JP2020072242A - 電装品モジュール、及びチリングユニット - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的に放熱することが可能な電装品モジュール、及びチリングユニットを提供する。【解決手段】電装品モジュール９０は、基板本体６の実装面に設けられ、空気の流れ方向から見て、流路Ｆを第一流路Ｆ１、及び第二流路Ｆ２に区画する仕切板Ｂを備え、第一流路Ｆ１には、発熱量が相対的に大きい電装品７に取り付けられたヒートシンク８が配置され、第二流路Ｆ２には、発熱量が相対的に小さい電装品７に取り付けられたヒートシンク８が配置され、第二流路Ｆ２には、電装品７に取り付けられたヒートシンク８と空気の流れ方向に間隔をあけて、電装品７の一つとしてのリアクタ７３がさらに配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電装品モジュール、及びチリングユニットに関する。

空調装置の一例として、チリングユニット（熱交換ユニット）を備えたものが知られている。このチリングユニットは、空気熱交換器と、空気熱交換器に送風する送風機と、冷媒回路内の冷媒を圧縮する圧縮機と、を主に有している。送風機による送風が空気熱交換器に触れることで、冷媒回路内を循環する冷媒と、外部の空気との間で熱交換が行われる。

このような装置は、長時間にわたって高出力のもと継続的に運転される場合があることから、内部の電源回路や制御回路も大容量の電力に対応できる構成とされている。その結果、回路素子（電装品）から放出される熱量も大きくなる。この熱を効率的に放熱させるため、各電装品にはヒートシンクが取り付けられている。さらに、ヒートシンクの近傍に送風用のファンを設けることで、ヒートシンクに空気を積極的に接触させて放熱効果が高められている。この種の構成を有する装置の具体例として、下記特許文献１に記載されたものが挙げられる。特許文献１に記載された装置では、ヒートシンクに対して、より効率的に空気の流れを案内するべく、複数のヒートシンク同士の間に仕切板が設けられている。

特開２０１２−８７９５４号公報

ここで、電装品の発熱量が大きいほど、より大きなヒートシンクが用いられることが一般的である。しかしながら、ヒートシンクが大きくなるとヒートシンク仕様によっては当該ヒートシンクが位置する流路の圧力損失が他方の流路に比べて増大する。その結果、より積極的な冷却が必要な流路に空気が十分に流れ込まず、ヒートシンクの放熱性能を十分に発揮できない可能性がある。したがって、より効率的に放熱することが可能な電装品モジュールに対する要請が高まっている。

そこで本発明は、より効率的に放熱することが可能な電装品モジュール、及びチリングユニットを提供する。

本発明の一態様によれば、電装品モジュールは、実装面を有し、該実装面同士が互いに向かい合うように配置されることで、流路を間に形成する一対の基板本体と、各前記実装面に配置された複数の電装品と、前記複数の電装品ごとに取り付けられ、前記流路に露出する複数のヒートシンクと、前記流路内に空気の流れを形成するファンと、各前記実装面に設けられ、前記空気の流れ方向から見て、前記流路を第一流路、及び第二流路に区画する仕切板と、を備え、前記第一流路には、前記複数のヒートシンクのうち、発熱量が相対的に大きい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクが配置され、前記第二流路には、発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクが配置され、前記第二流路には、前記発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクと前記空気の流れ方向に間隔をあけて、前記電装品の一つとしてのリアクタがさらに配置されている。

この構成によれば、第二流路に発熱量が相対的に小さい電装品に取り付けられたヒートシンクが配置され、さらに当該流路には、電装品の一つとしてのリアクタが配置される。これにより、第二流路の圧力損失を大きくすることができる。その結果、第二流路にリアクタを配置しないことで第二流路側の圧力損失が小さい場合に比べて、第一流路に流れ込む空気の流量を増やすことができる。よって、第一流路に配置された発熱量が相対的に大きい電装品に取り付けられたヒートシンクの放熱性能を高めることができる。

また、前記リアクタが前記第一流路と前記第二流路とに跨って配置され、前記リアクタにおける前記第一流路側での前記空気の流れ方向への投影面積よりも、前記リアクタにおける前記第二流路側での前記投影面積の方が大きくともよい。

