JP2011112253A

JP2011112253A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2011112253A
Application number: JP2009267575A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Kido; 尚宏木戸; Toshiyuki Maeda; 敏行前田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】圧縮機へ電力を供給する電源のパワー素子を冷媒によって冷却する冷凍装置において、冷却用部材の強度を確保しつつ、パワー素子と冷却用部材との熱交換効率を向上させる。
【解決手段】冷却用部材（50）は、冷媒が流れる冷媒管（52）と、冷媒管（52）が埋設された本体部（51）とを備える。本体部（51）の表面は、ヒートスプレッダ（58）を介してパワー素子（56）に熱的に接触している。そして、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの本体部（51）の厚み（t1）は、その反対面から冷媒管（52）までの厚み（t2）よりも薄く形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機へ電力を供給する電源のパワー素子を冷媒によって冷却する冷凍装置に関するものである。

従来より、圧縮機へ電力を供給する電源のパワー素子を冷媒によって冷却する冷凍装置が知られている。例えば、特許文献１には、冷凍装置の一種である空気調和装置であって、パワー素子を冷却するための冷却用部材を、冷媒回路における膨張弁と室外熱交換器との間に配置したものが開示されている。この特許文献１の空気調和装置は、室内熱交換器が凝縮器となって室外熱交換器が蒸発器となる暖房運転を行う。そして、暖房運転中には、膨張弁で減圧されて室外熱交換器へ向かう冷媒が、冷却用部材においてパワー素子を冷却する。

ここで、パワー素子を冷却するための冷却用部材としては、特許文献１に開示された構成の他にも、例えば、冷媒が流れる銅製の冷媒管と、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属からなり冷媒管が埋設された平板状の本体部とを備えた冷却用部材を用いることが考えられる。すなわち、銅製の冷媒管を用いて耐圧性能を確保するとともに、加工性やコストを考量して、冷媒管とパワー素子との間の伝熱部材としてアルミニウム製の本体部を用いるようにしている。

特開平３−７５４２４号公報

ところで、このような構成の冷却用部材では、冷媒管を流れる冷媒が本体部を介してパワー素子から吸熱するため、パワー素子から冷媒管までの熱抵抗を小さくして、パワー素子と冷媒との熱交換効率を向上させることが必要である。そのため、パワー素子の接触面から冷媒管までの本体部の厚みをできる限り薄く形成することが好ましい。

しかしながら、熱交換効率を向上させるべく本体部の厚みを単純に薄くしただけでは、本体部の強度が低下してしまうため、本体部に高い圧力が加わった場合に本体部自体が変形してしまうおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮機へ電力を供給する電源のパワー素子を冷媒によって冷却する冷凍装置において、冷却用部材の強度を確保しつつ、パワー素子と冷却用部材との熱交換効率を向上させることにある。

本発明は、圧縮機（30）が接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、パワー素子（56）を有して該圧縮機（30）の電動機（33）へ電力を供給する電源（55）と、該冷媒回路（20）の冷媒によって該電源（55）のパワー素子（56）を冷却する冷却用部材（50）とを備えた冷凍装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記冷却用部材（50）は、冷媒が流れる冷媒管（52）と、該冷媒管（52）が埋設された本体部（51）とを備えるとともに、該本体部（51）の表面が前
記パワー素子（56）に熱的に接触するように配設され、
前記本体部（51）における、前記パワー素子（56）の接触面から前記冷媒管（52）までの厚みは、その反対面から該冷媒管（52）までの厚みよりも薄く形成されていることを特徴とするものである。

第１の発明では、冷媒が流れる冷媒管（52）と、冷媒管（52）が埋設された本体部（51）とを備えた冷却用部材（50）を用いて、パワー素子（56）に本体部（51）の表面を熱的に接触させることで、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）とを熱交換させる。ここで、本体部（51）は、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの厚みが、その反対面から冷媒管（52）までの厚みよりも薄く形成されている。

このような構成とすれば、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率を向上させることができるとともに、冷却用部材（50）の強度を十分に確保することができる。

