JP3330100B2 - 寒冷地向けヒ−トポンプ空調機 - Google Patents
寒冷地向けヒ−トポンプ空調機Info
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Description
行うヒ−トポンプ空調機に関り、特に冬期に室外空気温
度が低下する寒冷地で利用するのに好適な高暖房効率の
ヒ−トポンプ空調機に関する。
気熱源式ヒ−トポンプ空調機が普及している。空気熱源
式ヒ−トポンプ空調機の例として、圧縮機、室外空気熱
交換器、室外送風機、減圧装置等から構成される室外ユ
ニットと、室内空気熱交換器、室内送風機、減圧装置等
から構成される室内ユニットを組合せて使用する室外空
気熱源式ヒ−トポンプ空調機がある。そして、この室外
熱源式ヒートポンプ空調機と灯油あるいはガスを併用し
て寒冷地向け使用として使う暖房機が種々提案されてい
る。その一例が、特開平3−211367号公報あるい
は日本冷凍協会誌第69巻第800号第14頁〜16頁
に記載されている。この灯油あるいはガス併用空調機で
は、冬期で室外空気温度が高い場合には空気熱源式ヒ−
トポンプ空調機を用い、室外空気温度が低い場合には灯
油あるいはガスを用いている。また、特開平3−593
49号公報には、冷凍サイクルの低温を利用した冷凍機
に、スクロ−ル圧縮機、凝縮器、蒸発器、膨張弁とスク
ロ−ル圧縮機の機構部に液冷媒をインジェクションする
冷媒回路を備えた例が開示されている。
ポンプ空調機が普及している原因は、スイッチを入れる
だけで暖房あるいは冷房が可能という使い易さにある。
しかし、室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機では、室外
空気温度が低下すると暖房能力が低下し、成績係数(=
暖房能力/電気入力)も低下するという弱点がある。し
たがって、従来の室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機で
は、室外の空気温度がある温度、一般的には−10℃程
度以下では、強制的に停止する制御を実行するか、暖房
能力の低下により室内空気温度が低下し、暖房機として
用いることができなかった。さらに、室外空気温度が低
いと成績係数が低く暖房費用がかさむという問題があっ
た。
のこの不具合を解決しようとして室外空気熱源式ヒ−ト
ポンプ空調機と灯油を併用する上記従来技術に記載のも
のにおいては、室外温度が低く灯油暖房に切り替わった
ときに灯油の補給が必要になる。これは、電気のみを使
う室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機に比べて使い勝手
が劣る。また、空調機の構成が複雑になり、イニシャル
コストを増大させる。また、上記従来技術の最後に記載
のものにおいては、冷凍機においてスクロ−ル圧縮機に
液インジェクション回路を採用しているが、低温外気を
利用して冷凍サイクルを構成する点については何等考慮
されていなかった。
暖房能力を発揮でき、暖房費用も灯油暖房並みの室外空
気熱源式ヒ−トポンプ空調機を提供することにある。つ
まり、室外空気温度が−15℃以下の低温でも高暖房能
力と高成績係数を発揮でき、快適な室内環境を得ること
ができる室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、寒冷地に向けた暖房
能力に重点を置いた室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機
を提供することにある。本発明の更に他の目的は、クリ
ーンエネルギを利用した寒冷地用ヒ−トポンプ空調機を
提供することにある。また、本発明は簡単な構成で寒冷
地用室外空気熱源式ヒートポンプ空調機を安価に提供す
ることを目的とする。さらに本発明は、室外空気が低下
しても高暖房能力を発揮でき、暖房費用も灯油暖房並み
の室外空気熱源式ヒ−トポンプ暖房専用機を提供するこ
とも目的とする。
の本発明は、熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換
器、スクロール圧縮機とを有する冷凍サイクルを備え、
圧縮機に液冷媒が液インジェクション膨張弁を介してイ
ンジェクションされる寒冷地向けヒ−トポンプ空調機に
おいて、室外空気温度が0℃程度から−20℃程度まで
暖房能力を一定にするようにその回転数が制御されるス
