JP2021096034A - 空気調和機および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気調和機を提供すること。【解決手段】 空気調和機１００は、室内機２０および室外機３０を備える。室外機３０には、室外熱交換器８と、室外熱交換器８に空気を送り込む室外ファン１０とが備えられる。空気調和機１００は、さらに、室外ファン１０を制御する制御部Ｋ（３７）を備える。制御部Ｋ（３７）は、暖房運転中、第１の条件を満たしたことに応答して、除霜運転を開始するように制御するとともに、除霜運転の開始前に第１の条件とは異なる第２の条件を満たしたことに応答して、室外ファンの回転方向を反転させるよう制御する。【選択図】 図４

Description

本開示は、空気調和機に関し、より詳細には、室内機および室外機を備える空気調和機およびその制御方法に関する。

外気が低温となる冬場の暖房運転中では、室外機の室外熱交換器に霜が付着する。室外熱交換器においては、霜の成長に伴って着霜した部分が熱抵抗となるとともに、成長した霜の層が通風抵抗となる。これにより、室外熱交換器の熱交換性能が低下し、暖房能力が低下する。

そこで、一般的な空気調和機は、ヒートポンプサイクルを暖房サイクルから冷房サイクルに切り替えて除霜運転を行い、霜が溶けた後に再度暖房サイクルに切り替えて、暖房運転を行う。除霜運転では、暖房サイクルから冷房サイクルに切り替えられ、また、室内機の室内ファンが停止されることになるため、室内の温度が低下し、一時的に快適性が損なわれる虞がある。

暖房運転を停止させることがなく、除霜を短時間に行うことが可能な空気調和装置を提供することを目的として、特開２０１７−４０４２３号公報（特許文献１）の技術が知られている。特許文献１は、筐体に、一対の室外熱交換器と、送風機と、送風機を制御する室外側制御部と、圧縮機と、圧縮機を駆動するガスエンジンとを備え、ガスエンジンを冷却する冷却水回路に一対のラジエータが設けられた空気調和装置において、室外熱交換器に並列にラジエータが配置され、室外熱交換器の除霜時に、送風機は、ラジエータ側から室外熱交換器側へ向かう方向に送風するように室外側制御部によって制御される構成を開示する。

特開２０１７−４０４２３号公報

本開示は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本開示は、室外熱交換器のへの霜の付着を分散させ、除霜運転が行われるまでの暖房運転時間を拡大することが可能な空気調和機および該空気調和機の制御方法を提供すること目的とする。

本開示では、上記課題を鑑みて、室内機および室外機を備える空気調和機であって、室外機に備えられる室外熱交換器と、室外機に備えられ、室外熱交換器に空気を送り込む室外ファンと、室外ファンを制御する制御部とを備え、さらに下記特徴を有する空気調和機を提供する。制御部は、暖房運転中、第１の条件を満たしたことに応答して、除霜運転を開始するように制御するとともに、除霜運転の開始前に第１の条件とは異なる第２の条件を満たしたことに応答して、室外ファンの回転方向を反転させるよう制御することを特徴とする。

上記構成により、室外熱交換器のへの霜の付着を分散させ、除霜運転が行われるまでの暖房運転時間を拡大することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態による空気調和機を構成する室内機、室外機およびリモートコントローラ（以下、省略してリモコンという。）の正面図である。 図２は、本発明の実施形態による空気調和機の冷媒回路を示す説明図である。 図３は、本発明の実施形態による空気調和機のブロック図である。 図４は、本発明の実施形態による空気調和機が実行する、除霜運転を伴う暖房運転制御を示すフローチャートである。 図５は、（Ａ）室外ファン正回転時における室外熱交換器のフィンへの霜の付着の仕方および（Ｂ）その状態から室外ファンを逆回転させた場合の室外熱交換器のフィンへの霜の付着の仕方を説明する概略図である。 図６は、本発明の他の実施形態による空気調和機が実行する、除霜運転を伴う暖房運転制御を示すフローチャートである。 図７は、本発明の特定の実施形態による室外ファンの回転方向を切り替える際の圧縮機回転数の制御方法を説明するタイミングチャートである。 図８は、室外ファンの正回転時および逆回転時における風速分布特性の違いを説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明の実施形態は、以下に説明する具体的な実施形態に限定されるものではない。なお、図面において、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

＜空気調和機の構成＞
図１は、本実施形態による空気調和機１００を構成する室内機２０、室外機３０およびリモコン４０の正面図である。空気調和機１００は、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）で冷媒を循環させることによって、空気調和を行う機器である。図１に示すように、空気調和機１００は、室内（被空調空間）に設置される室内機２０と、屋外に設置される室外機３０と、利用者によって操作されるリモコン４０とを備える。

室内機２０は、リモコン送受信部２０ａを備える。リモコン送受信部２０ａは、赤外線通信などによって、リモコン４０との間で運転指令、停止指令、設定温度の変更指令、運転変更指令などの所定の信号を送受信する。

室内機２０は、室外機３０と協働して、室内（被空調空間）の空気調和を実施する。なお、図１では省略しているが、室内機２０と室外機３０とは冷媒配管を介して接続されるとともに、通信線を介して接続されている。

＜空気調和機の冷媒回路＞
図２は、空気調和機１００の冷媒回路Ｑを示す説明図である。なお、図２の実線矢印は、暖房運転時における冷媒の流れを示しており、以下、図２を参照しながら、暖房運転時の動作を中心に空気調和機１００の冷媒回路について説明する。

