本発明は、一つの熱交換部の内部に、暖房のとき、室内器から放出される高温の冷媒と室外器から放出される低温の冷媒とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張器とを一緒に設置することにより、膨張器においても膨張器の内部に流れる高温の冷媒と外部に流れる低温の冷媒とが熱交換されるようになり、熱交換効率を向上させることができる再生複合冷・暖房システムに関する。

今日、家庭や事務室、工場などでは、夏期には冷房で室内温度を低下させて快適な室内環境を実現し、冬期には室内の温度を高めて快適な室内環境を保つことができる冷房装置と暖房装置を同時に備えた冷・暖房装置が使われている。

このような冷・暖房装置には、従来の冷房装置に鯨油やガスを燃焼させて暖房する方法や、電気ヒーターを利用した電気コイル方法などが採用された。

ところが、電子の場合は、室内の酸素を燃焼させる方式なので、酸素欠乏の問題点を有し、後者の場合は、電気を利用するため、過剰な電気消費を招くおそれがある。

かかる問題点を乗り越えるために、図１に示すように、冷媒を用いた冷・暖房システムが公開された。 このような冷・暖房システムの主要技術構成は、室内に設置される室内器１０３と、室外に設置される室外器１０９と、冷媒を圧縮して送出する圧縮部１０１(Compressor)と、室内器１０３または室外器１０９に供給される前に冷媒を低温に変化させる膨張部１０５、１０７と、冷媒の流れを制御する複数の弁１１１、１１３とを含む。

冷・暖房システムの室内器１０３は、冷房時には流入した冷媒との熱交換により室内空気を冷却し、暖房時には流入した冷媒との熱交換により冷媒を凝縮させながら室内空気を加熱する。 室外器１０９は、冷房時には室外空気との熱交換により流入冷媒を冷却し、暖房時には室外空気との熱交換により流入冷媒を加熱する。 膨張部１０５、１０７は、暖房時には室外器１０９に流入する冷媒を膨張させて室外空気より低温に冷却し、冷房時には室内器１０３に流入する冷媒を膨張させて室内空気より低温に冷却する。

しかし、このような冷・暖房システムは、暖房のとき、室外器から流出する低温の冷媒が直接圧縮部に流入するので、圧縮部で高温高圧の冷媒に圧縮するためには多くの熱量が必要となるのみならず、機械的耐久性の問題が発生した。

また、前記冷・暖房システムは、暖房のとき、室外気温と室外器に流入する冷媒との温度差が大きければ、室外器に着霜が発生してしまい外気熱を取得することができないと共に、霜がついて着霜するという問題点があった。

本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、一つの熱交換部の内部に、暖房のとき、室内器から放出される高温の冷媒と室外器から放出される低温の冷媒とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張器とを一緒に設置することにより、膨張器においても膨張器の内部に流れる高温の冷媒と外部に流れる低温の冷媒とが熱交換されるようになり、熱交換効率を向上させることができる再生複合冷・暖房システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、熱交換部の内部に熱交換器および膨張器を一緒に内蔵させることにより、熱交換施設の設備を単純化させることができる再生複合冷・暖房システムを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、室外器に供給される冷媒と室外器から放出される冷媒とを圧力変化なしで熱交換だけを行う熱交換器で熱交換させ、室外器に流入する冷媒と室外空気との温度差を減らすことにより、室外器での着霜を防止することができる再生複合冷・暖房システムを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、暖房のとき、熱交換器で熱交換済みの高温の冷媒に熱交換以前の低温の冷媒を混合させ、圧縮部に流入する低温の冷媒の温度を高めて、圧縮部の作動を円滑に維持する再生複合冷・暖房システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の再生複合冷・暖房システムは、冷媒を高温高圧で圧縮する圧縮部と；室内に設置され、冷房時には流入した低温の膨張した冷媒を室内空気と熱交換させて室内空気を冷却し、暖房時には流入する高温高圧の冷媒を室内空気と熱交換させて室内空気を加熱する室内器と；室外に設置され、冷房時には流入する高温高圧の冷媒を外気と熱交換させて大気中に熱を放出させ、暖房時には流入する膨張した冷媒を外気と熱交換させて冷媒を加熱する室外器と；暖房時に室内器から排出された高温の冷媒と、室外器から排出された低温の冷媒とを相互に熱交換させる熱交換部と；を含む冷・暖房システムにおいて、
前記熱交換部は、室外器から排出された冷媒が内部に流入される構成であり、且つ、その内部に、室内器から排出された冷媒が流入する第１熱交換器、第２熱交換器と、第２熱交換器より出た冷媒が流入する膨張器とが順次設置された構成であり、
暖房時に前記室内器から排出された前記高温の冷媒が前記第１熱交換器、第２熱交換器及び膨張部を経て室外器に順次流入し、前記室外器から排出された低温の冷媒が前記第２熱交換器、膨張部及び第１熱交換器に順次流入して、高温の冷媒と低温の冷媒とが相互に熱交換されることを特徴とする。

