JP5860356B2

JP5860356B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP5860356B2
Application number: JP2012169973A
Authority: JP
Inventors: 圭一朗志津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP2014029240A

Description

本発明は、空気調和装置に関する。

従来、空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器が冷媒配管で接続された冷媒回路と、圧縮機を駆動する整流器、直流リアクトル、直流平滑コンデンサおよびインバータが電気配線で接続された電気回路と、を備える。このうち、電気回路の発熱部品であるインバータについては、冷媒回路上の高温部に密接させ、インバータと冷媒回路内の冷媒との間で熱交換を行い、インバータを冷却している。このような技術が、例えば、下記特許文献１において開示されている。

また、電気回路の発熱部品としては整流器も該当するが、整流器については、その構造や特性から、インバータと同様に冷媒回路や別の冷却器と密接させて冷却し、冷媒回路はその熱を利用することが可能であると容易に想起できる。

特開２００６−４２５２９号公報（第５―７頁、第１図）

しかしながら、上記従来の技術によれば、リアクトルも電気回路の発熱部品に該当するが、その構造からインバータや整流器と同様の冷却ができない。そのため、リアクトルについては自然冷却によって室外機外へ熱を排出しており、その熱を冷媒回路で利用することができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、リアクトルでの発熱を冷媒回路で利用可能な空気調和装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、交流電源から入力した電力を昇圧して前記圧縮機に電力を供給する電気回路部と、前記圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、が冷媒配管で接続され、前記冷媒が流れる経路となる冷媒回路と、を備え、前記電気回路部は、前記交流電源から入力した電力を昇圧する回路の構成部品としてリアクトルを備えており、前記リアクトルを、前記冷媒回路を構成する冷媒配管のうちで、前記圧縮機から圧縮後の冷媒が吐出する吐出部からの冷媒配管に密接して配置し、前記冷媒に、銅より比透磁率の高い材料を粉末状にして加える、ことを特徴とする。

本発明によれば、リアクトルでの発熱を冷媒回路で利用できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１における空気調和装置の室外機を示す斜視図である。図２は、実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。図３は、実施の形態１における室外機の電気回路の詳細を示す回路図である。図４は、実施の形態４における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。図５は、実施の形態５における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。図６は、実施の形態６における室外機の電気回路の詳細を示す回路図である。

以下に、本発明にかかる空気調和装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態における空気調和装置の室外機を示す斜視図である。空気調和装置の室外機１は、電気回路箱２と、圧縮機３と、熱交換器４と、プロペラファン５と、を備える。圧縮機３の吐出部３ａからの冷媒配管６−１には、電気回路箱２の外部に出て電気回路箱２に接続する電気配線を巻きつける。この巻きつけた電気配線を、電気回路箱２の構成部品であるリアクトル７とする。なお、吐出部３ａからの冷媒配管６−１については、説明に必要な部分として、圧縮機３からの吐出部３ａと接続する部分のみを図示している。

図２は、本実施の形態における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。空気調和装置の室外機１は、交流電源１０から電気回路箱２に交流電力を供給し、電気回路部である電気回路箱２において昇圧動作を行い、昇圧後の電力を圧縮機３に与えて圧縮機３を運転する。圧縮機３から吐出される圧縮後の冷媒は、冷媒配管６−１、四方弁８、冷媒配管６−２、室外機１の熱交換器４、冷媒配管６−３、膨張弁９、冷媒配管６−４、室内機１１の熱交換器１２、冷媒配管６−５、四方弁８、冷媒配管６−６、を流れ、最終的には圧縮機３に戻って再び圧縮され熱交換に再利用される。これらの冷媒が流れる経路が冷媒回路１３となる。室外機１の熱交換器４と室内機１１の熱交換器１２は、四方弁８の動作により、一方が凝縮器、他方が蒸発器として動作する。ここで、リアクトル７は、圧縮機３で圧縮された冷媒が最初に通過する吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつける。すなわち、リアクトル７は、高温状態の冷媒が通過する吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけられることになる。

図３は、本実施の形態における室外機の電気回路の詳細を示す回路図である。電気回路箱２は、リアクトル７と、整流器２１と、半導体スイッチ２２と、ダイオード２３と、直流平滑コンデンサ２４と、インバータ２５と、を備える。交流電源１０の交流電圧は、整流器２１で整流され、電気回路箱２の外部にあって吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけられたリアクトル７と、ダイオード２３を通じて直流平滑コンデンサ２４を充電し一定の直流電圧に変換される。この直流電圧を、インバータ２５によって圧縮機３を運転するための交流電圧に変換する。

