JP2008064381A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機において、除霜を暖房と同時に行って室内の快適性を確保しつつ、除霜時間を短縮すること。
【解決手段】空気調和機は、圧縮機７５、四方弁７２、室内熱交換器３３、減圧装置７４及び室外熱交換器７３を冷媒配管で連結した冷凍サイクルを有し、圧縮機７５の吐出側から室外熱交換器７３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７３は、その冷媒回路を上下に２つに分けて、下側熱交換器７３２とこの下側熱交換器７３２より大きい上側熱交換器７３１とを構成している。制御装置１０は、主回路開閉機構７１３ａ、７１３ｂ及びバイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを逆に開閉して、上側熱交換器７３１を除霜しつつ下側熱交換器７３２で暖房する除霜・暖房運転をした後に、下側熱交換器７３２を除霜しつつ上側熱交換器７３１で暖房する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に係り、特に、室外熱交換器の除霜と室内の暖房とを同時に行う空気調和機に好適なものである。

空気熱源ヒートポンプ空気調和機を暖房運転した場合、室外空気の湿度が高いと室外熱交換器に着霜を生ずる。着霜が生ずると室外熱交換器の通風路が狭まるため、室外熱交換器を循環する室外空気の量が減少する。循環する室外空気の量が減少すると、熱交換量が少なくなるため、これを補おうとする如く室外熱交換器内を流れる冷媒の蒸発温度が下がる。冷媒の蒸発温度が下がると室外熱交換器の外気側の表面温度も下がり、益々着霜を生じやすくなり、着霜が進行する。このままでは室外熱交換器で室外空気から汲み上げる熱量が減少するため室内熱交換器から放熱する熱量も減少するため暖房能力も減少し、室内の快適性が損なわれる。これを防ぐために室外熱交換器の着霜の量が所定の量を超えた時には除霜運転をすることにより室外熱交換器の着霜を融解し、流下させて機外に排出させる。

従来から広く知られている除霜方式として逆サイクル除霜方式がある。これは、暖房運転中に除霜が必要になった場合には、冷凍サイクルを冷房サイクルに切換えて、圧縮機、室内機を熱源とし、圧縮機からの高温ガス冷媒を室外熱交換器に流して除霜するものである。

また、室内の暖房をしながら室外熱交換器の除霜を行う空気調和機として、特開平０９−３１８２０６号公報（特許文献１）、特開２００１−０５９６６４号公報（特許文献２）、特開２００２−１８８８７３号公報（特許文献３）、特開平０４−１１０５７６号公報（特許文献４）が知られている。

特許文献１には、暖房運転時には室外熱交換器が蒸発器となり、室内熱交換器が凝縮器となって室内を暖房するヒートポンプ式空気調和機において、室外熱交換器を上下方向に複数に分割し、分割された各室外熱交換器を室内熱交換器に並列に配管接続するとともに、それぞれ二方弁を介してコンプレッサの吸入口側に配管接続し、かつ、コンプレッサの吐出口側を分岐させて、各室外熱交換器にそれぞれ二方弁を介して配管接続し、暖房運転時に除霜を行うときは、コンプレッサからの吐出ガスの一部を分割された各室外熱交換器に上部側から下部側に順次切換えながら流して暖房と徐霜を並行して行うようにしたことが開示されている。

特許文献２には、圧縮機と、四方弁と、室内熱交換器と、膨張弁と、室外熱交換器とを冷媒配管によって連結し冷凍サイクルを構成してなる空気調和機において、室外熱交換器を室外送風機の回転に伴って発生する空気流に対し前後二列に分離し、それぞれに膨張弁を連結した並列構成にするとともに、圧縮機の吐出側配管と、両室外熱交換器の暖房時入口側配管との間に開閉弁を備えたバイパス路を設け、高能力暖房運転、低能力暖房運転、除霜と暖房の同時運転等を行うよう設定したことが開示されている。

特許文献３には、複数に分割された熱交換器を並列に接続してなる室外側熱交換器と、この室外側熱交換器に圧縮機、四方弁、室内側熱交換器、減圧装置を接続して構成される暖房運転可能な冷凍サイクルと、圧縮機から吐出した吐出ガスを前記室外側熱交換器の暖房運転時、入口となる各熱交換器の口部にそれぞれ導くためのバイパス路と、このバイパス路の各出口を開閉する開閉手段と、室外側熱交換器の各熱交換器に対する着霜を検知する検知手段と、暖房運転時、前記検知結果にしたがって開閉手段を制御し圧縮機からの吐出ガスを着霜した熱交換器へ流入させる手段とを具備したことが開示されている。

特許文献４には、圧縮機と、流路切換用四方弁と、並列接続される２つの室外熱交換器と、冷暖切換可能な減圧装置と、室内熱交換器とを順次配管接続して冷凍サイクルを構成する空気調和機の冷凍装置において、２つの室外熱交換器とそれぞれ直列に冷暖兼用減圧器を配管接続すると共に、圧縮機の吐出側から開閉弁をそれぞれ備える２つのバイパス管を分岐し、同２つのバイパス管を室外熱交換器と冷暖兼用減圧器との間を配管接続する２つの接続配管にそれぞれ接続してなり、除霜運転時、各バイパス管に備える開閉弁を交互に開閉して、２つの室外熱交換器を交互に除霜するようにしたことが開示されている。

特開平０９−３１８２０６号公報 特開２００１−０５９６６４号公報 特開平０４−１１０５７６号公報 特開２００２−１８８８７３号公報

寒い朝などの低温時に暖房運転を開始する場合、室温が設定温度に到達する前に除霜を開始することが必要となり、前述の逆サイクル除霜方式の空気調和機では、暖房運転を止めて逆サイクル除霜運転を始めるため、除霜中に室温が大きく低下して快適性が損なわれると共に、室温が設定温度に到達するまでの時間が長くなる、という問題があった。

