JPH08210709A - 寒冷地向けヒートポンプ空調機 - Google Patents

寒冷地向けヒートポンプ空調機

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JPH08210709A
JPH08210709A JP7016670A JP1667095A JPH08210709A JP H08210709 A JPH08210709 A JP H08210709A JP 7016670 A JP7016670 A JP 7016670A JP 1667095 A JP1667095 A JP 1667095A JP H08210709 A JPH08210709 A JP H08210709A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】室外空気温度が−２０℃でも暖房運転が可能な
空気熱源ヒ−トポンプ空調機を提供する。 【構成】スクロール圧縮機１と、四方弁２と、室内空気
熱交換器１０１と、レシーバ７と、室外冷媒制御弁４
と、室外空気熱交換器３とを順次配管接続する。そし
て、スクロ−ル圧縮機１に液冷媒をインジェクションす
るバイパス流路をレシーバ７とスクロール圧縮機１間に
液インジェクション冷媒制御弁６を介して設ける。さら
に、室外空気熱交換器３の伝熱面積を室内空気熱交換器
１０１の３倍以上とする。 【効果】室外空気温度が−１５℃未満でも、特に−２０
℃程度でも、室外空気温度が０℃の場合と同等の暖房能
力を発揮する、ヒートポンプ式空調機が得られる。ま
た、暖房冷房に必要な費用が、暖房に灯油を用い冷房に
冷凍サイクルを使用する空調機と同等な空気熱源ヒ−ト
ポンプ空調機が得られる。さらにこの空調機の一次エネ
ルギに換算したエネルギ消費を試算すると、従来より省
エネルギであった。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、暖房および冷房を行う
ヒ−トポンプ空調機に関り、特に冬期に室外空気温度が
低下する寒冷地で利用するのに好適な高暖房効率のヒ−
トポンプ空調機に関する。
【０００２】
【従来の技術】暖房および冷房を行う空調機として、空
気熱源式ヒ−トポンプ空調機が普及している。空気熱源
式ヒ−トポンプ空調機の例として、圧縮機、室外空気熱
交換器、室外送風機、減圧装置等から構成される室外ユ
ニットと、室内空気熱交換器、室内送風機、減圧装置等
から構成される室内ユニットを組合せて使用する室外空
気熱源式ヒ−トポンプ空調機がある。そして、この室外
熱源式ヒートポンプ空調機と灯油あるいはガスを併用し
て寒冷地向け使用として使う暖房機が種々提案されてい
る。その一例が、特開平３−２１１３６７号公報あるい
は日本冷凍協会誌第６９巻第８００号第１４頁〜１６頁
に記載されている。この灯油あるいはガス併用空調機で
は、冬期で室外空気温度が高い場合には空気熱源式ヒ−
トポンプ空調機を用い、室外空気温度が低い場合には灯
油あるいはガスを用いている。また、特開平３−５９３
４９号公報には、冷凍サイクルの低温を利用した冷凍機
に、スクロ−ル圧縮機、凝縮器、蒸発器、膨張弁とスク
ロ−ル圧縮機の機構部に液冷媒をインジェクションする
冷媒回路を備えた例が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】室外空気熱源式ヒ−ト
ポンプ空調機が普及している原因は、スイッチを入れる
だけで暖房あるいは冷房が可能という使い易さにある。
しかし、室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機では、室外
空気温度が低下すると暖房能力が低下し、成績係数（＝
暖房能力／電気入力）も低下するという弱点がある。し
たがって、従来の室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機で
は、室外の空気温度がある温度、一般的には−１０℃程
度以下では、強制的に停止する制御を実行するか、暖房
能力の低下により室内空気温度が低下し、暖房機として
用いることができなかった。さらに、室外空気温度が低
いと成績係数が低く暖房費用がかさむという問題があっ
た。
【０００４】一方、室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機
のこの不具合を解決しようとして室外空気熱源式ヒ−ト
ポンプ空調機と灯油を併用する上記従来技術に記載のも
のにおいては、室外温度が低く灯油暖房に切り替わった
