JP6723442B2 - 冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の除霜運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に付着した霜を除く除霜運転を行う冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の除霜運転方法に関する。

熱源側の熱交換器と利用側の熱交換器とを有する冷凍サイクルを備えた空気調和装置がある。このような空気調和装置の暖房運転時には、冷凍サイクルを循環する冷媒が凝縮器として機能する利用側の熱交換器に供給される空気に放熱し、加熱された空気が空調対象空間に送られる。暖房運転時に蒸発器として機能する熱源側の熱交換器は、屋外に設置されることがある。例えば冬季などの外気温度が低いときに暖房運転を実行すると、蒸発器として機能する熱源側の熱交換器に、霜が付着することがある。霜が成長すると、冷凍サイクル能力の低下または熱源側の熱交換器の故障を引き起こしうる。このため、熱源側の熱交換器に付着した霜を溶かす除霜運転を所定時間おきに行う必要がある。

ここで、除霜運転を行う空気調和装置として、除霜対象である室外熱交換器に霜が付着していると思われる温度条件が予め設定されていて、暖房運転が行われているときに、室外熱交換器の温度が所定温度以下となると、除霜運転を開始する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２１８９４０号公報（第１１頁）

従来の技術は、除霜対象となる熱交換器の温度から経験則に基づいて熱交換器の着霜状態を検出して、除霜運転を開始する。しかし、除霜対象となる熱交換器の温度のみからでは、実際の熱交換器の着霜状態を精度よく検出できていないおそれがあった。このため、熱交換器への多量の着霜のために暖房能力が低い状態で暖房運転が行われたり、除霜運転の時間が長引いたりすることがあった。そうなると、続けて実行される一組の暖房運転と除霜運転とからなる期間における暖房積算能力を考えた場合、この暖房積算能力が低下してしまっていた。

本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、積算暖房能力の低下を抑制した除霜運転を行う冷凍サイクル装置を提供するものである。また、積算暖房能力の低下を抑制する冷凍サイクル装置の除霜運転方法を提供するものである。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、複数の絞り装置と、複数の第２熱交換器と、前記第１熱交換器の周囲温度を検出する第１温度検出器と、前記複数の第２熱交換器のそれぞれの暖房能力を記憶する記憶部と、前記第１熱交換器を蒸発器として機能させ、前記複数の第２熱交換器のうちの少なくとも一部を凝縮器として機能させる暖房運転を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、前記暖房運転中に、前記第１温度検出器の検出値と、前記複数の第２熱交換器のうち前記凝縮器として機能しているものの暖房能力の合計値とに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転とのいずれかを選択し、前記第１除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が第１運転時間に到達すると前記第１除霜運転を開始し、前記第２除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間よりも短い第２運転時間に到達すると前記第２除霜運転を開始するものである。

本発明の冷凍サイクル装置の除霜運転方法は、圧縮機、第１熱交換器、複数の絞り装置及び複数の第２熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の除霜運転方法であって、前記第１熱交換器が蒸発器として機能し、前記複数の第２熱交換器のうちの少なくとも一部が凝縮器として機能する暖房運転中に、前記第１熱交換器の周囲温度を検出し、前記第１熱交換器の周囲温度と、前記複数の第２熱交換器のうち前記凝縮器として機能しているものの暖房能力の合計値とに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転とのいずれかを選択し、前記第１除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が第１運転時間に到達すると前記第１除霜運転を開始し、前記第２除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間よりも短い第２運転時間に到達すると前記第２除霜運転を開始するものである。

本発明によれば、蒸発器として機能する第１熱交換器の周囲温度と、凝縮器として機能する第２熱交換器の暖房能力の合計値とに基づいて、暖房運転の運転時間を異ならせて、除霜運転を開始する。このため、除霜対象となる熱交換器の温度から経験則に基づいて除霜運転を開始する場合と比較して、除霜対象となる第１熱交換器への実際の着霜状態がより反映されたタイミングで除霜運転を開始することができる。したがって、続けて実行される一組の暖房運転と除霜運転とからなる期間における、積算暖房能力の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例を示す図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の機能ブロック図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の暖房運転及び除霜運転を説明するフローチャートである。 実施の形態１に係る第１除霜運転の積算暖房能力を例示する図である。 実施の形態１に係る第２除霜運転の積算暖房能力を例示する図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成の一例を示す図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の機能ブロック図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の暖房運転及び除霜運転を説明するフローチャートである。

以下、図面を適宜参照しながら本発明の冷凍サイクル装置を空気調和装置に適用した場合の実施の形態について説明する。なお、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通する。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の回路構成の一例を示す図である。冷凍サイクル装置１００は、空調対象空間を暖房又は冷房する空気調和装置として利用される。図１では、冷房運転における冷媒の流れを破線矢印で、暖房運転における冷媒の流れを実線矢印で示している。

＜冷凍サイクル装置１００の構成＞
冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、第１熱交換器２と、複数の絞り装置３ａ、３ｂと、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂとが、冷媒配管によって接続されて構成された、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを有している。冷凍サイクルを循環する冷媒は、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆやＲ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆ等を一定の比率で混合させた非共沸混合冷媒である。また、冷凍サイクル装置１００は、第１熱交換器２の周囲温度を検出する第１温度検出器５を備えている。さらに、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷媒流路切替装置６、アキュムレータ７、逆止弁８及び室外ファン９を備えている。

