JP5063347B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷暖房運転を行う空気調和機等に係り、室外機の着霜を適確に判断して除霜運転を行う冷凍空調装置に関するものである。

従来のヒートポンプ式空気調和機等の冷凍空調装置は、外気温度と室外熱交換器の冷媒蒸発温度とを検知し、暖房運転開始後の所定時間における温度差と、着霜が予想される所定時間における温度差とを比較し、その差が設定された値を越えたときに除霜運転を行うものがある。

そして、この空気調和機等の冷凍空調装置は、暖房運転開始約２０分経過後、室外温度と冷媒温度を検知してその温度差ＴＡを記憶し、次に所定時間後の温度差ＴＢを計算して、ＴＡとＴＢの温度差が設定値ＴＣを越えたときに除霜運転を開始する。また、外気温度の高低によりＴＡ＝大又は小の値を基準として着霜の有無を判断するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、別の従来のヒートポンプ式空気調和機等の冷凍空調装置は、室内熱交換器と流路切換弁の間に設けられた冷媒用温度センサと外気用温度センサを備え、それぞれのセンサにより検知した温度の差が所定値以上になったとき除霜終了とするものがある。

そして、この空気調和機等の冷凍空調装置は、着霜感知手段として、室外熱交換器の熱交換器用温度センサと、室外熱交換器を通過する空気の圧力を感知する通過空気用圧力センサとを有し、温度が所定値以下でかつ圧力が所定値以上のときに除霜開始するものである（例えば、特許文献２参照）。

また、別の空気調和機等の冷凍空調装置は、暖房運転時に室外熱交換器の温度を感知する室外配管温度感知手段と室外温度感知手段とを備え、室外熱交換器温度と外気温度と圧縮機の運転時間にしたがって着霜状態を判断するものがある。

そして、室外温度に対して室外熱交換器温度がＬ１ライン以下で２０分以上維持され、圧縮機の運転時間が３５分を経過すると除霜運転を行うものである（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５７−１６４２４５号公報（第２−３頁、第３−５図） 特開昭６０−２１８５５１号公報（第２−３頁、第１図） 特開平１１−２３１１２号公報（第２−６頁、第３図）

しかしながら、上記のように構成されている従来の空気調和機等の冷凍空調装置には、次のような問題があった。例えば、特許文献１では空調負荷変動による所定時間後の温度差が考慮されていない。また、圧縮機の運転周波数可変機種では不充分である。特許文献２では、着霜感知手段に通過空気圧力センサを用いるので、高価な装置が必要で、その演算処理も複雑となることや、熱交換器への埃付着と着霜との区別も必要となるなどの問題がある。また、特許文献３では、検知した室外熱交換器の温度と室外温度の絶対値で着霜の有無を判定するので、外気温度が低く低湿度条件の場合に着霜が殆どないにも拘わらず霜取り動作に入り、暖房運転率が低下して快適性を損なうなどの問題が生じるおそれもある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、室外熱交換器への着霜の有無を適確に検知し、暖房運転率や快適性の向上が図れる等の冷凍空調装置を提供することを目的としている。

この発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器、及び暖房時と冷房時で冷媒の流れ方向を切替える切替器を有した冷媒回路を備え、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、
前記室外熱交換器への着霜状態の判断に供される室外熱交換器の冷媒温度検出手段と外気温度検出手段とが設けられ、前回の霜取り時間τ２の長さに応じて暖房運転を連続して行う２種類の霜取り禁止時間τ１、τ３が複数設定されており、前回の霜取り時間τ２が長くなる程、前記霜取り禁止時間τ１、τ３を短く設定し、前回の霜取り時間τ２が短くなる程、前記霜取り禁止時間τ１、τ３を長く設定して、除霜運転を行う様に制御する制御装置を備え、前記２種類の霜取り禁止時間τ１、τ３は、τ１≧τ３の関係を有し、前記制御装置は、前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ３を経過し、前記室外熱交換機の冷媒温度に対応する室外配管温度がマイナス温度で、かつ外気温度より１０℃低い場合、前記室外熱交換器への着霜量が多いと判断して、霜取り運転に切替え、前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ１を経過し、かつ前記室外配管温度がマイナス温度であれば、前記室外熱交換器への着霜量が少ないと判断して、霜取り運転に切替える。

