(57)【要約】  本発明は、２段凝縮が可能なコイル構造を用いたヒートポンプシステムに係り、より詳しくは、同一の暖房能力を得るために圧縮機に投入される仕事量を従来に比べて軽減させ且つ２段凝縮を行うことが可能なコイル構造、並びにこれを用いて１段圧縮および２段膨張を行いながら凝縮過程中に温度を最大限高めることが可能なヒートポンプシステムに関するものである。  本発明のコイル構造は、コイルの内部を通過する冷媒と、コイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で対向流を形成するように製作される直接膨張式コイル構造において、前記コイル構造は、正面からコイルを立てたとき、冷媒入口側は分配管に並列に連結され、冷媒出口側は分配管を介して並列の形で最終的に合わせられて外部へ排出される形態であることを特徴とする。
2008524547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルの内部を通過する冷媒と、コイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で対向流を形成するように製作される直接膨張式コイル構造であって、
前記コイルは、前記コイル構造を立てたとき、冷媒入口側は分配管に並列に連結され、冷媒出口側は分配管を介して並列の形で最終的に合せられて外部に排出される形態であることを特徴とするコイル構造。
【請求項２】
前記コイルは、前記コイル構造を立てたとき、前記コイルの水平列が５列以上１０００列以下となるように、分配管に直列連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のコイル構造。
【請求項３】
前記コイルは、垂直列を基準とするときに、１列１組または２列１組の形で分配管に互いに並列に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のコイル構造。
【請求項４】
コイルの内部を通過する冷媒と、コイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で対向流を形成するように製作された直接膨張式コイル構造であって、
垂直分割型のコイルは、前記コイル構造を立てたとき、冷媒の流れが水平移動するにつれて、垂直に２列が１組となってそれぞれの分配管を連結して垂直１列と垂直２列間の移動を繰り返し行うように分配管を互いに並列に連結した状態であることを特徴とする、コイル構造。
【請求項５】
前記コイル（４０）の吐出管（４６）の所定の部位には膨張弁がさらに設けられており、２段凝縮を行うことができることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル構造。
【請求項６】
蒸発器、圧縮機、凝縮器、および膨張弁を含んでなるヒートポンプシステムにおいて、
前記蒸発器および凝縮器は請求項１〜６のいずれか１項に記載のコイル構造からなることを特徴とする、ヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記コイルの中間に膨張弁を設置して２段凝縮が行われるようにするが、
前記コイルが暖房運転を行う際に、コイルの外表面を通過する空気が室内入口側の温度より高い温度で減圧膨張する２段凝縮を利用したことを特徴とする、請求項６に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の仕事量を減少させることが可能なコイル構造、特に２段凝縮が可能なコイル構造を用いたヒートポンプシステムに係り、より詳しくは、同一の暖房能力を得るために圧縮機に投入される仕事量を従来に比べて軽減させ且つ２段凝縮を行うことが可能なコイル構造、並びにこれを用いて１次圧縮および２次膨張を行いながら凝縮過程中に温度を最大限高めることが可能なヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、従来のヒートポンプを暖房に利用するにあって、圧縮機吐出ガスの温度が凝縮温度に比べて高温であるにも拘らず、高温の吐出ガス温度をまともに活用できなくて、高い凝縮温度に起因した高温の吐出空気温度のみを活用している実情である。
【０００３】
例えば、フレオン−２２の場合、蒸発温度を−５℃、吸い込み蒸気の過熱温度を１０℃、凝縮温度を５５℃とすると、吐出ガス温度は約９２℃に達する。ところが、従来の技術では、この場合にヒートポンプの吐出空気温度を５０℃以上に形成することが難しい。前述の場合、吐出ガス温度約９２℃から凝縮温度５５℃までの過熱蒸気区域のエンタルピーは、約１０ｋｃａｌ／ｋｇであって、過冷却度を５℃にしたときに現れる凝縮熱量約４７ｋｃａｌ／ｋｇの２１％に相当する。前述の条件において、過熱蒸気区域の熱量が約１０ｋｃａｌ／ｌｋｇであって凝縮熱量約４７ｋｃａｌ／ｋｇの２１％に相当し、吐出ガス温度が約９２℃に達するが、従来の技術では、この条件を十分に活用できなくてヒートポンプの吐出空気温度を５０℃以上に形成することは難しい実情である。従来の技術のヒートポンプは、高い空気吐出温度を形成するために高い凝縮温度を維持して吐出空気の温度を上げる方法であって、蒸発器入口膨張弁の直前温度より吐出空気の温度を高めることが難しい。これは従来の技術が高い吐出ガス温度を十分に活用できないためである。従来の技術のヒートポンプでは、暖房の際に冷媒の循環方向を変え、冷房時の蒸発器は凝縮器となり、冷房時の凝縮器は蒸発器となる。
