JPH01118080A - ヒートポンプ式空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空気を熱源とするヒートポンプ式空気調和機
に関するものである。

従来の技術 従来、空気熱源ヒートポンプ式空気調和機の室外熱交換
器の除霜方法は、大半が四方弁を切換えて冷房サイクル
とじ、室外熱交換器を凝縮器、室内熱交換器を蒸発器と
する逆サイクル除霜方式で、この時コールドドラフト防
止のために室内ファンを停止していた。この方式では、
基本的に冷凍サイクル中の冷媒循環量が少なく圧縮機入
力の増大がそれほど期待できないので、除霜時間が長く
なること、並びに除霜中の数分間は室内ファンが停止す
るので暖房感が欠如し快適性が損なわれること、さらに
は除霜運転終了後、四方弁を切換えて暖房運転に復帰し
てからも室内熱交換器の温度が上昇するまでに時間を要
することなど使用者からすれば満足できるものではなか
った。

近年、このような欠点を有する逆サイクル除霜方式にか
わって、バイパス回路等を設けることで、除霜運転時に
も四方弁を暖房サイクルのままとし、室内熱交換器およ
び室外熱交換器の両方を凝縮器として作用させ、若干の
暖房能力を維持しながら除霜を行なう暖房継続除霜方式
が提案されている（例えば実開昭６０−５９０４２号公
報）。

以下、図面を参照しながら上記従来のヒートポンプ式空
気調和機について説明する。

第４図は、従来のヒートポンプ式空気調和機の第１の例
における冷凍サイクル図を示すものである。同図におい
て、１は容量制御可能な周波数可変圧縮機（以下単に圧
縮機と称す。）、２は四方弁、３は室内熱交換器、４は
キャピラリ、５は室外熱交換器、６はホットガスバイパ
ス回路、７は二方弁、８はバイパスキャピラリである。

また、９は室外熱交換器温度センサ、１０はこのセンサ
９からの信号を受けて圧縮機１．二方弁７．室内外ファ
ン（図示せず）等を制御して室外熱交換器５の除霜運転
を行なう除霜制御コントローラである。ホットガスバイ
パス回路６は、圧縮機１の吐ヒ 出管の室外熱交換器５の暖房運転時に入口側となる配管
とを連結し、途中に二方弁７とバイパスキャピラリ８を
備えて構成されている。

通常の暖房運転時には、二方弁７は閉の状態で暖房サイ
クル゛を形成するが、低外気温時に室外熱交換器温度セ
ンサ９からの信号により室外熱交換器５の着霜を検知す
ると、除霜制御コントローラー０よシ指令を発して圧縮
機１の周波数を高め、圧縮機１の本体温度を上昇させて
蓄熱する。そして、所定時間経過後、除霜制御コントロ
ーラ１０よシ指令を発して、圧縮機１を最大周波数とし
、二方弁７を開いて圧縮機１から吐出された高温の冷媒
の大部分をホットガスバイパス回路６を経て室外熱交換
器５の入口側へ導き、残りを暖房運転時と同様に四方弁
２．室内熱交換器３．キャピラリ４と流して若干の暖房
運転を継続して行ない、室外熱交換器５の入口でホット
ガスバイパス回路６を通過した冷媒と合流させる。この
合流後の冷媒は、自身のもつ凝縮熱で室外熱交換器５を
除霜した後、四方弁２を経て圧縮機１に戻シ、除霜サイ
クルを完結する。

このように、暖房サイクルのままで除霜を行なうことが
できるので、除霜時の快適性の改善を図ることが可能と
なった。

また、第５図は従来のヒートポンプ式空気調和機の第２
の例における冷凍サイクル図を示す。この例においては
、ホットガスバイパス回路６のかわりにキャピラリ４を
バイパスするバイパス回路１１を設けている。そして、
バイパス回路１１には二方弁１２．逆止弁１３を備えて
いる。

除霜時には、二方弁１２を開いてほとんどの冷媒をバイ
パス回路１１を通過させることで、室外熱交換器５の冷
媒圧力を上昇させ、室内熱交換器３および室外熱交換器
５の両方を凝縮器として作用させることで、第１の例で
説明した効果と同様の効果を得ることが可能である。

さらに、蓄熱材を充填した蓄熱槽を冷媒回路と熱交換的
に接続し、暖房運転時に蓄熱槽に熱を蓄え、除霜運転時
にその熱を利用して短時間で霜を融かすことができる方
式も提案されている（例えば特公昭５４−３８７３７号
公報）。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記方法では以下のような問題点があっ
た。

