JP2000028185A

JP2000028185A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2000028185A
Application number: JP10197640A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Arai; 康弘新井; Kazunori Shibata; 和則柴田; Fusao Hirasawa; 房男平澤; Motonori Futamura; 元規二村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2000-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】暖房のランニングコスト低減を図ると共に、
地球温暖化の要因となるＣＯ₂の排出を低減し、地球環
境の保護を図る。【解決手段】ガスを燃料とし、その燃焼熱源で冷媒を
加熱するガス冷媒加熱機７と、冷媒と室外空気との熱交
換を行う室外熱交換器８と、冷媒と室内空気との熱交換
を行う室内熱交換器３と、冷媒を循環させる圧縮機１
と、冷媒の流れを前記室外熱交換器８、または、ガス冷
媒加熱機７のいずれかに切替える切換弁５，６とを備え
た構造とし、運転制御手段１０に入力される少なくとも
外気温度センサ１１からの外気温度信号に基づいて、前
記切換弁５，６を切替え制御し、空気熱源を利用するヒ
ートポンプ運転又は、ガス熱源を利用するガス冷媒加熱
運転を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、暖房運転時に、
冷媒を加熱するガス冷媒加熱機を備えた空気調和装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ヒートポンプを主体とした空気調
和機の市場は、省エネ化、高暖房化が一層進んだ機種が
数多く発売されるようになっている。

【０００３】省エネ化に関しては、圧縮機、送風機、熱
交換器などの性能を向上して、蒸発温度と凝縮温度の差
を小さくし、冷凍サイクルの入力を下げる努力がなされ
ている。

【０００４】高暖房化に関しては、蓄熱利用、液インジ
ェクションの利用、圧縮機入力の効率向上など、低外気
温度時にあっても高暖房能力を発揮できるようになって
きている。

【０００５】一方、冬場の外気温度が低くなる寒冷地に
おいては、石油やガスなどの燃焼熱源で冷媒を加熱、蒸
発して暖房運転を行う冷媒加熱式の空調機も市場に出て
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒート
ポンプ式は、空気熱源を汲み上げ利用する原理である以
上、冷媒の蒸発温度は外の空気温度以下にならざるを得
ず、外気温が低い場合には、着霜が起き易くなる。ま
た、冷媒循環量の低下によって、暖房能力が低下するこ
とは避けられない。

【０００７】一方、石油やガスなどの燃料による冷媒加
熱式は、外気温が低い場合でも、高い暖房能力を得るこ
とができるものの、外気温度の高い条件ではヒートポン
プ式に比べて効率が悪く暖房費が高くなる。

【０００８】そこで、この発明は、ヒートポンプとガス
燃焼源による冷媒加熱のそれぞれの特徴を生かし、暖房
時の快適性と暖房費の低減を図ると共に、しかも、地球
温暖化の要因となるＣＯ₂等の排出を低減し、地球環境
の保護を図るようにした空気調和装置を提供することを
目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明の請求項１によれば、ガスを燃料とし、そ
の燃焼熱源で冷媒を加熱するガス冷媒加熱機と、冷媒と
室外空気との熱交換を行う室外熱交換器と、冷媒と室内
空気との熱交換を行う室内熱交換器と、冷媒を循環させ
る圧縮機と、冷媒の流れを前記室外熱交換器、または、
前記ガス冷媒加熱機のいずれかに切替える切換弁と、外
気温度を検出する外気温度センサと、この外気温度セン
サからの外気温度信号に応じて前記切換弁を切替え制御
し、空気熱源を利用するヒートポンプ運転と、ガス熱源
を利用するガス冷媒加熱運転とに切替える運転制御手段
とを具備する。

【００１０】これにより、外気温が低い時には、ガスを
燃料とする燃焼熱源によって冷媒を加熱するガス冷媒加
熱機による暖房運転を行う。一方、外気温が比較的高い
時には、空気熱源を利用したヒートポンプによる暖房運
転を行うので、低外気温時における快適性向上と、ラン
ニングコスト低減による経済性向上、及び地球温暖化の
要因となるＣＯ₂低減による地球環境の保護が図れる。

【００１１】また、この発明の請求項２によれば、ヒー
トポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替える外気温度
を、ガス冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替える
外気温度よりも低くする。

【００１２】これにより、切替え温度付近での不安定な
制御をなくすことができる。

【００１３】また、この発明の請求項３によれば、室外
熱交換器とガス冷媒加熱機とを並列に接続し、ヒートポ
ンプ運転時には、切換弁によって冷媒の流れを前記室外
熱交換器へ切替え、ガス冷媒加熱運転時には、前記切換
弁によって冷媒の流れを前記ガス冷媒加熱機へ切替え
る。

【００１４】これにより、室外熱交換器とガス冷媒加熱
機は並列に接続された構成となり、運転に応じて冷媒の
流れを切替えることができるため、冷凍サイクルを構成
する装置の配管を簡素化できる。

【００１５】また、この発明の請求項４によれば、切換
弁は、ガス冷媒加熱機の上流側を開閉する第１の開閉弁
と、室外熱交換器の上流側を開閉する第２の開閉弁とか
ら構成され、ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に
切替える際は、前記第１及び第２の開閉弁を閉じて冷媒
を室内熱交換器に回収した後、前記第１の開閉弁を開と
する。

【００１６】これにより、ガス冷媒加熱機の上流側に設
けられた第１の開閉弁と、室外熱交換器の上流側に設け
られた第２の開閉弁によって、冷媒を室内機側に回収し
た後に、ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替
えるため、簡素な配管で冷媒の確保が可能となり、円滑
な運転の切替えができる。

【００１７】また、この発明の請求項５によれば、切換
弁は、ガス冷媒加熱機の上流側を開閉する第１の開閉弁
と、室外熱交換器の上流側を開閉する第２の開閉弁とか
ら構成され、ガス冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に
切替える際は、前記ガス冷媒加熱機の燃焼停止後、前記
第１の開閉弁を閉じると共に前記第２の開閉弁を開け
る。

