JPH09119749A - 空調装置 - Google Patents

空調装置

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JPH09119749A
JPH09119749A JP8230258A JP23025896A JPH09119749A JP H09119749 A JPH09119749 A JP H09119749A JP 8230258 A JP8230258 A JP 8230258A JP 23025896 A JP23025896 A JP 23025896A JP H09119749 A JPH09119749 A JP H09119749A
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pressure
liquid
working fluid
heat exchanger
expansion valve
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JP8230258A
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Ruddy C Bussjager
シー．バスジェイガー ラディー
James M Mckallip
エム．マクカリップ ジェイムズ
Lester N Miller
エヌ．ミラー レスター
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Carrier Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空調システムに対して、空調機器の潜熱冷却
容量を増加させ、かつ制御可能である機構を提供する。 【解決手段】 複数循環路蒸発器１２２が用いられ、液
体ライン１８は、各冷媒循環路のそれぞれの吸入口に対
して、ヘッダ即ちマニフォルド１２１を通じて液体冷媒
を供給する。各循環路には、各吸入口に対応した吐出
口、吐出口ヘッダ即ちマニフォルド１２３が設けられて
おり、各循環路の吐出口からの蒸気を収集して蒸気ライ
ン２６へと供給する。各吸入口には、それぞれ膨張装置
１２０が設けられている。ＴＸＶ１４８は、固定膨張装
置１２０に直列に設けられ、冷媒液の流量を冷媒温度及
び吸入圧に応じて調整する。膨張装置１２０には、すべ
て単一のＴＸＶ１４８からの液体冷媒が供給されたうえ
で、液体の圧力を降下させて二相流体とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮／膨張冷凍に
関し、特に、室内空気蒸発器に流入する液体冷媒の冷却
容量を増加させるように、例えば蒸発器から流出する空
気の潜熱冷却量を向上させるために、熱交換器が増設さ
れている空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、単一流体二相空調及び冷凍システ
ムでは、通常、二相作動流体を低温、低圧蒸気として受
けて高温、高圧蒸気として吐出するタイプのコンプレッ
サが用いられている。この作動流体は、その後に室外凝
縮コイル即ち熱交換器に送られ、圧縮熱は作動流体から
室外空気へと排出され、作動流体は凝縮されて蒸気から
液体へと凝縮される。この高圧液体は、膨張装置、例え
ば固定または可調整膨張バルブまたは圧力降下オリフィ
ス、を介して、低圧となって室内蒸発コイルに送られ
る。この段階で、作動流体は、二相流体（液相及び気相
をともに含む）となり、室内の、快適ゾーンの空気から
熱を奪って、液相から気相へと変化する。これにより冷
凍システムの一サイクルが終了し、蒸気はコンプレッサ
の吸入側へと返送される。
【０００３】温暖な室内空気が蒸発器コイルを流通する
際に、その温度は低下し、その熱は低温となっている蒸
発器コイルに吸収される。空気の温度が結露温度以下と
なると、空気中の水蒸気は蒸発器コイル上に凝縮し、内
部空気から除去される。流出する空気の実際の温度は減
少し（即ち顕熱冷却）、また、除湿（即ち潜熱冷却）も
なされる。潜熱冷却、即ち除湿の程度は、室内空気の水
蒸気が除去されて蒸発器コイル上に凝縮される程度に依
存する。
【０００４】室内空気の水蒸気凝縮は、蒸発器コイルの
温度が流通空気の結露温度以下であるときにのみ生じ
る。なお、結露温度は、空気中の水蒸気が凝縮する温度
と理解されるべきである。
【０００５】現在の室内空気のクオリティに関する規格
では、居住空間内の湿度を制御する点が強調されてい
る。湿度が高いことは、病原性やアレルギー性生物の繁
殖の主因になると見做されている。好ましくは、居住空
間内の相対湿度は、約３０〜６０％に維持するべきであ
る。湿度が高いと、快適性や健康を損ねるだけでなく、
多くの製造プロセスにおいて製造クオリティが低くな
り、また、多くの冷凍システム、例えばスーパーマーケ
ットのオープンフリーザ等の効率も低くなってしまう。
また、湿度が高いと、貴重な芸術作品、蔵書、公文書等
が損傷するおそれがある。
【０００６】温度及び湿度が非常に高いという条件にお
いては、従来の空調機器では、その冷却容量の殆どは、
空気を結露温度にまで冷却する（顕熱冷却）ために費や
され、除湿（潜熱冷却）は殆どなされない。
【０００７】高温、高湿の空気の湿度を重点的に引き下
げる、という問題に対して、従来は、空調機器の設定温
度を低くして空気を過剰冷却することで長時間運転する
という解決策が取られていた。もちろん、このことは、
空調機器の動作時間が長くなり、エネルギー消費量が多
くなることを意味する。加えて、この手法では、室内快
適空間内にいる人に不快感を与える冷たい空気を送るこ
とになってしまう。本質的に、過剰冷却を行うと蒸発器
コイルの温度が下がり、このコイル上への凝縮量が多く
