JP5570364B2 - ２元冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、２元冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機やヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置には、利用側の熱量を大きくするために一次側冷凍サイクルと二次側冷凍サイクルを備えた２元冷凍サイクル装置が用いられることがある。
２元冷凍サイクル装置の一次側冷凍サイクルには、一次側圧縮機や一次側膨張装置や熱源側熱交換器が設けられており、二次側冷凍サイクルには二次側圧縮機や二次側膨張装置や利用側熱交換器が設けられている。
２元冷凍サイクル装置には中間熱交換器が設けられており、一次側冷凍サイクルと二次側冷凍サイクルとの冷媒間で熱交換する。
また、２元冷凍サイクル装置には、圧縮機に駆動電力を供給するインバータ回路やその他の制御器などを収納した電気部品箱が設けられている。インバータ回路やその他の制御器には、コンデンサやパワートランジスタや抵抗などの発熱する電気部品が使用されている。
これらの発熱部品は、２元冷凍サイクル装置の運転時において、電気部品箱内の発熱部品が熱破壊しないように冷却を行う必要があり、ヒートシンクや送風ファンなどの放熱装置が用いられる。

特開２００８−２００８３号公報 特開平０５−１８７７２４号公報

しかし、２元冷凍サイクル装置において、電気部品の冷却のためのヒートシンクや送風ファンなどの放熱装置を設ける場合、必要な放熱容量を得るために放熱装置が巨大になり、２元冷凍サイクル装置全体が大型化する問題があった。

本発明の実施形態の２元冷凍サイクル装置は、熱源側熱交換機と一次側圧縮機を備える一次側冷凍サイクルと、利用側熱交換機と二次側圧縮機を備える二次側冷凍サイクルを備えている。さらに、一次側冷凍サイクルと二次側冷凍サイクルの作動冷媒を熱交換させるための中間熱交換器と一次側冷凍サイクル及び二次側冷凍サイクルの運転を制御するための発熱する電気部品を収納する電気部品箱が設けられている。
このような２元冷凍サイクル装置において、中間熱交換器と電気部品箱とが熱交換可能に設けられている。

本発明の実施形態に係る２元冷凍サイクル装置の概略図。 本発明の第１の実施形態に係る中間熱交換器と電気部品箱の斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る中間熱交換器と電気部品箱の斜視図。

図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の２元冷凍サイクル装置１００は、一次側冷凍サイクル７と二次側冷凍サイクル１３を備えており、２元冷凍サイクル装置１００は、一次側冷凍サイクル７の冷媒（一次側冷媒）と二次側冷凍サイクル１３の冷媒（二次側冷媒）とが中間熱交換器５で熱交換するように形成されている。
この２元冷凍サイクル装置１００は空気調和機やヒートポンプ給湯機などに用いられる。

例えば、一次側冷媒をＲ４１０Ａとし、二次側冷媒をＲ１３４ａとするヒートポンプ給湯機である場合について以下に説明する。

一次側冷凍サイクル７には、一次側圧縮機１と、一次側圧縮機１の吸込口と吐出口に接続された一次側四方弁２と、外気と熱交換する熱源側熱交換器３と、一次側膨張装置４と、中間熱交換器５の一次側中間熱交換器５ａが備えられており、一次側四方弁２と、熱源側熱交換器３と、一次側膨張装置４と、中間熱交換器５の一次側中間熱交換器５ａは一次側冷媒配管６で閉ループ状に順次接続されている。

二次側冷凍サイクル１３には、二次側圧縮機８と、二次側圧縮機８の吸込口と吐出口に接続された二次側四方弁９と、利用側熱交換器１１と、二次側膨張装置１０と、中間熱交換器５の二次側中間熱交換器５ｂが備えられており、二次側四方弁９と、利用側熱交換器１１と、二次側膨張装置８と、中間熱交換器５ｂの二次側熱交換器５ａは二次側冷媒配管１２で閉ループ状に順次接続されている。

さらに、二次側冷凍サイクル１３には２元冷凍サイクル装置１００の運転を制御するための発熱する電気部品を収納した電気部品箱１４が備えられている。
この電気部品箱１４は略直方体形状の箱型に形成されており、図示しないが、その内部には、一次側圧縮機１及び二次側圧縮機８を駆動するインバータ回路と、一次側膨張装置４及び二次側膨張装置１０の開度や、一次側四方弁及び二次側四方弁９の切替えを制御する制御器が備えられている。これらインバータ回路及び制御器によって、一次側冷凍サイクル７と二次側冷凍サイクル１３は最適な運転条件で制御される。

