JP6964803B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、室外熱交換器のデフロストと室内の暖房とを同時に行う空気調和機に関するものである。

従来、室外熱交換器のデフロストと室内の暖房とを同時に行う空気調和機がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧装置および室外熱交換器を冷媒配管で連結した冷媒回路を有し、圧縮機の吐出側から室外熱交換器にホットガスを流すバイパス回路を設けている。室外熱交換器は、その冷媒回路を上下に２つに分けて、下側熱交換器と上側熱交換器とを構成している。

そして、制御装置により、主回路開閉機構と第二絞り装置とを開閉して、上側熱交換器をデフロストしつつ下側熱交換器で暖房した後に、下側熱交換器をデフロストしつつ上側熱交換器で暖房する、暖房デフロスト運転を行う。このように暖房デフロスト運転を行うことで、室内機の暖房能力の低下を抑制しつつ、室内の温度低下を抑えることができる。そのため、デフロストしながら室内の快適感が失われるのを防ぐことができる。

また、特許文献１では、室外熱交換器は複数の冷媒流路であるパスを有し、その複数あるパスのうちの１つである、冷房入口側配管すなわち除霜しながら暖房を継続する暖房デフロスト運転時のパス入口を、上側熱交換器と下側熱交換器との境界に配置している。

特開２００８−６４３８１号公報

特許文献１は、暖房デフロスト運転時において、上側熱交換器をデフロストする際、上側熱交換器で融解したドレン水が室外熱交換器の伝熱フィン上を流下する。また、下側熱交換器は蒸発器となり、その熱交換器の温度が０℃以下まで低下すると、ドレン水が下側熱交換器で再氷結する。その後、下側熱交換器を除霜すると下側熱交換器で再氷結したドレン水は融けるが、上側熱交換器が蒸発器となるため、上側熱交換器と下側熱交換器との熱伝導により、上側熱交換器と下側熱交換器との境界の温度は上がりづらい。そのため、ドレン水が再氷結した氷が融けずに成長して室外熱交換器の伝熱フィンの空気流を阻害し、暖房能力の低下を招くなどの課題があった。

また、これまでのパス構成では、上側熱交換器と下側熱交換器との境界に複数あるヘアピン管のうち、暖房デフロスト運転時の高温のガス冷媒の入口配管が１本しかない。そのため、境界のその他のヘアピン管およびその周囲の伝熱フィンの温度は上昇せず、ドレン水が再氷結した氷を融かしづらいという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、上側熱交換器と下側熱交換器との境界でドレン水が再氷結して、暖房能力が低下するのを抑制することができる空気調和機を提供することを目的としている。

本発明に係る空気調和機は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、冷媒と室内空気とを熱交換させる室内熱交換器、冷媒を減圧する第一絞り装置、互いに流路が並列している上側熱交換器と下側熱交換器とで構成され冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器、および、冷媒の流れを前記上側熱交換器側または前記下側熱交換器側に切り替える流路切替装置が順次配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、前記圧縮機の吐出側と前記流路切替装置とを連結するホットガスバイパス配管と、暖房通常運転を行いながら前記上側熱交換器および前記下側熱交換器を交互にデフロストする暖房デフロスト運転を行う制御装置と、を備え、前記室外熱交換器は伝熱配管の一部を構成する複数のヘアピン管を有し、前記上側熱交換器は、最下段に位置する全ての前記ヘアピン管が、デフロストされる際に冷媒入口となり、前記下側熱交換器は、最上段に位置する全ての前記ヘアピン管が、デフロストされる際に冷媒入口となるものである。

本発明に係る空気調和機によれば、上側熱交換器の最下段および下側熱交換器の最上段に位置するヘアピン管、つまりそれらの境界に位置する全てのヘアピン管が、デフロストされる際に冷媒入口となるものである。そのため、上側熱交換器と下側熱交換器との境界でドレン水が再氷結するのを抑制でき、暖房能力が低下するのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路図である。 従来空気調和機の室外熱交換器の断面および室外ファンを示す模式図である。 従来の空気調和機の室外熱交換器の上側熱交換器をデフロストしている場合における上側熱交換器と下側熱交換器との境界付近の断面を示す模式図である。 従来の空気調和機の室外熱交換器の下側熱交換器をデフロストしている場合における上側熱交換器と下側熱交換器との境界付近の断面を示す模式図である。 従来の空気調和機の暖房デフロスト運転時におけるモリエル線図である。 従来の空気調和機の暖房デフロスト運転時における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の温度分布図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室外熱交換器の上側熱交換器をデフロストしている場合における上側熱交換器と下側熱交換器との境界付近の断面を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室外熱交換器の下側熱交換器をデフロストしている場合における上側熱交換器と下側熱交換器との境界付近の断面を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の暖房デフロスト運転時におけるモリエル線図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和機の暖房デフロスト運転時における室外熱交換器の境界付近の温度分布図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態４に係る空気調和機の冷媒回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る空気調和機１００は、室外機１と室内機２とを備え、室外機１と室内機２とが冷媒配管８３、８４および電気配線（図示せず）で接続されたセパレート形である。

