WO2016174776A1

WO2016174776A1 - 空気調和装置

Info

Publication number: WO2016174776A1
Application number: PCT/JP2015/063023
Authority: WO
Inventors: 浩樹 ▲高▼橋; 祐治本村
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-03

Abstract

膨張タンクの設置スペース及び取付コストを削減し、故障の少ない膨張タンクを有する空気調和装置を得ることを目的とする。圧縮機２０、室外熱交換器２３、膨張弁２２、及び、冷媒と冷媒と異なる熱媒体とを熱交換する中間熱交換器の冷媒側流路７ａを、冷媒が流通する第一の配管を介して環状に接続した冷凍サイクル回路と、中間熱交換器の熱媒体側流路７ｂ、ポンプ６、及び、利用側熱交換器２６を、熱媒体が流通する第二の配管を介して環状に接続した熱媒体循環回路と、を有し、第二の配管には、熱媒体循環回路内を循環する熱媒体の体積の変化を充填した気体により吸収するタンク８が垂直に配設されている。

Description

空気調和装置

　本発明は、熱媒体の体積変化を吸収する機構を備えた空気調和装置に関するものである。

　従来から、ビル用マルチエアコン等の空気調和装置においては、建物の外に配置した熱源機である室外ユニットと、建物の室内に配置した室内ユニットとの間で冷媒を循環させている。そして、冷媒が空気に放熱して空気が加熱されることで空調対象空間の暖房を行い、冷媒が空気から吸熱して空気が冷却されることで空調対象空間の冷房を行っている。このような空気調和装置に使用される冷媒としては、例えばＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒が多く用いられている。また、空気調和装置に使用される冷媒としては、二酸化炭素（ＣＯ_２）等の自然冷媒を用いることもある。

　チラーと呼ばれる空気調和装置においては、建物の外に配置した熱源機にて、冷熱又は温熱を生成する。そして、熱源器内に配置した熱交換器で冷媒である水又は不凍液等を加熱又は冷却し、これを室内ユニットであるファンコイルユニット又はパネルヒーター等に搬送して冷暖房を行っている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５－１４０４４４号公報

　特許文献１に開示された空気調和装置の冷媒の循環システムは密閉構成となっており、循環システム内を循環する冷媒は、温度の変化に伴って体積が膨張又は縮小する。ここで、循環システムは密閉構成となっているため、冷媒の体積が膨張又は縮小すると、循環システムは膨張又は縮小した体積を吸収しきれないため、循環システムを構成する配管に圧力が掛かり、配管が破損等するおそれがある。

　このため、一般的には冷媒の体積の膨張又は縮小による圧力が配管に掛からないように、圧力を吸収する機構として膨張タンクを循環システムに配設し、配管の破損等を防いでいる。ここで、循環システムに膨張タンクを取り付けるためには、膨張タンク用のスペースを確保する必要があり、また、膨張タンクは構造が複雑なため製造コストが掛かるという問題があった。また、膨張タンクには、内部に冷媒の体積の膨張又は縮小を吸収するためのゴムが設けられているものがあるが、ゴムの経年劣化等により膨張タンクが故障するという問題があった。

　本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、製造コストを削減し、故障の少ない膨張タンクを有する空気調和装置を得ることを目的とする。

　本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、及び、冷媒と前記冷媒と異なる熱媒体とを熱交換する中間熱交換器の冷媒側流路を、前記冷媒が流通する第一の配管を介して環状に接続した冷凍サイクル回路と、前記中間熱交換器の熱媒体側流路、ポンプ、及び、利用側熱交換器を、前記熱媒体が流通する第二の配管を介して環状に接続した熱媒体循環回路と、を有し、前記第二の配管には、前記熱媒体循環回路内を循環する前記熱媒体の体積の変化を充填した気体により吸収するタンクが垂直に配設されたものである。

