JPH09273876A - 自然循環ループを備えた冷房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自然循環ループにおいて、低外気温で増大し
た液相状態の冷媒が凝縮器に滞留することを抑制し、冷
房能力の低下を防止する。 【解決手段】 冷媒液溜め３０を設け、過剰な冷媒液を
凝縮器２２と冷媒液溜め３０とで分配する。冷媒液溜め
３０は大きな底面積を有した容器で構成されるので、過
剰な冷媒液の大半が冷媒液溜め３０に蓄積され、凝縮器
２２内の冷媒液面の高さは冷媒液溜め３０を用いない場
合に比べて十分に抑制する。よって凝縮器２２の有効伝
熱面積の減少が防止され、冷房能力が確保される。また
冷媒液溜め３０は液配管２８の最高点に接続され冷媒液
柱の高さが確保されるので、冷媒循環駆動力が確保され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は自然循環ループを
備えた冷房装置に関し、特に熱交換効率を確保し冷房能
力を向上する凝縮器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷房装置の用途は、人間を対象と
する対人空調だけでなく、電算機室や移動体通信の中継
電子機器を納めたカプセルなどに代表されるような電子
機器の発生した熱を除去する用途分野が急速に拡がりつ
つある。

【０００３】これらの用途では室内で発生する熱負荷に
加えて、夏期等では外界から伝導する熱負荷（スキン・
ロード）がある。そこでこの室内に対する冷房能力は夏
期等を基準として設計され、冷房される空間を断熱壁で
囲いスキン・ロードを低減するとともに、その内部を冷
房能力の高い蒸気圧縮冷凍サイクルで冷房することが行
われる。一方、室内を断熱壁で囲ったため、冬期、夜間
のように外界が寒冷であっても室内機器から発生した熱
は外部へ散逸しにくく、室内温度が上昇する。このた
め、この室内に対しては寒冷な時期においても冷房が必
要となる。

【０００４】しかし、本来、自然放熱が可能な時期にお
いても、圧縮機運転動力の経費が高い蒸気圧縮冷凍サイ
クルをわざわざ使用するのは不経済であるし、圧縮機の
耐用年数、すなわち寿命が短くなるという問題とがあっ
た。このような場合には、内外の気温差を利用し、内部
から外部へ冷媒により伝熱するヒートパイプを用いるの
がよい。自然循環ループを用いた冷房サイクルは、この
ヒートパイプの原理を応用したものであり、冷媒ガスと
冷媒液とを別々の配管に通すことにより冷媒ループを形
成し、より高い伝熱効率を達成するものである。

【０００５】図５は、自然循環ループを用いた冷房装置
の原理を説明する模式的な構成図である。自然循環ルー
プでは、凝縮器２は蒸発器４より所定の高位置に配置さ
れる。凝縮器２は寒冷な室外に置かれ、ガス配管６から
送り込まれた冷媒ガスから外気への放熱を行い、冷媒ガ
スを冷媒液に相変化させる。この冷媒液は重力により液
配管８を下降し、これに蓄積される。この液配管８に蓄
積された冷媒液に対し作用する重力が冷媒循環の駆動力
となる。冷媒液は熱負荷を有した室内の蒸発器４に重力
によって供給され、ここで冷媒ガスとなる。この冷媒ガ
スは、圧力の低いガス配管６側に導かれる。ガス配管６
の蒸発器４側は、冷媒ガスの発生源であり、一方、凝縮
器２側は冷媒ガスの吸収源であるので、ガス配管６には
圧力勾配が生じる。つまり、凝縮器２側のガス圧は蒸発
器４側より低いので、冷媒液に比べて比重の小さい冷媒
ガスはガス配管６を上昇し、凝縮器２に到達する。

【０００６】このように、自然循環ループの冷媒循環駆
動力は、凝縮器２と蒸発器４との高低差により生じ、よ
り正確には、液配管８中に蓄積される冷媒液柱の高さに
比例する。ループ中に存在する冷媒液の量（又は冷媒液
と冷媒ガスの比）は、室内と室外との温度差及び室外の
温度によって変化する。蒸気圧縮冷凍サイクルの場合に
は、圧縮機や膨張弁の動作を調節することにより、この
変化を抑制することもできる。しかし、自然循環ループ
においてはそのような調節機構がないので、冷媒液の量
は大きく変化する。

