JP5257462B2

JP5257462B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP5257462B2
Application number: JP2011002996A
Authority: JP
Inventors: 剛山田; 哲哉小笠原; 順一下田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2011099672A

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用した空気調和装置に関する。

空気調和装置の室外熱交換器は、暖房運転時に冷媒の蒸発器として機能するので、屋外の空気に含まれる水分が室外熱交換器の表面で結露する。特に、外気温度が０℃近傍のときは、室外熱交換器への着霜が著しく、着霜の範囲は室外熱交換器だけでなく室外ファン本体、室外ファン周辺のベルマウスおよびファンガードにまでおよぶ。

それゆえ、特許文献１（特開平４−３６６３４１号公報）に開示されている空気調和装置では、室外熱交換器の表面を覆った霜は、除霜運転時にホットガスを室外熱交換器へ流すことによって融解させている。

しかしながら、上記空気調和装置では、室外熱交換器に付着した霜を融かすことはできるが、室外ファン本体、室外ファン周辺のベルマウスおよびファンガードなどに付着した霜までを融かすことはできなかった。

本発明の課題は、室外熱交換器と熱交換する空気流の下流側に位置する機器や部材に付着した霜までを除去することができる空気調和装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る空気調和装置は、冷媒回路と、切換弁と、室外ファンと、外気温度センサと、制御部とを備えている。冷媒回路は、暖房運転時に、圧縮機、室内熱交換器、減圧機構、及び室外熱交換器の順で冷媒が循環する。切換弁は、冷媒回路に接続され、圧縮機から吐出された冷媒の流れ方向を切り替える。外気温度センサは、外気温度を測定する。制御部は、除霜運転時に、室外ファンを停止させ且つ圧縮機から吐出された冷媒を切換弁によって室外熱交換器に向わせる除霜運転制御を行ない、除霜運転制御が終了した後、圧縮機を停止させて室外ファンを稼動させる均圧運転制御を行なう。さらに、制御部は、外気温度センサを介して検知した外気温度が所定範囲内にあるとき、除霜運転終了後に圧縮機から吐出された冷媒を室外熱交換器に向わせる運転のまま、室外ファンを所定時間回転させるファン除霜運転制御を行い、その間、室外ファンを均圧運転制御時よりも低い回転数で稼動させる。

所定の条件下では、除霜運転終了後であっても室外ファン本体およびその周辺部材（例えば、ベルマウス及びファンガード）に付着した霜は融解しない。しかし、この空気調和装置では、室外ファンが回転することによって、温度上昇した室外熱交換器を通過する空気が温風となって室外ファン本体およびその周辺部材に当たるので、そこに付着している霜が融解する。

本発明の第２観点に係る空気調和装置は、第１観点に係る空気調和装置であって、制御部が、ファン除霜運転制御の間、圧縮機を除霜運転時よりも低い特定の運転周波数で稼動させる。

この空気調和装置では、ファン除霜運転後に冷媒回路内を均圧する均圧運転が行われるので、冷媒回路内の高低圧差が素早く所定値以下となるために、均圧運転前のファン除霜運転時の圧縮機の運転周波数は低い方が好ましい。そのため、ファン除霜運転時の圧縮機の運転周波数は除霜運転時よりも低い特定の周波数に設定されている。

本発明の第１観点に係る空気調和装置では、除霜運転終了後も室外ファンが回転することによって、温度上昇した室外熱交換器を通過する空気が温風となって室外ファン本体およびその周辺部材に当たるので、そこに付着している霜が融解する。

この空気調和装置では、ファン除霜運転時の圧縮機の運転周波数が除霜運転時よりも低い特定の周波数に設定されているので、冷媒回路内の高低圧差が素早く所定値以下となる。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図。正面側から視た室外機の外観斜視図。フロントパネル、右側面パネルと背面パネルを取り除いた室外機の斜視図。底板、室外熱交換器および室外ファン以外の部材を取り除いた室外機の斜視図。底板および機械室以外の部材を取り除いた室外機の平面図。電磁誘導加熱ユニットの断面図。空気調和装置のファン除霜運転前後のタイムチャート。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置の構成図である。図１において、空気調和装置１では、熱源側装置としての室外機２と、利用側装置としての室内機４とが冷媒配管によって接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路１０が形成されている。