【０００４】
その上、蒸発器または凝縮器内で冷媒の流れ方向が変わって、コイル内部における冷媒流れ方向も逆に変わってしまう。
【０００５】
係る欠点を克服するために、凝縮器、蒸発器のコイル構造を、冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とが対向流になるように取っている技術は、日本特開平７−０９１７６１、日本特開平１−１３９９６０号、日本特開平６−１２９７３２号、日本特開平１１−２３０６３７号、日本特開平７−２８０３７５号、韓国特許公開第１９９９−０２９９０９号、および韓国特許公開第２００１−００２４４３７号に開示されている。
【０００６】
図１は従来の技術に係るコイルの形態を示している。図１ａはコイルの基本的な形態であって、水平管が垂直に直列の形で連結され、コイル内部の冷媒の流れは下方または上方に向かう構造を示している。
【０００７】
図１ｂは冷房サイクルと仮定したときにも、水平管が垂直に直列の形で連結される図１ａのような構造が多数ラインの分配管で分配される構造を示している。図１ｃでは、冷媒と空気は直交流の形で交差しながら熱交換を行っても、図１ｂとは反対に冷媒の流れ方向が変わって暖房サイクルを形成する。この場合にも、冷房サイクルと同様に、冷媒は垂直移動し、空気は水平移動することにより、冷媒と空気は直交流の形で交差しながら熱交換を行う。
【０００８】
また、従来の凝縮器コイルの場合、室外ユニットの構造に応じて、「逆Ｕ」字状、「II」字状、「Ｖ」字状、「Ｉ」字状などに設計製作する。従来の技術においては、「逆Ｕ」字状、「Ｉ」字状の凝縮器コイルは単一パイプで製作し、「II」字状、「Ｖ」字状のコイルは２セットに設計製作する。従来の蒸発器コイルは、容量を問わず単一パイプで設計製作し、天井カセット型の場合または特別な蒸発器で空気の流れ方向が分けられる場合、空気流れ方向１箇所当り１ＳＥＴのコイルで設計製作する。
【０００９】
従来の技術に係る蒸発器または凝縮器のコイルは、水平には容量に応じて２列、３列、または４列であり、容量に応じて水平２、３、４列の形に垂直コイルの数量を増加させることにより、コイルの容量を増加させる。従来では、メイン配管から分配されたそれぞれのラインを水平方向の長さより垂直方向への長さが長くなるようにする方法によって、水平には２、３、４列の形で垂直には４列以上の列数でコイルを長手方向に立てた場合、コイルの厚さが薄い代わりに垂直に多列の構造で長くして、形成する冷媒の流れ方向を垂直方向としてコイルを長手方向に立てた場合、コイルに沿って下方または上方に流れ、冷媒の流れ方向を垂直方向に維持させ、空気の流れ方向はコイルの水平方向に位置させ、これによりコイルを通過する空気と冷媒間の熱交換が行われる直交流のタイプで製作する。容量が大きくなるにつれて、分配管を介して多層構造の形で分配され、垂直コイルは４列以上に分配される。この際、蒸発器として用いられるコイルの場合、コイル内部の冷媒の温度は、蒸発状態の潜熱による吸熱反応によって熱交換を行うため、コイルの上端とコイルの下端が略同一である。これにより、蒸発器を通過する空気の温度は略一定であるが、凝縮器として用いられるコイルの場合は異なる。
【００１０】
前述したように圧縮機吐出ガスの温度は、凝縮温度より相当高く、吐き出しから凝縮温度までの過熱蒸気区域の熱量が凝縮熱量の約２０％にもなるため、凝縮器コイルを通過する空気の温度は、高い吐出ガス温度の熱量が直接当接する部分と、過熱蒸気区域を通過して凝縮温度に達して温度変化なく潜熱の形で熱を放出する部分とが異なる。よって、過熱蒸気状態のコイルを通過する空気の温度は凝縮温度より高く、潜熱状態のコイルを通過する空気の温度は凝縮温度より低いため、高温の空気と低温の空気が混合されて中間程度の吐出空気温度を形成する。
【００１１】
これは、従来の技術の問題点により圧縮機吐出ガスの温度が凝縮温度より高いが、従来の技術ではコイルの内部を通過する冷媒の流れ方向とコイルの外部を通過する空気の流れ方向が冷媒は垂直、空気は水平になるため、ヒートポンプ吐出空気の温度を凝縮温度以上には形成することができなくて、圧縮機の仕事量が増加し凝縮熱量が減少して冷凍能力が低下するという問題点がある。
【特許文献１】特開平７−０９１７６１号公報
【特許文献２】特開平１−１３９９６０号公報
【特許文献３】特開平６−１２９７３２号公報
【特許文献４】特開平１１−２３０６３７号公報
【特許文献５】特開平７−２８０３７５号公報
【特許文献６】韓国特許公開第１９９９−２９９０９号公報
【特許文献７】韓国特許公開第２００１−２４４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、係る問題点を達成するためのもので、その目的とするところは、圧縮機に投入される仕事量を減少させ且つ２段凝縮を行うことが可能なコイルを提供するとともに、このコイルを用いて１段圧縮、２段膨張を行いながら凝縮過程中に高温の熱を最大限高めることが可能なヒートポンプシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係るコイル構造は、コイルの内部を通過する冷媒と、コイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で対向流を形成するように製作される直接膨張式コイル構造において、前記コイルは、正面からコイルを立てたとき、冷媒入口側は分配管に並列に連結され、冷媒出口側は分配管を介して並列の形で最終的に合せられて外部に排出される形態であることを特徴とする。
