JP5419437B2 - 空調複合給湯装置 - Google Patents

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Description

この発明は、空調機能を有する冷媒回路と給湯機能を有する冷媒回路を備えた空調複合給湯装置に係り、詳しくは、密閉された空間に設置される給湯用冷媒回路の発熱電子部品の冷却に関するものである。
従来、冷媒回路を駆動制御する各種電子部品を収容した電気品箱では、電子部品からの発熱による昇温を回避するために、電気品箱内を冷却する構成が採用されてきた。
例えば下記の特許文献1では、電気品箱の冷却ファンを運転することにより、空気調和装置の冷媒回路部の空気を電気品箱内に取り込んで電気品箱内を冷却し、暖まった空気を空気冷却用熱交換器に通して冷却したのち、空気調和装置の筐体内部の冷媒回路部に送り込んで筐体内部全体を冷却するようにしたものが開示されている。
また、例えば下記の特許文献2では、冷凍サイクルを行う冷媒回路と、電装品を収納した電装品箱と、冷媒回路の冷媒を流して電装品箱内を冷却する冷却用配管と、電装品箱と冷却用配管との間に設けられていて冷却用配管を流れる冷媒の冷熱を蓄熱する蓄熱層とを備えたものが開示されている。
特開平5−322224号公報 特開2008−2741号公報
しかしながら、上記特許文献1の電気品箱の構成では、電気品箱を冷却するための媒体が空気を含むものであるため、構造が大型化するという問題がある。また、機械室など密閉された空間に設置した場合、温まった空気がその密閉空間に溜まってしまうため、周囲温度が上昇するという問題があった。また、冷媒冷却方式であるので、冷媒温度が低い場合には冷却対象が冷えすぎて、電子部品に結露を生じるおそれがある。
一方、上記特許文献2の電気品箱の構成では、電気品箱を冷却するために、空調の冷却に使用すべき能力の一部を電気品箱冷却用蓄熱材に用いざるを得ないことから、元来の冷房能力が低下してしまうという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、空調用冷媒が循環する空調用冷凍サイクルと、給湯用冷媒が循環する給湯用冷凍サイクルとを有する空調複合給湯装置において、給湯用冷凍サイクルの給湯用圧縮機を制御するインバータを搭載した半導体装置から発生した排熱を、加熱したい負荷である水に与えることにより、その排熱を利用し、なおかつ空調能力を低下させることなく半導体装置を100℃以下に冷却することを目的とする。
この発明に係る空調複合給湯装置は、給湯用圧縮機、水−冷媒熱交換器、給湯用絞り手段、および冷媒−冷媒熱交換器を有して給湯用冷媒が循環し、前記水−冷媒熱交換器にて給湯用冷媒により水を加熱するように構成された給湯用冷凍サイクルと、空調用圧縮機、冷房運転または暖房運転を行なう空調用室内熱交換器、空調用絞り手段、室外熱交換器、前記冷媒−冷媒熱交換器、および給湯熱源用絞り手段を有し、前記空調用絞り手段が前記空調用室内熱交換器と直列に配置され、前記給湯熱源用絞り手段が前記冷媒−冷媒熱交換器と直列に配置され、前記空調用室内熱交換器と前記冷媒−冷媒熱交換器とが互いに並列に配置されるように構成されて空調用冷媒が循環する空調用冷凍サイクルと、前記水−冷媒熱交換器の水配管と前記冷媒−冷媒熱交換器出側の冷媒配管との間で熱交換を行なう水−冷媒サブ熱交換器とを備えてなり、前記給湯用冷凍サイクルの給湯用圧縮機を駆動制御するインバータ制御回路を搭載した半導体装置を、前記水−冷媒サブ熱交換器に取り付けたことを特徴とするものである。尚、本発明で言うインバータ制御回路は、直流電力を交流電力に変換して給湯用圧縮機を制御する半導体素子を搭載した電力変換装置のことである。
この発明の空調複合給湯装置は、給湯用圧縮機を駆動制御するインバータ制御回路を搭載した半導体装置を水−冷媒熱交換器に直接接続するという構成にしたので、半導体装置からの排熱の伝達効率を向上させて小型で効率よく半導体装置を冷却できるという効果を有する。そして、この発明の空調複合給湯装置は、給湯用冷凍サイクルを駆動制御する半導体装置の排熱を最終的に温水の温度上昇のために有効に利用できるという効果を有する。また、半導体装置の排熱を伝達する部分はいずれも常に周囲空気温度以上となる温度の部分であるため、冷えすぎにより半導体装置が結露などを生じるおそれはない。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における空調複合給湯装置の全体構成を示す冷媒回路図、図2はこの発明の実施の形態1における給湯負荷で半導体装置の排熱を水−冷媒熱交換器に与える態様を示した図、図3はこの発明の実施の形態1における圧縮機制御用の電源装置を示したブロック構成図、図4はこの発明の実施の形態1における水−冷媒熱交換器への半導体装置の取付態様を示した図である。以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて詳細に説明する。
図1に示した空調複合給湯装置は、空調用冷媒が循環する空調用冷凍サイクル1と、給湯用冷媒が循環する給湯用冷凍サイクル2と、湯水が循環する給湯負荷3とから構成されている。
空調用冷凍サイクル1は、熱源機Aと、互いに並列接続された室内機B、Cと、給湯熱源用回路Dと、熱源機Aと室内機B、C、給湯熱源用回路Dとを接続する中継機Eとから構成されている。
