JP6214462B2 - 空気調和機の室外機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に係わり、特に電気品モジュールユニットの冷却機能を備えた室外機に関するものである。

従来の空気調和機の室外機には、送風機、熱交換器、圧縮機等の機器の他に、送風機、圧縮機等の駆動制御に用いられる電気品モジュールが設けられている。
近年、電気品モジュールは、室外機の大容量化に伴い熱損失(発熱)が大きくなる傾向にある。特に、業務用の空気調和機では、複数の室外機を稼動する、又は大空間の室内を空気調和する場合、インバータ制御による圧縮機の運転時に、インバータ回路を駆動する制御基板の熱損が大きい。このため、特にインバータ制御を行うパワーモジュールを冷却するヒートシンクが大型化の傾向にある。
ヒートシンクは、十分な風速が得られる領域に配置しなければパワーモジュールの冷却が困難となる。しかし、室外機内では、送風機の駆動による風の流れの風速分布が大きく変化し、制御基板と大型のヒートシンクを配置できる場所の制約から、ヒートシンクが冷却風を十分に得られない場所に設置された場合には、パワーモジュールの冷却が困難となる。
ところで、大型のヒートシンクを熱交換器の風下側の、十分な冷却風が得られる場所に設置した場合、熱交換器への通風量が低下し、室外機本来の機能である熱交換性能が低下する。
これらを背景に、圧縮機等を格納する機械室と送風機室とを分ける仕切板の上部に、電気品モジュールユニットを配置したものがある。この電気品モジュールユニットは、回動可能な機構を有し、ヒートシンクの放熱フィンを送風機の送風方向に沿わせるように傾斜させて、パワーモジュールを冷却するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１９０４５４号公報（要約）

しかしながら、前述した室外機では、室外機内の仕切板の上部が最も空気の流れが淀む領域であるため、ヒートシンクを傾斜させた状態で設置しても十分な風速を得られず、ヒートシンクの放熱性能は低いままであった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、室外機の性能を低下させることなく、電気品モジュールユニットの冷却性能を高めることができる空気調和機の室外機を提供することを目的とする。

本発明に係る空気調和機の室外機は、仕切板により区分けされた機械室と送風機室とを有し、さらに、背面のうち送風機室に対応する面に吸気口及び前面のうち送風機室に対応する面に吹出口をそれぞれ有する筐体と、機械室内に設置された圧縮機と、送風機室内に設置され、吸気口から空気を吸引して吹出口から外部へ吹き出す送風機と、送風機室内の吸気口と送風機との間に配置された熱交換器と、圧縮機及び送風機を制御するパワーモジュールを有する制御基板、及びパワーモジュールの表面に密着して設置されたヒートシンクが設けられた電気品モジュールユニットとを備え、電気品モジュールユニットは、ヒートシンクが送風機の真上に位置するように、かつ当該ヒートシンクの放熱フィンが送風機側に向けられた状態で配置され、電気品モジュールユニットは、制御基板を収納する基板ケースを備え、基板ケースは、送風機の送風方向に沿う両側面のうちヒートシンク側の側面から底面に掛けて切り欠きされて形成された開口部を有し、ヒートシンクの一部は、開口部を下方から覆って、パワーモジュールの表面に密着している。
また、本発明に係る空気調和機の室外機は、仕切板により区分けされた機械室と送風機室とを有し、さらに、背面のうち送風機室に対応する面に吸気口及び前面のうち送風機室に対応する面に吹出口をそれぞれ有する筐体と、機械室内に設置された圧縮機と、送風機室内に設置され、吸気口から空気を吸引して吹出口から外部へ吹き出す送風機と、送風機室内の吸気口と送風機との間に配置された熱交換器と、圧縮機及び送風機を制御するパワーモジュールを有する制御基板、及びパワーモジュールの表面に密着して設置されたヒートシンクが設けられた電気品モジュールユニットとを備え、電気品モジュールユニットは、ヒートシンクが送風機の真上に位置するように、かつ当該ヒートシンクの放熱フィンが送風機側に向けられた状態で配置され、電気品モジュールユニットは、制御基板を収納する基板ケースを備え、基板ケース内には、パワーモジュールを除く電気部品の熱を当該基板ケースの一面に伝達する熱伝導部材が設けられている。

