JP2003336890A - 冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外気温度が低下した際に外気温度の低下に応
じてコンプレッサの運転を変化させて暖房能力の低下を
抑制する冷暖房装置を提供する。 【解決手段】 作動流体と外気との間で熱交換を行なわ
せる室外熱交換器１１と、予め設定された運転周波数制
限の下で、モータ２０の回転数を変化させて吸熱した作
動流体の加圧を行なうコンプレッサ１２と、加圧された
作動流体と室内空気との間で熱交換を行なわせる室内熱
交換器１３と、コンプレッサ１２の運転を制御する制御
手段１４とを有する冷暖房装置１０において、制御手段
１４は、暖房運転時に、外気の温度が下降して予め設定
した第１の低温設定温度以下になったときに、運転周波
数制限を解除してモータ２０を常用運転時の最大回転数
で回転させ、更に、予め設定された第１の除霜間隔時間
で除霜運転を行なわせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外気温度の低下に
応じてコンプレッサの運転を変化させ外気温度が低下し
ても暖房能力の低下を少なくする冷暖房装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ヒートポンプ式の冷暖房装置によ
る暖房運転では、コンプレッサを駆動するモータの最大
回転数を、過負荷運転とならないようにモータの定格回
転数の範囲内で運転開始時には大きな値に設定し、その
後運転時間の経過と共に段階的に低下させるというモー
タの回転数制限を行なっていた。そして、実際に暖房運
転を行なう際には、そのときの回転数制限内の最大回転
数でモータを回転させたときの出力を最大出力として、
例えば、設定した暖房温度と現在の温度との偏差を求め
て、この偏差に応じてモータの出力を決定してモータを
回転させていた。このように、モータに回転数制限値を
設定してコンプレッサの運転を行なうことにより、外気
の温度が上昇しても、コンプレッサが過負荷状態になら
ないようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コンプ
レッサの保護のためにモータに回転数制限を設けて暖房
運転を行なうことは、外気の温度の高低とは無関係に行
なわれているため、外気の温度が０℃以下、例えば、−
７℃や−１５℃のように著しく下降すると、室外熱交換
器で外気から吸熱する熱量自体が少なくなるため、暖房
能力が急激に低下するという問題が生じていた。このた
め、暖房能力が低下したことを補うために、補助加熱機
器を設ける等の対策が取られていたが、補助加熱機器の
増設に伴う製造コストの上昇を招いていた。更に、冷暖
房装置の暖房運転に際しては、補助加熱機器の運転経費
が必要なため、暖房運転の総運転経費が上昇するという
問題が生じていた。本発明はかかる事情に鑑みてなされ
たもので、外気温度が低下した際に外気温度の低下に応
じてコンプレッサの運転を変化させて暖房能力の低下を
少なくする冷暖房装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る冷暖房装置は、作動流体と外気との間で熱交換を行
なわせる室外熱交換器と、予め設定された運転周波数制
限の下で、モータの回転数を変化させて前記作動流体の
加圧を行なうコンプレッサと、加圧された前記作動流体
と室内空気との間で熱交換を行なわせる室内熱交換器
と、前記コンプレッサの運転を制御する制御手段とを有
する冷暖房装置において、前記制御手段は、暖房運転時
に、前記外気の温度が下降して予め設定した第１の低温
設定温度以下になったときに、前記運転周波数制限を解
除して前記モータを常用運転時の最大回転数で回転さ
せ、更に、予め設定された第１の除霜間隔時間で除霜運
転を行なわせる。

【０００５】外気温度が下降して、予め設定した第１の
低温設定温度（例えば、１〜−２℃）以下になると、室
外熱交換器で作動流体が吸熱できる熱量が少なくなっ
て、作動流体が気化できる割合は小さくなり、しかも、
気化した作動流体の体積も小さい。このため、コンプレ
ッサで気化した作動流体を加圧する際に、コンプレッサ
に余力が生じる。そこで、コンプレッサを駆動させるモ
ータの回転数を制御するインバータにおける運転周波数
制限を解除して、モータの回転数を常用運転時の最大回
転数にすることができる。その結果、コンプレッサの出
力を向上させることができ、作動流体の圧力を向上させ
て室外熱交換器に流入する作動流体の量を増加させるこ
とができる。そのため、作動流体と外気との間の熱交換
効率を向上させることができ、作動流体が吸収する熱量
を増加させることができる。一方、室外熱交換器におけ
る熱交換効率の向上で、室外熱交換器の吸熱面の温度は
低下して着霜し易い状態となるが、予め設定された第１
の除霜間隔時間、例えば３０〜５０分の間隔で、５〜１
０分間の除霜運転を行なうことで、霜取りを行なって吸
熱面での熱交換効率が低下することを防止できる。

