JPS63176971A - ヒ−トポンプ式空気調和機 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、蓄熱を利用したヒートポンプ式空気調和機に
関するものである。

交換器の除霜方法は、大半が四方弁を切換えて冷房サイ
クルとし、室外熱交換器を凝縮器、室内熱交換器を蒸発
器とする逆サイクル除霜方式で、この時コールドドラフ
ト防止のために室内ファンを停止していた。この方式で
は、基本的に冷凍サイクル中の冷媒循環量が少なく圧縮
機入力の増大がそれほど期待できないので、除霜時間が
長くなること、並びに除霜中の数分間は室内ファンが停
止するので暖房感が欠如し快適性が損なわれること、さ
らには除霜運転終了後、四方弁を切換えて暖房運転に復
帰してからも室内熱交換器の温度が上昇するまでに時間
を要するなど使用者からすれば満足できるものではなか
った。

近年、このような欠点を有する逆サイクル除霜方式にか
わって、バイパス回路等を設けることで、除霜運転時に
も四方弁を暖房サイクルのままとし、室内熱交換器およ
び室外熱交換器の両方を凝縮器として作用させ、若干の
暖房能力を維持しながら除霜を行なう暖房継続除霜方法
が提案されている（例えば実開昭６０−５９０４２号公
報）。

以下、図面を参照しながら上記従来のヒートポンプ式空
気調和機について説明する。

第３図は、従来のヒートポンプ式空気調和機の第１の例
における冷凍サイクル図を示すものである。同図におい
て、１は容量制御可能な周波数可変圧縮機（以下単に圧
縮機と称す）、２は四方弁、３は室内熱交換器、４はキ
ャピラリ、５は室外熱交換器、６はホットガスバイパス
回路、７は二方弁、８はバイパスキャピラリである。ま
た、９は室外熱交換器温度センサ、１０はこのセンサ９
からの信号を受けて圧縮機１、二方弁７、室内外ファン
（図示せず）等を制御して室外熱交換器５の除霜運転を
行なう除霜制御コントローラである。

ホットガスバイパス回路６は、圧縮機１の吐出管と室外
熱交換器５の暖房運転時に入口側となる配管とを連結し
、途中に二方弁７とバイパスキャピラリ８を備えて構成
されている。

通常の暖房運転時には、二方弁７は閉の状態で暖房サイ
クルを形成するが、低外気温時に室外熱交換器温度セン
サ９からの信号により室外熱交換器５の着霜を検知する
と、除霜制御コントローラ１０より指令を発して圧縮機
１の周波数を高め、圧縮機１の本体温度を上昇させて蓄
熱する。そして、所定時間経過後、除霜制御コントロー
ラ１０より指令を発して、圧縮機１を最大周波数とし、
二方弁７を開いて高温の吐出ガスの大部分をホットガス
バイパス回路６を経て室外熱交換器５の入口側へ導く。

・同時に高温の吐出ガスの残りを暖房運転時と同様に四
方弁２、室内熱交換器３、キャピラリ４と流して若干の
暖房運転を継続して行ない、室外熱交換器５の入口でホ
ットガスバイパス回路６を通過した冷媒と合流させる。

この合流後の冷媒は、自身のもつ凝縮熱で室外熱交換器
５を除霜した後、四方弁２゛を経て圧縮機１に戻り、除
霜サイクルを完結する。

このように、暖房サイクルのままで除霜を行なうことか
できるので、除霜時の快適性の改善を間第２の例におけ
る冷凍サイクル図を示す。この例においては、ホットガ
スバイパス回路６のかわりにキャピラリ４をバイパスす
るバイパス回路１１を設けている。そして、バイパス回
路１１には二方弁１２、逆止弁１３を備えている。

