JP2006194526A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な冷媒回路構成で、なおかつ、除霜後の暖房の立ち上りを阻害することのない空気調和装置を提供する。
【解決手段】 圧縮機３０、四方弁３１、室外熱交換器３２および室外膨張弁３３を有する室外ユニット３と、室内熱交換器２０および室内膨張弁２１を備えた室内ユニット２とを備え、前記室内ユニット２から延びるユニット間配管４に前記室外ユニット３を複数並列に接続してなる空気調和装置１において、除霜対象の室外ユニット３（３Ａ）が凝縮器として機能するとともに、他の室外ユニット３（３Ｂ・・・）が蒸発器として機能するように各室外ユニット３の前記四方弁３１を切り換え、前記複数の室外ユニット３の間で冷媒を循環させる構成とした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、室内ユニットから延びるユニット間配管に、室外ユニットを複数台並列につないだ空気調和装置に係り、特に、室外ユニットの除霜技術に関する。

一般に、複数台の室内ユニットを並列に配置するとともに、各室内ユニットにつながれるユニット間配管に対し、圧縮機、四方弁、室外熱交換器などを内蔵する複数台の室外ユニットを並列に接続してなる空気調和装置（いわゆるマルチ形空気調和装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のマルチ形空気調和装置は、装置の大容量システム化が図れるという利点がある。

ところで、空気調和装置が暖房運転している時には、室外ユニットの室外熱交換器に霜がつく場合がある。室外熱交換器に霜がつくと、空気調和装置の運転効率を低下させるため、従来では、逆サイクル除霜やホットガス除霜といった除霜技術により、室外熱交換器の除霜を行っている。逆サイクル除霜は、空気調和装置を冷房運転に切り換えることで、室内ユニットを蒸発器として機能させるとともに、室外ユニットを凝縮器として機能させ、室外熱交換器を除霜する技術である。また、ホットガス除霜は、圧縮機から吐出された冷媒を室外熱交換器および室内熱交換器へ導いて、室外熱交換器を除霜するとともに、室内熱交換器を凝縮器として機能させるものである。
特開２０００−２４９３６４号公報

しかしながら、上記逆サイクル除霜にあっては、室内熱交換器が蒸発器として機能して冷房状態となるため、ユニット間配管および室内ユニットが冷却されてしまい、除霜時に熱応力によりユニット間配管などに騒音が発生したり、除霜後の暖房の立ち上りが悪くなるという問題があった。
また、上記ホットガス除霜にあっては、冷媒回路内に吸熱源がなく、圧縮機による冷媒圧縮以外に外部から冷媒へ熱が与えられることがないため、除霜に時間がかかるといった問題がある。さらに、ホットガス除霜にあっては、圧縮機から吐出された冷媒を室外熱交換器へ導くためのホットガス用配管を設ける必要があり、冷媒回路の構成が複雑化するばかりか、コストも高くなるといった問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡単な冷媒回路構成で、なおかつ、除霜後の暖房の立ち上りを阻害することのない空気調和装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器および室外膨張弁を有する室外ユニットと、室内熱交換器および室内膨張弁を備えた室内ユニットとを備え、前記室内ユニットから延びるユニット間配管に前記室外ユニットを複数並列に接続してなる空気調和装置において、除霜対象の室外ユニットが凝縮器として機能するとともに、他の室外ユニットが蒸発器として機能するように各室外ユニットの前記四方弁を切り換え、前記複数の室外ユニットの間で冷媒を循環させることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、除霜運転時に、前記室内ユニットの前記室内膨張弁を全閉状態とすることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、除霜運転時に、蒸発器として機能する前記室外ユニットの室外膨張弁の開度を蒸発器出口過熱度が一定となるように制御することを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、除霜運転時に、凝縮器として機能する前記室外ユニットの室外熱膨張弁の開度をサブクールが一定になるように制御する。

本発明によれば、簡単な冷媒回路構成で、なおかつ、除霜後の暖房の立ち上りを阻害することのない空気調和装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の実施の形態に係る空気調和装置１の冷媒回路図である。この図に示すように、空気調和装置１は複数の室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・と、複数の室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・とを備え、これら室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・と、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・とがユニット間配管４により接続されている。このユニット間配管４は、ガス管５と液管６とから構成され、上記室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・の各々はユニット間配管４に互いに並列に接続されるとともに、上記室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の各々もユニット間配管４に互いに並列に接続される。また、ガス管５及び液管６の各々にはサービスバルブ７が設けられ、これらサービスバルブ７は通常全開状態とされる。なお、以下の説明において、室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・の各々を特に区別する必要のないときは、室内ユニット２と表記する。また、これと同様に、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の各々を特に区別する必要がないときは、室外ユニット３と表記する。

