WO2019176053A1

WO2019176053A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2019176053A1
Application number: PCT/JP2018/010224
Authority: WO
Inventors: 駿加藤
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2019-09-19
Also published as: JP6945722B2; JPWO2019176053A1

Abstract

空気調和機（１００）は、冷媒回路（ＲＣ）と、冷媒と、電装部品（２０）と、ヒートパイプ（１０）とを備えている。冷媒回路（ＲＣ）は、圧縮機（１）、凝縮器、流量調整弁（４）および蒸発器と、圧縮機（１）に蒸発器を接続する低圧配管（ＬＰ）とを有する。冷媒は、冷媒回路（ＲＣ）を、圧縮機（１）、凝縮器、流量調整弁（４）、蒸発器の順に流れる。電装部品（２０）は、発熱素子（２３）と、発熱素子（２３）に接続された放熱部材（２１）とを有する。ヒートパイプ（１０）は、冷媒回路（ＲＣ）と電装部品（２０）とに接続されている。冷媒は、Ｒ３２よりも凝縮圧力が低い。ヒートパイプ（１０）は、低圧配管（ＬＰ）と放熱部材（２１）とに接続されている。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

　従来、冷凍サイクル装置には電力用半導体装置などの発熱素子が搭載されている。例えば、特開２０００－２３４７６７号公報（特許文献１）には、この発熱素子などの発熱体からの放熱を促すことができる冷却装置が提案されている。この公報に記載された冷却装置では、電力用半導体装置などの発熱素子より発生する熱がヒートパイプを介して冷凍サイクルの冷媒配管に伝達されている。これにより、発熱素子を有する電装部品の信頼性が確保される。

　また、従来、冷凍サイクル装置の冷媒としてＲ３２が用いられている。

特開２０００－２３４７６７号公報

　上記公報に記載された冷却装置に冷媒としてＲ３２が用いられた場合、ヒートパイプにより四方弁と圧縮機吸入部との間の冷媒配管での熱伝達率が増加すると、冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient　Of　Performance）が低下するという問題がある。

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートパイプを介して電装部品を冷却することにより電装部品の信頼性を確保するとともに、発熱素子を発熱源とすることにより冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる冷凍サイクル装置を提供することである。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒回路と、冷媒と、電装部品と、ヒートパイプとを備えている。冷媒回路は、圧縮機、凝縮器、流量調整弁および蒸発器と、圧縮機に蒸発器を接続する低圧配管とを有する。冷媒は、冷媒回路を、圧縮機、凝縮器、流量調整弁、蒸発器の順に流れる。電装部品は、発熱素子と、発熱素子に接続された放熱部材とを有する。ヒートパイプは、冷媒回路と電装部品とに接続されている。冷媒は、Ｒ３２よりも凝縮圧力が低い。ヒートパイプは、低圧配管と放熱部材とに接続されている。

　本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、ヒートパイプは冷媒回路と電装部品とに接続されているため、ヒートパイプを介して電装部品を冷却することにより電装部品の信頼性を確保することができる。また、ヒートパイプは低圧配管と放熱部材とに接続されているため、放熱部材に接続された発熱素子を発熱源とすることにより冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成の一例を概略的に示す図である。Ｒ３２およびＲ２９０の圧力とエンタルピーとの関係を示す図である。Ｒ３２およびＲ２９０のＣＯＰと熱伝達率との関係を示すグラフである。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置のＣＯＰおよび吸入ＳＨとの関係を示すグラフである。実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成の一例を概略的に示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。以下の各実施の形態では、冷凍サイクル装置の一例として空気調和機１００について説明する。

　実施の形態１．
　まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００の全体の構成について説明する。

　図１に示されるように、空気調和機１００は、冷媒回路ＲＣと、ヒートパイプ１０と、電装部品２０と、吸熱部３０と、制御装置４０とを備えている。室内熱交換器３および冷媒配管６の一部は室内ユニット１０１内に配置されており、これら以外の部品は、室外ユニット１０２内に配置されている。空気調和機１００の一連の動作は制御装置４０によって制御される。

