JP2012145274A

JP2012145274A - ヒートポンプ給湯室外機

Info

Publication number: JP2012145274A
Application number: JP2011004124A
Authority: JP
Inventors: Shuji Mogi; 周二茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】室外機の外形寸法を大型化することなく、冷媒と空気との熱交換量を増加させてシステムのエネルギ効率を向上させることのできるヒートポンプ給湯室外機を提供する。
【解決手段】本発明に係るヒートポンプ給湯室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機２が配置された機械室１４と、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器７と、送風機６と、が配置された送風機室１５と、圧縮機２の上方に配置され、ヒートポンプ回路を駆動させるための電子部品を収納する電気品箱９と、電気品箱９の上方に形成され、送風機室１５と連通する電気品箱上方室２４と、をその内部に備え、電気品箱９内の電子部品は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子部品を含み、電気品箱上方室２４に第２の空気熱交換器２５を備える。ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはダイヤモンドを用いることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ回路により水を加熱するヒートポンプ給湯室外機に関する。

室外の空気の熱を吸収して湯を沸かすことのできるエネルギ効率に優れたヒートポンプ式給湯機が広く用いられている。ヒートポンプ式給湯機を用いるためには、ヒートポンプ回路を内蔵したヒートポンプ給湯室外機を室外に設置する必要がある。このため、当該室外機は、限られた筐体スペースで外気との熱交換を効率よく行うことが求められる。この点、例えば、特許文献１では、エアコンに用いられる室外機において、圧縮機の上方空間に電装品箱を配置し、送風機で発生する空気によって内部の電装品を冷却する技術が開示されている。

特開平１１−２１１１５５号公報特開２００８−５７４２５号公報特開２００８−５７８７０号公報実開平２−３６０１５号公報特開昭６３−９２１３９号公報特開平７−４６８９号公報

ヒートポンプ給湯室外機には、ヒートポンプ回路を駆動するための種々の電子部品が収納された電気品箱が内蔵されている。この電気品箱は、内部の電子部品の温度上昇を抑制するための放熱部品がその外部に取り付けられていることもあり、室外機内における配置に種々の制約が生じる。以下、より詳しく説明する。

従来のヒートポンプ給湯室外機において、圧縮機等が配置された機械室と送風機や空気熱交換器等が配置された送風機室とは、前面から見て、機械室が右側に、送風機室が左側に、仕切板を隔てて形成されている。また、インバータ装置や基板等の電子部品は電気品箱に収納されて、機械室の圧縮機の上方の空間に設置されている。電気品箱には、内部の電子部品の温度上昇を抑制するためのヒートシンク等の放熱部品が取り付けられ、且つこの放熱部品は送風機室側へ突出している。このため、放熱部品と送風機との干渉をさけるために、電気品箱は、圧縮機側の上部空間の最上部に配置されることを余儀なくされる。

ここで、ヒートポンプ回路のシステム効率を向上させるためには、空気熱交換器を大型化することが望まれる。しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯室外機では、圧縮機の上部に電気品箱およびその放熱部品が配置されているため、機械室の側には空気熱交換器を増設できるような空間は存在しない。

そこで、上記要求を実現するための方法としては、例えば、室外機の外形寸法を大きくして室外機の内部空間そのものを拡大することが考えられる。しかしながら、外形寸法の拡大は、設置スペースの問題や著しい製造コストの上昇等が問題となる。