熱源機Aは、空調用圧縮機101、空調用圧縮機101に接続されて冷媒の流通方向を切り換える四方弁102、室外熱交換器103、および、四方弁102と空調用圧縮機101との間に接続されたアキュムレータ104から主に構成される。更に、逆止弁105a、逆止弁105b、逆止弁105c、及び逆止弁105dを有している。逆止弁105aは、室外熱交換器103と高圧側接続配管106との間に設けられ、室外熱交換器103から高圧側接続配管106の方向へのみ冷媒の流通を許容する。逆止弁105bは、四方弁102と低圧側接続配管107との間に設けられ、低圧側接続配管107から四方弁102の方向へのみ冷媒の流通を許容する。逆止弁105cは、四方弁102と高圧側接続配管106との間に設けられ、四方弁102から高圧側接続配管106の方向へのみ冷媒の流通を許容する。逆止弁105dは、室外熱交換器103と低圧側接続配管107との間に設けられ、低圧側接続配管107から室外熱交換器103の方向へのみ冷媒の流通を許容するようになっている。
また、室内機B、Cは、それぞれ、空調用の室内熱交換器118と、各室内熱交換器118に近接して直列接続された空調用絞り手段117とを備えている。空調用絞り手段117は、冷房時には室内熱交換器118の出口側の冷媒の過熱度により、暖房時には同じく出口側の冷媒の過冷却度により、各空調用絞り手段117を流れる冷媒の流量を制御する。給湯熱源用回路Dは、給湯用冷凍サイクル2と共有する冷媒−冷媒熱交換器41の片側の冷媒流路と、冷媒−冷媒熱交換器41に近接して前記片側の冷媒流路に直列接続された給湯熱源用絞り手段119とを備えている。給湯熱源用回路Dは各室内熱交換器118と互いに並列に配置されている。
中継機Eは、四方弁102と接続された低圧側接続配管107、および室外熱交換器103と接続され低圧側接続配管107よりも細い高圧側接続配管106によって熱源機Aと接続される。また、室内機B、Cの各室内熱交換器118と接続された室内機側の接続配管107a、107a、・・および室内機B、Cの各空調用絞り手段117に接続された室内機側の接続配管117a、117a、・・によって各室内機B、Cと接続され、給湯熱源側の接続配管107aおよび給湯熱源用絞り手段119に接続された接続配管117aによって給湯熱源用回路Dと接続される。
第一の分配部109は、室内機側および給湯熱源側の接続配管107a、107a、・・・を、低圧側接続配管107または高圧側接続配管106に選択的に接続するものである。この第一の分配部109は、一端が室内機側および給湯熱源側の接続配管107a、107a、・・・にそれぞれ接続され、他端が一括されて低圧側接続配管107に接続された5個の弁手段109aと、一端が室内機側および給湯熱源側の接続配管107a、107a、・・・にそれぞれ接続され、他端が一括されて高圧側接続配管106に接続された5個の弁手段109bとを備えている。弁手段109aを開路、弁手段109bを閉路することにより、室内機側および給湯熱源側の接続配管107a、107a、・・・を低圧側接続配管107に接続し、弁手段109aを閉路、弁手段109bを開路することにより、室内機側および給湯熱源側の接続配管107a、107a、・・・を高圧側接続配管106に接続するようになっている。
気液分離器108は高圧側接続配管106の途中に設けられ、その気相部は、第一の分配部109の弁手段109aに接続され、その液相部は第二の分配部110に接続されている。
第一の中継機用絞り手段112は気液分離器108と第二の分配部110との間に接続され、開閉が自在である。バイパス配管114aは第二の分配部110と低圧側接続配管107とを結んでいる。第二の中継機用絞り手段114はバイパス配管114aの途中に設けられている。第二の内部熱交換器113は、バイパス配管114aにおける第二の中継機用絞り手段114の下流部分と、第一の中継機用絞り手段112から第2の分配部110の第二の会合部116に至る配管との間で熱交換を行うものである。一方、第一の内部熱交換器111は、バイパス配管114aにおける第二の内部熱交換器113の下流部分と、気液分離器108と、第一の中継機用絞り手段112を接続する配管との間で熱交換を行う。
給湯用冷凍サイクル2は、給湯用圧縮機21と、空調用冷凍サイクル1と共有する冷媒−冷媒熱交換器41と、給湯用絞り手段22と、給湯負荷3と共有する水−冷媒熱交換器51とから回路状に構成されている。この給湯用冷凍サイクル2では、給湯用冷媒が循環し、水−冷媒熱交換器51にて給湯負荷3の水を加熱して湯を生成するようになっている。空調用冷凍サイクル1および給湯用冷凍サイクル2の各機器は冷媒配管を介して接続されている。
給湯負荷3は、水循環用ポンプ31と、上記した水−冷媒熱交換器51と、貯湯タンク32とから回路状に構成されている。これらの機器は銅管、ステンレス管、鋼管、塩化ビニル系配管などを介して接続されている。
そして、図2に示すように、給湯用冷凍サイクル2の給湯用圧縮機21を駆動制御する半導体装置63が、水−冷媒熱交換器51の表面に直に取り付けられている。この例において、図3に示すように、圧縮機制御用の電源装置(インバータ基板)61は、整流回路、電力昇圧装置、および電力変換装置とから構成されている。電力変換装置は、インバータ制御回路631を搭載した半導体装置63と電力制御装置とから構成されている。半導体装置63はスイッチング用パワー素子(ダイオード、トランジスタなど)をモジュール化(パワーモジュール)させ、パワー半導体デバイスのスイッチ動作によって、電力の変換を行う装置である。電力制御装置は半導体電力変換装置に目的の電圧、電流、周波数の信号を出力させるための制御装置である。半導体装置63では、入力が整流装置により交流から直流に変換され、直流信号が電力変換装置により直流信号から交流信号に変換される。このとき、圧縮機制御用の電源装置61は信号を目的の電圧、電流、周波数などに変換し、負荷を動作させるようになっている。尚、半導体装置63は作動により発熱する。また、整流回路付きの電力昇圧装置も発熱はするが、冷却が必要なほどの発熱はしない。
