JP4654828B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ運転による暖房運転時において、暖房を継続しながら室外熱交換器に付着した霜を除霜する除霜運転を行うことができる空気調和装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式空気調和器の除霜方式は、一般的に四方弁を切り換え、冷凍サイクルの冷媒を逆方向に流す除霜方式をとっている。

即ち、除霜運転は冷房時と同じ冷媒の流動方向とし、室外熱交換器に高温高圧の冷媒を流す事により、熱交換器に付着した霜を融解するものである。

この除霜方式では、除霜時は室内側の熱交換器が蒸発器となるため、室内機のファンを停止させる。これにより部屋の温度が低下して冷風感を感じるという基本的課題があった。

この基本的課題への対策として、暖房運転を継続しながら除霜運転する発明が考えられてきた。

図５は従来の空気調和装置の冷凍サイクルの構成図である。

同図に示すように、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張機構および室外熱交換器を冷媒回路で連結してなるヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、この冷凍サイクルにおける前記膨張機構と前記室外熱交換器の間と、前記圧縮機の吸入側の間を連結し、冷媒加熱器を有する冷媒加熱回路と、前記冷凍サイクルにおける圧縮機の吐出側と前記室外熱交換器と前記四方弁の間を連結する除霜用回路とを備え、前記冷凍サイクルのヒートポンプ運転時において前記室外熱交換器の除霜を行う際、前記冷媒加熱器によって加熱された冷媒が、前記圧縮機を通った後、前記室内熱交換器を通る流れと前記除霜用回路から前記室外熱交換器を通る流れとに分岐され、これらの分岐した冷媒の流れが前記冷媒加熱回路の入口で合流し、再び前記冷媒加熱器によって加熱されるように構成されている発明が開示されている。

上記発明で課題として取り上げられているように、ヒートポンプ運転を行った際の室外機の除霜運転を行うときに、暖房を継続しながら、除霜運転を行うことは条件が決まれば可能である（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８２９９４号公報（図６）

しかしながら、この冷凍サイクルの方式では、次のような課題が発生する。

この冷凍サイクルの構成は、除霜運転を行う際に、二方弁１０９ａを開放にして、室外熱交換器１０３と四方弁１０２との間に圧縮機１０１の吐出冷媒が流れることになるため、圧縮機吸入側に除霜するホットガス冷媒が流れないように二方弁１０６が必要となる。

二方弁１０６は圧縮機１０１の吸入側に連結され、冷房および暖房運転の圧損を低減するためには口径の大きな二方弁１０６を採用することとなり、非常に高価な二方弁となってしまう。

またヒートポンプ運転から二方弁１０８を開放させて冷媒加熱運転に切り換え、除霜運転を行う方式で室外熱交換器１０３の冷媒の流れが逆転するため、除霜運転を行う前に二方弁１０７を一旦閉運転とする必要があり、この室外熱交換器１０３の入口に二方弁１０７が必要となる。

したがって、この冷凍サイクルでは４個もの二方弁が必要となり、複雑で高価な方式となる。

また除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、合流箇所における冷媒圧力が除霜に供された後の冷媒の圧力よりも高ければ、室外熱交換器に冷媒が流れ、逆であれば室内側に冷媒が流れることになり、暖房しながら除霜運転を行うことが出来ない場合が発生する。

また、除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、冷媒音が発生しやすく、前記の圧力バランスの課題と冷媒音課題を解決するために冷媒合流器を必要とする場合が考えられる。

