(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源機と、熱源機で発生する冷水を建物内で循環する一次側冷水回路と、一次側冷水回路の冷水と熱交換する凝縮器と、冷媒タンクと、冷媒ポンプと、蒸発器と吹出ファンを含む空調機（ＡＨＵ）と、これらを結ぶ冷媒循環配管と、を備えた二次側冷媒回路と、を備えた冷媒ポンプ式空調システムであって、
蒸発器から凝縮器に至る冷媒戻り管経路中に、低冷房負荷時において冷媒液を貯留可能とし、かつ、冷媒貯留状態において該冷媒戻り管の有効断面積を減少させることにより、冷房負荷に関らず冷媒タンク液面を一定範囲に維持可能に構成した冷媒トラップを、さらに備えて成ることを特徴とする冷媒ポンプ式空調システム。
【請求項２】
前記冷媒トラップを、前記蒸発器出口近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載の冷媒ポンプ式空調システム。
【請求項３】
前記冷媒トラップは、貯留冷媒液の液面高さに応じて前記冷媒戻り管の有効断面積を可変とするフロート弁を備えて成る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒ポンプ式空調システム。
【請求項４】
前記蒸発器を複数系統備え、かつ、各系統の蒸発器出口近傍に前記冷媒トラップを配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷媒ポンプ式空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ポンプ式空調システムに係り、特に低負荷時にも安定した運転が維持可能な冷媒ポンプ式空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、データセンタ等の空調システムとして、一次側冷水回路と二次側に冷媒ポンプを用いた冷媒循環回路を組み合わせた空調システム（以下、冷媒ポンプ式空調システムという）が公知である（例えば特許文献１）。このような従来の冷媒ポンプ式空調システム１００（図７参照）では、冷房負荷に応じて冷媒過熱度検知等により冷媒循環量制御を行い、冷媒戻り配管１０４への液戻りを防いで冷媒タンク１０６の冷媒量を一定に保持する運転を行っている。
【０００３】
冷媒循環量制御に用いる冷媒ポンプ１０７として、高圧ガス冷媒の漏えいを防ぐために、ポンプとモーターが一体化した密閉構造のキャンドポンプ（ノンシールポンプ）が多く用いられている。通常、キャンドポンプはモーター部冷却のために冷媒を循環させており、周波数を一定以下に落とすことができない。このため、冷房負荷が小さい場合であっても冷媒循環量を対応させることができず、液戻運転状態となる。その結果、冷媒戻り配管１０３ｂ経路中に液冷媒が保有されることになり、その分、冷媒タンク１０６の液面が低下してしまう。
【０００４】
さらに、図８を参照して、１つの冷媒ユニット２０１に対して複数の空調機２０２ａ乃至２０２ｃが接続するマルチ方式の空調システム２００においては、同図に示すように負荷小の空調機内の蒸発器２０２ｂの存在により戻り配管２０４が液戻り状態となり、特に当該空調機より遠い位置にある空調機２０２ｃについては液不足により冷却不良が発生してしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２６１５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷媒タンクの液面低下が進んでシール切れに至ると、冷媒ポンプにガス冷媒が供給されてしまうことになり、キャビテーションの恐れがある。これを回避するため、冷媒ポンプの運転を停止して液面回復を待たざるを得なくなり、この間、空調機は高温吹き出し状態になる。このような状態発生は、特に精密な温度制御が求められる通信機械室空調では致命的となる。
【０００７】