また、空気熱交換器の大型化を実現するための他の方法としては、水冷媒交換機等の他の熱交換器の寸法を小さくして空気熱交換器を配置する空間を確保することが考えられる。しかしながら、この方法では、他の熱交換器の効率が低下してしまうため、結果的にシステムの効率の向上に繋がらないという問題がある。このように、上記従来のヒートポンプ給湯室外機では、空気熱交換器を大型化する際のスペースの確保の点において、未だ改善の余地を残すものであった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、外形寸法を大型化することなく、冷媒と空気との熱交換量を増加させてシステムのエネルギ効率を向上させることのできるヒートポンプ給湯室外機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯室外機は、ヒートポンプ回路により水を加熱するヒートポンプ給湯室外機であって、冷媒を圧縮する圧縮機が配置された機械室と、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器と、送風機と、が配置された送風機室と、圧縮機の上方に配置され、ヒートポンプ回路を駆動させるための電子部品を収納する電気品箱と、電気品箱の上方に形成され、送風機室と連通する電気品箱上方室と、をその内部に備え、電気品箱内の電子部品は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子部品を含み、電気品箱上方室に第２の空気熱交換器を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子部品は高温動作が可能であるため、各部品および放熱部品の小型化によって電気品箱を小型化して電気品箱上方室を形成することができる。このため、この電気品箱上方室に空気熱交換器を増設して熱交換量を増加させることにより、外形寸法を大型化することなくシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯室外機の正面側斜視図である。本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯室外機の後面側斜視図である。本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯室外機の内部構造を示す正面図である。ヒートポンプ給湯室外機における機械室の内部構造の詳細を示す正面図である。ヒートポンプ給湯室外機におけるベースおよび水冷媒熱交換器の斜視図である。第２の空気熱交換器の形状を説明するための図である。第２の空気熱交換器の形状の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯室外機のベースおよび水冷媒熱交換器の斜視図である。本発明の実施の形態２における水冷媒熱交換器の近傍を拡大して示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
[本実施の形態の構成]
図１乃至図５は、本発明のヒートポンプ給湯室外機の実施の形態１を示す図である。図１はヒートポンプ給湯室外機の正面側斜視図であり、図２はヒートポンプ給湯室外機の後面側斜視図であり、図３はヒートポンプ給湯室外機の内部構造を示す正面図であり、図４は図３における機械室の内部構造の詳細を示す正面図であり、図５はベースおよび水冷媒熱交換器の斜視図である。

まず、図１乃至図５を参照して、本実施形態のヒートポンプ給湯室外機の全体構成について説明する。尚、図１中では、左下が前方、右上が後方であり、また、図２中では、左上が前方、右下が後方である。図１乃至図３に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯室外機の外郭は、底部（基部）を構成するベース１７と、筐体の前面部１８、後面部１９、上面部２０、右側面部２１および左側面部２２で構成されている。空気熱交換器７、および後述する第２の空気熱交換器２５の設置部以外は、上記筐体で覆われている。筐体は、通常、板金材から成形される。ヒートポンプ給湯室外機の内部は、仕切板１６が設けられ、この仕切板１６により、前面から見て右側の機械室１４と左側の送風機室１５とに区画されている。

図４では図示を省略しているものもあるが、機械室１４内には、冷媒を圧縮するための圧縮機２、冷媒を減圧するための膨張弁（図示せず）、これらを接続する吸入管４や吐出管５等の冷媒配管、その他の冷媒回路部品が組み込まれている。圧縮機２の本体２ａの内部には、冷媒の圧縮動作を行う圧縮部（図示せず）と、圧縮部と接続され圧縮部を駆動するモータ（図示せず）が組み込まれ、外部から供給される電力によりモータおよび圧縮部が所定の回転数で駆動するようになっている。また、圧縮機２の本体２ａ内に吸入する冷媒の脈動音を消音するための吸入マフラ２ｃが本体２ａの側面下部に取り付けられている。また、圧縮機２の本体２ａを固定するための脚部材２ｂが本体２ａの下部に溶接にて取り付けられており、脚部材２ｂには３〜４個の防振マウント３が取り付けられている。防振マウント３は、概略円筒形のゴムあるいは金属コイルの成形品で、中にボルトが挿入できる孔を設けた構造となっており、ゴムあるいは金属コイルの弾性特性により、所定のバネ定数と減衰率を有している。防振マウント３は、ベース１７の上面に設置され、圧縮機２を弾性的に支持している。また、冷媒を吸入するための吸入管４が圧縮機２の吸入マフラ２ｃの上部に取り付けられ、冷媒を圧縮機２の本体２ａ内部で圧縮した後に吐出するための吐出管５が圧縮機２の本体２ａ上部に取り付けられている。膨張弁は、本体外側面にコイル組み込み部材が取り付けられ、コイルに外部から通電することにより発生する電磁作用により、内部の流路抵抗調節部を稼動させて冷媒の流路抵抗を調節し、膨張弁の上流側高圧と下流側低圧の冷媒を所定の圧力に調節するようになっている。

