JP2009299974A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒ジャケットの温度が露点温度以下に下がって冷媒ジャケットの表面に結露が生じても、その結露が電気回路に付着しないようにする。
【解決手段】パワー素子（33）が取り付けられたプリント基板（31）と、該パワー素子（33）が熱的に接続されるとともに冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（20）とを室外機（100）の室外機ケーシング（70）内に設ける。室外機ケーシング（70）には、設置状態で天板となる面にサービス用開口部（71）を形成する。そして、プリント基板（31）は、サービス用開口部（71）から見て冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う空気調和機に関するものである。

冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う空気調和機では、圧縮機の電動機の運転状態を制御するために、インバータ回路などの電気回路が搭載される。一般的にこのインバータ回路には高熱を生ずるパワー素子が用いられ、従来の空気調和機ではこのパワー素子が動作可能な温度よりも高温にならないように、パワー素子を冷却する手段が設けられている。このような冷却手段の一例としては、冷凍サイクルに用いる冷媒によってパワー素子を冷却するようにしたものがある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の空気調和機では、冷凍サイクルに用いる冷媒が流れる冷媒通路を冷媒ジャケット（この文献ではヒートシンク）に設け、この冷媒ジャケットにパワー素子（同文献ではジャイアント・トランジスタ）を固定するとともに、冷媒ジャケットをスイッチボックス（電気部品箱）に収めている。
特開昭６２-６９０６６号公報

ところで、パワー素子を冷却するために、冷凍サイクルに用いる冷媒を使う場合には、冷媒の温度などの関係から、電気回路(パワー素子)は、圧縮機とともに同じケーシング内に設けると都合がよい場合がある。この場合、冷媒ジャケットに流通させる冷媒の温度によっては、運転中の冷媒ジャケットの温度が露点温度以下に下がって冷媒ジャケットの表面に結露が生じてしまう可能性がある。そして、この結露が電気回路に付着するようなことがあると、電気回路が短絡する可能性もある。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、冷媒ジャケットの温度が露点温度以下に下がって冷媒ジャケットの表面に結露が生じても、その結露が電気回路に付着しないようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
パワー素子（33）が取り付けられたプリント基板（31）からなる電気回路（30）と、該パワー素子（33）が熱的に接続されるとともに冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（20）とを室外機（100）のケーシング（70）内に備えて、該冷媒ジャケット（20）を流通する冷媒によって該パワー素子（33）を冷却する空気調和機であって、
前記ケーシング（70）は、設置状態で天板となる面にサービス用開口部（71）が形成され、
前記電気回路（30）は、サービス用開口部（71）から見て前記冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置されていることを特徴とする。

これにより、運転中に冷媒ジャケット（20）の外面に生じた結露が落下する場合には、電気回路（30）とは反対側（下側）に落下する。

また、第２の発明は、
第１の発明の空気調和機において、
前記プリント基板（31）は、スイッチボックス（40）に収納され、
前記スイッチボックス（40）は、前記サービス用開口部（71）に対向し、且つサービス用開口部（71）から見て前記冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置され、
前記冷媒ジャケット（20）と対向する前記スイッチボックス（40）の面には、前記冷媒ジャケット（20）に対して固定されて、前記パワー素子（33）と前記冷媒ジャケット（20）との間で熱を伝導する伝熱板（50）が固定されていることを特徴とする。

これにより、プリント基板（31）がスイッチボックス（40）に収納されるとともに、パワー素子（33）が伝熱板（50）を介して、冷媒ジャケット（20）と熱的に接続される。

第１の発明によれば、運転中に冷媒ジャケット（20）の外面に生じた結露が電気回路（30）には落下しないので、この結露による電気回路の短絡が防止される。

また、第２の発明によれば、伝熱板（50）と冷媒ジャケット（20）との接続が視認しやすいので、より確実に、パワー素子（33）と冷媒ジャケット（20）とを熱的に接続できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る空気調和機（1）における冷媒回路（10）の配管系統図である。この空気調和機（1）は、冷房運転と暖房運転とが可能なヒートポンプ式の空気調和機である。図１に示すように、空気調和機（1）は、室外に設置される室外機（100）と、室内に設置される室内機（200）とを備えている。室外機（100）と室内機（200）とは、第１の接続配管（11）及び第２の接続配管（12）を介して互いに接続され、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を構成している。

