(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸発器の着霜を確実かつ精度よく検出できる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】蒸発器が着霜していない場合の冷媒の蒸発温度を予測し、この予測蒸発温度と冷媒の実際の蒸発温度との比較により、蒸発器の着霜を判定する。例えば、蒸発器が着霜していない状態で前記冷凍サイクルが暖房運転する場合の前記冷媒の蒸発温度を前記冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測蒸発温度と前記冷凍サイクルの暖房運転時における前記冷媒の実際の蒸発温度との差に応じて前記蒸発器の着霜を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を吸込んで圧縮し吐出する圧縮機を有し、その圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、膨張弁、および蒸発器に通して前記圧縮機に戻す冷凍サイクルと、
前記蒸発器が着霜していない場合の前記冷媒の蒸発温度を予測し、この予測蒸発温度と前記冷媒の実際の蒸発温度との比較により、前記蒸発器の着霜を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記蒸発器が着霜していない状態で前記冷凍サイクルが暖房運転する場合の前記冷媒の蒸発温度を前記冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測蒸発温度と前記冷凍サイクルの暖房運転時における前記冷媒の実際の蒸発温度との差に応じて前記蒸発器の着霜を判定する、
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記判定手段は、
前記冷凍サイクルの暖房運転開始または前記蒸発器に対する除霜運転終了から所定時間が経過した時点の前記冷凍サイクルの初期状態量と、前記冷凍サイクルの暖房運転時における同冷凍サイクルの現状態量との差を、状態変化量として検出し、
前記蒸発器が着霜していない状態で前記冷凍サイクルが暖房運転する場合の前記冷媒の蒸発温度を前記検出した状態変化量に基づいて予測し、
前記予測蒸発温度と前記冷凍サイクルの暖房運転時における前記冷媒の実際の蒸発温度との差に応じて、前記蒸発器の着霜を判定する、
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記蒸発器における冷媒の過熱度が目標値一定となるように前記膨張弁の開度を制御する開度制御手段、
をさらに備え、
前記判定手段は、
前記冷凍サイクルの暖房運転開始または前記蒸発器に対する除霜運転終了から所定時間が経過し且つ前記過熱度と前記目標値との差が所定値以内のときの前記冷凍サイクルの状態量と、前記冷凍サイクルが暖房運転し且つ前記過熱度と前記目標値との差が設定値内のときの前記冷凍サイクルの状態量との差を、状態変化量として検出し、
前記蒸発器が着霜していない状態で前記冷凍サイクルが暖房運転する場合の前記冷媒の蒸発温度を前記検出した状態変化量に基づいて予測し、
前記予測蒸発温度と前記冷凍サイクルの暖房運転時における前記冷媒の実際の蒸発温度との差に応じて、前記蒸発器の着霜を判定する、
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸発器の着霜に対処した冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、減圧器、蒸発器に通して圧縮機に戻すヒートポンプ式冷凍サイクルでは、暖房運転時、蒸発器の表面に徐々に霜が付着し、そのままでは十分な暖房能力が得られなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５１４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
十分な暖房能力を得るためには、蒸発器の着霜を的確に捕える必要がある。
【０００５】
