JP2006258343A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 暖房運転時における冷媒加熱器の省エネルギー運用を図ると共に、空気調和機の冷媒運転時の改善を図り、デフロスト運転時の室内環境を改善することのできる空気調和機を提供する。
【解決手段】 圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、第１の膨張弁４、過冷却熱交換器５、第２の膨張弁６及び室外熱交換器７を順次接続してなる主冷媒回路２０と、過冷却熱交換器５と第２の膨張弁６を結ぶ配管から分岐し、第３の膨張弁８、過冷却熱交換器５、冷媒加熱手段９及び開閉弁１０を経て圧縮機１のインジェクションポートに接続されたインジェクション回路２１とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和装置に係り、さらに詳しくは、暖房運転時において循環冷媒の一部を冷媒加熱器を介して圧縮機のインジェクションポートに供給しうるようにした冷媒加熱式の空気調和装置に関するものである。

暖房運転時において、外気温度が低い場合には、空気熱源のみによる空気調和装置では暖房能力が不足勝ちとなるため、循環冷媒の一部を冷媒加熱器で気化させたのち、圧縮機のインジェクションポートへ供給することにより、暖房能力の向上を図るようにした冷媒加熱式空気調和機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特公平８−２７１０６号公報（第３頁、図１）

特許文献１の冷媒加熱式空気調和機においては、冷媒加熱器を介して圧縮機のインジェクションポートへ供給する冷媒を気化するために、冷媒加熱器において投入熱量が必要となるが、冷媒加熱器のみで冷媒を気化するため多くの電力を必要とし、省エネルギー性に問題があった。
また、室内機が多室型の空気調和機では、室内機と室外機を接続する配管が一般的に長いため、室外機の出口における過冷却度が大きくとれないので、冷房能力が低下するおそれがあった。

さらに、外気温度が低い地域で空気調和機を運転する場合、室外熱交換器に着霜が生じ易いため、この着霜を除去するための運転、すなわち、デフロスト運転が必要となる。特許文献１の技術の場合、例えば、暖房運転時と逆に冷媒を流通させる運転、すなわち、逆サイクルデフロスト運転を行うと、室内熱交換器は停止状態になり、室温低下の原因となるばかりでなく、デフロスト運転終了後凝縮温度がすぐに上昇しないため、人間の皮膚温より低い送風が行われ、快適感が阻害されるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、暖房運転時における冷媒加熱手段の省エネルギー運転を図ると共に、冷媒運転時の改善を図り、デフロスト運転時の室内環境を改善することのできる空気調和装置を提供することを目的としたものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の膨張弁、過冷却熱交換器、第２の膨張弁及び室外熱交換器を順次接続してなる主冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と第２の膨張弁を結ぶ配管から分岐し、第３の膨張弁、前記過冷却熱交換器、冷媒加熱手段及び開閉弁を経て前記圧縮機のインジェクションポートに接続されたインジェクション回路とを備えたものである。

本発明によれば、暖房運転時における冷媒加熱手段の省エネルギー化が実現できると共に、冷房運転時の改善を図ることができ、さらにデフロスト運転時の室内環境を改善することのできる信頼性の高い空気調和装置を得ることができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。
本実施の形態に係る冷媒回路は、インジェクションポート付きの圧縮機１、四方弁２、室内熱交換機３、第１の膨張弁４、過冷却熱交換器５、第２の膨張弁６及び室外熱交換器７が順次接続された主冷媒回路２０（以下、主冷媒管ということがある）と、第２の膨張弁６と過冷却熱交換器５の間から第３の膨張弁８、過冷却熱交換器５を通り、冷媒加熱手段９、第１の開閉弁１０を介して圧縮機１のインジェクションポートに至るインジェクション回路を構成する第１のバイパス回路２１とによって構成されている。なお、多室型空気調和装置の場合は、図に示すように、１台の室外機３１に複数台の室内機３０が接続されている。

そして、暖房運転時には実線矢印で示す方向に、冷房運転時及び逆サイクルデフロスト運転時には破線矢印で示す方向に、冷媒が可逆循環するようになっている。

次に、上記のように構成した空気調和装置の作用について説明する。
暖房運転の場合は、圧縮機１より吐出された冷媒ガスは四方弁２を通過し、室内熱交換器３により凝縮されて暖房を行い、第１の膨張弁４で若干減圧され、主冷媒管２０を経て過冷却熱交換器５に送られ、過冷却熱交換器５において過冷却度が付与されて第２の膨張弁６で減圧され、室外熱交換器７で蒸発して圧縮機１へ戻る主冷媒回路と、第１の膨張弁４で若干減圧されて第１のバイパス管２１に分岐し、第３の膨張弁８で減圧されて過冷却熱交換器５で加熱蒸発し、さらに冷媒加熱手段９で加熱蒸発し、開状態の第１の開閉弁１０を経てインジェクションポートから圧縮機１に吸入されるインジェクション回路とによって運転される。

