JPH0321813B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は冷却システムに係り、特に重力式ヒー
トパイプを用いて冷房や冷蔵を行なう冷却システ
ムに関するものである。

【従来技術】

冷却システムとしては、ビル内の冷房を行なう
空調システムや冷蔵システム等がある。一般に、
ビル空調システムで熱源装置と空調ユニツトとの
間の熱搬送を行なう熱媒体には、通常は蒸気、温
水または冷水の形で水が用いられる。ところで、
この空調ユニツトを被空調室である居室側に設置
する場合もあるが、居室での漏水事故の恐れがあ
り、あまり好まれない。そこで近来のビル空調シ
ステムでは、熱媒体としては水に代わつてフロン
等の冷媒を用い、この冷媒を熱源装置から空調ユ
ニツトの熱交換器へ直接導くシステムが注目され
ている。 このようなビル空調システムの一つとして、本
件出願人は既に重力式ヒートパイプを用いた空調
システムに関する発明を出願（特願昭61−264309
号）している。この重力式ヒートパイプを用いた
ビル空調システムの特に冷房回路では、建物の高
所に設けられた冷熱源装置と、この冷熱源装置よ
りも低い位置の建物内各所に設置された空調ユニ
ツトとの間が重力式ヒートパイプで連結されてい
る。この重力式ヒートパイプではフロン等の冷媒
を用い、熱交換に伴う冷媒の相変化と重力による
液相冷媒の落下とを利用することにより被空調室
側の空調ユニツトと熱源装置との間でこの冷媒を
自然循環させ、これらの間の熱移動に供させる。
すなわち、冷房運転を行なう場合には冷熱源がヒ
ートパイプの上部凝縮側である高所に設置されて
いるのに対して、各空調ユニツトはヒートパイプ
の下部蒸発側である低所に設置されているため、
自然循環する冷媒は冷熱源装置側で凝縮して液系
配管内を流下し、各空調ユニツトの熱交換器内に
溜まつてここで熱交換されて蒸発し、ガス系配管
内を上昇して冷熱源装置側へ還流することにな
る。 もちろん、上述のビル空調システムの冷房回路
における空調ユニツトを冷蔵庫や冷凍庫に替えて
冷蔵システムとすることも可能である。

【発明が解決しようとする問題点】

ところで、上述の各空調ユニツトや冷蔵庫ある
いは冷凍庫等の冷却ユニツトにおける冷媒の流量
制御は、絞り弁、キヤピラリチユーブあるいはオ
リフイス等の流体抵抗を増大しうる各種の絞り機
構を用い、その絞り量を熱負荷に対応させて調整
することにより行なわれるが、重力式ヒートパイ
プでは液系配管内の液相冷媒の水頭圧が空調ユニ
ツトの熱交換器内の冷媒に常に作用しており、各
冷却ユニツトが水平配置（同一ヒートパイプから
分岐されている個々の冷却ユニツトの設置高さが
同じである配置）されている場合には各冷却ユニ
ツトにおける上記水頭圧は略等しく、また最小限
の水頭圧に抑えることも可能であるが、各冷却ユ
ニツトが垂直配置（同一ヒートパイプから分岐さ
れている個々の冷却ユニツトの設置高さが、例え
ば１階、２階、３階と異なる配置）されている場
合には、液系配管はその最下部から最上部冷却ユ
ニツトの熱交換器が満液状態となる高さまで満液
状態となつており、特に低い位置に設置されてい
る冷却ユニツトにおける上記水頭圧は非常に大き
くなる。したがつて従来の絞り機構による冷媒の
流量制御は困難であり、絞り過ぎのために冷媒の
供給不足となつてスーパーヒート状態となつた
り、あるいは本来ならば冷却ユニツトの熱交換器
から冷熱源へ還流する系の配管はガス系配管であ
るべきところが、この大きな水頭圧が作用するた
め低位置の冷却ユニツトではこのガス系配管内ま
でも満液状態となつてしまい、そのため蒸発した
冷媒の流動性が損なわれて熱交換器での十分な熱
交換が行なわれず所定の冷却能力が発揮できなく
なる問題が生じる。また、大きな水頭圧が作用し
ている状態では冷媒の蒸発温度が高くなることも
あつて、所定の冷却能力が発揮できない。 このように、重力式ヒートパイプを用いる冷却
システムでは、共通のヒートパイプによつて液相
冷媒の供給を受ける各冷却ユニツトを、それぞれ
高さの異なる位置に設置して用いることは殆ど不
可能である。 本発明は上述のごとき問題点に鑑み、これらを
有効に解決すべく創案されたものである。したが
つてその目的は、重力式ヒートパイプを用いる冷
却システムにおいて、各冷却ユニツトをそれぞれ
異なる高さ位置に設置しても各冷却ユニツトでの
適切な流量制御を可能にする冷却システムを提供
することにある。

