JPH067027B2 - ヒ−トポンプ式空調機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ヒートポンプ式空調機に係り、特に補助熱源
に潜熱蓄熱材を用いて蓄熱槽を使用する際の蓄熱量放出
速度向上および冷暖房運転時の快適性の向上に好適な蓄
熱槽及びサイクルの構成，運転制御方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来のヒートポンプ式冷暖房空調機の暖房運転時の能力
は、外部空気等の熱源側の温度、および室内空気等の熱
放出側の温度によって、ほぼ定まる。従って、ヒートポ
ンプ式ルームエアコン等の朝一番の起動時、又は、外気
温度が低下した時のように暖房負荷が、暖房能力以上に
なった場合に、これを補えない欠点があった。この欠点
を補うため、従来、次のような補助熱源が併用されてき
た。ａ）電気ヒータ、ｂ）石油又はガス等の燃焼器、
ｃ）特開昭58−150768号公報記載の例の如き蓄熱槽。ま
たｄ）複数台の圧縮機の使用等の様な可変容量方式によ
る暖房能力向上も考えられている。

又、特開昭54−146050号公報には、蓄熱槽内に蓄熱熱交
換器を設け、その一端を弁を介して、圧縮機と室内熱交
換器との間の冷媒配管に接続し、他端を膨脹器と電磁弁
およびこれに並列に設けられた逆止弁を介して、室内熱
交換器と室外熱交換器との間の冷媒配管に接続したヒー
トポンプ式空調機が開示されている。又、実行昭49−44
748号公報には、蓄熱槽内に熱交換器を設け、一端が冷
媒ポンプ，電磁弁，受液器，膨脹弁を介して、室内ユニ
ットと室外ユニットとの間に接続され、他端が四方弁と
室内ユニットとの間に接続された冷暖房装置が開示され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

特に、不快感の著しい、冬の朝一番の暖房運転の立ち上
りを考えると、室内空気温度および建屋自体の温度は、
外気温度近くまで低下している。このため、設定温度
（２１℃近傍）迄に到達するのに、温度条件の厳しい時
には、約１時間前後の時間を要する。さらに、起動後し
ばらくは、あまり暖かくない風が、室内を循環するため
に快適性が著しく損なわれる。従って、この暖房の朝一
番の立ち上り時の快適性を向上するには、出来るだけ高
温度の空気を吹き出させるとともに、設定温度迄の到達
時間の短縮が望まれている。一方、室内側熱交換器は適
度の大きさである必要があり、吹き出し風量も、快適な
風速以内である必要がある。さらに吹き出し温度も、高
い程良いといっても快適性等より上限値がある。これら
の制限を考慮すると、立ち上り時間は、現状の約1/3前
後迄短縮しうる。但しこのためには、従来の暖房能力の
約２倍の能力が必要となる。

このような快適な朝一番の立ち上りを達成しようとする
と、前述の従来の補助熱源等では、次の様な問題が生じ
る。

a)電気ヒータの場合、立ち上り時に、約倍の電力が必要
となる。電気ヒータ自体大形化するとともに、一般家庭
で使用する場合、契約電流が増すとともに、電源配線容
量を大きなものに変更する必要が生じる。

b)石油又はガス等の燃焼器併用の場合は、朝の立ち上り
特性の改善には効果的であるが、石油であれば、補充の
手間，ガスであればガス配管の増設等の手段、又燃焼器
の保守が必要となる。これにより、火を用いない暖房と
いうヒートポンプ式空調機の長所が半減する。

c)蓄熱槽を用いる場合は、水等を用いる顕熱蓄熱方式の
場合、朝の立ち上り時に必要とされる熱量を貯えるに
は、かなり大きなものが必要となる。また、凍結破損事
故のおそれがある。

d)可変容量方式（例えば、周波数可変電源によるもの）
は効果的であり、高級機種に採用されているが、現状で
はやや高価である。

本発明では、上記の各種方法の中より、問題点の比較的
少ない蓄熱方式に着眼し詳細に検討する。顕熱蓄熱方式
の場合は、前述のような問題点を有しているが、さら
に、高温度で熱量を引き出したい場合、水を使用すると
圧力容器が必要となるとともに熱洩れ量が多くなる。一
方、装置の小形化，蓄熱温度レベルの低下，一定化を目
指して、潜熱蓄熱方式を用いると、蓄熱材料にもよる
が、一般に１０Ｋ〜２０Ｋの過冷却がないと、発核せ
ず、熱の取出し速度が遅くなるという欠点を有してい
る。上記従来の装置はこの点が配慮されていないもので
あり、特に、朝の立ち上り時間の短縮を目的とした場合
この欠点は、他の長所があっても致命的である。

