JP4946948B2 - ヒートポンプ式空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷媒を空気で熱交換する空冷式熱交換器と水で熱交換する水冷式熱交換器とを熱源機として併有するヒートポンプ式空気調和装置に関するものである。

従来、空冷式熱交換器を用いたヒートポンプ式空気調和装置は、冷媒を圧縮もしくは膨張により高温もしくは低温にし、その冷媒と熱交換器における空気との温度差により熱交換を行ってヒートポンプを形成している。そのため、熱交換器における熱交換量は空気温度に大きく依存していた。
その結果、室外機において高温外気での凝縮能力低下による冷房能力の低下、低温外気での蒸発能力低下による暖房能力の低下が空気調和装置における室内快適性の阻害要因となっている。更に、低温外気利用の暖房時には室外機の冷媒温度が氷点下になるので、空冷式熱交換器の外表面に霜が付着し、ある程度霜が付着したら除霜運転が必要となっていた。ところが、このような除霜運転時には暖房運転ができないうえ、ヒートポンプを構成していた冷媒回路が冷房用回路となるため、室内機での冷媒が冷たくなって、低温空気のドラフトによる冷風感や室温の低下が問題となる。

一方、外気温度の影響を受けない水冷式熱交換器を用いたヒートポンプ式空気調和装置は、空冷式熱交換器の上記欠点を補うものであるが、熱源となる水が常時必要であり、その水源の確保や水質管理が大変である。また、水源側のメンテナンス時には空気調和装置が使えない場合がある。
そこで、このような問題に対して、下記の特許文献１は室外機において空冷式熱交換器と水冷式熱交換器とを組み合わせた空調装置を提案している。しかしながら、下記文献１記載の空調装置は、空冷式熱交換器と水冷式熱交換器とを切り換えて暖房などに使用するものであり、室外機の熱交換器の除霜運転に関しては特に工夫がなされていない。

特開２００６−０１０２９４号公報

ところで、従来からの空冷式熱交換器で課題であった低温外気での暖房の低下、高温外気での冷房能力の低下について、水冷式熱交換器を使用することで能力低下を低減することが可能である。また、除霜運転についても水冷式熱交換器が空冷式熱交換器と同程度の能力を有する場合は、低温外気でも水冷式熱交換器を使うことで蒸発温度を０℃以上に保ち、霜の付かない運転が可能である。
しかし、空冷式熱交換器を主体的に使い、能力の低下する高温外気・低温外気時に能力の小さな水冷式熱交換器を補助的に使用する場合では、水冷式熱交換器の容量だけで低温外気での蒸発温度０℃以上を維持することは難しく、除霜運転は避けられない。そのため、室内側で低温空気のドラフトによる冷風感や室温の低下が問題となる。また、除霜運転後に通常の暖房運転に戻るまでの間は暖房能力が不足しているため、室温が上がりにくいという問題もある。

この発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、熱源側の空冷式熱交換器の除霜運転を行う場合でも、暖房運転を継続しながら室内側での冷風感や室温の低下を防止することのできるヒートポンプ式空気調和装置の提供を目的とする。

この発明のヒートポンプ式空気調和装置は、圧縮機、蒸発器、第１膨張弁、および冷媒を空気と熱交換させる空冷式熱交換器を当該順に環状に連結してなる冷媒回路と、第１膨張弁と空冷式熱交換器との間の冷媒回路に設けた第１分岐部から分岐して、空冷式熱交換器と圧縮機の吸込側との間の冷媒回路に設けた第１合流部に合流する第１分岐回路とを備え、第１分岐回路に、冷媒を水と熱交換させる水冷式熱交換器を配備したヒートポンプ式空気調和装置において、第１分岐部と空冷式熱交換器との間の冷媒回路に設けた第２分岐部から分岐して、第１分岐部と水冷式熱交換器との間の第１分岐回路に設けた第２合流部に合流する第２分岐回路と、第２分岐回路に配備した第２膨張弁と、第１分岐部と第２分岐部との間の冷媒回路に設けた第１開閉弁と、第１分岐部と第２合流部との間の第１分岐回路に設けた第２開閉弁と、空冷式熱交換器と第１合流部との間の冷媒回路に配備された流路切替装置と、圧縮機と蒸発器との間の冷媒回路から分岐して流路切替装置に連結された第３分岐回路と、第３分岐回路に配備された冷媒絞り装置と、流路切替装置に連結された行き止まり管路とを備えて成り、流路切替装置の作動により、第３分岐回路と空冷式熱交換器とを連通する流路と、空冷式熱交換器と圧縮機の吸込側とを連通する流路とが切り換えられるように構成されたものである。

