(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気を熱源とする空気熱交換器と冷媒加熱に供される水熱交換器とを室外熱交換器として有した室外ユニットと、当該室外ユニットに冷媒回路を介して接続された室内ユニットとからなる冷媒加熱式空気調和機において、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記室内ユニット側の要求出力を算出する要求出力算出手段と、
暖房運転時における前記外気温と前記要求出力とに基づき、当該外気温が所定温度以上であれば、前記空気熱交換器を選択し、前記所定温度以下であれば、前記水熱交換器を選択することに加え、前記外気温が比較的高くても前記室内ユニット側の要求出力が高い場合には前記水熱交換器を選択させ、前記外気温が比較的低くても前記室内ユニット側の要求出力が低い場合には前記空気熱交換器を選択させて、前記空気熱交換器と前記水熱交換器とのいずれか一方を室外熱交換器として選択する熱交換器選択手段と
を備えたことを特徴とする冷媒加熱式空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒加熱式空気調和機に係り、詳しくは、暖房運転時における室外熱交換器の選択を適切に行わしめる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、旧来の冷房専用機に代わり、外気を熱源として暖房を行うヒートポンプ型の空気調和機が増加している。
【０００３】
ところが、ヒートポンプ型の空気調和機では、外気温が著しく低い場合、通常の室外熱交換器（空気熱交換器）での冷媒の蒸発温度と外気温との差がごく小さく無くなり、暖房が殆ど行えなくなる不具合があった。そこで、空気熱交換器の他に水熱交換器（冷媒加熱器）を室外ユニット内に設け、冷媒と加熱ブライン供給源（例えば、ボイラ）から供給された加熱ブライン（不凍液）との間での熱交換（すなわち、冷媒加熱）を行わせることにより、比較的高温の冷媒を圧縮機に供給する冷媒加熱式のものが出現している。冷媒加熱式空気調和機では、外気温と無関係に室内熱交換器での凝縮潜熱を確保できるため、厳冬時においても十分な暖房が可能となる。
【０００４】
一般に、冷媒加熱式空気調和機では、ユーザーによる切換スイッチの操作により、空気熱交換器と水熱交換器とが切換えて使用される。例えば、暖房時であっても外気温が比較的高い場合、ユーザーは切換スイッチで空気熱交換器を選択し、ボイラの運転に伴うエネルギー消費を抑える。また、外気温が比較的低い場合や室温が設定温度にまで上昇しない場合、ユーザーは切換スイッチにより水熱交換器を選択し、室温を速やかに上昇させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した冷媒加熱式空気調和機では、空気熱交換器と水熱交換器との切換えをユーザーに委ねているため、エネルギーが不要に消費されることがあった。
【０００６】
すなわち、外気温が比較的高く、空気熱交換器により十分な暖房が行えるにも拘わらず、ユーザーが水熱交換器を誤って選択した場合、ボイラの燃料が無駄に消費されることになる。また、外気温が比較的低く、空気熱交換器による暖房効率が低下しているにも拘わらず、ユーザーが空気熱交換器を誤って選択した場合、室外ユニット内の圧縮機の稼働率が上昇し、大電力が消費されることになる。尚、外気温が低いときに同一の熱エネルギーを得ることを仮定すると、ボイラの燃料コストは圧縮機の電力コストに比してはるかに低い。
【０００７】
現在、この問題を解決するものとして、外気温センサにより検出した外気温に基づき、空気熱交換器と水熱交換器との切換えを自動的に行う方法が試みられている。ところが、外気温のみに基づいて切換えを行っても、エネルギー消費を適切に抑制することはできず、更なる改善が求められていた。例えば、外気温が比較的低くても、室内ユニット側の要求出力が低い場合には、空気熱交換器を用いても圧縮機の稼働率はさほど上昇せず、ボイラを運転する必要はない。また、外気温が比較的高くても、室内ユニット側の要求出力が高い場合には、空気熱交換器を用いると圧縮機の稼働率が著しく高くなり、水熱交換器を用いた方が総エネルギーコストは低く抑えられる。