JP5624654B2 - 空調装置 - Google Patents

Description

本発明は，水の蒸発及び凝縮を利用して空調を行う装置に関するものである。

先行技術としての特許文献１には，
「大気圧以下の減圧に保持した第１容器及び第２容器と，空調箇所に設置した空調用熱交換器と，放吸熱用熱交換器とを備え，更に，蒸発性液体を前記第１容器と前記空調用熱交換器との間を循環する空調用循環管路と，蒸発性液体を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間を循環する放吸熱用循環管路と，前記第１容器と前記第２容器の相互間を接続する蒸気ダクト中に設けた蒸気圧縮機を備えて成る。」
蒸発式空調装置が記載されている。

この先行技術の空調装置によると，空調箇所に設置した空調用熱交換器における熱交換にて温度が高くなった蒸発性液体は，前記空調用熱交換器から第１容器内に戻ってフラッシュ蒸発することで温度が下がって前記空調用熱交換器に送られるという循環を繰り返すことにより，前記空調箇所を，その室内温度が略一定の温度になるように空調できる。

また，別の先行技術としての特許文献２，３及び４等には，空調箇所に設置されるコンピュータ，そのサーバー又は複写機等の各種のオフィス機器，或いは，照明器具等のような発熱機器に，冷却水ジャケット又は冷却水通路等の液体冷却手段を設けて，各種の発熱機器を液体にて冷却することが記載されている。

そこで，前記先行技術の空調装置における空調用循環管路の途中に，前記オフィス機器における液体冷却手段を，前記空調用熱交換器と並列に設けることにより，インテリアゾーン等の空調箇所における空調と，前記オフィス機器の液体による冷却とを同時に行うことができる。

特開２００６−９７９８９号公報 特開平５−２６７８７５号公報 特開平６−１２４１４３号公報 特開平７−３５４５３号公報

前記特許文献１の空調装置は，大気圧より減圧に維持される第１容器内の蒸発性液体を，一台の循環ポンプによって，第１容器と空調用熱交換器との間，又は第１容器と空調用熱交換器及び各種の発熱機器との間を空調用循環管路を介して循環する構成であることにより，前記一台の循環ポンプとしては，前記蒸発性液体の所定流量を空調用循環管路を介して前記したように確実に循環することに要する流れ抵抗の全てを，当該一台の循環ポンプによって負担しなければならず，このためには，前記循環ポンプを高い揚程にして，その吐出圧力を高くしなければならない。

しかし，前記循環ポンプの吐出圧力を高くした場合には，前記第１容器における圧力は大気圧よりも低い減圧の状態であっても，前記空調用循環管路のうち前記循環ポンプよりも下流側の部分では，当該部分における圧力が，前記高い吐出圧力のために大気圧を越えて高くなるから，この空調用循環管路のうち前記循環ポンプよりも下流側の部分，並びに，前記空調用熱交換器及び／又は前記各種の発熱機器に液漏れが発生するおそれが大きいばかり，これら空調用熱交換器及び／又は各種の発熱機器に対する入口及び出口配管の接続部分に，液漏れが発生するおそれが大きいという問題があった。

本発明は，この問題を解消した空調装置を提供することを技術的課題としている。

請求項１の発明は，一次側を流れる水から二次側を流れる水に熱交換する間接式熱交換器と，前記間接式熱交換器の一次側に水を循環させる一次側循環管路と，前記間接式熱交換器の二次側に水を循環させる二次側循環管路とを有しており，
前記二次側循環管路には空調用熱交換器を備えており，前記間接式熱交換器の二次側から出た水が前記空調用熱交換器を通って再び二次側に戻ることで空調が行われる構成であって，
前記二次側循環管路のうち前記間接式熱交換器の下流側の部位には，大気圧より低い減圧にした真空タンクが，前記二次側循環管路を流れる水が当該真空タンクに入ってから出て行くように設けられており，前記真空タンクは、当該真空タンクの空気を真空ポンプで吸引することによって常に大気圧より低い減圧状態に維持されており、かつ、前記二次側循環管路のうち前記真空タンクと空調用熱交換器との間に，水を送るポンプをその吐出圧が負圧になるように設けて，前記二次側循環管路の全体を負圧に設定している。

請求項２の発明は，請求項１において，空調箇所が建物における複数の階ごとに複数あり，これら複数階の各空調箇所ごとに前記空調用熱交換器と前記間接式熱交換器と前記二次側循環管路とを備えていて，前記各二次側循環管路には前記真空タンクとポンプとを設けている。

