JPH04194559A - 冷暖房装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、冷凍サイクルと冷媒加熱器とを組み合わせ
た冷暖房装置に関する。

（従来の技術） 一般に、圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨脹弁
などより冷凍サイクルを構成したヒートポンプ式の冷暖
房装置は、暖房時には室内熱交換器にて放熱後の冷媒を
膨脹弁にて減圧した後、室外熱交換器にて大気の熱を吸
収させて気化させ、圧縮機に送られる。このようなヒー
トポンプ式における冷媒は、室外熱交換器で大気から受
熱して気化させるため、外気温度が低いと、本来は暖房
能力を大きくする必要があるにも拘らず暖房能ヵが低下
する欠点かある。

このため従来ては、上記ヒートポンプ式の冷凍サイクル
に冷媒加熱器を付加して暖房能力を向上させた冷媒加熱
式冷暖房装置がある。この冷媒加熱式冷暖房装置では、
暖房時には、室外熱交換器を使用せず、冷媒を直接燃焼
熱によって加熱蒸発させ、その蒸発潜熱を室内熱交換器
に運んで暖房する。また、冷房時には通常のヒートポン
プ式冷暖房装置と同じ冷房モードで運転される。

したがって、暖房時にはヒートポンプ式のように冷媒は
大気から受熱しないので、膨張弁を使ってサイクル内で
減圧丈る必要がない。このような冷媒加熱式冷暖房装置
における暖房運転時でのサイクル内冷媒の状態を、モリ
エル線図上で表すと、第９図の実線のようになる。なお
、同図における破線は、通常のヒートポンプ式冷暖房装
置での暖房時の冷媒の状態を示している。したがって、
この冷媒加熱方式にあっては、ヒートポンプ式のような
圧縮過程か’ａ　＜　、圧縮機は冷媒のガスポンプのよ
うな役割をする。

第１０図は従来の代表的な冷媒加熱式冷暖房装置の冷凍
サイクル構成を示しており、主要な構成要素としては、
圧縮機１．四方弁３．室内熱交換器５．膨張弁７．チエ
ツク弁９．室外熱交換器１１、冷媒加熱器１３．二方弁
１５なとかあり、これらは配管によって接続されている
。

上記構成において、暖房時には冷媒は、圧縮機１−四方
弁３−室内熱交換器５−膨張弁７−二方弁１５−冷媒加
熱器１３→圧縮機１の順に流れ循環する。このとき膨張
弁７は大きく開いており、実質的に圧力損失がほとんど
ない。また、室外熱交換器１１には冷媒は循環しない。

一方、冷房時には冷媒は、圧縮機１−四方弁３→室外熱
交換器１１→チエツク弁９−膨張弁７→室内熱交換器５
−四方弁３−圧縮機１の順に流れ循環する。このとき三
方弁１５は閉じられ、冷媒加熱器］３には冷媒は流れな
い。

（発明が解決しようとする課８） ところで、以上の構成による冷媒加熱式冷暖房装置では
、冷媒加熱器のバーナの燃焼量に冷媒加熱器の熱効率を
かけた値かそのまま暖房能力につながるため、冷媒加熱
器の能力以上または能力以下には暖房の能力を調節する
ことはできない。

通常が−ナの能力可変幅は１．３、すなわち最低値を１
とした場合、最高値か３程度であり、当然暖房能力の可
変幅も１：３となる。

しかしなから、この程度の能力可変幅で哄暖房負荷か小
さい場合、弱燃焼時のオン・オフ運転が避けられず、快
適なＱｌ房感を得ることが難しいとともに、ランニンク
コストも連続運転に比べて不利となる。また、オン・オ
フ運転はバーナの耐久性にも悪影響を与える。特に、オ
ン・オフ運転をすると、燃焼ガスが冷媒加熱器１３の熱
交換器内で凝縮しやすく、その酸性度の高さから熱交換
器を腐蝕させるという大きな問題がある。上記オン・オ
フ運転を避け、連続運転による暖房を可能とするために
は、通常１．１０程度９能力可変幅が必要とされている
。

