JP2009156472A - 空気調和機 - Google Patents

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Abstract

【課題】暖房運転を継続しながら、確実に、しかもより短時間な除霜を可能とする。
【解決手段】冷凍サイクル中に第1室外熱交換器9の風上側に第2室外熱交換器11を追加し、第2室外熱交換器11の一端と圧縮機3の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通させるための流路切替用の電磁弁10aと10bを設け、第2の室外熱交換器11の他端と、室内熱交換器13と前記第1の減圧装置との間とを接続する第2の減圧装置12を設ける。暖房時には第1の室外熱交換器9は蒸発器として機能するが、電磁弁10aを閉止し、電磁弁を開放することで、圧縮機3の吐出冷媒の一部が第2の室外熱交換器11に流れる。これにより、第2の室外熱交換器11は凝縮器として機能し、自身に付着した霜を除霜できる。第2の室外熱交換器11の除霜完了後に、第2の室外熱交換器11によって温められた空気により第1の室外熱交換器9の除霜が行われる。
【選択図】図1

Description

この発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる空気調和機に関するものであり、特に、着霜を伴うような暖房運転時においても室内側で暖房を継続しながら、同時に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。
従来のこの種の空気調和機、すなわち、室内側で暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことができる空気調和機においては、室外側熱交換器を分割し、片方を蒸発器としたままで、もう一方の除霜する側には分岐した吐出ガスの一部を液側から注入する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
あるいは、分割された室外熱交換器夫々のガス側を圧縮機吸入か吐出かどちらかに連通できる切替手段を用いて、分割区間ごとに1つの室外熱交換器を凝縮器として選択し残りの室外熱交換器を蒸発器として選択する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許第3816860号公報(7頁、第4図) 特開平9−318206号公報(3〜4頁、第1図)
しかしながら、前記特許文献1の構成においては、吐出ガスを分岐する開閉弁の流路抵抗が除霜のための冷媒流量を決めてしまうので、それが大きすぎる場合には室内側の暖房能力が失われてしまうし、小さすぎると除霜熱量が不足するため、開閉弁の選択が難しい。また、除霜用に分岐された冷媒は蒸発器を流通しないので、外気からの採熱量が大きく減少してしまい、室内側で十分な暖房能力が得られない。
前記特許文献2の構成においては、ガス側で高低圧を切り替えることとなるため、冷媒圧力損失の小さい大型の切替弁が必要であり、冷媒回路部品が高価となる。また、凝縮器としても使用される室外熱交換器では風下側に乾き度の高い冷媒が流通するようになっているため、主に着霜している風上側に高温の冷媒が届きにくく、除霜に長い時間を要する。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、暖房運転を継続しながら、確実に、そしてより短時間に除霜することを可能とすることで、快適な暖房空間を形成できる空気調和機を得ることを目的とする。
この発明に係る空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第1の減圧装置、第1の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、前記第1の室外熱交換器の風上側に第2の室外熱交換器を設けるとともに、前記第2の室外熱交換器の一端には前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通させるための流路切替手段が備えられ、一端が前記第2の室外熱交換器の他端に接続され、他端が前記室内熱交換器と前記第1の減圧装置との間に接続される第2の減圧装置が備えられているものである。
