JP3806224B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄熱機能を有する冷凍サイクル装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
冷凍サイクル中に蓄熱タンクを設け、例えば夜間電力を利用した蓄熱運転により暖房用の温熱(または冷房用の冷熱)を蓄え、その蓄熱を空調に利用する冷凍サイクル装置がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的とするところは、蓄熱を利用する暖房から、外気からの吸熱を利用する暖房への移行に際し、圧縮機の損傷を回避しながら暖房のスムーズな移行が可能な信頼性にすぐれた冷凍サイクル装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
第1の発明(請求項1)の冷凍サイクル装置は、外気からの吸熱のみ利用する暖房運転の機能を備え、外気からの吸熱と蓄熱を同時に利用する蓄熱利用暖房運転の機能を備え、この蓄熱利用暖房運転から、外気からの吸熱のみ利用する暖房運転への移行に際し、圧縮機の運転周波数を予め低減する。
【0008】
第2の発明(請求項2)の冷凍サイクル装置は、第1の発明において、蓄熱利用暖房運転から、外気からの吸熱のみ利用する暖房運転への移行に際し、さらに、電動膨張弁の開度を予め増大する。
【0009】
第3の発明(請求項3)の冷凍サイクル装置は、第1または第2の発明において、圧縮機は複数の圧縮室を有し、外気からの吸熱のみ利用する暖房運転では室外熱交換器を経た冷媒を圧縮機の各圧縮室に流入し、蓄熱利用暖房運転では蓄熱手段を経た冷媒を圧縮機の各圧縮室の少なくとも一つに流入する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の参考例について図面を参照して説明する。
図1において、1は圧縮機で、容量が互いに異なる2つの圧縮室(シリンダ)1a,1bを有する。1aの方が大きく、1bの方が小さい。
【0011】
この圧縮機1の吐出口に四方弁2および二方弁3を介して室内熱交換器4が配管接続され、その室内熱交換器4に二方弁5および減圧手段たとえば電動膨張弁6を介して室外熱交換器7が配管接続される。電動膨張弁6は、供給される駆動パルスの数に応じて開度が変化するパルスモータバルブ(PMV)である。
【0012】
室外熱交換器7は四方弁2およびサクションカップ8を介して圧縮機1の圧縮室1a,1bにそれぞれ配管接続される。サクションカップ8から圧縮室1a,1bにつながる両配管には、逆止弁9,10がそれぞれ設けられる。
【0013】
ここまでは一般的なヒートポンプ式冷凍サイクルの構成である。
そして、二方弁5と電動膨張弁6との間の配管から、圧縮室1bにつながる配管にかけて、蓄熱利用二方弁11、減圧手段であるキャピラリチューブ12、蓄熱手段である蓄熱タンク13の熱交換器14、およびサクションカップ15が順次に配管接続される。さらに、サクションカップ15の流出口から圧縮室1aにつながる配管にかけて、蓄熱全利用二方弁16が配管接続される。
【0014】
一方、制御部20に、圧縮機1、四方弁2、二方弁3、二方弁5、電動膨張弁6、二方弁11、二方弁16、操作部21、およびタイマ22が接続される。
制御部20は、主要な機能手段として、次の[1]〜[4]を備える。
【0015】
[1]圧縮機1の吐出冷媒を四方弁2、二方弁3、室内熱交換器4、二方弁5、電動膨張弁6、室外熱交換器7、四方弁2、サクションカップ8と流し、一方はそのまま、他方は逆止弁9を通して圧縮機1に戻し、外気からの吸熱のみ利用する通常の暖房運転を行なう第1運転手段。
【0016】
[2]圧縮機1の吐出冷媒を四方弁2、二方弁3、室内熱交換器4、二方弁5、二方弁11、キャピラリチューブ12、蓄熱タンク13の熱交換器14、サクションカップ15(および二方弁16)に通して圧縮機1に戻し、蓄熱のみ利用する暖房運転を行なう第2運転手段。