このコイル構造において、前記コイルは、その水平列が５列以上１０００列以下となるように、分配管に直列連結されていてもよい。
前記コイルは、垂直列を基準とするときに１列１組または２列１組の形で分配管に並列に連結されてもよい。
【００１４】
また、本発明は、コイルの内部を通過する冷媒と、コイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で対向流を形成するように製作される直接膨張式コイル構造において、垂直分割型のコイルは、前記コイルを立てたとき、冷媒の流れが水平移動するにつれて、垂直に２列が１組となり、それぞれの分配管を連結して垂直１列と垂直２列間の移動を繰り返し行うように分配管を並列連結した状態であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のコイル構造は、前記コイル吐出管の所定の部位には膨張弁がさらに設けられており、２段凝縮を行うことができることを特徴とする。
また、本発明のヒートポンプシステムは、蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁を含んでなるヒートポンプシステムにおいて、前記蒸発器および凝縮器は本発明に係る一つのコイル構造からなることを特徴とし、前記コイルの中間に膨張手段を設置して２段凝縮が行われるようにするが、前記コイルが暖房運転を行う際に、コイルの外表面を通過する空気が室内入口側の温度より高い温度で減圧膨張する２段凝縮を利用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、
一つ目は、室内外ユニットコイルの設計製作において、コイル構造を離隔状態で重層配列した形にすることにより、コイルの熱交換能力が向上して同量の熱交換能力を示すため、コイルの製造コストが減少し、従来の技術と同量のコイルの場合、熱交換能力の向上により、蒸発器の場合には蒸発圧力が上昇し、凝縮器の場合には凝縮能力が低くなって圧縮比は少なくなり、冷凍能力と凝縮能力は向上して同量のエネルギーを用いてさらに大きい能力を発揮するので、エネルギーの消費量が減少して高効率、超節電、および省エネルギーを達成するという効果がある。
【００１７】
二つ目は、室内外ユニットコイルの設計製作において、空気の流れ方向に１ＳＥＴのコイルで製作した従来の技術とは異なり、コイルが凝縮器の役割をする場合、凝縮器を通過する空気の温度を冷媒の特性上過熱蒸気区域の温度が凝縮温度より高いことを最大限活用することができるようにコイルを最大限垂直分割して対向流の形で設計製作するので、コイルの外表面を通過して吐き出される吐出ガスの高温を最大限活用するので、暖房の際に吐出空気の温度を従来の技術に比べて高くし、あるいは従来の技術と同等の温度にするために相対的に低い凝縮圧力の下でも同じ吐出空気温度を示すので、低い凝縮圧力による圧縮比の低下により消費電力が減少し、高効率、超節電、省エネルギーを達成するという効果がある。
【００１８】
三つ目は、本発明は、１段凝縮の形で暖房に利用した従来の技術とは異なり、従来の技術下に１段凝縮の形で暖房に利用した後、コイルの外表面を通過する熱媒体の温度より低い温度で減圧膨張させて２段以上の凝縮の形で暖房に再利用するので、従来の技術に比べて凝縮能力が向上するという効果がある。
【００１９】
四つ目は、本発明は、本発明のコイル構造をヒートポンプシステムおよび蓄冷システムに適用させて高効率、超節電、省エネルギーを達成するという効果がある。
【００２０】
五つ目は、本発明は、室外空気中に存在する太陽の輻射熱またはその他の熱をヒートポンプの能力向上によって最大限再利用するので、化石燃料の使用量を最大限抑制して多量の二酸化炭素排出量を減少させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るコイル構造およびこれを用いたヒートポンプシステムを図２〜図８に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図２は本発明のコイル構造における冷媒と空気の流れ図、図３は本発明において空気の流れ方向に対してコイルを分割した形態の概略図、図４は本発明に係るヒートポンプシステムにおける冷房サイクル運転時の概念図である。
図５は本発明に係るヒートポンプシステムにおける暖房サイクル（室外ユニットでのみ転換）運転時の概念図、図６は本発明の冷房サイクルの概略図、図７は本発明の暖房サイクル（室内外ユニットで転換）の概略図、図８は本発明の氷蓄槽を利用する概略図である。
【００２３】
図２は本発明のコイルの形態を示し、図２ａ、図２ｂは本発明で示す対向流の形であって、冷媒コイル４０の直列１列の形が、従来の技術とは異なり、水平移動または斜め移動のしている形である。
図２ｃは、図２ａの１列形態のコイル４０が層を成しながらそれぞれ分配管４２で分配される構造で出来ており、コイル４０は斜線の形を取っている。
