JP3663029B2 - 空調装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は空調装置に関するものであり、特に詳しくは室外機と、全数もしくは過半数が室外機より下方に設置された複数の室内機との間で、相変化可能な流体を循環させ、各室内機において冷暖房可能に構成した装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の装置として、例えば図5に示した構成の空調装置が、例えば特開平7−151359号公報に開示されている。図中1は冷水または温水が供給できる室外熱交換器(以下、室外機)、4は室外機1より下層の階に設置された室内機、5は室内機の熱交換器、8は流量調整弁、11Aは電動ポンプ、21〜24は開閉弁であり、これらを液相管6と気相管7とで図のように配管接続して閉回路3を形成し、閉回路3に封入した冷媒が室外機1と室内機4との間で循環して、室内機4において冷/暖房が行えるようになっている。なお、25は室外機1の側面に設置された液レベルセンサであり、暖房運転時に室外機1に溜った冷媒液が一定となるように電動ポンプ11Aを制御する。
【0003】
すなわち、上記構成の空調装置においては、室内機4が設置されている室内空気の温度が高いときに、電動ポンプ11Aを停止した状態で、開閉弁21・22を閉じて開閉弁23・24を開けると共に、流量調整弁8も開け、室外機1において発生させる冷熱によって閉回路3に封入した冷媒を冷却して凝縮させると、室外機1で凝縮した冷媒液は液相管6を自重で流下し、開閉弁23・24および流量調整弁8を介して熱交換器5に流入する。
【0004】
そして、熱交換器5に流入した冷媒液は、熱交換器の管壁を介して室内空気から熱を奪って冷房作用を行うと共に、冷媒自身は蒸発して気相管7に流入し、冷媒が凝縮して低圧となっている室外機1に還流すると云った自然循環が起こるので、電力消費量が年間を通じて最大となる夏期においては電動ポンプ11Aを駆動する電力が不要であり、ランニングコストが削減できると云った利点がある。
【0005】
また、開閉弁21・24を閉じて開閉弁22・23を開けると共に、流量調整弁8も開け、電動ポンプ11Aを起動して、室外機1において発生させる冷熱によって閉回路3に封入した冷媒を冷却して凝縮させると、室外機1で凝縮した冷媒液は自重と電動ポンプ11Aの吐出力とで液相管6を流下し、流量調整弁8を通って熱交換器5に入り、冷房作用を行う冷媒の循環が強制的に行われる。
【0006】
このように、電動ポンプ11Aを起動して冷房を行う場合は、室外機1の直ぐ下に当たる上層階に設置した熱交換器5にも十分な量の冷媒液が供給できると云った利点がある。
【0007】
一方、室内機4が設置されている室内空気の温度が低いときに、開閉弁22・23を閉じて開閉弁21・24を開けると共に、流量調整弁8も開け、電動ポンプ11Aを起動した状態で、室外機1において発生させる温熱によって閉回路3に封入した冷媒を加熱して蒸発させると、室外機1で蒸発した冷媒蒸気は気相管7を介して熱交換器5に流入する。
【0008】
そして、熱交換器5に流入した冷媒蒸気は、熱交換器の管壁を介して室内空気に放熱して暖房作用を行うと共に、冷媒自身は凝縮して液相管6に流入し、開閉弁24・21を介して電動ポンプ11Aにより室外機1に還流すると云った循環が起こり、室内機4における暖房運転が継続されるようになっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平7−151359号公報に開示された上記構成の空調装置においては、電動ポンプを停止して冷媒を自然循環させて冷房を行う場合には、電力消費がピークとなる夏期の電力消費が削減でき、ランニングコストの抑制が実現できるが、室外機との上下差が小さい上層階の室内機には十分な量の冷媒が供給され難い上に、同一階に設置された室内機であっても、配管の長さの相違や、引き回し角度などによって冷媒が供給され易い場合と、供給され難い場合とがあり、室内温度の制御が正確に行い難いと云った問題点がある。
【0010】
一方、電動ポンプを起動すれば、上層階に設置の室内機にも十分な量の冷媒が供給でき、必要な冷房作用が確保できるが、ポンプを駆動するための電力が必要となる。しかも、この場合の電動ポンプは暖房運転時に室内機で凝縮した冷媒液を上方に設置した室外機まで搬送することができる能力を備えた大型のポンプであるため、電力消費が一層嵩むと云った問題点がある。
【0011】
