JP5869955B2 - 輻射式空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は輻射式空気調和機に関する。

家屋用のヒートポンプ式空気調和機で、室外機と室内機に分かれたいわゆるセパレート型の空気調和機では、室外機に熱交換器とファンが設けられるとともに、室内機にも熱交換器とファンが設けられるのが通常の構造である。これに対し、同じセパレート型の空気調和機であっても、室内機の熱交換器を輻射パネルとして構成し、ファンを用いることなく、熱の輻射により室内の冷房または暖房を行うタイプのものも存在する。その例を特許文献１に見ることができる。

特許文献１に記載された空気調和機は建屋の天井に配設される輻射パネルを備える。輻射パネルの内部には冷媒配管が蛇行状に配置されている。冷房運転時には輻射パネルで吸熱がなされて輻射式冷房が行われる。暖房運転時には輻射パネルで放熱がなされて輻射式暖房が行われる。輻射式冷暖房は室内ファンによる空気の攪拌や騒音と無縁であり、静粛で快適な冷暖房を行うことができる。

特開平１０−２０５８０２号公報

空気調和機一般に言えることであるが、圧縮機の運転中、圧縮機の吐出側では冷媒圧力が高く、圧縮機の吸入側では冷媒圧力が低い。圧縮機の運転を停止すると冷凍サイクル内の圧力が均衡しようとし、圧力の高い箇所から圧力の低い箇所へと冷媒が移動する。輻射式空気調和機においては、例えば冷房運転中に圧縮機が停止すると、輻射パネルから低温の冷媒が抜け、高温の冷媒が流れ込んで輻射パネルの温度が上昇するので、冷やした室内空気が暖まってしまう。暖房運転中に圧縮機が停止すると、輻射パネルから高温の冷媒が抜けて輻射パネルの温度が下がり、温めた室内空気が冷えてしまう。

本発明は上記を鑑みなされたものであり、輻射式空気調和機において、冷暖房運転において圧縮機を停止させる際、冷暖房効果をできるだけ持続させることを目的とする。

本発明に係る輻射式空気調和機は、室内に配置される輻射パネルと、室外側熱交換器と、前記輻射パネル及び前記室外側熱交換器に冷媒配管を通じて冷媒を循環させる圧縮機とを備え、前記輻射パネルに接続される前記冷媒配管に対し弁が配置され、当該空気調和機の制御部は、稼働中であった前記圧縮機を停止状態とするとき、前記弁を開度小の状態とすることを特徴としている。

上記構成の輻射式空気調和機において、前記輻射パネルに対し冷媒流入側となる前記冷媒配管と前記輻射パネルに対し冷媒流出側となる前記冷媒配管の両方に前記弁が配置されることが好ましい。

上記構成の輻射式空気調和機において、前記弁が膨張弁であることが好ましい。

上記構成の輻射式空気調和機において、前記開度小の状態とは、全閉であることが好ましい。

本発明によると、稼働中であった圧縮機を停止状態とするとき、冷媒配管中の弁が開度小の状態とされるから、輻射パネル内の冷媒は容易には移動せず、輻射パネルの温度が急激に変化することはない。このため、輻射パネルがもたらしていた冷暖房効果を持続させることができる。

本発明に係る輻射式空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。 本発明に係る輻射式空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。 輻射パネルの第１実施形態を示す概略構成図である。 輻射パネルの第２実施形態を示す概略構成図である。 放熱部の第１実施形態を示す断面図である。 放熱部の第２実施形態を示す断面図である。 輻射式空気調和機の制御ブロック図である。

図１に基づき輻射式空気調和機１の概略構成を説明する。輻射式空気調和機は室外機１０と輻射パネル３０により構成される。輻射パネル３０は室内に配置されるものであり、通常のセパレート型空気調和機の室内機に相当する。

室外機１０は、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される筐体１１の内部に、圧縮機１２、四方弁１３、室外側熱交換器１４、膨張弁１５、室外側送風機１６などを収納している。膨張弁１５には開度制御の可能なものが用いられる。

室外機１０は２本の冷媒配管１７、１８で輻射パネル３０に接続される。冷媒配管１７は液体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１８に比較して細い管が用いられている。そのため冷媒配管１７は「液管」「細管」などと称されることがある。冷媒配管１８は気体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１７に比較して太い管が用いられている。そのため冷媒配管１８は「ガス管」「太管」などと称されることがある。冷媒には例えばＨＦＣ系のＲ４１０ａやＲ３２等が用いられる。

