JPS6235025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はランキンサイクルによつて発生する動
力で、圧縮機を駆動させヒートポンプサイクルを
作動させると共に、ランキンサイクルの凝縮熱を
暖房の熱源として利用する空気調和装置に関し、
冷房時および暖房時の空調負荷に応じた、空調能
力に制御して、無駄のない効率的かつ快適な空気
調和を行うための制御機構を提供するものであ
る。

一般に、空調負荷は冷房を必要とする夏期に
は、例えば室温を外気温より５〜10℃程度低くす
ることにより快適感が得られるのに対し、暖房を
必要とする冬期には、室温を外気温より10〜20℃
程度高くする必要がある。このように冷房運転時
より暖房運転時に要する能力の方が大きいもので
ある。したがつて、従来、電動式圧縮機を用いた
ヒートポンプサイクルによる空気調和装置では、
空調能力を空調負荷に適合させるため、暖房運転
時の圧縮機の回転数を冷房運転時より高くするこ
とが考案されていた。

また、このようなヒートポンプサイクルの容積
型圧縮機の所要トルクは、空調負荷すなわち蒸発
温度と凝縮温度によつて定まるが、冷房運転時と
暖房運転時で多少の差はあるものの、それ程大き
いものではない。さらに、容積型膨張機を用いた
ランキンサイクルの発生トルクは、運転条件すな
わち発生温度と凝縮温度によつて定まり、回転数
は、作動流体の循環量と発生器での投入熱量を変
えることにより、制御できる。

しかしながら、本発明のような、ランキンサイ
クルの凝縮熱を暖房の熱源として利用できる空気
調和装置では、ランキンサイクルの凝縮熱が、ヒ
ートポンプサイクルの凝縮熱（通常の暖房能力）
に比し、かなり大きいため、冷、暖同一回転数で
運転すると、暖房能力が冷房能力の３〜４倍大き
くなり、従来とは逆に、暖房能力が大き過ぎ、適
正で効率的な運転ができないという欠点があつ
た。

本発明は、容積型圧縮機を用いたヒートポンプ
サイクルと、容積型膨張機を用いたランキンサイ
クルの特徴を生かして、従来の欠点を解消するた
めになされたもので、以下一実施例の図面に基づ
いて説明する。

第１図において、１は室外熱交換器で冷房時は
ランキンサイクルおよびヒートポンプサイクルの
凝縮器として作用し、暖房時はヒートポンプサイ
クルの蒸発器として作用する。２は室内熱交換器
で冷房時はヒートポンプサイクルの蒸発器として
作用して室内空気を冷却すると共に暖房時はラン
キンサイクルおよびヒートポンプサイクルの凝縮
器として作用して室内空気を加熱する。３は作動
流体のポンプ、４は発生器、５は容積型膨張機
（以下単に膨張機という）であり、これらは適宜
配管接続されてランキンサイクルを構成する。ま
た、６は上記膨張機５と連結される容積型圧縮機
（以下単に圧縮機という）であり、その吐出側は
上記膨張機５の出口側と連結されたのち、作動流
体の流れを切換える四方切換弁７に接続される。
この圧縮機６、四方切換弁７、上記室外熱交換器
１、キヤピラリチユーブ８および室内熱交換器２
で、ヒートポンプサイクルが構成されている。
９，１０は逆止弁、１１，１２は発生器４の加熱
源となるガスバーナーで、ガスコツク１３，１４
の開閉により、加熱量が制御される。また、１５
は室外熱交換器用フアン、１６は室内熱交換器用
フアンである。

第２図は第１図の空気調和装置の制御系統図で
あり、１７は電源プラグ、１８は運転スイツチ、
１９は冷暖換換スイツチ、２０はポンプ３を駆動
するポンプモータであり、低速回転側接点Ｌ_p、
高速回転側接点Ｈ_iを有しており、回転数を２段
階に制御できる。２１，２２はガスコツク１３，
１４の制御コイルであり、通電された時にガスコ
ツク１３，１４が各々開成される。２３，２４
は、それぞれ室外熱交換器用フアン１５、室内熱
交換器用フアン１６を駆動するフアンモータであ
る。２５は四方切換弁７の制御コイルであり、通
電されたときに四方切換弁７は暖房側に切換わ
る。

