本発明は、コイル細管およびコイル太管を用いて、エネルギ効率を改善した冷暖房システムに関する。

従来、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器を備えた熱源側ユニットと、利用側熱交換器を備えた利用側ユニットとを、ユニット間配管によりループ状に接続して、冷暖房を可能とした冷暖房システムが知られている。 この種のものでは、ユニット間配管に二本のコイルを直列に接続し、エネルギ効率を改善する提案がある(例えば、特許文献1参照。)

特開2013−122363号公報

しかし、上述した従来の技術は、冷房時のエネルギ効率の改善ができるだけで、暖房時のエネルギ効率の改善が不十分であった。 そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、さらに高効率の冷暖房システムを提供することにある。

本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器を備えた熱源側ユニットと、利用側熱交換器を備えた利用側ユニットとを備えた冷暖房システムにおいて、冷房時に、前記圧縮機から吐出され、前記熱源側熱交換器で液化した冷媒を、減圧装置に至る前に、冷媒を螺旋状に回転させて、冷媒の加速現象によって過冷却する冷房用熱変換部と、暖房時に、前記圧縮機から吐出され、前記利用側熱交換器で液化した冷媒を、前記減圧装置を経た後、前記熱源側熱交換器に至る前に、冷媒を螺旋状に回転させて、冷媒の加速現象によって一部気化する暖房用熱変換部と、を備え、前記暖房用熱変換部の暖房用コイル細管は、前記冷房用熱変換部の冷房用コイル細管よりも流路を太く形成されていることを特徴とする。

本発明は、前記冷房用熱変換部は、冷房用コイル細管に至る前の冷媒を、冷媒を螺旋状に回転させて、冷媒の加速現象によって過冷却する冷房用コイル太管を備えてもよい。 本発明は、前記暖房用熱変換部は、暖房用コイル細管を経た冷媒を、冷媒を螺旋状に回転させて、冷媒の加速現象によって一部気化する暖房用コイル太管を備えてもよい。

本発明では、冷房時に、圧縮機で吐出された冷媒は、熱源側熱交換器で液化し、冷房用熱変換部に流入する。冷房用熱変換部は、例えば、二つのコイルを直列に接続して構成され、螺旋状の冷媒流路を有しており、当該二つの流路内で、冷媒は、スピン回転を受けて、流速を増加して流れ、これにより過冷却される。 種々の実証試験を行った結果、本構成の冷房用熱変換部を流れる過程においては、冷媒が、スピン回転及び増速され、過冷却されることを突き止めた。 すなわち、冷房用熱変換部を経た冷媒は、冷房用熱変換部を含まない従来のサイクルで液管を流れる冷媒に比べて、ほぼ完全に液化することが判明した。ほぼ完全に液化した冷媒は、減圧装置で減圧され、利用側熱交換器に流入する。本発明では、冷媒が過冷却され、ほぼ完全に液化して減圧される分だけ、従来に比べ、エネルギ効率が格段に向上する。従来比で、たとえば16%の省エネ化が達成できた。

本発明では、暖房時に、圧縮機から吐出された冷媒は、利用側熱交換器で液化し、減圧装置で減圧され、暖房用熱変換部に流入する。 暖房用熱変換部は、例えば、二つのコイルを直列に接続して構成され、螺旋状の冷媒流路を有しており、当該二つの流路内で、冷媒は、スピン回転を受けて、流速を増加して流れる。この際、冷媒は一部気化する。暖房用コイル細管は、冷房用コイル細管よりも流路を太く形成されているため、暖房用コイル細管の内部での温度低下は抑制され、比較的高い温度のまま、熱源側熱交換器に流入する。したがって、熱源側熱交換器の出口の冷媒温度は、比較的高くなっており、この状態で圧縮機に吸い込まれるため、エネルギ効率が改善される。

本発明は、前記冷房用熱変換部の流速が、前記熱源側熱交換器の流速の2倍以上に設定され、前記暖房用熱変換部の流速が、前記利用側熱交換器の流速の2倍以上に設定されていてもよい。

本発明は、前記冷房用熱変換部および前記暖房用熱変換部が、前記圧縮機の吐出容量に応じて設定された内径を有する管路をコイル状に巻いて構成されていてもよい。 本発明は、前記冷房用熱変換部と、前記暖房用熱変換部とを、一体に収納した熱変換ユニットを備えていてもよい。

