JP2015048969A

JP2015048969A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2015048969A
Application number: JP2013180210A
Authority: JP
Inventors: 外園　英樹; Hideki Sotozono; 英樹外園
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】単段圧縮運転と二段圧縮運転と並列圧縮運転の切り換えが可能で、かつ、単段圧縮運転と二段圧縮運転時にそれぞれインジェクションを行うことが可能なヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】第１圧縮機１ａの吐出口は四方弁９を介し、第２圧縮機１ｂの吐出側または第２圧縮機の吸入口に接続され、四方弁によって流れる流路を切換えることができる。また、アキュムレータ１６と四方弁とを接続するバイパス回路である配管１９を備えており、配管は四方弁を介し、第２圧縮機の吐出側と第２圧縮室の吸入口に接続され、四方弁によって流れる流路を切換えることができる。さらに、サイクル中の冷媒を第２圧縮機吸入配管へインジェクション膨張弁２４と内部熱交換器２５を介して接続するインジェクション配管２１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの圧縮要素を備えたヒートポンプ装置、特にその高効率化に関するものである。

従来、２つの圧縮室にそれぞれ設けられたシリンダが同軸に連結され、２つの圧縮室を直列に接続して運転を行う二段圧縮運転と、２つの圧縮室を並列に接続して運転を行う並列圧縮運転とに切り替え可能で、暖房負荷が高く大能力が求められる時に並列圧縮運転を行い、比較的暖房負荷が低い時に二段圧縮運転を行うものにおいて、さらに低能力運転時の容量制御手段として、２つの圧縮室のうち１つの圧縮作用を停止させる単段圧縮運転を行う空気調和装置が提案されている。
（例えば、特許２７０１６５８号公報図８）。

また、従来、冷凍サイクル中の冷媒の一部を圧縮機吸入側にインジェクションして圧縮機に吸入させ、冷凍サイクルの運転効率を向上させる技術がある。しかし、上記した２つの圧縮室を持つ空気調和装置において、どのようにインジェクションを行うかについては開示されていなかった。

特許２７０１６５８号公報

この発明は、２つの圧縮要素を備え、並列圧縮運転と二段圧縮運転と単段圧縮運転の切換えが可能なヒートポンプ装置において、単段圧縮運転時と二段圧縮運転時にそれぞれインジェクションを行うことが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、第１圧縮機、第２圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を順次接続してなるヒートポンプ装置において、前記第１圧縮機の吐出口が、前記第２圧縮機の吸入口と前記第２圧縮機の吐出側に通じる配管とに切り替え接続が可能な切替手段と、前記第１圧縮機を前記第２圧縮機の単段運転時にバイパスする第１バイパス回路と、前記凝縮器と前記膨張弁との間の冷媒管と前記第２圧縮機の吸入口とを接続するインジェクション配管と、を備え、前記切替手段と前記電磁弁によって、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを並列に運転させる並列圧縮運転と前記第１圧縮機と前記第２圧縮機とを直列に運転させる二段圧縮運転と前記第１圧縮機を停止して第２圧縮機のみで運転を行う単段圧縮運転とに切り替え可能であることを特徴としている。

上記のように構成した本発明のヒートポンプ装置によれば、単段圧縮運転と二段圧縮運転と並列圧縮運転の切り替えが可能なヒートポンプ装置において、単段圧縮運転時と二段圧縮運転時にインジェクションを行うことが可能となるので、より冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

本発明の実施例における空気調和装置の高能力暖房運転時または低能力暖房運転時の構成図である。本発明の実施例における空気調和装置の中間能力暖房運転時の構成図である。本発明の他の実施例における空気調和装置のノンストップ暖房運転時の構成図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、室外機と２つの室内機とが冷媒配管で接続されている空気調和装置を備えた空気調和機を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は本発明の実施例における空気調和装置の構成図であり、図において、１ａは低段側の第１圧縮機、１ｂは高段側の第２圧縮機である。本実施例の空気調和装置は、暖房運転時、第２圧縮機１ｂ若しくは第１圧縮機１ａ及び第２圧縮機１ｂ、配管１３、四方弁９、２つの室内側熱交換器１０ａ，１０ｂ、２つの室内側膨張弁１２ａ，１２ｂ、配管１４、内部熱交換器２５、膨張弁１１、室外側熱交換器１５、アキュムレータ１６、配管２３および／または配管２２、第１圧縮機１ａおよび／または第２圧縮機１ｂの順に冷媒が流れるように接続されている。

