JP5627613B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

ヒートポンプ式冷凍サイクル装置は、室外の温度・湿度条件によっては室外機の熱交換器に霜が着霜する場合がある。着霜による暖房性能低下を回復する方法として冷凍サイクルを逆サイクルとして運転する制御方式（デフロスト運転）がある。デフロスト運転は、ヒータなどの追加部品を必要とせず、簡易に霜を除去する事が可能であり、この運転を効果的に行う方法については、種々提案がなされている。

例えば下記特許文献１に記載の技術は、デフロスト運転時の外風を相殺するようにファンモータ回転数を制御することでデフロスト効果の向上を図るものである。

特開２０１０−１６９２９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来技術では、デフロスト運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器または室内熱交換器が発熱するため、付着した霜が解けた状態の熱交換器内は高温・高湿の雰囲気となる。このとき、熱交換器の周囲は、雰囲気よりも低温であるため、雰囲気中の湿度が冷却されて結露し、腐食などを加速するおそれがあった。特に室外機または室内機に搭載されたファンモータにおいては、銅線・基板などが内部に配置されており、腐食による導通不良が生じると冷凍サイクル装置自体の機能を喪失するおそれがあった。

室外ファンモータの結露は雰囲気との温度差が要因にあるが、この温度差はデフロスト運転時に限ったものではなく、例えばボイラ等が近傍に設置されている場合や日射により、室外ファンモータの雰囲気温度が急に上昇した場合も同様に結露の可能性がある。

上記のような要因による結露によるファンモータへの水分の浸入を防止する方法としては、防水構造に変更することが考えられるが、ファンモータの大型化によりコストが増大するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを増加させることなく信頼性の向上を図ることができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、膨張機構と、四方弁と、凝縮器または蒸発器として機能する室内熱交換器と、凝縮器または蒸発器として機能する室外熱交換器とを、冷媒配管により連結して成る冷凍サイクル装置であって、前記室外熱交換器に送風する室外ファンと、前記室内熱交換器に送風する室内ファンと、前記室外ファンを駆動する室外ファンモータと、前記室内ファンを駆動する室内ファンモータと、前記室外ファンモータを駆動する室外ファン駆動部と、前記室内ファンモータを駆動する室内ファン駆動部と、前記四方弁、前記膨張機構、前記室外ファン駆動部、および前記室内ファン駆動部を制御する制御部と、前記室外熱交換器近傍の雰囲気の温度を検出する温度センサと、を備え、前記制御部は、前記室外ファンが停止した状態において前記温度センサの出力値の時間変化量が所定値を越えたことを検出したときに、前記室外ファンを駆動する指令を前記室外ファン駆動部に出力することを特徴とする。

この発明によれば、コストを増加させることなく信頼性の向上を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構造図である。 図２は、暖房運転時間と暖房能力の関係を示す図である。 図３は、低温時の運転モードを示す図である。 図４は、冷凍サイクル装置によるデフロスト運転時の室外機内の温度変化を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置によるデフロスト運転時の室外機内の温度変化を示す図である。 図６は、室外ファン駆動部の回路図である。 図７は、制御部の動作を示すフローチャートである。 図８は、室外ファン回転数のタイムチャートである。 図９は、室外機の構造図である。

以下に、本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の構造図である。冷凍サイクル装置１は、主たる構成として、室外機６、および室内機７を有して構成されている。室外機６は、四方弁２、凝縮器または蒸発器として機能する室外熱交換器３、膨張機構４、室外ファン駆動部８、制御部１０、冷媒配管１１、圧縮機１３、室外ファン６１、温度センサ１００、および室外ファン６１を駆動する室外ファンモータ６２を有して構成されている。室内機７は、凝縮器または蒸発器として機能する室内熱交換器５、室内ファン駆動部９、冷媒配管１１、室内ファン７１、および室内ファン７１を駆動する室内ファンモータ７２を有して構成されている。

