JP5313467B2 - 空気調和システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和システムに関し、特に暖房運転を継続的に行いながら除霜運転を行うことができる空気調和システム及びその製造方法に関する。

空気調和機とは、室内空間を冷蔵または暖房する機器をいう。空気調和機は、冷媒の循環方向によって、冷房サイクルと暖房サイクルで運転される。また、空気調和機の暖房運転の際、室外温度が所定温度以下に下がる時、室外熱交換機に霜が付く。室外熱交換機に霜が付くと、室外熱交換機の性能が非情に低下する。したがって、圧縮機から吐出された高温冷媒を室外熱交換機に供給して霜を除去する、いわゆる除霜運転が行われる。

しかし、従来の空気調和機には、次のような問題点がある。
従来の空気調和機は、除霜運転のために、暖房サイクルを停止してから冷房サイクルに切り換えるので、継続的に暖房サイクルで運転されることができない。また、除霜運転の際、室内空間に冷たい空気が吐出され、使用者はそれに不満を持つようになる。
また、従来の空気調和機は、除霜運転の際、室内熱交換機が冷却され、除霜運転の終了後、暖房運転が再開されるたび室内熱交換機が再加熱されるので、消費電力が非常に増加する。
さらに、従来の空気調和機は、室外温度が低いほど霜の結氷速度が幾何級数的に増加するので、除霜運転の周期が短くなる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、暖房運転を継続的に行いながらも室外熱交換機から霜を除去することができる空気調和システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、室外熱交換器の除霜が完了した後にも、室内熱交換器を再加熱する必要がない空気調和システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、室外熱交換器の除霜運転周期を延長することができる空気調和システム及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明の一側面によれば、冷媒を圧縮する圧縮ユニットと、圧縮ユニットに連結される室内熱交換ユニットと、室内熱交換ユニットに連結される膨張ユニットと、膨張ユニットと圧縮ユニットの吸入側の間の冷媒管に配置される室外熱交換ユニットと、圧縮ユニットの吐出側冷媒管から分岐されて、暖房運転の際、膨張ユニットの吐出側と圧縮ユニットの吸入側を連結する冷媒管に連結されるバイパス管と、バイパス管に配置されるバルブと、を含むことを特徴とする空気調和システムが提供される。

本発明の他の側面によれば、冷媒を圧縮する圧縮ユニットと、圧縮ユニットから吐出された冷媒を切り換える切換手段と、切換手段に連結される室内熱交換ユニットと、室内熱交換ユニットに連結される膨張ユニットと、膨張ユニットと切換手段の間の冷媒管に配置される室外熱交換ユニットと、圧縮ユニットの吐出側と切換手段の間の冷媒管から分岐されて、暖房運転の際、膨張ユニットの吐出側と圧縮ユニットの吸入側とを連結する冷媒管に連結されるバイパス管と、バイパス管に配置されるバルブと、を含むことを特徴とする空気調和システムが提供される。

本発明のまた他の側面によれば、少なくとも二つ以上の圧縮機を含む圧縮ユニットと、
圧縮ユニットに連結される室内熱交換ユニットと、室内熱交換ユニットに連結される膨張ユニットと、膨張ユニットと圧縮ユニットの吸入側の間の冷媒管に配置される室外熱交換ユニットと、圧縮ユニットの一部の圧縮機の吐出側冷媒管から分岐されて、暖房運転の際、膨張ユニットの吐出側と圧縮ユニットの吸入側を連結する冷媒管に連結されるバイパス管と、バイパス管に配置されるバルブと、を含むことを特徴とする空気調和システムが提供される。

バイパス管は、暖房運転の際、室外熱交換ユニットの吸入側冷媒管に連結されることができる。
バイパス管は、冷媒の圧力を調節するための圧力調節手段をさらに含むことができる。
バイパス管は、圧縮ユニットの吸入側と室外熱交換ユニットの間の冷媒管に連結されることができる。
バイパス管の分岐された部分と切換手段の間の冷媒管に、バルブがさらに含まれることができる。

本発明によれば、暖房運転するステップと、室外熱交換ユニットが既設定の除霜条件に到達したかを判断するステップと、除霜条件に到達したら、バルブを開放して、圧縮ユニットから吐出された冷媒の一部をバイパス管を介して室外熱交換ユニットの吸入側に流入させるステップと、を含むことを特徴とする空気調和システムの制御方法が提供される。