また、前記合流箇所では冷媒循環量が多くなり圧力損失が増加するため、その対策として配管の管径を大きくすることが必要となる。それにより、管径の大きくなった配管を吐出した過熱冷媒が流入する際、吐出ガスの冷媒速度が減少し、充分に除霜能力を確保できず、霜が溶け残るといった場合が発生する可能性がある。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたもので、冷凍サイクルが簡単なバイパス回路で構成でき、冷媒音、圧力バランスの問題も発生しない安定した除霜運転を提供すると共に、このホットガスバイパス回路の除霜運転で室外熱交換器の霜の溶け残りが発生した場合でも、所定の判定条件により最適化された四方弁除霜を行う事で快適性を充分に満足させて且つ、除霜を完全に行うと言った信頼性の高い空気調和装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の空気調和装置は、暖房運転時に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、前記室外熱交換器の温度を検知する室外熱交換器温度検知器と、前記室外熱交換器へ送風する室外ファンとを有し、前記ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、前記室内熱交換器と前記減圧器との間と、前記四方弁と前記室外熱交換器との間とを連結する第１のバイパス回路、および、前記室内熱交換器と前記圧縮機との間と、前記減圧器と前記室外熱交換器との間とを連結する第２のバイパス回路を備え、前記第１のバイパス回路には冷媒加熱用二方弁および内部に冷媒流路を有する冷媒加熱器を設け、前記第２のバイパス回路には除霜用二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う際には、前記冷媒加熱用二方弁および前記除霜用二方弁を開放して、前記第１のバイパス回
路に流れる冷媒を前記冷媒加熱器で加熱する第１のバイパス運転と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記室外熱交換器に通過させる第２のバイパス運転とを行う空気調和装置であって、前記冷媒加熱器を室外機内部に配置するとともに、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず始めに、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて除霜運転を行い、前記第１のバイパス運転および前記第２のバイパス運転による除霜運転を行ってから所定時間以内に、前記室外熱交換器温度検知器で検知される温度が所定温度に到達しない場合は、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを閉じて、前記四方弁を切り替えることによって除霜運転を行い、いずれの除霜運転時においても、前記室外ファンの運転を停止させ、前記第１のバイパス運転と前記第２のバイパス運転による除霜運転から、前記四方弁を切り替えて行う除霜運転への移行時に所定期間を設け、前記所定期間内に前記室外ファンの運転を行うことを特徴とするものである。

本発明の空気調和装置は、暖房運転を継続しながら、除霜を実施することができる。

第１の発明は、暖房運転時に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、前記室外熱交換器の温度を検知する室外熱交換器温度検知器と、前記室外熱交換器へ送風する室外ファンとを有し、前記ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、前記室内熱交換器と前記減圧器との間と、前記四方弁と前記室外熱交換器との間とを連結する第１のバイパス回路、および、前記室内熱交換器と前記圧縮機との間と、前記減圧器と前記室外熱交換器との間とを連結する第２のバイパス回路を備え、前記第１のバイパス回路には冷媒加熱用二方弁および内部に冷媒流路を有する冷媒加熱器を設け、前記第２のバイパス回路には除霜用二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う際には、前記冷媒加熱用二方弁および前記除霜用二方弁を開放して、前記第１のバイパス回路に流れる冷媒を前記冷媒加熱器で加熱する第１のバイパス運転と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記室外熱交換器に通過させる第２のバイパス運転とを行う空気調和装置であって、前記冷媒加熱器を室外機内部に配置するとともに、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず始めに、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて除霜運転を行い、前記第１のバイパス運転および前記第２のバイパス運転による除霜運転を行ってから所定時間以内に、前記室外熱交換器温度検知器で検知される温度が所定温度に到達しない場合は、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを閉じて、前記四方弁を切り替えることによって除霜運転を行い、いずれの除霜運転時においても、前記室外ファンの運転を停止させ、前記第１のバイパス運転と前記第２のバイパス運転による除霜運転から、前記四方弁を切り替えて行う除霜運転への移行時に所定期間を設け、前記所定期間内に前記室外ファンの運転を行うことにより、暖房運転を行ないながら除霜運転を実施することができると共に、ホットガスバイパス除霜運転中、所定の時間１０分３０秒以内で室外熱交換器温度が所定の判定温度６℃以上に到達しない時、直ちに前記ホットガスバイパス除霜運転を停止し、四方弁を切り換えて除霜を行う四方弁切り換え除霜の運転制御へ変更する。

これにより外気空調負荷変化や雪の付着、熱交換器の凍結、冷媒加熱器の加熱量バラツキなどにより発生する恐れのある霜の溶け残りを防止する事が可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、室外気温を検知する室外気温度検知器を備え、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転開始時に、前記室外気温度検知器によって検知された室外気温度によって前記冷媒過熱器の加熱量を調整し、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転から前記四方弁を切り替えて行う除霜運転へ切り替えるまでの所定時間を変更することで、無駄に四方弁除霜を行い暖房運転の快適性を損ねるという事を抑制できる。

