JP6132243B2 - 空気調和機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機及び冷凍サイクル装置に関する。特に、空気調和機に用いられる室外熱交換器、及び室外熱交換器に付着した霜を融解するための補助熱交換器に冷媒を流す切り替え機構を備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来の空気調和機に用いられる室外熱交換器は、蒸発器および凝縮器のどちらで使用した場合にも高性能となるように構成されている。この従来の室外熱交換器は、蒸発器として使用した場合には、低圧力損失の冷媒流路とし、凝縮器として使用した場合には、出口側でサブクールがとれやすい冷媒流路としている（例えば、特許文献１参照。）。

図１１は、従来の空気調和機の室外熱交換器の冷媒流路を示す図である。図１１において、室外熱交換器の冷媒流路は、風下側に暖房運転時の冷媒出口側（冷房運転時の入口側）１００ａ１、１００ｂ１、１００ｄ１、１００ｅ１、風上側に暖房運転時の冷媒入口側（冷房運転時の出口側）１００ｃ１、１００ｆ１としている。また、暖房運転時の冷媒出口側（冷房運転時の入口側）１００ａ１、１００ｂ１、１００ｄ１、１００ｅ１の冷媒流路を１００ａ、１００ｂ、１００ｄ、１００ｅからなる４系統としている。更に、暖房運転時の冷媒入口側（冷房運転時の出口側）１００ｃ、１００ｆの冷媒流路を１００ｃ、１００ｆからなる２系統で構成している。このように、暖房運転時において、冷媒流路数を入口側より出口側に多く設けた構成となっている。

従来の空気調和機の室外熱交換器の冷媒流路として、図１２に示すようなものもある。図１２において、室外熱交換器の冷媒流路としては、暖房運転時には室外熱交換器の風上側の最下段部１１０より冷媒が流入する。そして、１系統で複数本の伝熱管を流通したのち、室外熱交換器の最上部を経由し、冷媒流路入口１１０ａ１、１１０ｂ１、１１０ｃ１、１１０ｄ１で４系統の流路へ分流される。それから、風下側の冷媒流路出口１１０ａ２、１１０ｂ２、１１０ｃ２、１１０ｄ２より流出するような構成となっている。

また、従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転時においては、室外熱交換器に着霜した場合に、暖房サイクルから冷房サイクルに四方弁を切り替えて除霜を行っている。この除霜方式では、室内ファンは停止するものの、室内機から冷気が徐々に放出され暖房感が失われるという欠点がある。

そこで、室外機に設けられた圧縮機に熱源となる蓄熱槽を設け、暖房運転中に補助熱交換器となる蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−１７４１０１号公報 特許第４６６６１１１号公報

図１１に示す冷媒流路では、四方弁を切り替え、冷房サイクルで除霜運転を実施する空気調和機に関しては、除霜運転時の室外熱交換器を循環する冷媒温度も高温となるため、問題なく除霜運転をすることができる。しかしながら、暖房運転中に四方弁を切り替えることなく暖房運転を実施しながら除霜運転を実施する空気調和機に関しては、室内側への熱量も必要になる。このため、除霜運転時の室外熱交換器を循環する冷媒温度は上昇しにくく、特に、室外熱交換器の下部と室外機の基盤との間では、付着した霜が溶け残りやすいという課題を有していた。

また、図１２に示す冷媒流路では、霜の溶け残りが発生しやすい箇所（室外熱交換器の長手方向両端部分）に冷媒流路の前半部分を適用することで、比較的高温の冷媒をこの箇所に流通させることができるため、上記霜の溶け残りの課題を低減することができる。しかしながら、寒冷地のように室外熱交換器に霜が着霜しやすく、室外気温が低い地域においては、霜の溶け残りが発生することがある。更に、伝熱管を繋ぐ冷媒流通管の引き回しが複雑となり、コストアップとなると共に、冷媒流路が延長されることによる圧力損失増大で暖房性能が悪化するといった課題を有していた。

さらに、前記従来の構成は、冷暖房を行う空気調和機に対して、蓄熱槽、蓄熱熱交換器、蓄熱材、第一電磁弁、第二電磁弁といった多くの部品を追加して高コストな構成をしているにもかかわらず、冷房運転の際には蓄熱槽に蓄積された温熱を活用する機会がないという課題があった。

