JP2010127602A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホットガスが通るバイパスによって室外機底板上の氷を融解させる冷凍装置において、バイパスを開ける弁から異音が発生することを抑制する。
【解決手段】空気調和装置１では、除霜運転時に室外熱交換器２３に向う冷媒の一部を迂回させるホットガスバイパス１０ｈが、室外機２の底板２ｂ上に配置されている。ホットガスバイパス１０ｈの途中には、ホットガスバイパス弁２７が設けられている。制御部１１は、除霜運転において、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向になるように四路切換弁２２を切り替える前に、ホットガスバイパス弁２７を介してホットガスバイパス１０ｈを開ける。
【選択図】図７

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用する冷凍装置に関する。

空気調和装置の室外熱交換器は、暖房運転時に冷媒の蒸発器として機能するので、屋外の空気に含まれる水分が室外熱交換器の表面で結露する。その状態で、室外熱交換器が低温環境下にさらされたとき、結露水が氷結するので、室外熱交換器の表面は氷で覆われ熱交換性能が低下する。室外熱交換器の表面を覆った氷は、除霜運転時にホットガスを室外熱交換器に流すことによって融解させることができるが、そのときに発生したドレン水が、室外熱交換器を支える底板に溜まり再び凍結する。それが繰り返されて成長した氷は、後に室外熱交換器近傍に配置された室外ファンと接触して室外ファンの回転を阻害する。

そのような事態を回避するために、底板の上面側にヒータを設置してドレン水の凍結を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る発明によれば、ヒータによって融けた水は、底板に設けられた水抜き孔を介して排水されるので、底板の上面での氷の成長を抑制することができる。しかしながら、上記のような空気調和装置では、新たにヒータを備える必要があるので、部品点数が増加しコストが増大していた。

そこで、「弁を介してホットガスの一部を迂回させるバイパスを底板上に設置し、除霜運転時にバイパスにホットガスを流して底板に堆積した氷を融解させる」という冷凍装置が出願人によって開発された。
特開２００８−９６０１８号公報

しかしながら、このホットガスによる方式において、暖房運転から除霜運転に切り替わる際に、バイパスを開ける弁から異音が発生することが判明し、その異音を解消するという新たな課題が提起された。

本発明の課題は、ホットガスが通るバイパスによって室外機底板上の氷を融解させる冷凍装置において、バイパスを開ける弁から異音が発生することを抑制することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行い、除霜運転時の冷媒の循環方向が暖房運転時と逆になる冷凍装置であって、熱交換器と、バイパスと、第２加熱対象部材と、弁と、制御部とを備えている。熱交換器は、除霜運転時に高圧の冷媒によって加熱される。バイパスは、除霜運転時に熱交換器に向う冷媒の一部を迂回させる。第２加熱部材は、除霜運転時の熱交換器以外の加熱対象であり、バイパスを通る冷媒によって加熱される。弁は、バイパスに設けられる。制御部は、弁を制御する。さらに、制御部は、除霜運転において、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わる前に、弁を介してバイパスを開ける。

従来、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わるときに、同時にバイパスの弁を開いていたので、高低圧差によって冷媒が急激に弁を通過し、異音が発生していた。しかし、この冷凍装置では、弁が開き冷媒の流通が開始された後に冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わるので、弁前後の高低圧差がほとんどなく異音の発生が抑制される。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、制御部が、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向である冷凍サイクルが解消された後に或は同時に、弁を介してバイパスを閉じる。

この冷凍装置では、一旦、弁が開き冷媒の流通が開始された後は、弁前後の高低圧差がほとんどないので、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向である冷凍サイクルが解消された後に或は同時に、弁が閉じても異音の発生は防止される。

第３発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、制御部が、バイパスを開ける前に、除霜運転を要求するための除霜要求信号を発信する。この冷凍装置では、除霜要求信号を起点に、除霜運転準備動作へ移行することが可能となる。例えば、圧縮機の運転周波数を低減する制御が行なわれ、冷媒の循環方向が逆になったときの衝撃が緩和される。

第４発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、バイパスの弁の下流側に、冷媒の流通路の断面積を減じる絞り部が設けられている。この冷凍装置では、除霜運転時、熱交換器を流通する冷媒とバイパスを流通する冷媒との割合が一定に保たれる。

