(57)【要約】【課題】暖房運転時に室外熱交換器が凍結することがなく、また、室外熱交換器が凍結している状態で暖房運転した場合に、これを速やかに解除することができるヒートポンプ方式の空調装置の提供を図る。【解決手段】暖房運転時は水−冷媒熱交換器１２において圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒とヒータコア１１に導入される水との熱交換によりヒータコア１１が加熱され、室内導入空気を昇温して暖房する。室外熱交換器２が凍結している状態で暖房運転した場合、水−冷媒熱交換器１２から室外熱交換器２に導入される冷媒の熱交換後の余剰熱で凍結を解除することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された冷媒の循環経路を切換える切換弁（５）と、切換弁（５）を介して導入された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器（２）と、室外熱交換器（２）で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁（３）と、第１膨張弁（３）で減圧された冷媒を膨張させる蒸発器（４）と、を冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路（Ｌ１）と、前記圧縮機（１）と、前記切換弁（５）と、該切換弁（５）から流出した冷媒を減圧する第２膨張弁（１０）と、該第２膨張弁（１０）で減圧した冷媒を導入する前記室外熱交換器（２）と、を冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路（Ｌ２）と、を備え、かつ、
前記第１循環経路（Ｌ１）又は第２循環経路（Ｌ２）の一方に、前記圧縮機（１）で圧縮、昇温された冷媒と、ヒータコア（１１）に導入される水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器（１２）を配設したことを特徴とする空調装置。
【請求項２】
請求項１に記載の空調装置において、切換弁（５）から流出した冷媒を室外熱交換器（２）を通さずに第１膨張弁（３）を経由して蒸発器（４）に導入して暖房運転する第３循環経路（Ｌ３）を設定したことを特徴とする空調装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の空調装置において、切換弁（５）から流出した冷媒の一部を、第２循環経路（Ｌ２）から分岐して第１膨張弁（３）を経由して蒸発器（４）に導入して暖房運転する第４循環経路（Ｌ４）を設定したことを特徴とする空調装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の空調装置において、第１膨張弁（３）に導入される高圧冷媒と、蒸発器（４）から流出した低圧冷媒との間で熱交換させる冷媒熱交換器（１３）を設けると共に、この冷媒熱交換器（１３）をバイパスする高圧冷媒バイパス通路（２０ｅ）を設け、該高圧冷媒バイパス通路（２０ｅ）に、暖房運転時に高圧冷媒の流れを前記冷媒熱交換器（１３）をバイパスさせる３方弁（１５）を設けたことを特徴とする空調装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の空調装置において、第１膨張弁（３）に導入される高圧冷媒と、蒸発器（４）から流出した低圧冷媒との間で熱交換させる冷媒熱交換器（１３）を設けると共に、この冷媒熱交換器（１３）をバイパスする高圧冷媒バイパス通路（２０ｅ）を設け、該高圧冷媒バイパス通路（２０ｅ）に、暖房運転時に該高圧冷媒バイパス通路（２０ｅ）を開放するシャット弁（１６）を設けたことを特徴とする空調装置。
【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サイクル方式の空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプサイクル方式の空調装置としては、圧縮機で圧縮、昇温させた冷媒と、ヒータコアに導入される水との間で熱交換させて室内暖房を行わせるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９８４３０号公報（第２頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の空調装置では、圧縮機、水−冷媒熱交換器、蒸発器、室外熱交換器を通る１系統サイクルであるため