JP2006084107A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 零度以下の低外気温時、あるいは寒冷地で暖房運転において室外熱交換器での着霜を防止して除霜運転を不要にできるとともに、暖房運転の能力を向上させた暖房強化型空気調和機を提供することを目的とする。
【解決手段】 第一圧縮機３と、四方弁４と、室外熱交換器５と、第一膨張弁７と、冷媒間熱交換器８と、室内熱交換器９とを順次接続してメインサイクル１を構成する一方、第二圧縮機１３と、前記室外熱交換器５と、第二膨張弁１４と前記冷媒間熱交換器８とを順次接続してサブサイクル２を構成し、暖房運転時に、サブサイクル２を循環する冷媒により室外熱交換器５を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和機に関わり、より詳細には寒冷地においても暖房能力が低下しないようにするとともに、成績係数（ＣＯＰ）を向上させた暖房強化型の構造に関する。

従来の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を順次接続して冷媒回路を構成し、冷房運転時に、圧縮機から吐出された冷媒を、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器に順次循環させ、暖房運転時には、圧縮機から吐出された冷媒を、四方弁、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器に順次循環させるようになっている。しかるに暖房運転開始時、室外熱交換器が冷却されるため同室外熱交換器に着霜が生じ、除霜運転が必要となるとともに、低外気温時においては暖房能力が低下するという問題があった。

これらの現象を防止するため、例えば図４で示すように、圧縮機４０と第一四方弁４１と室内熱交換器４２と冷房用膨張弁４３と第二四方弁４４と第三四方弁４５と暖房用膨張弁４６と室外熱交換器４７とアキュームレータ５１とを順次接続するとともに、前記室外熱交換器４７の一側から分岐し、開閉弁４８と前記第三四方弁４５と前記第二四方弁４４とを経て前記室外熱交換器４７内に補助熱交換器５０を形成したバイパス路４９を設けた事例がある（例えば、特許文献１参照）。

上記した構成は、冷房運転時、前記室外熱交換器４７で凝縮した冷媒を前記バイパス路４９により前記補助熱交換器５０に導びき、同室外熱交換器４７を流れる冷媒を過冷却して前記室内熱交換器４２での蒸発能力を高める一方、暖房運転時においては、前記補助熱交換器５０により加熱して除霜を行なった後、蒸発器として作用し暖房能力を高めるようになっている。

しかしながら、前記開閉弁４８と前記第二四方弁４４と前記第三四方弁４５とを備えたバイパス路４９を設けることにより冷媒回路の構成が複雑となる一方、冷媒回路を流れる冷媒の一部を前記補助熱交換器５０に供給して加熱あるいは冷却を行うことにより、その能力に限界があり、例えば零度以下の低外気温時、あるいは寒冷地で暖房運転を行う際、前記室外熱交換器４７での着霜発生を完全に防止できないばかりでなく、暖房運転そのものに支障を生じる虞があった。

他の従来例として、例えば図５で示すように、圧縮機６０と、四方弁６１と、送風ファン６３ａを備えた室外熱交換器６３と、膨張弁６４と、送風ファン６５ａを備えた室内熱交換器６５と、アキュームレータ６６とを順次接続してメイン回路を構成する一方、放熱器６８と開閉弁６９と温水ポンプ７０と、バーナー７２を備えた補助熱交換器７１とを順次接続して温水回路６７を構成した例がある（例えば、特許文献２参照）。

前記メイン回路で暖房運転を行なうと、前記室外熱交換器６３が冷却され同室外熱交換器６３に着霜が発生する虞があるため、前記温水回路６７に設けられた前記バーナー７２を燃焼させ、前記補助熱交換器７１を加熱させて温水を生成する。生成された温水は前記温水ポンプ７０により前記放熱器３８に供給され、同放熱器３８は熱風を発生させて前記室外熱交換器６３を加熱するようになっている。これにより前記室外熱交換器６３での着霜が防止され、暖房運転が円滑に起動するようになっている。