第５発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、第２加熱対象部材が、熱交換器の下方に位置し、バイパスは、第２加熱対象部材上に配置されている。

この冷凍装置では、除霜運転で生じた水が第２加熱対象部材に滞留し凍結した場合でも、除霜運転毎に氷を融解させるので、第２加熱対象部材に氷が堆積することが抑制され、第２加熱対象部材の上方にある熱交換器等を圧迫することが防止される。

第６発明に係る冷凍装置は、第５発明に係る冷凍装置であって、第２加熱対象部材が、鉛直方向に貫通する排水口を有している。バイパスは、排水口の近傍を通っている。

この冷凍装置では、排水口が水の凍結によって塞がれている場合でも、除霜運転毎に氷が融解して排水されるので、第２加熱対象部材に氷が堆積することが抑制され、第２加熱対象部材の上方にある熱交換器等を圧迫することが防止される。

第１発明に係る冷凍装置では、弁が開き冷媒の流通が開始された後に冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わるので、弁前後の高低圧差がほとんどなく異音の発生が抑制される。

第２発明に係る冷凍装置では、一旦、弁が開き冷媒の流通が開始された後は、弁前後の高低圧差がほとんどないので、弁が閉じても異音の発生は防止される。

第３発明に係る冷凍装置では、除霜要求信号を起点に、除霜運転準備動作へ移行することが可能となる。

第４発明に係る冷凍装置では、除霜運転時、熱交換器を流通する冷媒とバイパスを流通する冷媒との割合が一定に保たれる。

第５発明または第６発明に係る冷凍装置では、第２加熱対象部材に氷が堆積することが抑制され、第２加熱対象部材の上方にある熱交換器等を圧迫することが防止される。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜空気調和装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍装置を用いた空気調和装置の冷媒回路図である。図１において、空気調和装置１では、熱源側装置としての室外機２と、利用側装置としての室内機４とが冷媒配管によって接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路１０が形成されている。

室外機２は、圧縮機２１、四路切換弁２２、室外熱交換器２３、膨張弁２４、アキュームレータ２５、室外ファン２６、ホットガスバイパス弁２７、キャピラリチューブ２８および電磁誘導加熱ユニット６を収容している。室内機４は、室内熱交換器４１および室内ファン４２を収容している。

冷媒回路１０は、吐出管１０ａ、ガス管１０ｂ、液管１０ｃ、室外側液管１０ｄ、室外側ガス管１０ｅ、アキューム管１０ｆ、吸入管１０ｇ、及びホットガスバイパス１０ｈを有している。

吐出管１０ａは、圧縮機２１と四路切換弁２２とを接続している。ガス管１０ｂは、四路切換弁２２と室内熱交換器４１とを接続している。液管１０ｃは、室内熱交換器４１と膨張弁２４とを接続している。室外側液管１０ｄは、膨張弁２４と室外熱交換器２３とを接続している。室外側ガス管１０ｅは、室外熱交換器２３と四路切換弁２２とを接続している。

アキューム管１０ｆは、四路切換弁２２とアキュームレータ２５とを接続している。電磁誘導加熱ユニット６は、アキューム管１０ｆの一部分に取り付けられている。アキューム管１０ｆのうち、少なくとも電磁誘導加熱ユニット６によって覆われている被加熱部分では、銅管の周囲がステンレス鋼管で覆われている。冷媒回路１０を構成する配管のうち、そのステンレス鋼管以外の部分は銅管である。

吸入管１０ｇは、アキュームレータ２５と圧縮機２１の吸入側とを接続している。ホットガスバイパス１０ｈは、吐出管１０ａの途中に設けられた分岐点Ａ１と室外側液管１０ｄの途中に設けられた分岐点Ｄ１とを接続している。

ホットガスバイパス１０ｈは、途中にホットガスバイパス弁２７が配置されている。制御部１１は、ホットガスバイパス弁２７を開閉して、ホットガスバイパス１０ｈを冷媒の流通を許容する状態と許容しない状態とに切換える。また、ホットガスバイパス弁２７の下流側には、冷媒の流通路の断面積を減じるキャピラリチューブ２８が設けられており、除霜運転時、室外熱交換器２３を流通する冷媒とホットガスバイパス１０ｈを流通する冷媒との割合が一定に保たれている。

