JP2006046692A - ヒートポンプ式空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】逆サイクルデフロフト運転中において、ユーザに対して不快感を与えるのを抑制することが可能なヒートポンプ式空気調和機を提供する。
【解決手段】空気熱交換器２２のデフロスト熱の殆ど大部分を水熱交換器２１から得る。室内熱交換器４１には冷媒が流れないか、流れても少量であるので、これが原因で居室内に騒音が発生したり、冷却された室内熱交換器４１から冷風が降りてくるという不都合な事態の発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヒートポンプ式空気調和機に関するものである。

ヒートポンプ式空気調和機として、室内暖房を行うと共に、ヒートポンプ加熱源にて加熱された温水を床暖房機器に供給するものがある。（例えば、特許文献１参照）。すなわち、この種のヒートポンプ式空気調和機は、一般には、図４に示すように、圧縮機５５と、水熱交換器５４と、電動膨張弁５６と、蒸発器（空気熱交換器）５７等を順に接続して、床暖ユニットを構成すると共に、圧縮機５５と、室内熱交換器６１と、室内電動膨張弁６２と、上記蒸発器（空気熱交換器）５７等を順に接続して、暖房ユニットを構成している。そして、圧縮機５５が駆動されると、圧縮機５５からの吐出冷媒が、室内熱交換器６１、室内電動膨張弁６２、空気熱交換器５７等を順次経由して圧縮機５５へと返流され、室内熱交換器６１で加熱された空気が室内へと吹き出される。また、それと同時、又はそれとは独立して、圧縮機５５からの吐出冷媒が、水熱交換器５４、電動膨張弁５６、空気熱交換器５７等を順次経由して圧縮機５５へと返流し、水循環経路５３の熱交換路５８を流通する水が水熱交換器５４によって加熱される。

そして、上記水熱交換器５４と、ポンプ５１と、床暖房機器５２とを配管で接続することにより水循環経路５３を構成し、上記ポンプ５１を駆動することによって、加熱源である水熱交換器５４の熱交換路５８で加熱された温水を上記水循環経路５３内に循環供給するようになっている。

上記床暖房機器５２は、床パネルと、この床パネルの下方に配置される温水循環用パイプとを備え、この温水循環用パイプを温水が循環することによって、床パネルを加熱することになる。この場合、床暖房機器５２の出口５２ｂ側に、温度検出手段としての温度センサ６０を配置して、水熱交換器５４側に戻る戻り温水の温度を検知し、この戻り温水の温度に基づいて床暖房機器５２の床パネルの温度を制御するようにしている。
特開２００１−３３６８０７号公報

上記ヒートポンプ式空気調和機においてはデフロフト運転を行う必要がある。すなわち、空気熱交換器５７の出口温度を検知する温度センサ（図示省略）の温度に基づいて、空気熱交換器５７に霜が付着しているか否かを判断し、空気熱交換器５７に霜が付着していると判断すれば、空気熱交換器５７の霜を取り除くためのデフロフト運転（除霜運転）行うのである。デフロフト運転は、水熱交換器５４、室内熱交換器６１にて熱回収を行う逆サイクル運転を行いつつ、ポンプ５１を駆動して水循環経路５３の循環水を循環させるものである。

ところが、このようなデフロフト運転を行えば、室内熱交換器６１にも冷媒が流れ蒸発するので、これが原因で居室内に騒音が発生し、また場合によっては冷却された室内熱交換器６１から冷風が降りてくることがある。そのため、このデフロスト運転ときには、ユーザに不快感を与えるおそれがある。