室外機２は、圧縮機２１、四路切換弁２２、室外熱交換器２３、膨張弁２４、アキュームレータ２５、室外ファン２６、ホットガスバイパス弁２７、キャピラリチューブ２８および電磁誘導加熱ユニット６を収容している。室内機４は、室内熱交換器４１および室内ファン４２を収容している。

冷媒回路１０は、吐出管１０ａ、ガス管１０ｂ、液管１０ｃ、室外側液管１０ｄ、室外側ガス管１０ｅ、アキューム管１０ｆ、吸入管１０ｇ、及びホットガスバイパス１０ｈを有している。

吐出管１０ａは、圧縮機２１と四路切換弁２２とを接続している。ガス管１０ｂは、四路切換弁２２と室内熱交換器４１とを接続している。液管１０ｃは、室内熱交換器４１と膨張弁２４とを接続している。室外側液管１０ｄは、膨張弁２４と室外熱交換器２３とを接続している。室外側ガス管１０ｅは、室外熱交換器２３と四路切換弁２２とを接続している。

アキューム管１０ｆは、四路切換弁２２とアキュームレータ２５とを接続している。電磁誘導加熱ユニット６は、アキューム管１０ｆの一部分に取り付けられている。アキューム管１０ｆのうち、少なくとも電磁誘導加熱ユニット６によって覆われている被加熱部分では、銅管の周囲がステンレス鋼管で覆われている。冷媒回路１０を構成する配管のうち、そのステンレス鋼管以外の部分は銅管である。

吸入管１０ｇは、アキュームレータ２５と圧縮機２１の吸入側とを接続している。ホットガスバイパス１０ｈは、吐出管１０ａの途中に設けられた分岐点Ａ１と室外側液管１０ｄの途中に設けられた分岐点Ｄ１とを接続している。

ホットガスバイパス１０ｈは、途中にホットガスバイパス弁２７が配置されている。制御部１１は、ホットガスバイパス弁２７を開閉して、ホットガスバイパス１０ｈを冷媒の流通を許容する状態と許容しない状態とに切換える。また、ホットガスバイパス弁２７の下流側には、冷媒の流通路の断面積を減じるキャピラリチューブ２８が設けられており、除霜運転時、室外熱交換器２３を流通する冷媒とホットガスバイパス１０ｈを流通する冷媒との割合が一定に保たれている。

四路切換弁２２は、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り替えることができる。図１では、暖房運転を行うための接続状態を実線で示し、冷房運転を行うための接続状態を点線で示している。暖房運転時、室内熱交換器４１は凝縮器として、室外熱交換器２３は蒸発器として機能する。冷房運転時、室外熱交換器２３は凝縮器として、室内熱交換器４１は蒸発器として機能する。

室外熱交換器２３の近傍には、室外熱交換器２３に室外空気を送る室外ファン２６が配置されている。室内熱交換器４１の近傍には、室内熱交換器４１に室内空気を送る室内ファン４２が配置されている。

制御部１１は、室外制御部１１ａと室内制御部１１ｂとを有している。室外制御部１１ａと室内制御部１１ｂとは通信線１１ｃによって接続されている。そして、室外制御部１１ａは室外機２内に配置される機器を制御し、室内制御部１１ｂは室内機４内に配置されている機器を制御する。

（２）詳細構成
（２−１）室外機の外観
図２は正面側から視た室外機の外観斜視図である。図２において、室外機２の外殻は、天板２ａ、天板２ａと対向する底板（不可視）、フロントパネル２ｃ、ファンガード２ｋ、右側面パネル２ｆ、右側面パネル２ｆと対向する左側面パネル（不可視）、フロントパネル２ｃ及びファンガード２ｋと対向する背面パネル（不可視）によって略直方体形状に形成されている。

（２−２）室外機の内部
図３は、フロントパネル、右側面パネルおよび背面パネルを取り除いた室外機の斜視図である。図３において、室外機２は、仕切り板２ｈによって送風機室と機械室とに区分されている。送風機室には室外熱交換器２３及び室外ファン（不可視）が配置され、機械室には電磁誘導加熱ユニット６、圧縮機２１、及びアキュームレータ２５が配置されている。