また、暖房運転を長時間行った場合、使われていない室
外熱交換器１１に冷媒が徐々に洩れて液状態で溜まって
しまい、動作サイクル内の冷媒の量が少なくなってガス
欠の状態になることもある。

これを防ぐためには洩れた冷媒を回収する必要かあり、
このときは暖房運転はできない。さらに、暖房運転スタ
ート時にも冷媒を回収する必要かあるため、暖房の立ち
上かり時間か冷媒を回収している時間だけ長くなる欠点
かある。

さらに、暖房時に室外熱交換器１１をまったく使用しな
いことは、せっかくある熱源を使用しないことにもつな
がり、同じ熱量を得ようとした場合、冷媒加熱器を単独
で使用したときの冷媒加熱器は、冷媒加熱器と室外熱交
換器とを同時に用いた場合よりも大きくなる。つまり、
熱交換器を有効利用していないため、機器か大型化する
欠点がある。

さらには、冷媒加熱器１３の熱源として灯油を用いる場
合、灯油は通常灯油タンクに貯蔵しておくが、灯油がな
くなった場合には当然のことながら暖房運転はできなく
なる。

上記冷媒加熱式冷暖房装置の他の例としては、第１１図
に示すようにニジリンダ式の圧縮機１７を使用し、冷媒
加熱とヒートポンプとを同時運転するようにしたものが
ある。ここでは、前記第１０図と同一の構成要素には同
一符号を付しである。

この圧縮機１７は第１シリンダ１９及び第２シリンダ２
１を備え、各シリンダ１９．２１は一つのモータ２３に
よって同時に作動する。２５は、冷媒加熱器１３へ流れ
る冷媒の流量を調整する流量調整弁である。

このような構成においては、二方弁１５を開き冷媒加熱
器１３が動作状態にあるときは、圧縮機１７における冷
媒加勢器１３側の吸い込みラインか高圧となり、第２シ
リンダ２１が冷媒加熱器１３用に、第１シリンダ１９が
室外熱交換器１１用に用いられる。また、三方弁１５を
閉止し冷媒加熱器１３を動作させない場合には、冷媒加
熱器１３側の吸い込みラインが室外熱交換器１１側より
も低圧となるため、室外熱交換器１１を出た？＠姪がチ
エツク弁９を通過するようになる。すなわち通常のヒー
トポンプ運転時には、２つのシリンダ１．９．２１を用
いて運転していることになる。

ところが、このような構成では、大きな暖房能力を必要
としている場合には、冷媒加熱器１３と室外熱交換器１
１とを同時に用いて対応できるか、小さな暖房能力を必
要とし、ている場合には、室外熱交換器１１を利用する
ヒートポンプ運転たけになっである程度有効となるもの
の、このヒートポンプ運転時には、圧縮機１７は２つの
シリンダ１９．２１が同時に作動し、これら２つのシリ
ンダ１９．２１により冷媒を吸引することになるため、
暖房能力の下限にはとうしても限界がある。

そこでこの発明は、暖房時において冷媒加熱方式とヒー
トポンプ式とを絹合わせて低暖房能力の領域を充分にカ
バーできる広い能力可変幅をもたらすことを目的として
いる。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前記目的を達成するたｔにこの発明は、吸入口を２つ吐
出口を１つそれぞれ備え各吸入口に対応して同時に動作
するシリンダ部か２つ設けられた圧縮機と、室内に設置
される室内熱交換器と、室外に設置される室外熱交換器
と、この各室内熱交換器及び室外熱交換器と前記圧縮機
の吐出口及び一方の吸入口とを接続する切換弁と、前記
室内熱交換器と室外熱交換器とを接続する配管に設けた
膨張弁と、前記配管と前記圧縮機の他方の吸入口との間
に設けた冷媒加熱器と、この冷媒加熱器と前記配管との
間に設けた第１の開閉弁と、前記二つの吸入口にそれぞ
れ接続される配管相互間に設けた第２の開閉弁とを有す
る構成とした。

