JP7558438B1 - 制御装置および熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電気部品の温度を一定以上に維持することが容易になる制御装置および熱交換システムを提供すること。【解決手段】 制御装置は、冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムを制御する装置であり、熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、１以上の電気部品を内部に収納し、送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または放熱手段を介して加熱する加熱手段とを含む。制御装置は、熱交換システムの運転の有無と、電機品箱内の温度または熱交換システムの周囲温度とに基づき、加熱手段による加熱を制御する。【選択図】 図８

Description

本発明は、熱交換システムを制御する制御装置および熱交換システムに関する。

空気調和装置等の熱交換システムは、圧縮機、膨張弁、ファン等を含み、これらの機器を制御する制御装置を備える。制御装置は、制御基板等の電気部品を電機品箱に収納し、熱交換システムの室外機のケーシング内に配置される。

電気部品は、熱交換システムの起動中、動作し、発熱する。電気部品は、熱が蓄積し続けると、電気部品の使用上限温度を上回ることになる。また、室外機は、外気温度の低下等に伴って電機品箱内の温度も低下し、電気部品の使用下限温度を下回ることがある。このように、電気部品が使用上限温度を上回り、もしくは使用下限温度を下回ると、電気部品の動作を保証することができず、信頼性が低下するという問題が生じる。

そこで、電機品箱内にヒータを備え、電機品箱の外面に複数のフィンにより電気部品の発熱を放熱し、温度上昇を抑制するヒートシンクを備えた空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２００９－２７０７３２号公報 国際公開第２０１７／０７７６４９号

しかしながら、上記の従来技術では、外気温度が低い場合、運転時に電気部品に発熱があるにしても、運転時の電機品箱内の温度が待機時より低くなり、運転の有無により温度上昇程度が大幅にばらつき、電気部品の温度を一定以上に維持することが難しいという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムを制御する制御装置であって、
熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
１以上の電気部品を内部に収納し、送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
電機品箱の外部へ突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または放熱手段を介して加熱する加熱手段と
を含み、
熱交換システムの運転の有無と、電機品箱内の温度または熱交換システムの周囲温度とに基づき、加熱手段による加熱を制御する、制御装置が提供される。

本発明によれば、電気部品の温度を一定以上に維持することが容易になる。

熱交換システムの一例として空気調和装置の構成例を示した図。 空気調和装置が備える室外機内の構成機器の配置例を示した図。 空気調和装置の運転中の室外機内の空気の流れを説明する図。 室外機内に配置される電機品箱内の電気部品の配置例を示した図。 空気調和装置の運転中の電機品箱内の空気の流れを説明する図。 ヒートシンクの構造、取付位置および取付方法について説明する図。 電気部品とヒートシンクとの間にサーマルグリスを塗布した例を示した図。 ヒータの形状、ヒートシンクへのヒータの取付位置および取付方法の第１の例について説明する図。 ヒータの形状、ヒートシンクへのヒータの取付位置および取付方法の第２の例について説明する図。 ヒータの形状、ヒートシンクへのヒータの取付位置および取付方法の第３の例について説明する図。 ヒータの加熱制御の一例を示したフローチャート。

図１は、熱交換システムの一例として空気調和装置の構成例を示した図である。熱交換システムは、熱媒体として冷媒を圧縮および膨張させながら密閉された系内を循環させ、熱交換の対象である空気や水等の流体を間接的に接触させて、冷媒と流体との間で熱交換を行う。また、熱交換システムは、流体と熱交換する前または後に、冷媒と外気等の空気との間でも熱交換を行う。したがって、熱交換システムは、このような構成のシステムであれば空気調和装置に限定されるものではなく、冷凍機、チラー、ヒートポンプ等であってもよい。以下、熱交換システムを、空気調和装置として説明する。

空気調和装置１０は、空気調和を行う空間内（室内）に設置される室内機１１と、室外に設置される室外機２０とを含み、室内機１１と室外機２０との間で冷媒を循環させ、室内の空気と熱交換させることにより空気調和を行う。

室内機１１および室外機２０は、それぞれ２台以上で構成されていてもよく、室内機１１は、１台の室外機２０に対し、２台以上接続されていてもよい。冷媒としては、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）やハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）を使用することができる。ＨＦＣの種類としては、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等を挙げることができる。ＨＦＯの種類としては、Ｒ１２３４ｙｆ等を挙げることができる。

室内機１１は、リモコンとの間で赤外線等を使用した無線通信を行い、運転指令、停止指令、設定温度の変更指令、運転モードの変更指令等の種々の信号を受信する。なお、室内機１１とリモコンは、通信線により接続され、有線通信を行うように構成されていてもよい。室内機１１は、室外機２０と通信線を介して接続され、室外機２０と協働して室内の空気調和を行う。

室内機１１は、リモコンからの運転指令を受信して起動し、室外機２０に対し、起動を指示する。室外機２０は、起動後、室内の温度が設定温度になるように、圧縮機の回転数や膨張弁の開度等を調整し、冷媒の循環量等を制御する。

