JP6846614B2

JP6846614B2 - 高エネルギ効率構造を有する空調及びヒートポンプタワー

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Publication number: JP6846614B2
Application number: JP2018558329A
Authority: JP
Inventors: ウォン，リー，ワ
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Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-05-02
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Description

本発明は、空調及びヒートポンプシステムがヒートポンプモードで動作されている場合にかなりの量のエネルギを節減するように構成された高エネルギ効率構造を備える空調及びヒートポンプタワーに関する。

先行技術

従来の空調及びヒートポンプシステムは概ね２つの主なタイプに分けられる。第一のタイプは、室内空間の空気を直接加熱又は冷却するように配置された空調及びヒートポンプシステムである。第一のタイプの例は、室内空間から空気を制御可能に吸い込み、空気を直接加熱又は冷却する窓型空調及び／又はヒートポンプユニットである。空気は、加熱又は冷却された後、室内空間に戻される。第二のタイプは、熱交換媒体（通常は水）を用いて室内空間の空気を加熱又は冷却することができるセントラル空調ヒートポンプシステムである。

図１を参照すると、従来の空調及びヒートポンプシステム冷媒流路を示す概略図が示されている。従来の空調及びヒートポンプシステム１Ｐは、通常、圧縮機１１Ｐと、前部熱交換器１２Ｐと、後部熱交換器１３Ｐと、四方弁１４Ｐと、第一一方向弁１５１Ｐと、第二一方向弁１５２Ｐと、第一膨張弁１６１Ｐと、第二膨張弁１６２Ｐと、第一フィルタ装置１７１Ｐと、第二フィルタ装置１７２Ｐとを備えている。

第一一方向弁１５１Ｐ、第一膨張弁１６１Ｐ、及び第一フィルタ装置１７１Ｐは経路１内で直列に接続されている。第二一方向弁１５２Ｐ、第二膨張弁１６２Ｐ、及び第二フィルタ装置１７２Ｐは、経路２内で直列に接続されている。経路１内の構成部品及び経路２内の構成部品は並列に接続されている。これらの構成部品は前部熱交換器１２Ｐと後部熱交換器１３Ｐとの間に接続されている。

四方弁１４Ｐは、第一〜第四連通ポート１４１Ｐ、１４２Ｐ、１４３Ｐ、１４４Ｐを有しており、空調切換モード及びヒートポンプ切換モードで動作されることができ、空調切換モードでは、第一連通ポート１４１Ｐは第二連通ポート１４２Ｐに接続され、一方、第三連通ポート１４３Ｐは第四連通ポート１４４Ｐに接続されている。ヒートポンプ切換モードでは、第一連通ポート１４１Ｐは第三連通ポート１４３Ｐに接続され、一方、第二連通ポート１４２Ｐは第四連通ポート１４４Ｐに接続され得る。

従来の空調及びヒートポンプシステムを循環する冷媒は、周囲空気からの熱を吸収して室内空間に直接熱を放出するように配置される。空調及びヒートポンプシステムが空調システムとして動作する場合、過熱冷媒又は蒸気状冷媒が圧縮機１１Ｐから流出して第一連通ポート１４１Ｐ、第二連通ポート１４２Ｐ、後部熱交換器１３Ｐ、経路２内で接続された構成部品、及び（室内空間から熱を吸収するための）前部熱交換器１２Ｐ、第三連通ポート１４３Ｐ、第四連通ポート１４４Ｐを通過し、圧縮機１１Ｐに戻る。

空調ヒートポンプシステムがヒートポンプとして動作する場合、過熱冷媒又は蒸気状冷媒が圧縮機１１Ｐから流出して、第一連通ポート１４１Ｐ、第三連通ポート１４３Ｐ及び（室内空間に熱を放出するための）前部熱交換器１２Ｐ、経路１内で接続された構成部品、（周囲空気から熱を吸収するための）後部熱交換器１３Ｐ、第二連通ポート１４２Ｐ、第四連通ポート１４４Ｐを通過し、圧縮機１１Ｐに戻る。

上述の空調システム及びヒートポンプシステムは、世界中で広く長年にわたって利用されてきたが、これらのシステムには性能係数（ＣＯＰ）が比較的低いという一般的な欠点があり、これは、必要な仕事に対するタンクに供給され、又はタンクから除去される熱の比率として定義されることがある。

したがって、ＣＯＰが実質的に向上した空調及びヒートポンプシステムを開発する必要がある。

本発明の特定の変形形態は、空調及びヒートポンプシステムがヒートポンプモードで動作されている場合に実質的なエネルギ量を節減するように構成された高エネルギ効率構造を含む空調及びヒートポンプタワーを提供する。

本発明の特定の変形形態は、周囲空気が室内空間に給送される前にこれを予熱するように構成された高エネルギ効率構造を備える空調及びヒートポンプシステムを提供する。

本発明の特定の変形は、上述のような従来の空調及びヒートポンプシステムと比較して、システムによって行われる所与の仕事に対して、指定された室内空間により多くの熱を発生することができる空調及びヒートポンプタワーを提供する。

