JPH1073327A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気調和装置を運転制御するための制御装置
を構成する電源部品や制御用部品などの電気部品から発
生する熱を、冷凍サイクル系と熱交換するシステムと
し、冷凍サイクルの運転効率を高めるように成した空気
調和装置を得る。 【解決手段】 冷凍サイクルの冷媒配管８の一部を、制
御装置１３を構成する回路部品１６ａ…と熱交換するよ
うに放熱用フィン１８などの傍を通させて、回路部品か
らの熱で冷媒を加熱し、冷媒の蒸発を促進させ熱エネル
ギーを高める熱交換システム２０を構築することによ
り、能力の小さい圧縮機１でも、所要の冷凍能力が発揮
できるというコストが安く、経済的で小型化も期待でき
る空気調和装置と成す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室内を冷房または
暖房をする空気調和装置に関し、特に該空気調和装置を
運転制御するための制御装置を構成する電源部品や制御
用部品などの電気部品から発生する熱を、冷凍サイクル
系と熱交換するシステムとし、冷凍サイクルの運転効率
を高めるように成した空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、空気調和装置は圧縮機、凝縮器、
アキュームレータなどを収容した室外機と、膨張装置や
蒸発器などを収容した室内機とに分離したタイプの空気
調和装置が主流となり、かつ圧縮機からの吐出冷媒を四
方弁により、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器から成
る冷凍サイクルに可逆的を流せるように構成して、冷房
運転と暖房運転ができるようにしている。

【０００３】そして、このような分離型空気調和装置の
運転方法も、単に設定温度に基づくＯＮ／ＯＦＦ運転だ
けでなく、設定温度に短時間で到達させるように運転制
御するインバータ制御など、より快適な空気調和を行う
ことのできる高度な運転制御が実施されるようになって
来た。

【０００４】そのため、これら複雑で多岐に渡った高度
な制御を行うために必要とする制御装置も、自ずから多
数のまた多種類の制御用電気部品で構成されるものとな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷凍装置で
冷媒が圧縮→凝縮→膨張→蒸発の行程を繰り返す中で、
圧縮機は、蒸発した冷媒を吸込み、所定の高温、高圧の
冷媒とする仕事を行っているが、この仕事量が少なくし
て所定の圧縮能力を発揮できるほど、圧縮機の運転効率
は上がる。

【０００６】そこで、この仕事量と圧縮機の運転効率を
考える上で、冷凍サイクルと圧力（ｐ）−熱エネルギ
（エンタルピーｈ）との関係を示す図４が参考になる。

【０００７】図４は暖房運転時の場合を示し、同図で、
グラフＡは冷媒の状態相図であって、頂点ｐを境にグラ
フＡの外側における左側領域は冷媒が液相であり、右側
領域は冷媒が気相の状態にあることを示す。また、グラ
フＡの内側領域は冷媒が液と気体で混合している二相領
域を示している。

【０００８】そして、グラフＭは、モリエール線図を示
し、同モリエール線図でａ−ｂは蒸発行程、ｂ−ｃは圧
縮行程、ｃ−ｄは凝縮行程、ｄ−ａは膨張行程を示して
いる。

【０００９】従って、圧縮機はモリエール線図で示す状
態ｂ→状態ｃに冷媒を変化させる仕事を行っている。す
なわち、その状態変化のために、圧縮機は熱エネルギー
ΔＸ量分（エンタルピーｈ）の仕事を行うものとなって
いる。

【００１０】ここで、ポイント（状態）ｂは、冷凍サイ
クルで蒸発し、アキュームレータからまさに圧縮機の冷
媒吸込口に吸い込まれようとする冷媒が持つ熱エネルギ
ーを表わすものともなっている。

【００１１】従って、仮りにポイントｂが更に右に移行
し、熱エネルギーをより高く維持した状況、例えばｇ状
態になっている冷媒が圧縮機に吸い込まれるならば、圧
縮機で吸い込んだ冷媒を高圧のｃ状態にするのに必要な
仕事量（熱エネルギー）はΔＹと少なくすることが可能
である。

