JP2010025515A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒ジャケットを流通する冷媒によってパワー素子を冷却する空気調和機において、パワー素子のリード線に対して、過度の荷重が作用しないようにする。
【解決手段】空気調和機において、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）と連結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）とを設ける。また、プリント基板（31）は、スイッチボックス（40）に収納する。そして、冷媒ジャケット（20）を、伝熱板（50）を介してスイッチボックス（40）に固定して、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）とをスイッチボックス（40）によって連結する。
【選択図】図２

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、冷媒ジャケットを電気部品箱に収めている。
特開昭６２-６９０６６号公報

ところで、空気調和機のなかには、パワー素子をプリント基板上に配置して電気回路を構成し、そのプリント基板をスイッチボックス内に固定するものがある。

このように、パワー素子をプリント基板上に設けた場合に、従来の空気調和機のようにパワー素子に冷媒ジャケットを取り付けると、運転中に圧縮機を加振源として冷媒配管を伝達してきた振動によって、パワー素子のリード線に過度の荷重が作用して接触不良を起こしたりパワー素子が破損したりする可能性が考えられる。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、冷媒ジャケットを流通する冷媒によってパワー素子を冷却する空気調和機において、パワー素子のリード線に対して、過度の荷重が作用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、本発明は、
パワー素子（33）が取り付けられたプリント基板（31）と、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、スペーサ（32）を介して前記プリント基板（31）が固定されたスイッチボックス（40）とを備えて、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、
前記パワー素子（33）は、伝熱板（50）を介して前記冷媒ジャケット（20）に取り付けられ、
前記伝熱板（50）は、前記スイッチボックス（40）に取り付けられていることを特徴とする。

これにより、冷媒ジャケット（20）が伝熱板（50）を介してスイッチボックス（40）に間接的に固定されて、その結果プリント基板（31）と冷媒ジャケット（20）とがスイッチボックス（40）によって連結される。したがって、例えば冷媒配管を伝わってきた振動により冷媒ジャケット（20）が加振された場合に、プリント基板（31）と冷媒ジャケット（20）とが同様の動き（振動）をする。

また、伝熱板（50）によって所定の熱容量が確保される。

本発明によれば、冷媒ジャケット（20）が加振された場合に、プリント基板（31）と冷媒ジャケット（20）とが同様の動き（振動）をするので、パワー素子（33）のリード線（33a）に対して、過度の荷重が作用しないようにできる。したがって、パワー素子（33）の破損を防止できる。

また、本発明によれば、伝熱板（50）によって所定の熱容量が確保されるので、例えば、冷媒の流量が少ないときにパワー素子（33）の熱を逃がすことができる。

すなわち、本発明によれば、冷媒の流量が少ないときにパワー素子（33）の熱を逃がすための所定の熱容量を確保しつつ、パワー素子（33）のリード線（33a）に対して、過度の荷重が作用しないようにできる。

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。

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蒸気圧縮式冷凍サイクル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、ケース（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、室外機（100）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、リード線（33a）を有したパワー素子（33）などが、リード線（33a）を半田付けする等して配置されている。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、その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）は、所定の熱容量を確保して、冷媒の流量が少ないときにパワー素子（33）の熱を逃がす目的で設けてある。したがって、冷媒ジャケット（20）が十分な熱容量を有している場合などには、伝熱板（50）は必ずしも設ける必要はない。

この伝熱板（50）に対しては、スイッチボックス（40）の外側からは冷媒ジャケット（20）が取り付けネジ（51）で固定され、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。つまり、プリント基板（31）と冷媒ジャケット（20）とは、共通の支持部材であるスイッチボックス（40）によって連結される構造になっている。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）の横断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つの区画（熱交換室と機械室）に仕切られている。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、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。この例では、スイッチボックス（40）は、その開口部が室外機ケーシング（70）の正面側に向き、伝熱板（50）の取り付け側（すなわち冷媒ジャケット（20）側）が圧縮機（13）に向いている。これにより、電気回路（30）の点検などを室外機ケーシング（70）の正面側から行うことができる。

-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、暖房運転時には、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る。これらの場合、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。

（パワー素子（33）のリード線（33a）に作用する荷重）
ところで、冷房運転時や暖房運転時には、圧縮機（13）は、その電動機の運転に伴って振動を発生させている。この振動は、冷媒配管（21）を伝わって、冷媒ジャケット（20）に伝達する。そのため、例えば、プリント基板（31）が固定された状態で冷媒ジャケット（20）が振動したとすれば、パワー素子（33）のリード線（33a）に過度の荷重が作用することになる。

これに対し、本実施形態では、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）とは、スイッチボックス（40）に固定されているので、例えばスイッチボックス（40）が十分な剛性を有していれば、冷媒配管（21）から振動が伝達してきても、冷媒ジャケット（20）、プリント基板（31）の何れも振動せず、パワー素子（33）のリード線（33a）に対して、振動により過度の荷重が作用することはない。

また、スイッチボックス（40）の剛性によっては、冷媒配管（21）を伝わってきた振動によって冷媒ジャケット（20）が加振されて振動するが、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）はスイッチボックス（40）により連結されているので、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）が同様の動き（振動）をする。したがって、この場合にもパワー素子（33）のリード線（33a）に対して、過度の荷重が作用することはない。

《その他の実施形態》
なお、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）とは、上記の例のように冷媒ジャケット（20）が伝熱板（50）を介して支持部材（スイッチボックス（40））に間接的に固定され、プリント基板（31）が支持部材に直結されるものの他に、例えば冷媒ジャケット（20）は、所定の剛性を有したブラケット(支持部材)に直結し、プリント基板（31）はスイッチボックス（40）を介してそのブラケットに間接的に固定するようにしてもよい。つまり、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）とは、支持部材に対して直結されている必要はなく、間接的に支持部材に固定されていてもよい。要は、振動が冷媒ジャケット（20）に加わった際に、冷媒ジャケット（20）とプリント基板（31）とが同様の動き（振動）をするように、共通の支持部材に固定されていればよい。

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における冷媒回路の配管系統図である。 パワー素子、冷媒ジャケット、伝熱板の取り付け構造を示す図である。 室外機の横断面形状を模式的に示した図であり、圧縮機等の主要部品の配置を示している。

1 空気調和機
２０ 冷媒ジャケット
３１ プリント基板
３３ パワー素子
４０ スイッチボックス（支持部材）
５０ 伝熱板

Claims (4)

1. 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）と連結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、
   前記プリント基板（31）と前記冷媒ジャケット（20）とは、共通の支持部材（40）によって連結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、
   前記支持部材（40）は、前記プリント基板（31）を収納するスイッチボックス（40）により構成されていることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１の空気調和機において、
   前記パワー素子（33）は、伝熱板（50）を介して前記冷媒ジャケット（20）に取り付けられていることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項３の空気調和機において、
   前記伝熱板（50）は、前記支持部材（40）に取り付けられていることを特徴とする空気調和機。

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