WO2015136646A1

WO2015136646A1 - 空気調和装置

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Publication number: WO2015136646A1
Application number: PCT/JP2014/056536
Authority: WO
Inventors: 勇希望月
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JPWO2015136646A1

Abstract

　圧縮機２１、第一熱源側熱交換器２２、絞り装置、および第一利用側熱交換器１２を順次配管で接続して構成した圧縮機運転による強制循環回路２００と、第二熱源側熱交換器４１、および第二利用側熱交換器３１を配管で接続して構成した冷媒自然循環による自然循環回路３００と、を構成し、空気流路を形成する送風手段を備え、第二利用側熱交換器３１を空気流路に対して傾斜設置したものである。

Description

空気調和装置

　本発明は、圧縮機運転による強制循環回路と、冷媒自然循環による自然循環回路と、を備えた空気調和装置に関するものである。

　従来から、圧縮機を備え、圧縮した冷媒を吐出して循環させる強制循環回路と、圧縮機のような冷媒を循環させる手段を備えず、冷媒を自然に循環させる自然循環回路と、を備えた空気調和装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

　自然循環回路は、室内温度と外気温度との温度差、および室内機と室外機との高低差を利用して、冷媒を自然に循環させている。
　すなわち、室外機を室内機よりも上方に設置し、室外機の熱交換器で外気により凝縮液化させた液冷媒を、重力を利用し、冷媒配管を介して室内機の熱交換器に導入する。そして、そこで蒸発気化させたガス冷媒を、冷媒配管を介して上昇させて、室内機よりも上方に設置されている室外機の熱交換器へ再び導入することにより、冷媒を自然に循環させている。
　この自然循環回路は、圧縮機を駆動させるための動力を必要としないので、省エネ性に優れた冷房運転を行うことができる。

特開２００１－９９４４６号公報（たとえば、図１参照）

　しかし、この種の空気調和装置において、自然循環回路は、外気温度が室内温度に比べて低くないと冷媒が循環しないため、冷房能力を出すことはできない。そのため、室内温度より外気温度が低い温度のときには、室内を冷却することができるため省エネ性は向上するが、室内温度より外気温度が高温のとき、または室内温度と外気温度との差がないときには、室内を冷却することができないため、省エネ性は向上しない。

　本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、省エネ性を向上させた強制循環回路と自然循環回路とを備えた空気調和装置を提供することを目的としている。

　本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、第一熱源側熱交換器、絞り装置、および第一利用側熱交換器を順次配管で接続して構成した圧縮機運転による強制循環回路と、第二熱源側熱交換器、および第二利用側熱交換器を配管で接続して構成した冷媒自然循環による自然循環回路と、を構成し、空気流路を形成する送風手段を備え、前記第二利用側熱交換器を前記空気流路に対して傾斜設置したものである。

　本発明に係る空気調和装置によれば、第二負荷側熱交換器を空気流路に対して傾斜設置したため、自然循環回路の第二負荷側熱交換器の空気とフィンとの接触長さを増やし、第二負荷側熱交換器の熱交換面積を増大させることができる。また、通風抵抗を上げることで通過風速を下げることができる。その結果、強制循環回路における室内機の電力を抑えることができるため、省エネ性を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る空気調和装置の自然循環用熱交換器を側面視した概略図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の説明における空調対象空間とは、たとえば、室内、データセンター、電算室、サーバールーム、ビルの一室、倉庫などに対応するものである。

　実施の形態．
　図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置１００の構成を示す概略図である。
　空気調和装置１００は、図１に示すように強制循環回路室内機１と、強制循環回路室外機２と、自然循環回路室内機３と、自然循環回路室外機４とで構成されている。
　強制循環回路室内機１と強制循環回路室外機２とは冷媒配管で接続され、冷媒が循環する強制循環回路２００を構成し、自然循環回路室内機３と自然循環回路室外機４とは冷媒配管（液配管５１およびガス配管５２）で接続され、冷媒が循環する自然循環回路３００を構成している。なお、強制循環回路２００と自然循環回路３００とは、互いに独立して構成されている。