本発明の冷暖房システムは、冷房時においても、暖房時においても、効率の良い運転を行なうことができる。

図1は、本発明の一実施形態を示す回路構成図である。

図2は、本発明の別実施形態を示す回路構成図である。

図3は、本発明の別実施形態を示す回路構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。 図1において、10は、冷暖房システムを示す。この冷暖房システム10は、熱源側ユニット20と、利用側ユニット30とを備え、各ユニット20,30間が、冷媒を循環するユニット間配管40で接続されている。 熱源側ユニット20は圧縮機21、四方弁24、熱源側熱交換器22を含み、これら各機器21、22、24と、各機器21、22、24を接続する配管とが、ユニット20内に配置されている。利用側ユニット30は利用側熱交換器31を含み、機器31と,配管とが、ユニット30内に配置されている。

本実施形態では、屋外に熱源側ユニット20が配置され、利用側ユニット30が建屋の壁上部(又は天井)に配置される。これら各ユニット20,30は、ユニット間配管40で接続され、ユニット間配管40は、液管41とガス管42とを備えている。液管41には、熱源側熱交換器22と減圧装置32の間に位置する管路に、冷房用熱変換部50と、暖房用熱変換部60とが並列に接続されている。

冷房用熱変換部50は、冷房運転時に冷媒が流れる。冷房用熱変換部50は、冷房時に、圧縮機21から吐出され、熱源側熱交換器22で液化した冷媒を、減圧装置32に至る前に、冷媒の加速現象によって冷却する冷房用コイル太管51、および、冷房用コイル太管51を経た冷媒を、冷媒の加速現象によって過冷却する冷房用コイル細管52を備える。53は開閉弁である。 この冷房用熱変換部50は、冷媒にスピン回転を付与し、冷媒の流速を増加することで、冷媒を過冷却する機能を備える。 したがって、冷媒にスピン回転を付与し、冷媒の流速を増加できる構成であれば、螺旋状の冷媒流路を有すればよく、例えば、螺旋状の冷媒流路を内部に備えたブロック状構造体としてもよい。

暖房用熱変換部60は、暖房運転時に冷媒が流れる。暖房用熱変換部60は、暖房時において、圧縮機21から吐出され、利用側熱交換器31で液化した冷媒を、減圧装置32を経た後、熱源側熱交換器22に至る前に、冷媒の加速現象によって一部気化する暖房用コイル細管61、および、暖房用コイル細管61を経た冷媒を、冷媒の加速現象によって一部気化する暖房用コイル太管62を備えている。63は開閉弁である。 この暖房用熱変換部60は、冷媒にスピン回転を付与し、冷媒の流速を増加することで、冷媒を一部気化する機能を備えている。 したがって、冷媒にスピン回転を付与し、冷媒の流速を増加できる構成であれば、螺旋状の冷媒流路を有すればよく、たとえば、螺旋状の冷媒流路を内部に備えたブロック状構造体としてもよい。

冷房用コイル太管51と、暖房用コイル太管62とは、太管をコイル状に巻いた形態であり、流路面積は等しく、長さも等しく設定される。その内径や巻き数は、圧縮機21の吐出容量や、冷暖房システムの冷凍能力等、様々な仕様から決定されるが、内径で2〜150mmまで許容し、望ましくは内径2〜50mmである。 本実施形態では、冷房用コイル太管51と、暖房用コイル太管62とを、別々に設けたが、これら太管は共通化して1本のコイル太管としても良い。この場合、冷房時、暖房時、共に冷媒が、1本のコイル太管を流れる。1本のコイル太管とした場合には、冷媒回路の構成を簡素化できる。

冷房用コイル細管52と、暖房用コイル細管61とは、細管をコイル状に巻いた形態であり、長さが等しく設定される。 その内径や巻き数は、圧縮機21の吐出容量や、冷暖房システムの冷凍能力等、様々な仕様から決定されるが、コイル細管52、61の内径は、コイル太管51、62の内径よりも細く設定される。例えば、減圧装置32の絞り径が1mm程度とした場合、冷房用コイル細管52の内径は、8〜12mmが望ましく、暖房用コイル細管61の内径は、15〜33mmが望ましい。