　冷媒回路ＲＣは、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、流量調整弁４、室外熱交換器５および冷媒配管６を有している。圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、流量調整弁４および室外熱交換器５は冷媒配管６によって繋がっている。このようにして冷媒回路ＲＣが構成されている。冷媒配管６のうち圧縮機１と室外熱交換器５とを接続する部分は低圧配管ＬＰを構成している。つまり、低圧配管ＬＰは、圧縮機１に室外熱交換器５を接続する。

　低圧配管ＬＰは、四方弁２を介して圧縮機１に蒸発器を接続する第１管ＬＰ１および第２管ＬＰ２を有している。第１管ＬＰ１は圧縮機１に四方弁２を接続する。第２管ＬＰ２は蒸発器に四方弁２を接続する。ヒートパイプ１０は、第２管ＬＰ２に接続されている。

　冷媒回路ＲＣには冷媒が流れる。冷媒は、冷媒回路ＲＣを、圧縮機１、室内熱交換器３、流量調整弁４、室外熱交換器５の順に流れる。冷媒は、Ｒ３２よりも凝縮圧力が低い。本実施の形態では、冷媒は、低圧の自然冷媒であってもよい。この低圧の自然冷媒は、たとえば、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００（ブタン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ１２７０（プロピレン）などである。また、冷媒は低圧の合成冷媒であってもよい。この低圧の合成冷媒は、たとえば、Ｒ１２３４ｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（ｚ）などである。Ｒ２９０の凝縮圧力は約１．７ＭＰａである。Ｒ３２の凝縮圧力は約３ＭＰａである。つまり、Ｒ２９０はＲ３２よりも凝縮圧力が低い。

　圧縮機１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機１は、圧縮容量が一定の一定速圧縮機であってもよく、また圧縮容量が可変のインバーター圧縮機であってもよい。このインバーター圧縮機は、回転数を可変に制御可能に構成されている。具体的には、このインバーター圧縮機は、制御装置（コントローラー）４０からの指示に基づいて駆動周波数が変更されることにより、回転数が調整される。これにより、圧縮容量が変化する。この圧縮容量は単位時間あたりの冷媒を送り出す量である。

　四方弁２は、圧縮機１と、室内熱交換器３と、室外熱交換器５とに接続されている。四方弁２は、冷媒の流れを切り替えるように構成されている。具体的には、四方弁２は、暖房運転時と冷房運転時とによって、室内熱交換器３および室外熱交換器５への冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

　室内熱交換器３は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室内熱交換器３は、暖房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。また、室内熱交換器３は、冷房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。室内熱交換器３は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室内熱交換器３、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

　流量調整弁４は、室内熱交換器３と、室外熱交換器５とに接続されている。流量調整弁４は、暖房運転時、室内熱交換器（凝縮器）３により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。また、流量調整弁４は、冷房運転時、室外熱交換器（凝縮器）５により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。流量調整弁４はたとえば電子膨張弁である。

　室外熱交換器５は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室外熱交換器５は、暖房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。また、室外熱交換器５は、冷房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。室外熱交換器５は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室外熱交換器５は、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

　ヒートパイプ１０は、冷媒回路ＲＣと電装部品２０とに接続されている。ヒートパイプ１０は電装部品２０の熱を冷媒回路ＲＣに伝えるように構成されている。つまり、ヒートパイプ１０は、冷媒回路ＲＣと電装部品とに熱的に接続されている。ヒートパイプ１０内では、一方側において冷媒が冷却されることで液化し、他方側において冷媒が加熱されることで気化するため、毛細管現象により冷媒がヒートパイプ１０内を一方側と他方側とに循環する。これにより、ヒートパイプ１０内で熱輸送が行われる。