（作用） 高い暖房能力を必要とするときには、第１の開閉弁を開
いて第２の開閉弁を閉じ、このとき冷媒は冷媒加熱器と
室外熱交換器との双方を流れて冷媒加熱運転とヒートポ
ンプ運転とが同時になされる。−・方、低い暖房能力で
済む場合には、第１゜第２の各開閉弁を閉じ、このとき
冷媒は冷媒加熱器には流れず室外熱交換器に流れて一つ
の吸入口からの冷媒吸入によるヒートポンプ運転のみ行
う。

これにより、低暖房能力を充分にカバーでき、極めて広
い能力可変幅か得られる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図はこの発明の第１実施例による冷暖房装置の冷凍
サイクル構成図である。暖房時に冷媒か流れる順に構成
要素を述べると、ニジリンダ式圧縮機２７．切換弁とし
ての四方弁２９．室内熱交換器３１である。ニジリンダ
式圧縮機２７は、二つの吸入口３３．３５と一つの吐出
口゛３７とを備え、各吸入口３３．３５にそれぞれ対応
してシリンダ部としての第１シリンダ３９．第２シリン
ダ４１が設けられている。第１７リンダ３９及び第２シ
リンダ４１は、それぞれ単独では駆動せず同時に駆動す
るものとする。ニジリンダ式圧縮機２７と四方弁２９と
は配管４３で接続され、四方弁２９と室内熱交換器３］
とは配管４５で接続されている。室内熱交換器３１を出
た冷媒は配管４７を流れた後、接続部としての分岐部４
９にて二系統に分岐し、一方は配管５１により冷媒加熱
器５３側へ、他方は配管５５により室外熱交換器５７側
へと流れる。冷媒加熱器５３は、冷媒加熱熱交換器５９
とバーナ部６１とから構成されてｔする。

冷媒加熱器５３の上流側の配管５１には第１の開閉弁と
しての二方弁６３が設けられ、この二方弁６３は暖房時
に室外熱交換器５７を利用してヒートポンプ運転のみて
冷媒加熱器５３を用いな（１場合や、冷房時に冷媒加熱
器５３を用いな０場合に流路を閉じる。

冷媒加熱器５３を出た冷媒は配管６５に流れ、この配管
６５はニジリンダ式圧縮機２７の第２シリンダ４１に対
応する吸入口３５に接続されている。室外熱交換器５７
と分岐部４９との間の配管５５には膨張弁６７が設けら
れており、この膨張弁６７はヒートポンプ運転時に大気
から熱を吸収できる蒸発圧力まで冷媒の圧力を下げる働
きをする。膨張弁６７は、単純なものとしてキャピラリ
チューブを用いている場合が多い。

室外熱交換器５７を出た冷媒は、四方弁２９を通ってニ
ジリンダ式圧縮機２７に流れる。室外熱交換器４７と四
方弁２９とは配管６９により接続され、四方弁２９と、
ニジリンダ式圧縮機２７の第１シリンダ３９に対応する
吸入口３３とは配管７１により接続されている。この配
管７１と前記配管６５とは、第２の開閉弁としての三方
弁７３が設けられた配管７３により接続されている。

以上の構成において、大きな暖房能力を必要とする運転
時には、冷媒加熱とヒートポンプとの同時運転となるが
、その場合冷媒加熱器５３上流側の二方弁６３は開き、
ニジリンダ式圧縮機２７上流の二方弁７３は閉じた状態
にある。この状態では冷媒は、高圧の冷媒加熱器５３側
と低圧の室外熱交換器５７側とを互いに独立に平行して
流れ、それぞれ燃焼による熱と大気からの熱とを吸収す
る。

このように暖房能力の大きい運転時には、冷媒加熱器５
３内での吸熱に加え、室外熱交換器５７での大気からの
吸熱により、二つの熱源からの同時吸熱となって室外熱
交換器５７を有効に利用でき、同じ熱量を得るために冷
媒加熱単体の場合に比べてヒートポンプを兼用した場合
には、ヒートポンプで得る熱量分たけ冷媒加熱器５３を
コンパクトにてき、装置全体の小型化を図れる。