除霜条件に到達したかを判断するステップで、室外熱交換ユニットの温度が既設定の温度以下であれば、除霜条件に到達したと判断することができる。

本発明によれば、圧縮ユニットから吐出された冷媒の一部が室外熱交換ユニットの吸入側冷媒管にバイパスされるので、暖房運転と除霜運転を同時に行うことができるという効果が得られる。また、除霜運転を行うために暖房運転を停止させる必要がなくなるという効果が得られる。

また、本発明によれば、圧縮ユニットから吐出された冷媒の一部が室外熱交換ユニットの吐出側冷媒管にバイパスされるので、除霜運転の時期を遅延することができるという効果が得られる。

以下、の目的を具体的に実現できる本発明の好ましい実施例を、添付図面に基づき詳細に説明する。
以下、本発明に係る空気調和システムにおける室内機の第１実施例について説明する。
図１は、本発明に係る空気調和システムの第１実施例を示す回路図であって、図２は、図１の空気調和システムの制御方法を示すフローチャートであって、図３は、図１の空気調和システムのＰ−ｈ線図である。

図１に示すように、空気調和システムは、圧縮ユニット１０を含む。圧縮ユニット１０は、多数の圧縮機１１、１２を含むことができる。ここで、圧縮ユニット１０は、メイン圧縮機１１とサブ圧縮機１２を含む。メイン圧縮機１１は、全ての運転の際に稼動し、サブ圧縮機１２は、必要な場合にだけ稼動することができる。また、圧縮ユニット１０は、一つの圧縮機からなることができる。

圧縮ユニット１０の吐出側冷媒管１１１には、圧縮ユニット１０から吐出された冷媒が逆流しないように、チェックバルブ１５がそれぞれ配置されることができる。
圧縮ユニット１０の吐出側冷媒管１１１には、切換手段２０が連結される。ここで、切換手段２０としては、四方バルブ（４ ｗａｙ ｖａｌｖｅ）が提示される。切換手段２０は、冷媒循環方向を制御する。

切換手段２０には、室内熱交換ユニット３０が連結される。室内熱交換ユニット３０には、膨張ユニット４０が連結される。膨張ユニット４０としては、冷媒を膨張させるＬＥＶ（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）または毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｂｅ）を適用することができる。
膨張ユニット４０には、室外熱交換ユニット５０が連結される。室外熱交換ユニット５０には、切換手段２０が連結される。

切換手段２０と圧縮ユニット１０の吸入側冷媒管１１４には、アキュムレータ６０が配置される。アキュムレータ６０は、切換手段２０から流入する冷媒の仲で、気体冷媒だけを圧縮ユニット１０に提供する。アキュムレータ６０には、冷媒を加熱するための別途の加熱装置が設けられることができる。加熱装置に関しては、図示を省略する。

圧縮ユニット１０の吐出側冷媒管１１１から、バイパス管１１０が分岐される。ここで、バイパス管１１０は、圧縮ユニット１０のサブ圧縮機１２の吐出側冷媒管１１１から分岐され得る。すなわち、バイパス管１１０は、多数の圧縮機１１、１２のうち一つまたは多数の圧縮機１１、１２の吐出側冷媒管１１１からそれぞれ分岐され得る。

バイパス管１１０は、暖房運転の際、膨張ユニット４０の吐出側と圧縮ユニット１０の吸入側とを連結する冷媒管１１２に連結され得る。例えば、バイパス管１１０は、暖房運転の際、膨張ユニット４０の吐出側と室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒管１１２との間に連結される。

バイパス管１１０には、第１バルブ１０１が配置され得る。ここで、バイパス管１１０が、二つ以上の圧縮機１１、１２の吐出側冷媒管１１１からそれぞれ分岐された場合、第１バルブ１０１は各バイパス管１１０にそれぞれ配置され得る。第１バルブ１０１としては、バイパス管１１０を開閉する開閉バルブを適用することができる。

また、バイパス管１１０には、冷媒の圧力を調節するための圧力調節手段１０３が配置され得る。圧力調節手段１０３は、圧縮ユニット１０からバイパス管１１０を介して吐出される冷媒が、膨張ユニット４０を通過した冷媒と同じ程度の圧力になるように制御する。

また、バイパス管１１０が分岐される部分と切換手段２０の間の冷媒管１１１には、第２バルブ１０２がさらに含まれることができる。第２バルブ１０２には、所定の圧縮機１１、１２から吐出された冷媒をバイパス管１１０だけに吐出させる。