室内ユニット２のそれぞれは、室内熱交換器２０と、室内膨張弁（減圧器）２１と、室内ファン２２とを備えている。室内熱交換器２０はガス管５と液管６との間に介挿され、また、上記室内膨張弁２１は室内熱交換器２０と液管６との間に配設される。室内ファン（送風機）２２は室内熱交換器２０の近傍に配設され、室内空気と室内熱交換器２０とを熱交換させて室内に調和空気を送風する。室内ユニット２には、この他にも、室内空気温度を検出する温度センサや、室内ユニット２Ａの各部を制御する室内制御装置（共に図示せず）が設けられている。

室外ユニット３のそれぞれは、圧縮機３０と、四方弁３１と、室外熱交換機３２と、室外膨張弁（減圧器）３３と、室外ファン３４とを備えている。上記圧縮機３０は能力可変の可変圧縮機（インバータコンプレッサ）或いは能力固定の定速圧縮機である。室外熱交換器３２には温度センサ３５が配置されており、室外熱交換器３２の温度が制御装置１００に出力される。制御装置１００は、冷房運転と暖房運転との切り換えに伴う四方弁３１の切り換えといった各種制御を実行するものであり、さらに本実施の形態では、室外熱交換器３２の温度に基づいて除霜開始状態を判断し、除霜時には、後述する除霜処理を開始する。

上記の構成の下、暖房運転時においては、図１に示すように、制御装置１００は、圧縮機３０から吐出された高温・高圧のガス冷媒が室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・の各々に向かって流れるように、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・のそれぞれの四方弁３１を切り換える。これにより、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・が蒸発器として機能するとともに、室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・が凝縮器として機能し、室内の暖房が行われる。
一方、冷房運転時には、図２に示すように、制御装置１００は、圧縮機３０から吐出された高温・高圧のガス冷媒を室外ユニット２Ａ、２Ｂに向かって流すべく、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・のそれぞれの四方弁３１を切り換える。これにより、暖房運転時とは逆に、室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・が凝縮器として機能するとともに、室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・が蒸発器として機能し、室内の冷房が行われる。

次いで、除霜運転時の動作について説明する。上記のように、制御装置１００は、室外熱交換器３２の検出温度に基づいて除霜開始状態を判定する。そして、制御装置１００は、室外熱交換器３２に霜がついたと判定した場合には除霜処理を開始する。以下、この除霜処理について図３および図４を参照して詳述する。なお、以下の説明では、室外ユニット３Ａを除霜対象のユニットであるものとして説明する。

図３は除霜処理を示すフローチャートであり、また、図４は除霜処理時の冷媒回路図である。図３に示すように、制御装置１００は、先ず、除霜すべき室外ユニット３Ａが凝縮器として機能し、また、他の室外ユニット３Ｂ、・・・が蒸発器（吸熱源）として機能するように、各室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の四方弁３１を切り換える（ステップＳ１）。詳細には、制御装置１００は、暖房運転時において、各室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の室外熱交換器３２の温度を間欠的あるいは継続的に監視しており、温度が所定温度以下まで低下している室外ユニット３が存在する場合には、その室外ユニット３を除霜対象とし（本実施形態では室外ユニット３Ａ）、その室外ユニット３を凝縮器、他の室外ユニット３を蒸発器として機能させるように四方弁を切り換える。

次いで、制御装置１００は、冷媒が室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・間で循環するように各室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の四方弁３１を切り換えるとともに、各室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・の圧縮機３０を駆動させる（ステップＳ２）。この結果、図４に示すように、蒸発器として機能する室外ユニット３Ｂ・・・の圧縮機３０にて圧縮されたガス冷媒がガス管５を経由して、凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの圧縮機３０に吸込まれる。そして、当該室外ユニット３Ａの圧縮機３０により冷媒がさらに圧縮され（いわゆる２段圧縮）、高温高圧のガス冷媒となって室外ユニット３Ａの室外熱交換器３２に導かれる。この高温高圧のガス冷媒の熱エネルギーにより、室外熱交換器３２が熱せられて除霜されることになる。なお、室外ユニット３Ｂ・・・の各圧縮機３０からガス管５に吐出されたガス冷媒の圧力は、除霜対象の室外ユニット３Ａの圧縮機３０から吐出されたガス冷媒の圧力と比べて中圧となっている。

