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JP2012167869A - 空気調和機 - Google Patents

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Kazuhiro Taniguchi
和宏 谷口
Atsuo Okaichi
敦雄 岡市
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Abstract

【課題】空気調和機は省エネルギー化が求められており、更なる効率向上が必要である。
【解決手段】圧縮機5、四方弁6、室内熱交換器3、減圧器9、室外熱交換器7を連結したヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、第1の二方弁11と冷媒加熱器13を有し、室内熱交換器3と減圧器9の間と圧縮機5の吸入側とを連結する第1のバイパス回路10と、第2の二方弁15を備える。さらに、減圧器9と室外熱交換器7の間と圧縮機5の吐出側とを連結する第2のバイパス回路14と、流量調整弁19を有し、減圧器9から室外熱交換器7までの間と、第1の二方弁11と冷媒加熱器13の間を連結する第3のバイパス回路18とを備える。これによって、暖房運転時、一部の冷媒を第3のバイパス回路18にバイパスさせることにより、室外熱交換器7の圧力損失を低減することで暖房効率を向上させることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、主に室内の冷房および暖房を行う空気調和機に関するものである。
従来のホットバイパス除霜を行うためのヒートポンプ式冷凍サイクルについて、図11を用いて説明する。
図11は、従来の空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
図11に示すように、室内熱交換器101および減圧器102の間と、四方弁103および圧縮機104の吸入側とを連結する第1のバイパス回路105を設け、第1のバイパス回路105に第1の二方弁106と冷媒加熱器107を設けたエネチャージシステムが提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2009−47344号公報
空気調和機は省エネルギー化することが求められており、更なる効率向上が課題となっている。本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、暖房運転時、除霜工程以外で、冷媒加熱器の熱量を有効に利用することで暖房効率を向上させることができる空気調和機を提供する。
本発明の空気調和機は、上記課題を解決するため、圧縮機、減圧器、室外熱交換器、室内熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、冷房運転時にはヒートポンプ式冷凍サイクルに流れる冷媒の流れ方向を、圧縮機から吐出された冷媒が室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器をこの順に通過して圧縮機に戻る第1方向に、暖房運転時には圧縮機から吐出された冷媒が室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器をこの順に通過して圧縮機に戻る第2方向との間で切り換える切換手段と、第1の二方弁と冷媒加熱器を有する。さらに、室内熱交換器と減圧器の間の一端と圧縮機の吸入側とを連結する第1のバイパス回路と、第2の二方弁を有し、減圧器と室外熱交換器の間の一端と圧縮機の吐出側とを連結する第2のバイパス回路と、減圧器から室外熱交換器と接続する切換手段の間に設けた第1接続部と、第1接続部から圧縮機の吸入側の間に設けた第2接続部とを連結する第3のバイパス回路を有し、第3のバイパス回路を流れる冷媒を冷媒加熱器で加熱するものである。
本発明によれば、暖房効率を向上させることにより消費電力を低減できるため、省エネルギー化することができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける切替手段の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける運転状態と弁動作の関係を示すマトリクス図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける流量調整弁の開度制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける暖房運転から除霜運転への切替制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける冷媒加熱器の熱量と暖房効率(COP)向上率の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態2に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける運転状態と弁動作の関係を示すマトリクス図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける空気調和機の冷凍サイクルの別の一例を示す構成図である。 従来の空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
