JP2007187366A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立できるヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】蒸発器４に送風を行う第１ファン５ａ及び第２ファン５ｂを備え、外気温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置１０に対して近接している第１ファン５ａの回転数を、ユニット制御装置１０に対して第１ファン５ａよりも遠方にある第２ファン５ｂの回転数よりも大きくしたことにより、蒸発器４を通過する風量が減少した場合でも冷却部９近傍の風速を確保して、制御基板８の温度上昇によるユニット制御装置１０の動作不良や故障を防止でき、信頼性が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立できるファンを備えたヒートポンプ給湯機に関するものである。

パソコンに代表されるように、半導体等の電子機器類は動作中に自身が発熱するため、温度上昇による動作の不具合を防止するために発熱部分に何らかの冷却手段を設けるのが一般的である。前述のパソコンでは、冷却用ファンを用いた空冷式や、水を循環させる水冷式が知られている。

ヒートポンプのように圧縮機を制御するパワーモジュールを有する機器では特に発熱量が大きいため、ヒートシンクと呼ばれる放熱フィンを送風回路内に設置する方法がとられる。このように、ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立できるファンを備えた従来の空調機として、図４に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４に示すように、この空調機は、ケーシング１０１内に熱交換器１０２，熱交換器１０２に送風するファン１０３，ファン１０３を駆動するファンモータ１０４を備えており、ファン１０３の送風量を変化させることにより熱交換器１０２の熱交換量、即ち空調機の能力制御を行っている。

また、ファン１０３の送風経路途中には放熱器１０５が備えられており、制御装置の半導体１０６で発生した熱が放熱器１０５を介して空気中に放熱されて半導体１０６が冷却される。このように送風経路内に放熱器１０５を備えることにより、半導体１０６の冷却専用の手段を講じることなく、空調機の能力制御と制御装置の半導体１０６の冷却とを両立させることができる。

また、従来の貯湯タンクを有するヒートポンプ給湯機は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧手段、蒸発器を順次接続して冷媒を循環させる冷媒循環回路と、前記水冷媒熱交換器で加熱された温水を貯蔵する貯湯タンクとを一つの筐体内に収納して構成していた。

上記筐体内では、貯湯タンクが左右どちらか一方に配置されているとともに、冷媒循環回路と蒸発器に送風を行うファンがもう一方に配置されている。さらに、冷媒循環回路及びファンの上方には各種センサーからの入力を受けつけ、圧縮機等のアクチュエータを制御する制御基板が配置されている。そして、上記ファンは蒸発器に送風を行うとともに、発熱した制御基板を冷却している（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−１９６２６２号公報 特開２００４−３５４０４５号公報

ところで、上記のような冷媒循環回路と貯湯タンクとを一つの筐体内に収納するヒートポンプ給湯機は、設置のための省スペース化を図ることができるので、日本の狭小な住宅事情を考慮すると、今後もより一層の小型化が望まれる。

筐体全体の小型化を実現するためには、貯湯タンクの小型化と、貯湯量減少に伴う湯切れを回避するためのヒートポンプ加熱能力向上が不可欠となる。

ヒートポンプの加熱能力を向上させるためには空気中から冷媒に多くの熱量を取り込む必要があるため、蒸発器の大型化や高効率化、及び蒸発器に対してより多くの送風を行わなければならない。また、ヒートポンプの加熱能力が向上すると圧縮機の容量が増大するために、圧縮機を制御・駆動する制御基板に対する負荷も増大して制御基板自体が発熱するので、ファンの回転数を多くして制御基板の冷却を行わなければならない。

しかし、特に外気温度が高い場合、蒸発器への送風が多くなり過ぎると、圧縮機の吐出圧力が異常に上昇し、冷媒循環回路の故障の原因となってしまう。逆に、蒸発器への送風が少なくなると、制御基板の冷却が不十分となり、制御基板が高温化して故障の原因となってしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプの能力制御と制御基板（制御装置）の冷却とを両立できるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと水循環ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成したタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットを制御する制御基板と、前記制御基板と前記制御基板を冷却する冷却部とからなるユニット制御装置とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器に送風を行う第１ファン及び第２ファンを備え、外気温度が所定温度よりも高い場合に、前記ユニット制御装置に対して近接している前記第１ファンの回転数を、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数よりも大きくしたものである。これにより、前記冷却部近傍の送風量が確保されて、ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立できる。

