JP5145164B2 - 蒸発式空調装置 - Google Patents

Description

本発明は，水等の蒸発性を有する液体，つまり，蒸発性液体の蒸発及び凝縮を利用して空調を行う装置に関するものである。

先行技術としての特許文献１には，
「大気圧以下の減圧に保持した第１容器及び第２容器と，空調箇所に設置した空調用熱交換器と，放吸熱用熱交換器とを備え，更に，蒸発性液体を前記第１容器と前記空調用熱交換器との間を循環する空調用循環管路と，蒸発性液体を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間を循環する放吸熱用循環管路と，前記第１容器と前記第２容器の相互間を接続する蒸気ダクト中に設けた蒸気圧縮機を備えて成る。」
蒸発式空調装置が記載されている。

この先行技術の空調装置によると，空調箇所に設置した空調用熱交換器における熱交換にて温度が高くなった蒸発性液体は，前記空調用熱交換器から第１容器内に戻ってフラッシュ蒸発することで温度が下がって前記空調用熱交換器に送られるという循環を繰り返すことにより，前記空調箇所を，その室内温度が略一定の温度になるように空調できる。

また，別の先行技術としての特許文献２，３及び４等には，前記空調箇所に設置されるコンピュータ，そのサーバー又は複写機等のオフィス機器，或いは，照明器具等のような発熱機器に，冷却水ジャケット又は冷却水通路等の液体冷却手段を設けて，前記各種の発熱機器を液体にて冷却することが記載されている。

そこで，前記先行技術の空調装置における空調用循環管路の途中に，前記各種の発熱機器における液体冷却手段を，前記空調用熱交換器と並列に設けることにより，前記空調箇所における空調と，前記発熱機器の液体による冷却とを同時に行うことができる。
特開２００６−９７９８９号公報 特開平５−２６７８７５号公報 特開平６−１２４１４３号公報 特開平７−３５４５３号公報

前記先行技術の空調装置は，大気圧より減圧に維持される第１容器内の蒸発性液体を，一台の循環ポンプによって，第１容器と空調用熱交換器との間，又は第１容器と空調用熱交換器及び液体冷却式発熱機器との間を空調用循環管路を介して循環させる構成であることにより，前記蒸発性液体の所定流量が空調用循環管路を介して確実に循環することに要する流れ抵抗の全てを一台の循環ポンプによって負担しなければならず，このためには，前記一台の循環ポンプを高い揚程にして，その吐出圧力を高くしなければならない。

しかし，前記循環ポンプにおける吐出圧力を高くした場合には，前記第１容器における圧力は大気圧よりも低い減圧の状態であっても，前記空調用循環管路のうち前記循環ポンプよりも下流側の部分では，当該部分における圧力が，前記高い吐出圧力のために大気圧を越えて高くなるから，この空調用循環管路のうち前記循環ポンプよりも下流側の部分，並びに，前記空調用熱交換器及び／又は前記液体冷却式発熱機器に液漏れが発生するおそれが大きいばかり，これら空調用熱交換器及び／又は液体冷却式発熱機器に対する入口及び出口配管の接続部分に，液漏れが発生するおそれが大きいという問題があった。

本発明は，この問題を解消した蒸発式の空調装置を提供することを技術的課題としている。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「大気圧より低い減圧に保持した第１容器及び第２容器と，空調箇所に設置された空調用熱交換器と，放吸熱用熱交換器と，蒸発性液体を前記第１容器と前記空調用熱交換器との間で循環させる空調用循環管路と，蒸発性液体を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間で循環させる放吸熱用循環管路と，前記第１容器と前記第２容器の相互間を接続する蒸気ダクト中に設けた蒸気圧縮機とを備えており，前記第１容器から蒸発性液体を前記空調用熱交換器に直接送ることで空調を行なう構成において，
前記空調用循環管路のうち前記第１容器からの出口側には空調用一次循環ポンプが，前記空調用循環管路のうち前記空調用一次循環ポンプと前記空調用熱交換器との間には空調用二次循環ポンプが各々設けられ，前記空調用一次循環ポンプ及び前記空調用二次循環ポンプを，その各々における吐出圧力が大気圧を越えない構成にすることにより，前記空調用循環管路の全体を大気圧より低い減圧状態に保持している。」
ことを特徴としている。

