(57)【要約】      （修正有）【課題】室外機を不要として、コンパクトで省電力も期待できる空気サイクル冷暖房装置を提供する。【解決手段】空気サイクル回路において、放熱器１１に接合した冷却熱交換器１０と熱回収熱交換器１２により、暖房時は２段目圧縮機２で圧縮された空気冷媒２０が室内熱交換器９で放熱して室内暖房した後、膨張弁８で減圧して熱回収熱交換器１２に送り込まれ、１段目圧縮機１に吸入された圧縮加熱した放熱器１１からの熱を熱回収熱交換器１２で吸熱し、２段目圧縮機２で空気冷媒２０を圧縮加熱する暖房運転の機能と、冷房時は放熱器１１から等圧分流して減圧した空気冷媒２０の一方は室内熱交換器９で吸熱して室内冷房した後に１段目圧縮機１に吸入され、他方は冷却熱交換器１０に送り込まれ、１段目圧縮機１に吸入され圧縮加熱した放熱器１１からの熱エネルギを冷却熱交換器１０で吸熱し、膨張弁３で空気冷媒を減圧冷却して室内を冷房する。【選択図】図１
2008202840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１段目圧縮機と、２段目圧縮機と、室内熱交換器とを空気サイクル管で接続した冷暖房・空気サイクル回路において、断熱容器に収納された放熱器に接合した冷却熱交換器と熱回収熱交換器により、暖房時は、２段目圧縮機で圧縮加熱された空気冷媒が室内熱交換器で放熱して室内暖房した後、膨張弁で減圧冷却して熱回収熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入された圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを熱回収熱交換器で吸熱し、２段目圧縮機で空気冷媒を圧縮加熱して室内暖房する暖房運転サイクルの機能と、冷房時は、冷房運転の始動サイクル後は、放熱器から２ヶ所の膨張弁に等圧分流して減圧冷却した空気冷媒の一方は室内熱交換器で吸熱して室内冷房した後に１段目圧縮機に吸入され、他方は冷却熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入され圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを冷却熱交換器で吸熱し、膨張弁で空気冷媒を減圧冷却して室内冷房する冷房運転サイクルの機能とを三方弁で制御・選択することにより、室外機の放熱・吸熱等の機能・装置を室内機に具備したことを特徴とする空気サイクル冷暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気冷媒を利用した空気サイクル冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球環境保全の観点から、二酸化炭素やアンモニア、炭化水素等のノンフロン冷媒によるヒートポンプのルーム・エアコンや冷凍機が普及しており、中でも環境負荷が最も少ない空気冷媒で作動し、圧縮−放熱−膨張−吸熱のサイクルを形成するヒートポンプが実用化されつつある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】財団法人ヒートポンプ・蓄熱センター編「ノンフロン技術  −自然冷媒の新潮流−」、株式会社オーム社、平成１６年１１月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、室内を電力で冷暖房するルーム・エアコンは、建築構造物への配管により、室内機と室外機とに分離して設置され、特に室内機は室内での自由移動が不可能となっている。
一方、室外機は、冷房時には外気熱より高い熱エネルギーを大気に放熱し、暖房時には外気熱より低い冷熱エネルギーを大気に放熱するため、動植物や人の生活環境に悪影響を及ぼすものとなっている。よって、この大気熱を利用するヒートポンプ方式は、外気熱が上昇すると冷房機能が低下し、外気熱が下降すると暖房機能が低下して消費電力の増加に繋がるといった問題を抱えている。
【０００５】
