JP2022168978A - 熱媒体循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低ＧＷＰの可燃性冷媒を用いたヒートポンプ式の熱媒体循環装置の、冷媒漏洩時の安全性の確保を図ることができるとともに、制御装置の温度低下を図ることができ、安全で高寿命の熱媒体循環装置を提供する。【解決手段】冷媒を空気より比重の大きな可燃性冷媒とし、制御基板１６を電源ボックス２１に収納し、電源ボックス２１を、送風装置１１の上方に配置し、電源ボックス２１内は内部機械室１８と連通しないことを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、冷媒を用いるヒートポンプ方式の熱媒体循環装置に関するものである。

ヒートポンプ方式の熱媒体循環装置やヒートポンプ給湯機では、圧縮機などを制御するインバーターや、インバーターの熱を放熱する放熱板を送風装置上方に配置するものが知られている。
例えば、特許文献１では送風回路中に放熱板を配置している。
また、特許文献２では、送風回路の上方に制御装置を配置している。

特開２００５－０８３６９２号公報 特許第４８９９５１０号

現在、環境に対する意識の高まりから、特に欧州では、低ＧＷＰの冷媒を使用することが要望されている。低ＧＷＰの冷媒としては、二酸化炭素（Ｒ7４４）や、可燃性であるプロパン（Ｒ２９０）が使用される。しかしながら、二酸化炭素は、ヒートポンプ給湯機における入水温度が高い場合には効率が悪い。また二酸化炭素は、圧力が高いために耐圧性が要求されるため部品コストが高くなる。また二酸化炭素は、冷房運転の効率がＲ３２冷媒の６割程度である。従って、熱媒体を加熱又は冷却して居室を暖房又は冷房する熱媒体循環装置には、二酸化炭素よりもプロパンが適している。
ところがプロパンは可燃性冷媒であり、漏洩した際の安全性の確保が重要である。特に圧縮機などを制御する制御基板や制御部品には、電位がかかっているため、漏洩した際の安全性の確保が特に重要である。

したがって本発明は、このような従来の課題を解決すものであり、可燃性冷媒を用いて、安全性及び耐久性があり、低コストである熱媒体循環装置を提供することを目的とする。

圧縮機、利用側熱交換器、減圧手段、及び熱源側熱交換器を接続して冷媒を循環させる冷媒回路と、前記利用側熱交換器に接続される熱媒体回路と、前記熱源側熱交換器と熱交換するための空気風を発する送風装置と、前記圧縮機、前記減圧手段、及び前記送風装置の動作を制御する制御基板とを室外機ユニットに備え、前記室外機ユニット内を、仕切板によって区分し、前記仕切板の一側方を外気連通室とし、前記仕切板の他側方を内部機械室とし、前記外気連通室に、前記熱源側熱交換器及び前記送風装置を配置し、前記内部機械室に、前記圧縮機、前記利用側熱交換器、及び前記減圧手段を配置した熱媒体循環装置であって、前記冷媒を、空気より比重の大きな可燃性冷媒とし、前記制御基板を電源ボックスに収納し、前記電源ボックスを、前記送風装置の上方に配置し、前記電源ボックス内は前記内部機械室と連通しないことを特徴とするものである。

本発明によれば、冷媒を、空気より比重の大きな可燃性冷媒とし、制御基板を電源ボックスに収納し、電源ボックスを、送風装置の上方に配置し、電源ボックス内は内部機械室と連通しないことで、制御基板のある電源ボックスに可燃性冷媒が侵入することを防ぐことができる。それにより、安全性に優れたヒートポンプを用いた熱媒体循環装置とすることができる。

本発明の実施例１による熱媒体循環装置の配管回路図 同熱媒体循環装置の室外機ユニットの構成を示す図 本発明の実施例２による熱媒体循環装置の室外機ユニットの構成を示す図 同室外機ユニットにおける電源ボックスの空気の流れ図

