JP6486232B2 - ヒートポンプユニット - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットに関する。

空気調和機の室外機に備えられる電気品ケースの冷却方法について、下記特許文献１の段落００７０には、「基板上面ケース３６を階段状にすることによって、電気品ケース１３と送風機４を近づけて、これらを近接配置することができる。可及的に近づけると、これらが接触してしまう可能性があるので、接触しない程度の位置関係で、電気品ケース１３を送風機４に臨むように配置している。以上のように、電気品ケース１３と送風機４との関係が改良されるので、室外ユニット１の小型化が可能になる。」と記載されている。
また、同００７１には、「また、インバータモジュール１５あるいはダイオードモジュール１６から支持部材３５を外部に引き出すとともに、当該階段状の部分で下方に向かって放熱フィン３５ｄを複数枚配設すること、または横方向に向かって放熱フィン３５ｄを複数枚配設することができる。横方向の放熱フィンまたは下方の放熱フィンの何れか一方で十分な伝熱面積を確保することができれば双方に設ける必要はないが、双方に設ければ十二分な電熱面積を確保することできる。」と記載されている。

特開２００７−１３２６０６号公報

上記特許文献１において、「電気品ケース」とは、パワー半導体等の電気部品を収納したケースである。そして、放熱フィンを電気品ケースの下方および横方向に配置している理由は、送風機によって発生する気流が電気品ケースの下方および横方向に沿って流れるためであると考えられる。
ところで、ヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒を通過させる熱交換器、熱交換器に送風する送風機等を備える点で、空気調和機の室外機に類似した構成を有している。そこで、ヒートポンプ式給湯機の電気品ケースも、特許文献１のものと同様に構成することが考えられる。

しかし、特に外気温度に対する送風機の運転状態は、空気調和機とヒートポンプ式給湯機とでは相違する。すなわち、冷房運転中の空気調和機においては、外気温度が高くなると、冷房負荷が大きくなるため、送風機の回転速度は高くなる。一方、ヒートポンプ式給湯機は、外気温度が高くなると、温水のための負荷が小さくなるため、送風機の回転速度は低くなる。すると、電気部品の冷却を送風機のみに頼ると、冷却能力が足りなくなるという問題が生じる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、電気部品を適切に冷却できるヒートポンプユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のヒートポンプユニットにあっては、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒とタンクからの水とを熱交換する液体熱交換器と、この液体熱交換器からの冷媒を減圧する減圧弁と、この減圧弁からの冷媒を蒸発させる熱交換器と、この熱交換器に送風する送風機と、を有するヒートポンプと、筐体の内部空間を仕切ることによって前記熱交換器および前記送風機が収容された送風室と、前記圧縮機が収容された機械室と、を形成する仕切板と、前記筐体の内部において前記仕切板の上部に固定された電気品ケースと、を備え、前記電気品ケースは、底板と、背面板と、前面板と、側面板と、上面に設けられる蓋と、によって囲まれた第１の内部空間と、前記送風室に配置され、少なくとも前記蓋には面していない第２の内部空間と、前記第２の内部空間に配置され、前記圧縮機を駆動するインバータモジュールと、前記第１の内部空間に配置された前記インバータモジュール以外の電気部品と、ベース板と、前記ベース板から上方向に突出する複数のフィンと、を備え、前記ベース板の下面は前記第２の内部空間に対向して、前記インバータモジュールが装着されているヒートシンクと、を有し、前記第２の内部空間の下面が前記送風機に対向するように、前記仕切板に装着されていることを特徴とする。

本発明のヒートポンプユニットによれば、電気部品を適切に冷却できる。

本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機の概略構成図である。 ヒートポンプユニットの機械的構造を示す正面図である。 電気品ケースのブロック図である。 電気品ケースの分解斜視図である。 電気品ケースの斜視図である。

＜実施形態の全体構成＞
次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態のヒートポンプ式給湯機Ｓの概略構成図である。図１に示すように、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを備えている。

