JP2006242443A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で安価な構成で、異常冷媒音を回避しつつ、暖房運転を継続しながら除霜運転を行う空気調和装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器３と減圧器４の間と圧縮機１の吸い込み側を連結するバイパス回路６を設け、バイパス回路６に二方弁７、冷媒加熱器８を設け、室外熱交換器５の除霜を行う際、バイパス回路６の二方弁７を開放し冷媒加熱暖房を行うとともに室外送風機を運転して大気熱利用の除霜運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式空気調和装置による暖房運転時に、暖房を継続しながら室外熱交換器に付着した霜を除霜する除霜運転を行うことができる空気調和装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式空気調和装置の除霜方式は、一般的に四方弁を切り換え、冷凍サイクルの冷媒を暖房時とは逆方向に流す除霜方式をとっている。

即ち、除霜運転は冷房時と同じ冷媒の流動方向とし、室外熱交換器に高温高圧の冷媒を流して室外熱交換器の温度を高め、熱交換器に付着した霜を融解するものである。

そして、この除霜方式では、除霜時は室内側の熱交換器が蒸発器となるため、室内熱交換器の温度が低下し、この熱交換器により室内の部屋の温度が低下して冷風感を感じるという基本的課題があった。

この基本的課題への対策として、暖房継続しながら除霜運転する発明が考えられてきた。

図８は従来の空気調和装置の冷凍サイクルの構成図である。

同図に示すように、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張機構および室外熱交換器を冷媒回路で連結してなるヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、この冷凍サイクルにおける前記膨張機構と前記室外熱交換器の間と、前記圧縮機の吸入側の間を連結し、冷媒加熱器を有する冷媒加熱回路と、前記冷凍サイクルにおける圧縮機の吐出側と前記四方弁と、前記室外熱交換器の間を連結する除霜用回路とを備え、前記冷凍サイクルの室外熱交換器の除霜を行う際、前記冷媒加熱器によって加熱された冷媒が、前記圧縮機を通った後、前記室内熱交換器を通る流れと、前記除霜用回路を通って前記室外熱交換器を通る流れに分岐され、これらの分岐した冷媒の流れが前記冷媒加熱回路の入口で合流し、再び前記冷媒加熱器によって加熱されるように構成されている発明が開示されている。

上記発明で課題として取り上げられているように、ヒートポンプ運転を行った際の室外機の除霜運転を行うときに、暖房を継続しながら除霜運転を行うことは条件が決まれば可能である（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８２９９４号公報

しかしながら、この冷凍サイクルの方式では、次のような課題が発生する。

即ち、この冷凍サイクルの構成は、除霜運転を行う際に、二方弁１０９ａを開放にして、室外熱交換器１０３と四方弁１０２との間に圧縮機１０１の吐出冷媒が流れることになるため、圧縮機吸入側にホットガス冷媒が流れないように二方弁１０６が必要となる。

二方弁１０６は圧縮機１０１の吸入側に連結されるが、冷房および暖房運転の性能を損なう原因となる冷媒圧損を増加しないようにするためには口径の大きな二方弁１０６を採用せざるを得ず、非常に高価で場所をとる冷凍サイクルの構成となってしまう。

また暖房運転から二方弁１０８を開放させて冷媒加熱運転に切り換え、除霜運転を行う方式なので、暖房時と除霜時で室外熱交換器１０３の冷媒の流れが逆転するため、除霜運転を行う前に二方弁１０７を一端閉運転とする必要があり、この室外熱交換器１０３の入口に二方弁１０７が必要となる。

したがって、この冷凍サイクルでは４個もの二方弁が必要となり、複雑で高価な方式となる。

また除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、合流箇所における冷媒圧力が除霜に供された後の冷媒の圧力よりも高ければ、室外熱交換器に冷媒が流れ、逆であれば室内側に冷媒が流れることになり、暖房しながら除霜運転を行うことが出来ない場合が発生する。

また、除霜に供された後の冷媒と室内熱交換器１１０で放熱した後の冷媒が合流するため、冷媒音が発生しやすく、前記の圧力バランスの課題と冷媒音課題を解決するために冷媒合流器を必要とする場合が考えられる。

また、前記合流箇所では冷媒循環量が多くなり圧力損失が増加するため、その対策として配管の管径を大きくすることが必要となり、加熱器が大型になってしまうという構造的課題もある。