本発明の第１の実施の形態による熱媒体循環装置は、冷媒を、空気より比重の大きな可燃性冷媒とし、制御基板を電源ボックスに収納し、電源ボックスを、送風装置の上方に配置し、電源ボックス内は内部機械室と連通しないものである。
本実施の形態によれば、制御基板のある電源ボックスに可燃性冷媒が侵入することを防ぐことができる。それにより、安全性に優れたヒートポンプを用いた熱媒体循環装置とすることができる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による熱媒体循環装置において、制御基板には放熱部を有し、電源ボックスに、室外機ユニット外から電源ボックス内に空気を取り入れる通気ダクトと、電源ボックス内の空気を電源ボックス外に排出する出口部とを設けたものである。
本実施の形態によれば、通気ダクトを通じて、室外機ユニットの外部の空気を電源ボックス内に流通させ、制御基板の冷却を行うことが可能となり、制御基板の温度の低下を図ることで、部品の劣化を防ぎ、長期間に渡り安定した性能で使用することができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による熱媒体循環装置において、制御基板を、外気連通室に配置したものである。
本実施の形態によれば、内部機械室上方には制御基板が無いため、万が一冷媒回路から可燃性冷媒が漏出しても、制御基板に向かって可燃性冷媒が流れることがない。これにより、安全性に優れた熱媒体循環装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施が限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による熱媒体循環装置の配管回路図である。
本実施例による熱媒体循環装置は、室外機ユニット１と中間中継装置２と外部放熱器４とからなり、循環される水あるいは不凍液などの熱媒体を加熱又は冷却する。室外機ユニット１と中間中継装置２とは熱媒配管３で接続される。中間中継装置２と外部放熱器４とは熱媒配管３で接続される。
外部放熱器４は、図１では床暖房などのパネル状の外部放熱器４を示しているが、パネルヒーターや、送風装置１１を備えたファンコンベクターなどの家庭用に用いる放熱器や工業用に用いる温風機や温水放熱器でもよい。
室外機ユニット１で加熱又は冷却される温水又は冷水は、熱媒配管３を通り、外部放熱器４に送られ、外部放熱器４が設置された居室を暖房又は冷房する。このように外部放熱器４は、部品や空間を加熱又は冷却する。そして室外機ユニット１は、部品や空間を加熱又は冷却するための温水又は冷水を生成するものである。

室外機ユニット１内には、冷媒を圧縮して循環する圧縮機５、水あるいは不凍液などの熱媒と圧縮機５によって循環される冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器６、減圧手段である膨張弁７、空気冷媒熱交換器８、及び熱媒体の加熱運転と冷却運転を切り替える四方弁９を有している。
冷媒回路１０は、圧縮機５、四方弁９、水冷媒熱交換器６、減圧手段７、及び空気冷媒熱交換器８を環状に接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させる。
水冷媒熱交換器６は、冷媒が流れる冷媒管６ａと、熱媒体が流れる熱媒体管６ｂとで構成される。水冷媒熱交換器６は、熱伝導率の高い銅管又はステンレス管で構成され、冷媒と熱媒体との間で熱交換する熱交換器であり、水あるいは不凍液などの熱媒体を、冷媒によって加熱又は冷却する。
なお、本実施の形態においては、水冷媒熱交換器６は利用側熱交換器に相当し、空気冷媒熱交換器８は熱源側熱交換器に相当する。

送風装置１１は、空気冷媒熱交換器８に空気を搬送し、空気冷媒熱交換器８の熱交換能力を促進する。
一方、熱媒体回路１２は、熱媒体が循環し、循環する熱媒体は、水冷媒熱交換器６で冷媒と熱交換を行う。循環ポンプ１３は、熱媒体回路１２内の熱媒体を強制的に循環させ、水冷媒熱交換器６の上流側に配置される。
中間中継装置２には、熱媒配管３に直列に設けられた流量センサー１４と、熱媒配管３に並列に配置された膨張吸収タンク１５とを有している。膨張吸収タンク１５は密閉式である。
一対の接続ポート３ａは、熱媒配管３と熱媒体回路１２とを接続する。
制御基板１６には、室外機ユニット１の各種アクチュエーターや各種センサー（例えば温度センサー）の制御を行う制御部品が配置される。リモコン１７によって、使用者は室外機ユニット１や中間中継装置２での動作や各種設定を操作する。

