JP5357418B2

JP5357418B2 - ヒートポンプ式空気調和機

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Publication number: JP5357418B2
Application number: JP2007303420A
Authority: JP
Inventors: 篤塩谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP2009127939A; EP3388758A1; WO2009066581A1; EP2211127A4; EP2211127A1

Description

本発明は、室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けたヒートポンプ式空気調和機に関するものである。

ヒートポンプ式空気調和機では、暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器に空気中の水分が霜となって着霜し、熱交換を阻害するため、霜が堆積したことを検知して霜を溶かすデフロスト(除霜)運転を行うようにしている。しかし、寒冷地での使用や低外気温時には、デフロストによって滴下したドレン水が室外熱交換器の下部やドレンパン上で再氷結する現象が見られる。この場合、室外熱交換器の下方部が氷により閉ざされ、その氷が融解、凍結を繰り返すことによって成長し、能力の低下のみならず、酷いときには熱交換器の破損やドレンパンの変形等に至る可能性さえある。

そこで、従来から、室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器やレシーバタンクあるいはヒータを設け、暖房運転時およびデフロスト時に室外熱交換器の下部およびドレンパンを加温することによって、その凍結を防止するようにしたものが種々提案されている（特許文献１ないし４参照）。
すなわち、特許文献１には、室外熱交換器の下部に凍結防止コイルを設け、暖房時およびデフロスト時、この凍結防止コイルに冷媒貯留タンクから導出される中間圧のガス冷媒または液冷媒を導入するようにしたものが記載されている。

また、特許文献２には、室外熱交換器の下部に補助熱交換器を設け、この補助熱交換器に圧縮機から吐出されたホットガス冷媒の一部を分岐して流通させたのち、四方弁の入口側で再び合流させるようにして、常時ホットガス冷媒を流すようにしたものが記載されている。また、特許文献３には、室外熱交換器の下部に補助熱交換器を設け、暖房時、この補助熱交換器に暖房用絞りを経た気液二相冷媒と圧縮機から吐出されたホットガス冷媒とを導入するようにしたものが記載されている。さらに、特許文献４には、室外熱交換器の下部にレシーバタンクを設け、冷暖房時ともに冷媒を流通させるようにしたものが記載されている。

特開昭６０−８６６５号公報特開昭６０−１１４６６６号公報特開平７−２８０３７８号公報特開２００６−９７９９２号公報

さて、上記した特許文献１ないし４に示されたものは、いずれも室外熱交換器下部やドレンパンの凍結防止効果を奏する。しかし、その反面において、冷暖房能力や性能にとってはマイナス要因となるものもあり、凍結条件についてますます厳しくなる寒冷地向けのヒートポンプ式空気調和機や低外気温下での冷房あるいは暖房過負荷条件での暖房等のように運転範囲拡大が求められるヒートポンプ式空気調和機としては、満足し得るものではなかった。

つまり、特許文献１のものは、暖房専用機に関するものであって、冷暖房運転が可能なヒートポンプ式空気調和機に適用できる構成ではない。また、特許文献２および４のものは、暖房時、補助熱交換器およびレシーバタンクで放熱される熱量に相当する分、室内熱交換器での放熱量が低減するため、暖房能力が低下する問題を有する。また、特許文献３のものは、暖房時に暖房用絞りにより減圧された低圧の気液二相冷媒に圧縮機からのホットガス冷媒が絞りおよび補助熱交換器を経て混入されるため、室外熱交換器での吸熱量を低下させ、従って、暖房能力の低下をもたらす問題を有する。さらに、別途ヒータを設ける方法もあるが、余計なエネルギー消費に繋がることから好ましくない。このため、能力および性能に影響を及ぼすことなく、室外熱交換器およびドレンパンの凍結を確実に防止することができるヒートポンプ式空気調和機が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、能力および性能に影響を及ぼすことなく、高能力および高性能を維持しながら暖房時における室外熱交換器およびドレンパンの凍結を確実に防止することができるヒートポンプ式空気調和機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式空気調和機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるヒートポンプ式空気調和機は、少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、該補助熱交換器に前記ガスインジェクション回路で蒸発された中間圧冷媒を切換弁により切り換え導入した後、その冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に導く液化インジェクション回路を接続したことを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路のエコノマイザ効果によって、能力および性能を共に向上させることができると同時に、暖房運転時およびデフロスト時、切換弁によりガスインジェクション回路で蒸発された飽和ガス状態の中間圧冷媒を、液化インジェクション回路を介して補助熱交換器に導入し、ここで放熱することにより冷却されて気液二相または液となった冷媒を圧縮機の中間吸入口より液インジェクションすることができる。これにより、同一冷媒循環量とした場合おいて、暖房能力を一段と高めることができるとともに、冷却効果を高めることにより冷媒の吐出温度を効果的に抑制することができる。また、補助熱交換器で放熱して凝縮される中間圧冷媒の温度を０℃以上に保つことにより、暖房運転時およびデフロスト時に室外熱交換器下部およびドレンパンを加温し、その凍結を防止することができる。

