JP2002106917A - 寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冬季の最低外気温度が−１０℃〜−１５℃以下
に達するような寒冷地域においても、十分な暖房能力を
発揮するとともに、蓄熱槽を小型化することにある。 【解決手段】圧縮機１、室外熱交換器６を有した室外機
１００と、蓄熱熱交換器６１と、室内熱交換器５０を有
した室内機２００と、を備え、暖房蓄熱運転、蓄熱利用
暖房運転、蓄熱非利用暖房運転を切換える蓄熱式ヒート
ポンプ空気調和機において、蓄熱利用暖房運転で運転を
開始し、空調負荷が比較的小さいと判定されたときは蓄
熱非利用暖房運転に切換え、その後蓄熱利用暖房運転を
行なうべきだと判定されたときは再び蓄熱利用暖房運転
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気圧縮冷凍サイ
クルを利用した蓄熱利用空調運転を行なう蓄熱式ヒート
ポンプ空気調和機に係わり、特に、特に冬期に室外空気
温度が例えば−１５℃以下に低下するような寒冷地で利
用する蓄熱式ヒートポンプ式空気調和機に好適である。

【０００２】

【従来の技術】蓄冷運転と冷房運転、蓄熱運転と暖房運
転を交互又は同時に運転する制御によって、能力を安定
にすることが知られ、例えば特開平９−１３８０２５号
公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、冬季の最低外気温度が−１０℃〜−１５℃以下に達
するような寒冷地域に関しては特に考慮されておらず、
寒冷地域においては蓄熱を使用しない空気熱源式ヒート
ポンプは、十分な熱源が得られないため能力の低下が大
きくなる。これに対して、蓄熱を熱源として利用した場
合、外気温度によらず熱源が確保されるため、寒冷地域
においても外気低温時の暖房能力の維持や消費電力低減
に対して非常に効果が大きい。

【０００４】しかし、水を蓄熱媒体として用いる氷蓄熱
式エアコンでは、暖房運転においては一般に顕熱を熱源
として利用しているため、潜熱を利用する冷房運転に比
較して蓄熱量は小さくなる。暖房運転においても潜熱ま
で利用することは可能であるが、伝熱管表面に氷が生成
することによる伝熱性能の低下により、性能の低下が著
しいため有効な方法ではない。したがって、寒冷地域に
おいても十分な性能を長時間得るためには、蓄熱量を大
きくする必要があり、蓄熱槽を大型化して蓄熱媒体量を
増やすか、利用温度を拡大するため蓄熱終了水温を高く
する必要がある。 蓄熱終了水温については、ヒートポ
ンプ冷凍サイクルでは吐出圧力の限界もあり、４５〜５
０℃以上に上げることは困難である。一方蓄熱槽の大型
化はすなわち機器の設置面積や製品運転質量の増大を意
味するため、設置場所の面積や強度確保の観点から施工
性に対しては大きなデメリットとなる恐れがあった。

【０００５】また、寒冷地区、特に北海道地区において
は冬季の電力ピークが夕方１６時から１８時の間に発生
するため、電力平準化の観点から夕方に蓄熱利用運転を
行ない消費電力を低減することが必要である。しかし、
暖房時は早朝の空調負荷が大きい時間帯より蓄熱利用を
開始する必要があり、空調運転開始時から蓄熱を使いき
るまで継続して蓄熱利用運転をしていた。このため夕方
に蓄熱利用による運転消費電力のピークカットを実現す
るためには、蓄熱量そのものを増やさなければならな
い。

【０００６】さらに、寒冷地区においては暖房期間が非
常に長く、機器容量を選定する極寒時のピーク負荷と、
中間期の部分負荷の差が大きくなる。このため、ピーク
負荷時に蓄熱利用法を適合させると、中間期には蓄熱を
使いきれず、そのまま放熱ロスになっていた。

【０００７】本発明の目的は、冬季の最低外気温度が−
１０℃〜−１５℃以下に達するような寒冷地域において
も、十分な暖房能力を発揮するとともに、蓄熱槽を小型
化することにある。また、本発明の目的は、限られた蓄
熱容量を有効に使い、夕方においても蓄熱利用によるピ
ークカット運転を実現することにある。さらに、本発明
の目的は、部分負荷時においても蓄熱を有効に利用する
ことにある。なお、本発明は、上記課題、目的の少なく
ともひとつを解決することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、圧縮機、室外熱交換器を有した室外機と、蓄
熱熱交換器と、室内熱交換器を有した室内機と、を備
え、暖房蓄熱運転、蓄熱利用暖房運転、蓄熱非利用暖房
運転を切換える蓄熱式ヒートポンプ空気調和機におい
て、前記蓄熱利用暖房運転で運転を開始し、空調負荷が
比較的小さいと判定されたときは前記蓄熱非利用暖房運
転に切換え、その後蓄熱利用暖房運転を行なうべきだと
判定されたときは再び前記蓄熱利用暖房運転を行うもの
である。

【０００９】これにより、例えば、暖房時最大負荷が発
生する早朝始動時に蓄熱を熱源とした空調を行なうとと
もに、空調負荷の比較的小さい昼間は、一旦蓄熱非利用
運転を行ない、夕方の空調負荷増大時まで蓄熱を利用し
ないで済むため、必要とされる暖房能力を確保したうえ
で、蓄熱量を低減することが可能となる。よって、限ら
れた蓄熱容量を有効に使うことができるので、蓄熱槽を
小型化したり、夕方においても蓄熱利用によるピークカ
ット運転を実現したり、することができる。