【００１８】これにより、ガス冷媒加熱機の上流側に設
けられた第１の開閉弁と、室外熱交換器の上流側に設け
られた第２の開閉弁によって、ガス冷媒加熱機の燃焼停
止後に、ガス冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替
えるため、簡素な配管で冷媒の確保が可能となり、円滑
な運転の切替えができる。

【００１９】また、この発明の請求項６によれば、暖房
運転起動時は、外気温度に関係なくガス冷媒加熱運転を
優先して行う。

【００２０】これにより、外気温度に影響されず、安定
した高暖房能力運転が実現でき、室内への吹き出し温度
が高く、立上りの早い暖房運転ができる。

【００２１】また、この発明の請求項７によれば、ガス
の残量を検出するガス残量検出手段を備え、このガス残
量検出手段がガス残量が少なくなったことを検出した
時、あるいは、ガス冷媒加熱機が故障した時は、ヒート
ポンプ運転を行う。

【００２２】これにより、暖房運転時に、ガス燃料残量
が少なくなった時、又はガス冷媒加熱機に故障が発生し
た時に、ヒートポンプ運転を行うので、暖房運転の停止
を回避できる。

【００２３】また、この発明の請求項８によれば、室外
熱交換器に霜の付着を検出する着霜検出手段を備え、着
霜検出手段からの検出信号に応じて除霜運転を行う。

【００２４】これにより、霜を検出した時に、除霜運転
が行なわれ、室外熱交換器の着霜を解消し、効率のよい
暖房運転が行なえる。

【００２５】また、この発明の請求項９によれば、室外
熱交換器とガス冷媒加熱機とが並列又は直列に切替え可
能に接続され、ヒートポンプ運転時に、着霜検出手段に
よって室外熱交換器の着霜を検出した時、前記室外熱交
換器とガス冷媒加熱機とを直列接続して、除霜運転を行
う。

【００２６】これにより、ヒートポンプ運転時に着霜を
検出した時には、室外熱交換器とガス冷媒加熱機とを直
列接続して除霜運転を行うので、室外熱交換器の着霜時
でも連続暖房運転を維持できる。

【００２７】また、この発明の請求項１０によれば、ヒ
ートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替える際は、
ガス冷媒加熱機から室外熱交換器に冷媒を流して、ガス
冷媒加熱運転を行った後、ガス冷媒加熱機から直接圧縮
機へ冷媒を流す。

【００２８】これにより、ガス冷媒加熱機から室外熱交
換器に冷媒を流してガス冷媒加熱運転を行った後、ガス
冷媒加熱機から直接圧縮機に冷媒を流すことによってヒ
ートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替えるので、
冷媒回収をせずに暖房運転の切替えができる。

【００２９】また、この発明の請求項１１によれば、ガ
ス冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替える際は、
ガス冷媒加熱機の燃焼停止後、冷媒の流れを前記ガス冷
媒加熱機から室外熱交換器側に切替える。

【００３０】これにより、ガス冷媒加熱機の燃焼停止
後、冷媒の流れを、ガス冷媒加熱機から室外熱交換器に
切替えることによって、ガス冷媒加熱運転からヒートポ
ンプ運転へのスムーズな運転切替えができる。

【００３１】また、この発明の請求項１２によれば、空
気熱源およびガス燃焼熱源を有する冷凍サイクルを備え
た空気調和装置において、暖房運転サイクル時に、空調
に必要とされる暖房能力に応じて、空気熱源によるヒー
トポンプ運転またはガス燃焼熱源によるガス冷媒加熱運
転のどちらか一方を選択する運転制御手段を備える。

【００３２】これにより、暖房運転時に、空調に必要と
される暖房能力に応じて、ヒートポンプ運転とガス冷媒
加熱運転とに切替えできるので、暖房時の快適性の向上
及びランニングコスト低減並びにＣＯ₂排出量の削減を
実現できる。

【００３３】また、この発明の請求項１３によれば、空
調に必要とされる暖房能力は、部屋から検出される室温
と設定温度との温度差に基づき、ヒートポンプ運転時は
圧縮機の回転数を、ガス冷媒加熱運転時はガス消費量を
それぞれ主に制御することで決定される。

【００３４】これにより、空調に必要とされる暖房能力
に応じて、ヒートポンプ運転、又は、ガス冷媒加熱運転
ができるため、暖房能力の可変範囲を広げ、快適な暖房
を実現できる。

【００３５】また、この発明の請求項１４によれば、ガ
ス冷媒加熱運転時のガス燃料は、都市ガス、プロパン、
カセットボンベ等の各種燃料を含み、燃料の種類に応じ
て、ヒートポンプ運転とガス冷媒加熱運転との切替点
を、外気温度あるいは要求暖房能力の２変数値に対応し
て変える。

【００３６】これにより、暖房運転時に、ガス燃料の種
類及び外気温等の条件に応じて、ヒートポンプ運転とガ
ス冷媒加熱運転とに切替えるため、暖房時の快適性の向
上とランニングコストの低減とＣＯ₂排出量の削減を実
現できる。

【００３７】また、この発明の請求項１５によれば、空
気熱源及びガス燃焼熱源を有する冷凍サイクルを備えた
空気調和装置において、暖房サイクル運転時に、室外熱
交換器の着霜を検知した時、運転停止命令がでるまでガ
ス冷媒加熱運転を行う運転制御手段を備えている。

【００３８】これにより、暖房運転時に、着霜が生じる
とガス冷媒加熱運転に切替わるため、低外気温時にあっ
ても、高い暖房能力と、快適な暖房を実現できる。

【００３９】また、この発明の請求項１６によれば、暖
房運転時に、ユーザは、空気熱源利用のヒートポンプ運
転と、ガス燃焼熱源利用のガス冷媒加熱運転と、あるい
は、ヒートポンプ運転及びガス冷媒加熱運転を組合わせ
たハイブリッド運転のいずれかを選択する選択制御運転
手段とを備えている。

