JP6689359B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
これに対して冷媒冷却方式は、圧縮機が駆動していない状態では、冷却のための冷媒が冷媒冷却器へ通流しない。そのため、例えば、ファンを回転させる電力変換装置を駆動した場合、発生する損失熱によって電力変換装置構成部品が、その耐熱温度範囲を上回り破壊する可能性がある。これに対応するため、電力変換装置構成部品の放熱面にある冷媒配管を電装品箱の外方で屈曲させ、その上下方向で放熱を阻害するものがないようにして、冷媒が流れていない状態で、折曲部からの自然放熱を促進するようにしたものがある(例えば、特許文献1)。
電力変換装置の構成部品と冷媒冷却器とは熱抵抗が小さくなるように面接触され、しかも冷媒冷却器を構成する配管は液冷媒が留まり易いように曲げ部が設けられている。さらに冷媒冷却器と熱交換器の位置関係は、冷媒冷却器と電力変換装置の構成部品との接触部より上部に熱源側熱交換器のパスが存在するように構成している。このため、圧縮機が駆動していない状態においても、冷媒冷却器に留まった冷媒を自然対流により熱源側熱交換器との間で移動させることができる。従って、冷媒冷却器の構成を複雑化することなく、しかも従来よりも小さなサイズで、電力変換装置の構成部品を冷却することができる。
図1はこの発明の実施の形態1における空気調和装置の冷媒回路図である。実施の形態1の空気調和装置は、圧縮機1、四方弁2、利用側熱交換器3、利用側絞り装置4a、熱源側絞り装置4b、熱源側熱交換器5、及びアキュムレータ14が冷媒配管で接続された冷媒回路17を有する。また、各熱交換器3,5は、通常は図1に示すように、各熱交換器3,5に空気を送るファン3a,5aを備えている。
なお、図1では、アキュムレータ14を備えた構成にしているが、アキュムレータ14は本発明において必ずしも必要なものではない。また、利用側絞り装置4aと熱源側絞り装置4bは、いずれか一方だけを使用する場合もある。
さらに、利用側絞り装置4aと熱源側絞り装置4bとの間の冷媒回路には、冷媒冷却器6を配置している。冷媒冷却器6については後で詳しく説明する。
以下では、電力変換装置7の構成部品を総称する場合は符号8で表し、電力変換装置7のうち圧縮機用構成部品は符号8aで、ファン用構成部品は8bでそれぞれ表す。ここでは、電力変換装置の構成部品8,8a,8bは、電力変換装置板金71上に配置されている。電力変換装置板金71は伝熱部材13,13a,13bを介して冷媒冷却器6に取り付けられるのが好ましい。
なお、第1プレート16と第2プレート9との間、及び第1プレート16と電力変換装置板金71との間には、放熱部材18,19をそれぞれ設けてもよい。放熱部材18,19としては、例えば放熱シートや放熱グリスがあげられる。
第1プレート16には、電力変換装置の構成部品8のうち、発熱を伴うものの表面を熱的に接触させておくことで、電力変換装置の構成部品8を冷却することができる。このとき構成部品8を取り外しできるよう放熱シートや放熱グリスの放熱部材19を介して接触させるのが良い。しかし、熱抵抗が大きくなる場合には、第1プレート16を省き、直接、第2プレート9へ電力変換装置の構成部品8を取り付けてもよい。こうすることで、第1プレート16と放熱部材19の分、熱抵抗を減らすことができる。
また、冷媒冷却器6を構成する第1プレート16、第2プレート9及び電力変換装置板金71は、ねじなどの締結部材を用いて、必要に応じて固定具等を使用して、振動や外力で熱的な接触が失われないよう固定するのが好ましい。
なお、冷媒冷却器6を構成する冷媒配管にターンを設ける意図としては、接触面積を増加させる効果と伴に、圧縮機の停止時に液冷媒が留まり易いようにするためである。勿論、接触面積を増加させる効果を得るためであるから、配管の径を大きくし、配管と接触する第2プレート面を配管形状にあわせて溝を設けておいてもよいし、扁平管等の第2プレートとの接触面積を大きくできる形状の配管を採用してもよい。
