JP5310621B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、室内ユニット及び室外ユニットから構成される空気調和装置に係り、特に室内ユニット内に誘導加熱による熱源を備え、この熱源を利用して温風を得る空気調和装置に関する。

エアコンディショナあるいはエアコンとして知られる空気調和装置は、冷凍サイクルを利用して低温側熱交換器から高温側熱交換器へ熱を移動して冷暖房を行う装置であり、ヒートポンプ装置とも呼ばれる。空気調和装置は、主として、低温側熱交換器である蒸発器と、高温側熱交換器である凝縮器と、低圧の冷媒を高圧にする圧縮機と、高圧の冷媒を低圧にする膨張弁やキャピラリなどの減圧手段と、冷房運転と暖房運転を切り替える四方弁とによって構成される。また、空気調和装置は、室内に設置される室内ユニットと、室外に設置される室外ユニットとによって構成される、いわゆるセパレート型が主流となっている。以下、特に断りのない限り、暖房運転の場合について述べる。

セパレート型の空気調和装置では、室内ユニットに高温側熱交換器である凝縮器を備え、室外ユニットに低温側熱交換器である蒸発器と、圧縮機と、膨張弁やキャピラリと、四方弁とを備える。特に、一般家庭で広く用いられている、いわゆるルームエアコンにあっては、室内ユニットは軽く小さいことが望まれるため、室内ユニット内には、室内用熱交換器と、気流発生手段であるファンと、ファンを回転させるためのモータと、モータの駆動及び様々な制御をするための小電力回路と、その他付加的な機能のための部品とが配置される。一方、室外ユニットには、室外用熱交換器と、圧縮機と、圧縮機を駆動するためのインバータなどからなる大電力回路と、ファンや四方弁など、空気調和装置の主要部品のほとんどが配置される。すなわち、空気調和装置、特にルームエアコンでは、消費される電力のほとんどが室外ユニットで消費され、室内ユニットで消費される電力は小さい。

このように空気調和装置、特にルームエアコンにあっては、大電力回路は室外ユニットに配置されることが一般的である。ルームエアコンでは、室内ユニットに接続された電力ケーブルがＡＣ１００ＶあるいはＡＣ２００Ｖなどの商用電源のコンセントに差し込まれ、電力ケーブルに入力された商用電力の一部は室内ユニットの小電力回路で消費される。一方、大部分の電力は何ら電力変換されずに交流のまま室外ユニットに送電され、室外ユニットの大電力回路内のコンバータによって直流に変換され、インバータによって所望の周波数の交流に変換されて圧縮機を駆動する。室内ユニットと室外ユニットとを接続する電力ケーブルは冷媒管及び通信ケーブルとともに、取付工事業者によって一体に形成されて設置される。

一方、冷凍サイクルを利用したヒートポンプによる暖房運転では、空気調和装置のスイッチを入れてから温風が得られるまでに数分間の時間を要する。これは、空気調和装置のスイッチを入れてすぐに、冷媒を圧縮するためのヒートポンプの圧縮機を急速に高回転させることができないといった要因によるものである。このため、空気調和装置の起動直後には入力電力容量に余裕があり、この起動直後の入力電力容量の余裕を利用して暖気を得るまでの時間を短縮しようとする試みがなされている。

従来の空気調和装置では、誘導加熱コイルを圧縮機や室内熱交換器に設置し、誘導磁界によって生じた渦電流によって冷媒が接触する金属を誘導加熱して冷媒を加熱するものがある。このような構成により、空気調和装置の起動時における入力電力容量の余裕を利用して冷媒が接触する金属を誘導加熱し、暖かい空気を迅速に吹出している。そして、室外ユニット内に配置された室外制御部がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をオン・オフ制御して圧縮機や室内熱交換器に配置した誘導加熱コイルに高周波電流を流している（例えば、特許文献１参照）。

一方、室外ユニットに配置された大電力回路の発熱性半導体素子を冷却するためにヒートパイプを利用した空気調和装置が知られている。従来の空気調和装置では、銅やアルミなどの金属で形成された受熱ブロックに発熱性半導体素子を取り付け、受熱ブロックと内部に水や代替フロンなどが封入されたヒートパイプの一端とを熱的に接続し、ヒートパイプの他端を室外ユニットの熱交換器の熱交換フィンに接合して、受熱ブロックで受けた発熱性半導体素子の熱を熱交換器の熱交換フィンから空気中に放熱している（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の空気調和装置にあっては、室外ユニットの大電力回路内のパワー半導体素子を冷却するために、室外ユニットの熱交換器と室内ユニットの熱交換器とを結ぶ冷媒配管に配置された膨張弁とキャピラリとの間に、パワー半導体素子を取り付けるための冷却ジャケットを設けている。冷却ジャケットは、膨張弁とキャピラリとの間の冷媒配管に接続される金属製のベース板を備えており、このベース板の一方の面に冷媒配管が接続され、他方の面にパワー半導体素子が熱的に接続される。さらには、ベース板に接続される冷媒配管にフィンが設けられる。このような構成により、膨張弁とキャピラリとの間の冷媒配管を流れる冷媒は、膨張弁及びキャピラリによって中間圧に減圧され、冷媒回路内の高温高圧冷媒と低温低圧冷媒との中間の温度になることから、冷媒によってベース板を冷却することで、冷却ジャケットの周辺で結露が発生するのを防止しつつパワー半導体素子を冷却することができる。また、冷媒配管内に冷媒が流れていない状態でも、パワー半導体素子で発生した熱を効率良くフィンから外部へ放熱することができる。この結果、冷媒配管内に冷媒の流れていない状態（例えば圧縮機の予熱運転時など、冷媒が循環していない状態でパワー半導体素子に電流を流しているような状態）でもパワー半導体素子の冷却が可能になる（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−３４１８１３号公報（段落［００３７］、［００４６］、［００５２］、第４図） 特開２００５−３３１１４１号公報（段落［００２０］、［００２５］、［００２７］、第２図） 特開２００９−７９８５４号公報（段落［００３６］、［００４０］、［００４２］、［００４４］、［００８０］〜［００８３］、第１図、第２図、第７図）

従来の特許文献１に記載された空気調和装置では、誘導加熱コイルが室内ユニット内に配置され、誘導加熱コイルに高周波電流を流すためにオン・オフするＩＧＢＴ、及びＩＧＢＴをオン・オフ制御する誘導加熱コイルの駆動回路が室外ユニット内に配置されている。誘導加熱コイルと誘導加熱コイルの駆動回路とが別々に配置されているので、室内ユニットと室外ユニットとの間に高周波電流を流すための電力ケーブルがさらに２本必要となる。その結果、室内ユニットと室外ユニットとを結ぶ配管（電力ケーブル、通信ケーブル、冷媒管など）が煩雑になり、空気調和装置（特にルームエアコン）を設置する工事業者の作業が煩雑になるという問題があった。また、室内ユニットと室外ユニットとを結ぶ電力ケーブルには高周波電流が流れるため、電力ケーブルがアンテナとなって放射される漏えい電波が大きくなり、漏えい電波を低減するための対策が必要になるといった問題があった。さらに、室内ユニットと室外ユニットとを結ぶ高周波電流用の電力ケーブルが長くなることにより、電力ケーブルによるインダクタンスを無視することができなくなり、空気調和装置が設置される環境（室内ユニットと室外ユニットとの距離が長いか短いか）によって電力ケーブルのインダクタンスが変化し、誘導加熱コイルの駆動回路の駆動条件が異なるため、駆動条件のマージンを大きくするために駆動回路が複雑になり、高コストになるという問題があった。

また、従来の特許文献２に記載された空気調和装置では、大電力回路の半導体素子を冷却するためにヒートパイプを別途設ける必要があり、高コストになるとともに、ヒートパイプを別途設けるための余分なスペースが必要になるといった問題があった。さらに、従来の特許文献３に記載された空気調和装置では、パワー半導体素子を取り付ける冷却ジャケットの位置を、冷媒が中間圧に減圧され、冷媒回路内の高温高圧冷媒と低温低圧冷媒との中間の温度となる位置にする必要がある。このため、冷却ジャケットの位置は、室外ユニットの膨張弁とキャピラリとの間に限定されるという問題があった。また、パワー半導体素子は主として冷却ジャケットを配置した部分の冷媒配管に冷媒が流れることによって冷却されるが、フィンが設けられた冷媒配管によってパワー半導体素子が冷却されるのは、例えば圧縮機の予熱運転時など、冷媒が循環していない状態のような消費電力が小さい場合に限られるといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、空気調和装置の室内ユニット内部にコイルと半導体素子を有してコイルに高周波電流を供給するための駆動回路とを配置しても、室内ユニット内部に半導体素子を冷却するためのヒートシンクや空冷ファンを設けずに、駆動回路の半導体素子を冷却することができる空気調和装置を得るものである。

