JP2017161159A - 空気調和機の室外ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンにより駆動する第１圧縮機と、電力により駆動する第２圧縮機とを内蔵し、両圧縮機を並列に接続する室外ユニットにおいて、除霜運転開始時に第２圧縮機より起動すると、第２圧縮機の冷媒が圧力容器内で凝縮し、冷凍機油とともに吐出され、第２圧縮機の運転信頼性が低下する課題がある。
【解決手段】エンジン１１１と、エンジン１１１により駆動する第１圧縮機１１２と、第１圧縮機１１２と並列に接続し電力により駆動する第２圧縮機１１３と、室外熱交換器１２０，１２１と、制御部４００とを備えた空気調和機３００の室外ユニット１００において、制御部４００は、室外熱交換器１２０，１２１の霜を融かす除霜運転を行う際に、エンジン１１および第１圧縮機１１２を、第２圧縮機１１３よりも先に駆動させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンにより駆動される非電源駆動圧縮機と、電力により駆動される電源駆動圧縮機とを併設した空気調和機の室外ユニットにおける除霜時の制御に関するものである。
ガスヒートポンプは、部分負荷時には、エンジンの熱効率が低下し、空気調和機としての運転効率が低下する。これを回避するため、エンジンにより駆動される非電源駆動圧縮機よりも排除容積が小さい電源駆動圧縮機を併設し、部分負荷時は電源駆動圧縮機を主体に運転し、高負荷時にはエンジンを主体に運転する、いわゆる、電源駆動圧縮機と非電源駆動圧縮機とのハイブリッド室外ユニットが提案されている。
図３は、特許文献１の構成図であり、冷凍サイクルにおいて、非電源駆動圧縮機１２と電源駆動圧縮機１３とが並列に接続されている。
一般的に、空気調和機の室外ユニットを低外気温度下で暖房運転すると、室外ユニットに搭載された空気熱交換器が着霜する。空気熱交換器が着霜したまま運転を継続すると、空気調和機としての暖房能力が低下するため、霜を融かす運転、すなわち除霜運転が必要となる。一般的な除霜運転は、一旦圧縮機を停止し、四方弁を冷房運転と同じ状態に切り換えて冷凍サイクルの冷媒流通方向を逆転させ、再度圧縮機を起動し、圧縮機が吐出した高温冷媒を、直接空気熱交換器に送ることで行われる。
特許文献１記載のハイブリッド室外ユニットにおいても、一般的な室外ユニットと同様、除霜運転時は、冷媒の流通方向を変えるため、一旦、エンジンおよび非電源駆動圧縮機１２と、電源駆動圧縮機１３とを停止して、四方弁１７を切り換える。
なおこのとき、エンジンを停止せずに、エンジンの回転を非電源駆動圧縮機１２に伝えるクラッチを切り離し、非電源駆動圧縮機１２のみを停止させる方法もあるが、クラッチを切り離した直後に、回転負荷のなくなったエンジンの回転数が異常上昇する恐れがある。したがって、エンジンの寿命を消耗させないためにも、除霜運転直前には、エンジンを停止させることが一般的である。
特許文献２には、エンジン、および、エンジンにより駆動される非電源駆動圧縮機を搭載したガスヒートポンプ（ＧＨＰ）室外ユニットの除霜運転の一例が記載されている（図４）。図４において、室外熱交換器２０と排熱回収器２２とを並列に接続し、非電源駆動圧縮機１２の吐出冷媒を室外熱交換器２０の入口にバイパスするガスバイパス回路２５を設ける。
エンジンには、エンジンを冷却する冷却水システムが搭載されている。この冷却水システムは循環ポンプで駆動され、エンジンの外層部を循環してエンジン排熱を吸収する。エンジン排熱を吸収し高温になった冷却水は、空気と熱交換するラジエータ、もしくは、冷媒と熱交換する排熱回収器２２にて放熱、冷却されたのち、再びエンジンの外層部に戻る構成となっている。
除霜運転は、四方弁１７を暖房運転における切換状態に保ったままで行う。高温の吐出冷媒の一部は、室外熱交換器２０に供給されて霜を融かし、液化する。また、残りの冷媒は室内ユニット３０、３１に送られ屋内を暖房した後、排熱回収器２２にて蒸発、ガス化させる。室外熱交換器２０を出た液冷媒と、排熱回収器２２を出たガス冷媒は合流し、飽和蒸気状態となり、非電源駆動圧縮機１２に戻る。なお、非電源駆動圧縮機１２に戻る冷媒の過熱度は、流量調整弁２６の開度を調整して行う。
以上、特許文献２のように、従来のガスヒートポンプ（ＧＨＰ）室外ユニットでは、エンジンの排熱を利用した除霜運転が可能である。
特開２００３−５６９３１ 特開２００５−２７４０３９
しかしながら、特許文献２の構成では、非電源駆動圧縮機１２が吐出したガス冷媒は、ガスバイパス回路２５の途中に設置された流量調整弁２６を通ることになり、所望の除霜能力が発揮できない可能性がある。一般的な流量調整弁は、ガス冷媒が通過するときの圧力損失が大きく、吐出冷媒が持つエネルギーの一部が失われる。すると、室外熱交換器２０の霜を融かして液化した冷媒はかなり冷えてしまい、排熱回収器２２を出たガス冷媒と合流した後も、冷媒は過熱度が取れない。
すなわち、ガス状態の吐出冷媒は、流量調整弁２６を通過することにより、そのエネルギーを失い、非電源駆動圧縮機１２に液リッチの状態で戻る場合があり、非電源駆動圧縮機１２の運転信頼性が損なわれるという課題がある。
また、特許文献１記載のハイブリッド室外ユニットにおいても、除霜運転開始時に、電源駆動圧縮機１３から起動すると、電源駆動圧縮機１３の運転信頼性が損なわれるという課題がある。
暖房運転中はエンジンが稼動し、その表面温度は８０℃程度に保たれている。除霜運転開始前にエンジンが停止すると、その表面温度は徐々に低下するが、エンジンの熱容量は大きく、その低下速度は遅い。除霜運転開始前に、エンジンと電源駆動圧縮機１３とが停止する状態は３０秒〜３分継続するが、この間のエンジン表面温度の低下は小さく、７０℃以上には維持されている。
非電源駆動圧縮機１２はエンジンから動力伝達ベルトを介して回転動力を受ける構成となっているため、非電源駆動圧縮機１２とエンジンとの距離は電源駆動圧縮機１３とエンジンとの距離よりも近い。したがって、エンジン、非電源駆動圧縮機１２、電源駆動圧縮機１３が停止している間、非電源駆動圧縮機１２を格納する圧力容器の温度は、エンジンが保有する熱を受けて維持される一方、電源駆動圧縮機１３を格納する圧力容器の温度は外気温度の影響を受けて低下する。これは、外気温度が−１０℃以下といった極低温条件下で顕著になる。