室内機１１は、室内熱交換器１２と、室内ファン１３と、室内ファンモータ１４とを備える。室内ファン１３は、室内ファンモータ１４により駆動し、室内の空気を取り込み、室内熱交換器１２へ送り込む。室内熱交換器１２は、内部に冷媒が流通する伝熱管を有し、送り込まれた空気が伝熱管の表面に接触して熱交換を行うように構成されている。室内熱交換器１２により熱交換された空気は、室内へ排出される。

室内機１１は、そのほか、室内温度等を計測するための各種センサや室内膨張弁等を備えることができる。室内機１１は、室内制御装置を備え、室内制御装置が、室内ファンモータ１４の回転数や室内膨張弁の開度等の制御を行う。

室外機２０は、圧縮機２１と、アキュームレータ２２と、四方弁２３と、膨張弁（室外膨張弁）２４と、室外熱交換器２５と、送風手段として室外ファン２６と、室外ファンモータ２７とを備える。圧縮機２１は、例えばロータリ圧縮機やスクロール圧縮機であり、圧縮機モータにより駆動し、低圧のガス冷媒を圧縮し、高圧のガス冷媒として吐出する。アキュームレータ２２は、過渡時の液戻りを貯留するための容器で、冷媒を適度な乾き度に調整する。乾き度は、蒸気と微小液滴との混合状態を示す湿り蒸気中における蒸気の占める割合である。

四方弁２３は、空気調和装置１０の運転状態（運転モード）に応じて、冷媒の流路を切り替える弁である。運転モードは、冷房モード、暖房モード、送風モード等である。膨張弁２４は、高圧の冷媒を減圧し、膨張させる弁である。室外ファン２６は、室外ファンモータ２７により駆動し、室外の空気を取り込み、室外熱交換器２５へ送り込む。室外熱交換器２５は、室内熱交換器１２と同様、内部に冷媒が流通する伝熱管を有し、送り込まれた空気が伝熱管の表面に接触して熱交換を行うように構成されている。室外熱交換器２５により熱交換された空気は、室外へ排出される。

室外機２０は、さらに、制御装置（室外制御装置）２８を備えている。制御装置２８は、圧縮機２１、四方弁２３、膨張弁２４、室外ファンモータ２７と接続され、これらの制御を行う。具体的には、圧縮機モータの回転数、膨張弁２４の開度および室外ファンモータ２７の回転数等の制御である。これらを制御するため、室外機２０にも、外気温度を検知するセンサ等の各種センサが取り付けられる。制御装置２８は、各種センサにより検出された情報に基づき、これらの制御を行う。

暖房運転時は、室内熱交換器１２を凝縮器とし、室外熱交換器２５を蒸発器として利用する。このため、制御装置２８は、矢印に示すように、圧縮機２１、四方弁２３、室内熱交換器１２、膨張弁２４、室外熱交換器２５、四方弁２３、アキュームレータ２２、圧縮機２１の順で系内に封入された冷媒を循環させる。

圧縮機２１は、低温低圧のガス状態の冷媒（冷媒ガス）を圧縮し、高温高圧の冷媒ガスとして吐出する。室内熱交換器１２は、室内の空気と熱交換を行い、冷媒ガスを冷却し、凝縮させる。膨張弁２４は、液状態の冷媒を減圧する。膨張弁２４は、適度な液体の量になるように制御装置２８により開度が調整される。室外熱交換器２５は、室外の空気と熱交換を行い、冷媒を蒸発させる。その後、冷媒は、四方弁２３を通してアキュームレータ２２へ送られ、圧縮機２１へ戻される。

図２は、空気調和装置１０が備える室外機２０内の構成機器の配置例を示した図である。室外機２０は、略直方体のケーシング３０の頂部に、室外ファン２６を備え、ケーシング３０の内部に、圧縮機２１等を収納した機械室３１と、アキュームレータ２２と、電機品箱３２とを有している。ケーシング３０は、底板と、電機品箱３２が取り付けられる板金と、室外ファン２６に連通する上部開口部と、空気を吸い込むための側方開口部とを有する。ケーシング３０は、例えば、枠部材に網状部材を取り付け、網状部材の開口部分を側方開口部とし、その内部に、網状部材に近隣して室外熱交換器２５を配置してもよいし、ケーシング３０の一部として室外熱交換器２５を用い、室外熱交換器２５を、側方の一部を覆うように配置した構成であってもよい。室外熱交換器２５をケーシング３０の一部として用いる場合、伝熱管を使用してパネル状に形成された室外熱交換器２５の伝熱管間の隙間を、側方開口部とすることができる。

機械室３１およびアキュームレータ２２は、重量物であるため、ケーシング３０内の下部に設置される。電機品箱３２は、手動で操作することを考慮し、その操作がしやすいように、機械室３１より上部に設置される。

図３は、空気調和装置１０の運転中の室外機２０内の空気の流れを説明する図である。室外機２０は、ケーシング３０内に室外熱交換器２５が配置される場合、室外熱交換器２５により、ケーシング３０内が２つの空間（第１の空間３３と第２の空間３４）に仕切られる。室外熱交換器２５は、ケーシング３０の側方開口部に近隣して配置されるため、第２の空間３４は、第１の空間３３に比べて小さい。

