JP5499982B2 - 空気調和機の空除霜判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機の暖房運転時において不要な除霜運転となる空除霜の有無を判定する空気調和機の空除霜判定装置に関するものである。

空気調和機においては、冬季の暖房運転時に室外熱交換器に霜が付着する現象が発生し、運転中の暖房能力低下等の課題となっている。そこで、ヒートポンプ等の空気調和機では、運転中に逆サイクル運転（冷房運転相当）等をして室外熱交換器の霜を溶かす除霜運転を行っている。しかしながら、実際には霜が付着していないにも関わらず除霜運転が必要以上に継続されてしまうと、除霜運転中は室内で温度調整されないために利用者への快適性が損なわれ、あるいは無駄なエネルギーが使用される等の問題が生じることになる。そこで、その対策として、霜が付着していない状態での除霜運転（空除霜）を防止する種々の方法が提案されている。

例えば特許文献１では、室内熱交換器の所定時間毎の温度変化、または室内熱交換器の温度と室内温度との温度差および、または暖房運転開始からの一定のマスクタイム経過時間により、室外熱交換器の除霜運転を所定時間行うようにしている。そして、室内熱交換器の温度の低下が所定値以下で、マスクタイムによる除霜が複数回連続して行われた場合、室内熱交換器の温度と室内温度との温度差を当初の設定値より小さくし、低外気温動作条件に切換えて除霜運転を行うことが併せて提案されている。これにより、外気温が低い条件の暖房運転時でも空除霜を防止できるとしている。

一方、特許文献２では、除霜運転時、その運転を室外熱交換器の冷媒配管温度に基づいて終了する場合に、該冷媒配管温度が氷点近傍に存在する時間を除霜運転時間（氷点近傍時間）として計測する。そして、このときの除霜運転時間の長短により、次回の除霜運転を禁止する除霜運転禁止時間を変更する。これにより、例えば環境動向（天気）に合わせて、除霜運転を好適に行うことができるとしている。

このように、空除霜を防止する方法（空除霜の判定方法）としては、特許文献１のような室内側での温度検知による方法と、特許文献２のような室外機側での冷媒配管温度の検知による方法とがある。

特開２００４−２３２９４２号公報 特開２００２−１３０８７６号公報

ところで、特許文献２では、室外熱交換器の冷媒配管温度が氷点近傍を超えて所定の暖房復帰温度に達することで実質的に空除霜判定を行って、除霜運転を停止している。この場合、暖房復帰温度として低い温度（例えば２°Ｃ）を採用した場合、室外熱交換器に霜が未だ付着しているにも関わらず除霜運転が停止されることがあり、空除霜の判定精度に疑問が残る。一方、暖房復帰温度として高い温度（例えば１０°Ｃ）を採用した場合、除霜運転を開始してから当該温度に到達するまでに時間がかかることで、実際には室外熱交換器に霜が付着していないにも関わらず、除霜運転が必要以上に継続されることがあった。

なお、特許文献２のように室外機側での空除霜の判定方法としては、室外熱交換器の配管温度の温度上昇傾向（微分値）から室外熱交換器の着霜有無を予想して空除霜判定を行うものや、除霜運転開始後に室外熱交換器の配管温度が氷点近傍から温度上昇する際の時間を計測して空除霜判定を行うものも知られている。しかしながら、いずれの空除霜判定においても、前記同様に当該判定に係る配管温度の設定によってはその判定精度に疑問が残り、あるいは当該配管温度に到達して空除霜判定が完了するまでに時間がかかることになる。

