JP5973336B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、ホットガスバイパス方式による除霜が可能で、冷媒回路を循環する冷媒量を調整可能な空気調和機に関する。

現在の空気調和機のほとんどは、冷房と暖房が切り替えられるように冷媒回路が構成されている。また、冷媒回路に必要な冷媒量は、凝縮器の大きさによって大きく変化するところ、一般的な空気調和機においては、冷媒回路を構成する室内熱交換器と室外熱交換器とで冷媒流路の容積が異なる。したがって、冷房運転時と暖房運転時とで、冷媒回路に必要とされる冷媒量が大きく変化する。また、同じ運転モードであっても、圧縮機の回転数が高い場合と低い場合とで冷媒回路に必要とされる冷媒量は変化する。

上記課題に対して、特許文献１には、少なくとも１つの冷媒ラインによって冷媒回路と流通連通して接続される冷媒貯蔵装置（レシーバ）と、少なくとも１つの冷媒ラインに配された冷媒流制御装置とを備え、冷媒流制御装置は、冷媒が冷媒ラインを通流する開位置と、冷媒ラインを通る冷媒の流れを遮断する閉位置とを有する冷媒蒸気圧縮システムが記載されている。

また、従来の空気調和機においては、蒸発器に付着した霜を除去する方法として、特許文献２に示すように、圧縮機より吐出された冷媒の一部を蒸発器の入口側にバイパスさせて霜を除去するクイック除霜方式（ホットガスバイパス除霜方式）と、四方弁を切り替えて、圧縮機より吐出された高温の冷媒を蒸発器に流入させるリバース除霜方式がある。このうち、ホットガスバイパス除霜方式は、運転モードを切り替える必要がなく、利用者にとって利便性が高いという利点を有する。

特開２０１１−５２１１９４号公報 特開２００２−１０７０１４号公報

しかしながら、特許文献１のようにレシーバを用いて冷媒量を調整可能としつつ、特許文献２のようにホットガスバイパス除霜を可能とした場合には、多くのガス配管及び流量調整装置が必要となり、構造が複雑化して製造コストが高くなるといった問題があった。

そこで、本発明においては、上記に鑑み、構造が複雑化することなく、レシーバを用いて冷媒量調整が可能で、ホットガスバイパス除霜が可能な空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り装置および室外熱交換器が配管により順次接続されて冷媒が流れる冷媒回路が構成され、前記四方弁と室内熱交換器とを接続する第一配管と、前記絞り装置と室外熱交換器とを接続する第二配管の間とを連結する除霜用のバイパス回路が設けられた空気調和機であって、前記バイパス回路は、冷媒を溜めるレシーバと、前記レシーバと第一配管とを連結する第一連結管及び前記レシーバと第二配管とを連結する第二連結管と、前記第一連結管及び第二連結管にそれぞれ介装された、冷媒の流量を調整する第一流量調整装置及び第二流量調整装置とを備え、前記レシーバが、圧縮機の吐出側の配管温度よりも低温の配管に対して熱的に接触するように配置されたことを特徴とする。

上記構成によれば、四方弁と室内熱交換器とを接続する第一配管と、絞り装置と室外熱交換器とを接続する第二配管とを接続するバイパス回路にレシーバを介装したため、新たな配管を設ける必要がない。さらに、バイパス回路を開閉する流量調整装置をレシーバの冷媒量調整用の流量調整装置として用いることができ、部品点数を削減することが可能となる。

本発明では、レシーバが圧縮機の吐出側の配管温度よりも低温の配管（以下、低温配管という）に対して熱的に接触するように配置される。すなわち、圧縮機から吐出された冷媒は高温高圧のガス状態にあるため、バイパス回路に介装されたレシーバに導くだけでは液状冷媒として貯蔵することができない。そこで、本発明では低温配管にレシーバを熱的に接触させることにより、レシーバを冷却し、冷媒を液化させてレシーバに貯蔵することが可能となる。具体的な構成として、例えば、レシーバを四方弁と圧縮機吸込側とを接続するサクション配管に対して熱的に接触するように配置してもよい。

ここで、熱的に接触させるとは、レシーバと、低温配管との間で熱交換可能なように、両者を直接的又は間接的に接触させることを意味する。具体的には、レシーバをサクション配管に銅のろう材で溶接することで間接的に接触させる方法や、レシーバにサクション配管が密着可能な凹面を形成し、両者をバンド等の固定具によって直接的に接触させた状態で固定する方法を例示することができる。