本発明の目的は、前記従来の課題を解決するもので、霜の溶け残りを解消すると共に、高性能かつ高効率な暖房運転を実現する空気調和機を提供することである。また、暖房運転の除霜時にしか使用できなかった高コストな蓄熱システムを構成する冷媒回路を冷房運転時にも活用することを可能とし、年間を通じて冷房時、暖房時双方の快適性を向上する冷凍サイクル装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様である空気調和機は、
圧縮機と、
前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、
前記膨張弁と接続された室外熱交換器と、
前記室内熱交換器あるいは前記室外熱交換器と前記圧縮機との接続を切り替える四方弁と、を備え、
前記室外熱交換器の除霜運転時における冷媒の流れが暖房運転時における冷媒の流れと同一の方向である構成とし、
前記室外熱交換器は、複数の冷媒流路を有する複数列の熱交換器からなり、
前記複数列の熱交換器は、暖房運転時において、空気流に対して風上側の領域に冷媒流路の入口を設け、他の領域に冷媒流路の出口を設け、
前記複数の冷媒流路は、前記冷媒流路の入口から前記冷媒流路の出口に向かって冷媒流路数が増加するように接続し、前記冷媒流路の入口の領域における冷媒流路数を、前記他の領域における冷媒流路数より少なく構成している。

また、本発明の一態様である冷凍サイクル装置は、
圧縮機と、
前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、
前記膨張弁と接続された室外熱交換器と、
前記室内熱交換器あるいは前記室外熱交換器と前記圧縮機との接続を切り替える四方弁と、
前記圧縮機の周囲に配置される冷媒加熱用の補助熱交換器と、
前記補助熱交換器を経由して前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す補助熱交経路と、
前記室内熱交換器と前記膨張弁の間の配管を流れる冷媒を前記補助熱交経路へ流れるように切り替える電磁弁と、を備え、
除霜時に前記電磁弁を開いて前記室外熱交換器に付着した霜を融解して除霜する冷凍サイクル装置であって、
前記電磁弁を開閉する動作を行う電磁弁制御装置を、更に有し、
前記電磁弁制御装置は、冷房運転時において前記圧縮機の回転数が下限に到達し、冷房負荷が冷房能力より下回る状態の時、前記電磁弁の開閉動作の制御を行う構成としている。

本発明の空気調和機は、室外熱交換器を通過する空気と伝熱管内を流動する冷媒が温度として対向流的な配置となる。したがって、効率よく熱交換を行うことができるため、熱交換器の高効率化が図れる。また、暖房・除霜運転時のために空気調和機に搭載された高コストな蓄熱槽、蓄熱熱交換器、蓄熱材、第一電磁弁、第二電磁弁といった多くの部品を、冷房運転時にも活用して圧縮機の運転を継続させることができるようになるため、年間を通じて冷房時、暖房時双方の快適性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置を備えた空気調和機の構成図である。 図１の空気調和機の通常暖房時の冷媒回路図である。 図１の空気調和機の除霜・暖房時の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の暖房運転時における冷媒流路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の冷媒流通管番号と通常暖房運転時における冷媒流通管温度の関係図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の冷房運転時における冷媒流路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の冷媒流通管番号と冷房運転時における冷媒流通管温度の関係図である。 本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の冷媒流通管番号と除霜運転時における冷媒流通管温度の関係図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の圧縮機回転数の制御タイムチャートである。（ｂ）は、第２電磁弁の制御タイムチャートである。（ｃ）は、冷房能力のタイムチャートである。 従来の空気調和機の室外熱交換器の冷媒流路図である。 従来の空気調和機の室外熱交換器の冷媒流路図である。

第１の発明は、
圧縮機と、
前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、
前記膨張弁と接続された室外熱交換器と、
前記室内熱交換器あるいは前記室外熱交換器と前記圧縮機との接続を切り替える四方弁と、を備え、
前記室外熱交換器の除霜運転時における冷媒の流れが暖房運転時における冷媒の流れと同一の方向である構成とし、
前記室外熱交換器は、複数の冷媒流路を有する複数列の熱交換器からなり、
前記複数列の熱交換器は、暖房運転時において、空気流に対して風上側の領域に冷媒流路の入口を設け、他の領域に冷媒流路の出口を設け、
前記複数の冷媒流路は、前記冷媒流路の入口から前記冷媒流路の出口に向かって冷媒流路数が増加するように接続し、前記冷媒流路の入口の領域における冷媒流路数を、前記他の領域における冷媒流路数より少なく構成している。

このような構成とすることで、室外熱交換器が凝縮器として作用する場合、また室外熱交換器が蒸発器として作用する場合で、かつ高暖房能力が必要な時などで冷媒圧力損失が大きい場合、室外熱交換器を通過する空気と伝熱管内を流動する冷媒が温度として対向流的な配置となる。したがって、効率よく熱交換を行うことができるため、熱交換器の高能力・高効率化が図れる。