【０００７】なお、この自然循環ループは冷媒循環に圧
縮機を必要とせず上述した経済性等の利点を有するた
め、上記のように四季を通じて室内の冷房が必要とされ
る用途には、蒸気圧縮冷凍サイクルに自然循環ループを
併用した冷房装置が提案されている（特願平７−２２２
９２０）。この装置は、冷媒循環系を構成する流路の一
部を切り換えることにより、夏期等の熱負荷が高い場合
には蒸気圧縮冷凍サイクルを構成し、冬期等の熱負荷が
低い場合には自然循環ループを構成して冷房を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように自然循
環ループ内の冷媒液の量は、外気温の影響を受けて大き
く変動する。そのため、外気温が低いと冷媒液の量が増
加し、液配管に収容しきれない冷媒液が凝縮器に滞留す
ることが起こる。すると、凝縮器における冷媒ガスと外
気とが行われる有効な伝熱面積が減少して冷媒液の過冷
却量が減少し、この自然循環ループを用いた冷房装置の
冷房能力が低下するという問題点があった。

【０００９】また、蒸気圧縮冷凍サイクルと自然循環ル
ープを併用した上記のような冷房装置では、それら冷媒
循環系を切り換えることによっても冷媒液の量、又はそ
の分布が変化し、上記同様の冷房能力低下の問題が生じ
る場合がある。

【００１０】本発明は、冬期のように低外気温の場合や
冷媒循環系を自然循環ループに切り換えた場合に、凝縮
器に冷媒液が滞留することを抑制し、冷房能力の低下が
防止される自然循環ループを備えた冷房装置を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の自然循環ループ
を備えた冷房装置は、冷媒液の流路に接続され、冷媒液
を溜めて前記凝縮器内部の冷媒液の滞留を除去する冷媒
液溜めを有することを特徴とする。本発明によれば冷媒
液溜めは、例えば、液配管途中における凝縮器と蒸発器
との間の高さ位置に配置されたり、別途設けられる管に
よってかかる液配管途中の位置に接続されたり、凝縮器
の下部に接続又は併設され、この冷媒液溜めが、凝縮器
で液化され液配管に蓄積される冷媒液量が液配管の容量
を超える場合でも、その過剰な冷媒液を溜めるので、冷
媒液は凝縮器から除去される。このため凝縮器に冷媒液
が滞留することが抑制され、よって凝縮器における冷媒
ガスと外気との伝熱面積が確保されて冷房能力の低下が
防止される。冷媒液溜めは、冷媒液量が多いときのみ冷
媒液を溜め、その溜められた冷媒液は、冷媒液の過剰が
解消される場合には、液配管中の冷媒液の量よりも先に
減少する。

【００１２】本発明の自然循環ループを備えた冷房装置
においては、前記冷媒液溜めは、前記凝縮器への液配管
の接続位置の高さに設けられることを特徴とする。本発
明によれば、凝縮器での冷媒液の滞留が抑制されながら
も液配管に蓄積される冷媒液柱の高さが高くなり、自然
循環ループにおける冷媒循環の駆動力が確保される。よ
って、凝縮器における伝熱面積の確保と駆動力の確保と
によって、一層高い冷房能力が実現される。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１４】［実施形態１］図１は、自然循環ループを
用いた本発明の冷房装置における冷凍サイクルの模式的
な構成図である。本装置は圧縮機を有しておらず自然循
環ループのみを用いている。

【００１５】本装置における自然循環ループの原理は従
来技術の図５に示したものと同様であるので、同一の機
能を有する構成要素には、図５の符号に２０を加えた符
号を付し説明を省略することがある。必要な冷媒循環駆
動力を得るため、凝縮器２２は例えば約２ｍの高低差を
有した液配管２８によって蒸発器２４より高い位置に配
置される。本装置では、冷媒液溜め３０が水平な支管３
２によって液配管２８に接続されている。その接続位置
の高さは、液配管２８の凝縮器２２への接続位置であ
る。