【００１０】蓄熱利用暖房運転と蓄熱非利用暖房運転の
切換え判定は、具体的には、蓄熱媒体の温度により蓄熱
量を検出することにより行うことが良い。蓄熱媒体が水
やその混合物の場合、暖房時は顕熱を利用して蓄熱を行
なうので、蓄熱量は温度に比例する。したがって、一旦
蓄熱利用運転を終了する条件を、予め再び蓄熱利用運転
を始めてから後の運転に必要な蓄熱量となる蓄熱量に相
当する蓄熱媒体の温度に達した時と決めておくことで、
蓄熱利用運転の再開後も必要な蓄熱量が確保することが
できる。

【００１１】また、空調能力または空調負荷が所定の値
以下になったとき、蓄熱非利用運転に移行させることも
良く、具体的な方法としては、室内機の吸込温度または
吸込温度と設定温度の差により空調能力または空調負荷
を演算することが望ましい。これは、直接的かつ確実な
判定方法であり、これら値は絶対値のみならず、室内機
が運転しているときや設定温度に達していわゆるサーモ
オフしたときの変化率からも、空調負荷を推定すること
が可能であり、判定の確度を上げることができる。

【００１２】さらに、空調能力または空調負荷を認識す
るのに、圧縮機の運転周波数または運転台数によること
も低価格にするうえでは良い。つまり、圧縮機の運転周
波数は運転空調能力に相関しているので、これが一定値
以下に達した時に蓄熱非利用運転へ移行するよう判定す
ることが可能である。

【００１３】さらに上記のものにおいて、時刻計時装置
を備え、所定の時刻になったときに前記蓄熱非利用暖房
運転から前記蓄熱利用暖房運転に移行させることが望ま
しい。具体的には、時刻に対する外気温度の変化は統計
的な相関の情報が得られているので、負荷の増大する時
刻に蓄熱利用運転を再開するよう予め決めれば、負荷の
増大に対応して暖房能力や省電力効果を維持した運転を
行なうことができる。

【００１４】さらに上記のものにおいて、蓄熱熱交換器
を主として蒸発器として用いる運転を行う時間帯は１６
時〜１８時を含むことが望ましい。

【００１５】さらに上記のものにおいて、空調負荷が比
較的小さいと判定された前記蓄熱非利用暖房運転は、前
記室外熱交換器と前記蓄熱熱交換器の熱源を併用して運
転されることが望ましい。

【００１６】さらに上記のものにおいて、蓄熱非利用暖
房運転における暖房能力は、前記蓄熱利用暖房運転にお
ける暖房能力の８５％以上１００％未満の比率であるこ
とが望ましい。

【００１７】さらに上記のものにおいて、所定の時刻に
おいて蓄熱量が所定量以上残存している場合、空調負荷
が比較的小さいと判定されたときは前記蓄熱利用暖房運
転を継続することが望ましい。

【００１８】さらに上記のものにおいて、空調負荷は前
記室内機の吸込温度または吸込温度と設定温度の差によ
り演算することが望ましい。

【００１９】さらに本発明は、液インジェクションされ
るようにされた圧縮機、室外熱交換器を有した室外機
と、蓄熱熱交換器と、室内熱交換器を有した室内機と、
を備え、暖房蓄熱運転、蓄熱利用暖房運転、蓄熱非利用
暖房運転を切換える蓄熱式ヒートポンプ空気調和機にお
いて、前記液インジェクション量を制御する液インジェ
クション流量制御装置を備え、前記蓄熱利用暖房運転で
運転を開始し、前記液インジェクション量を制御された
前記蓄熱非利用暖房運転に切換えられるものである。

【００２０】これにより、能力が低下する蓄熱非利用運
転において、外気が低温であっても高い暖房能力が発揮
される液インジェクション圧縮機を採用することで暖房
能力の低下を小さくできるため、蓄熱利用運転をする時
間を短縮して一層蓄熱槽を小型化できるうえ、蓄熱非利
用運転時の能力を確保するため室外熱交換器や圧縮機の
容量を大きくする必要がなく、室外機も小型化すること
ができる。また、暖房能力の高い液インジェクションを
夜間の蓄熱運転にも利用することが望ましく、外気温度
が低い場合でも確実に蓄熱量を確保することができる。
さらに蓄熱利用運転時にも液インジェクションを利用す
ることで、蓄熱利用運転の開始当初水温が高く圧縮機吸
入側の過熱度が大きくなることから吐出温度が高くなる
ことに対しても吐出温度を低減できるので、高温部の熱
損失を低減して運転効率を向上するとともに、圧縮機電
動機の絶縁被覆や冷凍機油など有機材料の劣化を低減す
ることができ、機器の信頼性を向上できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明による第１の実施の形態に
ついて、説明する。図１は本発明による第１の実施の形
態における冷凍サイクル構成を示すブロック図を示す。
容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂ、アキュム
レータ３、オイルセパレータ４、四方弁５、室外熱交換
器６ａ、６ｂ、室外膨張弁７ａ、７ｂ、過冷却器８ａ、
８ｂ、室外送風機９ａ、９ｂ、レシーバ１０、ガス液熱
交換器１１、ガス阻止弁１２、液阻止弁１３、蓄熱ガス
阻止弁１４、ガスバイパス１５、蓄熱回路用電磁弁１６
ａ、１６ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクション膨張
弁２０、一定速圧縮機用液インジェクション膨張弁２１
ａ、２１ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクション電磁
弁２２、一定速圧縮機用液インジェクション電磁弁２３
ａ、２３ｂ、容量制御圧縮機用液インジェクションキャ
ピラリーチューブ２４、一定速圧縮機用液インジェクシ
ョンキャピラリーチューブ２５ａ、２５ｂ、室外制御装
置３０、室外温度センサー３１、容量制御圧縮機用吐出
温度センサー３２、一定速圧縮機用吐出温度センサー３
３ａ、３３ｂ、吸入温度センサー３４、高圧圧力センサ
ー３６、低圧圧力センサー３７からなる室外機１００
と、室内熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、室内膨張弁
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、室内送風機５２ａ、５２ｂ、
５２ｃ、室内制御装置５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、室内吸
込温度センサー５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、リモートコン
トローラー５５ａ、５５ｂ、５５ｃからなる室内機２０
０ａ、２００ｂ、２００ｃと、蓄熱槽６０、蓄熱熱交換
器６１、蓄熱回路用膨張弁６２、蓄熱回路用電磁弁６３
ａ、６３ｂ、６３ｃ、蓄熱制御装置６５、蓄熱媒体温度
センサー６６、蓄熱コントローラー６７からなる蓄熱機
３００とが、ガス接続配管４０、液接続配管４１、蓄熱
ガス接続配管４２、伝送線４５によって連結されてい
る。

