JP2008170044A - 相変化冷媒循環ユニットおよび空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプのキャビテーションを防止し，冷房時と暖房時とのいずれでもスムーズで安定した冷媒の循環ができるとともに，暖房停止時や再開時においても安定した冷媒循環が可能な相変化冷媒循環ユニットおよび空調システムを提供すること。
【解決手段】本発明のポンプユニット１は，冷温水側熱交換器２と室内機３とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，受液器１２と，ポンプ１１と，受液器１２の入口に接続された流路１５，１６と，ポンプ１１の出口に接続された流路１７，１８とを有し，流路１５に開閉弁２１と逆止弁２２が配置され，流路１６に開閉弁２４と逆止弁２３が配置され，流路１７に開閉弁２６と逆止弁２５が配置され，流路１８に開閉弁２７が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は，建物内の冷暖房設備に使用される相変化冷媒循環ユニットおよびその相変化冷媒循環ユニットを利用した空調システムに関する。さらに詳細には，１次側に冷温水を，２次側に相変化冷媒を利用した冷暖房設備に用いられ，相変化冷媒を循環させるためのポンプを含む相変化冷媒循環ユニットおよび空調システムに関するものである。

従来より，建物内の冷暖房は，水や相変化冷媒等の熱交換媒体を循環させて，室内空気と熱交換させることにより行っている。ここで，多層階建築物用の冷暖房設備では，縦方向の循環に関して，重力の影響を大きく受ける。そこで本出願人は，縦方向には水を利用した水循環回路を用い，横方向には気液相変化冷媒を利用した冷媒循環回路を用いる冷暖房設備を提案した（特許文献１参照。）。このようにすれば，冷媒循環回路における重力の影響を回避できる。

このような冷暖房設備では，１次側熱搬送路である水循環回路に冷水または温水を循環させ，気液相変化冷媒との間で熱交換を行う。２次側熱搬送路では，その気液相変化冷媒を循環させて，室内機において室内空気と熱交換させて冷暖房を行う。２次側熱搬送路においてスムーズな冷媒循環を実現するためには，２次側搬送路中のポンプへ液相の冷媒を途切れることなく確実に供給することが重要である。そのため，凝縮器として作用する熱交換器の下流側の近くに配置することが好ましいと考えられる。

しかし，冷媒循環回路では，冷房時と暖房時とで冷媒の循環方向が逆向きであり，凝縮器として作用する熱交換器が異なる。すなわち，冷房時では冷温水側熱交換器が，暖房時では室内機が，それぞれ凝縮器として作用する。これらは一般にかなり離れた配置となるが，冷房用と暖房用とにそれぞれポンプを具備することは現実的でない。そのため，図８と図９に示すように，冷温水側熱交換器と室内機とのほぼ中間の位置にポンプを配置し，４個の開閉弁によって冷媒の循環方向を切り替えることが行われていた。

これらの図に示した従来の冷暖房設備では，冷温水側熱交換器１０１と室内機１０２とに，冷媒ガス管１０３および冷媒液管１０４，１０５が接続されている。冷媒液管１０４，１０５の間には，ポンプ１０６が備えられている。ポンプ１０６の上流には受液器１０７が設けられ，これらと冷媒液管１０４，１０５とを接続する４個の開閉弁１０８，１０９，１１０，１１１が設けられている。冷温水側熱交換器１０１には，冷温水配管が接続され，冷水または温水が供給される。

ここで，図８は暖房運転時の状態を，図９は冷房運転時の状態をそれぞれ示している。これらの図では，各開閉弁１０８〜１１１の内，開放状態にあるものを白抜きで，閉止状態にあるものを黒塗りで示すとともに，閉止されている流路は破線で示している。また，図中の白抜き矢印は冷媒の循環方向を示している。

また，このような冷媒循環回路に用いられる開閉弁は，冷媒流量を確保できるサイズであることが必要である。そのため，開閉に必要なエネルギーや耐圧等の理由により，パイロット弁が用いられることが一般的である。パイロット弁方式のノーマルクローズの電磁弁では，入力側の圧力が出力側に比較して大きい場合には確実に閉止できるが，圧力の関係が逆であるとリークを完全には防止できない。そのため，各開閉弁は，その場所での冷媒の本来の流れ方向を確実に開閉できる向きに配置されている。すなわち，閉止されている開閉弁のリーク方向は，その場所での冷媒の本来の流れ方向とは逆になる。各図中では，閉止状態の開閉弁の下部に破線の矢印でリーク方向を示した。
特許第３６８００４３号公報

しかしながら，前記した従来の設備では，冷房時に冷温水側熱交換器１０１からポンプ１０６までの間に，冷媒液管１０４中で冷媒が周囲の空気によって暖まって気化してしまうおそれがあった。その場合には，ポンプ１０６の吸い込み側にガスが混入してキャビテーションが生じるため，ポンプ１０６の循環性能が低下するという問題点があった。また，暖房時には，ポンプ１０６から冷温水側熱交換器１０１までの冷媒液管１０４を満たす量の液相の冷媒を用意する必要がある。そのため，大容量の受液器１０７が必要となるという問題点があった。