除霜時には、二方弁１２を開いてほとんどの冷媒をバイ
パス回路１１を通過させることで、室外熱交換器５の冷
媒圧力を上昇させ、室内熱交換器３および室外熱交換器
５の両方を凝縮器として作用させることで、第１の例で
説明した効果と同様熱交換的に接続し、暖房運転時に蓄
熱槽に熱を蓄え、除霜運転時にその熱を利用して短時間
で霜を融かすことができる方式も提案されている（例え
ば特公昭５４−３８７３７号公報）。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記方法では以下のような問題絞り量と
除霜時間および除霜運転時の暖房能力との関係を示すも
のである。同図より明らかなように、バイパスキャピラ
リ８の絞り量を大きくすれば、除霜運転時に室内熱交換
器３を通過する冷媒の循環量が増加し、圧力も上昇する
ので暖房能力は増加するが、室外熱交換器５を通過する
冷媒の圧力が低下して凝縮能力が減少するので、除霜時
間が長くなってしまう。したがって、短時間に除霜を終
えるためには、暖房能力を大きくすることはできなかっ
た。例えば、１馬力クラスのヒートポンプ式空気調和機
では、通常総合電流を２０Ａ以下に押えるような制御装
置を設けており、この場合、圧縮機入力のうち冷媒に与
えられる熱量は、発明者らの実験の結果、最大でも１３
００ｋｏａｌ／ｈである。除霜を５分間で終えるとする
と、この間圧縮機入力より冷媒に与えられた熱量は１０
８ｋｃａｌである。圧縮機重量カ月Ｏｋｇ、比熱が０．
１で、圧縮機本体温度が除霜運転中に３０℃降下したと
すると、３０ｋｃａｌの熱量が冷媒に与えられる。

主に、これら２つの熱量の合計１３８ｋｃａｌ　　の熱
が冷媒に与えられる。これに対して、着霜量が９００ｇ
であるとすると、除霜に７２ｋｃａｌの熱が用いられ、
残りの（１３８−７２）ｋｃａｌ　　の熱が暖房に利用
可能である。これは単位時間当り７９２ｋｃａｌ／ｈ　
　であり、この程度の暖房能力では、除霜運転時の快適
性の低下を十分に押えることができなかった。また、圧
縮機本体を蓄熱体として利用し、乾き度の低い冷媒を吸
入して圧縮機本体の熱を奪っているため、圧縮機信頼性
も低かった。

第４図に示す第２の例の場合も、除霜運転時の暖房能力
は低く、第１の例で示したのと同様の問題点を有してい
た。さらに、第２の例において室液数を上昇させて冷媒
の循環量を増加させたり、接続配管を長くしたりすると
全冷媒が通過するため室内熱交換器３の出口とバイパス
回路１１の入口とを結ぶ接続配管での圧力損失が増加し
、室外熱交換器５を通過する冷媒の圧力が低下し、凝縮
能力が低下して除霜時間が長くなってしまったり、ある
いは除霜できなくなってしまうという問題点があった。

さらに、蓄熱を利用する方式は、原理的には逆サイクル
除霜方式で、室内熱交換器を蒸発器として作用させて室
内より吸熱するかわりに蓄熱された熱を取っていた。し
たがって、この方式では除霜時間の短縮および除霜運転
時の室内への冷風吹出しの防止は可能であるが、除霜運
転時に室内を暖房することはできず、快適性の低下を招
くという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、暖房運転時に蓄熱材を充填
した蓄熱槽に蓄熱し、除霜運転時にこの熱を利用するこ
とで、高い暖房能力を保ちながら問題点を解決するため
の手段 上記問題点を解決するために本発明のヒートポンプ式空
気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、絞り装置
、室内熱交換器を連結して主冷媒回路を構成し、前記絞
り装置をバイパスするパイ蓄熱可能とした蓄熱槽を配設
し、蓄熱利用時に前記絞り装置を流れる冷媒の流量に対
する前記バイパス回路を流れる冷媒の流量の割合を可変
とする流量制御手段を有するものである。

作　　用 本発明は、上記手段により次のような作用を有する。

すなわち、除霜運転時にバイパス回路に冷媒を流して蓄
熱槽内の蓄熱材と熱交換を行なうことで、高い暖房能力
を保ちながら除霜運転を行なうことが可能であり、また
圧縮機吸入冷媒の乾き度を高く保つことができるので、
圧縮機信頼性も高い。