第６図は、第４図に示す従来のヒートポンプ式空気調和
機の第１の例におけるバイパスキャピラリの絞シ量と除
霜時間および除霜運転時の暖房能力との関係を示すもの
である。同図よシ明らかなように、バイパスキャピラリ
８の絞シ量を大きくすれば、除霜運転時に室内熱交換器
３を通過する冷媒の循環量が増加し、圧力も上昇するの
で暖房能力は増加するが、室外熱交換器５を通過する冷
媒の圧力が低下して凝縮能力が減少するので、除霜時間
が長くなってしまう。したがって、短時間に除霜を終え
ようとするためには暖房能力を大きくとることはできな
かった。例えば、１馬カクラスのヒートポンプ式空気調
和機では、はとんどの製品に総合電流を２０Ａ以下に押
えるような制御装置が設けられておシ、この場合、圧縮
機入力のうち冷媒に与えられる熱量は、発明者らの実験
の結果、最大でも１３００にｃａｌ／ｈである。除霜を
５分間で終えるとすると、この間、圧縮機入力より冷媒
に与えられた熱量は１０８にｃｌである。

圧縮機重量が１０Ｋｇ、比熱が０．１で、圧縮機本体温
度が除霜運転中に３０°Ｃ降下したとすると、ａＯにＣ
１の熱量が冷媒に与えられる。主に、これら２つの熱量
の合計１３８にｃｌの熱が冷媒に与えられる。これに対
して、着霜量が９００９であるとすると、除霜に７２に
Ｃ１の熱が用いられ、残シの（１３８−７２）にｃａｌ
の熱が暖房に利用可能である。これは単位時間当９７９
２にａｍｌ／ｈであシ、この程度の暖房能力では除霜運
転時の快適性の低下を十分に押えることができなかった
。

また、圧縮機本体を蓄熱体として利用し、乾き度の低い
冷媒を吸入して圧縮機本体の熱を奪っているため、圧縮
機信頼性も低かった。

第５図に示す第２の例の場合も、除霜運転時の暖房能力
は低く、第１の例で示したのと同様の問題点を有してい
た。さらに、第２の例において室内機と室外機とを接続
配管で結ぶセパレートタイプのヒートポンプ式空気調和
機の場合、圧縮機１の周波数を上昇させて冷媒の循環量
を増加させたシ、接続配管を長くしたシすると全冷媒が
通過するため室内熱交換器３の出口とバイパス回路１１
の入口とを結ぶ接続配管での圧力損失が増加し、室外熱
交換器５を通過する冷媒の圧力が低下し、凝縮能力が低
下して除霜時間が長くなってしまったシ、あるいは除霜
できなくなってしまうという問題点があった。

さらに、蓄熱を利用する方式は、原理的には逆サイクル
除霜方式で、室内熱交換器を蒸発器として作用させて室
内よシ吸熱するかわシに蓄熱された熱を取っていた。し
たがって、この方式では除霜時間の短縮および除霜運転
時の室内への冷風吹出しの防止は可能であるが、除霜運
転時に室内を暖房することはできず、また蓄熱槽に蓄熱
するのに電気ヒータを用いているので、暖房運転時のエ
ネルギ効率が低下するという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、暖房運転時に圧縮機の廃熱
を、潜熱蓄熱材を充填した蓄熱槽に蓄熱し、除霜運転時
にこの熱を利用することで、高い暖房能力を保ちながら
除霜を行ない、かつ圧縮機信頼性およびエネルギ効率の
高いヒートポンプ式空気調和機を提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点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、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧器、
室内熱交換器を順次環状に連結した冷媒回路と、前記減
圧器と前記室外熱交換器を結ぶ管路の一部をバイパスす
るバイパス回路と、前記管路と前記バイパス回路との冷
媒流路を切換える流路切換手段とを設け、前記バイパス
回路に潜熱蓄熱材を充填した蓄熱槽を熱交換的に設け、
この蓄熱槽を前記圧縮機の外周に配設したものである。

作　　用 本発明は、上記手段によシ次のような作用を有する。

すなわち、圧縮機の周囲に蓄熱槽を配設することで暖房
運転時に圧縮機の廃熱を回収して蓄熱槽に蓄熱し、この
熱を除霜に利用することができるのでエネルギ効率を高
めることができる。また、除霜運転時にバイパス回路に
冷媒を流して蓄熱槽内の潜熱蓄熱材と熱交換を行なうこ
とで、高い暖房能力を保ちながら除霜運転を行なうこと
が可能であシ、かつ圧縮機吸入冷媒の乾き度を高く保つ
ことができるので、圧縮機信頼性も高い。さらに、セパ
レートタイプのヒートポンプ式空気調和機の場合で接続
配管での圧力損失が大きく、室外熱交換器を通過する冷
媒の圧力が低くても、過熱域にある冷媒を利用できるの
で、除霜可能である。