本実施形態の冷凍サイクル装置の目的は、蒸発器の着霜を確実かつ精度よく検出できることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルおよび判定手段を備える。冷凍サイクルは、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する圧縮機を有し、その圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器、膨張弁、および蒸発器に通して圧縮機に戻す。判定手段は、蒸発器が着霜していない場合の冷媒の蒸発温度を予測し、この予測蒸発温度と冷媒の実際の蒸発温度との比較により、蒸発器の着霜を判定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】一実施形態の制御を示すフローチャート。
【図３】一実施形態における予測蒸発温度および実際の蒸発温度の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。一実施形態として、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明する。  
図１に示すように、圧縮機１の吐出口に四方弁２を介して室外熱交換器３が配管接続され、その室外熱交換器３に電動膨張弁４を介してパックドバルブ５が配管接続される。このパックドバルブ５に室内熱交換器６が配管接続され、その室内熱交換器６にパックドバルブ７が配管接続される。そして、パックドバルブ７に上記四方弁２およびアキュームレータ８を介して圧縮機１の吸込口が配管接続される。これら配管接続により、ヒートポンプ式冷凍サイクルが構成される。
【０００９】
圧縮機１は、インバータ１０の出力により動作し、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。インバータ１０は、商用交流電源の電圧を直流に変換し、変換した直流電圧を所定周波数およびその周波数に応じたレベルの交流電圧に変換する。このインバータ１０の出力周波数（交流電圧の周波数）を変えることにより、圧縮機１の能力が変化する。
【００１０】
冷房時は、矢印で示すように、圧縮機１から吐出された冷媒が、四方弁２、室外熱交換器３、電動膨張弁４、パックドバルブ５、室内熱交換器６、パックドバルブ７、四方弁２、アキュームレータ８を通って圧縮機１に吸込まれる。この冷媒の流れにより、室外熱交換器３が凝縮器として機能し、室内熱交換器６が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁２の流路が切換わることにより、圧縮機１から吐出された冷媒が、四方弁２、パックドバルブ７、室内熱交換器６、パックドバルブ５、電動膨張弁４、室外熱交換器３、四方弁２、アキュームレータ８を通って圧縮機１に吸込まれる。この冷媒の流れにより、室内熱交換器６が凝縮器として機能し、室外熱交換器３が蒸発器として機能する。
【００１１】
電動膨張弁４は、入力される駆動パルスの数に応じて開度が連続的に変化するパルスモータバルブ（ＰＭＶ）である。室外熱交換器３の近傍に、外気を吸込んで室外熱交換器３に通す室外ファン１１が配置される。室内熱交換器６の近傍に、室内空気を吸込んで室内熱交換器６に通す室内ファン１２が配置される。この室内ファン１２の吸込み風路の上流側に、塵埃除去用のフィルタ１３が配置される。室内ファン１２が運転すると、室内空気が吸込まれ、その吸込み空気がフィルタ１３を通って室内熱交換器６に流入する。吸込み空気に混じる塵埃は、フィルタ１３に付着する。室内熱交換器６に流入した空気は、室内熱交換器６を通る冷媒と熱交換した後、空調用空気として室内に吹出される。
【００１２】
圧縮機１と四方弁２との間の高圧側配管に、圧力センサ２０が取付けられる。室外熱交換器３の冷房時冷媒流出側となる位置に、温度センサ２１が取付けられる。室内熱交換器６の冷房時冷媒流入側となる位置に、温度センサ２２が取付けられる。四方弁とアキュームレータ８との間の配管に、温度センサ２３が取付けられる。室外ファン１１の運転により吸込まれる室外空気の風路に、外気温度Ｔｏを検知する外気温度センサ２４が配置される。室内ファン１２の運転により吸込まれる室内空気の風路に、室内温度Ｔａを検知する室内温度センサ２５が配置される。
【００１３】
室外ユニットＡは、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、電動膨張弁４、パックドバルブ５、室内熱交換器６、パックドバルブ７、アキュームレータ８、インバータ１０、室外ファン１１、圧力センサ２０、温度センサ２１,２３、外気温度センサ２４などを収容する。室内ユニットＢは、室内熱交換器６、室内ファン１２、フィルタ１３、温度センサ２２、室内温度センサ２５などを収容する。