送風機室１５内には、送風機６と、これに隣接する空気熱交換器７とが組み込まれている。送風機室１５内は、風路確保のため大きな空間を有している。送風機６は、３枚の翼型のプロペラと、このプロペラを回転駆動させるモータとが組み合わされており、外部から供給される電力によりモータとプロペラが所定の回転数で回転するようになっている。空気熱交換器７は、アルミ薄板のフィンが多数密着した長い冷媒配管が略Ｌ字平板状に曲げ成形されており、冷媒配管内の冷媒とフィン周辺の空気とで熱交換が行われるようになっており、送風機６により各フィン間を流れて通過する空気の風量が増やされて調節され、熱交換の量が増やされて調節されている。

図５に示すように、送風機室１５内の下部のベース１７の上面には、水冷媒熱交換器８が設置されている。水冷媒熱交換器８は、外形が前方から見て左右に長い略直方体形状の発泡材の収納容器１２に収納され、十分な防振効果の有る防振材の介在無しに、送風機室１５内の送風機６の下方に位置するベース１７の上面に設置されている。水冷媒熱交換器８を収納した収納容器１２は、ベース１７に取り付けられた板金材の収納囲部材１０に囲まれ、発泡材の収納容器蓋１３により上側を覆われ、その上から更に板金材の収納蓋部材１１により上面を覆われている。水冷媒熱交換器８は、長い水配管に長い冷媒配管が長手方向に密着し、略直方体形状の収納容器１２に収納可能なように曲げ成形されており、冷媒配管内の冷媒と水配管内の水とで熱交換が行われるようになっている。

圧縮機２は、吐出管５を介して水冷媒熱交換器８の冷媒入口部と接続され、水冷媒熱交換器８の冷媒出口部は、冷媒配管を介して機械室１４内の膨張弁の入口部と接続されている。膨張弁の出口部は、別の冷媒配管を介して空気熱交換器７の冷媒入口部と接続されている。空気熱交換器７の冷媒出口部は、吸入管４を介して圧縮機２と接続されている。また、冷媒配管の途中にはその他の冷媒回路部品が取り付けられている場合もある。このように構成された冷媒回路の密閉空間内に所定の量の冷媒が封入されており、通常ＣＯ_２冷媒が使用されている。

図３において、図示省略しているが、機械室１４内には、水冷媒熱交換器８の水入口部に接続された内部水配管Ａ、水冷媒熱交換器８の給湯出口部と接続された内部水配管Ｂ、その他の水回路部品が組み込まれている。内部水配管Ａはベース１７右部と筐体の右側面部２１下部に取り付けられた水入口バルブ２９に接続され、内部水配管Ｂはベース１７右部と筐体の右側面部２１下部に取り付けられた給湯出口バルブ３０に取り付けられ、筐体の右側面部２１に、水入口バルブ２９が上部、給湯出口バルブ３０が下部に併設して配置されている。また、水入口バルブ２９と給湯出口バルブ３０を保護するため、サービスパネル２３が右側面部２１に取り付けられている。

このようなヒートポンプ給湯室外機は、数百リットル程度の容量を有する貯湯タンクとこの貯湯タンク内の水を送る水ポンプとが組み込まれた貯湯装置（図示せず）に対し、外部水配管Ａ（図示せず）、外部水配管Ｂ（図示せず）、電気配線（図示せず）を介して接続して使用される。水ポンプの入口部は貯湯タンク下部に接続され、外部水配管Ａは水ポンプの出口部に接続されており、外部水配管Ｂが貯湯タンク上部に接続されている。外部水配管Ａの貯湯タンク接続側と反対側はヒートポンプ給湯室外機のサービスパネル２３内の水入口バルブ２９と接続され、外部水配管Ｂの貯湯タンク接続側と反対側はヒートポンプ給湯室外機のサービスパネル２３内の給湯出口バルブ３０と接続されている。このように、ヒートポンプ給湯室外機と貯湯装置とで給湯回路が構成されている。