室外機１０の内部の冷媒配管で、冷媒配管１７に接続される冷媒配管には二方弁１９が設けられ、冷媒配管１８に接続される冷媒配管には三方弁２０が設けられる。二方弁１９と三方弁２０は、室外機１０から冷媒配管１７、１８が取り外されるときに閉じられ、室外機１０から外部に冷媒が漏れることを防ぐ。室外機１０から、あるいは輻射パネル３０を含めた冷凍サイクル全体から、冷媒を放出する必要があるときは、三方弁２０を通じて放出が行われる。また三方弁２５と四方弁１３の間の冷媒配管には電磁弁２５が設けられている。

輻射パネル３０は室内の壁際に立設されることが多く、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される正面形状矩形の筐体３１の内部に複数の放熱部３２が配置されている。簡潔さを尊び「放熱部」と命名したが、この部品は暖房運転時に周囲の空気に対し放熱を行うだけでなく、冷房運転時に周囲の空気から吸熱を行うものでもある。

放熱部３２は筒状の部品であり、垂直に配置される。図５、６に示すように、中心の冷媒管３３を放熱フィン３４が取り囲む、というのが放熱部３２の基本的な構成である。冷媒管３３と放熱フィン３４は銅やアルミニウムのような熱伝導の良い金属で形成され、互いに密着する。なお、ここで言う「垂直」とは厳密な垂直方向に限られない。多少の傾きを含む垂直方向であってもよい。

図５の放熱フィン３４も図６の放熱フィン３４も複数のフィンが放射状に展開する水平断面形状を有している。図５の放熱フィン３４は軸線方向に沿って二つ割りにされた部品として形成され、冷媒管３３を前後から挟み込んでいる。図６の放熱フィン３４は単一の部品であり、中心の、車輪で言えばハブに相当する部分に冷媒管３３が挿入されている。言うまでもないが、図５、６に示す放熱部３２の構造は単なる例示であり、異なる断面形状の放熱フィン３４を用いることもできるし、冷媒管３３と放熱フィン３４を異なる様式で組み合わせることも可能である。

筐体３１の内部に複数（図においては７本）の放熱部３２が互いに並行するように配置される。筐体３１の前面には放熱部３２を露出させる開口部３５が設けられている。複数の放熱部３２は全て冷媒配管１７、１８に接続される。図３に示す接続構成例では全ての放熱部３２が冷媒配管１７、１８に並列接続される。図４に示す接続構成例では全ての放熱部３２を直列接続したものが冷媒配管１７、１８に接続されている。

複数の放熱部３２を接続するのに、図３、４に示した方式以外の方式を採用することもできる。例えば、複数の放熱部３２を所定本数ずつグループ分けし、同一グループに属する放熱部３２は互いに並列接続し、グループ同士を直列接続するといった方式も可能である。あるいは、複数の放熱部３２を所定本数ずつグループ分けし、同一グループに属する放熱部３２は直列接続し、グループ同士を並列接続するといった方式も可能である。

輻射式空気調和機１の運転制御を行う上で、各所の温度を知ることが不可欠である。この目的のため、室外機１０と輻射パネル３０に温度検出器が配置される。室外機１０においては、室外側熱交換器１４に温度検出器２１が配置され、圧縮機１２の吐出部となる吐出管１２ａに温度検出器２２が配置され、圧縮機１２の吸入部となる吸入管１２ｂに温度検出器２３が配置され、膨張弁１５と二方弁１９の間の冷媒配管に温度検出器２４が配置されている。輻射パネル３０には温度検出器３６が配置される。温度検出器２１、２２、２３、２４、３６はいずれもサーミスタにより構成される。

温度検出器３６は放熱部３２の温度測定を目的とするが、放熱部３２に直接取り付けられるのでなく、図３に示す通り、液体冷媒用の冷媒配管１７に取り付けられる。温度検出器３６を冷媒配管１７に配置するのは次の理由による。すなわち放熱部３２は位置（特に上下の位置）によって温度が異なるため、どの位置に温度検出器３６を配置するかを決めるのが難しい。

