JPWO2014192140A1 - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

冷媒をインジェクション可能とし、低圧の冷媒を吸入して圧縮して高圧の冷媒を吐出する圧縮機11と、空調対象の空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器31と、室内熱交換器31を通過する冷媒の流量を調整制御する第1の流量制御装置32と、互いに並列に接続され、外部の空気と冷媒とを熱交換する複数の室外熱交換器13とを配管で接続して主冷媒回路を構成し、圧縮機11が吐出した冷媒の一部が分岐して通過し、デフロスト対象となる室外熱交換器13に流入させる第1のデフロスト配管26と、第1のデフロスト配管26を通過する冷媒を、低圧よりも高く、高圧よりも低い中圧に圧力調整する絞り装置18と、デフロスト対象の室外熱交換器13を通過した冷媒を、圧縮機11にインジェクションさせる第2のデフロスト配管27と、第2のデフロスト配管27を通過する冷媒をインジェクション圧まで圧力調整する絞り装置20とを備えたものである。

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。
近年、地球環境保護の観点から、化石燃料を燃やして暖房を行うボイラ式の暖房器具に代わって、寒冷地域にも空気を熱源とするヒートポンプ式の空気調和装置が導入される事例が増えている。ヒートポンプ式の空気調和装置は、圧縮機への電気入力に加えて空気から熱が供給される分だけ効率よく暖房を行うことができる。
しかし、この反面、ヒートポンプ式の空気調和装置は、屋外等における空気の温度(外気温度)が低温になるほど、蒸発器となる室外熱交換器に着霜しやすくなる。このため、室外熱交換器についた霜を融かすデフロスト(除霜)を行う必要がある。デフロストを行う方法として、例えば、暖房における冷媒の流れを逆転させ、圧縮機からの冷媒を室外熱交換器に供給する方法がある。ただ、この方法は、デフロスト中、室内の暖房を停止して行う場合があるため、快適性が損なわれる課題があった。
そこで、デフロスト中でも暖房を行うことができるように、例えば室外熱交換器を分割し、一部の室外熱交換器がデフロストしている間、他の室外熱交換器を蒸発器として動作させて空気から熱を吸熱し、暖房を行う方法が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2及び特許文献3参照)。
例えば、特許文献1に記載の技術では、室外熱交換器を2つの熱交換器部に分割する。そして、一方の熱交換器部をデフロストする場合に、デフロスト対象の熱交換器部の上流に設置された電子膨張弁を閉止する。更に、圧縮機の吐出配管から熱交換器部の入口に冷媒をバイパスするバイパス配管の電磁開閉弁を開くことで、圧縮機から吐出された高温の冷媒の一部を直接、デフロスト対象の熱交換器部に流入させている。そして、一方の熱交換器部のデフロストが完了したら他方の熱交換器部のデフロストを行うようにしている。このとき、デフロスト対象の熱交換器部では、内部の冷媒の圧力が圧縮機の吸入圧力と同等となる状態でデフロストが行われる(低圧デフロスト)。
また、特許文献2に記載の技術では、複数台の熱源機と、少なくとも1台以上の室内機とを備え、デフロスト対象の熱源側熱交換器を備えた熱源機のみ、四方弁の接続を暖房時と逆転させ、圧縮機から吐出された冷媒を直接、熱源機側熱交換器に流入させている。このとき、デフロスト対象の熱源機側熱交換器では、内部の冷媒の圧力が圧縮機の吐出圧力と同等となる状態でデフロストが行われる(高圧デフロスト)。
さらに、特許文献3に記載の技術では、室外熱交換器を複数の室外熱交換器に分割し、圧縮機から吐出された高温の冷媒の一部を各室外熱交換器に交互に流入させ、各室外熱交換器を交互にデフロストする。このため、冷凍サイクルを逆転させることなく連続して暖房を行うことができるようにしている。また、デフロスト対象の室外熱交換器に供給した冷媒を、圧縮機のインジェクションポートからインジェクションしている。このとき、デフロスト対象の室外熱交換器では、内部の冷媒の圧力が、圧縮機の吐出圧力より低く吸入圧力より高い圧力(飽和温度換算で0℃よりやや高い温度となる圧力)となる状態でデフロストが行われる(中圧デフロスト)。
特開2009−085484号公報(段落[0019]、図3) 特開2007−271094号公報(段落[0007]、図2) WO2012/014345号公報(段落[0006]、図1)
特許文献1に記載の低圧デフロストでは、デフロスト対象の熱交換器部と、蒸発器として機能する熱交換器部(デフロストを行っていない熱交換器部)とが同じ圧力帯で動作する。そして、蒸発器として機能する熱交換器部において、冷媒は外気から吸熱することになる。このため、冷媒の蒸発温度を外気温度と比較して低い温度にする必要がある。このため、デフロスト対象の熱交換器部においても、冷媒の飽和温度が0℃以下となる場合がある。したがって、霜(0℃)を融かそうとしても冷媒の凝縮潜熱を利用することができず、デフロストの効率が悪くなることがあった。
また、特許文献2に記載の高圧デフロストでは、デフロストを終えた熱源側熱交換器出口の冷媒のサブクール(過冷却度)が大きくなる。そのため、デフロスト対象の熱源側熱交換器内に温度分布が発生し、効率のよいデフロストができなくなっていた。また、サブクールが大きい分だけデフロスト対象の熱源側熱交換器内の液冷媒の量が増大し、液冷媒の移動に時間がかかる場合があった。
そして、特許文献3に記載の中圧デフロストでは、冷媒の飽和温度を0℃と比較してやや高い温度となる状態(0℃〜10℃程度)に制御することで、凝縮潜熱を利用している。この中圧デフロストは、低圧デフロスト及び高圧デフロストと比較して、室外熱交換器全体を温度ムラが少なく、効率よくデフロストすることができる。しかし、圧縮機にインジェクションできる冷媒の液量には上限があり、デフロスト対象の室外熱交換器に供給できる冷媒の流量には限界がある。また、デフロスト室外熱交換器の圧力がインジェクション圧縮機におけるインジェクション圧に左右される可能性がある。そのため、デフロスト能力に限界があり、デフロスト時間を短くすることができなかった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、効率よくデフロストすることができる空気調和装置を提供することを目的とする。
本発明に係る空気調和装置は、圧縮行程の中間部分に冷媒をインジェクション可能とし、低圧の冷媒を吸入して圧縮して高圧の冷媒を吐出する圧縮機と、空調対象の空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器と、室内熱交換器を通過する冷媒の流量を調整制御する第1の流量制御装置と、互いに並列に接続され、外部の空気と冷媒とを熱交換する複数の室外熱交換器とを配管で接続して、冷媒が循環する主冷媒回路を構成し、圧縮機が吐出した冷媒の一部が分岐して通過し、デフロスト対象となる室外熱交換器に流入させる第1のデフロスト配管と、第1のデフロスト配管を通過する冷媒を、低圧よりも高く、高圧よりも低い中圧に圧力調整する第1の圧力調整装置と、デフロスト対象の室外熱交換器を通過した冷媒を、圧縮機にインジェクションさせる第2のデフロスト配管と、第2のデフロスト配管を通過する冷媒をインジェクション圧まで圧力調整する第2の圧力調整装置とを備えたものである。
本発明によれば、デフロスト対象の室外熱交換器に第1の圧力調整装置及び第2の圧力調整装置で調整した圧力で、主冷媒回路とは別経路で冷媒を流してデフロストを行うようにしたので、例えば室内機の暖房を停止させずに効率よくデフロストを行うことができる空気調和装置を得ることができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の構成を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100が有する室外熱交換器の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100における弁を有する装置におけるON/OFF(開閉)又は開度調整の状態に関する表を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の冷房運転時のP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房通常運転時の冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房通常運転時のP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房デフロスト運転時の冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房デフロスト運転時のP−h線図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100におけるデフロスト対象の室外熱交換器13の圧力(飽和液温度換算)に対する暖房能力比である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100におけるデフロスト対象の室外熱交換器13の圧力(飽和液温度換算)に対するデフロスト対象の室外熱交換器の前後エンタルピ差である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100におけるデフロスト対象の室外熱交換器13の圧力(飽和液温度換算)に対するデフロスト流量比である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100におけるデフロスト対象の室外熱交換器13の圧力(飽和液温度換算)に対する冷媒量である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100におけるデフロスト対象の室外熱交換器13の圧力(飽和液温度換算)に対するデフロスト対象の室外熱交換器出口の冷媒のサブクールSCである。