JP4265653B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、暖房運転時に蒸発器となる室外熱交換器を備えたヒートポンプシステムに関するものである。

空気調和機（ヒートポンプシステム）においては、暖房運転時に蒸発器となる室外熱交換器に空気中の水分が霜となり付着する現象（着霜現象）が発生する。そして、暖房運転中において室外熱交換器に付着する着霜量が増加すると、室外熱交換器の通風抵抗が増大し、所定の暖房能力を維持することが困難になる。そこで、室外熱交換器における着霜量が所定量まで増加すると、室外熱交換器に付着した霜を取り除く除霜運転が行われる。ここで、除霜運転は、室外熱交換器に付着した霜が完全に取り除かれるまで継続されるのが望ましいが、外気温度が低い条件下では非常に長い時間を要する場合がある。このような場合に、除霜運転が長時間継続され暖房運転になかなか切り換わらなくなるのを防止するために、空気調和機では、除霜運転は室外熱交換器に付着した霜がある程度取り除かれるであろう所定時間だけ継続された時点で終了し強制的に暖房運転に切り換えるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−８３１１７号公報

しかしながら、除霜運転が強制的に暖房運転に切り換えられた場合には、室外熱交換器に付着した霜は完全に取り除かれておらず、室外熱交換器には残留フロストが生じることになる。従って、除霜運転後の暖房運転は、室外熱交換器に残留フロストが生じた状態で開始される。そのため、暖房運転をそのまま継続すると、更に室外熱交換器に霜が付着することで、通常の除霜運転では室外熱交換器に付着した霜を完全に取り除くことができない状態になる。その結果、暖房運転能力が著しく低下すると共に、場合によっては、室外熱交換器に付着した霜が氷結し、室外熱交換器が全く使用できない状態になったり、配管破裂によるガス漏れが発生することがある。

そこで、本発明の主な目的は、室外熱交換器での残留フロストに起因した問題を解消することができるヒートポンプシステムを提供することである。

第１の発明に係るヒートポンプシステムは、室内熱交換器と、室外熱交換器と、圧縮機と、減圧機構と、を備えたヒートポンプシステムであって、暖房運転開始時から所定下限時間が経過し且つ暖房運転中において前記室外熱交換器に配置された温度センサで検出される温度が除霜運転開始温度以下になった場合に除霜運転に切り換わると共に、除霜運転中において前記温度センサで検出される温度が除霜運転解除温度以上になった場合または除霜運転が所定上限時間だけ継続した場合に暖房運転に切り換わるものであり、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合であり、且つ、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続したときの前記室外熱交換器における除霜状態が、前記温度センサで検出される温度が前記除霜運転解除温度よりも低い目標熱交温度以上となる状態に対応した所定除霜状態でない場合には、前記所定下限時間が短縮されることを特徴としている。
ここで、「所定除霜状態」とは、室外熱交換器における除霜が完全に完了している訳ではないが、室外熱交換器における除霜がほぼ完了している状態を示す。従って、室外熱交換器における除霜状態が所定除霜状態である場合には、室外熱交換器における残留フロストはほとんど暖房運転に支障をきたさないと考えられる。

このヒートポンプシステムでは、除霜運転が所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合には、室外熱交換器における除霜が完全に完了していない（または不十分である）と判断され、除霜運転後の暖房運転では、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が短縮される。そのため、除霜運転後の暖房運転では、除霜運転に切り換わりやすくなり、室外熱交換器における着霜量が比較的少ない状態で除霜運転に切り換わる。従って、暖房運転能力が著しく低下するのを抑制すると共に、室外熱交換器に付着した霜が氷結し、室外熱交換器が全く使用できない状態になったり、配管破裂によるガス漏れが発生するのを防止することができる。
また、除霜運転が所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合でも、室外熱交換器における除霜がほぼ完了していると判断できるときは、除霜運転後の暖房運転中において、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が短縮されない。そのため、除霜運転後の暖房運転において除霜運転に切り換わりやすくなることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。
また、室外熱交換器における除霜がほぼ完了している状態を、室外熱交換器に配置された温度センサでの検出温度に基づいて容易に判断することができる。

