JP6643580B2

JP6643580B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP6643580B2
Application number: JP2017045806A
Authority: JP
Inventors: 宜正石川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018151082A

Description

本発明は、室外熱交換器に付着した霜を溶解する除霜運転時に、蓄熱材に蓄えた熱を利用した空気調和機に関する。

従来、この種の蓄熱材を備えた空気調和機として、圧縮機の周囲に蓄熱材を収納した蓄熱槽を配置し、暖房運転中に圧縮機から発生した熱を前記蓄熱槽に蓄え、除霜運転時にその熱を利用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す模式図であり、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられており、蓄熱槽３２の内部には、蓄熱材３６と補助熱交換器３４が設けられている。このような構成において、暖房運転中は、流路切替え機構４２を操作することで室外熱交換器１４から四方弁８のみに冷媒が流れるようにして、圧縮機６から発生した熱を蓄熱槽３２に蓄える。一方、除霜運転中は、流路切替え機構４２を操作することで室外熱交換器１４から補助熱交換器３４に冷媒が流れるようにして、蓄熱槽３２に蓄えられた熱を冷凍サイクルに回収し、除霜に利用する。

このように、暖房運転中に圧縮機から発生した熱を蓄熱槽に蓄熱し、除霜運転時にその熱を利用することで、ヒーターなどの補助電力無しで除霜運転時の快適性を向上させている。

特開２０１３−１０４６２３号公報

しかしながら、前記従来例では、除霜が不要な暖房運転中も蓄熱槽に蓄熱していたため、暖房運転中に蓄熱槽に溜めた熱が周囲の外気に逃げており、暖房運転中の暖房性能向上の余地があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、その目的は暖房運転中に圧縮機から発生した熱を暖房運転に利用することで、暖房性能を向上させることである。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と四方弁と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器を順次接続して構成するとともに、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱槽と、前記蓄熱槽の熱を回収する補助熱交換器とを前記圧縮機を囲むように配置し、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替えを可能とする流路切替え機構を設け、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、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記補助熱交換器に流すようにした空気調和機において、暖房運転時に前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すものである。

本発明によれば、暖房運転中も補助熱交換器に冷媒を流すため、蓄熱槽の温度が下がり
、蓄熱槽から周囲の外気に逃げる熱量を抑えることができる。同時に、圧縮機で発生した熱を補助熱交換器で冷凍サイクルに回収できるため、暖房運転中の暖房性能を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す模式図同空気調和機の除霜運転時の冷媒の流れを示す模式図同空気調和機の流路切替え機構の動作フローチャート同空気調和機の流路切替え機構の外観と動作模式図従来の空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す模式図

第１の発明は、圧縮機と四方弁と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器を順次接続して構成するとともに、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱槽と、前記蓄熱槽の熱を回収する補助熱交換器とを前記圧縮機を囲むように配置し、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替えを可能とする流路切替え機構を設け、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、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記補助熱交換器に流すようにした空気調和機において、暖房運転時に前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すことを特徴とする。これにより、暖房運転中の蓄熱槽の温度が下がり、蓄熱槽から周囲の外気に逃げる熱量を抑えることができる。同時に、圧縮機で発生した熱を補助熱交換器で冷凍サイクルに回収できるため、暖房運転中の暖房性能を向上することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の空気調和機において、暖房運転時に、前記室外熱交換器の温度の高低に応じて前記流路切替え機構による流路の切替えを行う空気調和機であって、前記室外熱交換器の温度が所定値以下であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を前記四方弁へ流し、前記室外熱交換器の温度が所定値以上であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すことを特徴とする。これにより、室外熱交換器に絶対に着霜しない条件でのみ蓄熱槽の熱を暖房運転に利用するため、除霜が必要な条件では、確実に蓄熱槽に熱を蓄えることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の空気調和機において、暖房運転時に、前記室外熱交換器の温度が所定値未満かつ外気温と前記室外熱交換器の温度との温度差が所定値未満であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すことを特徴とする。これにより、実際に着霜する可能性がある条件においても、室外熱交換器の着霜量が少ない場合またはほとんど着霜が無い場合のみ、蓄熱槽の熱を暖房運転に利用できるようになる。そのため、蓄熱槽の熱を暖房運転に利用できる範囲をより拡大できるとともに、その後着霜が除々に増えて除霜が必要になる頃には、確実に蓄熱槽に熱を蓄えていることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明の空気調和機において、暖房運転時に、前記蓄熱槽の温度が外気温未満であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記補助熱交換器へ流さないことを特徴とする。これは、蓄熱槽の温度が周囲の外気温未満であれば蓄熱槽から周囲の外気に熱が逃げなくなるため、蓄熱槽の熱回収が不要となるためである。また、蓄熱槽の温度が外気温より下がると、蓄熱槽に結露や着霜が発生し、蓄熱槽周りの安全性や信頼性に問題が生じる場合があるが、これにより蓄熱槽
周りの安全性や信頼性を確保することができる。

