JP2007040658A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房運転を継続して除霜運転を行う空気調和装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器３と減圧器４の間と圧縮機１の吸い込み側を連結する第１のバイパス回路６を設け、第１のバイパス回路６に二方弁７、冷媒加熱器８を設け、さらに冷凍サイクルに連結された四方弁２と室内熱交換器３の間と減圧器４と室外熱交換器５の間を連結する第２のバイパス回路９を設け、第２のバイパス回路９に二方弁１０を設け、室外熱交換器５の除霜を行う際、第１のバイパス回路６の二方弁７と第２のバイパス回路９の二方弁１０を開放し、除霜運転を行う前に冷媒加熱器８を通電させ蓄熱させてから暖房を継続して、除霜運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ運転による暖房運転時において、暖房を継続しながら室外熱交換器に付着した霜を除霜する除霜運転を行うことができる空気調和装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式空気調和器の除霜方式は、一般的に四方弁を切り換え、冷凍サイクルの冷媒を逆方向に流す除霜方式をとっている。

即ち、除霜運転は冷房時と同じ冷媒の流動方向とし、室外熱交換器に高温高圧の冷媒を流して、熱交換器に付着した霜を融解するものである。

この除霜方式では、除霜時は室内側の熱交換器が蒸発器となるため、暖房を停止することで室内の部屋の温度が低下して冷風感を感じるという基本的課題があった。

この基本的課題への対策として、暖房継続しながら除霜運転する発明が考えられてきた。

図５は従来の空気調和装置の冷凍サイクルの構成図である。

同図に示すように、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張機構および室外熱交換器を冷媒回路で連結してなるヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、この冷凍サイクルにおける前記膨張機構と前記室外熱交換器の間と、前記圧縮機の吸入側の間を連結し、冷媒加熱器を有する冷媒加熱回路と、前記冷凍サイクルにおける圧縮機の吐出側と前記室外熱交換器と前記四方弁の間を連結する除霜用回路とを備え、前記冷凍サイクルのヒートポンプ運転時において前記室外熱交換器の除霜を行う際、前記冷媒加熱器によって加熱された冷媒が、前記圧縮機を通った後、前記室内熱交換器を通る流れと前記除霜用回路から前記室外熱交換器を通る流れとに分岐され、これらの分岐した冷媒の流れが前記冷媒加熱回路の入口で合流し、再び前記冷媒加熱器によって加熱されるように構成されている発明が開示されている。

上記発明で課題として取り上げられているように、ヒートポンプ運転を行った際の室外機の除霜運転を行うときに、暖房を継続しながら、除霜運転を行うことは条件を限定すれば可能である（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８２９９４号公報（図５）

しかしながら、この冷凍サイクルの方式では、次のような課題が発生する。

この冷凍サイクルの構成は、除霜運転を行う際に、二方弁１０９ａを開放にして、室外熱交換器１０３と四方弁１０２との間に圧縮機１０１の吐出冷媒が流れることになるため、圧縮機吸入側に除霜するホットガス冷媒が流れないように二方弁１０６が必要となる。

二方弁１０６は圧縮機１０１の吸入側に連結され、冷房および暖房運転の圧損を低減するためには口径の大きな二方弁１０６を採用することとなり、非常に高価な二方弁となってしまう。

またヒートポンプ運転から二方弁１０８を開放させて冷媒加熱運転に切り換え、除霜運転を行う方式で室外熱交換器１０３の冷媒の流れが逆転するため、除霜運転を行う前に二方弁１０７を一端閉運転とする必要があり、この室外熱交換器１０３の入口に二方弁１０７が必要となる。

したがって、この冷凍サイクルでは４個もの二方弁が必要となり、複雑で高価な方式となる。

また除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、合流箇所における冷媒圧力が除霜に供された後の冷媒の圧力よりも高ければ、室外熱交換器に冷媒が流れ、逆であれば室内側に冷媒が流れることになり、暖房しながら除霜運転を行うことが出来ない場合が発生する。

また、除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、冷媒音が発生しやすく、前記の圧力バランスの課題と冷媒音課題を解決するために冷媒合流器を必要とする場合が考えられる。

また、前記合流箇所では冷媒循環量が多くなり圧力損失が増加するため、その対策として配管の管径を大きくすることが必要となり、加熱器が大型になってしまうという構造的課題もある。

さらに、冷房回路で運転すると冷媒加熱器１０４の配管内部は、低圧冷媒で安定して冷媒加熱器１０４の温度が低下することから冷媒加熱器１０４に結露する場合や二方弁１０８が故障で冷媒漏れを発生した場合でも冷媒加熱器に結露が発生して冷媒加熱器の信頼性、安全性に大きな問題がある。