ところで、ヒートポンプは、圧縮機の吐出・吸入の圧力差が大きいと起動出来ない。従って、デフロスト運転時等において圧縮機を一時停止すると、圧力差をなくす均圧の時間の後、再起動する必要がある。均圧時間は通常３分程度必要である。ヒートポンプの冷媒として、Ｒ３２、Ｒ４１０ＡのようなＨＦＣ冷媒を使用する場合、Ｒ２２等に比べて、作動圧力が高く、油の粘度も高いものを使用することになり、均圧に時間がかかると共に、均圧音が大きくなり、この点においてもユーザに不快感を及ぼす。また、ヒートポンプの冷媒として、二酸化炭素、炭化水素のような高圧の冷媒を使用する場合、ＨＦＣ冷媒よりも、より作動圧力が高く均圧に時間がかかると共に、均圧音がさらに大きくなり、この点においてもユーザに不快感を及ぼす。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、デフロフト運転中において、ユーザに対して不快感を与えるのを抑制することが可能なヒートポンプ式空気調和機を提供することにある。

そこで請求項１のヒートポンプ式空気調和機は、熱源側熱交換器２２と利用側熱交換器２１、４１とを有し、利用側熱交換器が室内空気加熱用の室内熱交換器４１と暖房用熱媒加熱用の熱媒加熱熱交換器２１とを備え、上記熱源側熱交換器２２のデフロスト運転を逆サイクルデフロスト方式で行うヒートポンプ式空気調和機であって、上記熱源側熱交換器２２のデフロスト熱の殆ど大部分を上記熱媒加熱熱交換器２１から得ることを特徴としている。

上記請求項１のヒートポンプ式空気調和機では、デフロスト用の熱としては、主として熱媒加熱熱交換器２１の回収熱が用いられる。従って、室内熱交換器４１には冷媒が流れないか、流れても少量であるので、これが原因で居室内に騒音が発生したり、冷却された室内熱交換器４１から冷風が降りてくるという不都合な事態の発生を抑制できる。

請求項２のヒートポンプ式空気調和機は、熱源側熱交換器２２のデフロスト熱の殆ど大部分を上記熱媒加熱熱交換器２１から得る熱媒熱回収デフロストモードと、熱源側熱交換器２２のデフロスト熱を上記熱媒加熱熱交換器２１と室内熱交換器４１の両者から得る通常デフロストモードとを備え、熱媒温度が基準温度よりも高いときには上記熱媒熱回収デフロストモードを実行し、熱媒温度が基準温度以下のときには上記通常デフロストモードを実行することを特徴としている。

上記請求項２のヒートポンプ式空気調和機では、上記のように熱媒温度に基づいて、熱媒熱回収デフロストモードと通常デフロストモードとを選択的に実行するようにしているので、デフロスト運転に起因する不快感がユーザに及ぶのを抑制しながらも、十分なデフロスト熱が確保できる。

請求項３のヒートポンプ式空気調和機は、上記熱媒加熱熱交換器２１を室外に配置していることを特徴としている。

上記請求項３のヒートポンプ式空気調和機では、熱媒加熱熱交換器２１は、室外に配置されるので、デフロスト運転による室内騒音は、著しく抑制される。

請求項４のヒートポンプ式空気調和機は、上記熱媒加熱熱交換器は、水熱交換器２１であり、ポンプ７と床暖房機器３とを配管で接続することにより水循環経路１を構成し、上記ポンプ７を駆動することによって、加熱源である水熱交換器２１により加熱された温水を上記水循環経路１内に循環供給するようにしたことを特徴としている。

請求項１のヒートポンプ式空気調和機によれば、室内熱交換器４１には冷媒が流れないか、流れても少量であるので、これが原因で居室内に騒音が発生したり、冷却された室内熱交換器４１から冷風が降りてくるという不都合な事態の発生を抑制でき、ユーザの使用快適性を確保できる。

請求項２のヒートポンプ式空気調和機によれば、デフロスト運転に起因する不快感がユーザに及ぶのを抑制しながらも、十分なデフロスト熱が確保でき、迅速にデフロストを行うことが可能となる。