【００２２】なお第１の実施の形態では、容量制御圧縮
機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂには、冷媒吸入部から冷
媒吐出部の圧縮過程にある中間圧部に液冷媒をインジェ
クションするポートを設けた、液インジェクションスク
ロール型圧縮機を採用する。これにより、圧縮機の吸入
圧力が低下して吸入冷媒密度が低下しても、途中で液冷
媒が加わるので吐出側の冷媒流量が確保される。

【００２３】本実施の形態は、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ
４０７Ｅ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２などの冷媒を作動流体に
用いた蒸気圧縮冷凍サイクルを利用しており、夜間に蓄
熱熱交換器６１内の蓄熱媒体に蓄熱運転を行ない、昼間
の空調運転時にこの蓄熱を利用する運転を行なう。蓄熱
コントローラー６７は予め夜間の蓄熱運転の時間帯がセ
ットされ、この時間帯に蓄熱運転を指令し、またそれ以
外に空調運転可能であることを指令する。空調運転可能
なとき、室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃのリモー
トコントローラー５５ａ、５５ｂ、５５ｃいずれかがオ
ンされて、空調運転を開始する。リモートコントローラ
ー５５ａ、５５ｂ、５５ｃは冷房、暖房の切換えや風量
などを設定する。これらの司令によって、室外制御装置
３０、室内制御装置５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、蓄熱制御
装置６５らは、四方弁５、蓄熱回路用電磁弁１６ａ、１
６ｂ、蓄熱回路用電磁弁６３ａ、６３ｂ、６３ｃを切り
換え、冷房蓄熱運転、冷房蓄熱利用ピークシフト運転、
冷房蓄熱利用ピークカット運転、冷房蓄熱非利用運転、
暖房蓄熱運転、暖房蓄熱利用運転、暖房蓄熱非利用運
転、蓄熱利用除霜運転、蓄熱非利用除霜運転の各運転モ
ードの切り換えを行なう。また、容量制御圧縮機１、一
定速圧縮機２ａ、２ｂ、室外送風機９ａ、９ｂ、室内送
風機５２ａ、５２ｂ、５２ｃを動作させ、運転を行な
う。

【００２４】さらに運転中は室外膨張弁７ａ、７ｂ、容
量制御圧縮機用液インジェクション膨張弁２０、一定速
圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａ、２１ｂ、室
内膨張弁５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、蓄熱回路用膨張弁６
２の開度、容量制御圧縮機１の運転容量、一定速圧縮機
２ａ、２ｂの運転台数などを適当な運転となるよう制御
を行なう。

【００２５】次に、冷房蓄熱運転時の冷媒の流れを示
す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂを吐出
した高圧高温のガス冷媒は四方弁５を経由し室外熱交換
器６ａ、６ｂにて凝縮し、過冷却器８ａ、８ｂで過冷却
液となりレシーバ１０、ガス液熱交換器１１、液阻止弁
１３、液接続配管４１を経由して、蓄熱機３００に達す
る。ここで蓄熱回路用電磁弁６３ａ、６３ｃは開弁して
おり、蓄熱回路用膨張弁６２にて絞られた液冷媒が蓄熱
熱交換器６１にて蒸発し、水温を低下させ０℃以下にし
て製氷することで潜熱として蓄熱を行なう。蒸発後のガ
ス冷媒は蓄熱回路用電磁弁６３ａ、蓄熱ガス接続配管４
２、蓄熱回路用電磁弁１６ｂ、ガス液熱交換器１１、ア
キュムレータ３を介して圧縮機低圧側へ戻る。