図２は、同熱媒体循環装置の室外機ユニットの構成を示し、図２（ａ）は内観正面図、図２（ｂ）は内観側面図、図２（ｃ）は内観上面図を示している。
室外機ユニット１は、底板１ａとカバー１ｂとで筐体を形成し、室外機ユニット１の内部には内部機械室１８と外気連通室１９とが形成される。
室外機ユニット１内は、仕切板２０によって区分し、仕切板２０の一側方を外気連通室１９とし、仕切板２０の他側方を内部機械室１８としている。
外気連通室１９には、空気冷媒熱交換器８及び送風装置１１を配置している。内部機械室１８には、圧縮機５、水冷媒熱交換器６、減圧手段７、循環ポンプ１３、及び四方弁９を配置している。

室外機ユニット１の最下部には底板１ａがあり、この底板１ａの右方の内部機械室１８に圧縮機５が載置されている。
水冷媒熱交換器６はプレート式の熱交換器であり、底板１ａの右後方の位置に載置されている。水冷媒熱交換器６に接続される一対の接続ポート３ａは、筐体の後方で、筐体から外部に延出させている。接続ポート３ａには熱媒配管３が接続される。
図２では、プレート式熱交換器を示しているが、冷媒と熱媒体との間で熱交換ができれば二重管構造の熱交換器でも構わない。
減圧手段である膨張弁７、及び熱媒体の加熱運転と冷却運転を切り替える四方弁９は、圧縮機５の近傍に配され、圧縮機５とともに冷媒回路１０を構成している。

空気冷媒熱交換器８は、底板１ａの左方及び後方に配置されている。空気冷媒熱交換器８は、空気冷媒熱交換器８の最右部から延出させた配管によって、膨張弁７及び四方弁９に接続している。
空気冷媒熱交換器８に対向する位置に、空気を搬送する送風装置１１が配置され、送風装置１１は空気冷媒熱交換器８の熱交換能力を促進している。
循環ポンプ１３は、水冷媒熱交換器６の下方に配置され、熱媒体回路１２内の熱媒体を強制的に循環する。循環ポンプ１３は、水冷媒熱交換器６及び接続ポート３ａと接続されている。
なお、循環ポンプ１３は、熱媒体回路１２内の熱媒体を循環させるものであり、中間中継装置２内に設けてもよい。
内部機械室１８と外気連通室１９とは、仕切板２０で区画されている。仕切板２０は、筐体の前方から筐体の後方に位置する空気冷媒熱交換器８までの間に設けている。
制御基板１６は、仕切板２０上方に載置され、外気連通室１９上方に配された電源ボックス２１内に設けている。

制御基板１６には、圧縮機５をインバーターで駆動するためのＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）１６ａ、ＩＰＭ１６ａを冷却するための放熱フィン１６ｂ、及びインバーターを高効率駆動するための電解コンデンサ１６ｃを有している。ＩＰＭ１６ａや電解コンデンサ１６ｃは放熱部の一つである。放熱フィン１６ｂは、電源ボックス２１から下方に突出しており、送風装置１１で冷却される。
電源ボックス２１は、電源ボックス下２１ａと電源ボックス蓋２１ｂとで略６面体の箱体で構成される。電源ボックス２１は、電源ボックス下２１ａに制御基板１６がセットされた後に、電源ボックス蓋２１ｂで制御基板１６をカバーする。制御基板１６は電源ボックス２１で覆われる。
制御基板１６には、各種アクチュエーターやセンサーのリード線が接続される。これらのリード線によって、外気が電源ボックス２１に流入しないか、又はほとんど流入しないように、電源ボックス２１のリード線通過孔はシールされている。
電源ボックス２１は、僅かに電源ボックス２１の一部分が内部機械室１８の上方に位置するが、電源ボックス２１は内部機械室１８とは完全に区画されている。制御基板１６は外気連通室１９の上方に配置されている。
冷媒回路１０に用いる冷媒は、空気より比重の大きな可燃性冷媒であり、例えばプロパン（Ｒ２９０）である。

