JP2976431B2 - ヒートポンプ式冷暖房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、車両用及び家庭用に用いられるエンジン又
は電動モータの駆動によるヒートポンプ式冷暖房装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

エンジンで駆動されるヒートポンプ式冷暖房装置に於
いて、室内熱交換器による室内の暖房に加えて、エンジ
ン廃熱による温水ヒータによって室内の暖房を行うもの
である。

この装置は、第３図に示すように、エンジン10で駆動
される圧縮機1,冷媒の流れ方向を切替える四方弁2,室外
熱交換器3,膨張弁4,室内熱交換器５及びアキュムレータ
６が順次接続され冷媒回路が構成されていて、一方、こ
れとは別にエンジン10の冷却水を循環させるウォータポ
ンプ11,排気熱交換器12,温水ヒータ14及びセパレータ15
で温水回路が構成されている。なお、13はラジエータ
で、16aと16bは温水の流路を開閉する開閉弁である。

ここで、暖房運転においては、室外熱交換器３は蒸発
器として働き吸熱作用を行うので、外気温の低い場合に
は蒸発チューブやフィンの表面には霜が発生するが、こ
の霜を取除くために、従来は一旦、図のように冷房運転
に切替えて室外熱交換器３を凝縮器として働かせ、その
放熱作用により霜を取除く除霜運転を行っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

併しながら、上記の除霜運転に於いては、室外熱交換
器の凝縮熱量は小さいので、除霜に長い時間を要すると
云う問題があり、更に、除霜運転中は、室内熱交換器は
吸熱作用を行うため室内は冷却されるので、たとえ温水
ヒータで室内の暖房が行われても冷やされる方が強く、
室内が暖房されにくいという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、暖房
シーズンの除霜に於いて、除霜が速くでき、且つ室内を
十分に暖房することのできるヒートポンプ式冷暖房装置
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、 （１）駆動手段により駆動され、冷媒を圧縮する圧縮機
と、冷媒の流れ方向を切替える第１の切替手段と、室内
に配され、冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器
と、室外に配され、冷媒と室外空気とを熱交換する室外
熱交換器と、この室外熱交換器と室内熱交換器との間に
設けられ、冷媒を減圧させる減圧装置と、この減圧装置
をバイパスするバイパス流路と、冷媒をこのバイパス流
路または減圧手段のうちどちらに流入させるかを切替え
る第２の切替手段と、減圧装置と室内熱交換器との間に
設けられる冷媒を貯留するタンクと、このタンクから室
内熱交換器へと冷媒を流入させる冷媒流入手段と、室外
熱交換器に設けられ、この室外熱交換器の着霜を検出す
る着霜検出手段とを備え、第１の切替手段によって冷媒
の流れ方向を切替えることによって冷房運転と暖房運転
とを切替えるヒートポンプ式冷暖房装置において、着霜
検出手段により室外熱交換器の着霜が検出されると、駆
動手段の回転数を上昇させることにより冷媒の温度を上
昇させた後、温度が上昇した冷媒を圧縮機から室外熱交
換器へと流入させ、この室外熱交換器を通過した冷媒を
第２の切替手段によってバイパス流路に流入させて室外
熱交換器の除霜を行うとともに、冷媒流入手段により冷
媒をタンクから室内熱交換器へと流入させるという技術
的手段を採用するものであり、また、（２）室外熱交換
器の除霜が行われる際、冷媒流入手段によりタンクから
室内熱交換器へと間欠的に冷媒を流入させるという技術
的手段を採用するものである。

〔作用〕

上記の手段によれば、 （１）着霜手段により室外熱交換器の着霜が検出される
と、駆動手段の回転数を上昇させることにより冷媒の温
度が上昇し、タンクに温度が上昇した冷媒が貯留され
る。冷媒の温度が上昇した後、第１の切替手段により温
度が上昇した冷媒を圧縮機から室外熱交換器へと流入さ
せることにより室外熱交換器の除霜が行われる。この
際、冷媒流入段によりタンクに貯留された高温の冷媒を
室内熱交換器へと流入させることにより除霜中の暖房熱
源として利用することができ、室内の暖房を十分に行う
ことができる。また、タンクに貯留された高温の冷媒を
室内熱交換器、圧縮機、第１の切替手段を経て室外熱交
換器へと流入させることができるので、タンクに貯留さ
れた冷媒の熱量を室外熱交換器の除霜熱源の一部として
も利用することができる。その結果、室外熱交換器に着
霜した霜の融解を促進することができ、除霜に要する時
間を短縮することができる。

