JP2011112263A

JP2011112263A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2011112263A
Application number: JP2009267993A
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】比較的簡素な構造で、且つ冷却能力の高い冷却用部材を有する冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクルを行う冷媒回路の冷媒によって電源のパワー素子を冷却する冷却用部材50は、パワー素子56と熱的に接触されると共に、冷媒が流通する複数の冷媒流路Cが貫通形成される。前記冷却部材では、従来例のように複数の冷媒管が埋設されていないため、冷却用部材の構造の簡素化が図られている。また冷媒管を設けることなく、冷媒流路を内部に貫通形成しているため、パワー素子の熱が冷媒に伝達し易くなる。
【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。

特開平０３−７５４２４号公報

ところで、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。しかしながら、このような冷却用部材では、複数の冷媒管を本体部に埋設する必要があり、冷却用部材の構造が複雑となってしまう。また、冷媒管から本体部への伝熱に伴い熱ロスが生じるため、パワー素子の冷却効果が低減してしまう。

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、比較的簡素な構造で、且つ冷却能力の高い冷却用部材を有する冷凍装置を提供することにある。

第１の発明は、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）を有して上記圧縮機（30）の電動機（33）へ電力を供給する電源（55）と、上記冷媒回路（20）の冷媒によって上記電源（55）の上記パワー素子（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する。そして、この冷凍装置は、上記冷却用部材（50）が、上記パワー素子（56）と熱的に接触されると共に、冷媒が流通する複数の冷媒流路（C,C1）が貫通形成されていることを特徴とする。

第１の発明では、冷却用部材（50）がパワー素子（56）と熱的に接触する。この冷却用部材（50）には、複数の冷媒流路（C,C1）が貫通形成される。つまり、本発明の冷却用部材（50）では、従来例のように複数の冷媒管が埋設されていないため、冷却用部材（50）の構造の簡素化が図られている。

また、冷却用部材（50）では、貫通形成された複数の冷媒流路（C,C1）の内部を冷媒が流れる。このため、パワー素子（56）の熱は、冷却用部材（50）を介して直接的に冷媒流路（C,C1）内の冷媒へ伝達する。従って、冷却用部材（50）によるパワー素子（56）の冷却効果が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、上記冷却用部材（50）には、上記複数の冷媒流路（C,C1）が上記パワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向に所定の間隔を置いて配列される冷媒流路列群（B1,B2,B3）が形成されていることを特徴とする。

第２の発明の冷却用部材（50）には、パワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向に複数の冷媒流路（C,C1）が配列されて、冷媒流路列群（B1,B2,B3）が形成される。これにより、パワー素子（56）の熱は、冷却用部材（50）の接触面（52）を介して、冷媒流路列群（B1,B2,B3）の各冷媒流路（C,C1）を流れる冷媒へ伝達し易くなる。従って、冷却用部材（50）によるパワー素子（56）の冷却効果が向上する。

第３の発明は、第２の発明において、上記冷却用部材（50）には、複数の上記冷媒流路列群（B1,B2,B3）が上記パワー素子（56）に対向する方向に配列されていることを特徴とする。

第３の発明では、パワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向に配列される冷媒流路列群（B1,B2,B3）が、パワー素子（56）に対向する方向に複数配列される。このため、パワー素子（56）の熱は、各冷媒流路列群（B1,B2,B3）の各冷媒流路（C,C1）を流れる冷媒へ伝達する。従って、冷却用部材（50）によるパワー素子（56）の冷却効果が向上する。

第４の発明は、第３の発明において、上記複数の冷媒流路列群（B1,B2,B3）は、上記パワー素子（56）の接触面（52）に近づくにつれて冷媒流路（C,C1）の数が多くなっていることを特徴とする。

第４の発明の冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の接触面（52）に近いほど、冷媒流路列群（B1,B2,B3）の冷媒流路（C）の本数が多くなる。つまり、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の熱が伝達し易い部位ほど、冷媒流路（C）の本数が多くなっている。従って、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）を効率的に冷却することができる。