［室外機］
室外機１は、圧縮機１０と、第一流路切替装置２０と、第一絞り装置３０と、第二絞り装置６０と、第二流路切替装置７０と、室外熱交換器５０と、室外ファン５００と、外気温度検出装置２００と、第一境界温度検出装置２０１と、第二境界温度検出装置２０２と、制御装置３００と、を備えている。

［室内機］
室内機２は、室内熱交換器４０と、室内ファン４００と、を備えている。

空気調和機１００は、冷媒が循環する冷媒回路を有している。冷媒回路は、圧縮機１０、第一流路切替装置２０、室内熱交換器４０、第一絞り装置３０、室外熱交換器５０、および、第二流路切替装置７０が冷媒配管８１〜８５、８６Ａ〜８７Ａおよび８６Ｂ〜８７Ｂ、８９、９１で順次接続されて構成されている。この冷媒回路を循環する冷媒には様々なものを採用することが可能であり、例えば、Ｒ３２またはＲ４１０Ａなどである。

また、圧縮機１０の吐出側と第二流路切替装置７０のＡポートとがホットガスバイパス配管８０、８８で接続されており、ホットガスバイパス配管８０、８８には第二絞り装置６０が設けられている。

［冷媒配管、ホットガスバイパス配管］
冷媒配管８１は一端が圧縮機１０の吐出側に接続され、他端がホットガスバイパス配管８０と冷媒配管８２とに分岐する。冷媒配管８２は第一流路切替装置２０のＧポートに接続され、ホットガスバイパス配管８０は第二絞り装置６０に接続される。冷媒配管８３は第一流路切替装置２０のＨポートと室内熱交換器４０とを接続する。冷媒配管８４は室内熱交換器４０と第一絞り装置３０とを接続する。冷媒配管８５は一端が第一絞り装置３０に接続され、他端が冷媒配管８６Ａと冷媒配管８６Ｂとに分岐する。冷媒配管８６Ａは室外熱交換器５０が有する上側熱交換器５０Ａに接続され、冷媒配管８６Ｂは室外熱交換器５０が有する下側熱交換器５０Ｂに接続される。冷媒配管８７Ａは上側熱交換器５０Ａと第二流路切替装置７０のＢ２ポートとを接続し、冷媒配管８７Ｂは下側熱交換器５０Ｂと第二流路切替装置７０のＢ１ポートとを接続する。ホットガスバイパス配管８８は第二絞り装置６０と第二流路切替装置７０のＡポートとを接続する。冷媒配管８９は第二流路切替装置７０のＣポートと第一流路切替装置２０のＥポートとを接続する。冷媒配管９１は第一流路切替装置２０のＦポートと圧縮機１０の吸入側とを接続する。

［制御装置３００］
制御装置３００は、例えば、専用のハードウェア、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、プロセッサともいう）、またはＲＡＭおよびＲＯＭなどのメモリから構成されている。

本実施の形態１に係る空気調和機１００の運転動作としては、冷房運転および暖房運転の２種類がある。また、暖房運転には、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂの両方が蒸発器として機能する暖房通常運転と、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのうち一方が蒸発器として機能し、もう一方が凝縮器として機能する暖房デフロスト運転との２種類がある。そして、制御装置３００は、ユーザーによる選択などに応じて、それら運転動作のいずれかを行う。

圧縮機１０は、制御装置３００から受ける制御信号によって運転周波数を変更できるように構成されている。圧縮機１０の運転周波数を変更することで、圧縮機１０の出力を調整することができる。圧縮機１０は種々のタイプを採用可能であり、例えば、ロータリータイプ、往復タイプ、スクロールタイプ、または、スクリュータイプなどである。

第一流路切替装置２０は冷房運転と暖房運転とを切り替える装置であり、例えば四方弁であるが、二方弁と三方弁とを組み合わせて構成してもよい。暖房運転では、図１中の実線のように、圧縮機１０の吐出配管である冷媒配管８２と冷媒配管８３とを接続するとともに、冷媒配管８９と圧縮機吸入配管である冷媒配管９１とを接続する。また、冷房運転では、図１中の破線のように、冷媒配管８２と冷媒配管８９とを接続するとともに、冷媒配管８３と冷媒配管９１とを接続する。

第一絞り装置３０は、それに流れ込む冷媒を減圧する装置であり、例えば膨張弁である。

室内ファン４００は、室内熱交換器４０に併設され、室内熱交換器４０に空気を供給するものである。

室外ファン５００は、室外熱交換器５０に併設され、室外熱交換器５０に空気を供給するものである。

室外熱交換器５０は、伝熱配管と複数の伝熱フィン５２とヘッダ５３とを有するフィンチューブ型熱交換器である。また、伝熱配管は、Ｕ字形状の複数のヘアピン管５１とヘアピン管５１同士を接続するＵベンド管（図示せず）とで構成されている（後述する図７および図８参照）。また、室外熱交換器５０は、２つに分割された上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとで構成され、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂは上下に配置されており、互いに並列に接続されている。また、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂは、伝熱フィン５２が分割されている。ただし、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂは、伝熱フィン５２が分割されていなくてもよい。また、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂは、互いに流路が並列している。なお、冷媒の流れ方向については運転動作の説明の際に述べる。

