JPH0435661B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空気を熱源とするヒートポンプ式空
調機に関するもので、詳しくは低外気時に室外熱
交換器に付着する霜を融解する除霜制御に関する
ものである。

従来の技術 従来空気熱源ヒートポンプ式空調機の室外熱交
換機の除霜方式は、大半が四方弁を切換えて冷房
サイクルとし、室外熱交換器を凝縮器、室内熱交
換器を蒸発器とする逆サイクル除霜方式で、この
時コールドドラフト防止の為に室内フアンを停止
していた。

この方式では基本的に冷媒循環が少なく圧縮機
入力の増大がそれほど期待できないので除霜時間
が長くなることゝ並びに除霜運転中の数分間は室
内フアンが停止するので暖房感が欠如し快適性が
損なわれることゝさらには除霜運転終了後の四方
弁が切換わつて暖房運転に復帰してからも室内熱
交換器の温度が上昇するまでに時間を要するなど
使用者からすれば満足できるものではなかつた。

近年このような欠点を有する逆サイクル除霜方
式に代わつて、除霜運転時にも四方弁は暖房運転
時のままとし、圧縮機からの吐出ガスの一部を室
内熱交換器に流して若干の暖房能力を維持しなが
ら、吐出ガスの残りを室外熱交換器の入口に導き
除霜を行なうホツトガスバイパス除霜方式が提案
されている（例えば「日本冷凍協会講演論文集」、
S59−11、P53）。

以下図面を参照しながら上述の従来のヒートポ
ンプ式空調機の一例について説明する。

第４図は従来のヒートポンプ式空調機の冷凍サ
イクル図を示すものである。

同図において１は容量制御可能な周波数可変圧
縮機、２は四方弁、３は室内熱交換器、４は弁開
度を可変できる電動膨張弁、５は室外熱交換器、
６はホツトガスバイパス回路、７は二方弁であ
る。

ホツトガスバイパス回路６は、周波数可変圧縮
機１の吐出側と室外熱交換器５の暖房運転時に入
口側となる配管とを連結し、途中に二方弁７を備
えて構成されている。通常の暖房運転時には二方
弁７は閉の状態で暖房サイクルを形成するが、低
外気時で室外熱交換器５に着霜が生じ、暖房能力
が低下して除霜運転が必要になると、二方弁７を
開いて高温の吐出ガスの大部分をホツトガスバイ
パス回路６を経て室外熱交換器５の入口側へ導
く。同時に高温の吐出ガスの残りを暖房運転時と
同様に四方弁２、室内熱交換器３、電動膨張弁４
と流し、若干の暖房運転を継続して行ない、室外
熱交換器５の入口側である点Ｃにて高圧側で分岐
した大部分の冷媒と合流させる。この合流後の冷
媒は自身の持つ凝縮熱で室外熱交換器５を除霜し
た後、四方弁２を経て周波数可変圧縮機１に戻り
除霜サイクルを完結する。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記構成では以下のような問題点
があつた。第５図は第４図に示す従来のヒートポ
ンプ式空調機の除霜運転時におけるサイクルをモ
リエル線図上に示したものである。

同図に示す記号ａ〜ｅは第４図に示したものと
対応する。すなわち除霜運転時に圧縮機吐出側の
点ａで分岐した冷媒は室外熱交換器５の入口側の
点Ｃで合流し、この点Ｃは温度の過熱域に存在す
る。ここで冷媒はi_cなるエンタルピを持つ。そし
て凝縮後、つまり除霜後の冷媒状態は二相域の液
分の多い点ｄまで変化し圧力損失後の点ｅとな
り、この液分の多い乾き度x_eなる冷媒をそのまま
周波数可変圧縮機１に吸入されるので相当の液圧
縮を行つていることになる。これは年間のヒート
ポンプシーズンの除霜回数を考慮すると圧縮機信
頼性上大きな問題となる。さらに除霜時の冷媒の
利用状況（点ｃ→点ｄ）からすると、冷媒の顕熱
（過熱域）と潜熱（二相域）を利用しており、霜
が融解しドレン水が滴下し始める除霜後期には室
外熱交換器５の表面に温度分布を生じるので、室
外熱交換器５の表面の高温部からは周囲の大気に
対流放熱し除霜性能を落としていることにもな
る。

また第６図は前記従来のヒートポンプ式空調機
の除霜運転時の暖房能力の変化を示し、第７図は
同じく除霜運転時の高圧側圧力と低圧側圧力の変
化を示す。第７図においてＡは高圧側圧力、Ｂは
低圧側圧力を示す。