複数の放熱部３２を結ぶ冷媒経路がどのように設計されているかによっても放熱部３２の表面温度は左右される。冷媒経路が単一経路の場合、圧力損失や冷媒の気液相変化によって温度差が生じやすい。冷媒経路が複数経路の場合、経路によって温度差が生じる可能性がある。また、温度検出器には感温性を良くするために金属で覆われているものがある。放熱部３２を構成する金属と温度検出器に使われている金属の種類が異なる場合、それらの接触部において異種金属による電位差が生じ、電蝕を起こす可能性がある。いずれにしても、放熱部３２のどの位置に温度検出器３６を配置するかを決めるのは容易ではない。

筐体３１の内部の冷媒配管１７を温度検出器３６の取付箇所とすれば、上記の問題は解消される。冷媒配管１７は、冷房運転時には膨張弁１５で絞られた冷媒が流入する箇所であり、暖房運転時には凝縮した冷媒が放熱部３２から流出する箇所である。

冷房運転時には冷媒配管１７に気液二相状態の冷媒（ただし、気化があまり進んでいない、液相冷媒が多い状態の冷媒）が流れるので、言い換えれば冷媒の気液相変化が少ないので、冷媒配管１７の温度を放熱部３２の温度として取り扱うことができる。一方、暖房運転時には冷媒配管１７は冷凍サイクルの過冷却部（液相部）となり、液体の冷媒が溜まるため、冷媒配管１７の温度を直ちに放熱部３２の温度として取り扱うことはできない。しかしながら、適切に温度を補正することにより、暖房運転時においても温度検出器３６の測定温度から放熱部３２の表面温度を求めることができる。温度補正値は実験を通じて決定する。

温度検出器３６の取付位置は、冷媒配管１７の筐体３１内部分の中でも比較的上位にある部分とされる。このような場所を温度検出器３６の取付位置として選択した理由は後で説明する。

輻射式空気調和機１の全体制御を司るのは図７に示す制御部４０である。制御部４０は
室内温度が使用者によって設定された目標値に達するように制御を行う。

制御部４０は圧縮機１２、四方弁１３、膨張弁１５、室外側送風機１６、及び電磁弁２５に対し動作指令を発する。また制御部４０は温度検出器２１〜２４、及び温度検出器３６からそれぞれの検出温度の出力信号を受け取る。制御部４０は温度検出器２１〜２４及び温度検出器３６からの出力信号を参照しつつ、圧縮機１２と室外側送風機１６に対し運転指令を発し、四方弁１３、膨張弁１５、及び電磁弁２５に対しては状態切り替えの指令を発する。

図１は輻射式空気調和機１が冷房運転（除湿運転）あるいは除霜運転を行っている状態を示す。圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室外側熱交換器１４に入り、そこで室外空気との熱交換が行われる。すなわち冷媒は室外空気に対し放熱を行う。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は室外側熱交換器１４から膨張弁１５を通じて輻射パネル３０の放熱部に送られ、減圧し膨張して低温低圧となり、放熱部３２の表面温度を下げる。表面温度の下がった放熱部３２は室内空気から吸熱し、これにより室内空気は冷やされる。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４からの放熱を促進する。

図２は輻射式空気調和機１が暖房運転を行っている状態を示す。この時は四方弁１３が切り替えられて冷房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は放熱部３２に入り、そこで室内空気との熱交換が行われる。すなわち冷媒は室内空気に対し放熱を行い、室内空気は暖められる。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は放熱部３２から膨張弁１５を通じて室外側熱交換器１４に送られ、減圧し膨張して室外側熱交換器１４の表面温度を下げる。表面温度の下がった室外側熱交換器１４は室外空気から吸熱する。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外側送風機１６によって生成された気流が室外側熱交換器１４による吸熱を促進する。吸熱により室外側熱交換器１４に付着した霜は、除霜運転を行うことにより取り除かれる。

暖房運転中、温度検出器３６により温度検出が行われる。前述の通り温度検出器３６は冷媒配管１７に配置されており、輻射パネル３０の表面温度（より正確に言うならば放熱部３２の表面温度）を直接検出するものではない。また、過冷却度がどのような値になるかによっても冷媒配管１７の温度と輻射パネル３０の表面温度の差が変化する。そこで暖房運転時には、冷媒配管１７の温度から放熱部３２の過冷却度を予測して温度を補正することにより、輻射パネル３０の表面温度を予測する。補正温度は前述の通り実験を通じて求めておく。