第２の発明に係るヒートポンプシステムは、第１の発明に係るヒートポンプシステムであって、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合であり、且つ、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続したときの前記室外熱交換器における除霜状態が、前記温度センサで検出される温度が前記除霜運転解除温度よりも低い目標熱交温度以上となる状態に対応した所定除霜状態でない場合には、前記所定下限時間が０に短縮されることを特徴としている。

このヒートポンプシステムでは、除霜運転後の暖房運転中において、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が０に短縮されるので、暖房運転の継続時間にかかわらず、室外熱交換器に配置された温度センサで検出される温度が除霜運転開始温度以下になるだけで暖房運転から除霜運転に切り換わる。そのため、除霜運転後の暖房運転において、除霜運転にさらに切り換わりやすくなり、室外熱交換器への着霜量が少ない状態で除霜運転に切り換わる。

第３の発明に係るヒートポンプシステムは、第１または２の発明に係るヒートポンプシステムであって、暖房運転開始時から所定最小時間が経過するまでは除霜運転に切り換わらないことを特徴としている。

このヒートポンプシステムでは、暖房運転開始時から所定最小時間が経過するまでは除霜運転に切り換わらないので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

第４の発明に係るヒートポンプシステムは、第１〜３のいずれかの発明に係るヒートポンプシステムであって、暖房運転開始時から所定時間が経過するまでの前記除霜運転開始温度は、前記所定時間が経過した後の前記除霜運転開始温度よりも低く設定されることを特徴としている。

このヒートポンプシステムでは、暖房運転開始時から所定時間が経過するまでは除霜運転に切り換わりにくくなるので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の発明では、除霜運転が所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合には、室外熱交換器における除霜が完全に完了していない（または不十分である）と判断され、除霜運転後の暖房運転では、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が短縮される。そのため、除霜運転後の暖房運転では、除霜運転に切り換わりやすくなり、室外熱交換器における着霜量が比較的少ない状態で除霜運転に切り換わる。従って、暖房運転能力が著しく低下するのを抑制すると共に、室外熱交換器に付着した霜が氷結し、室外熱交換器が全く使用できない状態になったり、配管破裂によるガス漏れが発生するのを防止することができる。
また、除霜運転が所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合でも、室外熱交換器における除霜がほぼ完了していると判断できるときは、除霜運転後の暖房運転中において、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が短縮されない。そのため、除霜運転後の暖房運転において除霜運転に切り換わりやすくなることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。
また、室外熱交換器における除霜がほぼ完了している状態を、室外熱交換器に配置された温度センサでの検出温度に基づいて容易に判断することができる。

第２の発明では、除霜運転後の暖房運転中において、再度、除霜運転に切り換わるのが可能となるまでの所定下限時間が０に短縮されるので、暖房運転の継続時間にかかわらず、室外熱交換器に配置された温度センサで検出される温度が除霜運転開始温度以下になるだけで暖房運転から除霜運転に切り換わる。そのため、除霜運転後の暖房運転においては除霜運転にさらに切り換わりやすくなり、室外熱交換器への着霜量が少ない状態で除霜運転に切り換わる。

第３の発明では、暖房運転開始時から所定最小時間が経過するまでは除霜運転に切り換わらないので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

第４の発明では、暖房運転開始時から所定時間が経過するまでは除霜運転に切り換わりにくくなるので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

以下、本発明に係る空気調和機（ヒートポンプシステム）の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路図である。

図１の空気調和機１０の冷媒回路図では、インバータによって圧縮能力可変に制御される圧縮機３の吐出側と吸入側との間に、四路切換弁５の１次ポートが接続されている。そして、四路切換弁５の２次ポートの間に、第１ガス管６、室外熱交換器２、第１液管７、電動膨張弁４、第２液管８、室内熱交換器１、第２ガス管９が順に接続されている。

