凝縮し冷媒入口から冷媒出口に至るまで冷媒温度はほぼ一定となる。このため、均一な散水によって室外熱交換器１３全域で熱交換性能が最大限に向上する。

（２）
空気調和装置１の制御装置４は、外気温センサ４３が冷媒の臨界温度（３１．１℃）以上の温度を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断する。この空気調和装置１では、既存の温度センサを用いて超臨界状態を検知することができるので、安価である。

＜変形例＞
本実施形態では、外気温センサ４３によって冷媒の超臨界状態を検知しているが、これに限定されるものではない。例えば、圧力センサ４４が冷媒の臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上の圧力を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断してもよい。これは、正確に超臨界状態を検知することができるので、誤検知による不適切な散水が防止される。

また、第２の変形例として、温度センサ４６，４７がそれぞれ異なる温度を検知している期間中、冷媒が超臨界状態にあると判断してもよい。これは、冷媒の超臨界状態を検知するとともに、２点の温度差から冷媒の温度分布を推定することができる。このため、熱交換量が多く見込まれる領域へ多く散水されるので、散水量不足による水切れを回避する効率的な散水が行なわれ、散水による成績係数改善効果を最大化する。

以上のように、本発明は室外熱交換器が放熱器として機能するときに、散水装置によって室外熱交換器の熱交換性能を向上させるので、超臨界冷凍サイクルとなる空気調和装置に有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の構成図である。 （ａ）室外熱交換器の正面図。（ｂ）冷媒が非超臨界状態である場合の室外熱交換器における冷媒の温度分布を示すグラフ。（ｃ）冷媒が超臨界状態である場合の室外熱交換器における冷媒の温度分布を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る空気調和装置の室外熱交換器周辺の側面図。 （ａ）ノズルの先端部分の拡大図。（ｂ）他のノズルの先端部分の拡大図。 本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図。

１ 空気調和装置
４ 制御装置
１３ 室外熱交換器（放熱器）
４３ 外気温センサ
４４ 圧力センサ
４６，４７ 温度センサ
５１ 散水装置

Claims (5)

1. 高圧側の冷媒が超臨界状態となる空気調和装置であって、
   前記高圧側の冷媒から大気に対して放熱を行わせる放熱器（１３）と、
   前記放熱器（１３）へ散水する散水装置（５１）と、
   前記冷媒が超臨界状態か非超臨界状態かを判定し、前記冷媒が超臨界状態の場合と前記冷媒が非超臨界状態の場合とに応じて前記散水装置（５１）の散水形態を切り替える制御装置（４）と、
   を備え、
   前記散水装置（５１）は、散水量を調整することができる少なくとも前記放熱器（１３）の冷媒入口に近いノズルおよび前記放熱器（１３）の冷媒出口に近いノズルを含む複数のノズル（５５）を有し、
   前記制御装置（４）は、前記冷媒が超臨界状態の場合、前記冷媒入口に近いノズルの散水量を、前記冷媒出口に近いノズルの散水量よりも多くする制御を行う、
   空気調和装置（１）。
2. 前記制御装置（４）は、前記冷媒が非超臨界状態の場合、前記放熱器（１３）に対して均一に散水させる制御を行う。
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
3. 前記放熱器（１３）周辺の雰囲気温度を検知する外気温センサ（４３）をさらに備え、
   前記制御装置（４）は、前記外気温センサ（４３）が前記冷媒の臨界温度以上の温度を検知している期間中、前記冷媒が超臨界状態にあると判定する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
4. 前記高圧側圧力を検知する圧力センサ（４４）をさらに備え、
   前記制御装置（４）は、前記圧力センサ（４４）が前記冷媒の臨界圧力以上の圧力を検知している期間中、前記冷媒が超臨界状態にあると判定する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
5. 前記放熱器（１３）の所定の少なくとも２点の温度を検知する２つの温度センサ（４６，４７）をさらに備え、
   前記制御装置（４）は、２つの前記温度センサ（４６，４７）がそれぞれ異なる温度を検知している期間中、前記冷媒が超臨界状態にあると判定する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。

Images