しかしながら、前記バーナー７２のような他の熱源を用い温水を生成することは、所謂エネルギ変換効率が低く、これにより冷媒回路全体での成績係数（ＣＯＰ）も低下することから、省エネルギの観点からみて改善が求められていた。

特開昭５９−２２９１４９号公報（２頁、図３） 特開２００１−１２８２９号公報（３頁、図１）

本発明は、上記問題点に鑑み、零度以下の低外気温時、あるいは寒冷地で暖房運転において前記室外熱交換器での着霜を防止して除霜運転を不要にできるとともに、暖房運転の能力を向上させ、更に冷媒回路の成績係数、所謂ＣＯＰを向上させた暖房強化型の空気調和機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、室外熱交換器を第一熱交換部と第二熱交換部とで構成するとともに、第一圧縮機と、流路切換手段と、前記室外熱交換器の第一熱交換部と、第一減圧手段と、冷媒間熱交換器と、室内熱交換器とを接続してメインサイクルを構成し、第二圧縮機と、前記室外熱交換器の第二熱交換部と、第二減圧手段と前記冷媒間熱交換器とを接続してサブサイクルを構成してなり、暖房運転時に、前記サブサイクルの第二圧縮機を駆動させ、同サブサイクルを循環する冷媒を前記室外熱交換器の第二熱交換部で凝縮させることにより前記第一熱交換部を加熱する構成となっている。又、室外熱交換器を第一熱交換部と第二熱交換部とで構成するとともに、第一圧縮機と、流路切換手段と、前記室外熱交換器の第一熱交換部と、冷房用膨張弁と、冷媒間熱交換器と、暖房用膨張弁と、室内熱交換器とを接続してメインサイクルを構成し、第二圧縮機と、前記室外熱交換器の第二熱交換部と、第二減圧手段と、前記冷媒間熱交換器とを接続してサブサイクルを構成してなり、冷房サイクル運転時に前記冷媒間熱交換器に蓄熱した熱を、暖房運転時に利用できるようにした構成となっている。

本発明によると、第一圧縮機と、流路切換手段としての四方弁と、室外熱交換器と、第一減圧手段としての第一膨張弁と、冷媒間熱交換器と、室内熱交換器とを順次接続してメインサイクルを構成する一方、第二圧縮機と、前記室外熱交換器と、第二膨張弁と前記冷媒間熱交換器とを順次接続してサブサイクルを構成することにより、暖房運転開始時に、サブサイクルを循環する冷媒により室外熱交換器を加熱してフィンあるいは伝熱管の表面に着霜が発生することを防止し、暖房運転を一時中断して行う除霜運転を不要とするとともに、加熱により同室外熱交換器での冷媒の蒸発量を増加させ、これにより前記室内熱交換器での冷媒凝縮量と熱の放出量とを増大させ、低外気温あるいは寒冷地でも能力の低下を招くことなく暖房運転を行うことができる。又、バーナーあるいはヒータ等の別熱源を用いることなく、温水を生成することによりエネルギ変換効率が高くなり、成績係数（ＣＯＰ）が上昇して、所謂省エネ運転を行うことのできる暖房強化型空気調和機となる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１（Ａ）は本発明による暖房強化型空気調和機の第一実施例における冷媒回路図であり、図１（Ｂ）は室外熱交換器の断面図である。図２（Ａ）は冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図であり、図２（Ｂ）は暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。又、図３は第二実施例の冷媒回路図である。

本発明による暖房強化型空気調和機は、図１（Ａ）で示すように、第一圧縮機３と、流路切換手段としての四方弁４と、送風ファン６を備えた室外熱交換器５と、第一減圧手段としての第一膨張弁７と、冷媒間熱交換器８と、送風ファン１０を備えた室内熱交換器９とを順次接続してメインサイクル１を構成する一方、第二圧縮機１３と、前記室外熱交換器５と、第二膨張弁１４と前記冷媒間熱交換器８とを配管１２により順次接続してサブサイクル２を構成している。

