JP5267997B2 - 冷媒自然循環による冷暖房空調システム - Google Patents

Description

本発明は、冷媒自然循環によって冷房と暖房とを行う冷暖房空調システムに関する。

従来より、冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用してポンプを使わず冷媒を自然循環させ、冷房と暖房とを行う冷暖房空調システムは既に知られている。
初期に開発された冷媒自然循環式の空調システムは、本出願人が特許文献１に提供しているが、例えば、図１に示すように、冷房サイクルの配管ループａと暖房サイクルの配管ループｂの２系統のループを設け、各空調機の冷房用と暖房用の２つの熱交換コイルｃ、ｄを有していた。
ここで、この空調システムを説明する。先ず、冷房サイクルを説明すると、冷房時に高い位置に配置された冷房用熱交換器ｃに冷水８℃を供給され、この冷房用熱交換器ｃで冷媒が８℃に冷やされて液状となり、冷媒自体の重量で下方向に移動し、各室の各空調機e1,e2,e3の冷水用熱交換コイルｆに膨張弁ｇを介して供給され空気を冷房し、熱交換して１２℃のガス状になって上昇して、再び、冷房用熱交換器ｃに戻り、冷房サイクルが１巡する。
次に、暖房サイクルを説明すると、冷房用熱交換器ｃへの冷水を止め、低い位置に配置された暖房用熱交換器ｄに温水４０℃を供給し、暖房用熱交換器ｄで冷媒は４０℃のガス状となり上昇し、各空調機e1,e2,e3の暖房用熱交換コイルｈで熱交換されて、４０℃の液状となり、再び、暖房用熱交換器ｄに戻り、暖房サイクルが１巡する。
この冷媒自然循環式の空調システムは、冷房用と暖房用の２つの熱交換コイルｃ、ｄを設けなければならいという問題点があった。

そこで、本出願人らは、各空調機での冷房用と暖房用の熱交換コイルを１つにした冷媒自然循環による冷暖房空調システムを特許文献２として提供しているが、この空調システムを、図２に沿って説明する。
図２(Ａ)に示すように、各空調機e1,e2,e3には、冷暖兼用の熱交換コイルｊとし、このために、暖房サイクルと冷房サイクルを形成する複数のバルブi1,i2,i3,i4を設けるもので、バルブi1,i2を開けて、バルブi3,i4を閉めて冷房サイクルを形成し、冷房時に高い位置に配置された冷房用熱交換器ｃに冷水８℃を供給している。逆に、図２(Ｂ)に示すように、暖房サイクルでは、バルブi1,i2を閉め、バルブi3,i4を開けて暖房サイクルを形成し、低い位置に配置された暖房用熱交換器ｄに温水４０℃を供給している。
この場合に、冷房と暖房運転では、冷媒の状態が液状及びガス状となり大きく異なる。冷房状態では、配管のガス圧力(内圧)は約４００kPa程度と低いのに対して、暖房状態では約１０００kPaと高く液状状態が少ないので、暖房時と冷房時では前記のバルブの切替えの外に、管路内の圧力を調整する必要があった。暖房から冷房に運転を切替える場合には、バルブi4と暖房用熱交換器ｄの間の配管にある液状冷媒を、冷房用熱交換器ｃとバルブi2の間に液状冷媒として充填する必要があった。すなわち、バルブi4と暖房用交換機ｄの部分に溜まった液冷媒を上部の冷房用熱交換機ｃに回収しなければ、冷房時の循環系中の冷媒量が不足し冷房サイクルが機能しなくなるからである。