つづいて、室外機１の電気回路箱２における電圧の昇圧動作について説明する。本実施の形態では、圧縮機３の吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけられた電気配線はコイル形状となってリアクトル７を形成し、両端には自己インダクタンスが生じて直流リアクトルとしての働きを持つようになる。その結果、半導体スイッチ２２の動作によりリアクトル７の両端に電圧が生じ、この電圧を、ダイオード２３を通じて直流平滑コンデンサ２４を充電することにより直流電圧を昇圧することができる。インバータ２５の運転損失は直流電圧が高いほど小さくなるため、圧縮機３の運転効率を向上させることができる。

また、リアクトル７には交流電源１０からの電流がそのまま流れることから発熱部品となる。ここで、本実施の形態では、リアクトル７を吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけて密接させることにより、リアクトル７から吐出部３ａからの冷媒配管６−１への熱交換が可能となる。これにより、リアクトル７で発生した熱を冷媒回路で利用することが可能になる。すなわち、本来、高温部分であって、冷媒回路の中でも特に高温高圧であることが望ましい吐出部３ａからの冷媒配管６−１に発熱部品のリアクトル７を巻きつけることにより、リアクトル７での発熱を吐出部３ａからの冷媒配管６−１を通過する冷媒に与えることで、冷媒回路での温度上昇に利用することができる。

なお、図３ではリアクトル７が直流リアクトルとしての役割を持つが、その役割は直流リアクトルに限定されるものではなく、電気回路箱２内部の回路の構成によっては交流リアクトルとしての役割を持つものであってもよい。また、空気調和装置の室外機１の冷媒回路構成も図１から図３のものに限定されるものではなく、例えば、四方弁８のない構成であれば圧縮機３の吐出部３ａから次の冷媒回路の構成部品（図２では、室外機１の熱交換器４）までの間であれば、リアクトル７はどの部分にあってもよい。

なお、リアクトル７を、圧縮機３の吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつける場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、リアクトル７を吐出部３ａからの冷媒配管６−１に密接して配置することでも、リアクトル７で発生した熱を冷媒回路で利用することが可能である。また、吐出部３ａに近いほど冷媒の温度は高温であると予測されることから、リアクトル７の位置は吐出部３ａに近い方が望ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電気回路箱の構成である電気配線を、圧縮機の吐出部からの冷媒配管に巻きつけてリアクトルとしての働きを持つようにした。これにより、リアクトルと吐出部からの冷媒配管を密接させたことで、リアクトルから吐出部からの冷媒配管への熱交換が可能となり、リアクトルで発生した熱を室外機外へ排出することなく、冷媒回路で利用することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管を比透磁率の高い材料で構成する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

本実施の形態の室外機１および電気回路箱２の構成は実施の形態１と同様である。ここで、リアクトル７の電気配線に電流が流れると、その内部には磁束が発生する。その磁束密度は、電気配線の電流やリアクトルの電気配線の巻き数のほか、電気配線内部の物質の透磁率に比例する。リアクトル７の自己インダクタンスは磁束密度に比例することから、リアクトル７の電流と巻き数が一定であれば、自己インダクタンスはその透磁率に比例することになる。そして、リアクトル７の自己インダクタンスをより大きくすると、電気回路を構成する昇圧回路で昇圧される直流電圧はより大きくなる。

透磁率μは、真空中の透磁率μ₀＝４π×１０^-7と、μ_０との比μ_Sとの積として表されることもあり、このμ_Sを比透磁率という。通常、リアクトルは自己インダクタンスを大きくするために、比透磁率が１０００以上である鉄を芯部の材料（コア）として用いる。

空気調和装置の冷媒配管は、一般的に、耐食性を考慮して銅が使われることが多い。しかしながら、銅の透磁率は真空中や空気中とほぼ同等であるため、リアクトル７を銅製の冷媒配管に巻きつけたとしてもリアクトルの自己インダクタンスはコアのない状態と同等にしかならない。

