JP2014239174A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーデバイスを効率的に冷却するとともに、パワーデバイスから発生した熱を有効に利用する技術を提供する。【解決手段】空調装置１に、駆動時に発熱を伴うパワーデバイスであるＣＰＵ２０およびインバータ回路２１と、気相の冷媒と液相の冷媒とを分離する気液分離器４と、ＣＰＵ２０およびインバータ回路２１において発生する熱を奪うとともに、奪った熱を気液分離器４に向けて伝熱する自励振動ヒートパイプ３とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーデバイスを冷却する技術に関する。

従来より、駆動時に発熱するパワーデバイスを冷却する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、パワーデバイスである半導体モジュールをヒートシンクにより冷却する技術が記載されている。ヒートシンクは、熱伝導性の高い材料で構成されたベースにパワーデバイスを取り付け、当該ベースに立設したフィンにファンからの風（空気）を当てることにより放熱させる機構である。また、非特許文献１には、ヒートシンクとともにヒートレーンを併用してモジュールの冷却効率を向上させる技術が記載されている。

特開２０１３−０９３３６４号公報

富士時報（Vol.75 No.8 2002）

ところが、ヒートシンクは、パワーデバイスの近傍にフィンが設けられる構造となるため、パワーデバイスによって発生した熱は、当該パワーデバイスの近傍において空気中に放熱され、有効に利用されないという問題があった。この問題は、非特許文献１においても改善されてはいない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、パワーデバイスを効率的に冷却するとともに、パワーデバイスから発生した熱を有効に利用する技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、空調装置であって、駆動時に発熱を伴うパワーデバイスと、気液分離器と、前記パワーデバイスの熱を前記気液分離器に向けて伝熱する自励振動ヒートパイプとを備える。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る空調装置であって、複数の前記パワーデバイスを備え、前記自励振動ヒートパイプは、前記複数のパワーデバイスの熱を集熱して伝熱する。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る空調装置であって、前記自励振動ヒートパイプは、環状に配置された管状のヒートパイプと、前記パワーデバイスとの間で熱伝導可能な状態で前記ヒートパイプを固定する固定部材とを備え、前記複数のパワーデバイスが前記固定部材に取り付けられている。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明に係る空調装置であって、前記パワーデバイスは、インバータ回路を含む。

請求項１ないし４に記載の発明は、駆動時に発熱を伴うパワーデバイスと、気液分離器と、パワーデバイスの熱を気液分離器に向けて伝熱する自励振動ヒートパイプとを備えることにより、パワーデバイスからの熱を気液分離器をあたためるための熱として利用することができる。したがって、パワーデバイスを冷却することができるとともに、気液分離器の温度を上昇させ、冷媒の寝込みによる空調機器の性能低下を改善することができる。

本発明に係る空調装置のブロック図である。 自励振動ヒートパイプを示す図である。 自励振動ヒートパイプを示す図である。 自励振動ヒートパイプがＣＰＵおよびインバータ回路から熱を奪って、気液分離器に伝達する様子を例示する概略図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しつつ、詳細に説明する。ただし、以下の説明において特に断らない限り、方向や向きに関する記述は、当該説明の便宜上、図面に対応するものであり、例えば実施品、製品または権利範囲等を限定するものではない。

＜１． 実施の形態＞
図１は、本発明に係る空調装置１のブロック図である。空調装置１は、複数のパワーデバイスから構成されるパワーデバイス群２と、自励振動ヒートパイプ３と、気液分離器４とを備えている。

本実施の形態におけるパワーデバイス群２は、パワーデバイスとしてのＣＰＵ２０とインバータ回路２１とを含んでいる。ただし、空調装置１が備えるパワーデバイスは、ＣＰＵ２０とインバータ回路２１に限定されるものではなく、駆動時に発熱する回路や素子、機構などであれば特に限定されない。

ＣＰＵ２０は、図示しない記憶装置に記憶されたプログラムに従って動作することにより、各種データの演算や制御信号を生成して、空調装置１の各構成を制御する機能を有している。すなわち、空調装置１は、コンピュータとしての構成および機能を備えている。詳細は省略するが、ＣＰＵ２０は、半導体素子を備えた集積回路として構成されており、駆動時に発熱する。

インバータ回路２１は、直流電流を、所望の交流電流に変換する回路を含み、ＣＰＵ２０と同様に、駆動時に発熱する。なお、インバータ回路２１は、商用電源より供給される電流（交流電流）を、直流電流に変換する回路を含んでいてもよい。