【００４０】これにより、ユーザは、ヒートポンプ運
転、ガス冷媒加熱運転、それらを組合わせたハイブリッ
ド運転のいずれかを選択できるので、ユーザの快適性の
好み、都合等に応じた暖房運転が実現できる。

【００４１】また、この発明の請求項１７によれば、選
択制御運転手段を、室内リモコンに設ける。

【００４２】これにより、ユーザは、リモコン操作で各
種暖房運転の設定を簡単に選択できるので、ユーザの快
適性の好み、都合等に応じた暖房運転が容易に実現でき
る。

【００４３】また、この発明の請求項１８によれば、選
択制御運転手段を、室内機のパネル部に設ける。

【００４４】これにより、ユーザは、室内機のパネル部
の操作で、各種暖房運転の設定を簡単に選択出来るの
で、ユーザの快適性の好み、都合等に応じた暖房運転が
容易に実現できる。

【００４５】また、この発明の請求項１９によれば、選
択制御運転手段を、室外機に設ける。

【００４６】これにより、ユーザは、室外機の操作で、
各種暖房運転の設定を簡単に選択できるので、ユーザの
快適性の好み、都合等に応じた暖房運転が容易に実現で
きる。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００４８】図１は、本発明の空気調和装置に係る第１
の実施形態の構成図である。ここで実線による接続は冷
媒の流れ、破線による接続は、後述する運転制御手段と
なる運転制御部による制御信号の流れを示す。圧縮機１
からの冷媒配管は、四方弁２を経由して室内熱交換器３
に接続される。室内熱交換器３からの冷媒配管は電子式
膨張弁４を経由した後、二方向に分岐し、一方は二方弁
５（第１の開閉弁）を経由してガス冷媒加熱器７に接続
され、他方は二方弁６（第２の開閉弁）を経由して室外
熱交換器８に接続される。ガス冷媒加熱器７からの冷媒
配管は、圧縮機１に接続され、室外熱交換器８からの冷
媒配管は、四方弁２及び逆止弁９を経由して圧縮機１に
戻る。また、二方弁６の上流側と圧縮機１の吐出側との
間にキャピラリチューブ１２及び二方弁１３が接続され
ている。運転制御手段となる運転制御部１０は、外気温
度センサ１１及び暖房能力要求モードスイッチＳ１から
の信号に応じて、運転制御を行う。

【００４９】次に運転制御部１０の運転制御動作を説明
する。暖房運転モードとしては、ヒートポンプ運転とガ
ス冷媒加運転を行うハイブリッド運転を選択した場合、
装置起動後、冷媒回収運転を開始する。冷媒回収は、冷
媒が冷媒配管を実線矢印方向に流れるように四方弁２を
設定し、二方弁５，６を閉じて、圧縮機１を運転し、ガ
ス冷媒加熱器７及び室外熱交換器８に貯っていた冷媒を
室内熱交換器３及び配管途中に回収する。冷媒回収を終
了すると、二方弁５を開け、燃料であるガスの着火が行
われ、ガス冷媒加熱による暖房運転を開始する。ガス冷
媒加熱機７の入口及び出口の温度（あるいは圧縮機１の
吸い込み温度）をセンサ（図示せず）で検出し、ガス冷
媒加熱機７で蒸発した冷媒の過熱度が一定になるよう
に、電子膨張弁４にて冷媒の流れを制御する。

【００５０】図２は、暖房運転制御仕様を示すもので、
横軸が外気温度（℃）を、縦軸が空調に必要とする暖房
能力（ｋＷ）を示し、外気温度と暖房能力に応じてヒー
トポンプ運転または冷媒加熱運転のどちらかを選択して
運転制御を行うことを示している。基本的な運転の選択
は、外気温度が高く要求能力が低い場合はヒートポンプ
運転、外気温度が低く要求能力が高い場合は冷媒加熱運
転である。すなわち、暖房能力及び外気温度に応じて、
ヒートポンプ運転或いは冷媒加熱運転を自動的に選択し
て行う。

【００５１】この運転制御仕様に基づいて、例えばガス
燃料にプロパンを用いて運転した場合の暖房費及びＣＯ
₂低減率を、従来のプロパンガス単独運転の場合に比較
して示したのが図３である。計算方法は、空調負荷計算
コードＬＥＳＣＯＭ８０を応用して、当社の暖房定格能
力６ｋＷクラスの暖房機器と設置場所を想定して求めた
ものである。計算対象場所は東京及び札幌で、住宅仕様
は熱損失係数で表し、寝室１２畳の室温を２０〜２７℃
に設定した場合の暖房運転費及びＣＯ₂排出量の各低減
率を示している。図３に示すように、室外空気熱源を利
用するヒートポンプ運転とプロパンガス冷媒加熱運転の
組み合わせを行うハイブリッド運転では、従来のプロパ
ンガス単独の冷媒運転に比べて、暖房費は３０〜６５％
低減し、ＣＯ₂排出量は３１〜５９％低減している。こ
のように、ハイブリッド運転は、暖房費は安くなり、Ｃ
Ｏ₂排出量を減らせるため、温暖化を抑制して地球環境
保護の面からも勝れている。

【００５２】また、暖房運転制御仕様を簡略化して、図
４に示すように外気温度のみで、ヒートポンプ運転とガ
ス冷媒加熱運転を切替えて運転しても構わない。図４に
おいては、ヒートポンプ運転における実際の着霜温度が
約５℃であることを考慮して、暖房運転を開始する際
に、外気温度が低いときはガス冷媒加熱運転を行い、そ
の後、外気温度が上昇して７℃になるとヒートポンプ運
転に切替える。外気温度が７℃以上のときはヒートポン
プ運転を継続して行い、外気温度が下がり５℃以下にな
るとガス冷媒加熱運転に切替える。外気温度の上昇時と
下降時とで運転の切替え温度を変えることによって、制
御の安定性と快適性とを向上させることができる。

