JP6285172B2 - 空気調和機の室外機 - Google Patents

Description

本発明は、除霜運転を行う空気調和機の室外機に関する。

従来、空気調和機の除霜制御方法について、暖房運転中に冷媒の流れを冷房運転と同じ方向に切り替える逆サイクル除霜が一般的に知られている。冷風が吹き出さないように室内機のファンは停止する必要があるが、室内熱交換器自体は冷えるため自然対流で冷風を感じることがある。また、暖房運転に復帰した際は、室内熱交換器を暖めるため立上りに時間がかかる。このため、特許文献１ではホットガスバイパス除霜を行っている。

特許第３４２３０３１号公報

ここで、特許文献１では、室内機から冷風を吹き出すことはないが、室外熱交換器にバイパスされるガス冷媒の流れ方向は液側ディストリビュータから流入し、熱交換器表面の霜と熱交換して一部は凝縮し液体となり、ガス側ヘッダから流出する。室外熱交換器の液側は、液冷媒が流れることを想定して配管径が細くなっているため、これは室外熱交換器の冷媒流れとして最適とは言えない。具体的にはディストリビュータや分配用のキャピラリ配管径は元々細く、伝熱管自体もガス側より液管側を細くしたり、ガス側伝熱管流路２本を液側では１本に集約することもある。液側からガス冷媒を流すと圧力損失が著しく大きく必要な質量流量を確保できず、除霜に時間がかかることとなる。

また、逆サイクル除霜とホットガス除霜を併用する場合、逆サイクル除霜終了判定は液側ディスビでの冷媒配管温度を目安とするのに対し、ホットガス除霜終了判定はガスヘッダ側の冷媒配管温度を目安とするため、センサが２個必要となる。また終了時の熱交換器圧力も異なるため同等の除霜判定にすることは困難である。

そこで本発明は、除霜を行う際に室内機側を高圧に維持し冷風吹き出しを防止しつつ、室外熱交換器のガス側から液側にガス冷媒を流し、室外熱交換器の除霜性能を確保することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、「１台以上の室内機とガス管及び液管により接続され、圧縮機と、室外熱交換器と、室外膨張弁と、を備えた空気調和機の室外機において、
前記ガス管の接続先を前記圧縮機の吸入側もしくは吐出側に切替える第１切替弁と、
前記室外熱交換器のガス側の接続先を前記圧縮機の吸入側もしくは吐出側に切替える第２切替弁と、
前記室外熱交換器の液側と前記室外膨張弁との間から前記圧縮機の吸入側を接続するバイパス管と、
該バイパス管の流路を開閉するバイパス開閉弁と、を備え、
暖房運転時には前記第１切替弁を前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記第２切替弁を前記圧縮機の吸入側に切替え、さらに前記バイパス開閉弁を閉じるように制御し、
除霜運転時には前記第１切替弁及び前記第２切替弁を共に前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記バイパス開閉弁を開くように制御すること」を特徴とする。

本発明によれば、ホットガスバイパス除霜であっても熱交換器の冷媒流れをガス管側から液管側にすることができ、室外熱交換器の除霜性能を確保することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例１の室外機が複数台の場合の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例２の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例２の室外機が複数台の場合の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例３の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例３の冷凍サイクル系統図を示す。 実施例３の冷凍サイクル系統図を示す。

以下、本発明の空気調和機の室外機の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は実施例１の空気調和機の室外機に適用される冷凍サイクルの系統図である。この空気調和機は１台の室外機１０ａと、室内機４０ａ、４０ｂ、４０ｃを、液管３１、ガス管３２で接続して構成される。室外機１０ａは、１台でもよく複数台並列に接続されてもよい。また室内機（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）は１台でも２台でもよく、更に複数台接続されていてもよい。

