JP2013104586A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱熱交換器からの吸熱能力を向上させることで、暖房運転を継続しながら短時間で除霜が可能な冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】室外熱交換器１４と四方弁８との間に、室外熱交換器１４から四方弁８を介して圧縮機６の吸入管に直接冷媒を流す第５配管２５と、室外熱交換器１４から冷媒加熱用の蓄熱熱交換器（補助熱交換器）３４を通じて圧縮機６の吸入管へ冷媒を流す第７配管３８との切り替えを可能とする三方弁（切り替え装置）４２を設け、除霜運転時には、三方弁（切り替え装置）４２を制御して、室内熱交換器１６と室外熱交換器１４を流れた冷媒が三方弁４２を介して蓄熱熱交換器（補助熱交換器）３４を流れ、圧縮機６の吸入管へ導かれるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、室外熱交換器に付着した霜を溶解した冷媒を圧縮機へ直接流す経路と冷媒加熱用の補助熱交換器を通じて圧縮機へ流す経路の切り替えを行う機構を備えた冷凍サイクル装置および空気調和機に関する。

従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転時、室外熱交換器に着霜した場合には、暖房サイクルから冷房サイクルに四方弁を切り替えて除霜を行っている。この除霜方式では、室内ファンは停止するものの、室内機から冷気が徐々に放出されることから暖房感が失われるという欠点がある。

そこで、室外機に設けられた圧縮機を熱源とする蓄熱槽を設け、暖房運転中に蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、このような除霜方式を採用した冷凍サイクル装置の一例を示しており、室外機に設けられた圧縮機１００と四方弁１０２と室外熱交換器１０４とキャピラリチューブ１０６と、室内機に設けられた室内熱交換器１０８とを冷媒配管で接続するとともに、キャピラリチューブ１０６をバイパスする第１バイパス回路１１０と、圧縮機１００の吐出側の配管に一端を接続し他端をキャピラリチューブ１０６から室外熱交換器１０４へ至る配管に接続した第２バイパス回路１１２が設けられている。また、第１バイパス回路１１０には、二方弁１１４と逆止弁１１６と蓄熱熱交換器１１８が設けられ、第２バイパス回路１１２には、二方弁１２０と逆止弁１２２が設けられている。

さらに、圧縮機１００の周囲には蓄熱槽１２４が設けられており、蓄熱槽１２４の内部には、蓄熱熱交換器１１８と熱交換するための潜熱蓄熱材１２６が充填されている。

この冷凍サイクルにおいて、除霜運転時には、二つの二方弁１１４、１２０が開制御され、圧縮機１００から吐出された冷媒の一部は第２バイパス回路１１２へと流れ、残りの冷媒は四方弁１０２と室内熱交換器１０８へと流れる。また、室内熱交換器１０８を流れた冷媒は暖房に利用された後、わずかの冷媒がキャピラリチューブ１０６を通って室外熱交換器１０４へと流れる一方、残りの大部分の冷媒は第１バイパス回路１１０へ流入し、二方弁１１４を通って蓄熱熱交換器１１８へと流れて蓄熱材１２６より熱を奪い、逆止弁１１６を通った後、キャピラリチューブ１０６を通過した冷媒と合流して室外熱交換器１０４へと流れる。その後、室外熱交換器１０４の入口で第２バイパス回路１１２を流れてきた冷媒と合流し、冷媒が持つ熱を利用して除霜を行い、さらに四方弁１０２を通過した後、圧縮機１００に吸入される。

この冷凍サイクル装置においては、第２バイパス回路１１２を設けることで、除霜時に圧縮機１００から吐出されたホットガスを室外熱交換器１０４に導くとともに、室外熱交換器１０４に流入する冷媒の圧力を高く保つことで、除霜能力を向上させている。