室外機３０は、圧縮機１、アキュムレータ２、四方弁３、膨張弁７、室外熱交換器８、室外ファン用駆動モータ（電動機）９、室外ファン１０および冷媒温度センサ１１を備える。室内機２０は、室内熱交換器４、室内ファン５および室内ファン用駆動モータ６を備える。

室内熱交換器４は、図示しない伝熱管を通流する冷媒と室内空気との間で熱交換が行われる熱交換器である。室内ファン５は、例えば、円筒状のクロスフローファンであり、室内ファン用駆動モータ６の駆動によって動作する。

圧縮機１は、図示しない圧縮機モータの駆動によって、低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する機器である。アキュムレータ２は、過渡時の液戻りを貯留するために設けられており、冷媒を適度な乾き度に調整する。四方弁３は、空気調和機１００の運転状態に応じて、冷媒の流路を切り替える弁である。膨張弁７は、「凝縮器」（暖房サイクルの場合は室内熱交換器４）で凝縮した冷媒を減圧する機能を有する。なお、膨張弁７において減圧された冷媒は、「蒸発器」（暖房サイクルでは室外熱交換器８）に導かれる。室外熱交換器８は、その伝熱管（図示せず。）を通流する冷媒と室外ファン１０から送り込まれる外気との間で熱交換が行われる熱交換器である。

室外ファン１０は、室外ファン用駆動モータ９の駆動によって、室外熱交換器８に外気を送り込むファンであり、室外熱交換器８の付近に設置されている。室外ファン１０は、通常の暖房運転時は、室外ファン用駆動モータ９の駆動により、正方向Ｐに回転することで、外気を取り込み、取り込んだ外気を室外熱交換器８に送り込む。説明する実施形態においては、室外ファン１０は、さらに、暖房運転中、所定の条件を満たしたことに応答して、室外ファン用駆動モータ９の逆駆動により、通常の運転時の回転方向とは逆方向Ｎに回転し、通常時とは逆方向に外気を室外熱交換器８に通過させる。

冷媒温度センサ１１は、室外熱交換器８の入口付近の冷媒配管に取り付けられており、冷媒温度を検知する。冷媒温度センサ１１は、室外ファン１０を逆回転させるための条件の成立を判定するために用いられる。

空気調和機１００は、さらに、制御装置１２を含み構成される。制御装置１２は、図２において破線で示すように、圧縮機１、四方弁３、室内ファン用駆動モータ６、膨張弁７、室外ファン用駆動モータ９および冷媒温度センサ１１と接続されており、これらを制御する。

暖房運転時は、室内熱交換器４を「凝縮器」、室外熱交換器８を「蒸発器」として利用するために、制御装置１２で、図２の矢印のように、圧縮機１、四方弁３、室内熱交換器４、膨張弁７、室外熱交換器８、四方弁３、アキュムレータ２および圧縮機１の順でサイクル内に封入された冷媒を循環させる。これにより、室内機２０では、室内熱交換器４に、圧縮機１で高温高圧となった冷媒ガスが供給され、室内ファン５を駆動モータ６で駆動することで、冷媒の凝縮熱を利用して室内に高温の温風を吹き出し暖房を行う。室外機３０では、室内熱交換器４で凝縮液化された冷媒が膨張弁７で減圧して、室外熱交換器８に供給され、室外ファン１０を駆動モータ９で駆動することで、冷媒と外気が熱交換し、このときの冷媒の気化熱を暖房の熱源としている。

暖房運転において、制御装置１２は、外気温度が低温になると、冷媒との熱交換温度差を確保できるように膨張弁７の開度を調整し、これによって、室外熱交換器８に供給される冷媒温度が低温になる。このため、室外熱交換器８には、外気温によっては、その伝熱面上に霜が付着することとなる。上述した冷媒温度センサ１１は、室外熱交換器８に供給される冷媒温度を監視することで、冷媒温度に対応した霜の付着状態を間接的に検知する。

暖房運転中、制御装置１２は、冷媒温度センサ１１によって検知される霜の付着状態に応じて、除霜運転を行う。除霜運転時は、制御装置１２は、ヒートポンプサイクルを暖房サイクルから冷房サイクルに切り替えて、室内熱交換器４を「蒸発器」、室外熱交換器８を「凝縮器」としてはたらかせる。制御装置１２は、また、室内機２０の室内ファン用駆動モータ６の駆動も停止し、室内ファン５も停止させる。除霜運転時は、典型的には、室外ファン１０も停止される。

なお、図２において、制御装置１２は、便宜上、室内機２０および室外機３０の外側に描かれている。しかしながら、制御装置１２は、室内機２０および室外機３０のいずれかに含まれてもよいし、図３を参照して後述するように、室内機２０および室外機３０に、それぞれ室内機２０の制御部と室外機３０の制御部として分散して実装されてもよい。

＜空気調和機の機能構成＞
図３は、空気調和機１００のブロック図である。図３に示す室内機２０は、さらに、撮像部２３と、環境検出部２４と、室内制御回路２５とを備える。

撮像部２３は、室内（被空調空間）を撮像するものであり、ＣＣＤセンサ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を備える。撮像部２３の撮像結果に基づいて、室内制御回路２５によって、室内にいる人（在室者）が検出される。被空調空間に存在する人を検出することで、人の在室時間や、人の存在の有無、人数や位置、活動量に応じて、各運転を制御したり、メンテナンス運転の実施を制御したりすることができる。

