JPH02298742A - 閉鎖系空間用空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本願発明は、たとえば月面基地や宇宙ステーションなど
のような閉鎖系空間内の空気を温度調節するための空調
装置に関するものである。

（発明の技術的背景） 一般に空調装置においては室内の空気を冷却する際に吸
熱した作動熱媒体からその熱を放出させるために、室外
に放熱用熱交換器を設置し、該放熱用熱交換器を外気で
冷却することによって熱媒体から熱を放出させるように
なっている。この場合、当該放熱用熱交換器に対しては
ファンにより強制送風して大量の熱交換用空気を供給す
るようにしているため、当該熱交換用空気と放熱用熱交
換器内を流通する熱交換器との間の温度差がそれ程大き
くなくても十分に熱媒体から熱を放出させることができ
る。

これに対して、もしファンによる強制送風なしに、放熱
用熱交換器からの自然放熱だけで熱媒体から熱を放出さ
せようとした場合は、きわめて放熱面積の大きい熱交換
器を必要とすることになる。

翻えって、月面基地や宇宙ステーションなどのような大
気圏外構造物に付設される空調装置について考察すると
、該空調装置に設けられる放熱用熱交換器は、大気の存
在しない真空中に設置せざるを得ないため、必然的にそ
の放熱形態は熱輻射のみによらざるを得ず、その結果、
大型の放熱用熱交換器を必要とするに至る。さらに、月
面等では太陽光の照射をうける期間と太陽光の照射をう
けない期間とでは月面上温度が極端に変化する（−１８
０〜＋１５０°Ｃ）ため、空調装置用の作動熱媒体とし
ては、そのような広温度帯域でも凍結することなく使用
し得るもの（たとえばヘリウムガスなど）が求められる
。ところが、このヘリウムガスなどは、フロン冷媒等の
ように液相と気相の間で相変化しその相変化の間に授受
する潜熱によって空気を冷却するものと異なり、全て顕
熱によって空気を冷却しなければならず、したがって必
要な冷却能力を得ようとすればその循環量が著しく大き
くなり、そのための配管も太くならざるを得なくなる。

一方、月面基地や宇宙ステーションはその輸送コストの
巨額さから考えるとき、いかに必要性があるとはいえ、
空調装置の放熱用熱交換器や熱媒体用配管などについて
その大型化が許容される余地はない。

（発明が解決しようとする課題） 本願発明は上記のような技術的背景の下になされたしの
で、月面基地や宇宙ステーションのような閉鎖系空間の
ための空調装置を可及的に小型軽量化しようとするもの
である。

（課題を解決するための手段） 本願発明は、上記の課題を達成するための手段として、
第１図に例示するように、請求項１記載の発明にかかる
閉鎖系空間用空調装置は、第１の吸熱熱交換器１０と第
１の放熱熱交換器１５との間を第１の熱媒体Ｒが循環流
通し、上記第１の吸熱熱交換器１０において第１の熱媒
体Ｒにより閉鎖系空間２内の空気Ａを冷却する一方、上
記第１の放熱熱交換器１５において第１の熱媒体Ｒをし
て放熱せしめる如く作動する第１の熱媒体循環系Ｘと、
上記第１の放熱熱交換器１５と熱交換する第２の吸熱熱
交換器２１と上記閉鎖系空間２外に設置されて熱放射に
より放熱する第２の放熱熱交換器２５との間を全作動温
度領域で気体状態を維持する第２の熱媒体Ｈが循環流通
し、上記第２の吸熱熱交換器２１において上記第２の熱
媒体Ｈにより上記第１の熱媒体Ｒを冷却する一方、上記
第２の放熱熱交換器２５において第２の熱媒体Ｈをして
放熱せしめる如く作動する第２熱媒体循環系Ｙとをそな
えるとともに、上記第２の吸熱熱交換器２１と第２の放
熱熱交換器２５との間に上記第２の熱媒体Ｈを昇圧昇温
せしめるための圧縮機２３、を設けたことを特徴とする
ものであり、請求項２記載の発明は、請求項１記載の閉
鎖系空間用空調装置において、第１熱媒体循環系Ｘ中の
第１の熱媒体Ｒが機械的装置によらず自然循環せしめら
れる如くされていることを特徴とするものであり、 請求項３記載の発明は、請求項Ｉまたは２記載の閉鎖系
空間用空調装置において、第２熱媒体循環系Ｙ中の第２
の放熱熱交換器２５と第２の吸熱熱交換器２１の間に、
第２の熱媒体Ｈを膨張させるためのタービン２７が設け
られており、さらに圧縮機２３を駆動するためのモータ
２９とタービン２７とが連結され、該タービン２７の回
転力か上記モータ２９に入力されるようにされているこ
とを特徴とするものである。