　電装部品２０は、放熱部材２１と、電子基板２２と、発熱素子２３とを備えている。放熱部材２１と、電子基板２２と、発熱素子２３とは互いに熱的に接続されている。放熱部材２１は発熱素子２３の発熱を放熱するためのものである。放熱部材２１は、発熱素子２３に接続されている。放熱部材２１は、フィン２１ａと、放熱部２１ｂとを備えている。フィン２１ａと発熱素子２３との間に放熱部２１ｂが配置されている。発熱素子２３は電子基板２２上に配置されている。発熱素子２３は、たとえばパワーＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor　Field-Effect　Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）などの電力用半導体装置である。

　ヒートパイプ１０は、低圧配管ＬＰと放熱部材２１とに接続されている。ヒートパイプ１０は、吸熱部３０に接続されている。吸熱部３０は、たとえば熱良導性金属からなっている。吸熱部３０は低圧配管ＬＰに接触している。吸熱部３０は低圧配管ＬＰに接続されている。つまり、ヒートパイプ１０は吸熱部３０を介して低圧配管ＬＰに接続されている。また、ヒートパイプ１０は放熱部材２１に接触している。ヒートパイプ１０の平均熱伝達率は、５Ｗ／ｍ^２Ｋ以上４００Ｗ／ｍ^２Ｋ以下である。

　次に、再び図１を参照して、本実施の形態の空気調和機１００の動作について説明する。図中実線矢印により暖房運転時の冷媒の流れが示され、図中破線矢印により冷房運転時の冷媒の流れが示されている。

　本実施の形態の空気調和機１００は、暖房運転と冷房運転とを選択的に行うことが可能である。暖房運転においては、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、流量調整弁４、室外熱交換器５の順に冷媒が冷媒回路ＲＣを循環する。暖房運転においては、室内熱交換器３は凝縮器として機能し、室外熱交換器５は蒸発器として機能する。冷房運転においては、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器５、流量調整弁４、室内熱交換器３の順に冷媒が冷媒回路ＲＣを循環する。冷房運転においては、室外熱交換器５は凝縮器として機能し、室内熱交換器３は、蒸発器として機能する。

　さらに、暖房運転について詳しく説明する。圧縮機１が駆動することによって、圧縮機１から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出される。吐出された高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁２を経由して室内熱交換器３に流れ込む。室内熱交換器３では、流れ込んだ冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。この熱交換によって、室内が暖められる。室内熱交換器３から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室外熱交換器５に流れ込む。室外熱交換器５では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。室外熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

　また、冷房運転について詳しく説明する。冷房運転の場合と同様に圧縮機１から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出される。吐出された高温高圧のガス冷媒（単相）は、四方弁２を介して室外熱交換器５に流れ込む。室外熱交換器５では、流れ込んだガス冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒（単相）になる。室外熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室内熱交換器３に流れ込む。室内熱交換器３では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。この熱交換によって、室内が冷やされる。室内熱交換器３から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

　続いて、ヒートパイプ１０を経由して電装部品２０から冷媒回路ＲＣに熱が伝わる様子を説明する。暖房時において、低圧配管ＬＰ内を流れる冷媒は、蒸発器としての室外熱交換器５で冷却されることで十分に低温となる。そのため、低圧配管ＬＰに接続された吸熱部３０を介してヒートパイプ１０の一方側は冷却される。したがって、ヒートパイプ１０内では吸熱部３０に接続された一方側において冷媒が冷却されることで液化する。一方、放熱部２１ｂは発熱素子２３により加熱される。そのため、放熱部２１ｂに接続されたヒートパイプ１０の他方側において冷媒が加熱されることで気化する。ヒートパイプ１０内において冷媒が毛細管現象により一方側と他方側とに循環することで、発熱素子２３の熱がヒートパイプ１０を介して冷媒回路ＲＣに伝えられる。また、冷媒時においても同様に発熱素子２３の熱がヒートパイプ１０を介して冷媒回路ＲＣに伝えられる。