【００２６】次に、冷房蓄熱利用ピークシフト運転時の
冷媒の流れを示す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２
ａ、２ｂを吐出した高圧高温のガス冷媒は四方弁５を経
由し室外熱交換器６ａ、６ｂにて凝縮し、過冷却器８
ａ、８ｂ、レシーバ１０、ガス液熱交換器１１、液阻止
弁１３、液接続配管４１を経由して、蓄熱機３００に達
する。ここで蓄熱回路用電磁弁６３ｂの開弁により、液
冷媒は蓄熱熱交換器６１に導かれ、氷と熱交換を行な
う。こうして過冷却され比エンタルピの低くなった液冷
媒が室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃに搬送され、
室内膨張弁５１ａ、５１ｂ、５１ｃで絞られて室内熱交
換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて蒸発し空気と熱交換す
ることで、冷房を行なう。蒸発したガス冷媒はガス接続
配管４０より室外機１００へ戻され、四方弁５、ガス液
熱交換器１１、アキュムレータ３を介して圧縮機低圧側
へ戻る。

【００２７】なお、氷と熱交換することで蓄熱熱交換器
６１にて大きく比エンタルピを低下させるので、室内熱
交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃ入口と出口の比エンタル
ピ差が大きいため冷媒循環量を少なくすることができる
ので、圧縮機運転容量を低減して消費電力を小さくする
ことができる。

【００２８】次に、冷房蓄熱利用ピークカット運転時の
冷媒の流れを示す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２
ａ、２ｂを吐出した高圧高温のガス冷媒は、蓄熱回路用
電磁弁１６ｂより蓄熱ガス接続配管４２を経由して、蓄
熱機３００に達する。ここで蓄熱回路用電磁弁６３ａの
開弁により、高圧高温ガス冷媒は蓄熱熱交換器６１に導
かれて氷と熱交換を行なう。こうして凝縮、過冷却さ
れ、比エンタルピの低くなった液冷媒が室内機２００
ａ、２００ｂ、２００ｃに搬送され、室内膨張弁５１
ａ、５１ｂ、５１ｃで絞られて室内熱交換器５０ａ、５
０ｂ、５０ｃにて蒸発し空気と熱交換することで、冷房
を行なう。蒸発したガス冷媒は、冷房蓄熱利用ピークシ
フト運転同様、圧縮機低圧側へ戻る。

【００２９】高圧高温のガス冷媒が氷と熱交換すること
で凝縮圧力を著しく低下させることができるため、過冷
却による比エンタルピの低下とあいまって、圧縮機運転
消費電力が大きく削減される。省電力効果の大きい冷房
蓄熱利用ピークカット運転を冷房時の電力ピークが出現
する１３時〜１６時に行なうことにより、電力の平準化
に貢献するとともに、契約電力も小さくすることが可能
となる。

【００３０】次に蓄熱を使い切った後の、冷房蓄熱非利
用運転時の冷媒の流れを示す。容量制御圧縮機１、一定
速圧縮機２ａ、２ｂを吐出した高圧高温のガス冷媒は四
方弁５を経由し室外熱交換器６ａ、６ｂにて凝縮し、過
冷却器８ａ、８ｂで過冷却液となりレシーバ１０、ガス
液熱交換器１１、液阻止弁１３、液接続配管４１を経由
して、室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃに搬送され
る。このとき蓄熱回路用電磁弁６３ｃが開弁状態にあ
る。室内膨張弁５１ａ、５１ｂ、５１ｃで絞られて室内
熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて蒸発し空気と熱交
換することで冷房を行ない、蒸発したガス冷媒は他の冷
房運転同様、圧縮機低圧側へ戻る。

【００３１】次に、暖房蓄熱運転時の冷媒の流れを示
す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂを吐出
した高圧高温のガス冷媒は、蓄熱回路用電磁弁１６ｂよ
り蓄熱ガス接続配管４２を経由して、蓄熱機３００に達
する。ここで蓄熱回路用電磁弁６３ａの開弁により、高
圧高温ガス冷媒は蓄熱熱交換器６１に導かれて水と熱交
換を行ない、水温を上昇させる。凝縮した液冷媒は蓄熱
回路用膨張弁６２、開弁状態の蓄熱回路用電磁弁６３
ｃ、液接続配管４１を経由して室外機１００に戻り、ガ
ス液熱交換器１１、レシーバ１０、過冷却器８ａ、８ｂ
の後、室外膨張弁７ａ、７ｂで膨張して室外熱交換器６
ａ、６ｂで蒸発する。蒸発したガス冷媒は、四方弁５、
ガス液熱交換器１１、アキュムレータ３を介して圧縮機
低圧側へ戻る。

【００３２】外気温度が低く蒸発圧力が低下する条件で
は、室外膨張弁７ｂ前の過冷却液冷媒を分岐して、容量
制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂ各々に対して、
容量制御圧縮機用液インジェクション膨張弁２０、一定
速圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａ、２１ｂ、
容量制御圧縮機用液インジェクション電磁弁２２、一定
速圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂ、
容量制御圧縮機用液インジェクションキャピラリーチュ
ーブ２４、一定速圧縮機用液インジェクションキャピラ
リーチューブ２５ａ、２５ｂを介して接続し、液インジ
ェクションを行なう。このとき、室外膨張弁７ａ、７ｂ
は、吸入温度センサー３４、低圧圧力センサー３７より
演算される過熱度が目標値となるように制御される。ま
た、一定速圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、
２３ｂは運転している圧縮機のみ開弁するとともに、容
量制御圧縮機用液インジェクション膨張弁２０、一定速
圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａ、２１ｂの開
度を制御して、圧縮機の吐出温度が適正になるように液
インジェクション量をコントロールする。

