(57)【要約】【課題】  冷房するための圧縮空気を作る圧縮機が作動する時の高温熱量を暖房に使用することによって電力の無駄をなくす。【解決手段】  寒い時には空気を圧縮する際に圧縮機１内に生じる高温熱量を第一熱交換器２を用いて導入した空気を暖めて暖房に利用すると共に、その圧縮された空気を蓄圧容器３に貯めておいて、暑い時にその蓄圧容器３に貯めておいた圧縮空気を減圧し、第二熱交換器５を介して解放する際に生じる低温熱量で導入した空気を冷やして冷房に利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された空気の熱量を周囲に放熱する第一熱交換器と、
第一熱交換器から出た空気を蓄える蓄圧容器と、
前記蓄圧容器の圧縮された空気を減圧する減圧管と
前記減圧管で減圧された空気の熱量を周囲に放熱する第二の熱交換器と、
前記圧縮機、前記第一熱交換器、前記減圧管及び前記第二熱交換器を気密に覆って一方には空気取り入れ口他方には空気吹き出し口を持つ空気導管と、
外部空気を前記空気取り入れ口より前記空気導管に取り入れて前記空気吹き出し口より前記空気導管から吹き出すための送風装置と、
暖房が設定されると前記圧縮機と前記送風装置を作動して前記第一の熱交換器によって暖められた導入空気を居室内に放出すると共に圧縮空気を前記蓄圧機に蓄えるようにし、冷房が設定されると前記蓄圧容器に蓄えた圧縮空気を前記減圧管を介して前記第二熱交換器に供給し、前記送風装置を作動して前記第二の熱交換器でひやされた導入空気を前記減圧管から供給された空気と共に居室内に放出するようにする制御装置、
よりなる空気方式冷暖房装置。
【請求項２】
前記圧縮機と第一熱交換器が複数対直列接続されることを特徴とする請求項１記載の冷暖房装置。
【請求項３】
前記圧縮機と前記第一熱交換器の各対から発生する熱量がほぼ均等になるよう前記各圧縮機の圧縮比が設定されることを特徴とする請求項２記載の冷暖房装置。。
【請求項４】
前記減圧管と前記第二熱交換器が複数対直列されることを特徴とする請求項１記載の冷暖房装置。。
【請求項５】
前記減圧管と前記第二熱交換器の各対から発生する熱量がほぼ均等になるよう各減圧管の減圧比が設定されることを特徴とする請求項４記載の冷暖房装置。。
【請求項６】
暖房する時は空気を圧縮しこれを蓄えるとともに圧縮された空気の熱量を周囲に放熱して暖房に供し、
冷房する時は前記蓄えた圧縮空気を減圧して吐出すると共に減圧された空気の熱量を周囲に放熱して冷房に供するようにした、
空気式冷暖房の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】      この発明は冷暖房装置の構成及び運転方法に関するものでる。
【背景技術】
【０００２】      一般公知の冷暖房装置又は空気調和装置は冷媒ガスを閉じ込める管路、この冷媒ガスを圧縮する圧縮機、圧縮により生じた冷媒の高温熱量を外部より導入した空気に熱交換して冷やす第一の熱交換器、圧縮された後冷やされた冷媒を減圧する減圧管、減圧の際生じる低温熱量を外部より導入した空気に熱交換する第二の熱交換機、外部より空気を導入しこれを室内に吹き出す送風装置、などを備え、寒い時には第一の熱交換器を通った空気を吹き出して暖房し、暑い時には第二の熱交換器を通った空気を吹き出して冷房するものである。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１６９１７
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】      上述の公知の冷暖房装置で冷房する時は、冷媒ガスを圧縮して生じた高温熱量を室外に放出した後圧縮ガスを減圧しているため、その高温熱量すなわち圧縮時の電力を無駄にしている。  この発明は、この圧縮時の高温熱量を暖房に使用することによって電力の無駄をなくすことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】      概略すれば、寒い時には、冷媒でなく、空気を圧縮する際に生じる高温熱量を暖房に利用すると共に、その圧縮された空気を蓄圧容器に貯めておいて、暑い時にその蓄圧容器に貯めておいた圧縮空気を減圧し、解放する際に生じる低温熱量を冷房に利用する手段である。
