(57)【要約】【課題】  冬期における蓄電電力を利用した冷媒加熱による暖房立上り性能の向上あるいはディアイス時間の短縮を図るとともに、蓄電装置の長寿命化、小型化を実現させながら室内の快適性を向上させること。【解決手段】  蓄電装置３２を電気二重層コンデンサで構成する一方、電気加熱装置を、凹型温度特性を有する複数の電気ヒーターと、電気ヒーターの直並列接続を切替える切替え手段とで構成した。また、ヒーター温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると切替え手段４２，４４により蓄電装置３２と電気加熱装置の接続を切り離し、ヒーター温度が加熱前の温度未満に低下するまで冷媒加熱を中断するようにした。さらに、電気二重層コンデンサの充電電圧値の低下に伴う電気ヒーターの温度上昇が少ない場合に、電気ヒーターの並列接続数を増加するよう切替え手段を制御する制御手段４８を設けた。【選択図】  図２
2005069593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ駆動の容量可変型圧縮機、四方弁、凝縮器、しぼり、蒸発器を冷媒配管により順次接続し、前記四方弁を切替えることにより冷媒循環方向を可逆設定した冷凍サイクルを有し、商用電源に接続された充電装置と、該充電装置により充電される蓄電装置と、該蓄電装置の接続を切替える第１の切替え手段と、前記冷凍サイクル内を循環する冷媒を加熱するための電気加熱装置を備えた蓄電式空気調和装置において、
前記蓄電装置は電気二重層コンデンサにより構成され、前記電気加熱装置は、温度上昇に伴って抵抗値が低下するとともに温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると抵抗値が急増する複数の電気ヒーターと、該電気ヒーターの直並列接続を切替える第２の切替え手段により構成され、ヒーター温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると前記第１の切替え手段により前記蓄電装置と前記電気加熱装置の接続を切り離し、ヒーター温度が加熱前の温度未満に低下するまで冷媒加熱を中断し、前記電気二重層コンデンサの充電電圧値の低下に伴う前記電気ヒーターの温度上昇が少ない場合に、前記電気ヒーターの並列接続数を増加するよう前記第２の切替え手段を制御する制御手段を設けたことを特徴とする蓄電式空気調和装置。
【請求項２】
前記電気加熱装置は暖房運転時における前記圧縮機吐出側の冷媒配管に設けられ、暖房運転の起動時あるいは前記蒸発器の除霜時、前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記圧縮機吐出側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする請求項１記載の蓄電式空気調和装置。
【請求項３】
前記電気加熱装置は暖房運転時における前記蒸発器入口側の冷媒配管に設けられ、前記蒸発器の除霜時、前記四方弁を切替えることなく前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記蒸発器入口側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする請求項１記載の蓄電式空気調和装置。
【請求項４】
前記電気加熱装置は暖房運転時における前記蒸発器出口側の冷媒配管に設けられ、前記蒸発器の除霜時、前記四方弁を切替えた後、前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記蒸発器出口側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする請求項１記載の蓄電式空気調和装置。
【請求項５】
前記充電装置は前記電気二重層コンデンサの放電開始時の所定時間前までに第１の電圧値まで充電を行い、その後放電開始時まで前記電気二重層コンデンサに充電可能で前記第１の電圧値より大きい第２の電圧値まで充電することを特徴とする請求項１記載の蓄電式空気調和装置。
【請求項６】
前記蓄電装置は、前記電気二重層コンデンサの正極にカソードが、負極にアノードが接続されるようにダイオードを並列接続し、一定方向の充電のみ行うことを特徴とする請求項１記載の蓄電式空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電装置を備えた蓄電式空気調和装置に関し、特に蓄電装置に蓄えた電力の利用形態の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、冬期における蓄電電力の有効利用を実現させる従来の蓄電式空気調和装置の冷凍サイクルを示しており、圧縮機１００と、四方弁１０２と、凝縮器１０４と、しぼり１０６と、蒸発器１０８とが冷媒配管によって接続されている。この冷凍サイクルは、四方弁１０２の切替え動作により冷媒の循環方向が可逆で、圧縮機１００と、圧縮機１００の吸入側冷媒配管と、蒸発器１０８には電気ヒーター１１０，１１２，１１４がそれぞれ配設されている。