また、本発明にかかるヒートポンプ式空気調和機は、少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、該補助熱交換器を前記室外電動膨張弁に対して並列に前記室外熱交換器からの凝縮冷媒の流れを許容する逆止弁を介して接続し、該逆止弁と前記補助熱交換器との間と前記圧縮機の吸入配管との間に、開閉弁を備えたバイパス回路を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路のエコノマイザ効果によって、能力および性能を共に向上させることができると同時に、暖房運転時およびデフロスト時、補助熱交換器に常時高圧液冷媒を供給できるため、この高圧液冷媒により室外熱交換器の下部およびドレンパンを加温することができる。また、補助熱交換器に供給され、そこで放熱して温度降下された冷媒をバイパス回路により圧縮機の吸入配管側に戻すことができるため、補助熱交換器に滞留して過冷却により凍結したり、あるいは室外電動膨張弁を経て室外熱交換器に至る冷媒に混入することにより吸熱量を低下させたりすることもない。これにより、暖房能力を低下させることなく、室外熱交換器下部およびドレンパンの凍結を防止することができる。なお、外気温が高い場合（≧０℃）は、凍結の可能性がないため、バイパス回路の開閉弁を閉じて運転してもよい。また、冷房運転時には、補助熱交換器を凝縮器として使用することができるので、冷房能力を低下させることもない。

さらに、本発明のヒートポンプ式空気調和機は、上記のヒートポンプ式空気調和機において、前記バイパス回路には、冷媒調整絞りが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、バイパス回路に設けられている冷媒調整絞りにより、補助熱交換器からバイパス回路を経て圧縮機の吸入配管に戻される冷媒量を適正にコントロールし、高圧液冷媒による加温作用を確保することができる。これにより、液冷媒の補助熱交換器での滞留を防止しつつ、室外熱交換器下部およびドレンパンに対する凍結防止機能を確実に維持することができる。

さらに、本発明のヒートポンプ式空気調和機は、上述のいずれかのヒートポンプ式空気調和機において、前記室外熱交換器と前記室外電動膨張弁との間には、前記逆止弁および前記補助熱交換器に対して並列に過冷却コイルが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、室外熱交換器と前記室外電動膨張弁との間に設けられている過冷却コイルにより、冷房時には冷媒に過冷却を付与することができるため、冷房能力を向上させることができる。一方、この過冷却コイルが暖房時に凝縮器として機能することにより室外熱交換器の蒸発性能を低下させることはなく、従って暖房能力の低下要因となるおそれもない。

また、本発明にかかるヒートポンプ式空気調和機は、少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、該補助熱交換器に前記圧縮機から吐出されたホットガスの一部を第１開閉弁を介して導入し、その冷媒を第２開閉弁を介して前記室外熱交換器と前記室外電動膨張弁との間へと導くホットガスバイパス回路と、暖房時、前記室外電動膨張弁と前記室外熱交換器との間の冷媒を前記第２開閉弁、前記補助熱交換器、第３開閉弁、および冷媒調整絞りを経て前記圧縮機の吸入配管に導く第１バイパス回路と、暖房時またはデフロスト時、前記第１開閉弁を介して導入されたホットガスを前記補助熱交換器で凝縮し、第４開閉弁、および前記冷媒調整絞りを経て前記圧縮機の吸入配管に導く第２バイパス回路と、を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスインジェクション回路のエコノマイザ効果によって、能力および性能を共に向上させることができると同時に、補助熱交換器にホットガスバイパス回路を介して圧縮機から吐出されたホットガスの一部を導入することができるため、通常の冷房運転時には、補助熱交換器を凝縮器として機能させ、凝縮性能を高めて冷房能力を向上させることができる。また、低外気温冷房時には、第１開閉弁によりホットガスのバイパスを止め、凝縮器を実質的に小さくして凝縮性能を抑えることができるため、高圧を維持して冷房運転を継続することができる。また、暖房運転時には、第１バイパス回路を介して補助熱交換器に室外電動膨張弁により断熱膨張された冷媒を導き、蒸発器として機能させることができるため、吸熱量を増大して暖房能力を高めることができるとともに、外気温が高い暖房過負荷条件下では、第２バイパス回路を介してホットガスを補助熱交換器に導入し、補助熱交換器を放熱器として機能させることにより、暖房能力の調整に利用することができる。さらに、デフロスト時には、第２バイパス回路を介してホットガスを補助熱交換器に導入することにより、室外熱交換器下部およびドレンパンを加温し、その凍結を防止することができる。

さらに、本発明のヒートポンプ式空気調和機は、上記のヒートポンプ式空気調和機において、前記第１バイパス回路および前記第２バイパス回路には、共用の冷媒調整絞りが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、第１バイパス回路および第２バイパス回路に設けられている共用の冷媒調整絞りにより、補助熱交換器を経由して第１バイパス回路および第２バイパス回路により圧縮機の吸入配管にバイパスされる冷媒量を適正にコントロールし、補助熱交換器を蒸発器、放熱器、加熱器等として適切に機能させることができる。これによって、補助熱交換器を室外熱交換器下部およびドレンパンの凍結防止のみならず、暖房能力の調整等にも有効に利用し、運転範囲を拡大することができるとともに、構成の簡素化を図ることができる。

