JPH04270873A - ヒートポンプ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電磁弁など汎用の開閉
弁を操作するだけで、冷凍サイクルを切り換えて、冷房
単独・暖房単独・給湯単独・冷房給湯併行の４通りの運
転が可能であり、しかもこの４通りの運転が全て同一の
減圧膨張装置で制御できるとともに、給湯単独・冷房給
湯運転については圧縮機の能力制御を行なうようにした
ヒートポンプ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷房給湯併行の運転を行なわせる冷暖房
給湯装置としては、たとえば実公昭４８−１７１０２号
公報に示される装置が従来からあるが、この冷暖房給湯
装置は図４に示す冷媒回路により形成されており、系統
中に冷房単独・冷房給湯併行と、給湯単独とに切り換え
るための四方切換弁が必要であることと、冷房単独のみ
の三路切換弁が必要であることと、絞り装置部品である
膨張弁が２個必要である。

【０００３】この従来の冷暖房給湯装置において、実線
の矢印は冷房のみ、破線の矢印は給湯のみ、波状の矢印
は冷房給湯の場合の冷媒の流れを示している。この図４
において、冷房・給湯併行運転時、圧縮機１からの高温
冷媒ガスは三路切換弁２６を経て給湯用水熱交換器２で
凝縮し、四方切換弁５を通って室外コイル３へ行き、そ
こで外気と熱交換し、さらに逆止弁７ｂおよび受液器１
１を経て膨張弁１９で減圧され、室内コイル４で室内空
気と熱交換して蒸発され、過熱ガスとなって四方切換弁
５より圧縮機１へ戻る。なお、７ａは逆止弁、２０は膨
張弁である。

【０００４】このとき、給湯用水熱交換器２と室外コイ
ル３は冷凍サイクルが直列に接続されているため、室外
コイル３の周囲温度が低い外気条件で運転される場合、
室外コイル３で凝縮熱交換され給湯用水熱交換器２への
熱交換能力が室外コイル３側に移行し、冷房・給湯併用
の運転効率が低下する。すなわち、冷房排熱回収の給湯
運転が完全に実施されないことになる。

【０００５】また、給湯温度の上昇、すなわち、冷凍サ
イクルの凝縮温度を高く維持する高圧運転を継続させよ
うとしても、室外コイル３の周囲温度が低い場合、冷媒
ガスはここで凝縮し、この相当飽和温度となって、冷凍
サイクルの凝縮温度を高く、給湯温度を高く出来ない。

【０００６】さらに、冷房、給湯、冷房・給湯併行の３
通りの運転を行わせるためには、系統中に冷房単独、冷
房給湯併行の両運転兼用の膨張弁１９と給湯単独専用の
膨張弁２０とが必要であって、後者の膨張弁２０につい
ては、冷媒流通量が相互に異る２通りの運転に共用させ
ている関係上、これを単純にキャピラリーチューブ代替
は不可能であり、高価な自動膨張弁を使用せざるを得な
いため、コスト増をもたらす点も問題点であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のこ
の種の冷暖房給湯装置は給湯用水熱交換器２と室外コイ
ル３が冷房給湯併行運転時、直列に接続されているので
、室外コイル３の周囲温度が低い外気条件下での運転時
、室外コイル３側で熱交換、凝縮してしまい、給湯用水
熱交換器２の能力が低下し、給湯温度を高く出来ないな
どの課題があった。

【０００８】また、冷房、暖房、冷房給湯併行の運転を
行うためには、二つの自動膨張弁が必要となり、高価で
あり、コスト増をもたらすなどの課題もあった。

【０００９】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、効率の良い安定した給湯単独、冷
房給湯併行運転ができるとともに、圧縮機の能力制御を
行なってヒートポンプ装置の運転を続行させることによ
り、給湯温度を高く維持することができるヒートポンプ
装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係るヒートポ
ンプ装置は、給湯用水熱交換器、利用水側熱交換器、非
利用空気側熱交換器の三つの熱交換器と電磁弁の開閉弁
を各々目的ごとの冷房、暖房、給湯、冷房給湯に応じて
切り換えるとともに、圧縮機の吸入側に接続された比例
式の電磁開閉弁を開閉して能力制御が行なわれるように
した冷凍サイクルと、これらの冷凍サイクルの運転時の
冷媒流量を制御する１個の減圧膨張装置とを設けたもの
である。

