JP5630260B2

JP5630260B2 - ヒートポンプ装置、ヒートポンプ装置の制御方法

Info

Publication number: JP5630260B2
Application number: JP2010289978A
Authority: JP
Inventors: 勝之天野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: EP2469201B1; EP2469201A3; EP2469201A2; JP2012137243A

Description

この発明は水と冷媒が熱交換する水冷媒熱交換器を有し、インバータの発熱を有効に利用できるヒートポンプ装置とその制御方法に関する。

従来、ヒートポンプ式の給湯装置ではインバータ部で直流から交流に変換した電流で圧縮機内のモータを回転駆動して冷媒を圧縮している。圧縮機は圧縮されて高温高圧となった冷媒を吐出し、水冷媒熱交換器にてその高温高圧冷媒と水で熱交換してお湯を作り出している。
圧縮機の駆動時にはインバータ部が有するスイッチング素子やダイオードが発熱する。そこで、スイッチング素子やダイオードが自己発熱により破損することを防ぐために、内部にインバータ部のスイッチング素子やダイオードを有するインバータモジュールに放熱フィンなどの放熱部材を取り付けてインバータ部で発生する熱を空気中に放熱していた（例えば、特許文献１参照）。
或いは、インバータモジュールを冷却するために、水冷媒熱交換器に流入する水が流れる配管に廃熱回収熱交換器を設けて、そこにインバータモジュールを取り付ける構成としていた（例えば、特許文献２参照）

特開２００７−２７１２１２号公報（００３６欄、図３参照）特開２０１０−１４４９４８号公報（００１６欄、図４参照）

しかしながら、特許文献１のヒートポンプ式の給湯装置ではインバータモジュールに放熱フィンを取り付けて空気中に熱を放熱していたので、熱エネルギーを空気中に放熱したことによるエネルギーロスが生じるという課題があった。
また、特許文献２のヒートポンプ式の給湯装置ではインバータモジュールを取り付けて冷却するための廃熱回収熱交換器を別途設けなければならないという課題があった。

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あり、インバータモジュールを水冷媒熱交換器に取り付けることが可能であって、インバータ部のスイッチング素子等の発熱を給湯に利用できる省エネ性に優れた低コストのヒートポンプ装置を提供するものである。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、低温冷媒を圧縮して高温のガス冷媒を吐出配管に吐出する圧縮機と、前記吐出配管から流入した前記高温のガス冷媒と水が内部で熱交換する熱交換器と、前記熱交換器の内部に、前記水の温度を検出する温度検出手段と、直流電流を交流電流に変換するインバータ部にワイドバンドギャップ半導体素子を有し、前記交流電流を前記圧縮機に供給するインバータモジュールと、を備え、前記熱交換器は熱交換される前の前記水が流入する流入部と熱交換された後の前記水が流出する流出部を有し、前記インバータモジュールは前記熱交換器の前記流出部よりも前記流入部に近い位置に取り付けられ、前記温度検出手段は前記流出部よりも前記流入部に近い位置に取り付けられていることを特徴とする。

本発明にヒートポンプ装置の制御方法は、圧縮機に交流電力を供給するインバータモジュールが取り付けられ、前記圧縮機が吐出した高温の冷媒と水が熱交換する熱交換器から流出した前記冷媒の温度と予め定められた前記冷媒の最大許容温度を比較するステップと、前記冷媒の温度が前記最大許容温度よりも高い場合は圧縮機の回転数を下げるステップと、を備えるものである。

本発明のヒートポンプ装置は、ワイドバンドギャップ半導体を有するインバータモジュールを水冷媒熱交換器に取り付けたことにより、水冷媒熱交換器内部を流れる水とインバータモジュールの温度差を大きくし、インバータの発熱を効率よく水冷媒熱交換器に与えることによって省エネ性を向上させることができるという効果を奏する。

本発明のヒートポンプ装置の制御方法は、水と冷媒が熱交換する熱交換器に取り付けられたインバータモジュールの温度が上がり過ぎた場合にヒートポンプ装置の故障を防ぐことができる効果を奏する。

実施の形態１のヒートポンプ装置の冷媒回路図である。実施の形態１の水冷媒熱交換器とインバータモジュールの斜視図である。実施の形態１の水冷媒熱交換器とインバータモジュールの斜視図である。実施の形態１の水冷媒熱交換器を収納するケースの断面図である。実施の形態１の別の水冷媒熱交換器を収納するケースの断面図である。実施の形態１のヒートポンプ装置の電子回路図である。実施の形態１のヒートポンプ装置の制御フロー図である。実施の形態２の水冷媒熱交換器を収納するケースの断面図である。