この発明に関わる空気調和機は、除霜運転時に凝縮器として作用する第2の室外熱交換器を、除霜運転時も蒸発器である第1の室外熱交換器の風上側に配置したので、霜が無くなった後は、凝縮器である第2の室外熱交換器を通過して高温となった空気が風下の第1の室外熱交換器の蒸発熱となって回収されるため、第2の室外熱交換器に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用でき、除霜時間を短縮することができる。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における空気調和機の冷媒回路の一例を示すものである。図1において、1は室外ユニット、2は室内ユニットである。室外ユニット1と室内ユニット2は接続配管であるガス管5、液管7で接続されて閉回路を形成し、冷媒としてR410Aが封入されている。
室外ユニット1には、圧縮機3、冷房と暖房で流路を切り替える四方弁4、第1の減圧装置である電動膨張弁8、第1の室外熱交換器9が備えられている。さらに、第1室外熱交換器9の風上側に配置された第2の室外熱交換器11、その第2室外熱交換器11の一端を圧縮機3の吐出側あるいは吸入側に連通するよう流路を選択する電磁弁10aおよび10b、第2室外熱交換器11の冷媒流量を調節する第2の減圧装置である電動膨張弁12が備えられ、室内熱交換器6と電動膨張弁8との間に接続されている。
なお、これらはマイクロコンピュータやDSPなどの制御装置(図示せず)によって制御される。
また、上記第2室外熱交換器11と、その一端を前記圧縮機吐出側あるいは吸入側に連通するよう流路を選択する流路切替手段である電磁弁10aおよび10bと、第2室外熱交換器11の冷媒流量を調節する第2の減圧装置である電動膨張弁12によって構成される冷媒回路系統と同じものを2系統以上並列に設けてもよい。
室内ユニット2には、室内熱交換器6、第3の減圧装置である電動膨張弁13が備えられている。この電動膨張弁13は、室外ユニット1側に配置されてもよいし、どちらにも配置されなくてもよい。この電動膨張弁13は、室内ユニット2が複数台設置されるような場合に、それぞれの室内ユニットを流通する冷媒流量のバランス調整に必要となる。また、室内熱交換器6、室外熱交換器9にはそれぞれ送風機14、15が備えられ、それぞれ室内外の空気との熱交換を促進、調整している。
次に、このように構成された本実施の形態1の空気調和機における冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁4は圧縮機3の低圧側とガス管5が連通するように、また圧縮機3の高圧側と第1室外熱交換器9が連通するように流路が設定される。即ち、図1の四方弁内の破線が有効となる。また、第2室外熱交換器11にも吐出ガスが流入するように電磁弁10aが閉止され電磁弁10bが開放される。
圧縮機3から吐出される高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器9、11に流入し、外気に放熱して凝縮する。図示しない制御装置は、各室外熱交換器9、11の出口冷媒過冷却度が所定値になるようにそれぞれの電動膨張弁8、12の開度を制御する。ここで減圧されて低圧二相となった冷媒は液管7を通って室内熱交換器6に流入し、室内空気から熱を吸収して蒸発した低圧ガス冷媒となり、ガス管5、四方弁4を経由して再び圧縮機3に吸入される。
続いて暖房運転時の動作を説明する。暖房運転時、四方弁4は圧縮機3の高圧側とガス管5が連通するように、また圧縮機3の低圧側と第1室外熱交換器9が連通するように流路を形成する。即ち、図1の四方弁内の実線が有効となる。また、電磁弁10aが開放、10bが閉止されて第2室外熱交換器11も低圧側に連通される。圧縮機3から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁4、ガス管5を経由して室内ユニット2へ流入する。その後、室内熱交換器6において室内に放熱して凝縮して高圧液冷媒となり、液管7を通って室外ユニット1へ戻る。ここで、図示しない制御装置は、熱交換器9、11の出口状態(過熱度)が所定値となるようにそれぞれの電動膨張弁8、12の開度を制御する。室外熱交換器9,11で外気から採熱し、低圧ガス状態となった冷媒は、再び四方弁4もしくは電磁弁10aを経由して圧縮機3に吸入される。
