(57)【要約】【課題】  除霜運転時においても冷媒流路内の冷媒を用いて制御装置を効果的に冷却し得るヒートポンプ式給湯装置を提供する。【解決手段】  圧縮機１１、凝縮熱交換器１２、膨脹弁１３、蒸発熱交換器１４を冷媒配管１５で順に連通させる。圧縮機１１から吐出される高温の冷媒を、凝縮熱交換器１２及び膨脹弁１３を迂回して、蒸発熱交換器１４の入口に対し直接に導くバイパス路１８と、バイパス路１８を開閉切換する除霜用電磁弁１９とを設ける。制御装置３として、パワーモジュールを密着設置した制御基板に、多数の放熱フィンにより構成されるヒートシンクを設ける。蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒配管に対し、ヒートシンクを接触させた状態に設置し、冷媒配管内の冷媒と熱交換可能とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮熱交換器、膨脹弁、及び、蒸発熱交換器を冷媒流路で順に連通させた冷凍回路と、この冷凍回路を運転制御するための制御装置とを備え、前記凝縮熱交換器において給湯用の湯水を前記圧縮機から吐出される冷媒で熱交換加熱し得るように構成されたヒートポンプ式給湯装置において、
前記冷凍回路は、圧縮機から吐出される冷媒を、前記凝縮熱交換器及び膨脹弁を迂回して、前記蒸発熱交換器の入口に対し直接に供給することにより蒸発熱交換器の除霜運転を行うために流路切換可能な除霜用流路を備え、
前記制御装置はその作動に伴い発熱する発熱要素を備え、
前記発熱要素は、前記蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒流路に対し、その冷媒流路内の冷媒と熱交換可能に配設されている、
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記発熱要素はヒートシンクを備え、このヒートシンクが、前記蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒流路と接触した状態で配設されることにより熱交換可能に配設されている、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記ヒートシンクの温度を検出するための第１温度センサを備え、
前記制御装置は、第１温度センサにより検出されるヒートシンクの温度が所定温度以下になるように、前記圧縮機の作動を制御するように構成されている、ヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置であって、
前記蒸発熱交換器の出口から導出される冷媒の温度を検出するための第２温度センサを備え、
前記制御装置は、前記第２温度センサにより検出される冷媒温度が所定の温度以下になるように、前記圧縮機の作動を制御するように構成されている、ヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍回路を構成する凝縮熱交換器において給湯用の湯水を熱交換加熱するよう構成されたヒートポンプ式給湯装置に関し、特に運転制御用の制御装置の冷却を蒸発熱交換器の除霜運転時においても効果的に行い得る技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧縮機、凝縮熱交換器、膨脹弁及び蒸発熱交換器を冷媒配管で順に接続した冷凍サイクルを備え、室内を冷房等するための空気調和装置において、この空気調和装置を運転制御するための制御装置に対し冷媒配管の一部を配置し、制御装置を構成する回路部品から発生する熱と熱交換させて冷媒を加熱し、冷媒の蒸発を促進させることで冷凍サイクルの運転効率を高めるようにすることが提案されている（例えば特許文献１の段落０００１，００２３参照）。すなわち、制御装置の回路部品を取り付けた制御基板を、室外の凝縮熱交換器から膨脹弁までに延びる冷媒配管に対し配置している（例えば特許文献１の図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−７３３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、冷凍サイクルを構成する蒸発熱交換器を室内に配置して蒸発熱交換器での吸熱を冷房に利用する空気調和機とは異なり、凝縮熱交換器での放熱を湯水の加熱に利用するヒートポンプ式の給湯装置においては、外気が低温のときなどには室外に設置した蒸発熱交換器に霜が付く場合がある。着霜すると、蒸発熱交換器本来の役割が果たせなくなることから、除霜運転を実施することになる。通常は、圧縮機で高温高圧にした冷媒を、凝縮熱交換器や膨脹装置をバイパスさせて室外の蒸発熱交換器に導き、蒸発熱交換器に付いた霜を溶かすことが行われる。
