JP2014009912A

JP2014009912A - 空気調和装置

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Publication number: JP2014009912A
Application number: JP2012148134A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kawai; 和彦河合
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: JP6021474B2

Abstract

【課題】ドレン水を効率よく蒸発させることができる空気調和装置を提供する。
【解決手段】圧縮機、熱源側熱交換器、第１絞り装置、第２絞り装置、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和装置において、利用側熱交換器３５に対して空気を通流させるファン５１と、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を備え、ファン５１を駆動する利用側制御部１０２と、スイッチング素子で発生した熱を放熱するヒートシンク１２０と、利用側熱交換器３５の下方に設けられ、利用側熱交換器３５から落下した水滴を貯留するドレンパン１３０とを備え、ヒートシンク１２０は、ドレンパン１３０に接触又は近接して配置されたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和装置に関する。

従来の空気調和装置は、圧縮機を駆動する半導体パワーデバイスが内蔵された制御箱をドレンパンの上方に設けることにより、半導体パワーデバイスからの排熱を効率よく行っている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の空気調和装置は、ドレンパンに貯留したドレン水を電気ヒータで強制的に暖めることによりドレン水を蒸発させ、ドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を蒸発させていた（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２６１６２２号公報（段落［００６５］）特開平９−２９６９３８号公報（段落［００１６］）

しかしながら、従来の空気調和装置は、半導体パワーデバイスからの排熱を効率よく行っているだけであり、排熱を有効利用することによりドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を蒸発させてはいなかった。
また、従来の空気調和装置は、電気ヒータによりドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を蒸発させているため、電気ヒータを別途設ける必要があり、半導体パワーデバイスからの排熱は無駄に放熱されており、有効利用できていなかった。
すなわち、半導体パワーデバイスの排熱を有効利用できず、ドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を効率よく蒸発させることができないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、半導体パワーデバイスの排熱を有効利用することにより、ドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を効率よく蒸発させることができる空気調和装置を提供することを目的とするものである。

本発明の空気調和装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和装置において、前記利用側熱交換器に対して空気を通流させる送風機と、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワーデバイスを備え、前記送風機を駆動する制御装置と、前記パワーデバイスで発生した熱を放熱するヒートシンクと、前記利用側熱交換器の下方に設けられ、当該利用側熱交換器から落下した水滴を貯留するドレンパンとを備え、前記ヒートシンクは、前記ドレンパンに接触又は近接して配置されたものである。

本発明は、ヒートシンクが半導体パワーデバイスの上昇気流経路上かつドレンパンの下方に設けられることにより、ヒートシンクからの熱がドレンパンに伝達されやすくなり、半導体パワーデバイスの排熱を有効利用でき、ドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を効率よく蒸発させることができるという効果を有する。

本発明の実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路１０を示す図である。本発明の実施の形態１における空気調和装置の利用側ユニット２２の正面断面図である。本発明の実施の形態１における空気調和装置の利用側ユニット２２の右側面断面図である。本発明の実施の形態１におけるパワーモジュール１０９を用いた回路構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路１０を示す図である。
熱源側ユニット２１は、圧縮機３１、四方弁３２、熱源側熱交換器３３、アキュムレータ３４、及び開度可変の第２絞り装置４０を備え、これらを順に接続したものである。
利用側ユニット２２は、利用側熱交換器３５と開度可変の第１絞り装置３９とを有している。
熱源側ユニット２１と、利用側ユニット２２とは、第１接続配管３６及び第２接続配管３７により、バルブ５５ａ、バルブ５５ｂを介して接続されている。
なお、バルブ５５ａ、５５ｂを特に区別しないとき、バルブ５５と称する。
また、空気調和装置は、熱源側ユニット２１及び利用側ユニット２２を備えたものである。

冷媒回路１０は、圧縮機３１、四方弁３２、利用側熱交換器３５、第１絞り装置３９、第２絞り装置４０、熱源側熱交換器３３、及びアキュムレータ３４に冷媒を循環させる。
なお、「第１絞り装置３９」及び「第２絞り装置４０」は、本発明における「膨張手段」に相当する。

熱源側熱交換器３３には、空気を送風するファン５２が設けられている。
利用側熱交換器３５には、空気を送風するファン５１が設けられている。
ファン５１、５２は、ＤＣモータ（図示せず）によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等から構成されており、送風量を調整することが可能になっている。