また、除霜運転時にバイパス回路を流れる冷媒の流量の
割合を変えることで、蓄熱した熱を使いきってしまった
後も除霜を行なうことができる。

さらに、セパレートタイプのヒートポンプ式空気調和機
の場合で接続配管での圧力損失が大きく、室外熱交換器
を通過する冷媒の圧力が低くても、過熱域にある冷媒を
利用できるので除霜可能である。

実施例 以下、本発明をその一実施例を示す添付図面の第１図お
よび第２図を参考に説明する。なお、本実施例を説明す
るに当り、第３図および第４図に示す従来めものと同一
の機能をもつものには同一の番号を付して説明を省略す
る。

第１図は、本発明の一実施例におけるヒートポンプ式空
気調和機の冷凍サイクル図である。

同図において、４ａはステッピングモータで駆動され、
絞り量可変の電動膨張弁である。１４は電動膨張弁４ａ
をバイパスする第１バイパス回路で、この第１バイパス
回路１４には、第１熱交換器１５、開閉弁１６、逆止弁
１７が備えられている。１８は、圧縮機１の吐出管をバ
イパスする第２バイパス回路で、この第２バイパス回路
１８には第２熱交換器１９が備えられており、また主冷
媒回路との分岐部に三方弁２０が設けられている。

この蓄熱材２２と熱交換可能なように前記第１熱交換器
１５および第２熱交換器１９が蓄熱槽２１内に配設され
ている。また、１０−は除霜制御コントローラであり、
従来例で説明した機能に加えて、開閉弁１６の開閉、三
方弁２０の流路切換、電動膨張弁４畠の絞り量制御等の
機能を有する。

この冷媒回路において、暖房運転時には電動膨張弁４畠
は所定絞り量で、開閉弁１６は閉の状態を保つ。そして
、暖房運転開始からほぼ冷凍サイクルが安定するまでの
所定時間、三方弁２０は第２バイパス回路１８側が閉の
状態であり、したがってこの時、圧縮機１から吐出され
た冷媒は、三方弁２０、四方弁２、室内熱交換器ａ１電
動膨張弁４ａ、室外熱交換器５、四方弁２と流れ、圧縮
機１に吸入される。

所定時間経過後、三方弁２０の流路を切換える。

すなわち、圧縮機１より吐出された冷媒は、三方弁２０
より第２バイパス回路１８へと流れ、第２熱交換器１９
より蓄熱材２２に熱を与え、四方弁２、室内熱交換器３
、電動膨張弁４ａ、室外熱交換器５、四方弁２と流れて
圧縮機１に吸入される。

室外熱交換器温度センサ９からの信号により室外熱交換
器５の着霜を検知すると、除霜制御コントローラ１０ｍ
より指令を発して圧縮機１の周波数を最大とし、電動膨
張弁４ａを全閉とし、開閉弁１６を開とし、三方弁２０
の流路を切換えて除霜運転を行なう。すなわち、圧縮機
１から吐出された冷媒は、三方弁２０、四方弁２、室内
熱交換器３へと流れ、暖房に利用された後第１バイパス
回路１４へ流れ、第１熱交換器１５にて蓄熱材２２より
熱を奪って逆止弁１７、室外熱交換器５へと流れ、ここ
で除霜に利用された後、四方弁２より圧縮機１に吸入さ
れる。