上記のように、温度検出器３６が検出した温度を補正して求めた輻射パネル３０の表面温度を参照しつつ、制御部４０は輻射式空気調和機１の暖房運転の制御を行う。

暖房運転中、制御部４０は輻射パネル３０が設定温度以上の高温になったか、どうかを調べる。この場合の温度検出にも温度検出器３６を利用することができる。このように、輻射パネル３０が設定温度以上の温度になったかどうかを調べるのに温度検出器３６を利用することにより、つまり空調制御用の温度検出器３６を保護用の温度検出器に兼用することにより、輻射式空気調和機１の制御システムを簡素化することができる。

冷房運転（除湿運転）あるいは除霜運転の場合には、温度検出器３６が検出した温度を放熱部３２の表面温度として取り扱うことができる。このため、暖房運転の場合のような温度補正は必要ない。

前述の通り、温度検出器３６は冷媒配管１７の筐体３１内部分に取り付けられているので、輻射パネル３０の冷媒経路が冷房運転時の冷媒経路であるか暖房運転時の冷媒経路であるかに関係なく、同じ位置で輻射パネル３０の表面温度を検出できる。このため、冷房運転時と暖房運転時とで制御の仕様を変える必要がない。

冷房運転（除湿運転）時、放熱部３２には結露水が発生する。温度検出器３６は筐体３１内の冷媒配管１７の中でも比較的上位の部分に取り付けられているので、放熱部３２の結露水が放熱部３２の下方にドレン水として溜まったとしても（ドレン水は放熱部３２の下方に配置された図示しないドレンパンに受けられる）、ドレン水に接触せずにいられる。このため、温度検出器３６の検出温度に誤りが生じたり、温度検出器３６が故障したりすることを懸念せずに済む。放熱部３２ほどではないにせよ、冷媒配管１７にも結露水が生じるが、その結露水による影響を小さくする上でも、冷媒配管１７の上位部分に温度検出器３６を配置することは有意義である。

図４のように複数の放熱部３２を直列接続した場合においても、温度検出部３６は冷媒配管１７の上位部分に配置する。要は、結露水の発生しにくい箇所に温度検出器３６を配置する、というのが守るべき事柄である。

冷房運転中（除湿運転中）あるいは暖房運転中に圧縮機１２を停止させる必要が生じたとき、制御部４０は膨張弁１５と電磁弁２５を開度小の状態に切り替える。すると冷媒の移動が困難になり、輻射パネル３０内の冷媒は容易には移動しなくなるから、輻射パネル３０の温度が急激に変化することが避けられる。これにより、輻射パネル３０がもたらしていた冷暖房効果を持続させることができる。ここで「開度小」とは、「全閉」をも含む概念である。

室内側送風機により室内空気を循環させる、輻射式でない通常の空気調和機であれば、冷房運転時に圧縮機を停止させるとき、室内側送風機は運転を継続しておくこともできる。このようにすれば使用者は引き続き涼しさを感じることができる。しかしながら輻射式空気調和機は、室内側には送風機を有していないので、送風による涼感を享受できない。輻射パネル内に冷房運転時の温度の冷媒が保持されていれば、永続的ではないにせよ涼感を享受できる。輻射パネル内に暖房運転時の温度の冷媒が保持されている場合も同様であって、永続的ではないにせよ暖かさが保たれる。このように、稼働中であった圧縮機を停止状態とするとき、冷媒配管内の弁を開度小にするというやり方は、輻射式空気調和機において特に顕著な効果を発揮する。

また、圧縮機停止後すぐに弁を開度大にして冷媒の圧力バランスを取る場合に比較して、輻射パネル内に冷えた冷媒または加熱された冷媒を長く保持することができるので、室内空気をより長く冷却するまたは加熱することができる。そのため、サーモＯＮ／ＯＦＦ制御（輻射パネルの表面温度が目標温度になった際に圧縮機を停止し、輻射パネルの表面温度が目標温度から離れたら圧縮機を再起動させる制御）において、圧縮機が停止してから再起動するまでの時間が長くなり、省エネルギーにもなる。また、切タイマーによる冷暖房運転の停止や、使用者がリモートコントローラ等で冷暖房運転を停止した場合でも、しばらくは冷暖房の効果を持続できるため、エネルギーを有効活用できる。

室内側送風機により室内空気を循環させる一般的なセパレート型空気調和機の室内側熱交換器に比べ、輻射パネルはかなり大型化する（例えば体積比で倍近いこともある。また、天井一面や壁一面を占めることもある）。そのため、本発明の制御を行うことにより、エネルギーを有効活用することができる。

