JP2014129904A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーデバイス等の電装品を凝縮器下流の冷媒で冷却する冷凍装置において、その電装品に結露が生じないように確実な対策を図る。
【解決手段】圧縮機（2）、凝縮器（3）、膨張弁（4）、及び蒸発器（5）を有した冷媒回路（10）と、圧縮機（2）に電力を供給する電力供給装置（P）と、凝縮器（3）から流出した冷媒により電力供給装置（P）を冷却する冷却器（30）と、冷却器（30）から流出した冷媒を冷媒回路（10）に戻す冷媒戻路（25）とを設ける。冷媒戻路（25）には、冷媒に圧力損失を与える圧損要素（50）を、冷媒回路（10）との合流点の直前に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、圧縮機駆動用のモータに電力を供給する電力供給装置の構成部品を冷媒で冷却するための冷却器を備えた冷凍装置に関するものである。

従来、空気調和装置等の冷凍装置では、圧縮機等に電力を供給する電力供給装置として、ダイオードやトランジスタ等のパワーデバイスが接続された電力供給回路が用いられている。これらのパワーデバイスは、その通電動作時に発熱し高温となるため、上記冷凍装置の中には、冷媒回路の凝縮器下流の冷媒によりパワーデバイスを良好に冷却する構成を採用したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２-６９０６６号公報

ところで、電力供給装置のパワーデバイス等の電装品に対しては、結露対策を施しておくことが重要である。これに対しては、冷却器の下流側にキャピラリなどの圧力損失要素を設けて、冷媒に圧損を与えて流量を制限すれば、冷却器の結露を防止できると考えられる。

しかしながら、圧力損失要素よりも下流側では、冷媒の温度が低下するので、下流側の配管等では、やはり結露が懸念される。そのため、前記電装品の配置によっては、その結露に曝される可能性がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、パワーデバイス等の電装品を凝縮器下流の冷媒で冷却する冷凍装置において、その電装品に結露が生じないように確実な対策を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
圧縮機（2）、凝縮器（3）、膨張弁（4）、及び蒸発器（5）を有した冷媒回路（10）と、前記圧縮機（2）に電力を供給する電力供給装置（P）と、前記凝縮器（3）から流出した冷媒により前記電力供給装置（P）を冷却する冷却器（30）と、前記冷却器（30）から流出した冷媒を前記冷媒回路（10）に戻す冷媒戻路（25）とを備えた冷凍装置において、
前記冷媒戻路（25）には、前記冷却器（30）から流出した冷媒に圧力損失を与える圧損要素（50）が、前記冷媒回路（10）との合流点の直前に設けられていることを特徴とする。

この構成では、圧損要素（50）は、冷却器（30）から流出した冷媒に圧力損失を与えて、冷却器（30）の冷媒流量及び圧力を低減する。このとき圧損要素（50）の下流側では冷媒の温度が低下し、冷媒配管（25）等に結露を生ずる可能性がある。しかしながら、圧損要素（50）が、前記冷媒回路（10）との合流点の直前に設けられているので、冷却器（30）に対しては、冷媒の温度低下の影響を低減できる。

また、第２の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記圧損要素（50）は、キャピラリによって構成されていることを特徴とする。

この構成では、キャピラリが冷媒の圧力及び流量を調整する。

第１の発明によれば、冷却器（30）に対しては、冷媒温度低下の影響を低減できる。そのため、冷却器（30）に近い部位の冷媒配管（23）や冷却器（30）自体が必要以上に温度低下して結露するのを防止できる。

また、第２の発明によれば、圧損要素（50）を簡単な構造で実現できる。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す図である。 図２は、圧縮機の圧縮機構を回転駆動するモータに電力を供給する電力供給装置の電気回路を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路を示す。同図の冷凍装置は、工場等の大規模な施設において用いられる大型の空気調和装置の冷媒回路を示す。同図の空気調和装置（1）(冷凍装置)は、圧縮機（2）、凝縮器（3）、膨張弁（4）、蒸発器（5）、及びコントローラ（7）を備えている。

圧縮機（2）は、内部には破線で示すように圧縮機構（2a）と、該圧縮機構（2a）を回転駆動する三相モータ（2b）とが収容される。凝縮器（3）は、空冷の凝縮器であって、室外に配置される。凝縮器（3）の近傍には、空冷ファン（3a）が設けられている。膨張弁（4）は、弁体がパルスモータによって駆動される開度可変な電動膨張弁である。蒸発器（5）は、空冷式の蒸発器であって、室内に配置される。蒸発器（5）の近傍には、空冷ファン（5a）が設けられている。