【０００５】
しかしながら、前述の空気調和装置の場合、このような除霜運転を実行すると、制御装置に配置されている冷媒配管に冷媒が流れず、制御装置からの発熱を回収することができないばかりでなく、熱交換による制御装置の冷却自体も不能となってしまうことになる。このため、除霜運転を実現させるには、除霜運転時に制御装置を冷却するために、冷却ファン等の手段を補助的に設置する必要が生じることになる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、除霜運転時においても冷媒流路内の冷媒を用いて制御装置を効果的に冷却し得るヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機、凝縮熱交換器、膨脹弁、及び、蒸発熱交換器を冷媒流路で順に連通させた冷凍回路と、この冷凍回路を運転制御するための制御装置とを備え、前記凝縮熱交換器において給湯用の湯水を前記圧縮機から吐出される冷媒で熱交換加熱し得るように構成されたヒートポンプ式給湯装置を対象にして次の技術的手段を講じた。
【０００８】
すなわち、前記冷凍回路に、圧縮機から吐出される冷媒を、前記凝縮熱交換器及び膨脹弁を迂回して、前記蒸発熱交換器の入口に対し直接に供給することにより蒸発熱交換器の除霜運転を行うために流路切換可能な除霜用流路を備えることとする。そして、前記制御装置がその作動に伴い発熱する発熱要素を備え、前記発熱要素を、前記蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒流路に対し、その冷媒流路内の冷媒と熱交換可能に配設させることとした（請求項１）。
【０００９】
本発明の場合、圧縮機で圧縮した高温の冷媒を凝縮熱交換器に流し、給湯用の湯水を熱交換加熱した後の冷媒を膨脹弁で減圧し、蒸発熱交換器で外気からの吸熱により気化させた冷媒を圧縮機に戻して再び圧縮するという冷凍サイクル運転を行う通常運転制御が制御装置により実行される。この通常運転制御状態のときには、蒸発熱交換器で気化された後に圧縮機に送られる冷媒流路内の冷媒との熱交換によって、制御装置の発熱要素が十分に冷却されるとともに、その発熱要素の発熱を冷媒に吸熱させて圧縮機に導入される前の冷媒をより加熱することが可能となる。さらに、除霜用流路に流路切換して除霜運転制御が実行されるときであっても、圧縮機から直接に蒸発熱交換器に導入されて着霜を除霜した後に圧縮機に送られる冷媒との熱交換によって、制御装置の発熱要素を冷却することが可能となる。これにより、除霜運転時における制御装置の発熱要素に対する冷却機能を、冷却ファン等の手段を設置することなく、冷媒流路内の冷媒との熱交換のみによって確保することが可能となり、コンパクト化をも図ることが可能となる。なお、発熱要素とは、制御装置を構成する一要素であって、その作動に伴い発熱してしまうことになる要素であり、例えばインバータ装置等が該当する。
【００１０】
本発明のヒートポンプ式給湯装置において、発熱要素がヒートシンクを備えたものとし、このヒートシンクを、蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒流路と接触した状態で配設させることにより熱交換可能に配設させることができる（請求項２）。このようにすることにより、冷媒流路内の冷媒との熱交換に基づく発熱要素に対する冷却機能を確実に発揮させ得るようになる。
【００１１】
又、この場合、ヒートシンクの温度を検出するための第１温度センサを備え、制御装置として、第１温度センサにより検出されるヒートシンクの温度が所定温度以下になるように、圧縮機の作動を制御する構成とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、除霜運転制御時において、圧縮機から高温の冷媒が除霜用流路を通して蒸発熱交換器に直接に供給されたとしても、制御装置の発熱要素に対する冷却機能を確実に担保しつつ、その発熱要素の過熱に伴う破損のおそれも確実に回避し得るようになる。又、この場合、蒸発熱交換器から出る冷媒の温度は、熱伝導が良好であるため、ヒートシンクの温度と同等になり、第１温度センサにより蒸発熱交換器出口温度センサの役割を担わせることが可能となって、蒸発熱交換器出口温度センサを省略することが可能になる。
【００１２】