圧縮機３１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機である。圧縮機３１は、例えば、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機から構成されている。
バルブ５５ａ、バルブ５５ｂは、例えば、ボールバルブや、開閉弁、操作弁等の開閉動作が可能な弁により構成されている。

なお、本実施の形態１における空気調和装置において、冷媒との熱交換対象となる流体は空気であるが、本発明は特にこれに限定するものではない。例えば、水、冷媒、及びブライン等でもよい。また、冷媒との熱交換対象となる流体の供給装置はポンプ等でもよい。
要するに、ヒートポンプ式の空気調和装置であれば、特に限定するものではない。

なお、本実施の形態１では、利用側熱交換器３５が１台の場合の構成を例に説明するが、本発明は特にこれに限定するものではなく、２台以上の複数台であってもよい。また、仮に複数台の利用側熱交換器３５が設けられた場合、複数の利用側熱交換器３５のそれぞれの容量が大から小まで異なっていてもよく、全てが同一容量であってもよく、合計台数のうち、一部の複数の台数の利用側熱交換器３５が同一容量で、残りの複数の台数の利用側熱交換器３５が異なる容量であってもよい。
要するに、それぞれの利用側熱交換器３５の容量については、特に限定するものではない。
なお、本実施の形態１では、第２絞り装置４０及び液管圧力センサ６６が熱源側ユニット２１に内蔵される構成として説明するが、本発明は特にこれに限定するものではない。
第２絞り装置４０及び液管圧力センサ６６は、第１絞り装置３９から熱源側熱交換器３３に至る流路の間に設けられていればよい。例えば、バルブ５５ｂと利用側ユニット２２とを接続する第２接続配管３７の流路の間に設けられる構成としてもよい。

なお、本実施の形態１における空気調和装置の冷媒回路１０を循環する冷媒の種類は、特に限定はなく、任意の冷媒を用いることができる。例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂）や炭化水素、及びヘリウム等のような自然冷媒や、Ｒ４１０Ａはもちろん、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ等の代替冷媒等の塩素を含まない冷媒を採用してもよい。
なお、本実施の形態１では、四方弁３２を設けて暖房運転と冷房運転とを切り換え可能な冷媒回路を構成する場合について説明するが、本発明は特にこれに限定するものではない。例えば、四方弁３２を設けずに、暖房運転（送風運転を含む）のみを行うようにしてもよい。また、本実施の形態１では、余剰冷媒を貯留するアキュムレータ３４を設ける場合について説明するが、本発明は特にこれに限定するものではなく、アキュムレータ３４を設けない構成としてもよい。

次に、センサ類について説明する。
圧縮機３１の吐出側には冷媒の温度を検出する吐出温度センサ６４が設置されている。
アキュムレータ３４の入口側にはアキュムレータ３４に流入する冷媒の温度を検出する吸入温度センサ６５が設置されている。
吐出温度センサ６４及び吸入温度センサ６５は、冷媒配管に接するか、又は、冷媒配管に挿入するように設けられ、その冷媒配管を流れる冷媒温度を検出するものである。

熱源側熱交換器３３が設置されることになる空間の周囲空気温度、すなわち、熱源側熱交換器３３が熱交換する空気の温度は、空気温度センサ６３によって検出されるものである。

利用側熱交換器３５の出口側には、暖房運転時、第１絞り装置３９に流入する冷媒の温度を検出する熱交温度センサ７１が設けられている。
利用側熱交換器３５が設置されることになる空間の周囲空気温度、すなわち、利用側熱交換器３５が熱交換する空気の温度は、空気温度センサ７２によって検出される。
利用側熱交換器３５が熱交換した後の調和空気の温度は、空気温度センサ７３によって検出される。

圧縮機３１の吐出側には、圧縮機３１から吐出された冷媒の圧力を検出する吐出圧センサ６１が設置されている。また、アキュムレータ３４と四方弁３２との間の冷媒配管には、圧縮機３１に吸入される冷媒の圧力を検出する吸入圧センサ６２が設置されている。
第２絞り装置４０とバルブ５５ｂとの間の冷媒配管には、第２絞り装置４０に流入する冷媒の圧力を検出する液管圧力センサ６６が設置されている。

