JP2013217506A

JP2013217506A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2013217506A
Application number: JP2012085650A
Authority: JP
Inventors: Kazuhei Shingu; 和平新宮
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】デフロスト運転により霜が融解して生じた水滴によって空気冷媒熱交換器に根氷や新たな霜が発生・付着することを抑制することのできる冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル装置は、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器と、空気冷媒熱交換器を風が所定方向に通過する状態と、空気冷媒熱交換器を風が所定方向と逆方向に通過する状態とに送風状態を切り換え可能であり、空気冷媒熱交換器にて冷媒が空気から熱を奪う運転が行われる場合には空気冷媒熱交換器を風が所定方向に通過するように送風する送風機と、空気冷媒熱交換器に霜が付着した場合に霜を融解させるデフロスト運転を行うデフロスト運転手段と、デフロスト運転により霜が融解した後、空気冷媒熱交換器を風が逆方向に通過するように送風機を作動させることにより、空気冷媒熱交換器に付着している水滴を除去する水滴除去制御を行う制御手段とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクルを利用した空気調和装置において、低外気温多湿条件で暖房運転を行った場合に、外気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器である室外熱交換器において、空気中の水分が冷やされて霜として付着する。一般に室外熱交換器のフィンとフィンの間のスリット幅は非常に狭く、霜が付着するとスリットを容易に塞いでしまうため、室外熱交換器を通る風量が低下することで、熱交換率が著しく低下し暖房能力が低下する。そこで、室外熱交換器に付着した霜を解かすための一般的な手法として、デフロスト運転が知られている。デフロスト運転を行う方法としては、例えば、暖房運転停止後に四方弁を切り換えて冷房運転を行うことで室外熱交換器に高温高圧な冷媒を流し、その熱を利用して霜を解かす方法などがある。

特許文献１には、空気調和機において、デフロスト運転中の所定期間に、室外熱交換器に送風する送風機を逆回転させる制御を行う技術が開示されている。この空気調和機の室外熱交換器は、外側コイルと内側コイルとを有しており、送風機が正回転するときに風上側となる外側コイルに大量の霜が付着する。そこで、この空気調和機は、デフロスト運転の後半において送風機を逆回転させ、内側コイルで暖められた空気を外側コイルへ流すことにより、外側コイルに付着した霜の融解を促進し、デフロスト運転時間の短縮を図ったものである。

実開昭６１−１８５９６０号公報

デフロスト運転終了後の室外熱交換器には、霜が解けることで生じた水滴が付着している。この水滴が付着したまま、デフロスト運転を終了して暖房運転に切り換えた際に、室外送風機の風に押されて水滴が室外熱交換器のスリットの内部に入り込む。そうすると、室外熱交換器のスリットの内部に入り込んだ水滴が冷やされることでスリット内部に根氷が形成されたり、水滴の水分によって霜が新たに発生して付着したりする原因となる。そのため、頻回のデフロスト運転が必要となり、暖房運転を効率良く行うことができないという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、デフロスト運転により霜が融解して生じた水滴によって空気冷媒熱交換器に根氷や新たな霜が発生・付着することを抑制することのできる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器と、空気冷媒熱交換器を風が所定方向に通過する状態と、空気冷媒熱交換器を風が所定方向と逆方向に通過する状態とに送風状態を切り換え可能であり、空気冷媒熱交換器にて冷媒が空気から熱を奪う運転が行われる場合には空気冷媒熱交換器を風が所定方向に通過するように送風する送風機と、空気冷媒熱交換器に霜が付着した場合に霜を融解させるデフロスト運転を行うデフロスト運転手段と、デフロスト運転により霜が融解した後、空気冷媒熱交換器を風が逆方向に通過するように送風機を作動させることにより、空気冷媒熱交換器に付着している水滴を除去する水滴除去制御を行う制御手段とを備えたものである。