この発明のヒートポンプ式空気調和装置によれば、空冷式熱交換器の除霜運転を行う際に、第１開閉弁が閉止され、第２開閉弁が開かれ、第３分岐回路と空冷式熱交換器とを連通するように流路切替装置の流路が切り換えられ、第２分岐回路を流通する冷媒の流量が第２膨張弁により調整されるので、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を室内側の蒸発器へ送って暖房運転を継続しつつ、このガス冷媒の一部を空冷式熱交換器にも送って同時に除霜を行なうことができ、水冷式熱交換器を霜の融解熱源および冷媒の蒸発熱源として使用できる。これにより、室内側での冷風感や室温の低下を防止する効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１におけるヒートポンプ式空気調和装置の回路構成を示す構成図である。
図において、このヒートポンプ式空気調和装置は、例えば、冷媒回路の熱源機である１台の室外機と、この室外機に並列接続された２台の室内機とから構成されている。但し、室内機は室外機１台に対し１台でもよいし３台以上並列接続されていても構わない。前記の室外機には、圧縮機１、空冷式熱交換器１３、水冷式熱交換器１４、アキュームレータ２１、流路切替装置１９などが配備されている。一方の室内機には室内側熱交換器５、送風機３、第１膨張弁７が配備され、他方の室内機には室内側熱交換器６、送風機４、第１膨張弁８が配備されている。そして、前記の冷媒回路は、圧縮機１、室内側熱交換器５，６、第１膨張弁７，８、空冷式熱交換器１３、冷暖房切替用の流路切替装置１９、およびアキュームレータ２１を当該順に冷媒配管２３，２３，２３，・・・で環状に連結して構成されている。また、圧縮機１の吐出側の冷媒配管２３には高圧圧力検出用の圧力センサ２が設けられている。アキュームレータ２１へ戻る冷媒配管２３には低圧圧力検出用の圧力センサ２０が取り付けられている。空冷式熱交換器１３近傍の冷媒回路には空冷式熱交換器１３の冷媒圧力を検出する圧力センサ１２が取り付けられている。アキュームレータ２１は冷媒回路内で余剰となった液冷媒を一時貯留する。流路切替装置１９は、圧縮機１からのガス冷媒の流路を、暖房時は室内側熱交換器５，６側へ、冷房時は空冷式熱交換器１３および水冷式熱交換器１４側へ切り替えるようになっている。

前記した空冷式熱交換器１３は送風機１７から効率的に送られた室外空気と冷媒を熱交換させるようになっている。室内機の第１膨張弁７，８と空冷式熱交換器１３との間となる室外機の冷媒回路２４には第１分岐部２５が設けられている。空冷式熱交換器１３と圧縮機１の吸込側との間の冷媒回路には第１合流部２６が設けられている。そして、第１分岐部２５から分岐して第１合流部に合流するように第１分岐回路２７が配備されている。第１分岐回路２７には水冷式熱交換器１４が配備されている。水冷式熱交換器１４は開閉弁１５付きの水配管１６を流通する熱源水と冷媒を熱交換させるようになっている。水配管１６は水冷式熱交換１４にて熱交換後の熱源水を外部へ再度戻すように配管されている。第１分岐部２５と空冷式熱交換器１３との間の冷媒回路には第２分岐部３２が設けられている。第１分岐部２５と水冷式熱交換器１４との間の第１分岐回路２７には第２合流部３３が設けられている。第２分岐部３２と第２合流部３３とは第２分岐回路２８で接続されている。第２分岐回路２８には第２膨張弁１０が配備されている。第１分岐部３２と第２分岐部２８との間の冷媒回路には第１開閉弁９が配備されている。第１分岐部３２と第２合流部３３との間の第１分岐回路には第２開閉弁１１が配備されている。

そして、空冷式熱交換器１３と第１合流部２６との間の冷媒回路には、四方切換弁などで構成された流路切替装置１８の二口が連結されている。圧縮機１の吐出側と室内側熱交換器５，６との間の冷媒回路には第３分岐部３４が設けられている。この第３分岐部３４から分岐する第３分岐回路２９は流路切替装置１８の一口に連結されている。流路切替装置１８の残り一口には、冷媒の流れを止めるための行き止まり管路３０が連結されている。そして、第３分岐回路２９には、例えばキャピラリーなど構成される冷媒絞り装置２２が配備されている。上記した流路切替装置１８は、流路切替弁の作動により、第３分岐回路２９と空冷式熱交換器１３とを連通する流路と、空冷式熱交換器１３と圧縮機１の吸込側とを連通する流路とを切り換えられるようになっている。また、この空気調和装置は、主に第１開閉弁９、第２開閉弁１１、流路切替装置１８、および第２膨張弁１０を駆動制御する制御部３１を備えている。制御部３１は例えばマイコンの中央演算処理ユニットで構成されている。

