JP5627035B2 - 蒸発式空調装置 - Google Patents

Description

本発明は，水の蒸発及び凝縮を利用した蒸発式の空調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，
「密閉した第１容器及び第２容器と，間接式の冷暖房用熱交換器と，間接式の放吸熱用熱交換器と，前記第１容器及び第２容器内を大気圧よりも低い減圧にする手段とから成り，水等のような蒸発性液体を前記第１容器と前記冷暖房用熱交換器との間を循環する第１循環手段と，同じく水等のような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第２循環手段とを備え，更に，前記第１容器内と前記第２容器内とを接続する蒸気ダクト中に，正逆回転可能なルーツ式圧縮機を設けて成る蒸発式空調装置。」
が記載されている。

この先行技術の蒸発式空調装置においては，冷房の場合には，前記ルーツ式圧縮機は，前記第１容器内で発生した蒸気を吸引して圧縮するように回転する。

これにより，前記第１容器内は前記ルーツ式圧縮機による吸引にて減圧度が高くなり，この第１容器内の蒸発性液体が，減圧状態で沸騰蒸発することで冷却されて前記冷暖房用熱交換器に送られたのち再び前記第１容器内に戻るという循環をすることで，冷房（吸熱）が行われる。

一方，前記ルーツ式圧縮機にて圧縮された蒸気は前記第２容器内に入り，ここで，当該第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間を循環する蒸発性液体にて冷やされて凝縮し，この蒸気の凝縮にて温度が高くなった蒸発性液体は，この第２容器内から前記放吸熱用熱交換器に送られたのち再び前記第２容器内に戻るという循環をして放熱される。

また，暖房の場合には，前記ルーツ式圧縮機を，前記第２容器内で発生した蒸気を吸引して圧縮するように逆方向に回転させる。

すると，今度は，前記第２容器内がルーツ式圧縮機の逆回転による吸引にて減圧度が高くなり，この第２容器内の蒸発性液体は減圧状態で沸騰蒸発し，ここに発生した蒸気は，前記ルーツ式圧縮機にて圧縮されたのち前記第１容器内に入り，ここで当該第１容器と前記冷暖房用熱交換器との間を循環する蒸発性液体にて冷やされて凝縮し，この蒸気の凝縮にて温度が高くなった蒸発性液体は，この第１容器内から前記冷暖房用熱交換器に送られたのち再び前記第１容器内に戻るという循環をして，暖房（放熱）が行われる。

一方，前記第２容器内において沸騰蒸発にて温度が下がった蒸発性液体は，この第２容器内から前記放吸熱用熱交換器に送られたのち再び前記第２容器内に戻るという循環をすることで，前記放吸熱箇所で吸熱を行う。

特開２００６−９７９８９号公報

ところで，前記先行技術の蒸発式空調装置において使用されているルーツ式圧縮機は，正逆回転可能であるから冷房及び暖房の両方を行うことができることに加えて，蒸気の圧縮比を，遠心式圧縮機を使用して蒸気の圧縮を行う場合よりも大幅に高くできるから，前記第１容器と第２容器との間の温度差を大きくできるという利点を有する。

しかし，その反面，このルーツ式圧縮機は，従来から良く知られているように，小判形断面のケーシング内に，繭型断面にした二つのロータを互いに位相をずらせて並列配設し，この二つのロータを互いに逆方向に回転させるという構成であって，その圧縮比を高くすると，これに応じて圧縮後の蒸気の過熱度が高くなってその温度が上昇することにより，前記ケーシング内で回転する両ロータが熱膨張し，この熱膨張により，両ロータの相互間，及び両ロータとケーシングの内面とが直接に摩擦することになるから，その部分における摩耗が増大して，駆動動力の損失の増大，ひいては，焼付きが発生することになる。

このために，前記ルーツ式圧縮機における圧縮比の上限には，前記両ロータの相互間，及び両ロータとケーシングの内面との直接的な摩擦を回避しなければならないことに起因して限界値が存在し，圧縮比をこの限界値以上に高くすることができないのであった。

本発明は，ルーツ式圧縮機を備えた蒸発式空調装置において，そのルーツ式圧縮機における圧縮比の上限値を，冷房及び暖房のうちいずれか一方又は両方における能力の低下を招来することなく，一層高くできるようにすることを技術的課題とするものである。

