JP5434460B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを形成して熱交換を行うヒートポンプ装置に関するものであり、特に、蒸発器に付着した霜を融解させる除霜運転を行うヒートポンプ装置に関する。

外気から採熱して室内空間を暖房する空気調和機などのヒートポンプ装置では、蒸発器として動作する室外熱交換器に着霜するような外気条件の場合、一時的に暖房運転を停止して除霜運転を行うが、暖房運転が停止されることによる室温低下がしばしば問題となる。

除霜方式には、圧縮機を出た高温の吐出ガス冷媒を蒸発器入口に直接流入させるホットガスバイパス方式や、冷媒回路を冷房運転と同じように切替えて室外熱交換器を凝縮器として運転するリバースサイクル方式があり、さらに、除霜時間を短縮する目的で、この２つの除霜方式を組み合わせて行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、リバースサイクル方式で除霜を行っているとき、その除霜熱源である冷媒配管の蓄熱量を検出し、適正なタイミングでホットガスバイパス方式に切替えることで、除霜時間の短縮に加えて暖房運転に復帰した後の暖房能力の立ち上がり性を向上する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−２０１２３３号公報（［０００８］段落、図１） 特開２００８−９６０３３号公報（［００１０］段落、図３）

しかしながら、特許文献１のようなヒートポンプ装置の除霜方法では、リバースサイクル除霜で霜を融かし終わる直前の状況では、室外熱交換器がある程度高温状態となっているので、室外熱交換器で冷媒が凝縮液化しなくなり、冷媒回路全体が気液二相状態で循環するようになる。すると、ガス冷媒が冷媒回路内の液冷媒を押出してしまい、圧縮機に多くの液冷媒が戻ってきてしまうため、信頼性を損なうという問題がある。

特許文献２のように、ガス配管を高温のまま保持するように除霜運転をリバースサイクル方式からホットガスバイパス方式に切替えたとしても、切替直後に圧縮機の吐出圧力が氷温０℃に近い状態となること、また、除霜終了直前ではやはり液冷媒が圧縮機に戻ることで、圧縮機そのものが低温となり暖房復帰時の立ち上がり性が損なわれるという問題がある。

この発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたもので、短時間で除霜を行うことができるとともに、暖房復帰時の立ち上がり性を向上させたヒートポンプ装置を得ることを目的としている。

この発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を循環させる配管に、圧縮機と、四方切替弁と、室内熱交換器と、絞り手段と、室外熱交換器とを順次接続してなる冷媒回路と、
前記圧縮機の吐出側と前記室外熱交換器の前記絞り手段側の入口とを接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管を開閉するバイパス弁と、を備えてなるヒートポンプ装置において、
前記室外熱交換器の着霜を検出する着霜検出手段と、
前記室外熱交換器から液冷媒が排出されたことを検出する液冷媒排出検出手段と、
前記四方切替弁、及び前記絞り手段の制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、通常の暖房運転時に前記着霜検出手段が前記室外熱交換器の着霜を検出したときに、前記四方切替弁を冷房側に切替えるリバースサイクル除霜運転と、
前記リバースサイクル除霜運転中に前記室内熱交換器近傍の冷媒温度が所定温度よりも低温となったときに、前記四方切替弁を暖房側に切替えるとともに前記絞り手段を閉止するポンプダウン運転と、
前記ポンプダウン運転中に前記液冷媒排出検出手段が前記室外熱交換器からの液冷媒排出を検出したときに、前記バイパス弁を開放するホットガスバイパス除霜運転と、を行うものである。

ヒートポンプ装置の除霜運転の際、ガス側接続配管を高温に保つとともに、圧縮機も高温のまま保持できるので、短時間で除霜を行うことができるとともに、暖房復帰時の立ち上がり性を向上させたヒートポンプ装置を得ることができる。

実施の形態１に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。 実施の形態１に係るヒートポンプ装置の除霜運転制御の流れを示すフローチャート図である。 実施の形態２に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置の冷媒回路図である。実施の形態１に係るヒートポンプ装置は、室外ユニット１と、室内ユニット２及びそれらを接続するガス側の接続配管３と、液側の接続配管４とから構成されている。

室外ユニット１には、圧縮機５、四方切替弁６、室外熱交換器１０、絞り手段である膨張弁９が配管にて順次接続されている。四方切替弁６は、暖房運転時には図１の実線で示すように配管を接続している。すなわち、圧縮機５の吐出側は、四方切替弁６を経由して接続配管３に接続され、圧縮機５の吸込側は、四方切替弁６、室外熱交換器１０、膨張弁９を経由して接続配管４に接続されている。