また、第一流量調整装置及び第二流量調整装置を制御する制御装置が設けられ、制御装置は、第一流量調整装置及び第二流量調整装置の両方を開くことによって、圧縮機から吐出された冷媒の少なくとも一部を、バイパス回路を通じて室外熱交換器に導入するホットガスバイパス除霜を実行可能な構成としてもよい。

より具体的には、暖房運転中に、制御装置が、ホットガスバイパス除霜が必要と判断したときは、冷媒回路を流れる冷媒の向きはそのままで、第一流量調整装置及び第二流量調整装置の両方を開とすればよい。これにより、利便性の高い空気調和機を得ることができる。なお、ここで流量調整装置を制御するとは、流量調整装置の開度を調整して連結管を流通する冷媒流量を制御することを意味する。

絞り装置が制御装置によって制御され、制御装置は、ホットガスバイパス除霜時に、絞り装置をホットガスバイパス除霜開始直前の状態から閉じる方向に動作させるようにしてもよい。すなわち、運転モードはホットガスバイパス除霜を開始する直前と同じ運転モードを継続しつつ、絞り装置をホットガスバイパス除霜開始直前の状態から閉じる方向に動作させることで、室外熱交換器を流れる冷媒流量（単位時間あたりに流通する冷媒量）を抑制し、その分、バイパス回路を通過する冷媒流量を増加させることにより、室外熱交換器の除霜を速やかに完了させることができる。

さらに、制御装置は、ホットガスバイパス除霜時に、第一流量調整装置及び第二流量調整装置を全開にするか、あるいは絞り装置を全閉にするうち少なくともいずれか一方の制御を行うようにしてもよい。ここで、流量調整装置を全開にするとは、流量調整装置の開度を最大にすることを意味する。これにより、室外熱交換器に流入するホットガス冷媒流量を増加させることができる。なお、上記２つの制御を行えば室外熱交換器に流入するホットガス冷媒流量を最大にすることができ、より速やかに除霜を行うことができる。

本発明の空気調和機は、第一流量調整装置及び第二流量調整装置を制御することで、レシーバに冷媒を溜めたり、レシーバに溜めた冷媒を冷媒回路に戻したりすることができ、これにより、運転モードに応じて冷媒量に調整することができる。

具体的に、制御装置は、暖房運転時の方が冷房運転時よりも最適冷媒量が少ない場合には、第二流量調整装置を開いて第一流量調整装置を閉鎖することにより、暖房運転時にレシーバに冷媒を満たすようにし、冷房運転時に前記レシーバ内の冷媒を冷媒回路に戻すようにし、冷房運転時の方が暖房運転時よりも最適冷媒量が少ない場合には、第一流量調整装置を開いて第二流量調整装置を閉鎖することにより、冷房運転時にレシーバに冷媒を満たすようにし、暖房運転時にレシーバ内の冷媒を冷媒回路に戻すようにしてもよい。

ここで、最適冷媒量とは、冷媒回路に封入された冷媒量からレシーバ内に貯留される冷媒量を引いた、実際に冷媒回路を循環する冷媒量（循環冷媒量）のうち、「空調能力」／「消費電力」で表わされるＣＯＰ（成績係数）が最大となる冷媒量を意味する。

冷房運転と暖房運転とで最適冷媒量を比較する場合、冷暖房運転とも定格運転を行ったときの最適冷媒量を比較することができる。ここで、定格運転とは、圧縮機の回転数を予め設定した一定値で駆動させる運転を意味する。圧縮機の回転数としては、最小回転数と最大回転数の間の運転効率が高く標準的な回転数が設定される。

以上のとおり、本発明の空気調和機は、圧縮機から吐出された冷媒の少なくとも一部を室外熱交換器の入口側にバイパスさせるバイパス回路にレシーバを介装し、レシーバを低温配管に対して熱的に接触するように配置したため、構造が複雑化することなく、レシーバを用いて冷媒量調整が可能で、ホットガスバイパス除霜が可能な空気調和機を提供することが可能となる。