さらには，冬場の終業後等の暖房停止後では，室内機１０２周辺の温度が下がり，受液器１０７より低温となる場合がある。このようになると，受液器１０７側の冷媒圧力が室内機１０２側より高くなり，受液器１０７中の液相の冷媒が，閉止されている電磁弁１０９をリークして室内機１０２側に流出するおそれがある。さらに，冷温水側熱交換器１０１への温水供給が停止されていれば，液相の冷媒が，閉止されている電磁弁１０８をリークし，冷温水側熱交換器１０１を経由して室内機１０２側に流出するおそれがある。これらのリークにより受液器１０７中の液相の冷媒の量が低下すると，次回の暖房開始時にポンプ１０６を正常に作動させることができないという問題点があった。

また，冬場の暖房停止後に，室内機１０２や冷媒ガス管１０３等の温度が下がり，その内部で冷媒が液化してしまう場合がある。そのため，冬場の朝等の暖房運転開始時には，一旦開閉弁１１０を開け，ポンプ１０６で液冷媒を冷温水側熱交換器１０１に送る。その後，開閉弁１１０を閉じ，開閉弁１０９のみを開放する。そして，ポンプ１０６は停止した状態で冷温水側熱交換器１０１に温水を供給する。これによって，冷温水側熱交換器１０１を最高圧力とし，冷媒ガス管１０３，室内機１０２，冷媒液管１０５，受液器１０７の順に圧力差をつけて，途中の冷媒を受液器１０７に回収するという処理を行う。このとき，閉止されている開閉弁１１０のリーク方向が図８中右向きであるため，冷媒が冷温水側熱交換器１０１から開閉弁１１０をリークしてポンプ１０６の出口側へと流れ込むおそれがあった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，ポンプの吸い込み側でキャビテーションが起きた時でも，冷房時と暖房時とのいずれでもスムーズで安定した冷媒の循環ができるとともに，暖房停止時や再開時においても安定した冷媒循環が可能な相変化冷媒循環ユニットおよび空調システムを提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の相変化冷媒循環ユニットは，１次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットであって，第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，第１流入流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，１次熱交換器から受液器へのリークを許容せず，受液器から１次熱交換器へのリークを許容する第１流入開閉弁と，第１流入流路に配置されるとともに，１次熱交換器から受液器への流れを許容し，受液器から１次熱交換器への流れを阻止する第１逆止弁と，第２流入流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，２次熱交換器から受液器へのリークを許容せず，受液器から２次熱交換器へのリークを許容する第２流入開閉弁と，第２流入流路に配置されるとともに，２次熱交換器から受液器への流れを許容し，受液器から２次熱交換器への流れを阻止する第２逆止弁とを有するものである。

本発明の相変化冷媒循環ユニットによれば，第１および第２流入流路から受液器の入口に流入された液相の相変化冷媒が，ポンプによって第１および第２流出流路に送出される。そして，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続されているので，これらの熱交換器によって相変化冷媒の相変化が行われ，冷暖房が行われる。ここで，第１流出流路は第１流出開閉弁によって，第２流出流路は第２流出開閉弁によって，それぞれ開閉される。また，第１流入流路は第１流入開閉弁によって，第２流入流路は第２流入開閉弁によって，それぞれ開閉される。これらの第１流入開閉弁および第２流入開閉弁は，閉状態において受液器から１次熱交換器または２次熱交換器へのリークを許容するものである。しかし本発明では，これらのリーク方向の流れは，第１逆止弁および第２逆止弁によって阻止されている。従って，相変化冷媒が受液器から流出することが防止されている。

さらに本発明では，第１逆止弁は，第１流入開閉弁と受液器との間に配置されていることが望ましく，第２逆止弁は，第２流入開閉弁と受液器との間に配置されていることが望ましい。このようになっていれば，受液器からの流出圧はそれぞれの逆止弁によって阻止され，各流入開閉弁に加えられることはない。

また本発明の相変化冷媒循環ユニットは，１次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットであって，第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，第１流出流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，ポンプから１次熱交換器へのリークを許容せず，１次熱交換器からポンプへのリークを許容する第１流出開閉弁と，第１流出流路に配置されるとともに，ポンプから１次熱交換器への流れを許容し，１次熱交換器からポンプへの流れを阻止する第３逆止弁とを有するものである。

本発明の相変化冷媒循環ユニットによれば，第１流出流路には，第１流出開閉弁と第３逆止弁とが設けられているので，ポンプが停止されている場合においても，１次熱交換器からポンプへの流れは阻止されている。従って，システムの停止中であっても冷媒が１次熱交換器からポンプへ流れ込むおそれはない。

さらに本発明では，第３逆止弁は，第１流出開閉弁と１次熱交換器との間に配置されていることが望ましい。このようになっていれば，１次熱交換器からの流れは第３逆止弁によって阻止され，第１流出開閉弁に加えられることはない。

