JP4398687B2 - ヒートポンプ式の冷暖房システム - Google Patents

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本発明は室内、屋内の冷暖房を行なう空冷、ヒートポンプ式の冷暖房方法及びそのシステムに関し、特に暖房時に室外機が着霜あるいは氷結してしまい正常な冷凍サイクルの運転に支障が生じてしまうことを是正するヒートポンプ式の冷暖房方法及びそのシステムに関する。
従来、空冷のヒートポンプ式の冷暖房機器、いわゆるエアコンディショナーの冷媒回路は図11、図12として示す構成となっている。ここで、図11は冷房運転時の冷媒の流れを示す回路図であり、図12は暖房運転時の冷媒の流れを示す回路図である。
一般的に、空冷、ヒートポンプ式の冷暖房システムは室外ユニット側と室内ユニット側とで構成され、その各ユニットは冷媒を流通させる管路で連接されている。この従来の冷暖房システムにあって冷房運転時には図11に示すように冷凍機1から吐出された冷媒ガスは四方切り替え弁6を介して室外ユニット側の第一のエバポレータ兼コンデンサ2に送り込まれ、ここを通過する際に凝縮される。即ち、第一のエバポレータ兼コンデンサ2は冷房運転時にはコンデンサとして作用する。
この凝縮された冷媒ガスはチャッキ弁20を通って膨張弁3−Cによって膨張される。この膨張した冷媒ガス、即ち、減圧された状態での冷媒ガスは室内ユニット側の第二のエバポレータ兼コンデンサ4によって蒸発気化され、この際の気化熱は周囲を冷却し、その冷却された雰囲気をファン7で室内に送ることで冷風が生じて冷房作用が起こることとなる。気化した冷媒ガスは再び冷凍機1に戻され、圧縮されることで冷媒の循環が繰り返される。
一方、この従来の冷暖房システムによって暖房運転をする場合には、冷凍機1から吐出された冷媒ガスは四方切り替え弁6を介して室内ユニット側のエバポレータ兼コンデンサ4に送られ、凝縮する。暖房運転時には、冷房運転時にエバポレータとして作用したものがコンデンサとして作用することとなる。
この冷媒ガスの凝縮時にはガスは凝縮熱を必要とし、その凝縮熱によって周囲を加熱する。この加熱された雰囲気はファン7によって温風として室内に送られ暖房作用が起こる。凝縮した冷媒は室内ユニット側のチャッキ弁22を通り、室外ユニット側の膨張弁3−Hで膨張されて第一のエバポレータ兼コンデンサ2によって蒸発気化されて冷凍機1へ戻り、圧縮され循環を繰り返す。この暖房運転時に、冷房運転時にはコンデンサとして作用する第一のエバポレータ兼コンデンサ2はエバポレータとして作用することになる。
従来の空冷、ヒートポンプ式とした冷暖房システムは上記のように作用する。しかしながら、この従来の冷暖房システムにあっては、冬季における暖房運転時に、室外にある第一のエバポレータ兼コンデンサ2が低温下にある外気に蒸発をさせるため、蒸発熱源が小さく、蒸発圧力が低下して冷凍機1における冷媒ガスの吐出圧力が低下してしまう。そのために、冷凍機1からの吐出ガス温度も下がってしまい暖房効果が低下してしまう。
この問題は、さらには室外の第一のエバポレータ兼コンデンサ2が低温の外気中に蒸発をさせることで、この第一のエバポレータ兼コンデンサ2が凍結、着霜してしまい、凝縮された冷媒液を気化することができなくなり、サイクル自体の正常性を欠落、つまりは暖房運転が不能におちいってしまうことにもなる。
従来は、係る事態の解決として、室外の第一のエバポレータ兼コンデンサ2の凍結を融解するために、一旦暖房のサイクルモードを冷房モードに切り替え、室外の第一のエバポレータ兼コンデンサ2を加熱することが行なわれるが、この冷房モードの間は暖房作用が停止されざるを得ないこととなっている。