本発明の目的は、ヒートポンプ式冷暖房機の補助熱源と
して、潜熱蓄熱槽を設けた場合に、潜熱蓄熱材の最大欠
点である熱放出速度が遅い点を大幅に改良し、朝一番の
暖房立ち上り時の快適性を大幅に向上する方式を提供す
ることにある。さらに、この蓄熱槽を用いて、暖房時の
除霜運転時、又冷房立ち上り運転時の快適性をも向上す
るヒートポンプ式空調機を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式空
調機は、圧縮機，室内熱交換器，室外熱交換器，絞り装
置，四方弁より基本的に冷媒回路が構成され、槽内に冷
媒用熱交換器を設けた蓄熱槽を備えたヒートポンプ式空
調機において、前記冷媒用熱交換器の一端を閉止弁を介
して圧縮機と弁内熱交換器との間の冷媒回路に接続し、
もう一方の端を冷媒ポンプと第２の閉止弁およびこれら
に並列に設けられた第２の絞り装置と第３の閉止弁を介
して室外熱交換器と室内熱交換器との間の冷媒回路に接
続するとともに、暖房運転開始時に前記第２の閉止弁を
閉、第３の閉止弁を開として圧縮機を起動し、一定時間
後前記第２の閉止弁を開、第３の閉止弁を閉として前記
冷媒ポンプを運転するように制御する制御手段を設けた
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

潜熱蓄熱方式において、蓄熱量の放出速度が遅い原因
は、前述の如く、溶融塩が凝固する際には発核しないと
凝固温度で凝固せず、発核するためには、１０Ｋ〜２０
Ｋ程度の過冷却が必要となるが、暖房運転開始時に前記
閉止弁を閉、第２の閉止弁を開として圧縮機を起動し、
一定時間後前記閉止弁を開、第２の閉止弁を閉として前
記冷媒ポンプを運転するように制御しているので暖房運
転開始時に第２の絞り装置で絞られて過冷却が一時的に
起こるため、サイクル側の冷却源を利用して、潜熱蓄熱
材を、強制的に十分過冷却することにより、短時間で発
核させることにより、全体の凝固を速やかにすることで
き、特に朝の暖房立ち上り時に急速な暖房が行える。
又、この際に蓄熱槽より取った熱を室内の暖房に用い得
るようにして熱の損失が生じないようにすることでき
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ヒー
トポンプ式冷暖房機の基本サイクル構成を以下に述べ
る。圧縮機１は、四方弁８を介して、室外側熱交換器
２，室内側熱交換器３に連結されている。減圧絞り４及
びバイパス用逆止弁５が室外側に暖房用として、又、絞
り６とバイパス用逆止弁７が室内側に冷房用として設け
られている。この基本サイクルに、図に示すように、潜
熱蓄熱材が充填された蓄熱槽９が付加される。この内部
に、冷媒用熱交換器１０が設置され、この熱交換器の一
端は三方弁１１を介して圧縮機と室内熱交換器を結ぶ配
管に接続する。又、熱交換器１０のもう一方の端は、冷
媒ポンプ１４と閉止弁１２を介して、室内外熱交換器を
継ぐ配管に接続する。又、減圧用絞り１５（第２の絞り
装置）と閉止弁１３（第２の閉止弁）が、上記冷媒ポン
プ１４と閉止弁１２をバイパスする様に設けられる。

次に、本実施例の動作について、第１図にもとづき説明
する。

暖房運転時、圧縮機１より吐出された高温の吐出冷媒ガ
スは、四方弁８を破線で示される方向を通り、室内側熱
交換器に到り、ここで室内空気を加熱し、自らは凝縮液
化する。この液冷媒は、逆止弁７を順方向に流れ、室外
側絞り４で減圧され、室外熱交換器２で、外気より吸熱
し蒸発する。ガス化された冷媒は、四方弁を破線方向に
通り、圧縮機に吸入され、再度圧縮される。この間、蓄
熱槽へ連なる閉止弁１２，１３は閉じており、三方弁１
１はＢ方向に開いている。従って、蓄熱槽内の熱交換器
１０に、液冷媒が貯まり、サイクル循環冷媒量に変動を
きたすことはない。

