(57)【要約】【課題】電動機の駆動回路の発熱を有効に利用して効率向上を図る。【解決手段】電動機１７０の出力によって吸熱部１２０から発熱部１３０に移動して熱を運ぶ物質１６０を設け、電動機１７０に電気パワーを供給する駆動回路２２０からの発熱を、吸熱部１２０に供給するようにしている。これによって、高効率化を図ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱部と、該吸熱部と配管で結合された発熱部と、前記吸熱部の後流に設けられ電動機を有する圧縮機と、前記電動機の出力によって前記吸熱部の熱を前記発熱部に運搬する物質と、前記電動機に電気パワーを供給する駆動回路とを備え、前記駆動回路からの発熱量の少なくとも一部は、前記吸熱部に供給される熱ポンプ装置。
【請求項２】
発熱部は、水を加熱する熱交換器に設けた請求項１記載の熱ポンプ装置。
【請求項３】
駆動回路は、周波数が可変の交流電流を電動機に供給するインバータを有する請求項１記載の熱ポンプ装置。
【請求項４】
駆動回路は吸熱部に接して設けられ、前記駆動回路が発する熱は熱伝導によって前記吸熱部に供給される請求項１記載の熱ポンプ装置。
【請求項５】
ファンを有し、駆動回路の発熱によって加熱された空気が、前記ファンによって吸熱部に当たり、空気から熱を吸収する請求項１記載の熱ポンプ装置。
【請求項６】
物質は、成分の重量比率５０パーセント以上を二酸化炭素とした請求項１記載の熱ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭などにおいて、大気熱などを有効に利用して給湯用等として使用される熱ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱ポンプ装置は、図４に示すように、インバータ回路１６によって制御される電動機６ａは圧縮機６を駆動し、超臨界圧力以上に加圧されて吐出した冷媒は対向式熱交換器７に入り、タンク２から電動ポンプ３によって供給される水を加熱している。
【０００３】
そして対向式熱交換器７から出た冷媒は、ＥＣＵ１５によって開度が制御される膨張弁８を通って、空気熱交換器９に入り、ファン１１による送風を受けて熱を吸収して、アキュムレータ１０に戻される形態となっている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８８８５９公報（第４−６頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の熱ポンプ装置は、インバータ回路の損失により発する熱量は、湯沸し用には有効的に利用されず、低効率のものであった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するもので、インバータ回路など電動機の駆動回路の損失により発生する熱を有効的に活用し、高効率の熱ポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱ポンプ装置は、吸熱部と、発熱部と、電動機と、前記電動機の出力によって前記吸熱部から前記発熱部に移動して熱を運ぶ物質と、前記電動機に電気パワーを供給する駆動回路とを有し、前記駆動回路からの発熱量の少なくとも一部は、前記吸熱部に供給されるように構成したものであり、これによって、駆動回路から発生する熱を有効的に利用でき、高効率化が図れる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、吸熱部と、発熱部と、電動機と、前記電動機の出力によって前記吸熱部から前記発熱部に移動して熱を運ぶ物質と、前記電動機に電気パワーを供給する駆動回路を有し、前記駆動回路からの発熱量の少なくとも一部は、前記吸熱部に供給される構成とすることにより、駆動回路から発せられる熱を有効に発熱部からの熱出力に利用できて、高効率化が図られ、また吸熱部への霜付きも起こりにくくなる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱ポンプ装置の発熱部は水を加熱する熱交換器内に設けたことにより、湯を沸かす際に必要な熱パワーに駆動回路から発生する熱が有効に活用できて高効率化が図られ、また吸熱部への霜付きも起こりにくくなる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の熱ポンプ装置の駆動回路は、周波数が可変の交流電流を電動機に供給するインバータを有する構成とすることにより、各種の温度などの条件に対応させたり、加熱パワーを可変するなど、制御性が高い熱ポンプ装置を実現しながら、インバータからの発熱を有効に活用することができ、高効率の装置が実現できる。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の熱ポンプ装置の駆動回路は、吸熱部に接して設けられ、駆動回路が発する熱は熱伝導で前記吸熱部に供給される構成とすることにより、駆動回路から発生する熱を有効に熱出力に利用して高効率を実現するとともに、駆動回路の冷却が簡単となり、装置の小形化が図られる。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の熱ポンプ装置は、ファンを有し、駆動回路の発熱によって加熱された空気が前記ファンによって吸熱部に当たり、空気から熱を吸収する構成とすることにより、駆動回路から発生する熱を有効に熱出力に利用でき高効率が実現する。