JP2009210174A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転時、凍結防止パイプに無駄な冷媒の流れが生じることを防ぎ、暖房運転時に凍結防止パイプに溜めておいた高温冷媒の熱を生かして、凍結防止の目的が確実に達成されるようにする。
【解決手段】圧縮機２、室外熱交換器４、減圧膨張装置５、及び室内熱交換器６を含むヒートポンプサイクル１を構成する。室外熱交換器４の下に置かれるドレンパンに、ヒートポンプサイクル１中の冷媒の熱をドレン水に伝える凍結防止パイプ７を設置する。凍結防止パイプ７は、ヒートポンプサイクル１の中で、暖房時、室内熱交換器６から室外熱交換器４へと冷媒が流れる箇所に、バイパス路として接続される。凍結防止パイプ７には、ヒートポンプサイクル１との間の冷媒の出入りを遮断できる開閉装置８を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いて暖房を行う空気調和機に関する。

ヒートポンプサイクルを用いて暖房を行う空気調和機の場合、暖房運転時は室外熱交換器が蒸発器となって表面温度が下がり、フィンに室外空気中の水分が結露する。外気温が低いとき（特に寒冷地において）は、結露水が凍り付いたり、あるいは水分が霜の形で付着（着霜）したりする。氷や霜がフィンの表面を覆うと熱交換が妨げられるので、適当なタイミングで除霜運転が行われる。

除霜運転では室外熱交換器を一時的に凝縮器とし、高温の冷媒を流してフィンに付着した氷や霜を溶かす。氷や霜が溶けたドレン水はドレンパンで受けられ、排水されるが、外気温が特に低い場合など、排水されるまでの間にドレンパン中で結氷することがある。氷の層がドレン排水口を塞ぎ、排水が行われなくなると、ドレンパン中のドレン水位が上昇し、氷の層も上昇する。さらに事態が進行すると、氷が室外熱交換器やファンに接触してそれらが破壊される可能性も生じる。

上記問題に対処するため、ヒートポンプサイクルから熱を取り出して凍結防止を行う仕組みが提案されている。その例を特許文献１、２に見ることができる。

特許文献１に記載された空気調和機の回路構成を図１０に示す。この空気調和機は、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、減圧膨張手段１０３、及び室外熱交換器１０４でヒートポンプサイクルを構成している。室内熱交換器１０２と減圧膨張手段１０３の間には逆止弁１０５が設けられ、逆止弁１０５の前後をバイパスする形で、二方弁１０６と凍結防止パイプ１０７が設けられている。

図１０において、実線矢印は冷房運転時の冷媒流れ方向を示し、破線矢印は暖房運転時の冷媒流れ方向を示す。冷房運転時には、圧縮機１０１から吐出された冷媒は室外熱交換器１０４で凝縮し、減圧膨張手段１０３から逆止弁１０５を経て室内熱交換器１０２に入り、そこで蒸発して室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０１に戻る。この時二方弁１０６は閉じており、凍結防止パイプ１０７には冷媒は流れない。暖房運転時には、圧縮機１０１から吐出された冷媒は室内熱交換器１０２で凝縮し、逆止弁１０５には流れず、凍結防止パイプ１０７から二方弁１０６、さらに減圧膨張手段１０３を経て室外熱交換器１０４に入り、そこで蒸発して室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機１０１に戻る。凍結防止パイプ１０７を流れる冷媒の凝縮熱が水受皿の凍結を防止する。

特許文献２に記載された空気調和機では、冷房運転時に室外熱交換器から室内熱交換器へと冷媒を流す回路の途中に外側膨張弁と内側膨張弁を直列接続し、この外側膨張弁と内側膨張弁の間の回路部分を底板加熱器としている。そして底板加熱器をバイパスするバイパス管を設け、そこに調整弁を配置している。

暖房運転時は、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒は室内熱交換器で放熱し凝縮した後、内側膨張弁を経て、凍結の可能性の有無に応じ、所定の流量比率で底板加熱器及び調整弁とバイパス管を通り、外側膨張弁に至る。そして室外熱交換器で室外空気から熱を取り込み、圧縮機に戻る。

デアイス運転時は冷媒の流れが逆転し、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒は室外熱交換器で放熱して除霜を行う。調整弁は閉じ、底板加熱器に冷媒が流れて排水の凍結を防止する。
実開昭６２−１０２９２４ 特開２００５−４９００２