本発明の目的は、空除霜の有無の判定を、迅速且つ高精度に行うことができる空気調和機の空除霜判定装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、暖房運転時に冷媒の蒸発器として機能するとともに除霜運転時に冷媒の凝縮器として機能する室外機熱交換器を備え、冷凍サイクルを構成する空気調和機であって、前記室外機熱交換器の配管温度を検出する温度検出手段と、除霜運転時に前記検出された配管温度が氷点温度よりも低い所定の低側温度から氷点温度までの温度範囲にあるときの、時間に対する氷点温度及び前記配管温度の温度差の積算値を算出する低側積算値算出手段と、除霜運転時に前記検出された配管温度が氷点温度から該氷点温度よりも高い所定の高側温度までの温度範囲にあるときの、時間に対する前記配管温度及び氷点温度の温度差の積算値を算出する高側積算値算出手段と、前記算出された低側積算値及び高側積算値の大小関係に基づいて、空除霜の有無を判定する判定手段とを備えたことを要旨とする。

一般に、前記室外機熱交換器に霜が付着している場合、除霜運転に伴い冷媒に温められる該室外機熱交換器の配管温度は、氷点温度付近まで上昇すると霜が融解されることでその温度上昇傾向が緩慢になる。その後、前記室外機熱交換器の配管温度が氷点温度を超えると、相対的にその温度上昇傾向が急激になる。一方、前記室外機熱交換器に霜が付着していない場合、その配管温度の温度上昇傾向は氷点温度を挟んだその低側及び高側の温度範囲で概ね同等となる。同構成によれば、前記低側積算値算出手段及び前記高側積算値算出手段により、氷点温度を挟んだその低側の温度範囲（低側温度〜氷点温度）及び高側の温度範囲（氷点温度〜高側温度）で、前記低側積算値及び前記高側積算値がそれぞれ算出される。そして、前記判定手段により、前記低側積算値及び前記高側積算値の大小関係に基づいて空除霜の有無が判定される。この場合、前記低側積算値及び前記高側積算値は、氷点温度を挟んだその低側の温度範囲及び高側の温度範囲でそれぞれ時間に対し相加的に累積された氷点温度との温度差であることで、例えば冷媒循環量などの影響による前記室外機熱交換器の温度上昇傾向の変化のばらつきが吸収され、より小さな温度範囲（即ちより小さな高側温度）で空除霜の有無を判定することができ、当該判定を迅速且つ高精度に行うことができる。

なお、本明細書等でいう「氷点」は、水の凝固点であって、大気圧に応じて変化するものである。

本発明では、空除霜の有無の判定を、精度低下を抑制しつつより迅速に行うことができる空気調和機の空除霜判定装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す回路図。 除霜運転時の室外機熱交換器の配管温度の推移を示すグラフ。 （ａ）（ｂ）は、除霜運転時の室外機熱交換器の配管温度の推移を拡大して示すグラフ。 同実施形態を従来形態と比較して説明する一覧図。 同実施形態の制御態様を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るヒートポンプ式の空気調和機１を示す回路図である。同図に示されるように、空気調和機１は、冷凍サイクルを構成するもので、圧縮機１１と、四方弁１４と、室外機熱交換器１５と、室内機熱交換器１６と、電子膨張弁１７と、これら圧縮機１１等に冷媒を循環させるための冷媒配管１８とを備える。また、空気調和機１は、圧縮機１１、四方弁１４及び電子膨張弁１７等を駆動制御する制御装置２０を備える。この制御装置２０は、マイコンを主体に構成されており、室外機熱交換器１５の出口１５ａ側の冷媒配管１８面に設けられた温度検出手段としての温度センサ２１に電気的に接続されている。この温度センサ２１は、室外機熱交換器１５の出口１５ａと電子膨張弁１７との間の冷媒配管１８のうち室外機内の配管に配置されており、除霜運転時に室外機熱交換器１５から排出された冷媒の配管温度（表面温度）Ｔを検出する。なお、温度センサ２１による配管温度Ｔの分解能は１［°Ｃ］（ただし、小数点以下は切り捨てであって、プラス領域では切り下げ、マイナス領域では切り上げ）で、制御装置２０は、１［秒］ごとに配管温度Ｔを取得する。例えば実際の温度が−０．９［°Ｃ］の場合には０［°Ｃ］、−３．５［°Ｃ］の場合には−３［°Ｃ］となる。一方、実際の温度が０．９［°Ｃ］の場合には０［°Ｃ］、１．６［°Ｃ］の場合には１［°Ｃ］となる。

