JP2009030852A

JP2009030852A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2009030852A
Application number: JP2007194005A
Authority: JP
Inventors: Shoji Takaku; 昭二高久; Kenji Nagoshi; 健二名越
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】
外気温が低い着霜し易い運転条件においても、室外熱交換器に霜をつき難くして、着霜による暖房能力の低下を抑制する空気調和機を提供する。
【解決手段】
細径接続配管１０６と膨張弁１０８の間に第３の熱交換器１０７を設ける。このような構成にすることにより、室内熱交換器１０４から第３の熱交換器１０７へ暖かい冷媒が流れ、その冷媒と熱交換した空気は外気よりも高い温度に暖められる。これによって、風の流れに対して下流側に位置する室外熱交換器１０９に流入する空気が暖められるので、霜が付着し難くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和機に係り、特に寒冷地向けで外気温が低く湿度の高い場所に設置しても暖房運転が継続できる空気調和機に係る。

一般家庭で多く使用されている空気調和機としては、室内機と室外機が別体で構成されており、室内機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と空気を送り出す送風機が設置されており、室外機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と送風機、冷媒を循環させる圧縮機および冷媒を減圧する減圧機等が設置されている。これらの室内機と室外機の間に接続配管を用いて冷媒流路を接続することで、室内機と室外機の間を冷媒が行き来して冷凍サイクルが成り立っている。

この構成の空気調和機において、冷媒流路切換え弁等により冷媒の流れ方向を変えることにより冷房運転，暖房運転および除湿運転を行っており、これらの各運転条件に関して快適性向上の検討や省エネルギー化を図るための研究が盛んに行われている。

一例を挙げると、暖房運転時には外気の温度と湿度により室外熱交換器のフィン表面に着霜が生じ暖房能力が低下する。着霜が発達していくと室外熱交換器に霜の目詰まりがおこり、著しく暖房能力が低下する。

そこで、従来は着霜による暖房能力の低下を防止するため、ある一定時間や外気温，サイクル温度の変化により着霜の状態を検知するなどして、除霜運転を行っている。

一般的に多く採用されている除霜運転方式は、暖房運転中に四方弁を切換えることにより冷房運転サイクルを行い、高温の冷媒を室外熱交換器に流すことにより、室外熱交換器のフィンに付着した霜を溶かす方式を採用している。このとき、室内ファンや室外ファンはほぼ停止の状態であり、暖房運転を中断する形となっている。

前記したように除霜運転中は暖房運転が出来ず室温が低下することから頻繁に除霜運転をすると、暖房運転をしていた顧客に不快感を与えてしまう。

この問題を解決する手段として、除霜運転時に加熱器として機能する第１の熱交換器および冷却器として機能する第２の熱交換器からなる室外熱交換器と、前記第１熱交換器と第２熱交換器とを接続する接続配管と、この接続配管に設けられ除霜運転時に絞り作用をする絞り手段と、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器間に設けられた膨張弁とを有し、除霜時、この膨張弁を開放すると共に前記絞り手段を絞り、前記第１熱交換器を加熱器として機能させ、その放熱により、第１熱交換器の除霜を行う方式が提案されている（特開２００５−２４１１４７号公報）。

一方、室外熱交換器と四方弁との間に補助膨張弁と室外補助熱交換器を接続し、これら補助膨張弁と室外補助熱交換器とに並列に冷媒の循環路を開閉する開閉弁を設け、暖房運転を行う際、前記開閉弁を開いて圧縮機，四方弁室内熱交換器，膨張弁，室外熱交換器、前記四方弁および前記圧縮機に冷媒を順次循環させるようにし、除霜運転を行う際、四方弁を切換えることなく前記開閉弁を閉じて前記圧縮機，前記四方弁，前記室内熱交換器，前記膨張弁，前記補助膨張弁，前記室外補助熱交換器，前記四方弁および前記圧縮機に冷媒を順次循環させるようにした空気調和機を提案しているものもある（特開平１１−２８１２１２号公報）。