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100における制御装置60の制御に係るフローチャートを示す図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の構成を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置100における弁を有する装置におけるON/OFF(開閉)又は開度調整の状態に関する表を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の暖房デフロスト運転時の冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の暖房デフロスト運転時のP−h線図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置102の構成を示す図である。 本発明の実施の形態4に係る空気調和装置103の構成を示す図である。 本発明の実施の形態4に係る空気調和装置104の構成を示す図である。
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。各図において、同一の符号を付した機器等については、同一の又はこれに相当する機器を表すものであって、これは明細書の全文において共通している。また、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であって、本発明は明細書内の記載のみに限定されるものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別等している複数の同種の機器等について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の構成を示す図である。本実施の形態の空気調和装置100は、室外機10と複数の室内機30a及び30bとを備えている。室外機10と室内機30a及び30bとの間は、第1の延長配管40、41a及び41b並びに第2の延長配管50、51a及び51bとを介して接続され、冷媒回路を構成する。ここで、冷媒回路において、室内機30aと室内機30bとは、互いに並列に室外機10と接続されている。また、空気調和装置100は制御装置60を有している。制御装置60は、 制御装置60は、例えば空気調和装置100に取り付けられた各種検出装置(センサ)が検出した温度、圧力等に基づいて処理を行い、空気調和装置100内の機器を制御し、室内機30a及び30bの少なくとも一方が行う空調対象空間の冷房、暖房を制御する。また、外気温度センサ61は室外の温度を検出する温度検出装置である。本実施の形態の空気調和装置は、他にも、圧縮機11が吐出及び吸入する冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及び温度センサを有している。また、室外熱交換器13及び室内熱交換器31における冷媒の温度等を検出する温度センサ等も有している。
冷媒回路内を循環する冷媒としては、例えばフロン冷媒、HFO冷媒等を用いる。フロン冷媒としては、例えば、HFC系冷媒のR32冷媒、R125、R134a等、これらの混合冷媒となるR410A、R407c、R404A等がある。また、HFO冷媒としては、例えば、HFO−1234yf、HFO−1234ze(E)、HFO−1234ze(Z)等がある。そして、他の冷媒としては、CO冷媒、HC冷媒(例えばプロパン、イソブタン冷媒)、アンモニア冷媒、R32とHFO−1234yfとの混合冷媒等、蒸気圧縮式のヒートポンプ装置に用いる冷媒がある。
ここで、本実施の形態1では、1台の室外機10に、2台の室内機30a、30bを接続した空気調和装置100を例として説明するが、室内機30は1台でもよいし、3台以上を並列に接続してもよい。また、2台以上の室外機10を並列に接続するようにしてもよい。さらに、延長配管を3本並列に接続する、室内機30側で切替弁を設ける等して、各室内機30がそれぞれ冷房又は暖房を選択することができる冷暖同時運転ができるようにした冷媒回路構成にしてもよい。
次に空気調和装置100における冷媒回路の構成について説明する。空気調和装置100の冷媒回路は、室外機10の圧縮機11、冷房と暖房とを切り替える冷暖切替装置12及び室外熱交換器13並びに室内機30の室内熱交換器31及び開閉自在な第1の流量制御装置32を配管で接続して主となる冷媒回路(主冷媒回路)を有している。ここで、本実施の形態では、主冷媒回路にアキュムレータ14も接続しているが、必ずしも必須の機器ではないため、接続されていない構成としてもよい。
圧縮機11は、冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧のガス状態にして吐出する。ここで、本実施の形態の圧縮機11は、圧縮室(図示せず)における圧縮行程の中間部分にインジェクション(冷媒導入)することを可能にするポートを有している。例えば液状の冷媒を所定の圧力(インジェクション圧)でインジェクションすることで、吐出温度を抑える等することができる。また、圧縮機11は、例えばインバータ回路等により回転数(駆動周波数)を制御し、冷媒の吐出量(吐出容量)を変化させることができるタイプの圧縮機である。冷暖切替装置12は、圧縮機11の吐出配管22及び吸入配管23の間に接続され、冷媒の流れ方向を切り替える。冷暖切替装置12は例えば四方弁で構成される。そして、制御装置60の指示に基づいて、冷暖切替装置12内においては、暖房運転においては図1の実線のように配管接続し、冷房運転では図1の点線のように配管接続するように切り替える。
図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100が有する室外熱交換器13の構成の一例を示す図である。図2に示すように、本実施の形態の室外熱交換器は、例えば複数の伝熱管5aと複数のフィン5bとを有するフィンチューブ型の熱交換器で構成される。伝熱管5aは、内部を冷媒が通過し、空気通過方向に対して垂直方向の段方向及び空気通過方向である列方向に複数設けられている。また、フィン5bは、空気通過方向に空気が通過するように間隔を空けて配置されている。
ここで、本実施の形態の室外熱交換器13は、図2に示すように、1台の室外熱交換器が複数の独立した流路を有している。冷媒主回路に対して各流路の流入出口を並列に配管接続することで複数の室外熱交換器13に分割して構成している。ここでは、2つの室外熱交換器13a及び13bに分割している場合を例に説明する。ただ、分割数は2に限るものではない。また、分割する方向について、左右に分割(水平方向に対する分割)するようにしてもよいが、左右に分割すると、室外熱交換器13a及び13bのそれぞれの冷媒流入口が室外機10の左右両端に分かれてしまい、配管接続が複雑になる。そこで、図2に示すように上下方向(垂直方向)に分割することが望ましい。さらに、本実施の形態の室外熱交換器13a及び13bは、図2のように、フィン5bは共通しており、分割していない。このため、後述する暖房デフロスト運転において、一方の室外熱交換器13では冷媒は霜を融かすために高温の冷媒が伝熱管5aを流れてフィン5bを加熱し、他方の室外熱交換器13では伝熱管5aを流れる冷媒がフィン5bを通して吸熱することになる。そこで、室外熱交換器13間の熱の漏洩を防ぐために、フィン5bを室外熱交換器13毎に分割するようにしてもよい。
室外ファン21は、室外熱交換器13a及び13bに室外の空気(外気)を通過させて、冷媒との熱交換を促す。図1では、室外熱交換器13a及び13bに対して1台の室外ファン21を設置しているが、室外熱交換器13aと13bとのそれぞれに対応して室外ファン21を設置するようにしてもよい。
また、第1の接続配管24a及び24bは、それぞれ室外熱交換器13aと13bとに接続されている。本実施の形態では、暖房運転における室外熱交換器13a及び13bへの冷媒流入側において接続されている。第1の接続配管24a及び24bの流路には、それぞれ第2の流量制御装置15aと15bとを有している。第2の流量制御装置15a及び15bは、例えば、電子制御式膨張弁で構成される。そして、制御装置60からの指令に基づいて開度を可変させ、圧力調整して冷媒の流量を制御することができる。ここで、本実施の形態1における第2の流量制御装置15a及び15bは、本発明の「第3の圧力調整装置」に相当する。
また、第2の接続配管25a及び25bは、第1の接続配管24a及び24bとは反対側において、それぞれ室外熱交換器13aと13bとに接続されている。本実施の形態では、暖房運転における室外熱交換器13a及び13bへの冷媒流出側において接続されている。第2の接続配管25a及び25bの流路には、それぞれ第1の電磁弁16a及び16bを有している。第1の電磁弁16a及び16bは、制御装置60の指示に基づいて、開閉により、主冷媒回路から室外熱交換器13a及び13bに冷媒を流入出させるか否かを切り替える。