【０００６】本発明に係る冷暖房装置において、前記制
御手段は、前記外気の温度が前記第１の低温設定温度よ
り低く設定された第２の低温設定温度以下に下降したと
きに、前記除霜運転を前記第１の除霜間隔時間より長い
第２の除霜間隔時間で行なわせることが好ましい。外気
温度が更に下降して第２の低温設定温度（例えば、−３
〜−８℃）以下になると、空気中の飽和水蒸気圧も低下
する。このため、室外熱交換器の吸熱面で作動流体と外
気の間で熱交換が行なわれて吸熱面の温度が低下して
も、吸熱面の着霜量は少なくなる。従って、除霜運転を
行なう時間間隔を、第１の除霜間隔時間よりも延長した
第２の除霜間隔時間、例えば、６０〜１００分とするこ
とができる。その結果、除霜運転時間の割合が小さくな
った分だけ暖房運転を長く行なうことができる。

【０００７】本発明に係る冷暖房装置において、前記制
御手段は、前記外気の温度が前記第２の低温設定温度以
下に下降して、しかも、前記モータの最大回転数が該モ
ータの定格回転数未満の場合、該モータをより高い回転
数で運転させることができる。外気温度が第２の低温設
定温度以下に下降した際に、コンプレッサを駆動させる
モータの定常運転時の最大回転数が、モータの定格回転
数未満である場合、モータの運転能力にはまだ余力が存
在する。このため、モータの回転数をより高い回転数ま
で上げて、コンプレッサを運転することができる。その
結果、作動流体の圧力を更に高めることができ、室外熱
交換器に流入する作動流体の量を更に増加することがで
きる。このため、外気温度が更に低下しても、室外熱交
換器における作動流体と外気との間の熱交換効率の低下
を少なくすることができる。なお、モータは定格回転数
以下で運転されるので、この回転数で連続運転を行なっ
ても、モータが故障することはない。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の一実施の形
態に係る冷暖房装置の構成図、図２は同冷暖房装置の暖
房運転時の制御内容を示すフロー図である。図１に示す
ように、本発明の一実施の形態に係る冷暖房装置１０
は、作動流体の一例であるフロンと外気の間で熱交換を
行なわせる室外熱交換器１１と、フロンの加圧を行なう
コンプレッサ１２と、加圧されたフロンと室内空気との
間で熱交換を行なわせる室内熱交換器１３と、コンプレ
ッサ１２の運転を制御する制御手段１４とを有してい
る。以下、これらについて詳細に説明する。

【０００９】室外熱交換器１１は、暖房運転時に、外気
からフロンに熱を吸収させる熱交換が行なわれる室外熱
交換器本体１５と、室外熱交換器本体１５に熱交換させ
る外気を送風する室外送風機１６を有している。室内熱
交換器１３はフロンから室内空気に熱を吸収させる熱交
換が行なわれる室内熱交換器本体１７と、室内熱交換器
本体１７に熱交換させる室内空気を送風する室内送風機
１８を有している。コンプレッサ１２は、室外熱交換器
本体１５で吸熱したフロンを加圧するコンプレッサ本体
１９と、コンプレッサ本体１９を駆動させるモータ２０
と、モータ２０に印加する電圧の周波数を変化させるこ
とによりモータ２０の回転数を制御するインバータ２１
を有している。室外熱交換器本体１５の出口２２とコン
プレッサ本体１９の入口２３とは四方弁２４を介して配
管２５で接続され、コンプレッサ本体１９の出口２６と
室内熱交換器本体１７の入口２７とは四方弁２４を介し
て配管２８で接続されている。また、室内熱交換器本体
１７の出口２９と室外熱交換器本体１５の入口３０とは
絞り機構の一例である膨張弁３１を介して配管３２で接
続されている。