本発明のヒートポンプ式空気調和機によると、エコノマイザ効果によって、能力および性能を共に向上させることができると同時に、暖房時およびデフロスト時、室外熱交換器の下部に設けた補助熱交換器を、ガスインジェクション回路で蒸発した中間圧冷媒の凝縮器として機能させることができるため、その放熱によって室外熱交換器下部およびドレンパンの凍結を確実に防止することができる。また、補助熱交換器で凝縮された気液二相または液冷媒を圧縮機の中間吸入口から液インジェクションすることができるため、暖房能力の更なる向上と冷媒吐出温度の効果的な抑制によって、運転範囲の拡大を図ることができる。

また、本発明のヒートポンプ式空気調和機によると、エコノマイザ効果による能力および性能の向上が得られると同時に、暖房時およびデフロスト時、室外熱交換器の下部に設けた補助熱交換器に常時高圧液冷媒を供給できるため、その放熱によって室外熱交換器下部およびドレンパンの凍結を確実に防止することができる。また、その高圧液冷媒をバイパス回路により圧縮機の吸入配管側に戻すようにしているため、補助熱交換器での冷媒の滞留凍結や室外熱交換器への過冷却冷媒の混入による吸熱量の低下等もなく、高能力および高性能を確実に維持することができる。

さらに、本発明のヒートポンプ式空気調和機によると、エコノマイザ効果による能力および性能の向上が得られる同時に、冷房時、室外熱交換器の下部に設けた補助熱交換器を凝縮器として機能させることができるため、凝縮性能を高めて冷房能力を向上させることができる。また、低外気温冷房時は、凝縮器としての機能を中断させ、凝縮性能を抑えることにより高圧を維持して冷房運転を継続することができるため、運転範囲を拡大することができる。また、暖房時には補助熱交換器を蒸発器として機能させ、その暖房過負荷条件下では放熱器として機能させることができるため、暖房能力の向上とその能力調整に利用することができる。さらに、デフロスト時には放熱器として機能させることができるため、室外熱交換器下部およびドレンパンを加温することにより、その凍結を確実に防止することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１および図２には、本発明の第１実施形態にかかるヒートポンプ式空気調和機の冷媒回路図が示されており、図１は冷房サイクル、図２は暖房サイクルを示す。なお、ここでは、室内ユニットが複数台並列に接続されたマルチ形ヒートポンプ式空気調和機１が示されている。マルチ形ヒートポンプ式空気調和機１は、１台の室外ユニット２と、この室外ユニット２から導出される冷媒ガス管４および冷媒液管５と、この冷媒ガス管４と冷媒液管５との間に並列に接続される複数台の室内ユニット７Ａ，７Ｂとから構成されている。室内ユニット７Ａ，７Ｂは、２台に限らず、３台以上適宜の台数を接続できることはもちろんである。

室外ユニット２は、冷媒を圧縮するインバータ駆動の圧縮機２１と、冷媒の循環方向を切り換える四方切換弁２２と、冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器２３と、室外熱交換器２３の下部に一体的に設けられている凍結防止機能付き補助熱交換器２４と、暖房用の室外電動膨張弁（ＥＥＶＨ）２５と、４個の逆止弁２６を組み合わせて構成されたブリッジ回路２７と、液冷媒を貯留するレシーバ２８と、液配管から分流された冷媒の蒸発潜熱により液冷媒を過冷却する中間熱交換器２９と、中間熱交換器２９に分流される冷媒量を制御する電動膨張弁（ＥＥＶＳＣ）３０と、圧縮機２１に吸入される冷媒ガス中から液分を分離し、液冷媒を貯留するアキュームレータ３１とを備え、これらが公知の如く吐出配管３２Ａ、ガス配管３２Ｂ、液配管３２Ｃ、ガス配管３２Ｄ、吸入配管３２Ｅ等の冷媒配管を介して接続され、室外側冷媒回路３２を構成している。

また、中間熱交換器２９と圧縮機２１との間には、中間熱交換器２９で蒸発された中間圧冷媒を圧縮機２１に設けられている中間吸入口２１Ａに注入するガスインジェクション回路３３が設けられている。そして、このガスインジェクション回路３３には、電磁切換弁３４、３５を介して中間熱交換器２９で蒸発された中間圧冷媒を室外熱交換器２３の下部に設けられている凍結防止機能付き補助熱交換器２４を経て圧縮機２１の中間吸入口２１Ａに導く液化インジェクション回路３６が接続されている。なお、電磁切換弁３４、３５は、三方切換弁によって代替することができる。

