JP2003004388A - ヒートポンプ式空調機及び冷温風発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速な冷熱空気を送出できるヒートポンプ式
空調機を提供する。 【解決手段】周方向に連通した環状流路と、この環状流
路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるよう
に前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口
と、環状流路に形成された前記流入口及び前記流出口に
連通した複数の連通流路とからなる混合流路と、該混合
流路に連通された流体の供給流路および排出流路とをか
らなる熱交換器を備えたヒートポンプ式空調機とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ式空
調機の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、空気−空気式ヒートポンプ式空調
機は暖房機として利用する場合は、冷媒に代替フロンな
どを使用し、コンプレッサーにて冷媒を圧縮し、加圧さ
れ加熱した冷媒を四方弁により室内の凝縮器まで送っ
て、その加熱された凝縮器にファンにより空気を送って
空気に熱を吸収させることにより空気を加熱している。
空気を加熱した冷媒は熱を奪われて凝縮する。次に配管
により室外の蒸発器に送られ、ここで蒸発し次に四方弁
に通してコンプレッサーに送られ再び加圧される。また
空気−水式ヒートポンプ式空調機は暖房機として利用す
る場合は、上記と同様に加熱された凝縮器中に水を通し
て加熱し、その加熱された温水を室内機の熱交換器まで
送り、加熱された熱交換器にファンにより空気を送って
空気に熱を吸収させることにより空気を加熱して温風を
発生させている。またヒートポンプ式空調機を冷房機と
して利用する場合は、空気−空気式ヒートポンプ式空調
機は、冷媒に代替フロンなどを使用し、コンプレッサー
にて冷媒を圧縮し、四方弁により室外の蒸発器（凝縮器
として機能する）まで送って液化し、配管により室内の
凝縮器（蒸発器として機能する）まで送り、凝縮器手前
の膨張弁による冷媒の蒸発作用により凝縮器を冷却し、
その冷却された凝縮器にファンにより空気を送って空気
に冷熱を吸収させることにより冷風を発生させている。
空気を冷却した冷媒は熱を奪われて蒸発し、次に配管に
より四方弁を通してコンプレッサーに送られ再び圧縮さ
れる。空気−水式ヒートポンプ式空調機は、上記と同様
に冷却された凝縮器中に水を通して冷却し、その冷水を
室内機の熱交換器まで送り、冷却された熱交換器にファ
ンにより空気を送って空気に冷熱を吸収させることによ
り、空気を冷却して冷風を発生させている。ここで蒸発
器と凝縮器は、暖房機の場合と機能が逆になる。ガスヒ
ートポンプは圧縮機の代わりにガスエンジンを利用する
が、原理は上記と同じである。また吸収式冷凍装置など
は、蒸発器内の水の蒸発作用により冷水を製造し、その
冷水を配管により空調室内の室内機の熱交換器まで送水
し、その冷却された熱交換器にファンにより空気を送っ
て空気に冷熱を吸収させることにより空気を冷却して冷
風を発生させている。

【０００３】これらはいずれも冷媒と空気との熱交換方
式としては、フィン式コイル式の熱交換器を利用してい
る。また空気−空気式ヒートポンプ式空調機の場合、凝
縮器と蒸発器は室内と室外に分離されている。空気−水
式ヒートポンプ式空調機の場合は、凝縮器と室内機の熱
交換器が室外と室内に分離されている。吸収式冷凍機の
場合は、冷房のみの目的に利用され、蒸発器と室内機の
熱交換器が室外と室内に分離されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の空気の熱交換器
はほとんどの場合フィン式コイル式が使われ、凝縮器も
フィン式コイル式が利用されている。フィン式コイル式
の熱交換器は、ファンによる外気強制循環式であり、フ
ァンによる風速も３ｍ／ｓｅｃ程度である。そのため冷
媒、あるいは冷温水を熱交換する空間まで配管で輸送
し、室内機の中に凝縮器、あるいは熱交換器を設置し、
ファンにより空気を強制循環させ熱交換させている。フ
ィン式コイル式熱交換器は低速の空気を外表面で熱交換
するために、熱交換器表面に空気中のゴミが付着しやす
く、これが原因となり熱効率の低下、あるいは表面の汚
れによりカビ、ダニの発生原因となってきた。また、汚
れにより熱効率が低下したり、人体に不快臭、不快感を
与えるため定期的な清掃が欠かせなかった。本発明は、
上記問題を解決したヒートポンプ式空調機を提供するも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、周方向に連通した環状流路と、この環状流路
における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように
前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、
前記流入口及び前記流出口に連通した複数の連通流路と
からなる熱交換流路と、該熱交換流路に連通された流体
の供給流路および排出流路とからなる熱交換器を備えた
ヒートポンプ式空調機としたものである。環状管の数は
１以上の任意の数でよい。なお、特許請求の範囲でいう
ヒートポンプ式空調機は、吸収式冷凍装置を含む各種の
ヒートポンプ式空調機をいうものである。