【００５３】図２で示したような外気温度と暖房能力の
２変数値でヒートポンプ運転とガス冷媒加熱運転を切替
える運転方法、或いは、図４に示すように外気温度のみ
で、ヒートポンプ運転とガス冷媒加熱運転を切替える運
転方法はいずれも、ガス燃料の種類が異なると、図３で
示したようなガス冷媒加熱単独運転に対するハイブリッ
ド運転による暖房費の低減率と、ＣＯ₂排出量の低減率
は変化する。したがってガスの種類を図示していないが
室内リモコン、或いは室内機のパネル部、或いは室外機
に入力し選択制御することで、これらの低減率が大きく
なるように設定することができる。

【００５４】図１に示す本実施形態の空気調和装置で
は、暖房運転モードにハイブリッド運転を選択した時の
運転起動時は、外気温に関係なくガス冷媒加熱運転を優
先して立ち上げる。この時、外気温度センサ１１の示す
外気温度が７℃以下である場合は、ガス冷媒加熱運転を
そのまま継続する。一方、暖房運転を立ち上げた時、す
でに外気温度が７℃を越えている場合は、起動から一定
時間後に冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替え
る。その運転切替えは、圧縮機１の運転を継続したま
ま、ガス冷媒加熱機７の燃焼を停止後、二方弁５を閉
じ、二方弁６を開け、冷媒の流れを室外熱交換器８側に
切替える。室外熱交換器８の入口及び出口の温度（或い
は圧縮機１の吸込温度）をセンサ（図示せず）で検出
し、室外熱交換器８で蒸発した冷媒の過熱度が一定にな
るように、電子膨張弁４にて冷媒の絞り量を制御する。

【００５５】ヒートポンプ運転時に、着霜検出器（図示
せず）にて室外熱交換器８の着霜を検出したら、二方弁
１３を開いて高温の圧縮機吐出ガスを室外熱交換器８の
入り口に戻し、除霜運転を行う。

【００５６】外気温度が低下し、５℃以下になった場
合、ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替え
る。運転切替えは、起動時の制御とほぼ同様である。す
なわち、圧縮機１を運転中に、二方弁５及び二方弁６を
閉じ、圧縮機１を運転したまま、ガス冷媒加熱機７及び
室外熱交換器８に貯まっていた冷媒を、室内熱交換器３
及び配管途中に回収する。冷媒回収が終了すると、二方
弁５を開ける。冷媒回収終了後、燃料であるガスの着火
が行われ、ガス冷媒加熱による暖房運転を開始する。ガ
ス冷媒加熱機７の入り口及び出口の温度（あるいは圧縮
機１の吸込温度）をセンサで検出し、ガス冷媒加熱機７
で蒸発した冷媒の過熱度が一定になるように、電子膨張
弁４にて冷媒の流量を制御する。

【００５７】このヒートポンプからガス冷媒加熱への運
転切替えが、起動時のガス冷媒加熱運転と比べて異なる
点は、前者が冷媒回収時にも、室内機の送風機１６が室
内熱交換器温度に応じて回転し、暖房運転を継続するこ
とである。ただし、前記室内熱交換器温度が一定温度以
下まで低下した場合は室内機の送風機１６は回転しな
い。

【００５８】本実施形態では、暖房運転モードとしてハ
イブリッド運転を選択した場合、暖房起動時にガス冷媒
加熱運転を行うが、ガス残量検出器（図示せず、火炎検
出器も含む）がガス燃料が少なくなった、或いは無くな
ったことを検出したときは、ヒートポンプ運転を行う。
また、燃料不足やガス冷媒加熱機７に故障が生じ冷媒加
熱運転を行うことが困難な場合は、ヒートポンプ運転を
選択することができる。さらには、室外熱交換器８に
霜、雪、氷等が付着し、ヒートポンプ運転が困難な場
合、或いはヒートポンプ運転では十分な暖房感が得られ
ない場合は、ガス冷媒加熱運転を選択することが出来
る。すなわち、暖房運転の選択モードとしては、ハイブ
リッド運転、ヒートポンプ運転、ガス冷媒加熱運転の３
運転モードがあり、室内リモコン設定、或いは室内機パ
ネル設定、或いは室外機設定のいずれかで、ユーザは各
暖房運転を選択操作することができる。

【００５９】また、ハイブリッド運転においては、ガス
の種類を前記３通りのいずれか一つの設定操作で入力
し、より適当な外気温度や暖房能力の切替点に変更され
た運転制御仕様を選択することができる。

【００６０】また、低外気温度で高多湿時に、室外熱交
換器８に着霜が生じた場合の除霜は、二方弁１３を開い
て高温の圧縮機吐出ガスを室外機交換器８の入り口に戻
して除霜運転を行う。

【００６１】なお、この除霜運転は、図５で示す冷凍サ
イクルのように、四方弁２の流路を反転させて高温の圧
縮機吐出ガスを室外熱交換器８へ戻す構成に変更しても
良い。この場合は、図１に示すキャピラリチューブ１
２，二方弁１３及びそれらを接続する配管を無くすこと
ができるので、サイクル構成の簡素化及びコスト低減が
図れる。

【００６２】図６は、本発明の空気調和装置に係る第２
の実施形態の構成図である。ここで、実線による接続は
冷媒の流れ、破線による接続は、運転制御部１０による
制御信号の流れを示す。圧縮機１からの冷媒配管は、四
方弁２を経由して室内熱交換器３に接続される。室内熱
交換器３からの冷媒配管は電子膨張弁４を経由した後、
三方弁１４に接続され、この三方弁１４から分岐された
冷媒配管は、一方がガス冷媒加熱機７に接続され、他方
が室外熱交換器８に接続される。ガス冷媒加熱機７から
の冷媒配管は、三方弁１５に接続され、この三方弁１５
から分岐された冷媒配管は、一方が圧縮機１に接続さ
れ、他方が三方弁１４からの配管と共に室外熱交換器８
に接続される。室外熱交換器８からの冷媒配管は、四方
弁２及び逆止弁９を経由して圧縮機１に戻る。運転制御
部１０は、外気温度センサ１１及び暖房能力が要求モー
ドスイッチＳ１からの外気温度信号に応じて行う。な
お、三方弁１４と三方弁１５の代わりに、これらと同じ
働きをする二方弁を各２個ずつ、計４個で代用しても構
わない。