前記室外熱交換器５は、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように蛇行状に配設された伝熱管とからなり、図１（Ｂ）で示すように、左右一側を前記メインサイクル１に接続された伝熱管が配設される第一熱交換部５ａとし、他側を前記サブサイクル２に接続された伝熱管が配設される第二熱交換部５ｂとしている。

前記冷媒間熱交換器８は、前記メインサイクル１と前記サブサイクル２とを流れる冷媒間の熱交換を行う熱交換器であり、暖房運転時、前記メインサイクル１を流れる冷媒は同冷媒間熱交換器８で熱を放出して凝縮する一方、前記サブサイクル２を流れる冷媒は放出された熱を吸収して蒸発するようになっている。

又、前記メインサイクル１にはＨＦＣ系冷媒もしくはＨＣＦＣ系冷媒が循環し、前記サブサイクル２には同様にＨＦＣ系冷媒もしくはＨＣＦＣ系冷媒か、あるいは低温度状態での熱交換効率が高いＨＣ系冷媒のプロパン等が循環するようになっている。

次に、動作について説明する。冷房運転時、前記サブサイクル２に設けられた前記第二圧縮機１３は停止状態となる。前記第一圧縮機３の吐出側から吐出された高温高圧の冷媒は、図２（Ａ）の矢印で示すように、前記四方弁４を介して前記室外熱交換器５の第一熱交換部５ａに流入し、同第一熱交換部５ａで熱を放出して凝縮する。凝縮した冷媒は続いて前記第一膨張弁７により断熱膨張して低温低圧となり、前記室内熱交換器９に流入して、同室内熱交換器９で熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は前記第一四方弁４と前記アキュームレータ１１とを介して前記圧縮機３の吸込側に還流するようになっている。又、前記室内熱交換器９にて冷却された周囲を流れる空気は前記送風ファン１０により室内に送出され、これを冷房するようになっている。

次に、暖房運転について説明する。暖房運転時、前記第二圧縮機１３が駆動され、前記サブサイクル２を冷媒が循環するようになっている。又、前記四方弁４が切換えられるようになっている。前記第一圧縮機３の吐出側から吐出された高温高圧の冷媒は、図２（Ｂ）の矢印で示すように、前記四方弁４を介して前記室内熱交換器９に流入し、同室内熱交換器９で熱を放出して凝縮する。冷媒は、続いて前記冷媒間熱交換器８に流入し、同冷媒間熱交換器８でも更に熱を放出して凝縮するようになっている。凝縮した冷媒は続いて前記第一膨張弁７により断熱膨張して低温低圧となり、前記室外熱交換器５の第一熱交換部５ａに流入して熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は前記第一四方弁４と前記アキュームレータ１１とを介して前記第一圧縮機３の吸込側に還流するようになっている。又、前記室内熱交換器９から放出された熱により加熱された周囲を流れる空気は前記送風ファン１０により室内に送出され、これを暖房するようになっている。

前記サブサイクル２の前記第二圧縮機１３から吐出された高温高圧の冷媒は前記室外熱交換器５の第二熱交換部５ｂに流入し、同第二熱交換部５ｂで熱を放出して凝縮する。凝縮した冷媒は続いて前記第二膨張弁１４により断熱膨張し低温低圧となって前記冷媒間熱交換器８に流入し、前記メインサイクル１の冷媒から放出された熱を吸収して蒸発し、蒸発した冷媒は前記第二圧縮機１３に還流するようになっている。

湿度が高い低外気温時に暖房運転を開始すると、前記室外熱交換器５の第一熱交換部５ａに流れ込んだ前記メインサイクル１の低温低圧の冷媒により同室外熱交換器５が冷却され、これを構成するフィンあるいは伝熱管の周囲に着霜が発生する虞がある。又、外気から充分に熱を吸収できず、低温低圧の液相冷媒が充分に蒸発できないため、前記室内熱交換器９での凝縮量も減少し、暖房能力が低下してしまう虞がある。

