JPS6155019B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明はヒートポンプサイクルを有する冷暖
房装置に係り、特に暖房時にヒートポンプの熱源
として燃焼機による燃焼熱を利用するようにした
ものである。 従来、ヒートポンプサイクルによる暖房装置が
提案されているが、大気をヒートポンプ熱源とし
ているため、冬期、寒冷地あるいは朝、夕など外
気温度が低下した場合、充分な熱量が得られず、
暖房能力が低下するとともに暖房負荷の温度の立
上りが悪いと云う特性を持つている。 一方、熱源側熱交換器に流入する冷媒の温度を
下げて大気より吸熱量を増加する場合、上記熱交
換器に着霜が起こり、熱交換能力の減少が生じる
問題があり、したがつて上記のような方式の冷暖
房装置は一般に普及するに至つていない。 上記のヒートポンプサイクルによる冷暖房装置
のもつ問題点に対していくつかの改良方法が提案
されている。 その簡易な方法としては第１図に示すものがあ
る。同図において、１は圧縮機、２は冷媒回路切
換えのための四方弁、３は室内熱交換器、４は室
内フアン、５はその駆動用モータ、６はキヤピラ
リー、７は室外熱交換器、８は室外フアン、９は
その駆動用モータであり、上記室内および室外側
の各熱交換器３，７には補助加熱用の電気ヒータ
１０，１１がそれぞれ装着されている。 しかし、上記のような電気ヒータを用いた冷暖
房装置では、 (a) ヒータ容量が小さいため、暖房の補助加熱と
して不足する場合があり、使用範囲が制限され
る。 (b) 他の熱源に比較して運転費用がかかり、かつ
電源設備の上で制約が多い。 などの欠点を有している。 また、室外側熱交換器に温水ヒータを装着した
ものもあるが、この方式はボイラを必要とし、設
備費がかかるとともに大型化して広い据付面積が
必要になる。 一方、室外側熱交換器の着霜時に対しては、逆
サイクル（冷房サイクル）運転により除霜する方
式が採られるものがあるが、この逆サイクル運転
時は室内側に冷風が吹き出してしまう欠点があ
る。 その他に暖房能力の不足を補う方式法として、
第２図に示す如く室内ユニツトに燃焼装置を組込
む方式のものが提案されている。すなわち、圧縮
機１、熱交換器７等を組込んだ室外ユニツト１２
を室外に設置し、かつ熱交換器３、フアン４およ
びキヤピラリー６等からなる室内ユニツト１３を
室内に設置して、この両ユニツト１２，１３間を
家の壁１４を貫通する冷媒パイプ１５により連結
すると共に、室内ユニツト１３における熱交換器
３とフアン４間に燃焼器１６を設け、この燃焼器
１６に連結された給排気筒１７を壁１４を通して
室外に突出させた構成になつている。 しかし、このような方式の装置は、燃焼器１６
が室内に存在するため、安全性に問題があり、か
つ燃焼用空気の吸入および燃焼排ガスの排出のた
めの配管等が必要になるほか、据付上の制約が多
い欠点がある。 そこで従来においては、暖房時の熱源として、
室外熱交換器に燃焼バーナを装着し、その燃焼熱
によつて冷媒蒸気に必要な熱を補い、外気温度低
下時の暖房能力の低下を防止する方式のものが提
案されている。 第３図は上記方式の冷暖房装置を示すもので、
室外熱交換器を２つにし、この第１の室外熱交換
器７ａと第２の室外熱交換器７ｂを上下に配置し
て互いを直列に接続すると共に、第２の室外熱交
換器７ｂの下端側冷媒循環パイプをキヤピラリー
６を介して室内熱交換器３に接続し、さらに第１
の室外熱交換器７ａの上端側冷媒循環パイプを四
方弁２を介して圧縮機１に接続する。そして第２
の熱交換器７ｂの下面と室外フアン８間に燃焼用
バーナ１８を配設したものである。 しかし、このような方式における熱源側熱交換