ここで、四路切換弁５を実線方向に切り換えることにより、室外熱交換器２を凝縮器として機能させるとともに室内熱交換器１を蒸発器として機能させることで冷房運転を行うことができる。一方、四路切換弁５を破線方向に切り換えることにより、室外熱交換器２を蒸発器として機能させるとともに室内熱交換器１を凝縮器として機能させることで暖房運転を行うことができる。また、空気調和機１０では、暖房運転中において四路切換弁５を破線方向から実線方向に切り換えることにより暖房運転から除霜運転に切り換えることができると共に、除霜運転中において四路切換弁５を実線方向から破線方向に切り換えることにより除霜運転から暖房運転に切り換えることができる。

次に、本実施の形態の空気調和機１０の制御ユニットの構成について、図２を参照して説明する。図２は、図１の空気調和機の制御ユニットの構成を示すブロック図である。

制御ユニット３０は、運転設定記憶部３１と、暖房運転タイマー３２と、除霜運転タイマー３３と、制御部３４とを有している。また、制御ユニット３０には、室外熱交換器２に配置された室外熱交温度センサ４１と、四路切換弁５がそれぞれ接続されている。本実施の形態では、室外熱交温度センサ４１は、室外熱交換器２の中間位置に配置されているが、その配置は変更可能である。

運転設定記憶部３１は、空気調和機１０に関する種々の運転設定を記憶するものである。運転設定記憶部３１に記憶される運転設定には、暖房運転の最低継続時間である最低ガード時間（例えば６分）と、通常の暖房運転中において除霜運転に切り換わるのが可能になるまでの時間である暖房運転ガード時間（例えば３０分）と、除霜運転が強制的に暖房運転に切り換えられるまでの時間である除霜運転ガード時間（例えば１０分）と、暖房運転から除霜運転に切り換えられるときの室外熱交温度である除霜運転開始温度（例えば外気温度及び圧縮機の運転周波数に関する変数を含む関係式で表される温度）と、除霜運転から暖房運転に切り換えられるときの温度である除霜運転解除温度（例えば外気温度に関する変数を含む関係式で表される温度）と、室外熱交換器２における除霜がほぼ完了したときの室外熱交温度である目標熱交温度（例えば除霜運転解除温度よりも２〜３℃低い温度）とが含まれる。

暖房運転タイマー３２は、暖房運転が行われる時間を計測するものであり、暖房運転が終了する度に（除霜運転や冷房運転に切り換えられる度に）、０に戻される。また、除霜運転タイマー３３は、除霜運転が行われる時間を計測するものであり、除霜運転が終了する度に（暖房運転に切り換えられる度に）、０に戻される。

制御部３４は、四路切換弁５の冷媒経路を切り換えることで、空気調和機１０における運転状態を制御する。具体的には、制御部３４は、空気調和機１０における運転状態を、例えば暖房運転から除霜運転への切り換え及び除霜運転から暖房運転への切り換えを行う。

制御部３４は、通常の暖房運転時において、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過した後で、室外熱交温度が除霜運転開始温度以下になった場合に、暖房運転を除霜運転に切り換える。ここで、通常の暖房運転とは、暖房運転開始後であり且つ除霜運転に切り換えられる前の暖房運転と、除霜運転中において室外熱交温度が除霜運転解除温度以上になることで暖房運転に切り換えられた場合の除霜運転後の暖房運転と、除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続することで暖房運転に切り換えられ且つ除霜運転ガード時間経過時の室外熱交温度が目標熱交温度以上である場合の除霜運転後の暖房運転とを示す。

また、制御部３４は、除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続することで暖房運転に切り換えられ且つ除霜運転ガード時間経過時の室外熱交温度が目標熱交温度以上でない場合の除霜運転後の暖房運転中において室外熱交温度が除霜運転開始温度以下になった場合に、暖房運転を除霜運転に切り換える。

また、制御部３４は、除霜運転中において室外熱交温度が除霜運転解除温度以上になった場合及び除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続した場合に、除霜運転から暖房運転に切り換える。

なお、本実施の形態では、制御部３４は、暖房運転開始時から最低ガード時間が経過するまでは、暖房運転から除霜運転に切り換えないようになっている。

次に、本実施の形態の空気調和機１０の暖房運転時における動作手順について、図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態の空気調和機の暖房運転時における動作手順を示すフローチャートである。

