JPWO2013038439A1 - 冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

着霜を伴うような空気条件での暖房運転時においても、暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことができ、また、適切な換気量を確保できて暖房快適性の向上を図ることが可能な冷凍空調装置を提供する。互いに独立して暖房運転および除霜運転が可能な複数の冷凍サイクルを有し、除霜運転を行う冷凍サイクルが設置された室内機の換気ダンパを、除霜運転の間、閉じた状態にし、暖房運転を行う冷凍サイクルが設置された室内機の換気ダンパを、室内の換気状態に応じた必要換気量となるように制御する。

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる冷凍空調装置に関するものであり、特に、着霜を伴うような空気条件での暖房運転時においても、暖房運転を継続しながら、同時に除霜運転を行うことができる冷凍空調装置に関するものである。

従来、複数の冷凍サイクルを有し、暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことができる冷凍空調装置として、例えば特許文献１に記載されている車両用空調装置がある。この車両用空調装置では、冷房運転により除霜を行う冷凍サイクルと、暖房運転を継続する冷凍サイクルとを車両内に独立して設けることで、暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことを可能としている。

また、特許文献２に記載されている車両用空調装置では、換気量を乗車率に応じて調節し、快適性を維持する技術が開示されている。

特開２００６−１１６９８１号公報（請求項１、図１） 特許第４３４６４２９号公報（請求項１）

特許文献１では、暖房運転を行う一方の冷凍サイクルの室内熱交換器を凝縮器として作用させ、除霜運転を行う他方の冷凍サイクルの室内熱交換器を蒸発器として作用させている。そして、各室内熱交換器を通過したそれぞれの空気を、共有の室内ファンにより吸込み、室内ファンのケーシングで混合して空調空気として室内に吹出すようにしている。このため、吹出し空気温度が低下し、乗客に不快感を与えてしまうという問題があった。また、除霜運転中、室外ファンを運転して室外熱交換器（蒸発器）に送風しているため、低外気のときには凝縮温度が上がらず、除霜できない可能性があった。

また、暖房運転時の除霜運転中、室内を適切な換気量で換気することが望まれるが、特許文献２では、冷房運転時の換気について検討されているものの、除霜運転中の換気については特に検討されていない。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、着霜を伴うような空気条件での暖房運転時においても、暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことができ、また、適切な換気量を確保できて暖房快適性の向上を図ることが可能な冷凍空調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器が接続され、互いに独立して暖房運転および除霜運転が可能な複数の冷凍サイクルと、圧縮機、四方弁および室外熱交換器を有した室外機と、換気口、換気口を開閉する換気ダンパ、換気口から外気を取込んで室内に送風する室内ファンおよび室内熱交換器をそれぞれ有し、同一室内に設置される複数の室内機と、除霜運転を行う冷凍サイクルの室内機の換気ダンパを、除霜運転の間、閉じた状態にし、暖房運転を行う冷凍サイクルが設置された室内機の換気ダンパを、室内の換気状態に応じた必要換気量となるように制御する制御装置とを備えたものである。

本発明によれば、互いに独立して暖房運転および除霜運転が可能な複数の冷凍サイクルを備えることで暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことが可能である。また、除霜運転の際には、除霜運転側の室内機の換気ダンパを閉じて外気が導入されない状態とするので、除霜運転時の室温低下を抑制することができる。また、暖房運転側の室内機では、室内換気状態に応じて必要な換気量となるように換気ダンパを制御して換気口を開閉するようにしたので、除霜中も適切な換気量を確保できる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。 図１の室外機の概略断面図である。 図１の冷凍空調装置の制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の動作例１のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の動作例２のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の動作例３のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の動作例４のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。

以下、本発明に係る冷凍空調装置の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。

実施の形態１．
（冷媒回路構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。図２は、図１の室外機の概略断面図である。図１、図２および後述の図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。

本実施の形態１における冷凍空調装置は、例えば車両用の空調装置として用いられ、室外機１と、同一室内に設置された室内機２ａ、２ｂとを備えており、室外機１と室内機２ａとの間に第一の冷凍サイクルが構成され、室外機１と室内機２ｂとの間に第二の冷凍サイクルが構成されている。

第一の冷凍サイクルは、圧縮機３ａ、四方弁４ａ、室外熱交換器５ａ、減圧装置６ａおよび室内熱交換器７ａを備え、これらが順次配管で接続されて冷媒が循環可能に構成されている。第一の冷凍サイクルは、四方弁４ａにより、圧縮機３ａから吐出された冷媒の流路を切替えることで、冷房運転（除霜運転）と暖房運転の各運転モードを切替可能に構成されている。第一の冷凍サイクルの一部が設けられた室内機２ａは、室内熱交換器７ａと、室内ファン８ａと、外気を取込む換気口９ａと、換気口９ａを開閉する開閉機能を有する換気ダンパ１０ａと、室内空気の吸込み口１１ａと、を有する。

第二の冷凍サイクルは、圧縮機３ｂ、四方弁４ｂ、室外熱交換器５ｂ、減圧装置６ｂおよび室内熱交換器７ｂを備え、これらが順次配管で接続されて冷媒が循環可能に構成されている。第一の冷凍サイクルは、四方弁４ｂにより、圧縮機３ｂから吐出された冷媒の流路を切替えることで、冷房運転（除霜運転）と暖房運転の各運転モードを切替可能に構成されている。第二の冷凍サイクルの一部が設けられた室内機２ｂは、室内熱交換器７ｂと、室内ファン８ｂと、外気を取込む換気口９ｂと、開閉機能を有する換気ダンパ１０ｂと、室内空気の吸込み口１１ｂと、を有する。

また、室外機１は、室外熱交換器５ａと、室外熱交換器５ｂに外気を送風する室外ファン１２と、を備える。

冷凍空調装置はさらに、四方弁４ａ、４ｂによる運転モードの切替、換気ダンパ１０ａ、１０ｂの開閉、室内ファン８ａ、８ｂ、圧縮機３ａ、３ｂの運転を制御する制御装置１３を有している。なお、図１では冷凍空調装置が冷凍サイクルを二つ備えた構成を示したが、さらに複数備えた構成としてもよい。また、室内機の設置台数も、２台に限られず、さらに複数台あってもよい。