本発明によれば、電気品モジュールユニットは、ヒートシンクが送風機の真上に位置するように、かつヒートシンクの放熱フィンが送風機側に向けられた状態で配置され、放熱フィン間に送風機の風が流れるようにしている。この構成により、ヒートシンクの冷却に十分な風速が得られるので、パワーモジュールの冷却効果が向上する。また、ヒートシンクの冷却に十分な風速となっているので、室外機の熱交換性能を低下させることがない。

実施の形態１に係る空気調和機の室外機の背面図、側面図及び上面図。 図１の電気品モジュールユニットを拡大して示す断面図。 ヒートシンクを室外機内の上部の角部に配置して示す従来の室外機の背面図及び側面図。 実施の形態２に係る室外機の電気品モジュールユニットを示す断面図。 実施の形態３に係る室外機の電気品モジュールユニットを示す断面図。 実施の形態４に係る空気調和機の室外機の内部を示す側面図。 図６の制御基板の傾斜角度に応じて変化する放熱効率及び熱抵抗比の曲線図。 図６において送風機が停止した場合のヒートシンク付近の温度分布を示す図。

以下に、本発明に係る空気調和機の室外機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る空気調和機の室外機の背面図、側面図及び上面図、図２は図１の電気品モジュールユニットを拡大して示す断面図である。なお、図１の背面図は熱交換器を取り外した状態を示しており、図１の上面図は同図に示す背面図を反転させた状態を上方から見た図である。

空気調和機の室外機１００は、図１に示すように、仕切板１１により区分けされた機械室１２及び送風機室１３を有する筐体１０、機械室１２内に設置された圧縮機（図示せず）、送風機室１３内に配置された送風機２０及び熱交換器１９、送風機室１３内であって、送風機２０の上方に配置された電気品モジュールユニット３０等で構成されている。

筐体１０の背面パネル１４には、送風機室１３に対応する面のほぼ全面に吸気口１５が設けられている。筐体１０の前面パネル１６には、送風機２０に対応する面に円形形状の吹出口１７が設けられている。前述の圧縮機は、接続管により四方弁を介して熱交換器１９に接続されている。接続管、四方弁等は機械室１２内に設けられている。

送風機２０は、モーター２１とファン２２とで構成され、駆動時には空気（外気）を吸気口１５から吸引し、吸引した空気を吹出口１７から外部へ吹き出す。熱交換器１９は、吸気口１５から吸引された空気と冷媒とで熱交換する。この熱交換器１９は、空気調和機が暖房運転のときには蒸発器として作用し、冷房運転のときには凝縮器として作用する。

電気品モジュールユニット３０は、ヒートシンク３２が送風機２０の真上に位置するように、かつヒートシンク３２の放熱フィン３２ａが送風機２０側に向けられた状態で配置されている。さらに、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａは、放熱フィン３２ａ間に送風機２０の風が流れるように、送風機２０の送風方向Ａ（破線の矢印）に沿って並べられている。この電気品モジュールユニット３０は、筐体１０の底面１８に対して吸気口１５側が上方に傾けられている。これは、吸気口１５から流入する空気を吹出口１７へ導くためである。

この電気品モジュールユニット３０は、図２に示すように、熱伝導性を有する材料から形成された基板ケース３３と、基板ケース３３内に収納された制御基板３１と、ヒートシンク３２とで構成されている。制御基板３１には、圧縮機及び送風機２０を制御するパワーモジュール３４が実装され、また、コンデンサ、抵抗、トランジスタ等の電気部品３５が実装されている。ヒートシンク３２は、アルミ、銅等の熱伝導率の高い材料からなっている。

基板ケース３３には、送風機２０の送風方向Ａに沿う両側面のうちヒートシンク３２側の側面から下面に掛けて切り欠きされて形成された四角形状の開口部３６が設けられている。ヒートシンク３２は、放熱フィン３２ａを送風機２０側に向けた状態で、一部の上面が開口部３６を下方から覆って、パワーモジュール３４の表面に密着して設置されている。ヒートシンク３２の開口部３６とヒートシンク３２との接触部分には、防水シール材３７が施されている。これは、室外機１００内に発生する結露の水滴や、雨水が基板ケース３３内に浸入しないようにするためである。