　次に、本実施の形態の空気調和機１００の作用効果について説明する。
　図２は、Ｒ３２およびＲ２９０のｐ－ｈ線図を模式的に示す図である。図２を参照して、従来の冷媒であるＲ３２に比べて、本実施の形態の冷媒であるＲ２９０では、蒸発器の出入口でのエンタルピー差が大きくなる。Ｒ２９０を用いた運転では、圧縮機１の吸入ガス過熱度（以下、適宜、吸入ＳＨと言う。）をつけることで、圧縮機１の吐出温度を上昇させることにより空気調和機１００の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　仮に、Ｒ３２で同様の吸入ＳＨをつけた運転の場合、圧縮機１の吐出温度が上昇することで圧縮機１が故障するおそれがある。具体的には圧縮機１内の絶縁材およびモータ部が劣化および故障するおそれがある。

　表１は、Ｒ２９０を用いた冷凍サイクルにおいて、最終的な冷凍能力を一致させたヒートパイプによる熱交換時の成績係数（ＣＯＰ）とサイクル変化時のフローを示している。表１を参照して、この冷凍サイクルは、発熱素子２３を発熱源とし、ヒートパイプ１０を介し、吸入ＳＨを上昇させる。なお、表１において、吸熱部３０の熱伝達率を増加させることで、冷凍能力が一定で成績係数（ＣＯＰ）が最大となるように冷凍サイクルの熱伝達率が設定されている。その後、流量調整弁４の開度を調整することにより、凝縮器の過冷却度（ＳＣ）と吸入ＳＨが増加する。したがって、蒸発器の出入口のエンタルピー差が増大する。そのため、圧縮機１の周波数を減少させることができる。よって、圧縮機１の入力を低下させることができるため、成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　本実施の形態の空気調和機１００によれば、ヒートパイプ１０は冷媒回路ＲＣと電装部品２０とに接続されているため、ヒートパイプ１０を介して、発熱素子２３が発熱した状態の電装部品２０を冷却することができる。つまり、低圧配管ＬＰを吸熱源とすることで発熱素子２３に対してヒートパイプ１０を介して冷却を行うことができる。これにより、電装部品２０の信頼性を確保することができる。また、ヒートパイプ１０は低圧配管ＬＰと放熱部材２１とに接続されているため、放熱部材２１に接続された発熱素子２３を発熱源とすることにより吸入ＳＨを上昇させることができる。これにより、圧縮機１の入力を低下させることができるため、空気調和機１００の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　本実施の形態の空気調和機１００では、冷媒は、Ｒ２９０である。Ｒ２９０の凝縮圧力は約１．７ＭＰａであり、Ｒ３２の凝縮圧力は約３ＭＰａである。このため、Ｒ２９０が用いられることにより、Ｒ３２が用いられる場合よりも冷媒の凝縮圧力を低くすることができる。

　図３は、圧縮機吸入配管部におけるヒートパイプの平均熱伝達率（熱伝達率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係を示している。図３を参照して、ヒートパイプ１０の平均熱伝達率が５Ｗ／ｍ^２Ｋ以上４００Ｗ／ｍ^２Ｋ以下の範囲において、Ｒ３２よりもＲ２９０での成績係数（ＣＯＰ）が大きくなる。

　本実施の形態の空気調和機１００では、ヒートパイプ１０の平均熱伝達率は、５Ｗ／ｍ^２Ｋ以上４００Ｗ／ｍ^２Ｋ以下である。このため、Ｒ３２が用いられた場合よりも空気調和機１００の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　本実施の形態の空気調和機１００では、ヒートパイプ１０は、低圧配管ＬＰの第２管ＬＰ２に接続されている。第２管ＬＰ２には蒸発器で冷却された冷媒が流れるため、ヒートパイプ１０を介して電装部品２０を冷却することができる。

　実施の形態２．
　本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００について説明する。なお、以下の実施の形態２～３においては、特に説明しない限り、上記の本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００と同一の構成および効果を有している。したがって、上記の本発明の実施の形態１に係る空気調和機１００と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