なお、以下の説明では便宜的に、暖房運転時の冷媒の流れに基づき、室外熱交換器１０及び後述する室内熱交換器７の入口あるいは出口を定義する。すなわち、室外熱交換器１０では、暖房運転時に図の下から上に冷媒が流れるので、図の下側が入口、図の上側が出口とする。また、後述する室内熱交換器７では、図の上から下に冷媒が流れるので、図の上側が入口、図の下側が出口とする。

また、圧縮機５の吐出側で分岐したバイパス配管１２は、バイパス弁１３を経由して、室外熱交換器１０の入口近傍に接続されている。バイパス弁１３は、バイパス配管１２を開閉する。また、圧縮機５の吐出側近傍には温度センサ１４、室外熱交換器１０の入口近傍には温度センサ１５、室外熱交換器１０の出口近傍には温度センサ１６、がそれぞれ設けられ、各所の冷媒温度を検出する。また、室外熱交換器１０の近傍には、室外熱交換器１０に送風するための室外ファン１１が設けられている。

室内ユニット２には、室内熱交換器７が設けられており、その入口は接続配管３、出口は接続配管４と接続されている。また、室内熱交換器７の出口近傍には、冷媒温度を検出する温度センサ１７が設けられている。また、室内熱交換器７の近傍には、室内熱交換器７に送風するための室内ファン８が設けられている。

このようにして構成された冷媒回路内には冷媒として、例えばＲ４１０Ａが封入されて冷媒回路内を循環している。

また、図示していないが、室外ユニット１には、制御部が設けられている。この制御部は、上述した各温度センサからの情報を読み取るとともに、圧縮機５、四方切替弁６、バイパス弁１３、膨張弁９、室外ファン１１、及び室内ファン８の制御を行う。なお、制御部は、必ずしも室外ユニット１内に設けなくてもよく、上記の制御ができればどこに設けても良い。

次に、ヒートポンプ装置の暖房運転時の動作について説明する。

四方切替弁６は暖房側、すなわち圧縮機５から吐出されるガス冷媒が室内熱交換器７に流れる方向に設定する。また、バイパス弁１３は閉止されている。圧縮機５から吐出され、接続配管３を経由して室内熱交換器７に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内ファン８で送風される室内空気と熱交換を行い凝縮液化して高圧液冷媒となる。

この高圧液冷媒は、接続配管４を通って室外ユニット１に戻り、膨張弁９で減圧され、気液二相状態の冷媒となる。この気液二相状態の冷媒は室外熱交換器１０に流入し、室外ファン１１から送風される室外空気から熱を受け取って蒸発し、低圧ガス冷媒となる。この低圧ガス冷媒は、四方切替弁６を経由して再び圧縮機５に吸入される。

この暖房運転において、圧縮機５は、室内空気温度がその居住者が要求している温度になるように回転数が調整され、膨張弁９は、室外熱交換器１０の出口側の低圧ガス冷媒に２［ｄｅｇ］程度の過熱度がつくようにその流動抵抗が調整されている。あるいは、室内熱交換器７の出口側に１０［ｄｅｇ］程度の過冷却度がつくように調整してもよい。

ここで、室外空気温度が５℃を下回る程度に低い運転条件では、蒸発器として動作する室外熱交換器１０の蒸発温度は０℃以下となり、室外熱交換器１０の表面に霜が成長する。霜の成長は室外空気からの採熱を阻害して暖房運転効率を低下させ、また、さらに蒸発温度を下げることとなって霜の成長を加速させる。よって、蒸発器に着霜した場合には除霜運転を行う必要がある。

続いて、除霜運転時の動作について説明する。

図２は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置の除霜運転制御の流れを示すフローチャート図である。図１及び図２を参照して除霜運転時の動作について説明する。

Ｓ１は暖房運転を行っている状態であり、Ｓ２は除霜運転の開始判定を行うステップである。図２の例では、着霜検出手段として、温度センサ１５あるいは温度センサ１６を用いている。すなわち、除霜運転開始の判定条件として、温度センサ１５又は温度センサ１６が−５℃以下である状態が所定時間（図２では５分間）継続したこととしており、制御部は、この条件が満たされたときに着霜したと判定して、除霜運転モードに移行する。なお、除霜運転開始の判定条件についてはこれに限るものではなく、外気温度が所定温度以下となる状態が所定時間以上継続することや、圧縮機回転数を考慮して着霜の有無を判断してもよい。