室外機２０は、室外ファン２６により、ケーシング３０の側方開口部から、ケーシング３０内の第２の空間３４に外部の空気を取り込む。側方開口部は、ケーシング３０の板金により形成される１つの側面を正面とすると、それ以外の左右側面、背面の３つの面に設けることができ、それらの３つの面に設けられた側方開口部から空気を取り込むことができる。なお、側方開口部は、左右側面、背面の３つの面に限らず、正面の一部にも設けられていてもよく、正面の一部に設けられた側方開口部からも空気を取り込むことができる。

ケーシング３０内の第２の空間３４に取り込まれた空気は、室外熱交換器２５の伝熱管と伝熱管との間の隙間を、伝熱管に接触しながら通過することで、伝熱管内を流通する冷媒と熱交換する。室外熱交換器２５により熱交換された空気は、第１の空間３３へ入り、ケーシング３０の頂部（天井板に設けた穴）から外部へ排出される。なお、室外熱交換器２５がケーシング３０の側方の一部を構成する場合、第２の空間３４はなく、伝熱管間の隙間を通して直接第１の空間３３に吸い込まれることになる。

室外機２０は、冷房運転において室外熱交換器２５が凝縮器となることから、第２の空間３４に取り込まれた空気が室外熱交換器２５により加熱し、取り込まれたときより高い温度で第１の空間３３から外部へ排出する。

一方、室外機２０は、暖房運転において室外熱交換器２５が蒸発器となることから、第２の空間３４に取り込まれた空気が室外熱交換器２５により冷却し、取り込まれたときより低い温度で第１の空間３３から外部へ排出する。

図４は、室外機２０内に配置される電機品箱３２内の電気部品の配置例を示した図である。電機品箱３２内には、空気調和装置１０の運転を制御する制御手段としての制御基板４０が収納される。制御基板４０は、プロセッサ、メモリを含み、圧縮機２１のモータの起動や停止、室外ファンモータ２７の起動や停止、膨張弁２４の弁開度の制御等を行う。

電機品箱３２内には、圧縮機２１のモータ等の回転数や仕事量を目標負荷に合わせて調整する負荷調整手段としてのインバーターパワーモジュールアセンブリ４１が収納される。インバーターパワーモジュールアセンブリ４１は、複数の半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングを変えることにより、上記の回転数等を調整する。半導体スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電界効果トランジスタである。

インバーターパワーモジュールアセンブリ４１は、複数の半導体スイッチング素子を備えることから、出力短絡等によって過電流が流れ、その特性の劣化や破壊等が生じるのを防ぐため、過電流を保護する過電流保護手段が必要となる。このため、電機品箱３２内には、過電流保護手段として過電流保護装置４２も収納される。過電流保護装置４２は、出力電流が閾値を超えた場合に出力を停止する。過電流保護装置４２は、例えばトランジスタと抵抗とから構成することができるが、これに限られるものではない。

電機品箱３２内には、そのほか、手動で操作するための各種スイッチ、配線、ランプ等が含まれる。インバーターパワーモジュールアセンブリ４１には、サーマルグリスを塗布する箇所にインバータの過熱を測定するためのモジュールが設けられており、そのモジュールに組み込まれたセンサにより電機品箱内の温度を検知することができる。

図４に示す例では、プラスチック樹脂からなる所定の大きさの１つの基板上に、１つの制御基板４０と、２つのインバーターパワーモジュールアセンブリ４１と、２つの過電流保護装置４２とが実装されている。プラスチック樹脂は、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等である。

電機品箱３２は、室外機２０のケーシング３０を構成する板金に取り付けられる。電機品箱３２は、図５に示すように、蓋４３により内部が閉鎖され、電気部品が発する熱が電機品箱３２内に蓄積していくことを防止するために、ケーシング３０に取り付けられた場合の底部側と側部上側に通気孔を有し、底部側の通気孔４４から空気が流入し、内部を通して側部上側の通気孔４５から排出されるようになっている。通気孔４４は、底部に限らず、側部下側であってもよく、通気孔４５は、側部上側に限らず、上部（頂部）に設けられていてもよい。通気孔４４、４５は、それぞれ１つに限定されるものではなく、２以上設けられていてもよい。この場合、電機品箱３２の内部と外部の両方を空気が流通することになるが、通気孔４４、４５を通して電機品箱３２の内部のみに空気が流通するような構成としてもよい。

なお、電機品箱３２は、このように空気が流通する構造に限られるものではなく、完全密閉で熱交換システムの冷媒を使用して冷却する構造のものであってもよい。この場合、電機品箱３２の外部のみを空気が流通することになる。

制御基板４０、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１、過電流保護装置４２等の電気部品は、半導体素子や配線等を含み、半導体素子や配線等は電気抵抗を有することから、電源が供給され、動作する際に熱を発生し、温度が上昇する。しかしながら、電機品箱３２内を、底部側の通気孔４４から側部上側の通気孔４５へと空気が流れることにより、それらの電気部品を冷却し、それらの温度上昇を抑制することができる。