本発明によれば、デフロスト運転により霜が融解して生じた水滴によって空気冷媒熱交換器に根氷や新たな霜が発生・付着することを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置を適用した車両用空調装置の冷凍サイクル図である。本発明の実施の形態１の車両用空調装置の外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態１の車両用空調装置の室外機を枕木方向の平面で切断した断面図である。図３中の一方の室外熱交換器に霜が付着した状態を示す図である。水滴除去制御実行時の風の流れを示す図である。図５中の一方の室外熱交換器から水滴が除去されるときの状態を示す図である。本発明の実施の形態１における水滴除去制御を実行するための制御フローを示す図である。本発明の実施の形態２における車両用空調装置が備える室外熱交換器の外観を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置を適用した車両用空調装置の冷凍サイクル図である。図１に示すように、本実施形態の車両用空調装置１は、冷暖房に対応可能な鉄道車両用の空気調和装置であり、圧縮機２と、室内熱交換器３と、室外熱交換器４（空気冷媒熱交換器）と、膨張弁５と、アキュームレータ６と、四方弁７と、これらを接続する冷媒配管とを有している。四方弁７により冷媒の循環方向を切り換えることにより、冷房運転と暖房運転との切り換えを行うことができる。冷房運転時は、圧縮機２により圧縮された高温高圧な冷媒は、四方弁７を通って室外熱交換器４に流入し、室外熱交換器４により外気と熱交換して熱を奪われ、膨張弁５により減圧され、低温低圧となった冷媒は室内熱交換器３により室内気と熱交換して熱を奪うことで室内の冷房を行う。室内熱交換器３を通過した冷媒は、四方弁７、アキュームレータ６を経由して、圧縮機２に戻る。

一方、暖房運転時は、圧縮機２により圧縮された高温高圧な冷媒は、四方弁７を通って室内熱交換器３に流入し、室内熱交換器３により室内気と熱交換して熱を奪われることで室内を暖房し、膨張弁５により減圧され、低温低圧となった冷媒は室外熱交換器４により外気と熱交換し熱を奪う。室外熱交換器４を通過した冷媒は、四方弁７、アキュームレータ６を経由して、圧縮機２に戻る。この暖房運転の場合、低外気温多湿条件では、室外熱交換器４の表面に霜が生じ、暖房能力を低下させる可能性がある。この霜は、空気中の水分が室外熱交換器４によって冷やされることによって生じる。

図２は、本発明の実施の形態１の車両用空調装置１の外観を示す斜視図である。図２に示すように、車両用空調装置１は、室内機８と室外機９とに分かれて、車両の屋根等に設置される。室内機８と室外機９とは、レール方向に直列に並んで配置される。

図３は、本発明の実施の形態１の車両用空調装置１の室外機９を枕木方向の平面（レールと直交する平面）で切断した断面図である。図３に示すように、室外機９は、断面形状が略台形の筐体内に、２個に分割された室外熱交換器４と、室外送風機１０とが設置された構成となっている。分割された２個の室外熱交換器４は、室外送風機１０を挟んで左側と右側とに配置されている。各々の室外熱交換器４は、室外送風機１０に近い位置で高く、室外送風機１０から遠い位置で低くなるように傾斜した姿勢で設置されている。このため、室外熱交換器４の一方の面は下（斜め下）に向いた面となっており、反対側の面は上（斜め上）に向いた面となっている。室外送風機１０は、鉛直方向を回転中心線として回転するファンを備え、ファンの回転方向を切り替えることにより、送風方向を正方向と逆方向とに切り替え可能になっている。

暖房運転時、室外送風機１０は正方向に送風する。図３中の矢印は、暖房運転時における室外送風機１０による風の流れを示している。暖房運転時には、室外送風機１０は上から下へ送風する。これにより、図３中の矢印が示すように、室外機９の上方から室外送風機１０を通って室外機９内に吸入された空気流（風）は、左右に分かれて室外機９の筐体底部で跳ね返って上昇し、左右の各々の室外熱交換器４の下向きの面（以下、「下面」と称する）から上向きの面（以下、「上面」と称する）へと室外熱交換器４を通過した後、室外機９外へ排出される。