第５の発明は、第３又は第４の発明において、上記複数の冷媒流路列群（B1,B2,B3）のうち上記パワー素子（56）の接触面（52）に最も近い冷媒流路列群（B1,B2,B3）には、他の冷媒流路列群（B1,B2,B3）の冷媒流路（C）よりも流路断面積が大きな冷媒流路（C1）が含まれていることを特徴とする。

第５の発明では、パワー素子（56）の接触面（52）に最も近い冷媒流路列群（B1,B2,B3）の冷媒流路（C1）の流路断面積が、他の冷媒流路列群（B1）（即ち、パワー素子（56）の接触面（52）から比較的遠い冷媒流路列群（B2,B3））の冷媒流路（C）の流路断面積よりも大きくなっている。つまり、パワー素子（56）の接触面（52）に最も近い冷媒流路列群（B1）には、冷媒の流量が比較的大きな冷媒流路（C1）が形成される。このため、パワー素子（56）の熱は、この冷媒流路（C1）を流れる冷媒に伝達し易くなる。従って、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）を効率的に冷却することができる。

第１の発明では、冷却用部材（50）に複数の冷媒流路（C,C1）を貫通形成するようにしたので、例えば冷媒管を冷却用部材に埋設する構造と比較して、冷却用部材（50）の簡素化を図ることができる。従って、冷却用部材（50）の部品点数や製造コストの削減を図ることができる。また、本発明の冷却用部材（50）では、冷媒管を設けることなく、複数の冷媒流路（C,C1）を内部に貫通形成しているため、パワー素子（56）の熱が冷媒へ伝達し易くなる。しかも、冷却用部材（50）では、複数の冷媒流路（C,C1）を形成しているため、冷媒の伝熱面積を広げることができる。従って、本発明の冷却用部材（50）では、比較的簡素な構造において、パワー素子（56）を効率良く冷却することができる。

第２の発明では、パワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向に、複数の冷媒流路（C,C1）を配列しているため、パワー素子（56）の熱を各冷媒流路（C,C1）（冷媒流路列群（B1,B2,B3））を流れる冷媒へ効率良く伝達できる。従って、パワー素子（56）を更に効率良く冷却できる。

また、第３の発明では、上記のような冷媒流路列群（B1,B2,B3）をパワー素子（56）に対向する方向（即ち、パワー素子（56）の接触面（52）に対して垂直な方向）に複数配列しているため、冷却用部材（50）の内部に多数の冷媒流路（C,C1）を形成できる。その結果、冷却用部材（50）によるパワー素子（56）の冷却効果が更に向上する。

特に、第４の発明では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い冷媒流路列群（B1,B2,B3）ほど、冷媒流路（C,C1）の本数を多くしているため、パワー素子（56）の熱を一層効果的に冷却できる。また、第５の発明では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い冷媒流路列群（B1）について、冷媒流路（C1）の流路断面積（即ち、冷媒流量）を大きくしているため、パワー素子（56）の熱を一層効果的に冷却できる。また、このように、冷媒流路（C1）の流路断面積を大きくすることで、冷媒の流通に伴う圧力損失を低減できる。

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。本発明の実施形態に係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。変形例に係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。

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。

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。

上記圧縮機（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。

上記室内回路（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。

上記圧縮機（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。

上記室外熱交換器（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。

上記室外ユニット（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（55）及び冷却用部材（50）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。

上記冷却用部材（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）を有している。この本体部（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）が接続されている。より詳細には、冷却用部材（50）の本体部（51）には、比較的小径（例えば内径が数マイクロメートル）の複数の冷媒流路（C,C,…）（いわゆるマイクロチャネル）が形成されている。各冷媒流路（C）の流路断面（軸直角断面）は、正円形状に形成されている。本体部（51）には、各冷媒流路（C）の流入端及び流出端に、上述した冷媒回路（20）の分岐管（いわゆる分流器（図示省略））がそれぞれ接続されている。つまり、冷媒回路（20）を流れる冷媒は、分岐管を経由して各冷媒流路（C）に分流する。そして、各冷媒流路（C）に分流した冷媒は、分岐管を経由して冷媒回路（20）で合流する。