第２の発明は、特に、第１の発明の空気調和機において、前記室外熱交換器の温度を検知する温度検知器を更に備え、前記温度検知器を前記複数の冷媒流路のうち最下段の流路の暖房運転時の出口に接続される配管もしくは最下段の冷媒流路のいずれかの箇所に配置している。
このような構成にすることで、暖房運転と同一の冷媒の流れ方向で除霜運転を行った際に最も霜の溶け残りが懸念される熱交換器最下段の流路の配管に温度検知器を配置することになる。このため、温度検知器によって検知した温度で除霜完了を判断できるので、霜の溶け残りを解消できる。更に霜の溶け残り防止のための予備運転時間も最小限にとどめることができるため、除霜運転時間を短縮することができる。

第３の発明は、特に、第１又は２の発明の空気調和機において、前記風上側の冷媒流路の入口のうち少なくとも１つの経路が、前記室外熱交換器最下段の伝熱管を通る構成としている。
この構成とすることで、暖房運転時および除霜運転時に、比較的高温となる風上側から流入する冷媒が熱交換器最下段を通ることとなり、更に室外熱交換器の下部と室外機の基盤との間に付着した霜の溶け残りを防止することが可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明の空気調和機において、前記風上側の冷媒流路の入口となる経路を、１経路で構成している。
この構成とすることで、室外熱交換器を凝縮器として使用する場合には、管内冷媒流速向上に伴う熱伝達率向上により、サブクールがとれやすくなり、凝縮器能力を向上させることが可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明の空気調和機において、前記室外熱交換器を、風上列、中央列、風下列、の３列で構成し、そのうち少なくとも中央列、風下列の伝熱管は、前記複数の冷媒流路のうち、増加した後の冷媒流路で満たされる構成としている。
この構成とすることで、室外熱交換器が凝縮器として作用する場合、また室外熱交換器が蒸発器として作用する場合でかつ高暖房能力が必要な時などで冷媒圧力損失が大きい場合、室外熱交換器を通過する空気と伝熱管内を流動する冷媒が温度として対向流的な配置となる。したがって、効率よく熱交換を行うことができるため、熱交換器の大幅な高能力・高効率化が図ることができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれかの発明の空気調和機において、前記圧縮機を囲むように配置された蓄熱装置を更に備え、前記蓄熱装置は、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱し、前記室内熱交換器と前記膨張弁の間の配管から前記蓄熱装置に冷媒が流れるように配管し、前記蓄熱装置で吸熱した冷媒が前記室外熱交換器に流れるように配管することで、前記室外熱交換器の除霜運転と暖房運転を同時に行うことが可能な構成としている。
この構成により、除霜運転時においても室内への熱量供給が可能となる。また、複数の冷媒流路のうち最下段の流路の暖房運転時の出口に接続される配管、もしくは最下段の冷媒流路のいずれかの箇所に配置した温度検知器によって、除霜完了時間を的確に把握できる。したがって、最小限の運転時間での除霜が可能となり、室内の快適性を維持することが可能となる。例えば、除霜運転時の室外熱交換器を循環する冷媒温度が上昇しづらく、特に室外熱交換器の下部と室外機の基盤との間に付着した霜が溶け残りやすい場合において有用である。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれかの発明の空気調和機において、前記蓄熱装置は、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材で蓄熱した熱を取得するための蓄熱熱交換器と、前記蓄熱材と前記蓄熱熱交換器を内部に有する蓄熱槽と、からなる構成としている。
この構成とすることで、ヒータなどの圧縮機以外の熱源を用いることなく、暖房運転と除霜運転を同時に行うことが可能となる。また、前記複数の冷媒流路のうち最下段の流路の暖房運転時の出口に接続される配管、もしくは最下段の冷媒流路のいずれかの箇所に配置した温度検知器によって、除霜完了時間を的確に把握できる。したがって、最小限の運転時間での除霜が可能となるため、蓄熱材に蓄えられた有限の熱量を無駄に使うことなく、効率的な除霜運転が可能となる。

第８の発明は、
圧縮機と、
前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、
前記膨張弁と接続された室外熱交換器と、
前記室内熱交換器あるいは前記室外熱交換器と前記圧縮機との接続を切り替える四方弁と、
前記圧縮機の周囲に配置される冷媒加熱用の蓄熱装置と、
前記蓄熱装置を経由して前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す補助熱交経路と、
前記室内熱交換器と前記膨張弁の間の配管を流れる冷媒を前記補助熱交経路へ流れるように切り替える電磁弁と、を備え、
除霜時に前記電磁弁を開いて前記室外熱交換器に付着した霜を融解して除霜する冷凍サイクル装置であって、
前記電磁弁を開閉する動作を行う電磁弁制御装置を、更に有し、
前記電磁弁制御装置は、冷房運転時において前記圧縮機の回転数が下限に到達し、冷房負荷が冷房能力より下回る状態の時、前記電磁弁の開閉動作の制御を行う構成としている。

