(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張部と、
空気と前記膨張部で膨張した冷媒との間で熱交換して前記冷媒を加熱させる熱交換器と、
前記熱交換器に流入する空気の相対湿度を測定する湿度測定部と、
前記湿度測定部により測定された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力する密度推定部と、
前記熱交換器の入口と出口とにおける前記冷媒の温度差に応じて前記膨張部の開度を制御する開度制御部とを備え、
前記熱交換器は、互いに所定の間隔をあけて設置される複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する複数の伝熱管とを具備し、前記複数のフィンを用いて前記空気と前記複数の伝熱管を流れる冷媒との間で熱交換し、
前記冷凍サイクル装置は、前記密度推定部により出力された霜密度から、前記複数のフィンに付着した霜の厚さを推定し、前記複数のフィンが設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率が所定の閾値に達していなければ、前記膨張部の開度を変更しないよう前記開度制御部を制御し、前記所定の閾値に達していれば、前記膨張部の開度を前記熱交換器の入口と出口とにおける前記冷媒の温度差に応じた開度に狭めさせることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記熱交換器の近傍に設置されるファンにより引き起こされる風が吹き込む面を有し、
前記湿度測定部は、前記面に設置される湿度センサを含み、
前記密度推定部は、前記湿度測定部の湿度センサにより感知された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記湿度センサは、前記面の略中心に設置されることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記湿度測定部は、前記湿度センサのほか、１つ以上の他の湿度センサを含み、
前記密度推定部は、前記湿度測定部の全ての湿度センサにより感知された相対湿度の平均を計算し、計算した相対湿度の平均に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記冷凍サイクル装置は、さらに、
前記熱交換器に発生した霜を除去する除霜運転を行う除霜運転部を備え、
前記冷凍サイクル装置は、前記複数のフィンが設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率が予め定められた閾値を超えている場合、前記除霜運転部に前記除霜運転を開始させることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷凍サイクル装置は、さらに、
前記熱交換器に発生した霜の量を算出する量算出部を備え、
前記冷凍サイクル装置は、前記量算出部により算出された霜の量をＭ、前記密度推定部により出力された霜密度をρ、前記熱交換器の表面積をＳとして、ｄｆ＝Ｍ／ρ／Ｓを算出し、前記複数のフィンに付着した霜の厚さが、算出したｄｆであると推定することを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷凍サイクル装置は、さらに、
前記熱交換器に発生した霜を除去する除霜運転を行う除霜運転部と、
前記熱交換器に発生する霜の密度と、前記除霜運転を終了させる判断の基準値として定められる温度との対応を記憶する記憶部と、
前記熱交換器の温度を測定する温度測定部と、
前記密度推定部により出力された霜密度に対応する温度を前記記憶部から読み取り、前記温度測定部により測定された温度と、読み取った温度とを比較し、比較結果に応じて前記除霜運転部に前記除霜運転を終了させる除霜制御部とを備えることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記冷凍サイクル装置は、さらに、
前記熱交換器の温度と前記熱交換器に流入する空気の相対湿度との組み合わせと、前記熱交換器に発生する霜の密度との対応を記憶する記憶部と、
前記熱交換器の温度を測定する温度測定部とを備え、
前記密度推定部は、前記温度測定部により測定された温度と前記湿度測定部により測定された相対湿度との組み合わせに対応する霜の密度を前記記憶部から読み取り、読み取った霜の密度を前記霜密度として出力することを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記冷凍サイクル装置は、流路を循環する流体を加熱するヒートポンプサイクル装置であり、
前記放熱器は、前記流体と前記圧縮機により圧縮された冷媒との間で熱交換して前記冷媒を放熱させることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、除霜装置及び冷凍サイクル装置及び除霜方法に関するものである。本発明は、特に、冷凍機器や空調機器等で使用されている熱交換器に付着する霜の除去に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍機器や空調機器の蒸発器（即ち、熱交換器）では、蒸発器のフィン表面温度が０℃より低くなると、フィン表面に霜が付着する。その結果、蒸発器を通過する風の量が減少し、蒸発器の冷却能力が低下する。機器は、性能低下を回避するため、一定時間ごとに設定された外部タイマーの信号に応じて除霜運転を行う。例えば、冷凍機器は６時間又は１２時間ごとに除霜運転を行う。除霜運転中はヒーター入力等の余分なエネルギーが投入されるため、機器の消費電力が増加する。
【０００３】
省エネのため、外部の空気条件や機器の運転状況と基準データとを比較し、比較結果に基づいて除霜運転を制御する技術がある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、外部の空気条件や機器の運転状況によって、蒸発器へ霜が付着するかどうかが決まることを利用する。
【０００４】
また、省エネのため、蒸発器から吹き出す空気の温度や蒸発器に吸い込まれる空気の温度に応じて除霜運転を制御する技術がある（例えば、特許文献２参照）。この技術では、蒸発器から吹き出す空気の温度や蒸発器に吸い込まれる空気の温度に基づいて機器の性能低下を推定し、一定の性能低下があれば除霜運転をキャンセルする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−７８２３９号公報
【特許文献２】特開２００８−２１５７９８号公報
【特許文献３】特開２００７−２５５８１１号公報
【特許文献４】特開平７−１６７４７３号公報
【特許文献５】特開平８−４２９５９号公報
【特許文献６】特開２００５−２４９２５４号公報
【特許文献７】特開２００８−２０９０１７号公報
【特許文献８】特開２００７−５７１４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】福迫尚一郎、稲葉英男、「低温環境下の伝熱現象とその応用」、１９９６年７月、養賢堂
【非特許文献２】Ｙｏｎｋｏ，  Ｊ．  Ｄ．，  Ｓｅｐｓｙ，  Ｃ．  Ｆ．，  “Ａｎ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｆｒｏｓｔ  ｗｈｉｌｅ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｏｎ  ａ  ｆｌａｔ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｐｌａｔｅ，”  １９６７，  ＡＳＨＲＡＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，  ｖｏｌ．  ７３（２），  ｐｐ．  Ｉ．１．１−Ｉ．１．１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術では、熱交換器に発生した霜の量や特徴を評価できないか、又は、評価できても十分な定量評価を実施することができなかった。そのため、従来の冷凍機器や空調機器では、熱交換器に発生した霜の状態に応じて適度な除霜運転を行うことが困難であった。その結果、機器の負荷状態によっては熱交換器に付着した霜の量が過剰になり、機器が十分な性能を発揮できなくなることがあった。また、熱交換器に付着した霜の量が少ないときでも必要以上に除霜運転が行われ、無駄なエネルギーが投入されることがあった。また、一般的に、蒸発器に着霜が生じると、着霜とともにＳＨ（蒸発器の入口と出口とにおける冷媒の温度差）が小さくなる。そのため、通常、膨張部の開度が狭められて、ＳＨが大きくなるように制御される。しかしながら、膨張部の開度を狭めると、機器の高低圧差が大きくなり、ＣＯＰ（成績係数）が低下する。