特願2003−161590号
本発明が解決しようとする問題点は、特に冬季の暖房運転時に、室外におけるエバポレータ兼コンデンサが低温下中に蒸発を行なうことによって能力が下がり、強いては正常な運転が不能になってしまう点である。
この課題を解決するため、本発明は圧縮機1と室外ユニットにおける第一のエバポレータ兼コンデンサ2と室内ユニットにおける第二のエバポレータ兼コンデンサ4及び前記第一、第二のエバポレータ兼コンデンサへの冷媒流入口に設けられた膨張弁と、前記第一のエバポレータ兼コンデンサ2と連結される膨張弁と並列して暖房時デフロスト時に開放される切り替え弁を備えたヒートポンプ式冷暖房システムであって、暖房時、デフロストの際、前記切り替え弁によって第一のエバポレータ兼コンデンサ2に減圧処理されない冷媒を送って、凝縮作用でデフロストを行ない、前記第一のエバポレータ兼コンデンサ2と圧縮機1へ冷媒を戻す四方切り替え弁とを連結する流路中の切り替え弁9を閉じて、不完全凝縮状態となっている冷媒ガスを一次側へ流入させ、その一次側を通過した冷媒ガスを膨張弁を介して二次側へ送り込む熱交換器を備え、その熱交換器の二次側を通過した気化状態のガスを四方切り替え弁を介して圧縮機1へ送り戻すこととして、デフロスト時にも熱交換器の一次側と二次側における熱交換で冷媒の凝縮と蒸発機能を確保して正常な冷凍サイクルの維持(暖房作用の維持)をできることとし、前記した熱交換器は一次側と二次側とで相互の熱エネルギーが各々凝縮、蒸発の熱源とされ、その熱エネルギーは相乗効果で各々の機能を高めていき、経時変化で一次側と二次側は作用的に安定されるものであることとし、前記した熱交換器はカスケイドタイプのものとしたヒートポンプ式の冷暖房システムにおいて、前記した熱交換器の二次側流路における膨張弁は二つを並列して備え、その一方の膨張弁の流入側には高圧保護切り替え弁11を備えており、通常はこの高圧保護切り替え弁11のついていない膨張弁を使用し、その膨張弁を通過する冷媒の量の増加によって高圧保護切り替え弁11を開放し、その高圧保護切り替え弁11のついている膨張弁も使用することを特徴としている。
また、本発明は前記した熱交換器の蒸発容量を圧縮機1から吐出されるホットガスの圧力を検出して作動する圧力スイッチで高圧保護切り替え弁11を開閉し、膨張弁8、8を一つ乃至二つ使用してその膨張弁8、8の冷媒流通量を制御することを特徴としている。
さらに、本発明は前記した圧力スイッチ23を具備し、並列とした膨張弁8、8の一方に高圧保護切り替え弁11を備える構成として、熱交換器5自体を複数台回路中に組み入れ、この場合、圧縮機1からの冷媒ガスの吐出圧力を検出し、前記複数とした熱交換器の稼働台数を制御することを特徴としている。
本発明に係る冷暖房方法及びそのシステムは上記のように構成されている。そのため、室内ユニットにおけるエバポレータ兼コンデンサ(暖房時にはコンデンサとして作用)を少なくとも通過した冷媒(不完全凝縮冷媒ガス)を高効率の熱交換器の一次側を通過させ、その通過した冷媒を当該熱交換器の二次側に配した膨張弁を通す。この際に前記冷媒(不完全凝縮冷媒ガス)はこの膨張弁、即ち熱交換器の二次側で蒸発させることとなり、この蒸発作用に伴う気化熱で熱交換器の一次側に流入する冷媒(不完全凝縮冷媒ガス)を冷却、凝縮させることとなる。
つまり、本発明の構成にあっては熱交換器の一次側は二次側での蒸発ガスの蒸発熱源となり、二次側は一次側を通る不完全凝縮冷媒ガスの凝縮冷却の熱源となる。これは同時に当該熱交換器の一次側では不完全凝縮冷媒ガスの凝縮が促進され、二次側においては一次側の熱源によって凝縮された冷媒ガスの蒸発が連続されることとなることを意味する。