クロール圧縮機と、圧縮機の吐出側温度と目標吐出温度
の差によって制御される液インジェクション膨張弁と、
利用側熱交換器の伝熱面積の2倍以上の伝熱面積とされ
た前記熱源側熱交換器と、を備えたものえある。
力相当であり、前記室内機は3馬力相当であることが望
ましい。
度が−15℃以下であっても前記室外冷媒制御弁を膨張
弁として、前記室内熱交換器を凝縮器として作用させ、
前記四方弁を室内が暖房となるようにする制御装置とを
備えることが望ましい。
暖房運転時に冷媒をスクロ−ル圧縮機、利用側熱交換
器、減圧装置、室外空気熱交換器、スクロ−ル圧縮機の
順に循環せしめ、利用側熱交換器で凝縮した液冷媒の一
部を圧縮機構部にインジェクションする。また、スクロ
−ル圧縮機の回転数を、室内の空気温度の状況に応じて
制御する。そして、スクロール圧縮機の圧力比を高める
ことにより、低外気温でも圧縮機の起動が可能になり、
寒冷地向けのヒートポンプ空調機が得られる。なお、圧
縮機の高圧力比化はスクロールのラップを増すか、スク
ロール圧縮機の吐出口に絞りを設けることにより達成で
きる。
う高温化は液インジェクション回路から供給される液冷
媒を圧縮機内に供給することにより、圧縮機駆動モ−タ
の巻線温度、冷媒吐出温度を適性に保つことが出来る。
成することにより、室外空気温度が−15℃以下に低下
しても、圧縮機を高圧力比運転することにより高効率運
転ができる。また、圧縮機の高速運転によって高暖房能
力を発揮できる。すなわち、灯油やガス等の電気以外の
エネルギ源を用いること無く、初めて−15℃以下の外
気温となる寒冷地向けヒートポンプ空調機が得られる。
高い信頼性を得ることができる。
ち室外機熱交換器の伝熱面積を増したので暖房能力が向
上したヒートポンプ空調機が得られる。
いて説明する。まず図1は、冬期に室外空気温度が低下
する地域の代表例として札幌についての室外空気温度の
発生頻度を表す。図1から、室外空気温度は−18℃程
度まで発生し得ることが分かる。ただこのデ−タは過去
の平均値であることから最低室外空気温度は−18℃よ
り更に低く、また北海道の旭川などではではさらに低温
になることから、空調機を選定する上では−20℃程度
を最低室外空気温度と考える必要がある。
良したヒートポンプ空調機の一実施例の構成図を図2に
示す。図2において、1はスクロ−ル形圧縮機、2は四
方弁、3は室外空気熱交換器、4は室外冷媒制御弁、5
はアキュムレ−タ、6は液インジェクション冷媒制御
弁、7はレシ−バ、8は室外送風機、9は温度センサ、
10は圧力センサ、11および12は温度センサ、20
はホットガスバイパス弁であり、これらによって室外ユ
ニットが構成される。そして、室外ユニットには演算制
御装置、圧縮機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置、
室外送風機回転数制御装置などの制御装置が搭載されて
いる。
内送風機、103は室内冷媒制御弁、104は室内空気
温度センサであり、これらによって室内ユニットが構成
される。そして、室内ユニットには演算制御装置、室内
送風機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置などが搭載
されており、さらに、ヒ−トポンプの起動や暖房、冷房
の選択、室内温度の設定等の機能を有するリモ−トコン
トロ−ラも備えられている。ここで、13および14は
室外ユニットと室内ユニットを接続する配管である。
2、接続配管13、室内熱交換器101、室内冷媒制御
弁103、接続配管14、レシ−バ7、室外冷媒制御弁
4、室外空気熱交換器3、四方弁2、アキュムレ−タ5
の順に循環し、室外冷媒制御弁4が膨張弁として作用
し、室内空気熱交換器101が冷媒凝縮器となり、室内
を暖房する。このとき、外気温度は−15℃以下であっ
ても、室内には50℃以上の熱風が送風される。また、
室内熱交換器101で凝縮した液冷媒の一部は液インジ
ェクション膨張弁6を通り、圧縮機1にインジェクショ
ンされる。一方冷房運転時には、冷媒は圧縮機1、四方
弁2、室外熱交換器3、冷媒制御弁4、レシ−バ7、接
続配管14、室内冷媒制御弁103、室内熱交換器10
1、接続配管13、四方弁2、アキュムレ−タ5の順に
循環し、室内冷媒制御弁103が膨張弁として作用し、
室内熱交換器101が冷媒蒸発器となり、室内を冷房す
る。また、室外熱交換器3で凝縮した冷媒の一部は液イ
ンジェクション膨張弁6を通り、圧縮機1にインジェク
