JP5676691B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機および加熱機により暖房を行う空気調和装置に関する。

空気調和機の暖房運転において、外気温が低いとき、暖房能力が不足する。この能力不足を補うために、特許文献１に記載のように、補助用の加熱機として、ヒータが設けられる。低外気温時に、空気調和機の冷凍サイクルによる暖房運転と同時にヒータによる暖房が行われる。ヒータの作動により、空気調和機の暖房能力不足を補うことができる。

特開２０００−３０４３３１号公報

空気調和機の暖房運転時、ヒータが同時に作動するが、必要以上の暖房能力が出ないように、ヒータのオンとオフが切り換えられる。すなわち、空気調和機が暖房運転を行っている間、室温が上がって、設定温度に達した後、空気調和機の圧縮機が停止し、ヒータもオフされる。室温が下がると、空気調和機とともにヒータも作動する。ヒータがオンすることにより、室温が上がりすぎる。そのため、空気調和機の圧縮機やヒータが頻繁にオンオフすることになり、不要に電力を消費し、省エネルギを実現できない。

本発明は、上記に鑑み、状況に応じて加熱機を作動させることにより、空気調和機の暖房能力を補って、快適な暖房を行える空気調和装置の提供を目的とする。

本発明の空気調和装置は、圧縮機を駆動して空調運転を行う空気調和機と、空気調和機に連動して作動する加熱機とから構成される空気調和装置であって、外気温が第１の所定温度未満のとき、加熱機による暖房をメイン暖房として、空気調和機が暖房運転を行い、外気温が第１の所定温度以上のとき、空気調和機の暖房運転をメイン暖房として、加熱機による暖房を補助暖房とするものである。

外気温が第１の所定温度未満のとき（外気温が低いとき）には、空気調和機の暖房能力が低いので、加熱機がメインになって暖房を行う。外気温が第１の所定温度以上のとき（外気温が高いとき）には、空気調和機の暖房能力も高いので、加熱機は、空気調和機による暖房を補う。このように、状況に応じて加熱機が暖房を補うことにより、室温が早く上がる。短時間で室温を設定温度にすることができ、省エネルギを図れる。

空気調和機の暖房運転中、室温が設定温度に達する前に加熱機がオフするようにすることが好ましい。このようにすれば、加熱機のオフ後は、空気調和機による暖房だけとなり、室温の変化を抑えながら暖房できる。

暖房運転中に加熱機がオフするときの停止温度は、外気温に応じて設定され、設定温度と停止温度との差は、外気温が低いほど小さいことが好ましい。このようにすれば、外気温が低いほど、加熱機は空気調和機の低い暖房能力を十分に補え、室温を早く上げることができる。

空気調和機は、圧縮機の回転数を高効率範囲あるいは最大回転数にして暖房運転を行うようにすることが好ましい。このようにすれば、空気調和機の暖房能力を最大現に発揮させることができ、室温の上昇を速やかに図れる。

外気温が第２の所定温度より低くなったとき、空気調和機は暖房運転を停止して、送風運転を行い、加熱機が作動するようにすることが好ましい。第２の所定温度は第１の所定温度よりも低い。このようにすれば、外気温が所定温度より低くなると、空気調和機を保護するために、空気調和機は暖房運転を行わない。そこで、加熱機のみが作動して、代わりに暖房を行う。

本発明によると、空気調和機による暖房に加えて、加熱機を有効に活用できるので、室温は早く上昇させることができる。これにより、暖房時の消費電力を低減できる。

本発明の空気調和装置の構成図 空気調和機の冷凍サイクルの概略構成図 空気調和装置の制御ブロック図 外気温毎の加熱機の停止温度を示す図 空気調和装置の暖房時の動作を示すフローチャート 加熱機のオンオフのタイミングを示す図

第１の実施形態の空気調和装置を図１に示す。空気調和装置は、空気調和機１と加熱機２とから構成される。図２に示すように、空気調和機１は、室外機と室内機とが配管および配線により接続されて構成される。室外機は、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、絞り装置６、室外ファン７を備える。室内機は、室内熱交換器８、室内ファン９を備える。圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、絞り装置６、室内熱交換器８により冷凍サイクルが形成される。なお、絞り装置６として、膨張弁を使用しているが、キャピラリチューブなどを使用してもよい。

加熱機２は、室内機と同じ室内に設置される。なお、加熱機２は、空気調和機１の内部に設けられてもよい。例えば、空気調和機１の吸込口から吹出口に至る送風路内に、加熱機２が設けられる。

