JP7333500B2 - 冷凍サイクル装置の室外機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置の室外機に関する。

上下に並んで配置される複数の送風機と、送風機を駆動する複数の送風機用インバーター基板と、複数の送風機用インバーター基板を収容する電装品ユニットＨと、を備えた冷凍サイクル装置の室外ユニットが知られている。複数の送風機用インバーター基板は、上下に並べて配置されている。

特開２０１５－１８７５０６号公報

冷凍サイクル装置の室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動制御する圧縮機制御回路板と、を備えている。圧縮機制御回路板には、複数の電源用半導体素子が実装されている。一般に、圧縮機を駆動する電動機の方が送風機の電動機よりも出力が大きいため、これら圧縮機制御回路板の電源用半導体素子は、送風機制御回路板の電源用半導体素子よりも発熱量が大きい。

そして、従来の冷凍サイクル装置の室外機は、圧縮機制御回路板の電源用半導体素子を冷却する構造に改善の余地がある。

そこで、本発明は、圧縮機制御回路板の電源用半導体素子の冷却効率を向上させて、これら電源用半導体素子の損傷や、電気的特性の劣化を防ぐことが可能な冷凍サイクル装置の室外機を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の室外機は、筐体と、前記筐体内に配置されて、空気と内部を流通する冷媒とを熱交換させる熱交換器と、前記筐体の外側から前記空気を吸い込み、前記筐体内に吸い込んだ前記空気を前記熱交換器を通過させ、熱交換された前記空気を前記筐体の外側へ吹き出す送風機と、前記冷媒を圧縮して吐出し、前記熱交換器に流通させる圧縮機と、前記圧縮機を駆動制御する複数の電源用半導体素子が実装される回路板と、前記複数の電源用半導体素子に熱的に接して前記複数の電源用半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクは、前記筐体内で流動する前記空気の流れに沿って延び、かつ前記空気の流れに交差する方向へ並ぶ複数のフィンを有し、前記複数のフィンの高さは、前記空気の流れにおける下流側部位よりも上流側部位の方が高く、前記下流側部位は、前記送風機の羽根車を臨み、前記送風機の回転中心線方向視において、前記上流側部位は、前記羽根車の外縁に重なり、前記複数の電源用半導体素子は、前記上流側部位で前記ヒートシンクに接して前記複数のフィンが並ぶ方向へ一列に並ぶ、または前記上流側部位で前記ヒートシンクに接して前記複数のフィンが延びる方向よりも前記複数のフィンが並ぶ方向へ多数、格子状に並んでいる。

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の室外機の斜視図。 本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の室外機の正面図。 本発明の実施形態に係る室外機に収容される電気部品箱および制御装置を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る室外機に収容される電気部品箱および制御装置を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る室外機の第一ヒートシンクと電源用半導体素子との配置関係を示す概念図。 本発明の実施形態に係る室外機の第二部品箱の断面図。

本発明に係る冷凍サイクル装置の室外機の実施形態について図１から図６を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付している。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の室外機の斜視図である。

図２は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の室外機の正面図である。

冷凍サイクル装置は、熱源側の熱交換器５と、圧縮機６と、利用側の熱交換器（図示省略）と、膨張弁（図示省略）と、これらの機器に冷媒を流通させる冷媒管（図示省略）と、を有する冷凍サイクル（図示省略）を備えている。冷凍サイクルは、冷凍サイクル装置の冷却運転と加熱運転とを切り替える四方弁（図示省略）を備えていても良い。

本実施形態に冷凍サイクル装置の室外機１は、冷凍サイクルの熱源側の熱交換器５、圧縮機６、膨張弁、四方弁、および冷媒管の一部を収容している。

また、図１に示すように、室外機１は、空気取入口（図示省略）と空気吹出口１１とを有する筐体１２と、筐体１２内に配置されて、空気と内部を流通する冷媒とを熱交換させる熱交換器５と、筐体１２の外側から空気を吸い込み、筐体１２内に吸い込んだ空気を熱交換器５を通過させ、熱交換された空気を筐体１２の外側へ吹き出す送風機１３と、冷媒を圧縮して吐出し、熱交換器５に流通させる圧縮機６と、冷凍サイクル装置の運転を制御する制御装置１５と、制御装置１５を収容する電気部品箱１６と、を備えている。