第１圧縮機１ａの吐出側は配管１７で切替手段である四方弁１８と接続されている。四方弁１８は、冷媒の流れる方向を切り替えるための弁であり、ｅ、ｆ、ｇ、ｈの４つのポートを備えている。ポートｅは、第１圧縮機１ａの吐出側に配管１７で接続されている。ポートｆは、第２圧縮機１ｂの吐出側に位置する配管１３に第１バイパス管１９で接続されている。ポートｇは、アキュムレータ１６の冷媒吐出側に配管２２で接続されている。ポートｈは、第２圧縮機１ｂの吸入側に配管２０で接続されている。

配管１７は、四方弁１８を介し、配管１３に接続される第１バイパス管１９または第２圧縮機１ｂの吸入側に接続される配管２０と接続され、四方弁１８を動作させることで配管１７から流れる冷媒が四方弁１８以降に流れる流路を、配管１３へ導く第１バイパス管１９と第２圧縮機１ｂの吸入側へ導く配管２０とに切り替えることができる。なお、第１バイパス管１９には逆止弁３２が設けられており、逆止弁３２は四方弁１８から第２圧縮機１ｂへの方向にだけ冷媒を流すようになっている。

またアキュムレータ１６と四方弁１８とはバイパス回路である配管２２で接続されており、配管２２は四方弁１８を介し、配管１３に接続される第１バイパス管１９または第２圧縮機１ｂの吸入側に接続される配管２０と接続され、四方弁１８を動作させることで配管２２から流れる冷媒が四方弁１８以降に流れる流路を、配管１３へ導く第１バイパス管１９と第２圧縮機１ｂの吸入側へ導く配管２０とに切り替えることができる。

さらに、室内側膨張弁１２ａ、１２ｂと内部熱交換器２５とを結ぶ配管１４からインジェクション膨張弁２４と内部熱交換器２５を介して、配管２０に冷媒の一部を導入するインジェクション配管２１を備えている。

四方弁９は、冷媒の流れる方向を切り替えるための弁であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートを備えている。ポートａは、第２圧縮機１ｂの吐出側に配管１３で接続されている。ポートｂは、室内熱交換器１０ａ、１０ｂの一方の冷媒出入口と接続されている。ポートｃは、アキュムレータ１６の冷媒吸入側と接続されている。ポートｄは、室外熱交換器１５と接続されている。

次に高能力暖房運転時の動作について説明する。この運転の場合は、図１に示すように四方弁１８のポートｅとポートｆとが連通するよう、また、ポートｇとポートｈとが連通するよう切り替える。なお、四方弁９は暖房側に切り替えている。より詳細には、図１に示すように四方弁９のポートａとポートｂとが連通するよう、また、ポートｃとポートｄとが連通するよう切り替える。これにより、室内熱交換器１０ａ、１０ｂが凝縮器として機能するとともに、室外熱交換器１５が蒸発器として機能する。

この運転の場合、第１圧縮機１ａはアキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒を吸入する。吸入された低温低圧のガス冷媒は、第１圧縮機１ａから高温高圧のガス冷媒となって配管１７へ吐出される。吐出された高温高圧のガス冷媒は配管１７から、四方弁１８、第１バイパス管１９を介して第２圧縮機１ｂの吐出側の配管１３に導かれる。また、第２圧縮機１ｂはアキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒を配管２２、四方弁１８、配管２０を介して吸入する。吸入された低温低圧のガス冷媒は、第２圧縮機１ｂから高温高圧のガス冷媒となって配管１３へ吐出される。つまりこの運転では圧縮機２台による並列圧縮運転を行っている。さらに第１圧縮機１ａおよび第２圧縮機１ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁９を通り、室内熱交換器１０ａ，１０ｂに導かれる。ここでガス冷媒は凝縮され、この時に凝縮熱を室内に放出する。つまり暖房運転を行う。なお、各室内側膨張弁１２ａ、１２ｂの開度制御によって、各室内熱交換器１０ａ，１０ｂに流れる冷媒流量を調整し、それぞれの室内機で要求される能力を出すために必要な冷媒流量を配分している。この後、室内熱交換器１０ａ，１０ｂおよび室内側膨張弁１２ａ，１２ｂを通過した高圧の液冷媒は、膨張弁１１により低温低圧の気液二相の冷媒となり室外側熱交換器１５に導かれる。ここで外気から熱を吸収し、冷媒は蒸発し低温低圧のガス冷媒となり、四方弁９へ導かれる。以上説明したように冷媒を循環させることで、空気調和装置の高能力暖房運転が行われる。なお、本実施例の高能力暖房運転では、インジェクション膨張弁２４が全閉となるように制御されているため、配管１４を流れる高圧の液冷媒の一部を配管２０に流入させるインジェクションは行わないものとしている（ただし、インジェクション膨張弁２４を開けばインジェクションを行うことも可能）。