図3では、冷媒冷却器6を構成する配管は、冷媒入口配管10と冷媒出口配管11との間の下端に1つの曲げ部15を有したU字形状となっている。さらに、冷媒を多く留めるには、熱源側熱交換器パスの下部に冷媒冷却器6と電力変換装置の構成部品8の接触部が存在するように、冷媒冷却器6を取り付ける。このようにすることで、冷媒冷却器6に液冷媒が留まり、圧縮機1の停止時に電力変換装置の構成部品の発熱があったとしても冷媒冷却器6と熱的な接触が保てることになり、電力変換装置の構成部品8が発生した熱は液冷媒へ伝達される。
なお、熱源側熱交換器5とそれに接続されている冷媒入口配管10の配管端部10aまたは冷媒出口配管11の配管端部11aとの距離が、短いほどよく効率的に熱を移動できる。
(1)スノーセンサ運転モード
(2)インバータ過熱運転モード
(3)別系統に繋がる圧縮機を駆動しての運転モード
(2)のインバータ過熱運転モードは、室外機の停止中に圧縮機1の内部に冷媒が溜まってしまった場合に、圧縮機1を加熱して、圧縮機1内の液冷媒をガス化させる運転であり、圧縮機1を回転させること無く、圧縮機1内のモータ巻線に通電し加熱する運転である。この時も電力変換装置が動作することになるため、電力変換装置の構成部品8aの損失熱が発生する。
(3)の別系統に繋がる圧縮機を駆動しての運転モードは、例えば空気調和装置の試運転や動作確認のために、電力変換装置を冷却する冷媒冷却器6が設けられた第1系統とは別の第2系統に接続される圧縮機を、第1系統で使用していた電力変換装置を使用して駆動する場合、圧縮機が駆動されない第1系統では冷媒が循環しないので、電力変換装置の構成部品が損失熱を発生する。
電力変換装置の構成部品8に損失熱が生じた場合、損失熱は冷媒冷却器6を構成している配管内部31に留まっている液冷媒に発熱部30付近で吸熱され、吸熱した冷媒は状態変化しガスとなる。ガス冷媒32は配管中心部を通り上昇して熱源側熱交換器5へ至る。一般的に熱源側熱交換器パスの配管には複数のフィンが放熱のために取り付けられており空気中へ放熱できる面積が広く設けられている。このため、熱源側熱交換器5のパス内へガス冷媒を移動することで損失熱を効率よく放熱できる。熱を放熱した冷媒は液冷媒33となり、配管内壁面34をつたって重力でもって冷媒冷却器6へ戻る、という自然循環を繰り返す。これにより、圧縮機1が停止している状態においても、電力変換装置の構成部品8の損失熱を熱交換器へ移動させ放熱することが可能となる。
また、損失熱が小さい場合、ガス化した冷媒が熱源側熱交換器5に至る前に配管表面より損失熱を放出し液に戻る場合があるが、この場合も同様に、液冷媒は重力により冷媒冷却器6へ戻るため、連続的な冷却が可能である。
また、ファン5aを駆動して風が流れる状態とすれば、熱源側熱交換器5での熱交換能力が向上するため、効率よくガス冷媒を液冷媒へ変化させることができる。
さらに、ファン5aが駆動することで電力変換装置の構成部品8が発熱していた場合には、熱源側熱交換器5に強制空冷されている状態であるから、より効率よく損失熱を外気へ放出する効果を奏する。これらの効果は後で説明する実施の形態でも得られる。
図5はこの発明の実施の形態2における空気調和装置の冷媒回路図である。実施の形態2の空気調和装置は基本的に実施の形態1と同様であり、以下の点で実施の形態1と相違する。
すなわち、熱源側絞り装置がなく、熱源側熱交換器5と利用側絞り装置4aとの間の冷媒回路17から分岐して、圧縮機1の吸入側(アキュムレータ14を備えている場合はアキュムレータを経由して圧縮機1の吸入側)に至るバイパス回路17Aが設けられている。そして、バイパス回路17Aの途中に、実施の形態1と同様の冷媒冷却器6が設置され、冷媒冷却器6の前後には、バイパス絞り装置4cとバイパス絞り装置4dとが設けられている点である。
なお、冷媒冷却器6の構成及び冷媒冷却器6の取り付け位置等については、実施の形態1と同様としてよい。