次に、暖房能力が小さくてよい場合には、冷媒加熱器５
３の動作を停止して冷媒加熱器５３上流側の二方弁６３
を閉じ、室外熱交換器５７を用いたヒートポンプ運転の
みを行うようにする。このときニジリンダ圧縮機２７−
Ｆ流の二方弁７３は閉したままである。このようにする
と、室外熱交換器５７を出た冷媒は配管６５側には流れ
ず、配管７１側のみの第１シリンダ３９による１系統の
流れのみとなるので、第１．第２各シリンダ３９゜４１
双方の吸引による２系統の流れに比べて極めて小さな暖
房能力までカバーできることとなり、全体としての暖房
能力可変幅を大きくとることができる。

低暖房能力側の能力可変幅が広がるので、暖房負荷が小
さい場合、弱燃焼時における冷媒加熱器５３のオン・オ
フ運転を避けることができ、快適な暖房感が得られると
ともに、連続運転ができるのてランニングコストもオン
・オフ運転に比べて有利となる。また、連続運転は、オ
ン・オフ運転におけるようなバーナ部６１の耐久性に悪
影響を与えたり、燃焼ガスが冷媒加熱器５３の熱交換器
５つ内で凝縮してその酸性度の高さから熱交換器５９を
腐蝕させるという不具合を防止する。

また、上記暖房能力が小さいときの運転時には、二方弁
６３．７３は共に閉じられた状態で、冷媒加熱器５３の
熱交換器５つ内は第２シリンダ４１によって真空近くに
吸引されるため、熱交換器５９内は冷媒が凝縮して溜ま
る虞はない。室外熱交換器５７は常時使用されているの
で、この室外熱交換器５７内に冷媒が溜まる心配もない
。

このように熱交換器５９及び室外熱交換器５７には冷媒
か溜まることがなので、動作サイクル内の冷媒の量が減
少することによるガス欠の虞はなく、また、洩れた冷媒
を回収する必要がないので、冷媒回収による暖房運転の
停止という不具合は防止でき、また、スタート時にも冷
媒を回収する必要がないため、暖房の立ち上がり時間が
冷媒を回収している時間たけ長くなるという欠点は解消
される。

また、冷媒加熱器５３の熱源として灯油を用いる場合、
灯油は通常灯油タンクに貯蔵しておくが、灯油がなくな
った場合には、要求暖房能力が高いときても冷媒加熱器
５３を停止させ、室外熱交換器５７のみを使用すること
で、暖房運転は継続して行うことができる。

一方、冷房時には四方弁２９内での冷媒の通過方向が破
線矢印のように変わる。このとき、冷媒加熱器５３上流
の三方弁６３は閉じ、ニジリンダ式圧縮１機２７上流の
二方弁７３は開いており、冷媒は四方弁２９を出た後、
室外熱交換器５７．膨張弁６７、室内熱交換器３１．四
方弁２９を順次通ってニジリンダ式圧縮機２７へと循環
する。ニジリンダ式圧縮機２７上流の二方弁７３が開い
ているので、四方弁２９を出た冷媒は配管７１と配管６
５との双方を流れ、第１．第２の両シリンダ３９．４１
が共に作動して冷媒を吸引し冷房能力が向上する。

第２図はこの発明の第２実施例を示して（する。

なお、ここでは第１実施例と同一部分には同一符号を付
し、要部のみについて説明する。この実施例では、第１
実施例で用いたニジリンダ式圧縮機３７上流の二方弁７
３に代えて流量制御弁７７を用いている。この流量制御
弁７７は、開度を・Ｚ）レスモータバルブで変化させる
電動式の膨張弁力＼用いられる。流量制御弁７７の開度
を変化させることて、冷房時での冷房能力を幅広ｔ）も
のとすることができる。

第３図及び第４図は、暖房運転時での前記第１図の冷凍
サイクルにおける制御例のプロ・ツク図及びフローチャ
ートを示している。この制御例は、第１図に示したよう
な冷凍サイクル構成において、外気温センサ７９と、外
気温センサ７９の検出信号を受けて外気温が所定値１未
満のとき冷媒加熱運転とヒートポンプ運転とを同時に行
い、前記外気温が所定値Ｔを超えるときヒートポンプ運
転のみを行うよう運転モードを選択制御する制御手段と
してのマイクロコンピュータなどからなるコントローラ
８１とを付加している。