（本実施の形態の特徴的構成）
次に、本実施の形態のヒートポンプ給湯室外機の特徴的構成について説明する。図３に示すように、機械室１４の上方には、圧縮機２、膨張弁、送風機６等を駆動制御するインバータ電源等の電気部品を収納した電気品箱９が設置されている。インバータ電源は、圧縮機２のモータの回転数を、例えば数十ｒｐｓ（Ｈｚ）〜百ｒｐｓ（Ｈｚ）程度の所定の回転数に変化させ、また、膨張弁の開度を所定の量に変化させ、また、送風機６の回転数を、例えば数百ｒｐｍ〜千ｒｐｍ程度の所定の回転数に変化させるよう制御される。電気品箱９の右部には、外部電気配線を接続する端子台９ａがあり、この端子台９ａを保護するため、サービスパネル２３が筐体の右側面部２１に取り付けられている。

ここで、本実施の形態のインバータ電源等の電子部品には、窒化珪素（ＳｉＣ）素子等のワイドバンドギャップ半導体素子が用いられている。尚、ワイドバンドギャップ半導体としてはＳｉＣ素子に限らず、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の材料やダイヤモンドを用いることとしてもよい。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は耐電圧性が高く、また、許容電流密度も高い。このため、これらの半導体素子の小型化が可能であり、小型化されたワイドバンドギャップ半導体素子を本装置の電子部品として用いることにより、電気品箱９の小型化が可能となる。

また、ワイドバンドギャップ半導体素子は耐熱性が高い特徴を有している。このため、電気品箱９に通常設置されるヒートシンクのフィンを大幅に小型化ないしは省略することができるので、電気品箱９の更なる小型化が可能となる。

更に、ワイドバンドギャップ半導体素子は電力損失が低いという特徴を有している。このため、半導体素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能となる。

尚、スイッチング素子やダイオード素子等の全ての半導体素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが好ましいが、少なくとも一部の半導体素子がワイドバンドギャップ半導体素子によって形成されていれば、この実施の形態に記載されている効果を得ることができる。

このように、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子部品を用いることにより、電気品箱９が従来のものと比して小型化される。また、上述したとおり、電気品箱９に通常設けられる放熱部品を小型化乃至省略することが可能となるため、例えば電気品箱９から送風機室１５側へ突出して部品２６の突出量を有効に抑制することができる。したがって、本実施の形態の室外機の構成によれば、送風機６との干渉を避けるために従来室外機の最上部付近に配置されていた電気品箱９をより下方へ配置することが可能となる。

電気品箱９をより下方に配置すると、仕切板１６の高さをより低くすることができるので、該電気品箱９の上方に送風機室１５と連通した空間（以下、「電気品箱上方室２４」と称する）を形成することができる。そこで、本実施の形態のヒートポンプ給湯装置では、この電気品箱上方室２４に第２の空気熱交換器２５を増設することとしている。図６は、第２の空気熱交換器の形状を説明するための図である。この図に示すとおり、第２の空気熱交換器２５の形状としては、後面部１９から右側面部２１に沿ったＬ字型の形状とすることができる。これにより、限られた電気品箱上方室２４の空間内で有効にスペースを活用することができるので、空気と冷媒との熱交換効率を有効に高めることができる。これにより、室外機の外形寸法を拡大することなく、システムのエネルギ効率を有効に高めることが可能となる。