【問題点を解決するための手段】

本発明に係る冷却システムは、従来技術の問題
点を解決し、目的を達成するために、以下のよう
な構成を備えている。 すなわち、高所に設置された冷熱源装置と、該
冷熱源装置よりも低所に設置され、１基の該冷熱
源装置に対して複数台に対応して重力式ヒートパ
イプで接続される各冷却ユニツトと、該冷却ユニ
ツトの熱交換器に設けられ、該熱交換器内の冷媒
液位を所定の高さ位置で検知するとともにその検
知信号を出力する液位検知手段と、前記重力式ヒ
ートパイプの前記各冷却ユニツトへの分岐管に設
けられ、前記液位検知手段からの出力信号により
該分岐管の管路を開閉する流量調整弁とを備えて
いる。 なお、前記重力式ヒートパイプは、冷媒の相変
化に伴う自然循環力を有するものに相違はない
が、自然循環力のみにより冷媒を循環させる手段
に限定されるものではなく、この自然循環力を補
助するために、あるいは冷媒循環量を調整するた
めにポンプ等の強制的に冷媒を循環させる手段を
付加するものであつてもよいのは勿論である。

【作用】

本発明に係る冷却システムでは、液位検知手段
が空調ユニツトの熱交換器の所望の位置に設置さ
れることによつて、この熱交換器内に満たされる
冷媒の適切な液位が設定される。液位検知手段は
この設定値に応じて熱交換器内の冷媒が適切な液
位にあるか、またはそれに満たないかを検知し、
その検知信号を出力する。この検知信号は、重力
式ヒートパイプの冷却ユニツトへの分岐管に設け
られた流量調整弁の開閉を制御すべく出力され、
熱交換器内の冷媒液位が適切である場合にはそれ
以上の冷媒供給を停止すべく流量調整弁を閉じさ
せ、適切液位以下の場合には冷媒を熱交換器内へ
供給すべくこの弁を開かせる。 なお、流量調整弁を開く動作に関しては、例え
ば熱交換器の冷媒液位が所定の限度を超えて低く
なつた場合に初めて開弁命令信号を出力するのが
一般的であろうが、特に本発明の主眼は、冷媒に
大きな水頭圧が作用する場合の冷媒過剰供給を抑
制して適切供給を行なうことにある。したがつ
て、冷媒供給を停止する液位が設定されていれば
よく、その供給を開始する液位は冷媒の蒸発速度
等を考慮して適当に設定されていればよい。冷媒
の蒸発速度が極端に遅い場合には流量調整弁を常
時閉とし、適切液位以下の場合にこの弁を開くよ
うに制御されてもよい。このように冷媒の液位に
応じてその供給あるいは供給停止を制御し、この
ことによつて熱交換器内の冷媒液位を常に適切な
設定値に維持する。したがつて熱交換器内の冷媒
には液系配管内に満たされている冷媒の水頭圧が
作用せず、冷却ユニツトの設置高さ位置に拘わら
ずどの冷却ユニツトにおいても適切な液位を維持
でき、各冷却ユニツトの冷媒を同温・同圧で蒸発
させられる。また、熱負荷の変動が生じても冷媒
の蒸発温度を一定に維持することが容易である。 また、熱源装置と冷却ユニツトの間の熱搬送手
段に重力式ヒートパイプを用いているので、本発
明と同様に熱搬送媒体としてフロン等の冷媒を用
いる直膨式空調システムによる冷却システムに比
べて、冷媒にコンプレツサの冷凍機油が混じるこ
とがなく、したがつてこの冷凍機油を回収する必
要もない。直膨式空調システムでは、この冷凍機
油回収の制約からあまり多くの空調ユニツトを１
台のコンデンシングユニツトに対応させることは
不可能であり、条件にもよるが１台のコンデンシ
ングユニツトに対して連結できる空調ユニツトは
通常５台ないし６台程度が限度である。これに対
して本発明では重力式ヒートパイプを用いること
によつて冷却ユニツトに送られる冷媒をコンプレ
ツサから切り離し、冷凍機油回収の制約を取り除
いているので、熱源装置に対する冷却ユニツトの
台数の制約がない。 さらに、直膨式空調システムにおいて回収され
るべき冷凍機油はミスト状になつて冷媒ガスに混
在しているので、この冷凍機油を回収するために
は冷媒の流速がある程度大きくなくてはならな
い。したがつて絞り機構の絞り量はあまり大きく
できず、結果的には冷房能力の調整範囲が狭くな
る。これに対して本発明では、冷却能力に影響を
与える冷媒の流速には制約がなく、広範囲な熱負
荷の変動にも対応して冷却能力を調整できる。