実施の形態１．
図１は本実施の形態１のヒートポンプ装置の冷媒回路図を示している。図１に基づいて本実施の形態１のヒートポンプ装置の冷媒の流れについて説明する。尚、本実施の形態１では冷媒が循環するヒートポンプサイクルを利用したヒートポンプ装置の１種であるヒートポンプ式給湯装置の冷媒回路構成及び動作について説明する。図中の矢印は通常運転時である給湯時の冷媒の流れを示している。

ヒートポンプ装置１００は、図１に示すように、冷媒回路Ａと、水回路Ｂと、を有している。冷媒回路Ａは圧縮機１が吐出する冷媒が循環する回路であって、水回路Ｂは給湯用の水が流れる回路のことである。冷媒回路Ａを流れる冷媒と水回路Ｂを流れる水が水冷媒熱交換器２で熱交換を行なっている。本発明のヒートポンプ装置１００は圧縮機１を駆動するための交流電力を供給するインバータモジュール３が水冷媒熱交換器２に取り付けて設けられている。インバータモジュール３で交流に変換された電力がインバータモジュール３に設けられた樹脂製のコネクタ４に接続した配線を介して圧縮機１に供給される。尚、水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３の詳細な配置関係については後述する。

まず、ヒートポンプ装置１００の通常運転時における冷媒の流れについて図１を用いて説明する。通常運転時とは水冷媒熱交換器２で水を加熱しているときの運転を意味する。
圧縮機１で圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒となって吐出配管５に吐出される。ガス冷媒は吐出配管５を流れ、四方弁６を介して水冷媒熱交換器２の上部に設けられた冷媒流入口２ａから水冷媒熱交換器２に流入する。水冷媒熱交換器２の内部は交互に冷媒と水が流れる多層構造になっており、水冷媒熱交換器２に流入した高温の冷媒は水と熱交換した後液冷媒となって水冷媒熱交換器２の下部に設けられた冷媒流出口２ｂから流出する。

ここで、水冷媒熱交換器２に流入する水の流れについて説明する。水回路Ｂは水配管７と水配管７に設けられたポンプ８を有している。ポンプ８は水駆動手段として機能し、水配管７内の水を吸入し、その水を加圧して水配管７に排出することにより水回路Ｂ内の水を循環させるものであり、インバータにより回転数が制御され水の流量を制御するものである。ポンプ８から吐出された水は水冷媒熱交換器２の下部に設けられた水流入口２ｃから水冷媒熱交換器２に流入する。水冷媒熱交換器２に流入した水は冷媒と熱交換して高温の水となって水冷媒熱交換器２の上部に設けられた水流出口２ｄから排出される。水流出口２ｄからお湯として流れ出た水は図示しない貯湯タンクに貯められたり、室内暖房に用いられたりする。尚、ポンプ８はヒートポンプ装置１００の外部に別途設けられた制御主端と駆動手段によって駆動制御される。

水冷媒熱交換器２から流出した液冷媒は第１膨張弁９で減圧されて過冷却された後、アキュームレータ１０に流れ込む。アキュームレータ１０から出た液冷媒は第２膨張弁１１で減圧されて気液２相冷媒となり、空冷式熱交換器１２に流入する。空冷式熱交換器１２は、熱源側熱交換器であり、蒸発器として機能する。空冷式熱交換器１２では低温の冷媒と室外空気が熱交換し、冷媒が加熱されて蒸発ガス化し低圧のガス冷媒となる。空冷式熱交換器１２の近傍には送風機１３が設けられており、冷媒と熱交換するための室外空気を空冷式熱交換器１２に送る。空冷式熱交換器１２から流出したガス冷媒は四方弁６を介して吸入配管１４を流れて圧縮機１に吸入される。

尚、通常運転中に空冷式熱交換器１２に付着した霜を除去するデフロスト運転時は圧縮機１から吐出される高温高圧冷媒が四方弁６を介して空冷式熱交換器１２に流れる。空冷式熱交換器１２に高温冷媒が流れることによって、通常運転時に空冷式熱交換器１２に付着した霜を溶かすことができる。

