JP5858777B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
また近年、制御装置を構成する複数の機能回路を1つのパッケージに内蔵してなる複合型の半導体モジュールが用いられている。このような半導体モジュールは、機能回路ごとに発熱量が異なる場合があり、発熱量に適した冷却が必要となる。
このように、発熱量が運転能力により各機能回路で個別に変化する半導体モジュールを、運転能力により風量が変化するファンからの送風を利用して冷却する場合、放熱板によって発熱量に適した冷却を行うことが困難である、という問題点があった。
図1は、実施の形態1における空気調和装置の冷媒回路図である。
図1に示すように、空気調和装置は、圧縮機100と、四方弁101と、室外機1に搭載された室外側熱交換器102と、膨張手段である膨張弁103と、室内機に搭載された室内側熱交換器104とが順次冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。
四方弁101は、冷媒回路内の冷媒の流れる方向を切り替えることで、暖房運転、冷房運転の切り替えを行う。なお、冷房専用または暖房専用の空気調和装置とする場合には四方弁101を省略しても良い。室外側熱交換器102は、冷房運転時には、冷媒の熱により空気等を加熱する凝縮器として機能し、暖房運転時には、冷媒を蒸発させその際の気化熱により空気等を冷却する蒸発器として機能する。室内側熱交換器104は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能する。圧縮機100は、蒸発器から排出された冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器に供給する。膨張弁103は、凝縮器から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器に供給する。
図2に示すように、室外機1は、箱状に形成された筐体の側面に吸込口が形成され、吸込口に沿うように室外側熱交換器102(図示せず)が配置され、筐体の天面の開口により形成された吹出口にファン3が配置されている。このようなトップフロー型の室外機1は、ファン3が回転すると、筐体側面の吸込口から空気(風4)が吸い込まれ、室外側熱交換器102を通過後、垂直方向の流れとなって、筐体上部に形成された吹出口から上向きに吹き出される。
また、室外機1の筐体内部には、圧縮機100およびファン3を制御する制御装置2が取付られており、ファン3の回転により発生する風4が制御装置2の背面を流れる構造となっている。またファン3は空気調和装置の運転状態(運転能力)により回転数が変化するため、風4の風量も変化することになる。
図3に示すように、制御装置2の内部には、複数の機能回路を1つのパッケージに内蔵してなる複合型の半導体モジュール6と、この半導体モジュール6に取り付けられ、放熱フィンが形成された放熱板7とが配置されている。放熱板7は、例えば制御装置2の背面(筐体側面側)に取付られており、室外機1の筐体内に吸い込まれた風4の一部(以下、冷却風8という)が放熱フィンを流通するように配置され、この冷却風8と放熱板7とが熱交換することで半導体モジュール6の冷却を行う。
図4に示すように、制御装置2は、圧縮機100を駆動する構成として、整流回路部9、昇圧回路部10、およびインバータ回路部11を備えている。
整流回路部9は、整流ダイオードをブリッジ接続して構成され、電源からの交流電圧を整流して昇圧回路部10に供給する。
昇圧回路部10は、リアクトル、スイッチング素子、およびダイオードにより構成され、スイッチング素子のON期間にリアクトルに電流を流し込み、OFF期間にリアクトルに蓄えられたエネルギーをダイオードを介して出力することで整流回路部9からの直流電圧を昇圧して出力する。昇圧回路部10の出力は平滑コンデンサにより平滑されてインバータ回路部11に供給される。
インバータ回路部11は、スイッチング素子を各々ブリッジ接続して構成され、例えば、PWM制御を行い、入力された直流電圧を任意電圧、任意周波数の交流に変換することで、圧縮機100のモータを駆動して、圧縮機100の回転速度を可変する。