この発明に係る空気調和装置は、熱交換器と、熱交換器を通過した空気を送風する導電性の被加熱体と、被加熱体を誘導加熱するコイルと、半導体素子を有し、コイルに高周波電流を供給する駆動回路とを備え、熱交換器は、熱伝導性のベース部材を有し、半導体素子は、ベース部材に取り付けられ、半導体素子の発熱が熱交換器を介して放熱されるものである。

この発明は、被加熱体を誘導加熱するコイルに高周波電流を供給するための駆動回路を構成する半導体素子が熱交換器の熱伝導性のベース部材に取り付けられ、半導体素子の発熱が熱交換器を介して放熱されるので、室内ユニット内部に半導体素子を冷却するためのヒートシンクや空冷ファンを設けなくても半導体素子を冷却することができるので、室内ユニットを小型に保つことができる。

本発明の実施の形態１における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。 本発明の実施の形態１における空気調和装置の室内ユニットの断面図である。 本発明の実施の形態１におけるラインフローファンとコイルとの相対的な位置関係を示した斜視図である。 本発明の実施の形態１における空気調和装置を暖房運転する場合の起動時における電力パターンの一例を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態１における空気調和装置の室内ユニット１の吹出し空気の温度上昇の立ち上がり特性を示した図である。 本発明の実施の形態１における誘導加熱用の駆動回路を含めた全体回路図である。 本発明の実施の形態１における熱交換器の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるスイッチング用半導体素子と整流用半導体素子の温度上昇を示す図である。 本発明の実施の形態２における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。 本発明の実施の形態２における空気調和装置の室内ユニットの断面図である。 本発明の実施の形態３における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。 本発明の実施の形態４における空気調和装置の室外ユニットのヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。 本発明の実施の形態４におけるヒートポンプ用熱交換器が誘導加熱される現象を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態４における別の空気調和装置の室外ユニットのヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。また、図２は、図１の破線で示した面Ａでの空気調和装置の室内ユニットの断面図である。図１及び図２において、空気調和装置の室内ユニット１の内部には、円筒状で導電性を有するラインフローファン２と、ラインフローファン２の空気流入側に配置されたフィンチューブ型の熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃと、ラインフローファン２の空気流出側に配置されたリアケーシング４と、ラインフローファン２の側面に対向して配置されたコイル５とが設けられている。

ラインフローファン２は、熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃを通過した空気を送風する導電性の被加熱体である。コイル５は、被加熱体であるラインフローファン２を誘導加熱するものである。コイル５は、ラインフローファン２の円筒軸方向と略平行に配置されている。コイル５の両端子は、駆動回路１２に接続される。駆動回路１２は、半導体素子であるスイッチング用半導体素子９を有し、コイル５に高周波電流を供給するものである。駆動回路１２は、放射ノイズを低減するために室内ユニット１内に配置されることが望ましい。そして、カバー１７が熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃの外側に設けられて空気調和装置の室内ユニット１が構成される。

図１において、構成を分かりやすくするためにラインフローファン２、熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃ、リアケーシング４などを離して示しているが、実際には図２に示すような位置関係で構成される。また、図１において、ラインフローファン２とコイル５の位置関係をわかりやすくするために、コイル５がリアケーシング４の内側（ラインフローファン２と対向する側）に配置されているように記載されているが、実際には図２に示すように、コイル５はリアケーシング４の外側に配置されている。なお、図１及び図２では、空気調和装置として本来備わっているものの、本発明とは直接関係ないフラップ、ルーバー、フィルター、室外ユニットなどを省略している。

ラインフローファン２は、室内ユニット１の外側から熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃを通過させて空気を取り込み、室内ユニット１の外部に空気を送風するものである。ラインフローファン２は、クロスフローファンと呼ばれることもあり、鉄、ステンレスあるいはアルミなどの金属材料によって構成されたり、樹脂などの絶縁物で形成した後、表面にめっき処理などにより導電膜を形成して構成される。ラインフローファン２は、導電性を有し、略円筒形状である。ラインフローファン２を金属材料で形成した場合には、ラインフローファン２の熱容量を小さくして温風を急峻に吹出すことができる。一方、ラインフローファン２を絶縁材料で形成し、絶縁材料の表面に導電膜を設けた場合には、空力を容易に最適にすることができるとともに、ラインフローファン２を安価に作製することができる。さらに、導電膜を銅めっきあるいはアルミめっきにより形成することによって、電気抵抗が小さい導電膜を薄く形成することができるので、空力を良好に保ったままラインフローファン２を効率良く誘導加熱することができる。

熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃは、一般的に空気調和装置の室内ユニットに用いられているフィンチューブ型の熱交換器であって、厚さ０．１ｍｍ前後の穴あきアルミプレートを１．０〜１．５ｍｍ程度の間隔を設けて多数積層し、アルミプレートの穴に銅やアルミなどの冷媒管を通した構造をしており、各アルミプレート間を通る空気と冷媒管を通る冷媒との間で熱交換を行うものである。熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃは、熱交換器３ａを主熱交換器、熱交換器３ｂ、３ｃを補助熱交換器と呼ぶこともある。補助熱交換器３ｂ、３ｃは室内ユニットの熱交換能力を高めるために主熱交換器３ａとは別体として形成し、主熱交換器３ａに補助熱交換器３ｂ、３ｃを取り付けて一体に形成して室内ユニットの熱交換器として用いられる。販売される空気調和装置にはいくつかの機種があるので、主熱交換器を機種ごとに変更したり、あるいは機種によっては誘導加熱手段を持たないが主熱交換器は共通であるといったような場合に、主熱交換器と補助熱交換器とを別体で形成して、主熱交換器と補助熱交換器とを目的に応じて組み合わせたりして、部品の共通化を図り、製造コストを低減することができる。

コイル５は、長円形あるいは長方形の形状であり、ラインフローファン２の羽根３１の長手方向（つまり、ラインフローファン２の円筒軸の方向）と略平行な方向が長手方向となるようにリアケーシング４に配置されている。つまり、コイル５は、ラインフローファン２の下流側（排気側）に配置されている。このような配置によって、コイル５の長手方向の導線とラインフローファン２の羽根３１とが略平行になるので、羽根３１に渦電流が誘起されやすくなり、ラインフローファン２を誘導加熱する効率を高くすることができる。さらに、ラインフローファン２からの吹出し風によってコイル５を冷却することができる。コイル５は、リッツ線などの導線を長方形あるいは長円形のリング状に巻いて形成したものであり、例えばφ０．３ｍｍの被覆銅線を１９本撚り線にしたリッツ線を２０回巻いて形成される。

コイル５は、ラインフローファン２の排気側に位置するリアケーシング４の一部に設けた耐熱材６の裏面あるいは表面に接して配置されている。耐熱材６を設けることによって、コイル５が発熱により１００℃程度の高温になった場合でも周囲への熱の影響を低減することができる。耐熱材６は、難燃性樹脂、ガラス、セラミックスなどの難燃性絶縁物、あるいはアルミや銅などの非磁性金属で形成される。非磁性金属板が耐熱材６として用いられた場合には、非磁性金属板が放熱フィンの役割をしてコイル５を効率的に冷却することができる。

コイル５の両端子は、駆動回路１２に接続される。駆動回路１２は、２０〜１００ｋＨｚの高周波電流をコイル５へ供給する。コイル５に高周波電流が供給されると、コイル５から交番磁界が発生するため、この交番磁界によって導電性を有するラインフローファン２には渦電流が流れ、この渦電流によってラインフローファン２が誘導加熱される。

図３は、ラインフローファン２とコイル５との相対的な位置関係を示した斜視図で、コイル５に高周波電流を供給されたときにラインフローファン２に流れる渦電流の様子を示した図である。ラインフローファン２は、空気調和装置の室内ユニットに一般的に用いられているものと同一の形状である。ラインフローファン２は、円筒形状の円周に沿って複数の短冊状の羽根３１を有し、外形が円形である複数の板に短冊状の羽根３１が挟まれて固定され全体として概略円筒形状をしており、円筒軸を中心にして回転するものである。外形が円形である複数の板は、ラインフローファン２の円筒軸に略直交している。複数の板は、全て円板であってもよいし、全てドーナツ板であってもよいし、円板とドーナツ板とを組合せてもよい。なお、本実施の形態においては、両端に円板３２を配置し、それ以外の中間部にはドーナツ板３３を配置している。