冷媒冷却器6は、冷媒回路17中の利用側絞り装置4aと熱源側熱交換器5の間のいずれかの位置から冷媒を分岐し、バイパス絞り装置4cを通った後の冷媒を通して、電力変換装置の構成部品8を冷却する。冷媒冷却器6を通過した冷媒は、さらにバイパス絞り装置4dにより絞られ、低圧側のアキュムレータ14に入る。この冷媒冷却器6による冷却においては、バイパス絞り装置4c,4dで中間圧を制御とすることで冷却能力不足や結露を回避することができる。この場合の絞り装置としては、電子膨張弁やキャピラリーチューブ、二重管、電磁弁、細管などを使用することができる。
また、熱源側熱交換器5を出た冷媒の一部は、バイパス絞り装置4c,4dの絞り量に応じてバイパス回路17Aを流れて冷媒冷却器6の配管へ通流する。冷媒冷却器6を通過した冷媒は、電力変換装置の構成部品8を冷却した後、バイパス絞り装置4d及びアキュムレータ14を経て圧縮機1に戻る。この冷媒冷却器6による冷却においては、バイパス絞り装置4c,4dで中間圧を制御とすることで冷却能力不足や結露を回避することができる。この場合の絞り装置としては、電子膨張弁やキャピラリーチューブ、二重管、電磁弁、細管などを使用することができる。
電力変換装置の構成部品8に損失熱が生じた場合、損失熱は冷媒冷却器6を構成している配管内に留まっている液冷媒に吸熱され、冷媒は状態変化しガスとなる。ガスとなった冷媒の比重は空気よりも小さいため、バイパス回路17A及び冷媒回路17を通って上昇し熱源側熱交換器5内へ至る。熱源側熱交換器5のパス内へ移動したガス冷媒は損失熱を放熱し液冷媒となる。液冷媒は、重力により冷媒回路17及びバイパス回路17Aを通って冷媒冷却器6へ戻る、という自然循環を繰り返す。これにより、圧縮機1が停止している状態においても電力変換装置の構成部品8の損失熱を熱源側熱交換器5へ移動させ放熱することが可能となる。
この時、前段のバイパス絞り装置4cは冷媒冷却器6と熱源側熱交換器5の間にあるため、冷媒の循環が発生するよう開放状態にする必要がある。また、後段のバイパス絞り装置4dは圧縮機1の吸入側またはアキュムレータ14の入口へ繋がる経路に接続されているため、冷媒の連続的な冷却を行うためには閉状態にするのが良い。
図6はこの発明の実施の形態3における空気調和装置の冷媒回路図である。実施の形態1、2では、圧縮機1の停止時、同じ配管内部を液冷媒とガス冷媒が移動することで熱の移動を行っていたが、図6の構成は、液冷媒とガス冷媒の経路を違えることで、冷媒冷却器6内の冷媒の循環を効率よくできるようにしたものである。
実施の形態3の空気調和装置の構成、暖房及び冷房の動作は基本的に実施の形態1と同様であり、以下の点で実施の形態1と相違する。
すなわち、冷媒冷却器6と利用側絞り装置4aとの間の冷媒回路17から分岐して、冷房運転時の冷媒の熱源側熱交換器の入口に至るバイパス回路17Bが設けられている。そして、バイパス回路17Bの途中に、バイパス絞り装置42が設けられている。
また、バイパス回路17Bの熱源側熱交換器5の冷媒入口側との接続ポイントと、冷房運転時の圧縮機1の吐出側との間の冷媒回路の途中に、冷媒の流通を遮断する開閉弁43が設けられている点である。
なお、冷媒冷却器6の構成及び冷媒冷却器6の取り付け位置等については、実施の形態1と同様でよい。
電力変換装置の構成部品8に損失熱が生じた場合、損失熱は冷媒冷却器6を構成している配管内に留まっている液冷媒に吸熱され、冷媒は状態変化しガスとなる。ガスとなった冷媒の比重は空気よりも小さいため絞り装置42が開放させていれば、ガス冷媒32はバイパス回路17Bを通って上昇し熱源側熱交換器5内の配管へ至る。一般的に熱源側熱交換器5パスの配管には複数のフィンが放熱のために取り付けられており空気中へ放熱できる面積が広く設けられている。したがって、この熱源側熱交換器パス内へガス冷媒を移動することで損失熱が効率よく放熱され、ガス冷媒は液冷媒となる。液冷媒33は、重力により冷媒回路17を通って冷媒冷却器6へ戻る、という自然循環を繰り返す。これにより、圧縮機1が停止している状態においても電力変換装置の構成部品8の損失熱を熱源側熱交換器5へ移動させ放熱することが可能となる。