【００２４】
また、従来のコイルにおける冷媒と空気の流れを考察すると、室内ユニットコイルでは、コイルが直角に立てられた場合、従来の技術が小容量の場合には水平に２列とし、大容量の場合には水平２列〜４列とし、容量に応じて垂直に５列程度を１組として複数の組を分配管によって分配する並列の形で設計製作され、コイル１列１列を通過して直下のコイルまたは真上のコイルに誘導されるなど冷媒の移動における上下への移動によって垂直に移動するコイルの形態であった。しかし、本発明は、図２ｃに示すように、室内ユニットコイルのコイル４０において、コイルが直角に立てられた場合、水平には４列以上の形にし、冷媒の移動はコイル１列１列を通過して直ぐ隣のコイルに誘導され、水平１列垂直１列から水平２列垂直１列に、次いで、水平３列垂直１列から水平４列垂直１列に移動する形で水平移動のみを行い、垂直１列から水平移動のみを行い、コイルの容量に応じて垂直コイルの列数を増加させ、垂直コイル１列当り１個の分配管４２が連結されて、相互垂直への移動がない垂直列はいずれも並列に分配管４２によって分配され、コイルが凝縮器の役割を行う場合、垂直管は、水平１列の温度が最も高く、水平２列、水平３列に連結される次の列に行くほど、温度が低くなるか、過熱蒸気区域を経て湿り蒸気区域で凝縮温度に到達して凝縮液化された後、過冷却区域に属して過冷却される。
【００２５】
図２ｄは本発明においてコイル４０を斜めに配列した場合の他の実施例であって、図２ａ、図２ｂと同様に、冷媒と空気は逆流の形で対向流を形成する。
【００２６】
従来では、コイルが右下方向の斜めに設置される場合、設置方向と同一の右下方向に、或いは設置方向と反対の右上方向に冷媒が移動するようにコイルを誘導する。すなわち、冷媒の流れ方向が、コイルの設置方向である右下方向と同一の右下方向、或いはコイルの設置方向であるの右下方向と反対の右上方向であって、コイルの設置方向と冷媒の流れ方向が逆方向、或いは順方向となるようにコイルを設計製作した。
【００２７】
ところが、本発明は、図２ｄに示すように斜めに設置された場合、コイル４０の長手方向とＸ字の形状となるように冷媒の移動を誘導する構造で設計製作する。しかし、本発明は、コイルが右下方向の斜めに設置された場合のうち、コイルの外部に空気が↑方向に流れる場合、冷媒の流れ方向を↓方向にして冷媒の流れが空気の流れに対して逆流するようにするか、冷媒を左下方向に流れるようにしてコイルの設置方向と冷媒の流れ方向を、コイル右下方向冷媒↓方向、コイル右下方向冷媒左下方向にして冷媒と空気の流れ方向が冷媒↓空気↑の方向であって冷媒が空気に対して逆流するようにするか、冷媒左下方向空気↑の方向にして空気の前端部がコイルの内部筒および冷媒の後端部と熱交換を行った後、暖房時のコイルを通過するほど、空気の温度より空気が通過するコイル内部の冷媒温度が高いため連続的な熱交換を行い、空気がコイル１列１列を通過しながら温度が上昇することになる。本発明において、コイルが右下方向の対角線方向に設置され、コイルの外部へ空気の流れが←方向に流れる場合、コイル内部の冷媒流れ方向は→方向に移動して空気の方向と冷媒の方向が逆流になり、冷媒→、空気←の方向に対向流を形成する。また、コイルの設置方向が右下方向であり且つ空気が←方向に流れる場合、冷媒はコイルの設置方向とは反対に左下方向に移動しながら、全体コイル内部の移動方向は空気の流れ方向とは反対になって、対向流をなす。
【００２８】
図３は、本発明において、図２ａ〜図２ｄとは異なり垂直２列１組としたときの場合を示す。この場合、流入管４４から分配管４２に流入し、分配管４２から並列にコイル４０に分配されながら垂直２列が１列と２列を繰り返し、全体的に冷媒の流れは空気の流れとは逆流の形で対向流を形成し、垂直２列の冷媒が吐出管４６に沿って吐き出される。
【００２９】
ところが、本発明では、コイルの流れ形態が図２ｂ、図２ｃ、図２ｄに示すように異なるだけであって、冷房サイクル時と暖房サイクル時に従来の技術とは異なり冷媒の流れ方向が変わらず、常に冷媒と空気は逆流の形で対向流を形成するようになっている。
【００３０】
図２ｅおよび図２ｆは図２ａ〜図２ｄに示した状態を示す外観概念図である。図２ｅおよび図２ｆを参照すると、本発明に使用されるコイル４０の構造は、流入管４４の下部に２つ以上の分配管４２を設置し、流入管４４に流入した冷媒がＣ地点で分配管４２に１次分配され、流入した冷媒は、コイル４０に流入しながら空気と冷媒が逆流の形で熱交換を行う対向流を形成する状態であり、対向流を形成した冷媒は、入口側とは反対に垂直１列１組または２列１組が水平移動または斜め移動または渦流移動によって熱交換を行ったコイル４０それぞれの列が出口側の分配管４２ａに合せられた後、分配管２ＳＥＴ以上が吐出管４６で合せられてコイルの外部へ吐き出される。
【００３１】
図３は本発明において空気の流れ方向からコイルを分割した構造図であって、本発明の場合、「Ｉ」字状のコイルも垂直分割して２ＳＥＴ以上のコイルで設計製作する。「Ｉ」字状のコイルは空気の流れ方向からみて四角形の形状である。
【００３２】
また、本発明は、四角形のコイルである場合に１ＳＥＴに設計製作した従来の技術とは異なり、四角形のコイルを垂直分割して２ＳＥＴ以上に設計製作する。コイルの容量が大きくなる場合には、３ＳＥＴ、４ＳＥＴ、またはそれ以上のコイルに分割されるようにすることも可能である。