（センサ構成）
室内機２ａには、室内空気の吸込口または室内に、室内温度を検知する室内温度センサ１４ａと、室内湿度を検知する室内湿度センサ１５ａとを備えている。室内機２ｂ側も同様に室内温度を検知する室内温度センサ１４ｂと、室内湿度を検知する室内湿度センサ１５ｂとを備えている。

室外機１には、室外ファン１２の吸込口または装置外に、外気温度を検知する外気温度センサ１６ａ、１６ｂを備えている（図２参照）。また、室外機１は、室外熱交換器５ａと減圧装置６ａとの間の配管温度を検知する温度センサ１７ａと、室外熱交換器５ｂと減圧装置６ｂとの間の配管温度を検知する温度センサ１７ｂを備えている。

図３は、図１の冷凍空調装置の制御ブロック図である。
制御装置１３は、ＣＰＵと、各種データを記憶するＲＡＭと、冷凍空調装置全体の制御プログラムや、後述の動作例１〜動作例４の動作を実現するプログラムなどを記憶するＲＯＭ（いずれも図示せず）を備えており、これらによって、室内人数検知部１３ａと、空調能力設定部１３ｂと、換気量設定部１３ｃと、除霜開始判定部１３ｄと、除霜終了判定部１３ｅとが機能的に構成されている。

室内人数検知部１３ａは、室内に設けられた重量センサ（図示せず）または撮像装置（図示せず）等により検知された情報に基づいて室内人数を検知する。

空調能力設定部１３ｂは、外気温度センサ１６ａ、１６ｂにより検知された外気温度と、室内温度センサ１４ａ、１４ｂにより検知された室内温度と、室内設定温度とに基づいて空調負荷を検知し、検知した空調負荷に基づいて必要な空調能力を設定する。空調能力設定部１３ｂは、室内人数検知部１３ａにより検知された室内人数に基づいて、必要な空調能力を補正してもよい。

換気量設定部１３ｃは、室内に設置された酸素濃度センサ（図示せず）または二酸化炭素センサ（図示せず）の出力信号を基に換気負荷を検知し、検知した換気負荷に基づいて必要な換気量を設定する。換気量設定部１３ｃは、室内人数検知部１３ａにより検知された室内人数に基づいて必要な換気量を推定してもよい。換気量設定部１３ｃでの換気量の設定は暖房運転中に繰り返し行われ、現在の空気状態や室内人数などの室内の換気状態を表す指標に応じて必要換気量が更新されるようになっている。

除霜開始判定部１３ｄおよび除霜終了判定部１３ｅについては後で述べる。

そして、制御装置１３には、第一の冷凍サイクル側の圧縮機３ａ、四方弁４ａ、室内ファン８ａ、換気ダンパ１０ａ、室内温度センサ１４ａ、室内湿度センサ１５ａおよび温度センサ１７ａが接続されている。また、制御装置１３には、第二の冷凍サイクル側の圧縮機３ｂ、四方弁４ｂ、室内ファン８ｂ、換気ダンパ１０ｂ、室内温度センサ１４ｂ、室内湿度センサ１５ｂおよび温度センサ１７ｂが接続されている。制御装置１３にはさらに、室内温度を設定したり、各種制御用の設定値の入力や変更を行うための入力部１８が接続されている。

（換気運転）
次に、本実施の形態１の冷凍空調装置における、換気運転の動作について説明する。換気運転は、室内機２ａ、２ｂで独立に運転可能となっている。室内機２ａ、２ｂの動作は同じであるため、以下、室内機２ａの動作で説明する。

換気運転は、室内ファン８ａを運転し、換気ダンパ１０ａを開くことで、換気口９ａから外気を取込み、室内へ供給する運転である。換気ダンパ１０ａは開と閉とを交互に繰り返す動作を行っており、換気ダンパ１０ａの開閉動作の開閉率（開閉一周期に対する開時間の割合）の制御により、換気量が制御される。換気運転では、前記換気量設定部１３ｃで設定された換気量（必要換気量）を時間平均で確保できるように開閉率を決定し、その開閉率で換気ダンパ１０ａを開閉動作させることで、時間平均で必要換気量を確保するようにしている。換気量設定部１３ｃは、換気ダンパ１０ａを開としたときの所定時間（例えば１秒）あたりの換気量を予め記憶し、その換気量と、開閉一周期の時間（例えば１分）と、必要換気量とに基づいて開閉率を決定すればよい。

なお、換気量の制御は、上記の方法に限られず、換気口９ａの開口率により制御するようにしてもよい。換気運転は、以下に述べる冷房運転や暖房運転とは独立して制御される。したがって、第一の冷凍サイクルおよび第二の冷凍サイクルのそれぞれは、冷房運転しながら換気運転、あるいは、暖房運転しながら換気運転を行うことができる。なお、除霜運転と換気運転は同時には行わない。また、換気量設定部１３ｃでは、前述したように室内換気状態に応じて必要換気量を更新しているため、冷房運転中および暖房運転中、それらの運転と並行して行われる換気運転により、室内は快適な換気状態に維持される。

（冷房運転）
次に、本実施の形態の冷凍空調装置における、冷房運転の冷凍サイクルの動作について説明する。冷房運転では四方弁は図１の点線側に切替えられる。第一の冷凍サイクルと、第二の冷凍サイクルは独立に冷房運転可能となっている。第一の冷凍サイクルと第二の冷凍サイクルの冷房運転動作は同じであるため、以下、第一の冷凍サイクルの動作で説明する。