図1に示すように、空気調和機は、室内機1と室外機2を接続している。室内機1は、室内熱交換器3および室内熱交換器3に室内空気を当てて熱交換させる室内送風機4を備えている。一方、室外機2は、冷媒を圧縮する圧縮機5と、圧縮機5により圧縮された冷媒の向きを暖房運転および冷房運転によって切り換える切換手段としての四方弁6と、四方弁6と接続した室外熱交換器7と、室外熱交換器7に外気を当てて熱交換させる室外送風機8と、室外熱交換器7と室内熱交換器3の間に設けた減圧器9とを備えている。
さらに室外機2は、減圧器9と室内熱交換器3の間から分岐して圧縮機5吸入に接続する第1のバイパス回路10と、第1のバイパス回路10の開閉を制御する第1の二方弁11と、圧縮機5の排熱を利用して蓄熱する蓄熱手段12(一例としてブライン)を備え、第1のバイパス回路10を流れる冷媒を蓄熱手段12に蓄えた熱量によって加熱する冷媒加熱器13と、室内熱交換器3と圧縮機5の間から分岐して減圧器9と室外熱交換器7の間に接続する第2のバイパス回路14と、第2のバイパス回路14の開閉を制御する第2の二方弁15を備えている。
圧縮機5の吸入にはアキュームレータ16を備え、液冷媒を一時的に貯留することで圧縮機5への液戻りを防止している。ここで、切換手段として四方弁6を適用しているが、本発明の切換手段はこれに限られるものではない。
図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける切替手段の一例を示す構成図である。例えば、切換手段は、図2(a)に示すような、2つの三方弁17が一対の配管によってループ状に接続した回路であっても良い。あるいは、切換手段は、図2(b)に示すような、いわゆるブリッジ回路であっても良い。冷媒加熱器13の熱源については特に蓄熱手段12に限定するものではなく、別の一例としてヒーターを用いても良いし、環境配慮の観点から太陽熱などの自然エネルギーを用いても良い。
室外機2はさらに、減圧器9から室外熱交換器7と接続する切替手段(ここでは四方弁6)の間に設けた第1接続部Aと、第1接続部Aから圧縮機5の吸入側の間に設けた第2接続部Bとを直結する第3のバイパス回路を備えている。
すなわち、本発明の実施の形態1では、室外機2はさらに減圧器9から室外熱交換器7までの間から分岐して第1の二方弁11と冷媒加熱器13の間に接続する第3のバイパス回路18と、第3のバイパス回路18を流れる冷媒流量を調整する流量調整弁19を備えている。
流量調整弁19の一例として、全閉可能な膨張弁とし、全閉状態から全開状態までを0〜480plsで開度調整できるものを用いることができる。室外機2はさらに、暖房運転時に暖房負荷の大小を検知する暖房負荷検知手段20を備えている。暖房負荷検知手段20の一例として、暖房負荷の大きい場合は冷媒流量が多いため、室外熱交換器7の圧力損失が増加し、流量調整弁19の前後の圧力差が大きくなり、逆に暖房負荷が小さい場合は冷媒流量が少なくなるため、室外熱交換器7の圧力損失が減少し、流量調整弁19の前後の圧力差も小さくなることから、流量調整弁19の前後の差圧を検知する差圧検知手段21(一例として差圧計)を適用することができる(図1では、暖房負荷検知手段20の一例としての差圧検知手段21を図示している。)。また、暖房負荷検知手段20は差圧検知手段21のみに限定するものではなく、別の一例として暖房負荷の増減と共に圧縮機5の回転数や圧縮機5への入力も増減するため、圧縮機5の回転数や圧縮機5への入力を検知する方法でも良い。
また、室外機2には外気温度を検知する外気温度検知手段22と、室外熱交温度を検知する室外熱交温度検知手段23と、室外熱交換器7に着霜が発生していることを検知する着霜発生検知手段24と、冷媒加熱器13の温度を検知する冷媒加熱器温度検知手段25と、減圧器と流量調整弁19の間の配管温度を検知する流量調整弁前温度検知手段26と、冷媒加熱器13出口の配管温度を検知する冷媒加熱器出口温度検知手段27とを備える。
室外機2はさらに、各検知手段の検知情報を受けて第1の二方弁11および第2の二方弁15の開閉および流量調整弁19の開度を制御する制御手段28(図示せず)、および時間を計測できる時間計測手段29(図示せず)を備えている。温度検知手段の一例として、例えばサーミスタを用いることができる。着霜発生検知手段24の検知方法の一例として、室外熱交換器7温度が0℃以下で且つ室外熱交換器7温度が外気温度より9℃以上低い場合は着霜発生していると検知することができる。制御手段28の一例として、マイコンを搭載した制御基板を用いることができ、時間計測手段29の一例としてタイマーを用いることができる。
次に運転状態とそれぞれの弁動作について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける運転状態と弁動作の関係を示すマトリクス図である。