次にヒートポンプ装置１００に設けられた温度検出手段と圧縮機１、四方弁６、第１膨張弁９、第２膨張弁１１、送風機１３といったアクチュエータを制御する制御基板１５について説明する。ヒートポンプ装置１００には、圧縮機１が吐出する冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段１６が吐出配管５に設けられており、圧縮機１が吸入する冷媒の温度を検出する吸入冷媒温度検出手段１７が吸入配管１４に設けられている。水冷媒熱交換器２の水流入口２ｃには水配管７から流入する水の温度を検出する水温度検出手段１８が設けられており、冷媒流出口２ｂの先には水冷媒熱交換器２から流出した冷媒の温度を検出する流出冷媒温度検出手段１９が設けられている。空冷式熱交換器１２には第２膨張弁１１から空冷式熱交換器１２に流入する液冷媒の温度を検出する液冷媒検出手段２０と空冷式熱交換器１２から流出して四方弁６に流れるガス冷媒の温度を検出するガス冷媒温度検出手段２１が設けられている。また、空冷式熱交換器１２の近傍には室外温度を検出する室外温度検出手段２２が設けられている。
吐出冷媒温度検出手段１６、吸入冷媒温度検出手段１７、水温度検出手段１８、流出冷媒温度検出手段１９、液冷媒検出手段２０、ガス冷媒温度検出手段２１、室外温度検出手段２２のそれぞれの検出値や圧縮機１からはその内部にあるモータの回転数などが制御基板１５に出力される。また、室内にはリモコンが設けられており、使用者はリモコンで運転情報、例えば給湯温度、湯量や入浴時間といった情報を設定する。リモコンは設定された運転情報を制御基板１５に出力する。制御基板１５は入力されたそれぞれの検出値とリモコンから入力された運転情報に基づいて圧縮機１や送風機１３の回転数、第１膨張弁９や第２膨張弁１１の開度などのアクチュエータの駆動を制御する信号をそれぞれのアクチュエータに送信する。

以上では本発明のヒートポンプ装置１００の冷媒の流れについて説明したが、ここからヒートポンプ装置１００の構造について説明する。図２は本実施の形態１のヒートポンプ装置１００の斜視図であり、図３は水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３の斜視図であり、図４は図２のＡ−Ａ断面図であり、ケース２３の断面図である。
図２に図示するようにヒートポンプ装置１００の水冷媒熱交換器２は略直方体形状の箱体であるケース２３に収納されている。インバータモジュール３のコネクタ４がケース２３から露出しており、コネクタ４に制御基板１５と接続されたプラグを差し込むことによって、制御基板１５とインバータモジュール３を電気的に接続することができ、同様に圧縮機１と接続されたプラグを差し込むことによって圧縮機１と電気的に接続することができる。このようにコネクタ４をケース２３から露出するように設けているので、圧縮機１、制御基板１５とインバータモジュール３を容易に接続することができる。

図３にはケース２３の内部に設けている水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３の斜視図を示し、図４は図２のＡ−Ａ断面図を示している。図３と図４に基づいて水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３の構成について説明する。
インバータモジュール３はその放熱面が略直方体形状の水冷媒熱交換器２の表面２４に張り付くように接着剤やネジなどの固定具を用いて取り付けられている。インバータモジュール３の放熱面とは、インバータモジュール３内部で生じる熱により最も加熱される面、或いはインバータモジュール３内部に配置されているスイッチング素子等の発熱素子と対向する面のことであり、本実施の形態１においてはコネクタ４が設けられている面と対向する面のことである。

また、冷媒流入口２ａと水流出口２ｄが水冷媒熱交換器２の上部に、冷媒流出口２ｂと水流入口２ｃが水冷媒熱交換器２の下部に設けられている。さらに、水流入口２ｃを形成する配管は水冷媒熱交換器２を貫通して反対面から突出しており、その突出部は水温度検出手段１８を取り付けるための温度検出手段挿入口２ｅとなっている。本実施の形態１では冷媒流入口２ａ、冷媒流出口２ｂ及び温度検出手段挿入口２ｅが表面２４に設けられており、水流入口２ｃと水流出口２ｄは表面２４とは逆側の表面に設けられている。尚、水温度検出手段１８はサーミスタであり、温度検出手段挿入口２ｅから水冷媒熱交換器２の内部に挿入されている。水温度検出手段１８が挿入されると温度検出手段挿入口２ｅは水が漏れないように塞がれる。
インバータモジュール３は水冷媒熱交換器２の下部であって、水冷媒熱交換器２の長手方向において水流出口２ｄよりも水流入口２ｃに近い位置に取り付けられている。
このようにインバータモジュール３を水流出口２ｄよりも水流入口２ｃに近い位置に取り付けることにより高温の冷媒と熱交換する前の低温の水にインバータモジュール３で生じる熱エネルギーを効率よく与えることができる。