【０００８】
本発明は、例えば、着霜条件下でもＣＯＰを維持したまま機器を運転することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の態様に係る冷凍サイクル装置は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張部と、
空気と前記膨張部で膨張した冷媒との間で熱交換して前記冷媒を加熱させる熱交換器と、
前記熱交換器に流入する空気の相対湿度を測定する湿度測定部と、
前記湿度測定部により測定された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力する密度推定部と、
前記熱交換器の入口と出口とにおける前記冷媒の温度差に応じて前記膨張部の開度を制御する開度制御部とを備え、
前記熱交換器は、互いに所定の間隔をあけて設置される複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する複数の伝熱管とを具備し、前記複数のフィンを用いて前記空気と前記複数の伝熱管を流れる冷媒との間で熱交換し、
前記冷凍サイクル装置は、前記密度推定部により出力された霜密度から、前記複数のフィンに付着した霜の厚さを推定し、前記複数のフィンが設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率が所定の閾値以下である場合、前記膨張部の開度を変更しないよう前記開度制御部を制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一の態様によれば、着霜条件下でもＣＯＰを維持したまま機器を運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【図２】実施の形態１に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る蒸発器の構成例を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る蒸発器に付着する霜について行った試験の結果の一例を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係る制御装置の除霜制御部による除霜運転の開始判断の動作例を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【図７】実施の形態３に係る冷凍機器で除霜運転中に蒸発器の伝熱管の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。
【図８】実施の形態４に係る空調機器で除霜運転中に蒸発器の出口温度を測定した結果の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の冷媒回路図である。
【００１４】
図１において、冷凍サイクル装置１０は、主に室外機１１及び室内機１２から構成されている。冷凍サイクル装置１０は、室外機１１に圧縮機２１、凝縮器２２、凝縮器２２用のファン２３を備える。冷凍サイクル装置１０は、室内機１２に膨張部２４、蒸発器２５、蒸発器２５用のファン２６を備える。圧縮機２１は、冷凍サイクル装置１０内に充填されている冷媒を圧縮する。凝縮器２２は放熱器の一例であり、圧縮機２１により圧縮された冷媒を放熱させる。膨張部２４（例えば、膨張弁）は、凝縮器２２で放熱した冷媒を膨張させる。蒸発器２５は熱交換器の一例であり、空気と膨張部２４で膨張した冷媒との間で熱交換して冷媒を加熱させることにより、空気を冷却する。冷凍サイクル装置１０は、このように蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことにより、屋内（例えば、冷蔵庫内、冷凍庫内）を冷凍する。冷凍サイクル装置１０は、主にユニットクーラーやショーケース等の低温機器（即ち、冷凍機器）に使用される。なお、後述するように、冷凍サイクル装置１０は空調機器等にも同様に使用可能である。例えば、冷凍サイクル装置１０は、流路を循環する流体（例えば、水）を加熱するヒートポンプサイクル装置であってもよい。この場合、凝縮器２２は、流体と圧縮機２１により圧縮された冷媒との間で熱交換して冷媒を放熱させることにより、流体を加熱する（即ち、給湯する）。
【００１５】
上記のように、冷凍サイクル運転において、冷凍サイクル装置１０内の冷媒は圧縮機２１で圧縮される。圧縮された冷媒は高温高圧となって凝縮器２２へと流れ込む。冷媒は凝縮器２２で放熱して液冷媒となる。その後、液冷媒は膨張部２４で膨張して気液２相の冷媒となる。気液２相の冷媒は蒸発器２５で周囲の空気から熱を吸収し、気体となる。気体となった冷媒は圧縮機２１へと戻る。冷凍サイクル装置１０は、このように屋内の空気を冷却する冷房運転を行う。
【００１６】
冷凍サイクル装置１０は除霜装置の一例であり、室内機１２にヒーター２７、湿度センサ２８、温度センサ２９、制御装置３０を備える。ヒーター２７は除霜運転部の一例であり、蒸発器２５に発生した霜を除去する除霜運転を行う。なお、ヒーター２７の代わりに、冷媒の流れを制御することで除霜運転を行う除霜機構を用いてもよい。そのような除霜機構としては、例えば冷媒の流れを停止するオフサイクル方式や冷媒の流れを逆向きに変更するリバース方式を採用したものがある。あるいは、圧縮機２１の出口側の高温高圧冷媒を蒸発器２５へと導入するホットガス方式を採用したものがある。湿度センサ２８は湿度測定部の一例であり、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度を測定する。温度センサ２９は温度測定部の一例であり、蒸発器２５の温度を測定する。制御装置３０（例えば、マイクロコンピュータ）は、湿度センサ２８により測定される相対湿度や温度センサ２９により測定される蒸発器２５の温度に基づいて、ヒーター２７により行われる除霜運転を制御する。図示していないが、制御装置３０は、膨張部２４、蒸発器２５、ファン２６、ヒーター２７、湿度センサ２８、温度センサ２９と信号線で接続されており、それぞれの構成要素との間で信号線を介して各種信号をやり取りする。
【００１７】
図２は、制御装置３０の構成を示すブロック図である。
【００１８】
図２において、制御装置３０は、記憶部３１、密度推定部３２、量算出部３３、開度制御部３４、除霜制御部３５を備える。記憶部３１（例えば、メモリ）は、蒸発器２５の温度と蒸発器２５に流入する空気の相対湿度との組み合わせと、蒸発器２５に発生する霜の密度との対応を記憶する。密度推定部３２は、湿度センサ２８により測定された相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力する。例えば、密度推定部３２は、温度センサ２９により測定された温度と湿度センサ２８により測定された相対湿度との組み合わせに対応する霜の密度を記憶部３１から読み取り、読み取った霜の密度を霜密度として出力する。量算出部３３は、蒸発器２５に発生した霜の量を算出する。開度制御部３４は、蒸発器２５の入口４１と出口４２とにおける冷媒の温度差に応じて膨張部２４の開度を制御する。除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度に応じてヒーター２７による除霜運転の開始を制御する。制御装置３０の各部の動作については後で詳述する。