特許文献１の空気調和機では、暖房運転中に常時除霜を行うようにしているので、暖房能力が常時低下した状態で室内の暖房を行うことになる、という問題があった。また、３分割された室外熱交換器の最小部分の除霜を順次切換えて行うようにしているので、除霜時間が長くなる、という問題があった。

特許文献２及び特許文献３の空気調和機では、室外熱交換器を空気流に対し前後二列に分離して交互に除霜するようにしているので、分離された室外熱交換器における一方の除霜により生じた融解水を他方の霜の融解に利用できず、効率良く短時間で除霜することができない、という問題があった。

特許文献４の空気調和機では、室外熱交換器を空気流に対し左右に分離して交互に除霜するようにしているので、分離された室外熱交換器における一方の除霜により生じた融解水を他方の霜の融解に利用できず、効率良く短時間で除霜できない、という問題があった。

本発明の目的は、除霜を暖房と同時に行って室内の快適性を確保しつつ、除霜時間を短縮できる空気調和機を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧装置及び室外熱交換器を冷媒配管で連結して冷凍サイクルを構成し、前記室外熱交換器を２つに分けて並列に接続すると共に、前記２つに分けられた各室外熱交換器の冷媒回路の暖房運転時入口側に主回路開閉機構を設け、前記圧縮機の吐出側と前記２つに分けられた各室外熱交換器の冷媒回路の暖房運転時入口側とを連結するホットガスバイパス回路を設けると共に、ホットガスバイパス回路にバイパス開閉弁を設け、運転を制御する制御装置を備えた空気調和機において、前記室外熱交換器は、その冷媒回路を上下に２つに分けて、下側熱交換器とこの下側熱交換器より大きい上側熱交換器とを構成し、前記制御装置は、暖房運転中に除霜を開始する場合に、前記主回路開閉機構及び前記バイパス開閉弁を逆に開閉して、前記上側熱交換器を除霜しつつ前記下側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転をした後に、前記下側熱交換器を除霜しつつ前記上側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転をし、この除霜・暖房運転の終了後に暖房運転に復帰するように制御することにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御装置は、前記上側熱交換器を除霜しつつ前記下側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転の時間よりも前記下側熱交換器を除霜しつつ前記上側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転の時間を長くすること。
（２）鋼鉄製の外殻を持つ圧縮機を用い、外気温０℃以上のときの除霜禁止期間を次の式（１）の数値以下とすることを特徴とする空気調和機。

除霜禁止期間（単位：分）＝８×圧縮機の質量（単位：ｋｇ）／室外熱交換器の吸熱量（単位：ｋＷ） … （１）。
（３）前記除霜禁止期間を２０分〜５分とすること。
（４）前記制御装置は、外気温の低下に基づいて、前記圧縮機の吐出温度を高温側にシフトして制御すると共に、除霜禁止期間を短縮するように制御すること。
（５）前記制御装置は、除霜・暖房運転時に暖房運転時よりも室外送風装置の回転数を低下させ、更に、外気温度が所定値より低い場合の除霜運転時に室外送風装置の運転を停止するように制御すること。
（６）前記制御装置は、除霜・暖房運転を除霜運転時間に達するまで行っても前記室外熱交換器の温度が所定値に達しない場合に前記四方弁を切換えて逆サイクル除霜運転を行うように制御すること。

係る本発明の空気調和機によれば、除霜を暖房と同時に行って室内の快適性を確保しつつ、除霜時間を短縮できる。

以下、本発明の一実施例に係る空気調和機について図を用いて説明する。

まず、本実施例の空気調和機の全体構成に関して図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の一実施例の空気調和機の構成図である。図２は図１の空気調和機の冷凍サイクル構成図である。

空気調和機１は、冷凍サイクルと、送風装置と、これらを制御する制御系とを備えて構成されている。なお、この空気調和機１は、室内機２と室外機６とを冷媒配管８、電気配線、信号配線などを介して接続されたセパレート形空気調和機である。

冷凍サイクルは、圧縮機７５、四方弁７２、室外熱交換器７３、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂ、減圧装置７４、ホットパイプ７１３ｄ、室内熱交換器３３、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを備え、これらを冷媒配管を介して接続することにより構成されている。冷媒配管は、吸込配管７１０、吐出配管７１１、利用側ガス管７１２、液管７１３、熱源側ガス管７１４、ホットガスバイパス管７１５、ホットパイプ７１３ｄ、上側バイパス管７１６ａ、下側バイパス管７１６ｂなどで構成されている。

室内熱交換器３３は室内機２に収納され、圧縮機７５、四方弁７２、室外熱交換器７３、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂ、減圧装置７４、ホットパイプ７１３ｄ、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂは室外機６に収納されている。

四方弁７２は冷媒流路切換弁の一例である。この四方弁７２は、冷房サイクルと暖房サイクルとを切換えるものである。ここで、冷房サイクルは、圧縮機７５から吐出配管７１１を介して吐出された冷媒を室外熱交換器７３へ導き、室内熱交換器３３からの冷媒を圧縮機７５に戻すサイクルである。暖房サイクルは、圧縮機７５から吐出された冷媒を室内熱交換器３３へ導き、室外熱交換器７３からの冷媒を吸込配管７１０及びアキュムレータ７６を介して圧縮機７５に戻すサイクルである。

従って、室外熱交換器７３は、冷房サイクルの冷房運転時に高圧側熱交換器（凝縮器）を構成し、暖房サイクルの暖房運転時に低圧側熱交換器（蒸発器）を構成する。また、室内熱交換器３３は、暖房サイクルの暖房運転時に高圧側熱交換器（凝縮器）を構成し、冷房サイクルの冷房運転時に低圧側熱交換器（蒸発器）を構成する。