【００３３】以上のように液インジェクション圧縮機を
採用したので、外気温度が低く圧縮機の吸入冷媒密度が
低下して冷媒循環量が減少するような条件でも吐出側の
冷媒流量が確保されるので、高い暖房能力を維持するこ
とができ、水温を上昇させて蓄熱量を確保することがで
きる。

【００３４】次に、暖房蓄熱利用運転時の冷媒の流れを
示す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂを吐
出した高圧高温のガス冷媒は四方弁５を経由し、ガス接
続配管４０より室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃに
搬送され、室内熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて凝
縮放熱して暖房を行なう。凝縮液冷媒はこの後蓄熱機３
００にて蓄熱回路用膨張弁６２により絞られて、蓄熱熱
交換器６１にてお湯と熱交換して蒸発する。このとき蓄
熱回路用電磁弁６３ａが開弁されており、ガス冷媒は蓄
熱ガス接続配管４２より室外機１００へ戻り、蓄熱回路
用電磁弁１６ｂ、ガス液熱交換器１１、アキュムレータ
３を介して圧縮機低圧側へ戻る。この時、室外膨張弁７
ａ、７ｂは全閉として全く室外熱交換器６ａ、６ｂを使
用せず、室外送風機９ａ、９ｂも停止する。

【００３５】本運転では、蓄熱熱交換器６１よりお湯を
熱源として利用するので、外気温度が低くても冷媒の蒸
発のために大きな熱量が得られるので、蒸発圧力が高く
なり圧縮機吸入ガス冷媒の密度が高くなるので、冷媒循
環量が増大して非常に高い能力が得られるとともに、温
風の立上りも早い。また、室外熱交換器６ａ、６ｂを使
用しないので、着霜することが無く除霜運転を行なう必
要が無い。さらに室外送風機９ａ、９ｂも停止するの
で、消費電力が低減される。ここで、暖房能力を抑えて
容量制御圧縮機１の運転容量、一定速圧縮機２ａ、２ｂ
の運転台数を調整して暖房非利用運転時よりも少ない圧
縮機運転容量で運転することで、暖房能力増大分を運転
消費電力の低減に当てることができ、高い暖房能力を発
揮しながら省電力効果をも得ることができる。

【００３６】暖房蓄熱利用運転においても、運転を開始
してしばらくの間水温が高い時は、蒸発ガス冷媒が過熱
されるため圧縮機吸入部の過熱度も大きくなり、吐出温
度が上昇してしまう。そこで、ここでも暖房蓄熱運転同
様液インジェクションを使用して、各圧縮機の吐出温度
が適正となるように液インジェクション量を制御するこ
とで、高温部の熱損失を低減して運転効率を向上すると
ともに、圧縮機電動機の絶縁被覆や冷凍機油など有機材
料の劣化を低減することができ、機器の信頼性を向上で
きる。

【００３７】次に、暖房蓄熱非利用運転時の冷媒の流れ
を示す。室内熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて凝縮
放熱して暖房を行なうまでは、暖房蓄熱利用運転と同じ
であるが、本運転時は蓄熱回路用電磁弁６３ｃ開弁によ
り液冷媒を室外機１００に戻し、あとは暖房蓄熱運転時
と同様に室外熱交換器６ａ、６ｂにて蒸発させ圧縮機低
圧側へ戻す。

【００３８】暖房蓄熱運転時と同様に外気温度が低く蒸
発圧力が低下する条件では、容量制御圧縮機用液インジ
ェクション膨張弁２０、一定速圧縮機用液インジェクシ
ョン膨張弁２１ａ、２１ｂにより液インジェクションを
行ない、圧縮機の吐出温度が適正になるように液インジ
ェクション量をコントロールする。これにより、暖房蓄
熱運転と同様、外気温度が低く圧縮機の吸入冷媒密度が
低下して冷媒循環量が減少するような条件でも、高い暖
房能力を維持することができる。蓄熱利用除霜運転時の
冷媒の流れは冷房蓄熱運転と同じであり、蓄熱非利用除
霜運転時の冷媒の流れは冷房非利用運転時と同じにな
る。

【００３９】次に、本実施の形態の暖房運転時の運転モ
ードの切り換え方法を、図２にしたがって説明する。図
２は、本発明の第１の実施の形態における暖房運転の状
態を示しており、一日の運転における暖房能力と消費電
力と蓄熱量を代表して示す水温の変化、および運転モー
ドの切り変わりの様子を示している。夜間の蓄熱運転に
ついて説明する。タイマーより予め設定された時刻（本
例では２２時）になると、暖房蓄熱運転を開始する。こ
れにより徐々に蓄熱槽内の水温が上昇していき、これが
所定の値に達した時に暖房蓄熱運転を終了する。

【００４０】次に昼間の空調運転について説明する。早
朝の運転開始時は外気温度も低く空調負荷が大きいの
で、図中の能力を示すグラフのように大きな能力が必要
である。本実施の形態ではまず暖房蓄熱利用運転モード
にて運転を開始する。これにより、前述のとおり、高い
暖房能力を発揮しながら省電力効果を得ることができ、
点線が示す蓄熱非利用の場合の消費電力よりも低い消費
電力で運転することができる。暖房蓄熱利用運転を継続
していくと、蓄熱を熱源として利用した結果水温が低下
していく。これが所定の温度（図中の蓄熱利用運転一旦
非利用移行温度）に達したとき、一旦運転モードを暖房
蓄熱非利用運転に移行する。早朝のピーク負荷に比べ日
中は気温も上昇して空調負荷が減るので、空調能力が低
い暖房蓄熱非利用運転になっても空調能力を適合範囲と
することができる。