そこで、本発明は、大気熱を利用したヒートポンプ方式であっても、室外機を不要として、コンパクトで室内機の移動を可能とすると共に、省電力も期待できる空気サイクル冷暖房装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１段目圧縮機と、２段目圧縮機と、室内熱交換器とを空気サイクル管で接続した冷暖房・空気サイクル回路において、断熱容器に収納された放熱器に接合した冷却熱交換器と熱回収熱交換器により、暖房時は、２段目圧縮機で圧縮加熱された空気冷媒が室内熱交換器で放熱して室内暖房した後、膨張弁で減圧冷却して熱回収熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入された圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを熱回収熱交換器で吸熱し、２段目圧縮機で空気冷媒を圧縮加熱して室内暖房する暖房運転サイクルの機能と、冷房時は、冷房運転の始動サイクル後は、放熱器から２ヶ所の膨張弁に等圧分流して減圧冷却した空気冷媒の一方は室内熱交換器で吸熱して室内冷房した後に１段目圧縮機に吸入され、他方は冷却熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入され圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを冷却熱交換器で吸熱し、膨張弁で空気冷媒を減圧冷却して室内冷房する冷房運転サイクルの機能とを三方弁で制御・選択することにより、室外機の放熱・吸熱等の機能・装置を室内機に具備したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、大気熱を利用したヒートポンプ方式であっても、室外機が不要となる。よって、コンパクトな構成となって装置の室内移動も容易に行え、使い勝手に優れる。また、動植物や人の生活環境に悪影響を及ぼすおそれが無くなると共に、冷暖房運転の何れの場合でも機能が低下しないので、省電力にも繋がる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の空気サイクル冷暖房装置の一例を示す説明図である。この図１において、１は１段目圧縮機、２は２段目圧縮機で、両圧縮機１，２は空気サイクル管１９で形成される循環流路内に組み込まれている。この循環流路において、１段目圧縮機１の下流側には、断熱容器１３に収容した放熱器１１が接続され、その放熱器１１の下流側には、除湿フィルタ１５を装着したコンプレッサ１６が、逆止弁１７を介して接続されており、コンプレッサ１６により空気冷媒２０を空気サイクル管１９に圧送可能となっている。１８は、空気サイクル管１９内の圧力を所定値に調整する圧力調整弁である。
また、２段目圧縮機２の下流側で１段目圧縮機１との間には、ファン１４を備えた室内熱交換器９が設けられている。
【０００９】
一方、循環経路には、２段目圧縮機２とバイパスするバイパス管が接続されており、そのバイパス管には、膨張弁（Ａ）３が設けられると共に、バイパス管の各接続部には、三方弁（Ａ）６，三方弁（Ｂ）７が夫々設けられている。また、バイパス管における膨張弁（Ａ）３と三方弁（Ａ）６との間と、１段目圧縮機１との間には、膨張弁（Ｂ）４を備えた空気サイクル管１９が接続されている。この空気サイクル管１９は、断熱容器１３内で放熱器１１に接合された冷却熱交換器１０と接続されている。
さらに、空気サイクル管１９における１段目圧縮機１と室内熱交換器９との間には、三方弁（Ｃ）８が設けられ、この三方弁（Ｃ）８には、膨張弁（Ｃ）５を備え、断熱容器１３内で放熱器１１及び冷却熱交換器１０に接合された熱回収熱交換器１２に接続された空気サイクル管１９の上流端が接続されている。この空気サイクル管１９の下流端は、三方弁・Ｃ８と１段目圧縮機１との間に接続されている。
【００１０】
以上の如く構成された空気サイクル冷暖房装置において、空気サイクル冷暖房装置の空気サイクル管１９に湿度フィルター１５を装着したコンプレッサー１６により、空気冷媒２０を逆止弁１７を経過して圧送し、所定の圧力に調整された圧力調整弁１８から空気冷媒２０が排気されることで、コンプレッサ１６が停止する。
これにより、空気サイクル冷房装置の三方弁（Ａ）６と三方弁（Ｂ）７と三方弁（Ｃ）８とを冷房運転にするか、暖房運転にするかを選択し、空気サイクル冷暖房装置の制御を行う。
【００１１】
室内の気温が４０℃の時、２段目圧縮機２によって空気サイクル管１９の空気冷媒２０を吸入圧縮することで８０℃まで加熱する（図２（１）→（２））。その後、空気冷媒２０は三方弁（Ｂ）７を通過して室内熱交換器９のチューブへと送り込まれる。そして、ファン１４によって４０℃の室内空気と熱交換を行い、５０℃まで等圧冷却した後、チューブから排出される（図２（３）→（４））。その後、三方弁（Ｃ）８を通過して膨張弁（Ｃ）５に送り込まれ、減圧膨張によって２０℃まで冷却される（図２（５）→（６））。