したがって、十分な冷房作用が発揮でき、しかも電力消費量が少ない空調装置を提供する必要があった。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来技術の課題を解決するため、室外機と、外機より下方に設置された複数の室内機との間で、相変化可能な流体を主に液相と気相との比重差によって循環させる装置であって、有効に作動している室内機を流れる流体の出入口温度、もしくはその温度差に起因する物理量の差が他の有効に作動している室内機の差より少なくとも所定時間に渡って突出した際に、室内機に流れる流体の流量を前記差の突出量が減る方向へ補正可能な流量調整弁を備えると共に、室外機で凝縮した流体を室内機に搬送するためのポンプを室外機の熱交換器よりは低く、内機の熱交換器よりは高い部位の液相管に設けるようにした空調装置を提供するものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。なお、理解を容易にするため、これらの図においても前記図5において説明した部分と同様の機能を有する部分には、同一の符号を付した。
【0015】
〔第1の実施形態〕
図1と図2は、本発明になる第1の実施形態を示したものであり、1は冷熱を発生させることができる、例えば吸収式冷凍機などからなる室外機であり、建物の例えば屋上にある機械室などに設置され、例えば蒸発器の内部に配管した熱交換器2を介して、閉回路3に封入した相変化が可能な流体、例えば低温度でも圧力が低下すると容易に蒸発し得る、R−134aと熱の授受を行う。
【0016】
5は、建物の各部屋に設置した室内機4の熱交換器であり、室外機1の熱交換器2は、図のように液相管6・気相管7及び流量調整弁8によって配管・接続されて、前記閉回路3を形成している。また、液相管6にはレシーバタンク16と電動ポンプ17とを破線で示したように、すなわちレシーバタンク16は室外機1で凝縮した流体が流入可能に室外機1の熱交換器2よりは低く設ける。また、動ポンプ17はレシーバタンク16よりは低く、室内機4の熱交換器5よりは高い部位に設ける。
【0017】
なお、8Mは流量調整弁8の開度を制御するためのステッピングモータ、9は室内空気を熱交換器5に吹き付けて室内に還流させるための送風機、10と11はR−134aの温度を検出するために熱交換器5のR−134aの出入口に設けた温度センサであり、流量調整弁8の開度が同じであれば、空調負荷が大きいほど入口側の温度センサ10と出口側の温度センサ11との温度差は拡大し、空調負荷が小さいほど前記温度差は縮小する。
【0018】
また、この室外機1には室外制御装置12を、室内機4には温度センサ10・11が検出したR−134aの温度情報に基づいてステッピングモータ8Mを動作させ、流量調整弁8の開度を制御する室内制御装置13を設けてある。そして、室内制御装置13には、流量調整弁8の現開度および温度センサ10・11が検出した温度情報を通信信号に変換可能であると共に、外部から受信した通信信号を所要の制御信号に変換することのできる信号変換器(図示せず)を内蔵して、室外制御装置12と室内制御装置13とを通信線14によって接続し、室外制御装置12が出力する制御信号を室内制御装置13が受けて流量調整弁8の開度が制御されるようにも構成してある。また、室内制御装置13と通信可能で、冷房の起動/停止、送風の強弱選択、温度設定などが行えるリモコン15を各室内機4に対応して設置してある。
【0019】
先ず、閉回路3に封入したR−134aの基本的な循環サイクル、すなわち電動ポンプ17が起動されていないときの循環サイクルを説明する。室外機1で発生した冷熱によってR−134aは熱交換器2の管壁を介して冷却されるので、R−134aは凝縮して下流側の液相管6に溜り、室内機4の流量調整弁8を介して各熱交換器5に所定温度、例えば7℃で供給される。
【0020】
一方、各熱交換器5においては、送風機9によって温度の高い室内空気が強制的に供給されているので、室外機1から7℃で供給された液状のR−134aは室内空気から熱を奪って蒸発し、冷房作用を行なう。
【0021】
そして、R−134aが冷却されて凝縮・液化し、低圧になっている室外機1の熱交換器2に気相管7を通って還流すると云った循環が自然に起こる。
【0022】
しかし、発明が解決しようとしている課題の所で説明したように、室外機1の熱交換器2で放熱・凝縮し、室内機4の熱交換器5に流入するR−134aの自重は下の階に設置された室内機4ほど大きく作用し、上の階に設置されている室内機4ほど小さく作用するので、開度が同じであっても流量調整弁8を通って熱交換器5に供給されるR−134aの量は、下の階に設置されている室内機4ほど多く、上層階に設置されている室内機4ほど少なくなる傾向にある。
【0023】
また、同じ階に設置されている室内機4であっても、流路抵抗の関係から室外機1の近くに設置された室内機4と、遠く離れて設置された室内機4では近くに設置された室内機4ほどR−134aは流入し易く、さらに配管の内径が相違していたり、引き回し設置する際の曲率などによってもR−134aの流入の難易度は影響を受ける。
