JP6678333B2 - 空気調和機の室外ユニット - Google Patents
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Description
一般的に、空気調和機の室外ユニットを低外気温度下で暖房運転すると、室外ユニットに搭載された空気熱交換器が着霜する。空気熱交換器が着霜したまま運転を継続すると、空気調和機としての暖房能力が低下するため、霜を融かす運転、すなわち除霜運転が必要となる。一般的な除霜運転は、一旦圧縮機を停止し、四方弁を冷房運転と同じ状態に切り換えて冷凍サイクルの冷媒流通方向を逆転させ、再度圧縮機を起動し、圧縮機が吐出した高温冷媒を、直接空気熱交換器に送ることで行われる。
特許文献1記載のハイブリッド室外ユニットにおいても、一般的な室外ユニットと同様、除霜運転時は、冷媒の流通方向を変えるため、一旦、エンジンおよび非電源駆動圧縮機12と、電源駆動圧縮機13とを停止して、四方弁17を切り換える。
なおこのとき、エンジンを停止せずに、エンジンの回転を非電源駆動圧縮機12に伝えるクラッチを切り離し、非電源駆動圧縮機12のみを停止させる方法もあるが、クラッチを切り離した直後に、回転負荷のなくなったエンジンの回転数が異常上昇する恐れがある。したがって、エンジンの寿命を消耗させないためにも、除霜運転直前には、エンジンを停止させることが一般的である。
エンジンには、エンジンを冷却する冷却水システムが搭載されている。この冷却水システムは循環ポンプで駆動され、エンジンの外層部を循環してエンジン排熱を吸収する。エンジン排熱を吸収し高温になった冷却水は、空気と熱交換するラジエータ、もしくは、冷媒と熱交換する排熱回収器22にて放熱、冷却されたのち、再びエンジンの外層部に戻る構成となっている。
除霜運転は、四方弁17を暖房運転における切換状態に保ったままで行う。高温の吐出冷媒の一部は、室外熱交換器20に供給されて霜を融かし、液化する。また、残りの冷媒は室内ユニット30、31に送られ屋内を暖房した後、排熱回収器22にて蒸発、ガス化させる。室外熱交換器20を出た液冷媒と、排熱回収器22を出たガス冷媒は合流し、飽和蒸気状態となり、非電源駆動圧縮機12に戻る。なお、非電源駆動圧縮機12に戻る冷媒の過熱度は、流量調整弁26の開度を調整して行う。
以上、特許文献2のように、従来のガスヒートポンプ(GHP)室外ユニットでは、エンジンの排熱を利用した除霜運転が可能である。
すなわち、ガス状態の吐出冷媒は、流量調整弁26を通過することにより、そのエネルギーを失い、非電源駆動圧縮機12に液リッチの状態で戻る場合があり、非電源駆動圧縮機12の運転信頼性が損なわれるという課題がある。
暖房運転中はエンジンが稼動し、その表面温度は80℃程度まで上昇する。除霜運転開始前にエンジンが停止すると、その表面温度は徐々に低下するが、エンジンの熱容量は大きく、その低下速度は遅い。除霜運転開始前に、エンジンおよび非電源駆動圧縮機12と電源駆動圧縮機13とが停止する状態は30秒〜3分継続するが、この間のエンジン表面温度の低下は小さく、70℃以上には維持されている。
非電源駆動圧縮機12はエンジンから動力伝達ベルトを介して回転動力を受ける構成となっているため、非電源駆動圧縮機12とエンジンとの距離は電源駆動圧縮機13とエンジンとの距離よりも近い。したがって、エンジン、非電源駆動圧縮機12、電源駆動圧縮機13が停止している間、非電源駆動圧縮機12を格納する圧力容器の温度は、エンジンが保有する熱を受けて維持される一方、電源駆動圧縮機13を格納する圧力容器の温度は外気温度の影響を受けて低下する。これは、外気温度が−10℃以下といった極低温条件下で顕著になる。
したがって、極低温の外気温度条件下において、非電源駆動圧縮機12を先に起動して除霜運転を開始すると、電源駆動圧縮機13の停止時間が長くなり、外気温度の影響を受けて電源駆動圧縮機13を格納する圧力容器の温度は低下する。吐出冷媒は電源駆動圧縮機13を収めた圧力容器内部で瞬間的に冷やされ凝縮、液化し、この液冷媒とともに、電源駆動圧縮機13の圧力容器内部から冷凍機油が吐出されてしまう。すなわち、除霜運転を開始すると冷凍機油が枯渇し、電源駆動圧縮機13の運転信頼性が損なわれるという課題が生じる。
さらに、電源駆動圧縮機を非電源駆動圧縮機よりも先に駆動させるので、駆動時に電源駆動圧縮機の前後で圧力差がついていない状態となる。