【0017】
[3]圧縮機1の吐出冷媒を四方弁2、二方弁3、室内熱交換器4、二方弁5、電動膨張弁6、室外熱交換器7、四方弁2、サクションカップ8、逆止弁9,10に通して圧縮機1に戻すとともに、二方弁5を経た冷媒を分流して二方弁11、キャピラリチューブ12、蓄熱タンク13の熱交換器14、サクションカップ15に通して圧縮機1に戻し、外気からの吸熱と蓄熱とを同時に利用する暖房運転を行なう第3運転手段。
【0018】
[4]運転開始に際し、タイマ22の計時による所定時間t1 だけ第2運転手段による暖房運転(蓄熱のみ利用)を先ず実行し、次にタイマ22の計時による所定時間t2 だけ第3運転手段による暖房運転(外気+蓄熱同時利用)を実行し、次に第1運転手段による暖房運転(外気からの吸熱のみ利用)を実行せしめる制御手段。
【0019】
つぎに、上記の構成の作用を説明する。
暖房運転の開始に際し、蓄熱タンク13に十分な熱量が蓄えられていることを前提として、蓄熱のみ利用する暖房運転が先ず実行される。すなわち、圧縮機1が起動されるとともに、四方弁2が図1の状態に切換えられ、二方弁3,5が開放される。さらに、電動膨張弁6が全閉されるとともに、二方弁11,16が開放される。
【0020】
圧縮機1の吐出冷媒は四方弁2および二方弁3を通って室内熱交換器4に流れ、その室内熱交換器4を経た冷媒が二方弁5を通りそこから二方弁11側に流れてその二方弁11およびキャピラリチューブ12を通り、蓄熱タンク13の熱交換器14に流入する。
【0021】
蓄熱タンク13は蓄熱剤(例えば、水等)を収容しており、例えば夜間電力を用いた図示しない電気ヒータ等により、予め、蓄熱剤に暖房用の温熱が蓄えられる。熱交換器14を流れる冷媒は、この蓄熱(温熱)を奪って蒸発する。
【0022】
熱交換器14を経た冷媒は四方弁2、サクションカップ15を通って圧縮機1の圧縮室1aへ吸込まれるとともに、サクションカップ15からの分流が二方弁16を通って圧縮機1の圧縮室1bへ吸込まれる。
【0023】
こうして、蓄熱タンク13の蓄熱(温熱)が暖房熱として室内に放出される。とくに、圧縮機1の圧縮室1a,1bの両方に冷媒が流入するので、熱交換器 14における冷媒流量が多くなり、蓄熱を最大限に利用する蓄熱全利用の暖房が行なわれる。
【0024】
運転開始時はこの蓄熱利用のみの暖房運転を行なうことにより、通常の外気からの吸熱による暖房運転を行なう場合に比べ、暖房の立上がりが速くなり、快適性が向上する。
【0025】
一方、暖房運転の開始と同時にタイマ22が作動しており、タイマ22の計時が所定時間t1 に達すると、外気からの給熱と蓄熱を同時利用する暖房運転が実行される。すなわち、四方弁2、二方弁3,5、二方弁11は同じ状態のまま、電動膨張弁6が所定の開度に制御され、かつ二方弁16が閉成される。
【0026】
圧縮機1の吐出冷媒は四方弁2および二方弁3を通って室内熱交換器4に流れ、その室内熱交換器4を経た冷媒の一部が二方弁5および電動膨張弁6を通って室外熱交換器7に流れる。そして、室外熱交換器7を経た冷媒が四方弁2、サクションカップ8、および逆止弁9,10を通り、圧縮機1に吸込まれる。室外熱交換器7を流れる冷媒は外気から熱を吸い上げて蒸発する。
【0027】
さらに、室内熱交換器4を経た残りの冷媒が二方弁11側に分流してその二方弁11およびキャピラリチューブ12を通り、蓄熱タンク13の熱交換器14に流入する。そして、熱交換器14を経た冷媒が四方弁2およびサクションカップ15を通り、圧縮機1の圧縮室1aへ吸込まれる。熱交換器14を流れる冷媒は、蓄熱剤から熱を奪って蒸発する。
【0028】
この場合、二方弁16が閉成しているので、サクションカップ15を経た冷媒は圧縮室1aへ流入するのみで圧縮室1bへは流入しない。よって、熱交換器 14における冷媒流量はあまり多くなく、蓄熱の利用率が低く設定される。
【0029】
このように、運転開始から所定時間が経過した後は、蓄熱を節約して利用する暖房に移行し、同時に、外気からの吸熱を利用した暖房を行なうことにより、暖房能力を十分に得ることができる。
