JP4661451B2 - 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、この種の空気調和装置は、暖房時に室外熱交換器に付着した霜を除霜するために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して、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、室内の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、暖房継続しながら除霜運転する発明が考えられてきた（例えば、特許文献１参照）。

図５は特許文献１に記載された従来の空気調和装置の冷凍サイクルの構成図を示すものである。図５に示すように、圧縮機１０１、四方弁１０２、室内熱交換器１１０、膨張機構１０５および室外熱交換器１０３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膨張機構１０５と室外熱交換器１０３の間と、圧縮機１０１の吸入側の間を連結し、冷媒加熱器１０４を有する冷媒加熱回路と、冷凍サイクルにおける圧縮機１０１の吐出側と室外熱交換器１０３と四方弁１０２の間を連結する除霜用回路１０９とから構成されている。

冷凍サイクルのヒートポンプ運転時において室外熱交換器１０３の除霜を行う際、冷媒加熱器１０４によって加熱された冷媒が、圧縮機１０１を通った後、室内熱交換器１１０を通る流れと除霜用回路１０９から室外熱交換器１０３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冷媒加熱回路の入口で合流し、再び冷媒加熱器１０４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。
特開平１１−１８２９９４号公報（図５）

しかしながら、前記従来の構成では、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を一端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１０
７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り、加熱器が大型になってしまうという構造的課題もある。

さらに、冷房回路で運転すると冷媒加熱器１０４の配管内部は、低圧冷媒で安定して冷媒加熱器１０４の温度が低下することから冷媒加熱器１０４に結露する場合や二方弁１０８が故障で冷媒漏れを発生した場合でも冷媒加熱器に結露が発生して冷媒加熱器の信頼性、安全性に大きな問題がある。

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、暖房運転を継続しながら実施できる空気調和装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、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、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず前記冷媒加熱用二方弁を開方向に制御して、前記減圧器を略閉塞とし、所定時間経過後、前記除霜用二方弁を開方向に制御することを特徴とするものである。

これによって、除霜運転しながら一部を冷媒加熱運転に分岐するので室外熱交換器の冷媒の流れが逆転せず、高価な二方弁を複数使用しない冷凍サイクルが簡単なバイパス回路で構成でき、室内熱交換器で放熱した後の冷媒を冷媒加熱器で加熱した後、除霜に供された後の冷媒と合流させるので冷媒音、圧力バランスの問題も発生しない安定した除霜運転を、暖房運転を継続しながら実施できる。

本発明の空気調和装置は、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、暖房運転を継続しながら実施でき、外気温が低下しても室内の部屋の温度を低下させることなく冷風感を感じさせない暖房ができる空気調和装置を提供することができる。

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、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず前記冷媒加熱用二方弁を開方向に制御して、前記減圧器を略閉塞とし、所定時間経過後、前記除霜用二方弁を開方向に制御することを特徴とするものでこの構成をなすことにより、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。

また暖房を継続しながら、除霜運転を行うため、四方弁を切り換える時の冷媒音は発生しない。

また除霜時に四方弁を切り換えないため、圧力変動が小さく、圧縮機のオイル変動も小さいことから圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また接続配管長が長くなる場合でも除霜回路が室外で行うため、配管長による除霜運転での圧縮機オイルレベルが下がることはなく長配管商品でも圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また全体冷媒の一部を除霜用に利用するため、冷媒加熱部に極端に多くの冷媒が流れないことからコンパクトな冷媒加熱器で構成できる。

また冷房運転を行った場合でも、冷媒加熱器に高温高圧の冷媒ガスが滞留して、冷媒加熱器が結露を発生させることもない。

また第１のバイパス回路と第２のバイパス回路の二方弁を開放にすると圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうこのときに、第２のバイパス回路の二方弁を開放にする運転を所定時間経過後に動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限にすることで圧縮機の信頼性が高い運転ができる。

第２の発明は、除霜運転終了時は、まず前記除霜用二方弁を閉じ、所定時間経過後、前記冷媒加熱用二方弁を閉じることで、この構成をなすことにより、急激な圧縮機の吸入圧力変動をなくして圧縮機のオイルを確保できて信頼性の高い運転ができる。

第３の発明は、除霜運転終了時において、前記冷媒加熱用二方弁を閉じるのと同時または閉じる前に、前記冷媒加熱器の運転を停止することで、この構成をなすことにより、冷
媒循環と冷媒加熱の関係保たれ、異常に冷媒加熱することなく、安定的に除霜ができる。

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、本発明の第１の実施の形態における空気調和装置の構成図を示すものである。