冷房運転では、圧縮機３ａで圧縮・加熱された冷媒が、四方弁４ａを介して室外熱交換器５ａへ流入する。室外熱交換器５ａに流入した冷媒は、室外ファン１２によって送風される室外空気と熱交換することによって冷却および凝縮する。その後、冷媒は減圧装置６ａで減圧され、室内熱交換器７ａで室内ファン８ａによって送風される室内空気と熱交換して加熱・蒸発し、圧縮機３ａへ流入して１サイクルを終了する。以上のサイクルを連続的に繰り返すことにより室内を冷房する。

この冷房運転において、室内ファン８ａによって室内機２ａに吸込まれる空気は、換気ダンパ１０ａが開いているときは、換気口９ａを介して流入した外気と、吸込み口１１ａを介して流入した室内空気と、が混合した空気である。その混合空気が室内熱交換器７ａと熱交換することによって冷却され、室内へ吹出される。換気ダンパ１０ａが閉じているときは、吸込み口１１ａを介して流入した室内空気が室内熱交換器７ａと熱交換することによって冷却され、室内へ吹出される。

（暖房運転）
次に、本実施の形態１の冷凍空調装置における、暖房運転の冷凍サイクルの動作について説明する。暖房運転では四方弁は図１の実線側に切替えられる。第一の冷凍サイクルと、第二の冷凍サイクルは独立に暖房運転可能となっている。第一の冷凍サイクルと第二の冷凍サイクルの暖房運転動作は同じであるため、以下、第一の冷凍サイクルの動作で説明する。

暖房運転では、圧縮機３ａで圧縮・加熱された冷媒が、四方弁４ａを介して室内熱交換器７ａに流入する。室内熱交換器７ａに流入した冷媒は、室内ファン８ａによって送風される室内空気と熱交換することによって冷却・凝縮する。その後、冷媒は減圧装置６ａで減圧され、室外熱交換器５ａで室外ファン１２によって送風される室外空気と熱交換して加熱・蒸発し、圧縮機３ａへ流入して１サイクルを終了する。以上のサイクルを連続的に繰り返すことにより室内を暖房する。

この暖房運転において室内ファン８ａによって室内機２ａに吸込まれる空気は、換気ダンパ１０ａが開いているときは、換気口９ａを介して流入した外気と、吸込み口１１ａを介して流入した室内空気と、が混合した空気である。その混合空気が室内熱交換器７ａと熱交換することによって冷却され、室内へ吹出される。換気ダンパ１０ａが閉じているときは、吸込み口１１ａを介して流入した室内空気が室内熱交換器７ａと熱交換することによって加熱され、室内へ吹出される。

（除霜運転）
次に、本実施の形態１の冷凍空調装置における、除霜運転の動作について説明する。第一の冷凍サイクルと、第二の冷凍サイクルは独立に除霜運転可能となっている。第一の冷凍サイクルと第二の冷凍サイクルの除霜運転動作は同じであるため、以下、第一の冷凍サイクルの動作で説明する。

暖房運転時において、外気温度が低く、室外熱交換器５ａの蒸発温度が０℃以下となる場合、室外熱交換器５ａでは外気に含まれる水分が熱交換器で氷結し、霜が生成（着霜）する。室外熱交換器５ａに着霜すると、フィンの目詰まりにより風量が低下し、さらに、霜層で伝熱が阻害されることにより、外気からの採熱量が低下して暖房能力が減少する。このため、定期的に室外熱交換器５ａの霜を融解する除霜運転を行う。

除霜開始判定部１３ｄは、暖房運転中の冷凍サイクルにおける室外熱交換器５ａの除霜開始の要否を判定する。除霜要否の判定は、例えば、室外熱交換器５ａにおける冷媒の飽和温度、すなわち蒸発温度が０℃以下であって、外気温度と蒸発温度との差が所定の温度差以上（例えば１５℃）となった場合に、除霜開始要と判定する。また、予め着霜量が想定できれば、暖房運転時間を計測し、タイマにより除霜開始を判定してもよい。除霜開始判定部１３ｄにおける除霜開始の要否判定は、これらの方法に限定されることはなく、他に例えば室外熱交換器５ａの冷却量の低下や着霜量を検知し、それに基づいて判定する等としてもよい。

除霜終了判定部１３ｅは、除霜運転の終了を判定する。除霜運転終了の判定は、例えば、温度センサ１７ａで検知された温度が所定温度（例えば１０℃）となれば、室外熱交換器５ａの霜が融解したと判断し、除霜終了と判定する。また、予め除霜量が想定できれば、除霜運転時間を計測し、タイマにより除霜終了を判定してもよい。除霜終了判定部１３ｅにおける除霜終了判定は、この方法に限定されることはなく、他に例えば室外熱交換器５ａの冷却量の回復や着霜量を検知し、それに基づいて判定する等としてもよい。

除霜運転を行う場合、除霜運転する冷凍サイクルでは暖房能力がなくなるので、二つの冷凍サイクルの一方の冷凍サイクルが除霜運転に入った場合には、他方の冷凍サイクルで暖房運転を行い、室内暖房が継続して行なわれるようにする。また、除霜運転時は、除霜運転側の換気ダンパを閉じ且つ暖房運転側の換気ダンパを室内換気状態に応じて必要な換気量となるように制御する。このように、除霜運転時に除霜運転側の換気ダンパを閉じることにより外気導入による室温低下および暖房負荷増加を防止する。また、除霜運転時に暖房運転側の換気ダンパを制御することにより換気を継続する。

除霜運転には、オフサイクル除霜とリバース除霜があり、以下にその動作を説明する。ここでは、第一の冷凍サイクルの例で説明する。

（オフサイクル除霜）
オフサイクル除霜は、外気温度が所定温度より高い場合に、圧縮機３ａを停止し、室外ファン１２を運転させ、外気空気を室外熱交換器５ａに送風することで、外気空気の熱により除霜する運転である。外気空気が０℃以上であれば霜は融解するため、所定温度は、確実に融解できるように５℃程度に設定するとよい。オフサイクル除霜は圧縮機３ａを停止するため、省エネ性に優れており、また後述するリバース除霜のように室内熱交換器７ａを蒸発器とすることがないため、室温低下を防止することができる。つまり、外気温度が５℃以上では、オフサイクル除霜が省エネの観点で有効である。

