(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と、
前記導管の冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間に設置して熱媒体を充填し、潜熱蓄熱材を内蔵した蓄熱槽と、
前記蓄熱槽を貫通する前記導管に設置した加熱熱交換器と、
前記蓄熱槽に供給管及び循環ポンプ付き帰還管で連結し、前記室外熱交換器の吸入側に設置した熱交換器と、
前記加熱熱交換器の外周に蒸発部を設置し、前記蒸発部に連結管で連結された放熱部を蓄熱槽の外部に位置させたヒートパイプと、
前記吸入導管に並設し、前記放熱部及び蓄熱槽に内蔵して、圧縮機に吸入される冷媒蒸気の温度によって選択的に作用する第１及び第２吸熱熱交換器とを備えるヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記循環ポンプは、外気温が５℃以下或いは３０℃以上の時に駆動されることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記循環ポンプは、室外熱交換器の吸入側に設置して信号を出力する高温センサ及び低温センサと、高温基準電圧を「−」端子、前記高温センサの出力信号を「＋」端子に受け、その両端子に入力される電圧の大きさを比較して、その比較値を論理信号として出力する第１比較器と、低温基準電圧を「＋」端子、前記低温センサの出力信号を「−」端子に受け、その両端子に入力される電圧の大きさを比較して、その比較値を論理信号として出力する第２比較器と、前記第２比較器の出力信号を受け、論理状態を反転させて出力するインバータと、前記第１比較器またはインバータの出力信号を受けて論理和演算を行い、その演算結果を出力するＯＲゲートと、前記ＯＲゲートの演算結果が論理ハイレベルであれば、ターンオンして循環ポンプに電源を供給するスイッチとからなる制御回路によって制御されることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
蓄熱槽にヒータを附設したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記第１吸熱熱交換器及び第２吸熱熱交換器の入口側にソレノイドバルブを設置し、吸入導管の圧縮機の吸入側に設置した温度センサによって選択的に開放することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプシステムに関し、より詳細には空気を熱源として用いるヒートポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く、ヒートポンプシステムは、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連結する。これにより、加熱運転の際には、四方弁を、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気が室内熱交換器側へ流れるように操作し、高温・高圧の冷媒蒸気を凝縮器として作用する室内熱交換器で凝縮して、その凝縮熱を流体と熱交換させることにより、温水を生成し或いは室内空気を加熱して暖房または乾燥機能を行い、室内熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒液を膨張弁で膨張させた後、蒸発器として作用する室外熱交換器で空気（外気）を熱源として蒸発させて低温・低圧の冷媒蒸気にした後、圧縮機で吸入して再圧縮するサイクルを繰り返す。
【０００３】
一方、冷却運転の際には、四方弁を、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気が室外熱交換器側へ流れるように操作し、高温・高圧の冷媒蒸気を、凝縮器として作用する室外熱交換器で空気を熱源として凝縮させ、室外熱交換器で凝縮された高温・高圧の冷媒液を膨張弁で膨張させた後、蒸発器として作用する室内熱交換器で冷媒液が蒸発されるときにその蒸発熱を流体に吸収させることにより、冷水を生成し或いは室内空気を冷却して冷房などを行い、室内熱交換器で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気を圧縮機で吸入して再圧縮するサイクルを繰り返す。
【０００４】
前記ヒートポンプシステムは、加熱運転の場合、室外熱交換器で外気を熱源として冷媒液を蒸発させるときに外気温が低ければ、室外熱交換器の表面に霜が付くことにより、冷媒液の蒸発が良好でなくて加熱能力が著しく低下するため、蒸発器における冷媒液の蒸発を助長するか或いは圧縮機に吸入される冷媒蒸気の蒸発促進に多くの能力を注いでいる。
