JP6031673B2 - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、室外熱交換器に付着した霜を溶解した冷媒を圧縮機へ直接流す経路と冷媒加熱用の補助熱交換器を通じて圧縮機へ流す経路の切り替えを行う機構を備えた冷凍サイクル装置および空気調和機に関する。

従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転時、室外熱交換器に着霜した場合には、暖房サイクルから冷房サイクルに四方弁を切り替えて除霜を行っている。この除霜方式では、室内ファンは停止するものの、室内機から冷気が徐々に放出されることから暖房感が失われるという欠点がある。

そこで、室外機に設けられた圧縮機を熱源とする蓄熱槽を設け、暖房運転中に蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、このような除霜方式を採用した冷凍サイクル装置の一例を示しており、室外機１０２に設けられた圧縮機１０６と四方弁１０８と室外熱交換器１１４と膨張弁１１２と、室内機１０４に設けられた室内熱交換器１１６とを冷媒配管で接続するとともに、圧縮機１０６の吐出側の配管に一端を接続し他端を膨張弁１１２から室外熱交換器１１４へ至る配管に接続したバイパス回路１２８と、室外熱交換器１１４と四方弁１０８の間の配管に設けられた冷媒流路切り替え装置（三方弁）１４２と、冷媒流路切り替え装置（三方弁）１４２に一端を接続し、他端を四方弁１０８から圧縮機１０６の吸入側の配管に接続した切り替え回路１４０が設けられている。また、バイパス回路１２８には、二方弁１３０が設けられ、切り替え回路１４０には、蓄熱熱交換器１３４と絞り機構（キャピラリーチューブ）１４３が設けられている。

さらに、圧縮機１０６の周囲には蓄熱槽１３２が設けられており、蓄熱槽１３２の内部には、蓄熱熱交換器１３４と熱交換するための蓄熱材１３６が充填されている。

この冷凍サイクルにおいて、除霜運転時には、二方弁１３０が開制御され、
圧縮機１０６から吐出された冷媒の一部はバイパス回路１２８へと流れ、残りの冷媒は四方弁１０８と室内熱交換器１１６へ流れる。室内熱交換器１１６を流れた冷媒は暖房に利用された後、室外熱交換器１１４の入口でバイパス回路１２８を通った冷媒と合流し、室外熱交換器１１４へと流れる。その後、除霜により熱を奪われた冷媒は、切り替え装置１４２を通り、絞り機構１４３を経て、低温となり蓄熱熱交換器１３４へと流れて蓄熱材１３６より熱を奪い、圧縮機１０６に吸入される。

この冷凍サイクル装置においては、切り替え装置１４２を設け、除霜運転時、室内熱交換器１１６と室外熱交換器１１４を通った後の冷媒が蓄熱熱交換器１３４を通る構成としているため、室内熱交換器を高温に、蓄熱熱交換器を低温とすることで、除霜能力と暖房能力を向上させている。

特願２０１１−２４７１６２号

しかしながら、前記従来の構成では、切り替え装置１４２の動作不良などにより、冷媒経路の切り替えが上手くいかなかった場合、その検知が難しく、冷媒経路の切り替えが出来ていないまま運転を続けると、通常の冷凍サイクル装置の能力を発揮できないだけでなく、最悪の場合、冷凍サイクル装置の故障を引き起こすという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜時間の短縮を可能とし、さらに、その冷凍サイクル装置を備えて暖房運転時の快適性を向上し、且つ信頼性の高い空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるように構成し、前記切り替え装置は前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路に切り替えられた状態においても、前記四方弁から前記室外熱交換器の方向へ冷媒が流れる場合は前記四方弁から前記室外熱交換器の方向への流路が全閉とならない構成としたものである。

本発明によれば、除霜運転時、室内熱交換器と室外熱交換器を通った後の冷媒が補助熱交換器を通る構成としているため、室内熱交換器を高温に、補助熱交換器を低温とすることが可能となり、熱源からの吸熱を速やかに行うことで、除霜時間を短縮し、暖房運転時における除霜運転の室温低下を抑制して快適性を向上させることができる。切り替え装置の動作不良が生じた場合においても、圧縮機吐出部の圧力の急激な上昇による圧縮機の故障を回避することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において通常暖房運転時の冷媒の流れを示す模式図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において異常暖房運転時の冷媒の流れを示す模式図 通常暖房運転時と異常暖房運転時における室外熱交換器温度センサ４４と三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度差を示す図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において通常冷房運転時の冷媒の流れを示す模式図 同冷凍サイクル装置を備えた空気調和機において異常冷房運転時の冷媒の流れを示す模式図 通常冷房運転時と異常冷房運転時における三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度変化を示す図 従来の冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成図