短冊状の羽根３１は、複数であり、円板３２やドーナツ板３３に略直交するように円板３２やドーナツ板３３の間に設けられている。複数の短冊状の羽根３１は、図２の断面図に示すように、円筒形状の円周の接線と所定の角度を有し、互いに重なり合うように円筒軸方向に伸びている。したがって、ラインフローファンの外周からは各短冊状の羽根３１は一部しか見えないようになっている。複数の短冊状の羽根３１は、円板３２やドーナツ板３３と電気的に接続されている。

ここで、図３に示すように、羽根３１が円板３２及びドーナツ板３３、あるいはドーナツ板３３同士で挟まれて構成される円筒形状部分を区画と称する。羽根３１の長手方向は、ラインフローファン２の円筒軸に対して平行ではなく、少し角度を持っている場合や、ラインフローファン２の円筒軸に平行であるが、隣り合った区画では羽根３１の位置がずれている場合などがある。しかしながら、このような場合であっても、複数の短冊状の羽根３１が円板３２やドーナツ板３３の円周方向に並んで、円板３２やドーナツ板３３で挟まれて固定された構造であれば、本発明が適用できるラインフローファンである。

次に、ラインフローファン２の誘導加熱について説明する。駆動回路１２を用いて、ラインフローファン２の円筒側面に対向して配置されたコイル５に高周波電流を流すと、コイル５の長手方向の導線に流れる高周波電流によって発生する磁束がラインフローファン２の羽根３１と略直交して鎖交し、羽根３１にはこの磁束を打ち消す向きに渦電流が誘起される。なお本発明では、例えば電磁誘導加熱調理器などに用いられる誘導加熱と同様に渦電流という言葉を用いるが、渦電流とは一般には磁束が通過する金属内で磁束の周囲に発生する渦状の電流を言うので、図３に示すように短冊状の羽根３１と円板３２やドーナツ板３３とからなる電気的な閉回路に流れる電流は誘導電流と呼ぶ方が適しているかもしれない。また本発明で言う誘導加熱は、厳密にはコイルで発生する磁束による電磁誘導でラインフローファンに誘導電流を流し加熱しているに過ぎないということもできる。しかしながら、電磁誘導によって誘導電流が流れ加熱されるのであるから、誘導加熱と呼ぶことにする。また、電磁誘導によって流れる電流を渦電流と呼ぶことにする。

ラインフローファン２は、鉄やアルミなどの金属で形成されていたり、樹脂で形成された後、樹脂表面にニッケルめっき、銅めっき、スズめっき、アルミめっきなどの導電膜が形成されていたりするので、羽根３１と円板３２やドーナツ板３３とは電気的に接続されている。このため、図３に示すように、誘起された渦電流は、羽根３１から円板３２やドーナツ板３３を通り、別の羽根３１を通り、別の円板３２やドーナツ板３３を通って、元の羽根３１にたどり着くといったループ状の導電性経路を形成して流れる。この渦電流が流れるループは、ラインフローファン２の１つの区画で形成されたり、複数の区画で形成されたり、ラインフローファン２の長手方向の全長に渡る大きなループで形成されたりする。本実施の形態では、コイル５の長手方向の導線の方向をラインフローファン２の羽根３１の長手方向と略平行に配置されているので、高周波電流によって発生した磁束が羽根３１と略直交して鎖交することによって羽根３１に誘起される渦電流はほぼ最大となり、ラインフローファン２に大きな渦電流を流すことができる。この渦電流によって、ラインフローファン２を誘導加熱する効率を高くすることができる。

したがって、例えば羽根３１と円板３２やドーナツ板３３とが電気的に接続されていない場合や、羽根３１のみが導電性を有するなどによりループ状の導電性経路を形成しない場合には、大きな渦電流が流れなくなるのでラインフローファン２を加熱することができない。この場合、羽根３１が強磁性体である鉄などで形成されていても、図３の断面図に示すように、コイルが配置される円周方向からは、羽根３１は重なりあって見えるので、コイルによって発生する磁束は円周方向から見える部分にしか、すなわち羽根３１の一部にしか届かずほとんど加熱されない。しかし本発明ではループ状の導電性経路を形成して、渦電流（誘導電流）を流して加熱するので羽根３１の全体を加熱することができる。

なお、図３においては、１個のラインフローファン２に対して１個のコイル５をラインフローファン２の円筒形状側面に配置した場合について示した。しかしながら、ラインフローファン２を導電性にして羽根３１と円板３２やドーナツ板３３とを電気的に接続し、ラインフローファン２の区画単位で渦電流が流れる経路も形成しているので、区画に合せてコイルが２個以上であってもよい。コイルの数は、ラインフローファン２の区画の数以上であってもよいが、区画の数より多くあってもコイルの端子が増加し煩雑になるので、区画の数と同数以下であることが望ましい。

また、コイルを複数とした場合、それぞれのコイルの巻き方向は同じである必要はなく、異なる方向であっても良い。さらに、１個のラインフローファン２に対して左右２個のコイルを配置した場合、例えば左側のコイルだけに高周波電流を流してラインフローファン２の左側だけを誘導加熱することによって、左側に集中して電力を投入して左側からだけ高温風を得たりすることができる。つまり、半分の電力の投入で左側からのみ高温風を得たりするといったことができる。このようにラインフローファン２の一部を選択的に加熱したり、全部を加熱したりするということが切り替えられることは、利用者の人数変化や趣向に応じて最適な空気調和ができるといった利点がある。

なお、図２に示すように、ラインフローファン２との間にコイル５が位置するように、フェライトコアやフェライトシートなど絶縁物の磁性体７が配置されている。ラインフローファン２の反対側には磁性体７が配置されることによって、コイル５から発生する磁束のうちラインフローファン２と反対側に発生する磁束は磁性体７を通る。このため、磁性体７より外側に、つまり、室内ユニット１の外側に磁束が漏れることを防ぐことができ、室内ユニット１の裏側に通常存在する住宅などの壁に鉄などの誘導加熱されやすい金属が利用されていても、このような金属が加熱されることを防ぐことができる。このように、コイル５の裏面にフェライトコアなどの磁性体７を配置することによって、ラインフローファン２の誘導加熱効率を高め、室内ユニット１の裏面への漏れ磁束が小さくすることができる。

次に、空気調和装置の動作について説明する。特許文献１にも記載されている冷凍サイクルを利用した空気調和装置の暖房運転では、スイッチを入れてすぐに圧縮機を高回転させることができず、圧縮機が高回転になるまでには数分間要し、この期間中、入力電力容量に余裕が生じる。図４は、空気調和装置を暖房運転する場合の起動時における電力パターンの一例を模式的に示した図である。

図４において、縦軸は電力、横軸は空気調和装置が暖房運転の起動を開始してからの経過時間である。ここで、ＩＨ電力とは空気調和装置のコイル５に高周波電流を供給しラインフローファン２を誘導加熱するための電力である。圧縮機電力とは圧縮機に供給される電力であり、圧縮機電力が大きいほど圧縮機は高回転で運転される。全電力は、ＩＨ電力と圧縮機電力を合計したものである。図４から分かるように、一例として示したこの空気調和装置の最大電力は２ｋＷであるから入力電力容量は２ｋＷである。ＩＨ電力の最大は１．５ｋＷであり、起動直後に圧縮機で利用されない余裕電力２ｋＷの全てを使用していないが、全てを使用してもよい。また、電力パターンはこれに限るものではない。

利用者が空気調和装置のスイッチを入れて、空気調和装置が暖房運転の起動を開始すると、ラインフローファン２が回転し、駆動回路１２からコイル５へ高周波電流が供給され、ラインフローファン２が誘導加熱される。ラインフローファン２の回転数に比べて、高周波電流の周波数が桁違いに高いため、ラインフローファン２が回転していてもラインフローファン２を誘導加熱することができる。ラインフローファン２が回転すると室内ユニット１の吹出し口から空気が吹出されるが、この空気は図２に示すようにラインフローファン２を通過するため、誘導加熱により高温となったラインフローファン２によって加熱され温風となって吹出される。ラインフローファン２は高速で回転し、誘導加熱により直接羽根３１が加熱され、しかも羽根３１の全体が加熱されるので伝熱面積が広く空気への熱伝達が極めて良い。また、ラインフローファン２は、熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃに比べて熱容量が小さいので、ラインフローファン２が誘導加熱されると急速にラインフローファン２の温度が上昇する。さらに、ラインフローファン２が室内ユニット１の吹出し口の近くに配置されているので、ラインフローファン２によって加熱された空気が室内ユニット１内の他の部品によって熱を奪われることなく吹出される。このようにして利用者が空気調和装置のスイッチを入れてから短時間のうちに温風が吹出されるため、利用者はすぐに暖を得ることができる。