【０００５】
その一例として、日本国特開昭５４−４５９４９号公報には、暖房回路中に冷媒加熱器を設置して暖房運転時に蒸発器として兼用できるようにし、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気を室内熱交換器で凝縮して室内を暖房した後、暖房用減圧機構で減圧された冷媒液を冷媒加熱器で蒸発させることにより、外気温が低い場合でも暖房能力が低下しないようにした冷・暖房装置が開示されている。
【０００６】
また、日本国特公昭５５−５０１７号公報には、室外側熱交換器を複数個設置し、冷房時には前記複数個の室外側熱交換器を同時に凝縮器として、暖房時には蒸発器として作用させる第１サイクルと、圧縮機から室内側熱交換器に流れる高温・高圧の冷媒蒸気の一部を分流させて前記複数個の室外熱交換器に直接導入し、前記室外熱交換器の一方を凝縮器、他方を蒸発器として交互に作用させる第２サイクルを切り換える流路切換装置を備えたヒートポンプ式冷・暖房装置が開示されている。
【０００７】
また、本発明者は、圧縮機、変換バルブ、室内熱交換器、冷房用減圧機構、暖房用減圧機構及び室外熱交換器を第１導管と冷媒ガス戻り管で連結した冷媒回路において、前記第１導管の前記室内熱交換器と暖房用減圧機構との間に設置した第１熱交換器と、前記第１導管の前記室外熱交換器と変換バルブとの間に、前記第１熱交換器より上方に位置するように設置され、前記第１熱交換器とバルブ付き連結管で連結されて閉回路を形成するた第２熱交換器とを備えると共に、前記第１及び第２熱交換器に作動流体を充填し、前記室内熱交換器で凝縮される冷媒液からの熱を熱源として圧縮機に吸入される冷媒液及び冷媒蒸気の蒸発を促進するようにしたヒートポンプ式空気調和機を日本特許第３,１２０,２３４号で提案したことがある。
【０００８】
一方、上述したヒートポンプシステムは、室外熱交換器で外気を熱源として冷媒液を蒸発させるか或いは冷媒蒸気を凝縮させるものなので、その容量は室外熱交換器から伝達される熱量によって決定され、室外熱交換器の熱伝達面積は室内熱交換器の熱伝達面積の１.２〜１.４倍に設計することが当業界で知られている事実である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記日本国特開昭５４−４５９４９号公報に記載のものは、暖房運転時に冷媒加熱器を蒸発器として兼用できるようになっているが、その冷媒加熱器の具体的な技術手段が記載されていないところ、蒸発器の構造上、体積が小さく且つ設置が容易な電熱構造を用いるほかはないので、維持費が高くなり、日本国特公昭５５−５０１７号公報に記載のものは、暖房時に外気温が低下して室外側熱交換器に霜が付いた場合、圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気の一部を分流して使用するため、圧縮機を大容量にしなければならないため、設備費及び維持費が高くなるという問題点がある。さらに、本発明者の先特許も、外気温が低い場合、室外熱交換器で冷媒液の蒸発が充分でなく、酷寒期には補助加熱手段を用いるべきなので、その構造が複雑で且つ維持費が高くかかるという問題点がある。それだけでなく、上述した特許らは、酷寒期に室外熱交換器における冷媒液の蒸発が低調であるから、成積係数（ＣＯＰ;coefficient of performance)が低下して加熱効率が劣るという問題点がある。
【００１０】
そして、冷却運転時に外気温が高いときには、室外熱交換器で凝縮される冷媒蒸気と外気との温度差が小さくなることにより、冷媒蒸気の凝縮が不完全になって冷却負荷が減少する場合などには、室内熱交換器で冷媒液の蒸発が不完全なので、湿り蒸気状態で圧縮機に吸入されることにより、リキッドバック(liquid back)が発生して圧縮機のバルブを損傷させる原因になり、液圧縮によるリキッドハンマー(liquid hammer)が発生して圧縮機が損傷することがあり、成積係数も低下する。
【００１１】
このような問題点を解消する一環として、室外熱交換器を大容量とすることが考えられるが、この場合は材料費が高く、設置面積を大きく占めるなどの他の問題点が発生する。
【００１２】
