JP5071100B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを行なって暖房を行なう空気調和装置に関するものである。

従来より、冷凍サイクルを行って室内の冷房や暖房を行う空気調和装置が広く知られている。この空気調和装置で暖房を行う際には、室外熱交換器が蒸発器となる。そして、室外熱交換器での冷媒の蒸発温度が０℃より低くなると、室外熱交換器に霜が付着する。そこで、この種の空気調和装置では、室外熱交換器の霜を融かすためのデフロスト運転が、例えば一定の時間ごとに行われる。

一般に、空気調和装置は、いわゆる逆サイクルデフロスト運転を行うことが多い。逆サイクルデフロスト運転とは、暖房時とは逆に室外熱交換器が凝縮器となって室内熱交換器が蒸発器となるように冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う動作である。このため、逆サイクルデフロスト運転中には、室内熱交換器で室内空気が冷やされてしまうため、室内の快適性を損なうおそれがある。

この問題に対し、例えば特許文献１に記載された空気調和装置では、暖房運転中に圧縮機から吐出された高温高圧のガス冷媒を用いてケミカル蓄熱装置に蓄熱し、デフロスト運転時にその蓄熱した熱を利用してデフロストを行なうことによって、デフロストに要する時間の短縮を図っている。
特開平５−７９７３０号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、デフロストに要する時間の短縮が図られるものの、やはりデフロスト運転中は暖房が止まってしまうので、室内の快適性を十分に保つことができない。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、デフロストを行なっている間も暖房ができるようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
圧縮機（21）と室外熱交換器（22）と膨張機構（25）と室内熱交換器（31）とが接続された冷媒回路（15）を備えて冷凍サイクルを行なう空気調和装置であって、
前記室外熱交換器（22）が蒸発器となる冷凍サイクルによって該室外熱交換器（22）に付着した霜を除去するデフロスト動作を、該室外熱交換器（22）に並行して移動しつつ、該室外熱交換器（22）の一部分ずつに対して行なうデフロスト手段（40）を備え、
前記室外熱交換器（22）は、複数のパスを有して、縦向きに配置され、
前記デフロスト動作時に前記デフロスト手段（40）を前記室外熱交換器（22）の上方から下方に向かって移動させる駆動機構（42）を備え、
前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）のパス単位でデフロスト動作を行なうように構成されていることを特徴とする。

これにより、デフロスト手段（40）が室外熱交換器（22）に並行して移動しつつ、該室外熱交換器（22）の一部分ずつに対してデフロストを行なう。

また、これにより、縦向きに配置された室外熱交換器（22）において、該室外熱交換器（22）の上の部分から順にデフロストが行なわれる。

また、これにより、複数パスを有した室外熱交換器（22）に対し、パス単位でデフロストが行なわれる。

また、第２の発明は、
第１の発明の空気調和装置であって、
前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）に対して空気の流れ方向の上流側に配置されていることを特徴とする。

これにより、室外熱交換器（22）の霜がつきやすい、室外熱交換器（22）の風上側からデフロストが行なわれる。

また、第３の発明は、
第２の発明の空気調和装置であって、
前記デフロスト手段（40）は、空気の流れ方向の上流側に風除けのカバー（44）を備えていることを特徴とする。

これにより、デフロスト手段（40）への風が、カバー（44）によって遮断される。

また、第４の発明は、
第１の発明の空気調和装置であって、
前記室外熱交換器（22）はフィンを有し、
前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）のフィンを加熱するように構成されていることを特徴とする。

これにより、霜がつきやすいフィンが加熱されて、その霜が融かされる。

また、第５の発明は、
第４の発明の空気調和装置であって、さらに、
前記フィンの温度を検出する温度検出手段（45）と、
前記温度検出手段（45）が検出した前記フィンの温度が所定の温度よりも高くなった場合に、その部分に対するデフロスト手段（40）のデフロスト動作を終了させる制御手段（50）と、を備えていることを特徴とする。