その後、圧縮機電力が徐々に増加し圧縮機の回転数が高くなってくると、冷凍サイクルが動作し始めて外気から熱を取り入れ、熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃから熱を放出するようになってくる。そして、全電力が空気調和装置の入力電力容量に近づき、入力電力容量に達すると、ＩＨ電力が減少するように制御して、全電力が入力電力容量を超えないように運転する。圧縮機電力が最大となって冷凍サイクルが定常動作になるとＩＨ電力はゼロになるように制御する。

図５は、空気調和装置の室内ユニット１の吹出し空気の温度上昇の立ち上がり特性を示した図である。本発明のようにラインフローファン２を誘導加熱して温風を得る場合の温度上昇の経時変化を測定した実験結果である。図５において、縦軸は室内ユニット１の吹出し口での空気の温度上昇値、横軸は空気調和装置が暖房運転の起動を開始してからの経過時間である。実験に使用した空気調和装置の室内ユニット１は、図１及び図２に示すように、熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃが３個ある構造のものであり、ラインフローファン２を誘導加熱する場合は、ラインフローファン２には鉄製（実験に使用したものは磁性ステンレス）のラインフローファンを用いた。熱交換器を誘導加熱する場合は、３個の熱交換器のうち１個を誘導加熱し、樹脂製のラインフローファンを用いた。実験では、あらかじめ室内ユニット１の吹出し口での風速を２ｍ／ｓに設定して回転させておき、いきなり誘導加熱のための電力を投入し、電力を投入してからの吹出し口での空気の温度上昇を測定した。誘導加熱のためにコイル５に入力した電力は１．５ｋＷであり、図４のように時間の経過とともに入力電力は変化させていない。コイル５に流した高周波電流の周波数は２６ｋＨｚである。

図５から分かるように、ラインフローファン２を誘導加熱した場合には、吹出し空気の温度は、電力投入直後から１０秒程度で３０Ｋ程度上昇し、その後飽和する。この理由は、ラインフローファン２は誘導加熱により急速に温度上昇し、空気への熱伝達率が高いためである。なお、ラインフローファン２を誘導加熱する場合は、ラインフローファン２の熱容量が熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃの熱容量に比べて小さいため、ラインフローファン２の温度上昇が急峻であり、ラインフローファン２は吹出し口に近く、ラインフローファン２によって加熱された空気は室内ユニット１の他の部分に熱を奪われることが非常に少ないため短時間に高温の温風を吹出すことができる。このように、ラインフローファン２を誘導加熱することによって短時間に温風を得ることができることが分かる。

次に、コイル５へ高周波電流を供給する誘導加熱用の駆動回路について説明する。図６は、誘導加熱用の駆動回路１２を含めた全体回路図である。駆動回路１２は、基板にスイッチング用半導体素子９と、スイッチング用半導体素子９にゲート信号などのスイッチング用の信号を供給するためのドライバ集積回路１４を配置して構成される。スイッチング用半導体素子９としては、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。駆動回路１２は、例えばスイッチング用半導体素子９を２個直列にして構成した、いわゆるハーフブリッジ回路で構成される。なお、駆動回路１２の構成は、このようなハーフブリッジ回路に限るものではなく、ハーフブリッジ回路を２組並列にしたフルブリッジ回路や、一石型共振回路など、電磁誘導加熱調理器などで一般的に用いられている他の形態の回路構成であってもよい。本実施の形態では駆動回路１２は、ハーフブリッジ回路で構成されるとして説明する。

整流用半導体素子１０は、交流電源１１から供給される交流電圧を全波整流して、脈流となった直流電圧に変換するものであり、この直流電圧をスイッチング用半導体素子９が配置された駆動回路１２に供給する。交流電源１１としては、１００Ｖあるいは２００Ｖなどの商用コンセントが一般的に用いられる。駆動回路１２の出力端は、コイル５とコンデンサ１３とを直列接続した直列接続体に接続される。なお、コンデンサ１３は、図１では部品記号で示し、図２には図示していないが、コイル５の近傍であって室内ユニット１の内部に配置される。コンデンサ１３がコイル５の近傍に配置される理由は、コイル５とコンデンサ１３の直列接続が、いわゆる直列共振回路を構成し、コイル５とコンデンサ１３との間の接続ケーブルには高電圧が発生するので、高電圧のケーブルを長くすると、高い絶縁性を必要とする部分が長くなり、高コストの要因となることが望ましくないためである。

駆動回路１２は、望ましくは金属などの筐体１５に覆われて充電部が露出しないようになっている。そして、室内ユニット１用の小電力回路１６は、交流電源１１から電力を供給され、ドライバ集積回路１４にスイッチング用半導体９のスイッチングを制御する信号を出力するとともに、室内ユニット１全体の制御を行ったり、ラインフローファン２を回転するためのモータを駆動したりする。そして、駆動回路１２、整流用半導体素子１０、小電力回路１６、コイル５、コンデンサ１３などが室内ユニット１の内部に配置され、カバー１７で覆うことによって空気調和装置の室内ユニット１が構成される。一方、室外ユニットに配置される大電力回路１８にも交流電源１１から交流電圧が供給され、大電力回路は室外ユニットの制御や室外ユニット内に配置された圧縮機の駆動を行う。

このように構成された空気調和装置の室内ユニット１において、駆動回路１２に配置されたハーフブリッジ回路を構成する２個のスイッチング用半導体素子９を、２０〜１００ｋＨｚの周波数で交互にスイッチング（オン・オフ制御）すると、コイル５に２０〜１００ｋＨｚの高周波電流が流れる。この高周波電流はコイル５の周囲に高周波磁束を発生し、導電性のラインフローファン２を誘導加熱する。したがって、ラインフローファン２が回転することにより室内ユニット１の吹き出し口から温風が得られる。

ところで、コイル５に高周波電流を流すと、スイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０は、導通損失やスイッチング損失によって発熱し、適切に放熱されないとスイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０の許容温度を超えて温度上昇するため、スイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０が破損するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、図１に示すように、熱伝導性のベース部材であるアルミベース８ａ、８ｂが補助熱交換器３ｂに設けられている。アルミベース８ａにはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング用半導体素子９が取り付けられ、アルミベース８ｂにはブリッジダイオードなどの整流用半導体素子１０が取り付けられている。アルミベース８ａ、８ｂは、補助熱交換器３ｂと良好に熱的に接続されている。このため、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の発熱がアルミベース８ａ、８ｂを通じて補助熱交換器３ｂに良好に伝導される。つまり、熱交換器である補助熱交換器３ｂを介してスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の発熱を放熱することができる。

コイル５に高周波電流を流す場合、温風を得るためラインフローファン２が回転しているので、補助熱交換器３ｂにはラインフローファン２によって吸気される空気流が通るため、補助熱交換器３ｂに伝熱されたスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０からの熱は効率良く空気に放熱される。したがって、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の発熱は効率良く放熱されるので、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の温度上昇を許容温度以下に抑えることができる。そして、放熱された熱は温風に利用されるためエネルギーの損失にもならないといった利点も得られる。なお、補助熱交換器３ｂ内部の冷媒管内に液状の冷媒が存在する場合には、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却する能力はさらに高くなるが、冷媒管内に液状の冷媒が存在することを確実にするためには冷媒の制御が必要になる。しかしながら、本発明にあっては液状の冷媒の存在を必須とはしていないので、冷媒の制御も不要となる。なお、補助熱交換器３ｂ内部の冷媒管内に液状の冷媒が存在する場合の実施を妨げるものではない。

図７は、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却するためのアルミベース８ａ、８ｂを備える補助熱交換器３ｂの製造方法を示す図である。なお、アルミベース８ａ、８ｂを備える熱交換器は補助熱交換器３ｂには限らないので、主熱交換器３ａや他の補助熱交換器３ｃにアルミベース８ａ、８ｂを備える場合であっても同様の方法で製造することができる。補助熱交換器３ｂは、銅やアルミなどの金属製の冷媒管２０と金属プレートである厚さ０．１ｍｍ程度のアルミ製のフィン２１とが格子状に組み合わされて構成される。つまり、複数の冷媒管２０は、複数のフィン２１を貫通し、複数のフィン２１に対して略直交して設けられている。フィン２１は、短冊状のアルミ板であり、冷媒管２０が通る穴２２が複数設けられ、穴２２の周囲にはアルミ板を折り曲げることで形成されるカラー部２３が設けられている。カラー部２３の高さは、フィン２１の間隔を決定し、ルームエアコンの室内ユニットの場合には１〜２ｍｍの範囲で設定されるのが一般的である。カラー部２３は、フィン２１の間隔を決定するとともに冷媒管２０との熱的接触面積を増加させる役割を持つ。