本発明の空気調和機の冷媒回路を示す図 本発明の空気調和機の制御ブロック図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る空気調和機の実施形態を示す冷媒回路図である。図示のごとく、本実施形態の空気調和機は、１台の室外機１に１台の室内機２が接続されたシングル型空気調和機であり、室外機１に収容される圧縮機３、室外熱交換器４及び絞り装置５をこの順に冷媒配管で直列に接続し、さらに絞り装置５から二方弁６を介して、室内機２に収容される室内熱交換器７を配管接続し、室内熱交換器７から三方弁８を介して、再び室外の圧縮機３に配管接続して冷媒回路を構成している。

圧縮機３は、切換弁である四方弁９を介して冷媒回路に接続されており、四方弁９を切り換えることにより、室外熱交換器４側、又は、室内熱交換器７側のいずれの方向へも圧縮した冷媒を送出可能な構成とされている。この四方弁９の切り換えにより、室外熱交換器４と室内熱交換器７とが、凝縮器又は蒸発器として使用される。

具体的に、図１では、圧縮機３から吐出される高温の冷媒が、図示する実線矢印方向に流通され、凝縮器としての室外熱交換器４、絞り装置５を経て蒸発器としての室内熱交換器７に流入されることによって冷房運転が実現される。また、圧縮機３から吐出される冷媒が、図示する破線矢印方向に流通され、凝縮器としての室内熱交換器７、絞り装置５を経て蒸発器としての室外熱交換器４に流入されることによって暖房運転が実現される。

本発明では、絞り装置５と室外熱交換器４とを接続する第一配管１１と、四方弁９と室内熱交換器７とを接続する第二配管１２とを接続するバイパス回路１０が設けられる。バイパス回路１０は、冷媒を溜めるレシーバ１３と、レシーバ１３と第一配管１１とを連結する第一連結管１４及びレシーバ１３と第二配管１２とを連結する第二連結管１５と、第一連結管１４及び第二連結管１５にそれぞれ介装された、冷媒の流量を調整する第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７とを備えている。

レシーバ１３は、低温配管となる四方弁９と圧縮機３の吸込側とを接続するサクション配管１８に対して銅のろう材１９によって溶接される。これにより、レシーバ１３とサクション配管１８との間で熱交換が可能となる。したがって、圧縮機３から吐出される高温の冷媒を冷却して液状化することが可能となる。なお、低温配管の例としては、暖房運転時は、サクション配管１８、室外熱交換器入口側配管、室外熱交換器出口側配管などがあり、冷房運転時には、サクション配管１８、室外熱交換器出口側配管、四方弁９と室内熱交換器７とを接続する第二配管１２がある。よって、冷房暖房両方に適した低温配管としては、サクション配管１８がよく、室外熱交換器出口側配管でもよい。

図２に示すように、空気調和機は、冷凍回路の運転を制御して、空調運転を制御する制御装置２０を備えている。空気調和機には、室外熱交換器４の温度を検出する室外熱交換器温度センサ２１、室内熱交換器７の温度を検出する室内熱交換器温度センサ２２、圧縮機３から吐出された冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ２３、室温センサ２４、外気温センサ２５が設けられる。

制御装置２０は、ＣＰＵ、メモリ等を備えたマイコンから構成され、所望の空調運転に応じて、これらの温度センサの出力や、リモコン、本体の操作スイッチの操作信号等に基づき、圧縮機３、送風機２６、絞り装置５、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７の動作を制御して、冷媒回路の運転を制御する。

一般的に、室外熱交換器４の容量は室内熱交換器７の容量よりも大である。そのため、冷房運転時には、より多くの冷媒が必要となる。本実施形態においても、冷房定格運転時の最適冷媒量は暖房定格運転時の最適冷媒量よりも多くなるように設定される。ここで、定格運転とは、圧縮機の回転数を予め設定した一定値で駆動させる運転を意味する。圧縮機の回転数としては、最小回転数と最大回転数の間の運転効率が高く標準的な回転数が設定される。

すなわち、冷房運転および除湿運転が最適冷媒量の多い空調運転、暖房運転が最適冷媒量の少ない空調運転とされる。レシーバ１３の内容積は、冷房定格運転における最適冷媒量と、暖房定格運転における最適冷媒量との容積差と同じ容積に設定される。

絞り装置５は、冷媒の流量を調整する装置であり、本実施形態では膨張弁が用いられているが、これに限らず複数のキャピラリチューブを並べて、流路を切り替えるようにしてもよい。また、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７は、開閉することによって第一連結管１４及び第二連結管１５における冷媒の流れを制御する。