本実施例で対象とする除霜の前段階である暖房運転について、室内機（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）全てが暖房運転をする場合の冷媒流れを説明する。なお、室内機（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）のいずれか１台が暖房運転していても基本的な冷媒の流れは変わらない。本実施例の空気調和機の室外機は、ガス管３２の接続先を圧縮機１１ａの吸入側もしくは吐出側に切替える第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ａ）と、室外熱交換器１４ａのガス側の接続先を圧縮機１１ａの吸入側もしくは吐出側に切替える第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ａ）と、を備えている。

そして圧縮機１１ａで圧縮された高圧ガス冷媒は熱交換器切替四方弁１６ａとガス管切替四方弁１７ａに吐出される。暖房運転時、熱交換器切替四方弁１６ａは室外熱交換器１４ａと圧縮機１１ａの吸入側を繋ぐように切替えられており高圧ガスは流れない。一方でガス管切替四方弁１７ａはガス管３２と圧縮機１１ａの吐出側を繋ぐように切り替えられており、高圧ガスは、ガス管３２を通り、暖房運転する室内機４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、室内熱交換器４１ａ、４１ｂ、４１ｃへ送られる。ここで、室内空気と熱交換し、凝縮し高圧液冷媒となり、室内膨張弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、液管３２を通り室外膨張弁１５ａへと送られる。
室外膨張弁１５ａへ送られた高圧液冷媒は絞られることで減圧し、室外熱交換器１４ａで室外空気と熱交換し蒸発して低圧ガス冷媒となり、アキュムレータ１９ａを通り、圧縮機１１ａに戻り再び圧縮されて冷凍サイクル内を循環する。なお、本実施例では室外熱交換器１４ａの液側と室外膨張弁１５ａとの間から圧縮機１１ａの吸入側を接続するバイパス管と、該バイパス管の流路を開閉するバイパス開閉弁２１ａと、を備えているが、暖房運転時においてバイパス弁２１ａは閉じているため、このバイパス管に冷媒は流れない。すなわち、図示しない空気調和機の制御部は、暖房運転時に第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ａ）を圧縮機１１ａの吐出側に切替えるとともに第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ａ）を圧縮機１１ａの吸入側に切替え、さらにバイパス開閉弁２１ａを閉じるように制御する。

暖房運転時には冷媒と熱交換した室外空気の温度が下がるため、これが露点温度以下となると空気中の水分が室外熱交換器１４ａの表面に付着し結露する。更に水滴の温度が０℃以下になると霜となり、暖房運転継続により霜が成長することで通風抵抗が増大する。すると、室外風量低下、冷媒との熱交換量低下、暖房能力低下が発生するため、これら性能低下を防ぐため定期的に霜を溶かす除霜運転を実施する必要がある。

次に、本実施例の対象とする除霜の冷媒流れについて説明する。圧縮機１１ａで圧縮された高圧ガス冷媒は熱交換器切替四方弁１６ａとガス管切替四方弁１７ａに吐出される。そして図示しない空気調和機の制御部は、除霜運転時に第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ａ）及び第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ａ）を共に圧縮機１１ａの吐出側に切替えるとともにバイパス開閉弁２１ａを開くように制御する。

これにより高圧ガスは室外熱交換器１４ａのガスヘッダ側から流入し、室外熱交換器１４ａに付着した霜を溶かして凝縮し、一部液冷媒となり液側ディストリビュータから流出する。そして流出したガス、或いは気液二相冷媒はバイパス弁２１ａを通り、アキュムレータ１９ａで液を分離し、圧縮機１１ａに戻り再循環する。ここで室外膨張弁１５ａは閉じてもよく開いてもよい。開いている場合は、液管３１の液冷媒がバイパス弁２１ａを通ってアキュムレータ１９ａに戻るため、吐出温度を考慮し開度を調整する必要がある。

