JP2010236781A

JP2010236781A - 空気調和機の室外機

Info

Publication number: JP2010236781A
Application number: JP2009084746A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Adachi; 祐介安達
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Also published as: EP2241830A2; AU2010200570B2; AU2010200570A1; EP2241830A3; EP2241830B1

Abstract

【課題】放熱フィンを有するヒートシンクを効果的に冷却し、パワーモジュールの熱による損傷を防ぎ、高い運転信頼性を確保すること。
【解決手段】室内機１の底板２から立設した仕切板３上に載置され、仕切板とで室外機内部を機械室Ｍと熱交換器室Ｈとに区画する電気品箱１４と、電気品箱内に収容された電子基板１３と、機械室に設置された圧縮機４と、熱交換器室に設置されたプロペラファン６及び熱交換器５とを備え、電気品箱内部と熱交換器室とを区画する電気品仕切板１５をその室外機前面方向への延長線が、プロペラファンの翼前縁１２の投影線に交差するように傾斜させ、電気品仕切板に電子基板を固定し、その裏側と接触するヒートシンク１７を電気品仕切板と平行に固定し、ヒートシンクの一表面に複数枚の放熱フィン１６を熱交換器室側に向けて突出し、且つ電気品仕切板上の空気の流れと平行に設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機を駆動制御するための電子部品であるパワーモジュールを効果的に冷却するためのヒートシンクを備えた空気調和機の室外機に関するものである。

従来の空気調和機の室外機は、室外機を機械室と熱交換器室に区画する仕切板に沿って電気品箱を設け、同電気品箱内にある電子基板上のパワーモジュールを冷却するため、電気品箱の熱交換器室側に放熱フィンを突出させて、かつ、室外機背面側の熱交換器に対して放熱フィンの長手方向が垂直となるような角度でヒートシンクを設け、さらに放熱フィンにコ字形の風向ガイドを設けた構造となっている。このコ字形の風向ガイドはヒートシンクとの間に一様な隙間を有しており、上流側は熱交換器側へ突出し、下流側は開放するように取り付けられている（例えば、特許文献１）。

特開昭６３−１４０２３２号公報（第１頁、図２）

従来の空気調和機の室外機は、熱交換器を介して吸い込まれ、室外機前面の吹出口から屋外へ吹き出される空気の主流に沿ってヒートシンクを配置できていなかったため、熱交換器から吸い込まれた空気のうち僅か一部の空気しかヒートシンクに流入することができず、ヒートシンクの放熱フィンを通過する空気の風量が十分ではなかったため、ヒートシンクの冷却効率が低かった。
そのため、例えば外気温度が高温のときに使用者が空気調和機を冷房運転させた場合などのパワーモジュールにとって高負荷な運転状況下において、パワーモジュールを十分に冷却することができなくなり、パワーモジュールが熱破壊により故障して、信頼性を著しく欠いていた。
また、従来の空気調和機の室外機は、パワーモジュールの冷却効率が低いために、運転の信頼性を確保するために、ヒートシンクの大きさを大きくしたり、熱破壊に強い高価な電子部品素子を選択せねばならず、製造コストや室外機の重量が増加する要因ともなっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電気品箱の側面の一側に放熱フィンを熱交換器室側に突出させて設けたパワーモジュール冷却用のヒートシンクを効果的に冷却することにより、パワーモジュールの熱破壊による故障を防ぎ、高い運転信頼性を確保できる空気調和機の室外機を得ることを目的とする。