図４は、図３中の一方の室外熱交換器４に霜が付着した状態を示す図である。図４に示すように、室外熱交換器４の霜は、先に風が当たる方の面、すなわち室外熱交換器４の下面に主に発生・付着する。室外熱交換器４は、伝熱面積を大きくするための多数のフィンを備えており、フィンとフィンとの間に形成される狭いスリットが空気の通路となっている。霜が付着するとそのスリットを容易に塞いでしまうため、室外熱交換器４を通る風量が低下することで、熱交換率が著しく低下し、暖房能力が低下する。そこで、車両用空調装置１では、室外熱交換器４に霜が付着した場合、その霜を融解させるデフロスト運転を行う。本実施形態におけるデフロスト運転では、四方弁７を切り換えて冷房運転と同様に冷媒を循環させることで、室外熱交換器４に高温高圧な冷媒を流し、その熱を利用して霜を融解させる。デフロスト運転時には、室外送風機１０は停止させる。

ただし、本発明におけるデフロスト運転は、上記のようなリバースサイクル方式に限らず、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒をバイパス回路により室外熱交換器４に流入させるホットガスバイパス方式や、室外熱交換器４に設けたヒータにより霜を融解させるヒータ方式など、他の方式によるものであってもよい。

デフロスト運転を行うと、室外熱交換器４の下面には、霜が解けたことで生じる水滴が付着する。水滴が室外熱交換器４の下面に付着した状態で暖房運転を再開させ、室外送風機１０を再起動すると、水滴は風の流れによって押されて室外熱交換器４のスリットに沿って室外熱交換器４の内部へ入り込もうとするが、表面張力により水滴はスリット内に留まろうとするため、室外熱交換器４外へ吐き出される前に冷やされて凍結し、スリット内で根氷化してしまう可能性がある。また、水滴が急速に冷やされ、室外熱交換器４の下面に根氷を生じさせたり、新たな霜の発生・付着の原因となる可能性もある。

上記の問題を解決するため、本実施形態の車両空調装置１では、霜の融解が完了してデフロスト運転を終了した後、暖房運転に切り換える前に、室外送風機１０を逆回転させて逆方向に送風することで室外熱交換器４の下面に付着している水滴を除去する水滴除去制御を行う。図５は、水滴除去制御実行時の風の流れを示す図である。水滴除去制御実行時には、室外送風機１０は、暖房運転時と逆に、下から上へ送風する。これにより、図５中の矢印で示すように、室外機９の左右両側から室外機９内に吸入された空気流（風）が、左右の室外熱交換器４の上面から下面へと通過した後、室外機９の筐体底部で跳ね返って上昇し、室外送風機１０を通過して室外機９の上方へ排出される。図６は、図５中の一方の室外熱交換器４から水滴が除去されるときの状態を示す図である。図６に示すように、水滴除去制御の実行時、室外熱交換器４の上面から下面へと風（空気流）が通過することにより、室外熱交換器４の下面に付着していた水滴が風の力を受けて移動して室外熱交換器４から離れて下方へ落ち、室外熱交換器４から除去される。このような水滴除去制御を所定時間（例えば２〜３分間程度）実行することにより室外熱交換器４に付着した水滴を除去（水切り）した後、暖房運転を再開し、室外送風機１０により正方向に送風する。このようにして、室外熱交換器４に水滴が付着していない状態として暖房運転を再開するので、室外熱交換器４のスリット内に水滴が入り込むことがなく、室外熱交換器４に根氷や新たな霜が発生することを確実に抑制することができる。

また、本実施形態では、暖房運転時の送風方向を、室外熱交換器４の下面に霜が付着する方向としており、水滴除去制御の実行時には、室外熱交換器４の下面に付着した水滴を下に落とすような送風方向としている。このため、水滴除去制御において室外熱交換器４から落ちた水滴が室外熱交換器４に再付着することを確実に抑制することができるので、室外熱交換器４の水切りをより迅速且つ確実に行うことができる。