【００６３】次に運転制御部１０の運転制御動作を説明
する。装置起動後、まず冷媒が冷媒配管を実線矢印方向
に流れるように四方弁２を設定し、三方弁１４を電子膨
張弁４からガス冷媒加熱機７に冷媒が流れるように設定
し、三方弁１５をガス冷媒加熱機７から室外熱交換器８
に冷媒が流れるように設定する。図外の室内リモコンに
より、暖房運転の選択モードとしてのハイブリッド運転
が選択され、運転指令が出ると、圧縮機１を運転し、燃
料であるガスの着火が行われ、ガス冷媒加熱による暖房
運転を開始する。ガス冷媒加熱機７の入り口及び出口の
温度（或いは圧縮機１の吸込温度）をセンサ（図示せ
ず）で検出し、ガス冷媒加熱機７で蒸発した冷媒の過熱
度が一定になるように、電子膨脹弁４にて冷媒の流量を
制御する。過熱度制御を開始した一定時間後に、三方弁
１５を切替え、ガス冷媒加熱機７から圧縮機１に流れを
変えて、室外熱交換器８側を閉じる。このようにして本
実施形態では、起動時の冷媒回収運転を必要としない。

【００６４】本実施形態の空気調和装置では、暖房運転
起動時、外気温度に関係なく冷媒加熱運転を優先して立
ち上げる。この時、図４に示す如く、外気温度センサ１
１の示す外気温度が７℃以下では、冷媒加熱運転をその
まま継続する。一方、暖房運転を立ち上げた時、すでに
外気温度が７℃を越えている場合は、起動から一定時間
後に冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替える。そ
の運転切替えは、圧縮機１の運転を継続したまま、ガス
冷媒加熱機７の燃焼を停止後、三方弁１４を切替え、ガ
ス冷媒加熱機７側を閉じて、電子制御弁４から室外熱交
換器８側に冷媒を流す。室外熱交換器８の入り口及び出
口の温度（或いは圧縮機１の吸込温度）をセンサ（図示
せず）で検出し、室外熱交換器８で蒸発した冷媒の過熱
度が一定になるように、電子膨張弁４にて冷媒の絞り量
を制御する。

【００６５】ヒートポンプ運転時に、着霜検出器（図示
せず）にて室外熱交換器８の着霜を検出したら、三方弁
１４を切替え、電子膨張弁４からガス冷媒加熱機７側に
冷媒を流し、ガス燃焼を行う。同時に三方弁１５の流路
を切替えて冷媒をガス冷媒加熱機７から室外熱交換器８
に流れるように設定する。ガス冷媒加熱機７にて加熱さ
れ蒸発した高温の冷媒は、着霜した室外熱交換器８を通
り、除霜を行いながら圧縮機１に吸引される。電子膨張
弁４は、ガス冷媒加熱機７で蒸発した冷媒の加熱度が一
定になるように、ガス冷媒加熱機７の入り口及び出口の
温度（或いは圧縮機１の吸込温度）をセンサで検出して
制御されるが、圧縮機１の入り口での冷媒の液バック量
をできるだけ小さくするため、過熱度設定温度は通常の
冷媒加熱運転の場合より大きくする。この除霜運転の特
徴は、除霜運転を行いながら連続暖房運転を出来ること
である。除霜が終了したら、三方弁１４及び１５を切替
え、通常のヒートポンプ運転に戻る。

【００６６】外気温度が低下し、５℃以下になった場
合、ヒートポンプ運転から冷媒加熱運転に切替える。そ
の運転切替えは、起動時の制御とほぼ同様である。すな
わち、三方弁１４を電子膨張弁４からガス冷媒加熱機７
側に冷媒を流すように切替え、三方弁１５をガス冷媒加
熱機７から室外熱交換器８側に冷媒が流れるように切替
える。

【００６７】冷媒回路の切替えが終了し、燃料であるガ
スの着火が行われると、ガス冷媒加熱による暖房運転を
開始する。ガス冷媒加熱機７で蒸発した冷媒の過熱度が
一定になるように、電子膨張弁４にて冷媒の流れを制御
する。過熱度制御を開始した一定時間後に、三方弁１５
を切替え、ガス冷媒加熱機７から圧縮機１に冷媒の流れ
を変えて、室外熱交換器８側を閉じる。このようにして
本実施形態では、運転切替え時の冷媒回収運転を必要と
しない。このため、暖房能力の落ち込みが非常に小さ
く、快適性を向上できる。

【００６８】本実施形態では、暖房運転モードとしてハ
イブリッド運転を選択した場合、暖房起動時に冷媒加熱
運転を行うが、ガス残量検出器（図示せず、火炎検出器
も含む）がガス燃料が少なくなった、或いは無くなった
ことを検出した時は、ヒートポンプ運転を行う。この場
合、三方弁１４を切替え、ガス冷媒加熱機７側を閉じ
て、電子膨張弁４から室外熱交換器８側に冷媒を流す。
同時に三方弁１５を切替え、ガス冷媒加熱機７と室外熱
交換器８の間は閉じる。室外熱交換器８の入り口及び出
口の温度（或いは圧縮機１の吸込温度）をセンサで検出
し、室外熱交換器８で蒸発した冷媒の過熱度が一定にな
るように、電子膨張弁４にて冷媒の絞り量を制御する。

【００６９】また、燃料不足やガス冷媒加熱機７に故障
が生じ冷媒加熱運転を行うことが困難な場合は、ヒート
ポンプ運転を選択することができる。低外気温度で高多
湿時に、室外熱交換器８に着霜が生じた場合の除霜は、
四方弁２を反転させて高温の圧縮機吐出ガスを室外熱交
換器８の入り口に戻す除霜運転を行う。