〈室内機〉
室内機（200）には、冷媒を室外空気と熱交換させるための室内熱交換器（210）が設けられている。この室内熱交換器（210）には、例えばクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器などを採用できる。また、室内熱交換器（210）の近傍には、室内ファン（図示省略）が設置されている。

〈室外機〉
室外機（100）には、圧縮機（13）、油分離器（14）、室外熱交換器（15）、室外ファン（16）、膨張弁（17）、アキュムレータ（18）、四方切換弁（19）、冷媒ジャケット（20）、及び電気回路（30）が設けられ、ケーシング（後述する室外機ケーシング（70））に収められている。

圧縮機（13）は、冷媒を吸入ポートから吸入して圧縮し、圧縮した冷媒を吐出ポートから吐出する。この圧縮機（13）には、例えばスクロール圧縮機などの種々の圧縮機を採用できる。

油分離器（14）は、圧縮機（13）から吐出された潤滑油が混じった冷媒を、冷媒と潤滑油とに分離して、冷媒は四方切換弁（19）に送り、潤滑油は圧縮機（13）に戻すようになっている。

室外熱交換器（15）は、冷媒を室外空気と熱交換させるための空気熱交換器であり、例えばクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器などを採用できる。室外熱交換器（15）の近傍には、室外熱交換器（15）へ室外空気を送風する室外ファン（16）が設置されている。

膨張弁（17）は、室外熱交換器（15）と室内熱交換器（210）に接続され、流入した冷媒を膨張させて、所定の圧力まで減圧させてから流出させる。膨張弁（17）は、例えば、開度可変の電子膨張弁で構成できる。

アキュムレータ（18）は、流入する冷媒を気液分離し、分離したガス冷媒を圧縮機（13）に送る。

四方切換弁（19）は、第１から第４の４つのポートが設けられ、第１ポートと第３ポートが連通すると同時に第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通すると同時に第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。この室外機（100）では、第１ポートは油分離器（14）を介して圧縮機（13）の吐出ポートに、第２ポートはアキュムレータ（18）を介して圧縮機（13）の吸入ポートにそれぞれ接続されている。また、第３ポートは室外熱交換器（15）及び膨張弁（17）を介して第２の接続配管（12）に、第４ポートは第１の接続配管（11）にそれぞれ接続されている。そして、空気調和機（1）において冷房運転が行われる場合には第１状態に切り替えられ、暖房運転が行われる場合には第２状態に切り替えられる。

冷媒ジャケット（20）は、例えば、アルミニウムなどの金属を扁平な直方体状に形成したものであり、室外熱交換器（15）と膨張弁（17）とを接続する冷媒配管（21）の一部を覆って、冷媒配管（21）と熱的に接続されている。詳しくは、この冷媒ジャケット（20）には、図２に示すように冷媒配管（21）を嵌めこむ２つの貫通孔が設けられ、冷媒配管（21）は、一方の貫通孔を通り抜けた後にＵ字状に折り返して、もう一方の貫通孔を通り抜けている。つまり、冷媒ジャケット（20）は、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通していると見ることができる。

電気回路（30）は、圧縮機（13）の電動機の回転数などの制御を行う。この電気回路（30）は、プリント基板（31）上に形成され、プリント基板（31）はスイッチボックス（40）内にスペーサ（32）によって固定されている。このプリント基板（31）上には、図２に示すように、パワー素子（33）などが配置されている。このパワー素子（33）は、例えば圧縮機（13）の電動機に電力を供給するインバータ回路のスイッチング素子であり、圧縮機（13）の運転時には発熱し、パワー素子（33）を冷却しておかないと、パワー素子（33）が動作可能な温度（例えば９０℃）を超える可能性がある。そのため、空気調和機（1）では、冷媒ジャケット（20）を流通する冷媒によってパワー素子（33）を冷却するようになっている。