なお、本実施の形態１では、図１に示すように、アキュムレータ３４と四方弁３２との間の冷媒配管に、吸入圧センサ６２と吸入温度センサ６５とを設けることにより、アキュムレータ３４の入口側の冷媒過熱度の検出が可能となる。
ここで、吸入温度センサ６５の位置をアキュムレータ３４の入口側とした理由は、アキュムレータ３４の入口側の冷媒過熱度を制御することにより、液冷媒がアキュムレータ３４に戻らない運転を実現するためである。
なお、吸入圧センサ６２の位置については特に図１で示した位置に限定するものではなく、四方弁３２から圧縮機３１の吸入側に至るまでの区間であれば、どの場所に設けられてもよい。
また、吐出圧センサ６１の圧力を飽和温度に換算することにより、冷凍サイクルの凝縮温度を求めることも可能である。

熱源側制御部１０１は、空気調和装置のメイン制御部として機能するものであり、各種制御指令を生成したり、空気調和装置のサブ制御部として機能する利用側制御部１０２と相互通信を行うことにより、連係処理を行うものである。
利用側制御部１０２は、空気調和装置のサブ制御部として機能するものであり、各種指令を生成したり、空気調和装置のメイン制御部として機能する熱源側制御部１０１と相互通信を行うことにより、連係処理を行うものである。

なお、「利用側制御部１０２」は、本発明における「制御装置」に相当する。
また、「ファン５１」は、本発明における「送風機」に相当する。

次に、上記で説明した冷媒回路１０を前提として、利用側ユニット２２内部の各構成要素の配置関係について図２、３を用いて説明する。
図２は、本発明の実施の形態１における空気調和装置の利用側ユニット２２の正面断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における空気調和装置の利用側ユニット２２の右側面断面図である。
図２、３に示すように、利用側ユニット２２は、筐体１１内に熱交換時に使用される各種構成要素が収納される。
筐体１１は、略直方体形状であり、表面が樹脂等でコーティングされた金属材料等から形成されるものであり、利用側熱交換器３５等を収納するものである。
また、筐体１１は、空気温度センサ７２、ドレンパン１３０、ヒートシンク１２０、利用側制御部１０２、ドレンホース１４０、ファン５１、及び電動機１１１等を収納する。

筐体１１は、空気吸込口２５及び空気吹出口２６をそれぞれ異なる一側面上に備え、空気吸込口２５から周囲の空気を吸い込ませ、筐体１１内部で熱交換した後、空気吹出口２６から熱交換した空気を吹き出させる。
なお、ここでは、空気吸込口２５及び空気吹出口２６がそれぞれ１つずつ筐体１１表面上に設けられる一例について説明するが、特にこれに限定するものではない。
例えば、空気吸込口２５は、略長方形状の孔が市松模様状で複数形成されたものであってもよい。
また、例えば、空気吹出口２６は、略長方形状の孔が市松模様状で複数形成されたものであってもよい。
また、空気吸込口２５及び空気吹出口２６は、筐体１１の任意の箇所に設けることが可能である。

また、ここでは、空気吸込口２５と、空気吹出口２６とが互いに対向する位置に形成される一例について説明するが、特にこれに限定するものではない。
例えば、空気吸込口２５に対して、空気吹出口２６が垂直方向に形成されるものであってもよく、適宜、設計条件等によって、異なる箇所に設けることが可能なものである。

また、上記の説明では、筐体１１が略直方体形状である一例について説明したが、特にこれに限定するものではない。
例えば、筐体１１は、所定の曲率で形成されるものであってもよい。

空気吸込口２５には、ファン５１の回転動作により、風向き２０１で示すように、外部から筐体１１内に空気が吸い込まれる。

利用側熱交換器３５は、空気吸込口２５の近傍に設けられ、図１で説明した冷媒回路１０を循環する冷媒と、空気吸込口２５から吸い込まれた空気との熱交換を行うものであり、例えば、蒸発器として機能する。
なお、図２、３においては、利用側熱交換器３５に冷媒を流入させたり、利用側熱交換器３５から冷媒を流出させたりする冷媒配管等の冷媒回路１０の構成部品についての図示を省略する。