次に、空気調和機１の空気調和に係る動作について説明する。なお、冷房及び暖房の各運転時における冷媒の流れを実線矢印及び破線矢印にて表している。
まず、冷房運転時において、圧縮機１１を出た冷媒は、四方弁１４を通過した後、凝縮器として機能する室外機熱交換器１５に導かれる。室外機熱交換器１５において、冷媒は室外の空気（外気）により熱を奪われ、凝縮・液化する。その後、冷媒は、電子膨張弁１７において減圧されるとともに、蒸発器として機能する室内機熱交換器１６において、室内の空気の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、四方弁１４を介して圧縮機１１に戻る。以上の過程を経ることで、室内が冷房される。

一方、暖房運転時において、圧縮機１１を出た冷媒は、四方弁１４を通過した後、凝縮器として機能する室内機熱交換器１６において、室内の空気に熱を放出し、凝縮・液化する。その後、冷媒は、電子膨張弁１７において減圧されるとともに、蒸発器として機能する室外機熱交換器１５において、室外の空気の熱を吸収・気化する。その後、冷媒は、四方弁１４を介して圧縮機１１に戻る。以上の過程を経ることで、室内が暖房される。

また、暖房運転時、制御装置２０により所定の除霜開始条件の成立が検出されると、冷房運転と同様に冷媒を循環させる除霜運転（逆サイクル運転）が開始される。なお、除霜開始条件としては、例えば暖房運転の継続時間（前回の除霜運転からの経過時間）や室外機熱交換器１５の配管温度Ｔ、外気温度等、室外機熱交換器１５への着霜が推定される適宜の条件が採用される。

除霜運転では、サイクルが逆になって、室外機熱交換器１５が凝縮器として機能することで、該室外機熱交換器１５に高温の冷媒が導かれ、その配管温度（Ｔ）が上昇する。なお、温度センサ２１により検出される配管温度Ｔは、除霜運転時における室外機熱交換器１５の下流側の温度に相当する。例えば除霜運転開始時の配管温度Ｔが−１０［°Ｃ］であった場合、該配管温度Ｔは除霜運転開始後に徐々に上昇する。そして、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０付近まで上昇すると、室外機熱交換器１５に霜が付着している場合には、該霜が融解されて除去される。そして、除霜運転の継続に伴い、制御装置２０により所定の除霜終了条件の成立が検出されると、除霜運転が終了される。なお、除霜終了条件としては、例えば除霜運転の継続時間（前回の暖房運転からの経過時間）や室外機熱交換器１５の配管温度Ｔ、外気温度等、室外機熱交換器１５の除霜が推定される適宜の条件が採用される。

図２に、霜が付着している場合と付着していない場合における除霜運転時の室外機熱交換器の配管温度の試験結果を示す。
図２に実線にて示すように、除霜運転時に室外機熱交換器１５に実際に霜が付着している場合には、その配管温度Ｔは、氷点温度（０［°Ｃ］）Ｔ０付近まで上昇するとその温度上昇傾向が緩慢になる（停滞する）。これは、室外機熱交換器１５の配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０よりも低い温度範囲では、所定の傾向で温度上昇を続けるのに対して、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０付近まで上昇した状態では、室外機熱交換器１５の表面に付着していた霜や氷の一部が融解し始め（除霜運転時の冷媒上流側から融解）、該付着していた霜や氷が飽和状態となって、配管内に流れる高温の冷媒の熱量が配管温度Ｔの上昇ではなく融解熱として使われるためである。その後、室外機熱交換器１５の表面に付着していた霜や氷が概ね融解し、室外機熱交換器１５の配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０を超えると、再び所定の傾向で温度上昇を続けることで、相対的にその温度上昇傾向が急激になる。