冷凍サイクル装置１００を構成する部材は、熱源機である室外機３０の筐体又は利用側機である室内機４０ａ、４０ｂの筐体に収容されている。なお、本実施の形態では、１台の室外機３０に対し、２台の室内機４０ａ、４０ｂが並列に接続された構成を例示するが、室外機３０及び室内機４０ａ、４０ｂの台数は一例であって、図示の台数には限定されない。

（室外機３０）
室外機３０は、空調対象空間とは別の空間、例えば屋外に設置される。室外機３０は、圧縮機１、逆止弁８、冷媒流路切替装置６、第１熱交換器２、アキュムレータ７及び室外ファン９を収容している。

圧縮機１は、アキュムレータ７を介して流入してきた冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒として吐出する。圧縮機１は、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、往復圧縮機等で構成することができる。また、圧縮機１を容量制御可能なインバータ圧縮機で構成するとよい。

逆止弁８は、圧縮機１の吐出側の冷媒配管に設けられ、冷媒を一方向にのみ流す弁である。逆止弁８は、圧縮機１から吐出された冷媒が圧縮機１へ逆流することを防ぐ。なお、逆止弁８は、冷凍サイクル装置１００に必須の構成ではない。

冷媒流路切替装置６は、圧縮機１の吐出側の冷媒配管に設けられた弁を有し、この弁の開閉状態によって、圧縮機１から吐出された冷媒の流路を、第１熱交換器２側と第２熱交換器４ａ、４ｂ側のいずれか一方に切り替える。例えば、二方弁又は三方弁の組み合わせ、あるいは、四方弁等によって、冷媒流路切替装置６を構成することができる。

第１熱交換器２は、暖房運転時には蒸発器として作用し、冷房運転時には凝縮器として作用する。第１熱交換器２を流れる冷媒と、第１熱交換器２に供給される空気等の熱交換流体との間で、熱交換が行われる。例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器、マイクロチャネル熱交換器等で、第１熱交換器２を構成することができる。なお、ここでは、第１熱交換器２がフィンアンドチューブ型熱交換器である場合を例に説明する。

第１温度検出器５は、第１熱交換器２の周囲温度を検出する。第１熱交換器２の周囲温度とは、第１熱交換器２が設置された空間の空気温度である。第１熱交換器２が屋外に設置される場合には、第１温度検出器５は外気温度を検出する。

アキュムレータ７は、圧縮機１の吸入側の冷媒配管に設けられた、余剰冷媒の貯留容器である。暖房運転と冷房運転との間の冷媒流量の違い、複数の室内機４０ａ、４０ｂの運転台数が変化したときに生じる過渡的な冷媒流量の変化、あるいは、負荷条件によって生じる冷媒流量の変化によって、冷凍サイクル内には余剰冷媒が発生しうる。アキュムレータ７は、このような余剰冷媒を貯留する。アキュムレータ７内では、液冷媒とガス冷媒とが分離されており、ガス冷媒が圧縮機１に供給される。なお、アキュムレータ７は、冷凍サイクル装置１００に必須の構成ではない。

室外ファン９は、第１熱交換器２を流れる冷媒と熱交換する熱交換流体を、第１熱交換器２に供給する装置の一例である。例えば、複数の翼を有するプロペラファンで室外ファン９を構成することができる。室外ファン９は、第１熱交換器２に空気を供給可能な場所に設置されていればよい。

（室内機４０ａ、４０ｂ）
室内機４０ａ、４０ｂは、それぞれ空調対象空間に設置される。室内機４０ａは、絞り装置３ａ、第２熱交換器４ａ及び室内ファン１０ａを収容しており、室内機４０ｂは、絞り装置３ｂ、第２熱交換器４ｂ及び室内ファン１０ｂを収容している。なお、室内機４０ａ及びこれに収容される部材と、室内機４０ｂ及びこれに収容される部材とは、機能及び基本構造が同じであるため、ここでは室内機４０ａ及びこれに収容された部材を例に説明する。

絞り装置３ａは、第１熱交換器２と第２熱交換器４ａとを接続する冷媒配管に設置されており、冷媒の流路を絞ることで通過する冷媒を膨張させて減圧する装置である。例えば、冷媒の流量を調整可能な弁を有する電動膨張弁等で絞り装置３ａを構成することができる。電子膨張弁のほか、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁、または、キャピラリーチューブ等を絞り装置３ａとして用いることができる。

第２熱交換器４ａは、暖房運転時には凝縮器として作用し、冷房運転時には蒸発器として作用する。第２熱交換器４ａを流れる冷媒と、第２熱交換器４ａに供給される空気との間で熱交換が行われ、暖房用空気あるいは冷房用空気が生成される。例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器、マイクロチャネル熱交換器等で第２熱交換器４ａを構成することができる。なお、ここでは、冷媒が流れる配管とこの配管に取り付けられたフィンとを有するフィンアンドチューブ型熱交換器で構成された第２熱交換器４ａを例に説明する。

室内ファン１０ａは、第２熱交換器４ａを流れる冷媒と熱交換する空気を、第２熱交換器４ａに供給する流体搬送装置である。例えば複数の翼を有するプロペラファンで室内ファン１０ａを構成することができる。室内ファン１０ａは、第２熱交換器４ａに空気を供給可能な場所に設置される。

複数の第２熱交換器４ａ、４ｂのそれぞれは、予め定められた暖房能力（ｋＷ）と冷房能力（ｋＷ）とを有している。暖房能力及び冷房能力は、第２熱交換器４ａ、４ｂの大きさ、室内ファン１０ａ、１０ｂからの送風量及び圧縮機１の能力を含め、種々のパラメータを用いて定義されうるが、暖房能力及び冷房能力の定義に用いられるパラメータは特に限定されない。冷凍サイクル装置１００に設けられている複数の第２熱交換器４ａ、４ｂは、互いに暖房能力及び冷房能力が同じであってもよいし、異なっていてもよい。このことは、第２熱交換器の数が３以上であっても同様である。