このような構成とすることで、冷房負荷が小さくなり、圧縮機の回転数が下限に到達して、冷房負荷が冷房能力を下回る状態になったとき、電磁弁制御装置が電磁弁を開閉制御できる。この電磁弁の開閉制御により、補助熱交経路の補助熱交換器を経由して前記圧縮機の吸入管へ冷媒を流す冷媒の流れが発生し、圧縮機を連続運転しながら冷房運転を継続することができる。すなわち、暖房・除霜運転時のために空気調和機に搭載された高コストな蓄熱槽、蓄熱熱交換器、蓄熱材、第一電磁弁、第二電磁弁といった多くの部品を、冷房運転時にも活用して圧縮機の運転を継続させることができる。その結果、年間を通じて冷房時、暖房時双方の快適性を向上させることができる。

第９の発明は、特に、第８の発明の冷凍サイクル装置において、電磁弁制御装置によって電磁弁を予め定めた開時間と閉時間の組み合わせにより動作させる構成としている。
この構成により簡素な構成で冷房能力を制御することが可能となる。

第１０の発明は、特に、第８又は９の発明の冷凍サイクル装置において、電磁弁制御装置を室内熱交換器に備えられた室内熱交換器温度センサの検知温度により、電磁弁の開閉を制御する構成としている。
この構成により、室内熱交換器の温度を適正に保ちながら冷房運転することができる。

以下、本発明の空気調和機、及び冷凍サイクル装置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、本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置を備えた空気調和機の構成図である。本発明の実施の形態１に係る空気調和機は、冷媒配管で互いに接続された室外機２と室内機４とで構成されている。

図１に示されるように、室外機２の内部には、圧縮機６と四方弁８とストレーナ１０と膨張弁１２と室外熱交換器１４とが設けられている。室内機４の内部には、室内熱交換器１６が設けられている。これらは、冷媒配管を介して互いに接続されることで冷凍サイクルを構成している。

更に詳述すると、圧縮機６と室内熱交換器１６は、四方弁８が設けられた第１配管１８を介して接続されている。室内熱交換器１６と膨張弁１２は、ストレーナ１０が設けられた第２配管２０を介して接続されている。膨張弁１２と室外熱交換器１４は、第３配管２２を介して接続されている。室外熱交換器１４と圧縮機６は、第４配管２４を介して接続されている。

第４配管２４の中間部には、四方弁８が配置されている。圧縮機６の冷媒吸入側における第４配管２４には、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。また、圧縮機６と第３配管２２は、第５配管２８を介して接続されており、第５配管２８には第１電磁弁３０が設けられている。

更に、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられている。蓄熱槽３２の内部には、蓄熱熱交換器３４が設けられるとともに、蓄熱熱交換器３４と熱交換するための蓄熱材（例えば、エチレングリコール水溶液）３６が充填されている。なお、本発明の実施の形態１に係る空気調和機において、蓄熱装置は、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６のいずれかを含んで構成されている。

また、第２配管２０と蓄熱熱交換器３４は、第６配管３８を介して接続されている。蓄熱熱交換器３４と第４配管２４は、第７配管４０を介して接続されており、第６配管３８には第２電磁弁４２が設けられている。

室内機４の内部には、室内熱交換器１６に加えて、送風ファン（図示せず）と上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）とが設けられている。室内熱交換器１６は、送風ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内空気と、室内熱交換器１６の内部を流れる冷媒との熱交換を行う。この室内熱交換器１６は、暖房運転時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房運転時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更し、左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更する。

なお、圧縮機６、送風ファン、上下羽根、左右羽根、四方弁８、膨張弁１２、電磁弁３０、４２などは、制御装置（図示せず、例えばマイコン）に電気的に接続され、制御装置により制御される。

上記構成の本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置において、各部品の相互の接続関係と機能について暖房運転時を例にとり、冷媒の流れとともに説明する。

圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６へと至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て第２配管２０を通り、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ１０を通って、膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４と四方弁８とアキュームレータ２６を通って、圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、第１配管１８の圧縮機６の吐出口と四方弁８の間から分岐した第５配管２８は、第１電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間で合流している。

更に、内部に蓄熱材３６と蓄熱熱交換器３４を収納した蓄熱槽３２は、圧縮機６に接して取り囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄積する。第２配管２０から室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分岐した第６配管３８は、第２電磁弁４２を経て蓄熱熱交換器３４の入口へと至る。そして、蓄熱熱交換器３４の出口から出た第７配管４０は、第４配管２４における四方弁８とアキュームレータ２６の間に合流する。

図２は、図１の空気調和機の通常暖房時の冷媒回路図である。図２を参照しながら通常暖房運転時の動作を説明する。

通常暖房運転時、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は閉制御されている。このため、第５配管２８、第６配管３８及び第７配管４０で構成される部分の冷媒回路には冷媒が流れない。