器の冷媒通過構造は、室外フアンによる通風（外
気を熱源）に対してのみ熱交換が良好となるよう
に考慮されているため、熱源側熱交換器にそのま
まバーナによる燃焼熱を供給しようとしても十分
な熱供給効果が得られず、また、第１、第２の室
外熱交換器７ａ，７ｂのうち、燃焼バーナ１８に
近い方の冷媒回路を冷媒流入口とし、遠い方を冷
媒流出口として配管しているため、燃焼用バーナ
の熱供給による冷媒流出口での冷媒の過熱度を大
きくとることができない。これは燃焼器による熱
供給があくまでも外気温低下時の暖房能力の補
助、着霜防止を目的とする補助的要素として行わ
れるためであり、そして室外熱交換器の手前で断
熱膨張を行わせる絞りの抵抗が大きいためであ
る。 また、絞りの抵抗が大きいと云うことは、すな
わち圧縮比が大きくなるので、いきおい圧縮機の
所要動力も大きくなり、それに外気温が低い場合
には蒸発温度と外気温度差が小さくなるため、冷
媒の過熱度を大きくするには熱源側の室外熱交換
器の伝熱面積を大きくする必要があり、これに伴
い室外ユニツトが極端に大型化することになる。 すなわち、従来のいずれの方法もシステムの電
源容量の増加の回避とか、暖房時のエネルギ効率
の向上と云つた技術的問題解決に終始していたた
め、システムの本旨である冷暖房の快適性を軽ん
ずる傾向にあり、中途半端な暖房能力と低温時の
問題は未解決のままになつているのが現状であ
る。 そこでこの発明は、外気温が高いときはシステ
ムのエネルギ効率の良い外気を熱源とするヒート
ポンプ運転を行い、外気温の低下に伴い燃焼装置
による熱供給を行うことにより、暖房能力の増加
と除霜運転の廃止を可能にすると共に、熱源側熱
交換器の伝熱面積を減少して室外ユニツトの小型
化を計り、併せて燃焼熱供給時の圧縮機の所要動
力を低下させてシステムのエネルギ効率の低下を
防止するようにした冷暖房の快適性の良い冷暖房
装置を提供することを目的とするものである。 以下、この発明の一実施例を第４図について説
明する。第４図において、２０は極数可変型の圧
縮機、２１は圧縮機２０の吸吐側に接続された冷
媒回路切換えのための四方弁、２２は室内空気吐
出側の冷媒流入端を冷媒循環パイプ２３を介して
四方弁２１に接続した室内熱交換器であり、冷房
サイクル時は蒸発器として機能し、暖房サイクル
時は凝縮器として機能するものである。２４は室
内フアンで、上記室内熱交換器２２に近接して配
設され、モータ２５により駆動されるようになつ
ている。２６は一端を冷媒循環パイプ２７を介し
て上記室内熱交換器２２の室内空気流入側の冷媒
流出端に接続した絞り作用を行う第１のキヤピラ
リーであり、この第１のキヤピラリー２６には、
外気温低下時に開となる電磁弁２８と第２のキヤ
ピラリー２９との直列回路が並列に接続されてい
る。 ３０は上記第１のキヤピラリー２６の他端側に
上部側冷媒流入端を接続した第１の室外熱交換器
で、冷房サイクル時は凝縮器として機能し、暖房
サイクル時は蒸発器として機能するものである。
この第１の室外熱交換器３０の下端部に第２の室
外熱交換器３１が配置され、この第２の室外熱交
換器３１は第１の室外熱交換器３０と直列に接続
されると共に、その下部側冷媒流出口は冷媒循環
パイプ３２を介して上記四方弁２１に接続されて
いる。 また、上記第２の室外熱交換器３１の下部位置
には、暖房サイクル時に冷媒への熱供給を行う燃
焼用バーナ３３と室外フアン３４が配設され、室
外フアン３４はモータ３５により駆動されるよう
になつている。 次に上記のように構成されたこの発明の動作に
ついて説明する。 暖房サイクル時、外気温が比較的高い場合に
は、電磁弁２８が閉に保持され、かつ燃焼用バー