これにより、デフロスト動作の終了がフィンの温度で制御される。

また、第６の発明は、
第１の発明の空気調和装置であって、さらに、
風量が可変に構成され、前記室外熱交換器（22）に空気を送る室外ファン（24）と、
前記デフロスト手段（40）がデフロスト動作を行なっているときに、前記室外ファン（24）の風量を、該デフロスト手段（40）がデフロスト動作を行なっていないときよりも少なく制御する制御手段（50）と、を備えていることを特徴とする。

これにより、室外ファン（24）によるデフロスト手段（40）への風の風量が低減される。

また、第７の発明は、
第１の発明の空気調和装置であって、
さらに、前記デフロスト手段（40）のデフロスト動作の終了後に前記室外熱交換器（22）の下方に該デフロスト手段（40）を収納する収納部（60）を備えていることを特徴とする。

これにより、通常の運転状態には、室外熱交換器（22）の下方にデフロスト手段（40）が収納される。

第１の発明によれば、室外熱交換器（22）の一部分ずつに対してデフロストが行なわれるので、室外熱交換器（22）のある部分に対してデフロストが行なわれていても、デフロストが行なわれていない他の部分には冷媒を流すことができる。したがって、デフロストが行なわれていない他の部分の作用によって、その間も暖房が続けることができる。

また、第１の発明によれば、室外熱交換器（22）の上の部分から順にデフロストが行なわれるので、効率よくデフロストができる。

また、第１の発明によれば、パス単位でデフロストが行なわれるので、デフロストを行ないつつ暖房を行なう場合に、効率のよい暖房ができる。

また、第２の発明によれば、霜がつきやすい側の面から室外熱交換器（22）が加熱されるので、効率よくデフロストを行なえる。

また、第３の発明によれば、カバー（44）によって、デフロスト手段（40）への風が遮断されるので、風によるデフロスト手段（40）の熱の損失が防止される。

また、第４の発明によれば、霜がつきやすいフィンが加熱されるので、より効率よくデフロストができる。

また、第５の発明によれば、デフロストの終了がフィンの温度で制御されるので、霜が確実に除去されてからデフロスト動作を終了できる。

また、第６の発明によれば、デフロスト動作時に、デフロスト手段（40）への室外ファン（24）の風量が減らされるので、風によるデフロスト手段（40）の熱の損失が低減される。また、デフロストが行われていない他の部分の風量が増加することなく、より効率よくデフロストと暖房運転が行うことができる。

また、第７の発明によれば、デフロストの終了後に、室外熱交換器（22）の下方にデフロスト手段（40）が収納されるので、通常の暖房運転中は、デフロスト手段（40）によって室外熱交換器（22）の効率を阻害することがない。また、この収納位置でデフロスト手段（40）が、室外熱交換器（22）で発生するドレンを受けるドレンパンに対向するように配置し、ドレンパンに付着した霜を溶かすドレンパンヒータとしてもデフロスト手段（40）を使用することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る空気調和装置（10）の構成を示す冷媒回路の配管系統図である。この空気調和装置（10）は、冷房運転と暖房運転とが可能なヒートポンプ式の空気調和装置である。図１に示すように、空気調和装置（10）は、室外に設置される室外ユニット（20）、室内に設置される室内ユニット（30）、及びコントローラ（50）を備えている。上記室外ユニット（20）は、第１連絡配管（11）及び第２連絡配管（12）を介して室内ユニット（30）と接続している。これにより、この空気調和装置（10）では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる冷媒回路（15）が構成されている。

〈室内ユニット〉
室内ユニット（30）には、利用側熱交換器である室内熱交換器（31）と、室内ファン（33）とが設けられている。室内熱交換器（31）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室内熱交換器（31）の近傍には、室内ファン（33）が設置されている。室内ファン（33）は、室内熱交換器（31）へ室内空気を送風する。

〈室外ユニット〉
上記室外ユニット（20）には、圧縮機（21）と、熱源側熱交換器である室外熱交換器（22）と、室外膨張弁（25）と、四路切換弁（23）と、室外ファン（24）と、デフロスト装置（40）とが設けられている。

