JP5851303B2 - 冷凍サイクル装置および室外熱源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、冷房および給湯の同時運転により排熱回収運転が可能な冷凍サイクル装置に関する。

従来、室外熱源ユニットと、室内ユニットおよび給湯ユニットを配管接続して形成した冷媒回路を搭載し、空調運転および給湯運転を１つのシステムにおいて単独に運転を行うことができ、かつ、空調運転および給湯運転を同時に実行可能な冷凍サイクル装置がある（例えば、下記特許文献１参照）。このシステムでは、冷房運転と給湯を同時に実行することによって冷房時の排熱を給湯熱に回収することが可能となり、効率の高い運転を実現することができる。

このような冷凍サイクル装置では、室外熱源ユニットの圧縮機駆動用の制御装置にインバータ装置を用いて容量制御することで、より省エネ性を高めている。圧縮機駆動用のインバータ装置は、複数のスイッチング素子で構成されており、このスイッチング素子に高電圧、大電流が流れるため熱損失が発生する。この熱損失は、放熱フィンを介して冷媒空気熱交換器用の送風機により強制空冷されている（例えば、下記特許文献２参照）。

特開２０１０−１９６９５０号公報 特開平５−１９６２６２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、冷房と給湯の同時運転により排熱回収をする場合、室外熱源ユニットの圧縮機の運転は必要であるが、冷媒空気熱交換器での熱交換は不要であるため、室外熱源ユニットの送風機を運転する必要がない。一方で、圧縮機をインバータ装置で駆動する場合、インバータ装置の放熱のために送風機を運転する必要がある。そのため、排熱回収運転時、送風機の入力分だけ運転効率が悪化する、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、排熱回収運転時に高効率運転を実現可能な冷凍サイクル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、室外熱源ユニットと、室内ユニットと、給湯ユニットと、を接続し、空調運転および給湯運転の個別運転が可能であり、冷房および給湯の同時運転により排熱回収運転が可能な冷凍サイクル装置であって、前記室外熱源ユニットは、冷媒圧縮用の圧縮機と、前記冷媒と外気との熱交換を行う冷媒空気熱交換器と、前記冷媒空気熱交換器冷却用の送風機と、前記圧縮機駆動用のインバータ装置を含む制御装置と、前記インバータ装置を放熱するためのヒートシンクと、を備え、前記インバータ装置内のスイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体による素子で構成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、排熱回収運転時に高効率運転を実現できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の室外熱源ユニットの構成例を示す図である。 図２は、冷凍サイクル装置の構成例を示す図である。 図３は、排熱回収運転を実施中の冷凍サイクル装置の接続状態を示す図である。 図４は、スイッチング素子の温度と送風機の運転状態の関係を示す図である。 図５は、実施の形態２の室外熱源ユニットの構成例を示す図である。 図６は、ヒートシンクの形状を示す図である。 図７は、ヒートシンクの形状を示す図である。 図８は、ヒートシンクの形状を示す図である。

以下に、本発明にかかる冷凍サイクル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冷凍サイクル装置を構成する室外熱源ユニットの構成例を示す図である。室外熱源ユニット１は、冷媒空気熱交換器１１と、送風機１２と、圧縮機１３と、圧縮機１３駆動用のインバータ装置１４と、インバータ装置１４内のスイッチング素子１５と、インバータ装置１４内の温度検出部１６と、インバータ装置１４を含む電装品である制御装置１７と、セパレータ板金１８と、ヒートシンク１９と、板金ダクト２０と、を備える。

本実施の形態では、インバータ装置１４内のスイッチング素子１５を、ＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体で構成する。ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（炭化珪素）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料の他、ダイヤモンドなどがある。

室外熱源ユニット１は、セパレータ板金１８によって送風機室２１と機械室２２に分けられている。送風機室２１には、冷媒空気熱交換器１１および送風機１２が配置されている。また、機械室２２には、圧縮機１３、インバータ装置１４、制御装置１７、ヒートシンク１９、および板金ダクト２０が配置されている。

インバータ装置１４は、機械室２２側に配置されたヒートシンク１９に接続され、ヒートシンク１９は、フィン部分に十分に通風するように板金ダクト２０で覆われた構成とする。なお、フィン部分に十分な通風が得られれば、ダクトのような導風構造は必要なく、ヒートシンク１９のみを配置するようにしてもよい。

セパレータ板金１８には、ヒートシンク１９の大きさに穴が開けられており、室外熱源ユニット１の送風機１２が駆動することにより、この穴からヒートシンク１９を介して機械室２２側から空気を吸い込み、ヒートシンク１９を強制空冷することができる構成とする。