空気温度センサ７２は、空気吸込口２５と、利用側熱交換器３５との間に設けられ、上記で説明したように、利用側熱交換器３５が熱交換する空気の温度を検出している。

ドレンパン１３０は、利用側熱交換器３５に対向する位置、かつ、利用側熱交換器３５の下方に設けられている。
すなわち、ドレンパン１３０は、利用側熱交換器３５で熱交換時、吸い込んだ空気が冷媒で冷却されて凝縮されることにより生じた水滴が利用側熱交換器３５の下方に滴下したときに、その水滴を受け止め、貯留するものである。

また、ドレンパン１３０は、後述するヒートシンク１２０に対向する位置、かつ、後述するヒートシンク１２０の上方に設けられている。
すなわち、ドレンパン１３０は、後述するヒートシンク１２０の放熱時の熱の上昇気流経路上に配置される。
なお、ドレンパン１３０には、ドレンホース１４０が接続されており、ドレンホース１４０を介して、貯留した水を筐体１１の外に排出する構成となっている。

なお、ドレンパン１３０の形状については特に限定するものではなく、利用側熱交換器３５で凝縮された水滴を貯留するものであればよい。
また、ドレンパン１３０の縁は、水滴飛散防止のカバーが略直立して設けられていてもよい。
また、ドレンパン１３０の材質は特に限定するものではなく、例えば、熱伝導率の高い金属材料で板金加工されたものである。

ヒートシンク１２０は、利用側制御部１０２内に実装されるパワーモジュール１０９等で発生した熱を放熱するものであり、例えば、アルミ製や銅製等の放熱性に優れた複数枚の金属板が所定の間隔で利用側制御部１０２に対して垂直に設けられることで形成されている。
ヒートシンク１２０は、具体的には、パワーモジュール１０９を構成する素子のうち、特に、スイッチング素子６１１（詳細については後述する）で発生する熱を放熱するものである。
このため、ヒートシンク１２０の配置する場所としては、後述するスイッチング素子６１１で発生する熱の上昇気流経路上に配置させることにより、ヒートシンク１２０の放熱効率が向上する。
すなわち、ヒートシンク１２０は、後述するスイッチング素子６１１に対向し、かつ、後述するスイッチング素子６１１で発生する熱の上昇気流経路上に配置させる。
換言すれば、ヒートシンク１２０は、後述するスイッチング素子６１１で発生する熱の上昇気流経路上かつ上述したドレンパン１３０の下方に配置させる。

なお、具体的には、ヒートシンク１２０は、後述するように、パワーモジュール１０９が搭載される基板に対向するように、その基板の背面側に設けられるものである。
このようにすることで、結果として、後述するスイッチング素子６１１で発生する熱の上昇気流経路上に、ヒートシンク１２０が設けられることになる。
また、ヒートシンク１２０は、ドレンパン１３０に対しては、接触した状態で配置されるものである。
このようにすることで、ヒートシンク１２０で放熱した熱が、効率よくドレンパン１３０に伝達されることになる。

利用側制御部１０２は、詳細については後述するインバータ装置１０５を備える。
電動機１１１は、例えば、ブラシレスＤＣモータであり、インバータ装置１０５により駆動制御されるものである。
電動機１１１は、インバータ装置１０５の指令で電動機シャフト１１２を回転させることにより、電動機シャフト１１２に取り付けられている回転体１１３を回転させる。
回転体１１３は、多数の翼が設けられたものであり、電動機シャフト１１２の回転に伴い、図３に示すファン吸込口５３から取りこんだ空気の方向を変えつつ、圧縮させ、図３に示すファン吹出口５４から取りこんだ空気を吹き出すものである。

ファン５１は、例えば、シロッコファンであり、上記で説明したように、内部に回転体１１３を備える。
ファン５１は、利用側熱交換器３５と所定の間隔を隔てて設けられている。図２においては、ファン５１は、ドレンパン１３０を介して、利用側熱交換器３５と対向する位置、すなわち、ドレンパン１３０の下方に設けられている。
図３においては、ファン５１は、利用側熱交換器３５及びドレンパン１３０に対して、ファン５１で発生させた風向き２１０に対しては、風下側に設けられている。
また、図２、３に示すように、ファン５１は、筐体１１の空気吹出口２６に対向する位置に設けられる。
すなわち、ファン５１は、利用側熱交換器３５及びドレンパン１３０と、空気吹出口２６との間に設けられる。

