JPS6155018B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明はヒートポンプサイクルを有する冷暖
房装置に係り、特に暖房時にヒートポンプの熱源
として燃焼機による燃焼熱を利用するようにした
ものである。 従来、ヒートポンプサイクルによる暖房装置が
提案されているが、大気をヒートポンプ熱源とし
ているため、冬期、寒冷地あるいは朝、夕など外
気温度が低下した場合、充分な熱量が得られず、
暖房能力が低下するとともに暖房負荷の温度の立
上りが悪いと云う特性をもつている。 一方、電源側熱交換器に流入する冷媒の温度を
下げて大気より吸熱量を増加する場合、上記熱交
換器に着霜が起こり、熱交換能力の減少が生じる
問題があり、したがつて上記のような方式の冷暖
房装置は、一般に普及するに至つていない。 上記のヒートポンプサイクルによる冷暖房装置
のもつ問題点に対していくつかの改良方法が提案
されている。 その簡易な方法としては第１図に示すものがあ
る。同図において、１は圧縮機、２は冷媒回路切
換えのための四方弁、３は室内熱交換器、４は室
内フアン、５はその駆動用モータ、６はキヤピラ
リー、７は室外熱交換器、８は室外フアン、９は
その駆動モータであり、上記室内および室外側の
各熱交換器３，７には補助加熱用の電気ヒータ１
０，１１がそれぞれ装着されている。 しかし、上記のような電気ヒータを用いた冷暖
房装置では、 (a) ヒータ容量が小さいため、暖房の補助加熱と
して不足する場合があり、使用範囲が制限され
る。 (b) 他の熱源に比較して運転費がかかり、かつ電
源設備の上で制約が多い、 などの欠点を有している。 また、室外側熱交換器に温水ヒータを装着した
ものがあるが、この方式はボイラを必要とし、設
備費がかかるとともに大型化して広い据付面積が
必要になる。 一方、室外側熱交換器の着霜時に対しては、逆
サイクル（冷房サイクル）運転により除霜する方
式が採られるものがあるが、この逆サイクル運転
時は室内側に冷風が吹き出してしまう欠点があ
る。 その他に暖房能力の不足を補う方法として、第
２図に示す如く室内ユニツトに燃焼装置を組込む
方式のものが提案されている。すなわち、圧縮機
１、熱交換器７等を組込んだ室外ユニツト１２を
室外に設置し、かつ熱交換器３、フアン４および
キヤピラリー６等からなる室内ユニツト１３を室
内に設置して、この両ユニツト１２，１３間を家
の壁１４を貫通する冷媒パイプ１５により連結す
ると共に、室内ユニツト１３における熱交換器３
とフアン４間に燃焼器１６を設け、この燃焼器１
６に連結された給排気筒１７を壁１４を通して室
外に突出させた構成になつている。 しかし、このような方式の装置は、燃焼器１６
が室内に存在するため、安全性に問題があり、か
つ燃焼用空気の吸入および燃焼排ガスの排出のた
めの配管が必要になるほか、据付上の制約が多い
欠点がある。 そこで従来においては、暖房時の熱源として、
室外熱交換器に燃焼器を装着し、その燃焼熱によ
つて冷媒蒸発に必要な熱を補い、外気温度低下時
の暖房能力の低下を防止する方式のものが提案さ
れている。 第３図は上記方式の冷暖房装置を示すもので、
室外熱交換器を２つにし、この第１の室外熱交換
器７ａと第２の室外熱交換器７ｂを上下に配置し
て互いを直列に接続すると共に、第２の室外熱交
換器７ｂの下端側冷媒循環パイプをキヤピラリー
６を介して室内熱交換器３に接続し、さらに第１
の室外熱交換器７ａの上端側冷媒循環パイプを四
方弁２を介して圧縮機１に接続する。そして第２
の熱交換器７ｂの下面と室外フアン８間に燃焼用
バーナ１８を配設したものである。 しかし、このような方式における熱源側熱交換
器の冷媒通過構造は、室外フアンによる通過（外
気を熱源）に対してのみ熱交換が良好となるよう