ションされる。
ル圧縮機の一実施例の縦断面図である。図3において、
50はチャンバ胴、50bはチヤンバ上キャップ、50
cはチヤンバ下キャップ、51は固定スクロ−ルラッ
プ、55は旋回スクロ−ルラップ、56はフレ−ム、5
7はシャフト、58はオルダムリング、59はモ−タ、
61は旋回スクロ−ル軸受、62は主軸受、63は下軸
受、64は冷媒吸入管、65は逆止弁、66は冷媒吐出
ポ−ト、67は背圧室、68a,68bは背圧ポ−ト、
69a,69bは液インジェクションポ−ト、70は吸
入室、71は吐出室、72a,72bは吐出ガス冷媒通
路、74は吐出管、75は給油管、76は給油通路、7
8、78a,78bは液インジェクション管である。
70に流入し、固定スクロ−ル51と旋回スクロ−ル5
5で形成される圧縮室で圧縮され、吐出ポ−ト66から
吐出室に吐き出され、冷媒通路72a,72bを通り、
モ−タ室73に流入し吐出管74から吐出される。ま
た、液インジェクション管78からの冷媒は液インジェ
クションポ−ト69a,69bから圧縮室に導かれる。
−ルを組み合わせたときの横断面図であり、51aは固
定スクロ−ルラップ、55bは旋回スクロ−ルラップで
あり、その他の記号で同じ記号は図2で説明した部位と
同一部品を示す。ラップ巻数は3.5巻である。吸入さ
れた冷媒は、固定スクロ−ルラップ51aとは旋回スク
ロ−ルラップ55bとで形成される圧縮室が旋回スクロ
−ルの旋回運動によって縮小されるに従い圧縮され、吐
出ポ−ト66から吐き出される。
関係の一例を示した図である。図5で実線のAがスクロ
−ルラップの巻数が3.5で、液インジェクションを行
うスクロ−ル圧縮機の特性例、1点鎖線のBがスクロ−
ルラップの巻数が2.5で、液インジェクションを行わ
ないスクロ−ル圧縮機の特性例である。図5から、実線
のスクロ−ルラップの巻数が3.5のスクロ−ル圧縮機
は、1点鎖線のスクロ−ルラップの巻数が2.5のスク
ロ−ル圧縮機に対して、高圧力比領域で高効率であるこ
とが分かる。すなわち、本発明では外気温度が−15℃
以下でも空調機がヒートポンプとして作用するために、
圧縮機の圧力比を高くしている。しかしながら、圧縮機
の圧力比を高めると、後述するように圧縮機内部の温度
が高くなり過ぎ圧縮機に異常が起こる。そこで、これを
回避するために、圧縮機内部にレシーバ7に貯溜された
冷媒を送りこむことにより、圧縮機を冷却する。なお、
図5では渦巻数が大きなスクロ−ル圧縮機について説明
したが、巻き数が少なくても圧縮機構部の吐出ポ−ト6
6に弁を設けることによっても高圧力比の領域で高効率
運転を実現できる。
トポンプ空調機の暖房運転を制御する制御系のブロック
図である。圧縮機1は回転数制御装置すなわちインバ−
タ制御装置により駆動され、温度センサ104により検
出される室内空気温度と室内空気温度制御目標の差によ
って回転数制御される。また、液インジェクション膨張
弁6は、温度センサ9により検出される圧縮機の吐出側
温度と目標吐出温度の差によって制御される。さらに、
室外冷媒制御弁は、室外空気熱交換器の温度センサ12
と11の温度差を目標温度差、すなわち室外空気熱交換
器の冷媒出口の冷媒過熱度になるように制御される。
ポンプ空調機を暖房運転した場合をモリエル線図上に示
したものである。図7において、Bは圧縮機出口、Cは
室内空気熱交換器出口、Dは室外冷媒制御弁出口、Eは
室外空気熱交換器出口、Fは圧縮機入口、Gは液インジ
ェクション冷媒制御弁出口を表し、AはF点の冷媒とG
点の冷媒の混合後を表す。また、1点鎖線F→H→B
は、液インジェクションしない場合である。液インジェ
クションを行うことにより、液インジェクションしない
場合に対して、吐出温度を低減でき、また圧縮機モ−タ
の巻線温度を低減することができる。
プ空調機の特性例であり、室外空気温度と暖房能力の関
係を表す。パラメ−タは圧縮機回転数である。圧縮機回
転数が一定では、室外空気温度が低いほど暖房能力は低
下するが、圧縮機の回転数を上昇させることで暖房能力
を向上できる。また、圧縮機の回転数を調整することで
室外空気温度が0℃程度から−20℃程度まで暖房能力
を一定にすることが可能である。したがって、室外空気
温度に左右されない灯油あるいはガスを用いる暖房機と
同等な暖房能力を発揮できる。
プ空調機の特性例であり、圧縮機周波数と圧力比の関係
を示したものである。室外空気温度は−20℃である。
は約15にもなり圧縮機は高圧力比運転となるが、スク