図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の機能ブロック図である。制御装置２０は、冷凍サイクル装置１００に設けられた圧縮機１、室外ファン９、室内ファン１０ａ、１０ｂ，絞り装置３ａ、３ｂ及び冷媒流路切替装置６等のアクチュエータを制御する。制御装置２０は、各アクチュエータに制御信号を送信可能に接続されている。また、制御装置２０には、第１温度検出器５及びタイマ１１からの信号が入力される。制御装置２０は、第１温度検出器５及びタイマ１１から入力される信号に基づいて、アクチュエータを制御する。なお、室内機４０ａ、４０ｂのそれぞれに、設定温度並びに運転の開始及び停止を入力するリモートコントローラを設け、リモートコントローラからの信号を制御装置２０に入力するようにしてもよい。制御装置２０は、各室内機４０ａ、４０ｂ毎に設定される設定温度と、運転の開始及び停止の情報とに基づいて、後述する冷房運転、暖房運転及び除霜運転を実行する。

制御装置２０は、処理回路２１と、記憶部２２とを有する。処理回路２１は、専用のハードウェア、または記憶部に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）で構成される。

処理回路２１が専用のハードウェアである場合、例えば、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、またはこれらを組み合わせたものが処理回路２１に該当する。処理回路２１が実現する各機能のそれぞれを、個別のハードウェアで実現してもよいし、各機能を一つのハードウェアで実現してもよい。

処理回路２１がＣＰＵの場合、処理回路２１が実行する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、処理回路２１の内部メモリに格納される。処理回路２１は、内部メモリに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。内部メモリは、プログラムメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。

なお、制御装置２０の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。また、図２では各アクチュエータの制御を制御装置２０が統括して行うものとして示しているが、制御装置２０は物理的に図示のように構成されていることを要しない。すなわち、制御装置２０の分散及び統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散又は統合して構成することができる。また、制御装置２０は、室外機３０に設置されうるが、制御装置２０の具体的配置は限定されない。制御装置２０の機能を複数の制御装置で実現する場合には、複数の制御装置を室外機３０及び複数の室内機４０ａ、４０ｂのそれぞれに分散配置してもよい。

記憶部２２は、少なくとも、暖房能力情報２２ａを記憶する。暖房能力情報２２ａは、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂのそれぞれと、予め定められた暖房能力とを対応付けた情報である。記憶部２２は、暖房能力情報２２ａのほか、制御装置２０が制御処理に用いる各種閾値を記憶する。記憶部２２は、例えば不揮発性の半導体メモリで構成される。

＜冷凍サイクル装置１００の動作＞
本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷房運転、暖房運転及び除霜運転を行う。以下、冷房運転、暖房運転及び除霜運転のそれぞれにおける冷凍サイクルの作用を、冷媒の流れとともに説明する。

（冷房運転）
冷房運転は、室内機４０ａ、４０ｂが設置された空調対象空間に、冷房用空気を供給する運転である。冷房運転のときには、冷媒流路切替装置６は、圧縮機１の吐出側が第１熱交換器２に接続される冷媒流路を形成している。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷媒流路切替装置６を経由して、凝縮器として機能する第１熱交換器２に流入する。第１熱交換器２に流入した冷媒は、室外ファン９から送られる空気と熱交換して凝縮し、低温高圧の液冷媒となって第１熱交換器２から流出する。

第１熱交換器２から流出した低温高圧の液冷媒は、絞り装置３ａ、３ｂに並列に流入する。絞り装置３ａ、３ｂに流入した低温高圧の液冷媒は、絞り装置３ａ、３ｂによって減圧されて低温低圧の液冷媒又は二相冷媒となり、絞り装置３ａ、３ｂから流出する。絞り装置３ａ、３ｂから流出した低温低圧の冷媒は、蒸発器として機能する第２熱交換器４ａ、４ｂのそれぞれに流入する。第２熱交換器４ａ、４ｂに流入した冷媒は、室内ファン１０ａ、１０ｂから送られる空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって第２熱交換器４ａ、４ｂから流出する。第２熱交換器４ａ、４ｂにおける冷媒と空気との熱交換により、冷媒が空気から吸熱することで、空調対象空間の冷房用空気が生成される。

第２熱交換器４ａ、４ｂから流出した冷媒は、冷媒流路切替装置６及びアキュムレータ７を介して圧縮機１に吸入される。冷房運転では、このような冷凍サイクルが繰り返される。なお、複数の室内機４０ａ、４０ｂ毎に、冷房運転の実行と停止を切り替えることもできる。例えば、室内機４０ａは冷房運転を実行し、室内機４０ｂは冷房運転を停止する場合には、室内機４０ａの絞り装置３ａは冷媒が通過する所定開度の流路を維持する一方で、室内機４０ｂの絞り装置３ｂは流路を閉鎖し、第２熱交換器４ｂに冷媒が流入しないようにする。このようにすることで、複数の室内機４０ａ、４０ｂのうちの一部のみ冷房運転を実行することができる。