【００７０】さらには、室外熱交換器８に霜、雪、氷等
が付着し、ヒートポンプ運転が困難な場合、或いはヒー
トポンプ運転では十分な暖房感が得られない場合は、冷
媒加熱運転を選択することが出来る。すなわち、暖房運
転の選択モードとしては、ハイブリッド運転、ヒートポ
ンプ運転、冷媒加熱運転の３運転モードがあり、図外の
室内リモコン設定、或いは室内機パネル設定、或いは室
外機設定のいずれかで、ユーザーは各暖房運転を選択操
作することが出来る。また、ハイブリッド運転において
は、ガスの種類を前記３通りのいずれか一つの設定操作
で入力し、より適当な外気温度や暖房能力の切替え点に
変更された運転制御仕様を選択することができる。

【００７１】次に第３の実施形態について説明する。

【００７２】本実施形態では、外気温度のみならず、空
調に必要とされる暖房能力に応じてヒートポンプ運転ま
たは冷媒加熱運転のどちらか一方を選択して運転制御す
ることを特徴としている。なお、本実施形態におけるサ
イクル構成は図１に示すものと同一であるので、同一符
号を付して詳細な説明を省略する。

【００７３】次に、図２に基づき説明する。図２は前記
した如く横軸が外気温度（℃）を、縦軸が空調に必要と
する暖房能力（ｋＷ）を示し、外気温度と暖房能力に応
じてヒートポンプ運転、または冷媒加熱運転のどちらか
を選択して運転制御を行うことを示す説明図である。暖
房モードでハイブリッド運転を選択した場合、暖房運転
起動時、外気温度に関係なく冷媒加熱運転を優先して立
ち上げる。このとき、例えば、外気温度が４℃の場合
で、空調に必要とされる暖房能力が最大のＱｍａｘであ
ると判断されたとき、暖房能力はＱ１よりも大きいの
で、暖房能力Ｑｍａｘによる冷媒加熱運転を行う。空調
に必要する暖房能力は部屋から検出される室温と設定温
度との差に基づいて求められる。すなわち、室温と設定
温度との差が大きい場合は、必然と暖房能力が高く設定
される。ここで、暖房能力Ｑｍａｘを得るには、ガス燃
焼量を制御することで行われる。

【００７４】外気温度が４℃のまま、冷媒加熱運転を継
続した後、部屋の温度が上昇して必要とされる暖房能力
が徐々に減少し、Ｑ１より下回るときはヒートポンプ運
転に切替える。この時、ヒートポンプ運転での暖房能力
は圧縮機１に接続されるインバータ電源（図示省略）の
制御周波数により、圧縮機１の回転数を制御することで
行われる。そして、ヒートポンプ運転を継続中に部屋の
ドアを開ける等して部屋の温度が急激に下がり、空調を
必要とする暖房能力がＱ２を越えると再び冷媒加熱運転
に切替えて運転制御を行う。

【００７５】また、暖房運転起動時、冷媒加熱運転で立
ち上げた時、外気温度が４℃の場合で、部屋から検出さ
れる温度が設定温度に近く、空調に必要とされる暖房能
力が低く、必要とする暖房能力がＱ１よりも小さい場合
は、一定時間後にヒートポンプ運転に切替えるように制
御される。

【００７６】一方、暖房運転において、外気温度が４℃
から下がって−１℃を下回った場合は、冷媒加熱運転に
切替えて運転制御すると共に、その後上昇して３℃を越
える場合は、再びヒートポンプ運転に切替えて運転する
ように制御する。

【００７７】ここで、必要とする暖房能力に応じてヒー
トポンプ運転と冷媒加熱運転を切替えるには、ヒートポ
ンプ運転では０．７〜６．０ｋＷの可変幅、冷媒加熱運
転では約２．５〜６．６ｋＷ可変幅と、ヒートポンプ運
転の方が暖房能力を可変出来る範囲が広く、特に、低い
暖房能力域では、可変幅の広いヒートポンプ運転を選択
すると運転効率が良くなり、しかも暖房の快適性を高め
ることができる。

【００７８】ところで、本実施形態では、図７に示すよ
うに、空調に必要とする暖房能力（以下暖房能力とい
う）が低く、Ｑ１を下回る場合は、ヒートポンプ運転を
行う。その後、要求能力が上昇してＱ２を越えた時点
で、ヒートポンプ運転から冷媒加熱運転に切替える。こ
の冷媒加熱運転に入った場合は、要求能力がＱ１を下回
るまで、ヒートポンプ運転に入らないようにしている。
したがって、要求能力の上昇時と下降時とで運転の切替
え能力を変えているので、制御の安定性と快適性を向上
させることが出来る。

【００７９】このように、外気温度のみならず、空調に
必要とする暖房能力に応じてヒートポンプ運転と冷媒加
熱運転を切替えて運転制御するので、暖房ランニングコ
ストを低減しつつ、快適性を向上できる。

【００８０】また、第３の実施形態では、図２に示すよ
うに外気温度または暖房能力の切替え点をそれぞれ３通
りずつ設定し、特に、室外熱交換器８に着霜が生じやす
く、かつヒートポンプ運転の効率が悪くなる外気温度の
低い領域では冷媒加熱運転の比率を高めるように設定し
ているので、きめ細かな制御を行え、暖房の快適性を大
幅に向上できる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の請求項１に
記載の空気調和装置は、外気温度センサからの外気温度
信号に応じて、ヒートポンプ運転とガス冷媒加熱運転と
を切替えるので、低外気温度時の快適性向上と、ランニ
ングコストの低減による経済性向上、及びＣＯ₂低減に
よる地球環境の保護がそれぞれ図れる。

【００８２】本発明の請求項２に記載の空気調和装置
は、ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替える
外気温度を、冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替
える外気温度よりも低くするので、切替え温度付近での
不安定な制御を無くすことができ、制御の安定性を向上
できる。

【００８３】本発明の請求項３に記載の空気調和装置
は、室外熱交換器とガス冷媒加熱機とが並列に接続さ
れ、運転時に応じて冷媒の流れを切替えるので、冷凍サ
イクル、すなわち装置の配管を簡素化でき、運転制御の
安定性を向上する。