（強制循環回路室内機１）
　強制循環回路室内機１には、室内膨張弁１１と、第一利用側熱交換器１２と、室内送風手段１３と、室内制御装置１４とが搭載されている。また、室内膨張弁１１と第一利用側熱交換器１２とは直列に冷媒配管で接続されている。
　室内膨張弁１１は、冷媒を減圧膨張させるものであり、たとえば開度を可変とすることができる電子膨張弁で構成するとよい。

　第一利用側熱交換器１２は、冷房運転時には蒸発器として機能するものである。なお、本実施の形態では、図１に示すように空気調和装置１００が冷房運転を実施する場合のみを例として説明している。仮に、強制循環回路２００に四方弁などの流路切換手段を設けて暖房運転を実施する場合には、第一利用側熱交換器１２は凝縮器として機能する。

　第一利用側熱交換器１２には、空気を供給するための遠心ファンや多翼ファンなどで構成される室内送風手段１３が付設されている。また、室内送風手段１３は、たとえばインバータにより回転数が制御され風量調整されるタイプのもので構成されている。つまり、第一利用側熱交換器１２は、室内送風手段１３から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。

　なお、本実施の形態では、室内送風手段１３が強制循環回路室内機１に設置されている場合を例に説明するが、それに限定されるものではなく、室内送風手段１３により形成される空気流路内に、強制循環回路室内機１および自然循環回路室内機３が設置されていればよい。たとえば、室内送風手段１３が自然循環回路室内機３に設置されていてもよいし、強制循環回路室内機１および自然循環回路室内機３の両方に設置されていてもよい。
　また、室内膨張弁１１は本発明の「絞り手段」に相当し、室内送風手段１３は、本発明の「送風手段」に相当する。

　室内制御装置１４は、汎用のＣＰＵ、データバス、入出力ポート、不揮発メモリ、タイマーなどを備えた演算装置で構成されている。この室内制御装置１４は、運転情報（空調対象空間の空気の温度、設定温度、および冷媒配管の温度など）によって、室内膨張弁１１の開度、室内送風手段１３の回転数などの制御を行う。また、室内制御装置１４は、後述する室外制御装置２４と伝送線（図示せず）にて接続され、情報の送受信を行うことができるようになっている。

（強制循環回路室外機２）
　強制循環回路室外機２には、圧縮機２１と、第一熱源側熱交換器２２と、第一室外送風手段２３と、室外制御装置２４と、が搭載されている。また、圧縮機２１と第一熱源側熱交換器２２とは直列に冷媒配管で接続されている。
　圧縮機２１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえばインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプのもので構成されている。

　第一熱源側熱交換器２２は、冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として機能するものである。この第一熱源側熱交換器２２には、空気を供給するためのプロペラファンなどで構成される第一室外送風手段２３が付設されている。つまり、第一熱源側熱交換器２２は、第一室外送風手段２３から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。

　室外制御装置２４は、汎用のＣＰＵ、データバス、入出力ポート、不揮発メモリ、タイマーなどを備えた演算装置で構成されている。この室外制御装置２４は、強制循環回路室内機１からの運転情報（空調対象空間の空気の温度、設定温度、および冷媒配管温度など）によって、圧縮機２１の回転数（周波数）、第一室外送風手段２３の回転数などに対し予め設定された制御を行う。

　つまり、強制循環回路２００は、圧縮機２１と、第一熱源側熱交換器２２と、室内膨張弁１１と、第一利用側熱交換器１２とを冷媒配管により順次環状に接続した冷凍サイクルによって構成されている。

（自然循環回路室内機３）
　自然循環回路室内機３には、蒸発器として機能する第二利用側熱交換器３１が搭載されている。また、自然循環回路室内機３は、強制循環回路室内機１の空気吸込口（図示せず）の一次側（空気流入側）に設置され、強制循環回路室内機１の室内送風手段１３により流通される空気が、第二利用側熱交換器３１にも供給されるように構成されている。

　なお、本実施の形態において、自然循環回路室内機３は、強制循環回路室内機１と別体であるものとして説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、第二利用側熱交換器３１も、第一利用側熱交換器１２とともに強制循環回路室内機１内に設置されている態様であってもよいし、強制循環回路室内機１の空気吸込口の一次側に接続されたダクト内部に設置されている態様であってもよい。つまり、室内送風手段１３により形成される空気流路内に設置されていればよい。