本発明の一態様では、本発明は、
壁の両側に室内空間と室外空間を形成する前記壁の開口部に位置する空調及びヒートポンプタワーであって：
仕切壁を備え、
前記室内空間に露出する室内部と、
前記室外空間に露出する室外部と、を有する主ケーシングと、
前記主ケーシング内に形成された収容キャビティであって、前記仕切壁が前記収容キャビティを前部区画と後部区画とに分割する、前記収容キャビティと、
前記主ケーシングの前記室内部に形成され、前記前部区画を前記室内空間に連通させる室内空気入口と、
前記主ケーシングの前記室内部に形成され、前記前部区画を前記室内空間に連通させる室内空気出口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記後部区画を前記室外空間に連通させる室外空気入口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記後部区画を前記室外空間に連通させる室外空気出口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記前部区画を前記室外空間に連通させる少なくとも１つの室外吸気口と、
前記主ケーシングの前記収容キャビティに収容される複数の接続管と、
前記主ケーシングに支持され、圧縮機出口と圧縮機入口とを有する圧縮機と、
前記主ケーシングの前記前部区画内に支持され、前記接続管のうちの少なくとも１つを介して前記圧縮機に接続され、前記主ケーシングの前記室内部に延在する室内熱交換部と前記主ケーシングの前記室外部に延在する室外熱交換部を有する前部熱交換器と、
前記主ケーシングの前記後部区画内に支持され、前記接続管のうちの少なくとも１つを介して前記圧縮機と前記前部熱交換器に接続された後部熱交換器と、
前記主ケーシングに支持され、空気を引き込んで前記室内空間と前記室外空間との間に流すためのファンユニットと、
前記主ケーシングの前記室外部において前記収容キャビティの前記前部区画内に支持され、前記前部熱交換器の前記室外熱交換部と前記吸気口の間に位置し、前記前部熱交換器と前記後部熱交換器との間に接続された第一予熱熱交換器を備える高エネルギ効率構造と、
を備え、
前記空調及びヒートポンプタワーは、空調モードとヒートポンプモードとの間で選択的に動作され、前記空調モードでは、所定量の蒸気冷媒が前記圧縮機から流出し、周囲空気に所定量の熱を放出するように前記後部熱交換器に流入するように誘導されるように配置され、前記後部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室内空間から熱を吸収するために前記前部熱交換器に流入するように誘導され、前記前部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記圧縮機に還流して空調サイクルを完了するように誘導され、
前記ヒートポンプモードでは、所定量の蒸気冷媒が前記圧縮機から流出し、前記室内空間に熱を放出するように前記前部熱交換器に流入するように誘導されるように配置され、前記前部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室外吸気口から引き込まれた周囲空気に熱を放出するために前記第一予熱熱交換器に流入するように誘導され、前記第一予熱熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室外空気入口から引き込まれた周囲空気から熱を吸収するために前記後部熱交換器に流入するように誘導され、前記後部熱交換器から流出した冷媒は、前記圧縮機に還流して空調サイクルを完了するように誘導される、空調及びヒートポンプタワーを提供する。

図１は、従来空調及びヒートポンプシステム冷媒流路を示す概略図である。

図２は、本発明の第一の好ましい実施形態による空調ヒートポンプタワーの概略図である。

図３は、主ケーシングの内部の内部構造を示す、本発明の第一の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの概略斜視図である。

図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った空調及びヒートポンプタワーの断面図である。

図５は、本発明の第一の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの高エネルギ効率構造の概略図である。図６は、冷媒の全体的な流路を示す、本発明の第一の好ましい実施形態による

空調及びヒートポンプタワーの概略図である。

図７は、主ケーシングが外部ケーシングと支持用ケーシングとを備えることができることを示す、本発明の第一の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの概略図である。

図８は、本発明の第二の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの高エネルギ効率構造の概略図である。

図９は、周囲空気の流路を示す、本発明の第二の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの高エネルギ効率構造の概略図である。

図１０は、冷媒の全体的な流路を示す、本発明の第二の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーの概略図である。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明を実施する好ましい形態である。説明はいかなる限定的な意味にも解釈されない。これは、本発明の一般的な原理を例示する目的で提示される。

図面の図２〜図６を参照すると、本発明の第一の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーが示されている。概して、空調及びヒートポンプタワーは、主ケーシング１０と、複数の接続管２０と、圧縮機３０、前部熱交換器４０と、少なくとも１つの後部熱交換器５０と、ファンユニット６０と、高エネルギ効率構造７０と、を含む。所定量冷媒が、空調及びヒートポンプタワーの様々な構成要素（後述）を通って接続管２０を通って循環することができる。空調及びヒートポンプタワーは、壁１００の両側にそれぞれ室内空間１０１及び室外空間１０２をそれぞれ形成する壁１００の開口部に位置する。

主ケーシング１０は、仕切壁１１を備え、室内空間１０１に曝される室内部１２と、室外空間１０２（すなわち周囲空気）に曝される室外部１３と、主ケーシング１０内に形成された収容キャビティ１４とを有することができる。仕切壁１１は、収容キャビティ１４を前部区画１４１と後部区画１４２とに分割するように配置され得る。

主ケーシング１０は、室内空気入口１５、室内空気出口１６、少なくとも１つの室外空気入口１７、室外空気出口１８、及び少なくとも１つの室外吸気口１９をさらに有することができる。室内空気入口１５は、主ケーシング１０の室内部１２に形成され、前部区画１４１を室内空間１０１に連通させることができる。室内空気出口１６も主ケーシング１０の室内部１２に形成され、前部区画１４１を室内空間１０１に連通させることができる。

室外空気入口１７は、主ケーシング１０の室外部１３の両側に形成され、後部区画１４２を室外空間１０２に連通させることができる。室外空気出口１８は、主ケーシング１０の室外部１３の後部に形成され、後部区画１４２を室外空間１０２に連通させることができる。室外吸気口１９は、主ケーシング１０の室外部１３に形成され、前部区画１４１を室外空間１０２に連通させることができる。図４に示されるように、主ケーシング１０は、周囲空気を室外空気入口１７を通って収容キャビティ１４の後部区画１４２に引き込み得るように、室外部１３の両側に形成された２つの室外空気入口１７を有し得る。

圧縮機３０は主ケーシング１０内に支持されてもよく、圧縮機出口３１と圧縮機入口３２とを有することができる。

前部熱交換器４０は、主ケーシング１０の収容キャビティ１４の前部区画１４１内に支持されてもよく、少なくとも１本の接続管２０を介して圧縮機３０に接続され得る。前部熱交換器４０は、主ケーシング１０の室内部１２内に延在する室内熱交換部４１と、主ケーシング１０の室外部１３内に延在する室外熱交換部４２とを有することができる。