請求項１の発明に係る蒸発式空調装置は，減圧状態に保持された密閉式の第１容器及び第２容器と，間接式の空調用熱交換器と，間接式の放吸熱用熱交換器と，水を前記第１容器と前記冷暖房用熱交換器との間に循環させる第１循環管路と，同じく水を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間に循環させる第２循環管路とを備え，
前記第１容器内と前記第２容器内とはルーツ式圧縮機を備えた蒸気ダクト中で接続されており，前記ルーツ式圧縮機により，蒸気が前記第１容器から第２容器に又は前記第２容器から第１容器に送られるようになっており，更に，前記第１容器と第２容器とは水が互いに往来できるように連通管路で接続されており，このため，水が閉じた経路内を循環している。

そして，前記ルーツ式圧縮機は，ケーシングとその内部に回転自在に並列配置された２本のロータとを有しており，前記ケーシングの内部は前記ロータの回転軸心方向から見てロータの並び方向に長い小判形になっており，前記両ロータの軸線方向から見て，前記ケーシングのうち前記ロータの並び線を挟んだ両側でかつ両ロータの軸心の間の部位に，内外に開口した吸排口が形成されており，同じく前記両ロータの軸線方向から見て，前記ケーシングのうち前記ロータの回転軸心を挟んでケーシングの中心と反対側に位置した円弧状の箇所でかつ前記ケーシングの中心から最も遠い部分に，前記ケーシング内に閉じた経路内の水が注入される注入口を内外に開口するように形成している。

本願発明は請求項２の構成も含んでいる。請求項２の発明は，請求項１において，前記注入口は前記第１循環管路と第２循環管路とにバルブを介して接続されている一方，前記ルーツ式圧縮機の両ロータは正逆回転自在であり，前記ルーツ式圧縮機にて蒸気が前記第１容器から吸引されているときには前記注入口には第２循環管路から水が注入されて，前記ルーツ式圧縮機にて蒸気が前記第２容器から吸引されているときには前記注入口には第１循環管路から水が注入される。

請求項１の記載によると，ルーツ式圧縮機のケーシング内に注入口から水が導入されることにより，この水にて二つのロータを冷却できて，両ロータの熱膨張を抑制することができるとともに，前記ケーシング内に導入した水にて，両ロータの相互間及び両ロータとケーシングの内面との間における確実なシーリング及び潤滑を図ることができるから，前記ルーツ式圧縮機の圧縮比をより高くすることができて，装置全体の小型化と高能力化とを達成できる。

ところで，前記ルーツ式圧縮機のケーシング内における両ロータの温度上昇は，例えば，特開平９−２３６０９３号公報に記載されているように，前記ルーツ式圧縮機における吸い込み側に，水を噴霧注入することによって防止することができる。

しかし，この構成によると，ルーツ式圧縮機への吸い込み側に噴霧注入した水は，その多くがケーシング内に入るまでの間に気化（ガス化）して大きく体積膨張することになる。そして，噴霧注入水が大きく体積膨張することに起因して，前記ルーツ式圧縮機に吸い込まれる蒸気も体積膨張することにより，前記ケーシング内に両ロータの回転にて吸い込まれて圧縮される実際の蒸気量は，前記噴霧注入水が大きく体積膨張する分だけ少なくなるから，冷房能力又は暖房能力の低下を招来することになる。

これに対し，前記請求項２に記載したように，ルーツ式圧縮機におけるケーシング内に，第１容器側における水の一部，又は第２容器側における水の一部を注入することにより，前記ケーシング内に注入した水の大部分は，気化（ガス化）することなく，液体の状態のままで冷却及びシーリング並びに潤滑に供することができるから，前記ルーツ式圧縮機において圧縮される実際の蒸気量が減少すること，ひいては，冷房能力又は暖房能力が低下することを回避できる。

この場合において，前記注入口を，実施形態のようにケーシングのうち軸線方向に沿った複数箇所に設けると，軸線方向の各所について的確な冷却及びシーリング並びに潤滑を，少ない量の水の注入によって達成できる。

さて，前記ルーツ式圧縮機を，冷房運転に際して第１容器内の蒸気を吸引・圧縮するように回転するときには，第１容器が温度の低い蒸発側で第２容器が温度の高い凝縮側であるから，前記冷房運転の際に，前記ルーツ式圧縮機のケーシング内に第１容器側における温度の低い水を注入することは，熱量のロスを招来する。