（２）また、室外熱交換器の除霜が行われる際、冷媒流
入手段によりタンクから室内熱交換器へと間欠的に冷媒
を流入させることにより、暖房熱源として用いることに
より温度の低下した冷媒を室内熱交換器を押出して流出
させ、室内熱交換器にタンクから高温の冷媒を補充する
ことができる。そのため、常に室内熱交換器内に一定温
度以上の冷媒が存在する状態とすることができ、除霜時
であっても連続的に室内を暖房することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図（ａ）は、本発明のヒートポンプ式冷暖房装置
の一実施例を示す温水，冷媒回路図で冷房と暖房に於け
る温水と冷媒の流れを表わすものであり、第１図（ｂ）
は、同回路図の除霜に於ける温水と冷媒の流れを表わす
ものである。

第１図（ａ），（ｂ）に於いて、１は補助エンジン10
によって駆動される圧縮機で、圧縮機１の高圧側より冷
媒の流れの方向を切替える、請求項における第１の切替
手段である四方弁２を経て送風ファン3aを有する室外熱
交換器３に接続される。この室外熱交換器３は、冷房運
転では凝縮器として働き、暖房運転では蒸発器として働
く。室外熱交換器３より分岐して、一方は、逆止弁9aを
介し膨張弁等よりなる減圧装置４に接続され、更にこれ
と並列に逆止弁9bに接続され、片方は、電磁弁8bに接続
される。減圧装置４からは電磁弁8aを介して液冷媒を貯
めるタンク７に接続され、逆止弁9bからは電磁弁8cに接
続され、電磁弁8bと8c及びタンク７の先は合流してい
る。逆止弁9bと電磁弁8cの間より分岐して送風ファン5a
を有する室内熱交換器５に接続される。この室内熱交換
器５は、冷房運転では蒸発器として働き、暖房運転では
凝縮器として働く。室内熱交換器５は、請求項における
冷媒流入手段である電磁弁8eを介して四方弁２に接続さ
れている。電磁弁8eと四方弁２との間の冷媒回路は分岐
し、電磁弁8dを介して室外熱交換器３と電磁弁8bとの間
の冷媒回路に接続されており、減圧装置４および室内熱
交換器５をバイパスするバイパス回路となっている。四
方弁２は、冷媒を気液に分離してガス冷媒を導出するア
キュムレータ６を介して圧縮機１の低圧側に接続されて
おり、以上示したように冷媒回路を構成される。

なお、電磁弁8b、8dの開閉を切替えることにより、室
外熱交換器３を通過した冷媒がバイパス回路または減圧
装置４に流入するのかは切替えられており、電磁弁8b、
8dは請求項における第２の切替手段となっている。

一方、11は補助エンジン10を冷却する冷却水を循環す
るウォータポンプで、ウォータポンプ11より補助エンジ
ン10を経てエンジン廃熱により冷却水が熱交換される排
気熱交換器12に接続され、排気熱交換器12より分岐して
片方は開閉弁16aを介してラジエータ13に、他方は開閉
弁16bを介して室内に配設される温水ヒータ14に接続さ
れ、ラジエータ13と温水ヒータ14からセパレータ15に合
流して、その先はウォータポンプ11に接続され温水回路
が構成される。

なお、室外熱交換器３の蒸発チューブの表面には、表
面温度によって間接的に霜の発生と霜の消失を検知する
ことにより室外熱交換器３の着霜を検出する着霜検出手
段であるフロストセンサ21が取付けられていて、一方、
室内熱交換器５の冷媒配管の内部又は表面には、配管中
を流れる冷媒の温度を直接又は間接に検出する温度セン
サ22が取付けられている。また、補助エンジン10には、
補助エンジン10の回転数を可変する、例えばステップモ
ータよりなる回転数可変機20が取付けられている。

後述のように、上記のフロストセンサ21が霜の発生を
検出すると、回転数可変機20が作動して補助エンジン10
の回転数を上げ、その後霜の消失を検出すると、回転数
可変機20が作動して補助エンジン10を定常の回転数に戻
すようになっている。

