(57)【要約】  【課題】  空気調和機において、従来の室外機凍結防止方法では、十分に加熱できない、あるいは電力消費の増加が大きい、暖房能力が低下するといった課題があった。  【解決手段】  本発明では、圧縮機１１１、四方弁１１２、室外熱交換器１０２、底板加熱器２０３、外側膨張弁２１３、内側膨張弁２１４、室内熱交換器１１５で構成されている。さらに、バイパス管２１７に調整弁２１９を設け、底板加熱器２０３の出入口に温度検出手段であるサーミスタ２１６、２１８を配備している。運転状態に応じて外側膨張弁２１３、内側膨張弁２１４、調整弁２１９を調整し、底板加熱器２０３の吸放熱状態を制御する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と室内熱交換器と減圧膨張手段と室外熱交換器とを順次接続してヒートポンプサイクルを構成するとともに、前記室外熱交換器の下部あるいはドレン水の排水経路に加熱手段を設け、前記加熱手段を除霜運転開始の所定時間前から除霜運転終了の所定時間後までの間動作させることを特徴する空気調和機。
【請求項２】
前記加熱手段が電気ヒータであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項３】
前記加熱手段が動作中は、装置の総消費電力あるいは電流値が所定の値を超えないように前記加熱手段の消費電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項４】
前記加熱手段が冷媒から熱を伝達する手段であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項５】
第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を備え、前記加熱手段を前記第一減圧膨張手段と前記第二減圧膨張手段の間に配し、運転状況に応じて前記第一減圧膨張手段と前記第二減圧膨張手段を制御し、冷房運転時と前記加熱手段の動作中は前記加熱手段を流れる前記冷媒が高圧力で放熱状態に、暖房運転時は前記加熱手段を流れる前記冷媒が低圧力で吸熱状態あるいは、中間圧力で熱の移動を抑えた状態に制御することを特徴とする請求項４に記載の空気調和機。
【請求項６】
前記加熱手段の入口と出口に温度検出手段を設け、前記温度検出手段の出力に応じて前記第一減圧膨張手段と前記第二減圧膨張手段を制御することを特徴とする請求項５記載の空気調和機。
【請求項７】
前記加熱手段をバイパスして前記第一減圧膨張手段と前記第二減圧膨張手段を結ぶとともに、前記冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段を設けたことを特徴とする請求項５記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを用いて暖房を行う空気調和機において、室外熱交換器で生じたドレン水の凍結を防ぎ、寒冷地などで長期にわたって暖房運転を連続しても高い信頼性の得られる空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気圧縮式の空気調和機においては、暖房運転を行うと室外熱交換器が蒸発器となり、結露や着霜が生じる。外気温が低くなると、除霜を行った後の排水が凍結し、成長して室外ファンロックなどの運転障害を生じることがある。
【０００３】
これを加熱によって解決する方法としては、ヒーターによる方法が一般的で容易である。
【０００４】
電力消費を抑えて凍結防止を行う方法としては、電源部の発熱体を室外熱交換器の露受皿近傍に配置して加熱する方法や、ヒートパイプを用いる方法や、圧縮機の吐出に設けたオイルセパレータからのオイル戻し管を用いる方法や、金属製伝熱部材を用いて圧縮機の熱を使う方法などがある（例えば、特許文献１、２、３、４参照）。
【０００５】
また、加熱量に対して電力消費が少なく、確実に氷の成長を抑える方法として、ヒートポンプサイクルから熱を取り出し加熱する方法がある（特許文献５参照）。図４に示すように、室外機本体１には、室外側熱交換器２、クロスフローファン３、スタビライザ４、エアガイダー５で構成される送風回路が設けられており、低外気温での暖房運転時にスタビライザ４から氷が成長しクロスフローファン３と接触して送風障害を起こす可能性があるため、スタビライザ４に凍結防止管６を設け加熱することで凍結を防止している。
【０００６】
圧縮機７から吐出された冷媒は、室内側熱交換器８で室内空気を加熱し、第１の減圧装置９を経て凍結防止管６に流入し、スタビライザ４を加熱した後、第２の減圧装置１０を経て室外側熱交換器２で吸熱して圧縮機７へ戻る。
【特許文献１】特開平３−２１３９２７号公報
【特許文献２】特開平６−２４９４６５号公報
【特許文献３】特開平７−３１８１０８号公報
【特許文献４】実開平２−７３５７３号公報
【特許文献５】特開昭６３−２５４３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、室外機の凍結による送風障害を防止する場合、前記従来のヒーターを用いる方法では、できれば暖房に回したい電力をヒーターが消費するため、ヒーター動作中は暖房能力の低下、消費電力量の増加を招いてしまう。また、前記従来の電源部の発熱体や、ヒートパイプ、オイルセパレータからのオイル戻し管の熱を使う方法では、加熱量が不足したり、凝縮水の排水経路全体を加熱することが困難で、加熱が十分でないところから氷が成長する可能性がある。
