JP6071648B2

JP6071648B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP6071648B2
Application number: JP2013040381A
Authority: JP
Inventors: 直毅加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP2014169802A

Description

本発明は、冷媒を循環させる冷媒回路を有する空気調和装置に関するものである。

空気調和装置で暖房運転を行う際、蒸発器として機能する室外熱交換器に、室外の空気中の水分が付着して霜を形成する。室外熱交換器に霜が付着すると室外熱交換器の風路を塞ぎ性能悪化に繋がるため、室外熱交換器に付着した霜を溶かす除霜運転を実施する必要がある。
従来の空気調和装置では、暖房運転時において、室外熱交換器内部の温度が所定値以下の場合に、冷房回路に切り換えて室外熱交換器にガス冷媒を流すことで除霜運転を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１２７５４２号公報（要約）

上記特許文献１の技術では、室外熱交換器のパス配管の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度が所定値以下である場合に除霜運転を開始している。
しかし、外気温度が低い場合など外部環境の条件によっては、霜が多く付着していない状態でも検出温度が所定値以下となり除霜運転を開始する場合がある。このため、適切なタイミングで除霜運転を実施することができない、という問題点があった。また、不必要な除霜運転が実施されることで、運転効率が低下するという問題点があった。また、不必要な除霜運転の実施により暖房運転が停止するため、室内の快適性が低下する、という問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、適切なタイミングで除霜運転を実施することができる空気調和装置を得るものである。また、運転効率を向上することができる空気調和装置を得るものである。また、室内の快適性の低下を抑制することができる空気調和装置を得るものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、室内熱交換器、絞り装置、及び室外熱交換器が順次配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、前記室外熱交換器の温度を検知する温度センサと、前記室外熱交換器に空気を供給する送風機と、前記送風機の入力電力を検出する入力電力検知手段と、前記室外熱交換器に付着した霜を溶かす除霜運転を実行する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記室外熱交換器の温度に基づく温度開始条件を満たし、且つ、前記送風機の回転数あたりの入力電力が閾値を超えた場合、前記除霜運転を実行するものである。

本発明は、適切なタイミングで除霜運転を実施することができる。また、運転効率を向上することができる。また、室内の快適性の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の制御に関するブロック図である。本発明の実施の形態１に係る除霜運転の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る室外機ファンの入力電力と回転数との関係の一例を示す図である。

実施の形態１．
（構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態１における空気調和装置は、室外機１０と、室内機２０と、この室外機１０と室内機２０とを接続する液冷媒配管３０及びガス冷媒配管４０と、制御装置１００とを備えている。

室外機１０は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１を備えている。圧縮機１の吐出側には、冷媒の流路を切り換える流路切り換え手段である四方弁２、室外熱交換器３が順次配管で接続され、冷媒回路の一部を構成している。圧縮機１の吸入側には、アキュムレータ４、及び、四方弁２が順次配管で接続されている。四方弁２はガス冷媒配管４０と接続されている。室外熱交換器３の近傍には、室外熱交換器３に空気（外気）を供給する室外機ファン５が設けられている。

なお、室外機ファン５は、本発明における「送風機」に相当する。

圧縮機１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、例えば、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機から構成されている。
室外熱交換器３は、例えば伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィン＆チューブ型熱交換器により構成され、冷房運転時には凝縮器として作用し、暖房運転時には蒸発器として作用する。
室外機ファン５は、ファンモータ等により駆動され、モータ回転数を変化させることにより風量を調整し、送風量を調整することが可能になっている。

室内機２０は、室内熱交換器７、絞り装置６を備えている。室内機２０に接続される液冷媒配管３０からガス冷媒配管４０へと順に、絞り装置６と室内熱交換器７とが直列に接続され、冷媒回路の一部を構成している。室内熱交換器７の近傍には室内機ファン８が設けられている。

絞り装置６は、例えば電子膨張弁により構成され、開度が設定されることで冷媒流量を調整し、冷媒を減圧して膨張させるものである。
室内熱交換器７は、例えば伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィン＆チューブ型熱交換器により構成され、冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房運転時には凝縮器として作用する。
室内機ファン８は、室内熱交換器７により熱交換された空気を室内へ送風する。また、室内機ファン８は、ファンモータ等により駆動され、モータ回転数を変化させることにより風量を調整し、送風量を調整することが可能になっている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の構成を示す図である。
図２に示すように、室外熱交換器３には、温度センサ５０が設けられている。温度センサ５０は、暖房運転時の冷媒流れ方向において、室外熱交換器３の冷媒出口の配管に設けられている。温度センサ５０は、例えばサーミスタによって構成され、室外熱交換器３の温度を計測する。このように、室外熱交換器３の冷媒出口の配管に温度センサ５０を設けることで、暖房運転時に付着した霜によって低下する配管の温度を検出できる。
なお、温度センサ５０の設置位置は、室外熱交換器３に付着した霜の温度を計測する位置であればよい。例えば室外熱交換器３内の伝熱管に設けても良い。