特許文献１記載の空気調和機では凍結防止パイプに、特許文献２記載の空気調和機では底板加熱器に、それぞれ高温高圧の冷媒を流して凍結防止を行うのであるが、いずれの構成例でも、除霜運転時に室内熱交換器側が低圧になると凍結防止パイプあるいは底板加熱器に溜められた高温高圧の冷媒が室内熱交換器側に引き出されてしまう。そのため凍結防止パイプあるいは底板加熱器の温度が低下し、除霜された暖かいドレン水が冷えて結氷を招く可能性がある。また暖房運転時に室内熱交換器を出た高温高圧の冷媒を全て凍結防止パイプあるいは底板加熱器に通してしまうと、暖房能力が低下する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、除霜運転時、凍結防止パイプに無駄な冷媒の流れが生じることを防ぎ、暖房運転時に凍結防止パイプに溜めておいた高温冷媒の熱を生かして、凍結防止の目的が確実に達成されるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、圧縮機、室外熱交換器、減圧膨張装置、及び室内熱交換器を含むヒートポンプサイクルを構成するとともに、前記室外熱交換器の下に置かれるドレンパンに、前記ヒートポンプサイクル中の冷媒の熱をドレン水に伝える凍結防止パイプを設置する空気調和機において、前記ヒートポンプサイクルの中で、暖房運転時に前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へと冷媒が流れる箇所に、前記凍結防止パイプがバイパス路として接続されるとともに、前記凍結防止パイプに、前記ヒートポンプサイクルとの間の冷媒の出入りを遮断できる開閉装置が設けられていることを特徴としている。

この構成によると、暖房運転時には開閉装置を開いて凍結防止パイプに高温高圧の冷媒を流し、ドレン水の凍結を防ぐことができる。除霜運転時には開閉装置を閉じ、凍結防止パイプに溜まった高温冷媒が室内熱交換器側に引き出されて凍結防止パイプの温度が低下するのを防ぐことができる。

また凍結防止パイプはバイパス路なので、暖房運転時、必ずしも冷媒の全量を凍結防止パイプに通す必要はなく、暖房能力の低下を抑えることができる。

上記構成の空気調和機において、前記開閉装置が、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室内熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁と、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室外熱交換器側の接続箇所近くに設けられ、凍結防止パイプから出て行く方向の冷媒流れのみを許す逆止弁により構成されることが好ましい。

この構成によると、凍結防止パイプへの冷媒の出入りを遮断できる開閉装置を簡単に構成することができる。

上記構成の空気調和機において、前記開閉装置が、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室内熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁と、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室外熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁により構成されることが好ましい。

この構成によると、両方の電磁開閉弁を閉じ、暖房運転時に溜まった高温高圧の冷媒を凍結防止パイプに閉じ込めてから除霜運転に移行することができる。閉じ込められる冷媒量が多いことから、凍結防止パイプはより多くの熱量を保持しており、凍結防止を一層確実なものとすることができる。

上記構成の空気調和機において、暖房運転時に前記電磁開閉弁が少なくとも所定期間は開かれており、除霜運転開始時には前記電磁開閉弁は閉じられていることが好ましい。

この構成によると、暖房運転時に高温高圧の冷媒を凍結防止パイプに取り込み、取り込んだ高温高圧の冷媒を、除霜運転開始時にそのまま凍結防止パイプ内に保持しておくことができる。

上記構成の空気調和機において、当該空気調和機の制御部は、暖房運転から除霜運転に移るとき、冷媒凝縮温度を上げる運転制御を行うことが好ましい。

この構成によると、除霜運転中の凍結防止パイプの温度低下を遅らせることができる。

また本発明は、上記構成の空気調和機において、前記凍結防止パイプには、前記ドレンパン中のドレン水に浸る突起が形成されていることが好ましい。

この構成によると、凍結防止パイプの熱を効率良くドレン水に伝えることができる。

本発明によると、暖房運転時に凍結防止パイプに溜めておいた高温冷媒の熱を生かして除霜運転時にドレン水の凍結防止を行うことができ、熱エネルギーの効率的利用が可能である。このように熱エネルギーを効率的に利用してドレン水の凍結を防ぐことにより、常時ドレン水の排水経路が確保され、寒冷地で長期にわたり連続して暖房運転することが可能な、信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