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、冷凍サイクルが簡単なバイパス回路で構成でき、冷媒音、圧力バランスの問題も発生しない安定した除霜運転を、暖房運転を継続しながら実施できる空気調和装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の空気調和装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに連結された前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記四方弁と前記室外熱交換器の間を連結する第１のバイパス回路を設け、前記第１のバイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設け、さらに前記冷凍サイクルに連結された前記四方弁と前記室内熱交換器の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間、または前記冷凍サイクルに連結された前記圧縮機と前記四方弁の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間を連結する第２のバイパス回路を設け、前記第２のバイパス回路に二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う前に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電して、冷媒加熱器に蓄熱させてから、前記第１のバイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１のバイパス運転と、前記第２のバイパス回路の二方弁を開放して前記室外熱交換器に冷媒を通過させる第２のバイパス運転を行うことを特徴とするものである。

本発明の空気調和装置は、除霜を行う前に、冷媒加熱器に除霜を行う熱を蓄熱することで暖房運転を継続しながら、除霜を実施することができる。

第１の発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに連結された前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記四方弁と前記室外熱交換器の間を連結する第１のバイパス回路を設け、前記第１のバイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設け、さらに前記冷凍サイクルに連結された前記四方弁と前記室内熱交換器の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間、または前記冷凍サイクルに連結された前記圧縮機と前記四方弁の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間を連結する第２のバイパス回路を設け、前記第２のバイパス回路に二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う前に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電して、冷媒加熱器に蓄熱させてから、前記第１のバイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１のバイパス運転と、前記第２のバイパス回路の二方弁を開放して前記室外熱交換器に冷媒を通過させる第２のバイパス運転を行うことを特徴とするものでこの構成をなすことにより、暖房運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。

また暖房を継続しながら、除霜運転を行うため、四方弁を切り換える時の冷媒音は発生しない。

また除霜時に四方弁を切り換えないため、圧力変動が小さく、圧縮機のオイル変動も小さいことから圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また接続配管長が長くなる場合でも除霜回路が室外で行うため、配管長による除霜運転での圧縮機オイルレベルが下がることはなく長配管商品でも圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また全体冷媒の一部を除霜用に利用するため、冷媒加熱部に極端に多くの冷媒が流れないことからコンパクトな冷媒加熱器で構成できる。

また冷房運転を行った場合でも、冷媒加熱器に高温高圧の冷媒ガスが滞留して、冷媒加熱器が結露を発生させることもない。

また除霜する前に冷媒加熱器に熱を蓄熱するため、除霜の時に冷媒加熱器に蓄熱された熱をホットガスで利用できる為、除霜時間が短縮できる。

第２の発明は、特に第１の発明の圧縮機を容量可変の圧縮機とし、冷媒加熱器の発熱部に通電する前に、容量可変圧縮機の運転周波数を低下させ、空気調和装置の運転電流を一定の電流以下になるように電流制御するもので、この構成をなすことにより、電流容量の中で、冷媒加熱器の発熱部に通電できるので、電流容量をオーバーしてブレーカが動作することなく、安全に冷媒加熱器に通電できる。

第３の発明は、特に第１の発明の圧縮機を容量可変の圧縮機とし、冷媒加熱器の発熱部に通電する前に、空気調和装置の運転電流を一定の電流以下になる電流制御を設定し、運転電流値が設定電流以下になると運転電流制御値を上昇させ、冷媒加熱器の発熱部を通電するもので、この構成をなすことにより、確実に電流容量の中で、冷媒加熱器の発熱部に通電できて、圧縮機周波数を制御できる。

第４の発明は特に第１〜３のいずれかの発明の、冷媒加熱器はヒータ部、冷媒通過管部、およびヒータ部と冷媒通過管部を蓄熱材で包む蓄熱部で構成するようにしたもので、この構成をなすことにより、コンパクトに冷媒加熱器を構成でき、現行の室外機のスペースで配置できることから、他の機種との室外機共用化が図れ、安価でかつ簡単な構成で上記
効果を得ることができる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本願発明にかかる空気調和装置の構成図である。同図において、室外機２０には、圧縮機１、四方弁２、減圧器４、室外熱交換器５、第１のバイパス回路６、冷媒加熱用二方弁７、冷媒加熱器８、第２のバイパス回路９、除霜用二方弁１０、第２のバイパス回路の二方弁１１、第１のバイパス回路の二方弁１２、冷媒加熱ヒータ１３、冷媒通過管部１４、蓄熱部１５、室外送風機１９で配設されている。室内機１８には、室内熱交換器３、室内送風機１７が配設されている。ここでの減圧器４は、電磁膨張弁でもよい。

次に図２は、本願発明にかかる実施の形態１を示す制御ブロック図であり、図３は同制御が動作したときの挙動を示すタイムチャートである。図３では室外機側で除霜開始判断が除霜開始判断手段５０でなされ、除霜開始と判断された時に圧縮機運転手段５１、冷媒加熱用二方弁開閉手段５２、除霜用二方弁開閉手段５３、膨張弁開度可変手段５４、室外送風機運転手段５５、四方弁切り換え手段５６、加熱器ヒータ運転停止手段が図３に示す動作をすることにより除霜運転が行われる。