インバーターパワーモジュールアセンブリ４１は、電力の制御や変換を行うパワー半導体であり、大きい電流が流れるため、発熱量が大きい。このため、通気孔４４、４５による通気だけでは十分に温度上昇を抑制することはできず、電機品箱３２の外面に、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１が発する熱を放出する放熱手段として複数のフィンを有するヒートシンク４６が設けられる。ヒートシンク４６は、電機品箱３２の外面を下側から上側へと流れる空気と接触し、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１が発する熱を放熱する。なお、ヒートシンク４６は、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１に限らず、大きな電流が流れる過電流保護装置４２に対しても設けることができる。ヒートシンク４６は、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１や過電流保護装置４２以外の電気部品に対して設けてもよい。

図６は、ヒートシンク４６の構造、取付位置および取付方法について説明する図である。インバーターパワーモジュールアセンブリ４１等の電気部品は、１つの基板４７の一方の面（実装面）に実装される。図６に示す例では、基板４７の電気部品が実装された実装面の裏側の面４７ａが示され、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１が基板４７の裏側の面４７ａからも突出している。

基板４７は、プラスチック樹脂からなる樹脂ケース４８に取り付けることができるが、これに限られるものではない。したがって、基板４７は、樹脂ケース４８に取り付けなくてもよく、任意に選択することができる。基板４７を樹脂ケース４８に取り付ける場合、樹脂ケース４８は、基板４７の裏側の面４７ａから突出する部分が挿入可能な矩形の穴４８ａと、ヒートシンク４６の基部（ベース部）４６ａが嵌め込まれる枠４８ｂとを有している。ヒートシンク４６は、樹脂ケース４８の枠４８ｂにベース部４６ａを嵌め込み、ボルト等の締結手段を使用して樹脂ケース４８に固定される。

ヒートシンク４６のベース部４６ａは、樹脂ケース４８の穴４８ａによって露出した形になるが、樹脂ケース４８の穴４８ａには、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１の、基板４７の裏側の面４７ａから突出する部分が挿入されるため、穴４８ａは閉鎖される。なお、穴４８ａへのインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の、基板４７の裏側の面４７ａから突出する部分の挿入により、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１のその突出する部分の平坦な面と、ヒートシンク４６のベース部４６ａの、樹脂ケース４８の穴４８ａに向いた平坦な面とが接触する。

これにより、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１が動作中に発生する熱を、ヒートシンク４６のベース部４６ａを通して、樹脂ケース４８の穴４８ａとは反対側の面に設けられた複数のフィン４６ｂへと伝達させ、フィン４６ｂ間を流通し、フィン４６ｂと接触する空気へ熱を与え、放熱することができる。インバーターパワーモジュールアセンブリ４１は、複数のスイッチング素子を含み、短い周期でスイッチが切り替えられるため、発熱が大きく、使用上限温度を超えやすい。このため、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１には、その動作を保証するべく、ヒートシンク４６が設けられる。

なお、複数のフィン４６ｂは、ベース部４６ａの穴４８ａとは反対側の平坦な面に対して垂直方向に所定の間隔で並べて配設される金属製の板状物であり、フィン４６ｂの枚数を増やすことで伝熱面積を確保している。ベース部４６ａも、フィン４６ｂと同じ金属製の板状物であるが、その大きさ、厚さが異なっている。

図７は、電気部品とヒートシンクとの間にサーマルグリスを塗布した例を示した図である。電気部品としてインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の上記突出する部分の平坦な面と、ヒートシンク４６のベース部４６ａの平坦な面とは、直接接触させる形で、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１とヒートシンク４６とを樹脂ケース４８に固定してもよいが、両者の平坦な面が隙間なく接触するように形成することは困難である。

すると、両者の平坦な面の間に生じる隙間により、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１とヒートシンク４６との間の伝熱抵抗が大きくなり、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１からヒートシンク４６へ適切に熱を伝達させることができなくなる。

そこで、両者の平坦な面の間にサーマルグリス４９を備える構成とする。これにより、それら間の伝熱抵抗を小さくし、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１からの熱をヒートシンク４６へ適切に伝達させるようにすることができる。

サーマルグリス４９は、接触面の熱伝導の促進用に使われるグリス（潤滑剤）で、隙間を埋め、空間を存在させないようにして空間により伝熱抵抗が増えないようにするものである。サーマルグリス４９は、温度によって粘度の変化が小さい変性シリコンをベースとし、熱伝導率の高い金属や金属酸化物の粒子をフィラーとして含むものを用いることができる。フィラーとしては、例えば銅、銀、アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等を挙げることができる。

ところで、空気調和装置１０の暖房運転が停止した場合、待機状態となり、室外ファン２６が停止するため、ケーシング３０内への空気の取り込みが停止し、電機品箱３２内の空気の流れがなくなる。電機品箱３２内の各電気部品は、電源供給がなくなり、動作が停止するため、発熱しなくなるが、空気の流れもなくなるので、外気によって間接的に冷却され、その温度が低下していく。