後部熱交換器５０は、主ケーシング１０の収容キャビティ１４の後部区画１４２内に支持され、少なくとも１本の接続管２０を介して圧縮機３０及び前部熱交換器４０に接続され得る。

空気を引き込んで、空気が主ケーシング１０内を通って室内空間１０１から室外空間１０２に、またその逆に流れることができるようにするためのファンユニット５０が主ケーシング１０に支持され得る。

高エネルギ効率構造７０は、主ケーシング１０の室外部１３にある収容キャビティ１４の前部区画１４１内に支持された第一予熱熱交換器７１を備えることができる。第一予熱熱交換器７１は、前部熱交換器４０の室外熱交換部４２と室外吸気口１９の間に配置されてもよく、前部熱交換器４０と後部熱交換器５０との間に接続され得る。

空調及びヒートポンプタワーは、空調モードとヒートポンプモードのうちの少なくとも１つで選択的に動作され得る。空調モードでは、所定量の蒸気冷媒が圧縮機３０から流出し、周囲空気に熱を放出するために後部熱交換器５０に流入するように誘導されるように配置されることができ、後部熱交換器５０から流出した冷媒は、室内空間１０１から熱を吸収するために前部熱交換器４０に流入するように誘導され得る。前部熱交換器４０から流出した冷媒は、圧縮機３０に還流するように誘導され、空調サイクルを完了させる。空調モードでは、空調及びヒートポンプタワーは、室内空間１０１から熱を吸収又は抽出して室内温度を低下させるように構成され得る。

空調及びヒートポンプタワーがヒートポンプモードにある場合は、所定量の蒸気冷媒が圧縮機３０から流出し、室内空間１０１に熱を放出するために前部熱交換器４０に流入するように誘導されるように配置され得る。前部熱交換器４０から流出し冷媒は、室外吸気口１９から引き込んだ周囲空気に熱を放出するために、高エネルギ効率構造７０の第一予熱熱交換器７１に流入するように誘導され得る。第一予熱熱交換器７１から流出した冷媒は、室外空気入口１７から引き込まれた周囲空気外気から熱を吸収するために後部熱交換器５０に流入するように誘導され得る。後部熱交換器５０から流出した冷媒は、圧縮機３０に還流してヒートポンプサイクルを完了させるように誘導され得る。ヒートポンプモードでは、空調及びヒートポンプタワーは、熱を生成し、室内空間１０１に給送して室内空間１０１の温度を上昇させるように構成され得る。

第一の好ましい実施形態によれば、空調及びヒートポンプタワーは、主ケーシング１０が室内空間１０１を室外空間１０２に熱連通させるように、壁１００の開口部に設置され得る。空調及びヒートポンプタワーは、室内空間１０１に空気を直接給送し、又はそこから空気を抽出することができる。水などの熱交換仲介材は必要ではない。

圧縮機３０は、貫流する冷媒を加圧するように構成され得る。これは、代表的な空調サイクル又はヒートポンプサイクル冷媒循環の出発点を形成する。圧縮機３０は、収容キャビティ１４の前部区画１４１内に取り付けられてもよい。

前部熱交換器４０は第一連通ポート４３と第二連通ポート４４とを有することができ、前部熱交換器４０を通過する空気と冷媒間で熱交換を行うように構成され得る。前部熱交換器４０は、空調及びヒートポンプタワーが空調モードで動作される場合に蒸発器として機能する（すなわち冷媒を気体又は蒸気状態に変換する）ように構成され得る。逆に、前部熱交換器４０は、空調及びヒートポンプタワーがヒートポンプモードで動作される場合に凝縮器として機能する（すなわち冷媒を液体状態に変換する）ように構成され得る。

図３〜４に示されるように、前部熱交換器４０の室内熱交換部４１は、主ケーシング１０の横方向に沿ってその室内部１２内に延在することができ、室内空気入口１５の近傍に配置され得る。室内空間１０１からの空気は収容キャビティ１４内に引き込まれ、前部熱交換器４０の室内熱交換部４１を通過する冷媒との熱交換を行うために室内熱交換部４１を通過するように誘導され得る。室内熱交換部４１を通過した空気は、室内空気出口１６を通って室内空間１０１に再び還流されるように誘導され得る。室内空気入口１５は、図２に示されるように、室内空気出口１６の下に配置され得る。

前部熱交換器４０の室外熱交換部４２は、室内熱交換部４１の少なくとも一端部から室外吸気口１９に隣接する位置へ後方に延在され得る。室外熱交換部４２は、室外吸気口１９から引き込まれた空気と熱連通（熱伝導）され得るように主ケーシング１０の室外部１３に置かれるように配置され得る。前部熱交換器４０のこの構成は、図４及び図５に示されている。

本発明の好ましい実施形態では、空調及びヒートポンプタワーは、後部区画１４２の両側に設けられた２つの（ただし少なくとも１つの）後部熱交換器５０を備えることができ、各々の後部熱交換器５０は、室外空気入口１７とそれぞれ熱連通され得る。２つの後部熱交換器５０が利用される場合は、これらは並列に接続され得る。

各々の後部熱交換器５０は、第一流路ポート５１と第二流路ポート５２とを有することができ、対応する室外空気入口１７から引き込まれた空気と冷媒の間で熱交換を行うように構成され得る。後部熱交換器５０は、空調及びヒートポンプタワーが空調モードで動作される場合に凝縮器として機能する（すなわち冷媒を液体状態に変換する）ように構成され得る。逆に、後部熱交換器５０は、空調及びヒートポンプタワーがヒートポンプモードで動作される場合に蒸発器として機能する（すなわち冷媒を気体又は蒸気状態に変換する）ように構成され得る。第一流路ポート５１と第二流路ポート５２とは、後部熱交換器５０を通過する冷媒の入口又は出口として形成することができる。

