JP6202895B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、電算室などの被空調空間に設置される利用機に組み込まれた利用側熱交換器の改良に係り、特に、利用側熱交換器を通過する冷媒流通方向と通風方向の工夫により熱交換能力と消費動力入力とのバランスの改善に関するものである。

一般に、被空調空間に設置される利用機は、本体ケーシング内に利用側送風機を備えており、電算室など被空調空間の空気を本体ケーシングの空気入口から吸い込み、吸い込んだ空気を利用側熱交換器に通過させるようになっている。そして、吸い込まれた空気は利用側熱交換器を通過することにより、利用側熱交換器の冷媒配管内を流れる冷媒と熱交換し冷却されて空気調和される。その際に、冷媒配管内を流れる冷媒の温度が吸い込み空気の露点温度よりも低い場合は、吸い込み空気の状態変化により凝縮水が発生する。そのため、凝縮水が風に伴って機外に吹き飛ばされないよう、利用側熱交換器にはサブドレンパンなどの露飛び構造が施される場合が多い。

ここで、従来の空気調和装置の利用側熱交換器を図５および図６に示す。各図に示した利用側熱交換器３は、通風方向（矢印Ｗ方向）と平行にされた複数枚のフィン板３Ａ，３Ａ，３Ａ，・・・が図５および図６の紙面と直交する方向に適宜間隔で離間して配置されており、冷媒配管４がフィン板３Ａ，３Ａ，３Ａ，・・・を貫通する方向（紙面と直交する方向）に延在したのちに幾重にも折り返されて形成されている。図５および図６において、符号の４ｉは利用側熱交換器３における冷媒配管４の入側管であり、符号の４ｔは利用側熱交換器３における冷媒配管４の出側管である。また、符号の４ｃは図の紙面手前側で折り返された冷媒配管４の折返し部であり、符号の４ｄ（破線）は図の紙面奥側で折り返された冷媒配管４の折返し部である。そして、利用側熱交換器３の冷媒配管４内を流れる冷媒流通方向と通風方向Ｗの組み合わせは、冷媒流通方向Ｒ１と通風方向Ｗが対向する対向流態様１１と、冷媒流通方向Ｒ２と通風方向Ｗが並行する並行流態様１２とがある。例えば、冷媒流通方向Ｒ１，Ｒ２は、対向流態様１１が冷媒配管４のパスパターン１３Ａに示すパターンであり、並行流態様１２が冷媒配管４のパスパターン１３Ｂに示すパターンである。従来の空気調和装置は暖房時、冷房時ともに、前記並行流態様または対向流態様のどちらか一様であり、例えば下記の特許文献１に開示されている。

特開平７−２８０３７５号公報

ところで、前記した従来の空気調和装置の利用側熱交換器３において、対向流態様１１は、図５に示すように、冷媒流通方向Ｒ１と通風方向Ｗとが対向しているため、冷媒温度の温度勾配と吸い込み空気の温度勾配とが逆傾向になる。そのため、利用側熱交換器３の空気入側では温度の高い吸い込み空気と冷媒とが熱交換するので、冷媒に過熱度がつきやすく熱交換能力が出しやすくなる。その一方で、利用側熱交換器３の空気出側では温度の低い冷媒と吸い込み空気とが熱交換するので、冷媒の温度が露点温度を下回っている場合は利用側熱交換器３の空気出側付近で凝縮水が発生するために露飛びがしやすくなる。従って、露を受け止めるためのサブドレンパン７を数多く設置する必要があり、数多く設置したサブドレンパン７の存在により機内通風抵抗が高くなる。そのために、同じ風量を確保するためには、利用側送風機８の能力アップが必要になり、消費動力入力が高くならざるを得ないという不具合がある。また、場合によっては、１ランク上の送風機出力の電動機が必要となり、コストアップや設置スペース不足による更なる消費動力アップにつながるという悪循環となってしまう。

他方で、並行流態様１２は、図６に示すように、冷媒流通方向Ｒ２と通風方向Ｗとが並行しているため、冷媒温度と吸い込み空気の温度勾配が同じ傾向となる。そのため、利用側熱交換器３の空気出側で、温度の低い吸い込み空気と冷媒とが熱交換するので、冷媒の過熱度がつきにくく、熱交換能力を出しにくくなる。その一方で、利用側熱交換器３の空気出側での冷媒温度が高くなって露点温度を下回りにくいため、利用側熱交換器３の空気出側付近で凝縮水が発生しにくくなり露飛びがしにくくなる。それにより、露を受け止めるためのサブドレンパン７の枚数を減らすことができる。その結果、機内通風抵抗が低くなることにより、消費動力入力を抑制することができる。また、対向流とは逆に、１ランク下の送風機出力の電動機の使用が期待できる。

