JP2004205172A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房運転時に室外熱交換器が凍結することがなく、また、室外熱交換器が凍結している状態で暖房運転した場合に、これを速やかに解除することができるヒートポンプ方式の空調装置の提供を図る。
【解決手段】暖房運転時は室内熱交換器２において、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒と室内供給空気との熱交換で暖房する。室外熱交換器３が凍結している状態で暖房運転した場合、室内熱交換器２から室外熱交換器３に導入される冷媒の余剰熱で凍結を解除することができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプサイクル方式の空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプサイクル方式の空調装置としては、圧縮機で圧縮，昇温された冷媒と、ヒータコアに導入される水との間で熱交換させて室内暖房を行わせるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９８４３０号公報（第２頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の空調装置では、圧縮機、水−冷媒熱交換器、蒸発器、室外熱交換器を通る１系統サイクルであるため、暖房運転時に室外熱交換器が凍結した場合、成績係数が悪化してしまうため圧縮機を停止する必要があって極端に暖房性能が悪化してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は暖房運転時に室外熱交換器が凍結することがなく、また、室外熱交換器が凍結している状態で暖房運転した場合は、該室外熱交換器の凍結を速やかに解除して暖房性能を向上することができるヒートポンプ方式の空調装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の空調装置にあっては、圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒の循環経路を切換える第１切換弁と、第１切換弁を介して導入された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器と、室外熱交換器で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁と、第１膨張弁で減圧された冷媒を膨張させる蒸発器と、を冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路と、
前記圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒の循環経路を切換える第２切換弁と、前記蒸発器の後部に配設され、前記第２切換弁を介して導入された冷媒と室内供給空気との間で熱交換させる室内熱交換器と、室内熱交換器から流出した冷媒の循環経路を切換える第３切換弁と、第３切換弁から流出した冷媒を減圧する第２膨張弁と、第２膨張弁で減圧された冷媒を導入する前記室外熱交換器と、室外熱交換器から流出した冷媒を圧縮機の吸入側に導入させる前記第１切換弁と、を冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の空調装置によれば、暖房運転は第２循環経路に切換えることにより、室内熱交換器において圧縮機で圧縮，昇温された冷媒と室内供給空気との熱交換により、該室内供給空気を昇温して暖房する。
【０００８】
暖房運転始動時に室外熱交換器が凍結していた場合でも、室内熱交換器を流出して室外熱交換器に導入される冷媒の余剰熱によって該室外熱交換器の凍結を解除できることは勿論、同様の理由により暖房運転中に室外熱交換器が凍結することはなく、従って、室外熱交換器の凍結を解除する目的で一時的に圧縮機を停止する必要がなく、暖房性能を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１０】
図１は本発明空調装置の第１実施形態を示すサイクル系統図、図２は水−冷媒熱交換器で昇温される水の循環経路を示す系統図、図３は冷房運転時のサイクル系統図、図４は暖房運転時のサイクル系統図、図５は除湿暖房運転の第１形態を示すサイクル系統図、図６は除湿暖房運転の第２形態を示すサイクル系統図、図７は水加温運転時のサイクル系統図である。
【００１１】
図１に示す空調装置は冷媒としてＣＯ₂ガスを用いており、１は冷媒を圧縮する圧縮機、２は圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒と室内供給空気との間で熱交換させる室内熱交換器、３は室内熱交換器２から流出した冷媒を導入して外気との間で熱交換させる室外熱交換器、４は室外熱交換器３で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁、５は室内熱交換器２の前部に配設され、前記第１膨張弁４で減圧された冷媒を膨張させる蒸発器を示している。