上記圧縮機（21）は、スクロール圧縮機で構成されている。

上記室外熱交換器（22）は、複数のパスの冷媒流路を持つ、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。本実施形態の室外熱交換器（22）は５つのパスを有し、これらのパスは縦方向に並んで配置されている。

室外熱交換器（22）の近傍には、室外ファン（24）が設置されている。室外ファン（24）は、室外熱交換器（22）へ室外空気を送風する。上記室外膨張弁（25）（膨張機構）は、開度可変の電子膨張弁で構成されている。

上記四路切換弁（23）には、４つのポートが設けられている。四路切換弁（23）では、第１ポートが圧縮機（21）の吐出管（21a）に、第２ポートが圧縮機（21）の吸入管（21b）にそれぞれ接続されている。また、四路切換弁（23）では、第３ポートが室外熱交換器（22）及び室外膨張弁（25）を介して第２連絡配管（12）に、第４ポートが第１連絡配管（11）にそれぞれ接続されている。この四路切換弁（23）は、第１ポートと第３ポートが連通すると同時に第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通すると同時に第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。

デフロスト装置（40）は、室外熱交換器（22）が蒸発器となる冷凍サイクル中（すなわち暖房運転中）に室外熱交換器（22）に付着した霜を除去するデフロスト手段として設けられた装置である。このデフロスト装置（40）は、図２に示すように、加熱部（41）とモーター（42）とを備えている。そして、このデフロスト装置（40）は、図３に示すように、室外熱交換器（22）に対して風上側の該室外熱交換器（22）の面を上から下に移動しつつ、室外熱交換器（22）のフィンなどに付着した霜の除去を１パス分ずつに対して行なう。

加熱部（41）は、図４に示すように、ヒーター（43）とカバー（44）とを備え、室外熱交換器（22）からみて風上側の該室外熱交換器（22）の面に対向して設けられている。

ヒーター（43）は、室外熱交換器（22）の１パス分の領域のフィンを加熱するように構成されている（図３及び図５を参照）。すなわち、加熱部（41）は、高さ方向がほぼ１パス分、幅方向が室外熱交換器（22）のほぼ横幅分の範囲を加熱する。本実施形態では、加熱部（41）のヒーター（43）にはＩＨ（induction heating）式のヒーターを採用し、２本のＩＨヒーターを上下方向に並列に並べて、上記の加熱領域を確保している。この際、ヒーター（43）は、フィンに直接接して加熱してもよいし、ヒーター（43）とフィンの間に所定の隙を設けて間接的にヒーター（43）がフィンを加熱するようにしてもよい。

また、カバー（44）は、ヒーター（43）を覆ってヒーター（43）に当たる風を低減するためのものであり、空気の流れ方向の上流側（すなわち室外熱交換器（22）に面しているのとは反対の側）を覆っている。

モーター（42）は、加熱部（41）を室外熱交換器（22）の風上側の面に沿って上下方向に駆動する駆動機構を構成している。このモーター（42）は、デフロスト動作中は、コントローラ（50）によって制御されて、室外熱交換器（22）の上端から下端に向かって、加熱部（41）を、室外熱交換器（22）の１パス分ずつ移動させる。また、デフロスト動作が行なわれていないときには、モーター（42）は、加熱部（41）を室外熱交換器（22）よりもさらに下の収納部（60）まで移動させる。なお、この収納部（60）において、室外熱交換器（22）で発生するドレンを受けるドレンパンに、ヒーター（43）が対向するように該ヒーター（43）を配置して、ドレンパンに付着した霜を溶かすドレンパンヒータとしてもヒーター（43）を使用することができる。

〈コントローラ〉
コントローラ（50）は、冷房運転及び暖房運転のそれぞれの運転状態に応じて、圧縮機（21）、四路切換弁（23）、室外膨張弁（25）、デフロスト装置（40）等を制御（詳細は後述）する制御手段として設けられている。