また本発明の相変化冷媒循環ユニットは，１次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットであって，第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，受液器の入口とポンプの出口とを接続する循環路と，循環路に配置された循環路開閉弁と，循環路に設けられ，相変化冷媒と暖房されていない空気との間で熱交換を行う空気熱交換器とを有するものである。

本発明の相変化冷媒循環ユニットによれば，１次熱交換器と２次熱交換器とを介した相変化冷媒の循環以外に，空気熱交換器と循環路とを介して循環させることができる。これにより，受液器の状態を一時的に変化させることができる。

さらに本発明では，空気熱交換器は，暖房されていない空間に設置されることが望ましい。また，受液器に液面センサを設置することが望ましい。さらに，通常時は循環路開閉弁を閉じるとともに，暖房運転中に液面センサにより受液器内の液面低下が検出されたときに循環路開閉弁を開く循環路制御部とを有することとが望ましい。このようになっていれば，受液器の液面低下が検出されたら，循環路を介した冷媒の循環が行われる。従って，受液器の状態を一時的に変化させて，受液器の液面を復活させることができる。

また本発明は，１次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続された空調システムであって，第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，第１流入流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，１次熱交換器から受液器へのリークを許容せず，受液器から１次熱交換器へのリークを許容する第１流入開閉弁と，第１流入流路に配置されるとともに，１次熱交換器から受液器への流れを許容し，受液器から１次熱交換器への流れを阻止する第１逆止弁と，第２流入流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，２次熱交換器から受液器へのリークを許容せず，受液器から２次熱交換器へのリークを許容する第２流入開閉弁と，第２流入流路に配置されるとともに，２次熱交換器から受液器への流れを許容し，受液器から２次熱交換器への流れを阻止する第２逆止弁とを有する空調システムにも及ぶ。

また本発明は，１次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続された空調システムであって，第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，第１流出流路に配置されるとともに，開状態では双方向ともに流れを許容し，閉状態では，ポンプから１次熱交換器へのリークを許容せず，１次熱交換器からポンプへのリークを許容する第１流出開閉弁と，第１流出流路に配置されるとともに，ポンプから１次熱交換器への流れを許容し，１次熱交換器からポンプへの流れを阻止する第３逆止弁とを有する空調システムにも及ぶ。

また本発明は，１次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される空調システムであって，第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，受液器の入口とポンプの出口とを接続する循環路と，循環路に配置された循環路開閉弁と，循環路に設けられ，相変化冷媒と暖房されていない空気との間で熱交換を行う空気熱交換器とを有する空調システムにも及ぶ。

また本発明の空調システムは，１次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される空調システムであって，第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，第２流出流路に配置された第２流出開閉弁とを有し，２次熱交換器における相変化冷媒を通す部分の容積より，ポンプの出口から１次熱交換器の入口に至るまでの配管の容積が小さいものである。

本発明の空調システムによれば，ポンプの出口から１次熱交換器の入口に至るまでの配管の容積が，２次熱交換器の内部に溜まることのできる相変化冷媒の容量より小さくされている。さらには，２次熱交換器の内部に溜まる液相の相変化冷媒の容量より小さくすることが望ましい。２次熱交換器の内部には普通，液相の相変化冷媒のみでなく気相の相変化冷媒も存在する。例えば，相変化冷媒を通す部分の容積のうち，液相の相変化冷媒は５０％程度を占めていることが多い。その場合には，２次熱交換器における相変化冷媒を通す部分の容積の５０％より，ポンプの出口から１次熱交換器の入口に至るまでの配管の容積が小さいものとすればよい。このようにすれば，ポンプの入口側に気相の相変化冷媒が混入するおそれはない。なお，２次熱交換器が複数ある場合には，その内の最小のものの容積より小さくなるようにすればよい。

本発明の相変化冷媒循環ユニットおよび空調システムによれば，ポンプの吸い込み側でキャビテーションが起きた時でも，冷房時と暖房時とのいずれでもスムーズで安定した冷媒の循環ができるとともに，暖房停止時や再開時においても安定した冷媒循環が可能となっている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，１次側に冷温水を，２次側に相変化冷媒（以下，単に冷媒という）を利用した冷暖房設備に用いられるポンプユニットに本発明を適用したものである。なお，本形態では，ポンプユニットが相変化冷媒循環ユニットに相当し，これに１次側の熱交換器（ここでは冷温水側熱交換器）と２次側の熱交換器（ここでは室内機）とを加えたものが空調システムに相当する。

１次側に冷温水を，２次側に冷媒を利用した冷暖房設備では，図１に示すように，冷温水側熱交換器２と室内機３との２種類の熱交換器が用いられる。冷温水側熱交換器２には冷温水配管４および冷媒配管５が通され，これらを流れる冷温水と冷媒との間で熱交換が行われる。そして，冷房時には冷温水配管４に冷水が流れ，冷温水側熱交換器２において，冷媒は気相から液相へと相変化する。また，暖房時には冷温水配管４に温水が流され，冷温水側熱交換器２において，冷媒は液相から気相へと相変化する。この冷温水側熱交換器２が１次熱交換器に，室内機３が２次熱交換器にそれぞれ相当する。

