JPH07243728A

JPH07243728A - 空気調和機

Info

Publication number: JPH07243728A
Application number: JP3363294A
Authority: JP
Inventors: Yozo Hibino; 陽三日比野; Susumu Nakayama; 進中山; Hiroshi Yasuda; 弘安田; Kazutaka Suefuji; 和孝末藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、空気熱源のヒートポンプ空気調和機
において、室外機の熱交換器の除霜に要する時間を短縮
することを目的とする。【構成】圧縮機１の吐出管に容量調整弁１０を配置し、
正サイクル除霜もしくは逆サイクル除霜時に、この弁の
開度を減ずるようにした。【効果】本発明により、従来よりも圧縮機の負荷が増加
するので、電気入力が増加する。この結果、除霜時間が
短縮されるという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒートポンプ式空気調
和機に関し、特に暖房時に室外機の熱交換器に着いた霜
を効率的に除去することができる、空気熱源のヒートポ
ンプ式空気調和機に関する。

【０００２】

【従来の技術】現状の空気調和機の除霜装置について
は、以下に示すように種々の方式のものが考案されてい
る。

【０００３】一つの方式は、逆サイクル除霜と呼ばれて
いる方式である。これに関する公知例としては、特開昭
６３−１５３３７７号公報ないしは特開昭６３−２９０
３７０号公報などがあげられる。外気温が低いヒートポ
ンプ暖房時には、室外機の熱交換器は蒸発器であり、熱
交換器温度が低下して霜が着く。このため蒸発能力が著
しく低下する。このとき、室内器の熱交換器は凝縮器で
あるが、十分な暖房能力を出し得ないので、使用者にと
って好ましいことではない。そこで室外熱交換器に着霜
が進行し、暖房能力が低下していることを探知したなら
ば、一時的にヒートポンプ暖房サイクルを冷房サイクル
に切り替える。そうとすると、室外機の熱交換器は凝縮
器となり、熱交換器温度が上昇するので、熱交換器に着
した霜をとかして除去することができる。したがってこ
の後、暖房サイクルに戻したときに、室外機の熱交換器
は再び蒸発器として作用することが期待できる。さら
に、除霜に要する時間を少しでも短縮する目的で、室外
機から室内機に向う冷媒液を圧縮機にバイパスして、圧
縮機の負荷を増加させ、電気入力を増加させることによ
り、室外機の熱交換器における凝縮能力を向上させ、除
霜能力を向上させるような工夫も行なわれている。ただ
し、この逆サイクル除霜中は室内機の熱交換器が蒸発器
となるので、暖房が必要であるにもかかわらず室内機か
ら冷風が吹き出すという不快な状態が生ずることは避け
られない。しかし、この方式は制御が簡単で余分のサイ
クル要素を付加する必要がないため、一定速で運転され
る圧縮機を使用する空気調和機によく使用される。

【０００４】そこでこの方法の欠点を改良する方法とし
て、正サイクル除霜と呼ばれる方式がある。これに関す
る公知例としては、特開昭６２−１０２０５９号公報な
いしは特開平２−１７３７０号公報などがあげられる。
この方式では、ヒートポンプ暖房サイクルのままで、圧
縮機の高温高圧のガス冷媒を室外機の熱交換器にバイパ
スすることにより蒸発器としてよりもむしろ凝縮器とし
て熱交換器温度を上昇させるので、熱交換器についた霜
をとかすことができる。このとき、室内機の熱交換器も
凝縮器のままであるので、バイパスによって暖房能力は
低下するが一応暖房することが可能であり使用者の快適
性を損うことが少い。ただし、本方式では蒸発器として
作用する熱交換器がないので、これに匹敵するだけの熱
源を維持する必要があり、圧縮機を通常よりも高速で運
転して電気入力を増加させる必要がある。さらに、除霜
時間を少しでも短縮する目的で、圧縮機の吐出ガス冷媒
を吸入側へバイパスして、圧縮機の負荷を増加させ、電
気入力を増加させることにより、室外機の熱交換器にお
ける凝縮能力を向上させ、除霜能力を向上させるような
工夫も行なわれいる。また、この圧縮機の吸入側が凝縮
器出口となってしまうので、圧縮機に液冷媒が戻らない
ようにかわき度を調整する必要がある。したがって、こ
の方式は制御が複雑で余分のサイクル要素が不可欠であ
るから、より快適性を重視して、可変速で運転される圧
縮機を使用する空気調和機に使用されることが多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記いずれの除霜方法
においても、除霜のための熱源の大部分は圧縮機への電
気入力であるので、除霜時間を短縮するためには、圧縮
機への電気入力を増加させる工夫が有効である。これに
対して、上記いずれの除霜方法においても、冷媒をバイ
パスさせることによって圧縮機の負荷を増加させ電気入
力を増加させるようにしている。

