JPH0776627B2 - 熱交換器および空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、熱交換器および空気調和装置に関し、特に
各空気調和機ごとに暖房または冷房運転を個別に制御で
きる、いわゆる４管方式の空気調和装置およびそれに用
いる熱交換器に関する。

〔従来技術〕 第10図に示す従来の４管方式の空気調和装置では、各空
気調和機１は冷房用熱交換器２と暖房用熱交換器３とを
備える。各空気調和機１の冷房用熱交換器２には、冷熱
源４からの冷水が冷水ポンプ５によって冷水配管６から
供給され、暖房用熱交換器３には、温熱源７からの温水
が温水ポンプ８によって温水配管９から供給される。

第10図に示す従来の空気調和装置においては、各空気調
和機１に関連して設けられた制御弁を制御することによ
って、各空気調和機ごとに暖房運転または冷房運転する
ことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第10図に示す従来の空気調和装置において
は、次のような問題点がある。すなわち、各空気調和機
１ごとに、冷房用熱交換器２と暖房用熱交換器３とをそ
れぞれ設ける必要があり、したがって空気調和機が大型
化する。また、一般にこの種の空気調和装置において
は、夏期の冷房運転に必要なエネルギによって、その最
大負荷量が決まる。すなわち、その最大負荷量に十分対
処可能なように、冷水ポンプ５や冷水配管６の容量が必
要となる。したがって、その最大負荷量を考慮すれば、
それらの容量は必然的に大きくせざるを得ない。さらに
また、夏期に温熱源７から温水配管９に温水を供給する
ことはなく、温水配管９は夏期には通水されない。その
ために、この温水配管９内の水が腐敗したり、その温水
配管９内に異物が蓄積しやすい。

それゆえに、この発明の主たる目的は、空気調和機をよ
り小型化できる、熱交換器および空気調和装置を提供す
ることである。

この発明の他の目的は、冷水ポンプや冷水配管の容量を
より小さくできる、空気調和装置を提供することであ
る。

この発明のその他の目的は、配管内の水が腐敗しあるい
はその配管内に異物が蓄積されるのが可及的減少でき
る、空気調和装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

第１発明は、簡単にいえば、第１および第２のヘッダと
第１および第２のヘッダ間に接続されるかつ第１の所定
段数でかつ第１の所定列数で空気の入口から空気の出口
まで連続する第１のチューブとを含む冷水用回路、およ
び第３および第４のヘッダと第３および第４のヘッダ間
に接続されるかつ第２の所定段数でかつ第２の所定列数
で空気の入口から空気の出口まで連続する第２のチュー
ブとを含む冷水または温水用回路を備える、熱交換器で
ある。

第２発明は、簡単にいえば、冷水用回路および冷水また
は温水用回路の両方を有する熱交換器を含む空気調和
機、冷熱源、冷熱源から熱交換器の冷水用回路に冷水を
供給する冷水配管、温熱源、冷熱源に対して冷水配管と
は並列に配管され、かつ冷熱源および温熱源から熱交換
器の冷水または温水用回路に冷水または温水を供給する
冷温水配管、および冷温水配管に冷熱源からの冷水を供
給するか温熱源からの温水を供給するかを切り換えるた
めの切換手段を備える空気調和装置である。

〔作用〕

熱交換器においては、第１および第２のヘッダに冷水配
管からの冷水を供給することによって、第１のチューブ
の段数および列数（パス数）によって決まる冷房能力が
発揮される。また、第３および第４のヘッダに冷水およ
び温水を供給することにより、第２のチューブの段数お
よび列数（パス数）で決まる冷房能力または暖房能力が
発揮される。

空気調和装置において、冬期には冷水配管に冷水を供給
することによって空気調和機すなわち熱交換器が冷房運
転される。また、冬期に冷温水配管に温水を供給するこ
とによって、暖房運転が可能となる。夏期には、冷水配
管および冷温水配管にともに冷水を供給することによっ
て、空気調和機すなわち熱交換器が冷房運転される。

〔発明の効果〕

この発明によれば、熱交換器は冷水回路と冷水または温
水回路の両方を備えるので、各空気調和機に１つの熱交
換器を設けるだけで、従来の４管方式と同じような運転
モードでの運転が可能となる。したがって、空気調和機
を、熱交換器を２個設けていた従来に比べて、より小型
化できる。