気液分離器４は、図示しない蒸発器（熱交換器）において気化しきれなかった冷媒を分離する機能を有している。気液分離器４において分離された気相の冷媒は、圧縮機に循環される。

図２および図３は、自励振動ヒートパイプ３を示す図である。なお、図２および図３において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を定義し、Ｘ軸およびＹ軸を水平面と平行な軸として定義するとともに、Ｚ軸を鉛直方向に平行な軸として定義する。また、（−Ｚ）方向が重力方向となるように定義する。ただし、これらの軸は、説明の便宜上定義する軸である。

このように方向を定義することにより、図２は、自励振動ヒートパイプ３を（＋Ｚ）側から（−Ｚ）方向に見た図となる。また、図３は、自励振動ヒートパイプ３を（−Ｙ）側から（＋Ｙ）方向に見た図となる。

自励振動ヒートパイプ３は、ヒートパイプ３０と、ヒートパイプ３０を固定する固定部材３１とを備えている。自励振動ヒートパイプ３の構造は、従来の技術を適宜採用可能であるため、以下、簡単に説明する。

管状のヒートパイプ３０は、熱伝導性に優れた材料（例えば、アルミや銅などの金属類）で構成されている。ヒートパイプ３０の両端（図示せず）は、互いに連通した状態で接続されており、ヒートパイプ３０は環（ループ）を形成している。これにより、管状のヒートパイプ３０の内部は、密閉された空間を形成している。

ヒートパイプ３０の内部の空間には、作動液（水やブタンなど）が封入されている。当該作動液は、ヒートパイプ３０の内部において、熱を伝送するために用いられる。

また、ヒートパイプ３０の内部の空間には、逆止弁（図示せず）が設けられている。当該逆止弁は、作動液の移動する方向が一方向となるように規制している。これにより、作動液は、ヒートパイプ３０内を一定の方向にのみ流れることになり、作動液の移動を円滑にする効果がある。

また、ヒートパイプ３０は、内部の空間の連通状態を妨げないようにしつつ、適宜、折り曲げられて、蛇行するように形成され、櫛形形状に成形される。ヒートパイプ３０の櫛形形状において櫛歯に相当する部分は、互いにＺ軸に平行な方向に走る作動液の流路となる。本実施の形態におけるヒートパイプ３０は、当該櫛歯に相当する部分を、さらに略中央部分で折り返した形状となっている。そして、さらに、当該折り返し部分が、（−Ｚ）側となっている。なお、以下の説明において、ヒートパイプ３０の部分のうち、当該折り返し部分を「放熱部」と呼ぶ。

固定部材３１は、ヒートパイプ３０と同様に、熱伝導性に優れた素材（例えば、アルミや銅などの金属類）で構成されている。固定部材３１は、厚み（Ｙ軸方向の幅）の薄い板状部材であり、ＸＺ平面に平行な向きに設置される。

図２および図３に示すように、固定部材３１の（−Ｙ）側の表面には、ヒートパイプ３０が固設される。ヒートパイプ３０を固定部材３１に固定する手法としては、例えば、接着、溶接、テープによる貼付、取付部材を介した固定、あるいは、かしめ等の手法を用いることができる。ただし、このような手法に限定されるものではなく、ヒートパイプ３０を良好に固定することができ、かつ、ヒートパイプ３０への熱伝導性を妨げない手法であれば、どのような手法が採用されてもよい。なお、以下の説明において、ヒートパイプ３０の部分のうち、固定部材３１に固定されている部分（固定部材３１から熱が伝播する部分）を「受熱部」と呼ぶ。

図４は、自励振動ヒートパイプ３がＣＰＵ２０およびインバータ回路２１から熱を奪って、気液分離器４に伝達する様子を例示する概略図である。

固定部材３１の（＋Ｙ）側の表面（設置面）には、パワーデバイス群２（ＣＰＵ２０およびインバータ回路２１）が固設される。パワーデバイス群２を固定部材３１に固定する手法としては、パワーデバイス群２を良好に固定することができ、かつ、パワーデバイス群２において発生した熱の固定部材３１への伝導を妨げない手法であれば、どのような手法が採用されてもよい。