【０００６】しかし、バイパスの冷媒量には制限がある
ので、圧縮機への電気入力にも限界がある。

【０００７】そこで本発明においては、冷媒のバイパス
とは別のサイクル調整要素を加えることにより、さらに
圧縮機の電気入力を増加させ、これによって除霜時間を
さらに短縮することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の空気調和機の構造は、逆サイクル除霜時
に、冷媒が室外熱交換器から圧縮機へ流通するバイパス
流路と、圧縮機の出口に、除霜時の冷媒容量を調整する
容量調整機構と有することを特徴とした。

【０００９】さらに、本発明の別の空気調和機の構造
は、正サイクル除霜時に、冷媒が圧縮機から室外熱交換
器へ流通するバイパス流路と、圧縮機の出口に、除霜時
の冷媒容量を調整する容量調整機構とを有することを特
徴とした。

【００１０】

【作用】本発明においては、圧縮機の吐出側に設けられ
た容量調整弁は、通常の冷房もしくは暖房サイクルにお
いては全開とし、これによって圧縮機の負荷を増加させ
ないようにして冷暖房負荷に見合った高効率な運転を行
なう。しかし、暖房における逆サイクル除霜時もしくは
正サイクル除霜時には、容量調整弁をやや閉じた状態と
し、通常よりも吐出圧力が高い運転を行なう。これによ
って、圧縮機の負荷が著しく増加するので、電気入力が
増加する。したがって、より高温高圧のガス冷媒を室外
機の熱交換器もしくは室内機の熱交換器に供給すること
ができる。この結果、除霜時間を短縮できるという効果
がある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を引用し
て説明する。

【００１２】図１は、本発明の空気調和機の除霜装置に
おいて、逆サイクル除霜を行なう場合のサイクル構成図
である。室外機は、回転数一定型もしくは可変回転数型
の回転形圧縮機１，四方弁２，室外熱交換器３，送風用
の室外ファン４及びアキュムレータ５から構成されてい
る。室内機は、室内熱交換器６，送風用の室内ファン７
及び膨張弁やキャピラリーチューブなどから成る減圧機
構８から構成されている。室内を暖房する場合には、四
方弁２を切り替えて冷媒を破線の矢印のように流して暖
房サイクルを形成する。圧縮機１から出た高温高圧のガ
ス冷媒は、四方弁２を経て室内機に送出される。室内機
の室内熱交換器６において、放熱して部屋を暖房し凝縮
して液冷媒になり室外機に戻る。そして室外機の室外熱
交換器３において外気から吸熱し蒸発してガス冷媒にな
り、四方弁２、アキュームレータ５を経て圧縮機１に戻
る。このとき外気温が低い場合、室外機の室外熱交換器
３に水蒸気が付着して霜が生成され、伝熱性能が悪くな
り、蒸発能力が低下する。この結果、室内機の室内熱交
換器中の凝縮能力が低下するので、室内の暖房能力が不
足することになり、使用者にとって好ましいことではな
い。そこで、室外機の室外熱交換器３を除霜するため、
四方弁２を切り替えていったん冷房サイクルを形成す
る。このため逆サイクル除霜と呼ばれている。逆サイク
ル除霜では、冷媒を実線の矢印のように流して冷房サイ
クルを形成する。圧縮機１から出た高温高圧のガス冷媒
は、四方弁２を経て、室外熱交換器３に送出される。こ
こで、放熱して霜をとかし、凝縮して液冷媒になり室内
機に送出される。室内機の室内熱交換器６において室内
から吸熱して、蒸発してガス冷媒になり、四方弁２、ア
キュームレータ５を経て圧縮機１に戻る。このとき、使
用者は暖房を要求しているにもかかわらず、室内機の室
内熱交換器６からは冷気が放出されるので、使用者にと
って好ましいことではない。そこで除霜時間をできるだ
け短縮するため、室内機の室内熱交換器６のバイパス流
路に設けたバイパス開閉弁９を開いて液冷媒を圧縮機１
にバイパスさせることにより圧縮機１の負荷を増加さ
せ、圧縮機１への電気入力を増加させて、室外機の室外
熱交換器３の凝縮能力を高める。さらに、圧縮機１の吐
出管に容量調整弁１０を配置し、除霜時にはこの弁の開
度を減ずるようにした。これにより、圧縮機１は通常よ
りも吐出圧力が高い作動条件で運転される。したがっ
て、一時的に負荷が増加し、電気入力が増加する。この
ため、より高温高圧のガス冷媒を室外機の室外熱交換器
３に供給することができる。この結果、除霜時間を短縮
できるという効果がある。