しかしながら、暖房運転開始時に、前記サブサイクル２を循環する冷媒により前記室外熱交換器５を加熱して、フィンあるいは伝熱管の表面に着霜が発生することを防止することにより、暖房運転を一時中断して行う除霜運転を不要とするとともに、加熱により同室外熱交換器５での冷媒の蒸発量を増加させ、これにより前記室内熱交換器９での冷媒凝縮量と熱の放出量とを増大させることにより、低外気温あるいは寒冷地でも能力の低下を招くことなく暖房運転を行うことができるようになっている。

又、前記室外熱交換器５を加熱する熱源としてヒータあるいはバーナーを用いた場合は、電気的エネルギあるいは燃焼のエネルギを、熱エネルギに変換することになるが、これらは変換の際、エネルギ損失が大きく、消費電力あるいは消費エネルギが増大してしまう。このため、冷房能力あるいは暖房能力と消費電力（消費エネルギ）との比率である成績係数（ＣＯＰ）が小さくなり、例えば成績係数が１以下の値となってしまう場合は、省エネルギの観点から見て好ましくないこととなる。本願においては、前記サブサイクル２に設けられた圧縮機１３により高圧の冷媒を生成し、同冷媒が凝縮、蒸発の過程で空気と熱交換を行うことにより、冷媒能力あるいは暖房能力の指標であるエンタルピ差を、消費電力より大きく取ることができ、例えば成績係数（ＣＯＰ）を２．５〜３の範囲にすることができる。これによって所謂省エネルギ運転を行うことができるようになっている。尚、前記第一熱交換部５ａと第二熱交換部５ｂとは、上下に配置してもよい。

又、前記冷媒間熱交換器８を送風ファンを備えた通常の熱交換器で構成するとともに、これを前記サブサイクル２に単独で接続して、前記室外熱交換器５を加熱するようにした冷媒回路も可能であるが、この場合、送風ファンを駆動する電力が必要となり、成績係数ＣＯＰが低下する虞がある。前記メインサイクル１から前記サブサイクル２へ熱移動を行う前記冷媒間熱交換器８を用いることにより成績係数ＣＯＰを上昇させ、所謂省エネ運転を行えるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例は、図３で示すように、第一圧縮機３と、四方弁４と、室外熱交換器５の第一熱交換部５ａと、暖房用膨張弁７ａと、冷媒間熱交換器８と、冷房用膨張弁７ｂと、室内熱交換器９とを順次接続してメインサイクル１を構成する一方、第二圧縮機１３と、前記室外熱交換器５の第二熱交換部５ｂと、第二膨張弁１４と前記冷媒間熱交換器８とを配管１２により順次接続してサブサイクル２を構成している。

冷房運転時、図３（Ｂ）で示すように、前記暖房用膨張弁７ａは全開状態に、前記冷房用膨張弁７ｂは絞り状態に夫々設定される。第一圧縮機３の吐出側から吐出された高温高圧の冷媒は、前記四方弁４を介して前記室外熱交換器５の第一熱交換部５ａに流入し、同第一熱交換部５ａで熱を放出して凝縮する。凝縮した冷媒は続いて全開状態となった前記暖房用膨張弁７ａと前記冷媒間熱交換器８とを通り、前記冷房用膨張弁７ｂにより断熱膨張して低温低圧となり、前記室内熱交換器９に流入して、同室内熱交換器９で熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は前記第一四方弁４と前記アキュームレータ１１とを介して前記圧縮機３の吸込側に還流するようになっている。又、前記室内熱交換器９にて冷却された周囲を流れる空気は前記送風ファン１０により室内に送出され、これを冷房するようになっている。

前記冷媒間熱交換器８は、蓄熱槽としての機能も備えており、冷房運転の際、同冷媒間熱交換器８に高温高圧の冷媒が流れることにより、その熱を蓄積することができるようになっている。

