JP2015161435A

JP2015161435A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2015161435A
Application number: JP2014036116A
Authority: JP
Inventors: 洋輝速水; Hiroteru Hayami; 政利渡辺; Masatoshi Watanabe
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP6119639B2

Abstract

【課題】外気温が低い条件の暖房運転時でも「空除霜」を防止し、適切なタイミングで除霜運転の解除を行うことで、快適性の向上を図る。【解決手段】除霜運転の解除判定要因として、除霜運転の開始後に室外送風機１３１の回転数Ｆを検出し、回転数Ｆが所定値Ｆ０を上回る場合は、回転数Ｆを所定の時間間隔で検出し、検出された回転数Ｆのうちの前回検出時の回転数ＦＦと今回検出時の回転数ＦＲとの差Ｆαが０以下の場合に除霜運転を解除し、回転数Ｆが所定値未満の場合は、タイマ２１０によって除霜運転時間ＲＴを計時するとともに、除霜運転時間ＲＴがタイムアップ時間ＴＵに達する前であって、室外熱交温度Ｔｃが解除温度Ｔｈよりも高い場合か、若しくは、除霜運転時間ＲＴがタイムアップ時間ＴＵに達した場合に除霜運転を解除することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は空気調和機に関し、さらに詳しく言えば、暖房運転時に室外熱交換器に付着する霜や氷を取り除く除霜技術に関するものである。

冷房／暖房兼用の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁を備える室外機、および室内熱交換器を備える室内機を冷媒配管を介して接続してなる冷媒回路を有し、冷房運転時には、冷媒が圧縮機→四方弁→室外熱交換器→膨張弁→室内熱交換器→四方弁→圧縮機へと流されて、室外熱交換器が凝縮器、室内熱交換器が蒸発器として作用する。

これに対して、暖房運転時には、冷媒が圧縮機→四方弁→室内熱交換器→膨張弁→室外熱交換器→四方弁→圧縮機へと流されて、室内熱交換器が凝縮器、室外熱交換器が蒸発器として作用する。

このように、暖房運転時には、室外機の室外熱交換器が蒸発器として作用することから、外気温が低い環境下で暖房運転を続けると、室外熱交換器に付着した凝縮水が凝固して着霜したり、室外熱交換器の下部に結氷する。そうすると、室外熱交換器の熱交換効率が低下する。

そこで、暖房運転中、所定の除霜条件が成立したかどうかを判定し、除霜条件が成立した場合には、除霜運転を行うようにしている。除霜条件には、外気温、室外熱交換器の室外熱交温度、暖房運転時間等が含まれる。

通常、除霜運転は、リバース除霜として、四方弁を冷房運転側に切り換えて行う。すなわち、除霜運転時は、冷房運転と同じく、冷媒が圧縮機→四方弁→室外熱交換器→膨張弁→室内熱交換器→四方弁→圧縮機へと流される。このようにして、室外熱交換器に高温の冷媒を流すことで室外熱交換器に付着した霜や氷を溶かす。

そして、除霜運転を解除して終了させるにあたって、従来では、室外熱交温度と、除霜運転時間（タイムアップ）とを解除の判定要因として、除霜運転終了時を判断するようにしている（例えば、特許文献１）。

ここで、図３のフローチャートにより、従来行われている暖房運転と除霜運転について説明する。ステップＳＴ１０１で、暖房運転が開始されると、ステップＳＴ１０２で、除霜運転を開始するかどうかの除霜運転開始判定が行われる。

この判定には、外気温、室外熱交温度、暖房運転時間等が開始条件として用いられる。一例として、外気温が−５℃以下、室外熱交温度が−１５℃以下、暖房運転時間が３時間、等として設定される。

そして、これらの条件が例えばすべて満たされた場合に、ステップＳＴ１０３で、除霜運転が開始される。なお、除霜運転の解除条件として、この例では、室外熱交温度Ｔｃが１５℃以上、除霜運転時間ＲＴが１５分間の２条件としている。除霜運転時間ＲＴは、除霜運転の開始時にタイマをスタートさせることにより計時される。なお、除霜運転時は室外熱交換器に送風する室外ファンは停止している。

除霜運転開始後、ステップＳＴ１０４で、所定のＸ時間が経過するのを待って、除霜運転を解除するかどうかの判定が行われる。このＸ時間は、霜や氷の溶け残りを極力少なくする
うえで、最小限必要とされる除霜運転時間を確保する時間で、例えば４〜５分程度に設定される。