【０００６】供給流路や排出流路にタンクを接続すると
よい。

【０００７】供給流路に空気の供給装置を接続するとよ
い。

【０００８】熱交換器を蒸発器または凝縮器に入れ、熱
交換器を入れた蒸発器または凝縮器を断熱材の容器に入
れるとよい。

【０００９】ヒートポンプ式空調機に空気を送ることに
よって冷温風を発生させる冷温風発生方法としてもよ
い。

【００１０】

【作用】上記のように構成された本発明によれば、冷媒
内に設置された熱交換流路に送気することにより、熱交
換流路内の乱流運動による高効率の熱交換によって、常
に清浄な温風あるいは冷風が製造できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１２】図１は熱交換装置を冷媒により加熱する場
合の構成を示す概略系統図である。図２は吸収式冷凍装
置の原理を応用した冷温風発生装置である。

【００１３】熱交換器２は、特開平７−２９４１６２号
公報に開示されている熱交換装置を用いる。本実施例の
熱交換器２は、熱交換流路２１、これに空気を供給する
供給管２２、排出する排出管２３とからなっている。熱
交換流路２１は環状流路２４と連通流路２５、供給流路
２２からの空気を連通流路２５に導入するためのタンク
２６、連通流路２５からの空気を排出流路２３に導入す
るためのタンク２７からなっている。環状流路は１以上
の任意の数でよい。連通流路は２以上の任意の数でよ
い。本発明の実施例においては、図３記載のものでは、
環状流路は１、連通流路は４のものを、図４記載のもの
では、環状流路は５、連通流路は６のものを使用してい
る。

【００１４】熱交換流路２１は管で製作する場合は高流
速で冷媒の温度に耐えられる、鉄、アルミ、銅、ステン
レスなどにより形成することができる。

【００１５】図１の装置で利用する空気を熱交換する冷
媒としては、アンモニア、フロン、メチル・クロライ
ド、炭酸ガス、亜硫酸ガス、プロパン、エチレン、イソ
ブタン、代替フロンなどの液化ガスなどが考えられる。
図２の装置で利用する空気を熱交換する冷媒としては、
水を利用する。

【００１６】熱交換流路に高速の空気を供給するための
手段としては、高速ファン、ブロアー、コンプレッサー
などを用いる。

【００１７】図１においては、熱交換流路は冷媒が供給
される凝縮器としての機能をする容器内に収納されてい
る。容器は放熱を防ぐため断熱材で保温されていること
が望ましい。容器自体を断熱材で形成してもよいし、ま
た容器は別の材料で形成し、その表面や内面を断熱材で
形成してもよい。このようにして熱交換流路２１により
熱交換される以外の熱、冷熱の放熱を防ぎ、発生熱量の
有効利用をして、省エネルギー化を図ることができる。
図２においては、熱交換流路は蒸発器の中に収納されて
いる。吸収式冷凍機として冷房のみの目的に使用する場
合は、室内機の熱交換器として利用してもよい。また熱
交換器を容器内に設置することで外気に曝されることを
防ぎごみが付着することを防いでいるので、熱交換器表
面の汚れによる熱効率の低下、カビ、ダニの発生を防ぐ
ことが可能になる。また空気の高速の乱流運動により、
常に熱交換流路内を高速の空気が流れるのでごみが付着
することがなく、熱交換流路内の清掃を必要とすること
なく常に清浄な空調空気の製造が可能である。