なるがこのようにすると、人体に不快感を与えるまでに
空気が冷たくなってしまう。
【０００８】室内空気を過剰冷却した後で快適な温度に
戻すために、快適空間に返送される空気を再加熱する場
合もある。室内空気温度は、加熱機器またはコンプレッ
サからの高温圧縮蒸気が流れているコイルによって快適
なレベルにまで上昇され、これによって、過剰冷却され
た空気の温度上昇（及び相対湿度の低下）がなされる。
加熱機器を設置するにしても、また、高温蒸気コイルを
流通させるにしても、結局はさらなるエネルギーが必要
となる。
【０００９】この潜熱冷却問題を最小限のコストで解決
するために、近年、熱パイプが用いられている。この熱
パイプは、簡素で受動的すなわち動力を必要としない装
置であり、熱交換材（通常はＲ−２２のような冷媒）を
有する相互接続された熱交換コイルである。熱パイプシ
ステムによって、空調システムの除湿容量が増加し、上
述したような過剰冷却／再加熱に比較してエネルギー消
費量が削減される。
【００１０】熱パイプシステムは、新たにエネルギーを
付加することなく熱を一方から他方へと移動させ得る、
という利点がある。熱パイプの一方の熱交換器は、蒸発
器に流入する温暖な空気内に配置され、他方の熱交換器
は、蒸発器から流出する冷たい空気内に配置される。流
入する空気は、熱パイプシステムの熱交換器の流入側を
暖め、そして、冷媒蒸気は熱交換器の流出側に移動し、
そこで、冷媒蒸気は、その熱が流出する空気に移動する
ことで凝縮される。その後、凝縮された冷媒は、重力ま
たは毛管現象によって、熱交換器の流入側に再循環し、
上述のサイクルが繰り返される。
【００１１】空調機器内に設けられた熱パイプシステム
は、顕熱冷却を好適な快適サーモスタット設定温度に維
持したままで、熱潜熱冷却量を増加することができる。
除湿が強く望まれる状況、または、相対湿度をあるレベ
ル以下に保つことが重要となる状況下では、通常の空調
システムでは、高温高湿の冷却負荷を効率的に扱うこと
は困難である。これに対し、熱パイプを備えた空調シス
テムは、流入する空気を冷却したうえで空調機器の蒸発
器コイルに流す。熱パイプ熱交換器の流入側では、流入
する空気を予備冷却し、蒸発器コイルで必要とされる顕
熱冷却を小さくし、蒸発器コイルの冷却容量の多くを潜
熱冷却即ち除湿にまわされるようにする。蒸発器から流
出して室内へと供給される空気は、所望の温度よりは低
温であり、熱パイプ熱交換器流出側の内部の蒸気を凝縮
させる。これにより、室内に供給される空気は、所望の
快適温度へと戻る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】このように、熱パイプ
装置には、新たな動力源が不必要でかつ簡素であるとい
った利点があるものの、難点も存在する。
【００１３】例えば、熱パイプは常に循環状態にあり、
たとえ除湿が不要で顕熱冷却のみが要求されるときであ
っても、単純に停止させることはできない。加えて、室
内空気通路内には、蒸発器コイルに加えて、二つの熱パ
イプ熱交換器コイルが設けられることになり、室内空気
流が大きく制限されるおそれがある。また、既存の空調
機器に、二つのコイルを同じキャビネット内に追加して
設けることが困難である。何故なら、熱パイプを設置す
るにあたっては、多くの場合、蒸発器その他の装置を移
動し、またキャビネットを大きくする必要があるからで
ある。
【００１４】冷媒が凝縮器を出て蒸発器コイルに到達す
るまでの間に、補助冷却器によって液体冷媒から更に熱
を除去することで、この補助冷却器をシステムの冷却容
量の増加装置として用いることができる。補助冷却器コ
イルが室内蒸発器からの流出空気流と接触するように、
流出空気内に配置されると、室内空気の相対湿度が減少
するという効果が得られる。補助冷却された冷媒は膨張
装置を通じて蒸発器へと流通し、冷却および除湿がなさ
れる。この際、補助冷却器がない場合よりも、室内空気
の熱及び水蒸気の減少量は大きい。その後、流出空気内
に配置された補助冷却器コイルは、室内空気を暖めて快
適レベルへと戻すが、相対湿度は低減されたレベルのま
まとなる。
【００１５】顕熱冷却を（高い冷却負荷に応じて）最大
限に行うために、補助冷却器を使用しないという選択が
なされた場合、補助冷却器を用いた場合と用いない場合
とでは、蒸発器に流入する冷媒液体の熱力学的特性が異
なることから、膨張装置では、その差に応じた調整が必
要となる。このような調整は、自動的に行われる必要が
あり、かつ、高価あるいは複雑な機構を用いないことが
望まれる。
【００１６】従って、本発明の目的は、空調システムに
対して、空調機器の潜熱冷却容量を増加させ、かつ制御
可能である機構を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施形態によ
れば、補助冷却器熱交換器は、室内蒸発器コイルの流出
側に配置される。補助冷却器熱交換器は、凝縮器熱交換
器の吐出側に結合された流入口を有し、高圧の液体冷媒
が補助冷却器熱交換器に流入する。この補助冷却器熱交
換器は、流量制限装置に結合された吐出口を有し、この
流量制限装置から膨張装置を介して蒸発器コイルへと接
続されている。バイパス液体ラインは、直接、上記蒸発
器コイルへと至る膨張装置に凝縮器を結合し、また、液
体ラインソレノイドバルブがバイパス液体ラインに設け
られている。
【００１８】通常冷却（即ち除湿が必要ない場合）が求
められる場合、液体ラインソレノイドバルブは開放され
ており、冷媒は補助冷却器を通らずに迂回する。しか
し、冷却及び除湿の双方が求められる場合、例えば調湿
器から相対湿度が高いという信号がでた場合、ソレノイ
ドバルブは閉鎖され、液体冷媒は補助冷却器を通じて流
れる。このようにすることで、冷たい流出空気内の液体
冷媒が補助冷却されるという効果が得られ、冷媒冷却容