特開平３−３１６６６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、熱源の有する熱量が少ない場合、圧縮機１００から吐出されたホットガスの大部分を室外熱交換器に導く必要があり、それに伴い、室内熱交換器の圧力が低下することで、室内機の能力が低下し、快適性を損なうという課題があり、従来の方式同様、冷媒が室内熱交換器を流れた後、蓄熱槽を経由して室外熱交換器へ導かれる構成、もしくは冷媒が室内熱交換器を流れた後、室外熱交換器と蓄熱槽へ分配して導かれる構成とした場合は、蓄熱槽を流れる冷媒の温度が高くなり、蓄熱槽からの吸熱が十分にできず、室内機の能力を確保しようとすると、除霜に時間を有するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜時間の短縮を可能とし、さらに、その冷凍サイクル装置を備えて暖房運転時の快適性を向上する空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるようにしたものである。

本発明によれば、除霜運転時、室内熱交換器と室外熱交換器を通った後の冷媒が補助熱交換器を通る構成としているため、室内熱交換器を高温に、補助熱交換器を低温とすることが可能となり、熱源からの吸熱を速やかに行うことで、除霜時間を短縮し、暖房運転時における除霜運転の室温低下を抑制して快適性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において通常暖房時の冷媒の流れを示す模式図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において除霜・暖房時の冷媒の流れを示す模式図 従来の冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成図

第１の発明は、圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。これにより、除霜運転時、室内熱交換器と室外熱交換器を通った後の冷媒が補助熱交換器を通る構成
としているため、室内熱交換器を高温に、補助熱交換器を低温とすることが可能なため、熱源からの吸熱を速やかに行うことで、除霜時間を短縮し、暖房運転時における除霜運転の室温低下を抑制して快適性を向上させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置において、前記切り替え装置を三方弁としていることで、装置の省スペースへの収納が可能となり、機器のコンパクト化が可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機の吐出管から前記膨張弁と前記室外熱交換器の間に接続される吐出ガスバイパス機構を備える構成とすることで、圧縮機からの高温の冷媒を室外熱交換器に供給することが可能となり、除霜時間を大幅に短縮することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか1つの発明の冷凍サイクル装置において、前記補助熱交換器は、前記圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材としていることで、ヒータなどの補助電力無し、もしくは最低限の補助電力の供給で室外熱交換器の除霜を短時間で終了することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、前記室外熱交換器から前記補助熱交換器の間に設けられた前記切り替え装置と前記補助熱交換器との間に冷媒圧力損失を増大させる絞り機構を設けたことで、補助熱交換器を流れる冷媒を更に低温とすることが可能となり、熱源からの吸熱速度を向上させることができる。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、空気調和機に搭載した例とし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、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成を示しており、空気調和機は、冷媒配管で互いに接続された室外機２と室内機４とで構成されている。

図１に示されるように、室外機２の内部には、圧縮機６と四方弁８とストレーナ１０と膨張弁１２と室外熱交換器１４とが設けられ、室内機４の内部には、室内熱交換器１６が設けられ、これらは冷媒配管を介して互いに接続されることで冷凍サイクルを構成している。

さらに詳述すると、圧縮機６と室内熱交換器１６は、四方弁８が設けられた第１配管１８を介して接続され、室内熱交換器１６と膨張弁１２は、ストレーナ１０が設けられた第２配管２０を介して接続されている。また、膨張弁１２と室外熱交換器１４は第３配管２２を介して接続され、室外熱交換器１４と圧縮機６は第４配管２４および第５配管２５を介して接続され、室外熱交換器１４と圧縮機６を接続する第４配管２４および第５配管２５の間には四方弁８が配置されている。また、四方弁８と室外熱交換器１４の間には三方弁（切り替え装置）４２が第４配管２４を介して接続されている。更に、圧縮機冷媒吸入側における第５配管２５には、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。また、室外熱交換器１４と室内熱交換器１６を結ぶ第３配管２２には、第６配管（吐出ガスバイパス機構）２８を介して圧縮機６と接続されており、第６配管２８には電磁弁（吐出ガスバイパス機構）３０が設けられている。

さらに、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられ、蓄熱槽３２の内部には、蓄熱熱交換器（補助熱交換器）３４が設けられるとともに、蓄熱熱交換器３４と熱交換するための蓄熱材（例えば、エチレングリコール水溶液）３６が充填されており、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６とで蓄熱装置を構成している。