【００１４】
室外ユニットＡおよび室内ユニットＢにコントローラ３０が接続され、そのコントローラ３０にリモートコントロール式の操作表示器３１が接続される。
【００１５】
操作表示器３１は、当該冷凍サイクル装置が搭載される空気調和機の運転条件設定用であり、操作手段および表示手段を有する。
【００１６】
コントローラ３０は、主要な機能として開度制御部（開度制御手段）５１および判定部（判定手段）５２を有するとともに、データ記憶用の不揮発性のメモリ５３を有する。
【００１７】
開度制御部５１は、蒸発器における冷媒の過熱度ＳＨが目標値ＳＨｔ一定となるように、電動膨張弁４の開度を制御する（過熱度一定値制御）。蒸発器は、冷房時が室内熱交換器６であり、暖房時が室外熱交換器３である。過熱度ＳＨは、冷房時が温度センサ２２の検知温度Ｔ２と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ２）であり、暖房時が温度センサ２１の検知温度Ｔ１と温度センサ２３の検知温度Ｔ３との差（＝Ｔ３−Ｔ１）である。
【００１８】
判定部５２は、蒸発器が着霜していない場合の冷凍サイクルの運転状態（冷媒の蒸発温度Ｔｅｍ）を予測し、この予測結果と冷凍サイクルの実際の運転状態（冷媒の蒸発温度Ｔｅａ）との比較により、蒸発器の着霜を判定する。
【００１９】
具体的には、判定部５２は、冷凍サイクルの暖房運転開始から所定時間ｔｘ後、および蒸発器に対する除霜運転終了から所定時間ｔｘ後、冷媒の蒸発温度Ｔｅを初期蒸発温度Ｔｅｘとしてメモリ５３に更新記憶するとともに、冷凍サイクルの状態量を初期状態量としてメモリ５３に更新記憶する。また、判定部５２は、メモリ５３に記憶した初期状態量と、その初期状態量の記憶後に冷凍サイクルが暖房運転しているときの同冷凍サイクルの現状態量との差を、状態変化量として検出する。さらに、判定部５２は、上記記憶した初期蒸発温度Ｔｅｘを上記検出した状態変化量で補正する演算により、蒸発器が着霜していない状態で冷凍サイクルが暖房運転する場合の蒸発器の蒸発温度Ｔｅｍを予測（推定）する。そして、判定部５２は、この予測蒸発温度Ｔｅｍと、冷凍サイクルの暖房運転時における冷媒の実際の蒸発温度Ｔｅａとの差ΔＴｅに応じて、蒸発器の着霜を判定する。
【００２０】
予測蒸発温度Ｔｅｍは、蒸発器が着霜していない状態で冷凍サイクルが暖房運転する場合に、冷媒の蒸発温度Ｔｅが至る筈の本来の値である。
【００２１】
冷媒の蒸発温度Ｔｅは、室外熱交換器３における冷媒の吸熱量、室外熱交換器３の熱通過率、室外熱交換器３の伝熱面積、外気温度Ｔｏなどにより決定される。室外熱交換器３の伝熱面積は、着霜があってもなくても同じである。室外熱交換器３の熱通過率は、着霜により低下する。冷媒の実際の蒸発温度Ｔｅａは、室外熱交換器３の冷房時冷媒流出側となる位置に取り付けられている温度センサ２１により検知することができる。
【００２２】
上記所定時間ｔｘは、圧縮機１の起動から一定時間（例えば１０分）を超える時間であって、かつ暖房運転開始や除霜運転終了の後で蒸発器に霜が着かないでいられる時間である。圧縮機１の起動から一定時間は、冷媒溜まりや膨張弁過絞りの影響で蒸発温度Ｔｅが過渡的に変動し得る時間である。
【００２３】
上記初期状態量は、運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，外気温度Ｔｏｘ，室外ファン速度Ｗｘの少なくとも１つである。上記現状態量は、過熱度ＳＨａ，外気温度Ｔｏａ，室外ファン速度Ｗａの少なくとも１つである。
【００２４】
運転周波数Ｆｘ，Ｆａは、インバータ１０の出力周波数Ｆである。過熱度ＳＨｘ，ＳＨａは、過熱度一定値制御において求める過熱度ＳＨである。外気温度Ｔｏｘ，Ｔｏａは、外気温度センサ２４の検知温度Ｔｏである。室外ファン速度Ｗｘ，Ｗａは、室外ファン１１の速度である。
【００２５】