（暖房運転）
暖房運転は、室内機４０ａ、４０ｂが設置された空調対象空間に、暖房用空気を供給する運転である。暖房運転のときには、冷媒流路切替装置６は、圧縮機１の吐出側が第２熱交換器４ａ、４ｂに接続される冷媒流路を形成している。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷媒流路切替装置６を経由して、凝縮器として機能する第２熱交換器４ａ、４ｂに並列に流入する。第２熱交換器４ａ、４ｂに流入した冷媒は、室内ファン１０ａ、１０ｂから送られる空気と熱交換して凝縮し、低温高圧の液冷媒となって第２熱交換器４ａ、４ｂから流出する。第２熱交換器４ａ、４ｂにおける冷媒と空気との熱交換により、冷媒が空気に放熱することで、空調対象空間の暖房用空気が生成される。

第２熱交換器４ａ、４ｂから流出した低温高圧の液冷媒は、絞り装置３ａ、３ｂのそれぞれに流入する。絞り装置３ａ、３ｂに流入した低温高圧の液冷媒は、絞り装置３ａ、３ｂによって減圧されて低温低圧の液冷媒又は二相冷媒となり、絞り装置３ａ、３ｂから流出する。絞り装置３ａ、３ｂから流出した低温低圧の冷媒は、蒸発器として機能する第１熱交換器２に流入する。第１熱交換器２に流入した冷媒は、室外ファン９から送られる空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって第１熱交換器２から流出する。

第１熱交換器２から流出した冷媒は、冷媒流路切替装置６及びアキュムレータ７を介して圧縮機１に吸入される。暖房運転では、このような冷凍サイクルが繰り返される。なお、複数の室内機４０ａ、４０ｂ毎に、暖房運転の実行と停止を切り替えることもできる。例えば、室内機４０ａは暖房運転を実行し、室内機４０ｂは暖房運転を停止する場合には、室内機４０ａの絞り装置３ａは冷媒が通過する所定開度の流路を維持する一方で、室内機４０ｂの絞り装置３ｂは流路を閉鎖し、第２熱交換器４ｂに冷媒が流入しないようにする。このようにすることで、複数の室内機４０ａ、４０ｂのうちの一部のみ暖房運転を実行することができる。

（除霜運転）
除霜運転は、暖房運転中に蒸発器として機能する第１熱交換器２に付着した霜を溶かすための運転である。本実施の形態の除霜運転は、暖房運転のときと冷媒の流れを逆にすることによって、すなわち上述した冷房運転のときと冷媒の流れを同じにすることによって、実現される。ただし、除霜運転のときには、冷房運転のときとは異なり、制御装置２０は室内ファン１０ａ、１０ｂの運転を停止する。

本実施の形態の除霜運転には、第１除霜運転と第２除霜運転の２種類がある。第１除霜運転と第２除霜運転とでは、冷媒の流れは同じであるが、除霜運転を開始する条件（タイミング）が異なる。さらに本実施の形態では、第１除霜運転と第２除霜運転とでは、除霜運転の時間が異なり、第２除霜運転は第１除霜運転よりも運転時間が短い。以下、具体的に説明する。

＜暖房運転及び除霜運転の動作制御＞
図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の暖房運転及び除霜運転を説明するフローチャートである。図３を参照して、制御装置２０が暖房運転及び除霜運転において実行する制御を説明する。

暖房運転を開始すると（Ｓ１）、制御装置２０は、第１温度検出器５の検出値に基づいて、第１熱交換器２の周囲温度が、ＴＨ２以上ＴＨ１以下の温度範囲に属しているか否かを検出する。ここで、ＴＨ２＜ＴＨ１の関係を満たす。温度ＴＨ１は、例えば５℃、温度ＴＨ２は、例えば−３℃である。温度ＴＨ１及び温度ＴＨ２の具体的数値はここで例示したものに限定されないが、第１熱交換器２への着霜量が多くなりやすい温度範囲の上限値及び下限値が、それぞれ温度ＴＨ１及び温度ＴＨ２として予め定められ、記憶部２２に記憶されている。

第１熱交換器２の周囲温度が、ＴＨ２以上ＴＨ１以下の温度範囲に属していない場合（Ｓ２；ＮＯ）は、ステップＳ８に進み、属している場合（Ｓ２；ＹＥＳ）は、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂのうち、暖房運転中のものの合計暖房能力ΣＱ_ｊが、予め定められた閾値である第１値Ｑ以上であるか否かを検出する。上述したように、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００に設けられた複数の室内機４０ａ、４０ｂは、個別に暖房運転の実行と停止が設定されうる。このため、制御装置２０は、暖房運転を実行している室内機４０ａ、４０ｂの第２熱交換器４ａ、４ｂそれぞれの暖房能力を加算することで合計暖房能力ΣＱ_ｊを演算し、合計暖房能力ΣＱ_ｊと第１値Ｑとを比較することで、ステップＳ３の処理を実行する。制御装置２０は、記憶部２２に記憶されている暖房能力情報２２ａに基づいて、合計暖房能力ΣＱ_ｊを演算する。

合計暖房能力ΣＱ_ｊが第１値Ｑ以上である場合（Ｓ３；ＹＥＳ）は、ステップＳ４に進み、第１値Ｑ未満である場合（Ｓ３；ＮＯ）は、ステップＳ８に進む。

次に、ステップＳ２でＮＯの場合及びステップＳ３でＮＯの場合に進むステップＳ８以降の処理を説明する。ステップＳ８において、制御装置２０は、暖房運転時間が、予め定められた閾値である第１運転時間Ｔ１１以上であるか否かを検出する（Ｓ８）。暖房運転時間の定義は特に限定されないが、本実施の形態では、暖房運転における圧縮機１の運転時間を、暖房運転時間とする。制御装置２０は、暖房運転を開始してからの圧縮機１の運転時間をタイマ１１で計測し、計測した時間と第１運転時間Ｔ１１とを対比することにより、ステップＳ８の処理を実行する。第１運転時間Ｔ１１の値は、例えば、５０分であるが、この数値に限定されない。