また、冷媒ガス管４および冷媒液管５は、室外ユニット２側に設けられている図示省略のガス側操作弁および液側操作弁に接続される冷媒配管であり、現場での据え付け施工時に、室外ユニット２とそれに接続される室内ユニット７Ａ，７Ｂとの間の距離によってその長さが決められる。冷媒ガス管４および冷媒液管５の途中には、適宜数の分岐器（図示省略）が設けられ、この分岐器を介してそれぞれ適宜台数の室内ユニット７Ａ，７Ｂが接続される。これにより、密閉された１系統の冷凍サイクル３が構成されることになる。各室内ユニット７Ａ，７Ｂは、冷媒と室内空気とを熱交換させて室内の空調に供するための室内熱交換器７１と、冷房用の室内電動膨張弁（ＥＥＶＣ）７２と、室内熱交換器７１を通して室内空気を循環させる図示省略の室内ファンとを備えており、室内側の分岐ガス配管４Ａおよび分岐液配管５Ａを介して分岐器に接続される。

上記したマルチ形のヒートポンプ式空気調和機１において、冷房運転は、以下により行われる。
圧縮機２１により圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、図１中に矢印で示すように、吐出配管３２Ａに吐出された後、四方切換弁２２によってガス配管３２Ｂ側に循環され、室外熱交換器２３で図示省略の室外ファンにより送風される外気と熱交換されて凝縮液化される。この液冷媒は、液配管３２Ｃにより室外電動膨張弁２５を通過した後、ブリッジ回路２７を経てレシーバ２８に導かれ、内部に貯留されて循環量が調整される。レシーバ２８から流出された液冷媒は、液配管３２Ｃを経て中間熱交換器２９を通過する過程で、液配管３２Ｃから一部分流され、電動膨張弁（ＥＥＶＳＣ）３０で断熱膨張された中間圧冷媒と熱交換されて冷却される。これにより、液冷媒には所定の過冷却が付与され、ブリッジ回路２７および液配管３２Ｃを経て室外ユニット２から冷媒液管５へと導出される。冷媒液管５に導出された液冷媒は、図示省略の分岐器により各室内ユニット７Ａ，７Ｂの分岐液配管５Ａへと分流される。

分岐液配管５Ａに分流された液冷媒は、各室内ユニット７Ａ，７Ｂに流入し、室内電動膨張弁（ＥＥＶＣ）７２により断熱膨張され、気液二相流となって室内熱交換器７１に流入される。室内熱交換器７１では、図示省略の室内ファンにより循環される室内空気と冷媒とが熱交換され、室内空気は冷却されて室内の冷房に供される。一方、冷媒はガス化され、分岐ガス配管４Ａを経て分岐器に至り、他の室内ユニット７Ａ，７Ｂからの冷媒ガスと冷媒ガス管４で合流される。冷媒ガス管４で合流された冷媒ガスは、再び室外ユニット２に戻り、ガス配管３２Ｄ、四方切換弁２２を経て吸入配管３２Ｅに至り、アキュームレータ３１に導入される。アキュームレータ３１では、冷媒ガス中に含まれている液分が分離されてガス分のみが圧縮機２１へと吸入され、この冷媒が圧縮機２１において再び圧縮される。以上のサイクルを繰り返すことによって、冷房運転が行われる。

一方、暖房運転は、以下により行われる。
圧縮機２１により圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、図２中に矢印で示すように、吐出配管３２Ａに吐出された後、四方切換弁２２によりガス配管３２Ｄ側に循環される。この冷媒は、冷媒ガス管４を経て室外ユニット２から導出され、さらに冷媒ガス管４に分岐器を介して接続されている分岐ガス配管４Ａを経て各室内ユニット７Ａ，７Ｂへと導入される。各室内ユニット７Ａ，７Ｂに導入された高温高圧の冷媒ガスは、室内熱交換器７１で図示省略の室内ファンによって循環される室内空気と熱交換され、室内空気は加熱されて室内の暖房に供される。一方、室内空気との熱交換により凝縮液化された液冷媒は、室内電動膨張弁（ＥＥＶＣ）７２、分岐液配管５Ａを経て、他の室内ユニット７Ａ，７Ｂからの冷媒と合流された後、冷媒液管５を経て室外ユニット２に戻る。なお、暖房時、室内ユニット７Ａ，７Ｂでは、凝縮器として機能する室内熱交換器７１の出口における冷媒の過冷却度が一定値となるよう、室内電動膨張弁（ＥＥＶＣ）７２の開度が制御される。

室外ユニット２に戻った冷媒は、液配管３２Ｃ、ブリッジ回路２７を経てレシーバ２８に流入して貯留され、循環量が調整される。レシーバ２８から流出した液冷媒は、中間熱交換器２９で冷房時の場合と同様にして過冷却が付与された後、液配管３２Ｃ、ブリッジ回路２７を経て室外電動膨張弁（ＥＥＶＨ）２５に至り、ここで断熱膨張され、液配管３２Ｃを経て室外熱交換器２３に流入される。室外熱交換器２３では、図示省略の室外ファンによって送風される外気と冷媒とが熱交換され、冷媒は外気から吸熱して蒸発気化される。この冷媒は、室外熱交換器２３からガス配管３２Ｂ、四方切換弁２２、吸入配管３２Ｅを経てアキュームレータ３１に導入される。アキュームレータ３１では、冷媒ガス中に含まれている液分が分離されてガス分のみが圧縮機２１へと吸入され、この冷媒は圧縮機２１において再び圧縮される。以上のサイクルを繰り返すことによって、暖房運転が行われる。