【０００３】
上記構成の蓄電式空気調和装置は、暖房運転の起動時やディアイス時などのように一時的に大きな能力が要求される運転状態では、蓄電装置１１６に蓄えられた蓄電電力を電気ヒーター１１０，１１２，１１４に給電して、圧縮機１００、圧縮機１００の吸入側冷媒配管あるいは蒸発器１０８を流れる冷媒を加熱することで、暖房運転の起動時における暖房立上能力の向上やディアイス時間の短縮化を図り、蓄電電力の有効利用を行っていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−７２２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成では、瞬間的に大きな能力が必要とされる暖房立上り性能の向上やディアイス運転時間の短縮を実現させるために、一般的な二次電池で構成される蓄電装置を用いた場合、蓄電装置の劣化により寿命が著しく短くなったり、蓄電容量の増大のためには蓄電装置が大型化するといった課題を有していた。
【０００６】
また、蓄電装置に瞬時充放電に優れた電気二重層コンデンサを用いた場合、出力電圧変動が大きいことから、暖房起動時やディアイス時に必要な放電電力を持続させるために蓄電容量を増加させる必要があったり、あるいは大容量コンバータや複数の切替え手段が必要となり装置の大型化、部品点数の増加を惹起するという課題があった。
【０００７】
さらに、特に暖房運転の起動時において、電気ヒーターを用いた冷媒加熱を圧縮機の内部あるいは圧縮機吸入側において行っているため、加熱された冷媒が圧縮機自体の熱容量により吸収され十分な暖房立上り性能の向上を実現させることができないという課題もあった。
【０００８】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、必要最小限の蓄電容量を用い、蓄電装置の寿命短縮や大型化を惹起することなく、瞬間的な大出力放電を可能にし、さらに暖房運転の起動時において圧縮機自体の大きな熱容量に影響されることなく効果的に冷媒を加熱し暖房立上り性能の向上を実現させることができる蓄電式空気調和装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、インバータ駆動の容量可変型圧縮機、四方弁、凝縮器、しぼり、蒸発器を冷媒配管により順次接続し、前記四方弁を切替えることにより冷媒循環方向を可逆設定した冷凍サイクルを有し、商用電源に接続された充電装置と、該充電装置により充電される蓄電装置と、該蓄電装置の接続を切替える第１の切替え手段と、前記冷凍サイクル内を循環する冷媒を加熱するための電気加熱装置を備えた蓄電式空気調和装置において、前記蓄電装置は電気二重層コンデンサにより構成され、前記電気加熱装置は、温度上昇に伴って抵抗値が低下するとともに温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると抵抗値が急増する複数の電気ヒーターと、該電気ヒーターの直並列接続を切替える第２の切替え手段により構成され、ヒーター温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると前記第１の切替え手段により前記蓄電装置と前記電気加熱装置の接続を切り離し、ヒーター温度が加熱前の温度未満に低下するまで冷媒加熱を中断し、前記電気二重層コンデンサの充電電圧値の低下に伴う前記電気ヒーターの温度上昇が少ない場合に、前記電気ヒーターの並列接続数を増加するよう前記第２の切替え手段を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記電気加熱装置は暖房運転時における前記圧縮機吐出側の冷媒配管に設けられ、暖房運転の起動時あるいは前記蒸発器の除霜時、前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記圧縮機吐出側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記電気加熱装置は暖房運転時における前記蒸発器入口側の冷媒配管に設けられ、前記蒸発器の除霜時、前記四方弁を切替えることなく前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記蒸発器入口側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