JP2868926B2 - 冷媒加熱式マルチ冷凍サイクル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、暖房時に冷媒を加熱
する冷媒加熱器が設けられ、かつ室内熱交換器が複数設
けられた冷媒加熱式マルチ冷凍サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】室内を暖房あるいは冷房する空気調和装
置における冷凍サイクルの中には、暖房時に蒸発器とな
る室外熱交換器における吸熱を大気の熱源を利用する代
わりに、燃焼熱を熱源とする冷媒加熱式のものがある。
この冷媒加熱式の空気調和装置は、大気の熱源を利用す
るヒートポンプ式のように暖房能力が外気温度に左右さ
れず、燃焼量に応じた暖房能力を発揮できるという利点
がある。

【０００３】このような冷媒加熱式の空気調和装置は、
ヒートポンプ式と同様に室内熱交換器と室外熱交換器と
がそれぞれ１台設置されて冷媒配管で接続される、いわ
ゆるシングル式が一般的であるが、ヒートポンプ式にお
いては、従来から室外熱交換器１台について、室内熱交
換器を複数台設けて例えば複数の部屋を暖房あるいは冷
房する、いわゆる多室型の空気調和装置が普及してい
る。

【０００４】多室型の空気調和装置は、複数ある室内熱
交換器の暖房能力を個別に変化させて運転する場合があ
る。このような個別暖房能力制御については、大きく分
けて２種類にパターン化できる。一つは室内熱交換器の
容量に応じて暖房能力に差をつける場合、他の一つは室
内熱交換器の容量が同じ場合でも冷媒循環量を変えて個
別に暖房能力に差をつける場合である。

【０００５】前者の場合、運転時での室内熱交換器の容
量に応じた暖房能力は常に一定で、室温が設定温度に達
すると運転を休止する、いわゆるＯＮ−ＯＦＦ運転であ
るので、快適な暖房感が得られず、各室内熱交換器の容
量以外の要求暖房能力を得るには室内ファンの風量を変
える必要があり、このような風量切換制御は通常自動運
転となるので、使用者が積極的に風量調整をできず、好
ましいものではない。

【０００６】後者の場合は、室内熱交換器の容量が同じ
であっても個別に能力制御が可能であるが、その制御は
室内熱交換器の冷媒流出側である液側の比例制御弁（電
子膨脹弁）の開度制御で冷媒循環量を変えているため、
冷媒封入量を多くする必要がある。これは、液側比例制
御弁を通る冷媒の状態がガスと液との２相流であるた
め、冷媒量が多くないと液側比例制御弁開度と冷媒循環
量とを比例させることは極めて難しく、かつ、要求暖房
能力の小さい室内熱交換器に冷媒が溜まり過ぎることに
よる、室外熱交換器の加熱度が大きくなる、いわゆるガ
ス欠運転状態になりやすいからである。一方、冷媒封入
量が多いと、圧縮機の信頼性に特に注意を払う必要が生
じるので好ましくない。

【０００７】また、多室型の空気調和装置においては、
複数ある室内熱交換器の運転台数を変化させて運転する
場合もあり、例えば複数の室内熱交換器のうち１台を運
転を休止する場合に、休止した室内熱交換器に対応する
余剰の冷媒をどこに貯溜するかという課題がある。すな
わち、冷凍サイクル内への冷媒封入量は、通常複数室用
に合わせており、運転台数が減少した場合には冷媒に余
剰分が発生することとなる。

【０００８】このような運転台数が変化したときの運転
方法については、前記個別暖房能力制御と同様に、大き
く分けて２種類にパターン化できる。一つは運転休止室
内熱交換器に冷媒を流さない場合、他の一つは逆に運転
休止室内熱交換器に冷媒を流す場合である。

【０００９】前者の場合、運転休止室内熱交換器の冷媒
流出側である液側の比例制御弁（電子膨脹弁）を全閉に
し、冷媒の流れを止める。そして、余剰冷媒はリキッド
タンクなどの冷媒貯溜タンクに溜める。したがって、こ
の場合冷媒貯溜タンクを設けるなど配管構成が複雑化し
てコストアップを招くとともに、冷媒の出し入れ制御方
法などに困難を伴う。