圧縮機３０、前部熱交換器４０、及び後部熱交換器５０は、ある特定の構成では接続管２０を介して配置され、接続され得る。例示的な構成が図６に示されている。

空調及びヒートポンプタワーは、冷媒の流路を変更するために圧縮機８０、前部熱交換器４０及び後部熱交換器５０との間を接続する切換装置８０をさらに備えることができる。具体的には、切換装置８０は第一〜第四接続ポート８１、８２、８３、８４を有し、空調切換モードとヒートポンプ切換モードとの間で切換えられることができ、空調切換モードでは、冷媒が第一接続ポート８１から第二接続ポート８２に流れることができるように、第一接続ポート８１が第二接続ポート８２に接続される一方、冷媒が第三接続ポート８３から第四接続ポート８４に流れることができるように、第三接続ポート８３が第四接続ポート８４に接続され得る。

ヒートポンプモードでは、切換装置８０は、冷媒が第一接続ポート８１から第三接続ポート８３に流れることができるように、第一接続ポート８１が」第三接続ポート８３に接続され、一方、冷媒が第一接続ポート８１から第四接続ポート８４に流れることができるように、第二接続ポート８２が第四接続ポート８４に接続されるように切換えられ得る。

図６に示されるように、第一接続ポート８１は、圧縮機３０の圧縮機出口３１に接続され得る。第二接続ポート８２は、後部熱交換器５０の第二流路ポート５２と並列に接続され得る。第三接続ポート８３は、前部熱交換器４０の第二連通ポート４４に接続され得る。第四接続ポート８４は、圧縮機３０の圧縮機入口３２に接続され得る。

各々の後部熱交換器５０の第一流路ポート５１は、並列に接続された様々な構成部品を介して前部熱交換器４０の第一連通ポート４３に接続され得る。例示的な構成が図６に示されている。明快と読解の容易のため、図６では平行な２つの経路が経路１及び経路２と示称されている。「経路」は冷媒の流路を指す。

空調及びヒートポンプタワーは、経路１と経路２内にそれぞれ接続された第一一方向弁８５１と第二一方向弁８５２とをさらに備えることができる。第一及び第二一方向弁８５１、８５２は、一方の所定の方向冷媒の流れを制限し、逆方向の流れは制限しないように構成され得る。第一の好ましい実施形態では、第一一方向弁８５１は、冷媒が前部熱交換器４０から経路１を通って後部熱交換器５０に流れることができるように構成され得る。第二一方向弁８５２は、冷媒が後部熱交換器５０から経路２を通って前部熱交換器４０に流れることができるように構成され得る。

空調及びヒートポンプタワーは、経路１内の第一一方向弁８５１と経路２内の第二一方向弁８６２にそれぞれ直列に接続された第一フィルタ装置８６１と第二フィルタ装置８６２とをさらに備えることができる。第一フィルタ装置８６１と第二フィルタ装置８６２とは、これらを通過する冷媒から不要な物質をろ過して除去するように構成され得る。

空調及びヒートポンプタワーは、経路１内の第一予熱熱交換器７１と経路２内の第二フィルタ装置８６２にそれぞれ直列に接続された第一膨張弁８７１と第二膨張弁８７２とをさらに備えることができる。第一膨張弁８７１と第二膨張弁８７２とは、これらを通過する冷媒の流れを制御し、調整するように構成され得る。したがって、第一予熱熱交換器７１は、経路１内で第一膨張弁８７１と第一フィルタ装置８６１間の間に接続され得る。

空調及びヒートポンプタワーは、経路１内で第一予熱熱交換器７１と第一フィルタ装置８６１との間に接続された第一流量調整弁８８１をさらに備えることができる。第一流量調整弁８８１は、これを通過する冷媒の圧力を低下させるように構成され得る。

高エネルギ効率構造７０の第一予熱熱交換器７１は、主ケーシング１１内の室外部１３に取り付けられてもよい。第一予熱熱交換器７１は、前部熱交換器４０の室外熱交換部４２と室外吸気口１９の間の空間に配置されてもよい。第一予熱熱交換器７１は、経路１内で第一膨張弁８７１と第一流量調整弁８８１との間に直列に接続され得る。主ケーシング１０に流入する周囲空気は、先ず第一予熱熱交換器７１を通過し、次いで前部熱交換器４０の室外熱交換部４２を通過するように配置され得る。第一予熱熱交換器７１は、第一冷媒入口７１１と第一冷媒出口７１２とを有することができる。

本発明の動作は以下の通りである。上述の空調及びヒートポンプタワーは、熱交換プロセスを遂行するための上述の構成部品を通って流れる冷媒の流れサイクルを含む。

空調及びヒートポンプタワーが空調モードにある場合は、これは室内空間への冷気を生成するように構成される。冷媒サイクルは、圧縮機３０から開始する。過熱冷媒又は蒸気状冷媒は、圧縮機出口３１を通って圧縮機３０から流出するように配置され得る。切換装置８０は、空調切換モードに切り換えられ得る。圧縮機３０から流出した冷媒は、第一接続ポート８１、第二接続ポート８２を通過し、分岐されて対応する第二流路ポート５２を通って後部熱交換器５０に流入することができる。次いで冷媒は、熱を周囲空気に放出するように室外空気入口１７から引き込まれた周囲空気などの冷却材との熱交換を行うことができる。周囲空気は熱を放出した後に室外空気出口１８を通って室外区画１４２から放出され得る。冷媒は熱を放出した後に液状に変換され得る。冷媒は、その後、第一流路ポート５１を通って後部熱交換器５０から流出するように誘導され得る。後部熱交換器５０から流出した冷媒は融合され、次いで経路２内で接続された第二一方向弁８５２、第二フィルタ装置８６２、及び第二膨張弁８７２を通って流れるように誘導され得る。このとき、冷媒は、第一一方向弁８５１によって経路１に流入することが防止され得る。次いで冷媒は、第一連通ポート４３を通って前部熱交換器４０に流入するように誘導され得る。前部熱交換器４０に流入した冷媒は、次いで、空気から熱を吸収し、再び蒸気又は過熱状態に変換されるように、室内空気入口１５を通って室内空間から引き込まれた空気及び室外吸気口１９から引き込まれた空気との熱交換を行うように配置され得る。次いで冷媒は、第二連通ポート４４を通って前部熱交換器４０から流出するように誘導され得る。次いで冷媒は、切換装置８０の第三接続ポート８３及び第四接続ポート８４を通って流れ、最終的には圧縮機入口３２を通って圧縮機３０に還流するように誘導され得る。これにより空調モードでの１つ冷媒サイクルが完了する。

