JP2004061071A

JP2004061071A - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP2004061071A
Application number: JP2002223641A
Authority: JP
Inventors: Koichi Endo; 遠藤　浩一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】設定温度まで達した後の保温運転においてもコンプレッサ１からの吐出冷媒温度を高く保つことで、快適な加熱感を与えることのできるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】コンプレッサ１が吐出する冷媒の一部を、コンプレッサ１の吸入側にバイパスさせるホットガスバイパス路ＡＣと、そのホットガスバイパス路ＡＣの流通を制御する制御弁７とを設けると共に、制御手段４０は、凝縮器３による加熱が高負荷の場合には制御弁７を閉弁して運転し、凝縮器３による加熱が低負荷の場合には制御弁７を開弁して運転する。
これにより、設定温度まで達した後の保温運転においても吐出冷媒温度を高く保つことができ、快適な加熱感を得ることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気・ブライン・水等の流体の加熱を行なうヒートポンプシステムに関するものであり、空気を加熱して居室内の暖房を行なうヒートポンプ式空調装置等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
空気・ブライン・水等の流体の加熱を行なうヒートポンプシステムにおいて、例えば空気を加熱して居室内の暖房を行なうヒートポンプ式空調装置では、居室内の空気温度が設定温度にまで達すると、コンプレッサの回転を低下させると共に室内機の吹き出し風量も低下させ、それ以上の温度に上がらないよう暖房能力を低下させる制御を行なっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなヒートポンプサイクル運転ではコンプレッサからの吐出冷媒ガス温度は変化しないか、むしろ低下してしまい、室内機からの冷風感が強まると同時に、風の到達距離は低下するため暖房フィーリングが悪化するという問題がある。
【０００４】
コンプレッサからの吐出冷媒ガス温度を上げる方法として、膨張弁を絞りコンプレッサ吸入前のスーパーヒート（過熱度）を大きくとることが一般的に知られている。図４は、その、膨張弁を絞った場合の冷凍サイクルの挙動を説明するモリエル線図である。
【０００５】
しかし、外気温の低い状態で行なう暖房運転で、このスーパーヒートを大きくとろうとすれば蒸発温度を低くせざるを得ず、室外熱交換器でのフロスト（霜着き）の発生や、コンプレッサへの吸入圧力が低下することによる冷媒循環量の低下で、大幅に能力や効率が低下するという問題が生じている。
【０００６】
また、アキュームレータがコンプレッサの前に存在するため、アキュームレータ内の残留液冷媒によりアキュームレータ出口での冷媒は湿り度を帯びてしまいスーパーヒートがゼロ、もしくは冷媒の湿り度増加によりコンプレッサ吐出冷媒温度が低下してしまうという問題が生じている。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、設定温度まで達した後の保温運転においてもコンプレッサからの吐出冷媒温度を高く保つことで、快適な加熱感を与えることのできるヒートポンプシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ（１）、冷媒を凝縮させる凝縮器（３）、冷媒を減圧する減圧手段（４）、および冷媒を蒸発させる蒸発器（５）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、この冷凍サイクル（Ｒ）を制御する制御手段（４０）とを備えるヒートポンプシステムにおいて、コンプレッサ（１）が吐出する冷媒の一部を、コンプレッサ（１）の吸入側にバイパスさせるホットガスバイパス路（ＡＣ）と、そのホットガスバイパス路（ＡＣ）の流通を制御する制御弁（７）とを設けると共に、制御手段（４０）は、凝縮器（３）による加熱が高負荷の場合には制御弁（７）を閉弁して運転し、凝縮器（３）による加熱が低負荷の場合には制御弁（７）を開弁して運転することを特徴とする。
【０００９】