また、この例において、水−冷媒熱交換器51は、図4のように、内部が空洞になった2次冷媒側扁平管511と水側扁平管512を張り合わせて、扁平管511、512の両端に配管516、517、514、515を接続して扁平管と配管を溶接して接続し、複数の張り合わせた扁平管511、512間で熱交換を行なう。半導体装置63は水側扁平管512に圧縮機制御用の電源装置61を固定するための金属板513をろう付けして、半導体装置63を金属板513に接触させてインバータ取り付け手段64で圧縮機制御用の電源装置61を固定する。半導体装置63は複数の張り合わせた扁平管に多くの熱が伝達する箇所(例えば、複数の張り合わせた扁平管の中央部分)に固定される。水側扁平管512は貯湯タンク32と水循環用ポンプ31との間、2次冷媒側扁平管511は給湯用圧縮機21と給湯用絞り手段22との間に構成される。第1の温度センサ518は半導体装置63の内部温度との相関の得られる位置(例えば金属板513における半導体装置63の近傍位置)に取り付けられる。
上記したように構成された空調複合給湯装置の動作を以下に説明する。ここでは、室内機Bが冷房運転を行ない、室内機Cが暖房運転を行ない、給湯熱源用回路Dが給湯に利用される例を説明する。
図1の空調用冷凍サイクル1において、空調用圧縮機101にて圧縮された高温高圧のガス冷媒は四方弁102と逆止弁105cを通り、気液分離器108に入る。気液分離器108の過熱ガス状態の空調用冷媒の一部は、第一の分配部109に入り弁手段109a、109a、・・・のうちで、開いている回路(暖房用の室内機Cと湯熱源用回路D)に分配される。分配された冷媒は暖房用の室内機Cまたは給湯熱源用回路Dを通って放熱し、第一の会合部115にて合流する。
また、気液分離器108に至る過熱ガス状態の空調用冷媒の一部は第一の内部熱交換器111にて、第二の中継機用絞り手段114にて低温低圧に膨張した冷媒と熱交換を行うことにより過冷却度を得る。続いて、第一の中継機用絞り手段112を通り、第一の会合部115を経た空調用冷媒と合流する。合流した冷媒は、第二の内部熱交換器113において、第二の中継機用絞り手段114で低温低圧に膨張した冷媒と熱交換を行うことにより過冷却度を得た後、第二の会合部116を通る冷媒と、バイパス配管114aの第二の中継機用絞り手段114を通る冷媒とに分配される。
第二の会合部116を通る冷媒は、弁手段109bが開いている回路(冷房用の室内機B)に分配され、空調用絞り手段117にて低温低圧に膨張し、冷房用の室内機Bの室内熱交換器118で蒸発して室内空気を冷却したのち、低圧側接続配管107に流入する。
また、第二の中継機用絞り手段114を通った冷媒は、第一、第二の内部熱交換器111、113にて熱交換を行って蒸発し、冷房用の室内機Bを経た冷媒と低圧側接続配管107で合流する。合流した冷媒は逆止弁105dによって室外熱交換器103に導かれ、運転条件によっては残留している液冷媒を蒸発させ、四方弁102、アキュムレータ104を経て空調用圧縮機101へ戻る。
次に、給湯用冷凍サイクル2の動作について説明する。給湯用圧縮機21を出た給湯用冷媒は、水−冷媒熱交換器51にて熱交換により給湯負荷3の水を加熱し、空調用冷凍サイクル1の給湯熱源用回路Dにおける水−冷媒熱交換器51の出口温度以下まで給湯用絞り手段22によって膨張する。膨張した給湯用冷媒は、冷媒−冷媒熱交換器41にて、給湯熱源用回路Dを流れる空調用冷媒から受熱して蒸発し、給湯用圧縮機21へ戻る。
次に、給湯負荷3の動作について説明する。貯湯タンク32の底部から比較的低温の状態で出た水は、水循環用ポンプ31にて加圧され、水−冷媒熱交換器51にて給湯用冷媒と熱交換して加熱された後、貯湯タンク32へ戻る。
そして、給湯用冷凍サイクル2では、インバータ制御回路631を搭載した半導体装置63が動作して給湯用圧縮機21が駆動し、半導体装置63はインバータとして動作して発熱し、装置温度が上昇する。半導体装置63の排熱は金属板513を介して水側扁平管512に与えられ、熱を与えられた水側扁平管512の給湯負荷3の温水は貯湯タンク32へ流れ、循環する。
このとき、半導体装置63の発熱とともに水−冷媒熱交換器51の水側扁平管512の温度も上昇する。第1の温度センサ518の検出値が、半導体装置63を保護するために予め設定されている上限温度よりも高くなると、給湯用圧縮機21を停止させて半導体装置63の温度低下を待つ。その間、空調用冷凍サイクル1も運転を抑制する。第1の温度センサ518の検出値が設定温度よりも低下すると、給湯用圧縮機21が動作して水−冷媒熱交換器51を通じて水側扁平管512に熱を供給し、再び目標温度に到達させる動作を行う。
以上のように、半導体装置63の排熱は空気を介さずに直接、水−冷媒熱交換器51に伝達されるため、半導体装置63の排熱を効率よく温水に利用できる。
一般に、給湯用冷媒サイクル2および給湯負荷3は、密閉された空間である機械室などに設置されることが多いため、給湯用圧縮機21の動作時に半導体装置63が周囲空気に対して排熱を続けると排熱が機械室に溜まりやすい。しかしながら、本実施形態の空調複合給湯装置によれば、半導体装置63からの排熱が機械室に溜まることを防ぐことができる。
金属板513に半導体装置63を直に接触させ、排熱を水−冷媒熱交換器51に直に伝導することができるので、半導体装置63に風を送って冷却する必要がない。そのためにファンとヒートシンクを撤去できるから、信頼性が向上すると共にコストの低減ができる。
金属板513に半導体装置63を直に接触させ、空気を介さず排熱を水−冷媒熱交換器51に直接伝導するので、電気品箱の形状を小型化することができる。
給湯負荷3は温水のみの利用であるため、水−冷媒熱交換器51に排熱を与えれば与えるほど温水の加熱に貢献できるので、排熱を有効利用することができ、給湯用冷凍サイクル2の給湯用圧縮機21に出力されるインバータ制御回路631を搭載した半導体装置63からの運転周波数を下げることもできる。
半導体装置63の排熱を水側扁平管512に与えることによって空調用冷凍サイクル1や給湯用冷凍サイクル2は運転を抑制するため、それぞれのサイクル1、2から余分な熱が発生することを防ぐことができる。給湯負荷3の水温は半導体装置63から熱を与え続けられるため、急激に温度低下することを防ぐことができる。