外気温度検出装置２００は、外気温度を検出するものである。また、第一境界温度検出装置２０１は、上側熱交換器５０Ａの入口配管に設けられており、上側熱交換器５０Ａの入口温度を検出するものである。この第一境界温度検出装置２０１が検出した温度と上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１の温度とは相関関係がある。そのため、第一境界温度検出装置２０１が検出した温度を補正することで、上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１の温度を間接的に検出することができる。また、第二境界温度検出装置２０２は、下側熱交換器５０Ｂの入口配管に設けられており、下側熱交換器５０Ｂの入口温度を検出するものである。この第二境界温度検出装置２０２が検出した温度と下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１の温度とは相関関係がある。そのため、第二境界温度検出装置２０２が検出した温度を補正することで、下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１の温度を間接的に検出することができる。外気温度検出装置２００、第一境界温度検出装置２０１、および、第二境界温度検出装置２０２は、例えばサーミスタである。なお、第一境界温度検出装置２０１は、上側熱交換器５０Ａの入口配管ではなく、上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１に設けてもよい。そうすることで、第一境界温度検出装置２０１が検出した温度を補正することなく、上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１の温度を直接的に検出することができる。また、第二境界温度検出装置２０２は、下側熱交換器５０Ｂの入口配管ではなく、下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１に設けてもよい。そうすることで、第二境界温度検出装置２０２が検出した温度を補正することなく、下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１の温度を直接的に検出することができる。

ホットガスバイパス配管８０、８８は、圧縮機１０から吐出された冷媒の一部を上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのデフロスト（除霜）に利用するために設けられている。ホットガスバイパス配管８０には絞り機構として、例えば膨張弁である第二絞り装置６０が接続されている。そして、第二絞り装置６０で圧縮機１０の吐出冷媒の一部を中圧に減圧してから、第二流路切替装置７０を介して上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのうち、デフロスト対象の方に冷媒を導く。

次に、本実施の形態１に係る空気調和機１００の運転動作について説明する。

［冷房運転］
まず、冷房運転について説明する。圧縮機１０は、冷媒配管９１から冷媒を吸入して圧縮する。圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機１０から吐出され、冷媒配管８１、冷媒配管８２、第一流路切替装置２０を経由し、冷媒配管８９へ流れる。

冷媒配管８９を流れるガス冷媒は、第二流路切替装置７０によって図１の実線のように分岐し、一方がポートＢ２から冷媒配管８７Ａへ流れ、もう一方がポートＢ１から冷媒配管８７Ｂへ流れる。冷媒配管８７Ａに分岐したガス冷媒は上側熱交換器５０Ａに流れ、上側熱交換器５０Ａで室外空気と熱交換し、凝縮して高圧の液冷媒となって冷媒配管８６Ａに流れる。また、冷媒配管８７Ｂに分岐したガス冷媒は下側熱交換器５０Ｂに流れ、下側熱交換器５０Ｂで室外空気と熱交換し、凝縮して高圧の液冷媒となって冷媒配管８６Ｂに流れる。

ここで、制御装置３００は、制御信号によって室外ファン５００の回転数を調整することができる。そして、制御装置３００により室外ファン５００の回転数を調整することで、室外熱交換器５０に輸送される空気量が変化し、室外熱交換器５０における冷媒と空気の交換熱量を調整することができる。

冷媒配管８６Ａを流れる液冷媒と、冷媒配管８６Ｂを流れる液冷媒とは、冷媒配管８６Ａ、８６Ｂと冷媒配管８５との合流部で合流し、冷媒配管８５に流れ、第一絞り装置３０によって減圧され、低温低圧の二相冷媒となって冷媒配管８４へ流れる。ここで、制御装置３００は、制御信号によって第一絞り装置３０の開度を調整することができる。そして、このとき制御装置３００により第一絞り装置３０の開度を調整することで、冷媒の減圧量を調整することができる。第一絞り装置３０の開度を開方向に変化させると、第一絞り装置３０の出口側の冷媒圧力は上昇し、冷媒の乾き度が低下する。一方で、第一絞り装置３０の開度を閉方向に変化させると、第一絞り装置３０の出口側の冷媒圧力は低下し、冷媒の乾き度が上昇する。

冷媒配管８４を流れる液冷媒は、室内熱交換器４０に流入し、室内熱交換器４０で室内空気と熱交換し、蒸発して低温低圧のガス冷媒となって冷媒配管８３に流れる。

ここで、制御装置３００は、制御信号によって室内ファン４００の回転数を調整することができる。そして、制御装置３００により室内ファン４００の回転数を調整することで、室内熱交換器４０に輸送される空気量が変化し、室内熱交換器４０における冷媒と空気の交換熱量を調整することができる。

冷媒配管８３を流れるガス冷媒は、第一流路切替装置２０を経由して冷媒配管９１から再び圧縮機１０に流れる。

［暖房通常運転］
次に、暖房通常運転について説明する。圧縮機１０は、冷媒配管９１から冷媒を吸入して圧縮する。圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機１０から吐出され、冷媒配管８１、冷媒配管８２、第一流路切替装置２０を経由し、冷媒配管８３へ流れる。