【００１２】そこで、この熱エネルギーをより高めた状
況で、圧縮機に冷媒を吸い込ませることを可能とさせる
ために、本発明では、制御装置を構成する発熱部品であ
る回路部品の熱を利用して、冷媒が冷凍サイクルを循環
する過程でこの回路部品との熱交換が行なわれるように
し、それによって熱回収を行って、熱エネルギーの高い
冷媒を圧縮機に送り、これにより圧縮機は少ない仕事量
で所要の圧縮能力を発揮できるようにして、冷凍装置の
運転能力および運転効率の向上した空気調和機を得るよ
うにしたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧縮機と室外側熱交換器と膨張装置と室
内側熱交換器等を冷媒配管で環状に接続して冷凍サイク
ルを構成すると共に、この冷凍サイクルを運転制御する
ための制御装置を備える空気調和装置において、冷凍サ
イクルの冷媒配管の一部を、前記制御装置を構成する回
路部品と熱交換関係に配設し、回路部品から回収される
熱にて冷凍サイクルを循環中の冷媒を加熱し、冷媒の蒸
発を促進させるような熱交換システムを具備するように
したものである。

【００１４】また、前記熱交換システムは、前記制御装
置の制御用基板の前記回路部品を取付けている面側と反
対側の面より一体に突出形成されている多数の放熱用フ
ィンと放熱用フィンとの間の溝部に、前記冷凍サイクル
の冷媒配管の一部を収設するようにした構造の蒸発促進
装置としたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態用を図面に
基づき説明する。

【００１６】図１は、冷凍サイクルの過程で、制御装置
を構成する電気部品の熱を循環する冷媒に回収するシス
テムを示す概念構成図である。

【００１７】同図に示すように、圧縮機１、四方弁２、
室外側熱交換器３、第１逆止弁４、キャピラリチューブ
（膨張装置）５、室内側熱交換器６およびアキュームレ
ータ７を冷媒配管８によって環状に接続して、冷凍サイ
クルを形成している。

【００１８】また、前記第１逆止弁４にキャピラリチュ
ーブ１１を並列に接続し、前記キャピラリチューブ（膨
張装置）５に第２逆止弁１２を並列に接続して構成され
ている。

【００１９】そして、この冷凍サイクルにおいて、四方
弁２の切換により、冷房運転の際は実線矢印に示す方向
に冷媒が循環し、暖房運転の際は破線矢印に示す方向に
冷媒が循環する。

【００２０】さて、ここで１３は、冷凍サイクルの運転
制御を行うための運転制御装置を示し、圧縮機１のＯＮ
／ＯＦＦ運転制御や室外側熱交換器３の冷却用ファン１
４Ｆおよび室内側熱交換器６の冷却用ファン１５Ｆの回
転制御などを行う制御部となっている。

【００２１】前記運転制御装置１３は、ＩＣや、パワー
トランジスタ、ダイオード、リアクターなど、多数、多
種類の回路部品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…から構成され
ている。

【００２２】そして、これら回路部品１６ａ、１６ｂ、
１６ｃ…は発熱するので、部品が高熱状態となって制御
装置１３による制御動作の信頼性が失われないように、
制御装置１３は図２に示すように、制御基板１７の前記
回路部品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…を取付けている面と
反対側の面に、多数の放熱用フィン１８を一体に突設形
成して、放熱を十分とさせ高温とならないようにしてい
る。

【００２３】本発明は、この冷凍サイクルの冷媒配管の
一部を、この制御装置を構成する回路部品と熱交換が行
われるようにその傍を通させるように構成している。こ
れにより回路部品から発する熱を回収して、冷凍サイク
ルを循環中の冷媒を加熱し、冷媒の蒸発を促進させるよ
うな働きを担わせている。

