JP2020169753A - 冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱部材を効率的に加熱して結露の発生を回避できる冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機を提供する。【解決手段】空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱する被冷却部３２に対して熱的に接触する伝熱部材５０と、伝熱部材５０に対して熱的に接触して伝熱部材５０を冷却する冷却部５４と、電気回路と機能的に独立して、伝熱部材５０に対して熱的に接触して伝熱部材５０を加熱するヒータ部５２とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機に関する。

冷媒が充填された冷凍サイクルを有する空気調和機の室外機には、圧縮機の電動機等を制御するために、インバータ回路などの電気回路が搭載される。このインバータ回路には、一般的に、作動熱を発するパワー素子が設けられている。このパワー素子を適正な温度環境下で作動させるために、パワー素子を冷却する手段が設けられることがある。

冷却の手段としては、例えば、冷媒が流通する冷媒配管を、冷却ブロック等を介してパワー素子に熱的に接触させてこの冷媒配管を流通する冷媒の冷熱によってパワー素子を冷却するものがある。

しかし、冷媒によって過度に冷却ブロックが冷却された場合、冷却ブロックの表面に結露が生じる可能性がある。結露によって生成された水滴がパワー素子や他の電装部品に触れてしまうと故障を引き起こす原因になる可能性がある。

このため、冷媒冷却によって生じる結露を抑制する必要があり、例えば特許文献１には、電力変換装置が備える昇圧コンバータを故意に発熱させることで結露を解消する装置が開示されている。

国際公開第２０１７／１３８１３０号

特許文献１に開示されている装置は、昇圧コンバータ（詳細には、昇圧コンバータが有するリアクタ）を発熱させているが、昇圧コンバータは、本来、圧縮機が有する電動機の運転状態に応じて電圧を昇圧する電装部品であって、発熱を主たる機能とした部品ではない。

このため、（１）発熱量が小さいため昇温に時間を要する、（２）応答性良く発熱の制御ができない、（３）運転状況との関係で発熱の制御が制限される、等の課題が生じる可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、伝熱部材を効率的に加熱して結露の発生を回避できる冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る冷却構造は、空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱する被冷却部に対して熱的に接触する伝熱部材と、該伝熱部材に対して熱的に接触して前記伝熱部材を冷却する冷却部と、前記電気回路と機能的に独立して、前記伝熱部材に対して熱的に接触して前記伝熱部材を加熱するヒータ部とを備えている。

本態様に係る冷却構造によれば、空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱する被冷却部に対して熱的に接触する伝熱部材と、伝熱部材に対して熱的に接触して伝熱部材を冷却する冷却部とを備えている。これによれば、作動時に発熱する被冷却部を、伝熱部材を介して冷却部によって冷却することができる。被冷却部は、例えば冷媒を圧縮する圧縮機用のインバータ回路に設けられるパワー素子とされる。伝熱部材は、例えばアルミ合金など熱伝導率が高い材料でできたブロック材とされる。冷却部は、例えば空調機の冷凍サイクルを循環する低温の冷媒が流通する配管とされる。
また、冷却構造は、伝熱部材に対して熱的に接触して伝熱部材を加熱するヒータ部を備えている。これによれば、冷却部による過度な冷却によって伝熱部材に結露が生じる前に、ヒータ部によって伝熱部材を昇温させることで結露の発生を回避することができる。
このとき、ヒータ部は、発熱を主たる機能としている部品とされている。このため、即時的に昇温可能とされる。また、ヒータ部は空調機を制御する電気回路と機能的に独立した部品なので、例えば圧縮機等の制御に影響されることなく単体で独立して制御可能である。このため、応答性良く制御でき、また、空調機の運転状況に影響されることなく制御できる。

また、本発明の一態様に係る冷却構造において、前記ヒータ部は、前記伝熱部材の加熱領域の面に配置され、前記被冷却部と前記冷却部とは、前記加熱領域とは異なる前記伝熱部材の冷却領域を挟んで対向する面のそれぞれに配置されている。