そこで，請求項２に記載した構成したように，冷房運転の際には，前記ルーツ式圧縮機のケーシング内に第２容器の凝縮側において温度が高くなった水を注入することにより，前記ケーシング内への注入による熱量のロスを低減できて，熱効率の向上を達成できる。

第１の実施の形態を示す図である。 図１のII−II視断面図である。 第２の実施の形態を示す図である。 第３の実施の形態を示す図である。

以下，本発明の実施の形態を図面について説明する。

図１及び図２は，第１の実施の形態を示す。

図１及び図２において，符号１は密閉構造にした第１容器を，符号２は同じく密閉構造
にした第２容器を各々示し，これら両容器１，２のうちいずれか一方又は両方には，当該両容器１，２内を大気圧より低い減圧にするための真空ポンプ３等の真空発生装置が接続されており，また，前記両容器１，２の相互間は，その各々に入れた水が互いに往来するように連通管路４にて接続されている。

符号５は間接熱交換型の冷暖房用熱交換器を示し，この冷暖房用熱交換器５と前記第１容器１との間を，循環ポンプ６を備えた第１循環管路７を介して接続することにより，前記第１容器１内における水を前記冷暖房用熱交換器４に送り，次いで，この冷暖房用熱交換器４から前記第１容器内の上部に設けたノズル８に送り，このノズル８から第１容器１内に噴出するように戻すという循環を行う構成にしている。

この場合，前記冷暖房用熱交換器５は，室内等のような冷暖房箇所９に，当該冷暖房箇所９における空気と間接的に熱交換するように設置されている。

次に，符号１０は間接熱交換型の放吸熱用熱交換器を示し，この放吸熱用熱交換器１０と前記第２容器２との間を循環ポンプ１１を備えた第２循環管路１２で接続することにより，前記第２容器２内における水を前記放吸熱用熱交換器１０に送り，次いで，この放吸熱用熱交換器１０から前記第２容器２内の上部に設けたノズル１３に送り，このノズル１３から第２容器２内に噴出するように戻す，という循環が行われる構成にしている。

この場合，前記放吸熱用熱交換器１０は放吸熱用容器１４内に設けられており，地面に掘削した汲み上げ用井戸１５よりポンプ１５′にて汲み上げた地下水を，前記放吸熱用容器１４内に供給したのち放吸熱用容器１４から排出して，同じく地面に掘削した還元用井戸１６を介して地中に戻すように構成している。

そして，前記第１容器１の上部と前記第２容器２の上部との間は蒸気ダクト１７を介して接続され，この蒸気ダクト１７には，図示しない伝動モータ又は内燃機関等の動力源にて回転駆動されるルーツ式圧縮機１８が設けられている。

このルーツ式圧縮機１８は，従来から良く知られているように，楕円形（小判形）断面のケーシング１８ａ内に，繭型断面にした二つのロータ１８ｂ，１８ｃを互いに位相をずらせて並列配設し，この二つのロータ１８ｂ，１８ｃを互いに逆方向に回転させるという構成であり，前記ケーシング１８ａには，当該ケーシング１８ａ内に開口するように構成した注入口１９が，図２に示すように，軸線方向に沿った複数箇所に設けられている。
ケーシング１８ａは二つのロータ１８ｂ，１８ｃの並び方向に長い小判形であるが，両ロータ１８ｂ，１８ｃの軸心方向から見て，両ロータ１８ｂ，１８ｃの並び線を挟んだ両側に吸排口１８ｄが形成されて，ロータ１８ｃの軸心を挟んでケーシング１８ａの中心と反対側の円弧状の箇所でかつケーシング１８ａの中心から最も遠い部分に注入口１９が形成されている。

前記各注入口１９には，前記第１循環管路７から分岐した第１冷却用管路２０が第１バルブ２１を介して接続されているとともに，前記第２循環管路１２から分岐した第２冷却用管路２２が第２バルブ２３を介して接続されている。

この構成において，冷房を行う場合には，前記ルーツ式圧縮機１８を，図１に実線矢印Ａで示すように，前記第１容器１内で発生した蒸気を吸引して圧縮する方向に回転駆動する。