【００１２】
その２０℃まで冷却された空気冷媒２０は、冷却熱交換器１０と放熱器１１とに接合された熱回収熱交換器１２のチューブに流入し、１段目圧縮機１へ吸入圧縮されることで６０℃まで加圧加熱される（図２（７）→（１０））。そして、放熱器１１のチューブに送り込まれることにより、２０℃に冷却されている熱回収熱交換器１２と熱交換を行い、３０℃まで等圧降温した後、放熱器１１のチューブより排出される（図２（１１）→（１２））。
【００１３】
三方弁（Ａ）６と三方弁（Ｂ）７と三方弁（Ｃ）８とは、このチューブの排出部に装着された圧力センサーと温度センサーと冷房運転サイクルとによって制御される。３０℃まで等圧降温した空気冷媒２０は、三方弁（Ａ）６を通過した後、膨張弁（Ａ）３と膨張弁（Ｂ）４とに等圧分流する。膨張弁（Ａ）３に送り込まれた空気冷媒２０は、減圧膨張することで０℃まで冷却される（図３（１）→（２））。そして、三方弁（Ｂ）７を通過して室内熱交換器９のチューブに流入し、ファン１４によって４０℃の室内空気と熱交換を行い、３０℃に昇温した後、室内熱交換器９のチューブより排出される（図３（３）→（４））。その後、４０℃の室内空気は、室内熱交換器９と熱交換を行い、１０℃まで冷却される。更に、冷却媒体２０は、三方弁（Ｃ）８を通過して１段目圧縮機１に吸入圧縮される。３０℃の空気冷媒２０は、１段目圧縮機１に吸入圧縮された後、６０℃に加圧加熱されて放熱器１１のチューブへ送り込まれる（図３（５）→（６））。
【００１４】
一方、膨張弁（Ｂ）４に送り込まれ減圧膨張して０℃になった（図３（１）’→（２）’）空気冷媒２０は、冷却熱交換器１０に流入し、６０℃に加熱された放熱器１１と熱交換を行い、３０℃まで昇温した後（図３（３）’→（４）’）、１段目圧縮機１に吸入されて６０℃に加圧加熱される（図３（５）’→（６））。その後、放熱器１１のチューブに送り込まれ、０℃に冷却された冷却熱交換器１０と熱交換を行うことにより、３０℃まで等圧降温し、空気サイクル管１９に圧送し排出される（図３（７）→（８））。
以上が、空気サイクル冷暖房装置の冷房始動サイクルと冷房運転サイクルの手順手法である。
なお、室内空気中の水分が冷却され液化することで発生した水は、タンクから超音波スチーム発生機で室内に放出する方法が考えられる。
【００１５】
空気サイクル冷暖房装置を暖房運転にした場合、三方弁（Ａ）６と三方弁（Ｂ）７と三方弁（Ｃ）８とを同一の暖房運転サイクルにより制御する。
室内の気温が０℃の時は、２段目圧縮機２により空気サイクル管１９の空気冷媒２０を５０℃に吸入圧縮した後（図４（１）→（２））、三方弁（Ｂ）７を通過して室内熱交換器９のチューブに送り込み、ファン１４によって０℃の室内空気と熱交換を殆どしない状態で、４０℃に等圧降温する（図４（３）→（４））。
【００１６】
４０℃に等圧降温した空気冷媒２０は、チューブより排出され、三方弁（Ｃ）８を通過して膨張弁（Ｃ）５に送り込まれる。その後、減圧膨張により、１０℃まで冷却されることで、冷却熱交換器１０と放熱器１１とに接合された熱回収熱交換器１２のチューブに流入する（図４（５）→（６））。
【００１７】
熱回収熱交換器１２のチューブに流入した１０℃の空気冷媒２０は、１段目圧縮機１に吸入圧縮されて、６０℃に加圧加熱され、放熱器１１のチューブに送り込まれる（図４（７）→（１０））。そして、１０℃に加熱されている熱回収熱交換器１２と熱交換を行い、３０℃に等圧降温する（図４（１１）→（１２））。
【００１８】
放熱器１１のチューブより排出した空気冷媒２０は、三方弁（Ａ）６を通過して２段目圧縮機２により８０℃に吸入圧縮され（図５（１）→（２））、三方弁（Ｂ）７を通過して室内熱交換器９のチューブに送り込まれる。その後、ファン１４によって０℃の室内空気と熱交換を行い、４０℃まで等圧降温した後、室内熱交換器９のチューブより排出される（図５（３）→（４））。ここで、室内熱交換器９との熱交換で０℃の室内空気は２０℃〜４０℃に加熱される。
【００１９】
４０℃に等圧降温した空気冷媒２０は、三方弁（Ｃ）８を通過して膨張弁（Ｃ）５に送り込まれ、減圧膨張により１０℃に冷却される（図５（５）→（６））。その後、熱回収熱交換器１２のチューブに流入し、６０℃に加熱された放熱器１１と熱交換を行い、４０℃に昇温した後、チューブより排出される（図５（７）→（８））。
【００２０】