したがって、極低温の外気温度条件下において、電源駆動圧縮機１３を先に起動して除霜運転を開始すると、電源駆動圧縮機１３の吐出冷媒は電源駆動圧縮機１３を収めた圧力容器内部で瞬間的に冷やされ凝縮、液化し、この液冷媒とともに、電源駆動圧縮機１３の圧力容器内部から冷凍機油が吐出されてしまう。すなわち、除霜運転を開始すると冷凍機油が枯渇し、電源駆動圧縮機１３の運転信頼性が損なわれるという課題が生じる。
本発明は、上記課題を解決するものであり、電源駆動圧縮機と非電源駆動圧縮機とを搭載したハイブリッド室外ユニットにおいて、除霜運転開始時に、エンジンと非電源駆動圧縮機を、電源駆動圧縮機よりも先に起動することにより、電源駆動圧縮機の圧力容器内部からの冷凍機油の吐出を防ぎ、電源駆動圧縮機の運転信頼性が高い空気調和機の室外ユニットを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の空気調和機の室外ユニットは、エンジンと、エンジンにより駆動する非電源駆動圧縮機と、非電源駆動圧縮機と並列に接続し電力により駆動する電源駆動圧縮機と、室外熱交換器とを備えた空気調和機の室外ユニットにおいて、室外熱交換器の霜を融かす除霜運転を行う際には、エンジンおよび非電源駆動圧縮機を、電源駆動圧縮機よりも先に駆動することを特徴とした空気調和機の室外ユニットである。
これにより、除霜運転を開始するときは、エンジン、非電源駆動圧縮機、電源駆動圧縮機が停止した状態から、エンジンおよび非電源駆動圧縮機を先に起動することになるが、非電源駆動圧縮機の圧力容器の温度は、エンジンの排熱により高温に維持されるため、非電源駆動圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、非電源駆動圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
エンジンが駆動すると、排熱によりエンジン表面温度は８０℃程度まで上昇し、電源駆動圧縮機の圧力容器の温度も上昇する。よって、エンジンおよび非電源駆動圧縮機が駆動している状態で電源駆動圧縮機を起動すると、電源駆動圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、電源駆動圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
また、除霜運転の開始直後からエンジンが駆動した状態となるため、非電源駆動圧縮機と電源駆動圧縮機は、エンジンの排熱を受けて高温を維持したまま運転することになり、吸入する冷媒に多くの熱を与え続けることになる。
また、除霜運転の開始直後からエンジンが駆動した状態となるため、室外熱交換器の霜を融かして液化した冷媒を、絶えず排熱回収器で蒸発させることになる。
本発明の空気調和機によれば、電源駆動圧縮機と非電源駆動圧縮機とを搭載したハイブリッド室外ユニットにおいて、除霜運転開始時に、エンジンと非電源駆動圧縮機を、電源駆動圧縮機よりも先に起動することにより、電源駆動圧縮機の圧力容器内部からの冷凍機油の吐出を防ぎ、電源駆動圧縮機の運転信頼性が高い空気調和機の室外ユニットを提供できる。
本発明の実施の形態１における空気調和機の冷凍サイクル図 本発明の実施の形態１における空気調和機の室外ユニット１００を前面に平行な鉛直平面で切った縦断面図 特許文献１における空気調和機の冷凍サイクル図 特許文献２における空気調和機の冷凍サイクル図
第１の発明は、エンジンと、エンジンにより駆動する第１圧縮機と、第１圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第２圧縮機と、室外熱交換器と、制御部とを備えた空気調和機の室外ユニットにおいて、制御部は、室外熱交換器の霜を融かす除霜運転を行う際に、エンジンおよび第１圧縮機を、第２圧縮機よりも先に駆動することを特徴とした空気調和機の室外ユニットである。
これにより、除霜運転を開始するときは、エンジン、非電源駆動圧縮機である第１圧縮機、電源駆動圧縮機である第２圧縮機が１〜３分停止した状態から、エンジンおよび第１圧縮機を先に起動することになるが、第１圧縮機の圧力容器の温度は、エンジンの排熱により高温に維持されるため、第１圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第１圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
エンジンが駆動すると、排熱によりエンジン表面温度は８０℃程度まで上昇し、第２圧縮機の圧力容器の温度も上昇する。よって、エンジンおよび第１圧縮機が駆動している状態で第２圧縮機を起動すると、第２圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第２圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
よって、本発明では、除霜運転時において、第１圧縮機と第２圧縮機を格納するそれぞれの圧力容器に封入された冷凍機油の枯渇を防ぎ、第１圧縮機と第２圧縮機の運転信頼性を高めることができる。
また、除霜運転の開始直後からエンジンが駆動した状態となるため、第１圧縮機と第２圧縮機は、エンジンの排熱を受けて高温を維持したまま運転することになり、吐出冷媒に多くの熱を与え続けることになる。
よって、本発明では、室外熱交換器の霜をすばやく融かし、除霜運転を早め、利用者に暖房を供しない、寒くて不快となる時間を短くすることができる。
また、除霜運転の開始直後からエンジンが駆動した状態となるため、除霜運転中は、室外熱交換器の霜を融かして液化した冷媒を、絶えず排熱回収器で蒸発させることになる。
よって、本発明では、除霜運転中に、液化した低温の冷媒を室内ユニットに循環させて蒸発させる必要はなく、利用者が寒くて不快と感じる状況をなくすことができる。