上記で説明した配置関係においては、ファン５１が回転駆動することにより、空気吸込口２５から筐体１１に空気が吸い込まれ、利用側熱交換器３５に空気を通流させる。
また、ファン５１が回転駆動することにより、利用側熱交換器３５で熱交換した調和空気が図３に示すファン吸込口５３から吸い込まれ、ファン吹出口５４及び空気吹出口２６を介して筐体１１外部に吹き出される。
なお、上記の説明では、ファン５１がシロッコファンである一例について説明したが、特にこれに限定するものではない。例えば、ファン５１は、プロペラファンやターボファン等であってもよい。

空気温度センサ７３は、ファン５１の空気吹出側近傍に設けられるものであり、利用側熱交換器３５で熱交換された調和空気の温度を検出するものである。
つまり、利用側ユニット２２の吹出側空気の温度を検出するものであり、検出結果については、利用側制御部１０２は、ファン５１の回転数を決定するときの条件パラメータの一つとして利用する。

電動機１１１は、ファン５１を回転駆動させ、筐体１１内に空気の流れを発生させ、図２、３に示すように、風向き２０１、２０２を生じさせるものである。
電動機１１１には、電動機シャフト１１２が延設されており、電動機シャフト１１２に回転体１１３が連結されている。
電動機１１１の回転力が、電動機シャフト１１２を通じてファン５１の回転体１１３に伝達され、筐体１１内に風の流れを生じさせる。

上記で概略について説明したインバータ装置１０５の詳細について説明する。
インバータ装置１０５は、コンバータ回路１０７、インバータ回路１０８、制御用ＣＰＵ１１０、及び温度検知用サーミスタ１０６から形成されている。

コンバータ回路１０７は、図示しない交流電源と接続されており、交流電源から供給された交流を整流して直流に変換するものである。
コンバータ回路１０７は、例えば、交流リアクトル、ダイオードブリッジ、シャント抵抗、パワースイッチ素子、及び電解コンデンサ等から形成されており（いずれも図示せず）、交流を整流し、整流した直流を平滑化し、平滑化した直流をインバータ回路１０８に供給するものである。
なお、ここでいう交流電源とは、例えば、商用電源のことである。

インバータ回路１０８は、コンバータ回路１０７、制御用ＣＰＵ１１０、及び電動機１１１と接続されている。
インバータ回路１０８は、制御用ＣＰＵ１１０の指令に応じて、コンバータ回路１０７から供給された平滑化された直流を、ＰＷＭ信号に変換して電動機１１１に供給し、電動機１１１の駆動を制御するものである。
インバータ回路１０８は、例えば、スナバコンデンサ（図示せず）、シャント抵抗（図示せず）、及びパワーモジュール１０９等から形成されている。

パワーモジュール１０９は、詳細については図４で後述するが、コンバータ回路１０７から供給された直流出力をスイッチングすることでＰＷＭ信号を生成するものである。
パワーモジュール１０９は、生成したＰＷＭ信号を電動機１１１に供給する。
電動機１１１は、例えば、ブラシレス直流モータであり、供給されたＰＷＭ信号により、回転磁界を発生させ、電動機シャフト１１２を介して、回転体１１３の回転を制御する。

温度検知用サーミスタ１０６は、所定の周期で、又は、リアルタイムで、パワーモジュール１０９の温度を検出し、検出結果を制御用ＣＰＵ１１０に供給するものである。

制御用ＣＰＵ１１０は、外部からの制御信号と、温度検知用サーミスタ１０６の検出結果と、ＰＷＭ信号とに基づいて、図４で後述する制御回路６０１を制御している。
これにより、パワーモジュール１０９は、さまざまな条件に基づいて、その条件に適したスイッチング周波数で、パワーモジュール１０９内部に実装されている図４に示すスイッチング素子６１１をスイッチングさせる。
この結果、電動機１１１が、条件に応じた回転速度で回転し、出力トルクを生成する。これにより、ファン５１は、条件に応じて駆動される。