【発明の効果】

以上の説明より明らかなように、本発明によれ
ば次のごとき優れた効果が発揮される。 すなわち、重力式ヒートパイプを用いる冷却シ
ステムにおいて、各冷却ユニツトをそれぞれ異な
る高さ位置に設置しても各冷却ユニツトでの適切
な流量制御が可能となる。

【実施例】

以下に本発明の実施例について第１図ないし第
５図を参照して説明する。 第１図は本発明に係る冷却システムの一実施例
としてビル空調システムを模式的に示す概略構成
図である。建物の構成については図示していない
が、図においては上側が建物の高所を表してい
る。建物の高所に設置され、重力式ヒートパイプ
の上端部を冷却する冷熱源装置１としては以下に
説明する諸機器により構成されている。すなわ
ち、空調ユニツトの室外機に相当するコンデンシ
ングユニツト２が建物の例えば屋上のような高所
に設置されており、その蒸発器が重力式ヒートパ
イプ１２を直接冷却する第１蒸発器３と氷蓄熱槽
５を冷却する第２蒸発器４とに分けて設けられて
いる。これら第１蒸発器３または第２蒸発器４へ
流れる冷媒は電磁切り替え弁６および７によつて
その経路のいずれか一方を選択するように切り替
えられ、通常は夜間に第２蒸発器４を用いて蓄熱
運転され、昼間は第１蒸発器３を用いて重力式ヒ
ートパイプ１２を直接冷却する運転が行なわれ
る。氷蓄熱槽５は顕熱に比べて約80倍もの潜熱も
含めて蓄熱するので、顕熱のみによつて蓄熱する
冷水蓄熱槽よりもはるかに大きな蓄熱容量を有し
ており、したがつて冷水蓄熱槽と同等容量の氷蓄
熱槽を得るには冷水蓄熱槽に比べて大きさおよび
重量をはるかに小さくでき、屋上設置も可能とな
る。氷蓄熱槽５の熱は、重力式ヒートパイプ１２
に形成された冷却器８（重力式ヒートパイプ１２
にとつては凝縮器として機能する）とこの氷蓄熱
槽５との間を往復循環すべくその途中にポンプ１
０を備えて構成された冷水管系９によつて汲み出
される。蓄熱系と直接熱交換系とを併設する熱源
装置は従来から他の空調システムでも種々採用さ
れており、特に昼間の運転は空調負荷および蓄熱
容量等に応じてそれぞれの出力比を適宜変化させ
るが、本実施例においてもその運転の仕方は、従
来の熱源装置の場合と同様に行なえる。このよう
に、重力式ヒートパイプ１２内の冷媒は第１蒸発
器３または冷却器８によつて、あるいはこれらの
双方によつて冷却され、コンデンシングユニツト
２のコンプレツサ１１により強制循環される系の
冷媒と重力式ヒートパイプ１２により自然循環す
る冷媒とは接触することはなく、互いに縁が切ら
れている。すなわちコンプレツサ１１の冷凍機油
が重力式ヒートパイプ１２の冷媒に混じることは
なく、したがつて後述の各空調ユニツト１３ａ，
１３ｂ，…内に流入することもなく、その回収は
容易に行なえる。 一方、冷却ユニツトとしての各空調ユニツト１
３ａ，１３ｂ，…は、冷熱源としての諸設備が例
えば建物の屋上に設置されている場合に建物内の
各階に設置されているように、重力式ヒートパイ
プ１２を冷却する冷熱源としての諸設備よりも低
所の被空調室側に設置されている。 重力式ヒートパイプ１２内の冷媒（図中実線矢
印は液流、破線矢印はガス流を示す）は、冷熱源
側の第１蒸発器３または冷却器８で冷却されて凝
縮し、受液器１７を経て液系配管１８内を高所か
ら低所へ流下し、各空調ユニツト１３ａ，１３
ｂ，…へ供給されるべく分岐された分岐管１９お
よびこの分岐管１９に介設された流量調整弁２２