環境検出部２４は、室内の状態や室内機２０の機器の状態を検出する機能を有し、室内温度センサ２４ａと、湿度センサ２４ｂと、室内熱交換器温度センサ２４ｃと、を備えている。室内温度センサ２４ａは、室内（被空調空間）の温度を検出するセンサである。湿度センサ２４ｂは、室内（被空調空間）の空気の湿度を検出するセンサである。室内熱交換器温度センサ２４ｃは、室内熱交換器４の温度を検出するセンサであり、室内熱交換器４に設置されている。

室内制御回路２５は、図示はしないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェースなどの電子回路を含んで構成されている。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、ＣＰＵが各種処理を実行するようになっている。

図３に示すように、室内制御回路２５は、記憶部２５ａと、室内制御部２５ｂと、を備えている。記憶部２５ａには、所定のプログラムのほか、撮像部２３の撮像結果、環境検出部２４の検出結果、リモコン送受信部２０ａを介して受信したデータなどが記憶される。室内制御部２５ｂは、記憶部２５ａに記憶されているデータに基づいて、所定の制御を実行する。

室外機３０は、さらに、圧縮機モータ１ａと、室外温度センサ３１と、室外制御回路３７とを備える。室外温度センサ３１は、室外の温度（外気温）を検出するセンサであり、室外機３０の所定箇所に設置されている。なお、図３では省略しているが、室外機３０は、圧縮機１の吸入温度、吐出温度、吐出圧力などを検出する各センサも備える。図２に示した冷媒温度センサ１１も室外制御回路３７に接続される。室外温度センサ３１および冷媒温度センサ１１を含む各センサの検出値は、室外制御回路３７に出力される。

室外制御回路３７は、図示はしないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェースなどの電子回路を含んで構成され、室内制御回路２５と通信線を介して接続されている。図３に示すように、室外制御回路３７は、記憶部３７ａと、室外制御部３７ｂとを備えている。記憶部３７ａには、所定のプログラムのほか、室外温度センサ３６および冷媒温度センサ１１を含む各センサの検出値および各種制御のための設定値が記憶される。室外制御部３７ｂは、記憶部３７ａに記憶されているデータに基づいて、圧縮機モータ１ａ、室外ファン用駆動モータ９および膨張弁７などを制御する。

以下、室内制御回路２５および室外制御回路３７をまとめて「制御部Ｋ」と参照する。なお、図３に示す制御部Ｋは、図２に示した制御装置１２に対応する。本実施形態の制御部Ｋは、当該空気調和機１００の暖房運転の実行を制御する。制御部Ｋは、また、暖房運転中、室外ファン用駆動モータ９の駆動を制御することにより、室外ファン１０の回転を制御する。

上述したように、暖房運転において外気温度が低温になると、室外熱交換器８には、その伝熱面上に霜が付着することとなる。室外熱交換器８に付着した霜は、フィン上で成長し、徐々に厚くなる。霜の成長に伴って着霜した部分が熱抵抗となるとともに、成長した霜の層が通風抵抗となり、最終的には、フィン間を閉塞することとなる。これにより、室外熱交換器８の熱交換性能が低下し、暖房能力が低下する。このため、通常、制御部Ｋは、暖房運転中、定期的または不定期に除霜運転を行うことになる。

除霜運転では、ヒートポンプサイクルが暖房サイクルから冷房サイクルに切り替えられる。また、室内機２０の室内ファン５が停止される。このため、室内の温度が低下し、一時的に快適性が損なわれる虞がある。したがって、着霜し始めてから除霜運転を必要とする程度の霜の付着状態になるまでの期間を拡大することができれば、除霜運転の頻度や割合を低減させられ、快適性の大きな向上が期待できる。

本発明の実施形態による空気調和機１００は、上述した除霜運転を開始させる条件とは別に、除霜運転前の暖房運転中に、所定の条件が成立したことに応答して、室外ファン１０の回転方向を反転させることにより、上述した除霜運転が必要なるまでの暖房運転時間の拡大を図るものである。以下、暖房運転時間の拡大をねらった、本実施形態による暖房運転時の制御について、より詳細に説明する。

＜空気調和機の暖房運転時の制御＞
以下、図４を参照しながら、本実施形態による空気調和機１００が実行する、除霜運転を伴う暖房運転制御について、より詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態による空気調和機１００が実行する、除霜運転を伴う暖房運転制御を示すフローチャートである。なお、図４に示す制御は、制御部Ｋが実行するものとして説明するが、これに限定されず、室内制御部２５ｂが中心となって実行するとしてもよいし、室外制御部３７ｂが中心となって実行するとしてもよい。

空気調和機１００は、給電されると、まずは停止状態に移行し、指令を待機し、リモコン４０からの運転指令に応答して、所定の運転モードでの運転を開始する。また、空気調和機１００は、リモコン４０からの停止指令に応答して、再び停止状態に移行する。空気調和機１００は、さらに、リモコン４０からの運転モードの指令に応答して、運転モードを切り替える。図４に示す制御は、リモコン４０からの暖房運転の運転指令を受け取ったことに応答して、ステップＳ１００から開始される。なお、図４に示すフローチャートは、暖房運転時の制御を説明することを主な目的としており、運転モードの切り替えおよび運転停止のための制御、冷房など暖房以外の運転モード時の制御については、省略されている点に留意されたい。