【００１２】
圧縮機１の吐出口１ａと室内熱交換器２の入口２ａとを配管２０ａで接続し、該室内熱交換器２の出口２ｂと第１切換弁としての３方弁６のポート６ａとを配管２０ｂで接続し、該３方弁６のポート６ｂと室外熱交換器３の入口３ａとを配管２０ｃで接続している。
【００１３】
室外熱交換器３の出口３ｂと前記第１膨張弁４および蒸発器５の入口５ａとを配管２０ｄで接続してあり、そして、蒸発器５の出口５ｂと圧縮機１の吸入口１ｂとを配管２０ｅで接続し、該配管２０ｅに気液分離を行うアキュームレータ７を介装してある。
【００１４】
本実施形態では前記室内熱交換器２をバイパスして配管２０ａと２０ｂに跨るバイパス通路２０ｆを設け、このバイパス通路２０ｆに後述する水−冷媒熱交換器８を設けてある。
【００１５】
配管２０ａとバイパス通路２０ｆとの分岐部には第２切換弁としての３方弁９を設けてあり、ポート９ａと９ｂを配管２０ａに接続し、ポート９ｃをバイパス通路２０ｆに接続している。
【００１６】
配管２０ｂにおけるバイパス通路２０ｆとの分岐部と３方弁６のポート６ｂとの間と、配管２０ｄにおける室外熱交換器３の出口３ｂと第１膨張弁４との間とを配管３０ａで接続し、この配管３０ａに第３切換弁としての開閉弁１０を配設してあり、配管２０ｄにおける配管３０ａとの分岐部と室外熱交換器３の出口３ｂとの間に、冷媒の室外熱交換器３側への逆流を阻止する第１逆止弁１２を介装してある。
【００１７】
配管２０ｄにはこの第１逆止弁１２、および前記配管３０ａとの分岐部をバイパスして配管３０ｂを接続してあり、この配管３０ｂに第２膨張弁１１と、冷媒の室外熱交換器３側への逆流を阻止する第２逆止弁１３とを介装してある。
【００１８】
３方弁６のポート６ｃと、前記配管２０ｅにおける蒸発器出口４ｂとアキュームレータ７との間を配管３０ｃで接続してあり、この配管３０ｃに冷媒の３方弁６側への逆流を阻止する第３逆止弁１４を介装してある。
【００１９】
そして、前記３方弁６を、ポート６ａと６ｂとを連通する第１切換位置に切換えると共に、３方弁９を、ポート９ａと９ｃを連通する第１切換位置に切換え、更に、開閉弁１０を閉じる一方、第１膨張弁４を開き、第２膨張弁１１を閉じることにより、図３に示すように圧縮機１−３方弁９−水−冷媒熱交換器８−３方弁６−室外熱交換器３−第１膨張弁４−蒸発器５−アキュームレータ７、をこの順に冷媒が循環する第１循環経路Ｌ１と、
３方弁６をポート６ｂと６ｃとを連通する第２切換位置に切換えると共に、３方弁９をポート９ａと９ｂとを連通する第２切換位置に切換え、更に、開閉弁１０を開く一方、第１膨張弁４を閉じ、第２膨張弁１１を開くことにより、図４に示すように圧縮機１−３方弁９−室内熱交換器２−開閉弁１０−第２膨張弁１１−室外熱交換器３−３方弁６−アキュームレータ７、をこの順に冷媒が循環する第２循環経路Ｌ２と、
３方弁６を閉じ、３方弁９をポート９ａと９ｂとを連通する第２切換位置に切換えると共に、開閉弁１０を開く一方、第１膨張弁４を開き、第２膨張弁１１を閉じることにより、図５に示すように圧縮機１−３方弁９−室内熱交換器２−開閉弁１０−第１膨張弁４−蒸発器５−アキュームレータ７，をこの順に冷媒が循環する第３循環経路Ｌ３と、
３方弁６をポート６ａと６ｂとを連通する第１切換位置に切換えると共に、３方弁９をポート９ａと９ｂとを連通する第２切換位置に切換え、更に、開閉弁１０を閉じる一方、第１膨張弁４を開き、第２膨張弁１１を閉じることにより、図６に示すように圧縮機１−３方弁９−室内熱交換器２−３方弁６−室外熱交換器３−第１膨張弁４−蒸発器５−アキュームレータ７、をこの順に冷媒が循環する第４循環経路Ｌ４と、
３方弁６をポート６ｂと６ｃとを連通する第２切換位置に切換えると共に、３方弁９をポート９ａと９ｃとを連通する第１切換位置に切換え、更に、開閉弁１０を開く一方、第１膨張弁４を閉じ、第２膨張弁１１を開くことにより、図７に示すように圧縮機１−３方弁９−水−冷媒熱交換器８−開閉弁１０−第２膨張弁１１−室外熱交換器３−３方弁６−アキュームレータ７、をこの順に冷媒が循環する第５循環経路Ｌ５と、
を設定し得るようにしてある。
【００２０】
一方、前記水−冷媒熱交換器８は、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒と、エンジンブロック又はＦＣスタック（図２ではＦＣスタック５１の場合を示している）に導入される水との間で熱交換させるもので、この水−冷媒熱交換器８は、例えば水配管５０と前記バイパス通路２０ｆとを部分的に２重管にして構成することができる。
【００２１】
図２に示す水の循環経路において、５２はＦＣスタック５１の始動時に水を加温するヒータ、５４はインバータ等の要冷却機器、５３はポンプを示しており、ポンプ５３−ＦＣスタック５１−ヒータ５２−水−冷媒熱交換器８−要冷却機器５４、の順に水が循環するようになっている。
【００２２】