、暖房運転時に室外熱交換器が凍結した場合、成績係数が悪化したり、圧縮機の破損をまねくおそれがあるため圧縮機を停止する必要があって極端に暖房性能が悪化してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は暖房運転時に室外熱交換器が凍結することがなく、また、室外熱交換器が凍結している状態で暖房運転した場合に、該室外熱交換器の凍結を速やかに解除して暖房性能を向上することができるヒートポンプ方式の空調装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の空調装置にあっては、圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒の循環経路を切換える切換弁と、切換弁を介して導入された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器と、室外熱交換器で熱交換器された冷媒を減圧する第１膨張弁と、第１膨張弁で減圧された冷媒を膨張させる蒸発器と、を冷媒が循環して冷房運転する第１循環経路と、
前記圧縮機と、前記切換弁と、該切換弁から流出した冷媒を減圧する第２膨張弁と、該第２膨張弁で減圧した冷媒を導入する前記室外熱交換器と、を冷媒が循環して暖房運転する第２循環経路と、を備え、かつ、
前記第１循環経路又は第２循環経路の一方に、前記圧縮機で圧縮、昇温された冷媒と、ヒータコアに導入される水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器を配設したことを特徴としている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の空調装置によれば、暖房運転は第２循環経路に切換えることにより、水−冷媒熱交換器において圧縮機で圧縮、昇温された冷媒とヒータコアに導入される水との熱交換によりヒータコアが加熱され、該ヒータコアを通過する室内導入空気を昇温して暖房する。
【０００８】
暖房運転始動時に室外熱交換器が凍結していた場合でも、水−冷媒熱交換器を流出して室外熱交換器に導入される冷媒の余剰熱によって該室外熱交換器の凍結を解除できることは勿論、同様の理由により暖房運転中に室外熱交換器が凍結することはなく、従って、室外熱交換器の凍結を解除する目的で一時的に圧縮機を停止又は冷房サイクルへ切り換える必要がなく、暖房性能を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に詳述する。
【００１０】
図１は本発明空調装置の一実施形態を示すサイクル系統図、図２は冷房運転時のサイクル系統図、図３は暖房運転時のサイクル系統図、図４は除湿暖房運転の第１形態を示すサイクル系統図、図５は除湿暖房運転の第２形態を示すサイクル系統図、図６は除霜運転の第１形態を示すサイクル系統図、図７は除霜運転の第２形態を示すサイクル系統図である。
【００１１】
図１に示す空調装置は冷媒としてＣＯ2 ガスを用いており、１は冷媒を圧縮する圧縮機、２は圧縮機１から吐出された冷媒と外気との間で熱交換させる室外熱交換器、３は室外熱交換器２で熱交換された冷媒を減圧する第１膨張弁、４は第１膨張弁３で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器を示している。
【００１２】
５は圧縮機１から吐出された冷媒の循環経路を後述するように切換える切換弁としての４方弁で、前記圧縮機１の吐出口１ａとポート５ａとを配管２０ａで接続し、ポート５ｂと室外熱交換器２の入口２ａとを配管２０ｂで接続している。
【００１３】
室外熱交換器２の出口２ｂと前記第１膨張弁３および蒸発器４の入口４ａとを配管２０ｃで接続してあり、そして、蒸発器４の出口４ｂと前記圧縮機１の吸入口１ｂとを配管２０ｄで接続し、該配管２０ｄに気液分離を行うアキュームレータ６を介装してある。
【００１４】
前記４方弁５のポート５ｄと、配管２０ｃにおける室外熱交換器２の出口２ｂと第１膨張弁３との間とを配管３０ａで接続してある。
【００１５】
この配管３０ａには冷媒の４方弁５側への逆流を阻止する第１逆止弁７を介装してあり、配管２０ｃにおける前記配管３０ａとの分岐部と室外熱交換器２の出口２ｂとの間には、冷媒の室外熱交換器２側への逆流を阻止する第２逆止弁８を介装してある。
【００１６】
この第２逆止弁８をバイパスして前記配管３０ａにおける第１逆止弁７の後流と、配管２０ｃの室外熱交換器出口２ｂの近傍とに跨って配管３０ｂで接続し、該配管３０ｂに第２膨張弁１０を介装してある。