請求項３のヒートポンプ式空気調和機によれば、デフロスト運転による室内騒音は、著しく抑制され、使用快適性を確実に確保できることになる。

請求項４のヒートポンプ式空気調和機によれば、その実施に好適である。

次に、この発明のヒートポンプ式空気調和機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はヒートポンプ式空気調和機の簡略全体図である。まず、冷媒系統回路２について説明する。まず、床暖房用の冷媒系統回路（床暖ユニット）においては、圧縮機２０と、水熱交換器２１と、空気熱交換器２２と、電動膨張弁２３と、四路切換弁２４と、アキュームレータ２５等を備える。すなわち、四路切換弁２４の一方の１次ポートが圧縮機２０の吐出管２６に接続され、四路切換弁２４の他方の１次ポートが圧縮機２０の吸込管２７に接続されている。また、この吸込管２７には、上記アキュームレータ２５が介設されている。四路切換弁２４の一方の２次ポートが水熱交換器（利用側熱交換器）２１に第１ガス管２８にて接続され、四路切換弁２４の他方の２次ポートが空気熱交換器２２に第２ガス管２９にて接続されている。さらに、水熱交換器２１と電動膨張弁２３とが第１液管３１にて接続され、電動膨張弁２３と空気熱交換器（熱源側熱交換器）２２とが第２液管３２にて接続されている。また、空気熱交換器２２にはファン３３が付設されている。また、室内温風暖房用の冷媒系統回路（暖房ユニット）においては、上記第１ガス管２８と並列に接続された第３ガス管４０と、第３ガス管４０に接続された室内熱交換器（利用側熱交換器）４１と、上記室内熱交換器４１に第３液管４２を介して接続された室内用電動膨張弁４３とを有し、上記室内用電動膨張弁４３が上記第２液管３２に接続されている。なお、室内熱交換器４１には、室内ファン４４が付設されている。

このヒートポンプ式空気調和機の床暖ユニットは、水循環経路１を備え、冷媒系統回路（ヒートポンプユニット）２にて加熱される温水を水循環経路１で循環させて、床暖房機器３を暖めるものである。また、床暖房機器３は、床パネル４と、この床パネル４の下方側に配置される温水循環パイプ５等を備える。そして、床パネル４としては、熱容量（物体の温度を単位温度だけ上昇させるのに要する熱量）が小さいと共に、熱抵抗が小さいものを使用する。また、床パネル４の上面放熱率（温水の熱が暖房熱として床の上面に放熱される率）としては９０％程度とする。

上記水循環経路１は、膨張タンク６と循環用ポンプ７とを介設された往き管８と、往きヘッダ９と、戻りヘッダ１０と、戻り管１１とを備える。また、往きヘッダ９は、主管接続部１２ａと複数の分岐管接続部１２ｂ・・とを有するヘッダ本体１２を備え、主管接続部１２ａに往き管８が接続され、分岐管接続部１２ｂに、開閉弁（熱動弁）１３が介設された分岐管１４が接続されている。さらに、戻りヘッダ１０は、主管接続部１５ａと複数の分岐管接続部１５ｂ・・とを有するヘッダ本体１５を備え、主管接続部１５ａに戻り管１１が接続され、分岐管接続部１５ｂに分岐管１６が接続されている。そして、往きヘッダ９側の一の分岐管１４に、温水循環パイプ５の入口に接続される往き配管１７が接続され、戻りヘッダ１０の一の分岐管１６に、温水循環パイプ５の出口に接続される戻り配管１８が接続される。このため、往きヘッダ９の分岐管１４の数及び戻りヘッダ１０の分岐管１６の数に応じて、複数の床暖房機器３を接続することができる

また、往き配管１７には往き温水の温度を検知（検出）する往き水温検出手段３５が付設され、戻り配管１８には戻り温水の温度を検知（検出）する戻り水温検出手段３６が付設されている。さらに、水熱交換器２１には温度（凝縮温度）を検知（検出）する水熱交換器温度検出手段３７が付設され、空気熱交換２２には空気熱交換器温度（熱交換器出口温度）を検知（検出）する空気熱交換器温度検出手段３４が付設されている。そして、各検出手段３４、３５、３６、３７にて検出された各部位の温度は、図２に示すように、制御手段３８に入力される。また、各検出手段３４、３５、３６、３７はそれぞれ温度検出サーミスタ等にて構成することができ、制御手段３８はこのヒートポンプ式空気調和機の全体の制御を行うＣＰＵ等にて構成することができる。