室外熱交換器７３は、冷媒配管と熱交換フィンとで構成され、その冷媒配管で形成される冷媒回路を複数に分割して並列に接続されている。この冷媒回路は上側の冷媒回路と下側冷媒回路との２つの冷媒回路に区分して構成されている。室外熱交換器７３は、上側の冷媒回路を含む上側熱交換器７３１と、下側の冷媒回路を含む下側熱交換器７３２とからなっている。上側熱交換器７３１は、第１上側冷媒回路７３１ａ、第２上側冷媒回路７３１ｂ、第３上側冷媒回路７３１ｃを有している。下側熱交換器７３２は、第１下側冷媒回路７３２ａ、第２下側冷媒回路７３２ｂを有している。

上側熱交換器７３１及び下側熱交換器７３２の各々は、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを介して、減圧装置７４に接続されている。また、上側熱交換器７３１、下側熱交換器７３２と主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂとの間から分岐し、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを介して圧縮機７５の吐出管７１１にホットガスバイパス管７１５で接続されるホットガスバイパス回路が設けられている。

減圧装置７４は、室外熱交換器７３と室内熱交換器３３との間に設けられ、冷房サイクルの冷房時に室外熱交換器７３からの冷媒を減圧し、暖房サイクルの暖房運転時に室内熱交換器３３からの冷媒を減圧する。なお、本実施例では減圧装置７４は絞り開度が制御可能な膨張弁、例えば電動式などで構成されている。

主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂ及びバイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂは、電磁式開閉弁で構成され、冷媒の主回路及びホットガスバイパス回路を開閉するものである。

空気調和機１における送風装置は、室外機６に収納された室外送風装置６３と、室内機２に収納された室内送風装置３１とからなっている。室外送風装置は、室外熱交換器７３に室外空気を流通させる室外ファン６３１と、室外ファン６３１を駆動する室外送風モーター６３３とを備えている。室内送風装置は、室内熱交換器３３に室内の空気を流通させる室内ファン３１１と、室内ファン３１１を駆動する室内送風モーター３１３とを備えている。本実施例では、室外ファン６３１として軸流ファンを使用し、室内ファン３１１として横流ファンを使用している。

空気調和機１における制御系は、冷媒温検知センサー８１１ａ、８１１ｂ、８１２と、制御装置１０とを備えて構成されている。冷媒温検知センサー８１１ａ、８１１ｂ、８１２は、暖房時の室外熱交換器７３の上側熱交換器７３１、下側熱交換器７３２の出口温度を検出する冷媒温検知センサー８１１ａ、８１１ｂと、逆サイクル除霜時の室外熱交換器７３の出口温度を検出する冷媒温検知センサー８１２とから構成されている。

制御装置１０は、冷媒温検知センサー８１１ａ、８１１ｂ、８１２の検出結果や使用者の運転指令に基づいて、圧縮機７５、四方弁７２、室外送風モーター６３３、室内送風モーター３１３、減圧装置７４、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂ、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂなどを制御する。なお、本実施例では、制御装置１０は、演算する機能を有する制御装置と、各機器を制御する機能を有する制御装置とを一つで示してあるが、これらが分けて構成されていても良く、或いは各機器を制御する機能を有する制御装置がさらに分けて構成されていても良い。

次に、空気調和機１の運転動作を図３〜図８を参照しながら説明する。

先ず、冷房サイクルにおける冷房運転について図４を用いて説明する。図４は図１の空気調和機の冷房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。空気調和機１の冷房運転をする際には、四方弁７２を図４のように切換え、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを開、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを閉にして冷房運転サイクルを形成すると共に、圧縮機７５、室外送風モーター６３３及び室内送風モーター３１３を運転する。

圧縮機７５に吸込まれたガス冷媒は、圧縮機７５で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって、図４の実線矢印の方向に流れ、四方弁７２を通って凝縮器となる室外熱交換器７３の上側熱交換器７３１及び下側熱交換器７３２に入り、室外空気と熱交換し冷却されて凝縮され、液または気液混合の冷媒となる。

次いで、冷媒は、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを介して、減圧装置７４に入り、膨張して減圧され、低圧の気液混合の冷媒となる。この気液混合冷媒は、図４で低圧冷媒の流れを示す破線の矢印の方向に流れ、ホットパイプ７１３ｄを通った後、室外機６を出て室内機２に入り、蒸発器となる室内熱交換器３３に入り、室内空気と熱交換して室内を冷房し、自身は加熱され、ガス冷媒となって圧縮機７５に戻る。

次に、暖房サイクルにおける暖房運転について図５を用いて説明する。図５は図１の空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。暖房運転する際には、四方弁７２を図５のように切換え、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを開、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを閉にして暖房運転サイクルを形成すると共に、圧縮機７５、室外送風モーター６３３及び室内送風モーター３１３を運転する。

圧縮機７５に吸込まれたガス冷媒は、圧縮機７５で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって、図５の実線矢印の方向に流れ、四方弁７２を通って凝縮器となる室内熱交換器３３に入り、室内空気と熱交換し冷却されて凝縮され、液または気液混合の冷媒となる。

凝縮して液または気液混合の冷媒となった冷媒は、室内機２を出て室外機６に入り、室外熱交換器７３の下部又は除霜水排出口近辺に引回されたホットパイプ７１３ｄを流れ、除霜時に落下した氷片を融解して室外機６の外に完全に排出し、室外機６内に残霜が生じないようにしている。ホットパイプ７１３ｄを通った冷媒は、減圧装置７４に入り、膨張して減圧され、低圧の気液混合の冷媒となる。この気液混合冷媒は、図５で低圧冷媒の流れを示す破線の矢印の方向に流れ、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを介して、蒸発器となる室外熱交換器７３の上側熱交換器７３１及び下側熱交換器７３２に入り、室外空気と熱交換して加熱され、ガス冷媒となって圧縮機７５に戻る。