を経てそれぞれの空調ユニツト１３ａ，１３ｂ，
…に至る。各空調ユニツト１３ａ，１３ｂ，…に
流入した液相冷媒は、その熱交換器１５で被空調
室側の空気を冷却すべく熱交換することによつて
蒸発気化し、重力式ヒートパイプ１２のガス系配
管２０内を上昇し冷熱源側へ還流する。ところ
で、本実施例の各空調ユニツト１３ａ，１３ｂ，
…は冷熱源側に対して１系統の重力式ヒートパイ
プ１２で共通に接続されている。したがつて、建
物の上層階に設置された空調ユニツト１３ａと下
層階に設置された空調ユニツト１３ｂとの間に対
応する液系配管１８内は、上層階の空調ユニツト
１３ａを運転するために常に満液状態となつてい
る。したがつて、上層階の空調ユニツト１３ａへ
流入する冷媒にはさほど大きな水頭圧が作用して
いなくとも、下層階の空調ユニツト１３ｂへ流入
する冷媒には大きな水頭圧が作用している。 第２図は第１図における空調ユニツトとその周
辺の重力式ヒートパイプおよび冷媒の液面制御機
構を示す概略構成図である。空調ユニツト１３内
にはフアン１６の下流側に熱交換器１５が設置さ
れている。この熱交換器１５は、液系配管１８の
分岐管１９から流量調整弁２２を介して冷媒が流
入する下部ヘツダ２３と、この下部ヘツダ２３の
上側に接続されて実質的に熱交換部を構成するコ
イル部２５と、このコイル部２５の上側に接続さ
れて更にその上側のガス系配管２０の分岐管２１
に接続される上部ヘツダ２４とから構成されてい
る。また熱交換器１５の側部には、熱交換器１５
内の冷媒液位に等しい冷媒液位を示す連通管２６
が設けられている。すなわちこの連通管２６は、
液系配管１８の分岐管１９が流量調整弁２２の下
流側で下端部に接続され、ガス系配管２０の分岐
管２１が直接上端部に接続されている。連通管２
６には、冷媒の液位が所定の高さになつたときに
その液位を検知して流量調整弁２２に閉じるよう
命令信号を出力する液面制御スイツチ２７が取り
付けられている。すなわち、連通管２６と液面制
御スイツチ２７とによつて液位検知手段が構成さ
れている。液面制御スイツチ２７が命令信号を出
力する所定の液位は、冷媒がコイル部２５に満た
されてコイル部２５と上部ヘツダ２４との接続部
より若干上の位置まで満たす液位であり、且つ上
部ヘツダ２４とガス系配管２０の分岐管２１との
接続部を浸漬しない高さ位置の液位に設定されて
いる。また、流量調整弁２２は、空調ユニツト１
３が運転されない場合すなわちフアン１６が停止
される場合には閉じられ、また、フアン１６の運
転中であつて熱交換器１５内の冷媒液位が上述の
命令信号の出力される液位であつても、吸込空気
温度すなわち室内温度が設定温度より低い場合に
は閉じられる。第２図および第３図に示す２８
は、この吸込空気温度を検知する温度センサであ
る。なお、熱交換器１５は第３図に示すように斜
めに配置される場合もあるが、連通管２６および
液面制御スイツチ２７は第２図の場合と同様に設
けられている。 このように、各空調ユニツト１３ａ，１３ｂ，
…の設置高さの差による冷媒の水頭圧の差が生じ
ても、連通管２６、液面制御スイツチ２７および
流量調整弁２２によつて、各空調ユニツト１３
ａ，１３ｂ，…の熱交換器１５内の冷媒液位がい
ずれも上部液面検知部より越えることのないよう
にでき、しかも流量調整弁２２は、熱交換器１５
内の冷媒液位を上昇させるときのみ開いてその他
のときは閉じているので、液系配管１８内に満た
された冷媒の水頭圧はこの弁によつて断ち切られ