【００１６】凝縮器２２で生じた冷媒液は、重力により
液配管２８を下降し、まずこれに蓄積される。しかし、
外気温が特に低い場合には、ループ中の冷媒液（つまり
気相状態ではなく液相状態の冷媒）の量が多くなり、液
配管２８の上部まで冷媒液が充満し、さらに過剰な冷媒
液が発生することがある。

【００１７】従来はこの過剰な冷媒液は、凝縮器２２内
の伝熱チューブの下部に滞留していた。これに対し本装
置では、過剰な冷媒液は凝縮器２２と冷媒液溜め３０と
で分配される。このとき、凝縮器２２内と冷媒液溜め３
０内とにおける冷媒液面の高さは基本的には同一とな
る。ここで冷媒液溜め３０は大きな底面積を有した容器
で構成されるのに対し、凝縮器２２はその内部に伝熱チ
ューブが幾重にも折り曲がりながら冷媒ガスを上から下
へ導くように配管されている。このように細長い管の中
を冷媒を通すことにより外気との伝熱面積を大きくとる
ことができ、十分に冷却された冷媒液が得られる。すな
わち冷媒液の過冷却量を稼ぐことができる。この構造の
違いにより、凝縮器２２と冷媒液溜め３０との同一高さ
に蓄積できる液量については、冷媒液溜め３０の方が十
分大きい。そのため、過剰な冷媒液の大半が冷媒液溜め
３０に蓄積され、本装置における凝縮器２２内の冷媒液
面の高さは冷媒液溜め３０を用いない場合に比べて十分
に抑制される。

【００１８】凝縮器２２内の液面高さが抑制されること
により、冷媒ガスと外気との熱交換が行われる有効な伝
熱チューブの長さ、又は有効な伝熱面積が大きくなる。
すなわち、熱交換の効率が向上し冷媒液の過冷却量が増
大することにより、冷房能力が向上する。

【００１９】冷媒液面が支管３２より低下する際に、冷
媒液溜め３０内部に蓄積された冷媒液が速やかに液配管
２８に流出するように、容器の下部に支管３２が接続さ
れている。本装置の冷媒液溜め３０の容器は十分に大き
いので上部を密閉構造としても問題ないが、小さな容器
の場合には容器上部を密閉構造とすると、液面３４が上
昇するにつれ容器上部に形成される気相部分３６の圧力
が高くなり、冷媒液が容器に流入しにくくなる。そのた
め、小さな容器では、気相部分３６の気圧調整用の細管
を容器上部から例えば凝縮器２２における気相部分の伝
熱チューブに接続したり、容器上部を外気へさらして放
熱を容易とし冷却によって気相部分３６の気圧を下げる
といった構造としてもよい。

【００２０】本装置の冷媒液溜め３０は、最大冷媒循環
駆動力を得るために必要とされる冷媒液柱の高さ、例え
ば２ｍを確保するため、液配管２８の最高点に接続され
ている。ちなみに、冷媒液溜めは別の位置に設けること
もできる。図２、図３は、冷媒液溜めの他の設置形態を
示す冷凍サイクルの模式的構成を示す図（図２は部分
図）である。図２（ａ）に示される形態においては、冷
媒液溜め４０は液配管２８の途中かつその最高点に設け
られている点で上記装置と同様である。上記装置との相
違点は冷媒液溜め４０の容器上部に冷媒流入口４２、容
器下部に冷媒流出口４４を個別に有していることであ
る。これにより、冷媒液溜め４０における冷媒の流入・
流出が円滑に行われる。

【００２１】図２（ｂ）に示される形態においては、冷
媒液溜め５０が凝縮器２２に併設、すなわち液配管を介
さず直に凝縮器２２に接続されている。図２（ｃ）に示
される形態においては、冷媒液溜め６０が凝縮器２２の
下部の伝熱チューブ６２に接続されている。