以下、図面に基づいて、上記熱媒体循環装置の動作を説明する。
図１では四方弁９を温水を生成する状態にしているので、まずは温水生成運転について説明する。
圧縮機５を運転すると、圧縮機５により高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、四方弁９を通り、水冷媒熱交換器６に送られ、循環ポンプ１３の動力にて熱媒体回路１２を通ってきた低温水と熱交換して放熱する。これにより、低温水は、加熱されて高温水となり、熱媒配管３を通り、中間中継装置２に送られ、中間中継装置２から外部放熱器４に送られ、居室の暖房が行われる。
水冷媒熱交換器６から流出する冷媒は、膨張弁７にて減圧膨張され、蒸発器である空気冷媒熱交換器８に送られ、送風装置１１にて送られた空気と熱交換して、空気冷媒熱交換器８を通過する間に、蒸発してガス化する。
このガス化した冷媒は、四方弁９を通過して圧縮機５に吸入され、再度圧縮される。

この際の冷媒はプロパン（Ｒ２９０)を用いている。プロパンは自然冷媒であり、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が３と非常に低く、将来にわたってフロンガスの規制の対象にはならない。
プロパンはエアコンに用いられており、将来フロンガス規制の対象となる、Ｒ３２（ＧＷＰ：６７５）とは大きく異なり、環境に優しい冷媒である。
また、冷凍性能についても、ＧＷＰの低い炭酸ガス（ＧＷＰ：１）が、冷房性能が著しく低いこととは異なり、暖房性能、冷房性能ともフロンガス系の冷媒とは変わらず、今後の主流となる可能性が高い。

ただ、プロパン冷媒は可燃性冷媒である。
プロパン冷媒は冷媒回路１０内で漏出する可能性があり、冷媒回路１０内の部品に亀裂が生じるなどにより漏出が発生する恐れがある。
制御基板１６は電位のかかった部品が多く、安全性の確保が重要である。
それに対して、制御基板１６を、６面が覆われた電源ボックス２１内に配置し、この電源ボックス２１を、圧縮機５などの冷媒回路１０が配置されている内部機械室１８上方ではなく、外気が通過する外気連通室１９上方に配置していることで、冷媒が電源ボックス２１内に流入することを防ぐことが可能となる。
特に、プロパンはその比重が、１．５６と空気より重いため、漏出した際は室外機ユニット１の下方に溜まりやすいこととなり、室外機ユニット１の上方に配置していることはより有利になる。

ただし、運転中に冷媒回路１０に亀裂が生じた場合、プロパン冷媒が勢いよく噴出し、室外機ユニット１上方まで届く可能性もある。それに対しては、６面を覆った電源ボックス２１内に制御基板１６を配置していることで、電源ボックス２１内に可燃性冷媒が流入することを防ぐことができる。
それにより、可燃性冷媒を用いても、安全に使用できる、ヒートポンプを用いた熱媒体循環装置とすることができる。

また、制御基板１６を室外機ユニット１上方に配置し、制御基板１６を電源ボックス２１で覆うことで、比較的単純な構成で実現でき、コスト面でも安価に安全性を高めることが可能となる。
温水生成を行う熱媒体加熱運転について説明したが、四方弁９を切り替えて、冷媒の流れを変えることで、熱媒体冷却運転も可能となる。この際の、冷媒の漏れた際の挙動は同じであり、安全性を確保できる。

（実施例２）
図３は、本発明の実施例２による熱媒体循環装置の室外機ユニットの構成を示し、図３（ａ）は内観正面図、図３（ｂ）は内観側面図、図３（ｃ）は内観上面図を示している。実施例１と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略し、実施例１と異なる構成を中心に説明する。