に考慮されているため、熱源側熱交換器にそのま
まバーナによる燃焼熱を供給しようとしても十分
な熱供給効果が得られず、また第１、第２の室外
熱交換器７ａ，７ｂのうち燃焼用バーナ１８に近
い方の冷媒回路を冷媒流入とし、遠い方を冷媒流
出口として配管しているため、燃焼用バーナの熱
供給による冷媒流出口での冷媒の過熱度を大きく
とることができない。これは燃焼器による熱供給
があくまでも外気温度低下時の暖房能力の補助、
着霜防止を目的とする補助的要素として行われる
ためであり、そして室外熱交換器の手前で断熱膨
張を行わせる絞り（キヤピラリー）の抵抗が大き
いためである。 また、絞りの抵抗が大きいと云うことは、すな
わち圧縮比が大きくなるので、いきおい圧縮機の
所要動力も大きくなり、それに外気温が低い場合
には蒸発温度と外気温度差が小さくなるため、冷
媒の過熱度を大きくするには熱源側の室外熱交換
器の伝熱面積を大きくする必要があり、これに伴
い室外ユニツトが極端に大型化することになる。 すなわち、従来のいずれの方法もシステムの電
源容量の増加の回避とか、暖房時のエネルキ効率
の向上と云つた技術的問題解決に終始していたた
め、システムの本旨である冷暖房の快適性を軽ん
じる傾向にあり、中途半端な暖房能力と低温時の
問題は未解決のままになつているのが現状であ
る。 そこでこの発明は、外気温が高いときはシステ
ムのエネルキ効率の良い外気を熱源とするヒート
ポンプ運転を行い、外気温の低下に伴う燃焼装置
による熱供給時はポンプ輸送式暖房サイクル運転
とすることにより、暖房能力の増加と除霜運転の
廃止を可能にすると共に、熱源側熱交換器の伝熱
面積を減少して室外ユニツトの小型化を計り、か
つ電気入力の低減を可能にし、併せて冷暖房の快
適性を向上し、かつポンプ輸送式暖房サイクル運
転の再起動時における冷媒循環を確実にした冷暖
房装置を提供するにある。 以下、この発明の実施例を図面について説明す
る。 第４図はこの発明にかかる冷暖房装置の一例を
示すもので、２０は冷媒圧縮輸送のための圧縮
機、２１は圧縮機２０の吸吐側に設けた冷媒回路
切換えのための四方弁、２２は冷媒流入端を冷媒
循環パイプ２３を介して四方弁２１に接続した室
内熱交換器で、冷房サイクル時は蒸発器として機
能し、暖房サイクル時は凝縮器として機能するも
のである。２４は室内フアンで、上記室内熱交換
器２２に近接して配設され、モータ２５により駆
動されるようになつている。 ２６は室外に配設される第１の室外熱交換器
で、その上部側冷媒流入端は冷媒循環パイプ２７
を介して上記室内熱交換器２２の冷媒流出端に接
続され、かつその下端部に第２の室外熱交換器２
８を配置して、これを上記第１の室外熱交換器２
６に直列に接続すると共に、第２の室外熱交換器
２８の冷媒流出端を循環パイプ２９を介して上記
四方弁２１に接続する。上記室外熱交換器２６，
２８は冷房サイクル時凝縮器として機能し、暖房
サイクル時は蒸発器と機能するようになつてい
る。 また、上記室内熱交換器２２と第１の室外熱交
換器２６間を接続する循環パイプ２７には冷媒液
を貯溜する液だめ３０が直列に介在されており、
この液だめ３０は、第２の室外熱交換器２８内の
冷媒液が満杯となつて液面レベルＬが保持される
位置に配置され、そして第２の室外熱交換器２８
および液だめ３０より下方に位置して冷媒輸送用
のポンプ３１を循環パイプ２７に直列に接続する
と共に、このポンプ３１には、電磁弁３２とキヤ
ピラリー３３からなる直列回路が並列に接続して
ある。 なお、第２の室外熱交換器２８の冷媒面レベル
Ｌが保持されるように液だめ３０の配置位置を設
定し、かつポンプ３１を液だめ３０の下方に位置
させる理由は、ポンプ３１の駆動によるポンプ輸
送式暖房サイクル運転を比較的長い時間停止する
と、系内の冷媒が冷却されることにより液化し、
