JP2009264710A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールの冷却能力を十分に確保しつつ、暖房運転時の熱交換量を増大する。
【解決手段】バイパス制御弁（14）により、冷房運転時にバイパス配管（12）の冷媒の流通を遮断する一方、暖房運転時にバイパス配管（12）の冷媒の流通を許可することで、バイパス配管（12）に取り付けられた電装品（63）と冷媒回路（10）を流通する冷媒とを暖房運転時にのみ熱交換させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関するものである。

従来より、ヒートポンプ装置等の冷媒回路を用いた空気調和装置では、圧縮機をインバータ制御することで空調性能の向上を図っている。ここで、圧縮機をインバータ制御するインバータ装置の回路基板には、スイッチング素子等を構成するパワーモジュールや、電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品が実装されており、このパワーモジュールは、例えばシリコン素子等で形成されるため、耐熱温度が比較的低く、熱による破損を招き易い。

そこで、特許文献１に記載の空気調和装置では、発熱したパワーモジュールを冷却する方法として、空気調和装置の冷媒回路上の高温部に密接させて熱交換を行うことが開示されている。具体的に、冷媒回路にバイパス路を設けてバイパス路にパワーモジュールを密接させ、このバイパス路に逆止弁を接続して暖房運転時のみにパワーモジュールと冷媒とを熱交換させることで、パワーモジュールを冷却するとともに、パワーモジュールの排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大することができるようにしている。

ここで、暖房運転時にのみパワーモジュールと冷媒とを熱交換させている理由は、暖房運転時はパワーモジュールの排熱が冷媒に吸収されて暖房能力が向上するが、冷房運転時にはパワーモジュールの排熱で冷媒が高温となって冷房能力が低下し、冷暖房トータルでの空調能力がほとんど変化しないか又は低下するからである。
特開２００２−１５６１４９号公報

しかしながら、従来の空気調和装置では、暖房運転時にのみパワーモジュールと冷媒との熱交換が行われるから、冷房運転時にはパワーモジュールの冷媒冷却が行われずにヒートシンクによる空気冷却のみが行われることとなり、パワーモジュールの冷却効率が低下してしまう。このように、パワーモジュールが高温状態となると、熱による破損や熱暴走が生じる等、装置の信頼性に影響があるため、冷房運転時及び暖房運転時においてパワーモジュールを十分に冷却する必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュールの冷却能力を十分に確保しつつ、暖房運転時の熱交換量を増大することにある。

上述した目的を達成するため、本発明では、冷房運転時及び暖房運転時にパワーモジュールを冷媒と熱交換させて冷却するとともに、パワーモジュール以外の発熱源である電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品を冷媒と熱交換させるようにした。

具体的に、本発明は、冷媒を循環させて冷凍サイクルを行うための冷媒回路（10）と、該冷媒回路（10）に接続された冷凍機器（20）を駆動制御するためのパワーモジュール（62）及び電装品（63）を有する制御装置（60）とを備え、冷媒の循環方向を変更することで冷房運転と暖房運転とを切り替え可能なヒートポンプ装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記パワーモジュール（62）を冷却するための主冷却手段（11）と、
前記冷媒回路（10）を流通する冷媒と前記電装品（63）とを暖房運転時にのみ熱交換させることで該電装品（63）を冷却する副冷却手段（15）とを備えたことを特徴とするものである。