本発明の空気調和機の室外機は、室内機の底板から天井に至る途中まで立設した仕切板と、前記仕切板上に載置され、仕切板とで室外機内部を機械室と熱交換器室とに区画する電気品箱と、該電気品箱内に収容され、パワーモジュールを搭載した電子基板と、前記機械室に設置された圧縮機と、前記熱交換器室に設置され、ファンモータによって駆動されるプロペラファン及び熱交換器と、一端が前記熱交換器室の背面側に位置する熱交換器の端部と接し、他端が室外機の前面板と接し、前記電気品箱内部と前記熱交換器室とを区画する電気品仕切板とを備え、前記電気品仕切板の室外機前面方向への延長線が、前記プロペラファンの翼前縁の投影線に交差するように当該電気品仕切板を傾斜させ、前記電気品仕切板に設けた開口に、前記電子基板を前記電気品箱内に位置するように固定すると共にパワーモジュール冷却用のヒートシンクを前記電子基板の裏側と接触するように前記電気品仕切板の表面と平行に固定し、前記ヒートシンクの一表面に複数枚の放熱フィンを、前記熱交換器室側に向けて突出し、且つ前記電気品仕切板上の空気の流れと平行となるように設けたものである。

本発明の空気調和機の室外機においては、一端が熱交換器室の背面側に位置する熱交換器の端部と接し、他端が室外機の前面板と接し、電気品箱内部と熱交換器室とを区画する電気品仕切板は、その室外機前面方向への延長線が、プロペラファンの翼前縁の投影線に交差するように傾斜させられ、電気品仕切板に設けた開口に、電子基板を電気品箱内に位置するように固定すると共にパワーモジュール冷却用のヒートシンクを電子基板の裏側と接触するように電気品仕切板の表面と平行に固定し、ヒートシンクの一表面に複数枚の放熱フィンを、熱交換器室側に向けて突出し、且つ電気品仕切板上の空気の流れと平行となるように設けたので、ヒートシンクの放熱フィンが空気の主流を捕らえることができ、放熱フィンの間を通過する空気の風速を上げることができ、さらにヒートシンクの入口側から流入した空気が途中でヒートシンクから剥がれて逃げてしまうことなく、出口側まで到達することができ、室外機の風路内に大きな偏流を発生させることがないため、風路内の圧力損失を減少させることができ、室外機全体の風量を増加させることができることにより、ヒートシンクの冷却効率を高めることができ、パワーモジュールの熱破壊による故障を防ぎ、空気調和機の運転信頼性を高めることができるという効果を有する。
また、室外機全体の風量を増加させることができることにより、従来よりも小さな体積のヒートシンクでも十分に冷却することが可能となるため、室外機の製造コスト低減および軽量化を図ることができるという効果を有する。
さらに、ヒートシンクの冷却効率を高めることができることにより、従来よりも熱耐性が低く、コストが低いパワーモジュールを採用することが可能となるため、この点からも製造コストの低減を図ることができるという効果も有する。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室外機の天井側から見た平面図。図１において矢印Ｘから見た仕切板と電気品仕切板とを示す説明図。同空気調和機の室外機の電気品箱を中心とした要部を示す平面図。同空気調和機の室外機の前面斜め方向から見た斜視図。同空気調和機の室外機の電気品仕切板と翼前縁の投影線の交点ｃの位置とヒートシンクを流れる風速の関係を表したグラフ。同空気調和機の室外機の電気品仕切板の傾斜角度αが狭い場合の配置１の状態を表す平面概略図。同空気調和機の室外機の電気品仕切板の傾斜角度αが広い場合の配置２の状態を表す平面概略図。本発明の実施の形態２に係る空気調和機の室外機の天井側から見た平面図。同空気調和機の室外機の電気品箱とヒートシンクを示す断面図。同空気調和機の室外機のヒートシンクと風向ガイドを示す斜視図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る空気調和機の室外機の天井側から見た平面図、図２は図１において矢印Ｘから見た仕切板と電気品仕切板とを示す説明図、図３は同空気調和機の室外機の電気品箱を中心とした要部を示す平面図、図４は同空気調和機の室外機の前面斜め方向から見た斜視図、図５は同空気調和機の室外機の電気品仕切板と翼前縁の投影線の交点ｃの位置とヒートシンクを流れる風速の関係を表したグラフ、図６は同空気調和機の室外機の電気品仕切板の傾斜角度αが狭い場合の配置１の状態を表す平面概略図、図７は同空気調和機の室外機の電気品仕切板の傾斜角度αが広い場合の配置２の状態を表す平面概略図である。