室外ファン６１は、室外熱交換器３に送風して熱交換を促進するための送風ファンであり、室内ファン７１は、室内熱交換器５に送風して熱交換を促進するための送風ファンである。室外ファンモータ６２は、室外ファン６１を回転させるモータであり、室内ファンモータ７２は、室内ファン７１を回転させるモータである。室外ファン駆動部８は、室外ファンモータ６２に電源を供給する回路であり、室内ファン駆動部９は、室内ファンモータ７２に電源を供給する回路である。制御部１０は、ユーザの要望する気温および湿度等に応じて、四方弁２、圧縮機１３、膨張機構４、室外ファン駆動部８、および室内ファン駆動部９を制御する制御手段である。冷媒配管１１は、圧縮機１３、四方弁２、室内熱交換器５、膨張機構４、および室外熱交換器３を冷媒循環可能に接続する。なお、結露を生じる環境条件は暖房運転中におけるデフロスト運転の説明で述べる。暖房運転では図１に示される四方弁２は、圧縮機１３の吐出管（図示せず）と室内熱交換器５とを接続する状態にある。温度センサ１００は室外熱交換器３の温度またはその周囲の温度を検出する。

次に、図２、図３を用いて低温環境下における冷凍サイクル装置１の暖房運転時の基本動作を説明する。図２は、暖房運転時間と暖房能力の関係を示す図であり、図３は、低温時の運転モードを示す図である。横軸は時間を表し、縦軸は冷凍サイクル装置１の暖房能力を表す。

低外気条件において室外熱交換器３の表面温度が０度を下回った場合、室外熱交換器３の表面には、空気中の水分が霜となって付着する。図２のＡ部は、室外熱交換器３の表面への着霜が始まった時点を示し、この霜が室外熱交換器３の風路を妨げるまで成長した場合、外気と冷媒との熱交換が十分に行われないため、暖房能力は図２のＢ部に示されるように急激に低下していく。冷凍サイクル装置１では、この能力低下を回復するために、図３のＣ部に示されるようにデフロスト運転が実行される。

デフロスト運転は、膨張機構４によって四方弁２が逆方向に切り替えられることで実現される。すなわち、図１に示される四方弁２が、点線で示されるように圧縮機１３の吐出管（図示せず）と室外熱交換器３とを接続することで行われる。これにより、室外熱交換器３側に高温・高圧の冷媒が供給され、この熱により室外熱交換器３に付着した霜を溶かすことが出来る。そして、霜が除かれたとき、図３のＤ部に示されるようにデフロスト運転が終了して、再び四方弁２が図１のように切り替えられ暖房運転が再開する。

なお、デフロスト運転中は室外熱交換器３が発熱すると共に、付着している氷が解けて水となりその一部は水蒸気となる。すなわち、温度上昇と水分の増加が同時に発生するため、室外熱交換器３の雰囲気は、周囲と比べて部分的に高温・高湿となる。

次に、図４を用いて、デフロスト運転時の室外機６内の温度変化を説明する。図４は、冷凍サイクル装置１によるデフロスト運転時の室外機内の温度変化を示す図である。横軸は時刻を表し、縦軸は温度を表す。また、実線は温度センサ１００の温度を表し、点線はモータ温度（室外ファンモータ６２の温度）を表し、一点鎖線は露点温度を表す。

冷凍サイクル装置１は、デフロスト運転以外の通常時の運転モード（回転制御モード）において、能動的に室外ファン６１を駆動して室外熱交換器３に送風を行うことで、室外熱交換器３と外気との熱交換を促進する。この回転制御モードが暖房運転の場合、上述したように室外熱交換器３に着霜する場合があるため、冷凍サイクル装置１は、図４のＰ部に示されるように、暖房運転からデフロスト運転に切り替える。デフロスト運転が開始されたとき（ｔ１）、室外熱交換器３には高温の冷媒が供給されるため、室外熱交換器３の温度は、図４のＱ部に示されるように上昇し、これに伴い霜が解けてその一部が水蒸気となって湿度を上昇させる。なお、デフロスト運転開始後は、室外ファン６１は停止している。また、室外熱交換器３の温度および湿度の上昇に伴い、室外機６内の露点温度は、図４のＲ部に示されるように上昇する。

