JP3352469B2 - 空気調和装置 - Google Patents

空気調和装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、蓄熱機能を備えたヒ
ートポンプ式の空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】蓄熱または蓄冷用の冷媒を空調負荷側へ
も循環させて空調を行う蓄熱式ヒートポンプ空調装置に
おいて、これまで知られている従来のシステムについて
説明する。
【０００３】図６はその一例で、室内ユニットを複数台
有するものであり、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷房時と
暖房時とで冷媒の流れ方向が切替わる四方弁３、冷房運
転時には凝縮器となり暖房運転時には蒸発器となる室外
熱交換器５、冷房運転時には蒸発器となり暖房運転時に
は凝縮器となる複数の室内熱交換器７、冷媒を減圧する
膨脹弁９、冷媒液を溜めるためのリキッドタンク１１及
びアキュームレータ１３、製氷器１５を備えた氷蓄熱槽
１７などから構成されている。
【０００４】この従来のシステムは、冷房時に凝縮器と
なる室外熱交換器５を通った高圧の液冷媒を、さらに氷
蓄熱槽１７にて過冷却し、冷房能力のアップを図るもの
で、モリエル線図上では図７に示すようになる。これに
よれば、例えば１０馬力の室外ユニットの能力を、過冷
却によるアップ分Ａにより、約１２馬力相当まで高める
ことができる。この場合、過冷却を行う際の解氷運転
は、通常の冷房運転と常時同時に行われ、全能力のうち
約２０％が蓄熱によるものとなる。
【０００５】ところで、この種の空気調和装置は、余っ
た割安の夜間電力を利用して蓄冷熱を行い、その蓄冷熱
を昼間の冷暖房に使用することによって、ユーザは低ラ
ンニングコストの空調を、また電力会社は昼間の電力需
要のピークカットを可能として電力平準化を達成しよう
とするものである。
【０００６】しかしながら、前記従来のシステムでは、
電力のピークカットを考えた場合、全体の能力の２０％
程度しかカットできないため、有効な電力平準化手段と
はならない。さらに、蓄熱槽１７内の製氷器１５の内部
は、全て液状態の冷媒が存在する状態となるので、封入
する冷媒の量は非常に多くなる。これは、蓄熱運転以外
の運転モードのときに冷媒過多の状態となり、液バック
の危険性が高くなって空調装置としての信頼性にも悪影
響を及ぼすとともに、近年問題となっている地球環境上
からも好ましいものではない。
【０００７】図８は他の従来例を示している。このシス
テムは、通常の室内熱交換器７の冷媒回路と並列に、蓄
熱槽１７及び冷媒ポンプ１９を有する回路が組み込ま
れ、圧縮機１による冷房運転と、冷媒ポンプ１９による
冷媒搬送が、それぞれ独立にまたは同時に行うことがで
きる。当然、蓄冷（製氷）運転は、圧縮機１により行わ
れる。
【０００８】このシステムの場合には、蓄冷運転後に圧
縮機１を停止することで、図９のモリエル線図上の実線
で示した冷媒ポンプ１９を用いた低動力冷房運転ができ
るので、電力ピークカット対応、すなわち電力平準化に
有効な手段とすることができる。なお、破線は通常の冷
房運転時でのサイクルである。
【０００９】一方、暖房運転時には、蓄熱槽１７に温水
を蓄えて蓄熱暖房運転が可能となり、その状態を図１０
のモリエル線図上に実線で示す。破線は通常の暖房運転
時でのサイクルである。ところが、この場合には、冷媒
ポンプ１９を用いているため、運転に伴って温水温度は
徐々に低下していき、やがて蓄熱暖房運転ができなくな
る。つまり、夜間蓄熱された高々６０℃程度の温水温度
では、４０℃程度の温度までしか利用できないため、温
度差が２０℃と利用範囲が極めて狭く、したがって蓄熱
暖房時間は短時間となり、有効な蓄熱運転ができないと
いう欠点がある。
【００１０】また、冷房運転時には、冷媒ポンプ１９と
圧縮機１との同時運転によって、室外ユニットの能力ア
ップを図ることができ、室外ユニットの設備容量低減が
可能となるが、暖房運転時には蓄熱量が充分でないため
室外ユニットの設備容量を低減することができず、冷房
運転と暖房運転との能力のアンバランスもまた欠点であ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の空