【００８４】本発明の請求項４に記載の空気調和装置
は、ガス冷媒加熱機の上流側に第１の開閉弁、室外熱交
換器の上流側に第２の開閉弁を設け、冷媒を室内機側に
回収した後、ヒートポンプ運転から冷媒加熱運転に切替
えるので、簡素な冷凍サイクル、すなわち簡素な配管で
冷媒を確保して運転切替えができ、冷凍サイクルの安定
性を向上できる。

【００８５】本発明の請求項５に記載の空気調和装置
は、ガス冷媒加熱機の上流側に第１の開閉弁、室外熱交
換器の上流側に第２の開閉弁を設け、ガス冷媒加熱機の
燃焼停止後、冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替
えるので、簡素な冷凍サイクル、すなわち簡素な配管で
冷媒を確保して運転切り替えができ、冷凍サイクルの安
定性を向上できる。

【００８６】本発明の請求項６に記載の空気調和装置
は、暖房運転起動時に、外気温度に関係なく冷媒加熱運
転を優先して行うので、外気温度に関わらず安定した高
暖房能力運転の起動が実現でき、室内への吹き出し温度
が高く、立ち上がり運転が非常に速くなる。

【００８７】本発明の請求項７に記載の空気調和装置
は、ガス燃料残量が少なくなった時あるいはガス冷媒加
熱機に故障が発生した時は、ヒートポンプ運転を行うの
で、暖房運転の停止を回避でき、装置の信頼性を向上で
きる。

【００８８】本発明の請求項８に記載の空気調和装置
は、霜を検出した際、除霜運転制御するので、室外熱交
換器の着霜を解消でき、安定したヒートポンプ運転を行
うことができる。

【００８９】本発明の請求項９に記載の空気調和装置
は、ヒートポンプ運転時に着霜を検出した場合、室外熱
交換器とガス冷媒加熱機とを直列接続して、除霜運転を
行うので、室外熱交換器に着霜したときでも、連続暖房
運転によって、暖房快適性を維持しながら除霜できる。

【００９０】本発明の請求項１０に記載の空気調和装置
は、ガス冷媒加熱機から室外熱交換器に冷媒を流して冷
媒加熱運転を行った後、ガス冷媒加熱機から直接圧縮機
に冷媒を流すことによってヒートポンプ運転から冷媒加
熱運転に切替えるので、冷媒回収をせずに運転の切替え
が出来、暖房快適性を向上する。

【００９１】本発明の請求項１１に記載の空気調和装置
は、ガス冷媒加熱機の燃焼停止後、冷媒の流れをガス冷
媒加熱機から室外熱交換器に切替えることによってガス
冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替えるので、ス
ムーズな運転切替えが可能となり、冷凍サイクルの安定
性を向上できる。

【００９２】本発明の請求項１２に記載の空気調和装置
は、暖房時に、空調に必要とされる暖房能力に応じて、
ヒートポンプ運転と冷媒加熱運転とを切替えるので、暖
房快適性の向上と暖房ランニングコスト低減及びＣＯ₂
排出量の低減を実現できる。

【００９３】本発明の請求項１３に記載の空気調和装置
は、空調に必要とされる暖房能力に応じて、ヒートポン
プ運転または冷媒加熱運転時における暖房能力の可変範
囲を広げて、快適な暖房を実現できる。

【００９４】本発明の請求項１４に記載の空気調和装置
は、暖房時に、ガス燃料の種類に応じて、ヒートポンプ
運転とガス冷媒加熱運転とを切替える条件を変えるの
で、暖房快適性の向上と暖房ランニングコスト低減及び
ＣＯ₂排出量の低減を実現できる。

【００９５】本発明の請求項１５に記載の空気調和装置
は、暖房時に、着霜が生じても直ちに冷媒加熱運転に切
替えるので、低外気温度時においても高い暖房能力を得
ることができ、快適な暖房を実現できる。

【００９６】本発明の請求項１６に記載の空気調和装置
は、ユーザは各種暖房運転が選択できるので、ユーザの
快適性の好み、都合等に応じた暖房運転が実現できる。

【００９７】本発明の請求項１７に記載の空気調和装置
は、ユーザはリモコンで各種暖房運転設定を簡単に選択
できるので、ユーザの快適性の好み、都合等に応じた暖
房運転が容易に実現できる。

【００９８】本発明の請求項１８に記載の空気調和装置
は、ユーザは室内パネルの設定で各種暖房運転設定を簡
単に選択できるので、ユーザの快適性の好み、都合等に
応じた暖房運転が容易に実現できる。

【００９９】本発明の請求項１９に記載の空気調和装置
は、ユーザは室外機の設定で各種暖房運転設定を選択出
来るので、ユーザの快適性の好み、都合等に応じた暖房
運転が容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気調和装置に係る第１の実施形態を
示す構成図である。