図3に示すように、冷房運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、流量調整弁19も閉塞する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温の冷媒は冷房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室外熱交換器7に流れ、外気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は減圧器9により減圧されて低温となり、室内熱交換器3で室内空気と熱交換して蒸発気化した後、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15、および流量調整弁19は閉塞しているため、各バイパス回路に冷媒は流れない。
次に暖房運転時において、特に外気温度が低い場合など、室外熱交換器7に着霜が発生した場合の除霜運転について説明する。
図3に示すように、除霜運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を開放し、流量調整弁19は閉塞する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された一部の高温冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第1のバイパス回路10に流れて冷媒加熱器13で加熱され、蒸発気化して圧縮機5に吸入される第1のバイパス運転と、圧縮機5から吐出された残りの高温冷媒は第2のバイパス回路14に流れ、室外熱交換器7で熱交換して除霜し、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される第2のバイパス運転を同時に行うことで、暖房運転を行いつつ室外熱交換器7の除霜を行うことができる。このとき、流量調整弁19は閉塞しているため、第3のバイパス回路18に冷媒は流れない。
次に暖房運転について説明する。
図3に示すように、暖房運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、流量調整弁19は開いて開度を調整する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温の冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は減圧器9により減圧されて低温となった後、流量調整弁19により一部の冷媒は第3のバイパス回路18に流れ、冷媒加熱器13で加熱され、蒸発気化して圧縮機5に吸入される回路と、第3のバイパス回路18に流れなかった残りの冷媒は室外熱交換器7に流れ、外気と熱交換して蒸発気化した後、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15は閉塞しているため、第1および第2のバイパス回路14に冷媒は流れない。
暖房運転時に第3のバイパス回路18へ一部の冷媒を流すことで、室外熱交換器7に流れる冷媒量が減少して圧力損失を低減することができ、圧縮機5の吸入圧力を上昇させることができる。これにより圧縮機5の入力が低減し、暖房効率を向上させ、省エネルギー化できる。
また、本発明の実施の形態1では、冷媒加熱器13の熱源として圧縮機5の排熱を蓄熱手段12により蓄熱して利用するため、暖房運転時に第3のバイパス回路18に冷媒を流して蓄熱手段12の熱量を奪うと、除霜運転に切り替えた場合に、第1のバイパス回路10に冷媒を流す第1のバイパス運転において、蓄熱手段12の熱量が不足するという懸念がある。したがって、暖房負荷検知手段20としての差圧検知手段21により、暖房負荷が大きい場合は除霜運転に切り替える可能性が高いため、流量調整弁19を閉塞することで第3のバイパス回路18に冷媒を流れないようにして蓄熱手段12の熱量を奪わないようにし、暖房負荷が小さい場合は除霜運転に切り替える可能性が低いため、流量調整弁19を開いて第3のバイパス回路18に冷媒を流すように制御することが有効である。ここで、差圧検知手段21による暖房負荷の大小の閾値については、あらかじめ暖房負荷が大きく、除霜が必要な暖房低温条件にて流量調整弁19の前後の差圧を確認して決定しても良いし、実使用環境下で除霜運転に切り替わる直前の差圧を制御手段28に記憶させ、その差圧を閾値にするようにしても良い。
次に、暖房運転時の流量調整弁19の開度制御について図4を用いて説明する。
図4は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける流量調整弁の開度制御方法を示すフローチャートである。
図4に示すように、暖房運転開始(S0)後、例えば差圧検知手段21で測定した暖房負荷が、所定値以下である場合(S1)は、冷媒加熱器13温度と流量調整弁19前温度の温度を比較(S2)し、冷媒加熱器13温度が流量調整弁19前温度より高い、すなわち流量調整弁19前の冷媒を加熱させることができる場合は次のステップ(S3)に進み、低い場合は流量調整弁19の開度を下げる(S4)。次に、流量調整弁19前温度と冷媒加熱器13出口温度の温度を比較(S3)し、冷媒加熱器13出口温度が高い、すなわち冷媒加熱器13出口で冷媒が蒸発気化している場合は流量調整弁19の開度を上げ(S5)、低い場合は流量調整弁19の開度を下げる(S4)。次に時間計測手段29にて一定の検知間隔時間(一例として10秒)を計測(S6)し、再度温度比較(S2)のフローに戻るようにしている。