また，室内機３には，気相状態の冷媒が流される冷媒ガス管６と液相状態の冷媒が流される冷媒液管７とが接続されている。冷房時には，冷媒液管７から流れ込む液相の冷媒が，室内機３において，室内の空気から熱を奪って気相へ相変化し，冷媒ガス管６へと流出する。暖房時には，冷媒ガス管６から流れ込む気相の冷媒が，室内機３において，室内の空気に熱を奪われて液相へ相変化し，冷媒液管７へと流出する。

本形態のポンプユニット１は，ポンプ１１とその上流の受液器１２とを有し，複数の弁や流路が組み込まれてユニット化されているものである。これは，図１に示すように，接続口１３，１４を介して冷媒液管７と接続され，そこから液相の冷媒が入出力される。接続口１３は冷温水側熱交換器２側に，接続口１４は室内機３側に設けられている。そして，ポンプユニット１内には，ポンプ１１と受液器１２とを中心として，流路１５，１６，１７，１８，および循環路１９が設けられている。

流路１５は，接続口１３と受液器１２の入口とを接続するものであり，その流路１５中には接続口１３側から順に開閉弁２１，逆止弁２２が配置されている。流路１６は，受液器１２の入口と接続口１４とを接続するものであり，その流路１６中には受液器１２側から順に逆止弁２３，開閉弁２４が配置されている。流路１７は，接続口１３とポンプ１１の出口とを接続するものであり，その流路１７中には接続口１３側から順に逆止弁２５，開閉弁２６が配置されている。流路１８は，ポンプ１１の出口と接続口１４とを接続するものであり，その流路１８中には開閉弁２７が配置されている。なお，各開閉弁や逆止弁の向きについては後述する。

すなわち，流路１５が第１流入流路，流路１６が第２流入流路に相当し，開閉弁２１が第１流入開閉弁に，逆止弁２２が第１逆止弁に相当する。また，開閉弁２４が第２流入開閉弁に，逆止弁２３が第２逆止弁に相当する。また，流路１７が第１流出流路，流路１８が第２流出流路に相当し，開閉弁２６が第１流出開閉弁に，逆止弁２５が第３逆止弁に相当する。また，開閉弁２７が第２流出開閉弁に相当する。

また，循環路１９は，受液器１２の入口とポンプ１１の出口とを繋いで循環する流路であり，受液器１２側に開閉弁２８が，ポンプ１１側にファン付きの空気熱交換器２９がそれぞれ配置されている。なお，各流路１５〜１８および循環路１９は，図１中に黒丸で示した箇所において合流されており，その他の交差箇所では合流されていない。また，ポンプ１１は図中に矢印で示したように，流路１７，１８，または循環路１９へと液相の冷媒を押し出すものである。

また，受液器１２中には，貯溜されている冷媒の液面を検出するための液面センサ３１が備えられている。さらに，ポンプユニット１は各部の制御を行う制御部３２を有している。すなわち，制御部３２は，各開閉弁２１，２４，２６，２７，２８の開閉，ポンプ１１の駆動・停止，空気熱交換器２９の駆動・停止の各制御を行うとともに，液面センサ３１の結果が入力される。

ここで，開閉弁２１，２４，２６，２７，２８は，いずれも従来のものと同様のパイロット弁方式のノーマルクローズ電磁開閉弁であり，一般に入力口と出力口の向きが決められている。入力口側の流体圧が出力口側の外部圧より大きい場合には，入力口から出力口への流体の流通を適切に開閉できる。すなわち，この場合には弁閉状態においてその弁のリークはない。しかし，逆向きの圧力がかかった場合には，閉止は確実にはできない。出力口側の外部圧の方が高い流路中では，弁を閉状態としても，出力口側から入力口側へのリークを完全には防止できないのである。そのため，各開閉弁は通常の状況下で高圧となる側に入力口が向くように配置される。

本形態では，通常の冷暖房時には，液相の冷媒は，流路１５または流路１６を介して受液器１２に流入し，流路１７または流路１８を介してポンプ１１から流出する。また，循環路１９では，その使用時にはポンプ１１の出口から受液器１２の入口へと循環する。そのため，いずれの開閉弁も，この向きの流れに沿った向きに配置される。すなわち，開閉弁２１，２４，２８は，出力口を受液器１２側として配置される。よって，閉状態では受液器１２に流入する方向のリークを許容しない。また，開閉弁２６，２７は，入力口をポンプ１１側として配置される。よって，閉状態でポンプ１１から流出する方向のリークを許容しない。

そして，本形態では，各開閉弁の出力口側に逆止弁を配置することにより，逆向きの流れを阻止している。例えば，図１中，開閉弁２１の入力口は接続口１３側であり，接続口１３から受液器１２への流れは開閉弁２１により確実に開閉できる。一方，受液器１２側が高圧となった場合は，逆止弁２２が受液器１２から開閉弁２１へ向かう流れを阻止する。すなわち，逆止弁２２は，開閉弁２１から受液器１２の入口へ向かう向きの流れのみを許容する。なお，図１中で各逆止弁の下部に示した矢印は，その弁における流通が許容される方向を示している。また，各開閉弁の下部に，その弁のリーク方向を破線矢印で示している。