また、本実施形態では前記配管３０ａ，３０ｂの各分岐部間における配管２０ｄと、アキュームレータ７と圧縮機１との間における配管２０ｅとに跨って、第１膨張弁４に導入される高圧冷媒と、蒸発器５から流出した低圧冷媒との間で熱交換させる冷媒熱交換器１５を配設してある。
【００２３】
この冷媒熱交換器１５は、例えば配管２０ｄと２０ｅとを部分的に２重管にして構成することができる。
【００２４】
次に以上の構成よりなる第１実施形態の空調装置の作用について説明する。
【００２５】
＜冷房運転＞
３方弁６，３方弁９を何れも第１切換位置に切換えると共に、開閉弁１０を閉じて、図３の実線で示すように冷媒流れラインを第１循環経路Ｌ１に設定する。図３〜図７中破線は冷媒停止ラインを示す。
【００２６】
これにより、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は、３方弁９、水−冷媒熱交換器８を通過し、３方弁６を経由して室外熱交換器３に導入されて、ここで冷媒と外気との間で熱交換される。
【００２７】
室外熱交換器３で冷却された高圧冷媒は、冷媒熱交換器１５を通過して第１膨張弁４に至って該第１膨張弁４で減圧され、蒸発器５に導入されて膨張して、ここで蒸発器５を通過する室内供給空気と熱交換されて室内を冷房する。
【００２８】
この冷房運転時には、冷媒熱交換器１５において、第１膨張弁４に導入される高圧冷媒と、蒸発器５から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせるため、成績効率を向上することができる。
【００２９】
また、冷房運転時には、室内熱交換器２への冷媒流通が遮断されて、ここでの室内供給空気との熱交換は行われないため、ユニットケース内の分配ドア１６は、任意の調整開度に保たれる。
【００３０】
＜暖房運転＞
３方弁６，３方弁９を何れも第２切換位置に切換えると共に、開閉弁１０を開いて、図４の実線で示すように冷媒流れラインを第２循環経路Ｌ２に設定する。
【００３１】
この暖房運転時には前記分配ドア１６の開度調整が行われる。
【００３２】
これにより、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は、３方弁９を通過して室内熱交換器２に導入され、ここで室内供給空気と熱交換されて、加温された室内供給空気で室内を暖房し、圧縮機１で昇温された冷媒の熱が室内暖房用に回収される。
【００３３】
室内熱交換器２から流出した冷媒は開閉弁１０，冷媒熱交換器１５を通過し、第２膨張弁１１に至って該第２膨張弁１１で減圧され、室外熱交換器３に導入されて膨張し、ここで外気と熱交換された後、３方弁６，第３逆止弁１４を通ってアキュームレータ７，冷媒熱交換器１５の順に導かれて再び圧縮機１で圧縮される。
【００３４】
＜除湿暖房運転１＞
３方弁６を閉じて、３方弁９を第２切換位置に切換えると共に、開閉弁１０を開いて、図５に示すように冷媒流れラインを第３循環経路Ｌ３に設定する。
【００３５】
これにより、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は３方弁９を通過して室内熱交換器２に導入され、ここで室内供給空気と熱交換されて、冷媒の熱を室内暖房用に効率的に回収できる一方、室内熱交換器２から流出した冷媒は開閉弁１０，冷媒熱交換器１５，第１膨張弁４を経由し、蒸発器５に導入されて膨張して該蒸発器５に除湿機能が得られ、室内供給空気を室内熱交換器２に導入される前に除湿して、室内の窓曇り防止を行う。
【００３６】
従って、室内の窓雲り防止のため室内供給空気として比較的冷たい外気を吸気したり、一時的に冷房運転したりする必要がなく、比較的暖かい室内空気を室内供給空気として取り込むことができるため、成績係数を向上することができる。
【００３７】
ここで、暖房運転始動時に室外熱交換器３が霜や着氷によって凍結していた場合、該室外熱交換器３の除霜、凍結解除を行う必要がある。
【００３８】
外気温度が０℃以上の状態で室外熱交換器２が霜や着氷によって凍結している場合に、この除湿暖房運転の１を実行すれば、室外熱交換器３の凍結を０℃以上の外気によって解除して、成績係数の悪化を回避することができる。
【００３９】
＜除湿暖房運転２＞
３方弁６を第１切換位置に切換えると共に、３方弁９を第２切換位置に切換え、かつ、開閉弁１０を閉じて、図６に示すように冷媒流れラインを第４循環経路Ｌ４に設定する。
【００４０】
これにより、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は３方弁９を通過して室内熱交換器２に導入され、ここで室内供給空気と熱交換されて、冷媒の熱を室内暖房用に効率的に回収できる一方、室内熱交換器２から流出した冷媒は３方弁６，室外熱交換器３，冷媒熱交換器１５，第１膨張弁４を経由し、蒸発器５に導入されて膨張して該蒸発器５に除湿機能が得られ、室内供給空気を室内熱交換器２に導入される前に除湿して、室内の窓曇り防止を行う。
【００４１】