【００１３】図２は、本発明の空気調和機の除霜装置に
おいて、正サイクル除霜を行なう場合のサイクル構成図
である。図１と同一番号の部分は同一部分を示してい
る。図１と同様に室内を暖房する場合には、四方弁２を
切り替えて冷媒を破線の矢印のように流して、暖房サイ
クルを形成する。しかし、図１と違って室外機の熱交換
器３を除霜する場合には、この暖房サイクルのままで行
なう。このため正サイクル除霜と呼ばれている。正サイ
クル除霜では暖房時と同様に冷媒を実線の矢印のように
流す。このとき、室内機の室内熱交換器６は凝縮器のま
まとなっているので、暖房と同様に温風が放出されるの
で使用者には好ましい。ただし、室外機の室外熱交換器
３を蒸発器ではなく凝縮器にして除霜を行なうために、
室内機の室内熱交換器６のバイパス流路に設けたバイパ
ス開閉弁９を開いて、圧縮機１のガス冷媒を室外機の室
外熱交換器３へバイパスさせる必要がある。このように
正サイクル除霜では２つの熱交換器が凝縮器になるの
で、これに匹敵するだけの十分な熱量を補給する必要が
ある。そこで圧縮機を通常よりも高速で回転させること
により電気入力を増加させる。さらに、圧縮機１の吐出
管に容量調整弁１０を配置し、除霜時にはこの容量調整
弁１０の開度を減ずるようにした。これにより、圧縮機
１は通常よりも吐出圧力が高い作動条件で運転される。
したがって、一時的に負荷が増加し、圧縮機１への電気
入力が増加する。このため、より高温高圧のガス冷媒を
室外機の室外熱交換器３に供給することができる。この
結果、除霜時間を短縮できるという効果がある。

【００１４】図３は、図１に示した逆サイクルの除霜動
作を行なう除霜装置１２の制御動作を説明するフローチ
ャートである。暖房中に、室外機の熱交換器３の蒸発温
度および外気温度をそれぞれの蒸発温度検出器１３，外
気温度検出器１４によって検出する。これらの検出器を
用いることにより、図５のような判定基準によって、除
霜動作が必要かどうか判断することができる。図５にお
いて、横軸は外気温度、縦軸は室外機の熱交換器３の蒸
発温度を示している。これらの温度がいずれも低いＢ領
域からＣ領域もしくはＣ領域からＢ領域に移行した場合
には、熱交換器３に霜が付着して蒸発能力が低下してい
ると推定されるので、除霜を行なう。一方、これらの温
度が高いＡ領域からＢ領域もしくはＢ領域からＡ領域に
移行した場合には、除霜する必要がないかもしくは除霜
動作が完了したものと判定する。除霜時には、四方弁２
を暖房位置から冷房位置に切り替える。そして、容量調
整弁１０の開度をやや減するようにする。これによって
吐出圧力が通常よりもやや高くなり、圧縮機１の電気入
力が増加する。この結果、室外機の室外熱交換器３にお
ける凝縮圧力及び凝縮温度が高めになるので、除霜能力
が高められ除霜時間が短縮されるという効果がある。さ
らに、室内機の室内熱交換器６のバイパス流路を有する
空気調和機においては、この流路に放けられたバイパス
開閉弁９を開いて、圧縮機１に流れる冷媒を増加させ圧
縮機１の負荷を増大させる。また、回転数を可変にした
回転形圧縮機を用いる空気調和機においては、定格回転
数よりもやや高い回転数で駆動すると、運転効率の悪い
状態となる。これらによって、圧縮機１の電気入力をい
っそう増大させることができるという効果がある。な
お、上記の弁や回転数の制御動作を行なうときには、圧
縮機１の信頼性を確保するために、圧縮機１に吐出圧力
検出器１５もしくは電流検出器１６を設けて、吐出圧力
や電流によって、圧縮機１が使用条件範囲内にあること
を常に監視しなければならない。これらの検出値が使用
条件範囲から逸脱して上昇した場合には、ただちに、容
量調整弁１０の開度を元の状態に戻す、または圧縮機１
の回転数を低下させる等の処置を行なう、というフィー
ドバック的な制御を行う。除霜時に容量調整弁１０を閉
めるべき開度の大きさや、圧縮機１の上げるべき回転数
の大きさは、圧縮機１の使用条件範囲に応じて予めある
程度定められるから、これにもとづいてフィードフォワ
ード的に動作させるようにしておくと、制御装置１２を
簡潔に構成することができる。