具体的には、空気調和機（1）では、図２に示すように、冷媒ジャケット（20）をスイッチボックス（40）に固定してスイッチボックス（40）内のパワー素子（33）を冷却する。より詳しくは、スイッチボックス（40）は、一つの面が開口した扁平な箱状に形成され、開口部が対向した面には貫通孔（40a）が設けられ、板状に形成された伝熱板（50）が貫通孔（40a）を覆うように取り付けネジ（51）によって固定されている。伝熱板（50）は、アルミニウムなどの比較的熱抵抗が小さい材料で構成される。

この伝熱板（50）に対しては、スイッチボックス（40）の内側からはパワー素子（33）が取り付けネジ（51）で固定されている。また、スイッチボックス（40）の外側からは冷媒ジャケット（20）が冷媒ジャケット取り付けネジ（52）で固定されている。この構造では、パワー素子（33）の熱は、伝熱板（50）を介して冷媒ジャケット（20）に伝導し、冷媒ジャケット（20）を流通する冷媒に放熱することになる。

図３は、室外機（100）の正面形状及び平面形状を模式的に示した図であり、圧縮機（13）等の主要部品の配置を示している。図３の平面図は、天板を外した状態を示している。図３(平面図)に示すように、室外機ケーシング（70）は仕切り板（60）によって２つに仕切られている。一方の区画（熱交換室）には、断面形状がＬ字型に形成された室外熱交換器（15）が、室外機ケーシング（70）の側面及び背面に面して配置され、この室外熱交換器（15）の近傍には、室外ファン（16）が設置されている。また、もう一方の区画（機械室）には冷媒ジャケット（20）、圧縮機（13）、スイッチボックス（40）等が配置されている。具体的には、この室外機ケーシング（70）は、設置状態で天板となる面に、機械室に貫通するサービス用開口部（71）が設けられ、スイッチボックス（40）は、サービス用開口部（71）に対向し、且つサービス用開口部（71）から見て(つまり、天板の側から見て)冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置されている。このときスイッチボックス（40）は、プリント基板（31）が水平方向になる向きで、且つ伝熱板（50）側が、サービス用開口部（71）からみて奥側に向いている。

-空気調和機（1）の運転動作-
次に空気調和機（1）の運転動作を説明する。空気調和機（1）は、四方切換弁（19）を第１状態又は第２状態に切り替えることによって、冷房運転と暖房運転とを行う。

（冷房運転）
冷房運転時には、四方切換弁（19）は第１状態（図１に実線で示す状態）に切り替えられる。そして、圧縮機（13）が運転状態にされると、冷媒は図１の実線矢印で示す方向に冷媒回路（10）内を循環する。

圧縮機（13）から吐出された冷媒は、油分離器（14）、四方切換弁（19）を介して室外熱交換器（15）に流入し、室外熱交換器（15）では、室外ファン（16）によって取り込まれた室外空気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は、冷媒ジャケット（20）を通過した後、膨張弁（17）で膨張し、第２の接続配管（12）を介して室内機（200）に流入する。

室内機（200）では、冷媒は室内熱交換器（210）に導入され、室内熱交換器（210）において室内空気から吸熱して蒸発する。これにより、室内空気は冷却され冷房が行われる。その後、蒸発した冷媒は四方切換弁（19）とアキュムレータ（18）とを介して圧縮機（13）に吸入されて圧縮される。

（暖房運転）
一方、暖房運転時には四方切換弁（19）は第２状態（図１に破線で示す状態）に切り替えられる。そして、圧縮機（13）が運転状態にされると、冷媒は図１の破線矢印で示す方向に冷媒回路（10）内を循環する。

圧縮機（13）から吐出された冷媒は、油分離器（14）、四方切換弁（19）、さらには第１の接続配管（11）を介して室内機（200）に流入する。室内機（200）では、冷媒は室内熱交換器（210）に導入され、室内熱交換器（210）において室内空気に放熱して凝縮する。これにより、室内空気は加熱され暖房が行われる。その後、凝縮した冷媒は、第２の接続配管（12）を介して室外機（100）に導入される。