（リバース除霜）
外気温度が５℃以下では、オフサイクル除霜で除霜できないため、冷媒の熱を利用したリバース除霜運転となる。リバース除霜は、第一の冷凍サイクルの例で説明すると、四方弁４ａを暖房回路から冷房回路に切替え、圧縮機３ａで高温高圧に圧縮された冷媒を室外熱交換器５ａに流入させ、冷媒の凝縮熱を利用して除霜する運転である。

また、リバース除霜では、一般的に、室内ファン８ａおよび室外ファン１２を停止して除霜運転する（ファン運転制御１）が、室内ファン８ａおよび室外ファン１２を運転してもよい。例えば、暖房負荷が所定値以下の場合に室内ファン８ａを運転し、暖房負荷が所定値より大きい場合に室内ファン８ａを停止する（ファン運転制御２）ようにしてもよい。リバース除霜において室内ファン８ａを運転した場合、室内空気の熱を利用して、室外熱交換器５ａを除霜できるため、さらに除霜時間が短縮される。なお、室内ファン８ａを運転すれば冷気が吹出すため、室内ファン８ａを運転するのは暖房負荷が所定値以下のときに限る。

また、外気温度センサ１６ａにより検知された外気温度が所定値以上の場合、室外ファン１２を運転し、外気温度センサ１６ａにより検知された外気温度が所定値未満の場合、室外ファン１２を停止する（ファン運転制御３）ようにしてもよい。リバース除霜において室外ファン１２を運転した場合、他方の暖房運転サイクルで外気からより多く採熱できるため、暖房能力を増大できる。なお、室外ファン１２を運転すれば低温の外気が除霜を阻害するため、室外ファン１２を運転するのは外気温度が所定値以上のときに限る。

また、外気温度が５℃以上においても、リバース除霜は可能であり、圧縮機３ａを運転するため、オフサイクル除霜よりも除霜時間が短縮される。また、リバース除霜において室内ファン８ａを運転した場合は、室内空気の熱を利用して、室外熱交換器５ａを除霜できるため、さらに除霜時間が短縮される。

（除霜運転制御動作）
次に、換気負荷と暖房負荷による除霜運転制御動作について説明する。前述の繰り返しとなるが、除霜運転を行う場合、除霜運転する側の冷凍サイクルでは、暖房能力がなくなるので、二つの冷凍サイクルのうち、一方の冷凍サイクルで除霜を行い、他方の冷凍サイクルで暖房運転する。その際、除霜運転側の換気ダンパを閉とする。暖房運転側では、他の冷凍サイクルが除霜運転中か否かに関わらず、室内換気状態に応じた必要換気量となるように換気ダンパを制御する制御を、暖房運転中、継続する。

このような動作により、冷凍空調装置は除霜運転中、除霜運転側で外気導入を遮断することで室温低下および暖房負荷増加を防止できる。また、第一の冷凍サイクルと第二の冷凍サイクルで交互に除霜することで暖房能力を確保しながら除霜運転を行うことができる。また、暖房運転側では、換気量設定部１３が室内換気状態に応じて必要換気量を更新しており、その必要換気量となるように換気ダンパを制御するようにしているため、除霜運転中の暖房運転側では、除霜運転側の換気停止に伴う換気不足を実質補う換気運転が成されるため、室内を快適な換気状態に維持できる。

（冷凍空調装置の暖房時の空調制御動作）
以下、冷凍空調装置における暖房時の空調制御動作の具体的な動作例について複数例を挙げて説明する。なお、換気運転は暖房運転中は実施されるが、除霜運転中は実施されないため、図４〜図７では、（換気有）、（換気無）として換気の有無を区別する。

（動作例１）
図４は、冷凍空調装置における暖房時の空調制御動作の動作例１を説明するためのタイミングチャートである。動作例１は、両方の冷凍サイクルが暖房運転中の場合の例である。
第一、第二の冷凍サイクルの両方が暖房動作中に、一方の冷凍サイクル（ここでは例えば第一の冷凍サイクル）の室外熱交換器５ａが除霜開始判定部１３ｄにより除霜開始要と判定された場合、除霜開始要と判定された第一の冷凍サイクルは、換気ダンパ１０ａを閉じて除霜運転を開始する。第一の冷凍サイクルが除霜運転を行っている間、他方の冷凍サイクル（ここでは例えば第二の冷凍サイクル）は、暖房運転を継続する。除霜運転時には換気ダンパ１０ａを閉じるため室内機２ａ側では換気は行われないが、その換気不足分を実質、補うように暖房運転中の室内機２ｂ側で換気が行われるため、室内は快適な換気状態に維持される。そして、第一の冷凍サイクルは、除霜運転を終了すると暖房運転に戻る。

このように運転することにより、暖房能力を確保しながら除霜運転が可能となり、室温低下や換気不足を抑制し、高い快適性を維持することができる。

（動作例２）
図５は、冷凍空調装置における暖房時の空調制御動作の動作例２を説明するためのタイミングチャートである。動作例２は、暖房負荷が小さく、一方の冷凍サイクルのみが暖房運転し、他方の冷凍サイクルは停止している場合の例である。ここでは第一の冷凍サイクルが暖房運転し、第二の冷凍サイクルが停止している場合の例で説明する。
暖房運転をしている第一の冷凍サイクルの室外熱交換器５ａが除霜開始判定部１３ｄにより除霜開始要と判定された場合、停止している第二の冷凍サイクルを起動して暖房運転を開始させた後、暖房運転していた第一の冷凍サイクルの除霜運転を開始する。これは、第一の冷凍サイクルが除霜運転に入ると、両方の冷凍サイクルにおいて暖房運転が停止し、室内暖房が行われない状態となってしまうのを防ぐためである。