この発明に係る冷凍空調装置は、上記のように構成したので、低外気条件などで暖房能力が低下しやすい条件でも、十分な暖房能力を確保することができるとともに、除霜運転時の効率化を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の除霜運転に関する制御フローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の除霜運転時の特性図であり、着霜量が大きいと判断される場合の図（ａ）と、着霜量が小さいと判断される場合の図（ｂ）である。 この発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の霜取り時間τ２と、霜取り禁止時間τ１、τ３との関係を示す関係図である。

符号の説明

１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ ガス管、６ 室内熱交換器、７ 液管、８ 第２膨張弁、９ 中圧レシーバ、９ａ 熱交換冷媒、１０ 第１膨張弁、１１ 室外熱交換器、１２ 計測制御装置、１３ 吸入配管、１３ａ 貫通部配管、１４ａ 第１温度センサ、１４ｂ 第２温度センサ、１４ｃ 第３温度センサ、１４ｄ 第４温度センサ、１４ｅ 第５温度センサ、１４ｆ 第６温度センサ、１４ｇ 第７温度センサ。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による冷凍空調装置を示す冷媒回路（冷凍サイクル冷媒回路）図である。図１において、室外機１内には圧縮機３、冷媒の流れを切替える切替器であり暖房と冷房とを切替える四方弁４、室外熱交換器１１、第１の減圧装置である第１膨張弁１０、第２の減圧装置である第２膨張弁８、中圧レシーバ９が搭載されている。この中圧レシーバ９の内部には圧縮機３の吸入配管１３が貫通しており、この吸入配管１３の貫通部配管１３ａの冷媒と中圧レシーバ９内の熱交換冷媒９ａが熱交換可能な構成となっている。

前記圧縮機３はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプであり、第１膨張弁１０、第２膨張弁８は開度が可変に制御される電子膨張弁である。また室外熱交換器１１はファン（図示されていない）などで送風される外気と熱交換する。室内機２内には室内熱交換器６が搭載されている。ガス管５、液管７は室外機１と室内機２を接続する接続配管である。この冷凍空調装置の冷媒としてはＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４１０Ａが用いられる。

室外機１内には計測制御装置１２、および各温度センサ１４が設置されている。第１温度センサ１４ａが圧縮機３吐出側、第２温度センサ１４ｂが室外熱交換器１１中間部の冷媒流路上、室外配管温度検出手段である第３温度センサ１４ｃが室外熱交換器１１と第１膨張弁１０の間に設けられ、それぞれ設置場所の冷媒温度を計測する。また、外気温度検出手段である第４温度センサ１４ｄは、室外機１周囲の外気温度を計測する外気センサである。第２温度センサ１４ｂと第３温度センサ１４ｃは、室外熱交換器１１の冷媒温度検出手段として作用する。

また、室内機２内には第５温度センサ１４ｅ、第６温度センサ１４ｆ、第７温度センサ１４ｇが設置されており、第５温度センサ１４ｅは室内熱交換器６中間部の冷媒流路上、第６温度センサ１４ｆは室内熱交換器６と液管７の間に設けられており、それぞれ設置場所での冷媒温度を計測する。第７温度センサ１４ｇは室内熱交換器６に吸気される空気温度を計測する。なお、負荷となる熱媒体が水など他の媒体である場合には第７温度センサ１４ｇはその媒体の流入温度を計測する。

第２温度センサ１４ｂ、第５温度センサ１４ｅはそれぞれ熱交換器中間で気液二相状態となっている冷媒温度を検知することにより、高低圧の冷媒飽和温度を検知することができる。