気調和装置では、電力平準化のための有効なピークカッ
ト運転ができなかったり、また例えできたとしても、暖
房時に有効な蓄熱運転ができなくなり、冷房能力と暖房
能力とにアンバランスが生じるという問題点があった。
【００１２】そこで、この発明は、電力平準化のための
有効なピークカット運転ができ、しかも暖房時に有効な
蓄熱運転ができる空気調和装置を提供することを目的と
している。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、圧縮機、室外熱交換器、及び室内熱交
換器などが、冷媒配管によって接続され、冷、暖房運転
時に圧縮機からの冷媒を室外熱交換器へ、又は室内熱交
換器へ切換え制御する四方弁を備えたヒートポンプ式の
冷凍サイクルに、冷凍サイクル内を循環する冷媒の熱を
蓄熱する蓄熱槽と、蓄熱槽内の蓄熱材との間で熱交換が
行なわれた冷媒が流れ、前記室内熱交換器と並列に配置
された蓄熱冷媒配管と、前記蓄熱槽と前記冷媒配管のガ
スラインとの間の蓄熱冷媒配管に設けられた補助圧縮機
と、 前記蓄熱槽と冷媒配管の液ラインとの間の蓄熱冷媒
配管に設けられた絞り機構と、前記補助圧縮機から吐出
される冷媒の流れ方向をガスライン又は絞り機構へそれ
ぞれ切替える切替手段と、前記補助圧縮機及び切替手段
をバイパスし開閉手段を有するバイパス配管とを有し、
前記、蓄熱槽の熱を利用して空調運転を行なう際は、前
記絞り機構を全開とし、バイパス配管を閉じて前記補助
圧縮機を運転する一方、蓄熱槽の熱を利用した暖房運転
時は、蓄熱槽の温度低下に伴い、絞り機構による絞りを
強くすることを特徴とする。
【００１４】また、この発明は、蓄熱槽と冷媒配管の液
ラインとの間の蓄熱冷媒配管に絞り機構を、蓄熱槽と冷
媒配管のガスラインとの間の蓄熱冷媒配管に補助圧縮機
から吐出される冷媒の流れ方向を変える切替手段をそれ
ぞれ設け、前記補助圧縮機及び切替手段をバイパスし開
閉手段を有するバイパス配管を設ける構成としてもよ
い。
【００１５】さらに、この発明は、圧縮機と補助圧縮機
とを、開閉手段を有する連結管で連結する構成としても
よい。
【００１６】
【作用】このような構成の空気調和装置によれば、蓄熱
槽の熱を利用して空調運転を行う際には、圧縮機の運転
を停止させた状態で補助圧縮機のみの運転とする。この
場合には、膨脹過程がほとんどないので補助圧縮機はガ
スポンプの役割を果たし、動力がほとんどかからず、電
力平準化のために有効となる。
【００１７】また、蓄熱槽を利用した暖房時には、熱源
である蓄熱槽の温度低下に伴い、絞り機構による絞りを
強くして冷媒の蒸発温度を下げ、これにより蓄熱槽での
利用できる温度範囲が広くなり、有効な蓄熱暖房運転が
可能となる。
【００１８】さらに、圧縮機と補助圧縮機とを、開閉手
段を有する連結管で連結する構成とすれば、二つの圧縮
機における潤滑油の溜まり具合に応じて開閉手段を開放
することにより、連結管によって潤滑油のレベルが同じ
になる。
【００１９】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。
【００２０】図１は、この発明の第１実施例を示す空気
調和装置のシステム全体のサイクル構成図である。この
空気調和装置は、室内機が複数設けられた、いわゆるマ
ルチ空調システムである。このサイクル構成は、冷媒を
圧縮して吐出する圧縮機２１、冷房運転及び暖房運転な
ど運転状態によって冷媒の流れ方向が切替わる四方弁２
３、冷房運転時には凝縮器となり暖房運転時には蒸発器
となる室外熱交換器２５、冷房運転時には蒸発器となり
暖房運転時には凝縮器となる複数の室内熱交換器２７、
複数の室内熱交換器２７に冷媒を分配する分流器２９、
冷媒を減圧する膨脹弁３１を備え、これらが冷媒配管３
３によって接続されている。膨脹弁３１と室内熱交換器
２７との間の冷媒配管３３の液ライン３３ａ及び、圧縮
機２１と四方弁２３との間の冷媒配管３３のガスライン
３３ｂには、それぞれ冷媒液を溜めるためのリキッドタ
ンク３５及びアキュームレータ３７が設けられている。
【００２１】上記のような冷媒配管回路において、室内
熱交換器２７と並列位置となるように、冷媒配管３３の