さらに、冷房回路で運転すると冷媒加熱器１０４の配管内部は、低圧冷媒で安定して冷媒加熱器１０４の温度が低下することから冷媒加熱器１０４に結露する場合や二方弁１０８が故障で冷媒漏れを発生した場合でも冷媒加熱器に結露が発生して冷媒加熱器の信頼性、安全性に大きな問題がある。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたもので、冷凍サイクルが簡単なバイパス回路で構成でき、冷媒音、圧力バランスの問題も発生しない安定した除霜運転を、暖房運転を継続しながら実施できる空気調和装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結されたヒートポンプ式冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに連結された室内熱交換器と減圧器の間と四方弁と室外熱交換器の間を連結するバイパス回路を設け、バイパス回路に二方弁、冷媒加熱器を設け、室外熱交換器の除霜を行う際、バイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を圧縮機の吸入側に流すバイパス運転と、前記室外熱交換器を外気温と熱交換させる為の室外送風機を運転させることを特徴とするもので、この構成をなすことにより、安価で簡単な冷凍サイクルでありながら、連続暖房運転が可能となる。

本発明の空気調和装置は、安価で簡単な構成でありながら異常な冷媒音を発生せずに暖房運転を継続しながら除霜を行うことができる。

第１の発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに連結された前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記四方弁と前記室外熱交換器の間を連結するバイパス回路を
設け、前記バイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設け、前記室外熱交換器の除霜を行う際、前記バイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流すバイパス運転と、前記室外熱交換器を外気温と熱交換させる為の室外送風機を運転させることを特徴とするものでこの構成をなすことにより、暖房運転を行ないながら除霜運転を実施することができる。

また暖房を継続しながら、除霜運転を行うため、四方弁を切り換える時の冷媒音は発生しない。

また除霜時に四方弁を切り換えないため、圧力変動が小さく、圧縮機のオイル変動も小さいことから圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また接続配管長が長くなる場合でも除霜回路が室外で行うため、配管長による除霜運転での圧縮機オイルレベルが下がることはなく長配管商品でも圧縮機の信頼性の高い運転ができる。

また外気の熱で除霜を行うため、冷媒加熱部の熱を室内側の暖房にすべて使える為、高暖房な運転が出来る。

また外気の熱で除霜を行うため、霜の溶解水を空気中に放出することから室外機の基板凍結もない。

また構造もバイパス回路と冷媒加熱器、二方弁で構成できる為、現行の室外機の中に収納できるというコンパクト性に優れている。

第２の発明は、特に第１の発明の減圧器を電磁膨張弁または減圧二方弁とし、バイパス回路の冷凍サイクルへの接続箇所は前記膨張弁または減圧二方弁の前に設け、除霜運転時に閉弁または閉塞に近い絞り運転をするもので、この構成をなすことにより、通常のヒートポンプ冷凍サイクルの冷房および暖房運転に利用している電磁膨張弁または減圧二方弁を除霜用に利用して冷媒加熱による暖房の冷媒流れと室外熱交換器の冷媒の流れを停止させる機能があり、バイパス用二方弁１個の追加で暖房回路と除霜回路を構成することから室外の配管構造を簡単にできかつ安価にできる。

第３の発明は、特に第１〜２のいずれかの発明の、冷媒加熱器と室内熱交換器の間に減圧器を設け、前記冷媒加熱器を蒸発器として稼働させるもので、この構成をなすことにより、冷媒が減圧器を通過し、減圧された後に加熱器で加熱することができるので、冷媒の吸熱効率が向上し、効率の良いヒートポンプ冷凍サイクルが形成できる。

第４の発明は、特に第１〜３のいずれかの発明の、バイパス回路の接続箇所と冷媒加熱器の間に逆止弁を設け、前記逆止弁は前記室内機から二方弁を通過して冷媒加熱器を通過する冷媒が流れる方向を順方向とするもので、この構成をなすことにより、冷房運転時に前記四方弁と前記室外熱交換器の間のバイパス接続箇所から冷媒が冷媒加熱器を流れることを防ぐことができ、正常な冷房運転を実現できかつ二方弁の漏れ防止、冷媒加熱器の温度上昇防止ができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれかの発明の、バイパス回路と圧縮機の吸入側の接続箇所を、前記圧縮機の吸入管径の４倍以上に接続するもので、この構成をなすことにより、極端な冷媒挙動変化を圧縮機の吸入側に発生させることなく、圧縮機を安定的に運転させる事ができて圧縮機信頼性の高い運転ができる。