次に各冷媒回路での動作について説明する。
図１は暖房運転時に水冷式熱交換器を使用せず空冷式熱交換器のみを使用する場合を示している。この場合、制御部３１は、第１開閉弁９を開き、第２開閉弁１１、第２膨張弁１０、および開閉弁１５を閉止し、流路切替装置１８の流路を空冷式熱交換器１３から流路切替装置１９へ連通させるように制御する。
そこで、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は流路切替装置１９を経て室内機側へ送られる。室内機では、暖房運転時に凝縮器として機能する室内側熱交換器５，６により高圧のガス冷媒が凝縮し、その凝縮熱が暖房用の熱源として使用される。送風機３，４の送風量は室内の暖房負荷により決定される。室内側熱交換器５，６を出た冷媒は第１膨張弁７，８で減圧されて膨張し低圧の二相冷媒となる。第１膨張弁７，８は弁入側の冷媒の過冷却度が一定となるように弁開度が制御される。室外機では、開閉弁１１が閉、第２膨張弁１０が閉、開閉弁９が開となっているので、室内機から戻った冷媒は空冷式熱交換器１３にのみ流れる。空冷式熱交換器１３において、低圧の二相冷媒は送風機１７により送られる室外空気と熱交換を行なって低圧のガス冷媒（乾き度の高い二相冷媒の場合もある）になる。空冷式熱交換器１３を出たガス冷媒は流路切替装置１８から流路切替装置１９を経てアキュームレータ２１へ入る。アキュームレータ２１では、二相冷媒中の液冷媒が分離され、冷媒ガスのみが圧縮機１へ吸入される。

一方、図２は暖房運転時に空冷式熱交換器と水冷式熱交換器を併用する場合を示している。この場合、制御部３１は図１の状態から、第２膨張弁１０と開閉弁１５を開にして、水冷式熱交換器１４にも冷媒が流れるようにする。制御部３１は空冷式熱交換器１３と水冷式熱交換器１４の出口冷媒温度を同じくするように第２膨張弁１０の開度制御を行う。つまり、空冷式熱交換器１３の熱交換能力が低下して、冷媒温度が低下した場合は、第２膨張弁１０の弁開度を開く方向に制御して水冷式熱交換器１４へ流れる冷媒量を増やす。尚、低温外気の場合、第２膨張弁１０を全開にしても蒸発能力不足により空冷式熱交換器１３に霜が付着し、除霜運転を必要とする場合がある。

上記したように、この空気調和装置によれば、空冷式熱交換器１３、または水冷式熱交換器１４の単独利用による暖房運転はもとより、空冷式熱交換器１３および水冷式熱交換器１４を併用した高能力の暖房運転を行なうことができる。

実施の形態２．
図３は空冷式熱交換器の除霜運転を行なうとともに、暖房運転も継続する場合を示している。この場合、制御部３１は、空冷式熱交換器１３の除霜運転にあたり、前述した図２の状態から、第１開閉弁９を閉止し、第２開閉弁１１を開き、第３分岐回路２９と空冷式熱交換器１３とを連通するように流路切替装置１８の流路を切り換える。また、室内機の送風機３，４は冷媒圧力を高めに維持するため、風量を低めに変更される。室外機の送風機１７は除霜のために停止される。

そこで、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、その一部が流路切替装置１９を経て暖房運転のみの場合と同様、室内機側へ送られて暖房に使用される。第１膨張弁７，８において、ガス冷媒は、通常の暖房運転と同様、弁入側の過冷却度が一定となるように自動制御されて減圧膨張される。ガス冷媒の残りは第３分岐部３４から第３分岐回路２９に送られる。第３分岐回路２９へ流れたガス冷媒は冷媒絞り装置２２により少し減圧されて中圧圧力（例えば２ＭＰａ程度）となった後に、流路切替装置１８を経て空冷式熱交換器１３へ入る。空冷式熱交換器１３に付着した霜は中圧ガスにより溶かされ、除霜される。中圧のガス冷媒は除霜にともなって中圧液冷媒となって、空冷式熱交換器１３を出る。尚、第３分岐回路２９において、冷媒を冷媒絞り装置２２により減圧しているが、これは、高温高圧のガス冷媒でそのまま除霜すると、空冷式熱交換器１３と接している霜のみが瞬時に溶け、空冷式熱交換器１３のフィン同士の間に霜が残ってしまうため、冷媒絞り装置２２で圧力を下げることで除霜温度を下げ、これによって空冷式熱交換器１３に霜が残らないようにするためである。