【００２４】具体的には、図２及び図３に示すように、
制御基板１７に設けた放熱用フィン１８と放熱用フィン
１８との間に形成される溝部１９に冷媒配管８を通す。
そして、例えば、制御基板１７を上から下へと通った冷
媒配管８は、下端でＵ状に曲がり左方に延在する隣の放
熱用フィン１８と放熱用フィン１８との間に形成される
溝部１９を通って上へと戻るというように蛇行状に配管
される。

【００２５】このように冷媒配配管８を制御基板１７に
蛇行状に配設することにより、制御基板１７の前記冷媒
配管８を取り付けている面と反対側の面に取り付けてい
る種々の回路部品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…から伝わり
放熱フィン１８から放熱される熱を、冷媒配管８に伝達
し、冷媒配管８中を通流している冷媒を加熱させるよう
に熱交換させて、熱回収をさせることのできる熱交換シ
ステム（装置）２０を形成している。

【００２６】次に、こうした熱交換システム２０による
熱交換の様相を現象的に追及してみる。

【００２７】すなわち、例えば図１で、冷媒が点線矢印
方向に流れる暖房運転の場合、上述した熱交換システム
２０を冷凍サイクルの途中に設けることで、室外側熱交
換器２による蒸発能力に加えて、制御装置１７の回路部
品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…から発する熱による蒸発が
作用するため、アキュームレータ７を介して圧縮機１に
流入する冷媒は蒸発度がより高まった状況にある。すな
わち熱エネルギーが高い冷媒となって吸い込まれること
になる。

【００２８】一方、冷凍サイクル全体を見ると、前述の
図４を参照すれば理解されるように、圧縮機１で冷媒を
ｂ状態からｃ状態にと圧縮動作が成されて圧力が高めら
れ、次いで室内側熱交換器６で、ｃ状態からｄ状態にと
定圧で凝縮し、次にキャピラリチューブ１１でｄ状態か
らａ状態にと膨張して低圧の液冷媒となり、そして室外
側熱交換器３でａ状態からｂ状態にと蒸発し、再びｂ状
態からｃ状態の圧縮行程にと戻るａ→ｂ→ｃ→ｄなる冷
凍サイクルが繰り返されている。

【００２９】ここで、暖房運転時の運転効率（ＣｏＰ
H）は、圧縮機の暖房能力（凝縮能力）／圧縮機への入
力（仕事量）．で求められる。

【００３０】従って、本発明のような電気部品との熱交
換器システム２０が備わっていない通常の冷凍サイクル
では、ΔＺの暖房能力（単位エンタルピー）を得るの
に、圧縮機はΔＸの仕事（単位エンタルピー）をするこ
とになり、よって、この場合の運転効率（ＣｏＰＨ）は
下式で算出される。

【００３１】 現状の運転効率（ＣｏＰＨ1） ＝ΔＺ（４４．０）／ΔＸ（１５５．８−１４９．０） ＝６．４７ …（１） となる。

【００３２】これに対して、図１に示す本発明のような
電気部品との熱交換器システム２０が備わっている冷凍
サイクルであると、室外側熱交換器３によるΔＷ（３
７．２）の蒸発能力（単位エンタルピーｈ）に、制御装
置１３の電気部品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…の熱による
蒸発能力ΔＶ（１４９．６−１４９．０＝０．６エンタ
ルピーｈ）が追加される結果、冷凍装置の蒸発能力は実
質的に増加し、ｂ状態（１４９．０エンタルピー）から
ｇ状態（１４９．６エンタルピー）へと熱エネルギーが
増えた冷媒の状態で、圧縮機１に吸い込まれる。

【００３３】よって、この場合の運転効率（ＣｏＰＨ
2）は下式で算出されるものとなる。

【００３４】 改善運転効率（ＣｏＰＨ2） ＝ΔＺ（１５５．８−１１１．８＝４４．０） ／ΔＹ（１５５．８−１４９．６）×０．０４５／０．０４６（定数） ＝６．９４ …（２） となる。