また、本実施の形態の空気調和装置100は、さらに、冷媒主回路とは別の流路として第1のデフロスト配管26を有している。第1のデフロスト配管26は、一端が吐出配管22と接続し、他端を分岐されて各々が第2の接続配管25a及び25bと接続している。そして、第1のデフロスト配管26は、圧縮機11から吐出した高温高圧の冷媒の一部をデフロストのために室外熱交換器13a及び13bの少なくとも一方に供給する。また、第1のデフロスト配管26は絞り装置18を有している。絞り装置18は、制御装置60の指示に基づいて、圧縮機11から吐出した高温及び高圧の冷媒の一部を中圧に減圧する。ここで、中圧とは高圧(吐出圧力)より低く、インジェクション圧及び低圧(吸入圧力)よりも高い圧力であるものとする。したがって、デフロストにおいては、中圧に減圧した冷媒を室外熱交換器13a及び13bに供給することになる。第2の電磁弁17a及び17bは、第1のデフロスト配管26における分岐部分にそれぞれ設けられる。吐出配管22から第1のデフロスト配管26を通過して第2の接続配管25a及び25bに冷媒を流入させるか否かを切り替える。絞り装置18は、本発明の「第1の圧力調整装置」に相当する。
ここで、第1の電磁弁16a及び16b並びに第2の電磁弁17a及び17bは、主冷媒回路と第1のデフロスト配管26との流路を切り替えできればよい。このため、四方弁、三方弁、二方弁等を用いて構成するようにしてもよい。例えば、第1の電磁弁16a及び16bは、運転によって冷媒の通過する方向が異なることにより、前後の圧力が逆転する。一般的な電磁弁では前後の圧力が逆転すると使用できない場合がある。そこで、弁の高圧側を吐出配管22と接続し、弁の低圧側を吸入配管23と接続する四方弁等で第1の電磁弁16a及び16bと同じ機能をもたせるようにすればよい。また、第2の電磁弁17a及び17bは吐出配管22側において第1のデフロスト配管26と接続している側は常に高圧であるため、一方向の弁である二方弁を用いることができる。
また、絞り装置18について、必要なデフロスト能力(デフロストをするために第1のデフロスト配管26に流す冷媒流量)が決まっていれば、絞り装置18を毛細管により構成してもよい。また、絞り装置18を設けず、予め設定したデフロスト流量時に中圧まで圧力が低下するように、第2の電磁弁17a及び17bを小型化してもよい。また、絞り装置18をなくして、第2の電磁弁17a及び17bの代わりに流量制御装置をつけても良い。このような場合には、第2の電磁弁17a及び17b、流量制御装置等が本発明の「第1の圧力調整装置」に相当することになる。
第2のデフロスト配管27についても、冷媒主回路とは別の流路となる。第2のデフロスト配管27は、一端を圧縮機11のインジェクション部にあるポートと接続し、他端を分岐されて各々が第1の接続配管24a及び24bと接続している。第2のデフロスト配管27は、絞り装置20並びに第3の電磁弁19a及び19bを有している。絞り装置20は後述する暖房デフロスト運転時において、室外熱交換器13a又は13bから流出した中温及び中圧の冷媒の一部をインジェクション圧に減圧する。減圧した冷媒は、圧縮機11にインジェクションされる。また、第3の電磁弁19a及び19bは、第2のデフロスト配管27における分岐部分にそれぞれ設けられ、第1の接続配管24a及び24bから第2のデフロスト配管27に冷媒を流すか否かを切り替える。ここで、絞り装置20は、本発明の「第2の圧力調整装置」に相当する。
次に、本実施の形態の空気調和装置100が実行する各種運転の運転動作について説明する。空気調和装置100の運転には、冷房運転と暖房運転との2種類の運転モードがある。また、暖房運転には、さらに暖房通常運転と暖房デフロスト運転(連続暖房運転とも称する)とがある。暖房通常運転は、室外熱交換器13を構成する室外熱交換器13a及び13bの両方が蒸発器として動作する。暖房デフロスト運転は、暖房運転を継続しながら、室外熱交換器13aと室外熱交換器13bとを交互にデフロストする運転である。例えば、一方の室外熱交換器13を蒸発器として動作させて暖房運転を行いながら、他方の室外熱交換器13のデフロストを行う。そして、他方の室外熱交換器13のデフロストが終了すると、他方の室外熱交換器を今度は蒸発器として動作させて暖房運転させ、一方の室外熱交換器13のデフロストを行う。
図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100における各運転時の弁を有する装置(バルブ)におけるON/OFF(開閉)又は開度調整の状態に関する表を示す図である。図3において、冷暖切替装置12については、図1の実線の向きに接続した場合をONとし、点線の向きに接続した場合をOFFとして示している。また、各電磁弁16a、16b、17a、17b、19a、19bについては、弁を開いて冷媒が流れるようにした場合をONとし、弁を閉じて冷媒が流れないようにした場合をOFFとして示している。
[冷房運転]
図4は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。ここで、図4においては、冷房運転時に冷媒が流れる部分を太線で示し、冷媒が流れない部分を細線としている。また、図5は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の冷房運転時のP−h線図である。図5の点(a)〜点(d)は図4の同じ記号を付した箇所における冷媒の状態を示す。
圧縮機11は運転を開始すると、吸入配管23を介して低温低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧のガス冷媒を吐出する。この圧縮機11の冷媒圧縮過程は、圧縮機11の断熱効率の分だけ、等エントロピ線で断熱圧縮される場合と比較して加熱されるように圧縮され、図5の点(a)から点(b)に示す線で表される。圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒は冷暖切替装置12を通過して2つに分岐する。一方は第1の電磁弁16aを通過して第2の接続配管25aから室外熱交換器13aに流入する。他方は第1の電磁弁16bを通過して第2の接続配管25bから室外熱交換器13bに流入する。
室外熱交換器13a及び13bに流入した冷媒は、室外空気との熱交換により室外空気を加熱しながら冷却され、中温高圧の液冷媒となる。室外熱交換器13a及び13bでの冷媒変化は、室外熱交換器13の圧力損失を考慮すると、図5の点(b)から点(c)に示すやや傾いた水平に近い直線で表される。ここでは、室外熱交換器13a及び13bの両方において熱交換を行うようにしたが、例えば室内機30a及び30bの運転容量が小さい場合等においては、第1の電磁弁16bを閉止して室外熱交換器13bに冷媒が流れないようにすることができる。冷媒が流れないようにすることで、結果的に室外熱交換器13の伝熱面積を小さくし、安定したサイクルの運転を行うことができる。
室外熱交換器13a及び13bから流出した中温高圧の液冷媒は、それぞれ第1の接続配管24a及び24bに流入し、全開状態の第2の流量制御装置15a及び15bを通過した後、合流する。合流した冷媒は、室外機10から流出する。そして、第2の延長配管50、51a及び51bを通り、室内機30a及び30bに流入する。そして、第1の流量制御装置32a及び32bを通過する。第1の流量制御装置32a及び32bを通過する際、冷媒は膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒になる。第1の流量制御装置32a及び32bでの冷媒の変化はエンタルピーが一定のもとで行われる。このときの冷媒変化は、図5の点(c)から点(d)に示す垂直線で表される。
第1の流量制御装置32a及び32bから流出した低温低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器31a及び31bに流入する。室内熱交換器31a、31bに流入した冷媒は、室内空気との熱交換により、室内空気を冷却しながら加熱され、低温低圧のガス冷媒となる。ここで、制御装置60は、室内熱交換器31a及び31bから流出した低温低圧のガス冷媒のスーパーヒート(過熱度)が2K〜5K程度になるように前述した第1の流量制御装置32a及び32bの開度を制御する。室内熱交換器31a、31bでの冷媒の変化は、圧力損失を考慮すると、図5の点(e)から点(a)に示すやや傾いた水平に近い直線で表される。
室内熱交換器31a及び31bを流出した低温低圧のガス冷媒は、室内機30a及び30bから流出する。そして、第1の延長配管41a、41b及び40を通過して室外機10に流入する。さらに、冷暖切替装置12及びアキュムレータ14を通って、吸入配管23を介して圧縮機11に吸入される。
[暖房通常運転]
図6は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房通常運転時の冷媒の流れを示す図である。ここで、図6においては暖房通常運転時に冷媒が流れる部分を太線とし、冷媒が流れない部分を細線としている。また、図7は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房通常運転時のP−h線図である。図7の点(a)〜点(e)は図6の同じ記号を付した部分での冷媒の状態を示す。