２台のファンのうち、ユニット制御装置の冷却部の近傍にあるファンの回転数を、他方のファンの回転数よりも大きくすることにより、冷却部近傍の送風量が確保されるため、ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立でき、制御装置の信頼性が向上する。

第１の発明は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと水循環ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成したタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットを制御する制御基板と、前記制御基板と前記制御基板を冷却する冷却部とからなるユニット制御装置とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器に送風を行う第１ファン及び第２ファンを備え、外気温度が所定温度よりも高い場合に、前記ユニット制御装置に対して近接している前記第１ファンの回転数を、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数よりも大きくしたことにより、前記蒸発器を通過する風量が減少した場合でも前記冷却部近傍の風速を確保して前記制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第２の発明は、外気温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンを運転し、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンを停止することにより、蒸発器を通過する風量が減少した場合でも前記冷却部近傍の風速を確保して前記制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第３の発明は、外気温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンの回転数を変更せず、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファン
よりも遠方にある前記第２ファンの回転数を小さくするので、蒸発器を通過する風量が減少した場合でも前記冷却部近傍の風速を確保して前記制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第４の発明は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと水循環ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成したタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットを制御する制御基板と、前記制御基板と前記制御基板を冷却する冷却部とからなるユニット制御装置とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記蒸発器に送風を行う第１ファン及び第２ファンを備え、外気温度が所定温度よりも高くかつ前記給湯熱交換器の水側配管入口部の水温が所定温度よりも高い場合に、前記ユニット制御装置に対して近接している前記第１ファンの回転数を、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数よりも大きくしたことにより、前記蒸発器を通過する風量が減少した場合でも前記冷却部近傍の風速を確保して前記制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第５の発明は、外気温度が所定温度よりも高くかつ給湯熱交換器の水側配管入口部の水温が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンを運転し、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある第２ファンを停止することにより、前記蒸発器を通過する風量が減少した場合でも前記冷却部近傍の風速を確保して前記制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第６の発明は、ユニット制御装置の冷却部を放熱フィンで形成し、前記放熱フィンと蒸発器との間を熱伝導性材料を介して接触させたことにより、蒸発器を通過する風量の増減に関係なく冷却部を冷却でき、制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第７の発明は、ユニット制御装置の冷却部に送風して前記ユニット制御装置を冷却する第３ファンを備えたことにより、蒸発器を通過する風量の増減に関係なく冷却部を冷却でき、制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第８の発明は、ユニット制御装置の温度センサーを備え、前記温度センサーで検知した温度が所定温度以上の場合に第３ファンを運転することにより、前記第３ファンの無駄な運転をなくし、かつ、冷却部を確実に冷却して制御基板の温度上昇による動作不良を防止できる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプユニットの冷媒回路を高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱することにより、前記給湯熱交換器の冷媒配管内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記給湯熱交換器の水側配管内の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記給湯熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、熱交換効率を高くできる。

第１０の発明は、特に、第９の発明のヒートポンプ給湯機において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することで製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の側面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の正面図である。図１または図２において、圧縮機１と給湯熱交換器２の冷媒側配管２ａと膨張弁３と蒸発器４とを環状に接続してヒートポンプユニットを形成している。

蒸発器４では第１ファン５ａ、第２ファン５ｂにより蒸発器４に供給された空気と蒸発器４内の冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が加熱される。従って、第１ファン５ａ、第２ファン５ｂの回転数を制御することにより蒸発器４に供給される風量が変化し、ヒートポンプユニットの能力を制御することができる。

また、貯湯タンク６と水循環ポンプ７と給湯熱交換器２の水側配管２ｂとを環状に接続してタンクユニットを形成している。貯湯タンク６底部の水は、水循環ポンプ７によって給湯熱交換器の水側配管２ｂに搬送され、ここで給湯熱交換器の冷媒側配管２ａ内の冷媒と熱交換して自身は高温の湯となって貯湯タンク６の上部に戻される。なお、冷媒側配管２ａで加熱された湯水が所定温度以下であるときは、三方切り替え弁１４により貯湯タンク６の底部に戻されるようになっている。

貯湯タンク６の底部には貯湯タンク６に水を供給するための給水配管１７が、また貯湯タンク６の上部には貯湯タンク６から湯を取り出すための給湯配管１８がそれぞれ接続されており、貯湯タンク６の上部の湯水と水とを混合する混合弁１５で適温にされた湯水は給湯配管１８から端末（蛇口）へ出湯する。