ヒートポンプユニット１においては、熱交換器６（第１の熱交換器）、圧縮機３、液体熱交換器４（第２の熱交換器）、および減圧弁５の順で冷媒が循環するように、これらの構成要素３〜６は、配管で環状に連結されている。本実施形態においては、冷媒は二酸化炭素であり、当該冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いている。圧縮機３は、モータと該モータに駆動される圧縮機構とを有し、熱交換器６から戻ってきた冷媒を圧縮するとともに、圧縮によって加熱された高温のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を液体熱交換器４に向かって吐出する。

液体熱交換器４は、凝縮器として機能するものであり、圧縮機３から吐出されたホットガス（冷媒）を流通させる冷媒伝熱管４ａと、被加熱液体を流通させる液体伝熱管４ｂとを備えている。なお、本実施形態において「被加熱液体」とは「水」である。これらの冷媒伝熱管４ａおよび液体伝熱管４ｂは、冷媒と被加熱液体（水）とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。また、各伝熱管４ａ，４ｂの流れは対向するように構成されている。減圧弁５は、液体熱交換器４と熱交換器６との間に配置される配管の途中に設けられており、ここでは電動膨張弁が使用されている。この減圧弁５は、液体熱交換器４から流出する中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として熱交換器６に吐出する。

熱交換器６は、蒸発器として機能する。すなわち、送風機７によって吸入された外気が熱交換器６に当たると、熱交換器６においては外気が有する熱が冷媒に吸収され、冷媒が気化する。気化した冷媒は、再び圧縮機３に戻される。温度センサ８は、熱交換器６から吐出された冷媒の温度を測定する。送出配管３６は、液体熱交換器４の液体伝熱管４ｂの出口に接続されている。冷媒によって加熱された水（湯）は、送出配管３６を介してタンクユニット２に供給される。タンクユニット２には、タンク１６が設けられており、送出配管３６はタンク１６の頂部に接続されている。

供給配管３５は、冷媒で加熱される水を液体熱交換器４に供給するものである。供給配管３５の一端は、液体熱交換器４の液体伝熱管４ｂの入口に接続され、他端はタンク１６の底部に接続されている。供給配管３５の途中には、ポンプ１３が挿入され、ポンプ１３は、タンク１６から液体伝熱管４ｂの入口側に水を送り込むように駆動される。

また、タンク１６の底部には、冷水（水道水、井戸水等）を供給する給水配管３４が接続されており、タンク１６の頂部には、湯を家屋内の給湯端末（図示せず）に供給する給湯配管３７が接続されている。給湯配管３７の途中には、湯水混合弁１７が挿入されており、湯水混合弁１７と給水配管３４とは分岐配管３８によって接続されている。湯水混合弁１７は、その開口度合いに応じて、分岐配管３８から給湯配管３７に流入する冷水の量を調節することにより、給湯端末に供給される湯の温度を調節する。

＜ヒートポンプユニット１＞
次に、図２を参照し、ヒートポンプユニット１の機械的構造を説明する。なお、図２は、開扉状態のヒートポンプユニット１の正面図である。図２において、ヒートポンプユニット１の中央やや右寄りには、鉛直方向（縦方向）に仕切板１０２が延設されており、これによってヒートポンプユニット１の内部の空間は、送風室１０４と、機械室１０６とに区切られている。そして、仕切板１０２の上端部には、各種電気部品を収納した電気品ケース２０が固定されている。これにより、電気品ケース２０は、仕切板１０２から送風室１０４および機械室１０６の双方の上部に向かって突出している。送風室１０４においては、その背面から左側面に渡って熱交換器６が配置されており、熱交換器６の前方には送風機７が配置されている。また、機械室１０６には、圧縮機３、液体熱交換器４等が配置されている。

＜電気品ケース２０の回路構成＞
次に、電気品ケース２０の回路構成を図３に示すブロック図を参照し説明する。電気品ケース２０の受電端子２０２，２０４には、単相の商用電源である交流電源２２から電力が供給される。受電端子２０２と交流電源２２との間には、リアクトル２４が挿入されている。なお、リアクトル２４は、発熱量が大きいため、電気品ケース２０の外部に設置される。ダイオードモジュール（整流回路モジュール）２２０は、ブリッジ接続された４個のダイオード２２２を有し、全波整流回路として機能する。すなわち、受電端子２０２，２０４における交流電圧はダイオードモジュール２２０によって直流に変換され、電解コンデンサ２４０，２４２に印加される。