本発明のヒートポンプ式給湯装置において、蒸発熱交換器の出口から導出される冷媒の温度を検出するための第２温度センサを備え、制御装置として、第２温度センサにより検出される冷媒温度が所定の温度以下になるように、圧縮機の作動を制御する構成とすることができる（請求項４）。このようにすることにより、除霜運転制御時において、圧縮機から高温の冷媒が除霜用流路を通して蒸発熱交換器に直接に供給されたとしても、制御装置の発熱要素に対する冷却機能を確実に担保しつつ、その発熱要素の過熱に伴う破損のおそれも確実に回避し得るようになる。
【発明の効果】
【００１３】
以上、説明したように、本発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、冷凍回路において冷凍サイクル運転を行う通常運転制御が実行されるときには、蒸発熱交換器で気化された後に圧縮機に送られる冷媒流路内の冷媒との熱交換によって、制御装置の発熱要素を十分に冷却することができるとともに、その発熱要素の発熱を冷媒に吸熱させて圧縮機に導入される前の冷媒をより加熱することができるようになる。さらに、除霜用流路に流路切換して除霜運転制御が実行されるときであっても、圧縮機から直接に蒸発熱交換器に導入されて着霜を除霜した後に圧縮機に送られる冷媒との熱交換によって、制御装置の発熱要素を冷却することができるようになる。これにより、除霜運転時における制御装置の発熱要素に対する冷却機能を、冷却ファン等の手段を設置することなく、冷媒流路内の冷媒との熱交換のみによって確保することができる。併せて、冷却ファン等の手段の設置を省略することで、コンパクト化をも図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の模式図である。
【図２】図１のヒートポンプ式給湯装置の制御装置の一部を破断して断面状態で示す部分拡大斜視図である。
【図３】除霜運転制御において温度管理制御される、ヒートシンク温度又は蒸発熱交換器の出口温度と、時間との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置を示す。このヒートポンプ式給湯装置は、冷凍サイクルを用いたヒートポンプユニット１と給湯回路２とを組み合わせたものであり、冷凍サイクルの凝縮熱交換器からの放熱を利用して給湯回路２の水を熱交換加熱し得るようになっている。ヒートポンプユニット１は、圧縮機１１と、凝縮熱交換器（凝縮器）１２と、減圧手段としての膨張弁１３と、蒸発熱交換器（蒸発器）１４とを、冷媒流路を構成する冷媒配管１５で順に連通接続したものである。ヒートポンプユニット１に循環させる冷媒としては、プロパン等のＨＣ系冷媒や、ＣＯ２などの適宜のものを採用することができる。又、給湯回路２は、貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１内に貯留された湯水を凝縮熱交換器１２との間で循環させる水循環配管２２と、この水循環配管２２を通して貯湯タンク２１の底部から水を前記凝縮熱交換器１２へ圧送し、加熱後に凝縮熱交換器１２から貯湯タンク２１の頂部へと導く給水ポンプ２３とを備えて構成されている。そして、これらヒートポンプユニット１と給湯回路２とが制御装置３により運転制御されて、凝縮熱交換器１２において水が目標沸き上げ温度に加熱されて貯湯タンク２１に貯湯されるようになっている。
【００１７】
圧縮機１１は電動モータにより作動され、その回転数を作動制御量として制御装置３により作動制御されるようになっている。回転数は、制御装置３から与える運転周波数を変更することで変更制御される。より高圧に圧縮するには回転数を上げ、より低圧にするには回転数を下げることになる。この圧縮機１１で圧縮されることで高温・高圧のの冷媒が圧縮機１１から冷媒配管１５に吐出され、その吐出温度が吐出温度センサ１６により検出されて検出吐出温度が制御装置３に出力されることになる。
【００１８】
凝縮熱交換器１２は、冷媒配管１５の一部が内部に通される一方、逆方向から水循環配管２２の一部が内部に通されて、両者間で熱交換するようになっている。すなわち、冷媒配管１５に圧縮機１１から吐出された高温状態の冷媒と、給水ポンプ２３により貯湯タンク２１の底部から供給された水とが熱交換され、水が熱交換加熱により湯となり、その熱交換により熱が奪われた冷媒は凝縮する。
【００１９】
膨張弁１３は凝縮熱交換器１２からの冷媒を減圧するものである。この膨張弁１３は、その開度を作動制御量として制御装置３により作動制御される。
【００２０】
蒸発熱交換器１４は、その回転作動により外気を送風するファン１４ａを備え、この外気と、膨張弁１３により減圧された冷媒とを熱交換させることで、冷媒を蒸発させて気相状態に変換（気化）させるようになっている。この蒸発熱交換器１４を出た冷媒温度が後述のヒートシンク温度センサ１７により検出され、検出されたヒートシンク温度（＝蒸発熱交換器出口温度）が制御装置３に出力されることになる。そして、蒸発熱交換器１４を出た冷媒が制御装置３との間で熱交換した後に圧縮機１１に戻され、圧縮機１１で再び圧縮機されて高温・高圧状態の冷媒となって凝縮熱交換器１２に送られることになる。