つぎに、室外熱源ユニット１を含む冷凍サイクル装置の構成について説明する。図２は、冷凍サイクル装置の構成例を示す図である。冷凍サイクル装置は、室外熱源ユニット１と、室内ユニット２と、給湯ユニット３と、から構成される。冷凍サイクル装置は、室外熱源ユニット１と室内ユニット２と給湯ユニット３とを配管接続することによって形成した冷媒回路を搭載し、空調運転（冷房運転、暖房運転）と給湯運転を１つのシステムにおいて単独に運転を行うことができ、かつ、空調運転および給湯運転を同時に実行することをできるシステムである。なお、図２中に示す四方弁、アキュームレータ、ＬＥＶ等は一般的な構成であるので詳細な説明については省略する。

ここで、排熱回収運転を実施している場合の冷凍サイクル装置の接続状態について説明する。図３は、排熱回収運転を実施中の冷凍サイクル装置の接続状態を示す図である。図３に示すように、室内ユニット２と給湯ユニット３間で冷媒が循環して冷凍サイクルが確立するため、室外熱源ユニット１の冷媒空気熱交換器１１での熱交換が不要となり、冷媒回路としては、室外熱源ユニット１の送風機１２の運転を行う必要がなくなる。

しかしながら、前述の様に、排熱回収運転時も室外熱源ユニット１の圧縮機１３は運転している。このとき、インバータ装置１４のスイッチング素子１５には大電流が流れて熱損失が発生することから、インバータ装置１４の放熱のためだけに室外熱源ユニット１の送風機１２を運転する必要がある。

そのため、スイッチング素子１５を従来のＳｉ製からＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体で構成したインバータ装置１４とすることにより、スイッチング素子１５の耐熱性を向上させる。制御装置１７では、室外熱源ユニット１の送風機１２の運転が冷媒サイクル的に不要となる排熱回収運転時は、送風機１２の運転を抑制する。室外熱源ユニット１の送風機１２の消費電力は、ＤＣタイプの高効率のものでも全入力電力の２〜４％程度を占めるため、動作不要時に停止できれば省エネ性を改善することができる。

また、インバータ装置１４のスイッチング素子１５をＳｉ製からＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体とすることにより、素子自身の耐熱性が向上するほか、リカバリ損失、スイッチング損失などのスイッチングによる熱損失も低減できる。耐熱性は、従来のＳｉ製のスイッチング素子１５が半導体チップ温度で１５０℃以下が一般的であるのに対して、ＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体はチップ温度で２５０℃程度の耐熱性が実現可能であり、送風機１２の運転を停止したままでの排熱回収運転可能域を拡大することができる。

排熱回収運転は、室内ユニット２側が冷房運転し、その排熱を利用して給湯ユニット３により給湯に使用する冷凍サイクルであるため、基本的に外気温度が３０℃を超えるような高い状態で実施される。そのため、高負荷状態が継続し、または冷凍サイクルに何らかの異常があり、圧縮機１３における電流が増加する場合は、スイッチング素子１５をＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体としても、送風機１２停止時に半導体チップの許容温度以上に温度が上昇する可能性がある。

このような場合の保護制御として、室外熱源ユニット１では、ヒートシンク１９上、またはインバータ装置１４に内蔵された温度検出部１６によりスイッチング素子１５の温度を検出し、ある閾値温度を超えた場合は送風機１２の運転を段階的に実施して、半導体チップが熱故障しないように保護する制御を備える。

図４は、スイッチング素子１５の温度と送風機１２の運転状態の関係を示す図である。熱保護制御の一例を示しており、室外熱源ユニット１の送風機１２が停止状態で排熱回収運転を継続している時に、ヒートシンク１９の温度、またはインバータ装置１４に内蔵された温度検出部１６の検出温度がＴ２まで達した場合、制御装置１７は、停止していた送風機１２を中速で運転させる。その後、制御装置１７は、検出温度がＴ１まで低下した場合は、再度送風機１２を停止して省エネ運転に戻り、送風機１２運転後も検出温度が上昇を続けＴ３まで達した場合は、送風機１２を高速で運転させる。同様に、その後、制御装置１７は、検出温度がＴ２まで下がれば送風機１２を中速に戻し、Ｔ１まで下がれば停止させる制御とする。このように、室外熱源ユニット１では、排熱回収運転時に送風機１２の停止状態のままでの運転可能域、時間を拡大することができる。