本実施の形態の空気調和機の冷凍サイクル構成を図1に示す。図1の空気調和機は、室外ユニット1台に対し、室内ユニットが2台接続した、いわゆるツイン構成となっている。なお、冷凍サイクル構成に関しては、図1に示したものに限定されない。例えば、室外ユニットは2台以上、室内ユニットも3台以上、並列に接続可能である。
室外ユニット100は、ガスを駆動源とするエンジン111と、エンジン111より駆動力を得て冷媒を圧縮する第1圧縮機112と、商用電源など電力により駆動する第2圧縮機113と、を備える。第1圧縮機112の排除容積は、第2圧縮機113の排除容積よりも大きい。また、第1圧縮機112、第2圧縮機113の潤滑油は同じ冷凍機油とする。
第1圧縮機用油分離器115で分離された冷凍機油は、第1圧縮機吸入配管151に第1圧縮機用油戻し管115aを介して戻される。第1圧縮機用油戻し管115aの連通は、第1圧縮機用油戻し管開閉弁115bの開閉により制御される。
第2圧縮機用油分離器116で分離された冷凍機油は、第2圧縮機113の吸入配管に第2圧縮機用油戻し管116aにより戻される。第2圧縮機用油戻し管116aの連通は、第2圧縮機用油戻し管開閉弁116bの開閉により制御される。
なお、図1において、実線に冷媒を流す場合は冷房運転、点線に冷媒を流す場合は暖房運転となる。
第2室外熱交換器121は、その一端が第2切換部118と接続され、その他端が冷媒を減圧、膨張させる第2室外ユニット減圧装置131を介して液管157と接続されている。
このエンジン排熱熱交換器122は、エンジン111の冷却に用いた高温の冷却水と冷媒との熱交換を行うものであり、暖房運転時に利用する。エンジン排熱熱交換器122には、例えば、プレート式熱交換器を利用できる。
エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁132は、エンジン排熱熱交換器122に流入する冷媒流量を調整する。
液管157は、室内ユニット減圧装置203を介して室内熱交換器201の一端に接続されている。室内熱交換器201の他端は、ガス管158に接続されている。
液管157は、室内ユニット減圧装置213を介して室内熱交換器211の一端に接続されている。室内熱交換器211の他端は、ガス管158に接続されている。
上記のように、アキュムレータ114には、吸入配管154の他端が接続され、この吸入配管154の一端は、合流点153に接続されている。
図2は室外ユニット100を前面に平行な鉛直平面で切った縦断面図である。図2に示すように、室外ユニット100は、仕切り板103により上下2段に分割されている。室外ユニット100の下段には、機械室101が設けられている。室外ユニット100の上段には、熱交換器室102が設けられている。
図2には示さないが、これらの他にも、機械室101には、アキュムレータ114、第1圧縮機用油分離器115、第2圧縮機用油分離器116、第1切換部117、第2切換部118、第1室外ユニット減圧装置130、第2室外ユニット減圧装置131、エンジン排熱熱交換器122、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁132、エンジン111の排気マフラー、エンジン111の冷却水を循環させる冷却水ポンプ、制御基板、冷媒配管など、多くの部品が搭載されている。
図2から明らかなように、エンジン111と第1圧縮機112との距離は、エンジン111と第2圧縮機113との距離よりも近い。
なお、本実施の形態では、第2圧縮機113を熱交換器室102に配置したが、第2圧縮機113を機械室101に配置してもよい。
冷房運転時、制御部400により、第1切換部117と第2切換部118とは実線に冷媒を流すよう設定される(図1参照)。また、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁132は閉で、エンジン排熱熱交換器122には冷媒は流れない。
冷房負荷が、第1圧縮機112が最低運転周波数で運転した時の冷房能力(第1圧縮機112の最小冷房能力)よりも小さい場合には、第1圧縮機112のみでは断続運転に陥るため、第2圧縮機113のみを運転する。
第1圧縮機112で圧縮された高温高圧の冷媒は、第1圧縮機用油分離器115に流入する。第1圧縮機用油分離器115にて、冷凍機油を分離された純度の高いガス冷媒は第1切換部117を通り、第2切換部118を通過した冷媒と合流した後、室内ユニット200、210に供給される。
暖房負荷が、第1圧縮機112が最低運転周波数で運転した時の暖房能力(第1圧縮機112の最小暖房能力)よりも小さい場合には、第1圧縮機112のみでは断続運転に陥るため、第2圧縮機113のみを運転する。