すなわち、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７は、レシーバ１３内の冷媒の圧力を調整するものであり、膨張弁、流量調整弁、ストップ弁などを用いる。本実施形態では、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７として、同型のニードルバルブを用い、全開位置を基準としてステッピングモータによって開度を正確に制御する構成とされる。

上記構成の空気調和機において暖房運転するときは、最適冷媒量は冷房運転時よりも少ないため、レシーバ１３に冷媒を溜めることで循環冷媒量を抑制する必要がある。また、暖房運転時は、第二配管１２が第一配管１１よりも高圧となる。そこで、暖房運転時に高圧側の第二流量調整装置１７を開いて第一流量調整装置１６を閉鎖することで、圧縮機３から吐出された冷媒がレシーバ１３に導入されて冷却され、液状冷媒がレシーバ１３に溜まる。すなわち、レシーバ１３に冷媒が充填された状態で暖房運転を行うことができる。

一方、冷房運転時は、最適冷媒量は暖房運転時よりも多くなるため、レシーバ１３から冷媒を冷媒回路に戻すことで循環冷媒量を増加させる必要がある。また、冷房運転時は、第一配管１１が第二配管よりも高圧となる。そこで、前述のように、冷房運転時に第二流量調整装置１７を開いて第一流量調整装置１６を閉鎖すると、こんどは第二流量調整装置１７が低圧側となる。従って、冷媒はレシーバ１３に溜まることなく、冷媒回路に戻されて循環冷媒量が増加する。

上述のごとく、冷房定格運転時の最適冷媒量が暖房定格運転時の最適冷媒量よりも多くなるように設定されている場合には、第二流量調整装置１７を開いて第一流量調整装置１６を閉鎖することで、暖房運転時には冷媒をレシーバ１３に溜めて循環冷媒量を抑制し、冷房運転時には冷媒をレシーバ１３から冷媒回路に戻して循環冷媒量を増加させることができる。

暖房運転を継続すると、室外熱交換器４は着霜を始める。制御装置２０は、室外熱交換器４が着霜して室外熱交換器の温度センサ２１の検出温度がある温度Ｔ1になったときに、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７をともに開とする。これにより、先ず、レシーバ１３に溜められた冷媒が室外熱交換器４に導入され、次いで、圧縮機３から吐出された高温の冷媒ガスが室外熱交換器４に導入され、室外熱交換器４に着霜した霜を吐出ガスによって融解するホットガスバイパス除霜運転を開始する。

制御装置２０は、所定時間又は室外熱交換器４が所定の温度Ｔ2（Ｔ1＜Ｔ2）になったときにホットガスバイパス除霜運転を終了し、再び、第二流量調整装置１７を開いて第一流量調整装置１６を閉鎖して暖房運転を再開する。

なお、制御装置２０は、ホットガスバイパス除霜運転時に、絞り装置５をホットガスバイパス除霜開始直前の状態から閉じる方向に動作させるようにしてもよい。このとき、制御装置２０は、第一流量調整装置１６及び第二流量調整装置１７を全開にするか、絞り装置５を全閉にするか、あるいはその両方の制御を行うようにしてもよい。これにより、バイパス回路１０を通過する冷媒流量を増加させて室外熱交換器４の除霜を速やかに完了させることができる。なお、第一流量調整装置および第二流量調整装置を全閉にし、かつ絞り装置も全閉にすると冷媒が流れなくなるので注意が必要である。

上記ホットガスバイパス除霜は、除霜方式としては、運転モードを切り替えることがないため、室内機から冷風が吹出して利用者の利便性を損なうことがなく、暖房運転の立ち上がりが速いという点で好ましい。よって、除霜方式としてホットガスバイパス除霜方式のみを採用してもよい。

一方、ホットガスバイパス除霜方式では圧縮機３から吐出する冷媒温度が低い場合、着霜量が極端に多くなった場合、または外気温が極端に低い場合は、除霜時の冷媒が持つエネルギーが不十分となり、除霜が長引く場合がある。