同図より明らかなように除霜が進むにつれて高
圧側圧力Ａと低圧側圧力Ｂの比、すなわち圧縮比
が小さくなり、また低圧側圧力Ｂは上昇するので
前記周波数可変圧縮機１の吸入側の冷媒の比容積
が小さくなつて冷凍サイクル内の冷媒の循環量は
増加し、したがつて暖房能力は除霜開始時一旦大
きく低下した後徐々に増加する。このため除霜開
始時、暖房能力が大きく低下して居住者に不快感
を与える恐れがあり、逆に除霜終了時近くになる
と暖房能力は除霜開始時に比べて大きくなりす
ぎ、それだけ除霜時間が長くなつていた。

本発明は上記問題点に鑑み、除霜運転時にも室
内熱交換器に高温の吐出ガスの一部を流して暖房
運転継続可能として、圧縮機への多量の液戻りや
液圧縮を軽減し、室外熱交換器表面の温度分布を
改善して一様温度とする均一除霜を実現し、さら
に室内熱交換器を流れる冷媒流量とバイパス回路
を流れる冷媒流量の割合を可変とし、長期にわた
つて信頼性の高い、しかも居住者に不快感を与え
ることなく除霜効率を改善したヒートポンプ式空
調機を提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のヒートポン
プ式空調機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、
絞り量を可変とした第１の絞り装置、室外熱交換
器等を順次環状に配管で連結して冷凍サイクルを
構成し、暖房運転時に高圧となる前記圧縮機より
前記室内熱交換器に至る配管と、同じく暖房運転
時に低圧となる前記室外熱交換器より圧縮機に至
る配管とを結ぶバイパス回路を設け、前記バイパ
ス回路に絞り量を可変とし、かつ流路を遮断可能
とした第２の絞り装置を設け、前記室外熱交換器
の除霜を行なう除霜運転時の暖房能力の変化を検
出可能な暖房能力検出手段を設け、前記除霜運転
の開始時には前記第１の絞り装置の絞り量を暖房
運転時の絞り量よりも小さい所定値となるよう
に、かつ前記第２の絞り装置の絞り量を前記バイ
パス回路の流路を開とする所定値となるように制
御し、除霜運転中には前記暖房能力検出手段によ
り検出された値に応じて前記第２の絞り装置の絞
り量を制御する絞り量制御手段を設けたものであ
る。

作 用 本発明は上記構成により、除霜運転時にも高温
の吐出ガスの一部を室内熱交換器に流して暖房運
転継続可能とし、第１の絞り装置の絞りを小さく
して、高温の吐出ガスの残りを室外熱交換器出口
である圧縮機吸入側へ直接戻すので、冷媒循環も
よく圧縮機入力を維持した状態で、圧縮機吸入冷
媒も二相ではあるが乾き度を大きくでき、液戻り
や液圧縮を軽減できる。また室外熱交換器への流
入冷媒も二相となり、除霜初期、中期はもちろん
融解後のドレン水滴下中の後期から乾燥期まで室
外熱交換器表面は温度ムラなく一様に温度上昇す
るので、暖房運転に戻る復帰温度までに一部分が
どんどん温度上昇することがなく、それだけ周囲
への対流放熱損失が押えられて除霜効率も改善で
きる。さらに、除霜運転中の暖房能力の変化に応
じて室内熱交換器を流れる冷媒流量とバイパス回
路を流れる冷媒流量の割合を可変としたことで、
除霜時居住者に不快感を与えることなくまた暖房
能力の極端な上昇を招かず、除霜効率をさらに改
善できる。

実施例 以下本発明の一実施例のヒートポンプ式空調機
について、図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例におけるヒートポン
プ式空調機の冷凍サイクル図を示すものである。

同図において、１１は圧縮機、１２は四方弁、
１３は室内熱交換器、１４は電磁力で弁開度を可
変できる第１電動膨張弁、１５は室外熱交換器、
１６はバイパス回路、１７はバイパス回路に設け
られて電磁力で弁開度を可変できる第２電動膨張
弁である。また１８は室内熱交換器１３の温度を
検知する室内温度検出素子、１９は室外熱交換器
１５の温度を検知する室外温度検出素子であり、
２０はこの室内温度検出素子１８、室外温度検出
素子１９の温度信号を受けて第１電動膨張弁１
４、第２電動膨張弁１７の弁開度を制御する制御
回路である。そして圧縮機１１、四方弁１２、室
内熱交換器１３、第１電動膨張弁１４、室外熱交
換器１５を順次環状に連結し、さらに圧縮機１１
の吐出側と、室外熱交換器１５の暖房運転時の出
口側とを結び、その途中に第２電動膨張弁１７を
備えたバイパス回路１６を設けたものである。