この熱交換器の一次側、二次側における凝縮作用と蒸発作用は相乗効果を発揮し、連続する時間に伴う経時変化によって熱交換器の一次側、二次側の作用は正常となるので外部熱源は一切不要として回路として連続運転が安定した状態で得られることとなるのであり、従来のように室外のエバポレータ兼コンデンサに起因する暖房効果の低下やサイクルの不能状態が生じてしまうことが一切なくなることとなる。即ち、冷凍サイクルは、その原理が冷媒ガスの持つ相変化時の潜熱を利用して冷却、加熱を行なう装置であり、冷凍、冷房時には凝縮熱が必要となり、これを空冷、水冷等の外部熱エネルギーによって放熱して凝縮熱を利用し、暖房、加熱時には気化熱を必要とし、これを外部熱エネルギーより取得する。冷凍機(圧縮機)は冷媒ガスを圧縮循環させ、凝縮、蒸発の熱バランスを保つ熱交換器にガスを吸引し、圧縮する機能を持つ。従って従来システムにあっては外部熱源として屋外空気や冷却水を必要とする例が多くなる。冷凍サイクルの物理的原理、機械的原則として次の二点が厳守されなくてはならない。物理的原理としては取得した気化熱は同等の熱エネルギーの放出がなくてはならないし、放出した凝縮熱は同様に同等の熱エネルギーを取得しなくてはならない。機械的原則としては冷凍機(圧縮機)に吸引する物質の状態は気体でなければならないし、気化された低圧、低温のガスが必要である。高圧、高温のガスを吸引すると冷凍機(圧縮機)は構造的に問題が生じ運転が不可能となる。本発明によれば、かかる原理、原則を厳守したものとなっており、着霜したコンデンサを除霜した冷媒ガスはコンデンサと冷凍機(圧縮機)吸引側の冷媒配管中に設けた高効率の熱交換器によって気化したガスが冷凍機(圧縮機)に吸引されて、圧縮、凝縮、膨張、蒸発の冷凍サイクルを維持して、圧縮機構に支障なく冷凍サイクルを連続運転することを可能としているのである。
上記した効果を得るために、前記した高効率の熱交換器を既設の冷暖房システム回路に組み入れ、必要に応じて切替弁を作用させ、冷媒の流路を変更することができることともした。
次に、図1乃至図10を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。なお、図11、図12として示す従来例と共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。図1は本発明を実施したヒートポンプ式の冷暖房システムの冷媒の基本回路を示す図、図2は同じく暖房運転時の冷媒の回路説明図、図3は同じくモリエ線図、図4は同じく暖房時デフロストの冷媒の回路説明図、図5は同じくデフロストの連続運転が可能であることを示す理論説明図、図6は同じく暖房時デフロストの冷媒容量増大時の回路説明図、図7は同じく理論説明図、図8は同じく暖房時デフロストの冷媒容量減少時の回路説明図、図9は同じく理論説明図、図10は同じく本発明で実施される熱交換器の機能の経時変化を説明する図である。
この本発明を実施した冷媒回路にあって暖房運転時には冷凍機1から吐出された冷媒ガスは四方切り替え弁6を介して室内ユニット側のコンデンサとして作用する第二のエバポレータ兼コンデンサ4に送られ、このコンデンサ4の管を内側から加熱し、管に熱エネルギーを奪われることで冷却、凝縮される。この凝縮熱は周囲を加熱し、その加熱された雰囲気をファン7で室内に送ることで温風による暖房作用がなされる。
また、前記した第二のエバポレータ兼コンデンサ4を通過した冷媒ガスは不完全凝縮状態となっており、室内ユニット側のチャッキ弁22を通り、膨張弁3−Hで膨張されて室外ユニット側の第一のエバポレータ兼コンデンサ2を通って冷凍機1へ循環される。