ときに灯油の補給が必要になる。これは、電気のみを使
う室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機に比べて使い勝手
が劣る。また、空調機の構成が複雑になり、イニシャル
コストを増大させる。また、上記従来技術の最後に記載
のものにおいては、冷凍機においてスクロ−ル圧縮機に
液インジェクション回路を採用しているが、低温外気を
利用して冷凍サイクルを構成する点については何等考慮
されていなかった。
【０００５】本発明の目的は、室外空気が低下しても高
暖房能力を発揮でき、暖房費用も灯油暖房並みの室外空
気熱源式ヒ−トポンプ空調機を提供することにある。つ
まり、室外空気温度が−１５℃以下の低温でも高暖房能
力と高成績係数を発揮でき、快適な室内環境を得ること
ができる室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、寒冷地に向けた暖房
能力に重点を置いた室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機
を提供することにある。本発明の更に他の目的は、クリ
ーンエネルギを利用した寒冷地用ヒ−トポンプ空調機を
提供することにある。また、本発明は簡単な構成で寒冷
地用室外空気熱源式ヒートポンプ空調機を安価に提供す
ることを目的とする。さらに本発明は、室外空気が低下
しても高暖房能力を発揮でき、暖房費用も灯油暖房並み
の室外空気熱源式ヒ−トポンプ暖房専用機を提供するこ
とも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の態様は、少なくとも熱源側熱交換器、
減圧装置、利用側熱交換器、スクロ−ル形圧縮機を順次
接続して冷凍サイクルを構成し、該スクロ−ル圧縮機の
圧縮機構部に液冷媒をインジェクションする冷媒回路を
設けたものである。
【０００７】第２の態様は、−１５℃以下の室外空気温
度の室外空気から熱エネルギーを汲み上げ暖房運転する
寒冷地向けヒ−トポンプ空調機であって、少なくとも熱
源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器、スクロ−ル
形圧縮機を順次接続して冷凍サイクルを構成したもので
ある。
【０００８】第３の態様は、−１５℃以下の室外空気温
度の室外空気から熱エネルギーを汲み上げ暖房運転する
寒冷地向けヒ−トポンプ空調機であって、少なくとも熱
源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器、スクロ−ル
形圧縮機を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記ス
クロ−ル圧縮機の圧縮機構部にこの冷凍サイクル中を循
環する液冷媒の一部をインジェクションする冷媒回路と
を備えたものである。
【０００９】そして好ましくは、前記スクロ−ル圧縮機
のスクロールの渦巻数を３以上としたものである。また
好ましくは、前記スクロール圧縮機のスクロ−ル機構部
に吐出弁を設けたものである。さらに好ましくは、前記
スクロール圧縮機は回転数可変のスクロール圧縮機であ
り、このスクロール圧縮機の回転数制御装置を設けたも
のである。また好ましくは、前記熱源側熱交換器の伝熱
面積を前記利用側熱交換器の伝熱面積の３倍以上にした
ものである。
【００１０】また、第４の態様は、室外空気を熱源とし
室外空気温度が−１５℃未満で暖房運転される空気熱源
ヒ−トポンプ空調機であって、少なくとも室外空気熱交
換器、電動式冷媒制御弁、室内熱交換器、四方弁、スク
ロ−ル形圧縮機を順次配管接続して冷凍サイクルを構成
し、該室外熱交換器に外気を送風する室外送風機と、該
室内熱交換器に室内空気を送風する室内送風機と、該ス
クロ−ル圧縮機の圧縮機構部に前記冷凍サイクル内を循
環する液冷媒をインジェクションする液冷媒インジェク
ション回路と、前記スクロール圧縮機の回転数を制御す
る圧縮機回転数制御装置と、前記室外送風機の回転数を
制御する室外送風機回転数制御装置と、前記室内送風機
の回転数を制御する室内送風機回転数制御装置と、前記
電動式冷媒制御弁の開度を制御する冷媒制御弁制御装置
とを備えたものである。
【００１１】そして好ましくは、前記室外熱交換器の伝
熱面積を前記室内熱交換器の伝熱面積の３倍以上にした
ものである。また、少なくとも前記室外空気熱交換器お
よび前記スクロ−ル形圧縮機により室外ユニットを構成
し、少なくとも室内空気熱交換器および室内送風機から
