JP2005030708A - 地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造 - Google Patents

地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造 Download PDF

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Abstract

【課題】空調運転の負荷に関わりなく半導体の冷却を行うことができる冷却構造を提供する。
【解決手段】地中熱ヒートポンプシステム１は、地中熱を回収する採熱回路２と、採熱回路２に並設されるヒートポンプ回路３と、ヒートポンプ回路３に並設され室内の空調を行う空調回路４とを備えている。コンプレッサ９は、制御用半導体１３によるインバータ制御によりその出力が制御され、制御用半導体１３にはヒートシンク１４が取り付けられる。このヒートシンク１４のフィン１４ｂには、採熱管８から分岐された分岐管１５が蛇行して貫通しており、地中熱用冷媒が通過することによりフィン１４ｂが冷却される。地中熱は年間を通じてほぼ一定の温度を保っており、地上の寒暖の影響を受けにくい。従って、ヒートポンプ回路３の負荷の変動が生じた場合であっても、制御用半導体１３は常に一定の温度に保たれ、安定したコンプレッサ９の制御を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱を利用した空調用のヒートポンプにおいて、コンプレッサを制御する制御用半導体を冷却する構造に関する。
従来、空調用の冷凍サイクルにおけるコンプレッサの出力を制御する制御用半導体を冷却する手段としては、下記特許文献１に開示されているものが知られている。当該特許文献１に開示された空調装置は、図３に示すように、冷媒配管２１にそれぞれ接続されるコンプレッサ２２、アキュムレータ２３、室外熱交換器２４、及び室内熱交換器２５を備えている。また、コンプレッサ２２を制御する半導体２６の冷却を行う構成として、制御用半導体２６と冷媒配管２１或いはアキュムレータ２３とを連結するヒートパイプ２７を備えている。
このように、特許文献１に開示された空調装置では、コンプレッサ２２の制御用半導体２６の放熱をヒートパイプ２７を介して冷媒配管２１やアキュムレータ２３により行っている。
しかしながら、冷凍サイクルにおける冷媒配管２１等により半導体２６の冷却を行うと、空調時の負荷の変動に伴って冷媒配管２１等の温度も変化してしまう。一方、制御用半導体２６は、その温度によって出力特性が変化する。このため、空調時の負荷の変動によって制御用半導体２６の出力も変化してしまい、コンプレッサ２２の制御を安定して行うことができないおそれがある。
特開２０００−２３４７６７号公報（明細書［００２７］、図１、図３）
本発明は、地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造の改良を目的とし、さらに詳しくは前記不都合を解消するために、空調運転の負荷に関わりなく安定して半導体の冷却を行うことができる冷却構造を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造は、地中に設けられた採熱部と地上に設けられた第１熱交換器との間に採熱管を介して地中熱用冷媒を循環させて地中熱を回収する採熱回路と、前記採熱回路に並設され前記第１熱交換器により採熱を行うヒートポンプ回路とを備え、前記ヒートポンプ回路は、前記第１熱交換器により熱交換されたポンプ用冷媒を圧縮するコンプレッサと、空調に利用される第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記第１熱交換器との間に設けられた膨張弁とを有し、前記コンプレッサは制御用半導体によりインバータ制御が行われ、前記制御用半導体は放熱のための放熱器を有し、前記放熱器は前記第１熱交換器の上流側の採熱回路に熱的に接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、前記コンプレッサの制御を行う制御用半導体は、地中熱用冷媒が循環されている採熱回路に熱的に接続されているため、地中に設けられた採熱部によって採熱された地中熱用冷媒により冷却される。地中の温度は一年を通じて安定しているため、空調運転の負荷に左右されることがない。従って、前記制御用半導体を安定した温度で冷却することができる。
次に、本発明の地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造の実施形態の一例について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の地中熱ヒートポンプシステム１は、図１に示すように、地中熱を回収する採熱回路２と、採熱回路２に並設されるヒートポンプ回路３と、ヒートポンプ回路３に並設され室内の空調を行う空調回路４とを備えている。以下、本実施形態においては、後述の四方弁１０を図１に示す位置にして暖房を行う際の作動について説明する。
採熱回路２は、地中において地中熱用冷媒の熱交換を行う採熱部５と、ヒートポンプ回路３との熱交換が行われる第１熱交換器６と、地中熱用冷媒を循環させる地中熱用ポンプ７とを備えており、それぞれが採熱管８により連結されている。また、地中熱用冷媒の膨張収縮を吸収する膨張タンク８ｂが採熱管８に接続されている。なお、本実施形態においては、地中熱用冷媒に不凍液を用いている。
ヒートポンプ回路３は、採熱回路２と熱交換を行う第１熱交換器６と、ポンプ用冷媒を圧縮するコンプレッサ９と、ポンプ用冷媒の流路を切り替える四方弁１０と、空調回路４との熱交換を行う第２熱交換器１１と、第２熱交換器１１の下流側に設けられている膨張弁１２とを備えている。