特開平０７−３０５８６６８号公報 特開平１１−２３０５７８号公報

ところで、従来の特許文献２の冷媒自然循環式の空調システムでも、少なくとも４個のバルブを用いて配管経路を切り替え、その都度、管内の圧力を調整しシステムの循環に必要な冷媒量を確保しなければならないという問題点があった。
本発明は、暖房用熱交換器と冷房用熱交換器のいずれかを作動させれば、自動的に冷房サイクルあるいは暖房サイクルを形成する冷媒の自然循環による冷房と暖房とを行う冷暖房空調システムを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムであって、高い位置に配置される冷房用熱交換器と低い位置に配置される暖房用熱交換器とを配管で接続し、中間位置に複数の室内空調用熱交換器を並列に配置して、該熱交換器のコイルの一方の出入口に冷房用熱交換器からの配管を接続し、他方の出入口に暖房用熱交換器からの配管を接続して循環する配管経路を形成し、前記配管経路の一部に密閉膨張タンクを接続し、該密閉膨張タンクの作動圧力を冷房サイクルの配管内圧力と暖房サイクルの圧力の中間に設定して両サイクルで必要な配管内の液状冷媒の容量差を吸収し、冷房サイクルでは冷房用熱交換器で冷やされて液状の冷媒が下降して、暖房用熱交換器を通過し室内空調用熱交換器に供給され、ガス状にして冷房用熱交換器に戻るようにし、暖房サイクルでは暖房用熱交換器で暖められたガス状の冷媒が上昇して、冷房用熱交換器を通過し室内空調用熱交換器に供給され、液状にして暖房用熱交換器に戻るようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の冷媒自然循環型の空調システムにおいて、暖房サイクルでは、室内空調用熱交換器からの配管の高い位置に液検知センサーを設け、該液検知センサーが液状溶媒液の液面の位置を検知しシステムの冷媒循環に必要な高低差が確保できるように暖房用熱交換器への温水の供給を増減することを特徴とする。

本発明の冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムによれば、ポンプを用いる必要がなく環境負荷も少ないという効果に加えて、密閉膨張タンクを用いることにより、冷房と暖房の切り替えせずに、自動的に冷房サイクルあるいは暖房サイクルの運転に入ることができる。したがって、保守が簡単になり、経費を安価にすることができる。

従来の冷房用と暖房用の２つの熱交換コイルを用い、重量により冷媒自然循環を行う冷暖房空調システムの概略図、 従来のバルブ操作と圧力調整により冷房用と暖房用の熱交換コイルを１つにした冷暖房空調システムの概略図で、図２(Ａ)はその冷房時の作動を説明する図、図２(Ｂ)はその暖房時の作動を説明する図、 本発明の実施例における冷暖房空調システムの冷房サイクルを説明する概略図、 本冷暖房空調システムの暖房サイクルを説明する概略図、 本冷暖房空調システムにおける密閉膨張タンクの作動を説明する図で、図５(a)は冷房サイクル時の断面図、図５(b)は暖房サイクル時の断面図、 本冷暖房空調システムの冷房サイクルにおける能力データのグラフの図、 本冷暖房空調システムの暖房サイクルにおける能力データのグラフの図である。

冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムであって、密閉膨張タンクを用いることにより、冷房と暖房の切り替えをせずに、自動的に冷房サイクルあるいは暖房サイクルの運転に入ることができる冷暖房空調システムを実現した。

本発明の好適な冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムの実施例を図面に沿って説明する。
［冷暖房空調システムの構成］
図３は本実施例における冷房サイクルを説明する概略図であるが、冷房及び暖房サイクルの共通の構成について説明する。
図３において、先ず、高い位置に冷房用熱交換器１が配置され、低い位置に暖房用熱交換器２が配置され、その中間位置に４機の空調機3a,3b,3c,3dが並列して配置されている。本実験では、空調機3a,3b,3c,3dの位置を標準とした場合に、冷房用熱交換器１は６.１ｍの高い場所に配置し、暖房用熱交換器２は６ｍの低い場所に配置した。
空調機3a,3b,3c,3dは熱交換コイル31a,31b,31c,31dと給気ファン32a,32b,32c,32dとが備えられ、熱交換コイル31a,31b,31c,31dの一方は高い位置の冷房用熱交換器１の一方に配管4aで接続され、熱交換コイル31a,31b,31c,31dの他方は低い位置の暖房用熱交換器２の一方に配管4bに調整弁5a,5b,5c,5dを介して接続され、高い位置の冷房用熱交換器１と低い位置の暖房用熱交換器２を配管4cで接続している。また、配管4ｂの途中には液状の冷媒Ａを配管4dから引き込む密閉膨張タンク６を設けてある。
冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムであって、密閉膨張タンクを用いることにより、冷房と暖房の切り替えせずに、自動的に冷房サイクルあるいは暖房サイクルの運転に入ることができる冷暖房空調システムを実現した。