また室外機１内の計測制御装置１２は第１乃至第７の各温度センサ１４ａ〜１４ｇの計測情報や、冷凍空調装置使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、四方弁４の流路切替え、室外熱交換器１１のファン送風量、第１膨張弁１０、第２膨張弁８の開度などを制御する。
計測制御装置１２は、冷媒の流れに対し中圧レシーバ９の上流側の減圧装置（冷房時は第１膨張弁１０が該当し、暖房時は第２膨張弁８が該当する）にて、凝縮器として作用する熱交換器出口の過冷却度が予め定めた目標値となるように制御し、中圧レシーバ９の下流側の減圧装置（冷房時は第２膨張弁８が該当し、暖房時は第１膨張弁１０が該当する）にて、圧縮機吸入の冷媒過熱度、蒸発器として作用する熱交換器出口の冷媒過熱度、圧縮機吐出温度もしくは圧縮機吐出の冷媒過熱度が予め定めた目標値となるよう制御を行う。

次にこの冷凍空調装置での運転動作について説明する。まず暖房運転時の動作について図１に示す冷媒回路図をもとに説明する。暖房運転時には、四方弁４の流路は図１に示す点線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て室外機１を流出しガス管５を経て室内機２に流入する。そして室内熱交換器６に流入し、凝縮器となる室内熱交換器６で放熱しながら凝縮液化し高圧低温の液冷媒となる。冷媒から放熱された熱を負荷側の空気や水などの負荷側媒体に与えることで暖房を行う。室内熱交換器６を出た高圧低温の冷媒は液管７を経由して、室外機１に流入した後で、第２膨張弁８で若干減圧された後で、気液二相冷媒となり中圧レシーバ９に流入する。中圧レシーバ９内で圧縮機３吸入の低温の冷媒に熱を与え冷却され、液となって流出する。その後、蒸発器となる室外熱交換器１１に流入し、そこで吸熱し蒸発、ガス化される。その後四方弁４を経て中圧レシーバ９で高圧の冷媒と熱交換し、さらに加熱され、圧縮機３に吸入される。

次に冷房運転時の動作について図１に示す冷媒回路図をもとに説明する。冷房運転時には、四方弁４の流路は図１の実線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て凝縮器となる室外熱交換器１１に流入し、ここで放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる。室外熱交換器１１を出た冷媒は第１膨張弁１０で若干減圧された後で、引き続き中圧レシーバ９内で、圧縮機３に吸入される冷媒と熱交換し冷却される。その後第２膨張弁８で低圧まで減圧され二相冷媒となった後で、室外機１を流出し、液管７を経て室内機２に流入する。そして、蒸発器となる室内熱交換器６に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化しながら室内機２側の空気や水などの負荷側媒体に冷熱を供給する。室内熱交換器６を出た低圧ガス冷媒は室内機２を出て、ガス管５を経て室外機１に流入し、四方弁４を経た後で、中圧レシーバ９で高圧冷媒と熱交換し加熱された後で、圧縮機３に吸入される。

次にこの実施の形態１の回路構成、および制御によって実現される作用効果について説明する。この実施の形態１における中圧レシーバ９内での圧縮機３吸入配管１３の貫通配管１３ａと熱交換冷媒９ａとの作用効果について説明する。中圧レシーバ９では、中圧レシーバ９内で圧縮機３吸入配管１３の貫通配管１３ａとの熱交換冷媒９ａとの熱交換により冷却され液となって流出する。冷房運転時には第１膨張弁１０を出た気液二相冷媒が流入し、中圧レシーバ９内で冷却され液となって流出することにより、蒸発器となる室内熱交換器６に流入する冷媒のエンタルピは低くなるので、蒸発器での冷媒エンタルピ差が拡大される。従って冷房運転時には冷房能力が増加する。