図７は対向流態様１１（同図（ａ））と並行流態様１２（同図（ｂ））による温度変化を示したものである。前述の通り、対向流態様１１（図５参照）は、冷媒の過熱度がつきやすく熱交換能力が出やすくなっている。反面、利用側熱交換器３の空気の出口付近で凝縮水が発生するので露飛びが生じやすくなる。他方、並行流態様１２（図６参照）は、冷媒の過熱度がつきにくく熱交換能力が出にくくなっている。反面、利用側熱交換器３の空気の出口付近で凝縮水が発生しにくくなり、露飛びが生じにくくなることを表している。

因みに、電算室で使用される従来の利用機において、利用側熱交換器３全体の冷媒配管４は、冷媒流通方向Ｒ１と通風方向Ｗとが対向する対向流態様１１、または冷媒流通方向Ｒ２と通風方向Ｗとが並行する並行流態様１２のうち、どちらか一方だけの仕様となっているため、熱交換能力向上化と消費動力入力低減化のどちらを優先させるかといったトレードオフの関係になっている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、利用側熱交換器の部位に応じて冷媒流通方向を適宜選択し冷媒配管のパスパターンを決めることにより、最適な熱交換能力向上化および消費動力入力低減化を図ることのできる空気調和装置を得るものである。

この発明に係る空気調和装置は、空気入口、空気出口、および、空気入口と空気出口とをつなぐケーシング内の通風路、を有する本体ケーシングと、本体ケーシングの通風路内に配備されて通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器と、本体ケーシングの通風路内に配備されていて利用側熱交換器により空気調和された空気を空気出口から被空調空間へ吹き出すとともに被空調空間の空気を空気入口から通風路内へ吸い込む利用側送風機と、を備えて成り、利用側熱交換器の通風領域は、通過空気の風速が相対的に速い高速領域と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域とに区画され、高速領域は、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行する並行流の態様で冷媒配管が配置され、低速領域は、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置され、利用側熱交換器の通過空気の風速に関する第１風速設定値が予め設定され、利用側熱交換器の第１風速設定値以上の領域が高速領域として設定されるとともに第１風速設定値未満の領域が低速領域として設定されていることを特徴とするものである。

この発明の空気調和装置において、利用側熱交換器の高速領域には、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行する並行流の態様で冷媒配管が配置され、低速領域には、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置されているので、サブドレンパンなどのような露飛び対策が施されていたとしても消費動力入力増加と熱交換能力とのバランスを最適化できるという効果がある。すなわち、利用側熱交換器を通過する通過空気の風速に関し、風速が遅い低速領域については対向流態様とし、風速が速い高速領域については並行流態様にすることで、冷媒配管が対向流態様のみで構成されていた従来技術の利用側熱交換器と比べて、並行流態様が施された領域で発生する凝縮水の量を抑制することができる。これにより、機内通風抵抗を低減化させて消費動力入力の増加を抑制できる。他方で、冷媒配管が並行流態様のみで構成されていた従来技術の利用側熱交換器と比べると、利用側熱交換器に対向流態様の領域が存在することにより、熱交換能力の向上化を図ることも可能となる。

この発明の実施の形態１における空気調和装置の概略構成図である。 前記空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 この発明の実施形態２における空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 この発明の実施形態３における空気調和装置の利用側熱交換器の概略側面図である。 従来の空気調和装置の利用側熱交換器（対向流態様のみ）の概略側面図である。 従来の空気調和装置の利用側熱交換器（並行流態様のみ）の概略側面図である。 一般的な利用側熱交換器を通過する際の空気の温度変化と冷媒の温度変化を示した図であって、（ａ）は図５の利用側熱交換器による場合を示した説明図、（ｂ）は図６の利用側熱交換器による場合を示した説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施形態１における空気調和装置の概略構成を示している。尚、図１〜図４において、図５〜図７に示した従来の空気調和装置の利用側熱交換器と同一の構成要素には、同一の符号を付すとともにその詳細な説明を省略することがある。
図１において、この実施形態１に係る空気調和装置は、例えば室外に配備される室外機２０と、被空調空間である電算機１の室内５内に配備される利用機２と、を備えている。一般に、電算室１にはフリーアクセスフロア１６が敷かれ、フリーアクセスフロア１６の下方はフリーアクセス空間１８となっている。そして、このような利用機２が室内５内に複数台設置されている。また、室内５のフリーアクセスフロア１６上には、コンピュータなどの複数台のＩＴ装置１４が設置されている。前記の室外機２０には、容量可変の圧縮機２１、熱源側熱交換器２２、および熱源側送風機２５などが配備されている。前記の利用機２には、膨張弁２３、利用側熱交換器３、および利用側送風機８などが配備されている。これら、圧縮機２１、熱源側熱交換器２２、膨張弁２３、利用側熱交換器３、およびアキュムレータ２４が、当該順に環状に冷媒配管４Ａを介して接続されて冷媒回路２６を構成している。なお、圧縮機２１は、利用機２内にあってもよい。