前述のヒートポンプユニットとタンクユニットとは、ケーシング１１内に収納されている。また、ケーシング１１内部のヒートポンプユニット上方には、ヒートポンプユニットとタンクユニットの運転を制御するユニット制御装置１０が収納されている。ユニット制御装置１０は、ヒートポンプユニットやタンクユニットの各アクチュエータを制御する制御基板８と制御基板８を冷却する冷却部９とを備えている。

冷却部９は一般的にはヒートシンクとも呼ばれるフィン形状のもので、冷却部９の一部または全体を蒸発器４への送風経路途中に設置することで、制御基板８で発生した熱が冷却部９を介して空気中に放出され、制御基板８自身は冷却される。即ち、第１ファン５ａ、第２ファン５ｂは、ヒートポンプユニットの能力制御機能と、ユニット制御装置１０の冷却機能とを兼ね備えている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。

まず、冬期のように外気温度が低い場合は蒸発器４の熱交換量（ヒートポンプユニットの能力）を確保するために、第１ファン５ａ、第２ファン５ｂは共に比較的高速回転（例えば、５００〜８００回転／分程度）で運転される。このため、冷却部９近傍を流れる空気の風速も大きいため冷却部９から空気中への放熱が促進されてユニット制御装置１０の温度が過度に上昇することはなく、ユニット制御装置１０の動作は安定したものとなる。

また、夏期のように外気温度が高い場合は蒸発器４に送風する風量が少なくても所定の熱交換量（ヒートポンプユニットの能力）が得られるため、第１ファン５ａ、第２ファン５ｂの回転数を低下させて蒸発器４への送風量を減少させる。この時、外気温度が所定温度以上（例えば３０℃以上）であることを外気温度センサー１２が検知すると、ユニット
制御装置１０に対して近接している第１ファン５ａの回転数を、ユニット制御装置１０に対して第１ファン５ａよりも遠方にある第２ファン５ｂの回転数よりも大きく（例えば、第１ファン５ａの回転数を４００回転／分、第２ファン５ｂの回転数を２００回転／分）する。また、場合によっては第２ファン５ｂを停止してもよい。これにより、蒸発器４に送風する風量は減少しても、ユニット制御装置１０の近傍に設置されている第１ファン５ａの回転数は比較的大きいので、冷却部９から空気中への放熱が促進されてユニット制御装置１０の温度が過度に上昇することはなく、ユニット制御装置１０の動作は安定したものとすることができるのである。

また、ヒートポンプサイクルの特性上、外気温度が低い場合でも、給湯熱交換器の水側配管２ｂの入口部の水温（以下、入水温度と呼ぶ）が高い場合にも蒸発器４への送風量を減少させることがある。そこで、入水温度が所定温度以上（例えば５０℃以上）であることを入水温度センサー１３が検知すると、ユニット制御装置１０に対して近接している第１ファン５ａの回転数を、ユニット制御装置１０に対して第１ファン５ａよりも遠方にある第２ファン５ｂの回転数よりも大きくする。また、場合によっては第２ファン５ｂを停止してもよい。これにより、蒸発器４に送風する風量は減少しても、ユニット制御装置１０の近傍に設置されている第１ファン５ａの回転数は比較的大きいので、冷却部９から空気中への放熱が促進されてユニット制御装置１０の温度が過度に上昇することはなく、ユニット制御装置１０の動作は安定したものとすることができるのである。

以上のように、本実施の形態１においては、外気温度または入水温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置１０に対して近接している第１ファン５ａの回転数を、ユニット制御装置１０に対して第１ファン５ａよりも遠方にある第２ファン５ｂの回転数よりも大きくしたことにより、蒸発器４を通過する風量が減少した場合でも冷却部９近傍の風速を確保して制御基板８の温度上昇による動作不良を防止できる。

なお、外気温度が所定温度以上（例えば３０℃以上）であることを外気温度センサー１２が検知したとき、第１ファン５ａの回転数を変更することなく保ちつつ、第２ファン５ｂの回転数のみを小さくあるいは停止するように制御してもよい。また、この時、さらに制御基板８への冷却が必要であれば、第１ファン５ａの回転数を大きくするとともに、第２ファン５ｂの回転数を更に小さくするように変更してもよい。これによれば、制御基板８の冷却能力を確保しながら、かつ蒸発器４を通過する風量を適切にできるので、ヒートポンプユニットの能力制御と、制御基板の温度上昇による動作不良や故障の回避（制御基板の信頼性向上）とを両立できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態のヒートポンプ給湯機の側面図である。図３において、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機と同様の構成部分については共通の符号を用い、詳細な説明を省略する。