なお、暖房運転開始(S0)後、例えば差圧検知手段21で測定した暖房負荷が、所定値よりも大きい場合(S1)は、流量調整弁の開度を下げる(S4)。
ここで、温度検知手段の検知バラつきを考慮すると、かかる温度の比較については、3℃以上の差を検知した場合に判断するようにし、3℃以内の場合は流量調整弁19の開度を変更しないようにすると良い。
また、流量調整弁19の開度調整については、より細かく開度調整するため、1plsずつ変更していくことが望ましい。
次に、暖房運転から除霜運転への切替制御について、図5を用いて説明する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける暖房運転から除霜運転への切替制御を示すフローチャートである。
図5に示すように、暖房運転開始(S11)後、室外熱交換器7に着霜が発生しているかを着霜発生検知手段24により検知し、着霜の発生の有無を判定する着霜発生判定(S12)を行い、着霜が発生していないと判定した場合は、時間計測手段29にて次回の着霜検知まで所定の時間(一例として5分)を検知間隔時間(S14)として待機し、再度着霜発生判定(S12)に戻す。着霜が発生していると判定した場合は第1の二方弁11および第2の二方弁15を開放し、流量調整弁19を閉塞して除霜運転を開始(S13)する。時間計測手段29にて所定時間(一例として5分)経過(S15)した後に再度第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、流量調整弁19を開いて除霜運転終了(S16)し、時間計測手段29により次回の着霜検知まで検知間隔時間計測(S14)した後に着霜発生判定(S12)に戻すように制御している。
以上の構成により、暖房運転時において、第3のバイパス回路18に冷媒の一部をバイパスすることにより、室外熱交換器7に流入する冷媒量を低減し、圧力損失を低減することにより、圧縮機5の吸入圧力を上昇させて暖房効率を向上できる。第3のバイパス回路18に流すことができる冷媒流量については、冷媒加熱器13で冷媒を蒸発させるために必要な熱量により決定される。
図6は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける冷媒加熱器の熱量と暖房効率(COP)向上率の関係を示すグラフである。
図6に示すように、冷媒加熱器13の熱量が100W増加する毎に0.5%の暖房効率向上効果がある。
(実施の形態2)
実施の形態2において、実施の形態1と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図7は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
図7に示すように、圧縮機5、四方弁6、室内熱交換器3、第1の減圧器30、第2の減圧器31、室外熱交換器7を連結したヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、第1の減圧器30と第2の減圧器31の間に気液分離器33を備え、気液分離器33によって分離されたガス冷媒のみを圧縮機5の吸入にインジェクションするガスインジェクション経路34を備えている。また、室内熱交換器3と第1の減圧器30の間から分岐して圧縮機5吸入に接続する第1のバイパス回路10、第1のバイパス回路10の開閉を制御する第1の二方弁11、第1のバイパス回路10中の冷媒を加熱する蓄熱手段12を備えた冷媒加熱器13、室内熱交換器3と圧縮機5の間から分岐して第2の減圧器31と室外熱交換器7の間に接続する第2のバイパス回路14、第2のバイパス回路14の開閉を制御する第2の二方弁15を備えている。
本発明の実施の形態2では、さらに気液分離器と第2の減圧器31の間から分岐し、冷媒加熱器13を介してガスインジェクション経路34に合流する第3のバイパス回路18と、第3のバイパス回路18を流れる冷媒流量を調整する流量調整弁19を備えている。さらに暖房運転時に暖房負荷の大小を検知する暖房負荷検知手段20として、流量調整弁19の前後の差圧を検知する差圧検知手段21を備えている。
次に各運転状態における弁動作については、本発明の実施の形態1と同一であり、図3を参照して説明する。
図3に示すように、冷房運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、流量調整弁19も閉塞する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温高圧の冷媒は冷房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室外熱交換器7に流れ、外気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第2の減圧器31により一旦中間圧まで減圧されて気液二相状態となり、気液分離器でガス冷媒と液冷媒に分離される。ガス冷媒はガスインジェクション経路34を通過して圧縮機5の吸入に戻され、液冷媒は第1の減圧器でさらに低圧まで減圧される。減圧された冷媒は室内熱交換器3で室内空気と熱交換器して蒸発気化した後、四方弁6を経由し、ガスインジェクション経路34から流れるガス冷媒と合流して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15、および流量調整弁19は閉塞しているため、各バイパス回路に冷媒は流れない。