なお、室外ファンモータ６２は、デフロスト運転直前では蒸発運転中の熱交換器によって低温に冷却されており、且つ空気に比べて熱容量も大きいので、デフロスト運転開始以降においてもモータ温度は雰囲気よりも低く保たれる。そのため、図４のＳ部に示されるように、室外機６内雰囲気の露点温度がモータ温度と比べて高くなったとき、室外ファンモータ６２において水蒸気が凝縮して結露が発生する。この結露の量は、露点温度とモータ温度とに依存するため、図４に示されるように、露点温度とモータ温度との差分に相当する斜線部の面積が結露量に相当する。以下、この斜線部をモータ結露発生領域と称する。なお、室外ファンモータ６２は、一般に回路基板・鉄・銅などの金属により構成されているため、結露が多いほど金属腐食が進行しやすい傾向がある。

次に、図５を用いて本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１によるデフロスト運転時の温度変化を説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１によるデフロスト運転時の室外機６内の温度変化を示す図である。

図５のＰ部に示されるようにデフロスト運転が開始されたとき、室外熱交換器３での冷媒凝縮により室外熱交換器３近傍の雰囲気温度が上昇する。温度センサ１００は室外熱交換器３近傍の雰囲気の温度を計測し、その温度上昇を検知する。前記温度の時間変化率が所定以上となった場合、制御部１０は、高温高湿の雰囲気がモータ近傍に漂着しないように送風運転（結露防止運転）を行う。この結露防止運転は、例えば、室外ファン６１が室外ファンモータ７２側から室外熱交換器３側へ緩やかに空気が流動するよう室外ファン駆動部８から室外ファンモータ６２の巻線に交流電圧を印加するなどによって実現される。

この結露防止運転により、室外ファンモータ６２近傍にはデフロスト後にも外気が導入される。このためモータ近傍の雰囲気の温度・湿度はデフロスト前後で大きく変化せず、図４に示した結露の条件には至らない。すなわち、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１の結露防止運転によれば、室外ファンモータ６２の結露量の低減あるいは結露なしを実現可能である。

なお、ファンモータ結露防止にかかる風量は室外熱交換器３近傍の雰囲気が室外ファンモータ６２に接触しない程度の風量があれば十分であり、また、風量大であると室外熱交換器３のデフロスト効果の低下や消費電力の増大を招く事から、室外ファンモータ６２は必要最小限の回転数で運転される事が望ましい。

次に、図６から図９を用いて、結露防止運転の具体的な方法を説明する。図６は、室外ファン駆動部８の回路図であり、図７は、制御部１０の動作を示すフローチャートであり、図８は、制御部１０の暖房時室外ファン回転数のタイムチャートであり、図９は、室外機６の構造図である。

図９において、室外機６の一般的な内部構造を説明する。前面側（図下部）から見て室外ファン６１、室外ファンモータ６２、室外熱交換器３の順に配置されており、通常時（冷暖房運転時）は、室外ファン６１から前面側へ送風する向きで室外ファンを運転する。

図６において、室外ファン駆動部８は、主たる構成として、室外ファン制御回路８１およびインバータ８２を有して構成されている。インバータ８２は、室外ファンモータ６２に電圧を印加し、室外ファンモータ６２に内蔵された位置センサ６３は、室外ファンモータ６２の回転子位置（回転子の磁極位置）ないし回転子の回転速度を検出し、室外ファン制御回路８１は、制御部１０および位置センサ６３からの情報に基づき、インバータ８２にＰＷＭ信号を出力する。

なお室外ファンモータ６２の位置センサ６３は、ホールＩＣ・フォトカプラ・フォトインタラプタ等電気信号を出力する素子とその付帯回路によって構成されるため、プリント基板を伴う構造にてモータ固定子に固定・内蔵される。