好ましくは、暖房のとき、室外器での着霜を防止するために、冷媒を熱交換部を経ずに室内器から直接室外器に供給させるための冷媒供給ラインをさらに設置することを特徴とする。

本発明の再生複合冷・暖房システムは、一つの熱交換部の内部に、暖房のとき、室内器から放出される高温の冷媒と室外器から放出される低温の冷媒とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張器とを一緒に設置することにより、膨張器においても膨張器の内部に流れる高温の冷媒と外部に流れる低温の冷媒とが熱交換されるようになり、熱交換効率を向上させることができるという長所がある。

また、熱交換器および膨張器を一つの熱交換部に内蔵させることで、熱交換と膨張を同時に行えるようになり、熱交換施設の設備を単純化させることができるという長所がある。

また、室外器に供給される冷媒を室外器から放出される冷媒と熱交換させ、室外温度との差を着霜温度以下にすることにより、室外器での着霜を防止することができるという長所がある。

また、暖房のとき、熱交換器で熱交換済みの高温の冷媒に熱交換以前の低温の冷媒を混合させ、圧縮部に流入する低温の冷媒の温度を高めて、圧縮部の作動を円滑に維持することができるという長所がある。

以下、本発明の最良の実施例を添付図に基づいて詳細に説明する。

図２は本発明の参考例としての再生複合冷・暖房システム構造の構成図であり、図３は本発明の参考例としての再生複合冷・暖房システムの暖房作動時の構成図であり、図４は本発明の参考例としての再生複合冷・暖房システムの冷房作動時の構成図である。

図２に示す本発明の参考例としての再生複合冷・暖房システムは、冷媒を高温高圧で圧縮する圧縮部１０と；室内に設置され、冷房時には流入する低温の膨張した冷媒を室内空気と熱交換させて室内空気を冷却し、暖房時には流入する高温高圧の冷媒を室内空気と熱交換させて室内空気を加熱する室内器２０と；室外に設置され、冷房時には流入する高温高圧の冷媒を室外空気と熱交換させて大気中に熱を放出させ、暖房時には流入する膨張した冷媒を室外空気と熱交換させて冷媒を加熱する室外器３０と；暖房時に室外器３０に流入する高温の冷媒と、室外器３０から排出され圧縮部１０に流入する低温の冷媒とを相互に熱交換させる熱交換部４０と；冷房時に室内器３０に流入する冷媒を低温に膨張させる膨張部５０と；を含む。

熱交換部４０の内部には、室内器２０から排出された高温の冷媒が流入し、室外器３０から流入した低温の冷媒と熱交換される熱交換器４２と、熱交換器４２から冷媒を受けてより低い温度に膨張させる膨張器４４とが一緒に設置される。 よって、室内器から流入して熱交換器４２を通過する冷媒が、室外器３０から流入した低温の冷媒と熱交換されて温度が低下し、さらに膨張器４４に膨張し、より低い温度になる。 特に、膨張器４４が熱交換部４０内部に位置するため、低温の冷媒と熱交換されながら膨張し、より低い温度に膨張することができる。 一方、熱交換器４２としては、二重毛細管で形成され、流入する冷媒の圧力差で流れながら熱交換する熱交換器が望ましい。