電機品箱３２内の各電気部品は、使用下限温度が設定されるが、空気調和装置１０の提供地域によっては、外気温度が使用下限温度より低くなり、待機時に電機品箱３２内の温度が使用下限温度より低くなる可能性がある。これでは、各電気部品の動作を保証することができず、信頼性が低下する。

そこで、電機品箱３２内に加熱手段としてヒータを設け、電機品箱３２内を加熱して、使用下限温度より低くならないように調整することができる。

空気調和装置１０の暖房運転時、電機品箱３２内の各電気部品は、電源が供給されて動作している状態であるため、発熱するが、室外熱交換器２５によって冷却された外気より温度が低くなった空気が電機品箱３２の内部および外部を流通し、常時冷却される。このため、暖房運転時は、待機時より電機品箱３２内の温度が低下する。

一定量加熱する場合、暖房運転時の方が電機品箱３２内の温度が低いため、待機時は加熱にそれほど熱量はいらないが、一定量加熱するため、熱量過多となり得、暖房運転時は加熱に熱量が必要であるが、一定量しか加熱しないため、熱量不足となり得る。これでは、運転の有無によって温度上昇に大きな差があり、温度上昇程度が大幅にばらつくことになる。

暖房運転時と待機時との電機品箱３２内の温度差を小さくすることができれば、待機時の熱量過多および暖房運転時の熱量不足を解消し、運転の有無による温度上昇の程度のばらつきを小さくすることができるものと考えられる。

暖房運転時と待機時との電機品箱３２内の温度差は、暖房運転時の室外ファン２６により低温の空気が電機品箱３２の内部もしくは外部またはその両方を流通し、電気部品が常時冷却されることが主な要因となっている。このため、空気の流通による電気部品の冷却を小さくすることができれば、暖房運転時と待機時との電機品箱３２内の温度差を小さくすることができるものと考えられる。

そこで、ヒータの熱を直接に、または間接的に伝達するために、ヒータが、加熱が必要な対象の電気部品に直接接触し、または何らかの部材を介して接触する構成とする。

ここで、加熱が必要な対象の電気部品は、空気調和装置１０の運転制御に必要な電気部品であり、制御基板４０、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１、過電流保護装置４２が挙げられるが、特に、使用下限温度が高い、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１である。

また、電機品箱３２内の温度や外気温度等を検知し、目標温度に合わせて加熱量を調整することで、待機時の加熱に必要な熱量を少なくなるように調整し、熱量過多を解消し、暖房運転時の加熱に必要な熱量を増やすように調整し、熱量不足を解消することができる。なお、加熱量は、制御ロジックや、自己温度制御機能をもつＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒータを用いることで調整することができる。制御ロジックは、制御基板やその他の制御回路に実装することができる。

図８は、ヒータ５０の形状、ヒートシンク４６へのヒータ５０の取付位置および取付方法の第１の例について説明する図である。対象の電気部品は、例えばインバーターパワーモジュールアセンブリ４１である。なお、これは一例であるので、これに限られるものではない。

インバーターパワーモジュールアセンブリ４１は、直接に、またはサーマルグリス４９を介してヒートシンク４６と接触している。このため、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１が動作中に発生する熱をヒートシンク４６へ伝達し、ヒートシンク４６から放熱することができる。このことから、ヒートシンク４６に熱を与えれば、ヒートシンク４６からインバーターパワーモジュールアセンブリ４１へ熱を伝達することもできることを意味する。

したがって、ヒートシンク４６にヒータ５０を取り付けることで、ヒータ５０でヒートシンク４６を加熱し、ヒートシンク４６の熱をインバーターパワーモジュールアセンブリ４１へ伝達することができる。

ヒートシンク４６は、所定の厚さを有する平板状のベース部４６ａと、ベース部４６ａから突出するように複数のフィン４６ｂとを有する。フィン４６ｂにヒータ５０を取り付けても、流通する空気と接触して冷却されるため、ヒータ５０の熱が放熱してしまう。このため、ベース部４６ａにヒータ５０を取り付けることが望ましい。

そこで、ベース部４６ａの厚さ方向の中央に、所定の径で所定の長さの穴４６ｃを形成し、ヒータ５０を、穴４６ｃに挿入可能な径および長さの円筒形で棒状のものとすることができる。

穴４６ｃは、ベース部４６ａの長手方向、すなわち幅方向に延び、ベース部４６ａの身短手方向、すなわち高さ方向に所定の距離だけ離間して２つ設けられる。ここでは、穴４８ａを２つ設けているが、２つに限定されるものではなく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、穴４６ｃは、幅方向に延びるものに限定されるものではなく、高さ方向に延びるものであってもよい。

ヒータ５０は、ベース部４６ａの穴４６ｃに差し込むことで、ヒートシンク４６に取り付けることができる。ヒータ５０は、棒状の一定の径を有するものとされるが、末端が拡張した形状とし、拡張した末端がベース部４６ａに当接するまで差し込むことができる。なお、ヒータ５０の拡張した末端には、電流を供給するための電線５１が接続される。