【０００８】
また、前記従来のヒートポンプサイクルの熱を利用する方法では、凍結防止管は常に中間圧力となっており、暖房運転時は常時放熱となるため凍結防止管を出た冷媒のエンタルピーが低下し、暖房能力あたりの室外熱交換器での必要吸熱量が増加する。室外熱交換器での吸熱量を増加させるためには、室外送風機の風量を上昇させたり蒸発温度を低下させたりする必要があり、ヒーターほどではないが消費電力が増加したり、着霜が早くなったりする。そして、冷房運転時には凍結防止管が吸熱状態となって冷房能力が落ちてしまったりする場合があるという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するために、十分な凍結防止性能を得ると共に暖房能力の低下や消費電力の増加が少なく、また、冷房能力の低下などがなく、低外気温時に長時間にわたって暖房運転を連続しても信頼性の高い空気調和機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するため、本発明の空気調和機は、室外熱交換器の下部あるいはドレン水の排水経路に加熱手段を設けるとともに、加熱手段を除霜運転開始の所定時間前から除霜運転終了の所定時間後までの間動作させるものである。これにより、十分な凍結防止性能を得ると共に暖房性能を低下させることなく消費電力の増加を抑えることができる。
【００１１】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段が冷媒から熱を伝達するものである。これにより、加熱量あたりの消費電力の増加を、ヒーターを用いるよりも抑えることができる。
【００１２】
また、本発明の空気調和機は、第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を備え、加熱手段を第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段の間に配するとともに、運転状況に応じて第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を調整し、冷房運転時と加熱手段の動作中は加熱手段を流れる冷媒が高圧で放熱状態に、暖房運転時は加熱手段を流れる冷媒が低圧力で吸熱状態あるいは、中間圧力で熱の移動を抑えた状態に制御するものである。  これにより、暖房能力の低下や消費電力の増加が少なく、また、冷房能力が低下したりすることなく凍結防止を行うことができる。
【００１３】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段の入口と出口に温度検出手段を設けるとともに、温度検出手段の出力に応じて第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を調整するもである。これにより、加熱手段における冷媒の吸放熱状態の制御精度が向上する。
【００１４】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段をバイパスし第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を結び、冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段を設けるとともに、運転モードに応じて加熱手段をバイパスさせて冷媒を流すものである。これにより、熱移動が少ない状態に制御するときの損失をさらに抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記から明らかなように、本発明の空気調和機は、室外熱交換器の下部あるいはドレン水の排水経路に加熱手段を設けるとともに、加熱手段を除霜運転開始の所定時間前から除霜運転終了の所定時間後までの間動作させるもので、十分な凍結防止性能を得ると共に暖房性能を低下させることなく消費電力の増加を抑えることができる。この構成によれば、信頼性が高く、連続して凍結防止運転を行うよりも効率の良い暖房運転を行うことができるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段が冷媒から熱を伝達するもので、加熱量あたりの消費電力の増加を抑えることができる。この構成によれば、信頼性が高く、凍結防止運転をヒーターで行うよりも消費電力の少ない暖房運転を行うことができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明の空気調和機は、第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を備え、加熱手段を第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段の間に配するとともに、運転状況に応じて第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を調整し、冷房運転時と加熱手段の動作中は加熱手段を流れる冷媒が高圧で放熱状態に、暖房運転時は加熱手段を流れる冷媒が低圧力で吸熱状態あるいは、中間圧力で熱の移動を抑えた状態に制御するもので、運転状況に応じた熱の移動をきめ細かく制御することができる。