【0030】
しかる後、タイマ22の計時によってさらに所定時間t2 が経過すると、蓄熱タンク13での蓄熱量が無くなるとともに、暖房の立上がりがほぼ完了したとの判断の下に、外気からの給熱のみ利用する通常の暖房運転が実行される。すなわち、四方弁2、二方弁3,5、電動膨張弁6、二方弁16は同じ状態のまま、二方弁11が閉成される。
【0031】
圧縮機1の吐出冷媒は四方弁2および二方弁3を通って室内熱交換器4に流れ、その室内熱交換器4を経た冷媒が二方弁5および電動膨張弁6を通って室外熱交換器7に流れる。そして、室外熱交換器7を経た冷媒が四方弁2、サクションカップ8、および逆止弁9,10を通り、圧縮機1に吸込まれる。室外熱交換器7を流れる冷媒は外気から熱を吸い上げて蒸発する。
【0032】
外気からの給熱のみ利用する暖房運転は、蓄熱利用の場合のように時間的制限を何ら受けることなく、継続できる。
このように、蓄熱のみ利用する暖房から始めて、次に外気からの吸熱と蓄熱を同時利用する暖房へと移行し、さらに外気からの吸熱のみ利用する暖房へと移行することにより、蓄熱を利用する暖房の特長および外気からの吸熱を利用する暖房の特長をそれぞれ活かした最適な暖房を行なうことができる。
運転モードと電動膨張弁6および二方弁11,16の動作との関係を下記表1に示す。
【0033】
【表1】
【0034】
次に、この発明の第1実施例について説明する。なお、図面において参考例と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図2に示すように、蓄熱タンク13に蓄熱温度センサ30が設けられる。この蓄熱温度センサ30は、蓄熱タンク13内の蓄熱剤(例えば、水等)の温度Tw を検知する。
【0035】
さらに、インバータ回路40が設けられる。このインバータ回路40は、商用交流電源41の電圧を制御部20からの指令に応じた周波数の電圧に変換し出力する。この出力が圧縮機1のモータ(圧縮機モータ)に駆動電力として供給される。圧縮機モータは、インバータ回路40の出力周波数に応じて回転速度が変化する。この回転速度変化に伴い、圧縮機1の能力が変化する。
【0036】
逆止弁10、二方弁16、およびタイマ22は設けていない。
制御部20は、次の[1]〜[4]の機能手段を備える。
[1]圧縮機1の吐出冷媒を四方弁2、二方弁3、室内熱交換器4、二方弁5、電動膨張弁6、室内熱交換器7、四方弁2、サクションカップ8と流し、一方はそのまま、他方は逆止弁9を通して圧縮機1に戻し、外気からの吸熱のみ利用する通常の暖房運転を行なう第1運転手段。
【0037】
[2]圧縮機1の吐出冷媒を四方弁2、二方弁3、室内熱交換器4、二方弁5、電動膨張弁6、室内熱交換器7、四方弁2、サクションカップ8と流し、一方はそのまま、他方は逆止弁9を通して圧縮機1に戻すとともに、二方弁5を経た冷媒を分流して二方弁11、キャピラリチューブ12、蓄熱タンク13の熱交換器14、サクションカップ15に通して圧縮機1に戻し、外気からの吸熱と蓄熱とを同時に利用する蓄熱利用暖房運転を行なう第2運転手段。
【0038】
[3]運転開始に際し、第2運転手段による暖房運転(蓄熱利用)を先ず実行し、その後、蓄熱温度センサ30の検知温度Twが設定値Tw2 まで低下したとき、第1運転手段による暖房運転(外気からの吸熱のみ利用)を実行せしめる制御手段。
【0039】
[4]第2運転手段による暖房運転(蓄熱利用)から第1運転手段による暖房運転(外気からの吸熱のみ利用)への移行に際し、圧縮機1の運転周波数(インバータ回路40の出力周波数)Fを予め低減する制御手段。具体的な低減のタイミングは、蓄熱温度センサ30の検知温度Twが設定値Tw3 (>Tw2 )まで低下したときである。
【0040】
つぎに、上記の構成の作用を図3を参照しながら説明する。
暖房運転の開始に際し、蓄熱利用暖房運転が先ず実行され、蓄熱タンク13の蓄熱(温熱)が暖房熱として室内に放出される。
【0041】