これが系の低レベル部位に貯溜されることになる
が、この場合、ポンプ３１の吸入口が冷媒液中に
なく系の空気層に開口されていると、暖房サイク
ル運転の再起動時にポンプ３１を駆動しても冷媒
の循環に支障を来たし、最悪の場合には冷媒の循
環ができなくなるおそれがあるほか、冷媒の循環
不良に伴い室外熱交換器２８が必要以上に過加熱
され、冷媒導管が赤熱もしくは溶解される危険性
があり、これを防止するためである。 上記第２の室外熱交換器２８の下部位置には、
暖房サイクル時に液冷媒に熱供給を行う燃焼用バ
ーナ３４と室外フアン３５がそれぞれ配置され、
室外フアン３５はモータ３６により駆動されるよ
うになつている。また、四方弁２１が接続された
上記圧縮機２０の吸吐口間はバイパス路３７によ
り接続され、このバイパス路３７には、これを開
閉する電磁弁３８が直列に接続されている。 上記構成の冷暖房装置において、暖房サイクル
時、外気温が比較的高い場合は、電磁弁３２が開
に、電磁弁３８が閉に保持され、ポンプ３１およ
びバーナ３４は停止状態に保持されている。した
がつて、圧縮機２０の動作に伴う冷媒は、キヤピ
ラリー３３で断熱膨張され、第１および第２の室
外熱交換器２６，２８で外気から吸熱し、さらに
圧縮機２０に吸入されて断熱圧縮された後、室内
熱交換器２２に圧送され、その凝縮作用によつて
室内空気を加熱する、所謂従来と同様のヒートポ
ンプ式暖房サイクル運転を行う。 外気温が低下した場合は、圧縮機２０が停止さ
れ、かつ電磁弁３２が閉に、電磁弁３８が開にそ
れぞれ保持されると同時に、バーナ３４が燃焼動
作し、かつ冷媒液面Ｌより下方に位置するポンプ
３１が起動して冷媒を単純に輸送する。これによ
り冷媒は第１、第２の室外熱交換器２６，２８を
通過する間に、第２の室外熱交換器においてバー
ナ３４の燃焼熱により加熱され、過熱蒸気とな
る。この気相の冷媒はバイパス路３７、電磁弁３
８を通して室内熱交換器２２に送込まれ、この熱
交換器２２で放熱するポンプ輸送式暖房サイクル
運転を行う。このとき、圧縮機２０は停止し、ポ
ンプ３１で輸送するため、暖房サイクル運転時の
冷媒輸送動力を極めて小さくできる。 また、冷房サイクル時は、バーナ３４は燃焼停
止状態に保持され、かつ電磁弁３２は開口、電磁
弁３８は閉に保持されると共にポンプ３１も停止
状態にして、圧縮機２０の運転により従来通りの
サイクルで行う。 第５図は第１の室外熱交換器２６と第２の室外
熱交換器２８とを並列にした場合のこの発明の他
の実施例を示すものである。同図において、第４
図と同一の部分は同一符号を付してその構成説明
を省略し、第４図と異なる部分を重点に説明す
る。すなわち、第１の室外熱交換器２６と第２の
室外熱交換器２８は並列接続されて四方弁２１と
ポンプ３１とを結ぶ冷媒回路に直列に介挿され、
そして第１の室外熱交換器２６の冷媒流入側には
電磁弁３９を直列に接続すると共に、第２の室外
熱交換器２８の冷媒流出側には電磁弁４０を直列
に接続する。 上記構成の回路において、暖房サイクル時は、
外気温の高低に関係なく電磁弁３２，３９を閉
に、電磁弁３８，４０を開に保持し、かつ冷媒液
面Ｌの下方に位置するポンプ３１を駆動して冷媒
を輸送する。これにより冷媒は、液だめ３０の−
ポンプ３１−第２の室外熱交換器２８−電磁弁４
０−四方弁２１−バイパス路３７−室内熱交換器
２２−液だめ３０の経路で循環されると共に、第
２の室外熱交換器２８を通過する間にバーナ３４
の燃焼熱により加熱され過熱蒸気となる。この気
相の冷媒が室内熱交換器２２に送込まれることに
より、熱交換器２２で放熱し暖房サイクルを形成
する。 また、冷房サイクルに際しては、バーナ３４の
燃焼動作を停止し、かつポンプ３１を停止させる
とともに、電磁弁３２を開口、電磁弁３８を閉に
保持する。この状態で圧縮機２０を運転し、通常
