JP6465711B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、圧縮機から吐出された冷媒を室外熱交換器、室内熱交換器、膨張弁に流すとともに、四方弁により冷媒が流れる向きを変えることで暖房運転と冷房運転とを切り換え可能な冷凍サイクル装置が知られている。

冷凍サイクル装置は暖房運転時に室外熱交換器の温度が低下すると、室外熱交換器が有する多数のフィンに霜が付き、室外熱交換器の熱交換性能が低下する。このため、室外熱交換器に一定以上の量の霜が付いたことを検出したら、冷凍サイクル装置の制御部は、四方弁により冷媒が流れる向きを冷房運転のように切替える。冷媒により室外熱交換器を加熱し、室外熱交換器に付いた霜を溶かす除霜運転（リバース除霜）を行う。

除霜運転中は、暖房運転が中断されるため、除霜運転に要する時間を短縮することが望ましい。
そこで、室外熱交換器と膨張弁との間の冷媒配管と、圧縮機の吸込み側と四方弁との間の冷媒配管とをバイパス配管で接続し、除霜運転中にこのバイパス配管を介して高温の冷媒を圧縮機に吸込ませて圧縮機の吸込み圧力を上昇させ、圧縮機から吐出される冷媒の温度を上げることにより、除霜運転を効率良く行うものがある。

特開平９−１５９３２９号公報

近年、外気温度が例えば−１５℃を下回るような極寒の環境下でも暖房運転が可能な冷凍サイクル装置が望まれており、冷凍サイクル装置の使用条件を低温側に拡大する傾向にある。
しかしながら、極寒の環境下で上述のようなバイパス管を用いた除霜運転を行うと、大量の液冷媒が圧縮機に吸込まれ、圧縮機の損傷を引き起こすおそれがある。

本発明の実施形態の目的は、極寒の条件下においても暖房運転が可能な冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、これらを順次接続する冷媒配管と、室外温度を検知する室外温度センサと、制御部を備える。室外熱交換器と膨張弁との間の冷媒配管と、圧縮機の吸込み口と四方弁との間の冷媒配管とを開閉機構が設けられたバイパス配管により接続する。制御部は、除霜運転時、室外温度センサにより検知された室外温度が所定温度以上のときにバイパス配管の開閉機構を開き、所定温度を下回るときは開閉機構を閉じる。

実施形態の冷凍サイクル装置を示す概略構成図。 実施形態の冷凍サイクル装置における暖房運転開始制御のフローチャート。 実施形態の冷凍サイクル装置における除霜運転制御のフローチャート。

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、冷凍サイクル装置として空気調和装置を例に説明する。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置（空気調和装置）１００は、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、膨張弁４と、レシーバタンク５と、室内熱交換器６と、アキュムレータ７とが冷媒配管Ｐを介して順次接続されて構成されるヒートポンプ式の冷凍サイクルを備える。この冷凍サイクルサイクルには、Ｒ３２冷媒が充填される。

室外熱交換器３と膨張弁４との間の冷媒配管Ｐ１と、四方弁２とアキュムレータ７との間の冷媒配管Ｐ２とは、バイパス配管８により接続される。バイパス配管８は、その中間部にバイパス配管８を開閉する開閉弁（開閉機構）９と流量調整用のキャピラリチューブ（減圧器）１０とを備える。

冷房時は、実線矢印で示すように、圧縮機１から吐出される冷媒が四方弁２、室外熱交換器（凝縮器）３、膨張弁４、レシーバタンク５を通って室内熱交換器（蒸発器）６に流れ、その室内熱交換器６から流出する冷媒が四方弁２、アキュムレータ７を通って圧縮機１に吸込まれる。暖房時は、破線矢印で示すように、四方弁２の流路が切換わることにより、圧縮機１から吐出される冷媒が室内熱交換器（凝縮器）６に流れ、その室内熱交換器６から流出する冷媒がレシーバタンク５、膨張弁４、室外熱交換器（蒸発器）３、四方弁２、アキュムレータ７を通って圧縮機１に吸込まれる。

室外熱交換器３および室内熱交換器６は、所定ピッチを有して並設され、互いの隙間に熱交換空気を流通させる複数枚の伝熱フィンと、これら伝熱フィンを貫通して設けられ、内部に冷媒を導通させる伝熱管とを具備するフィンチューブ熱交換器である。
室外熱交換器３の近傍に室外ファン１１が配置され、室内熱交換器６の近傍に室内ファン１２が配置される。