一方、図２に破線にて示すように、除霜運転時に室外機熱交換器１５に霜が付着していない場合、その配管温度Ｔは氷点温度Ｔ０を挟んだその低側及び高側の温度範囲で共に所定の傾向で温度上昇を続ける。

除霜運転時の室外機熱交換器１５の配管温度Ｔの温度上昇傾向は、現象的には上記したように考えることができる。しかしながら、室外機熱交換器１５に実際に霜が付着している場合、除霜運転（逆サイクル運転）開始時の冷媒配管温度や冷媒循環量、その他の要因によって、氷点温度Ｔ０付近での配管温度Ｔの温度上昇傾向の変化タイミングにばらつきが見られることが確認されている。そこで、空除霜の有無判定にあたって、制御装置２０は、概ね配管温度Ｔの温度上昇傾向に変化が見られる氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲（例えば−２〜０［°Ｃ］）及び高側の温度範囲（例えば０〜２［°Ｃ］）で、時間に対する氷点温度Ｔ０と配管温度Ｔとの温度差の積算値をそれぞれ低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂとして算出する（低側積算値算出手段、高側積算値算出手段）。そして、制御装置２０は、これら低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂを比較することで、前記したばらつきを吸収した状態で空除霜の有無を判定する（判定手段）。これは、温度上昇傾向が停滞する着霜状態（空除霜なし）では低側積算値Ａが大きくなって高側積算値Ｂよりも大きくなるのに対し、被着霜状態（空除霜あり）では低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂが同等になる傾向を示すことによる。

具体的には、低側積算値Ａの算出に係る配管温度Ｔの低側の温度範囲（着霜状態のとき、温度上昇傾向が停滞する温度範囲）を所定の低側温度Ｔ１（ただしＴ１は負数）〜氷点温度Ｔ０とする。そして、低側温度Ｔ１よりも低い温度範囲から配管温度Ｔが低側温度Ｔ１に到達した時刻をｔ１、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０に到達した時刻（氷点温度Ｔ０を最初に検出した時刻）をｔ０１とする。また、高側積算値Ｂの算出に係る配管温度Ｔの高側の温度範囲を氷点温度Ｔ０〜所定の高側温度Ｔ２（ただしＴ２は正数）とする。そして、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０から上昇を開始した時刻（氷点温度Ｔ０を検出した最後の時刻）をｔ０２、配管温度Ｔが高側温度Ｔ２となる最後の時刻（高側温度Ｔ２を検出した最後の時刻）をｔ２とする。この場合、低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂは、下式（１）（２）に従ってそれぞれ算出される。

なお、Δｔは、制御装置２０による配管温度Ｔの計測周期（ここでは、１［秒］）を表す。

そして、低側積算値Ａと、高側積算値Ｂに所定の補正係数ｋ（０＜ｋ＜１）を乗じた値（＝ｋＢ）との大小関係に基づいて、空除霜の有無が判定される。すなわち、Ａ＞ｋＢであれば、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲で温度上昇傾向が停滞していることから、「空除霜なし」と判定される。一方、Ａ≦ｋＢであれば、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲で温度上昇傾向が停滞していないことから、「空除霜あり」と判定される。なお、補正係数ｋは、着霜状態にあるにも関わらず誤って「空除霜なし」と判定されることを抑制するための係数である。

以上のように、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側及び高側の温度範囲で室外機熱交換器１５の温度上昇傾向を強調した低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂを利用することで、氷点温度Ｔ０から上昇を要する温度（高側温度Ｔ２）が小さくても、即ち氷点温度Ｔ０を超えてからの経過時間が短くても、空除霜の有無が好適に判定される。これにより、信頼性を損ねることなく、空除霜の有無判定に要する時間が短縮される。

なお、「空除霜なし」と判定された場合、制御装置２０は、所定の除霜終了条件の成立が検出されるまで除霜運転を継続する。一方、「空除霜あり」と判定された場合、制御装置２０は、除霜運転を即座に停止して所定の除霜終了制御を実施し、暖房運転を再開する。これにより、快適性及び省エネルギー性を向上したシステム制御が提供される。