（作　用） 本願の各発明は、その特徴とする構成により、次のよう
な作用を奏する。

（１）請求項１記載の発明においては、先ず、第１の熱
媒体Ｒ（たとえばフロンガス：Ｒ２２等）が循環流通す
る第１熱媒体帖環系Ｘ中の第１の吸熱熱交換器ＩＯにお
いて閉鎖系空間２内の空気Ａとの間で熱交換が行われ、
第１の熱媒体Ｒが該空気Ａから吸熱する。この吸熱した
第Ｉの熱媒体Ｒは、第１熱媒体循環系Ｘ中の放熱熱交換
器１５に送られ、そこで第２熱媒体循環系Ｙ中の吸熱熱
交換器２Ｉを流通する気体状の第２の熱媒体Ｈ（たとえ
ばヘリウムガス）と熱交換する。この熱交換により第１
の熱媒体Ｒは放熱する一方、第２の熱媒体Ｉ−１は吸熱
する。

吸熱により昇温した第２の熱媒体Ｈは圧縮機２３により
昇圧昇温せしめられ、高温度流体とされたのち、閉鎖系
空間２外に設置されている第２の放熱熱交換器２５へ送
られる。そしてこの高温度の第２の熱媒体Ｈは該第２の
放熱熱交換器２５において熱放射して放熱し、温度が降
下する。

（２）その場合、請求項２記載の発明においては、第１
熱媒体循環系Ｘ中の熱媒体Ｒは機械的装置（たとえばポ
ンプ）を使用することなく、自己の重力又は圧力にした
がって自然循環する。

（３）又、請求項３記載の発明においては、第２の放熱
熱交換器２５通過後の第２の熱媒体ｌ］がタービン２７
を通過する際、膨張せしめられて圧力と温度が低下する
とともに、該タービン２７での回転力が圧縮機２３を駆
動するための動力の一部として利用される。

（発明の効果） 本願各発明は、上記の構成と作用から次のような効果を
奏するらのである。

（１）　　本願各発明によれば、閉鎖系空間２内の空気
Ａから第１の熱媒体Ｒに伝達された熱が第１の放熱熱交
換器Ｉ５と第２の吸熱熱交換器２１を介して第２の熱媒
体Ｈに伝達されたのち、さらに該第２の熱媒体Ｈが圧縮
機２３によって高温度に昇温せしめられて第２の放熱熱
交換器２５へ送られるため、該放熱熱交換器２５では大
きな温度差により高効率で熱放射し、その結果、比較的
小規模の熱交換器ならびに配管でも、必要なる熱放射能
力を発揮することができ、その分だけ空調装置を小型軽
量化することができる。

（２）又、本願各発明では第２の熱媒体Ｈとしてその全
作動温度領域（月面では一１８０〜十１５０℃に達する
ことがある）を通じて気体状態を維持するもの（たとえ
ばヘリウムガスなど）が使用されるため、仮に第２の放
熱熱交換器２５の周囲が−１８０℃程度の超低温状態と
なっても該第２の熱媒体Ｈが凍結することはない。

（３）又、請求項２記載の発明によれば、第１の熱媒体
Ｒを循環させるためのポンプ等の機械装置が不要となり
、さらに空調装置の小型軽量化に寄与することができる
。

（４）さらに、請求項３記載の発明によれば、第２熱媒
体循環系Ｙ中に設けられたタービン２７により、第２の
熱媒体Ｈの温度降下が図られるとともに、該タービン２
７の出力を圧縮機２３の駆動力として有効利用し得るた
め、モータ２９を小型化することができ、空調装置全体
の効率向上と同装置の小型軽量化に資することができる
効果がある。

（実施例） 第１図には月面基地での居住棟となる建物１が示されて
いる。この建物ｌ内には室内空間（特許請求の範囲中の
閉鎖系空間に該当する）２を冷房する空調装置を収容す
るための機械室９が設けられている。

この実施例における空調装置は本願各発明を造石して次
のように構成されている。

すなわち、図示実施例の空調装置は、気相と液相の間で
相変化するフロンガス（たとえばＲ２２）などの第１の
熱媒体Ｒを作動熱媒体とする第１熱媒体循環系Ｘと、全
作動温度領域を通じて気相状態でのみ使用されるヘリウ
ムガスなどの第２の熱媒体ト！を作動熱媒体とする第２
熱媒体循環系Ｙとの組合せにより構成されている。