　本発明によれば、空気調和装置の第二の配管に熱媒体循環回路内を循環する熱媒体の体積の変化を吸収するタンクを配設する。このようにすることで、従来のゴムを使用した膨張タンクを設置する場合に比べて、製造コストを削減し、故障の少ないタンクを有する空気調和装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例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回路構成の一例を示す概略回路構成図である。本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路の一部の構造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タンクの構造を示す拡大概略図である。

　以下、本発明の冷蔵庫の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の形態は一例であり、本発明を限定するものではない。また、各図において同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。さらに、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。

実施の形態．
［空気調和装置の構成］
　図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。図１に基づいて、空気調和装置１００の詳しい構成について説明する。この空気調和装置１００は、回路内に冷媒を循環させ、冷凍サイクルを利用した空気調和を行うもので、例えばビル用マルチエアコンなどのように、運転する全室内機が冷房を行う全冷房運転モード又は全室内機が暖房を行う全暖房運転モードを選択できるものである。

　図１に示されるように、空気調和装置１００は、室外ユニット１（熱源機）と、２台の室内ユニット３と、室外ユニット１と室内ユニット３との間に介在する中継ユニット２を有している。中継ユニット２は、熱源側の冷媒と熱媒体との間で熱交換を行うものである。なお、本実施の形態において、空気調和装置１００が室内ユニット３を２台備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、１台又は３台以上の室内ユニット３を備えてもよい。同様に、本実施の形態において、空気調和装置１００が室外ユニット１を１台備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、２台以上の室外ユニット１を備えてもよい。

　室外ユニット１と中継ユニット２とは、熱源側の冷媒を導通する冷媒配管４で接続されている。中継ユニット２と室内ユニット３とは、居室内の天井裏に設置され、熱媒体である水を導通する配管５（熱媒体配管）で接続されている。室外ユニット１で生成された冷熱又は温熱は中継ユニット２を介して室内ユニット３に配送される。なお、本実施の形態において配管５に流通する熱媒体として水を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、他の冷媒を用いても良い。

　図２は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図２に示されるように、空気調和装置１００は、室外ユニット１、中継ユニット２及び室内ユニット３により構成される。

　［室外ユニット１の構成］
　室外ユニット１には、圧縮機２０と、四方弁等の切替弁２１と、膨張弁２２と、室外熱交換器２３とが搭載され、後述する中継ユニット２内に設けられたプレート熱交換器７の冷媒側流路７ａと冷媒配管４で環状に接続されて冷凍サイクル回路を構成している。また、室外熱交換器２３の付近には、室外送風機２４が設けられ、室外送風機２４は室外熱交換器２３に空気を送風する。なお、本実施の形態において室外ユニット１にプレート熱交換器７を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、スパイラル式熱交換器等の他の種類の熱交換器を用いてもよい。

　なお、プレート熱交換器７は、本発明における「中間熱交換器」に相当する。また、冷媒配管４は、本発明における「第一の配管」に相当する。

　圧縮機２０は、低温低圧の冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。なお、圧縮機２０は、ここでは１台のみであるが、本発明はこれに限定されず、室内ユニット３の接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機２０が並列に接続されたものであってもよい。

　切替弁２１は、冷媒の流れの方向を切り換える機能を有する弁である。切替弁２１は、冷房運転時には、圧縮機２０の吐出側と室外熱交換器２３のガス側とを接続するとともに、圧縮機２０の吸入側とプレート熱交換器７とを接続するように冷媒流路を切り換える（図２の切替弁２１の実線）。このようにすることで、冷房運転時には、室外熱交換器２３は、圧縮機２０において圧縮される冷媒の凝縮器として機能し、プレート熱交換器７は、室外熱交換器２３において凝縮される冷媒の蒸発器として機能する。なお、本実施の形態において、切替弁２１として四方弁を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、冷媒の流路を適宜変更できる弁等で構成されていればよい。