第１の発明では、主冷却手段（11）によってパワーモジュール（62）が冷却される一方、冷媒回路（10）を流通する冷媒と電装品（63）とが暖房運転時にのみ熱交換される。このため、冷房運転時及び暖房運転時に、パワーモジュール（62）を十分に冷却して熱による破損や熱暴走が生じることを抑制して信頼性を確保することができる。また、暖房運転時に、パワーモジュール（62）以外の発熱源である電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品（63）を冷媒と熱交換させることで、電装品（63）の排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大させることができ、暖房能力が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、
前記主冷却手段（11）は、冷房運転時及び暖房運転時に、前記冷媒回路（10）を流通する冷媒と前記パワーモジュール（62）とを熱交換させることで、該パワーモジュール（62）を冷却するように構成されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、主冷却手段（11）によって、冷房運転時及び暖房運転時に、冷媒回路（10）を流通する冷媒とパワーモジュール（62）とが熱交換して該パワーモジュール（62）が冷却される。このため、冷房運転時及び暖房運転時に、パワーモジュール（62）を十分に冷媒冷却することができ、熱による破損や熱暴走が生じることを抑制して信頼性を確保することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記副冷却手段（15）は、
前記冷媒回路（10）を構成する主冷媒配管（11）にバイパス接続され且つ前記電装品（63）が取り付けられたバイパス配管（12）と、
前記バイパス配管（12）に取り付けられ、冷房運転時に該バイパス配管（12）の冷媒の流通を遮断する一方、暖房運転時に該バイパス配管（12）の冷媒の流通を許可するバイパス制御弁（14）とを備えたことを特徴とするものである。

第３の発明では、主冷媒配管（11）にバイパス接続されたバイパス配管（12）に電装品（63）が取り付けられる。このバイパス配管（12）には、バイパス制御弁（14）が接続されており、冷房運転時にはバイパス配管（12）の冷媒の流通が遮断される一方、暖房運転時にはバイパス配管（12）の冷媒の流通が許可される。

このため、暖房運転時にのみ電装品（63）と冷媒とが熱交換され、電装品（63）の排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大させることができ、暖房能力が向上する。なお、このバイパス制御弁（14）は、一方向にのみ冷媒を流通可能な逆止弁や、冷暖房運転に応じて開閉可能な電磁弁等で構成することができる。

第４の発明は、第３の発明において、
前記主冷媒配管（11）における前記バイパス配管（12）の接続端間には、冷房運転時に冷媒の流通を許可する一方、暖房運転時に冷媒の流通を遮断して該バイパス配管（12）に冷媒を流通させる主制御弁（13）が取り付けられていることを特徴とするものである。

第４の発明では、主冷媒配管（11）におけるバイパス配管（12）の接続端間に主制御弁（13）が取り付けられる。この主制御弁（13）により、冷房運転時には冷媒の流通が許可される一方、暖房運転時には冷媒の流通が遮断されてバイパス配管（12）に冷媒が流通する。このため、暖房運転時には、主冷媒配管（11）を流通する全ての冷媒がバイパス配管（12）に流れ込むこととなり、暖房運転時の熱交換量をさらに増大させることができ、暖房能力が向上する。なお、この主制御弁（13）は、一方向にのみ冷媒を流通可能な逆止弁や、冷暖房運転に応じて開閉可能な電磁弁等で構成することができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のうち何れか１つにおいて、
前記電装品（63）は、少なくともリアクトルを含むことを特徴とするものである。

第５の発明では、電装品（63）が少なくともリアクトルを含んでいる。このため、暖房運転時に、発熱量の大きなリアクトルの排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大させることができ、暖房能力が向上する。

本発明によれば、冷房運転時及び暖房運転時には、パワーモジュール（62）を十分に冷媒冷却して熱による破損や熱暴走が生じることを抑制して信頼性を確保することができる。また、暖房運転時には、パワーモジュール（62）以外の発熱源である電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品（63）を冷媒と熱交換させることで、電装品（63）の排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大させることができ、暖房能力が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ装置は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置（1）を構成している。図１はヒートポンプ装置の冷房運転時における冷媒の流通方向を示す冷媒回路図、図２は暖房運転時における冷媒の流通方向を示す冷媒回路図である。図１及び図２に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる冷媒回路（10）を備えている。冷媒回路（10）には、冷媒としてのフルオロカーボンが充填されている。この冷媒回路（10）では、冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。

−冷媒回路の構成−
冷媒回路（10）を構成する主冷媒配管（11）には、冷凍機器としての圧縮機（20）と、室内熱交換器（21）と、膨張弁（22）と、室外熱交換器（23）と、四路切換弁（24）とが接続されている。そして、主冷媒配管（11）における膨張弁（22）と室外熱交換器（23）との間には、バイパス配管（12）がバイパス接続されている。