本態様に係る冷却構造によれば、ヒータ部は、伝熱部材の加熱領域の面に配置され、被冷却部と冷却部とは、加熱領域とは異なる伝熱部材の冷却領域を挟んで対向する面のそれぞれに配置されている。これによれば、ヒータ部が熱的に接触する伝熱部材の領域と、被冷却部及び冷却部が熱的に接触する伝熱部材の領域とを分けることができる。

また、本発明の一態様に係る冷却構造において、前記伝熱部材には、前記加熱領域を覆う断熱材が設けられている。

本態様に係る冷却構造によれば、伝熱部材には、加熱領域を覆うように断熱材が設けられている。これによれば、ヒータ部から加熱領域に移動した温熱が加熱領域の伝熱部材から放熱されることを回避できる。このため、ヒータ部からの温熱を効率的に伝熱部材に蓄えることができる。

また、本発明の一態様に係る冷却構造において、前記加熱領域における前記伝熱部材の断面積は、前記冷却領域における前記伝熱部材の断面積よりも大きくされている。

本態様に係る冷却構造によれば、加熱領域における伝熱部材の断面積は、冷却領域における伝熱部材の断面積よりも大きくされている。これによれば、ヒータ部が配置される加熱領域の伝熱部材にはヒータ部からの温熱が蓄えられやすい。また、加熱領域に蓄えられた温熱は加熱領域よりも断面積が小さい冷却領域に集中的に移動するので、ヒータ部からの温熱を効率的に冷却領域に伝えることができる。

また、本発明の一態様に係る電装ユニットは、上述の冷却構造と、電装部品とされた前記被冷却部と、該被冷却部が収容される電装ボックスとを備えている。

本態様に係る電装ユニットによれば、上述の冷却構造と、電装部品とされた被冷却部と、被冷却部が収容される電装ボックスとを備えている。

また、本発明の一態様に係る電装ユニットは、前記電装ボックスの内部の温度を測定する第１温度センサと、前記伝熱部材の温度を測定する第２温度センサと、前記第１温度センサからの情報に基づいて前記電装ボックス内の露点温度を算出するとともに、算出した前記露点温度及び前記第２温度センサからの情報に基づいて前記ヒータ部の加熱状態を制御する制御部とを備えている。

本態様に係る電装ユニットによれば、電装ボックスの内部の温度を測定する第１温度センサと、伝熱部材の温度を測定する第２温度センサと、第１温度センサからの情報に基づいて電装ボックス内の露点温度を算出するとともに、算出した露点温度及び第２温度センサからの情報に基づいてヒータ部の加熱状態を制御する制御部とを備えている。これによれば、伝熱部材に結露が発生する前にヒータ部を作動させることができる。

また、本発明の一態様に係る室外機は、上述の電装ユニットを備えている。

本発明に係る冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機によれば、伝熱部材を効率的に加熱して結露の発生を回避できる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造が採用されている冷凍サイクルの一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の正面図である。 図２に示すＩ−Ｉ切断線における断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る冷却構造及びこれを備えた電装ユニット並びに室外機について図面を用いて説明する。

冷却構造４０は、空調機の冷凍サイクル１０が備える圧縮機１２等の機器を制御する電装部品を冷却するための構造である。

図１に示すように、冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、凝縮器１４、膨張弁１６及び蒸発器１８等の機器が冷媒配管によって接続されることで構成されている。また、冷凍サイクル１０には冷媒が充填されている。

圧縮機１２は、蒸発器１８から導かれた低圧のガス冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒を吐出する。

凝縮器１４は、圧縮機１２から吐出されたガス冷媒を熱交換によって凝縮させて高圧の液冷媒とする。凝縮器１４はファン１５と熱交換器（図示せず）とを有しており、ファン１５と熱交換器とによって熱交換が行われる。

膨張弁１６は、凝縮器１４から導かれた高圧の液冷媒を膨張によって蒸発させて低温低圧の気液混合冷媒とする。

蒸発器１８は、膨張弁１６から導かれた気液冷媒を熱交換によって蒸発させて低圧のガス冷媒とする。蒸発器１８はファン１９と熱交換器（図示せず）とを有しており、ファン１９と熱交換器とによって熱交換が行われる。

上述の各機器その他空調機を構成する各機器は、電装ボックス３０に収容された電装部品によって制御され、これらの電装部品が空調機を制御する電気回路として構成されている。