このような構造とすることで、ヒータ５０に電流を供給し、ヒータ５０が発する熱をヒートシンク４６へ伝達し、ヒートシンク４６からサーマルグリス４９を介してインバーターパワーモジュールアセンブリ４１へ伝達し、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１を加熱することができる。

ベース部４６ａの穴４６ｃの形状および長さは、いかなる形状および長さであってもよい。したがって、ヒータ５０の形状および長さも、穴４６ｃに合わせた形状および長さであればよい。ただし、穴４６ｃの径は、ベース部４６ａの厚さより小さいものとされる。

図９は、ヒータ５０の形状、ヒートシンク４６へのヒータ５０の取付位置および取付方法の第２の例について説明する図である。ヒートシンク４６へヒータ５０の熱を伝達することができれば、ヒートシンク４６のベース部４６ａに穴４６ｃを設け、穴４６ｃに棒状のヒータ５０に挿入する形に限定されない。

ベース部４６ａは、幅方向の両端部に２つの側面を有し、高さ方向の両端部に下面と上面とを有する。図９に示すように、ヒータ５０を面状（シート）とし、ベース部４６ａの２つの側面のそれぞれに貼り付けることができる。この場合、ヒータ５０は、２つの側面を介してヒートシンク４６へ熱を伝達する。

なお、ヒータ５０は、幅方向の両端部の２つの側面に貼り付けることに限定されるものではなく、２つの側面のうちの１つの側面であってもよいし、高さ方向の両端部の上面および下面のうちの１つに貼り付けてもよいし、上面および下面の両方に貼り付けてもよい。

図１０は、ヒータ５０の形状、ヒートシンク４６へのヒータ５０の取付位置および取付方法の第３の例について説明する図である。ベース部４６ａは、４つの側面、上面、下面のほか、複数のフィン４６ｂが取り付けられる面を有し、さらに、樹脂ケース４８の穴４８ａへ向いた面、すなわちインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の突出した部分の平坦な面に対向する面を有する。

このため、ヒータ５０を、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１とベース部４６ａとの間に配置し、その間の隙間をサーマルグリス４９で埋めることができる。このようにすることで、ヒータ５０の熱を、ヒートシンク４６を介することなくインバーターパワーモジュールアセンブリ４１へ直接伝達することができる。

以上のような構成とすることで、複数のフィン４６ｂによってインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の発熱による温度上昇を抑制することができ、ヒータ５０によって外気温度が低くてもインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の温度を一定以上に維持することができる。

ヒータ５０は、ＯＮ／ＯＦＦ制御や、発熱量を調整することにより、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１の温度を一定以上に維持するように制御することができるが、ＯＮ／ＯＦＦ制御や、発熱量を調整するにあたって、室外機２０の運転状態や外気温度を検知するセンサからの値（外気温度）を用いることができる。外気温度を検知するセンサは、既に室外機２０が備えているので、追加のセンサを設ける必要はない。

室外機２０の運転状態は、室外機２０の運転の有無であり、室外ファン２６が起動し、ケーシング３０内を空気が流通しているか否かを表す。暖房運転時、室外機２０の室外熱交換器２５は、蒸発器として機能するので、外部から取り入れられた空気は、冷媒と熱交換し、冷却される。このため、冷却された空気が、電機品箱３２の外側もしくは電機品箱３２内またはその両方を流通することとなり、電機品箱３２内の電気部品が動作中で発熱するにしても、それ以上に冷却され、使用下限温度を下回るおそれがある。

外気温度は、室外機２０の運転が停止しているとき、ケーシング３０を介してケーシング３０内の空気を冷却し、電機品箱３２内の空気を冷却し、電機品箱３２内の電気部品も冷却する。このため、電機品箱３２内の電気部品が、使用下限温度を下回るおそれがある。

これらのことから、室外機２０の運転状態や外気温度を検知するセンサからの値を用い、ヒータ５０をＯＮ／ＯＦＦ制御し、発熱量を調整する。具体的な制御について、図１１を参照して詳細に説明する。

図１１は、ヒータ５０による加熱制御の一例を示したフローチャートである。室外機２０が運転中であるか、停止しているかに関係なく、電源に接続され、制御基板４０に電源が供給されることにより、ステップ１００から制御を開始する。ここでは、制御基板４０が加熱制御を行うものとして説明するが、他の制御回路等が加熱制御を行ってもよい。

ステップ１０１で、室外機２０が運転中で、室外ファン２６がＯＮであるか否かを判断する。室外機２０が運転中である場合、室外ファン２６はＯＮであり、ステップ１０２へ進み、部品温度、すなわちインバーターパワーモジュールアセンブリ４１の温度がヒータＯＮ条件に適合するか否かを判断する。電気部品の部品温度は、電機品箱３２内の温度とされる。ヒータＯＮ条件に適合しないと判断した場合、ステップ１０１へ戻る。