この暖房運転において、蒸発温度が0℃を下回るような場合、蒸発器として動作している室外熱交換器に着霜が生じる。室外熱交換器の表面で霜が成長すると通風抵抗となって通風量を低下させ、また、空気と冷媒間の伝熱抵抗となって蒸発温度が低下してしまうため、このような着霜を伴う条件下では通常、所定間隔で定期的に除霜運転が行われる。以降は、本実施の形態1における除霜運転について図1および図2を参照して説明する。
図2は、除霜運転時の冷凍サイクル動作を示すP−h線図である。各点に付した記号A,B〜Hは図1の冷媒回路図に付したものと対応している。また、参考として通常暖房時の冷凍サイクル動作を破線で示している。
本発明の実施の形態1では、前述した通常暖房中に、図示しない制御装置が例えば外気温度と蒸発温度との温度差が拡大するなどの情報から多量の着霜があると判定すると、第2室外熱交換器11を低圧から高圧に切り替えるように電磁弁10a、10bを制御する。すなわち、制御装置は電磁弁10aを閉止して電磁弁10bを開放する。これにより圧縮機3が吐出する高温ガス(状態B)の一部が第2室外熱交換器11に流入し、第2室外熱交換器11の霜を溶かしながら進行して過冷却液(状態E)となる。また、上記条件付きであるが暖房運転中であるため、室内熱交換器6においても室内空気に放熱して凝縮するが、除霜用の分岐経路にも冷媒が一部流れることにより通常暖房運転時より高圧が低下するため、熱交換量が少なく、その結果過冷却には至らず高圧二相状態Cとなる。
状態C、状態Eの冷媒は、それぞれ電動膨張弁12、13によって圧力を下げ(状態Dおよび状態F)、合流して状態Gとなる。そして、電動膨張弁8によって低圧まで減圧され、第1室外熱交換器9によって蒸発、吸入ガス冷媒(状態A)となって循環する。このような運転により、凝縮器となる第2室外熱交換器11では確実に除霜できるし、第2室外熱交換器11の風下となる第1室外熱交換器9でも、第2室外熱交換器11により加熱された高温空気により除霜することができる。
このときの電動膨張弁8および12の制御動作は以下のようになる。除霜運転開始によって圧縮機3からの冷媒流量が減少する室内熱交換器6では凝縮温度が低下し、暖房能力も低下するが、この暖房能力低下が著しいと、室温が低下して居住者に不快感を与えるため、除霜運転時でも室内熱交換器6では所定の凝縮温度を維持する必要がある。よって、図示しない制御装置は、圧縮機3の吐出圧力(凝縮温度)を維持するように電動膨張弁12の開度を制御する。
すなわち、圧縮機3の吐出圧力を検出する圧力検出手段(図示せず)を設け、除霜運転時には圧力検出手段の出力に基づいて第2の室外熱交換器11の凝縮温度を算出し、この算出した凝縮温度が予め設定した上下限値の範囲内に収まるように電動膨張弁12の開度を制御する。これにより、除霜用に分岐される第2室外熱交換器11の冷媒流量を調整して凝縮圧力の異常低下を抑制する。あるいは、制御装置が電動膨張弁12を全開させる(最大流量に調整する)ことで除霜時間短縮を暖房能力低下に優先させることもできる。またこのとき、制御装置は蒸発器として機能する第1室外熱交換器9の出口状態、あるいは圧縮機3の吸入状態を常時所定値となるように電動膨張弁8の開度を制御する。よって、一般の除霜運転のような過度の液バック状態になることなく、信頼性の高い空気調和機を提供できる。これら一連の制御動作を図3に示す。
一般に、霜は蒸発器である室外熱交換器の風上側、特にフィンの前縁部で成長するため、除霜時に高温冷媒を流通させる第2室外熱交換器11は風上に集中配置した方がよい。少なくとも、室外熱交換器のうち、除霜中に凝縮器として機能できない第1室外熱交換器9の風上には凝縮器として機能できる第2室外熱交換器11が必要である。このように配置すると、凝縮器として機能している第2室外熱交換器11の除霜が完了した後、これを通過して高温となった空気が風下の第1室外熱交換器9の除霜に寄与し、また、それが蒸発熱となって回収されるため、第2室外熱交換器11に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用できる。