圧縮機11は運転を開始すると、吸入配管23を介して低温低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して高温高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機11の冷媒圧縮過程は図7の点(a)から点(b)に示す線で表される。
圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷暖切替装置12を通過した後、室外機10から流出する。室外機10を流出した高温高圧のガス冷媒は、第1の延長配管40、41a及び41bを介して室内機30a及び30bに流入する。そして、室内熱交換器31a及び31bに流入する。室内熱交換器31a及び31bに流入した冷媒は、室内空気との熱交換により室内空気を加熱しながら冷却され、中温高圧の液冷媒となる。室内熱交換器31a及び31bでの冷媒の変化は、図7の点(b)から点(c)に示すやや傾いた水平に近い直線で表される。
室内熱交換器31a及び31bから流出した中温高圧の液冷媒は、第1の流量制御装置32a及び32bを通過する。第1の流量制御装置32a及び32bを通過する際、冷媒は膨張及び減圧され、中圧の気液二相状態になる。このときの冷媒変化は図7の点(c)から点(d)に示す垂直線で表される。制御装置60は、中温高圧の液冷媒のサブクール(過冷却度)が5K〜20K程度になるように第1の流量制御装置32a及び32bの開度を制御する。第1の流量制御装置32a及び32bから流出した中圧の気液二相状態の冷媒は、室内機30a及び30bから流出する。
室内機30a及び30bから流出した冷媒は、第2の延長配管51a、51b及び50を介して室外機10に流入する。室外機10に流入した冷媒は第1の接続配管24a及び24bに流入する。第1の接続配管24a及び24bに流入した冷媒は、第2の流量制御装置15a及び15bを通過する。第2の流量制御装置15a及び15bを通過する際、冷媒は膨張及び減圧され、低圧の気液二相状態になる。このときの冷媒の変化は図7の点(d)から点(e)となる。制御装置60は、一定開度(例えば全開の状態)で固定するか、第2の延長配管50等の中間圧の飽和温度が0℃〜20℃程度になるように第2の流量制御装置15a及び15bの開度を制御する。
第2の流量制御装置15a及び15bを通過した冷媒は、室外熱交換器13a及び13bに流入する。室外熱交換器13a及び13bに流入した冷媒は、室外空気との熱交換により室外空気を冷却しながら加熱され、低温低圧のガス冷媒となる。室外熱交換器13a及び13bでの冷媒変化は、図7の点(e)から点(a)に示すやや傾いた水平に近い直線で表される。
室外熱交換器13a及び13bから流出した低温低圧のガス冷媒は、第2の接続配管25a及び25bに流入し、第1の電磁弁16a及び16bを通過した後に合流する。さらに、冷暖切替装置12及びアキュムレータ14を通って、吸入配管23を介して圧縮機11に吸入される。
[暖房デフロスト運転(連続暖房運転)]
暖房デフロスト運転は、暖房通常運転中に、制御装置60が室外熱交換器13に着霜したものと判定した場合に行われる。室外熱交換器13における着霜の有無の判定については複数の判定方法がある。例えば圧縮機11の吸入圧力から換算される飽和温度が、予め設定した外気温度と比較して大幅に低下したと判断した場合に着霜したものと判定することができる。また、例えば、外気温度と室外熱交換器13における蒸発温度との温度差が、一定時間以上予め設定した差以上であると判断すると着霜したものと判定することができる。
本実施の形態1に係る空気調和装置100の構成では、暖房デフロスト運転において、室外熱交換器13bがデフロストを行っている間、室外熱交換器13aが蒸発器として機能して暖房を継続することができる。また、その逆に、室外熱交換器13aがデフロストを行っている間、室外熱交換器13bが蒸発器として機能して暖房を継続することができる。室外熱交換器13aがデフロストを行う場合と室外熱交換器13bがデフロストを行う場合とでは、第1の電磁弁16、第2の電磁弁17及び第3の電磁弁19における開閉状態が逆転し、室外熱交換器13における冷媒の流れが異なるが、その他の動作は同じとなる。よって、以下の説明では、暖房デフロスト運転において、室外熱交換器13bがデフロストを行い、室外熱交換器13aが蒸発器として機能して暖房を継続する場合について説明する。以降の実施の形態の説明においても同様である。
図8は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房デフロスト運転時の冷媒の流れを示す図である。ここで、図8において室外熱交換器13bのデフロスト時に冷媒が流れる部分を太線とし、冷媒が流れない部分を細線としている。また、図9は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の暖房デフロスト運転時のP−h線図である。図9の点(a)〜点(i)は、図8の同じ記号を付した部分での冷媒の状態を示す。
制御装置60は、暖房通常運転を行っているときに、いずれかの室外熱交換器13において、デフロストを行うかどうかを判定する。そして、室外熱交換器13bのデフロストを行うものと判定すると、室外熱交換器13bに対応する第1の電磁弁16bを閉止させる。また、制御装置60は、第2の電磁弁17b及び第3の電磁弁19bを開放させ、絞り装置18、絞り装置20を予め設定した開度にさせる。
これによって、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第2の流量制御装置15b→第2の流量制御装置15aとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。また、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→絞り装置20→圧縮機11のインジェクション部となる冷媒経路(中圧デフロスト回路、第2の冷媒経路)を形成する。そして、暖房デフロスト運転を開始する。
暖房デフロスト運転を開始すると、圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒の一部は、第1のデフロスト配管26に流入し、絞り装置18で中圧まで減圧される。このときの冷媒の変化は図9中の点(b)から点(f)で表される。
そして、図9において、点(f)で示される中圧まで減圧された冷媒は、第2の電磁弁17b及び第2の接続配管25bを通過して室外熱交換器13bに流入する。室外熱交換器13bに流入した冷媒は、室外熱交換器13bに付着した霜と熱交換することによって冷却される。このように、圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒を室外熱交換器13bに流入させることで、室外熱交換器13bに付着した霜を融かすことができる。このときの冷媒の変化は図9中の点(f)から点(g)の変化で表される。ここで、デフロストを行う冷媒は、霜の温度(0℃)より高く、かつ10℃以下の飽和温度になっている。
デフロストを行った後の冷媒の一部は、第2の流量制御装置15bを通過する。通過した冷媒は、室内機30から第2の延長配管51a、51b及び50を介して室外機10に流入した冷媒と合流する(点(h))。合流した冷媒は、第2の流量制御装置15a及び第1の接続配管24aを介して室外熱交換器13aに流入する。室外熱交換器13aに流入した冷媒は、室外空気との熱交換により室外空気を冷却しながら加熱され、低温低圧のガス冷媒となる。一方、デフロストを行った後に、第2の流量制御装置15bを通過しなかった残りの冷媒は、前述した中圧デフロスト回路を経路として、第3の電磁弁19bを通過する。そして、絞り装置20でインジェクション圧まで減圧され(点(i))、圧縮機11にインジェクションされる。
次に、デフロストを行う冷媒の飽和温度を0℃より高く、かつ10℃以下にする理由について説明する。
図10〜図14は、デフロスト能力を固定しながらデフロスト対象の室外熱交換器13における冷媒の圧力(図中では飽和液温度に換算済)を変化させたときのグラフを示す図である。ここでは、冷媒回路内の冷媒としてR410A冷媒を用いている。図10は冷媒の圧力変化に対する暖房能力の変化を示している。また、図11は冷媒の圧力変化に対するデフロスト対象の室外熱交換器13の流入出前後における冷媒のエンタルピ差の変化を示している。図12は冷媒の圧力変化に対するデフロストに必要な冷媒の流量の変化を示している。図13は冷媒の圧力変化に対するアキュムレータ14とデフロスト対象の室外熱交換器13とにおける冷媒量の変化を示している。そして、図14は冷媒の圧力変化に対するデフロスト対象の室外熱交換器13の冷媒流出口におけるサブクールSCの変化を示している。
図10において、デフロスト対象の室外熱交換器13において冷媒の飽和液温度が0℃より高く、10℃以下となる場合に暖房能力が高くなり、それ以外の場合に暖房能力が低下していることがわかる。まず、飽和液温度が0℃以下の場合に暖房能力が低下する原因を説明する。霜を融かすには冷媒の温度を0℃より高くする必要がある。図10からわかるように、飽和液温度を0℃以下にして、霜を融かそうとすると、図9における点(g)の位置が飽和ガスエンタルピよりも高くなる。そのため、冷媒の凝縮潜熱を利用することができず、デフロスト対象の室外熱交換器13前後のエンタルピ差は小さくなる(図11)。このとき、飽和温度が0℃より高く、かつ10℃以下の冷媒と同程度のデフロストの能力を発揮させようとすると、デフロスト対象の室外熱交換器13には、飽和温度が0℃より高く、かつ10℃以下の冷媒の3〜4倍程度の量の冷媒を流入させる必要がある。このため、暖房を行う室内機30に供給できる冷媒量が減少して暖房能力が低下する。したがって、飽和液温度を0℃以下にすると先行文献1の低圧デフロストと同じく暖房能力が低下することになる。そこで、デフロスト対象の室外熱交換器13の圧力は飽和液温度換算で0℃よりも高くする必要がある。