インバータモジュール２３０は三相に対応する三個のレグを有するが、図３においては一相あたりのレグのみ図示する。一相あたりのレグは、トランジスタ２３２，２３４およびダイオード２３６，２３８を有しており、トランジスタ２３２，２３４のオン／オフ状態を切り替えることによって、電解コンデンサ２４０，２４２から出力される直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調する。同様のレグが三相分設けられることにより、インバータモジュール２３０は、三相交流電圧を生成する。生成された三相交流電圧は、圧縮機３に含まれる永久磁石型同期電動機であるモータ３２に供給される。

ダイオード複合モジュール（短絡モジュール）２１０は、全波整流回路を構成する４個のダイオード２１２と、その出力を短絡／解放するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２１４とを有している。ＩＧＢＴ２１４がオン状態になると、受電端子２０２，２０４が短絡状態になる。これにより、交流電源２２から供給された電流のエネルギーが磁束としてリアクトル２４に蓄積される。また、ＩＧＢＴ２１４がオフ状態になると、リアクトル２４に磁束として蓄えられたエネルギーが電流として、ダイオードモジュール２２０に供給される。リアクトル２４およびダイオード複合モジュール２１０は、電解コンデンサ２４０，２４２の端子電圧を安定化させるために設けられている。

制御回路２５６は、ＩＧＢＴ２１４のオン／オフ状態を指定する制御信号をドライブ回路２５２に供給し、ドライブ回路２５２はこの制御信号に基づいてＩＧＢＴ２１４をオン／オフ制御する。また、制御回路２５６は、モータ３２に設定すべき回転速度に応じて、各トランジスタ（２３２，２３４等）のオン／オフ状態を指定する制御信号をドライブ回路２５４に供給する。ドライブ回路２５４は、この制御信号に基づいて、トランジスタ２３２，２３４等をオン／オフ制御する。また、制御回路２５６は、温度センサ８（図１参照）によって検出される冷媒の温度が所定温度以上になるように、送風機７の回転速度を制御する。従って、外気温度が高くなるほど、少ない風量によって冷媒の温度を該所定温度以上にできるため、送風機７の回転速度は低くされる。

＜電気品ケース２０の外観構成＞
次に、図４を参照し、電気品ケース２０の外観構成を説明する。なお、図４は、電気品ケース２０の分解斜視図である。電気品ケース２０は、略矩形状の底板２６２を有している。底板２６２の後端部からは上方向に背面板２６３が突出している。背面板２６３は、矩形板の左上部分を矩形状に切り欠いた形状を有しており、この切り欠いた部分を切欠部２６３ａという。また、底板２６２の前端部からは上方向に前面板２６６が突出している。前面板２６６は、背面板２６３に対称な形状を有し、その左上部分には矩形状の切欠部２６６ａが形成されている。

切欠部２６３ａ，２６６ａの水平部分には、両者を繋ぐようにヒートシンク取付板２６８が形成されており、ヒートシンク取付板２６８の中央部分には、矩形の貫通孔２７０が形成されている。また、切欠部２６３ａ，２６６ａの垂直部分には、両者を繋ぐように、矩形状の左上部側面板２７６が形成されている。

また、底板２６２の左端部と、ヒートシンク取付板２６８の左端部との間には、両者を繋ぐように、矩形状の左下部側面板２７２が形成されている。そして、左下部側面板２７２の前端部および後端部には、略Ｌ字状に形成された一対の取付金具２７４が上方に向かって突出している。これら取付金具２７４は、電気品ケース２０をヒートポンプユニット１の筐体に取り付けるために設けられている。また、底板２６２の右端部からは、上方向に右側面板２６４が突出している。右側面板２６４は、略矩形状の板の上端部に、複数の矩形状の凹部２６４ａを形成した形状を有している。これら凹部２６４ａは、信号ケーブル、電力ケーブル等を導入するために形成されている。

