WO2010038518A1 - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

本発明は、室外熱交換器の温度と外気温度をパラメータとして、バイパス除霜領域とリバース除霜領域とを設定し、バイパス除霜方式とリバース除霜方式とをうまく使い分け、暖房運転時に、バイパス除霜をリバース除霜よりも入り易く、かつ時間的に短くすることにより、通常はバイパス除霜で除霜時の室温低下を抑え、必要時にはリバース除霜を行う。これにより、バイパス除霜とリバース除霜とをうまく使い分け、快適的と信頼性に優れた空気調和機を提供する。

Description

空気調和機

　本発明は、一般家庭やオフィス等で使用される、複数の除霜方式を備えた空気調和機に関するものである。

　一般家庭やオフィス等で使用される空気調和機には、四方弁により冷房・暖房を切替るサイクル構成になっており、圧縮機の吐出側と室外熱交換器の暖房運転時の入口側とに接続され、開閉可能な開閉弁を有するバイパス回路を備え、除霜運転の際にはバイパス回路の開閉弁（電磁弁）を開き除霜を行うバイパス除霜と、開閉弁は開かないで四方弁を切替え、冷媒の循環サイクルを暖房運転時とは逆方向にして除霜を行うリバース除霜とを使分けるものが知られている（特許文献１，２，３参照）。

　特許文献１では、暖房運転時に、室外熱交換器の入口温度あるいは出口温度を検出し、その温度が除霜動作値以下になったときにバイパス回路の開閉弁（電磁弁）を開にしてバイパス除霜を開始する。この除霜開始後、室外熱交換器の出口温度の変化率を検出し、その温度変化率が所定値以上であるときには、バイパス除霜方式による除霜を継続し、温度変化率が所定値以上でないときには冷凍サイクルの冷媒を逆に流すリバース除霜方式に切り替えることが開示されている。

　特許文献２では、バイパス除霜方式の除霜運転を行った後、次回の除霜方式運転又はリバース除霜運転を選択実行するものとし、特に、所定時間以下の暖房運転を所定回数実行した場合、リバース除霜を行うことが開示されている。

　特許文献３には、除霜禁止時間の経過後にバイパス除霜運転を所定時間実行し、バイパス除霜運転の終了後に室外熱交換器の検出温度に基づいて除霜禁止時間を変更して次回の除霜運転を開始すること、およびバイパス除霜運転の実行後に室外熱交換器の検出温度が複数回連続してリバース除霜運転開始条件の温度以下になったとき、リバース除霜運転を実行することが開示されている。

　なお、特許文献４には、バイパス除霜方式とリバース除霜方式を併用する空気調和機ではないが、室外熱交換器の除霜運転開始条件として、外気温度と室外熱交換器温度から計算される２つの条件式のそれぞれに補正係数を加えて、リバース除霜運転の開始条件とすることが開示されている。

特開平11-182995号公報 特開2002-107014号公報 特開2008-101819号公報 特開2008-14593号公報

　ところで、暖房運転を長時間行うと、室外熱交換器に霜が着く。一般にリバース除霜とよばれる除霜運転で、四方弁を切換えて冷房サイクルで運転することにより室外熱交換器に着いた霜をとかすことができるが、その際は室内熱交換器の温度は下がり、室温の低下をまねく。

　また、室温の低下を抑えるために、開閉弁（電磁弁）で開閉可能な室外熱交換器と絞り装置との間から圧縮機の吐出部へ接続するバイパス回路を備え、一般にバイパス除霜とよばれる除霜運転で、開閉弁を開くことにより、高温冷媒を室外熱交換器・室内熱交換器の両方に流すバイパス除霜方式がある。このバイパス除霜方式によると、室温の低下を抑えながら霜をとかすことができるが、除霜能力は劣るため、環境条件によっては全ての霜をとかすことができず、霜が成長していき、暖房能力や信頼性が低下することがある。

　このような除霜方式の差により、特許文献１～３の空気調和機では、バイパス除霜方式とリバース除霜方式とを使い分けているが、その使い分けが十分とはいえず、快適性と信頼性に難点があった。

　本発明は、上記に鑑み、バイパス除霜とリバース除霜とをうまく使い分け、快適的と信頼性に優れた空気調和機の提供を目的とするものである。

　上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機と四方弁と室外熱交換器と絞り装置と室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルが構成され、前記冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器と絞り装置との間から圧縮機の吐出側に接続され、開閉弁で開閉可能なバイパス回路が設けられ、暖房運転時に前記四方弁を切換えて除霜を行うリバース除霜運転と、四方弁は切換えないで前記開閉弁を開くことにより除霜を行うバイパス除霜運転とのうちの一方を選択的に実行する制御部を備え、前記制御部は、バイパス除霜運転の開始から終了までの最大除霜時間を、前記リバース除霜運転の最大除霜時間より短い時間に設定することを特徴とする。