本実施例では、Ｒ１３４Ａフロン形の冷媒を使用したが、前記密閉膨張タンク６は、冷房と暖房運転での冷媒の液状及びガス状の冷媒量が大きく異なり、すなわち、冷房状態では配管のガス圧力は低く、４００kPa前後であり必要な液状冷媒量が多く、暖房状態では高く１０００kPa前後で必要な液状冷媒量が少ないので、暖房時で液状の冷媒の１部を吸収し、冷房時で吸収した液状の冷媒を放出するように作動する。
すなわち、密閉膨張タンク６の構成は、図５(a)(b)に示すようなもので、圧力容器６１内の中間取付部６２にはダイヤフラム６３が上下に密封状態で設けられ、ダイヤフラム６３の上部空間Ｘ１には配管４ｄに連通する開口６４が設けられて冷媒が自由に出入りする構成であり、ダイヤフラム６３の下部空間Ｘ２には調整栓６５が設けられ、調整栓６５に圧力ボンベ(図示せず)を接続して、下部空間Ｘ２の圧力を設定値Ｐｘに調整する。この設定値Ｐｘの範囲は、本実施例の冷媒の場合に以下のものである。
４００kPa＜Ｐｘ＜１０００kPa
本実施例では５００kPaに設定した。
また、４機の空調機3a,3b,3c,3dのファンコイルの能力は、冷房能力１.７ｋＷ、暖房能力２.０ｋＷのものを使用した。
ここで、配管4ｂの高い位置には、溶媒の液状の有無を検知する液検知センサー７を設け、この液検知センサー７によって暖房用熱交換器２の温水の供給量を制御する構成としている。

［冷房サイクルの作動］
以上のような構成において、冷房サイクルの作動を図３に沿って説明する。
（１）冷房時には、圧縮器である冷房用熱交換器１に冷水８℃が供給され、冷房用熱交換器１によってガス状冷媒(１２℃)も８℃に冷却されて液状となり、その冷媒自体の重量で配管４ｃの中を暖房用熱交換器２に向かって降下する。この冷房時には暖房用熱交換器２には温水は供給されていない。
（２）下降した液状冷媒は、稼働していない暖房用熱交換器２を通過し、配管４ｂを上昇し、４機の並列する各空調機3a,3b,3c,3dの直前に設けられた膨張弁として機能する調整弁5a,5b,5c,5dに達する。
（３）更に、液状冷媒は、調整弁5a,5b,5c,5dから各空調機3a,3b,3c,3dの熱交換コイル31a,31b,31c,31dに供給され、還気ＲＥ等を熱交換して空調冷房して給気ファン32a,32b,32c,32d等により室内に給気ＳＡする。
（４）熱交換コイル31a,31b,31c,31dにより温められた液状冷媒は、１２℃程度のガス状冷媒となり配管４ａを上昇し、冷房用熱交換器１に戻りサイクルが完成する。この場合のガス圧は３８７kＰaである。したがって、密閉膨張タンク６内の作動圧Pxは５００kＰaに設定されているので、図５(ａ)に示されているように、ダイヤフラム６３は圧力容器６１の内壁に沿って収縮し空状態となる。

この場合に正常に冷房サイクルが稼働したことを実証するために、図６に冷暖房空調システムの冷房サイクルにおける能力データのグラフで説明する。
図６に示すように、冷房用熱交換器１を出た直後の高い位置Ｐ２での液体圧力は0.35MPa程度であるが、空調機3a,3b,3c,3dに配備された調整弁(膨張弁)5a,5b,5c,5dの直前位置での液体圧力Ｐ１(P1(a)〜(d))での圧力は約0.45MPaで、その差圧は、ΔP＝0.093MPa 程度が常に維持されていることが判る。そして、各空調機3a,3b,3c,3dの能力も、始動開始時は不安定であり冷房能力も低いが、８時間経過後は平均1.7kW以上を出力している。
したがって、本実施例の冷暖房空調システムの冷房サイクルでは、ポンプを使用しなくても、確実に冷房空気調和がなされることが実証された。