、前記電気加熱装置は暖房運転時における前記蒸発器出口側の冷媒配管に設けられ、前記蒸発器の除霜時、前記四方弁を切替えた後、前記蓄電装置の蓄電電力を前記電気加熱装置に供給して前記蒸発器出口側の冷媒配管を流れる冷媒を加熱することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、前記充電装置は前記電気二重層コンデンサの放電開始時の所定時間前までに第１の電圧値まで充電を行い、その後放電開始時まで前記電気二重層コンデンサに充電可能で前記第１の電圧値より大きい第２の電圧値まで充電することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、前記蓄電装置は、前記電気二重層コンデンサの正極にカソードが、負極にアノードが接続されるようにダイオードを並列接続し、一定方向の充電のみ行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明によれば、瞬時充放電に優れた電気二重層コンデンサの蓄電電力による放電加熱に、温度上昇に伴って抵抗値が低下するとともに温度が冷媒組成を分解する温度に到達すると抵抗値が急増する凹型温度特性を有する電気ヒーターと切替え手段で構成される電気加熱装置を用いることで、大容量の電力変換装置などを用いることなくシンプルな構成で定電力に近い放電加熱を可能にし、放電電力のピーク値を下げることで電気ヒーターや切替え手段の電気容量を抑えることができるとともに装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１６】
また、暖房立上げ時やディアイス時に圧縮機の吐出側冷媒配管を加熱したり、特にディアイス時に四方弁を切替えることなく蒸発器の入口冷媒配管を加熱したり、あるいは、特にディアイス時に四方弁を切替えて蒸発器の出口冷媒配管を加熱することで、圧縮機自体の大きな熱容量の影響をあまり受けることなく加熱した冷媒の熱を効果的に凝縮器あるいは蒸発器に搬送することで暖房立上り性能の向上あるいはディアイス時間の短縮化を図ることができる。
【００１７】
さらに、放電タイミングを予測して充電を行うことにより電気二重層コンデンサの寿命劣化を促進させることなく充電電圧値を最大限引上げることで、利用可能な蓄電容量を拡大することができ、蓄電装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１８】
また、一方向の充電のみ行うように蓄電装置に対し並列にダイオードを挿入することで、蓄電装置を構成する電気二重層コンデンサに対し、ツェナーダイオード等極性のある過電圧印加防止用の保護回路を接続して充電することができるため、電気二重層コンデンサに対して寿命劣化を促進するような過電圧印加を防止し長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明にかかる蓄電式空気調和装置の冷凍サイクル図を示しており、インバータ駆動の容量（周波数）可変型圧縮機２と、四方弁４と、凝縮器６と、膨張機構としてのしぼり８と、蒸発器１０とを冷媒配管により順次接続して冷凍サイクルを構成している。また、凝縮器６と蒸発器１０に対応させて送風装置１２，１４をそれぞれ配置している。この冷凍サイクルは、冷媒循環方向が可逆な冷凍サイクルで、四方弁４の切替え動作により冷房運転と暖房運転の切替えを行うように設定されている。
【００２０】
また、この冷凍サイクルには、暖房運転の起動時あるいはディアイス運転時における圧縮機２の吐出側冷媒配管と、蒸発器１０の入口側冷媒配管、内部及び出口側冷媒配管に、冷媒を加熱するための電気加熱装置１６，１８，２０，２２がそれぞれ設置されている。
【００２１】
圧縮機２の吐出側配管に電気加熱装置１６を配置すると、特に暖房運転の起動時において圧縮機２の大きな熱容量の影響を受けずに効果的に冷媒を加熱することができ、加熱された冷媒が保有する熱を凝縮器６へ搬送することができる。また、蒸発器１０の入口冷媒配管あるいは内部に電気加熱装置１８，２０をそれぞれ配置すると、暖房運転中に蒸発器１０に着霜した場合でも四方弁４を切替えることなく除霜を行うことができ、凝縮器６側の温度低下を抑制した除霜を実現することができる。さらに、蒸発器１０の出口冷媒配管に電気加熱装置２２を配置した場合、暖房運転中に蒸発器１０に着霜して四方弁４を切替えて除霜運転を行うと、除霜時間を大幅に短縮することができる。
【００２２】
図２は、本発明にかかる蓄電式空気調和装置の電気系統のブロック図を示している。
図２に示されるように、交流電源２４はコンバータ２６により直流電源に変換され、変換された直流電源は、蓄電装置３２の接続を切替える切替え手段３８，４０を経由してインバータ２８に供給され、インバータ２８の出力を供給することにより圧縮機２の駆動モータ４６を駆動する。
