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空冷式冷房装置の排熱抑制装置とそれを用いた空冷式冷房システム コモンズ

国内特許コード P06P004073
整理番号 IP65
掲載日 2006年6月23日
出願番号 特願2004-353098
公開番号 特開2006-138615
登録番号 特許第4899036号
出願日 平成16年12月6日(2004.12.6)
公開日 平成18年6月1日(2006.6.1)
登録日 平成24年1月13日(2012.1.13)
優先権データ
  • 特願2004-300982 (2004.10.15) JP
発明者
  • 羽田野 袈裟義
出願人
  • 国立大学法人山口大学
発明の名称 空冷式冷房装置の排熱抑制装置とそれを用いた空冷式冷房システム コモンズ
発明の概要

【課題】 安価に且つ容易に実用し得る、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を効果的に軽減できる、空冷式冷房装置の排熱抑制装置とそれを用いた空冷式冷房システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 室内の空気を冷却する室内機と、熱風を排出する室外機と、室内機と室外機の間に冷媒を循環する冷媒系統とを備えた空冷式冷房装置の排熱を抑制する装置であって、室外機から排出される熱風を受け表面から水を蒸発させる水蒸発部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを有し、水蒸発部は、水の通路部とその周囲を被覆する多孔質の保水部とからなる概ね管状の蒸発体を主要部材として構成され、水供給部は通路部に流通可能に接続され、通路部から保水部に水が供給されその保水部の表面で水の蒸発が生じるように構成されている。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


現代の都市域は、表面がコンクリートやアスファルトなどで覆われている等のため、夏季には厳しい熱環境にさらされ、快適さを確保する目的で冷房装置が使用されるが、その排熱などにより所謂ヒートアイランド問題が生じている。



即ち、一般家庭や事務所等に設置されるパッケージエアコン又はルームエアコンと呼ばれている空冷式冷房装置は、通常、室内に設置され、冷媒液を蒸発させその気化潜熱により周囲すなわち室内の空気を冷却する室内機と、室外に設置され、冷媒ガスを圧縮する圧縮機及び圧縮された冷媒ガスを外気で冷却して凝縮させる凝縮器を有する室外機を備え、その凝縮器を冷却した外気は、熱風として排出され、大気温度を上昇させる主要な要因の1つになっている。なお、冷媒ガスを冷却する外気は、通常、室外機に含まれる室外ファンによって凝縮器に向けて送風される。



かかる空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を軽減するためのアプローチは、一般的に、2つの方向から行うことができ、その1つは空冷式冷房装置の効率向上であり、他の1つは排出された熱風からの熱除去であって、本発明の意図するところの、水の気化潜熱を利用して大気への熱負荷を軽減する技術に係っても、その2つの方向からの技術開発がなされている。



即ち、先ず、水の気化潜熱を利用して行う空冷式冷房装置の効率向上策としては、凝縮器(通常、フィン付伝熱管を用い構成されている)の伝熱管表面に水を散布・噴霧してその表面で水を蒸発させ、凝縮器(文献によって「熱交換器」などと表記)での冷却能力を改善し空冷式冷房装置の効率向上を図り、結果として、その運転に伴う大気への熱負荷を軽減する技術が、例えば、特許文献1(空冷式冷房機等の冷却機能向上装置)、特許文献2(空気熱源式冷房装置およびこれを用いた冷房方法)、特許文献3(省エネドレン散布機)、特許文献4(空冷式冷房装置)などに開示されている。



なお、特許文献1、特許文献3、特許文献4には、伝熱管表面に散布・噴霧する水として、室内機から排出される排水(文献によって「ドレン水」、「除湿水」)を用いる技術が開示されている。又、特許文献2には、伝熱管表面に水を噴霧する手段(ホロコーンタイプの噴霧ノズルなど水噴霧器)と、外気温度及び外気湿度の実測値と予め入力された各温度、湿度における水噴霧量の最適値のデータに基づいて、或いは、伝熱管下部に設置した水滴センサの水が垂れているかどうかの検知データに基づいて、水の蒸発量を推定する手段と、給水バルブの開度調整などにより噴霧水量を制御する手段(制御器)と、を設け、その推定した蒸発量に合わせ噴霧水量を制御する技術が開示されている。



特許文献3には、室外機の流入風で風車のように回るファンにドレン水を滴下し、細かい水滴にして拡散・散布する技術が開示されている。又、特許文献4には、室内機からの排水を散布に利用するに際し、貯水槽(文献中、「貯留槽」)を設けることにより、これをバッファーとして、日中の一番気温が高く冷房負荷が最も大きくなる時間帯に集中的に散布し、それ以外の時間帯には貯水槽の貯水量を増やすような稼動形態を採用することができ、これにより、室内機からの排水を常時散布する場合と比較し、省エネルギー効果を向上できることが示されている。