特開２００５−２４１１４７号公報特開平１１−２８１２１２号公報

しかしながら、従来の空気調和機の構成では、低外気温時に暖房運転時をすると頻繁に除霜運転がなされ、快適性に欠けることは明らかである。

また、その対策を考慮した特開２００５−２４１１４７号公報では逆サイクル（冷房サイクル）とせずに、室外熱交換器の冷媒配管途中に絞り機構を設け、除霜運転時に室内熱交換器と室外熱交換器間に設けてある膨張弁を全開にし、室外熱交換器の冷媒配管途中に設けてある絞り機構を絞っている。これによって、その絞り機構の冷媒上流側の熱交換器の除霜を行う構成をとっているが、この場合、室内熱交換器の放熱分を室外熱交換器の除霜に使用するため、暖房能力の低下は避けられない。また、室外熱交換器を分割するように絞り機構を設けてあるため、冷媒パスが限定されると共に、通常の暖房運転時においてもポート径の大きい弁を使用しなければ圧力損失が生じ、暖房性能が低下することが考えられる。

同様に特開平１１−２８１２１２号公報では補助熱交換器と補助膨張弁を使用して、室外熱交換器本体の除霜をする際に補助熱交換器を作用させるが、暖房運転は連続して行うことができる一方その能力は通常運転時に対して大幅に低下するものと考えられる。また、低温暖房運転時には補助熱交換器は除霜運転のみに使用されているため、熱交換器を充分有効に使用していない場合がある。

このように従来の低外気温時における暖房運転では、頻繁に除霜が行われ暖房運転を希望している顧客に対して、不快感を与えることは容易に推測できる。また、暖房運転を行いながら除霜運転を行う上記の発明に関しても、除霜運転中の暖房能力の低下は避けることは出来ない。また、着霜の状態によっては従来の逆サイクル（冷房運転サイクル）による除霜運転よりも長い時間かかり、さらに、逆サイクルによる除霜運転と併用して霜を溶かす作業が必要となる場合があると考えられる。

本発明は、外気温が低く湿度の高い場所でもフィン表面における着霜を抑制して暖房運転が継続できる空気調和機を提供することを目的とする。

そこで、本発明による空気調和機は、
室内機と室外機が別体で構成されており、室内機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と空気を送り出す送風機が設置されており、室外機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と送風機、冷媒を循環させる圧縮機および冷媒を減圧する膨張弁が設置され、これらの室内機と室外機の間を接続配管を用いて室内機と室外機を冷媒が循環する冷凍サイクルにおいて、上記室外機内に設置されている膨張弁と室内機と室外機の冷媒配管をつなぐ接続配管との間に第３の熱交換器を備え、この第３の熱交換器を室外熱交換器の空気流方向に対して風上側に配置したことにより達成できる。

室外機内に設置されている膨張弁と室内機と室外機の冷媒配管をつなぐ接続配管との間に第３の熱交換器を備え、この第３の熱交換器を室外熱交換器の空気流方向に対して風上側に配置したことにより、暖房運転時には室内機で熱交換した暖かい冷媒が第３の熱交換器に流入して、室外ファンにより送られてくる空気と熱交換し、流入空気は暖められていく。次に第３の熱交換器により暖められた空気は室外熱交換器に流入し、膨張弁により減圧された冷媒と熱交換する。この時の流入空気の状態は、通常よりも高い温度の空気が室外熱交換器に流れ込むことになるため、冷媒の蒸発温度が上がり、暖房性能が向上すると共に、通常着霜する条件においても室外熱交換器のフィン表面温度が上がるため、フィン表面における着霜を抑制することになる。

次に、前記第３の熱交換器の一方の冷媒通路端にオスの接続部材を設け、他方の冷媒通路端にメスの接続部材を設けることにより、室外機のサービスバルブと接続配管の間に第３の熱交換器を取り付けることで、既存の空気調和機に取り付けることが可能となる。したがって既に設置された空気調和機に第３の熱交換器をつけることが出来るため、既存の製品に対してもその効果を発揮することが可能となる。

次に前記第３の熱交換器のパス配列を多パスにすることにより、冷媒温度および空気温度の均一化を図ることが出来るため、効率よく第３の熱交換器を使用することが出来る。

次に第３の熱交換器の冷媒配管経路途中（冷媒出入口近傍配管）に、冷媒温度を検知するためのセンサーを設けたことにより、暖房運転時にセンサーで検知した冷媒温度が外気温度よりも高くなるように、室外ファン回転数，膨張弁の開度および圧縮機回転数を調整する制御を行うことが出来、第３の熱交換器を有効に活用することが出来る。

次に前記接続配管と前記第３の熱交換器の間の配管と、前記膨張弁と前記室外熱交換器の間の配管をつなぐパイパス配管を設け、そのバイパス配管経路途中に第２の膨張弁を具備することにより、暖房運転時には前記膨張弁を動作させることにより、暖房性能が向上する。