なお、送風機１２が高速状態で運転しても検出温度の上昇が収まらずに、Ｔ４温度まで上昇した場合、制御装置１７は、温度異常として圧縮機１３運転を停止させて保護する。一例として、Ｔ１〜Ｔ４の４段階の温度で説明したが、これに限定するものではない。半導体チップの熱故障を防げれば、段数が４段階より少なくても多くてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、室外熱源ユニット１、室内ユニット２、および給湯ユニット３を接続し、空調運転および給湯運転の個別運転が可能であり、冷房および給湯の同時運転により排熱回収運転が可能な冷凍サイクル装置において、室外熱源ユニット１では、インバータ装置１４内のスイッチング素子１５をワイドバンドギャップ半導体による素子で構成し、スイッチング素子１５の耐熱性を向上させ、熱損失を低減させることとした。これにより、室外熱源ユニット１では、排熱回収運転時、スイッチング素子１５を放熱するための送風機１２の運転を抑制できることから送風機１２での消費電力を低減することができ、高効率運転を実現することができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態における室外熱源ユニットの構成例を示す図である。室外熱源ユニット１ａは、冷媒空気熱交換器１１と、送風機１２と、圧縮機１３と、圧縮機１３駆動用のインバータ装置１４と、インバータ装置１４内のスイッチング素子１５と、インバータ装置１４内の温度検出部１６と、インバータ装置１４を含む電装品である制御装置１７ａと、セパレータ板金１８ａと、ヒートシンク１９ａと、を備える。実施の形態１と同様に、インバータ装置１４内のスイッチング素子１５を、ＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体で構成する。

室外熱源ユニット１ａは、セパレータ板金１８ａによって送風機室２１ａと機械室２２ａに分けられている。送風機室２１ａには、冷媒空気熱交換器１１、送風機１２、およびヒートシンク１９ａが配置されている。また、機械室２２ａには、圧縮機１３、インバータ装置１４、および制御装置１７ａが配置されている。インバータ装置１４は、送風機室２１ａ側に配置されたヒートシンク１９ａに接続された構成とする。

実施の形態１と同様に、インバータ装置１４のスイッチング素子１５をＳｉ製からＳｉＣもしくはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体とすることで素子の耐熱性を向上させ、排熱運転時の室外熱源ユニット１ａの送風機１２をなるべく運転させない構成としており、熱保護制御をしている。そのため、詳細な説明については省略する。

図６は、本実施の形態におけるヒートシンク１９ａの形状を示す図である。ヒートシンク１９ａは、図６に示すように、室外熱源ユニット１ａの鉛直方向の通風や前後方向の通風それぞれ得られるマトリックス状に配置したフィン形状とし、自然対流による放熱性を改善する。このようなフィン形状、配置とすることにより、室外熱源ユニット１ａでは、送風機１２が停止している状態でも、鉛直方向に自然対流による空気の流れができ、ヒートシンク１９ａの放熱性能を向上させることができる。

なお、冷房運転など室外熱源ユニット１ａの送風機１２が動作する場合についても、室外熱源ユニット１ａでは、セパレータ板金１８ａに沿って流れる風により十分な放熱性能を得ることができる。また、ヒートシンク１９ａの配置角度を、セパレータ板金１８ａに沿って流れる風がヒートシンク１９ａのフィンから乖離しないように調整することで、風の整流のために板金ダクト２０等でヒートシンク１９ａを覆う必要がなくなり、板金で自然対流が阻害されることも回避できる。これにより、室外熱源ユニット１ａでは、排熱運転時の送風機１２の運転時間をさらに抑制することができる。

なお、ヒートシンク１９ａのフィン形状は、図６に示すものに限定するものではない。図７、図８は、本実施の形態におけるヒートシンク１９ａの形状を示す図である。図７、図８に示すようにフィン形状が角柱や円柱であってドットマトリックス状に並ぶ構成においても、同様の効果を得ることができる。

また、一般的に、冷凍サイクル装置において、運転停止時に各部の温度差により冷媒が圧縮機１３に寝込む（溜り込む）現象が発生する。圧縮機１３への冷媒寝込みは、圧縮機１３の起動不良を誘発するほか圧縮機１３を故障させる要因にもなるため、冷媒寝込みを防止するために拘束通電と呼ばれる保温通電をインバータ装置１４が行っている。

拘束通電は、インバータ装置１４により圧縮機１３の巻き線に直流電流や高周波電流を流して、圧縮機１３の巻き線やコアを発熱させることで実施している。これにより、インバータ装置１４にも熱ロスが発生するが、排熱回収運転同様に、拘束通電時は室外熱源ユニット１ａの送風機１２を冷媒サイクル的には運転する必要がなく、室外熱源ユニット１ａが停止中にインバータ装置１４の放熱のためだけに送風機１２を運転することも停止中の誤動作と受け取られる可能性があるため送風機１２は運転せず、ヒートシンク１９ａの温度があまり高くならない程度に拘束通電量を絞って行っていた。