第２の発明は、エンジンと、エンジンにより駆動する第１圧縮機と、前記第１圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第２圧縮機と、前記第１圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り替える第１切換部と、前記第２圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り換える第２切換部と、第１室外熱交換器と、第１室外ユニット減圧装置と、第２室外熱交換器と、第２室外ユニット減圧装置と、エンジンの排熱を利用する第３室外熱交換器と、ガス管接続口と、液管接続口と、制御部とを備え、前記制御部は、除霜運転時に、前記第１圧縮機の吐出管、前記第１室外熱交換器、前記第１室外ユニット減圧装置、前記第３室外熱交換器、前記第１圧縮機の吸込管に冷媒を流通すると共に、前記第２圧縮機の吐出管、前記第２室外熱交換器、前記第２室外ユニット減圧装置、前記第３室外熱交換器、前記第２圧縮機の吸込管に冷媒を流通するように、前記第１切換部および前記第２切換部を切り換え、前記除霜運転を開始する際には、前記第２圧縮機よりも先に、前記エンジンおよび前記第１圧縮機を駆動することを特徴とする空気調和機の室外ユニットである。
これにより、除霜運転を開始するときは、エンジン、非電源駆動圧縮機である第１圧縮機、電源駆動圧縮機である第２圧縮機が１〜３分停止した状態から、エンジンおよび第１圧縮機を先に起動することになるが、第１圧縮機の圧力容器の温度は、エンジンの排熱により高温に維持されるため、第１圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第１圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
エンジンが駆動すると、排熱によりエンジン表面温度は８０℃程度まで上昇し、第２圧縮機の圧力容器の温度も上昇する。よって、エンジンおよび第１圧縮機が駆動している状態で第２圧縮機を起動すると、第２圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第２圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
よって、本発明では、除霜運転時において、第１圧縮機と第２圧縮機を格納するそれぞれの圧力容器に封入された冷凍機油の枯渇を防ぎ、第１圧縮機と第２圧縮機の運転信頼性を高めることができる。
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、前記制御部は、前記エンジンの回転数が、除霜運転における目標回転数に達する前に、前記２圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機の室外ユニットである。
これにより、第２圧縮機を起動して第２室外ユニット減圧装置を開けた際に、減圧され低温となった多量の冷媒が、除霜すべき第２室外熱交換器に流入することがない。
第４の発明は、第１の発明ないし第３の発明において、前記制御部は、前記第２圧縮機が起動すると同時に、第２室外ユニット減圧装置を徐々に開け始めることを特徴とする空気調和機の室外ユニットである。
これにより、第２圧縮機を起動して第２室外ユニット減圧装置を開けた際に、減圧され低温となった多量の冷媒が、除霜すべき第２室外熱交換器に流入することがない。
第５の発明は、第１の発明ないし第４の発明において、前記第２圧縮機は、前記エンジン放熱を受ける環境下に配置されていることを特徴とする空気調和機の室外ユニットである。
これにより、第２圧縮機は、第２圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮しない。
エンジンが駆動すると、排熱によりエンジン表面温度は８０℃程度まで上昇し、第２圧縮機の圧力容器の温度も上昇する。よって、エンジンおよび第１圧縮機が駆動している状態で第２圧縮機を起動すると、第２圧縮機の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第２圧縮機の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
よって、本発明では、除霜運転時において、第１圧縮機と第２圧縮機を格納するそれぞれの圧力容器に封入された冷凍機油の枯渇を防ぎ、第１圧縮機と第２圧縮機の運転信頼性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって、本発明が限定されるものではない。
（実施の形態）
本実施の形態の空気調和機の冷凍サイクル構成を図１に示す。図１の空気調和機は、室外ユニット１台に対し、室内ユニットが２台接続した、いわゆるツイン構成となっている。なお、冷凍サイクル構成に関しては、図１に示したものに限定されない。例えば、室外ユニットは２台以上、室内ユニットも３台以上、並列に接続可能である。
本実施の形態に係る空気調和機３００は、室外ユニット１００と、室内ユニット２００および室内ユニット２１０と、制御部４００とを備えている。
室外ユニット１００は、ガスを駆動源とするエンジン１１１と、エンジン１１１より駆動力を得て冷媒を圧縮する第１圧縮機１１２と、商用電源など電力により駆動する第２圧縮機１１３と、を備える。第１圧縮機１１２の排除容積は、第２圧縮機１１３の排除容積よりも大きい。また、第１圧縮機１１２、第２圧縮機１１３の潤滑油は同じ冷凍機油とする。
第１圧縮機１１２には、第１圧縮機吸入配管１５１が接続されている。第２圧縮機１１３には、第２圧縮機吸入配管１５２が接続されている。これら第１圧縮機吸入配管１５１と第２圧縮機吸入配管１５２との合流点１５３には、吸入配管１５４が接続されている。この吸入配管１５４には、アキュムレータ１１４が設けられる。このアキュムレータ１１４は、第１圧縮機１１２および第２圧縮機１１３にガス冷媒を供給する。吸入配管１５４の一端は合流点１５３に接続され、吸入配管１５４の他端は、アキュムレータ１１４を介してガス管１５８に接続されている。
第１圧縮機１１２には、第１圧縮機吐出配管１５５が接続されている。この第１圧縮機吐出配管１５５には、第１圧縮機用油分離器１１５が設けられている。この第１圧縮機用油分離器１１５は、第１圧縮機１１２の吐出ガスに含まれる冷凍機油を分離する。