これら、凝縮器の伝熱管表面に水を散布・噴霧してその表面で水を蒸発させることにより、凝縮器の冷却能力を改善し、空冷式冷房装置の運転に伴う熱負荷を軽減しようとする技術は、一般的に、伝熱管表面にスケールが析出し熱交換能力が低下する可能性があり、それを防止するためには散布水中の不純物を取り除く不純物除去器を必要とするという問題がある。又、通常、フィンを有する伝熱管表面に概ね均等に水を散布するのは難しく、期待した冷却能力の改善効果が得られ難いという問題がある。



更に又、多くの場合、室外機を設置する場所の下部は水に対する対策がなされておらず、水を垂れ流すことができない状況にあるが、水が垂れ落ちないように散布水量を制御することは極めて困難であるという問題がある。特許文献2には、上述の如く、蒸発量を推定しそれに合わせ噴霧水量を制御する技術が開示されているが、通常、伝熱管は金属製であり、フィンを有するその伝熱管表面での水の挙動は極めて複雑であって、蒸発量を推定するのは難しく、散布水量を制御するのは困難である。



更に又、散水パイプや貯水槽、不純物除去器などを既設の室外機にオプションとして付設するためには、大幅な改良が必要となり、コスト面からみても、実用性に乏しいと言わざるを得ない。即ち、かかる従来技術は、上述の如く種々の問題を有し、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を効果的に軽減できる技術とは言い難い。



次に、水の気化潜熱を利用して空冷式冷房装置の効率向上を図ろうとするもう1つの技術として、特許文献5(クーラー室外機冷却装置)には、室内機からの排水を利用して室外機の放熱効果を上げ冷房効果を助ける装置の提供を目的として、枠と枠で布を挟み固定し、枠と枠の上部にひっかける形の取り付け部を設けた室外機冷却装置が開示されている。具体的には、室内機からの排水ホースをその取り付け部に差し込み、それを室外機の背部に設置して構成し、排水が布に伝わり、室外機の吸風がその濡れた布を通る際に気化潜熱により冷却され、その冷却された外気で凝縮器が冷却されるように構成することにより、室外機の放熱効果を上げようとする技術が開示されている。



この従来技術は、濡れた布と外気を接触させて、その布の表面で水の蒸発が生じるように構成し、その気化潜熱によって外気を冷却するところに大きな特徴がある。即ち、この従来技術は、凝縮器に水を直接的に散布・噴霧するのではなく、吸水性・保水性を有し均一な濡れ面を作り易い布と外気を接触させて、その布の表面で生じた水の蒸発による気化潜熱によって外気を冷却し、その冷却された外気を用いることによって、室外機の放熱効果を上げようとするところに大きな特徴がある。



かかる構成により、上述した如く、伝熱管表面へのスケール析出の問題や、伝熱管表面への散布不均一性に基づく効率向上の阻害の問題、水の垂れ落ち防止対策の問題、更には、既設の室外機にオプションとして付設する際のコスト面の問題などを、回避、若しくは軽減することができる。



然しながら、この従来技術は、その布を吸風側に設置しておりこの場合、その布は吸風の流動抵抗となり、既設の室外ファンでは所定の外気量を凝縮器に送風できなくなるという問題がある。周知の如く、かかる凝縮器の冷却においては、外気温度と共に流量が重要であって、外気の温度を下げても、その結果、取り込まれる外気の流量が減少したのでは、目的とする放熱効果の向上が得られず、場合によれば、逆に効率が低下することもある。更に、吸風の気流は乱れが弱いため水分蒸発量が大きくならず、このことも効率を上げることができないことの重要な要因となる。



もとより、室外ファン等を大型化すれば、所定の外気量の確保は可能ではあるが、その改造には多大なコストを要し、又、室外ファンの消費動力が増大し、実用性に乏しいと言わざるを得ない。即ち、この従来技術は、安価に且つ容易に実用し得る、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を効果的に軽減できる技術とは言い難い。



次に、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を軽減するためのもう一方のアプローチ、即ち、水の気化潜熱を利用して、排出された熱風から熱を直接的に除去する技術に関しては、これは古来行われてきた打ち水や植物の蒸散作用による冷却を利用する方法と原理的には同じ技術であるが、直接的に空冷式冷房装置の効率向上を図るものではなく、個々には電気代の低減などとして実感し難いためか、その開示技術は極めて少なく、例えば、特許文献6(排出風の処理装置)などに開示されているのみである。



特許文献6は、室外機の温度を上昇させることなく、排出される熱風を水の気化潜熱で冷却する装置の提供を目的とし、略円盤形の通風抵抗のない繊維体と、その繊維体を濡らすための水供給部を有する排出風の処理装置を開示している。又、その背面に更に繊維体を有する処理装置を開示し、通風抵抗のない繊維体として、中央部に通風孔を設けた繊維体や、更に孔を多数有するなど加工した繊維体を用いる処理装置を開示している。なお、この装置は、その繊維体がエアコンの吹き出し口に対面するようにして設置され、エアコンから排出される熱風を受け、その繊維体の表面で生じる水の蒸発による気化潜熱により排出空気を冷却しようとするものである。