水冷媒熱交換器２は図４に図示するように多数枚の金属プレートを層状に重ねて形成されている。水が流れる水層２７と冷媒が流れる冷媒層２８とが交互に配置される構成となっており、交互に設けられた複数の水層２７と冷媒層２８で熱交換する。つまり、水流入口２ｃから水冷媒熱交換器２に流入した水は分流して複数の水層２７を下から上に向けて流れて水流出口２ｄから流出し、冷媒流入口２ａから流入した冷媒は分流して複数の冷媒層２８を上から下に向けて流れて冷媒流出口２ｂから流出する。
水冷媒熱交換器２の金属プレートの平面方向の周面２５は金属プレートの端部が層状に重なっており、細かな凹凸が形成されているので、この側面にインバータモジュール３を取り付けると水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３の放熱面の接触面積が小さくなる。そこで本実施の形態１のヒートポンプ装置１００では周面２５と直交する表面２４に取り付ける構成とする。金属プレートの表面２４に取り付けることによって接触面積を大きくすることができる。
水温度検出手段１８であるサーミスタが水流入口２ｃに対面側から差し込まれており、水流入口２ｃにある水の温度を検出する。インバータモジュール３は水流入口２ｃの近傍に取り付けられているので、インバータモジュール３で生じた熱が水流入口２ｃにある水に伝わり、水が加熱される。

ケース２３の内部には断熱材２６が設けられており、水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３はその断熱材２６で覆われている。ただし、冷媒流入口２ａ、冷媒流出口２ｂ、水流入口２ｃ、水流出口２ｄ、温度検出手段挿入口２ｅ及びコネクタ４は断熱材２６とケース２３から突出して設けられている。

尚、図５には本実施の形態１の別の形態のケース２３の断面図を図示している。図４では水冷媒熱交換器２の表面２４にインバータモジュール３を取り付けた形態について説明したが、図５は水冷媒熱交換器２の周面２５に取り付けた構成である。水流入口２ｃを形成する配管は表面２４と直交し、周面２５は平行に水冷媒熱交換器２に設けられている。そこで、図５に図示するようにインバータモジュール３ａを周面２５に取り付けるとインバータモジュール３ａの放熱面を水流入口２ｃを形成する配管と平行に設置することができ、水流入口２ｃから流入する水を効率よく加熱することができる。

上述したように、本実施の形態１のヒートポンプ装置１００ではインバータモジュール３を内部を高温冷媒で加熱される低温の水が流れる水冷媒熱交換器２に取り付けているので、圧縮機１の駆動時のインバータモジュール３で生じる熱を低温の水に与えて加熱することができる。
また、インバータモジュール３を水流出口２ｄよりも水流入口２ｃに近い位置に取り付けることによって加熱される前の低温の水をインバータモジュール３の発熱で効率よく加熱することができる。
また、ケース２３の内部には水冷媒熱交換器２とインバータモジュール３を覆うように断熱材２６が設けられており、インバータモジュール３の発熱をケース２３の外部に逃すことなく効率よく水冷媒熱交換器２に伝達することができる。
また、コネクタ４を断熱材２６から突出するように設けているので、コネクタ４を形成する樹脂の変形を抑制することができる。

尚、本実施の形態１の冷媒回路は一例であり、インバータモジュール３を水冷媒熱交換器２に取り付けることにより、インバータモジュール３で発生する熱を水に与えられる構成であればよく、冷媒回路自体の構成を限定するものではない。

ここで、本発明のヒートポンプ装置１００の電子回路構成について説明する。図６は実施の形態１のヒートポンプ装置１００の電子回路図である。ヒートポンプ装置１００の電子回路はコンバータ部３０とインバータモジュール３に内蔵されているインバータ部３１を備えている。コンバータ部３０はブリッジ状に設けられた４つの整流ダイオード３０ａが設けられており、交流電源３２（例えば商用単層若しくは三相交流電源）から供給される交流電流を整流する。インバータ部３１にはスイッチング素子３１ａが６つ設けられており、それぞれのスイッチング素子３１ａに６つの還流ダイオード３１ｂが並列に設けられている。尚、コンバータ部３０は４つの整流ダイオード３０ａから構成されるものに限定されるものではなく、４〜６つの整流ダイオードを使用するものであればよい。
また、コンバータ部３０とインバータ部３１の間にはリアクトル３３や平滑コンデンサ３４が設けられており、コンバータ部３０で整流された電流を平滑化して直流電流にしてインバータ部３１に流す。本コンバータ部３０の回路構成は一例であり、コンバータ部３０内にもスイッチング素子を有する高力率コンバータ回路でもよい。
インバータ部３１は制御基板１５によってＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されており、インバータ部３１が直流電流を任意の可変周波数の３相交流電流に変換して圧縮機１内部に設けられたモータ１ａに供給する。圧縮機１には回転するモータ１ａのロータの位置からモータ１ａの回転数を検出する回転数検出手段３５が設けられており、回転数検出手段３５が検出するモータ１ａの回転数は制御基板１５に出力される。
インバータ部３１はＰＷＭ制御されてスイッチング素子３１ａがスイッチングする際に、スイッチング素子３１ａ及び還流ダイオード３１ｂで発熱が生じる。本発明ではインバータモジュール３を水冷媒熱交換器２に取り付ける構成としているので、このスイッチング時の発熱を水冷媒熱交換器２を流れる水に伝えることができる。