　図４は、成績係数（ＣＯＰ）と吸入ＳＨとの関係を示している。図４を参照して、吸入ＳＨが１０Ｋ未満では冷媒の循環流量が増加し圧縮機入力が増加するため成績係数（ＣＯＰ）は低下する。吸入ＳＨが２０Ｋ超では蒸発器の熱交換性能が低下するため成績係数（ＣＯＰ）が低下する。このため、吸入ＳＨが１０Ｋ以上２０Ｋ以下となるように流量調整弁４の開度が調整されることにより、空気調和機１００は最適な状態で動作する。

　本実施の形態では、流量調整弁４は、吸入ＳＨが１０Ｋ以上２０Ｋ以下となるように制御されている。具体的には、制御装置４０からの指示に基づいて流量調整弁４の弁開度が調整されることにより圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度が調整される。

　本実施の形態によれば、流量調整弁４は、吸入ＳＨが１０Ｋ以上２０Ｋ以下となるように制御されているため、成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　実施の形態３．
　図５を参照して、本発明の実施の形態３に係る空気調和機１００について説明する。

　図５に示されるように、本実施の形態の空気調和機１００では、低圧配管ＬＰに接続された吸熱部３０は放熱部材２１よりも上方に配置されている。つまり、吸熱部３０は放熱部材２１よりも鉛直方向において上方の高さ位置に配置されている。

　本実施の形態では、吸熱部３０は放熱部材２１よりも上方に配置されているため、ヒートパイプ１０内部のガスは、上方に配置された吸熱部３０で冷却されることで液化される。液密度はガス密度よりも重いため、ヒートパイプ１０内の冷媒は重力の影響で重力方向の下方へ移動する。このため、ヒートパイプ１０の熱伝達効率を増加させることができる。これにより、電装部品２０の冷却効率を増加させることができる。

　１　圧縮機、２　四方弁、３　室内熱交換器、４　流量調整弁、５　室外熱交換器、６　冷媒配管、１０　ヒートパイプ、２０　電装部品、２１　放熱部材、２１ａ　フィン、２１ｂ　放熱部、２２　電子基板、２３　発熱素子、３０　吸熱部、４０　制御装置、１００　空気調和機、ＬＰ　低圧配管、ＬＰ１　第１管、ＬＰ２　第２管、ＲＣ　冷媒回路。

Claims

　圧縮機、凝縮器、流量調整弁および蒸発器と、前記圧縮機に前記蒸発器を接続する低圧配管とを有する冷媒回路と、
　前記冷媒回路を、前記圧縮機、前記凝縮器、前記流量調整弁、前記蒸発器の順に流れる冷媒と、
　発熱素子と、前記発熱素子に接続された放熱部材とを有する電装部品と、
　前記冷媒回路と前記電装部品とに接続されたヒートパイプとを備え、
　前記冷媒は、Ｒ３２よりも凝縮圧力が低く、
　前記ヒートパイプは、前記低圧配管と前記放熱部材とに接続されている、冷凍サイクル装置。
　前記冷媒は、Ｒ２９０である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記ヒートパイプの平均熱伝達率は、５Ｗ／ｍ^２Ｋ以上４００Ｗ／ｍ^２Ｋ以下である、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記流量調整弁は、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度が１０Ｋ以上２０Ｋ以下となるように制御されている、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
　前記冷媒回路は、前記冷媒の流れを切り替える四方弁を有し、
　前記低圧配管は、前記四方弁を介して前記圧縮機に前記蒸発器を接続する第１管および第２管を有し、
　前記第１管は前記圧縮機に前記四方弁を接続し、
　前記第２管は前記蒸発器に前記四方弁を接続し、
　前記ヒートパイプは、前記第２管に接続されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
　前記ヒートパイプに接続された吸熱部をさらに備え、
　前記吸熱部は前記低圧配管に接続されており、前記放熱部材よりも上方に配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。