ここで、室外ユニット側が配置される外気が低温となり、前記したように第一のエバポレータ兼コンデンサ2の機能に低下が生じるとデフロストの回路に切り替えることができる。このデフロスト時に冷媒回路に組み付けられた高効率でサイクルを自己発生する熱交換器5が作用することとなり、この熱交換器5としてはカスケイドタイプのものが使用されることが望ましい。
このデフロスト用としての回路の切り替えは第一のエバポレータ兼コンデンサ2と冷凍機1とを連結する流路に設けられた切り替え弁9を閉じることによりなされ、同時に熱交換器5と冷凍機1へ冷媒を導く四方切り替え弁6とをつなぐ流路中の切り替え弁12を開放するとともに、室外ユニット側で膨張弁3−Hと並列に組み込まれた切り替え弁10も開放する。即ち、室内ユニット側のチャッキ弁22を通過した冷媒は格別に膨張弁3−Hを通ることなく切り替え弁10を通って第一のエバポレータ兼コンデンサ2を通って熱交換器5の一次側(5−A)へ導かれる。
前記したように、冷媒は熱交換器5の一次側へ流入される時点では不完全な凝縮状態となっている。つまり、デフロスト用に回路を切り替えた時に、室外の第一のエバポレータ兼コンデンサ2はエバポレータとして十分に機能せず蒸発作用が低下もしくは停止している。
この不完全凝縮状態の冷媒ガスは熱交換器5の一次側(5−A)を流通した後に、当該熱交換器5の二次側(5−B)へ送られる。この熱交換器5の二次側(5−B)の入口に至るまでの流路には膨張弁8・8が並列に組み込まれており、この膨張弁8を通すことによって一次側(5−A)から流れてくる不完全凝縮冷媒ガスの蒸発が行なわれる。
この膨張弁8による蒸発作用、即ち吸熱作用は連続して熱交換器5の一次側(5−A)へ流入してくる不完全凝縮冷媒ガスを冷却、凝縮させるための放熱源(冷却熱源)として作用することとなる。
つまり、この熱交換器5の一次側(5−A)における不完全凝縮冷媒ガスの流入は二次側(5−B)における蒸発作用の蒸発熱源(加熱源)となり、同時に二次側(5−B)における蒸発作用は一次側(5−A)に流入する不完全凝縮冷媒ガスを冷却、凝縮させる冷却熱源となる。この二次側における蒸発作用と一次側における冷却、凝縮作用は相乗効果を発揮し、所定の時間による経時変化によって熱交換器5の一次側と二次側は作用的に正常に安定され、暖房サイクルとしても長時間に亘る連続運転を可能とする。
また、暖房時に熱交換器5を作用させるデフロストの場合、室外ユニットの第一のエバポレータ兼コンデンサ2の膨張弁3−Hと並列(バイパス)の流路の切り替え弁10は開放させるので、第一のエバポレータ兼コンデンサ2には格別に減圧処理をされることのない冷媒ガスが導入されることとなる。室内ユニット側の第二のエバポレータ兼コンデンサ4にあっては冷凍機(コンプレッサ)1の仕事熱及び圧縮熱を放熱(加熱)エネルギーとして冷媒を凝縮させ、周囲に放熱を行なうが、この回路にあっては第一のエバポレータ兼コンデンサ2においても蒸発ではなく凝縮作用がなされることとなり、その放熱によって着霜や氷結を融解させることもできることとなる。
前記した熱交換器5における凝縮熱と蒸発熱の熱エネルギーは構成上同一容量であるため、サイクルとしてのバランスは崩れることなく冷凍サイクルとしての連続運転は可能となる。つまり、熱交換器5を作用させるデフロスト時にあっても冷媒の凝縮、蒸発の機能はしっかりと構成されるので全体のシステム機能に障害を起こすこともない。