図5に示すように、半導体モジュール6は、整流回路部9、昇圧回路部10、インバータ回路部11の各機能回路を、それぞれ配置領域を区分して配置している。なお、上記機能回路以外の回路が配置されるその他回路部12を設ける構成としてもよい。ここでは、その他回路部12には発熱体が無いものとして説明する。
なお、以下の説明において、整流回路部9の配置領域を「A」、昇圧回路部10の配置領域を「B」、インバータ回路部11の配置領域を「C」と称する。
本実施の形態1においては、発熱体である半導体モジュール6の内部構造(発熱体のレイアウト)による温度分布を考慮し、その分布に適応した放熱板7の構造と空気調和装置の運転パターンとを組み合わせる事で最適冷却を図るものである。
以下、運転パターンと各機能回路の発熱量との関係を説明した上で、放熱板7の構成を説明する。
また、図6、図7の上段は、空気調和機の運転能力(空調機能力)と各機能回路ごとの発熱量との関係をグラフで示し、下段は、ファン3の風量と各機能回路の発熱量との対応関係を示している。
図6、図7の何れの場合においても、制御装置2による運転制御においては、設定する空調機能力(運転能力)が大きいほどファン3の風量を大きくする設定する。ここで、運転能力を「小」、「中」、「大」の3つに区分し、それぞれの運転パターンにおけるファン3の風量を「小」、「中」、「大」で示す。
一方、C部(インバータ回路部11)は、発熱量が運転能力に依存しない。これは、インバータ回路部11の電流は圧縮機100のモータトルク等により変動するため、設定温度や、外気温度に依存するためである。即ち、発熱量は風量に依存しない。このため、風量が「中」(能力「中」)の運転パターンで発熱量が「大」となる場合もある。
一方、この例においても、C部(インバータ回路部11)は、発熱量が運転能力に依存しない。即ち、発熱量は風量に依存しない。この例では、風量が「中」、「大」のとき発熱量が共に「中」となる。
なお、インバータ回路部11は、この発明における「第1機能回路」に相当する。また、整流回路部9および昇圧回路部10は、この発明における「第2機能回路」に相当する。
図8は、実施の形態1における放熱板と半導体モジュールを示す斜視図である。
図8に示すように、放熱板7は、発熱量が運転能力に依存しない機能回路であるC部の配置領域に対応する位置に、放熱フィンの間隔を所定の間隔とした広ピッチ部7bが形成されている。また、運転能力が大きくなるほど発熱量が大きくなる機能回路であるA部およびB部の配置領域に対応する位置に、広ピッチ部7bより放熱フィンの間隔を狭くした狭ピッチ部7aが形成されている。
図9は、実施の形態1における半導体モジュールの冷却動作を示す図である。
図9(A)は、ファン3の風量が「大」の場合における各部の発熱量と放熱能力とを示し、図9(B)は、ファン3の風量が「小」の場合における各部の発熱量と放熱能力とを示している。なお、ここでの発熱量は、上記図6の場合を例に説明する。
この場合、A部およびB部は狭ピッチ部7aの放熱板7に接触しているため、十分な放熱効果を確保することができ、結果的に半導体モジュール6の温度上昇を抑制する事が可能となる。
なお、各部の発熱量としては、A部は100W程度、B部は250W程度、C部は250W程度を想定している。
このとき、放熱板7の狭ピッチ部7aは、冷却風8bの風速が小さい(例えば0.4m/s程度)ため、十分な放熱効果を得る事ができないが、A部、B部共に発熱量が「小」の状態であるため、過剰な温度上昇には至らない。
一方でC部については、広ピッチ部7bの放熱板7に接触しているため、冷却風8bの風速が小さい場合であっても一定の放熱効果を得る事が可能となり、温度上昇を抑制する事ができる。
なお、各部の発熱量としては、A部は50W程度、B部は80W程度、C部は250W程度を想定している。
図10は、実施の形態1における冷房運転時の空調機運転範囲を示す図である。
図11は、実施の形態1における周囲温度および空調機能力における発熱量の推移を示す図である。
図10に示すように、室外機1が設定される周囲環境(例えば季節)により、冷房運転における室外機の周囲温度と室内設定温度との関係がおおよそ定まる。例えば、室外機周囲温度と室内設定温度と共に「高温」であるとき周囲環境は真夏であると想定される。半導体モジュール6の発熱量は周囲環境の影響を受ける。即ち、周囲温度が高い場合には冷却風8の温度も高くなるため、放熱板7での放熱量が少なくなり、発熱量が増加する。
例えば図12に示すように、上述したA部、B部、C部を一列に配置し、A部およびB部に対応する位置に狭ピッチ部7aを形成し、C部に対応する位置に広ピッチ部7bを形成すればよい。