これにより，前記第１容器１内は前記ルーツ式圧縮機１８による吸引にて減圧度が高くなり，この第１容器１内の水は，減圧状態で沸騰蒸発することで冷却されて前記冷暖房用
熱交換器５に送られ，ここで温度上昇したのち再び前記第１容器１内に戻るというように，第１容器１と冷暖房用熱交換器５との間を第１循環管路７を介して循環するから，冷暖房箇所９を冷房する。

一方，前記ルーツ式圧縮機１８にて圧縮された蒸気は前記第２容器２内に入り，ここで，当該第２容器２と前記放吸熱用熱交換器１０との間を循環する水にて冷やされて凝縮し，この蒸気の凝縮にて温度が高くなった水は，この第２容器２内から前記放吸熱用熱交換器１０に送られたのち再び前記第２容器２内に戻るというように，第２容器２と放吸熱用熱交換器１０との間を第２循環管路１２を介して循環するのであり，これにより，放吸熱用容器１４において地下水への放熱を行う。

この冷房に際しては，前記第２循環管路１２から分岐した第２冷却用管路２２の第２バルブ２３のみを開くことにより，前記第２容器２において蒸気の凝縮で温度が高くなった水の一部が，前記ルーツ式圧縮機１８におけるケーシング１８ａ内に各注入口１９より導入されるから，この水にて，前記ケーシング１８ａ内において回転する二つロータ１８ｂ，１８ｃを冷却できて，両ロータ１８ｂ，１８ｃの熱膨張を抑制することができ，しかも，両ロータ１８ｂ，１８ｃの相互間及び両ロータ１８ｂ，１８ｃとケーシング１８ａの内面との間を，軸線方向の各所についてシーリングできるとともに，潤滑することができる。

なお，前記冷房の場合においては，前記ケーシング１８ａの各注入口１９に前記第２容器２内の水の一部を直接に導く構成にしても良い。

このように，冷房の場合においては，前記したように，前記ケーシング１８ａの各注入口１９に第２容器２側における温度の高い水を導入することにより，この分だけ熱量のロスを低減できる。

次に，暖房を行う場合には，前記ルーツ式圧縮機１８を，図１に点線矢印Ｂで示すように，前記第２容器２内で発生した蒸気を吸引して圧縮するように逆方向に回転させる。

これにより，今度は，前記第２容器２内がルーツ式圧縮機１８の逆回転による吸引にて減圧度が高くなり，この第２容器２内の水は減圧状態で沸騰蒸発し，ここに発生した蒸気は，前記ルーツ式圧縮機１８にて圧縮されたのち前記第１容器１内に入り，ここで当該第１容器１と前記冷暖房用熱交換器５との間を循環する水にて冷やされて凝縮し，この蒸気の凝縮にて温度が高くなった水は，この第１容器１内から前記冷暖房用熱交換器５に送られたのち再び前記第１容器内に戻るという循環をするから，前記冷暖房箇所９を暖房する。

一方，前記第２容器２内において沸騰蒸発にて温度が下がった水は，この第２容器２内から前記放吸熱用熱交換器１０に送られたのち再び前記第２容器２内に戻るというように，第２容器２と放吸熱用熱交換器１０との間を第２循環管路１２を介して循環することにより，放吸熱用容器１４において地下水からの吸熱を受ける。

この暖房に際しては，前記第１循環管路７から分岐した第１冷却用管路２０の第１バルブ２１のみを開くことにより，前記第１容器１において蒸気の凝縮で温度が高くなった水の一部が，前記ルーツ式圧縮機１８におけるケーシング１８ａ内に各注入口１９より導入されるから，この水にて，前記ケーシング１８ａ内において回転する二つロータ１８ｂ，１８ｃを冷却できて，両ロータ１８ｂ，１８ｃの熱膨張を抑制することができ，しかも，両ロータ１８ｂ，１８ｃの相互間及び両ロータ１８ｂ，１８ｃとケーシング１８ａの内面との間を，軸線方向の各所についてシーリングできるとともに，潤滑することができる。

なお，前記暖房の場合においては，前記ケーシング１８ａの各注入口１９に，前記第１容器１内における水の一部を直接に導くという構成にしても良い。

また，前記暖房の場合においては，前記したように，前記ケーシング１８ａの各注入口１９に，第１容器１側における温度の高い水を導入することにより，熱量のロスを低減できる。