【００１１】

【作用】この発明においては、電磁弁の開閉により冷房
運転は非利用空気側熱交換器と利用水側熱交換器、暖房
運転は利用水側熱交換器と非利用空気側熱交換器、給湯
運転は給湯用水熱交換器と非利用空気側熱交換器、冷房
給湯運転は給湯用水熱交換器と利用水側熱交換器が接続
され、減圧膨張弁により、冷房運転、暖房運転、給湯運
転、冷房給湯併行運転の４通りの運転時に応じて冷媒流
量を調節する。また、冷房運転時には利用水側熱交換器
で冷水を作り、暖房運転時には利用水側熱交換器で温水
を作り、給湯運転時には給湯用水熱交換器で給湯用温水
を供給し、冷房・給湯併行運転時には給湯用水熱交換器
で給湯用温水を作るとともに利用水側熱交換器で冷水を
作る。

【００１２】

【実施例】以下、この発明のヒートポンプ装置の実施例
を図について説明する。図１はその一実施例の冷媒系統
図を示したものであり、圧縮機１、四方切換弁５、圧縮
機１からの吐出ガス冷媒と給湯用水との間を熱交換する
給湯用水熱交換器２、負荷側のファンコイルユニットな
ど（図示せず）の空気調和機（以下、空調機という）と
の間を冷水、あるいは温水を介して熱交換する利用水側
熱交換器４、非利用空気側熱交換器３はファン１６によ
り強制熱交換されるようになっている。

【００１３】また、６は逆止弁７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ
と電磁弁９、電磁式膨張弁１０、毛細管８ａ，８ｂ，８
ｃなどより構成される減圧膨張装置であり、条件に応じ
てそれぞれ開閉し、きめ細かに流通する冷媒量を制御す
る。１１はドライヤである。１２はアキュムレータであ
る。

【００１４】すなわち、逆止弁７ａと７ｂ，７ｃと７ｄ
がそれぞれ直列に連結されており、この逆止弁７ａと７
ｂ，７ｃと７ｄとの連結点間に、ドライヤ１１と電磁弁
９、毛細管８ｃが直列にして連結され、さらに、逆止弁
７ａと７ｃとの接続点と、ドライヤ１１と電磁弁９との
接続点間に毛細管８ａが連結されている。この電磁弁９
に並列に、電磁式膨張弁１０が接続されており、電磁弁
９とドライヤ１１との接続点は毛細管８ｂを介して、ま
た、逆止弁７ｄはそれぞれ液溜１４に連結されている。 さらに、逆止弁７ａと７ｃとの接続点は電磁弁１３ｆを
介して非利用空気側熱交換器３に連結されている。

【００１５】一方、１３ｃ，１３ｇは給湯用水熱交換器
２の両側に接続され開閉する電磁弁であり、給湯および
冷房給湯併行運転時に開放される。電磁弁１３ｃは四方
切換弁５に連結され、電磁弁１３ｇは受液器１４に連結
されている。

【００１６】１３ａ，１３ｂは利用水側熱交換器４（以
下、水熱交換器と呼ぶ）の片方側に接続される電磁弁で
あり、電磁弁１３ｂは四方切換弁５との間に、また電磁
弁１３ａは四方切換弁５と非利用空気側熱交換器３（以
下、空気熱交換器と呼ぶ）との間に接続される。

【００１７】電磁弁１３ｄは給湯用水熱交換器２の電磁
弁１３ｇと水熱交換器４との間に接続され、電磁弁１３
ｅは空気熱交換器３の電磁弁１３ｆと水熱交換器４との
間に接続される。