Ｘ時間（４〜５分）経過後に、除霜運転の解除判定が行われるが、まず、ステップＳＴ１０５で、温度による解除判定として、室外熱交温度Ｔｃ≧１５℃であるか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓ（Ｔｃ≧１５℃）であれば、ステップＳＴ１０７で除霜運転を終了し、ステップＳＴ１０８で暖房運転を再開する。

ステップＳＴ１０５での判定結果がＮｏ（室外熱交温度Ｔｃ＜１５℃）のときには、ステップＳＴ１０６で、時間による解除判定として、除霜運転時間ＲＴ≧１５分であるか否かの判定が行われる。

その判定結果がＮｏ（ＲＴ＜１５分）であれば、ステップＳＴ１０５に戻り、依然として室外熱交温度Ｔｃ＜１５℃のときには、ステップＳＴ１０６に進み、室外熱交温度が１５℃以上になるか、除霜運転時間ＲＴが１５分経過するまで除霜運転を継続する。室外熱交温度Ｔｃ≧１５℃とならなくても、除霜運転時間ＲＴが１５分経過してタイムアップ（ステップＳＴ１０６の判定結果がＹｅｓ）になると、ステップＳＴ１０７で除霜運転を終了し、ステップＳＴ１０８で暖房運転を再開する。

このように、除霜を開始し上記Ｘ時間を経てタイムアップに至るまでの間で、室外熱交温度Ｔｃが解除温度の１５℃にまで上昇しないときには、除霜運転時間ＲＴがタイムアップするまでの１５分間除霜運転が継続されることになる。

しかしながら、除霜運転中に風が室外機に吹き込んでいる場合、室外熱交温度Ｔｃを検出する室外熱交温度センサは室外熱交換器の配管に外付けされているため、外気温に影響されて正確な室外熱交温度を検出できなくなる。すると、室外熱交温度センサの検出値は実際の室外機熱交温度よりも低い温度を誤検出し、それ以上温度が上がらずに推移したままとなる。この時、実際の室外熱交温度が解除温度の１５℃を超えていたとしてもタイムアップするまで除霜運転が継続される。このように、実際の室外熱交温度を検出できない状態となると、霜や氷の除去が完了しているにもかかわらず除霜運転が継続され、その期間の除霜運転は無駄になり、暖房運転復帰が遅れることで快適性を損なう。ここで、上記の無駄な除霜運転を「空除霜」と呼ぶ。

特開２００４−２３２９４２号公報

したがって、本発明の課題は、除霜運転中に室外機に風が吹き込んでいる場合は、室外熱交温度によらず別のパラメータによって除霜運転の解除を判定し、
空除霜をなくすことで暖房運転時の快適性の向上を図ることにある。

上記した課題を解決するため、本発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁および室内熱交換器を冷媒配管を介して接続してなる冷媒回路と、室外送風機と、少なくとも上記冷媒回路が暖房運転又は除霜運転を行うように制御する制御部とを含み、上記制御部は、少なくとも除霜運転時間ＲＴを計時するタイマを備えている空気調和機において、上記除霜運転中は上記室外送風機は停止しており、上記室外送風機の回転数Ｆを検出する回転数検出手段を有し、上記制御部には、予め上記除霜運転時間ＲＴのタイムアップ時間ＴＵが記憶され、上記制御部は、除霜運転の開始後に上記室外送風機の回転数Ｆを検出し、上記回転数Ｆが所定値以上である場合は、上記回転数Ｆを第一の所定時間の間隔で検出し、検出した上記回転数Ｆのうちの前回検出時の回転数ＦＦと今回検出時の回転数ＦＲとの差Ｆαが０以下の場合に除霜運転を解除し、上記回転数Ｆが所定値未満の場合は、上記除霜運転時間ＲＴが上記タイムアップ時間ＴＵに達した場合に除霜運転を解除することを特徴としている。

本発明の好ましい態様によると、上記回転数Ｆは、第二の所定時間の間に検出した回転数の平均値とする。

本発明によれば、除霜運転を解除する判定要因として、室外送風機回転数検出手段によって室外機に風が吹き込んでいるかどうかを判断し、風が吹き込んでいると判断した場合、室外送風機の回転数によって室外熱交換器の通風抵抗となる霜の有無を判定することができるため、適切なタイミングで除霜運転の解除を行うことができる。これによって、
空除霜をなくすことができ、暖房運転時の快適性を向上させることができる。

本発明の空気調和機が備える冷媒回路を示す模式図。本発明で行われる除霜運転の動作を説明するためのフローチャート。従来の除霜運転の動作を説明するためのフローチャート。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係る空気調和機１は、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、膨張弁１４、室内熱交換器１６およびアキュムレータ１７を冷媒配管を介して接続してなる冷媒回路と、この冷媒回路を制御する制御部２０とを備えている。