　一方、切替弁２１は、暖房運転時には、圧縮機２０の吐出側とプレート熱交換器７とを接続するとともに、圧縮機２０の吸入側と室外熱交換器２３のガス側とを接続するように冷媒流路を切り換える（図２の切替弁２１の破線）。このようにすることで、暖房運転時には、プレート熱交換器７は、圧縮機２０において圧縮される冷媒の凝縮器として機能し、室外熱交換器２３は、プレート熱交換器７において凝縮される冷媒の蒸発器として機能する。

　室外熱交換器２３は、伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィンアンドチューブ型の熱交換器等で構成するとよい。室外熱交換器２３は、ガス側の配管が切替弁２１に接続され、液側の配管がプレート熱交換器７側に接続され、冷房運転時には冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能する。

　室外送風機２４は、室外熱交換器２３に供給する空気の流量を可変することが可能なファンであり、例えば、ＤＣモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンから構成されている。室外送風機２４は、室外ユニット１内に室外空気を吸入し、室外熱交換器２３内の冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する機能を有する。

　膨張弁２２は冷媒を減圧又は膨張させる機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成すると良い。

　［室内ユニット３の構成］
　室内ユニット３には、室内送風機２５と、利用側熱交換器２６とが搭載されている。室内ユニット３は、配管５を介してプレート熱交換器７の熱媒体側流路７ｂと接続し、熱媒体が流入出するようになっている。利用側熱交換器２６は、例えばファン等の室内送風機２５から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、室内空間に供給するための暖房用空気又は冷房用空気を生成するものである。

　［中継ユニット２の構成］
　中継ユニット２には、ポンプ６、プレート熱交換器７、タンク８、バルブ９、バルブ１０、バルブ１２及びマノメータ１１が設けられている。ポンプ６と、プレート熱交換器７の熱媒体側流路７ｂと、利用側熱交換器２６とは、配管５を介して環状に接続され熱媒体循環回路を構成する。バルブ１０は、一端が配管５に接続され、他端がタンク８に接続されている。また、タンク８の上方にはバルブ９が設けられ、タンク８の側方にはタンク８の上下に連通するようにマノメータ１１が接続されている。タンク８は、垂直に配設され、後述する熱媒体がタンク８内部の下方に位置し、気体（空気）がタンク８の内部の上部に位置する。なお、本実施の形態においてタンク８が垂直に設けられた例を示したが、ここで述べる垂直とは略垂直の概念を含むものであり、タンク８の下方に熱媒体が位置し、タンク８の上方に気体が位置する程度にタンク８が傾いてもよい。

　なお、配管５は、本発明における「第二の配管」に相当する。

　ポンプ６は、配管５を介して、熱媒体である水をプレート熱交換器７の熱媒体側流路７ｂに送出する。プレート熱交換器７の熱媒体側流路７ｂに流入した熱媒体は、冷媒配管４と接続された冷媒側流路７ａを流れる冷媒と熱交換を行った後、室内ユニット３の利用側熱交換器２６に流入する。そして、熱媒体は、利用側熱交換器２６から配管５を介してポンプ６に吸入される。

　配管５を通る水は、プレート熱交換器７を通る冷媒との熱交換によって温水又は冷水になる場合があり、熱媒体の熱膨張又は熱収縮に応じて熱媒体の体積が変化する。ここで、配管５で構成される熱媒体循環回路は空気を含まない単相の閉回路であるため、この熱媒体の体積変化を熱媒体循環回路内のどこかで吸収しなければ、配管５へ体積膨張分、又は体積縮小分の圧力が加わり配管５が破損する可能性がある。

　そこで、バルブ１０を介して配管５に接続されたタンク８を用いて、水の膨張分又は縮小分の体積変化を吸収する。具体的には、タンク８の上層は水の熱媒体の体積変化を吸収するために気体（例えば空気）が充填され、気体の圧縮効果により熱媒体の体積変化を吸収する。なお、タンク８の下層には、タンク８の底部からタンク８内に流入し、タンク８内に充填されている気体によって体積の変化が吸収されてからタンク８内に滞留する熱媒体循環回路内の余剰分の水が存在する。