量が増加する。その後、補助冷却された冷媒は、蒸発器
に供給され、この蒸発器によって室内空気が所望の所望
のウェットバルブ温度即ち湿球温度に冷却され、水蒸気
がこの温度で凝縮される。その後に、流出空気は補助冷
却器を通過して、流出する室内空気即ち供給空気は所望
の室内快適温度となる。
【００１９】補助冷却器が循環状態にある場合、補助冷
却器内の補助冷却された液体の流量限定装置において第
一の圧力降下が生じ、蒸発器コイルに流入する液体膨張
装置において第二の圧力降下が生じる。膨張装置と直列
接続された流量制限装置は、膨張装置に流入する液体の
圧力を減少させるが、その圧力は飽和領域、即ち二相の
流体（液相及び）が併存する領域よりは上の点に維持さ
れる。その後、下流側の膨張装置によって、過剰冷却さ
れた冷媒流体の圧力が圧力降下されて、二相流すなわち
チョーク流となって蒸発器に流入する。
【００２０】液体冷媒が補助冷却器を通らずにバイパス
するようにソレノイドが作動している場合には、流量限
定装置は、補助冷却された液体の流路に対して大きなイ
ンピーダンス即ち抵抗を生じさせる。その結果、液体冷
媒の大部分は、凝縮器から膨張装置を通じて直接蒸発器
コイルへと流入する。この場合、冷媒液体は過剰冷却さ
れることはなく、冷媒が蒸発器に流入する際に、二相領
域にまでその圧力が膨張装置によって降下される。好適
には、ソレノイドは、故障時または動力源が接続されて
いないときには、流体がバイパスされるような構成とさ
れるが、この構成に限られるものではない。ソレノイド
バルブは、ラインパワー（line-powered：例えば１２０
v.a.c、即ち交流１２０ボルト）またはサーモスタット
パワー（thermostat powered：例えば２４v.a.c、即ち
交流２４ボルト）が供給される。
【００２１】流量制限装置は、固定孔装置またはサーモ
スタット膨張装置のいずれでもよく、サーモスタット膨
張装置においては、現在の状態に応じて、冷媒流を制御
して、圧縮器の吸入側で常に過熱状態が継続するように
制御を行う。
【００２２】この空調装置は、制御端子（リード線）を
備えたサーモスタットにより制御される。この制御端子
は、冷却設定温度以上に達すると圧縮器を作動させる信
号が供給される。本発明の一実施形態では、湿度制御ラ
インがサーモスタット冷却端子に接続される。また、液
体ラインソレノイドバルブまたはこのソレノイドバルブ
を作動させる制御リレーに直列接続された調湿器を有す
る。湿度制御端子は、圧縮器の吸入側と流体的に連通し
ている低圧スイッチを含むこともでき、これにより、圧
縮器の吸入側が低圧となっていることが検出される。こ
のように圧縮器吸入側が低圧であることは、多くの場
合、蒸発器に霜や氷が付着していることを示すものであ
る。
【００２３】この空調装置は、二段サーモスタットを有
することもでき、この場合、二番めの冷却端子は、上述
した設定温度よりも高温である第二の設定温度となった
ときに、エネルギーが供給される。この場合に取り得る
実施形態の一つにおいては、除湿制御には、上述した第
二の冷却端子に接続された制御リレーと、湿度制御ライ
ンに直列接続された出力端子とが含まれる。他の実施形
態においては、空調装置には、二つの分離した空調シス
テムが含まれ、それぞれ専用の圧縮器、凝縮器、膨張装
置、蒸発器、補助冷却器を有する。この場合、一方の空
調システムは第一の冷却端子によって作動され、他方の
空調システムは第二の冷却端子によって作動される。
【００２４】直列膨張装置は、補助冷却器の用途にのみ
限定されるものではなく、通常の空調ユニットにも用い
得るものである。一方、一対の膨張装置を並列に設ける
ことも可能である。どちらの構成においても、空調装置
の通常及び特定の動作条件に対して圧力降下レベルを適
切に調整することが可能である。
【００２５】本発明における上述及びその他多くの目
的、特徴、利点は、添付の図面及び以下の好適実施形態
の説明によって、更に明瞭となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の一実施形態を説明する。
【００２７】図１を参照すると、空調システム１０は、
室内快適ゾーンに対して空調及び除湿を行うように構成
されている。当業者であれば、システム１０を熱ポンプ
として構成することで、室内快適ゾーンの暖房及び温水
提供を行うように変形しうることは明らかであろう。こ
こでは、空調システム１０において、圧縮器１２には低
圧の冷媒蒸気が吸入口Ｓから入り、高圧の冷媒蒸気が吐
出口即ち圧力ポートＤから吐出される。圧縮された冷媒
蒸気は、圧力ライン１４を通じてコンプレッサから室外
凝縮器熱交換器１６へと進む。この凝縮器内では、冷媒
蒸気の熱は室外空気へと移動し、凝縮して液体となる。
【００２８】凝縮器熱交換器１６からは、高圧の液体冷
媒は、液体ライン１８を通じて膨張装置２０へと向か
い、その後室内冷却コイル即ち蒸発器熱交換器２２へと
至る。この膨張装置は、低圧の二相（液相及び気相の双
方）流体として冷媒を蒸発器２２へと移動させるのに適
したスロットリング装置であればよい。好適実施形態の
一つにおいては、膨張装置２０としては、蒸発器２２の
吸入口にロウ付けされた、一対の離間されて配置された
オリフィスプレート（例えば、いわゆる“ディキシーカ
ップ”）を用いてもよい。蒸発器熱交換器はコイルとな
っており、このコイルを通過する室内空気流２４は、そ
の熱がコイル内を流通する冷媒に吸収された後に、建物
の内部快適空間へと返送される。蒸気ライン２６は、蒸
発器熱交換器２２からの蒸気をコンプレッサの吸入ポー
トＳへと戻す。その後に、以上のように説明した圧縮−
凝縮−膨張−蒸発サイクルが繰り返される。
【００２９】図１の空調システムでは、従来技術によっ
て、除湿は熱パイプ装置３０によりなされる。この熱パ
イプ装置は、冷却コイル即ち蒸発器熱交換器２２に設け