圧縮機１１は、ロータリー式、スクロール式、一定速型、インバータによる可変速型のいずれであってもよい。

室外熱交換器１３は、室外送風機モータ１３１ａによって駆動される室外送風機１３１を備えるとともに、室外熱交換器１３には、外気温度を検出する外気温センサ１３２と、室外熱交換器の温度（室外熱交温度）Ｔｃを検出する室外熱交温度センサ１３３とが設けられている。なお、この室外熱交温度センサ１３３は、室外熱交換器１３の着霜状態を検出するセンサも兼ねている。

この室外熱交温度センサ１３３は、室外熱交換器１３に通されている冷媒配管のうち、室外熱交換器１３の着霜状態を検出し得る位置の配管に外付けされているが、このほか、室外熱交換器１３には、熱交換の状態を検出するための図示しないセンサが設けられてよい。膨張弁１４には、例えばパルスモータにより弁開度が制御される電子膨張弁が用いられている。

室内熱交換器１６は、室内送風機１６１を備えている。また、室内熱交換器１６には、
室温を検出する室温センサ１６２、室内熱交換器１６の温度を検出する室内熱交温度センサ１６３が設けられている。

アキュムレータ１７は気液分離器で、室外熱交換器１３もしくは室内熱交換器１６から低圧側の冷媒戻り配管１７１を介して圧縮機１１側に戻される冷媒中に含まれている液冷媒を分離する。液冷媒と分離されたガス冷媒は、冷媒吸入管１１ｂを介して圧縮機１１に吸入される。

四方弁１２は、吐出冷媒が供給される第１ポート１２１と、室外熱交換器１３が接続される第２ポート１２２と、室内熱交換器１６が接続される第３ポート１２３と、アキュムレータ１７に至る冷媒戻り配管１７１が接続される第４ポート１２４の４つのポートを備えている。

冷房運転時には、四方弁１２が図示実線に示すように切り替えられ、第１ポート１２１と第２ポート１２２とが接続されるとともに、第３ポート１２３と第４ポート１２４とが接続される。

これにより、圧縮機１１からの吐出冷媒は、室外熱交換器１３→膨張弁１４→室内熱交換器１６→冷媒戻り配管１７１→アキュムレータ１７→圧縮機１１へと循環し、室外熱交換器１３が凝縮器、室内熱交換器１６が蒸発器として作用する。

暖房運転時には、四方弁１３０が図示鎖線に示すように切り替えられ、第１ポート１２１と第３ポート１２３とが接続されるとともに、第２ポート１２２と第４ポート１２４とが接続される。

これにより、圧縮機１１からの吐出冷媒は、室内熱交換器１６→膨張弁１４→室外熱交換器１３→冷媒戻り配管１７１→アキュムレータ１７→圧縮機１１へと循環し、室内熱交換器１６が凝縮器、室外熱交換器１３が蒸発器として作用する。

制御部２０には、好ましくはマイクロコンピュータが用いられる。制御部２０は、暖房運転や冷房運転、除霜運転等の運転時間を計時するタイマ２１０を備えている。

制御部２０には、少なくとも外気温センサ１３２と、室外熱交温度センサ１３３と、室外送風機モータ１３１ａの回転数を検出する回転数検出手段１３４とから検出信号が入力され、制御部２０は、これらの各検出信号に基づいて、冷房運転、暖房運転および除霜運転に必要な制御を行う。なお、回転数検出手段１３４は具体的にはモータ１１ｂのロータ位置を検出するための位置検出素子やロータの回転による誘起電圧を検出する手段などが挙げられる。

次に、図２のフローチャートを参照して、この実施形態で行う除霜運転の制御について説明する。

前準備として、制御部２０に除霜運転開始条件と、除霜運転を解除する判定要因とを予め設定して記憶する。この実施形態において、除霜運転開始条件は、外気温が−５℃以下、室外熱交温度Ｔｃが−１５℃以下、暖房運転継続３時間が全て満たされたときである。

また、除霜運転を解除する判定要因として、この実施形態においては、第１解除温度Ｔｈを１５℃、除霜運転時間のタイムアップ時間ＴＵを１５分とする（これらの数値はいずれも一例である）。この解除条件を本実施例では通常解除条件（破線枠内Ａ）と呼ぶ。

上記のように、制御部２０に、除霜運転開始条件および除霜運転を解除する判定要因を設定して記憶させたのち、ステップＳＴ１で、暖房運転を開始する。

暖房運転が開始されると、ステップＳＴ２が実行され、除霜運転開始条件「外気温が−５℃以下、室外熱交温度Ｔｃが−１５℃以下、暖房運転継続３時間」が満たされたかどうかが判定される。