四路切換弁２２は、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り替えることができる。図１では、暖房運転を行うための接続状態を実線で示し、冷房運転を行うための接続状態を点線で示している。暖房運転時、室内熱交換器４１は凝縮器として、室外熱交換器２３は蒸発器として機能する。冷房運転時、室外熱交換器２３は凝縮器として、室内熱交換器４１は蒸発器として機能する。

室外熱交換器２３の近傍には、室外熱交換器２３に室外空気を送る室外ファン２６が配置されている。室内熱交換器４１の近傍には、室内熱交換器４１に室内空気を送る室内ファン４２が配置されている。

制御部１１は、室外制御部１１ａと室内制御部１１ｂとを有している。室外制御部１１ａと室内制御部１１ｂとは通信線１１ｃによって接続されている。そして、室外制御部１１ａは室外機２内に配置される機器を制御し、室内制御部１１ｂは室内機４内に配置されている機器を制御する。

（室外機の外観）
図２は正面側から視た室外機の外観斜視図である。図２において、室外機２の外殻は、天板２ａ、天板２ａと対向する底板（不可視）、フロントパネル２ｃ、ファンガード２ｋ、右側面パネル２ｆ、右側面パネル２ｆと対向する左側面パネル（不可視）、フロントパネル２ｃ及びファンガード２ｋと対向する背面パネル（不可視）によって略直方体形状に形成されている。

（室外機の内部）
図３は、フロントパネル、右側面パネルおよび背面パネルを取り除いた室外機の斜視図である。図３において、室外機２は、仕切り板２ｈによって送風機室と機械室とに区分されている。送風機室には室外熱交換器２３及び室外ファン（不可視）が配置され、機械室には電磁誘導加熱ユニット６、圧縮機２１、及びアキュームレータ２５が配置されている。

図４は、底板、室外熱交換器および室外ファン以外の部材を取り除いた室外機の斜視図である。図４において、室外熱交換器２３は、Ｌ字形状に成形されているフィン・アンド・チューブ式熱交換器である。そして、２台の室外ファン２６が、ファンガード２ｋ（図３参照）と室外熱交換器２３との間に、支持台を介して鉛直方向に隣接するように配置されている。室外ファン２６が回転することによって、室外空気が左側面パネル及び背面パネルの通気口から吸い込まれ、室外熱交換器２３のフィン間を通過し、ファンガード２ｋから吹き出される。

（室外機の底板近傍の構造）
図５は、底板および機械室以外の部材を取り除いた室外機の平面図である。なお、図５には、室外熱交換器２３の位置が分かるように室外熱交換器２３が２点鎖線で描かれている。ホットガスバイパス１０ｈは底板２ｂ上に配置されており、圧縮機２１が位置する機械室側から送風機室側に延び、送風機室側底部を一周して機械室側に戻る。ホットガスバイパス１０ｈの全長の約半分は、室外熱交換器２３の下方に位置する。また、底板２ｂのうちの室外熱交換器２３の下方に位置する部分には、底板２ｂを板厚方向に貫通する排水口８６ａ〜８６ｅが形成されている。

（電磁誘導加熱ユニット）
図６は、電磁誘導加熱ユニットの断面図である。図６において、電磁誘導加熱ユニット６は、アキューム管１０ｆのうち被加熱部分を径方向外側から覆うように配置されており、電磁誘導加熱によって被加熱部分を加熱する。アキューム管１０ｆの被加熱部分は、内側の銅管と外側のステンレス鋼管１００ｆとによって二重管構造となっている。ステンレス鋼管１００ｆに使用されるステンレス材料は、クロムを１６〜１８％含むフェライト系ステンレス、或はニッケルを３〜５％、クロムを１５〜１７．５％、銅を３〜５％含む析出硬化系ステンレスが選択される。

電磁誘導加熱ユニット６は、先ずアキューム管１０ｆに位置決めされ、次に上端近傍が第１六角ナット６１によって固定され、最後に下端近傍が第２六角ナット６６によって固定される。

コイル６８は、ボビン本体６５の外側に螺旋状に巻き付けられている。コイル６８は、フェライトケース７１の内側に収容されている。フェライトケース７１は、第１フェライト部６９及び第２フェライト部７０をさらに収容している。