そして、空気調和装置（1）では、圧縮機（2）、凝縮器（3）、膨張弁（4）、及び蒸発器（5）を冷媒配管（6）により順に閉回路に接続して冷媒回路（10）を構成しており、圧縮機（2）から冷媒を凝縮器（3）に送り、この凝縮器（3）で冷媒を外気と熱交換して放熱させた後、その冷媒の流量及び圧力を膨張弁（4）で調整しつつ、蒸発器（5）で室内空気と熱交換させて吸熱させ、ガス冷媒として圧縮機（2）に戻すことを繰り返す。

圧縮機（2）、凝縮器（3）の空冷ファン（3a）、膨張弁（4）、及び蒸発器（5）の空冷ファン（5a）には、コントローラ（7）が接続され、このコントローラ（7）により圧縮機（2）の三相モータ（2b）の回転数、それぞれの空冷ファン（3a,5a）回転数、及び膨張弁（4）の開度が制御される。

次に、圧縮機（2）の圧縮機構（2a）を回転駆動するモータ（2b）に電力を供給する電力供給装置（P）の電気回路を図２に示す。同図に示すように電力供給装置（P）は、コンバータ部（11）、平滑コンデンサ（12）、及びインバータ（13）を備えている。

コンバータ部（11）は、６個のダイオード（Dr）がブリッジ状に結線されて構成され、三相交流電源（60）の三相交流を直流に変換する。平滑コンデンサ（12）は、コンバータ部（11）により変換された直流電圧を平滑する。インバータ（13）は、平滑コンデンサ（12）によって平滑された直流電圧を、三相交流電圧に変換する。この例では、インバータ（13）は、６個のスイッチング素子（Tr）、及びスイッチング素子（Tr）の各々に逆並列に接続された６個の還流ダイオード（Dw）を有している。スイッチング素子（Tr）は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成する。

電力供給装置（P）では、インバータ（13）で変換された三相交流電圧が、圧縮機構（2a）駆動用の三相モータ（2b）に供給される。そして、コントローラ（7）は、三相モータ（2b）の各相に流れる電流（iu,iv,iw）を制御するように、インバータ（13）が内蔵する６個のスイッチング素子（Tr）に制御信号（CNT）を出力して、三相モータ（2b）の回転数を制御する。

そして、図１に戻って、空気調和装置（1）の冷媒回路（10）には、電力供給装置（P）のコンバータ部（11）とインバータ（13）とを冷却する冷却器（30）が、膨張弁（4）と並列接続されている。

この冷却器（30）は、電力供給装置（P）のコンバータ部（11）の６個のダイオード（Dr）を冷却するダイオード用冷媒ジャケット（20）（ダイオード用冷却器）と、インバータ（13）の６個のスイッチング素子（Tr）（パワーデバイス）を冷却するスイッチング素子用冷媒ジャケット（21）（スイッチング素子用冷却器）とで構成されている。

この例では、２つの冷媒ジャケット（20,21）は、ダイオード用冷媒ジャケット（20）の方がスイッチング素子用冷媒ジャケット（21）よりも、凝縮器（3）に近い側（上流側)となるように、冷媒配管（24）によって直列接続されている。

ダイオード用冷媒ジャケット（20）には、凝縮器（3）と膨張弁（4）を繋ぐ冷媒配管（6）から分岐した冷媒配管（23）が接続されている。この冷媒配管（23）の途中には、２つの冷媒ジャケット（20,21）に流通する冷媒の流量及び圧力を制御する冷媒冷却用膨張弁（22）が設けられている。

また、スイッチング素子用冷媒ジャケット（21）には、冷媒配管（25）が接続され、この冷媒配管（25）は、膨張弁（4）と蒸発器（5）とを繋ぐ冷媒配管（6）に合流する。すなわち、冷媒配管（25）は、冷却器（30）から流出した冷媒を膨張弁（4）の下流に戻す冷媒戻路である。冷媒配管（25）（冷媒戻路）の途中には、電磁弁（40）及びキャピラリ（50）が設けられている。電磁弁（40）は、キャピラリ（50）よりも上流側に配置され、キャピラリ（50）は、冷媒回路（10）の冷媒配管（6）との合流点の直前に配置されている。

電磁弁（40）は、空気調和装置（1）の運転を停止する場合などに、冷却器（30）に流れる冷媒を止めるために設けてある。例えば、空気調和装置（1）の運転停止後に冷媒が冷却器（30）に流れると、冷却器（30）における温度が露点を下回って、冷却器（30）自体が結露するとともに、それで冷却されるスイッチング素子（Tr）やダイオード（Dw）が結露してしまう可能性があるからである。このような結露は、スイッチング素子（Tr）や還流ダイオード（Dw）に対して、悪影響を与えるので好ましくない。