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、加熱運転時に外気温が低い場合にも室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、冷却運転時に外気温が高い場合にも室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮を良好にして、成積係数を増大できるようにしたヒートポンプシステムを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和または過熱蒸気化して成積係数をさらに増大できるようにしたヒートポンプシステムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷却用膨張弁、加熱用膨張弁、室外熱交換器及び前記四方弁を導管で順次連結し、前記四方弁と圧縮機を吸入導管で連結した基本冷凍回路と、前記導管の冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間に設置して熱媒体を充填し、潜熱蓄熱材を内蔵した蓄熱槽と、前記蓄熱槽を貫通する前記導管に設置した加熱熱交換器と、前記蓄熱槽に供給管及び循環ポンプ付き帰還管で連結し、前記室外熱交換器の吸入側に設置した熱交換器と、前記加熱熱交換器の外周に蒸発部を設置し、前記蒸発部に連結管で連結された放熱部を蓄熱槽の外部に位置させたヒートパイプと、前記吸入導管に並設し、前記放熱部及び蓄熱槽に内蔵して、圧縮機に吸入される冷媒蒸気の温度によって選択的に作用する第１及び第２吸熱熱交換器とを含むヒートポンプシステムを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を示す構成図である。図１において、１は基本冷凍回路である。前記基本冷凍回路１は、圧縮機２の吐出口、四方弁３、室内熱交換器４、冷却用膨張弁５、加熱用膨張弁６、室外熱交換器７及び前記四方弁３を導管８で順次連結し、前記四方弁３と圧縮機２の吸入口を吸入導管９で連結して、加熱運転時には室内連結交換器４を凝縮器として、室外熱交換器７を蒸発器として作用させ、冷却運転時には室外熱交換器７を凝縮器として、室内熱交換器４を蒸発器として作用させるものである。
【００１６】
１０は蓄熱槽である。前記蓄熱槽１０は前記導管８の前記冷却用膨張弁５と加熱用膨張弁６との間に設置し、前記蓄熱槽１０内には前記導管８を貫通させて、前記導管８に設置した加熱交換器１１を内蔵すると共に、熱媒体１２を充填してなるものである。そして、前記蓄熱槽１０には潜熱蓄熱材１３を内蔵して熱媒体１２の縮熱時間を延長し、その温度を一定に維持し、蓄熱槽１０の側壁にはヒータ１４を設置して熱媒体１２をさらに加熱する。
【００１７】
前記潜熱蓄熱材１３は硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、炭酸塩、パラフィンなど公知のものを使用し、２７〜３０°で相変化を起こすようにするものである。
【００１８】
２０は熱交換器である。前記熱交換器２０は、前記蓄熱槽１０と供給管２１及び帰還管２２で連結して前記室外熱交換器７の吸入側に一体に形成し或いは近接設置し、帰還管２２には循環ポンプ２３を設置したものである。前記熱交換器２０は、加熱運転時には、外気温が５℃以下の場合、加熱熱交換器１１の放熱によって熱媒体１２を加熱すると同時に潜熱蓄熱材１３に縮熱しながら加熱された熱媒体１２を循環させて、室外熱交換器７に吸入される外気を予熱して室外熱交換器７に供給することにより、室外熱交換器７の霜付を防止し或いは付いた霜を除去し、これに対し、冷却運転時には、外気温が設定温度（例えば３０℃内外）以上の場合、前記熱媒体１２を循環させて室外熱交換器７への外気を冷却して冷却空気を室外熱交換器７に供給することにより、冷媒蒸気の凝縮を良好にするものである。
【００１９】
前記循環ポンプ２３の制御回路は、例えば、図２に示すように、室外熱交換器７の吸入側に設置して信号を出力する高温センサ１２３及び低温センサ１２４と、高温（例えば３０℃）基準電圧を「−」端子に、前記高温センサ１２３の出力信号を「＋」端子に受けて、その両端子に入力される電圧の大きさを比較し、その比較値を論理信号として出力する第１比較器１２５と、低温（５℃）基準電圧を「＋」端子に、前記低温センサ１２４の出力信号を「−」端子に受けて、その両端子に入力される電圧の大きさを比較し、その比較値を論理信号として出力する第２比較器１２６と、前記第２比較器１２６の出力信号を受け、論理状態を反転させて出力するインバータ１２７と、前記第１比較器１２５またはインバータ１２７の出力信号を受けて論理和演算を行い、その演算結果を出力するＯＲゲート１２８と、前記ＯＲゲート１２８の演算結果が論理ハイレベルであれば、ターンオン動作を行って循環ポンプ２３に電源を供給するスイッチ１２９とからなる。
【００２０】