暖房運転に切換えた際は、前記暖房用膨張弁７ａは絞り状態に、前記冷房用膨張弁７ｂは全開状態に夫々設定される。前記第一圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒は、図３の矢印で示すように、前記四方弁４を介して前記室内熱交換器９に流入し、同室内熱交換器９で熱を放出して凝縮する。冷媒は、続いて全開状態となった前記冷房用膨張弁７ｂを通り前記冷媒間熱交換器８に流入し、同冷媒間熱交換器８でも更に熱を放出して凝縮するようになっている。凝縮した冷媒は続いて絞り状態となった前記暖房用膨張弁７ａにより断熱膨張して低温低圧となり、前記室外熱交換器５の第一熱交換部５ａに流入して熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は前記第一四方弁４と前記アキュームレータ１１とを介して前記第一圧縮機３の吸込側に還流するようになっている。又、前記室内熱交換器９から放出された熱により加熱された周囲を流れる空気は前記送風ファン１０により室内に送出され、これを暖房するようになっている。

前記サブサイクル２の前記第二圧縮機１３から吐出された高温高圧の冷媒は前記室外熱交換器５の第二熱交換部５ｂに流入し、同第二熱交換部５ｂで熱を放出して凝縮する。凝縮した冷媒は続いて前記第二膨張弁１４により断熱膨張し低温低圧となって前記冷媒間熱交換器８に流入し、前記メインサイクル１の冷媒から放出された熱を吸収して蒸発し、蒸発した冷媒は前記第二圧縮機１３に還流するようになっている。この際、前記冷媒間熱交換器８が蓄熱されていることにより、その熱が前記サブサイクル２を流れる冷媒に放出され、同冷媒間熱交換器８での蒸発量を増加させることにより、前記室外熱交換器５での加熱も助長され、暖房運転を迅速に立ち上げることができるようになっている。

（Ａ）は本発明の第一実施例を示す冷媒回路図である。 （Ｂ）は室外熱交換器の断面図である。 （Ａ）は冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 （Ｂ）は暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の第二実施例を示す冷媒回路図である。 従来例での一例を示す冷媒回路図である。 従来例の他の例を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１ メインサイクル
２ サブサイクル
３ 第一圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
５ａ 熱交換部
５ｂ 加熱部
６ 送風ファン
７ 第一膨張弁
７ａ 暖房用膨張弁
７ｂ 冷房用膨張弁
８ 冷媒間熱交換器
９ 室内熱交換器
１０ 送風ファン
１１ アキュームレータ
１２ 配管
１３ 第二圧縮機
１４ 第二膨張弁

Claims (2)

1. 室外熱交換器を第一熱交換部と第二熱交換部とで構成するとともに、第一圧縮機と、流路切換手段と、前記室外熱交換器の第一熱交換部と、第一減圧手段と、冷媒間熱交換器と、室内熱交換器とを接続してメインサイクルを構成し、第二圧縮機と、前記室外熱交換器の第二熱交換部と、第二減圧手段と、前記冷媒間熱交換器とを接続してサブサイクルを構成してなり、
   暖房運転時に、前記サブサイクルの第二圧縮機を駆動させ、同サブサイクルを循環する冷媒を前記室外熱交換器の第二熱交換部で凝縮させることにより前記第一熱交換部を加熱するようにしたことを特徴とする空気調和機。
2. 室外熱交換器を第一熱交換部と第二熱交換部とで構成するとともに、第一圧縮機と、流路切換手段と、前記室外熱交換器の第一熱交換部と、冷房用膨張弁と、冷媒間熱交換器と、暖房用膨張弁と、室内熱交換器とを接続してメインサイクルを構成し、第二圧縮機と、前記室外熱交換器の第二熱交換部と、第二減圧手段と、前記冷媒間熱交換器とを接続してサブサイクルを構成してなり、
   冷房サイクル運転時に前記冷媒間熱交換器に蓄熱した熱を、暖房運転時に利用できるようにしたことを特徴とする空気調和機。

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