JP2008121983A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】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機を提供すること。
【解決手段】室内熱交換器３から第１の減圧器４向かう経路と、室外熱交換器５から四方弁２へ向かう経路とを連結する第１のバイパス回路６と、四方弁２から室内熱交換器３へ向かう経路と、第１の減圧器４から室外熱交換器５へ向かう経路とを連結する第２のバイパス回路９と、空気調和機の運転電流を検出する電流検出手段とを備え、第１のバイパス回路６には第１の二方弁７と、第２の減圧器１２と、冷媒を加熱する冷媒加熱器８とを配設し、第２のバイパス回路９には第２の二方弁１０と、第３の減圧器１１とを配設するとともに、除霜運転を行う前に、運転電流値が、所定の電流値よりも低い場合に、冷媒加熱器８に蓄熱させてから、第１の二方弁７と第２の二方弁１０とを開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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機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７は従来の空気調和機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が決まれば可能である（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８２９９４号公報

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機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、本発明は、室内機と室外機とで構成され室外熱交換器の除霜運転を行う除霜運転機能を有する空気調和機において、暖房運転時に冷媒の流通する経路が順に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機となるように冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、
冷媒が前記室内熱交換器から前記第１の減圧器へ向かう経路と、前記室外熱交換器から前記四方弁へ向かう経路とを連結する第１のバイパス回路と、
冷媒が前記四方弁から前記室内熱交換器へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結、もしくは、冷媒が前記圧縮機から前記四方弁へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結する第２のバイパス回路と、
前記室外機内に前記空気調和機の運転電流を検出する電流検出手段とを備え、前記第１のバイパス回路には第１の二方弁と、第２の減圧器と、冷媒を加熱する冷媒加熱器とを配設し、前記第２のバイパス回路には第２の二方弁と、第３の減圧器とを配設するとともに、前記除霜運転を行う前に、前記電流検出手段によって検出された値が、所定の電流値よりも低い場合に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電させて蓄熱させてから、前記第１の二方弁と前記第２の二方弁とを開放することを特徴とする。

本発明の空気調和機は、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、室内機と室外機とで構成され室外熱交換器の除霜運転を行う除霜運転機能を有する空気調和機において、暖房運転時に冷媒の流通する経路が順に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機となるように冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、
冷媒が前記室内熱交換器から前記第１の減圧器へ向かう経路と、前記室外熱交換器から前記四方弁へ向かう経路とを連結する第１のバイパス回路と、
冷媒が前記四方弁から前記室内熱交換器へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結、もしくは、冷媒が前記圧縮機から前記四方弁へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結する第２のバイパス回路と、
前記室外機内に前記空気調和機の運転電流を検出する電流検出手段とを備え、前記第１のバイパス回路には第１の二方弁と、第２の減圧器と、冷媒を加熱する冷媒加熱器とを配設し、前記第２のバイパス回路には第２の二方弁と、第３の減圧器とを配設するとともに、前記除霜運転を行う前に、前記電流検出手段によって検出された値が、所定の電流値よりも低い場合に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電させて蓄熱させてから、前記第１の二方弁と前記第２の二方弁とを開放することを特徴とするものでこの構成をなすことにより、暖房運転を行いながら除霜運転を実施することができる。

また、室外熱交換器の除霜を行う前に、電流を検出して、運転電流が低い運転をしている場合は、冷媒加熱器に通電して蓄熱させることから、除霜中の冷媒加熱器通電時間が短縮できることや、電源容量に余裕があれば冷媒加熱器を効率よく利用できという利点がある。

第２の発明は、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記外気温度検出手段で検出される値が、所定の温度よりも低い場合に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電することにより、特に外気温度が極端に低い場合（−１５℃以下）には、圧縮機を容量可変で運転しても運転電流が上がらない場合があることから、外気温度を検出してある所定温度より低い場合には、除霜運転の前に冷媒加熱器に通電して、冷媒加熱器に蓄熱して除霜中の冷媒加熱器通電時間が短縮できることや極端に温度が低い場合の電装品の温度特性が変化しないように保護する運転を行う。

第３の発明は、前記冷媒加熱器の温度を検出する冷媒加熱器温度検出手段を備え、前記冷媒加熱器の発熱部に通電したあと、前記冷媒加熱器温度検出手段で検出される値によって、前記冷媒加熱器の通電と通電停止を繰り返し行うことにより、冷媒加熱器に通電する時間にとらわれることなく、電流値が設定より低い場合には直ちに冷媒加熱器の通電を行い、冷媒加熱器に蓄熱できる。