例えば、外気温度が低温の時に冷媒過熱器の熱量を増加させ、除霜運転中の判定時間を１０分３０秒以上に延ばすことで、充分に除霜運転を行うと共に、快適性も維持することが出来る。

第３の発明は、特に第１の発明において、室外気温を検知する室外気温度検知器を備え、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転開始時に、前記室外気温度検知器によって検知された室外気温度によって前記冷媒過熱器の加熱量を調整し、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転から前記四方弁を切り替えて行う除霜運転へ切り替える前記室外熱交換器の所定温度を変更することで、無駄に四方弁除霜を行い暖房運転の快適性を損ねるという事を抑制できる。例えば、外気温度が低温の時に冷媒過熱器の熱量を増加させ、除霜運転中の室外熱交換器温度の判定温度を１０℃以上に設定変更することで、充分に除霜運転を行うと共に、快適性も維持することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本願発明にかかる空気調和装置の構成図である。同図において、室外機２０には、圧縮機１、四方弁２、減圧器４、室外熱交換器５、室外熱交換器温度検知器２１、室外気温度検知器２２、第１のバイパス回路６、冷媒加熱用二方弁７、冷媒加熱器８、第２のバイパス回路９、除霜用二方弁１０、第２のバイパス回路の二方弁１１、第１のバイパス回路の二方弁１２、冷媒加熱ヒータ１３、冷媒通過管部１４、蓄熱部１５、室外送風機１９で配設されている。室内機１８には、室内熱交換器３、室内送風機１７が配設されている。ここでの減圧器４は、電磁膨張弁でもよい。

次に図２は、本願発明にかかる実施の形態１を示す制御ブロック図であり、図３はホットガスバイパス除霜制御が動作したときの挙動を示すタイムチャートである。図４はホットガスバイパス除霜運転中、室外熱交換器温度が所定の判定時間、判定温度に到達しなかった場合に四方弁除霜に切り替えて行う際のタイムチャート図である。

図２では室外機側で除霜開始判断が除霜開始判断手段５０でなされ、除霜開始と判断された時に圧縮機運転手段５１、冷媒加熱用二方弁開閉手段５２、除霜用二方弁開閉手段５３、膨張弁開度可変手段５４、室外送風機運転手段５５、四方弁切り換え手段５６、加熱器ヒータ運転停止手段が図５に示す動作をすることにより除霜運転が行われる。

このとき室外機２０から除霜開始信号を室内機１８で除霜開始信号受信手段５８で受信して、除霜運転の判断より室内送風機運転手段５９で室内送風機１７を制御する。

図３に示すように、除霜開始の判断をすると、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転からステップ２の冷媒加熱運転による暖房運転に移行する。このときに冷媒加熱用二方弁をＯＮして開方向に制御する。

また加熱器ヒータをＯＮして冷媒加熱運転を行う。このとき膨張弁は閉塞運転かまたは閉塞に近い運転を行う。

また外ファンは除霜中停止する。四方弁は、暖房を継続するため、暖房回路のままで除霜中も切り換えしない。

また内ファンは暖房を継続するので、停止することはない。

次にステップ３で、除霜を行うために除霜用二方弁をＯＮして開方向に制御する。また圧縮機は、除霜用の運転周波数で運転する。

ここで、ステップ３で前記ホットガスバイパス制御による除霜運転中、室外熱交換器温度が所定の判定時間内に所定の判定温度に到達しない場合は、ステップ３終了後、図４にある四方弁除霜制御のタイムチャートにおけるステップ１に移行し、四方弁除霜制御の準備を開始する。

その後、ステップ２により四方弁除霜を開始し、ステップ３により圧縮機の運転を開始し、四方弁除霜を継続する。

ここで除霜運転中、室外熱交換器温度が所定の判定時間内に判定温度に到達すると、四方弁除霜運転を終了し、ステップ４へ移行する。ここで暖房運転が復帰される。

ここで、実施例として、第１のバイパス回路の接続を四方弁と室外熱交換器の間としたが、四方弁と圧縮機吸入側の間にしても、除霜作用は同じなので第１のバイパス回路を四方弁と圧縮機吸入側にしても良い。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。