一方、圧縮機３に吸入される冷媒は加熱され、吸入温度が上昇する。これに伴い圧縮機３の吐出温度も上昇する。また圧縮機３の圧縮行程では、同じ昇圧を行う場合でも一般的に高温の冷媒を圧縮するほどより多くの仕事を必要とする。従って、中圧レシーバ９内での圧縮機３吸入配管１３の貫通配管１３ａと熱交換冷媒９ａとの熱交換による効率面での影響は、蒸発器エンタルピ差拡大による能力増加と、圧縮仕事の増加の両面が表れ、蒸発器エンタルピ差拡大による能力増加の影響が大きい場合には、装置の運転効率が上昇する。

また、中圧レシーバ９内での吸入配管１３の貫通配管１３ａと熱交換冷媒９ａとの熱交換は、主に気液二相冷媒のうちガス冷媒が吸入配管１３の貫通配管１３ａと触れて凝縮液化して熱交換される。従って、中圧レシーバ９内に滞留する液冷媒量が少ないほど、ガス冷媒と吸入配管１３の貫通配管１３ａとの熱交換冷媒９ａが接触する面積が多くなり、熱交換量は増加する。逆に、中圧レシーバ９内に滞留する液冷媒量が多いと、ガス冷媒と吸入配管１３の貫通配管１３ａとの熱交換冷媒９ａが接触する面積が少なくり、熱交換量は減少する。

このように、中圧レシーバ９内で熱交換を行うことにより、運転状態変動に伴う熱交換量変動が自律的に発生し、その結果として中圧レシーバ９内の圧力変動が抑制される。

また中圧レシーバ９内で熱交換を行うことで装置運転そのものが安定するという効果もある。例えば低圧側の状態が変動し、蒸発器である室外熱交換器１１出口の冷媒過熱度が大きくなった場合には、中圧レシーバ９内での熱交換の際の温度差が減少するため、熱交換量が減少し、ガス冷媒が凝縮されにくくなるので、中圧レシーバ９内のガス冷媒量が増加し、液冷媒量が減少する。減少した分の液冷媒量は、室外熱交換器１１に移動し、室外熱交換器１１内の液冷媒量が増加することから、室外熱交換器１１出口の冷媒過熱度が大きくなることが抑制され、装置の運転変動が抑制される。逆に、低圧側の状態が変動し、蒸発器である室外熱交換器１１出口の冷媒過熱度が小さくなった場合には、中圧レシーバ９内での熱交換の際の温度差が増加するため、熱交換量が増加し、ガス冷媒が凝縮されやすくなるので、中圧レシーバ９内のガス冷媒量が減少し、液冷媒量が増加する。この分の液冷媒量は、室外熱交換器１１から移動することになり、室外熱交換器１１内の液冷媒量が減少することから、室外熱交換器１１出口の冷媒過熱度が小さくなることが抑制され、装置の運転変動が抑制される。

この過熱度変動を抑制する作用も、中圧レシーバ９内で熱交換を行うことにより、運転状態変動に伴う熱交換量変動が自律的に発生することによって生じている。

なお、第１膨張弁１０は圧縮機３の吸入過熱度が目標値となるように制御するとしたが、この制御により蒸発器となる熱交換器出口の過熱度を最適にでき、蒸発器での熱交換性能を高く確保するとともに、冷媒エンタルピ差も適度に確保するように運転することができ、高効率の運転を行うことができる。

図２は、上記冷凍空調装置の除霜運転に関する制御動作の一例を示すフローチャートである。この例では、暖房運転を開始すると、ステップＳ１で、まず圧縮機３の容量、第１膨張弁１０の開度、第２膨張弁８の開度がそれぞれ初期値に設定される。そして、ステップＳ２で、予め設定されていた霜取り禁止時間τ１、τ３の経過後（例えば、τ１＝９０分、τ３＝４０分）、運転状態に応じて以下のように制御される。
圧縮機３の容量は、基本的に室内機２の第７温度センサ１４ｇで計測される空内温度が、冷凍空調装置使用者が設定する温度になるように制御される。