【００１０】このような構成とすることにより、室外熱
交換器本体１５から流出したフロンを配管２５を介して
コンプレッサ１２に導入して、フロンを断熱状態で加圧
することができる。その結果、フロンを圧縮することに
より、フロンの温度を上昇させることができ、フロンは
高温高圧のガスとなる。この圧縮して温度が上昇したフ
ロンを配管２８を介して入口２７から室内熱交換器本体
１７に導入し、室内送風機１８で室内の空気を吹きつけ
ることにより、空気と温度の高いフロンとの間で熱交換
を行なわせて空気を加熱し、加熱されて温度上昇した空
気を室内に吹き出させることができる。一方、フロンは
室内の空気を加熱した分だけ温度が下がって凝縮し、中
温高圧の液体となり室内熱交換器本体１７の出口２９か
ら配管３２を介して排出され、更に、膨張弁３１を通過
する際に断熱膨張を起して、フロンの温度は急激に低下
して低温低圧の液となる。この低温低圧の液のフロンを
入口３０から室外熱交換器本体１５に導入し、室外送風
機１６により外気を吹きつけることにより低温のフロン
との間で熱交換を行なわせて、外気から熱を吸収させて
フロンを低温低圧のガスとする。そして、外気から吸熱
して温度が上昇したフロンを再度コンプレッサ１２で加
圧して室内熱交換器本体１７に導入するという上述の一
連の動作を繰り返すことにより、フロンが室外熱交換器
１１で外気から吸収した熱を用いて室内熱交換器１３で
室内空気の加熱を行なうことができ、これにより室内の
暖房を行なうことができる。

【００１１】制御手段１４は、室外送風機１６及びコン
プレッサ１２の運転制御を行なう室外機制御部３３と、
室内送風機１８の運転制御を行なう室内機制御部３４を
有している。室内機制御部３４は、暖房温度の設定、暖
房に使用する温風の風量及び方向、暖房運転時間の設定
等の暖房運転条件の入力を受けて運転指令を行なう運転
指令器３５と、室内の温度を測定する室内温度センサ３
６からの信号が入力されて暖房運転の出力値の演算を行
なう運転制御器３７を有している。室外機制御部３３
は、外気温度を測定する室外温度センサ３８からの信号
を受けてインバータ２１を介してモータ２０の回転数制
御を行なう際の最大回転数を設定する最大回転数設定器
３９を有している。室外機制御部３３は、最大回転数設
定器３９で設定されたモータ２０の最大回転数に基づ
き、室内機制御部３４の運転制御器３７で求めた出力値
に応じて、モータ２０の運転時の回転数を調整するため
のインバータ２１に制御信号を送るモータ制御器４１
と、室外温度センサ３８からの信号を受けて除霜運転を
制御する除霜制御器４２を有している。

【００１２】ここで、最大回転数設定器３９は、暖房運
転時に、室外温度センサ３８で測温した外気温度が予め
設定した第１の低温設定温度（例えば、１〜０℃）を超
えている場合、例えば、運転開始から１０〜１５分の間
では、モータ２０を常用運転時の最大回転数で回転でき
るように、インバータ２１で調整し、運転周波数を１１
２Ｈｚに設定する。なお、モータ２０の常用運転時の最
大回転数は、コンプレッサ１２の圧力制限内に入るよう
モータ２０の定格回転数の、例えば、９０〜１００％の
範囲で設定する。なお、圧力制限とは、コンプレッサ１
２の設計仕様上決められた圧力で、高周波数領域におい
ては周波数が上がるにつれて使用できる最高圧力が低下
するが、この使用できる最高圧力のことである。また、
運転開始から１０〜１５分を超えて３０〜４０分以内で
は、モータ２０を常用運転時の最大回転数のおよそ９０
％で回転できるように、インバータ２１で調整し、運転
周波数を１００Ｈｚに設定する。更に、運転開始から３
０〜４０分を超えると、モータ２０を常用運転時の最大
回転数のおよそ７０％で回転できるようにインバータ２
１で調整し、運転周波数を８０Ｈｚに設定する。そし
て、室外温度センサ３８で測温した外気温度が予め設定
した第１の低温設定温度以下、例えば、０℃となったと
きには、運転周波数制限を解除して、常時モータ２０を
常用運転時の最大回転数で回転できるようにする。

【００１３】一方、除霜制御器４２は、運転が開始され
てから予め設定された第１の除霜間隔時間（例えば、３
０〜５０分の間隔）で、四方弁２４を切り替えてコンプ
レッサ１２で加圧された高温高圧のフロンを５〜１０分
の間だけ室外熱交換器本体１５に導入することにより、
除霜運転を行なう指令を出す。この除霜運転が行なわれ
ている間は、暖房運転は停止される。また、外気温度が
第１の低温設定温度より低く設定された第２の低温設定
温度（例えば、−５℃）以下になると、除霜制御器４２
は、除霜運転を行なう際の第１の除霜間隔時間を解除し
て、除霜運転を第２の除霜間隔時間（例えば、６０〜１
００分の間隔）で行なうように、除霜間隔時間の設定を
変更する。更に、外気の温度が第２の低温設定温度以下
の場合で、最大回転数設定器３９で設定されているモー
タ２０の常用時の最大回転数が、モータ２０の定格回転
数未満であるときは、最大回転数設定器３９はモータ２
０を圧力制限の許す限り常用最大回転数よりも高い回転
数で運転できるように運転周波数の変更を行なう。

