(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、第１の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、
前記第１の室外熱交換器の風上側に第２の室外熱交換器を設けるとともに、
前記第２の室外熱交換器の一端には前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通させるための流路切替手段が備えられ、
一端が前記第２の室外熱交換器の他端に接続され、他端が前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間に接続される第２の減圧装置が備えられ、
前記第２の室外熱交換器と、前記流路切替手段と、前記第２の減圧装置によって構成される冷媒回路系統が、２系統以上並列に備えられ、
複数の前記第２の室外熱交換器のそれぞれを時分割で凝縮器として除霜する制御手段を備え、
複数の前記第２の室外熱交換器は風の方向と垂直になるように並設され、
前記制御手段は、
暖房運転時には前記室内熱交換器を凝縮器、前記第１の室外熱交換器および複数の前記第２の室外熱交換器を蒸発器とし、
除霜運転時には複数の前記第２の室外熱交換器の内のいずれかを凝縮器とし、残りの前記第２の室外熱交換器を蒸発器とするように前記流路切替手段を切り替え、さらに前記第１の減圧装置を全閉とすることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
複数の前記第２の室外熱交換器は、上下方向に配置され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】
前記第２の室外熱交換器の内部容積は、前記第１の室外熱交換器の内部容積の４０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和機。
【請求項４】
前記第２の室外熱交換器は、前記第１の室外熱交換器よりも切り起こしが多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項５】
前記第２の室外熱交換器は、前記第１の室外熱交換器よりもフィンピッチが小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項６】
前記第２の室外熱交換器は、前記第１の室外熱交換器よりも伝熱管径が小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項７】
前記第２の室外熱交換器と、前記第１の室外熱交換器は、一体で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項８】
吐出ガス導入部を第１の室外熱交換器および第２の室外熱交換器の少なくとも一方の下部に設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項９】
前記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御手段は、除霜運転時には前記圧力検出手段の出力に基づいて前記第２の室外熱交換器の凝縮温度を算出し、この算出した凝縮温度が所定の範囲内に収まるように前記第２の減圧装置を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項１０】
前記制御手段は、除霜時間短縮を暖房能力低下に優先させる場合、前記第２の減圧装置を全開にすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項１１】
前記第２の室外熱交換器と、前記流路切替手段と、前記第２の減圧装置によって構成される冷媒回路系統が、２系統並列に備えられ、
前記第２の室外熱交換器のそれぞれの内容積は前記第１の室外熱交換器の内容積の半分以下であり、
前記流路切替手段は、四方弁で構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルによる空気調和機に関するものであり、特に、着霜を伴うような暖房運転時においても室内側で暖房を継続しながら、同時に除霜運転を行うことができる空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の空気調和機、すなわち、室内側で暖房運転を継続しながら同時に除霜運転を行うことができる空気調和機においては、室外側熱交換器を分割し、片方を蒸発器としたままで、もう一方の除霜する側には分岐した吐出ガスの一部を液側から注入する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、分割された室外熱交換器夫々のガス側を圧縮機吸入か吐出かどちらかに連通できる切替手段を用いて、分割区間ごとに１つの室外熱交換器を凝縮器として選択し残りの室外熱交換器を蒸発器として選択する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１６８６０号公報（７頁、第４図）