次に暖房運転時において、特に外気温度が低い場合など、室外熱交換器7に着霜が発生した場合の除霜運転について説明する。
図3に示すように、除霜運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を開放し、流量調整弁19は閉塞する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された一部の高温冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第1のバイパス回路10に流れ、冷媒加熱器13で加熱され、蒸発気化して圧縮機5に吸入される第1のバイパス運転と、圧縮機5から吐出された残りの高温冷媒は第2のバイパス回路14に流れ、室外熱交換器7で熱交換して除霜し、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される第2のバイパス運転を同時に行うことで、暖房運転を行いつつ室外熱交換器7の除霜を行うことができる。このとき、流量調整弁19は閉塞しているため、第3のバイパス回路18に冷媒は流れない。
次に暖房運転について説明する。
図3に示すように、暖房運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、流量調整弁19は開いて開度を調整する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温高圧の冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第1の減圧器30により一旦中間圧まで減圧されて気液二相状態となり、気液分離器でガス冷媒と液冷媒に分離される。ガス冷媒はガスインジェクション経路34に流れ、液冷媒の一部は流量調整弁19により第3のバイパス回路18に流れて冷媒加熱器13で加熱され、ガスインジェクション経路34に合流した後、圧縮機5の吸入に戻される。残りの液冷媒は第2の減圧器でさらに低圧まで減圧される。減圧された冷媒は室外熱交換器7で外気と熱交換器して蒸発気化した後、四方弁6を経由し、ガスインジェクション経路34から流れるガス冷媒と合流して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15は閉塞しているため、第1および第2のバイパス回路14に冷媒は流れない。また、暖房負荷検知手段20としての差圧検知手段21により、暖房負荷の大きさによって流量調整弁19の開閉を制御することにより、除霜運転時に必要な蓄熱手段12の熱量を確保することができる。
上記記載の様に暖房運転時に第3のバイパス回路18に一部の冷媒を流すことで、室外熱交換器7に流れる冷媒量が減少して圧力損失を低減することができ、圧縮機5の吸入圧力を上昇させることができる。これにより圧縮機5の入力が低減し、暖房効率を向上させて省エネルギー化できる。
暖房運転時の流量調整弁19の開度制御、および暖房運転から除霜運転への切替制御については、実施の形態1に記載の方法を適用することができる。
以上の構成により、暖房運転時において、第3のバイパス回路18に冷媒の一部をバイパスすることにより、室外熱交換器7に流入する冷媒量を低減し、圧力損失を低減することにより、圧縮機5の吸入圧力を上昇させて暖房効率を向上させて省エネルギー化できる。
(実施の形態3)
実施の形態3において、実施の形態1および実施の形態2と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルを示す構成図である。
図8に示すように、圧縮機5、四方弁6、室内熱交換器3、減圧器9、室外熱交換器7を連結したヒートポンプ式冷凍サイクルを構成し、室内熱交換器3と減圧器9の間から分岐して圧縮機5吸入に接続する第1のバイパス回路10、第1のバイパス回路10の開閉を制御する第1の二方弁11、第1のバイパス回路10中の冷媒を加熱する蓄熱手段12を備えた冷媒加熱器13、室内熱交換器3と圧縮機5の間から分岐して減圧器9と室外熱交換器7の間に接続する第2のバイパス回路14、第2のバイパス回路14の開閉を制御する第2の二方弁15を備えている。
本発明の実施の形態3では、さらに減圧器9と室外熱交換器7の間を一端とし、冷媒加熱器13を経由して室外熱交換器7の減圧器9側に他端を連結する第3のバイパス回路18と、第3のバイパス回路18の一端と他端の間に第3の二方弁32とを備えている。さらに暖房運転時に暖房負荷の大小を検知する暖房負荷検知手段20を備えている。
次に運転状態とそれぞれの弁動作について説明する。
図9は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける運転状態と弁動作の関係を示すマトリクス図である。