【００１９】
図３は、蒸発器２５の構成例を示す図である。
【００２０】
図３において、蒸発器２５は、冷凍機器や空調機器に広く利用されているフィンチューブ式の熱交換器である。蒸発器２５は、主に複数のフィン５１及び複数の伝熱管５２から構成されている。フィン５１は、互いに所定の間隔をあけて設置される。伝熱管５２は、フィン５１を貫通する。蒸発器２５は、フィン５１を用いて空気と伝熱管５２を流れる冷媒との間で熱交換する。
【００２１】
前述したファン２６は、フィン５１における空気との熱交換過程が効率的に行われるように、フィン５１の平面方向に対して平行に外部の空気を送り込む。本実施の形態では、ファン２６は、蒸発器２５の背面に対向するように蒸発器２５の近傍に設置されている。ファン２６は、蒸発器２５の前面側から背面側に向かって空気が流れ込むように、空気を吸い込んでいる。なお、ファン２６は、蒸発器２５の前面に対向するように設置されてもよい。その場合、ファン２６は、蒸発器２５の前面側から背面側に向かって空気が流れ込むように、蒸発器２５に対して送風する。
【００２２】
ファン２６によって蒸発器２５に流入した空気が蒸発器２５の風上側の面（即ち、ファン２６により引き起こされる風が吹き込む面）で不均一である（即ち、その面で風速分布をもつ）と、蒸発器２５の各位置で熱交換量が不均一となる。その結果、例えば伝熱管５２の各位置を流れる冷媒の量に差が生じる。このような現象を防ぐため、ファン２６は蒸発器２５の風上側の面に流れる空気を均一にするように設計されている。したがって、空気の相対湿度を測定する位置を蒸発器２５の風上側の面の中心１点とすることで、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度を特定できる。そのため、この例では、湿度センサ２８は、蒸発器２５の前面の略中心に設置されている。制御装置３０の密度推定部３２は、この湿度センサ２８により感知された相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定する。霜の密度の具体的な推定方法については後述する。
【００２３】
ファン２６が蒸発器２５の風上側の面に流れる空気を均一にするように設計されていても、フィン５１間の目詰まり等が原因で空気が多少不均一になる場合がある。そこで、空気の相対湿度を測定する位置を２点、３点と増やすことで、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度をより正確に特定できる。そのため、図３に示した湿度センサ２８のほか、１つ以上の他の湿度センサ２８が蒸発器２５の前面に設置されていてもよい。この変形例において、湿度センサ２８は、互いになるべく距離をあけて設置されることが望ましい。この変形例では、制御装置３０の密度推定部３２は、例えば全ての湿度センサ２８により感知された相対湿度の平均を計算し、計算した相対湿度の平均に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定する。なお、密度推定部３２は、平均の代わりに、例えば湿度センサ２８により感知された相対湿度の中間値、最高値、最低値等を用いてもよい。
【００２４】
上記のように、蒸発器２５の風上側の面に少なくとも１つの湿度センサ２８を設けることで、蒸発器２５に付着する霜の密度が定量評価できる。なお、冷凍サイクル装置１０が冷蔵倉庫等に使用される場合、湿度センサ２８の代わりに、庫内の湿度を測定している装置を用いてもよい。これは、庫内の空気条件が蒸発器２５の前面から吸い込まれる空気の条件に近いと考えられるからである。冷凍サイクル装置１０が空調機器に使用される場合、湿度センサ２８の代わりに、室外機１１の周辺空気の湿度を測定している装置を用いてもよい。また、湿度センサ２８のように直接相対湿度を感知するのではなく、例えば蒸発器２５に流入する空気の乾球温度と湿球温度とを感知する装置を用いてもよい。この場合、制御装置３０の密度推定部３２は、この装置により感知された乾球温度と湿球温度とから相対湿度を計算し、計算した相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定する。あるいは、例えば蒸発器２５に流入する空気の乾球温度と露点温度とを感知する装置を用いてもよい。この場合、制御装置３０の密度推定部３２は、この装置により感知された乾球温度と露点温度とから相対湿度を計算し、計算した相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定する。蒸発器２５における顕熱比（ＳＨＦ）が事前に測定されていれば、例えば蒸発器２５から吹き出す空気の条件と蒸発器２５に吸い込まれる空気の条件とを特定するための装置を用いてもよい。この場合、制御装置３０の密度推定部３２は、この装置を用いて蒸発器２５から吹き出す空気の条件と蒸発器２５に吸い込まれる空気の条件とを特定する。そして、密度推定部３２は、特定した空気条件と事前に測定された顕熱比とから相対湿度を計算し、計算した相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を推定する。
【００２５】
上記のように、フィン５１は、所定の間隔で積層されている。伝熱管５２は、各フィン５１に設けられた穴を貫通するように設けられている。伝熱管５２を通じて流れ込んだ液冷媒が気化し、フィン５１を介して外部の空気から吸熱することで、熱交換が行われる。フィン５１の材料には、加工しやすく熱伝導率の高いアルミ板がよく用いられる。
【００２６】
冷蔵条件下では、冷凍サイクル装置１０の周囲の空気温度は０℃、冷媒の蒸発温度は約−１０℃である。冷凍条件下では、冷凍サイクル装置１０の周囲の空気温度は−２０℃、冷媒の蒸発温度は約−３０℃である。いずれの条件下でも、蒸発器２５の温度は０℃以下である。そのため、空気中の水蒸気が霜となり、フィン５１上で着霜が生じる。例えば冷凍サイクル装置１０が寒冷地で空調機器に利用される場合にも、同様に、蒸発器２５のフィン５１上で着霜が生じる。あるいは、例えば冷凍サイクル装置１０が寒冷地で給湯のために利用されるヒートポンプサイクル装置である場合にも、同様に、蒸発器２５のフィン５１上で着霜が生じる。着霜によりフィン５１間が霜により閉塞されると、フィン５１間を通過する風の量が減少する。その結果、空気との熱交換の量が低下し、機器の冷却性能が悪化する。着霜による機器の冷却性能の低下が一定量に達すると、蒸発器２５から吹き出す空気の温度が上昇する。その結果、庫内の温度が上昇する。特に冷蔵倉庫等では庫内の温度が上昇すると、品質保持面で大きな影響が出ると考えられる。
【００２７】
このような冷却性能の低下を回避するため、機器には、本実施の形態におけるヒーター２７に相当する除霜部が設けられている。通常、除霜部はタイマー（「除霜タイマー」ともいう）により一定時間が経過すると除霜運転を行うように設定されている。従来の除霜部は、フィン５１上の着霜状況に関わらず、タイマーにより定められた時間ごとに必ず除霜運転を行う。これに対し、本実施の形態では、ヒーター２７（即ち、除霜運転部）は、フィン５１上の着霜状況に応じて、除霜運転を行ったり行わなかったりする。そのために、制御装置２０は、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度に基づいて蒸発器２５に発生した霜の密度を算出する。制御装置２０は、算出した霜の密度と機器の運転状況とに基づいてフィン５１の閉塞率を検出する。制御装置２０は、その結果に基づいて除霜運転を開始するかどうかを判定する。
【００２８】
以下では、制御装置２０の各部の動作について説明する。
【００２９】