熱交換器５、送風機１３、圧縮機６、四方弁および電気部品箱１６は、筐体１２内に収容されている。

本実施形態に係る室外機１は、据付状態で上下方向へ並ぶ複数、例えば３つの空気吹出口１１を有している。そして、送風機１３は、空気吹出口１１毎に設けられている。また、熱交換器５は、送風機１３毎に送風機１３の吸込側に配置されている。つまり、本実施形態に係る室外機１は、３つの空気吹出口１１を有する１つの筐体１２と、それぞれの空気吹出口１１に対応する送風機１３および熱交換器５と、を備えている。

筐体１２は、直方体形状を有している。筐体１２は、底板（図示省略）と、左側面を覆う左側板２１と、右側面を覆う右側板２２と、正面を覆う正面板２３と、背面に設けられるフィンガード（図示省略）と、天面を覆う天板２４と、を備えている。

なお、図２において、正面板２３の一部が開放されて、筐体１２内の熱交換器５、送風機１３、および電気部品箱１６が、筐体１２が見えている。

空気吹出口１１は、筐体１２の側面のうち筐体１２の正面、つまり正面板２３に設けられている。空気吹出口１１にはファンガード２６が設けられている。ファンガード２６は、送風機１３を覆い隠している。

空気取入口は、筐体１２の側面のうち筐体１２の背面から左側面にかけて設けられている。空気取入口にはフィンガードが設けられている。フィンガードは、熱交換器５を保護する格子である。

筐体１２の内部は、筐体１２の左右方向へ２つに仕切られている。一方は送風機１３および熱交換器５が収容される熱交換室２８である。他方は、圧縮機６、膨張弁、四方弁および電気部品箱１６が収容される機械室２９である。

送風機１３が回転駆動されると、筐体１２の空気取入口から筐体１２外の空気が筐体１２内に吸い込まれる。筐体１２内に吸い込まれた空気は、熱交換器５で熱交換器５を流通する冷媒と熱交換する。熱交換器５と熱交換した空気は、送風機１３によって空気吹出口１１から筐体１２外に吹き出される。

なお、室外機１は、空気吹出口１１が一つの単段式でも良いし、空気吹出口１１が２つ、または４つ以上の多段式であっても良い。

次いで、電気部品箱１６について詳細に説明する。

図３および図４は、本発明の実施形態に係る室外機に収容される電気部品箱および制御装置を示す斜視図である。

図３は、電気部品箱１６を熱交換室２８側から見た図である。図４は、電気部品箱１６を機械室２９側から見た図である。

図２に加えて図３および図４に示すように、本実施形態に係る室外機１の電気部品箱１６は、大きく２つの部位を備えている。第一の部位は、冷凍サイクル装置の運転を総括的に制御する主回路板を収容する第一部品箱３１である。第二の部位は、圧縮機６の運転制御を行う圧縮機制御回路板３５と、送風機１３の運転制御を行う送風機制御回路板３６と、を収容する第二部品箱３７である。これら第一部品箱３１および第二部品箱３７は、板金加工品である。

なお、図４において第二部品箱３７は、蓋の図示を省略して機械室２９へ開放されているが、実際の搭載状態では、第二部品箱３７は蓋で閉じられている。

第二部品箱３７は、筐体１２の高さ方向および奥行き方向に大きく、筐体１２の幅方向（左右方向）へ扁平な直方体形状の箱体である。第二部品箱３７は、筐体１２内を熱交換室２８と機械室２９との二つの空間に仕切る壁の全部、または一部を担う平板部４１を備えている。