本発明の実施の形態1においては、第1室外熱交換器を風下側2列、第2室外熱交換器を風上側1列と想定している。それぞれの熱交換器は別々に製造してもよいし、3列一体の熱交換器の風上側1列を第2室外熱交換器、風下側2列を第1室外熱交換器として分け合うように構成してもよい。別体の場合には、第2室外熱交換器11のフィンピッチを第1室外熱交換器9より小さくする、あるいは切り起こしの多いフィン形状にして前縁部を増やすなどにより、外気からの採熱量を増大させることで通常暖房運転時に2列目以降の着霜量を減らすことができ、第1室外熱交換器の霜の融け残りを予防できる。また、除霜終了時、凝縮水の再凍結が生じないように、凝縮水が溜りやすい室外熱交換器下部に吐出ガス導入部を集中的に配置してもよい。
いずれにしても、第2室外熱交換器11の内部容積は、室外熱交換器全体の40%以下にすることが望ましい。これは、除霜運転中、特に除霜開始時は、高温高圧のガス冷媒が多量に着霜した部分と直接接触に近い状態で熱交換を行うために、すぐに凝縮液化してしまうことによる。すなわち、除霜運転中は第2室外熱交換器11のほとんどが液冷媒で満たされることとなり、仮に第2室外熱交換器11の内部容積が40%を超えるとそれ以外の室外熱交換器で冷媒が不足する可能性がある。
図4は一般的な空気調和機の凝縮器の動作における出口過冷却度と過冷却液部長さの関係を示している。室外熱交換器を凝縮器として使用する冷房運転では、過冷却度が10℃のときの凝縮器内の過冷却液部長さは全体の40%程度となる。これは、冷凍サイクルに封入されている冷媒量のうち、液冷媒の状態で存在できる量と考えることができる。よって、除霜運転時に凝縮器となる第2室外熱交換器の内容積が室外熱交換器全体の40%を超えると、第2室外熱交換器以外の室外熱交換器で液冷媒が存在できない状態、いわゆる冷媒不足状態となり、蒸発器である第1室外熱交換器9では出口側が大きく過熱して低圧が下がってしまう。そのため、第2室外熱交換器11は、それが液冷媒で満たされても第2室外熱交換器以外の室外熱交換器で冷媒が不足しない程度の内部容積、すなわち、室外熱交換器全体の40%程度を上限としておくことが必要となる。
実施の形態2.
前述のように、実施の形態1では第1室外熱交換器が2列で第2室外熱交換器が1列であれば、第2室外熱交換器は室外熱交換器全体の1/3(即ち、1/(1+2))の内容積で、第1室外熱交換器の風上側すべてを覆うことができる。しかし、室外熱交換器全体が2列である場合には、室外熱交換器全体の40%以下のサイズを維持したまま、風上側1列すべてを第2室外熱交換器とすることができず、第1室外熱交換器の一部が風上に配置されてしまう。この実施の形態2では、このような場合でも対応可能な態様について説明する。
図5はこの発明の実施の形態2における冷媒回路の構成図である。図5の構成では、第2室外熱交換器11を上下に2分割し、夫々に流路切替手段である四方弁10a、10bおよび電動膨張弁12a、12bを備えている。第1室外熱交換器9および第2室外熱交換器11はどちらも1列の熱交換器である。このとき、第2室外熱交換器11aあるいは11bを1台ずつ時分割で交互に凝縮器として除霜すれば、除霜時に凝縮器として機能する部分の内容積は全体の25%(即ち、1/2/(1+1/2+1/2))となり、40%以下の条件を満たすので冷媒不足を回避できる。
また、図示しない制御装置は、例えば第2室外熱交換器11aを凝縮器としているときに第2室外熱交換器11bを蒸発器とし、さらに電動膨張弁8を全閉とすることで、第1室外熱交換器9には低圧冷媒が流通しない運転モードを実現できる。この運転モードでは、第1室外熱交換器9が蒸発器として作用しないため、第2室外熱交換器11aの除霜完了後、この第2室外熱交換器11aを通過した高温の空気が第1室外熱交換器9に流れ込むことにより第1室外熱交換器の除霜を実施の形態1よりも確実に且つ早く行うことができる。
これ以外の方法としては、例えば第2室外熱交換器の伝熱管径を第1室外熱交換器の伝熱管径より細くして、同一サイズであっても内部容積を小さくするようなことが考えられる。
実施の形態3.