【００１８】図１において、凝縮器としての容器の設置
位置は今までのヒートポンプのように室内に設置しても
よいが、容器内に設置された熱交換流路２１により高速
の温冷風を発生させることができるので、容器をヒート
ポンプの圧縮機の近くに設置しても、高速の空気により
容器より離れた空調室内に送気することが可能になる。

【００１９】すなわち、図１、２の場合とも、高速ファ
ン、ブロアー、コンプレッサーなどによる高流速の空調
空気の利用が可能になり、そのまま配管、ダクトなどに
よりヒートポンプより離れた室内空間へ送気することが
できる。その場合、室内機を室外機と一体化することで
装置の簡略化を図ることができるのと同時に、従来のヒ
ートポンプ式空調機のように配管により室内機の凝縮器
まで冷媒を輸送する必要がなくなり、冷媒の量は熱交換
流路２１を加熱、冷却する量のみで済み、加熱、冷却の
ためのエネルギーとそれに必要な時間を節約することが
できる。空調室内で空気の熱交換をしなくてもすむこと
ができるので、室内の設備としては噴出口、コントロー
ラー類などの小型の部品類のみで構成されるようになる
ので、大幅に室内構成部品が小型化し、室内空間の利用
度を高めることができる。今までのヒートポンプのよう
に空調室内で空気の熱交換を行う場合は、熱交換された
高流速の空気により大幅に空調範囲を広げることが可能
になる。

【００２０】次に、図１の実施例において温風を発生さ
せる場合の動作を説明する。コントローラー６の冷暖房
切り替えスイッチを暖房にし装置を始動させると、四方
弁１２が暖房回路になる。送風用のブロアー４、コンプ
レッサー１３の起動をさせると暖房運転に入る。コンプ
レッサー１３により加圧された冷媒は四方弁１２から配
管を通って凝縮器１に送られる。コントローラー６によ
り冷媒を凝縮器１に送る量又は圧力、又はブロアー４の
送風量をコントロールし、熱交換流路２１によって熱交
換され発生する温風の温度コントロールをする。熱交換
装置２は連通管ａによりブロアー４に連通されているの
で支障なく温風を連通管ｂにより室内に送気する。また
送気された温風は高流速であるので短時間で空調室内に
送られ、暖房に利用される。凝縮器１で熱を奪われ凝縮
した冷媒は、配管ｄにより逆止弁７を通り、配管ｅによ
り膨張弁９まで送られる。膨張弁９から配管ｆにより蒸
発器１１に送られた冷媒は、蒸発して配管ｇを通って四
方弁１２を経て、再びコンプレッサー１３に戻り循環サ
イクルを繰り返す。次に、図２の実施例において温風を
発生させる場合の動作を説明する。コントローラー６の
冷暖房切り替えスイッチを暖房にし装置を始動させる
と、三方弁３８、４５が暖房回路になる。送風用のブロ
アー４、蒸発器ポンプ３５、熱源３７、冷却水４６の起
動をさせると暖房運転に入る。温風発生時は蒸発器内の
圧力は常圧に保たれ、熱源により加熱された水３６は蒸
発器ポンプ３５により熱交換器２に散布される。コント
ローラー６により，熱源３７により加熱された水３６の
温度又は熱交換器２に散布する量、又はブロアー４の送
風量をコントロールし、熱交換流路２１によって熱交換
され発生する温風の温度コントロールをする。熱交換装
置２は連通管ａによりブロアー４に連通されているので
支障なく温風を連通管ｂによりを室内に送気する。また
送気された温風は高流速であるので短時間で空調室内に
送られ、暖房に利用される。蒸発した蒸気は、三方弁３
８から三方弁４５を通り、凝縮器３２まで送られ、冷却
水４６により冷やされて凝縮して水３６となり、再び蒸
発器３１に戻り循環サイクルを繰り返す。