さらに、前記したように熱交換器5の二次側(5−B)の入口流路には並列に二つの膨張弁8・8が組み込まれているもので、その一方の膨張弁8の入口には高圧保護切替弁11が設けられている。通常はこの高圧保護切替弁11のついていない方の膨張弁8が使用されているが、膨張弁8を通過する冷媒の量の増加によって、低圧上昇と同時に高圧上昇、吐出冷媒温度も上昇して加熱温度が上昇する。
そして、サイクルを自己発生する熱交換器5の効率と加熱負荷増量によって冷凍機(コンプレッサ)1の高圧上限圧力に近づく状態が発生する可能性があり、その保護として前記高圧保護切替弁11があり、冷凍機1からの冷媒の吐出圧力を圧力スイッチ23で検出して、前記高圧保護切替弁11を開閉し、膨張弁8・8を一つ乃至二つ使用してその膨張弁8・8の冷媒通過量を制御するものとしている。この作業によって図9に示すモリエ線図のように全体圧力を低下させて安全に連続運転を可能なものとしている。
ここで、図10により、本発明の中核となる熱交換器5の機能経時変化について説明する。この熱交換器5の一次側(5−A)に流入する冷媒は、高圧、高温の不完全凝縮状態となっている。冷凍機1より吐出されたホットガスはデフロスト時に室外の第二のエバポレータ兼コンデンサ2の除霜、融雪作用のため冷却による凝縮作用を発生し、放熱し一部液状となり、この一部液状の不完全凝縮冷媒ガスが熱交換器5の一次側(5−A)へ流入する。
この不完全凝縮冷媒ガスは熱交換器5の一次側を通って、一次側出口より流出し、膨張弁8・8を通過して熱交換器5の二次側(5−B)に流入する。この膨張弁8・8を通過する時に不完全凝縮冷媒ガスの一部液が蒸発気化される。この蒸発気化により、熱交換器5の中間プレートを介して、一次側に流入してくる不完全凝縮冷媒ガスを冷却し、より凝縮を促進させる。この時、一次側に流入してくる不完全凝縮冷媒ガスの末端的なホットガスの高温、高圧は二次側における蒸発気化作用の熱源となる。
一次側に流入される不完全凝縮冷媒を二次側の蒸発気化熱で冷却し、より凝縮を促進することで熱交換器5の一次側には凝縮された冷媒液が経時変化と共に増量されていく。この凝縮された冷媒液が増量すると、二次側では蒸発気化能力が増加し、この蒸発気化能力の増加は一次側における冷媒ガスの凝縮をさらに促進させる。
上記したように、熱交換器5の一次側に流入するホットガスは二次側における蒸発気化の熱源となり、二次側における蒸発気化は一次側におけるホットガスの凝縮熱として相互作用することとなる。この関係の相乗効果を継続することで熱交換器5の存在一つで外部熱源を一切不要として冷媒の凝縮、蒸発を連続させることができる。即ち、正常な冷凍サイクルの連続運転を可能とする。
また、前記した圧力スイッチ23を具備し、並列とした膨張弁8・8の一方に高圧保護切替弁11を付ける構成とすることで、熱交換器5自体を複数台回路中に組み入れることも可能で、その場合は圧力を検出制御してその熱交換器5自体の稼働台数を制御することも可能となる。
さらに、この冷暖房方法及びそのシステムに関し、室外ユニットの第一のエバポレータ兼コンデンサ2に冷媒を通すことなく、室内の第二のエバポレータ兼コンデンサ4を通過した不完全凝縮冷媒ガスを流路を切り替えることでダイレクトに熱交換器5の一次側へ送り込むように回路を構成することも可能である。
本発明の実施例で説明した熱交換器を回路に組み入れることで、本発明に係る冷暖房のほか、特許文献として示した冷凍庫、冷凍室用のデフロストをはじめ、種々の温度管理に関する技術、例えば温水製造、保温等々の技術で幅広く実施利用の可能性がある。