室内ユニットを構成してもよい。さらに、１台の前記室
外ユニットと複数の前記室内ユニットとを組み合わせて
もよい。
【００１２】また、第５の態様は、室外空気を熱源とし
室外空気温度が−１５℃以下で暖房運転される寒冷地向
けヒ−トポンプ空調機であって、少なくとも室外空気熱
交換器、電動式冷媒制御弁、液液熱交換器、四方弁、ス
クロ−ル圧縮機を順次配管接続して形成された第１のル
ープと、前記液液熱交換器と室内熱交換器と熱媒体搬送
装置とを順次配管接続して形成された第２のループとを
備え、前記スクロ−ル圧縮機の圧縮機構部に前記第１の
ループを循環する液冷媒をインジェクションする冷媒回
路を設けたものである。そして好ましくは、前記室外ユ
ニットは５馬力相当であり、前記室内ユニットは３馬力
相当としたものである。なお以上に記載のものにおい
て、好ましくは前記スクロール圧縮機は、圧力比４．５
乃至８で最大効率となるものである。
【００１３】さらに本発明の第６の態様は、−１５℃以
下の室外空気温度の室外空気から熱エネルギーを汲み上
げ、室内に５０℃以上の熱風として放出する暖房運転が
可能な寒冷地向けヒ−トポンプ空調機であって、少なく
とも熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器、スク
ロ−ル形圧縮機を順次接続して冷凍サイクルを構成した
ものである。
【００１４】
【作用】本発明の室外空気熱源ヒ−トポンプでは、暖房
運転時に冷媒をスクロ−ル圧縮機、利用側熱交換器、減
圧装置、室外空気熱交換器、スクロ−ル圧縮機の順に循
環せしめ、利用側熱交換器で凝縮した液冷媒の一部を圧
縮機構部にインジェクションする。また、スクロ−ル圧
縮機の回転数を、室内の空気温度の状況に応じて制御す
る。そして、スクロール圧縮機の圧力比を高めることに
より、低外気温でも圧縮機の起動が可能になり、寒冷地
向けのヒートポンプ空調機が得られる。なお、圧縮機の
高圧力比化はスクロールのラップを増すか、スクロール
圧縮機の吐出口に絞りを設けることにより達成できる。
また、スクロール圧縮機の高圧力比化に伴う高温化は液
インジェクション回路から供給される液冷媒を圧縮機内
に供給することにより、圧縮機駆動モ−タの巻線温度、
冷媒吐出温度を適性に保つことが出来る。
【００１５】このように室外空気熱源ヒ−トポンプを構
成することにより、室外空気温度が−１５℃以下に低下
しても、圧縮機を高圧力比運転することにより高効率運
転ができる。また、圧縮機の高速運転によって高暖房能
力を発揮できる。すなわち、灯油やガス等の電気以外の
エネルギ源を用いること無く、初めて−１５℃以下の外
気温となる寒冷地向けヒートポンプ空調機が得られる。
また、圧縮機を過度に高温にしないので、高い信頼性を
得ることができる。
【００１６】さらに、寒冷地にシフトした構成、すなわ
ち室外機熱交換器の伝熱面積を増したので暖房能力が向
上したヒートポンプ空調機が得られる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。まず図１は、冬期に室外空気温度が低下する地域の
代表例として札幌についての室外空気温度の発生頻度を
表す。図１から、室外空気温度は−１８℃程度まで発生
し得ることが分かる。ただこのデ−タは過去の平均値で
あることから最低室外空気温度は−１８℃より更に低
く、また北海道の旭川などではではさらに低温になるこ
とから、空調機を選定する上では−２０℃程度を最低室
外空気温度と考える必要がある。
【００１８】このような背景のもとに、寒冷地向けに改
良したヒートポンプ空調機の一実施例の構成図を図２に
示す。図２において、１はスクロ−ル形圧縮機、２は四
方弁、３は室外空気熱交換器、４は室外冷媒制御弁、５
はアキュムレ−タ、６は液インジェクション冷媒制御
弁、７はレシ−バ、８は室外送風機、９は温度センサ、
１０は圧力センサ、１１および１２は温度センサ、２０
はホットガスバイパス弁であり、これらによって室外ユ
ニットが構成される。そして、室外ユニットには演算制
御装置、圧縮機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置、
室外送風機回転数制御装置などの制御装置が搭載されて
いる。
【００１９】また、１０１は室内熱交換器、１０２は室
内送風機、１０３は室内冷媒制御弁、１０４は室内空気
温度センサであり、これらによって室内ユニットが構成
される。そして、室内ユニットには演算制御装置、室内
送風機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置などが搭載