【００１０】後者の場合は、前記した液側の比例制御弁
の開度制御により、冷媒がガス状態から凝縮しある程度
の過冷却がとれるように制御される。この場合、運転休
止室内熱交換器の室内ファンは休止しており、冷媒の凝
縮は室内熱交換器回りを流れる空気の自然対流分の熱と
の熱交換で行われるので、液側の比例制御弁の開度がか
なり絞られ、冷媒は僅かな量が流れる状態となる。した
がって、その比例制御弁開度の制御は極めて難しく、絞
り過ぎると室内熱交換器に冷媒が溜まってきて、運転状
態の室内熱交換器側の冷媒量が少なくなり過ぎる、いわ
ゆるガス欠運転状態となりやすい問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の多室型の空気調和装置における冷媒加熱式マルチ冷凍
サイクルでは、複数ある室内熱交換器の個別暖房能力に
対しては、要求暖房能力に応じた能力を出力させるには
種々の難しい問題があり、また複数ある室内熱交換器の
運転台数の変化に対しては、運転台数に対応した適正な
冷媒循環量の確保が難しいものとなっている。

【００１２】そこで、この発明は、複数ある室内熱交換
器の容量が同じで冷媒封入量が比較的少くても、要求暖
房能力に応じて個別に暖房能力制御ができ、また、暖房
時室内熱交換器の運転台数が変化しても簡単な制御で適
正な冷媒循環量を確保できるようにすることを目的とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
にこの発明は、暖房時に圧縮機から吐出された高温冷媒
を導入する相互に並列に接続された複数の室内熱交換器
と、この各室内熱交換器から流出した冷媒を加熱して前
記圧縮機に送り込む冷媒加熱器とを有する冷媒加熱式マ
ルチ冷凍サイクルにおいて、前記各室内熱交換器による
個別の暖房能力を行うガス側制御弁を前記室内熱交換器
の暖房時での冷媒入口側の配管に設け、前記冷媒加熱器
の加熱度制御を行う液側制御弁を前記室内熱交換器の暖
房時での冷媒出口側の配管に設けた構成としてある。

【００１４】また、この発明は、暖房時に圧縮機から吐
出された高温冷媒を導入する相互に並列に接続された複
数の室内熱交換器と、この各室内熱交換器にそれぞれ空
気を吹き付ける室内ファンと、前記各室内熱交換器から
流出した冷媒を加熱して前記圧縮機に送り込む冷媒加熱
器とを有する冷媒加熱式マルチ冷凍サイクルにおいて、
前記各室内熱交換器による個別の暖房能力を行うガス側
制御弁を前記室内熱交換器の暖房時での冷媒入口側の配
管に設け、前記冷媒加熱器の加熱度制御を行う液側制御
弁を前記室内熱交換器の暖房時での冷媒出口側の配管に
設け、前記複数の室内熱交換器のうち暖房運転中にその
運転を休止する室内熱交換器上流側の前記ガス側制御弁
をほぼ全開状態とするとともに、同下流側の液側制御弁
を他の液側制御弁と同様開弁状態とし、かつ運転休止室
内熱交換器の室内ファンを休止状態とする制御手段を設
ける構成としてもよい。

【００１５】

【作用】このような構成の冷媒加熱式マルチ冷凍サイク
ルにおいて、暖房時にガス側制御弁で各室内熱交換器の
個別暖房能力制御を行い、液側制御弁で冷媒加熱器の加
熱度制御を行う。ガス側制御弁の開度制御により、ガス
状態で冷媒の循環量を変えることができるので、冷媒封
入量を多くすることなく、ガス側制御弁の開度と冷媒循
環量とがほぼ比例し、各室内熱交換器の暖房出力を要求
暖房能力に見合うように個別の暖房能力制御がなされ
る。