ここで、図２に示すように、電気部品箱１４と中間熱交換器５は、接触面積が最大となるように、最大面積を有する面同士が当接して設けられている。

２元冷凍サイクル装置１００は、上述した構成を有することでヒートポンプ給湯機における出湯運転もしくは除霜運転を行う。

２元冷凍サイクル装置１００の出湯運転時の冷媒の流れを図１に実線矢印で示す。
まず、一次側冷凍サイクル７では、一次側圧縮機１の吐出口から一次側四方弁２、一次側中間熱交換器５ａ、一次側膨張装置４及び熱源側熱交換器３を順次通過し、一次側四方弁２から吸込口を介して一次側圧縮機１へと戻る。
同様に二次側冷凍サイクル１３では、二次側圧縮機８で圧縮された二次側冷媒が、二次側四方弁９、利用側熱交換器１１、二次側膨張装置１０及び二次側中間熱交換器５ｂを順次通過し、二次側四方弁９から吸込口を介して二次側圧縮機８へと戻る。
このとき、一次側冷媒は熱源側熱交換器３で蒸発し、一次側中間熱交換器５ａで凝縮する。また、二次側冷媒は利用側熱交換器１１において凝縮し、利用側である図示しない水回路の水に温熱を供給して、二次側中間熱交換器５ｂでは膨張装置１０によって減圧された液状の冷媒が蒸発し、蒸発熱として一次側冷媒の凝縮熱を吸収する。

中間熱交換器５の温度は、一次側中間熱交換器５ａ内の一次側冷媒の凝縮熱と二次側中間熱交換器５ｂ内の二次側冷媒の蒸発熱によって、５０℃程度かそれ以下となる。このため、中間熱交換器は外気温よりも高温となり、結露することがない。

熱源側熱交換器３は、蒸発器として外気と熱交換を行うと霜が付着し熱交換効率が低下する。このため、霜が付着した場合には除霜運転を行い付着した霜を除去する必要がある。

次に、２元冷凍サイクル装置１００の除霜運転時の冷媒の流れを図１に破線矢印で示す。
上述の出湯運転の状態から一次側四方弁２と、二次側四方弁９を切換える。これにより、図１の破線矢印のように、一次側及び二次側冷凍サイクルの冷媒の流れが出湯運転時と逆になり、一次側冷凍サイクル７では、一次側圧縮機１で圧縮された一次側冷媒は、一次側圧縮機１の吐出口から一次側四方弁２、熱源側熱交換器３、一次側膨張装置４及び一次側中間熱交換器５ａを順次通過し、一次側四方弁２から吸込口を介して一次側圧縮機１へ戻る。
同様に、二次側冷凍サイクルでは、二次側圧縮機８で圧縮された二次側冷媒が、二次側圧縮機８の吐出管から二次側四方弁９、二次側中間熱交換器５ｂ、二次側膨張装置１０及び利用側熱交換器１１を順次通過し、二次側四方弁９から吸込口を介して二次側圧縮機８へと戻る。
このとき、一次側冷媒は熱源側熱交換器３で凝縮し、一次側中間熱交換器５ａで蒸発する。また、二次側冷媒は二次側中間熱交換器５ｂにおいて一次側冷媒から冷熱を得て凝縮し、利用側熱交換器１１内では膨張装置１０によって減圧された二次側冷媒がし利用側の熱を吸収し蒸発する。そして、利用側に冷熱を供給する。

中間熱交換器５の温度は、一次側中間熱交換器５ａ内の一次側冷媒の蒸発熱と二次側中間熱交換器５ｂ内の二次側冷媒の凝縮熱によって３０℃程度かそれ以下となる。

ここで、インバータ回路や制御器には、コンデンサやパワートランジスタや抵抗などの発熱する電気部品が使用されており、これらの発熱する電気部品の許容温度は９０℃程度とされている。これを超える温度に異常発熱すると発熱する電気部品の熱破壊を引き起こすことがある。