周知のように外気から熱を吸収するヒートポンプ運転は
外気温の低下とともにその能力が低下する。しかしなが
ら、外気温が高いときには非常に効率の良い運転となり
、冷媒加熱器５３を使用する燃料によってはヒートポン
プ運転を行った方がランニングコストが低くなる場合が
ある。

そこで、第４図のように外気温がある所定温度Ｔ未満の
場合には、三方弁６３を開いて三方弁７３を閉し、冷媒
加熱器５３を動作させて冷媒加熱とヒートポンプとの同
時運転を行って暖房能力の低下を防ぐ。一方、外気温が
所定温度Ｔ以上では、二方弁６３を閉じて二方弁７３を
開き、冷媒加熱器５３を停止させてヒートポンプ運転に
切り換え暖房を行う。このヒートポンプ運転時には、要
求暖房能力が小さいときは二方弁７３を閉して第１シリ
ンダ３９のみを用いた運転となる。

第５図及び第６図は、暖房運転時での制御の他の例のブ
ロック図及びフローチャートを示している。この制御例
は、第１図に示したような冷凍サイクル構成において、
例えば灯油やプロノ々ンガスを燃料としている場合に、
燃￥−１切れを検出する燃料センサ８３と、燃料センサ
８３の出力信号を受けて冷媒加熱器５３と二方弁６３．
７３とを制御する制御手段としてのマイクロコンピュー
タなどからなるコントローラ８５とを付加している。

この場合の制御は、外気温に拘らず冷媒加熱器５３の燃
料か切れた場合には、三方弁６３を閉して二方弁７３を
開き、冷媒加熱器５３を停止させ、第１．第２の両シリ
ンダ３９．４１を使用したヒートポンプ運転に切り換え
暖房を行う。これにより、燃料切れが発生した場合であ
っても、外気温か低（要求暖房能力が大きい場合には充
分てはないが、臨時の暖房か可能となる。

第７図は冷房運転時での制御の一例を示している。この
場合の制御は、第１図に示したような冷凍サイクル構成
において、要求冷房能力が大きいときには二方弁７３を
開いて第１．第２の両シリンダ３９．４１を使用する。

−・方、要求暖房能力が小さいときには二方弁７３を閉
して第１シリンダ３９のみの使用となる。

第８図はさらに他の実施例によるニジリンダ式圧縮機８
７の要部を示している。このニジリンダ式圧縮機８７は
、前記第１図に示した第１実施例におけるニジリンダ式
圧縮機２７に代えて設けられるもので、ニジリンダ式圧
縮機２７と異なるところは、低圧側となる配管７１に接
続される第１シリンダ８９の容積を小さくし、冷媒加熱
器５３側の高圧となる配管６５に接続される第２シリン
ダ９１の容積を大きくしたことである。配管７１にはサ
クションカップ９３が設けられている。

このような構成とした場合、暖房能力の大きい冷媒加熱
とヒートポンプとの同時運転の際には、冷媒加熱器５３
を出た冷媒蒸気は絞られていないため高圧となっており
そのまま容積の大きい第２シリンダ９１に送り込まれる
。一方、室外熱交換器５７を出た冷媒は低圧の蒸気とな
っており小さな容積の第１シリンダ８９に送り込まれる
。第２シリンダ９１内の冷媒蒸気は高圧のため傍かな圧
縮を行った後圧縮機ケース９５内に吐出される。

一方、第１シリンダ８９内の低圧の冷媒蒸気は高圧の状
態まで圧縮されて圧縮機ケース９５内に吐出される。

このとき両シリンダ８９．９１の回転トルクを考えると
、容積の小さい第１シリンダ８９側は、吸入側と吐出側
との圧力比、すなわち圧縮比が容積の大きい第２シリン
ダ９１に比べて大きく、したがって圧縮比を考えれば回
転トルクが第２シリンダ９１に比べて大きくなるが、逆
に圧縮する蒸気の量が第２シリンダ９１に比べて少ない
ため、゛両シリンダ８９．９１の容積を適宜調整するこ
とで、両者の回転トルクは互いにほぼ等しくすることが
でき、全体的にバランスのとれた良好な回転が得られ、
振動及び騒音か少ないものとなる。これにより、この圧
縮機が組み込まれる室外ユニットの振動及び騒音を著し
く低減することができる。