上述したように圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８から圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、圧縮機６で発生した熱は、圧縮機６の外壁から蓄熱槽３２の外壁を介して蓄熱槽３２の内部に収容された蓄熱材３６に蓄熱される。

図３は、図１の空気調和機の除霜・暖房時の冷媒回路図である。図３を参照しながら除霜・暖房時の動作を説明する。図中、実線矢印は、暖房時における冷媒の流れを示しており、破線矢印は除霜における冷媒の流れを示している。

上述した通常暖房運転中に室外熱交換器１４に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器１４の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器１４内の蒸発温度が低下する。本発明の実施の形態１に係る空気調和機には、図３に示されるように、室外熱交換器１４の配管温度を検出する第１温度センサ４４が設けられている。第１温度センサ４４が、非着霜時に比べて蒸発温度が低下したことを検出すると、通常暖房運転から除霜・暖房運転への指示が制御装置によって出力される。

通常暖房運転から除霜・暖房運転に移行すると、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は、開制御される。上述した通常暖房運転時の冷媒の流れに加え、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒の一部は、第５配管２８と第１電磁弁３０を通り、第３配管２２を通る冷媒に合流する。そして、室外熱交換器１４を加熱し、凝縮して液相化した後、第４配管２４を通って四方弁８とアキュームレータ２６を介して圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、第２配管２０における室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分流した液相冷媒の一部は、第６配管３８と第２電磁弁４２を経て、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６から吸熱し蒸発、気相化する。そして、第７配管４０を通って第４配管２４を通る冷媒に合流し、アキュームレータ２６から圧縮機６の吸入口へと戻る。

アキュームレータ２６に戻る冷媒には、室外熱交換器１４から戻ってくる液相冷媒が含まれているが、これに蓄熱熱交換器３４から戻ってくる高温の気相冷媒を混合することで、液相冷媒の蒸発が促される。その結果、アキュームレータ２６を通過して液相冷媒が圧縮機６に戻ることがなくなり、圧縮機６の信頼性の向上を図ることができる。

除霜・暖房運転開始時に霜の付着により氷点下となった室外熱交換器１４の温度は、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒によって加熱されて、零度付近で霜が融解し、霜の融解が終わると、室外熱交換器１４の温度は再び上昇し始める。図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る空気調和機には、室外熱交換器１４の配管温度を検出する第２温度センサ４５を設けている。この室外熱交換器１４の温度上昇を第２温度センサ４５で検出すると、除霜が完了したと判断し、除霜・暖房運転から通常暖房運転への指示が制御装置によって出力される。

以上のように構成された空気調和機の室外熱交換器１４について詳説する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の暖房運転時における冷媒流路を示す図である。図５は、室外熱交換器の冷媒流通管番号と通常暖房運転時における冷媒流通管温度の関係図である。なお、冷媒流通管は、伝熱管を意味する。

図４に示すように、室外熱交換器１４は、風上列、中央列、風下列の３列の複数列の熱交換器で構成されると共に、複数の冷媒流路を有している。なお、暖房運転時における空気流５５に近い方から順に風上列、中央列、風下列と定義している。複数列の熱交換器は、風上列に冷媒流路の入口を、風下列に冷媒流路の出口を設けている。複数の冷媒流路は、風上列の冷媒流路の入口から風下列の冷媒流路の出口に向かって冷媒流路数が増加するように接続されている。特に、蒸発器として使用される暖房運転時においては、冷媒流路の入口は、風上列の最下段の冷媒流通管５１に配置されている。また、冷媒流路の出口は、風下列の冷媒流通管５４ａ〜５４ｆに配置されている。このため、冷媒流通管５１より流入した冷媒は、風上列の冷媒流通管５２ａ、５２ｂの２つの冷媒流路に分流される。それから、冷媒流通管５３ａ〜５３ｆの６つの冷媒流路に分流され、風下列の冷媒流通管５４ａ〜５４ｆより流出する。

図５に示すように、暖房運転時において、冷媒流路の入口となる冷媒流通管５１は、他の流通管と比べて高温となる。このため、上述したように室外熱交換器１４の風上列の最下段に、高温となる冷媒流通管５１を配置すると、特に霜の溶け残りが発生しやすい箇所である風上列の熱交換器と基盤付近に高温の冷媒流通管５１を配置することになる。その結果、本発明の実施の形態１に係る空気調和機では、暖房運転時において、冷媒流通管５１の熱を利用して、室外熱交換器１４に付着した霜の溶け残りを低減することができる。

また、実施の形態１に係る空気調和機では、室外熱交換器１４の中央列、風下列を６つの流路に分流された５３以降の冷媒流通管、すなわち冷媒流速の低下により圧力損失を低減させた冷媒流路で満たすことができる。これにより、室外熱交換器１４を通過する空気と伝熱管内を流動する冷媒が温度として対向流的な配置となることに加え、図５に示すように、中央列、風下列を比較的低温とすることができる。したがって、更なる熱交換器の高効率化が図れ、暖房能力を向上させることができる。