【００１６】また、複数の室内熱交換器のうち暖房運転
中にその運転を休止する室内熱交換器がある場合、休止
状態の室内熱交換器の上流のガス側制御弁がほぼ全開状
態となり、かつ下流の液側制御弁を他の液側制御弁と同
一開度で冷媒加熱器の加熱度を制御し、さらに、運転休
止室内熱交換器の室内ファンが休止状態となる。これに
より、休止状態の室内熱交換器に冷媒液が溜まり過ぎる
こともなく、他の運転している室内熱交換器の冷媒量が
不足することによるガス欠運転が防止される。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１８】図１は、この発明の一実施例を示す概略的
な冷媒加熱式マルチ冷凍サイクルの構成図である。暖房
時に冷媒の流れる順（実線矢印で示す）に主な構成要素
を述べると、冷媒ガスを圧縮して高温高圧状態となった
冷媒を吐出する圧縮機１、暖房時と冷房時とで冷媒の流
れ方向が切り換わる四方切換弁３、それぞれに室内ファ
ン４ａ，４ｂ，４ｃを備え相互に並列に接続された３つ
の室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃ、バーナ７の燃焼熱に
より冷媒を加熱する冷媒加熱器９である。冷媒加熱器９
の暖房時における冷媒の流れの上流側に設けられた二方
弁１１は、暖房時に開き冷房時に閉じる。また、室内熱
交換器５ａ，５ｂ，５ｃをバイパスする配管１３に設け
られた二方弁１５は、暖房能力が小さいとき開き、暖房
能力が大きいとき閉じる。冷房時には冷媒は破線矢印の
ように流れ、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方切換
弁３を経て室外ファン１７を備えた室外熱交換器１９に
流れ、ここで冷却されて凝縮し、高圧の液となって室内
熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃ側へ導かれ、冷媒加熱器９に
は流れない。

【００１９】室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれ
の前後の配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ及び２３ａ，２３
ｂ，２３ｃと室外機３３とを結ぶライン途中には、ガス
側比例制御弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃ及び液側比例制御
弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃがそれぞれ設けられている。
これらガス側比例制御弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃ及び液
側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、制御手段とし
てのコントロールユニット２９により開閉制御される。
ガス側比例制御弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、開閉制御
されることで、それぞれの配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ
を流れるガス冷媒の流量を制御し、それぞれの室内熱交
換器５ａ，５ｂ，５ｃの個別暖房能力制御を行う。一
方、液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、互いに
同一開度で冷媒加熱器９の加熱度制御を行う。一般的に
は、冷媒加熱器９の冷媒出口温度（圧縮機１の冷媒吸い
込み側温度でもよい）から、冷媒加熱器９の冷媒入口温
度を引いた温度差を疑似的な加熱度とし、その値が一定
になるように制御される。

【００２０】また、コントロールユニット２９は、複数
の室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃのうち暖房運転中にそ
の運転を休止する、例えば室内熱交換器５ａがある場
合、その室内熱交換器５ａの上流側のガス側比例制御弁
２５ａをほぼ全開状態とするとともに、同下流側の液側
比例制御弁２７ａを他の液側比例制御弁２７ｂ，２７ｃ
と同一開度で加熱度制御し、かつ運転休止室内熱交換器
５ａの室内ファン４ａを停止状態とする。

【００２１】分流器であるガス側比例制御弁２５ａ，２
５ｂ，２５ｃ及び液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７
ｃなどと、圧縮機１、冷媒熱加熱器９及び室外熱交換器
１９などにより室外機３３が構成されている。室内機３
１と室外機３３とはパックドバルブ３５ａ，３５ｂ，３
５ｃにより連結されている。なお、３７はアキュームレ
ータ、３９はストレーナ、４１は気液分離器、４３，４
５，４７はキャピラリチューブ、４９，５１，５３，５
５，５７はチェック弁、５９は高圧スイッチである。

【００２２】次に、暖房時の運転動作を説明する。

【００２３】室内機３１側の指令に基づいて暖房運転が
開始されると、圧縮機１の起動と同時に冷媒加熱器９の
バーナ７で火炎が形成され、その燃焼熱が冷媒加熱器９
の熱熱交換器部を流れる冷媒と熱交換する。冷媒加熱器
９で燃焼熱と熱交換した気化冷媒は、圧縮機１で加圧さ
れ、四方切換弁３、ガス側比例制御弁２５ａ，２５ｂ，
２５ｃ経た後、室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃに導か
れ、ここで室内ファン４ａ，４ｂ，４ｃによって空気冷
却され、室内に熱を放出して凝縮する。液化した高圧の
冷媒は、液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃで若干
絞られれた後、冷媒加熱器９に入り、再び加熱気化され
る。