底板２６２の上面には、回路基板２９０が装着されている。回路基板２９０には、種々の電気部品が搭載されるが、図４においては、一部の部品のみを図示する。回路基板２９０の左端部には、図３に示したダイオード複合モジュール２１０、ダイオードモジュール２２０、およびインバータモジュール２３０が前後方向に沿って配列されている。これらモジュール２１０，２２０，２３０は発熱量が大きいため、ヒートシンク２８０が装着される。

ヒートシンク２８０は、略水平に設置される矩形板状のベース板２８２と、ベース板２８２と一体に形成されベース板２８２から上方向に突出する矩形板状の複数のフィン２８４とを有している。ベース板２８２がネジ２８６によってヒートシンク取付板２６８に螺合されることにより、ヒートシンク２８０は、ヒートシンク取付板２６８に装着される。

上述したモジュール２１０，２２０，２３０には、それぞれ一または複数の貫通孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａが形成されている。また、ヒートシンク２８０のベース板２８２の下面には、これら貫通孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａに対向する位置にネジ穴が形成されている（図示せず）。従って、モジュール２１０，２２０，２３０の下方から貫通孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａにネジ（図示せず）を挿通し、ヒートシンク２８０に螺合させることにより、各モジュール２１０，２２０，２３０とヒートシンク２８０とが隙間なく密着する。

電気品ケース２０をヒートポンプユニット１（図３参照）の筐体に取り付けた際における仕切板１０２の位置を、図４において二点鎖線で示す。上述したように、電気品ケース２０のうち、仕切板１０２より右側の部分は機械室１０６内に突出し、仕切板１０２より左側の部分は送風室１０４内に突出する。

回路基板２９０には、図３に示した電解コンデンサ２４０，２４２も装着されるが、図４に示すように、これらは回路基板２９０のうち、送風室１０４に突出する部分に装着される。そこで、その理由を説明しておく。図２に示したように、機械室１０６において電気品ケース２０の下方には液体熱交換器４が配置される。液体熱交換器４は、例えば９０℃付近の温度になるため、それによって機械室１０６の温度は送風室１０４よりも高くなり、電気品ケース２０のうち機械室１０６に突出する部分の温度は送風室１０４に突出する部分の温度よりも高くなる。ここで、電解コンデンサ２４０，２４２は、熱によって劣化しやすい傾向がある。そこで、本実施形態においては、電解コンデンサ２４０，２４２を、電気品ケース２０の内部にて、比較的温度が低い送風室１０４側に配置している。

次に、完成状態の電気品ケース２０の斜視図を図５に示す。
上述したように、ヒートシンク２８０は電気品ケース２０に装着されている。また、電気品ケース２０の上面の開口部は、蓋２９２によって塞がれている。ここで、電気品ケース２０の下面に沿って流れるエアフローをＦ１とし、ヒートシンク２８０に沿って流れるエアフローをＦ２とする。送風機７（図２参照）を回転駆動させると、電気品ケース２０の下面は送風機７に対向しているため、エアフローＦ１の速度は、エアフローＦ２の速度よりも速くなる。このように、速度が低い側のエアフローＦ２に向けてヒートシンク２８０のフィン２８４を突出させたことも本実施形態の特徴の一つである。

送風機７の回転速度が比較的速い場合には、エアフローＦ１の速度も速くなるため、エアフローＦ１に沿ってフィン２８４を配置すると、比較的高い冷却効果を期待できる。しかし、上述したように、外気温度が高い場合には送風機７の回転速度は遅くなるため、電気品ケース２０の冷却を送風機７のみに頼ると、冷却能力が足りなくなるという問題が生じる。そこで、本実施形態においては、フィン２８４をエアフローＦ２に当てるように上方向に突出させている。エアフローＦ２の速度は、エアフローＦ１よりも遅いものの、フィン２８４を上方向に突出させたことにより、対流による自然冷却効果を得ることができる。このように、本実施形態においては、送風機７による強制冷却と、対流による自然冷却とを組み合わせることにより、送風機７の回転速度の変動に対する冷却能力の変動幅を抑制することができ、送風機７の様々な回転速度に対応して、各種電気部品に対する十分な冷却能力を確保することができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態のヒートポンプ式給湯機Ｓにおいては、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを別筐体にしたが、これらを共通の筐体内に配置してもよい。