パワーモジュール１０９は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されるものとし、周波数が可変な交流を生成するものである。ワイドバンドギャップ半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体、炭化珪素（ＳｉＣ）、又はダイヤモンド等のように、バンドギャップが２［ｅＶ］よりも大きい半導体のことであり、耐熱性の高い素子である。
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップは、３．４［ｅＶ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）のバンドギャップは、３．２［ｅＶ］である。
また、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］である。
また、従来から回路素子の材料として利用されている珪素（Ｓｉ）は、バンドギャップが１．１［ｅＶ］であり、絶縁破壊電界強度が０．３［ＭＶ／ｃｍ］である。

絶縁破壊電界強度が大きく、バンドギャップ幅が大きいということは、耐圧を維持しつつ、素子を薄くしてオン抵抗を低くすることができることを意味する。オン抵抗を低くすることができれば、電力損失を低減させることができる。電力損失を低減させることができることにより、発熱量が減る。発熱量が減ることにより、モジュールを小型化して熱容量が小さくなったとしても、温度が上昇しにくくなる。

ここでいうバンドギャップとは、物質内部で、電子が存在できないエネルギー領域のことである。また、ここでいう絶縁破壊電界強度とは、半導体や絶縁体において、絶縁破壊を引き起こす最大電界強度である。

すなわち、ワイドバンドギャップ半導体は、従来の珪素で形成される素子と比較して、バンドギャップ幅が約３倍広く、絶縁破壊電界強度が約１０倍大きい。このため、耐熱性や耐電圧性が珪素で形成される素子よりも高い。耐熱性が高いということは、高温での動作が可能であることを意味する。
よって、ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、冷却構造を小型化することができる。

さらに、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べて、電界飽和速度が速い。
具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合、２．７［１×１０⁷ｃｍ／ｓ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）の場合、１．０［１×１０⁷ｃｍ／ｓ］である。
このように、電界飽和速度が速いということは、高周波駆動が可能なことを意味するものである。高周波駆動が可能であるということは、周辺部品を小型化することができるものである。

なお、詳細については図４で後述するが、上記で説明したワイドバンドギャップ半導体によって、図４に示すスイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２は形成されている。このようなスイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２は、上記で説明したように、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２の小型化が可能である。
このため、このような小型化されたスイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２を用いることにより、これらの素子を組み込んだパワーモジュール１０９の小型化が可能となる。
また、耐熱性も高いため、ヒートシンク１２０の図示しない放熱フィンの小型化や、図示しない水冷部の空冷化が可能であるので、パワーモジュール１０９の一層の小型化が可能になる。

さらに、電力損失が低いため、図４に示すスイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２の高効率化が可能であるため、パワーモジュール１０９の高効率化が可能になる。

なお、図４に示すスイッチング素子６１１や転流ダイオード６１２の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施の形態１に記載の効果を得ることができる。

なお、上記で説明したインバータ装置１０５は、制御基板上に実装されるものであり、その制御基板は利用側制御部１０２内に収納されるものである。そして、その制御基板の背面側には、上記で説明したヒートシンク１２０が設けられる。
また、スイッチング素子６１１は、いわゆる半導体パワーデバイスである。

なお、「パワーモジュール１０９」は、本発明における「半導体モジュール」に相当する。

次に、上記で説明した構成を前提として、ファン５１の駆動を制御するパワーモジュール１０９の詳細について図４を用いて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュール１０９を用いた回路構成例を示す回路図である。
図４に示すように、パワーモジュール１０９は、３相ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータよりなる電力変換回路である。
パワーモジュール１０９は、高圧直流電源線であるＰ電源線４０１と低圧直流電源線であるＮ電源線４０２との間にそれぞれ配置されたＵ相出力部５１０、Ｖ相出力部５２０、及びＷ相出力部５３０を備える。
Ｕ相出力部５１０、Ｖ相出力部５２０、及びＷ相出力部５３０は、高圧側ユニット６２１と低圧側ユニット６２２とをそれぞれ備える。