−運転動作−
上記空気調和装置（10）の運転動作について説明する。

〈冷房運転〉
まず、冷房運転中の動作について、図６を参照しながら説明する。

冷房運転では、コントローラ（50）によって四路切換弁（23）が第１状態に設定される。また、室外膨張弁（25）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。また、圧縮機（21）が運転状態にされる。

これにより、冷媒回路（15）では、圧縮機（21）で冷媒を圧縮する冷凍サイクルが行われる。この際、圧縮機（21）から吐出された冷媒は、室外熱交換器（22）へ送られ、室外空気へ放熱して凝縮する。室外熱交換器（22）で凝縮した冷媒は、室外膨張弁（25）を通過する際に低圧まで減圧され、第２連絡配管（12）を介して室内ユニット（30）へ送られる。室内ユニット（30）に流入した冷媒は、室内熱交換器（31）へ送られ、室内空気から吸熱して蒸発する。室内熱交換器（31）では室内空気が冷却され、冷却された室内空気が室内へ送り返される。室内熱交換器（31）で蒸発した冷媒は、第１連絡配管（11）を介して室外ユニット（20）へ送られ、圧縮機（21）へ吸入されて圧縮される。

〈暖房運転〉
次に、暖房運転中の動作について、図７を参照しながら説明する。

暖房運転では、コントローラ（50）によって四路切換弁（23）が第２状態に設定される。また、室外膨張弁（25）の開度が運転条件に応じて適宜調節される。また、圧縮機（21）が運転状態にされる。

これにより、冷媒回路（15）では、圧縮機（21）で冷媒を圧縮する冷凍サイクルが行われる。この際、圧縮機（21）から吐出された冷媒は、第１連絡配管（11）を通って室内ユニット（30）へ送られる。室内ユニット（30）に流入した冷媒は、室内熱交換器（31）で室内空気へ放熱して凝縮する。室内熱交換器（31）では室内空気が加熱され、加熱された室内空気が室内へ送り返される。室内熱交換器（31）で凝縮した冷媒は、第２連絡配管（12）を介して室外ユニット（20）へ送られる。室外ユニット（20）に流入した冷媒は、室外膨張弁（25）を通過する際に減圧され、その後に室外熱交換器（22）で室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（22）で蒸発した冷媒は、圧縮機（21）へ吸入されて圧縮される。

〈デフロスト動作〉
上記の暖房運転を行なっていると、室外ユニット（20）の室外熱交換器（22）に霜が付着してくる。そこで、この空気調和装置（10）では、一定時間ごとに、デフロスト動作を行なう。この際、空気調和装置（10）では、上記で説明した暖房運転を行ないつつ、デフロスト動作を行なう。

例えば、暖房運転が開始されて一定時間が経過すると、コントローラ（50）が、デフロスト装置（40）等を制御してデフロスト動作を開始させる。空気調和装置（10）では、デフロスト動作が開始されても、四路切換弁（23）は第２状態に設定された状態である。また、圧縮機（21）も運転状態である。

このデフロスト動作では、コントローラ（50）は、まず、モーター（42）を制御して、図８の（ａ）に示すように、収納部（60）に格納されている加熱部（41）を室外熱交換器（22）の一番上のパスに対向する位置まで移動させる。また、室外ファン（24）の回転数を通常の暖房運転時よりも下げて、室外熱交換器（22）への風量、すなわち加熱部（41）への風量を下げる。

次にコントローラ（50）は、加熱部（41）のヒーター（43）をオンに制御して、一番上のパスのフィンを加熱し、そのフィンに付着している霜を溶かす。この際、ヒーター（43）は、カバー（44）で覆われ、且つ室外ファン（24）の風量が通常の暖房運転時よりも下げられているので、ヒーター（43）の熱は、効率よく一番上のパスのフィンに伝えられる。