第１熱媒体循環系Ｘは、室内空間２の空気Ａから吸熱し
てこれを冷却する作用をする第１の吸熱熱交換″ａｌＯ
と、該第１の吸熱熱交換器１０で吸収した室内空気への
熱を第２熱媒体循環系Ｙを循環流通する第２の熱媒体へ
向けて放熱する作用をする第１の放熱熱交換器１５とを
そなえ、且つそれらの自熱交換器１０．１５の間にレシ
ーバ１２を介在せしめて構成されている。この第１熱媒
体循環系Ｘの第！の吸熱熱交換器ＩＯには室内空気Ａを
循環させるためのファン４０が付設されている。

居住棟建物ｌには天井パネル３の上方に通風ダクト４が
設けられており、上記ファン４０はダクト４１により通
風ダクト４と接続されている。天井パネル３には必要数
の空気吹出口５．５・・が形成されている。

一方、第２熱媒体循環系Ｙは、前述の第１の放熱熱交換
器１５と熱交換して第１の熱媒体Ｒから吸熱する第２の
吸熱熱交換器２１と、第２の熱媒体Ｈが第１の熱媒体Ｒ
から吸収した熱を宇宙空間へ向けて輻射放熱する第２の
放熱熱交換器２５とをそなえ、且つ第２の吸熱熱交換器
２Ｉと第２の放熱熱交換器２５を接続する一方側の管路
２２゜２４中に第２の熱媒体Ｉ］を昇圧昇温させる作用
をする圧縮機２３を設け、さらに上記自熱交換器２、２
５間を接続する他方側の管路２６，２８中に第２の熱媒
体Ｈを膨張させてその圧力及び温度を降下させるととも
に同然媒体Ｈの膨張作用により回転力を得る作用をする
タービン２７が設けられて構成されている。上記の圧縮
機２３はモータ２９で駆動されるが、このモータ２９に
はタービン２７が結合されていて、該タービン２７で得
られる回転力が圧縮機２３駆動のために利用され得るよ
うになっている。なお、第２の放熱熱交換器２５は、建
物１外に設置されている。

次に図示実施例の空調装置の作用を説明すると、この空
調装置では、ファン４０の運転により室内空気Ａ（温度
Ｔａｔ＝３０〜３５℃）か第！の吸熱熱交換器１０を通
過するとき、該室内空気Ａは第１の吸熱熱交換器１０を
流通する第１の熱媒体Ｒと熱交換して冷却され（温度Ｔ
　ａｔ　＝　１５〜２０℃）、さらにダクト４１及び天
井パネル３裏側のダクト４を通って吹出口５から室内空
間２へ吹き出される。

第１の吸熱熱交換器ｌＯに対してはレシーバ１２から管
路１１を通って液状の第１の熱媒体Ｒ（Ｒ１）が重力に
よって供給される。この第１の熱媒体Ｒ（Ｒυは室内空
気Ａとの熱交換（吸熱）により蒸発せしめられ、ガス状
（Ｒ１）になって管路！３を通ってレシーバ夏２へ還流
する（温度Ｔｒ、＝ｌＯ〜１２℃）。レシーバ１２内の
ガス状熱媒体Ｒ（Ｒ３）は管路１４を通って第１の放熱
熱交換器１５へ送られ、そこで第２の吸熱熱交換器２１
内を流通する第２の熱媒体１−１（Ｈ，）と熱交換（放
熱）して冷却凝縮せしめられ、管路１６を通ってレシー
バ１２へ還流する。このレシーバ１２から第１の放熱熱
交換器１５への第１の熱媒体Ｒの流動は該第１の熱媒体
Ｒの凝縮時の減圧吸引作用によって行われ、第１の放熱
熱交換１Ｂ１５からレシーバ１２への凝縮熱媒体の還流
は同然媒体Ｒ（Ｒ４）の重力による。以上から明らかな
ように、第１熱媒体循環系Ｘにおける第１の熱媒体Ｒの
循環流通はポンプなどの機械的強制力を使用しないで全
て自然循環によって行われる。

次に、第２熱媒体循環系Ｙにおける第２の熱媒体Ｈの循
環流通について説明すると、この第２の熱媒体（ヘリウ
ムガス）Ｈは第２の吸熱熱交換器２１において第１の熱
媒体Ｒと熱交換（吸熱）して−次的に昇温（温度Ｔａ、
＝２〜７℃）したあと、矢印Ｈ１で示すように管路２２
を経て圧縮機２３に至り該圧縮機２３によって昇圧昇温
せしめられる（圧力Ｐ　ｈ＊＝　５５〜６０　ａｔａ、
温度Ｔ　ａｔ　＝　１５□　０〜１８０℃）。このよう
にして昇圧昇温せしめられた第２の熱媒体Ｈ（Ｈａ）は
、第２の放熱熱交換器２５において真空中へ向けて輻射
放熱し、温度降下する（ｆＡ度Ｔｈ、＝　１２０〜１５
０℃）。このようにして放熱せしめられた第２の熱媒体
Ｈは、続いて矢印Ｈ５で示すように管路２６を経てター
ビン２７へ送られ、そこで急膨張せしめられることによ
り圧力Ｐｂａ＝　２１〜２３　ａｔａ１温度Ｔ　ｈａ　
−−１５〜５℃程度まで減圧及び温度降下せしめられる
。