のように構成された本発明の第１実施例の作用について説明する。空気調和システムは、選択的に冷房運転または暖房運転されることができる。以下では、暖房運転に関して説明する。
図１及び図２に示すように、空気調和システムが暖房運転されると（Ｓ１１）、冷媒が圧縮ユニット１０により高温高圧に圧縮される。このとき、暖房容量によって、メイン圧縮機１１だけを駆動したり、またはメイン圧縮機１１とサブ圧縮機１２の両方とも駆動することができる。

圧縮ユニット１０で圧縮された冷媒は、切換手段２０により、室内熱交換ユニット３０に案内される。このとき、第１バルブ１０１は閉鎖され、第２バルブは開放される。
室内熱交換ユニット３０では、冷媒と室内空気とが熱交換される。このとき、室内熱交換ユニット３０を通過する冷媒は、熱交換により凝縮する。そして、室内熱交換ユニット３０と熱交換された室内空気は、室内空間に吐出されて室内空間を暖房する。

室内熱交換ユニット３０から吐出された冷媒は、膨張ユニット４０に到達する。冷媒は、膨張ユニット４０を通過しながら低温低圧に膨張する。膨張冷媒は、室外熱交換ユニット５０に流入する。室外熱交換ユニット５０の冷媒は、室外空気から熱を吸収して、気体状態に変化する。

室外熱交換ユニット５０から吐出された冷媒は、切換手段２０に流入する。切換手段２０は、冷媒がアキュムレータ６０に流入するように切換する。アキュムレータ６０は、気体冷媒だけを圧縮ユニット１０に流入させる。

一方、室外温度が低い状態で暖房運転が行われる場合、室外熱交換ユニット５０の表面には、室外空気に含まれる湿気が付く。湿気は、室外熱交換ユニット５０の表面に結氷されて、霜となる。このとき、室外熱交換ユニット５０は蒸発器として作用するので、室外熱交換ユニット５０の霜は、室外熱交換ユニット５０と室外空気の熱交換を妨害する。よって、室外熱交換ユニット５０から吐出される冷媒の温度が下がって、圧縮ユニット１０に流入する冷媒の温度も下がるようになる。したがって、圧縮ユニット１０の吐出冷媒の温度が下がってしまい、空気調和システムの暖房効率を低下させる。

空気調和システムの暖房効率の低下を防止するために、室外熱交換ユニット５０に一定量以上の霜が付くと、室外熱交換ユニット５０に付いた霜を溶かす除霜運転を行う。このとき、除霜運転は、室外熱交換ユニット５０の温度を感知して、温度が既設定の温度以下であるかを判断する（Ｓ１２）。感知された温度が既設定の温度以下である場合、除霜運転が行われる。
また、暖房運転が所定時間行われた場合、除霜運転を行うこともできる。この時、暖房運転の時間は、室外温度にそれぞれ対応するよう、制御部（図示せず）に予め設定される必要がある。

除霜運転が始まると、圧縮ユニット１０から吐出された冷媒は、切換手段２０、室内熱交換ユニット３０、膨張ユニット４０及び室外熱交換ユニット５０を順次に流動する。このとき、室内熱交換ユニット３０には、継続的に圧縮ユニット１０から吐出された高温冷媒が流入して室内空間を暖房する。そして、このような冷媒流動は、暖房運転時と実質的に同一である。

同時に、第１バルブ１０１は開放され（Ｓ１３）、第２バルブ１０２は閉鎖される。この時、圧縮ユニット１０の一部冷媒は、バイパス管１１０を通して流動する。バイパス管１１０の冷媒は、圧力調節手段１０３により一定の圧力に調節される。また、第２バルブ１０２を若干開放することで、切換手段２０に流入する冷媒量を増加させることもできる。

バイパス管１１０の高温冷媒は、室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒管１１２に流入する。このとき、バイパス１１０の高温冷媒は、膨張ユニット４０から吐出された低温冷媒と混合される。よって、室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒管１１２の混合冷媒は、膨張ユニット４０からと出された冷媒に比べて、温度が非常に上昇する。

冷媒管１１２の混合冷媒は、室外熱交換ユニット５０に流入する。混合冷媒は、室外熱交換ユニット５０の表面に付いた霜を溶かす。このとき、室外熱交換ユニット５０の吐出冷媒は、暖房運転時の吐出冷媒より、相対的に高温になる。したがって、圧縮ユニット１０の吸入側で冷媒の温度が上昇して、空気調和システムの性能が全体的に上昇する。