第１圧縮機用油分離器１１５で分離された冷凍機油は、第１圧縮機吸入配管１５１に第１圧縮機用油戻し管１１５ａを介して戻される。第１圧縮機用油戻し管１１５ａの連通は、第１圧縮機用油戻し管開閉弁１１５ｂの開閉により制御される。
第２圧縮機１１３には、第２圧縮機吐出配管１５６が接続されている。この第２圧縮機吐出配管１５６には、第２圧縮機用油分離器１１６が設けられている。この第２圧縮機用油分離器１１６は、第２圧縮機１１３の吐出ガスに含まれる冷凍機油を分離する。
第２圧縮機用油分離器１１６で分離された冷凍機油は、第２圧縮機１１３の吸入配管に第２圧縮機用油戻し管１１６ａにより戻される。第２圧縮機用油戻し管１１６ａの連通は、第２圧縮機用油戻し管開閉弁１１６ｂの開閉により制御される。
なお、第１圧縮機用油戻し管１１５ａと第２圧縮機用油戻し管１１６ａとは合流させ、第１圧縮機用油分離器１１５で分離された冷凍機油と第２圧縮機用油分離器１１６で分離された冷凍機油とをまとめて、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３に戻す構成としても良い。このとき、冷凍機油の戻し先は、アキュムレータ１１４と合流点１３３との間とする。
第１圧縮機吐出配管１５５は、第１圧縮機用油分離器１１５、第１切換部１１７を介して室外熱交換器としての第１室外熱交換器１２０に接続される。第１切換部１１７は四方弁であり、冷房運転と暖房運転とで、第１圧縮機１１２の吐出冷媒を流す経路を切り替える。
第２圧縮機吐出配管１５６は、第２圧縮機用油分離器１１６、第２切換部１１８を介して室外熱交換器としての第２室外熱交換器１２１に接続される。第２切換部１１８は四方弁であり、冷房運転と暖房運転とで、第２圧縮機１１３の吐出冷媒を流す経路を切り替える。
なお、図１において、実線に冷媒を流す場合は冷房運転、点線に冷媒を流す場合は暖房運転となる。
第１室外熱交換器１２０は、その一端が第１切換部１７７と接続され、その他端が冷媒を減圧、膨張させる第１室外ユニット減圧装置１３０を介して液管１５７と接続されている。
第２室外熱交換器１２１は、その一端が第２切換部１７８と接続され、その他端が冷媒を減圧、膨張させる第２室外ユニット減圧装置１３１を介して液管１５７と接続されている。
第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１には、例えば、フィン＆チューブ熱交換器、マイクロチューブ熱交換器などが利用される。第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１の近傍には、室外送風ファン１５０が備えられる。この室外送風ファン１５０により、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１に室外ユニット１００の周囲の空気が供給され、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１のチューブ内部を流れる冷媒と空気とが熱交換を行う。
室外ユニット１００には、２つの配管接続口が備えられている。１つは、主に液冷媒が流れる液管１５７と接続する液管接続口１９０を備える。さらに、もう１つは、主にガス冷媒が流通するガス管１５８と接続するガス管接続口１８０を備える。
また、室外ユニット１００は、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２を介して液管１５７に接続される第３室外熱交換器としてのエンジン排熱熱交換器１２２を備える。
このエンジン排熱熱交換器１２２は、エンジン１１１の冷却に用いた高温の冷却水と冷媒との熱交換を行うものであり、暖房運転時に利用する。エンジン排熱熱交換器１２２には、例えば、プレート式熱交換器を利用できる。
エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２は、エンジン排熱熱交換器１２２に流入する冷媒流量を調整する。
室内ユニット２００は、室内熱交換器２０１と、室内熱交換器２０１に室内ユニット２００周囲の空気を供給する室内送風ファン２０２と、冷媒を減圧、膨張させる室内ユニット減圧装置２０３と、を備える。
液管１５７は、室内ユニット減圧装置２０３を介して室内熱交換器２０１の一端に接続されている。室内熱交換器２０１の他端は、ガス管１５８に接続されている。
室内ユニット２１０は、室内熱交換器２１１と、室内熱交換器２１１に室内ユニット２１０周囲の空気を供給する室内送風ファン２１２と、冷媒を減圧、膨張させる室内ユニット減圧装置２１３と、を備える。
液管１５７は、室内ユニット減圧装置２１３を介して室内熱交換器２１１の一端に接続されている。室内熱交換器２１１の他端は、ガス管１５８に接続されている。
ガス管１５８は、ガス管接続口１８０を介して室外ユニット１００で分岐し、それぞれ第１切換部１１７、第２切換部１１８を介してアキュムレータ１１４に接続されている。
上記のように、アキュムレータ１１４には、吸入配管１５４の他端が接続され、この吸入配管１５４の一端は、合流点１５３に接続されている。
次に、本実施の形態における空気調和機３００の室外ユニット１００の内部構造を図２に示す。
図２は室外ユニット１００を前面に平行な鉛直平面で切った縦断面図である。図２に示すように、室外ユニット１００は、仕切り板１０３により上下２段に分割されている。室外ユニット１００の下段には、機械室１０１が設けられている。室外ユニット１００の上段には、熱交換器室１０２が設けられている。
室外ユニット１００は、いわゆる上吹きの室外ユニットである。ユニット上部に設置された室外送風ファン１５０が回転することにより、室外ユニット１００の内部が負圧となり、室外ユニット１００の周囲空気を、第１室外熱交換器１２０と第２室外熱交換器１２１を通して吸込む。そして、両熱交換器で熱交換した後の空気は、室外送風ファン１５０により上方に吹出す構成となっている。
図２に示すように、第１室外熱交換器１２０は、第２室外熱交換器１２１よりも間口面積が大きく、かつ、室外送風ファン１５０に近い位置に設置される。一般的に、上吹きの室外ユニットの側面に熱交換器を配置した場合、熱交換器を通過する空気の流速は、ファンに近い上部ほど速くなる。したがって、第１室外熱交換器１２０の単位面積あたりの熱交換能力は、第２室外熱交換器１２１に比べて大きい。