この空調複合給湯装置は、温水を概ね90℃以下(本実施の形態では最大70℃)に加熱する装置であるため、水−冷媒熱交換器51などが比較的高温ではあっても半導体装置63を100℃以下に冷却することは可能である。また、給湯負荷3の温水温度は70℃と常に周囲空気温度よりも高いため、冷えすぎにより半導体装置63が結露することがない。
尚、図1において、第二の分配部110の逆止弁110a、110bは、電磁弁のような弁手段で代用することによって、より確実に流路切り替えを行なうようにすることも可能である。
また、第一の中継機用絞り手段112、第二の中継機用絞り手段114、空調用絞り手段117、給湯熱源用絞り手段119、給湯用絞り手段22は、毛細管等からなる安価な冷媒流量調節手段、あるいは電子膨張弁による緻密な流量制御手段のいずれを使用することもできる。
また、空調用圧縮機101はレシプロ、ロータリー、スクロール、スクリューなどの各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能のものでも、回転数固定のものを用いても原理的には変わらない。給湯用圧縮機21も同様であるが、給湯用圧縮機21は回転数可変の物を想定し、可変手段としての圧縮機制御用の電源装置61が電気品箱内に搭載されている。
また、空調用冷凍サイクル1と給湯用冷凍サイクル2の回路内を流れる冷媒の種類は、二酸化炭素、炭化水素、ヘリウム、のような自然冷媒、HFC410A、HFC407C、HFC404Aなどの代替冷媒など塩素を含まない冷媒、若しくは既存の製品に使用されているR22、R134aなどのフロン系冷媒のいずれを使用してもよい。
また、空調用冷凍サイクル1と給湯用冷凍サイクル2とは、それぞれ独立した冷媒回路になっているが、内部を流れる冷媒は同じ種類のものでもよいし、別の種類のものでも構わない。すなわち、それぞれ混ざることなく冷媒−冷媒熱交換器41、水−冷媒熱交換器51にて互いに熱交換をするように構成される。
また、空調用冷凍サイクル1において余剰冷媒を受液器によって貯蔵する場合を示したが、これに限るものではなく、冷凍サイクルにおいて放熱器となる熱交換器にて貯蔵することとして受液器を取り除いてもよい。
尚、図5に示すように、半導体装置63を冷媒−冷媒熱交換器41の表面に直に取り付けても構わない。これにより、半導体装置63の排熱が冷媒−冷媒熱交換器41に与えられて半導体装置63が冷却される。
このような構成では、第1の温度センサ518の検出値が、半導体装置63を保護するために予め設定されている上限温度よりも高くなると、給湯用圧縮機21を停止させて半導体装置63の温度低下を待つ。その間、空調用冷凍サイクル1も運転を抑制し、余分な熱を発生させない。上限温度よりも第1の温度センサ519の検出値が低くなると、給湯用圧縮機21が動作して半導体装置63が発熱し、冷媒−冷媒熱交換器41に排熱が供給される。
従って、半導体装置63の排熱が冷媒−冷媒熱交換器41に与えられて半導体装置63が冷却される。すなわち、図2に示した構成の場合と同様の効果が得られる。
また、図2に示した水−冷媒熱交換器51に排熱を与える場合よりも半導体装置63を冷媒により低温で冷却できるため、半導体装置63の半導体の寿命を延ばすことができる。
尚、図1にて、冷房用の室内機Bと暖房用の室内機Cとがそれぞれ2台以上の場合について図示しているが、図1では冷房用の室内機Bが1台以上、暖房用の室内機Cが無いか若しくは1台以上であってもよい。また、それぞれの室内機B、Cは容量が大から小まで異なっていても、全てが同一でもよい。
排熱を生じる熱媒体は半導体装置63であるが、半導体装置63が複数であってもかまわない。上記の場合、半導体装置63の排熱を水−冷媒熱交換器51のよく伝達できる位置に取り付けるものとする。また、発熱する媒体は金属板513に取り付け得る形状、構造の電子部品(例えば、ダイオード、トランスなど)ならば何でもよい。
第1の温度センサ518は、圧縮機制御用の電源装置61を固定するための金属板513に取り付け可能な形状、構造を有し、かつ、半導体装置63の動作温度の上限から下限までを測定できる温度範囲のセンサであればよい。
半導体装置63を固定する金属板513はアルミニウムなどのように熱伝導率が高い材質で圧縮機制御用の電源装置61を支えられる強度があるものならば何でもよい。
また、この実施の形態においては、給湯用冷凍サイクル2により水−冷媒熱交換器51で加熱される媒体として、給湯負荷3で循環する水を例示したが、本発明に言う「水」とは純然たる水に限るものでなく、加熱されても支障のない純水以外の液体も含むものである。
尚、半導体装置63が取り付けられる熱交換器としては、図6(a)〜(d)に示すような種々の構成が例示される。例えば、(a)に示すように、銅製の扁平角管H(上記した扁平管511,512に相当)の2つをろう付けなどで貼り合わせたものであり、片面に金属板513がろう付けなどで接着される。この構成は水−冷媒熱交換器51以外に、冷媒−冷媒熱交換器41や、後述する水−冷媒サブ熱交換器9に適用可能である。(b)に示すものは、板状に形成されたアルミ成型多孔管Iの片面に、円管を押し潰した形状の楕円管J、J、・・・がろう付けなどで接着され、更に楕円管J、J、・・・に金属板513がろう付けなどで接着されたものである。この構成は水−冷媒熱交換器51以外に水−冷媒サブ熱交換器9に適用可能である。(c)に示すものは、(b)とは逆に、楕円管J、J、・・・がろう付けなどで接着されたアルミ成型多孔管Iの他面に、金属板513がろう付けなどで接着されたものである。この構成も水−冷媒熱交換器51以外に水−冷媒サブ熱交換器9に適用可能である。(d)に示すものは、アルミ成型多孔管Iの2つがろう付けなどで接着されたものである。この構成は冷媒−冷媒熱交換器41に適用可能である。
実施の形態2.