本実施形態の電気部品箱１４は中間熱交換器５に当接して設けられており、電気部品箱１４内で生じた熱は、中間熱交換器５に吸熱されるため、電気部品箱１４内の発熱する電気部品の温度が中間熱交換器の温度付近に維持でき、冷却を効果的に行うことが出来る。

これにより、電気部品箱１４に巨大なヒートシンクを設けたり、冷却用の送風ファンを設けることなく、異常発熱による電気部品箱１４内の発熱する伝記部品の熱破壊を防止することができる。これにより電気部品箱１４を小型化でき、信頼性が高く小型の２元冷凍サイクル装置１００を提供することができる。

一般的に、一次側冷媒と二次側冷媒には、特性の異なる作動冷媒が用いられる。
例えば、２元冷凍サイクル装置１００は、利用側熱交換器１４を水熱交換器とし９０℃近い湯を生成するための高温ヒートポンプ給湯機である場合、一次側冷凍サイクルに使用される一次側冷媒に、R４１０Ａのような低外気温（―１５℃程度）においても良好な性能を有する作動冷媒が好ましく、二次側冷媒にはR１３４ａのような高温（９５℃程度）において良好な性能を有する作動冷媒が好ましい。
また、利用側熱交換器１４を空気熱交換器とし９０℃近い熱風を吹出すヒートポンプ乾燥機とする場合にも上述のような作動冷媒が好ましい。
（第２の実施形態）

次に第２の実施形態について説明する。尚、第１の実施形態と同一の構成については一部説明を省略する。
第２の実施形態の２元冷凍サイクル装置１００は第１の実施形態と略同一の構成である一次側冷凍サイクル７と二次側冷凍サイクル１３を備えている。
第１の実施形態と異なる構成として中間熱交換器５と電気部品箱１４とを熱交換させるヒートパイプ装置１５が設けられている。

第２の実施形態は図３に示すように中間熱交換器５と電気部品箱１４とがヒートパイプ装置１５によって伝熱可能に接続されている。ヒートパイプ装置１５は伝熱板１６、１７及びヒートパイプ１８から構成されている。中間熱交換器５表面には伝熱板１６が当接して設けられており、電気部品箱１４表面には伝熱板１７が当接して設けられている。この伝熱板１６、１７はヒートパイプ１８を介して接続されており、内部に封入された揮発性の作動液が作動することで良好な熱交換が行われる。

第２の実施形態のように、中間熱交換器５と電気部品箱１４をヒートパイプ装置１５（伝熱板１６、１７及びヒートパイプ１８）で接続し、電機部品箱１４の熱を中間熱交換器５に吸熱させることで、中間熱交換器５と電気部品箱１４とを離して配置させることができ、配置の制約を受けることがない。そして、電気部品箱１４内の発熱する電気部品の異常発熱を抑制し、信頼性の高い２元冷凍サイクル装置１００を提供することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…一次側圧縮機、２…一次側四方弁、３…熱源側熱交換器、４…一次側膨張装置、５…中間熱交換器、６…一次側冷媒配管、７…一次側冷凍サイクル、８…二次側圧縮機、９……二次側四方弁、１０…二次側膨張装置、１１…利用側熱交換器、１２…二次側冷媒配管、１３…二次側冷凍サイクル、１４…電気部品箱、１５…ヒートパイプ装置、１６、１７…伝熱板、１８…ヒートパイプ、１００…２元冷凍サイクル装置

Claims (3)

1. 熱源側熱交換機と一次側圧縮機を備える一次側冷凍サイクルと、
   利用側熱交換機と二次側圧縮機を備える二次側冷凍サイクルと、
   前記一次側冷凍サイクルと前記二次側冷凍サイクルの作動冷媒を熱交換させるための中間熱交換器と、
   前記一次側冷凍サイクル及び前記二次側冷凍サイクルの運転を制御するための発熱する電気部品を収納する電気部品箱とを、
   備えた２元冷凍サイクル装置において、
   前記中間熱交換器と前記電気部品箱とが熱交換可能に設けられたことを特徴とする２元冷凍サイクル装置。
2. 前記中間熱交換器と前記電気部品箱とが当接して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置。
3. 前記中間熱交換器と前記電気部品箱とがヒートパイプ装置により熱交換可能に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の２元冷凍サイクル装置。
   

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