ただし、本発明では、暖房運転および水滴除去制御における送風方向をそれぞれ上記と反対にしてもよい。すなわち、暖房運転時には室外熱交換器４の上面から下面へ風が流れ、水滴除去制御の実行時には室外熱交換器４の下面から上面へ風が流れるようにしてもよい。この場合には、室外熱交換器４の上面に霜が付着し、水滴除去制御の実行時には、室外熱交換器４の上面に付着した水滴が風によって上側に吹き飛ばされることにより、室外熱交換器４から水滴が除去される。また、本実施形態では、室外熱交換器４を傾斜した姿勢で設置しているが、本発明では、室外熱交換器４を垂直な姿勢または水平な姿勢で設置してもよい。

図７は、本発明の実施の形態１における水滴除去制御を実行するための制御フローを示す図である。図７に示す処理は、車両用空調装置１が備える図示しない制御装置（制御手段）により実行される。以下、図７を参照して、本実施形態における水滴除去制御について更に説明する。暖房運転が開始され（ステップＳ１）、暖房運転が継続されるにつれて、室外熱交換器４に霜が生じる（ステップＳ２）。霜が室外熱交換器４のスリットを塞ぎ始めると、室外熱交換器４の熱交換率が低下し、暖房能力も低下するため、デフロスト運転により霜を取り除く必要がある。本実施形態では、例えば圧縮機２の吸入側に設けた冷媒圧力センサ（図示せず）により検出される低圧圧力に基づいて、デフロスト運転の開始判定を行う。室外熱交換器４のスリットが霜によって塞がれていくにつれて、低圧圧力が低下する。このため、低圧圧力が所定の判定値（例えば０．０５ＭＰａ）以下となった場合（ステップＳ３）には、除霜が必要であると判断できるので、暖房運転を停止させ（ステップＳ４）、デフロスト運転を開始する（ステップＳ５）。

デフロスト運転が継続されるにつれて、室外熱交換器４に付着した霜が融解していく（ステップＳ６）。本実施形態では、例えば圧縮機２の吐出側に設けた冷媒圧力センサ（図示せず）により検出される高圧圧力に基づいて、室外熱交換器４に付着した霜の融解が完了したかどうかの判定を行う。室外熱交換器４に付着した霜が融解していくにつれて、高圧圧力が上昇する。このため、高圧圧力が所定の判定値（例えば０．７ＭＰａ）以上となった場合（ステップＳ７）には、室外熱交換器４に付着した霜の融解が完了したと判断できるので、デフロスト運転を終了し（ステップＳ８）、室外送風機１０を逆回転で起動し、水滴除去制御を開始する（ステップＳ９）。室外送風機１０を逆回転を所定時間（例えば２〜３分間）継続することにより室外熱交換器に付着した水滴の水切りが完了した後、室外送風機１０を停止させて水滴除去制御を終了する（ステップＳ１０）。その後、暖房運転を再開する（ステップＳ１１）。

以上説明したように、本実施形態によれば、デフロスト運転後に室外熱交換器４に付着している水滴を、水滴除去制御を実行することで確実に水切りした後に、暖房運転を再開する。このため、暖房運転の再開後に、水滴による室外熱交換器４の根氷や新たな霜の発生・付着を確実に抑制することができる。また、本実施形態によれば、室外熱交換器４の霜の発生・付着を抑制することができるので、デフロスト運転の実行間隔を長くしたり、デフロスト運転の実行時間を短くしたりすることが可能となるので、効率良く暖房運転を行うことができる。

また、本実施形態では、デフロスト運転により室外熱交換器４に付着した霜の融解が完了したかどうかの判定を行い、霜の融解が完了したと判定された場合に水滴除去制御を開始するようにしているので、水滴除去制御を常に適切なタイミングで実行することができ、室外熱交換器４の水切りをより確実に行うことができる。なお、室外熱交換器４に付着した霜の融解が完了したかどうかを判定する方法は、上述した高圧圧力に基づいて判定する方法に限定されるものではなく、例えば、室外熱交換器４から流出する冷媒温度に基づいて判定する方法や、デフロスト運転の継続時間に基づいて判定する方法などであってもよい。