一方、ガス管切替四方弁１７ａはガス管３２と圧縮機１１ａの吐出側を繋ぐように切り替えられているが、除霜中の吐出圧力が低い場合は、室内機側に高圧ガスはほとんど流れない。吐出圧力が高くなるとガス管３２を通り暖房運転する室内機４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、室内熱交換器４１ａ、４１ｂ、４１ｃへ送られ、凝縮するが暖房運転中の冷媒循環量に比べると凝縮する冷媒量は僅かである。このため、吐出圧力に応じて室内膨張弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃを開けてもよく、閉じてもよい。

従来のガスバイパス除霜では室外熱交換器１４ａの液側ディストリビュータからガス冷媒を流すため、液側流路に単相ガスが流れることとなり流路の圧力損失が増大する。また、ガスヘッダ側の流路に温度センサを新規に取り付け、除霜終了判定をする必要があった。

これに対して本実施例では、熱交換器切替四方弁１６ａとバイパス弁２１ａを使うことにより、除霜時に室外熱交換器１４ａのガスヘッダから液ディストリビュータ方向にガス冷媒を流しながら、ガス冷媒を凝縮することとなる。これは冷房運転時の冷媒流れと同じであり、室外熱交換器が想定した冷媒流れでもあるため、冷媒の圧力損失が過剰に大きくならないで済む。更に逆サイクル除霜で使用している液側ディストリビュータの温度センサで除霜終了判定を実施できるためセンサ追加も不要でありコスト低減が図れる。

また、従来の冷凍サイクルでは四方弁が１個のため、圧縮機吐出側を室外熱交換器につなぐと、必然的に圧縮機吸入側がガス管につながることになる。これによれば除霜中に室内圧力は低下し、室内膨張弁を開くと冷房運転と同じ冷媒流れが発生することで、室内機吹き出し温度が低下し快適性を損なうこととなる。これに対して本実施例では、ガス管切替四方弁１７ａを使うことにより、除霜時にも室内機の圧力を高圧側に保ち、除霜中の吹き出し温度低下を防止することが出来る。

なお、除霜中は蒸発器が無いサイクルとなるため、除霜中に凝縮した液が圧縮機に戻ることとなる。このため、圧縮機吸入側にアキュムレータ１９ａを取り付けるとよい。

図２は実施例１の室外熱交換器が複数台、接続された場合を示す。暖房運転時の冷媒の流れは室外機が単体の場合と同等である。また、除霜に関しては、全室外機の室外熱交換器を同時に除霜してもよいし、一台ずつ交互に除霜してもよい。同時に除霜する場合は、ガス管切替四方弁１７ａ、１７ｂはそれぞれガス管３２と圧縮機吐出側を繋ぐように維持した状態で、熱交換器切替四方弁１６ａ、１６ｂはそれぞれ熱交換器と圧縮機吐出側を繋ぐように切り替えられ、バイパス弁２１ａ、２１ｂも同時に開とする。ここで除霜終了について、２枚とも除霜が終了した時点で熱交換器切替四方弁１６ａ、１６ｂをそれぞれ熱交換器と圧縮機吸入側に繋ぐように切替え、同時にバイパス弁２１ａ、２１ｂを閉としてもよい。また先に霜が溶けた熱交換器を圧縮機吸入側に繋ぐように熱交換器切替四方弁を切り替え、バイパス弁を閉にしてもよい。

また、除霜運転を交互に実施する場合、除霜運転を行う室外機１０ａの第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ａ）及び第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ａ）を共に圧縮機１１ａの吐出側に切替えるとともにバイパス開閉弁２１ａを開くように制御する。そして除霜運転を行う室外機１０ａが該除霜終了の終了する場合に、室外機１０ａの第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ａ）を圧縮機１１ａの吐出側に切替えたままとするとともに第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ａ）を圧縮機１１ａの吸入側に切替え、さらにバイパス開閉弁２１ａを閉じるように制御する。そして、他の除霜運転を行う室外機１０ｂの第１切替弁（ガス管切替四方弁１７ｂ）及び第２切替弁（熱交換器切替四方弁１６ｂ）を共に圧縮機１１ｂの吐出側に切替えるとともにバイパス開閉弁２１ｂを開くように制御する。これにより、室外機１０ａは除霜運転を終了し、速やかに通常の暖房運転に切替えることが可能となる。