また、冷媒戻り配管への液溜まりは、冷媒配管がＵ字型（逆鳥居配管）の場合に特に発生しやすく、液溜まりの問題は配管施工上、大きな制約となる。
冷媒循環量制御のために流量調整用の電動弁を配設する方法も考えられるが、コスト増加、制御の複雑化に加え、信頼性の低下という問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためのものであって、冷房負荷に関わらず常に冷媒タンクの液面を一定範囲に維持可能とする冷媒ポンプ式空調システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る冷媒ポンプ式空調システムは、
（１）熱源機と、熱源機で発生する冷水を建物内で循環する一次側冷水回路と、一次側冷水回路の冷水と熱交換する凝縮器と、冷媒タンクと、冷媒ポンプと、蒸発器と吹出ファンを含む空調機（ＡＨＵ）と、これらを結ぶ冷媒循環配管と、を備えた二次側冷媒回路と、を備えた冷媒ポンプ式空調システムであって、
蒸発器から凝縮器に至る冷媒戻り管経路中に、冷媒液を貯留可能とし、かつ、冷媒貯留状態において該冷媒戻り管の有効断面積を減少させるように構成した冷媒トラップを、さらに備えて成ることを特徴とする。
【０００９】
（２）上記発明において、前記冷媒トラップを、前記蒸発器出口近傍に配設したことを特徴とする。
【００１０】
（３）上記各発明において、前記冷媒トラップは、貯留冷媒液の液面高さに応じて前記冷媒戻り管の有効断面積を可変とするフロート弁を備えて成る、ことを特徴とする。
【００１１】
（４）上記各発明において、前記蒸発器を複数系統備え、かつ、各系統の蒸発器出口近傍に前記冷媒トラップを配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記各発明によれば、冷房負荷が低い場合であっても安定した運転が可能になるという効果がある。
また、冷房負荷に関わらず、冷媒タンクの液面を一定範囲に維持可能という効果がある。さらに、冷媒タンクに一定量の冷媒量を確保できるため、液面シールを維持でき、冷媒ポンプのキャビテーション発生リスクの回避が可能となるという効果がある。
【００１３】
また、冷媒量を必要以上に充填する必要がないため、コスト削減及び地球環境保全に寄与するという効果がある。
また、電動弁の追加や特別の制御を必要としないためコスト削減ができ、さらにパッシブなシステムであることから故障が少ないという効果がある。
また、冷媒戻り配管への液溜まり発生を防止できるため、配管施工上の制約が減少し、施工コストの低減化ができるという効果がある。
【００１４】
さらに、複数系統の各蒸発器出口近傍に冷媒トラップを配設した発明にあっては、いずれかの空調機が低冷房負荷状態になっても、冷媒戻り配管への液溜まりにより他の系統への影響を回避できるという効果がある。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。重複説明回避のため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００１６】
＜第一の実施形態＞
図１、２を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る冷媒ポンプ式空調システム１を示す図である。冷媒ポンプ式空調システム（以下、適宜、空調システムと略記する）１は、冷水発生源である熱源機４、一次側冷水回路２、二次側冷媒回路３により構成されている。冷水回路２は、熱源機４で発生させた冷水を建物内で循環するための冷水配管２ａ、２ｂ及び循環ポンプ２ｃを備えている。
【００１７】
冷媒回路３は、熱交換器・ポンプユニット（以下、熱交ポンプユニット）６、空調対象空間（図示せず）を冷却するための空調機（ＡＨＵ）７、及びこれらを結ぶ冷媒配管３ａ、３ｂを主要構成として備えている。ＡＨＵ７は、蒸発器７ａ及び吹出ファン７ｂを備えている。戻り側冷媒配管３ｂのＡＨＵ７出口近傍には、低負荷時に冷媒液を貯留可能とする冷媒トラップ８が介装されている。