図において、空気調和機の室外機１は、その底板２から天井に至る途中まで立設した板金製の仕切板３と、仕切板３上に載置された電気品箱１４とで室外機内部を機械室Ｍと熱交換気室Ｈとに区画した構成となっている。
機械室Ｍには、冷媒を高温高圧状態に圧縮するための圧縮機４などが設置されている。また、熱交換気室Ｈには、空気調和機が冷房運転をしている場合には、圧縮機４により高温高圧に圧縮された冷媒と屋外空気を熱交換するための熱交換器５や、熱交換器５における熱交換を促進させるために風を熱交換器５に送るプロペラファン６及びプロペラファン６を回転させるためのファンモータ７が設置されている。
また、室外機１を構成する前面板８には、ラッパ口のような形状をしたベルマウス１０がプロペラファン側に突出させて取り付けられている。このベルマウス１０は、前面板８に開けられた吹き出し口９から吹き出される空気を清流するためのもので、プロペラファン６と一様な間隔が空くようにプロペラファン６の外側に配置させられている。

プロペラファン６はハブ１１の周りに複数の湾曲した翼が一体成形された構造となっており、翼において室外機前面側の部分を翼前縁１２と呼ぶ。プロペラファン６はハブ１１の中心がファンモータ７の軸に固定されている。ファンモータ７の駆動に伴うプロペラファン６の回転により室外機１の熱交換気室Ｈの内部に空気の流れが発生する。
仕切板３の上に設置された電気品箱１４の内部にはパワーモジュールを搭載した電子基板１３等が設けられている。
その電気品箱１４の一面をなし、電気品箱１４内部と熱交換器室Ｈを区画する電気品仕切板１５の一端は熱交換器室Ｈの背面側の熱交換器５の端部に接し、他端は前面板８に接しており、電気品箱１４は熱交換器５及び前面板８にねじで螺着する等して固定されている。

電気品仕切板１５の室外機背面側は熱交換器５とある傾斜角度αをなして設けられている。この電気品仕切板１５の傾斜角度αは、電気品仕切板１５を室外機前面方向へ延長させた時の延長線Ａが、室外機天井側から投影したプロペラファン６の電気品箱側の翼前縁１２の投影線Ｂに交差する範囲の角度となっている。
言い換えると、電気品仕切板１５の室外機前面方向への延長線Ａと翼前縁１２の投影線Ｂの交点ｃが、ハブ１１の端点ｄからプロペラファン６の電気品箱側の翼前縁１２の外径点ｅまでの範囲にあるような傾斜角度αとなっている。
電気品仕切板１５はプロペラファン６及びベルマウス１０と干渉しないように、途中で電気品箱内側に向かって「く」の字状に屈折し、一端は前面板８に固定されている。

電気品仕切板１５には開口が設けられ、その開口に圧縮機４やファンモータ７を駆動制御するためのパワーモジュール等が配列された電子基板１３が電気品箱内側に位置するように嵌め付け固定されている。
さらに、電気品仕切板１５の開口には、複数枚の放熱フィン１６を一表面に立設したパワーモジュール冷却用のヒートシンク１７が電子基板１３の裏側と接触するように電気品仕切板１５の表面と平行にねじ等で取り付けられている。
そして、ヒートシンク１７の複数枚の放熱フィン１６が電気品仕切板１５の熱交換器室側に向けて突出しており、かつ、室外機天井方向から見たときに底板２に向けた上下方向に間隔を置いて配置され、さらにヒートシンク１７と複数枚の放熱フィン１６とが電気品仕切板１５上の空気の流れと平行となるように配置されている。
この複数枚の放熱フィン１６を一表面に有するパワーモジュール冷却用のヒートシンク１７は、パワーモジュールの温度が耐熱温度を超過して損傷及び破壊されることを防ぐために、例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属を材料として用い、押し出し法などによって成形されている。