【特許文献２】特開平９−３１８２０６号公報（３〜４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１の構成においては、吐出ガスを分岐する開閉弁の流路抵抗が除霜のための冷媒流量を決めてしまうので、それが大きすぎる場合には室内側の暖房能力が失われてしまうし、小さすぎると除霜熱量が不足するため、開閉弁の選択が難しい。また、除霜用に分岐された冷媒は蒸発器を流通しないので、外気からの採熱量が大きく減少してしまい、室内側で十分な暖房能力が得られない。
【０００５】
前記特許文献２の構成においては、ガス側で高低圧を切り替えることとなるため、冷媒圧力損失の小さい大型の切替弁が必要であり、冷媒回路部品が高価となる。また、凝縮器としても使用される室外熱交換器では風下側に乾き度の高い冷媒が流通するようになっているため、主に着霜している風上側に高温の冷媒が届きにくく、除霜に長い時間を要する。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、暖房運転を継続しながら、確実に、そしてより短時間に除霜することを可能とすることで、快適な暖房空間を形成できる空気調和機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、第１の室外熱交換器を順次接続してなる空気調和機において、前記第１の室外熱交換器の風上側に第２の室外熱交換器を設けるとともに、前記第２の室外熱交換器の一端には前記圧縮機の吸入側あるいは吐出側のいずれかに連通させるための流路切替手段が備えられ、一端が前記第２の室外熱交換器の他端に接続され、他端が前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間に接続される第２の減圧装置が備えられ、前記第２の室外熱交換器と、前記流路切替手段と、前記第２の減圧装置によって構成される冷媒回路系統が、２系統以上並列に備えられ、前記複数の冷媒系統に設けられた複数の第２の室外熱交換器のそれぞれを時分割で凝縮器として除霜する制御手段を備え、前記複数の第２の室外熱交換器は風の方向と垂直になるように並設され 前記制御手段は、暖房運転時には前記室内熱交換器を凝縮器、前記第１の室外熱交換器および複数の前記第２の室外熱交換器を蒸発器とし、除霜運転時には複数の前記第２の室外熱交換器の内のいずれかを凝縮器とし、残りの前記第２の室外熱交換器を蒸発器とするように前記流路切替手段を切り替え、さらに前記第１の減圧装置を全閉とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に関わる空気調和機は、除霜運転時に凝縮器として作用する第２の室外熱交換器を、除霜運転時も蒸発器である第１の室外熱交換器の風上側に配置したので、霜が無くなった後は、凝縮器である第２の室外熱交換器を通過して高温となった空気が風下の第１の室外熱交換器の蒸発熱となって回収されるため、第２の室外熱交換器に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用でき、除霜時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における空気調和機の冷媒回路の一例を示すものである。図１において、１は室外ユニット、２は室内ユニットである。室外ユニット１と室内ユニット２は接続配管であるガス管５、液管７で接続されて閉回路を形成し、冷媒としてＲ４１０Ａが封入されている。
【００１０】
室外ユニット１には、圧縮機３、冷房と暖房で流路を切り替える四方弁４、第１の減圧装置である電動膨張弁８、第１の室外熱交換器９が備えられている。さらに、第１室外熱交換器９の風上側に配置された第２の室外熱交換器１１、その第２室外熱交換器１１の一端を圧縮機３の吐出側あるいは吸入側に連通するよう流路を選択する電磁弁１０ａおよび１０ｂ、第２室外熱交換器１１の冷媒流量を調節する第２の減圧装置である電動膨張弁１２が備えられ、室内熱交換器６と電動膨張弁８との間に接続されている。
なお、これらはマイクロコンピュータやＤＳＰなどの制御装置（図示せず）によって制御される。
また、上記第２室外熱交換器１１と、その一端を前記圧縮機吐出側あるいは吸入側に連通するよう流路を選択する流路切替手段である電磁弁１０ａおよび１０ｂと、第２室外熱交換器１１の冷媒流量を調節する第２の減圧装置である電動膨張弁１２によって構成される冷媒回路系統と同じものを２系統以上並列に設けてもよい。
【００１１】
室内ユニット２には、室内熱交換器６、第３の減圧装置である電動膨張弁１３が備えられている。この電動膨張弁１３は、室外ユニット１側に配置されてもよいし、どちらにも配置されなくてもよい。この電動膨張弁１３は、室内ユニット２が複数台設置されるような場合に、それぞれの室内ユニットを流通する冷媒流量のバランス調整に必要となる。また、室内熱交換器６、室外熱交換器９にはそれぞれ送風機１４、１５が備えられ、それぞれ室内外の空気との熱交換を促進、調整している。