【００１５】図４は、図２に示した正サイクルの除霜動
作を行なう除霜装置１２の制御動作を説明するフローチ
ャートである。暖房サイクルのままで除霜を行なうの
で、図３に示した制御動作のうち四方弁２を切り替える
動作がない。また、室内機の熱交換器６のバイパス流路
があるので、この流路に設けられたバイパス開閉弁１１
を開く動作は不可欠である。その他の制御動作は、図３
に示した制御動作と同じ考え方で行うことができるの
で、説明は省略する。

【００１６】図６は、圧縮機１の作動条件のうち、吐出
圧力と電気入力の関係を示すグラフの一例である。図か
ら明らかなように、吐出圧力が上昇させるほど電気入力
は増加する。さらに、圧縮機１の回転数が可変のものに
あっては、回転数ｆを大きくする（ｆ₁＞ｆ₀）程、電気
入力は増加する。

【００１７】図７は、同じく圧縮機１の作動案件のう
ち、圧縮機回転数と運転効率の関係を示すグラフの一例
である。図から明らかなように、圧縮機は回転数が大き
い程、効率が低下する。効率が低いと電気入力は冷媒の
圧縮仕事にならず、モータの発熱分が増加する。さら
に、吐出圧圧力ｐを大きくする（ｐ₁＞ｐ₀）程、効率が
低下する。

【００１８】本発明においては、圧縮機１のこのような
特性を利用するものである。すなわち除霜時に吐出圧力
を使用条件範囲内で増加させることによって電気入力を
増加させると、効率が低下するため圧縮仕事に変換され
ずモータの発熱などの熱ロスが発生する。この発熱分を
冷媒に与えることにより除霜のための熱量として有効に
利用することができる。このとき、図６に示したように
圧縮機１の回転数を上昇すれば、さらに有利である。

【００１９】圧縮機１の作動条件には、圧縮機１の安全
な運転を保証するための使用条件範囲があり、必ずこれ
を守らなければならない。図８は、圧縮機１のこのよう
な範囲のうち、吸入圧力と吐出圧力の関係を示すグラフ
の一例である。通常の暖房中はもちろんのこと、本発明
により除霜動作を行なっているとき、この範囲内になる
ように監視し、これから逸脱するような場合にはこれを
回避する必要がある。特に、本発明においては吐出圧力
を上昇させるので、これに対する保護制御が不可欠であ
る。また、電流についても同様のことが言える。

【００２０】図１，図２においては、圧縮機１の吐出管
に、ひとつの容量調整弁１０を配置し、除霜時にのみこ
れをやや閉じるようにする方式を説明した。しかし、圧
縮機１の吐出側は高温高圧のガス冷媒が流れているの
で、容量調整弁１０には過大なストレスがかかる可能性
があり、容量調整弁１０のトラブルに対して予め、信頼
性を確保するための工夫が必要とされる。

【００２１】そのひとつが、吐出管が全閉状態にならな
いようにすることである。このため容量調整弁１０を、
機械的にも制御的にも所定開度以下に閉じることができ
ないようにしておくことや、何かの故障時には必ず開方
向に動作するようにしておくこと、などの方策が有効で
ある。

【００２２】図９からに図１１に、いくつかの方策を示
す。図９は、容量調整弁１０と並列に圧縮機１に直接つ
ながる吐出管１７を設けたものである。図１，図２に示
したように、容量調整弁１０を圧縮機１の吐出管に直接
に配置すると、大容量の弁が必要になる。しかし除霜時
には図１，図２の容量調整弁１０の開度をやや減ずるよ
うにして使用するだけである。したがって、図９のよう
に、圧縮機１に直接つながる吐出管１７によってガス冷
媒の大部分を通すようにしておけば、容量調整弁１０の
容量はごく小さいもので済むことになる。この結果、容
量調整弁１０の制御特性が良くなる。また、小容量の容
量調整弁１０の採用により、装置価格の低減が可能であ
る。さらに容量調整弁１０が故障したとしても、並列の
吐出管１７が連結されているので、そのまま運転を続行
することができ、信頼性の観点から有利である。