膨張弁４は、入力される駆動パルス信号のパルス数に応じて開度が連続的に変化するいわゆるパルスモータバルブである。
レシーバタンク５は、冷凍サイクル内で発生する余剰冷媒を溜める冷媒量調整容器であり、アキュムレータ７は、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器である。

室外熱交換器３の暖房時の入口側に冷媒温度センサ１５が取り付けられる。四方弁２とアキュムレータ７との間の配管Ｐ２に冷媒温度１６が取り付けられる。室外熱交換器３の近くの室外空気吸込側に室外温度センサ１７が取り付けられる。
冷媒温度センサ１５は、暖房時に室外熱交換器３に流入する冷媒の温度ＴＥを検知する。冷媒温度センサ１６は、圧縮機１に吸込まれる冷媒の温度ＴＳを検知する。室外温度センサ１７は、室外熱交換器３の近傍の室外空気の温度Ｔｏを検知する。

圧縮機１のモータにインバータ（図示しない）が接続される。インバータは、交流電源の電圧を直流変換し、その直流電圧を所定周波数Ｆの交流電圧に変換して出力する。この出力周波数Ｆに応じた回転数で圧縮機１のモータが動作する。

圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、レシーバタンク５、アキュムレータ７、バイパス配管８、開閉弁９、キャピラリチューブ１０、室外ファン１１、およびインバータが室外ユニットＡに収容され、室内熱交換器６および室内ファン１２が室内ユニットＢに収容される。これら室外ユニットＡおよび室内ユニットＢに、制御部２０が接続される。

制御部２０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路からなり、主要な機能として次の（１）〜（２）の制御手段を含む。
（１）冷凍サイクル装置の暖房運転開始時、温度センサ１７の検知温度Ｔｏと第１の設定値Ｔｏｓ１との比較により、通常の暖房運転を行うか、通常の暖房運転に先立ち所定時間ｔｓが経過するまで冷房サイクルにて運転を行うかを選択する第１制御手段。
（２）冷凍サイクル装置の除霜運転開始時、温度センサ１７の検知温度Ｔｏと第２の設定値Ｔｏｓ２との比較により、バイパス配管８の開閉弁９を開いて除霜運転を行うか、開閉弁９を閉じて除霜運転を行うか、を選択する第２制御手段。

つぎに、制御部２０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。
冷凍サイクル装置１００の暖房運転開始に際し（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御部２０は、外気温度センサ１７の検知温度（外気温度）Ｔｏと第１の設定値Ｔｏｓ１とを比較する（ステップＳ２）。
外気温度Ｔｏが第１の設定値Ｔｏｓ１（例えば−５℃）以上の場合（ステップＳ２のＹｅｓ）、制御部２０は、通常の暖房運転を開始し（ステップＳ３）、暖房運転開始制御を終了する。

一方、外気温度Ｔｏが第１の設定値Ｔｏｓ１（例えば−５℃）未満の場合（ステップＳ２のＮｏ）、制御部２０は、四方弁２を冷房運転と同じ位置にして冷房サイクルで運転を開始する（ステップＳ４）。
そして、制御部２０は、タイムカウントｔを開始する（ステップＳ５）。タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達していなければ（ステップＳ６のＮＯ）、制御部２０は、タイムカウントｔを継続する（ステップＳ５）。タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達していれば（ステップＳ６のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を停止し、四方弁２を暖房運転の位置に切り換える（ステップＳ７）。そして、制御部２０は、通常の暖房運転を開始し（ステップＳ３）、暖房運転開始制御を終了する。

外気温度が低い環境下においては、圧縮機１、室外熱交換器３、アキュムレータ７等の室外ユニットＡに収容される部品において冷媒が寝込みやすい。この冷媒が寝込んだ状態では、外気温度も低く、冷媒の圧力も低い。このとき、暖房運転で圧縮機を起動すると、吸込み圧力が負圧となりやすく、圧縮機１の摺動部への冷凍機油の供給が阻害され、圧縮機１の損傷を引き起こすおそれがある。
そこで、上記のように、外気温度Ｔｏが第１の設定値Ｔｏｓ１未満の低外気温時は、所定時間が経過するまで冷房サイクルで運転を行い、冷凍サイクル内を予熱する。冷房サイクルで運転を行うことにより室外熱交換器３が加熱され、暖房運転に切り換えたときに圧縮機１の吸込み圧力が負圧となりにくくなり、負圧による圧縮機１の損傷を防ぐことができる。
なお、制御部２０は、暖房運転開始前の冷房サイクル運転時は、除霜運転のときと同じように室内ファン１２を停止させ、室内に冷風が送風されないようにする。