前記圧縮機（20）は、容積型の圧縮機で構成されており、中空で密閉型のケーシング（30）を備えている。ケーシング（30）の下側寄りに吸入管（11b）が接続され、ケーシング（30）の天板に吐出管（11a）が接続されている。吐出管（11a）は、ケーシング（30）の天板を上下に貫通しており、その下端部がケーシング（30）の内部空間に開口している。なお、ケーシング（30）は、例えば鉄等の金属材料で構成されている。

前記圧縮機（20）のケーシング（30）内には、ロータリー型の圧縮機構（図示せず）と、圧縮機構を作動させる駆動モータ（図示せず）とが収容されている。この圧縮機（20）の圧縮機構では、ガス冷媒が凝縮圧力まで圧縮される。本実施形態の圧縮機（20）は、ケーシング（30）の内部空間が高圧冷媒で満たされる、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機を構成している。圧縮された冷媒は、圧縮機（20）の吐出側に設けられた吐出管（11a）を介して四路切換弁（24）に送り出される。

前記四路切換弁（24）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（24）は、第１ポートが圧縮機（20）の吐出側と、第２ポートが室内熱交換器（21）と、第３ポートが圧縮機（20）の吸入側と、第４ポートが室外熱交換器（23）とそれぞれ繋がっている。四路切換弁（24）は、図１に示すように第１ポートと第４ポートとが繋がると同時に第２ポートと第３ポートとが繋がる状態と、図２に示すように第１ポートと第２ポートとが繋がると同時に第３ポートと第４ポートとが繋がる状態とに設定が切り換わるように構成されている。

前記室内熱交換器（21）は、室内に設置されており、フィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室内熱交換器（21）では、冷媒と室内空気との間で熱交換が行われる。室外熱交換器（23）は、室外に設置されており、フィンアンドチューブ式の熱交換器で構成されている。室外熱交換器（23）では、冷媒と室外空気との間で熱交換が行われる。膨張弁（22）は、冷媒を減圧する減圧手段であり、例えば電子膨張弁で構成されている。

−インバータ装置の構成−
圧縮機（20）は、駆動モータを駆動制御するための制御装置としてのインバータ装置（60）を備えている。インバータ装置（60）は、スイッチング素子等を構成する炭化シリコン（ＳｉＣ）素子、シリコン（Ｓｉ）素子等で構成されたパワーモジュール（62）と、電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品（63）とを備えている。

前記パワーモジュール（62）と電装品（63）とは、図示しない信号ライン及び電源ラインを介して接続され、互いに信号の送受信及び電力搬送を行うことができるようになっている。また、パワーモジュール（62）と圧縮機（20）とは、図示しない出力ラインを介して接続され、パワーモジュール（62）から出力される制御信号に基づいて駆動モータの駆動制御が行われるようになっている。

図１及び図２に示すように、前記パワーモジュール（62）は、膨張弁（22）と室外熱交換器（23）との間の主冷媒配管（11）に取り付けられている。具体的に、パワーモジュール（62）は、その実装面を主冷媒配管（11）側に対向させた状態で、伝熱部材（64）を介して主冷媒配管（11）の膨張弁（22）寄りの位置に取り付けられている。

ここで、例えば、主冷媒配管（11）が円筒状の配管である場合に、パワーモジュール（62）を主冷媒配管（11）に直接接触させた場合には、チップ面積の一部に主冷媒配管（11）と接触していない箇所が生じてしまい、熱交換効率が低下するおそれがあるが、伝熱部材（64）の形状を主冷媒配管（11）の外形形状に対応した円弧形状とし、パワーモジュール（62）側を平面とすることで、チップ表面全体が主冷媒配管（11）と密着した状態となることから、熱交換効率を向上させる上で有利となる。また、伝熱部材（64）としてアルミニウム等の熱伝導率の高い材料を用いるようにすれば、パワーモジュール（62）で生じた熱が確実に主冷媒配管（11）側に放熱されるため好ましい。