［発明の効果コ 以上説明してきたようにこの発明によれば、高い暖房能
力を必要とするときには冷媒加熱とヒートポンプとを同
時運転し、低い暖房能力でよい場合には、ヒートポンプ
運転たけにすることができ、しかもこのとき第２の開閉
弁を閉じることで冷媒は一つのシリンダ部に吸入される
だけであるので、より低い暖房能力を確保てき、これに
より極めて広い能力司変幅を得ることかでき、快適な冷
房感を使用者に提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例による冷媒加熱式冷暖房
装置における冷凍サイクル構成図、第２図は第２実施例
による冷凍サイクル構成図、第３図は第１図の冷凍サイ
クルにおける暖房運転時での制御例を示すブロック図、
第４図は同フローチャート、第５図は暖房運転時での他
の制御例を示すブロック図、第６図は同フローチャート
、第７図は冷房運転時での制御例を示すフローチャート
、第８図はさらに他の実施例を示すニジリンダ式圧縮機
の要部を示す部分断面図、第９図は従来の冷媒加熱式冷
暖房装置における冷凍サイクルのモリエル線図、第１０
図は同冷暖房装置の冷凍サイクル構成図、第１１図は他
の従来例を示す冷凍サイクル構成図である。 ２７・・シリンダ式圧縮機 ２９・・・四方弁（切換弁）　３１・・・室内熱交換器
３３．３５・・吸入口　　３７・・・吐出口３９・・・
第１シリンダ（シリンダ部）４１・・・第２シリンダ（
シリンダ部）４７．５５・・・配管 ５３・・・冷媒加熱器　　５７・・・室外熱交換器６３
・・・二方弁（第１の開閉弁） ６５．７１・・・配管　　６７・・・膨脂弁７３・・・
三方弁（第２の開閉弁） ７７・・・流量制御弁（第２の開閉弁）Ｆｌ！糊λ升埋
土三好秀和 ２７・ンリ／ダ式圧縮機 ２つ・四方弁（切換弁）　　３１・室内熱交換器３３．
３５　　吸入口　　３７　吐出口３つ　第１ンリンダ（
容積部） ４１−・・第２７リンダく容積部） ４７．５５　　配管 ５３　冷媒加熱器　　５７・室外熱交換器６３・二方弁
（第１のＩＩｆＩ閉弁） ６５．７１・配管　　６７　・膨脂弁 ７３−二方弁（第２の開閉弁） 一一一一一暖房時 第１図 一−−−−暖ν 第２図 第３図 第４図 第５図 第８図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸入口を２つ吐出口を１つそれぞれ備え各吸入口
   に対応して同時に動作するシリンダ部が２つ設けられた
   圧縮機と、室内に設置される室内熱交換器と、室外に設
   置される室外熱交換器と、この各室内熱交換器及び室外
   熱交換器と前記圧縮機の吐出口及び一方の吸入口とを接
   続する切換弁と、前記室内熱交換器と室外熱交換器とを
   接続する配管に設けた膨脹弁と、前記配管と前記圧縮機
   の他方の吸入口との間に設けた冷媒加熱器と、この冷媒
   加熱器と前記配管との間に設けた第１の開閉弁と、前記
   二つの吸入口にそれぞれ接続される配管相互間に設けた
   第２の開閉弁とを有することを特徴とする冷暖房装置。
2. （２）室外の温度を検出する外気温検出手段と、この外
   気温検出手段の検出信号を受け外気温が所定値未満のと
   き冷媒加熱運転と室内熱交換器を利用したヒートポンプ
   運転とを同時に行い、前記外気温が前記所定値を超える
   とき室内熱交換器を利用したヒートポンプ運転のみを行
   うよう制御する制御手段とを設けたことを特徴とする請
   求項１記載の冷暖房装置。