られており、一対の熱交換コイル及び相互接続されたチ
ューブを有し、流入空気コイル３２は、蒸発器コイル２
２の流入側即ち供給側の室内空気流２４にさらされてい
る。さらに、流出空気コイル３４は、流出空気にさらさ
れる、つまり、コイル２２の供給側さらされている。相
互接続チューブ３６によって、二つのコイル３２、３４
間での作動流体（通常は冷媒）の移動が可能となる。熱
パイプ装置３０は、流入してくる相当湿度が高い室内空
気から熱を吸収することで、蒸発器コイル２２の冷却負
荷の一部を取り除く。一方、流出空気に対しては、この
流出空気に熱を移動させるように作用する。
【００３０】例えば、空気流２４として流入する室内空
気の温度は華氏７８度、つまり７８°Ｆ（約２６℃）で
あり、熱パイプコイル３２によって、流入してくる空気
の顕熱温度は６９°Ｆ（約２１℃）にまで低くなる。こ
のことにより、流入空気の乾球温度が下がり、流入空気
の温度は結露温度に近づく。蒸発器熱交換器２２は、空
気流を４９°Ｆ（約９.４℃）に冷却して水蒸気を凝縮
させ、水滴をドリップパン即ち受け皿（図示省略）に集
める。
【００３１】その後に、過剰冷却された流出空気は、熱
パイプコイル３４を通過し、その顕熱温度はより快適な
温度レベル、例えば５９°Ｆ（約１５℃）に戻される。
この際、湿球温度は４９°Ｆ（約９.４℃）のままであ
り、従って、熱パイプ装置３０を用いない場合に比較し
て、室内空気の相対湿度は十分に低くなる。
【００３２】上述した熱パイプ装置は、簡素で動力源を
必要とせず、比較的コストが安く、さらにメンテナンス
をあまり必要としない点で優れている。この熱パイプア
ッセンブリは、現在使用されている既存の設備に組み込
むことが可能である。しかし、多くの場合は、既存の設
備に組み込むに当たっては、空きスペース当の都合によ
り、ある程度の調整が必要となる。一方、熱パイプ装置
は常に稼働状態にあり、停止させることはできない。例
えば、除湿が不要またはあまり問題とはならず、かつ顕
熱冷却を行う必要があるときでも、熱パイプ装置が稼働
してしまう。この熱パイプ装置には、電気的または機械
的制御は全くされていない。また、ある状況下において
は、流入空気熱パイプコイル３２上に水蒸気が凝縮する
こともあり、結露水が装置のキャビネット内に侵入する
おそれがある。また、内部空気流は、３つのコイル、即
ち蒸発器コイル２２に加えて、熱パイプコイル３２、３
４を通過する必要があり、これにより、内部空気のファ
ン負荷が大きくなってしまう。
【００３３】本発明は、熱パイプシステムに付随する問
題点を解決し、空調システムにおいて、除湿が必要なと
きには更なる除湿が可能で、かつ、湿度制御があまり必
要とされない場合には通常量の潜熱冷却を行う、即ち顕
熱冷却量を多くする、ことを目的とする。
【００３４】本発明の一実施形態に係る空調システムを
図２に示す。なお、図１と実質同一の部材には、図１と
同じ参照番号を付している。従って、空調システムの基
本構成は省略する。この実施形態では、空調システムに
は、熱パイプ装置ではなく、補助冷却アッセンブリ４０
が設けられており、室内空気と接触する、蒸発器２２か
らの液体冷媒を補助冷却する構成となっている。高圧液
体ライン１８には、液体冷媒を補助冷却器熱交換器コイ
ル４４に供給するための補助冷却分岐ライン４２が接続
されており、この熱交換器コイル４４は、蒸発器コイル
２２の流出側の室内空気流２４と接触するよう配置され
ている。
【００３５】このコイル４４は、凝縮された液体冷媒を
冷却する一方、補助冷却液体ライン４６を通じて、補助
冷却された液体を蒸発器へと供給する。このライン４６
は、流量制限装置４８を有し、この例では、流量制限装
置４８として固定流量制限装置（fixed flow restricto
r）が用いられている。補助冷却された液体は、流量制
限装置４８、膨張装置２０をこの順に通過して、二相液
体として蒸発器コイル２２にへと流入する。この流量制
限装置として用い得る装置は、Honnold,Jrに付与された
米国特許第３，８７７，２４８号に記載されており、そ
の他にも多くの流量制限デバイスを用いることができ
る。
【００３６】このような固定流量制限装置は、いわゆる
アキュレータ、例えば、全長約１／２インチ（1.2ｃ
ｍ）で所定直径の流通口を有する、機械加工された真鍮
スラグを用いることもできる。アキュレータの流通口の
直径は、使用している冷媒に適合し、かつ動作条件に応
じた圧力降下が得られるように選択される。アキュレー
タ本体は交換可能であり、空調装置の設置場所における
通常の動作状況に適合するように選択できる。
【００３７】アキュレータは、膨張装置２０に到達する
冷媒が二相状態ではなく、液体のままでいられるに十分
な圧力を維持するものとする必要がある。液体バイパス
ライン５０は、液体ライン１８を膨張装置２０及び蒸発
器コイル２２に結合し、補助冷却器熱交換器コイル４４
及び流量制限装置４８を通らずにバイパスさせる。この
バイパスライン５０には、ソレノイドバルブ５２が設け
られており、除湿（更なる潜熱冷却）が要求されたとき
にはバイパスラインを閉鎖し、一方、通常冷却が要求さ
れるときには、バイパスラインを開放する。
【００３８】既存の装置にこの補助冷却アッセンブリを
組み込む場合、固定流量制限装置４８は、純粋な圧力降
下を生じさせ、冷媒液の圧力を、既存の膨張装置２０で
許容され得る圧力にまで落とす。これによって、補助冷
却アッセンブリ４０は、既存の装置に対する“組み込み
用”装置またはアクセサリとして設置することができ、
かつ、既存のシステム１０に対する物理的なインパクト
即ち影響は殆ど与えなくなる。
【００３９】バイパスライン５０及びソレノイドバルブ
５２は、冷媒液を補助冷却器を通さずに流すために用い
られており、補助冷却器アッセンブリ４０は、"冷媒循