【００１２】
次に、このように構成された本実施の形態１の空気調和機における冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁４は圧縮機３の低圧側とガス管５が連通するように、また圧縮機３の高圧側と第１室外熱交換器９が連通するように流路が設定される。即ち、図１の四方弁内の破線が有効となる。また、第２室外熱交換器１１にも吐出ガスが流入するように電磁弁１０ａが閉止され電磁弁１０ｂが開放される。
【００１３】
圧縮機３から吐出される高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器９、１１に流入し、外気に放熱して凝縮する。図示しない制御装置は、各室外熱交換器９、１１の出口冷媒過冷却度が所定値になるようにそれぞれの電動膨張弁８、１２の開度を制御する。ここで減圧されて低圧二相となった冷媒は液管７を通って室内熱交換器６に流入し、室内空気から熱を吸収して蒸発した低圧ガス冷媒となり、ガス管５、四方弁４を経由して再び圧縮機３に吸入される。
【００１４】
続いて暖房運転時の動作を説明する。暖房運転時、四方弁４は圧縮機３の高圧側とガス管５が連通するように、また圧縮機３の低圧側と第１室外熱交換器９が連通するように流路を形成する。即ち、図１の四方弁内の実線が有効となる。また、電磁弁１０ａが開放、１０ｂが閉止されて第２室外熱交換器１１も低圧側に連通される。圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４、ガス管５を経由して室内ユニット２へ流入する。その後、室内熱交換器６において室内に放熱して凝縮して高圧液冷媒となり、液管７を通って室外ユニット１へ戻る。ここで、図示しない制御装置は、熱交換器９、１１の出口状態（過熱度）が所定値となるようにそれぞれの電動膨張弁８、１２の開度を制御する。室外熱交換器９，１１で外気から採熱し、低圧ガス状態となった冷媒は、再び四方弁４もしくは電磁弁１０ａを経由して圧縮機３に吸入される。
【００１５】
この暖房運転において、蒸発温度が０℃を下回るような場合、蒸発器として動作している室外熱交換器に着霜が生じる。室外熱交換器の表面で霜が成長すると通風抵抗となって通風量を低下させ、また、空気と冷媒間の伝熱抵抗となって蒸発温度が低下してしまうため、このような着霜を伴う条件下では通常、所定間隔で定期的に除霜運転が行われる。以降は、本実施の形態１における除霜運転について図１および図２を参照して説明する。
【００１６】
図２は、除霜運転時の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。各点に付した記号Ａ，Ｂ〜Ｈは図１の冷媒回路図に付したものと対応している。また、参考として通常暖房時の冷凍サイクル動作を破線で示している。
【００１７】
本発明の実施の形態１では、前述した通常暖房中に、図示しない制御装置が例えば外気温度と蒸発温度との温度差が拡大するなどの情報から多量の着霜があると判定すると、第２室外熱交換器１１を低圧から高圧に切り替えるように電磁弁１０ａ、１０ｂを制御する。すなわち、制御装置は電磁弁１０ａを閉止して電磁弁１０ｂを開放する。これにより圧縮機３が吐出する高温ガス（状態Ｂ）の一部が第２室外熱交換器１１に流入し、第２室外熱交換器１１の霜を溶かしながら進行して過冷却液（状態Ｅ）となる。また、上記条件付きであるが暖房運転中であるため、室内熱交換器６においても室内空気に放熱して凝縮するが、除霜用の分岐経路にも冷媒が一部流れることにより通常暖房運転時より高圧が低下するため、熱交換量が少なく、その結果過冷却には至らず高圧二相状態Ｃとなる。
【００１８】
状態Ｃ、状態Ｅの冷媒は、それぞれ電動膨張弁１２、１３によって圧力を下げ（状態Ｄおよび状態Ｆ）、合流して状態Ｇとなる。そして、電動膨張弁８によって低圧まで減圧され、第１室外熱交換器９によって蒸発、吸入ガス冷媒（状態Ａ）となって循環する。このような運転により、凝縮器となる第２室外熱交換器１１では確実に除霜できるし、第２室外熱交換器１１の風下となる第１室外熱交換器９でも、第２室外熱交換器１１により加熱された高温空気により除霜することができる。
【００１９】
このときの電動膨張弁８および１２の制御動作は以下のようになる。除霜運転開始によって圧縮機３からの冷媒流量が減少する室内熱交換器６では凝縮温度が低下し、暖房能力も低下するが、この暖房能力低下が著しいと、室温が低下して居住者に不快感を与えるため、除霜運転時でも室内熱交換器６では所定の凝縮温度を維持する必要がある。よって、図示しない制御装置は、圧縮機３の吐出圧力（凝縮温度）を維持するように電動膨張弁１２の開度を制御する。