次に中間能力暖房運転時の動作について説明する。この運転の場合は、図２に示すように四方弁１８のポートｅとポートｈとが連通するよう、また、ポートｇとポートｆとが連通するよう切り替える。なお、四方弁９は高能力暖房運転時と同様に暖房側に切り替えている。

この運転の場合、第１圧縮機１ａはアキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒を配管２３を介して吸入する。吸入された低温低圧のガス冷媒は、ここである程度圧縮し中温中圧のガス冷媒となり配管１７へ吐出される。その後、中温中圧のガス冷媒は配管１７から、四方弁１８、配管２０を通過して第２圧縮機１ｂの吸入口へ導かれる。一方、配管１４を通過しているの高圧の液冷媒の一部はインジェクション配管２１に流入し、インジェクション膨張弁２４を通過し中圧の冷媒となる。その後、内部熱交換器２５で膨張弁１１に流入する前の高圧の液冷媒と熱交換し中圧のガス冷媒となる。内部熱交換器２５を通過した中圧のガス冷媒は、配管２０に流入して第２圧縮機１ｂに吸入される。すなわち、第２圧縮機１ｂは第１圧縮機１ａからの中圧のガス冷媒とインジェクション配管２１からの中圧のガス冷媒を吸入することになる。第２圧縮機１ｂに吸入された中圧のガス冷媒はさらに圧縮され高温高圧のガス冷媒となり配管１３へ吐出される。つまり、この運転では圧縮機２台による直列圧縮運転を行っている。なお、第１バイパス管１９は密閉容器１ａ側が高圧で、アキュムレータ１６に導通している四方弁１８側が低圧となっているため、逆止弁３２により閉鎖されている。したがって、アキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒は配管２２へ流れずに、第１圧縮室３の吸入口６へ流れる。以上説明したように冷媒を循環させることで、空気調和装置の中間能力暖房運転が行われる。

次に低能力暖房運転時の動作について説明する。この運転の場合は、先に説明した図１の高能力暖房運転において第１圧縮機１ａの運転を停止させる。

この運転の場合、アキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒は配管２２から四方弁１８を介して配管２０へ流入し、第２圧縮機１ｂの吸入口へ導かれる。一方、配管１４を通過している高圧の液冷媒の一部がインジェクション配管２１に流入し、インジェクション膨張弁２４を通過し低圧の二相冷媒となる。その後、内部熱交換器２５で膨張弁１１に流入する前の高圧の液冷媒と熱交換し、低圧のガス冷媒となる。内部熱交換器２５を通過した低圧のガス冷媒は、配管２０に流入して第２圧縮機１ｂに吸入される。吸入された低圧のガス冷媒は高温高圧のガス冷媒となり第２圧縮機１ｂの吐出側より吐出される。すなわち、第２圧縮機１ｂだけを起動させた圧縮機１台単段圧縮運転となる。以上説明したように冷媒を循環させることで、空気調和装置の低能力暖房運転が行われる。

冷房運転時は、四方弁９を冷房側に切り替えることで、室外熱交換器１５、膨張弁１１、室内熱交換器１０ａ，１０ｂの順に冷媒が流れる。より詳細には、四方弁９のポートａとポートｄとが連通するよう、また、ポートｃとポートｂとが連通するよう切り替える。これにより、室外熱交換器１５が凝縮器として機能して外気へ熱を放出し、室内熱交換器１０ａ，１０ｂが蒸発器として機能して冷気を室内に放出する。

次に高能力暖房運転時の並列圧縮運転と、中間能力暖房運転時の二段圧縮運転と、低能力運転時の単段圧縮運転の使い分けについて説明する。圧縮方式の切り替えは、暖房および冷房負荷の大きさに基づいて行う。すなわち、高負荷の場合は並列圧縮運転を行い、中間負荷時の場合は二段圧縮運転を行い、低負荷時の場合は、単段圧縮運転を行う。暖房および冷房負荷は、例えば、室内熱交換器１０ａ、１０ｂの温度と図示しない外気温センサが検出した外気温度との差が大きい程高負荷であるとし、本発明による空気調和装置は、この温度差があらかじめ設定された３つ温度域（高負荷、中間負荷、低負荷）のうちどこに該当するかを判定し、圧縮方式切り替えを行うようにしている。

上記のように構成した本実施例の空気調和装置によれば、単段圧縮運転と二段圧縮運転と並列圧縮運転の切り替えが可能な空気調和装置において、単段圧縮運転と二段圧縮運転時にそれぞれインジェクションを行うことが可能となるので、より冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