液ライン３３ａとガスライン３３ｂとを接続する蓄熱冷
媒配管３９が設けられている。蓄熱冷媒配管３９には、
蓄熱熱交換器４１を備え内部に蓄熱材としての水が充填
される蓄熱槽４３が設けられている。蓄熱槽４３の液ラ
イン３３ａ側には絞り機構としての膨脹弁４５が、蓄熱
槽４３のガスライン３３ｂ側の蓄熱冷媒配管３９には、
補助圧縮機４７及び、補助圧縮機４７から吐出された冷
媒の流れ方向が冷房時と暖房時とで切替わる切替手段と
しての補助四方弁４９がそれぞれ設けられている。ま
た、補助圧縮機４７及び補助四方弁４９をバイパスする
ように、補助四方弁４９と蓄熱槽４３との間の蓄熱冷媒
配管３９と、冷媒配管３３のガスライン３３ｂとがバイ
パス配管５１で接続され、このバイパス配管５１には開
閉手段としての二方弁５３が設けられている。
【００２２】このような構成の空気調和装置において、
冷房運転モード及び暖房運転モードについて説明する。
【００２３】冷房運転モードでは、次の四つの運転モー
ドがある。
【００２４】（１）通常の冷房運転 （２）蓄冷運転（製氷運転） （３）蓄熱冷房運転 （４）通常の冷房運転と蓄熱冷房運転との同時運転 （１）の通常冷房運転では、圧縮機２１を出た高温，高
圧のガス状態となっている冷媒は、四方弁２３を経て室
外熱交換器２５で高圧の液状態となり、膨脹弁３１で低
温の二相流状態となって室内熱交換器２７に送られる。
室内熱交換器２７で熱交換され蒸発した冷媒は、四方弁
２３を経て再び圧縮機２１へと送られる。このとき、補
助圧縮機４７は停止した状態である。
【００２５】（２）の蓄冷運転では、圧縮機２１を出た
高温，高圧のガス冷媒は、四方弁２３を経て室外熱交換
器２５によって高圧の液状態となり、膨脹弁３１によっ
て低温の二相流状態となって膨脹弁４５を経て蓄熱熱交
換器４１に送られる。蓄熱熱交換器４１で熱交換され蒸
発した冷媒は、開状態の二方弁５３を有するバイパス配
管５１を通り、四方弁２３を経て圧縮機２１に戻る。蓄
熱熱交換器４１では、蓄熱槽４３内の水が冷媒によって
冷やされ、着氷する。この蓄冷運転では、蒸発器が前記
冷房運転での室内熱交換器２７から蓄熱熱交換器４１に
代わっただけである。このときも、補助圧縮機４７は停
止した状態である。
【００２６】（３）の蓄熱冷房運転では、メインの圧縮
機２１は停止させ、補助圧縮機４７のみで冷房運転を行
う。補助圧縮機４７を出たガス状態の冷媒は、補助四方
弁４９を経て蓄熱熱交換器４１で、氷によって冷やされ
て熱交換し凝縮する。凝縮した冷媒は、全開状態の膨脹
弁４５を経て室内熱交換器２７に運ばれ、ここで蒸発し
た後、補助四方弁４９を経て補助圧縮機４７に戻され
る。このとき、二方弁５３は閉じた状態であり、膨脹弁
４５は全開状態であって膨張過程がないので、補助圧縮
機４７は圧縮をほとんど行わず、ガスポンプの役割を果
たし、しがって冷房のための電力がほとんどかからない
ことになる。つまり、電力ピークカット運転が可能で電
力平準化に有効となる。また、蓄熱槽４３における蓄熱
熱交換器４１の内部は、大半が気液二相の状態となって
いるので、それ程大量の冷媒を封入する必要がない。
【００２７】（４）の通常の冷房運転と蓄熱冷房運転と
の同時運転では、圧縮機２１及び補助圧縮機４７双方を
作動させて冷房運転を行う。この場合、二つの圧縮機を
運転するので、出力を高めることが可能である。
【００２８】これらの状態をモリエル線図上に表すと、
図２のようになる。図中で破線が製氷（蓄冷）時のサイ
クルを示し、実線が同時運転でのサイクルを示してい
る。
【００２９】暖房運転モードにおいても、次の四つの運
転モードがある。
【００３０】（１）通常の暖房運転 （２）蓄熱運転 （３）蓄熱暖房運転 （４）通常の暖房運転と蓄熱暖房運転との同時運転 （１）の通常暖房運転では、圧縮機２１を出た高温，高
圧のガス冷媒は、四方弁２３を通って室内熱交換器２７
へ送られ、ここで熱交換され凝縮した後、膨脹弁３１に
よって低温の二相流状態となって、室外熱交換器２５で
蒸発し四方弁２３を経て圧縮機２１に送られる。このと
き、補助圧縮機４７は停止した状態である。
【００３１】（２）の蓄熱運転では、圧縮機２１を出た
高温，高圧のガス冷媒は、四方弁２３，二方弁５３を通
って蓄熱槽４３に送られる。蓄熱槽４３で熱交換され凝