ここで、蒸発器２５に発生した霜の密度の具体的な推定方法について説明する。発明者らは、蒸発器２５に付着する霜の基礎試験を行い、霜の密度の測定データを収集した。その結果、発明者らは、蒸発器２５の温度が一定のとき、霜の密度は空気の相対湿度のみから推定できることを見出した。試験結果の一例を図４に示す。図４のグラフは、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度φと、蒸発器２５に付着した霜の量と体積とから算出した霜密度ρとの関係を示している。図４のグラフの横軸は相対湿度φ、図４のグラフの縦軸は霜密度ρを示している。この例では、蒸発器２５の温度は−３０℃で一定である。この例から、霜の密度が空気の相対湿度のみから推定できることがわかる。発明者らは、蒸発器２５の温度が異なる場合についても同様の試験を行い、霜の密度が空気の相対湿度のみから推定できることを確認している。
【００３０】
記憶部３１は、上記のような空気の相対湿度に対する霜の密度の依存性を、蒸発器２５の温度の数値ごとに（例えば、１℃単位）、テーブルとして記憶する。例えば、記憶部３１は、蒸発器２５の温度と、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度と、蒸発器２５に発生する霜の密度とをそれぞれカラムに格納するテーブルを記憶する。
【００３１】
例えば、湿度センサ２８は、前述したように蒸発器２５の前面の中心に取り付けられる。湿度センサ２８は、取り付けられた位置周辺の空気の相対湿度を測定する。例えば、温度センサ２９は、蒸発器２５のフィン５１に取り付けられる。温度センサ２９は、蒸発器２５の温度としてフィン５１の表面温度を測定する。なお、温度センサ２９は、蒸発器２５の伝熱管５２に取り付けられてもよい。この場合、一般的に蒸発器２５の伝熱管５２にはサーミスタが設置されているので、これを流用できる。あるいは、温度センサ２９は、膨張部２４に取り付けられてもよい。この場合、膨張部２４にて測定される冷媒の温度から蒸発器２５の温度が得られる。密度推定部３２は、湿度センサ２８により測定された相対湿度と温度センサ２９により測定された温度とに対応する霜の密度を上記テーブルから読み出すことで、霜の密度を推定し、霜密度ρとして出力する。蒸発器２５に吸い込まれる空気の温度変化が大きく、室内負荷に応じて蒸発器２５の温度が変化する空調機器に利用される冷凍サイクル装置１０においては、密度推定部３２は、例えば蒸発器２５の温度が変化する度に上記テーブルから読み出すことで、霜の密度をより正確に推定することができる。
【００３２】
一般的に、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度は、常に一定値を取り続けることはなく、機器の運転状況等により時間的に変化する。蒸発器２５の温度も、機器の運転状況等により一定値でないことがある。このことを考慮して、密度推定部３２は、一定時間における霜の密度の平均値を計算して霜密度として出力してもよい。この場合、例えば、密度推定部３２は、任意の機器運転時間を１サイクルとして、各サイクルで繰り返し霜密度を算出する。予め指定された時刻に、密度推定部３２は、算出した値を積分して平均を計算する。あるいは、密度推定部３２は、算出した値を積分して、さらに、機器の冷却能力を加味して加重平均を計算する。これにより、密度推定部３２は、機器の運転中に蒸発器２５に発生した霜の密度をより正確に算出できる。
【００３３】
前述したように、蒸発器２５上の着霜は、蒸発器２５に流入する空気中の水蒸気がフィン５１の表面で冷却されて相変化することによって起こる。水蒸気の相変化によって生じる潜熱（即ち、水蒸気から氷への昇華潜熱）は、空気温度の変化によって生じる顕熱に比べて１００倍程度（空気温度変化量を１０Ｋとする）高い。つまり、機器の冷却能力の大部分は潜熱に使われている。よって、量算出部３３は、機器の積算冷却能力を昇華潜熱で除することで蒸発器２５に付着した霜の量を定量評価できる。量算出部３３は、このように霜の量を算出し、着霜量Ｍとして出力する。なお、機器の冷却能力は、例えば高圧側（即ち、蒸発器２５）圧力、凝縮器２２の出口温度、膨張部２４の開度（又は圧縮機２１の周波数）から算出できる。
【００３４】
除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρ、量算出部３３により出力された着霜量Ｍ、そして蒸発器２５の伝熱面積（即ち、表面積）Ｓから、以下の式（１）を用いて霜の厚さｄｆを算出する。
ｄｆ＝Ｍ／ρ／Ｓ・・・（１）
【００３５】
除霜制御部３５は、式（１）により算出した霜の厚さｄｆ、蒸発器２５のフィン５１の間隔（フィンピッチ）Ｆｐから、以下の式（２）を用いてフィン閉塞率Ｆを算出する。
Ｆ＝ｄｆ／Ｆｐ・・・（２）
【００３６】
式（２）により算出されるフィン閉塞率Ｆが１に近づくほど、フィン５１間が霜で閉塞されていることになる。
【００３７】
上記のように、除霜制御部３５は、量算出部３３により算出された霜の量をＭ、密度推定部３２により出力された霜密度をρ、蒸発器２５の表面積をＳとして、ｄｆ＝Ｍ／ρ／Ｓを算出する。そして、除霜制御部３５は、蒸発器２５のフィン５１に付着した霜の厚さが、算出したｄｆであると推定する。つまり、除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度に基づいて蒸発器２５のフィン５１に付着した霜の厚さを推定する。
【００３８】
図５は、フィン閉塞率Ｆに基づく除霜運転の開始判断の動作例を示すフローチャートである。
【００３９】
図５において、除霜タイマーにより指定された時刻になったとき（ステップＳ１１）、除霜制御部３５は、前述した手法によりフィン閉塞率Ｆを算出する。そして、除霜制御部３５は、フィン閉塞率Ｆと閾値Ｆｍａｘとを比較する（ステップＳ１２）。閾値Ｆｍａｘは、機器の実運転データから事前に決定される値である。閾値Ｆｍａｘは、フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍａｘより小さいとき、除霜タイマーにより指定された次の時刻まで機器の性能低下が生じないような値に設定される。例えば、閾値Ｆｍａｘは記憶部３１に記憶されており、除霜制御部３５によって読み出されて使用される。ＦがＦｍａｘより大きければ、除霜制御部３５は、着霜による機器の性能低下が起こったと判断し、ヒーター２７（又はオフサイクル方式、リバース方式、ホットガス方式等の除霜機構）に除霜運転を開始させる。ＦがＦｍａｘ以下であれば、除霜制御部３５は、次の指定時刻まで性能低下が起きないと判断し、ヒーター２７に除霜運転を開始させない。つまり、たとえ冷凍サイクル装置１０の内部又は外部から除霜実行信号（即ち、タイマー信号）が入力されても、ＦがＦｍａｘ以下であれば、除霜制御部３５は、次のタイミングまで除霜運転の開始を延期する。このように、本実施の形態によれば、不必要な除霜運転を回避でき、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。
【００４０】
除霜タイマーを用いない機器においても、除霜制御部３５は、上記と同様に動作することができる。例えば、除霜制御部３５は、一定時間ごとにフィン閉塞率Ｆを算出する。フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍｉｎに達したら、除霜制御部３５は、着霜による機器の性能低下が起こったと判断し、ヒーター２７に除霜運転を開始させる。閾値Ｆｍｉｎは、上記の閾値Ｆｍａｘとは関係ないが、同様に、事前に算出しておき、記憶部３１に記憶されるものとする。フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍｉｎに達するまでは、除霜制御部３５は、ヒーター２７に除霜運転を開始させない。このように、必要最小限の除霜運転を行うことで、機器の省エネができる。
【００４１】
上記のように、除霜制御部３５は、蒸発器２５のフィン５１が設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率（即ち、フィン閉塞率）が所定の閾値を超えている場合、ヒーター２７（又はオフサイクル方式、リバース方式、ホットガス方式等の除霜機構）に除霜運転を開始させる。除霜制御部３５は、フィン閉塞率が上記閾値を超えていない場合、ヒーター２７に除霜運転を開始させない。