ステップＳ１０１では、制御部Ｋは、室内熱交換器４を「凝縮器」、室外熱交換器８を「蒸発器」としては機能させて、暖房運転を開始する。ステップＳ１０２では、制御部Ｋは、暖房運転中、室外熱交換器８の入口付近の冷媒配管に取り付けた冷媒温度センサ１１で冷媒温度を監視し、事前定義した、霜が付着する所定の閾値温度以下まで冷媒温度が低下しているか否かを判定する。

上述した除霜運転を開始させる条件および室外ファン１０の回転方向を反転させる条件は、本実施形態においては、共に、冷媒温度センサ１１による冷媒温度の監視に基づいて行うものとする。ここで、除霜運転を開始する条件を規定する閾値温度は、第１の閾値温度と参照され、ステップＳ１０２で比較される閾値温度は、第２の閾値温度と参照される。

なお、説明する実施形態では、着霜を検知する検知手段として、冷媒温度センサ１１を用いて説明するが、着霜の検知方法（直接的に検知するほか、間接的な情報から判断して検知することを含む。）の一例であり、霜の付着および付着量ないし付着の程度が検知できればよく、特に限定されるものではない。室外熱交換器８に温度センサを取り付けて、室外熱交換器８の温度および低温状態の持続時間から着霜を検知してもよいし、圧縮機１の運転周波数や運転電流などの情報から着霜を検知するよう構成してもよいし、通風抵抗によって室外ファン１０が回転するための負荷が変化するので、この負荷を求めて、着霜を検知してもよい。また、検知の際に外気温などの情報が考慮されてもよい。また、冷媒温度の計測時点の単一の値で判断してもよいし、複数の計測時点の冷媒温度の平均値や持続時間として判断してもよい。

ステップＳ１０２で、冷媒温度が第２の閾値温度よりも高いと判定されている間（ＮＯの間）は、ステップＳ１０２をループする。一方、ステップＳ１０２で、冷媒温度が第２の閾値温度以下になったと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１０３へ制御が進められる。

ステップＳ１０３では、制御部Ｋは、予め設定した所定時間経過するまで室外ファン１０の回転方向を正回転Ｐのまま維持する。所定時間経過した後のステップＳ１０４では、制御部Ｋは、室外ファン１０の回転方向を反転させて、逆回転Ｎで回転させる。室外ファン１０の回転方向を反転することで、外気を室外熱交換器８に通過させる向きが反転される。室外ファン１０の回転方向の反転は、例えば、室外ファン用駆動モータ９を逆駆動することによって行われる。この際には、制御部Ｋは、一旦室外ファン用駆動モータ９の駆動を停止し、室外ファン１０の回転が停止するか、充分に回転速度が低下したことを待って、室外ファン用駆動モータ９の逆駆動を開始することが好ましい。

ステップＳ１０５では、制御部Ｋは、冷媒温度センサ１１で冷媒温度を監視し、事前定義した、除霜運転を開始する第１の閾値温度以下まで冷媒温度が低下しているか否かを判定する。ステップＳ１０５で、冷媒温度が第１の閾値温度を超えていると判定されている間（ＮＯの間）は、ステップＳ１０５をループする。一方、ステップＳ１０５で、冷媒温度が第１の閾値温度以下になったと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１０６へ制御が進められる。

ステップＳ１０６では、制御部Ｋは、ヒートポンプサイクルを暖房サイクルから冷房サイクルに切り替えて、室内熱交換器４を「蒸発器」、室外熱交換器８を「凝宿器」としては機能させて、除霜運転を開始し、霜が充分に融けるまで、除霜運転を実施する。なお、除霜運転中は、室外ファン１０は、典型的には、停止されているが、回転していることは妨げられない。ステップＳ１０６の除霜運転が終了すると、ステップＳ１０１へ戻されて、制御部Ｋは、再度、ヒートポンプサイクルを冷房サイクルから暖房サイクルに切り替えて、暖房運転を再開する。

以下、図４および図５を参照しながら、上述した暖房運転中の室外熱交換器８への霜の付着の仕方について説明する。図５（Ａ）および（Ｂ）は、室外熱交換器８を構成する伝熱管１３およびフィン１４の一部を示し、図５（Ａ）に示すように、暖房運転中、フィン１４には、霜１５が付着する。図５（Ａ）は、室外ファン１０の正回転時の霜の付着の仕方を示しており、図５（Ｂ）は、図５（Ｂ）で示した状態で、室外ファン１０の回転方向を反転させたときの霜の付着の仕方を示している。図５（Ａ）の矢印は、室外ファン１０の正回転時の風向き１６Ｐを示し、図５（Ｂ）の矢印は、室外ファン１０の逆回転時の風向き１６Ｎを示す。

図４のステップＳ１０２で、冷媒温度センサ１１を用いて霜の付着を検知しても、ステップＳ１０３で、冷媒温度センサ１１により着霜を検知した後所定時間経過するまでは、室外ファン１０は、正回転に維持される。これにより、隣接するフィン１４同士の隙間が霜１５で閉塞されてしまわない範囲で、図５（Ａ）のように一定量の霜１５を付着させることができる。ここで、正回転を維持する所定時間は、想定した所定の条件で、フィン１４同士の隙間が霜１５で閉塞されてしまわない程度の適切な時間が設定されればよい。