制御基板１６は、仕切板２０上方に載置され、外気連通室１９上方に配された電源ボックス２１内に設けている。
制御基板１６には、圧縮機５をインバーターで駆動するためのＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）１６ａ、ＩＰＭ１６ａを冷却するための放熱フィン１６ｂ、及びインバーターを高効率駆動するための電解コンデンサ１６ｃを有している。ＩＰＭ１６ａは放熱部の一つである。放熱フィン１６ｂは、電源ボックス２１から下方に突出しており、送風装置１１で冷却される。
電源ボックス２１は、電源ボックス下２１ａと電源ボックス蓋２１ｂとで略６面体の箱体で構成される。電源ボックス２１は、電源ボックス下２１ａに制御基板１６がセットされた後に、電源ボックス蓋２１ｂで制御基板１６をカバーする。制御基板１６は電源ボックス２１で覆われる。
制御基板１６には、各種アクチュエーターやセンサーのリード線が接続される。これらのリード線によって、外気が電源ボックス２１に流入しないか、又はほとんど流入しないように、電源ボックス２１のリード線通過孔はシールされている。

電源ボックス２１の、内部機械室１８側には、通気ダクト２２が設けられている。
この通気ダクト２２は、電源ボックス２１に固定され、その通気ダクト２２と相対する電源ボックス２１には電源ボックス開口部入口２１ｃが設けられている。
通気ダクト２２は、室外機ユニット１の右側板２３に繋がっており、右側板２３の通気ダクト２２と相対する電源ボックス２１には、右側板開口部入口２３ａが設けられている。
また、電源ボックス２１正面で、外気連通室１９と相対する面には電源ボックス開口部出口２１ｄが設けられている。

ここでも温水生成の運転について説明する。
リモコン１７を操作して、熱媒体循環装置を運転すると、圧縮機５が駆動し、圧縮機５により高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、四方弁９を通り、水冷媒熱交換器６に送られ、循環ポンプ１３の動力にて熱媒体回路１２を通ってきた低温水と熱交換して放熱する。これにより、低温水は、加熱されて高温水となり、熱媒配管３を通り、中間中継装置２に送られ、中間中継装置２から外部放熱器４に送られ、居室の暖房が行われる。
水冷媒熱交換器６から流出する冷媒は、膨張弁７にて減圧膨張され、蒸発器である空気冷媒熱交換器８に送られ、送風装置１１にて送られた空気と熱交換して、空気冷媒熱交換器８を通過する間に、蒸発してガス化する。
このガス化した冷媒は、四方弁９を通過して圧縮機５に吸入され、再度圧縮される。

この際に、ＩＰＭ１６ａや電解コンデンサ１６ｃなどは温度が上昇する。放熱フィン１６ｂは、電源ボックス２１から下方に突出しており、送風装置１１で冷却されるが、それでも不十分な場合がある。特に冷温水生成運転では、外気温が高い状態で行われ、水冷媒熱交換器６が凝縮器となるため、空気冷媒熱交換器８は高温の状態となり、送風装置１１で冷却しても放熱フィン１６ｂを十分冷却できないことがある。
特に、制御基板１６を電源ボックス２１で覆うような構成となっているために、制御基板１６で発生した熱が逃げず、電源ボックス２１が高温となる傾向がある。

一般的にインバーターに用いられるコンデンサの耐久性は、温度依存性があり、温度はその寿命に大きく影響を与える。一般的に温度と寿命の間にはアレニウスの法則が成り立ち、温度が１０℃上昇すると、コンデンサ内に用いられている電解液の蒸発スピードは２倍となり、寿命は１／２となるため、「１０℃２倍則」とも言われている。
一般的な電解コンデンサでは「１０５℃―２０００時間」で規定されていることが多い。しかしながら、２０００時間では１日１０時間で年間１５０日間運転するとすれば、コンデンサの寿命は１年と４か月となり、２年にも満たない。
それに対して、２０℃低い８５℃雰囲気中であれば、倍の倍で８０００時間の寿命となり、さらに１０℃低い７５℃にできれば、１６０００時間の寿命となる。１６０００時間であれば、１日１０時間使用で年間１５０日間運転したとしても１０年以上支障がなく運転できることとなる。
これは一例であるが、他の制御部品も同様の傾向があり、制御基板１６の温度を下げることは、信頼性の面でも、品質の面でも非常に重要であると言える。
それに対して、運転時には必ず動作する送風装置１１に吸引されて、右側板２３の右側板開口部入口２３ａを通過し、通気ダクト２２を通り、電源ボックス２１の電源ボックス開口部入口２１ｃを通過し、電源ボックス２１内の制御基板１６を通過して、電源ボックス２１の電源ボックス開口部出口２１ｄを通る空気の流れ２４を生じさせることができる。