具体的に、従来の冷却用部材（50）のように、本体部（51）の厚み方向の略中央位置に冷媒管（52）を埋設させた構成では、冷媒管（52）からパワー素子（56）までの熱抵抗を小さくして、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率を向上させるためには、本体部（51）全体の厚みを薄くする必要があった。しかしながら、本体部（51）全体の厚みを薄くした場合には、熱交換効率が向上する代わりに強度が低下してしまい、本体部（51）に高い圧力が加わった場合に本体部（51）自体が変形してしまうおそれがある。

これに対し、本発明では、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの本体部（51）の厚みを、その反対面から冷媒管（52）までの厚みよりも薄く形成するようにしたから、パワー素子（56）の接触面を薄厚とすることで熱抵抗を小さくして、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率を向上させる一方、熱交換に直接影響しない反対面を肉厚とすることで、本体部（51）に高い圧力が加わった場合でも本体部（51）が変形してしまうのを抑えることができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記本体部（51）における、前記パワー素子（56）の接触面から前記冷媒管（52）までの厚み部分には、該本体部（51）よりも熱伝導率の高い伝熱部材（59）が埋設されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、本体部（51）におけるパワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの厚み部分には、本体部（51）よりも熱伝導率の高い伝熱部材（59）が埋設される。

このような構成とすれば、例えば、アルミニウム製の本体部（51）における、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの厚み部分に、銅製の伝熱部材（59）を埋設することで、熱抵抗を小さくすることができ、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの本体部（51）の厚みを、その反対面から冷媒管（52）までの厚みよりも薄く形成するようにしたから、パワー素子（56）の接触面を薄厚とすることで熱抵抗を小さくして、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率を向上させる一方、熱交換に直接影響しない反対面を肉厚とすることで、本体部（51）に高い圧力が加わった場合でも本体部（51）が変形してしまうのを抑えることができる。

本発明の実施形態に係る空調機の概略構成を示す冷媒回路図である。インバータ装置及び冷却用部材の要部を示す拡大図である。本変形例に係る図２相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置によって構成された空調機（10）である。

図１に示すように、本実施形態の空調機（10）は、屋外に設置される室外ユニット（11）と、屋内に設置される室内ユニット（12）を１つずつ備えている。室外ユニット（11）には、室外回路（21）が収容されている。室内ユニット（12）には、室内回路（22）が収容されている。この空調機（10）では、室外回路（21）と室内回路（22）を一対の連絡配管（23,24）で接続することによって冷媒回路（20）が形成されている。

前記室外回路（21）には、圧縮機（30）と、四方切換弁（41）と、室外熱交換器（42）と、冷却用部材（50）と、膨張弁（43）とが設けられている。なお、冷却用部材（50）については後述する。

前記圧縮機（30）は、その吐出側が四方切換弁（41）の第１のポートに接続され、その吸入側がアキュームレータ（34）を介して四方切換弁（41）の第２のポートに接続されている。四方切換弁（41）は、その第３のポートが室外熱交換器（42）の一端に接続され、その第４のポートがガス側閉鎖弁（44）に接続されている。室外熱交換器（42）の他端は、冷却用部材（50）を介して膨張弁（43）の一端に接続されている。膨張弁（43）の他端は、液側閉鎖弁（45）に接続されている。

前記室内回路（22）には、室内熱交換器（46）が設けられている。室内回路（22）は、そのガス側の端部がガス側連絡配管（23）を介してガス側閉鎖弁（44）に接続され、その液側の端部が液側連絡配管（24）を介して液側閉鎖弁（45）に接続されている。

前記圧縮機（30）は、いわゆる全密閉型圧縮機である。つまり、圧縮機（30）では、冷媒を圧縮する圧縮機構（32）と、圧縮機構（32）を回転駆動するための電動機（33）とが、１つのケーシング（31）内に収容されている。四方切換弁（41）は、第１のポートと第３のポートが連通し且つ第２のポートと第４の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のポートと第４のポートが連通し且つ第２のポートと第３のポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。膨張弁（43）は、弁体がパルスモータによって駆動される開度可変の電動膨張弁である。

前記室外熱交換器（42）及び室内熱交換器（46）は、何れも冷媒を空気と熱交換させるためのフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。室外熱交換器（42）は、室外空気と冷媒を熱交換させる。室外ユニット（11）には、室外熱交換器（42）へ室外空気を送るための室外ファン（13）が設けられている。室内熱交換器（46）は、室内空気と冷媒を熱交換させる。室内ユニット（12）には、室内熱交換器（46）へ室内空気を送るための室内ファン（14）が設けられている。