上述した暖房サイクルにおける暖房運転動作を繰り返すことにより、暖房運転が継続される。

係る暖房運転時には、室外熱交換器７３は室外空気から熱を奪うため低温になり、０℃以下となって伝熱面に着霜することがある。外気の温度が低く、湿気が高いとこの現象は顕著になり、室外空気の流通面に付着した霜により、室外空気の流通が妨げられて室外ファン６３１の風量が減少する。室外ファン６３１の風量が減少するとこれを補うかのごとく室外熱交換器７３の温度が更に低下し、益々霜が着きやすくなる。かくして、室外熱交換器７３の着霜は増え続け、空気調和機１が室外空気から汲み上げる熱量が減少し、暖房能力も減少して、室内を十分に暖房できなくなり、暖房の機能が喪失してしまうので、除霜運転が必要になる。

次に、暖房サイクルにおける除霜・暖房運転について図６及び図７を用いて説明する。図６は図１の空気調和機の室外熱交換器の上部を除霜する時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図、図７は図１の空気調和機の室外熱交換器の下部を除霜する時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。

前述のように、暖房運転をしていると、湿気の多い日には、室外熱交換器７３に霜が付き、暖房能力が落ちてくる。冷媒温検知センサー８１２が所定の温度を下回り、かつ、暖房サイクルでの暖房運転を所定の時間以上行っている場合に、着霜の量が所定の量に達したとみなし、暖房サイクルによる除霜運転を行う。この除霜運転は、四方弁７２を図６のように暖房運転時と同じにし、主回路開閉弁７１３ａを閉、主回路開閉弁７１３ｂを開、バイパス開閉弁７１５ａを開、バイパス開閉弁７１５ｂを閉にして、室外熱交換器７３の内の上側熱交換器７３１を凝縮器として機能させると共に、下側熱交換器７３２を蒸発器として機能させ、除霜と暖房とを同時に行う除霜・暖房運転サイクルを形成する。この時、室外送風モーター６３３を低速運転し、室内送風モーター３１３は、吹出し温度が所定温度以上を保持できるように運転を制御する。

ここで、圧縮機７５に吸込まれたガス冷媒は、圧縮機７５で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって、吐出管７１１に吐出され、途中で分岐して、一方の冷媒は四方弁７２に入り、他方の冷媒はホットガスバイパス管７１５に入る。

四方弁７２に入った一方の冷媒は、図６の実線矢印の方向に流れ、室内熱交換器３３に入り、室内空気と熱交換し冷却されて凝縮され、液または気液混合の冷媒となる。この際に室内の暖房が行われる。液または気液混合の冷媒となった冷媒は、室内機２を出て室外機６に入り、ホットパイプ７１３ｄを流れ、周辺の氷片を融解して室外機６の外に排出する。ホットパイプ７１３ｄを通った冷媒は、減圧装置７４に入り、膨張して減圧され、低圧の気液混合の冷媒となる。この気液混合冷媒は、図６で低圧冷媒の流れを示す破線の矢印の方向に流れ、主回路開閉弁７１３ｂを介して、蒸発器となる室外熱交換器７３の下側熱交換器７３２に入り、室外空気と熱交換して加熱され、ガス冷媒となって圧縮機７５に戻る。

他方、ホットガスバイパス管７１５に入った冷媒は、図６の実線矢印の方向に流れ、バイパス開閉弁７１５ａを介して室外熱交換器７３の上側熱交換器７３１に入る。上側熱交換器７３１に入った冷媒は、高温高圧であるので上側熱交換器７３１に付着した霜を融解して下方に流下させる。流下した融解水は、蒸発器として作用している下側熱交換器７３２に流れ込み、最初は下側熱交換器７３２の着霜を融かしながら流下し、流下するに従って低温になり、外気温が低い場合などは終りには再氷結する。

この時、融解水は下側熱交換器７３２に熱を与えながら流下し、その熱は下側熱交換器７３２内部の冷媒の気化を促進する。つまり、上側熱交換器７３１で着霜の融解に使われた熱の一部が下側熱交換器７３２の着霜を一部融解し、更に内部の冷媒の気化に寄与して回収され、除霜の熱量が有効に使われる。

上側熱交換器７３１の霜を除霜した冷媒は上側熱交換器７３１を出たところで下側熱交換器７３２で気化した冷媒と合流し圧縮機７５に戻る。上側熱交換器７３１の除霜運転を所定時間または上側熱交換器７３１の出口の冷媒温検知センサー８１１ａが所定温度まで上昇すると、下側熱交換器７３２の除霜を次に行う。

下側熱交換器７３２の除霜に切換えるには、主回路開閉弁７１３ａを開、主回路開閉弁７１３ｂを閉、バイパス開閉弁７１５ａを閉、バイパス開閉弁７１５ｂを開にして、室外熱交換器７３の内の下側熱交換器７３２を凝縮器として機能させると共に、上側熱交換器７３１を蒸発器として機能させ、除霜と暖房とを同時に行う除霜・暖房運転サイクルを形成する。この時、室外送風モーター６３３を低速運転し、室内送風モーター３１３は、吹出し温度が所定温度以上を保持できるように運転を制御する。

ここで、四方弁７２から室内熱交換器３３に流れ、減圧装置７４で減圧されるまでの冷媒の流れは、上側熱交換器７３１を除霜する時と同じである。減圧装置７４で減圧された冷媒は、図７の破線の矢印の方向に流れ、主回路開閉弁７１３ａを介して、蒸発器となる上側熱交換器７３１に入り、室外空気と熱交換して加熱され、ガス冷媒となって圧縮機７５に戻る。