第２図は、第１図に示したヒートポンプ式空気調和機の
除霜運転時の冷凍サイクルをモリエル線図上に示した図
である。同図における＠　”’ｗ　ｇの記号は、第１図
における１〜ｇの位置における冷媒の状態を示す。まず
、圧縮機１で圧縮された冷媒は（ａ−ｂ）、室内熱交換
器３で暖房に利用されて凝縮しく　、−ｄ　）、接続配
管等を通過の際の圧力損失で圧力が低下しく　ｄ−４，
）、第１バイパス回路１４の第１熱交換器１５で蓄熱材
２２より熱を奪い（、−ｆ　’）、室外熱交換器５で除
霜に利用されて凝縮しく　ｆ−”ｑ　）、四方弁２より
圧縮機１に吸入される（ｇ→Ｓ）。このように、暖房に
用いられて凝縮した冷媒（ｄ）は、蓄熱材２２より熱を
奪うことで再び（ｆ）までエンタルピが引き上げられる
ので、暖房能力を大きくとっても短時間に除霜を終える
ことが可能である。例えば蓄熱材（例えばからこれを本
部利用できたとすると、冷媒に与えられる熱量は従来例
で説明した圧縮機入力１０８ｋｅｅｌ　　に潜熱１２０
ｋｏｓｌを加えて２２８ｋｃａｌである。一方、除霜に
用いられる熱量は７２ｋｏａｌであるから残りの１５６
ｋｃａｌの熱量が暖房に利用可能である。これは、単位
時間当り１８７０ｋｃａｌ／ｈであるので、十分に室内
の快適性を保つことができる。また、室外熱交換器５で
除霜に利用される冷媒は、はとんど過熱ガスの状態であ
るので、（ｆ−”ａ　）、圧縮機周波数を上昇させて冷
媒循環量を増加させたり、接続配管を長（することでｄ
−〇の圧力損失が増加し、ｆ−９の冷媒の圧力が低下し
ても、除霜を行なうことが可能である。さらに、圧縮機
吸入冷媒（ａ）の乾き度を高く保つことができるので、
圧縮機信頼性の高い除霜運転を行なうことができる。

前述のように室外熱交換器５の除霜を行ない、室外熱交
換器温度センサ９が所定値以上の温度を検知すると、除
霜を完了したと判断し、除霜制御コントローラ１０ｍよ
り指令を発して除霜運転を終了し、暖房運転に復帰する
。ところが、除霜運転の前に行なわれた暖房運転時に、
蓄熱材２２への蓄熱が不十分であると除霜運転の途中で
蓄熱された熱を使いきってしまい、それ以降、除霜する
ことができなくなってしまう。したがって、除霜運転開
始後、所定時間経過しても室外熱交換器温度センサ９が
所定値以上の温度を検知しない場合、蓄熱しておいた熱
を使いきってしまったと判断し、電動膨張弁４ａを全開
とする。これにより、冷凍サイクルにおける絞り量がさ
らに減少するので、高圧側圧力は低下し、低圧側圧力は
上昇して冷媒流量も増加する。このため、暖房能力は低
下するが、室外熱交換器５を通過する冷媒の飽和温度が
上昇し、冷媒流量も増加するので蓄熱を利用しないで除
霜可能となる。除霜運転の終了は、前述と同様、室外熱
交換器温度センサ９が所定値以上の温度を検知した時で
ある。

なお、本実施例においては、暖房運転の立上りを遅らせ
ることがないよう、運転開始後、所定時間蓄熱運転を行
なわない制御を行なったが、圧縮機１の吐出管温度を検
知する手段を設けて吐出管温度が所定値に達するまで蓄
熱運転を行なわない等、他の制御を行なってもよく、あ
るいは、立上りの遅れが問題にならないならばこの制御
はなくてもよい、 また、本実施例では、蓄熱手段として第２バイパス回路
１８を設けたがこれに限定されるものではなく、暖房運
転時に高圧側となる主冷媒回路の一部若シくはこれをバ
イパスする他のバイパス回路と蓄熱槽を熱交換的に接続
することで、同様の効果が得られる。

また、本実施例では、流量制御手段として電動膨張弁４
ｍおよび開閉弁１６を用いて説明したがこれに限定され
るものではなく、絞り量を可変する手段としてバイメタ
ル若しくは形状記憶合金等を用いてもよく、またはキャ
ピラリ等の絞りを複数個用いて構成し、適宜切換により
制御する等の他の手段を用いてもよい。

また、本実施例においては、除霜運転開始後所定時間経
過しても除霜運転が終了しない場合、電動膨張弁４−を
全開とする制御を行なったがこれに限定されるものでは
なく、蓄熱槽２１の温度を検知するサーミスタ等の検知
手段を設け、除霜運転時に蓄熱槽２１の温度が所定値以
下になったら蓄熱された熱を使いきってしまったと判断
して電動膨張弁４ａを全開とする制御等、他の制御を行
なってもよい。