前記室外ユニット（11）には、電源であるインバータ装置（55）が設けられている。インバータ装置（55）は、商用電源から供給された交流の周波数をコントローラ（図示省略）からの指令値に変換し、周波数を変換した交流を圧縮機（30）の電動機（33）へ供給するように構成されている。このインバータ装置（55）には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー素子（56）が設けられている。

図２は、インバータ装置及び冷却用部材の要部を示す拡大図である。図２に示すように、インバータ装置（55）では、パワー素子（56）が配線基板（57）に対して下側から取り付けられている。

前記冷却用部材（50）は、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属からなる本体部（51）と、本体部（51）に埋設された冷媒管（52）とを備えている。本体部（51）は、やや肉厚の平板状に形成され、ヒートスプレッダ（58）を介してパワー素子（56）に対して下側から取り付けられている。つまり、本体部（51）の上面がヒートスプレッダ（58）を介してパワー素子（56）の下面に熱的に密着している。室外回路（21）では、室外熱交換器（42）と膨張弁（43）との間に、冷却用部材（50）の冷媒管（52）が接続されている。冷媒管（52）を流れる冷媒は、ヒートスプレッダ（58）及び本体部（51）を介してパワー素子（56）から吸熱する。

ここで、前記本体部（51）における、パワー素子（56）（より正確にはヒートスプレッダ（58））の接触面から冷媒管（52）までの厚み（t1）は、その反対面から冷媒管（52）までの厚み（t2）よりも薄く形成されている。

これに対し、本発明では、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの本体部（51）の厚み（t1）を、その反対面から冷媒管（52）までの厚み（t2）よりも薄く形成するようにしたから、パワー素子（56）の接触面を薄厚とすることで熱抵抗を小さくして、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率を向上させる一方、熱交換に直接影響しない反対面を肉厚とすることで、本体部（51）に高い圧力が加わった場合でも本体部（51）が変形してしまうのを抑えることができる。

なお、前記冷媒管（52）は、例えば銅管で構成されるが、伝熱性の高い金属であれば、それ以外の材料で構成されていても良い。

−運転動作−
本実施形態の空調機（10）は、冷房動作と暖房動作とを選択的に行う。

〈冷房動作〉
まず、冷房動作について説明する。冷房動作中の空調機（10）では、四方切換弁（41）
が第１状態（図１に実線で示す状態）に設定され、室外ファン（13）と室内ファン（14）とが運転される。そして、冷房動作中の冷媒回路（20）では、室外熱交換器（42）が凝縮器となって室内熱交換器（46）が蒸発器となる冷凍サイクルが行われる。

冷房動作中の冷媒回路（20）において、圧縮機（30）から吐出された冷媒は、四方切換弁（41）を通って室外熱交換器（42）へ流入し、室外空気へ放熱して凝縮する。室外熱交換器（42）において凝縮した冷媒は、冷却用部材（50）の冷媒管（52）へ流入する。

前記パワー素子（56）では、通電に伴って熱が発生する。ここで、冷却用部材（50）の冷媒管（52）には、室外熱交換器（42）において凝縮した冷媒が流れているから、パワー素子（56）で発生した熱は、ヒートスプレッダ（58）、本体部（51）、及び冷媒管（52）を介して冷媒に吸熱される。その結果、パワー素子（56）の温度上昇が抑制される。

前記冷却用部材（50）の冷媒管（52）から流出した冷媒は、膨張弁（43）を通過する際に減圧された後で室内熱交換器（46）へ流入し、室内空気から吸熱して蒸発する。室内ユニット（12）は、室内熱交換器（46）において冷却された空気を室内へ供給する。室内熱交換器（46）において蒸発した冷媒は、四方切換弁（41）とアキュームレータ（34）とを順に通過し、その後に圧縮機（30）へ吸入されて圧縮される。