また、一般にこの種の空気調和装置においては暖房負荷
よりも夏期の冷房負荷の方が大きく、最大冷水量が最大
温水量の約２倍程度にも達するが、この発明によれば、
冷熱源に対して互いに並列に配管された冷水配管および
冷温水配管にともに冷水を供給することによって、その
分だけ冷水ポンプや冷水配管の容量を小さくできる。す
なわち、第10図図示の従来の空気調和装置では、冷水ポ
ンプや冷水配管の容量を最大冷水量を賄えるだけ大きく
しなければならないが、この発明に従って冷温水配管
に、必要に応じて、冷水を供給するようにすれば、冷水
系のポンプなどの容量をその分だけ小さくできる。しか
も、冷水用回路を構成する第１のチューブと冷水または
温水用回路を構成する第２のチューブとが空気の入口か
ら出口まで連続しているので熱交換効率が高い。

さらに、この発明によれば、冷温水配管には冷水または
温水のどちらかが供給されるため、そこに送水されない
ことによる配管内の水の腐敗や異物の蓄積が可及的に減
じられる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点
は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から
一層明らかとなろう。

〔実施例〕

第1A図および第1B図を参照して、この実施例の空気調和
装置10は、各個別の空気調和領域すなわち室に設けられ
る空気調和機12A,12B,…を含む。各空気調和機12A,12B,
…は、それぞれ同一に構成され、熱交換器14,その熱交
換器14の上流側に配置されるフィルタ16および熱交換器
14の下流側に配置されるファン18を含む。したがって、
各空気調和機12A,12B,…において、吸込口20から吸い込
まれた室内空気がフィルタ16によって濾過された後、熱
交換器14によって熱交換され、ファン18によって吐出口
22から室内に吐出される。したがって、熱交換器14に冷
水配管24から冷水が供給されると、その空気調和機12は
冷房運転される。また、冷温水配管26から熱交換器14に
冷水が供給されると冷房運転され、温水が供給されると
暖房運転される。

第1A図および第1B図に示す各空気調和機12A,12B,…に用
いられる熱交換器14は、たとえば、第２図に示すように
構成される。第２図において、熱交換器14は、冷水用の
第１および第２のヘッダ28aおよび28bならびに冷水また
は温水用の第３および第４のヘッダ30aおよび30bを有す
る。左側のヘッダ28aおよび30aがそれぞれ入口ヘッダと
して構成され、右側のヘッダ28bおよび30bが出口ヘッダ
として構成される。冷水用の入口ヘッダ28aおよび出口
ヘッダ28bの間には、パス数（熱媒流体がヘッダ間で往
または復する回数）が「８」のチューブ32が８列で３段
接続される。同じように、冷水または温水用の入口ヘッ
ダ30aおよび出口ヘッダ30bの間には、パス数が「８」で
８列のチューブ（上述のチューブ32と同じもの）が３段
接続される。

そして、熱交換器14の第１および第２のヘッダ28aおよ
び28bは上述の冷水配管24によって閉ループを構成する
ようにこの冷水配管24に連結される。同じように、第３
および第４のヘッダ30aおよび30bは、冷温水配管26によ
って閉ループを構成するように冷温水配管26に連結され
る。

冷水配管24には、冷熱源34が接続され、この冷熱源34の
下流側には冷水ポンプ36が設けられる。一方、温熱源38
は冷温水配管26に含まれ、この冷温水配管26には、さら
に、上述の冷熱源34が連結される。そして、温熱源38
（冷熱源34）の下流側には、冷温水ポンプ40が介挿され
る。冷熱源34と冷温水ポンプ40との間には制御弁42が介
挿され、温熱源38と冷温水ポンプ40および制御弁42の接
続点との間には制御弁44が接続される。

また、冷水配管24内において各空気調和機12A,12B,…の
熱交換器14の冷水用出口ヘッダ28b（第２図）の下流側
にはそれぞれ制御弁46A,46B,…が接続される。冷温水配
管26において、各空気調和機12A,12B,…の熱交換器14の
冷水または温水用の出口ヘッダ30b（第２図）の下流側
にはそれぞれ制御弁48A,48B,…が接続される。その制御
弁48はさらに制御弁50または52を介して、冷熱源34また
は温熱源38に接続される。なお、制御弁50および52はな
くても実質上問題はない。

このようにして、冷水配管24は、冷熱源34および各空気
調和機12A,12B,…の熱交換器14の冷水回路（入口ヘッダ
28aおよび出口ヘッダ28bとその間に接続されたチュー
ブ）とともに冷水系を構成し、冷温水配管26は冷熱源34
または温熱源38および各空気調和機12A,12B,…の熱交換
器14の冷温水回路（入口ヘッダ30aおよび出口ヘッダ30b
とその間に接続されたチューブ）とともに冷温水（冷水
または温水）系を構成する。このとき、制御弁42,44,50
および52が冷水または温水すなわち冷熱源34または温熱
源38の切換手段として作用する。