冷媒配管８３から室内熱交換器４０に流入したガス冷媒は、室内熱交換器４０で室内空気と熱交換し、凝縮して高圧の液冷媒となって冷媒配管８４に流れる。このとき、制御装置３００により室内ファン４００の回転数を調整することで、室内熱交換器４０に輸送される空気量が変化し、室内熱交換器４０における冷媒と空気の交換熱量を調整することができる。

室内熱交換器４０から流出した液冷媒は、冷媒配管８４を通り、第一絞り装置３０によって減圧され、低温低圧の二相冷媒となって冷媒配管８５へ流れる。このとき、制御装置３００により第一絞り装置３０の開度を調整することで、冷媒の減圧量を調整することができる。第一絞り装置３０の開度を開方向に変化させると、第一絞り装置３０の出口側の冷媒圧力は上昇し、冷媒の乾き度が低下する。一方で、第一絞り装置３０の開度を閉方向に変化させると、第一絞り装置３０の出口側の冷媒圧力は低下し、冷媒の乾き度が上昇する。

冷媒配管８５を流れる二相冷媒は、冷媒配管８６Ａと冷媒配管８６Ｂとに分岐する。冷媒配管８６Ａに分岐した二相冷媒は上側熱交換器５０Ａに流れ、上側熱交換器５０Ａで室外空気と熱交換し、蒸発して低温低圧のガス冷媒となって冷媒配管８７Ａに流れる。また、冷媒配管８６Ｂに分岐した二相冷媒は下側熱交換器５０Ｂに流れ、下側熱交換器５０Ｂで室外空気と熱交換し、蒸発して低温低圧のガス冷媒となって冷媒配管８７Ｂに流れる。このとき、制御装置３００により室外ファン５００の回転数を調整することで、室外熱交換器５０に輸送される空気量が変化し、室外熱交換器５０における冷媒と空気の交換熱量を調整することができる。

冷媒配管８７Ａを流れるガス冷媒と、冷媒配管８７Ｂを流れるガス冷媒とは、第二流路切替装置７０によって図１の実線のように合流し、Ｃポートから冷媒配管８９へ流れる。冷媒配管８９を流れるガス冷媒は、第一流路切替装置２０を経由して冷媒配管９１から再び圧縮機１０に流れる。

なお、暖房通常運転が行われている間、第二絞り装置６０の開度は開いていても全閉でもよい。第二流路切替装置７０が、ポートＢ１とポートＣとを連通し、ポートＢ２とポートＣとを連通しているため、ホットガスバイパス配管８８に冷媒が存在していても、ポートＡから他のポートに冷媒が流れ出すことはない。

上記のように暖房通常運転が行われている間、室外熱交換器５０に霜が付き、デフロストする必要が生じる場合がある。その際は、一旦暖房通常運転を停止し、冷房運転に切り替え、圧縮機１０で圧縮された高温高圧のガス冷媒を、室外熱交換器５０に流すデフロスト運転を行うことが考えられる。この場合、暖房通常運転が中断されるため、室温が低下し、室内の快適性が失われる。

［暖房デフロスト運転］
次に、暖房デフロスト運転について説明する。
暖房デフロスト運転では、暖房通常運転を継続しながら、第二流路切替装置７０を動作させて上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとを交互にデフロストする。

暖房通常運転が行われている間に室外熱交換器５０に霜が付き、例えば、上側熱交換器５０Ａをデフロストする必要が生じた場合、ホットガスバイパス配管８８と冷媒配管８７Ａとが接続され、冷媒配管８７Ｂと冷媒配管８９とが接続されるよう第二流路切替装置７０を動作させる。これにより、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒の一部がホットガスバイパス配管８０に流れ込み、残りの高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管８２、第一流路切替装置２０、冷媒配管８３を経由して室内熱交換器４０に流れる。

ホットガスバイパス配管８０に流れ込んだ高温高圧のガス冷媒は第二絞り装置６０によって減圧され、ホットガスバイパス配管８８、第二流路切替装置７０、冷媒配管８７Ａを経由してデフロスト対象である上側熱交換器５０Ａに流れ込む。上側熱交換器５０Ａに流れ込んだ高温のガス冷媒は、霜と熱交換しながら凝縮し、上側熱交換器５０Ａのデフロストを行う。

このとき、制御装置３００により第二絞り装置６０の開度を変更することで、デフロスト対象である上側熱交換器５０Ａに流れ込む冷媒量を調節して、冷媒と霜との交換熱量を調整することができる。

第二絞り装置６０の開度を開方向に変化させると、第二絞り装置６０の出口の冷媒量が増加して上側熱交換器５０Ａを流れる冷媒量が増加し、冷媒と霜との交換熱量が増加する。このとき、室内熱交換器４０を流れる冷媒量は減少するため、暖房能力が下がる。

一方、第二絞り装置６０の開度を閉方向に変化させると、第二絞り装置６０の出口の冷媒量が減少して上側熱交換器５０Ａを流れる冷媒量が減少し、冷媒と霜との交換熱量が減少する。このとき、室内熱交換器４０を流れる冷媒量は増加するため、暖房能力が上がる。