図７（ａ）に示すように、冷媒管２０に複数のフィン２１を通した後、同様にアルミベース８ａを通し、その後さらに複数のフィン２１を通す。そして、図示していないアルミベース８ｂを通す。アルミベース８ａ、８ｂにはフィン２１と同様に冷媒管２０を通すための複数の穴が設けられている。このように冷媒管２０とフィン２１及びアルミベース８ａ、８ｂを組み合わせると図７（ｂ）に示すような構成になる。

このままの状態では、冷媒管２０とフィン２１及びアルミベース８ａ、８ｂとの熱的接触は十分でなく、熱伝導率が小さい。そこで、図７（ｂ）に示すように先端に鋼製などの球状体を設けた拡管治具２４を冷媒管２０の内部に通して冷媒管２０の直径を広げる。拡管治具２４は、冷媒管２０の奥まで押し込まれ、その後引き抜かれる。これにより、フィン２１及びアルミベース８ａ、８ｂを有する部分の冷媒管２０の直径が大きくなり、冷媒管２０はフィン２１及びアルミベース８ａ、８ｂと密着されて熱伝導率が小さくなる。このようなプロセスを拡管といい、冷媒管２０及びフィン２１のみからなる熱交換器の製造プロセスでは一般に用いられる工程である。したがって、一般の熱交換器の製造プロセスを大きく変更することなく、本発明に示すアルミベースを有する熱交換器を簡単に製造することができる。なお、アルミベースを有する熱交換器の製造方法はここに示したものに限らず、例えばロウ付けなどの方法によりアルミベースを冷媒管に接続してもよい。

アルミベース８ａ、８ｂは、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を固定するためのネジ穴２５ａ、２５ｂを有しており、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０は、ネジ穴２５ａ、２５ｂを利用してネジ止めによってアルミベース８ａ、８ｂに固定される。この固定方法は、半導体素子をヒートシンクなどにネジ止めにより固定する一般的な方法と全く同じである。

次に実験結果を示す。図１、２に示した構成の空気調和装置を作製し、ラインフローファン２を誘導加熱した場合のスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の温度上昇を測定した。実験では、交流電源１１の周波数を６０Ｈｚ、電圧を２００Ｖ（実効値）とし、スイッチング用半導体素子９を駆動周波数２５ｋＨｚでスイッチングさせて２．６４ｋＷの電力が交流電源１１からコイル５に供給されるようにした。また、スイッチング用半導体素子９がスイッチングを開始するまではラインフローファン２を停止させておき、電力を供給してスイッチング用半導体素子９がスイッチングを開始するとラインフローファン２を低速で１０秒間回転させ、その後高速で回転させて風速６ｍ／ｓの温風が吹き出されるように運転した。そして、図５に示すように、誘導加熱開始後１０秒の極めて短時間に十分に高温になった温風を得ることができる。

なお、実験では、スイッチング用半導体素子９としてＩＧＢＴを用い、整流用半導体素子１０としてダイオードブリッジを用いた。ＩＧＢＴは、アルミブロック８ａ側すなわちＩＧＢＴ裏面のコレクタ（銅板）に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの切り込みを入れて熱電対を埋め込み、その後切り込みをインジウムで埋めて取り付けた。ダイオードブリッジは、アルミブロック８ｂと反対側の表面に熱電対をテープで貼り付けた。ＩＧＢＴとアルミブロックとの間には熱伝導性の絶縁シートを配置した。

図８は、２．６４ｋＷの電力を入力したときのスイッチング用半導体素子９であるＩＧＢＴと整流用半導体素子１０であるダイオードブリッジの温度上昇を示したものである。ハーフブリッジ回路なのでＩＧＢＴは２個存在し、図８にも２個のＩＧＢＴの温度上昇を示したが、ほとんど重なったため図の注釈では２個まとめて「ＩＧＢＴ」とだけ示した。実験では、コイル５に２．６４ｋＷの電力を連続して２０分間入力した。図８から分かるように、２０分経過後のＩＧＢＴの温度上昇は約８０Ｋ、ダイオードブリッジの温度上昇は約６０Ｋであった。実験を行った時の周囲温度は３０℃であるので、ＩＧＢＴの温度は１１０℃、ダイオードブリッジの温度は９０℃まで上昇していることになる。

図４に示すように、誘導加熱によってラインフローファン２から温風吹出しを行う時間は、ヒートポンプ運転が立ち上がるまでの数分間であり、ラインフローファン２を誘導加熱するためのＩＨ電力も圧縮機電力の増大と共に徐々に低下する。このため、２．６４ｋＷ入力での２０分間連続動作は、このような目的に十分使用し得ることを意味する。また、空気調和装置を暖房運転するときの室温は概ね２０℃以下であることから、周囲温度３０℃の環境下でのこの実験結果は上記目的に十分使用し得ることを意味する。

なお、実験に使用したＩＧＢＴ及びダイオードブリッジは、Ｓｉを原料とした半導体素子であり、Ｓｉ半導体素子のＰＮ接合部の最大定格温度は１５０℃である。上述のように、実験ではＳｉ半導体素子のＰＮ接合部を直接測定したわけではないので、実験における温度測定位置と接合部との間の熱抵抗及びＩＧＢＴ、ダイオードブリッジの損失から、接合部が１５０℃になるときの周囲温度を計算する。ＩＧＢＴ及びダイオードブリッジは、それぞれ温度測定位置と内部のＰＮ接合部との間にはパッケージングケースの熱抵抗が存在するため、内部のＰＮ接合部の温度は温度測定を行った箇所より高くなる。別途、ＩＧＢＴ及びダイオードブリッジの損失を測定すると、ＩＧＢＴ１個当たりの損失は５５Ｗ、ダイオードブリッジの損失は３９Ｗである。ＩＧＢＴ及びダイオードブリッジのカタログ値からケースの熱抵抗がわかる。本実験に用いたＩＧＢＴ及びダイオードブリッジの場合、温度測定位置と内部のＰＮ接合部との間で、それぞれ３２Ｋ、３９Ｋの温度上昇を見積もることができる。図８に示すように、温度測定位置では、それぞれ８０Ｋ、６０Ｋの温度上昇であるので、ＰＮ接合部での温度上昇は、それぞれ３２Ｋ＋８０Ｋ＝１１２Ｋ、３９Ｋ＋６０Ｋ＝９９Ｋとなる。

Ｓｉ半導体素子のＰＮ接合部の最大定格温度は１５０℃であり、ＩＧＢＴの場合には最大１１２Ｋの温度上昇の可能性があるので、空気調和装置は周囲温度３８℃の環境まで支障なく運転することができる。また、ダイオードブリッジの場合には最大９９Ｋの温度上昇の可能性があるので、空気調和装置は周囲温度５１℃の環境まで支障なく運転することができるが、装置全体としては温度上昇が高いＩＧＢＴに合わせて、周囲温度３８℃以下で運転する。このような、周囲温度条件で、２．６４ｋＷ入力で誘導加熱によってラインフローファン２から風速６ｍ／ｓの温風を連続的に得ることができる。

ＩＧＢＴとダイオードブリッジのそれぞれの損失は、ＩＧＢＴが２個で約１１０Ｗ、ダイオードブリッジが約３９Ｗであった。このようにＩＧＢＴの損失の方がダイオードブリッジの損失よりも大きいため、図１に示すようにＩＧＢＴを取り付けるアルミブロック８ａは、補助熱交換器３ｂの両端部を除く中央部付近に配置して、アルミブロック８ａが複数のフィン２１に挟まれるようにしている。アルミブロック８ａやフィン２１と直交する冷媒管２０は肉厚０．５ｍｍ以下の銅やアルミのパイプが用いられるのが一般的であり、冷媒管２０の断面積が小さいため管長方向への熱伝導があまり良くないので、アルミブロック８ａの両側１０ｃｍ程度の領域の補助熱交換器３ｂが放熱に有効な範囲となる。このため、図１のように、アルミブロック８ａを補助熱交換器３ｂの中央部付近に配置することによってアルミブロック８ａの両側合計約２０ｃｍの領域の熱交換器を放熱のために利用することができる。また、スイッチング用半導体素子９のためのアルミブロック８ａと、整流用半導体素子１０のためのアルミブロック８ｂを、概ね２０ｃｍ程度離して配置することによって、互いの放熱の受けないようにすることができ独立に熱設計を行うことができる。