環路内"、"冷媒循環路外"のいずれかの状態を選択するこ
とが可能となっている。
【００４０】液体ラインソレノイドバルブ５２が開放さ
れているときは、補助冷却器コイル４４は実質的に循環
路外となる。この場合、冷媒流は、最も抵抗が小さいバ
イパスライン５０を流通し、この際、流量制限装置４６
は、補助冷却器コイル４４を流れる冷媒に対して、相当
大きなレベルのインピーダンスつまり抵抗となる。一
方、ソレノイドバルブ５２が閉鎖された場合、液体冷媒
はすべて補助冷却器コイル４４を流通する。
【００４１】バイパスラインのソレノイドバルブ５２を
開放すると、補助冷却器コイルが循環路から外れ、潜熱
冷却効率を高くすることなく、顕熱冷却効率が最大とな
る。その後、バイパス液体ラインのソレノイドバルブ５
２が閉ざされ、冷媒は補助冷却器コイル４４を通じて流
れ、蒸発器コイル２２と補助冷却器コイルとによって除
湿効率が最大となる。
【００４２】補助冷却器アッセンブリ４０が循環路内に
ある場合、補助冷却器コイル４４は、蒸発器コイル２２
から流出する空気を暖め、かつ、凝縮器コイル１６から
供給される液体冷媒を補助冷却する。補助冷却された冷
媒液体は、流量制限装置４８によって圧力が降下し、そ
の後にスロットリング装置即ち膨張装置２０を通過し
て、蒸発器即ち冷却コイル２２に到達する。上述したよ
うに、室内空気流は、適当な低温、例えば４９°Ｆ
（９.４℃）にまで一旦冷却され、室内空気の水蒸気は
凝縮される。その後、補助冷却器コイル４４によって、
流出する空気の顕熱温度は、快適なレベル、例えば５９
°Ｆ（１５℃）にまで暖められる。
【００４３】この空調システム１０には、この実施形態
では、蒸気戻りライン２６に動作的に結合された圧縮器
低圧スイッチ５４が設けられており、このスイッチ５４
は、圧縮器の吸入圧力が低すぎるかを検出することで、
蒸発器のフリーズアップを防ぐようになっている。
【００４４】潜熱冷媒制御を高くするためのサーモスタ
ット制御装置を図３に示す。建物の快適空間に設置され
たサーモスタット装置６０は、２４v.a.c即ち交流２４
ボルトの変圧電圧を提供する変圧器６２に接続されて用
いられる。１２０v.a.cのライン電圧も供給されてお
り、これは変圧器６２の電源となっている。サーモスタ
ットは、変圧器６２への戻り端子、室内ファンリレー
（図示省略）へのファン端子Ｇ、冷却端子Ｙ１を有す
る。この冷却端子Ｙ１は、圧縮器及び室外ファン接触器
（図示省略）を制御する。このサーモスタットは、所定
の冷却設定温度に到達して、冷却要求がある場合には、
圧縮器１２を作動させる。
【００４５】湿度制御ライン６４は、冷却端子Ｙ１に接
続され、低圧スイッチ５４、室内快適空間に設けられた
壁掛け調湿器６６に順に接続される。この実施形態で
は、制御リレー６８が湿度制御ライン６４の後段に設け
られており、ライン電圧を供給する出力端子が液体ライ
ンソレノイドバルブ５２に接続されている。しかし、２
４ボルト変圧器６２の出力が十分である場合には、湿度
制御ラインを直接ソレノイドリレー５２の動力源とする
ことも可能である。
【００４６】壁掛け型の調湿器６６は、直接、バイパス
液体ラインのソレノイドバルブ５２の停止／駆動を行
う。上述したように、このバルブ５２は、補助冷却器コ
イル４４を冷媒循環路にいれるか、冷媒循環路外とする
かを決定する。圧縮器吸入圧力が非常に低い場合は、低
圧スイッチがこの状態を検出し、補助冷却器コイル４４
を冷媒循環路外にだし、蒸発器コイルのフリーズアップ
を防ぐ。
【００４７】図３に、通常のシステム損失を無視した状
態で、このシステム内の冷媒ねつ竜を説明するための圧
力−エンタルピー相関図を示す。ここでは、圧力を縦軸
即ち縦座標にとり、エンタルピーを横軸即ち横座標にと
る。この実施形態では、冷媒の作動流体はＲ２２であ
り、液相、気相、二相の各領域は図示の通りである。実
線のグラフは、補助冷却器コイル４４が循環路内にある
空調モード（高除湿冷却）を示し、点線のグラフは、バ
イパスモード（通常冷却）を示す。
【００４８】この図において、Ａ点は、蒸発器コイル２
２から流出して圧縮器１２に入る冷媒の状態を示す。Ｂ
点は、圧縮器をでて凝縮器１４に入る冷媒の状態を示
す。凝縮器においては、主に熱を外部の空気に放出して
凝縮することにより、エンタルピーが低下している。Ｃ
点は、凝縮されて、凝縮器１４から補助冷却器コイル４
４に流入する冷媒の状態を示す。補助冷却器コイル４４
では、液相飽和線の左の液相温度を減少させることで、
冷媒のエンタルピーが減少している。さらに、Ｄ点は、
圧力制限装置４８へと流通する、補助冷却された冷媒液
の状態を示し、圧力降下によってＥ点に至る。このＥ点
では、液相の冷媒は、スロットリング装置即ち膨張装置
２０に入ってＦ点に至る。Ｆ点では、冷媒は、低圧状態
で液相及び気相の混合状態となっており、その後、冷媒
は蒸発器コイル２２に入ることとなる。冷媒がコイル２
２を通過するにつれて、液相の冷媒は気化し、気相の冷
媒のみがコイルから流出して、圧縮器の吸入側へと戻る
（Ａ点）。
【００４９】バイパスラインのソレノイドバルブ５２が
開放されて補助冷却器コイル４４が循環路から外れる
と、冷媒の状態は、図４の点線で示される圧力−エンタ
ルピーグラフに沿って移動する。圧縮器１２の吸入口に
流入前の冷媒蒸気の状態はＡ’点で示され、圧縮器の吐
出口Ｐを出るとＢ’点で示される状態となって、その後
凝縮器１６に入る。上述のように、循環路は補助冷却器
コイル４４及び流量制限装置４８を通らずにバイパスし
ているので、液体冷媒はＥ’点から膨張装置に入り、膨
張装置で減圧された後にＦ’点に至り、その後に蒸発器
コイル２２に入る。ここで、膨張装置２０において、補
助冷却（高潜熱冷却）モード（Ｅ点からＦ点）、バイパ
ス（通常冷却）モード（Ｅ’点からＦ’点）のいずれに
おいても、圧力降下は、大体同じ程度である点に留意さ