【００３５】また、この時の回収熱量ＱHは、下式で求
められる。

【００３６】 回収熱量ＱH＝０．６×｛３５００×０．８６／４４｝ ＝４１Ｋｃｃｌ／Ｈ ＝４７Ｗ …（３） となる。

【００３７】従って、上記（１）式と上記（２）式か
ら、運転効率が従来の６．４７から６．９４と本発明に
よって向上し、双方の比率を計算すると、運転効率６．
４７／６．９４＝１．００／１．０７と運転効率の改善
が確認された。

【００３８】なお、本発明の制御用電気部品と冷媒とが
熱交換する熱交換システム２０によって、冷媒がこの熱
交換システムに流入する前と流出した後の時点で、実測
した冷媒の温度や熱エネルギー値を、図６に表として示
した。

【００３９】同図の表より、理解されるように、電気部
品の熱が冷媒に回収される結果、冷媒の温度は、熱交換
システムに流入する前は２℃であるが、流出した後では
５℃に上がり、また電気部品の熱が冷媒に回収される結
果、冷媒の熱エネルギーも１４９．０Ｋｃａｌ／Ｋｇか
ら１４９．６Ｋｃａｌ／Ｋｇに増加していることが判
る。

【００４０】また、上記（２）式の定数に係る数値は、
この表からの数値を引用したものである。

【００４１】また、同様に冷房運転の場合にも、制御用
回路部品の熱を回収することによって、圧縮機の運転効
率が改善されることが、図７に表として示すように確認
された。

【００４２】すなわち、従来では、図５に示している、
冷凍サイクルと圧力（ｐ）−熱エネルギ（エンタルピー
ｈ）との関係を参照すると理解されるように、圧縮機で
ΔＭ量の仕事をして、冷却能力（蒸発能力）ΔＮを得て
いる。

【００４３】これに対し、本発明では、圧縮機はΔＭ量
より少ないΔＰの仕事をして、冷却能力（蒸発能力）Δ
Ｎを得られるようになり、運転効率が改善される。

【００４４】以下に上記の事柄を数値で実証する。

【００４５】 現状の運転効率（ＣｏＰＣ1） ＝ΔＮ（１４９．８−１１１．３＝３８．５） ／ΔＭ（１５７．０−１４９．８） ＝５．３７ …（４） となる。

【００４６】これに対して、図１に示す本発明のような
電気部品との熱交換器システム２０が備わっている冷凍
サイクルであると、室内側熱交換器３によるΔＮ（３
８．５）の蒸発能力（単位エンタルピーｈ）に、制御装
置１３の電気部品１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…の熱による
蒸発能力ΔＳ（１５０．２５−１４９．８）＝０．４５
エンタルピーｈ）が追加される結果、冷凍装置の蒸発能
力は実質的に増加し、ｂ状態（１４９．８エンタルピ
ー）からｋ状態（１５０．２５エンタルピー）へと熱交
換器エネルギーが増えた冷媒の状態で、圧縮機１に吸い
込まれる。

【００４７】よって、 改善運転効率（ＣｏＰＣ2） ＝ΔＮ（３８．５）／ΔＰ（１５７．０−１５０．２５） ×０．０３２９／０．０３３７（定数） ＝５．５７ …（５） となる。

【００４８】また、この時の回収熱量Ｑcは、下式で求
められる。 回収熱量Ｑc＝０．４５×｛２４５．０×０．８６／３８．５｝ ＝２４．７Ｋｃａｌ／Ｈ ＝２９Ｗ …（６） となる。

【００４９】従って、上記（４）式と上記（５）式か
ら、運転効率が従来の５．３７から５．５７と本発明に
よって向上し、双方の比率を計算すると、運転効率５．
３７／６．５７＝１．００／１．０４と運転効率の改善
が確認された。

【００５０】また暖房運転の場合と同様に、本発明の制
御用電気部品で構成された熱交換装置によって、冷媒が
この熱交換装置に流入する前と流出した後の時点で、実
測した冷媒の温度や熱エネルギー値を、図７に表化して
示した。