次に、本発明の主目的である朝一番の暖房立ち上り時の
動作について説明する。朝の起動の一定時間前に、蓄熱
槽内の電気ヒータ（図示せず）が通電され、潜熱蓄熱材
を溶融し所定の温度で蓄熱する。暖房運転開始時、圧縮
機１が起動するとともに、閉止弁１３が開き、三方弁は
Ｂ方向に開く。これにより、室内熱交換器で凝縮した液
冷媒は、一部は、室外側熱交換器２に行き蒸発するとと
もに、一部は、弁１３を通り、絞り１５で減圧し、蓄熱
槽内熱交換器１０で蒸発し、高温度で蓄熱している潜熱
蓄熱材を大幅に過冷却する。ここで蒸発した冷媒は、三
方弁１１をＢ方向に流れ、室外側熱交換器で蒸発した冷
媒と合流し、四方弁を通り、圧縮機に吸入され、室内熱
交換器へ吐出される。従って、潜熱蓄熱材を過冷却し、
これにより取った熱は、室内の暖房に用いられることと
なり、熱損失は生じない。

上記運転を短時間行なうことにより、蒸発槽内部に、大
幅な過冷却によりすみやかに発核する。この核をもと
に、全体に速やかな凝縮が、凝固温度で生じる。即ち、
第３図に示す如く、蒸発材温度は、暖房開始T₁より上記
過冷却運転により過冷却され、時間T₂で発核して、これ
により、蓄熱材温度は、溶融温度０ｍに戻り、この温度
で潜熱を速やかに放出する。

上記過冷却運転を短時間で行なった後に、閉止弁１３を
閉じ、弁１２を開き、冷媒ポンプ１４を運転する。同時
に三方弁１１をＡ方向に切換える。これにより、室内熱
交換器で放熱し液化した冷媒の一部は、従来通り、室内
側熱交換器に流れ、外気より収熱するが、一部は、冷媒
ポンプ１４にて、槽内の熱交換器１０で、潜熱蓄熱材よ
り、その高温の凝固温度で熱をもらい蒸発する。この高
温のガスは、三方弁１１をＡ方向に通り、圧縮機よりの
高温の吐出ガスと合流し、室内側熱交換器３に到る。室
内側熱交換器への熱入力は、従来の圧縮機よりのもの
に、蓄熱槽からのものが加わり大幅に増加する。従っ
て、凝縮温度が従来より大幅に高くなり、吹出し空気温
度も大幅に高くなる。これにより暖房立ち上り時間も短
縮され快適な立ち上り暖房が得られる。

室内空気温度が、所定の温度に到達した時点で、通常の
暖房運転に戻る。即ち、弁１２が閉じ、冷媒ポンプ１４
が閉止し、三方弁１１がＢ方向に切り換る。これによ
り、前記運転により、槽内熱交換器１０内に貯っていた
液冷媒は、低圧側に三方弁を介して繋がるため、蒸発
し、熱交換器１０内に、液冷媒が貯ることはない。

次に冷媒運転について説明する。この間は蓄熱槽は用い
られず、弁１２，１３は閉じ、冷媒ポンプは停止され、
三方弁はＡ方向に開かれている。四方弁は実線方向に切
換えられるため、圧縮機１の吐出冷媒ガスは、室外熱交
換器２で外気により冷却され凝縮液化する。液冷媒は、
逆止弁５を順方向に流れ、絞り６で減圧され室内熱交換
器に到る。ここで、室内空気を冷却し、自らは蒸発して
四方弁を介して圧縮機に吸入され再度圧縮される。

次に、本発明の他の実施例について第２図に基づいて説
明する。構成としては、前実施例の構成の冷媒ポンプ１
４と弁１２に並列に、図示の方向をもった逆止弁１６が
付加される。これにより、前記実施例の機能のほかに、
さらに暖房時の除霜運転時の快適性向上、又冷房運転立
ち上り時の快適性向上，暖冷房運転を通しての成績係数
の向上が計れる。

まず、暖房運転時の除霜運転について第２図に基づいて
説明する。通常の暖房運転を行なっていると、外気の温
湿条件によって、室外熱交換器２は着霜してくる。従っ
て、従来、外気温度，冷媒の蒸発温度を一定時間毎に検
知して、室外熱交換器の除霜運転を行なっている。この
場合、四方弁が破線方向より実線方向に切り換わり、圧
縮機よりの高温ガスが、室外熱交換器２に到り、これを
加熱し、霜を融解する。ここで凝縮した冷媒は、室内側
の絞り６で減圧され室内側熱交換器３で室内空気より熱
を奪い蒸発して再度圧縮機に吸入される。この運転時、
室外側送風機（図示せず）は停止しているが、室内側送
風機（図示せず）は、停止していない場合もある。いず
れにしても、室内空気より熱を奪うため、暖房の快適性
が損なわれる。