なお、判定部５２は、初期状態量として運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，外気温度Ｔｏｘ，室外ファン速度Ｗｘの４つを記憶する場合、同じ４つの要素である過熱度ＳＨａ，外気温度Ｔｏａ，室外ファン速度Ｗａを現状態量として抽出する。また、判定部５２は、初期状態量として運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，外気温度Ｔｏｘの３つを記憶する場合、同じ３つの要素である運転周波数Ｆａ，過熱度ＳＨａ，外気温度Ｔｏａを現状態量として抽出する。
【００２６】
つぎに、コントローラ３０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。  
コントローラ３０は、初期状態フラグｆが“０”であるかを判定する（ステップＳ１）。初期状態フラグｆは、初期蒸発温度Ｔｅｘおよび初期状態量の記憶が済んでいるか否かの指標である。コントローラ３０は、暖房運転開始時および除霜運転終了時に、初期状態フラグｆを“０”にリセットする。
【００２７】
初期状態フラグｆが“０”の場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、初期蒸発温度Ｔｅｘおよび初期状態量の記憶が済んでいないとの判断の下に、運転時間ｔを積算し（ステップＳ２）、その積算運転時間ｔが設定時間ｔｘ以上（ｔ≧ｔｘ）であるかを判定する（ステップＳ３）。積算運転時間ｔは、コントローラ３０のメモリ５３に逐次に更新記憶されるとともに、暖房運転開始時および除霜運転終了時にコントローラ３０によって零クリアされる。
【００２８】
積算運転時間ｔが設定時間ｔｘ未満の場合（ステップＳ３のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。積算運転時間ｔが設定時間ｔｘに達した場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ４）。すなわち、コントローラ３０は、冷凍サイクルの現運転時の過熱度ＳＨａと目標値ＳＨｔとの差ΔＳＨの絶対値“｜ΔＳＨ｜”が、設定値ΔＳＨｓ未満（｜ΔＳＨ｜＜ΔＳＨｓ）であるかを判定する。設定値ΔＳＨｓは例えば２〜３Ｋである。
【００２９】
ステップＳ４の判定結果が否定の場合（ステップＳ４のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。
【００３０】
ステップＳ４の判定結果が肯定の場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、その時点の冷媒の蒸発温度Ｔｅを初期蒸発温度Ｔｅｘとしてメモリ５３に更新記憶するとともに、その時点の運転周波数Ｆｘ，過熱度ＳＨｘ，外気温度Ｔｏｘ，室外ファン速度Ｗｘを初期状態量としてメモリ５３に更新記憶する（ステップＳ５）。
【００３１】
初期蒸発温度Ｔｅｘおよび初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，Ｔｏｘ，Ｗｘの記憶に伴い、コントローラ３０は、初期状態フラグｆを“１”にセットし（ステップＳ６）、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。
【００３２】
初期状態フラグｆが“１”の場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態にあるかを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７の判定は、ステップＳ４の判定と同じである。
【００３３】
ステップＳ７の判定結果が否定の場合（ステップＳ７のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳ１のフラグ判定に戻る。
【００３４】
ステップＳ７の判定結果が肯定の場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、コントローラ３０は、冷凍サイクルが安定運転状態に入ったとの判断の下に、メモリ５３内の初期状態量Ｆｘ，ＳＨｘ，Ｔｏｘ，Ｗｘと、冷凍サイクルの現状態量Ｆａ，ＳＨａ，Ｔｏａ，Ｗａとの差を、状態変化量として検出する（ステップＳ８）。状態変化量は、運転周波数Ｆｘと運転周波数Ｆａとの差ΔＦであり、かつ過熱度ＳＨｘと過熱度ＳＨａとの差ΔＳＨｘａあり、かつ外気温度Ｔｏｘと外気温度Ｔｏａとの差ΔＴｏであり、かつ室外ファン速度Ｗｘと室外ファン速度Ｗａとの差ΔＷである。
【００３５】