図6はこの発明の実施の形態3における冷媒回路の構成図である。除霜運転時に凝縮器として機能できない第1室外熱交換器の除霜を確実に行うことができる構成としては、図6に示すように、第2室外熱交換器11を高圧か低圧のいずれかに切り替える流路切替手段を四方弁10で構成し、その一端を、電磁弁16を経由して第1室外熱交換器9の液側入口に接続している。
次に、実施の形態3の動作について説明する。本実施の形態3においては、第2室外熱交換器11を凝縮器として機能させる除霜運転の後、第2室外熱交換器11を蒸発器に戻した際に、所定時間だけ電磁弁16を開放すると、吐出ガスの一部を第1室外熱交換器9に流入させることができる。この動作により、第1室外熱交換器9に残霜が生じている場合にも、暖房運転を継続したままで第1室外熱交換器9を除霜することが可能となる。
以上のように、この発明に関わる空気調和機は、室内熱交換器を凝縮器としたままで室外熱交換器の一部である第2室外熱交換器を凝縮器とすることができるので、暖房運転を継続しながら除霜を行うことができ、暖房運転中の間欠的な室温低下を抑制することができる。
また、除霜運転時に高温となる第2室外熱交換器を、除霜運転時も蒸発器である第1室外熱交換器の風上側に配置したので、第2室外熱交換器の霜が無くなった後は、第2室外熱交換器を通過して高温となった空気が風下の第1室外熱交換器の霜を融解させるとともに、蒸発熱となって冷凍サイクルに回収されるため、第2室外熱交換器に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用でき、除霜時間を短縮することができる。
また、第2室外熱交換器の内部容積は、室外熱交換器全体の40%以下としたので除霜運転開始時に第2室外熱交換器が液冷媒で満たされても他の室外熱交換器で冷媒が不足することなく、高効率な除霜運転を行うことができる。
また、この発明に関わる空気調和機の除霜方法では、制御装置が蒸発器として機能する熱交換器に付随する減圧装置を制御することで圧縮機の吸入状態を適正に調整するため、一般の除霜運転のような過度の液バック状態になることなく、信頼性の高い空気調和機を提供できる。
また、この発明に関わる熱交換器の除霜方法は、室外熱交換器の除霜を室外熱交換器の一部分のみを高温にすることで行うため、弁類などを節約でき、低コストとなる。
また、第1室外熱交換器にも吐出ガスを注入できる経路を設ければ、霜の融け残りのない確実な除霜を行うことができる。
この発明の実施の形態1を示す空気調和機の冷媒回路図である。 この発明の実施の形態1における除霜運転時の冷凍サイクル動作を示すP−h線図である。 この発明の実施の形態1における除霜時の制御動作を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における凝縮器過冷却度と液部長さの関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態2における冷媒回路の構成図である。 この発明の実施の形態3における冷媒回路の構成図である。
符号の説明
1 室外ユニット、2 室内ユニット、3 圧縮機、4 四方弁、5 ガス管、6 室内熱交換器、7 液管、8 電動膨張弁、9 第1室外熱交換器、10、10a、10b 流路切替弁、11、11a、11b 第2室外熱交換器、12、13 電動膨張弁、14、15 送風機、16 電磁弁。

Claims (15)

  1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第1の減圧装置、第1の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、
    前記第1の室外熱交換器の風上側に第2の室外熱交換器を設けるとともに、
    前記第2の室外熱交換器の一端には前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通させるための流路切替手段が備えられ、
    一端が前記第2の室外熱交換器の他端に接続され、他端が前記室内熱交換器と前記第1の減圧装置との間に接続される第2の減圧装置が備えられていることを特徴とする空気調和機。
  2. 前記第2の室外熱交換器と、その一端を前記圧縮機吐出側あるいは吸入側に連通させる前記流路切替手段と、前記第2の減圧装置によって構成される冷媒回路系統が、2系統以上並列に備えられたことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
  3. 前記第2の室外熱交換器の内部容積は、前記第1の室外熱交換器の内部容積の20%〜40%であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の空気調和機。