従来の方法に対して、本実施例では、暖房運転中に、一
部の熱を蓄熱槽に取込み、この熱で、除霜運転時の液冷
媒を蒸発させることが出来る。このための、室内空気を
冷やすことがなくなるので、除霜運転時の快適性が向上
する。この動作について以下に詳細に述べる。

暖房運転時に、蓄熱槽９に蓄熱する方法には次の二通り
がある。

Ａ）暖房運転中に、三方弁１１をＡ方向に、常時又は間
歇的に開き、圧縮機よりの吐出ガスの一部を取り込む。
冷媒ガスは蓄熱材を加熱し、凝縮液化して、逆止弁１６
を順方向に流れ、室内側からの液冷媒と合流して、室外
熱交換器に到る。

もう一方の方法は、 Ｂ）室内設定温度及び外気温度により、暖房運転はＯＮ
・ＯＦＦを繰返えすが、室内温度が設定値以上となり、
従来圧縮機を停止する場合、運転を継続して、三方弁１
１をＡ方向に切り換えて、余剰暖房能力を蓄熱槽に貯え
た後に圧縮機等を停止する方法である。

この両方法とも、圧縮機の運転時間が長くなり、従来よ
り発停回数が減る。これにより、発停に基づく損失が減
り、成績係数の向上が計れる。次に除霜運転時には、従
来通り、逆サイクル運転となるが、この時に、弁１３が
開き、三方弁１１がＡ方向に開く。これにより、室外熱
交換器の霜を融かして液化した冷媒の殆どは、弁１３を
通り、絞り１５で減圧して、蓄熱槽に送られる。ここで
高温の蓄熱材より受熱して蒸発して、三方弁を通り、圧
縮機に吸入される。これにより、室内熱交換器では、液
冷媒が殆ど蒸発しないので、室内空気を冷却することが
なく、従来より快適性が向上する。

次に、冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時
の余剰冷房能力は、蓄熱槽に蓄冷して、冷房運転の立ち
上り時に用いて、冷房能力を増加させるとともに、成績
係数の向上が計れるものである。前記の通常の冷房運転
時、室内空気温度が、設定値以下になり、従来、圧縮機
を停止する場合に、運転を継続して、弁１３を開く。
（三方弁は冷房運転時と同じＡ方向に開いている。）こ
れにより、室外熱交換器２で凝縮液化した冷媒は、弁１
３を通り、絞り１５で減圧され、槽内熱交換器１０で蒸
発して、蓄熱材を冷却する。蓄冷材が一定温度迄冷却さ
れた時点で、弁１３が閉じて、圧縮機が停止する。

次に、冷房運転の立ち上り時には、圧縮機の起動ととも
に、三方弁１１がＢ方向に開く。これにより、圧縮機よ
りの高温の冷媒ガスの一部は、従来通り、室外側熱交換
器に行くが、一部は三方弁１１を通り蓄熱槽内の熱交換
器１０に到り、ここで冷却された蓄熱材により冷却され
凝縮液化し、逆止弁１６を順方向に流れ、室外側熱交換
器で凝縮した液冷媒と合流して、室内側に向う。これに
より冷房の立ち上り時、凝縮能力が増加するため、凝縮
温度が低下することにより、冷房能力が増加する。ま
た、成績係数も向上する。これにより、冷房立ち上り時
の室内空気の冷却速度が増し、快適性が向上する。蓄熱
材が、一定の温度以上となった時点で、三方弁をＡ方向
に切り換え通常の冷房運転に戻る。

本発明の他のいくつかの実施例について、第４図，第５
図に基づいて説明する。Ａ）蓄熱槽内に熱交換器１０お
よび１０′を設け、熱交換器１０′を暖房の朝の立ち上
り運転時の蓄熱槽過冷却用として用いる例である。この
場合、熱交換器１０′は一端は閉止弁１１′を介して、
室外熱交換器の絞り４と圧縮機の間の冷媒回路の任意の
点に接続される。又もう一端は、ａ）第４図に示すよう
に絞り１５と閉止弁１３を介して室内外の熱交換器を結
ぶ配管に接続されるか、又はｂ）第５図に示すように閉
止弁１７を介して、室外熱交換器の絞り４と圧縮機の間
の冷媒回路の、他端の接続位置とは異なる所に接続され
る。