本実施形態では、暖房用コイル細管61の内径は、冷房用コイル細管52の内径よりも大きく設定されている。 その内径や巻き数は、圧縮機21の吐出容量や、冷暖房システムの冷凍能力等、様々な仕様から決定されるが、例えば、冷房用コイル細管52の内径が、8〜12mmに設定された場合、暖房用コイル細管61の内径は、15〜33mmである。

本実施形態では、冷房用コイル細管52と、暖房用コイル細管61とが、それぞれ1本ずつであるが、コイル細管52、61は、コイル状に巻いたものを2本並列に接続した形態でも良い。また、3本以上を並列に接続した形態でも良い。 コイル細管52、61は、巻き方向を異ならせてコイル状に巻いたものを、2本直列に接続した形態でも良く、それを更に並列に接続した形態でも良い。コイル細管52、61の冷媒の通る部分の断面積(複数本が並列に接続されている揚合は、複数本の断面積の合計)は、コイル太管51、62の断面積よりも小さい。

つぎに、本実施形態の作用を説明する。<冷房時> 冷房時には、四方弁24を破線で示す冷房位置に切換えると共に、開閉弁63を閉じ、開閉弁53を開く。圧縮機21を駆動すると、冷媒は、破線の矢印で示すように、四方弁24、熱源側熱交換器22、二つのコイルを直列に繋いだ冷房用熱変換部50の順に流れ、利用側熱交換器31を経た後に、圧縮機21に戻る。

冷房時には、圧縮機21から高温(40℃以上)・高圧(0.6MPa以上)のガス状の冷媒が吐出され、冷媒は、熱源側熱交換器22に至り、ここで液化される。熱源側熱交換器22で液化された冷媒は、暖房用熱変換部60の開閉弁63が閉じられ、冷房用熱変換部50の開閉弁53が開かれているため、冷房用コイル太管51に入る。冷媒流路の断面積で見ると、熱源側熱交換器22を基準にして、冷房用コイル太管51では、熱源側熱交換器22の断面積よりも小さくなる。

冷媒が、冷房用熱変換部50の冷房用コイル太管51に入ると、圧縮機21の吸引作用等により、冷媒が加速されて(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液化量を増してほぼ液化する。 冷房用コイル太管51の出側では中圧の液冷媒となる。冷房用コイル太管51内での温度低下の主因は、冷房用コイル太管51内において熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、冷媒のエンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものである。 冷房用コイル太管51内の流速は、本冷暖房システムの設計において、熱源側熱交換器22内の流速の2倍以上の設定が望ましい。

冷房用コイル太管51で中圧の液冷媒となった冷媒は、冷房用コイル細管52に入る。ほぼ液化した冷媒が冷房用コイル細管52に入ると、圧縮機21の吸引作用等により、冷媒が加速されて(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液化冷媒が過冷却される。冷房用コイル細管52の出側では、減圧され、冷却されて低温の液体となり、圧力も下がり低圧液となる。 冷房用コイル細管52内での温度低下の主因も、冷房用コイル太管51内での温度低下と同様に、熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、エンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものである。冷房用コイル細管52内の流速は、本冷暖房システムの設計において、熱源側熱交換器22内の流速の2倍以上で、冷房用コイル太管51内の流速以上であることが望ましい。

冷房用コイル細管52により過冷却され、低温液体となった冷媒は、減圧装置32に至り、ここで減圧されて、利用側熱交換器31に送られる。利用側熱交換器31では、等圧、等温膨張の吸熱により、冷媒が蒸発し、これにより冷房サイクルが完了する。

本実施形態では、冷房時に、二つのコイル51、52内で、冷媒は、スピン回転を受けて、流速を増加して流れ、これにより過冷却される。 種々の実証試験を行った結果、本構成の冷房用熱変換部50を流れる過程においては、冷媒が、スピン回転及び増速され、過冷却されることを突き止めた。すなわち、冷房用熱変換部50を経た冷媒は、冷房用熱変換部50を含まない従来のサイクルで液管41を流れる冷媒に比べて、ほぼ完全に液化することが判明した。ほぼ完全に液化した冷媒は、減圧装置32で減圧され、利用側熱交換器31に流入する。 本実施形態では、冷房用熱変換部50において、冷媒が過冷却され、ほぼ完全に液化して減圧される分だけ、従来に比べ、エネルギ効率が格段に向上する。従来比で、例えば16%の省エネ化が達成できた。