　また、タンク８には、マノメータ１１が接続されており、マノメータ１１は、タンク８内の熱媒体（水）の水位を示す。このため、タンク８の空気層と熱媒体との割合を確認することができ、また中継ユニット２を天井裏へ設置した後の配管５等の熱媒体の漏れを確認することができる。

　なお、マノメータ１１は、本発明における「水位計」に相当する。

　図３は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路の一部の構造を示す概略図である。図２における中継ユニット２を居室の天井裏へ設置し、タンク８を膨張タンクとして機能させるまでの手順について図３を用いて説明する。

　まず、供給弁（図示省略）又はバルブ１２から熱媒体（例えば水）を配管５内に供給する。次に、バルブ９及びバルブ１０を開放した状態で、ポンプ６を駆動し、熱媒体を循環させて配管５とプレート熱交換器７内の空気及び水をホース１３から排出させる。ホース１３から空気が完全に排出されなくなったら、バルブ９を閉め、ポンプ６の駆動を停止させる。これで空気抜き運転が完了となる。この時、タンク８内は水で満水の状態となっている。

　次に、空気抜き運転が完了したら、図３におけるタンク８の中へ空気を注入する作業に移る。まずバルブ９を開放し、その後バルブ１２を開放する。すると、バルブ１２から水が流出する。この時、マノメータ１１の水位を観察し、適切な水位となったところでバルブ１２を閉止する。マノメータ１１の水位については水の膨張又は収縮、及びポンプ６の圧力による圧縮分を加味した水位とする。

　図４は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置のタンクの構造を示す拡大概略図である。タンク８に接続しているマノメータ１１で水位を設定するが、その水位の設定方法について図４を参照しながら説明する。

　タンク８の内径を６２（ｍｍ）とし、高さを１８０（ｍｍ）とする。そして、マノメータ１１の初期の水位をタンク８の下部から６０（ｍｍ）の高さである初期水位１４の位置に設定する。

　ポンプ６、プレート熱交換器７、タンク８、マノメータ１１及び配管５等を含んだ系内の水の体積は、例えば約０．００７（ｍ^３）であるとする。また、水の体積膨張率を２．１×１０^－４（１／Ｋ）とする。系内の水の標準状態を２０℃として、水が５～５０℃まで変化するとした場合、５０℃まで水の温度が上昇したとすると、水の体積膨張量は、
０．００７×２．１×１０^－４×（５０－２０）＝０．００００４４１（ｍ^３）＝４４１００（ｍｍ^３）
となる。内径６２（ｍｍ）のタンク８の断面積は約３０１７（ｍｍ^２）なので、熱膨張により、水位は約１５（ｍｍ）増加し、図４の初期水位１４から水位１５に水面が到達することになる。

　一方で、水の温度が２０℃から５℃まで低下したとすると、水の体積収縮量は、
０．００７×２．１×１０^－４×（２０－５）＝０．００００２２０５（ｍ^３）＝２２０５０（ｍｍ^３）
となり、内径６２（ｍｍ）のタンク８の断面積は約３０１７（ｍｍ^２）なので、熱収縮により、水位は約７．５（ｍｍ）低下し、図４の初期水位１４から水位１６に水面が到達することになる。

　さらに図３のポンプ６の吐出圧力は、制御装置（図示省略）からの運転指令により、０．１（ＭＰａ）から０．３（ＭＰａ）まで変化するので、大気圧の状態を考慮し、タンク８内の空気が等温変化すると仮定すると、タンク８内の空気の体積は１／４となる。この時のタンク８内の水位は、図４の初期水位１４から水位１７に水面が到達することになる。

　このことから、上記の水の熱膨張又は熱収縮、及びポンプ６の吐出圧力の変化を考慮して、タンク８の大きさと初期水位１４の位置を設定することが必要である。なお、上記のタンク８の寸法、液量及びポンプ６の吐出圧力等は本実施の形態を説明するために例示したものであり、本発明はこれらの寸法、液量及びポンプ６の吐出圧力等に限定されるものではない。