なお、本実施形態では、本発明の冷凍サイクル装置を車両用の空気調和装置に適用した場合を例に説明したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の冷凍サイクル装置は、空気冷媒熱交換器と、冷媒によって水あるいは不凍液等を加熱する水冷媒熱交換器とを備えたヒートポンプ給湯装置などにも適用可能である。

実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図８は、本発明の実施の形態２における車両用空調装置１が備える室外熱交換器４の外観を示す図である。図８に示すように、室外熱交換器４は、伝熱面積を大きくするための多数のフィン４１を備えており、フィン４１とフィン４１との間に形成される狭いスリット４２が空気の通路となっている。本実施形態では、このスリット４２の幅を１．８〜２．５ｍｍとしている。これにより、次のような効果が得られる。

デフロスト運転後に生じる水滴は、室外熱交換器４のフィン４１に表面張力によって付着している。スリット４２の幅に対して水滴の径が大きいと、水滴がスリット４２の両側のフィン４１に付着し、水滴とフィン４１との接触面積が大きくなる。これに対し、水滴の径に対してスリット４２の幅が大きいと、水滴は片側のフィン４１のみに付着するので、水滴とフィン４１との接触面積は小さくなる。本実施形態では、スリット４２の幅を上記範囲とすることにより、水滴の径に対してスリット４２の幅が大きくなる傾向とすることができる。このため、水滴がスリット４２の両側のフィン４１に付着することを抑制し、水滴を片側のフィン４１のみに付着させることができる。その結果、水滴除去制御の実行時に、フィン４１に付着した水滴が風に押されて容易に移動するので、水滴をより迅速且つ確実に室外熱交換器４から除去することができる。これに対し、スリット４２の幅が上記範囲より小さい場合には、水滴がスリット４２の両側のフィン４１に付着する傾向となるため、水滴除去制御の実行時に、フィン４１に付着した水滴が風を受けたときに移動しにくくなり、水滴除去効率が低下する可能性がある。一方、スリット４２の幅が上記範囲より大きい場合には、フィン４１の配置密度が低下し、室外熱交換器４の伝熱面積が減少するので、室外熱交換器４の熱交換性能が低下する可能性がある。

１車両用空調装置、２圧縮機、３室内熱交換器、４室外熱交換器、５膨張弁、６アキュームレータ、７四方弁、８室内機、９室外機、１０室外送風機、４１フィン、４２スリット

Claims

空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器と、
前記空気冷媒熱交換器を風が所定方向に通過する状態と、前記空気冷媒熱交換器を風が前記所定方向と逆方向に通過する状態とに送風状態を切り換え可能であり、前記空気冷媒熱交換器にて冷媒が空気から熱を奪う運転が行われる場合には前記空気冷媒熱交換器を風が前記所定方向に通過するように送風する送風機と、
前記空気冷媒熱交換器に霜が付着した場合に前記霜を融解させるデフロスト運転を行うデフロスト運転手段と、
前記デフロスト運転により前記霜が融解した後、前記空気冷媒熱交換器を風が前記逆方向に通過するように前記送風機を作動させることにより、前記空気冷媒熱交換器に付着している水滴を除去する水滴除去制御を行う制御手段と、
を備える冷凍サイクル装置。
前記空気冷媒熱交換器は、空気の通路となる多数のスリットを有し、前記スリットの幅が１．８〜２．５ｍｍである請求項１記載の冷凍サイクル装置。
前記デフロスト運転により前記霜の融解が完了したかどうかを判定する融解判定手段を備え、
前記制御手段は、前記融解判定手段により前記霜の融解が完了したと判定された場合に、前記水滴除去制御を実行する請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
前記空気冷媒熱交換器は、一方の面が下向きとなる姿勢で配置されており、
前記送風機が前記所定方向に送風するときには、前記空気冷媒熱交換器の前記下向きの面からその反対側の面へ風が流れ、
前記送風機が前記逆方向に送風するときには、前記空気冷媒熱交換器の前記反対側の面から前記下向きの面へ風が流れる請求項１乃至３の何れか１項記載の冷凍サイクル装置。
車両用の空気調和装置として用いられる請求項１乃至４の何れか１項記載の冷凍サイクル装置。