冷房用熱変換部50の螺旋状の流路は、上流から下流に向けて徐々に細径に形成することが望ましい。しかし、徐々に細径とすることは、生産技術上で困難である。従って、本実施形態では、生産技術上、製造容易な形態とするために、二本の直列したコイル51,52が採用されており、この場合、下流のコイル52が、上流のコイル51よりも細径のコイルで構成されている。 この構造では、下流のコイル52が絞りの機能を果たし、冷媒を減圧する欠点が生じる。例えば、下流のコイル52が上流のコイル51の50%以下の内径となると、絞り過ぎによる欠点が大きくなる。下流のコイル52の内径は、上流のコイル51の内径の50%以上とすることが望ましい。

<暖房時> 暖房時には、四方弁24を実線の暖房位置に切換えると共に、開閉弁63を開き、開閉弁53を閉じる。圧縮機21を駆動すると、冷媒は、実線の矢印で示すように、四方弁24、利用側熱交換器31、減圧装置32、二つのコイルを直列に繋いだ暖房用熱変換部60の順に流れ、熱源側熱交換器22を経た後に、圧縮機21に戻る。

暖房時には、圧縮機21から高温(40℃以上)・高圧(0.6MPa以上)のガス状の冷媒が吐出されると、利用側熱交換器31では、冷媒が液化される。 利用側熱交換器31で液化された冷媒は、減圧装置32を経て、暖房用コイル細管61に入る。冷媒流路の断面積で見ると、利用側熱交換器31を基準にして、暖房用コイル細管61では、利用側熱交換器31の断面積よりも小さくなる。

暖房用コイル細管61に入ると、圧縮機21の吸引作用等により、冷媒が加速され(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って一部気化する。 この際に、暖房用コイル細管61の内径は、冷房用コイル細管52の内径よりも大きく設定されているため、暖房用コイル細管61の内径と、冷房用コイル細管52の内径とを等しくした場合と比較し、温度をあまり下げることなく一部気化する。 暖房用コイル細管61の出側では、中圧の一部気化した冷媒となる。暖房用コイル細管61内での温度低下の主因は、暖房用コイル細管61内において熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、冷媒のエンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものである。 暖房用コイル細管61内の流速は、本冷暖房システムの設計において、利用側熱交換器31内の流速の2倍以上の設定が望ましい。

暖房用コイル細管61で一部気化した冷媒は、暖房用コイル太管62に入る。暖房用コイル太管62に入ると、圧縮機21の吸引作用等により冷媒が加速されて(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って冷媒が一部気化する。暖房用コイル太管62の出側では、圧力が下がり低圧のガス冷媒となる。 暖房用コイル太管62内での温度低下の主因も、暖房用コイル細管61内での温度低下と同様に、熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、エンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものである。

暖房用コイル太管62により低温となったガス冷媒は、熱源側熱交換器22に送られる。この熱源側熱交換器22では、等圧、等温膨張の吸熱により、冷媒が蒸発し、これにより暖房サイクルが完了する。

本実施形態では、暖房用コイル細管61の内径は、基準となる冷房用コイル細管52の内径よりも太く形成される。 各熱変換部50、60を、並列に設ける場合には、まず、冷房運転時の過冷却をどの程度にするかを基準にして、冷房用コイル細管52の内径が定められる。ついで、暖房用コイル細管61の内径が、上記定めた冷房用コイル細管52の内径を基準として、これよりも太く形成される。 従来の冷暖房システム(例えば、特許文献1参照。)では、暖房用コイル細管61の内径と、冷房用コイル細管52の内径と、が等しく設定されるため、冷房時には効率良い運転を行なうことができても、暖房時において、暖房用コイル細管61内で、減圧する際、冷媒の温度が下がりすぎる課題がある。冷暖房システムの設計が、冷房時の過冷却の度合いを考慮して設計されるためである。

本実施形態では、暖房時に、二つのコイル61、62内で、冷媒はスピン回転を受けて、流速を増加して流れる。この際、コイル61、62内で冷媒は一部気化する。 ここで、暖房用コイル細管61は、冷房用コイル細管52よりも流路を太く形成されているため、暖房用コイル細管61の内部での温度低下は抑制され、比較的高い温度のまま、熱源側熱交換器22に流入する。したがって、熱源側熱交換器22の出口の冷媒温度は、比較的高くなっており、この状態で圧縮機21に吸い込まれるため、暖房運転時のエネルギ効率が改善される。