第１の発明は、圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるように構成し、前記切り替え装置は前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路に切り替えられた状態において、前記四方弁から前記室外熱交換器の方向へ冷媒が流れる場合は前記四方弁から前記室外熱交換器の方向への流路が全閉とならない構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。これにより、除霜運転時、室内熱交換器と室外熱交換器を通った後の冷媒が補助熱交換器を通る構成としているため、室内熱交換器を高温に、補助熱交換器を低温とすることが可能なため、熱源からの吸熱を速やかに行うことで、除霜時間を短縮し、暖房運転時における除霜運転の室温低下を抑制して快適性を向上させることができる。切り替え装置
の動作不良が生じた場合においても、圧縮機吐出部の圧力の急激な上昇による圧縮機の故障を回避することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置において、前記切り替え装置を三方弁としていることで、装置の省スペースへの収納が可能となり、機器のコンパクト化が可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の冷凍サイクル装置において、前記切替え装置と前記補助熱交換器との間に切り換え装置の異常検知用の温度センサを有することで、信頼性の高い冷凍サイクル装置を構成できる。また、機器の低コスト化とコンパクト化が可能となる。

第４の発明は、特に、第３の発明の冷凍サイクル装置において、前記室外熱交換器に冷媒温度検知用の温度センサを配置し、暖房運転時において前記温度センサと前記異常検知用センサの差が規定値以上となる場合に前記切り替え装置異常の信号を出すことを特徴とする冷凍サイクル装置である。これにより、暖房運転時および除霜運転時において前記切り替え装置の動作不良を確実に検知することが可能となる。

第５の発明は、特に、第３の発明の冷凍サイクル装置において、冷房運転時、前記異常検知用の温度センサの所定時間内における温度の変位量が規定値以上となる場合に前記切替え装置の異常信号を出すことを特徴とする冷凍サイクル装置である。れにより、冷房運転時において前記切り替え装置の動作不良を確実に検知することが可能となる。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、空気調和機に搭載した例として図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成を示しており、空気調和機は、冷媒配管で互いに接続された室外機２と室内機４とで構成されている。

図１に示されるように、室外機２の内部には、圧縮機６と四方弁８とストレーナ１０と膨張弁１２と室外熱交換器１４とが設けられ、室内機４の内部には、室内熱交換器１６が設けられ、これらは冷媒配管を介して互いに接続されることで冷凍サイクルを構成している。

さらに詳述すると、圧縮機６と室内熱交換器１６は、四方弁８が設けられた第１配管１８を介して接続され、室内熱交換器１６と膨張弁１２は、ストレーナ１０が設けられた第２配管２０を介して接続されている。

また、膨張弁１２と室外熱交換器１４は第３配管２２を介して接続され、室外熱交換器１４と圧縮機６は第４配管２４および第５配管２５を介して接続され、室外熱交換器１４には配管温度を検出する温度センサ４４が配置されている。

また、室外熱交換器１４と圧縮機６を接続する第４配管２４および第５配管２５の間には四方弁８が配置されている。

また、四方弁８と室外熱交換器１４の間には三方弁（切り替え装置）４２が第４配管２４を介して接続されている。更に、圧縮機冷媒吸入側における第５配管２５には、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。また、室外熱交換器１４と室内熱交換器１６を結ぶ第３配管２２は、第６配管（吐出ガスバイパス機構）２８を介して圧縮機６の吐出側と接続されており、第６配管２８には電磁弁（吐出ガスバイパス機構）３０が設けられている。

さらに、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられ、蓄熱槽３２の内部には、蓄熱熱交換器（補助熱交換器）３４が設けられるとともに、蓄熱熱交換器３４と熱交換するための蓄熱材（例えば、エチレングリコール水溶液）３６が充填されており、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６とで蓄熱装置を構成している。