第1A図は冬期運転の一例を示し、上側の空気調和機12A
を暖房運転し、下側の空気調和機12Bを冷房運転する場
合を考える。

この場合、制御弁44および52が開かれ、制御弁42および
50が閉じられる。そして、空気調和機12Aの冷温水ヘッ
ダ30aおよび30b（第２図）には温熱源38からの温水を供
給する。そのために、制御弁46Aが閉じられ、制御弁48A
が開かれ（制御され）る。しかしながら、下側の空気調
和機12Bは冷房運転するので、冷水を第１および第２の
ヘッダ28aおよび28b（第２図）に供給する必要がある。
そのために、制御弁48Bが閉じられ、制御弁46Bが開かれ
（制御され）る。

このようにして、上側の空気調和機12Aの熱交換器14の
冷温水回路には、温熱源38からの温水が供給されるた
め、上側の空気調和機12Aは暖房運転される。他方、下
側の空気調和機12Bの熱交換機14の冷水回路には、冷熱
源34からの冷水が供給されるため、この下側の空気調和
機12は冷房運転される。

なお、冬期の冷房運転であるので、この実施例では、下
側の空気調和機12Bの熱交換器14の冷水回路にのみ冷水
を供給するので、たとえば第２図に示す熱交換器14では
半分程度の熱交換能力で冷房運転されることになる。し
かしながら、冬期における冷房負荷は夏期と比較してそ
んなに大きくなく、一般には、第２図に示す熱交換器14
で十分対応できる。冬期における冷房負荷と暖房負荷と
が大きく異なる場合は後述する。

次に、第1B図に示す夏期運転であって、両方の空気調和
機12をともに冷房運転する場合を考える。

この場合、制御弁42および50が開かれ、制御弁44および
52が閉じられる。したがって、温熱源38からの温水はい
ずれの空気調和機12A,12B,…の熱交換器14にも供給され
ない。また、制御弁46A,48A,46Bおよび48Bは開かれ（制
御され）る。したがって、冷温水ポンプ40が冷水ポンプ
として機能し、各空気調和機12A,12B,…の熱交換機14の
冷水回路および冷温水回路にともに冷熱源34からの冷水
が供給される。したがって、この場合には、各空気調和
機12A,12B,…がともに最大能力で冷房運転されることに
なる。

このように、各空気調和機12A,12B,…の熱交換器14に冷
水回路と冷温水回路とを構成するようにしているため、
冬期の運転状態では、或る空気調和機では冷水回路に冷
水を供給し、他の空気調和機では冷温水回路に温水を供
給することによって、個々の空気調和機12A,12B,…を冷
房または暖房のいずれかで運転することができる。ま
た、夏期においては、熱交換器14の冷水回路および冷温
水回路の両方に冷水を流し、全ての空気調和機12A,12B,
…を最大能力で冷房運転することができる。

そして、夏期運転において、必要に応じて、冷房負荷に
応じて、各熱交換器の冷水回路の制御弁48A,48B,…が全
開になってから冷温水回路の制御弁46A,46B,…を開くよ
うにでき、制御性がよくなる。

さらに、各空気調和機12A,12B,…に用いられる上述の熱
交換器14は、さらに、第３図ないし第５図に示すように
変形されてもよい。

第３図に示す熱交換器14は、冷水用の第１および第２の
ヘッダ28aおよび28bに、パス数が「４」のチューブ54を
接続する。他方、冷水または温水用の第３および第４の
ヘッダ30aおよび30bの間には、同じパス数のチューブ56
が接続される。ただし、この第３図実施例では、第２図
実施例と異なり、段数はいずれも「６」である。第３図
の例は、第２図よりも大水量が要求される場合に有効で
ある。

第２図および第３図に示す実施例では、いずれも、冷水
回路を構成するのチューブの合計パス数と冷温水回路を
構成するのチューブの合計パス数とを同じにした。すな
わち、熱交換器14の交換能力を冷水回路と冷温水回路と
にそれぞれ50％ずつ振り分けた。しかしながら、このよ
うな割合は、任意に変更できる。

すなわち、第４図実施例の熱交換器14では、第２図実施
例を変形し、ヘッダ28aおよび28bの間に４段にパス数が
「８」のチューブ32を取り付け、ヘッダ30aおよび30bの
間には同じパス数のチューブを２段に取り付けた。した
がって、この実施例の場合には、冷水回路の交換能力の
割合が2/3となり、冷温水回路の割合が1/3となる。

同じように、第５図実施例の熱交換器14は第３図実施例
を変形したものである。第３図実施例では冷温水用チュ
ーブとして構成されたチューブ56を冷水用チューブとし
てヘッダ28aおよび28bの間に接続する。したがって、第
５図実施例では、冷水回路の割合は3/4となり、冷温水
回路の割合は1/4となる。