機械室１０１には、エンジン１１１、第１圧縮機１１２が設置されている。エンジン１１１の回転動力は、動力伝達ベルト（図示せず）によって第１圧縮機に伝達される。
図２には示さないが、これらの他にも、機械室１０１には、アキュムレータ１１４、第１圧縮機用油分離器１１５、第２圧縮機用油分離器１１６、第１切換部１１７、第２切換部１１８、第１室外ユニット減圧装置１３０、第２室外ユニット減圧装置１３１、エンジン排熱熱交換器１２２、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２、エンジン１１１の排気マフラー、エンジン１１１の冷却水を循環させる冷却水ポンプ、制御基板、冷媒配管など、多くの部品が搭載されている。
熱交換器室１０２において、第１室外熱交換器１２０と第２室外熱交換器１２１は、それぞれ、熱交換器室１０２の外壁を形成するように構成されており、また、仕切り板１０３の略中央部に第２圧縮機１１３が設置されている。
図２から明らかなように、エンジン１１１と第１圧縮機との距離は、エンジン１１１と第２圧縮機との距離よりも近い。また、第２圧縮機１１３は、エンジン１１１の真上に位置しており、エンジン１１１の排熱を自然対流により十分に受けられる構成となっている。第２圧縮機１１３は、エンジン１１１のエンジン放熱を受け得る環境下に配置されていることとなる。
なお、本実施の形態では、第２圧縮機１１３を熱交換器室１０２に配置したが、第２圧縮機１１３を機械室１０１に配置してもよい。
これによっても、第２圧縮機１１３は、エンジン１１１のエンジン放熱を受け得る環境下に配置されていることとなる。
次に、室外ユニット１００、室内ユニット２００、２１０の動作を説明する。
冷房運転時、制御部４００により、第１切換部１１７と第２切換部１１８とは実線に冷媒を流すよう設定される（図１参照）。また、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２は閉で、エンジン排熱熱交換器１２２には冷媒は流れない。
第１圧縮機１１２で圧縮された高温高圧の冷媒は、第１圧縮機用油分離器１１５に流入する。第１圧縮機用油分離器１１５にて、冷凍機油を分離された純度の高いガス冷媒は第１切換部１１７を通り、第１室外熱交換器１２０に入る。ガス冷媒は、第１室外熱交換器１２０にて、外気と熱交換して放熱したのち凝縮し、高圧の液冷媒となって第１室外ユニット減圧装置１３０を通り、第２室外ユニット減圧装置１３１を通過した冷媒と合流した後、室内ユニット２００、２１０に供給される。
一方、第２圧縮機１１３で圧縮された高温高圧の冷媒は、第２圧縮機用油分離器１１６に流入する。第２圧縮機用油分離器１１６にて、冷凍機油を分離された純度の高いガス冷媒は第２切換部１１８を通り、第２室外熱交換器１２１に入る。ガス冷媒は、第２室外熱交換器１２１にて、外気と熱交換して放熱したのち凝縮し、高圧の液冷媒となって第２室外ユニット減圧装置１３１を通り、第１室外ユニット減圧装置１３０を通過した冷媒と合流した後、室内ユニット２００、２１０に供給される。
第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３とを同時に駆動し、第２圧縮機１１３が吐出する冷媒流量が、第１圧縮機１１２よりも極端に少ない場合は、例えば、第２室外ユニット減圧装置１３１を全開とし、第１室外ユニット減圧装置１３０の開度を絞ることで、第２圧縮機１１３の吐出圧力を、第１圧縮機１１２の吐出圧力よりも低い状態に維持する。つまり、第２圧縮機１１３の吐出圧力が、第１圧縮機１１２の吐出圧力にまで引き上げられないようにする。
第１室外ユニット減圧装置１３０の制御は例えば、下記のように行う。第１圧縮機１１２の吐出圧力と、第１室外熱交換器１２０と第１室外ユニット減圧装置１３０との間における冷媒温度（第１室外熱交換器出口温度）を測定し、第１圧縮機１１２の吐出圧力から計算した第１室外熱交換器１２０における冷媒凝縮温度と、第１室外熱交換器出口温度との差、すなわち、第１室外熱交換器１２０を流出する冷媒の過冷却度を計算し、この過冷却度が所定値となるように第１室外ユニット減圧装置１３０を制御する。
なお、第１圧縮機用油分離器１１５で分離された冷凍機油は、第１圧縮機１１２が駆動している場合は第１圧縮機用油戻し管開閉弁１１５ｂを開とすることで、第１圧縮機用油戻し管１１５ａにより第１圧縮機１１２の吸入配管に戻される。第１圧縮機１１２が駆動していない場合は第１圧縮機用油戻し管開閉弁１１５ｂは閉となる。
また、第２圧縮機用油分離器１１６で分離された冷凍機油は、第２圧縮機１１３が駆動している場合は第２圧縮機用油戻し管開閉弁１１６ｂを開とすることで、第２圧縮機用油戻し管１１６ａにより第２圧縮機１１３の吸入配管に戻される。第２圧縮機１１３が駆動していない場合は第２圧縮機用油戻し管開閉弁１１６ｂは閉となる。
室内ユニット２００に入った高圧の液冷媒は、室内ユニット減圧装置２０３にて減圧され、気液二相状態となって、室内熱交換器２０１に流入する。気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器２０１にて、空調対象となっている空間の空気と熱交換して吸熱したのち蒸発し、ガス冷媒となって室内ユニット２００から流出する。
室内ユニット２１０においても、室内ユニット２００と同様に、まず、高圧の液冷媒は、室内ユニット減圧装置２１３にて減圧され、気液二相状態となって、室内熱交換器２１１に流入する。気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器２１１にて、空調対象となっている空間の空気と熱交換して吸熱したのち蒸発し、ガス冷媒となって室内ユニット２１０から流出する。
なお、室内ユニット２００のみ冷房運転を行う場合は、室内ユニット減圧装置２１３を閉じ、室内ユニット２１０の室内熱交換器２１１には冷媒の供給を行わない。一方、室内ユニット２１０のみ冷房運転を行う場合は、室内ユニット減圧装置２０３を閉じ、室内ユニット２００の室内熱交換器２０１には冷媒の供給を行わない。
室内ユニット２００、２１０から流出したガス冷媒は、再度室外ユニット１００に戻る。室外ユニット１００に流入したガス冷媒は、室外ユニット１００の内部で分岐し、片方は第１切換部１１７、他方は第２切換部を通過し、再度合流する。合流した冷媒はアキュムレータ１１４を通って、第１圧縮機１１２、および、第２圧縮機１１３に戻る。