つぎに、制御部２０が実行する除霜運転時の制御について図３のフローチャートを参照しながら説明する。
冷凍サイクル装置１００が暖房運転を開始し、除霜条件が整う（ステップＳ１１のＹＥＳ）と、制御部２０は、外気温度センサ１７の検知温度（外気温度）Ｔｏと第２の設定値Ｔｏｓ２とを比較する（ステップＳ１２）。なお、制御部２０は、冷媒温度センサ１５のより検知される冷媒温度ＴＥ、冷媒温度センサ１６により検知される冷媒温度ＴＳ、室外温度センサ１７により検知される室外温度Ｔｏに基づき除霜が必要か否かを判断する。
外気温度Ｔｏが第２の設定値Ｔｏｓ２（例えば−１５℃）以上の場合（ステップＳ１２のＹｅｓ）、制御部２０は、バイパス配管８の開閉弁９を開いて（ステップＳ１３）、除霜運転を開始する（ステップＳ１４）。除霜運転に際し、制御部２０は、四方弁２を暖房運転の位置から冷房運転と同じ位置に切換える。

冷凍サイクル装置１００が除霜運転を開始し、除霜運転終了条件が整うまで除霜運転を継続し（ステップＳ１５のＮＯ）、除霜運転終了条件が整うと（ステップＳ１５のＹＥＳ）、制御部２０は、バイパス配管８の開閉弁９の開閉状態を判断する（ステップＳ１６）。
開閉弁９が開いていれば（ステップＳ１６のＹＥＳ）、開閉弁９を閉じて（ステップＳ１７）、除霜運転を終了する（ステップＳ１８）。ステップＳ１６において開閉弁９が閉じていれば、ステップＳ１８に進んで除霜運転を終了し、除霜運転制御を終了する。

上記のように、除霜運転時に、バイパス配管８の開閉弁９を開くことで、室外熱交換器３を流出した高温の冷媒の一部が、膨張弁４および室内熱交換６をバイパスして圧縮機１に吸込まれる。これにより、圧縮機１の吸込み圧力および冷媒の温度が高くなり、圧縮機から吐出される冷媒の温度が高くなる。圧縮機から吐出される冷媒の温度が高くなることで除霜時間を短縮することができる。
しかしながら、外気温度が−１５℃を下回るような極寒の環境下でバイパス配管８の開閉弁９を開いて除霜運転を行うと、バイパスされる液冷媒の量が多くなり、圧縮機１が液圧縮を起こし、圧縮機の損傷を引き起こすおそれがある。
そこで、上記のように、外気温度Ｔｏが第２の設定値Ｔｏｓ２未満の極寒の環境下では、除霜運転時にバイパス配管８の開閉弁９を閉じる。これにより、圧縮機１における液圧縮を防ぐことができる。

以上説明した実施形態によれば、外気温度に応じてバイパス配管８の開閉弁９の開閉を制御することにより、極寒の条件下においても暖房運転が可能な冷凍サイクル装置を提供ことができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…膨張弁、５…室内熱交換器、８…バイパス配管、９…開閉弁（開閉機構）、１７…室外温度センサ、２０…制御部、１００…冷凍サイクル装置（空気調和装置）

Claims (1)

1. 圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、
   前記圧縮機、前記四方弁、前記室外熱交換器、前記膨張弁、及び前記室内熱交換器を順次接続する冷媒配管と、
   前記室外熱交換器と前記膨張弁との間の冷媒配管と、前記圧縮機の吸込み口と前記四方弁との間の冷媒配管とを接続し、開閉機構が設けられたバイパス配管と、
   室外温度を検知する室外温度センサと、
   前記圧縮機、前記四方弁、前記膨張弁、及び前記開閉機構を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、除霜運転時、前記室外温度センサにより検知された室外温度が所定温度以上のときに前記バイパス配管の開閉機構を開き、前記室外温度が前記所定温度を下回るときに前記開閉機構を閉じることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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