【０００６】      第一の解決手段は外部より導入した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した時に発生した熱量を周囲に放熱する第一の熱交換器と、圧縮された空気を蓄える蓄圧容器と、前記蓄圧容器の圧縮された空気を減圧する減圧管と減圧管で減圧された時に発生した熱量を周囲に放熱する第二の熱交換器と、前記圧縮機、第一の熱交換器、減圧管、及び第二の熱交換器を気密に覆って一方は外部空気の取り入れ口、他方は吹き出し口を持つ空気導管と、外部空気を空気導管に取り入れて前記第一又は第二の熱交換器の周囲を通って室内に吹き出すための送風装置、そして暖房を設定された時には圧縮機を作動して圧縮の時生じた高温熱量を第一の熱交換器を介して導入空気を温めてそれを居室内に放出して暖房すると共に圧縮空気を蓄圧容器に蓄えるようにし、冷房を設定された時には前記蓄圧容器に蓄えた圧縮空気を減圧管に供給して減圧しその時生じた低温熱量を第二の熱交換器を介して放出すると共にその減圧された空気を前記空気導管に放出するようにする制御装置を持っている。
【０００７】      更に、第二の解決手段として、圧縮空気を大量に貯蔵するために、前記圧縮機と第一熱交換器よりなる対を複数個直列接続して高圧の圧縮空気を作る。
【０００８】      第三の解決手段として、前記圧縮機と第一熱交換器の各対から発生する熱量がほぼ均等になるよう各圧縮機の圧縮比が設定される。
【０００９】      第四の解決手段として、高圧の圧縮空気を効果的に冷房に使用するためには、前記減圧管と第二熱交換器から成る対が複数対直列される。
【００１０】      第五の解決手段として、前記減圧管と第二熱交換器の各対から発生する熱量がほぼ均等になるよう各減圧管の減圧比を設定される。
【発明の効果】
【００１０】      前記第一の解決手段により圧縮機を冷却する際の使用電力は全て暖房に利用され、全く無駄にならない。しかも、寒い時の空気を蓄圧するため、暑い時の空気を蓄圧するより少ない電力で蓄圧できる。更に、冷たい空気が蓄圧容器から放出されるので、送風機の動力も少なくて済む。
【００１１】      さらに、蓄圧容器内の圧縮空気は使用するまで長い時間をかけて冷却されているので、空気を圧縮する際混入した水分や圧縮機の潤滑油などは完全に分離されているため冷房時に悪臭をもたらすことはない。  そして、冷媒を使用しないため圧縮機内の空気が漏洩したとしても、その空気は直接暖気として利用できるので、圧縮機の気密構造は簡単で廉価なもので良い。などの効果がある。
【００１２】      前記第二の解決手段によって、圧縮により生じる熱量を分散できる。したがって、圧縮機と熱交換器及びそれらの支持部材や圧縮機の潤滑剤の耐熱対策を容易にすることが出来ると共に、外部より導入した空気の温度と各圧縮要素の周囲温度との温度差が少なくなり均一な暖気を得ることが出来る。
【００１３】      前記第三の解決手段により更に均一な暖気を得ることが出来ると共に導入空気の流れに対し並列に各圧縮機、熱交換器を設置しても均等な暖気を得ることが出来る。
【００１４】      前記第四の解決手段により減圧によって生じる熱量を分散できる。したがって、外部より導入した空気に含まれる水蒸気の凍結を防止することが出来ると共に、温度と各減圧要素の周囲温度との温度差が少なくなり均一な冷気を得ることが出来る。
【００１５】      前記第五の解決手段により更に均一な冷気を得ることが出来ると共に導入空気の流れに対し直角に各減圧管を並置しても均等な冷気を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第一実施形態を示す側面概略図。
【図２】  第一実施形態を構成する第一熱交換器の一例を示す正面図。
【図３】  第一実施形態を構成する第二熱交換器の一例を示す正面図。
【図４】  この発明の第二実施形態を示す側面概略図。
【図５】  第二実施形態を構成する第二熱交換器の一例を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】      まず、この空気方式暖房装置に関する発明の第一実施形態について、図１、図２及び図３を参照して、説明する。