【００２３】図１０は、図９の容量調整弁１５と同じ小
容量の電磁弁１８を、並列に追設したものである。通常
は電磁弁１８を閉じた状態で使用しており、図９と同様
である。しかし、図９で説明したように、万一容量調整
弁１０が故障したような場合には、この電磁弁１８を開
いた状態にすることによって、通常な状態と全く等価な
流量を圧縮機１から送出することができるという利点が
ある。

【００２４】図１１は、図９の容量調整弁１０を電磁弁
１８に置き換え、これと並列に圧縮機１に直接つながる
吐出管１７を設けたものであり、容量調整弁の制御動作
を単純化し、微妙な流量調整をしなくても済むようにす
れば、これを電磁弁１８の開閉動作に置き換えることが
できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
逆サイクル除霜もしくは正サイクル除霜において、圧縮
機の吐出側に設けた容量調整弁の開度を減ずることによ
り圧縮機の負荷を増加させ、容易に電気入力を増加させ
ることができる。したがって、従来よりも高温高圧のガ
ス冷媒を室外機の熱交換器に供給することができるの
で、従来よりも凝縮能力を高くすることができる。この
結果、除霜時間を短縮できるという効果がある。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による空気調和機のサイクル
構成図である。

【図２】本発明の別の実施例による空気調和機のサイク
ル構成図である。

【図３】図１の空気調和機の除霜の制御動作を示すフロ
ーチャートである。

【図４】図２の空気調和機の除霜の制御動作を示すフロ
ーチャートである。

【図５】除霜動作の判定基準を説明する図である。

【図６】圧縮機の吐出圧力と電気入力の関係を示す図で
ある。

【図７】圧縮機の回転数と運転効率の関係を示す図であ
る。

【図８】圧縮機の使用可能範囲を示す図である。

【図９】容量調整機構の一例を示す図である。

【図１０】容量調整機構の一例を示す図である。

【図１１】容量調整機構の一例を示す図である。

【符号の説明】

１…圧縮機，２…四方弁，３…
室外熱交換器，４…室外ファン，５…
アキュームレータ，６…室内熱交換器，７
…室内ファン，８…減圧機構，９…
バイパス開閉弁，１０…容量調整弁，１
１…バイパス開閉弁，１２…制御装置，１
３…蒸発温度検出器，１４…外気温度検出
器，１５…吐出圧力検出器，１６…電流検
出器，１７…吐出管，１８…電磁
弁，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者末藤和孝茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機と、室外熱交換器と、減圧機構と、
室内熱交換器と、冷房サイクルと暖房サイクルを切替るために冷媒流通方
向を逆転させる機構と、逆サイクル除霜時に、前記室外熱交換器から前記圧縮機
へ冷媒が流通するバイパス流路と、前記圧縮機の出口に、除霜時の冷媒容量を調整する容量
調整機構とを有することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】圧縮機と、室外熱交換器と、減圧機構と、
室内熱交換器と、冷房サイクルと暖房サイクルを切替るために冷媒流通方
向を逆転させる機構と、正サイクル除霜時に、前記圧縮機から前記室外熱交換器
へ冷媒が流通するバイパス流路と、前記圧縮機の出口に、除霜時の冷媒容量を調整する容量
調整機構とを有することを特徴とする空気調和機。
【請求項３】請求項１または２の空気調和機において、容量調整機構は容量調整弁であることを特徴とする空気
調和機。
【請求項４】請求項１または２の空気調和機において、容量調整機構は、配管と、前記配管に並列に設置した容量調整弁であるこ
とを特徴とする空気調和機。
【請求項５】請求項１または２の空気調和機において、容量調整機構は、配管と、前記配管に並列に設置した電磁弁であることを
特徴とする空気調和機。
【請求項６】請求項１または２の空気調和機において、容量調整機構は、配管と、前記配管に並列に設置した容量調整弁と、前記配管に並列に設置した電磁弁であることを特徴とす
る空気調和機。