伝熱管１３およびフィン１４で構成される室外熱交換器８では、風上側の方が、熱交換が促進されるため、図５（Ａ）に示すように風向き１６Ｐの風上側に偏って霜１５が付着する。このとき、風上側のフィン１４では、霜１５が付着し、霜が成長するに伴い熱抵抗が大きくなるが、風下側では、風上側に比べて霜１５の影響が小さく、好ましくは影響がほとんどない。このため、風上側で隣接するフィン１４同士の隙間が霜１５で塞がれずに確保さえされていれば、風が流れ、風下側のフィン１４を伝熱面として利用できることになる。したがって、室外熱交換器８の熱交換性能の低下を抑えることができる。

一方で、ステップＳ１０２で、冷媒温度センサ１１を用いて霜の付着を検知した後、ステップＳ１０３で、所定時間経過するという条件が成立すると、制御部Ｋにより、室外ファン１０の回転方向が反転される。正回転時の風向き１６Ｐから逆回転時の風向き１６Ｎに変化させることで、図５（Ｂ）のように、逆回転時の風向き１６Ｎの風上側（正回転の反対側）に霜１５Ｂを付着させることができる。このとき、上述したステップＳ１０３の所定時間が隣接するフィン１４同士の隙間が確保できるように設定されているため、室外ファン１０を逆回転させた後は、風向き１６Ｎの風上側のフィン１４の伝熱面の熱交換を促進させることができる。このため、風向き１６Ｎの風下側になる霜１５Ａのさらなる成長を抑制しつつ、風向き１６Ｎの風上側のフィン１４に霜１５Ｂを付着させることができる。

その後は、霜１５Ｂが徐々に成長し熱抵抗が増加するとともに、隣接するフィン１４同士の隙間も小さくなることから、通常、室外熱交換器８の熱交換性能の低下も大きくなり、これに伴い冷媒温度も低下する。ステップＳ１０５の判定において冷媒温度センサ１１で計測される冷媒温度が第１の閾値温度以下となると、霜の付着状態が所定基準の状態となったことが検知され、除霜運転が行われることになる。

なお、例えば、図４のフローチャートのステップＳ１０２〜Ｓ１０４を省略し、従来通り、室外ファン１０の反転が行われない場合は、図５（Ａ）の風上側のフィン１４に付着した霜１５が一定量を超え成長することになる。その場合、隣接するフィン１４同士の隙間が閉塞され、風が流れなくなり、未だ霜が成長していないであろう風下側のフィン１４の伝熱面が充分に利用されないまま、冷媒温度センサ１１の温度が除霜運転を行う第１の閾値温度以下となり、除霜運転が行われてしまうことになる。

上述したように、暖房運転中、室外熱交換器８での霜の付着を検知してから、室外ファン１０を逆回転させるタイミングを制御することで、先ず、図５（Ａ）のように室外ファン１０が正回転のときにフィン１４に霜１５を一定量まで成長させることができる。そして、その後に室外ファン１０を逆回転させることで、図５（Ｂ）のように、付着した霜１５Ａの反対側でフィン１４への霜１５Ｂの付着が許容される。そのため、フィン１４の霜１５Ｂが成長し、フィン同士の間隙を閉塞し、除霜運転を必要となるまでは、暖房運転を継続することが可能となる。つまり、暖房運転開始から除霜運転までの暖房運転時間を拡大することができる。また、この暖房運転時間の拡大は、第１の閾値温度を単に引き下げたもの、つまり、単に通常より高い閉塞状態となるまで除霜運転を遅らせたものとは異なる。

また、通常、正回転で性能が良くなるように、室外ファン１０の形状や風路が設計される。しかしながら、正回転での性能が良くなるような室外ファン１０の形状や風路の設計であっても、逆回転時の性能が大きく低下することがないことが分かっている。必要に応じて、正回転および逆回転の両方で性能が出るように、室外ファン１０の形状や風路が最適化されればよい。

除霜運転を行うまでの時間を拡大することで、結果として、除霜運転回数および暖房運転に対する除霜運転の割合を減らすことができ、除霜運転による室内の温度低下を抑制できる。ひいては、空気調和機１００の利用者の快適性を向上させることが可能となる。

＜空気調和機の暖房運転時の制御の他の実施形態＞
上述した実施形態では、冷媒温度が第２の閾値温度以下になってから所定時間経過した後は、一律に室外ファン１０の回転方向を反転していた。一方で、冷媒温度が第２の閾値温度以下となり着霜が始まった後も、例えば、室外機３０に直射日光が当たるなどして、一度付着した霜が融ける可能性もある。以下、付着した霜が融ける場合に対応した他の実施形態について、図６および図５を参照しながら説明する。

図６は、本発明の他の実施形態による空気調和機１００が実行する、除霜運転を伴う暖房運転制御を示すフローチャートである。以下、図６を参照しながら、図４と異なる箇所を中心に説明する。

図４に示した処理と同様に、ステップＳ２０１で暖房運転を開始した後、ステップＳ２０２では、制御部Ｋは、室外熱交換器８の入口付近の冷媒配管に取り付けた冷媒温度センサ１１で冷媒温度を監視し、第２の閾値温度以下まで冷媒温度が低下しているか否かの判定を行う。冷媒温度が第２の閾値温度以下ではない間（ＮＯの間）は、ステップＳ２０２をループさせる。一方、冷媒温度が第２の閾値温度以下となったと判定された場合は、ステップＳ２０３へ制御が進められる。