上記した実施の形態1では、半導体装置63の排熱を熱交換器51、41に与えるようにしたが、この実施形態2では半導体装置63の排熱を配管に与える空調複合給湯装置について説明する。
図7に示すように、半導体装置63は水−冷媒熱交換器51の出口側水配管34に取り付けられている。半導体装置63は、図8に示すように、両端に配管342、343を接続した複数の扁平管341、341、・・・に取り付けられる。この半導体装置63は、扁平管341に圧縮機制御用の電源装置61を固定するための金属板513をろう付けして、半導体装置63を金属板513に接触させてインバータ取り付け手段で圧縮機制御用の電源装置61を固定する。扁平管341は水−冷媒熱交換器51と貯湯タンク32との間に構成される。半導体装置63の内部温度との相関の得られる位置(例えば金属板513における半導体装置63の近傍位置)に第2の温度センサ519が取り付けられる。
この実施形態における空調用冷凍サイクル1、給湯用冷凍サイクル2、および給湯負荷3も実施形態1と同様の動作を行なう。
そして、第2の温度センサ519の検出値が、半導体装置63を保護するために予め設定されている上限温度より高くなると、給湯用圧縮機21を停止させて半導体装置63の温度低下を待つ。その間、空調用冷凍サイクル1も運転を抑制し、余分な熱を発生しない。給湯負荷3の水温は半導体装置63から熱を与え続けられるため、急激に温度が低下することがない。設定温度よりも第2の温度センサ519の検出値が低下すると、給湯用圧縮機21が動作して出口側水配管34の扁平管341に熱を供給して、再び目標温度に到達させる動作を行う。
一般に、給湯用冷凍サイクル2や給湯負荷3は、密閉された空間である機械室に設置されるため、圧縮機21の動作時に半導体装置63が周囲空気に対して排熱を続けると排熱が機械室に溜まってしまう。しかしながら、本実施形態の装置であれば、排熱が機械室に溜まることを防ぐことができる。
半導体装置63を直に金属板513に接触させているため、排熱を直に水配管34、33に伝達することができるので、半導体装置63に風を送って冷却する必要がない。そのためにファンとヒートシンクが撤去できるため、信頼性が向上すると共にコストの低減ができる。また、半導体装置63を取り付ける場所の自由度が高くなる。
給湯負荷3は温水のみの利用であるため、水配管34、33に排熱を与えれば与えるほど温水の加熱に貢献できるので、排熱を有効利用することができ、給湯用冷凍サイクル2の圧縮機21に出力されるインバータ制御回路631を搭載した半導体装置63からの運転周波数を下げることもできる。
水−冷媒熱交換器51から排出される温水は最大70℃に対して排熱するのみで熱交換器など他の部品へ熱を伝える等の影響はない。
この空調複合給湯装置は、温水を概ね90℃以下(実施の形態では最大70℃)に加熱する装置であるため、水−冷媒熱交換器の出口側配管なども高温ではあるが、半導体装置63を100℃以下に冷却することは可能である。また、給湯負荷3の温水温度は常に周囲空気温度よりも高いため、冷えすぎによる半導体装置63の結露を生じることがない。
水側扁平管341は楕円状の配管など圧縮機制御用の電源装置61を固定するための金属板513がろう付けで固定され得る金属配管ならば形状は何でもよい。ただし、水配管と圧縮機制御用の電源装置61を固定するための金属板513の接触面積が小さい形状であると、排熱を配管に伝達する効率が悪くなるため、接触面積が大きい形状の配管の方がよい。
排熱を与える場所、すなわち半導体装置63を取り付ける場所は、この例では水−冷媒熱交換器51の出口側水配管34としたが、水−冷媒熱交換器51の入口側水配管33でも構わない。
尚、半導体装置63が取り付けられる配管としては、図9(a)〜(c)に示すような種々の構成が例示される。例えば、(a)に示すように、銅製の扁平角管H(上記した扁平管511または512に相当)をろう付けなどで金属板513に接着したものである。この構成は水−冷媒熱交換器51の出口側水配管33,34以外に、冷媒−冷媒熱交換器41の出口側冷媒配管24に適用可能である。(b)に示すものは、楕円管Jをろう付けなどで金属板513に接着したものである。この構成も水−冷媒熱交換器51の出口側水配管34に適用可能である。(c)に示すものは、アルミ成型多孔管Iをろう付けなどで金属板513に接着したものである。この構成は冷媒−冷媒熱交換器41の出口側冷媒配管24に適用可能である。
尚、半導体装置63の排熱を図10のように冷媒−冷媒熱交換器41の出口側冷媒配管24、もしくは入口側冷媒配管23に与えるようにして、半導体装置63を冷却してもよい。
上記の場合、第2の温度センサ519の検出値が、半導体装置63を保護するために予め設定されている上限温度より高くなるとき、給湯用圧縮機21を停止させて半導体装置63の温度低下を待つ。その間、空調用冷凍サイクル1も運転を抑制し、余分な熱を発生させない。上限温度よりも第2の温度センサ519の検出値が低下すると、給湯用圧縮機21が動作して半導体装置63が発熱し、冷媒配管24、23に排熱を供給する。この場合も、半導体装置63の排熱が冷媒−冷媒熱交換器41に与えられて半導体装置63が冷却され、図2に示した構成と同様の効果が得られる。
また、水−冷媒熱交換器51に接続されている水配管34、33に排熱を与えるときよりも半導体装置63を冷媒により低温で冷却できるため、半導体装置63の半導体の寿命を延ばすことができる。
実施の形態3.