縮した冷媒は、膨脹弁４５，３１を経て室外熱交換器２
５で蒸発し、四方弁２３を経て圧縮機２１に送られる。
蓄熱槽４３では、蓄熱槽４３内の水が冷媒によって加熱
されて温水となる。この蓄熱運転では、凝縮器が前記暖
房運転での室内熱交換器２７から蓄熱熱交換器４１に代
わっただけである。このときも、補助圧縮機４７は停止
した状態である。
【００３２】（３）の蓄熱暖房運転では、メインの圧縮
機２１は停止させ、補助圧縮機４７のみで暖房運転を行
う。補助圧縮機４７を出たガス状態の冷媒は、補助四方
弁４９を経て室内熱交換器２７で熱交換して凝縮する。
凝縮した冷媒は、全開状態の膨脹弁４５を経て蓄熱槽４
３に達し、ここで温水によって加熱されて蒸発した後、
補助四方弁４９を経て補助圧縮機４７に戻される。この
とき、二方弁５３は閉じた状態である。この場合は、運
転初期は蓄熱槽４３における熱源温度が充分高いので、
膨脹弁４５は全開状態であって膨張過程がほとんどな
く、したがって補助圧縮機４７は圧縮をほとんど行わず
ガスポンプの役割を果たす。その後、時間の経過に伴い
熱源の温度は低下してくるので、膨脹弁４５の絞りを徐
々に強くして冷媒の蒸発温度を下げ、蓄熱槽４３の熱を
汲み上げるようにしていく。したがって、蓄熱槽４３内
の温度が下がっても蓄熱運転が可能で、また充分大きな
温度差を利用できるので、冷房運転に比べても蓄熱量が
充分確保される。また、蓄熱槽４３内の蓄熱熱交換器４
１の内部は大半が気液二相の状態となっているので、そ
れ程大量の冷媒を封入する必要がないのは、前記蓄冷冷
房運転と同様である。
【００３３】（４）の通常の暖房運転と蓄熱暖房運転と
の同時運転では、圧縮機２１及び補助圧縮機４７双方を
作動させて暖房運転を行う。この場合、二つの圧縮機を
運転するので、出力を高めることが可能である。つま
り、冷房運転と同程度の能力を得ることができ、冷房時
と暖房時とで能力が均等なものとなる。
【００３４】これらの状態をモリエル線図上に表すと、
図３のようになる。図中で破線が製温水（蓄熱）時のサ
イクルを示し、実線が同時運転でのサイクルを示してい
る。図４は、この発明の第２実施例を示す空気調和装置
のシステム全体のサイクル構成図である。この実施例
は、補助圧縮機４７の吸い込み側に冷媒加熱器５５を設
けたもので、暖房能力が特に必要とされる寒冷地等で、
暖房負荷の方が冷房負荷より大きくなるような場合に
は、有効なシステムとなる。冷媒加熱器５５の取り付け
位置は、補助圧縮機４７の吸い込み側に限定されるもの
ではなく、蓄熱槽４３内の蓄熱材を直接加熱するような
位置でもよい。なお、符号５６は二方弁である。
【００３５】図５は、この発明の第３実施例を示す空気
調和装置のシステム全体のサイクル構成図である。この
実施例は、メインの圧縮機２１と補助圧縮機４７とを、
開閉手段としての二方弁５７を有する連結管としての均
圧管５９で相互に接続したものである。これは、圧縮機
が二つある場合に、潤滑油がどちらか一方の圧縮機に片
寄って溜まることを防止するためのものである。つま
り、潤滑油の溜まり具合に応じて二方弁５７を開放し、
均圧管５９を潤滑油が通過することによって潤滑油のレ
ベルを同じにすることができる。もちろん運転状態によ
っては、圧縮機内の圧力が異なる場合があり、このよう
な場合には、運転初期あるいは運転中適宜に二つの圧縮
機を強制的に均圧運転モードとして潤滑油のレベルを均
等にすればよい。
【００３６】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、蓄熱槽の熱を利用して空調運転を行う際には、絞
り機構を全開、バイパス配管を閉とすることで膨脹過程
がほとんどなく補助圧縮機はガスポンプの役割を果た
し、電力平準化のための有効なピークカット運転が可能
となる。
【００３７】また、蓄熱槽を利用した暖房時には、熱源
である蓄熱槽の温度低下に伴い、絞り機構による絞りを
強くして冷媒の蒸発温度を下げ、これにより蓄熱槽での
利用できる温度範囲を広くでき、有効な蓄熱暖房運転が
可能となる。
【００３８】また、圧縮機と蓄熱槽利用の冷媒を圧縮す
る補助圧縮機とを、開閉手段を有する連結管で連結する
構成とすれば、二つの圧縮機における潤滑油の溜まり具
合に応じて開閉手段を開放することにより、潤滑油のレ