ロ−ル圧縮機の渦巻数を3.5と多くし、かつ液インジ
ェクションをしているので、図5に示した高暖房能力運
転が可能となる。
ンプ空調機を建屋内に設けられた実際の部屋に適用した
場合の特性を計算した例である。図10で2点鎖線は暖
房負荷を示している。室外空気温度が−20℃のとき
に、圧縮機回転数を80Hzとし電気ヒ−タ2.1kW
を付加すれば、空気熱源ヒ−トポンプ空調機の能力は約
9000kcal/hにも達する。ここで、暖房負荷は
室外空気温度が15℃で0、−20℃で空気熱源ヒ−ト
ポンプ空調機の能力である9000kcal/hであ
る。実際の使用状態では、暖房能力が暖房負荷と一致す
るように圧縮機回転数を制御する。図10に示した空気
熱源ヒ−トポンプ空調機の場合、室外空気温度が−10
℃程度以上における暖房負荷に対しては、圧縮機の運転
周波数を40Hzに設定して断続運転する。室外空気熱
交換器および室内空気熱交換器の伝熱面積は変わらない
から、圧縮機運転周波数が小さくなると圧力比が小さく
なり、効率が向上し省電力運転が可能になる。
ついて、年間運転費用を試算した例を表1に示す。参考
のために、灯油暖房機と冷房専用空調機を組み合わせた
システムを比較して示す。本発明の空調機の年間費用
は、比較対象システムに対して約10%高いが、一次エ
ネルギ換算では約15%少なくなり、省エネルギ化が可
能である。
したユニットの一例を図11に示す。室外ユニットは、
室外空気熱交換器3、送風機8などで構成される熱交換
器送風機室と圧縮機他から構成される圧縮室から構成さ
れている。もちろんこれら2室を一体化することも出来
る。図11では、室内ユニットとして天井内に本体を埋
め込むいわゆる天埋めタイプが示されているが、もちろ
ん床に置くタイプ等の他の形態であっても本発明を適用
できることは言うまでもない。
室内熱交換器の伝熱面積の例を示したものである。室外
熱交換器の伝熱面積と室内熱交換器の伝熱面積の比率
は、従来は2倍弱であったが、本発明の効果を十分に発
揮させるには3倍程度にすることが推奨される。もちろ
ん2倍程度でも本発明は効果を発揮することが出来るこ
とは言うまでもない。
調機の変形例を示す。図12は、暖房専用空調機の例で
ある。図12において、1はスクロ−ル形圧縮機、3は
室外空気熱交換器、4は室外冷媒制御弁、5はアキュム
レ−タ、6は液インジェクション膨張弁、8は室外送風
機、9は温度センサ、10は圧力センサ、11、12は
温度センサであり、これらによって、室外ユニットが構
成される。そして、室外ユニットには演算制御装置、圧
縮機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置、室外送風機
回転数制御装置などの制御装置が搭載されている。
機、104は室内空気温度センサであり、これらによっ
て室内ユニットが構成される。そして、室内ユニットに
は演算制御装置、室内送風機回転数制御装置、冷媒制御
弁駆動装置などが搭載されており、さらに、ヒ−トポン
プの起動や暖房、冷房の選択、室内温度の設定等の機能
を有するリモ−トコントロ−ラも備えられている。ここ
で、13および14は室外ユニットと室内ユニットを接
続する配管である。
1、接続配管13、室内熱交換器101、接続配管1
4、冷媒制御弁4、室外熱交換器8、四方弁2、アキュ
ムレ−タ5の順に循環し、室内熱交換器が冷媒凝縮器と
なり、室内を暖房する。また、室内熱交換器101で凝
縮した冷媒の一部は液インジェクション膨張弁6を通
り、圧縮機1にインジェクションされる。
他の変形例であり、1台の室外ユニットに複数の室内ユ
ニットが接続される場合を示したものである。図13
で、15は冷媒分流器、111、112、113は室内
空気熱交換器、121、122、123は室内冷媒制御
弁、131、132、133、141、142、143
は冷媒温度センサ、151、152、153は室内空気
温度センサである。暖房運転時には破線矢印の方向に冷
媒が循環し、室内熱交換器111、112、113が冷
媒凝縮器となり暖房運転が行われる。一方、冷房運転時
には実線矢印の方向に冷媒が循環し、室内熱交換器11
1、112、113が冷媒蒸発器となり冷房運転が行わ
れる。
さらに他の変形例であり、室内側には第2の熱媒体を循
環させるシステムが備えられている。図14で、201
は冷媒と水の熱交換器、202はポンプ、203、20
4は水と室内空気と熱交換させる室内熱交換器、20