【００１７】
４方弁５のポート５ｃと、前記配管２０ｄにおける蒸発器出口４ｂとアキュームレータ６との間とを配管３０ｃで接続してあり、この配管３０ｃに冷媒の４方弁５側への逆流を阻止する第３逆止弁９を介装してある。
【００１８】
前記４方向弁５はポート５ａと５ｂとを連通切換えすると内部通路５ｃによりポート５ｃと５ｄとを連通し、ポート５ａと５ｄとを連通切換えすると内部通路５ｅによりポート５ｂと５ｃとを連通するようになっている。
【００１９】
また、前記第１膨張弁３および第２膨張弁１０はそれぞれ流量調整可能としてある。
【００２０】
そして、前記４方弁５を、ポート５ａと５ｂとを連通する第１切換位置に切換えると共に第１膨張弁３を開き、第２膨張弁１０を閉じることにより、図２に示すように圧縮機１―４方弁５―室外熱交換器２―第１膨張弁３―蒸発器４―アキュームレータ６、をこの順に冷媒が循環する第１循環経路Ｌ１と、
４方弁５をポート５ａと５ｄとを連通する第２切換位置に切換えると共に第２膨張弁１０を開き、第１膨張弁３を閉じることにより、図３に示すように圧縮機１―４方弁５―第２膨張弁１０−室外熱交換器２―４方弁５―アキュームレータ６、をこの順に冷媒が循環する第２循環経路Ｌ２と、
４方弁５を前記第２切換位置に切換えると共に第１膨張弁３を開き、第２膨張弁１０を閉じることにより、図４に示すように圧縮機１―切換弁５−第１膨張弁３−蒸発器４−アキュームレータ６、をこの順に冷媒が循環する第３循環経路Ｌ３と、
４方弁５を前記第２切換位置に切換えると共に第２膨張弁１０、第１膨張弁３を任意の開度に調整することにより、図５に示すように前記第２循環経路Ｌ２とは別に４方弁５から流出した冷媒の一部を、第１膨張弁３を経由して蒸発器４に導入する第４循環経路Ｌ４と、
を設定し得るようにしてある。
【００２１】
一方、前記圧縮機１の吐出口１ａと４方弁５のポート５ａとを接続した配管２０ａには、該圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒と、ヒータコア１１に導入される水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器１２を配設してある。
【００２２】
この水−冷媒熱交換器１２は、例えばヒータコア１１に水を導入する水配管４０ａと前記配管２０ａとを部分的に２重管にして構成することができる。
【００２３】
また、ヒータコア１１で室内供給空気に放熱し終えた水を導出する水配管４０ｂは図外のエンジンブロック又はＦＣスタックに循環される。
【００２４】
また、本実施形態では前記第２逆止弁８と第１膨張弁３との間の配管２０ｃと、アキュームレータ６と圧縮機１との間の配管２０ｄとに跨って、第１膨張弁３に導入される高圧冷媒と、蒸発器４から流出した低圧冷媒との間で熱交換させる冷媒熱交換器１３を配設してある。
【００２５】
この冷媒熱交換器１３は、例えば配管２０ｃと２０ｄとを部分的に２重管にして構成することができる。
【００２６】
次に以上の構成よりなる第１実施形態の空調装置の作用について説明する。
【００２７】
〈冷房運転〉
４方弁５を第１切換位置に切換えて、図２の太実線で示すように冷媒流れラインを第１循環経路Ｌ１に設定する。図２中破線は冷媒停止ラインを示す。
【００２８】
これにより、圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒は、水−冷媒熱交換器１２を通過し、４方弁５を経由して室外熱交換器２に導入されて、ここで冷媒と外気との間で熱交換される。
【００２９】
室外熱交換器２で冷却された高圧冷媒は、冷媒熱交換器１３を通過して第１膨張弁３に至って該第１膨張弁３で減圧され、蒸発器４に導入されて膨張して、ここで蒸発器４を通過する室内供給空気と熱交換されて室内を冷房する。
【００３０】
蒸発器４から流出した冷媒はアキュームレータ６で気液分離されて冷媒熱交換器１３を通過し、再び圧縮機１で圧縮される。
【００３１】
この冷房運転時には、冷媒熱交換器１３において、第１膨張弁３に導入される高圧冷媒と、蒸発器４から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせるため、成績効率を向上することができる。
【００３２】
また、冷房運転時には、ユニットケース内の分配ドア１４によりヒータコア１１への室内供給空気の流通が遮断されるため、ヒータコア１１での熱交換は行われない。
【００３３】
〈暖房運転〉
４方弁５を第２切換位置に切換えて、図３の太実線で示すように冷媒流れラインを第２循環経路Ｌ２に設定する。