また、低外気温時においては、暖房運転により外気中の水分が室外熱交換器２３の表面で氷結し、霜となって堆積することがある。この霜は室外熱交換器２３での熱交換を阻害するため、着霜が検知されると、霜を溶かすデフロスト(除霜)運転が行われる。デフロスト運転は、四方切換弁２２により冷凍サイクル３を冷房サイクルに切り換えることによって行われる。これにより、室外熱交換器２３には、圧縮機２１から吐出された高温高圧の冷媒ガス（ホットガス）が導入され、その熱により熱交換器表面の霜を内部側から加熱して融解する。融解された霜はドレン水となって室外熱交換器２３が設置されているドレンパン（室内ユニット２の底板）上に落下し、排水口から外部へと排出される。

また、上記した冷房運転の間、中間熱交換器２９で液冷媒を冷却することにより蒸発された中間圧冷媒は、電磁切換弁３４が開、電磁切換弁３５が閉とされているため、ガスインジェクション回路３３を経てそのまま圧縮機２１の中間吸入口２１Ａから圧縮室内にインジェクションされる。このガスインジェクションによるエコノマイザ効果によって、冷房能力の増大とＣＯＰ（成績係数）の向上を図り、ヒートポンプ式空気調和機１を高能力化、高効率化（高性能化）することができる。

一方、暖房運転およびデフロスト運転の間も上記と同様に、中間熱交換器２９で液冷媒を冷却することにより蒸発された中間圧冷媒は、ガスインジェクション回路３３を経て圧縮機２１の中間吸入口２１Ａに導かれるが、この場合、電磁切換弁３４が閉、電磁切換弁３５が開に切り換えられているため、中間熱交換器２９を出た飽和状態の中間圧冷媒ガスは、ガスインジェクション回路３３から液化インジェクション回路３６へと導かれ、室外熱交換器２３の下部に設けられている補助熱交換器２４に導入される。ここで、中間圧冷媒ガスは、室外ファンによって流通される外気と熱交換され、外気側に放熱することにより再凝縮し、気液二相または液冷媒となる。

この気液二相または液冷媒は、補助熱交換器２４から液化インジェクション回路３６を経て圧縮機２１の中間吸入口２１Ａに導かれ、圧縮室内に液インジェクションされ、その液インジェクション効果により、暖房能力の更なる増大とＣＯＰ（成績係数）の向上を図り、ヒートポンプ式空気調和機１を高能力化、高効率化することができる。また、液インジェクションによる冷却効果の向上によって冷媒の吐出温度を効果的に抑制し、運転範囲を拡大することができる。さらに、上記の放熱によって室外熱交換器２３の下部および室外熱交換器２３を設置しているドレンパン（室外ユニット２の底板）を加温することができる。

従って、本実施形態によると、以下の効果を奏する。
ガスインジェクションによるエコノマイザ効果によって、公知の如く能力および性能を共に向上させることができるのみならず、暖房時およびデフロスト時に、室外熱交換器２３の下部に設けられている補助熱交換器２４をガスインジェクション回路３３で蒸発した中間圧冷媒の凝縮器として機能させることができるため、その放熱によって室外熱交換器２３の下部およびドレンパンを加温し、その凍結を防止することができる。また、補助熱交換器２４で凝縮された気液二相または液冷媒を圧縮機２１の中間吸入口２１Ａから液インジェクションすることができるため、暖房能力の更なる向上と冷媒吐出温度の効果的な抑制によって運転範囲の拡大を図ることができる。よって、ヒートポンプ式空気調和機１の高性能、高能力を維持しながら室外熱交換器２３およびドレンパンの凍結を防止することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３ないし図６を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、室外熱交換器２３の下部に設けられる補助熱交換器２４に対する冷媒流通回路が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
図３および図４には、本発明の第２実施形態にかかるヒートポンプ式空気調和機の冷媒回路図が示されており、図３は冷房サイクル、図４は暖房サイクルを示す。なお、本実施形態では、ブリッジ回路２７が省略されており、ガスインジェクション回路３３は冷房時のみ機能される構成とされている。

本実施形態において、室外熱交換器２３の下部に設けられる凍結防止機能付き補助熱交換器２４は、室外電動膨張弁２５に対して並列に接続され、室外熱交換器２３で凝縮された冷媒が逆止弁４０を介して流通可能とされている。そして、この補助熱交換器２４と逆止弁４０との間と吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側との間に、開閉弁４１および冷媒調整絞り（キャピラリチューブ）４２を備えたバイパス回路４３が接続された構成とされている。また、室外熱交換器２３と室外電動膨張弁２５との間には、逆止弁４０および補助熱交換器２４に対して並列に過冷却コイル２３Ａが設けられている。