ここで、冷媒加熱手段９にはヒータ、蒸気、温水、排熱ガスなどが用いられる。また、第１の開閉弁１０の代わりに逆止弁を用いたり、第１の開閉弁１０をなくしてインジェクションをしない場合には、第３の膨張弁８を閉じることにより代用してもよい。この場合、中間圧となったインジェクションポートから第１のバイパス管２１への冷媒の逆流は、第１の開閉弁１０で防止されるので、信頼性を損うことはない。

さらに、この空気調和装置の暖房運転時の作用について、図２のモリエル線図と図１の冷媒回路とを対比して説明する。なお、図２において縦軸は圧力を、横軸は温度を示す。
室内熱交換器３を出た液冷媒は、全開状態の第１の膨張弁４で若干減圧され、図２のａ点に至る。ここで主冷媒管２０は二方向に分岐し、主冷媒回路側は過冷却熱交換器５によりｂ点の状態まで冷却され、一方、分岐した第１のバイパス管２１側は第３の膨張弁８により中間圧であるｃ点の状態まで減圧される。そして、過冷却熱交換器５によりｄ点の状態まで加熱蒸発され、さらに、冷媒加熱手段９によりｅ点の状態まで加熱蒸発されて、インジェクションポートから圧縮機１に送られる。そして、ｆ点の状態（以下、１段目の圧縮という）にある圧縮機１内の冷媒と、上記ｅ点の状態の冷媒が圧縮機１の内部で混合されてｇ点の状態（以下２段目の圧縮という）となり、圧縮機１からｈ点の状態で吐出される。

本実施の形態によれば、暖房運転時には室内熱交換器３側の冷媒循環量を増加することができるので、低外気時などの空調負荷が大きいときも暖房能力を確保することができる。また、冷媒加熱手段９による必要なインジェクション熱量はｃ点〜ｅ点間の冷媒加熱量であるが、冷媒加熱手段９を過冷却熱交換器５と直列に接続したため、必要なインジェクション熱量はｄ点〜ｅ点間の冷媒熱量となって削減できるので、省エネルギー化に寄与することができる。

［実施の形態２］
図３は本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。なお、実施の形態１の冷媒回路と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態１の冷媒回路において、冷媒加熱手段９と第１の開閉弁１０との間において、第１のバイパス管２１から分岐して圧縮機１の吸入側に至る第２のバイパス管２２を設け、この第２のバイパス管２２に第２の開閉弁１１を設けたものである。

このように構成した本実施の形態において、暖房運転の場合の作用は、第２のバイパス管２２の第２の開閉弁１１を閉じる以外は、実施の形態１の場合と同様である。

次に、デフロスト運転の場合は、圧縮機１より吐出された冷媒ガスは四方弁２を通り、室外熱交換器７で除霜し、第２の膨張弁６を経て第１のバイパス管２１に入り、第３の膨張弁８から過冷却熱交換器５を通って冷媒加熱手段９で加熱され、第２のバイパス管２２から第２の開閉弁１１を通り、圧縮機１の吸入側に至る。このとき、第１の開閉弁１０は閉止状態にある。

また、冷房運転の場合は、圧縮機１から吐出された冷媒ガスは四方弁２を通り、室外側熱交換器７で凝縮され、第２の膨張弁６を通過して過冷却熱交換器５で冷されて過冷却状態となり、室内機３０の第１の膨張弁４で減圧され、室内熱交換器３で蒸発して冷房運転を行い、四方弁２を経て圧縮機１へ至る。一方、第１のバイパス管２１に流入した冷媒は、第３の膨張弁８で減圧され、過冷却熱交換器５で蒸発して冷媒加熱手段９を通り、第２のバイパス管２２に入って第２の開閉弁１１を通り、圧縮機１の吸入側に至る。このとき、冷媒加熱手段９は停止状態、第１の開閉弁１０は閉止状態にする。