空気調和機１と加熱機２とは互いに通信可能とされ、加熱機２は、空気調和機１の指示により作動する。図１（ａ）に示すように、空気調和機１と加熱機２との間に、中継器１０が設けられる。中継器１０は、空気調和機１および加熱機２に接続される。中継器１０は、通信機能を有し、空気調和機１と加熱機２とは中継器１０を介して間接的に通信を行う。あるいは、図１（ｂ）に示すように、空気調和機１に中継器１０が接続され、加熱機２に中継器１０ａが接続され、各中継器１０，１０ａは無線あるいは赤外線による通信機能を有する。なお、空気調和機１および加熱機２は、中継器１０を介さずに、無線あるいは有線によって直接通信を行ってもよい。

図３に示すように、空気調和機１は、冷凍サイクルを制御して、冷房、暖房、除湿などの空調運転を行う制御装置２０を備えている。室外機に、例えばサーミスタなどの外気温検出器２１が設けられ、室内機に、例えばサーミスタなどの室温検出器２２が設けられる。制御装置２０は、指定された空調運転に応じて、各温度検出器２１，２２によって検出された温度に基づいて圧縮機３の回転、絞り装置６の開度、室外ファン７の回転、室内ファン９の回転をそれぞれ制御する。

制御装置２０は、ユーザにより設定された設定温度あるいは自動運転モード時に予め設定された設定温度と検出された室温、外気温に基づいて、ＣＯＰが高くなるように圧縮機３の回転数を決める。そして、圧縮機３の回転数に対応して、室内ファン９の回転数が決定される。制御装置２０は、決められた回転数で圧縮機３を制御し、室温に応じて圧縮機３の回転数を変化させるとともに、圧縮機３の回転数に応じた回転数に基づいて室内ファン９を制御する。

加熱機２は、通電により発熱するヒータ２３と、ヒータ２３への通電を切り換える駆動部２４とを備えている。駆動部２４がヒータ２３への通電を切り換えることにより、加熱機２がオンオフする。そして、空気調和装置の暖房運転モードにおいて、空気調和機１は、暖房運転時に加熱機２の作動を制御する。空気調和機１と加熱機２との間に中継器１０が介在している場合、空気調和機１の制御装置２０が加熱機２に対する駆動信号を出力すると、駆動信号は中継器１０を通じて加熱機２に伝送される。加熱機２の駆動部２４は、駆動信号を受け取ると、駆動信号に応じて通電オンと通電オフとを切り換える。空気調和装置による暖房において、空気調和機１の制御装置２０は、暖房運転と同時に加熱機２をオンし、室温が停止温度に達したら加熱機２をオフする。加熱機２は圧縮機３よりも早くオフする。

ここで、加熱機２がオフするタイミングは外気温に応じて異なる。外気温が高い場合、加熱機２がオフするタイミングは早く、外気温が低い場合、加熱機２がオフするタイミングは遅い。すなわち、外気温が低いとき、空気調和機１は暖房運転を行うが、加熱機２による暖房がメイン暖房とされる。外気温が高いとき、空気調和機１の暖房運転をメイン暖房として、加熱機２による暖房が補助暖房となる。なお、外気温が例えば−１５℃より低いとき、圧縮機３などの機器を保護するために、空気調和機１は、暖房運転を行わず、送風運転を行い、加熱機２だけがオンする。

加熱機２がオフするタイミングは、外気温に応じて決められ、図４に示すように、加熱機２がオフするときの停止温度は、暖房により上昇した室温が設定温度に達する前とされる。具体的には、停止温度は、設定温度より所定温度だけ低い温度とされる。所定温度は外気温が低いほど小さい値とされ、設定温度と停止温度との差は外気温が低いほど小さい。

例えば、外気温が１０℃以上のとき、停止温度は、設定温度−４℃に設定される。外気温が５℃以上、１０℃未満のとき、停止温度は、設定温度−３℃に設定される。外気温が−５℃以上、５℃未満のとき、停止温度は、設定温度−２℃に設定される。外気温が−１５℃以上、−５℃未満（第１の所定温度未満）のとき、停止温度は、設定温度−１℃に設定される。なお、外気温が−１５℃未満（第２の所定温度未満）のとき、加熱機２だけがオンするので、停止温度は設定温度とされる。したがって、外気温が低いとみなされる外気温が−５℃未満のとき、空気調和機１の暖房能力が小さいので、加熱機２による暖房がメインとなり、空気調和機１は補助の暖房となる。外気温が高いとみなされる外気温が−５℃以上のとき、空気調和機１の暖房運転がメインとなり、加熱機２による暖房が補助暖房となる。ここで、第１の所定温度の決め方の一例について説明する。空気調和機の暖房能力は、外気温が低くなるにつれて低下していく。その暖房能力が６０％程度の能力となってしまう外気温を第１の所定温度とする。外気温が大体−８℃前後が目安になるが、本実施の形態においては、−５℃と少し余裕を持たせている。空気調和装置の性能や使用地域に応じて、第１の所定温度は変更可能とされる。