図５および図６には、室外熱交換器２３の下方部分の拡大図が示されている。上記の室外熱交換器２３、補助熱交換器２４および過冷却コイル２３Ａは、一体のプレートフィンアンドチューブ熱交換器として構成されており、上方部が複数段の熱交換チューブに対して複数サーキットに分流されて冷媒が流通される構成とされた室外熱交換器２３、その下部が２段の熱交換チューブによって構成される過冷却コイル２３Ａで、室外熱交換器２３および室外電動膨張弁２５と直列に接続されている。補助熱交換器２４は最下部の１段の熱交換チューブによって構成され、下端がドレンパン４４上に接触配置されている。
なお、図５は外気を水平方向から吸い込んで上方向へと吹き出すタイプの室内ユニット２に適用した構成、図６は外気を水平方向から吸い込んでそのまま水平方向へと吹き出すタイプの室内ユニット２に適用して構成である。

上記の構成において、冷房運転時、暖房運転時およびデフロスト運転時における冷媒の流れは、前記した第１実施形態の場合とほぼ同様であるので、説明は省略し、以下に補助熱交換器２４と過冷却コイル２３Ａおよび開閉弁４１、バイパス回路４３等の作用について説明する。
冷房時、開閉弁４１は閉じられており、従ってバイパス回路４３に冷媒が流通されることはなく、室外熱交換器２３で凝縮された冷媒の一部は、過冷却コイル２３Ａを経て過冷却が付けられた後、室外電動膨張弁２５（全開）をスルーしてレシーバ２８に至り、他の一部は、逆止弁４０を経て補助熱交換器２４に至り、ここで過冷却が付けられた後、レシーバ２８に流入される。このため、補助熱交換器２４および過冷却コイル２３Ａによって凝縮冷媒を過冷却してレシーバ２８に供給することができる。さらにガスインジェクション回路３３を機能させ、ヒートポンプ式空気調和機１を高効率、高能力で運転しながら冷房を行うことができる。

一方、暖房時およびデフロスト時、開閉弁４１は開とされ、バイパス回路４３には冷媒が流通される。この場合、レシーバ２８から供給される高圧液冷媒は室外電動膨張弁２５で断熱膨張され、気液二相流となって過冷却コイル２３Ａおよび室外熱交換器２３を順次流通する過程で外気から吸熱して蒸発され、ガス配管３２Ｂを経て圧縮機２１側へと循環される。また、レシーバ２８からの高圧液冷媒の一部は、室外電動膨張弁２５と並列に接続されている補助熱交換器２４に流入し、ここで温度の低い外気側に放熱することにより過冷却されることになる。この補助熱交換器２４での放熱を利用して室外熱交換器２３の下部およびドレンパン４４を凍結温度以上に加温することによって、その凍結を防止することができる。

上記のように、補助熱交換器２４には、常に高圧液冷媒が流入されることになる。しかし、補助熱交換器２４に封じ込まれたままであると温度降下し、それが０℃以下になると凍結するので、補助熱交換器２４の冷媒を冷媒調整絞り４２により減圧して一定量ずつバスパス回路４３を経て吸入配管３２Ｅに戻すようにしている。これによって、冷媒が０℃以下に過冷却されることによる凍結の発生を防止することができる。また、補助熱交換器２４で過冷却された冷媒を室外熱交換器２３側に流さずに済むため、過冷却コイル２３Ａおよび室外熱交換器２３での吸熱作用を阻害することもなくなる。

従って、本実施形態によると、以下の効果を奏する。
ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、冷房時の能力および性能の向上を図ることができるのみならず、暖房時およびデフロスト時には、室外熱交換器２３の下部に設けられている補助熱交換器２４に常時高圧液冷媒を供給することができるため、高圧液冷媒からの放熱により室外熱交換器２３の下部およびドレンパン４４を加温し、その凍結を確実に防止することができる。また、補助熱交換器２４に供給された高圧液冷媒をバイパス回路４３により圧縮機２１の吸入配管３２Ｅ側に戻すようにしているため、補助熱交換器２４に冷媒が滞留することによる凍結の発生や、室外熱交換器２３側に過冷却冷媒を混入することによる吸熱量の低下等をなくすることができる。よって、ヒートポンプ式空気調和機１の高性能、高能力を維持しながら室外熱交換器２３およびドレンパンの凍結を防止することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図７ないし図１０を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１および第２実施形態に対して、室外熱交換器２３の下部に設けられる補助熱交換器２４に対する冷媒流通回路が異なっている。その他の点については、第１および第２実施形態と同様であるので説明は省略する。
図７ないし図１０には、本発明の第３実施形態にかかるヒートポンプ式空気調和機の冷媒回路図が示されており、図７は冷房サイクル、図８は暖房サイクル、図９は暖房過負荷サイクル、図１０はデフロストサイクルを示す。なお、本実施形態のヒートポンプ式空気調和機１では、ブリッジ回路２７が省略されており、ガスインジェクション回路３３は冷房時のみ機能される構成とされている。