【００１８】
熱交ポンプユニット６は、冷媒回路３で回収した排熱を冷水回路２側に放熱する凝縮器６ａ、冷媒循環用の冷媒ポンプ６ｃ、凝縮冷媒液を随時蓄えて冷媒ポンプ６ｃにガス冷媒が導入されることを防止する冷媒タンク６ｂ、を主要構成として備えている。冷媒ポンプ６ｃはノンシールタイプポンプであり、循環冷媒をモーター部（図示せず）の冷却に用いるための分岐配管６ｄを備えている。
図２を参照して、冷媒トラップ８は下側に湾曲した外観Ｖ字形状の配管８ａにより構成されており、その両端部８ｂ、８ｃは戻り側冷媒配管３ｂに接続されている。後述するように、底部空間８ｂは、低負荷時に液冷媒の貯留により、配管有効断面積を減少可能に構成されている。
以上の構成により、空調システム１は二次側冷媒回路３側で空調対象空間を冷却して回収した排熱を一次側冷水回路２側に捨て、最終的に一次側冷水回路２の冷却塔（図示せず）を介して大気に開放するものである。
【００１９】
次に、空調システム１において冷房負荷が標準状態及び低負荷状態における、冷媒トラップ８の作用について説明する。
標準負荷状態では、蒸発器７ａ出口において冷媒は全て蒸発し、戻り側冷媒配管３ｂ内はガス戻り状態となる。図３（ａ）を参照して、このときの冷媒トラップ８の底部空間８ｂには液冷媒は貯留せず、配管断面積Ｓ０が維持される。
【００２０】
次に、低負荷状態になると、冷媒は蒸発器７ａにおいて完全に蒸発しきれないため、戻り側冷媒配管３ｂ内は気液戻り状態となる。これにより、図３（ｂ）に示すように冷媒トラップ８の底部空間８ｂには液冷媒が貯留し、配管有効断面積がＳ１（＜Ｓ０）となるため通過抵抗が増加する。
これに伴い、蒸発器７ａにおける蒸発圧力が上昇して負荷に見合った冷媒流量に絞られることとなる。これに伴い、ＡＨＵ７の吹き出し温度は蒸発圧力に対応する蒸発温度に上昇するため、過大に低い温度の吹き出しが回避できる。
また、循環量減少に伴い、冷媒は蒸発器７ａにおいて完全に蒸発し、戻り側冷媒配管３ｂ内のガス戻り状態が維持されるため、冷媒タンク６ｂの冷媒量減少を防止することができ、液面シールが確保されることとなる。
【００２１】
なお、本実施形態ではＡＨＵ７からの送風により（空調対象空間）を冷却する例を示したが、蒸発器７ａに冷却対象を直接接触させて伝熱冷却する態様とすることもできる。
【００２２】
＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の構成が第一の実施形態と異なる点は、冷媒トラップの構成である。
すなわち図４を参照して、本実施形態に係る冷媒トラップ２０は、冷媒液貯留部２１内に浮子部２２ａと閉止部２２ｂとにより構成されるフロート弁２２を収容している。冷媒液貯留部２１の内壁２１ａと浮子部２２ａの外面との間には僅かな隙間が設けられており、冷媒トラップ２０の上下動を確保するように構成されている。
その他の構成については冷媒ポンプ式空調システム１と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２３】
次に、冷媒トラップ２０の冷房負荷に対応する作用について説明する。標準負荷状態では、戻り側冷媒配管３ｂはガス戻り状態が維持されるため、フロート弁２２は図４（ａ）、（ｂ）に示すように、底面部に載置される。この状態では戻り側冷媒配管３ｂの有効断面積はＳ０である。
次に、低負荷状態になると図５に示すように冷媒トラップ８の底部空間８ｂには液冷媒が貯留して、フロート弁２２は浮き上がり閉止部２２ｂが配管内に一部閉鎖するため有効断面積Ｓ２＜Ｓ０となる。これに伴い配管抵抗が生じて蒸発器７ａにおける蒸発圧力は上昇し、冷媒流量が減少して戻り側冷媒配管３ｂの液量が減少することにより、冷媒タンク６ｂの冷媒量減少を防止することができ、液面シールが維持されることとなる。なお、この状態では冷媒トラップ８に貯留していた液冷媒は、内壁２１ａと浮子部２２ａ間の隙間から蒸発して、最終的に消滅する。
【００２４】
＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図６（ａ）を参照して、本実施形態に係る冷媒ポンプ式空調システム３０が上述の冷媒ポンプ式空調システム１と異なる点は、並列に配設される複数のＡＨＵを備えたマルチ空調システムであることである。
すなわち、本実施形態に係る空調システム３０は、冷媒往き管３１と冷媒戻り管３２の間に３台のＡＨＵ３５ａ乃至３５ｃを備えている。
それぞれの戻り側分岐配管３２ａ乃至３２ｃには、それぞれ冷媒トラップ３４ａ乃至３４ｃが介装されている。各冷媒トラップの構成は、第一の実施形態のトラップ８と同一であるので重複説明を省略する。また、その他の構成についても、熱交ポンプユニット、一次側冷水回路を含め冷媒ポンプ式空調システム１と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２５】
次に、冷媒ポンプ式空調システム３０における冷媒循環の態様について説明する。全てのＡＨＵが標準負荷状態の場合には、図６（ａ）に示すように冷媒は各蒸発器３３ａ乃至３３ｃにおいて蒸発するため、冷媒戻り管３２はガス戻り状態で凝縮器６ａに戻る。
【００２６】
また、図６（ｂ）を参照して、例えばＡＨＵ３５ｂが負荷なしの状態となった場合には、液状態で蒸発器３３ｂに導入される冷媒は、ＡＨＵ３５ｂで蒸発することなく液状態でのまま戻り側分岐配管３２ｂに入る。この場合、冷媒トラップ３４ｂにおいて上述の図  と同様に液が貯留して分岐配管３２ｂの有効断面積が減少することにより、通過抵抗が増加してＡＨＵ３３ｂの循環量Ｇｂが減少することになる。これによりＡＨＵ３５ｂにおける吹き出し温度が上昇して、冷房負荷に対応した冷却能力に維持される。また、蒸発器３３ｂの冷媒のガス戻り状態が確保される。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、熱源、冷凍方式、一次及び二次側の冷媒種類、建物構造等を問わず冷媒ポンプ式空調システムに広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一の実施形態に係る冷媒ポンプ式空調システム１の構成を示す図である。
【図２】冷媒トラップ８の詳細構成（側面）を示す図である。
【図３】冷媒トラップ８の（ａ）ガス戻り状態及び（ｂ）貯留状態を示す図である。
【図４】第二の実施形態に係る冷媒トラップの詳細構成を示す図である。
【図５】冷媒トラップ８の冷媒液貯留状態を示す図である。
【図６（ａ）】第三の実施形態に係る冷媒ポンプ式空調システム３０の構成を示す図である。
【図６（ｂ）】冷媒ポンプ式空調システム３０の低負荷時における冷媒トラップ作動に伴う冷媒の挙動を模式的に示す図である。
【図７】従来の冷媒ポンプ式空調システム１００の構成を示す図である。
【図８】マルチ方式の冷媒ポンプ式空調システム２００の低負荷時における冷媒の挙動を模式的に示す図である。
【００２９】
１、３０・・・・・冷媒ポンプ式空調システム
２・・・・・一次側冷水回路
３・・・・・二次側冷媒回路
４・・・・・熱源機
６・・・・・熱交ポンプユニット
６ａ・・・・凝縮器
６ｂ・・・・冷媒タンク
６ｃ・・・・冷媒ポンプ
７ａ、３３ａ-３３ｃ  ・・・・蒸発器
８、２０、３４ａ-３４ｃ・・・・・冷媒トラップ
２１・・・・冷媒液貯留部
２２・・・・・フロート弁
２２ａ・・・・・浮子部
２２ｂ・・・・・閉止部
【図１】
0005890224.tif 000002
【図２】
0005890224.tif 000003
【図３】
0005890224.tif 000004
【図４】
0005890224.tif 000005
【図５】
0005890224.tif 000006
【図６（ａ）】
0005890224.tif 000007
【図６（ｂ）】
0005890224.tif 000008
【図７】
0005890224.tif 000009
【図８】
0005890224.tif 000010