空調及びヒートポンプタワーが空調モードにある場合は、高エネルギ効率構造７０が停止されてもよいことに留意されたい。

空調及びヒートポンプタワーがヒートポンプモードにある場合、これは指定された室内空間１０１に熱を発生するように構成される。対応する冷媒サイクルも圧縮機３０から始まる。過熱又は蒸気冷媒は、圧縮機出口３１を通って圧縮機３０から流出するように配置され得る。切換装置８０は、ヒートポンプモードに切り換えられ得る。圧縮機３０から流出した冷媒は、第一接続ポート８１、第三接続ポート８３を通過し、第二連通ポート４４を通って前部熱交換器４０に流入することができる。次いで冷媒は、室内空間１０１から引き込まれた空気との熱交換を行い、室内の空気に熱を放出することができる。冷媒は熱を放出した後、液状に変換され得る。次いで冷媒は、第一連通ポート４３を通って前部熱交換器４０から出るように誘導され得る。第一の前部熱交換器４０から流出した冷媒は、次いで、経路１に接続されている第一一方向弁８５１、第一フィルタ装置８６１、及び第一流量調整弁８８１を通って流れるように誘導され得る。このとき、第二一方向弁８５２により冷媒が経路２に流入することが防止され得ることに留意されたい。

次いで冷媒は、室内吸気口１９から引き込まれた空気に熱を放出するために、第一冷媒入口７１１を通って高エネルギ効率構造７０の第一予熱熱交換器７１に流入するように誘導され得る。次いで冷媒は、第一冷媒出口７１２を通って第一予熱熱交換器７１から流出し、経路１内の第一膨張弁８７１を通って流れるように配置され得る。第二一方向弁１７１は、冷媒が経路２に流入することを防止し得る。その結果、次いで冷媒は、分岐されて第一流路ポートを通って後部熱交換器５０に流入するよう誘導され得る。冷媒は、後部熱交換器５０で熱交換を実施して周囲空気から熱を吸収するよう配置され得る。周囲空気は、主ケーシング１０の室外空気入口１７から引き込まれて室外空気出口１８を通ってそこから排出され得る。次いで冷媒は、蒸発して蒸気状態又は過熱状態になり得る。次いで冷媒は分岐され、対応する第二流路ポート５２通って後部熱交換器５０から流出するように誘導され得る。次いで冷媒は、切換装置８０の第二接続ポート８２と第四接続ポート８４とを通って流れ、最終的には圧縮機入口３２を通って圧縮機３０に還流するように誘導され得る。これによって、ヒートポンプモードの１つ冷媒サイクルが完了する。

ヒートポンプモードでは、周囲空気から引き込まれた空気を予熱するために高エネルギ効率構造７０が起動され得る。予熱熱交換器７１を通過する冷媒は、所定量の熱を周囲空気に移送し得る。空気は、さらに加熱されるように前部熱交換器４０の室外熱交換部４２を通過するように誘導され得る。予熱熱交換器７０及び前部熱交換器４０の室外熱交換部４２によって予熱された新鮮外気は、次いで室内空気出口１６を通って室内空間１０１に給送され得る。

一方、高エネルギ効率構造７０によって周囲空気を予熱することにより、空調及びヒートポンプタワー全体の全般的な性能係数（ＣＯＰ）が実質的に増加され得る。経路１内冷媒の熱を利用することによって、周囲空気が予熱されるため、これが室内空間１０１に給送される前に周囲空気の温度を所定の目標温度に上昇させるためにより少ないエネルギが使用され得る。さらに、経路１を通って流れる冷媒の熱の一部を移送することによって、後部熱交換器５０に流入する冷媒の温度を、従来のヒートポンプシステムと比較して低下させることができる。後部熱交換器５０に流入する冷媒の温度が低いほど、所与の圧縮性能において冷媒はより多くの熱を周囲空気から吸収することができる。したがって、圧縮機３０によってなされる所与の仕事で、より多くの熱が空調及びヒートポンプタワーによって生成され得る。

図７を参照すると、本発明の空調及びヒートポンプタワーは壁１００に設置され得る。主ケーシング１０は、外部ケーシング１００１と、空調及びヒートポンプタワーの上述の全ての構成部品を支持する支持ケーシング１００２と、支持ケーシング１００２の底部に接続された複数の車輪１００３とを備えることができる。支持ケーシング１００２は、外部ケーシング１００１に摺動可能に接続されている。支持ケーシングが外部ケーシング１００１から引き出されると、空調及びヒートポンプタワーの全ての構成部品が便利に保守又は修理され得る。

理解されるように、本発明の特徴は、空調タワーが施設に容易に設置され得ることである。この空調及びヒートポンプタワーは、壁１００に主ケーシング１０を取り付けるための取り付け装置を必要としない。本発明の利用者に必要なのは、壁１００に開口部を形成し、次いで空調及びヒートポンプタワーを壁１００の適切な位置に置くことだけである。