一方、デフロスト対象の室外熱交換器13の圧力を高くしていくと、図14に示すように、デフロスト対象の室外熱交換器13の冷媒流出口におけるサブクールSCが増える。このため、液冷媒の量が増えて冷媒密度が高くなる。通常のビル用マルチエアコンは冷房時のほうが暖房時よりも必要な冷媒量が多い。したがって、通常は、暖房運転時にはアキュムレータ14のような液だめに余剰冷媒が存在する。ただ、図13に示すように、圧力の増大にしたがってデフロスト対象の室外熱交換器13で必要な冷媒量が増えると、アキュムレータ14にたまっている冷媒量は減少し、飽和温度が10℃程度でアキュムレータ14が空になる。アキュムレータ14に余剰冷媒がなくなると、冷凍サイクルの冷媒が不足し、圧縮機11の吸入密度が下がる等して、暖房能力が低下する。ここで、冷媒を過充填することで、飽和温度の上限を高くすることはできるが、その他の運転時にアキュムレータ14から液があふれる等して、空気調和装置の信頼性が低下する可能性がある。そこで、冷媒は適正に充填しておいたほうがよい。また、飽和温度が高くなるほど、室外熱交換器13内の冷媒と霜との温度差に温度ムラができ、すぐに霜が融けきる場所となかなか融けない場所ができるという課題もある。
以上のような理由より、デフロスト対象の室外熱交換器13における圧力を飽和温度換算で0℃より高く、かつ10℃以下にするとよい。ここで、潜熱を利用する中圧デフロストを最大限活かしつつ、デフロスト中の冷媒の移動を抑え、融けムラをなくすことを考えると、デフロスト対象の室外熱交換器13の出口のサブクールSCが0Kの場合が最適な目標値である。サブクールを検知するための温度計、圧力計等の精度を考慮に入れると、サブクールSCが0Kから5K程度になるように、デフロスト対象の室外熱交換器13の圧力を、飽和温度換算で0℃より高くかつ6℃以下にすることが望ましい。
次に、暖房デフロスト運転中の絞り装置18及び20並びに第2の流量制御装置15a及び15bの動作の一例について説明する。暖房デフロスト運転中、制御装置60は、第2の流量制御装置15bの開度を、デフロスト対象となる室外熱交換器13bの圧力が飽和温度換算で0℃より高くかつ10℃以下になるように制御する。一方、第2の流量制御装置15aの開度は、第2の流量制御装置15bの前後の差圧をつけて制御性を向上させるため、全開状態にする。また、絞り装置18の開度は、事前に設計した必要なデフロスト流量に合わせて、開度を固定したままにすればよい。暖房デフロスト運転中、圧縮機11の吐出圧力とデフロスト対象となる室外熱交換器13bの圧力との差は大きく変化しないためである。さらに、絞り装置20は、信頼性を維持するために圧縮機11において冷媒が液圧縮しない開度とする。また、凝縮器となる室内熱交換器31への冷媒流量を増大させるために圧縮機11の吐出温度、吐出スーパーヒート等を制御するように、例えば吐出スーパーヒートが10K〜20K程度になるまで圧縮機11に冷媒をインジェクションできる開度とすればよい。ここで、デフロストを行う冷媒から放出された熱は、室外熱交換器13bに付着した霜に移動するだけでなく、一部は外気に移動される場合がある。このため、制御装置60は、外気温度が低下するにしたがってデフロスト流量が増加するように、絞り装置18及び第2の流量制御装置15bを制御するようにしてもよい。これによって、外気温度にかかわらず、霜に与える熱量を一定にし、デフロストにかかる時間を一定にすることができる。
また、制御装置60は、外気温度に応じて着霜の有無を判定する際に用いる飽和温度の閾値、通常運転の時間等を変更してもよい。例えば、暖房デフロスト運転中に冷媒がデフロストにかける熱量が一定になるように、外気温度が低下するにつれてデフロスト開始時の着霜量を減らすように運転時間を短くする。これにより、絞り装置18の抵抗を一定にすることができる。そして、安価な毛細管を用いることができる。また、制御装置60は、外気温度に閾値を設定するようにしてもよい。例えば外気温度が閾値となる温度(例えば外気温度が−5℃や−10℃等)以上であると判断した場合には、暖房デフロスト運転を行うようにし、閾値となる温度より低いと判断した場合には室内機30の暖房を止めて、全室外熱交換器をデフロストする。例えば外気温度が−5℃、−10℃等のように、0℃以下の場合には、もともと外気の絶対湿度が低く、着霜量が少ない。このため、着霜量が一定値になるまでの通常運転の時間が長くなる。したがって、室内機30の暖房を止めてすべての室外熱交換器13のデフロスト(全面デフロスト)を行っても室内機30の暖房が停止する時間の割合は小さい。暖房デフロスト運転をした場合、デフロスト対象の室外熱交換器13から外気へ放熱することも考慮に入れると、例えば、暖房運転を停止して全面デフロストを行う方が効率がよい場合がある。そこで、暖房デフロスト運転モードの他に、全面デフロストを行う暖房停止デフロスト運転モードを選択できるようにしてもよい。例えば、外気温度に基づいて、デフロストに係る運転モードを選択することができるようにすることで効率よくデフロストすることができる。
また、本実施の形態のように、室外熱交換器13a、13bを一体型で構成し、デフロスト対象の室外熱交換器13に室外ファン21によって外気を搬送する場合、外気温度が低下するにつれてファン出力を落とすようにファン出力を変更するようにしてもよい。このため、暖房デフロスト運転時にデフロスト対象の室外熱交換器13からの放熱量を減らすことができる。
[制御フロー]
図15は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100における制御装置60の制御に係るフローチャートを示す図である。次に、図15に基づいて、本実施の形態において制御装置60が行う制御処理についてさらに説明する。ここで、図15では、暖房デフロスト運転のみを行う場合について説明する。
空気調和装置100が運転を開始すると(S1)、室内機30a及び30bが暖房を行っているかどうか(運転モードが暖房であるかどうか)を判定する(S2)。運転モードが冷房を行っていると判定すると、通常の冷房運転の制御を行う(S3)。
一方、運転モードが暖房であると判定すると、通常の暖房運転の制御を行う(S4)。そして、通常暖房運転中において、例えば着霜による伝熱、風量等の低下による室外熱交換器13の伝熱性能の低下を考慮し、式(1)に基づいて暖房デフロスト運転の開始条件を満たすか否か(着霜しているか否か)の判定を行う(S5)。式(1)におけるx1は5K〜20K程度の値を設定すればよい。ここで、例えば温度センサ、圧力センサ、着霜量を測定するセンサ等を用いて、着霜の有無を判定することができれば、デフロスト開始条件については、吸入圧力に基づく判定を行うものでなくてもよい。
(吸入圧力の飽和温度)<(外気温度)−x1 …(1)
例えば式(1)に基づく等して、暖房デフロスト運転開始条件を満たしたものと判定すると、室外熱交換器13をデフロストする暖房デフロスト運転を開始する。ここでは、例えば図2において室外熱交換器13の下段側の室外熱交換器13b、上段側の室外熱交換器13aの順にデフロストする場合の制御を一例として説明する。したがって、まず、室外熱交換器13bに対してデフロスト(中圧デフロスト)を行う(S6)。ここで、デフロストを行う順を逆にしてもよい。
上述したように、暖房デフロスト運転を行う前の暖房通常運転での各バルブの状態は、図3の「暖房通常運転」の欄に示した状態である。そして、この状態から、図3の「暖房デフロスト運転」の「13a:蒸発器 13b:デフロスト」の欄に示すような状態に各バルブを変更して暖房デフロスト運転を行う(S7)。
(a)第1の電磁弁16b OFF
(b)第2の電磁弁17b ON
(c)第3の電磁弁19b ON
(d)絞り装置18 所定の開度に開く
(e)絞り装置20 所定の開度に開く
(f)第2の流量制御装置15a 全開にする
(g)第2の流量制御装置15b 制御開始
(h)絞り装置20 制御開始
デフロスト対象の室外熱交換器13bに着いた霜が融けることにより、デフロスト終了条件を満たしたかどうかを判定する(S8)。満たしていないと判定すると、室外熱交換器13bをデフロスト、室外熱交換器13aを蒸発器とする暖房デフロスト運転を行う。例えば、暖房デフロスト運転を継続して室外熱交換器13bに付着した霜が融けてくると、第1の接続配管24b内の冷媒温度が上昇する。このため、デフロスト終了条件としては、例えば第1の接続配管24bに温度センサを取り付け、次式(2)に示すようにセンサ温度が閾値を超えた場合にデフロスト終了条件を満たしたと判定すればよい。ここで、x2は、例えば3〜10℃に設定する。
(第1の接続配管24の冷媒温度)>x2 …(2)
式(2)を満たし、デフロスト終了条件を満たしたものと判定すると、室外熱交換器13bのデフロストを終了する(S9)。このとき、各バルブの状態を次のように変更する
(a)第2の電磁弁17b OFF
(b)第3の電磁弁19b OFF
(c)第1の電磁弁16b ON