【0024】
さらに、液相管6でのR−134aの沸騰による抵抗もあり、流量調整弁8の開度を機器の設置場所に基づいて補正制御しても温度的に安定するまでの時間が長くかかる。また、液相管6でのR−134aの沸騰は、その循環する量によっても影響を受けるため、状況は絶えず変化することになる。
【0025】
例えば、起動時にはR−134aは充分には冷却されていないため、沸騰が起こり易くなる。この場合、沸騰による気泡混入のため、その室内機4での抵抗は大きくなり、放置すると熱交換器5の出入口部におけるR−134aの温度差は室内機4毎に大きくばらつく。このようなときには、例えば流量調整弁8を大きく開けてR−134aの循環量を多くし、R−134aの沸騰を抑えることで抵抗を通常のレベルまで下げる。
【0026】
すなわち、温度センサ10・11が検出した温度情報が同じであるからと云って、流量調整弁8に室内制御装置13から同じ制御信号を出力してその開度制御を行ったのでは、冷房負荷に応じた適量のR−134aが供給できない。
【0027】
このため、室外制御装置12は、起動している全ての室内機4における温度センサ10・11が検出した温度情報を通信回線14を介して室内制御装置13から受け取ると、先ず温度センサ11が検出した温度t1 と、温度センサ10が検出した温度t0 との差(t1 −t0 )を全ての室内機4についてΔT1 、ΔT2 、ΔT3 、ΔT4 、・・・と求め、次に平均温度差ΔTM を求める。
【0028】
そして、各温度差ΔTi と平均温度差ΔTM (=(ΔT1 +ΔT2 +ΔT3 +・・・・・+ΔTn )/n)との差(ΔTi −ΔTM )を10秒毎に求め、その差が所定値、例えば2℃以上であるときには、第1の強制補正として、該当する室内機4の流量調整弁8が開く方向に、そのステッピングモータ8Mを所定ステップだけ強制的に動作させる制御信号を通信回線14を介して該当する室内制御装置13に出力し、流量調整弁8の開度Kを強制的に補正する。
【0029】
また、前記の差(ΔTi −ΔTM )が所定時間に渡って所定値、例えば−2℃以下であるときには、第2の強制補正として、該当する室内機4の流量調整弁8が閉じる方向に、そのステッピングモータ8Mを所定ステップだけ強制的に動作させる制御信号を通信回線14を介して該当する室内制御装置13に出力し、流量調整弁8の開度Kを強制的に補正する。
【0030】
例えば送風機9が室内機4に取り込んで熱交換器5に吹き付けている空気の温度、すなわち室温がリモコン15で設定した温度と同じか高い場合はΔTtgt =1とし、そうでない場合はΔTtgt =3とし、温度センサ11が検出するR−134aの温度t1 と、温度センサ10が検出するR−134aの温度t0 との温度差ΔTがΔTtgt となるように、各流量調整弁8の開度Kを制御して冷房運転しているときの強制補正制御の例を図2に基づいて説明する。
【0031】
ステップS1では、各室内機4において先ず室温が設定温度以上であるか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS2に移行してΔTtgt =1とし、ノーと判定されたときにはステップS3に移行してΔTtgt =3とする。
【0032】
ステップS4では、前記温度差ΔTが零以上であるか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS5に移行してΔT≧ΔTtgt であるか否かを判定し、ノーと判定されたときにはステップS6に移行してΔK1=0とする。
【0033】
ステップS5でイエスと判定されたときにはステップS7に移行して、例えばΔK1=(ΔT−ΔTtgt )/4とし、ノーと判定されたときにはステップS8に移行して、例えばΔK1=−α(但し、αはパワーなどを考慮して空調装置を設置する際に、例えば0.2〜2.4の範囲で決定)とする。
【0034】
ステップS9では、室外制御装置12から強制補正指示が出力されているか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS10に移行してΔK2=β(但し、βは前記第1の強制補正を行う場合は+2、前記第2の強制補正を行う場合は−2)とし、ノーと判定されたときにはステップS11に移行してΔK2=0とする。
【0035】
そして、ステップS12では流量調整弁8の開度KをK+ΔK1+ΔK2に制御し、ステップS13により10秒毎にこの制御を繰り返し行う。
【0036】