この構成によれば、リアクタの一部を第一流路側に露出させることで、第一流路と第二流路とにおける空気の配分をより細かく設定することができる。

また、前記リアクタは、前記発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクよりも前記空気の流れ方向の下流側に配置されていてもよい。

この構成によれば、より積極的な冷却が必要な電装品に取り付けられたヒートシンクに先に空気の流れを接触させ、その後、下流側のリアクタに空気を接触させることができる。したがって、ヒートシンクの放熱性能を十分に発揮させることができる。

また、本発明の一態様によれば、チリングユニットは、送風機と、前記送風機によって取り込まれた空気と冷媒との間で熱交換する冷媒回路と、前記冷媒と水との間で熱交換することで温度調節された水を生成する給水系統と、前記送風機、前記冷媒回路、及び前記給水系統の動作を制御するコントローラとしての上記電装品モジュールとを備える。

上記態様の電装品モジュール、及びチリングユニットによれば、より効率的に放熱することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るチリングユニットの構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る電装品モジュールを回路基板の実装面に向かう方向から見た断面図である。 本発明の第一実施形態に係る電装品モジュールを回路基板の実装面を側方から見た断面図である。 本発明の第二実施形態に係る電装品モジュールを回路基板の実装面に向かう方向から見た断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１と図２を参照して説明する。本実施形態に係る電装品モジュール９０は、チリングユニット１００のコントローラに好適に適用される。まず、チリングユニット１００の構成について説明する。チリングユニット１００は、水等の各種の液体を、温度をコントロールしながら循環させるための装置であり、空調機や給湯機を含む様々な産業機械に付随して設置される。

具体的には図１に示すように、チリングユニット１００は、送風機１と、冷媒回路２と、給水系統３と、ハウジング４と、電装品モジュール９０（コントローラ）と、を備えている。送風機１の下方には、一対の空気熱交換器２１（後述）が設けられている。一対の空気熱交換器２１は、水平方向に互いに対向するように間隔をあけて配置されている。より詳細には、これら空気熱交換器２１同士の間の間隔は、下方から上方に向かうに従って次第に大きくなっている。詳しくは図示しないが、空気熱交換器２１は内部に冷媒が流通する伝熱管を有している。

冷媒回路２は、空気熱交換器２１と、圧縮機２２と、膨張弁２３と、水熱交換器２４と、四方弁（不図示）と、を有している。空気熱交換器２１、圧縮機２２、膨張弁２３、四方弁は、ハウジング４内の空間に配置されている。空気熱交換器２１、圧縮機２２、膨張弁２３、及び四方弁は配管によって接続されている。送風機１は、空気熱交換器２１によって挟まれた空間の空気を、この空間の外部へ向かって上方へ吹き出す。

給水系統３は、温度調節された水を生成する。給水系統３は、水と上記の水熱交換器２４を流通する冷媒との間で熱交換させるための配管と、水を圧送するポンプ３１と、を有している。水熱交換器２４は、ハウジング４内における空気熱交換器２１の下方に配置されている。水熱交換器２４はポンプ３１と接続されており、ポンプ３１によって圧送された水は、水熱交換器２４内を通過することで加熱されたり冷却されたりする。

次に、冷媒回路２の動作について説明する。まず、圧縮機２２は、冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を冷媒回路に供給する。空気熱交換器２１は、冷媒と、送風機１によって取り込まれた外部の空気との間で熱交換を行う。膨張弁２３は、空気熱交換器２１内で熱交換をすることで液化した高圧の冷媒を膨張させて低圧化する。空気熱交換器２１は、冷却運転時には、凝縮器として用いられ室外へ放熱し、加熱運転時には、蒸発器として用いられ室外から吸熱する。