【００２３】
また、深夜電力時間帯など電力需要が小さい時期には、交流電源２４より充電装置３０を経由して蓄電装置３２を充電するようにしている。充電装置３０は空気調和装置のタイマ起動やディアイス運転のタイミング、あるいは、蓄電装置３２の充電電圧値を監視する制御手段４８により制御されている。
【００２４】
ここで、圧縮機２の駆動モータ４６に対する電力供給元は切替え手段３８，４０により適宜切替えることが可能で、交流電源２４のみ、蓄電装置３２のみ、交流電源２４と蓄電装置３２との並列接続、交流電源２４と蓄電装置３２との直列接続の４つより選択される。また、電気加熱装置１６，１８，２０，２２に対する電力供給元も、切替え手段３８，４０により適宜切替えることが可能で、蓄電装置３２のみ、交流電源２４と蓄電装置３２との並列接続との２つより選択される。さらに、電気加熱装置１６，１８，２０，２２に対する電力供給は、切替え手段４２，４４によりＯＮ／ＯＦＦ制御することもできる。
【００２５】
また、蓄電装置３２は電気二重層コンデンサで構成されており、電気二重層コンデンサの正極にカソード、負極にアノードが接続されるようにダイオード３４を並列接続して一方向の充電のみを行うようにすることで、極性を有する過電圧印加防止の保護用回路を接続して充電することができ、過電圧の印加に起因する電気二重層コンデンサの劣化を抑制することができる。
【００２６】
次に、蓄電装置３２への充放電について図３を参照しながら説明する。図３は充放電のタイミング(時間)と電気二重層コンデンサの充電電圧値との関係を示した充放電タイミング図である。
【００２７】
上述したように、蓄電装置３２は電気二重層コンデンサにより構成され、Ｖｍｉｎは放電終了後の電気二重層コンデンサの端子間電圧値、Ｖｃは電気二重層コンデンサの寿命劣化にほとんど影響を与えない端子間充電電圧値の上限値、Ｖｍａｘは電気二重層コンデンサに充電して使用可能な最大充電電圧値を示す。
【００２８】
まず、電力需要が小さい時期に充電装置３０により電圧値Ｖｃまで電気二重層コンデンサを充電し、この充電終了時をｔ１とする。次に、暖房運転においてタイマ起動運転あるいはディアイス開始時間（放電開始時間）をｔ２とし、蓄電装置３２からの放電開始時間を予測して充電装置３０はｔ２に電気二重層コンデンサがＶｃからＶｍａｘまで充電されるようにｔ３より充電を開始する。
【００２９】
電気二重層コンデンサは端子間に印加されている電圧値とその積算時間により寿命劣化が進行するが、上記充放電方法によれば端子間電圧がＶｃにて充電されている積算時間（ｔ３−ｔ１）は長くなるが、寿命劣化に影響を与える端子間電圧Ｖｃを超えて充電されている積算時間（ｔ２−ｔ３）を最小にすることができる。このため、最初の充電においてＶｍａｘまで充電を行い待機する場合に比べ、同等以上の寿命特性を実現させることができる電気二重層コンデンサの充電可能な最大充電電圧値Ｖｍａｘを高く設定することができる。電気二重層コンデンサ容量Ｃ（Ｆ）、充電電圧Ｖ（Ｖ）とすると電気二重層コンデンサに蓄えられる電力量は、
（１／２）×Ｃ×Ｖ２／３６００（Ｗｈ）
で表されるため、例えば端子間電圧値Ｖｃを超える積算時間（ｔ２−ｔ３）を短くしてＶｍａｘを２倍にすることができれば、従来の１／４の容量の電気二重層コンデンサを用いて同等の蓄電電力を得ることができ、蓄電装置の小型化、軽量化、低コスト化を実現することが可能となる。
【００３０】
次に、電気加熱装置１６，１８，２０，２２を電気ヒーターで構成した場合の電気加熱装置１６，１８，２０，２２の加熱温度特性について図４を参照しながら説明する。図４は電気ヒーター抵抗値の温度特性図を示したものである。
【００３１】
蓄電電力による加熱前の電気ヒーターの温度をＴ１、温度Ｔ１未満の電気ヒーターの抵抗値をＲ１とする。この電気ヒーターは電気二重層コンデンサに蓄電された電力により加熱されると、ヒーター温度の上昇とともに抵抗値が低下する温度負特性（ＮＴＣ）を有しており、冷媒組成を分解する温度Ｔ２付近で最も抵抗値が低くなる（抵抗値：Ｒ２）。
【００３２】
このため、一般的な二次電池と異なり、放電とともに端子電圧が低下する電気二重層コンデンサの放電において、特にＤＣ／ＤＣコンバータによる電力変換や電気二重層コンデンサの直並列接続の切替えを行うことなく、電気ヒーターの温度特性によりピーク電力を抑えた定電力出力に近い放電を維持することができる。
【００３３】