【００３３】
ところが、本発明は、空気通過方向１箇所当たり１ＳＥＴのコイルで設計製作した従来の技術とは異なり、容量が大きくなる場合、水平管を垂直方向に分割し、水平管の長さを短くして空気通過方向１箇所当たり２ＳＥＴ以上のコイルで設計製作する。本発明は、容量が小さい場合には、空間の制約上、１ＳＥＴのコイルで設計製作するが、空間が許容し得る限りは分割して設計製作する。
【００３４】
そこで、本発明は、空気流れ方向１箇所当たり２ＳＥＴ以上のコイルに垂直分割して設計製作する。
【００３５】
本発明は、室内ユニットに装着されるコイルの場合、冷房の際にはコイル内の圧力が同一であるが、暖房の際にはコイルを分割して２段凝縮を行うことが好ましい。
【００３６】
前記コイルを２段凝縮する方法では、空気流れの反対方向に対向流の形で設計製作されたコイルが垂直構造において水平ライン１列〜２列当たりそれぞれ分配される並列構造の形で水平または斜めに空気の流れ方向に複数ライン連結されて１組をなすコイルが６列以上の場合、３列、３列の形で分割し、最初に分配されてそれぞれの組ラインを通過した配管ラインを再び合流させた後、合流されたラインに電磁膨張弁（これと同等な機能の膨張弁）を取り付けてさらに分配管によってそれぞれの組に分配され、前半部のコイルと後半部のコイルとの圧力を異にする。
【００３７】
これにより、前半部では一般な暖房サイクルの凝縮過程を行い、分割した中間に取り付けた膨張弁によって、後半部では１段の凝縮温度よりは低くなり、室内ユニット吸込空気の温度よりは高い温度で減圧が行われ、２段凝縮の形で後半部では室内ユニット吸込空気を予熱した後、前半部では１段凝縮温度と高温の吐出ガス温度によって１段凝縮温度より室内ユニット吐出空気の温度を高める。
【００３８】
図４は本発明における冷房サイクルの冷媒流れ図である。図４において、冷房時に圧縮機１１から吐き出された冷媒ガスは、配管ライン２６を介して室外ユニット用コイル１２に流入し、室外ユニット用送風機１６の送風によって室外空気で冷却され、凝縮液化される。次に、電磁弁２２が開いており、電磁弁２２を通過して冷媒配管１７に沿って室外ユニット３３から室内ユニット３２に移動して冷房用膨張弁１３によって絞り膨張して減圧され、室内ユニット用コイル１４において室内ユニット用送風機１５の送風によって室内空気と熱交換を行い、蒸発して冷媒配管１８に沿って室内ユニット３２から室外ユニット３３に移動して圧縮機１１で吸い込まれ、圧縮機１１の圧縮によって再循環するサイクルを形成し、冷房運転を行って室内の熱を室外に放出するサイクルを形成する。この際、暖房に必要な暖房用膨張弁１９は閉じ、吐出側三方弁２０は配管ライン２３を閉鎖し、吸込側三方弁２１は配管ライン２５を閉鎖し、電磁弁２２は開く。よって、次の循環構造で循環する。
【００３９】
圧縮機１１→室外ユニット用コイル１２→冷媒配管１７→冷房用膨張弁１３→室内ユニット用コイル１４→冷媒配管１８→圧縮機１１
【００４０】
図５は本発明における暖房サイクルの冷媒流れ図である。図５において、暖房時に圧縮機１１から吐き出された冷媒ガスは、吐出側三方弁２０が配管ライン２６（冷房時の吐出管）を閉鎖し、配管ライン２３（暖房時の吐出管）側に開いて配管ライン２３を介して冷媒ガスが冷媒配管１７に沿って室外ユニット３３から室内ユニット３２に移動する。この際、電磁弁２２は閉鎖されて室外ユニットコイルには流入しない。冷媒配管１７を介して室内ユニット３２に流入した冷媒は、室内ユニット用コイル１４において室内ユニット用送風機１５の送風によって室内空気との熱交換を行って室内に熱を放出し、凝縮液化して暖房運転を行い、冷媒配管１８に沿って室内ユニット３２から室外ユニット３３に移動して配管ライン２４（暖房時の液管）を介して暖房用膨張弁１９によって絞り膨張して室外ユニット用コイル１２において室外ユニット用送風機１６の送風によって室外空気の熱を吸熱し蒸発させて配管ライン２５（暖房時の吸込管）を介して吸込側三方弁２１を経て圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮機１１の圧縮によって再循環するサイクルを形成し、暖房運転を行って室外の熱を室内に放出するサイクルを形成する。この際、暖房に必要な暖房用膨張弁１９は開き、冷房用膨張弁１３は全開状態になり、吐出側三方弁２０は配管ライン２６を閉鎖し配管ライン２３を開放し、吸込側三方弁２１は配管ライン２７を閉鎖し配管ライン２５を開放し、電磁弁２２も閉鎖される。よって、次の循環構造で循環する。
【００４１】
圧縮機１１→冷媒配管１７→室内ユニット用コイル１４→冷媒配管１８→暖房用膨張弁１９→室外ユニット用コイル１２→圧縮機１１
【００４２】