このため、複数の機能回路を1つのパッケージに内蔵してなる半導体モジュールの冷却において、各機能回路の発熱状態とファン3の風量とに応じた適切な冷却を行うことができる。
また、運転能力が大きくなるほど発熱量が大きくなる第2機能回路に対応して狭ピッチ部7aを形成し、運転能力が大きいほどファン風量も大きいので、狭ピッチ部7aにより第2機能回路の発熱量を放熱することが可能となる。また、放熱板7の小型化を図ることができる。
また、複数の機能回路を、1つのパッケージに内蔵した半導体モジュール6で構成し、この半導体モジュール6に放熱板7を取り付けるので、各機能回路ごとに個別の放熱板を設ける必要が無く、コストダウンを図ることができる。
実施の形態1では室外機1のファン3にて発生する風4を利用して冷却する形態を説明した。本実施の形態2では放熱板冷却用の軸流ファンを設けた形態について説明する。
図13に示すように、本実施の形態においては、上記実施の形態1の構成に加え、少なくとも広ピッチ部7bに送風する軸流ファン21と、少なくとも広ピッチ部7bに送風する軸流ファン22とを備えている。
この軸流ファン21、22は、放熱板7(側面側)に対向して配置され、制御装置2からの制御により駆動することで冷却風23を放熱板7に送風する。なお、ここでは、2台の軸流ファンを設ける場合を説明するが、これに限るものではない。
また、軸流ファン22は、この発明における「第3ファン」に相当する。
図14は、実施の形態2における半導体モジュールの冷却動作を示す図である。
図14(A)は、運転能力が「大」の場合における各部の発熱量と放熱能力とを示し、図14(B)は、運転能力が「小」の場合における各部の発熱量と放熱能力とを示している。なお、ここでの発熱量は、上記図6の場合を例に説明する。
なお、ここでは、軸流ファン21、22を共に駆動する場合を説明したが、これに限らず、狭ピッチ部7aに対向する軸流ファン22のみを駆動するようにしても良い。上述したように、狭ピッチ部7aの放熱能力を発揮するには十分な風速が必要となるため、何らかの原因で室外機1のファン3の風量が確保できない場合であっても、半導体モジュール6を冷却することができる。
このとき、室外機1のファン3の風量も「小」となり放熱板7を通過する風量も小さくなる。A部、B部共に発熱量が「小」の状態であるため、過剰な温度上昇には至らない。一方でC部については、発熱量が大きくなる場合があるため、広ピッチ部bに対向する軸流ファン21を駆動することで、放熱能力を向上させる。例えば制御装置2は、ファン3の風量が所定値より大きいとき(例えば「中」以下)、軸流ファン21を駆動して、広ピッチ部7bに冷却風23bを供給することで、放熱能力を向上させる。
また本実施の形態においては、放熱板7に対向して配置され、少なくとも狭ピッチ部7aに送風する軸流ファン22を備える。そして、制御装置2は、運転能力が所定値より大きいとき、軸流ファン22を駆動させる。このため、狭ピッチ部7aの放熱能力を向上させることができる。
図15に示すように、上記の構成に加え、広ピッチ部7bの上流側の温度を検出する上流側温度センサ31と、広ピッチ部7bの下流側の温度を検出する下流側温度センサ32を備える。なお、上流側温度センサ31および下流側温度センサ32は、この発明における「温度センサ」に相当する。
このような構成により、制御装置2は、広ピッチ部7bの上流側と下流側の温度差が所定値より大きいとき、軸流ファン21を駆動させる。このように、上流側と下流側の温度差が大きく、ファン3からの風量が少ないと想定される場合には、軸流ファン21を使用する事で一定の風速を確保する事が可能となる。
本実施の形態では、半導体モジュールの内部素子に、シリコンカーバイト(SiC)素子などのワイドバンドギャップ半導体を使用する形態について説明する。
更に電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュール6の高効率化が可能になる。
図16に示す例では、B部(昇圧回路部10)に、シリコンカーバイト素子を用いた場合を示している。
上述したように、シリコンカーバイト素子は耐熱温度が高く、冷却条件を緩和できるため、他の機能回路より送風の風下側に配置することが可能となる。
このため図16に示すように、半導体モジュール6の取付方向を、上記実施の形態1(図8)から180度回転させている。