本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られるが、さらに、冷房運転時には、室外機３１から出る冷媒液の過冷却度が、過冷却熱交換器５によって増加するので、室内機３０までの延長配管が長い場合でも冷却能力を確保することができる。また、デフロスト運転時には、冷媒加熱手段９を熱源として室外熱交換器７の除霜を行うため、室内から受熱することがなく室温の低下を防止できるので、快適な室内環境を実現することができる。

［実施の形態３］
図４は本発明の実施の形態３に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。なお、実施の形態２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態２の冷媒回路において、圧縮機１の吐出部から分岐し、第３の開閉弁１２を介して室外熱交換器７と第２の膨張弁６との間に合流する第３のバイパス管２３を設けたものである。

本実施の形態における暖房運転及び冷房運転の場合の作用は、実施の形態２の場合と同様であり、このときいずれの運転の場合でも、第３の開閉弁１２は閉止する。
デフロスト運転の場合は、第３の開閉弁１２を開状態とし、第２の膨張弁６及び第１の開閉弁１０を閉状態とする。これにより、圧縮機１から吐出された冷媒ガスの一部は第３の開閉弁１２を通って室外熱交換器７に流入して霜取りを行い、四方弁２を経て圧縮機１へ戻る。

一方、圧縮機１から吐出された冷媒ガスの一部は四方弁２を通過し、室内熱交換器３に流入して暖房運転を行い、第１の膨張弁４で減圧されて第１のバイパス管２１に流入し、第３の膨張弁８、過冷却熱交換器５を通過して冷媒加熱手段９で加熱され、第２のバイパス管２２に流入して第２の開閉弁１１を通り、圧縮機１に至る。

本実施形態においては、暖房運転及び冷媒運転では実施の形態２の場合と同様の効果が得られ、さらに、デフロスト運転の場合は、室外熱交換器７の除霜を行うと共に、室内機３０による暖房運転を行うことができるので、室温が低下しない快適性の高い運転を行うことができる。なお、この第３のバイパス回路は、実施の形態１の冷媒回路に設けてもよい。

［実施の形態４］
図５は本発明の実施の形態４に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。なお、実施の形態３と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、４つの逆止弁１４ａ〜１４ｄからなるブリッジ回路１３を有し、逆止弁１４ａと１４ｄの間の接続点を第１の膨張弁４に、逆止弁１４ｂと１４ｃの間の接続点を第２の膨張弁６に接続すると共に、逆止弁１４ａ，１４ｂの間の接続点及び逆止弁１４ｃ，１４ｄの間の接続点を過冷却熱交換器５の主冷媒回路に接続したものである。なお、第１のバイパス管２１は上記主冷媒回路に接続される。

本実施の形態において、デフロスト運転の場合の作用は、実施の形態３の場合と同様である。
ところで、過冷却熱交換器５は、主冷媒回路と第１のバイパス管２１を通る冷媒の流れが対向流の方が並行流の場合より熱交換率が良くなるが、実施の形態１〜３の構成では、暖房運転の場合は対向流であるが、冷房運転の場合は並行流となっている。

本実施の形態は、暖房運転、冷房運転のいずれの場合も過冷却熱交換器５の主冷媒回路と第１のバイパス管２１を通る冷媒の流れが対向流となるように構成したもので、暖房運転の場合は、第１の膨張弁４からブリッジ回路１３に冷媒が流入し、逆止弁１４ａから過冷却熱交換器５を通過し、その一部は分岐して第３の減圧弁８で減圧され、過冷却熱交換器５を経て冷媒加熱手段９に至り、一部は逆止弁１４ｃを経て第２の膨張弁６に至るので、過冷却熱交換器５においては対向流が成立する。

また、冷房運転の場合には、第２の膨張弁６からブリッジ回路１３に流入した冷媒は、逆止弁１４ｂから過冷却熱交換器５を通過し、その一部は分岐して第３の減圧弁８で減圧され、過冷却熱交換器５を経て冷媒加熱手段９に至り、一部は逆止弁１４ｄを経て第１の膨張弁４に至るので、この場合も過冷却熱交換器５において対向流が成立する。なお、このブリッジ回路１３は、実施の形態１又は２の冷媒回路に設けてもよい。
このように、本実施の形態においては、暖房運転、冷房運転のいずれの場合においても、過冷却熱交換器５で対向流が成立するので、効率のよい運転を行うことができる。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５に係る空気調和装置について、図１、図２を参照して説明する。
インジェクションポート付きの圧縮機１の性能と信頼性を両立させるためには、圧縮機１内で混合された２段目のｇ点の状態の冷媒は、飽和ガスであることが望ましい。圧縮機１内でｆ点の状態にある冷媒と、冷媒加熱手段９を出たｅ点の状態にある冷媒とを混合してｇ点の状態にするためには、ｅ点の冷媒を二相状態に制御しなければならない。