この構成によれば、全ての運転状況に応じ、効率の良い操作で空気調和を行うことができるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段の入口と出口に温度検出手段を設けるとともに、温度検出手段の出力に応じて第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を調整するもで、冷媒の放熱状態、吸熱状態あるいは熱の移動が少ない状態など熱移動の制御精度を向上させることができる。この構成によれば、全ての運転状況に対する最適な制御を行うことができ、最も効率の良い操作で空気調和を行うことができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明の空気調和機は、加熱手段をバイパスし第一減圧膨張手段と第二減圧膨張手段を結び、冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段を設けるとともに、運転モードに応じて加熱手段をバイパスさせて冷媒を流すもので、熱の移動が少ない状態における熱損失を抑えることができる。この構成によれば、全ての運転状況に対する最適な制御を行うことができ、損失が少なく最も効率の良い空気調和を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１に示すように、本発明の実施の形態１は、圧縮機１１１、四方弁１１２、室外熱交換器１０２、加熱手段に相当するヒーター１０３、膨張弁１１３、室内熱交換器１１５で構成されている。図１のサイクルはデアイス運転中ないしは冷房運転中の回路である。
【００２２】
室外機１１０の底板１０１には、暖房運転によって室外熱交換器１０２に生じた凝縮水を排出するため、周囲より一段低い排水路１０７と、排水口１０５と、排水路１０７の中に室外熱交換器１０２を設置する熱交換器支持部１０４とが設けられている。そして、凍結防止のため、底板１０１特に排水路１０７の周辺を加熱するためのヒーター１０３が設けられている。さらに、排水口１０５の周辺の水路出口１０８は排水を確実にするため排水路１０７よりも一段低くなって排水口１０５につながっている。
【００２３】
ヒーター１０３は、排水路１０７全体を効率よく暖めらることができるようにシート状に形成されたヒーターで、入力端１０６ａ、１０６ｂから電力が供給される。ヒーター１０３には、排水口１０５や熱交換器支持部１０４に穴があけられており、室外熱交換器１０２と底板１０１の排水路１０７の間に収まる形となっている。
【００２４】
空気調和機が外気温０℃程度の時に暖房運転を続ける場合、デアイス運転により室外熱交換器１０２より流れ落ちた水や、空気中の水分が底板１０１の室外熱交換器１０２の風下側に凍結し、放置すると成長して室外送風機をロックさせてしまうことがある。これを防止するために、ヒーター１０３で加熱するわけであるが、常時通電すれば電力消費の増加は避けようがない。そればかりか、限られた電力容量の中で凍結防止に電力を費やすことは、最大能力の低下をまねいてしまうことになる。
【００２５】
図２は低外気温下での暖房運転時における、デアイス運転前後の電流値の推移を示したもので、横軸が時間、縦軸が装置の電流値である。本体電流値１２１は、最大許容電流値Ａｍａｘを上限として時間Ｔａまで最大能力で暖房を行う。時間Ｔａから圧縮機１１１の駆動回転数を落とし、四方弁１１２を切り替えてデアイスを行う。デアイス運転が進むにつれて時間Ｔｂから電流値は上昇していき、室外熱交換器１０２の出口温度が所定の温度に達した時間Ｔｃに圧縮機１１１を停止し四方弁１１２を切り替える。そして、時間Ｔｄから暖房運転に復帰し時間Ｔｅまでの間は圧縮機１１１の駆動回転数を抑えて起動運転を行い、以後通常の制御に戻り時間Ｔｆで最大能力で暖房運転を行う。
【００２６】
デアイス運転開始の時間Ｔａから、最大能力へ復帰する時間Tfまでの間、本体電流値１２１は最大許容電流値Ａｍａｘを下回っており、この間ヒーター１０３への電力供給を行うことが可能である。図２においては、装置全体の入力を最大まで許容するとすると、ヒーター許容電流値１２２のパターンに従ってヒーター１０３に電力供給することが可能である。この時間帯は元々暖房は行われておらず、ヒーター１０３への電力供給が暖房能力の低下につながることはない。さらに、凝縮水が流れ落ちる時間に大きな加熱能力を得ることができるので、効率的に凍結防止を行うことができる。
【００２７】
また、特に外気温が低く、底板１０１の温度が上がりにくいような場合には、デアイス運転開始の時間Ｔａよりも前から、圧縮機１１１の駆動回転数を落とすなどして本体電流値１２３、ヒーター許容電流値１２４のような運転パターンを採れば確実に凍結防止を行うことができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３に示す様に本発明の実施の形態２は、圧縮機１１１、四方弁１１２、室外熱交換器１０２、加熱手段に相当する底板加熱器２０３、第一減圧膨張手段に相当する外側膨張弁２１３、第二減圧膨張手段に相当する内側膨張弁２１４、室内熱交換器１１５で構成されている。さらに、バイパス管２１７に流量調整手段に相当する調整弁２１９を設け、底板加熱器２０３の出入口に温度検出手段であるサーミスタ２１６、２１８を配備している。図３のサイクルは、デアイス運転中ないしは冷房運転中の回路である。
【００２９】