本願発明では，請求項１又は２の記載において，前記二次側循環管路には，前記空調箇所に配設した発熱機器に対する水が，前記空調用熱交換器と並列に接続されている，という構成にすることができる。

この場合の「発熱機器」には，コンピュータ，そのサーバー又は複写機等のような各種のオフィス機器及び照明器具が含まれるほか，その他の発熱を伴う機器が含まれる。

本願発明において，一次側循環管路の水と二次側循環管路の水とは，間接式の熱交換器においてその温度が互いに近づくように熱交換される。

そこで，前記二次側循環管路における水の温度が空調用熱交換器における熱交換にて温度が高くなると，前記一次側循環管路における水はその温度が高くなり，一次側循環管路の水がその温度を低くして間接式熱交換器に戻ることで，前記二次側循環管路における水の温度が低くなって空調用熱交換器に供給されることを繰り返すから，前記空調箇所を，その室内温度が略一定になるように空調できる。

この場合において，前記二次側循環管路が前記一次側循環管路に対して完全に分離された独立の構成であることに加えて，この二次側循環管路には，真空ポンプにて大気圧より低い減圧にした真空タンクが設けられていることにより，前記二次側循環管路の全体及び前記空調用熱交換器内における圧力を，常時，大気圧より低い減圧の状態に維持することができるから，前記空調箇所に配設した前記空調用熱交換器に液漏れが発生することを確実に回避できるとともに，前記空調用熱交換器に対する入口及び出口配管の接続部分に液漏れが発生することを確実に回避できる。

また，前記二次側循環管路及び前記空調用熱交換器内には，その圧力を減圧にしたことにより，大気空気が漏れ吸入され得るが，この漏れ吸入された空気は，前記真空タンクの真空ポンプにて逐次大気中に排出されることになるから，前記二次側循環管路の全体及び前記空調用熱交換器内における圧力を，大気空気の漏れ吸入があった場合においても，確
実に大気圧より低い減圧の状態に維持することができる。

また，請求項２によると，複数の空調箇所を，当該各空調箇所の各々に対する空調用熱交換器及び二次側循環管路に液漏れが発生することを防止した状態のもとで空調できる。

更にまた，上記したように，前記二次側循環管路に，前記空調箇所に配設した発熱機器に対する液体冷却手段を前記空調用熱交換器と並列に接続すると，前記した効果に加えて，空調と一緒に各種のオフィス機器又は照明器具等を含む発熱機器を確実に冷却することができるとともに，この発熱機器の液体冷却手段及びこれに対する入口及び出口配管の接続部分に液漏れが発生することを確実に回避できる。

本発明の第１の実施の形態を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図である。 空調用熱交換器の具体例を示す斜視図である。

以下，本発明の実施の形態を，図面について説明する。

(1).第１実施形態の構成
図１は，第１の実施の形態を示し，この第１の実施の形態は，オフィスビル１の二階における一つの空調箇所２を空調する場合である。

前記二階における一つの空調箇所２には，空調用の熱交換器４が天井等の適宜箇所に設置されているほか，液体冷却式に構成したコンピュータ等のオフィス機器５が床面に複数個設置されており，更に，前記空調箇所２には，ＬＥＤランプ等を使用した照明器具４４が天井等の適宜箇所に設置されている。

前記各オフィス機器５の各々には，冷却水ジャケット又は冷却水通路等の液体冷却手段５ａが設けられている一方，前記照明器具４４にも，冷却水ジャケット又は冷却水通路等の液体冷却手段４４ａが設けられている。

前記オフィスビル１における地下層又は一階層等のような適宜箇所には，密閉構造にした第１容器６と，同じく密閉構造にした第２容器７とが配設されており，これら両容器６，７のうちいずれか一方又は両方には，前記第１容器６及び前記第２容器７内の両方を大気圧より低い減圧にするための真空ポンプ８等の真空発生手段が接続されている。

また，図１において，符号９は，間接式の熱交換器を，符号１０は，真空タンクを各々示し，前記真空タンク１０には，当該真空タンク１０の内部を大気圧より低い減圧に保持するための真空ポンプ１１が接続されている。