以上のような構成において、まず、冷房運転時
の作動について説明する。

冷房運転を行うには冷暖切換スイツチ１９を冷
房側に切換えたのち運転スイツチ１８を投入する
と、ポンプモータ２０の高速回転側接点Ｈ_iに通
電され、高速回転してポンプ３を駆動すると共
に、制御コイル２１，２２に通電され、ガスコツ
ク１３，１４が開成されて、ガスバーナ１１，１
２が、発生器４を加熱し始める。さらに、フアン
モータ２３，２４にも通電され、室外熱交換器用
フアン１５、室内熱交換器フアン１６が駆動され
る。すなわち、冷房運転時には、四方切換弁７は
実線で示される方向に接続されていて、室外熱交
換器１はランキンサイクルおよびヒートポンプサ
イクルの凝縮器として作動し、室内熱交換器２は
ヒートポンプサイクルの蒸発器として作動する。
したがつて、高速回転するポンプ３により、多量
の作動流体が昇圧され、発生器４へ送り込まれ
る。ここで、ガスバーナ１１，１２により加熱さ
れ、温度が上昇し、まず飽和液となり続いて遂次
蒸発して湿り飽和蒸気となり次いで乾き飽和蒸気
となり多少の過熱蒸気の状態で膨張機５に流入
し、圧縮機６を駆動する。この時、発生する動力
は膨張機５の内部で作動流体が失つたエネルギー
にほぼ比例するため、膨張機５の入口および出口
の作動流体の状態が一定であれば、発生する動力
は、作動流体の循環量に比例し、容積型膨張機で
は、作動流体の循環量が多い程、回転数が高くな
る。

上記膨張機５で動力を発生した後の作動流体と
上記動力で駆動される圧縮機６で圧縮され吐出さ
れた作動流体は合流したのち四方切換弁７により
室外熱交換器１に導かれる。ここで室外熱交換器
用フアン１５の作用により、放熱し、凝縮液化す
る。そしてこの凝縮液化した作動流体は室外熱交
換器１を出たのち、分流され、その一部は、キヤ
ピラリチユーブ８で蒸発圧力まで減圧されて、室
内熱交換器２に導かれ、ここで室外熱交換器用フ
アン１６により送風される室内空気より吸熱して
蒸発し、冷房作用を行つたのち、四方切換弁７を
介して圧縮機６に吸入される。一方、分流された
残りの液化作動流体は、逆止弁１０を介して、高
速回転するポンプ３に吸入されて、前述の作用を
行うものである。

次に暖房運転時の作用について説明する。

暖房運転を行うには冷暖切換スイツチ１９を暖
房側に切換えたのち、運転スイツチ１８を投入す
るすると、ポンプモータ２０の低速回転側接点Ｌ
_pに通電され、低速回転してポンプ３を駆動する
と共に、制御コイル２２に通電され、ガスコツク
１４が開成されて、ガスバーナ１２が発生器４を
加熱し始める。さらに、フアンモータ２３，２４
にも通電され、室外熱交換器用フアン１５、室内
熱交換器用フアン１６が駆動される。また制御コ
イル２５にも通電され、四方切換弁７は破線で示
される方向に接続されて、室外熱交換器１はラン
キンサイクルの蒸発器として作用し、室内熱交換
器２はランキンサイクルおよびヒートポンプサイ
クルの凝縮器として作用する。したがつて、低速
回転するポンプ３により、冷房運転時より少量の
作動流体が昇圧され、発生器４へ送り込まれる。
ここでガスバーナ１２により加熱され、多少の過
熱蒸気の状態で膨張機５に流入し、圧縮機６を駆
動する。この時、発生する動力は、冷房運転時よ
りも作動流体の循環量が少く、発生器４での入熱
量も少いため、小さくなり、容積型膨張機では回
転数が低くなる。

上記膨張機５で動力を発生した後の作動流体と
上記動力で駆動される圧縮機６で圧縮され吐出さ
れた作動流体は、合流したのち四方切換弁７によ
り室内熱交換器１に導かれる。ここで、室内熱交
換器用フアン１６により送風される室内空気に放
熱して凝縮液化し、暖房作用を行う。そしてこの
凝縮液化した作動流体は室内熱交換器２を出たの
ち、分流されその一部は、キヤピラリチユーブ８
で蒸発圧力まで減圧されて室外熱交換器１に流入
し、室外熱交換器用フアン１５の作用により、室
外空気より吸熱して蒸発したのち、四方切換弁７
を介して圧縮機６に吸入される。一方、分流され
た残りの液化作動流体は逆止弁９を介して、低速
回転するポンプ３に吸入されて前述の作用を行う
ものである。