また、キャピラリ（50）は、冷却器（30）から流出した冷媒に圧力損失を与えて、冷却器（30）の冷媒流量及び圧力を低減するために設けてある。キャピラリ（50）は、本発明の圧損要素の一例である。このキャピラリ（50）には、空気調和装置（1）の運転中に、冷却器（30）の温度が露点を下回らないようにする機能がある。

《運転動作》
上記の構成により、空気調和装置（1）では、２つの冷媒ジャケット（20,21）が膨張弁（4）と並列に接続される。したがって、圧縮機（2）が運転されると、凝縮器（3）を流通した後の冷媒の一部は、膨張弁（4）をバイパスして冷媒冷却用膨張弁（22）、ダイオード用冷媒ジャケット（20）、及びスイッチング素子用冷媒ジャケット（21）を流通し、その後に、キャピラリ（50）（圧損要素）を経由して蒸発器（5）に流入する。

そして、冷却器（30）では、凝縮器（3）からの一部冷媒によりインバータ（13）の６個のダイオード（Dw）と６個のスイッチング素子（Tr）を冷却する。冷媒冷却器（30）の冷媒冷却用膨張弁（22）は、凝縮器（3）の出口の冷媒温度が設定高温度（例えば５２℃）よりも高温の状況において、凝縮器（3）からの冷媒の流量を絞って減圧し、その冷媒温度を上記設定高温度未満に低くするように、弁開度がコントローラ（7）により制御される。このとき、キャピラリ（50）では、冷媒の圧力及び温度が低下する。これにより、キャピラリ（50）の下流側の冷媒配管（25）の温度が低下する。

そして、例えば、キャピラリ（50）の下流側の冷媒配管（25）の温度が露点を下回ると、冷媒配管（25）の外面で結露が起こる可能性がある。そのため、もし仮に、キャピラリ（50）を、スイッチング素子用冷媒ジャケット（21）により近い位置に配置したとすれば、この結露は、スイッチング素子用冷媒ジャケット（21）の直近でもおこる可能性がある。そうすると、スイッチング素子用冷媒ジャケット（21）で冷却されているスイッチング素子（Tr）や、それと接続された還流ダイオード（Dw）に結露を生ずる可能性が出てくる。

しかしながら、本実施形態では、キャピラリ（50）は、冷媒回路（10）との合流点の直前に設けられているので、冷媒温度低下の冷却器（30）に対する影響を低減できる。それゆえ、スイッチング素子用冷媒ジャケット（21）に近い部位の冷媒配管（23）や冷却器（30）自体が必要以上に温度低下して結露するのを防止できる。

《本発明における効果》
以上のように、本実施形態によれば、パワーデバイス等の電装品を凝縮器下流の冷媒で冷却する冷凍装置において、その電装品に結露が生じないように確実な対策を図ることが可能になる。また、圧力損失要素（前記の例ではキャピラリ）の下流以降の低温度区間を短くすることができるため、防滴のために必要な部材のコストを抑えることができる。

《その他の実施形態》
なお、冷却器（30）は、ダイオード用冷媒ジャケット（20）とスイッチング素子用冷媒ジャケット（21）の二つに分ける必要はない。ひとつの冷却器で、スイッチング素子（Tr）とダイオード（Dw）の両方を冷却するようにしてもよい。

また、圧損要素としてのキャピラリは、例示であり、その他の手段で、冷却器（30）から流出した冷媒に圧力損失を与えるようにしてもよい。

本発明は、圧縮機駆動用のモータに電力を供給する電力供給装置の構成部品を冷媒で冷却するための冷却器を備えた冷凍装置として有用である。

1 空気調和装置(冷凍装置)
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張弁
５ 蒸発器
１０ 冷媒回路
２０ ダイオード用冷媒ジャケット(ダイオード用冷却器)
２１ スイッチング素子用冷媒ジャケット(スイッチング素子用冷却器)
２３ 冷媒配管
２５ 冷媒配管(冷媒戻路)
３０ 冷却器
５０ キャピラリ(圧損要素)

Claims (2)

1. 圧縮機（2）、凝縮器（3）、膨張弁（4）、及び蒸発器（5）を有した冷媒回路（10）と、前記圧縮機（2）に電力を供給する電力供給装置（P）と、前記凝縮器（3）から流出した冷媒により前記電力供給装置（P）を冷却する冷却器（30）と、前記冷却器（30）から流出した冷媒を前記冷媒回路（10）に戻す冷媒戻路（25）とを備えた冷凍装置において、
   前記冷媒戻路（25）には、前記冷却器（30）から流出した冷媒に圧力損失を与える圧損要素（50）が、前記冷媒回路（10）との合流点の直前に設けられていることを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１の冷凍装置において、
   前記圧損要素（50）は、キャピラリによって構成されていることを特徴とする冷凍装置。

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