　上記構成によると、バイパス除霜を終了する際の終了条件の中で、除霜最大時間をバイパス除霜とリバース除霜では差を設けている。すなわち、バイパス除霜の室温低下が少ない特徴を、より活かすために、バイパス除霜の除霜最大時間をリバース除霜の除霜最大時間より短くし、室温低下の小さいうちに除霜運転を終了させるようにしている。

　また、本発明では、室外熱交換器の温度と外気温度とを検出する手段を有し、制御部は、室外熱交換器の温度と外気温度とをパラメータとして構成される除霜領域として、リバース除霜用の領域とバイパス除霜用の領域の２つの異なる除霜領域を設定し、検出された室外熱交換器温度および外気温度がリバース除霜領域に入ったときにリバース除霜運転を実行し、検出された室外熱交換器温度および外気温度がバイパス除霜領域に入ったときにバイパス除霜運転を実行するようにしてもよい。

　ここで、バイパス除霜領域の少なくとも一部において、室外熱交換器の温度は、リバース除霜領域の室外熱交換器温度より高温側に設けるようにしてもよい。

　つまり、バイパス除霜の運転開始条件を、リバース除霜の運転開始条件よりも除霜運転に入り易い条件とすることができる。

　上記構成によると、バイパス除霜とリバース除霜の運転開始条件にも差を設け、バイパス除霜の運転開始条件を、リバース除霜の運転開始条件よりも除霜運転に入り易い条件としている。これにより、バイパス除霜時は室外熱交換器に着霜すると早めに除霜を開始することになり、除霜時間を早く終わらせるようにしている。

　また、制御部は、暖房運転開始から所定時間除霜を行わない除霜マスク時間を設定し、その除霜マスク時間終了時に、検出された室外熱交換器の温度がリバース除霜領域より低温のときはリバース除霜運転を行い、バイパス除霜領域より低温でリバース除霜領域より高温のときはバイパス除霜を行い、バイパス除霜領域より高温のときはバイパス除霜領域に入るまで暖房運転を継続するように制御するようにしてもよい。

　上記構成によると、大量の着霜が有った場合や、前回の除霜で霜が残っていた場合などは、室外熱交換器温度がリバース除霜の領域に入る場合が多いので、この場合、リバース除霜運転を行うことにより、確実にすべての霜を取り除くことができる。

　なお、圧縮機の吸引側のサクション温度を検出する手段を有し、制御部では、バイパス除霜運転の終了条件として、バイパス除霜運転の最大除霜時間経過による終了以外に、圧縮機の吸引側のサクション温度が所定値以上に上昇したときにバイパス除霜運転を終了するようにしてもよい。室外熱交換器に付着した霜が融ければ、サクション管の温度が上昇するので、バイパス除霜運転の終了を判断することができる。

　また、室外熱交換器の温度を検出する手段を有し、制御部では、リバース除霜運転の終了条件として、前記リバース除霜運転の最大除霜時間経過による終了以外に、室外熱交換器の温度が所定値を超えたときにリバース除霜運転を終了するようにしてもよい。室外熱交換器の温度が上昇すれば、付着した霜も融けているので、リバース除霜運転の終了を判断することができる。

　本発明によると、暖房運転時における除霜時に、バイパス除霜をリバース除霜よりも時間的に短くすることにより、通常はバイパス除霜で除霜時の室温低下を抑え、必要時にはリバース除霜を行うことにより、快適的と信頼性に優れた空気調和機を提供することができる。

本発明に係る空気調和機における除霜制御のフローチャートである。 本発明に関する通常暖房運転時とバイパス除霜時の概略構成図である。 本発明に関する通常冷房運転時とリバース除霜時の概略構成図である。 本発明に係る空気調和機における除霜制御ブロック図である。 本発明に関するバイパス除霜とリバース除霜の領域判定概略図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

　図１は本発明に係る空気調和機における除霜制御のフローチャートである。図２は本発明に係る空気調和機における通常暖房運転時とバイパス除霜運転時の概略構成図、図３は本発明に係る空気調和機における通常冷房運転時とリバース除霜運転時の概略構成図である。図４は本発明に係る空気調和機における除霜制御ブロック図である。図５は本発明に係る空気調和機における除霜の要・不要を判断する除霜条件の概念図である。