【００２２】以上の形態はいずれも、冷媒循環駆動力を
与える冷媒液柱の高さを損ねないように、冷媒液溜めを
できるだけ高い位置に設けた。このように配置すること
は高い冷房能力を得るためには望ましいことであるが、
逆に他の理由で冷媒液柱の高さを制限すべき場合もあ
る。例えば蒸発器２４が配置される被冷却部が、外界か
ら離れていて、凝縮器２２の高さが非常に高くなるよう
な場合、その高さの冷媒液柱の圧力に蒸発器２４の構造
が耐えられないこともあり得る。このような場合には、
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、冷媒液溜め７
０、８０を凝縮器２２と蒸発器２４との間の、例えば冷
媒駆動力の上限により定まる高さに配置する。これによ
り、凝縮器２２に冷媒液が滞留しなくなるとともに、冷
媒液柱の高さ上限を冷媒液溜めの高さに設定することが
できる。

【００２３】［実施形態２］図４は、本発明の他の実施
形態であって、蒸気圧縮冷凍サイクルに自然循環ループ
を併用した冷房装置における冷凍サイクルの模式的な構
成図である。この冷房装置における蒸気圧縮冷凍サイク
ルは、大まかには圧縮機１００、凝縮器１０２、蒸発器
１０４、膨張弁１０６からなる。圧縮機１００は、蒸発
器１０４で発生した冷媒ガスを導くガス配管１０８の途
中に設けられ、冷媒ガスを吸い込み、これを断熱的に圧
縮して送出する。これにより、冷媒ガスは過熱状態にさ
れるとともに、冷媒サイクルには冷媒循環の駆動力が供
給される。凝縮器１０２は過熱冷媒ガスから放熱させ、
これを液化する。冷媒液は液配管１１０を経由して蒸発
器１０４側に送られる。蒸発器１０４の手前に設けられ
た膨張弁１０６は、高圧の冷媒液を減圧して低圧で気液
混合状態の湿り蒸気とする機能を有する。湿り蒸気は蒸
発器１０４において被冷却物から気化熱を吸収して冷媒
ガスとなり、再びガス配管１０８へ送出される。なお、
サクションアキュムレータ１１２は運転の過渡的現象や
冷媒封入量過多などの場合に、緩衝の役割を果たす器で
ある。

【００２４】次に、自然循環ループを説明する。その大
半は以上述べた蒸気圧縮冷凍サイクルと共通である。自
然循環ループは、１つにはサクションアキュムレータ１
１２と圧縮機１００とをバイパスする点、もう１つには
膨張弁１０６をバイパスする点が蒸気圧縮冷凍サイクル
と異なる。自然循環ループはこれらのバイパスのためそ
れぞれバイパス管１２０、１２２を有している。これら
流路の切り換えは、切換弁１２４、１２６、１２８、１
３０により行われる。すなわち、この冷凍サイクルを蒸
気圧縮冷凍サイクルとして使用する場合（強制循環モー
ドと称する）には、切換弁１２４、１２８を開き、切換
弁１２６、１３０を閉じる。逆に、冷凍サイクルを自然
循環ループとして使用する場合（自然循環モードと称す
る）には、切換弁１２６、１３０を開き、切換弁１２
４、１２８を閉じる。

【００２５】本装置の自然循環ループも、上記実施形態
と同様、液配管１１０に蓄積される冷媒液に作用する重
力を冷媒循環の駆動力とする。冷媒液は重力により蒸発
器１０４に供給され、ここで冷媒ガスとなる。自然循環
ループではバイパス管１２０が冷媒ガスの流路となり、
比重の軽い冷媒ガスは圧縮機１００を停止した状態にお
いてもガス配管１０８を上昇し凝縮器１０２に達し、凝
縮器１０２で冷媒液となる。

【００２６】本装置では流出口と流入口とを有する冷媒
液溜め１３２が、液配管１１０の途中であって液配管１
１０が凝縮器１０２に接続される高さに設けられてい
る。この冷媒液溜めは、まず実施形態１同様の自然循環
モードでの低外気温時の過剰な冷媒液が凝縮器１０２内
に滞留するという現象を回避する働きがある。また本装
置ではこの現象とともに、強制循環モードから自然循環
モードにを切り換えた場合の冷媒循環系内での冷媒液の
分布や量の変化による冷媒液柱高さの変化に起因して、
冷媒液が凝縮器１０２内に滞留するいう現象が起こる可
能性がある。この現象を回避するために、運転モードの
切り換え時に、冷媒を出し入れして装置内の冷媒量を調
整するといった方法は、煩雑であり現実的ではない。冷
媒液溜め１３２は、そのような煩雑な操作をすることな
く、この現象も回避する働きを有するものである。この
冷媒液溜め１３２によって、本装置は外気温に係わら
ず、また運転モードの切り換え時に特別な操作をするこ
となく、上記両現象による凝縮器１０２の有効伝熱面積
の減少を防止でき、常に凝縮器１０２の性能が十分に発
揮された冷房能力を提供することができる。