実施例 以下、本発明をその一実施例を示す添付図面の第１図〜
第３図を参考に説明する。なお、本実施例を説明するに
当シ、第４図および第５図に示す従来のものと同一の機
能をもつものには同一の番号を付して説明を省略する。

第１図は、本発明の一実施例におけるヒートポンプ式空
気調和機の冷凍サイクル図、第２図は第１図に示す圧縮
機１の周囲の概略横断面図である。

同図において、４ａは電磁力によシ弁開度の調節が可能
な電動膨張弁である。１４は、電動膨張弁４ａと室外熱
交換器５を結ぶ管路をバイパスするバイパス回路であり
、この管路とバイパス回路１４との分岐部に冷媒流路を
切換える三方弁１５が設けられている。また、バイパス
回路１４には逆止弁１６、熱交換器１７が備えられてい
る。また、１８は蓄熱槽で、内部に潜熱蓄熱材（ＮａＣ
Ｈ３ＣＯＯ・３Ｈ２０）１’９が充填されておシ、この
蓄熱材１９と熱交換可能なように前記熱交換器１７が配
設されている。さらに、蓄熱槽１８は圧縮機１と熱交換
可能なように、その一部が圧縮機１の胴部に密着するよ
うに配設されている。そして、このように配設された圧
縮機１および蓄熱槽１８の周囲を断熱材２０で囲んでい
る。

この冷媒回路において、暖房運転時には電動膨張弁４暑
は所定弁開度を保ち、三方弁１５のバイパス回路１４側
は閉の状態である。したがって、圧縮機１から吐出され
た冷媒は、四方弁２．室内熱交換器３．電動膨張弁４ｍ
、室外熱交換器５゜四方弁２と流れ、圧縮機１に吸入さ
れる。この時、前述の構造によシ従来は圧縮機１から外
気へ放熱されていた熱を蓄熱槽１８に蓄えることが可能
である。

次に、除霜運転時は電動膨張弁４虐の弁開度を大きくし
て絞シ量を減少させ、三方弁１５のバイパス回路１４側
を開とする。これにより、圧縮機１から吐出された冷媒
は、四方弁２．室内熱交換器３へと流れ、暖房に利用さ
れた後、三方弁１５よシバイパス回路１４へ流入し、熱
交換器１７へと流れて蓄熱材１９よシ熱を奪って逆上弁
１６を通り、室外熱交換器５へと流れる。そして、ここ
で除霜に利用された後、四方弁２を通過して圧縮機１に
吸入される。

第３図は、第１図に示したヒートポンプ式空気調和機の
除霜運転時の冷凍サイクルをモリエル線図上に示した図
である。同図におけるａ　−Ｈの記号は、第１図におけ
るａ−９の位置における冷媒の状態を示す。まず、圧縮
機１で圧縮された冷媒は（ａ−ｂＬ室内熱交換器３で暖
房に利用されて凝縮しくＣ→ｄ）、電動膨張弁４ａ等を
通過の際の圧力損失で圧力が低下しくｄ−＋６）、バイ
パス回路１４の熱交換器１７で蓄熱材１９よシ熱を奪い
（１Ｂ−＋ｆ）、室外熱交換器５で除霜に利用されて凝
縮しくｆ→ｇ）、四方弁２を通過して圧縮機１に吸入さ
れる（ｇ→ａ）。このように、暖房に用いられて凝縮し
た冷媒（ｄ）は、蓄熱材１９よシ熱を奪うことで再び（
りまでエンタルピが引き上げられ、また電動膨張弁４ｍ
の弁開度を大きくすることで室外熱交換器５を通過する
冷媒の飽和温度は霜の融解温度（約Ｏ″Ｃ）よシ高くな
るので、冷媒が２相状態の領域でも除霜可能であり、し
たがって暖房能力を大きくとっても大きな除霜能力を有
し、短時間で除霜を終えることが可能である。

ここで、発明者らの実験結果の一例を示すと、暖房運転
時の圧縮機入力が１７００Ｗ（１４６２Ｋａｍｌ／ｈ　
）の場合、従来方式では１２５０Ｋｃａｌ／ｈの熱が冷
媒に与えられ、２１２にｃａｌ／ｈの熱が外気に放熱さ
れていた。これに対して本実施例で示した構造とするこ
とで、２１２にｏ　ａ　ｌ／ｈのうちの約７０％の１５
０にｃ　ａ　ｌ／ｈの熱を回収して蓄熱槽１８に蓄熱す
ることができた。