実施の形態１と異なるのは、ユニット制御装置１０の冷却部９と蒸発器４との間を熱伝導性材料１９で接触させたことである。これにより、冷却部９は、第１ファン５ａ、第２ファン５ｂの送風により冷却されるだけでなく、熱伝導材料１９を介しても冷却される。従って、蒸発器４を通過する風量の増減に関係なく冷却部９を冷却でき、制御基板８の温度上昇によるユニット制御装置１０の動作不良や故障を防止できる。

また、図示していないが、冷却部９の冷却専用の第３ファン２０を備えれば、蒸発器４を通過する風量の増減に関係なく冷却部９を冷却でき、制御基板８の温度上昇によるユニット制御装置１０の動作不良や故障を防止できる。さらに、ユニット制御装置１０に温度センサー２１（図示していない）を備え、温度センサー２１で検知した温度が所定温度以
上の場合に第３ファン２０を運転することにより、第３ファン２０の無駄な運転をなくし、かつ、冷却部９を確実に冷却して制御基板８の温度上昇によるユニット制御装置１０の動作不良や故障を防止できる。

また、実施の形態１および実施の形態２では、冷媒回路のサイクルを、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。また、実施の形態１および実施の形態２において、二酸化炭素を冷媒として使用することにより、製品コストを抑えると共に、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。なお、本発明では冷媒として二酸化炭素以外にもフロンガス、アンモニアなどを用いても影響を及ぼすものではない。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、蒸発器への送風ファンを複数台有し、ヒートポンプの能力制御と制御装置の冷却とを両立でき、かつ、制御装置の冷却を確実に行うことで制御装置の信頼性向上を図る場合に有効である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の側面図 本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の正面図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の側面図 従来の空調機の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 給湯熱交換器
２ａ 給湯熱交換器の冷媒側配管
２ｂ 給湯熱交換器の水側配管
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ａ 第１ファン
５ｂ 第２ファン
６ 貯湯タンク
７ 水循環ポンプ
８ 制御基板
９ 冷却部
１０ ユニット制御装置
１１ ケーシング
１２ 外気温度センサー
１３ 入水温度センサ−
１４ 三方切り替え弁
１５ 混合弁
１６ 減圧弁
１７ 給水配管
１８ 給湯配管

Claims (10)

1. 圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと水循環ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成したタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットを制御する制御基板と、前記制御基板と前記制御基板を冷却する冷却部とからなるユニット制御装置とを備えたヒートポンプ給湯機において、
   前記蒸発器に送風を行う第１ファン及び第２ファンを備え、外気温度が所定温度よりも高い場合に、前記ユニット制御装置に対して近接している前記第１ファンの回転数を、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数よりも大きくしたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 外気温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンを運転し、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンを停止することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 外気温度が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンの回転数を下げず、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数を小さくすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと水循環ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成したタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットを制御する制御基板と、前記制御基板と前記制御基板を冷却する冷却部とからなるユニット制御装置とを備えたヒートポンプ給湯機において、
   前記蒸発器に送風を行う第１ファン及び第２ファンを備え、外気温度が所定温度よりも高くかつ前記給湯熱交換器の水側配管入口部の水温が所定温度よりも高い場合に、前記ユニット制御装置に対して近接している前記第１ファンの回転数を、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある前記第２ファンの回転数よりも大きくしたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
5. 外気温度が所定温度よりも高くかつ給湯熱交換器の水側配管入口部の水温が所定温度よりも高い場合に、ユニット制御装置に対して近接している第１ファンを運転し、前記ユニット制御装置に対して前記第１ファンよりも遠方にある第２ファンを停止することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯機。
6. ユニット制御装置の冷却部を放熱フィンで形成し、前記放熱フィンと蒸発器との間を熱伝導性材料を介して接触させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. ユニット制御装置の冷却部に送風して前記ユニット制御装置を冷却する第３ファンを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
8. ユニット制御装置の温度センサーを備え、前記温度センサーで検知した温度が所定温度以上の場合に第３ファンを運転することを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ給湯機。
9. ヒートポンプユニットの冷媒回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側
   配管内の水を加熱する請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
10. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯機。