この空気の流れ２４を図示したものが図４である。
この空気の流れ２４によって、制御基板１６を冷却することが可能となり、制御基板１６の温度を下げることができることで、長期間に渡る信頼性の高い熱媒体循環装置とすることができる。
また、この際に冷媒回路１０から可燃性冷媒が漏出したとしても、電源ボックス２１は、６面が覆われており、内部機械室１８にある通気ダクト２２には内部機械室１８に面した開口部はなく、開口部のある右側板開口部入口２３ａや、電源ボックス開口部出口２１ｄは、室外機ユニット１外と連通しているのみであるため、可燃性冷媒に触れることはない。
そのため、可燃性冷媒を用いても安全性を損ねることがなく、安全な熱媒体循環装置とすることができる。

以上のように、本発明は、冷媒回路で熱媒体を加熱や冷却する熱媒体循環装置に適用され、例えば、家庭用や業務用の冷暖房機器などに適している。

１ 室外機ユニット
１ａ 底板
１ｂ カバー
２ 中間中継装置
３ 熱媒配管
３ａ 接続ポート
４ 外部放熱器
５ 圧縮機
６ 水冷媒熱交換器（利用側熱交換器）
６ａ 冷媒管
６ｂ 熱媒体管
７ 膨張弁（減圧手段）
８ 空気冷媒熱交換器（熱源側熱交換器）
９ 四方弁
１０ 冷媒回路
１１ 送風装置
１２ 熱媒体回路
１３ 循環ポンプ
１４ 流量センサー
１５ 膨張吸収タンク
１６ 制御基板
１６ａ ＩＰＭ
１６ｂ 放熱フィン
１６ｃ 電解コンデンサ
１７ リモコン
１８ 内部機械室
１９ 外気連通室
２０ 仕切板
２１ 電源ボックス
２１ａ 電源ボックス下
２１ｂ 電源ボックス蓋
２１ｃ 電源ボックス開口部入口
２１ｄ 電源ボックス開口部出口
２２ 通気ダクト
２３ 右側板
２３ａ 右側板開口部入口
２４ 空気の流れ

Claims (3)

1. 圧縮機、利用側熱交換器、減圧手段、及び熱源側熱交換器を接続して冷媒を循環させる冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器に接続される熱媒体回路と、
   前記熱源側熱交換器と熱交換するための空気風を発する送風装置と、
   前記圧縮機、前記減圧手段、及び前記送風装置の動作を制御する制御基板と
   を室外機ユニットに備え、
   前記室外機ユニット内を、仕切板によって区分し、
   前記仕切板の一側方を外気連通室とし、
   前記仕切板の他側方を内部機械室とし、
   前記外気連通室に、前記熱源側熱交換器及び前記送風装置を配置し、
   前記内部機械室に、前記圧縮機、前記利用側熱交換器、及び前記減圧手段を配置した
   熱媒体循環装置であって、
   前記冷媒を、空気より比重の大きな可燃性冷媒とし、
   前記制御基板を電源ボックスに収納し、
   前記電源ボックスを、前記送風装置の上方に配置し、
   前記電源ボックス内は前記内部機械室と連通しない
   ことを特徴とする熱媒体循環装置。
2. 前記制御基板には放熱部を有し、
   前記電源ボックスに、前記室外機ユニット外から前記電源ボックス内に前記空気を取り入れる通気ダクトと、前記電源ボックス内の前記空気を前記電源ボックス外に排出する出口部とを設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の熱媒体循環装置。
3. 前記制御基板を、前記外気連通室に配置した
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱媒体循環装置。
   
   

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