除霜運転開始条件が満たされると、ステップＳＴ３で、四方弁１２を暖房運転から冷房運転側に切り替えて除霜運転を開始するとともに、タイマ２１０をスタートさせて除霜運転時間ＲＴを計時する。

ステップＳＴ４では、霜や氷の溶け残りを極力少なくするうえで、最小限必要とされる除霜運転を実行する時間としてのＸ時間（例えば４〜５分）を待ってから、除霜運転の解除判定を行う。

また、室外送風機モータ１３１ａは除霜運転中には停止しているため、回転数検出手段３４が室外送風機モータ１３１ａの回転を検出した場合は、風が室外機に吹き込んで室外送風機１３１を回転させていることを意味する。制御部２０は、回転数検出手段１３４によって検出された室外送風機モータ１３１ａの回転数Ｆを第一の所定時間の間隔（この例では１分間隔）で逐次監視し、前回（１分前）検出時の回転数ＦＦと、今回検出時の回転数ＦＲとの差Ｆα（＝ＦＲ−ＦＦ）を算出する。この差Ｆαは後述する除霜運転解除条件に使用するものである。この時、室外送風機モータ１３１ａを回転させる風の風速は常に一定ではなく、常に変動しているため、第一の所定時間（１分）より短い第二の所定時間（例えば１０秒間）の間に検出した回転数の平均値とすることで、短期的な変動の影響を受けないようにすることが好ましい。

ステップＳＴ５では、回転数検出手段１３４によって検出された室外送風機モータ１３１ａの回転数Ｆが所定値Ｆ０未満（例えば、５０ｒｐｍ）であるか否かが判定される。所定値Ｆ０については、後述する。上述した条件が満たされた場合、ステップＳＴ６以降の通常解除条件（破線枠内Ａ）が実行される。

その後、ステップＳＴ６で、室外熱交温度Ｔｃ≧Ｔｈ（１５℃）であるか否かを判定する。その判定結果がＹｅｓ（Ｔｃ≧１５℃）であれば、室外熱交換器１３に付着していた霜や氷が溶けた状態であるとして、ステップＳＴ９で、除霜運転を終了する。

ステップＳＴ６での判定結果がＮｏ（Ｔｃ＜１５℃）の場合には、ステップＳＴ７で、除霜運転時間ＲＴ≧ＴＵ（１５分）であるか否かを判定する。

その判定結果がＮｏ（ＲＴ＜１５分）であれば、ステップＳＴ５に戻り、再び室外送風機モータ１３１ａの回転数Ｆが所定値Ｆ０未満であるか否かを判定し、満たしていればステップＳＴ６を実行する。その判定結果が依然としてＮｏ（Ｔｃ＜１５℃）の状態が続いて、ステップＳＴ７での判定結果がＹｅｓ（ＲＴ≧１５分）でタイムアップになると、ステップＳＴ９で、除霜運転を終了する。

一方、ステップＳＴ５で回転数検出手段１３４によって検出された室外送風機モータ１３１ａの回転数Ｆが所定値Ｆ０未満（例えば、５０ｒｐｍ）であるという条件が満たされない（Ｆ≧Ｆ０）場合には、ステップＳＴ８の特殊解除条件（破線枠内Ｂ）へ移行する。特殊解除条件は、室外機に風が吹き込むことで生じる以下の弊害を防止するためにある。

室外機に風が吹き込むと、室外熱交換器１３の冷媒配管に外付けされている室外熱交温度センサ１３３にも外気温の風が当たる。さらに、室外送風機モータ１３１ａの回転数がＦ０以上となる程の風の強さだと、室外熱交温度センサ１３３は室外熱交換器の着霜状態を正確に検出できなくなる（具体的には、室外熱交温度センサ１３３が外気温の風に冷やされて、外気温度に近い温度を誤検出してしまう。）。すると、室外熱交温度センサ１３３の検出値が実際の室外熱交換器の温度よりも低い温度を検出する。そのため、通常解除条件（破線枠内Ａ）のステップＳＴ６で室外熱交温度Ｔｃ≧１５℃の条件を判定する際に、実際は室外熱交温度が１５℃以上であり室外熱交換器１３に付着した霜や氷が溶け切っているのにもかかわらず、ステップＳＴ７でタイムアップとなるまで除霜運転を継続することになる。このように、従来は無駄な除霜運転、いわゆる空除霜を継続し、暖房運転復帰が遅れることで快適性を損なうという問題があった。