このように、室外熱交換ユニット５０の吸入側に高温冷媒をバイパスさせることで、室内空間を暖房すると同時に、室外熱交換ユニット５０に付いた霜を除去することができる（Ｓ１４）。したがって、別途の除霜運転のために暖房運転を停止させる必要がなくなる。
では、室外熱交換ユニット５０の霜を除去する運転を除霜運転と称しているが、本発明の除霜運転は、実質的に暖房運転と除霜運転を同時に行う運転を意味する。

図３を参照すると、暖房運転サイクルと除霜運転サイクルが理想的に行われると仮定したとき、暖房運転過程では、冷媒の圧力がＣ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４−Ｃ１線に沿って変化し、除霜運転過程では、冷媒の圧力がＣ６−Ｃ７−Ｃ３−Ｃ５−Ｃ７線に沿って変化する。
このとき、暖房運転過程では、圧縮ユニット１０の吐出側圧力がＰ１になり、膨張ユニット４０の吐出側圧力がＰ２になる。

一方、除霜運転サイクルが行われる場合、圧縮ユニット１０の吐出圧力がＰ１になる。このとき、圧縮された冷媒の一部がバイパス管１１０を介して室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒管１１２にバイパスされるので、膨張ユニット４０を通過しながら、冷媒の圧力はＰ３になる。そして、バイパスされる冷媒が膨張ユニット４０の出口側冷媒と混合されるので、混合冷媒の圧力はＰ３に上昇し、その温度も上昇する。このとき、室外熱交換ユニット５０の入口側温度は、暖房運転時より高くなるので、室外熱交換ユニット５０の表面に付いた霜が除去される。また、室外熱交換ユニット５０から吐出される冷媒の温度は、暖房運転時より高くなるので、圧縮ユニット１０の入口側冷媒の温度も高くなる。それによって、除霜サイクルが上側に移動して、空気調和システムの効率が全体的に向上する。

次に、本発明に係る空気調和システムの第２実施例について説明する。
図４は、本発明に係る空気調和システムの第２実施例を示す回路図であって、図５は、図４の空気調和システムのＰ−ｈ線図である。
図４に示すように、空気調和システムの第２実施例は、の第１実施例と同一な構成を有する。しかし、バイパス管１２０が室外熱交換ユニット５０の吐出側と切換手段２０との間の冷媒管１１３に連結されることに特徴がある。以下では、第１実施例と同一な構成に関しては同一な参照符号を付け、その説明を省略する。

除霜運転が始まると、圧縮ユニット１０から吐出された冷媒は、切換手段２０、室内熱交換ユニット３０、膨張ユニット４０及び室外熱交換ユニット５０を順次に流動する。このとき、室内熱交換ユニット３０には、継続的に圧縮ユニット１０から吐出された高温冷媒が流入して、室内空間を暖房する。

同時に、第１バルブ１０１は開放され、第２バルブ１０２は閉鎖される。圧縮ユニット１０の一部冷媒は、バイパス管１２０に沿って流動する。例えば、圧縮機１１から吐出された冷媒は切換手段２０に流入し、他の圧縮機１２から吐出された冷媒は、バイパス管１２０に沿って流動する。バイパス管１２０の冷媒は、圧力調節手段１０３により室外熱交換ユニット５０の吐出側冷媒管１１３の冷媒圧力と近くまたは同一に調節される。

バイパス管１２０の高温冷媒は、室外熱交換ユニット５０の吐出側冷媒管１１３に流入する。このとき、バイパス管１２０の高温冷媒は、室外熱交換ユニット５０から吐出された低温冷媒と混合される。よって、混合冷媒は、暖房運転の際室外熱交換ユニット５０から吐出された冷媒に比べて、相対的に高温になる。

冷媒管１１３の混合冷媒は、切換手段２０を経て、アキュムレータ６０に流入する。したがって、圧縮ユニット１０の吸入側で冷媒の温度が上昇して、圧縮ユニット１０の圧縮効率が向上する。

圧縮ユニット１０の吐出側冷媒の温度は、暖房運転時より相対的に上昇する。圧縮ユニット１０から吐出された冷媒は、切換手段２０、室内熱交換ユニット３０及び膨張ユニット４０に沿って順次に流動する。