室外ユニット３Ａの室外熱交換器３２および室外膨張弁３３を経由した冷媒は液冷媒となり液管６を経由して他の室外ユニット３Ｂ・・・に導入される。そして、これら他の室外ユニット３Ｂ・・・の室外膨張弁３３および室外熱交換器３２を順に経由し、この室外熱交換器３２で熱交換することで低温低圧のガス冷媒となり、再度、蒸発器として機能する他の室外ユニット３Ｂ・・・の圧縮機３０に吸込まれて圧縮される。

このようにして、室外ユニット３Ａに対する除霜を開始した後、制御装置１００は、室外ユニット３Ａの温度に基づいて除霜が完了したか否かを判断し（ステップＳ３）、除霜が完了していなければ（ステップＳ３：ＮＯ）、処理ステップをステップＳ２に戻し、室外ユニット３Ａに対する除霜を継続する。一方、除霜が完了していれば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御装置１００は、除霜処理を完了する。

ここで、本実施の形態では、上記ステップＳ２において、各室外ユニット３Ａ、３Ｂ・・・間で冷媒を循環させる際に、各圧縮機３０を最大能力で運転する。このとき、冷媒が多段圧縮されるため、除霜対象となる室外ユニット３の圧縮機３０に高圧の冷媒が流れ込み、破損してしまう懸念があるものの、実際には、各圧縮機３０の間で冷媒の質量流量がバランスするため、除霜対象となる室外ユニット３の圧縮機３０が破損する恐れはない。以下、質量流量のバランスについて詳述する。なお、以下の説明では、理解を容易にするために、２つの室外ユニット３Ａ、３Ｂ間で、室外ユニット３Ｂが蒸発器、室外ユニット３Ａが凝縮器となるように冷媒を循環した場合を説明する。
一般に、圧縮機３０の冷媒の質量流量は次の式（１）で示される。

ただし、Ｇ：質量流量[ｋｇ／ｓ]、η：体積効率、ｆ：回転速度[１／ｓ]、Ｖ：１回転あたりの吸込体積[ｍ³]、ν吸込蒸気の比体積[ｍ⁸／ｋｇ]
式（１）に示されるように、冷媒の質量流量Ｇが圧縮機３０の回転速度ｆだけで決まるのではなく、当該回転速度ｆと体積効率ηとの積に依存する。この体積効率ηは、圧縮比が高いほど低く、また、圧縮比が低いほど高くなるものである。

ここで、蒸発器として機能する室外ユニット３Ｂの圧縮機３０に吸い込まれる冷媒の圧力をｐ₀（以下、単に「低圧ｐ₀」という）、凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの圧縮機３０から吐出される冷媒の圧力をｐ₂（以下、単に「高圧ｐ₂」という）とした場合の、室外ユニット３Ｂの圧縮機３０の吐出側（室外ユニット３Ａの圧縮機３０の吸込側）の圧力Ｐ₁（以下、「中間圧Ｐ₁」という）について考える。以下では、体積効率ηが圧縮比の関数であるため、η＝η（ｐ₁／ｐ₀）と表記する。
室外ユニット３Ａ、３Ｂの各圧縮機３０で冷媒の質量流量Ｇが等しいことから以下の式（２）が成り立つ。

ただし、η₁：蒸発器として機能する室外ユニット３Ｂの圧縮機３０の体積効率、η₂：凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの圧縮機３０の体積効率、ν₂：低圧の蒸気の比体積[ｍ⁸／ｋｇ]、ν₁：圧力ｐ₁の蒸気の比体積[ｍ⁸／ｋｇ]

ここで、各圧縮機３０の回転速度ｆと、１回転あたりの吸込体積Ｖは等しいとすと、ｐ₁＞ｐ₀であるので、必ずν₁＜ν₀となる。したがって、各圧縮機３０の起動直後は、室外ユニット３Ｂの圧縮機３０よりも室外ユニット３Ａの圧縮機３０の質量流量が大きくなる。しかしながら、起動直後の冷媒の質量流量の不均一により、中間圧ｐ１が次第に低下し、ｐ₁／ｐ₀＜ｐ₂／ｐ₁となる。この結果、η₁（ｐ₁／ｐ₀）＞η₂（ｐ₂／ｐ₁）となる。すなわち、室外ユニット３Ａ、３Ｂの各圧縮機３０の間で冷媒の質量流量が不均一である限り中間圧Ｐ₁が変化し続け、ν₁＜ν₀の影響とη₁（ｐ₁／ｐ₀）＞η₂（ｐ₂／ｐ₁）との影響がバランスして、冷媒の質量流量が等しくなるように、最終的に中間圧ｐ₁がある一定値に落ちつくことになる。