単一冷媒や擬似共沸冷媒の場合には一定圧力であれば温度はほぼ一定であり、冷媒の乾き度を制御することは困難である。ｅ点の状態が湿りすぎるとｇ点では湿り状態になって液圧縮になるし、ｅ点の状態が乾きすぎると、ｇ点では冷媒が乾いて吐出温度ｈが上昇してしまう。

そこで、本実施の形態においては、ｇ点における吸入状態がほぼ飽和ガスになるような所定の吐出温度ｈ又は所定の吐出加熱度ｈ−ｉの制御目標を設定し、この制御目標になるように第３の膨張弁８の開度及び冷媒加熱手段９の出力値の両者又はいずれか一方を制御するようにしたものである。
本実施の形態は上記のように構成したので、圧縮機１が効率よく運転されることに加えて、信頼性を向上することができる。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６に係る空気調和装置について、図５を参照して説明する。
暖房運転やデフロスト運転の場合、圧縮機１と冷媒加熱手段９が同時に作動する場合がある。一般に、空気調和装置には供給電源容量の上限が定められており、上限を超える場合は、ブレーカーやヒューズなどの遮断機により電源が遮断されるようになっている。このため、冷媒加熱手段９が電気ヒータなどの場合には、電気ヒータの入力値をいたずらに増やすと、遮断機が作動して入力電力が遮断されることがある。

本実施の形態は、このような現象を回避するために、圧縮機１と冷媒加熱手段９の合計入力が所定値（設定値）以下になるように、圧縮機１の回転数及び冷媒加熱手段９の入力電力の両者又はいずれか一方を制御するようにしたものである。
本実施の形態は、供給電力容量を加味して圧縮機１と冷媒加熱手段９の合計入力電力を設定値以下に制御するようにしたので、遮断機などの作動により空気調和装置が停止することがなく、連続運転を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。 図１の冷媒回路の作用説明図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。 本発明の実施の形態４に係る空気調和装置の冷媒回路の説明図である。

符号の説明

１ インジェクションポート付きの圧縮機、２ 四方弁、３ 室内熱交換器、４ 第１の膨張弁、５ 過冷却熱交換器、６ 第２の膨張弁、７ 室外熱交換器、８ 第３の膨張弁、９ 冷媒加熱手段、１０ 第１の開閉弁、１１ 第２の開閉弁、１２ 第３の開閉弁、１３ ブリッジ回路、１４ａ〜１４ｄ 逆止弁、２０ 主冷媒回路、２１ 第１のバイパス管（インジェクション回路）、２２ 第２のバイパス管、２３ 第３のバイパス管、３０ 室内機、３１ 室外機。

Claims (7)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の膨張弁、過冷却熱交換器、第２の膨張弁及び室外熱交換器を順次接続してなる主冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と第２の膨張弁を結ぶ配管から分岐し、第３の膨張弁、前記過冷却熱交換器、冷媒加熱手段及び開閉弁を経て前記圧縮機のインジェクションポートに接続されたインジェクション回路とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記インジェクション回路の冷媒加熱手段と開閉弁を結ぶ配管から分岐し、第２の開閉弁を介して前記圧縮機の吸入側に接続されたバイパス回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記圧縮機と四方弁を結ぶ配管から分岐し、第３の開閉弁を介して前記第２の膨張弁と室外熱交換器を結ぶ配管に接続された第２のバイパス回路を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和装置。
4. 前記過冷却熱交換器の前記主冷媒回路の冷媒の流れと前記インジェクション回路の冷媒の流れが、暖房運転時及び冷媒運転時のいずれの場合においても対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。
5. 前記過冷却熱交換器の両側において前記主冷媒回路に４個の逆止弁からなるブリッジ回路の一方の接続端を接続すると共に、該ブリッジ回路の他方の接続端を前記第１の膨張弁及び第２の膨張弁にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項４記載の空気調和装置。
6. 前記圧縮機からの冷媒の吐出温度又は吐出加熱度が所定の値になるように、前記第３の膨張弁の開度及び前記冷媒加熱手段の出力の両者又はいずれか一方を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気調和装置。
7. 前記圧縮機と冷媒加熱手段の入力電力の合計が所定の値以下になるように、前記圧縮機及び冷却加熱手段の両者又はいずれか一方の入力電力を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空気調和装置。
   

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