なお、室外熱交換器の除霜は、基本的には必要な都度実施し、タイミングが重ならないように優先順が低い側の熱交換器の除霜は待機させる方式でもよい。

図３は実施例２の空気調和機の室外機が適用される冷凍サイクルの系統図である。実施例１の図１と異なり、低圧ガス管３３が追加され、室内機ガス管側に、高低圧ガス管３２と低圧ガス管３３を切り替える高圧側開閉機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃと低圧側開閉機構５２ａ、５２ｂ、５２ｃが追加されている。

室内機（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）全てが暖房運転をする場合について冷媒流れを説明する。圧縮機１１ａで圧縮された高圧ガス冷媒は熱交換器切替四方弁１６ａとガス管切替四方弁１７ａに吐出される。暖房運転時、熱交換器切替四方弁１６ａは熱交換器と圧縮機吸入側を繋ぐように切替られており高圧ガスは流れない。一方ガス管切替四方弁１７ａは高低圧ガス管３２と圧縮機吐出側を繋ぐように切り替えられており、高圧ガスは、高低圧ガス管３２をとおり、高圧側開閉機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃへ送られる。ここで、高圧側開閉機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃは暖房運転時は開、低圧側開閉機構５２ａ、５２ｂ、５２ｃは閉となるため、高圧ガスは暖房運転する室内機４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、室内熱交換器４１ａ、４１ｂ、４１ｃへ送られる。ここで、室内空気と熱交換して凝縮し、高圧液冷媒となり、室内膨張弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、液管３２を通り室外膨張弁１５ａへと送られる。室外膨張弁１５ａへ送られた高圧液冷媒は絞られ減圧し、室外熱交換器１４ａで室外空気と熱交換し、蒸発し低圧ガス冷媒となり、アキュムレータ１９ａを通り、圧縮機１１ａに戻り再び循環する。

次に、除霜の冷媒流れについて説明する。基本的な流れは実施例１と同様である。圧縮機１１ａで圧縮された高圧ガス冷媒は熱交換器切替四方弁１６ａとガス管切替四方弁１７ａに吐出される。ここで熱交換器切替四方弁１６ａは室外熱交換器１４ａと圧縮機１１ａの吐出側を繋ぐように切替られ、バイパス弁２１ａは開となる。高圧ガスは室外熱交換器１４ａのガスヘッダ側から流入し、室外熱交換器１４ａに付着した霜を溶かして凝縮する。そして、一部液冷媒となり液側ディストリビュータから流出する。流出したガス、或いは気液二相冷媒はバイパス弁２１ａを通り、アキュムレータで液を分離し、圧縮機１１ａに戻り圧縮されて再循環する。

ここで室外膨張弁１５ａは閉じてもよく開いてもよい。開いている場合は、液管３１の液冷媒がバイパス弁２１ａを通ってアキュムレータに戻るため、吐出温度を考慮し開度を調整する必要がある。一方、ガス管切替四方弁１７ａはガス管３２と圧縮機吐出側を繋ぐように切り替えられているが、除霜中の吐出圧力が低い場合は高圧ガスは、室内機側にほとんど流れない。吐出圧力が高くなると高低圧ガス管３２をとおり暖房運転する室内機４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、室内熱交換器４１ａ、４１ｂ、４１ｃへ送られ、凝縮するが暖房運転中の冷媒循環量に比べると凝縮する冷媒量は僅かである。このため、吐出圧力に応じて室内膨張弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃを開けてもよく、閉じてもよい。また、室内膨張弁を閉じる場合は高圧側開閉機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃを閉じてもよく、低圧側開閉機構５２ａ、５２ｂ、５２ｃを開いてもよい。低圧ガス管３３や高圧側開閉機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、低圧側開閉機構５２ａ、５２ｂ、５２ｃが追加されても実施例１と同様の暖房運転やホットガス除霜が可能である。