平板部４１の一方の面４１ａは、熱交換室２８を臨んでいる。平板部４１の他方の面４１ｂは、機械室２９を区画する壁の一部、または全部である。平板部４１の他方の面４１ｂには、圧縮機制御回路板３５、および送風機制御回路板３６が設けられている。

圧縮機制御回路板３５、および送風機制御回路板３６は、第二部品箱３７の上下方向へ並んでいる。平板部４１の上部には筐体１２の上部２つの送風機１３を制御する第一送風機制御回路板４５が設けられている。平板部４１の下部には筐体１２の下部１つの送風機１３を制御する第二送風機制御回路板４６が設けられている。平板部４１の中央には、圧縮機制御回路板３５が設けられている。圧縮機制御回路板３５は、第一送風機制御回路板４５と第二送風機制御回路板４６との間に配置されている。

圧縮機制御回路板３５には、圧縮機６の電動機を駆動制御する制御回路、例えばインバーター回路が実装されている。このインバーター回路は、複数の電源用半導体素子５１、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスター（Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）、還流ダイオード（Freewheeling Diode、FWD）、を有している。

なお、図４では、複数の電源用半導体素子５１が配置されている範囲を破線で示している。この破線の範囲は、複数の電源用半導体素子５１を有するモジュール５２、例えばインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module、IPM）、整流器（Rrectifire）として構成されている。

送風機制御回路板３６には、送風機１３の電動機を駆動制御する制御回路、例えばインバーター回路が実装されている。このインバーター回路は、複数の電源用半導体素子（図示省略）、例えばインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module、IPM）、絶縁ゲートバイポーラトランジスター（Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）、還流ダイオード（Freewheeling Diode、EWD）、整流器（Rrectifire）を有している。第一送風機制御回路板４５には、２つの送風機１３に対応させて２つのインバーター回路が実装されている。第二送風機制御回路板４６には、１つの送風機１３に対応させて１つのインバーター回路が実装されている。

電源用半導体素子は、動作に伴い発熱する。そこで、電気部品箱１６は、圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１を冷却する第一ヒートシンク５５と、送風機制御回路板３６の電源用半導体素子を冷却する第二ヒートシンク５６と、を備えている。第一ヒートシンク５５および第二ヒートシンク５６は、アルミニウム合金の成形品である。

ところで、一般に、圧縮機６の電動機は、送風機１３の電動機に比べて大電力を消費する。そのため、圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１は、送風機制御回路板３６の電源用半導体素子よりも発熱量が大きい。

そこで、送風機制御回路板３６を冷却する第二ヒートシンク５６は、送風機制御回路板３６に設けられている、いわゆるオンボードのヒートシンクである。送風機制御回路板３６の電源用半導体素子は、オンボードの小型なヒートシンクで十分に冷却可能である。第二ヒートシンク５６は、機械室２９から第二部品箱３７内へ流れ込む空気によって送風機制御回路板３６の電源用半導体素子を冷却する。

一方、圧縮機制御回路板３５を冷却する第一ヒートシンク５５は、第二部品箱３７の平板部４１の一方の面４１ａに設けられている。第一ヒートシンク５５は、第二ヒートシンク５６よりも大型であって、圧縮機制御回路板３５と同程度の大きさ（面４１ａにおける広がり）を有している。第一ヒートシンク５５と圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子とは、熱的に接続されていれば良い。つまり、第一ヒートシンク５５と圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子とは、第二部品箱３７の平板部４１に設けられる開口（図示省略）を通じて直接接触していても良いし、第二部品箱３７の平板部４１を間に挟み、平板部４１を介して熱的に接続されていても良い。

第一ヒートシンク５５は、熱交換室２８内を流動する空気によって圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１を冷却する。送風機１３が配置されている熱交換室２８内の空気の流速は、機械室２９内の空気の流速に比べて、より速い。そのため、第一ヒートシンク５５は、第二ヒートシンク５６よりも冷却されやすい。