この除湿暖房運転の１を、外気温度が０℃以下の状態で室外熱交換器３が凍結している場合に行うことにより、前述のように室内熱交換器２から流出して室外熱交換器３に導入される冷媒の余剰熱で、該室外熱交換器３の凍結を解除することができる。
【００４２】
従って、これら除湿暖房運転１，除湿暖房運転２の何れにあっても、室外熱交換器３の凍結を速やかに解除し、かつ、成績係数の悪化を伴うことなく暖房運転に移行することができる。
【００４３】
＜水加温運転＞
３方弁６を第２切換位置に切換えると共に、３方弁９を第１切換位置に切換え、かつ、開閉弁１０を開いて、図７に示すように冷媒流れラインを第５循環経路Ｌ５に設定する。
【００４４】
これにより、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は３方弁９，水−冷媒熱交換器８，開閉弁１０，冷媒熱交換器１５，第２膨張弁１１，室外熱交換器３，３方弁６，逆止弁１４，アキュームレータ７，冷媒熱交換器１５、をこの順に循環して再び圧縮機１で圧縮される。
【００４５】
この圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒は、前記水−冷媒熱交換器８でＦＣスタック５１に導入される水と熱交換され、該水の加温促進用に回収される。
【００４６】
従って、ＦＣスタック５１への導入水の加温促進によって、該ＦＣスタック５１の暖機促進を行えて燃料電池発電システムの始動性を向上することができる。
【００４７】
図８は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記第１実施形態におけるＦＣスタック用導入水の循環ラインにおいて、ポンプ５３とＦＣスタック５１との間の水配管５０に、水−冷媒熱交換器８で昇温された温水が導入されるヒータコア５５を介装し、このヒータコア５５をユニットケース内の室内熱交換器２の後部に配設してある。
【００４８】
従って、この第２実施形態によれば、冷媒の熱を室内熱交換器２とヒータコア５５とによって室内暖房用として効率的に回収することができる。
【００４９】
図９は本発明の第３実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、前記第１実施形態におけるバイパス通路２０ｆ，水−冷媒熱交換器８および３方弁９を除いて、圧縮機１−室内熱交換器２−第１切換弁としての３方弁６−室外熱交換器３−逆止弁１２−冷媒熱交換器１５−第１膨張弁４−蒸発器５−アキュームレータ７−冷媒熱交換器１５、の順に冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路Ｌ１ａ（図９の実線ライン）と、
圧縮機１−室内熱交換器２−第２切換弁としての開閉弁１０Ａ−冷媒熱交換器１５−第２膨張弁１１−第２逆止弁１３−室外熱交換器３−３方弁６−第３逆止弁１４−アキュームレータ７−冷媒熱交換器１５、の順に冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路Ｌ２ａ、を設定してある。
【００５０】
従って、この第３実施形態にあっても、暖房運転時は、前記第２循環経路Ｌ２ａを設定することによって、圧縮機１で圧縮，昇温された冷媒の熱を、室内熱交換器２で室内供給空気と熱交換して室内暖房用に効率的に回収できると共に、この室内熱交換器２から流出して室外熱交換器３に導入される冷媒の余剰熱により、該室外熱交換器３の凍結回避又は凍結解除を行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態では図１０に示すようにＦＣスタック５１の水循環経路にヒータコア５５を設け、このヒータコア５５を図９に鎖線で示すようにユニットケース内に室内熱交換器２の後部に併設して、ＦＣスタック５１の発生熱を該ヒータコア５５により室内暖房用に回収して、暖房性能を向上することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すサイクル系統図。
【図２】本発明の第１実施形態における水循環経路を示す系統図。
【図３】本発明の第１実施形態における冷房運転時のサイクル系統図。
【図４】本発明の第１実施形態における暖房運転時のサイクル系統図。
【図５】本発明の第１実施形態における除湿暖房運転の第１形態を示すサイクル系統図。
【図６】本発明の第１実施形態における除湿暖房運転の第２形態を示すサイクル系統図。
【図７】本発明の第１実施形態における水加温運転時のサイクル系統図。
【図８】本発明の第２実施形態における水循環経路を示す系統図。
【図９】本発明の第３実施形態を示すサイクル系統図。
【図１０】本発明の第３実施形態における水循環経路を示す系統図。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…室内熱交換器
３…室外熱交換器
４…第１膨張弁
５…蒸発器
６…３方弁（第１切換弁）
７…アキュームレータ
８…水−冷媒熱交換器
９…３方弁（第２切換弁）
１０…開閉弁（第３切換弁）
１０Ａ…開閉弁（第２切換弁）