図１において、室外機２０は、圧縮機１、四方弁２、減圧器４、室外熱交換器５、室外送風機１９から構成されている。ここでの減圧器４は、電磁膨張弁でもよい。

また、室内機１８は、室内熱交換器３、室内送風機１７から構成されている。

更に室外機２０には第１のバイパス回路６及び第２のバイパス回路９が具備されている。第１のバイパス回路６は、室内熱交換器３と減圧器４の間と四方弁２と室外熱交換器５の間を連結しており、冷媒加熱用二方弁７、冷媒加熱用減圧器１２、冷媒加熱ヒータ１３と冷媒通過管部１４と蓄熱部１５とからなる冷媒加熱器８を有している。

第２のバイパス回路９は、四方弁２と室内熱交換器３の間と、減圧器４と室外熱交換器５の間を連結しており、除霜用二方弁１０、除霜用減圧器１１を有している。第２のバイパス回路９は、圧縮機１と四方弁２の間と、減圧器４と室外熱交換器５の間を連結してもよい。

通常の暖房運転において、冷媒加熱用二方弁７及び除霜用二方弁１０は閉じており、第１のバイパス回路６及び第２のバイパス回路９を冷媒は流れず、圧縮機１で圧縮された冷媒は四方弁２を通って、室内熱交換器３で凝縮されて室内空気を放熱する。更に減圧器４で減圧されて室外熱交換器５で蒸発して、室外空気から熱量を取り込み、再び圧縮機１に戻り、圧縮されるという冷凍サイクルを繰り返し、室内を暖房するものである。

しかし、室外気温が零下など非常に低い場合、室外熱交換器５に霜が付着し、室外空気との熱交換効率が低下し、暖房能力が落ちてしまうため、除霜する必要がある。

図２は、本発明の第１の実施の形態における制御ブロック図、図３は、本発明の第１の実施の形態における制御のタイムチャートを示すものである。

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。

まず、冷媒加熱用二方弁７をＯＮして開方向に制御し、また冷媒加熱ヒータ１３をＯＮして冷媒加熱運転を行う。このとき減圧器４である膨張弁は閉塞運転かまたは閉塞に近い運転を行う。

従って、室内熱交換器３で凝縮された冷媒は、大半が第１のバイパス回路６に流れ、冷媒加熱用二方弁７、冷媒加熱用減圧器１２を通って冷媒加熱器８内の冷媒通過管部１４を通り、冷媒加熱ヒータ１３によって加熱される。

また室外送風機１９は除霜中停止し、第１のバイパス回路６を通らず、室外熱交換器５に流れた僅かな冷媒はそのまま、第１のバイパス回路６で加熱された冷媒と合流する。四方弁２は、暖房を継続するため、暖房回路のままで除霜中も切り替えしないので、冷媒は、四方弁２を通り、圧縮機１で圧縮される。

ここで冷媒は、その大半が第１のバイパス回路６で冷媒加熱ヒータ１３によって加熱され、更に圧縮機１で圧縮されるので、十分に暖房継続できる状態であり、室内送風機１７は停止することなく、暖房を継続する。

次にステップ３で、室外熱交換器５の除霜を行うために除霜用二方弁１０をＯＮして開方向に制御する。また圧縮機１は、除霜用の運転周波数で運転する。

これにより、圧縮機１で室外熱交換器５の除霜に十分な状態に圧縮された冷媒は、一部が第２のバイパス回路９に流れ込み、除霜用二方弁１０、除霜用減圧器１１を通り、室外熱交換器５に入る。冷媒は室外熱交換器５の除霜に十分な状態に圧縮されており、更に室外送風機１９は停止しているので、冷媒は室外空気と熱交換されることはほとんどなく、従って、室外熱交換器５の除霜のためにその熱量が使用される。

以上のステップにより、暖房運転を継続しながら安定した除霜運転を実施し、室外熱交換器５の除霜終了と共に、次にステップ４で除霜する前の動作に戻る。

次にステップ５以降で通常のヒートポンプ暖房運転に復帰する。

以上のように、本実施の形態においては、冷凍サイクルに連結された室内熱交換器と減圧器の間と、四方弁と室外熱交換器の間を連結する第１のバイパス回路を設け、第１のバイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設け、さらに冷凍サイクルに連結された四方弁と室内熱交換器の間と、減圧器と室外熱交換器の間を連結する第２のバイパス回路を設け、第２のバイパス回路に二方弁を設け、室外熱交換器の除霜を行う際、第１のバイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を圧縮機の吸入側に流す第１のバイパス運転の後で所定時間経過後に、第２のバイパス回路の二方弁を開放して室外熱交換器に冷媒を通過させる第２のバイパス運転を行うことによって、除霜運転しながら一部を冷媒加熱運転に分岐するので室外熱交換器の冷媒の流れが逆転せず、高価な二方弁を複数使用しない冷凍サイクルが簡単なバイパス回路で構成でき、室内熱交換器で放熱した後の冷媒を冷媒加熱器で加熱した後、除霜に供された後の冷媒と合流させるので冷媒音、圧力バランスの問題も発生しない安定した除霜運転を、暖房運転を継続しながら実施できる。