そして、前記の利用機２は、中空箱状に形成された本体ケーシング６と、本体ケーシング６の通風路６Ａ内に配備された利用側熱交換器３と、通風路６Ａ内の下部に配備された利用側送風機８と、を備えている。利用側送風機８は、インバータ装置により制御されるモータ（いずれも図示省略）によって回転数可変に駆動される。本体ケーシング６の上面には空気入口９が形成され、本体ケーシング６の底面には空気出口１０が形成されている。本体ケーシング６のケーシング内は通風路６Ａとなっている。この通風路６Ａは空気入口９と空気出口１０とを連通している。そして、通風路６Ａ内の途中には、通風路６Ａを通風可能に仕切る利用側熱交換器３が傾斜姿勢で配置されている。利用側熱交換器３の下方位置には、利用側熱交換器３の外表面で生じて滴下したドレンを収受するメインドレンパン１７が配備されている。傾斜配置にされた利用側熱交換器３の空気出側には、複数個のサブドレンパン７，７，７，・・・が上下方向の適宜間隔で配備されている。これらのサブドレンパン７，７，７，・・・は露飛び対策用として設けられている。利用側送風機８は、通風路６Ａ内の利用側熱交換器３により空気調和された空気を空気出口１０からフリーアクセス空間１８へ吹き出すとともに、吹出し口１９から室内５へ吹き出した空気を空気入口９から通風路６Ａ内へ吸い込ませる働きをする。このとき、吹出し口１９から吹き出された空気は、各ＩＴ装置１４の装置内ファン１５の駆動により装置ケーシング１４Ａ内に吸い込まれて、装置ケーシング１４Ａ内の発熱電子部品を冷却したのち室内５へ吹き出される。

上記した利用側熱交換器３の具体構成を図２に示す。この利用側熱交換器３は、複数枚のフィン板３Ａ，３Ａ，３Ａ，・・・が通風方向（矢印Ｗ方向）と平行姿勢で適宜間隔離間して配置されており、冷媒配管４がフィン板３Ａ，３Ａ，３Ａ，・・・を貫通したのちに幾重にも折り返されて構成されている。図２において、符号の４ｉは利用側熱交換器３における冷媒配管４の入側管であり、符号の４ｔは利用側熱交換器３における冷媒配管４の出側管である。これら冷媒配管４の入側管４ｉと出側管４ｔは冷媒回路２６の冷媒配管４Ａにそれぞれ接続されている。また、符号の４ｃは手前側で折り返された冷媒配管４の折返し部であり、符号の４ｄ（破線）は奥側で折り返された冷媒配管４の折返し部である。そして、冷媒配管４の配置態様は、冷媒流通方向Ｒ１と通風方向Ｗが対向する対向流態様１１と、冷媒流通方向Ｒ２と通風方向Ｗが並行する並行流態様１２とが並存している。冷媒配管４の配置は、対向流態様１１がパスパターン１３Ａのように定められ、並行流態様１２がパスパターン１３Ｂのように定められる。

そして、本発明者等により数多くの実験が鋭意行なわれた結果、サブドレンパン７，７，７，・・・の空気出側の風速に関する設定値として、８ｍ／秒±１０％の値（第２風速設定値）が得られた。この第２風速設定値に基づいて、利用側熱交換器３の全体の通風領域Ｎのうち、８ｍ／秒±１０％の値以上の領域が高速領域Ｌ１として設定されている。また、８ｍ／秒±１０％の値未満の領域が低速領域Ｌ２として設定されている。更に、対向流態様１１と並行流態様１２の区画割合は、サブドレンパン７出口の風速により判断される。例えば、インバータ装置による利用側送風機８の最大周波数運転時におけるサブドレンパン７出口の空気の風速が８ｍ／秒±１０％未満の低速領域Ｌ２は対向流態様１１の冷媒配管配置とされ、サブドレンパン７出口の空気の風速が８ｍ／秒±１０％以上の高速領域Ｌ１は並行流態様１２の冷媒配管配置とされた。