冷房運転時における、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の運転方法は、例えば下記のようにする。
冷房負荷が、第１圧縮機１１２が最低運転周波数で運転した時の冷房能力（第１圧縮機１１２の最小冷房能力）よりも小さい場合には、第１圧縮機１１２のみでは断続運転に陥るため、第２圧縮機１１３のみを運転する。
冷房負荷が、第１圧縮機１１２の最小冷房負荷よりも大きく、かつ、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３とがともに最低運転周波数で運転した場合の冷房能力（両圧縮機運転時の最小冷房能力）よりも小さい場合は、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３のどちらか一方、例えば、運転コストが安い、もしくは、消費エネルギーが小さい方を選択して運転する。
冷房負荷が、両圧縮機運転時の最小冷房能力よりも大きい場合は、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の両方を、例えば、運転コスト、もしくは、消費エネルギーが最小となるように運転する。この場合、運転コストト、もしくは、消費エネルギーを最小とするための第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の運転周波数の決定には、各圧縮機の運転周波数と運転コストト、もしくは、消費エネルギーとの関係を利用する。
実際には、冷房負荷全体に対して第１圧縮機１１２が受け持つ冷房負荷の割合は、両圧縮機をともに最高運転周波数で運転した場合の最大冷房能力（両圧縮機運転時の最大冷房能力）に対する、第１圧縮機１１２のみを最高運転周波数で運転したときの冷房能力の割合±１５％程度である。
暖房運転時、制御部４００により、第１切換部１１７と第２切換部１１８とは点線に冷媒を流すよう設定される（図１参照）。
第１圧縮機１１２で圧縮された高温高圧の冷媒は、第１圧縮機用油分離器１１５に流入する。第１圧縮機用油分離器１１５にて、冷凍機油を分離された純度の高いガス冷媒は第１切換部１１７を通り、第２切換部１１８を通過した冷媒と合流した後、室内ユニット２００、２１０に供給される。
一方、第２圧縮機１１３で圧縮された高温高圧の冷媒は、第２圧縮機用油分離器１１６に流入する。第２圧縮機用油分離器１１６にて、冷凍機油を分離された純度の高いガス冷媒は第２切換部１１８を通り、第１切換部１１７を通過した冷媒と合流した後、室内ユニット２００、２１０に供給される。
室内ユニット２００に入った高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器２０１に流入する。高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器２０１にて、空調対象となっている空間の空気と熱交換して放熱したのち凝縮し、高圧の液冷媒となって、室内ユニット減圧装置２０３を通り、室内ユニット２００から流出する。
室内ユニット２１０においても、室内ユニット２００と同様に、まず、高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器２１１に流入する。高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器２１１にて、空調対象となっている空間の空気と熱交換して放熱した後凝縮し、高圧の液冷媒となって、室内ユニット減圧装置２１３を通り、室内ユニット２１０から流出する。
なお、冷房時と同様に、室内ユニット２００のみ暖房運転を行う場合は、室内ユニット減圧装置２１３を閉じ、室内ユニット２１０の室内熱交換器２１１には冷媒の供給を行わない。一方、室内ユニット２１０のみ暖房運転を行う場合は、室内ユニット減圧装置２０３を閉じ、室内ユニット２００の室内熱交換器２０１には冷媒の供給を行わない。
室内ユニット２００、２１０から流出した高圧の液冷媒は、再度室外ユニット１００に戻る。室外ユニット１００に流入した高圧の液冷媒は、第１室外ユニット減圧装置１３０、第２室外ユニット減圧装置１３１、およびエンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２の手前で分岐したのち、第１室外ユニット減圧装置１３０、第２室外ユニット減圧装置１３１、およびエンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２にて減圧され、それぞれ気液二相状態となって、第１室外熱交換器１２０、第２室外熱交換器１２１、およびエンジン排熱熱交換器１２２に流入する。
１室外熱交換器１２０、第２室外熱交換器１２１、およびエンジン排熱熱交換器１２２に流入する冷媒流量は、それぞれ、第１室外ユニット減圧装置１３０、第２室外ユニット減圧装置１３１、およびエンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２の開度によって制御する。第１室外ユニット減圧装置１３０の開度は、例えば、第１室外熱交換器の前後の温度を検出し、その温度差が所定値になるように制御する。第２室外ユニット減圧装置１３１、およびエンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２の開度も同様の制御を行う。
第１室外熱交換器１２０と第２室外熱交換器１２１に流入した気液二相状態の冷媒は外気と熱交換して吸熱したのち蒸発する。第１室外熱交換器１２０で蒸発した冷媒は第１切換部１１７を通り、第２室外熱交換器１２１で蒸発したのち第２切換部１１８を通過したガス冷媒と合流する。
一方、エンジン排熱熱交換器１２２に流入した気液二相状態の冷媒は、エンジン１１１の冷却に用いた高温の冷却水と熱交換して吸熱したのち蒸発する。エンジン排熱熱交換器１２２を出たガス冷媒は、第１切換部１１７と第２切換部１１８を流出したガス冷媒と合流したのち、アキュムレータ１１４に流入する。アキュムレータ１１４から流出したガス冷媒は、第１圧縮機１１２、および、第２圧縮機１１３に戻る。