れたい。
【００５０】補助冷却モードにおいて、蒸発器内の及び
圧縮器の吸入ポートにおける冷媒流体は、バイパスモー
ドに比較して、ある程度低圧にある。このことは、蒸発
器コイルは、高潜熱冷却モードにおいては、通常冷却モ
ードに比較して、ある程度低温であることを示す。従っ
て、水蒸気の凝縮量が増加し、流出する空気の湿球温度
は、バイパスモードに比較して低くなる。
【００５１】二段システムにおけるサーモスタット制御
を図５に示す。図３に対応するものは、同じ参照番号で
示し、説明は省略する。この実施形態において、二段サ
ーモスタット１６０はサーモスタット変圧器に設けられ
ており、戻り端子Ｒ，ファン端子Ｇ，冷却端子Ｙ１は上
述したとおりである。これに加えて、第二の冷却端子Ｙ
２が設けられており、冷却端子Ｙ１の設定温度よりも高
い第二の設定温度となるか、これを超えると、Ｙ２が作
動される。低圧スイッチ５４、調湿器６６、制御リレー
は、上述したように、冷却端子Ｙ１につながる調湿器制
御ライン６４に接続されている。加えて、第二の制御リ
レー１７０は、第二の冷却端子Ｙ２に接続されたアクチ
ュエータを有し、その出力端子は、調湿器制御ライン６
４に直列接続されている。
【００５２】この実施形態において、居住快適空間の温
度が第二の設定温度、即ち高い方の設定温度を超えて上
昇し続けると、第二の冷却ステージが、高潜熱補助冷却
を無視して、補助冷却器が作動しないようにする。この
ことにより、空調システム１０は、顕熱冷却のみを行う
ことになる。その後、一旦空調空間が高い方の設定温度
より低い許容温度となると、第二の冷却ステージが終了
し、調湿器６６が除湿を要求した場合には、補助冷却器
が循環路内に戻される。
【００５３】高潜熱冷却システムの更なる発展形となる
実施形態を図６に示す。図１、２と実質的に共通のもの
には同じ参照符号を付しており、その説明は省略する。
この実施形態において、図２の実施形態との動作の違い
は、固定流量制限装置４８がサーモスタット膨張バルブ
１４８で置き換えられている点である。このサーモスタ
ット膨張バルブ、即ちＴＸＶは、蒸発器の吸入口におけ
る膨張バルブとしてよく用いられる装置であり、この実
施形態においても、ＴＸＶ１４８は、補助冷却器コイル
４４から流出する凝縮された液体を、その圧力を低下さ
せた後に、蒸発器コイル２２に設けられた膨張装置２０
に送るために用いられている。
【００５４】このＴＸＶ１４８は、低圧蒸気ライン２６
に接続されたイコライザライン即ち均圧管１５０、蒸発
器コイル２２の下流側でかつ圧縮器１２の吸入ポートＳ
の手前の位置に設けられた温度検出部１５２をそれぞれ
有する。このＴＸＶ１４８は、冷媒温度及び吸入圧に応
じて、補助冷却された冷媒液の流れを調整する。この装
置によって、圧縮器の吸入口へのコンスタントな過熱状
態が得られるようになり、圧縮器のフラッディングが防
止されるようになる。このＴＸＶ１４８は冷媒圧力は降
下させるが、その圧力が二相（液相）が混在する圧力、
即ち図４の点Ｅ付近よりも上となるように保持する。下
流側膨張装置２０は、その後、蒸発器コイルを出て二相
即ちチョークフロー点へと移行する冷媒流体の圧力を降
下させるように機能する。これによって、補助冷却装置
は、動作可能な条件を維持しつつ、空調及び除湿負荷の
広範囲にわたる状態に対応して作動することが可能とな
る。
【００５５】本発明のいずれの実施形態に係る補助冷却
器アッセンブリ４０も、“組み込み式”でシステム改良
を行うことが可能であり、この際、設置が非常に容易で
あるうえ、既存の空調システムの空きスペースに容易に
フィット可能である。水蒸気の凝縮は、既存の蒸発器コ
イル上にのみ生じることから、新たに結露水を集めるた
めの装置は不要である。この補助アッセンブリは、補助
冷却器コイル４４の設置、参照符号４２、５０、４６で
示される分岐パイプの設置、及び図３、５に示されるよ
うにサーモスタットへの簡素な電気接続が必要となるだ
けである。
【００５６】さらには、新たに設けることとなるコイル
は、室内空気流路に設けられるコイル４４のみであるの
で、室内ファンの負荷も殆ど増加することはない。
【００５７】図７に、本発明の他の実施形態を示す。な
お、他の図面と同一部または相当部には同一の参照符号
を付しており、説明は省略する。この実施形態において
は、上述した実施形態において用いられた補助冷却機構
は用いておらず、通常用いられている空調システムが示
される。圧縮器１２から凝縮器コイル１６及び液体ライ
ン１８を通じての冷媒循環路は上記実施例と同じであ
る。
【００５８】ここでは、複数循環路蒸発器１２２が用い
られ、液体ライン１８は、各冷媒循環路のそれぞれの吸
入口に対して、ヘッダ即ちマニフォルド１２１を通じて
液体冷媒を供給する。各循環路には、各吸入口に対応し
た吐出口、吐出口ヘッダ即ちマニフォルド１２３が設け
られており、各循環路の吐出口からの蒸気を収集して蒸
気ライン２６へと供給する。各吸入口には、それぞれ膨
張装置１２０が設けられている。ここでは、これらは固
定膨張装置をもちいており、例えば各デバイス１２０
は、一対のいわゆる“ディキシーカップ”により構成さ
れ得る。
【００５９】この実施形態では、サーモスタット膨張バ
ルブ即ちＴＸＶ１４８は液体ライン１８において、吸入
口ヘッダ１２１の前段に設けられている。ＴＸＶ１４８
は、低圧蒸気ライン２６に接続された均圧管１５０を有
しており、その温度検出装置１５２は、ライン２６にお
いて、蒸発器コイル２２の下流が和でかつ圧縮器１２の
吸入ポートＳの前段に設けられている。ＴＸＶは、冷媒
液の流量を、冷媒温度及び吸入圧に応じて調整する。Ｔ
ＸＶによる制限流量は、ある程度の減圧下で、純粋な液
体が吸入口ヘッダ１２１に到達し、膨張装置１２０に入
るようになっている。
【００６０】従来の多段循環路設計では、ＴＸＶは、液