【００４１】なお本実施の形態においては、暖房蓄熱非
利用運転であっても、液インジェクション利用の効果に
より、低外気温時の暖房能力は高い。この暖房蓄熱非利
用運転時の暖房能力は、暖房蓄熱利用運転時の概ね８５
％以上とすることで、移行時の暖房能力較差を発生させ
ることが無く、快適性を維持した運転をすることができ
る。本比率に蓄熱利用運転時と蓄熱非利用運転時の能力
の比率を設定することで、ピーク負荷時の空調時間帯の
蓄熱利用運転時間を空調時間の約５０％程度とすること
ができ、蓄熱槽の小型化と快適性の観点から適切な比率
とすることができる。

【００４２】暖房非利用運転を継続して、夕方徐々に外
気温度が低下して暖房負荷が増大してきたとき、本実施
の形態では再び暖房蓄熱利用運転モードへ移行して、暖
房能力の高い運転を行なう。このタイミングについて
は、本実施の形態では予め設定されている時刻になった
ときに運転モードの切り換えを行なう。

【００４３】北海道地方では冬季の電力ピークが夕方の
１６時から１８時の間に発生しており、本実施の形態で
はこの時間帯を含むように、暖房蓄熱利用運転を１６時
より開始するので、電力ピーク発生時間帯に消費電力の
低い運転を行なうため、ピーク消費電力の低減に貢献す
る。暖房利用運転に再移行後は、蓄熱利用温度の下限で
ある蓄熱利用運転終了温度に達した時点で、再度蓄熱非
利用運転に切り変わる。 以上のように、外気温度が低
くても、暖房空調負荷が比較的小さくなる日中に暖房能
力が負荷の低下に見合う程度に能力が維持可能な、液イ
ンジェクション圧縮機を適用した蓄熱を利用しない運転
を行なうことで、蓄熱を利用する運転を朝夕に分割する
ことができるため、空調全時間に暖房蓄熱利用運転を行
なう場合よりも蓄熱容量が少なくて済み、機器の設置面
積の小型化、運転質量の軽量化を図ることができる。ま
た、１６時〜１８時の電力ピーク発生時間帯に消費電力
の低い運転を行なうため、ピーク消費電力の低減に効果
的であり、電力平準化を促進するのに有効である。

【００４４】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。図３は本発明による第２の実施の形態におけ
る冷凍サイクル構成を示すブロック図を示している。符
号については、前記本発明の第１の実施の形態と同様で
ある。ただし容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２
ｂは、液インジェクションタイプでない、通常のスクロ
ール型圧縮機を採用する。そのため液インジェクション
に関する冷媒回路を有していないのが、第１の実施の形
態と異なる。。

【００４５】次に、本発明の第２の実施の形態の動作を
説明する。本実施の形態は基本的には本発明の第１の実
施の形態において、液インジェクションのみ無くした場
合と同じであるので、それらと異なる運転モードとなる
暖房蓄熱併用運転についてのみ説明する。

【００４６】以下に暖房蓄熱併用運転の冷媒の流れを示
す。容量制御圧縮機１、一定速圧縮機２ａ、２ｂを吐出
した高圧高温のガス冷媒は四方弁５を経由し、ガス接続
配管４０より室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃに搬
送され、室内熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃにて凝縮
放熱して暖房を行なう。凝縮液冷媒はこの後、以下の２
つに別れて流れる。

【００４７】一方は、蓄熱機３００にて蓄熱回路用膨張
弁６２により絞られて、蓄熱熱交換器６１にてお湯と熱
交換して蒸発し、蓄熱回路用電磁弁６３ａから蓄熱ガス
接続配管４２より室外機１００へ戻り、蓄熱回路用電磁
弁１６ｂ、ガス液熱交換器１１、アキュムレータ３を介
して圧縮機低圧側へ戻るものである。

【００４８】他方は、蓄熱回路用電磁弁６３ｃを経由し
て室外機１００に戻り、ガス液熱交換器１１、レシーバ
１０、過冷却器８ａ、８ｂの後、室外膨張弁７ａ、７ｂ
で膨張して室外熱交換器６ａ、６ｂで蒸発する。蒸発し
たガス冷媒は、四方弁５、ガス液熱交換器１１、アキュ
ムレータ３を介して圧縮機低圧側へ戻る。

【００４９】以上のように冷媒が流れるので、液冷媒の
蒸発熱源としては蓄熱および空気の双方から吸熱してい
ることになる。これにより、全く蓄熱を熱源として利用
しなかった場合、すなわち第１の実施の形態における暖
房蓄熱非利用運転の場合と比較して、外気の影響を受け
にくくなり比較的高い暖房能力を得ることができる。

【００５０】次に、本実施の形態の暖房運転時の運転モ
ードの切り換え方法を、図４にしたがって説明する。図
４は、第２の実施の形態における暖房運転の状態を示し
ており、第１の実施の形態の運転状態を示す図２との差
異は、一旦暖房蓄熱利用運転を昼間に移行するときに、
暖房蓄熱併用運転を行なっている点である。暖房蓄熱併
用運転は、熱源として蓄熱と空気熱交の両方を使用する
ため、低外気温時でも比較的暖房能力は高い。これによ
り、第１の実施の形態同様、外気温度が低くても、暖房
空調負荷が比較的小さくなる日中に暖房能力が負荷の低
下に見合う程度に能力が維持可能な、蓄熱熱源を空気熱
源と併用利用する運転を行なうことで、蓄熱を専用に利
用する運転を朝夕に分割することができるため、空調全
時間に暖房蓄熱利用運転を行なう場合よりも蓄熱容量が
少なくて済み、機器の設置面積の小型化、運転質量の軽
量化を図ることができる。但し蓄熱容量については蓄熱
併用運転があるため、第１の実施の形態よりは多少大き
くすることが良い。一方、液インジェクション圧縮機や
液インジェクション冷媒回路は不要となり、部品点数を
少なくできる。