また，開閉弁２４の入力口は接続口１４側であり，開閉弁２４と受液器１２との間には逆止弁２３が配置されている。逆止弁２３は，受液器１２から開閉弁２４へ向かう流れを阻止する。さらに，開閉弁２６の入力口はポンプ１１側であり，開閉弁２６と接続口１３との間には逆止弁２５が備えられている。逆止弁２５は，接続口１３から開閉弁２６へ向かう流れを阻止する。

次に，このポンプユニット１を，図１に示すような冷暖房設備の中で使用する場合の，ポンプ１１と冷温水側熱交換器２との配置の関係について説明する。本形態のポンプユニット１は，従来のもののように冷温水側熱交換器２と室内機３との中間の位置に配置するのではなく，冷房時に凝縮器として機能する冷温水側熱交換器２の近傍に配置する。特に，ポンプ１１や受液器１２と冷温水側熱交換器２とができるだけ近くなるように配置する。

一方，暖房運転時には，室内機３が凝縮器として機能する。本形態では，室内機３とポンプ１１や受液器１２との距離が離れることとなるが，ポンプ１１の入口までの間に確実に液化させることができればよい。そのために，ポンプ１１の出口から冷温水側熱交換器２の入口までの間の配管の容積を小さくする。特に，室内機３のうち最も小さいものの容積より小さくするのである。さらに具体的には，室内機３に溜められる液相の冷媒量より小さくすることが好ましい。一般には，冷媒のうち，液相のものが占める割合は５０％程度であり，液相の冷媒量は総内容積の半分程度となる。

ここで図２に太線で示した範囲Ｐ１は，ポンプ１１の出口から冷温水側熱交換器２の入口までの間の配管であり，この内容積が容量Ｃ１となる。また，範囲Ｐ２は，室内機３中を通る配管を模式的に示したものであり，この内容積の約５０％が容量Ｃ２である。そしてこれらは，以下の関係を満たす。
容量Ｃ１ ＜ 容量Ｃ２

例えば，２８ｋＷビルトインダクト型Ｒ−４０７Ｃ用室内機の場合の冷媒量は以下のようにして算出される。室内機の冷媒を通す配管は，複数のフィンチューブからなっており，各フィンチューブは外径９．５ｍｍ，肉厚０．８ｍｍのものが使用されている。そのため，長さ１ｍあたりの内容積は約０．０４９Ｌ（リットル）である。この室内機では，長さ１．５５ｍのフィンチューブが５４本使用されているので，その合計内容積は，約４．１Ｌとなる。そのうち５０％が液相の冷媒で占められているとすると，容量Ｃ２は約０．２Ｌであることが分かる。

一方，ポンプ１１の出口から冷温水側熱交換器２の入口までの間の配管の容積は，その配管の内断面積に配管長さを掛けたものである。例えば，配管として，φ６／８Ｂを使用する場合は，外径１９．０５ｍｍ，肉厚１．００ｍｍであることから，長さ１ｍあたりの内容積は約０．２２８Ｌである。これに配管の長さを掛けると容量Ｃ１が得られる。そこで，配管の容量Ｃ１を上記の容量Ｃ２より小さくするためには，配管の長さを約０．９ｍ以内とすればよい。

このようにすれば，ポンプ１１の出口から冷温水側熱交換器２の入口までの間に溜まる液相の冷媒の量は，各室内機３の１台分よりも少ない。従って，ポンプ１１の吸い込み側での液切れが防止される。従って，ポンプ１１のキャビテーションが確実に防止されている。

次に，本形態のポンプユニット１を接続した冷暖房設備による冷暖房時の動作について説明する。まず，暖房運転時について図３を参照して説明する。この場合には，開閉弁２１，２７，２８を閉止し，開閉弁２４と開閉弁２６を開放する。従って，流路１６，１７が開放され，流路１５，１８，循環路１９が閉止される。以下の各図中では，開放状態の開閉弁を白抜きの記号で，閉止状態の開閉弁を黒塗りの記号で示している。また，連通状態の流路を実線で，閉止状態の流路を破線で示している。なお，暖房時には冷温水配管４には外部より温水が供給される。

暖房運転が開始されると，ポンプ１１が駆動され，ポンプ１１によって押し出された液相の冷媒は，流路１７，開閉弁２６を介して冷温水側熱交換器２に入力される。さらに，冷温水側熱交換器２において，温水から熱を受けて気化される。そして，気相となった気相の冷媒は冷媒ガス管６を介して室内機３に入力される。室内機３において室内空気に熱を放出して，冷媒は液化される。さらに，液化された冷媒は，冷媒液管７を介して接続口１４からポンプユニット１に入力される。そして，流路１６，開閉弁２４を介して，受液器１２に戻され，再びポンプ１１に供給される。なお，閉状態の開閉弁２１，２７，２８は，いずれも入力口側が高圧になっているので，リークは問題とならない。