次に、冷房運転時について説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係る室外熱交換器の冷房運転時における冷媒流路を示す図である。図７は、室外熱交換器の冷媒流通管番号と冷房運転時における冷媒流通管温度の関係図である。

図６に示すように、室外熱交換器１４が凝縮器として作用する冷房運転時において、冷媒の流れは、暖房運転時と逆となる。つまり、冷房運転時において、冷媒流路の入口は冷媒流通管５４ａ〜５４ｆとなり、冷媒流路の出口は冷媒流通管５１となる。したがって、冷房運転時において、風下列の冷媒流通管５４ａ〜５４ｆより流入した冷媒は、冷媒流通管５３ａ〜５３ｆの６つの冷媒流路を通る。そして、風上列の冷媒流通管５２ａ、５２ｂの２つの冷媒流路で合流し、冷媒流通管５１から流出される。

図７に示すように、冷房運転時においては、暖房運転時とは逆に、風下列の冷媒流通管５４が高温となる。本発明の実施の形態１では、風下列に比較的高温の冷媒流通管５４を配置し、風上列に比較的低温の冷媒流通管５１、５２を配置する。したがって、室外熱交換器１４を通過する空気と伝熱管内を流動する冷媒が温度として対向流的な配置となる。したがって、効率よく熱交換を行うことができるため、熱交換器の高効率化が図れ、冷房能力を向上させることができる。

更に、室外熱交換器１４が凝縮器として作用する際の冷媒の出口を１経路とし、風上列に冷媒の出口を配置することで、管内冷媒流速向上に伴う熱伝達率向上および冷媒温度と空気温度差を極大化することができる。これにより、サブクールがとれやすくなり、冷房能力を更に向上させることができる。

次に、除霜・暖房運転時について説明する。
図８は、室外熱交換器の冷媒流通管番号と除霜運転時における冷媒流通管温度の関係図である。

除霜・暖房運転時、冷媒の流れは、図４に示す通常暖房運転時と同様である。冷媒流通管５１より流入した冷媒は、風上列の冷媒流通管５２ａ、５２ｂの２つの冷媒流路に分流される。その後、冷媒流通管５３ａ〜５３ｆの６つの冷媒流路に分流され、冷媒流通管５４ａ〜５４ｆより流出する。この際、図８に示すように、最も高温となる冷媒流通管５１を特に霜の溶け残りが発生しやすい、風上側の熱交換器と基盤付近に配置することで、通常暖房運転時と同様に、霜の溶け残りを低減することができる。

更に、図４に示すように、本発明の実施の形態１では、６経路に分流された冷媒流通管出口のうち、最下段の冷媒流通管５４ｆに第２温度センサ４５を配置してもよい。第２の温度センサ４５によって検知された温度が所定の温度に達したことを除霜完了の信号とすることができる。その結果、高能力化のために室外熱交換器１４を３列構成とした場合においても、中央列、風下列の熱交換器の下部と室外機２の基盤との間に付着した霜の溶け残りを確実に防ぐことができる。

本発明の実施の形態１では、蓄熱装置を用いてもよい。蓄熱装置を用いると、除霜時にも室内への熱量供給ができ、除霜運転と暖房運転を同時に行う構成とすることができる。また、上述したように第１温度センサ４４または第２温度センサ４５によって、除霜完了時間を的確に把握できる。この構成により、室外熱交換器１４を流通する冷媒温度が上昇しにくい場合においても、室外熱交換器１４の下部と室外機２の基盤との間の霜の溶け残り防止のために、余分に暖房・除霜運転時間を長くする必要がなくなる。また、一般に通常暖房運転より暖房能力が低くなる、暖房・除霜運転時間を最小限にとどめることが可能となる。したがって、四方弁８を切り替え冷房サイクルで除霜運転を実施する空気調和機と比べて、室内の快適性を維持することができる。

また、本実施の形態１のように、蓄熱装置を構成する蓄熱材３６に圧縮機６で発生した熱を蓄え、その蓄熱した熱を暖房・除霜運転時に用いる場合、使用可能な蓄熱材３６の蓄熱量が除霜時間によらず一定である。このため、除霜運転を短時間で終了させる必要があり、本システムの有用性が更に増加する。

図４に示す本発明の実施の形態１では、除霜完了を検知する温度検知器４５を６経路に分流された冷媒流通管出口のうち、最下段の冷媒流通管５４ｆに配置している。この温度検知器４５は、６経路に分流された冷媒流通管出口のうち、最上段の冷媒流通管５４ａに追加で温度検知器を配置してもよい。この場合、室外熱交換器１４の上部と室外機２の天板の間に霜の溶け残りが発生しやすい場合においても、霜の溶け残りを防止することが可能となる。さらに、最小限の運転時間での除霜が可能となり、室内の快適性を維持することが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置について、空気調和機に搭載した場合を例にして図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態２によって本発明が限定されるものではない。