また、本実施例では切替手段が四方弁１８の場合を例として挙げたが、複数の電磁開閉弁によって同様の切替制御を行っても本実施例と同等の効果を成し得ることができる。

次に、他の実施例として、一方の圧縮機を使用して暖房運転を継続しつつ、他方の圧縮機を使用して室外熱交換器の除霜運転を行うノンストップ暖房運転の構成および動作について説明する。この運転の場合は図３に示すように、配管１７と、膨張弁１１と室外熱交換器１５との間の配管とを、電磁弁３４及びキャピラリチューブ３６を介して接続するデフロスト配管２７を備えている。さらに、第１バイパス管１９に設けられていた逆止弁３２を電磁弁３５に変更している。ノンストップ暖房運転時は、四方弁１８は配管１７と第１バイパス管１９、配管２２と配管２０をそれぞれ導通している。また、電磁弁３４は開、電磁弁３５は閉の状態になっている。なお、四方弁９は暖房側に切り替えている。

この運転の場合、第１圧縮機１ａはアキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒を吸入し、第１圧縮機１ａの吐出側から高温高圧のガス冷媒を配管１７に吐出する。配管１７に吐出された高温高圧のガス冷媒の一部は配管１７からデフロスト配管２７へ流入する。デフロスト配管２７に流入した高温高圧の冷媒は、キャピラリチューブ３６により冷凍サイクル中の膨張弁１１を通過した低温低圧の気液二相冷媒と同じ圧力まで減圧され、膨張弁１１と室外熱交換器１５との間の配管にガス相のまま流入する。その際、この高温低圧のガス冷媒は、膨張弁１１を通過してきた二相冷媒と合流して該二相冷媒を蒸発させて低温低圧のガス冷媒にすると共に室外熱交換器１５を加熱する。この熱によって、低外気温時に運転することによって室外熱交換器１５に付着した霜を融解する。つまり、除霜運転を行う。この後、高温高圧のガス冷媒は低温低圧のガス冷媒と混ざり合い、室外熱交換器１５から流出し、四方弁９を介してアキュムレータ１６に流入する。また、第２圧縮機１ｂはアキュムレータ１６を通過した低温低圧のガス冷媒を配管２２、四方弁１８、配管２０を介して第２圧縮機１ｂの吸入口から吸入し、第２圧縮機１ｂから高温高圧のガス冷媒が吐出され、四方弁９を通り、室内側熱交換器１０ａ、１０ｂに導かれる。ここで高温高圧のガス冷媒は凝縮され、この時に凝縮熱を室内に放出する。つまり暖房運転を行う。この後の冷媒の流れは、高能力暖房運転時と変わらないので省略する。図中の矢印がノンストップ暖房運転時の冷媒の流れを示す。以上説明したように冷媒を循環させることで、空気調和装置のノンストップ暖房運転が行われる。これによれば、暖房運転を中断させることなく除霜運転を行うことができるので、快適性が向上する。

なお、本実施例の場合、圧縮機１台単段圧縮運転と圧縮機２台二段圧縮運転と圧縮機２台並列圧縮運転時は電磁弁３４を閉とし、圧縮機１台単段圧縮運転と圧縮機２台二段圧縮運転時は電磁弁３５を閉とする。

１ａ第１圧縮機
１ｂ第２圧縮機
９四方弁
１０ａ，１０ｂ室内熱交換器
１１膨張弁
１５室外熱交換器
１６アキュムレータ
１７配管
１８四方弁
１９第１バイパス管
２０配管
２１インジェクション配管
２２配管
２４インジェクション膨張弁
２５内部熱交換器
２６第２バイパス管
２７デフロスト配管
３２逆止弁
３４電磁弁
３５電磁弁
３６キャピラリチューブ

Claims

第１圧縮機、第２圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を順次接続してなる空気調和装置において、前記第１圧縮機の吐出口が、前記第２圧縮機の吸入口と前記第２圧縮機の吐出側に通じる配管とに切り替え接続が可能な切替手段と、前記第１圧縮機を前記第２圧縮機の単段運転時にバイパスする第１バイパス回路と、前記凝縮器と前記膨張弁との間の冷媒管と前記第２圧縮機の吸入口とを接続するインジェクション配管と、を備え、
前記切替手段と前記電磁弁によって、第１圧縮機と第２圧縮機とを並列に運転させる並列圧縮運転と第１圧縮機と第２圧縮機とを直列に運転させる二段圧縮運転と第１圧縮機を停止して第２圧縮機のみで運転を行う単段圧縮運転とに切り替え可能であることを特徴とするヒートポンプ装置。