この従来技術は、特許文献5でいう「布」を、吸い込み側ではなく、吹き出し側に設置した技術であり、この場合、繊維体で生じる流動抵抗が凝縮器の放熱効果に及ぼす影響は大幅に低減される。即ち、吹き出し側に設置した場合には、吹き出し口と繊維体との間を密封しない限り、その間で外側への流路が開放されているため、繊維体で生じた流動抵抗が凝縮器にまで遡って影響することは殆どない。従って、この従来技術によれば、空冷式冷房装置の性能に実質上の影響を与えることなく、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を軽減することが容易になる。



又、この従来技術は、特許文献5と比較し、凝縮器を冷却した後のより高温の空気を水と接触させるため、より効果的に水を蒸発させることができる。更に又、この装置は、極めて簡単な構成を有し、その製作や設置、運転も比較的簡単であり、既設の空冷式冷房装置にこの排出風の処理装置を付設するに際しても既設の変更は殆ど必要なく、安価に且つ容易に実用し得るものである。



然しながら、この特許文献6で開示された従来技術は、水を保持しそれを蒸発させるための繊維体の構成において満足し得るものではなく、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を効果的に軽減できる技術として満足し得るものではない。即ち、この特許文献6では、繊維体の概形がパラボラアンテナ状の装置が図示され、問題を解決するための手段において、「濡れた繊維体は水の膜で抵抗が生じるので繊維体に適宜に孔を多数設け…排出風の熱風空気の一部は繊維体の孔を抜け背面に出…、残りの熱風は繊維体曲面に沿って中央の通風孔から抜ける」と説明しているが、かかる構成において、抵抗が生じないように孔のサイズや全面積を大きくした場合には、熱風が繊維体と有効に接触することなく通過して水の蒸発が生じ難くなり、一方、孔のサイズや全面積を小さくした場合には、吹き出し口と繊維体との間で外側に流出する熱風、即ち繊維体を迂回する熱風が増大し、この場合も又、繊維体と接触する熱風が減少し水の蒸発が生じ難くなる。



上記、孔のサイズの影響について言及したが、その効果を少し説明する。一般に、かかる繊維体に開口部を設けるに際し、大きな孔を少数設けるケースと小さな孔を多数設けるケースを比較した場合、開口部の全面積が同一であっても、大きな孔を少数設けるケースの方が、空気などの流体を通し易いが、気体と繊維体との接触は少なくなるという事情がある。



なお、吹き出し口と繊維体との間を、熱風が外側に流出しないように密封し、殆どの熱風が繊維体曲面に沿って流れ、その中央の通風孔から抜けるように構成することもできるが、この場合、繊維体で生じる流動抵抗が著しく大きくなり、凝縮器の放熱効果に大きな影響を及ぼすことになる。又、流路の密閉には既設の改造を含め多大なコストを要することもあり、実用性に乏しいと言わざるを得ない。



この従来技術は又、水供給部について具体的な説明をしていないが、例示された図によれば、水道管からの接合部とそれに接続された散水パイプとからなり、そのパイプは、概形パラボラアンテナ状の繊維体の外縁に取り付けられているのみである。かかる構成では、吸水性・保水性の繊維体を用いるとしても、繊維体内の水の移動は毛管現象によるため、その水分移動の能力あるいは量は繊維体内の水の移動距離が長くなると低下し、特に大型の冷房システムを対象とした場合には、繊維体全面にわたり適度な湿り気を維持するように水を供給するのは困難であり、結果、繊維体の全面を効果的に利用することができず、空冷式冷房装置の運転に基づく大気への熱負荷を効果的に軽減できる技術として満足し得るものではない。



なお、空冷式冷房装置の排熱を抑制しようとするものではないが、多孔性物質を利用して蒸発面積を増大させ、冷熱を効率よく発生させようとする技術が特許文献7(吸着式冷蔵庫及び吸着式冷凍装置と、その霜取方法)に開示されている。即ち、この文献には、蒸発器の内周面に多孔性物質(フェルト、金網、焼結金属など)を材料とするウィックを設けることにより、冷媒液をウィックの毛管現象によって蒸発器上部に上昇させ、蒸発面積を増加させると共に冷蔵室上部においても冷熱を発生させることができることが示されている。この従来技術は、一般的に、蒸発面を構成するに毛細管的特性を有する多孔性物質が好適であることを示す実例である。