そこで、本実施の形態では、圧縮機３の吐出部３ａからの冷媒配管６−１に、本来の材料である銅に替えて比透磁率の高い材料である鉄を用いる。これにより、吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけたリアクトル７の内部に発生する磁束密度が増大し、それに伴ってリアクトル７の自己インダクタンスも増大し、その結果として、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機３の運転効率を向上させることができる。なお、銅よりも比透磁率の高い材料であれば、比透磁率の高い材料として鉄に限定するものではなく、他の材料を用いることも可能である。

以上説明したように、本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管に比透磁率１０００以上の材料を用いることとした。これにより、リアクトルの内部に発生する磁束密度が増大して自己インダクタンスも増大し、その結果、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機の運転効率を向上させることができる。

実施の形態３．
本実施の形態では、冷媒配管を流れる冷媒に比透磁率の高い材料を加える。実施の形態１、２と異なる部分について説明する。

通常、冷媒は、主に炭素、フッ素、水素の化合物で構成されており、これらの材料の比透磁率は空気と同等である。ここで、本実施の形態では、冷媒内での流動性が高くなるよう粉末状とした、比透磁率が１０００以上である鉄を冷媒に加える。これにより、吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけたリアクトル７の内部に発生する磁束密度が増大し、それに伴ってリアクトル７の自己インダクタンスも増大し、その結果として、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機３の運転効率を向上させることができる。なお、実施の形態２と同様、比透磁率の高い材料であれば、冷媒に加える材料として鉄に限定するものではなく、他の材料を用いることも可能である。

以上説明したように、本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管を流れる冷媒に比透磁率１０００以上の材料を加えることとした。これにより、リアクトルの内部に発生する磁束密度が増大して自己インダクタンスも増大し、その結果、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機の運転効率を向上させることができる。

実施の形態４．
本実施の形態では、圧縮機の吐出部からの冷媒配管の形状をコイル形状とする。実施の形態１〜３と異なる部分について説明する。

図４は、本実施の形態における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。室外機１ａでは、図２と異なり、リアクトルを、電気回路箱２ａから電気配線ではなく、圧縮機３の吐出部３ａからの冷媒配管をコイル形状にして構成する。本実施の形態では、このリアクトルとして機能する吐出部３ａの冷媒配管の部分をリアクトル６−１ａとする。冷媒回路１３ａにおいて、リアクトル６−１ａは、コイル形状で内部が中空の配管であり、コイル形状部の両端に電気回路箱２ａからの電気配線を接続する構成とする。すなわち、リアクトル６−１ａは、電気回路箱２ａの構成部品となる。

実施の形態１〜３では、電気回路箱２に接続する電気配線を吐出部３ａからの冷媒配管６−１に巻きつけてリアクトル７としていた。通常、リアクトル７の電気配線は絶縁材料の被覆があることから、発熱部品であるリアクトル７と吐出部３ａからの冷媒配管６−１を流れる冷媒との間の熱抵抗は高い。そのため、リアクトル７で発生する熱は、より熱抵抗の低い空気中に発散しやすくなり、リアクトル７から冷媒配管６−１を流れる冷媒への熱交換効率は低い。

そこで、本実施の形態では、空気調和装置の室外機１ａにおいて、吐出部３ａからの冷媒配管をコイル形状としてリアクトル６−１ａを構成し、そのコイル形状部（リアクトル６−１ａ）の両端に電気回路箱２ａからの電気配線を接続し、コイル形状の吐出部３ａからの冷媒配管自体に電流を流す。これにより、吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部の両端に自己インダクタンスが生じて直流リアクトル（リアクトル６−１ａ）としての働きを持つようになることに加えて、吐出部３ａからの冷媒配管そのものに電流が流れて発熱部品となることから、吐出部３ａからの冷媒配管を流れる冷媒は発熱部品に直接触れることになり、発熱部品から冷媒への熱抵抗は小さくなる。その結果、吐出部３ａからの冷媒配管で発生する熱は冷媒へ伝わりやすくなり、冷媒回路での熱利用効率をより高くすることができる。

以上説明したように、本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管をコイル形状で内部が中空の配管とし、コイル形状部の両端に電気回路箱からの電気配線を接続し、吐出部からの冷媒配管のコイル形状部をリアクトルとすることとした。これにより、吐出部からの冷媒配管に電流が流れて発熱部品となって、発熱部品である吐出部からの冷媒配管に冷媒が直接触れることから、吐出部からの冷媒配管で発生する熱が冷媒へ伝わりやすくなり、冷媒回路での熱利用効率をより高くすることができる。