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機の構成図である。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、除霜用である第２の二方弁１０、第３の減圧器１１、第１の二方弁７、第２の減圧器１２、発熱部である冷媒加熱ヒータ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。

また、外気温度センサー２１、冷媒加熱温度センサー２２が配設されている。

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り、図４は、冷媒加熱器通電を判断する時の運転電流と電流制御値の関係を示したタイムチャートである。図５は、冷媒加熱器通電を判断する時の外気温度と外気温度設定値の関係を示した制御図である。図６は、冷媒加熱器温度より冷媒加熱ヒータを運転停止させて時の冷媒加熱器温度特性図である。

次に図２で構成について説明すると室外機側で除霜開始判断が除霜開始判断手段５０でなされる前に、電流検出手段６０または、外気温度検出手段６１により冷媒加熱器通電判断が行われ、その後、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５７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。

また冷媒加熱器は、冷媒加熱器温度手段より検知された温度により、加熱器ヒータ運転停止手段より運転停止を行う。

次に図３に示すように、除霜開始の判断をするまえに、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転を行い、冷媒加熱器に通電できるかどうか、電流値または外気温度を検出して冷媒加熱器の通電判断を行う。電流設定値より電流が低いことを判断して冷媒加熱器通電判断をするか外気温度が所定の温度より低いことを検知して冷媒加熱器の通電判断を行う。ステップ２では、冷媒加熱通電判断より冷媒加熱の通電が行われ、冷媒加熱器の蓄熱運転に移行する。このとき圧縮機は、通常運転を行い、暖房運転と冷媒加熱器通電運転が共に行われる。

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。

次に図４に示すように、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転から電流制御値に対して総合電流が低下する検知をした場合に、冷媒加熱器の通電する判断を行い、ステップ２に移行する。

また図５に示すように外気温度がある外気温度設定値より低下すると、冷媒加熱器通電判断となり、冷媒加熱器に通電され、暖房運転と冷媒加熱器の通電運転が共に運転される。

また、図６に示すように冷媒加熱器の温度により、冷媒加熱ヒータの運転停止を行い、冷媒加熱器の温度が異常に上昇しないように制御する。

この制御により、冷媒加熱器に通電するタイミングを電流値のみで判断して冷媒加熱ヒータを通電できることから、除霜以外にも極低温時の電装品の温度特性がずれるため、室外機の温度確保で安定した制御装置の駆動ができる効果がある。

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機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、室外温度が極端に低い寒冷地での空気調和機にも適用できる。

本願発明にかかる実施の形態１の空気調和機の構成図 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のタイムチャート 本願発明にかかる実施の形態のタイムチャート 本願発明にかかる実施の形態の制御図 本願発明にかかる実施の形態の冷媒加熱器温度変化図 従来例の空気調和機の構成図

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
２１ 外気温度センサー
２２ 冷媒加熱器温度センサー

Claims (3)

1. 室内機と室外機とで構成され室外熱交換器の除霜運転を行う除霜運転機能を有する空気調和機において、
   暖房運転時に冷媒の流通する経路が順に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器、前記四方弁、前記圧縮機となるように冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、
   冷媒が前記室内熱交換器から前記第１の減圧器へ向かう経路と、前記室外熱交換器から前記四方弁へ向かう経路とを連結する第１のバイパス回路と、
   冷媒が前記四方弁から前記室内熱交換器へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結、もしくは、冷媒が前記圧縮機から前記四方弁へ向かう経路と、前記第１の減圧器から前記室外熱交換器へ向かう経路とを連結する第２のバイパス回路と、
   前記室外機内に前記空気調和機の運転電流を検出する電流検出手段とを備え、
   前記第１のバイパス回路には第１の二方弁と、第２の減圧器と、冷媒を加熱する冷媒加熱器とを配設し、前記第２のバイパス回路には第２の二方弁と、第３の減圧器とを配設するとともに、
   前記除霜運転を行う前に、前記電流検出手段によって検出された値が、所定の電流値よりも低い場合に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電させて蓄熱させてから、前記第１の二方弁と前記第２の二方弁とを開放することを特徴とする空気調和機。
2. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記外気温度検出手段で検出される値が、所定の温度よりも低い場合に、前記冷媒加熱器の発熱部に通電することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記冷媒加熱器の温度を検出する冷媒加熱器温度検出手段を備え、前記冷媒加熱器の発熱部に通電したあと、前記冷媒加熱器温度検出手段で検出される値によって、前記冷媒加熱器の通電と通電停止を繰り返し行うことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。

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