１１…第２膨張弁
１５…冷媒熱交換器
５１…ＦＣスタック
５５…ヒータコア
Ｌ１，Ｌ１ａ…第１循環経路
Ｌ２，Ｌ２ａ…第２循環経路
Ｌ３…第３循環経路
Ｌ４…第４循環経路
Ｌ５…第５循環経路

Claims (7)

1. 圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された冷媒の循環経路を切換える第１切換弁（６）と、第１切換弁（６）を介して導入された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器（３）と、室外熱交換器（３）で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁（４）と、第１膨張弁（４）で減圧された冷媒を膨張させる蒸発器（５）と、を冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路（Ｌ１）と、
   前記圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された冷媒の循環経路を切換える第２切換弁（９）と、前記蒸発器（５）の後部に配設され、前記第２切換弁（９）を介して導入された冷媒と室内供給空気との間で熱交換させる室内熱交換器（２）と、室内熱交換器（２）から流出した冷媒の循環経路を切換える第３切換弁（１０）と、第３切換弁（１０）から流出した冷媒を減圧する第２膨張弁（１１）と、第２膨張弁（１１）で減圧された冷媒を導入する前記室外熱交換器（３）と、室外熱交換器（３）から流出した冷媒を圧縮機（１）の吸入側に導入させる前記第１切換弁（６）と、を冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路（Ｌ２）と、
   を備えたことを特徴とする空調装置。
2. 請求項１に記載の空調装置において、第３切換弁（１０）から流出した冷媒を、第２膨張弁（１１），室外熱交換器（３），第１切換弁（６）を通さずに、第１膨張弁（４）を経由して蒸発器（５）に導入して暖房運転する第３循環経路（Ｌ３）を設定したことを特徴とする空調装置。
3. 請求項１または２に記載の空調装置において、室内熱交換器（２）から流出した冷媒を、第１切換弁（６），室外熱交換器（３），第１膨張弁（４）を経由して蒸発器（５）に循環して暖房運転する第４循環経路（Ｌ４）を設定したことを特徴とする空調装置。
4. 請求項１〜３の何れか１つに記載の空調装置において、第１循環経路（Ｌ１）又は第２循環経路（Ｌ２）の一方に、前記圧縮機（１）で圧縮，昇温された冷媒と、エンジンブロック又はＦＣスタックに導入される水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器（８）を配設する一方、水−冷媒熱交換器（８）から流出した冷媒を室内熱交換器（２）を通さずに、前記第３切換弁（１０）と、第２膨張弁（１１）と、室外熱交換器（３）と、第１切換弁（６）とを経由して圧縮機（１）に循環させる第５循環経路（Ｌ５）を設定したことを特徴とする空調装置。
5. 請求項４に記載の空調装置において、蒸発器（５）の後部に、水−冷媒熱交換器（８）で昇温された温水が導入されて、該温水と室内供給空気との間で熱交換させるヒータコア（５５）を配設したことを特徴とする空調装置。
6. 圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された冷媒を導入して、該冷媒と室内供給空気との間で熱交換させる室内熱交換器（２）と、室内熱交換器（２）から流出した冷媒の循環経路を切換える第１切換弁（６）と、第１切換弁（６）を介して導入された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器（３）と、室外熱交換器（３）で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁（４）と、室内熱交換器（２）の前部に配設された蒸発器（５）と、を冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路（Ｌ１ａ）と、
   前記圧縮機（１）と、室内熱交換器（２）と、室内熱交換器（２）から流出した冷媒の循環経路を切換える第２切換弁（１０Ａ）と、該第２切換弁（１０Ａ）から流出した冷媒を減圧する第２膨張弁（１１）と、第２膨張弁（１１）で減圧された冷媒を導入する前記室内熱交換器（３）と、室外熱交換器（３）から流出した冷媒を圧縮機（１）の吸入側に導入させる前記第１切換弁（６）と、を冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路（Ｌ２ａ）と、
   を備えたことを特徴とする空調装置。
7. 請求項６に記載の空調装置において、室内熱交換器（２）の後部に温水が導入されるヒータコア（５５）を配設したことを特徴とする空調装置。

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