図４に示すように、パワーデバイス群２において発生した熱は、固定部材３１を介して、ヒートパイプ３０の受熱部に伝わる。言い換えれば、固定部材３１は、パワーデバイス群２との間で熱伝導可能な状態でヒートパイプ３０を固定する機能を有している。

ヒートパイプ３０の受熱部に熱が伝わると、当該受熱部の内部に存在する作動液に当該受熱部の熱が伝わり、作動液の一部は蒸発、膨張し、当該作動液がヒートパイプ３０内を放熱部に向かって流れる。このように、温度上昇した作動液が受熱部から放熱部に向かって流れることにより、当該作動液が熱（顕熱あるいは潜熱）を放熱部に伝送する。

受熱部から放熱部に向けて伝送された熱は、放熱部において、放熱され、ヒートパイプ３０の放熱部の近傍に配置された気液分離器４に向けて伝熱される。すなわち、自励振動ヒートパイプ３は、パワーデバイス群２の熱を気液分離器４に向けて伝熱する。なお、放熱部内の作動液は、放熱部における放熱により温度が低下する。

例えば、冬季などにおいて、気液分離器４の温度が著しく低温となると、空調装置１の起動後も気液分離器４内の冷媒がなかなか蒸発しない状態となる。この場合には、気液分離器４内に冷媒が多量に溜まった状態となる（いわゆる「寝込み現象」。）。このような現象が起きると、空調装置１において十分な冷媒が循環しない状態となるため、空調装置１の性能が低下する。

従来は、高圧側の高温ガスの一部を気液分離器に混入させたり、気液分離器を断熱材で覆ったりして対応していた。しかし、高圧側からガスの一部を気液分離器に混入させる方法では、結局、効率が低下し、空調機器１の性能低下が避けられないという問題があった。また、断熱材で覆う方法では効果に限界があるという問題があった。

本実施の形態における空調装置１は、パワーデバイス群２において発生した熱を、気液分離器４に向けて伝熱し、気液分離器４を温めることができる。したがって、熱を有効に利用することができ、冷媒の寝込み現象を抑制することができる。

なお、すでに説明したように、ヒートパイプ３０は環状に形成されており、かつ、ヒートパイプ３０内には逆止弁が設けられている。したがって、ヒートパイプ３０の受熱部内の作動液が放熱部に向かって流れることによって、逆に、放熱により温度が低下した放熱部内の作動液は受熱部に向かって流れる。そして、受熱部に到達した低温の作動液は、受熱部において、パワーデバイス群２に由来する熱を奪い、再び、放熱部に向かって流れる。

以上のように、本実施の形態における空調装置１は、駆動時に発熱を伴うパワーデバイス群２と、気液分離器４と、パワーデバイス群２の熱を気液分離器４に向けて伝熱する自励振動ヒートパイプ３とを備える。これにより、パワーデバイス群２からの熱を気液分離器４をあたためるための熱として利用することができる。したがって、パワーデバイス群２を冷却することができるとともに、気液分離器４が低温になり過ぎることを抑制することができる。すなわち、空調装置１の起動時などにおいて、冷媒回路内の特定の場所に冷媒が溜まってしまう現象を抑制することができる。

また、複数のパワーデバイスから構成されるパワーデバイス群２を備え、自励振動ヒートパイプ３は、複数のパワーデバイスの熱を集熱して伝熱する。したがって、個々のパワーデバイスごとに冷却機構を設ける必要がない。

また、自励振動ヒートパイプ３０は、環状に配置された管状のヒートパイプ３０と、パワーデバイス群２との間で熱伝導可能な状態でヒートパイプ３０を固定する固定部材３１とを備え、複数のパワーデバイスが固定部材３１に取り付けられている。このような構造により、パワーデバイスを固定部材３１上の自由な位置に配置することができる。したがって、設計の自由度が増し、汎用性が向上する。

また、パワーデバイス群２はインバータ回路２１のような特に発熱量の多いパワーデバイスを含めることが可能である。これら比較的熱密度の高いパワーデバイスが配置された場合においても、自励振動ヒートパイプ３０のパイプ間ピッチを狭めるなど、単位面積当たりの集熱能力を向上させる形状に調整して対応することが可能である。