以下、図３に示す本発明の参考例としての再生複合冷・暖房システムを用いた暖房過程を説明する。

ユーザが暖房を選択すると、圧縮部１０で圧縮されt _１の温度を有する高温高圧の冷媒は、４方弁１２を通って室内器２０に流入し、室内器２０で室内空気と熱交換され室内空気の温度を加熱させると共に、その自体は１次凝縮してt _２の温度に低下する（t _１ ＞t _２ ）。

t _２の温度に凝縮した冷媒は、第１チェック弁６２を経て配管ライン７５を通って熱交換部４０の熱交換器４２を通過しながら２次凝縮し、さらに膨張器４４を通過しながら低温に膨張し、室外空気より低いt _４の温度を有する低温の湿蒸気状態になる(t _２ ＞t _４ 、室外空気＞t _４ ；ここで、熱交換部で熱交換されt _２乃至t _６の温度を有する冷媒の熱交換については後述する)。

その後、熱交換部４０を通過したt _４の温度を有する湿蒸気状態の冷媒は、配管ライン７６、７７を通って室外器３０に供給され、室外器３０で外部空気と熱交換され外部温度を吸収してt _５の温度に１次蒸発する（t _４ ＜t _５ ＜室外温度）。

一方、室外器３０でt _５の温度に加熱された冷媒は、配管ライン７８を通って熱交換部４０を通過しながら、前述のように流入温度t _２の熱交換器４２の冷媒と流入温度t _３の膨張器４４の冷媒と熱交換され、t _６の温度に２次蒸発する（t _５ ＜t _６ ）。 すなわち、圧縮部１０への冷媒はt _６の温度に加熱され、室外器３０への冷媒は圧縮部１０を通過しながらt _３の温度に冷却され、さらに膨張器４４を通過しながらt _４の温度に冷却される。 また、膨張器４４を通過する冷媒は、膨張器４４で膨張する直前まで室外器３０から流入した冷媒と熱交換され、より低い温度に膨張する。

最後に、熱交換部４０で２次蒸発したt _６の温度を有する冷媒は、配管ライン７９を通って４方弁１２を経て圧縮部１０に供給され、さらに高温高圧で圧縮されt _１の温度を有する冷媒に転換される（t _６ ＜t _１ ）。

このような過程により圧縮部１０に高温の冷媒が流入するため、流入した冷媒を高温高圧で圧縮するに必要な熱量を大幅に低減することができる。 また、一つの熱交換部４０で熱交換と膨張が連続的に行われるので、熱交換の効率を高めるのみならず、熱交換機および膨張機を一体的に簡便に設置することができる。

一方、図４に示すように、ユーザが冷房を選択すると、圧縮部１０で圧縮されt _１１の温度を有する高温高圧の冷媒は、４方弁１２を経て配管ライン７９及び熱交換部４０を介して室外器３０に供給され、室外器３０で室外空気と熱交換されt _１２の温度に凝縮する（t _１１ ＞t _１２ ）。 この際、冷媒は配管ライン７９及び熱交換部４０をそのまま通過するので、熱交換なしに室外器３０にそのまま移動される。

室外器３０で室外空気と熱交換されたt _１２の温度を有する冷媒は、第２チェック弁６４を経て配管ライン８１を通って膨張部５０に供給され、膨張部５０を通過しながら膨張しt _１３の温度を有する低温低圧の湿蒸気状態になる（t _１２ ＞t _１３ ）。

その後、t _１３の温度に冷却された冷媒は、室内器２０に流入し室内空気と熱交換され室内空気の温度を冷却すると共に、その自体はt _１４の温度に蒸発する（t _１３ ＜t _１４ ）。

また、室内器２０でt _１４の温度に加熱された冷媒は、配管ライン７２を通って４方弁１２を経て圧縮部１０に流入して高温高圧の冷媒に圧縮される。

この際、室内器２０または室外器３０で熱交換される熱量は次のような式（１）で表現される。

ここで、

室内空気、室外空気に供給された熱量、

ｍ：単位時間当り流れる冷媒の量、

ｃ：冷媒の比熱、

t

_１ ：流入する冷媒の温度、

t

_２ ：流出する冷媒の温度である。

図５に示すように、本発明の他の実施例に係る冷・暖房複合再生システムによれば、室外の気候条件(例えば、みぞれ、暴雪)により室外空気の温度と室外器３０に供給される冷媒の温度との差が大きい場合(着霜温度基準から５℃以上)、室外器３０に着霜が発生する。