一方、冷房運転時には、通常前記膨張弁を全閉にして、第２の膨張弁にて減圧制御を行うが、例えば室外機の設置状況により運転中に凝縮圧力が上昇し、圧縮機の保護のために圧縮機の回転数を制限され、冷房能力が著しく低下する場合、前記膨張弁にて減圧量を調節すると共に、前記第２膨張弁を全閉にすることで、第３熱交換器に低温の冷媒が流れ、その冷媒と熱交換した外気温よりも低い温度の空気を室外熱交換器に流入させることが出来、冷房能力を向上させることが出来る。

室内機と室外機が別体で構成されており、室内機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と空気を送り出す送風機が設置されており、室外機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と送風機、冷媒を循環させる圧縮機および冷媒を減圧する膨張弁が設置され、これらの室内機と室外機の間を接続配管を用いて室内機と室外機を冷媒が循環する冷凍サイクルにおいて、上記室外機内に設置されている膨張弁と室内機と室外機の冷媒配管をつなぐ接続配管との間に第３の熱交換器を備え、この第３の熱交換器を室外熱交換器の空気流方向に対して風上側に配置した構成とする。

図２は一般的な冷凍サイクルの系統図を示すものであり、暖房運転時の冷媒の流れで順次説明すると、冷媒は圧縮機２０１により高温・高圧ガス冷媒になり、四方弁２０２に流入する。この四方弁２０２内部には流れ方向を変えるための仕切りが設けてあり、その仕切りにより冷媒は太径接続配管２０３を通過し、室内熱交換器２０４へ流入する。この室内熱交換器２０４では室内送風装置２０５により送られる空気と室内熱交換器２０４内に流れる冷媒が熱交換を行い、空気は暖められ室内に放出され、冷媒は熱を奪われ凝縮し中温・高圧の凝縮冷媒となる。次に、中温・高圧の凝縮冷媒は細径配管２０６を経て膨張弁２０７に流入し、低温・低圧の冷媒となり、室外熱交換器２０８に流入する。ここでは室外送風装置２０９により送られる空気と室外熱交換器２０８内に流れる冷媒が熱交換を行い、空気は冷やされ室外に放出され、冷媒は蒸発しながら室外熱交換器２０８内を流れ出口に至る。そして再度四方弁２０２に流入した後圧縮機２０１に戻り冷凍サイクルを形成することになる。図３は前記した冷凍サイクルが収められている状況、すなわちセパレート型の空気調和機を表すものであり、図２で示した室内熱交換器２０４と室内送風装置２０５等で構成されている室内機３０１と圧縮機２０１，四方弁２０２，室外熱交換器２０８，室外送風装置２０９等で構成された室外機３０２，室内機３０１内のサイクルと室外機３０２内のサイクルを接続配管３０３でつないだ構成となっている。

図１は本発明にかかる第１の実施例であり、同様に暖房運転時の流れで順次説明すると、冷媒は圧縮機１０１により高温・高圧ガス冷媒になり、四方弁１０２流入する。この四方弁１０２内部には流れ方向を変えるための仕切りが設けてあり、その仕切りにより冷媒は太径接続配管１０３を通過し、室内熱交換器１０４へ流入する。この室内熱交換器１０４では室内送風装置１０５により送られる空気と室内熱交換器１０４内に流れる冷媒が熱交換を行い、空気は暖められ室内に放出され、冷媒は熱を奪われ凝縮し中温・高圧の凝縮冷媒となる。次に、中温・高圧の凝縮冷媒は細径配管１０６を経て第３の熱交換器１０７に流入する。この第３の熱交換器１０７は膨張弁１０８を挟んで室外熱交換器１０９につながる。この時第３の熱交換器１０７は室外送風装置１１０の風の流れに対して、室外熱交換器１０９の風上側に配置されている。この第３の熱交換器に流入した中温・高圧の冷媒は流入する外気を暖めながら、自身は冷却される。低温・低圧の冷媒は先に述べたように膨張弁１０８に流入し冷媒を減圧する。そして、室外熱交換器１０９に流入し、ガス化しながら出口に至り再び四方弁１０２をへて圧縮機１０１へともどる。

このような構成にすることにより、前記した第３の熱交換器１０７から放出される空気は冷媒により外気よりも高い温度に暖められているため、風の流れに対して下流側に位置する室外熱交換器１０９の冷媒と空気の伝熱性能を向上させることが出来る。また外気温が低い条件、すなわち着霜を伴う運転条件においても、室外熱交換器１０９に流入する空気を暖めることで、霜がつきづらく、暖房能力の着霜による低下を抑制することが出来る。