運転開始時はこの蓄熱利用暖房運転を行なうことにより、通常の外気からの吸熱による暖房運転を行なう場合に比べ、暖房の立上がりが速くなり、快適性が向上する。
【0042】
一方、蓄熱タンク13の蓄熱温度Twが蓄熱温度センサ30により検知されており、その検知温度Twが設定値Tw2 まで低下すると、蓄熱タンク13での蓄熱量が無くなるとともに、暖房の立上がりがほぼ完了したとの判断の下に、外気からの給熱のみ利用する通常の暖房運転が実行される。
【0043】
外気からの給熱のみ利用する暖房運転は、蓄熱利用の場合のように時間的制限を何ら受けることなく、継続できる。
このように、蓄熱を利用する暖房から初め、蓄熱温度Twが設定値Tw2 まで低下したところで外気からの吸熱のみ利用する暖房へと移行することにより、蓄熱を利用した暖房の特長および外気からの吸熱を利用した通常の暖房の特長をそれぞれ活かした最適な暖房を行なうことができる。
【0044】
ところで、蓄熱を利用する暖房から、外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行に際しては、二方弁11の閉成に伴い、冷凍サイクル中の冷媒の流量や圧力が急激に変動し、それが圧縮機1にかかる負荷の急激な増大となって現れる。こうなると、圧縮機1内の潤滑油にフォーミング(発泡)現象が生じ、圧縮機1の摺動部の潤滑性が損なわれる虞がある。
【0045】
そこで、蓄熱温度センサ30の検知温度Twが設定値Tw3 (>Tw2 )まで低下したとき、圧縮機1の運転周波数F(Hz)が所定値だけ低減される。このタイミングは、外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行前である。
【0046】
このように、蓄熱を利用する暖房から、外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行に際し、圧縮機1の運転周波数F(Hz)を予め低減することにより、冷凍サイクル中の冷媒の流量や圧力の急激な変動が極力防止される。これにより、圧縮機1にかかる負荷の急激な増大が防止され、圧縮機1内の潤滑油にフォーミング(発泡)現象が生じる事態を避けることができる。ひいては、圧縮機1内の良好な潤滑性を維持して圧縮機1の損傷を回避することができ、信頼性の向上が図れる。
【0047】
そして、検知温度Twがさらに低下して設定値Tw1 (<Tw2 )に至ると、運転周波数F(Hz)の低減が解除され、運転周波数Fが通常値に復帰される。このタイミングは、外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行後である。
【0048】
このように、移行後は運転周波数Fを通常値に復帰させることにより、暖房能力不足を生じることなく、外気からの吸熱のみ利用する暖房へのスムーズな移行が可能となり、快適性が向上する。
【0049】
次に、この発明の第2実施例について説明する。
制御部20は、第1実施例の[1]〜[4]の機能手段に加え、次の[5]の機能手段を有する。
【0050】
[5]第2運転手段による暖房運転(蓄熱利用)から第1運転手段による暖房運転(外気からの吸熱のみ利用)への移行に際し、電動膨張弁6の開度Pを予め増大する制御手段。具体的な低減のタイミングは、蓄熱温度センサ30の検知温度Twが設定値Tw3 (>Tw2 )まで低下したときである。
【0051】
他の構成は第1実施例と同じである。
作用を説明する。
図4に示すように、蓄熱温度センサ30の検知温度Twが設定値Tw3 (>Tw2 )まで低下したとき、圧縮機1の運転周波数F(Hz)が所定値だけ低減され、同時に、電動膨張弁6の開度がそれまでの制御開度P1 から所定開度P2 (>P1 )へ増大される。
【0052】
このように、蓄熱を利用する暖房から、外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行に際しては、圧縮機1の運転周波数F(Hz)を予め低減することにより、前記したように圧縮機1の損傷を回避でき、信頼性の向上が図れる。