したがって、室外機1で冷却し室内機4に循環供給しているR−134aの出入口部における温度差が、平均的な温度差より著しく相違する室内機4においては、室外制御装置12が出力する強制補正指示に基づいてその流量調整弁8が強制的に補正されるので、全ての室内機4において同等の空調性が確保される。
【0037】
そして、本発明の空調装置は、室外制御装置12と室内制御装置13とによって室内機4の流量調整弁8が上記のように制御され、且つ、図1に破線で示したように、レシーバタンク16と電動ポンプ17とを設置してあるので、R−134aの液体と気体の比重差に加えて電動ポンプ17による搬送力が作用し、室内機4の設置階の相違によるR−134aの流入の難易差が縮小できる。これにより、室内機4の一部を室外機1と同じフロアに設置することも可能になる。
【0039】
〔第2の実施形態〕
図3と図4に基づいて第2の実施形態を説明する。この第2の実施形態においては、液相管6には破線で示したレシーバタンク16、電動ポンプ17に加えて、冷暖切替弁(開閉弁)18・レシーバタンク19・暖房用の電動ポンプ20を図のように配管接続し、室外機1で冷熱を発生しながら電動ポンプ20の運転を停止し、開閉弁18を開弁したときには前記第1の実施形態と同じR−134aの循環が起こって冷房運転が行え、室外機1で温熱を発生しながら開閉弁18を閉弁し、電動ポンプ20を運転したときには、室外機1で発生した温熱によって閉回路3のR−134aが熱交換器2の管壁を介して加熱されて蒸発し、気相管7を介して各室内機4の熱交換器5に所定温度、例えば55℃で供給され、各熱交換器5においては、送風機9によって強制的に供給された温度の低い室内空気にR−134aが放熱して凝縮・液化し、この凝縮・液化時に暖房作用を行ない、さらに、凝縮したR−134aの液体が流量調整弁8を通ってレシーバタンク19に入り、電動ポンプ20の搬送力によって室外機1の熱交換器2に還流するR−134aの循環が可能に、すなわち冷/暖房の何れか一方の空調が選択実施可能になっている。
【0040】
なお、蒸発器に配管した熱交換器2から冷熱を供給したり、温熱を供給することができる吸収式冷凍機としては、例えば特開平7−318189号公報などに開示されたものが使用できる。
【0041】
室外制御装置12は、暖房運転時においても起動中の全ての室内機4における温度センサ10・11が検出した温度情報を通信回線14を介して室内制御装置13から受け取ると、先ず温度センサ11が検出した温度t1 と、温度センサ10が検出した温度t0 との差(t1 −t0 )を全ての室内機4についてΔT1 、ΔT2 、ΔT3 、ΔT4 、・・・と求め、次に平均温度差ΔTM を求める。
【0042】
そして、各温度差ΔTi と平均温度差ΔTM (=(ΔT1 +ΔT2 +ΔT3 +・・・・・+ΔTn )/n)との差(ΔTi −ΔTM )を10秒毎に求め、その差が所定値、例えば2℃以上であるときには、第1の強制補正として、該当する室内機4の流量調整弁8が開く方向に、そのステッピングモータ8Mを所定ステップだけ強制的に動作させる制御信号を通信回線14を介して該当する室内制御装置13に出力し、流量調整弁8の開度Kを強制的に補正する。
【0043】
また、前記の差(ΔTi −ΔTM )が所定時間に渡って所定値、例えば−2℃以下であるときには、第2の強制補正として、該当する室内機4の流量調整弁8が閉じる方向に、そのステッピングモータ8Mを所定ステップだけ強制的に動作させる制御信号を通信回線14を介して該当する室内制御装置13に出力し、流量調整弁8の開度Kを強制的に補正する。
【0044】
例えば送風機9が室内機4に取り込んで熱交換器5に吹き付けている空気の温度、すなわち室温がリモコン15で設定した温度と同じか低い場合は場合はΔTtgt =1とし、そうでない場合はΔTtgt =3とし、温度センサ11が検出するR−134aの温度t1 と、温度センサ10が検出するR−134aの温度t0 との温度差ΔTがΔTtgt となるように、各流量調整弁8の開度Kを制御して暖房運転しているときの強制補正制御の例を図3に基づいて説明する。
【0045】
ステップS21では、各室内機4において先ず室温が設定温度以下であるか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS22に移行してΔTtgt =1とし、ノーと判定されたときにはステップS23に移行してΔTtgt =3とする。
【0046】
ステップS24では、前記温度差ΔTが零以上であるか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS25に移行してΔT≧ΔTtgt であるか否かを判定し、ノーと判定されたときにはステップS26に移行してΔK1=0とする。
【0047】