の冷房サイクル運転を行わせる。このとき、外気
温が高く放熱面積を多く要する場合には、電磁弁
３９，４０の両方を開き、キヤピラリー３３で断
熱膨張された冷媒を第１および第２の室外熱交換
器２６，２８に通過させる。また、外気温がやや
低い場合には、電磁弁３９を開に、電磁弁４０を
閉にして第１の室外熱交換器２６のみを冷房サイ
クルに使用する。 なお、基準温度条件での必要冷房能力に対応す
る室外熱交換面積を第１の室外熱交換器２６のみ
でカバーできるよう設定しておけば、第２の室外
熱交換器２８の熱交換面積の増加分は、冷房能力
に関して大きな余裕となる。 次に、上記暖房サイクル時における冷媒の状態
について説明する。室外熱交換器２６，２８が直
列構成でかつ外気温が高い場合の暖房サイクルを
(a)、室外熱交換器２６，２８が直列構成でかつ外
気温が低い場合の暖房サイクルを(b)、室外熱交換
器２６，２８が並列構成の場合の暖房サイクルを
(c)としてその各冷媒の状態を第６図のモリエル線
図上に描いた場合、(a)はebfg、(b)、(c)はabcdの
サイクルとなる。 上記(a)の場合は、キヤピラリー３３により断熱
膨張が行われ、かなり湿り度の大きい冷媒が、ま
た(b)、(c)の場合はポンプ３１による液冷媒がそれ
ぞれ第１の室外熱交換器２６を経て、もしくは直
接第２の室外熱交換器２８に流入し、ここでバー
ナ３４による冷媒への熱供給がなされる。このと
き第２の室外熱交換器２８内の冷媒とバーナ３４
による燃焼ガスとの熱交換は対向流であり、した
がつて第２の室外熱交換器２８の流出口における
冷媒は過熱蒸気になり、過熱度の大きいものとな
る。この過熱度の大きい過熱蒸気は、四方弁２１
を経て圧縮機２０をバイパスするため、断熱圧縮
されることがなく第２の室外熱交換器２８の出口
での冷媒温度以上には上昇しない。そして室内熱
交換器２２に送込まれた冷媒の熱エネルギは、該
熱交換器で放熱され凝縮されて液だめ３０に戻
り、再びポンプ３１により輸送される。 ここで、圧縮比の考え方において、サイクルの
高圧側圧力は室内熱交換器２２での凝縮温度によ
り決定され、一方、ポンプ３１による運転ではサ
イクル管路内の圧力損失分だけ低下した低圧側圧
力が得られるので、圧力側で非常に圧縮比の小さ
いサイクルが得られる。 また、ポンプへの電気入力を小さくできるの
で、バーナ燃焼量と同期させて動力を制御すれ
ば、極めて簡単に暖房能力の無段階制御が可能と
なる。 なお、第６図において、ｌは飽和液線を、νは
飽和蒸気線を示す。 さらにまた、室内熱交換器２２でも、室内空気
と対向流で熱交換させれば、室内熱交換器２２の
出口での凝縮した冷媒温度は、室温にほぼ近い温
度となり、第６図のモリエル線図に明らかなよう
に従来のｆよりｃまで過冷却が可能となり、暖房
能力はｂ−ｆよりｂ−ｃと大きくなる。さらに蒸
発能力は、バーナ３４による熱供給があるため、
大きくとることが可能で、第６図のモリエル線図
上ではabcdの幅の狭いヒートポンプサイクルを
描く。 次に、この発明と従来例との暖房能力、冷房能
力、圧縮機またはポンプの仕事、システムエネル
ギ効率を第６図のモリエル線図にもとづいて比較
すると、表−のようになる。

【表】 表−においてiGは燃焼エネルギの有するエ
ンタルピである。 ここで、システムの冷媒循環量が、この発明の
実施例と従来例について同量であれば、この発明
の実施例における暖房能力、冷房能力がはるかに
大きく、ポンプ３１の仕事も圧縮機２０に比較し
て小さくなるほか、システムのエネルギ効率が大
きくなり従来例よりも優れていることが理解され
よう。また、熱焼エネルギを考慮すると、システ
ムのエネルキ効率は、従来と比較すると小さい
が、ポンプの仕事量は圧縮機２０に比較して大い
に減少し、電気入力も低下できるとともに、冷暖
房の快適性を重んじる上で、外気温低下時の暖房