図４は実施例２の室外熱交換器が複数台接続された場合を示す。暖房運転時の冷媒の流れは室外機が単体の場合と同等である。また、除霜に関しては、全室外機の室外熱交換器を同時に除霜してもよい。但し、一台ずつ交互に除霜したり、同時除霜の除霜終了について、先に霜が溶けた熱交換器から熱交換器切替四方弁１６ａ、１６ｂのつなぎを暖房に戻すのは望ましくない。ホットガス除霜中の熱交換器および圧縮機吸入側はガスをかなりな循環量で流入させるため、暖房運転の蒸発熱交換器および圧縮機吸入側の圧力に比べると高くなる。ここで図４の冷凍サイクルでは各室外機の圧縮機吸入側はアキュムレータ及び低圧ガス管３３を介して繋がっておりほぼ同等圧力となる。このため、片側の熱交換器がホットガス除霜を実施し、片側の熱交換器が蒸発器として切り替ると、圧縮機吸入側の圧力が連通されているため、ホットガス除霜側のガス冷媒が蒸発器側へ流れ込み蒸発圧力が持ち上がることとなる。蒸発圧力が持ち上がると、冷媒物性で蒸発温度も高くなるため、外気に対して蒸発温度の差が縮まり、蒸発能力が低下することとなる。また、圧力によっては蒸発器とならず凝縮器となる場合も想定され、室外膨張弁を絞りきれないと液戻りしアキュムレータに液が溜まることも想定される。このため、室外機複数台の場合はガスバイパス除霜は同時に行い、終了も同時にするのが望ましい。また、交互に実施するとしても、吸入圧力を考慮し蒸発器側の室外膨張弁を閉じることも必要となる。

図５は実施例３の空気調和機の冷凍サイクルの系統図である。実施例１、実施例２と異なる点は、熱交換器切替四方弁１６ａと室外熱交換器１４ａの間に流量調整弁２５ａが追加されている点にある。ここで、除霜時に熱交換器切替四方弁１６ａを圧縮機吐出側と熱交換器１４ａがつながるように切り替えると、高圧ガスが一斉に室外熱交換器１４ａに流れ込み吐出圧力が極端に低下することとなる。吐出圧力が低下すると、圧縮機動力が低下し、除霜時の熱源が低下するため除霜時間が長くなる場合がある。このため、流量調整弁２５ａで除霜時に熱交換器切替四方弁１６ａに流れ込む高圧ガス冷媒流量を調整する。なお、吐出圧力が確保されていても、高圧ガス冷媒流量を絞りすぎると除霜につかう高圧ガス流量が低下し、圧縮機吸入圧力が低下し圧縮機循環量、圧縮機動力も低下するため除霜時間はやはり長くなる。このため、流量調整弁２５ａは吐出圧力を制御しつつ、除霜時間が短くなるように調整する必要がある。

図６は実施例３の空気調和機の冷凍サイクルの別の例である。図５と異なる点は、熱交換器切替四方弁１６ａと室外熱交換器１４ａの間に逆止弁２６ａと開閉機構２７ａが追加されている点である。ここで、除霜時に熱交換器切替四方弁１６ａを圧縮機吐出側と熱交換器１４ａがつながるように切り替えると、高圧ガスが一斉に室外熱交換器１４ａに流れ込まないように開閉機構２７ａで抵抗をつけ流量を調整する。一方、暖房運転時は、前記開閉機構２７ａが仮に双方向弁であったとしても、配管抵抗となり性能低下の原因となるため、熱交換器１４ａから熱交換器切替四方弁１６ａ方向に流れるように逆止弁を併設している。これにより暖房時の性能低下を防ぐことが可能である。