【００５１】同図の表より、理解されるように、電気部
品の熱が冷媒に回収される結果、冷媒の温度は１２℃か
ら１４℃に上がり、また冷媒の熱エネルギーも１４９．
８Ｋｃａｌ／Ｋｇから１５０．２５Ｋｃａｌ／Ｋｇに増
加していることが判る。

【００５２】また、上記（５）式の定数に係る数値も、
この表からの数値を引用したものである。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、冷凍サイ
クルの冷媒配管の一部を、この冷凍サイクルを制御する
制御装置を構成する回路部品と熱交換関係に配置して、
圧縮機で吐出された冷媒が循環の途中で、回路部品から
の熱を受けて蒸発が更に進み熱エネルギーを高められる
という蒸発促進手段を冷凍サイクルに付加した格好の空
気調和装置としたので、圧縮機が所要の冷凍能力を得る
ために必要な仕事量の一部を前記蒸発促進手段で賄うこ
とができ、よって能力の小さい圧縮機が使用できるよう
になり、空気調和装置全体のコストおよび運転コストを
低減できるようになる。

【００５４】また、制御装置から発する熱エネルギーを
有効的に放熱させて、制御装置自体の冷却も十分に行え
るので、信頼性の高い制御を行えるようになると共に、
制御装置を冷却するための冷却手段も簡易で、コンパク
トな構造のものが使用できるメリットが生まれる。

【００５５】そして、蒸発促進手段は、冷媒配管を制御
装置の制御基板に設けられている多数の放熱フィンと放
熱フィンとの間の溝部に挿通させるという構造を採るこ
とで、簡単に達成できるものとなり、既存の冷凍サイク
ルを大幅に変更したり、格別に複雑な構造にせずとも、
冷媒と冷凍サイクル系との熱交換率の良い熱交換器シス
テムを構築できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】制御装置の熱で冷媒の蒸発を促進させ、運転効
率を高めるようにする熱交換システムを有する本発明の
冷凍サイクルの回路図。

【図２】冷媒配管の一部を制御装置の制御基板に放熱用
フィンと放熱用フィンとの間に挿通して構成した上記熱
交換システムを示す具体的平面構造図。

【図３】図２に示す熱交換システムの部分的構造斜視
図。

【図４】本発明により運転効率が改善されることを説明
するために引用した暖房運転時の場合の冷凍サイクルと
圧力（ｐ）−熱エネルギ（エンタルピーｈ）との関係
図。

【図５】本発明により運転効率が改善されることを説明
するために引用した冷房運転時の場合の冷凍サイクルと
圧力（ｐ）−熱エネルギ（エンタルピーｈ）との関係
図。

【図６】暖房運転時の場合に、本発明の熱交換システム
にて確認される冷媒温度の上昇及び回収熱量を測定した
データ値の図表。

【図７】冷房運転時の場合に、本発明の熱交換システム
にて確認される冷媒温度の上昇及び回収熱量を測定した
データ値の図表。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 四方弁 ３ 室外側熱交換器 ５ 膨張装置 ６ 室内側熱交換器 ７ アキュームレータ ８ 冷媒配管 １３ 制御装置 １６ａ、１６ｂ、１６ｃ… 回路部品 １７ 制御基板 １８ 放熱用フィン ２０ 熱交換システム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機と室外側熱交換器と膨張装置と室
   内側熱交換器等を冷媒配管で環状に接続して冷凍サイク
   ルを構成すると共に、この冷凍サイクルを運転制御する
   ための制御装置を備える空気調和装置において、 冷凍サイクルの冷媒配管の一部を、前記制御装置を構成
   する回路部品と熱交換関係に配設し、回路部品から回収
   される熱にて冷凍サイクルを循環中の冷媒を加熱し、冷
   媒の蒸発を促進させるような熱交換システムを具備する
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換システムは、前記制御装置の
   制御用基板の前記回路部品を取付けている面側と反対側
   の面より一体に突出形成されている多数の放熱用フィン
   と放熱用フィンとの間の溝部に、前記冷凍サイクルの冷
   媒配管の一部を収設するようにした構造の蒸発促進装置
   であることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の空気調和装置。