JP2006258343A - 空気調和装置 - Google Patents

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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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