続いて、コントローラ３０は、蒸発器である室外熱交換器３が着霜していない状態で冷凍サイクルが暖房運転する場合の冷媒の蒸発温度Ｔｅｍを、上記検出した状態変化量ΔＦ，ΔＳＨｘａ，ΔＴｏ，ΔＷに基づいて予測する（ステップＳ９）。
【００３６】
状態変化量の要素である運転周波数Ｆ，過熱度ＳＨ，外気温度Ｔｏ，室外ファン速度Ｗは、室外熱交換器３が着霜して室外熱交換器３の熱通過率が低下した場合でも、その影響を受けない。したがって、初期蒸発温度Ｔｅｘを状態変化量ΔＦ，ΔＳＨｘａ，ΔＴｏ，ΔＷで補正する下式の演算により、室外熱交換器３が着霜していない状態で冷凍サイクルが暖房運転する場合の冷媒の蒸発温度Ｔｅｍを予測（推定）することができる。この予測蒸発温度Ｔｅｍは、室外熱交換器３が着霜していない状態で冷凍サイクルが安定運転することを前提とした場合に、冷媒の蒸発温度Ｔｅが至る筈の本来の値である。  
Ｔｅｍ＝ｆ（ΔＦ，ΔＳＨｘａ，ΔＴｏ，ΔＷ，Ｔｅｘ）
仮に、室外熱交換器３が着霜した場合、室外熱交換器３の熱通過率が低下する。熱通過率が低下すると、冷媒の蒸発温度Ｔｅは、冷媒の熱交換量を確保するべく下降方向に変化し、室内温度Ｔａとの差が大きくなる。
【００３７】
コントローラ３０は、現運転時における冷媒の蒸発温度Ｔｅａを逐次に求め、求めた蒸発温度Ｔｅａと予測蒸発温度Ｔｅｍとのずれ量ΔＴｅ（＝Ｔｅｍ−Ｔｅａ）を求める（ステップＳ１０）。そして、コントローラ３０は、求めたずれ量ΔＴｅが閾値ΔＴｅｓ以上であるかを判定する（ステップＳ１１）。閾値ΔＴｅｓは、例えば２〜１０Ｋであり、室外熱交換器３の容量などに応じて適切な値が選定される。
【００３８】
ずれ量ΔＴｅが閾値ΔＴｅｓ以上の場合（ステップＳ１１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、室外熱交換器３が着霜していると判定する（ステップＳ１２）。但し、ステップＳ１２において、実際の蒸発温度Ｔｅａが例えば１℃以上の場合は、着霜する状況ではないので、着霜しないと判定してもよい。ステップＳ１２における着霜しているとの判定に基づき、コントローラ３０は、四方弁２の流路を冷房時と同じ状態に切換え、圧縮機１の吐出冷媒が四方弁２から室外熱交換器３に直接的に流れるいわゆる逆サイクルの除霜運転を実行する（ステップＳ１３）。
【００３９】
この除霜運転の実行により、室外熱交換器３に付着した霜が解けて除去される。この除霜運転時、コントローラ３０は、室外熱交換器３に取付けている温度センサ２１の検知温度Ｔ１などに基づき、除霜の終了を判断する。除霜が終了すると、コントローラ３０は、フラグｆを“０”にリセットして暖房運転に復帰する。
【００４０】
予測蒸発温度Ｔｅｍと実際の蒸発温度Ｔｅａとの関係の一例を図３に示す。図３においては、閾値ΔＴｅｓは、１０Ｋであり、予測蒸発温度Ｔｅｍと実際の蒸発温度Ｔｅａとのずれ量ΔＴｅ（＝Ｔｅｍ−Ｔｅａ）が１０Ｋ以上となったときに除霜運転が実施される。
【００４１】
以上のように、蒸発器として機能する室外熱交換器３が着霜していない場合の冷媒の蒸発温度Ｔｅｍを冷凍サイクルの状態変化量に基づいて予測し、この予測蒸発温度Ｔｅｍと冷媒の実際の蒸発温度Ｔｅａとの比較によって室外熱交換器３の着霜を判定することにより、空調負荷の変動に影響を受けることなく、室外熱交換器３の着霜を確実かつ精度よく捕らえることができる。ひいては、室外熱交換器３に対する除霜運転を常に最適なタイミングで実行することができて、十分な能力の効率のよい暖房が可能となる。
【００４２】
冷凍サイクルが安定運転状態であることを条件に着霜の判定処理を実行するので、この点でも、室外熱交換器３の着霜を精度よく捕らえることができる。
【００４３】
上記実施形態は、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明したが、給湯機等の他の機器に搭載される冷凍サイクル装置においても同様に実施可能である。
【００４４】
その他、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…電動膨張弁、６…室内熱交換器、１０…インバータ、１１…室外ファン、１２…室内ファン、３０…コントローラ、３１…操作表示部、５１…開度制御部、５２…判定部、５３…メモリ
【図１】
2016065699.tif 000003
【図２】
2016065699.tif 000004
【図３】
2016065699.tif 000005