また、前記室外熱交換器側に近い箇所にバイパスの接続箇所を設けることにより、除霜の際に、二方弁が開放し冷媒加熱器が加熱されることで、吸入圧が上昇して、前記室外熱交換器の霜の一部が溶解することになる。この結果、除霜時間が早くなる。

第６の発明は、特に第１〜５のいずれかの発明の、冷媒加熱器はヒータ部、冷媒通過管部、およびヒータ部と冷媒通過管部を蓄熱材で包む蓄熱部で構成するようにしたもので、この構成をなすことにより、コンパクトに冷媒加熱器を構成でき、現行の室外機のスペースで配置できることから、他の機種との室外機共用化が図れ、安価でかつ簡単な構成で上記効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における空気調和装置の構成図である。

同図において、室外機２０には、圧縮機１、四方弁２、第１の減圧器４、室外熱交換器５、バイパス回路６、冷媒加熱用二方弁７、冷媒加熱器８、バイパス回路の減圧器１２、冷媒加熱ヒータ１３、冷媒通過管部１４、蓄熱部１５、逆止弁１６、室外送風機１９が配設されている。

室内機１８には、室内熱交換器３、室内送風機１７が配設されている。第１の減圧器４は、電磁膨張弁でも減圧機能を有する二方弁でもよい。

また図３は、本発明の第１の実施の形態の制御ブロック図であり、図４は同制御が動作したときの挙動を示すタイムチャートである。

図３において室外機側で除霜開始判断が除霜開始判断手段５０でなされ、除霜開始と判断された時に圧縮機運転手段５１、冷媒加熱用二方弁開閉手段５２、膨張弁開度可変手段５４、室外送風機運転手段５５、四方弁切り換え手段５６、加熱器ヒータ運転停止手段５７が図４に示す動作をすることにより除霜運転が行われる。

このとき室外機２０から除霜開始信号を室内機１８で除霜開始信号受信手段５８で受信して、除霜運転の判断より室内送風機運転手段５９で室内送風機１７を制御する。

図４に示すように、除霜開始の判断をすると、ステップ１のヒートポンプによる暖房運転からステップ２の冷媒加熱運転による暖房運転に移行する。このときに冷媒加熱用二方弁をＯＮして開方向に制御する。

また加熱器ヒータをＯＮして冷媒加熱運転を行う。このとき膨張弁は閉塞運転かまたは閉塞に近い運転を行う。

また外ファンは除霜中も運転を継続する。四方弁は、暖房を継続するため、暖房回路のままで除霜中も切り替えしない。

また内ファンは暖房を継続するので、運転を継続して停止することはない。

次にステップ３で、圧縮機は、除霜用の運転周波数で運転する。

次にステップ４で除霜終了と共に除霜する前の動作に戻り、通常のヒートポンプ暖房運
転に復帰する。

実施の形態１では圧縮機の運転周波数を変化させているが、一定速の圧縮機でも暖房を継続して除霜運転を行うことができる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。

本実施の形態において実施の形態１と異なる点は、冷媒加熱用二方弁７と加熱器８の間に減圧器４を配置せず、室内熱交換器３、と減圧器４の間に減圧器１２を設ける。

この配置により、バイパス回路６の引き回しを簡単に出来てコンパクトでかつ安価に構成できる。

また圧縮機１の吸入側に気液分離器（アキュームレータ）２１を配置するとともに、バイパス回路の圧縮機の吸入側への接続箇所を圧縮機の吸入口から吸入管径の４倍以上離れた場所に設けている。

このような構成を成すことにより、圧縮機の吸入する冷媒温度の変動が少なくなり、圧縮機の信頼性が向上する。

また、圧縮機１の様式により、液戻りに弱い圧縮機１がありその場合は、この気液分離器２１を配置する。

特に除霜運転は液戻りが多く発生するため、液戻りによる圧縮機信頼性に配慮する必要がある。

なお、このヒートポンプ式冷凍サイクルにおいては、圧縮機の様式によって、圧縮機の吸い込み側に気液分離器のアキュームを接続する場合も考えられる。

また圧縮機は、容量可変方式の圧縮機においても、同じ効果が得られるので、ここでは圧縮機と表現とした。

電磁膨張弁は、絞り機構が可変するものでも、さらに二方弁のように完全に流量を閉鎖せず一部のみ絞りがあるものでもよい。

できれば室外熱交換器に近い方で減圧器、膨張弁を配置した方が、冷房運転時のバイパス回路に溜まる液冷媒が少なくできるので冷媒量が少なくでき、オイル溜まりも少なくできる。