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、暖房運転時における室外熱交換器の選択を適切に行い、もってエネルギーコストの低減を実現した冷媒加熱式空気調和機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、外気を熱源とする空気熱交換器と冷媒加熱に供される水熱交換器とを室外熱交換器として有した室外ユニットと、当該室外ユニットに冷媒回路を介して接続された室内ユニットとからなる冷媒加熱式空気調和機において、外気温を検出する外気温検出手段と、前記室内ユニット側の要求出力を算出する要求出力算出手段と、暖房運転時における前記外気温と前記外気温と前記要求出力とに基づき、当該外気温が所定温度以上であれば、前記空気熱交換器を選択し、前記所定温度以下であれば、前記水熱交換器を選択することに加え、前記外気温が比較的高くても前記室内ユニット側の要求出力が高い場合には前記水熱交換器を選択させ、前記外気温が比較的低くても前記室内ユニット側の要求出力が低い場合には前記空気熱交換器を選択させて、前記空気熱交換器と前記水熱交換器とのいずれか一方を室外熱交換器として選択する熱交換器選択手段とを備えたものを提供する。
【００１２】
この発明では、例えば、予め様々な外気温度と要求能力とに対応して実験やシミュレーションを行うことにより、検出された外気温と算出した要求出力とから空気熱交換器と水熱交換器とのいずれか一方からエネルギー消費が少なくなる熱源を室外熱交換器として選択する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、一台の室外ユニット１と複数台の室内ユニット３a，３b，…（以下、室内ユニット３a，３bに代表させる）とからなる冷媒加熱式空気調和機の概略構成図であり、同図中には実線で冷媒回路を示し、一点鎖線で電気回路を示してある。
【００１４】
室外ユニット１内には、インバータを用いた能力可変型の圧縮機５、電磁式の四方弁７、並列に配置された空気熱交換器９および水熱交換器１１、アキュムレータ１３、電動ファン１５等と、圧縮機５、四方弁７、電動ファン１５等を駆動制御する室外側ＥＣＵ１７とが収納されている。
【００１５】
室外側ＥＣＵ１７は、制御中枢であるＣＰＵの他、入出力インタフェースやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマカウンタ等から構成されており、その入力インタフェースには、空気熱交換器９の入口部温度Ｔriおよび中間部温度Ｔrmを検出する液温センサ４１およびコイル温センサ４３の他、水熱交換器１１の入口側水温Ｔwiおよび出口側水温Ｔwoを検出する入口水温センサ４５および出口水温センサ４７、外気温Ｔaを検出する外気温センサ４９等、種々のセンサ類が接続している。
【００１６】
また、室内ユニット３a，３b内には、室内熱交換器２１、電動ファン２３、電動式の膨張弁２５等と、電動ファン２３および電動膨張弁２５等を駆動制御する室内側ＥＣＵ２７とが収納されている。
【００１７】
室外ユニット１および各室内ユニット３a，３b内の機器類は冷媒配管５１〜６４により接続されており、冷媒加熱運転時には実線の矢印で示した方向に冷媒が循環し、通常の暖房運転時には破線の矢印で示した方向に冷媒が循環する。図中、３１，３３は室外側ＥＣＵ１７により開閉駆動される電磁式の遮断弁であり、空気熱交換器９あるいは水熱交換器１１への冷媒配管５８，６１の管路を閉鎖する。また、３５は冷媒を一方向へのみ流通させる逆止弁であり、冷媒配管６０の管路に介装されている。
【００１８】
水熱交換器１１は、二本の水配管７１，７３を介し、加熱ブライン供給源であるボイラ７５に接続されている。両水配管７１，７３には前述した入口水温センサ４５と出口水温センサ４７とが各々装着されており、これら水温センサ４５，４７により配管内を流通するブラインの温度が入口側水温Ｔwiおよび出口側水温Ｔwoとして検出される。また、室外側ＥＣＵ１７は、ボイラ７５の図示しない制御基板に接続しており、ボイラ７５の運転制御（着火・燃焼制御、ブライン温度制御、水ポンプ駆動制御等）を行う。
【００１９】
次に、暖房運転時における冷媒の流れを説明する。
【００２０】
本実施形態の空気調和機では、室外側ＥＣＵ１７による四方弁７の切換えにより、冷房運転あるいは暖房運転が行われる。また、暖房運転時には、遮断弁３１，３３のいずれか一方のみを開放することにより、各室内ユニット３a，３bからの液冷媒の供給先を空気熱交換器９と水熱交換器１１との間で変更し、通常の暖房運転と冷媒加熱暖房運転との切換を行う。また、冷媒加熱暖房運転には、電動ファン１５を停止させると共に、ボイラ７５から水熱交換器１１に加熱ブラインを供給させる。
【００２１】
室内熱交換器２１からの液冷媒は、冷媒配管５７，５８（冷媒配管５７，６１）を介して空気熱交換器９（あるいは、水熱交換器１１）に流入し、その内部で外気（加熱ブライン）との熱交換により比較的高温のガス冷媒となる。ガス冷媒は、冷媒配管５９，６０（冷媒配管６２，６３）を介してアキュムレータ１３に流入し、更に冷媒配管６４を介して圧縮機５に吸入される。圧縮機５に吸入されたガス冷媒は、その内部で圧縮されて高温高圧となり、冷媒配管５１〜５４を介して各室内ユニット３a，３bの室内熱交換器２１に流入する。そして、高温のガス冷媒は、電動ファン２３に送風された室内空気に熱エネルギーを放出して暖房を行いながら、室内熱交換器２１内で徐々に凝縮して再び液冷媒となる。