この場合、A部で排出された熱により、高温状態となった風がB部に吹き付けられる。但し、B部はシリコンカーバイト素子を使用しているため、十分な耐熱特性が有り高温環境下でも破壊に至らない。
なお、図17における運転パターンとモジュール発熱量は、図6、図7に示した運転パターンと各機能回路の発熱量との関係に相当する。
図17(A)の例では、C部は、風量「中」および「大」のとき発熱量が共に「大」となり、A部、B部と比較して、発熱量が大きくなる運転パターンが多い。この例では、発熱状態がより多くなるC部に、シリコンカーバイト素子を適用する。
また、図17(B)の例では、C部は、風量「中」および「大」のとき発熱量が共に「中」となり、B部は、風量「小」および「中」で発熱量が共に「小」であるものの、風量「大」のとき、発熱量が「大」となる。この例では、発熱量が最も大きくなるB部に、シリコンカーバイト素子を適用する。
Claims (6)
- 圧縮機、凝縮器、膨張手段、および蒸発器が冷媒配管で接続され冷媒を循環させる冷媒回路が形成された空気調和装置において、
前記凝縮器または前記蒸発器が搭載された筐体内に設けられ、前記凝縮器または前記蒸発器に送風するファンと、
設定する運転能力に応じて前記圧縮機および前記ファンを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
複数の機能回路をそれぞれ配置領域を区分して1つのパッケージに内蔵してなる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールに取り付けられ、前記ファンの送風の一部が流通する放熱フィンが形成された放熱板とを有し、
前記複数の機能回路の少なくとも一部は、発熱量が運転能力に依存しない第1機能回路と、運転能力が大きくなるほど発熱量が大きくなる第2機能回路とにより構成され、
前記放熱板は、
前記第1機能回路の配置領域に対応する位置に、前記放熱フィンの間隔を所定の間隔とした広ピッチ部が形成され、
前記第2機能回路の配置領域に対応する位置に、前記広ピッチ部より前記放熱フィンの間隔を狭くした狭ピッチ部が形成され、
前記制御装置は、設定する運転能力が大きいほど前記ファンの風量を大きくし、
前記ファンおよび前記制御装置は、室外機に配置され、
前記第1機能回路は、前記圧縮機の回転速度を可変するインバータ回路により構成され、
前記第2機能回路は、前記インバータ回路に直流電力を供給する整流回路および昇圧回路の少なくとも一方により構成された
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記放熱板に対向して配置され、少なくとも前記広ピッチ部に送風する第2ファンを備え、
前記制御装置は、
前記ファンの風量が所定量より小さいとき、前記第2ファンを駆動させる
ことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。 - 前記放熱板に対向して配置され、少なくとも前記広ピッチ部に送風する第2ファンと、
前記送風が流通する前記広ピッチ部の上流側の温度と下流側の温度とを検出する温度センサとを備え、
前記制御装置は、
前記広ピッチ部の上流側と下流側の温度差が所定値より大きいとき、前記第2ファンを駆動させる
ことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。 - 前記放熱板に対向して配置され、少なくとも前記狭ピッチ部に送風する第3ファンを備え、
前記制御装置は、
運転能力が所定値より大きいとき、前記第3ファンを駆動させる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の空気調和装置。 - 前記複数の機能回路の一部は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成され、他の機能回路より前記送風の風下側に配置された
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項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である
ことを特徴とする請求項5記載の空気調和装置。
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