Ｓ３はリバースサイクル方式の除霜運転を行うステップである。制御部は、室内ファン８及び室外ファン１１を停止して、四方切替弁６を冷房側、すなわち圧縮機５から吐出されるガス冷媒が室外熱交換器１０に流れる方向（図１中の破線方向）に設定する。このとき、圧縮機５の吸込側は四方切替弁６を経由して接続配管３に接続される。なお、圧縮機回転数は除霜運転を行うのに適した回転数に設定する。

Ｓ４はリバースサイクル除霜の終了判定を行うステップである。リバースサイクル除霜運転は、接続配管３が低温になる前に終了させる。図２の例では、リバースサイクル除霜の終了判定は、室内熱交換器７の出口温度センサ１７が低温（図２では、０℃未満）を検出したこととしている。すなわち、低圧二相冷媒が室内熱交換器７に到達したことでリバースサイクル除霜の終了としている。

リバースサイクル除霜の終了判定をこのようにした理由を以下に説明する。
リバースサイクル除霜を開始した直後の冷媒状態は、圧縮機５を出た高温の吐出ガス冷媒が、霜に覆われた室外熱交換器１０に流入するので、吐出ガス冷媒圧力が飽和温度０℃付近まで一気に低下する。それに伴って圧縮機５の吸込側圧力も飽和温度−２０℃以下に低下する。ただし、接続配管４、室内熱交換器７、接続配管３は除霜開始直前まで高温高圧冷媒が流通していたために依然として高温であり、室外熱交換器１０で一旦液化した冷媒は、室内ユニット２を経由する間に再び大きな過熱度をもった低圧ガス冷媒となって圧縮機５に戻ってくる。

そして、除霜が進行するに従って、徐々に室外熱交換器１０での凝縮が行われなくなり、室外熱交換器１０を押し出された液冷媒が膨張弁９を超えて低温の気液二相冷媒となって接続配管４、室内熱交換器７に向かう。よって、高温であった接続配管４は徐々に低圧飽和温度−２０℃程度となり、さらにこの低温の液冷媒が室内ユニット２へと進行していってしまう。

このままリバースサイクル除霜を継続して接続配管３まで低温になってしまうと、やがて圧縮機５に液冷媒が戻って来てしまい信頼性を悪化させるし、除霜を終了して暖房運転に復帰した後もしばらくの間、吐出ガス冷媒の熱がこの接続配管３を加熱することに費やされ、暖房能力が発揮されない状態となり、室内空間の快適性を悪化させる。

これを防ぐため、リバースサイクル除霜終了判定Ｓ４においては、少なくとも接続配管３が高温状態を保持できるように、室内熱交換器７の出口温度センサ１７が所定温度よりも低温を検出することでリバースサイクル除霜の終了としている。なお、室内熱交換器７の冷媒温度を検出する手段としては、必ずしも出口側の温度センサによる必要はなく、入口側に温度センサ設けてもよい。この場合には、接続配管３が高温状態を保持できるようにするために、低温か否かの判断基準となる温度を、出口温度センサ１７を用いるときよりも高めに設定すればよい。

Ｓ５はポンプダウン運転を行うステップである。動作としては、圧縮機５の運転を継続したまま、制御部によって、四方切替弁６を暖房側（図１中の実線方向）に切替えるとともに、絞り手段である膨張弁９を閉止する。

ポンプダウン運転を行うことにより、室外熱交換器１０に存在していた冷媒が室内ユニット２側に押し込まれるため、リバースサイクル除霜で一旦低下した圧縮機高圧側の圧力が再び上昇する。

また、このとき室外ファン１１を稼動させてもよい。室外ファン１１の稼動で外気との熱交換を促進することで、室外熱交換器１０に残留する可能性のある液冷媒を完全に蒸発させることができる。

Ｓ６はポンプダウン運転の終了判定を行うステップである。このポンプダウン運転の終了判定は、室外熱交換器１０に液冷媒が存在しなくなったこととしている。圧縮機５の低圧側の冷媒が少なくなるにしたがい、低圧側圧力は真空レベルに接近し、圧縮比の増大と、冷却材としての冷媒循環量の低下とによって吐出ガス冷媒の温度上昇が起こるので、圧縮機５の吐出側の温度を測定することにより、室外熱交換器１０に液冷媒が存在しなくなったことを判定することができる。

図２に示した判定条件では、液冷媒排出検出手段として、温度センサ１４が１００℃を超える温度を検出することとしているが、これに限ったものではなく、低圧側に圧力センサを設置して直接的に所定圧力以下となることを検出してもよいし、あるいは、室外熱交換器１０の内容積と、圧縮機５の押しのけ容積と回転数を考慮して、冷媒回収が完了できる時間を設定してもよい。このようにして、室外熱交換器１０から液冷媒が排出されたことを検出する。