　本実施形態の空気調和機では、圧縮機１１と四方弁１２と室外熱交換器１４と絞り装置１３と室内熱交換器２４とを順次接続して冷凍サイクル３３が構成される。すなわち、冷房運転時には、圧縮機１１から吐出された冷媒は、四方弁１２、室外熱交換器１４、絞り装置１３、室内熱交換器２４、四方弁１２を経て圧縮機１１に戻る。暖房運転時には、圧縮機１１から吐出された冷媒は、四方弁１２、室内熱交換器２４、絞り装置１３、室外熱交換器１４、四方弁１２を経て圧縮機１１に戻る。この冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器１４と絞り装置１３との間から圧縮機１１の吐出側に接続され、開閉弁１９で開閉可能なバイパス回路３４が設けられている。

　また、暖房運転時に四方弁１２を切換えて除霜を行うリバース除霜運転と、四方弁１２を切換えないで開閉弁１９を開くことにより除霜を行うバイパス除霜運転とのうちの一方を選択的に実行する制御部３１を備えている。

　制御部３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、その入力側には室外熱交換器温度センサ１６、外気温度センサ１７およびサクション温度センサ１８が接続され、また、出力側にはバイパス開閉弁（電磁弁）１９、四方弁１２、室外ファン１５および室内ファン２５が接続される。また、制御部３１には、暖房運転の開始からの運転時間をカウントしたり、あるいは除霜時間をカウントするタイマー３２が接続される。そして、制御部３１では、暖房運転時には以下のような除霜制御を実行することになる。

　図１は暖房運転時の除霜制御フローチャートである。図１に示すように、暖房運転モードに入ると、暖房運転を開始する（Ｓ１：ステップ１）。この暖房運転中は、常時、外気温度の検出（Ｓ２：ステップ２）と室外熱交換器の温度を検出している（Ｓ３：ステップ３）。暖房運転開始からタイマー３２により運転時間がカウントされる（Ｓ４：ステップ４）。暖房運転開始からカウントして除霜を行わない除霜マスク時間を終了した時点（Ｓ５：ステップ５）で、検出された外気温度と室外熱交換器温度との関係から除霜条件に入っているか否かを判断する（Ｓ６：ステップ６）。

　ステップ６にて室外熱交換器の温度がリバース除霜条件に入っている場合（Ｓ７：ステップ７）はリバース除霜を行なう（Ｓ８：ステップ８）。リバース除霜は、開閉弁１９は開かないで四方弁１２を切替え、冷媒の循環サイクルを暖房運転時とは逆方向（冷房サイクル）にして除霜を行う。この際、室外ファン１５および室内ファン２５は停止する。

　リバース除霜に入ると、除霜時間をカウントする（Ｓ９：ステップ９）。リバース除霜最大除霜時間を経過、または室外熱交換器温度がリバース除霜終了条件（例えば１４℃以上）を満たせば（Ｓ１０：ステップ１０）、リバース除霜を終了（Ｓ１１：ステップ１１）して暖房運転（Ｓ１：ステップ１）に復帰する。

　また、除霜マスク時間を終了した時点で（Ｓ５：ステップ５）、室外熱交換器温度がバイパス除霜条件に入れば（Ｓ１２：ステップ１２）、バイパス除霜を行なう（Ｓ１３：ステップ１３）。バイパス除霜は、バイパス回路３４の開閉弁（電磁弁）１９を開き、暖房サイクルで冷媒を循環させる。この際、室外ファン１５を停止し、室内ファン２５は、風量を低下した弱風運転を断続的に行う。

　バイパス除霜に入ると、除霜時間をカウントする（Ｓ１４：ステップ１４）。バイパス除霜の最大除霜時間を経過するか、又はサクション管の温度がバイパス除霜終了条件（例えば４℃以上になったとき）を満たせば（Ｓ１５：ステップ１５）、パイパス除霜を終了（Ｓ１１：ステップ１１）して暖房運転（Ｓ１：ステップ１）に復帰する。

　除霜マスク時間を終了した時点で（Ｓ５：ステップ５）、室外熱交換器の温度がバイパス除霜条件よりも高ければ（Ｓ１６：ステップ１６）、バイパス除霜条件に入るまで暖房運転を継続する。

　図２は通常の暖房運転時とバイパス除霜運転時の冷凍サイクルを示す概略構成である。圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒Ａ１は四方弁１２を通り、室内熱交換器２４へ向かい、室内ファン２５で熱を室内に放出することにより暖房を実現している。