体冷媒を非常に低圧として二相流体状態とするために用
いられていた。その後に、この流体は、単一オリフィス
を有する冷媒ディストリビュータ即ち冷媒分配器に流通
される。分配器を設ける目的は、蒸発器コイル内の各冷
媒循環路において二相流体が良好な混合状態となるよう
にする点にある。
【００６１】しかし、分配器を用いる構成とした結果、
機械的配置方向や、循環路のヘッダリングによって、各
冷媒循環路において二相流体を良好な混合状態とするこ
とは困難となっている。これによって、個々のセル即ち
蒸発器内の個々の循環路において、フラッディング（液
体冷媒の過剰状態）やスタービング（液相冷媒の不足状
態）が生じてしまう。
【００６２】また、他の従来構成においては、各冷媒循
環路の負荷を適切化するための手段として、蒸発器内の
各冷媒循環路に、それぞれ個々のディキシーカップタイ
プの膨張装置が設けられている。この構成の難点は、各
セルの圧力降下は、圧縮器に入る最適レベルに冷媒状態
を維持するように調整することはできない、ということ
である。これによって、コンプレッサへと戻るガスの過
熱状態が非常に高いか、または非常に小さいものとなる
場合があり、その結果、温度や蒸発器の空気流入レート
が不安定となって、動作やシステム安定性に問題を生じ
るおそれがある。
【００６３】この実施形態では、ＴＸＶ１４８は、複数
の固定膨張装置１２０、例えばディキシーカップ、に直
列に設けられている。蒸発器内の各冷媒循環路は、ディ
キシーカップ膨張装置がそれぞれ設けられている。膨張
装置１２０は、すべて単一のＴＸＶ１４８からの液体冷
媒が供給される。補助冷却器の実施形態（図６）に示さ
れるように、ＴＸＶ１４８は、液体冷媒を二相流体に変
換することなく圧力を降下させる。ヘッダ１２１に流入
して膨張装置１２０へ到達する冷媒は、純粋な液体であ
り、このような設計によって、各膨張装置１２０へと適
切で均一な配分がなされる。個々の膨張装置１２０は、
その後液体の圧力を降下させて二相流体とする。これに
よって、冷媒分配器が不要となり、冷媒流が不均一とな
ることもなくなる。温度及び蒸発器空気流等の動作条件
が変化して、圧縮器１２の吸入側において、戻りガスの
過熱状態が非常に小さいか、または非常に大きいという
状態になりうる状況において、このような構成は有用で
ある。また、圧縮器の負荷が大きく、従って適切な動作
状態を保持するために冷媒のより適切な調整が求められ
る場合にも、この構成は好適である。
【００６４】冷凍分配は、適切なシステム効率を得て蒸
発器コイル内の循環路の負荷を均一化するためにも重要
である。蒸発器循環路内での流量比が低いと、オイルの
トラッピングが生じて、圧縮器へのオイルの戻り量が減
少し、圧縮器の信頼性を低くするおそれがある。
【００６５】以上説明した各実施形態は、相互に適用可
能なものだる。図６の補助冷却器の構成は、図７の複数
循環路蒸発器システムと組み合わせて用いることができ
る。加えて、第一の流量制限装置が第二の膨張装置と直
列に接続され、その一方または双方が固定装置または可
変装置とすることができる、その他のアプリケーション
も種々存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例にかかる熱パイプ強化構造を備えた空調
システムの概略説明図。
【図２】本発明の一実施形態に係る、補助冷却器を備え
た空調システムの概略説明図。
【図３】本発明の一実施形態に用いられたサーモスタッ
ト制御回路の説明図。
【図４】本発明の一実施形態を説明するための、圧力−
エンタルピー相関図。
【図５】本発明の他の実施形態に係るサーモスタット説
明する回路の説明図。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る、補助冷却
器を用いた空調システムの説明図。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る、補助冷却
器を用いず、複数セル蒸発器を用いた空調システムの説
明図。
【符号の説明】
１０…空調システム １２…圧縮器 １４…圧力ライン １６…凝縮器熱交換器 １８…液体ライン ２０…膨張装置 ２２…蒸発器熱交換器 ２４…室内空気流 ２６…蒸気ライン ３０…熱パイプ装置 ３２、３４…コイル ３６…相互接続チューブ ４２…補助冷却分岐ライン ４４…熱交換器コイル ４６…補助冷却液体ライン ４８…流量制限装置 ５０…液体バイパスライン ５２…ソレノイドバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ エム．マクカリップ アメリカ合衆国，ニューヨーク，ポンペ イ，バーウィンロード 2588 (72)発明者 レスター エヌ．ミラー アメリカ合衆国，ニューヨーク，イースト シラキュース，コラーマー ロード 6700

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 潜熱冷却制御を行う空調装置であって、 作動流体が低温蒸気として供給される吸入側と前記作動
    流体が高温高圧の蒸気として吐出される吐出側とを備え
    た圧縮器を有し、 前記高圧蒸気が供給されて、この作動流体の熱を室外空
    気へと排出するとともに前記作動流体を高圧液体として
    吐出する室外凝縮器熱交換器を有し、 前記高圧の作動流体が前記凝縮器熱交換器からの液体ラ
    インを通じて供給される室内蒸発器コイルを有し、この
    蒸発器コイルは、前記作動流体を圧力低下させて低圧の
    液体とするための膨張バルブ手段と、熱交換器と、を有
    し、この熱交換器においては、室内空気流の熱が前記低
    圧液体によって吸収されて前記作動流体が低圧蒸気に気
    化されたうえで、蒸気ラインを通じて前記圧縮器の吸入