図４は、底板、室外熱交換器および室外ファン以外の部材を取り除いた室外機の斜視図である。図４において、室外熱交換器２３は、Ｌ字形状に成形されているフィン・アンド・チューブ式熱交換器である。そして、２台の室外ファン２６が、ファンガード２ｋ（図３参照）と室外熱交換器２３との間に、支持台を介して鉛直方向に隣接するように配置されている。室外ファン２６が回転することによって、室外空気が左側面パネル及び背面パネルの通気口から吸い込まれ、室外熱交換器２３のフィン間を通過し、ファンガード２ｋから吹き出される。

（２−３）室外機の底板近傍の構造
図５は、底板および機械室以外の部材を取り除いた室外機の平面図である。なお、図５には、室外熱交換器２３の位置が分かるように室外熱交換器２３が２点鎖線で描かれている。ホットガスバイパス１０ｈは底板２ｂ上に配置されており、圧縮機２１が位置する機械室側から送風機室側に延び、送風機室側底部を一周して機械室側に戻る。ホットガスバイパス１０ｈの全長の約半分は、室外熱交換器２３の下方に位置する。また、底板２ｂのうちの室外熱交換器２３の下方に位置する部分には、底板２ｂを板厚方向に貫通する排水口８６ａ〜８６ｅが形成されている。

（２−４）電磁誘導加熱ユニット
図６は、電磁誘導加熱ユニットの断面図である。図６において、電磁誘導加熱ユニット６は、アキューム管１０ｆのうち被加熱部分を径方向外側から覆うように配置されており、電磁誘導加熱によって被加熱部分を加熱する。アキューム管１０ｆの被加熱部分は、内側の銅管と外側のステンレス鋼管１００ｆとによって二重管構造となっている。ステンレス鋼管１００ｆに使用されるステンレス材料は、クロムを１６〜１８％含むフェライト系ステンレス、或はニッケルを３〜５％、クロムを１５〜１７．５％、銅を３〜５％含む析出硬化系ステンレスが選択される。

電磁誘導加熱ユニット６は、先ずアキューム管１０ｆに位置決めされ、次に上端近傍が第１六角ナット６１によって固定され、最後に下端近傍が第２六角ナット６６によって固定される。

コイル６８は、ボビン本体６５の外側に螺旋状に巻き付けられている。コイル６８は、フェライトケース７１の内側に収容されている。フェライトケース７１は、第１フェライト部６９及び第２フェライト部７０をさらに収容している。

第１フェライト部６９は、透磁率の高いフェライトによって成形されており、コイル６８に電流を流した際に、ステンレス鋼管１００ｆと共に磁束の通り道を形成する。第１フェライト部６９は、フェライトケース７１の両端側に位置する。

第２フェライト部７０は、位置および形状は第１フェライト部６９と異なるが、その機能は第１フェライト部６９と同様であり、フェライトケース７１の収容部のうちボビン本体６５の外側近傍に配置される。

（３）空気調和装置の動作
空気調和装置１は、四路切換弁２２によって、冷房運転および暖房運転のいずれか一方に切り換えることが可能である。

（３−１）冷房運転
冷房運転では、四路切換弁２２が、図１の点線で示された状態に設定される。この状態で圧縮機２１が運転されたとき、冷媒回路１０では、室外熱交換器２３が凝縮器となり、室内熱交換器４１が蒸発器となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して凝縮する。室外熱交換器２３を通過した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧され、その後に室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して蒸発する。そして、冷媒との熱交換によって温度低下した空気は、空調対象空間に吹き出される。室内熱交換器４１を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

（３−２）暖房運転
暖房運転では、四路切換弁２２が、図１の実線で示された状態に設定される。この状態で圧縮機２１が運転されたとき、冷媒回路１０では、室外熱交換器２３が蒸発器となり、室内熱交換器４１が凝縮器となる蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して凝縮する。そして、冷媒との熱交換によって温度上昇した空気は、空調対象空間に吹き出される。凝縮した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧された後、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して蒸発する。室外熱交換器２３を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

暖房運転の起動時、特に、圧縮機２１が十分に暖まっていないとき、電磁誘導加熱ユニット６がアキューム管１０ｆを加熱することによって、圧縮機２１は暖められた冷媒を圧縮することができる。その結果、圧縮機２１から吐出するガス冷媒の温度が上昇し、起動時の暖房能力不足が補われる。