冷却用部材（50）では、本体部（51）におけるパワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向（図２における左右方向）に、複数の冷媒流路（C,C,…）が所定の間隔を置いて配列されている。つまり、この方向に配列される複数の冷媒流路（C,C,…）は、冷媒流路列群（B1,B2,B3）を構成している。また、本体部（51）では、このような冷媒流路列群（B1,B2,B3）が、パワー素子（56）に対向する方向（図２における上下方向（即ち、本体部（51）の厚さ方向））に３つ配列されている。つまり、本体部（51）では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い順に、第１冷媒流路列群（B1）、第２冷媒流路列群（B2）、第３冷媒流路列群（B3）が形成されている。本実施形態では、第１冷媒流路列群（B1）に７本の冷媒流路（C）が形成され、第２冷媒流路列群（B2）には、５本の冷媒流路（C）が形成され、第３冷媒流路列群（B3）には、３本の冷媒流路（C）が形成されている。つまり、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い冷媒流路列群（B1）ほど、冷媒流路（C）の本数が多くなっている。換言すると、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い冷媒流路列群（B1）ほど、冷媒流路（C）を流れる冷媒の総流量、ひいては冷媒流路（C）の総伝熱面積が大きくなっている。なお、各冷媒流路列群（B1,B2,B3）の冷媒流路（C）の本数は単なる例示である。また、本実施形態では、各冷媒流路列群（B1,B2,B3）の各冷媒流路（C）の形状、ないし内径が概ね等しくなっている。

−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）の本体部（51）内の各冷媒流路（C）に分流する。

上記パワー素子（56）は、通電に伴って熱が発生する。ここで、冷却用部材（50）の各冷媒流路（C）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ため、パワー素子（56）で発生した熱は、ヒートスプレッダ（58）及び本体部（51）を介して、各冷媒流路（C）を流れる冷媒に吸熱される。その結果、パワー素子（56）が冷却され、このパワー素子（56）の温度上昇が抑制される。

上記冷却用部材（50）の各冷媒流路（C）を流出した冷媒は、冷媒回路（20）で合流した後、膨張弁（43）を通過する。その結果、この冷媒が減圧される。減圧後の冷媒は、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。その結果、室内空気が冷却される。室内熱交換器（46）で蒸発した冷媒は、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。その結果、室内空気が加熱される。室内熱交換器（46）で凝縮（あるいは放熱）した冷媒は、膨張弁（43）を通過する際に減圧される。

上記パワー素子（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）の各冷媒流路（C）には、膨張弁（43）で減圧された冷媒が流れているため、パワー素子（56）で発生した熱は、ヒートスプレッダ（58）及び本体部（51）を介して、各冷媒流路（C）を流れる冷媒に吸熱される。その結果、パワー素子（56）が冷却され、このパワー素子（56）の温度上昇が抑制される。

上記冷却用部材（50）の各冷媒流路（C）を流出した冷媒は、冷媒回路（20）で合流した後、室外熱交換器（42）へ流入する。室外熱交換器（42）では、冷媒が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。

−実施形態の効果−
上記実施形態では、冷却用部材（50）の本体部（51）に複数の冷媒流路（C）を貫通形成するようにしたので、例えば冷媒管を冷却用部材に埋設する構造と比較して、冷却用部材（50）の簡素化を図ることができる。従って、冷却用部材（50）の部品点数や製造コストの削減を図ることができる。また、冷却用部材（50）では、冷媒管を設けることなく、複数の冷媒流路（C）を内部に貫通形成しているため、冷媒管を埋設する構造と比較すると、パワー素子（56）の熱が冷媒へ伝達し易くなる。しかも、冷却用部材（50）では、複数の冷媒流路（C）を形成しているため、冷媒の伝熱面積が比較的大きくなる。従って、上記実施形態の冷却用部材（50）では、比較的簡素な構造において、パワー素子（56）を効率良く冷却することができる。