されており、さらに、ヒ−トポンプの起動や暖房、冷房
の選択、室内温度の設定等の機能を有するリモ−トコン
トロ−ラも備えられている。ここで、１３および１４は
室外ユニットと室内ユニットを接続する配管である。
【００２０】暖房運転時には、冷媒は圧縮機１、四方弁
２、接続配管１３、室内熱交換器１０１、室内冷媒制御
弁１０３、接続配管１４、レシ−バ７、室外冷媒制御弁
４、室外空気熱交換器３、四方弁２、アキュムレ−タ５
の順に循環し、室外冷媒制御弁４が膨張弁として作用
し、室内空気熱交換器１０１が冷媒凝縮器となり、室内
を暖房する。このとき、外気温度は−１５℃以下であっ
ても、室内には５０℃以上の熱風が送風される。また、
室内熱交換器１０１で凝縮した液冷媒の一部は冷媒制御
弁６を通り、圧縮機１にインジェクションされる。一方
冷房運転時には、冷媒は圧縮機１、四方弁２、室外熱交
換器３、冷媒制御弁４、レシ−バ７、接続配管１４、室
内冷媒制御弁１０３、室内熱交換器１０１、接続配管１
３、四方弁２、アキュムレ−タ５の順に循環し、室内冷
媒制御弁１０３が膨張弁として作用し、室内熱交換器１
０１が冷媒蒸発器となり、室内を冷房する。また、室外
熱交換器３で凝縮した冷媒の一部は冷媒制御弁６を通
り、圧縮機１にインジェクションされる。
【００２１】次に、図３は、図２で用いられるスクロ−
ル圧縮機の一実施例の縦断面図である。図３において、
５０はチャンバ胴、５０ｂはチヤンバ上キャップ、５０
ｃはチヤンバ下キャップ、５１は固定スクロ−ルラッ
プ、５５は旋回スクロ−ルラップ、５６はフレ−ム、５
７はシャフト、５８はオルダムリング、５９はモ−タ、
６１は旋回スクロ−ル軸受、６２は主軸受、６３は下軸
受、６４は冷媒吸入管、６５は逆止弁、６６は冷媒吐出
ポ−ト、６７は背圧室、６８ａ，６８ｂは背圧ポ−ト、
６９ａ，６９ｂは液インジェクションポ−ト、７０は吸
入室、７１は吐出室、７２ａ，７２ｂは吐出ガス冷媒通
路、７４は吐出管、７５は給油管、７６は給油通路、７
８、７８ａ，７８ｂは液インジェクション管である。
【００２２】冷媒は吸入管６４から吸いこまれて吸入室
７０に流入し、固定スクロ−ル５１と旋回スクロ−ル５
５で形成される圧縮室で圧縮され、吐出ポ−ト６６から
吐出室に吐き出され、冷媒通路７２ａ，７２ｂを通り、
モ−タ室７３に流入し吐出管７４から吐出される。ま
た、液インジェクション管７８からの冷媒は液インジェ
クションポ−ト６９ａ，６９ｂから圧縮室に導かれる。
【００２３】次に、図４は固定スクロ−ルと旋回スクロ
−ルを組み合わせたときの横断面図であり、５１ａは固
定スクロ−ルラップ、５５ｂは旋回スクロ−ルラップで
あり、その他の記号で同じ記号は図２で説明した部位と
同一部品を示す。ラップ巻数は３．５巻である。吸入さ
れた冷媒は、固定スクロ−ルラップ５１ａとは旋回スク
ロ−ルラップ５５ｂとで形成される圧縮室が旋回スクロ
−ルの旋回運動によって縮小されるに従い圧縮され、吐
出ポ−ト６６から吐き出される。
【００２４】次に、図５は圧縮機の断熱効率と圧力比の
関係の一例を示した図である。図５で実線のＡがスクロ
−ルラップの巻数が３．５で、液インジェクションを行
うスクロ−ル圧縮機の特性例、１点鎖線のＢがスクロ−
ルラップの巻数が２．５で、液インジェクションを行わ
ないスクロ−ル圧縮機の特性例である。図５から、実線
のスクロ−ルラップの巻数が３．５のスクロ−ル圧縮機
は、１点鎖線のスクロ−ルラップの巻数が２．５のスク
ロ−ル圧縮機に対して、高圧力比領域で高効率であるこ
とが分かる。すなわち、本発明では外気温度が−１５℃
以下でも空調機がヒートポンプとして作用するために、
圧縮機の圧力比を高くしている。しかしながら、圧縮機
の圧力比を高めると、後述するように圧縮機内部の温度
が高くなり過ぎ圧縮機に異常が起こる。そこで、これを
回避するために、圧縮機内部にレシーバ７に貯溜された
冷媒を送りこむことにより、圧縮機を冷却する。なお、
図５では渦巻数が大きなスクロ−ル圧縮機について説明
したが、巻き数が少なくても圧縮機構部の吐出ポ−ト６
６に弁を設けることによっても高圧力比の領域で高効率
運転を実現できる。
【００２５】次に、図６は、図２に示した空気熱源ヒ−
トポンプ空調機の暖房運転を制御する制御系のブロック
図である。圧縮機１は回転数制御装置すなわちインバ−
タ制御装置により駆動され、温度センサ１０４により検
出される室内空気温度と室内空気温度制御目標の差によ
って回転数制御される。また、液インジェクション冷媒
制御弁は、温度センサ９により検出される圧縮機の吐出