図８〜図１０を参照すると、本発明の第二の好ましい実施形態による空調及びヒートポンプタワーが示されている。第二の好ましい実施形態は、高エネルギ効率構造７０が第一予熱熱交換器７１と第一流量調整弁８８１の間に接続された第二予熱熱交換器７２をさらに備えていること以外は上述の第一の好ましい実施形態と構造的に類似している。第二の好ましい実施形態によれば、第二予熱熱交換器７２は、経路１内で第一予熱熱交換器７１に直列に接続され得る。第二流量調整弁８８２は、第一予熱熱交換器７１と第二予熱熱交換器７２との間に接続され得る。前部熱交換器４０から流出した冷媒は、第一予熱熱交換器７１に到達する前に第二予熱熱交換器７２を通過することができる。

したがって、第二予熱熱交換器７２は、経路１内で第一流量調整弁８８１に直列に接続された第二冷媒入口７２１と、第一予熱熱交換器７１の第一冷媒入口７１１に直列に接続され得る第二流量調整弁８８２に直列に接続され得る第二冷媒出口７２２とを有することができる。第一予熱熱交換器７１の第一冷媒出口７１２は、第一膨張弁８７１に直列に接続され得る。

図７〜図８に示されるように、第一予熱熱交換器７１と第二予熱熱交換器７２とは、室内吸気口１９から引き込まれた周囲空気が第一予熱熱交換器７１、第二予熱熱交換器７２及び室外熱交換部４２を実質的に通過するように、室内吸気口１９と前部熱交換器４０の室外熱交換部４２の間に配置され得る。

第二の好ましい実施形態による本発明の動作は以下の通りである：上述の空調及びヒートポンプタワーは、冷媒の流れサイクルを含む。空調及びヒートポンプタワーが空調モードにある場合は、これは室内空間１０１に冷気を発生するように構成され得る。冷媒サイクルは、圧縮機３０から始まる。過熱又は蒸気冷媒は、圧縮機出口３１を通って圧縮機３０から流出するように配置され得る。切換装置８０は空調切換モードに切換えられ得る。圧縮機３０から流出した冷媒は、第一接続ポート８１、第二接続ポート８２を通過し、分岐して第二流路ポート５２を通過して後部熱交換器５０に流入することができる。次いで冷媒は、室外空気出口１７から引き込まれた周囲空気と熱交換を行って周囲空気に熱を放出することができる。周囲空気は室外空気出口１８を通って室外区画１４２から排出され得る。熱を放出した後、冷媒は液体状態に変換され得る。次いで、冷媒は、第一流路ポート５１を通って後部熱交換器５０から流出するように誘導され得る。後部熱交換器５０から流出した冷媒は、融合され（合流し）、経路２に接続されている第二一方向弁８５２、第二フィルタ装置８６２、及び第二膨張弁８７２を通って流れるように誘導され得る。このとき、第一一方向弁８５１によって冷媒が経路１に流入することが防止され得る。次いで、冷媒は第一連通ポート４３を通って前部熱交換器４０に流入するように誘導され得る。前部熱交換器４０に流入した冷媒は、次いで室内空気から熱を吸収するために室内空気入口１５から引き込まれた空気との熱交換を行うように配置され得る。次いで冷媒は、蒸気又は過熱状態に再変換され得る。次いで冷媒は、第二連通ポート４４を通って前部熱交換器４０から流出するように誘導され得る。次いで冷媒は、切換装置８０の第三接続ポート８３及び第四接続ポート８４を通って流れ、最終的には圧縮機入口３２を通って圧縮機３０に還流するように誘導され得る。これにより空調モードでの１つ冷媒サイクルが完了する。こ冷媒サイクルは第一の好ましい実施形態の場合と同一であることに留意されたい。

空調及びヒートポンプタワーが空調モードにある場合は、高エネルギ効率構造７０が停止されてもよい。

空調及びヒートポンプタワーがヒートポンプモードにある場合、これは室内空間１０１に熱を発生するように構成され得る。対応する冷媒サイクルも圧縮機３０から始まる。過熱又は蒸気冷媒は、圧縮機出口３１を通って圧縮機３０から流出するように配置され得る。切換装置８０は、ヒートポンプ切換モードに切換えられ得る。圧縮機３０から流出した冷媒は、第一接続ポート８１、第三接続ポート８３を通過し、第二連通ポート４４を通って前部熱交換器４０に流入することができる。次いで冷媒は、室内空間１０１から引き込まれた空気との熱交換を行い、室内の空気に熱を放出することができる。室内空気は、室内空気出口１８を通して室内空間１０１に給送して戻され得る。冷媒は熱を放出した後、液状に変換され得る。次いで冷媒は、第一連通ポート４３を通って前部熱交換器４０から出るように誘導され得る。前部熱交換器４０から流出した冷媒は、次いで、経路１に接続されている第一一方向弁８５１、第一フィルタ装置８６１、及び第一流量調整弁８８１を通って流れるように誘導され得る。このとき、第二一方向弁８５２により冷媒が経路２に流入することが防止され得る。