すなわち、圧縮機３の吐出圧力を検出する圧力検出手段（図示せず）を設け、除霜運転時には圧力検出手段の出力に基づいて第２の室外熱交換器１１の凝縮温度を算出し、この算出した凝縮温度が予め設定した上下限値の範囲内に収まるように電動膨張弁１２の開度を制御する。これにより、除霜用に分岐される第２室外熱交換器１１の冷媒流量を調整して凝縮圧力の異常低下を抑制する。あるいは、制御装置が電動膨張弁１２を全開させる（最大流量に調整する）ことで除霜時間短縮を暖房能力低下に優先させることもできる。またこのとき、制御装置は蒸発器として機能する第１室外熱交換器９の出口状態、あるいは圧縮機３の吸入状態を常時所定値となるように電動膨張弁８の開度を制御する。よって、一般の除霜運転のような過度の液バック状態になることなく、信頼性の高い空気調和機を提供できる。これら一連の制御動作を図３に示す。
【００２０】
一般に、霜は蒸発器である室外熱交換器の風上側、特にフィンの前縁部で成長するため、除霜時に高温冷媒を流通させる第２室外熱交換器１１は風上に集中配置した方がよい。少なくとも、室外熱交換器のうち、除霜中に凝縮器として機能できない第１室外熱交換器９の風上には凝縮器として機能できる第２室外熱交換器１１が必要である。このように配置すると、凝縮器として機能している第２室外熱交換器１１の除霜が完了した後、これを通過して高温となった空気が風下の第１室外熱交換器９の除霜に寄与し、また、それが蒸発熱となって回収されるため、第２室外熱交換器１１に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用できる。
【００２１】
本発明の実施の形態１においては、第１室外熱交換器を風下側２列、第２室外熱交換器を風上側１列と想定している。それぞれの熱交換器は別々に製造してもよいし、３列一体の熱交換器の風上側１列を第２室外熱交換器、風下側２列を第１室外熱交換器として分け合うように構成してもよい。別体の場合には、第２室外熱交換器１１のフィンピッチを第１室外熱交換器９より小さくする、あるいは切り起こしの多いフィン形状にして前縁部を増やすなどにより、外気からの採熱量を増大させることで通常暖房運転時に２列目以降の着霜量を減らすことができ、第１室外熱交換器の霜の融け残りを予防できる。また、除霜終了時、凝縮水の再凍結が生じないように、凝縮水が溜りやすい室外熱交換器下部に吐出ガス導入部を集中的に配置してもよい。
【００２２】
いずれにしても、第２室外熱交換器１１の内部容積は、室外熱交換器全体の４０％以下にすることが望ましい。これは、除霜運転中、特に除霜開始時は、高温高圧のガス冷媒が多量に着霜した部分と直接接触に近い状態で熱交換を行うために、すぐに凝縮液化してしまうことによる。すなわち、除霜運転中は第２室外熱交換器１１のほとんどが液冷媒で満たされることとなり、仮に第２室外熱交換器１１の内部容積が４０％を超えるとそれ以外の室外熱交換器で冷媒が不足する可能性がある。
【００２３】
図４は一般的な空気調和機の凝縮器の動作における出口過冷却度と過冷却液部長さの関係を示している。室外熱交換器を凝縮器として使用する冷房運転では、過冷却度が１０℃のときの凝縮器内の過冷却液部長さは全体の４０％程度となる。これは、冷凍サイクルに封入されている冷媒量のうち、液冷媒の状態で存在できる量と考えることができる。よって、除霜運転時に凝縮器となる第２室外熱交換器の内容積が室外熱交換器全体の４０％を超えると、第２室外熱交換器以外の室外熱交換器で液冷媒が存在できない状態、いわゆる冷媒不足状態となり、蒸発器である第１室外熱交換器９では出口側が大きく過熱して低圧が下がってしまう。そのため、第２室外熱交換器１１は、それが液冷媒で満たされても第２室外熱交換器以外の室外熱交換器で冷媒が不足しない程度の内部容積、すなわち、室外熱交換器全体の４０％程度を上限としておくことが必要となる。
【００２４】
実施の形態２．
前述のように、実施の形態１では第１室外熱交換器が２列で第２室外熱交換器が１列であれば、第２室外熱交換器は室外熱交換器全体の１／３（即ち、１／（１＋２））の内容積で、第１室外熱交換器の風上側すべてを覆うことができる。しかし、室外熱交換器全体が２列である場合には、室外熱交換器全体の４０％以下のサイズを維持したまま、風上側１列すべてを第２室外熱交換器とすることができず、第１室外熱交換器の一部が風上に配置されてしまう。この実施の形態２では、このような場合でも対応可能な態様について説明する。
【００２５】
図５はこの発明の実施の形態２における冷媒回路の構成図である。図５の構成では、第２室外熱交換器１１を上下に２分割し、夫々に流路切替手段である四方弁１０ａ、１０ｂおよび電動膨張弁１２ａ、１２ｂを備えている。第１室外熱交換器９および第２室外熱交換器１１はどちらも１列の熱交換器である。このとき、第２室外熱交換器１１ａあるいは１１ｂを１台ずつ時分割で交互に凝縮器として除霜すれば、除霜時に凝縮器として機能する部分の内容積は全体の２５％（即ち、１／２／（１＋１／２＋１／２））となり、４０％以下の条件を満たすので冷媒不足を回避できる。
【００２６】