【００２７】なお、サクションアキュムレータ１１２
も、冷媒液を蓄積することができるが、設けられる位置
がガス配管１０８側であり、その目的は冷媒液の調整と
いうより、圧縮機１００の保護である。すなわち、例え
ば、過渡的状態で気化していない液が大量にガス配管に
入るといったことにより、圧縮機１００に冷媒液が流入
すると、圧縮機１００が破損する恐れがあるが、サクシ
ョンアキュムレータ１１２はこれを防止するものであ
り、冷媒液溜め１３２の上述したような機能を有しな
い。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、冬期のように低外気温
の場合や冷媒循環系を自然循環ループに切り換えた場合
において生じうる過剰な冷媒液は冷媒液溜めに溜めら
れ、凝縮器への滞留が抑制されるので、凝縮器の熱交換
効率が常に良好な値に維持され冷房能力の低下が防止さ
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 自然循環ループを用いた本発明に係る冷房装
置における冷凍サイクルの模式的な構成図。

【図２】 冷媒液溜めの設置形態を示す冷凍サイクルの
模式的構成の部分図。

【図３】 冷媒液溜めの設置形態を示す冷凍サイクルの
模式的構成図。

【図４】 蒸気圧縮冷凍サイクルに自然循環ループを併
用した本発明に係る冷房装置における冷凍サイクルの模
式的な構成図。

【図５】 自然循環ループを用いた従来技術の冷房装置
の原理を説明する模式的な構成図。

【符号の説明】

２２，１０２ 凝縮器、２４，１０４ 蒸発器、２６，
１０８ ガス配管、２８，１１０ 液配管、３０，１３
２ 冷媒液溜め、１００ 圧縮機、１０６ 膨張弁、１
２０，１２２ バイパス管。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒液が冷媒ガスとなる際の気化熱を被
   冷却部から吸収する蒸発器と、この蒸発器に接続され冷
   媒ガスを上昇させるガス配管と、このガス配管に接続さ
   れこれにより導かれた冷媒ガスを液化して冷媒液とする
   凝縮器と、この凝縮器に接続されこれにより生成された
   冷媒液を重力によって下降させて前記蒸発器へ導く液配
   管とを含む自然循環ループを備える冷房装置において、 前記冷媒液の流路に接続され、前記冷媒液を溜めて前記
   凝縮器内部の冷媒液の滞留を除去する冷媒液溜めを有す
   ることを特徴とする冷房装置。
2. 【請求項２】 冷媒液が冷媒ガスとなる際の気化熱を被
   冷却部から吸収する蒸発器と、この蒸発器に接続され冷
   媒ガスを上昇させるガス配管と、このガス配管に接続さ
   れこれにより導かれた冷媒ガスを液化して冷媒液とする
   凝縮器と、この凝縮器に接続されこれにより生成された
   冷媒液を重力によって下降させて前記蒸発器へ導く液配
   管と、前記ガス配管の途中に挿入され冷媒ガスを断熱的
   に圧縮する圧縮機と、これをバイパスする圧縮機バイパ
   ス手段と、圧縮機と圧縮機バイパス手段とを切り換える
   手段と、前記液配管の途中に挿入され冷媒液を減圧する
   膨張弁と、これをバイパスする膨張弁バイパス手段と、
   膨張弁と膨張弁バイパス手段とを切り換える手段とを含
   み、冷媒循環系を蒸気圧縮冷凍サイクルと自然循環ルー
   プとに切り換え可能な冷房装置において、 前記冷媒液の流路に接続され、前記冷媒液を溜めて前記
   凝縮器内部の冷媒液面の滞留を除去する冷媒液溜めを有
   することを特徴とする冷房装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の冷房装置
   において、 前記冷媒液溜めは、前記凝縮器への前記液配管の接続位
   置の高さに設けられることを特徴とする冷房装置。