ステップＳ２０３では、制御部Ｋは、冷媒温度が第２の閾値温度以下となった状態の持続時間をカウントするタイマを作動させ、タイマのカウントを開始する。ステップＳ２０４では、制御部Ｋは、冷媒温度が第２の閾値温度以下となった状態で、所定時間が経過したか否かを判定する。ステップＳ２０４で、まだ所定時間経過していないと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ２０５へ制御を分岐させる。

ステップＳ２０５では、制御部Ｋは、冷媒温度センサ１１で冷媒温度を監視し、冷媒温度が第２の閾値温度以下のままであるか否かの判定を行う。冷媒温度が第２の閾値温度以下である間（ＹＥＳの間）は、ステップＳ２０４をループさせる。一方、冷媒温度が第２の閾値温度を超えたと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ２０２へ制御を戻す。この場合、再び冷媒温度が第２の閾値温度以下となった場合には、ステップＳ２０３で、タイマのカウントがリセットされて、冷媒温度が第２の閾値温度以下となった状態の持続時間のカウントが最初から開始される。

第２の閾値温度以下となった状態の持続時間が、予め設定した所定時間を経過した場合（ステップＳ２０４でＹＥＳ）の場合は、ステップＳ２０６へ制御が進められる。ステップＳ２０６以降は、図４に示したステップＳ１０４〜Ｓ１０６と同様にステップＳ２０６〜Ｓ２０８の制御が行われる。なお、冷媒温度が第２の閾値温度以下となった状態が一定期間継続した以上、フィン１４には一定量の霜が付着しており、そこから霜が融けることはほとんど考えられないため、ステップＳ２０７の第１の閾値温度との比較のループにおいて、所定の閾値温度以下であることの持続の確認は不要である。

以上のように、ステップＳ２０４で、第２の閾値温度以下となった状態の持続時間を監視し、室外ファン１０を正回転のまま所定時間経過させ、その後に、ステップＳ２０６で室外ファン１０を逆回転するように制御される。つまり、暖房運転時に着霜を検知した状態が所定時間持続したことを条件として、室外ファン１０の反転が実施される。これにより、図５（Ａ）に示したように、フィン１４の上に霜１５を確実に一定量成長させることが可能となる。また、ステップＳ２０４で、第２の閾値温度以下となった状態が所定時間持続する前に、冷媒温度が第２の閾値温度を超え、着霜を検知しなくなった場合には、霜１５が融けたと見なし、元の暖房運転の状態に戻ることで、継続して暖房運転を行うことができる。

なお、上述までの実施形態では、冷媒温度が第２の閾値温度以下となったことを検知してから、所定時間経過したこと、または、第２の閾値温度以下となった状態が所定時間持続したことに応答して、室外ファン１０を逆回転していた。しかしながら、他の実施形態では、逆回転の契機とする冷媒温度に対する第３の閾値温度として設定し、第２の閾値温度の検知および所定時間のカウントに代えて、冷媒温度が第３の閾値温度以下となったことを検知して、直接、室外ファン１０の逆回転を行うように構成してもよい。

また、上述までの実施形態では、室外ファン１０の回転方向の反転は、除霜運転を行うまでに、１回だけ行うものとして説明した。室外ファン１０の回転方向を反転する際には、通常、回転が止まる期間が存在するため、できる限り暖房性能を維持する観点からは、反転の回数が少ない方が好ましく、１回であることがより好ましい。しかしながら、室外ファン１０の回転方向の切り替えを、上述までの実施形態よりも短い間隔で、複数回繰り返し実施することも妨げられるものではない。条件によっては、霜の付着のさらなる分散が期待できる場合があるためである。また、説明する実施形態では、室外ファン１０の回転方向を正回転Ｐから逆回転Ｎに反転させるものとして説明したが、逆であることは妨げられない。

＜室外ファンの回転方向の反転時の制御＞
上述までの実施形態では、室外ファン１０を反転させる際に、制御部Ｋが、一旦室外ファン用駆動モータ９の駆動を停止し、室外ファン１０の回転が停止するか、充分に回転速度が低下したことを待って、室外ファン用駆動モータ９の逆駆動を開始するものとして説明してきた。一方で、室外ファン１０の回転が停止するタイミングが存在し、一定期間の風量が低下することになる。以下、室外ファン１０の回転方向の反転に伴う風量の低下に対応した好ましい実施形態について説明する。

図７は、本発明の特定の実施形態による室外ファン１０の回転方向を切り替える際の圧縮機回転数の制御方法を説明するタイミングチャートである。図７（Ａ）は、縦軸が室外ファン１０の風量を示し、横軸が時間を示し、図７（Ｂ）は、縦軸が圧縮機１の回転数を示し、横軸が時間を示す。図７（Ａ）および（Ｂ）のタイミングチャートにおいて、Ａ点が室外ファン１０の回転方向の切り替え開始のタイミングを、Ｂ点が室外ファン１０の回転方向の切り替え完了のタイミングを示す。また、風量は、絶対値で示しており、図７（Ａ）において、風量がゼロになった点を境に回転方向が反転している点に留意されたい。

上述した図４および図６を参照して説明したいずれの実施形態でも、図７（Ａ）に示すように、室外ファン１０の回転方向の切り替え開始から完了までの間には、回転方向の反転に伴い室外ファン１０の回転数が一旦ゼロになる点が存在するため、室外ファン１０による風量が低下することになる。このとき、室外熱交換器８内の冷媒は、熱交換量が減少するため、冷媒が蒸発することによる気相部が減少し、液相部が増加する。つまり、圧縮機１の回転数を維持したままの場合、冷媒の体積流量は維持されるため、気相部の減少により、室外熱交換器８内の圧力が低下し、冷媒温度が低下する。これにより、室外熱交換器８への着霜が促進される虞がある。