【００２１】次に図１の実施例において、冷風を発生さ
せる場合を説明する。コントローラー６の冷暖房切り替
えスイッチを冷房にし装置を始動させると、四方弁１２
が冷房回路になる。送風用のブロアー４、コンプレッサ
ー１３の起動をさせると冷房運転に入る。コンプレッサ
ー１３により加圧された冷媒ガスは、四方弁１２を経
て、配管ｇから蒸発器１１（ここでは凝縮器としての機
能を持つ）に送られる。凝縮した冷媒は、配管ｆより逆
止弁１０を経て膨張弁８に送られる。膨張弁８により膨
張し冷却した冷媒は、配管ｄにより凝縮器１（ここでは
蒸発器としての機能を持つ）に送られる。ここで冷媒は
蒸発し熱交換流路２１を冷却する。コントローラー６に
より冷媒を凝縮器１に送る量又は圧力を、又はブロアー
４の送風量コントロールし、熱交換流路２１によって熱
交換され発生する冷風の温度コントロールをする。熱交
換装置２は連通管ａによりブロアー４と連通管ｂにより
空調室内に連通されているので支障なく冷風を室内に送
気する。またブロアー４により送気された冷風は高流速
であるので連通管ｂを通って短時間で空調室内に送ら
れ、冷房に利用される。熱交換流路２１を冷却し加温さ
れた冷媒ガスは、凝縮器１から配管ｈを通って四方弁１
２を経て、再びコンプレッサー１３に戻り循環サイクル
を繰り返す。次に、図２の実施例において冷風を発生さ
せる場合の動作を説明する。コントローラー６の冷暖房
切り替えスイッチを冷房にし装置を始動させると、三方
弁３８、４５が冷房回路になる。送風用のブロアー４、
蒸発器ポンプ３５、吸収剤ポンプ３９、冷却水４１、冷
却水４６、熱源４４の起動をさせると冷房運転に入る。
冷風発生時は蒸発器内はほぼ絶対圧力６〜７ｍｍＨｇの
高真空に保たれているので、この中で水３６はほぼ５°
Ｃで蒸発する。この冷たい水３６が蒸発器ポンプ３５に
より熱交換器２にかけられる。コントローラー６により
冷却された水３６を熱交換器２に散布する量、またはブ
ロアー４の送風量をコントロールし、熱交換流路２１に
よって熱交換され発生する冷風の温度コントロールをす
る。熱交換装置２は連通管ａによりブロアー４に連通さ
れているので支障なく冷風を連通管ｂによりを室内に送
気する。また送気された冷風は高流速であるので短時間
で空調室内に送られ、冷房に利用される。蒸発した水蒸
気は、三方弁３８から吸収器３４まで送られ、吸収器の
吸収剤に吸収される。吸収剤としては臭化リチウム（Ｌ
ｉＢｒ）などが利用される。水蒸気を吸収した吸収剤の
希溶液４０は吸収剤ポンプ３９により溶液用熱交換器４
２を通って再生器３３に送られる。ここで熱源４４によ
り加熱され濃度が高められた濃溶液４３は、溶液用熱交
換器４２を通って吸収器３４に送られ、再び水蒸気の吸
収のために利用される。冷却水４１は吸収剤の能力を高
めるために利用される。一方熱源４４により加熱された
溶液中の水分は、蒸気となって三方弁４５より凝縮器３
２に送られ冷却水４６により冷やされて凝縮して水３６
となり、再び蒸発器３１に戻り循環サイクルを繰り返
す。