本発明の第１実施形態を図１〜図５に示す。図１及び図２は空気調和機の冷凍サイクル図であり、図１は暖房運転時の状態を示し、図２は除霜運転時の状態を示す。図３〜図５は一部の構成要素の斜視図である。

本発明に係る空気調和機は、冷凍サイクルとして、図１に示すヒートポンプサイクル１を用いている。ヒートポンプサイクル１は、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、減圧膨張装置５、及び室内熱交換器６をループ状に接続したものである。

ヒートポンプサイクル１の中で、暖房運転時に、室内熱交換器６側から室外熱交換器４側へと冷媒が流れる箇所に、凍結防止パイプ７をバイパス路として２箇所で接続する。すなわち、室内熱交換器６寄りに一方の接続箇所を設定し、室外熱交換器４寄りに他方の接続箇所を設定する。いずれの接続箇所も減圧膨張装置５の上流側である。

凍結防止パイプ７には、ヒートポンプサイクル１との間の冷媒の出入りを遮断できる開閉装置８を設ける。開閉装置８は、室内熱交換器６側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁９と、室外熱交換器４側の接続箇所近くに設けられた逆止弁１０により構成される。逆止弁１０は、凍結防止パイプ７からヒートポンプサイクル１に冷媒が流出するのは許すが、ヒートポンプサイクル１から凍結防止パイプ７に冷媒が流入するのは許さない。なお電磁開閉弁９は、開閉制御のみ行えるものであってもよく、開閉制御に加えて開度調節も可能なものであってもよいが、ここでは開閉制御のみ行えるタイプとして説明を進める。

図３〜図５には、平面形状Ｌ字形の室外熱交換器４と、凍結防止パイプ７の他、室外熱交換器４の下に置かれて室外熱交換器４から垂れるドレン水を受けるドレンパン１１が図示されている。凍結防止パイプ７は室外熱交換器４とドレンパン１１の間に置かれるものであり、室外熱交換器４の平面形状に合わせる形で屈曲している。ドレンパン１１には、凍結防止パイプ７に沿って、複数のドレン排水口１２が形成されている。室外機の組み立てに際しては、まず図４に示すようにドレンパン１１の中の図示しないドレン水に浸る位置に凍結防止パイプ７を固定し、次いで図５に示すように、凍結防止パイプ７の上方に室外熱交換器４を固定する。

第１実施形態の空気調和機の動作は次の通りである。図１は暖房運転時の状態を示す。この時は、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は室内熱交換器６に入ってそこで放熱し、凝縮する。室内熱交換器６を出た冷媒は未だ高温を保っており、その一部は、電磁開閉弁９が開いているため凍結防止パイプ７に流れる。電磁開閉弁９は、暖房運転時に少なくとも所定期間は開かれているものとする。凍結防止パイプ７を流れる冷媒の熱はドレンパン１１の中のドレン水に伝えられ、ドレン水は凍結を防止される。凍結防止パイプ７を抜けた冷媒は逆止弁１０を通ってヒートポンプサイクル１に戻り、減圧膨張装置５から室外熱交換器４に入ってそこで膨張し、室外空気から熱を取り込んだ後、圧縮機２に戻る。

図２は冷房運転時あるいは除霜運転時の状態を示す。この時は暖房運転時と冷媒の流れが逆になる。すなわち、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は室外熱交換器４に入ってそこで放熱し、凝縮する。室外熱交換器４を出た冷媒は減圧膨張装置５から室内熱交換器６に入ってそこで膨張し、室内空気から熱を取り込んだ後、圧縮機２に戻る。逆止弁１０が存在することにより、凍結防止パイプ７に、室外熱交換器４側の接続箇所から冷媒が流入することはない。また電磁開閉弁９はこの時閉じており、凍結防止パイプ７に、室内熱交換器６側の接続箇所から冷媒が流入することもない。

凍結防止パイプ７の内圧が高いと、逆止弁１０を通ってヒートポンプサイクル１に冷媒が流出することがあり得る。しかしながらヒートポンプサイクル１と凍結防止パイプ７の圧力がバランスすればその時点で冷媒の流出は止まり、電磁開閉弁９と逆止弁１０の間の冷媒は凍結防止パイプ７の中に滞留することになる。