空冷式熱交換器１３を出た中圧液冷媒は第２分岐回路２８を流れ第２膨張弁１０により減圧膨張されて低圧二相冷媒（圧力；０．５ＭＰａ程度）となり、室内機側から第１分岐回路２７を通って戻ってきた低圧二相冷媒と第２合流部３３で合流する。制御部３１は、圧力センサ１２により検知された中圧圧力が一定となるように、第２膨張弁１０の弁開度を調整する。例えば、冷媒の中圧圧力が所定圧力よりも低い場合は第２膨張弁１０の弁開度を閉じ、高い場合は開ける方向に制御する。第２合流部３３で合流した低圧二相冷媒は、水冷式熱交換器１４で熱源水と熱交換して乾き度の高い低圧二相冷媒となり、流路切替装置１９を経てアキュームレ一夕２１へ入る。アキュームレータ２１では、二相冷媒中の液冷媒が分離され、冷媒ガスのみが圧縮機１へ吸入される。

以上のように、この実施の形態３の空気調和装置によれば、冷媒回路および運転制御により、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を室内側の蒸発器へ送って室内機の暖房運転を継続しつつ、ガス冷媒の一部を室外機の空冷式熱交換器にも送って除霜運転を同時に行うことが可能となる。これにより、除霜運転時の室内側での冷風感や室温の低下を防止する効果が得られ、室内快適性を向上することができる。

実施の形態１におけるヒートポンプ式空気調和装置の回路構成を示す構成図である。 前記ヒートポンプ式空気調和装置において空冷式熱交換器および水冷式熱交換器を併用して暖房運転を行なう態様を説明するための構成図である。 前記ヒートポンプ式空気調和装置において空冷式熱交換器の除霜運転および暖房運転を行なう態様を説明するための構成図である。

符号の説明

１ 圧縮機、５ 室内側熱交換器（蒸発器）、６ 室内側熱交換器（蒸発器）、７ 第１膨張弁、８ 第１膨張弁、９ 第１開閉弁、１０ 第２膨張弁、１１ 第２開閉弁、１３ 空冷式熱交換器、１４ 水冷式熱交換器、１８ 流路切替装置、２２ 冷媒絞り装置、２３ 冷媒配管、２４ 冷媒回路、２５ 第１分岐部、２６ 第１合流部、２７ 第１分岐回路、２８ 第２分岐回路、２９ 第３分岐回路、３０ 行き止まり管路、３１ 制御部、３２ 第２分岐部、３３ 第２合流部。

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、第１膨張弁、および冷媒を空気と熱交換させる空冷式熱交換器を当該順に環状に連結してなる冷媒回路と、前記第１膨張弁と前記空冷式熱交換器との間の冷媒回路に設けた第１分岐部から分岐して、前記空冷式熱交換器と前記圧縮機の吸込側との間の冷媒回路に設けた第１合流部に合流する第１分岐回路とを備え、前記第１分岐回路に、冷媒を水と熱交換させる水冷式熱交換器を配備したヒートポンプ式空気調和装置において、
   前記第１分岐部と前記空冷式熱交換器との間の冷媒回路に設けた第２分岐部から分岐して、前記第１分岐部と前記水冷式熱交換器との間の第１分岐回路に設けた第２合流部に合流する第２分岐回路と、
   前記第２分岐回路に配備した第２膨張弁と、
   前記第１分岐部と前記第２分岐部との間の冷媒回路に設けた第１開閉弁と、
   前記第１分岐部と前記第２合流部との間の第１分岐回路に設けた第２開閉弁と、
   前記空冷式熱交換器と前記第１合流部との間の冷媒回路に配備された流路切替装置と、
   前記圧縮機と前記凝縮器との間の冷媒回路から分岐して前記流路切替装置に連結された第３分岐回路と、
   前記第３分岐回路に配備された冷媒絞り装置と、
   前記流路切替装置に連結された行き止まり管路とを備えて成り、
   前記流路切替装置の作動により、前記第３分岐回路と前記空冷式熱交換器とを連通する流路と、前記空冷式熱交換器と前記圧縮機の吸込側とを連通する流路とが切り換えられるように構成されていることを特徴とするヒートポンプ式空気調和装置。
2. 空冷式熱交換器の除霜運転時に、第１開閉弁を閉止し、第２開閉弁を開き、第３分岐回路と空冷式熱交換器とを連通するように流路切替装置の流路を切り換え、第２分岐回路を流通する冷媒を第２膨張弁により絞る、制御部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式空気調和装置。

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