次に、本実施の形態１の空気調和機の室外機１の動作について説明する。
プロペラファン６の回転によって室外機背面側より吸い込まれた空気は、熱交換器５において、冷媒と空気の間で熱交換が行われた後、プロペラファン６の複数枚ある翼の間やプロペラファン６とベルマウス１０の隙間を通過して、室外機の前面板８の吹出口９から吹き出される。
このとき、熱交換器５を介して吸い込まれた空気の一部は、電気品仕切板１５に沿って大きく蛇行することなく滑らかにヒートシンク１７の入口から流入し、ヒートシンク１７の途中で空気が逃げることなく、電気品仕切板１５上の空気の流れと平行に配置されている複数の放熱フィン１６の間を通過した後、ヒートシンク１７の出口から吹き出されることで、ヒートシンク１７が冷却され、そのヒートシンク１７と接触している電子基板１３上のパワーモジュールが冷却される。

以上のように、電気品仕切板１５を室外機前面方向へ延長させた時の延長線Ａとプロペラファン６の電気品箱側の翼前縁１２の投影線Ｂの交点ｃが、投影線上のハブ１１の端点ｄからプロペラファン６の電気品箱側の翼前縁１２の外径点ｅまでの範囲にあるように電気品仕切板１５を設け、さらに室外機天井側から見てヒートシンク１７の複数枚の放熱フィン１６が底板２に向けた上下方向に間隔を置いて配置され、さらに複数枚の放熱フィン１６が電気品仕切板１５上の空気の流れと平行に配置されているので、以下の（１）〜（５）の効果を得ることができる。

（１）熱交換器５から前面板８の吹き出し口９へと流れる空気の主流に沿って複数枚の放熱フィン１６を有するヒートシンク１７を配置することができるため、ヒートシンク１７の放熱フィン１６が流速の速い空気の主流を捕らえることができる。
その結果、従来よりも放熱フィン１６の間を通過する空気の流速が早くなり、ヒートシンク１７の冷却効率を高めることができる。この効果を実証するため、電気品仕切板１５の傾斜角度αをいくつかの角度に変えたときのヒートシンク１７の入口と出口の風速を測定した結果を図５のグラフに示す。

図５は電気品仕切板１５の延長線Ａと翼前縁１２の投影線Ｂとの交点ｃの位置に対するヒートシンク１７の入口、出口、および入口と出口の平均の流速を示したグラフであり、横軸はプロペラファン６の軸中心を原点０として、電気品箱側の吹出口９の端点を０．６としている。
図５に示したように交点ｃがハブ１１の端点ｄから翼前縁１２の外径点ｅの範囲にある場合は、ヒートシンク１７の入口と出口の平均にて１．８ｍ³／ｍｉｎ以上の早い風速を得ることができ、特に交点ｃがおよそ０．４５の位置にある時、最大の風速を得ることができ、ヒートシンク１７の冷却効率を最も高めることができる。
反対に、図６に示したように電気品仕切板１５の傾斜角度αが小さく、交点ｃがハブ１１の端点ｄよりもプロペラファン６の軸中心側にある配置１の場合、交点ｃが点ｄから点ｅの範囲にある場合と比較してヒートシンク１７を通過する平均風速は低下する。