る。したがつてどの空調ユニツト１３ａ，１３
ｂ，…においてもその熱交換器１５内の冷媒は同
一圧力下で同一蒸発温度となり、同じ冷房能力を
発揮できる。さらに連通管２６、液面制御スイツ
チ２７および流量調整弁２２は各空調ユニツト１
３ａ，１３ｂ，…に対してそれぞれを独立して制
御できる。また、同じ階すなわち同一高さ位置に
設置される各空調ユニツト１３ａ，１３ａ，…あ
るいは１３ｂ，１３ｂ，…どうしでも同様にそれ
ぞれ単独に冷房能力を制御できるのは勿論であ
る。 上述の実施例では、１台の空調ユニツトがそれ
ぞれに液面制御機構を備える場合について説明し
たが、第４図に示すように、同一階の同一高さに
複数台の空調ユニツト１３が設置される場合であ
つて、それぞれ同一運転モードで運転できる場合
には、これらの空調ユニツトを１ブロツクと考
え、この１ブロツクの液面制御を１つの液面制御
機構で制御することも可能である。すなわち、連
通管２６および液面制御スイツチ２７はブロツク
単位の流量調整弁２９の開閉制御を行ない、各空
調ユニツト１３の流量調整弁２２は各空調ユニツ
ト１３自身の温度センサ２８により開閉制御され
る。 なお、上述の実施例ではビル空調システムの場
合について説明したが、全く同等の技術思想とし
て、同様の重力式ヒートパイプによる熱搬送系お
よび冷媒の液面制御機構を用い、冷却ユニツトと
しての空調ユニツトに替えて冷蔵庫や冷凍庫を用
いることも可能である。第５図は本発明に係る冷
却システムの他の実施例としてマンシヨン等の集
合住宅における冷蔵庫システムを模式的に示す概
略構成図である。図中２′はコンデンシングユニ
ツト、３′はコンデンシングユニツト２′の蒸発器
（重力式ヒートパイプ１２′にとつては凝縮器）で
あり、冷熱源装置１′はコンデンシング２′および
その蒸発器３′により構成されている。１８′は液
系配管、２０′はガス系配管であり、１３′は冷却
ユニツトとしての冷蔵庫である。この場合、個々
の冷蔵庫１３′は冷凍機を持たず、重力式ヒート
パイプによる冷媒の自然循環サイクルのみにより
冷却を行なうことも可能であり、また個々の冷蔵
庫に小さな補助冷凍機を備え、冷媒の自然循環サ
イクルによる冷却と、圧縮冷凍サイクルによる冷
却とを併用してもよい。この場合、負荷の非常に
小さい冷蔵庫が存在するとき、自然循環サイクル
のみ運転させ、補助冷凍機を停止させるように運
転制御が行なわれる。また、スーパーマーケツト
等の店舗における冷蔵シヨーケースや冷蔵庫ある
いは冷凍庫にも応用可能である。この場合には、
冷蔵庫内の被冷却物による負荷変動、季節による
冷蔵庫周辺の負荷変動等の月間、年間のデータを
取つておき、そのサイクルをマイクロコンピユー
タに予め記憶させておき、このマイクロコンピユ
ータにより冷熱源装置の運転を制御することも可
能である。また、冷熱源装置側に（氷）蓄熱槽を
設けた場合には、蓄熱運転を夜間の低料金電力を
利用することも可能である。また、特に停電時や
冷熱源装置の故障時においても蓄熱槽を利用して
応急処置的運転が行なえ、冷蔵システムの信頼性
が高められる。また、冷熱源装置側に熱回収手段
を設けることにより給湯設備や暖房設備も併用可
能である。 なお、上述のビル空調システムおよび冷蔵シス
テムの実施例では、建物内の各階に冷却ユニツト
としての空調ユニツトあるいは冷蔵庫が設置され
ているが、例えば各階毎により細やかな制御が行
えるようにどの階の冷却ユニツトにも等しい圧力
で冷媒液を供給する場合や、また、例えば建物が