図４〜図８は室外熱交換器の形状および室外熱交換器と第３の熱交換器の配置を具体的に示した図である。

図４では、室外熱交換器４０１（１列平熱交換器）の空気流方向４０２の風上側に第３の熱交換器４０３をほぼ同じ大きさにして配置した例であり、暖房運転時の冷媒の流れで説明すると、冷媒は図示していない室内熱交換器から第３の熱交換器冷媒配管４０３ａに流入し、順次室外空気とヘアピンパイプ４０３ｂ内を流れる冷媒と熱交換しながら第３の熱交換器出口４０３ｃに至る。その後膨張弁４０４にて冷媒を減圧して室外熱交換器４０１に流入して第３の熱交換器４０３にて暖められた空気と熱交換し、冷媒はガス化する。このガス化した冷媒は四方弁を経て圧縮機へ戻る。また、冷房運転時は冷媒の流れが逆になり四方弁から流入した高温・高圧のガス冷媒は室外熱交換器４０１に流入し、そこで空気と熱交換し凝縮して室外熱交換器４０１から膨張弁４０４へ流れる。この膨張弁４０４では冷媒を減圧し、低温・低圧の二層流冷媒となり、第３の熱交換器４０３に流入し室外空気と熱交換し、その後図示しない室内機へ流入する。このとき、室外熱交換器４０１に流入する空気は第３の熱交換器４０３にて冷却された空気となっているため、室外熱交換器４０１の熱交換性能を促進することとなる。

図５は室外熱交換器５０１を空気流方向５０２に対して２列とし、空気流方向５０２の上流側に第３の熱交換器５０３を配置した実施例である。

図６は、室外熱交換器６０１が曲げ熱交換器の場合、第３の熱交換器６０２も曲げ熱交換器にした場合の実施例である。

図７は室外熱交換器７０１が曲げ熱交換器であり、第３の熱交換器７０２は平熱交換器を取り付けた場合の実施例である。

図８は本発明にかかる一実施例であり、前記第３の熱交換器９０１は一方の冷媒通路端にオスの接続部材９０３を設け、他方の冷媒通路端にメスの接続部材９０２を設けた場合の実施例であり、このような構成にすることでオスの接続部材９０３を細径接続配管端部のメスの接続部材９０４に接続し、第３の熱交換器９０１の他方のメスの接続部材９０２をサービスバルブ９０５に接続し、前記第３の熱交換器９０１を室外熱交換器の空気流方向の風上側に設置することにより、後付けで第３の熱交換器をつけることが出来る。この場合、既に購入済みの顧客が希望した場合に容易に取り付けることが出来、また、メーカーにこだわらず寸法を合わせることにより取り付けが可能であり、取り付けることにより性能を向上させることが出来る。ただし、この場合は後付けする熱交換器の大きさにより冷媒量の追加が必要になる。

図９は本発明にかかる一実施例であり、第３の熱交換器１００１を多パス化にした場合の例である。暖房運転で説明すると、室内機から流出した冷媒は接続配管を通過して第３の熱交換器１００１の分岐管１００２によりパスＡ１００３，パスＢ１００４，パスＣ１００５，パスＤ１００６およびパスＥ１００７に分岐しそれぞれのパス配管を経て合流管１００８にて各パスから流出した冷媒が合流する。その後膨張弁１００９を経て室外熱交換器１０１０へ流れる。このようなパス構成にすることで、第３の熱交換器１００１により暖められた空気が室外熱交換器１０１０へ流入する際に、温度むらがなくなることから、第３の熱交換器１００１から放出する空気を有効に使うことが出来る。

次に図１０に示すように暖房運転時の冷媒の流れ方向で第３の熱交換器１１０１の冷媒配管出口近傍に、冷媒温度を検知するためのセンサーＡ１１０３を設け、そのセンサーにより室外ファンや圧縮機回転数や膨張弁の開度を調整する、すなわち、第３の熱交換器１１０１から流出する冷媒温度が外気温よりも高くなるように運転状態を変化させることにより、第３の熱交換器１１０１を有効に使うことが出来る。また、特に外気温が低い状態での暖房運転時はセンサーで検知する温度が０℃以上になるように制御することが望ましい。

次に図１１に示すように、室外熱交換器１２０１と膨張弁１２０２の間の配管と第３の熱交換器１２０３と接続配管１２０４の間の配管にバイパス回路１２０５を設置し、そのバイパス回路１２０５の配管途中に第２の膨張弁１２０６を設置する。