【００５１】次に、本発明の第３の実施の形態を示す。
図５は、第３の実施の形態における暖房運転の状態を示
しており、第１の実施の形態および第２の実施の形態の
ように、暖房蓄熱利用運転から一旦暖房蓄熱非利用運転
あるいは暖房蓄熱併用運転に切り換わるものにおいて、
図中能力が高負荷時（細線）に対し低負荷時に対応なっ
た場合の動作を示している。

【００５２】負荷が小さく暖房能力に余裕がある場合、
蓄熱利用量が減ってしまうため、空調運転終了時点で蓄
熱を使い切らずに余ってしまう可能性がる。本実施の形
態では、図５に示すとおり、所定の時間を超えて水温が
高かった場合、暖房蓄熱利用運転を切りかえる制御を行
なわず、そのまま蓄熱利用を終了まで続けるものであ
る。

【００５３】これにより、中間期など負荷が小さいと
き、途中で非利用運転を行なわないので、蓄熱利用率が
低くて蓄熱を残してしまうことが無くなり、熱ロスによ
る無駄な電力の消費を少なくすることができる。

【００５４】次に、本発明の第４および第５の実施の形
態を示す。図６は、第４の実施の形態における暖房運転
の状態を示しており、図７は第５の実施の形態における
暖房運転の状態を示している。本実施の形態は、本発明
の第１の実施の形態における図２と同じく、暖房蓄熱利
用運転から一旦暖房蓄熱利用運転を止め、再度暖房蓄熱
利用運転に切り換わる場合の判定方法を示している。双
方とも暖房能力が低い時に暖房蓄熱利用運転を行なうよ
うになっており、図６は例えばリモートコントローラに
て設定される室内設定温度と吸込み温度の差により必要
能力を演算した結果として扱い、これが図中に示す蓄熱
利用一旦移行能力以下になったときに暖房蓄熱非利用運
転に移行し、また夕方空調負荷が増え図中蓄熱利用運転
再開能力を超えたとき、暖房蓄熱利用運転に切換える。

【００５５】一方、図７は暖房能力を圧縮機運転容量で
判断するもので、圧縮機運転周波数の合計が、図中の蓄
熱非利用運転上限周波数を超えた場合は暖房蓄熱利用運
転を行ない、それ以下の場合は暖房蓄熱非利用運転を行
なう。暖房能力すなわち負荷を示す数値により切換える
ので、より確実に暖房能力が必要な時に暖房蓄熱利用運
転を行なうことができる。

【００５６】以上の実施の形態によれば、蓄熱を利用す
る運転を朝夕に分割することができるため、空調全時間
に暖房蓄熱利用運転を行なう場合よりも蓄熱容量が少な
くて済み、機器の設置面積の小型化、運転質量の軽量化
を図ることができる。

【００５７】また、暖房運転において早朝など暖房負荷
が高い早朝に高暖房能力を発揮するとともに、夕方の電
力ピークが発生する時間帯に消費電力を低減した運転が
可能なので、電力の平準化に貢献することができる。

【００５８】さらに、中間期など負荷が小さいときに途
中で蓄熱非利用運転を行なわないので、蓄熱利用率が低
くて蓄熱を残してしまうことが無くなり、熱ロスによる
無駄な電力の消費を少なくすることができる。

【００５９】さらに、暖房負荷が小さく蓄熱消費量が少
ない場合を検知して、蓄熱非利用運転を行なうことなく
蓄熱利用運転を続けるので、空調運転が終了しても蓄熱
が残存していることが無くなるので、蓄熱槽周囲への放
熱による熱ロスを少なくすることができ、運転効率が向
上される。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、寒冷
地域においても、十分な暖房能力を発揮するとともに、
蓄熱容量が少なくて済み、機器の設置面積の小型化、運
転質量の軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における冷凍サイクル構
成を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施の形態における暖房運転の状態
を示すグラフ。