【００２４】このようにして暖房運転される冷凍サイク
ルにおいて、複数の室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃに対
して個別に暖房能力を変化させる場合には、ガス側比例
制御弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃの開度を、コントロール
ユニット２９の指令信号に基づいて開閉制御し、冷媒循
環量を変化させる。このときの冷媒は、単相のガス状態
であるため、冷媒封入量を多くすることなく、ガス側比
例制御弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃの開度と冷媒循環量と
をほぼ比例させることができ、要求暖房能力に見合った
冷媒循環量を確保することができる。この場合、バーナ
７の燃焼量は各室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃを合わせ
た総合暖房能力に応じた分だけ入力しているので、実際
暖房能力は要求暖房能力に近く、従来個別暖房能力比を
大きくした場合に問題となっていた冷媒のガス欠により
実際暖房能力が要求暖房能力よりかなり小さくなってし
まうという問題は回避される。したがって、この実施例
では、圧縮機１の信頼性が高まり、多室の暖房制御が快
適に行われる。

【００２５】このように、複数個のガス側比例制御弁２
５ａ，２５ｂ，２５ｃの開度は、それぞれ室内熱交換器
５ａ，５ｂ，５ｃの個別暖房能力に見合う開度で制御さ
れるが、その方法は、例えば弁開度と能力比との関係よ
り求める方法、室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃの凝縮温
度比と能力比との関係より求める方法、室内熱交換器５
ａ，５ｂ，５ｃの過冷却度と能力比との関係より求める
方法などがある。また、液側比例制御弁２７ａ，２７
ｂ，２７ｃの開度は、複数個同一状態で冷媒加熱器９の
出口の加熱度が一定に保たれるように制御される。な
お、ここでの液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃの
役割は、加熱度制御のための冷媒流量制御であり、ヒー
トポンプ式冷凍サイクルにおけるような絞りの役割はほ
とんどない。

【００２６】図２は、上記暖房能力制御における液側比
例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃによる冷媒加熱器９の
加熱度を制御する動作フローチャートである。まず、室
内機３１より３つの室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃ全部
を合計した要求暖房能力を出力させる指令が室外機３３
に来ると（ステップ２０１）、あらかじめその要求暖房
能力に応じて決められている燃焼量がバーナ７で出力さ
れ（ステップ２０３）、同様にあらかじめ決められてい
る周波数で圧縮機１が運転され（ステップ２０５）、冷
媒に熱が伝えられる。

【００２７】次に、各液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，
２７ｃを同一開度で冷媒循環量が制御され（ステップ２
０７）、冷媒加熱器９の加熱度が制御される。そして、
加熱度が設定範囲外かどうかが判断され（ステップ２０
９）、設定範囲外の場合、すなわち液側比例制御弁２７
ａ，２７ｂ，２７ｃでの加熱度制御が困難な場合には、
圧縮機１の設定周波数を変えて加熱度制御行う（ステッ
プ２１１）。

【００２８】図３は、複数の室内熱交換器５ａ，５ｂ，
５ｃのうちの１つの、例えば室内熱交換器５ａが休止す
る場合の制御動作を示すフローチャートである。この場
合は、通常の運転モードから、ガス側比例制御弁２５ａ
の開度が全開に近いある設定開度に設定され（ステップ
３０１）、室内熱交換器５ａの室内ファン４ａを停止さ
せる（ステップ３０３）。運転状態の他の室内熱交換器
５ｂ，５ｃについては、それぞれのガス側比例制御弁２
５ｂ，２５ｃの開度制御で個別の暖房能力制御を行い、
また液側比例制御弁２７ａ，２７ｂ，２７ｃは同一開度
制御で冷媒加熱器９の加熱度制御を行う。

【００２９】このように、暖房運転時に複数の室内熱交
換器５ａ，５ｂ，５ｃのうちの１つの、例えば室内熱交
換器５ａの運転が休止する場合に、ガス側比例制御弁２
５ａをほぼ全開状態としているので、休止している室内
熱交換器５ａをガス状態で冷媒が流れ、したがってこの
ときの圧力損失は小さく、また液側比例制御弁２７ａを
他の液側比例制御弁２７ｂ，２７ｃと同一開度として加
熱度制御を行っているので、休止状態の室内熱交換器５
ａに冷媒液が溜まり過ぎることもなく、他の運転してい
る室内熱交換器５ｂ，５ｃの冷媒量が不足することによ
るガス欠運転が防止される。室内熱交換器５ａを出た冷
媒は、ガス状態あるいは、ガスと液との２相流状態と考
えてよい。