(d)第2の流量制御装置15a、15b 通常の中間圧制御
さらに、各バルブを図3の「暖房デフロスト運転」の「13a:デフロスト 13b:蒸発器」の欄に示すような状態に各バルブを変更して、室外熱交換器13aのデフロストを行う暖房デフロスト運転を開始する(S10)。S10〜S13は、上述したS6〜S9の処理とバルブの番号が異なるが処理は同じである。
以上のように下段側の室外熱交換器13bと上段側の室外熱交換器13aの両方のデフロストを完了して、S6〜S13に示す暖房デフロスト運転が終了すると、S4に戻って暖房通常運転を行う。
ここで、暖房デフロスト運転を行うと、複数の室外熱交換器13を、順に最低1回デフロストすることになる。例えば最後の室外熱交換器13がデフロストを終了したときに、冷媒回路中に設置された温度センサ等により、最初にデフロストした室外熱交換器13が着霜して伝熱性能が下がっていると判断すると、最初にデフロストした室外熱交換器13に対して2回目のデフロストを短時間行ってもよい。
以上説明したように、本実施の形態1の空気調和装置100によれば、暖房デフロスト運転によって、デフロストを行いつつ、室内機30側に冷媒を送ることができるので、連続して室内の暖房を行うことができる。このとき、絞り装置20及び第2の流量制御装置15の少なくとも一方(主として絞り装置20)の開度を調整してデフロストを行っている室外熱交換器13から流出した冷媒の一部又は全部を圧縮機11にインジェクションすることができるので、室内機30に送り込む冷媒量を増大させ、暖房能力の向上を図ることができる。このとき、すべての室外熱交換器13を少なくとも1回はデフロストするようにすることで、通常暖房運転における効率を高めることができる。
また、絞り装置20及び第2の流量制御装置15の少なくとも一方(主として第2の流量制御装置15)の開度を調整することでデフロストを行っている室外熱交換器13から流出した冷媒の一部を、蒸発器として機能する室外熱交換器13の上流側の主冷媒回路へ流入させることができる。このため、デフロストの効率を向上させることができ、蒸発器として機能する室外熱交換器13に流入する冷媒量が増え、外気からの吸熱量を多くすることができる。圧縮機11の吸入圧力の低下を抑えることができる。
さらに、圧縮機11が吐出する冷媒の吐出スーパーヒートが10K〜20K程度になるように、冷媒をインジェクションする開度に絞り装置20を制御するようにしたので。圧縮機11において冷媒が液圧縮しないように信頼性を維持しつつ、凝縮器として動作する室内熱交換器31への冷媒流量を増大させることができ、暖房能力を向上させることができる。
また、本実施の形態の空気調和装置100においては、吐出配管22から分岐した高温高圧のガス冷媒の一部を、飽和温度換算で霜の温度と比較して高い0℃より高くかつ10℃以下になる圧力(中圧)まで減圧し、デフロスト対象の室外熱交換器13に流入させるようにしたので、冷媒の凝縮潜熱を利用したデフロストを行うことができる。
また、本実施の形態の空気調和装置100においては、飽和温度は0℃より高くかつ10℃以下とすることで、霜の温度との温度差が小さくなるようにしたので、デフロスト対象の室外熱交換器13の流出口における冷媒のサブクール(過冷却度)は5K程度と小さくすることができる。このため、デフロストを行うために必要な冷媒量が少なくなり、主冷媒回路を循環する冷媒不足を回避することができる。また、デフロスト対象の室外熱交換器13の伝熱管内の冷媒は気液二相の領域が大きくなり、霜との温度差が一定な領域が増え、熱交換器全体のデフロスト量を均一化することができる。
また、本実施の形態の空気調和装置100においては、デフロスト対象の室外熱交換器13から流出した冷媒を、蒸発器として機能している他の室外熱交換器13に流入させることで、冷凍サイクルにおける蒸発能力を維持して吸入圧力の低下を抑えることができる。また、圧縮機11への液バックを防ぐことができる。また、絞り装置18の流量制御を行うと、デフロスト能力を可変にすることができる。このため、例えば低外気温度になるほど絞り装置18の流量を増やすようにすることで、デフロストにかかる時間を一定にすることができる。
また、本実施の形態の空気調和装置100においては、例えば、外気温度に基づいて暖房デフロスト運転を行うかどうかを判定する基準を変更することで、デフロスト能力が一定でもデフロストにかかる時間を一定にすることができる。さらに、外気温度に基づいて暖房デフロスト運転と暖房停止デフロスト運転とを選択できるようにしたので、効率のよいデフロストを選択して行うことができる。また、外気温度に基づいて室外ファン21の出力を変更するようにしたので、デフロストを行う冷媒が外気に放熱する熱量を減らすことができる。
実施の形態2.
図16は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の構成を示す図である。図16において、図1と同じ符号を付している機器等については、実施の形態1で説明したことと同様の動作等を行う。以下、空気調和装置101が実施の形態1の空気調和装置100と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態2に係る空気調和装置101は、上記実施の形態1の空気調和装置100の構成に加え、第3の流量制御装置15c及び冷媒−冷媒熱交換器28(以下、冷媒間熱交換器28という)を有している。第3の流量制御装置15cは、第1の接続配管24aと第1の接続配管24bとをバイパスする配管に設けられている。第3の流量制御装置15cは、例えば、電子制御式膨張弁のような開度を可変できる弁で構成している。ここで、本実施の形態における第3の流量制御装置15cは、本発明の「第3の圧力調整装置」に相当する。したがって、図16の空気調和装置101では、第2の流量制御装置15a及び15bを有しているが、場合によっては設置する必要はない。
図17は本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101における各運転時の弁を有する装置(バルブ)におけるON/OFF(開閉)又は開度調整の状態に関する表を示す図である。本実施の形態の空気調和装置101における第2の流量制御装置15a及び15b並びに第3の流量制御装置15cの動作が実施の形態1と異なる。
第3の流量制御装置15cは、暖房デフロスト運転時に、デフロスト対象の室外熱交換器13から流出した冷媒を、蒸発器として動作する室外熱交換器13の上流に流入させる。第3の流量制御装置15cは、デフロスト対象の室外熱交換器13の圧力が0℃より高くかつ10℃以下になる中圧になるように制御装置60により制御される。一方、実施の形態1において、デフロスト対象の室外熱交換器13の圧力を制御していた第2の流量制御装置15a又は15bは閉止する。さらに、実施の形態1では全開であった第2の流量制御装置15a又は15bは、第2の延長配管50等の中間圧の飽和温度が0℃〜20℃程度の開度になるように制御される。
図18は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の暖房デフロスト運転時の冷媒の流れを示す図である。ここで、図18においては、暖房デフロスト運転時に冷媒が流れる部分を太線とし、冷媒が流れない部分を細線としている。また、図19は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置101の暖房デフロスト運転時のP−h線図である。図19の点(a)〜点(i)は図18の同じ記号を付した部分での冷媒の状態を示す。
制御装置60は、暖房通常運転を行っている際に着霜状態を解消するデフロストが必要と判定すると、デフロスト対象の室外熱交換器13bに対応する第1の電磁弁16b及び第2の流量制御装置15bを閉止させる。また、制御装置60は、第2の電磁弁17b及び第3の電磁弁19bを開き、絞り装置18及び絞り装置20の開度を予め設定した開度にさせる。そして、第3の流量制御装置15cの開度は、所定開度に設定する。
これによって、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の流量制御装置15cとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。また、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→冷媒間熱交換器28→絞り装置20→圧縮機11のインジェクション部となる冷媒経路(中圧デフロスト回路、第2の冷媒経路)を形成する。そして、暖房デフロスト運転を開始する。
暖房デフロスト運転を開始すると、圧縮機11から吐出された高温高圧のガス冷媒の一部は、第1のデフロスト配管26に流入し、絞り装置18で中圧まで減圧される。このときの冷媒の変化は図19中の点(b)から点(f)で表される。
そして、図19において、点(f)で示される中圧まで減圧された冷媒は、第2の電磁弁17b及び第2の接続配管25bを通過して室外熱交換器13bに流入する。室外熱交換器13bに流入した冷媒は、室外熱交換器13bに付着した霜と熱交換することによって冷却される。このときの冷媒の変化は図19中の点(f)から点(g)の変化で表される。ここで、デフロストを行う冷媒は、霜の温度(0℃)以上のより高くかつ10℃以下の飽和温度になっている。