【図２】ハイブリッド暖房運転制御仕様を示す説明図で
ある。

【図３】従来のプロパンガス冷媒加熱運転と比較した、
ハイブリッド運転の暖房費及びＣＯ₂低減率を示す説明
図である。

【図４】外気温度の上昇時と下降時とで運転の切替え温
度を示す説明図である。

【図５】本発明の空気調和装置に係る第１の実施形態の
変形例を示す構成図である。

【図６】本発明の空気調和装置に係る第２の実施形態を
示す構成図である。

【図７】暖房能力の上昇時と下降時とで運転を切替える
説明図である。

【符号の説明】

１圧縮機３室内熱交換器５，６二方弁（切換弁）７ガス冷媒加熱機８室外熱交換器１０運転制御部（運転制御手段）１１外気温センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平澤房男神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝住空間システム技術研究所内 (72)発明者二村元規神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝住空間システム技術研究所内Ｆターム(参考） 3L060 AA03 AA05 AA08 CC03 DD07 EE09 3L092 MA01 PA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスを燃料とし、その燃焼熱源で冷媒を
加熱するガス冷媒加熱機と、冷媒と室外空気との熱交換
を行う室外熱交換器と、冷媒と室内空気との熱交換を行
う室内熱交換器と、冷媒を循環させる圧縮機と、冷媒の
流れを前記室外熱交換器、または、前記ガス冷媒加熱機
のいずれかに切替える切換弁と、外気温度を検出する外
気温度センサと、この外気温度センサからの外気温度信
号に応じて前記切換弁を切替え制御し、空気熱源を利用
するヒートポンプ運転と、ガス熱源を利用するガス冷媒
加熱運転とに切替える運転制御手段とを具備することを
特徴とする空気調和装置。
【請求項２】ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運転
に切替える外気温度を、ガス冷媒加熱運転からヒートポ
ンプ運転に切替える外気温度よりも低くすることを特徴
とする請求項１記載の空気調和装置。
【請求項３】前記室外熱交換器とガス冷媒加熱機とを
並列に接続し、ヒートポンプ運転時には、前記切換弁に
よって冷媒の流れを前記室外熱交換器へ切替え、ガス冷
媒加熱運転時には、前記切換弁によって冷媒の流れを前
記ガス冷媒加熱機へ切替えることを特徴とする請求項１
記載の空気調和装置。
【請求項４】前記切換弁は、前記ガス冷媒加熱機の上
流側を開閉する第１の開閉弁と、前記室外熱交換器の上
流側を開閉する第２の開閉弁とから構成され、ヒートポ
ンプ運転からガス冷媒加熱運転に切替える際は、前記第
１及び第２の開閉弁を閉じて冷媒を室内熱交換器に回収
した後、前記第１の開閉弁を開とすることを特徴とする
請求項３に記載の空気調和装置。
【請求項５】前記切換弁は、前記ガス冷媒加熱機の上
流側を開閉する第１の開閉弁と、前記室外熱交換器の上
流側を開閉する第２の開閉弁とから構成され、前記ガス
冷媒加熱運転からヒートポンプ運転に切替える際は、前
記ガス冷媒加熱機の燃焼停止後、前記第１の開閉弁を閉
じると共に前記第２の開閉弁を開けることを特徴とする
請求項３記載の空気調和装置。
【請求項６】暖房運転起動時は、外気温度に関係なく
ガス冷媒加熱運転を優先して行うことを特徴とする請求
項１記載の空気調和装置。
【請求項７】ガスの残量を検出するガス残量検出手段
を備え、このガス残量検出手段がガス残量が少なくなっ
たことを検出した時、あるいは、ガス冷媒加熱機が故障
した時は、ヒートポンプ運転を行うことを特徴とする請
求項１記載の空気調和装置。
【請求項８】前記室外熱交換器に霜の付着を検出する
着霜検出手段を備え、この着霜検出手段からの検出信号
に応じて除霜運転を行うことを特徴とする請求項１記載
の空気調和装置。
【請求項９】前記室外熱交換器とガス冷媒加熱機とが
並列又は直列に切替え可能に接続され、ヒートポンプ運
転時に、着霜検出手段によって前記室外熱交換器の着霜
を検出した時、前記室外熱交換器とガス冷媒加熱機とを
直列接続して、除霜運転を行うことを特徴とする請求項
８記載の空気調和装置。
【請求項１０】ヒートポンプ運転からガス冷媒加熱運
転に切替える際は、ガス冷媒加熱機から室外熱交換器に
冷媒を流して、ガス冷媒加熱運転を行った後、前記ガス
冷媒加熱機から直接圧縮機へ冷媒を流すことを特徴とす
る請求項９記載の空気調和装置。
【請求項１１】ガス冷媒加熱運転からヒートポンプ運
転に切替える際は、ガス冷媒加熱機の燃焼停止後、冷媒
の流れを前記ガス冷媒加熱機から室外熱交換器側へ切替
えることを特徴とする請求項９記載の空気調和装置。
【請求項１２】空気熱源およびガス燃焼熱源を有する
冷凍サイクルを備えた空気調和装置において、暖房運転
サイクル時に、空調に必要とされる暖房能力に応じて、
空気熱源によるヒートポンプ運転またはガス燃焼熱源に
よるガス冷媒加熱運転のどちらか一方を選択する運転制
御手段を備えていることを特徴とする空気調和装置。
【請求項１３】空調に必要とされる暖房能力は、部屋
から検出される室温と設定温度との温度差に基づき、ヒ
ートポンプ運転時は圧縮機の回転数を、ガス冷媒加熱運
転時はガス消費量をそれぞれ主に制御することで決定さ
れることを特徴とする請求項１２記載の空気調和装置。
【請求項１４】ガス冷媒加熱運転時のガス燃料は、都
市ガス、プロパン、カセットボンベ等の各種燃料を含
み、この燃料の種類に応じて、ヒートポンプ運転とガス
冷媒加熱運転との切替点を、外気温度あるいは要求暖房
能力の２変数値に対応して変えることを特徴とする空気
調和装置。
【請求項１５】空気熱源及びガス燃焼熱源を有する冷
凍サイクルを備えた空気調和装置において、暖房サイク
ル運転時に、室外熱交換器の着霜を検知した時、運転停
止命令が出るまでガス冷媒加熱運転を行う運転制御手段
を備えていることを特徴とする空気調和装置。
【請求項１６】暖房運転時に、ユーザは、空気熱源利
用のヒートポンプ運転と、ガス燃焼熱源利用のガス冷媒
加熱運転と、あるいは、ヒートポンプ運転及びガス冷媒
加熱運転を組合わせたハイブリッド運転のいずれかを選
択する選択制御運転手段とを備えていることを特徴とす
る空気調和装置。
【請求項１７】前記選択制御運転手段は、室内リモコ
ンに設けられていることを特徴とする請求項１６記載の
空気調和装置。
【請求項１８】前記選択制御運転手段は、室内機のパ
ネル部に設けられていることを特徴とする請求項１６記
載の空気調和装置。
【請求項１９】前記選択制御運転手段は、室外機に設
けられていることを特徴とする請求項１６記載の空気調
和装置。