【００３４】
この暖房運転時には前記分配ドア１４の開度調整が行われる。
【００３５】
これにより、圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒は、水−冷媒熱交換器１２においてヒータコア１１に導入される水と熱交換され、加熱された温水がヒータコア１１に導入されて、ここでヒータコア１１を通過する室内供給空気と熱交換されて室内を暖房し、圧縮機１で昇温された冷媒の熱が室内暖房用に回収される。
【００３６】
水−冷媒熱交換器１２から流出した冷媒は４方弁５、第１逆止弁７を経由して第２膨張弁１０に至り、該第２膨張弁１０で減圧されて室外熱交換器２に導入されて膨張し、ここで外気と熱交換された後、４方弁５，第３逆止弁９を通ってアキュームレータ６、冷媒熱交換器１３の順に導かれて再び圧縮機１で圧縮される。
【００３７】
ここで、前記暖房運転時に第１膨張弁３を全閉にしないで、蒸発器４が吸熱して室内を冷やしてしまわない程度の冷媒が流通し得るように該第１膨張弁３を微小に開くことにより、図３に細実線で示すように第４循環経路Ｌ４が開かれるため、冷媒停止ラインが無くなって、冷媒量が不足したり、冷媒中にミスト状に混在する潤滑オイル量が不足したりするのを回避することができる。
【００３８】
〈除湿暖房運転１〉
４方弁５を第２切換位置に切換えると共に、第１膨張弁３を開き、第２膨張弁１０を閉じて、図３の太実線で示すように冷媒流れラインを第３循環経路Ｌ３に設定する。図３中破線は冷媒停止ラインを示す。
【００３９】
この除湿暖房運転１の運転時は、前記暖房運転時と同様に、水−冷媒熱交換器１２において、圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒と、ヒータコア１１に導入される水との間で熱交換が行われて、冷媒の熱を室内暖房用に効率的に回収できる一方、４方弁５から流出した冷媒は第１逆止弁７、冷媒熱交換器１３、第１膨張弁３を経由し、蒸発器４に導入されて膨張して該蒸発器４に除湿機能が得られ、室内供給空気をヒータコア１１に導入される前に除湿して、室内の窓曇り防止を行わせることができる。
【００４０】
従って、室内の窓曇り防止のため室内供給空気として比較的冷たい外気を吸気したり、一時的に冷房運転したりする必要がなく、比較的暖かい室内空気を室内供給空気として取り込むことができるため、成績係数を向上することができる。
【００４１】
〈除湿暖房運転２〉
４方弁５を第２切換位置に切換えると共に、第２膨張弁１０および第１膨張弁３をそれぞれ任意に開度調整して、図５に示すように第２循環経路Ｌ２と第４循環経路Ｌ４とを設定する。
【００４２】
この除湿暖房運転２の運転時は、前記暖房運転時と同様に冷媒は第２循環経路Ｌ２を循環すると共に、第２循環経路Ｌ２から分岐して第４循環経路Ｌ４を循環し、水−冷媒熱交換器１２において、圧縮機１で圧縮、昇温された冷媒と、ヒータコア１１に導入される水との間で熱交換が行われて、冷媒の熱を室内暖房用に効率的に回収できる一方、４方弁５から流出した冷媒の一部を、第１膨張弁３側に分岐導入させて蒸発器４の除湿機能を発揮させ、室内の窓曇り防止を行わせる。
【００４３】
従って、この除湿暖房運転２では、前記除湿暖房運転１の運転時と同様の効果が得られる他に、第４循環経路Ｌ４の開放により冷媒停止ラインが無くなって、冷媒量が不足したり、冷媒中にミスト状に混在する潤滑オイル量が不足したりするのを回避することができる。
【００４４】
〈除霜運転１〉
暖房運転始動時に室外熱交換器２が霜や着氷によって凍結していた場合、該室外熱交換器２の除霜、凍結解除を行う必要がある。
【００４５】
除霜運転１は前記除湿暖房運転１と同じ原理であるが、外気温が０℃以上の状態で室外熱交換器２が霜や着氷によって凍結している場合に行われ、図６の太実線で示すように冷媒流れラインを第３循環経路Ｌ３に設定する。
【００４６】
これにより、水−冷媒熱交換器１２とヒータコア１１とでの熱交換作用により、冷媒の熱を室内暖房用に回収して室内暖房を行えると共に、室外熱交換器２の凍結を０℃以上の外気によって解除して、成績係数の悪化を回避することができる。
【００４７】
〈除霜運転２〉
除霜運転２は外気温が０℃以下の状態で室外熱交換器２が凍結している場合に行われ、この除霜運転２は前記冷房運転と同じ原理で、図７の太実線で示すように冷媒流れラインを第１循環経路Ｌ１に設定して運転するが、ユニットケース内の分配ドア１４を開度調整してヒータコア１１に室内供給空気を通過させる。