コンプレッサ９は、制御用半導体１３によるインバータ制御によりその出力が制御されており、制御用半導体１３にはヒートシンク（本発明の放熱器に相当）１４が取り付けられている。また、ヒートシンク１４は、図２に示すように、制御用半導体１３の表面に取り付けられる接触板１４ａと、接触板１４ａの上方に向けて複数の薄板状のフィン１４ｂとを備えている。また、このフィン１４ｂには、採熱管８から分岐された分岐管１５が蛇行して貫通しており、地中熱用冷媒が通過することによりフィン１４ｂが冷却されるようになっている。なお、図１における符号１６はアキュムレータを示す。
空調回路４は、ヒートポンプ回路３と熱交換を行う第２熱交換器１１と、空調用冷媒を循環させる空調用ポンプ１７と、室内に設けられて空調を行う第３熱交換器１８とが空調配管１９を介して連結されている。また、第３熱交換器１８の近傍には、第３熱交換器１８の放熱を行って室内の空調を行うファン２０が設けられている。
次に、本実施形態の地中熱ヒートポンプシステム１の作動について説明する。システムの運転が開始されると、採熱回路２の地中熱用ポンプ７が作動し、採熱管８内を地中熱用冷媒が循環する。すると、採熱部５において地中熱が回収された地中熱用冷媒が第１熱交換器６及び分岐管１５の内部を流れる。そして、第１熱交換器６においてヒートポンプ回路３と熱交換が行われ、分岐管１５においてコンプレッサ９の制御用半導体１３と熱交換が行われる。また、第１熱交換器６及び分岐管１５において熱交換が行われた地中熱用冷媒は、地中熱用ポンプ７によって採熱管８に運ばれ、採熱管８により一定の地中熱に戻されて採熱管８内を循環する。
一方、ヒートポンプ回路３においては、コンプレッサ９が作動してポンプ用冷媒を高温高圧の蒸気の状態にする。次に、高温高圧のポンプ用冷媒は四方弁１０を介して第２熱交換器１１により空調回路４と熱交換を行って凝縮液化される。次に、凝縮液化されたポンプ用冷媒は、膨張弁１２で減圧膨張されて低温低圧の状態となり、第１熱交換器６において採熱回路２と熱交換を行って蒸発気化する。そして、ポンプ用冷媒は四方弁１０を介してコンプレッサ９に戻される。
また、空調回路４においては、空調用ポンプ１７が作動して空調配管１９内を空調用冷媒が循環し、第２熱交換器１１によって熱交換された熱が第３熱交換器１８によって室内に供給される。
本実施形態のように地中熱を利用したヒートポンプシステム１は、コンプレッサ９の出力が大きいため、このコンプレッサ９の出力をインバータ制御により制御する制御用半導体１３は多くの発熱を伴う。しかしながら、本実施形態においては、この制御用半導体１３のヒートシンク１４が分岐管１５内を流れる地中熱用冷媒により冷却される。
地中熱は年間を通じてほぼ一定の温度を保っており、地上の寒暖の影響を受けにくい。従って、地上の温度の変化による空調回路４の負荷の変動、ひいてはヒートポンプ回路３の負荷の変動が生じた場合であっても、制御用半導体１３は常に一定の温度に保たれる。制御用半導体１３の出力はその温度によって変動し、高温になれば出力が低下するが、本実施形態においてはその温度が一定に保たれるので、負荷の大小にかかわらず常に安定したコンプレッサ９の制御を行うことができる。
また、暖房運転時は、制御用半導体１３で発生した熱がヒートシンク１４及び分岐管１５を介して地中熱用冷媒を加熱するので、第１熱交換器６には加熱された地中熱用冷媒が送られる。これにより、第１熱交換器６における採熱量が大きくなり、暖房効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態においては、ヒートポンプシステム１を用いて暖房を行う場合について説明したが、図１において四方弁１０を９０度回転させることにより冷房も行うことができる。また、上記実施形態においては、ヒートシンク１４を分岐管１５により冷却しているが、これに限らず、ヒートシンク１４を直接採熱管８に取り付けてもよく、ヒートシンク１４と採熱管８との間にヒートパイプ（図示せず）を介して熱的に接続してもよい。また、上記実施形態においては、第２熱交換器１１によってヒートポンプ回路３から空調回路４に熱交換を行っているが、これに限らず、第２熱交換器１１を介さず、ポンプ用冷媒をそのまま空調用に用いてもよい。
地中熱ヒートポンプシステムを示す説明図。 コンプレッサ制御用半導体の冷却構造を示す説明図。 従来の空調用の冷凍サイクルを示す説明図。
符号の説明
１…地中熱ヒートポンプシステム、２…採熱回路、３…ヒートポンプ回路、５…採熱部、６…第１熱交換器、８…採熱管、９…コンプレッサ、１１…第２熱交換器、１２…膨張弁、１３…制御用半導体、１４…ヒートシンク（放熱器）。

Claims (1)

  1. 地中に設けられた採熱部と地上に設けられた第１熱交換器との間に採熱管を介して地中熱用冷媒を循環させて地中熱を回収する採熱回路と、前記採熱回路に並設され前記第１熱交換器により採熱を行うヒートポンプ回路とを備え、
    前記ヒートポンプ回路は、前記第１熱交換器により熱交換されたポンプ用冷媒を圧縮するコンプレッサと、空調に利用される第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記第１熱交換器との間に設けられた膨張弁とを有し、
    前記コンプレッサは制御用半導体によりインバータ制御が行われ、前記制御用半導体は放熱のための放熱器を有し、前記放熱器は前記第１熱交換器の上流側の採熱回路に熱的に接続されていることを特徴とする地中熱ヒートポンプ制御用半導体の冷却構造。
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