ナ３３は停止状態にある。したがつて、圧縮機２
０の動作に伴う冷媒は四方弁２１−室内熱交換器
２２−第１のキヤピラリー２６−第１の室外熱交
換器３０−第２の室外熱交換器３１−四方弁２１
−圧縮機２０の閉回路で循環され、従来と同様、
外気を熱源とするヒートポンプ式暖房サイクル運
転を行う。 外気温が低下した場合は、電磁弁２８が開き、
かつ燃焼用バーナ３３が点火されて冷媒に熱供給
を行う。このとき、冷媒の断熱膨張は極く僅か電
磁弁２８と直列の第２のキヤピラリー２９（この
とき第１のキヤピラリー２６にはほとんど冷媒が
流れない）により行われ、湿り度の大きい冷媒が
第１の室外熱交換器３０に流入し、蒸発しながら
第２の熱交換器３１に流入して燃焼用バーナ３３
による冷媒への熱供給が行われる。第２の室外熱
交換器３１内の冷媒と燃焼用バーナ３３による燃
焼ガスとの熱交換は対向流であり、第２室外熱交
換器３１の流出口では、冷媒はすでに過熱蒸気と
なる。この過熱度の大きい過熱蒸気は四方弁２１
を通して圧縮機２０に吸入され、断熱圧縮の仕事
を得て吸入冷媒温度よりさらに高い温度の冷媒蒸
気となつて室内熱交換器２２に圧送される。 ここで、第２のキヤピラリー２９による断熱膨
張の効果が小さいため、圧縮比が小さく、圧縮機
２０の出口の冷媒温度は吸入冷媒温度に対して、
すなわち、温度上昇値は小さくて済むので過熱度
を大きくとることができる。また、室内熱交換器
２２でも室内空気と対向流で熱交換させれば、室
内熱交換器２２の出口での凝縮した冷媒温度は室
温に近い温度となり、第５図のモリエル線図から
明らかな如く、従来のキヤピラリー入口の冷媒状
態ｆより電磁弁入口の冷媒状態ｃまで過冷却が可
能になり、これに伴い暖房能力はｂ−ｆよりｂ−
ｃと大きくとれる。さらに蒸発圧力は、燃焼用バ
ーナ３３による熱供給があるため、大きくとるこ
とが可能で、第５図のモリエル線図上ではabcd
と圧縮比の小さいヒートポンプサイクルを描く。
なお、abcdは外気温が低い場合の暖房サイクル
を、ebfgは外気温が高い場合の暖房サイクルを示
す。また、第５図において、ａ、ｅは圧縮機の吸
入冷媒状態、ｂは圧縮機の吐出冷媒状態、ｃは電
磁弁の入口冷媒状態、ｆはキヤピラリー２６の入
口冷媒状態、ｄはキヤピラリー２９の出口冷媒状
態、ｇはキヤピラリー２６の出口冷媒状態であ
り、ｌは飽和液線、ｖは飽和蒸気線を示す。 第６図は暖房サイクル時において、外気温が高
い時と低い時とで圧縮機２０のモータの回転速度
を変える場合の回路図を示すもので、圧縮機２０
は、高速運転を可能にするＸ極（例えば２極）
と、低速運転を可能にするＹ極（例えば４極）に
切換え得る極数可変形の構造になつており、この
各Ｘ極、Ｙ極は極数切換スイツチ３６を介して電
源３７に接続されていると共に、この電源回路に
は温度制御スイツチ３８が直列に接続されてい
る。 上記回路において、外気温が高い場合は、切換
スイツチ３６を高速運転用のＸ極側に切換接続
し、圧縮機２０を高速運転させる。また、外気温
が低い場合は、切換スイツチ３６をＹ極側に切換
え、圧縮機２０を低速運転させて且つ電磁弁２８
を開とすることにより、圧力損失が低下する。こ
の時冷媒循環量を余り変えずに運転することによ
り圧縮仕事が減少し圧縮機の所要動力は低下す
る。 次に、この発明と従来例との暖房能力、冷房能
力、圧縮機の仕事、モリエル線図上でのシステム
のエネルギ効率、冷媒循環量、冷媒の循環量を考
慮した実際の圧縮機の仕事、燃焼エネルギを考慮
した実際のエネルギ効率等の比較を第５図のモリ
エル線図に基いて示すと表−のようになる。

【表】 ただし、従来およびこの発明における外気温の