そこで、制御装置２０は、ホットガスバイパス除霜運転を所定回数実行したとき又はホットガスバイパス除霜運転の通算累積時間が所定時間に達したときは、次回の除霜運転はリバース除霜運転を行うようにしてもよい。また、除霜運転開始時の外気温が所定温度以下のときはホットガスバイパス除霜運転の代わりにリバース除霜を行うようにすることも可能である。このようにすることで暖房運転時において良好な快適性を維持することができる。

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ることができる。具体的に、冷房定格運転時の最適冷媒量が暖房定格運転時の最適冷媒量よりも少なくなるように設定してもよい。この場合には、第一流量調整装置１６を開いて第二流量調整装置１７を閉鎖することで、冷房運転時には冷媒をレシーバ１３に溜めて循環冷媒量を抑制し、暖房運転時には冷媒をレシーバ１３から冷媒回路に戻して循環冷媒量を増加させることが可能となる。

また、上記実施形態では第一連結管１４及び第二連結管１５の一端側はそれぞれ第一配管１１及び第二配管１２に接続され、他端側はそれぞれ個々にレシーバ１３に接続されているが、これに限らず、たとえば、第一連結管１４及び第二連結管１５の他端側を集合させた後に、一本の連結管としてレシーバ１３に接続することも可能である。
また、本実施形態では、冷房運転と暖房運転の運転切り替え時に冷媒量を調整しているが、これに限らず、同一の運転モード実行中に、圧縮機の回転数などに応じて、レシーバ１３内に溜める冷媒量を調整するようにしてもよい。

１ 室外機
２ 室内機
３ 圧縮機
４ 室外熱交換器
５ 絞り装置
６ 二方弁
７ 室内熱交換器
８ 三方弁
９ 四方弁
１０ バイパス回路
１１ 第一配管
１２ 第二配管
１３ レシーバ
１４ 第一連結管
１５ 第二連結管
１６ 第一流量調整装置
１７ 第二流量調整装置
１８ サクション配管
１９ ろう材
２０ 制御装置
２１ 室外熱交換器温度センサ
２２ 室内熱交換器温度センサ
２３ 吐出温度センサ
２４ 室温センサ
２５ 外気温センサ
２６ 送風機

Claims (5)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り装置および室外熱交換器が配管により順次接続されて冷媒が流れる冷媒回路が構成され、前記絞り装置と室外熱交換器とを接続する第一配管と、前記四方弁と室内熱交換器とを接続する第二配管の間とを連結する除霜用のバイパス回路が設けられた空気調和機であって、前記バイパス回路は、冷媒を溜めるレシーバと、前記レシーバと第一配管とを連結する第一連結管及び前記レシーバと第二配管とを連結する第二連結管と、前記第一連結管及び第二連結管にそれぞれ介装された、冷媒の流量を調整する第一流量調整装置及び第二流量調整装置とを備え、前記レシーバが、圧縮機の吐出側の配管温度よりも低温の配管に対して熱的に接触するように配置されたことを特徴とする空気調和機。
2. 第一流量調整装置及び第二流量調整装置を制御する制御装置が設けられ、前記制御装置は、前記第一流量調整装置及び第二流量調整装置の両方を開くことによって、前記圧縮機から吐出された冷媒の少なくとも一部を、前記バイパス回路を通じて前記室外熱交換器に導入するホットガスバイパス除霜を実行可能としたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記絞り装置が前記制御装置によって制御され、前記制御装置は、ホットガスバイパス除霜時に、前記絞り装置をホットガスバイパス除霜開始直前の状態から閉じる方向に動作させることを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記制御装置は、ホットガスバイパス除霜時に、前記第一流量調整装置及び第二流量調整装置を全開にするか、あるいは前記絞り装置を全閉にするうち少なくともいずれか一方の制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
5. 前記制御装置は、暖房運転時の方が冷房運転時よりも最適冷媒量が少ない場合には、前記第二流量調整装置を開いて前記第一流量調整装置を閉鎖することにより、暖房運転時に前記レシーバに冷媒を満たすようにし、冷房運転時に前記レシーバ内の冷媒を冷媒回路に戻すようにし、冷房運転時の方が暖房運転時よりも最適冷媒量が少ない場合には、前記第一流量調整装置を開いて前記第二流量調整装置を閉鎖することにより、冷房運転時に前記レシーバに冷媒を満たすようにし、暖房運転時に前記レシーバ内の冷媒を冷媒回路に戻すようにした請求項２〜４のいずれかに記載の空気調和機。

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