5、206は室内送風機である。暖房運転時には冷媒は
破線矢印の方向に循環し、熱交換器201が冷媒凝縮器
となり、水を加熱する。加熱された水はポンプ202に
よって室内熱交換器に送られ室内を暖房する。一方、冷
房運転時には冷媒は実線矢印の方向に循環し、熱交換器
201が冷媒蒸発器となり、水を冷却する。冷却された
水はポンプ202によって室内熱交換器に送られ室内を
冷房する。
C系冷媒であるR22が用いられているが、この冷媒は
オゾンを破壊するすることから規制が進められており、
将来は使用できない。本発明の空気熱源ヒ−トポンプ空
調機ではオゾンを破壊しない冷媒を使用することも可能
であり、HFC系冷媒、HFC系冷媒の混合冷媒を適用
できる。また、ノンフロン冷媒も適用可能である。
図16により説明する。これらの図は室外ユニットと室
内ユニットの組合せ例を示したもので、図15は室内ユ
ニットが3馬力相当のユニットであり、室外ユニットが
5馬力相当のユニットを組み合わせた室外空気熱源ヒ−
トポンプ空調機である。室外ユニットが5馬力相当のユ
ニットを用いることで、暖房運転で室外空気温度が−2
0℃程度まで低下しても高暖房能力を発揮することが出
来る。
ユニットであり、室外ユニットが3馬力相当のユニット
を組み合わせた室外空気熱源ヒ−トポンプ空調機を示
す。本発明の室外空気熱源ヒ−トポンプを、最低室外空
気温度が−10℃程度の気象の地域で使用する場合に
は、室外ユニットを大きくする必要はない。このよう
に、使用される地域によって室外ユニットの容量を変更
することで、暖房負荷に応じた適性容量の空調機を得る
ことが出来る。
空気温度が−15℃以下、特に−20℃程度でも、室外
空気温度が0℃の場合と同等の暖房能力が発揮され、快
適な室内空気温度を得ることができる。もちろん夏期に
は冷房運転も可能である。さらに本発明の空気熱源ヒ−
トポンプ空調機の暖房冷房に必要な費用は、暖房には灯
油を用い、冷房には冷凍サイクルを用いる空調機と同等
である。さらに一次エネルギ換算では省エネルギになる
試算結果が得られた。また本発明によれば、灯油やガス
を使用しないので環境を汚染することが少ないクリーン
エネルギシステムである。さらに、複雑な構成を必要と
せず、安価なヒートポンプ空調機が得られる。また、本
発明によれば、寒冷地に向けた暖房能力に重点を置いた
室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機が得られる。
実施例の構成図である。
縦断面図である。
−ルと旋回スクロ−ル部の一実施例の横断面図である。
る。
ック図である。
示した説明図である。
す説明図である。
図である。
の配置を示す図である。
実施例の構成図である。
る空調機の一実施例の構成図である。
組合例を示す図である。
室内ユニットの組合せ例を示す図である。
換器、4…室外冷媒制御弁、6…液インジェクション膨
張弁、7…レシーバ、101…室内空気熱交換器。
Claims (3)
- 【請求項1】熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換
器、スクロール圧縮機とを有する冷凍サイクルを備え、
前記圧縮機に液冷媒が液インジェクション膨張弁を介し
てインジェクションされる寒冷地向けヒ−トポンプ空調
機において、室外空気温度が0℃程度から−20℃程度
まで暖房能力を一定にするようにその回転数が制御され
る前記スクロール圧縮機と、前記圧縮機の吐出側温度と
目標吐出温度の差によって制御される前記液インジェク
ション膨張弁と、前記利用側熱交換器の伝熱面積の2倍
以上の伝熱面積とされた前記熱源側熱交換器と、を備え
たことを特徴とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。 - 【請求項2】請求項1に記載のものにおいて、前記室外
機は5馬力相当であり、前記室内機は3馬力相当である
ことを特徴とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。 - 【請求項3】請求項1に記載のものにおいて、室外空気
温度が−15℃以下であっても前記室外冷媒制御弁を膨
張弁として、前記室内熱交換器を凝縮器として作用さ
せ、前記四方弁を室内が暖房となるようにする制御装置
とを備えたことを特徴とする寒冷地向ヒートポンプ空調
機。
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