［暖房サイクルの作動］
次に、暖房サイクルの作動を図４に沿って説明するが、循環経路が冷房サイクルとは逆になる。
（１）暖房時には、圧縮器である暖房用熱交換器２に温水４０℃が供給され、暖房用熱交換器２によって液状冷媒(４０℃)が暖められてガス状となり、配管４ｃの中を冷房用熱交換器１に向かって上昇する。この暖房時には冷房用熱交換器１には冷水は供給されていない。
（２）上昇したガス状冷媒は、稼働していない冷房用熱交換器１を通過し、配管４aに沿って下降し、４機の並列する各空調機3a,3b,3c,3dの熱交換コイル31a,31b,31c,31dに供給される。なお、この場合のガス圧は１,０１７kＰaである。
（３）各空調機3a,3b,3c,3dの熱交換コイル31a,31b,31c,31dでは、還気ＲＥ等を熱交換して空調暖房して給気ファン32a,32b,32c,32d等により室内に給気ＳＡする。
（４）熱交換コイル31a,31b,31c,31dにより冷やされたガス状冷媒は、調整弁5a,5b,5c,5dを通過して４０℃程度の液状冷媒となって配管４ｂを更に下降し、暖房用熱交換器２に戻りサイクルが完成する。この場合のガス圧は１,０１７kＰaであり、密閉膨張タンク６内の作動圧Pxは５００kＰaに設定されているので、図５(ｂ)に示されているように、ダイヤフラム６３は圧力容器６１の中心に向かって膨張した状態となる。
なお、液検知センサー７は、調整弁5a,5b,5c,5dの下流の直後の高い位置に配置して、その位置で冷媒が液状であるかガス状であるかを検知するが、暖房サイクルでの配管内の液量が設定量より少ないと、液面が低くなり高低差を利用した液状冷媒の重量による冷媒の自然循環が出来なくなるので、これを防ぐために暖房用熱交換器２に供給する温水量を暖房用熱交換器２の制御弁71を操作して減らし、ガス状冷媒の量を減らし液状冷媒量を増やし、液状冷媒の液面が液検知センサーの高さになるようにするものである。また、液状冷媒量が多くなり液状冷媒の液面が上昇しすぎると高低差の不足から熱交換コイル31a,31b,31c,31d から配管4ｂへの液状冷媒の流入が阻害されるので、これを防ぐために暖房用熱交換器２に供給する温水量を暖房用熱交換器２の制御弁71を操作してガス量を増やし、液状冷媒の量を減らし液面が液検知センサーの高さになるようにするものである。

正常に暖房サイクルが稼働したことを実証するために、図７に冷暖房空調システムの暖房サイクルにおける能力データのグラフで説明する。
図７に示すように、配管内の圧力は８時間程度までは不安定であるが、各空調機3a,3b,3c,3dの能力も、１０時間後には、平均2.0kW以上を出力している。
したがって、本実施例の冷暖房空調システムの暖房サイクルでは、ポンプを使用しなくても、確実に暖房空気調和がなされることが実証された。

以上のように、本発明の実施例では、冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させるもので、密閉膨張タンク６を用いることにより、冷房用熱交換器１と暖房用熱交換器２のいずれかを作動させれば、冷房と暖房の切り替えをせずに、自動的に冷房サイクルあるいは暖房サイクルの運転に入ることができる。
なお、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。

Ａ・・冷媒
１・・冷房用熱交換器、２・・暖房用熱交換器、
3a,3b,3c,3d・・空調機、31a,31b,31c,31d・・熱交換コイル、
32a,32b,32c,32d・・給気ファン、
4a,4b,4c,4d・・配管、
5a,5b,5c,5d・・調整弁(膨張弁)、
６・・密閉膨張タンク、
61・・圧力容器、62・・中間取付部、63・・ダイヤフラム、
64・・開口、65・・調整栓、
７・・液検知センサー、71・・制御弁

Claims (2)

1. 冷媒の液状態での質量とガス状態での質量の差を利用して冷媒を自然循環させる冷暖房空調システムであって、
   高い位置に配置される冷房用熱交換器と低い位置に配置される暖房用熱交換器とを配管で接続し、
   中間位置に複数の室内空調用熱交換器を並列に配置して、該熱交換器のコイルの一方の出入口に冷房用熱交換器からの配管を接続し、他方の出入口に暖房用熱交換器からの配管を接続して循環する配管経路を形成し、
   前記配管経路の一部に密閉膨張タンクを接続し、
   該密閉膨張タンクの作動圧力を冷房サイクルの配管内圧力と暖房サイクルの圧力の中間に設定して両サイクルでの配管内の容量差を吸収し、
   冷房サイクルでは冷房用熱交換器で冷やされて液状の冷媒が下降して、暖房用熱交換器を通過し室内空調用熱交換器に供給され、ガス状にして冷房用熱交換器に戻るようにし、
   暖房サイクルでは暖房用熱交換器で暖められたガス状の冷媒が上昇して、冷房用熱交換器を通過し室内空調用熱交換器に供給され、液状にして暖房用熱交換器に戻るようにしたことを特徴とする冷媒自然循環型の空調システム。
2. 前記暖房サイクルにおいて、室内空調用熱交換器からの配管の高い位置に液検知センサーを設け、該液検知センサーにより液状冷媒の液面の高低の位置を保つように暖房用熱交換器への温水の供給を増減することを特徴とする請求項１に記載の冷媒自然循環型の空調システム。

Images