また、三方弁４２と蓄熱熱交換器３４はキャピラリチューブ（絞り機構）４３を含む第７配管３８を介して接続されており、四方弁８と圧縮機６を接続する第５配管２５は第８配管４０を介して蓄熱熱交換器３４と接続されている。
更にキャピラリチューブ（絞り機構）４３と蓄熱熱交換器３４の間には、三方弁異常検知用の温度センサ４６が配置されている。

室内機４の内部には、室内熱交換器１６に加えて、送風ファン（図示せず）と上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）とが設けられており、室内熱交換器１６は、送風ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内空気と、室内熱交換器１６の内部を流れる冷媒との熱交換を行い、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。

上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更し、左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更する。

なお、圧縮機６、送風ファン、上下羽根、左右羽根、四方弁８、膨張弁１２、電磁弁３０、三方弁４２等は制御装置（図示せず、例えばマイコン）に電気的に接続され、制御装置により制御され動作する。

上記構成の本発明に係る冷凍サイクル装置において、各部品の相互の接続関係と機能を暖房運転時を例にとり冷媒の流れとともに説明する。

圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、四方弁８から第１配管１８を通って室内熱交換器１６へと至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て第２配管２０を通り、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ１０を通って、膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至り、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４と三方弁４２と四方弁８と第５配管２５とアキュームレータ２６を通って圧縮機６の吸入口を介して圧縮機６へと戻る。

また、第１配管１８の圧縮機６の吐出口と四方弁８の間から分岐した第６配管２８は、電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間に合流している。

さらに、内部に蓄熱材３６と蓄熱熱交換器３４を収納した蓄熱槽３２は、圧縮機６に接して取り囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄熱する。

三方弁４２は、一方が室外熱交換器１４へと続く第４配管２４と接続され、もう一方が四方弁８を介して第５配管２５と接続され、更にもう一方が三方弁４２と蓄熱熱交換器３４とを接続する第７配管３８と接続されており、前記制御装置により、室外熱交換器１４から第４配管２４を通じ四方弁８へ冷媒を導く経路と、室外熱交換器１４から第７配管３８を通じ蓄熱熱交換器３４を経て圧縮機６の吸入口へ冷媒を導く経路とを切り替えることが可能である。

次に、空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図２を参照しながら通常暖房時の動作を説明する。

通常暖房運転時、電磁弁３０は閉制御されており、上述したように圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。

通常暖房運転時、三方弁４２は、室外熱交換器１４から四方弁８へ冷媒を導く経路になるように制御されており、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８にいたる。その後、四方弁８を通った冷媒は第５配管２５を通り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、圧縮機６で発生した熱は、圧縮機６の外壁から蓄熱槽３２の外壁を介して蓄熱槽３２の内部に収容された蓄熱材３６に蓄熱される。

次に、空気調和機の異常暖房運転時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図３を参照しながら説明する。

暖房運転時、三方弁４２の動作不良が生じた場合、通常暖房時同様、圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。

三方弁４２の動作不良もしくは制御不能が生じた場合、室外熱交換器１４から蓄熱熱交換器３４へ冷媒を導く経路、即ち第４配管２４と第７配管３８が連通する状態となり、三
方弁４２を通った冷媒はキャピラリチューブ４３で減圧され低温となり、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６の熱を吸熱し、気相、もしくは高クオリティー状態で、アキュームレータ２６に至り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

この際、室外熱交換器温度センサ４４と三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度差が規定値以上であることを検知すると、三方弁４２が異常であると判定する。

図４は通常暖房運転時と異常暖房運転時における室外熱交換器温度センサ４４と三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度差の例を示したものである。

圧縮機６の回転数が低い場合においても通常時と異動時の温度差の差異は明確であり、規定値を一定値（例えば１０℃）としてもよいが、より正確な判断が必要な場合は、圧縮機の回転数に応じて規定値を変化させてもよい。

また、本実施の形態では特に室外熱交換器温度センサ４４を暖房運転時における冷媒入口側に配置しており、室外熱交換器出口側で冷媒の過熱度がとれた場合においても誤り無く検知できる構成としている。

次に、空気調和機の通常冷房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図５を参照しながら通常暖房時の動作を説明する。

通常冷房運転時、電磁弁３０は閉制御されており、三方弁４２は、四方弁８から室外熱交換器１４へ冷媒を導く経路になるように制御されている。

これにより、圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８から室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室外熱交換器１４を出て、第３配管２２を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第２配管２０を通って室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８にいたる。

