JP2014181866A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房運転可能な空気調和機において、吐出温度が高くなりやすい冷媒を使用した場合に、暖房運転時、吐出冷媒温度が高くなることにより、暖房能力が確保しやすくなるため、室外熱交換器に高温の冷媒ガスを流入することにより圧縮機吐出温度を低下させ、且つ、室外熱交換器温度を上昇させ、除霜運転に入りにくくし、かつ暖房能力の低下を抑制させる空気調和機を得ることにある。
【解決手段】圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外膨張弁を備え、少なくとも暖房運転が可能な空気調和機において、吐出温度が上昇しやすい冷媒を使用し、前記圧縮機の吐出側と前記室外熱交換器の暖房運転時入口側とを接続するバイパス回路を設け、前記バイパス回路はバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁を備えることを特徴とする空気調和機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒を使用し、暖房運転可能な空気調和機に係り、特に除霜運転機能を備えた空気調和機の室外機に関する。

近年、地球温暖化に対する対策として地球温暖化係数（ＧＷＰ）の低い冷媒への移行が検討されている。現在空調機に使用されている冷媒はＲ４１０Ａが主になっているが、Ｒ４１０Ａの代替冷媒としてＲ３２が挙げられる。Ｒ３２冷媒の特徴として、圧縮機にて圧縮された吐出冷媒の温度が高くなりやすい傾向がある。吐出冷媒が高くなることにより、圧縮機の運転可能範囲を外れ、圧縮機の故障、冷凍機油の劣化が懸念される。本問題を解決するに当たり、例えば、本技術分野の背景技術として、特開２０１２−１３７２０７号公報（特許文献１）がある。この公報には、空気調和機の冷凍サイクルにインジェクション回路、バイパス回路を設け、運転中に圧縮機の吐出温度が高くなりすぎた場合にインジェクション運転を実施し、圧縮機の中間室に冷媒を注入させることで圧縮機の吐出温度を低下させることにより前記問題を解決している。

特開２０１２−１３７２０７号公報

上記特許文献１に記載の冷凍サイクル装置では、インジェクション運転により凝縮された液冷媒を圧縮途中の圧縮室に注入することにより圧縮機から吐出される高温の冷媒ガス温度を圧縮機許容温度内に抑制することに対しての記述はあるが、暖房運転中については記載されていない。

また、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、冷房運転のサイクル状態についての記載になっており、暖房運転時については記載されていない。
そこで本発明は、暖房運転可能な空気調和機において、吐出温度が高くなりやすいＲ３２などの冷媒を使用した場合であっても圧縮機吐出温度の上昇を押さえ、室外熱交換器の温度を上昇させることで除霜運転に入りにくくすることを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「圧縮機、四方弁、室内熱交換器、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成している空気調和機において、前記室内熱交換器からの液冷媒が前記室外膨張弁を通過した後、前記室外熱交換器に流れる構成とし、前記圧縮機から吐出される高温冷媒の一部を分岐させて前記室外熱交換器の暖房運転時における入口側に流すためのバイパス回路を設け、このバイパス回路にはバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁が設けられることを特徴とする空気調和機。」である。

本発明によれば、暖房運転可能な空気調和機において、吐出温度が高くなりやすいＲ３２などの冷媒を使用した場合であっても圧縮機吐出温度の上昇を押さえ、室外熱交換器の温度を上昇させることで除霜運転に入りにくくすることが可能となる。

本発明のその他の構成、効果については以下の実施例で詳細に説明する。

本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図で、主に室外機側を示す図。 本発明の実施例１における暖房運転制御を説明するフローチャート。 本発明の空気調和機の実施例２を示す冷凍サイクル構成図で、主に室外機側を示す図。 本発明の実施例２における暖房運転制御を説明するフローチャート。

以下、本発明の空気調和機の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図で、空気調和機５０の主に室外機５１側を示している。図においては、１は圧縮機、２は四方弁、３は室外熱交換器、４は室外膨張弁、１１はガス阻止弁、１２は液阻止弁、５３は室内機（図示せず）側と接続されるガス接続配管、５４は同じく液接続配管である。暖房運転時には、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、実線矢印で示すように、四方弁２、ガス阻止弁１１、ガス接続配管５３を通り、室内機に至り、凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒は、通常全開状態の室内膨張弁（図示せず）を通過後、液接続配管５４及び液阻止弁１２を通って室外膨張弁４に至り、この室外膨張弁４により減圧されて低温低圧のガス液混合冷媒となる。この減圧された冷媒は、室外熱交換器３により蒸発され、ガス冷媒となり再び四方弁２を経由して圧縮機１に戻される。