暖房運転時における、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の運転方法は、例えば下記のようにする。
暖房負荷が、第１圧縮機１１２が最低運転周波数で運転した時の暖房能力（第１圧縮機１１２の最小暖房能力）よりも小さい場合には、第１圧縮機１１２のみでは断続運転に陥るため、第２圧縮機１１３のみを運転する。
暖房負荷が、第１圧縮機１１２の最小暖房負荷よりも大きく、かつ、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３とがともに最低運転周波数で運転した場合の暖房能力（両圧縮機運転時の最小暖房能力）よりも小さい場合は、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３のどちらか一方、例えば、運転コストが安い、もしくは、消費エネルギーが小さい方を選択して運転する。
暖房負荷が、両圧縮機運転時の最小暖房能力よりも大きい場合は、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の両方を、例えば、運転コスト、もしくは、消費エネルギーが最小となるように運転する。この場合、運転コスト、もしくは、消費エネルギーを最小とするための第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３の運転周波数の決定には、各圧縮機の運転周波数と運転コスト、もしくは、消費エネルギーとの関係を利用する。
実際には、暖房負荷全体に対して第１圧縮機１１２が受け持つ暖房負荷の割合は、両圧縮機をともに最高運転周波数で運転した場合の最大暖房能力（両圧縮機運転時の最大暖房能力）に対する、第１圧縮機１１２のみを最高運転周波数で運転したときの暖房能力の割合±１５％程度である。
暖房運転時は、常時、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１の着霜状態を監視しており、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１が着霜したと判断した場合には、制御部４００により、除霜運転に切り替わる。
除霜運転に突入すると、まず、エンジン１１１および第１圧縮機１１２と、第２圧縮機１１３が停止する。第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３が停止後、３０秒〜２分経過し、冷媒の状態がある程度安定すると、第１切換部１１７と第２切換部１１８は、冷媒を実線に流すよう切り換えられる。このとき、第１室外ユニット減圧装置１３０は全開、第２室外ユニット減圧装置１３１は全閉になっている。また、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２は開、室内ユニット減圧装置２０３、２１３は全閉となっている。
つぎに、エンジン１１１が起動し、第１圧縮機１１２が駆動し始める。第１圧縮機１１２が吐出した冷媒は、第１切換部を経て第１室外熱交換器１２０に入り、第１室外熱交換器に付いた霜を融かし始める。第１室外熱交換器１２０の霜に熱を与え、冷却されて液化した低温の冷媒は、全開の第１室外ユニット減圧装置１３０を通過したのち、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２に入って減圧され、気液二相状態となって、エンジン排熱熱交換器１２２に流入する。
エンジン排熱熱交換器１２２に流入した気液二相状態の冷媒は、エンジン１１１の冷却に用いた高温の冷却水と熱交換して吸熱したのち蒸発する。エンジン排熱熱交換器１２２を出たガス冷媒は、アキュムレータ１１４に流入する。アキュムレータ１１４から流出したガス冷媒は、第１圧縮機１１２に戻る。
除霜運転を開始してから、エンジン１１１の回転数は徐々に増加する。エンジン１１１が駆動すると、その排熱によりエンジン１１１の表面温度は上昇し、自然対流が発生する。すなわち、エンジン１１１の排熱で温められた周囲の空気は、鉛直上方に移動し、仕切り板１０３の下部、かつ、第２圧縮機１１３の直下に広がり、仕切り板１０３を介して、停止している第２圧縮機１１３を加熱する。
このように、第２圧縮機１１３は、起動前からエンジン１１１の排熱により十分に温められている。したがって、第２圧縮機１１３の起動時において、吐出冷媒が第２圧縮機１１３を格納した圧力容器内にて瞬間的に冷却され凝縮し、圧力容器内にある冷凍機油とともに吐出されることはない。
第２圧縮機１１３の起動は、第１圧縮機の吐出圧力が高くならないうちに、すなわち、エンジン１１１の回転数が、除霜運転における目標運転回転数に達する前に行うことが望ましい。また、第２圧縮機が起動すると同時に、第２室外ユニット減圧装置１３１を徐々に開け始める。
エンジン１１１および第１圧縮機１１２のみが稼動して除霜運転しているとき、第１圧縮機の吐出側（第１圧縮機の吐出口〜第１圧縮機用油分離器１１５〜第１室外熱交換器１２０〜第１室外ユニット減圧装置１３０〜エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２）と、第１圧縮機の吸入側（エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２〜エンジン排熱熱交換器１２２〜アキュムレータ１４４〜第１圧縮機の吸入口）との間には圧力差が発生している。
またこのとき、第２圧縮機の吐出側（第２圧縮機の吐出口〜第２圧縮機用油分離器１１６〜第２室外熱交換器１２１〜第２室外ユニット減圧装置１３１）は、暖房運転時には第２室外熱交換器１２１が蒸発器となっていたために、圧力が低い状態に維持されている。
第２圧縮機を起動する前に、エンジンの回転数が除霜運転における目標運転回転数に達してしまうと、第２室外ユニット減圧装置１３１を介して大きな圧力差がつくことになり、第２圧縮機を起動して第２室外ユニット減圧装置１３１を開けた際に、減圧され低温となった多量の冷媒が、除霜すべき第２室外熱交換器に流入してしまう。したがって、エンジン１１１の回転数が、除霜運転における目標回転数に達する前に、第２圧縮機１１３を起動することが望ましい。