以上の実施の形態1、2では半導体装置63を熱交換器や配管の1箇所に接続したが、この実施形態では給湯用冷凍サイクル2と給湯用負荷3の配管の双方に半導体装置63の排熱を与えるようにした空調複合給湯装置を図11により説明する。
この実施形態の給湯用冷凍サイクル7は、給湯用圧縮機21と、水−冷媒熱交換器51と、給湯用絞り手段22と、冷媒−冷媒熱交換器41と、弁手段71と、逆止弁72と、逆止弁73と、水−冷媒サブ熱交換器9とによって構成される。給湯負荷8は、水循環用ポンプ31と、水−冷媒熱交換器51と、弁手段81と、逆止弁82と、逆止弁83と、貯湯タンク32とによって構成される。
水−冷媒サブ熱交換器9は、冷媒−冷媒熱交換器41出側から給湯用圧縮機21入側までの出口側冷媒配管24に並列に接続された並列冷媒配管241と、水−冷媒熱交換器51出側から貯湯タンク32までの出口側水配管34に並列に接続された並列水配管344との間で熱交換を行なうように構成されている。水−冷媒サブ熱交換器9入側の並列冷媒配管241に弁手段71が配備されている。水−冷媒サブ熱交換器9出側の並列冷媒配管241に、水−冷媒サブ熱交換器9から流出する方向にのみ冷媒の流れを許容する逆止弁72が配備されている。並列冷媒配管241の分岐位置と合流位置の間における出口側冷媒配管24に、給湯用圧縮機21に向かう方向にのみ冷媒の流れを許容する逆止弁73が配備されている。水−冷媒サブ熱交換器9入側の並列水配管344に弁手段81が配備されている。水−冷媒サブ熱交換器9出側の並列水配管344に、水−冷媒サブ熱交換器9から流出する方向にのみ水の流れを許容する逆止弁82が配備されている。並列水配管344の分岐位置と合流位置の間における出口側水配管34に、貯湯タンク32に向かう方向にのみ水の流れを許容する逆止弁83が配備されている。給湯用冷凍サイクル7の給湯用圧縮機21を駆動制御するインバータ制御回路631を搭載した半導体装置63が、水−冷媒サブ熱交換器9の表面に取り付けられている。
水−冷媒サブ熱交換器9は、2次冷媒側扁平管511と水側扁平管512を張り合わせて、扁平管511、512の両端にそれぞれ配管516、517、514、515を接続し、扁平管511、512間で熱交換をする。半導体装置63は水側扁平管512にインバータ制御回路631を搭載した半導体装置63を固定するための金属板513をろう付けして、半導体装置63を金属板513に接触させてインバータ取り付け手段で半導体装置63を固定する。水側扁平管512は水−冷媒熱交換器51と貯湯タンク32との間、2次冷媒側扁平管511は冷媒−冷媒熱交換器41と給湯用圧縮機21との間に構成される。半導体装置63の内部温度との相関の得られる位置(例えば金属板513の半導体装置63の近傍位置)に第3の温度センサ520が取り付けられる。
給湯用冷凍サイクル7では、給湯用圧縮機21を出た給湯用冷媒が、水−冷媒熱交換器51にて水を加熱して熱交換し、給湯用絞り手段22にて空調用冷凍サイクル1の給湯熱源用回路Dにおける水−冷媒熱交換器51の出口温度以下まで膨張し、冷媒−冷媒熱交換器41にて、給湯熱源用回路Dを流れる空調用冷媒から受熱して蒸発し、弁手段71を通り、水−冷媒サブ熱交換器9で排熱を受熱し、逆止弁72に導かれて給湯用圧縮機21へ戻る。また、冷媒−冷媒熱交換器41から蒸発した冷媒は弁手段71を通らずに逆止弁73に導かれて逆止弁72から流れる冷媒と合流し、給湯用圧縮機21へ戻る。上記の各機器は冷媒配管を介して接続されている。
給湯負荷8においては、比較的低温の状態で貯湯タンク32の底部を出た水は、水循環用ポンプ31にて加圧され、水−冷媒熱交換器51にて給湯用冷媒にて熱交換した後、弁手段81を通り、水−冷媒熱交換器9で排熱を受熱し、逆止弁82に導かれて、貯湯タンク32へ戻る。また、冷媒−冷媒熱交換器51から蒸発した冷媒は弁手段81を通らずに逆止弁73に導かれて逆止弁82から流れる冷媒と合流し、貯湯タンク32へ戻る。上記の各機器は銅管、ステンレス管、鋼管、塩化ビニル系配管などを介して接続されている。
そして、給湯用圧縮機21を動作させるために、半導体装置63はインバータ回路として動作して発熱し、半導体装置63の温度が上昇する。半導体装置63の排熱は金属板513を介して水側扁平管512に与えられ、熱を与えられた水側扁平管512の給湯負荷8の温水は給湯負荷8の貯湯タンク32へ流入し、更に循環する。このとき、冷媒−冷媒熱交換器41に接続されている弁手段71と逆止弁72は閉じた状態である。給湯負荷8の弁手段81と逆止弁82が閉じられ、給湯用冷凍サイクル7の弁手段71と逆止弁72が開けられると、半導体装置63の排熱は給湯用冷凍サイクル7の冷媒−冷媒熱交換器41の出口側冷媒配管24に与えられる。