【００４２】
前述したように、霜の密度は空気の相対湿度に依存する。相対湿度をより低くすることで、霜の密度を高くすることができる。また、蒸発器２５に付着する霜の量は機器の冷却能力にほぼ比例する。蒸発器２５に付着する霜の密度をより高くすることで、機器が同一冷却能力に至るときのフィン閉塞率を低くすることができる。例えば圧縮機２１の熱等を利用して、蒸発器２５に流入する空気を流入前に加熱し、水蒸気量を一定に保ったまま温度だけを上昇させれば、空気の相対湿度が低下する。このように相対湿度を低下させた空気を蒸発器２５へ流入させることで、機器の着霜時の性能を維持することができる。その結果、低温時の機器の性能改善が見込まれる。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態では、蒸発器２５の風上側に湿度センサ２８が設けられている。湿度センサ２８により得られた相対湿度から蒸発器２５に付着した霜の密度が定量的に算出される。また、着霜量が算出される。霜の密度と着霜量と機器の運転状況とを用いて、蒸発器２５のフィン閉塞率が算出される。フィン閉塞率に応じて除霜運転を開始すべきかどうかが判断される。このように、本実施の形態によれば、適切な除霜運転が行われるため、機器の性能が向上する。
【００４４】
上記のように、本実施の形態によれば、熱交換器の着霜状況の定量評価が可能となる。着霜状況に応じて除霜運転を最適化することができ、機器の省エネを図ることができる。例えば、冷凍機器や空調機器において除霜運転を適切なタイミングで開始することができる。
【００４５】
実施の形態２．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。
【００４６】
図６は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の冷媒回路図である。
【００４７】
図６において、冷凍サイクル装置１０は、実施の形態１と同様の構成要素に加えて、室外機１１に四方弁５３を備える。四方弁５３は、図中の実線の管と波線の管とを選択的に導通させる。四方弁５３がどちらの管を導通させるかは制御装置３０によって制御される。どちらの管が導通するかによって冷媒の流れる方向が決まる。冷凍サイクル装置１０は、四方弁５３を用いてリバース方式の除霜運転を行うことができる。また、冷凍サイクル装置１０は、四方弁５３を用いて冷房運転と暖房運転とを切り換えて行うことができる。本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０は、空調機器に使用されるものとする。
【００４８】
本実施の形態に係る制御装置３０の構成は、図２に示した実施の形態１のものと同様である。
【００４９】
本実施の形態において、開度制御部３４は、蒸発器２５の入口４１と出口４２とにおける冷媒の温度差（ＳＨ）に応じて膨張部２４の開度を制御する。一般的に、蒸発器２５に着霜が生じると、着霜とともにＳＨが小さくなる。そのため、通常、膨張部２４の開度が狭められて、ＳＨが大きくなるように制御される。しかしながら、膨張部２４の開度を狭めると、機器の高低圧差が大きくなり、ＣＯＰ（成績係数）が低下する。そこで、本実施の形態では、実施の形態１と同様に算出されるフィン閉塞率Ｆに基づき、以下のような制御を行うことで機器運転中のＣＯＰの向上を図る。
【００５０】
密度推定部３２は、蒸発器２５の空気が吸い込まれる側に設置された湿度センサ２８により測定された相対湿度と温度センサ２９により測定された温度とに対応する霜の密度を記憶部３１のテーブルから読み出すことで、霜の密度を推定する。除霜制御部３５は、実施の形態１と同様の手法によりフィン閉塞率Ｆを算出する。そして、除霜制御部３５は、フィン閉塞率Ｆと閾値Ｆｍｉｎ’とを比較する。閾値Ｆｍｉｎ’は、実施の形態１におけるＦｍａｘやＦｍｉｎと同様に、事前に算出しておくものとする。フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍｉｎ’に達するまでは、除霜制御部３５は、着霜時であってもＳＨ制御を行わない。フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍｉｎ’に達したら、除霜制御部３５は、開度制御部３４に膨張部２４の開度を狭めさせる。このように、本実施の形態によれば、フィン閉塞率Ｆが閾値Ｆｍｉｎ’に達するまでは膨張部２４の圧力を下げないようにすることで、着霜条件下でもＣＯＰを維持したまま機器を運転することが可能となる。着霜条件とは、蒸発器２５の温度が０℃以下となる条件で、例えば低温暖房条件等である。
【００５１】
上記のように、冷凍サイクル装置１０は、蒸発器２５のフィン５１が設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率（即ち、フィン閉塞率）が所定の閾値以下である場合、膨張部２４の開度を変更しないよう開度制御部３４を制御する。
【００５２】
上記のように、本実施の形態によれば、着霜条件下でもＣＯＰを維持したまま機器を運転することができ、機器の省エネを図ることができる。なお、本実施の形態は、除霜装置と組み合わせない運転にした場合でも、省エネルギー効果を奏する。つまり、本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０が除霜運転部を備えていないか、あるいは、冷凍サイクル装置１０が除霜制御部３５により除霜運転の開始を制御しないとしても、冷凍サイクル装置１０が上記のように開度制御部３４を制御することで、一定の省エネルギー効果を得ることができる。
【００５３】
実施の形態３．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。
【００５４】
実施の形態１では、除霜運転の開始判定に湿度センサ２８を利用するが、本実施の形態では、除霜運転の終了判定に湿度センサ２８を利用する。
【００５５】
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の構成は、図１に示した実施の形態１のものと同様である。
【００５６】
前述したように、ヒーター２７は除霜運転部の一例である。除霜運転部としては、ヒーター２７の代わりに、オフサイクル方式、リバース方式、ホットガス方式等の除霜機構を用いることができる。以下、ヒーター２７やオフサイクル方式のように、冷凍サイクル装置１０の外部の熱源を用いて霜を融解させる方式を外融式と呼ぶ。リバース方式やホットガス方式のように、冷凍サイクル装置１０の内部の冷媒（即ち、内部の熱源）を用いて霜を融解させる方式を内融式と呼ぶ。
【００５７】
本実施の形態に係る制御装置３０の構成は、図２に示した実施の形態１のものと同様である。
【００５８】
本実施の形態において、記憶部３１は、蒸発器２５に発生する霜の密度と、ヒーター２７（又はオフサイクル方式等の除霜機構）による除霜運転を終了させる判断の基準値として定められる温度との対応を記憶する。除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度に応じてヒーター２７による除霜運転の終了を制御する。
【００５９】
図７は、冷凍サイクル装置１０を使用したユニットクーラー（即ち、冷凍機器）で除霜運転中に蒸発器２５の伝熱管５２の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。
【００６０】
図７において、蒸発器２５の伝熱管５２の温度は、除霜運転の初期ではユニットクーラーの運転温度である−３０℃である。伝熱管５２の温度は、除霜運転の継続に伴って上昇する。伝熱管５２の温度は、５００秒付近で約０℃になっている。霜が融解して水に変化するため、伝熱管５２の温度は、潜熱によりしばらく一定となる。伝熱管５２の温度は、霜の融解が終わると再び上昇する。７００秒付近で霜の融解は終了しているが、蒸発器２５全体で霜の融解が終了するのは１０００秒付近であると考えられる。この例では、伝熱管５２の温度が２８℃に至ったとき、除霜運転が終了している。つまり、２８℃が基準値となっている。