第２圧縮機が起動すると、第２圧縮機の吐出冷媒は第２室外熱交換器１２１の霜を融かし始める。第２室外熱交換器１２１の霜に熱を与え、冷却されて液化した低温の冷媒は、第２室外ユニット減圧装置１３１を通過したのち、第１室外ユニット減圧装置を流出した液冷媒と合流し、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁１３２に入って減圧され、気液二相状態となって、エンジン排熱熱交換器１２２に流入する。
エンジン排熱熱交換器１２２に流入した気液二相状態の冷媒は、エンジン１１１の冷却に用いた高温の冷却水と熱交換して吸熱したのち蒸発する。エンジン排熱熱交換器１２２を出たガス冷媒は、アキュムレータ１１４に流入する。アキュムレータ１１４から流出したガス冷媒は、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３に戻る。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態においては、除霜運転時に第２圧縮機１１３を起動するときは、エンジン１１１は既に稼動しており、エンジン１１１の表面で温められ上昇した空気は、仕切り板１０３の下部、かつ、第２圧縮機１１３の直下に広がり、仕切り板１０３を介して、停止している第２圧縮機１１３を加熱した状態になっている。この状態で第２圧縮機１１３を起動すると、第２圧縮機１１３の吐出冷媒が圧力容器内部で冷却され凝縮することはない。すなわち、第２圧縮機１１３の圧力容器内にある冷凍機油が液冷媒と共に吐出されることはない。
よって、本発明では、除霜運転時において、第２圧縮機１１３を格納する圧力容器に封入された冷凍機油の枯渇を防ぎ、第２圧縮機１１３の運転信頼性を高めることができる。
また、除霜運転の開始直後からエンジン１１１が駆動した状態となるため、第１圧縮機１１２と第２圧縮機１１３は、エンジン１１１の排熱を受けて高温を維持したまま運転することになり、吐出冷媒に多くの熱を与え続けることになる。
よって、本発明では、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１の霜をすばやく融かし、除霜運転を早め、利用者に暖房を供しない、寒くて不快となる時間を短くすることができる。
また、除霜運転の開始直後からエンジン１１１が駆動した状態となるため、除霜運転中は、第１室外熱交換器１２０および第２室外熱交換器１２１の霜を融かして液化した冷媒を、絶えず排熱回収器で蒸発させることになる。
よって、本発明では、除霜運転中に、液化した低温の冷媒を室内ユニットに循環させて蒸発させる必要はなく、利用者が寒くて不快と感じる状況をなくすことができる。
本発明は、除霜運転時に、信頼性の高い運転をする空気調和機として好適に利用することができる。
１００ 室外ユニット
１１２ 第１圧縮機
１１３ 第２圧縮機
１１７ 第１切換部
１１８ 第２切換部
１２０ 第１室外熱交換器（室外熱交換器）
１２１ 第２室外熱交換器（室外熱交換器）
１２２ エンジン排熱熱交換器（第３室外熱交換器）
１３０ 第１室外ユニット減圧装置
１５１ 第１圧縮機吸込配管（第１圧縮機の吸込管）
１５２ 第２圧縮機吸込配管（第２圧縮機の吸込管）
１５５ 第１圧縮機吐出配管（第１圧縮機の吐出管）
１５６ 第２圧縮機吐出配管（第２圧縮機の吐出管）
１８０ ガス管接続口
１９０ 液管接続口
２００，２１０ 室内ユニット
３００ 空気調和機
４００ 制御部

Claims (5)

  1. エンジンと、エンジンにより駆動する第１圧縮機と、前記第１圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第２圧縮機と、室外熱交換器と、制御部とを備えた空気調和機の室外ユニットにおいて、
    前記制御部は、前記室外熱交換器の霜を融かす除霜運転を行う際に、前記エンジンおよび前記第１圧縮機を、前記第２圧縮機よりも先に駆動することを特徴とした空気調和機の室外ユニット。
  2. エンジンと、エンジンにより駆動する第１圧縮機と、前記第１圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第２圧縮機と、前記第１圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り替える第１切換部と、前記第２圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り換える第２切換部と、第１室外熱交換器と、第１室外ユニット減圧装置と、第２室外熱交換器と、第２室外ユニット減圧装置と、エンジンの排熱を利用する第３室外熱交換器と、ガス管接続口と、液管接続口と、制御部とを備え、
    前記制御部は、
    除霜運転時に、前記第１圧縮機の吐出管、前記第１室外熱交換器、前記第１室外ユニット減圧装置、前記第３室外熱交換器、前記第１圧縮機の吸込管に冷媒を流通すると共に、前記第２圧縮機の吐出管、前記第２室外熱交換器、前記第２室外ユニット減圧装置、前記第３室外熱交換器、前記第２圧縮機の吸込管に冷媒を流通するように、前記第１切換部および前記第２切換部を切り換え、
    前記除霜運転を開始する際には、前記第２圧縮機よりも先に、前記エンジンおよび前記第１圧縮機を駆動することを特徴とする空気調和機の室外ユニット。
  3. 前記制御部は、前記エンジンの回転数が、除霜運転における目標回転数に達する前に、前記２圧縮機を起動することを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機の室外ユニット。
  4. 前記制御部は、前記第２圧縮機が起動すると同時に、前記第２室外ユニット減圧装置を徐々に開け始めることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の空気調和機の室外ユニット。
  5. 前記第２圧縮機は、前記エンジン放熱を受ける環境下に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の空気調和機の室外ユニット。
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