ここで、この実施形態における空調複合給湯装置の制御動作を、図12の制御フローチャートを用いて説明する。まず、運転の初期状態として、弁手段71、逆止弁72、逆止弁73、逆止弁83が開かれ、弁手段81と逆止弁82が閉じられ(ステップS1)、給湯用圧縮機21が駆動されて(ステップS2)、給湯用冷凍サイクル7が運転される。そして、給湯用冷凍サイクル7の運転中に、弁手段81と逆止弁82が開けられ、弁手段71と逆止弁72が閉じられて水−冷媒サブ熱交換器9から温水に排熱が与えられる。そうして、第3の温度センサ520の検出値が、半導体装置63を保護するために予め設定されている上限温度よりも高くなった場合(ステップS3のY)、目標周波数から所定値△F分減らした周波数を出力して給湯用圧縮機21を減速させ(ステップS4)、弁手段71と逆止弁72を開け(ステップS5)、弁手段81と逆止弁82を閉じ、半導体装置63の排熱を冷媒−冷媒熱交換器41の出口側冷媒配管24に与えて半導体装置63の温度低下を待つ。一方、設定温度(上限値)よりも第3の温度センサ520の検出値が低い場合は(ステップS3のN)、給湯用圧縮機21を目標周波数で作動させたまま(ステップS6)、弁手段81と逆止弁82を開け、弁手段71と逆止弁72を閉じさせることにより(ステップS7)、排熱を水−冷媒熱交換器51の出口側水配管34に供給して再び目標温度に到達させる動作を行うのである。
以上のように、半導体装置63の排熱が空気を介さずに直接、水−冷媒サブ熱交換器9に伝達されるため、効率よく排熱を温水に利用できる。また、上記のように、第3の温度センサ520の検出温度がその上限値に到達した場合に、減らした目標周波数で給湯用圧縮機21を運転することで半導体装置63の温度上昇を防ぐことができる。
尚、図12のフローチャートでは、第3の温度センサ520の検出値が上限値に達したときに給湯用圧縮機21を減速させる方法を示したが、そのときに給湯用圧縮機21を停止させる制御方法であっても構わない。
一般に、給湯用冷凍サイクル2と給湯負荷3は、密閉された空間である機械室などに設置されることが多いため、給湯用圧縮機21の動作時に半導体装置が周囲空気に対して排熱を続けると排熱が機械室に溜まってしまう。しかしながら、本実施形態の空調複合給湯装置では、半導体装置63からの排熱が機械室に溜まることを防ぐことができる。
水−冷媒サブ熱交換器9に半導体装置63を直に接触させ、排熱を直に水−冷媒サブ熱交換器9に伝導することができるので、半導体装置に風を送って冷却する必要がない。そのために、ファンとヒートシンクが撤去できるため、信頼性が向上する。また、半導体装置63を取り付ける場所の自由度が高くなる。
給湯負荷8は温水のみの利用であるため、水−冷媒サブ熱交換器9に排熱を与えれば与えるほど温水の加熱に貢献できるので、排熱を有効利用することができ、給湯用冷凍サイクル2の給湯用圧縮機21に出力されるインバータ制御回路631を搭載した半導体装置63からの運転周波数を下げることもできる。
半導体装置63の排熱を水側扁平管341に与えることによって空調用冷凍サイクル1や給湯用冷凍サイクル2は運転を抑制するため、それぞれのサイクル1、2から余分な熱が発生することを防ぐことができる。
この空調複合給湯装置は、温水を概ね90℃以下(実施の形態では最大70℃)に過熱する装置であるため、水−冷媒サブ熱交換器9なども比較的高温ではあっても半導体装置63を100℃以下に冷却することは可能である。また、給湯負荷8の温水温度は70℃と常に周囲空気温度よりも高いため、冷えすぎによる半導体装置63の結露を生じることはない。
以上のように、圧縮機動作中に温水に排熱を与え、圧縮機停止中に冷媒配管に排熱を与えるといったように、排熱を与える箇所を変化させることにより、半導体装置63からの排熱を有効利用でき、かつ半導体装置63を効率よく冷却できるという効果を奏する。
尚、半導体装置63は、上記した実施形態1または実施形態2と同様に、冷媒−冷媒熱交換器41、水−冷媒熱交換器51、出口側冷媒配管24、入口側冷媒配管23、出口側水配管34、または入口側水配管33に取り付けることができる。
尚、図11の空調複合給湯装置において、弁手段71としては、絞り手段、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段、あるいは電子膨張弁による緻密な流量制御手段を用いてもよい。
また、逆止弁72、73、82の代わりに、電磁弁のような弁手段を用いてより確実に流路切り替えを行ってもよい。
また、弁手段81の代わりに、毛細管等の安価な流量調節手段、あるいは電子膨張弁による緻密な流量制御手段を用いてもよい。
半導体装置63の排熱は運転の有無に関わらず水−冷媒サブ熱交換器9の水側扁平管、2次冷媒側扁平管、どちらに与えてもよい。また、半導体装置63を2次冷媒側扁平管に取り付けても構わない。
水−冷媒サブ熱交換器9の2次冷媒側扁平管は冷媒−冷媒熱交換器41の2次冷媒入口配管517と2次冷媒出口配管516のうち、どちらの配管と接続されていてもよい。また、水側扁平管512は水−冷媒熱交換器51の入口側水配管514、出口側水配管515のうち、どちらの配管と接続されていてもよい。
実施の形態4.