一方、前記電装品（63）は、伝熱部材（64）を介してバイパス配管（12）に取り付けられている。ここで、バイパス配管（12）には、冷房運転時にバイパス配管（12）の冷媒の流通を遮断する一方、暖房運転時にバイパス配管（12）の冷媒の流通を許可するバイパス制御弁（14）が取り付けられている。

また、前記主冷媒配管（11）におけるバイパス配管（12）の接続端間には、冷房運転時に冷媒の流通を許可する一方、暖房運転時に冷媒の流通を遮断してバイパス配管（12）に冷媒を流通させる主制御弁（13）が取り付けられている。

なお、本実施形態では、前記バイパス制御弁（14）及び主制御弁（13）を逆止弁で構成しているが、この形態に限定するものではなく、例えば、電磁弁や膨張弁で構成しても良い。

−運転動作−
次に、この空気調和装置（1）の運転動作について説明する。この空気調和装置（1）は、冷房運転と暖房運転とが可能となっている。これらの運転では、インバータ装置（60）により、圧縮機（20）の駆動モータが駆動されることで圧縮室の容積が拡縮され、圧縮機構で冷媒の圧縮動作が行われる。

−冷房運転−
冷房運転では、四路切換弁（24）が図１に示す状態となる。また、膨張弁（22）の開度が適宜調節される。

圧縮機（20）で圧縮された冷媒が高圧冷媒となって吐出管（11a）を流通し、四路切換弁（24）を介して室外熱交換器（23）を流れる。室外熱交換器（23）では、冷媒が室外空気へ放熱する。

室外熱交換器（23）で放熱した後の冷媒は、主制御弁（13）を通って膨張弁（22）に向かって流れる。ここで、室外熱交換器（23）と膨張弁（22）との間の主冷媒配管（11）にはパワーモジュール（62）が取り付けられているので、パワーモジュール（62）で発生した熱は、伝熱部材（64）を介して主冷媒配管（11）を流れる高圧冷媒へ付与される。その結果、パワーモジュール（62）が冷却される。

室外熱交換器（23）で放熱した後の冷媒は、膨張弁（22）を通過する際に減圧されて、室内熱交換器（21）を流れる。室内熱交換器（21）では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内の冷房が行われる。室内熱交換器（21）で蒸発した冷媒は、吸入管（11b）を介して圧縮機（20）の圧縮機構内へ吸入される。

−暖房運転−
暖房運転では、四路切換弁（24）が図２で示す状態となる。また、膨張弁（22）の開度が適宜調節される。

圧縮機（20）で圧縮された冷媒が高圧冷媒となって吐出管（11a）を流通し、四路切換弁（24）を介して室内熱交換器（21）を流れる。室内熱交換器（21）では、冷媒が室内空気へ放熱する。その結果、室内の暖房が行われる。

室内熱交換器（21）で放熱した後の冷媒は、膨張弁（22）を通過する際に減圧される。パワーモジュール（62）で発生した熱は、伝熱部材（64）を介して主冷媒配管（11）を流れる冷媒へ付与される。その結果、パワーモジュール（62）が冷却される。

ここで、主制御弁（13）により主冷媒配管（11）の冷媒の流通が遮断されているから、パワーモジュール（62）の排熱が付与された冷媒は、バイパス配管（12）を流通する。電装品（63）で発生した熱は、伝熱部材（64）を介してバイパス配管（12）を流れる冷媒へ付与される。その結果、電装品（63）が冷却される。電装品（63）の排熱が付与された冷媒は、バイパス制御弁（14）を通って室外熱交換器（23）を流れる。室外熱交換器（23）では、冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（23）で蒸発した冷媒は、吸入管（11b）を介して圧縮機（20）の圧縮機構内へ吸入される。

以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ装置（1）によれば、冷房運転時及び暖房運転時に、主冷媒配管（11）を流通する冷媒とパワーモジュール（62）とを熱交換させることで、パワーモジュール（62）を十分に冷媒冷却して熱による破損や熱暴走が生じることを抑制して信頼性を確保することができる。