側温度と目標吐出温度の差によって制御される。さら
に、室外冷媒制御弁は、室外空気熱交換器の温度センサ
１２と１１の温度差を目標温度差、すなわち室外空気熱
交換器の冷媒出口の冷媒過熱度になるように制御され
る。
【００２６】次に図７は、図２に示した空気熱源ヒ−ト
ポンプ空調機を暖房運転した場合をモリエル線図上に示
したものである。図７において、Ｂは圧縮機出口、Ｃは
室内空気熱交換器出口、Ｄは室外冷媒制御弁出口、Ｅは
室外空気熱交換器出口、Ｆは圧縮機入口、Ｇは液インジ
ェクション冷媒制御弁出口を表し、ＡはＦ点の冷媒とＧ
点の冷媒の混合後を表す。また、１点鎖線Ｆ→Ｈ→Ｂ
は、液インジェクションしない場合である。液インジェ
クションを行うことにより、液インジェクションしない
場合に対して、吐出温度を低減でき、また圧縮機モ−タ
の巻線温度を低減することができる。
【００２７】次に、図８は本発明の空気熱源ヒ−トポン
プ空調機の特性例であり、室外空気温度と暖房能力の関
係を表す。パラメ−タは圧縮機回転数である。圧縮機回
転数が一定では、室外空気温度が低いほど暖房能力は低
下するが、圧縮機の回転数を上昇させることで暖房能力
を向上できる。また、圧縮機の回転数を調整することで
室外空気温度が０℃程度から−２０℃程度まで暖房能力
を一定にすることが可能である。したがって、室外空気
温度に左右されない灯油あるいはガスを用いる暖房機と
同等な暖房能力を発揮できる。
【００２８】次に、図９は本発明の空気熱源ヒ−トポン
プ空調機の特性例であり、圧縮機周波数と圧力比の関係
を示したものである。室外空気温度は−２０℃である。
圧縮機周波数が８０Ｈｚの場合には圧力比は約１５にも
なり圧縮機は高圧力比運転となるが、スクロ−ル圧縮機
の渦巻数を３．５と多くし、かつ液インジェクションを
しているので、図５に示した高暖房能力運転が可能とな
る。
【００２９】次に、図１０は本発明の空気熱源ヒ−トポ
ンプ空調機を建屋内に設けられた実際の部屋に適用した
場合の特性を計算した例である。図１０で２点鎖線は暖
房負荷を示している。室外空気温度が−２０℃のとき
に、圧縮機回転数を８０Ｈｚとし電気ヒ−タ２．１ｋＷ
を付加すれば、空気熱源ヒ−トポンプ空調機の能力は約
９０００ｋｃａｌ／ｈにも達する。ここで、暖房負荷は
室外空気温度が１５℃で０、−２０℃で空気熱源ヒ−ト
ポンプ空調機の能力である９０００ｋｃａｌ／ｈであ
る。実際の使用状態では、暖房能力が暖房負荷と一致す
るように圧縮機回転数を制御する。図１０に示した空気
熱源ヒ−トポンプ空調機の場合、室外空気温度が−１０
℃程度以上における暖房負荷に対しては、圧縮機の運転
周波数を４０Ｈｚに設定して断続運転する。室外空気熱
交換器および室内空気熱交換器の伝熱面積は変わらない
から、圧縮機運転周波数が小さくなると圧力比が小さく
なり、効率が向上し省電力運転が可能になる。
【００３０】
【表１】
【００３１】上記のように構成した本発明の一実施例に
ついて、年間運転費用を試算した例を表１に示す。参考
のために、灯油暖房機と冷房専用空調機を組み合わせた
システムを比較して示す。本発明の空調機の年間費用
は、比較対象システムに対して約１０％高いが、一次エ
ネルギ換算では約１５％少なくなり、省エネルギ化が可
能である。
【００３２】次に、室外ユニットと室内ユニットが分離
したユニットの一例を図１１に示す。室外ユニットは、
室外空気熱交換器３、送風機８などで構成される熱交換
器送風機室と圧縮機他から構成される圧縮室から構成さ
れている。もちろんこれら２室を一体化することも出来
る。図１１では、室内ユニットとして天井内に本体を埋
め込むいわゆる天埋めタイプが示されているが、もちろ
ん床に置くタイプ等の他の形態であっても本発明を適用
できることは言うまでもない。
【００３３】
【表２】
【００３４】表２は、本発明の空調機が備える室外及び
室内熱交換器の伝熱面積の例を示したものである。室外
熱交換器の伝熱面積と室内熱交換器の伝熱面積の比率
は、従来は２倍弱であったが、本発明の効果を十分に発
揮させるには３倍程度にすることが推奨される。もちろ
ん２倍程度でも本発明は効果を発揮することが出来るこ
とは言うまでもない。
【００３５】次に図１２以下に本発明のヒ−トポンプ空
調機の変形例を示す。図１２は、暖房専用空調機の例で
ある。図１２において、１はスクロ−ル形圧縮機、３は
室外空気熱交換器、４は室外冷媒制御弁、５はアキュム
レ−タ、６は液インジェクション冷媒制御弁、８は室外
送風機、９は温度センサ、１０は圧力センサ、１１、１
２は温度センサであり、これらによって、室外ユニット