また、第一ヒートシンク５５は、第二部品箱３７の平板部４１の面４１ａから熱交換室２８内へ突出する複数のフィン６１を備えている。複数のフィン６１は、筐体１２内で流動する空気の流れｆに沿って延びている（実線矢印Ｅ）。複数のフィン６１は、空気の流れｆに交差する方向へ並んでいる（実線矢印Ｌ）。複数のフィン６１は、櫛状に並んでいる。それぞれのフィン６１の根元は、板状の基部に繋がっている。そのため、第一ヒートシンク５５は、フィン６１の延び方向へ容易に押出成形することができる。

なお、空気の流れｆを示す矢印は、空気の流れの上流から下流へ向かって図示されている。

複数のフィン６１は、空気の流れｆに沿って、突出高さの異なる複数の部位を有している。突出高さが高い部位は、空気の流れｆにおいて突出高さが低い部位よりも上流側に配置されている。つまり、突出高さが低い部位は、空気の流れｆにおいて突出高さが高い部位よりも下流側に配置されている。換言すると、複数のフィン６１の高さは、空気の流れｆにおける下流側部位６２よりも上流側部位６３の方が高い。

圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子は、複数のフィン６１の突出高さが高い方の上流側部位６３において、第一ヒートシンク５５に熱的に接続されている。複数のフィン６１の突出方向から見ると、送風機制御回路板３６の電源用半導体素子は、上流側部位６３が占有する領域の内側に配置されている。

図５は、本発明の実施形態に係る室外機の第一ヒートシンクと電源用半導体素子との配置関係を示す概念図である。

図５に示すように、圧縮機制御回路板３５の複数の電源用半導体素子５１が一列に並んでいる場合には、複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１が並ぶ方向（実線矢印Ｌ）へ一列に並べられて圧縮機制御回路板３５に実装される。換言すると、複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１の延びの方向に交差する方向へ一列に並べられて圧縮機制御回路板３５に実装される。複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１の延びの方向に直交する方向へ一列に並べられていることが好ましい。

また、圧縮機制御回路板３５の複数の電源用半導体素子５１が複数行複数列、つまり格子状に並んでいる場合には、複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１が延びる方向（実線矢印Ｅ）よりも複数のフィン６１が並ぶ方向（実線矢印Ｌ）へ多数、格子状に並べられて圧縮機制御回路板３５に実装される。換言すると、複数のフィン６１が並ぶ方向に並ぶ電源用半導体素子５１の個数は、複数のフィン６１が延びる方向に並ぶ電源用半導体素子５１の個数よりも多い。図６に示すように、２行３列の格子状に並べる場合には、複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１が延びる方向へ行を沿わせ、複数のフィン６１が並ぶ方向へ列を沿わせて並べられる。つまり、複数のフィン６１が並ぶ方向へ３つの電源用半導体素子５１が並べられ、複数のフィン６１が延びる方向へ２つの電源用半導体素子５１が並べられる。

なお、図５のような複数の電源用半導体素子５１の配列は、複数のフィン６１の突出方向から見ると、上流側部位６３が占有する領域の内側に位置している。

図６は、図３のＶＩ－ＶＩ線における、本発明の実施形態に係る室外機の第二部品箱の断面図である。

図６に示すように、本実施形態に係る室外機１の第二部品箱３７は、送風機制御回路板３６および圧縮機制御回路板３５を直接的に冷却する空気の通風路として機能する。

第二部品箱３７は、送風機１３が筐体１２内に発生させる吸い込み圧によって、機械室２９内の空気を熱交換室２８へ流通させて送風機制御回路板３６および圧縮機制御回路板３５を直接的に冷却する。

第二部品箱３７の蓋部６５には、機械室２９から第二部品箱３７内へ空気を流入させる吸込口６６が設けられている。吸込口６６は、圧縮機制御回路板３５および、下方に配置される第二送風機制御回路板４６に対面する蓋部６５の一部に設けられる複数の孔である。つまり、蓋部６５は、いわゆるパンチングメタルである。