また暖房を継続しながら、除霜運転を行うため、四方弁を切り換える時の冷媒音は発生せず、更に、圧力変動が小さく、圧縮機のオイル変動も小さいことから圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また接続配管長が長くなる場合でも除霜回路が室外で行うため、配管長による除霜運転での圧縮機オイルレベルが下がることはなく長配管商品でも圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また全体冷媒の一部を除霜用に利用するため、冷媒加熱部に極端に多くの冷媒が流れないことからコンパクトな冷媒加熱器で構成できる。

また冷房運転を行った場合でも、冷媒加熱器に高温高圧の冷媒ガスが滞留して、冷媒加熱器が結露を発生させることもない。

また第１のバイパス回路と第２のバイパス回路の二方弁を一時に開放にすると圧縮機の吸入側の圧力が急上昇して、冷媒循環量が増し、圧縮機のオイルが多く吐出してしまうこのときに、第２のバイパス回路の二方弁を開放にする運転を所定時間経過後に動作させることで、圧縮機の吸入側の低圧上昇を抑え、オイル吐出を最小限にすることで圧縮機の信頼性が高い運転ができる。

また、本実施の形態では圧縮機の運転周波数を変化させているが、一定速の圧縮機でも暖房を継続して除霜運転を行うことができる。

また、本実施の形態では室外送風機を除霜中即ちステップ２〜ステップ３停止させているが、ステップ３の室外熱交換器５の除霜を行う除霜運転の間だけ停止させてもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における制御のタイムチャートを示すものである。除霜が終了される前のステップ３までの制御は実施の形態１と同様であるのでここでは省略する。即ち図４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し、更にステップ３で、室外熱交換器５の除霜を行う除霜運転に移行し、暖房を継続しながら、除霜運転を行う。

以上のステップにより、暖房運転を継続しながら安定した除霜運転を実施し、室外熱交換器５の除霜終了と共に、ステップ４に移り、除霜用二方弁１０をＯＦＦし、第２のバイパス回路９に冷媒が流れ込まないようにする。従って、第１のバイパス回路６で冷媒加熱ヒータ１３によって加熱され、更に圧縮機１で圧縮された冷媒は全て室内熱交換器３に流れ、暖房に利用される。

その後所定時間経過後、ステップ５に移行して冷媒加熱用二方弁７のＯＦＦおよび冷媒加熱ヒータ１３をＯＦＦして完全に除霜を終了させる。即ち、第１のバイパス回路６にも冷媒は流れず、通常の冷凍サイクルを流れるようになる。

次にステップ５以降で通常のヒートポンプ暖房運転に復帰する。

以上のように本実施の形態では、室外熱交換器の除霜を終了する際、第２のバイパス回路の二方弁を閉弁して室外熱交換器に冷媒を停止させ、その後、所定時間経過後に、第１のバイパス回路の二方弁を閉弁する運転を行うときに冷媒加熱器の冷媒加熱ヒータは、第１のバイパス回路の二方弁と同時に停止するか、その前に停止する様に運転するもので、この構成をなすことにより、冷媒循環と冷媒加熱の関係が保たれ、異常に冷媒加熱することなく、安定的に除霜ができる。

また圧縮機は、容量可変方式の圧縮機においても、同じ効果が得られるので、ここでは圧縮機と表現とした。

また、本実施の形態では室外送風機を除霜中即ちステップ２〜ステップ４停止させているが、ステップ３の室外熱交換器５の除霜を行う除霜運転の間だけ停止させてもよい。

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。

本発明の実施の形態１における空気調和装置の構成図 本発明の実施の形態１における制御ブロック図 本発明の実施の形態１における制御のタイムチャート 本発明の実施の形態２における制御のタイムチャート 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

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、前記室外熱交換器の除霜運転時には、まず前記冷媒加熱用二方弁を開方向に制御して、前記減圧器を略閉塞とし、所定時間経過後、前記除霜用二方弁を開方向に制御することを特徴とする空気調和装置。
2. 除霜運転終了時は、まず前記除霜用二方弁を閉じ、所定時間経過後、前記冷媒加熱用二方弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 除霜運転終了時において、前記冷媒加熱用二方弁を閉じるのと同時または閉じる前に、前記冷媒加熱器の運転を停止することを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。

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