圧縮機１２の停止と膨張弁１５、電磁弁２５の開度小への切り替えのタイミングとしては、圧縮機１２の停止を先行させてもよく、膨張弁１５、電磁弁２５の開度小への切り替えを先行させてもよい。あるいは同時に開始してもよい。圧縮機１２の停止を先行させた場合は、膨張弁１５と電磁弁２５を開度小に切り替えたときの衝撃を軽減できる反面、膨張弁１５と電磁弁２５が開度小に切り替わるまでの間の冷媒移動が避けられない。膨張弁１５、電磁弁２５の開度小への切り替えを先行させた場合は、冷媒の移動を直ちに困難にできる反面、冷凍サイクルに衝撃が生じるという問題がある。冷凍サイクルの構成要素の強度を考慮して、どちらを選ぶかを決めるのがよい。

停止状態の圧縮機１２を再起動するときは、開度小にされていた膨張弁１５と電磁弁２５を先に開度大の状態にしておくのがよい。これは圧縮機１２の再起動時に圧力差を生じないようにして、起動しやすくするためである。開度小（例えば弁の開度に０（全閉）から５１２（全開）までの段階がある場合、１〜１０といった程度の開度）の状態であれば、徐々に高圧側と定圧側の圧力バランスがとられる。そのため、圧縮機１２を再起動する前に弁を全開にする際の低圧側と高圧側の圧力差は、圧縮機１２の再起動の前まで開度を全閉で保っていた状態から全開にした際と比べると小さくなる。これにより、圧縮機１２を再起動する前に弁を全開にする際の冷媒音が鳴りにくいという効果がもたらされる。なお、実験により、適切な開度小の状態を見つけるようにするとよい。また、圧力バランスを取るタイミングは、圧縮機１２の再起動前であれば、直前でなくてもよい。

上記のような開度可変の電磁弁２５に替えて、開度小としては全閉、開度大としては全開の２段階の状態しかない電磁弁を用いてもよい。また膨張弁１５と二方弁１９との間に別途電磁弁を設け、その電磁弁を開度小とする方式でもよい。

本実施形態では膨張弁１５を、本来の用途だけでなく冷媒の移動を困難にするという用途にも兼用した。このように膨張弁１５に二役を担わせることにより、構成を簡素化することができる。しかしながら、電磁弁２５と同様の電磁弁を膨張弁１５の側に配置する構成であっても構わない。

また本実施形態では、膨張弁１５に加えて電磁弁２５を設けたことにより、輻射パネル３０に対し冷媒流入側となる冷媒配管と輻射パネル３０に対し冷媒流出側となる冷媒配管の両方に弁が配置された形になっている。しかしながら、電磁弁２５を廃止し、膨張弁１５のみに冷媒の移動を困難にするという役割を負わせることも可能である。

これまで、放熱部３２は垂直に配置するものとして話を進めてきたが、放熱部３２を水平に配置する構成も可能である。その場合の放熱フィン３４は、冷媒管３３の軸線に直交する薄板を、互いの間に間隔を置いて多数配置する構成とするのがよい。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は輻射式空気調和機に広く利用可能である。

１ 輻射式空気調和機
１０ 室外機
１１ 筐体
１２ 圧縮機
１３ 四方弁
１４ 室外側熱交換器
１５ 膨張弁
１６ 室外側送風機
１７、１８ 冷媒配管
２５ 電磁弁
３０ 輻射パネル
３１ 筐体
３２ 放熱部
３６ 温度検出器
４０ 制御部

Claims (3)

1. 室内に配置される輻射パネルと、室外側熱交換器と、前記輻射パネル及び前記室外側熱交換器に冷媒配管を通じて冷媒を循環させる圧縮機とを備えた輻射式空気調和機において、
   前記輻射パネルに接続される前記冷媒配管に対し弁が配置され、
   前記輻射パネルに対し冷媒流入側となる前記冷媒配管と前記輻射パネルに対し冷媒流出側となる前記冷媒配管の両方に前記弁が配置され、
   当該空気調和機の制御部は、稼働中であった前記圧縮機を停止状態とするとき、前記弁を開度小の状態とすることを特徴とする輻射式空気調和機。
2. 前記弁が膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の輻射式空気調和機。
3. 前記開度小の状態とは、全閉であることを特徴とする請求項１または２に記載の輻射式空気調和機。

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