ステップＳ３では、室外機１（特に室外熱交換器１１）の着霜状態を検知するため、蒸発器冷媒温度として第３温度センサ１４ｃで検出した室外機１の室外配管温度と、予め定めた設定値とを比較する。そして、図３（ａ）に示すように、室外配管温度が設定値と等しいかあるいはそれ以下、例えば−５℃以下で、かつ外気温度と室外配管温度の温度差ΔＴに表すように室外配管温度が外気センサ（第４温度センサ１４ｄ）の温度より１０℃以上あり、かつ霜取り禁止時間τ３（例えば３０分）経過後の場合は、蒸発器である室外熱交換器１１への着霜量大と判定し、ステップＳ４で圧縮機の周波数をｍｉｎＨｚ、例えば２５ＨｚまでダウンしてステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、圧縮機周波数を一旦ｍｉｎ周波数に落とし、四方弁４を切替え除霜運転を開始し、ステップＳ６で圧縮機周波数を霜取り周波数、例えば９２Ｈｚに固定する。次に、ステップ７で室外配管温度と予め定めた設定値とを比較し、室外配管温度が設定値と等しいか、あるいはそれ以上（例えば８℃）となった場合には、ステップＳ８において圧縮機３を１分間停止し、その時間経過後ステップＳ９において、四方弁４を切替え圧縮機３を再起動させて、暖房運転を再開する。そして、ステップＳ１０で、ステップ７における霜取り時間（前回の霜取り時間）τ２に応じて霜取り禁止時間τ１、τ３を設定して、霜取りを禁止し暖房運転を継続する。
ここで霜取り時間τ２と霜取り禁止時間τ１、τ３の関係としては、霜取り時間τ２が長くなる程次回の霜取り禁止時間（τ１、τ３）、すなわち暖房運転継続時間が短くなるが、これは着霜量が多いと想定される場合には、比較的短い間隔で霜取り運転を行うことで蒸発器の性能ダウンを早く回復させることで暖房性能の改善を図る。逆に着霜量が少ないと想定される場合、すなわち霜取り時間τ２が短い場合には、次回の霜取り禁止時間（（τ１、τ３）を変更して長く設定し、暖房運転継続時間を長くする事で暖房快適性の向上を図っている。霜取り時間τ２による霜取り禁止時間τ１、τ３の設定例を図４に示すが、霜取り時間τ２が短い場合、例えばτ２が３分以下の場合はτ１は１５０分、τ３は３０分に設定される。また霜取り時間τ２が長い場合、例えばτ２が１２分の場合は、τ１は３０分、τ３は２０分に設定される。また、霜取り時間τ２は最長で１５分までと規定されている。なお、τ１、τ３については、τ１≧τ３の関係が成り立つ様に設定される。
除霜運転を行う際は冷房と同様のサイクルとし、圧縮機３より吐出された高圧・高温冷媒を室外熱交換器１１に流し、除霜運転を実施する。その後は再度ステップＳ３に戻るサイクルで運転制御されるものである。

一方、図３（ｂ）に示すように、ステップ３で、室外配管温度が予め定めた設定値と等しいかあるいはそれ以下であって、温度差ΔＴが１０℃より小さく、かつ霜取り禁止時間τ１（例えば１５０分）経過後の場合、例えば、室外配管温度が−２℃となった場合はステップ４及びステップ５に進み、除霜運転を開始する。但し、この場合、予め霜取り禁止時間τ１は比較的長く設定されているため、長時間（１５０分）暖房運転を行え、快適性の向上が図られる。

なお、ステップＳ５〜ステップＳ１０は上述したとおりである。

図３（ａ）に示す多湿条件等により室外熱交換器１１への着霜量が多い場合の特性図では、着霜に伴う伝熱性能低下、また圧力損失増加による風量低下により、蒸発温度は序々に低下するため、外気温度と室外配管温度の差が多くなる。従って、前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ３（ここでは３０分）を経過し、室外配管温度がマイナス温度（例えば−５℃以下）で、かつ外気温度より充分低い場合（例えば、室外配管温度が外気温度より１０℃低い場合、室外熱交換器への着霜が多いと判断し、霜取り運転に切替え、着霜を溶解し、蒸発器として作用する室外熱交換器の伝熱性能の回復を図る。