蓄熱材（Ｎａ′ＣＨ３ＣＯＯ・３Ｈ２０）１９の融解潜
熱は、６０　Ｋｃａｌ／ｈであるから蓄熱材１９を蓄熱
槽１８内に２．５に９充填しておけば、１時間で１５０
にｏｌの熱量を蓄熱することができる。これを全部除霜
運転時に利用できるとすれば、冷媒に与えられる熱量は
従来例で説明した圧縮機入力よシ与えられる熱量１０８
にＣ１に１０５にｃｌを加えて２５８Ｋｃａｌ　となる
。一方、除霜に用いられる熱量は７２にｃｌであるから
残シの１８６にｃｌの熱量が暖房に利用可能である。こ
れは、単位時間当ｐ２２３２にｃａｌ／ｈであるので、
十分に室内の快適性を保つことができる。

このように、従来圧縮機から外気に放熱してい、た熱を
回収して除霜に利用することができるので、エネルギ効
率を高めることができる。また、潜熱蓄熱材１９を用い
ているので潜熱を利用しきってしまうまで蓄熱材１９の
温度はほぼ一定であり（本実施例の場合は５８°Ｃ）、
熱交換器１７を通過する冷媒と一定の温度差を保ちなが
ら熱交換できるので、熱交換器１７をコンパクトに設計
できる。また、室外熱交換器５で除霜に利用される冷媒
は、大部分が過熱ガスの状態であるので（ｆ→Ｃ１）、
圧縮機周波数を上昇させて冷媒循環量を増加させたシ、
接続配管を長くすることで（ｄ−ａ）の圧力損失が増加
し、（ｆ−４ｇ）の冷媒の圧力が低下しても、除霜を行
なうことが可能である。さらに、圧縮機吸入冷媒（ａ）
の乾き度を高く保つことができるので、圧縮機信頼性の
高い除霜運転を行なうことができる。

なお、本実施例において、流路切換手段は三方弁を用い
て説明したが、これに限定されるものではなく、複数個
の二方弁を組み合わせる等、他の手段を用いてもよい。

また、潜熱蓄熱材は本実施例で用いたＮａ　ＣＨ３ＣＯ
Ｏ・３Ｈ２０以外のものを用いてもよい。また、本実施
例では除霜時に電動膨張弁の弁開度を大きくして除霜能
力を高めたが、この制御はなくても除霜は可能である。

また、圧縮機に能力可変形のものを用いなくても同様の
効果を得ることができる。

さらに、本実施例においては除霜時についてのみ説明し
たがそれに限定されることなく、暖房運転時に暖房能力
が不足している場合等にも利用可能である。

発明の効果 以上のように本発明のヒートポンプ式空気調和機は、圧
縮機周囲に蓄熱槽を配設し、少なくともこの蓄熱槽が外
気と接する部分に断熱材を配設することで、エネルギ効
率を高めることができる。

また、除霜運転時にバイパス回路に冷媒を流して蓄熱槽
内の潜熱蓄熱材と熱交換を行なうことで、高い暖房能力
を保ちながら除霜運転を行なうことが可能であシ、圧縮
機信頼性も高い。さらに、セパレートタイプのヒートポ
ンプ式空気調和機の場合で接続配管での圧力損失が大き
く、室外熱交換器を通過する冷媒の圧力が低くても除霜
可能である等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるヒートポンプ式空気
調和機の冷凍サイクル図、第２図は第１図における圧縮
機周囲の概略横断面図、第３図は同ヒートポンプ式空気
調和機の冷凍サイクルをモリエル線図に示した図、第４
図は従来のヒートポンプ式空気調和機の第１の例におけ
る冷凍サイクル図、第５図は同ヒートポンプ式空気調和
機の第２の例における冷凍サイクル図、第６図は同ヒー
トポンプ式空気調和機のバイパスキャピラリの絞シ量と
除霜時間、暖房能力の関係を示す特性図である。 １・・・・・・圧縮機、２・・・・・・四方弁、３・・
・・・・室内熱交換器、４・・・・・・電動膨張率（減
圧器）、５・・・・・・室外熱交換器、１４・・・・・
・バイパス回路、１５・・・・・・三方弁（流路切換手
段）、１７・・・・・・熱交換器、１８・・・・・・蓄
熱槽、１９・・・・・・蓄熱材、２０・・・・・・断熱
材。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１−
圧縮機 １４・−バイパス回路 、ｆｆ１−！Ｆｒ　８材 第１図 ／−−一圧橿次 第３ＣＩ？１ エンタルＣ→犬 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器
   を順次環状に連結した冷媒回路と、前記減圧器と前記室
   外熱交換器を結ぶ管路の一部をバイパスするバイパス回
   路と、前記管路と前記バイパス回路との冷媒流路を切換
   える流路切換手段とを設け、前記バイパス回路に潜熱蓄
   熱材を充填した蓄熱槽を熱交換的に設け、この蓄熱槽を
   前記圧縮機の外周に配設したヒートポンプ式空気調和機
   。