空気サイクル管の空気冷媒２０は、１段目圧縮機１により６０℃に圧縮加熱された後、放熱器１１のチューブに送り込まれる（図５（９）→（１０））。そして、１０℃の熱回収熱交換器１２と熱交換を行い、３０℃に等圧降温され、チューブより排出される（図５（１１）→（１２））。
以上の温度変化による空気冷媒２０の同一循環が、空気サイクル冷暖房装置の暖房始動及び運転サイクルの方法手順である。
なお、室内熱交換器９からファン１４により排出される空気・冷熱エネルギーと空気・熱エネルギーを製氷機や冷水機などの冷熱源や給湯機などの熱源に利用できることを明記する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】空気サイクル冷暖房装置の説明図である。
【図２】冷房始動サイクルの説明図である。
【図３】冷房運転サイクルの説明図である。
【図４】空気サイクル冷暖房装置の暖房始動サイクルの説明図である。
【図５】暖房運転サイクルの説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１・・１段目圧縮機、２・・２段目圧縮機、３・・膨張弁（Ａ）、４・・膨張弁（Ｂ）、５・・膨張弁（Ｃ）、６・・三方弁（Ａ）、７・・三方弁（Ｂ）、８・・三方弁（Ｃ）、９・・室内熱交換器、１０・・冷却熱交換器、１１・・放熱器、１２・・熱回収熱交換器、１３・・断熱容器、１４・・ファン、１５・・除湿フィルタ、１６・・コンプレッサ、１７・・逆止弁、１８・・圧力調整弁、１９・・空気サイクル管、２０・・空気冷媒。
【図１】
2008202840.tif 000003
【図２】
2008202840.tif 000004
【図３】
2008202840.tif 000005
【図４】
2008202840.tif 000006
【図５】
2008202840.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月27日(2007.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
空気冷媒を利用したヒートポンプ・冷暖房回路において、断熱容器に収納された放熱器に接合した冷却熱交換器と熱回収熱交換器により、暖房時は、２段目圧縮機で圧縮加熱された空気冷媒が室内熱交換器で放熱して室内暖房した後、膨張弁で減圧冷却して熱回収熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入された圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを熱回収熱交換器で吸熱し、２段目圧縮機で空気冷媒を圧縮加熱して室内暖房する暖房運転サイクルの機能と、冷房時は、冷房運転の始動サイクル後は、放熱器から２ヶ所の膨張弁に等圧分流して減圧冷却した空気冷媒の一方は室内熱交換器で吸熱して室内冷房した後に１段目圧縮機に吸入され、他方は冷却熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入され圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを冷却熱交換器で吸熱し、膨張弁で空気冷媒を減圧冷却して室内冷房する冷房運転サイクルの機能とを三方弁で制御・選択することにより、室外機の放熱・吸熱等の機能・装置を室内機に具備したことを特徴とする空気サイクル冷暖房装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
現在、地球環境保全の観点から、二酸化炭素やアンモニア、炭化水素等のノンフロン冷媒によるヒートポンプのルーム・エアコンや冷蔵庫が普及しており、中でも環境負荷が最も少ない空気冷媒で作動し、圧縮−放熱−膨張−吸熱のサイクルを形成するヒートポンプが実用化されつつある（非特許文献１参照）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【非特許文献１】財団法人ヒートポンプ・蓄熱センター編「ノンフロン技術  −自然冷媒の新潮流−」、株式会社オーム社、平成１６年１１月
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