上側熱交換器５０Ａで凝縮した冷媒は、冷媒配管８６Ａと冷媒配管８５との合流部で、室内熱交換器４０で凝縮され第一絞り装置３０で減圧された冷媒と合流し、冷媒配管８６Ｂに流れる。

冷媒配管８６Ｂに流れた冷媒は下側熱交換器５０Ｂに流れ込み、蒸発する。その後、冷媒配管８７Ｂ、第二流路切替装置７０、冷媒配管８９、第一流路切替装置２０を経由して冷媒配管９１から再び圧縮機１０に流れる。

また、暖房通常運転が行われている間に室外熱交換器５０に霜が付き、例えば、下側熱交換器５０Ｂをデフロストする必要が生じた場合、ホットガスバイパス配管８８と冷媒配管８７Ｂとが接続され、冷媒配管８７Ａと冷媒配管８９とが接続されるよう第二流路切替装置７０を動作させる。これにより、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒の一部がホットガスバイパス配管８０に流れ込み、残りの高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管８２、第一流路切替装置２０、冷媒配管８３を経由して室内熱交換器４０に流れる。

ホットガスバイパス配管８０に流れ込んだ高温高圧のガス冷媒は、第二絞り装置６０によって減圧され、ホットガスバイパス配管８８、第二流路切替装置７０、冷媒配管８７Ｂを経由してデフロスト対象である下側熱交換器５０Ｂに流れ込む。下側熱交換器５０Ｂに流れ込んだ高温のガス冷媒は、霜と熱交換しながら凝縮し、下側熱交換器５０Ｂのデフロストを行う。

下側熱交換器５０Ｂで凝縮した冷媒は、冷媒配管８６Ｂと冷媒配管８５との合流部で、室内熱交換器４０で凝縮され第一絞り装置３０で減圧された冷媒と合流し、冷媒配管８６Ａに流れる。

冷媒配管８６Ａに流れた冷媒は上側熱交換器５０Ａに流れ込み、蒸発する。その後、冷媒配管８７Ａ、第二流路切替装置７０、冷媒配管８９、第一流路切替装置２０を経由して冷媒配管９１から再び圧縮機１０に流れる。

なお、互いに並列に接続された上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのデフロスト順序は、下側熱交換器５０Ｂのデフロストの後、上側熱交換器５０Ａのデフロストを行い、その後再度下側熱交換器５０Ｂのデフロストを行うことが望ましい。以下でその理由について説明する。

例えば、上側熱交換器５０Ａのデフロストの後、下側熱交換器５０Ｂのデフロストを行う場合について考える。上側熱交換器５０Ａのデフロスト中、伝熱フィン５２に付着した霜が融解して水滴となり、上側熱交換器５０Ａの伝熱フィン５２面上を流下する。以下、霜が融解した水滴または水流をドレン水と称する。上側熱交換器５０Ａから下側熱交換器５０Ｂに流下したドレン水の一部は、蒸発器として機能している下側熱交換器５０Ｂで再氷結する。

その後、下側熱交換器５０Ｂをデフロストする際は、暖房通常運転中に下側熱交換器５０Ｂの伝熱フィン５２に生じた霜と、上側熱交換器５０Ａから流下して再氷結したドレン水とをデフロストする必要があり、デフロスト完了に要する時間が長くなる。このとき、上側熱交換器５０Ａが蒸発器として機能しているため、上側熱交換器５０Ａに付く霜の量が多くなる。すると、次回の上側熱交換器５０Ａのデフロスト時に、デフロスト完了に要する時間が長くなる。

そのため、最初に下側熱交換器５０Ｂをデフロストして暖房通常運転中に生じた霜をデフロストし、次に上側熱交換器５０Ａをデフロストして暖房通常運転中に生じた霜をデフロストする。最後に、上側熱交換器５０Ａから流下して再氷結したドレン水の一部をデフロストするために、再度下側熱交換器５０Ｂをデフロストする。これにより、デフロスト時間を短縮することができる。

次に、上下に分割された上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとで構成された室外熱交換器５０を有する冷媒回路における、暖房デフロスト運転での課題について説明する。

図２は、従来の空気調和機１００Ａの室外熱交換器５０の断面および室外ファン５００を示す模式図である。図３は、従来の空気調和機１００Ａの室外熱交換器５０の上側熱交換器５０Ａをデフロストしている場合における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の断面を示す模式図である。図４は、従来の空気調和機１００Ａの室外熱交換器５０の下側熱交換器５０Ｂをデフロストしている場合における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の断面を示す模式図である。図５は、従来の空気調和機１００Ａの暖房デフロスト運転時におけるモリエル線図である。図６は、従来の空気調和機１００Ａの暖房デフロスト運転時における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の温度分布図である。