第二の冷凍サイクルは、第一の冷凍サイクルが除霜運転終了するまでの間、必要な暖房能力が確保されるように暖房運転を行い、第一の冷凍サイクルの除霜運転終了後も、そのまま暖房運転を継続する。第一の冷凍サイクルは、除霜運転が終了すると、運転を停止する。

このように運転することにより、除霜運転中に室内温度を低下するのを抑制でき、快適性を維持することができる。また、除霜が必要になった一方の冷凍サイクルを除霜運転した後に停止させ、元々停止していた他方の冷凍サイクルを、一方の冷凍サイクルの代わりに暖房運転させるようにしたので、それぞれの冷凍サイクルの運転時間を平均化でき、圧縮機の信頼性を向上する効果がある。

なお、ここでは冷凍サイクルが二つの例を示したが、冷凍サイクルの数は前述のように三つ以上でもよい。この場合は、一つの冷凍サイクルのみが暖房運転していて、他の全ての冷凍サイクルが停止において、唯一暖房運転している冷凍サイクルが除霜開始要と判定されると、その除霜開始要と判定された冷凍サイクルが図５の第一の冷凍サイクルの動作を行い、その他の停止中の冷凍サイクルのいずれかが図５の第二の冷凍サイクルの動作を行うようにすればよい。その際も、圧縮機の運転時間を平均化するように、停止中の冷凍サイクルを運転させるようにする。

なお、動作例２では、暖房運転中の冷凍サイクルが除霜運転を開始すると、室内暖房が行われなくなる運転状況を回避することを目的として、停止中の冷凍サイクルを駆動して暖房運転させるとしたが、これに限られたものではない。少なくとも一つの冷凍サイクルが停止している運転状況、例えば、冷凍サイクルが全五つで、暖房運転中の冷凍サイクルが三つ、残りの二つの冷凍サイクルが停止中といった運転状況において、暖房運転中の三つの冷凍サイクルのうちのいずれかの冷凍サイクルで除霜開始要と判定された場合、停止中の二つの冷凍サイクルのどちらかを駆動して暖房運転させるようにしてもよい。

（動作例３）
図６は、冷凍空調装置における暖房時の空調制御動作の動作例３を説明するためのタイミングチャートである。動作例３は、両方の冷凍サイクルが暖房運転しており、空調負荷検知部により暖房負荷が減少したことが検知された場合の例である。
暖房負荷が減少して一つの冷凍サイクルの暖房能力で十分な場合、一方の冷凍サイクルを停止する。このとき、運転を停止する一方の冷凍サイクルを除霜運転してから停止させる。これにより、停止した一方の冷凍サイクルを次に運転するときに、一方の冷凍サイクルの室外熱交換器に着霜がない状態から暖房運転を開始することができる。よって、暖房運転時間を長くすることができ、快適性を長く維持できる。

なお、二つの冷凍サイクルのうち、停止する冷凍サイクルは、圧縮機の積算運転時間が長い冷凍サイクルを選択するとよい。これにより、圧縮機運転時間が平均化され、圧縮機信頼性を向上することができる。なお、動作例３では冷凍サイクルが二つの例を示したが、冷凍サイクルの数は前述のように三つ以上でもよい。この場合は、二つ以上の冷凍サイクルが暖房運転中、いずれかの冷凍サイクルが除霜開始要と判定されると、その除霜開始要と判定された冷凍サイクルが図６の一方の冷凍サイクルの動作を行い、その他の暖房運転中の冷凍サイクルが図６の他方の冷凍サイクルの動作を行うようにすればよい。

（動作例４）
図７は、冷凍空調装置における暖房時の空調制御動作の動作例４を説明するためのタイミングチャートである。動作例４は、暖房負荷が大きく、一方の冷凍サイクルが除霜運転に入ってしまうと、他方の冷凍サイクルの暖房運転だけでは暖房能力が不足してしまい、時間平均で必要な暖房能力を確保できない場合に適用される動作例である。ここでは、第一の冷凍サイクルが除霜開始要と判定され、第二の冷凍サイクルが暖房運転を継続する場合の例で説明する。

第一、第二の冷凍サイクルの両方が暖房動作中に、第一の冷凍サイクルの室外熱交換器５ａが除霜開始判定部１３ｄにより除霜開始要と判定されると、除霜開始要と判定された第一の冷凍サイクルは、除霜運転を開始する前に、事前暖房運転を行う。この事前暖房運転は、除霜運転中も含めて時間平均で必要な暖房能力を確保するための運転であり、通常の暖房運転における暖房能力よりも暖房能力が増加するように圧縮機３ａの回転数を制御する運転を行うことになる。この運転を行うことにより、暖房負荷が大きく場合に除霜運転する場合にも、暖房能力を確保しながら除霜運転が可能となり、室温低下や換気不足を抑制し、高い快適性を維持することができる。

そして、第一の冷凍サイクルは、事前暖房運転終了後、除霜運転を開始する。除霜運転時には前述したように換気ダンパ１０ａを閉じるため室内機２ａ側では換気は行われないが、その換気不足分を実質、補うように暖房運転中の室内機２ｂ側で換気が行われる。このため、室内は快適な換気状態に維持される。そして、第一の冷凍サイクルは、除霜運転終了後、暖房（換気有）に戻る。

なお、動作例４では冷凍サイクルが二つの例を示したが、冷凍サイクルの数は前述のように三つ以上でもよい。この場合の動作例４の動作は、全冷凍サイクルのうちの二つ以上が暖房運転中、いずれかの冷凍サイクルが除霜開始要と判定され、その除霜開始要と判定された冷凍サイクルが除霜運転に入ると、現在暖房運転中の冷凍サイクルだけでは暖房能力が不足する場合の動作に相当する。よって、その除霜開始要と判定された冷凍サイクルに図７の一方の冷凍サイクルの動作を行わせればよい。