第二部品箱３７の平板部４１には、第二部品箱３７内から熱交換室２８へ空気を流出させる吹出口６７が設けられている。吹出口６７は、上方に配置される第一送風機制御回路板４５に対面する平板部４１の一部に設けられる複数の細隙である。それぞれの細隙には、ルーバー状の風向板が設けられている。この風向板は、平板部４１に細隙を形成する際に折り曲げられる平板部４１の一部である。

ところで、第二部品箱３７の吸込口６６は蓋部６５に設けられ、第二部品箱３７の吹出口６７は平板部４１に設けられている。そのため、吸込口６６から第二部品箱３７内へ流れ込む空気は、圧縮機制御回路板３５および第二送風機制御回路板４６に直接吹き掛かって吹出口６７へ向かう。この空気の流れは、圧縮機制御回路板３５および第二送風機制御回路板４６を確実に冷却する。

しかしながら、圧縮機制御回路板３５および第二送風機制御回路板４６に吹き掛かった空気は、第一送風機制御回路板４５と平板部４１との隙間を通じて吹出口６７へ流出しようとするため、第一送風機制御回路板４５の冷却が不足する虞がある。

そこで、第二部品箱３７は、吹出口６７に覆い被さる第一送風機制御回路板４５よりも上流側、つまり吸込口６６に近い側に、吹出口６７を有する平板部４１から突出する箱内風向板６８を備えている。

箱内風向板６８は、第一送風機制御回路板４５と平板部４１との隙間を確実に塞ぐことができるように、第一送風機制御回路板４５よりも幅広く、第一送風機制御回路板４５よりも平板部４１から突出していることが好ましい。箱内風向板６８は、図６の風向矢印Ａのように、第一送風機制御回路板４５と平板部４１との隙間へ向かおうとする空気の流れを第一送風機制御回路板４５の表側（平板部４１を臨む面を裏面、平板部４１に対面していない面を表面とする）へ導いて、第一送風機制御回路板４５の冷却を促進させる。

これようにして第二部品箱３７内を流動する空気は、第二ヒートシンク５６を通じて送風機制御回路板３６の電源用半導体素子を冷却する。そのため、第二ヒートシンク５６は、第二部品箱３７内へ突出する複数のフィン７１を備えている。複数のフィン７１は、第二部品箱３７内で流動する空気の流れに沿って延びている。複数のフィン７１は、空気の流れに交差する方向へ並んでいる。複数のフィン７１は、櫛状に並んでいる。それぞれのフィン６１の根元は、板状の基部に繋がっている。

そして、図２および図６に示すように、フィン６１の突出高さが低い第一ヒートシンク５５の下流側部位６２（実線矢印Ｈ２）は、送風機１３のプロペラファン７２の外縁７３に近接している。図６に示すように、第一ヒートシンク５５を送風機１３の回転中心線方向から見ると、プロペラファン７２の外縁７３は、フィン６１の突出高さが高い（実線矢印Ｈ１）第一ヒートシンク５５の上流側部位６３に重なっている。つまり、第一ヒートシンク５５は、フィン６１の突出高さが低い下流側部位６２をプロペラファン７２の外周縁に近接させて配置されている。そして、圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１は、送風機１３の回転中心線方向視においてプロペラファン７２に最も近い部位に配置されている。つまり、第一ヒートシンク５５を冷却する空気の流れの方向に見ると、フィン６１の下流側部位６２のうちプロペラファン７２に最も近い部位６２ａは、圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１が配置されている部位に重なっている。