なお、図２〜図４に示す破線は、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界線５０Ｃを示している。また、図３および図４に示す黒矢印は、冷媒の流れを示している。また、図６に示す太い実線は、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時における各位置に対する温度を、図６に示す太い破線は、下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時における各位置に対する温度を、それぞれ示している。また、図６は、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界に位置するヘアピン管５１（以下、境界上側ヘアピン管５１ａおよび境界下側ヘアピン管５１ｂと称する）の風上側に関する温度分布を示しているが、風下側に関しても同様の温度分布となる。また、図２〜図４の室外熱交換器５０の伝熱配管の段数、伝熱フィン５２の分割数、伝熱配管の列数、パス数などはあくまでも一例であり、図２〜図４に示す室外熱交換器５０の構成に限定されない。

従来では、図３に示すように下側熱交換器５０Ｂの上側に配置された上側熱交換器５０Ａのデフロスト時、１本の境界上側ヘアピン管５１ａから高温の冷媒が上側熱交換器５０Ａに流れ込む。その後、上側熱交換器５０Ａの伝熱フィン５２に付着した霜が融解して、その伝熱フィン５２面上を流下し、下側熱交換器５０Ｂの伝熱フィン５２面上へと流れる。なお、上側熱交換器５０Ａをデフロストしている間、下側熱交換器５０Ｂは蒸発器として機能する。

そして、下側熱交換器５０Ｂの温度が０℃以下まで低下すると、上側熱交換器５０Ａから流下したドレン水が下側熱交換器５０Ｂで再氷結する。

その後、図４に示すように１本の境界下側ヘアピン管５１ｂから高温の冷媒を下側熱交換器５０Ｂに流し込み、下側熱交換器５０Ｂをデフロストすることで、再氷結した氷（以下、再氷結氷と称する）は融ける。ここでは、上側熱交換器５０Ａが蒸発器となる。そして、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの熱伝導により、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の温度は上がりづらい。そのため、その境界付近の再氷結氷が融けずに成長して、室外ファン５００による空気流を阻害して交換熱量が減少することで、暖房能力の低下を招く。また、蒸発器内を流れる冷媒の蒸発温度が低下して、蒸発器の伝熱フィン５２への着霜量が増加する。着霜量が増加することで、再度上側熱交換器５０Ａをデフロストする際、暖房能力の低下およびデフロスト完了時間が長くなるなどの問題が生じる。

また、図２〜図４に示すような従来の冷媒流路構成、つまりパス構成において、図３に示すように上側熱交換器５０Ａのデフロスト時の境界上側ヘアピン管５１ａおよび境界下側ヘアピン管５１ｂを流れる冷媒は、図５に示すように二相冷媒になる。また、図４に示すように下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時の境界上側ヘアピン管５１ａおよび境界下側ヘアピン管５１ｂを流れる冷媒は、図５に示すように二相冷媒になる。そのため、図６に示すように下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時の境界下側ヘアピン管５１ｂの温度Ｔａ１は後述する本実施の形態１のＴａ２に比べて比較的低くなる。また、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界での温度Ｔｃ１は、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時でも下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時でも０℃以下となり、０℃より大きくならない領域ができる。そして、その領域では再氷結氷は融けない。なお、図６に示す温度Ｔｅ１は、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時の境界下側ヘアピン管５１ｂの温度である。

図７は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の室外熱交換器５０の上側熱交換器５０Ａをデフロストしている場合における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の断面を示す模式図である。図８は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の室外熱交換器５０の下側熱交換器５０Ｂをデフロストしている場合における上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近の断面を示す模式図である。図９は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の暖房デフロスト運転時におけるモリエル線図である。図１０は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の暖房デフロスト運転時における室外熱交換器５０の境界付近の温度分布図である。

なお、図７および図８に示す破線は、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界線５０Ｃを示している。また、図７および図８に示す黒矢印は、冷媒の流れを示している。また、図１０に示す太い実線は、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時における各位置に対する温度を、図１０に示す太い破線は、下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時における各位置に対する温度を、それぞれ示している。また、図１０は、境界上側ヘアピン管５１ａおよび境界下側ヘアピン管５１ｂの風上側に関する温度分布を示しているが、風下側に関しても同様の温度分布となる。また、図１０に示す温度Ｔｅ２は、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時の境界下側ヘアピン管５１ｂの温度である。また、図７および図８の室外熱交換器５０の伝熱配管の段数、伝熱フィン５２の分割数、伝熱配管の列数、パス数などはあくまでも一例であり、図７および図８に示す室外熱交換器５０の構成に限定されない。

以下、本実施の形態１に係る空気調和機１００の室外熱交換器５０のパス構成について説明する。

図７に示すように、暖房デフロスト運転時において、デフロスト対象である上側熱交換器５０Ａの最下段に位置する全てのヘアピン管５１を、高温のガス冷媒の入口（以下、冷媒入口と称する）となるように配置する。同様に、図８に示すように、暖房デフロスト運転時において、デフロスト対象である下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置する全てのヘアピン管５１を、冷媒入口となるように配置する。つまり、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界に位置する全てのヘアピン管５１が、デフロスト対象時に冷媒入口となるように配置されている。

ここで、境界に位置するヘアピン管５１とは、図７および図８に示す室外熱交換器５０の断面を示す模式図において、境界線５０Ｃに対向するヘアピン管５１である。具体的には、上側熱交換器５０Ａでは、各列の最下段に位置し、下側熱交換器５０Ｂと隣接する境界上側ヘアピン管５１ａであり、下側熱交換器５０Ｂでは、各列の最上段に位置し、上側熱交換器５０Ａと隣接する境界下側ヘアピン管５１ｂである。