【００２１】
又、ヒートポンプユニット１には、蒸発熱交換器１４の除霜運転のための手段を備えている。すなわち、圧縮機１１から吐出されて凝縮熱交換器１２に入る前の冷媒を、凝縮熱交換器１２及び膨張弁１３をバイパスさせて蒸発熱交換器１４に対し直接に供給するバイパス路１８が配設されている。バイパス路１８には除霜運転用の開閉制御弁として除霜弁１９が介装され、この除霜電磁弁１９は通常運転時には閉状態に維持する一方、後述の除霜運転時には開変換制御することで、圧縮機１１から吐出された冷媒を直接に蒸発熱交換器１４に供給し得るようになっている。さらに、外気温センサ２０により外気温が検出されて、制御装置３に出力されるようになっている。バイパス路１８及び除霜電磁弁１９により除霜用流路が構成されている。
【００２２】
一方、給湯回路２では、給水ポンプ２３の作動により貯湯タンク２１内の水が凝縮熱交換器１２に圧送される際に、凝縮熱交換器１２の入口手前で入水温度センサ２４により熱交換加熱前の入水温度が検出され、凝縮熱交換器１２を通過することで熱交換加熱されて出湯した際に、凝縮熱交換器１２の出口側で出湯温度センサ２５により沸き上げ温度が検出されるようになっている。これら検出入水温度や検出沸き上げ温度が制御装置３に出力されるようになっている。凝縮熱交換器１２で加熱された湯は貯湯タンク２１の頂部側に戻されて貯留され、以後の給湯に利用されることになる。給湯により貯湯タンク２１内の湯水量が減れば、その分だけ給水されるようになっている。
【００２３】
制御装置３は、制御部や、発熱要素を構成するインバータ装置を備え、蒸発熱交換器１４から圧縮機１１に至る冷媒配管１５ａと熱交換可能に設置されている。具体的には、図２に例示するように、インバータ装置等を含むパワーモジュール３１の一面が制御基板３２の一面に対し面接触状態で密着して設置される一方、パワーモジュール３１の他面には、複数の放熱フィン３３１，３３１，…が突出した状態で設けられたヒートシンク３３が取り付けられている。これら放熱フィン３３１，３３１，…はヒートシンク３３を構成するものであり、ヒートシンク３３の所定位置にヒートシンク３３の温度（以下、「ヒートシンク温度」という）を検出するためのヒートシンク温度センサ１７が設置されている。そして、前記の冷媒配管１５ａがこのヒートシンク３３（放熱フィン３３１）に対し接触した状態に配管され、これにより、冷媒配管１５ａ内を流れる冷媒と、制御装置３のパワーモジュール３１との間で熱伝導により熱交換可能とされている。このため、パワーモジュール３１の発熱を吸熱して冷媒が加熱される一方、パワーモジュール３１は熱を冷媒に奪われて冷却されることになる。この場合、熱伝導性が良好なため、冷媒配管１５ａ内の冷媒温度（＝蒸発熱交換器出口温度）と、ヒートシンク温度とは互いに同温度となり、このため、蒸発熱交換器１４の出口に従来設置されている蒸発熱交換器出口温度センサと、ヒートシンク３３に設置されるヒートシンク温度センサ１７とのいずれか一方を出力することが可能となる。本実施形態では、蒸発熱交換器出口温度センサの設置を省略し、この蒸発熱交換器出口温度センサの役割をヒートシンク温度センサ１７に担わせている例を示している。
【００２４】
以上のヒートポンプ式給湯装置においては、目標沸き上げ温度を目標温度として凝縮熱交換器１２により給湯回路２側の水を加熱するように制御する通常運転制御と、除霜運転開始条件の成立により蒸発熱交換器１４を対象にして着霜を溶かすように制御する除霜運転制御とが、制御装置３により実行される。
【００２５】
通常運転制御は、例えば、現在の運転時点での外気温センサ２０による検出外気温、入水温度センサ２４による検出入水温度、吐出温度センサ１６による検出吐出温度や、目標沸き上げ温度等に基づいて、出湯温度センサ２５による検出沸き上げ温度が目標沸き上げ温度になるように圧縮機１１の回転数を変更制御したり、膨張弁１３の開度を変更制御したり、あるいは、給水ポンプ２３の循環流量を変更制御したり、するようになっている。
【００２６】
除霜運転制御は、除霜運転開始条件が成立するか否かを監視し、除霜運転開始条件が成立すれば除霜運転制御を開始し、通常運転への復帰条件が成立すれば、通常運転制御に復帰させるための復帰制御を実行するようになっている。除霜運転開始条件としては、例えば、蒸発熱交換器１４の温度（例えばヒートシンク温度センサ１７により検出されるヒートシンク温度により把握可能）が着霜により除霜が必要となる所定の設定温度以下まで低下したこと、を設定することができる。