次に動作について説明する。上記のように構成された空気調和装置においては、サブドレンパン７，７，７，・・・の出口風速が遅い利用側熱交換器３の上部領域では露飛びが発生しにくいため、対向流態様１１を採用することが可能である。その結果として、熱交換能力を向上させ得る。一方、利用側熱交換器３の下部領域は出口風速が早いので、並行流態様１２を採用することでドレンの発生を低減化させ得る。これにより、露飛びを発生させにくくできるから、サブドレンパン７の枚数を減らすことができる。その結果、機内通風抵抗の低減化および消費動力入力の抑制化を図ることができる。

以上のように、この実施形態１の空気調和装置では、サブドレンパン７を有する利用側熱交換器３において、対向流態様１１と並行流態様１２との組み合わせを採用できるとともに、サブドレンパン７出口の風速に応じて対向流態様１１と並行流態様１２の区画割合が決定できるので、熱交換能力と消費動力入力との最適なバランスを実現することが可能となる。

実施の形態２．
実施形態１は「サブドレンパン７の出口風速」に基づいて対向流態様と並行流態様の区画割合を決定したものであるが、この実施形態２は、図３に示すように、例えばサブドレンパン７，７，７，・・・を備えているものでありながら、インバータ装置により制御される利用側送風機８の最大周波数運転時における「利用側熱交換器３の通過空気の風速」に基づいて上記の区画割合を決定するようにしたものである。
この実施形態２において、利用側熱交換器３の全体の通風領域Ｎは、利用側熱交換器３の下部のように通過空気の風速が相対的に速い高速領域Ｍ２と、利用側熱交換器３の上部のように通過空気の風速が相対的に遅い低速領域Ｍ１とに区画される。すなわち、最大周波数運転時における利用側熱交換器３の通過空気の風速に関する設定値として、４ｍ／秒±１０％の値（第１風速設定値）が実機試験により得られている。この第１風速設定値に基づいて、利用側熱交換器３の全体の通風領域Ｎのうち、４ｍ／秒±１０％の値以上の領域が高速領域Ｍ２として設定される。また、４ｍ／秒±１０％の値未満の領域が低速領域Ｍ１として設定される。そして、利用側送風機８の低速領域Ｍ１は、パスパターン１３Ａのように通風方向（矢印Ｗ方向）と冷媒流通方向（矢印Ｒ１方向）とが互いに対向する対向流態様１１で、冷媒配管４が配置される。高速領域Ｍ２は、パスパターン１３Ｂのように通風方向（矢印Ｗ方向）と冷媒流通方向（矢印Ｒ２方向）とが互いに並行する並行流態様１２で、冷媒配管４が配置される。

以上のように構成したことにより、利用側熱交換器３の通過空気の風速を適用して、１つの利用側熱交換器３に対して対向流態様１２と並行流態様１１の双方を採用できることはもとより、利用側熱交換器３の通過空気の風速に応じて対向流態様１２と並行流態様１１の区画割合を決定できる。これにより、熱交換能力と消費動力入力との最適なバランスを実現することができる。

実施の形態３．
実施形態２ではサブドレンパン７，７，７，・・・を備えているものを示したが、この実施形態３では、図４に示すようにサブドレンパン７を備えておらず、サブドレンパン７以外の導風板などによる露飛び対策が施されている場合、または露飛び対策が施されていない場合を説明する。
これらの場合も、実施形態２と同様、最大周波数運転時における利用側熱交換器３の通過空気の風速に関する設定値として４ｍ／秒±１０％の値（第１風速設定値）が実機試験により得られており、この値を境に全体の通風領域Ｎが利用側熱交換器３上部の低速領域Ｍ１と下部の高速領域Ｍ２とに区画されている。利用側熱交換器３の低速領域Ｍ１には冷媒配管４が対向流態様１１で配置され、高速領域Ｍ２には冷媒配管４が並行流態様１２で配置されている。