室外機（100）では、冷媒が膨張弁（17）で膨張し、冷媒ジャケット（20）を介して室外熱交換器（15）に流入する。室外熱交換器（15）では、冷媒は、室外ファン（16）によって取り込まれた室外空気から吸熱して蒸発する。蒸発した冷媒は、四方切換弁（19）とアキュムレータ（18）とを介して圧縮機（13）に吸入されて圧縮される。

（パワー素子（33）の冷却）
上記のように、冷媒ジャケット（20）では、冷房運転時には室外熱交換器（15）で凝縮し、パワー素子（33）の温度よりも低温の冷媒が流れる。この場合、冷媒ジャケット（20）を流れる冷媒の温度は、運転条件や外気条件などによって異なるが、例えば４０〜４５℃程度になっている。そのため、電気回路（30）のパワー素子（33）で生じた熱は、伝熱板（50）を介して冷媒ジャケット（20）に伝熱し、冷媒ジャケット（20）において冷媒配管（21）内の冷媒に放熱する。これにより、パワー素子（33）は、動作可能な温度に維持されることになる。

一方、暖房運転時には、冷媒ジャケット（20）では、室内熱交換器（210）で凝縮し、パワー素子（33）の温度よりも低温の冷媒が流れ、やはり、パワー素子（33）は、動作可能な温度に維持されることになる。この場合も、冷媒ジャケット（20）を流れる冷媒の温度は、運転条件や外気条件などによって異なるが、冷媒温度が０℃程度になる場合がある。このとき、冷媒ジャケット（20）の温度が外気の露点温度を下回ると、冷媒ジャケット（20）の表面で結露を生じ、水滴となって落下する場合がある。本実施形態では、室外機（100）の設置状態で、冷媒ジャケット（20）が電気回路（30）よりも下方になるようにしたので、冷媒ジャケット（20）の表面から落下した水滴は、スイッチボックス（40）或いはプリント基板（31）上には落下しない。したがって、本実施形態によれば、プリント基板（31）を水平方向に配置した際に、冷媒ジャケットの温度が露点温度以下に下がって冷媒ジャケットの表面に結露が生じても、結露は電気回路（30）に付着せず、該水滴により、電気回路（30）が短絡することがない。

本発明に係る空気調和機は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う空気調和機として有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和機（1）における冷媒回路（10）の配管系統図である。 パワー素子（33）、冷媒ジャケット（20）、伝熱板（50）の取り付け構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る室外機（100）の正面形状及び平面形状を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 空気調和機
２０ 冷媒ジャケット
３０ 電気回路
３１ プリント基板
３３ パワー素子
４０ スイッチボックス
５０ 伝熱板
７０ 室外機ケーシング(ケーシング)
７１ サービス用開口部
１００ 室外機

Claims (2)

1. パワー素子（33）が取り付けられたプリント基板（31）からなる電気回路（30）と、該パワー素子（33）が熱的に接続されるとともに冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（20）とを室外機（100）のケーシング（70）内に備えて、該冷媒ジャケット（20）を流通する冷媒によって該パワー素子（33）を冷却する空気調和機であって、
   前記ケーシング（70）は、設置状態で天板となる面にサービス用開口部（71）が形成され、
   前記電気回路（30）は、サービス用開口部（71）から見て前記冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置されていることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１の空気調和機において、
   前記プリント基板（31）は、スイッチボックス（40）に収納され、
   前記スイッチボックス（40）は、前記サービス用開口部（71）に対向し、且つサービス用開口部（71）から見て前記冷媒ジャケット（20）よりも手前側に配置され、
   前記冷媒ジャケット（20）と対向する前記スイッチボックス（40）の面には、前記冷媒ジャケット（20）に対して固定されて、前記パワー素子（33）と前記冷媒ジャケット（20）との間で熱を伝導する伝熱板（50）が固定されていることを特徴とする空気調和機。

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