【００１４】次に、本発明の一実施の形態に係る冷暖房
装置１０を使用した暖房運転方法について、図２を用い
て詳細に説明する。冷暖房装置１０のスイッチを入れ
（ステップＳ１）、室内機制御部３４の運転指令器３５
で暖房運転の運転指令が受け付けられると、運転指令に
基づいた室外送風機１６の運転条件、最大回転数設定器
３９に設けられている運転周波数制限に基づいた室外送
風機１６及びコンプレッサ１２の各運転条件が設定され
（ステップＳ２）、冷暖房装置１０を用いた暖房運転が
始まる（ステップＳ３）。暖房運転が始まると、最大回
転数設定器３９は室外温度センサ３８による外気温度の
測定を、例えば１秒毎に行なう。最大回転数設定器３９
では、室外温度センサ３８で測温した外気温度が予め設
定した第１の低温設定温度（例えば、０℃）以下である
かの判定を行ない（ステップＳ４）、外気温度が第１の
低温設定温度、すなわち０℃を超えている場合、運転周
波数制限に基づいたコンプレッサ１２の運転を維持した
暖房運転を行なう。

【００１５】ここで、運転周波数制限に基づいたコンプ
レッサ１２の運転は、例えば、運転開始されてから１０
〜１５分の間では、モータ２０を常用運転時の最大回転
数で回転できるように、インバータ２１で調整し、運転
周波数を例えば、１１２Ｈｚとして行なう。運転が開始
されてから１０〜１５分を超え、かつ３０〜４０分以内
では、モータ２０を常用運転時の最大回転数のおよそ９
０％で回転できるように、インバータ２１で調整し、運
転周波数を例えば１００Ｈｚとして行なう。更に、運転
が開始されてから３０〜４０分を超えると、モータ２０
を常用運転時の最大回転数のおよそ７０％で回転できる
ように、インバータ２１で調整する運転周波数を、例え
ば、８０Ｈｚとして行なう。このとき、除霜制御器４２
は、運転が開始されてから予め設定された第１の除霜間
隔時間（例えば、３０〜５０分の間隔）毎に、四方弁２
４を切り替えてコンプレッサ１２で加圧されたフロンを
５〜１０分の間だけ室外熱交換器本体１５に導入して除
霜運転を行なう。除霜運転中は、暖房運転を停止する。

【００１６】一方、ステップＳ４で室外温度センサ３８
で測温した外気温度が、予め設定した第１の低温設定温
度（例えば、０℃）以下となったときには、最大回転数
設定器３９は運転周波数制限を解除して、モータ２０を
常用運転時の最大回転数で回転できるように運転周波数
を、例えば１１２Ｈｚに設定する（ステップＳ５）。次
いで、外気温度が第１の低温設定温度より低く設定され
た第２の低温設定温度（例えば−５℃）以下であるかの
判定が行なわれ（ステップＳ６）、外気温度が第２の低
温設定温度を超えている場合は、ステップＳ５で設定し
た運転周波数の範囲内でコンプレッサ１２の運転を行な
うと共に、第１の除霜間隔時間毎に除霜運転を行なう。
外気温度が第２の低温設定温度以下の場合は、除霜制御
器４２は、第１の除霜間隔時間を解除して、第２の除霜
間隔時間（例えば、６０〜１００分の間隔）で除霜運転
が行なわれるように除霜運転の設定を変更する（ステッ
プＳ７）。更に、最大回転数設定器３９で設定されてい
るモータ２０の常用時の最大回転数が、モータ２０の定
格回転数未満であるかの判定が行なわれ（ステップＳ
８）、モータ２０の常用時の最大回転数がモータ２０の
定格回転数未満ときは、最大回転数設定器３９はモータ
２０をコンプレッサ１２の圧力制限内で常用最大回転数
より高い回転数で運転できるように運転周波数を、例え
ば、１２０Ｈｚに設定する（ステップＳ９）。なお、モ
ータ２０の常用時の最大回転数が、モータ２０の定格回
転数となるように設定されている場合は、運転周波数の
変更は行なわない。