ここで、以上の説明のような、本発明を用いて
なる空気調和装置の冷房能力と暖房能力を、具体
的な数字を用いて概算してみる。

一般にこのような空気調和装置に用いられるラ
ンキンサイクルの効率はきわめて低く、実用レベ
ルでは約10％であり、ヒートポンプサイクルの成
績係数は年々向上されているが、実用レベルでは
約４である。したがつて、ランキンサイクル駆動
のヒートポンプサイクルの総合成績係数はランキ
ンサイクル効率とヒートポンプサイクルの成績係
数の積として表わされるため、10（％）×４＝40
（％）程度となる。これは冷房運転の場合であ
り、暖房運転の場合は、ランキンサイクルの凝縮
熱、ヒートポンプサイクルの圧縮機の入力分の熱
量が暖房能力として取り出し得るため、総合成績
係数は、冷房運転時より高く、上記と同様のラン
キンサイクル効率およびヒートポンプサイクルの
成績係数の場合には、（10（％）×（４＋１））＋
（100（％）−10（％））＝140（％）程度となる。た
だし、電気入力は無視している。

例えば、前述の実施例におけるガスバーナ１１
および１２はそれぞれ発生器４に対して、5000
（Kcal／ｈ）の熱量を与えることができるとすれ
ば、空調能力は、発生器４の入熱量と、上述の総
合成績係数の積として表わされるから、冷房運転
時には、ガスバーナ１１，１２の双方を使用して
いるため、冷房能力は（5000（Kcal／ｈ）×２）
×40（％）＝4000（Kcal／ｈ）となり、暖房運転
時には、ガスバーナ１２のみを使用しているた
め、暖房能力は5000（Kcal／ｈ）×140（％）＝
7000（Kcal／ｈ）となり、夏期と冬期の空調負
荷に適合している。なお仮りに暖房運転時にも、
冷房運転時と同様にガスバーナ１１，１２の双方
を使用し、ポンプ３を高速回転させたならば、暖
房能力は（5000（Kcal／ｈ）×２）×140（％）＝
14000（Kcal／ｈ）となり、冷房能力の3.5倍と、
通常では必要以上の暖房能力となり、無駄で効率
の悪い運転となる。

以上、説明した実施例においては、作動流体ポ
ンプおよび発生器の加熱源の双方を制御したが、
本発明はこれに限らず、どちらか一方の制御で良
い場合もある。例えば、加熱源に廃熱を利用する
場合には加熱源の制御は不用となる。

以上の説明より明らかなように、本発明の空気
調和装置は、作動流体ポンプ、発生器、容積型膨
張機、室外熱交換器等を順次連結して、ランキン
サイクルを構成し、上記ランキンサイクルの容積
型膨張機によつて発生する動力を利用して、容積
型膨張機、室内熱交換器、絞り装置、上記ランキ
ンサイクルと共用の室外熱交換器等よりなるヒー
トポンプサイクルを作動させると共に、暖房運転
時に、上記ランキンサイクルの容積型膨張機を出
た作動流体を室内熱交換器に導く切換弁を有し、
ランキンサイクルの凝縮熱を暖房の熱源として利
用し、さらに、上記ランキンサイクルの作動流体
のポンプの回転数を切換える制御装置を有し、暖
房運転時には、上記ポンプを低速側に切換え、上
記ランキンサイクルの容積型膨張機と、上記ヒー
トポンプサイクルの容積型圧縮機を、冷房運転時
より低速回転させる構成としたものであるから冷
房を必要とする夏期と暖房を必要とする冬期のい
ずれにも空調負荷に適合した、空調能力を得るこ
とができ無駄がなく効率的でかつ快適な空気調和
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空気調和装置の一実施例の回
路構成図、第２図は同制御系統図である。 １…室外熱交換器、２…室内熱交換器、３…ポ
ンプ、４…発生器、５…容積型膨張機、６…容積
型圧縮機、１１，１２…ガスバーナ、１３，１４
…ガスコツク、１８…運転スイツチ、１９…冷暖
切換スイツチ、２０…ポンプモータ、２１，２２
…制御コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作動流体ポンプ、作動流体を加熱する発生
   器、容積型膨張機、室外熱交換器を順次連結した
   ランキンサイクルと、前記容積型膨張機で発生す
   る動力により駆動される容積型圧縮機、室内熱交
   換器、絞り装置、前記ランキンサイクルと共用の
   前記室外熱交換器を順次連結したヒートポンプサ
   イクルとを有し、暖房運転時に、上記ランキンサ
   イクルの容積型膨張機を出た作動流体を室内熱交
   換器に導く切換弁を有し、ランキンサイクルの凝
   縮熱を暖房の熱源として利用し、さらに、上記ラ
   ンキンサイクルの作動流体のポンプの回転数を切
   換える制御装置を有し、暖房運転時には、上記ポ
   ンプを低速側に切換え、上記ランキンサイクルの
   容積型膨張機と、上記ヒートポンプサイクルの容
   積型圧縮機を、冷房運転時より低速回転させる構
   成とした空気調和装置。