なお、本実施の形態では、上記ステップＳ２において、各室内ユニット２Ａ、２Ｂ・・・の室内膨張弁２１を全閉状態として、除霜運転時に室内ユニット２側へ冷媒が流れ込むのを防止している。
さらに、本実施の形態では、上記ステップＳ２において、凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの室外膨張弁３３を全開とするとともに、蒸発器として機能する他の室外ユニット３Ｂ・・・の室外膨張弁３３の開度を蒸発器出口過熱度が一定となるように制御している。このように蒸発器側の室外ユニット３Ｂ・・・の室外膨張弁３３の開度を制御することで、蒸発器出口での過熱度が保たれ、圧縮機３０への液戻りが防止される。

なお、凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの室外熱膨張弁３３は必ずしも全開である必要はない。すなわち、除霜能力のより一層の向上を図るべく、凝縮器として機能する室外ユニット３Ａの室外熱膨張弁３３の開度をサブクールが一定になるように制御する構成としても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、除霜運転時に、除霜対象の室外ユニット３が凝縮器として機能するとともに、他の室外ユニット３が蒸発器として機能するように各室外ユニットの前記四方弁３１を切り換え、複数の室外ユニット３の間で冷媒を循環させ、凝縮器として機能させた室外ユニット３の室外熱交換器３２の除霜を行う構成としている。

これにより、除霜運転時に、室内ユニット２を冷房状態とする必要がなく、これら室内ユニット２やユニット間配管４が冷却される事が無いため、除霜後の暖房運転時の立ち上り性能を良好に維持することができ、また、除霜運転時に、熱応力によりユニット間配管４などに騒音が発生する、といった事態を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、除霜運転時に、各室外ユニット３の四方弁３１を切り換えるだけで良く、冷媒回路に新たに配管を設けるなどの変更を加える必要が無いため、冷媒回路構成を複雑化することなく、簡単な冷媒回路で任意の室外ユニット３の除霜を行うことができる。

また、本実施の形態によれば、除霜対象の室外ユニット３以外の室外ユニット３を吸熱源となる蒸発器として機能させる構成としたため、室外ユニット３Ａの除霜に要する時間を従来のホットガス除霜に比べ短縮することができる。

また、本実施の形態によれば、除霜運転時に、室内ユニット２の室内膨張弁２１を全閉状態とする構成としているため、室内ユニット２への冷媒の流れ込みが防止される。これにより、低温・低圧のガス冷媒によりユニット間配管４や室内ユニット２が冷却されてしまうことが無く、ユニット間配管４などでの騒音発生をより一層抑えることができる。

また、本実施の形態によれば、除霜運転時に、蒸発器として機能する室外ユニット３の室外膨張弁３３の開度を蒸発器出口過熱度が一定となるように制御する構成としているため、蒸発器出口での過熱度が保たれ、圧縮機３０への液戻りが防止される。

また、本実施の形態によれば、除霜運転時に、凝縮器として機能する室外ユニット３の室外熱膨張弁３３の開度をサブクールが一定になるように制御する構成としているため、
除霜能力をより一層の向上させることができる。

なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内において任意に変形可能である。
例えば、上述した実施の形態では、除霜運転時に冷媒が２段圧縮されるため、圧縮機３０が過熱される恐れがある。そこで、圧縮機３０の過熱を防止すべく、リキッドインジェクション回路を設け、圧縮機３０を冷却する構成としても良い。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 同空気調和装置の冷房運転時の冷媒回路図である。 除霜処理のフローチャートである。 空気調和装置の除霜運転時の冷媒回路図である。

符号の説明

１ 空気調和装置
２、２Ａ、２Ｂ・・・ 室内ユニット
３、３Ａ、３Ｂ・・・ 室外ユニット
４ ユニット間配管
２０ 室内熱交換器
２１ 室内膨張弁
３０ 圧縮機
３１ 四方弁
３２ 室外熱交換器
３３ 室外膨張弁
１００ 制御装置

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器および室外膨張弁を有する室外ユニットと、室内熱交換器および室内膨張弁を備えた室内ユニットとを備え、前記室内ユニットから延びるユニット間配管に前記室外ユニットを複数並列に接続してなる空気調和装置において、
   除霜対象の室外ユニットが凝縮器として機能するとともに、他の室外ユニットが蒸発器として機能するように各室外ユニットの前記四方弁を切り換え、前記複数の室外ユニットの間で冷媒を循環させる
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 除霜運転時に、前記室内ユニットの前記室内膨張弁を全閉状態とすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 除霜運転時に、蒸発器として機能する前記室外ユニットの室外膨張弁の開度を蒸発器出口過熱度が一定となるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 除霜運転時に、凝縮器として機能する前記室外ユニットの室外熱膨張弁の開度をサブクールが一定になるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空気調和装置。

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