JPH0823427B2 - ヒートポンプ式空気調和機の除霜制御装置 - 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器
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法で、この時コールドドラフト防止
の為に、室内ファンを停止していた。

この方法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、並びに除霜運転中の数分間は室内ファンが停止す
るので暖房感が欠如し、快適性が損なわれること、さら
には除霜運転終了後の四方弁が切換わって暖房運転に復
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
った。

近年このような欠点を有する逆サイクル除霜方式に代
わって、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ットガスバイパ
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,第53ページ）。

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５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はホットガス
バイパス回路７は二方弁である。ホットガスバイパス回
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、
低外気時に室外熱交換器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ッ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、自身のも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っ
た。第６図は第５図に示すヒートポンプ式空調機の従来
の除霜運転時におけるモリエル線図を示したものであ
る。同図に示す記号ａ〜ｅは第５図に示したものと対応
する。

即ち、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
は温度の高い過熱域に存在する。

ここで、冷媒はic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まで変化して圧力損失後の点ｅとなり、この液分の多
い乾き度xe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なっていることになる。
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７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８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８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の比に即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って冷凍サイクル内
の冷媒の循環量は増加し、従っ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。

この為、除霜開始時、暖房能力が大きく低下して室内
へ吹き出す空気の温度も低下し、居住者に不快感を与え
る恐れがあり、また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
も長くなっていた。

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、か
つ圧縮機本体内の液レベルを確保し、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、除霜運転開始時に室内ファンの風量を暖房運転時よ
り低下させ、除霜運転時に室内ファンの風量を変化させ
て、長期にわたって信頼性の高い、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形成し、前記バイパ
ス回路に開閉弁を設けて、前記室外熱交換器の除霜運転
開始時には前記絞り装置の絞り量を暖房運転時の絞り量
よりも小さくし、さらに前記開閉弁を開とし、室内ファ
ンの風量を暖房運転時より低下させ、除霜運転時に前記
室内ファンの風量をさらに小さくさせるようにしたヒー
トポンプ式空気調和機の除霜制御装置において除霜運転
時、周波数可変圧縮機の周波数を上昇せしめるとともに
除霜運転終了時近くにおいて前記周波数可変圧縮機の周
波数を低下せしめ、かつ除霜運転終了後の一定時間は前
記周波数可変圧縮機の周波数を除霜運転終了時の運転周
波数か、もしくはそれ以下の運転周波数で運転するよう
にしたものである。

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、かつ圧縮機内の液レベルも
確保できる。

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むらなく一様に温度
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なり、それだけ周囲へ
の対流放熱損失が押さえられて除霜効率も改善できる。

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16に設けられた開閉弁、18は室内熱交換器13と熱交換
した空気を室内に吹き出す室内ファン、19はこの室内フ
ァンを駆動するトランジスタモータ等の速度可変の駆動
モータである。また20は室内熱交換器15の温度を検知す
る室内温度検出素子、21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、22はこの室内温度検出素
子20、室外温度検出素子21の温度信号を受けて電動膨張
弁14、開閉弁17、駆動モータ19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、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、その途中に開閉弁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開閉弁17は閉の状態となってお
り、冷媒は圧縮機11、四方弁12、室内熱交換器13、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21の温度信号が設定値まで下がる
と制御回路22が除霜開始指令を発し、四方弁12はそのま
まの状態で開閉弁17を開とし、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、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、駆動モータ19の回転数すなわち室内ファン18の回
転数を暖房運転時より低下させて室内へ吹き出す風量を
低下させて除霜を開始する。

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、電動膨張弁14の
弁開度が全開気味になっているので比較的低い温度（約
30〜40℃）で凝縮放熱し点ｂ′に移り室内ファンを低速
回転させて暖房運転継続可能となる。途中の配管や電動
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Δi_def＝i_c′−i_d′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
既に二相となっている。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蒸しすればi_a′−
i_b′となる。

一方残りの高温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ｘ′ｅ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、同表面温度にむ
らがないため均一除霜が実現できる。

また、除霜運転開始時、開閉弁17を開くことで高圧側
圧力が大きく低下して暖房能力が急激に低下するが、室
内ファン18の回転数を暖房運転時より低下させるので、
室内側熱交換器13と熱交換して室内に吹き出す空気の温
度の低下を少なくすることができ、居住者に不快感を与
えない。さらに、除霜が進行するにしたがって従来例で
示したのと同様に、次第に高圧側圧力が高くなって暖房
能力が大きくなるが、室内温度検出素子21の温度信号が
設定値まで上昇すると制御回路22により駆動モータ19の
回転数すなわち室内ファン18の回転数を低下させ、暖房
能力の増加を押さえることで室外熱交換器15の除霜能力
を増加させ、したがって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、前記のように室内ファン18の回転数を変化させるこ
とで破線で示す従来例のヒートポンプ式空調機の除霜時
の暖房能力の変化と比較して除霜終了時近くで不必要な
暖房を行なうことがない。

なお、本発明は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電動膨張弁14を用いて
説明したが、キャ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。

第４図は本発明の一実施例におけるヒートポンプ式空
調機の除霜運転時の周波数と時間の関係を示す。

同図のように除霜終了後一定時間一定周波数で制御す
ることで、圧縮機内部のオイル・冷媒混合液レベルが、
信頼性を確保できるレベルに維持できるという効果が得
られる。

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形成し、前記バイパス回路に
開閉弁を設けて、前記室外熱交換器の除霜運転開始時に
は前記絞り装置の絞り量を暖房運転時の絞り量よりも小
さくして前記開閉弁を開とし、室内ファンの風量を暖房
運転時より低下させ、除霜運転時に前記室内ファンの風
量を変化させたもので、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、かつ圧
縮機内の液レベルを確保でき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
室内ファンの風量を可変として、長期にわたって信頼性
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図は同空調機における
除霜運転時の周波数の変化を示す説明図、第５図は従来
のヒートポンプ式空調機の冷凍サイクル図、第６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暖房能
力の変化を示す説明図、第８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
……電動膨張弁（絞り装置）、15……室外熱交換器、16
……バイパス回路、17……開閉弁、18……室内ファン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中角 英二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 実開 昭58−184168（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−159772（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数可変形の圧縮機、四方弁、室内熱交
   換器、暖房運転時と除霜運転時に絞り量の異なる絞り装
   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形成し、前記バイパス回路に開閉弁
   を設けて、前記室外熱交換器の除霜運転開始時には、前
   記絞り装置の絞り量を暖房運転時の絞り量より小さくし
   かつ前記開閉弁を開とし、さらに室内ファンの風量を暖
   房運転時より低下させ、除霜運転時に前記室内ファンの
   風量をさらに小さくさせるようにしたヒートポンプ式空
   気調和機の除霜制御装置において、除霜運転時、周波数
   可変圧縮機の周波数を上昇せしめるとともに除霜運転終
   了時近くにおいて前記周波数可変圧縮機の周波数を低下
   せしめ、かつ除霜運転終了後の一定時間は前記周波数可
   変圧縮機の周波数を除霜運転終了時の運転周波数か、も
   しくはそれ以下の運転周波数で運転する制御手段を有し
   たヒートポンプ式空気調和機の除霜制御装置。