本発明を実施したヒートポンプ式の冷暖房システムの冷媒の基本回路を示す図である。 暖房運転時の冷媒の回路説明図である。 モリエ線図である。 暖房時デフロストの冷媒の回路説明図である。 デフロストの連続運転が可能であることを示す理論説明図である。 暖房時デフロストの冷媒容量増大時の回路説明図である。 理論説明図である。 暖房時デフロストの冷媒容量減少時の回路説明図である。 理論説明図である。 本発明で実施される熱交換器の機能の経時変化を説明する図である。 従来例を示す冷房運転時の冷媒回路図である。 従来例を示す暖房運転時の冷媒回路図である。
符号の説明
1 冷凍機
2 第一のエバポレータ兼コンデンサ
3−C 膨張弁
3−H 膨張弁
4 第二のエバポレータ兼コンデンサ
5 熱交換器
5−A 一次側
5−B 二次側
6 四方切り替え弁
7 ファン
8 膨張弁
9 切り替え弁
10 切り替え弁
11 高圧保護切替弁
20 チャッキ弁
21 ファン
22 チャッキ弁
23 圧力スイッチ

Claims (3)

  1. 圧縮機1と室外ユニットにおける第一のエバポレータ兼コンデンサ2と室内ユニットにおける第二のエバポレータ兼コンデンサ4及び前記第一、第二のエバポレータ兼コンデンサへの冷媒流入口に設けられた膨張弁と、前記第一のエバポレータ兼コンデンサ2と連結される膨張弁と並列して暖房時デフロスト時に開放される切り替え弁を備えたヒートポンプ式冷暖房システムであって、暖房時、デフロストの際、前記切り替え弁によって第一のエバポレータ兼コンデンサ2に減圧処理されない冷媒を送って、凝縮作用でデフロストを行ない、前記第一のエバポレータ兼コンデンサ2と圧縮機1へ冷媒を戻す四方切り替え弁とを連結する流路中の切り替え弁9を閉じて、不完全凝縮状態となっている冷媒ガスを一次側へ流入させ、その一次側を通過した冷媒ガスを膨張弁を介して二次側へ送り込む熱交換器を備え、その熱交換器の二次側を通過した気化状態のガスを四方切り替え弁を介して圧縮機1へ送り戻すこととして、デフロスト時にも熱交換器の一次側と二次側における熱交換で冷媒の凝縮と蒸発機能を確保して正常な冷凍サイクルの維持(暖房作用の維持)をできることとし、前記した熱交換器は一次側と二次側とで相互の熱エネルギーが各々凝縮、蒸発の熱源とされ、その熱エネルギーは相乗効果で各々の機能を高めていき、経時変化で一次側と二次側は作用的に安定されるものであることとし、前記した熱交換器はカスケイドタイプのものとしたヒートポンプ式の冷暖房システムにおいて、前記した熱交換器の二次側流路における膨張弁は二つを並列して備え、その一方の膨張弁の流入側には高圧保護切り替え弁11を備えており、通常はこの高圧保護切り替え弁11のついていない膨張弁を使用し、その膨張弁を通過する冷媒の量の増加によって高圧保護切り替え弁11を開放し、その高圧保護切り替え弁11のついている膨張弁も使用することを特徴とするヒートポンプ式の冷暖房システム。
  2. 前記した熱交換器の蒸発容量を圧縮機1から吐出されるホットガスの圧力を検出して作動する圧力スイッチで高圧保護切り替え弁11を開閉し、膨張弁8、8を一つ乃至二つ使用してその膨張弁8、8の冷媒流通量を制御することを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ式の冷暖房システム。
  3. 前記した圧力スイッチ23を具備し、並列とした膨張弁8、8の一方に高圧保護切り替え弁11を備える構成として、熱交換器5自体を複数台回路中に組み入れ、この場合、圧縮機1からの冷媒ガスの吐出圧力を検出し、前記複数とした熱交換器の稼働台数を制御することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のヒートポンプ式の冷暖房システム。
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