【００２２】いずれの場合も凝縮器１の中に設置された
熱交換流路２１に、ブロアー４により高流速の空気を送
気することで、高流速の温風または冷風を製造できるの
で、室外の凝縮器、あるいは蒸発器から離れた空調室内
に送風することが可能になる。熱交換流路により冷媒と
ほとんど温度差がない空気の熱交換が可能であるので、
温度差が大きい外気の空気も熱交換して空調温度にでき
るため、外気の新鮮な空気を空調に利用したいときは、
コントローラー６により弁５を開放させブロアー４から
吸入させることも可能になる。

【００２３】以上の構成により、冷媒として水を利用し
た場合の本実施例においては、図７に示すように優れた
性能が達成される。すなわち空気の供給装置として４５
０ｍｍａｑの圧力のブロアーを利用した場合、気温２
３．２°Ｃ、流速３０．４ｍ／Ｓｅｃの高流速の空気
を、冷媒とほぼ同一温度に熱交換された空気として、一
回の熱交換で瞬時に発生させることができる。なお、こ
こで熱交換器として図３記載のものを用いている。この
ようにして高流速で冷媒とほとんど温度差がない空調温
度の空気が、一回だけの熱交換で得られるので、距離が
離れた空調空間に送気したり、今までより広い空調空間
を短時間に空調可能とすることができる。また別の利用
方法としては、冷媒とほぼ温度差がない空調空気の製造
が可能であるので、温度差の大きい外気の新鮮空気を加
熱、あるいは冷却して空調室内に送気して利用すること
も可能となる。そのため室外空気との換気回数を大幅に
減少させることができる。同時に室内の空気が乾燥する
ことを防ぎ、人体に快適感を与えることができる。

【００２４】図５は本発明の一実施例におけるヒートポ
ンプで使用する熱交換流路の一部を管、一部をブロック
化して製作したものを、図６は、熱交換流路をブロック
化して製作したもの示す図である。図５では部材５１か
ら部材６０へと順に結合して熱交換流路を製作する。部
材５６は図のような円筒状の部材であるが、隣接する部
材５７の中央に凸部が設けられており、これと他方の隣
接する部材５５によって環状流路２４が形成されるよう
になっている。また部材５３、５５、５７、５９には、
連通管との接続孔３０が設けられている。さらに部材５
９、６０で供給側のタンク２６が、部材５１、５２、５
３で排出側のタンク２７が形成される。部材５４と部材
５８は流入口２８、流出口２９を有する連通流路２５と
なる。なお当然であるが、供給側と排出側を逆にしても
よい。

【００２５】図６では部材６１から部材６８へと順に結
合して熱交換流路を製作する。部材６４、６６は図のよ
うな円筒状の部材であるが、隣接する部材６５、６７の
中央に凸部が設けられており、これと他方の隣接する部
材によって環状流路２４、２４が形成されるようになっ
ている。また部材６３、６５、６７には、流入口２８、
流出口２９を有する連通流路２５が設けられている。さ
らに部材６７、６８で供給側のタンク２６が、部材６
１、６２、６３で排出側のタンク２７が形成される。な
お、当然であるが供給側と排出側を逆にして用いてもよ
い。

【００２６】図５、６記載の熱交換流路の実施例におい
ては、セラミック、プラスチック、金属などの材質内に
流路を彫り込んだりする方法、金属板を絞ったり、プレ
スしたりする方法、鋳型などを利用して鋳物、プラスチ
ック、ガラスなどの流動体を流路の空間部だけを除いて
冷却して固めたりする方法、セラミックなどの流動体を
流路の空間部だけを除いて、外部から押し固めて乾燥さ
せたり、焼結したりして固定化することによって流路を
形成する方法などがある。また図５記載のものでは、一
部には管材を利用し連通流路を容易に製造できるように
している。これによって熱交換流路を大量生産し装置を
低コスト化することが可能になる。同時に熱交換流路を
小型化することで装置を小型化することが可能になる。
また全部ブロック化した部材を用いる場合に比べて、熱
交換性能を保ったまま小形で量産が容易なものが作成可
能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、高流速の温風または冷風を容易に製造でき、凝縮機
を室外に設置しても室外の凝縮器から離れた空調室内に
送風することが可能になる。そのため室内機を室外機に
一体化し装置の簡略化を図ることが可能になる。また空
気の高速の乱流運動により、常に熱交換流路内を高速の
空気が流れるのでごみが付着することがなく、熱交換流
路内の清掃を必要とすることなく常に清浄な空調空気の
製造が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は熱交換器を冷媒により加熱する場合の構
成を示す概略系統図である。