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の熱ポンプ装置の物質は、成分の重量比率５０パーセント以上を二酸化炭素とした構成とすることにより、駆動回路から発生した熱を有効に利用して高効率化が図られ、その上に環境に負担をかけることが少ない熱ポンプ装置を実現することができる。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における水を加熱して湯を沸かす熱ポンプ装置の構成図である。図１において、ファン１００と、蒸発器１１０にヒダ状の板金を多数付けて構成した吸熱部１２０を設け、発熱部１３０は水を加熱する熱交換器１４０の内部に設けられている。冷媒配管１５０は、その内側に詰め込まれ冷媒とも呼ばれる物質１６０が満たされているが、本実施例においては、純度の高い二酸化炭素を使用している。
【００１６】
さらに、物質１６０を超臨界圧以上に圧縮して押し出すために設けられた電動機１７０を有する圧縮機１８０を有し、反対側には膨張弁１９０を設けている。そして、沸かした湯を貯めておくためのタンク２００、タンク２００から熱交換器１４０に水を供給する積層ポンプ２１０が設けられており、タンク２００の下端Ａは水道につながれて、上端Ｂは湯を取るための出口となっている。
【００１７】
図２は、インバータ２３０の詳細回路図である。本実施例においては、駆動回路２２０は、直流電圧から可変周波数の交流電流を発生するインバータ２３０を有しており、電動機１７０に可変周波数の電気パワーを供給することにより、可変速で駆動することできる。
【００１８】
そして、インバータ２３０は、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート形トランジスタ）３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０は３相のフルブリッジと呼ばれる構成で、３相の可変周波数の交流電流を電動機１７０に出力するものである。また、２００ボルトの交流電源３６０はリアクタ３７０、ダイオードを４本ブリッジ接続して構成した全波の整流器３８０、およびその出力を安定な直流電圧とするための電解形のコンデンサ３９０が設けられているものとなっている。
【００１９】
本実施例においては、駆動回路２２０は、吸熱部１２０の蒸発器１１０と密着して取り付けられており、特に駆動回路２２０の構成要素であるインバータ２３０は、高温では信頼性の問題が起こる半導体素子の一種であるＩＧＢＴを使用していることから、運転中には素子のチップ温度はセ氏１５０度以下に冷却する必要があるが、蒸発器１１０は通常の運転中に外気温度よりも低温となることから、例えばインテリジェント・パワーモジュールなどと呼ばれるようなＩＧＢＴ３００〜３５０が、そのゲートドライブ回路や保護回路などとともに１つのパッケージに封入されたものを使用し、それをシリコングリスなどで十分低い熱抵抗で吸熱部１２０に密着させることにより、熱伝導による効果的なインバータ２３０の冷却が可能となる。
【００２０】
一般的に電力変換の用途で半導体を使用する場合には、大気中に熱を拡散させるための放熱板が使用されるが、本実施例においてはそれを無くすことができるため、装置の小形化が可能となるという効果がある。ＩＧＢＴ３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０以外に、例えば整流器３８０、リアクタ３７０なども効果的な冷却が行われることによる信頼性向上、小形化なども可能となり、さらなる効果を奏する。
【００２１】
また、駆動回路１７０内の損失により発生した熱が吸熱部１２０に入ると、その分装置に入る熱パワーが増えて効率が良くなるという効果があるが、本実施例のように、吸熱部１２０に密着させた場合には駆動回路１７０が発する熱の内の実に８０パーセント以上が、熱伝導によって蒸発器１１０内を流れる物質１６０に吸収され、大気から吸収された熱とともに、電動機１７０の出力によって、吸熱部１２０から発熱部１３０に移動して熱を運ばれるものとなり、その効果は大きい。
【００２２】
なお、本実施例では図２に示しているパワー部分の回路のみについて、発生する熱を吸熱部１２０に入れているが、その他にも例えば１５ボルトや５ボルトなどの直流電源なども駆動回路２２０としては普通設けられるものであるので、これらの損失によって発生する熱も、吸熱部１２０に伝えれば有効に活用することができ、また設計によってはそれらの構成要素の冷却も簡単とすることができるので、装置をますます小形化し、軽量化し、低価格化することも可能である。
【００２３】
また、発熱部１３０には、タンク２００の下面から積層ポンプ２１０によって、冷たい水が流入して熱交換されるので、水は加熱されて例えばセ氏９０度の高温となってタンク２００の上面から戻され、比重の関係からタンク２００の上側にたまって、積層沸き上げがなされる。発熱部１３０を通過した物質１６０は、熱を取られて冷やされているが、膨張弁１９０を通過することにより、圧力が低下し低温となって、再び吸熱部１２０に戻される。
【００２４】
一般に冬季など外気温の低い状態においては、吸熱部１２０に霜が付きやすいという傾向があり、霜が付いた状態では吸熱部１２０の性能が落ちるものとなるが、本実施例では、駆動回路２２０からの熱も吸熱部１２０に供給される分、霜が付きにくくなるという効果も得られる。したがって、霜を落とすための種々の制御方法などを行う必要が発生する頻度も低くなり、その分能力が高い状態で装置を働かせることができる。