　室内空気で冷やされた冷媒Ａ１は膨張弁（絞り装置）１３にて絞られることにより、低温・低圧の冷媒となり、室外熱交換器１４に入り、室外ファン１５で送風されることにより、外気の熱を吸収して、冷媒Ａ１は再び四方弁１２を経由した後、サクション管より圧縮機１１に流入して戻る。

　なお、１７は外気温度を検知する外気温度センサ、２６は室内熱交換器温度を検知する室内熱交換器温度センサ、１８は圧縮機１１の吸入側に設けられたサクション管の温度を検知するサクション温度センサである。

　ここで、暖房運転中は開閉弁１９（バイパス弁）は閉じられていて、冷媒Ａ１は全て四方弁１２の方向に流れるが、室外熱交換器１４に霜が付いて室外熱交換器温度センサ１６の温度が下がり、バイパス除霜を行うときは開閉弁１９を開ける。そうすると、圧縮機から流出する高温・高圧の冷媒の一部Ａ３はバイパス回路３４から直接室外熱交換器１４に流れる。そのため、室外熱交換器１４に着いている霜を溶かすことができる。霜が溶ければサクション管に付けているサクション温度センサ１８の温度が上昇するので、除霜運転の終了を判断することができる。

　また、バイパス除霜最大時間を比較的小さい時間に設定しておけば、室温低下の小さいうちに除霜運転を終了させることも可能である。また、バイパス除霜では、一部の冷媒Ａ１は室内熱交換器２４にも流れているので、室内熱交換器２４の温度は極端に低下することなく、暖房復帰時に早く室温を上昇させることができる。

　図３は冷房運転時やリバース除霜運転時のサイクル概略構成である。リバース除霜運転時には、冷房運転時と同様に、圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒Ａ２が、四方弁１２を経由して室外熱交換器１４、絞り装置１３、室内熱交換器２４を通り四方弁１２から圧縮機１１に戻るサイクルを繰り返す。このとき、圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒Ａ２は、四方弁１２を経由して室外熱交換器１４に向かい、室外熱交換器１４に着いた霜を除去するが、霜が溶ければ室外熱交換器温度センサ１６の温度が上昇するので除霜運転の終了を判断することができる。

　また、リバース除霜最大時間を比較的長めに設定しておけば、確実に除霜を実現できる。リバース除霜では室内熱交換器２４には冷却された冷媒Ａ２が流れるので、室内熱交換器２４が極端に冷やされて室内機より冷気が自然落下したり、暖房復帰時に温風を出すのに時間が掛かる短所がある。そのため、確実に霜を取りたい時に限定してリバース除霜を行う工夫が必要であり、これを除霜領域の判定にて行う。

　図５は室外熱交換器温度（＝室外熱交サーモ温度：Ｔe）と外気温度(＝外気サーモ温度：Ｔa)の関係で示される除霜領域判定図である。図中、外気温度と室外熱交換器温度の交点が０℃で、室外熱交換器温度では、その交点よりも上側がプラス温度を、下側がマイナス温度を示す。また、外気温度では、交点（０℃）よりも右側がプラス温度を、左側がマイナス温度を示す。

　リバース除霜の領域は、室外熱交換器温度がＴｅ≦ＡｒとＴｅ≦Ｋ×Ｔａ+ＢとＴｅ≦Ｄで囲まれる線より下の領域に設定される。また、バイパス除霜の領域は、リバース除霜の領域よりも少し高温側のＴｅ≦ＡｂとＴｅ≦Ｋ×Ｔａ+ＣとＴｅ≦Ｄに囲まれた領域に設定される。ここで、リバース除霜の領域のＤとバイパス除霜領域のＤは、共通としているが、両者に差を持たせても良い。但し、Ｄ＜Ｂ＜Ｃ＜Ａｒ＜Ａｂである。

　運転開始後又は前回除霜運転を行ってから所定時間は、室外機に徐々に霜が着いてきても、外気から熱を吸収する能力があるので、ある程度が霜に覆われるまでは直ぐには除霜する必要は無く、除霜を行わない除霜マスク時間を設けることができる。

　この除霜マスク時間経過後に除霜判定を行い、大量に霜が付いている場合は室外熱交換器温度が低温となりリバース除霜領域に入るので、リバース除霜を選択することができる。

　除霜マスク時間終了時に大して霜が着いていないときは室外熱交換器温度が比較的高いので、バイパス除霜領域に入っているか、または除霜領域外で暖房運転を継続することができる。