（制御系）
図３は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の制御に関するブロック図である。
制御装置１００には、温度センサ５０、ファン入力電力センサ６０による計測情報が入力される。
ファン入力電力センサ６０は、室外機ファン５の入力電力を検出する。例えば、ファン入力電力センサ６０は、室外機ファン５を駆動するファンモータの電流値を計測する電流センサによって構成される。制御装置１００は、計測された電流値から入力電力を算出する。なお、ファン入力電力センサ６０の構成はこれに限らず、室外機ファン５への入力電力を検出できる構成であれば良い。

なお、ファン入力電力センサ６０は、本発明における「入力電力検知手段」に相当する。

制御装置１００は、各センサから入力された計測情報、及びリモコン等から使用者により指示された運転内容（運転モード、設定温度等）などに基づいて、圧縮機１の運転周波数、四方弁２の流路の切り換え、室外機ファン５の回転数などを制御する。また、制御装置１００は、後述する動作により、暖房運転中に冷媒の流路を切り換えて、圧縮機１からの吐出冷媒を室外熱交換器３に流し、室外熱交換器３に付着した霜を溶かす除霜運転を実行する。

（運転動作）
次に、空気調和装置の運転動作について説明する。
（冷房運転）
まず、冷房運転の動作について説明する。
四方弁２は、図１の点線方向に接続される。この場合、冷媒の流れは以下のようになる。
圧縮機１を駆動すると、高温、高圧のガス冷媒が圧縮機１から吐出され、四方弁２を介し室外熱交換器３へ流入し、室外熱交換器３で周囲室外空気と熱交換し、凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる。
室外熱交換器３を流出した高圧低温の液冷媒は、液冷媒配管３０に供給される。液冷媒配管３０を通った液冷媒は、室内機２０内に入り、絞り装置６で低圧に絞られ低圧低乾き度の気液二相冷媒となり、室内熱交換器７で周囲室内空気と熱交換し、蒸発気化して冷房を行う。室内熱交換器７を流出したガス冷媒は、ガス冷媒配管４０を導通し、四方弁２、アキュムレータ４を通り圧縮機１に吸入される。
このような冷房運転により、室内温度は徐々に低下して目標温度に近づくこととなる。

（暖房運転）
次に、暖房運転の動作について説明する。
四方弁２は、図１の実線方向に接続される。
圧縮機１を駆動すると、高温、高圧のガス冷媒が圧縮機１から吐出され、四方弁２を介してガス冷媒配管４０を導通し、室内熱交換器７へ流入する。室内熱交換器７へ流入した高温の冷媒は、室内熱交換器７で周囲室内温度と熱交換し、凝縮液化して暖房を行う。室内熱交換器７を流出した冷媒は絞り装置６で低圧に絞られ、低圧二相状態または液相状態となり、液冷媒配管３０を導通し、室外熱交換器３へ流入する。室外熱交換器３に流入した冷媒は、室外熱交換器３で周囲室外空気と熱交換して蒸発気化する。室外熱交換器３を流出した冷媒は、四方弁２、アキュムレータ４を介し圧縮機１に吸入される。
このような暖房運転により、室内温度は徐々に上昇して目標温度に近づくこととなる。

（除霜運転）
次に、除霜運転の動作について説明する。
上述した暖房運転を実施すると、蒸発器として機能する室外熱交換器３には低温の冷媒が流通する。このとき、室外熱交換器３の表面に、室外の空気に含まれる水分が付着して霜を形成する。暖房運転が継続すると室外熱交換器３は霜で覆われ、通風抵抗が増加して風量が低下すると共に、冷媒と空気の間の熱抵抗が増加して冷却能力が低下する。このため、制御装置１００は、暖房運転中に冷媒の流路を切り換えて、圧縮機１からの吐出冷媒を室外熱交換器３に流し、室外熱交換器３に付着した霜を溶かす除霜運転を実行する。

除霜運転において四方弁２は、図１の点線方向に接続される。この場合、冷媒の流れは以下のようになる。
圧縮機１を吐出した高温、高圧のガス冷媒が、四方弁２を介し室外熱交換器３へ流入し、室外熱交換器３に付着した霜と熱交換し、凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる。この時、霜は熱を奪い溶けていき、室外熱交換器３から霜が取り除かれる。
室外熱交換器３を流出した高圧低温の液冷媒は、液冷媒配管３０を通って室内機２０内に入り、絞り装置６で低圧に絞られ低圧低乾き度の気液二相冷媒となり、室内熱交換器７で周囲室内空気と熱交換し、蒸発気化する。室内熱交換器７を流出したガス冷媒は、ガス冷媒配管４０を導通し、四方弁２、アキュムレータ４を通り圧縮機１に吸入される。
除霜運転を終了すると、四方弁２は、図１の実線方向に接続され、暖房運転に復帰する。

なお、本実施の形態では四方弁２を切り換えることで除霜運転を行う場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、室内熱交換器７を加熱するヒータ等を設けても良い。また例えば、圧縮機１の吐出側の配管を分岐し室外熱交換器３へ流入させるバイパス回路を設けて、高温高圧の冷媒を室内熱交換器７に流通させても良い。