次に、図７を参照して、制御部１０の動作について説明する。温度センサ１００は室外熱交換器３近傍の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に出力している。制御部１０は、温度センサ１００の出力に基づいて室外熱交換器３近傍の温度Ｔｃを例えば定期的に検出している（ステップＳ１）。さらに、制御部１０は、室外ファンモータ６２の動作状態を確認する。具体的には、制御部１０は、室外ファンモータ６２が通常運転中か否かを確認する（ステップＳ２）。室外ファンモータ６２が通常運転中でない状態（すなわち、停止中）の場合は（ステップＳ２，Ｎｏ）、制御部１０は、温度Ｔｃの時間変化量ΔＴｃ／Δｔを演算し、この時間変化量ΔＴｃ／Δｔが所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ３）。ここで、Δｔは時間変化分、ΔＴｃはΔｔにおける温度変化量を表し、さらに所定値は温度上昇を検出するものであることから正の所定の値とする。時間変化量ΔＴｃ／Δｔが所定値以上であることを検出した場合は（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、制御部１０は、結露の可能性があると判断し、結露防止運転モードを選択し、室外ファン制御回路８１に当該運転モードに対応する指令を出力する（ステップＳ５）。なお、このような状況は、例えばデフロスト運転時に発生し得る。時間変化量ΔＴｃ／Δｔが所定値未満であることを検出した場合は（ステップＳ３，Ｎｏ）、ステップＳ１に戻る。また、室外ファンモータ６２が通常運転中（冷暖房運転中）の場合は（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、制御部１０は、通常運転モードを選択し、室外ファン制御回路８１に通常運転モードに対応する指令を出力する（ステップＳ４）。

なお、室外ファン制御回路８１は、結露防止運転モードに対応する指令を受信すると、結露防止運転（例えば、低速逆回転運転）を実施する。具体的には、室外ファン制御回路８１は、例えば、室外ファン６１→室外熱交換器３へ風が流れるように室外ファン６１を回転させるよう室外ファンモータ６２各相への通電順序を定める。他方、室外ファン制御回路８１は、通常運転モードに対応する指令を受信すると、通常運転モード（正回転運転）を実施する。具体的には、室外ファン制御回路８１は、室外熱交換器３→室外ファン６１へ風が流れるように室外ファン６１を回転させるよう室外ファンモータ６２各相への通電順序を定める。

以上説明したように、本実施の形態では、室外ファン６１が停止した状態において温度センサ１００の出力値の時間変化量が所定値を越えたときに、制御部１０から室外ファン駆動部８に室外ファン６１を駆動する指令を出力し、室外ファン６１を例えば室外機６内部に向けて送風させるようにしたので、室外ファンモータ６２の結露の防止が実現でき、コストを増加させることなく信頼性の向上を図ることができる。

なお、ファンモータ結露防止モードの風量は、低温のファンモータ表面に高温高湿の熱交換器近傍に空気が触れることを抑止できるだけの風量があれば良く、その風量は通常冷暖房時の熱交換運転に必要な風量に比べて十分小さい。また、風量が過大であるとデフロスト運転中の室外熱交換器３の温度を低下させ、室外熱交換器３のデフロストの妨げとなり暖房能力の低下を招く恐れがある。このため、ファンモータ結露防止モード時の周波数指令の値は、通常時の周波数指令の下限値より小さい値とすることで、信頼性が高く暖房能力の高い冷凍サイクル装置１を得ることができる。図８では、例えば暖房運転時のファン回転数とデフロスト運転時のファン回転数とを示している。デフロスト運転時の運転周波数（ファン回転数）は、冷暖房運転時（図示例では暖房運転のみを示す）の最小回転数よりも小さい値に設定されている。

また、室外ファンモータ６２が回転子の位置センサ６３を内蔵する場合、電気回路を内蔵する構成となり、結露によるパターン腐食などの可能性があるため、本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置１による効果は大きいものとなる。