以上のように、補助熱交換器３ｂを介して、ラインフローファン２を誘導加熱するために用いるスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の冷却を行うため、室内ユニット１内部にスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却するためのヒートシンクや空冷ファンを設ける必要がないので、空気調和装置の室内ユニット１を大型化することなく、室内ユニット１を小型に保ったまま、誘導加熱を利用した温風が吹き出す空気調和装置を得ることができる。

実施の形態２．
図９は、本発明を実施するための実施の形態２における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。また、図１０は、図９の破線で示した面Ｂでの空気調和装置の室内ユニットの断面図である。図９、図１０において、図１、図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、本発明とは直接関係ない部分は省略して示している。本実施の形態における空気調和装置は、コイルを熱交換器に面して配置している点が実施の形態１と異なる。なお、本実施の形態においても駆動回路は、実施の形態１で示したものと同様の回路構成のものを使用することができる。本実施の形態では、駆動回路について詳しく示さないが、図６に示したものと同一の駆動回路を用いた場合について説明する。

本実施の形態の室内ユニット５１では、熱交換器は主熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃのみを有し、補助熱交換器３ｂ、３ｃがない場合について述べるが、補助熱交換器３ｂ、３ｃを用いた室内ユニット５１であってもよい。図９、図１０において、コイル５はリッツ線などの導線を長方形あるいは長円形のリング状に巻いて形成したものであり、例えばφ０．３ｍｍの被覆銅線を１９本撚り線にしたリッツ線を２０回巻いて形成される。略長方形状のコイル５の２本の長辺５ａ、５ｂは主熱交換器５０ｃの冷媒管２０の直径と同程度の幅であり、主熱交換器５０ｃを通る気流を妨げることなくラインフローファン２に導くことができる。コイル５は、主熱交換器５０ｃの一部に面して配置され、コイル５に２０〜１００ｋＨｚの高周波電流を供給すると、コイル５が面する部分の主熱交換器５０ｃが誘導加熱され、室内ユニット５１の吹き出し口より温風が吹き出される。また、実施の形態１で示したように、導電性を有するラインフローファン２を用いることで、主熱交換器５０ｃ及びラインフローファン２の両方を誘導加熱して温風を得ることもできる。

本実施の形態においては、コイル５が面する主熱交換器５０ｃが誘導加熱されるため、実施の形態１とは異なり駆動回路のスイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０を冷却するために用いる熱交換器の選択に制限がある。すなわち、誘導加熱される熱交換器は高温になるため半導体素子の冷却には不向きである。したがって、主熱交換器５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうち、コイル５に面しない部分の主熱交換器５０ａ、５０ｂを利用して半導体素子の冷却を行えばよい。本実施の形態では、図９及び図１０に示すように、主熱交換器５０ｂを利用して、実施の形態１と同様にスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の冷却を行っている。

図９に示すように、熱伝導性のベース部材であるアルミベース５８ａ、５８ｂが主熱交換器５０ｂに設けられている。アルミベース５８ａにはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング用半導体素子９が取り付けられ、アルミベース５８ｂにはブリッジダイオードなどの整流用半導体素子１０が取り付けられている。アルミベース５８ａ、５８ｂは、主熱交換器５０ｂと良好に熱的に接続されている。このため、スイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０の発熱がアルミベース５８ａ、５８ｂを通じて主熱交換器５０ｂに良好に伝導される。つまり、主熱交換器５０ｂを介してスイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０の発熱を放熱することができる。

なお、実施の形態１の図１に示す室内ユニット１とは異なり本実施の形態では、スイッチング用半導体素子９を固定するためのアルミベース５８ａも、整流用半導体素子１０を固定するためのアルミベース５８ｂと同様、熱交換器５０ｂの端に配置されている。これは、本実施の形態では、アルミベース５８ａ、５８ｂが主熱交換器５０ｂに組み込まれており、主熱交換器の方が補助熱交換器より放熱能力が優れていることによるものである。すなわち、例えば市販の空気調和装置の室内ユニットでは、主熱交換器の或る一面の冷媒管の本数は１２本（６列×２段）であり、補助熱交換器の冷媒管の本数は４本（４列×１段）である。このため、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の放熱に寄与する冷媒管の断面積が、主熱交換器は補助熱交換器の３倍大きく、主熱交換器の方が補助熱交換器よりも放熱能力が優れている。したがって、熱交換器５０ｂのアルミベース５８ａの片側の部分からしか放熱されなくても、スイッチング用半導体素子９を十分に冷却することができる。

なお、本実施の形態のように、コイル５が主熱交換器５０ｃに面して配置する場合であっても、スイッチング用半導体素子９を冷却するためのアルミベース５８ａを熱交換器５０ｂの中央付近に配置してもよい。また、実施の形態１と同様に、補助熱交換器３ｂにアルミベース８ａ、８ｂを設けて、スイッチング用半導体素子９や整流用半導体素子１０を、これらのアルミベース８ａ、８ｂに取り付けてもよい。この場合、スイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却するために用いられる補助熱交換器３ｂが誘導加熱によって高温にならないように、コイル５の配置や熱交換器の選択を行えばよい。また、実施の形態１のようにリアケーシング４に面状コイルを配置してラインフローファン２を誘導加熱する場合であっても、主熱交換器５０ｂにアルミベース５８ａ、５８ｂを設けてスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却してもよい。

以上のように、ラインフローファン２を誘導加熱するためのコイル５を主熱交換器５０ｃに面して配置する場合であっても、主熱交換器５０ｂを介して、ラインフローファン２を誘導加熱するために用いるスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０の冷却を行うため、室内ユニット５１内部にスイッチング用半導体素子９及び整流用半導体素子１０を冷却するためのヒートシンクや空冷ファンを設ける必要がないので、空気調和装置の室内ユニット５１を大型化することなく、室内ユニット５１を小型に保ったまま、誘導加熱を利用した温風が吹き出す空気調和装置を得ることができる。

実施の形態３．
図１１は、本発明を実施するための実施の形態３における空気調和装置の室内ユニットを示す一部分解斜視図である。本実施の形態における空気調和装置は、整流用半導体素子としてワイドバンドギャップ半導体で形成したダイオードを用い、整流用半導体素子を冷却するためのアルミベースを設けずに、スイッチング用半導体素子を冷却するためのアルミベースのみを設けている点が実施の形態１と異なる。

本実施の形態では、整流用半導体素子は、室内ユニット６１用の小電力回路６６と一緒にパッケージングされており、図示していない。整流用半導体素子にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを適用し、スイッチング用半導体素子９にＳｉ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を適用している。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べてバンドギャップが大きい半導体である。例えば、３−５族半導体、特に窒化物半導体は大きなバンドギャップを有する。ワイドバンドギャップ半導体の具体例としては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。また、シリコンのバンドギャップ１．１２ｅＶの２倍程度以上のバンドギャップを有する半導体でもよい。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを使用することによって整流用半導体素子の導通損を低減できる。また、整流用半導体素子のみをワイドバンドギャップ半導体によって形成するので、電力変換装置の製造コストの増加を軽減することができる。

図１１において、補助熱交換器３ｄにスイッチング用半導体素子９を取り付けるためのアルミベース８ａが設けられている。アルミベース８ａは、補助熱交換器３ｄと良好に熱的に接続されている。このため、スイッチング用半導体素子９の発熱がアルミベース８ａを通じて補助熱交換器３ｄに良好に伝導される。実施の形態１の図１と異なり、整流用半導体素子を取り付けるためのアルミベースが設けられていない。しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを使用することによって、整流用半導体素子での電力損失を低減することができ、整流用半導体素子の発熱を抑えることができる。このため、実施の形態１のように、アルミベースを設けて整流用半導体素子を冷却する必要がない。

以上のように、整流用半導体素子にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを使用することによって、整流用半導体素子の発熱が少ないので、整流用半導体素子を冷却するためのアルミベースを設けなくても、空気調和装置の室内ユニット６１を大型化することなく、室内ユニット６１を小型に保ったまま、誘導加熱を利用した温風が吹き出す空気調和装置を得ることができる。また、全ての半導体素子をワイドバンドギャップ半導体によって形成しないので、誘導加熱を行うための回路コストの増加を軽減することができる。

実施の形態４．
図１２は、本発明を実施するための実施の形態４における空気調和装置の室外ユニットのヒートポンプ用熱交換器の斜視図である。実施の形態１〜３においては、空気調和装置の室内ユニット内のラインフローファンを誘導加熱する場合について説明したが、空気調和装置の室外ユニット内のヒートポンプ用熱交換器を誘導加熱する場合にも本発明を適用することができる。