その後、四方弁８を通った冷媒は第５配管２５を通り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

次に、空気調和機の異常冷房運転時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図６を参照しながら説明する。

冷房運転時、三方弁４２の動作不良が生じた場合、三方弁４２は、第４配管２４と第７配管３８が連通する状態となっているが、圧縮機６の吐出口から圧力がかかった場合、四方弁８から室外熱交換器１４の方向への流路が全閉とならない構成としている。

これにより、異常冷房運転時においても圧縮機６の吐出口から三方弁４２の間の圧力が急激に上昇することを回避し、圧縮機６、四方弁８およびそれらをつなぐ配管類の故障を防止することが可能となる。

圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、四方弁８を通り、三方弁４２にいたる。

その後、大部分の冷媒は、第４配管２４を通り、室外熱交換器１４に至り、通常冷房運転時と同一の経路で圧縮機６の吸入口へと戻る。一方、残りの冷媒は三方弁４２を通った後、キャピラリチューブ４３で減圧され、蓄熱熱交換器３４を通り、他方の経路を通った冷媒と合流し、アキュームレータ２６に至り、圧縮機６の吸入口へと戻る。

この際、三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度の変位量が規定値以上であることを検知すると、三方弁４２が異常であると判定する。

図７は通常冷房運転時と異常冷房運転時における三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度変化の一例を示したものである。通常冷房運転時は第７配管３８内の冷媒に流れがないため、温度センサ４６の値は安定しているが、異常冷房運転時は第７配管３８内を流れる冷媒の温度に影響を受け、変位が大きくなる。

また、除霜運転時では逆に三方弁異常検知用の温度センサ４６の温度の変位量が規定値未満である場合、異常信号を出すことで異常の検知が可能である。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、熱源からの吸熱能力を向上させ、除霜能力を向上させたシステムの信頼性を向上させることができるので、空気調和機、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯器等にも適用できる。

２ 室外機
４ 室内機
６ 圧縮機
８ 四方弁
１０ ストレーナ
１２ 膨張弁
１４ 室外熱交換器
１６ 室内熱交換器
１８ 第１配管
２０ 第２配管
２２ 第３配管
２４ 第４配管
２５ 第５配管
２６ アキュームレータ
２８ 第６配管（吐出ガスバイパス機構）
３０ 電磁弁（吐出ガスバイパス機構）
３２ 蓄熱槽
３４ 蓄熱熱交換器（補助熱交換器）
３６ 蓄熱材
３８ 第７配管
４０ 第８配管
４２ 三方弁（切り替え装置）
４３ キャピラリチューブ（絞り機構）
４４ 温度センサ（室外熱交換器温度検知用）
４６ 温度センサ（三方弁異常検知用）

Claims (5)

1. 圧縮機と、前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、前記膨張弁と接続された室外熱交換器とを備え、前記室外熱交換器と前記圧縮機とが四方弁を介して接続された冷凍サイクル装置であって、冷媒加熱用の補助熱交換器を更に有し、前記室外熱交換器と前記四方弁の間に、前記室外熱交換器から前記四方弁へ直接冷媒を流す経路と前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路との切り替えを可能とする切り替え装置とを設け、前記室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時には、前記切り替え装置を制御して、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒が、前記補助熱交換器を流れ、前記圧縮機の吸入管へ導かれるように構成し、前記切り替え装置は前記室外熱交換器から前記補助熱交換器を通じて前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す経路に切り替えられた状態において、前記四方弁から前記室外熱交換器の方向へ冷媒が流れる場合は前記四方弁から前記室外熱交換器の方向への流路が全閉とならない構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記切り替え装置に三方弁を用いた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. 前記切替え装置と前記補助熱交換器との間に切り換え装置の異常検知用の温度センサを有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. 前記室外熱交換器は冷媒温度検知用の温度センサを有し、暖房運転時において前記温度センサの出力値と前記異常検知用センサの出力値との差が所定値以上の場合に前記切り替え装置異常の信号を出すことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 冷房運転時において、前記異常検知用の温度センサの所定時間内における温度の変位量が所定値以上の場合に前記切替え装置の異常信号を出すことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。

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