また，本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記空調用循環管路のうち前記空調用一次循環ポンプと前記空調用二次循環ポンプとの間の部位に，前記空調箇所に配設した発熱機器に対する液体冷却手段への入口管路を接続し，前記液体冷却手段からの出口管路を前記空調用循環管路のうち前記空調用熱交換器よりも下流の部位に接続する一方，前記入口管路には，吐出圧力が大気圧を越えないように構成した発熱機器用二次循環ポンプが設けられている。」
ことを特徴としている。

この請求項２における「発熱機器」には，コンピュータ，そのサーバー又は複写機等の各種のオフィス機器及び照明器具が含まれるほか，その他の発熱を伴う機器が含まれる。

請求項１によると，第１容器内の蒸発性液体の所定流量を空調用循環管路を介して確実に循環することを，空調用の一次循環ポンプと二次循環ポンプとに分けて分担することができる一方，前記一次循環ポンプと前記二次循環ポンプとは，その各々における吐出圧力が大気圧を越えないように構成して，前記空調用循環管路の全体を大気圧より低い減圧状態に保持することにより，前記空調用循環管路全体は勿論のこと，前記空調用熱交換器内における圧力を，常時，大気圧より低い減圧の状態に維持することができる。

つまり，第１容器における蒸発性液体の所定量を，当該蒸発性液体における圧力を大気圧より低い減圧に維持した状態のもとで，空調用熱交換器との間を空調用循環管路を介して循環させることができるから，空調箇所の確実な空調を達成できるとともに，前記空調用循環管路のうち前記一次循環ポンプよりも下流側の部分，及び前記空調用熱交換器，並びに前記空調用熱交換器に対する入口及び出口配管の接続部分に液漏れが発生することを確実に回避できる。

また，前記空調用循環管路及び前記空調用熱交換器内には，その圧力が減圧に維持されることにより，大気空気が漏れ吸入されることになるが，この漏れ吸入された空気は，循環する蒸発性液体と一緒に第１容器に戻ったときに逐次大気中に排出されることになるから，前記空調用循環管路の全体及び前記空調用熱交換器内における圧力を，大気空気の漏れ吸入があった場合においても，大気圧より低い減圧の状態に維持することができる。

特に，請求項２によると，前記した効果に加えて，空調と一緒に各種のオフィス機器等の発熱機器を確実に冷却することができるとともに，この発熱機器の液体冷却手段及びこの発熱機器の液体冷却手段に対する入口及び出口配管の接続部分に液漏れが発生することを確実に回避できる。

以下，本発明の実施の形態を，図１の図面について説明する。

この図は，オフィスビル１における二階層の空調箇所２を空調する場合であり，前記空調箇所２には，空調用の熱交換器３が天井等の適宜箇所に設置されているほか，液体冷却式に構成したコンピュータ等のオフィス機器４が床面に配設され，更に，ＬＥＤランプ等を使用した照明器具５が天井等の適宜箇所に設置されている。

前記各オフィス機器４及び照明器具５等の発熱機器の各々には，冷却水ジャケット又は冷却水通路等の液体冷却手段４ａ，５ａが設けられている。

一方，前記オフィスビル１における二階層又は一階層等には，密閉構造にした第１容器６と，同じく密閉構造にした第２容器７とが配設されており，これら両容器６，７のうちいずれか一方又は両方には，前記第１容器６及び前記第２容器７内の両方を大気圧より低い減圧にするための真空ポンプ８等の真空発生手段が接続されている。

前記第１容器６内に入れた水等の蒸発性液体は，当該第１容器６からの出口管路９を介して空調用一次循環ポンプ１０にて汲み出され，次いで，循環供給管路１１を介して供給ヘッダー１２に送られ，この供給ヘッダー１２から，空調用二次循環ポンプ１３を備えた入口管路１４を介して前記空調用熱交換器３に送られるとともに，同じく発熱機器用二次循環ポンプ１５を備えた入口管路１６を介して前記各オフィス機器４における液体冷却手段４ａに送られる。

更に，前記供給ヘッダー１２における蒸発性液体は，前記照明器具５における液体冷却手段５ａにも，同様に発熱機器用二次循環ポンプ２３を備えた入口管路２４を介して送られる。