次に、本例の冷凍空調装置の二つの冷凍サイクルにおいて除霜運転が交互に行なわれるようにするための制御について説明する。
二つの冷凍サイクルを交互に除霜するには、暖房運転を開始して最初の除霜運転を開始する条件を、各冷凍サイクルにおいて異なる条件に設定するとよい。具体的には、除霜開始判定部１３ｄにおける開始判定に用いる、外気温度と蒸発温度との所定の温度差を、各冷凍サイクルにおいて異なる温度とすればよい。前述では、除霜運転の開始判定条件は、外気温度と蒸発温度の温度差が１５℃以上となった場合としていたが、一方の冷凍サイクルではこの値を用い、他方の冷凍サイクルでは、例えば、外気温度と蒸発温度の温度差が１３℃以上とする。このようにすることで、各冷凍サイクルにおいて除霜開始のタイミングがずれ、それ以降において交互に除霜運転が開始される。

ところで、冷凍空調装置では、各冷凍サイクルにおける除霜運転が等間隔に交互に開始されるとき、室温変動が最も小さく快適性を向上させることができる。しかし、除霜運転開始の間隔は、外気の状態、または各冷凍サイクルの運転率によって変化するため、常に各冷凍サイクルが等間隔、かつ、交互に除霜運転を行なわれるようにすることは難しい場合がある。このような場合には、一方の冷凍サイクルが除霜運転中、あるいは、除霜運転から暖房運転に復帰した後の所定時間Ｔ１の間は、他方の冷凍サイクルは、除霜開始判定部１３ｄで除霜開始要と判定された場合でも除霜運転を行わないようにする。

つまり、一方の冷凍サイクルが除霜終了となり、暖房運転に復帰してから所定時間Ｔ１後に、他方の冷凍サイクルを除霜運転とすることによって、各冷凍サイクルの除霜運転は同時に実施されることなく交互に実施され、暖房運転を継続させることが可能となる。なお、暖房能力を確保するために除霜運転の前に、事前暖房運転を行う場合は、以下のように制御する。

すなわち、制御上は、一方の冷凍サイクルが除霜運転を終了して暖房運転に復帰してからの所定時間Ｔ１と、事前暖房運転の実施時間（除霜開始遅延時間）Ｔ２のどちらか長い方を選択すればよい。つまり、所定時間Ｔ１が除霜開始遅延時間Ｔ２よりも短い場合には、事前暖房運転を行うことで、所定時間Ｔ１の間、除霜運転を行わない点も同時に達成され、各冷凍サイクルの除霜運転を交互に実施することが可能である。一方、所定時間Ｔ１が除霜開始遅延時間Ｔ２よりも長い場合には、事前暖房運転を行った後、さらに所定時間Ｔ１と除霜開始遅延時間Ｔ２との差分時間分、除霜運転の開始を遅延した後、除霜運転を開始するようにすればよい。

なお、ここでは冷凍サイクルが二つの例を示したが、冷凍サイクルの数は前述のように三つ以上でもよい。この場合は、複数の冷凍サイクルの少なくとも一つが除霜運転中、または除霜運転から暖房運転に復帰した後の所定時間Ｔ１は他の全ての冷凍サイクルにおいて除霜運転を行わないようにすればよい。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、互いに独立した複数の冷凍サイクルを備えることで暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことが可能である。また、除霜運転の際には、除霜運転側の室内機の換気口を閉じて外気が導入されない状態とするので、除霜運転時の室温低下を抑制することができる。また、暖房運転側の室内機では、室内換気状態に応じて必要な換気量となるように換気ダンパを制御して換気口を開閉するようにしたので、除霜中も適切な換気量を確保できる。以上により、着霜を伴うような空気条件での暖房運転時においても、適切な換気量を確保できて暖房快適性の向上を図ることが可能となる。

また、複数の冷凍サイクルの各室内熱交換器７ａ、７ｂおよび各室内ファン８ａ、８ｂを各室内機２ａ、２ｂに個別に分けて設置するとともに、除霜運転中の室内機の室内ファンを停止するようにしたため、従来のように、室内機において除霜運転側と暖房運転側のそれぞれの室内熱交換器を通過した空気を混合して室内に吹出すようにした場合の吹出し温度低下による不快感を防止できる。

また、複数の冷凍サイクルのうち停止している冷凍サイクルがある場合に、暖房運転中の冷凍サイクルのいずれかで除霜運転要と判定された際には、停止している冷凍サイクルを駆動して暖房運転を開始させた後に、除霜運転要と判定された冷凍サイクルの除霜運転を開始するようにした。これにより、除霜運転中に室内温度が低下するのを抑制でき、快適性を維持することができる。

また、複数の冷凍サイクルのうちの二つ以上の冷凍サイクルが暖房運転中に、例えば暖房負荷が減少した等の理由から一つの冷凍サイクルの暖房運転を停止する際には、停止する冷凍サイクルを除霜運転してから停止させる。これにより、停止した冷凍サイクルを次に運転するときに、室外熱交換器に着霜がない状態から暖房運転を開始することができる。よって、暖房運転時間を長くすることができ、快適性を長く維持できる。

また、除霜運転を行う前に、除霜運転中も含めて時間平均で必要な暖房能力を確保する事前暖房運転を行い、事前暖房運転後に除霜運転を開始するようにした場合には、暖房能力を確保しながら除霜運転が可能となり、室温低下や換気不足を抑制し、高い快適性を維持することができる。

実施の形態２．（インジェクション回路）
実施の形態２の冷凍空調装置は、冷媒回路の構成が実施の形態１と異なるものである。

図８は、本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路を示す図である。冷媒回路以外の構成や制御については実施の形態１の冷凍空調装置と基本的に同様であり、以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる点を中心に説明する。なお、実施の形態１と同様の構成および制御部分について適用される変形例は、本実施の形態２についても同様に適用される。