除霜運転に突入すると、まず、エンジン111および第1圧縮機112と、第2圧縮機113が停止する。第1圧縮機112と第2圧縮機113が停止後、30秒〜2分経過し、冷媒の状態がある程度安定すると、第1切換部117と第2切換部118は、冷媒を実線に流すよう切り換えられる。このとき、第1室外ユニット減圧装置130は全閉、第2室外ユニット減圧装置131は全開になっている。また、エンジン排熱熱交換器用冷媒流量調整弁132は開、室内ユニット減圧装置203、213は全閉となっている。
ここで、例えば、極低温の外気温度条件下において、第2圧縮機113の停止時間が長くなると、外気温度の影響を受けて第2圧縮機113を格納する圧力容器の温度は低下する。吐出冷媒は第2圧縮機113を収めた圧力容器内部で瞬間的に冷やされ凝縮、液化し、この液冷媒とともに、第2圧縮機113の圧力容器内部から冷凍機油が吐出されてしまう。すなわち、除霜運転を開始すると冷凍機油が枯渇し、第2圧縮機113の運転信頼性が損なわれることとなる。
本実施形態では、第2圧縮機113の停止時間が短くなるため、第2圧縮機113の運転信頼性が向上する。
よって、本発明では、除霜運転時において、第1圧縮機112を格納する圧力容器に封入された冷凍機油の枯渇を防ぎ、第1圧縮機112の運転信頼性を高めることができる。
よって、本発明では、室外熱交換器の霜をすばやく融かし、除霜運転を早め、消費電力を低減することができるとともに、利用者が寒くて不快と感じる状況をなくすことができる。
111 エンジン
112 第1圧縮機
113 第2圧縮機
117 第1切換部
118 第2切換部
120 第1室外熱交換器(室外熱交換器)
121 第2室外熱交換器(室外熱交換器)
122 エンジン排熱熱交換器(第3室外熱交換器)
130 第1室外ユニット減圧装置
151 第1圧縮機吸込配管(第1圧縮機の吸込管)
152 第2圧縮機吸込配管(第2圧縮機の吸込管)
155 第1圧縮機吐出配管(第1圧縮機の吐出管)
156 第2圧縮機吐出配管(第2圧縮機の吐出管)
180 ガス管接続口
190 液管接続口
200,210 室内ユニット
300 空気調和機
400 制御部
Claims (4)
- エンジンと、エンジンにより駆動する第1圧縮機と、前記第1圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第2圧縮機と、室外熱交換器と、制御部とを備えた空気調和機の室外ユニットにおいて、
前記制御部は、前記室外熱交換器の霜を融かす除霜運転を行う際に、前記エンジンおよび前記第1圧縮機よりも先に、前記第2圧縮機を駆動することを特徴とする空気調和機の室外ユニット。 - エンジンと、エンジンにより駆動する第1圧縮機と、前記第1圧縮機と並列に接続し電力により駆動する第2圧縮機と、前記第1圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り替える第1切換部と、前記第2圧縮機の吐出冷媒の流通方向を切り換える第2切換部と、第1室外熱交換器と、第2室外熱交換器と、暖房運転時に利用するエンジン排熱熱交換器である第3室外熱交換器と、ガス管接続口と、液管接続口と、制御部とを備え、
第1圧縮機の吸込管と第2圧縮機の吸込管との合流点には吸入配管が接続され、
前記制御部は、
除霜運転時に、前記第1圧縮機の吐出管、前記第1室外熱交換器、前記第3室外熱交換器、前記吸入配管、前記第1圧縮機の吸込管に冷媒を流通すると共に、前記第2圧縮機の吐出管、前記第2室外熱交換器、前記第3室外熱交換器、前記吸入配管、前記第2圧縮機の吸込管に冷媒を流通するように、前記第1切換部および前記第2切換部を切り換え、
前記除霜運転を開始する際には、前記エンジンおよび前記第1圧縮機よりも先に、前記第2圧縮機を駆動することを特徴とする空気調和機の室外ユニット。 - 前記制御部は、前記第2圧縮機の回転数が、除霜運転における目標回転数に達する前に、前記エンジンおよび前記第1圧縮機を起動することを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和機の室外ユニット。
- 前記制御部は、前記第1圧縮機が起動すると同時に、前記除霜運転時の前記第1室外熱交換器の下流であって前記第1室外熱交換器と液管との間に設けられる第1室外ユニット減圧装置を徐々に開け始めることを特徴とする請求項2に記載の空気調和機の室外ユニット。
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