【００１７】      第一実施形態は、図１で示すように、空気を圧縮する圧縮機１、圧縮によって生じた高温熱量を周囲に放出する第一熱交換器２と、圧縮機によって圧縮された空気を貯める蓄圧容器３と、蓄圧容器３から出る圧縮空気を減圧する減圧管４と、減圧管４で減圧された際生じた低温熱量を周囲に放出する第二熱交換器５と、圧縮機１、第一熱交換器２、減圧管４及び第二熱交換器の周囲を気密に覆い一方は外部空気を取り入れる取り入れ口６１そして他方には圧縮機１、圧縮回路３、減圧管４を通過した空気を室内に放出する放出口６２を備えた管状の空気導管６、放出口６２付近に設置されて外部空気を取り入れて圧縮機１、第一熱交換器２、減圧管４、第二熱交換器５を通過させてから放出するための送風装置７、そして取り入れ口６１付近に設置されて取り入れの際外部空気より埃や異物を除去する空気フィルター８、そして上記の構成物を暖房用又は冷房用に動かすための制御装置で構成されている。
【００１８】      圧縮機１の周囲は圧縮時に発生する熱量を効率的に放出するための放熱フィン１１が設けられている。また第一熱交換器２は空気導管６の中で十分冷やされるよう適当な、銅やアルミニュームなどの材質、長さや形状が設定されている。  例えば図２で示すように複数のＵ字管と導入空気の流れに平行に並べられた複数の冷却フィン２１から構成される。そして、減圧管４は適当な長さの管内に空気の放出を制限する固定又は可変の絞りと蓄圧容器３からの空気を遮断する機能を備えている。  第二熱交換器５は蓄圧器３から送られてきた空気の圧力を減圧管４によって下げる際に生じた低温熱量を効率的に周囲に放出するために適当な銅やアルミニュームなどの材質、長さや形状が設定されている。  例えば図３に示すように複数のＵ字管と導入空気の流れに平行に並べられた複数の冷却フィン５１から構成される。  第二熱交換器５には熱交換を終えた空気を吐出する吐出口５２が開いている。制御装置は冷媒が空気に代わった点を除き、周知の冷媒を使用する冷暖房装置のものとほぼ同じである。
【００１９】      寒い時、すなわち暖房を必要とする時は制御装置を暖房に設定して圧縮機１と送風機７を運転する。圧縮機１は送風機７によって空気導管６内に運ばれた空気の一部を取り入れて設定された圧力まで圧縮してこれを蓄圧容器３に貯める。その際圧縮機１に生じた高温の熱量を第一熱交換器２によってその空気導管６内に放出する。送風機７によって運ばれたその他の空気は圧縮機１の周囲を通過する際高温の熱量を吸収して暖気となって空気導管６の放出口６２から放出されて室内を暖める。
【００２０】      そして、制御装置は室内温度が所望の設定温度になったら圧縮機１及び送風機７の運転を止めたり、その能力を低下させたりする。
【００２１】      暑い時、すなわち冷房を必要とする時は制御装置を冷房に設定して送風機７を運転すると共に寒い時に蓄圧容器３に貯めてあった圧縮空気を、減圧管４を介して、第二熱交換器５に供給しこれを空気導管６内に低温空気として放出する。送風機７によって導入された空気はその際冷却された第二熱交換器５の周囲を通る際冷やされると共に減圧管４より放出された空気と混ざって冷気となって空気導管６の放出口６２から放出されて室内を冷やす。
【００２２】      そして、室内温度が所望の設定温度になったら制御装置は減圧管４を蓄圧容器２から遮断したり空気量を制限したりする。また設定温度を超えたらまた減圧管４を蓄圧容器につないだり、空気量を増加させたりする。
【００２３】      ところで、冷房する時の圧縮空気は寒い時に貯めている。そして気体の内部エネルギーは絶対温度に比例する。仮に、冷房する時と暖房する時の室内の温度差が３０度あるとすれば、寒い時に運転する圧縮機１の電力は暑い時に運転する電力に比べ、２７３／（２７３＋３０）≒０．９  となるので、電力が節約される。  さらに、蓄圧容器内の圧縮空気は使用するまで長い時間をかけて冷却されているので、空気を圧縮する際混入した圧縮機の潤滑油、水分などは完全に分離されているため簡単に除去され、冷房時に悪臭をもたらすことはない。
【００２４】      次に、この空気方式暖房装置に関する発明の第二実施形態について、図４を参照して、説明する
【００２５】      この空気方式暖房装置によって冷房を長期にわたって行うには蓄圧容器２の圧縮空気を大量に必要とする。そして設置場所を有効に使用するには蓄圧容器３の蓄圧圧力を高くして蓄圧容器の体積を小さくするのが良い。しかし圧縮機１によって圧縮圧力を一度に蓄圧容器２の蓄圧圧力にすると圧縮機１と第一熱交換器２が放出する熱量が高くなりすぎて所望の暖気の温度を得ることが困難となる。