電装部品としては、例えば、圧縮機１２を制御するパワー素子（被冷却部）３２（ＩＰＭ；Intelligent Power Module）等がある。

パワー素子３２は作動時（通電時）に発熱する。このため、パワー素子３２を適正な温度環境下で作動させるためにはパワー素子３２を冷却する必要があり、冷却構造４０はパワー素子３２のように空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱する電装部品を冷却するための構造とされる。

図２及び図３に示すように、冷却構造４０は、伝熱部材５０、ヒータ部５２及び冷媒配管（冷却部）５４を備えている。

伝熱部材５０は、冷媒配管５４からの冷熱をパワー素子３２に伝えるための部材であって、加熱領域５０Ａ及び冷却領域５０Ｂが一体に接続されたブロック状の部材とされる。
伝熱部材５０は、例えばアルミ合金等の伝熱性に優れた金属によって形成される。

図３に示すように、加熱領域５０Ａはヒータ部５２が接触する面を有する伝熱部材５０の一領域（同図において上半分の領域）であって所定の板厚ｔ１を持って構成されている。一方、冷却領域５０Ｂはパワー素子３２が接触する面及び冷媒配管５４が接触する面を有する伝熱部材５０の一領域（同図において下半分の領域）であって所定の板厚ｔ２を持って構成されている。なお、ここで言う「板厚」とは、図３における伝熱部材５０の左右方向の寸法であり、伝熱部材５０の正面から背面までの寸法である。

板厚ｔ１は板厚ｔ２よりも大きく設定されることが好ましい。これによって、加熱領域５０Ａの横断面積が冷却領域５０Ｂの横断面積よりも大きくなる。すなわち、加熱領域５０Ａから冷却領域５０Ｂに向かうに伴って、２つの領域の境界近傍において横断面積が縮小することとなる。

一体に接続されている加熱領域５０Ａ及び冷却領域５０Ｂの背面はフラットな面とされ、このフラットな背面が電装ボックス３０の正面に対して配置される。

加熱領域５０Ａの正面（電装ボックス３０とは反対側の面）には、ヒータ部５２が取り付けられている。

冷却領域５０Ｂの正面には、冷媒配管５４が配置されている。また、冷却領域５０Ｂに隣接する電装ボックス３０の内部には、電装部品のうち発熱性を有するパワー素子３２が伝熱部材５０と熱的に接触するように取り付けられている。すなわち、冷媒配管５４とパワー素子３２とは、冷却領域５０Ｂを介して対向する伝熱部材５０の面のそれぞれに配置されている。

ヒータ部５２は、発熱を主たる機能とする機器であって、後述するヒータ制御部（制御部）によって発熱状態が制御される。ヒータ部５２が発熱することによって伝熱部材５０（加熱領域５０Ａ）が加熱されて昇温する。

なお、ヒータ部５２は、空調機を制御する電気回路を構成する電装部品とは別の部品とされ空調機の制御機能には影響を及ぼさないように構成されている。

冷媒配管５４は、冷凍サイクル１０に充填された冷媒のうち低温の冷媒が流通する冷媒配管とされ、例えば図１に示すように、膨張弁１６と蒸発器１８とを接続する冷媒配管とされる。冷媒配管５４（低温の冷媒）によって伝熱部材５０（冷却領域５０Ｂ）が冷却され、さらに、冷却された伝熱部材５０（冷却領域５０Ｂ）によってパワー素子３２が冷却される。

なお、冷媒配管５４の取り出し位置や取り回しは図１に示された形態に限らず、空調機の仕様に応じて適宜変更できる。
また、冷媒配管５４（低温の冷媒）に限らず、例えば水冷装置等のパワー素子３２を冷却できる機器や機構を冷却部５４とすることができる。

図２に示すように、冷媒配管５４は、冷却領域５０Ｂに対する接触面積を増加させるために配管の形状が変更されており、同図の場合、一例としてＵ字形状とされている。
図示していないが、冷却領域５０Ｂの伝熱部材５０に、冷媒配管５４の形状に対応した溝部を形成してもよい。これによって、接触面積をさらに増加させることができる。