次に、このヒートポンプ式空気調和機の暖房運転を説明する。まず、四路切換弁２４を図１の実線で示す状態に切換え、圧縮機２０を駆動する。すると、暖房ユニットにおいては、圧縮機２０からの吐出冷媒は、四路切換弁２４、室内熱交換器４１、室内電動膨張弁４３、空気熱交換器２２、四路切換弁２４へと流れ、室内熱交換器４１が凝縮器として機能し、空気熱交換器２２が蒸発器として機能する。このとき、室内ファン４４を駆動すれば、温風が室内へと吹き出され、室内の温風暖房が行われる。また、床暖ユニットにおいては、それと同時、あるいはそれとは別に、圧縮機２０からの吐出冷媒が、四路切換弁２４、水熱交換器２１、電動膨張弁２３、空気熱交換器２２、四路切換弁２４へと流れ、水熱交換器２１が凝縮器として機能し、空気熱交換器２２が蒸発器として機能する。そこで、上記ポンプ７を駆動すると、膨張タンク６内の温水が往き配管８内へ流出し、往きヘッダ１２等を介して、往き配管１７に流入して温水循環パイプ５を循環した後、戻り配管１８に返流されて、戻りヘッド１０等を介して戻り管１１から、水熱交換器２１の熱交換路３０を流通する。このとき、上記のように、凝縮器として機能している水熱交換器２１によって、この熱交換路３０を流れる温水が加熱され、その後、膨張タンク６へと供給され、床暖房機器３がこの温水にて温められる。なお、このヒートポンプ式空気調和機によれば、図１に示す状態から四路切換弁２４を切換えて、圧縮機２０を駆動すると、暖房ユニットにおいては、冷媒が、四路切換弁２４、空気熱交換器２２、室内電動膨張弁４３、室内熱交換器４１、四路切換弁２４へと流れ、空気熱交換器２２が凝縮器として機能し、室内熱交換器４１が蒸発器とし、室内の冷房が行われる。また、床暖ユニットにおいては、それと同時、あるいはそれとは別に、圧縮機２０からの吐出冷媒が、四路切換弁２４、空気熱交換器２２、電動膨張弁２３、水熱交換器２１、四路切換弁２４へと流れて、空気熱交換器２２が凝縮器として機能し、水熱交換器２１が蒸発器として機能するようにすれば、温水が冷却され、これによって床冷房運転を行うことが可能となる。

また、このヒートポンプ式空気調和機においては、デフロフト運転を行う必要がある。デフロフト運転は、ヒートポンプユニット２において、主として、水熱交換器２１にて熱回収を行う逆サイクル運転を行いつつ、ポンプ７を駆動して水循環経路１の循環水を循環させるものである。例えば、この空気熱交換器２２の出口温度を検知する温度検出手段３４にて検知した温度に基づいて、空気熱交換器２２に霜が付着しているか否かを判断し、空気熱交換器２２に霜が付着していると判断すれば、信号発生手段（図示省略）から、デフロフト開始信号が発信され、これによって、空気熱交換器２２の霜を取り除くためのデフロフト運転（除霜運転）行うことになる。このように、このデフロフト運転は水熱交換器２１にて熱回収を行うものである。なおこのとき、水循環経路１の循環水の温度が低下することになる。