また、図示しない制御装置は、例えば第２室外熱交換器１１ａを凝縮器としているときに第２室外熱交換器１１ｂを蒸発器とし、さらに電動膨張弁８を全閉とすることで、第１室外熱交換器９には低圧冷媒が流通しない運転モードを実現できる。この運転モードでは、第１室外熱交換器９が蒸発器として作用しないため、第２室外熱交換器１１ａの除霜完了後、この第２室外熱交換器１１ａを通過した高温の空気が第１室外熱交換器９に流れ込むことにより第１室外熱交換器の除霜を実施の形態１よりも確実に且つ早く行うことができる。
【００２７】
これ以外の方法としては、例えば第２室外熱交換器の伝熱管径を第１室外熱交換器の伝熱管径より細くして、同一サイズであっても内部容積を小さくするようなことが考えられる。
【００２８】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における冷媒回路の構成図である。除霜運転時に凝縮器として機能できない第１室外熱交換器の除霜を確実に行うことができる構成としては、図６に示すように、第２室外熱交換器１１を高圧か低圧のいずれかに切り替える流路切替手段を四方弁１０で構成し、その一端を、電磁弁１６を経由して第１室外熱交換器９の液側入口に接続している。
【００２９】
次に、実施の形態３の動作について説明する。本実施の形態３においては、第２室外熱交換器１１を凝縮器として機能させる除霜運転の後、第２室外熱交換器１１を蒸発器に戻した際に、所定時間だけ電磁弁１６を開放すると、吐出ガスの一部を第１室外熱交換器９に流入させることができる。この動作により、第１室外熱交換器９に残霜が生じている場合にも、暖房運転を継続したままで第１室外熱交換器９を除霜することが可能となる。
【００３０】
以上のように、この発明に関わる空気調和機は、室内熱交換器を凝縮器としたままで室外熱交換器の一部である第２室外熱交換器を凝縮器とすることができるので、暖房運転を継続しながら除霜を行うことができ、暖房運転中の間欠的な室温低下を抑制することができる。
【００３１】
また、除霜運転時に高温となる第２室外熱交換器を、除霜運転時も蒸発器である第１室外熱交換器の風上側に配置したので、第２室外熱交換器の霜が無くなった後は、第２室外熱交換器を通過して高温となった空気が風下の第１室外熱交換器の霜を融解させるとともに、蒸発熱となって冷凍サイクルに回収されるため、第２室外熱交換器に供給した温熱を空気に逃がすことなく有効に使用でき、除霜時間を短縮することができる。
【００３２】
また、第２室外熱交換器の内部容積は、室外熱交換器全体の４０％以下としたので除霜運転開始時に第２室外熱交換器が液冷媒で満たされても他の室外熱交換器で冷媒が不足することなく、高効率な除霜運転を行うことができる。
【００３３】
また、この発明に関わる空気調和機の除霜方法では、制御装置が蒸発器として機能する熱交換器に付随する減圧装置を制御することで圧縮機の吸入状態を適正に調整するため、一般の除霜運転のような過度の液バック状態になることなく、信頼性の高い空気調和機を提供できる。
【００３４】
また、この発明に関わる熱交換器の除霜方法は、室外熱交換器の除霜を室外熱交換器の一部分のみを高温にすることで行うため、弁類などを節約でき、低コストとなる。
【００３５】
また、第１室外熱交換器にも吐出ガスを注入できる経路を設ければ、霜の融け残りのない確実な除霜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態１を示す空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１における除霜運転時の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。
【図３】この発明の実施の形態１における除霜時の制御動作を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１における凝縮器過冷却度と液部長さの関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施の形態２における冷媒回路の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３における冷媒回路の構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  室外ユニット、２  室内ユニット、３  圧縮機、４  四方弁、５  ガス管、６  室内熱交換器、７  液管、８  電動膨張弁、９  第１室外熱交換器、１０、１０ａ、１０ｂ  流路切替弁、１１、１１ａ、１１ｂ  第２室外熱交換器、１２、１３  電動膨張弁、１４、１５  送風機、１６  電磁弁。
【図１】
0004874223.tif 000002
【図２】
0004874223.tif 000003
【図３】
0004874223.tif 000004
【図４】
0004874223.tif 000005
【図５】
0004874223.tif 000006
【図６】
0004874223.tif 000007