【００２５】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２における吸熱部５００の周辺の構成図を示している。図６において、電動式のファン５１０、ファン５１０の風を受ける吸熱部５００を設け、吸熱部５００の風上側に駆動回路５３０が設けられている。なお、駆動回路５３０の回路図については実施例１と同等であるが、発熱部品からの熱を空気中に効果的に放熱するためアルミニウム製の放熱器（ヒートシンク）を持たせたものである。また、吸熱部５００以外の構成については、実施例１と同等のものを使用している。
【００２６】
本実施例では、ファン５１０の作用により、駆動回路５３０の発熱によって加熱された空気が吸熱部５００に当たり、空気から熱を吸収するものとなる。したがって、駆動回路５３０から発生する熱は、一旦ファン５１０によって流される空気中に拡散するが、その風下に吸熱部５００が設けられていることから、一部は吸熱部５００内に吸収され、有効に利用される。また、駆動回路５３０によって加熱された風が吸熱部５００に当たるものとなることから、吸熱部５００には霜が付きにくくなるという効果もある。
【００２７】
また、特に本実施例の場合には、駆動回路５３０の温度は外気温以下には下がることが無いため、駆動回路５３０に霜が付く心配は少なく、よって実施例１と比較して防水対策なども簡単に済ませることができるものとなり、特に低温で耐電圧の低下が著しい半導体素子でも十分に使用できる。
【００２８】
なお、実施例１と実施例２は、いずれも水を加熱する給湯用としているが、例えば調理用として鍋やフライパンなどを加熱する装置や、衣類などを乾燥させるための熱源として構成されたものなど、発熱部からの熱を利用する他の熱ポンプ装置においては、同様に駆動回路の発熱を吸熱部から有効に利用した高効率の装置とすることができるという効果は同じである。
【００２９】
また、各実施例では二酸化炭素を物質１６０として使用し、超臨界圧まで加熱して使用する構成としていることから、対向式の熱交換器１４０にて水を効果的に加熱してセ氏９０度程度まで加熱することができるものとなっているが、特に二酸化炭素を利用するものでなくても良く、例えばフロンや、アンモニア、水蒸気などを使用するものであっても良く、超臨界流体に限らず気体、液体、固体などあらゆる状態の物質であっても良く、要するに顕熱・潜熱に係わらず熱を蓄えることができる物質であれば何でもかまわない。
【００３０】
また、各実施例においては、圧縮機１８０によって物質１６０を最高１３メガパスカルにまで圧縮する構成としているため、圧縮されることによる熱量の増大が図られてより物質１６０がより高温となり、湯をセ氏９０度まで沸かすことができるものとなっているが、圧縮することも必ずしも必要ではなく、例えば吸熱部１２０の温度よりも発熱部１３０の温度が低くても良い場合などは、そのまま電動機１７０は物質１６０をそのまま移動させるものとしても良いし、その場合は圧縮機１８０の代わりとして、体積が一定で流体を送り出すポンプなどでもよく、物質１６０が固体である場合には、ベルトコンベアやロープ、滑車などを用いた構成とし、それを電動機１７０の動力出力で駆動するものとしてもかまわない。
【００３１】
そしてまた、駆動回路２２０についても、各実施例では電動機１７０が永久磁石を使用した同期電動機と呼ばれる種類のものを使用していることから、インバータ２３０を備えて電動機１７０に供給される電気パワーは周波数を可変としたものとしたが、駆動回路２２０も必ずしもこのような構成である必要はなく、３相交流の代わりに単相を出力するもの、あるいは例えばＤＣチョッパなどのように可変の直流電圧を出力するもの、またトライアックなどのオンオフ制御を使用して交流の電圧を加減したり、オン期間とオフ期間の比率を変えることにより、電動機１７０に供給する電気パワーを制御するものなど、さまざまな構成があり得る。
【００３２】
さらにまた、各実施例では膨張弁１９０を使用し、低圧となった物質１６０を再び吸熱部１２０に戻して循環させる構成としているため、動作中に物質１６０を補充する必要がなく、メンテナンスが簡単で、経済性も高いという効果を得ているが、特に物質１６０を循環させることが絶対的なものでもなく、発熱部１３０を通過した物質１６０はそのまま廃棄され、新たな物質１６０を吸熱部１２０に入れて使用する構成であってもかまわない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱ポンプ装置は、電動機の出力によって吸熱部から発熱部に移動して熱を運ぶ物質設け、電動機に電気パワーを供給する駆動回路からの発熱が、吸熱部に供給されることにより、高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における熱ポンプ装置の構成図
【図２】同装置の駆動回路の詳細を示す回路図
【図３】本発明の実施例２における熱ポンプ装置の吸熱部の構成図
【図４】従来のヒートポンプ式給湯器の構成図
【符号の説明】
１２０、５００  吸熱部
１３０  発熱部
１７０  電動機
１６０  物質
２２０、５３０  駆動回路
１４０  熱交換器
２３０  インバータ
１００、５１０  ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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