これは、コンプレッサ（１）の吐出冷媒ガスがスーパーヒートを持っているという点に着目したものであり、この高温の吐出冷媒ガスの一部をコンプレッサ（１）の吸入側へバイパスして吸入ガス冷媒と混合することにより吐出冷媒温度を高く保つものである。これにより、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ（１）、冷媒を凝縮させる凝縮器（３）、冷媒を減圧する減圧手段（４）、冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、および冷媒を気液分離して蓄えるアキュームレータ（６）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、この冷凍サイクル（Ｒ）を制御する制御手段（４０）とを備えるヒートポンプシステムにおいて、
アキュームレータ（６）に流入する冷媒の一部を、アキュームレータ（６）をバイパスしてコンプレッサ（１）の吸入側に流入するガスバイパス路（ＢＣ）と、そのガスバイパス路（ＢＣ）の流通を制御する制御弁（８）とを設けると共に、制御手段（４０）は、凝縮器（３）による加熱が高負荷の場合には制御弁（８）を閉弁して運転し、凝縮器（３）による加熱が低負荷の場合には制御弁（８）を開弁して運転することを特徴とする。
【００１１】
これは、アキュームレータ（６）をバイパスすることで冷媒が湿り度を帯びてしまうことを回避できるという点に着目したものであり、アキュームレータ（６）に流入する冷媒の一部をコンプレッサ（１）の吸入側へバイパスして循環させることにより、コンプレッサ吐出冷媒温度が低下してしまうのを防ごうとするものである。これにより、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、冷凍サイクル（Ｒ）でヒートポンプ式空調装置、ヒートポンプ式暖房装置もしくはヒートポンプ式給湯加熱器を構成したことを特徴とする。これにより、例えば不凍液等のブライン（熱交換媒体）を加熱して行なう床暖房装置や給湯水を加熱する給湯加熱器にて、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができる。
【００１３】
特に空調装置として構成した場合、設定温度まで達した後の保温運転においても吐出冷媒温度が高いことより室内への吹き出し温度も高くなって冷風感がなくなり、暖房フィーリングを向上させることができる。尚、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置１０の構成を示す模式図である。本実施形態は、内蔵する電動モータ等によって駆動されて任意に回転数を可変できるコンプレッサ１を使用したヒートポンプ式空調装置１０であり、定置型あるいは車両搭載型の空調装置として用いて屋内や車室内を冷暖房することができるが、本実施形態では定置型に適用したものとして述べる。
【００１５】
ヒートポンプ式空調装置１０は、各冷凍サイクル機器の間を冷媒配管で接続して冷凍サイクルＲを構成し、屋内暖房時には、コンプレッサ１→四方弁２→室内熱交換器（凝縮器）３→膨張弁（減圧手段）４→室外熱交換器（蒸発器）５→四方弁２→アキュームレータ６→コンプレッサ１の順に冷媒を流通（実線矢印）させて暖房している。
【００１６】
また、屋内冷房時には、コンプレッサ１→四方弁２→室外熱交換器（凝縮器）５→膨張弁（減圧手段）４→室内熱交換器（蒸発器）３→四方弁２→アキュームレータ６→コンプレッサ１の順に冷媒を流通（破線矢印）させて冷房している。室内熱交換器３は、暖房時には凝縮器として機能し、冷房時には蒸発器として機能する。また、室外熱交換器５は、暖房時には蒸発器として機能し、冷房時には凝縮器として機能する。
【００１７】
尚、３ａは室内熱交換器３に室内空気を送風する室内ファンであり、５ａは室外熱交換器５に外気を送風する室外ファンである。上記構成を有するヒートポンプ式空調装置１０において、各構成要素のうち室内熱交換器３及び送風機３ａは、室内機２０を構成して室内の適所に設置され、その他のものは、室外機３０を構成して室外の適所に設置されている。
【００１８】
次に、本実施形態の特徴構成を説明する。本実施形態のヒートポンプ式空調装置１０は、コンプレッサ１が吐出する冷媒の一部を、コンプレッサ１の吸入側にバイパスさせるホットガスバイパス路ＡＣ（図１中のＡ点からＣ点）と、そのホットガスバイパス路ＡＣの流通を制御する制御弁として電磁開閉弁７とを設けている。
【００１９】
また、アキュームレータ６に流入する冷媒の一部を、アキュームレータ６をバイパスしてコンプレッサ４の吸入側に流入するガスバイパス路ＢＣ（図１中のＢ点からＣ点）と、そのガスバイパス路ＢＣの流通を制御する制御弁として電磁開閉弁８とを設けている。また、いずれのバイパス路ＡＣ・ＢＣも所定のバイパス量が得られる流路面積となっている。