【図２】図２は熱交換装置を吸収式冷凍機のシステムを
適用した場合の構成を示す概略系統図である。

【図３】図３は本発明の一実施例における空調機で使用
する熱交換流路（環状流路が１のもの）を管で製作した
場合の斜視図である。

【図４】図４は本発明の一実施例における空調機で使用
する熱交換流路（環状流路が５のもの）を管で製作した
場合の斜視図である。

【図５】図５は本発明の他の一実施例における空調機で
使用する熱交換流路を一部管材、一部をブロック化して
製作した場合の斜視図である。

【図６】図６は本発明の他の一実施例における空調機で
使用する熱交換流路をブロック化して製作した場合の斜
視図である。

【図７】図７は本発明の一実施例において冷媒に水を使
用した場合の、冷媒温度に対して発生する冷温風の温度
を表すグラフである。

【符号の説明】

１ 凝縮器 ２ 熱交換器 ３ 断熱材 ４ ブロアー ５ 弁 ６ コントローラー ７ 逆止弁 ８ 膨張弁 ９ 膨張弁 １０ 逆止弁 １１ 蒸発器 １２ 四方弁 １３ コンプレッサー ａ 連通流路（配管、ダクトなど） ｂ 連通流路（配管、ダクトなど） ｃ 連通流路（配管、ダクトなど） ｄ 配管 ｅ 配管 ｆ 配管 ｇ 配管 ｈ 配管 ２１ 熱交換流路 ２２ 供給流路 ２３ 排出流路 ２４ 環状流路 ２５ 連通流路（連通管） ２６ 供給側のタンク ２７ 排出側のタンク ２８ 流入口 ２９ 流出口 ３０ 連通孔 ３１ 蒸発器 ３２ 凝縮器 ３３ 再生器 ３４ 吸収器 ３５ 蒸発器ポンプ ３６ 水 ３７ 熱源 ３８ 三方弁 ３９ 吸収剤ポンプ ４０ 希溶液 ４１ 冷却水 ４２ 溶液用熱交換器 ４３ 濃溶液 ４４ 熱源 ４５ 三方弁 ４６ 冷却水 ５１ 部材 ５２ 部材 ５３ 部材 ５４ 部材 ５５ 部材 ５６ 部材 ５７ 部材 ５８ 部材 ５９ 部材 ６０ 部材 ６１ 部材 ６２ 部材 ６３ 部材 ６４ 部材 ６５ 部材 ６６ 部材 ６７ 部材 ６８ 部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周方向に連通した環状流路と、この環状流
   路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるよう
   に前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口
   と、環状流路に形成された前記流入口及び前記流出口に
   連通した複数の連通流路とからなる熱交換流路と、該熱
   交換流路に連通された流体の供給流路および排出流路と
   からなる熱交換器を備えたヒートポンプ式空調機。
2. 【請求項２】供給流路にタンクを接続した請求項１記載
   のヒートポンプ式空調機。
3. 【請求項３】排出流路にタンクを接続した請求項１また
   は２記載のヒートポンプ式空調機。
4. 【請求項４】空気の供給装置を供給流路に接続した請求
   項１ないし３記載のヒートポンプ式空調機。
5. 【請求項５】熱交換器を蒸発器または凝縮器に入れた請
   求項１ないし４記載のヒートポンプ式空調機。
6. 【請求項６】熱交換器を入れた蒸発器または凝縮器を断
   熱材の容器に入れた請求項５記載のヒートポンプ式空調
   機。
7. 【請求項７】請求項１ないし６記載のヒートポンプ式空
   調機に空気を送ることによって冷温風を発生させる冷温
   風発生方法。