実施の形態１と同様、室外機１１０の底板１０１には、暖房運転によって室外熱交換器１０２に生じた凝縮水を排出するため、周囲より一段低い排水路１０７と、排水口１０５と、排水路１０７の中に室外熱交換器１０２を設置する熱交換器支持部１０４とが設けられている。そして、凍結防止のため、底板１０１特に排水路１０７の周辺を加熱するための底板加熱器２０３が設けられている。さらに、排水口１０５の周辺の水路出口１０８は排水を確実にするため排水路１０７よりも一段低くなって排水口１０５につながっている。
【００３０】
底板加熱器２０３は、排水路１０７全体を効率よく暖めらることができるよう排水路１０７に沿った形状に形成されており、室外熱交換器１０２と底板１０１の排水路１０７の間に収納されている。
【００３１】
暖房運転時は、圧縮機１１１から高温高圧の冷媒が吐出され、四方弁１１２を経て室内熱交換器１１５で放熱し凝縮した後、内側膨張弁２１４へ至る。内側膨張弁から、底板加熱器２０３あるいは調整弁２１９とバイパス管２１７を通って、外側膨張弁２１３から室外熱交換器１０２を経て四方弁１１２を通り圧縮機１１１吸入へ戻る。デアイス運転時、冷房運転時は四方弁１１２が切り替わり、冷媒の流れは逆になり室外熱交換器１０２から室内熱交換器１１５へ向かって流れる。
【００３２】
外気温が高く、底板１０１が凍結する恐れのない場合、底板加熱器２０３から放熱することは無意味であるばかりか室外熱交換器１０２での必要吸熱量が増加し、蒸発温度が下がり圧縮機１１１の吸入圧力が低下して、所定の能力を出すために圧縮機１１１の駆動回転数を増した結果、電気入力が増加してしまうという弊害さえ起こしかねない。逆に、凍結の心配がない場合、底板加熱器２０３を吸熱状態とすると、室内熱交換器１０２のみならず底板１０１からも吸熱できるので蒸発温度、吸入圧力が上昇し、電気入力を低減することができる。
【００３３】
一方、凍結の可能性がある場合は、底板加熱器２０３から放熱することは凍結を防止する上で有効であるが、上述の場合と同様、電気入力の増加という代償が伴う。従って、このとき電気入力の増加を必要最小限に止めるため、暖房運転中は底板加熱器２０３の圧力を外気温相当の飽和温度として、底板１０１との間の熱移動を少なくし、デアイス運転の間とその前後の所定時間の間だけ底板加熱器２０３から放熱するのが良い。
【００３４】
さらに、底板加熱器２０３から放熱あるいは吸熱を行う場合には、調整弁２１９を閉じて底板加熱器２０３の冷媒流量を増やし、底板加熱器２０３での熱移動を少なくする場合には調整弁２１９を開けて底板加熱器２０３の冷媒流量を減らすようにすれば、精度良く熱移動を制御できる。
【００３５】
従って、暖房運転時に底板１０１が凍結する恐れのないときは、外側膨張弁２１３を開き、調整弁２１９閉じて、内側膨張弁２１４を調整して所定のヒートポンプサイクルを実現する。  そして、凍結の恐れがある場合には、調整弁２１９を開き、サーミスタ２１６、２１８の検出温度が外気温相当になるよう内側膨張弁２１４を調整し、外側膨張弁２１３を調整して所定のヒートポンプサイクルを実現するのが良い。
【００３６】
デアイス運転時は、暖房時とは冷媒の流れを逆転させ、圧縮機１１１から吐出された冷媒は四方弁１１２、室外熱交換器１０２を通って外側膨張弁２１３至るが、底板加熱器２０３から放熱するため、外側膨張弁２１３は開き、調整弁２１９閉じて、所定のサイクル状態になるよう内側膨張弁２１４を調整するのが良い。このとき、デアイス運転の終了判定をサーミスタ２１８の検出温度が所定の温度を超えたとき、あるいは、サーミスタ２１６とサーミスタ２１８の検出温度の差が所定値よりも小さくなったときとすれば、確実にデアイスおよび凝縮水の排水を行うことができる。
【００３７】
また、冷房運転時は、デアイス運転時度同様の動きで、底板加熱器２０３から放熱すれば、室内熱交換器１０２のみならず底板１０１からも放熱できるので凝縮温度を下げ、電気入力を低減することができる。
【００３８】
さらに、特に外気温が低く、底板１０１の温度が低くなっている場合には、デアイス運転に入る所定時間前に、凍結の恐れがある場合の状態から、暖房運転のままで底板加熱器２０３から放熱する状態へ移行させると、底板１０１の予熱が行え凍結防止はより確実になる。暖房運転のままで底板加熱器２０３から放熱する状態とはつまり、開いていた調整弁２１９を閉じ、内側膨張弁２１４を開き、外側膨張弁２１３でサイクルを調整する状態である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明、実施の形態１示す空気調和機の説明図
【図２】本発明、一実施例である空気調和機の制御の説明図
【図３】本発明、実施の形態２を示す空気調和機の説明図
【図４】従来の空気調和機の説明図
【符号の説明】
【００４０】
１０１  底板
１０２  室外熱交換器
１０３  ヒーター
１１３  膨張弁
１１５  室内熱交換器
２０３  底板加熱器
２１３  外側膨張弁
２１４  内側膨張弁
２１６、２１８  サーミスタ
２１７  バイパス管
２１９  調整弁
【図１】
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【図２】
2005049002.tif 000004
【図３】
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【図４】
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