第１フェライト部６９は、透磁率の高いフェライトによって成形されており、コイル６８に電流を流した際に、ステンレス鋼管１００ｆと共に磁束の通り道を形成する。第１フェライト部６９は、フェライトケース７１の両端側に位置する。

第２フェライト部７０は、位置および形状は第１フェライト部６９と異なるが、その機能は第１フェライト部６９と同様であり、フェライトケース７１の収容部のうちボビン本体６５の外側近傍に配置される。

＜空気調和装置の動作＞
空気調和装置１は、四路切換弁２２によって、冷房運転および暖房運転のいずれか一方に切り換えることが可能である。

（冷房運転）
冷房運転では、四路切換弁２２が、図１の点線で示された状態に設定される。この状態で圧縮機２１が運転されたとき、冷媒回路１０では、室外熱交換器２３が凝縮器となり、室内熱交換器４１が蒸発器となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して凝縮する。室外熱交換器２３を通過した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧され、その後に室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して蒸発する。そして、冷媒との熱交換によって温度低下した空気は、空調対象空間に吹き出される。室内熱交換器４１を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

（暖房運転）
暖房運転では、四路切換弁２２が、図１の実線で示された状態に設定される。この状態で圧縮機２１が運転されたとき、冷媒回路１０では、室外熱交換器２３が蒸発器となり、室内熱交換器４１が凝縮器となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して凝縮する。そして、冷媒との熱交換によって温度上昇した空気は、空調対象空間に吹き出される。凝縮した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧された後、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して蒸発する。室外熱交換器２３を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

暖房運転の起動時、特に、圧縮機２１が十分に暖まっていないとき、電磁誘導加熱ユニット６がアキューム管１０ｆを加熱することによって、圧縮機２１は暖められた冷媒を圧縮することができる。その結果、圧縮機２１から吐出するガス冷媒の温度が上昇し、起動時の暖房能力不足が補われる。

（除霜運転）
暖房運転がおこなわれたとき、空気中に含まれる水分が室外熱交換器２３の表面で結露し、霜となり或は氷結して室外熱交換器の表面を覆い、熱交換性能を低下させる。このため、室外熱交換器２３に付着した霜、或は氷を融かすために除霜運転が行われる。除霜運転は、冷房運転と同じサイクルで行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して凝縮する。その冷媒からの放熱によって、室外熱交換器２３を覆う霜、或は氷が融かされる。放熱して凝縮した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧され、その後に室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して蒸発する。このとき、室内ファン４２は停止している。なぜなら、室内ファン４２が稼動すると、空調対象空間に冷やされた空気が吹き出されて快適性を損なうからである。室内熱交換器４１を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

また、除霜運転時、電磁誘導加熱ユニット６がアキューム管１０ｆを加熱することによって、圧縮機２１は暖められた冷媒を圧縮することができる。その結果、圧縮機２１から吐出するガス冷媒の温度が上昇し、除霜能力が向上する。

また、除霜運転時、ホットガスバイパス１０ｈにも圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒が流される。室外機２の底板２ｂ上に霜、或は氷が成長している場合でも、その氷はホットガスバイパス１０ｈを通る冷媒からの放熱によって融かされる。そのとき発生した水は、排水口８６ａ〜８６ｅから排水される。また、排水口８６ａ〜８６ｅもホットガスバイパス１０ｈによって加熱されるので、排水口８６ａ〜８６ｅが凍結によって塞がれることは防止される。

図７は、除霜運転前後の四路切換弁、圧縮機およびホットガスバイパス弁の動作を示すタイムチャートである。図７において、除霜要求信号が発信されて所定時間が経過したとき、四路切換弁２２が図１の実線で示す状態（暖房側）から点線で示す状態（冷房側）へ切り換わる。圧縮機２１の運転周波数は、四路切換弁２２が切り換わった以降に予め設定されている周波数に変わる。また、空気調和装置１では、除霜要求信号を起点に、圧縮機の運転周波数を低減する制御が行なわれているので、冷媒の循環方向が逆になったときの衝撃が緩和される。