制御基板１５は圧縮機１等のアクチュエータを制御する制御部３６とインバータ部３１のスイッチング素子３１ａを駆動するためのスイッチング素子駆動回路３７を備えている。特に制御部３６は圧縮機１の駆動を制御する際にはＰＷＭ信号を生成してスイッチング素子駆動回路３７に出力する。スイッチング素子駆動回路３７は入力されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子３１ａを駆動する。圧縮機１はインバータモジュール３から供給される交流電力のデューティ比や駆動周波数に基づいてモータ１ａの回転数が制御される。デューティ比が大きい若しくは駆動周波数が高い場合は圧縮機１に供給される電力が大きくなりモータの回転数は上がる。デューティ比が小さい若しくは駆動周波数が小さい場合は圧縮機１に供給される電力が小さくなりモータの回転数は下がる。モータの回転数が上がると圧縮機１から吐出される冷媒量が増え、モータの回転数が下がると吐出される冷媒量は減る。制御部３６はスイッチング素子駆動回路３７に出力するＰＷＭ信号によって圧縮機１の回転数を制御することができる。
制御部３６には吐出冷媒温度検出手段１６、吸入冷媒温度検出手段１７、水温度検出手段１８、流出冷媒温度検出手段１９、液冷媒検出手段２０、ガス冷媒温度検出手段２１、室外温度検出手段２２の検出値と回転数検出手段３５が検出値、及び室内に設けられたリモコン等の設定部３８で設定された運転情報が入力される。制御部３６はこれら検出値と運転情報に基づいて圧縮機１などのアクチュエータの制御を行なう。

本発明では、インバータモジュール３を水冷媒熱交換器２に取り付けることによって、インバータモジュール３で生じた熱を利用して水冷媒熱交換器２内部を流れる水を加熱する構成としている。このような構成の場合インバータモジュール３と水の温度差ができるだけ大きい方が効率よく熱を伝達することができる。つまり、インバータモジュール３は熱故障しない範囲内でできるだけ高い温度まで発熱できることが望ましい。そこで、本発明ではインバータモジュール３の内部に設けられている６つのスイッチング素子３１ａ若しくは還流ダイオード３１ｂ、又はその双方の少なくとも１つにワイドバンドギャップ半導体を使用する。スイッチング素子３１ａはワイドバンドギャップ半導体を用いたＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とし、還流ダイオード３１ｂはワイドバンドギャップ半導体を用いたＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）とする。尚、ワイドバンドギャップ半導体とはシリコンよりもバンドギャップが大きい半導体のことであって、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（窒化ガリウム）やダイヤモンドなどのことである。
ワイドバンドギャップ半導体素子の動作温度の許容値は、シリコンデバイスよりも高く２００℃以上である。そのため、ワイドバンドギャップ半導体を使用したスイッチング素子３１ａと還流ダイオード３１ｂはシリコン半導体を用いたものよりも耐熱温度が高い、つまり高温で動作可能である。よって、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３１ａと還流ダイオード３１ｂをインバータ部３１に使用し自己発熱で高温になるまで動作させることによってインバータモジュール３の温度を上げることができる。また、ワイドバンドギャップ半導体を使用したスイッチング素子３１ａと還流ダイオード３１ｂはその耐熱温度が高いことからケース２３の密閉空間の高温雰囲気下でも安定して動作することができ、インバータモジュール３の信頼性を向上させることができる。

さらにワイドバンドギャップ半導体はシリコンよりも絶縁破壊強度が大きく耐電圧性能に優れているので素子を小型化でき、また熱伝導率がシリコンよりも大きいので放熱特性がよいので、インバータ部３１にワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３１ａや還流ダイオード３１ｂを使用するとインバータモジュール３を小型化することができる。本実施の形態１ではインバータモジュール３をケース２３の内部に収納しているので、インバータモジュール３が小型化すると断熱材２６の使用量を増やすことができるので、ケース２３の断熱性能を高めてより効率よくインバータモジュール３の熱で水を加熱することができる。

さらにワイドバンドギャップ半導体はシリコンより導電損失が小さいので、インバータ部３１にワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子３１ａや還流ダイオード３１ｂを使用するとヒートポンプ装置１００の省エネ性を高めることができる。

以上のように、本実施の形態１のヒートポンプ装置１００は、水冷媒熱交換器２にインバータモジュール３を取り付けているので、インバータモジュール３の発熱を給湯に利用することができ、省エネ性の高い高効率のヒートポンプ装置とすることができる。さらにインバータモジュール３がケース２３内部の断熱材２６に覆われているのでインバータモジュール３の発熱を空気中に放熱することなく給湯に利用することができる。
また、インバータモジュール３を水冷媒熱交換器２に取り付けたことにより、ヒートシンクが不要となるので、小型で低コストのヒートポンプ装置とすることができる。