このとき、室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒の温度は、暖房運転時より相対的に上昇する。したがって、冷媒は、室外熱交換ユニット５０を通過する間、室外熱交換ユニット５０の表面に霜が付くことを遅延することができる。このように、除霜サイクルを全体的に上昇させることで、除霜時期を遅らせることができる。

図５に示すように、暖房運転時に、冷媒の状態はＣ１１−Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４−Ｃ１１線に沿って変化し、除霜運転時には、Ｃ１５−Ｃ１６−Ｃ１７−Ｃ１８−Ｃ１５線に沿って変化する。
このとき、暖房運転過程では、圧縮ユニット１０の出口圧力がＰ１になり、膨張ユニット４０の出口圧力がＰ２になる。

一方、除霜運転サイクルが行われる場合、圧縮ユニット１０で圧縮された冷媒の一部がバイパス管１２０を介して室外熱交換ユニット５０の吐出側にバイパスされるので、室外熱交換ユニット５０の吐出側の混合冷媒の圧力はＰ４になる。そして、圧縮ユニット１０の吸入側冷媒の圧力がＰ４になる。このとき、圧縮ユニット１０から吐出された冷媒の圧力Ｐ５は、暖房運転時より高くなるので、室外熱交換ユニット５０の吸入側冷媒の圧力Ｐ４も上昇する。また、室外熱交換ユニット５０に吸入された冷媒の温度が上昇するので、室外熱交換ユニット５０の表面温度が上昇する。したがって、室外熱交換ユニット５０に霜が付くことを遅延することができる。除霜サイクルが全体的に上側に移動して、空気調和システムの効率が全体的に向上する。

次に、本発明に係る空気調和システムの第３実施例について説明する。
図６は、本発明に係る空気調和システムの第３実施例を示す回路図である。
図６に示すように、空気調和システムの第３実施例は、の第１実施例を同一な構成を有する。しかし、バイパス管１３０が切換手段２０の冷媒吐出側とアキュムレータ６０の吸入側との間の冷媒管１１４に連結されることに特徴がある。以下では、第１実施例と同一な構成に関しては同一な参照符号を付け、その説明を省略する。また、第３実施例は、室外熱交換ユニット５０の吐出側冷媒管１１４にバイパス管１３０が連結されることが、第２実施例の作用と実質的に同一なので、第３実施例に関する説明は省略する。

このように、室外熱交換ユニット５０の吐出側に高温冷媒をバイパスすることで、室内空間を暖房すると同時に室外熱交換ユニット５０に霜が付くことを遅延することができる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

本発明に係る空気調和システムの第１実施例を示す回路図である。 図１の空気調和システムの制御方法を示すフローチャートである。 図１の空気調和システムのＰ−ｈ線図である。 本発明に係る空気調和システムの第２実施例を示す回路図である。 図４の空気調和システムのＰ−ｈ線図である。 本発明に係る空気調和システムの第３実施例を示す回路図である。

符号の説明

１０ 圧縮ユニット
１１、１２ 圧縮機
１５ チェックバルブ
２０ 切換手段
３０ 室内熱交換ユニット
４０ 膨張ユニット
５０ 室外熱交換ユニット
１１０、１２０、１３０ バイパス管
１０１ 第１バルブ
１０２ 第２バルブ
１０３ 圧力調節手段

Claims (1)

1. 冷媒を圧縮する圧縮ユニットと、
   前記圧縮ユニットに連結される室内熱交換ユニットと、
   前記圧縮ユニットと室内熱交換ユニットとの間に連結される切換手段と、
   前記室内熱交換ユニットに連結される膨張ユニットと、
   前記膨張ユニットと前記圧縮ユニットの吸入側との間の冷媒管に配置される室外熱交換ユニットと、
   前記圧縮ユニットの吐出側冷媒管から分岐されて、暖房運転の際、前記膨張ユニットの吐出側と前記圧縮ユニットの吸入側を連結する冷媒管に連結されるバイパス管と、
   前記バイパス管に配置されるバルブと、を含み、
   前記バイパス管は、暖房運転の際、前記室外熱交換ユニットの吐出側冷媒管に連結され、
   前記圧縮ユニットは、
   メイン圧縮機とサブ圧縮機とを含み、
   前記メイン圧縮機の出口側配管と前記サブ圧縮機の出口側配管が合流した後前記切換手段に連結され、
   前記バイパス管は前記サブ圧縮機の出口側配管の所定地点から分岐される、
   ことを特徴とする空気調和システム。

Images