本実施形態において、室外熱交換器２３の下部に設けられる凍結防止機能付き補助熱交換器２４には、圧縮機２１の吐出配管３２Ａに一端が接続され、第１開閉弁５０および逆止弁５１を介して補助熱交換器２４に接続されるとともに、補助熱交換器２４を経て他端が第２開閉弁５２を介して室外熱交換器２３と室外電動膨張弁２５との間の液配管３２Ｃに接続されるホットガスバイパス回路５３が接続されている。

また、上記のホットガスバイパス回路５３には、補助熱交換器２４と逆止弁５１との間から分岐し、第３開閉弁５４および冷媒調整絞り５５を介して吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側に接続される第１バイパス回路５６と、補助熱交換器２４と第２開閉弁５２との間から分岐し、第４開閉弁５７および上記冷媒調整絞り５５を介して吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側に接続される第２バイパス回路５８とが設けられている。

上記の構成において、冷房運転時、暖房運転時およびデフロスト運転時における冷媒の流れは、上記した第１実施形態の場合とほぼ同様であるので、説明は省略し、以下に補助熱交換器２４とホットガスバイパス回路５３、第１バイパス回路５６、第２バイパス回路５８の作用について説明する。
冷房時、第１開閉弁５０および第２開閉弁５２が開、第３開閉弁５４および第４開閉弁５７が閉とされる。これにより、圧縮機２１から吐出された高温高圧のホットガス冷媒の一部が、吐出配管３２Ａからホットガスバイパス回路５３を経て補助熱交換器２４に流入される。この冷媒は、補助熱交換器２４において外気と熱交換されることにより凝縮液化された後、室外熱交換器２３で凝縮された冷媒と液配管３２Ｃで合流され、室外電動膨張弁２５（全開）をスルーしてレシーバ２８に流入される。こうして、冷房時には、補助熱交換器２４を凝縮器として機能させながら、ヒートポンプ式空気調和機１を高能力、高効率で運転して冷房を行うことができる。

また、外気温が低い状態での低外気温冷房時には、第１開閉弁５０を閉じてホットガスバイパス回路５３を遮断し、補助熱交換器２４へのホットガス冷媒の流入を止めることができる。これによって、凝縮器を小さくしたのと実質的に同等の効果が得られることになり、凝縮性能を抑えることができる。このため、凝縮圧力をコントロールし高圧を所定圧力以上に維持することによって、冷房運転を継続することができる。

一方、暖房時は、第１開閉弁５０および第４開閉弁５７が閉、第２開閉弁５２および第３開閉弁５４が開とされる。これにより、室外電動膨張弁２５で断熱膨張された気液二相冷媒の一部が、第２開閉弁５２を介して補助熱交換器２４に流入し、ここで外気から吸熱して蒸発される。この冷媒は、第３開閉弁５４、冷媒調整絞り５５を経て第１バイパス回路５６より吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側へと導かれ、室外熱交換器２３経由で蒸発された冷媒と合流して圧縮機２１に吸入される。こうして、暖房時には、補助熱交換器２４を蒸発器として機能させながら、ヒートポンプ式空気調和機１を高能力、高効率で運転して暖房を行うことができる。

上記の暖房運転時に、外気温が高くなり、暖房負荷が小さくなって暖房過負荷条件となった時には、第１開閉弁５０および第４開閉弁５７が開、第２開閉弁５２および第３開閉弁５４が閉とされる。これにより、圧縮機２１より吐出された高温高圧のホットガス冷媒の一部が、吐出配管３２Ａからホットガスバイパス回路５３を経て補助熱交換器２４に流入される。この冷媒は、補助熱交換器２４で外気に放熱して凝縮された後、第４開閉弁５７から第２バイパス回路５８を経由し、冷媒調整絞り５５を介して吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側へと導かれる。こうして、暖房過負荷条件下では、補助熱交換器２４を放熱器として機能させることにより、暖房能力を調整しながら運転を継続することができる。

また、デフロスト時には、第１開閉弁５０および第４開閉弁５７が開、第２開閉弁５２および第３開閉弁５４が閉とされる。これにより、圧縮機２１から吐出された高温高圧のホットガス冷媒の一部が、吐出配管３２Ａからホットガスバイパス回路５３を経て補助熱交換器２４に流入される。この冷媒は、補助熱交換器２４で放熱され、室外熱交換器２３の下部およびドレンパン４４（図５、図６参照）の加温に供される。放熱によって凝縮された冷媒は、第４開閉弁５７から第２バイパス回路５８を経由し、冷媒調整絞り５５を介して吸入配管３２Ｅのアキュームレータ３１入口側へと導かれる。こうして、デフロスト時には、補助熱交換器２４を放熱器として機能させることにより、霜が融解して発生するドレン水の再氷結防止に利用することができる。