ホットガスバイパス管７１５に入った冷媒は、図７の実線矢印の方向に流れ、バイパス開閉弁７１５ｂを介して室外熱交換器７３の下側熱交換器７３２に入る。下側熱交換器７３２に入った冷媒は、高温高圧であるので、下側熱交換器７３２に付着した霜を融解して下方に流下させる。流下した融解水は、除霜水の排出口から室外機６の外に排出される。下側熱交換器７３２の霜を除霜した冷媒は、下側熱交換器７３２を出たところで上側熱交換器７３１で気化した冷媒と合流し圧縮機７５に戻る。下側熱交換器７３２の除霜運転が所定時間経過すると、または下側熱交換器７３２の出口の冷媒温検知センサー８１１ｂが所定温度まで上昇すると、主回路開閉弁７１３ａ、７１３ｂを開、バイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを閉にして、除霜・暖房運転を終了し、直ちに図５の暖房運転に復帰する。

上述したように、空気熱源ヒートポンプ空気調和機を暖房運転した場合、室外空気の湿度が高いと、室外熱交換器７３に着霜を生ずる。着霜が生ずると室外熱交換器７３の通風路が狭まるため、室外熱交換器７３を循環する室外空気の量が減少する。循環する室外空気の量が減少すると、熱交換量が少なくなるため、これを補おうとする如く室外熱交換器７３内を流れる冷媒の蒸発温度が下がる。冷媒の蒸発温度が下がると室外熱交換器７３の外気側の表面温度も下がり、益々着霜を生じやすくなり、着霜が進行する。

このままでは室外熱交換器７３で室外空気から汲み上げる熱量が減少するため、室内熱交換器３３から放熱する熱量も減少して暖房能力が減少し、室内の快適性が損なわれる。これを防ぐために、室外熱交換器７３の着霜の量が所定の量を超えた時には除霜をすることにより、室外熱交換器７３の着霜を融解して流下させて機外に排出させる。この時、室外熱交換器７３の下部は上部から流れてきた融解水が通過するため、上部より水滴が残り易い。水滴が残った状態で除霜運転が終了して暖房運転が始まると、残った水滴が氷結して室外空気の通風を妨害する。室外空気の通風が妨害されると、前述のように着霜が成長し易くなり、暖房能力の低下が進行する。

ここで、圧縮機７５の吐出側と暖房時の室外熱交換器７３の入口側を連結するバイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂを備えたホットガスバイパス回路を有し、暖房運転時の室外熱交換器７３の除霜をバイパス開閉弁７１５ａまたは７１５ｂを開いて行う空気熱源ヒートポンプ空気調和機において、室外熱交換器７３を上部より下部が小さい複数の冷媒回路に上下方向に分割し、各回路を並列に接続すると共に、室内熱交換器３３と複数の冷媒回路の各々との間に主回路開閉機構７１３ａ、７１３ｂを設け、主回路開閉機構７１３ａ、７１３ｂとバイパス開閉弁７１５ａ、７１５ｂとを交互に開閉して複数の冷媒回路の１回路を除霜しつつ他の回路で暖房運転を継続する。

これにより、除霜していない下側熱交換器７３２又は上側熱交換器を蒸発器として暖房運転が継続できる。また、除霜のとき、圧縮機７５からのホットガスで解氷しなければならない熱交換器の面積が下側熱交換器７３２を除霜する時は狭くなる。この狭い範囲の着霜を暖めれば良いため、除霜に要する時間が短縮される。

また、狭い範囲を暖めれば良いため、熱が行き渡り易く、解氷が十分行われ、解けて流下する水滴の温度も上がり、粘性が小さくなって流下し易くなると共に、一部が空気中へ蒸発しやすくなる。このようにして、下側熱交換器７３２に流下しないで残存する水滴の量が減少する。したがって、下側熱交換器７３２は除霜の都度、残存水の少ない、着霜しにくい状態になるので、着霜の進行が遅れる。着霜の進行が遅れると、その分、室外熱交換器７３の除霜の開始を遅らせることができ、室内を除霜・暖房運転で十分に暖房することができる。

このため、室内を暖房しながら除霜する除霜・暖房運転が可能で、除霜・暖房運転の所要時間を短縮でき、室内の快適性を長く保つことができる。

また、一般に、着霜が生じるような温度条件での暖房時は、外気温が低いときが多く、温風の温度を上げるため、高い凝縮温度が要求され、また、圧縮機７５の吸い込み圧力は外気温が低いため、低くなるので、圧縮比が上がり、圧縮機７５の効率が下がってしまう。これを補うため、回転数制御圧縮機を使用するときなどは回転数を上げて、冷媒の循環量を確保する必要がある。また、圧縮機７５の仕事量も暖房能力に加わるので、圧縮機７５を存分に働かせて暖房能力を確保する。このため、圧縮機７５は高負荷で駆動され、圧縮機７５は高温に保持されている。この状態から除霜・暖房運転に入ると、圧縮機７５が高温に保持されているので、圧縮機７５から吐出される冷媒は高温状態でホットガスバイパス回路を流れ、上側熱交換器７３１に流入する。

また、一般に、室外熱交換器用７３に送風する室外ファン６３１は外気を大量に循環させて、熱交換を効率よく行わせるため、軸流ファン６３１が使用される。軸流ファンは発生できる風圧がさほど大きくないため、室外機６の構造は外気吸込み口、室外熱交換器７３、軸流ファン６３１、外気吹出し口をほぼ一直線に並べ、通風経路を単純な形にして、通風の圧力損失を抑えるように構成されている。

このように、わずかな風圧で、大量の外気を通風させるので、室外熱交換器７３を通過する外気の量は通風経路の違いで場所によって変わる。室外熱交換器７３を上下に分けた場合、室外熱交換器７３の下部は上部に比べて地面の影響を強く受け、極わずかではあるが、通風抵抗が増すと考えられる。この僅かな差で、室外熱交換器７３の下部を流れる外気の量がほんの少し減少する。