また、インバータモジュール３のスイッチング素子３１ａ若しくは還流ダイオード３１ｂ、又はその両方に耐熱性が高いワイドバンドギャップ半導体を使用することにより、インバータモジュール３と水冷媒熱交換器２を流れる水との温度差を大きくすることができるので、効率よくインバータモジュール３の熱を水に伝達することができる。さらに、インバータモジュール３が小型化でき、断熱材２６の量を増やしてケース２３の断熱性を高めて効率よくインバータモジュール３の発熱を利用することができる。さらに、ヒートポンプ装置１００の省エネ性を向上させることができる。

尚、本実施の形態１ではコンバータ部３０はインバータモジュール３とは別の箇所、例えば制御基板１５上やコンバータ部３０を有する基板をケース２３の外側に取り付けて設けても良い。或いは、インバータモジュール３の内部にインバータ部３１と同一基板上に設けてもよく、インバータ部３１と同様にコンバータ部３０の整流ダイオード３０ａの少なくとも１つをＳｉＣを用いたＳＢＤにしてもよい。整流ダイオード３０ａをワイドバンドギャップ半導体を用いた素子にすることにより上述した効果を得ることができる。

次に本実施の形態１のヒートポンプ装置１００の制御方法について説明する。図７はヒートポンプ装置１００の制御方法のフロー図を示している。図７に基づいて、インバータモジュールが異常発熱した場合や水冷媒熱交換器２に水を供給するポンプが故障した場合若しくは水回路Ｂの配管が詰まった場合などにインバータモジュール３が冷却されず想定以上高温なった場合にヒートポンプ装置１００を保護するための制御方法について説明する。

まず、ステップ１（ステップは以下Ｓと略す。）で圧縮機１内部のモータ１ａを駆動してヒートポンプ装置１００の運転をスタートする。Ｓ２では流出冷媒温度検出手段１９が検出する検出値である水冷媒熱交換器２で凝縮され流出される冷媒の温度（流出冷媒温度X）を制御部３６に出力する。

Ｓ３では制御部３６が、Ｓ２で入力された流出冷媒温度Xと冷媒の種類に応じて予め設定した最大許容温度Ｙとの大きさを比較する。通常運転時、つまり水冷媒熱交換器２の内部を水と冷媒が問題なく流れている場合は、圧縮機１から吐出された高温冷媒は水冷媒熱交換器２で外部から供給される水に熱を与えて温度が下がるので、流出冷媒温度検出手段１９の検出値が流出冷媒最大許容温度Ｙ以上に上がり続けることはなく、流出冷媒最大許容温度Ｙ以下での連続運転が可能である。インバータモジュール３から見ても水冷式の放熱フィンに取り付けられている状態と等価であり、流出冷媒最大許容温度Ｙ程度以下の温度にインバータモジュール３自体の温度が保たれるため熱による故障や劣化が起こることがない。しかし、運転時に水回路Ｂの配管詰まりやポンプの故障等の異常が発生した場合、水冷媒熱交換器２を水が流れていない、或いは水の流量が低下するため、水冷媒熱交換器２に流入した高温冷媒が放熱されないばかりか、インバータモジュール３の熱も受け取るため流出冷媒温度検出手段１９の検出値が上昇し、流出冷媒最大許容温度Ｙ以上の状態が継続的に発生する。

尚、Ｓ３ではＳ２で検出した冷媒の流出温度と流出冷媒最大許容温度Ｙとを比較する制御について上述したが、流出冷媒最大許容温度Ｙは使用する冷媒の種類に応じてその設定値は異なる。例えば、冷媒にＲ４１０Ａを使用する場合、一般的に臨界温度以下に流出冷媒最大許容温度Ｙを設定するため、通常約６０〜６５℃程度の設定値を制御部３６に記憶しておく。高温出湯可能な冷媒である二酸化炭素冷媒の場合でも、流出冷媒最大許容温度Ｙは水の沸点以下の９０℃程度となる。