水熱交換器２４は、冷媒と、給水配管を通じて取り込まれた水との間で熱交換を行う。水熱交換器２４は、冷却運転時には蒸発器として用いられ、水の熱を吸熱し、加熱運転時には凝縮器として用いられ、水に対して放熱する。四方弁は、冷却運転時と加熱運転時とで冷媒の流通する方向を切り替える。これにより、冷却運転時には、冷媒が、圧縮機２２、空気熱交換器２１、膨張弁２３及び水熱交換器２４の順に循環する。一方、加熱運転時には、冷媒が、圧縮機２２、水熱交換器２４、膨張弁２３及び空気熱交換器２１の順に循環する。

電装品モジュール９０は、上記のような冷却運転と加熱運転の切換や、吐出される水の温度を調節するための制御を行う。詳しくは図示しないが、電装品モジュール９０は、制御回路と、電源回路と、を主に備えている。これら回路は、電子回路又は電気回路として構成されている。電装品モジュール９０は、互いに同等の機能・構成を有する一対の回路基板５と、ファン９と、ケーシング１０と、を有している。図１に示すように、一対の回路基板５は、ハウジング４内の下部に、垂直方向に立つように配置されている。回路基板５の上方にはファン９が設けられている。

図２に示すように、各回路基板５は、基板本体６と、複数の電装品７と、ヒートシンク８と、を備えている。基板本体６は、ガラスエポキシやアルミナ、ベークライト等で形成された板状部材であり、厚さ方向における一方側の面（実装面６Ｓ）には、上述の回路を構成するためのプリント配線が施されている。図３に示すように、各回路基板５における基板本体６は、この実装面６Ｓ同士が互いに向かい合うように配置されている。
互いに向かい合う基板本体６同士を隔てるように、互いに向かい合う基板本体６上に空間Ｓを画成する仕切部材１１が設けられている。仕切部材１１は各基板本体６上の電装品７を覆うように設けられている。仕切部材１１は電装品７の鉛直方向の上下には設けられず、空間Ｓは上下に開口している。
さらに、本実施形態では、水平方向にも同一の構成を有する回路基板５が隣接して配置されている。即ち、この電装品モジュール９０は、計４つの回路基板５を有している。上記仕切部材１１は、隣接して配置された各々の回路基板５における基板本体６を個別に覆っている。
各回路基板５の実装面６Ｓ上の空間Ｓは、ファン９によって形成された空気の流れが流通する流路Ｆとされている。ファン９は、この流路Ｆの上端部（鉛直上方の端部）に、水平方向に間隔をあけて複数（４つ）配列されている。より詳細には、一対の回路基板５ごとに２つずつのファン９が設けられている。

各ファン９としては、例えばプロペラファンやシロッコファンが好適に用いられる。各ファン９は、下方から上方に向かって空気の流れを形成することができるような姿勢で配置されている。即ち、本実施形態では、各ファン９の回転軸は鉛直方向に延びている。

実装面６Ｓ上の空間Ｓ内には、プリント配線を介して互いに接続された複数の電装品７が取り付けられている。電装品７の具体例としては、第一電装品７１としてのＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）や、第二電装品７２としてのＤＭ（ダイオードモジュール）等のパワーモジュールや、リアクタ７３等の受動素子が挙げられる。チリングユニット１００は通常、大容量の電力を扱うことから、これらの電装品７はチリングユニット１００の運転中に大きく発熱する。またパワーモジュールからの発熱量は、受動素子の発熱量に比べて大きい。この熱を放熱させるために、電装品７ごとにヒートシンク８が取り付けられている。上記の各ファン９は、これらヒートシンク８に向かう空気の流れをハウジング４内に形成する。より具体的には、ファン９によって、下方からヒートシンク８を経て上方に向かう空気の流れが形成される。

各々の実装面６Ｓ上には、鉛直方向から見て、流路Ｆ（空間Ｓ）を２つに分割する仕切板Ｂが設けられている。仕切板Ｂは、鉛直方向に延びるとともに、実装面６Ｓから基板本体６の厚さ方向に突出する板状の部材である。仕切板Ｂを基準として一方側の領域は第一流路Ｆ１とされ、他方側の領域は第二流路Ｆ２とされている。上述の複数の電装品７のうち、第一流路Ｆ１に配置されている電装品７は第一電装品７１とされ、第二流路Ｆ２に配置されている電装品７は第二電装品７２とされている。