以下、本発明の空気調和機の実施の形態について、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に係る空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示しており、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、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と四方弁８は第４配管２４および第８配管４１を介して接続され、四方弁８と圧縮機６は、第５配管２５で接続されている。また、室外熱交換器１４と四方弁８の間には、流路切替え機構４２が第４配管２４と第８配管４１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。

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、補助熱交換器３４が設けられるとともに、補助熱交換器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が充填されている。

また、流路切替え機構４２と補助熱交換器３４はキャピラリチューブ（絞り機構）４３を含む第６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７配管４０を介して補助熱交換器３４と接続されている。

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）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。

また、室外機２には室外の気温を測る外気温度センサ５０（図示せず）と、室外熱交換器１４の温度を測る室外熱交換器温度センサ５１（図示せず）と、蓄熱槽３２の温度を測る蓄熱槽温度センサ５２（図示せず）が設けられている。

なお、圧縮機６、送風ファン、四方弁８、膨張弁１２、流路切替え機構４２、外気温度センサ５０、室外熱交換器温度センサ５１、蓄熱槽温度センサ５２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、制御装置により入出力制御される。

次に、除霜運転時の動作を説明する。暖房運転中に室外熱交換器１４に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器１４の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器１４の温度が低下する。本発明に係る空気調和機は、室外熱交換器１４の温度が非着霜時に比べて、温度が低下したことを検出すると、制御装置より暖房運転から除霜運転へ切り替える指示が出力される。なお、上記に示した除霜運転へ入るタイミングは、一実施例を示すだけであって、除霜運転に入るタイミングはどのような条件であっても良い。

図２は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機の除霜運転時の冷媒の流れを示す模式図であり、暖房運転から除霜運転に移行すると、上述した暖房運転時の冷媒は、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で適切な絞り量で減圧された二相冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４を加熱し、凝縮して液相化した後、流路切替え機構４２へ至る。流路切替え機構４２は、室外熱交換器１４からの冷媒を第６配管３８に流し、キャピラリチューブ（絞り機構）４３で減圧され低温となり、補助熱交換器３４で蓄熱材３６の熱を吸熱し、圧縮機６の吸入口へと戻る。

このようにすることで、暖房運転中に圧縮機から発生した熱を蓄熱槽に蓄熱し、除霜運転時に蓄熱槽の熱を利用することで、ヒーターなどの補助電力無しで除霜運転時の快適性を向上させている。

次に、上記構成の本発明に係る空気調和機において、暖房運転時の流路切替え方法の詳細について説明する。図３は本発明の実施の形態１に係る同空気調和機の流路切替え機構の動作フローチャートであり、暖房運転を開始すると、ステップＳ２にて除霜運転中か否かを判定し、除霜運転中で無ければステップＳ３にて蓄熱回収条件の判定を行う。

ここで、蓄熱回収条件とは、下記条件ａまたは条件ｂが成立した場合のことである。

条件ａ：室外熱交換器温度≧所定値Ａかつ蓄熱槽温度≧外気温。

条件ｂ：室外熱交換器温度＜所定値Ａかつ蓄熱槽温度≧外気温かつ外気温−室外熱交換器温度＜所定値Ｂ。

条件ａにおいて、所定値Ａとは室外熱交換器１４に絶対に霜が着かない温度（例えば０℃）とすることで、絶対に霜が着かないような条件であれば、蓄熱槽３２の温度に応じて蓄熱槽３２からの熱回収を判断する。

一方条件ｂにおいては、室外熱交換器１４の温度は霜が着く可能性がある温度となるが、外気温と室外熱交換器１４との温度差が所定値Ｂ（例えば３℃）未満とすることで、霜の量が少ないまたはほとんど霜が着いていないような場合には除霜は不要とし、熱回収を実施可能とする。しかしながら、以後着霜が進んで室外熱交換器１４の温度が更に外気温から下がれば今後除霜が必要になると判断し、蓄熱槽３２からの熱回収を止めて、蓄熱槽３２に蓄熱する。