図１２において、ヒートポンプ用熱交換器１０１は、導電性の熱交換器１０２と、熱交換器１０２に面して設けられ、熱交換器１０２を誘導加熱するためのコイル１０５とによって構成される。熱交換器１０２は、穴開き金属プレートからなる複数のフィン１０３と、金属パイプである冷媒管１０４とによって構成される。熱交換器１０２には、スイッチング用半導体１０９及び整流用半導体素子１１０を取り付けるためのアルミベース１０８が設けられている。アルミベース１０８は、熱交換器１０２と良好に熱的に接続されている。このため、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の発熱がアルミベース１０８を通じて熱交換器１０２に良好に伝導される。つまり、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の発熱は熱交換器１０２を介して放熱される。なお、実施の形態１で示した補助熱交換器にアルミベースを取り付ける場合と同じ方法によって、熱交換器１０２にアルミベース１０８を取り付けることができる。

整流用半導体素子１１０は、交流電源１１１から供給される交流電圧を全波整流して、脈流となった直流電圧に変換するものであり、この直流電圧をスイッチング用半導体素子１０９が配置された駆動回路に供給する。また、小電力回路１１６は室外ユニット内に設けられ、交流電源１１１から電力の供給を受け、ドライバ集積回路へスイッチング用半導体１０９のスイッチングを制御する信号を出力する。スイッチング用半導体１０９を、２０〜１００ｋＨｚの周波数で交互にスイッチングすることによって、コイル１０５に２０〜１００ｋＨｚの高周波電流が流れる。なお、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０は、コイル１０５自体の発熱の影響を避けるために、コイル１０５に対向しない面に設けられている。

本実施の形態では、フィン１０３はアルミ製で、厚さ０．１ｍｍ程度であり、冷媒管１０４は銅またはアルミ製である。冷媒管１０４は、冷媒管１０４の延伸方向に並べて配置（積層）された複数のフィン１０３を貫通し、複数のフィン１０３と略直交して設けられている。そして、複数のフィン１０３と冷媒管１０４は電気的に接続されている。このように、複数のフィン１０３は、冷媒管１０４と略直交し、冷媒管１０４とともに格子状のループを形成するように設けられている。図１２では、熱交換器１０２及びコイル１０５の構成を分かりやすく示すために、熱交換器１０２から距離を設けてコイル１０５を示しているが、実際には、コイル１０５は熱交換器１０２に対して数ｃｍ以下程度に接近あるいは一部が接するように近接させて配置されている。なお、コイル１０５は、複数の冷媒管１０４を並べた面に略平行に対向して配置されている。

冷媒管１０４の端部１０４ａ、１０４ｂは、図示しないヒートポンプ装置の冷媒回路に接続され、冷媒が冷媒管１０４の内部を流入、流出して冷凍サイクルが行われる。コイル１０５は、例えば、直径０．３ｍｍの被覆銅線を１９本撚った所謂リッツ線を導線として周回して長方形状に巻いたものであり、冷媒管１０４の長手方向に沿って略平行部分を有するように矩形状に周回されて、熱交換器１０２と略平行に対向して配置されている。なお、コイル１０５の端部は、誘導加熱用の駆動回路に接続されている。図１２において示したコイル１０５は、冷媒管１０４に対して平行なコイル導線の数を４本として示したが、これに限るものではない。また、コイル１０５の巻数も任意であってよく、例えば１０〜４０ターンであってよい。さらに、コイル１０５を形成した後に、リッツ線をエポキシ系接着剤などで硬化させればコイル１０５の形状を任意の形状に形成したまま、容易に形状を保持することができる。このようなコイル１０５の形成に適した導線として、リッツ線の周囲にエポキシ系接着剤を設けた自己融着導線が導線メーカ各社から市販されており容易に入手することができる。さらに、コイル１０５を形成した後に、樹脂などの絶縁物でコイル１０５の表面を覆ってコイル１０５を保護してもよい。

冷媒管１０４に対して平行なコイル導線の配置の間隔を、熱交換器１０２の冷媒管１０４の配置の間隔より広くすることによって、熱交換器１０２のフィン１０３と垂直方向（冷媒管１０４を配置した面に対して垂直な方向）に空気流がある場合であっても空気流を妨げることがない。また、冷媒管１０４に対して平行なコイル導線と冷媒管１０４とが対向した位置に配置されれば、空気流の流れから見てコイル導線は冷媒管１０４に重なっているので、実質的にコイル１０５によって空気流がほとんど妨げられず、熱交換器１０２の空気通過性能を低下させることがない。なお、空気流はコイル１０５側から流入し熱交換器１０２を通過してもよいし、空気流がコイル１０５側から流出してもよい。

熱交換器１０２は、空気調和装置や冷凍機などのヒートポンプ装置において一般的に用いられているフィンチューブ型熱交換器であり、格別の特徴を有するものではない。したがって、ここに示す熱交換器と同様の構成であり、同様の動作をするものであれば、本発明に用いられる熱交換器である。

次に、熱交換器１０２を誘導加熱する動作について説明する。図１２に示したヒートポンプ用熱交換器１０１において、誘導加熱用の駆動回路からコイル１０５に２０〜１００ｋＨｚ程度の高周波電流を流すと、コイル１０５の導線の周囲に高周波磁場が発生し、熱交換器１０２が誘導加熱される。図１３は、熱交換器１０２が誘導加熱される現象を詳しく説明するための説明図であり、図１２と同じヒートポンプ用熱交換器１０１のコイル１０５に高周波電流を流した時のコイル１０５に流れるコイル電流の様子、高周波磁場の磁束の様子、熱交換器１０２に流れる渦電流の様子を示したものである。誘導加熱の動作のみをわかりやすく説明するため、スイッチング用半導体素子、整流用半導体素子、アルミベース等を示していない。なお、高周波電流は半周期ごとに極性が反転し、コイル電流の向きが変わるが、説明のために一方の向きにコイル電流が流れている時点について示している。

誘導加熱用の駆動回路を用いてコイル１０５に高周波電流を流すと、コイル１０５の導線の周囲に右ネジの法則に従う向きで高周波磁場が発生し、図１３に示すように磁束が発生する。この磁束はコイル１０５に面した位置にある熱交換器１０２に鎖交し、熱交換器１０２に渦電流が流れる。熱交換器１０２に用いられたアルミ等の金属材料には通常電気抵抗があるため、金属に渦電流が流れると電気抵抗に比例したジュール熱が発生することによって、熱交換器１０２は誘導加熱されることになる。図１２に示すように、コイル１０５は熱交換器１０２の冷媒管１０４に対向して複数のリッツ線を束ねたコイル導線を有するので、これらのコイル導線に対向した冷媒管１０４に起電力が誘起される。熱交換器１０２は水平方向に長手方向を有する冷媒管１０４と垂直方向に長手方向を有するフィン１０３とが電気的に接続されているので、格子状の導電路を形成しているといえる。このため、冷媒管１０４に誘起された起電力によって、冷媒管１０４からフィン１０３を通って、他の冷媒管１０４を通って他のフィン１０３を通り、再び元の冷媒管１０４に達するといったループ状の電流経路が形成されて熱交換器１０２に渦電流が流れる。なお、ここで述べた渦電流も実施の形態１で述べたように誘導電流と呼び、ここで用いた加熱方法を誘導加熱と呼ばない方が学術的には適切かもしれないが、本発明はこれらの用語の解釈によって判断されるものではない。

本実施の形態におけるヒートポンプ用熱交換器１０１では、コイル導線に近い冷媒管１０４が最も高温に誘導加熱されるが、フィン１０３と冷媒管１０４は熱的にも接続されているので、冷媒管１０４の発熱はフィン１０３や他の冷媒管１０４へも熱伝導し、熱交換器１０２が全体的に加熱される。また、フィン１０３と冷媒管１０４との間に接触抵抗などの電気抵抗体を有する場合には、この電気抵抗体が主たる発熱源となり、フィン１０３や冷媒管１０４は電気抵抗体への導電路のように働く。電気抵抗体は、フィン１０３と冷媒管１０４との交点に存在するため熱交換器１０２の全面に渡って存在するので、熱交換器１０２の誘導加熱する効率を向上させるとともに、熱交換器１０２を均一に誘導加熱するための働きもする。