そこで、本発明は、大気熱を利用した放熱・吸熱等の機能・装置の室外機を不要として、コンパクトで室内機の移動を可能とすると共に、省電力も期待できる空気サイクル冷暖房装置を提供することを目的としたものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、空気冷媒を利用したヒートポンプ・冷暖房回路において、断熱容器に収納された放熱器に接合した冷却熱交換器と熱回収熱交換器により、暖房時は、２段目圧縮機で圧縮加熱された空気冷媒が室内熱交換器で放熱して室内暖房した後、膨張弁で減圧冷却して熱回収熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入された圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを熱回収熱交換器で吸熱し、２段目圧縮機で空気冷媒を圧縮加熱して室内暖房する暖房運転サイクルの機能と、冷房時は、冷房運転の始動サイクル後は、放熱器から２ヶ所の膨張弁に等圧分流して減圧冷却した空気冷媒の一方は室内熱交換器で吸熱して室内冷房した後に１段目圧縮機に吸入され、他方は冷却熱交換器に送り込まれ、１段目圧縮機に吸入され圧縮加熱した放熱器からの熱エネルギを冷却熱交換器で吸熱し、膨張弁で空気冷媒を減圧冷却して室内冷房する冷房運転サイクルの機能とを三方弁で制御・選択することにより、室外機の放熱・吸熱等の機能・装置を室内機に具備したことを特徴とするものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、大気熱を利用した放熱・吸熱等の機能・装置の室外機が不要となる。よって、コンパクトな構成となって装置の室内移動も容易に行え、使い勝手に優れる。また、動植物や人の生活環境に悪影響を及ぼすおそれが無くなると共に、冷暖房運転の何れの場合でも機能が低下しないので、省電力にも繋がる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
一方、循環経路には、２段目圧縮機２とバイパスするバイパス管が接続されており、そのバイパス管には、膨張弁（Ａ）３が設けられると共に、バイパス管の各接続部には、三方弁（Ａ）６，三方弁（Ｂ）７が夫々設けられている。また、バイパス管における膨張弁（Ａ）３と三方弁（Ａ）６との間には、冷却熱交換器１０と接続した膨張弁（Ｂ）４を備えた空気サイクル管１９が接続されている。
さらに、空気サイクル管１９における１段目圧縮機１と室内熱交換器９との間には、三方弁（Ｃ）８が設けられ、この三方弁（Ｃ）８には、膨張弁（Ｃ）５を備え、断熱容器１３内で放熱器１１及び冷却熱交換器１０に接合された熱回収熱交換器１２に接続された空気サイクル管１９の上流端が接続されている。この空気サイクル管１９の下流端は、三方弁（Ｃ）８と１段目圧縮機１との間に接続されている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
三方弁（Ａ）６と三方弁（Ｂ）７と三方弁（Ｃ）８とは、このチューブの排出部に装着された圧力センサーと温度センサーと冷房運転サイクルとによって制御される。３０℃まで等圧降温した空気冷媒２０は、三方弁（Ａ）６を通過した後、膨張弁（Ａ）３と膨張弁（Ｂ）４とに等圧分流する。膨張弁（Ａ）３に送り込まれた空気冷媒２０は、減圧膨張することで０℃まで冷却される（図３（１）→（２））。そして、三方弁（Ｂ）７を通過して室内熱交換器９のチューブに流入し、ファン１４によって４０℃の室内空気と熱交換を行い、３０℃に昇温した後、室内熱交換器９のチューブより排出される（図３（３）→（４））。その後、４０℃の室内空気は、室内熱交換器９と熱交換を行い、１０℃まで冷却される。更に、空気冷媒２０は、三方弁（Ｃ）８を通過して１段目圧縮機１に吸入圧縮される。３０℃の空気冷媒２０は、１段目圧縮機１に吸入圧縮された後、６０℃に加圧加熱されて放熱器１１のチューブへ送り込まれる（図３（５）→（６））。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
空気サイクル管１９の空気冷媒２０は、１段目圧縮機１により６０℃に圧縮加熱された後、放熱器１１のチューブに送り込まれる（図５（９）→（１０））。そして、１０℃の熱回収熱交換器１２と熱交換を行い、３０℃に等圧降温され、チューブより排出される（図５（１１）→（１２））。
以上の温度変化による空気冷媒２０の同一循環が、空気サイクル冷暖房装置の暖房始動及び運転サイクルの方法手順である。
なお、室内熱交換器９からファン１４により排出される空気・冷熱エネルギーと空気・熱エネルギーを製氷機や冷水機などの冷熱源や給湯機などの熱源に利用できることを明記する。