図７は実施例３の空気調和機の冷凍サイクルの別の例である。図５、図６と異なる点は、熱交換器切替四方弁１６ａと室外熱交換器１４ａの間にガスバイパス四方弁２８ａを追加し、接続されていない残りの一端にガスバイパス配管２９ａをつなぎ圧縮機吐出側に接続している点である。ここで、除霜時に熱交換器切替四方弁１６ａは圧縮機吸入側とガスバイパス四方弁２８ａの閉止端がつながるように切り替え、バイパス四方弁２８ａの開口端と室外熱交換器１４ａがつながるように切り替え、ガスバイパス配管２９ａの抵抗により室外熱交換器１４ａに高圧ガスが一斉に流れ込まないように流量を調整する。一方、暖房運転時は、熱交換器１４ａからバイパス四方弁２８ａ、熱交換器切替四方弁１６ａと経由し圧縮機吸入側とつながるようにする。逆止弁や開閉弁より四方弁の方が流路圧力損失が小さいため、暖房時の性能低下を防げる。また弁の自励振動も考慮しなくてよく、信頼性が高い。

１０ａ、１０ｂ 室外機
１１ａ、１１ｂ 圧縮機
１４ａ、１４ｂ 室外熱交換器
１５ａ、１５ｂ 室外膨張弁
１６ａ、１６ｂ 熱交換器切替四方弁
１７ａ、１７ｂ ガス管切替四方弁
１９ａ、１９ｂ アキュムレータ
２１ａ、２１ｂ バイパス弁
２５ａ 流量調整弁
２６ａ 逆止弁
２７ａ 開閉機構
２８ａ ガスバイパス四方弁
２９ａ ガスバイパス配管
３１ 液管
３２ （高低圧）ガス管
３３ 低圧ガス管
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ 室内機
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 室内熱交換器
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ 室内膨張弁
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ 高圧側開閉機構
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 低圧側開閉機構

Claims (4)

1. １台以上の室内機とガス管及び液管により接続され、圧縮機と、室外熱交換器と、室外膨張弁と、を備えた空気調和機の室外機において、
   前記ガス管の接続先を前記圧縮機の吸入側もしくは吐出側に切替える第１切替弁と、
   前記室外熱交換器のガス側の接続先を前記圧縮機の吸入側もしくは吐出側に切替える第２切替弁と、
   前記室外熱交換器の液側と前記室外膨張弁との間から前記圧縮機の吸入側を接続するバイパス管と、
   該バイパス管の流路を開閉するバイパス開閉弁と、を備え、
   暖房運転時には前記第１切替弁を前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記第２切替弁を前記圧縮機の吸入側に切替え、さらに前記バイパス開閉弁を閉じるように制御し、
   除霜運転時には前記第１切替弁及び前記第２切替弁を共に前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記バイパス開閉弁を開くように制御することを特徴とする空気調和機の室外機。
2. 請求項１に記載の空気調和機の室外機において、
   室外機を複数台接続した場合、除霜運転は交互に実施するために、
   除霜運転を行う室外機の前記第１切替弁及び前記第２切替弁を共に前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記バイパス開閉弁を開くように制御し、
   他の除霜運転を行う室外機の前記第１切替弁及び前記第２切替弁を共に前記圧縮機の吐出側に切替えるとともに前記バイパス開閉弁を開くように制御することを特徴とする空気調和機の室外機。
3. 請求項１又は２に記載の空気調和機の室外機において、
   除霜運転を行う室外機は該除霜運転を終了する場合に、当該室外機の前記第１切替弁を前記圧縮機の吐出側に切替えたままとするとともに前記第２切替弁を前記圧縮機の吸入側に切替え、さらに前記バイパス開閉弁を閉じるように制御することを特徴とする空気調和機の室外機。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の空気調和機の室外機において、
   前記第１切替弁と前記室外熱交換器との間に絞り弁を備え、除霜運転時に絞り弁の開度を調整することを特徴とする空気調和機。