３０はヒートパイプである。前記ヒートパイプ３０は、前記加熱熱交換器１１の外周に設置する蒸発部３１と、前記蓄熱槽１０の外部に位置させる放熱部３２と、前記蒸発部３１と前記放熱部３２を連結する連結管３３とからなり、内部に蒸留水、アルコールなどの作動流体を真空充填してなるものである。
【００２１】
４０は第１吸熱熱交換器、４１は第２吸熱熱交換器である。前記第１吸熱熱交換器４０及び第２吸熱熱交換器４１は前記吸入導管９に並設して、第１吸熱熱交換器４０は前記放熱部３２に内蔵し、第２吸熱熱交換器４１は前記蓄熱槽１０に内蔵する。そして、前記第１及び第２吸熱熱交換器４０、４１の入口側には、吸入導管９の圧縮機２の吸入側に設置した温度センサ４２の出力信号によって開放されるソレノイドバルブ４０’、４１’を設置し、圧縮機２に吸入される冷媒蒸気の温度が適正温度（例えば１２℃）以上の場合にはソレノイドバルブ４０’を開放し、圧縮機２に吸入される冷媒蒸気を放熱部３２で作動流体の凝縮熱によって加熱して少しだけ温度を上げ、適正温度以下の場合にはソレノイドバルブ４１’を開放して第２吸熱熱交換器４１で熱媒体の保有熱によって加熱して大きく温度を上げることにより、圧縮機２に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和または過熱蒸気化するものである。
【００２２】
未説明符号５１はファン、５２、５３はチェックバルブをそれぞれ示す。
上述した本発明は、加熱運転時には、四方弁３を冷媒が実線矢印に沿って流れるように操作した後、圧縮機２を駆動すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室内熱交換器４に流入して凝縮され、その凝縮熱によって流体を加熱させることにより、温水を生成し或いは空気調和（暖房）機能などを行い、室内熱交換器４で凝縮された高温・高圧の冷媒液は、チェックバルブ５２を経由して蓄熱槽１０に内蔵された加熱熱交換器１１でヒートパイプ３０の蒸発部３１内の作動流体を蒸発させると同時に熱媒体１２を加熱することにより過冷却される。前記過冷却された冷媒液は、加熱用膨張弁６で膨張された後、蒸発器として作用する室外熱交換器７で外気を熱源として蒸発され、室外熱交換器７で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気は、四方弁３を経由した後、吸入導管９に並設してヒートパイプ３０の放熱部３２及び蓄熱槽１０に内蔵された第１吸熱熱交換器４０または第２吸熱熱交換器４１を選択的に経由しながら、作動流体の凝縮熱または熱媒体保有熱によって加熱され、乾き飽和または過熱蒸気化された後、圧縮機２に吸入されて再圧縮されるサイクルを繰り返す。
【００２３】
そして、冷却運転時には、四方弁３を冷媒が破線矢印に沿って流れるように操作した後、圧縮機２を駆動すると、圧縮機２で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気は、凝縮器として作用する室外熱交換器７に流入されて凝縮され、室外熱交換器７で凝縮された高温・高圧の冷媒液はチェックバルブ５３を経由して冷却用膨張弁５で膨張された後、蒸発器として作用する室内熱交換器４に流入されて蒸発しながら、その蒸発熱を流体で吸収して流体を冷却させることにより、冷水を生成し或いは空気調和（冷房）機能などを行い、室内熱交換器４で蒸発された低温・低圧の冷媒蒸気は、四方弁３及び吸入導管９を経由して圧縮機２に吸入されて再圧縮されるサイクルを繰り反す。前記冷却サイクルを繰返し行った場合、加熱熱交換器１１、第１吸熱熱交換器４０及び第２吸熱熱交換器４１は前記加熱運転時と同一の機能を行う。
【００２４】
一方、上述したように加熱及び冷却運転時に加熱熱交換器１１で冷媒液が過冷却される場合、その凝縮熱を放熱してヒートパイプ３０の蒸発部３１に充填された作動流体を蒸発させると同時に熱媒体１２が加熱され、前記熱媒体１２の温度が潜熱蓄熱材１３の相変化温度２７〜３０℃以上になると、潜熱蓄熱材１３が液体になると共に融解熱を吸収貯蔵し、相変化温度以下になると、固体になると共に熱媒体に凝固熱を放出することにより、熱媒体１２はほぼ一定の温度を維持する。
【００２５】
このような状態で加熱運転を行う時に外気温が５℃以下になると、低温センサ１２４の出力信号は第２比較器１２６の「−」端子に入力される。すると、第２比較器１２６は「＋」端子と「−」端子に入力される電圧の大きさを比較してローレベルの論理信号「０」を出力する。次に、前記第２比較器１２６の出力信号はインバータ１２７を介して反転される。ＯＲゲート１２８ではその演算結果によってスイッチ１２９を「オン」させる。これにより、循環ポンプ２３が駆動されて蓄熱槽１０に貯蔵され、潜熱蓄熱材１３の凝固熱によって加熱された熱媒体１２を熱交換器２０に供給して室外熱交換器７の吸入部周囲の外気を予熱した後、室外熱交換器７に吸入されるようにした。このため、外気温が低い場合にも室外熱交換器７に霜が付かないか、或いは霜が除去されるため、室外熱交換器７で冷媒液の蒸発が良好になる。一方、外気温が５℃以上になると、循環ポンプ２３が停止することにより、室外熱交換器７の吸入部の外気予熱は中止される。したがって、運転中止などの理由で、温度が適正温度以下の場合にはヒータ１４によって加熱するものである。