【００６１】
一般的に外融式による除霜運転では、除霜運転の開始後、しばらくは主に熱源からの放射エネルギーによって霜が融解する。熱源近傍の空気温度上昇により生じる対流によって霜が融解するのは、除霜運転の後半に入ってからである。あるいは、そのような対流によって霜が融解する前に、伝熱管５２の温度が基準値に達し（即ち、既に霜の融解が終了している）、除霜運転が終了する。
【００６２】
霜の放射エネルギー吸収量は霜の形状に大きく依存することが各種研究で明らかとなっている（例えば、非特許文献１参照）。霜の空隙率ｘと放射による除霜終了時間τには、以下の式（３）のような関係があることがわかっている。
τ∝ｘ−１．２・・・（３）
【００６３】
霜密度ρが低いほど、霜の空隙率ｘは高くなる。よって、霜密度ρが低いほど、除霜終了時間τは短くなる。
【００６４】
以上のことから、外融式による除霜運転では、着霜量Ｍが等しいとき、霜密度ρが低ければ、除霜運転初期の霜融解時間は短くなる。結果的に対流によって伝熱管５２の温度が上昇するときには霜の融解は終わっている。つまり、霜密度ρに応じて、除霜運転を終了させる判断の基準値を変化させることで、除霜運転の最適化が可能となる。
【００６５】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、蒸発器２５の霜密度ρが蒸発器２５により吸い込まれる空気の相対湿度から推定できることを利用する。
【００６６】
例えば、記憶部３１は、蒸発器２５の温度（例えば、フィン５１の表面温度）と、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度と、蒸発器２５に発生する霜の密度と、除霜運転を終了させる判断の基準値（即ち、伝熱管５２の温度）とをそれぞれカラムに格納するテーブルを記憶する。前述したように、霜の密度が低ければ、霜の融解にかかる時間は短くなる。そこで、記憶部３１は、基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が低いものほど低い温度を記憶する。
【００６７】
例えば、湿度センサ２８は、実施の形態１と同様に蒸発器２５の前面の中心に取り付けられる。湿度センサ２８は、取り付けられた位置周辺の空気の相対湿度を測定する。例えば、温度センサ２９は、実施の形態１と同様に蒸発器２５のフィン５１に取り付けられる。温度センサ２９は、蒸発器２５の温度としてフィン５１の表面温度を測定する。また、別の温度センサ２９が、伝熱管５２の表面に取り付けられる。この温度センサ２９は、伝熱管５２の表面温度を測定する。この温度センサ２９は、蒸発器２５の出口付近に取り付けられることが望ましい。つまり、この温度センサ２９は、蒸発器２５の出口付近における伝熱管５２の温度を測定することが望ましい。複数の温度センサ２９が伝熱管５２の表面に取り付けられていてもよい。なお、温度センサ２９は、伝熱管５２内の冷媒の温度を測定してもよい。密度推定部３２は、湿度センサ２８により測定された相対湿度と、蒸発器２５の前面の中心に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度（例えば、フィン５１の表面温度）とに対応する霜の密度を上記テーブルから読み出すことで、霜の密度を推定し、霜密度ρとして出力する。
【００６８】
除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρに対応する基準値（即ち、伝熱管５２の温度）を上記テーブルから読み取る。除霜制御部３５は、伝熱管５２の表面に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度と、読み取った基準値とを比較する。そして、除霜制御部３５は、その比較結果に応じてヒーター２７（又はオフサイクル方式等の除霜機構）に除霜運転を終了させる。具体的には、除霜制御部３５は、読み取った基準値が２８℃であれば、伝熱管５２の表面に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度が２８℃以上であるかどうかを判定する。そして、除霜制御部３５は、温度センサ２９により測定された温度が２８℃以上であれば、ヒーター２７に除霜運転を終了させる。伝熱管５２の表面に取り付けられた温度センサ２９が複数ある場合、除霜制御部３５は、それらの温度センサ２９により測定された温度のうちの最低温度と、読み取った基準値とを比較する。なお、除霜制御部３５は、それらの温度センサ２９により測定された温度の平均や中間値等と、読み取った基準値とを比較してもよい。
【００６９】
図７の例では、霜密度ρが２００ｋｇ／ｍ３のときの基準値を２８℃に定めている。霜密度ρが１００ｋｇ／ｍ３の場合と２００ｋｇ／ｍ３の場合とでは、霜の空隙率ｘは１００ｋｇ／ｍ３の場合の方が高い。そのため、１００ｋｇ／ｍ３の場合、２００ｋｇ／ｍ３の場合に比べて霜が早く融解する。図７には示していないが、霜密度ρが１００ｋｇ／ｍ３のときの基準値を２８℃から２０℃と低く定めても除霜は適切に終了すると考えられる。この場合、除霜運転時間を約２５％短縮できる。そこで、上記のように、記憶部３１は、基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が低いものほど低い温度を記憶する。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度から蒸発器２５に付着した霜の密度が得られる。本実施の形態によれば、霜の密度に基づいて除霜運転の終了条件を最適化することができ、機器の省エネを図ることができる。
【００７１】
実施の形態４．
本実施の形態について、主に実施の形態３との差異を説明する。
【００７２】
実施の形態３では、外融式による除霜運転を行うが、本実施の形態では、内融式による除霜運転を行う。
【００７３】
本実施の形態に係る制御装置３０の構成は、図２に示した実施の形態１のものと同様である。
【００７４】
本実施の形態において、記憶部３１は、蒸発器２５に発生する霜の密度と、リバース方式やホットガス方式等の除霜機構による除霜運転を終了させる判断の基準値として定められる温度との対応を記憶する。除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度に応じてリバース方式やホットガス方式等の除霜機構による除霜運転の終了を制御する。
【００７５】
図８は、冷凍サイクル装置１０を使用した空調機器で除霜運転中に蒸発器２５の伝熱管５２の温度を測定した結果の一例を示すグラフである。
【００７６】
図８において、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度は、除霜運転の初期では空調機器の運転温度である−８℃である。出口温度は、除霜運転の継続に伴って上昇する。出口温度は、一旦０℃まで上昇し、しばらく一定となる。出口温度は、霜の融解が終わると再び上昇する。この例では、出口温度が２０℃に至ったとき、除霜運転が終了している。つまり、２０℃が基準値となっている。
【００７７】
一般的に内融式による除霜運転では、霜の熱伝導率に応じて霜の融解速度が大きく異なる。内融式による除霜運転では、熱源が伝熱管５２内に存在し、熱伝導によって霜へ熱が流れる。そのため、霜自体の熱伝導率が高いほど霜融解時間は短くなる。
【００７８】
霜の熱伝導率κは霜密度ρと強い相関をもつことが各種研究で明らかとなっている（例えば、非特許文献２参照）。一般的に霜密度ρが高いほど、霜の熱伝導率κは高くなる傾向がある。
【００７９】
内融式の場合、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度は、高温冷媒が温度を測定している位置に到達しなければ、基準値まで上昇しない。しかしながら、実際は、その位置に高温冷媒が到達する前に霜の融解が終了している。また、霜の融解が終了する時間は、霜密度ρが高いほど（即ち、霜の熱伝導率κが高いほど）短い。