前記第１容器６内に入れた水は，当該第１容器６からの管路１２を介して一次循環ポンプ１３にて汲み出されたのち，前記間接式熱交換器９における一次側９ａに供給され，次いで，この間接式熱交換器９の一次側９ａから管路１４を介して再び前記第１容器６に戻ってその上部に設けたノズル１５から噴出するという循環を行うように構成されており，これら管路１２，１４及び一次循環ポンプ１３等により一次側循環管路１６を構成している。

一方，前記間接式熱交換器９の二次側９ｂにおける水は，管路１７を介して前記真空タンク１０に入り，この真空タンク１０から二次循環ポンプ２６を備えた管路２７を介して
供給ヘッダー１８に送られ，この供給ヘッダー１８から，ポンプ１９を備えた入口管路２０を介して前記空調用熱交換器４に送られるとともに，ポンプ２１を備えた入口管路２２を介して前記各オフィス機器５における液体冷却手段５ａに送られる。

更に，前記供給ヘッダー１８に送られた水は，ポンプ２９を備えた入口管路３０を介して前記照明器具４４における液体冷却手段４４ａにも送られる。

そして，前記空調用熱交換器４における出口管路２３からの水，及び，前記各オフィス機器５の液体冷却手段５ａにおける出口管路２４からの水，並びに前記照明器具４４の液体冷却手段４４ａからの水は，管路２５を介して再び前記間接式熱交換器９の二次側９ｂに戻るという循環を行うように構成されている。

これにより，水を，前記間接式熱交換器９の二次側９ｂと前記空調用熱交換器４との間を循環するという二次側循環管路２８が構成されている一方，前記各オフィス機器５の液体冷却手段５ａ及びその入口側のポンプ２１は，前記空調用熱交換器４及びそのポンプ１９に対して並列に構成されている。

また，前記照明器具４４の液体冷却手段４４ａ及びその入口側のポンプ２９は，前記空調用熱交換器４とそのポンプ１９，及び，前記各オフィス機器５とそのポンプ２１との両方に対して並列に構成されている。

なお，前記間接式熱交換器９及び前記真空タンク１０は，図１に図示したようにオフィスビル１の二階に前記空調箇所２と隣接して設置することに限らず，オフィスビル１における三階又は一階等に設置するというように，前記空調箇所２から離れた箇所に設置することができる。

一方，前記第２容器７内の水は，ポンプ３１にて汲み出されたのち，放吸熱用熱交換器３２の一次側３２ａに送られ，この一次側３２ａから管路３３を介して再び前記第２容器７に戻ってその上部のノズル３４から噴出する，という循環を行うように構成されている。

前記オフィスビル１の外側等の適宜箇所には，フアン３６による強制通風に構成した通風塔３５が設置され，その底に溜まる水はポンプ３６にて前記放吸熱用熱交換器３２における二次側３２ｂに送られ，この二次側３２ｂから管路３７を介して再び前記通風塔３５に戻ってその上部のノズル３８から噴出する，という循環を行うように構成されており，これらにより，前記第２容器７と前記放吸熱用熱交換器３２との間を循環する水は，大気空気との間で熱交換を行うという構成になっている。

なお，前記第１容器６と前記第２容器７の相互間は，水が往来するように，底部における連通路３９を介して接続されている。

また，前記第１容器６の上部と前記第２容器７の上部は蒸気ダクト４０を介して接続されており，この蒸気ダクト４０の途中にルーツ式圧縮機等の蒸気圧縮機４１が設けられ，この蒸気圧縮機４１は，前記第１容器６における蒸気を第２容器７の方向に圧縮するように回転駆動されている。

前記蒸気ダクト４０には，前記蒸気圧縮機４１の上流側と下流側とを接続するバイパス通路４２が設けられ，このバイパス通路４２に，開閉式のバイパス弁４３が設けられている。

そして，大気温度が前記空調箇所２において要求される所定温度（以下，単に空調箇所の所定温度と称する）よりも高いときには前記バイパス弁４３を閉じて，前記蒸気圧縮機４１を回転駆動しているが，大気温度が空調箇所２の所定温度よりも低いときには，前記蒸気圧縮機４１を回転駆動を停止して前記バイパス弁４３を開くというように，「フリークーリング」にするという構成にしている。