〈暖房動作〉
次に、暖房動作について説明する。暖房動作中の空調機（10）では、四方切換弁（41）が第２状態（図１に破線で示す状態）に設定され、室外ファン（13）と室内ファン（14）とが運転される。そして、暖房動作中の冷媒回路（20）では、室内熱交換器（46）が凝縮器となって室外熱交換器（42）が蒸発器となる冷凍サイクルが行われる。暖房動作中の冷媒回路（20）において、冷却用部材（50）は、膨張弁（43）と蒸発器である室外熱交換器（42）との間に位置している。

暖房動作中の冷媒回路（20）において、圧縮機（30）から吐出された冷媒は、四方切換弁（41）を通って室内熱交換器（46）へ流入し、室内空気へ放熱して凝縮する。室内ユニット（12）は、室内熱交換器（46）において加熱された空気を室内へ供給する。室内熱交換器（46）において凝縮した冷媒は、膨張弁（43）を通過する際に減圧された後で冷却用部材（50）の冷媒管（52）へ流入する。

前記パワー素子（56）では、通電に伴って熱が発生している。ここで、冷却用部材（50）の冷媒管（52）には、膨張弁（43）を通過する際に減圧された冷媒が流れているから、パワー素子（56）で発生した熱は、ヒートスプレッダ（58）、本体部（51）、及び冷媒管（52）を介して冷媒に吸熱される。その結果、パワー素子（56）の温度上昇が抑制される。

前記冷却用部材（50）から流出した冷媒は、室外熱交換器（42）へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（42）において蒸発した冷媒は、四方切換弁（41）とアキュームレータ（34）とを順に通過し、その後に圧縮機（30）へ吸入されて圧縮される。

《実施形態の変形例》
前記実施形態においては、以下のような変形例の構成としても良い。

図３は、本変形例に係る空調機のインバータ装置及び冷却用部材の要部を示す拡大図である。図３に示すように、冷却用部材（50）は、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属からなる本体部（51）と、本体部（51）に埋設された冷媒管（52）とを備えている。本体部
（51）は、やや肉厚の平板状に形成され、ヒートスプレッダ（58）を介してパワー素子（56）に対して下側から取り付けられ、パワー素子（56）と熱的に接触している。

さらに、前記本体部（51）における、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの厚み部分には、本体部（51）よりも熱伝導率の高い伝熱部材（59）が埋設されている。具体的に、伝熱部材（59）は銅材で形成されている。

このような構成とすれば、パワー素子（56）の接触面から冷媒管（52）までの厚み部分の熱抵抗を小さくすることができ、冷媒管（52）を流れる冷媒とパワー素子（56）との熱交換効率をさらに向上させることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

前記実施形態では、冷凍サイクルを行う冷凍装置として空調機（10）を用いている。しかしながら、冷凍サイクルを行う冷凍装置として、例えば、ヒートポンプ式のチラーユニットや、給湯器、冷蔵庫や冷凍庫の庫内を冷却する冷却装置等を用いるようにしても良い。

以上説明したように、本発明は、圧縮機へ電力を供給する電源のパワー素子を冷媒によって冷却する冷凍装置において、冷却用部材の強度を確保しつつ、パワー素子と冷却用部材との熱交換効率を向上させることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

10 空調機（冷凍装置）
20 冷媒回路
30 圧縮機
33 電動機
50 冷却用部材
51 本体部
52 冷媒管
55 インバータ装置（電源）
56 パワー素子
59 伝熱部材

Claims

圧縮機（30）が接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、パワー素子（56）を有して該圧縮機（30）の電動機（33）へ電力を供給する電源（55）と、該冷媒回路（20）の冷媒によって該電源（55）のパワー素子（56）を冷却する冷却用部材（50）とを備えた冷凍装置であって、
前記冷却用部材（50）は、冷媒が流れる冷媒管（52）と、該冷媒管（52）が埋設された本体部（51）とを備えるとともに、該本体部（51）の表面が前記パワー素子（56）に熱的に接触するように配設され、
前記本体部（51）における、前記パワー素子（56）の接触面から前記冷媒管（52）までの厚みは、その反対面から該冷媒管（52）までの厚みよりも薄く形成されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、
前記本体部（51）における、前記パワー素子（56）の接触面から前記冷媒管（52）までの厚み部分には、該本体部（51）よりも熱伝導率の高い伝熱部材（59）が埋設されていることを特徴とする冷凍装置。