【００１８】この電磁弁１３ｆは減圧膨張装置６と空気
熱交換器３との間に接続される電磁弁であり、冷房，暖
房，給湯運転時に開放される。

【００１９】なお、上記液溜１４は冷凍装置内の余剰冷
媒を溜める役目をなし、バイパス回路１８は逆止弁１８
ａとキャピラリーチューブ１８ｂからなり、給湯用水熱
交換器２内に閉じ込められた冷媒を低圧圧力側に逃がし
、溜まらないようにするようになっている。

【００２０】さらに、電磁開閉弁２１は圧縮機１とアキ
ュムレータ１２間に接続される比例式の電磁開閉弁であ
り、内部の冷媒流通路を自在に制御し、圧縮機１へ吸入
される冷媒量をコントロールすることで能力を可変する
。

【００２１】図２は圧縮機１の特性図を示したもので、
圧縮機１への冷媒量（＝低圧圧力）と能力とは、低圧の
低下とともに能力も低下する。したがって電磁開閉弁２
１を閉じると低圧圧力は低下している。

【００２２】次に、動作について、（１）　冷房運転、
（２）　暖房運転、（３）　給湯運転、（４）　冷房給
湯併行運転を項目に分けて説明する。なお、実線の矢印
は暖房時の冷媒流れ方向を示し、破線の矢印は冷房時の
冷媒の流れ方向を示し、実線に黒点を付した矢印は冷房
・給湯時の冷媒の流れ方向を示している。

【００２３】（１）　冷房運転 圧縮機１から吐出される高温、高圧のガス冷媒は四方切
換弁５を通って空気熱交換器３へ行き、ここでファン１
６と強制熱交換され、ガス冷媒は凝縮されて高圧の液冷
媒となり、さらに電磁弁１３ｆを経て減圧膨張装置６へ
入り、逆止弁７ａ、ドライヤ１１を通って冷媒は電磁式
膨張弁１０、冷却用毛細管８ｂ，８ｃで減圧され、逆止
弁７ａと電磁弁１３ｄを通って水熱交換器４で蒸発し、
ここで熱交換し、冷水を作り、負荷の空調機（図示せず
）へ供給する。この水熱交換器４で蒸発されたガス冷媒
は電磁弁１３ｂ、四方切換弁５を介して圧縮機１へ戻り
、冷房運転が繰り返される。

【００２４】このときの開放される電磁弁は電磁弁１３
ｆ，１３ｄ，１３ｂ、電磁開閉弁２１であり、他の電磁
弁１３ａ，１３ｃ，１３ｅ，１３ｇは閉じられる。給湯
用水熱交換器２は両端の電磁弁１３ｇ，１３ｃにより閉
じられており、ここへ冷媒が寝込んで、冷凍サイクルの
運転が不安定となることもない。

【００２５】（２）　暖房運転 冷房運転とは逆の冷凍サイクルで運転され、圧縮機１、
四方切換弁５、電磁弁１３ｂ、水熱交換器４、電磁弁１
３ｄ、液溜１４、減圧膨張装置６の逆止弁７ｂ、ドライ
ヤ１１、毛細管８ａ、膨張弁１０、毛細管８ｃ、逆止弁
７ｃ、電磁弁１３ｆ、空気熱交換器３、アキュムレータ
１２の順で構成される。圧縮機１から出た高圧ガス冷媒
は水熱交換器４で熱交換し、温水を供給する。

【００２６】この水熱交換器４で凝縮された冷媒は液溜
１４に溜められ、ここで暖房運転における余剰冷媒を収
容するとともに、逆止弁７ｂ、ドライヤ１１を通って膨
張弁１０、過熱用毛細管８ａで減圧される。