このように冷媒が循環すると，冷温水側熱交換器２において，温水の温度より２℃程度低い温度を飽和温度とする気相の冷媒が発生する。この気相の冷媒の状態を基準とすると，室内機３から受液器１２を経由してポンプ１１の入口までの冷媒液管７〜流路１６における冷媒には，相対的に過冷却がつく。そのため，室内機３から受液器１２までの間に，冷媒は確実に液化される。

従って，ポンプ１１の入口側には，キャビテーションのない液相の冷媒が安定して供給される。これにより，暖房時に凝縮器として機能する室内機３とポンプ１１との距離が離れていても，スムーズで安定した冷媒循環が可能である。なお，ポンプ１１のキャビテーション対策のみであれば，受液器１２を大きくすることによってもある程度対応は可能であるが，設備が大型化するため好ましくない。

暖房運転期間中において，朝の始業時等に暖房運転を開始する時には，まず起動処理を行う。暖房運転期間中は外気温が低く，特に夜間の冷気により設備が冷やされて室内機３や冷媒ガス管６等の温度が下がり，その内部で冷媒が液化してしまう場合がある。そこですべてが停止されている状態から，開閉弁２６を開け，液冷媒を冷温水側熱交換器２に送る。その後，図４に示すように，開閉弁２６を閉止して，開閉弁２４を開放する。そして，他の開閉弁２１，２７，２８を閉止したままで，冷温水側熱交換器２に温水を供給する。このとき，ポンプ１１も停止したままとする。

これにより，冷温水側熱交換器２中に残留していた冷媒が気化され，冷温水側熱交換器２内の圧力が上昇する。その結果，冷温水側熱交換器２を最高圧力として冷媒ガス管６，室内機３，冷媒液管７，受液器１２の順に圧力が下がった状態となる。この圧力差によって，途中の冷媒は上記の順に流れ，受液器１２に回収される。

このとき，冷温水側熱交換器２は流路１７より高圧であるので，冷温水側熱交換器２中の冷媒は，冷媒ガス管６だけでなく流路１７へ向かっても流れようとする。しかし，この形態では，流路１７中に逆止弁２５を配置したので，逆止弁２５によって，冷温水側熱交換器２からポンプ１１の出口へ向かう流れは阻止されている。図４中破線で示した流路には冷媒は流れない。これによって，液相の冷媒は，受液器１２に確実に回収される。

次に，暖房運転期間中において，終業後等に運転を停止したときの処理について説明する。本形態の冷暖房設備において運転を停止すると，ポンプ１１を停止するとともに，すべての開閉弁（開閉弁２１，２４，２６，２７，２８）を閉止し，冷媒の循環は停止される。ここで，暖房運転期間では外気温が低く，暖房運転を停止した後の室内機３の近傍の温度は低下する。一方，冷媒が貯溜されている受液器１２は，冷媒にある程度蓄熱された状態となっており，すぐに温度が下がるわけではない。このため，室内機３より受液器１２の方が高温となる場合がある。その場合には，受液器１２の周辺が室内機３の周辺より高圧となる。

開閉弁２１および開閉弁２４を閉止していても，受液器１２の入口からの冷媒のリークはそれだけでは防止できない。しかし，本形態のポンプユニット１では，図５に示すように，逆止弁２２，２３を有しているので，受液器１２の入口側からの冷媒の流出は逆止弁２２，２３によって阻止されている。従って，受液器１２が室内機３より高圧となった場合でも，流路１５，１６を介しての冷媒の漏れは防止されている。すなわち，図５中に実線で示した流路には冷媒が流れるものの，破線で示した流路には冷媒は流れない。これにより，受液器１２内の冷媒が，夜間に減少してしまうことはない。従って，翌日の運転開始時には，受液器１２内に十分な量の冷媒が保持されており，ポンプ１１に液相の冷媒を確実に供給することができる。

次に，極寒期の暖房運転の処理について説明する。極寒期等においては，暖房運転中にもかかわらず，冷媒ガス管６や室内機３周辺が非常に冷却されるような事態が発生しうる。すると，その部分で気相の冷媒が液化してしまうことがある。気相の冷媒が液化すると圧力が低下し，その部分にさらに冷媒が流れ込んで凝縮する。これを繰り返すと，その部分に液相の冷媒が溜まり，いわゆる「寝込んだ」状態となる。このまま，通常の運転を続けていても，この寝込んだ冷媒を受液器１２に戻すことはできない。

このようになると，受液器１２に貯留される冷媒量が減少するため液面が下がる。本形態では，受液器１２内に液面センサ３１を設けているので，液面が下がったら制御部３２において検知できる。所定量以上の冷媒が寝込んだ状態となって，液面が所定の位置まで下がっていることが検出されたら，図６に示すように，開閉弁２８を開放し，空気熱交換器２９のファンを作動させる。この空気熱交換器２９は，暖房運転期間中では他の流路に比較して確実に低温の状態となる位置に配置される。例えば，冷暖房設備の範囲外に配置されることが好ましい。なお，厳寒地域の場合では，ファン無しのものでもよい。