前記のように構成された室外機１００において、送風機２０が駆動しているときには、外部の空気は、吸気口１５から吸引され、熱交換器１９と熱交換し、吹出口１７から外部へ吹き出す。一方、室外機１００内の上方に吸引される空気Ｂ（破線の矢印）は、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａ間を通過して、送風機２０のファン２２によって吸引され、吹出口１７から外部へ吹き出される。パワーモジュール３４からヒートシンク３２に伝熱された熱は、放熱フィン３２ａ間を通過する空気により放散され、パワーモジュール３４が冷却される。

ここで、ヒートシンクを室外機内の上部の角部に配置した従来と本実施の形態１とを比較して説明する。
図３はヒートシンクを室外機内の上部の角部に配置して示す従来の室外機の背面図及び側面図である。なお、実施の形態１と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

図３に示す室外機１００においては、ヒートシンク３２が室外機１００内の上部と仕切板１１とで形成される角部に配置されている。この角部は、最も冷却風が整流されず流れが淀む領域ａとなっている。このため、送風機２０により、室外機１００内に吸引された空気のうち、室外機１００内の上方に流れる空気は、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａ間を通過するが、室外機１００の前面パネル１６（角部）に当たって反転する。この反転した空気により、領域ａ内で空気の流れが淀み、ヒートシンク３２からの放熱を妨げる状態となる。また、図示していないが、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａを熱交換器１９に対向するように配置した場合では、ヒートシンク３２と向かい合う面付近の熱交換器１９を通過する風速が低下し、風速の関数である熱交換能力が低下する。

一方、本実施の形態１においては、前述したように、室外機１００内の上方に吸引される空気は、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａ間を通過して、送風機２０のファン２２によって吸引されるので、空気の流れが淀むという現象が発生せず、熱交換能力が低下するようなことがない。

以上のように、実施の形態１によれば、電気品モジュールユニット３０のヒートシンク３２が送風機２０の真上に位置するように、かつヒートシンク３２の放熱フィン３２ａが送風機２０側に向けられた状態で配置されている。さらに、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａは、放熱フィン３２ａ間に送風機２０の風が流れるように、送風機２０の送風方向Ａに沿って並べられている。この構成により、ヒートシンクの冷却に十分な風速が得られるので、パワーモジュールの冷却効果が向上する。また、ヒートシンクの冷却に十分な風速となっているので、室外機１００の熱交換性能を低下させることがない。
また、ヒートシンク３２の開口部３６とヒートシンク３２との接触部分に防水シール材３７を施しているので、電気品モジュールユニット３０を防水構造とすることができ、塵接及び水分の混入を防ぐことができ、電気品モジュールユニット３０及び室外機１００の信頼性が向上する。

実施の形態２．
図４は実施の形態２に係る室外機の電気品モジュールユニットを示す断面図である。なお、実施の形態１と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

実施の形態２における電気品モジュールユニット３０は、前述したように、熱伝導性を有する材料から形成された基板ケース３３と、基板ケース３３内に収納された制御基板３１と、ヒートシンク３２とで構成されている。制御基板３１には、圧縮機及び送風機２０を制御するパワーモジュール３４が実装され、また、コンデンサ、抵抗、トランジスタ等の電気部品３５が実装されている。

基板ケース３３には、送風機２０の送風方向Ａに沿う両側面のうちヒートシンク３２側の側面から底面に掛けて切り欠きされて形成された四角形状の開口部３６が設けられている。ヒートシンク３２は、放熱フィン３２ａを送風機２０側に向けた状態で、一部の上面が開口部３６を下方から覆って、パワーモジュール３４の表面に密着して設置されている。ヒートシンク３２の開口部３６とヒートシンク３２との接触部分には、防水シール材３７が施されている。

また、基板ケース３３の送風機２０の送風方向Ａに沿う両側面には、基板ケース内に空気を通す通風穴３８ａ、３８ｂが設けられている。この場合、ヒートシンク３２が送風機２０の真上に配置されているので、ヒートシンク３２側に流れる空気Ｂ（図１参照）の速度は、仕切板１１側を流れる空気よりも速くなる。空気の速度が速いヒートシンク３２側の空気圧は仕切板１１側の空気圧よりも低くなるので、空気圧の高い通風穴３８ａが流入口となり、空気圧の低い通風穴３８ｂが流出口となる。通風穴３８ａ、３８ｂは、基板ケース３３の側面の長手方向に長い長方形の穴である。