ステップ１０１で、室外機２０が運転中でない場合、運転停止中であり、ステップ１０３へ進み、外気温度を検知するセンサにより検知された値が、ヒータＯＮ条件に適合するか否かを判断する。ヒータＯＮ条件に適合しないと判断した場合、ステップ１０１へ戻る。

ステップ１０２およびステップ１０３で、ヒータＯＮ条件に適合すると判断した場合、ステップ１０４へ進み、ヒータ５０をＯＮにする。すなわち、ヒータ５０による加熱を開始する。

ヒータ５０による加熱を開始した後、ヒータ５０の発熱量を調整することができる。発熱量は、室外機２０が運転中の場合、電機品箱３２内の温度に基づき調整することができ、室外機２０が運転停止中（待機中）の場合、外気温度（室外機２０の周囲温度）に基づき調整することができる。暖房運転中は、電機品箱３２内の温度が待機中より低いため、暖房運転中は発熱量を大きくし、待機中は発熱量を小さくするように調整することができる。

ステップ１０５で、部品温度がヒータＯＦＦ条件に適合するか否かを判断する。ヒータＯＦＦ条件に適合しないと判断した場合、ヒータＯＦＦ条件に適合するまで、ステップ１０５の判断を繰り返す。ヒータＯＦＦ条件に適合するまでは、ヒータ５０がＯＮのままとなる。

ステップ１０５で、ヒータＯＦＦ条件に適合すると判断した場合、ステップ１０６へ進み、ヒータ５０をＯＦＦにする。そして、ステップ１０７へ進み、制御を終了する。ここで一旦制御を終了するが、すぐにステップ１００から制御を開始することができる。これにより、再びヒータＯＮ条件に適合するかを判断し、ヒータＯＮ条件に適合すると判断した場合、ヒータ５０をＯＮにすることができる。このような制御により、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１の温度を一定以上に維持することができる。

ここで、ヒータＯＮ条件、ヒータＯＦＦ条件について説明する。ヒータ５０は、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１の使用下限温度を、ヒータ５０をＯＮにする条件（ヒータＯＮ条件）の基準温度とすることができる。しかしながら、実際の制御では、温度が上下動するため、その使用下限温度を下回る可能性が高い。そこで、多少の温度の上下動があることを考慮し、その使用下限温度に、例えば５℃程度の余裕を見て、ヒータＯＮ条件の基準温度（下限温度）として設定することができる。なお、余裕は、５℃に限定されるものではなく、１０℃等であってもよい。

ヒータ５０は、インバーターパワーモジュールアセンブリ４１の使用上限温度を、ヒータ５０をＯＦＦにする条件（ヒータＯＦＦ条件）の基準温度とすることができる。しかしながら、使用上限温度は、５０℃を超える温度であるため、相当の時間が経過しないとヒータ５０がＯＦＦにならず、無駄に電力を消費することになる。そこで、ヒータＯＮ条件の基準温度より１５～２０℃高い温度を、ヒータＯＦＦ条件の基準温度（上限温度）として設定することができる。なお、ヒータＯＮ条件の基準温度より高くする温度は、１５～２０℃に限定されるものではなく、使用上限温度を超えない範囲であれば、２０～３０℃等であってもよい。

以上に説明してきたように、本発明の制御装置および熱交換システムを提供することで、電気部品が発した熱を放熱することができ、外気温度が低い時に電気部品の温度を一定以上に維持することが容易となる。このため、電気部品の選定上、やむを得ず温度範囲が守れない場合や、総合的な原価低減目的等で使用下限温度が比較的高い場合でも、その電気部品を選定することが可能となる。また、電気部品に直接熱を伝達することができるため、加熱に必要なエネルギーを低減することができる。

これまで本発明の制御装置および熱交換システムについて上述した実施形態をもって詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

したがって、本発明によれば、（１）冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムを制御する制御装置であって、前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段とを含み、前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御する、制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（２）前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、前記放熱手段が、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触している、上記（１）に記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（３）前記放熱手段は、所定の径で所定の深さを有する１以上の挿入穴を備え、前記負荷調整手段と前記熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、前記加熱手段は、前記ベース部の前記１以上の挿入穴に挿入される、上記（２）に記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（４）前記放熱手段は、前記負荷調整手段と前記熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、前記加熱手段は、前記ベース部の側面に隣接して配置される、上記（２）に記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（５）前記放熱手段は、前記負荷調整手段と前記熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、前記加熱手段は、前記負荷調整手段と前記ベース部との間に配置され、前記熱伝導グリースにより埋設される、上記（２）に記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（６）前記制御手段は、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムが備える外気温度を検知する外気温度検知手段により検知された該外気温度が、設定された下限温度以下になった場合に、前記加熱手段による加熱を開始させる、上記（２）～（５）のいずれかに記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（７）前記制御手段は、前記加熱手段による加熱を開始させた後、前記電機品箱内の温度または前記外気温度が、設定された上限温度以上になった場合、前記加熱手段による加熱を停止させる、上記（６）に記載の制御装置を提供することができる。