なお、停止温度は予め設定されているが、停止温度は変更可能としてもよい。ユーザが空気調和機１のリモコンを操作して、停止温度を変更する。あるいは中継器１０に温度切替ボタンが設けられ、ユーザが温度切替ボタンを操作することにより、停止温度が変更される。

また、空気調和機１が暖房運転を行うと同時に加熱機２がオンする暖房運転モードでは、空気調和機１の制御装置２０は、圧縮機３の回転数が高効率範囲になるように圧縮機３を制御する。高効率範囲の回転数は、ＣＯＰが最高効率となるときの回転数を含む所定の範囲内の回転数である。圧縮機３の回転数がこの範囲内にあるとき、空気調和機１は高効率な運転を行うことができる。

上記の空気調和装置による暖房を行うときの動作を図５に示す。ユーザがリモコンなどにより空気調和機１の暖房運転モードを開始する操作をすると、制御装置２０は、外気温検出器２１により外気温を検知する（Ｓ１）。

外気温が第２の所定温度（−１５℃）未満のとき、空気調和機１の制御装置２０は、圧縮機３を停止させたまま送風運転を行い、加熱機２をオンする。空気調和機１は加熱機２にオン信号を出力し、オン信号を受けた加熱機２はオンする（Ｓ２）。加熱機２による暖房が行われ、室温が上がっていく。空気調和機１が送風運転するとき、制御装置２０は、ユーザが設定した風速にしたがって室内ファン９を制御する。風速設定が自動の場合、制御装置２０は、微風になるように室内ファン９を制御する。

外気温が−１５℃以上のとき、制御装置２０は、圧縮機３をオンして暖房運転を開始するとともに、加熱機２をオンする（Ｓ３）。加熱機２による暖房と空気調和機１の高効率な暖房運転が行われる。制御装置２０は、検知された外気温に基づいて加熱機２の停止温度を確認して、室温をチェックする。暖房開始時の室温が停止温度より高いとき、加熱機２はオンされず、空気調和機１の暖房運転だけが行われる。

室温が上がって、停止温度に達する（Ｓ４）と、制御装置２０は、加熱機２をオフする。空気調和機が加熱機２にオフ信号を出力すると、加熱機２はオフする（Ｓ５）。空気調和機１の暖房運転は継続される。室温が設定温度に達する（Ｓ６）と、制御装置２０は、圧縮機３を停止させて、送風運転を行う（Ｓ７）。

室温が設定温度よりも下がると、空気調和機１の制御装置２０は、圧縮機３をオンして暖房運転を再開する。室温が停止温度よりも低下したとき、制御装置２０は、加熱機２をオンする。図６に示すように、加熱機２がオンするときの室温は、停止温度よりも一定温度、例えば０．５℃だけ低い温度とされる。

なお、空気調和機１の暖房運転中、外気温が変化したとき、制御装置２０は外気温に応じて停止温度を変更する。変更された停止温度に基づいて、加熱機２がオンオフされる。外気温が−１５℃未満になると、制御装置２０は、圧縮機３をオフして、暖房運転を停止する。このとき、加熱機２がオフしていると、加熱機２がオンされる。

また、空気調和機１が暖房運転しているとき、室外熱交換器５に霜がつく。そのため、暖房運転が停止され、除霜運転が行われる。除霜運転時、制御装置２０は、加熱機２のオンとオフとを繰り返し、加熱機２を間欠的に作動させる。除霜運転が開始されると、加熱機２がオンされる。一定時間、例えば３分経過すると、加熱機２がオフされる。さらに一定時間経過すると、加熱機２がオンされる。除霜運転が終了するまで、加熱機２のオンオフが繰り返される。これにより、除霜運転中の温度低下を防ぐことができる。また、加熱機２をオンオフすることにより、室温が上がり過ぎることを防げる。

上記のように、外気温が低いとき、室温も低いので、加熱機２のオン時間が長くなる。このように、加熱機２がメインで暖房を行うことにより、空気調和機１の暖房能力が低い状況において、加熱機２による暖房を大いに活用でき、室温を早く上げることができる。一方、外気温が高いときには、室温が低い状況において、加熱機２による暖房を空気調和機１の暖房能力に付加できるので、室温を早く上昇させることができる。そのため、加熱機２が早くオフして、加熱機２のオン時間は短くなり、しかも空気調和機１は高効率な暖房運転を行うので、省エネルギを図ることができる。また、室温が設定温度近くにあるとき、加熱機２はオフしているので、室温が上がり過ぎることがない。そのため、圧縮機３が頻繁にオンオフすることを抑制でき、安定した温度調節を行うことができる。