【００２０】
そして、ヒートポンプ式空調装置１０は、電子回路等からなる制御手段としての制御装置４０を有する。この制御装置４０は、室内に設けられた図示しないコントローラや図示しない室内温センサ・外気温センサ等の各種センサからの情報を入力し、コンプレッサ１、四方弁２、送風ファン３ａ・５ａ、電磁開閉弁７・８等を作動制御するようになっている。
【００２１】
次に、本実施形態の作動を上記構成に基づいて説明する。制御装置４０は、ヒートポンプ式空調装置１０に電力供給されている時には、図示しないコントローラからの情報に基づいて、暖房運転時の制御処理、又は冷房運転時の制御処理のいずれかを実行する。
【００２２】
まず、暖房運転時の作動について説明する。例えば外気温が低い時、図示しないコントローラの暖房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置４０に入力されると、制御装置４０は暖房運転時の制御処理を実行する。制御装置４０は四方弁２を暖房側（実線）に切り替えると共に、電動モータを起動してコンプレッサ１を駆動する。
【００２３】
コンプレッサ１を出た高温のガス冷媒は、四方弁２を通り、室内熱交換器３で凝縮することで暖房を行なった後、膨張弁４で減圧され、室外熱交換器５で蒸発し、四方弁２を再び通り、アキュームレータ６にて気液分離され、ガス冷媒がコンプレッサ１に戻る。
【００２４】
次に、冷房運転時の作動について説明する。例えば外気温が高い時、図示しないコントローラの冷房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置４０に入力されると、制御装置４０は冷房運転時の制御処理を実行する。制御装置４０は四方弁２を冷房側（破線）に切り替えると共に、電動モータを起動しコンプレッサ１を駆動する。
【００２５】
コンプレッサ１を出た高温のガス冷媒は、四方弁２を通り、室外熱交換器５で凝縮し、膨張弁４で減圧され、室内熱交換器３で蒸発することで冷房を行なった後、四方弁２を再び通り、アキュームレータ６に送られて気液分離され、ガス冷媒がコンプレッサ１に戻る。
【００２６】
次に、本発明の特徴である暖房運転における各機器の制御について説明する。図２は本発明の一実施形態おける暖房運転制御のフローチャートである。暖房運転がスタートすると、ステップＳ１でバルブ（電磁開閉弁）７・８を閉じ、その後ステップＳ２で、まず室温をコントローラで設定された温度にまでいち早く昇温するため、能力いっぱいでのヒートアップ運転が行なわれ、そのために最適なコンプレッサ１の回転数および送風ファン３ａ・５ａの回転数が設定されて出力される。
【００２７】
ステップＳ３では室温が設定温度にまで達したか否かを判定しており、室温が設定温度に達するまではステップＳ２のヒートアップ運転が行なわれ、室温が設定温度まで達したらステップＳ４へと進む。そのステップＳ４では、ステップＳ１で閉じていたバルブ７・８を開け、その後ステップＳ５で、室温を設定温度に維持するため、暖房能力を抑えての保温運転が行なわれ、そのために最適なコンプレッサ１の回転数および送風ファン３ａ・５ａの回転数が設定されて出力される。
【００２８】
ステップＳ６では室温が設定温度を下回っていないか否かを判定しており、室温が設定温度で保たれている場合はステップＳ５の保温運転が続行され、室温が設定温度を下回った場合はリターンしてヒートアップ運転からの順で繰り返される。
【００２９】
次に本実施形態での特徴と効果を述べる。まず、コンプレッサ１が吐出する冷媒の一部を、コンプレッサ１の吸入側にバイパスさせるホットガスバイパス路ＡＣと、そのホットガスバイパス路ＡＣの流通を制御する制御弁７とを設けると共に、制御装置４０は、凝縮器３による加熱が高負荷の場合（本実施形態ではヒートアップ運転時）には制御弁７を閉弁して運転し、凝縮器３による加熱が低負荷の場合（本実施形態では保温運転時）には制御弁７を開弁して運転している。
【００３０】
この低負荷時に高温の吐出冷媒ガスの一部をコンプレッサ１の吸入側へバイパスして吸入ガス冷媒と混合することにより、吐出冷媒温度は高く保たれ、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができる。
【００３１】
また、アキュームレータ６に流入する冷媒の一部を、アキュームレータ６をバイパスしてコンプレッサ１の吸入側に流入するガスバイパス路ＢＣと、そのガスバイパス路ＢＣの流通を制御する制御弁８とを設けると共に、制御装置４０は、凝縮器３による加熱が高負荷の場合には制御弁８を閉弁して運転し、凝縮器３による加熱が低負荷の場合には制御弁８を開弁して運転している。
【００３２】