　パイパス除霜領域に入っている場合や暖房運転継続後にバイパス除霜領域に低下してきた場合は、バイパス除霜を行うことで、バイパス除霜とリバース除霜の２通りの除霜を使分けることができる。

　バイパス除霜では、バイパス回路３４の開閉弁１９が開いているので、圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒は、バイパス回路３４の開閉弁１９と四方弁１２の２方向に分かれて流れる。そのため、室内熱交換器２４と室外熱交換器１４との両方に高温冷媒が向かうことになり、室温の低下を抑えながら除霜することが可能となる。

　しかし、冷媒を２方向に分けているため、暖房能力は通常の暖房運転よりも劣り、また、除霜能力はリバース除霜よりも劣ることになる。

　バイパス除霜の利点は、除霜運転時にある程度の暖房能力があるため室温の低下を防ぐことができることである。反面、除霜能力はリバース除霜方式よりも劣るため、条件によっては霜を完全に除去できない。また、除霜運転は長時間行うと室温が低下してしまい使用性が悪くなるため、バイパス除霜では最大時間をリバース除霜より短時間に設定している。

　そこで、通常は室温の低下を防ぐことが可能なバイパス除霜方式を実施するが、そのバイパス除霜の終了が最大時間に達して終了した場合は、完全に霜がとりきれていない場合も発生する。その場合は、除霜マスク時間終了後にリバース除霜領域に入っていることで判断できるので、除霜能力の高いリバース除霜方式を行なうことで、除霜不良による異常状態を防ぐことができる。

　以上の手順で、暖房運転及び暖房運転中の除霜運転を行うことにより、空気調和機の信頼性と暖房能力をさらに高めることができる。

　　　１１　　圧縮機
　　　１２　　四方弁
　　　１３　　膨張弁
　　　１４　　室外熱交換器
　　　１５　　室外ファン
　　　１６　　室外熱交換器温度センサ
　　　１７　　外気温度センサ
　　　１８　　サクション管温度センサ
　　　１９　　バイパス開閉弁
　　　２４　　室内熱交換器
　　　２５　　室内ファン
　　　２６　　室内熱交換器温度センサ
　　　３４　　バイパス回路

Claims (6)

1. 　圧縮機と四方弁と室外熱交換器と絞り装置と室内熱交換器を順次接続して冷凍サイクルが構成され、前記冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器と絞り装置との間から圧縮機の吐出側に接続され、開閉弁で開閉可能なバイパス回路が設けられ、暖房運転時に前記四方弁を切換えて除霜を行うリバース除霜運転と、四方弁は切換えないで前記開閉弁を開くことにより除霜を行うバイパス除霜運転とのうちの一方を選択的に実行する制御部を備え、
   　　前記制御部は、バイパス除霜運転の開始から終了までの最大除霜時間を、前記リバース除霜運転の最大除霜時間より短い時間に設定することを特徴とする空気調和機。
2. 　室外熱交換器の温度と外気温度とを検出する手段を有し、前記制御部は、室外熱交換器の温度と外気温度とをパラメータとして構成される除霜領域として、リバース除霜用の領域とバイパス除霜用の領域の２つの異なる除霜領域を設定し、検出された室外熱交換器温度および外気温度がリバース除霜領域に入ったときにリバース除霜運転を行い、検出された室外熱交換器温度および外気温度がバイパス除霜領域に入ったときにバイパス除霜運転を実行することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 　バイパス除霜領域の少なくとも一部において、室外熱交換器の温度は、リバース除霜領域の室外熱交換器温度より高温側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
4. 　制御部は、暖房運転開始から所定時間の除霜マスクタイム終了時に、検出された室外熱交換器の温度が前記リバース除霜領域より低温のときはリバース除霜運転を行い、バイパス除霜領域より低温でリバース除霜領域より高温のときはバイパス除霜を行い、バイパス除霜領域より高温のときはバイパス除霜領域に入るまで暖房運転を継続することを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
5. 　圧縮機の吸引側のサクション温度を検出する手段を有し、
   　前記制御部では、バイパス除霜運転の終了条件として、前記バイパス除霜運転の最大除霜時間経過による終了以外に、圧縮機の吸引側のサクション温度が所定値以上に上昇したときに終了するように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
6. 　室外熱交換器の温度を検出する手段を有し、前記制御部は、リバース除霜運転の終了条件として、前記リバース除霜運転の最大除霜時間経過による終了以外に、室外熱交換器の温度が所定値を超えたときに終了するように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。

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