しかしながら、本実施の形態の構成とすることで、ヒートシンク１９ａの放熱性が改善され、排熱回収運転時の送風機１２を運転しない領域が拡大するほか、拘束通電時の拘束通電量（圧縮機１３入力電力）を拡大でき、必要な時に大きな電力を投入できるなど制御性が向上することから、寝込みによる圧縮機１３不良を低減することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、室外熱源ユニット１ａでは、ヒートシンク１９ａを送風機室２１ａに配置し、ヒートシンク１９ａのフィンをマトリックス状またはドットマトリックス状に配置し、フィン形状を強制および自然対流の両方に対応する形状にすることとした。これにより、実施の形態１と比較して、室外熱源ユニット１ａでは、放熱性能が改善され、排熱運転時や拘束通電時の送風機１２の運転時間をさらに抑制することができ、その結果、送風機１２での消費電力を低減することができ、高効率運転を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、室外熱源ユニット、室内ユニットおよび給湯ユニットから構成されるシステムに有用であり、特に、排熱回収運転する場合に適している。

１、１ａ 室外熱源ユニット
２ 室内ユニット
３ 給湯ユニット
１１ 冷媒空気熱交換器
１２ 送風機
１３ 圧縮機
１４ インバータ装置
１５ スイッチング素子
１６ 温度検出部
１７、１７ａ 制御装置
１８、１８ａ セパレータ板金
１９、１９ａ ヒートシンク
２０ 板金ダクト
２１、２１ａ 送風機室
２２、２２ａ 機械室

Claims (8)

1. 室外熱源ユニットと、室内ユニットと、給湯ユニットと、を接続し、空調運転および給湯運転の個別運転が可能であり、冷房および給湯の同時運転により排熱回収運転が可能であり、前記排熱回収運転時には前記室内ユニットと前記給湯ユニットとの間で冷媒が循環して冷凍サイクルが成立することによって前記室外熱源ユニットでの熱交換が不要となる冷凍サイクル装置であって、
   前記室外熱源ユニットは、冷媒圧縮用の圧縮機と、前記冷媒と外気との熱交換を行う冷媒空気熱交換器と、前記圧縮機駆動用のインバータ装置を含む制御装置と、前記インバータ装置を放熱するためのヒートシンクと、前記冷媒空気熱交換器冷却用であって、前記ヒートシンクを冷却することで前記インバータ装置内のスイッチング素子の放熱を行う送風機と、を備え、
   前記スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体による素子で構成することで、前記制御装置は、排熱回収運転時、前記スイッチング素子を放熱するための前記送風機の運転を抑制する、
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、排熱回収運転時、前記ヒートシンクの温度または前記インバータ装置内の温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記送風機の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記ヒートシンクを、前記室外熱源ユニットにおいて送風機室側に配置し、当該ヒートシンクのフィンを、マトリックス状に配置された形状、または円柱もしくは角柱がドットマトリックス状に配置された形状とする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである、
   ことを特徴とする請求項１，２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 室外熱源ユニットと、室内ユニットと、給湯ユニットと、を接続し、空調運転および給湯運転の個別運転が可能であり、冷房および給湯の同時運転により排熱回収運転が可能であり、前記排熱回収運転時には前記室内ユニットと前記給湯ユニットとの間で冷媒が循環して冷凍サイクルが成立することによって前記室外熱源ユニットでの熱交換が不要となる冷凍サイクル装置における前記室外熱源ユニットであって、
   冷媒圧縮用の圧縮機と、前記冷媒と外気との熱交換を行う冷媒空気熱交換器と、前記圧縮機駆動用のインバータ装置を含む制御装置と、前記インバータ装置を放熱するためのヒートシンクと、前記冷媒空気熱交換器冷却用であって、前記ヒートシンクを冷却することで前記インバータ装置内のスイッチング素子の放熱を行う送風機と、を備え、
   前記スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体による素子で構成することで、前記制御装置は、排熱回収運転時、前記スイッチング素子を放熱するための前記送風機の運転を抑制する、
   ことを特徴とする室外熱源ユニット。
6. 前記制御装置は、排熱回収運転時、前記ヒートシンクの温度または前記インバータ装置内の温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記送風機の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の室外熱源ユニット。
7. 前記ヒートシンクを、前記室外熱源ユニットにおいて送風機室側に配置し、当該ヒートシンクのフィンを、マトリックス状に配置された形状、または円柱もしくは角柱がドットマトリックス状に配置された形状とする、
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の室外熱源ユニット。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである、
   ことを特徴とする請求項５，６または７に記載の室外熱源ユニット。

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