このように、本実施の形態１では、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界に位置するヘアピン管５１のうち１本だけでなく全てを、上側熱交換器５０Ａまたは下側熱交換器５０Ｂがデフロスト対象時に冷媒入口となるように配置する。なお、本実施の形態１では、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂにおいて、それぞれ２本のヘアピン管５１（境界上側ヘアピン管５１ａおよび境界下側ヘアピン管５１ｂ）が、デフロスト対象時に冷媒入口となるように配置されている。ただし、上記の冷媒入口となるヘアピン管５１の数はそれぞれ２本に限定されず、例えば室外熱交換器５０の列数が３の場合、上記の冷媒入口となるヘアピン管５１の数はそれぞれ３本になる。

図７および図８に示すパス構成とすることで、図９に示すように暖房デフロスト運転時の冷媒入口から流れる高温のガス冷媒が、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界に位置する境界上側ヘアピン管５１ａまたは境界下側ヘアピン管５１ｂに流れる。そのため、境界上側ヘアピン管５１ａ、境界下側ヘアピン管５１ｂ、および、伝熱フィン５２の温度が上がりやすくなる。

また、制御装置３００は第二絞り装置６０を制御し、境界下側ヘアピン管５１ｂの温度Ｔａ２（＞Ｔａ１）を高温に保つようにする。具体的には、境界下側ヘアピン管５１ｂの温度Ｔａ２の温度が下がってきて、あらかじめ設定された温度Ｔａ１＋α以下となったら、第二絞り装置６０の開度を閉方向に変化させる。そして、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界での温度差を大きくする。そうすることで、図１０に示すように上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界での温度Ｔｃ２が、上側熱交換器５０Ａのデフロスト時および下側熱交換器５０Ｂのデフロスト時のいずれでも０℃より大きくなる。そのため、暖房デフロスト運転が、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのいずれでも０℃以下となる運転にならず、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近でドレン水が再氷結するのを抑制できる。

以上、本実施の形態１に係る空気調和機１００は、圧縮機１０、室内熱交換器４０、第一絞り装置３０、室外熱交換器５０、および、第二流路切替装置７０が順次配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えている。また、圧縮機１０の吐出側と第二流路切替装置７０とを連結するホットガスバイパス配管８０、８８と、暖房通常運転を行いながら上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂを交互にデフロストする暖房デフロスト運転を行う制御装置３００と、を備えている。また、室外熱交換器５０は伝熱配管の一部を構成する複数のヘアピン管５１を有している。そして、上側熱交換器５０Ａは、最下段に位置する全てのヘアピン管５１が、デフロストされる際に冷媒入口となるものである。さらに、下側熱交換器５０Ｂは、最上段に位置する全てのヘアピン管５１が、デフロストされる際に冷媒入口となるものである。

本実施の形態１に係る空気調和機１００によれば、上側熱交換器５０Ａの最下段および下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１、つまりそれらの境界に位置する全てのヘアピン管５１が、デフロストされる際に冷媒入口となるものである。そのため、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界でドレン水が再氷結するのを抑制でき、暖房能力が低下するのを抑制できるため、信頼性の高い空気調和機１００を提供することができる。

また、本実施の形態１に係る空気調和機１００は、ホットガスバイパス配管８０、８８に設けられた第二絞り装置６０を備えている。また、上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１の温度を直接的または間接的に検出する第一境界温度検出装置２０１と、下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１の温度を直接的または間接的に検出する第二境界温度検出装置２０２と、を備えている。そして、制御装置３００は、暖房デフロスト運転時において、第一境界温度検出装置２０１が検出した温度および第二境界温度検出装置２０２が検出した温度のいずれでも０℃より大きくなるように第二絞り装置６０を制御するものである。

本実施の形態１に係る空気調和機１００によれば、暖房デフロスト運転時において、第一境界温度検出装置２０１が検出した温度および第二境界温度検出装置２０２が検出した温度に基づいて、上側熱交換器５０Ａの最下段に位置するヘアピン管５１の温度および下側熱交換器５０Ｂの最上段に位置するヘアピン管５１の温度のいずれでも０℃より大きくなるように第二絞り装置６０を制御する。そのため、暖房デフロスト運転が、上側熱交換器５０Ａおよび下側熱交換器５０Ｂのいずれでも０℃以下となるような運転にならず、上側熱交換器５０Ａと下側熱交換器５０Ｂとの境界付近でドレン水が再氷結するのを抑制できる。

なお、暖房デフロスト運転時は、必要に応じて第二絞り装置６０の開度、圧縮機１０の運転周波数、および、第一絞り装置３０の開度を変更してもよい。例えば、暖房デフロスト運転時に室内熱交換器４０の交換熱量を増加させたい場合、圧縮機１０の運転周波数を増加させてもよい。また、室内熱交換器４０の交換熱量を増加させたい場合、第二絞り装置６０の開度を閉方向に変更してもよい。この場合は、ホットガスバイパス配管８８を流れる冷媒流量が減少するため、デフロスト対象である上側熱交換器５０Ａまたは下側熱交換器５０Ｂにおける交換熱量が減少する。さらに、圧縮機１０から吐出される冷媒の温度を低下させたい場合は、第一絞り装置３０の開度を開方向に変更してもよい。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について説明するが、実施の形態１と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