次に、低側温度Ｔ１を−２［°Ｃ］、高側温度Ｔ２を２［°Ｃ］として、除霜運転時の空除霜の有無判定の具体例について図３に基づき説明する。図３は除霜運転時の室外機熱交換器の配管温度の推移を拡大して示すグラフである。なお、補正係数ｋとして「０．８」を採用するものとする。温度センサ２１による配管温度Ｔの分解能が１［°Ｃ］であり、制御装置２０が１［秒］ごとに配管温度Ｔを取得している（計算周期が１［秒］ごとである）ことは既述のとおりである。

まず、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲で温度上昇傾向が停滞している場合について説明する。図３（ａ）に示すように、除霜運転に伴い、配管温度Ｔが−２［°Ｃ］に到達して低側積算値Ａの算出を開始した後、仮に−２［°Ｃ］を５［秒］、−１［°Ｃ］を７［秒］継続して氷点温度Ｔ０（０［°Ｃ］）に到達（上昇）したとする。このとき、低側積算値Ａは式（１）に従って以下のように算出される。

Ａ＝（０−（−２））×５＋（０−（−１））×７＝１７
また、除霜運転に伴い、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０から上昇を開始して高側積算値Ｂの算出を開始した後、仮に１［°Ｃ］を１［秒］、２［°Ｃ］を２［秒］継続したとする。このとき、高側積算値Ｂは式（２）に従って以下のように算出される。

Ｂ＝（１−０）×１＋（２−０）×２＝５
従って、Ａ＝１７＞ｋＢ＝４の関係が得られることで、前述の態様で「空除霜なし（着霜状態）」と判定される。

次に、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲で温度上昇傾向が停滞していない場合について説明する。図３（ｂ）に示すように、除霜運転に伴い、配管温度Ｔが−２［°Ｃ］に到達して低側積算値Ａの算出を開始した後、仮に−２［°Ｃ］を１［秒］、−１［°Ｃ］を１［秒］継続して氷点温度Ｔ０（０［°Ｃ］）に到達（上昇）したとする。このとき、低側積算値Ａは式（１）に従って以下のように算出される。

Ａ＝（０−（−２））×１＋（０−（−１））×１＝３
また、除霜運転に伴い、配管温度Ｔが氷点温度Ｔ０から上昇を開始して高側積算値Ｂの算出を開始した後、仮に１［°Ｃ］を１［秒］、２［°Ｃ］を２［秒］継続したとする。このとき、高側積算値Ｂは式（２）に従って以下のように算出される。

Ｂ＝（１−０）×１＋（２−０）×２＝５
従って、Ａ＝３≦ｋＢ＝４の関係が得られることで、前述の態様で「空除霜あり（非着霜状態）」と判定される。

図４は、従来形態及び本実施形態の各々において、空除霜の有無判定を完了する際の室外機熱交換器１５の配管温度Ｔ（Ｔ２）と信頼性との関係を、実験的に求めた一覧図である。なお、ここでは、従来形態として、室外機熱交換器１５の配管温度Ｔの温度上昇傾向（微分値）から室外機熱交換器１５の着霜有無を予想して空除霜判定を行うものを採用している。

同図に示すように、従来形態では、空除霜の有無判定を完了する際の室外機熱交換器１５の配管温度Ｔを１０［°Ｃ］に設定した場合には正しい判定結果に至ったのに対し、配管温度Ｔを２［°Ｃ］に設定した場合には誤った判定結果に至ったことが確認された。これは、配管温度Ｔが低いときにはその温度上昇傾向が未だ不安定で、誤判定を誘引しやすいためと推定される。従って、正しい判定結果を得るためには、温度上昇傾向が安定する高い配管温度Ｔを採用する必要がある。