以上のように、本実施形態に係る室外機１は、圧縮機６を駆動制御する複数の電源用半導体素子５１が実装される圧縮機制御回路板３５と、筐体１２内で流動する空気の流れに沿って延び、かつ空気の流れに交差する方向へ並ぶ複数のフィン６１を有する第一ヒートシンク５５と、を備えている。そして、複数の電源用半導体素子５１は、複数のフィン６１が並ぶ方向へ一列に並ぶ、または複数のフィン６１が延びる方向よりも複数のフィン６１が並ぶ方向へ多数、格子状に並ぶ。そのため、室外機１は、複数の電源用半導体素子５１の間での熱的な影響を低下させて、それぞれの電源用半導体素子５１の冷却効率を向上できる。

また、本実施形態に係る室外機１は、空気の流れにおける下流側部位６２よりも上流側部位６３の方が高い複数のフィン６１を有している。そして、複数の電源用半導体素子５１は、上流側部位６３で第一ヒートシンク５５に接している。そのため、室外機１は、それぞれの電源用半導体素子５１の冷却効率をより向上できる。

さらに、本実施形態に係る室外機１の下流側部位６２は、送風機１３の羽根車を臨み、複数の電源用半導体素子５１は、送風機１３の回転中心線方向視において羽根車に最も近い部位に配置されている。そのため、室外機１は、それぞれの電源用半導体素子５１の冷却効率をさらに向上できる。

したがって、本実施形態に係る室外機１によれば、圧縮機制御回路板３５の電源用半導体素子５１の冷却効率を向上させて、これら電源用半導体素子５１の損傷や、電気的特性の劣化を防ぐことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…室外機、５…熱交換器、６…圧縮機、１１…空気吹出口、１２…筐体、１３…送風機、１５…制御装置、１６…電気部品箱、２１…左側板、２２…右側板、２３…正面板、２４…天板、２６…ファンガード、２８…熱交換室、２９…機械室、３１…第一部品箱、３５…圧縮機制御回路板、３６…送風機制御回路板、３７…第二部品箱、４１…平板部、４１ａ…平板部の熱交換室側の面、４１ｂ…平板部の機械室側の面、４５…第一送風機制御回路板、４６…第二送風機制御回路板、５１…電源用半導体素子、５２…モジュール、５５…第一ヒートシンク、５６…第二ヒートシンク、６１…フィン、６２…下流側部位、６２ａ…フィンの下流側部位のうちプロペラファンに最も近い部位、６３…上流側部位、６５…蓋部、６６…吸込口、６７…吹出口、６８…箱内風向板、７１…フィン、７２…プロペラファン、７３…外縁。

Claims (2)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置されて、空気と内部を流通する冷媒とを熱交換させる熱交換器と、
   前記筐体の外側から前記空気を吸い込み、前記筐体内に吸い込んだ前記空気を前記熱交換器を通過させて熱交換された前記空気を前記筐体の外側へ吹き出す送風機と、
   前記冷媒を圧縮して吐出し、前記熱交換器に流通させる圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動制御する複数の電源用半導体素子が実装される回路板と、
   前記複数の電源用半導体素子に熱的に接して前記複数の電源用半導体素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
   前記ヒートシンクは、前記筐体内で流動する前記空気の流れに沿って延び、かつ前記空気の流れに交差する方向へ並ぶ複数のフィンを有し、
   前記複数のフィンの高さは、前記空気の流れにおける下流側部位よりも上流側部位の方が高く、
   前記下流側部位は、前記送風機の羽根車を臨み、
   前記送風機の回転中心線方向視において、前記上流側部位は、前記羽根車の外縁に重なり、
   前記複数の電源用半導体素子は、前記上流側部位で前記ヒートシンクに接して前記複数のフィンが並ぶ方向へ一列に並ぶ、または前記上流側部位で前記ヒートシンクに接して前記複数のフィンが延びる方向よりも前記複数のフィンが並ぶ方向へ多数、格子状に並ぶ冷凍サイクル装置の室外機。
2. 前記複数の電源用半導体素子は、前記送風機の回転中心線方向視において前記羽根車に最も近い部位に配置されている請求項１に記載の冷凍サイクル装置の室外機。
   

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