また、三方弁４２と蓄熱熱交換器３４はキャピラリチューブ（絞り機構）４３を含む第７配管３８を介して接続されており、四方弁８と圧縮機６を接続する第５配管２５は第８配管４０を介して蓄熱熱交換器３４と接続されている。

室内機４の内部には、室内熱交換器１６に加えて、送風ファン（図示せず）と上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）とが設けられており、室内熱交換器１６は、送風ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内空気と、室内熱交換器１６の内部を流れる冷媒との熱交換を行い、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更し、左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更する。

なお、圧縮機６、送風ファン、上下羽根、左右羽根、四方弁８、膨張弁１２、電磁弁３０、三方弁４２等は制御装置（図示せず、例えばマイコン）に電気的に接続され、制御装置により制御され動作する。

上記構成の本発明に係る冷凍サイクル装置において、各部品の相互の接続関係と機能を暖房運転時を例にとり冷媒の流れとともに説明する。

圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、四方弁８から第１配管１８を通って室内熱交換器１６へと至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て第２配管２０を通り、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ１０を通って、膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至り、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４と三方弁４２と四方弁８と第５配管２５とアキュームレータ２６を通って圧縮機６の吸入口を介して圧縮機６へと戻る。

また、第１配管１８の圧縮機６の吐出口と四方弁８の間から分岐した第６配管２８は、電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間に合流している。

さらに、内部に蓄熱材３６と蓄熱熱交換器３４を収納した蓄熱槽３２は、圧縮機６に接して取り囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄熱する。

三方弁４２は、一方が室外熱交換器１４へと続く第４配管２４と接続され、もう一方が四方弁８を介して第５配管２５と接続され、更にもう一方が三方弁４２と蓄熱熱交換器３４とを接続する第７配管３８と接続されており、前記制御装置により、室外熱交換器１４から第４配管２４を通じ四方弁８へ冷媒を導く経路と、室外熱交換器１４から第７配管３８を通じ蓄熱熱交換器３４を経て圧縮機６の吸入口へ冷媒を導く経路とを切り替えることが可能である。

次に、空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図２を参照しながら通常暖房時の動作を説明する。

通常暖房運転時、電磁弁３０は閉制御されており、上述したように圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内
熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。通常暖房運転時、三方弁４２は、室外熱交換器１４から四方弁８へ冷媒を導く経路になるように制御されており、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８にいたる。その後、四方弁８を通った冷媒は第５配管２５を通り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、圧縮機６で発生した熱は、圧縮機６の外壁から蓄熱槽３２の外壁を介して蓄熱槽３２の内部に収容された蓄熱材３６に蓄熱される。

次に、空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図３を参照しながら除霜・暖房時の動作を説明する。図中、実線矢印は暖房に供する冷媒の流れを示しており、破線矢印は除霜に供する冷媒の流れを示している。

上述した通常暖房運転中に室外熱交換器１４に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器１４の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器１４内の蒸発温度が低下する。本発明に係る空気調和機には、図３に示されるように、室外熱交換器１４の配管温度を検出する温度センサ４４が設けられており、非着霜時に比べて、蒸発温度が低下したことを温度センサ４４で検出すると、制御装置より通常暖房運転から除霜・暖房運転へ切り替える指示が出力される。

通常暖房運転から除霜・暖房運転に移行すると、電磁弁３０は開制御され、上述した通常暖房運転時の冷媒の流れに加え、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒の一部は第６配管２８と電磁弁３０を通り、第３配管２２を通る冷媒に合流して、室外熱交換器１４を加熱し、凝縮して液相化した後、三方弁４２へ至る。

除霜・暖房運転時、三方弁４２は、室外熱交換器１４から蓄熱熱交換器３４へ冷媒を導く経路、即ち第４配管２４と第７配管３８が連通するように制御され、三方弁４２を通った冷媒はキャピラリチューブ４３で減圧され低温となり、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６の熱を吸熱し、気相、もしくは高クオリティー状態で、アキュームレータ２６に至り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