が構成される。そして、室外ユニットには演算制御装
置、圧縮機回転数制御装置、冷媒制御弁駆動装置、室外
送風機回転数制御装置などの制御装置が搭載されてい
る。
【００３６】１０１は室内熱交換器、１０２は室内送風
機、１０４は室内空気温度センサであり、これらによっ
て室内ユニットが構成される。そして、室内ユニットに
は演算制御装置、室内送風機回転数制御装置、冷媒制御
弁駆動装置などが搭載されており、さらに、ヒ−トポン
プの起動や暖房、冷房の選択、室内温度の設定等の機能
を有するリモ−トコントロ−ラも備えられている。ここ
で、１３および１４は室外ユニットと室内ユニットを接
続する配管である。
【００３７】この空調機の運転時には、冷媒は圧縮機
１、接続配管１３、室内熱交換器１０１、接続配管１
４、冷媒制御弁４、室外熱交換器８、四方弁２、アキュ
ムレ−タ５の順に循環し、室内熱交換器が冷媒凝縮器と
なり、室内を暖房する。また、室内熱交換器１０１で凝
縮した冷媒の一部は冷媒制御弁６を通り、圧縮機１にイ
ンジェクションされる。
【００３８】図１３は、本発明のヒ−トポンプ空調機の
他の変形例であり、１台の室外ユニットに複数の室内ユ
ニットが接続される場合を示したものである。図１３
で、１５は冷媒分流器、１１１、１１２、１１３は室内
空気熱交換器、１２１、１２２、１２３は室内冷媒制御
弁、１３１、１３２、１３３、１４１、１４２、１４３
は冷媒温度センサ、１５１、１５２、１５３は室内空気
温度センサである。暖房運転時には破線矢印の方向に冷
媒が循環し、室内熱交換器１１１、１１２、１１３が冷
媒凝縮器となり暖房運転が行われる。一方、冷房運転時
には実線矢印の方向に冷媒が循環し、室内熱交換器１１
１、１１２、１１３が冷媒蒸発器となり冷房運転が行わ
れる。
【００３９】図１４は、本発明のヒ−トポンプ空調機の
さらに他の変形例であり、室内側には第２の熱媒体を循
環させるシステムが備えられている。図１４で、２０１
は冷媒と水の熱交換器、２０２はポンプ、２０３、２０
４は水と室内空気と熱交換させる室内熱交換器、２０
５、２０６は室内送風機である。暖房運転時には冷媒は
破線矢印の方向に循環し、熱交換器２０１が冷媒凝縮器
となり、水を加熱する。加熱された水はポンプ２０２に
よって室内熱交換器に送られ室内を暖房する。一方、冷
房運転時には冷媒は実線矢印の方向に循環し、熱交換器
２０１が冷媒蒸発器となり、水を冷却する。冷却された
水はポンプ２０２によって室内熱交換器に送られ室内を
冷房する。
【００４０】以上説明した実施例では冷媒としてＨＣＦ
Ｃ系冷媒であるＲ２２が用いられているが、この冷媒は
オゾンを破壊するすることから規制が進められており、
将来は使用できない。本発明の空気熱源ヒ−トポンプ空
調機ではオゾンを破壊しない冷媒を使用することも可能
であり、ＨＦＣ系冷媒、ＨＦＣ系冷媒の混合冷媒を適用
できる。また、ノンフロン冷媒も適用可能である。
【００４１】次に本発明のさらに他の変形例を図１５、
図１６により説明する。これらの図は室外ユニットと室
内ユニットの組合せ例を示したもので、図１５は室内ユ
ニットが３馬力相当のユニットであり、室外ユニットが
５馬力相当のユニットを組み合わせた室外空気熱源ヒ−
トポンプ空調機である。室外ユニットが５馬力相当のユ
ニットを用いることで、暖房運転で室外空気温度が−２
０℃程度まで低下しても高暖房能力を発揮することが出
来る。
【００４２】次に図１６に室内ユニットが３馬力相当の
ユニットであり、室外ユニットが３馬力相当のユニット
を組み合わせた室外空気熱源ヒ−トポンプ空調機を示
す。本発明の室外空気熱源ヒ−トポンプを、最低室外空
気温度が−１０℃程度の気象の地域で使用する場合に
は、室外ユニットを大きくする必要はない。このよう
に、使用される地域によって室外ユニットの容量を変更
することで、暖房負荷に応じた適性容量の空調機を得る
ことが出来る。
【００４３】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、室外
空気温度が−１５℃以下、特に−２０℃程度でも、室外
空気温度が０℃の場合と同等の暖房能力が発揮され、快
適な室内空気温度を得ることができる。もちろん夏期に
は冷房運転も可能である。さらに本発明の空気熱源ヒ−
トポンプ空調機の暖房冷房に必要な費用は、暖房には灯
油を用い、冷房には冷凍サイクルを用いる空調機と同等
である。さらに一次エネルギ換算では省エネルギになる
試算結果が得られた。また本発明によれば、灯油やガス
を使用しないので環境を汚染することが少ないクリーン