しかし，前記暖房の際に，第２容器２側における温度の低い水を導入する場合における熱量のロスは，冷房の際に第１容器１側における温度の低い水を導入することによる熱量のロスよりも遥かに少ないので，前記暖房の際には，第１容器１側における水を導入することに代えて，第２容器２側における水を導入するか，或いは，第１容器１側における水及び第２容器２側における水の両方を導入するという構成にすることができる。

前記した実施の形態は，冷房に際しての放熱と暖房に際しての吸熱に地下水を利用した場合であったが，本発明は，これに限らず，地下水に代えて他の工業用水を使用することができるほか，以下の図３に示す第２の実施の形態にするか，或いは，図４に示す第３の実施の形態に構成することにより，冷房に際しての放熱及び暖房に際しての吸熱に大気空気を利用することができる。

すなわち，図３は，前記第２循環管路１０における放吸熱用熱交換器１０を内蔵する放吸熱用容器１４に，フアン２４による強制通風の通風塔２５内の底に溜まる水をポンプ２６にて供給し，この放吸熱用容器１４から排出される水を，前記通風塔２５内に設けたラシヒリング等の充填層２７に対して散布して，大気空気と接触させるという循環を行うように構成したものである。

また，図４は，前記第２循環管路１０における放吸熱用熱交換器１０を，フアン２８による強制通風の通風塔２９内に配設し，この通風塔２９内の底に溜まる水をポンプ３０にて汲み出して，前記放吸熱用熱交換器１０に対してノズル３１にて散布するという循環を行うように構成したものである。

これら図３及び図４の構成によると，大気空気を利用して冷房時における放熱と暖房時における吸熱とを行うことができる。

１ 第１容器
２ 第２容器
３ 真空ポンプ
４ 連通管路
５ 冷暖房用熱交換器
７ 第１循環管路
９ 冷暖房箇所
１０ 放吸熱用熱交換器
１２ 第２循環管路
１７ 蒸気ダクト
１８ ルーツ式圧縮機
１８ａ ルーツ式圧縮機のケーシング
１８ｂ，１８ｃ ルーツ式圧縮機のロータ
１８ｄ 吸排口
１９ 注入口
２０，２２ 冷却用管路
２１，２３ バルブ

Claims (2)

1. 減圧状態に保持された密閉式の第１容器及び第２容器と，間接式の空調用熱交換器と，間接式の放吸熱用熱交換器と，水を前記第１容器と前記冷暖房用熱交換器との間に循環させる第１循環管路と，同じく水を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間に循環させる第２循環管路とを備え，
   前記第１容器内と前記第２容器内とはルーツ式圧縮機を備えた蒸気ダクト中で接続されており，前記ルーツ式圧縮機により，蒸気が前記第１容器から第２容器に又は前記第２容器から第１容器に送られるようになっており，更に，前記第１容器と第２容器とは水が互いに往来できるように連通管路で接続されており，このため，水が閉じた経路内を循環している構成であって，
   前記ルーツ式圧縮機は，ケーシングとその内部に回転自在に並列配置された２本のロータとを有しており，前記ケーシングの内部は前記ロータの回転軸心方向から見てロータの並び方向に長い小判形になっており，前記両ロータの軸線方向から見て，前記ケーシングのうち前記ロータの並び線を挟んだ両側でかつ両ロータの軸心の間の部位に，内外に開口した吸排口が形成されており，同じく前記両ロータの軸線方向から見て，前記ケーシングのうち前記ロータの回転軸心を挟んでケーシングの中心と反対側に位置した円弧状の箇所でかつ前記ケーシングの中心から最も遠い部分に，前記ケーシング内に閉じた経路内の水が注入される注入口を内外に開口するように形成している，
   蒸発式空調装置。
2. 前記注入口は前記第１循環管路と第２循環管路とにバルブを介して接続されている一方，前記ルーツ式圧縮機の両ロータは正逆回転自在であり，前記ルーツ式圧縮機にて蒸気が前記第１容器から吸引されているときには前記注入口には第２循環管路から水が注入されて，前記ルーツ式圧縮機にて蒸気が前記第２容器から吸引されているときには前記注入口には第１循環管路から水が注入される，
   請求項１に記載した蒸発式空調装置。

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