続いて、図１に基づいて、本実施例における装置の作
動を説明する。

冷房運転に於ける冷媒の流れは、電磁弁8a,8b,8eが開
いて電磁弁8c,8dが閉じ、且つ四方弁２が冷房側に入れ
られることにより、圧縮機１より四方弁２の流路口2aと
2bを通って室外熱交換器３から電磁弁8b,タンク7,電磁
弁8a,減圧装置4,逆止弁9bを経て室内熱交換器５へと流
れ、室内熱交換器５より電磁弁8eを経て再び四方弁２の
流路口2dと2cを通ってアキュムレータ６に入り圧縮機１
に戻る流れとなる。（第１図（ａ）に点線の矢印で示
す） 一方、暖房運転に於ける冷媒の流れは、電磁弁8a,8c,
8eが開いて電磁弁8b,8dが閉じ、且つ四方弁２が暖房側
に入れられることにより、圧縮機１より四方弁２の流路
口2aと2dを通って室内熱交換器5,電磁弁8c,タンク7,電
磁弁8a,減圧装置4,逆止弁9aを経て室外熱交換器３へと
流れ、室外熱交換器３より再び四方弁２の流路口2bと2c
を通ってアキュムレータ６に入り圧縮機１に戻る流れと
なる。（第１図（ａ）に実線の矢印で示す） また、温水回路に於ける温水の流れは、冷房運転の場
合には、ウォータポンプ11より排気熱交換器12を経てラ
ジエータ13を通りセパレータ15に入ってウォータポンプ
11に戻る流れ（第１図（ａ）ので示す）となり、一
方、暖房運転の場合にはウォータポンプ11より排気熱交
換器12を経て温水ヒータ14を通りセパレータ15に入って
ウォータポンプ11に戻る流れ となる。

ところで、暖房運転に於いて冷媒の流れは前述のよう
に冷房運転の場合とは逆となり、圧縮機１より圧縮され
た高温のガス冷媒が四方弁２の流路口2aと2dを通って室
内熱交換器５に送られ、室内熱交換器５で冷媒が凝縮液
化する際に放熱して室内が暖められる。室内熱交換器５
で凝縮液化した冷媒は電磁弁8c,タンク7,電磁弁8aを経
て減圧装置４で断熱膨張し霧状の冷媒となって逆止弁9a
を通り室外熱交換器３に送られ、室外熱交換器３で蒸発
する際に吸熱する。そのため、室外の温度が低い場合
は、吸熱作用によって空気中の水分が氷結して室外熱交
換器３の主として蒸発チューブの表面に霜が発生する。

蒸発チューブの表面に霜が発生すると、室外熱交換器
３の蒸発チューブの表面に取付けられたフロストセンサ
21によって霜の発生が検出され、その検出信号により制
御回路（図示せず）から指示が出され、補助エンジン10
に取付けられた回転数可変機20が作動して補助エンジン
10の回転数を上げ、ヒートポンプシステムの最大回転数
近くまで上げて運転を行う。そのため、圧縮機１の回転
数の上昇により冷媒の吐出圧力が上昇し、それによって
室内熱交換器５とタンク７を流れる冷媒の温度も上昇す
る蓄熱運転が行われる。同時に、補助エンジン10の回転
数の上昇により補助エンジン10の排気熱量が増大するた
め、排気熱交換器12の熱交換量が増えてエンジン冷却水
はより加温され、この高温の温水が温水ヒータ14に送ら
れて室内は暖められる。

ここで、室内熱交換器５の冷媒配管に取付けられ冷媒
温度を検出する温度センサ22の検出温度が設定値以上と
なると、以下に述べる除霜運転を行う。

除霜運転が開始されると、制御回路（図示せず）から
指示が出され、電磁弁8a、8bは閉じられ、電磁弁8dが開
くともに四方弁２が冷房側に入る。なお、電磁弁8eは周
期的に開閉され、電磁弁8cが開いたままとなっている。

そのため、第１図（ｂ）に示すように、圧縮機１にお
いて圧縮された高温のガス冷媒は四方弁２の流路口2aと
2bを通って室外熱交換器３に送られる。室外熱交換器３
において冷媒が凝縮液化し、放熱することにより、室外
熱交換器３の蒸発チューブの表面に発生した霜は融解
し、除霜が行われる。