高圧側ユニット６２１と、低圧側ユニット６２２とは同一構成であり、スイッチング素子６１１と転流ダイオード６１２とが並列接続された構成である。
まず、各素子のそのものの構成について説明する。
スイッチング素子６１１及び転流ダイオード６１２の材料には、上記で説明したように、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等が採用可能である。
スイッチング損失や電力損失を抑制するには、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）がよい。
炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を採用すると、３００（℃）程度まで動作可能となるため、出力を高くするために基板温度が２００（℃）程度まで上昇する場合等によい。
また、窒化ガリウム（ＧａＮ）を採用すると、高周波での駆動が可能となる。
また、ダイヤモンドは上記の材料の物性値をすべて超えた特性を有しているため、ダイヤモンドを採用すると、パワーモジュール１０９のさらなる小型化が実現可能であり、電力損失やスイッチング損失をさらに大幅に低減することができる。

次に、各素子の接続構成について説明する。
高圧側ユニット６２１に含まれるスイッチング素子６１１のドレイン電極及び高圧側ユニット６２１に含まれる転流ダイオード６１２のカソード電極は、Ｐ電源線４０１に接続される。
高圧側ユニット６２１に含まれるスイッチング素子６１１のソース電極及び高圧側ユニット６２１に含まれる転流ダイオード６１２のアノード電極は、低圧側ユニット６２２に含まれるスイッチング素子６１１のドレイン電極と、低圧側ユニット６２２に含まれる転流ダイオード６１２のカソード電極との接続点に接続される。
低圧側ユニット６２２に含まれるスイッチング素子６１１のソース電極及び低圧側ユニット６２２に含まれる転流ダイオード６１２のアノード電極は、Ｎ電源線４０２に接続される。

高圧側ユニット６２１に含まれるスイッチング素子６１１のゲート電極及び低圧側ユニット６２２に含まれるスイッチング素子６１１のゲート電極は、制御回路（ゲートドライブ回路）６０１に接続される。
制御回路６０１がスイッチング素子６１１のオン／オフ動作を制御することにより、Ｐ電源線４０１及びＮ電源線４０２から供給される直流電流は、交流電流に変換される。

スイッチング素子６１１及び転流ダイオード６１２の各電極が、直接又はボンディングワイヤを介して、基板（図示せず）上に形成されたメタルパターン或いはパワーモジュール１０９が格納されるケース（図示せず）内の配線パターン（図示せず）と電気的に接続されることにより、パワーモジュール１０９は構成される。
Ｕ相出力部５１０の高圧側ユニット６２１と、Ｕ相出力部５１０の低圧側ユニット６２２との接続点から、Ｕ相交流出力ｕが出力される。
Ｖ相出力部５２０の高圧側ユニット６２１と、Ｖ相出力部５２０の低圧側ユニット６２２との接続点から、Ｖ相交流出力ｖが出力される。
Ｗ相出力部５３０の高圧側ユニット６２１と、Ｗ相出力部５３０の低圧側ユニット６２２との接続点から、Ｗ相交流出力ｗが出力される。
Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗにより、例えば、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３つの相を持った電動機１１１の各相に位相の異なる交流電流が流れることによって、電動機１１１は回転し、図２に示す回転体１１３が回転し、ファン５１が駆動する。

なお、上記の説明では、パワーモジュール１０９が３相ＰＷＭインバータよりなる電力変換回路である一例を示したが、２相或いは４相以上の交流電流を出力するパワーモジュール１０９であってもよい。また、パワーモジュール１０９がスイッチング素子６１１及び転流ダイオード６１２を備える一例を示したが、他の素子を含んでいてもよい。

なお、「スイッチング素子６１１」は、本発明における「パワーデバイス」に相当する。
また、「転流ダイオード６１２」は、本発明における「ダイオード素子」に相当する。

次に、上記で説明した構成を前提として、本実施の形態１における空気調和装置の利用側ユニット２２の動作について説明する。
まず、利用側制御部１０２に実装されているインバータ装置１０５は、駆動信号により電動機１１１を回転駆動させる。
電動機１１１の回転駆動により、空気吸込口２５から外部の空気が筐体１１内に流入する。
空気吸込口２５から流入した空気は、蒸発器として機能する利用側熱交換器３５において、利用側熱交換器３５内部を流れる冷媒と熱交換される。
これにより、空気吸込口２５から流入した空気は、冷却されて調和空気となったり、凝縮されて水滴となったりし、凝縮された水滴が下方に滴下することにより、ドレン水が生じる。
ドレン水は、一旦ドレンパン１３０で受け止められ、ドレンホース１４０を介して筐体１１外へ排出される。
このとき、ドレンパン１３０は、ヒートシンク１２０から伝達された熱により加熱される。
つまり、ヒートシンク１２０がドレンパン１３０内に貯留されたドレン水に対して放熱した状態となっている。
このことにより、インバータ装置１０５に実装されているパワーモジュール１０９の構成要素であるスイッチング素子６１１等が発生する熱は、ドレン水に対して放熱されることになる。