【００４８】
これにより、水−冷媒熱交換器１２とヒータコア１１とでの熱交換作用により、冷媒の熱を室内暖房用に回収して室内暖房を行えると共に、水−冷媒熱交換器１２から流出した冷媒が室外熱交換器２に導入されることにより、前記水−冷媒熱交換器１２での熱交換後の冷媒の余剰熱で該室外熱交換器２の凍結を解除する。
【００４９】
従って、これら除霜運転１、除霜運転２の何れにあっても、室外熱交換器２の凍結を速やかに解除し、かつ、成績係数の悪化を伴うことなく暖房運転に移行することができる。
【００５０】
図８は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、配管３０ａの４方弁５と第１逆止弁１との間に水−冷媒熱交換器１２を配設してある。
【００５１】
このように、水−冷媒熱交換器１２を配管３０ａに配設することにより、冷房運転時において、外気温が低い場合は圧縮機１の吐出圧力、吐出温度が低い状態にある一方、エンジン又はＦＣスタックを循環してヒータコア１１に導入される冷却水が熱くなっている場合、前記水−冷媒熱交換器１２で冷媒が冷却水の温熱量を吸熱して必要以上に冷媒温度が高くなって冷房性能が低下するのを防止することができる。
【００５２】
図９は本発明の第３実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、配管２０ｃに冷媒熱交換器１３をバイパスする高圧冷媒バイパス通路２０ｅを設けると共に、この高圧冷媒バイパス通路２０ｅに、暖房運転時（除湿暖房運転時）に高圧冷媒の流れを前記冷媒熱交換器１３をバイパスさせる３方弁１５を設けてある。
【００５３】
前述のように冷媒熱交換器１３は、冷房運転時に高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換を行わせることにより成績係数が向上するという効果が得られるが、除湿暖房運転時には効果がさほど得られない。
【００５４】
そこで、本実施形態のように除湿暖房運転時に高圧冷媒の流れを冷媒熱交換器１３をバイパスさせることによって、冷媒熱交換器１３での圧力損失を回避できる利点がある。
【００５５】
図１０は本発明の第４実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、前記図９に示した第３実施形態における高圧冷媒バイパス通路２０ｅに、暖房運転時（除湿暖房運転時）に該高圧冷媒バイパス通路２０ｅを開放するシャット弁１６を設けてある。
【００５６】
この第４実施形態にあっても除湿暖房運転時に高圧冷媒の流れを冷媒熱交換器１３と高圧冷媒バイパス通路２０ｅとの２系統に分流させることによって、冷媒熱交換器１３での圧力損失を低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すサイクル系統図。
【図２】本発明の第１実施形態における冷房運転時のサイクル系統図。
【図３】本発明の第１実施形態における暖房運転時のサイクル系統図。
【図４】本発明の第１実施形態における除湿暖房運転の第１形態を示すサイクル系統図。
【図５】本発明の第１実施形態における除湿暖房運転の第２形態を示すサイクル系統図。
【図６】本発明の第１実施形態における除霜運転の第１形態を示すサイクル系統図。
【図７】本発明の第１実施形態における除霜運転の第２形態を示すサイクル系統図。
【図８】本発明の第２実施形態を示すサイクル系統図。
【図９】本発明の第３実施形態を示すサイクル系統図。
【図１０】本発明の第４実施形態を示すサイクル系統図。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…室外熱交換器
３…第１膨張弁
４…蒸発器
５…４方弁（切換弁）
６…アキュームレータ
７…第１逆止弁
８…第２逆止弁
９…第３逆止弁
１０…第２膨張弁
１１…ヒータコア
１２…水−冷媒熱交換器
１３…冷媒熱交換器
１５…３方弁
１６…シャット弁
Ｌ１…第１循環経路
Ｌ２…第２循環経路
Ｌ３…第３循環経路
Ｌ４…第４循環経路
【図１】
2004205073.tif 000003
【図２】
2004205073.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004205073.tif 000008
【図７】
2004205073.tif 000009
【図８】
2004205073.tif 000010
【図９】
2004205073.tif 000011
【図１０】
2004205073.tif 000012