以下に、デフロスト運転時の運転制御に関して詳しく説明する。まず、図２には、通常（従来）の運転制御タイムチャートを示している。すなわち、圧縮機２０（図２（ａ））、四路切換弁２４（図２（ｂ））、床暖房用の電動膨張弁２３（図２（ｃ））、室内電動膨張弁４３（図２（ｄ））、循環用ポンプ７（図２（ｅ））、室内ファン４４（図２（ｆ））の各動作状態をそれぞれ示している。まず、暖房運転状態（室内暖房と床暖房を行っている状態）において、デフロスト指令信号が出力されると、圧縮機２０を停止すると共に、両電動膨張弁２３、４３を全閉とし、室内ファン４４を停止させる。このとき、四路切換弁２４は暖房位置、循環用ポンプ７は運転状態を維持する。そしてこの状態を一定時間だけ維持して均圧を図る。次に、デフロスト運転を開始する。まず、四路切換弁２４を冷房位置に切換えると共に、圧縮機２０を再起動させる。このとき、上記両電動膨張弁２３、４３は制御開度とする。また、室内ファン４４の停止状態、循環用ポンプ７の運転状態は維持する。なお、デフロスト運転終了後は、均圧、四路切換弁２４の暖房位置への復帰、室内ファン４４の再起動を経て、室内暖房と床暖房を再開する。いまここで、上記のようなデフロスト運転モードを、通常デフロストモードと称する。

上記デフロスト運転においては、デフロスト用の熱としては、室内熱交換器４１と水熱交換器２１との両熱交換器２１、４１の回収熱が用いられる。従って、上記通常デフロストモードでは、室内熱交換器４１にも冷媒が流れ蒸発するので、これが原因で居室内に騒音が発生し、また場合によっては冷却された室内熱交換器４１から冷風が降りてくることがある。そのため、このデフロスト運転ときには、ユーザに不快感を与えるおそれがある。

そこで、この実施形態においては、図３に示すような、熱媒熱回収デフロストモードを実施するようにしている。以下、熱媒熱回収デフロストモードについて、説明する。なお、圧縮機２０、四路切換弁２４、室内ファン４４の動作は、いずれも図２（ａ）（ｂ）（ｆ）と同様であるため、その図示を省略する。このデフロストモードでは、均圧終了後に、室内用電動膨張弁４３を全閉（又は全開開度の２０％以下の小開度）にする点が大きな特徴である（図３（ｂ））。このとき、床暖用電動膨張弁２３は、上記通常デフロストモードでの制御開度とするか、又はそれよりもやや大きな開度とする（図３（ａ））。また、循環ポンプ７の回転数を通常モードよりも上昇させ、水量を増加させて、デフロスト能力を向上する（図３（ｃ））。なお、流量制御弁が介設されている場合には、流量制御弁の開度を大きくして水量を増加させてもよい。また、暖房運転中の床パネル４の熱動弁１３の開状態は、そのまま維持し（図３（ｄ））、停止中の床パネル４の熱動弁１３は開動作させ（図３（ｅ））、デフロスト能力を向上させる。

上記のような熱媒熱回収デフロストモードを行えば、デフロスト用の熱としては、主として水熱交換器２１の回収熱が用いられる。従って、室内熱交換器４１には冷媒が流れないか、流れても少量であるので、これが原因で居室内に騒音が発生したり、冷却された室内熱交換器４１から冷風が降りてくるという不都合な事態の発生を抑制できる。殊に、水熱交換器２１は、室外に配置されるので、デフロスト運転による室内騒音は、著しく抑制されることになる。さらに、ヒートポンプの冷媒として、Ｒ３２、Ｒ４１０ＡのようなＲ２２よりも作動圧の高いＨＦＣ冷媒を使用する場合、あるいは二酸化炭素、炭化水素のような高圧（超臨界）で使用する冷媒を使用する場合には、室内低騒音化の効果は顕著に現れる。

上記ヒートポンプ式空気調和機においては、ユーザに及ぼす不快感を低減するという理由から、上記熱媒熱回収デフロストモードを常に実施するのが好ましいが、水循環経路１の水温が低いような場合には、十分なデフロスト熱が得られないことになる。そこで、この実施形態においては、暖房運転中の水温（水熱交換器温度検出手段３７の検出温度）によって、上記通常デフロストモードと熱媒熱回収デフロストモードを切り替え使用するようにしている。すなわち、暖房運転中の水温（水熱交換器温度検出手段３７の検出温度）が、例えば、１５℃よりも高い場合には、上記熱媒熱回収デフロストモードとし、暖房運転中の水温が、１５℃以上で１０℃以上の場合には、上記通常デフロストモードとする。また、図示しないが、水温が１０℃未満の場合には、床暖房用電動膨張弁２３は、全閉（又は全閉に近い小開度（全開開度の２０％以下の小開度）にし、主として室内熱交換器４１からの回収熱をデフロストに利用する（室内熱回収デフロストモード）。
上記各デフロストモードの選択は、デフロスト突入直前の水温を基準としているが、デフロスト運転中に水温が変化した場合には、水温に応じて、各モードに切換える。なお、デフロスト運転中に、水熱交換器温度検出手段３７の検出温度が０℃以下にまで低下した場合には、上記室内熱回収デフロストモードに切換えて、凍結を防止する。なお、水温としては、水熱交換器温度検出手段３７の検出温度を用いてもよいし、往き水温検出手段３５、戻り水温検出手段３６の検出温度を用いてもよい。

