JPH0373794B2 - - 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、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、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
法に代わつて、除霜運転時にも四方弁は暖房運転
時のままとし、圧縮器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、P.53）。

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図に示すヒートポンプ式
空調機の従来例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は温度の高い過熱域に存在する。
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まで変化して圧力損失後の点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
行な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、除霜運転
開始時に室内フア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アンの風量を変化させ
て、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開閉
弁を設け、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い
所定値として前記開閉弁を開とする流路制御手段
を設け、同じく除霜運転開始時には前記室内熱交
換器近傍に設けて熱交換した空気を室内に吹き出
す室内フアンの風量を暖房運転時より低下させ、
除霜運転時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室内フアンの風量を変化さ
せる風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。さらに、風量制御手段により除霜運
転開始時に室内フアンの風量を低下させ、暖房能
力に応じて除霜運転時にこの室内フアンの風量を
変化させることで除霜時居住者に不快感を与える
ことなくまた不必要な暖房を行なわず、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
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アン、１９はこの室
内フア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１３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２
０、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
なつており、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１
７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
わち室内フアン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′に移り室内フア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１
５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
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、室内フアン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つて従来例で示
したのと同様に、次第に高圧側圧力が高くなつて
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ア
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、したがつ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アン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開閉弁を設け、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い所定値とし
て前記開閉弁を開とする流路制御手段を設け、同
じく除霜運転開始時には前記室内熱交換器近傍に
設けて熱交換した空気を室内に吹き出す室内フア
ンの風量を暖房運転時より低下させ、除霜運転時
には前記暖房能力検出手段により検出された値に
応じて前記室内フアンの風量を変化させる風量制
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、さらに風量
制御手段により除霜運転開始時に室内フアンの風
量を低下させ、除霜運転時の暖房能力に応じて室
内フアンの風量を変化させて、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……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……室内フアン、１９……
駆動モータ（風量制御手段）、２０……室内温度
検出素子（暖房能力検出手段）、２２……制御回
路（風量、流路制御手段）。

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開閉弁を設け、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い所定値とし
   て前記開閉弁を開とする流路制御手段を設け、同
   じく除霜運転開始時には前記室内熱交換器近傍に
   設けて熱交換した空気を室内に吹き出す室内フア
   ンの風量を暖房運転時より低下させ、除霜運転時
   には前記暖房能力検出手段により検出された値に
   応じて前記室内フアンの風量を変化させる風量制
   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、風量制御手段に
   より室内フアンの風量を除霜運転開始時より低下
   させる制御を行なう請求項１記載のヒートポンプ
   式空調機。