JP3650088B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプ装置に関し、より詳細にはヒートポンプの圧縮比調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ装置は、逆カルノーサイクルで作動する。前記サイクルの基本冷凍回路１は、図１から参照されるように、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器４、冷却用膨張弁５、加熱用膨張弁６、室外熱交換器７及び前記四方弁３を導管８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで順次連結し、前記四方弁３と圧縮機２を吸入導管８ｅで連結してなるものである。
【０００３】
前記ヒートポンプ装置では、加熱運転の際には、四方弁３を冷媒が実線矢印方向に流れるように操作すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室内熱交換器４で凝縮し、その凝縮熱を空気や水などの流体と熱交換して室内暖房、温水生成、乾燥機能などを行い、前記室内熱交換機４で凝縮した高温・高圧の冷媒液は、加熱用膨張弁６で膨張した後、蒸発器として作用する室外熱交換器７で熱源の流体から蒸発熱を吸収して低温・低圧の冷媒蒸気になり、その後吸入導管８ｅを経由して圧縮機２に吸入されて前記サイクルを繰り返す。
【０００４】
そして、冷却運転の際には、四方弁３を冷媒が破線矢印方向に流れるように操作すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室外熱交換器７で凝縮し、前記室外熱交換器７で凝縮した高温・高圧の冷媒液は、冷却用膨張弁５で膨張した後、蒸発器として作用する室内熱交換器４でその周囲から蒸発熱を吸収して冷却機能を行い、低温・低圧の冷媒蒸気になった後、圧縮機２に吸入されて前記サイクルを繰り返す。
【０００５】
一方、前記ヒートポンプ装置は、加熱運転の際には、凝縮器として作用する室内熱交換器４で冷媒の放出熱量が多いほど成積係数が大きくなり、冷却運転の際には、蒸発器として作用する室内熱交換器４で冷媒の吸収熱量が多いほど成積係数が大きくなる。従って、加熱運転の際には、成積係数を大きくするために、凝縮器として作用する室内熱交換器４で冷媒の放出熱量を増大すると、圧縮機における冷媒蒸気の吐出し温度が高くなり、且つ外気温が低下すると、外気温の低下に比例して蒸発器として作用する室外熱交換器７の吸熱量が少なくなり、圧縮機２の圧縮比が大きくなる。そして、冷却運転の際には、外気温が高い場合、凝縮器として作用する室外熱交換器７における冷媒蒸気の凝縮が完全でなければ、凝縮温度と蒸発温度との差が大きくなることにより、圧縮機の圧縮比が大きくなる。
【０００６】
上述したように、圧縮機の圧縮比が大きくなると、圧縮後冷媒蒸気の温度が高くなって圧縮機の過熱及び潤滑油の劣化が生じて圧縮機の信頼性が低下するだけでなく、体積効率及び圧縮効率が低下するなどの現象が発生し、成積係数が小さくなるから、これを防止するために、通常、圧縮機に高圧保護スイッチを付設するか、或いはインバータ式圧縮機を採用して圧縮機の回転数を低く抑えて圧縮比を調節している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記圧縮比調節方式は、外気温が５℃以上の場合には、圧縮比の調節が良好であり、成積係数も大きく低下しないが、外気温が５℃以下の加熱運転の場合には、室外熱交換器７の近接位置に設置される除霜手段を作動させても、室外熱交換器７への着霜を完全に防止することは不可能であり、特に酷寒期には着霜量が多くなるため、室外熱交換器７における冷媒液の蒸発効率が低下し、激しければ運転不能現象をもたらすという問題点があった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決して、圧縮機の信頼性を確保するとともに、成積係数を均一に維持する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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を導管８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路において、前記導管８ｃに設置した冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間及び吸入導管にバイパス導管を連結し、前記バイパス導管に設置した冷媒液タンクと、前記バイパス導管の冷媒液タンクの入口側と出口側にそれぞれ設置した圧力調節弁及びソレノイド弁と、前記導管８ｂと導管８ｄとの間に第２バイパス導管を連結し、前記第２バイパス導管と前記バイパス導管の圧力調節弁の出口側から分枝された分枝管との間に連結され前記冷媒液タンクに内蔵された多数の毛細管とを含んでなるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の構成図である。図中、１は基本冷凍回路を示す。前記基本冷凍回路１は、圧縮機２、四方弁３、室内熱交換器４、冷却用膨張弁５、加熱用膨張弁６、室外熱交換器７及び前記四方弁３を導管８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで順次連結し、前記四方弁３と圧縮機２を吸入導管８ｅで連結して、室内熱交換器４を、加熱運転時には凝縮器、冷却運転時には蒸発器として作用するようにし、室外熱交換器７を、加熱運転時には蒸発器、冷却運転時には凝縮器として作用するようにしたものである。
【００１１】
また、前記室内熱交換器４及び室外熱交換器７の熱交換流体は、水または空気を選択的に使用するか或いは水及び空気を共に使用する。
【００１２】
９は冷媒液タンクを示す。前記冷媒液タンク９は、前記導管８ｃの冷却用膨張弁５と加熱用膨張弁６との間及び吸入導管８ｅにバイパス導管１０を連結してその中間に設置したものであり、前記バイパス導管１０の冷媒液タンク９の出口側は毛細管１０ａとした。
【００１３】
１１、１２は圧力調節弁、ソレノイド弁をそれぞれ示す。前記圧力調節弁１１とソレノイド弁１２は前記バイパス導管１０の冷媒液タンク９の入口側と出口側にそれぞれ設置した。
【００１４】
１３は毛細管を示す。前記毛細管１３は、前記冷媒液タンク９に内蔵し、その入口は前記バイパス導管１０の圧力調節弁１１の出口側から分枝された分枝管１４に、出口は前記導管８ｂと導管８ｄとの間に設けられた第２バイパス導管１６に連結してなるものであり、前記分枝管１４には膨張弁１５をさらに設置した。
【００１５】
そして、前記バイパス導管１０の圧力調節弁１１の入口側には圧力（温度）センサ１７を設置し、その出力信号によって前記圧力調節弁１１及びソレノイド弁１２のいずれかを選択的に開閉し、バイパス導管１０に加えられる圧力が設定圧力（例えば、冷媒としてＲ−２２を使用し、加熱運転時１８〜２１ｋｇ/ｃｍ²）以上の場合には、圧力調節弁１１は開放しソレノイド弁１２は閉鎖し、設定圧力以下の場合には、前記と逆に開閉する。
【００１６】
未説明符号１８、１９、２０、２１はチェックバルブである。
上述した本発明では、加熱運転の際には、四方弁３を冷媒が実線矢印方向に流れるように操作すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室内熱交換器４で凝縮し、その凝縮熱を流体と熱交換して室内暖房、温水生成、乾燥機能などを行い、前記室内熱交換器４で凝縮した高温・高圧の冷媒液は、加熱用膨張弁６で膨張した後、蒸発器として作用する室外熱交換器７で流体から蒸発熱を吸収して蒸発し、低温・低圧の冷媒蒸気になり、その後吸入導管８ｅを経由して圧縮機２に吸入されて前記サイクルを繰返し、冷却運転の際には、四方弁３を冷媒が破線矢印方向に流れるように操作すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室外熱交換器７で外気または凝縮水によって凝縮し、室外熱交換器７で凝縮した高温・高圧の冷媒液は、冷却用膨張弁５で膨張した後、蒸発器として作用する室内熱交換器４でその周囲の流体から蒸発熱を吸収して冷却機能を行い、低温・低圧の冷媒蒸気になった後吸入導管８ｅを経由して圧縮機２に吸入されて前記サイクルを繰り返すが、これは従来のものと同一である。
【００１７】
このようなサイクルによって加熱または冷却運転を行う時、蒸発器として作用する室外熱交換器７の吸熱量が少ないか、或いは凝縮器として作用する室外熱交換器７における冷媒蒸気の凝縮が完全でないなどの理由により、圧縮機２の圧縮比が大きくなると、導管８ｃを流れる冷媒液の圧力が高くなるが、その圧力が設定圧力以上の場合には、バイパス導管１０の圧力調節弁１１の入口側に設置した圧力センサ１７がその圧力を検出して圧力調節弁１１及びソレノイド弁１２に出力信号を送信し、前記出力信号を受信した圧力調節弁１１は開放され且つ開放されていたソレノイド弁１２は閉鎖される。