なお、上記実施の形態では詳細な説明を省略したが、ヒートパイプ３０の断面形状は円形である。これにより、例えば、ヒートパイプ３０の加工が容易になり、コスト抑制効果が期待できる。しかし、円管（断面形状が円形の管）のヒートパイプ３０と、板状の固定部材３１との間では、接触面が線状になり、熱伝導効率が低下する。これを抑制するために、例えば、円管のヒートパイプ３０をＹ軸方向にプレスし、断面形状が略小判型になるように、わずかに歪ませてもよい。あるいは、ヒートパイプ３０と固定部材３１との間を、熱伝導性に優れた材料で埋めてもよい。あるいは、固定部材３１に、ヒートパイプ３０と迎合する溝を設けてもよい。このような手法により、ヒートパイプ３０と固定部材３１との接触面積が大きくなり、熱伝導効率が向上する。

また、上記実施の形態では、ヒートパイプ３０をすべて同じ材料で製造する例について説明した。しかし、例えば、受熱部と放熱部とが離れた場所にある場合、受熱部と放熱部との間の部分（以下、「断熱部」と称する。）を、樹脂等で製造し、コストを抑制してもよい。また、断熱部を樹脂等の断熱性の優れた材料で製作することにより、受熱部にて受け取った熱を失うことなく、あるいは、熱を与えるべきでないエリアを通過させることができる。

＜２． 変形例＞
以上、本発明の好適な実施の形態について説明してきたが、上記好適な実施の形態は本質的に例示であって、本発明は上記好適な実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、ヒートパイプ３０の環状形状は、上記実施の形態に示した形状に限定されるものではない。一般に、従来技術に示したヒートレーンは、構造上、ほぼ面状の配置に限定される。しかし、ヒートパイプ３０は、装置内のスペースや部品配置、熱源の場所や形状等に応じて、管を自由にとり回すことが可能である。したがって、ヒートパイプ３０を用いることにより、空調装置１は、設計の自由度が向上する。また、空調装置１内において、集熱対象や放熱対象を自由に選択することができる。また、ヒートパイプ３０のパイプ間のピッチを容易に変更することもできるため、熱源の熱密度に応じた最適の形状を採用することができ、例えば、ピッチを狭めることで集熱効率を向上させることができる。さらに、ヒートレーンと異なり、ヒートパイプ３０は、必要に応じて、束ねることも可能であるため、空調装置１の小型化にも貢献する。

また、ヒートパイプ３０の環状形状は、１つの直管を適宜折り曲げることにより作成してもよいし、部分的な部品を複数制作した後にこれらを互いに連通するように接続して作成してもよい。

また、自励振動ヒートパイプ３０は、気液分離器４の近傍に設置された放熱部に、熱伝導可能な状態でヒートシンクを取り付けて、当該ヒートシンクから気液分離器４に向けて放熱させる構成としてもよい。ヒートパイプ３０は、ヒートレーンに比べて、流路長さに対する表面積が大きいため、冷却効果が高いという特性がある。したがって、ヒートシンクと併用したとしても、ヒートレーンと併用する場合に比べて、フィンを少なく（小さく）することができる。

また、伝熱する対象は、気液分離器４に限定されるものではない。例えば、一部の熱を熱交換器に向けて伝熱することにより、熱交換器における霜付きを防止するように構成してもよい。あるいは、空調装置１の低温側との間で熱交換し、冷媒を温めて気化させてもよい。このように構成することにより、空調装置１における冷媒の作動効率を上げることができる。

１ 空調装置
２ パワーデバイス群
２０ ＣＰＵ
２１ インバータ回路
３ 自励振動ヒートパイプ
３０ ヒートパイプ
３１ 固定部材
４ 気液分離器

Claims (4)

1. 駆動時に発熱を伴うパワーデバイスと、
   気液分離器と、
   前記パワーデバイスの熱を前記気液分離器に向けて伝熱する自励振動ヒートパイプと、
   を備える空調装置。
2. 請求項１に記載の空調装置であって、
   複数の前記パワーデバイスを備え、
   前記自励振動ヒートパイプは、前記複数のパワーデバイスの熱を集熱して伝熱する空調装置。
3. 請求項２に記載の空調装置であって、
   前記自励振動ヒートパイプは、
   環状に配置された管状のヒートパイプと、
   前記パワーデバイスとの間で熱伝導可能な状態で前記ヒートパイプを固定する固定部材と、
   を備え、
   前記複数のパワーデバイスが前記固定部材に取り付けられている空調装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の空調装置であって、
   前記パワーデバイスは、インバータ回路を含む空調装置。

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