従って、本実施形態によると、以下の効果を奏する。
ガスインジェクションによるエコノマイザ効果により、冷房時の能力および性能の向上を図ることができるのみならず、冷房時、室外熱交換器２３の下部に設けられている補助熱交換器２４を凝縮器として機能させることができるため、凝縮性能を高めて冷房能力を向上させることができる。また、低外気温冷房時には、凝縮器としての機能を中断し、凝縮性能を抑えることができるため、高圧を所定圧力以上に維持して冷房運転を継続することができる。これにより、運転範囲を拡大することができる。また、暖房時には補助熱交換器２４を蒸発器として機能させ、暖房過負荷条件下では放熱器として機能させることができるため、暖房能力の向上とその調整に利用することができる。さらに、デフロスト時には補助熱交換器２４を放熱器として機能させることができるため、室外熱交換器２３の下部およびドレンパンを加温し、その凍結を確実に防止することができる。よって、ヒートポンプ式空気調和機１の高性能、高能力を維持しながら室外熱交換器２３およびドレンパンの凍結を防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、マルチ形のヒートポンプ式空気調和機を例に説明したが、必ずしもマルチ形である必要はなく、室内ユニットが１台のシングル形のヒートポンプ式空気調和機にも適用できることはもちろんである。また、室外ユニット２が１台の例について説明したが、これに限らず、室外ユニット２が複数台並設される室外マルチタイプのヒートポンプ式空気調和機あってもよい。さらに、室外ユニット２については、圧縮機２１あるいは室外熱交換器２３および室外ファンがそれぞれ複数台並設されるものでもよい。

また、第２および第３実施形態において、ガスインジェクション回路３３を冷房時のみ機能される構成としたが、第１実施形態と同じように、暖房時にもガスインジェクション回路３３を機能させるように構成してもよい。さらに、ガスインジェクション回路３３については、中間熱交換器２９を用いた方式について説明したが、中間熱交換器２９に代えて気液分離器を用いた構成としてもよいことはもちろんである。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の冷房サイクル図である。本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の暖房サイクル図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の冷房サイクル図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の暖房サイクル図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機に適用する室外熱交換器の一例の下方部分を模式化した拡大図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機に適用する室外熱交換器の他例の下方部分を模式化した拡大図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の冷房サイクル図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の暖房サイクル図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機の暖房過負荷サイクル図である。本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ式空気調和機のデフロストサイクル図である。

符号の説明

１ヒートポンプ式空気調和機
３冷凍サイクル
２１圧縮機
２１Ａ中間吸入口
２２四方切換弁
２３室外熱交換器
２３Ａ過冷却コイル
２４補助熱交換器
２５室外電動膨張弁
２９中間熱交換器
３３ガスインジェクション回路
３４，３５電磁切換弁（切換弁）
３６液化インジェクション回路
４０逆止弁
４１開閉弁
４２冷媒調整絞り
４３バイパス回路
５０第１開閉弁
５２第２開閉弁
５３ホットガスバイパス回路
５４第３開閉弁
５５冷媒調整絞り
５６第１バイパス回路
５７第４開閉弁
５８第２バイパス回路
７１室内熱交換器
７２室内電動膨張弁

Claims

少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、
前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、
前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、
該補助熱交換器に前記ガスインジェクション回路で蒸発された中間圧冷媒を切換弁により切り換え導入した後、その冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に導く液化インジェクション回路を接続したことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、
前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、
前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、
該補助熱交換器を前記室外電動膨張弁に対して並列に前記室外熱交換器からの凝縮冷媒の流れを許容する逆止弁を介して接続し、該逆止弁と前記補助熱交換器との間と前記圧縮機の吸入配管との間に、開閉弁を備えたバイパス回路を設けたことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
前記バイパス回路には、冷媒調整絞りが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式空気調和機。
前記室外熱交換器と前記室外電動膨張弁との間には、前記逆止弁および前記補助熱交換器に対して並列に過冷却コイルが設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ式空気調和機。
少なくとも圧縮機、四方切換弁、室外熱交換器、室外電動膨張弁、室内電動膨張弁および室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルを構成するとともに、
前記冷凍サイクルに、サイクル中の液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸入口に注入するガスインジェクション回路を設けたヒートポンプ式空気調和機において、
前記室外熱交換器の下部に凍結防止機能付き補助熱交換器を設けるとともに、
該補助熱交換器に前記圧縮機から吐出されたホットガスの一部を第１開閉弁を介して導入し、その冷媒を第２開閉弁を介して前記室外熱交換器と前記室外電動膨張弁との間へと導くホットガスバイパス回路と、
暖房時、前記室外電動膨張弁と前記室外熱交換器との間の冷媒を前記第２開閉弁、前記補助熱交換器、第３開閉弁、および冷媒調整絞りを経て前記圧縮機の吸入配管に導く第１バイパス回路と、
暖房時またはデフロスト時、前記第１開閉弁を介して導入されたホットガスを前記補助熱交換器で凝縮し、第４開閉弁、および前記冷媒調整絞りを経て前記圧縮機の吸入配管に導く第２バイパス回路と、を設けたことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
前記第１バイパス回路および前記第２バイパス回路には、共用の冷媒調整絞りが設けられていることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式空気調和機。