    側へと流通され、 前記凝縮器熱交換器に接続されて前記高圧液体が流入さ
    れる吸入口と、吐出口と、をそれぞれ備えた補助冷却器
    熱交換器を有し、この補助冷却器熱交換器は、前記室内
    蒸発器熱交換器手段から流出する前記室内空気流と接触
    するように配置されていて、前記作動流体を補助冷却す
    るとともに前記室内空気流の温度を上昇させ、 前記補助冷却器熱交換器の吐出口及び前記室内蒸発器の
    前記膨張バルブ手段に接続された流量制限装置を有し、 前記高圧液体作動流体を前記補助冷却器熱交換器を迂回
    させるためのバイパス手段を有し、 制御手段を有して、この制御手段は、冷却除湿が要求さ
    れるときは、前記高圧液体の作動流体を、最初に前記補
    助冷却器熱交換器を流通させた後に、前記流量制限装置
    及び前記膨張バルブ手段を通じて前記室内蒸発器コイル
    に流し、通常冷却が要求されるときは、前記高圧液体の
    作動流体を、前記バイパス手段を通じて、前記凝縮器熱
    交換器から直接前記膨張バルブ手段を通じて前記蒸発器
    コイルへと流通させることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記バイパス手段は、前記蒸発器コイル
    の前記膨張バルブ手段に接続された液体ライン分岐管を
    有し、 前記液体ラインは、前記補助冷却器熱交換器の吸入口に
    接続された補助冷却器分岐管を有し、 前記流量制限装置は、前記蒸発器コイルの前記膨張バル
    ブ手段と前記補助冷却器熱交換器の吐出口とを接続する
    補助冷却器液体ラインに設けられており、 前記制御手段は、前記液体ライン分岐管に設けられた液
    体ラインソレノイドバルブと前記ソレノイドバルブに接
    続された制御回路とを有して、通常冷却が要求されると
    きには前記ソレノイドバルブを開放し、冷却除湿が要求
    されるときには、前記ソレノイドバルブを閉鎖すること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記流量制限装置は、固定流量制限装置
    であることを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記流量制限装置は、サーモスタット膨
    張バルブを有することを特徴とする請求項１記載の装
    置。
  5. 【請求項５】 前記サーモスタット膨張バルブは、前記
    蒸気ラインに接続された均圧管と、前記蒸発器コイルの
    下流側でかつ前記圧縮器の吸入側の前段に接続された温
    度検出装置と、を有することを特徴とする請求項４記載
    の装置。
  6. 【請求項６】 空調装置であって、 作動流体が低温蒸気として供給される吸入側と前記作動
    流体が高温高圧の蒸気として吐出される吐出側とを備え
    た圧縮器を有し、 前記高圧蒸気が供給されて、この作動流体の熱を室外空
    気へと排出するとともに前記作動流体を高圧液体として
    吐出する室外凝縮器熱交換器を有し、 前記高圧の作動流体が前記凝縮器熱交換器からの液体ラ
    インを通じて供給される室内蒸発器コイルを有し、この
    蒸発器コイルは、前記作動流体を圧力低下させるための
    膨張バルブ手段と、熱交換器と、を有し、この熱交換器
    においては、流通するメディアからの熱が前記低圧液体
    によって吸収されて前記作動流体が低圧蒸気に気化され
    たうえで、蒸気ラインを通じて前記圧縮器の吸入側へと
    流通されるものにおいて、 前記液体ラインでの前記膨張バルブ手段の下流側に直列
    に設けられた流量制限装置を有し、前記膨張バルブ手段
    は、前記流量制限装置に対して、前記作動流体を前記高
    圧状態よりも低圧の液体としてのみ供給し、一方、前記
    流量制限装置は、前記作動流体の圧力を更に低下させて
    二相混合状態へ変換させることを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】 前記流量制限装置は固定膨張装置を有
    し、前記膨張装置バルブ手段は自動調整流量制限装置を
    有することを特徴とする請求項６記載の空調装置。
  8. 【請求項８】 前記膨張装置バルブ手段は、前記蒸気ラ
    インに接続された均圧管と、前記蒸気ラインでの前記蒸
    発器コイルの下流側でかつ前記圧縮器の吸入側の前段に
    設けられた温度検出装置と、を有することを特徴とする
    請求項６記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記蒸発器コイルは、前記コイル内に複
    数の冷凍循環路を有し、各冷凍循環路はそれぞれ吸入口
    及び吐出口を有するとともに、前記吸入口に前記膨張バ
    ルブ手段を接続する吸入口ヘッダと、前記吐出口に前記
    蒸気ラインを接続する吐出口ヘッダとを有し、前記流量
    制限装置は、前記各吸入口にそれぞれ設けられた複数の
    固定膨張装置を有し、かつ、前記膨張バルブ手段によっ
    て、前記液体が前記各固定膨張装置へと均等に配分され
    るようになっていることを特徴とする請求項６記載の空
    調装置。
  10. 【請求項１０】 前記膨張バルブ手段は、サーモスタッ
    ト膨張バルブを有し、このサーモスタット膨張バルブ
    は、前記蒸気ラインと接続された均圧管と、前記蒸気ラ
    インでの前記蒸発器コイルの下流側でかつ前記圧縮器の
    前記吸入側の前段に接続された温度検出装置と、を有す
    ることを特徴とする請求項９記載の空調装置。
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