次に、以上のように構成されたヒートポンプ式
空調機についてその動作を説明する。通常の暖房
運転時には第２電動膨張弁１７は全閉の状態とな
つており、冷媒は圧縮機１１、四方弁１２、室内
熱交換器１３、第１電動膨張弁１４、室外熱交換
器１５、四方弁１２と流れて圧縮機１１に戻り暖
房サイクルを形成し、バイパス回路１６には冷媒
は流れない。

ところが、低外気温時には室外熱交換器１５に
着霜が生じ、室外温度検出素子１９の温度信号が
設定値まで下がると制御回路２０が徐霜開始指令
を発し、四方弁１２はそのままの状態で第２電動
膨張弁を居住者が不快感を感じない程度の暖房能
力の低下となるように設定した所定の弁開度まで
開き、高温の吐出ガスを点a′で分岐させ、一部は
そのまま室内熱交換器１３へ流し、残りは室外熱
交換器１５の出口側へ導くとともに、第１電動膨
張弁１４の弁開度を全開気味にすることで絞り量
をほぼゼロとして除霜を開始する。

第２図は第１図に示すヒートポンプ式空調機の
一実施例の除霜運転時におけるサイクルをモリエ
ル線図に示したものである。

同図に示す記号a′〜e′は第１図に示したものと
対応する。すなわち除霜運転時に点a′からそのま
ま室内熱交換器１３へ流した高温の吐出ガスは、
第１電動膨張弁１４の弁開度が全開気味になつて
いるので比較的低い温度約30〜40℃で凝縮放熱
し、点b′に移り図示しない室内フアンのＮによ
り暖房運転継続可能となる。途中の配管や第１電
動膨張弁１４の若干の絞りで減圧して点c′となり
室外熱交換器１５に流入して、さらに霜の融解温
度である約０℃で凝縮放熱して除霜し点d′に至
る。この時の除霜に利用する冷媒のエンタルピ差
はΔidef＝ic′−id′となり、室外熱交換器１５への
流入冷媒状態は点c′に示すように既に二相となつ
ている。ちなみに室内暖房に利用する冷媒のエン
タルピ差は途中の熱ロスを無視すればia′−ib′と
なる。

一方残りの温度の吐出ガスは室外熱交換器１５
の出口側に導かれるのでほゞ等エンタルピ変化
後、主回路を流れてきた液分の多い冷媒と合流し
混合して点e′となり、圧縮機１１に吸入される。
この点e′は二相状態にあるものの冷媒乾き度
xe′が大きく液分が少ないので液戻りや液圧縮を
軽減または実質的に回避することができる。さら
にまた除霜運転時に室外熱交換器１５へ流入して
いる冷媒は基本的に二相状態であるため冷媒温度
つまり室外熱交換器１５の表面温度も一定とな
り、同表面温度にムラがないため均一除霜が実現
できる。

また、除霜運転開始時、第２電動膨張弁１７の
弁開度を全開とせずに所定の弁開度とすることで
高圧側圧力の低下が少なく、したがつて暖房能力
が急激に低下することがなく居住者に不快感を与
えない。さらに、除霜が進行するにつれ、従来例
で示したのと同様に次第に高圧側圧力が高くなつ
て暖房能力が大きくなるが、室内温度検出素子１
８の温度信号が設定値まで上昇すると制御回路２
０が信号を発して第２電動膨張弁１７の弁開度を
大きくし、それにより高圧側圧力、暖房能力の増
加を押さえ、バイパス回路１６を流れる冷媒流量
を増加させることができるのでさらに除霜効率の
改善が可能となる。

第３図の実線は、本発明の一実施例におけるヒ
ートポンプ式空調機の除霜運転時の暖房能力の変
化を示すもので、前記のように第２電動膨張弁１
７の弁開度を変化させることで、破線で示す従来
例のヒートポンプ式空調機の除雪時の暖房能力の
変化と比較して除霜開始時に居住者に不快感を与
えることなく、除霜終了時近くで不必要な暖房を
行なうこともない。