これは電気品仕切板１５の傾斜角度αが小さいと、図６の点線矢印で表した熱交換器５を介して吸い込まれた空気の代表的な流れで示したように、電気品仕切板１５に沿って流れてきた空気が電気品仕切板１５の「く」の字状に屈折した部分において大きく蛇行させられることにより、風路内の圧力損失が増大したためである。
一方、図７に示したように電気品仕切板１５の傾斜角度αが大きく、交点ｃがプロペラファン６の外径点ｅよりも電気品箱側にある配置２の場合、交点ｃが点ｄから点ｅの範囲にある場合と比較して、ヒートシンク１７を通過する平均風速は低下し、特にヒートシンク１７の出口側の風速が著しく低下する。これは、ヒートシンク１７の入口から流入した空気が途中で放熱フィン１６から剥がれて逃げてしまうためである。

（２）室外機１内を流れる空気の流れに沿って、電気品仕切板１５及びヒートシンク１７を配置することができるため、ヒートシンク１７の入口側から流入した空気が途中でヒートシンク１７から剥がれて逃げてしまうことなく、出口側まで到達することができ、ヒートシンク１７の放熱フィン１６全体を有効に使って熱交換を行うことが可能となるため、ヒートシンク１７の冷却効率を高めることができる。
（３）上記（１）、（２）の効果により、例えば外気温度が高温のときに使用者が空気調和機を冷房運転させた場合などのパワーモジュールにとって高負荷な運転状況下においても、過熱によるパワーモジュールの損傷や破壊を防ぎ、空気調和機の高い運転信頼性を得ることができる。

（４）ヒートシンク１７の冷却効果が高まるため、従来よりも体積が小さいヒートシンク１７でも十分にパワーモジュールを冷却することが可能となり、製造コストの低減及び室外機１の重量の軽減を図ることができる。
（５）空気調和機の室外機１の中を流れる空気が途中で大きく蛇行させられる等して、風路内に偏流が生じることがないので、風路内の圧力損失を小さく抑えることができるため、熱交換器５を介して吸い込まれる空気の風量が増加し、熱交換器５にて行われる冷媒と空気の熱交換が促進され、空気調和機の冷房性能および暖房性能を向上させることができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る空気調和機の室外機の天井側から見た平面図、図９は同空気調和機の室外機の電気品箱とヒートシンクを示す断面図、図１０は同空気調和機の室外機のヒートシンクと風向ガイドを示す斜視図である。
上記実施の形態１では、電気品仕切板１５の室外機前面方向への延長線Ａとプロペラファン６の電気品箱側への投影線Ｂの交点ｃが、投影線Ｂ上のハブ１１の端点ｄと翼前縁１２の外径点ｅの間の範囲にあるような傾斜角度αに電気品仕切板１５を設け、かつ、室外機天井側から見てヒートシンク１７の複数枚の放熱フィン１６が底板２に向けた上下方向に間隔を置いて配置され、さらに複数枚の放熱フィン１６が電気品仕切板１５上の空気の流れと平行に配置されているものであるが、この実施の形態２は実施の形態１の構成にある構成を追加することにより、さらにヒートシンク１７の冷却効率を向上させるようにしたものである。

この実施の形態２では、実施の形態１と同様に構成した空気調和機の室外機１のヒートシンク１７に、複数枚の放熱フィン１６を覆うように例えば樹脂などの材料で成形された風向ガイド１８がねじ等で螺着され、固定された構成となっている。
図９及び図１０に示すように、この風向ガイド１８は熱交換器側に向かって口が広がったラッパ状の吸込部１９と、その吸込部１９のヒートシンク１７側の端部からヒートシンク１７の出口までの区間を、放熱フィン１６との間に一様な隙間をあけて覆った蓋部２０とが一体成形されている。
吸込部１９は室外機天井方向から見て放熱フィン１６の長手方向の一側部を基準にして、ある角度βの傾きをもって取り付けられており、吸込部１９の熱交換器側の開口面積はヒートシンク１７の入口側の開口面積よりも大きくなっている。