ベルを同等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す空気調和装置にお
ける冷凍サイクル構成図である。
【図２】図１の空気調和装置における冷房運転モードで
のモリエル線図である。
【図３】図１の空気調和装置における暖房運転モードで
のモリエル線図である。
【図４】この発明の第２実施例を示す空気調和装置にお
ける冷凍サイクル構成図である。
【図５】この発明の第３実施例を示す空気調和装置にお
ける冷凍サイクル構成図である。
【図６】従来例を示す空気調和装置における冷凍サイク
ル構成図である。
【図７】図６の空気調和装置における冷房運転モードで
のモリエル線図である。
【図８】他の従来例を示す空気調和装置における冷凍サ
イクル構成図である。
【図９】図８の空気調和装置における冷房運転モードで
のモリエル線図である。
【図１０】図８の空気調和装置における暖房運転モード
でのモリエル線図である。
【符号の説明】
２１ 圧縮機 ２５ 室外熱交換器 ２７ 室内熱交換器 ３１ 膨脹弁 ３３ 冷媒配管 ３３ａ 液ライン ３３ｂ ガスライン ４３ 蓄熱槽 ３９ 蓄熱冷媒配管 ４５ 膨脹弁（絞り機構） ４７ 補助圧縮機 ４９ 補助四方弁（切替手段） ５１ バイパス配管 ５３，５７ 二方弁（開閉手段） ５９ 均圧管（連結管）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−122466（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−75842（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−294754（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−255853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−12263（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−126054（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−28672（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−6779（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F24F 5/00 F25B 13/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮機、室外熱交換器、及び室内熱交換
    器などが、冷媒配管によって接続され、冷、暖房運転時
    に圧縮機からの冷媒を室外熱交換器へ、又は室内熱交換
    器へ切換え制御する四方弁を備えたヒートポンプ式の冷
    凍サイクルに、冷凍サイクル内を循環する冷媒の熱を蓄
    熱する蓄熱槽と、蓄熱槽内の蓄熱材との間で熱交換が行
    なわれた冷媒が流れ、前記室内熱交換器と並列に配置さ
    れた蓄熱冷媒配管と、前記蓄熱槽と前記冷媒配管のガス
    ラインとの間の蓄熱冷媒配管に設けられた補助圧縮機
    と、 前記 蓄熱槽と冷媒配管の液ラインとの間の蓄熱冷媒配管
    に設けられた絞り機構と、前記補助圧縮機から吐出され
    る冷媒の流れ方向をガスライン又は絞り機構へそれぞれ
    切替える切替手段と、前記補助圧縮機及び切替手段をバ
    イパスし開閉手段を有するバイパス配管とを有し、前記
    蓄熱槽の熱を利用して空調運転を行なう際は、前記絞り
    機構を全開とし、バイパス配管を閉じて前記補助圧縮機
    を運転する一方、蓄熱槽の熱を利用した暖房運転時は、
    蓄熱槽の温度低下に伴い、絞り機構による絞りを強くす
    ることを特徴とする空気調和装置。
  2. 【請求項２】 圧縮機と補助圧縮機とを、開閉手段を有
    する連結管で連結したことを特徴とする請求項１記載の
    空気調和装置。
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