エネルギシステムである。さらに、複雑な構成を必要と
せず、安価なヒートポンプ空調機が得られる。また、本
発明によれば、寒冷地に向けた暖房能力に重点を置いた
室外空気熱源式ヒ−トポンプ空調機が得られる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】札幌の気象デ−タを示した図である。
【図２】本発明の室外空気熱源ヒ−トポンプ空調機の一
実施例の構成図である。
【図３】本発明で用いるスクロ−ル圧縮機の一実施例の
縦断面図である。
【図４】本発明で用いるスクロ−ル圧縮機の固定スクロ
−ルと旋回スクロ−ル部の一実施例の横断面図である。
【図５】スクロ−ル圧縮機の特性例を示すグラフであ
る。
【図６】図２に示した空調機の制御系の一実施例のブロ
ック図である。
【図７】モリエル線図上に暖房運転時の冷凍サイクルを
示した説明図である。
【図８】室外気温と暖房能力関係を示す説明図である。
【図９】圧縮機運転周波数と圧縮機の圧力比の関係を示
す説明図である。
【図１０】暖房能力と実際の暖房負荷の関係を示す説明
図である。
【図１１】分離型空調機の室外ユニットと室外ユニット
の配置を示す図である。
【図１２】暖房専用空調機の一実施例の構成図である。
【図１３】室内ユニットが複数台接続される空調機の一
実施例の構成図である。
【図１４】室内を暖房、冷房するために二次媒体を用い
る空調機の一実施例の構成図である。
【図１５】本発明による室外ユニットと室内ユニットの
組合せ例を示す図である。
【図１６】比較的外気温度が高いときの室外ユニットと
室内ユニットの組合せ例を示す図である。
【符号の説明】
１…スクロ-ル圧縮機、２…四方弁、３…室外空気熱交
換器、４…室外冷媒制御弁、６…液インジェクション冷
媒制御弁、７…レシーバ、１０１…室内空気熱交換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 進 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 高橋 岑夫 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所電機システム事業本部 内 (72)発明者 小林 喜雄 千葉県柏市十余二508番地８ 日立冷熱 株式会社環境技術研究所内 (72)発明者 鈴木 幹雄 千葉県柏市十余二508番地８ 日立冷熱 株式会社環境技術研究所内 (72)発明者 原田 文雄 東京都千代田区神田須田町１丁目23番地２ 日立冷熱 株式会社システムエンジニア リングセンター内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも熱源側熱交換器、減圧装置、利
    用側熱交換器、スクロ−ル形圧縮機を順次接続して冷凍
    サイクルを構成し、該スクロ−ル圧縮機の圧縮機構部に
    液冷媒をインジェクションする冷媒回路を設けたことを
    特徴とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  2. 【請求項２】−１５℃以下の室外空気温度の室外空気か
    ら熱エネルギーを汲み上げ暖房運転する寒冷地向けヒ−
    トポンプ空調機であって、少なくとも熱源側熱交換器、
    減圧装置、利用側熱交換器、スクロ−ル形圧縮機を順次
    接続して冷凍サイクルを構成したことを特徴とする寒冷
    地向けヒ−トポンプ空調機。
  3. 【請求項３】−１５℃以下の室外空気温度の室外空気か
    ら熱エネルギーを汲み上げ暖房運転する寒冷地向けヒ−
    トポンプ空調機であって、少なくとも熱源側熱交換器、
    減圧装置、利用側熱交換器、スクロ−ル形圧縮機を順次
    接続して冷凍サイクルを構成し、前記スクロ−ル圧縮機
    の圧縮機構部にこの冷凍サイクル中を循環する液冷媒の
    一部をインジェクションする冷媒回路とを備えたことを
    特徴とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  4. 【請求項４】前記スクロ−ル圧縮機のスクロールの渦巻
    数を３以上としたことを特徴とする請求項１ないし３の
    何れか１項にに記載の寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  5. 【請求項５】前記スクロール圧縮機のスクロ−ル機構部
    に吐出弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何