図２及び図３に示すように、ヒータ部５２の熱が加熱領域５０Ａの外部（空気中）に放熱されることを抑制するために加熱領域５０Ａを覆う断熱材５６を設けてもよい。

なお、同図において加熱領域５０Ａのヒータ部５２が取り付けられた部分には断熱材５６が設けられていないが、断熱材５６がヒータ部５２を覆うようにしてもよい。すなわち、加熱領域５０Ａの正面、背面、上面、底面、及び両側面を断熱材５６で覆うようにしてもよい。

図３に示すように、電装ボックス３０の内部には、電装ボックス３０の内部温度を計測可能な第１温度センサ６１が設けられている。

また、伝熱部材５０の温度を計測可能な第２温度センサ６２が設けられている。このとき、第２温度センサ６２は、冷却領域５０Ｂ（例えばパワー素子３２近傍の伝熱部材５０）の表面温度を計測できるように取り付けられることが好ましい。これによって、結露の影響を回避したいパワー素子３２近傍の伝熱部材５０の温度を効率的に計測できる。

電装ボックス３０に収容されている電装部品には、第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２からの情報を取得することができ、また、取得した情報に基づいて必要な演算及び処理を実行するヒータ制御部が含まれている。

ヒータ制御部は、次のようにヒータ部５２を制御する。
すなわち、ヒータ制御部は、第１温度センサ６１から電装ボックス３０の内部の温度Ｔｂを取得する。
また、ヒータ制御部は、第２温度センサ６２から伝熱部材５０の温度Ｔｈを取得する。

ヒータ制御部は、第１温度センサ６１からの情報（温度Ｔｂ）の取得と同時に、その情報に基づいてその時の電装ボックス３０の内部の温度Ｔｂにおける露点温度Ｔｄを算出する。
また、ヒータ制御部は、第２温度センサ６２から取得した伝熱部材５０の温度Ｔｈと算出された露点温度Ｔｄとを比較して伝熱部材５０に結露が生じると判断した場合にヒータ部５２を発熱させる。

伝熱部材５０の温度Ｔｈと算出された露点温度Ｔｄとの比較の詳細について、例えば次のようなものがある。
すなわち、結露が生じる露点温度Ｔｄに対してａ１℃だけ余裕を持って、伝熱部材５０の温度Ｔｈが低下して露点温度Ｔｄからａ１℃だけ高い温度に到達したときに伝熱部材５０に結露が生じると判断する。つまり、ヒータ制御部は、Ｔｄ＋ａ１に閾値を設定して、Ｔｈ≦Ｔｄ＋ａ１となった場合にヒータ部５２を発熱させる。なお、ａ１℃は空調機の仕様に応じて任意に設定でき、例えばａ１＝５℃とされる。

ヒータ部５２の発熱によって、伝熱部材５０の加熱領域５０Ａが加熱される。そして、加熱された加熱領域５０Ａの温熱が冷却領域５０Ｂへと伝わる。これによって、冷却領域５０Ｂの温度が上昇して結露の発生が抑制される。

その後、伝熱部材５０の温度が所定温度まで上昇したとき、ヒータ制御部はヒータ部５２の発熱を終了させる。なお、ここで言う所定温度とは、例えばＴｄ＋ａ２（ａ２＞ａ１）とされる。このとき、ａ２をａ１よりも大きく設定（例えばａ２＝１０℃）することで、ヒータ部５２のオン・オフが短時間で頻繁に繰り返される現象を防止できる（いわゆるシュミットトリガ）。

なお、電装ボックス３０（電装部品、第１温度センサ６１、第２温度センサ６２等を含む）や冷却構造４０は、電装ユニットとして空調機の室外機に収容される。

本実施形態によれば以下の効果を奏する。
冷却構造４０は、空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱するパワー素子３２に対して熱的に接触する伝熱部材５０と、伝熱部材５０に対して熱的に接触して伝熱部材５０を冷却する冷媒配管５４とを備えている。これによれば、パワー素子３２を、伝熱部材５０を介して冷媒配管５４（低温の冷媒）によって冷却することができる。