以上のように、この実施の形態２では、風向ガイド１８における熱交換器５に向かって口が広がったラッパ状の吸込部１９をヒートシンク１７の入口側に設けるようにしているので、ヒートシンク１７に流入する空気の流量が増加し、放熱フィン１６の間を通過する空気の流速を増加させることができ、ヒートシンク１７の冷却効率を高めることができるという効果を有する。
さらに、吸込部１９のヒートシンク１７の入口側の端部からヒートシンク１７の出口までの区間を蓋部２０で覆っているため、図９の実線矢印で示したようにヒートシンク１７の入口から流入した空気がヒートシンク１７の途中で放熱フィン１６から剥がれて逃げてしまうことなく、ヒートシンク１７の出口まで到達することができる。

これにより、放熱フィン１６全体を有効に使って熱交換を行うことが可能となるため、ヒートシンク１７の冷却効率を高めることができる。仮に蓋部２０が無かった場合、吸込部１９をヒートシンク１７の入口側に設けたことによって、図８の点線矢印で示したように空気がヒートシンク１７の途中で湾曲して放熱フィン１６から剥がれてしまい、ヒートシンク１７の出口まで到達させることができず、蓋部２０があった場合と比較してヒートシンク１７の冷却効率は低下してしまう。

風向ガイド１８は合成樹脂などで成形することが可能であるため、ある程度、自由に形状を変えることが可能であり、さらにヒートシンク１７の冷却効率を高めたい場合は、ヒートシンク１７の入口に流入する空気の風量を増加させるため、風向ガイド１８の吸込部１９の取り付け角度βを大きくして開口面積を大きくすればよい。
また、風向ガイド１８を樹脂で成形することで、比較的、安価でかつ軽量に成形することが可能であり、製造コストおよび重量の削減を図ることができる。

１空気調和機の室外機、２底板、３仕切板、４圧縮機、５熱交換器、６プロペラファン、７ファンモータ、８前面板、９吹出口、１０ベルマウス、１１ハブ、１２翼前縁、１３電子基板、１４電気品箱、１５電気品仕切板、１６放熱フィン、１７ヒートシンク、１８風向ガイド、１９吸込部、２０蓋部。

Claims

室内機の底板から天井に至る途中まで立設した仕切板と、
前記仕切板上に載置され、仕切板とで室外機内部を機械室と熱交換器室とに区画する電気品箱と、
該電気品箱内に収容され、パワーモジュールを搭載した電子基板と、
前記機械室に設置された圧縮機と、
前記熱交換器室に設置され、ファンモータによって駆動されるプロペラファン及び熱交換器と、
一端が前記熱交換器室の背面側に位置する熱交換器の端部と接し、他端が室外機の前面板と接し、前記電気品箱内部と前記熱交換器室とを区画する電気品仕切板とを備え、
前記電気品仕切板の室外機前面方向への延長線が、前記プロペラファンの翼前縁の投影線に交差するように当該電気品仕切板を傾斜させ、
前記電気品仕切板に設けた開口に、前記電子基板を前記電気品箱内に位置するように固定すると共にパワーモジュール冷却用のヒートシンクを前記電子基板の裏側と接触するように前記電気品仕切板の表面と平行に固定し、
前記ヒートシンクの一表面に複数枚の放熱フィンを、前記熱交換器室側に向けて突出し、且つ前記電気品仕切板上の空気の流れと平行となるように設けたことを特徴とする空気調和機の室外機。
前記電気品仕切板の傾斜角度は、前記電気品仕切板の延長線と前記翼前縁の投影線との交点が、前記プロペラファンを取り付けたハブの端点から前記翼前縁の外径点までの範囲にあるような角度であることを特徴とする請求項１記載の空気調和機の室外機。
前記ヒートシンクには前記放熱フィンを覆う風向ガイドが取り付けられ、
該風向ガイドは前記熱交換器室背面側の熱交換器に向かって口を広げているラッパ状の吸込部と、該吸込部のヒートシンク側の端部からヒートシンク出口までの区間を覆った蓋部とで構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和機の室外機。
前記風向ガイドは合成樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和機の室外機。