図６は本発明における冷房サイクルの冷媒流れ図である。図６において、冷房の際に圧縮機１１から吐き出された冷媒ガスは、配管ライン２６を介して室外ユニット用コイル１２において室外ユニット用送風機１６の送風によって室外空気で冷却されて凝縮液化する。次いで、冷媒ガスは、電磁弁２２が開いており、電磁弁２２を通過して冷媒配管１７に沿って室外ユニット３３から室内ユニット３２に移動して冷房用膨張弁１３によって絞り膨張して減圧され、室内ユニット用コイル１４において室内ユニット用送風機１５の送風によって室内空気との熱交換を行って蒸発し、冷媒配管１８に沿って室内ユニット３２から室外ユニット３３に移動して圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮機１１の圧縮によって再循環するサイクルを形成し、冷房運転を行って室内の熱を室外に放出するサイクルを形成する。この際、暖房に必要な暖房用膨張弁１９は閉じ、吐出側三方弁２０は配管ライン３０を閉鎖し、吸込側三方弁２１は配管ライン２５を閉鎖し、電磁弁２２は開き、室内ユニット側三方弁２８は配管ライン３１（暖房時の室内ユニット側吐出管）を閉鎖し、電磁弁２９は閉じる。よって、次の循環構造で循環する。
【００４３】
圧縮機１１→室外ユニット用コイル１２→冷媒配管１７→冷房用膨張弁１３→室内ユニット用コイル１４→冷媒配管１８→圧縮機１１
【００４４】
図７は本発明における暖房サイクルの冷媒流れ図である。図７において、暖房の際に圧縮機１１から吐き出された冷媒ガスは、吐出側三方弁２０が配管ライン２６（冷房時の吐出管）を閉鎖し、配管ライン３０（暖房時の室外ユニット側吐出管）側に開き、配管ライン３０を介して冷媒ガスが冷媒配管１８に沿って室外ユニット３３から室内ユニット３２に移動する。この際、冷媒配管１８を介して室内ユニット３２に流入した冷媒は、三方弁２８（室内ユニット側）が配管ライン３１側に開き、室内ユニット用コイル１４の後端部側は閉鎖され、配管ライン３１（暖房時の室内ユニット側吐出管）を介して室内ユニット用コイル１４の前端部に流入し、室内ユニット用コイル１４において室内ユニット用送風機１５の送風によって室内空気との熱交換を行って室内に熱を放出し、凝縮液化して暖房運転を行う。この際、電磁式膨張弁１３（冷房用）は閉鎖される。その後、室内ユニット用コイル１４で暖房運転を行った凝縮液化した冷媒は、電磁弁２９が開いており、電磁弁２９を介して冷媒配管１７に誘導される。冷媒は、冷媒配管１７に沿って室内ユニット３２から室外ユニット３３に移動し、配管ライン２４（暖房時の液管）を介して暖房用膨張弁１９によって絞り膨張して室外ユニット用コイル１２の前端部に流入し、室外ユニット用コイル１２において室外ユニット用送風機１６の送風によって室外空気の熱を吸熱し蒸発させた後、吸込側三方弁２１が配管ライン２５（暖房時の吸込管）側に開き、配管ライン２７（冷房時の吸込管）側が閉じて配管ライン２５（暖房時の吸込管）を介して吸込側三方弁２１を経て圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮機１１の圧縮によって再循環するサイクルを形成し、暖房運転を行って室外の熱を室内に放出するサイクルを形成する。この際、暖房に必要な暖房用膨張弁１９は開き、吐出側三方弁２０は配管ライン２６を閉鎖し配管ライン２４を開放し、吸込側三方弁２１は配管ライン２７を閉鎖し配管ライン２５を開放し、電磁弁２２は閉鎖され、三方弁２８（室内ユニット側）は配管ライン３４を閉鎖し配管ライン３１を開放し、電磁式膨張弁１３（冷房用）は全閉状態になり、電磁弁２９は開く。よって、次の循環構造で循環する。
【００４５】
圧縮機１１→冷媒配管１７→室内ユニット用コイル１４→冷媒配管１７→暖房用膨張弁１９→室外ユニット用コイル１３→圧縮機１１
【００４６】
本発明のコイル構造は、冷熱を生産する冷凍機と、冷熱を蓄える氷蓄槽と、冷熱を使用する空調機などから構成されており、深夜時間には冷凍機を稼動して氷蓄槽に冷熱を蓄え、昼間には冷凍機を停止し、氷蓄槽の冷熱を、空調機を循環させて冷房に利用する蓄冷システムに適用することができる。これは図８に示されている。
【００４７】
本発明は、図８に示すように氷蓄槽３４を設置することができる。本発明は、図８に示すように、室内ユニット３２と室外ユニット３３との中間に氷蓄槽３４を設置する。本発明は、氷蓄槽３４内のコイルと冷媒配管１７、冷媒配管１８、配管ライン２５とを連結し、連結される配管に三方弁または電磁弁を設置して、氷蓄槽が凝縮器の役割を行う場合、冷媒配管１８に連結された電磁弁が開いて室内ユニットで暖房運転を行い、凝縮液化した冷媒を通過させて室内ユニットにおける凝縮温度より低い温度の熱を氷蓄槽に蓄える。この際、室内ユニットの凝縮温度より低い温度を形成するためには、氷蓄槽コイルの前端部に膨張弁を設置して、室内ユニットにおいて凝縮液化した冷媒を絞り膨張して室内ユニットの凝縮温度よりは低く、氷蓄槽の内部にある水または氷の温度よりは高い温度を形成し、室内ユニットの凝縮温度より低い温度の熱で氷蓄槽内の氷を融解させ、或いは氷蓄槽の内部で融解された水の温度を上げて、氷蓄槽の内部に、室内ユニットで凝縮してから残った熱を蓄える。
【００４８】
本発明において、暖房運転中に室外ユニットコイルに霜が積もって除霜運転を行う場合、氷蓄槽は、室外ユニットコイルを代理して蒸発器の役割を行う。氷蓄槽の内部には、氷が融解の形で水になり、或いは水が顕熱の形で蓄えられており、除霜運転の際に蒸発器の役割を行うことが可能な熱が蓄えられている。
【００４９】
したがって、本発明において除霜運転の際に、氷蓄槽３４は蒸発器の役割を行う。また、室外気温の低下により蒸発温度があまり低くなる場合、氷蓄槽は室外ユニットコイルと共に蒸発器の役割を行う。
【００５０】