　また、本実施の形態では、自然循環回路室内機３に流入した空気が第二利用側熱交換器３１を通過した後に、第一利用側熱交換器１２に供給されるように自然循環回路室内機３と強制循環回路室内機１とが構成されている場合を例に説明したが、それに限定されるものではない。

（自然循環回路室外機４）
　自然循環回路室外機４には、凝縮器として機能する第二熱源側熱交換器４１と、第二熱源側熱交換器４１に付設され、第二熱源側熱交換器４１に空気を供給する第二室外送風手段４２とが搭載されている。また、第二室外送風手段４２は、通電時に運転するようになされている。
　なお、第二室外送風手段４２の運転方法であるが、自然循環運転時のみ運転したり、強制循環回路室内機１から出力される運転信号により運転したりするといったように、予め設定された制御で運転を行うようにしてもよい。

　このように、自然循環回路３００は、第二利用側熱交換器３１と第二熱源側熱交換器４１とを、液配管５１およびガス配管５２により順次環状に接続した冷凍サイクルによって構成されている。
　また、自然循環回路室外機４を自然循環回路室内機３の上方に設置し、自然循環回路室外機４の第二熱源側熱交換器４１で外気により凝縮液化させた液冷媒を、重力を利用し、液配管５１を介して自然循環回路室内機３の第二利用側熱交換器３１に導入する。そして、そこで蒸発気化させたガス冷媒を、ガス配管５２を介して上昇させて、自然循環回路室内機３よりも上方に設置されている自然循環回路室外機４の第二熱源側熱交換器４１へ再び導入することにより、冷媒を自然に循環させている。
　以上のようにして、室内温度より外気温度が低い温度のときには自然循環回路３００により室内を冷却することができるため、省エネ性は向上する。

　なお、本実施の形態では、強制循環回路２００には冷媒が封入され、自然循環回路３００にも冷媒が循環しているものとして説明するが、それに限定されるものでなく、自然循環回路３００にはたとえば水などの熱媒体が封入されていてもよい。
　また、本実施の形態では、自然循環回路３００により室内を冷却するが、室内を暖めてもよく、その場合は自然循環回路室外機４を自然循環回路室内機３の下側に設置する必要がある。

　（第二利用側熱交換器３１の構成）
　図２は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置１００の第二利用側熱交換器３１を側面視した概略図である。
　第二利用側熱交換器３１は、図２に示すように所定の間隔で平行に積層され、その間を流体が通過する複数の板状のフィン３１ａと、このフィン３１ａに直交するように挿入された伝熱管３１ｂとで構成されたフィンチューブ型である。また、第二利用側熱交換器３１を側面視して、伝熱管３１ｂは千鳥状（ジグザグ状）に配置されているが、このように配置するのは伝熱の促進のため、および自然循環回路室内機３の小型化のためである。

　また、第二利用側熱交換器３１には液配管５１およびガス配管５２が接続されており、冷媒の逆流防止のために液配管５１の最下部５１ａはトラップ形状を有している。つまり、液配管５１のトラップ形状を有する最下部５１ａに液冷媒を溜めることによりそこでガス冷媒を遮断し、ガス冷媒が逆流して液配管５１の最下部５１ａから先に流れるのを防止している。なお、本実施の形態にかかる液配管５１の最下部５１ａのトラップ形状は、図２に示すように凹字形状であるが、それに限定されるものでなく、たとえばＵ字形状などでもよい。

第二利用側熱交換器３１は、自然循環回路室内機３内に、室内送風手段１３により形成される空気流路に対して傾斜設置されている。冷媒は、液配管５１から第二利用側熱交換器３１に流入し、ガス配管５２から送りだされ、第二熱源側熱交換器４１へと向かう。なお、自然循環を行うためには、液配管５１は、ガス配管５２よりも下方に配置される必要があり、第二利用側熱交換器３１では、液配管５１からガス配管５２へ向かう経路は水平または上り勾配とする必要がある。