(2).第１実施形態のまとめ
この構成において，夏期等において，前記第２容器７の温度が第１容器６側の温度よりも高い場合，つまり，大気空気の温度が，前記空調箇所２の所定温度（例えば，２５〜２８℃）よりも高い場合，前記蒸気圧縮機４１が，前記第１容器６から前記第２容器７の方向に蒸気圧縮を行うように回転駆動されることにより，前記第１容器６の水は，フラッシュ蒸発にて所定温度に冷却されたのち間接式の熱交換器９の一次側９ａを経て，再び前記第１容器６に戻ってフラッシュ蒸発することを繰り返す一方，前記第１容器６内でのフラッシュ蒸発にて発生した蒸気は前記蒸気圧縮機４１にて圧縮されたのち前記第２容器７に至り，ここで水にて凝縮され，この蒸気凝縮にて温度が高くなった水は放吸熱用熱交換器３２に送られて，ここで大気空気との通風塔３５を介しての熱交換にて冷却されたのち再び前記第２容器７に戻って凝縮することを繰り返す。

この場合，前記間接式熱交換器９の二次側９ｂと前記空調用熱交換器４，及び前記各オフィス機器５の液体冷却手段５ａ，並びに前記照明器具４４の液体冷却手段４４ａとには，二次側循環管路２８を介して水が循環するが，この循環する水は，前記間接式熱交換器９での熱交換にて前記第１容器６の水に近い温度になるから，前記空調箇所２を前記所定温度になるように空調することができるとともに，前記各オフィス機器５及び前記照明器具４４を同時に冷却できる。

前記照明器具４４を冷却するに際して，この照明器具４４がＬＥＤランプを使用したものである場合には，前記した冷却によって，前記ＬＥＤランプの耐久性及び発光性能の向上を図ることができる。

なお，前記蒸気圧縮機４１は，その回転数を，大気温度が前記空調箇所２の所定温度に近づくように下がり、空調負荷が下がることに追従して次第に減速するように，インバータにて制御するという構成にしても良い。

次に，冬季等において，大気空気の温度が前記空調箇所２の所定温度（例えば，２５〜２８℃）よりも低い場合には，前記蒸気圧縮機４１の回転駆動を停止することにより，省エネルギーが図られる。

その一方で，前記バイパス弁４３が開くことにより，前記第１容器６において発生した蒸気を，前記バイパス通路４２を通って第２容器８側に導くことができ，前記第１容器６ａにおけるフラッシュ蒸発が，前記蒸気圧縮機４１の停止によって途絶えることを確実に防止でき，ひいては，前記第１容器６におけるフラッシュ蒸発による水の冷却を続行できるから，前記空調箇所２の空調，前記各オフィス機器５及び前記照明器具４４の冷却を継続できる。

そして，前記二次側循環管路２８と前記一次側循環管路１６とは，その各々における水が前記間接式熱交換器９において互いに熱交換するだけであり，両者が完全に分離された独立の構成であることに加えて，前記二次側循環管路２８に，真空ポンプ１１にて大気圧より低い減圧に保持されている真空タンク１０が設けられていることにより，前記二次側循環管路２８の全体の圧力，及び，前記空調用熱交換器４及び前記各オフィス機器５の液体冷却手段５ａ内の圧力を，常時，大気圧より低い減圧の状態に維持することができる。

これにより，前記空調用熱交換器４及び前記各オフィス機器５の液体冷却手段５ａ並びに前記照明器具４４の液体冷却手段４４ａに液漏れが発生することを確実に回避できるとともに，前記空調用熱交換器４及び各オフィス機器５の液体冷却手段５ａ並びに照明器具４４の液体冷却手段４４ａに対する入口及び出口配管の接続部分に，液漏れが発生することを確実に回避できる。

また，前記した実施の形態において，前記放吸熱用熱交換器３２は，大気空気との間で熱交換する場合であったが，本発明は，これに限らず，前記放吸熱用熱交換器３２を，地下水，又は各種の工業用廃水，或いは海水との間で熱交換するものに構成するか，地熱との間で熱交換するものに構成できる。

或いは，前記放吸熱用熱交換器３２を前記通風塔３５の内部に設けて，この放吸熱用熱交換器３５と前記第２容器７との間を循環する水を，前記通風塔３５において大気と熱交換するように構成することができる。

(3).他の実施形態
図２では第２の実施の形態を示す。

この第２の実施の形態は，前記オフィスビル１における二階の空調箇所２に適用することに加えて，三階の空調箇所３にも適用した場合である。

すなわち，前記三階の空調箇所３には，前記二階の空調箇所２と同様に，空調用熱交換器４′，各オフィス機器５′及び照明器具４４′が配設されていることに加えて，この空調箇所３に対する間接式熱交換器９′及び二次側循環管路２８′を備え，更に，前記第１容器６の水を，一次側循環管路１６′により，前記間接式熱交換器９′との間を循環するように構成したものであり，その他は，前記二階の空調箇所２の場合と同様に構成している（なお，前記二階の空調箇所２と同じ構成部分については，その符号の後にダッシュを付している。）。