また、冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の接触面（52）に沿う方向に、複数の冷媒流路（C,C,…）を配列しているため、パワー素子（56）の熱を各冷媒流路（冷媒流路列群（B1,B2,B3））を流れる冷媒へ効率良く伝達できる。更に、これらの冷媒流路列群（B1,B2,B3）を本体部（51）の厚さ方向に複数配列しているため、冷却用部材（50）によるパワー素子（56）の冷却効果を一層高めることができる。また、上記実施形態の冷却用部材（50）では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い冷媒流路列群（B1）ほど、冷媒流路（C）の本数を多くしているため、パワー素子（56）の熱を一層効果的に冷却できる。

《実施形態の変形例》
上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（10）のインバータ装置（55）及び冷却用部材（50）の要部を示す拡大図である。

本変形例の冷却用部材（50）は、上記実施形態と本体部（51）の構成が異なっている。具体的には、変形例の本体部（51）には、第１と第２の冷媒流路群列（B1,B2）が形成されている。ここで、この変形例では、これらの２つ冷媒流路群列（B1,B2）のうちパワー素子（56）の接触面（52）に最も近い冷媒流路群列（即ち、第１冷媒流路群列（B1））の冷媒流路（C1）の流路断面積が、他の冷媒流路（C）の流路断面積よりも大きくなっている。より詳細に、第１冷媒流路群列（B1）には、接触面（52）に沿う方向に４つの冷媒流路（C,C1,C1,C）が配列されているが、これらの４つの冷媒流路（C,C1,C1,C）のうち中央寄りの２つの冷媒流路（C1,C1）（以下、大径冷媒流路（C1）という）の流路断面積が、他の冷媒流路（C）の流路断面積よりも大きくなっている。つまり、この変形例では、大径冷媒流路（C1）の内径ｄ１が、他の冷媒流路（C）の内径ｄよりも大きくなっている。

この変形例では、パワー素子（56）の接触面（52）に近い第１冷媒流路列群（B1）について、冷媒流路（C1）の流路断面積（即ち、冷媒流量）を大きくしているため、パワー素子（56）の熱を一層効果的に冷却できる。また、このように、冷媒流路（C1）の流路断面積を大きくすることで、冷媒の流通に伴う圧力損失も低減できる。

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

上記実施形態では、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ついて有用である。

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
55 インバータ装置（電源）
56 パワー素子
C 冷媒流路
C1 大径冷媒流路（冷媒流路）
B1 第１冷媒流路群列（冷媒流路群列）
B2 第２冷媒流路群列（冷媒流路群列）
B3 第３冷媒流路群列（冷媒流路群列）

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）を有して上記圧縮機（30）の電動機（33）へ電力を供給する電源（55）と、上記冷媒回路（20）の冷媒によって上記電源（55）の上記パワー素子（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、
上記冷却用部材（50）は、上記パワー素子（56）と熱的に接触されると共に、冷媒が流通する複数の冷媒流路（C,C1）が貫通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、
上記冷却用部材（50）には、上記複数の冷媒流路（C,C1）が上記パワー素子（56）の接触面に沿う方向に所定の間隔を置いて配列される冷媒流路列群（B1,B2,B3）が形成されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項２において、
上記冷却用部材（50）には、複数の上記冷媒流路列群（B1,B2,B3）が上記パワー素子（56）に対向する方向に配列されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項３において、
上記複数の冷媒流路列群（B1,B2,B3）は、上記パワー素子（56）の接触面に近づくにつれて冷媒流路（C,C1）の数が多くなっていることを特徴とする冷凍装置。
請求項３又は４において、
上記複数の冷媒流路列群（B1,B2,B3）のうち上記パワー素子（56）の接触面に最も近い冷媒流路列群（B1）には、他の冷媒流路列群（B2,B3）の冷媒流路（C）よりも流路断面積が大きな冷媒流路（C1）が含まれていることを特徴とする冷凍装置。