このような構成とすることで、蓄熱材３６と熱交換を行う蓄熱熱交換器３４を低温とすることができる。そして、蓄熱材３６からの最大吸収熱量は、圧縮機６の温度と蓄熱熱交換器３４の温度との温度差に比例するので、蓄熱熱交換器３４の温度を低温にできれば、圧縮機６の温度と補助熱交換器３４の温度との温度差をより大きくでき、蓄熱材３６からの最大吸収熱量を増加させることが可能となり、除霜時間を短縮し、暖房運転時における除霜運転による室温低下を抑制して快適性を向上させることができる。

更に、蓄熱熱交換器３４での液冷媒の蒸発が促進されることで、液冷媒が圧縮機６に戻ることがなくなり、圧縮機６の信頼性も向上させることができる。

また、従来技術の図４のように蓄熱熱交換器１１８を通る冷媒をバイパス経路とすると、蓄熱熱交換器１１８を通る冷媒の循環量が低下し、蓄熱材１２６の温度が高温である場合、蓄熱熱交換器１１８の後半部で過熱度が高くなることで熱交換量が低下し、除霜能力が十分に発揮できないことがあるが、本構成では蓄熱熱交換器３４に１つの経路で冷媒を流す構成としているため、過熱度のとり過ぎによる熱交換量低下を防ぐことができ、除霜能力が十分に発揮できる。

除霜・暖房開始時に霜の付着により氷点下となった室外熱交換器１４の温度は、圧縮機
６の吐出口から出た気相冷媒と室内熱交換器１６より戻る液相もしくは気液２相冷媒が混合された冷媒によって加熱されて、零度付近で霜が融解し、霜の融解が終わると、室外熱交換器１４の温度は再び上昇し始める。この室外熱交換器１４の温度上昇を温度センサ４４で検出すると、除霜が完了したと判断し、制御装置から除霜・暖房運転から通常暖房運転へ切り替える指示が出力される。

また、圧縮機６から第６配管２８を経て電磁弁３０を通り、室外熱交換器１４に至る吐出ガスバイパス経路は、必ずしも必要ではなく、極めて大きな除霜能力が必要な場合を除いては無くす構成としても良い。

この場合、圧縮機６の吐出口から、第１配管１８、室内熱交換器１６、第２配管２０、第３配管２２を経て、室外熱交換器１４へと気相冷媒が流れ、室外熱交換器１４を除霜する構成となり、除霜能力は少し低下するが、低コストでコンパクトな構成が可能となる。

また、本構成では、三方弁４２から蓄熱熱交換器３４に至る第７配管３８にキャピラリチューブ４３を設けた構成としているが、本構成の変わりに蓄熱熱交換器３４に連通する三方弁４２の開口部を絞った仕様としてもよく、この場合、キャピラリチューブ４３を除くことが可能となり、低コストでコンパクトな構成が可能となる。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、熱源からの吸熱能力を向上させ、除霜能力を向上させるだけでなく、圧縮機への液冷媒の戻りを極力低減し、圧縮機の信頼性を向上させることができるので、空気調和機、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯器等にも適用できる。

２ 室外機
４ 室内機
６ 圧縮機
８ 四方弁
１０ ストレーナ
１２ 膨張弁
１４ 室外熱交換器
１６ 室内熱交換器
１８ 第１配管
２０ 第２配管
２２ 第３配管
２４ 第４配管
２５ 第５配管
２６ アキュームレータ
２８ 第６配管（吐出ガスバイパス機構）
３０ 電磁弁（吐出ガスバイパス機構）
３２ 蓄熱槽
３４ 蓄熱熱交換器（補助熱交換器）
３６ 蓄熱材
３８ 第７配管
４０ 第８配管
４２ 三方弁（切り替え装置）
４３ キャピラリチューブ（絞り機構）
４４ 温度センサ

Claims (5)

1. 圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記切り替え装置に三方弁を用いたことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機の吐出管から前記膨張弁と前記室外熱交換器の間に接続される吐出ガスバイパス機構を有する請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記補助熱交換器は、前記圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記室外熱交換器から前記補助熱交換器の間に設けられた前記切り替え装置と前記補助熱交換器との間に冷媒圧力損失を増大させる絞り機構を設けたことを特徴とする請求項1から４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。