高層建築であつて高層階と低層階とで冷媒液供給
圧に大きな差が出てそのことが問題となる場合に
は、縦冷媒液管から分岐された横冷媒液管に各階
毎あるいは数階置き毎に減圧弁を介設することに
より、これら各横冷媒液管から各冷却ユニツトへ
の分岐管に設けられた流量調整弁に加わる圧力を
均等に、あるいは許容適正範囲にすることができ
るのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷却システムの一実施例
としてビル空調システムを模式的に示す概略構成
図、第２図は第１図における空調ユニツトとその
周辺の重力式ヒートパイプおよび冷媒の液面制御
機構の一実施例を示す概略構成図、第３図は第２
図における冷媒の液面制御機構の変形例を示す概
略構成図、第４図は本発明に係る冷却システムと
してのビル空調システムの他の実施例を模式的に
示す概略構成図、第５図は本発明に係る冷却シス
テムの他の実施例としてマンシヨン等の集合住宅
における冷蔵庫システムを模式的に示す概略構成
図である。 １，１′……冷熱源装置、２，２′…コンデンシ
ングユニツト、３……第１蒸発器、３′……蒸発
器、４……第２蒸発器、５……氷蓄熱槽、６，７
…電磁切り替え弁、８……冷却器、９……冷水管
系、１０……ポンプ、１１……コンプレツサ、１
２，１２′……重力式ヒートパイプ、１３，１３
ａ，１３ｂ……冷却ユニツトとしての空調ユニツ
ト、１３′……冷却ユニツトとしての冷蔵庫、１
５……熱交換器、１６……フアン、１７……受液
器、１８……液系配管、１９……その分岐管、２
０……ガス系配管、２１……その分岐管、２２…
…流量調整弁、２３……下部ヘツダ、２４……上
部ヘツダ、２５……コイル部、２６……連通管、
２７……液面制御スイツチ、２８……温度セン
サ、２９……ブロツク単位の流量調整弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高所に設置された冷熱源装置１，１′と、該
   冷熱源装置１，１′よりも低所に設置され、１基
   の該冷熱源装置１，１′に対して複数台に対応し
   て重力式ヒートパイプ１２，１２′で接続される
   各冷却ユニツト１３，１３ａ，１３ｂ，…，１
   ３′と、 該冷却ユニツト１３，１３ａ，１３ｂ，…，１
   ３′の熱交換器１５に設けられ、該熱交換器１５
   内の冷媒液位を所定の高さ位置で検知するととも
   にその検知信号を出力する液位検知手段２６，２
   ７と、 前記重力式ヒートパイプ１２，１２′の前記各
   冷却ユニツト１３，１３ａ，１３ｂ，…，１３′
   への分岐管１９に設けられ、前記液位検知手段２
   ６，２７からの出力信号により該分岐管１９の管
   路を開閉する流量調整弁２２とを備えたことを特
   徴とする冷却システム。 ２ 前記各冷却ユニツト１３，１３ａ，１３ｂ，
   …，１３′はそれぞれの設置高さ位置が異なる特
   許請求の範囲第１項記載の冷却システム。 ３ 前記熱交換器１５は、下部ヘツダ２３、コイ
   ル部２５および上部ヘツダ２４とからなり、 前記液位検知手段２６，２７は、前記液相冷媒
   の液位が前記上部ヘツダ２４内の高さ位置である
   ことを検知し、前記流量調整弁２２を閉じさせる
   べく検知信号を出力する特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の冷却システム。