この時、熱源側絞り装置4bは熱源側熱交換器5と冷媒冷却器6との間にあるため、冷媒の循環が発生するよう開放状態にする必要がある。また、利用側絞り装置4aは利用側熱交換器3へ繋がる経路に接続されているため、冷媒の連続的な冷却を行うためには閉状態にするのが良い。さらに、バイパス回路17Bを流れる冷媒が、暖房時にアキュムレータ14の入口側または圧縮機1の吸入側へ、冷房時に圧縮機1の吐出側に向かって移動してしまう場合には、開閉弁43を閉にするとよい。
Claims (10)
- 電動機で駆動される圧縮機、利用側熱交換器、少なくとも1つの絞り装置、及び熱源側熱交換器が配管で接続され、冷媒が循環して冷凍サイクルが実行される冷媒回路と、
前記電動機に駆動力を供給する電力変換装置と、
前記冷媒回路を流れる前記冷媒を流通させて、前記電力変換装置の構成部品の放熱を前記冷媒に吸熱させる冷媒冷却器と、を備え、
前記冷媒冷却器は、
放熱用のプレートと、冷媒が流れる放熱用の配管とを有し、
前記放熱用の配管は、冷媒入口配管、冷媒出口配管、及び前記冷媒入口配管と前記冷媒出口配管とをつなぐ少なくとも1つの曲げ部とを有し、
前記曲げ部が前記放熱用の配管の下端部に設けられており、
前記プレートは、一方の面に板金上に固定された前記電力変換装置の構成部品が前記板金を介して面接触された第1プレートと、前記第1プレートの他方の面に配置され、前記放熱用の配管が面接触された第2プレートとを備え、
前記冷媒冷却器と前記電力変換装置の構成部品との接触部より上部に、前記熱源側熱交換器のパスが位置するようにした
空気調和装置。 - 前記冷媒冷却器を構成する放熱用の配管が、前記第2プレートに形成された溝内に収容され、前記配管の外周面と前記溝の内周面とが面接触している
請求項1に記載の空気調和装置。 - 前記電力変換装置の構成部品は前記板金上に固定されており、前記構成部品は前記板金を介して前記第1プレート上に配置されており、
前記板金と前記第1プレートとが締結部材で固定されている
請求項1または2に記載の空気調和装置。 - 前記第1プレートと前記第2プレートとが放熱部材を介して固着されている
請求項1〜3のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷媒冷却器が前記冷媒回路の中に配置され、
前記冷媒冷却器に通流する冷媒が、前記冷凍サイクルで使用する冷媒全流量である
請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷媒回路のうちの前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器との間から分岐して、圧縮機の吸入側に至るバイパス回路が設けられ、
前記冷媒冷却器が前記バイパス回路の途中に配置されている
請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記バイパス回路の前記冷媒冷却器の前段と後段とに、冷媒の絞り装置を備えた
請求項6に記載の空気調和装置。 - 前記冷媒冷却器が前記冷媒回路の中に配置され、
前記冷媒冷却器と前記利用側熱交換器の間の位置から分岐し、冷房運転時の前記熱源側熱交換器の冷媒入口側に接続するバイパス回路と、
前記バイパス回路の途中に設置されたバイパス絞り装置と、を備え、
前記バイパス絞り装置は前記圧縮機が駆動していない場合にのみ開とされる
請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷媒回路のうち、前記バイパス回路が前記熱源側熱交換器の前記冷媒入口側に接続する接続ポイントと、冷房運転時の前記圧縮機の吐出側との間に、冷媒の流通を遮断する開閉弁を備えた請求項8に記載の空気調和装置。
- 熱源側熱交換器に送風を行うファンと、
前記ファンを駆動するファン用電動機を備え、
前記ファン用電動機が前記電力変換装置で駆動される
請求項1〜9のいずれか一項に記載の空気調和装置。
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