【００２７】このとき、開放される電磁弁は１３ｂ，１
３ｄ，１３ｆ、電磁開閉弁２１であり、他の電磁弁１３
ａ，１３ｃ，１３ｅ，１３ｇは閉じられる。給湯用水熱
交換器２は両端の電磁弁１３ｃ，１３ｇにより閉じられ
ており、ここへ冷媒が寝込んで冷凍サイクルの運転が不
安定となることもない。

【００２８】（３）　給湯運転 暖房運転と同様の冷凍サイクルで運転され、圧縮機１、
四方切換弁５、電磁弁１３ｃ、給湯用水熱交換器２、電
磁弁１３ｇ、液溜１４、減圧膨張装置６、電磁弁１３ｆ
、空気熱交換器３、アキュムレータ１２の順で構成され
る。

【００２９】この場合、圧縮機１から出た高圧ガス冷媒
は給湯用水熱交換器２で熱交換し、給湯用温水を供給す
る。この給湯用水熱交換器２で凝縮された冷媒は液溜１
４に溜められ、ここで給湯運転における余剰冷媒を収容
する。

【００３０】さらに、液溜１４に溜められた冷媒は逆止
弁７ｂ、ドライヤ１１を通って膨張弁１０、加熱用の毛
細管８ａで減圧される。減圧膨張装置６はすべてドライ
ヤ１１を通って同一経路で減圧される。

【００３１】このとき、開放される電磁弁は１３ｃ，１
３ｇ，１３ｆ、電磁開閉弁２１であり、他の電磁弁１３
ａ，１３ｂ，１３ｄ，１３ｅは閉じられる。

【００３２】このとき、水熱交換器４は両端の電磁弁１
３ａ，１３ｂ，１３ｅにより閉じられており、ここへ冷
媒が寝込んで、冷凍サイクルの運転が不安定となること
もない。

【００３３】次に、給湯用水熱交換器２により熱交換さ
れた貯湯タンク（図示せず）からの温水は次第に水温が
上昇して貯湯タンク内の水温を上げるが、設定温度に近
づくと、圧縮機１が停止しようとする。例えば給湯用水
熱交換器２への入口温度５５℃、設定温度６０℃、出口
温度６０℃とすると、圧縮機１は停止する。このとき、
貯湯タンク内の水温は約６０℃＋５５℃／２＝５７．５
℃となる。

【００３４】（４）　冷房給湯併行運転圧縮機１、四方
切換弁５、電磁弁１３ｃ、給湯用水熱交換器２、電磁弁
１３ｇ、液溜１４、減圧膨張装置６、電磁弁１３ｅ、水
熱交換器４、電磁弁１３ａ、四方切換弁５、アキュムレ
ータ１２の順で構成される。

【００３５】このとき、圧縮機１から出た高圧のガス冷
媒は給湯用水熱交換器２で熱交換し、給湯用温水を供給
する。そこで凝縮された高圧液冷媒は液溜１４で余剰分
が溜められ、さらに逆止弁７ｂ、ドライヤ１１を通って
減圧膨張装置６へ行き、膨張弁１０、加熱用の毛細管８
ａで減圧される。

【００３６】この減圧された蒸発冷媒は電磁弁１３ｅを
通って水熱交換器４で熱交換され、蒸発して冷水を作り
空調機へ冷水供給する。減圧膨張装置６はすべてドライ
ヤ１１を通って同一経路で減圧される。

【００３７】なお、減圧膨張装置６中の電磁弁９は冷凍
負荷が増大し、冷媒循環量を多く必要とする際、開放さ
れる。

【００３８】このように、必要冷凍負荷に応じて、減圧
膨張装置６内の構成部品は開閉制御がきめ細かく行なわ
れる。

【００３９】このとき、開放される電磁弁は１３ｃ，１
３ｇ，１３ｅ，１３ａ、電磁開閉弁２１であり、他の電
磁弁１３ｂ，１３ｄ，１３ｆは閉じられる。したがって
、空気熱交換器３は冷媒が循環しておらず、ここへ冷媒
が溜まることもない。すなわち、空気熱交換器３と減圧
膨張装置６との間に電磁弁１３ｆで閉じられる。空気熱
交換器３の他端は四方切換弁５と接続され、ここは低圧
回路側のため、ガス冷媒であり、冷媒も寝込まない。