また、本実施例においては、周波数可変圧縮機１を用い
て説明したが、圧縮機の容量可変の手段として他の方式
を用いてもよく、また容量一定の圧縮機を用いてもよい
。

さらに、本実施例は除霜運転時について説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、暖房運転の立上
り時や暖房能力不足時等にも利用可能である。

発明の効果 以上のように本発明のヒートポンプ式空気調和機は、除
霜運転時にバイパス回路に冷媒を流して蓄熱松内の蓄熱
材と熱交換を行なうことで、高い暖房能力を保ちながら
除霜運転を行なうことが可能であり、また圧縮機吸入冷
媒の乾き度を高く保つことができるので、圧縮機信頼性
も高い。また、除霜運転時にバイパス回路を流れる冷媒
の流量の割合を変えることで、蓄熱された熱を使いきっ
てしまった後も除霜を行なうことができる。

さらに、セパレートタイプのヒートポンプ式空気調和機
の場合で接続配管での圧力損失が大きく、室外熱交換器
を通過する冷媒の圧力が低くても、過熱域にある冷媒を
利用できるので除霜可能である等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけると一トポンプ式空気
調和機の冷凍サイクル図、第２図は同ヒートポンプ式空
気調和機の除霜運転時の冷凍サイクルをモリエル線図上
に示した特性図、第３図は従来のヒートポンプ式空気調
和機の第１の例における冷凍サイクル図、第４図は同ヒ
ートポンプ式空気調和機の第２の例における冷凍サイク
ル図、第５図は同ヒートポンプ式空気調和機のバイパス
キャピラリの絞り量と除霜時間、暖房能力の関係を示す
特性図である。 １・・・・・・周波数可変圧縮機（圧縮機）、２・川・
・四方弁、３・・・・・・室内熱交換器、４暑・・・・
・・電動膨張弁（絞り装置）、５・・・・・・室外熱交
換器、１４・・・・・・第１バイパス回路（バイパス回
路）、１５・・・・・・第１熱交換器、１６・・・・・
・開閉弁、１８・・・・・・第２バイパス回路（第２の
バイパス回路）、１９・・・・・・第２熱交換器、２０
・・・・・・ａ方弁、２１・・・・・・蓄熱槽、２２・
・・・・・蓄熱材。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名箆２
図 第４図 威す量　　　　　　→Ｘ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮機、四方弁、室外熱交換器、絞り装置、室内
   熱交換器を連結して主冷媒回路を構成し、前記絞り装置
   をバイパスするバイパス回路を設け、前記バイパス回路
   と熱交換的に接続し、内部に蓄熱材を充填して蓄熱手段
   により蓄熱可能とした蓄熱槽を配設し、蓄熱利用時に前
   記絞り装置を流れる冷媒の流量に対する前記バイパス回
   路を流れる冷媒の流量の割合を可変とする流量制御手段
   を有するヒートポンプ式空気調和機。
2. （２）室外熱交換器の除霜を行なう除霜運転時に、四方
   弁を切換えず暖房サイクルのままとし、流量制御手段に
   より絞り装置を流れる冷媒の流量に対するバイパス回路
   を流れる冷媒の流量の割合を可変とした特許請求の範囲
   第１項記載のヒートポンプ式空気調和機。
3. （３）絞り装置の絞り量を可変とし、バイパス回路に開
   閉弁を設けることで前記流量制御を行なう特許請求の範
   囲第１項記載のヒートポンプ式空気調和機。
4. （４）暖房運転時に高圧側となる主冷媒回路の一部若し
   くはこれをバイパスする第２のバイパス回路と蓄熱槽を
   熱交換的に接続して蓄熱可能とした特許請求の範囲第１
   項記載のヒートポンプ式空気調和機。
5. （５）蓄熱槽の温度を検知する検知手段を有し、除霜運
   転時に前記検知手段により検知された温度に基づいて絞
   り装置を流れる冷媒の流量に対するバイパス回路を流れ
   る冷媒の流量の割合を決定する特許請求の範囲第１項記
   載のヒートポンプ式空気調和機。
6. （６）除霜運転開始後所定時間、絞り装置を流れる冷媒
   の流量よりもバイパス回路を流れる冷媒の流量を大きく
   した特許請求の範囲第１項記載のヒートポンプ式空気調
   和機。