以上のように、この実施形態２では、利用側送風機８の最大周波数運転時において利用側熱交換器３の通過空気の風速が４ｍ／秒±１０％未満の低速領域Ｍ１にある冷媒配管４を対向流態様１１とし、通過空気の風速が通過風速４ｍ／秒±１０％以上の高速領域Ｍ２にある冷媒配管４を並行流態様１２としているので、利用側熱交換器３の通過空気の風速を適用して、１つの利用側熱交換器３に対し対向流態様１２と並行流態様１１の双方を採用できる。また、通過空気の風速に応じて対向流態様１２と並行流態様１１の区画割合を決定できる。すなわち、実施形態１または実施形態２と同様の効果を得ることができる。更に、この実施形態３は、サブドレンパン７を持たない汎用の熱交換器であっても享受することが可能であり、広く熱交換器技術の向上化に貢献できる。

１ 電算室
２ 利用機
３ 利用側熱交換器
４ 冷媒配管
５ 室内（被空調空間）
６ 本体ケーシング
６Ａ 通風路
７ サブドレンパン
８ 利用側送風機
９ 空気入口
１０ 空気出口
１１ 対向流態様
１２ 並行流態様
１３Ａ，１３Ｂ パスパターン
１７ メインドレンパン
１８ フリーアクセス空間
２６ 冷媒回路
Ｌ１ 低速領域
Ｌ２ 高速領域
Ｍ１ 低速領域
Ｍ２ 高速領域
Ｎ 通風領域
Ｒ１，Ｒ２ 冷媒流通方向
Ｗ 通風方向

Claims (4)

1. 空気入口、空気出口、および、前記空気入口と前記空気出口とをつなぐケーシング内の通風路、を有する本体ケーシングと、
   前記本体ケーシングの通風路内に配備されて前記通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器と、
   前記本体ケーシングの通風路内に配備されていて前記利用側熱交換器により空気調和された空気を前記空気出口から被空調空間へ吹き出すとともに前記被空調空間の空気を前記空気入口から前記通風路内へ吸い込む利用側送風機と、
   を備えて成り、
   前記利用側熱交換器の通風領域は、通過空気の風速が相対的に速い高速領域と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域とに区画され、
   前記高速領域は、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行する並行流の態様で冷媒配管が配置され、前記低速領域は、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置され、
   前記利用側熱交換器の通過空気の風速に関する第１風速設定値が予め設定され、前記利用側熱交換器の前記第１風速設定値以上の領域が前記高速領域として設定されるとともに前記第１風速設定値未満の領域が前記低速領域として設定されていることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記空気入口が前記本体ケーシングの上面に形成されるとともに前記空気出口が前記本体ケーシングの底面に形成され、前記利用側熱交換器が傾斜姿勢で配置されて前記通風路を通風可能に仕切り、前記利用側熱交換器の下方位置にメインドレンパンが配備されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記傾斜姿勢にされた利用側熱交換器の空気出側に、サブドレンパンが上下方向に複数個配備されていることを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
4. 空気入口、空気出口、および、前記空気入口と前記空気出口とをつなぐケーシング内の通風路、を有する本体ケーシングと、
   前記本体ケーシングの通風路内に配備されて前記通風路を通風可能に仕切る冷媒回路の利用側熱交換器と、
   前記本体ケーシングの通風路内に配備されていて前記利用側熱交換器により空気調和された空気を前記空気出口から被空調空間へ吹き出すとともに前記被空調空間の空気を前記空気入口から前記通風路内へ吸い込む利用側送風機と、
   を備えて成り、
   前記利用側熱交換器の通風領域は、通過空気の風速が相対的に速い高速領域と、通過空気の風速が相対的に遅い低速領域とに区画され、
   前記高速領域は、通風方向と冷媒流通方向が互いに並行する並行流の態様で冷媒配管が配置され、前記低速領域は、通風方向と冷媒流通方向とが互いに対向する対向流の態様で冷媒配管が配置され、
   前記空気入口が前記本体ケーシングの上面に形成されるとともに前記空気出口が前記本体ケーシングの底面に形成され、前記利用側熱交換器が傾斜姿勢で配置されて前記通風路を通風可能に仕切り、前記利用側熱交換器の下方位置にメインドレンパンが配備され、
   前記傾斜姿勢にされた利用側熱交換器の空気出側に、サブドレンパンが上下方向に複数個配備され、
   前記サブドレンパンの空気出側の風速に関する第２風速設定値が予め設定され、前記複数個のサブドレンパンにおける前記第２風速設定値以上の領域が前記高速領域として設定されるとともに前記第２風速設定値未満の領域が前記低速領域として設定されていることを特徴とする空気調和装置。

Images