この低負荷時にアキュームレータ６に流入する冷媒の一部をコンプレッサ１の吸入側へバイパスして循環させることにより、コンプレッサ１の吐出冷媒温度が低下してしまうのが防がれ、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができる。
【００３３】
また、このような冷凍サイクルＲでヒートポンプ式空調装置、ヒートポンプ式暖房装置もしくはヒートポンプ式給湯加熱器を構成することにより、例えばブラインを加熱して行なう床暖房装置や給湯水を加熱する給湯加熱器にて、設定温度まで達した後の保温運転においても快適な加熱感を得ることができるうえ、特に空調装置として構成した場合、設定温度まで達した後の保温運転においても吐出冷媒温度が高いことより室内への吹き出し温度も高くなって冷風感がなくなり、暖房フィーリングを向上させることができる。
【００３４】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、吐出冷媒ガスの一部をコンプレッサ１の吸入側へバイパスしているが、本発明はこれに限らず、アキュームレータ６の入口上流側にバイパス接続点を持ってきても良い。また、上述の実施形態では、いずれのバイパス路ＡＣ・ＢＣも所定のバイパス量が得られる流路面積としてコンプレッサ回転数を可変しているが、例えばコンプレッサを固定回転数としてバルブ７・８の開度を可変する制御であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるヒートポンプ式空調装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態おける暖房運転制御のフローチャートである。
【図３】図１の構成のヒートポンプ式空調装置において、制御弁を作動させた場合の冷凍サイクルの挙動を説明するモリエル線図である。
【図４】従来のヒートポンプシステムにおいて、膨張弁を絞った場合の冷凍サイクルの挙動を説明するモリエル線図である。
【符号の説明】
１　コンプレッサ
３　室内熱交換器（凝縮器）
４　膨張弁（減圧手段）
５　室外熱交換器（蒸発器）
６　アキュームレータ
７、８　電磁開閉弁（制御弁）
４０　制御装置（制御手段）
Ｒ　冷凍サイクル
ＡＣ　ホットガスバイパス路
ＢＣ　ガスバイパス路

Claims

冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ（１）、前記冷媒を凝縮させる凝縮器（３）、前記冷媒を減圧する減圧手段（４）、および前記冷媒を蒸発させる蒸発器（５）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、この冷凍サイクル（Ｒ）を制御する制御手段（４０）とを備えるヒートポンプシステムにおいて、
前記コンプレッサ（１）が吐出する前記冷媒の一部を、前記コンプレッサ（１）の吸入側にバイパスさせるホットガスバイパス路（ＡＣ）と、そのホットガスバイパス路（ＡＣ）の流通を制御する制御弁（７）とを設けると共に、
前記制御手段（４０）は、前記凝縮器（３）による加熱が高負荷の場合には前記制御弁（７）を閉弁して運転し、前記凝縮器（３）による加熱が低負荷の場合には前記制御弁（７）を開弁して運転することを特徴とするヒートポンプシステム。
冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ（１）、前記冷媒を凝縮させる凝縮器（３）、前記冷媒を減圧する減圧手段（４）、前記冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、および前記冷媒を気液分離して蓄えるアキュームレータ（６）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、この冷凍サイクル（Ｒ）を制御する制御手段（４０）とを備えるヒートポンプシステムにおいて、
前記アキュームレータ（６）に流入する前記冷媒の一部を、前記アキュームレータ（６）をバイパスして前記コンプレッサ（１）の吸入側に流入するガスバイパス路（ＢＣ）と、そのガスバイパス路（ＢＣ）の流通を制御する制御弁（８）とを設けると共に、
前記制御手段（４０）は、前記凝縮器（３）による加熱が高負荷の場合には前記制御弁（８）を閉弁して運転し、前記凝縮器（３）による加熱が低負荷の場合には前記制御弁（８）を開弁して運転することを特徴とするヒートポンプシステム。
前記冷凍サイクル（Ｒ）でヒートポンプ式空調装置、ヒートポンプ式暖房装置もしくはヒートポンプ式給湯加熱器を構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。