３１は前記圧縮機１の吐出側配管と四方弁２との間の冷媒配管から分岐され、室外熱交換器３と室外膨張弁４との間の冷媒配管に接続されるバイパス回路で、このバイパス回路３１にはバイパス電磁弁３２とバイパス膨張弁３３が設けられている。暖房運転時に、吐出冷媒温度が高くなり、圧縮機の許容温度以上になった場合や、室外熱交換器３の除霜が必要になった場合、着霜しやすい状態となった場合に前記バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３が開かれる。これにより、圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒（高温冷媒）の一部がバイパス回路３１に流入し、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３を通過後、室外熱交換器３の入口に流入する。このように、吐出冷媒ガスを分岐させることにより圧縮機吐出温度を低下させることができ、且つ、室外熱交換器３の着霜を抑制することができる。

バイパス膨張弁３３は高温高圧のガス冷媒を減圧すると共に、室外熱交換器３へ流入するガス流量を適正な流量に調整するためのものであるが、膨張弁ではなくキャピラリチューブを用いてもよい。室外熱交換器３は、狭い間隔で並置された多数枚のプレート状フィンと、これらのフィンを貫通する蛇行状の冷媒パイプとで構成されているプレートフィン型熱交換器を用いており、冷媒パイプ内を流れる冷媒と室外ファン２３により通風される外気（室外空気）とが熱交換される。

室外膨張弁４は、冷凍サイクルの主回路を流れる冷媒の減圧を行うもので、電子式膨張弁で構成され、液阻止弁１２と室外熱交換器３との間に設置されている。圧縮機１は、その運転周波数がインバータで可変して制御される容量可変式圧縮機で構成されている。四方弁２は、この圧縮機１から吐出された冷媒の流れ方向及び圧縮機１へ吸い込まれる冷媒の流れ方向を切換える弁で、この四方弁２は、制御装置１６により、暖房運転時に実線に示す流路を形成し、冷房運転時に点線で示す流路を形成するように制御される。

制御装置１６は、室外操作スイッチ等と共に室外機の制御基板上に搭載され、空気調和機５０を構成する各機器の制御を行うものである。２４は圧縮機の吐出温度を検出するためのサーミスタ（温度検出手段）で、圧縮機１の上部もしくは吐出配管のいずれかに設置されている。２５は室外熱交換器３の液配管の温度を検出するためのサーミスタであり、室外熱交換器３の分配管もしくは分配前の配管のいずれかに設置されている。つまりサーミスタ２５は室外熱交換器３の温度を検出するための温度検出手段であり、室外熱交換器２５の暖房時冷媒入口側となる部分の温度を検出するものである。
２６は室外の温度を検出するためのサーミスタ（温度検出手段）で、室外熱交換器３を流れる空気の上流側に設置されている。

次に、空気調和機５０の冷凍サイクルの基本動作について説明する。
暖房運転には、前述したように、圧縮機１からの高温高圧ガス冷媒は、実線矢印に示すように、四方弁２、ガス阻止弁１１、ガス接続配管５３を経由して室内機に入り、凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒は、開状態の室内膨張弁、液接続配管５４及び液阻止弁１２を経由し、室外膨張弁４で減圧されて低温低圧のガス液混合冷媒となり、この減圧された冷媒は、室外熱交換器３で蒸発してガス冷媒となり圧縮機１に戻る。

この暖房運転中に、バイパス回路３１のバイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３を開とすることにより、圧縮機１から吐出されたガス冷媒の一部は、四方弁２への流れと分岐し、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３を通過後、室外膨張弁３に流入する。これにより、吐出ガス冷媒の一部をバイパスさせない場合（バイパス電磁弁３２およびバイパス電磁弁３３を閉とした場合）と比較し、吐出冷媒が高温となっている場合には、吐出冷媒ガスを分岐させることにより圧縮機吐出温度を低下させることができる。またこれにより、室外熱交換器３の温度を上昇させることができるため、着霜するのを防止できるか、着霜している場合にはそれを除霜することができる。