そこで、特定の実施形態では、図７（Ｂ）に示すように、室外ファン１０の回転方向切り替え開始のＡ点より前に、圧縮機１の回転数を下げ、室外ファン１０の回転方向切り替え完了のＢ点までに、圧縮機１の回転数を復帰するように制御する。これにより、冷媒循環量が減少するものの、圧縮機１の回転数を下げ、予め室外熱交換器８内の圧力を上げておくことで、室外熱交換器８での冷媒温度の低下を抑制できるので、霜の付着の促進を防止することができる。なお、図７（Ｂ）で示す圧縮機１の回転数は、室外ファン１０の回転方向切り替え開始時点（Ａ点）である程度低下していることが望ましいため、圧縮機１の回転数を下げる指令は、さらに前に行われることが好ましい。なお、室外ファン１０の回転方向切り替え開始（Ａ点）から完了（Ｂ点）までの期間は、数十秒から１分程度であるが、できるだけ短くすることが好ましい。

上述したように、制御部Ｋが、室外ファン１０の回転方向の反転を開始する前に、圧縮機１の回転数を低下させ、かつ、室外ファン１０の回転方向の反転が完了するまでに圧縮機１の回転数を元の回転数まで復帰させることにより、霜の付着の促進を防止しながら、室外ファン１０の回転方向切り替え開始Ａ点から完了Ｂ点の間も、暖房運転を継続することが可能となる。

＜室外ファンの回転方向に応じた風速分布特性＞
上述までの説明では、室外ファン１０の逆回転により、通常時とは逆方向に外気を室外熱交換器８に通過させるものとして説明した。好ましい実施形態においては、室外ファン１０の回転方向を変えることによって、風速分布特性を変化させることができる。

図８は、室外ファン１０の正回転時および逆回転時における風速分布特性の違いを説明する説明図である。図８（Ａ）は、正回転時の風速分布特性を模式的に描いたものであり、図８（Ｂ）は、逆回転時の風速分布特性を模式的に描いたものである。

図８（Ａ）および（Ｂ）で描かれるように、正回転および逆回転で風速分布特性を変えることにより、霜の付着場所を正方向と逆方向で変化させることが可能となる。ひいては、一旦付着した霜を融かすこともできる場合がある。例えば、正回転では、室外熱交換器８における室外ファン１０の回転中心に近い部分の風の通りがよく、中心部分での霜の成長が周辺部分よりも促進されるが、逆回転では、反対に、室外熱交換器８の周辺部分の風の通りがよく、周辺部分での霜の成長が中心部分よりも促進されるように構成することで、正逆で霜が付着する箇所がさらに分散することができる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、室外熱交換器のへの着霜を分散させ、着霜が始まってから除霜運転が行われるまでの時間を拡大することが可能な空気調和機および該空気調和機の制御方法を提供することができる。

特許文献１の従来技術は、室外ファンを逆回転して、ガスエンジンからの排熱を利用して、ラジエータから放射される熱で空気を温めて、温められた空気を除霜運転に利用するというものである。したがって、室外ファンを逆回転する条件と除霜運転を開始する条件と同一であるといえる。また、室外機においては、除霜運転における空気の取り込み口から室外熱交換器までの経路上に、ガスエンジンからの排熱を放射する熱源であるラジエータが配置されており、この熱を用いて空気を温めて除霜するというものであるため、ガスエンジン、ラジエータおよび冷却水回路が必須であり、特許文献１の技術は、ガスエンジン等が存在しない空気調和機に対して適用することができない。

これに対して、本発明の実施形態による空気調和機１００では、除霜運転を開始する条件とは別の異なる条件で、除霜運転前に、室外ファン１０の逆回転が実施される。加えて、室外機３０において、室外ファン１０の逆回転時の空気が取り込まれる開口部（正回転時の空気の吐き出し口）から室外熱交換器８までの経路上に、霜を融かせるに充分な熱源が配置されておらず、除霜運転を別途実施することが求められる。本発明の実施形態による暖房運転時の制御方法は、ガスエンジンなどの排熱を利用できない空気調和機１００において、好適に、室外熱交換器への霜の付着を伝熱面全体に分散させ、除霜運転が行われるまでの暖房運転時間を拡大することを可能とする。

なお、本発明の実施形態は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれ得る。例えば、上記した実施形態は、分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また上記の各構成、機能、処理部、処理手段等の一部または全部は、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。さらに、上記の各構成、機能等の一部または全部は、アセンブラ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などのレガシープログラミング言語やオブジェクト指向プログラミング言語などで記述された、プロセッサがそれぞれの機能を実現するコンピュータ実行可能なプログラムにより実現でき、各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどの記憶装置、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ブルーレイディスク、ＳＤ（登録商標）カード、ＭＯなど装置可読な記録媒体に格納して、あるいは電気通信回線を通じて頒布することができる。