上記のように水温に基づいて、熱媒熱回収デフロストモード、通常デフロストモード、室内熱回収デフロストモードを選択的に実行すれば、デフロスト運転に起因する不快感がユーザに及ぶのを抑制しながらも、十分なデフロスト熱が確保でき、迅速にデフロストを行うことが可能となる。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記においては、水を熱媒（熱媒体）として用いているが、熱媒としては、プロピレングリコール等を使用することもできる。また、熱媒加熱熱交換器として、水熱交換器２１を用い、これを床暖房に使用する例を示しているが、ファンコイル等のように熱媒を用いる他の暖房に使用することもできる。さらに、上記においては、室内熱交換器４１と水熱交換器２１とが互いに並列に接続されている例を示しているが、室内熱交換器４１と水熱交換器２１とを直列接続して使用することもできる。この場合には、デフロスト熱を回収しない熱交換器においては、冷媒をバイパスさせるようにすればよい。

この発明のヒートポンプ式空気調和機の実施形態を示す簡略全体回路図である。 上記ヒートポンプ式空気調和機のデフロスト制御例を示すタイムチャート図である。 上記ヒートポンプ式空気調和機の他のデフロスト制御例を示すタイムチャート図である。 従来のヒートポンプ式空気調和機の簡略全体図である。

符号の説明

１・・水循環経路、３・・床暖房機器、４・・床パネル、７・・ポンプ、２１・・水熱交換器（熱媒加熱熱交換器）、２２・・空気熱交換器（熱源側熱交換器）、４１・・室内熱交換器、４１・・室内電動膨張弁。

Claims (4)

1. 熱源側熱交換器（２２）と利用側熱交換器（２１）（４１）とを有し、利用側熱交換器が室内空気加熱用の室内熱交換器（４１）と暖房用熱媒加熱用の熱媒加熱熱交換器（２１）とを備え、上記熱源側熱交換器（２２）のデフロスト運転を逆サイクルデフロスト方式で行うヒートポンプ式空気調和機であって、上記熱源側熱交換器（２２）のデフロスト熱の殆ど大部分を上記熱媒加熱熱交換器（２１）から得ることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
2. 熱源側熱交換器（２２）のデフロスト熱の殆ど大部分を上記熱媒加熱熱交換器（２１）から得る熱媒熱回収デフロストモードと、熱源側熱交換器（２２）のデフロスト熱を上記熱媒加熱熱交換器（２１）と室内熱交換器（４１）の両者から得る通常デフロストモードとを備え、熱媒温度が基準温度よりも高いときには上記熱媒熱回収デフロストモードを実行し、熱媒温度が基準温度以下のときには上記通常デフロストモードを実行することを特徴とする請求項１のヒートポンプ式空気調和機。
3. 上記熱媒加熱熱交換器（２１）を室外に配置していることを特徴とする請求項１又は請求項２のヒートポンプ式空気調和機。
4. 上記熱媒加熱熱交換器は、水熱交換器（２１）であり、ポンプ（７）と床暖房機器（３）とを配管で接続することにより水循環経路（１）を構成し、上記ポンプ（７）を駆動することによって、加熱源である水熱交換器（２１）により加熱された温水を上記水循環経路（１）内に循環供給するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのヒートポンプ式空気調和機。