空気調和機の冷房運転時には、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、点線矢印に示すように、四方弁２を経由して室外熱交換器３に流れ、該室外熱交換器３により凝縮されて液冷媒となる。この液冷媒は、全開状態の室外膨張弁４、液阻止弁１２及び液接続配管５４を通って室内機に流れ、室内機の室内膨張弁で減圧されて低圧のガス液混合冷媒となる。この減圧された冷媒は、室内機の室内熱交換器で蒸発され、ガス冷媒となって圧縮機１に戻される。
なお、冷房運転中は、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３は常に閉じられ、バイパス回路３１は使用されない。

本実施例は、圧縮機１の吐出側から室外熱交換器３と室外膨張弁４との間に連結するバイパス回路３１を備え、このバイパス回路３１を介して室外熱交換器３に流すように構成しているので、高温高圧の冷媒を室外熱交換器３に供給することで圧縮機１の吐出温度を抑制することができ、且つ、室外熱交換器３の温度が低下し、室外熱交換器３に着霜のおそれがある場合には、バイパス回路３１を開として圧縮機１からの高温高圧の冷媒を、室外熱交換器３に供給できる。

バイパス回路３１にバイパス膨張弁３３もしくはキャピラリチューブを備えているので、このバイパス膨張弁３３の開度またはキャピラリチューブのサイズ（キャピラリチューブの配管径、長さ）を調整することで、最適な圧縮機吐出温度にすることができ、且つ、室外熱交換器に最適なバイパス流量を供給することが可能である。具体的には吐出温度の上がりやすいＲ３２などの冷媒を使用した場合は、吐出温度が高くなりすぎて圧縮機許容温度を超えてしまうため、吐出温度を低下させるために圧縮機回転数を低下せざるを得ないが、バイパス回路３１を有することで、圧縮機回転数を低下することなく吐出温度の抑制と着霜の抑制の両方を可能にすることができる。より具体的にはＲ３２単体を冷凍サイクルを構成する冷媒として使用する場合、あるいはＲ３２を７０％以上の割合で使用する場合に特に吐出温度が上昇し過ぎるものである。

また、このとき、圧縮機１の吐出側から暖房時室外熱交換器入口に分岐されるバイパス量に対し、室内熱交換器に流入するバイパス量が多くなるようにバイパス膨張弁３３もしくはキャピラリチューブを調整することが望ましい。

次に、図１に示す実施例の制御装置１６における暖房運転制御を図２に示すフローチャートで説明する。
まず、サーミスタ２４で圧縮機１の吐出温度を検出し、サーミスタ２５で室外熱交換器２の液配管温度を検出し、サーミスタ２６で外気温度を検出する（ステップＳ１）。次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で検出した温度に基づいて圧縮機吐出温度が許容温度以上であるか否かを判断する。例えば、圧縮機の許容温度が１２０℃であった場合、サーミスタ２４で検出された温度が１２０℃以上であれば圧縮機の仕様温度範囲外であり故障するおそれがあると判断する。

圧縮機の故障のおそれがあると判断された場合はステップＳ３に移り、室外熱交換器３に着霜のおそれがあるか否かを判断する。例えば、サーミスタ２５で検出された室外熱交換器３の温度が０℃以下で、且つサーミスタ２６で検出された外気温度が５℃以上の場合であれば着霜のおそれがあると判断する。着霜のおそれがあると判断された場合にはステップＳ４に移り、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３が開となっていなければ、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３を開き（ステップＳ５）、圧縮機吐出側の高温高圧冷媒の一部をバイパス回路３１に導入して室外熱交換器３に流入させる。これにより、圧縮機吐出温度を低下させることができ、且つ、室外熱交換器３の温度を上昇させ、着霜していればそれを除霜し、着霜のおそれがある場合には着霜を回避することができる。ステップＳ５の処理後は、前記ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１では再び圧縮機吐出温度と室外熱交換器の温度と外気温度をサーミスタ２４、２５、２６で検出し、ステップＳ２で依然として圧縮機故障のおそれありと判断された場合はステップＳ３で着霜状態を判断し、着霜のおそれありと判断された場合にはステップＳ４に移り、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３は開弁状態であるので、ステップＳ１に戻る。