本実施例の特殊解除条件（破線枠内Ｂ）によれば、上記した問題を解消し、室外機に吹き込む風を検出し、風が一定以上の強さであれば、室外熱交温度センサ１３３の検出値によらず除霜運転の解除を行うことができる。以下に詳細に説明する。

ステップＳＴ８では、回転数の差Ｆα（＝ＦＲ−ＦＦ）≦０であるか否かを判定する。判定結果がＹｅｓ（Ｆα≦０）であれば、既に通風抵抗となる霜や氷が室外熱交換器１３から除去されておりこれ以上回転数Ｆが上がらないものとしてステップＳＴ９へ移行し、除霜運転を終了する。

また、ステップＳＴ８の判定結果がＮｏ（Ｆα＞０）であれば、ステップＳＴ１０で、除霜運転時間ＲＴ≧ＴＵ（１５分）か否かを判定する。これは、今回検出時の回転数ＦＲが前回検出時の回転数ＦＦから増加している場合は、室外送風機１３１を回転させる風の抵抗となっていた室外熱交換器１３に付着した霜や氷が溶けている最中であると判断し、除霜運転を継続させるためである。

ステップＳＴ１０の判定結果がＮｏ（ＲＴ＜１５分）であれば、ステップＳＴ８に戻り、ステップＳＴ８がＹｅｓ（Ｆα≦０）になるかステップＳＴ１０の判定結果がＹｅｓ（ＲＴ≧１５分）でタイムアップになると、ステップＳＴ９で、除霜運転を終了する。

なお、室外機に吹き込む風の風速変動によってファンの回転数に変動が生じ、ステップＳＴ８の判定に影響を及ぼすことが考えられる。すなわち、ステップＳＴ８における回転数の差Ｆα（＝ＦＲ−ＦＦ）≦０の判断時、実際は通風抵抗となる霜や氷が室外熱交換器１３から除去されておりこれ以上回転数Ｆが上がらない状態であったとしても、室外機に吹き込む風の風速が前回検出時から今回検出時で増加していた場合は、判定結果がＮｏ（Ｆα＞０）となることも考えられる。しかし、短期的な風速の変動では室外送風機１３１の回転数Ｆは大きく変動しない。さらに、前述したように、回転数検出手段１３４によって検出された室外送風機モータ１３１ａの回転数Ｆは、所定時間（例えば１０秒間）の間に検出した回転数の平均値としているので、室外機に吹き込む風の短期的な変動に影響されない。

このようにして、除霜運転が終了すると、四方弁１２が暖房運転に切り替えられて、ステップＳＴ１に戻り、暖房運転が再開される。

上記したように、本実施形態によれば、室外機に吹き込む風の強さを検出し、その強さが一定以上の強さであれば、室外熱交温度センサ１３３の検出値によらず、室外送風機モータ１３１ａの回転数によって室外熱交換器１３の通風抵抗となる霜や氷の有無を判定することができるため、適切なタイミングで除霜運転の解除を行うことができる。

なお、上記実施形態では、除霜運転開始後で、除霜運転の解除判定を行う前のステップＳＴ４で、Ｘ時間として４〜５分の待ち時間を設定しているが、ステップＳＴ４は外してもよい。

１１圧縮機
１２四方弁
１３室外熱交換器
１３２外気温センサ
１３３室外熱交温度センサ
１３３ａ室外送風機モータ
１３４回転数検出手段
１４膨張弁
１６室内熱交換器

Claims

圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁および室内熱交換器を冷媒配管を介して接続してなる冷媒回路と、室外送風機と、少なくとも上記冷媒回路が暖房運転又は除霜運転を行うように制御する制御部とを含み、
上記制御部は、少なくとも除霜運転時間ＲＴを計時するタイマを備えている空気調和機において、
上記除霜運転中は上記室外送風機は停止しており、
上記室外送風機の回転数Ｆを検出する回転数検出手段を有し、
上記制御部には、予め上記除霜運転時間ＲＴのタイムアップ時間ＴＵが記憶され、
上記制御部は、除霜運転の開始後に上記室外送風機の回転数Ｆを検出し、
上記回転数Ｆが所定値以上である場合は、上記回転数Ｆを第一の所定時間の間隔で検出し、検出した上記回転数Ｆのうちの前回検出時の回転数ＦＦと今回検出時の回転数ＦＲとの差Ｆαが０以下の場合に除霜運転を解除し、
上記回転数Ｆが所定値未満の場合は、上記除霜運転時間ＲＴが上記タイムアップ時間ＴＵに達した場合に除霜運転を解除することを特徴とする空気調和機。
上記回転数Ｆは、第二の所定時間の間に検出した回転数の平均値とすることを特徴とした請求項１に記載の空気調和機。