【００２６】      また、高い蓄圧圧力の空気を一度に減圧すると減圧管４及びこれから吐出された空気の温度が低くなりすぎ水蒸気の凍結など生じ、所望の冷気を得ることが困難となる。
【００２７】      第二実施形態はこの点を工夫したものである。すなわち、図４のように圧縮機１を複数、例えば三個、の直列された圧縮機１ａ、１ｂおよび１ｃより構成し、その圧縮比を、暖房用暖気を得るのに適当な温度になる熱量を発生する程度に小さく設定する。また、第二熱交換器５Ａも複数，例えば図５に示すように６個、の直列された減圧要素４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ及び４ｆにより構成しその減圧比を各減圧要素が冷房用冷気を得るのに適当な温度になる熱量を発生する程度に小さく設定する。
【００２８】      第一段目の圧縮機１ａと第一熱交換器２ａは一対となって直列に接続されている。第二段目の圧縮機１ｂ  と第一熱交換器２ｂも一対となって直列に接続されている。そして第三段目の圧縮機１ｃ  と第一熱交換器２ｃも一対となって直列に接続されている。一段目の一対は蓄圧容器３ａを持ち、二段目の一対は蓄圧容器３ｂを持っていてそれぞれ圧縮した気体を一時的に貯める。最終段の一対は蓄圧容器３に接続されている。
【００２９】      減圧管４、４ａ〜４ｆはそれぞれ設定された圧力に減圧する。減圧管４には蓄圧容器からの空気を遮断する機能を持っている。  これらの減圧管４ａ〜４ｆは一つの管を６個の絞りで区切ることによって作ることが出来る。そして最終段（第六段）の減圧管４ｆの吐出口５２は空気導管６内に開いている。また、Ｕ字管の口径を連続的に変えて連続した絞りとして用いることもできる。
【００３０】      制御装置が暖房に設定された時には、まず、第一段の圧縮機１ａが送風機７によって空気導管６内に運ばれた空気の一部を設定された第一の圧縮圧力まで圧縮して高温熱量を発生してこれを第一熱交換器２ａによって導入空気に熱交換した後蓄圧容器３ａに貯め、第二段の圧縮機１ｂは前段の圧縮空気を第二の圧縮圧力まで圧縮して高温熱量を発生してこれを第一熱交換器２ｂによって導入空気に熱交換した後これを蓄圧容器３ｂに貯め、第三圧縮機１ｃは前段の圧縮空気を第三の圧縮圧力まで圧縮して高温熱量を発生してこれを第一熱交換器２ｃによって導入空気に熱交換した後これを大容量の蓄圧容器３に供給する。
【００３１】      圧縮機１ａ〜１ｃの数と圧縮比は冷暖房装置の使用条件によって決めることになる。なお、各圧縮機の圧縮比はそれぞれの発熱量がほぼ均等になるよう選ばれるのが望ましい。
【００３２】      制御装置を冷房に設定した時には、まず、減圧管４が開いて圧縮空気を導入し、第一の減圧圧力まで減圧する。この減圧された圧縮空気は第二熱交換器に入り複数の減圧管４ａ〜４ｆによって順次減圧される。そして最終段の減圧管４ｆで減圧された空気は第二熱交換器の吐出口５２から空気導管６内に放出される。
【００３３】      減圧管の数と減圧比は冷暖房装置の使用条件によって決められることになる。なお、各減圧管の減圧比はそれぞれの外周温度がほぼ均等になるよう選ばれるのが望ましい。
【００３４】      上記二つの実施形態では冷房する時は使用しない圧縮機１または１ａ〜１ｃと第一熱交換機２または２ａ〜２ｃが空気抵抗となって冷房能力を制限することも起こり得る。この場合は冷房時には前記第一熱交換器を迂回する迂回路を持つかまたは空気取り入れ口を第二熱交換器の直前に設けることもできる。また、暖房する時は使用しない第二熱交換器５または５Ａが空気抵抗となって暖房能力を制限することも起こり得る。この場合は暖房時には第二熱交換器５または５Ａを迂回する迂回路を設け暖房時の空気をその迂回路を通して室内に放出すればよい。
【符号の説明】１  圧縮機    ２  第一熱交換器    ３  蓄圧容器
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ  減圧管    ５、５Ａ  第二熱交換器
６  空気導管    ７  送風装置    ８  空気フィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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