    れか１項に記載の寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  6. 【請求項６】前記スクロール圧縮機は回転数可変のスク
    ロール圧縮機であり、このスクロール圧縮機の回転数制
    御装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至５の何れ
    か１項に記載の寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  7. 【請求項７】前記熱源側熱交換器の伝熱面積を前記利用
    側熱交換器の伝熱面積の３倍以上にしたことを特徴とす
    る請求項１乃至６の何れか１項に記載の寒冷地向けヒ−
    トポンプ空調機。
  8. 【請求項８】室外空気を熱源とし室外空気温度が−１５
    ℃未満で暖房運転される空気熱源ヒ−トポンプ空調機で
    あって、少なくとも室外空気熱交換器、電動式冷媒制御
    弁、室内熱交換器、四方弁、スクロ−ル形圧縮機を順次
    配管接続して冷凍サイクルを構成し、該室外熱交換器に
    外気を送風する室外送風機と、該室内熱交換器に室内空
    気を送風する室内送風機と、該スクロ−ル圧縮機の圧縮
    機構部に前記冷凍サイクル内を循環する液冷媒をインジ
    ェクションする液冷媒インジェクション回路と、前記ス
    クロール圧縮機の回転数を制御する圧縮機回転数制御装
    置と、前記室外送風機の回転数を制御する室外送風機回
    転数制御装置と、前記室内送風機の回転数を制御する室
    内送風機回転数制御装置と、前記電動式冷媒制御弁の開
    度を制御する冷媒制御弁制御装置とを備えたことを特徴
    とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  9. 【請求項９】前記室外熱交換器の伝熱面積を前記室内熱
    交換器の伝熱面積の３倍以上にしたことを特徴とする請
    求項８に記載の寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  10. 【請求項１０】少なくとも前記室外空気熱交換器および
    前記スクロ−ル形圧縮機により室外ユニットを構成し、
    少なくとも室内空気熱交換器および室内送風機から室内
    ユニットを構成したことを特徴とする請求項８または９
    に記載の寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  11. 【請求項１１】１台の前記室外ユニットと複数の前記室
    内ユニットとを組み合わせることにより構成されたこと
    を特徴とする請求項１０記載の寒冷地向けヒ−トポンプ
    空調機。
  12. 【請求項１２】室外空気を熱源とし室外空気温度が−１
    ５℃以下で暖房運転される寒冷地向けヒ−トポンプ空調
    機であって、少なくとも室外空気熱交換器、電動式冷媒
    制御弁、液液熱交換器、四方弁、スクロ−ル圧縮機を順
    次配管接続して形成された第１のループと、前記液液熱
    交換器と室内熱交換器と熱媒体搬送装置とを順次配管接
    続して形成された第２のループとを備え、前記スクロ−
    ル圧縮機の圧縮機構部に前記第１のループを循環する液
    冷媒をインジェクションする冷媒回路を設けたことを特
    徴とする寒冷地向けヒ−トポンプ空調機。
  13. 【請求項１３】前記室外ユニットは５馬力相当であり、
    前記室内ユニットは３馬力相当である請求項１０に記載
    の寒冷地向けヒートポンプ空調機。
  14. 【請求項１４】前記スクロール圧縮機は、圧力比４．５
    乃至８で最大効率となることを特徴とする請求項項１乃
    至１３の何れか１項に記載の寒冷地向けヒートポンプ空
    調機。
  15. 【請求項１５】−１５℃以下の室外空気温度の室外空気
    から熱エネルギーを汲み上げ、室内に５０℃以上の熱風
    として放出する暖房運転が可能な寒冷地向けヒ−トポン
    プ空調機であって、少なくとも熱源側熱交換器、減圧装
    置、利用側熱交換器、スクロ−ル形圧縮機を順次接続し
    て冷凍サイクルを構成したことを特徴とする寒冷地向け
    ヒ−トポンプ空調機。
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