まず、ユーザによって暖房運転開始の操作が行われると、暖房運転が開始されると同時に、暖房運転タイマー３２での計測が開始される（ステップＳ１）。そして、暖房運転開始時から最低ガード時間が経過したか否か（暖房運転タイマー３２での計測時間が最低ガード時間を経過したか否か）が繰り返し判断される（ステップＳ２）。ここで、暖房運転開始時から最低ガード時間が経過した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）は、引き続き、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過したか否か（暖房運転タイマー３２での計測時間が暖房運転ガード時間を経過したか否か）が繰り返し判断される（ステップＳ３）。

そして、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）は、暖房運転中において、室外熱交温度センサ４１で検出される室外熱交温度が除霜運転開始温度以下であるか否かが繰り返し判断される（ステップＳ４）。ここで、室外熱交温度が除霜運転開始温度以下である場合（Ｓ４：ＹＥＳ）は、暖房運転から除霜運転に切り換えられると同時に、除霜運転タイマー３３での計測が開始される（ステップＳ５）。そして、除霜運転中において、室外熱交温度が除霜運転解除温度以上であるか否かが繰り返し判断される（ステップＳ６）。そして、室外熱交温度が除霜運転解除温度以上である場合（Ｓ６：ＹＥＳ）は、除霜運転から暖房運転に切り換えられ、その後、ステップＳ２に戻って、上述と同様の処理が繰り返される。つまり、この場合の除霜運転後の暖房運転においては、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過した後で除霜運転に切り換わることが可能になり、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過するまでは除霜運転に切り換わることはない。

また、ステップＳ６において、室外熱交温度が除霜運転解除温度以上でない場合（Ｓ６：ＮＯ）は、除霜運転開始時から除霜運転ガード時間が経過したか否か（除霜運転タイマー３３での計測時間が除霜運転ガード時間を経過したか否か）が繰り返し判断される（ステップＳ８）。そして、除霜運転開始時から除霜運転ガード時間が経過した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）は、除霜運転中において、室外熱交温度が目標熱交温度以上であるか否かが繰り返し判断される（ステップＳ９）。

ここで、室外熱交温度が目標熱交温度以上である場合（Ｓ９：ＹＥＳ）は、ステップＳ７に進み、除霜運転から暖房運転に切り換えられ、その後、ステップＳ２に戻って、上述と同様の処理が繰り返される。つまり、この場合の除霜運転後の暖房運転においては、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過した後で除霜運転に切り換わることが可能になり、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過するまでは除霜運転に切り換わることはない。

一方、室外熱交温度が目標熱交温度以上でない場合（Ｓ９：ＮＯ）は、ステップＳ１０に進み、除霜運転から暖房運転に切り換えられる。その後、除霜運転後の暖房運転開始時から最低ガード時間が経過したか否か（暖房運転タイマー３２での計測時間が最低ガード時間を経過したか否か）が繰り返し判断される（ステップＳ１１）。ここで、除霜運転後の暖房運転開始時から最低ガード時間が経過した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）は、ステップＳ４に戻って、上述と同様の処理が繰り返される。つまり、この場合の除霜運転後の暖房運転においては、暖房運転時間が最低ガード時間を経過すれば、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過する前であっても、除霜運転に切り換わることが可能である。

なお、ステップＳ８において、除霜運転開始時から除霜運転ガード時間が経過していない場合（Ｓ８：ＮＯ）は、ステップＳ６に戻って、上述と同様の処理が繰り返される。

以上説明したように、本実施の形態の空気調和機１０では、除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続することで暖房運転に切り換えられ且つ除霜運転ガード時間経過時の室外熱交温度が目標熱交温度以上でない場合の除霜運転後の暖房運転では、除霜運転での室外熱交換器２における除霜が完全に完了していない（または不十分である）ので、暖房運転ガード時間が０に短縮される。そのため、除霜運転後の暖房運転では、暖房運転開始時から暖房運転ガード時間が経過する前であっても、室外熱交温度が除霜運転開始温度以下になるだけで除霜運転に切り換わることが可能となり、除霜運転に切り換わりやすくなるので、室外熱交換器への着霜量が少ない状態で除霜運転に切り換わる。従って、暖房運転能力が著しく低下するのを抑制すると共に、室外熱交換器に付着した霜が氷結し、室外熱交換器が全く使用できない状態になったり、配管破裂によるガス漏れが発生するのを防止することができる。