暖房の朝の立ち上り時には、閉止弁１１と１２は閉じら
れており、起動とともに、上記第４図のａ）の場合は閉
止弁１１′と１３が開き、ｂ）の場合は閉止弁１１′と
１７が開く、これにより、ａ）の場合は室内熱交換器で
凝縮液化した冷媒が弁１３を介し、絞り１５で減圧さ
れ、熱交換器１０′で蒸発し蓄熱材を過冷却する。冷媒
ガスは弁１１′を通り圧縮機に吸入される。又第５図に
示すｂ）の場合は、室外熱交換器で蒸発している冷媒の
一部が弁１７を通して熱交換器１０′内に流入してくる
ので、これにより蓄熱材が過冷却される。上記いずれか
の運転を短時間行なった後に、ａ）の場合は弁１３を、
又ｂ）の場合は弁１７を閉じ、弁１１，１２を開き、冷
媒ポンプを運転する。これにより前実施例と同等の効果
が得られる。但し、上記構成のものでは、暖房時の除霜
時のための蓄熱機能，冷房時の起動時のための蓄冷機能
を得るためには、配管や弁類をさらに追加する必要があ
る。

〔発明の効果〕

本発明により、次のような効果が得られる。

１）暖房運転の朝一番の起動時にも、潜熱蓄熱材を用い
た蓄熱槽に蓄熱した熱量の取出しが、過冷却を行うこと
により大幅に迅速化できる。これにより、朝一番の暖房
立ち上り時間が大幅に短縮できるとともに、室内側吹出
し空気温度を従来より大幅に高温化でき快適な暖房立上
りが得られる。

２）逆止弁１６の追加により、上記蓄熱材に、暖房運転
中蓄熱が可能となり、この蓄熱量を除霜運転時の熱源と
して用いることが出来る。このため、除霜運転時に、従
来のように、室内空気より熱を奪うことが無くなるた
め、快適性が保たれる。又、圧縮機の発停回数が減るた
め、成績係数の向上が得られる。

３）同上の逆止弁１６の付加により、蓄熱槽に、冷房運
転中に、蓄冷することが可能となる。この冷熱源を冷房
立上り時に用いることにより、室内空気の冷却速度を速
めることができ、快適性を向上する効果が得られる。さ
らに、圧縮機の発停回数が従来より減少するため、成績
係数の向上が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図，第４図，第５図は、各々本発明の実施
例のサイクル構成を示す図、第３図は、潜熱蓄熱材の立
ち上り時の温度変化を示す図である。 １…圧縮機、２…室外熱交換器、３…室内熱交換器、９
…蓄熱槽、１０…冷媒用熱交換器、１４…冷媒ポンプ、
１１…三方弁。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機，室内熱交換器，室外熱交換器，絞
   り装置，四方弁より基本的に冷媒回路が構成され、槽内
   に冷媒用熱交換器を設けた蓄熱槽を備えたヒートポンプ
   式空調機において、前記冷媒用熱交換器の一端を閉止弁
   を介して圧縮機と室内熱交換器との間の冷媒回路に接続
   し、もう一方の端を冷媒ポンプと第２の閉止弁およびこ
   れらに並列に設けられた第２の絞り装置と第３の閉止弁
   を介して室外熱交換器と室内熱交換器との間の冷媒回路
   に接続するとともに、暖房運転開始時に前記第２の閉止
   弁を閉、第３の閉止弁を開として圧縮機を起動し、一定
   時間後前記第２の閉止弁を開、第３の閉止弁を閉として
   前記冷媒ポンプを運転するように制御する制御手段を設
   けたことを特徴とするヒートポンプ式空調機。
2. 【請求項２】前記弁が三方弁であって、該三方弁の残り
   の端が室外熱交換器と四方弁の間の冷媒回路に接続する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のヒート
   ポンプ式空調機。
3. 【請求項３】前記蓄熱槽内の熱交換器の一端に連なる冷
   媒ポンプと閉止弁、およびこれと並列に設けられた絞り
   装置と閉止弁とさらに並列に、逆止弁を設けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のヒートポンプ式
   空調機。
4. 【請求項４】前記弁が閉止弁である特許請求の範囲第１
   項に記載のヒートポンプ式空調機。
5. 【請求項５】前記蓄熱槽内の冷媒用熱交換器が第２の冷
   媒用熱交換器に分離されて設置されるものであって、こ
   の第２の熱交換器の一端を第３の閉止弁を介して、圧縮
   機と室外熱交換器の間の冷媒回路に接続し、もう一方の
   端を前記絞りと第４の閉止弁を介して、室内熱交換器と
   室外熱交換器間の冷媒回路に接続することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のヒートポンプ式空調機。
6. 【請求項６】前記蓄熱槽内の熱交換器の一端に連なる冷
   媒ポンプと閉止弁と並列に、逆止弁を設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第５項に記載のヒートポンプ式空
   調機。