この実施形態に係る空調複合給湯装置は、図13に示すように、空調用冷凍サイクル1aと、給湯用冷凍サイクル2と、給湯負荷3とから構成されている。
空調用冷凍サイクル1aが、図1に示した空調用冷凍サイクル1と異なるところは、中継機E、逆止弁105a、105b、105c、105dを省略して、室内機BおよびCの双方が冷房のみまたは暖房のみの運転を行なうように構成されていることである。給湯用冷凍サイクル2および給湯負荷3の構成ならびに動作については、図1に示したものと同じである。
このような空調用冷凍サイクル1aを備える空調複合給湯装置の場合は、室内機Bおよび室内機Cで冷房運転または暖房運転のいずれかしか行なえないが、半導体装置63からの排熱を回収させることはできる。更に、空調用冷凍サイクル1aの四方弁102を省略した暖房運転専用の空調用冷凍サイクル(図示省略)であっても、給湯負荷3側に半導体装置63からの排熱を回収できることは言うまでもない。
この発明の実施の形態1における空調複合給湯装置の暖房主体運転時の冷媒回路図である。 この発明の実施の形態1における給湯負荷で半導体装置の排熱を水−冷媒熱交換器に与える態様を示した図である。 この発明の実施の形態1における圧縮機制御用の電源装置を示したブロック構成図である。 この発明の実施の形態1における水−冷媒熱交換器への半導体装置の取付態様を示した図である。 この発明の実施の形態1における給湯用冷凍サイクルで半導体装置の排熱を冷媒−冷媒熱交換器に与える態様を示した図である。 この発明の実施の形態1における水−冷媒熱交換器の種々の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態2における給湯負荷で半導体装置の排熱を水−冷媒熱交換器の出口側水配管に与える態様を示した図である。 この発明の実施の形態2における水−冷媒熱交換器の出口側水配管への半導体装置の取付態様を示した図である。 この発明の実施の形態2において半導体装置が取り付けられる配管の種々の態様を示す図である。 この発明の実施の形態2における給湯用冷凍サイクルで半導体装置の排熱を冷媒−冷媒熱交換器の出口側冷媒配管に与える態様を示した図である。 この発明の実施の形態3における空調複合給湯装置の給湯用冷凍サイクルと給湯負荷で半導体装置の排熱を水−冷媒熱交換器の出口側冷媒配管と冷媒−冷媒熱交換器の出口側冷媒配管に与える態様を示した図である。 この発明の実施の形態3における空調複合給湯装置の制御フローを示した図である。 この発明の実施の形態4における空調複合給湯装置の全体構成を示す冷媒回路図である。
符号の説明
1 空調用冷凍サイクル、1a 空調用冷凍サイクル、2 給湯用冷凍サイクル、3 給湯負荷、A 熱源機、B 冷房用の室内機、C 暖房用の室内機、D 給湯熱源用回路、E 中継機、H 扁平角管、I アルミ成型多孔管、J 楕円管、101 空調用圧縮機、102 四方弁、103 室外熱交換器、104 アキュムレータ、105a 逆止弁、105b 逆止弁、105c 逆止弁、105d 逆止弁、106 高圧側接続配管、106a 接続配管、107 低圧側接続配管、107a 接続配管、108 気液分離器、109 第一の分配部、109a 弁手段、109b 弁手段、110 第二の分配部、110a 逆止弁、110b 逆止弁、111 第一の内部熱交換器、112 第一の中継機用絞り手段、113 第二の内部熱交換器、114 第二の中継機用絞り手段、114a バイパス配管、115 第一の会合部、116 第二の会合部、117 空調用絞り手段、117a 接続配管、118 室内熱交換器、119 給湯熱源用絞り手段、120 空調用制御手段、121 空調用通信手段、122 空調用演算手段、123 空調用記憶手段、124 第一の熱源機用絞り手段、125 空調用吐出ガス配管、126 空調用吸入ガス配管、127 空調用液配管、128 第二の熱源機用絞り手段、21 給湯用圧縮機、22 給湯用絞り手段、23 入口側冷媒配管、24 出口側冷媒配管、241 並列冷媒配管、25 インバータの信号線、31 水循環用ポンプ、32 貯湯タンク、33 入口側水配管、34 出口側水配管、341 扁平管、342 水循環用ポンプ側配管、343 貯湯タンク側配管、344 並列水配管、41 冷媒−冷媒熱交換器、51 水−冷媒熱交換器、511 2次冷媒側扁平管、512 水側扁平管、513 金属板、514 水入口配管、515 水出口配管、516 2次冷媒出口配管、517 2次冷媒入口配管、518 第1の温度センサ、519 第2の温度センサ、520 第3の温度センサ、61 圧縮機制御用の電源装置、63 半導体装置、631 インバータ制御回路、64 インバータ取り付け手段、7 給湯用冷凍サイクル、71 弁手段、72 逆止弁、73 逆止弁、8 給湯負荷、81 弁手段、82 逆止弁、83 逆止弁、9 水−冷媒サブ熱交換器。

Claims (2)

  1. 給湯用圧縮機、水−冷媒熱交換器、給湯用絞り手段、および冷媒−冷媒熱交換器を有して給湯用冷媒が循環し、前記水−冷媒熱交換器にて給湯用冷媒により水を加熱するように構成された給湯用冷凍サイクルと、
    空調用圧縮機、冷房運転または暖房運転を行なう空調用室内熱交換器、空調用絞り手段、室外熱交換器、前記冷媒−冷媒熱交換器、および給湯熱源用絞り手段を有し、前記空調用絞り手段が前記空調用室内熱交換器と直列に配置され、前記給湯熱源用絞り手段が前記冷媒−冷媒熱交換器と直列に配置され、前記空調用室内熱交換器と前記冷媒−冷媒熱交換器とが互いに並列に配置されるように構成されて空調用冷媒が循環する空調用冷凍サイクルと、
    前記水−冷媒熱交換器の水配管と前記冷媒−冷媒熱交換器出側の冷媒配管との間で熱交換を行なう水−冷媒サブ熱交換器とを備えてなり、
    前記給湯用冷凍サイクルの給湯用圧縮機を駆動制御するインバータ制御回路を搭載した半導体装置を、前記水−冷媒サブ熱交換器に取り付けたことを特徴とする空調複合給湯装置。
  2. 水−冷媒サブ熱交換器は、冷媒−冷媒熱交換器出側から給湯用圧縮機入側までの冷媒配管に並列に接続された並列冷媒配管と、水−冷媒熱交換器出側から貯湯タンクまでの水配管に並列に接続された並列水配管との間で熱交換を行なうように構成され、
    前記水−冷媒サブ熱交換器入側の並列冷媒配管に弁手段が配備され、前記水−冷媒サブ熱交換器出側の並列冷媒配管に、前記水−冷媒サブ熱交換器から流出する方向にのみ冷媒の流れを許容する逆止弁が配備され、前記並列冷媒配管の分岐位置と合流位置の間における給湯用冷凍サイクルの冷媒配管に、給湯用圧縮機に向かう方向にのみ冷媒の流れを許容する逆止弁が配備され、前記水−冷媒サブ熱交換器入側の並列水配管に弁手段が配備され、前記水−冷媒サブ熱交換器出側の並列水配管に、前記水−冷媒サブ熱交換器から流出する方向にのみ水の流れを許容する逆止弁が配備され、前記並列水配管の分岐位置と合流位置の間における水配管に、貯湯タンクに向かう方向にのみ水の流れを許容する逆止弁が配備され、
    前記給湯用冷凍サイクルの給湯用圧縮機を駆動制御するインバータ制御回路を搭載した半導体装置が、前記水−冷媒サブ熱交換器に取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の空調複合給湯装置。
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