そして，前記空調用熱交換器３における出口管路１７からの蒸発性液体と，前記各オフィス機器４の液体冷却手段４ａ及び前記照明器具５の液体冷却手段５ａにおける出口管路１８からの蒸発性液体とは，戻りヘッダー１９に集められたのち，戻り循環管路２０を介して，再び前記第１容器６内の上部にノズル２１から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。

つまり，前記出口管路９，循環供給管路１１及び戻り循環管路２０等により，空調用循環管路２２を構成しており，この空調用循環管路２２のうち前記第１容器６からの出口管路９の部分に空調用一次循環ポンプ１０が設けられ，前記空調用循環管路２２のうち前記空調用一次循環ポンプ１０と前記空調用熱交換器３との間の部分に，前記空調用二次循環ホンプ１３を備えている。
一方，前記オフィス機器４の液体冷却手段４ａへの入口管路１６及び前記照明器具５の液体冷却手段５ａへの入口管路２４は，前記空調用循環管路２２のうち前記空調用一次循環ポンプ１０と前記空調用二次循環ポンプ１３との間に位置する供給ヘッダー１２に分岐して接続されている。
また，前記オフィス機器４の液体冷却手段４ａ及び前記照明器具５の液体冷却手段５ａからの出口管路１８は，前記空調用循環管路２２のうち前記空調用熱交換器３の下流に位置する戻りヘッダー１９に接続されるという構成である

また，前記照明器具５の液体冷却手段５ａ及びその入口側の前記発熱機器用二次循環ポンプ２３は，前記空調用熱交換器３とその空調用二次循環ポンプ１３，及び，前記各オフィス機器４とその発熱機器用二次循環ポンプ１５との両方に対して並列に構成されている。

一方，前記第２容器７内に入れた水等の蒸発性液体は，ポンプ２５にて汲み出されたのち，放吸熱用熱交換器２６における一次側２６ａに送られ，この一次側２６ｂから管路２７を介して，再び，前記第２容器７内の上部にノズル２８から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。

一方，前記オフィスビル１の外側には，フアン３０による強制通風に構成した通風塔２９が設置され，その底に溜まる蒸発性液体は，ポンプ３１にて前記放吸熱用熱交換器２６における二次側２６ｂに送られ，この二次側２６ｂから管路３２を介して，再び，前記通風塔２９内の上部にノズル３３から噴出するように戻るという循環を行うように構成されており，これらにより，前記第２容器７と前記放吸熱用熱交換器２６との間を循環する蒸発性液体は，大気空気との間で熱交換を行うように構成されている。

なお，前記第１容器６と前記第２容器７の相互間は，その各々における水等の蒸発性液体が互いに往来するように，底部における連通路３４を介して接続されている。

また，前記第１容器６の上部と前記第２容器７の上部の間は，蒸気ダクト３５を介して接続され，この蒸気ダクト３５の途中には，ルーツ式圧縮機等の蒸気圧縮機３６が設けられ，この蒸気圧縮機３６は，前記第１容器６における蒸気を第２容器７の方向に圧縮するように回転駆動されている。

前記蒸気ダクト３５には，前記蒸気圧縮機３６の上流側と下流側とを接続するバイパス通路３７が設けられ，このバイパス通路３７に，開閉式のバイパス弁３８が設けられている。

そして，大気温度が前記空調箇所２において要求される所定温度（以下，単に空調箇所２の所定温度と称する）よりも高いときには，前記バイパス弁３８を閉じて，前記蒸気圧縮機３６を回転駆動しているが，大気温度が空調箇所２の所定温度よりも低いときには，前記蒸気圧縮機３６の回転駆動を停止して，前記バイパス弁３８を開くというように，「フリークーリング」にするという構成にしている。