除霜運転は暖房運転の途中で行われるものであり、その時に開閉装置８が閉じると、凍結防止パイプ７の中に高温の冷媒が閉じ込められる。この冷媒は室内熱交換器６の側に引き出されないので、温度を比較的長く保ち、ドレン水の凍結を防止する。なお、開閉装置８の電磁開閉弁９を閉じるタイミングとしては、除霜運転開始より所定時間だけ前であって、暖房運転のため圧縮機２が稼働しているときを選択するのが好ましい。このようにすれば、高温の冷媒をより確実に凍結防止パイプ７に閉じ込めることができる。

例えば、除霜のため、暖房運転中に圧縮機２を一旦停止（暖房運転を中断）させ、四方弁３を切り替えてから圧縮機２を再稼動して冷媒の流れを逆転させるという制御を行う場合、圧縮機停止より所定時間（例えば「１分」「３分」）だけ前に電磁開閉弁９を閉じればよい。「所定時間」については、適宜実験等を行い、適切な時間を設定すればよい。

凍結防止パイプ７はバイパス路なので、暖房運転時、必ずしも冷媒の全量を凍結防止パイプ７に通す必要はなく、暖房能力の低下を抑えることができる。

空気調和機の制御部（図示せず）は、暖房運転から除霜運転に移るとき、冷媒凝縮温度を上げる運転制御を行う。具体的には、室内熱交換器６のファン（図示せず）を止める、圧縮機２の回転数を上げる、減圧膨張装置５を絞るなどの制御を行う。これにより、凍結防止パイプ７に流入する冷媒の温度を高め、除霜運転中の凍結防止パイプ７の温度低下を遅らせることができる。

本発明の第２実施形態を図６及び図７に示す。図６及び図７は空気調和機の冷凍サイクル図であり、図６は暖房運転時の状態を示し、図７は除霜運転時の状態を示す。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、逆止弁１０に代えて電磁開閉弁１３を配置したことである。つまり凍結防止パイプ７の両端がいずれも電磁開閉弁で開閉されることになる。なお電磁開閉弁１３も、電磁開閉弁９と同様、開閉制御のみ行えるタイプとして説明を進める。

電磁開閉弁９、１３は、暖房運転時に少なくとも所定期間は開かれているものとする。暖房運転から除霜運転に移るときは、電磁開閉弁９、１３を閉じた後に圧縮機２を停止する。これにより凍結防止パイプ７の中に高温高圧の冷媒を閉じ込めることができる。その後四方弁３を切り替えて除霜サイクルとし、圧縮機２を駆動して除霜運転を行う。

除霜終了後、圧縮機２を停止し、四方弁３を切り替えて暖房サイクルとする。次いで電磁開閉弁９、１３を開き、凍結防止パイプ７内への冷媒の出入りを自由にしてから、圧縮機２の駆動を再開する。

第２実施形態の構成によれば、除霜運転時、凍結防止パイプ７の内圧が高くても、第１実施形態のようにヒートポンプサイクル１に冷媒を流出させることがない。従って凍結防止パイプ７に閉じ込められる冷媒量が多く、凍結防止パイプ７はより多くの熱量を保持する。このため、凍結防止を一層確実なものとすることができる。

開閉装置８の電磁開閉弁９、１３を閉じるタイミングは、除霜運転開始より所定時間だけ前であって、暖房運転のため圧縮機２が稼働しているときを選択するのが好ましい。このようにすれば、高温の冷媒をより確実に凍結防止パイプ７に閉じ込めることができる。

例えば、除霜のため、暖房運転中に圧縮機２を一旦停止（暖房運転を中断）させ、四方弁３を切り替えてから圧縮機２を再稼動して冷媒の流れを逆転させるという制御を行う場合、圧縮機停止より所定時間（例えば「１分」「３分」）だけ前に電磁開閉弁９、１３を閉じればよい。「所定時間」については、適宜実験等を行い、適切な時間を設定すればよい。なお、電磁開閉弁９、１３を閉じるにあたっては、両方同時に閉じてもよいが、どちらか一方を先に閉じ、少しタイミングを遅らせて他方を閉じることとしてもよい。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様、暖房運転から除霜運転に移るときに冷媒凝縮温度を上げる運転制御を行うこととすることができる。