この膨張時に第２の熱媒体Ｉ］に生じたエネルギー変化
は、タービン２７の回転力に転換され、その回転力がモ
ータ２９に入力される。このようにして−１５〜５℃程
度まで温度降下せしめられた第２の熱媒体Ｈ（Ｈ，）に
よって第１の熱媒体Ｒの冷却が行われるものである。

因みに、この実施例において第２の熱媒体として使用し
たヘリウムガスは、タービン２７の出口（圧力Ｐ　ｈ＊
＝　２１〜２３　ａｔａ、温度Ｔｈ、＝−１５〜５℃）
においても凝縮することがない。

本願発明を適用して構成されている図示実施例の空調装
置は、上記の如く、第１の熱媒体Ｒと第２の熱媒体Ｈと
の間で熱交換せしめた上で、圧縮機２３により第２の熱
媒体Ｈを昇温せしめ、高温状態となった第２の熱媒体Ｈ
によって輻射放熱させるようにしたものであるから、比
較的小容量の第２の熱媒体［１とその配管ならびに比較
的熱交換（放熱）面積の小さい熱交換器（第２の放熱熱
交換器）２５でも所要の熱交換能力を発揮することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願各発明の実施例にかかる閉鎖系空間用空調
装置の概念図である。 １・・・・・建物 ２・・・・・室内空間 ３・・・・・天井パネル ４・・・・・ダクト ９・・・・・機械室 １０・・・・第１の吸熱熱交換器 １２・・・・レシーバ １５・・・・第１の放熱熱交換器 ２１・・・・第２の吸熱熱交換器 ２３・・・・圧縮機 ２５・・・・第２の放熱熱交換器 ２７・・・・タービン ４０＃＃−・ファン ４１・・・・ダクト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の吸熱熱交換器（１０）と第１の放熱熱交換器
   （１５）との間を第１の熱媒体（Ｒ）が循環流通し、上
   記第１の吸熱熱交換器（１０）において第１の熱媒体（
   Ｒ）により閉鎖系空間（２）内の空気（Ａ）を冷却する
   一方、上記第１の放熱熱交換器（１５）に、おいて第１
   の熱媒体（Ｒ）をして放熱せしめる如く作動する第１熱
   媒体循環系（Ｘ）と、上記第１の放熱熱交換器（１５）
   と熱交換する第２の吸熱熱交換器（２１）と上記閉鎖系
   空間（２）外に設置されて熱放射により放熱する第２の
   放熱熱交換器（２５）との間を全作動温度領域で気体状
   態を維持する第２の熱媒体（Ｈ）が循環流通し、上記第
   ２の吸熱熱交換器（２１）において上記第２の熱媒体（
   Ｈ）により上記第１の熱媒体（Ｒ）を冷却する一方、上
   記第２の放熱熱交換器（２５）において第２の熱媒体（
   Ｈ）をして放熱せしめる如く作動する第２熱媒体循環系
   （Ｙ）とをそなえるとともに、上記第２の吸熱熱交換器
   （２１）と第２の放熱熱交換器（２５）との間に上記第
   ２の熱媒体（Ｈ）を昇圧昇温せしめるための圧縮機（２
   ３）を設けたことを特徴とする閉鎖系空間用空調装置。 ２、第１熱媒体循環系（Ｘ）中の第１の熱媒体（Ｒ）が
   機械的装置によらず自然循環せしめられる如くされてい
   ることを特徴とする請求項１記載の閉鎖系空間用空調装
   置。 ３、第２熱媒体循環系（Ｙ）中の第２の放熱熱交換器（
   ２５）と第２の吸熱熱交換器（２１）の間に、第２の熱
   媒体（Ｈ）を膨張させるためのタービン（２７）が設け
   られており、さらに圧縮機（２３）を駆動するためのモ
   ータ（２９）とタービン（２７）とが連結され、該ター
   ビン（２７）の回転力が上記モータ（２９）に入力され
   るようにされていることを特徴とする請求項１または２
   記載の閉鎖系空間用空調装置。