加熱機２がオンして、空気調和機１が暖房運転を行うとき、圧縮機３を最大回転数で駆動してもよい。圧縮機３が最大回転数で駆動されることにより、圧縮機３は最大能力を発揮し、圧縮機３を高効率で作動させる状況にすばやくすることができる。これに伴って加熱機２をオフするタイミングを早めることができ、省エネルギを図れる。

ところで、空気調和機１が加熱機２を作動させるためには、空気調和機１は、加熱機２があることを認識しなければならない。加熱機２が中継器１０を介して空気調和機１に接続される場合、空気調和機１の制御装置２０は、中継器１０が接続端子に接続されていることを検知したとき、加熱機２があると判断する。制御装置２０は、加熱機２を認識すると、加熱機２に駆動信号を出力する。

図１（ｂ）に示すように、２つの中継器１０，１０ａの間で無線通信が行われる場合、空気調和機１は、間欠的に駆動信号を加熱機２に出力する。加熱機２がオンしているとき、空気調和機１の制御装置２０は、オン信号を一定間隔で出力する。例えば、１分毎にオン信号が出力される。加熱機２がオフしているとき、制御装置２０は、オフ信号を一定間隔で出力する。例えば、１０分毎にオフ信号が出力される。加熱機２は、空気調和機１から駆動信号を受け取ると、次の駆動信号が来るまで、最後に受け取った駆動信号による指示にしたがって作動する。また、空気調和機１と加熱機２とが直接、無線通信を行う場合でも、同様に駆動信号が定期的に出力される。

ノイズ等により加熱機２が正常に駆動信号を受け取れなかった場合でも、空気調和機１が加熱機２と継続的に通信を行うことにより、加熱機２は次の駆動信号を受け取ることができる。したがって、空気調和機１の暖房運転に応じて、加熱機２の制御が確実に行うことができる。また、加熱機２のオフ時における駆動信号の出力の間隔はオン時の出力間隔よりも長くされ、消費電力を減らすことができる。

以上の通り、本発明の空気調和装置は、圧縮機３を駆動して空調運転を行う空気調和機１と、空気調和機１に連動して作動する加熱機２とから構成され、外気温が第１の所定温度未満のとき、加熱機２による暖房をメイン暖房として、空気調和機１が暖房運転を行い、外気温が第１の所定温度以上のとき、空気調和機１の暖房運転をメイン暖房として、加熱機２による暖房を補助暖房とする。

外気温が低くて、空気調和機１の暖房能力が低いときには、加熱機２がメインになって、室温を設定温度近くまで上げる。外気温が高くて、空気調和機１の暖房能力が高いときには、空気調和機１がメインとなって暖房を行い、運転開始時などの室温が低いときに加熱機２がオンすることにより、室温を早く上げることができる。

空気調和機１の暖房運転中、室温が設定温度に達する前に加熱機２がオフする。したがって、室温が上昇する過程において、加熱機２は、圧縮機よりも先にオフする。

すなわち、暖房が開始されると、空気調和機１と加熱機２とが同時に作動し、室温が設定温度に達する前に加熱機２がオフし、外気温が高いとき、加熱機２がオフするタイミングは早く、外気温が低いとき、加熱機２がオフするタイミングは遅い。

暖房運転中に加熱機２がオフするときの停止温度は、外気温に応じて設定され、設定温度と停止温度との差は、外気温が低いほど小さい。したがって、加熱機２は、外気温が低いほど長くオンする。外気温が低いとき、室温も低い。室温が停止温度まで上がるのに、時間がかかる。そのため、加熱機２のオン時間は長くなる。外気温が高いとき、室温も高いので、すぐに停止温度まで室温が上がる。そのため、加熱機２のオン時間は短くなる。

空気調和機１は、圧縮機３の回転数を高効率範囲あるいは最大回転数にして暖房運転を行う。空気調和機１の暖房能力を最大限発揮させることができ、室温を早く上昇させることができる。

外気温が第２の所定温度より低くなったとき、空気調和機１の暖房運転が停止される。すなわち、空気調和機１は圧縮機３を停止して、送風運転を行い、加熱機２が作動する。外気温が第２の所定温度より低いときに、空気調和機１が暖房運転を行うと、故障の原因となる。空気調和機１の送風運転は可能なので、加熱機２により暖められた空気を撹拌できる。ここでの送風運転としては、暖房運転モードが継続されたまま、圧縮機３を停止して、室内ファン９を駆動して送風する状態を想定している。なお、暖房運転モードを停止し、送風運転モードにするようにしてもよい。