一方、本実施形態では、空除霜の有無判定を完了する際の室外機熱交換器１５の配管温度Ｔを１０［°Ｃ］又は２［°Ｃ］に設定した場合共に正しい判定結果に至ったことが確認された。これは、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の低側積算値Ａ及び高側の高側積算値Ｂを比較することで、冷媒循環量や外気温度等の影響を受けにくくなるためと推定される。従って、本実施形態では、空除霜の有無判定を迅速且つ高精度に行うことができる。

次に、制御装置２０による空除霜の有無の判定態様について、図５のフローチャートに基づき総括して説明する。なお、この処理は、前記除霜開始条件の成立の検出に伴い除霜運転が開始された後、配管温度Ｔが低側温度Ｔ１に到達することで起動される。

処理がこのルーチンに移行すると、除霜運転に伴う配管温度Ｔの上昇に合わせて、前述の態様で低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂが算出される（Ｓ１）。そして、低側積算値Ａが、高側積算値Ｂに補正係数ｋを乗じた値ｋＢ以下か否かが判断される（Ｓ２）。ここで、低側積算値Ａが値ｋＢ以下と判断されると空除霜ありと判定され（Ｓ３）、低側積算値Ａが値ｋＢよりも大きいと判断されると空除霜なしと判定されて（Ｓ４）、処理が終了される。なお、空除霜ありと判定された場合には除霜運転が終了され、空除霜なしと判定された場合には前記除霜終了条件の成立が検出されるまで除霜運転が継続されることは既述のとおりである。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、空除霜の有無判定に係る低側積算値Ａ及び高側積算値Ｂは、氷点温度Ｔ０を挟んだその低側の温度範囲（低側温度Ｔ１〜氷点温度Ｔ０）及び高側の温度範囲（氷点温度Ｔ０〜高側温度Ｔ２）でそれぞれ時間に対し相加的に累積された氷点温度Ｔ０との温度差である。これにより、例えば冷媒循環量などの影響による室外機熱交換器１５の温度上昇傾向の変化のばらつきが吸収され、より小さな温度範囲（即ちより小さな高側温度Ｔ２）で空除霜の有無を判定することができ、当該判定を迅速且つ高精度に行うことができる。

（２）本実施形態では、空除霜の有無判定に際し、湿度センサなどを設ける必要がないため、部品点数を削減することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・前記実施形態において、低側温度Ｔ１の設定（−２［°Ｃ］）及び高側温度Ｔ２の設定（２［°Ｃ］）は一例である。例えば低側温度Ｔ１及び高側温度Ｔ２の大きさ（絶対値）は同一でなくてもよい。また、補正係数ｋは、設定された低側温度Ｔ１及び高側温度Ｔ２に対応する空除霜の有無の判定精度（信頼性）に合わせて変更してもよい。具体的には、空除霜の有無の判定精度が低いほど、補正係数ｋをより小さい値に設定して空除霜ありと判定されにくくすることが好ましい。

・前記実施形態において、制御装置２０による配管温度Ｔの計測周期Δｔ（１［秒］）は一例である。

１…空気調和機、１５…室外機熱交換器、２０…制御装置（低側積算値算出手段、高側積算値算出手段、判定手段）、２１…温度センサ（温度検出手段）。

Claims (1)

1. 暖房運転時に冷媒の蒸発器として機能するとともに除霜運転時に冷媒の凝縮器として機能する室外機熱交換器を備え、冷凍サイクルを構成する空気調和機であって、
   前記室外機熱交換器の配管温度を検出する温度検出手段と、
   除霜運転時に前記検出された配管温度が氷点温度よりも低い所定の低側温度から氷点温度までの温度範囲にあるときの、時間に対する氷点温度及び前記配管温度の温度差の積算値を算出する低側積算値算出手段と、
   除霜運転時に前記検出された配管温度が氷点温度から該氷点温度よりも高い所定の高側温度までの温度範囲にあるときの、時間に対する前記配管温度及び氷点温度の温度差の積算値を算出する高側積算値算出手段と、
   前記算出された低側積算値及び高側積算値の大小関係に基づいて、空除霜の有無を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする空気調和機の空除霜判定装置。

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