冷凍サイクル装置１においては、室外の温度センサ１００の温度情報は、冷凍サイクル制御を行う制御部１０に通知されるのみで室外ファンモータ６２に与えられることがないのが一般的である。したがってファンモータ結露防止モードの発停判断は制御部１０が実施することで、センサや信号線の増加がなく安価に冷凍サイクル装置１を構成出来るメリットがある。

また、本実施の形態では、デフロスト運転時における室外ファンモータ６２の結露を抑制することについて説明したが、室外ファンモータ６２の結露は雰囲気との温度差が要因にあり、この温度差はデフロスト運転時に限ったものではなく、例えばボイラ等が近傍に設置されている場合や日射により雰囲気温度が急に上昇した場合も同様に結露の可能性がある。したがって、本実施の形態は、デフロスト運転時以外の場合にも適用可能である。

また、デフロスト運転時における室外ファン６１の駆動方向は、室外ファン６１から室外機内部に空気を導入する方向であることが好ましいが、これと逆の方向を選択することも可能であり、この場合も室外機内部で空気の移動が生ずるので室外ファンモータ６２の結露の防止に効果がある。すなわち、室外ファン駆動部８が、結露防止運転モードに対応する指令を受信したとき、室外ファン６１が駆動するための電圧を、室外ファンモータ６２に出力するように設定することにより、室外ファンモータ６２の結露の防止に効果がある。前述のように、従来は、デフロスト運転時に室外ファン６１は停止していた。

なお、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略するなど、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、冷凍サイクル装置に適用可能であり、特に、コストを増加させることなく信頼性の向上を図ることができる冷凍サイクル装置として有用である。

１ 冷凍サイクル装置
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 膨張機構
５ 室内熱交換器
６ 室外機
７ 室内機
８ 室外ファン駆動部
９ 室内ファン駆動部
１０ 制御部
１１ 冷媒配管
１３ 圧縮機
６１ 室外ファン
６２ 室外ファンモータ
６３ 位置センサ
７１ 室内ファン
７２ 室内ファンモータ
８１ 室外ファン制御回路
８２ インバータ

Claims (6)

1. 圧縮機と、膨張機構と、四方弁と、凝縮器または蒸発器として機能する室内熱交換器と、凝縮器または蒸発器として機能する室外熱交換器とを、冷媒配管により連結して成る冷凍サイクル装置であって、
   前記室外熱交換器に送風する室外ファンと、
   前記室内熱交換器に送風する室内ファンと、
   前記室外ファンを駆動する室外ファンモータと、
   前記室内ファンを駆動する室内ファンモータと、
   前記室外ファンモータを駆動する室外ファン駆動部と、
   前記室内ファンモータを駆動する室内ファン駆動部と、
   前記四方弁、前記膨張機構、前記室外ファン駆動部、および前記室内ファン駆動部を制御する制御部と、
   前記室外熱交換器近傍の雰囲気の温度を検出する温度センサと、
   を備え、
   前記制御部は、前記室外ファンが停止した状態において前記温度センサの出力値の時間変化量が所定値を越えたことを検出したときに、前記室外ファンモータの結露を防止するように前記室外ファンを駆動する指令を前記室外ファン駆動部に出力することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記室外ファンが停止した状態において前記温度センサの出力値の時間変化量が前記所定値を越えた場合の前記室外ファンの駆動方向は、前記室外ファンから前記室外熱交換器へ風が流れる方向であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御部は、前記室外熱交換器が蒸発器として機能する際のデフロスト運転時において前記温度センサの出力値の時間変化量が前記所定値を越えたことを検出したときに、前記室外ファンを駆動する指令を前記室外ファン駆動部に出力することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記指令が前記制御部から前記室外ファン駆動部に出力された場合の前記室外ファンモータの回転数は、冷暖房運転時の最小回転数に比べて小さいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記室外ファンモータは、その回転子の磁極位置ないし回転速度を検出するための位置センサを内蔵することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記指令の発停は、前記制御部が行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の冷凍サイクル装置。

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