さらに、この電気ヒーターはヒーター温度が冷媒組成を分解する温度Ｔ２に到達すると急激に抵抗値が増加する。すなわち、キュリー点をＴ２に有する特性（ＰＴＣ）を持ち、ヒーター温度がＴ２を超えると抵抗値がＲ３（＞Ｒ１）となり放電量を減少させ、切替え手段４２，４４により蓄電装置３２との接続を切離し、ヒーター温度がＴ１に低下するまで冷媒加熱を中断するように制御手段４８により制御される。このようなＮＴＣ特性とＰＴＣ特性を合せ持つ凹型温度特性を有する電気ヒーターを用いることで電気二重層コンデンサとヒーターのみの非常にシンプルな構成でピーク電力を抑えたほぼ定電力放電に近い放電特性を実現させることができる。
【００３４】
この構成は、抵抗値が一定の電気ヒーターによる放電初期に見られるような放電量過多がないため、切替え手段やヒーターなどの電気容量をピーク値に合せて高く設定する必要がなく、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００３５】
次に、図３におけるｔ２以降の瞬時放電について図５を参照しながら説明する。図５は瞬時放電制御を示すフローチャート図である。
【００３６】
まずステップＳ１において、瞬時放電が開始されたかどうかを判断し、ステップＳ１においてＹＥＳと判断されると、ステップＳ２に移行する一方、ステップＳ１においてＮＯと判断されると、ステップＳ１に戻り瞬時放電が開始されたかどうかの判断を繰返す。
【００３７】
次のステップＳ２においては、電気ヒーターの温度Ｔが放電開始前の温度Ｔ１より高いかどうかを判断し、ステップＳ２においてＹＥＳと判断されると、ステップＳ４に移行し、電気二重層コンデンサの端子電圧Ｖが放電終了後の電圧Ｖｍｉｎより低くなっているかどうかを判断する。一方、ステップＳ２においてＮＯと判断されると、ステップＳ３に移行し、例えば図６に示される電気加熱装置のブロック図において、電気加熱装置１６，１８，２０，２２を構成する電気ヒーター５０，５２の直並列接続を切替える切替え手段５４，５６，５８を切替えることにより電気ヒーターの並列接続数を増加させ、ステップＳ４に移行する。
【００３８】
ステップＳ４において、ＹＥＳと判断されると瞬時放電は終了し、ＮＯと判断されるとステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降の処理を繰返す。
【００３９】
このように電気ヒーターによる加熱と冷媒の熱吸収が平衡し、電気ヒーターの温度上昇がない場合でも、電気二重層コンデンサの端子電圧の低下に合せて強制的にヒーター抵抗値を下げることにより電気二重層コンデンサから定電力放電に近い放電を実現させる。
【００４０】
なお、図６は、簡単のために２段シフト型を図示しているが、２段シフト型以外の多段シフト型を採用することも勿論可能である。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、四つの電気加熱装置１６，１８，２０，２２を設けたが（図１参照）、必ずしも四つの電気加熱装置をすべて設ける必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明にかかる蓄電式空気調和装置は、シンプルな構成で定電力に近い放電加熱を可能にし、放電電力のピーク値を下げることで電気ヒーターや切替え手段の電気容量を抑えることができ、小型で低コストの蓄電式空気調和装置の実現に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明にかかる蓄電式空気調和装置の冷凍サイクル図である。
【図２】図１の蓄電式空気調和装置の電気回路ブロック図である。
【図３】図１の蓄電式空気調和装置に設けられた蓄電装置を構成する電気二重層コンデンサの充放電タイミングと充電電圧値との関係を示すグラフである。
【図４】図１の蓄電式空気調和装置に設けられた電気加熱装置を構成する電気ヒーターの抵抗値の温度特性を示すグラフである。
【図５】蓄電装置の瞬時放電制御を示すフローチャートである。
【図６】電気加熱装置のブロック図である。
【図７】従来の蓄電式空気調和装置の冷凍サイクル図である。
【符号の説明】
【００４４】
２  圧縮機、  ４  四方弁、  ６  凝縮器、  ８  しぼり、  １０  蒸発器、
１２、１４  送風装置、  １６，１８，２０，２２  電気加熱装置、
２４  交流電源、  ２６  コンバータ、  ２８  インバータ、  ３０  充電装置、
３２  蓄電装置、  ３４  ダイオード、
３８，４０，４２，４４，５４，５６，５８  切替え手段、  ４６  駆動モータ、
４８  制御手段、  ５０，５２  電気ヒーター。
【図１】
2005069593.tif 000003
【図２】
2005069593.tif 000004
【図３】
2005069593.tif 000005
【図４】
2005069593.tif 000006
【図５】
2005069593.tif 000007
【図６】
2005069593.tif 000008
【図７】
2005069593.tif 000009