又、本発明者らは、直接的に空冷式冷房装置の排熱を抑制しようとするものではないが、所謂ヒートアイランド問題への対策に係り、多孔質の保水性建材の気化冷却を利用する技術を永らく研究してきた(例えば、非特許文献1)。この多孔質の保水性建材は、本発明の空冷式冷房装置の排熱抑制装置においても、利用し得るものである。



本発明者らが研究に用いた保水性建材は、具体的には、庭石に用いる大谷石の廃材を主原料とするセラミックタイルであり、その内部に10ミクロン程度の空隙を多数有し、透水性と毛細管的特性を兼備している。このため、一旦水を含むと長時間にわたって保水し続け、保水状態で加熱されると水分を蒸発し、気化潜熱により建材の温度上昇を抑えると共に、周囲の空気から熱を奪い冷気を発生させる。水分蒸発によって水分が抜けた表面近くの部分には、毛管現象により建材内部の水が再配分される。




【特許文献1】実開平06-002013号公報

【特許文献2】特開2001-317821号公報

【特許文献3】特開2003-042476号公報

【特許文献4】特開2004-190877号公報

【特許文献5】実開平05-054926号公報

【特許文献6】特開2004-150782号公報

【特許文献7】特開平07-004776号公報

【非特許文献1】羽田野、他3名(尾崎、鈴木、吉越):水分蒸発を利用した夏季の熱環境改善と電力節減に関する研究、土木学会論文集、No.692/7-21,pp.13-20,2001.11

産業上の利用分野


本発明は、室内の空気を冷却する室内機と熱風を排出する室外機とを備えた空冷式冷房装置の排熱を、水の気化潜熱を利用して抑制する技術に係り、空冷式冷房装置の排熱抑制装置とそれを用いた空冷式冷房システムに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 [手続補正20110531]  室内の空気を冷却する室内機と、熱風を排出する室外機と、該室内機と室外機の間に冷媒を循環する冷媒系統とを備えた空冷式冷房装置の排熱を抑制する装置であって、該室外機から排出される熱風を受け表面から水を蒸発させる水蒸発部と、該水蒸発部に水を供給する水供給部とを有し、該水蒸発部は、水の通路部とその周囲を水蒸発部の蒸発面の全面を利用するように全面にわたり被覆する多孔質の保水部とからなる概ね管状の蒸発体(以下、この「管状の蒸発体」を「蒸発管」と称する)を主要部材として構成され、該水供給部は該通路部に流通可能に接続され、該通路部から該保水部に水が供給されその保水部の表面で水の蒸発が生じるように構成されるとともに、前記保水部は、水の蒸発面を増大させるため、前記蒸発管の長手方向に対して垂直方向となるような平板状のフィン状の突起面を有することを特徴とする空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項2】 [手続補正20110531]  前記蒸発管の水の通路部は、導管で構成され、該導管は、その周囲を被覆する前記保水部に水を供給するための供給穴を管壁に複数有することを特徴とする請求項1記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項3】 [手続補正20110531]  前記蒸発管は、概ね中心部を空洞として水の通路部を形成した多孔質の保水部からなる概ね管状の蒸発体であることを特徴とする請求項1記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項4】 [手続補正20110531]  前記保水部は、フェルト、金網、焼結金属、セラミックスの少なくともいずれかを材料として形成されていることを特徴とする請求項1記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項5】 [手続補正20110531]  前記水蒸発部は、前記室外機の熱風を排出する排気面と概ね平行に、前記蒸発管を所定の間隔で複数本配置して構成していることを特徴とする請求項1乃至請求項記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項6】 [手続補正20110531]  前記水蒸発部は、前記室外機の熱風を排出する排気面と概ね対面して、前記蒸発管を螺旋状又は渦巻状に配置して構成していることを特徴とする請求項1乃至請求項記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項7】 [手続補正20110531]  前記水蒸発部は、前記室外機の熱風を排出する排気面と概ね対面して配置され、該排気面側からみたその外形が、該排気面の外形に合わせ、概ね円形又は方形であることを特徴とする請求項1乃至請求項記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項8】 [手続補正20110531]  前記水供給部は貯水槽を有し、該貯水槽は、該貯水槽内の水が前記蒸発管の通路部に自然流下可能に、該通路部に接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置。
【請求項9】 [手続補正20110531]  室内の空気を冷却する室内機と、熱風を排出する室外機と、該室内機と室外機の間に冷媒を循環する冷媒系統とを備えた空冷式冷房装置を含む空冷式冷房システムであって、水蒸発部と水供給部とを有する請求項1乃至請求項記載の空冷式冷房装置の排熱抑制装置を、該水蒸発部が該室外機の熱風を排出する排気面と概ね対面する如く配置して、該室外機から排出される熱風を受け該水蒸発部から水が蒸発するように構成し、該空冷式冷房装置の排熱を抑制したことを特徴とする空冷式冷房システム。 
産業区分
  • 加熱冷却
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2004353098thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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