一方、タンク７には、前述した畜熱運転により温度が
上昇し、高温となった冷媒が貯留されている。除霜運転
が開始され、電磁弁8b、8eが閉じられた状態であると、
タンク７から電磁弁8eに至る冷媒回路には高温の冷媒が
滞留した状態となる。この際、送風ファン5aは作動して
いるため、室内熱交換器５内の冷媒は放熱し、室内の暖
房が行われる。所定時間経過し、電磁弁8eが開くと、放
熱により温度が低下した室内熱交換器５内の冷媒が四方
弁２へと送られ、タンク７から高温の冷媒が室内熱交換
器５内に流入する。所定時間経過すると、再び電磁弁8e
は閉じられ、室内熱交換器５内の冷媒を放熱することに
よって、室内の暖房を行う。

このように、タンクに貯留されていた高温の冷媒を室
内熱交換器へと流入させることにより除霜中の暖房熱源
として利用することができ、室内の暖房を十分に行うこ
とができる。

また、電磁弁8eを周期的に開閉することにより、暖房
熱源として用いることにより温度の低下した冷媒を室内
熱交換器５から流出させ、室内熱交換器５にタンク７か
ら高温の冷媒を補充することができる。そのため、常に
室内熱交換器５内に一定温度以上の冷媒が存在する状態
とすることができ、除霜時であっても連続的に室内を暖
房することができる。さらに、タンク７から電磁弁8eに
至る冷媒回路に滞留した冷媒はアキュムレータ６内の圧
力よりも高圧であるので、除霜運転時に電磁弁8eを開い
たままの状態とすると、タンク７に貯留された高温の冷
媒は短時間で室内熱交換器５を通過してしまう可能性が
ある。しかし、周期的に電磁弁8eの開閉を行うことによ
って、タンク７に貯留された高温の冷媒が室内熱交換器
５を短時間で通過してしまうことを防止することがで
き、タンク７内の冷媒を長時間にわたって除霜中の暖房
熱源として用いることができる。

ところで、除霜運転中、電磁弁8eが開いた際に室内熱
交換器５から四方弁２へと送られた冷媒は、バイパス回
路から送られた冷媒と合流し、四方弁２の流路口2d、2c
を通過し、アキュムレータ６へと送られる。アキュムレ
ータ６へと送られた冷媒は圧縮機１を介して、再び、室
外熱交換器３へと送られ、室外熱交換器３の除霜に用い
られる。

電磁弁8eが開いた際に室内熱交換器５から四方弁２へ
と送られる冷媒の温度は、室内熱交換器５において放熱
し、タンク７に貯留される冷媒の温度に比べて低下して
はいるものの、バイパス回路を通過する冷媒の温度より
も高い。そのため、電磁弁8eを開き、室内熱交換器５に
おいて暖房熱源として用いた冷媒を、除霜に用いた冷媒
に合流さえることにより、再び、室外熱交換器３の除霜
に用いる冷媒の温度を上昇させることができ、室外熱交
換器３の凝縮熱量を上昇させることができる。つまり、
タンク７に貯留された冷媒の熱量を室外熱交換器の除霜
熱源の一部としても利用することができる。その結果、
室外熱交換器に着霜した霜の融解が促進することがで
き、除霜に要する時間を短縮することができる。

なお、上記の除霜運転中は室外熱交換器３の送風ファ
ン3aは除霜の効率を上げるため停止される。また、室内
熱交換器５の放熱に加えて高温の温水ヒータ14の放熱に
より、除霜運転中でも室内は十分に暖められる。

室外熱交換器３に取付けられたフロストセンサ21が蒸
発チューブの表面の除霜を検出すると、制御回路（図示
せず）から指示が出され回転数可変機20が作動して補助
エンジン10を定常の回転数に戻し、送風ファン3aが作動
を始め、同時に電磁弁8a、8c、8eは開いた状態となり、
電磁弁8b、8dは閉じた状態となり、通常の暖房に於ける
冷媒の流れとなり、除霜運転は終了して当初の暖房運転
に戻る。