（３−３）除霜運転
暖房運転がおこなわれたとき、空気中に含まれる水分が室外熱交換器２３の表面で結露し、霜となり或は氷結して室外熱交換器の表面を覆い、熱交換性能を低下させる。このため、室外熱交換器２３に付着した霜、或は氷を融かすために除霜運転が行われる。除霜運転は、冷房運転と同じサイクルで行われる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、室外熱交換器２３で室外空気と熱交換して凝縮する。その冷媒からの放熱によって、室外熱交換器２３を覆う霜、或は氷が融かされる。放熱して凝縮した冷媒は、膨張弁２４を通過する際に減圧され、その後に室内熱交換器４１で室内空気と熱交換して蒸発する。このとき、室内ファン４２は停止している。なぜなら、室内ファン４２が稼動すると、空調対象空間に冷やされた空気が吹き出されて快適性を損なうからである。室内熱交換器４１を通過した冷媒は、圧縮機２１へ吸入されて圧縮される。

また、除霜運転時、電磁誘導加熱ユニット６がアキューム管１０ｆを加熱することによって、圧縮機２１は暖められた冷媒を圧縮することができる。その結果、圧縮機２１から吐出するガス冷媒の温度が上昇し、除霜能力が向上する。

また、除霜運転時、ホットガスバイパス１０ｈにも圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒が流される。室外機２の底板２ｂ上に霜、或は氷が成長している場合でも、その氷はホットガスバイパス１０ｈを通る冷媒からの放熱によって融かされる。そのとき発生した水は、排水口８６ａ〜８６ｅから排水される。また、排水口８６ａ〜８６ｅもホットガスバイパス１０ｈによって加熱されるので、排水口８６ａ〜８６ｅが凍結によって塞がれることは防止される。

（４）空気調和装置のその他の動作
（４−１）ファン除霜運転
ファン除霜運転とは、除霜運転終了後に室外ファン２６を所定時間回転させ、室外熱交換器２３を通過した空気で室外ファン２６本体およびその周辺部材に付着した霜を融解させる運転である。以下、図面を参照しながら説明する。

図７は、空気調和装置のファン除霜運転前後のタイムチャートである。図７において、ファン除霜運転は、除霜運転時の冷凍サイクルのまま、圧縮機２１の運転周波数を除霜運転時よりも低い特定の周波数にして所定時間実行される。その所定時間は、空気調和装置の据付場所の気候条件に適した時間長さが設定され、具体的には、６０秒、８０秒および１００秒の３段階に設定可能であり、空気調和装置１の据付時に設定ボタンを介して設定される。その結果、ファン除霜運転制御後に室外ファン２６本体およびその周辺部材に霜が残るという状態が回避される。但し、空気調和装置１の据付時にファン除霜運転を実施させない設定にすることも可能である。さらに、所定時間は空気調和装置１の据付時以外でも設定可能であり、ファン除霜運転を実施させない設定にするか否かも、空気調和装置１の据付時以外で設定可能である。

ファン除霜運転時、室外ファン２６は比較的低い回転数で回転する。室外ファン２６の回転数は、１〜８ステップ（停止は含ます）の範囲で切換可能であり、ファン除霜運転時には、低い方から３番目のステップ３が選択される。なお、ファン除霜運転の前に行われる除霜運転時には、室外ファン２６は停止している。

ファン除霜運転は、必ず実行されるものではなく、除霜運転開始直前に所定条件が成立している場合に実行される。通常、除霜運転は、先の除霜運転から一定時間経過後で、外気温度および室外熱交換器温度が予め設定された温度以下になったときに実行されるが、ファン除霜運転は、除霜運転が開始される直前の外気温度が−５℃〜５℃の範囲内のとき、除霜運転終了後に実行される。なお、外気温度は、室外機２に取り付けられた外気温度センサ１０２を介して測定されている。

例えば、低温（０℃近傍）多湿の環境下で暖房運転が行われた場合、室外熱交換器２３だけでなくファンガード２ｋまでも着霜する。本実施形態では、室外ファン２６はプロペラファンであるので、プロペラの周囲にベルマウスのあるタイプであれば、そのベルマススにも着霜する。仮に室外ファン２６がターボファンであれば、ファンブレードにも着霜する。このような状態では、たとえ除霜運転が終了しても室外熱交換器２３の霜が融解するだけであり、室外ファン２６の周囲にあるファンガード２ｋなどに付着した霜は融解しない。しかし、本実施形態では、ファン除霜運転によって室外ファン２６が稼動するので、室外熱交換器２３で暖められた空気が室外ファン２６本体およびファンガード２ｋなど室外ファン２６本体の周辺部材に送られるので、ファンガード２ｋなどに付着した霜も暖められて融解する。