室外熱交換器13bにおいてデフロストを行った後の冷媒は2つに分岐する。一方の冷媒は第3の流量制御装置15cを通り、第2の流量制御装置15aと室外熱交換器13aとの間の第1の接続配管24aから主冷媒回路に合流する(点(e))。合流した冷媒は、蒸発器として機能している室外熱交換器13aに流入し、蒸発する。
また、他方の冷媒は、第3の電磁弁19bを通り、点(f)で示される中圧よりも飽和温度が高い中間圧で流れる暖房用の冷媒と冷媒間熱交換器28において熱交換する。熱交換によって加熱された冷媒は絞り装置20でインジェクション圧に減圧される(点(i))。このとき、暖房用の冷媒は熱交換により冷却される。このときの冷媒の変化は図19中の点(d)から点(h)で表される。
以上説明したように、本実施の形態2の空気調和装置101によれば、デフロスト対象の室外熱交換器13を通った冷媒を、低圧(圧縮機11の吸入圧力相当)に流入させている。このため、制御装置60は、中間圧(点(d))の制御と、中圧(点(f))の制御とを分けて行うことができる。また、中間圧が中圧と比較して高くなってもよいため、第2の流量制御装置15a及び15bにCv値が小さな小型の弁を用いることができる。
また、中間圧が中圧よりも高い場合、デフロスト対象の室外熱交換器13を通った後、圧縮機11にインジェクションされる冷媒が室内機30a、30bから室外機10に戻ってきた中間圧の冷媒と冷媒間熱交換器28で熱交換し、インジェクションされる冷媒が加熱され、主冷媒回路を流れる冷媒が冷却(過冷却)される。このため、蒸発器として動作する室外熱交換器13においてエンタルピ差を広げ、外気からの吸熱量を増やすことができ、暖房能力を向上させることができる。この点、上述した実施の形態1の空気調和装置100では、デフロスト対象の室外熱交換器13を通った冷媒を主流に戻すため、中間圧(第2の延長配管50の圧力)を、中圧(デフロスト対象の室外熱交換器13に流入する冷媒の圧力)と比較して下げる必要がある。
実施の形態3.
図20は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置102の構成を示す図である。図20において、図1、図16等と同じ符号を付している機器等については、実施の形態1又は実施の形態2で説明したことと同様の動作を行う。そこで、以下、本実施の形態の空気調和装置102が実施の形態2で説明した空気調和装置101と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態3に係る空気調和装置102は、上記実施の形態2の空気調和装置101の構成に加え、主冷媒回路において中間圧となる配管(第2の延長配管50と第2の流量制御装置15a及び15bとの間の配管)から第2のデフロスト配管27の冷媒間熱交換器28の上流側に冷媒が流入するように圧力調整する第4の流量制御装置29が設置されている。ここで、実施の形態3においても、第3の流量制御装置15cが、本発明の「第3の絞り装置」に相当する。また、第4の流量制御装置29が、本発明の「第4の圧力調整装置」に相当する。
本実施の形態3の暖房デフロスト運転においても、実施の形態2と同様に、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の流量制御装置15cとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。また、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→冷媒間熱交換器28→絞り装置20→圧縮機11のインジェクション部(ポート)となる冷媒経路(中圧デフロスト回路、第2の冷媒経路)を形成する。
本実施の形態3の暖房デフロスト運転では、第3の流量制御装置15cと第4の流量制御装置29とにより中圧の制御を行うものである。例えば、制御装置60は、デフロストする冷媒流量が少なく中圧を制御しようとすると、第3の流量制御装置15cが全閉となってしまう場合に、第4の流量制御装置29の開度を調整して中圧を上昇させる制御を行う。
第3の電磁弁19bを通過した冷媒は、実施の形態2と同じく、冷媒間熱交換器28において暖房用の冷媒と熱交換する。そして、暖房用の冷媒の過冷却度を増大させ、蒸発器として動作する室外熱交換器13における吸熱量を増やし、暖房能力を向上することができる。
以上説明したように、本実施の形態3の空気調和装置102によれば、デフロストする冷媒流量が少ない場合にも第4の流量制御装置29を開くことで圧力調整した中間圧の冷媒を流入させ、デフロスト対象の室外熱交換器13に対する中圧制御を安定して行うことができる。また、冷媒間熱交換器28における熱交換により、暖房用の冷媒の過冷却度を大きくすることができるので、蒸発器として機能する室外熱交換器13において外気からの吸熱量を増やして暖房能力を向上することができる。
実施の形態4.
図21は、本発明の実施の形態4に係る空気調和装置103の構成を示す図である。図21において、図20と同じ符号を付している機器等については、実施の形態1〜3で説明したことと同様の動作等を行う。以下、空気調和装置103が実施の形態3の空気調和装置102と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態4に係る空気調和装置103は、上述した実施の形態3の空気調和装置102の構成に代えて、第1のデフロスト配管26の一方の端部を第1の接続配管24a及び24bと接続する。また、第2のデフロスト配管27の一方の端部を第2の接続配管25a及び25bと接続する。
また、実施の形態3の空気調和装置102では、第1の接続配管24aと24bとをバイパスするように第3の流量制御装置を設置していた。しかし、本実施の形態の空気調和装置103では、デフロストを行った冷媒が、第2のデフロスト配管27及び第3のデフロスト配管71を通過して、第1の接続配管24a又は24b側に流れるように第3の流量制御装置15c並びに逆止弁70a及び70bを設置している。ここで、本実施の形態4における空気調和装置104の第3の流量制御装置15cと空気調和装置103の第4の流量制御装置29とは、本発明の「第3の絞り装置」と「第4の絞り装置」とに相当する。
図22は、本発明の実施の形態4に係る空気調和装置104の構成を示す図である。図22の空気調和装置104は、空気調和装置103から第3の流量制御装置15c並びに逆止弁70a及び70bを除いたものである。
図21及び図22のような構成とすることで、本実施の形態の空気調和装置103及び104の室外熱交換器13内における冷媒の流れは、実施の形態1〜3の空気調和装置100〜102における冷媒の流れとは逆方向となる。
制御装置60は、通常暖房運転を行っているときに、着霜状態を解消するデフロストが必要と検知した場合、デフロスト対象の室外熱交換器13bに対応する第1の電磁弁16bを閉止し、第2の流量制御装置15bを全閉状態にする。また、制御装置60は、第2の電磁弁17b、第3の電磁弁19bを開き、絞り装置18の開度を予め設定した開度に開く。そして、制御装置60は、空気調和装置104では、第3の流量制御装置15cの開度を開き、空気調和装置103では、第4の流量制御装置29の開度を開く。
これによって、空気調和装置103では、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→第3の流量制御装置15c→第1の接続配管24aとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。また、空気調和装置104では圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→第4の流量制御装置29→冷媒熱交換器28→第2の流量制御装置15a→第1の接続配管24aとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。そして、第2の経路として圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→冷媒熱交換器28→絞り装置20→圧縮機11のインジェクション部(ポート)となる冷媒経路(中圧デフロスト回路、第2の冷媒経路)を形成する。そして、暖房デフロスト運転を開始する。
暖房デフロスト運転中、制御装置60は、第3の流量制御装置15c又は第4の流量制御装置29の開度を、デフロスト対象の室外熱交換器13bの圧力(中圧)が、飽和温度換算で0℃より高くかつ10℃以下になるように制御する。絞り装置20は、圧縮機11の吐出温度、吐出スーパーヒート等を制御するように、例えば吐出スーパーヒートが10K〜20K程度になるまで圧縮機11に冷媒をインジェクションできる開度とする。
ここで、図2に示すように、第1の接続配管24a及び24bは、室外熱交換器13a及び13bにおける空気の流れ方向の上流側の伝熱管5aに接続されている。室外熱交換器13a及び13bの伝熱管5aは、空気の流れ方向に複数列設けられており、下流側の列へ順次流れる。このため、デフロスト対象の室外熱交換器13bへ供給される冷媒は、空気の流れ方向の上流側の伝熱管5aから下流側の方向に流れることとなり、冷媒の流れ方向と空気の流れ方向とが一致した並行流とすることができる。
以上説明したように、本実施の形態4によれば、デフロスト対象の室外熱交換器13において、冷媒の流れの方向と空気の流れの方向を一致させることができる。また、冷媒の流れを並行流にすることで、デフロスト時に空気に放熱した熱を下流のフィン5bに付着している霜のデフロストに使うことができるので、デフロストの効率を上げることができる。
実施の形態5.