さらに、上述のそれぞれの実施例（第２図〜第５図）に
よれば、冷水用チューブおよび冷水または温水用チュー
ブが熱交換器14の空気の入口から出口まで連続している
ので、２つの熱交換器58および60を独立して設けた場合
（第７図）に比べて冷房運転時の熱交換効率を向上でき
る。なお、この効果は、以下に示す実験により確認でき
た。

〔実験方法〕

第６図に示すように、第２図実施例の熱交換器14の冷水
用チューブおよび冷水または温水用チューブに水温７℃
の冷水を毎分92.5l流し、かつ、熱交換器14に乾球温度2
6.5℃DB,湿球温度19.7℃WBの空気を毎時13200m³通し、
水温の上昇および気温の降下の様子を調べた。

一方、第７図に示すように、互いに独立して設けられた
２つの熱交換器58および60の一方に水温７℃の冷水を毎
分92l流し、他方に水温７℃の冷水を毎分93l流し、か
つ、２つの熱交換器58および60に乾球温度26.5℃DB,湿
球温度19.7℃WBの空気を毎時13200m³通し、水温の上昇
および気温の降下の様子を調べた。

〔実験結果〕

実験の結果、熱交換器14については、第８図のグラフに
示すような水温上昇曲線および気温降下曲線が得られ、
熱交換器58および60については、第９図のグラフに示す
ような水温上昇曲線および気温降下曲線が得られた。そ
して、熱交換器14の熱交換量は、式より87690Kcal/hr
と求められ、熱交換器58および60の熱交換量は、式よ
り79470Kcal/hrと求められた。

熱交換量＝92.5×（14.9−7.0）×２×60 ＝87690Kcal/hr … 熱交換量＝92×（12.4−7.0）×60 ＋93×（15.9−7.0）×60 ＝79470Kcal/hr … 以上のことから、第２図実施例の熱交換器14によれば、
２つの熱交換器58および60を用いた場合に比べて約10％
熱交換効率を向上できることがわかった。

【図面の簡単な説明】

第1A図および第1B図はそれぞれこの発明の一実施例の空
気調和装置を示す回路図であり、第1A図が冬期運転の一
例を示し、第1B図が夏期運転の一例を示す。 第２図〜第５図は、それぞれ、この発明の熱交換器の異
なる実施例を示す図解図である。 第６図は第２図実施例の熱交換量を求める実験方法を示
す図解図である。 第７図は２つの熱交換器を用いた場合の熱交換量を求め
る実験方法を示す図解図である。 第８図は第６図の実験から求められた水温上昇曲線およ
び気温降下曲線を示すグラフである。 第９図は第８図の実験から求められた水温上昇曲線およ
び気温降下曲線を示すグラフである。 第10図は従来の４管方式の空気調和装置の一例を示す回
路図である。 図において、10は空気調和装置、12A,12B,…は空気調和
器、14は熱交換器、24は冷水配管、26は冷温水配管、28
a,28bは冷水用（第１および第２）ヘッダ、30aおよび30
bは冷温水用（第３および第４）ヘッダ、32,54,56はチ
ューブ、34は冷熱源、36は冷水ポンプ、38は温熱源、40
は冷温水ポンプ、42,44,46A,46B,48A,48B,50,52は制御
弁を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋田 州三 栃木県宇都宮市平出工業団地28 クボタト レーン株式会社栃木工場内 (72)発明者 木戸 正典 東京都中央区日本橋室町３丁目１番３号 クボタトレーン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭49−51752（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−46027（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−4832（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１および第２のヘッダと前記第１および
   第２のヘッダ間に接続されるかつ第１の所定段数でかつ
   第１の所定列数で空気の入口から空気の出口まで連続す
   る第１のチューブとを含む冷水用回路、および 第３および第４のヘッダと前記第３および第４のヘッダ
   間に接続されるかつ第２の所定段数でかつ第２の所定列
   数で前記空気の入口から前記空気の出口まで連続する第
   ２のチューブとを含む冷水または温水用回路を備える、
   熱交換器。
2. 【請求項２】冷水用回路および冷水または温水用回路の
   両方を有する熱交換器を含む空気調和機、 冷熱源、 前記冷熱源から前記熱交換器の前記冷水用回路に冷水を
   供給する冷水配管、 温熱源、 前記冷熱源に対して前記冷水配管とは並列に配管され、
   かつ前記冷熱源および前記温熱源から前記熱交換器の前
   記冷水または温水用回路に冷水または温水を供給する冷
   温水配管、および 前記冷温水配管に前記冷熱源からの冷水を供給するか前
   記温熱源からの温水を供給するかを切り換えるための切
   換手段を備える、空気調和装置。