【００１７】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、
発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前
記した実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせ
て本発明の冷暖房装置を構成する場合にも本発明は適用
される。例えば、絞り機構として膨張弁を使用したが、
キャピラリーチューブを使用してもよい。作動流体とし
てフロンを使用したが、アンモニア、ブタン、ヘキサン
を使用することも可能である。また、コンプレッサが過
負荷状態にならないように、運転が開始されてから運転
時間の経過と共に３段階にわたってモータの回転数を低
下させたが、モータの回転数の低下は２段階、あるいは
４段階以上の段階を設けて低下させてもよい。更に、各
段階での所用時間も任意に変えることができる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１〜３記載の冷暖房装置において
は、制御手段は、暖房運転時に、外気の温度が下降して
予め設定した第１の低温設定温度以下になったときに、
運転周波数制限を解除してモータを常用運転時の最大回
転数で回転させ、更に、予め設定された第１の除霜間隔
時間で除霜運転を行なわせるので、室外熱交換器に流入
する作動流体の温度を低下させて、作動流体と外気との
間の熱交換効率を向上させることができ、しかも除霜運
転が定期的に行なわれることにより熱交換効率を維持で
きる。その結果、外気温度が下降しても暖房能力の低下
を抑えることが可能となる。

【００１９】特に、請求項２記載の冷暖房装置において
は、制御手段は、外気の温度が第１の低温設定温度より
低く設定された第２の低温設定温度以下に下降したとき
に、除霜運転を第１の除霜間隔時間より長い第２の除霜
間隔時間で行なわせるので、除霜運転時間の割合が小さ
くなった分だけ暖房運転を長く行なうことができ、効率
的な暖房を行なうことが可能となる。

【００２０】請求項３記載の冷暖房装置においては、制
御手段は、外気の温度が第２の低温設定温度以下に下降
して、しかも、モータの最大回転数がモータの定格回転
数未満の場合、モータを常用最大回転数より高い回転数
で運転させるので、コンプレッサを最大能力で運転させ
ることができ、外気温度が著しく下降しても暖房能力の
低下を抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る冷暖房装置の構成
図である。

【図２】同冷暖房装置の暖房運転時の制御内容を示すフ
ロー図である。

【符号の説明】

１０：冷暖房装置、１１：室外熱交換器、１２：コンプ
レッサ、１３：室内熱交換器、１４：制御手段、１５：
室外熱交換器本体、１６：室外送風機、１７：室内熱交
換器本体、１８：室内送風機、１９：コンプレッサ本
体、２０：モータ、２１：インバータ、２２：出口、２
３：入口、２４：四方弁、２５：配管、２６：出口、２
７：入口、２８：配管、２９：出口、３０：入口、３
１：膨張弁、３２：配管、３３：室外機制御部、３４：
室内機制御部、３５：運転指令器、３６：室内温度セン
サ、３７：運転制御器、３８：室外温度センサ、３９：
最大回転数設定器、４１：モータ制御器、４２：除霜制
御器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体と外気との間で熱交換を行なわ
   せる室外熱交換器と、予め設定された運転周波数制限の
   下で、モータの回転数を変化させて前記作動流体の加圧
   を行なうコンプレッサと、加圧された前記作動流体と室
   内空気との間で熱交換を行なわせる室内熱交換器と、前
   記コンプレッサの運転を制御する制御手段とを有する冷
   暖房装置において、前記制御手段は、暖房運転時に、前
   記外気の温度が下降して予め設定した第１の低温設定温
   度以下になったときに、前記運転周波数制限を解除して
   前記モータを常用運転時の最大回転数で回転させ、更
   に、予め設定された第１の除霜間隔時間で除霜運転を行
   なわせることを特徴とする冷暖房装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷暖房装置において、前
   記制御手段は、前記外気の温度が前記第１の低温設定温
   度より低く設定された第２の低温設定温度以下に下降し
   たときに、前記除霜運転を前記第１の除霜間隔時間より
   長い第２の除霜間隔時間で行なわせることを特徴とする
   冷暖房装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の冷暖房装置において、前
   記制御手段は、前記外気の温度が前記第２の低温設定温
   度以下に下降して、しかも、前記モータの最大回転数が
   該モータの定格回転数未満の場合、該モータをより高い
   回転数で運転させることを特徴とする冷暖房装置。