Ｓ４では制御部３６がスイッチング素子駆動回路３７を制御してスイッチン素子３１ａの駆動周波数やデューティ比を下げることより圧縮機１のモータ１ａの回転数を下げて、圧縮機１から吐出される吐出冷媒温度と、インバータモジュール３の発熱量を下げる。
Ｓ５では圧縮機１のモータ１ａの回転数を回転数検出手段３５が検出して制御部３６に出力し、Ｓ６に進む。
Ｓ６では圧縮機１の回転数が所定値以下であるか否かを制御部３６が判断する。Ｓ４で圧縮機１の回転数を下げたが、圧縮機１の回転数が下がりすぎると冷媒の吐出量が減ってサージング現象が起こり、冷媒の吐出圧力や流量の変動や圧縮機の振動、騒音、破損を生じてしまう可能性があり好ましくない。サージング現象とは流体の圧力や流量が不安定になり変動する現象のことである。そこでＳ６ではＳ５で検出した圧縮機１のモータ１ａの回転数が予め定めた所定値より大きいか否かを判断する。圧縮機１の回転数が所定値未満となる場合はＳ７に進んで圧縮機１の運転を停止する。圧縮機１の回転数が所定値以上の場合はＳ３に戻る。回転数の最小値である予め定められた所定値は制御部３６に予め記録されており、制御部３６は記録されている値とＳ５で入力された値を比較して判断する。

以上のように、本実施の形態１のヒートポンプ装置の制御方法では、Ｓ３で流出冷媒温度Xが最大許容温度Ｙより大きくなった場合にＳ４で圧縮機１の回転数を下げるようにスイッチング素子駆動回路３７を制御するので、インバータモジュール３の温度上昇時にインバータモジュール３に掛かる負荷を軽減して発熱を抑制することができる。また、圧縮機1の回転数を下げても流出冷媒温度Xの上昇が継続する場合は、Ｓ６で圧縮機１の回転数が下限値まで低下した後に圧縮機１の運転を停止するので、インバータモジュール３が熱故障することも防ぐことができる。これは、従来のシリコン製のインバータモジュールでもケース温度で１００℃程度までは熱故障の問題なく使用可能なため、冷媒や水の沸点で決まる流出冷媒最大許容温度Ｙの方が低い値となり、冷媒系の制限制御がインバータモジュール３の温度保護手段の代わりになるためである。

また、インバータモジュール３の温度を直接検出する検出手段や専用の放熱フィンを別途設けることなく、ヒートポンプ装置の保護のための制御を行なうことができるので、低コストのヒートポンプ装置とすることができる。

以上では、水回路の閉塞などの異常状態でも流出冷媒温度Xを流出冷媒最大許容温度Ｙ以下に制御することで、ヒートポンプ装置の保護が可能であることを説明したが、このような異常状態時は当然、圧縮機１から吐出される吐出冷媒温度や水冷媒熱交換器２に入る
水の温度も上昇するため、これらの温度上昇を吐出冷媒温度検出手段１６や水温度検出手段１８により検知し、同様に最大許容温度を設定して比較するこことで制限や保護動作を実施してもよい。また、このような異常状態時は吐出圧力も増加するため、吐出配管部に圧力センサや圧力スイッチなどを設けて、ある規定圧力（Ｒ４１０Ａであれば４Ｍｐａ程度）に達した場合に保護停止するような制御としてもよく、温度保護と圧力保護を組合せた制御としてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１ではインバータ部３１をインバータモジュール３としてケース２３に内蔵し、コンバータ部３０や平滑コンデンサ３４等の電装部品をインバータモジュール３の外部に設ける構成について説明したが、このような構成では平滑コンデンサ３４等の電装部品とインバータ部３１に距離があることからインバータ部３１を流れる電流にノイズが混じるという問題、また別途電装部品用に基板を設けるという必要が生じる。そこで、本実施の形態２では、インバータモジュール内部にリアクトル３３や平滑コンデンサ３４といった電装部品を内蔵した形態について図８を用いて説明する。尚、本実施の形態２において実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し説明は省略する。

図８に本実施の形態２の水冷媒熱交換器２とインバータモジュール４０の断面図を示している。インバータモジュール４０の内部には図６で説明したコンバータ部３０、インバータ部３１及びリアクトル３３や平滑コンデンサ３４、スイッチング素子駆動回路３７などの電装部品が設けられている。
本実施の形態２では水冷媒熱交換器２を収納しているケース４１及びその内部に設けられている断熱材４２の一部にケース４１と断熱材４２を貫通する開口が形成されており、その開口にインバータモジュール４０が嵌め込まれている。そして、インバータモジュール４０の外郭の放熱面は実施の形態１同様水冷媒熱交換器２の表面に接触しており、また外郭の一部はケース４１から突出している。インバータモジュール４０内部には基板が水冷媒熱交換器２の表面と平行に設けられており、水冷媒熱交換器２側の面にはコンバータ部３０が有する整流ダイオード３０ａと、インバータ部３１が有するスイッチング素子３１ａ及び還流ダイオード３１ｂが設けられている。そして、その反対側の基板面にリアクトル３３や平滑コンデンサ３４等の電装部品が設けられている。つまり、整流ダイオード３０ａとスイッチング素子３１ａ、還流ダイオード３１ｂは水冷媒熱交換器２と対面する基板面に設けられている。また、電装部品を搭載した基板を別基板に実装し、水冷媒熱交換器２の表面に取り付けられたインバータモジュール４０と重なるように、層状に配置してもよい。