図2は、別の実施形態を示す。図2では、図1と同一構成の部分には同一符号を付して示し、説明を省略する。 本実施形態では、冷暖房システム10は、熱源側ユニット20と、利用側ユニット30と、熱変換ユニット70とに分割される。この熱変換ユニット70には、冷房用熱変換部50と、暖房用熱変換部60とが、一体に収納されている。 そして、熱源側ユニット20と、利用側ユニット30とは、上述したユニット間配管40により接続され、熱源側ユニット20と、熱変換ユニット70とは、連結配管71、72により接続されている。

本実施形態では、例えば、熱源側ユニット20と、利用側ユニット30とからなる、従来の冷暖房システムが既設されている場合に、後付け工事により、簡単に、本冷暖房システム10を構築することができる。 後付け工事としては、従来の冷暖房システムにおける、熱源側熱交換器22と減圧装置32との間の配管を切断し、新たに熱変換ユニット70を準備し、連結配管71、72により、熱源側ユニット20と、熱変換ユニット70とを接続すればよい。この後付け工事は、極めて簡単に行うことができる。 本実施形態では、熱変換ユニット70に、冷房用熱変換部50と、暖房用熱変換部60とが、一体に収納されているが、これに限定されず、冷房用熱変換部50と、暖房用熱変換部60とは、熱変換ユニット70に収納せず、外部に露出させた状態で、熱源側ユニット20の外部に配置してもよい。

図1の実施形態では、冷房用熱変換部50が、2本のコイル51、52により構成され、暖房用熱変換部60が、2本のコイル61、62により構成されたが、これに限定されるものではない。 図3は、別の実施形態を示す。図3では、図1と同一構成の部分には同一符号を付して示し、説明を省略する。 この実施形態では、冷房用熱変換部50が、1本の冷房用コイル細管52により構成されている。また、暖房用熱変換部60が、1本の暖房用コイル細管61より構成されている。そして、暖房用コイル細管61の内径が、冷房用コイル細管52の内径よりも太く形成されている。例えば、コイル細管52の内径は、8〜12mmが望ましく、冷房用コイル細管52の内径が、8〜12mmに設定された場合、暖房用コイル細管61の内径は、15〜33mmである。

本実施形態では、冷房時に、冷媒が、冷房用コイル細管52に入ると、圧縮機21の吸引作用等により、冷媒が加速されて(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液化冷媒が過冷却される。冷房用コイル細管52の出側では、減圧され、冷却されて低温の液体となり、圧力も下がり低圧液となる。したがって、冷房運転のエネルギ効率が向上する。

また、暖房時に、冷媒が、暖房用コイル細管61に入ると、圧縮機21の吸引作用等により、冷媒が加速され(冷媒の加速現象という)、減圧、及びエンタルピ減少を伴って一部気化する。この際に、暖房用コイル細管61の内径は、冷房用コイル細管52の内径よりも大きく設定されているため、暖房用コイル細管61の内径と、冷房用コイル細管52の内径とを等しくした場合と比較し、温度をあまり下げることなく一部気化する。 したがって、圧縮機21への戻りのガス冷媒の温度が、比較的に高くなるため、暖房サイクルの効率を向上する。

本実施形態では、冷房時の効率を確保し、暖房時にも効率が確保され、冷・暖房時何れにおいても、効率の良い運転を行なうことができる。 なお、図示は省略したが、この別の実施形態であっても、図2に示すように、後付け工事が可能に構築できることは云うまでもない。

以上、一実施形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。本発明は、例えば空調装置、冷却装置、家庭用冷蔵庫など、あらゆる冷暖房システムに適用が可能である。

10 冷暖房システム 20 熱源側ユニット 30 利用側ユニット 40 ユニット間配管 21 圧縮機 24 四方弁 22 熱源側熱交換器 31 利用側熱交換器 41 液管 50 冷房用熱変換部 60 暖房用熱変換部 51 冷房用コイル太管 52 冷房用コイル細管 61 暖房用コイル細管 62 暖房用コイル太管