【００４０】また、冷房・給湯併行運転時は空気熱交換
器３は不要であり、ファン１６の運転も停止させ、従来
例の課題であった寝込みによる冷凍サイクルの不安定運
転を解消できる。なお、貯湯温度の上昇のための圧縮機
の能力制御方法については（３）　給湯運転と同様であ
る。

【００４１】以上のように、この実施例によれば、給湯
用水熱交換器２、水熱交換器４、空気熱交換器３の三つ
の熱交換器と電磁弁からなる開閉弁を各々の運転モード
に応じて切り換えるようにして、不使用な熱交換器へは
冷媒を流通させないように冷凍サイクルを構成した。

【００４２】また、給湯・冷房給湯モードにおいて、圧
縮機１の吸入側に接続された比例式の電磁開閉弁２１を
開閉制御するようにしたので、圧縮機１の能力を減少さ
せるようにし、給湯用水熱交換器からの出口水温が設定
温度に近づく際、比例式の電磁開閉弁２１を制御するよ
うにした。

【００４３】これらの冷凍サイクルの運転がすべて同一
の減圧膨張機構で制御させるようにしたので、次のよう
な利点が得られる。

【００４４】冷房給湯併行運転時に空気熱交換器３には
、高圧液冷媒が流れなく、冷媒が凝縮して寝込むことも
なく、冷房用排熱を１００％給湯に回収できて、給湯用
加熱量が大きい。

【００４５】このとき、圧縮機１の運転を停止させずに
続行させ、比例式の電磁開閉弁２１の開度を調整し、能
力を５０％に減少させるように制御する。図２は電磁開
閉弁２１の開度に対する給湯能力、低圧圧力の関係を示
す特性図であり、このとき、図２のＡ点からＢ点へ冷凍
サイクルの動作点が移動する。

【００４６】いま、図３（給湯運転状態を示す説明図）
に示すように、設定温度６０℃直前の温度に達したら、
５０％の能力になるとすると、出口水温は６０℃から半
分の５７．５℃、入口水温は変わらず５５℃となり、圧
縮機１は停止せず、運転を続行する。このままで運転を
続けてゆき、水温が再び設定温度に達すると、圧縮機１
は停止し、給湯運転が完了する。このときの出口水温は
６０℃、入口水温は５７．５℃となり、貯湯タンク内の
水温は約６０℃＋５７．５℃／２＝５８．７５℃と上昇
する。

【００４７】このように、設定温度に近づくにつれて、
圧縮機１の能力を低下させると、運転が続行でき、熱交
換器間の入口−出口温度差が縮まり、水温を高くするこ
とができる。

【００４８】また、低外気温時、空気熱交換器３と熱交
換し、凝縮温度が低下することによる給湯温水の低下も
なく、給湯用水熱交換器２の凝縮温度に相当した給湯温
水を得ることができる。

【００４９】さらに、給湯時の水温を実質的に上昇させ
るために圧縮機１の能力制御を応用し、能力を減少させ
て、給湯用水熱交換器の入口水温を上昇するまで、ヒー
トポンプ装置の運転を続行させるようにしたので、給湯
時の貯湯温度を上げることができる。