空気調和機１が除霜運転を行うとき、加熱機２は間欠的に作動する。すなわち、除霜運転が開始されると、加熱機２は一定時間毎にオンとオフを繰り返す。加熱機２がオンすることにより、室温の低下を防止できる。また、加熱機２がオフすることにより、室温が上がり過ぎることも防げる。

空気調和機１と加熱機２とは間接的あるいは直接的に通信可能とされ、加熱機２は、空気調和機１の指示により作動する。空気調和機１は、室温に応じて加熱機２のオンオフを制御する。空気調和機１が暖房運転を開始するとき、空気調和機１の指示により、加熱機２がオンする。室温が停止温度になると、空気調和機１の指示により、加熱機２がオフする。加熱機２に特別な機能を付加することなく、市販の機器を利用することができる。

第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、空気調和機１におけるヒートポンプによる暖房運転と加熱機２による暖房とを併用したが、外気温が低いとき、空気調和機１の暖房能力は低いので、加熱機２のみを作動させてもよい。そして、加熱機２の暖房により室温が上がると、加熱機２をオフして、空気調和機１が暖房運転を開始する。空気調和機１によって設定温度まで室温を少しだけ上げればよく、空気調和機１の暖房能力が低くても、十分に暖房を行える。

第３の実施形態について説明する。第１、第２の実施形態では、１つの加熱機２を用いたが、加熱機２は１つに限らず、複数の加熱機２を設ける。このとき、外気温に応じて作動させる加熱機２の個数を変える。外気温が低いほど、多くの加熱機２が作動する。また、暖房運転中、複数の加熱機２がオンしているとき、室温が上がるにつれて、オンしている加熱機２を減らしていく。例えば、室温が停止温度に近づくにつれて、加熱機２を順にオフしていく。また、発熱量を可変できる加熱機２を用いてもよい。室温が上がるにつれて、加熱機２の発熱量を下げていく。

第４の実施形態について説明する。第１〜第３の実施形態では、 加熱機２は空気調和機１によって制御されているが、加熱機２が自らオンオフを制御する。空気調和機１が暖房運転を開始するとき、空気調和機１は、運転開始の情報と外気温の情報を加熱機２に出力する。加熱機２は室温検出器を備え、加熱機２は、これらの情報を受け取るとオンする。加熱機２は、室温を検知して、室温が停止温度になると、自動的にオフする。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。加熱機２として、ガス、灯油などの燃焼を利用した暖房機器を用いてもよい。各実施形態では、室温が設定温度に達すると、空気調和機１は送風運転を行うが、送風運転を行わなくてもよい。また、室外機に加熱機２を設けてもよい。この加熱機２が圧縮機３から吐出された冷媒を温めることにより、高温の冷媒を室内熱交換器に供給でき、室温を早く上昇させることができる。

除霜運転時、室温に応じて加熱機２をオンするタイミングとオフするタイミングを変更する。例えば、室温が高い場合、加熱機２をオフする時間が長くされ、室温が低い場合、加熱機２をオンする時間を長くする。

１ 空気調和機
２ 加熱機
３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ 絞り装置
７ 室外ファン
８ 室内熱交換器
９ 室内ファン
１０ 中継器
２０ 制御装置
２１ 外気温検出器
２２ 室温検出器
２３ ヒータ
２４ 駆動部

Claims (4)

1. 圧縮機を駆動して空調運転を行う空気調和機と、空気調和機に連動して作動する加熱機とから構成される空気調和装置であって、外気温が第１の所定温度未満のとき、加熱機による暖房をメイン暖房として、空気調和機が暖房運転を行い、外気温が第１の所定温度以上のとき、空気調和機の暖房運転をメイン暖房として、加熱機による暖房を補助暖房とし、空気調和機の暖房運転中に加熱機がオフするときの停止温度は、設定温度よりも所定温度だけ低い温度とされ、所定温度は、外気温が低いほど小さい値とされることを特徴とする空気調和装置。
2. 外気温が第２の所定温度より低いとき、空気調和機は暖房運転を停止して、送風運転を行い、加熱機が作動し、加熱機の停止温度は、設定温度とされることを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 加熱機は空気調和機からの駆動信号による指示にしたがって作動し、空気調和機は、加熱機があることを認識すると、加熱機に駆動信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の空気調和装置。
4. 空気調和機は、圧縮機の回転数を高効率範囲あるいは最大回転数にして暖房運転を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。

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