ステップ３で着霜のおそれがないと判断された場合、圧縮機吐出温度が高温の状態でバイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３は閉じているため、圧縮機回転数を減少させて圧縮機吐出温度を低下させる。ステップＳ２で圧縮機故障のおそれがないと判断した場合、ステップＳ７にて着霜のおそれがあるか否かを判断する。ステップＳ７にて着霜のおそれがないと判断された場合ステップＳ１に戻り、着霜のおそれがあると判断された場合はステップＳ８に移行する。

ステップＳ８にてバイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３が閉じていれば圧縮機吐出温度が低下していると判断しステップＳ１に戻り、バイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３が開いている場合にはステップＳ９に移る。ステップＳ９では室外熱交換器３が着霜しておらず、また着霜のおそれもない温度になっているかどうかを判断する。この例では、室外熱交換器３の温度が２℃以上になっていれば着霜のおそれがないと判断してバイパス電磁弁３２およびバイパス膨張弁３３を閉じ（ステップＳ１０）、バイパス回路３１から高温高圧冷媒を室外熱交換器３に導入することを停止し、空気調和機５０は通常運転に戻る。
以下、同様の動作を繰り返すように制御装置１６は制御される。

以上の通り本実施例の暖房運転可能な空気調和機においては、吐出温度が高くなりやすいＲ３２などの冷媒を使用した場合に、暖房運転時、吐出冷媒温度が高くなることにより、暖房能力が確保しやすくなる。そして制御装置１６の上記した制御により、室外熱交換器に高温の冷媒ガスを流入することにより圧縮機吐出温度を低下させることができる。また、室外熱交換器温度を上昇させるため、除霜運転に入りにくくするとともに、圧縮機の回転数を減少させるのを最後の手段とすることで暖房能力低下を抑制することが可能となる。

本実施例では、図２に示すフローチャートのステップＳ６における圧縮機回転数低下だけでなく圧縮機回転数を低下させず圧縮機吐出温度の抑制も行える空気調和機の例を説明する。
図３は、実施例２を示す冷凍サイクル構成図である。図１の空気調和機５０のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図３の冷凍サイクル構成図は図１に対し、インジェクション用バイパス回路４１を追加している。インジェクション用バイパス回路４１は室外熱交換器３と室外膨張弁４との間の冷媒配管から分岐され、圧縮機１のインジェクション配管に接続されるバイパス回路で、このインジェクション用バイパス回路４１にはバイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３が設けられている。インジェクション用バイパス回路４１は暖房運転中に室外膨張弁４にて減圧された低温低圧冷媒を、圧縮機１のインジェクション配管に流入することにより、圧縮機吐出温度が過昇した場合に冷却行う。こうすることにより、圧縮機回転数を減少することなく暖房運転が継続されるため、安定した暖房運転を行うことができ、且つ圧縮機吐出温度を低下させることが可能である。なお、冷房運転中は、バイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３は常に閉じられ、インジェクション用バイパス回路４１は使用されない。

次に、図３に示す実施例の制御装置１６における除霜運転制御を図４に示すフローチャートで説明する。ステップＳ３にて室外熱交換器３に着霜のおそれがあるか否かを判断し、着霜のおそれがない場合はステップＳ６に移行する。この際、図２では圧縮機回転数を減少させるようにしていたが、図４ではインジェクション用バイパス回路４１を追加しているため、バイパス電磁弁４２を開とし、ステップＳ１に戻る。ステップＳ１に戻り、ステップＳ２にて圧縮機の故障のおそれがあるか判断する。圧縮機故障のおそれがない場合、ステップＳ１１に移行し、バイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３が開であるか否かを判断する。バイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３が開である場合、ステップＳ１２に移行し、バイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３を閉としステップＳ１に戻る。

