JP2015048970A

JP2015048970A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2015048970A
Application number: JP2013180211A
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
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP6167769B2

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圧縮室３の吐出口５は四方弁１８を介し、圧縮機１の密閉容器内１ａまたは第２圧縮室４の吸入口７に接続され、四方弁１８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１８とを接続するバイパス回路である配管２２を備えており、配管２２は四方弁１８を介し、圧縮機１の密閉容器内１ａと第２圧縮室４の吸入口に７接続され、四方弁１８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圧縮室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と、圧縮機１の吐出口８と吸入口６とを接続する配管とを接続する第２バイパス管２６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圧縮室と第２圧縮室を有する圧縮機、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圧縮室の吐出口が、前記第２圧縮室の吸入口と前記圧縮機内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圧縮室を前記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圧縮室の吸入口とを接続するインジェクション配管と、前記圧縮機の吐出側と前記第１圧縮室の吸入口とを電磁弁を介して接続する第２バイパス回路と、を備え、前記切替手段と前記電磁弁によって、前記圧縮機を前記第１圧縮室と前記第２圧縮室とを並列に運転させる並列圧縮運転と前記第１圧縮室と前記第２圧縮室とを直列に運転させる二段圧縮運転と前記第２圧縮室の圧縮作用のみを作用させる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。

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。

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、室外機と室内機とが冷媒配管で接続されている空気調和装置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、１は圧縮機、１ａは圧縮機１の外殻を構成する密閉容器、２はインバータ駆動され回転数可変の電動機である。３は低段側の第１圧縮室、４は高段側の第２圧縮室であって、第１圧縮室３および第２圧縮室４は電動機２によって図示しない内部の圧縮機構が駆動される。５は第１圧縮室３の吐出口、６は第１圧縮室の吸入口、７は第２圧縮室４の吸入口、１２は第２圧縮室４の吐出口である。また、第２圧縮室４の吐出口１２は密閉容器１ａ内に開口している。８は圧縮機１の吐出口である。本実施例の空気調和装置は、暖房運転時、圧縮機１の吐出口８、配管１３、四方弁９、室内側熱交換器１０、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、圧縮機１の順に冷媒が流れるように接続されている。なお、アキュムレータ１６と吸入口６とを結ぶ配管には逆止弁３１が設けられており、逆止弁３１はアキュムレータ１６から吸入配管６への方向にだけ流体を流すようになっている。

第１圧縮室３の吐出口５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圧縮室３の吐出口５に配管１７で接続されている。ポートｆは、圧縮機１の密閉容器１ａ内に第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圧縮室４の吸入口７に配管２０で接続されている。

配管１７は、四方弁１８を介し、圧縮機１の密閉容器１ａ内に接続される第１バイパス管１９または第２圧縮室の吸入口７に接続され配管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、第２圧縮室４の吸入口７へ導く配管２０と密閉容器１ａ内へ導く第１バイパス管１９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から密閉容器１ａ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、圧縮機１の密閉容器１ａ内に接続される第１バイパス管１９または第２圧縮室の吸入口７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、第２圧縮室４の吸入口７へ導く配管２０と密閉容器１ａ内へ導く第１バイパス管１９とに切り替えることができる。

さらに、室内熱交換器１０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。

さらに、圧縮機１の吐出口８と四方弁９とを接続する配管１３と、逆止弁３１と第1圧縮室３の吸入口６とを接続する配管２３とを、電磁弁３３を介して接続する第２バイパス管２６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、圧縮機１の吐出口８に配管１３で接続されている。ポートｂは、室内熱交換器１０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。また、電磁弁３３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。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１０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、圧縮機１の第１圧縮室３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口６より吸入する。吸入された低温低圧のガス冷媒は、第１圧縮室３の吐出口５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を介して密閉容器１ａ内に導かれる。ここで高温高圧のガス冷媒を主吐出口８より吐出させる。また、第２圧縮室４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。第２圧縮室４に吸入された低温低圧のガス冷媒は、高温高圧のガス冷媒となって吐出口１２から密閉容器１ａ内に吐出され、そのまま主吐出口８より吐出される。つまりこの運転では圧縮機の並列圧縮運転を行っている。さらに主吐出口８から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁９を通り、室内側熱交換器１０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。凝縮された高圧の液冷媒は、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。また、電磁弁３３は閉の状態になっている。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る。

この運転の場合、圧縮機１の第１圧縮室３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を介して第１圧縮室３の吸入口６より吸入する。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第１圧縮室３の吐出口５から吐出される。その後、吐出口５から吐出された中温中圧のガス冷媒は配管１７、四方弁１８、配管２０を通過して第２圧縮室４の吸入口７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圧縮室４に吸入される。すなわち、第２圧縮室４は第１圧縮室３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圧縮室４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密閉容器１ａ内に吐出され、そのまま主吐出口８より吐出される。つまり、この運転では圧縮機の二段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電磁弁３３を開とする。

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圧縮室４の吸入口７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圧縮室４に吸入される。第２圧縮室４に吸入された低圧のガス冷媒は圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり密閉容器１ａ内に吐出され、そのまま主吐出口８より吐出される。また、主吐出口８から吐出された高温高圧のガス冷媒は、電磁弁３３が開となっているため、一部が第２バイパス管２６を介して配管２３に流入する。これによって第１圧縮室の吸入口６は高圧となるため、低圧の冷媒が流れるアキュムレータ１６との圧力差によりアキュムレータ１６から吸入口６に冷媒が流れなくなり、また、逆止弁３１によって第１圧縮室３の吸入口６側からアキュムレータ１６側の冷媒の流れが阻止される。なお、第１圧縮室３の吐出口５は配管１７、四方弁１８、第１バイパス管１９を介して圧縮機容器内１ａと連通している。したがって、第１圧縮室の吸入口６側と吐出口５側はともに同じ圧力（高圧状態）となるため、第１圧縮室は圧縮作用をしなくなる。これによって、第２圧縮室だけ圧縮作用を行う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１０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１０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、低能力暖房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１０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、圧縮方式の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。

１圧縮機
１ａ密閉容器
２電動機
３第１圧縮室
４第２圧縮室
５吐出口
６吸入口
７吸入口
８主吐出口
９四方弁
１０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
３１逆止弁
３２逆止弁
３３電磁弁

Claims

第１圧縮室と第２圧縮室を有する圧縮機、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圧縮室の吐出口が、前記第２圧縮室の吸入口と前記圧縮機内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圧縮室を前記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圧縮室の吸入口とを接続するインジェクション配管と、前記圧縮機の吐出側と前記第１圧縮室の吸入口とを電磁弁を介して接続する第２バイパス回路と、を備え、
前記切替手段と前記電磁弁によって、前記圧縮機を前記第１圧縮室と前記第２圧縮室とを並列に運転させる並列圧縮運転と前記第１圧縮室と前記第２圧縮室とを直列に運転させる二段圧縮運転と前記第２圧縮室の圧縮作用のみを作用させる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。