このポンプダウン運転では、接続配管４が−２０℃程度に冷却された状態であるので、高圧側からの冷媒の凝縮が速やかに行われる。また、低圧と連通する室外熱交換器１０でもある程度まで除霜が進行して高温部分を有しており、液冷媒が多量に残留していることはないので、このポンプダウン運転は短時間に終了する。

Ｓ７はホットガスバイパス除霜運転を行うステップである。操作としては、制御部により、バイパス弁１３を開放する。膨張弁９は閉止したままとする。この操作によって、高温となっている吐出ガス冷媒が室外熱交換器１０の入口側から流入することとなる。

ホットガスバイパス除霜は、室外熱交換器１０の除霜を完全に終了させるために行う。すなわち、前述のリバースサイクル除霜の終了判定は、液冷媒が室内ユニット２に到達したこととしているので、室外熱交換器１０の除霜が完全に終了していることは保証されていない。そのため、ここでは霜残りの可能性が高い室外熱交換器１０の入口側、すなわちリバースサイクル除霜とは反対側から吐出ガス冷媒を流入させることで霜残りを回避する。

前述のポンプダウン運転によって、バイパス弁１３の開放直前には、圧縮機５の吐出側圧力、温度ともに十分高い状態となっているので、除霜のための吐出ガス冷媒温度は高温を保持しやすい。また、バイパス弁１３開放直後には室内ユニット２側の高温液冷媒の沸騰によってガス冷媒がホットガスバイパス除霜サイクル側に適度に供給されるので、冷媒不足運転になりにくい。

なお、ホットガスバイパス除霜運転で冷媒が不足する場合には、液バックによる不具合が生じない程度に移動させてもよい。具体的な方法としては、膨張弁９を僅かに開放する。この操作により、接続配管４に格納されている液冷媒の一部をホットガスバイパスサイクル側に移動させることができる。

通常のホットガスバイパス除霜においては、蒸発熱源が存在しないので、霜を融かすことで凝縮液化した冷媒がそのまま圧縮機５に戻ることで信頼性を悪化させていた。また、除霜運転終盤にはこの液バックにより圧縮機５が低温となってしまうために暖房運転に復帰した後の高圧側圧力の上昇にも時間を要していた。

しかし、この実施の形態においては、前述のポンプダウン運転によって、ホットガスバイパス除霜運転の直前に室内ユニット２側に冷媒を回収しているので、ホットガスバイパス除霜運転を比較的長い時間行っても液冷媒が圧縮機５に戻る心配が無く、高い信頼性を保持しながら、暖房起動時間も短くなる。

Ｓ８はホットガスバイパス除霜の終了判定を行うステップである。ホットガスバイパス
除霜運転は、室外熱交換器１０の除霜が完全に除去できたことを終了判定条件としており、図２に示した例では、室外熱交換器１０の出口側に設置された温度センサ１６が１０℃を超える温度を検出したこととしている。これは、高温の吐出ガス冷媒がバイパス配管１２から室外熱交換器１０に流入し、霜を融かしながら進行するが、室外熱交換器１０から流出した時点でなお１０℃以上の温度が確保されていれば、霜がほぼ完全に除去できていると判断できるからである。

Ｓ９は除霜を完了して暖房運転に復帰するステップである。制御部により、バイパス弁１３を閉止し、膨張弁９の制御を暖房運転の制御に戻す。

このとき、前述のポンプダウン運転によって、接続配管４や室内熱交換器７に液冷媒が十分確保されているし、一方、室外熱交換器１０には液冷媒がほとんどなく、また、圧縮機５や接続配管３は十分高温を保持しているので、暖房開始後の暖房能力は速やかに立ち上がる。

実施の形態１によれば、ガス側の接続配管３を高温に保ったままリバースサイクル除霜を完了することができ、ホットガスバイパス除霜の前にポンプダウン運転を行うことにより、液冷媒を室内ユニット２に回収するとともに圧縮機５も高温を保持することができるので、短時間で除霜を行うことができるとともに、暖房復帰時の立ち上がり性を向上させたヒートポンプ装置を得ることができるという効果がある。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るヒートポンプ装置を示す冷媒回路図である。これは、１つの室外ユニット１に対して、複数の室内ユニット２が並列に接続されるような規模の大きいヒートポンプ装置の構成例である。