実施の形態５．
本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管のコイル形状部の両端を絶縁材料で構成する。実施の形態４と異なる部分について説明する。

図５は、本実施の形態における空気調和装置の冷媒回路と電気回路とを示す回路図である。室外機１ｂでは、図４と異なり、吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル６−１ａ）の両端を、絶縁材料で構成された絶縁配管６−１ｂ，６−１ｃに接続して冷媒回路を構成する。

実施の形態４では、冷媒回路の他の冷媒配管をはじめ圧縮機３や熱交換器４などの構成部品も材料が金属であることが多いため、このような場合、冷媒回路全体が全て電気的に導通してしまう。その結果、吐出部３ａからの冷媒配管から他の冷媒回路部品を通じて電気回路が地絡するだけでなく、空気調和装置の室外機１ｂや室内機１１に人体が触れるおそれがある。

そこで、本実施の形態では、冷媒回路１３ｂにおいて、吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル６−１ａ）の両端に絶縁配管６−１ｂ，６−１ｃを接続して冷媒回路を構成する。これにより、吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル６−１ａ）を流れる電流は冷媒回路の他の冷媒配管や構成部品に流れることを防止できるため、他の冷媒回路部品を介して地絡することや、空気調和装置の室外機１ｂや室内機１１に人体が触れる不具合を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、吐出部からの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル）の両端に、絶縁配管を接続して冷媒回路を構成するようにした。これにより、吐出部からの冷媒配管を流れる電流が他の部品に流れることはなくなるため、電気回路の地絡や人体に電流が流れることを防止することができる。

実施の形態６．
本実施の形態では、電気回路箱の構成部品にワイドバンドギャップ型の半導体を用いる。実施の形態１〜５と異なる部分について説明する。

図６は、本実施の形態における室外機の電気回路の詳細を示す回路図である。ここでは、電気回路箱２ｂにおいて、図３に示す半導体スイッチ２２を、ワイドバンドギャップ型の半導体で構成された半導体スイッチ２２ａに置き換えている。ワイドバンドギャップ型の半導体で構成された半導体スイッチとしては、例えば、炭化ケイ素で構成された金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）がある。また、図３に示すダイオード２３を、ワイドバンドギャップ型の半導体で構成されたダイオード２３ａに置き換えている。ワイドバンドギャップ型の半導体で構成されたダイオードとしては、例えば、炭化ケイ素で構成されたショットキーバリアダイオードがある。

ワイドバンドギャップ型の半導体は、産業向けおよび家庭電器向けの電気機器のインバータ回路およびコンバータ回路の半導体として広く適用されているシリコンの半導体と比較して大きなエネルギーバンド幅を持つ半導体の総称であり、パワー半導体に用いられるものとしては窒化ガリウムや炭化ケイ素がある。ワイドバンドギャップ型の半導体は、シリコン半導体と比較して逆回復電荷の蓄積が極めて少ないという特性がある。そのため、ワイドバンドギャップ型のダイオードを用いた場合は、半導体スイッチ素子のターンオンの際のダイオードの逆回復動作による逆回復電流や振動電流の発生も極めて小さいため、これに伴う逆回復損失量Ｅｒｒも極めて小さくなる。

例えば、実施の形態１（図３参照）において、半導体スイッチ２２のターンオン時間Ｔｏｎを短くして電流の時間変化率ｄＩ／ｄｔを大きくすると、ダイオード２３の逆回復電流のピーク値も大きくなることが明らかにされている。その結果、ダイオード２３の逆回復損失量Ｅｒｒも増大するだけでなく、ターンオン時間Ｔｏｎをさらに短くすると逆回復電流のピーク値が過大となって多大なエネルギーがダイオード２３に与えられ、ダイオード２３を熱破壊に至らしめることがある。