また、冷却構造４０は、伝熱部材５０に対して熱的に接触して伝熱部材５０を加熱するヒータ部５２を備えている。これによれば、冷媒配管５４による過度な冷却によって伝熱部材５０に結露が生じる前に、ヒータ部５２によって伝熱部材５０を昇温させることで結露の発生を回避することができる。

このとき、ヒータ部５２は、発熱を主たる機能としている部品とされている。このため、即時的に昇温可能とされる。また、ヒータ部５２は空調機を制御する電気回路と機能的に独立した部品なので、例えば圧縮機１２等の制御に影響されることなく単体で独立して制御可能である。このため、応答性良く制御でき、また、空調機の運転状況に影響されることなく制御できる。

また、加熱領域５０Ａを覆うように断熱材５６が設けられている。これによれば、ヒータ部５２から加熱領域５０Ａに移動した温熱が加熱領域５０Ａから放熱されることを回避できる。このため、ヒータ部５２からの温熱を効率的に伝熱部材５０に蓄えることができる。

また、加熱領域５０Ａにおける伝熱部材５０の断面積は、冷却領域５０Ｂにおける伝熱部材５０の断面積よりも大きくされている。これによれば、ヒータ部５２が配置される加熱領域５０Ａの伝熱部材５０にはヒータ部５２からの温熱が蓄えられやすい。また、加熱領域５０Ａに蓄えられた温熱は加熱領域５０Ａよりも断面積が小さい冷却領域５０Ｂに集中的に移動するので、ヒータ部５２からの温熱を効率的に冷却領域５０Ｂに伝えることができる。

また、電装ボックス３０の内部の温度Ｔｂを測定する第１温度センサ６１と、伝熱部材５０の温度Ｔｈを測定する第２温度センサ６２と、第１温度センサ６１からの情報に基づいて露点温度Ｔｄを算出するとともに、算出した露点温度Ｔｄ及び伝熱部材５０の温度Ｔｈに基づいてヒータ部５２の加熱状態を制御するヒータ制御部とを備えている。これによれば、伝熱部材５０に結露が発生する前にヒータ部５２を作動させることができる。

１０ 冷凍サイクル
１２ 圧縮機
１４ 凝縮器
１５ ファン
１６ 膨張弁
１８ 蒸発器
１９ ファン
３０ 電装ボックス
３２ パワー素子（被冷却部材）
４０ 冷却構造
５０ 伝熱部材
５０Ａ 加熱領域
５０Ｂ 冷却領域
５２ ヒータ部
５４ 冷媒配管（冷却部）
５６ 断熱材
６１ 第１温度センサ
６２ 第２温度センサ

Claims (7)

1. 空調機を制御する電気回路を構成して作動時に発熱する被冷却部に対して熱的に接触する伝熱部材と、
   該伝熱部材に対して熱的に接触して前記伝熱部材を冷却する冷却部と、
   前記電気回路と機能的に独立して、前記伝熱部材に対して熱的に接触して前記伝熱部材を加熱するヒータ部と、
   を備えている冷却構造。
2. 前記ヒータ部は、前記伝熱部材の加熱領域の面に配置され、
   前記被冷却部と前記冷却部とは、前記加熱領域とは異なる前記伝熱部材の冷却領域を挟んで対向する面のそれぞれに配置されている請求項１に記載の冷却構造。
3. 前記伝熱部材には、前記加熱領域を覆う断熱材が設けられている請求項２に記載の冷却構造。
4. 前記加熱領域における前記伝熱部材の断面積は、前記冷却領域における前記伝熱部材の断面積よりも大きくされている請求項２又は３に記載の冷却構造。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の冷却構造と、
   電装部品とされた前記被冷却部と、
   該被冷却部が収容される電装ボックスと、
   を備えている電装ユニット。
6. 前記電装ボックスの内部の温度を測定する第１温度センサと、
   前記伝熱部材の温度を測定する第２温度センサと、
   前記第１温度センサからの情報に基づいて前記電装ボックス内の露点温度を算出するとともに、算出した前記露点温度及び前記第２温度センサからの情報に基づいて前記ヒータ部の加熱状態を制御する制御部と、
   を備えている請求項５に記載の電装ユニット。
7. 請求項５又は６に記載の電装ユニットを備えている室外機。

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