このように、フィンが加熱されると、一番上のパスでは、伝熱管内の冷媒がヒーター（43）の熱によって蒸発する。そのため、一番上のパスは、他のパスよりも冷媒の流量が減って、例えば全体の流量の４％程度になる。これにより、ヒーター（43）の殆どの熱が霜を溶かすために使用されることになる。一方、他のパスでは、デフロスト動作が行なわれていないので、冷媒は、ほぼ通常どおり流れる（例えば図８の（ａ）に示すように、それぞれのパスで全体の２４％ずつ流れる）。

この空気調和装置（10）では、コントローラ（50）は、１つのパスに対するデフロストの終了条件を時間で判定する。すなわち、空気調和装置（10）では、一定の時間のデフロストを行なったら、そのパスに対するデフロストを終了する。例えば、この空気調和装置（10）の定格出力が２．８ｋＷの場合に、この出力に対応したサイズの室外熱交換器（22）（本実施形態では５つのパスを有している）に対しては、ヒーター（43）が１ｋＷの加熱量を有しているとすれば、この室外熱交換器（22）の１パスあたり約２分程度が必要になると考えられる。そこで、この空気調和装置（10）では、コントローラ（50）は、１パス当たりのデフロスト時間を２分間に制御する。

そして、一番上のパスに対するデフロストが一定時間の間（この例では２分間）行なわれると、コントローラ（50）はモーター（42）を制御して、図８の（ｂ）に示すように、加熱部（41）を室外熱交換器（22）の１パス分だけ下方に移動させる。これにより、ヒーター（43）は、その位置のフィンを加熱して、そのパスに付着している霜を溶かす。この場合も、デフロストが行なわれているパスは冷媒の流量が減少し、その他のパスでは冷媒がほぼ通常通り流れる。なお、図８では、加熱部（41）の位置毎（（ａ）〜（ｅ））に、それぞれのパスの流量をパーセント表示で表わしている。

上から２番目のパスのデフロストが終わると、以下同様に、図８の（ｃ）〜（ｅ）に示すように、加熱部（41）によって、室外熱交換器（22）の上端から下端に向かって、１パス分ずつ、それぞれ一定時間のデフロストが行なわれる。この例では、１パスあたり約２分間のデフロストが行なわれ、この室外熱交換器（22）には５つのパスが含まれているので、室外熱交換器（22）全体のデフロストには約１０分を要することになる。全てのパスに対してのデフロストが終了すると、コントローラ（50）はモーター（42）を制御して、加熱部（41）を収納部（60）の位置にまで移動させて該収納部（60）に格納する。以下、空気調和装置（10）では、上記のデフロスト動作が一定時間ごとに繰り返される。

以上のように、空気調和装置（10）では、室外熱交換器（22）の一部分ずつに対してデフロストを行なうとともに、室外熱交換器（22）の他の部分は暖房に使用する。それゆえ、デフロスト動作中はデフロストを行なっていない通常運転時よりも暖房能力が下がるものの、デフロストが行なわれていない他のパスの作用によってその間も暖房が続けられる。

したがって、本実施形態によれば、デフロスト動作中に暖房が完全に止まらず、コールドドラフトの発生が少なく、より快適な暖房が可能になる。

《その他の実施形態》
なお、１つの箇所のデフロストは、その部分のフィンの温度が所定以上の温度になった場合に終了するように制御してもよい。これには例えば、図９に示すように、室外熱交換器（22）の各パスにそのパスのフィン温度を検出する温度検出手段として温度センサー（45）を設け、各温度センサー（45）の出力をコントローラ（50）に入力しておく。そして、デフロスト中のパスのフィン温度が所定以上の温度（例えば１０℃）になった場合に、コントローラ（50）によって加熱部（41）やモーター（42）等を制御し、そのパスのデフロストを終了させる。このように、１つの箇所のデフロストの終了をフィン温度で判定することで、霜が確実に除去されてからその部分のデフロストを終了できる。

また、デフロストの単位は１パス分には限らない。例えば、複数のパスに対してデフロストを行なうようにしてもよい。ただし、あまりに広範囲に渡ってデフロストを行なうと、暖房能力が下がり過ぎるので、１度にデフロストを行なう範囲は、例えば、室外熱交換器の高さの１／４以下程度の範囲に収めておくのが好ましい。