このようにすると，図６中に実線で示した流路に冷媒が流れる。破線で示した流路には冷媒は流れない。すなわち，循環路１９にも冷媒が流れる。そして，循環路１９に流された冷媒は，空気熱交換器２９によって冷却される。従って，循環路１９内の冷媒温度が下がり，循環路１９の圧力が下がる。またこれにより，受液器１２内の冷媒温度が下がり，受液器１２の圧力が下がる。そして，受液器１２が，冷媒液管７，室内機３，冷媒ガス管６に対して負圧となるので，寝込んだ冷媒が受液器１２に引き込まれる。従って，受液器１２に貯留される冷媒量が増える。液面センサ３１によって，所定の液面位置に到達したことが検知されたら，開閉弁２８を閉止して，空気熱交換器２９のファンを停止させる。そして，通常の暖房運転を継続すればよい。

次に，本形態のポンプユニット１を使用した冷暖房設備において，冷房運転時の処理について図７を参照して説明する。冷房時には，開閉弁２４，２６，２８を閉止し，開閉弁２１，２７を開放する。従って，流路１５，１８が開放され，流路１６，１７，循環路１９が閉止される。図３と同様に図７中でも，開放状態の開閉弁を白抜きの記号で，閉止状態の開閉弁を黒塗りの記号で示している。また，閉止状態の流路を破線で示している。なお，冷房時には冷温水配管４には外部より冷水が供給される。

冷房運転が開始されると，ポンプ１１から押し出された液相の冷媒は，流路１８，開閉弁２７から接続口１４を介して冷媒液管７へ送り出される。そして，室内機３において室内の空気から熱を奪い気化される。さらに，気相となった気相の冷媒は冷媒ガス管６を介して冷温水側熱交換器２に入力され，冷温水配管４中の冷水に熱を放出して凝縮される。液相状態となった冷媒は接続口１３からポンプユニット１に入力される。さらに，流路１５を介して受液器１２に戻される。

ここで，ポンプ１１や受液器１２と冷温水側熱交換器２とが近くに配置されているので，冷房時には，冷温水側熱交換器２で凝縮された液相の冷媒が受液器１２に到達する途中で圧力損失を受けることはほとんどない。従って，ポンプ１１から室内機３までの流路中でも液相状態が維持される。これにより，冷房運転時においても，スムーズで安定した冷媒循環が可能である。

以上詳細に説明したように，本形態のポンプユニット１によれば，流路中の開閉弁に逆流防止用の逆止弁を設けたので，パイロット弁方式の電磁開閉弁を利用しても逆流は防止されている。特に，設備を停止している期間中に圧力差から逆流することが防止されている。また，循環路１９と空気熱交換器２９を有しているので，流路中に寝込んだ冷媒を容易に回収できる。さらに，ポンプ１１が冷温水側熱交換器２の近傍に配置されるとともに，ポンプ１１の出口から冷温水側熱交換器２の入口までの間の配管の容積を，室内機３のうち最も小さいものの液相の冷媒量より小さくしている。従って，暖房時と冷房時とのいずれにおいてもキャビテーションが防止され，スムーズで安定した冷媒の循環ができる。従って，ポンプの吸い込み側でキャビテーションが起きた時でも，冷房時と暖房時とのいずれでもスムーズで安定した冷媒の循環ができるとともに，暖房停止時や再開時においても安定した冷媒循環が可能な冷暖房設備となっている。

また，逆止弁がいずれも，対応する開閉弁のリーク方向に対して上流側に設けられているので，リーク方向の流れは各開閉弁に到達しない。従って，開閉弁の出力口側に圧力が加えられることはない。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，１次側に冷温水配管４を設け，冷温水を熱媒体とするとしたが，純粋な水に限るものではない。顕熱を利用できる液体の熱媒体であればなんでもよい。また，各図では１台の室内機３のみを示しているが，複数台の室内機３が接続されている設備にも本発明は適用可能である。

本形態のポンプユニットの概略構成を示す構成図である。 ポンプユニットの室内機とポンプとの関係を示す説明図である。 暖房時の冷媒の循環を示す説明図である。 暖房起動時の冷媒の循環を示す説明図である。 暖房停止時の冷媒の循環を示す説明図である。 極寒期における暖房時の冷媒の循環を示す説明図である。 冷房時の冷媒の循環を示す説明図である。 従来の冷暖房設備による暖房運転時の冷媒の循環を示す説明図である。 従来の冷暖房設備による冷房運転時の冷媒の循環を示す説明図である。

符号の説明

１ ポンプユニット
２ 冷温水側熱交換器
３ 室内機
１１ ポンプ
１２ 受液器
１５，１６，１７，１８ 流路
１９ 循環路
２１，２４，２６，２７，２８ 開閉弁
２２，２３，２５ 逆止弁
２９ 空気熱交換器
３１ 液面センサ
３２ 制御部