これに対し、図３（ｂ）に示す低湿度等により室外熱交換器１１への着霜量が少ない場合の特性図では、外気温度に対する室外配管温度の低下も少ない。この場合には、前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ１（ここでは１５０分）を経過し、かつ室外配管温度がマイナス温度、例えば、−２℃以下であれば、霜取り運転に切替える。但しこの場合霜取り禁止時間τ１は充分長い時間が設定されているため、長時間の暖房運転が可能となり、運転効率の改善が図れる。

次に暖房除霜運転時に実現される作用効果について説明する。暖房運転時における室外熱交換器１１の冷媒配管への着霜を冷媒の熱により溶解させる除霜運転は、四方弁４を切替え冷房運転時と同様に冷媒を流す事で実施される。その際、圧縮機３の周波数を霜取り周波数に固定するが、その霜取り周波数は定格周波数よりも高い周波数に設定することで、圧縮機３から吐出される冷媒流量が増加し凝縮器である室外熱交換器１１に流入する冷媒流量が増えるため、除霜時間の短縮化が図れる。

また除霜運転終了後の暖房運転への切り替わり時に圧縮機３を一旦停止させることで、高低圧の差圧を小さく確実に四方弁４の切替えを行い、また、その際に発生する振動、冷媒音等の抑制を図るものである。
なお上記説明は暖房運転時蒸発器冷媒温度検出手段として第３温度センサ１４ｃを使用した例について説明を行ったが、第２温度センサ１４ｂを使用または併用しても同様の効果が得られる事は言うまでも無い。また上記説明は使用冷媒としてＲ４１０Ａを使用した場合の説明を行ったが、他の冷媒を用いても同様の効果が得られる事は言うまでも無い。

Claims (3)

1. 圧縮機、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器、及び暖房時と冷房時で冷媒の流れ方向を切替える切替器を有した冷媒回路を備え、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、
   前記室外熱交換器への着霜状態の判断に供される室外熱交換器の冷媒温度検出手段と外気温度検出手段とが設けられ、
   前回の霜取り時間τ２の長さに応じて暖房運転を連続して行う２種類の霜取り禁止時間τ１、τ３が複数設定されており、
   前回の霜取り時間τ２が長くなる程、前記霜取り禁止時間τ１、τ３を短く設定し、前回の霜取り時間τ２が短くなる程、前記霜取り禁止時間τ１、τ３を長く設定して、除霜運転を行う様に制御する制御装置を備え、
   前記２種類の霜取り禁止時間τ１、τ３は、τ１≧τ３の関係を有し、
   前記制御装置は、
   前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ３を経過し、前記室外熱交換機の冷媒温度に対応する室外配管温度がマイナス温度で、かつ外気温度より１０℃低い場合、前記室外熱交換器への着霜量が多いと判断して、霜取り運転に切替え、
   前回の霜取り時間τ２を基に設定された霜取り禁止時間τ１を経過し、かつ前記室外配管温度がマイナス温度であれば、前記室外熱交換器への着霜量が少ないと判断して、霜取り運転に切替える、ことを特徴とする冷凍空調装置。
2. 前記室内熱交換器と第１の減圧装置との間に中圧レシーバを備え、前記室内熱交換器と中圧レシーバとの間に第２の減圧装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
3. 冷媒の流れに対し前記中圧レシーバの下流側に位置する減圧装置により、圧縮機吸入の冷媒過熱度、蒸発器として作用する前記熱交換器出口の冷媒過熱度、圧縮機吐出温度、もしくは圧縮機吐出冷媒過熱度のいずれかが予め定めた目標値となるように制御し、
   冷媒の流れに対し前記中圧レシーバの上流側に位置する減圧装置により、凝縮器として作用する前記熱交換器出口の過冷却度が予め定めた目標値となるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の冷凍空調装置。

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