【００３０】また、室内熱交換器５ａ，５ｂ，５ｃのう
ちの１つの室内熱交換器の運転を休止した場合の余剰冷
媒を溜めるためのリキッドタンクなどの冷媒貯溜タンク
を設ける必要がないので、配管構成の複雑化さ及び、コ
ストの過大な上昇が抑制され、冷媒の出し入れ制御方法
などの困難さも解消される。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたようにこの発明によれ
ば、ガス側比例制御弁の開度制御により、ガス状態で冷
媒の循環量を換えることができるので、冷媒封入量を多
くすることなく、ガス側比例制御弁の開度と冷媒循環量
とをほぼ比例させることができ、要求暖房能力に見合っ
た冷媒循環量を確保することができる。

【００３２】また、複数ある室内熱交換器のうち暖房運
転を休止する室内熱交換器が発生した場合、この室内熱
交換器の上流のガス側比例制御弁をほぼ全開状態とし、
かつ下流の液側比例制御弁を他の液側比例制御弁と同一
開度で加熱度制御するので、休止状態の室内熱交換器に
冷媒液が溜まり過ぎるることもなく、他の運転している
室内熱交換器の冷媒量が不足することによるガス欠運転
を防止できる。また、運転休止室内熱交換器に対応する
余剰冷媒を溜めるためのリキッドタンクなどの冷媒貯溜
タンクを設ける必要がなく、これにより配管構成の複雑
化さ、及びコストの過大な上昇が抑制され、冷媒の出し
入れ制御方法などの困難さも解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す冷凍サイクル構成図
である。

【図２】図１の冷凍サイクルにおける加熱度制御のフロ
ーチャートである。

【図３】図１の冷凍サイクルにおいて、運転休止の室内
熱交換器が発生した場合の制御フローチャートである。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ４ａ，４ｂ，４ｃ 室内ファン ５ａ，５ｂ，５ｃ 室内熱交換器 ９ 冷媒加熱器 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ ガス側比例制御弁 ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ 液側比例制御弁 ２９ コントロールユニット（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齊藤 和夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 住空間システム技術研究 所内 (56)参考文献 特開 昭58−88571（ＪＰ，Ａ) 特開 平−223774（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 暖房時に圧縮機から吐出された高温冷媒
   を導入する相互に並列に接続された複数の室内熱交換器
   と、この各室内熱交換器から流出した冷媒を加熱して前
   記圧縮機に送り込む冷媒加熱器とを有する冷媒加熱式マ
   ルチ冷凍サイクルにおいて、前記各室内熱交換器による
   個別の暖房能力を行うガス側制御弁を前記室内熱交換器
   の暖房時での冷媒入口側の配管に設け、前記冷媒加熱器
   の加熱度制御を行う液側制御弁を前記室内熱交換器の暖
   房時での冷媒出口側の配管に設けたことを特徴とする冷
   媒加熱式マルチ冷凍サイクル。
2. 【請求項２】 暖房時に圧縮機から吐出された高温冷媒
   を導入する相互に並列に接続された複数の室内熱交換器
   と、この各室内熱交換器にそれぞれ空気を吹き付ける室
   内ファンと、前記各室内熱交換器から流出した冷媒を加
   熱して前記圧縮機に送り込む冷媒加熱器とを有する冷媒
   加熱式マルチ冷凍サイクルにおいて、前記各室内熱交換
   器による個別の暖房能力を行うガス側制御弁を前記室内
   熱交換器の暖房時での冷媒入口側の配管に設け、前記冷
   媒加熱器の加熱度制御を行う液側制御弁を前記室内熱交
   換器の暖房時での冷媒出口側の配管に設け、前記複数の
   室内熱交換器のうち暖房運転中にその運転を休止する室
   内熱交換器上流側の前記ガス側制御弁をほぼ全開状態と
   するとともに、同下流側の液側制御弁を他の液側制御弁
   と同様開弁状態とし、かつ運転休止室内熱交換器の室内
   ファンを休止状態とする制御手段を設けたことを特徴と
   する冷媒加熱式マルチ冷凍サイクル。