ここで、ヒートポンプ用熱交換器を使用したヒートポンプ装置について説明する。ヒートポンプ装置は、蒸発器、圧縮機、及び凝縮機を備えており、ヒートポンプ装置を暖房装置として使用する場合、蒸発器で低温の空気を取り込み、圧縮機で低温の空気を圧縮して高温・高圧化し、凝縮機で温熱を排出する。冬季など、室外ユニットが設置された周囲の空気温度が低い場合には、室外ユニットが空気から熱を吸収するため、室外ユニットの熱交換器の温度は、周囲の空気温度より低くなる。このため、室外ユニット内の熱交換器の温度が氷点下になると空気中の水分が熱交換器に氷や霜となって付着する（着霜）。熱交換器に着霜すると、氷や霜は熱伝導率が低いため熱交換器の加熱効率が低下するなどの性能が低下し、空気から十分な熱を吸収できなくなるので、熱交換器に付着する氷や霜を溶かす（除霜）必要がある。

そこで、本実施の形態のヒートポンプ用熱交換器１０１を用いたヒートポンプ装置では、熱交換器１０２に着霜が発生しても、例えば室外ユニット内の圧縮機を停止し、ヒートポンプ用熱交換器１０１のコイル１０５に高周波電流を供給することによって熱交換器１０２を誘導加熱し、熱交換器１０２を除霜することができる。また、周囲の空気温度が氷点以上の場合には、圧縮機を停止させずに冷凍サイクルの状態のまま、コイル１０５に高周波電流を供給して熱交換器１０２の温度を氷点以上まで上昇させて、熱交換器１０２を除霜することもできる。

また、本発明のヒートポンプ用熱交換器１０１を用いたヒートポンプ装置では、コイル１０５に高周波電流を供給するだけで除霜を行うことができ、冷媒回路の各部の温度変化を待つ必要がないため、頻繁に除霜を行うことができる。したがって、着霜して性能が低下した状態の熱交換器１０２を長く使用することがない。また、溶けやすい小さな氷や霜を溶かすので、短時間に除霜を終了することができる。このため、ヒートポンプ装置のエネルギー利用効率を向上させることができる。さらに、本発明のヒートポンプ用熱交換器１０１を用いたヒートポンプ装置では熱交換器１０２の全体に渡ってほぼ均一に加熱されるため、逆サイクルによる除霜運転を行う場合のように熱交換器の上方では除霜が完了しているのに下方では未だ除霜が行われておらず、熱交換器の上方が必要以上に高温になり、エネルギーの無駄が生じるといった問題がない。なお、ここでは室外ユニットを有する空気調和装置、給湯装置、床暖房装置などのヒートポンプ装置について述べたが、熱交換器が配置された庫内を冷凍する冷凍庫や冷蔵庫などの除霜にも本発明のヒートポンプ用熱交換器１０１を同様に適用することができる。

このような、ヒートポンプ用熱交換器１０１において、整流用半導体素子１１０及びスイッチング用半導体素子１０９などによって構成される誘導加熱用の駆動回路は、コイル１０５へ高周波電流を供給するものであるが、実施の形態１で説明した誘導加熱用の駆動回路と同様の動作を行う。実施の形態１と同様に、コイル１０５に高周波電流を流すと、スイッチング用半導体素子１０９や整流用半導体素子１１０は、導通損失やスイッチング損失によって発熱し、適切に放熱されないとスイッチング用半導体素子１０９や整流用半導体素子１１０の許容温度を超えて温度上昇するため、スイッチング用半導体素子１０９や整流用半導体素子１１０が破損するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、図１２に示すように、熱交換器１０２にスイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０を取り付けるためのアルミベース１０８が設けられている。アルミベース１０８にはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング用半導体素子１０９及びブリッジダイオードなどの整流用半導体素子１１０が取り付けられている。アルミベース１０８は、熱交換器１０２と良好に熱的に接続されている。このため、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の発熱がアルミベース１０８を通じて熱交換器１０２に良好に伝導される。ここで、ヒートポンプ用熱交換器１０１は室外に設置され、熱交換器１０２自体も着霜するくらい低温である。このため、熱交換器１０２に伝熱されたスイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０からの熱は効率良く熱交換器１０２に放熱される。また、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０から熱交換器１０２に放熱された熱は、熱交換器１０２の除霜に利用されるので、損失とはならない。このように、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の発熱は効率良く放熱されるので、スイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の温度上昇を許容温度以下に抑えることができる。

また、図１４に示した空気調和装置の室外ユニットのヒートポンプ用熱交換器１２１のように、スイッチング用半導体素子１０９や整流用半導体素子１１０などによって構成される誘導加熱用の駆動回路を、コイル１２５に面する側のアルミベース１０８に設けてもよい。この場合、コイル１２５自体の発熱で、誘導加熱用の駆動回路を加熱することを防ぐために、コイル１２５の外形面積を少し小さくして、コイル１２５と誘導加熱用の駆動回路が対向しないようにする必要がある。

また、実施の形態３に示したように、整流用半導体素子にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを適用してもよい。

以上のように、熱交換器１０２にアルミベース１０８を設けることによって、誘導加熱するために用いるスイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０の冷却を行うため、室外ユニット内にスイッチング用半導体素子１０９及び整流用半導体素子１１０を冷却するためのヒートシンクや空冷ファンを設ける必要がない。

なお、すべての実施の形態において、半導体素子を取り付ける部材をアルミベースとしたが、最も一般的な材料としてアルミを例示したものであり、材料はアルミに限るものではなく、銅等他の金属材料であってもよく、窒化アルミニウムのような熱伝導率の高いセラミックス材料などであってもよい。

１，５１，６１ 室内ユニット、２ ラインフローファン、３ａ，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ 主熱交換器、３ｂ，３ｃ，３ｄ 補助熱交換器、４ リアケーシング、５，１０５，１２５ コイル、６ 耐熱材、７ 磁性体、８ａ，８ｂ，５８ａ，５８ｂ，１０８ アルミベース、９，１０９ スイッチング用半導体素子、１０，１１０ 整流用半導体素子、１１，１１１ 交流電源、１２ 駆動回路、１３ コンデンサ、１４ ドライバ集積回路、１５ 筐体、１６，６６，１１６ 小電力回路、１７ カバー、１８ 大電力回路、２０，１０４ 冷媒管、２１，１０３ フィン、２２ 穴、２３ カラー部、２４ 拡管治具、２５ａ、２５ｂ ネジ穴、３１ 羽根、３２ 円板、３３ ドーナツ板、１０１，１２１ ヒートポンプ用熱交換器、１０２ 熱交換器。

Claims (8)

1. 熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した空気を送風する導電性の被加熱体と、
   前記被加熱体を誘導加熱するコイルと、
   半導体素子を有し、前記コイルに高周波電流を供給する駆動回路とを備え、
   前記熱交換器は、熱伝導性のベース部材を有し、
   前記半導体素子は、前記ベース部材に取り付けられ、前記半導体素子の発熱が前記熱交換器を介して放熱されることを特徴とする空気調和装置。
2. 導電性の熱交換器と、
   前記熱交換器を誘導加熱するコイルと、
   半導体素子を有し、前記コイルに高周波電流を供給する駆動回路とを備え、
   前記熱交換器は、熱伝導性のベース部材を有し、
   前記半導体素子は、前記ベース部材に取り付けられ、前記半導体素子の発熱が前記熱交換器を介して放熱されることを特徴とする空気調和装置。
3. 前記熱交換器は、複数の金属プレート、及び前記複数の金属プレートを貫通して前記複数の金属プレートに対して略直交して設けられた冷媒管を有し、
   前記ベース部材は、前記冷媒管を通すための穴を有し、
   前記冷媒管は、前記穴に通された後、拡管されることによって、前記ベース部材と接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 前記ベース部材は、前記複数の金属プレートに挟まれるように配置されることを特徴とする請求項３に記載の空気調和装置。
5. 前記熱交換器は、主熱交換器及び補助熱交換器を有し、
   前記ベース部材は前記補助熱交換器に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気調和装置。
6. 前記被加熱体及び前記コイルを内部に有する室内ユニットを備え、
   前記被加熱体は、円筒状で導電性のラインフローファンであり、
   前記コイルは、前記ラインフローファンの円筒軸方向と略平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
7. 前記熱交換器は、ヒートポンプ用熱交換器であり、複数の金属プレート、及び前記複数の金属プレートを貫通し、前記複数の金属プレートと略直交して設けられた冷媒管を有し、前記複数の金属プレートと前記冷媒管とが電気的に接続され、
   前記コイルは、導線を周回して形成され、前記冷媒管の長手方向に沿って略平行部分を有するように周回されて、前記ヒートポンプ用熱交換器と略平行に対向して配置されることを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
8. 交流電源から供給される交流電圧を全波整流して直流電圧に変換し、前記駆動回路に前記直流電圧を供給する整流用半導体素子を備え、
   前記整流用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気調和装置。

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