図１との差異について説明する。規模の大きいヒートポンプ装置では、冷媒回路を流れる冷媒の量も多くなる。この冷媒により圧縮機５の潤滑油が希釈されるのを防ぐために、圧縮機５の吸込側にアキュムレータ２１を設けている。また、室内熱交換器７ごとに制御を行うために、室内熱交換器７ごとに膨張弁９が設けられている。また、上述したポンプダウン運転の際に、接続配管４から室外熱交換器１０に液冷媒が流入するのを防ぐため、室外熱交換器１０の出口と接続配管４との間に絞り手段として電磁弁２２が設けられている。

図３の構成における除霜運転の違いは、ポンプダウン運転時に膨張弁９ではなく絞り手段である電磁弁２２を閉止することであり、他は実施の形態１と同様である。室内熱交換器７ごとに膨張弁９が設けられている構成であっても、ポンプダウン運転時に電磁弁２２を閉止することで、室外熱交換器１０への液冷媒流入を防ぐことができる。

図３のように規模の大きいヒートポンプ装置においては、除霜終了直前に液バックが発生してアキュムレータに液冷媒が一旦滞留してしまうと、暖房復帰してもそれを蒸発させるための熱が得にくく、暖房復帰後しばらくの間、冷媒不足状態が続いてしまう。しかし、本発明によれば、除霜終了前に液バックすることがなく、このような冷媒不足状態とはならないので、規模の大きいヒートポンプ装置に本発明を適用するメリットは大きい。

実施の形態２によれば、規模の大きいヒートポンプ装置においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、空気調和機に限らず給湯装置や冷蔵庫等ヒートポンプを使用する他の製品に適用可能である。

１ 室外ユニット
２ 室内ユニット
３、４ 接続配管
５ 圧縮機
６ 四方切替弁
７ 室内熱交換器
８ 室内ファン
９ 膨張弁
１０ 室外熱交換器
１１ 室外ファン
１２ バイパス配管
１３ バイパス弁
１４〜１７ 温度センサ
２１ アキュムレータ
２２ 電磁弁

Claims (7)

1. 冷媒を循環させる配管に、圧縮機と、四方切替弁と、室内熱交換器と、絞り手段と、室外熱交換器とを順次接続してなる冷媒回路と、
   前記圧縮機の吐出側と前記室外熱交換器の前記絞り手段側の入口とを接続するバイパス配管と、
   前記バイパス配管を開閉するバイパス弁と、を備えてなるヒートポンプ装置において、
   前記室外熱交換器の着霜を検出する着霜検出手段と、
   前記室外熱交換器から液冷媒が排出されたことを検出する液冷媒排出検出手段と、
   前記四方切替弁、及び前記絞り手段の制御を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、通常の暖房運転中に前記着霜検出手段が前記室外熱交換器の着霜を検出したときに、前記四方切替弁を冷房側に切替えるリバースサイクル除霜運転と、
   前記リバースサイクル除霜運転中に前記室内熱交換器近傍の冷媒温度が所定温度よりも低温となったときに、前記四方切替弁を暖房側に切替えるとともに前記絞り手段を閉止するポンプダウン運転と、
   前記ポンプダウン運転中に前記液冷媒排出検出手段が前記室外熱交換器からの液冷媒排出を検出したときに、前記バイパス弁を開放するホットガスバイパス除霜運転と、を行うヒートポンプ装置。
2. 前記着霜検出手段は、前記室外熱交換器近傍の冷媒温度が所定温度以下となった状態が所定時間以上続いたことを検出条件として、着霜を検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 前記着霜検出手段は、前記室外熱交換器近傍の空気温度が所定温度以下となった状態が所定時間以上続いたことを検出条件として、着霜を検出する請求項１記載のヒートポンプ装置。
4. 前記液冷媒排出検出手段は、前記圧縮機の吐出温度が所定温度以上となったことを検出条件として、液冷媒排出を検出する請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
5. 前記液冷媒排出検出手段は、前記圧縮機の吸込圧力が所定圧力以下となったことを検出条件として、液冷媒排出を検出する請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記液冷媒排出検出手段は、前記圧縮機の１回転あたりの押しのけ容積と前記圧縮機の回転数との積が、所定値以上となったことを検出条件として、液冷媒排出を検出する請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
7. 前記室外熱交換器の近傍に配置され、前記室外熱交換器に送風する室外ファンを備え、前記制御部は、前記ポンプダウン運転時に前記室外ファンを稼動する制御を行う請求項１乃至６のいずれかに記載のヒートポンプ装置。

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