このため、室外熱交換器７３の上部と下部を比較すると、下側熱交換器７３２は上側熱交換器７３１に比べて、風速が遅くなり、熱交換性能が低下する。このため、下側熱交換器７３２は上側熱交換器７３１に比べて、低温になり、着霜し易くなる。また、室外熱交換器７３の下部は上部から流れてきた上側熱交換器７３１の除霜時の融解水が通過するため、上部より水滴が残り易い。水滴が残った状態で除霜・暖房運転が終了し、暖房運転が始まると、残った水滴が氷結し、室外空気の通風を妨害する。室外空気の通風が妨害されると前述のように、更に、着霜が成長し易くなる。

そこで、室外熱交換器７３の除霜を行う時に、上側熱交換器７３１、下側熱交換器７３２の順に除霜を行うと共に、下側熱交換器７３２の除霜時間を、先に行った上側熱交換器７３１の除霜時間より長くしている。これにより、室外熱交換器７３に着霜し、着霜量が除霜を必要とする所定量に達したときに、上側熱交換器７３１から順に除霜・暖房運転を行う。まず、上側の冷媒回路にホットガスバイパス回路からのガスを流し、除霜・暖房運転を行う。上側の冷媒回路にホットガスを流すので、室外熱交換器７３の上側の冷媒回路の空気側伝熱面に付着した着霜が融解し、下方に流れ下る。

この融解水の温度が高い場合は、融解水は下側熱交換器７３２の空気側伝熱面の着霜に触れ、これを融解水自身の顕熱で溶かしながら更に流れ下る。このとき、下側熱交換器７３２で着霜が融解した部分は、熱伝達の妨害をしていた着霜が除かれるので、外気から、冷媒への熱移動がスムーズに行われ、熱交換能力が回復し、室内の暖房能力の低下を抑制する。流れ下る融解水の温度が融解点まで下がると、融解水はそれ以上着霜を融解することなく流下し、流下しながら下側熱交換器内を流れる下側冷媒回路の冷媒で冷却されて凝固する。

このとき、融解水の凝固熱は下側冷媒回路の冷媒を温めるので、上側熱交換器で着霜の融解に使用された熱量が回収される。上側熱交換器７３１の除霜のための除霜・暖房運転が終了すると、次に、下側熱交換器７３２の除霜を行うための除霜・暖房運転が開始される。下側の冷媒回路に圧縮機７５からのホットガスを流すので、室外熱交換器７３の下側の冷媒回路の空気側伝熱面に付着した着霜が融解し、下方に流れ下り、下側熱交換器７３の除霜が行われる。

このとき、上側熱交換器７３１は除霜が終了した直後なので、熱伝達の妨害をしていた着霜が除かれているので、外気から、冷媒への熱移動がスムーズに行われ、熱交換能力が回復し、室内の暖房能力の低下を抑制する。このように、除霜・暖房運転時でも暖房能力の大幅な低下を抑制しつつ、暖房を継続することができる。

また、上側熱交換器７３１の除霜時には、下側熱交換器７３２の着霜量が一時的に増加する。しかし、上側熱交換器７３１の除霜の終了に引き続いて下側熱交換器７３２の除霜のための除霜・暖房運転が行われるので、下側熱交換器７３２も除霜される。したがって、下側熱交換器７３２の着霜が増え続け、残霜が生ずることはない。このため、着霜を完全に除去でき、残霜を生じさせない。

また、最初の除霜・暖房運転では高温のホットガスを上側熱交換器７３１の除霜に使用できるので、除霜・暖房運転の時間は短かいが、広範な範囲を除霜することができる。この時、室内熱交換器３３に送られる冷媒の温度も高温な状態であるので、暖房能力は減少するが、時間が短いため、室温の変動は少なく室内の快適性の低下を抑制することができる。

このように、除霜・暖房運転の開始からの短時間で、広範な範囲の上側熱交換器７３１の除霜が完了し、下側熱交換器７３２の除霜に切換えることができる。下側熱交換器７３２の除霜のための除霜・暖房運転では、除霜すべき下側熱交換器７３２の範囲は上側熱交換器７３１より狭くなるが、圧縮機７５の吐出ガスの温度が直前に行われた上方の上側熱交換器７３１の除霜・暖房運転のために低下しているので、その除霜・暖房運転の所要時間は長くなる。

また、下側熱交換器７３２には霜が着きやすいので、その除霜・暖房運転の時間を残霜が生じないよう十分長くする必要がある。しかし、この時は、上側熱交換器７３１の除霜が完了しているので、上側熱交換器７３１はその熱交換能力を十分発揮でき、外気から熱を吸収し、圧縮機７５の吐出温度の低下を抑制し、ホットガスの温度低下を抑えて、除霜・暖房運転できる。これによって、その除霜・暖房運転の所要時間は上方熱交換器の除霜所要時間の２倍程度に抑えられ、上側熱交換器７３１と下側熱交換器７３２の除霜・暖房運転の所要時間の合計を逆サイクル除霜運転した場合に比べて短縮することができる。また、この時、圧縮機７５の吐出温度の低下が抑制されるので、暖房能力の低下も抑制することができる。このため、室内を暖房しながら除霜をすることが可能で、且つ、除霜・暖房運転の所要時間を短縮できる。

一般に、効率よく暖房運転するため、暖房運転時の圧縮機７５の吐出温度は７０℃前後に制御されている。高圧チャンバーを有する圧縮機７５では、この吐出冷媒が高圧チャンバー内に充満するため、圧縮機７５全体が高温に保たれる。また、室外熱交換器７３の除霜を終了した後、暖房運転の立上がりを良くするため、除霜終了時の圧縮機７５の吐出温度は室温以上であることが要求され、圧縮機７５から室内熱交換器３３までの温度低下を考慮すると、２５℃以上であることが望ましい。