また、デフロストの単位はパス単位ではなく、１つのパスの一部分に対してデフロストを行なってもよい。

また、例えば横断面がコの字型の熱交換器のように、室外熱交換器（22）として複数の面を有した熱交換器を採用した場合には、それぞれの面に対して加熱部（41）を設けてやればよい。

本発明に係る空気調和装置は、冷凍サイクルを行なって暖房を行なう空気調和装置として有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の構成を示す冷媒回路の配管系統図である。 デフロスト装置の構成を示す図である。 デフロスト装置の加熱部の配置を示す図である。 加熱部の構成を示す図である ヒーターの加熱範囲を示す図である。 冷房運転中の動作を示す冷媒回路の配管系統図である。 暖房運転中の動作を示す冷媒回路の配管系統図である。 デフロスト動作中における加熱部の移動状況を示す図である。 各パスのデフロストの終了をフィン温度で判定する場合の室外ユニット（一部省略）の構成を示す図である。

１０ 空気調和装置
１５ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 室外熱交換器
２４ 室外ファン
２５ 室外膨張弁（膨張機構）
３１ 室内熱交換器
４０ デフロスト装置（デフロスト手段）
４２ モーター（駆動機構）
４４ カバー
４５ 温度センサー（温度検出手段）
５０ コントローラ（制御手段）
６０ 収納部

Claims (7)

1. 圧縮機（21）と室外熱交換器（22）と膨張機構（25）と室内熱交換器（31）とが接続された冷媒回路（15）を備えて冷凍サイクルを行なう空気調和装置であって、
   前記室外熱交換器（22）が蒸発器となる冷凍サイクルによって該室外熱交換器（22）に付着した霜を除去するデフロスト動作を、該室外熱交換器（22）に並行して移動しつつ、該室外熱交換器（22）の一部分ずつに対して行なうデフロスト手段（40）を備え、
   前記室外熱交換器（22）は、複数のパスを有して、縦向きに配置され、
   前記デフロスト動作時に前記デフロスト手段（40）を前記室外熱交換器（22）の上方から下方に向かって移動させる駆動機構（42）を備え、
   前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）のパス単位でデフロスト動作を行なうように構成されていることを特徴とする空気調和装置。
2. 請求項１の空気調和装置であって、
   前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）に対して空気の流れ方向の上流側に配置されていることを特徴とする空気調和装置。
3. 請求項２の空気調和装置であって、
   前記デフロスト手段（40）は、空気の流れ方向の上流側に風除けのカバー（44）を備えていることを特徴とする空気調和装置。
4. 請求項１の空気調和装置であって、
   前記室外熱交換器（22）はフィンを有し、
   前記デフロスト手段（40）は、前記室外熱交換器（22）のフィンを加熱するように構成されていることを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項４の空気調和装置であって、さらに、
   前記フィンの温度を検出する温度検出手段（45）と、
   前記温度検出手段（45）が検出した前記フィンの温度が所定の温度よりも高くなった場合に、その部分に対するデフロスト手段（40）のデフロスト動作を終了させる制御手段（50）と、を備えていることを特徴とする空気調和装置。
6. 請求項１の空気調和装置であって、さらに、
   風量が可変に構成され、前記室外熱交換器（22）に空気を送る室外ファン（24）と、
   前記デフロスト手段（40）がデフロスト動作を行なっているときに、前記室外ファン（24）の風量を、該デフロスト手段（40）がデフロスト動作を行なっていないときよりも少なく制御する制御手段（50）と、を備えていることを特徴とする空気調和装置。
7. 請求項１の空気調和装置であって、
   さらに、前記デフロスト手段（40）のデフロスト動作の終了後に前記室外熱交換器（22）の下方に該デフロスト手段（40）を収納する収納部（60）を備えていることを特徴とする空気調和装置。

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