これに対して、本実施の形態（図６参照）では、ワイドバンドギャップ型の半導体で構成されたダイオード２３ａに置き換えたことにより、ダイオード２３ａで発生する逆回復損失量Ｅｒｒそのものを小さくしたことに加えて、ダイオード２３ａの逆回復電荷蓄積が極めて小さくなる。このことから、ターンオン時間Ｔｏｎを短くして電流の時間変化率ｄＩ／ｄｔを大きくしても逆回復損失量Ｅｒｒが顕著に増大することはなく、また、逆回復電流のピーク値が過大になることもないため、ダイオード２３ａを破壊に至らしめる可能性も低い。このため、ワイドバンドギャップ型の半導体で構成された半導体スイッチ２２ａのターンオン時間Ｔｏｎを小さくすることができ、その結果として、半導体スイッチ２２ａのスイッチング周波数を大きくすることができる。

このような構成では、実施の形態１〜３におけるリアクトル７や、実施の形態４、５における吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル６−１ａ）のように、その芯部に比透磁率の高い材料が存在しない場合であっても、半導体スイッチ２２ａのスイッチング周波数を大きくすることによって芯部に発生する磁束密度を増大し、リアクトル部分の両端の自己インダクタンスを大きくすることができる。その結果、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機３の運転効率をより向上させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、半導体スイッチ２２およびダイオード２３をワイドバンドギャップ型の半導体で構成された半導体スイッチ２２ａおよびダイオード２３ａに置き換えることとした。これにより、半導体スイッチ２２ａのスイッチング周波数を大きくすることができるため、リアクトル７や吐出部３ａからの冷媒配管のコイル形状部（リアクトル６−１ａ）の芯部に発生する磁束密度を増大し、リアクトル部分の両端の自己インダクタンスを大きくできることから、昇圧回路で昇圧される直流電圧もより大きくなり、圧縮機３の運転効率をより向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる空気調和装置は、圧縮機に電力を供給する電気回路箱を備える場合に有用であり、特に、電気回路箱が発熱部品を有する場合に適している。

１，１ａ，１ｂ室外機、２，２ａ，２ｂ電気回路箱、３圧縮機、３ａ吐出部、４熱交換器、５プロペラファン、６−１，６−２，６−３，６−４，６−５，６−６冷媒配管、６−１ａリアクトル、６−１ｂ，６−１ｃ絶縁配管、７リアクトル、８四方弁、９膨張弁、１０交流電源、１１室内機、１２熱交換器、１３，１３ａ，１３ｂ冷媒回路、２１整流器、２２，２２ａ半導体スイッチ、２３，２３ａダイオード、２４直流平滑コンデンサ、２５インバータ。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
交流電源から入力した電力を昇圧して前記圧縮機に電力を供給する電気回路部と、
前記圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、が冷媒配管で接続され、前記冷媒が流れる経路となる冷媒回路と、
を備え、
前記電気回路部は、前記交流電源から入力した電力を昇圧する回路の構成部品としてリアクトルを備えており、
前記リアクトルを、前記冷媒回路を構成する冷媒配管のうちで、前記圧縮機から圧縮後の冷媒が吐出する吐出部からの冷媒配管に密接して配置し、
前記冷媒に、銅より比透磁率の高い材料を粉末状にして加える、
ことを特徴とする空気調和装置。
前記リアクトルを、前記吐出部付近に配置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
前記リアクトルを、前記冷媒配管に巻きつけて構成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
冷媒を圧縮する圧縮機と、
交流電源から入力した電力を昇圧して前記圧縮機に電力を供給する電気回路部と、
前記圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、が冷媒配管で接続され、前記冷媒が流れる経路となる冷媒回路と、
を備え、
前記吐出部付近の冷媒配管の形状をコイル形状とし、前記冷媒配管のコイル形状部分の両端に前記電気回路部からの電気配線を接続して、当該冷媒配管のコイル形状部分を、前記電気回路部において、前記交流電源から入力した電力を昇圧する回路の構成部品であるリアクトルとし、
前記冷媒に、銅より比透磁率の高い材料を粉末状にして加える、
ことを特徴とする空気調和装置。
前記冷媒配管のコイル形状部分の両端において、前記電気回路部からの電気配線を接続したところより外側部分を、絶縁材料を用いて冷媒配管を構成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
前記冷媒配管を、銅より比透磁率の高い材料で構成する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の空気調和装置。
前記電気回路部は、前記交流電源から入力した電力を昇圧する回路の構成部品として半導体スイッチを備えており、
前記半導体スイッチを、ワイドギャップ型の半導体で構成する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の空気調和装置。