【００２６】
また、冷却運転時に外気温が３０℃以上になると、高温センサ１２３の出力信号は、第１比較器１２５の「＋」端子に入力される。前記第１比較器１２５は「＋」端子と「−」端子に入力される電圧の大きさを比較してハイレベルの論理信号「１」を出力し、前記第１比較器１２５の出力信号はＯＲゲート１２８でその演算結果によってスイッチ１２９を「オン」させる。これにより、循環ポンプ２３が駆動されて蓄熱槽１０に貯蔵された熱媒体を熱交換器２０に供給して室外熱供給器７周囲の外気を冷却させた後、室外熱交換器７に吸入されるようにした。このため、冷媒蒸気の凝縮温度と外気温との差を大きくすることにより、冷媒蒸気の凝縮が良好になり、外気温が３０℃未満になると、循環ポンプ２３は停止する。
【００２７】
前記冷却運転時に高温センサ１２３の出力信号温度を３０℃と例示したが、室外熱交換器７の熱伝達面積または外気の気候条件などによって上昇または下降させることができ、この場合、潜熱蓄熱材１３の相変化温度も変更する。
【００２８】
そして、上述した加熱及び冷却運転時に、室外熱交換器７または室内熱交換器４で蒸発された冷媒蒸気の温度が適正温度、例えば１２℃以下の場合には、吸入導管９の圧縮機２の吸入側に設置した温度センサ４２の出力信号によってソレノイドバルブ４１’が開放されるので、その湿り冷媒蒸気は第２吸熱熱交換器４１を経由して熱媒体によって加熱され、１２℃以上の場合にはソレノイドバルブ４０’が開放されるので、その湿り冷媒蒸気はヒートパイプ３０の放熱部３２で作動流体が凝縮される時の凝縮熱によって加熱されることにより、乾き飽和または過熱蒸気化されるため、圧縮機のリキッドバック及びリキッドハンマーが発生しなくなる。
【００２９】
本発明は、このように外気温の低い加熱運転時には室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、外気温の高い冷却運転時には室外熱交換器で冷媒蒸気の凝縮を良好にすると同時に、圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和または過熱蒸気化することにより、圧縮機の信頼性を確保することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の請求項１または２記載の発明は、基本冷凍回路の冷却用膨張弁と加熱用膨張弁との間に蓄熱槽を設置し、凝縮器として作用する室内または室外熱交換器から排出される冷媒液で熱媒体を加熱して、前記熱媒体を室外熱交換器の吸入部に設置した熱交換器に供給することにより、室外熱交換器に吸入される外気を加熱または冷却するようにしたため、外気温の低い加熱運転時には室外熱交換器で冷媒液の蒸発を良好にし、外気温の高い冷却運転時には冷媒蒸気の凝縮を良好にするとともに、前記熱媒体及びヒットパイプの作動流体によって圧縮機に吸入される湿り冷媒蒸気を乾き飽和または過熱蒸気化することにより、圧縮機のリキッドバック及びリキッドハンマーの発生を防止したため、成積係数が向上し、外気温が低い或いは高い時にも成積係数が向上することにより、季節に拘らず効率を良好に維持することができる。
【００３１】
請求項３記載の発明は、前記請求項１及び２の効果に加え、循環ポンプの制御を良好に行うことができる。
【００３２】
請求項４記載の発明は、前記請求項１及び２の効果に加え、蓄熱槽の温度調節を良好に行うことができる。
【００３３】
請求項５記載の発明は、前記請求項１及び２の効果に加え、圧縮機に吸入される湿り飽和蒸気を外気または運転条件に拘らず、良好に乾き飽和または過熱蒸気化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す構成図である。
【図２】  本発明の実施例に係る循環ポンプの制御回路図である。
【符号の説明】
１  基本冷凍回路、４  室内熱交換器、７  室外熱交換器、１０  蓄熱槽、１１  加熱熱交換器、１３  潜熱蓄熱材、１４  ヒータ、２０  熱交換器、３０  ヒートパイプ、３１  蒸発部、３２  放熱部、４０、４１  第１及び第２吸熱熱交換器。
【図１】
0003662557.tif 000002
【図２】
0003662557.tif 000003