このように室外器３０に着霜した霜を除去するために、室内器２０から排出された高温の冷媒を直接室外器３０に供給して制御するための第１冷媒供給ライン８２をさらに設置する。 また、熱交換部４０の前方には、熱交換部４０に流入する冷媒の量を調節するための第１方向弁８３を設置し、第１冷媒供給ライン８２の一側には、室外器３０に流出する冷媒の量を調節するための第２方向弁８４を設置する。

よって、第１方向弁８３を閉じ、第２方向弁８４を開くと、t _２の温度を有する高温の冷媒が第１冷媒供給ライン８２を通って直接室外器３０に流入することになり、これにより室外器３０に着霜した霜が除去される。

一方、普段は第１冷媒供給ライン８２を通って流出する冷媒を制御する第２方向弁８４を開き、室内器２０から排出された冷媒が熱交換部４０を経て移動されるようにする。

図６に示すように、本発明のまた他の参考例に係る冷・暖房複合再生システムによれば、室外器３０での着霜を未然に防止することができる。

このように、室外器３０での着霜を防止するために、熱交換部４０と室外器３０との間に、熱交換部４０から排出された冷媒を室外器３０から排出される冷媒と熱交換させる１つ以上の第２熱交換器４６をさらに設置する。 この際、第２熱交換器４６としては、圧力を発生せず熱交換のみを行う熱交換器を使用することが望ましい。

よって、第２熱交換器４６は、室外器３０から排出された低温の冷媒と熱交換部４０から排出された冷媒とを、その温度差を減らし、着霜が発生しない温度(約零下５℃以下)に達するまで熱交換させた上、室外器３０に供給することで、室外器３０での着霜を根本的に防止することができる。

図７に示すように、本発明のまた他の参考例に係る冷・暖房複合再生システムによれば、圧縮部１０が冷媒を異常高圧に圧縮することを防止することで、圧縮部１０の損傷を防止することができる。

圧縮部１０に流入する冷媒が一定以上の温度(ここで、一定以上の温度とは、冷・暖房システムに用いられる異常高温に圧縮された冷媒により、圧縮部１０の正常な作動を停止させる限界温度よりも約５℃ほど低い温度のことである。一般的な圧縮部１０は、圧縮され排出される冷媒の限界温度が約１３０℃である場合にその作動が停止するので、一定以上の温度とは約１２５℃を意味する)である場合には、圧縮部１０が冷媒を一定以上の温度に圧縮するため圧縮部１０の作動に停止する。 よって、圧縮部１０から排出される冷媒の温度をチェック・比較する温度センサー８７と、比較の結果、チェックされた冷媒の温度が既に設定された温度範囲から外れた場合、温度センサー８７の信号により、低温の冷媒が第２冷媒供給ライン８５を通って圧縮部１０へ供給されるように制御する冷媒調節弁８６とをさらに設置する。

温度センサー８７は、圧縮部１０で圧縮され排出される冷媒の温度をチェックして既に設定された温度範囲(ここで、既に設定された温度範囲とは、圧縮部の作動停止を防止しながら高温高圧を維持できる範囲のことで、圧縮部の限界温度が１３０℃である場合には設定温度を約１２５℃乃至１００℃とすることが好ましい)と比較し、冷媒の温度が温度範囲よりも高い場合には、冷媒調節弁８６を開き、第２冷媒供給ライン８５を介して、室外器３０から排出された低温冷媒が、直接圧縮部１０に連結された配管ライン８０へ供給されるようにすることで、圧縮部１０に流入する冷媒の温度を低下させる。

その後、圧縮部１０から排出される冷媒の温度が既に設定された温度範囲よりも低い場合は、冷媒調節弁８６を閉じ、室外器３０から排出された冷媒の配管ライン８５への流入を防止し、熱交換器４０で熱交換された冷媒を圧縮部１０に流入させる。

図８に示すように、 本発明の実施例に係る冷・暖房複合再生システムによれば、熱交換部４０は第１熱交換器４７、第２熱交換器４８及び膨張器４９から構成される。

ユーザが暖房を選択すると、室内器２０にt _２１の温度に流入しt _２２の温度に１次凝縮した冷媒は、第１チェック弁６２を経て配管ライン７５を通って第１熱交換器４７を通過しながら２次凝縮してt _２３の温度に低下し、第１熱交換器４７を通過した冷媒は、第２熱交換器４８を通過しながら３次凝縮してt _２４の温度に低下する。 次いで、第２熱交換器４８を通過した冷媒は、膨張器４９を通過しながら４次凝縮して、室外空気よりも低いt _２５の温度を有する低温の湿蒸気状態になる(t _２３ ＞t _２４ ＞t _２５ 、室外空気＞t _２５ )。