以上のように本実施例では、圧縮機吐出温度、室外熱交換器液管温度、外気温度を検知し、インジェクション用バイパス回路４１に設けているバイパス電磁弁４２およびバイパス膨張弁４３を開閉し、圧縮機１のインジェクション配管に流入する流量をこのバイパス膨張弁４３もしくはキャピラリチューブで調整する制御装置１６を備えたものである。制御装置１６は、圧縮機１の吐出側冷媒温度が圧縮機１の許容温度以上と判定、且つ、室外熱交換器３に着霜のおそれがあると判定した場合、インジェクション用バイパス回路４１のバイパス電磁弁４２を開にする制御をし、室外熱交換器入口前からの冷媒を、インジェクション用バイパス回路４１を介して圧縮機１のインジェクション配管に供給する。

以下同様の動作を繰り返すように制御装置１６を制御した場合、実施例１に対し圧縮機故障のおそれがあり、且つ室外熱交換器に着霜のおそれがない場合でも圧縮機回転数を減少させることなく安定した運転が可能であり、圧縮機吐出温度の低下させることができ、室外熱交換器の着霜を抑制することを可能とする。

１…圧縮機
２…四方弁
３…室外熱交換器
４…室外膨張弁
１１…ガス阻止弁
１２…液阻止弁
１６…制御装置
２３…室外ファン
２４、２５、２６…サーミスタ（温度検出手段）
３１…バイパス回路
３２…バイパス電磁弁
３３…バイパス膨張弁
４１…インジェクション用バイパス回路
４２…バイパス電磁弁
４３…バイパス膨張弁
５０…空気調和機
５１…室外機
５３…ガス接続配管
５４…液接続配管

Claims (8)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成している空気調和機において、
   前記室内熱交換器からの液冷媒が前記室外膨張弁を通過した後、前記室外熱交換器に流れる構成とし、
   前記圧縮機から吐出される高温冷媒の一部を分岐させて前記室外熱交換器の暖房運転時における入口側に流すためのバイパス回路を設け、
   このバイパス回路にはバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁が設けられることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、前記バイパス回路にはバイパス電磁弁と、前記バイパス膨張弁又はキャピラリチューブが設けられることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１において、圧縮機吐出温度、室外熱交換器液管温度、外気温度を検知し、バイパス回路に設けているバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁開閉し、室外熱交換器に流入する流量をバイパス膨張弁開度もしくはキャピラリチューブで調整することを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧縮機の吐出冷媒温度が高い、且つ、前記室外熱交換器に着霜している、或いは着霜のおそれがあると判断された場合に、前記バイパス回路のバイパス電磁弁が開かれ、前記圧縮機の吐出側からの高温冷媒の一部が分岐されて前記バイパス回路を介して前記室外熱交換器に流入される構成としていることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧縮機の吐出側の温度を検出するための温度検出手段と、室外の温度を検出するための温度検出手段と、前記室外熱交換器の温度を検出するための温度検出手段とを備え、さらに、
   これらの温度検出手段で検出された温度に基づいて前記圧縮機の仕様温度範囲外であるか否かを判断する、及び前記室外熱交換器に着霜のおそれがあるか否かを判断する制御装置を備えていることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１において、前記圧縮機のインジェクション配管と前記室外熱交換器の暖房運転時入口側とを接続するインジェクション用バイパス回路を設け、
   前記インジェクション用バイパス回路はバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁を備え、
   圧縮機吐出温度、室外熱交換器液管温度、外気温度を検知し、前記インジェクション用バイパス回路に設けているバイパス電磁弁およびバイパス膨張弁開閉し、圧縮機のインジェクション配管に流入する流量をこのバイパス膨張弁もしくはキャピラリチューブで調整する制御装置を備えたことを特徴とする空気調和機。
7. 請求項６において、前記制御装置は、前記圧縮機の吐出側冷媒温度が圧縮機の許容温度以上と判定、且つ、前記室外熱交換器に着霜のおそれがあると判定した場合、前記インジェクション用バイパス回路のバイパス電磁弁を開にする制御をし、前記室外熱交換器入口前からの冷媒を、前記パイパス回路を介して圧縮機のインジェクション配管に供給することを特徴とする空気調和機。
8. 請求項１〜７の何れかにおいて、前記空気調和機は、Ｒ３２冷媒を単一、又は７０％以上の割合で使用することを特徴とする空気調和機。