次いで冷媒は、（第一予熱熱交換器７１を通過した後）第二予熱熱交換器７２を通って流れる周囲空気に熱を放出するために、第二冷媒入口７２１を通って高エネルギ効率構造７０の第二予熱熱交換器７２に流入するように誘導され得る。次いで冷媒は、第二冷媒出口７２２を通って第二予熱熱交換器７２から流出し、第二流量調整弁８８２を通過して、第一冷媒入口７１１を通って第一予熱熱交換器７１に流入することができる。冷媒は、室外吸気口１９から引き込まれた周囲空気に熱を放出し得る。次いで冷媒は、第一冷媒出口７１２を通って第一予熱熱交換器７１から流出し、経路１内の第一膨張弁８７１を通って流れるように誘導され得る。第二一方向弁８５２は、冷媒が経路２に流入することを防止することができる。その結果、冷媒は分岐し、第一流路ポート５１を通って後部熱交換器５０に流入することができる。冷媒は、熱交換を行って後部熱交換器５０内の周囲空気から熱を吸収するように配置され得る。冷媒は、次いで、蒸発して蒸気又は加熱状態になり得る。次いで冷媒は、第二流路ポート５２を通って後部熱交換器５０から流出するように誘導され得る。次いで冷媒は、切換装置８０の第二接続ポート８２と第四接続ポート８４とを通って流れ、最終的には圧縮機入口３２を通って圧縮機３０に還流するように誘導され得る。これによりヒートポンプモードの１つの冷媒サイクルが完了する。

第一の好ましい実施形態においてエネルギ節減を可能にする原理が上に説明された。１つ又は複数の予熱熱交換器を通過することによって、後部熱交換器５０に流入する冷媒の温度は第一の実施形態の温度よりも低下することに留意されたい。予熱熱交換器の数は増加又は減少させてもよい。上述の第一の好ましい実施形態は、本発明を実施する例示的構成であるにすぎない。

本発明は、好ましい実施形態と幾つかの代替形態に関して図示され、説明されたが、本明細書に含まれる特定の説明に限定されない。本発明を実施するために追加の又は同等の構成部品を使用して本発明を実施することも可能であろう。