Claims (10)

1. １次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記第１流入流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，１次熱交換器から前記受液器へのリークを許容せず，前記受液器から１次熱交換器へのリークを許容する第１流入開閉弁と，
   前記第１流入流路に配置されるとともに，
   １次熱交換器から前記受液器への流れを許容し，
   前記受液器から１次熱交換器への流れを阻止する第１逆止弁と，
   前記第２流入流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，２次熱交換器から前記受液器へのリークを許容せず，前記受液器から２次熱交換器へのリークを許容する第２流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置されるとともに，
   ２次熱交換器から前記受液器への流れを許容し，
   前記受液器から２次熱交換器への流れを阻止する第２逆止弁とを有することを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
2. 請求項１に記載の相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記第１逆止弁は，前記第１流入開閉弁と前記受液器との間に配置されており，
   前記第２逆止弁は，前記第２流入開閉弁と前記受液器との間に配置されていることを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
3. １次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，前記ポンプから１次熱交換器へのリークを許容せず，１次熱交換器から前記ポンプへのリークを許容する第１流出開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置されるとともに，
   前記ポンプから１次熱交換器への流れを許容し，
   １次熱交換器から前記ポンプへの流れを阻止する第３逆止弁とを有することを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
4. 請求項３に記載の相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記第３逆止弁は，前記第１流出開閉弁と１次熱交換器との間に配置されていることを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
5. １次熱交換器と２次熱交換器とを有する空調システムに相変化冷媒を循環させるものであり，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が２次熱交換器に接続される相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記受液器の入口と前記ポンプの出口とを接続する循環路と，
   前記循環路に配置された循環路開閉弁と，
   前記循環路に設けられ，相変化冷媒と暖房されていない空気との間で熱交換を行う空気熱交換器とを有することを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
6. 請求項５に記載の相変化冷媒循環ユニットにおいて，
   前記空気熱交換器は，暖房されていない空間に設置されるものであり，
   前記受液器に設けられた液面センサと，
   通常時は前記循環路開閉弁を閉じるとともに，暖房運転中に前記液面センサにより前記受液器内の液面低下が検出されたときに前記循環路開閉弁を開く循環路制御部とを有することを特徴とする相変化冷媒循環ユニット。
7. １次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が前記１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が前記２次熱交換器に接続された空調システムにおいて，
   前記第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記第１流入流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，前記１次熱交換器から前記受液器へのリークを許容せず，前記受液器から前記１次熱交換器へのリークを許容する第１流入開閉弁と，
   前記第１流入流路に配置されるとともに，
   前記１次熱交換器から前記受液器への流れを許容し，
   前記受液器から前記１次熱交換器への流れを阻止する第１逆止弁と，
   前記第２流入流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，前記２次熱交換器から前記受液器へのリークを許容せず，前記受液器から前記２次熱交換器へのリークを許容する第２流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置されるとともに，
   前記２次熱交換器から前記受液器への流れを許容し，
   前記受液器から前記２次熱交換器への流れを阻止する第２逆止弁とを有することを特徴とする空調システム。
8. １次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が前記１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が前記２次熱交換器に接続された空調システムにおいて，
   前記第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置されるとともに，
   開状態では双方向ともに流れを許容し，
   閉状態では，前記ポンプから前記１次熱交換器へのリークを許容せず，前記１次熱交換器から前記ポンプへのリークを許容する第１流出開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置されるとともに，
   前記ポンプから前記１次熱交換器への流れを許容し，
   前記１次熱交換器から前記ポンプへの流れを阻止する第３逆止弁とを有することを特徴とする空調システム。
9. １次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が前記１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が前記２次熱交換器に接続される空調システムにおいて，
   前記第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，
   前記第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，
   前記第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，
   前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁と，
   前記受液器の入口と前記ポンプの出口とを接続する循環路と，
   前記循環路に配置された循環路開閉弁と，
   前記循環路に設けられ，相変化冷媒と暖房されていない空気との間で熱交換を行う空気熱交換器とを有することを特徴とする空調システム。
10. １次熱交換器と，２次熱交換器と，液相の相変化冷媒を収容する受液器と，前記受液器の液相の相変化冷媒を送出するポンプと，前記受液器の入口に接続された第１および第２流入流路と，前記ポンプの出口に接続された第１および第２流出流路とを有し，前記第１流入流路および第１流出流路が前記１次熱交換器に接続され，前記第２流入流路および第２流出流路が前記２次熱交換器に接続される空調システムにおいて，
    前記第１流入流路に配置された第１流入開閉弁と，
    前記第２流入流路に配置された第２流入開閉弁と，
    前記第１流出流路に配置された第１流出開閉弁と，
    前記第２流出流路に配置された第２流出開閉弁とを有し，
    前記２次熱交換器における相変化冷媒を通す部分の容積より，前記ポンプの出口から前記１次熱交換器の入口に至るまでの配管の容積が小さいことを特徴とする空調システム。

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