【００２２】
さて、本実施形態では、空気調和機の暖房運転が開始されると、室外側ＥＣＵ１７が所定の制御インターバルで図２に示した熱交換器切換制御サブルーチンを繰り返し実行する。室外側ＥＣＵ１７は、このサブルーチンを開始すると、先ず図２のステップＳ１で、外気温センサ４９により検出された外気温Ｔaと、各室内側ＥＣＵ２７からの入力信号に基づき算出された能力要求Ｐdとを読み込む。
【００２３】
しかる後、室外側ＥＣＵ１７は、ステップＳ３で、図３の熱源選択マップに基づき現在の外気温Ｔaと能力要求Ｐdとに対応した熱源（空気あるいは水）を選択し、ステップＳ５でその選択結果に基づき熱交換器の切換を行う。例えば、空気熱源を選択した場合には、遮断弁３１を開放する一方で遮断弁３３を閉鎖して各室内ユニット３a，３bからの液冷媒の供給先を空気熱交換器９とした後、電動ファン１５を適宜駆動する。また、水熱源を選択した場合には、遮断弁３１を閉鎖する一方で遮断弁３３を開放して液冷媒の供給先を空気熱交換器９から水熱交換器１１に変更した後、ボイラ７５を起動させて水熱交換器１１に加熱ブラインを供給させると共に、電動ファン１５を停止させる。
【００２４】
熱源選択マップは、外気温を０．５℃単位、要求出力を１馬力単位で変化させて実験を行い、その結果に基づき各外気温および要求出力に対してエネルギー消費が少なくなる熱源（すなわち、室外熱交換）を設定したもので、室外側ＥＣＵ１７内の図示しないＲＯＭに記憶されている。
【００２５】
このように、本実施形態では、外気温のみならず、室内ユニット３a，３b側の要求出力に応じて室外熱交換器の切換を行うようにしたため、エネルギー消費を極力抑えることができた。すなわち、外気温が比較的低いときにも、室内ユニット３a，３b側の要求出力が低い場合には、空気熱交換器９が用いられるようになり、ボイラ７５が無駄に運転されなくなる。また、外気温が比較的高いときにも、室内ユニット側の要求出力が高い場合には、水熱交換器１１が用いられるようになり、圧縮機の稼働率を高めることなく十分な暖房が行える。
【００２６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態は一台の室外ユニットと複数台の室内ユニットとからなる空気調和機に適用したものであるが、両ユニットが一台ずつのものや、室外ユニットが複数台のものに適用してもよい。また、上記実施形態では、圧縮機としてインバータを用いた能力可変型のものを用いたが、機械的に段階制御を行う能力可変型のものを用いてもよいし、能力可変型と定速型とを組み合わせて用いてもよい。また、上記実施形態では、外気温と要求出力とに基づき、熱源選択マップから室外熱交換器の選択を行うようにしたが、外気温と要求出力とにそれぞれ所定の計数を乗じた後、その差が所定の閾値を超えれば水熱交換器を選択し、その差が所定の閾値を下回れば空気熱交換器を選択するようにしてもよい。更に、実施形態に係る装置の具体的構成や制御の手順等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の冷媒加熱式空気調和機によれば、暖房運転時における外気温と要求出力とに基づき、当該外気温が所定温度以上であれば、前記空気熱交換器を選択し、前記所定温度以下であれば、前記水熱交換器を選択することに加え、前記外気温が比較的高くても前記室内ユニット側の要求出力が高い場合には前記水熱交換器を選択させ、前記外気温が比較的低くても前記室内ユニット側の要求出力が低い場合には前記空気熱交換器を選択させて、空気熱交換器と水熱交換器とのいずれか一方を室外熱交換器として選択するようにしたため、ボイラや圧縮機を効率よく運転できるようになり、エネルギーコストを低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る空気調和機の概略構成図である。
【図２】熱交換器切換制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図３】外気温と要求出力とをパラメータとする熱源選択マップである。
【符号の説明】
１  室外ユニット
３a，３b  室内ユニット
５  圧縮機
１１  水熱交換器
１７  室外側ＥＣＵ
４９  外気温センサ
４７  出口側水温センサ
７５  ボイラ
【図１】
0003667921.tif 000002
【図２】
0003667921.tif 000003
【図３】
0003667921.tif 000004