高い場合の冷媒循環量をG₁Kg/h、この発明にお
ける外気温の低い場合の冷媒循環量をG₂Kg/hと
する。 上記表−から明らかなように、この発明にお
ける暖房能力、冷房能力は従来例より優れ、かつ
圧縮機の仕事も小さく、システムのエネルギ効率
も大きい（モリエル線図上で）。実際の暖房、冷
房能力、エネルギ効率は、これらの値に冷媒循環
量が関係してくる。ここで、外気温が低い場合、
バーナ３３による加熱をおこなうことにより暖房
能力を大きくしえることにより、冷媒循環量を減
少させれば、実際の圧縮機の仕事はG₂AL₂＜
G₁AL₁となり、従来の方式より低下できる。 また、燃焼エネルギを考慮したシステムのエネ
ルギ効率は、従来例またはこの発明の実施例にお
ける外気温の高い場合よりも小さくなるが、圧縮
機の仕事は大いに減少し、電気入力を低減でき、
さらに冷暖房の快適性、外気温低下時の暖房能力
が十分得られることは云うまでもない。 以上この発明のように燃焼熱を熱源とするヒー
トポンプ運転を行えば、圧縮比を小くとることが
できるので、次に挙げる如き効果が得られる。 (a) 電気入力の大幅な低下が可能になる。 (b) 十分な暖房能力の安定した供給が可能にな
る。 (c) 除霜運転の廃止による冷風吹出を防止でき
る。 (d) 熱源側熱交換器の伝熱面積の低減化により室
外ユニツトの小型化ができる。 (e) 圧縮機の所要動力の低下に伴いシステムのエ
ネルギ効率を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来における冷暖房装置の例
を示す概略構成図、第４図はこの発明にかかる冷
暖房装置の一例を示す概略構成図、第５図はこの
発明と従来における暖房サイクルを示す冷媒のモ
リエル線図、第６図はこの発明における圧縮機の
極数変換用の回路図である。 ２０……圧縮機、２１……四方弁、２２……室
内熱交換器、２４……室内フアン、２６……第１
のキヤピラリー、２８……電磁弁、２９……第２
のキヤピラリー、３０……第１の室外熱交換器、
３１……第２の室外熱交換器、３３……燃焼用バ
ーナ、３４……室外フアン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、キヤピラリ
   ー、室外熱交換器等によりヒートポンプサイクル
   を形成し、かつ燃焼装置の燃焼ガスにより暖房サ
   イクル時に上記室外熱交換器を加熱するようにし
   た冷暖房装置において、上記室内熱交換器と上記
   室外熱交換器間の冷媒通路に設けた上記キヤピラ
   リーに、これより断熱膨張効果の小さい他のキヤ
   ピラリーを上記燃焼装置を熱源として暖房運転す
   るとき開となる開閉弁を介して並列に接続し、か
   つ上記燃焼装置を熱源として低外気温時に暖房運
   転するとき、上記開閉弁を開にして上記圧縮機を
   高速から低速運転に切換える能力変化手段を設け
   てなる冷暖房装置。 ２ 圧縮機の能力変化手段が、極数変換もしくは
   周波数交換されるものから構成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷暖房装
   置。 ３ 室外熱交換器において、その燃焼装置に遠い
   方を冷媒流入口とし、近い方を冷媒流出口とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷
   暖房装置。 ４ 室内熱交換器において、その室内空気の吐出
   側を冷媒流入口とし、かつ室内空気の流入側を冷
   媒流出口としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の冷暖房装置。