（除霜運転の開始手順）
次に、除霜運転を開始する際の動作について説明する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る除霜運転の動作を示すフローチャートである。
以下、図４の各ステップに基づき説明する。

（ＳＴＥＰ１）
制御装置１００は、室外熱交換器３の温度に基づく温度開始条件を満たすか否かを判断する。制御装置１００は、温度センサ５０により検知された室外熱交換器３の温度が、予め設定した時間継続して、所定の温度閾値を下回る場合、温度開始条件を満たすと判断する。
温度開始条件を満たす場合には、ＳＴＥＰ２へ進み、温度開始条件を満たさない場合にはＳＴＥＰ１を繰り返す。

（ＳＴＥＰ２）
制御装置１００は、室外機ファン５の入力電力に基づく入力電力開始条件を満たすか否かを判断する。
入力電力開始条件を満たす場合には、ＳＴＥＰ３へ進み、入力電力開始条件を満たさない場合にはＳＴＥＰ１に戻る。
ここで、着霜の有無による室外機ファン５の入力電力の変化について、図５を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１に係る室外機ファンの入力電力と回転数との関係の一例を示す図である。
図５において「着霜なし」は、室外熱交換器３に霜が付着していない状態の、室外機ファン５の回転数Ｎに対する室外機ファン５の入力電力Ｗを表している。また、「着霜あり」は、室外熱交換器３に霜が付着している状態の、室外機ファン５の回転数Ｎに対する室外機ファン５の入力電力Ｗを表している。
図５に示すように、室外熱交換器３に霜が付着すると、室外熱交換器３を通風する風路が狭くなり、室外機ファン５の負荷が増加する。室外機ファン５の負荷が増加するとファンモータが消費する電力が大きくなり、入力電力Ｗが増加する。
室外機ファン５の入力電力Ｗは回転数Ｎの上昇に伴い増加するが、回転数Ｎにかかわらず、着霜ありの場合での入力電力Ｗは着霜なしと比較して大きくなる。

このようなことから、制御装置１００は、室外機ファン５の回転数あたりの入力電力（Ｗ／Ｎ）が閾値を超えた場合、入力電力開始条件を満たすと判断する。ここでの閾値は、例えば、着霜なしの状態における入力電力Ｗと回転数Ｎとの関係を、予め実験データ等によって取得して設定する。
なお、上記の判断は、暖房運転開始したあと運転が安定した状態（所定時間経過後）に行うのが望ましい。

なお、入力電力開始条件は判断は上記に限定されず、着霜の有無と室外機ファン５の入力電力との関係を用いるものであれば良い。
例えば、制御装置１００は、暖房運転開始時における室外機ファン５の入力電力値Ｗ０を取得する。暖房運転開始から予め設定された時間経過後における室外機ファン５の入力電力値Ｗ１を取得する。そして、入力電力値Ｗ０に対する入力電力値Ｗ１の比（Ｗ１／Ｗ０）が第２閾値を超えた場合、入力電力開始条件を満たすと判断する。

（ＳＴＥＰ３）
制御装置１００は、室外熱交換器３の温度に基づく温度開始条件を満たし（ＳＴＥＰ１）、且つ、室外機ファン５の入力電力に基づく入力電力開始条件（ＳＴＥＰ２）を満たした場合、除霜運転を実行する。

（効果）
以上のように本実施の形態１においては、室外熱交換器３の温度に基づく温度開始条件を満たし、且つ、室外機ファン５の入力電力に基づく入力電力開始条件を満たした場合、除霜運転を実行する。
このため、外部環境にかかわらず、適切なタイミングで除霜運転を実施することができる。また、室外熱交換器３に霜が付着して風路が塞がれている状態を、室外機ファン５の入力電力によって判断することができ、暖房性能が悪化している状態の場合には、除霜運転を開始することができる。また、不必要な除霜運転を実施することがなく、運転効率を向上することができ、室内の快適性が低下を抑制することができる。よって、適切なタイミングで除霜運転をすることで暖房快適性を向上させるという効果を有する。

１圧縮機、２四方弁、３室外熱交換器、４アキュムレータ、５室外機ファン、６絞り装置、７室内熱交換器、８室内機ファン、１０室外機、２０室内機、３０液冷媒配管、４０ガス冷媒配管、５０温度センサ、６０ファン入力電力センサ、１００制御装置。

Claims

圧縮機、室内熱交換器、絞り装置、及び室外熱交換器が順次配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、
前記室外熱交換器の温度を検知する温度センサと、
前記室外熱交換器に空気を供給する送風機と、
前記送風機の入力電力を検出する入力電力検知手段と、
前記室外熱交換器に付着した霜を溶かす除霜運転を実行する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記室外熱交換器の温度に基づく温度開始条件を満たし、且つ、前記送風機の回転数あたりの入力電力が閾値を超えた場合、前記除霜運転を実行する
ことを特徴とする空気調和装置。
前記制御装置は、
前記室外熱交換器の温度が予め設定した時間継続して温度閾値を下回る場合、前記温度開始条件を満たすと判断する
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。