  4. 前記第2の室外熱交換器は、前記第1の室外熱交換器よりも切り起こしが多い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機。
  5. 前記第2の室外熱交換器は、前記第1の室外熱交換器よりもフィンピッチが小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の空気調和機。
  6. 前記第2の室外熱交換器は、前記第1の室外熱交換器よりも伝熱管径が小さいことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の空気調和機。
  7. 前記第2の室外熱交換器と、前記第1の室外熱交換器は、一体で形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の空気調和機。
  8. 吐出ガス導入部を第1の室外熱交換器および第2の室外熱交換器の少なくとも一方の下部に設けたことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の空気調和機。
  9. 暖房運転時には前記室内熱交換器を凝縮器、前記第1および第2の室外熱交換器の双方を蒸発器とし、
    除霜運転時には前記第2の室外熱交換器を凝縮器となるよう切り替える制御手段を備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の空気調和機。
  10. 前記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出手段を備え、
    前記制御手段は、除霜運転時には前記圧力検出手段の出力に基づいて前記第2の室外熱交換器の凝縮温度を算出し、この算出した凝縮温度が所定の範囲内に収まるように前記第2の減圧装置を制御することを特徴とする請求項9に記載の空気調和機。
  11. 前記制御手段は、前記第2の減圧装置を全開にすることを特徴とする請求項9に記載の空気調和機。
  12. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第1の減圧装置、第1の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、
    前記第1の室外熱交換器の風上側に前記第1の室外熱交換器の内容積の半分以下の第2の室外熱交換器と第3の室外熱交換器を設けるとともに、
    前記第2の室外熱交換器の一端には第2の四方弁が備えられ、前記第2の室外熱交換器が前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通されるとともに、
    前記第2の室外熱交換器の他端には第2の減圧装置の一端が接続され、この第2の減圧装置の他端は前記室内熱交換器と前記第1の減圧装置との間に接続され、
    前記第3の室外熱交換器の一端には第3の四方弁が備えられ、前記第3の室外熱交換器が前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通されるとともに、
    前記第3の室外熱交換器の他端には第3の減圧装置の一端が接続され、この第3の減圧装置の他端は前記室内熱交換器と前記第2の減圧装置との間に接続されることを特徴とする空気調和機。
  13. 暖房運転時には前記室内熱交換器を凝縮器、前記第1、第2および第3の室外熱交換器を蒸発器とし、
    除霜運転時には前記第2の室外熱交換器および前記第2の室外熱交換器のいずれか一方を凝縮器となるよう切り替える制御手段を備えたことを特徴とする請求項12に記載の空気調和機。
  14. 前記制御手段は、除霜運転時にはさらに前記第1の減圧装置を全閉とすることを特徴とする請求項13に記載の空気調和機。
  15. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第1の減圧装置、第1の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、
    前記第1の室外熱交換器の風上側に第2の室外熱交換器を設けられ、
    前記第2の室外熱交換器の一端には第2の減圧装置が備えられ、前記室内熱交換器と前記第1の減圧装置との間に接続されるとともに、
    前記第2の室外熱交換器の一端には第2の四方弁が備えられ、前記第2の室外熱交換器が前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通されるとともに、
    前記第2の四方弁の他端は、前記第1の室外熱交換器と前記第1の減圧装置との間に開閉手段を介して接続されていることを特徴とする空気調和機。
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