図８は氷蓄槽に関連したシステムを示す図である。図８を参照すると、氷蓄槽内のコイルを冷媒配管１７、１８と連結し、電磁式膨張弁３７と電磁弁３５を取り付け、配管ライン２５と連結し、中間に電磁弁３８を取り付けることにより、コントロールによって、平常の暖房運転の際に、電磁式膨張弁３７によって氷蓄槽内の水より高い温度で減圧し、水が凍っている場合、水を融解させ、潜熱と感熱によって熱を蓄え、除霜運転の際に、電磁弁３９は開き、暖房用膨張弁１９は閉じ、室外ユニットコイルに吐出ガスを通過させて除霜を行い、凝縮液化した液冷媒を氷蓄槽に蓄えられた熱によって蒸発させて圧縮機に回収させる。この際、電子弁３８は開状態、電磁弁３６は全閉状態、電磁弁３５は開状態となり、吸込側三方弁２１は配管ライン２５を閉鎖し、室外ユニット用コイル１２で除霜運転を行った液冷媒と室内ユニット用コイル１４で暖房運転を行った液冷媒とが混合され、平常の際に氷蓄槽に蓄えられている熱によって蒸発し、圧縮機に回収されて運転されるので、除霜運転と暖房運転を併行する。また、外気温度の低下により蒸発圧力が低くなる場合、電磁弁３５は閉鎖され、電磁弁３８は開き、暖房用膨張弁１９と電磁式膨張弁３７を外気の温度に対応してコントロールすることにより、室外ユニット用コイル１２で蒸発する冷媒ガスと適切に混合し、或いは全的に氷蓄槽を蒸発器として用い、外気の温度が低くなって暖房能力が低下する悪影響を排除し、平常の際に融解熱と感熱によって蓄えられた熱を蒸発に活用し、凝固熱によって氷蓄槽内の熱を回収して暖房に利用して、外気の温度が低いときの悪影響を除去することができる。
【実施例】
【００５１】
１．実施例１（本発明のコイル構造を使用した場合の凝縮圧力）
前述したコイル構造において、前記コイル構造を垂直分割した形態とし、垂直分割型のコイルは、前記コイルを立てたとき、冷媒の流れが水平移動するにつれて、垂直に２列が一組となってそれぞれの分配管を連結して垂直１列と垂直２列間の移動を繰り返し行うように分配管を並列連結した結果の凝縮温度を、従来のコイルの内部を通過する冷媒とコイルの外表面を流れる空気間の熱交換が逆流の形で行われるコイル構造の凝縮温度と比較した。その比較結果は表１に示す。
【００５２】
【表１】
2008524547.tif 000003
【００５３】
従来の技術は、凝縮器を通過する空気の温度が、通過する部分のコイル内部の冷媒が過熱蒸気区域か湿り蒸気区域か過冷却区域かによってそれぞれ異なる温度を形成し、それぞれ異なる温度の空気が混合されて中間段階の温度を示してきた。これにより、従来の技術は凝縮温度より低い温度の吐出空気温度を示してきた関係で、暖房の際に高い吐出空気温度を示すために凝縮圧力を高めて凝縮温度を高める方法によって、ヒートポンプを暖房運転に利用してきた。ところが、本発明は、コイルの構造を垂直分割型とすることにより、凝縮温度より高い過熱蒸気区域の高温を最大限活用して、コイルを通過する空気の温度が通過する部分を問わずに一定の温度分布を示し、凝縮温度より高い吐出空気温度を示す。よって、表１に示すように、本発明は、従来の技術に比べて低い凝縮圧力を示すことを確認することができる。
【００５４】
また、本発明は、ヒートポンプが暖房で運転の際に、室外ユニットコイルが蒸発器の役割を行うにおいて、前述したように従来の技術と同量のコイルにおける熱交換量が大きくなるので、室外温度が低温に下がっても、従来の技術に比べて蒸発温度は最大限室外温度に近接する温度と高く形成するので、高くなった蒸発圧力によって圧縮機の所要動力は減少し、従来の技術に比べて吸込蒸気の比体積が小さくなる。よって、蒸発温度が低くなるにつれて冷媒循環量が減少して冷凍能力の低下により暖房能力が減少する現象が発生した従来の技術とは異なり、本発明は、室外ユニットコイルに積もる霜の量が少なくてなって従来の技術に比べて除霜運転の時間が減少し、従来の技術に比べて安定的な暖房運転を行う。
【００５５】
したがって、本発明に係るコイルを暖房に適用したとき、従来の技術に比べて凝縮圧力を著しく低める効果があることを確認することができる。
【００５６】
２．実施例２（本発明のコイル構造を使用しながらコイルの中間に膨張弁を取り付けた場合の凝縮圧力）
本出願人は、１段凝縮の形で暖房に利用した場合（従来の技術）の凝縮容量と、コイルの外表面を通過する熱媒体の温度より低い温度で減圧膨張させて２段以上凝縮の形で暖房に再利用するように構成した場合（本発明）の凝縮容量との比較を行った。その比較結果は表２に示す。
【００５７】
【表２】
2008524547.tif 000004
【００５８】
従来の技術は、冷媒１ｋｇ当たりの凝縮容量が１６２−１１５＝４７ｋｃａｌ／ｈである。これに対し、本発明は１６２−１０２＝６０ｋｃａｌ／ｈであって、従来の技術に比べて１３ｋｃａｌ／ｈだけ増加して凝縮容量が２７．７％増加することを確認した。
【００５９】
以上、本発明の好適な実施例を暖房機に限定して説明したが、本発明は、２次冷媒、すなわちブライン（水または不凍液）を用いるヒートポンプシステムにおいて２次冷媒用コイルに適用する場合、従来の技術に比べて入口側温度と出口側温度の差異を大きくすることに使用することができる。
【００６０】
一般に潜熱によって吸熱反応と発熱反応を行う１次冷媒とは異なり、２次冷媒は感熱（顕熱）によって吸熱反応と発熱反応を行う。従来の技術では、入口温度と出口温度との差異を冷房時に約３〜５℃、暖房時に約５〜１０℃として運転されるので、冷房サイクルではヒートポンプシステムを利用するが、暖房の際には大部分直火式ボイラーによって化石燃料を燃焼させて得られる燃焼熱によって２次冷媒（ブライン）の温度を上昇させて暖房運転に使用する。