本実施の形態において実施の形態１と異なる点は、図１における室外気温度検知器２２で検知された温度により、冷媒過熱器８の加熱量を最適化調整すると共に、図３における除霜制御タイムチャートのステップ３での所定の判定時間を最適化することで、無駄に四方弁切り換え除霜に移行させることを抑制できる。

（実施の形態３）
次に実施の形態３について説明する。

本実施の形態において実施の形態１と異なる点は、図１における室外気温度検知器２２で検知された温度により、冷媒過熱器８の加熱量を最適化調整すると共に、図３における除霜制御タイムチャートのステップ３での室外熱交換器温度の所定の判定温度を最適化することで、無駄に四方弁切り換え除霜に移行させることを抑制できる。

以上のように本発明の空気調和装置は暖房運転しながら、除霜運転を実施できるので、室外温度が非常に低温の寒冷地での空気調和装置にも適用できると共に、除霜しても熱交換器に付着した霜が溶け残ってしまうと言った課題も解決できる。

本願発明にかかる実施の形態１の空気調和装置の構成図 本願発明にかかる制御ブロック図 本願発明にかかる実施の形態１のホットガスバイパス除霜のタイムチャート 本願発明にかかる実施の形態１の四方弁除霜のタイムチャート 従来例の空気調和装置の構成図

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室内熱交換器
４ 減圧器
５ 室外熱交換器
６ 第１のバイパス回路
７ 冷媒加熱用二方弁
８ 加熱器
９ 第２のバイパス回路
１０ 除霜用二方弁
１１ 除霜用減圧器
１２ 冷媒加熱用減圧器
１３ 加熱器ヒータ
１４ 冷媒通過管部
１５ 蓄熱部
１７ 室内送風機
１８ 室内機
１９ 室外送風機
２０ 室外機
２１ 室外熱交換器温度検知器
２２ 室外気温度検知器

Claims (3)

1. 暖房運転時に、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧器、室外熱交換器、前記四方弁の順に冷媒が流れるように連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、前記室外熱交換器の温度を検知する室外熱交換器温度検知器と、前記室外熱交換器へ送風する室外ファンとを有し、前記ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、前記室内熱交換器と前記減圧器との間と、前記四方弁と前記室外熱交換器との間とを連結する第１のバイパス回路、および、前記室内熱交換器と前記圧縮機との間と、前記減圧器と前記室外熱交換器との間とを連結する第２のバイパス回路を備え、前記第１のバイパス回路には冷媒加熱用二方弁および内部に冷媒流路を有する冷媒加熱器を設け、前記第２のバイパス回路には除霜用二方弁を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う際には、前記冷媒加熱用二方弁および前記除霜用二方弁を開放して、前記第１のバイパス回路に流れる冷媒を前記冷媒加熱器で加熱する第１のバイパス運転と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記室外熱交換器に通過させる第２のバイパス運転とを行う空気調和装置であって、前記冷媒加熱器を室外機内部に配置するとともに、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず始めに、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて除霜運転を行い、前記第１のバイパス運転および前記第２のバイパス運転による除霜運転を行ってから所定時間以内に、前記室外熱交換器温度検知器で検知される温度が所定温度に到達しない場合は、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを閉じて、前記四方弁を切り替えることによって除霜運転を行い、いずれの除霜運転時においても、前記室外ファンの運転を停止させ、前記第１のバイパス運転と前記第２のバイパス運転による除霜運転から、前記四方弁を切り替えて行う除霜運転への移行時に所定期間を設け、前記所定期間内に前記室外ファンの運転を行うことを特徴とする空気調和装置。
2. 室外気温を検知する室外気温度検知器を備え、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転開始時に、前記室外気温度検知器によって検知された室外気温度によって前記冷媒過熱器の加熱量を調整し、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転から前記四方弁を切り替えて行う除霜運転へ切り替えるまでの所定時間を変更することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 室外気温を検知する室外気温度検知器を備え、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転開始時に、前記室外気温度検知器によって検知された室外気温度
   によって前記冷媒過熱器の加熱量を調整し、前記冷媒加熱用二方弁と前記除霜用二方弁とを開いて行う除霜運転から前記四方弁を切り替えて行う除霜運転へ切り替える前記室外熱交換器の所定温度を変更することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

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