この冷媒加熱器と室内熱交換器の間の減圧器は、冷媒加熱器側に配置すると除霜運転のみで絞り構成できる。

また基本のヒートポンプ回路の室内熱交換器側に減圧器を配置すると冷暖房運転に影響する減圧器となり除霜専用に利用できないが絞りの選定次第では、冷媒加熱器の絞りを新たに追加する必要がなくなるという利点がある。

冷媒加熱器のヒータ部は、発熱体であれば形、方式は問わない。

次に、本発明の構成の冷凍サイクルにおける平均室温について図面を参照しながら説明
する。

図７は従来の構成の冷凍サイクルにおける除霜運転の平均室温の経時変化である。

同図に示す従来の構成の冷凍サイクルの除霜運転においては、４方弁により冷凍サイクルを切換えて除霜しているので、室内熱交換器の温度が低下し、平均室温も５．７℃と、大きく、快適性が損なわれている事がわかる。

これに対し、図５および図６に示すものは、本発明の構成の冷凍サイクルにおける平均室温の経時変化である。

図５は積極的に室外熱交換器にもホットガスを流して除霜したもの、図６は室外熱交換器にはホットガスを流さず、室外送風機を運転させて風を室外熱交換器に当て、室外の空気と熱交換させ除霜したものである。

どちらの場合においても、図７に示す従来の構成の冷凍サイクルに比べ平均室温の低下は少なくすみ、使用者への不快感が抑えられていることがわかる。

以上のように本発明の空気調和装置は暖房運転しながら、除霜運転を実施できる基本的方式であり、ルームエアコンから大型エアコンに至る空気調和装置に適用できる。

本願発明にかかる実施の形態１の空気調和装置の構成図 本願発明にかかる実施の形態２の空気調和装置の構成図 本願発明にかかる制御ブロック図 本願発明にかかる実施の形態１のタイムチャート 本願発明にかかる冷凍サイクルにおける平均室温の経時変化図 本願発明にかかる冷凍サイクルにおける平均室温の経時変化図 従来の構成の冷凍サイクルにおける平均室温の経時変化図 従来例の空気調和装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室内熱交換器
４ 減圧器
５ 室外熱交換器
６ バイパス回路
７ 冷媒加熱用二方弁
８ 加熱器
１２ 冷媒加熱用減圧器
１３ 加熱器ヒータ
１４ 冷媒通過管部
１５ 蓄熱部
１６ 逆止弁
１７ 室内送風機
１８ 室内機
１９ 室外送風機
２０ 室外機

Claims (6)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧器、室外熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、前記室内熱交換器と前記減圧器の間と前記四方弁と前記室外熱交換器の間を連結するバイパス回路を設け、前記バイパス回路に二方弁及び冷媒加熱器を設けた空気調和装置において、前記室外熱交換器の除霜運転の際、前記バイパス回路の二方弁を開放して冷媒加熱器で加熱された冷媒を前記圧縮機の吸入側に流すバイパス運転と、前記室外熱交換器を外気温と熱交換させる為に室外送風機を運転させることを特徴とする空気調和装置。
2. 減圧器は電磁膨張弁または減圧機能を有する二方弁であり、除霜運転時に閉弁または閉塞に近い状態にすることを特徴とする、請求項１に記載の空気調和装置。
3. 冷媒加熱器と室内熱交換器の間に第２の減圧器を設け、前記冷媒加熱器を蒸発器として稼働させることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の空気調和装置。
4. 冷媒加熱器と室内熱交換器の間に逆止弁を設け、冷媒が前記冷媒加熱器から前記室内機へ逆流しないようにしたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。
5. 前記バイパス回路と圧縮機の吸入側の接続箇所は、圧縮機の吸入口から吸入管径の約４倍以上離れた場所に接続することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の空気調和装置。
6. 冷媒加熱器はヒータ部、冷媒通過管部、およびヒータ部と冷媒通過管部を蓄熱材で包む蓄熱部で構成するようにしたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の空気調和装置。

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