【００６１】
特に、化石燃料を燃焼させる場合、一定量（１０〜１５％）の排気熱が排気管を介して外部に放出される。この際、本発明によってコイルの内部を流れる２次冷媒（ブライン）が、コイルの外部を流れる空気と熱交換を行う場合、逆流を形成する対向流によって入口温度と出口温度との差異は大きくなる。
【００６２】
これにより、本発明に係る２次冷媒用コイルを適用するヒートポンプシステムの場合、２次冷媒用コイルの外部を通過する空気の温度はコイルの内部を通過する２次冷媒（ブライン）の入口温度と同一または類似の温度に達することができる。この場合、冷房運転の際にコイルの入口水温を約５〜１２℃程度にして運転した従来の技術とは異なり、約１２〜２０℃程度にして運転しても、従来の技術と同様に、２次冷媒用コイルの外部を通過する空気の温度を示すことができる。この場合、蒸発圧力を高く形成することができるので、冷房運転の際にエネルギー消費量が減少する。
【００６３】
また、暖房運転の際に、コイルの入口水温を約６５〜５５℃程度にして運転した従来の技術とは異なり、約５５〜４０℃程度にして運転しても、従来の技術と同様に、２次冷媒用コイルの外部を通過する空気の温度を示すことができる。この場合、暖房運転を大部分化石燃料の燃焼熱によって２次冷媒（ブライン）の温度を上昇させて使用した従来の技術とは異なり、ヒートポンプシステムを暖房モードにして運転しても、本発明の１次冷媒用コイルの暖房時の効果である凝縮圧力を、従来の技術に比べて著しく低めても吐出ガス温度の過熱度を最大限活用する場合、凝縮温度より高い２次冷媒（ブライン）の温度を形成することができる。よって、大型システムにおいて化石燃料の燃焼熱を利用した従来の技術とは異なり、ヒートポンプシステムによって、室外空気に存在する熱を用いて化石燃料の燃焼なしに低いエネルギー消費率と高い熱効率で暖房運転を行う。
【００６４】
従来の技術は、２次冷媒を用いる冷暖房システムの場合、殆ど冷房システムとして水冷式システムを活用してきた。また、暖房運転の際に直火式ボイラーによる化石燃料の燃焼熱を用いるシステムによって成績係数（Ｃ．Ｏ．Ｐ）が１以下を示す低効率のシステムを活用してきた。ところが、本発明を２次冷媒を用いる冷暖房システムに適用する場合、水冷式システムの成績係数（Ｃ．Ｏ．Ｐ）以上の効率を発揮し、空冷式化によって水冷式システムの水質管理問題を解決することができる。また、暖房運転の際に直火式ボイラーを使用せず、ヒートポンプシステムを用いることにより、高い成績係数によって熱効率が高くなり、暖房のための発熱量を最小化するので、暖房による地球温暖化の影響を最小化し、二酸化炭素の排出量を著しく減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来のコイル構造における冷媒と空気の流れを示す図である。
【図２】本発明のコイル構造において、冷媒と空気の相対的な流れ方向に関連したコイルの形態（ａｓｐｅｃｔ）に関する図面であって、  図２ａおよび図２ｂはそれぞれ空気の流れ方向に対して冷媒コイルが水平に配列された状態の斜視図および正面図であり、  図２ｃおよび図２ｄはそれぞれ空気の流れ方向に対して冷媒コイルが斜めに配列された状態の概念図であり、  図２ｅおよび図２ｆはそれぞれ図２ａ〜図２ｄに使用可能なコイルの斜視図および正面図である。
【図３】本発明に係る、空気の流れ方向に対してコイルを分割した形態のコイルを示す概念図である。
【図４】本発明に係るヒートポンプシステムにおける冷房サイクル運転時の概念図である。
【図５】本発明に係るヒートポンプシステムにおける暖房サイクル（室外ユニットでのみ転換）運転時の概念図である。
【図６】本発明の冷房サイクルの概略図である。
【図７】本発明の暖房サイクル（室内外ユニットで転換）の概略図である。
【図８】本発明の氷蓄槽を利用する概略図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１：圧縮機
１２：室外ユニット用コイル
１３：冷房用膨張弁
１４：室内ユニット用コイル
１５：室内ユニット用送風機
１６：室外ユニット用送風機
１７：冷媒配管（冷房時の液管）
１８：冷媒配管（冷房ガス管）
１９：暖房用膨張弁
２０：吐出側三方弁
２１：吸込側三方弁
２２、２９、３５、３６、３８、３９：電磁弁
２３、２４、２５、２６、２７、３０、３１：配管ライン
２８：室内ユニット側三方弁
３２：室内ユニット
３３：室外ユニット
４０：冷媒コイル
４２：分配管
４４：流入管
４６：吐出管
【図１】
2008524547.tif 000005
【図２】
2008524547.tif 000006
【図３】
2008524547.tif 000007
【図４】
2008524547.tif 000008
【図５】
2008524547.tif 000009
【図６】
2008524547.tif 000010
【図７】
2008524547.tif 000011
【図８】
2008524547.tif 000012
【国際調査報告】
2008524547.tif 000013
2008524547.tif 000014