図９は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成である。実施の形態１と同じ構成要素には同一番号を付し、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１の構成において記載した、第１配管１８の圧縮機６の吐出口と四方弁８の間から分岐し、第１電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間に合流する第５配管２８は、本発明の実施の形態２においては簡略のため図示していない。

図９において、実施の形態２に係る空気調和機では実施の形態１の構成に加え、電磁弁制御装置６０が設けてある。この電磁弁制御装置６０は、室内熱交換器温度センサ６１と電気的に接続され、圧縮機６の回転数が下限に到達したとき、室内熱交換器１４の温度に基づいて第６配管３８に設けられた第２電磁弁４２の開閉を駆動制御する。

暖房運転時における動作は、図２に示す実施の形態１に係る空気調和機と同様であるため、説明を省略する。

次に冷房運転時における動作について説明する。冷房運転時、圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、四方弁８から室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室外熱交換器１４を出て、配管２２を通り膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、ストレーナ１０を介して配管２０を通って室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して蒸発した冷媒は、配管１８を通って四方弁８、第４配管２４とアキュームレータ２６を通って圧縮機６の吸入口へと戻る。

第２配管２０から分岐し、第２電磁弁４２、補助熱交換器、第７配管４０を介して第４配管２４に合流する第６配管３８は、補助熱交経路となる。冷房運転時において、通常、第２電磁弁４２は閉制御されており、補助熱交経路に冷媒は流れていない。なお、実施の形態２において、補助熱交換器は、蓄熱熱交換器３４として説明する。

ここで、室内機４における冷房負荷が小さい場合、空気調和機は圧縮機６の回転数を下げ、冷房能力を小さく抑えるように制御する。しかし、圧縮機６の回転数が下限に到達すると、それ以下に冷房能力を抑えることができず、冷房負荷が冷房能力を下回る状態、つまり室温の値が設定温度を下回る状態となり、やがて圧縮機６を停止せざるを得ない状態になる。そして、圧縮機６が停止すると冷房能力が零になり、圧縮機６を再起動する、といった状態を繰り返す、圧縮機発停運転となる。この圧縮機発停運転は、圧縮機６の再起動時のロス等により、圧縮機６が連続運転している状態に比べて効率が悪い。

そこで、本発明の実施の形態２に係る空気調和機では、上述した室内機４における冷房負荷が小さく、圧縮機６の回転数が下限に到達して冷房負荷が冷房能力を下回る状態になると、電磁弁制御装置６０が第２電磁弁４２を開閉制御する。この第２電磁弁４２の開閉制御により、第２配管２０から分岐し、第２電磁弁４２、蓄熱熱交換器３４、第７配管４０を介して第４配管２４に合流する第６配管３８への補助熱交経路に冷媒が流れる。このため、圧縮機６を連続運転しながら冷房運転を継続することができる。その際、電磁弁制御装置６０は、第２電磁弁４２の開量、すなわち、配管２０を通って室内熱交換器１６へ流れる冷媒量を室内熱交換器温度センサ６１からの出力に基づいて制御し、冷房能力を制御する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る制御タイムチャートである。（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の圧縮機回転数の制御タイムチャートである。（ｂ）は、第２電磁弁の制御タイムチャートである。（ｃ）は、冷房能力のタイムチャートである。

上述したように、室内機４において冷房負荷が小さい場合、図１０（ａ）及び（ｃ）に示すように、空気調和機は圧縮機６の回転数を下げ、冷房能力を小さく抑えるように制御する。そして、時間Ｔ１において圧縮機６の回転数が下限Ｆｍｉｎに到達すると、時間Ｔ１以後は冷房能力をＱｍｉｎより小さくすることができなくなる。

本発明の実施の形態２に係る空気調和機は、時間Ｔ２より以降、例えば第２電磁弁４２を予め定めた開時間及び閉時間の組み合わせによりＯＮ／ＯＦＦする構成となっている。この構成により、電磁弁４２を開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）動作させ、補助熱交経路に自由に冷媒を流すことができる。つまり、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示すように、時間Ｔ２以後では、電磁弁４２のＯＮ時に冷房能力を下げ、電磁弁４２のＯＦＦ時に冷房能力を上げることができる。したがって、時間Ｔ２以後の冷房能力を平均すると、冷房能力Ｑｍｉｎよりも低く抑えた運転を行うことができ、上述した圧縮機発停運転とならず、効率の低下を防止することができる。なお、電磁弁４２を開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）動作させる理由は、例えば、電磁弁４２を開動作（ＯＮ）にした状態でいると、冷房能力が下がりすぎるからである。したがって、本発明の実施の形態２に係る空気調和機では、電磁弁４２を開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）動作させ、平均して任意の冷房能力を得るようにしている。