（２）また、上記実施形態においては、液体熱交換器４にて加熱される被加熱液体は「水」であり、高温の被加熱液体（湯）をタンクユニット２に貯留し、タンクユニット２に貯留された高温の被加熱液体（湯）を給湯端末（図示せず）に供給するものとして説明した。しかし、被加熱液体は「水」以外の液体であってもよい。この場合、タンクユニット２に貯留された高温の被加熱液体と給湯端末に供給される水との間で熱交換可能な熱交換器（図示せず）をさらに設け、タンクユニット２に貯留された高温の被加熱液体で水を加熱して給湯端末に給湯する構成にするとよい。

（３）また、本実施形態においては、被加熱液体（水）を一旦タンクユニット２に取り入れた後、供給配管３５を介してヒートポンプユニット１に供給する構成としたが、これに限らず、例えば給水口（給水管）から直接ヒートポンプユニット１に被加熱液体を供給するようにしてもよい。

１ ヒートポンプユニット
２ タンクユニット
３ 圧縮機
４ 液体熱交換器（第２の熱交換器）
５ 減圧弁
６ 熱交換器（第１の熱交換器）
７ 送風機
８ 温度センサ
２０ 電気品ケース
２４ リアクトル
３２ モータ
１０２ 仕切板
１０４ 送風室
１０６ 機械室
２０２，２０４ 受電端子
２１０ ダイオード複合モジュール（短絡モジュール）
２１０ａ，２２０ａ，２３０ａ 貫通孔
２２０ ダイオードモジュール（整流回路モジュール）
２３０ インバータモジュール
２４０，２４２ 電解コンデンサ
２５６ 制御回路
２７０ 貫通孔
２８０ ヒートシンク
２８２ ベース板
２８４ フィン
２９０ 回路基板
２９２ 蓋
Ｓ ヒートポンプ式給湯機
Ｆ１，Ｆ２ エアフロー

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒とタンクからの水とを熱交換する液体熱交換器と、この液体熱交換器からの冷媒を減圧する減圧弁と、この減圧弁からの冷媒を蒸発させる熱交換器と、この熱交換器に送風する送風機と、を有するヒートポンプと、
   筐体の内部空間を仕切ることによって前記熱交換器および前記送風機が収容された送風室と、前記圧縮機が収容された機械室と、を形成する仕切板と、
   前記筐体の内部において前記仕切板の上部に固定された電気品ケースと、を備え、
   前記電気品ケースは、
   底板と、背面板と、前面板と、側面板と、上面に設けられる蓋と、によって囲まれた第１の内部空間と、
   前記送風室に配置され、少なくとも前記蓋には面していない第２の内部空間と、
   前記第２の内部空間に配置され、前記圧縮機を駆動するインバータモジュールと、
   前記第１の内部空間に配置された前記インバータモジュール以外の電気部品と、
   ベース板と、前記ベース板から上方向に突出する複数のフィンと、を備え、前記ベース板の下面は前記第２の内部空間に対向して、前記インバータモジュールが装着されているヒートシンクと、を有し、
   前記第２の内部空間の下面が前記送風機に対向するように、前記仕切板に装着されている
   ことを特徴とするヒートポンプユニット。
2. 外気温度が高くなるほど、前記送風機の回転速度を低くする制御回路
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプユニット。
3. 前記電気品ケースは、
   前記送風室と前記機械室との双方に突出し、
   受電端子に供給された交流電圧を整流する整流回路モジュールと、
   前記受電端子を適宜短絡状態にする短絡モジュールと、
   前記整流回路モジュールの出力電圧によって充電される電解コンデンサと
   をさらに有し、
   前記ヒートシンクは、前記整流回路モジュールと前記短絡モジュールとをさらに装着するものであり、
   前記電解コンデンサは、前記電気品ケースの前記送風室に突出している部分に設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプユニット。

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