このとき室外機２０から除霜開始信号を室内機１８で除霜開始信号受信手段５８で受信して、除霜運転の判断より室内送風機運転手段５９で室内送風機１７を制御する。

図５に示すように、除霜開始の判断をすると、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転からステップ２の冷媒加熱器の蓄熱運転に移行する。このとき圧縮機は、加熱器ヒータをＯＮする前に、周波数をダウンさせ、冷媒加熱ヒータがＯＮしても電流容量がオーバーしない電流値までダウンさせる。その後、加熱器ヒータをＯＮさせて、冷媒加熱器を通電させ、蓄熱運転を行う。

次にステップ３で冷媒加熱運転に移行してその後除霜運転を行う。

まず冷媒加熱運転は、冷媒加熱ヒータをＯＮしたまま、冷媒加熱用二方弁をＯＮして開方向に制御する。

このとき膨張弁は閉塞運転かまたは閉塞に近い運転を行う。

また外ファンは除霜中停止する。四方弁は、暖房を継続するため、暖房回路のままで除霜中も切り替えしない。

また内ファンは暖房を継続するので、停止することはない。

その後、除霜を行うために除霜用二方弁をＯＮして開方向に制御する。また圧縮機は、除霜用の運転周波数で運転する。

次にステップ４で除霜終了と共に除霜する前の動作に戻る。

次にステップ５以降で通常のヒートポンプ暖房運転に復帰する。

実施の形態１では圧縮機の運転周波数を変化させているが、一定速の圧縮機でも暖房を継続して除霜運転を行うことができる。

（実施の形態２）
次に図４は、本願発明にかかる実施の形態２の制御が動作したときのタイムチャートである。

図４に示すように、除霜開始の判断をすると、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転からステップ２の冷媒加熱器のヒーターをＯＮする前の予備運転を行う。この予備運転は、電流制御値をダウン方向に変化させ、圧縮機の周波数を低下させることで、電流容量をオーバーすることなく安全に冷媒加熱ヒータがＯＮできるところまで総合電流値を低下させる。

次にステップ３で電流制御値を上昇させて、冷媒加熱ヒータをＯＮさせる。また圧縮機周波数はその後、除霜する周波数に上昇させ、冷媒加熱ヒータの電流値と圧縮機運転の電流値の総合電流値を電流制御値で制御させる。

この電流制御を行うことで、電流容量の範囲の中で、冷媒加熱ヒータに通電させて、蓄熱させ、ブレーカを動作させることなく、安全に冷媒加熱運転および、除霜運転ができる。

また冷媒加熱器のヒータ部は、発熱体であれば形、方式は問わない。

以上のように本発明の空気調和装置は冷媒加熱器に蓄熱させた熱量を利用して、暖房運転しながら、除霜運転を実施できるので、除霜時間が短くかつ暖房能力の高い運転ができることで、室外温度が非常に低温の寒冷地での空気調和装置にも適用できる。

本願発明にかかる実施の形態１の空気調和装置の構成図 本願発明にかかる制御ブロック図 本願発明にかかる実施の形態１のタイムチャート 本願発明にかかる実施の形態２のタイムチャート 従来例の空気調和装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室内熱交換器
４ 減圧器
５ 室外熱交換器
６ 第１のバイパス回路
７ 冷媒加熱用二方弁
８ 加熱器
９ 第２のバイパス回路
１０ 除霜用二方弁
１１ 除霜用減圧器
１２ 冷媒加熱用減圧器
１３ 加熱器ヒータ
１４ 冷媒通過管部
１５ 蓄熱部
１７ 室内送風機
１８ 室内機
１９ 室外送風機
２０ 室外機

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに連結された前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記四方弁と前記室外熱交換器の間を連結する第１のバイパス回路を設け、前記第１のバイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設け、さらに前記冷凍サイクルに連結された前記四方弁と前記室内熱交換器の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間、または前記冷凍サイクルに連結された前記圧縮機と前記四方弁の間と、前記減圧器と前記室外熱交換器の間を連結する第２のバイパス回路を設け、前記第２のバイパス回路に二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う前に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電して、冷媒加熱器に蓄熱させてから、前記第１のバイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流す第１のバイパス運転と、前記第２のバイパス回路の二方弁を開放して前記室外熱交換器に冷媒を通過させる第２のバイパス運転を行うことを特徴とする空気調和装置。
2. 圧縮機は容量可変の圧縮機であって、冷媒加熱器の発熱部に通電する前に、前記容量可変圧縮機の運転周波数を低下させ、空気調和装置の運転電流を所定電流以下になるように電流制御することを特徴とする、請求項１に記載の空気調和装置。
3. 圧縮機は容量可変の圧縮機であって、冷媒加熱器の発熱部に通電する前に、運転電流を所定電流以下になる電流制御を設定し、空気調和装置の運転電流値が所定電流以下になると運転電流制御値を上昇させ、冷媒加熱器の発熱部を通電することを特徴とする、請求項１に記載の空気調和装置。
4. 前記冷媒加熱器はヒータ部、冷媒通過管部、およびヒータ部と冷媒通過管部を蓄熱材で包む蓄熱部で構成するようにしたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。

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