【図３】本発明の他の実施の形態における冷凍サイクル
構成を示すブロック図。

【図４】本発明の他の実施の形態における暖房運転の状
態を示すグラフ。

【図５】本発明のさらに他の実施の形態における暖房運
転の状態を示す

【図６】本発明のさらに他の実施の形態における暖房運
転の状態を示すグラフ。

【図７】本発明のさらに他の実施の形態における暖房運
転の状態を示すグラフ。

【符号の説明】

１…容量制御圧縮機、２ａ、２ｂ…一定速圧縮機、３…
アキュムレータ、４…オイルセパレータ、５…四方弁、
６ａ、６ｂ…室外熱交換器、７ａ、７ｂ…室外膨張弁、
８ａ、８ｂ…過冷却器、９ａ、９ｂ…室外送風機、１０
…レシーバ、１１…ガス液熱交換器、１２…ガス阻止
弁、１３…液阻止弁、１４…蓄熱ガス阻止弁、１５…ガ
スバイパス、１６ａ、１６ｂ…蓄熱回路用電磁弁、２０
…容量制御圧縮機用液インジェクション膨張弁、２１
ａ、２１ｂ…一定速圧縮機用液インジェクション膨張
弁、２２…容量制御圧縮機用液インジェクション電磁
弁、２３ａ、２３ｂ…一定速圧縮機用液インジェクショ
ン電磁弁、２４…容量制御圧縮機用液インジェクション
キャピラリーチューブ、２５ａ、２５ｂ…一定速圧縮機
用液インジェクションキャピラリーチューブ、３０…室
外制御装置、３１…室外温度センサー、３２…容量制御
圧縮機用吐出温度センサー、３３ａ、３３ｂ…一定速圧
縮機用吐出温度センサー、３４…吸入温度センサー、３
６…高圧圧力センサー、３７…低圧圧力センサー、４０
…ガス接続配管、４１…液接続配管、４２…蓄熱ガス接
続配管、４５…伝送線、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ…室内
熱交換器、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…室内膨張弁、５２
ａ、５２ｂ、５２ｃ…室内送風機、５３ａ、５３ｂ、５
３ｃ…室内制御装置、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ…室内吸
込温度センサー、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ…リモートコ
ントローラー、６０…蓄熱槽、６１…蓄熱熱交換器、６
２…蓄熱回路用膨張弁、６３ａ、６３ｂ…蓄熱回路用電
磁弁、６５…蓄熱制御装置、６６…蓄熱媒体温度センサ
ー、蓄熱コントローラー６７、１００…室外機、２００
ａ、２００ｂ、２００ｃ…室内機、３００…蓄熱機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 13/00 ３５１ Ｆ２５Ｂ 13/00 ３５１ (72)発明者 土橋 一浩 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 (72)発明者 山田 訓良 静岡県清水市村松390番地 日立清水エン ジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3L060 AA03 AA05 CC04 CC08 DD07 EE01 EE09 EE10 EE41 EE45 3L071 CC04 CE03 CF02 CG00 CH06 CJ00 3L092 AA01 AA02 BA04 BA28 DA19 EA02 EA15 FA22 FA23 FA32

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、室外熱交換器を有した室外機と、
   蓄熱熱交換器と、室内熱交換器を有した室内機と、を備
   え、暖房蓄熱運転、蓄熱利用暖房運転、蓄熱非利用暖房
   運転を切換える蓄熱式ヒートポンプ空気調和機におい
   て、 前記蓄熱利用暖房運転で運転を開始し、空調負荷が比較
   的小さいと判定されたときは前記蓄熱非利用暖房運転に
   切換え、その後蓄熱利用暖房運転を行なうべきだと判定
   されたときは再び前記蓄熱利用暖房運転を行うことを特
   徴とする寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ空気調和機。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、時刻計時
   装置を備え、所定の時刻になったときに前記蓄熱非利用
   暖房運転から前記蓄熱利用暖房運転に移行させることを
   特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ空気調和機。
3. 【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記蓄熱
   熱交換器を主として蒸発器として用いる運転を行う時間
   帯は１６時〜１８時を含むことを特徴とする寒冷地用蓄
   熱式ヒートポンプ空気調和機。
4. 【請求項４】請求項１に記載のものにおいて、冷媒吸入
   部から冷媒吐出部の圧縮過程にある中間圧部に液冷媒が
   インジェクションされるようにされた前記圧縮機と、イ
   ンジェクションされる前記液冷媒の量を制御する液イン
   ジェクション流量制御装置とを備え、前記蓄熱非利用暖
   房運転時は前記液インジェクション流量制御装置により
   液インジェクション量が制御された運転を行なうことを
   特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ空気調和機。
5. 【請求項５】請求項１に記載のものにおいて、空調負荷
   が比較的小さいと判定された前記蓄熱非利用暖房運転
   は、前記室外熱交換器と前記蓄熱熱交換器の熱源を併用
   して運転されることを特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒート
   ポンプ空気調和機。
6. 【請求項６】請求項１に記載のものにおいて、前記蓄熱
   非利用暖房運転における暖房能力は、前記蓄熱利用暖房
   運転における暖房能力の８５％以上１００％未満の比率
   であることを特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒートポンプ空
   気調和機。
7. 【請求項７】請求項１に記載のものにおいて、所定の時
   刻において蓄熱量が所定量以上残存している場合、空調
   負荷が比較的小さいと判定されたときは前記蓄熱利用暖
   房運転を継続することを特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒー
   トポンプ空気調和機。
8. 【請求項８】請求項１に記載のものにおいて、空調負荷
   は前記室内機の吸込温度または吸込温度と設定温度の差
   により演算することを特徴とする寒冷地用蓄熱式ヒート
   ポンプ空気調和機。
9. 【請求項９】液インジェクションされるようにされた圧
   縮機、室外熱交換器を有した室外機と、蓄熱熱交換器
   と、室内熱交換器を有した室内機と、を備え、暖房蓄熱
   運転、蓄熱利用暖房運転、蓄熱非利用暖房運転を切換え
   る蓄熱式ヒートポンプ空気調和機において、 前記液インジェクション量を制御する液インジェクショ
   ン流量制御装置を備え、 前記蓄熱利用暖房運転で運転
   を開始し、前記液インジェクション量を制御された前記
   蓄熱非利用暖房運転に切換えられることを特徴とする寒
   冷地用蓄熱式ヒートポンプ空気調和機。