また、除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合でも、除霜運転ガード時間経過時の室外熱交温度が目標熱交温度以上である場合には、室外熱交換器における除霜がほぼ完了していると判断され、暖房運転ガード時間が短縮されない。そのため、除霜運転後の暖房運転において除霜運転に切り換わりやすくなることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

また、暖房運転開始時から最低ガード時間が経過するまでは除霜運転に切り換わらないので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

上述の実施の形態では、除霜運転が除霜運転ガード時間だけ継続することで暖房運転に切り換えられ且つ除霜運転ガード時間経過時の室外熱交温度が目標熱交温度以上でない場合の除霜運転後の暖房運転では、暖房運転ガード時間が０に短縮されているが、暖房運転ガード時間が元の時間から０ではない時間に短縮されてもよい。

上述の実施の形態では、暖房運転開始時から最低ガード時間が経過した後で、暖房運転から除霜運転への切り換わるのが可能となっているが、暖房運転開始時から所定時間が経過するまでの除霜運転開始温度が、その後の除霜運転開始温度よりも低く設定されていてもよい。この場合は、暖房運転開始時から所定時間が経過するまでは除霜運転に切り換わりにくくなるので、暖房運転開始後に短時間で除霜運転に切り換わることで、暖房運転が継続される時間が短くなるのを抑制することができる。

本発明を利用すれば、暖房運転能力が著しく低下するのを抑制すると共に、室外熱交換器に付着した霜が氷結し、室外熱交換器が全く使用できない状態になったり、配管破裂によるガス漏れが発生するのを防止することができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路図である。 図１の空気調和機の制御ユニットの構成を示すブロック図である。 図１の空気調和機の暖房運転時における動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 室内熱交換器
２ 室外熱交換器
３ 圧縮機
４ 電動膨張弁
１０ 空気調和機
３０ 制御ユニット
３１ 運転設定記憶部
３２ 暖房運転タイマー
３３ 除霜運転タイマー
３４ 制御部
４１ 室外熱交温度センサ

Claims (4)

1. 室内熱交換器（１）と、室外熱交換器（２）と、圧縮機（３）と、減圧機構（４）と、を備えたヒートポンプシステム（１０）であって、
   暖房運転開始時から所定下限時間が経過し且つ暖房運転中において前記室外熱交換器（２）に配置された温度センサ（４１）で検出される温度が除霜運転開始温度以下になった場合に除霜運転に切り換わると共に、除霜運転中において前記温度センサ（４１）で検出される温度が除霜運転解除温度以上になった場合または除霜運転が所定上限時間だけ継続した場合に暖房運転に切り換わるものであり、
   除霜運転が前記所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合であり、且つ、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続したときの前記室外熱交換器（２）における除霜状態が、前記温度センサ（４１）で検出される温度が前記除霜運転解除温度よりも低い目標熱交温度以上となる状態に対応した所定除霜状態でない場合には、前記所定下限時間が短縮されることを特徴とするヒートポンプシステム（１０）。
2. 除霜運転が前記所定上限時間だけ継続することで暖房運転に切り換わった場合であり、且つ、除霜運転が前記所定上限時間だけ継続したときの前記室外熱交換器（２）における除霜状態が、前記温度センサ（４１）で検出される温度が前記除霜運転解除温度よりも低い目標熱交温度以上となる状態に対応した所定除霜状態でない場合には、前記所定下限時間が０に短縮されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム（１０）。
3. 暖房運転開始時から所定最小時間が経過するまでは除霜運転に切り換わらないことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプシステム（１０）。
4. 暖房運転開始時から所定時間が経過するまでの前記除霜運転開始温度は、前記所定時間が経過した後の前記除霜運転開始温度よりも低く設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプシステム（１０）。

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