次に、本実施例では室内熱交換器５の蓄熱運転の終了
は、室内熱交換器５に流れる冷媒の温度によって決めた
が、この冷媒温度の上昇特性を同様の特性を有する圧縮
機１の冷媒の吐出圧力によって決めても良い。

なお、本実施例では蓄熱運転と除霜運転に於いて室内
熱交換器５の送風ファン5aの風量を変えないで行った
が、風量を適合レベルまで低下させることにより、蓄熱
量の増加と除霜時間の短縮ができる。

また、本実施例では電磁弁8eの一定周期の開閉は、除
霜運転の開始と同時に行ったが、一定時間だけ遅延させ
て行っても良く、或いは室内熱交換器５の冷媒温度が設
定値以下になってから行っても良い。

さらに、本実施例では圧縮機１の駆動が補助エンジン
10によって行われるものについて述べたが、電動モータ
によって行われるものに対しても勿論適用できるもので
ある。但し、電動モータによる場合は、エンジン廃熱に
よる温水回路の併用は無くなる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載するような効果を奏する。

（１）室外熱交換器の除霜が行われる際に、冷媒流入手
段によりタンクに貯留された高温の冷媒を室内熱交換器
へと流入させることにより除霜中の暖房熱源として利用
することができ、室内の暖房を十分に行うことができ
る。また、タンクに貯留された高温の冷媒を室内熱交換
器、圧縮機、第１の切替手段を経て室外熱交換器へと流
入させることができるので、タンクに貯留された冷媒の
熱量を室外熱交換器の除霜熱源の一部としても利用する
ことができる。その結果、室外熱交換器に着霜した霜の
融解を促進することができ、除霜に要する時間を短縮す
ることができる。

（２）冷媒流入手段を周期的に開閉することにより、暖
房熱源として用いることにより温度の低下した冷媒を室
内熱交換器から流出させ、室内熱交換器にタンクから高
温の冷媒を補充することができる。そのため、常に室内
熱交換器内に一定温度以上の冷媒が存在する状態とする
ことができ、除霜時であっても連続的に室内を暖房する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明のヒートポンプ式冷暖房
装置の一実施例を示す温水回路を併記した冷媒回路図、
第２図は同装置の作動フローチャート図、第３図は従来
装置の温水回路を併記した冷媒回路図である。 １……圧縮機,2……切替装置,3……室外熱交換器,4……
減圧装置,5……室内熱交換器,6……アキュムレータ,7…
…タンク,8e……電磁弁。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動手段により駆動され、冷媒を圧縮する
   圧縮機と、 冷媒の流れ方向を切替える第１の切替手段と、 室内に配され、冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交
   換器と、 室外に配され、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交
   換器と、 この室外熱交換器と前記室内熱交換器との間に設けら
   れ、冷媒を減圧させる減圧装置と、 この減圧装置をバイパスするバイパス流路と、 冷媒をこのバイパス流路または前記減圧手段のうちどち
   らに流入させるかを切替える第２の切替手段と、 前記減圧装置と前記室内熱交換器との間に設けられる冷
   媒を貯留するタンクと、 このタンクから前記室内熱交換器へと冷媒を流入させる
   冷媒流入手段と、 前記室外熱交換器に設けられ、この室外熱交換器の着霜
   を検出する着霜検出手段とを備え、 前記第１の切替手段によって冷媒の流れ方向を切替える
   ことによって冷房運転と暖房運転とを切替えるヒートポ
   ンプ式冷暖房装置において、 前記着霜検出手段により前記室外熱交換器の着霜が検出
   されると、前記駆動手段の回転数を上昇させることによ
   り冷媒の温度を上昇させた後、温度が上昇した冷媒を前
   記圧縮機から前記室外熱交換器へと流入させ、この室外
   熱交換器を通過した冷媒を第２の切替手段によって前記
   バイパス流路に流入させて前記室外熱交換器の除霜を行
   うとともに、前記冷媒流入手段により冷媒を前記タンク
   から前記室内熱交換器へと流入させることを特徴とする
   ヒートポンプ式冷暖房装置。
2. 【請求項２】前記室外熱交換器の除霜が行われる際、前
   記冷媒流入手段により前記タンクから前記室内熱交換器
   へと間欠的に冷媒を流入させることを特徴とする請求項
   １記載のヒートポンプ式冷暖房装置。