実施の形態２の冷凍空調装置の冷媒回路は、実施の形態１の第一の冷凍サイクルの冷媒回路に加え、室内熱交換器７ａと減圧装置６ａの間から分岐して、流量調節部２０ａ、内部熱交換器２１ａおよび電磁弁２２ａを介して圧縮機３ａの圧縮室に至るバイパス配管１９ａを備えている。内部熱交換器２１ａは、バイパス配管１９ａにおいて流量調節部２０ａと電磁弁２２ａとの間の配管と、室内熱交換器７ａと減圧装置６ａとの間の配管との間で熱交換を行うものである。

第二の冷凍サイクルの冷媒回路も、第一の冷凍サイクルの冷媒回路と同様、実施の形態１の第二の冷凍サイクルの冷媒回路に加え、室内熱交換器７ｂと減圧装置６ｂの間から分岐して、流量調節部２０ｂ、内部熱交換器２１ｂおよび電磁弁２２ｂを介して圧縮機３ｂの圧縮室に至るバイパス配管１９ｂを備えている。内部熱交換器２１ｂは、バイパス配管１９ｂにおいて流量調節部２０ｂと電磁弁２２ｂとの間の配管と、室内熱交換器７ｂと減圧装置６ｂとの間の配管との間で熱交換を行うものである。

（冷房運転）
次に、本実施の形態２の冷凍空調装置における、冷房運転の動作について説明する。冷房運転は、電磁弁２２ａ、２２ｂを閉じて運転する。これにより、実施の形態１と同様の動作となる。他の動作は実施の形態１と同様である。

（暖房運転）
次に、本実施の形態２の冷凍空調装置における、暖房運転の動作について説明する。暖房運転では、電磁弁２２ａ、２２ｂを開き、インジェクション運転を実施する。インジェクション運転は、圧縮機３ａ、３ｂの冷媒流量を増大することができ、圧縮機入力の増加、すなわち暖房能力を増加させることができる。また、低外気温度の場合、蒸発温度が低くなり高圧縮比となるため、吐出温度が高くなるが、インジェクション運転を行うと、吐出温度を抑制できるため、圧縮機信頼性を高めることができる。さらに、圧縮機の容量が可変の場合、吐出温度を抑えつつ、容量を増大できるため、暖房能力を飛躍的に増大できる。

このように、実施の形態２の冷凍空調装置では暖房運転時にインジェクション運転を行うことにより暖房能力を増大できるため、例えば第一の冷凍サイクルで除霜運転を行い、第二の冷凍サイクルで暖房運転を行う場合に以下の効果を得ることができる。すなわち、第二の冷凍サイクルにおいてインジェクション運転を実施することにより、第一の冷凍サイクルで実施の形態１で説明した事前暖房を行わなくても、除霜運転時の暖房能力を確保できる。

（除霜運転）
次に、本実施の形態２の冷凍空調装置における除霜運転の動作について説明する。除霜運転では、電磁弁２２ａ、２２ｂを閉じて運転する。これにより、実施の形態１と同様の動作となる。他の動作は実施の形態１と同様である。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、冷凍空調装置においていずれかの冷凍サイクルで除霜運転を開始するにあたり、暖房運転側でインジェクション運転を行うことにより、除霜運転側では時間平均で必要な暖房能力を確保するための事前暖房運転を行わなくても必要な暖房能力を確保できる。

また、一方の冷凍サイクルが除霜運転時に他方の冷凍サイクルが暖房運転をしている状況において、例えば低外気のときなど、室外ファン１２を停止させる場合がある。このとき、暖房運転側の冷凍サイクルにおいてインジェクション運転を実施すれば、前述のとおり、室外ファン１２の停止により蒸発温度が低くなっても、暖房能力を向上できる。この場合も、除霜運転側で事前暖房を行わなくても必要な暖房能力を確保できる。したがって、低外気温度のときに、インジェクションにより吐出温度上昇を抑制しつつ、暖房能力を確保した除霜運転が可能となり、高い信頼性を確保できる。

なお、図８には冷凍サイクルが二つの例を示したが、冷凍サイクルの数は三つ以上でもよい。この場合も同様の作用効果を得ることができる。

１ 室外機、２ａ 室内機、２ｂ 室内機、３ａ 圧縮機、３ｂ 圧縮機、４ａ 四方弁、４ｂ 四方弁、５ａ 室外熱交換器、５ｂ 室外熱交換器、６ａ 減圧装置、６ｂ 減圧装置、７ａ 室内熱交換器、７ｂ 室内熱交換器、８ａ 室内ファン、８ｂ 室内ファン、９ａ 換気口、９ｂ 換気口、１０ａ 換気ダンパ、１０ｂ 換気ダンパ、１１ａ 吸込み口、１１ｂ 吸込み口、１２ 室外ファン、１３ 制御装置、１４ａ 室内温度センサ、１４ｂ 室内温度センサ、１５ａ 室内湿度センサ、１５ｂ 室内湿度センサ、１６ａ 外気温度センサ、１６ｂ 外気温度センサ、１７ａ 温度センサ、１７ｂ 温度センサ、１８ 入力部、１９ａ バイパス配管、１９ｂ バイパス配管、２０ａ 流量調節部、２０ｂ 流量調節部、２１ａ 内部熱交換器、２１ｂ 内部熱交換器、２２ａ 電磁弁、２２ｂ 電磁弁。

本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器が接続され、互いに独立して暖房運転および除霜運転が可能な複数の冷凍サイクルと、複数の冷凍サイクルのそれぞれの室内熱交換器が配置され、換気口から外気を取込んで室内に送風する室内ファンおよび換気口を開閉する換気ダンパを有する複数の室内機と、複数の室内機の各換気ダンパを制御する制御装置とを備え、複数の室内機は、同一室内に設置され、制御装置は、複数の冷凍サイクルのうち、一部の冷凍サイクルが除霜運転を行い、他の一部の冷凍サイクルが暖房運転を行う際、除霜運転を行う冷凍サイクルの室内機の換気ダンパを、除霜運転の間、閉じた状態にし、暖房運転を行う冷凍サイクルの室内機の換気ダンパを制御するものである。