【００８０】
以上のことから、内融式による除霜運転では、霜の熱伝導率κに応じて、除霜運転を行う時間が調節できる。つまり、霜密度ρに応じて、除霜運転を終了させる判断の基準値を変化させることで、除霜運転の最適化が可能となる。
【００８１】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、蒸発器２５の霜密度ρが蒸発器２５により吸い込まれる空気の相対湿度から推定できることを利用する。
【００８２】
例えば、記憶部３１は、蒸発器２５の温度（例えば、フィン５１の表面温度）と、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度と、蒸発器２５に発生する霜の密度と、除霜運転を終了させる判断の基準値（即ち、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度）とをそれぞれカラムに格納するテーブルを記憶する。前述したように、霜の密度が高ければ、霜の融解にかかる時間は短くなる。そこで、記憶部３１は、基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が高いものほど低い温度を記憶する。
【００８３】
例えば、湿度センサ２８は、実施の形態１と同様に蒸発器２５の前面の中心に取り付けられる。湿度センサ２８は、取り付けられた位置周辺の空気の相対湿度を測定する。例えば、温度センサ２９は、実施の形態１と同様に蒸発器２５のフィン５１に取り付けられる。温度センサ２９は、蒸発器２５の温度としてフィン５１の表面温度を測定する。また、別の温度センサ２９が、蒸発器２５の冷媒配管の出口付近に取り付けられる。この温度センサ２９は、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度を測定する。密度推定部３２は、湿度センサ２８により測定された相対湿度と、蒸発器２５の前面の中心に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度（例えば、フィン５１の表面温度）とに対応する霜の密度を上記テーブルから読み出すことで、霜の密度を推定し、霜密度ρとして出力する。
【００８４】
除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρに対応する基準値（即ち、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度）を上記テーブルから読み取る。除霜制御部３５は、蒸発器２５の冷媒配管の出口付近に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度と、読み取った基準値とを比較する。そして、除霜制御部３５は、その比較結果に応じてリバース方式やホットガス方式等の除霜機構に除霜運転を終了させる。具体的には、除霜制御部３５は、読み取った基準値が２０℃であれば、蒸発器２５の冷媒配管の出口付近に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度が２０℃以上であるかどうかを判定する。そして、除霜制御部３５は、温度センサ２９により測定された温度が２０℃以上であれば、除霜機構に除霜運転を終了させる。
【００８５】
図８の例では、霜密度ρから算出される霜の熱伝導率κが０．１０Ｗ／ｍＫのときの基準値を２０℃に定めている。霜の熱伝導率κが０．１０Ｗ／ｍＫの場合と０．２０Ｗ／ｍＫの場合とでは、霜の熱伝導率κが０．２０Ｗ／ｍＫの場合、０．１０Ｗ／ｍＫの場合に比べて霜が早く融解する。図８には示していないが、霜の熱伝導率κが０．１０Ｗ／ｍＫのときの基準値を２０℃から１５℃と低く定めても除霜は適切に終了すると考えられる。この場合、除霜運転時間を短縮できる。そこで、上記のように、記憶部３１は、基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が高いものほど低い温度を記憶する。
【００８６】
以上説明したように、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度から蒸発器２５に付着した霜の密度が得られる。本実施の形態によれば、霜の密度に基づいて除霜運転の終了条件を最適化することができ、機器の省エネを図ることができる。
【００８７】
実施の形態５．
本実施の形態について、主に実施の形態３及び４との差異を説明する。
【００８８】
冷凍サイクル装置１０が内融式及び外融式の両方の除霜運転部を備えている場合、両方の利点を活かすことが望ましい。霜密度ρから導き出される霜の熱伝導率κが所定の閾値以上であれば、内融式により熱伝導を活かした霜の融解が効果的である。一方、霜の熱伝導率κがその閾値以下であれば、外融式により輻射を活かした霜の融解が効果的である。そのため、本実施の形態では、除霜運転部は、外融式と内融式とを選択して実施する。
【００８９】
制御装置３０において、記憶部３１は、前述した基準値として定められる温度として、外融式の実施を終了させる判断の基準値として定められる第１温度と、内融式の実施を終了させる判断の基準値として定められる第２温度とを記憶する。例えば、記憶部３１は、蒸発器２５の温度（例えば、フィン５１の表面温度）と、蒸発器２５に流入する空気の相対湿度と、蒸発器２５に発生する霜の密度と、第１温度（即ち、伝熱管５２の温度）と、第２温度（即ち、蒸発器２５の冷媒配管の出口温度）とをそれぞれカラムに格納するテーブルを記憶する。
【００９０】
例えば、湿度センサ２８は、実施の形態１と同様に蒸発器２５の前面の中心に取り付けられる。例えば、１つの温度センサ２９が、実施の形態１と同様に蒸発器２５のフィン５１に取り付けられる。別の温度センサ２９が、実施の形態３と同様に伝熱管５２の表面に取り付けられる。さらに別の湿度センサ２８が、実施の形態４と同様に蒸発器２５の冷媒配管の出口付近に取り付けられる。密度推定部３２は、湿度センサ２８により測定された相対湿度と、蒸発器２５の前面の中心に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度（例えば、フィン５１の表面温度）とに対応する霜の密度を上記テーブルから読み出すことで、霜の密度を推定し、霜密度ρとして出力する。
【００９１】
除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρが所定の閾値未満である場合、除霜運転部に外融式を選択させる。除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρに対応する第１温度を上記テーブルから読み取る。除霜制御部３５は、伝熱管５２の表面に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度と、読み取った第１温度とを比較する。そして、除霜制御部３５は、その比較結果に応じてヒーター２７又はオフサイクル方式等の除霜機構に除霜運転を終了させる。一方、除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρが上記閾値以上である場合、除霜運転部に内融式を選択させる。除霜制御部３５は、密度推定部３２により出力された霜密度ρに対応する第２温度を上記テーブルから読み取る。除霜制御部３５は、蒸発器２５の冷媒配管の出口付近に取り付けられた温度センサ２９により測定された温度と、読み取った第２温度とを比較する。そして、除霜制御部３５は、その比較結果に応じてリバース方式やホットガス方式等の除霜機構に除霜運転を終了させる。
【００９２】
本実施の形態によれば、霜の密度に基づいて除霜運転の終了条件をさらに最適化することができ、機器の省エネを図ることができる。
【００９３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらのうち、２つ以上の実施の形態を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、１つの実施の形態を部分的に実施しても構わない。あるいは、これらのうち、２つ以上の実施の形態を部分的に組み合わせて実施しても構わない。