ステップＳ８において、暖房運転時間が第１運転時間Ｔ１１に到達している場合には、制御装置２０は、第１除霜運転を開始する（Ｓ９）。第１除霜運転を開始すると、制御装置２０は、前述したように冷媒流路切替装置６を制御して、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を、第１熱交換器２に接続する。このようにすることで、圧縮機１から吐出された高温冷媒が第１熱交換器２に供給され、第１熱交換器２に付着した霜が溶かされる。

第１除霜運転の運転時間が予め定められた除霜時間Ｔ１未満の間（Ｓ１０：ＮＯ）、制御装置２０は第１除霜運転を継続し、第１除霜運転の運転時間が除霜時間Ｔ１以上になると（Ｓ１０：ＹＥＳ）、制御装置２０は第１除霜運転を終了する（Ｓ１１）。第１除霜運転を終了すると、制御装置２０は暖房運転を開始する（Ｓ１）。ここで、本実施の形態では、第１除霜運転の除霜時間Ｔ１は、後述する第２除霜運転の除霜時間Ｔ２よりも長い時間とすることができる。具体的な数値は限定されないものの、除霜時間Ｔ１は、例えば１２分である。

次に、ステップＳ３でＹＥＳの場合に進むステップＳ４以降の処理を説明する。ステップＳ４において、制御装置２０は、暖房運転時間が、予め定められた閾値である第２運転時間Ｔ１２以上であるか否かを検出する（Ｓ４）。暖房運転時間の定義は特に限定されないが、本実施の形態では、暖房運転における圧縮機１の運転時間を、暖房運転時間とする。制御装置２０は、暖房運転を開始してからの圧縮機１の運転時間をタイマ１１で計測し、計測した時間と第２運転時間Ｔ１２とを対比することにより、ステップＳ４の処理を実行する。第２運転時間Ｔ１２の値は、ステップＳ８で示す第１運転時間Ｔ１１によりも短い値である。具体的な数値は限定されないものの、第２運転時間Ｔ１２は、例えば４０分である。

ステップＳ４において、暖房運転時間が第２運転時間Ｔ１２以上になると、制御装置２０は、第２除霜運転を開始する（Ｓ５）。第２除霜運転を開始すると、制御装置２０は、前述したように冷媒流路切替装置６を制御して、圧縮機１から吐出される冷媒の流路を、第１熱交換器２に接続する。このようにすることで、圧縮機１から吐出された高温冷媒が第１熱交換器２に供給され、第１熱交換器２に付着した霜が溶かされる。

第２除霜運転の運転時間が予め定められた時間Ｔ２未満の間（Ｓ６：ＮＯ）、制御装置２０は第２除霜運転を継続し、第２除霜運転の運転時間が除霜時間Ｔ２に到達すると（Ｓ６：ＹＥＳ）、制御装置２０は第２除霜運転を終了する（Ｓ７）。第２除霜運転を終了すると、制御装置２０は暖房運転を開始する（Ｓ１）。ここで、第２除霜運転の除霜時間Ｔ２は、第１除霜運転の除霜時間Ｔ１よりも短い時間でよい。具体的な数値は限定されないものの、時間Ｔ２は、例えば４分である。

＜暖房運転及び除霜運転の作用＞
本実施の形態の冷凍サイクル装置１００の暖房運転及び除霜運転の作用を、図４及び図５並びに前述の図３を参照して説明する。図４は、実施の形態１に係る第１除霜運転の積算暖房能力を例示する図である。図５は、実施の形態１に係る第２除霜運転の積算暖房能力を例示する図である。図４及び図５の縦軸は暖房運転中の第２熱交換器４ａ、４ｂの暖房能力を示し、横軸は時間を示しており、繰り返し実行される暖房運転と第１除霜運転又は第２除霜運転を通じた暖房能力の変化を概念的に示している。

図３に示したように本実施の形態では、暖房運転中に、蒸発器として機能する第１熱交換器２の周囲温度と、暖房運転中の第２熱交換器４ａ、４ｂの合計暖房能力ΣＱ_ｊとに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転のいずれかを選択し、第１除霜運転を選択した場合と第２除霜運転を選択した場合とで暖房運転を開始してから除霜運転を開始するまでの暖房運転の時間を異ならせている。ここで、図３で説明したように、第１熱交換器２の周囲温度が着霜量が多くなりやすい温度範囲内であり（ステップＳ２；ＹＥＳ）、かつ、暖房運転中の第２熱交換器４ａ、４ｂの合計暖房能力ΣＱ_ｊが第１値Ｑ以上であること、を含む条件を、第１条件と称する。

まず、上述した第１条件を満たさない場合に実行する暖房運転と第１除霜運転の作用を説明する。暖房運転中に第１条件を満たさない場合、暖房運転の時間が第２運転時間Ｔ１２よりも長い第１運転時間Ｔ１１以上になると、暖房運転が中断され、第１除霜運転が開始される。