その後、膨張器４９を通過したt _２５の温度を有する湿蒸気状態の冷媒は、配管ライン７６、７７を通って室外器３０に供給され、室外器３０で外気空気との熱交換により外気温度を吸収して、その自体はt _２６の温度に１次蒸発する(t _２５ ＜t _２６ ＜室外温度)。

室外器３０でt _２６の温度に加熱された冷媒は、第２熱交換器４８を通過しながら、前述のように流入温度t _２３の高温の冷媒と熱交換され、t _１７の温度に２次蒸発する(t _２６ ＜t _２７ )。 すなわち、圧縮部１０への冷媒はt _２７の温度に加熱され、室外器３０への冷媒はt _２４の温度に冷却される。 この時、t _２７に加熱された冷媒は完全な気相に蒸発することが望ましい。

その後、第２熱交換器４８を通過したt _２７の温度を有する冷媒は、膨張器４９を通過しながら、前述のように流入温度t _２４の高温の冷媒と熱交換されt _２８の温度に３次蒸発する(t _２７ ＜t _２８ )。 すなわち、圧縮部１０への冷媒はt _２８の温度に加熱され、室外器３０への冷媒はt _２５の温度に冷却される。 この時、３次蒸発した冷媒は、熱交換により膨張器４９の出口側温度と外気温度の温度との温度差を減らす役割を果たす。 したがって、冬季の外気温度低下による着霜を防止し、室外空気との熱交換を容易に行える。

そして、膨張器４９で３次蒸発したt _２８の温度を有する冷媒は、第１熱交換器４７を通過しながら、前述のように流入温度t _２２の高温の冷媒と熱交換されt _２９の温度に４次蒸発する(t _２８ ＜t _２９ )。 すなわち、圧縮部１０への冷媒はt _２９の温度に加熱され、室外器３０への冷媒はt _２３の温度に低下する。

最後に、第１熱交換器４７でt _２９の温度に加熱された冷媒は、圧縮部１０に供給され、さらに高温高圧で圧縮されて、t _２１の温度を有する冷媒に転換される(t _２９ ＜t _２１ )。

よって、圧縮部１０に高温の冷媒が流入するので、流入した冷媒を高温高圧で圧縮するに必要な熱量を大幅に低減させることができる。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、 本発明の他の実施例に係る冷・暖房複合再生システムによれば、圧縮部１０へ低温の冷媒を供給する第２冷媒供給ライン８５は、室外器３０と膨張器４９との間に、膨張器４９と第２熱交換器４８との間に、または第２熱交換器４８と第１熱交換器４７との間に設置することができるし、温度センサー８７でチェックされた冷媒の温度に応じて、圧縮部１０に供給される低温の冷媒を選択的に使用することができる。 すなわち、温度センサー８５でチェックされた冷媒の温度が高い温度範囲にある場合には、室外器３０から排出された冷媒を混合し、チェックされた冷媒の温度が中間温度範囲にある場合には、膨張器４９から排出された冷媒を混合し、チェックされた冷媒の温度が低い温度範囲にある場合には、第２熱交換器４８から排出された冷媒を混合して使用することができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、添付された請求範囲に基づく本発明の技術思想から外れない限度内で本発明の多様な設計変更および変形が可能なのは当該分野で通常の知識を有する者には明らかなことである。

一般的な冷・暖房システムの構成図である。

本発明の

参考例に係る再生複合冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明の

参考例に係る再生複合冷・暖房システムにおける暖房作動時の構成図である。

本発明の

参考例に係る再生複合冷・暖房システムにおける冷房作動時の構成図である。

本発明の他の

参考例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明の他の

参考例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明の他の

参考例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明

の実施例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明の他の実施例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

本発明の他の実施例に係る再生複合冷・暖房システムにおける再生冷・暖房システム構造の構成図である。

符号の説明

１０ 圧縮部１２ ４方弁２０ 室内器３０ 室外器４０ 熱交換部４２ 熱交換器４４ 膨張器４６ 第２熱交換器５０ 膨張部