また、暖房運転時に、パワーモジュール（62）以外の発熱源である電解コンデンサ、リアクトル、制御回路用のＩＣ等の電装品（63）と、バイパス配管（12）を流通する冷媒とを熱交換させることで、電装品（63）の排熱を利用して冷媒を加熱し、暖房運転時の熱交換量を増大させることができるため、暖房能力が向上する。

−その他の実施形態−
本実施形態では、主冷媒配管（11）におけるバイパス配管（12）の接続端間に主制御弁（13）を取り付け、冷房運転時に冷媒の流通を許可する一方、暖房運転時に冷媒の流通を遮断して、主冷媒配管（11）を流通する全ての冷媒がバイパス配管（12）に流れ込むようにしたが、この形態に限定するものではなく、例えば、図３に示すように、主冷媒配管（11）に主制御弁（13）を取り付けることなく、バイパス配管（12）にバイパス制御弁（14）のみを取り付けておき、暖房運転時に、主冷媒配管（11）を流通する冷媒の一部をバイパス配管（12）に分岐させ、バイパス配管（12）を流通する冷媒と電装品（63）とを熱交換させて電装品（63）を冷却するようにしても構わない。

なお、本実施形態では、ロータリー型の圧縮機について、本発明を適用している。しかしながら、例えばスクロール型の圧縮機や、揺動スイング型の圧縮機、さらに他の型式の圧縮機に本発明を適用しても良い。

また、本実施形態では、パワーモジュール（62）や電装品（63）の取付位置を膨張弁（22）と室外熱交換器（23）との間に設定しているが、この形態に限定するものではなく、暖房運転時に電装品（63）の温度よりも低温の冷媒が流通する箇所であればよい。

以上説明したように、本発明は、パワーモジュールの冷却能力を十分に確保しつつ、暖房運転時の熱交換量を増大することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ装置の冷房運転時における冷媒の流通方向を示す冷媒回路図である。 暖房運転時における冷媒の流通方向を示す冷媒回路図である。 電装品の取付部周辺を一部拡大して示す冷媒回路図である。

符号の説明

1 空気調和装置（ヒートポンプ装置）
10 冷媒回路
11 主冷媒配管（主冷却手段）
12 バイパス配管
13 主制御弁
14 バイパス制御弁
15 副冷却手段
20 圧縮機（冷凍機器）
60 インバータ装置（制御装置）
62 パワーモジュール
63 電装品

Claims (5)

1. 冷媒を循環させて冷凍サイクルを行うための冷媒回路（10）と、該冷媒回路（10）に接続された冷凍機器（20）を駆動制御するためのパワーモジュール（62）及び電装品（63）を有する制御装置（60）とを備え、冷媒の循環方向を変更することで冷房運転と暖房運転とを切り替え可能なヒートポンプ装置であって、
   前記パワーモジュール（62）を冷却するための主冷却手段（11）と、
   前記冷媒回路（10）を流通する冷媒と前記電装品（63）とを暖房運転時にのみ熱交換させることで該電装品（63）を冷却する副冷却手段（15）とを備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 請求項１において、
   前記主冷却手段（11）は、冷房運転時及び暖房運転時に、前記冷媒回路（10）を流通する冷媒と前記パワーモジュール（62）とを熱交換させることで、該パワーモジュール（62）を冷却するように構成されていることを特徴とするヒートポンプ装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記副冷却手段（15）は、
   前記冷媒回路（10）を構成する主冷媒配管（11）にバイパス接続され且つ前記電装品（63）が取り付けられたバイパス配管（12）と、
   前記バイパス配管（12）に取り付けられ、冷房運転時に該バイパス配管（12）の冷媒の流通を遮断する一方、暖房運転時に該バイパス配管（12）の冷媒の流通を許可するバイパス制御弁（14）とを備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
4. 請求項３において、
   前記主冷媒配管（11）における前記バイパス配管（12）の接続端間には、冷房運転時に冷媒の流通を許可する一方、暖房運転時に冷媒の流通を遮断して該バイパス配管（12）に冷媒を流通させる主制御弁（13）が取り付けられていることを特徴とするヒートポンプ装置。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１項において、
   前記電装品（63）は、少なくともリアクトルを含むことを特徴とするヒートポンプ装置。

Images