本発明によれば、（８）上記（１）～（７）のいずれかに記載の制御装置を含む、熱交換システムを提供することができる。

本発明によれば、（９）熱交換システムは、流体としての室内の空気と前記冷媒との熱交換を行う室内機と、前記冷媒を循環し、外気と前記冷媒との熱交換を行う室外機とを含み、前記室外機は、前記外気を取り込み、前記冷媒と熱交換した後に該外気を排出する前記送風手段と、前記制御装置とを含む、上記（７）に記載の熱交換システムを提供することができる。

１０…空気調和装置
１１…室内機
１２…室内熱交換器
１３…室内ファン
１４…室内ファンモータ
２０…室外機
２１…圧縮機
２２…アキュームレータ
２３…四方弁
２４…膨張弁
２５…室外熱交換器
２６…室外ファン
２７…室外ファンモータ
２８…制御装置
３０…ケーシング
３１…機械室
３２…電機品箱
３３…第１の空間
３４…第２の空間
４０…制御基板
４１…インバーターパワーモジュールアセンブリ
４２…過電流保護装置
４３…蓋
４４、４５…通気孔
４６…ヒートシンク
４６ａ…ベース部
４６ｂ…フィン
４６ｃ…穴
４７…基板
４７ａ…面
４８…樹脂ケース
４８ａ…穴
４８ｂ…枠
４９…サーマルグリス
５０…ヒータ
５１…電線

Claims (11)

1. 冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムの運転を制御する制御装置であって、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、所定の径で所定の深さを有する１以上の挿入穴を備え、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記ベース部の前記１以上の挿入穴に挿入される、制御装置。
2. 冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムの運転を制御する制御装置であって、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記ベース部の側面に隣接して配置される、制御装置。
3. 冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段を含む熱交換システムの運転を制御する制御装置であって、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記負荷調整手段と前記ベース部との間に配置され、前記熱伝導グリースにより埋設される、制御装置。
4. 前記制御装置は、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムが備える外気温度を検知する外気温度検知手段により検知された該外気温度が、設定された下限温度以下になった場合に、前記加熱手段による加熱を開始させる、請求項１～３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記制御装置は、前記加熱手段による加熱を開始させた後、前記電機品箱内の温度または前記外気温度が、設定された上限温度以上になった場合、前記加熱手段による加熱を停止させる、請求項４に記載の制御装置。
6. 流体と冷媒との熱交換を行う熱交換システムであって、
   前記熱交換システムは、
   冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段と、
   前記熱交換システムの運転を制御する制御装置と
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記制御装置は、前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、所定の径で所定の深さを有する１以上の挿入穴を備え、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記ベース部の前記１以上の挿入穴に挿入される、熱交換システム。
7. 流体と冷媒との熱交換を行う熱交換システムであって、
   前記熱交換システムは、
   冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段と、
   前記熱交換システムの運転を制御する制御装置と
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記制御装置は、前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記ベース部の側面に隣接して配置される、熱交換システム。
8. 流体と冷媒との熱交換を行う熱交換システムであって、
   前記熱交換システムは、
   冷媒と熱交換する空気を取り込み、排出する送風手段と、
   前記熱交換システムの運転を制御する制御装置と
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記熱交換システムを制御する１以上の電気部品と、
   前記１以上の電気部品を内部に収納し、前記送風手段により内部もしくは外部またはその両方を空気が流通する電機品箱と、
   前記電機品箱の外面から突出して１以上の電気部品のうちの少なくとも１つが発する熱を放熱する放熱手段と、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つを、直接または前記放熱手段を介して加熱する加熱手段と
   を含み、
   前記制御装置は、前記熱交換システムの運転の有無と、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムの周囲温度とに基づき、前記加熱手段による加熱を制御し、
   前記１以上の電気部品のうちの少なくとも１つは、前記熱交換システムの運転負荷を調整する負荷調整手段であり、
   前記放熱手段は、前記負荷調整手段と熱伝導グリースを挟んで接触するベース部と、前記ベース部に設けられる複数のフィンとを有し、
   前記加熱手段は、前記負荷調整手段と前記ベース部との間に配置され、前記熱伝導グリースにより埋設される、熱交換システム。
9. 前記制御装置は、前記電機品箱内の温度または前記熱交換システムが備える外気温度を検知する外気温度検知手段により検知された該外気温度が、設定された下限温度以下になった場合に、前記加熱手段による加熱を開始させる、請求項６～８のいずれか１項に記載の熱交換システム。
10. 前記制御装置は、前記加熱手段による加熱を開始させた後、前記電機品箱内の温度または前記外気温度が、設定された上限温度以上になった場合、前記加熱手段による加熱を停止させる、請求項９に記載の熱交換システム。
11. 前記熱交換システムは、前記流体としての室内の空気と前記冷媒との熱交換を行う室内機と、前記冷媒を循環し、外気と前記冷媒との熱交換を行う室外機とを含み、
    前記室外機は、前記外気を取り込み、前記冷媒と熱交換した後に該外気を排出する前記送風手段と、前記制御装置とを含む、請求項９に記載の熱交換システム。