図４に示すように、暖房運転を開始すると暖房能力が上昇してピークに到達し、運転時間の経過に伴って徐々に暖房能力が低下していく。暖房能力の低下は、主に、第１熱交換器２に付着する霜によって第１熱交換器２の熱交換効率が低下することによって生じる。第１条件を満たさない場合、すなわち第１熱交換器２の周囲温度が着霜量が多くなりにくい温度範囲であるか、あるいは、暖房運転中の第２熱交換器４ａ、４ｂの合計暖房能力ΣＱ_ｊが比較的小さいために第１熱交換器２の熱交換負荷も小さい場合には、第１熱交換器２に霜が比較的付着しにくいといえる。このため、第２除霜運転を実行する場合と比べて暖房運転の時間Ｔ１１を長くしている。

図４で示す例では、暖房運転中の暖房能力が７５％(平均)の状態で、第１除霜運転が開始されている。ここで、暖房運転とこれに続く除霜運転からなる期間を通じた暖房能力を、積算暖房能力と定義する。第１除霜運転中には、暖房能力が実質ゼロになるになるため、暖房運転とこれに続く第１除霜運転からなる期間を通じた積算暖房能力は、図４の例では６０％となっている。第１除霜運転を実行する場合には、１回当たりの暖房運転の時間が比較的長いため、暖房運転と除霜運転とが比較的短時間で切り替わることによる不快感を、使用者に与えにくい。

次に、上述した第１条件を満たす場合に実行する暖房運転と第２除霜運転の作用を説明する。暖房運転中に第１条件を満たす場合、暖房運転の時間が第１運転時間Ｔ１１よりも短い第２運転時間Ｔ１２に到達すると暖房運転が中断され、第２除霜運転が開始される。

図５に示すように、暖房運転を開始すると暖房能力が上昇してピークに到達し、運転時間の経過に伴って徐々に暖房能力が低下していく。暖房能力の低下は、主に、第１熱交換器２に付着する霜によって第１熱交換器２の熱交換効率が低下することによって生じる。本実施の形態では、第１条件を満たす場合、すなわち第１熱交換器２の周囲温度が着霜量が多くなりやすい温度範囲であり、かつ暖房運転中の第２熱交換器４ａ、４ｂの合計暖房能力ΣＱ_ｊが比較的大きいために第１熱交換器２の熱交換負荷も大きい場合に、比較的短時間で暖房運転を中断して第２除霜運転を開始する。このように、暖房運転の時間を短くすることで、第１熱交換器２への着霜量が過大になる前に、除霜運転を開始することができる。そして、第１熱交換器２への着霜量が比較的少ない状態で除霜運転を開始するため、第２除霜運転時間を短くすることができる。

図５で示す例では、暖房運転中の暖房能力が８０％（平均）の状態で、第２除霜運転が開始されている。第２除霜運転中には、暖房能力が実質ゼロになるになるが、上述のように第２除霜運転の時間は短くてよいので、図５の例では暖房運転とこれに続く第１除霜運転からなる期間を通じて７０％の積算暖房能力が得られている。さらに、第２除霜運転の時間は比較的短いため、第２除霜運転後に実行される暖房運転における暖房能力の立ち上がりの傾きが大きく、図４の場合と比較して短時間で暖房能力を上昇させることができる。

以上のように本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、第１熱交換器２と、複数の絞り装置３ａ、３ｂと、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂとを備えている。そして、第１熱交換器２が蒸発器として機能し、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂのうちの少なくとも一部が凝縮器として機能する暖房運転中に、第１熱交換器２の周囲温度を検出し、第１熱交換器２の周囲温度と、複数の第２熱交換器４ａ、４ｂのうち凝縮器として機能しているものの暖房能力の合計値と、前記暖房運転の運転時間とに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転のいずれかを選択する。そして、第１除霜運転を選択した場合には暖房運転の運転時間が第１運転時間に到達すると第１除霜運転を開始し、第２除霜運転を選択した場合には暖房運転の運転時間が第１運転時間よりも短い第２運転時間に到達すると第２除霜運転を開始する。このように、蒸発器として機能する第１熱交換器２の周囲温度と、凝縮器として機能する第２熱交換器４ａ、４ｂの暖房能力の合計値とに基づいて、暖房運転の運転時間を異ならせて、除霜運転を開始する。このため、除霜対象となる熱交換器の温度から経験則に基づいて除霜運転を開始する場合と比較して、除霜対象となる第１熱交換器２への実際の着霜状態がより反映されたタイミングで除霜運転を開始することができる。したがって、続けて実行される一組の暖房運転と除霜運転とからなる期間における、積算暖房能力の低下を抑制することができる。また、運転時間が比較的短い第２除霜運転の後には、続けて実行される暖房運転の立ち上がりに要する時間を短くすることができる。

また、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、第１熱交換器２の周囲温度を検出する第１温度検出器５の検出値が第１温度範囲内であり、かつ、暖房能力の合計値が第１値以上である場合に、比較的時間の短い第２除霜運転を選択する。したがって、除霜対象である第１熱交換器２への着霜量が大きくなりやすい条件のときに、暖房運転を早めに中断して第２除霜運転を開始することができるので、続けて実行される一組の暖房運転と除霜運転とからなる期間における、積算暖房能力の低下を抑制することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、暖房運転時に蒸発器として機能し、除霜運転時に凝縮器として機能する第１熱交換器２の表面温度を検出する第２温度検出器１２を備え、暖房運転及び除霜運転の制御においてこの第２温度検出器１２の検出値を用いる。本実施の形態では、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図６は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００Ａの回路構成の一例を示す図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００には、第１熱交換器２の表面温度を検出する第２温度検出器１２が設けられている。第２温度検出器１２は、第１熱交換器２への着霜状態を反映する第１熱交換器２の表面温度を、直接的にあるいは間接的に検出する。例えば、第２温度検出器１２は、第１熱交換器２を構成する配管の表面温度を検出することができる。そのほか、第２温度検出器１２は、第１熱交換器２内を流れる冷媒の温度を検出し、この冷媒の温度に基づいて第１熱交換器２の表面温度を検出してもよい。第２温度検出器１２以外の構成は、実施の形態１で示したものと同様である。