このように、インバータ装置１０５のパワーモジュール１０９の構成要素のうち、スイッチング素子６１１として、炭化珪素等を用いた素子で形成されるワイドバンドギャップ半導体が使用されていることにより、パワーモジュール１０９の耐熱性は向上する。
このことにより、ヒートシンク１２０の小型化が可能となるため、ヒートシンク１２０をドレンパン１３０に接触させた状態で配置させることが可能となる。
したがって、スイッチング素子６１１で発生した熱を、ヒートシンク１２０を介して、ドレンパン１３０へ放熱させることが可能となるため、ドレンパン１３０に貯留してあるドレン水を蒸発させることができる。
この結果、ドレンパン１３０の排水経路に滞留したドレン水を効率よく蒸発させることができる。

以上のように、本実施の形態１においては、圧縮機３１、熱源側熱交換器３３、第１絞り装置３９、第２絞り装置４０、及び利用側熱交換器３５が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路１０を備えた空気調和装置において、利用側熱交換器３５に対して空気を通流させるファン５１と、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子６１１を備え、ファン５１を駆動する利用側制御部１０２と、スイッチング素子６１１で発生した熱を放熱するヒートシンク１２０と、利用側熱交換器３５の下方に設けられ、利用側熱交換器３５から落下した水滴を貯留するドレンパン１３０とを備え、ヒートシンク１２０は、ドレンパン１３０に接触又は近接して配置されたことにより、ヒートシンク１２０からの熱がドレンパン１３０に伝達されやすくなり、ドレンパン１３０が貯留したドレン水を効率よく蒸発させることができる。この結果、ドレンパンの排水経路に滞留したドレン水を効率よく蒸発させることができる。

１０冷媒回路、１１筐体、２１熱源側ユニット、２２利用側ユニット、２５空気吸込口、２６空気吹出口、３１圧縮機、３２四方弁、３３熱源側熱交換器、３４アキュムレータ、３５利用側熱交換器、３６第１接続配管、３７第２接続配管、３９第１絞り装置、４０第２絞り装置、５１、５２ファン、５３ファン吸込口、５４ファン吹出口、５５、５５ａ、５５ｂバルブ、６１吐出圧センサ、６２吸入圧センサ、６３、７２、７３空気温度センサ、６４吐出温度センサ、６５吸入温度センサ、６６液管圧力センサ、７１熱交温度センサ、１０１熱源側制御部、１０２利用側制御部、１０５インバータ装置、１０６温度検知用サーミスタ、１０７コンバータ回路、１０８インバータ回路、１０９パワーモジュール、１１０制御用ＣＰＵ、１１１電動機、１１２電動機シャフト、１１３回転体、１２０ヒートシンク、１３０ドレンパン、１４０ドレンホース、２０１、２０２風向き、４０１Ｐ電源線、４０２Ｎ電源線、５１０Ｕ相出力部、５２０Ｖ相出力部、５３０Ｗ相出力部、６０１制御回路、６１１スイッチング素子、６１２転流ダイオード、６２１高圧側ユニット、６２２低圧側ユニット。

Claims

圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和装置において、
前記利用側熱交換器に対して空気を通流させる送風機と、
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワーデバイスを備え、前記送風機を駆動する制御装置と、
前記パワーデバイスで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
前記利用側熱交換器の下方に設けられ、当該利用側熱交換器から落下した水滴を貯留するドレンパンと
を備え、
前記ヒートシンクは、
前記ドレンパンに接触又は近接して配置された
ことを特徴とする空気調和装置。
前記送風機は電動機を備え、
前記制御装置は、
前記電動機に駆動電圧を供給する半導体モジュール
を備え、
前記半導体モジュールは、
スイッチング素子と、
当該スイッチング素子に並列に設けられたダイオード素子と
を備え、
前記パワーデバイスは、
前記スイッチング素子及び前記ダイオード素子のいずれか一方である
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、
炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた素子である
ことを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。