【００９４】
なお、熱交換器のフィンについては平板フィンの例を説明したが、コルケートフィンや線状フィンを使用してもよい。また、冷凍サイクルの冷媒としては、可燃性冷媒、空気や二酸化炭素等の自然冷媒、フロンといった各種冷媒を使用することができる。また、圧縮機としては、密閉式、半密閉式、開放式といった各種構造の圧縮機を使用することができる。
【００９５】
以下、本発明の実施の形態における除霜装置の特徴を再言する。
【００９６】
本発明の実施の形態における除霜装置は、
空気と冷媒との間で熱交換する熱交換器に発生した霜を除去する除霜運転を行う除霜運転部と、
前記熱交換器に流入する空気の相対湿度を測定する湿度測定部と、
前記湿度測定部により測定された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力する密度推定部と、
前記密度推定部により出力された霜密度に応じて前記除霜運転部による除霜運転の開始と終了との少なくともいずれかを制御する除霜制御部とを備える。
【００９７】
前記熱交換器は、前記熱交換器の近傍に設置されるファンにより引き起こされる風が吹き込む面を有し、
前記湿度測定部は、前記面に設置される湿度センサを含み、
前記密度推定部は、前記湿度測定部の湿度センサにより感知された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定する。
【００９８】
前記湿度センサは、前記面の略中心に設置される。
【００９９】
前記湿度測定部は、前記湿度センサのほか、１つ以上の他の湿度センサを含み、
前記密度推定部は、前記湿度測定部の全ての湿度センサにより感知された相対湿度の平均を計算し、計算した相対湿度の平均に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定する。
【０１００】
前記熱交換器は、互いに所定の間隔をあけて設置される複数のフィンと、前記複数のフィンを貫通する複数の伝熱管とを具備し、前記複数のフィンを用いて前記空気と前記複数の伝熱管を流れる冷媒との間で熱交換し、
前記除霜制御部は、前記密度推定部により出力された霜密度に基づいて前記複数のフィンに付着した霜の厚さを推定し、前記複数のフィンが設置された間隔に対する、推定した霜の厚さの比率が所定の閾値を超えている場合、前記除霜運転部に前記除霜運転を開始させる。
【０１０１】
前記除霜装置は、さらに、
前記熱交換器に発生した霜の量を算出する量算出部を備え、
前記除霜制御部は、前記量算出部により算出された霜の量をＭ、前記密度推定部により出力された霜密度をρ、前記熱交換器の表面積をＳとして、ｄｆ＝Ｍ／ρ／Ｓを算出し、前記複数のフィンに付着した霜の厚さが、算出したｄｆであると推定する。
【０１０２】
前記除霜装置は、さらに、
前記熱交換器に発生する霜の密度と、前記除霜運転を終了させる判断の基準値として定められる温度との対応を記憶する記憶部と、
前記熱交換器の温度を測定する温度測定部とを備え、
前記除霜制御部は、前記密度推定部により出力された霜密度に対応する温度を前記記憶部から読み取り、前記温度測定部により測定された温度と、読み取った温度とを比較し、比較結果に応じて前記除霜運転部に前記除霜運転を終了させる。
【０１０３】
前記除霜運転部は、外部の熱源を用いて前記除霜運転を行い、
前記記憶部は、前記基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が低いものほど低い温度を記憶する。
【０１０４】
前記除霜運転部は、前記冷媒を用いて前記除霜運転を行い、
前記記憶部は、前記基準値として定められる温度として、対応する霜の密度が高いものほど低い温度を記憶する。
【０１０５】
前記除霜運転部は、外部の熱源を用いて前記除霜運転を行う外融式と前記冷媒を用いて前記除霜運転を行う内融式とを選択して実施し、
前記記憶部は、前記基準値として定められる温度として、前記外融式の実施を終了させる判断の基準値として定められる第１温度と、前記内融式の実施を終了させる判断の基準値として定められる第２温度とを記憶し、
前記除霜制御部は、前記密度推定部により出力された霜密度が所定の閾値未満である場合、前記除霜運転部に前記外融式を選択させ、前記密度推定部により出力された霜密度に対応する第１温度を前記記憶部から読み取り、前記密度推定部により出力された霜密度が前記閾値以上である場合、前記除霜運転部に前記内融式を選択させ、前記密度推定部により推定された霜密度に対応する第２温度を前記記憶部から読み取る。
【０１０６】
前記除霜装置は、さらに、
前記熱交換器の温度と前記熱交換器に流入する空気の相対湿度との組み合わせと、前記熱交換器に発生する霜の密度との対応を記憶する記憶部と、
前記熱交換器の温度を測定する温度測定部とを備え、
前記密度推定部は、前記温度測定部により測定された温度と前記湿度測定部により測定された相対湿度との組み合わせに対応する霜の密度を前記記憶部から読み取り、読み取った霜の密度を前記霜密度として出力する。
【０１０７】
以下、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の特徴を再言する。
【０１０８】
本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させる膨張部と、
空気と前記膨張部で膨張した冷媒との間で熱交換して前記冷媒を加熱させる熱交換器と、
前記熱交換器に発生した霜を除去する除霜運転を行う除霜運転部と、
前記熱交換器に流入する空気の相対湿度を測定する湿度測定部と、
前記湿度測定部により測定された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力する密度推定部と、
前記密度推定部により出力された霜密度に応じて前記除霜運転部による除霜運転の開始と終了との少なくともいずれかを制御する除霜制御部とを備える。
【０１０９】
前記冷凍サイクル装置は、流路を循環する流体を加熱するヒートポンプサイクル装置であり、
前記放熱器は、前記流体と前記圧縮機により圧縮された冷媒との間で熱交換して前記冷媒を放熱させる。
【０１１０】
以下、本発明の実施の形態における除霜方法の特徴を再言する。
【０１１１】
本発明の実施の形態における除霜方法では、
除霜運転部が、空気と冷媒との間で熱交換する熱交換器に発生した霜を除去する除霜運転を行い、
湿度測定部が、前記熱交換器に流入する空気の相対湿度を測定し、
密度推定部が、前記測定により測定された相対湿度に基づいて前記熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度を霜密度として出力し、
除霜制御部が、前記推定により出力された霜密度に応じて前記除霜運転の開始と終了との少なくともいずれかを制御する。
【０１１２】
本発明の実施の形態によれば、除霜装置が、熱交換器に流入する空気の相対湿度に基づいて熱交換器に発生した霜の密度を推定し、推定した霜の密度に応じて除霜運転の開始と終了との少なくともいずれかを制御するため、熱交換器に発生した霜の状態に応じて適度な除霜運転を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１１３】
１０  冷凍サイクル装置、１１  室外機、１２  室内機、２１  圧縮機、２２  凝縮器、２３  ファン、２４  膨張部、２５  蒸発器、２６  ファン、２７  ヒーター、２８  湿度センサ、２９  温度センサ、３０  制御装置、３１  記憶部、３２  密度推定部、３３  量算出部、３４  開度制御部、３５  除霜制御部、４１  入口、４２  出口、５１  フィン、５２  伝熱管、５３  四方弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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