ステップS25でイエスと判定されたときにはステップS27に移行して、例えばΔK1=(ΔT−ΔTtgt )/4とし、ノーと判定されたときにはステップS28に移行して、例えばΔK1=−α(但し、αはパワーなどを考慮して空調装置を設置する際に、例えば0.2〜2.4の範囲で決定)とする。
【0048】
ステップS29では、室外制御装置12から強制補正指示が出力されているか否かを判定し、イエスと判定されたときにはステップS30に移行してΔK2=β(但し、βは前記第1の強制補正を行う場合は+2、前記第2の強制補正を行う場合は−2)とし、ノーと判定されたときにはステップS31に移行してΔK2=0とする。
【0049】
そして、ステップS32では流量調整弁8の開度KをK+ΔK1+ΔK2に制御し、ステップS33により10秒毎にこの制御を繰り返し行う。
【0050】
したがって、室外機1で加熱し室内機4に循環供給しているR−134aの出入口部における温度差が、平均的な温度差より著しく相違する室内機4においては、室外制御装置12が出力する強制補正指示に基づいてその流量調整弁8が強制的に補正されるので、全ての室内機4において同等の空調性が確保される。
【0051】
なお、この第2の実施形態の空調装置、図3に破線で示したように、レシーバタンク16と電動ポンプ17とを設置してあるので、R−134aの液体と気体の比重差に加えて電動ポンプ17による搬送力が作用し、冷房運転時に室内機4の設置階の相違によるR−134aの流入の難易差が縮小できる。これにより、室内機4の一部を室外機1と同じフロアに設置することも可能になる。
【0053】
また、暖房運転時に開弁し、冷房運転時に閉弁する、破線で示した冷暖切替弁(開閉弁)18aを図のように設置することにより、暖房運転時に電動ポンプ20によって室外機1に向けて搬送されるR−134aが、冷房用の電動ポンプ17を経由しないようにして、搬送抵抗を減少させることができる。
【0054】
また、温度センサ10・11は、熱交換器5に吹き付ける室内空気の温度変化が検出できるように設置したり、温度センサ10・11に代えて、熱交換器5の出入口部におけるR−134aの圧力差が検出できる圧力センサを設置して、室外制御装置12に空調負荷として出力するように構成することもできる。
【0055】
さらに、流量調整弁8の開度を強制的に変更する際の基準となる平均温度差ΔTM としては、算術平均だけでなく幾何平均であっても良い。また、中央値を採用することも可能であり、適宜選択した複数、例えば室内機4が10台程度であれば,その半数の5台、10台以上あれば適宜選択した5〜10台程度の平均値や中央値を求めて基準値とし、制御の簡素化を図ることも可能である。
【0056】
また、閉回路3に封入する相変化可能な流体としては、R−134aの他にも、R−407c、R−404A、R−410cなどであっても良い。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の空調装置によれば、室内機に循環供給している相変化可能な流体の出入口部における温度差が、平均的な温度差より著しく相違する室内機があれば、その室内機の流量調整弁の開度が強制的に補正されるので、全ての室内機において同等の空調性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の装置構成を示す説明図である。
【図2】第1の実施形態の制御例を示す説明図である。
【図3】第2の実施形態の装置構成を示す説明図である。
【図4】第2の実施形態の制御例を示す説明図である。
【図5】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
1 室外機
2 熱交換器
3 閉回路
4 室内機
5 熱交換器
6 液相管
7 気相管
8 流量調整弁
8M ステッピングモータ
9 送風機
10・11 温度センサ
12 室外制御装置
13 室内制御装置
14 通信線
15 リモコン
16 レシーバタンク
17 電動ポンプ
18 冷暖切替弁(開閉弁)
19 レシーバタンク
20 電動ポンプ

Claims (1)

  1. 室外機と、外機より下方に設置された複数の室内機との間で、相変化可能な流体を主に液相と気相との比重差によって循環させる装置であって、有効に作動している室内機を流れる流体の出入口温度、もしくはその温度差に起因する物理量の差が他の有効に作動している室内機の差より少なくとも所定時間に渡って突出した際に、室内機に流れる流体の流量を前記差の突出量が減る方向へ補正可能な流量調整弁を備えると共に、室外機で凝縮した流体を室内機に搬送するためのポンプを室外機の熱交換器よりは低く、内機の熱交換器よりは高い部位の液相管に設けたことを特徴とする空調装置。
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