ここで、室外熱交換器１４に絶対に霜が着かない条件として、室外熱交換器１４の温度が所定値Ａ以上としたが、外気温が所定値３（例えば６℃）以上としても同様の効果が得られる。

また、霜の量が少ないまたはほとんど霜が着いていない場合を外気温と室外熱交換器１４との温度差で判断したが、これ以外の方法でも構わない。

以上のような判断で、ステップＳ３にて蓄熱回収条件が不成立であればステップＳ４にて流路切替え機構４２をＡ位置とし、ステップＳ３にて蓄熱回収条件が成立であればステップＳ５にて流路切替え機構４２をＢ位置とする。

また、ステップＳ２にて除霜運転中となった場合は、ステップＳ６にて流路切替え機構４２をＣ位置とする。

次に、流路切替え機構４２の動作詳細について説明する。図４は本発明の実施の形態１
に係る空気調和機の流路切替え機構の外観と動作を模式的に示した図であり、流路切替え機構４２は上部に電気的に弁を駆動させるためのコイル部、中部は流路を切替えるための弁部、下部は第４配管２４と第８配管４１と第６配管３８から構成されている。表中の図は流路切替え機構を上方から見た図であり、スライド弁４４と該弁が開閉する穴を透視的に示したものである。

同図のＡ位置は、除霜に備えて蓄熱槽３２に蓄熱する場合であり、弁部のスライド弁４４が蓄熱槽３２に繋がる第６配管３８を完全に塞ぐことで、室外熱交換器１４からの冷媒は四方弁８のみに流れる。一方、Ｂ位置は蓄熱槽３２から熱回収をする場合であり、スライド弁４４が四方弁８に繋がる第８配管４１と蓄熱槽３２に繋がる第６配管３８の間にあり、第４配管２４と第８配管４１と第６配管３８は全て連通した状態となり、室外熱交換器１４からの冷媒は、蓄熱槽３２と四方弁８の両方に流れる。また、Ｃ位置は除霜をする場合であり、スライド弁４４が四方弁８に繋がる第８配管４１を完全に塞ぐことで、室外熱交換器１４からの冷媒は、蓄熱槽３２のみに流れる。

以上のように、本実施の形態においては暖房運転中に補助熱交換器に冷媒を流すため蓄熱槽の温度が下がり、蓄熱槽から周囲の外気に逃げる熱量を抑えることができる。同時に、圧縮機で発生した熱を補助熱交換器で冷凍サイクルに回収できるため、暖房運転中の暖房性能を向上することができる。

また、補助熱交換器に冷媒を流す条件を除霜が不要な場合に限ることで、より広範囲で蓄熱槽の熱を暖房運転に利用できるとともに、除霜が必要な時には確実に蓄熱槽に熱を蓄えていることができる。

また、蓄熱槽の温度が周囲の外気温より下がれば補助熱交換器に冷媒を流さないようにすることで不要な蓄熱槽の熱回収を無くせるとともに、蓄熱槽周りの安全性や信頼性を確保することができる。

以上のように本発明に係る空気調和機は、圧縮機からの廃熱を有効利用することに関するため、家庭用の空気調和機のみならず、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯器、車両用空気調和機等にも適用できる。

２室外機
４室内機
６圧縮機
８四方弁
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
３２蓄熱槽
３４補助熱交換器
３６蓄熱材
３８第６配管
４０第７配管
４１第８配管
４２流路切替え機構
４３キャピラリチューブ（絞り機構）
４４スライド弁

Claims

圧縮機と四方弁と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器を順次接続して構成するとともに、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱槽と、前記蓄熱槽の熱を回収する補助熱交換器とを前記圧縮機を囲むように配置し、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替えを可能とする流路切替え機構を設け、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、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記補助熱交換器に流すようにした空気調和機において、暖房運転時に前記室外熱交換器の温度の高低に応じて前記流路切替え機構による流路の切替えを行い、前記室外熱交換器の温度が所定値以下であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を前記四方弁へ流し、前記室外熱交換器の温度が所定値以上であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すことを特徴とする空気調和機。
暖房運転時に、前記室外熱交換器の温度が所定値未満かつ外気温と前記室外熱交換器の温度との温度差が所定値未満であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記四方弁と前記補助熱交換器の両方へ流すことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
暖房運転時に、前記蓄熱槽の温度が外気温未満であれば、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器を流れた冷媒を、前記補助熱交換器へ流さないことを特徴とする請求項１から２のいすれかに記載の空気調和機。