能力の大きくできることは、この発明の目的を十
分に満足するものである。さらに、冷媒サイクル
停止時おける第２の室外熱交換器２８の冷媒液面
レベルＬを、室外熱交換器２８が満杯となるよう
に液だめ３０の配置位置を設定し、かつポンプ３
１を冷媒液面レベルＬより低い液だめ３０の下方
に位置させたので、ポンプ３１の吸込口を常に冷
媒液中に置くことができ、これに伴いポンプ輸送
式暖房サイクル運転の再起動時における冷媒循環
を確実にし得ると共に、熱交換器２８がバーナ３
４によつて過加熱及び溶融されるのを未然に防止
できる。 以上のようにこの発明によれば、燃焼熱を熱源
とするポンプ輸送式の暖房サイクル運転を行うよ
うにしたので、冷媒輸送動力を極めて小さくする
ことができ、このため、次に挙げる如き効果が得
られる。 (a) 電気入力の大幅な低下が可能になる (b) 十分な暖房能力の安定した供給が可能にな
る。 (c) 除霜運転の廃止による冷風吹出を防止でき
る。 (d) 熱源側熱交換器の伝熱面積の低減化により室
外ユニツトの小型化ができる。 (e) 暖房能力の無段階制御が可能である。 (f) ポンプ輸送式暖房サイクル運転の再起動時に
おける冷媒循環を確実になし得る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来における冷暖房装置の例
を示す概略構成図、第４図はこの発明にかかる冷
暖房装置の一例を示す概略構成図、第５図はこの
発明の他の実施例を示す冷暖房装置の概略構成
図、第６図はこの発明と従来における暖房サイク
ルを示す冷媒のモリエル線図である。 ２０……圧縮機、２１……四方弁、２２……室
内熱交換器、２４……室内フアン、２６……第１
の室外熱交換器、２８……第２の室外熱交換器、
３０……液だめ、３１……ポンプ、３２……電磁
弁、３３……キヤピラリー、３４……バーナ、３
５……室外フアン、３７……バイパス路、３８…
…電磁弁、３９，４０……電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、キヤピラリ
   ー、室外熱交換器等によりヒートポンプサイクル
   を形成すると共に、暖房サイクル時に上記室外熱
   交換器の少なくとも一部に熱供給を行う燃焼装置
   を有する冷暖房装置において、上記室内熱交換器
   と上記室外熱交換器とを結ぶ冷媒循環路に液だめ
   を設け、この液だめを冷媒サイクル停止時におけ
   る上記室外熱交換器内の冷媒液面レベルが所定レ
   ベルになるよう位置設定すると共に、上記液だめ
   と上記室外熱交換器とを結ぶ冷媒循環路に上記冷
   媒液面レベルより下方に位置して冷媒輸送ポンプ
   を設け、さらに上記燃焼装置の使用時に停止され
   る上記圧縮機には、上記室外熱交換器の少なくと
   も一部で加熱された冷媒を室内熱交換器へバイパ
   スする冷媒バイパス路を設けたことを特徴とする
   冷暖房装置。 ２ 上記冷媒輸送ポンプは、キヤピラリーと冷房
   運転時に開となる電磁弁との直列回路に並列に接
   続されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の冷暖房装置。 ３ 冷媒バイパス路の開閉が電磁弁により行われ
   るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の冷暖房装置。 ４ 室外熱交換器を複数にし、これら各室外熱交
   換器は冷媒回路に対し各別に連通できるよう並列
   接続されていると共に、上記室外熱交換器の少な
   くとも１つに熱供給のための燃焼装置を付加した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷
   暖房装置。