空気調和装置１では、四路切換弁２２が暖房側から冷房側へ切り換わる前に、ホットガスバイパス弁２７が開くように制御されている。これは、ホットガスバイパス弁２７前後の高低圧差をなくしてから四路切換弁２２が切り換わるようにするためである。なぜなら、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わるときと同時にホットガスバイパス弁２７を開いた場合、高低圧差によって冷媒が急激にホットガスバイパス弁２７を通過し異音が発生するからである。しかし、先にホットガスバイパス弁２７が開き冷媒の流通が開始された後に冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向に切り替わるならば、ホットガスバイパス弁２７前後の高低圧差をなくなり異音の発生が抑制される。

除霜運転が終了したとき、四路切換弁２２は暖房側に切り換わり、ホットガスバイパス弁２７は閉じる。このとき、ホットガスバイパス弁２７前後の高低圧差はないので、四路切換弁２２の切り換わりと同時または四路切換弁２２の切り換わり後に、ホットガスバイパス弁２７が閉じても異音の発生はない。

＜特徴＞
空気調和装置１では、除霜運転時に室外熱交換器２３に向う冷媒の一部を迂回させるホットガスバイパス１０ｈが、室外機２の底板２ｂ上に配置されている。ホットガスバイパス１０ｈの途中には、ホットガスバイパス弁２７が設けられている。制御部１１は、除霜運転において、冷媒の循環方向が暖房運転時と逆の方向になるように四路切換弁２２を切り替える前に、ホットガスバイパス弁２７を介してホットガスバイパス１０ｈを開ける。その結果、ホットガスバイパス弁２７前後の高低圧差がほとんどなく異音の発生が抑制される。

本発明によれば、寒冷地向け空気調和装置に有用である。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置を用いた空気調和装置の冷媒回路図。 正面側から視た室外機の外観斜視図。 フロントパネル、右側面パネルと背面パネルを取り除いた室外機の斜視図。 底板、室外熱交換器および室外ファン以外の部材を取り除いた室外機の斜視図。 底板および機械室以外の部材を取り除いた室外機の平面図。 電磁誘導加熱ユニットの断面図。 除霜運転前後の四路切換弁、圧縮機およびホットガスバイパス弁の動作を示すタイムチャート。

符号の説明

２ｂ 底板（第２加熱対象部材）
１０ｈ ホットガスバイパス
１１ 制御部
２３ 室外熱交換器
２７ ホットガスバイパス弁
２８ キャピラリ（絞り部）
８６ａ〜８６ｅ 排水口

Claims (6)

1. 蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行い、除霜運転時の冷媒の循環方向が暖房運転時と逆になる冷凍装置であって、
   前記除霜運転時に高圧の前記冷媒によって加熱される熱交換器（２３）と、
   前記除霜運転時に前記熱交換器（２３）に向う前記冷媒の一部を迂回させるバイパス（１０ｈ）と、
   前記除霜運転時の前記熱交換器（２３）以外の加熱対象であり、前記バイパス（１０ｈ）を通る前記冷媒によって加熱される第２加熱対象部材（２ｂ）と、
   前記バイパス（１０ｈ）に設けられる弁（２７）と、
   前記弁（２７）を制御する制御部（１１）と、
   を備え、
   前記制御部（１１）は、前記除霜運転において、前記冷媒の循環方向が前記暖房運転時と逆の方向に切り替わる前に、前記弁（２７）を介して前記バイパス（１０ｈ）を開ける、
   冷凍装置。
2. 前記制御部（１１）は、前記冷媒の循環方向が前記暖房運転時と逆の方向である前記冷凍サイクルが解消された後に或は同時に、前記弁（２７）を介して前記バイパス（１０ｈ）を閉じる、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御部（１１）は、前記バイパス（１０ｈ）を開ける前に、前記除霜運転を要求するための除霜要求信号を発信する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記バイパス（１０ｈ）の前記弁（２７）の下流側に、前記冷媒の流通路の断面積を減じる絞り部（２８）が設けられている、
   請求項１に記載の冷凍装置。
5. 前記第２加熱対象部材（２ｂ）は、前記熱交換器（２３）の下方に位置し、
   前記バイパス（１０ｈ）は、前記第２加熱対象部材（２ｂ）上に配置されている、
   請求項１に記載の冷凍装置。
6. 前記第２加熱対象部材（２ｂ）は、鉛直方向に貫通する排水口（８６ａ〜８６ｅ）を有しており、
   前記バイパス（１０ｈ）は、前記排水口（８６ａ〜８６ｅ）の近傍を通っている、
   請求項５に記載の冷凍装置。

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