具体的に第一電装品７１としてはＩＰＭが適用される。第二電装品７２としてはＤＭが適用される。ＤＭに比べてＩＰＭは発熱量が大きいため、第二電装品７２の発熱量に比べて、第一電装品７１の発熱量の方が大きい。これに伴って、第一電装品７１に取り付けられているヒートシンク８（第一ヒートシンク８１）は、第二電装品７２に取り付けられているヒートシンク８（第二ヒートシンク８２）よりも寸法が大きく設定されている。また、例えば各々のヒートシンク８の表面には複数の放熱フィン（不図示）が設けられているが、第一ヒートシンク８１の放熱フィンのピッチの方が第二ヒートシンク８２の放熱フィンのピッチよりも狭くなっている。

第二流路Ｆ２における第二電装品７２の下流側（即ち、鉛直方向における上側）に、さらに電装品７としてのリアクタ７３が設けられている。リアクタ７３は、他の電装品７と同様に、実装面６Ｓ上に取り付けられている。

基板本体６、電装品７、ヒートシンク８、及びファン９は、ケーシング１０の内部に収容されている。ケーシング１０は箱状をなしており、図２に示すように、ファン９の上方を覆う天井部１０Ａと、この天井部１０Ａを下方から支持する前壁部１０Ｂと、後壁部１０Ｃと、これら前壁部１０Ｂ及び後壁部１０Ｃを接続する一対の側壁部１０Ｄと、を有している。このうち、後壁部１０Ｃの上部には、空気とともに熱を外部に排出する排気孔１０Ｈが形成されている。即ち、この排気孔１０Ｈは、水平方向において各ファン９による空気の流れの下流側に形成されている。

以上、説明したように、上述の構成によれば、第一流路Ｆ１に発熱量が相対的に大きい電装品７（第一電装品７１）に取り付けられた第一ヒートシンク８１が配置され、第二流路Ｆ２に発熱量が相対的に小さい電装品７（第二電装品７２）に取り付けられた第二ヒートシンク８２が配置され、第二流路Ｆ２には、電装品７の一つとしてのリアクタ７３が配置される。
ここで仮にリアクタ７３が第二流路Ｆ２に配置されない場合、第一流路Ｆ１内で、第一ヒートシンク８１が相対的に大きな体積を占めることやフィンピッチが狭いことから、第二流路Ｆ２での空気の通風抵抗（圧力損失）に比べて、第一流路Ｆ１での通風抵抗の方が大きくなってしまう。その結果、より積極的な冷却（空気の供給）が必要とされる第一流路Ｆ１ではなく、第二流路Ｆ２により多くの空気が流れ込んでしまう可能性がある。

本実施形態では、リアクタ７３を第二流路Ｆ２に配置することで、第二流路Ｆ２での空気の通風抵抗を増大させ、リアクタ７３が設けられていない場合に比べて、より積極的な冷却が必要な第一流路Ｆ１に、より多くの空気を供給することができる。これにより、第一ヒートシンク８１の放熱性能を十分に発揮させることができ、第一電装品７１の冷却効果を高め、電装品モジュール９０をより効率的に冷却することができる。

さらに、上述の構成によれば、リアクタ７３が第二ヒートシンク８２の下流側に設けられている。したがって、より積極的な冷却が必要な第二電装品７２に取り付けられた第二ヒートシンク８２対して先に空気の流れを接触させ、その後、下流側のリアクタ７３が冷却される。その結果、第二ヒートシンク８２の放熱性能を十分に発揮させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば上記実施形態では、リアクタ７３以外に２つの電装品７（第一電装品７１，第二電装品７２）が設けられている例について説明した。しかしながら、電装品７の個数は上記に限定されず、第一流路Ｆ１、及び第二流路Ｆ２にそれぞれ２つ以上の電装品７が設けられている構成を採ることも可能である。要するに、第二流路Ｆ２内にリアクタ７３が設けられることによって、より冷却が必要となる第一流路Ｆ１への風量が増加する限り、当該構成は本発明の要旨に包含される。