インバータモジュール３のケース２３から突出した面には基板と電気的に接続されたコネクタ４０ａが設けられており、このコネクタ４０ａに交流電源と接続されたプラグを差し込むことによって、インバータモジュール４０に電力を供給することができ、交流電源と接続されたプラグを差し込むことによって制御基板１５からスイッチング素子３１ａを駆動する信号をインバータモジュール４０に出力することができる。

また、整流ダイオード３０ａとスイッチング素子３１ａ、還流ダイオード３１ｂと水冷媒熱交換器２の間に例えばシリコンなどの伝熱部材を設ける構成とするとインバータモジュール３での発熱を効率よく水冷媒熱交換器２に伝えることができる。

以上のように、本実施の形態２のヒートポンプ装置では、インバータモジュール３内部にリアクトル３３、平滑コンデンサ３４に設けたことにより、インバータ部３１から圧縮機１に供給する電流のノイズを低減し、圧縮機１の運転の安定性を高めることができる
また、スイッチング素子駆動回路３７、平滑コンデンサ３４などの熱に弱い電装部品を整流ダイオード３０ａ、スイッチング素子３１ａ及び還流ダイオード３１ｂなどの熱に強い半導体素子と反対側の基板面に設けることにより、電装部品と半導体素子を遠ざけてスイッチング時の半導体素子の発熱から電装部品を保護することができる。
また、ケース４１及び断熱材４２に開口を設け、その開口にインバータモジュール４０を嵌め込む構成としているので、電装部品が断熱材４２で覆われず電装部品の熱をケース４１の外部に放熱することができ、スイッチング時の半導体素子の発熱から電装部品を保護することができる。

本発明のヒートポンプ装置は、給湯や暖房を行なうための温水を作るためのヒートポンプ装置に利用することができる。

１００ヒートポンプ装置、
１圧縮機、
２水冷媒熱交換器、
２ａ冷媒流入口、
２ｂ冷媒流出口
２ｃ水流入口、
２ｄ水流出口、
２ｅ温度検出手段挿入口、
３インバータモジュール、
４コネクタ、
５吐出配管、
６四方弁、
７水配管、
８ポンプ、
９第１膨張弁、
１０アキュームレータ、
１１第２膨張弁、
１２空冷式熱交換器、
１３送風機、
１４吸入配管、
１５制御基板、
１６吐出冷媒温度検出手段、
１７吸入冷媒温度検出手段、
１８水温度検出手段、
１９流出冷媒温度検出手段、
２０液冷媒検出手段、
２１ガス冷媒温度検出手段、
２２室外温度検出手段、
２３ケース、
２４表面、
２５周面、
２６断熱材、
２７水層、
２８冷媒層、
３０コンバータ部、
３０ａ整流ダイオード、
３１インバータ部、
３１ａスイッチング素子、
３１ｂ還流ダイオード、
３２交流電源、
３３リアクトル、
３４平滑コンデンサ、
３５回転数検出手段、
３６制御部、
３７スイッチング素子駆動回路、
３８設定部、
４０インバータモジュール、
４０ａコネクタ、
４１ケース、
４２断熱材。

Claims

低温冷媒を圧縮して高温のガス冷媒を吐出配管に吐出する圧縮機と、
前記吐出配管から流入した前記高温のガス冷媒と水が内部で熱交換する熱交換器と、
前記熱交換器の内部に、前記水の温度を検出する温度検出手段と、
直流電流を交流電流に変換するインバータ部にワイドバンドギャップ半導体素子を有し、前記交流電流を前記圧縮機に供給するインバータモジュールと、を備え、
前記熱交換器は熱交換される前の前記水が流入する流入部と熱交換された後の前記水が流出する流出部を有し、
前記インバータモジュールは前記熱交換器の前記流出部よりも前記流入部に近い位置に取り付けられ、前記温度検出手段は前記流出部よりも前記流入部に近い位置に取り付けられていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記熱交換器と前記インバータモジュールを覆う断熱材を備える請求項１に記載のヒートポンプ装置。
前記インバータモジュールは前記熱交換器の表面と平行に配置された基板を有し、
前記基板の前記熱交換器側の第１の基板面に前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装され、
前記第１の基板面の裏側の第２の基板面に前記ワイドバンドギャップ半導体素子よりも熱に弱い電装部品が実装されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
前記熱交換器は開口が形成された断熱材に覆われ、
前記インバータモジュールは前記開口に嵌め込まれていることを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体素子はシリコンカーバイドを使用したＭＯＳＦＥＴ又はシリコンカーバイドを使用したショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヒートポンプ装置。