なお、本発明は第１、第２の絞り装置の最良の
形態として電磁力を駆動源として弁開度を可変と
した第１、第２の電動膨張弁１４，１７を用いて
説明したが、それぞれの絞り装置をキヤピラリ等
の絞りを複数個用いて構成し、適宜切換により制
御してもよく、さらに弁開度を可変する手段とし
てバイメタル若しくは形状記憶合金等を用いても
よい。また、暖房能力の増加を室内熱交換器１３
の温度を用いて検知したが、本発明はそれに限定
されるものではなく、暖房能力の増加を検知でき
るものであれば、検出する圧力、温度等の位置お
よびその手段は任意である。また、除霜開始時期
の決定についても同様である。

発明の効果 以上のように本発明のヒートポンプ式空調機
は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り量を可
変とした第１の絞り装置、室外熱交換器を配管で
連結して冷凍サイクルを構成し、暖房運転時に高
圧となる前記圧縮機より前記室内熱交換器に至る
配管と、同じく暖房運転時に低圧となる前記室外
熱交換器より圧縮機に至る配管とを結ぶバイパス
回路を形成し、前記バイパス回路に絞り量を可変
とし、かつ流路を遮断可能とした第２の絞り装置
を設け、前記室外熱交換器の除霜を行なう除霜運
転時の暖房能力の変化を検出可能な暖房能力検出
手段を設け、前記除霜運転の開始時には前記第１
の絞り装置の絞り量を暖房運転時の絞り量よりも
小さい所定値となるように、かつ前記第２の絞り
装置の絞り量を前記バイパス回路の流路を開とす
る所定値となるように制御し、除霜運転中には前
記暖房能力検出手段により検出された値に応じて
前記第２の絞り装置の絞り量を制御する絞り量制
御手段を設けたもので、除霜運転時にも室内熱交
換器に高温の吐出ガスの一部を流して暖房運転継
続可能として、圧縮機への多量の液戻りや液圧縮
を軽減し、室外熱交換器表面の温度分布を改善し
て一様温度とする均一除霜を実現し、さらに除霜
運転中の暖房能力の変化に応じて室内熱交換器を
流れる冷媒流量とバイパス回路を流れる冷媒流量
の割合を可変として、長期にわたつて信頼性が高
く、しかも居住者に不快感を与えることなく除霜
効率を改善できる等の種々の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるヒートポン
プ式空調機の冷凍サイクル図、第２図は同ヒート
ポンプ式空調機の除霜運転時のサイクルをモリエ
ル線図上にあらわした図、第３図は同ヒートポン
プ式空調機の除霜運転時の暖房能力の変化を示す
説明図、第４図は従来のヒートポンプ式空調機の
冷凍サイクル図、第５図は第４図に示す従来のヒ
ートポンプ式空調機の除霜運転時のサイクルをモ
リエル線図上にあらわした図、第６図は同じく従
来のヒートポンプ式空調機の除霜運転時の暖房能
力の変化を示す説明図、第７図は同じく従来のヒ
ートポンプ式空調機の除霜運転時の高圧側圧力と
低圧側圧力の変化を示す説明図である。 １１……圧縮機、１２……四方弁、１３……室
内熱交換器、１４……第１電動膨張弁（第１の絞
り装置）、１５……室外熱交換器、１６……バイ
パス回路、１７……第２電動膨張弁（第２の絞り
装置）、１８……室内温度検出素子（暖房能力検
出手段）、２０……制御回路（絞り量制御手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、絞り量を可
   変とした第１の絞り装置、室外熱交換器を配管で
   順次連結して冷凍サイクルを構成し、暖房運転時
   に高圧となる前記圧縮機より前記室内熱交換器に
   至る配管と、暖房運転時に低圧となる前記室外熱
   交換器より圧縮機に至る配管とをバイパスするバ
   イパス回路を形成し、前記バイパス回路に絞り量
   を可変とし、かつ流路を遮断可能とした第２の絞
   り装置を設け、前記室外熱交換器の除霜を行なう
   除霜運転時の暖房能力の変化を検出可能とした暖
   房能力検出手段を設け、前記除霜運転の開始時に
   は前記第１の絞り装置の絞り量を暖房運転時の絞
   り量よりも少なく、かつ前記第２の絞り装置の絞
   り量を前記バイパス回路の流路を開となるように
   制御し、除霜運転中には前記暖房能力検出手段に
   より検出された値に応じて前記第２の絞り装置の
   絞り量を制御する絞り量制御手段を設けたヒート
   ポンプ式空調機。 ２ 除霜運転時、暖房能力検出手段により検出さ
   れた値が所定値以上となつた時、絞り量制御手段
   により第２の絞り装置の絞り量を除霜運転開始時
   の所定値よりも小さな値となるように制御を行な
   う請求項１記載のヒートポンプ式空調機。