図9に示すように、冷房運転時は第1の二方弁11および第2の二方弁15を閉塞し、第3の二方弁32は開放する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温高圧の冷媒は冷房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室外熱交換器7に流れ、外気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第3の二方弁32を通過し、減圧器9により減圧される。このとき、第3のバイパス回路18に冷媒が流れる際の流路損失に対して、第3の二方弁32を冷媒が流れる際の流路損失の方が小さいため、ほとんどの冷媒は第3の二方弁32側に流れ、第3のバイパス回路18には流れない。減圧された冷媒は室内熱交換器3で室内空気と熱交換器して蒸発気化した後、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15は閉塞しているため、第1のバイパス回路10および第2のバイパス回路14に冷媒は流れない。
次に暖房運転時において、特に外気温度が低い場合など、室外熱交換器7に着霜が発生した場合の除霜運転について説明する。
図9に示すように、除霜運転時は第1の二方弁11、第2の二方弁15、第3の二方弁32をすべて開放する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された一部の高温冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は第1のバイパス回路10に流れ、冷媒加熱器13で加熱され、蒸発気化して圧縮機5に吸入される第1のバイパス運転と、圧縮機5から吐出された残りの高温冷媒は第2のバイパス回路14に流れ、第3の二方弁32を通過し、室外熱交換器7で熱交換して除霜し、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される第2のバイパス運転を同時に行うことで、暖房運転を行いつつ室外熱交換器7の除霜を行うことができる。このとき、第3のバイパス回路18には、冷房運転時と同様に流路損失の関係から、第3のバイパス回路18に冷媒は流れない。
次に暖房運転について説明する。
図9に示すように、暖房運転時は第1の二方弁11、第2の二方弁15、第3の二方弁32すべてを閉塞する。かかる弁動作により、圧縮機5から吐出された高温高圧の冷媒は暖房運転状態に切り換えられた四方弁6を経由して室内熱交換器3に流れ、室内空気と熱交換して凝縮液化する。液化した冷媒は減圧器9により減圧されて気液二相状態となり、第3の二方弁32が閉塞しているため、全冷媒が第3のバイパス回路18に流入し、冷媒加熱器13に備えた蓄熱手段12により加熱されて乾き度が上昇した気液二相状態となって室外熱交換器7に流入する。室外熱交換器7で外気と熱交換器して蒸発気化した後、四方弁6を経由して圧縮機5に吸入される。このとき、第1の二方弁11、第2の二方弁15は閉塞しているため、第1および第2のバイパス回路14に冷媒は流れない。また、暖房負荷検知手段20により、暖房負荷の大きさによって第3の二方弁32の開閉を制御することにより、除霜運転時に必要な蓄熱手段12の熱量を確保することができる。
上記記載の様に暖房運転時に第3のバイパス回路18に全冷媒を流すことで、室外熱交換器7に流入させる気液二相状態の冷媒の乾き度を上げることができるため、室外熱交換器7で冷媒を蒸発させるために必要な熱量を低減し、圧縮機5の吸入圧力を上昇させることで暖房効率を向上させて省エネルギー化できる。
また、本発明の実施の形態3の別の構成の一例として、図10を示す。
図10は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷凍サイクルにおける空気調和機の冷凍サイクルの別の一例を示す構成図である。
図10に示すように、室外熱交換器7と四方弁6の間を一端とし、冷媒加熱器13を経由して室外熱交換器7の四方弁6側に他端を連結する第3のバイパス回路18と、第3のバイパス回路18の一端と他端の間に第3の二方弁32とを備えた構成としても良い。これにより、暖房運転時、室外熱交換器7出口冷媒を完全にガス化させる必要が無いため、室外熱交換器7で冷媒を蒸発させるために必要な熱量を低減し、圧縮機5の吸入圧力を上昇させることで同様の効果を得ることができる。
本発明にかかる空気調和機は、ヒートポンプ冷凍サイクルを用いた給湯器等にも適用できる。
1 室内機
2 室外機
3 室内熱交換器
4 室内送風機
5 圧縮機
6 四方弁
7 室外熱交換器
8 室外送風機
9 減圧器
10 第1のバイパス回路
11 第1の二方弁
12 蓄熱手段
13 冷媒加熱器
14 第2のバイパス回路
15 第2の二方弁
16 アキュームレータ
17 三方弁
18 第3のバイパス回路
19 流量調整弁
20 暖房負荷検知手段
21 差圧検知手段
22 外気温度検知手段
23 室外熱交温度検知手段
24 着霜発生検知手段
25 冷媒加熱器温度検知手段
26 流量調整弁前温度検知手段
27 冷媒加熱器出口温度検知手段
28 制御手段
29 時間計測手段
30 第1の減圧器
31 第2の減圧器