【００５０】汎用の構造簡単な開閉弁のみを使用する回
路であって、切換不能を起し易い三路切換弁などの複雑
な制御弁を省略し得るので、制御面での信頼性が向上す
る。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、給湯
用水熱交換器、水熱交換器、空気熱交換器の三つの熱交
換器と電磁弁の開閉を冷房運転、暖房運転、給湯運転、
冷房給湯併行運転のそれぞれの目的に応じて切り換える
とともに、圧縮機の吸入側に接続された比例式の電磁開
閉弁を開閉して、能力制御が行われるように冷凍サイク
ルを構成するとともに、これらの各運転モードをすべて
同一の減圧膨張装置で制御するようにしたので、冷房、
暖房、給湯単独、冷房給湯併行運転ができるとともに、
冷房給湯併行運転時に空気熱交換器には高圧液冷媒が流
れなく、冷媒が凝縮して寝込むこともなく、冷房用排熱
を１００％給湯に回収でき、水温を高くでき、給湯用加
熱量を大きくできる。

【００５２】また、低外気温時に、給湯温水の低下もな
く、給湯時の貯湯温度を上げることができ、かつ簡単な
電磁弁の開閉のみで、冷媒回路切換えができ、制御面で
の信頼性が向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるヒートポンプ装置の
全体構成を示す冷媒回路図である。

【図２】図１のヒートポンプ装置における比例式の電磁
開閉弁の特性図である。

【図３】図１のヒートポンプ装置の給湯運転時の動作説
明図である。

【図４】従来の冷暖房給湯装置の冷媒回路図である。

【符号の説明】

１　　圧縮機 ２　　給湯用水熱交換器 ３　　空気熱交換器 ４　　水熱交換器 ５　　四方切換弁 ６　　減圧膨張装置 ７ａ〜７ｃ　　逆止弁 ８ａ〜８ｃ　　毛細管 ９，１０，１３ａ〜１３ｇ　　電磁弁 １１　　ドライヤ １２　　アキュムレータ ２１　　比例式の電磁開閉弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　冷房運転時に四方切換弁を介して導入
   された圧縮機からの高温高圧ガス冷媒を外気と熱交換し
   て高圧液冷媒に変換しかつ暖房運転時と給湯運転時には
   液冷媒を蒸発させて上記四方切換弁を介して上記圧縮機
   に戻す非利用空気側熱交換器と、冷房運転時および、冷
   房給湯併行運転時に冷媒を蒸発して冷水を作り、かつ暖
   房運転時には上記四方切換弁を介して導入された上記圧
   縮機からの高温高圧ガスを凝縮して温水を作る利用水側
   熱交換器と、給湯運転時および冷房給湯併行運転時に上
   記四方切換弁を介して導入された上記圧縮機からの高温
   高圧ガス冷媒を凝縮して給湯温水を作る給湯用水熱交換
   器と、上記冷房運転時と上記暖房運転時に閉弁して上記
   給湯用水熱交換器に冷媒の流通を阻止し、かつ上記給湯
   運転時と上記冷房給湯運転時に開弁して上記給湯用水熱
   交換器に冷媒を流通させる第１の電磁弁と、上記冷房運
   転時と上記暖房運転時と上記給湯運転時には開弁して上
   記非利用空気側熱交換器に冷媒を流通させ、かつ上記冷
   房給湯併行運転時に閉弁して上記非利用空気側熱交換器
   に冷媒の流通を阻止する第２の電磁弁と、上記冷房運転
   時と上記暖房運転時に開放して上記利用水側熱交換器に
   冷媒を流通させ、かつ上記給湯運転時および冷房給湯併
   行運転時に上記利用水側熱交換器への冷媒の流通を阻止
   する第３の電磁弁と、上記圧縮機の吸入側と上記四方切
   換弁との間に設けられたアキュムレータと、このアキュ
   ムレータと上記圧縮機の吸入側間に設けられ全閉から全
   開まで比例的に開閉制御可能な機構を有し、上記給湯運
   転時および上記冷房給湯運転時に比例的に開弁制御して
   上記圧縮機の能力を制御する電磁開閉弁と、上記非利用
   空気側熱交換器と上記給湯用水熱交換器および上記利用
   水側熱交換器との間に位置して流通する冷媒量を制御す
   る減圧膨張装置とを備えたヒートポンプ装置。