また、さらに、上記の各構成、機能等の一部または全部は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・デバイス（ＰＤ）上に実装することができ、上記機能部をＰＤ上に実現するためにＰＤにダウンロードする回路構成データ（ビットストリームデータ）、回路構成データを生成するためのＨＤＬ（Hardware Description Language）、ＶＨＤＬ（Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language）、Ｖｅｒｉｌｏｇ−ＨＤＬなどにより記述されたデータとして記録媒体により配布することができる。また制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…圧縮機、１ａ…圧縮機モータ、２…アキュムレータ、３…四方弁、４…室内熱交換器、５…室内ファン、６…室内ファン要駆動モータ、７…膨張弁、８…室外熱交換器、９…室内ファン用駆動モータ、１０…室内ファン、１１…冷媒温度センサ、２０…室内機、２０ａ…リモコン送受信部、２１…左右風向板用モータ、２２…上下風向板用モータ、２３…撮像部、２４…環境検出部、２４ａ…室内温度センサ、２４ｂ…湿度センサ、２４ｃ…室内熱交換器温度センサ、２５…室内制御回路、２５ａ…記憶部、２５ｂ…室内制御部、３０…室外機、３６…室外温度センサ、３７…室外制御回路、３７ａ…記憶部、３７ｂ…室外制御部、４０…リモコン、１００…空気調和機、Ｑ…冷媒回路

Claims (15)

1. 室内機および室外機を備える空気調和機であって、
   前記室外機に備えられる室外熱交換器と、
   前記室外機に備えられ、前記室外熱交換器に空気を送り込む室外ファンと、
   前記室外ファンを制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、暖房運転中、第１の条件を満たしたことに応答して、除霜運転を開始するように制御するとともに、前記除霜運転の開始前に前記第１の条件とは異なる第２の条件を満たしたことに応答して、前記室外ファンの回転方向を反転させるよう制御することを特徴とする、空気調和機。
2. 前記空気調和機は、前記室外熱交換器への着霜を検知する検知手段をさらに含み、前記第２の条件は、前記検知手段により暖房運転時に着霜が検知された後、所定時間経過することを条件として含む、請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記空気調和機は、前記室外熱交換器への着霜を検知する検知手段をさらに含み、前記第２の条件は、前記検知手段により暖房運転時に着霜を検知している状態が所定時間持続したことを条件として含む、請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記検知手段により暖房運転時に着霜を検知した状態が所定時間持続する前に、前記検知手段により着霜を検知しなくなった場合は、前記検知手段で着霜を検知した状態の持続時間をカウントするタイマは、リセットされる、請求項３に記載の空気調和機。
5. 前記室外熱交換器への着霜を検知する検知手段をさらに含み、前記第２の条件は、前記検知手段が所定基準の霜の付着状態を検知したことを条件として含む、請求項１に記載の空気調和機。
6. 前記第１の条件は、前記検知手段が所定基準の霜の付着状態を検知したことを条件として含み、前記除霜運転は、前記室外熱交換器を凝縮器としてはたらかせることにより行われる、請求項２〜５のいずれか１項に記載の空気調和機。
7. 前記室外熱交換器への着霜を検知する検知手段は、冷媒温度を計測する温度センサを含み、前記着霜または所定基準の霜の付着状態は、予め定義した閾値温度を下回ったか否かによって検知される、請求項２〜６のいずれか１項に記載の空気調和機。
8. 前記制御部は、前記室外ファンの回転方向の反転を開始する前に、圧縮機回転数を低下させ、かつ、前記室外ファンの回転方向の反転が完了するまでに圧縮機回転数を復帰させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気調和機。
9. 前記室外ファンは、正回転と逆回転とで風速分布特性が異なるように構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の空気調和機。
10. 前記空気調和機は、
    圧縮機と、
    前記圧縮機を駆動するモータと
    を備え、前記室外機において、前記室外ファンの逆回転時の空気が取り込まれる開口部から前記室外熱交換器までの経路上に熱源が配置されていないことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の空気調和機。
11. 室内機および室外機を備え、
    前記室外機に備えられる室外熱交換器と、
    前記室外機に備えられ、前記室外熱交換器に空気を送り込む室外ファンと、
    前記室外ファンを制御する制御部と
    を備える空気調和機の制御方法であって、前記制御部が、
    暖房運転中、第１の条件が満たされるか否かを監視する第１監視ステップと、
    前記第１の条件が満たされたことに応答して、除霜運転を開始するステップと
    を含み、さらに、
    前記除霜運転の前において、前記第１の条件とは異なる第２の条件が満たされるか否かを監視する第２監視ステップと、
    前記第２の条件が満たされたことに応答して、前記室外ファンの回転方向を反転させるステップと
    を含む、制御方法。
12. 前記第２監視ステップは、
    前記室外熱交換器へ着霜したか否かを監視するステップと、
    暖房運転時に着霜を検知した後、所定時間経過したか否かを監視するステップと
    を含む請求項１１に記載の制御方法。
13. 前記第２監視ステップは、
    前記室外熱交換器へ着霜したか否かを監視するステップと、
    暖房運転時に着霜を検知した状態が所定時間持続したか否かを監視するステップと
    を含む、請求項１１に記載の制御方法。
14. 前記第２監視ステップは、さらに、
    暖房運転時に着霜を検知した状態が所定時間持続する前に、着霜を検知しなくなった場合、前記検知手段で着霜を検知した状態の持続時間をカウントするタイマをリセットするステップ
    を含む、請求項１３に記載の制御方法。
15. 前記第１監視ステップは、所定基準の霜の量が付着したか否かを監視するステップを含み、前記除霜運転は、前記室外熱交換器を凝縮器としてはたらかせることにより行われる、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の制御方法。

Images