本実施例では、除霜の禁止期間を短くし、室外熱交換器７３に付着する着霜の量を制限して圧縮機７５に蓄えられた熱量で除霜を終了することにより、除霜の所要時間を短縮でき、暖房に復帰した後の暖房能力の回復を早くすることができる、と言う発想の下に成されたものである。

ここで、鋼鉄製の外殻を持つ圧縮機７５、四方弁７２、室内熱交換器３３、減圧装置７４、アルミニウム製のフィンを持つ室外熱交換器７３を備え、外気温０℃以上のときの除霜禁止期間を次の式（１）の数値以下とする。

最長除霜禁止期間（分）＝８×圧縮機の質量（ｋｇ）÷室外熱交換器の吸熱量（ｋＷ） … （１）
これにより、高温の圧縮機に蓄えられている７０℃〜２５℃の熱量を室外熱交換器７３の除霜に使用し、室内から熱を奪わないようにできる。例えば、暖房能力６．７ｋＷクラスの空気調和機では、圧縮機７５の質量は１２ｋｇ程度である。そのため、利用できる蓄熱量Ｑは、大略、１２（質量）×０．４３５（比熱：概算のためすべて鋼鉄でできていると仮定する）×（７０−２５）＝２３５ｋＪである。

しかしこのとき、室外熱交換器７３の温度は−５℃程度になっているため、着霜と室外熱交換器７３が０℃まで上昇するのに必要な熱量も加えてやる必要がある。その熱量はおよそ蓄熱量Ｑの１割と見て差し支えないので、着霜の融解に使用できる熱量は２３５−２４＝２１１ｋＪとなる。

一方、このクラスの空気調和機の室外送風装置６３の風量は１２．５ｍ^３／ｍｉｎ程度であり、外気温が５℃／４℃（ＤＢ／ＷＢ）付近の着霜量の多い運転では、室外熱交換器７３の吸熱量は４．０ｋＷと見積もられる。その時の室外熱交換器７３の平均温度は−４℃位で、顕熱比は０．６５、着霜量は１．９ｋg／ｈとなる。この着霜の融解に必要な熱量は６３４ｋJとなる。これより、除霜禁止期間を（２３５−２４）÷６３４＝０．３３時間＝２０分以内にすれば、圧縮機７５の蓄熱だけで室外熱交換器７３の除霜ができることになる。

ここで、空気熱源ヒートポンプ空気調和機の暖房能力測定条件はＩＳＯ規格で外気の状態を７℃／６℃（ＤＢ／ＷＢ）でとしているので、この条件では除霜運転に入らないように設計することにより、外気温度が５℃より高くなると室外熱交換器７３の温度が上がり、ほとんど着霜しなくなる。他方、外気温度が５℃より下がると外気の絶対湿度が下がってくるため、着霜量が少なくなってくる。このため、計算例では着霜量が一番多くなる外気温度５℃付近を例に取った。

また、室外送風装置６３の送風量を１２．５ｍ^３／ｍｉｎ程度としたが、風量が変わって、室外熱交換器７３の温度が変化しても、この温度付近の飽和水蒸気線の傾きは、図３に示すように前述の顕熱比の値とほぼ同じであるので、変化した後の顕熱比も０．６５となる。従って、着霜量も変わらず、１．９ｋｇ／ｈとなる。つまり、吸熱量が一定であれば（暖房能力が一定であれば）、この温度付近での暖房運転では、着霜量が一定となる。

このように、圧縮機７５の質量と暖房能力が判れば、圧縮機７５の蓄熱量だけで除霜できる着霜量に達するまでの大略の暖房運転時間を求め、この運転時間より短い時間を除霜禁止期間とする。更に、室外熱交換器７３を上下に複数の冷媒回路に分割し、除霜・暖房運転時に分割した少なくとも１以上の冷媒回路を蒸発器として作用させる。これにより、除霜・暖房運転時も蒸発器として作用している室外熱交換器７３の一部からの吸熱量と圧縮機７５の電気入力分が室内の暖房に寄与することができ、室内機２の暖房能力の低下を抑制して、室内の温度低下を抑えることができる。このため、室内の快適感が失われるのを防止できる。

また、除霜禁止期間を２０分〜５分とする。これにより、ほぼ全ての暖房能力クラスで、室外熱交換器７３の着霜の量が制限され、圧縮機７５の蓄熱だけで除霜・暖房運転時の除霜熱量を賄うことができる。このため、室内の快適感が失われるのを防止できる。

また、外気温の低下に伴い、圧縮機７５の吐出温度を高温側にシフトして制御すると共に、除霜禁止期間を短縮する。これにより、圧縮機７５の蓄熱量が増加すると共に、除霜・暖房運転時間が短縮され、暖房運転に復帰した時の圧縮機７５の吐出温度の回復が早くなって、暖房能力の落ち込み時間が短くなる。このため、低外気温でも除霜・暖房運転時の室温変化が抑制される。

また、除霜・暖房運転時は暖房運転時よりも室外ファン６３１の回転数を低下させ、更に、外気温度が所定値より低い場合は除霜運転時に室外送風機の運転を停止する。このように、除霜・暖房運転時に室外ファン６３１の回転数を低下させることにより、除霜・暖房運転時に融解水やフィン、パイプから、室外ファン６３１による強制対流で外気に奪い去られる熱量が減少し、霜の融解が効率よく進む。また、外気の温度が更に低くなり、外気への放熱量が増加した場合は室外ファン６３１の運転を停止する。これにより、室外ファン６３１による強制対流で外気に奪い去られる熱量の大部分が霜の融解に有効に使用され、室外熱交換器７３の除霜が効率よく進む。このため、除霜・暖房運転時間を短縮でき、また、低外気温の時でも除霜・暖房運転で残霜を生じることはない。