【００１８】
このように圧力調節弁１１が開放されると、導管８ｃを流れる冷媒液の一部はバイパス導管１０を経由して冷媒液タンク９に流入し、他の一部は分枝管１４を経由して毛細管１３で減圧・膨張しながら前記冷媒液タンク９の流入冷媒液と熱交換することにより、毛細管１３を経由する冷媒液は冷媒蒸気になり、冷媒液タンク９に流入した冷媒液は冷却される。
【００１９】
このように毛細管１３を経由しながら生成された冷媒蒸気は、加熱運転の際には、第２バイパス導管１６及びチェックバルブ２０（チェックバルブ２１は圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気の圧力によって閉鎖される）を介して室外熱交換器７で蒸発した冷媒蒸気と共に導管８ｄを経由して圧縮機２に吸入され、冷却運転の際には、第２バイパス導管１６及びチェックバルブ２１を介して室内熱交換器４で蒸発した冷媒蒸気と共に導管８ｂを経由して圧縮機２に吸入され、圧縮機２の圧縮比を低下させる。
【００２０】
一方、このように圧縮機２の圧縮比が低下し、導管８ｃを流れる冷媒の圧力が設定圧力以下に復帰すると、圧力センサ１７の出力信号が停止することにより、圧力調節弁１１は閉鎖されソレノイド弁１２は開放されて、冷媒液タンク９内で冷却された冷媒液はバイパス導管１０の毛細管１０ａによって膨張した後、吸入導管８ｅを経由する冷媒蒸気と混合されて圧縮機２に吸入される。
【００２１】
そして、このように圧縮機２の圧縮比を低下させるとき、毛細管１３だけで冷媒液を減圧・膨張させたが、毛細管１３だけでは減圧・膨張が充分でない場合には分枝管１４の膨張弁１５をさらに調節してその過熱度を調節すると、冷媒液の蒸発を良好にすることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１によれば、室内熱交換器と室外熱交換器との間に冷媒液タンクをバイパスさせて設置し、前記冷媒液タンクに毛細管を内蔵して、毛細管で蒸発した冷媒蒸気は蒸発器として作用する熱交換器の出口導管に合流させ、冷媒液タンクで冷却された冷媒液は膨張させた後、吸入導管に合流させて圧縮機に吸入されるようにして、設定圧力以上の運転時に圧縮機の圧縮比を設定値に調節できるようにしたため、圧縮機の信頼性を確保することができ、季節に拘らず適正冷媒量を維持することができ、特に酷寒期の加熱運転時にも圧縮機の効率が良好であって成積係数を均一に維持することができる。
【００２３】
本発明の請求項２及び請求項３によれば、前記請求項１の効果に加え、冷媒液の追加膨張を行うことにより、その蒸発を一層良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の構成図である。
【符号の説明】
１ 基本冷凍回路、２ 圧縮機、３ 四方弁、４ 室内熱交換器、７ 室外熱交換器、９ 冷媒液タンク、１０ バイパス導管、１１ 圧力調節弁、１２ ソレノイド弁、１３ 毛細管、１４ 分枝管、１６ 第２バイパス導管。

Claims (3)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を導管（８ａ）（８ｂ）（８ｃ）（８ｄ）で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路において、前記導管（８ｃ）に設置した冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間及び吸入導管にバイパス導管を連結し、前記バイパス導管に設置した冷媒液タンクと、前記バイパス導管の冷媒液タンクの入口側と出口側にそれぞれ設置した圧力調節弁及びソレノイド弁と、前記導管（８ｂ）と導管（８ｄ）との間に第２バイパス導管を連結し、前記第２バイパス導管と前記バイパス導管の圧力調節弁の出口側から分枝された分枝管との間に連結され前記冷媒液タンクに内蔵された多数の毛細管とを含んでなるヒートポンプ装置。
2. 分枝管に膨張弁を設置した請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. バイパス導管の冷媒液タンクの出口側を毛細管とする請求項１記載のヒートポンプ装置。

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