この構成において，夏期等において，前記第２容器７の温度が第１容器６側の温度よりも高い場合，つまり，大気空気の温度が前記空調箇所２の所定温度（例えば，２５〜２８℃）よりも高い場合，前記蒸気圧縮機３６が前記第１容器６から前記第２容器７の方向に蒸気圧縮を行うように回転駆動されることにより，前記第１容器６における蒸発性液体は，フラッシュ蒸発にて前記所定温度に冷却されたのち前記空調箇所２における空調用熱交換器３及び前記各オフィス機器４の液体冷却手段４ａ並びに前記照明器具５の液体冷却手段５ａに送られたのち再び前記第１容器６に戻ってフラッシュ蒸発することを繰り返す一方，前記第１容器６内でのフラッシュ蒸発にて発生した蒸気は前記蒸気圧縮機３６にて圧縮されたのち前記第２容器７に至り，ここにおける蒸発性液体にて凝縮され，この蒸気凝縮にて温度が高くなった蒸発性液体は放吸熱用熱交換器２６に送られて，ここで大気空気との通風塔２９を介しての熱交換にて冷却されたのち再び前記第２容器７に戻って蒸気を凝縮することを繰り返すから，前記空調箇所２を，当該空調箇所２が前記所定温度になるように空調することができるとともに，前記各オフィス機器４及び前記照明器具５を同時に冷却できる。

前記照明器具５を冷却するに際して，この照明器具５がＬＥＤランプを使用したものである場合には，前記した冷却によって前記ＬＥＤランプの耐久性及び発光性能の向上を図ることができる。

なお，前記蒸気圧縮機３６は，その回転数を大気温度が前記空調箇所２の所定温度に近づくように下がること，及び空調負荷が下がることに追従して，次第に減速するようにインバータにて制御するという構成にしても良い。

次に，冬季等において，大気空気の温度が前記空調箇所２の所定温度（例えば，２５〜２８℃）よりも低い場合には，前記蒸気圧縮機３６の回転駆動を停止することにより，省エネルギーが図られる。

その一方で，前記バイパス弁３８が開くことにより，前記第１容器６において発生した蒸気を，前記バイパス通路３７を通して第２容器８側に導くことができ，前記第１容器６ａにおけるフラッシュ蒸発が，前記蒸気圧縮機３６の停止によって途絶えることを確実に防止でき，ひいては，前記第１容器６におけるフラッシュ蒸発による蒸発性液体の冷却を続行できるから，前記空調箇所２の空調，前記各オフィス機器４及び前記照明器具５の冷却を継続できる。

そして，前記第１容器６内における蒸発性液体は，先ず，一次循環ポンプ１０により供給ヘッダー１２に送られ，この供給ヘッダー１２から二次循環ポンプ１３により前記空調用熱交換器３に送られると同時に，前記二次循環ポンプ１５により前記各オフィス機器４の液体冷却手段４ａに送られるとともに，前記二次循環ポンプ２３により前記照明器具５の液体冷却手段５ａにも送られる。

これにより，第１容器６内の蒸発性液体の所定流量を前記空調用熱交換器３，前記各オフィス機器４の液体冷却手段４ａ及び前記照明器具５の液体冷却手段５ａとの間を循環することを，一次循環ポンプ１０と前記二次循環ポンプ１３，１５，２３とに分けて分担させることができるから，前記循環供給管路１１及び前記戻り循環管路２０における流れ抵抗を一次循環ポンプ１０にて受け持つ一方，前記空調用熱交換器３における流れ抵抗をその入口側の二次循環ポンプ１３にて受け持ち，前記各オフィス機器４の液体冷却手段４ａにおける流れ抵抗をその入口側の二次循環ポンプ１５にて受け持ち，そして，前記照明器具５の液体冷却手段５ａにおける流れ抵抗をその入口側の二次循環ポンプ２３にて受け持つように構成する。

そこで，前記一次循環ポンプ１０及び前記二次循環ポンプ１３，１５，２３の各々における揚程を，例えば，前記空調用循環管路２２に要求される減圧（つまり，当該空調用循環管路２２からの蒸発性液体の漏れを防止できる減圧）が５０ｋＰａである場合には，５メートルより低くするというように，前記一次循環ポンプ１０及び前記二次循環ポンプ１３，１５，２３の各々における吐出圧力を，大気圧を越えないように設定するという構成にする。

これにより，前記一次循環ポンプ１０より下流に位置する前記循環供給管路１１，前記供給ヘッダー１２，入口管路１４，１６，前記空調用熱交換器３，前記各オフィス機器４の液体冷却手段５ａ，前記出口管路１７，１８，前記戻りヘッダー１９及び前記戻り循環管路２０の内部における圧力を，全て，大気圧より低い減圧に維持することができるから，これらに蒸発性液体の漏れが発生することを確実に防止できる。