【0053】
しかも、運転周波数Fの低減と同時に電動膨張弁6の開度を増大するので、運転周波数Fの低減にかかわらず、室外熱交換器7への冷媒流量が増えて外気からの吸熱量が十分な状態に維持される。よって、暖房能力不足を生じない。
【0054】
そして、検知温度Tw がさらに低下して設定値Tw1(<Tw2)に至ると、運転周波数F(Hz)の低減が解除され、運転周波数Fが通常値に復帰される。これにより、外気からの吸熱のみ利用する暖房へのスムーズな移行が可能となる。
【0055】
なお、第1および第2実施例では、蓄熱タンク13の熱交換器14を経た冷媒を圧縮機1の圧縮室1aのみに流入する構成としたが、参考例と同じ冷凍サイクルとして圧縮室1a,1bの両方に流入する構成としてもよい。要は、圧縮室1a,1bの少なくとも一つに流入させればよい。
【0056】
また、第1および第2実施例では、蓄熱を利用する暖房から外気からの吸熱のみ利用する暖房への移行での運転周波数Fと電動膨張弁6の開度を制御する構成としたが、参考例での第1〜第3の各運転手段が移行する際の運転周波数Fと電動膨張弁6の開度を制御としてもよい。
その他、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【0058】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、蓄熱を利用する暖房運転から、外気からの吸熱のみ利用する暖房運転への移行に際し、圧縮機の運転周波数を予め低減する構成としたので、圧縮機の損傷を回避しながら暖房のスムーズな移行が可能な信頼性にすぐれた冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例の構成を示す図。
【図2】 第1実施例および第2実施例の構成を示す図。
【図3】 第1実施例の作用を説明するための図。
【図4】 第2実施例の作用を説明するための図。
【符号の説明】
1…圧縮機
1a,1b…圧縮室
2…四方弁
3,5…二方弁
4…室内熱交換器
6…電動膨張弁
7…室外熱交換器
11…蓄熱利用二方弁
13…蓄熱タンク
14…熱交換器
16…蓄熱全利用二方弁
20…制御部
22…タイマ
30…蓄熱温度センサ
40…インバータ回路
Claims (3)
- 圧縮機、室内熱交換器、減圧手段、室外熱交換器、および蓄熱手段を備えた冷凍サイクル装置において、
前記圧縮機の吐出冷媒を前記室内熱交換器、減圧手段、室外熱交換器に通して圧縮機に戻し、外気からの吸熱を利用した暖房運転を行なう第1運転手段と、
前記圧縮機の吐出冷媒を前記室内熱交換器、減圧手段、室外熱交換器に通して圧縮機に戻すとともに、室内熱交換器を経た冷媒を分流して前記蓄熱手段に通して圧縮機に戻し、外気からの吸熱とともに蓄熱を利用した暖房運転を行なう第2運転手段と、
前記第2運転手段による暖房運転から前記第1運転手段による暖房運転への移行に際し、前記圧縮機の運転周波数を予め低減する制御手段と、
を具備したことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記第2運転手段による暖房運転から前記第1運転手段による暖房運転への移行に際し、前記電動膨張弁の開度を予め増大する制御手段をさらに具備したことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。
- 前記圧縮機は複数の圧縮室を有し、
前記第1運転手段による暖房運転時は前記室外熱交換器を経た冷媒を圧縮機の各圧縮室に流入し、前記第2運転手段による暖房運転時は前記蓄熱手段を経た冷媒を圧縮機の各圧縮室の少なくとも一つに流入する構成とした、
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の冷凍サイクル装置。
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