Claims

壁の両側に室内空間と室外空間を形成する前記壁の開口部に位置する空調及びヒートポンプタワーであって：
仕切壁を備え、
前記室内空間に露出する室内部と、
前記室外空間に露出する室外部と、を有する主ケーシングと、
前記主ケーシング内に形成された収容キャビティであって、前記仕切壁が前記収容キャビティを前部区画と後部区画とに分割する、前記収容キャビティと、
前記主ケーシングの前記室内部に形成され、前記前部区画を前記室内空間に連通させる室内空気入口と、
前記主ケーシングの前記室内部に形成され、前記前部区画を前記室内空間に連通させる室内空気出口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記後部区画を前記室外空間に連通させる室外空気入口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記後部区画を前記室外空間に連通させる室外空気出口と、
前記主ケーシングの前記室外部に形成され、前記前部区画を前記室外空間に連通させる少なくとも１つの室外吸気口と、
前記主ケーシングの前記収容キャビティに収容される複数の接続管と、
前記主ケーシングに支持され、圧縮機出口と圧縮機入口とを有する圧縮機と、
前記主ケーシングの前記前部区画内に支持され、前記接続管のうちの少なくとも１つを介して前記圧縮機に接続され、前記主ケーシングの前記室内部に延在する室内熱交換部と前記主ケーシングの前記室外部に延在する室外熱交換部を有する前部熱交換器と、
前記主ケーシングの前記後部区画内に支持され、前記接続管のうちの少なくとも１つを介して前記圧縮機と前記前部熱交換器に接続された後部熱交換器と、
前記主ケーシングに支持され、空気を引き込んで前記室内空間と前記室外空間との間に流すためのファンユニットと、
前記主ケーシングの前記室外部において前記収容キャビティの前記前部区画内に支持され、前記前部熱交換器の前記室外熱交換部と前記室外吸気口の間に位置し、前記前部熱交換器と前記後部熱交換器との間に接続された第一予熱熱交換器を備える高エネルギ効率構造と、
を備え、
前記空調及びヒートポンプタワーは、空調モードとヒートポンプモードとの間で選択的に動作され、前記空調モードでは、所定量の冷媒が前記圧縮機から流出し、周囲空気に所定量の熱を放出するように前記後部熱交換器に流入するように誘導されるように配置され、前記後部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室内空間から熱を吸収するために前記前部熱交換器に流入するように誘導され、前記前部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記圧縮機に還流して空調サイクルを完了するように誘導され、
前記ヒートポンプモードでは、所定量の冷媒が前記圧縮機から流出し、前記室内空間に熱を放出するように前記前部熱交換器に流入するように誘導されるように配置され、前記前部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室外吸気口から引き込まれた周囲空気に熱を放出するために前記第一予熱熱交換器に流入するように誘導され、前記第一予熱熱交換器から流出した前記冷媒は、前記室外空気入口から引き込まれた周囲空気から熱を吸収するために前記後部熱交換器に流入するように誘導され、前記後部熱交換器から流出した冷媒は、前記圧縮機に還流して空調サイクルを完了するように誘導される、空調及びヒートポンプタワー。
追加の後部熱交換器をさらに備え、前記２つの後部熱交換器は並列に接続され、前記主ケーシングは追加の室外空気入口をさらに有し、前記２つの室外空気入口は前記主ケーシングの前記室外部の両側に形成され、前記後部区画を前記室外空間に連通させ、前記２つの後部熱交換器は前記２つの室外空気入口にそれぞれ位置合わせされて配置される、請求項１に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記前部熱交換器は、第一連通ポートと第二連通ポートとを有し、前記空調及びヒートポンプタワーが前記空調モードで動作される場合に前記前部熱交換器が蒸発器として構成され、前記空調及びヒートポンプタワーが前記ヒートポンプモードで動作される場合に凝縮器として構成されるように、前記前部熱交換器を通過する前記空気と前記冷媒の間で熱交換を行うように構成される、請求項２に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記前部熱交換器の前記室内熱交換部は、その室内部において前記主ケーシングの横方向沿って延在し、前記室内空気入口に隣接して配置されることによって、前記室内空間からの空気が前記収容キャビティに引き込まれ、前記前部熱交換器の前記室内熱交換部を通過する前記冷媒と熱交換を行うために前記室内熱交換部を通過するように誘導され、前記室内熱交換部を通過する前記空気が前記室外空気入口を通って前記室内空間に再給送される、請求項３に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記前部熱交換器の前記室外熱交換部は、前記室内熱交換部の一端部から前記室外吸気口に隣接する位置へ後方に延在し、前記室外熱交換部は、前記室外吸気口から引き込まれた周囲空気と熱連通するように前記主ケーシングの前記室外部に配置さるように構成される、請求項４に記載の空調及びヒートポンプタワー。
各々の前記後部熱交換器は、第一流路ポートと第二流路ポートとを有し、前記室外空気入口から引き込まれた周囲空気と前記冷媒の間で熱交換を行うように構成され、前記後部熱交換器は、前記空調及びヒートポンプタワーが前記空調モードで動作される場合に凝縮器として機能するように構成され、前記空調及びヒートポンプタワーが前記ヒートポンプモードで動作される場合に蒸発器として機能するように構成される、請求項５に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記圧縮機、前記前部熱交換器及び前記後部熱交換器の間を接続する切換装置を更に備え、前記切換装置は、第一〜第四接続ポートを有し、空調切換モードとヒートポンプ切換モードとの間で切換えられるように構成され、前記空調切換モードでは、前記第一接続ポートは前記第二接続ポートに接続される一方、前記第三接続ポートは前記第四接続ポートに接続され、前記ヒートポンプ切換モードでは、前記第一接続ポートは前記第三接続ポートに接続される一方、前記第二接続ポートは前記第四接続ポートに接続される、請求項６に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記切換装置の前記第一接続ポートは前記圧縮機の前記圧縮機出口に接続され、前記切換装置の前記第二接続ポートは前記後部熱交換器の前記第二流路ポートに接続され、前記切換装置の前記第三接続ポートは前記前部熱交換器の前記第二連通ポートに接続され、前記切換装置の前記第四接続ポートは前記圧縮機の圧縮機入口に接続される、請求項７に記載の空調及びヒートポンプタワー。
並列に接続された第一一方向弁と第二一方向弁とを更に備え、前記第一一方向弁は、前記冷媒が前記前部熱交換器から前記後部熱交換器への方向に流れることができるように構成され、前記第二一方向弁は、前記冷媒が前記後部熱交換器から前記前部熱交換器の方向に流れることができるように構成される、請求項８に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一一方向弁と前記第二一方向弁にそれぞれ直列に接続された第一フィルタ装置と第二フィルタ装置とをさらに備える、請求項９に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一予熱熱交換器と前記第二フィルタ装置にそれぞれ直列に接続された第一膨張弁と第二膨張弁とをさらに備える、請求項１０に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一予熱熱交換器と前記第一フィルタ装置の間に接続された第一流量調整弁をさらに備える、請求項１１に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一予熱熱交換器は、前記第一膨張弁と前記第一流量調整弁の間に直列に接続される、請求項１２に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記空調モードでは、前記空調及びヒートポンプタワーは、前記冷媒が前記圧縮機、前記切換装置の前記第一接続ポート、前記切換装置の前記第二接続ポート、前記後部熱交換器、前記第二一方向弁、前記第二フィルタ装置、前記第二膨張弁、前記前部熱交換器、前記切換装置の前記第三接続ポート、前記切換装置の前記第四接続ポートを順次通過し、前記圧縮機に還流するように構成される、請求項１３に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記ヒートポンプモードでは、前記空調及びヒートポンプタワーは、前記冷媒が、前記圧縮機、前記切換装置の前記第一接続ポート、前記切換装置の前記第三接続ポート、前記前部熱交換器、前記第一一方向弁、前記第一フィルタ装置、前記第一流量調整弁、前記高エネルギ効率構造の前記第一予熱熱交換器、前記後部熱交換器、前記切換装置の前記第二接続ポート、前記切換装置の前記第四接続ポートを順次通過し、前記圧縮機に還流するように構成される、請求項１４に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記高エネルギ効率構造は、前記第一予熱熱交換器に直列に接続された第二予熱熱交換器をさらに備え、前記前部熱交換器から流出した前記冷媒は、前記第二予熱熱交換器と前記第一予熱熱交換器を順次通過するように誘導される、請求項１５に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一予熱熱交換器と前記第二予熱熱交換器の間に接続された第二流量調整弁をさらに備える、請求項１６に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記第一予熱熱交換器と前記第二予熱熱交換器は、前記室外吸気口から引き込まれた周囲空気が前記第一予熱熱交換器、前記第二予熱熱交換器、及び前記室外熱交換部を順次通過するように構成されるように、前記前部熱交換器の室外熱交換部と前記室外吸気口との間に配置される、請求項１７に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記ヒートポンプモードでは、前記空調及びヒートポンプタワーは、前記冷媒が前記圧縮機、前記切換装置の前記第一接続ポート、前記切換装置の前記第三接続ポート、前記前部熱交換器、前記第一一方向弁、前記第一フィルタ装置、前記第一流量調整弁、前記高エネルギ効率構造の前記第二予熱熱交換器、前記高エネルギ効率構造の前記第一予熱熱交換器、前記後部熱交換器、前記切換装置の前記第二接続ポート、前記切換装置の前記第四接続ポートを順次通過し、前記圧縮機に還流するように構成される、請求項１８に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記主ケーシングは、外部ケーシングと、前記外部ケーシングに摺動可能に接続された支持ケーシングと、該支持ケーシングに接続された複数の車輪を備える、請求項１に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記主ケーシングは、外部ケーシングと、該外部ケーシングとに摺動可能に接続された支持ケーシングと、該支持ケーシングに接続された複数の車輪を備える、請求項１５に記載の空調及びヒートポンプタワー。
前記主ケーシングは、外部ケーシングと、該外部ケーシングとに摺動可能に接続された支持ケーシングと、該支持ケーシングとに接続された複数の車輪を備える、請求項１９に記載の空調及びヒートポンプタワー。