実施の形態1から実施の形態4においては、室外熱交換器13が2つの室外熱交換器13a、13bに分割されている場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。3つ以上の室外熱交換器を備える構成においても、上述した発明思想を適用することで、一部の室外熱交換器13をデフロスト対象とし、他の一部又は全部の室外熱交換器13で暖房運転を継続するように動作させることができる。
また、実施の形態1から実施の形態4においては、1台の室外熱交換器を分割して複数の室外熱交換器13とする場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。互いに並列に接続された別個の室外熱交換器13を複数備える構成においても、上述した発明思想を適用することで、一部の室外熱交換器13をデフロスト対象とし、他の一部の室外熱交換器13で暖房運転を継続するように動作させることができる。
5a 伝熱管、5b フィン、10 室外機、11 圧縮機、12 冷暖切替装置、13,13a,13b 室外熱交換器、14 アキュムレータ、15a,15b 第2の流量制御装置、15c 第3の流量制御装置、16,16a,16b 第1の電磁弁、17,17a,17b 第2の電磁弁、18,20 絞り装置、19,19a,19b 第3の電磁弁、21 室外ファン、22 吐出配管、23 吸入配管、24,24a,24b 第1の接続配管、25,25a,25b 第2の接続配管、26 第1のデフロスト配管、27 第2のデフロスト配管、28 冷媒間熱交換器、29 第4の流量制御装置、30,30a,30b 室内機、31,31a,31b 室内熱交換器、32,32a,32b 第1の流量制御装置、40,41a,41b 第1の延長配管、50,51a,51b 第2の延長配管、60 制御装置、70a,70b 逆止弁、71 第3のデフロスト配管、100,101,102,103,104 空気調和装置。
これによって、空気調和装置103では、圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→第3の流量制御装置15c→第1の接続配管24aとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。また、空気調和装置104では圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→第4の流量制御装置29→冷媒熱交換器28→第2の流量制御装置15a→第1の接続配管24aとなる冷媒経路(第1の冷媒経路)を形成する。そして、第2の経路として圧縮機11→絞り装置18→第2の電磁弁17b→室外熱交換器13b→第3の電磁弁19b→冷媒熱交換器28→絞り装置20→圧縮機11のインジェクション部(ポート)となる冷媒経路(中圧デフロスト回路、第2の冷媒経路)を形成する。そして、暖房デフロスト運転を開始する。

Claims (14)

  1. 圧縮行程の中間部分に冷媒をインジェクション可能とし、低圧の冷媒を吸入して圧縮して高圧の冷媒を吐出する圧縮機と、
    空調対象の空気と前記冷媒とを熱交換する室内熱交換器と、
    該室内熱交換器を通過する前記冷媒の流量を調整制御する第1の流量制御装置と、
    互いに並列に接続され、外部の空気と前記冷媒とを熱交換する複数の室外熱交換器とを配管で接続して、前記冷媒が循環する主冷媒回路を構成し、
    前記圧縮機が吐出した冷媒の一部が分岐して通過し、デフロスト対象となる前記室外熱交換器に流入させる第1のデフロスト配管と、
    前記第1のデフロスト配管を通過する冷媒を、前記低圧よりも高く、前記高圧よりも低い中圧に圧力調整する第1の圧力調整装置と、
    前記デフロスト対象の前記室外熱交換器を通過した冷媒を、前記圧縮機にインジェクションさせる第2のデフロスト配管と、
    前記第2のデフロスト配管を通過する冷媒をインジェクション圧まで圧力調整する第2の圧力調整装置と
    を備えた空気調和装置。
  2. 前記複数の室外熱交換器のうち、デフロスト対象となる前記室外熱交換器以外の前記室外熱交換器の少なくとも1つを蒸発器として機能させて前記デフロストを行うと共に暖房を行う請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記デフロスト対象となる前記室外熱交換器から流出した冷媒を圧力調整して、蒸発器となる前記室外熱交換器の上流側の前記主冷媒回路へ流入させる第3の圧力調整装置をさらに備えた請求項2に記載の空気調和装置。
  4. 前記主冷媒回路を流れて前記蒸発器として機能する室外熱交換器に流入する冷媒と前記第2のデフロスト配管を流れる冷媒とを熱交換する冷媒間熱交換器をさらに備えた請求項3に記載の空気調和装置。
  5. 前記主冷媒回路を流れる冷媒を圧力調整して前記第2のデフロスト配管に流入させる第4の圧力調整装置をさらに備えた請求項1〜4の何れか一項に記載の空気調和装置。
  6. 前記室外熱交換器は、内部を冷媒が通過し、空気通過方向に対して垂直方向の段方向及び前記空気通過方向である列方向に複数設けられた伝熱管と、
    前記空気通過方向に空気が通過するように間隔を空けて配置された複数のフィンとを有し、
    前記空気通過方向の風上側の列の前記伝熱管に接続された配管と前記第1のデフロスト配管とを接続し、
    前記空気通過方向の風下側の列の前記伝熱管に接続された配管と前記第2のデフロスト配管とを接続する請求項1〜5の何れか一項に記載の空気調和装置。
  7. 前記第3の圧力調整装置は、前記デフロスト対象となる室外熱交換器から流出する冷媒の圧力を制御する請求項3〜6の何れか一項に記載の空気調和装置。
  8. 前記第3の圧力調整装置は、飽和温度換算で0℃より高くかつ10℃以下の範囲内となるように、前記デフロスト対象の室外熱交換器から流出する冷媒の圧力を制御する請求項7に記載の空気調和装置。
  9. 前記第2の圧力調整装置の圧力調整により、前記圧縮機が吐出する冷媒の吐出温度又は吐出スーパーヒートを制御する請求項1〜8の何れか一項に記載の空気調和装置。
  10. 空調対象空間外の空気である外気温度を検出する外気温度検出装置をさらに備え、
    前記第1の圧力調整装置は、前記外気温度に基づいて流量制御を行う請求項1〜9の何れか一項に記載の空気調和装置。
  11. 空調対象空間外の空気である外気温度を検出する外気温度検出装置をさらに備え、
    前記外気温度に基づいて、デフロスト運転を開始するか否かの判定基準を変更する請求項1〜10の何れか一項に記載の空気調和装置。
  12. 空調対象空間外の空気である外気温度を検出する外気温度検出装置をさらに備え、
    デフロスト対象の前記室外熱交換器を選択してデフロストし、他の前記室外熱交換器を蒸発器として機能させて暖房を継続する暖房デフロスト運転モードと、すべての前記室外熱交換器をデフロストする暖房停止デフロスト運転モードとを、前記外気温度に基づいて選択する請求項1〜11の何れか一項に記載の空気調和装置。
  13. 空調対象空間外の空気である外気温度を検出する外気温度検出装置と、前記複数の室外熱交換器に前記外気を送り込む室外ファンとをさらに備え、
    前記デフロスト対象の前記室外熱交換器をデフロストしているときに、前記外気温度に基づいて前記室外ファンの出力を変更する請求項1〜12の何れか一項に記載の空気調和装置。
  14. デフロスト運転モードにおいて、各室外熱交換器を少なくとも1回以上デフロストする請求項1〜13の何れか一項に記載の空気調和装置。
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