第二の冷凍サイクルは、圧縮機３ｂ、四方弁４ｂ、室外熱交換器５ｂ、減圧装置６ｂおよび室内熱交換器７ｂを備え、これらが順次配管で接続されて冷媒が循環可能に構成されている。第二の冷凍サイクルは、四方弁４ｂにより、圧縮機３ｂから吐出された冷媒の流路を切替えることで、冷房運転（除霜運転）と暖房運転の各運転モードを切替可能に構成されている。第二の冷凍サイクルの一部が設けられた室内機２ｂは、室内熱交換器７ｂと、室内ファン８ｂと、外気を取込む換気口９ｂと、開閉機能を有する換気ダンパ１０ｂと、室内空気の吸込み口１１ｂと、を有する。

（オフサイクル除霜）
オフサイクル除霜は、外気温度が所定温度より高い場合に、圧縮機３ａを停止し、室外ファン１２を運転させ、外気空気を室外熱交換器５ａに送風することで、外気空気の熱により除霜する運転である。外気空気が０℃以上であれば霜は融解するため、所定温度は、確実に融解できるように５℃程度に設定するとよい。オフサイクル除霜は圧縮機３ａを停止するため、省エネ性に優れており、また後述するリバース除霜のように室内熱交換器７ａを蒸発器とすることがないため、室温低下を防止することができる。つまり、外気温度が５℃より高い場合では、オフサイクル除霜が省エネの観点で有効である。

このような動作により、冷凍空調装置は除霜運転中、除霜運転側で外気導入を遮断することで室温低下および暖房負荷増加を防止できる。また、第一の冷凍サイクルと第二の冷凍サイクルで交互に除霜することで暖房能力を確保しながら除霜運転を行うことができる。また、暖房運転側では、換気量設定部１３ｃが室内換気状態に応じて必要換気量を更新しており、その必要換気量となるように換気ダンパを制御するようにしているため、除霜運転中の暖房運転側では、除霜運転側の換気停止に伴う換気不足を実質補う換気運転が成されるため、室内を快適な換気状態に維持できる。

Claims (11)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器が接続され、互いに独立して暖房運転および除霜運転が可能な複数の冷凍サイクルと、
   前記圧縮機、前記四方弁および前記室外熱交換器を有した室外機と、
   前記換気口、前記換気口を開閉する換気ダンパ、前記換気口から外気を取込んで室内に送風する室内ファンおよび前記室内熱交換器をそれぞれ有し、同一室内に設置される複数の室内機と、
   除霜運転を行う冷凍サイクルの前記室内機の前記換気ダンパを、除霜運転の間、閉じた状態にし、暖房運転を行う冷凍サイクルが設置された前記室内・機の前記換気ダンパを、室内の換気状態に応じた必要換気量となるように制御する制御装置と
   を備えた冷凍空調装置。
2. 前記制御装置は、
   少なくとも一つの冷凍サイクルが停止している場合に、他の冷凍サイクルで除霜運転を開始する際には、前記停止している冷凍サイクルを起動して暖房運転を開始させた後に、除霜運転を開始させ、
   前記停止していた冷凍サイクルを、前記除霜運転を開始した除霜側冷凍サイクルが除霜運転を終了した後も暖房運転を継続させ、前記除霜側冷凍サイクルを、除霜運転終了後に停止させる請求項１記載の冷凍空調装置。
3. 前記制御装置は、前記複数の冷凍サイクルのうち少なくとも二つ以上が暖房運転中にそのうちのいずれかの冷凍サイクルの暖房運転を停止する場合、暖房運転を停止する前に、除霜運転を行ってから暖房運転を停止させる請求項１記載の冷凍空調装置。
4. 前記制御装置は、除霜運転を行う前に、除霜運転を行う前記冷凍サイクルを制御して暖房能力を制御することにより、除霜運転中も含めて時間平均で必要な暖房能力を確保する事前暖房運転を行い、前記事前暖房運転終了後に除霜運転を開始する請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
5. 前記制御装置は、前記除霜運転として、前記四方弁を制御して前記暖房運転時とは逆向きに冷媒を流す請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
6. 前記制御装置は、
   除霜運転の際、
   除霜運転を行う冷凍サイクルの前記室内機の前記室内ファンを停止すると共に、除霜対象の室外熱交換器への送風を行う室外ファンを停止する請求項５記載の冷凍空調装置。
7. 前記制御装置は、
   除霜運転の際、
   除霜運転を行う冷凍サイクルの前記室内機の前記室内ファンを、暖房負荷が所定値以下の場合に運転し、暖房負荷が前記所定値よりも大きい場合に停止させる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
8. 外気温度検知センサを備え、
   前記制御装置は、除霜運転の際、
   前記外気温度検知センサにより検知された外気温度が所定値以上の場合、前記室外機の室外ファンを運転し、前記外気温度検知センサにより検知された外気温度が所定値未満の場合、前記室外機の室外ファンを停止する請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
9. 外気温度検知センサを備え、
   前記制御装置は、前記外気温度検知センサにより検知された外気温度が所定値以上の場合には、前記除霜運転として、前記圧縮機を停止させると共に前記室外機の室外ファンを運転する請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
10. 前記室内熱交換器と前記減圧装置の間から分岐し、流量調節部を介して前記圧縮機の吸入側に至るバイパス配管と、
    前記室内熱交換器と前記減圧装置の間の冷媒と、前記バイパス配管において前記流量調節部を通過した冷媒との熱交換を行う内部熱交換器とを備え、
    暖房運転時に、前記室内熱交換器と前記減圧装置の間の冷媒の一部を前記バイパス配管に流入させて前記流量調節部で減圧し、減圧後の冷媒を、前記内部熱交換器にて前記室内熱交換器と前記減圧装置の間の冷媒で熱交換した後、前記圧縮機の圧縮室にインジェクションする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
11. 前記複数の冷凍サイクルの少なくとも一つが除霜運転中、または除霜運転から暖房運転に復帰した後の所定時間は、前記複数の冷凍サイクルのいずれも除霜運転を行わないようにしている請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。

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