また、リアクタ７３は第二電装品７２の上流側に設けられてもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、リアクタ７３の少なくとも一部が、第一流路Ｆ１側に露出している。言い換えると、リアクタ７３は第一流路Ｆ１と第二流路Ｆ２とに跨るようにして実装面６Ｓ上に配置されている。また、このリアクタ７３は、仕切板Ｂの上端部の上側に配置されている。リアクタ７３における第一流路Ｆ１側に露出する一部分の鉛直方向上方（空気の流れ方向）への投影面積よりも、リアクタ７３における第二流路Ｆ２側に露出する一部分の投影面積の方が大きくなっている。なお、第一流路Ｆ１に露出するリアクタ７３の大きさ（鉛直方向上方への投影面積）は、第一流路Ｆ１及び第二流路Ｆ２において必要とされるそれぞれの風量に基づいて適宜調節される。

この構成によれば、リアクタ７３の一部を第一流路Ｆ１側に露出させることで、第一流路Ｆ１と第二流路Ｆ２とにおける空気（風量）の配分をより細かく設定することができる。その結果、電装品モジュール９０をより効率的に冷却することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態では、電装品モジュール９０をチリングユニット１００のコントローラに適用した例について説明した。しかしながら、電装品モジュール９０の適用対象はチリングユニット１００に限定されず、他の空調装置や給湯機等に適用することが可能である。また、上記の実施形態では流路Ｆは鉛直方向に延びている場合について説明したが、流路Ｆの延びる方向は鉛直方向である場合に限定されず、例えば水平方向であってもよい。

１…送風機
２…冷媒回路
３…給水系統
４…ハウジング
５…回路基板
６…基板本体
６Ｓ…実装面
７…電装品
８…ヒートシンク
９…ファン
１０…ケーシング
１０Ａ…天井部
１０Ｂ…前壁部
１０Ｃ…後壁部
１０Ｄ…側壁部
１０Ｈ…排気孔
１１…仕切部材
２１…空気熱交換器
２２…圧縮機
２３…膨張弁
２４…水熱交換器
３１…ポンプ
７１…第一電装品
７２…第二電装品
７３…リアクタ
８１…第一ヒートシンク
８２…第二ヒートシンク
９０…電装品モジュール
１００…チリングユニット
Ｂ…仕切板
Ｆ…流路
Ｆ１…第一流路
Ｆ２…第二流路
Ｓ…空間

Claims (4)

1. 実装面を有し、該実装面同士が互いに向かい合うように配置されることで、流路を間に形成する一対の基板本体と、
   各前記実装面に配置された複数の電装品と、
   前記複数の電装品ごとに取り付けられ、前記流路に露出する複数のヒートシンクと、
   前記流路内に空気の流れを形成するファンと、
   各前記実装面に設けられ、前記空気の流れ方向から見て、前記流路を第一流路、及び第二流路に区画する仕切板と、
   を備え、
   前記第一流路には、前記複数のヒートシンクのうち、発熱量が相対的に大きい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクが配置され、前記第二流路には、発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクが配置され、
   前記第二流路には、前記発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクと前記空気の流れ方向に間隔をあけて、前記電装品の一つとしてのリアクタがさらに配置されている電装品モジュール。
2. 前記リアクタが前記第一流路と前記第二流路とに跨って配置され、前記リアクタにおける前記第一流路側での前記空気の流れ方向への投影面積よりも、前記リアクタにおける前記第二流路側での前記投影面積の方が大きい請求項１に記載の電装品モジュール。
3. 前記リアクタは、前記発熱量が相対的に小さい前記電装品に取り付けられた前記ヒートシンクよりも前記空気の流れ方向の下流側に配置されている請求項１又は２に記載の電装品モジュール。
4. 送風機と
   前記送風機によって取り込まれた空気と冷媒との間で熱交換する冷媒回路と、
   前記冷媒と水との間で熱交換することで温度調節された水を生成する給水系統と、
   前記送風機、前記冷媒回路、及び前記給水系統の動作を制御するコントローラとしての請求項１から３のいずれか一項に記載の電装品モジュールと、
   を備えるチリングユニット。

Images