さらに、図９に示す室内熱交換器温度センサ６１により検知された室内熱交換器１６の温度に基づき、この温度を所定の温度に保つように、第２電磁弁４２のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整してもよい。これにより、圧縮機回転数下限状態における冷房能力Ｑｍｉｎ以下の冷房能力制御がより効果的に可能となる。

なお、この実施の形態２では補助熱交換器として、圧縮機６を囲むように設けた熱交換器３４を例にして説明したが、これに限られることなく他の構成によるものであってもよい。

以上のように、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置では、暖房運転の除霜時にしか使用できなかった高コストな蓄熱システムを構成する冷媒回路を冷房運転時にも活用することができる。その結果、年間を通じて冷房時、暖房時双方の快適性を向上させることができる。

本発明は、暖房時の除霜に用いる蓄熱槽、蓄熱熱交換器、蓄熱材、第一電磁弁、第二電磁弁といった高コストな部品を、冷房時の低負荷時に利用することで圧縮機発停によるロスを低減することができ、年間を通じて冷房時、暖房時双方の快適性を向上することができる。よって、小型の空気調和機はもとより、パッケージエアコン等の中型、大型の空気調和機等にも有用である。また、本発明は、熱交換器の効率を向上させると共に、短時間での除霜運転完了を可能とするので、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯器等にも有用である。

２ 室外機
４ 室内機
６ 圧縮機
８ 四方弁
１０ ストレーナ
１２ 膨張弁
１４ 室外熱交換器
１６ 室内熱交換器
１８、２０、２２、２４、２５ 配管
２６ アキュームレータ
２８ 配管
３０ 電磁弁
３２ 蓄熱槽
３４ 蓄熱熱交換器
３６ 蓄熱材
３８、４０ 配管
４２ 電磁弁
４４ 第１温度センサ
４５ 第２温度センサ
５１ 冷媒流通管
５２ａ、５２ｂ 冷媒流通管
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ 冷媒流通管
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆ 冷媒流通管
５５ 空気流
６０ 電磁弁制御装置
６１ 室内熱交換器温度センサ

Claims (7)

1. 圧縮機と、
   前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
   前記室内熱交換器と接続された膨張弁と、
   前記膨張弁と接続された室外熱交換器と、
   前記室内熱交換器あるいは前記室外熱交換器と前記圧縮機との接続を切り替える四方弁と、を備え、
   前記室外熱交換器の除霜運転時における冷媒の流れが暖房運転時における冷媒の流れと同一の方向である構成とし、
   前記室外熱交換器は、複数の冷媒流路を有する複数列の熱交換器からなり、
   前記複数列の熱交換器は、暖房運転時において、空気流に対して風上列の領域に冷媒流路の入口を設けると共に、風下列の領域に冷媒流路の出口を設け、
   前記複数の冷媒流路は、風上列の冷媒流路の入口から風下列の冷媒流路の出口に向かって冷媒流路数を増加させ、風上列において、段階的に冷媒流路を分流すると共に、風上列における冷媒流路数が最大の流路数に分流されるように形成される一方、前記冷媒流路の入口の領域における冷媒流路数を、前記風下列の領域における冷媒流路数より少なく構成したことを特徴とする空気調和機。
2. 前記室外熱交換器の温度を検知する温度検知器を更に備え、
   前記温度検知器を前記複数の冷媒流路のうち最下段の流路の暖房運転時の出口に接続される配管もしくは最下段の冷媒流路のいずれかの箇所に配置したことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記冷媒流路の入口のうち少なくとも１つの経路は、前記室外熱交換器最下段の伝熱管を通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機。
4. 前記冷媒流路の入口となる経路は、１経路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の空気調和機。
5. 前記室外熱交換器は、風上列、中央列、風下列、の３列で構成され、そのうち少なくとも中央列、風下列の伝熱管は、前記複数の冷媒流路のうち、増加した後の冷媒流路で満たされることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気調和機。
6. 前記圧縮機を囲むように配置された蓄熱装置を更に備え、
   前記蓄熱装置は、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱し、
   前記室内熱交換器と前記膨張弁の間の配管から前記蓄熱装置に冷媒が流れるように配管し、
   前記蓄熱装置で吸熱した冷媒を前記圧縮機の吸入管に流れるように配管することで、前記室外熱交換器の除霜運転と暖房運転を同時に行うことが可能な構成としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の空気調和機。
7. 前記蓄熱装置は、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材で蓄熱した熱を取得するための蓄熱熱交換器と、を具備することを特徴とする請求項６に記載の空気調和機。

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