図１１は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００の冷媒回路図である。
実施の形態１では、第二流路切替装置７０が冷媒の流れを上側熱交換器５０Ａ側または下側熱交換器５０Ｂ側に選択的に切り替える一体型の弁で構成されていた。しかし、本実施の形態２では、図１１に示すように、第二流路切替装置７０が４つの電磁弁７０Ａ〜７０Ｄで構成されている。第二流路切替装置７０がこのような構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３について説明するが、実施の形態１と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

図１２は、本発明の実施の形態３に係る空気調和機１００の冷媒回路図である。
実施の形態１では、第二流路切替装置７０が冷媒の流れを上側熱交換器５０Ａ側または下側熱交換器５０Ｂ側に選択的に切り替える一体型の弁で構成されていた。しかし、本実施の形態３では、図１２に示すように、第二流路切替装置７０が２つの三方弁６００、７００で構成されている。第二流路切替装置７０がこのような構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４について説明するが、実施の形態１と重複するものについては説明を省略し、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付す。

図１３は、本発明の実施の形態４に係る空気調和機１００の冷媒回路図である。
実施の形態１では、第二流路切替装置７０が冷媒の流れを上側熱交換器５０Ａ側または下側熱交換器５０Ｂ側に選択的に切り替える一体型の弁で構成されていた。しかし、本実施の形態４では、図１３に示すように、第二流路切替装置７０が２つの三方弁６００Ａ、７００Ａで構成されている。この２つの三方弁６００Ａ、７００Ａは、それぞれ差圧で動作する弁であるため、差圧を確保するために第一流路切替装置２０のＥポートと三方弁６００ＡのＱポートおよび７００ＡのＵポートとの間に逆止弁９０が設けられている。第二流路切替装置７０がこのような構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１ 室外機、２ 室内機、１０ 圧縮機、２０ 第一流路切替装置、３０ 第一絞り装置、４０ 室内熱交換器、５０ 室外熱交換器、５０Ａ 上側熱交換器、５０Ｂ 下側熱交換器、５０Ｃ 境界線、５１ ヘアピン管、５１ａ 境界上側ヘアピン管、５１ｂ 境界下側ヘアピン管、５２ 伝熱フィン、５３ ヘッダ、６０ 第二絞り装置、７０ 第二流路切替装置、７０Ａ〜７０Ｄ 電磁弁、８０ ホットガスバイパス配管、８１〜８５ 冷媒配管、８６Ａ 冷媒配管、８６Ｂ 冷媒配管、８７Ａ 冷媒配管、８７Ｂ 冷媒配管、８８ ホットガスバイパス配管、８９ 冷媒配管、９０ 逆止弁、９１ 冷媒配管、１００ 空気調和機、１００Ａ 空気調和機、２００ 外気温度検出装置、２０１ 第一境界温度検出装置、２０２ 第二境界温度検出装置、３００ 制御装置、４００ 室内ファン、５００ 室外ファン、６００ 三方弁、６００Ａ 三方弁、７００ 三方弁、７００Ａ 三方弁。

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、冷媒と室内空気とを熱交換させる室内熱交換器、冷媒を減圧する第一絞り装置、互いに流路が並列している上側熱交換器と下側熱交換器とで構成され冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器、および、冷媒の流れを前記上側熱交換器側または前記下側熱交換器側に切り替える流路切替装置が順次配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記圧縮機の吐出側と前記流路切替装置とを連結するホットガスバイパス配管と、
   暖房通常運転を行いながら前記上側熱交換器および前記下側熱交換器を交互にデフロストする暖房デフロスト運転を行う制御装置と、を備え、
   前記室外熱交換器は伝熱配管の一部を構成する複数のヘアピン管を有し、
   前記上側熱交換器は、
   最下段に位置する全ての前記ヘアピン管が、デフロストされる際に冷媒入口となり、
   前記下側熱交換器は、
   最上段に位置する全ての前記ヘアピン管が、デフロストされる際に冷媒入口となる
   空気調和機。
2. 前記ホットガスバイパス配管に設けられた第二絞り装置と、
   前記上側熱交換器の最下段に位置する前記ヘアピン管の温度を直接的または間接的に検出する第一境界温度検出装置と、
   前記下側熱交換器の最上段に位置する前記ヘアピン管の温度を直接的または間接的に検出する第二境界温度検出装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   暖房デフロスト運転時において、前記第一境界温度検出装置が検出した温度および前記第二境界温度検出装置が検出した温度に基づいて、前記上側熱交換器の最下段に位置する前記ヘアピン管の温度および前記下側熱交換器の最上段に位置する前記ヘアピン管の温度のいずれでも０℃より大きくなるように前記第二絞り装置を制御するものである
   請求項１に記載の空気調和機。

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