　以上のように本実施の形態によれば、空気調和装置１００が、圧縮機２０、室外熱交換器２３、膨張弁２２、及び、冷媒と冷媒と異なる熱媒体とを熱交換するプレート熱交換器７の冷媒側流路７ａを、冷媒が流通する冷媒配管４を介して環状に接続した冷凍サイクル回路と、プレート熱交換器７の熱媒体側流路７ｂ、ポンプ６、及び、利用側熱交換器２６を、熱媒体が流通する配管５を介して環状に接続した熱媒体循環回路と、を有し、配管５には、熱媒体循環回路内を循環する熱媒体の体積の変化を充填した気体により吸収するタンク８が配設されるように構成する。このようにすることで、タンク８が熱媒体循環回路内を循環する熱媒体の体積の変化を吸収し、配管５の破損を防ぐことができる。また、従来の膨張タンクを空気調和装置１００に設置する場合に比べて、タンク８を中継ユニット２内に設置できるため設置スペースを容易に確保することができる。また、タンク８は、従来の膨張タンクに比べて簡単な構造のため、取付コストを削減することができ、さらにタンク８内でゴムを使用しないため、故障の少ない空気調和装置１００を得ることができる。

　また、熱媒体は、タンクの底部からタンク内に流入し、タンク内に充填されている気体によって体積の変化が吸収されてからタンク内に滞留するようにする。このようにすることで、熱媒体が熱膨張又は熱収縮しても、タンク８内の気体が熱媒体循環回路内を循環する熱媒体の体積の変化を吸収し、配管５の破損を防ぐことができる空気調和装置１００を得ることができる。また、タンク８の空気によりポンプ６の脈動を取ることができ、ポンプ６の効率が向上した空気調和装置１００を得ることができる。

　さらに、タンク８は、タンク８内の熱媒体の量を示すマノメータ１１を備えている。このようにすることで、従来の膨張タンクとは異なり、タンク８内の水位をマノメータ１１を介して見ることが可能となるため、配管５の水漏れ及びポンプ６の異常を目視にて検知することができる空気調和装置１００を得ることができる。

　１　室外ユニット、２　中継ユニット、３　室内ユニット、４　冷媒配管、５　配管、６　ポンプ、７　プレート熱交換器、７ａ　冷媒側流路、７ｂ　熱媒体側流路、８　タンク、９　バルブ、１０　バルブ、１１　マノメータ、１２　バルブ、１３　ホース、１４　初期水位、１５　水位、１６　水位、１７　水位、２０　圧縮機、２１　切替弁、２２　膨張弁、２３　室外熱交換器、２４　室外送風機、２５　室内送風機、２６　利用側熱交換器、１００　空気調和装置。

Claims

　圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、及び、冷媒と前記冷媒と異なる熱媒体とを熱交換する中間熱交換器の冷媒側流路を、前記冷媒が流通する第一の配管を介して環状に接続した冷凍サイクル回路と、
　前記中間熱交換器の熱媒体側流路、ポンプ、及び、利用側熱交換器を、前記熱媒体が流通する第二の配管を介して環状に接続した熱媒体循環回路と、を有し、
　前記第二の配管には、前記熱媒体循環回路内を循環する前記熱媒体の体積の変化を充填した気体により吸収するタンクが垂直に配設された
　空気調和装置。
　前記熱媒体は、
　前記タンクの底部から前記タンク内に流入し、前記タンク内に充填されている気体によって体積の変化が吸収されてから前記タンク内に滞留する
　請求項１に記載の空気調和装置。
　前記タンクは、前記ポンプと前記中間熱交換器との間に配設されている
　請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記タンクは、前記タンク内の前記熱媒体の量を示す水位計を備えた
　請求項１～３の何れか一項に記載の空気調和装置。