前記した実施の形態は，一次循環ポンプ１０を前記循環供給管路１１に設けた一台にした場合であったが，本発明は，これに限らず，前記循環供給管路１１に設けることに加えて，例えば，前記戻り循環管路２０にも設けるというように複数台に構成できることは勿論である。

また，前記した実施の形態において，前記放吸熱用熱交換器２６は，大気空気との間で間接的に熱交換する場合であったが，本発明は，これに限らず，前記放吸熱用熱交換器２６を，地下水，又は各種の工業用廃水，或いは海水との間で熱交換にするものに構成するか，地熱との間で熱交換するものに構成できる。

或いは，前記放吸熱用熱交換器２６を，前記通風塔２９の内部に設けて，この放吸熱用熱交換器２６と前記第２容器７との間を循環する蒸発性液体を，前記通風塔２９において大気と熱交換するように構成することができる。

そして，図２は，前記空調箇所２に配設した空調用熱交換器３の一つの具体例を示している。

この具体例としての空調用熱交換器３′は，前記空調箇所２の天井面又は壁面に沿って並べて配設した複数枚のアルミ等の金属製輻射パネル３ａ′と，この各輻射パネル３ａ′の各々に設けた流体通路３ｂ′とから成り，前記各輻射パネル３ａ′における流体通路３ｂ′内に前記第１容器７における蒸発性液体を流して，前記各輻射パネル３ａ′を冷やすことにより，前記空調箇所２を，熱輻射にて冷房に空調するようにした構成したものである。

この構成の空調用熱交換器３′の下面に，前記のようにＬＥＤランプ等を使用した照明器具５を取付けることができる。この場合，前記照明器具５は，前記輻射パネル３ａ′との間の熱伝達にて冷却するように構成できるほか，図１に示したように，輻射パネル３ａ′とは別個に冷却するように構成できる。

本発明の実施の形態を示す図である。 空調用熱交換器の具体例を示す斜視図である。

１ オフィスビル
２ 空調箇所
３ 空調用熱交換器
４ オフィス機器
４ａ オフィス機器の液体冷却手段
５ 照明器具（発熱機器）
５ａ 照明器具の液体冷却手段
６ 第１容器
７ 第２容器
８ 真空ポンプ（真空発生手段）
１０ 一次循環ポンプ
１１ 循環供給管路
１２ 供給ヘッダー
１４ 空調用熱交換器への入口管路
１６ オフィス機器の液体冷却手段への入口管路
１３，１５ 二次循環ポンプ
２０ 戻り循環管路
２６ 放吸熱用熱交換器
３５ 蒸気ダクト
３６ ルーツ式圧縮機（蒸気圧縮機）

Claims (2)

1. 大気圧より低い減圧に保持した第１容器及び第２容器と，空調箇所に設置された空調用熱交換器と，放吸熱用熱交換器と，蒸発性液体を前記第１容器と前記空調用熱交換器との間で循環させる空調用循環管路と，蒸発性液体を前記第２容器と前記放吸熱用熱交換器との間で循環させる放吸熱用循環管路と，前記第１容器と前記第２容器の相互間を接続する蒸気ダクト中に設けた蒸気圧縮機とを備えており，前記第１容器から蒸発性液体を前記空調用熱交換器に直接送ることで空調を行なう構成において，
   前記空調用循環管路のうち前記第１容器からの出口側には空調用一次循環ポンプが，前記空調用循環管路のうち前記空調用一次循環ポンプと前記空調用熱交換器との間には空調用二次循環ポンプが各々設けられ，前記空調用一次循環ポンプ及び前記空調用二次循環ポンプを，その各々における吐出圧力が大気圧を越えない構成にすることにより，前記空調用循環管路の全体を大気圧より低い減圧状態に保持していることを特徴とする蒸発式空調装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記空調用循環管路のうち前記空調用一次循環ポンプと前記空調用二次循環ポンプとの間の部位に，前記空調箇所に配設した発熱機器に対する液体冷却手段への入口管路を接続し，前記液体冷却手段からの出口管路を前記空調用循環管路のうち前記空調用熱交換器よりも下流の部位に接続する一方，前記入口管路には，吐出圧力が大気圧を越えないように構成した発熱機器用二次循環ポンプが設けられていることを特徴とする蒸発式空調装置。

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