本発明の第３実施形態を図８及び図９に示す。図８は一部の構成要素の斜視図、図９は凍結防止パイプの部分拡大断面図である。

第３実施形態は凍結防止パイプ７の構造に係るものであり、第１実施形態と第２実施形態のいずれにも重複実施が可能である。第３実施形態では、凍結防止パイプ７の所々に、ドレンパン１１の中のドレン水に浸る突起１４を設けた。突起１４を設けるのは、突起形状を有する別部材を嵌合やロウ付けで凍結防止パイプ７に固定することにより実現できる。突起１４は凍結防止パイプ７から下向きに突き出してドレン排水口１２を貫通する形であるのがよい。また図９に示すように、突起１４は中空で、内部に冷媒が入り込む構造であるのがよい。

上記のような突起１４を設けることにより、凍結防止パイプ７の熱を効率良くドレン水に伝えることができる。また突起１４がドレン排水口１２を貫通するか、貫通しないまでもドレン排水口１２すれすれまで接近していれば、ドレン水は突起１４に誘導されてスムーズにドレン排水口１２から排水される。これにより、ドレンパン１１内のドレン水滞留量が少なくなり、結果として結氷の危険を低減することができる。また突起１４がドレン排水口１２の周辺に集中的に熱を伝えるから、ドレン排水口１２が氷で閉ざされるという事態を回避することができる。

以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はヒートポンプサイクルを用いて暖房を行う空気調和機に広く利用可能である。

第１実施形態に係る空気調和機の冷凍サイクル図で、暖房運転時の状態を示すもの 第１実施形態に係る空気調和機の冷凍サイクル図で、除霜運転時の状態を示すもの 第１実施形態に係る空気調和機の一部の構成要素の斜視図 図３と同様の斜視図にして、構成要素同士の組み合わせを進行させたもの 図４と同様の斜視図にして、構成要素同士の組み合わせをさらに進行させたもの 第２実施形態に係る空気調和機の冷凍サイクル図で、暖房運転時の状態を示すもの 第２実施形態に係る空気調和機の冷凍サイクル図で、除霜運転時の状態を示すもの 第３実施形態に係る空気調和機の一部の構成要素の斜視図 第３実施形態に係る空気調和機の凍結防止パイプの部分拡大断面図 従来の空気調和機の冷凍サイクル図

符号の説明

１ ヒートポンプサイクル
２ 圧縮機
３ 四方弁
４ 室外熱交換器
５ 減圧膨張装置
６ 室内熱交換器
７ 凍結防止パイプ
８ 開閉装置
９ 電磁開閉弁
１０ 逆止弁
１１ ドレンパン
１２ ドレン排水口
１３ 電磁開閉弁
１４ 突起

Claims (6)

1. 圧縮機、室外熱交換器、減圧膨張装置、及び室内熱交換器を含むヒートポンプサイクルを構成するとともに、前記室外熱交換器の下に置かれるドレンパンに、前記ヒートポンプサイクル中の冷媒の熱をドレン水に伝える凍結防止パイプを設置する空気調和機において、
   前記ヒートポンプサイクルの中で、暖房運転時に前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へと冷媒が流れる箇所に、前記凍結防止パイプがバイパス路として接続されるとともに、前記凍結防止パイプに、前記ヒートポンプサイクルとの間の冷媒の出入りを遮断できる開閉装置が設けられていることを特徴とする空気調和機。
2. 前記開閉装置が、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室内熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁と、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室外熱交換器側の接続箇所近くに設けられ、凍結防止パイプから出て行く方向の冷媒流れのみを許す逆止弁により構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記開閉装置が、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室内熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁と、前記ヒートポンプサイクルと前記凍結防止パイプとの前記室外熱交換器側の接続箇所近くに設けられた電磁開閉弁により構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
4. 暖房運転時に前記電磁開閉弁が少なくとも所定期間は開かれており、除霜運転開始時には前記電磁開閉弁は閉じられていることを特徴とする請求項２または３に記載の空気調和機。
5. 当該空気調和機の制御部は、暖房運転から除霜運転に移るとき、冷媒凝縮温度を上げる運転制御を行うことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の空気調和機。
6. 前記凍結防止パイプには、前記ドレンパン中のドレン水に浸る突起が形成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の空気調和機。

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