図７は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００Ａの機能ブロック図である。制御装置２０には、第２温度検出器１２が信号を送受信可能に接続されている。制御装置２０は、第１温度検出器５及びタイマ１１から入力される信号に加え、第２温度検出器１２から入力される信号に基づいて、アクチュエータを制御する。

図８は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置１００Ａの暖房運転及び除霜運転を説明するフローチャートである。本実施の形態の暖房運転及び除霜運転は、第１除霜運転を開始する条件と、第１除霜運転を終了する条件が、実施の形態１と異なる。具体的には、図８に示すフローチャートは、ステップＳ８Ａの処理内容及びステップＳ１２Ａが追加されている点で、実施の形態１の図３で示したフローチャートと異なる。以下、図３との相違点を中心に説明する。

ステップＳ２でＮＯの場合及びステップＳ３でＮＯの場合、すなわち、第２除霜運転ではなく第１除霜運転が選択された場合に、ステップＳ８Ａに進む。ステップＳ８Ａにおいて、制御装置２０は、暖房運転時間が、予め定められた第１運転時間Ｔ１１以上であるか否かを検出する。さらに、制御装置２０は、第２温度検出器１２の検出値に基づいて、第１熱交換器２の表面温度が、予め定められた閾値である第１温度ＴＨ３以下であるか否かを判定する。ここで、第１温度ＴＨ３は、第１熱交換器２への着霜量を判定するための温度であり、第１熱交換器２への着霜量が多くなりやすいと推定される温度が、予め記憶部２２に記憶されている。第１温度ＴＨ３は、好ましくは、ステップＳ２における温度ＴＨ２よりも低い温度であり、具体的数値は限定されないものの、例えば−１０℃である。

制御装置２０は、暖房運転時間が第１運転時間Ｔ１１以上になり、かつ第１熱交換器２の表面温度が予め定められた第１温度ＴＨ３以下になると（Ｓ８Ａ；ＹＥＳ）、第１除霜運転を開始する（Ｓ９）。

第１除霜運転中に、制御装置２０は、第１熱交換器２の表面温度が予め定められた閾値である第２温度ＴＨ４以上になると（Ｓ１２Ａ；ＹＥＳ）、第１除霜運転を終了する。ここで、第２温度ＴＨ４は、第１熱交換器２への着霜量を判定するための温度であり、第１熱交換器２の除霜が終了したと推定される温度が、予め記憶部２２に記憶されている。第２温度ＴＨ４は、具体的数値は限定されないものの、例えば１０℃である。第１熱交換器２の表面温度が、予め定められた閾値である第２温度ＴＨ４未満である場合には（Ｓ１２Ａ；ＮＯ）、制御装置２０はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０以降の処理は、図３で説明したものと同様である。

このように本実施の形態では、実施の形態１で説明したものと同様の構成を備えており、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに本実施の形態の冷凍サイクル装置１００Ａは、第１除霜運転が選択された場合に、暖房運転の運転時間が第１運転時間以上になり、かつ第１熱交換器２の表面温度が第１温度ＴＨ３以下になると、第１除霜運転を開始する。暖房運転の運転時間に加え、第１熱交換器２への着霜状態が反映される第１熱交換器２の表面温度に基づいて、第１除霜運転を開始するので、除霜が必要とされるタイミングをより精度よく検出して、第１熱交換器２を除霜することができる。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１００Ａは、第１除霜運転中に、第１熱交換器２の表面温度が第２温度ＴＨ４以上になると、第１除霜運転を終了する。第１熱交換器２の着霜状態、すなわち除霜状態が反映される第１熱交換器２の温度に基づいて、第１除霜運転の終了タイミングを決定するので、除霜不足や過剰な除霜運転を抑制できる。

なお、図３及び図８のステップＳ２、並びに図８のステップＳ８Ａ及びステップＳ１２Ａにおいて、温度に関して閾値との大小関係を判定するにあたり、条件を満たす状態が所定時間経過したときに、条件を満たしたと判定して次のステップに進むようにしてもよい。図８のステップＳ８Ａの例でいうと、制御装置２０は、第１熱交換器２の表面温度が第１温度ＴＨ３以下であるか否かを判定するにあたり、第１温度ＴＨ３以下の状態が所定時間、例えば３分以上経過した場合に、第１熱交換器２の表面温度が第１温度ＴＨ３以下である、と判定してもよい。ステップＳ１２Ａについても同様であり、第１熱交換器２の表面温度が第２温度ＴＨ４以上である状態が、所定時間、例えば３分以上経過したときに、次のステップに進む。第１温度検出器５及び第２温度検出器１２から出力される検出値には、外乱等によってばらつきが生じる可能性があるが、所定時間に亘る検出値に基づいて判定することで、上述したばらつきが原因の誤判定を低減できる。

また、図３及び図８で示す暖房運転において、圧縮機１の運転周波数を、蒸発器として機能する第１熱交換器２の周囲温度に応じて異ならせてもよい。例えば、第１熱交換器２の周囲温度に応じた圧縮機１の周波数の制御用のテーブルを予め記憶部２２に記憶しておき、第１熱交換器２の周囲温度が低い場合には、高い場合に比べて圧縮機１の運転周波数を大きな値に制御する。このようにすることで、暖房能力の低下が抑制される。