また、圧縮機２１が稼動しているので、室外熱交換器２３に流入する冷媒の温度が高く維持され除霜能力が高まる。さらに、電磁誘導加熱ユニット６がアキューム管１０ｆを加熱することによって、圧縮機２１は暖められた冷媒を圧縮することができるので、圧縮機２１から吐出するガス冷媒の温度が上昇し、室外熱交換器２３に流入する冷媒の温度がさらに高くなり、除霜能力がさらに高まる。その結果、霜を融かすために必要な時間が短縮する。

（４−２）均圧運転
ファン除霜運転が終了した後、圧縮機２１を停止させて室外ファン２６を稼動させる均圧運転が行われる。なお、ファン除霜運転が実行されていない場合は、除霜運転が終了した後に均圧運転が実行される。

均圧運転時の室外ファン２６の回転数は、ファン除霜運転時よりも高い回転数であるステップ６が選択される。均圧運転の目的は、冷媒回路１０内の高低圧差を解消する、又は所定値以下にすることであり、本実施形態では、ファン除霜運転が終了した後、８０秒経過するまで、或は冷媒回路１０内の高低圧差が０．４９ＭＰａ以下になるまで均圧運転が行われる。仮に、均圧運転が行われずに冷凍サイクルが暖房運転へ切換えられた場合、冷媒回路１０内の高低圧差による衝撃によって、四路切換弁２２などの機器が悪影響を受ける。

冷媒回路１０内の高低圧差が素早く所定値（０．４９ＭＰａ）以下となるためには、均圧運転前の圧縮機２１の運転周波数が低いことが好ましい。その理由から、均圧運転前のファン除霜運転では、圧縮機２１の運転周波数が除霜運転時よりも低い特定の周波数に設定されている。

（５）特徴
（５−１）
空気調和装置１では、除霜運転終了後も室外ファン２６が回転することによって、温度上昇した室外熱交換器２３を通過する空気が温風となって室外ファン２６本体およびその周辺部材に当たるので、そこに付着している霜が融解する。

（５−２）
空気調和装置１では、ファン除霜運転時の圧縮機２１の運転周波数が除霜運転時よりも低い特定の周波数に設定されているので、冷媒回路１０内の高低圧差が素早く所定値以下となる。

本発明によれば、寒冷地で且つ高湿度な地域向けの空気調和装置に有用である。

１空気調和装置
６電磁誘導加熱ユニット（冷媒加熱装置）
１０冷媒回路
１１制御部
２１圧縮機
２２四路切換弁
２３室外熱交換器
２４膨張弁（減圧機構）
２６室外ファン
４２室内熱交換器
１０２外気温度センサ

特開平４−３６６３４１号公報

Claims

暖房運転時に、圧縮機（２１）、室内熱交換器（４２）、減圧機構（２４）、及び室外熱交換器（２３）の順で冷媒が循環する冷媒回路（１０）と、
前記冷媒回路（１０）に接続され、前記圧縮機（２１）から吐出された前記冷媒の流れ方向を切り替える切換弁（２２）と、
室外ファン（２６）と、
外気温度を測定する外気温度センサ（１０２）と、
除霜運転時に、前記室外ファン（２６）を停止させ且つ前記圧縮機（２１）から吐出された冷媒を前記切換弁（２２）によって前記室外熱交換器（２３）に向わせる除霜運転制御を行ない、前記除霜運転制御が終了した後、前記圧縮機（２１）を停止させて前記室外ファン（２６）を稼動させる均圧運転制御を行なう制御部（１１）と、
を備え、
前記制御部（１１）は、前記外気温度センサ（１０２）を介して検知した外気温度が所定範囲内にあるとき、前記除霜運転終了後に前記圧縮機（２１）から吐出された冷媒を前記室外熱交換器（２３）に向わせる運転のまま、前記室外ファン（２６）を所定時間回転させるファン除霜運転制御を行い、その間、前記室外ファン（２６）を前記均圧運転制御時よりも低い回転数で稼動させる、
空気調和装置（１）。
さらに前記制御部（１１）は、前記ファン除霜運転制御の間、前記圧縮機（２１）を前記除霜運転時よりも低い特定の運転周波数で稼動させる、
請求項１に記載の空気調和装置（１）。