また、除霜運転を最長除霜運転時間に達するまで行っても室外熱交換器７３の温度が所定値に達しない場合に四方弁７２を切換えて逆サイクル除霜運転を行う。これにより、暖房サイクルでのホットガスバイパス除霜で融解し切れなかった室外熱交換器７３の冷媒回路出口（冷房時の室外熱交換器入口）付近の残霜も、逆サイクル除霜運転を行うことにより、圧縮機７５からの高温冷媒で融解させることができる。

このように、設置条件や、気象条件の悪化で通常の除霜・暖房運転では残霜が発生する場合でも、残霜無しの完全な除霜運転を行うことができる。このため、室内の暖房ができる設置条件や気象条件の範囲を広くすることができる。

次に、本実施例による暖房の立上がり特性について、図８を参照しながら説明する。図８は図１の空気調和機の暖房の立上り運転時の室温変化を示す特性図である。ここでは、寒い朝を想定し、室温、外気温が共に−５℃の状態からスタートさせた。

図８の特性に示すように、本実施例による暖房運転と除霜・暖房運転とによる方式では除霜の運転時間が約２分と短く、また、除霜・暖房運転中も室外熱交換器の一部は蒸発器として作用して室内の暖房をしているため、室内温度の低下も約３℃程度の抑えられ、快適性が確保して暖房が継続される。また、室内温度の２０℃までの到達時間は８０分と短い。

本発明の一実施例の空気調和機の構成図である。 図１の空気調和機の冷凍サイクル構成図である。 除霜時の室外空気の変化を示す湿り空気線図である。 図１の空気調和機の冷房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。 図１の空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。 図１の空気調和機の室外熱交換器の上部を除霜する時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。 図１の空気調和機の室外熱交換器の下部を除霜する時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル図である。 図１の空気調和機の暖房の立上り運転時の室温変化を示す特性図である。

符号の説明

１…空気調和機、２…室内機、５…リモコン、６…室外機、８…接続配管、１０…制御装置、３３…室内熱交換器、７２…四方弁、７３…室外熱交換器、７４…減圧装置、７５…圧縮機、７６…アキュムレータ、３１１…室内ファン、３１３…室内送風モーター、６３１…室外ファン、６３３…室外送風モーター、７１０…吸込配管、７１１…吐出配管、７１２…利用側ガス管、７１３…液管、７１４…熱源側ガス管、７１５…ホットガスバイパス管、７１３ａ…上側主回路開閉弁、７１３ｂ…下側主回路開閉弁、７１３ｄ…ホットパイプ、７１５ａ…上側バイパス開閉弁、７１５ｂ…下側バイパス開閉弁、７１６ａ…上側バイパス管、７１６ｂ…下側バイパス管、７３１…上側熱交換器、７３１ａ…第１上側冷媒回路、７３１ｂ…第２上側冷媒回路、７３１ｃ…第３上側冷媒回路、７３２…下側熱交換器、７３２ａ…第１下側冷媒回路、７３２ｂ…第２下側冷媒回路、８１１ａ…冷媒温検知センサー、８１１ｂ…冷媒温検知センサー、８１２…冷媒温検知センサー。

Claims (7)

1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、減圧装置及び室外熱交換器を冷媒配管で連結して冷凍サイクルを構成し、
   前記室外熱交換器を２つに分けて並列に接続すると共に、前記２つに分けられた各室外熱交換器の冷媒回路の暖房運転時入口側に主回路開閉機構を設け、
   前記圧縮機の吐出側と前記２つに分けられた各室外熱交換器の冷媒回路の暖房運転時入口側とを連結するホットガスバイパス回路を設けると共に、ホットガスバイパス回路にバイパス開閉弁を設け、
   運転を制御する制御装置を備えた空気調和機において、
   前記室外熱交換器は、その冷媒回路を上下に２つに分けて、下側熱交換器とこの下側熱交換器より大きい上側熱交換器とを構成し、
   前記制御装置は、暖房運転中に除霜を開始する場合に、前記主回路開閉機構及び前記バイパス開閉弁を逆に開閉して、前記上側熱交換器を除霜しつつ前記下側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転をした後に、前記下側熱交換器を除霜しつつ前記上側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転をし、この除霜・暖房運転の終了後に暖房運転に復帰するように制御する
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記上側熱交換器を除霜しつつ前記下側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転の時間よりも前記下側熱交換器を除霜しつつ前記上側熱交換器で暖房する除霜・暖房運転の時間を長くすることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１において、鋼鉄製の外殻を持つ圧縮機を用い、外気温０℃以上のときの除霜禁止期間を次の式（１）の数値以下とすることを特徴とする空気調和機。
   除霜禁止期間（単位：分）＝８×圧縮機の質量（単位：ｋｇ）／室外熱交換器の吸熱量（単位：ｋＷ） … （１）
4. 請求項３において、前記除霜禁止期間を２０分〜５分とすることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１において、前記制御装置は、外気温の低下に基づいて、前記圧縮機の吐出温度を高温側にシフトして制御すると共に、除霜禁止期間を短縮するように制御することを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１において、前記制御装置は、除霜・暖房運転時に暖房運転時よりも室外送風装置の回転数を低下させ、更に、外気温度が所定値より低い場合の除霜運転時に室外送風装置の運転を停止するように制御することを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１において、前記制御装置は、除霜・暖房運転を除霜運転時間に達するまで行っても前記室外熱交換器の温度が所定値に達しない場合に前記四方弁を切換えて逆サイクル除霜運転を行うように制御することを特徴とする空気調和機。

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