なお，この場合においても，前記間接式熱交換器９′及び前記真空タンク１０′は，図２に図示したようにオフィスビル１の三階に前記空調箇所３と隣接して設置することに限らず，オフィスビル１の二階又は一階等に設置するというように，前記空調箇所３から離れた箇所に設置することができる。

この第２の実施の形態によると，三階の空調箇所３を，前記二階における空調箇所２の場合と同様に，液漏れを生じることなく空調できるとともに，三階の空調箇所３における各オフィス機器５′及び照明器具４４′の液体冷却手段４４ａを，これらに液漏れを生じることなく冷却できる。

同様にして，四階以上に多層階とか，或いは，複数の空調箇所に対しても適用できることはいうまでもない。つまり，一つの第１容器６，第２容器７及び放吸熱用熱交換器３２を使用して，複数の空調箇所の空調と，この複数の空調箇所における発熱機器の冷却とを行うことができる。

図３では，前記空調箇所２，３に配設される空調用熱交換器４″の一つの具体例を示している。

この具体例としての空調用熱交換器４″は，前記空調箇所２，３の天井面又は壁面に沿って並べて配設した複数枚のアルミ等の金属製輻射パネル４ａ″と，この各輻射パネル４
ａ″の各々に設けた流体通路４ｂ″から成り，前記各輻射パネル４ａ″における流体通路４ｂ″内に水を流して前記各輻射パネル４ａ′を冷やすことにより，前記空調箇所２，３を熱輻射にて冷房するものである。

この構成の空調用熱交換器４″の下面に，前記したようにＬＥＤランプ等を使用した照明器具４４を取付けることができる。この場合，前記照明器具４４は，前記輻射パネル４ａ″との間の熱伝達にて冷却できるほか，図１及び図２に示したように，輻射パネル４ａ″とは別個に冷却できる。

１ オフィスビル
２，３ 空調箇所
４，４′ 空調用熱交換器
５，５′ オフィス機器
５ａ，５ａ′ オフィス機器の液体冷却手段
４４，４４′ 照明器具
４４ａ，４４ａ′ 照明器具の液体冷却手段
６ 第１容器
７ 第２容器
８ 真空ポンプ（真空発生手段）
９，９′ 間接式熱交換器
９ａ，９ａ′ 間接式熱交換器の一次側
９ｂ，９ｂ′ 間接式熱交換器の二次側
１０，１０′ 真空タンク
１１，１１′ 真空ポンプ
１６，１６′ 一次側循環管路
１９，２１，２６，２９ ポンプ
２８，２８′ 二次側循環管路
３２ 放吸熱用熱交換器
３９ 蒸気ダクト
４０ 蒸気圧縮機

Claims (2)

1. 一次側を流れる水から二次側を流れる水に熱交換する間接式熱交換器と，前記間接式熱交換器の一次側に水を循環させる一次側循環管路と，前記間接式熱交換器の二次側に水を循環させる二次側循環管路とを有しており，
   前記二次側循環管路には空調用熱交換器を備えており，前記間接式熱交換器の二次側から出た水が前記空調用熱交換器を通って再び二次側に戻ることで空調が行われる構成であって，
   前記二次側循環管路のうち前記間接式熱交換器の下流側の部位には，大気圧より低い減圧にした真空タンクが，前記二次側循環管路を流れる水が当該真空タンクに入ってから出て行くように設けられており，前記真空タンクは、当該真空タンクの空気を真空ポンプで吸引することによって常に大気圧より低い減圧状態に維持されており、かつ、前記二次側循環管路のうち前記真空タンクと空調用熱交換器との間に，水を送るポンプをその吐出圧が負圧になるように設けて，前記二次側循環管路の全体を負圧に設定している，
   空調装置。
2. 空調箇所が建物における複数の階ごとに複数あり，これら複数階の各空調箇所ごとに前記空調用熱交換器と前記間接式熱交換器と前記二次側循環管路とを備えていて，前記各二次側循環管路には前記真空タンクとポンプとを設けている，
   請求項１に記載した空調装置。

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