（第二利用側熱交換器３１の傾斜角度）
次に、第二利用側熱交換器３１の具体的な傾斜角度Ｎについて説明する。
例えば２列の第二利用側熱交換器３１において、段方向における伝熱管３１ｂの中心同士の間隔をＤＰ、列方向における前記伝熱管の中心同士の間隔をＬＰとしたとき、空気流路に対して垂直な方向からの傾斜角度Ｎは、以下の式で計算される値Ｎｍａｘ以下でなければならない。
Ｎｍａｘ＝Ｔａｎ^－１｛（ＬＰ/２）/ＤＰ｝
したがって、Ｎの取りうる範囲としては、０（度）≦Ｎ≦Ｎｍａｘ（度）となる。

以上のように、傾斜角度Ｎを決めているため、第二利用側熱交換器３１において、液配管５１からガス配管５２へ向かう経路は水平または上り勾配を維持することが可能となる。また、自然循環回路３００の循環を妨げることなく、自然循環回路３００の第二負荷側熱交換器の空気とフィン３１ａとの接触長さを増やし、第二負荷側熱交換器の熱交換面積を増大させることができる。また、通風抵抗を上げることで通過風速を下げることができる。その結果、強制循環回路２００における強制循環回路室内機１の電力を抑えることができるため、省エネ性を向上させることが可能となる。

　具体的には、第二利用側熱交換器３１の傾斜角度をＮとした場合、水平の場合と比べて、熱交換器面積を（１/ｃｏｓＮ）倍にすることができる。そのため、第二利用側熱交換器３１を通過する風速を、（ｃｏｓＮ）倍とすることができ、圧損は（ｃｏｓＮの二乗）倍となり、室内送風手段１３の動力は（ｃｏｓＮの三乗）倍となる。ここで、Ｎは０（度）≦Ｎ＜９０（度）であるため、ｃｏｓＮは１よりも小さい値となり室内送風手段１３の動力を小さくすることができる。

　１　強制循環回路室内機、２　強制循環回路室外機、３　自然循環回路室内機、４　自然循環回路室外機、１１　室内膨張弁、１２　第一利用側熱交換器、１３　室内送風手段、１４　室内制御装置、２１　圧縮機、２２　第一熱源側熱交換器、２３　第一室外送風手段、２４　室外制御装置、３１　第二利用側熱交換器、３１ａ　フィン、３１ｂ　伝熱管、４１　第二熱源側熱交換器、４２　第二室外送風手段、５１　液配管、５１ａ　（液配管の）最下部、５２　ガス配管、１００　空気調和装置、２００　強制循環回路、３００　自然循環回路。

Claims

　圧縮機、第一熱源側熱交換器、絞り装置、および第一利用側熱交換器を順次配管で接続して構成した圧縮機運転による強制循環回路と、
　第二熱源側熱交換器、および第二利用側熱交換器を配管で接続して構成した冷媒自然循環による自然循環回路と、を構成し、
　空気流路を形成する送風手段を備え、
　前記第二利用側熱交換器を前記空気流路に対して傾斜設置した
　空気調和装置。
　前記第二利用側熱交換器は、
　フィンと該フィンに直交するように挿入された伝熱管とで構成されたフィンチューブ型であり、
　前記伝熱管は千鳥状に配置されており、
　段方向における前記伝熱管の中心同士の間隔をＤＰ、列方向における前記伝熱管の中心同士の間隔をＬＰとしたとき、
　Ｔａｎ^－１｛（ＬＰ／２）／ＤＰ｝で求められる値Ｎｍａｘに対して、
　前記第二利用側熱交換器の前記空気流路に対して垂直な方向からの傾斜角度Ｎは、
　０≦Ｎ≦Ｎｍａｘである
　請求項１に記載の空気調和装置。
　前記第二利用側熱交換器には、
　ガス冷媒が流れるガス配管と、液冷媒が流れる液配管とが接続され、
　前記液配管は、前記ガス配管よりも下方に配置されている
　請求項１または２に記載の空気調和装置。
　前記液配管の最下部はトラップ形状を有している
　請求項３に記載の空気調和装置。