32 第3の二方弁
33 気液分離器
34 ガスインジェクション経路

Claims (11)

  1. 圧縮機、減圧器、室外熱交換器、室内熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、
    冷房運転時には前記ヒートポンプ式冷凍サイクルに流れる冷媒の流れ方向を、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器、前記減圧器、前記室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第1方向に、暖房運転時には前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器、前記減圧器、前記室外熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第2方向との間で切り換える切換手段と、
    第1の二方弁と冷媒加熱器を有し、前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記圧縮機の吸入側とを連結する第1のバイパス回路と、
    第2の二方弁を有し、前記減圧器と前記室外熱交換器の間と前記圧縮機の吐出側とを連結する第2のバイパス回路と、
    前記減圧器から前記室外熱交換器と接続する切換手段の間に設けた第1接続部と、前記第1接続部から圧縮機の吸入側の間に設けた第2接続部とを連結する第3のバイパス回路を有し、
    前記第3のバイパス回路を流れる冷媒を前記冷媒加熱器で加熱する、空気調和機。
  2. 流量調整弁をさらに有し、
    前記第3のバイパス回路は、前記減圧器から前記室外熱交換器までの間と、前記第1の二方弁と前記冷媒加熱器との間を連結する、請求項1に記載の空気調和機。
  3. 前記減圧器は、第1の減圧器と第2の減圧器から構成され、
    前記第1方向は、前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器、前記第2の減圧器、前記第1の減圧器、前記室内熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第1方向であり、
    前記第2方向は、前記室内熱交換器、前記第1の減圧器、前記第2の減圧器、前記室外熱交換器をこの順に通過して前記圧縮機に戻る第2方向であり、
    気液分離器と前記圧縮機の吸入側とを連結するガスインジェクション経路と、流量調整弁をさらに有し、
    前記第3のバイパス回路は、前記気液分離器から前記第2の減圧器までの間から、前記冷媒加熱器を経由して前記ガスインジェクション経路に接続した、請求項1に記載の空気調和機。
  4. 暖房運転時において、除霜運転を行わない場合には、前記第1の二方弁と前記第2の二方弁を閉じ、かつCOPが最適になるように前記流量調整弁の開度を制御する、請求項2または3に記載の空気調和機。
  5. 前記第3のバイパス回路は、前記減圧器から前記室外熱交換器までの間の一端と、前記冷媒加熱器を経由して前記室外熱交換器の前記減圧器側に他端を連結し、
    前記第3のバイパス回路の前記一端と前記他端の間に第3の二方弁をさらに備えた、請求項1に記載の空気調和機。
  6. 前記第3のバイパス回路は、前記室外熱交換器から前記圧縮機の吸入側までの間の一端と、前記冷媒加熱器を経由して前記一端と前記圧縮機の吸入側までの間に他端を連結し、
    前記第3のバイパス回路の前記一端と前記他端の間に第3の二方弁をさらに備えた、請求項1に記載の空気調和機。
  7. 暖房運転時において、除霜運転を行わない場合には、前記第1の二方弁と前記第2の二方弁と前記第3の二方弁を閉じる制御を行う、請求項5または6に記載の空気調和機。
  8. 前記冷媒加熱器は前記圧縮機の排熱を回収して蓄熱する蓄熱手段である、請求項1から7のいずれかに記載の空気調和機。
  9. 暖房負荷の大きさを検知する暖房負荷検知手段をさらに備え、暖房運転時、前記暖房負荷検知手段が検知した暖房負荷が所定値より大きい場合は前記流量調整弁を閉じる制御を行い、前記暖房負荷検知手段が検知した暖房負荷が所定値以下の場合は前記流量調整弁を開く制御を行う請求項1から7のいずれかに記載の空気調和機。
  10. 前記暖房負荷検知手段は、冷媒回路に接続された前記流量調整弁の前後の管内圧力差を検知する差圧検知手段であり、前記差圧検知手段が検知した差圧が所定値より大きい場合は、前記流量調整弁を閉じる制御を行い、前記差圧検知手段が検知した差圧が所定値以下の場合は、前記流量調整弁を開く制御を行う請求項9に記載の空気調和機。
  11. 前記冷媒加熱器は圧縮機の排熱を回収して蓄熱する蓄熱手段であり、暖房負荷の大きさを検知する暖房負荷検知手段をさらに備え、暖房運転時、前記暖房負荷検知手段が検知した暖房負荷が所定値より大きい場合は前記第3の二方弁を開く制御を行い、前記暖房負荷検知手段が検知した暖房負荷が所定値以下の場合は前記第3の二方弁を閉じる制御を行う請求項5から7のいずれかに記載の空気調和機。
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