また、実施の形態１、２で示した冷凍サイクル装置及び冷凍サイクル装置の除霜運転方法は、空気調和装置に限らず、冷蔵庫などの他の冷凍サイクルを用いる装置に適用することができる。また、実施の形態１、２では、暖房運転時とは逆の方向に冷媒を循環させるいわゆる逆サイクルの除霜運転を例に説明したが、除霜運転の具体的構成は、これに限定されない。実施の形態１、２で説明した第１除霜運転及び第２除霜運転の選択、開始及び終了に係る処理は、例えばヒータや温水を用いた除霜運転など、他の具体的構成による除霜運転と組み合わせることもできる。例えば、冷媒流路切替装置６に相当する構成を有しておらず冷媒が一方向に流れる暖房専用の空気調和装置に対しても、実施の形態１、２で示した第１除霜運転及び第２除霜運転の選択、開始及び終了に係る処理を適用することができる。

１ 圧縮機、２ 第１熱交換器、３ａ 絞り装置、３ｂ 絞り装置、４ａ 第２熱交換器、４ｂ 第２熱交換器、５ 第１温度検出器、６ 冷媒流路切替装置、７ アキュムレータ、８ 逆止弁、９ 室外ファン、１０ａ 室内ファン、１０ｂ 室内ファン、１１ タイマ、１２ 第２温度検出器、２０ 制御装置、２１ 処理回路、２２ 記憶部、２２ａ 暖房能力情報、３０ 室外機、４０ａ 室内機、４０ｂ 室内機、１００ 冷凍サイクル装置、１００Ａ 冷凍サイクル装置。

Claims (10)

1. 圧縮機と、
   第１熱交換器と、
   複数の絞り装置と、
   複数の第２熱交換器と、
   前記第１熱交換器の周囲温度を検出する第１温度検出器と、
   前記複数の第２熱交換器のそれぞれの暖房能力を記憶する記憶部と、
   前記第１熱交換器を蒸発器として機能させ、前記複数の第２熱交換器のうちの少なくとも一部を凝縮器として機能させる暖房運転を行う制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記暖房運転中に、前記第１温度検出器の検出値と、前記複数の第２熱交換器のうち前記凝縮器として機能しているものの暖房能力の合計値とに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転とのいずれかを選択し、
   前記第１除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が第１運転時間に到達すると前記第１除霜運転を開始し、前記第２除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間よりも短い第２運転時間に到達すると前記第２除霜運転を開始する
   冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、
   第１条件を満たさない場合に前記第１除霜運転を選択し、
   前記第１条件を満たす場合に前記第２除霜運転を選択するものであり、
   前記第１条件は、前記第１温度検出器の検出値が第１温度範囲内であり、かつ、前記暖房能力の合計値が第１値以上であることを含む
   請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１熱交換器の表面温度を検出する第２温度検出器を備え、
   前記制御装置は、前記第１除霜運転を選択した場合に、前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間に到達し、かつ、前記第２温度検出器の検出値が第１温度以下になると、前記第１除霜運転を開始する
   請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１熱交換器の表面温度を検出する第２温度検出器を備え、
   前記制御装置は、前記第１除霜運転の実行中に、前記第２温度検出器の検出値が第２温度以上になると、前記第１除霜運転を終了して前記暖房運転を開始する
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第２除霜運転の時間は、前記第１除霜運転の時間よりも短い
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 圧縮機、第１熱交換器、複数の絞り装置及び複数の第２熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の除霜運転方法であって、
   前記第１熱交換器が蒸発器として機能し、前記複数の第２熱交換器のうちの少なくとも一部が凝縮器として機能する暖房運転中に、
   前記第１熱交換器の周囲温度を検出し、
   前記第１熱交換器の周囲温度と、前記複数の第２熱交換器のうち前記凝縮器として機能しているものの暖房能力の合計値とに基づいて、第１除霜運転と第２除霜運転とのいずれかを選択し、
   前記第１除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が第１運転時間に到達すると前記第１除霜運転を開始し、前記第２除霜運転を選択した場合には前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間よりも短い第２運転時間に到達すると前記第２除霜運転を開始する
   冷凍サイクル装置の除霜運転方法。
7. 前記第１除霜運転と前記第２除霜運転のいずれかを選択するステップにおいて、
   第１条件を満たさない場合に、前記第１除霜運転を選択し、
   前記第１条件を満たす場合に、前記第２除霜運転を選択し、
   前記第１条件は、前記第１熱交換器の周囲温度が第１温度範囲内であり、かつ前記暖房能力の合計値が第１値以上であることを含む
   請求項６記載の冷凍サイクル装置の除霜運転方法。
8. 前記第１除霜運転を選択した場合に、前記暖房運転の運転時間が前記第１運転時間に到達し、かつ、前記第１熱交換器の表面温度が第１温度以下になると、前記第１除霜運転を開始する
   請求項６又は請求項７記載の冷凍サイクル装置の除霜運転方法。
9. 前記第１除霜運転中に、前記第１熱交換器の表面温度が第２温度以上になると、前記第１除霜運転を終了し、
   前記第１除霜運転を終了した後に、前記暖房運転を開始する
   請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置の除霜運転方法。
10. 前記第２除霜運転の時間は、前記第１除霜運転の時間よりも短い
    請求項６〜請求項９のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置の除霜運転方法。

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