尚、第２の空気熱交換器２５の形状は、Ｌ字形状に限らず、種々の形状を採用することもできる。図７は、第２の空気熱交換器の形状の変形例を示す図である。この図中の（Ａ）に示すとおり、第２の空気熱交換器２５の形状として、前面部１８、後面部１９または右側面部２１に沿って略平面上の形状とすることができる。これにより、第２の空気熱交換器２５の製造コストの抑制を図ることができる。また、第２の空気熱交換器２５の形状としては、この図中の（Ｂ）に示すとおり、後面部１９、右側面部２１、および前面部１８に沿ったＵ字形状としてもよい。これにより空気と冷媒との熱交換効率を最大限に高めることが可能となる。

実施の形態２．
次に、図８および９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２では、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図８は本実施の形態２の室外機のベースおよび水冷媒熱交換器の斜視図であり、図９は本実施の形態２の水冷媒熱交換器の近傍を拡大して示す平面図である。

図８および図９に示すように、本実施形態では、水冷媒熱交換器８が収納されている収納箱１２内に第２の電気品箱２７を収納した点に特徴がある。第２の電気品箱２７の内部には、電気品箱９の内部に収納されていたワイドバンドギャップ半導体等の電子部品の一部または全部が収納されている。

このような構成のヒートポンプ給湯室外機の構成によれば、圧縮機２の上方に配置されていた電気品箱９を更に小型化或いは完全に移設することができるので、電気品箱上方室２４の空間を更に拡大させることが可能となる。これにより、第２の空気熱交換器２５を更に大型化して更なるシステム効率の向上を図ることができる。また、電気品箱上方室２４を拡大することで、該電気品箱上方室２４内への空気の流通をより円滑にすることができるので、第２の空気熱交換器２５の熱交換効率を有効に高めることが可能となる。

２圧縮機
２ａ本体
２ｂ脚部材
２ｃ吸入マフラ
３防振マウント
４吸入管
５吐出管
６送風機
７空気熱交換器
８水冷媒熱交換器
９電気品箱
１０収納囲部材
１１収納蓋部材
１２収納容器
１３収納容器蓋
１４機械室
１５送風機室
１６仕切板
１７ベース
１８筐体の前面部
１９筐体の後面部
２０筐体の上面部
２１筐体の右側面部
２２筐体の左側面部
２３サービスパネル
２４電気品箱上方室
２５第２の空気熱交換器
２７第２の電気品箱

Claims

ヒートポンプ回路により水を加熱するヒートポンプ給湯室外機であって、
冷媒を圧縮する圧縮機が配置された機械室と、
冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器と、送風機と、が配置された送風機室と、
前記圧縮機の上方に配置され、前記ヒートポンプ回路を駆動させるための電子部品を収納する電気品箱と、
前記電気品箱の上方に形成され、前記送風機室と連通する電気品箱上方室と、
をその内部に備え、
前記電気品箱内の電子部品は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子部品を含み、
前記電気品箱上方室に第２の空気熱交換器を備えるヒートポンプ給湯室外機。
前記機械室と前記送風機室とを区画する仕切板を更に備え、
前記仕切板は、前記送風機室と前記電気品箱上方室との連通が確保される高さに形成されている請求項１記載のヒートポンプ給湯室外機。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである請求項１または２記載のヒートポンプ給湯室外機。
前記第２の空気熱交換器は、前記ヒートポンプ給湯室外機の側面から後面に沿ったＬ字型に構成された請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ給湯室外機。
前記第２の空気熱交換器は、前記ヒートポンプ給湯室外機の前面、側面、および後面に沿ったＵ字型に構成された請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ給湯室外機。
前記第２の空気熱交換器は、前記ヒートポンプ給湯室外機の前面、側面、および後面の何れかに沿った平板型に構成された請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ給湯室外機。
水と冷媒とを熱交換させる水冷媒熱交換器と、
前記水冷媒熱交換器を収納する収納箱と、
前記収納箱内に配置された第２の電気品箱と、を更に備え、
前記第２の電気品箱の内部には、前記電気品箱内の電子部品の少なくとも一部が移設されている請求項１乃至６の何れか１項記載のヒートポンプ給湯室外機。