【００２７】
除霜運転制御は、除霜電磁弁１９を開変換制御して圧縮機１１から吐出される圧縮後の高温冷媒をバイパス路１８を通して直接に蒸発熱交換器１４に導入し、蒸発熱交換器１４の着霜を溶かすようにする。この際、圧縮機１１から吐出される高温冷媒の温度が高いほど除霜効率は上がるものの、余り高いと制御装置３に対し逆に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、除霜運転制御時には、図３に示すように、ヒートシンク温度センサ（第１温度センサ）１７により検出されるヒートシンク温度が所定の許容上限温度Ｔａよりも高温にならないように圧縮機１１の作動を制御するという温度管理制御を、併せて行うようにしている。つまり、圧縮機１１の圧縮作動量を制御することで、蒸発熱交換器１４に対し除霜用の熱源として供給される冷媒の吐出温度を調整し、蒸発熱交換器出口温度（＝ヒートシンク温度）が許容上限温度Ｔａを超えないようにしているのである。許容上限温度Ｔａとして、制御装置３のインバータ装置等に破損を生じさせない上限温度よりも低温で、かつ、ヒートシンク３３を通してパワーモジュール３１からの発熱を吸熱してパワーモジュール３１への冷却作用を維持し得る温度範囲の内で上限の温度、例えば９０℃を設定することができる。以上により、パワーモジュール３１に対する冷却機能を確実に担保しつつ、同時に、パワーモジュール３１の過熱に伴う破損のおそれも確実に回避することができるようになる。
【００２８】
以上の実施形態の場合、通常運転制御が実行されているときには、蒸発熱交換器１４で気化された後に冷媒配管１５ａを通して圧縮機１１に送られる冷媒との熱交換によって、制御装置３（特にインバータ装置）を十分に冷却することができるとともに、制御装置３の発熱を冷媒に吸熱させて圧縮機１１に導入される前の冷媒をより加熱することができる。さらに、除霜運転制御が実行されているときであっても、圧縮機１１から直接に蒸発熱交換器１４に導入されて着霜を除霜した後に圧縮機１１に送られる冷媒との熱交換によって、制御装置３（特にインバータ装置）を冷却することができる。これにより、除霜運転時における制御装置３への冷却機能を、冷却ファン等の手段を設置することなく、冷媒配管１５ａ内の冷媒との熱交換のみによって確保することができる。このため、コンパクト化をも図ることができるようになる。
【００２９】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、冷媒配管１５ａをヒートシンク３３を構成する放熱フィン３３１，３３１間に配設した例（図２参照）を示したが、これに限らず、放熱フィン以外の放熱部を備えたヒートシンクに対し冷媒配管１５ａを接触状態で配管することができ、又、ヒートシンクを構成する板状部分に冷媒配管１５ａに相当する孔部分（冷媒流路）を貫通形成し、この貫通孔に冷媒を通すようにすることもできる。かかる場合も、制御装置を冷媒流路内の冷媒と熱交換可能に配設するものであり、又、制御装置を冷媒流路である冷媒配管と接触した状態で配置するものである。
【００３０】
又、前記実施形態では、蒸発熱交換器出口温度センサを省略して、その役割をヒートシンク温度センサ（第１温度センサ）１７により担わせるように構成しているが、逆に、ヒートシンク温度センサを省略し、蒸発熱交換器出口温度センサ（第２温度センサ）を設置して、この第２温度センサにより検出された蒸発熱交換器出口温度によってヒートシンク温度を把握するようにすることができる。つまり、除霜運転制御に併せて実行される温度制御で、蒸発熱交換器出口温度センサにより検出される蒸発熱交換器出口温度が許容上限温度Ｔａを超えないように圧縮機の作動を制御するのである。
【符号の説明】
【００３１】
１        ヒートポンプユニット（冷凍回路）
２        給湯回路
３        制御装置
３１      パワーモジュール（発熱要素）
３３      ヒートシンク
１１      圧縮機
１２      凝縮熱交換器
１３      膨張弁
１４      蒸発熱交換器
１５      冷媒配管（冷媒流路）
１５ａ    蒸発熱交換器から圧縮機に至る冷媒配管（冷媒流路）
１７      ヒートシンク温度センサ（第１温度センサ）
１８      バイパス路（除霜用流路）
１９      除霜電磁弁（除霜用流路）
【図１】
2017133727.tif 000003
【図２】
2017133727.tif 000004
【図３】
2017133727.tif 000005