このようにすることで、暖房運転時には前記膨張弁１２０２を動作させることにより、暖房性能が向上する。

一方、冷房運転時には、通常前記膨張弁１２０２を全閉にして、第２の膨張弁１２０６にて減圧制御を行うが、例えば室外機の設置状況により運転中に凝縮圧力が上昇し、圧縮機１２０７の保護のために圧縮機１２０７の回転数を制限され、冷房能力が著しく低下する場合、前記膨張弁１２０２にて減圧量を調節すると共に、前記第２膨張弁１２０６を全閉にすることで、第３の熱交換器１２０３に低温の冷媒が流れ、その冷媒と熱交換した外気温よりも低い温度の空気を室外熱交換器に流入させることが出来、冷房能力を向上させることが出来る。

次に第３熱交換器の使用例を以下に述べる。

図１２は室外熱交換器１３０１のフィンピッチＡに対し第３の熱交換器１３０２のフィンピッチＢをＢ＜Ａにした例であり、このようにすることで、第３の熱交換性能が向上する。

また、図１３は室外熱交換器１４０１のパイプ径Ａに対し第３の熱交換器１４０２のパイプ径ＢをＢ＜Ａにした例であり、第３の熱交換器１４０２内を流れる冷媒の流速を上げ、熱伝達を促進すると共に、冷媒量を低減することが出来る。

また、図１４は第３の熱交換器のフィン１５０１にスリット１５０２を設けたものであり、このようにスリットを設けることにより熱伝達性能を向上させることが出来る。

本発明に係る空気調和機の全体の概要を示した説明図である。従来例に係る空気調和機の示した説明図である。本発明に係る空気調和機の全体の概要を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。本発明に係る空気調和機の実施方法を示した説明図である。

符号の説明

１０１，２０１，１２０７圧縮機
１０２，２０２四方弁
１０３，２０３太径接続配管
１０４，２０４室内熱交換器
１０５，２０５室内送風装置
１０６，２０６細径配管
１０７，４０３，５０３，６０２，７０２，９０１，１００１，１１０１，１２０３，１３０２，１４０２第３の熱交換器
１０８，２０７，４０４，１００９，１２０２膨張弁
１０９，２０８，４０１，５０１，６０１，７０１，１０１０，１２０１，１３０１，１４０１室外熱交換器
１１０，２０９室外送風装置
３０１室内機
３０２室外機
３０３，１２０４接続配管
４０２，５０２空気流方向
４０３ａ第３の熱交換器冷媒配管
４０３ｂヘアピンパイプ
４０３ｃ第３の熱交換器出口
９０２メスの接続部材
９０３オスの接続部材
９０４接続配管のメスの接続部材
９０５サービスバルブ
１００２分岐管
１００３パスＡ
１００４パスＢ
１００５パスＣ
１００６パスＤ
１００７パスＥ
１００８合流管
１１０３センサーＡ
１２０５バイパス回路
１２０６第２の膨張弁
１５０１第３の熱交換器のフィン
１５０２スリット

Claims

室内機と室外機が別体で構成されており、室内機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と空気を送り出す送風機が設置されており、室外機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と送風機、冷媒を循環させる圧縮機および冷媒を減圧する膨張弁が設置され、これらの室内機と室外機の間を接続配管を用いて室内機と室外機を冷媒が循環する冷凍サイクルにおいて、
上記室外機内に設置されている膨張弁と室内機と室外機の冷媒配管をつなぐ接続配管との間に第３の熱交換器を備え、この第３の熱交換器を室外熱交換器の空気流方向に対して風上側に配置したことを特徴とする空気調和機。
請求項１記載の空気調和機において、
前記第３の熱交換器の一方の冷媒通路端にオスの接続部材を設け、他方の冷媒通路端にメスの接続部材を設けたことを特徴とする空気調和機。
請求項１乃至２記載の空気調和機において、
前記第３の熱交換器のパス配列を多パスにしたことを特徴とする空気調和機。
請求項１から３記載の空気調和機において、
前記第３の熱交換器の冷媒配管経路途中（冷媒出入口近傍配管）に、冷媒温度を検知するためのセンサーを設けたことを特徴とする空気調和機。
請求項１から請求項４記載の空気調和機において、
前記接続配管と前記第３の熱交換器の間の配管と、前記膨張弁と前記室外熱交換器の間の配管をつなぐパイパス配管を設け、そのバイパス配管経路途中に第２の膨張弁を具備したことを特徴とする空気調和機。