前記のように構成された室外機１００において、送風機２０が駆動しているときには、前述したように、室外機１００内の上方に吸引される空気Ｂは、ヒートシンク３２の放熱フィン３２ａ間を通過して、送風機２０のファン２２によって吸引され、吹出口１７から外部へ吹き出す。パワーモジュール３４からヒートシンク３２に伝熱された熱は、放熱フィン３２ａ間を通過する空気により放散され、パワーモジュール３４が冷却される。

この時、吸気口１５からの空気の一部が基板ケース３３の通風穴３８ａに流入して基板ケース３３内を通過し、もう一方の通風穴３８ｂから流出する。基板ケース３３内を流れる空気により、電気部品３５が冷却されると共に、パワーモジュール３４がさらに冷却される。

以上のように、実施の形態２によれば、基板ケース３３の送風機２０の送風方向Ａに沿う両側面には、基板ケース内に空気を通す通風穴３８ａ、３８ｂが設けられているので、室外機１００の熱交換性能を低下させることがないという効果に加えて、基板ケース３３内の電気部品３５の冷却ができ、パワーモジュール３４をさらに冷却することが可能となる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３に係る室外機の電気品モジュールユニットを示す断面図である。なお、実施の形態１と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

実施の形態３における電気品モジュールユニット３０は、実施の形態１と同様に、基板ケース３３と、基板ケース３３内に収納された制御基板３１と、ヒートシンク３２とで構成されている。制御基板３１には、圧縮機及び送風機２０を制御するパワーモジュール３４が実装され、また、コンデンサ、抵抗、トランジスタ等の電気部品３５、３９が実装されている。

基板ケース３３には、送風機２０の送風方向Ａに沿う両側面のうちヒートシンク３２側の側面から底面に掛けて切り欠きされて形成された四角形状の開口部３６が設けられている。ヒートシンク３２は、放熱フィン３２ａを送風機２０側に向けた状態で、一部の上面が開口部３６を下方から覆って、パワーモジュール３４の表面に密着して設置されている。ヒートシンク３２の開口部３６とヒートシンク３２との接触部分には、防水シール材３７が施されている。

また、基板ケース３３には、電気部品３５、３９のうち、例えば、電気部品３５よりも熱を発する電気部品３９の熱を基板ケース３３の一面に伝達する熱伝導部材４０が設けらている。これは、基板ケース３３によって電気部品３９が密閉されて冷却が困難な場合に、前述の電気部品３９を冷却するためである。このように構成された場合、電気部品３９の熱は、熱伝導部材４０を通じて基板ケース３３の一面に伝達される。基板ケース３３の一面に伝達された熱は、送風機２０の駆動により基板ケース３３の表面に流れる空気によって放散される。熱伝導部材４０として、例えば銅、ヒートパイプ等の良導体が用いられている。

実施の形態３においては、基板ケース３３内の電気部品３９の熱を基板ケース３３の一面に伝達する熱伝導部材４０を設けたので、基板ケース３３によって密閉された電気部品３９の冷却もできる。

実施の形態４．
図６は実施の形態４に係る空気調和機の室外機の内部を示す側面図、図７は図６の制御基板の傾斜角度に応じて変化する放熱効率及び熱抵抗比の曲線図、図８は図６において送風機が停止した場合のヒートシンク付近の温度分布を示す図である。なお、実施の形態１と同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

実施の形態４においては、実施の形態１−３に示す電気品モジュールユニット３０の傾斜角度θ、即ち制御基板３１の傾斜角度θを例えば１０度としたものである。この傾斜角度θ（１０度）は、自然対流Ｃ（破線矢印）によって、ヒートシンク３２を冷却するのに必要な角度で、図７に示すように熱抵抗比が低く放熱効率が高くなる角度である。

つまり、業務用の空気調和機では、通電後、直ちに起動可能となるように、送風機２０が停止している状態でも圧縮機に通電する場合がある。その際には、圧縮機を制御するパワーモジュール３４が発熱し、図８に示すように、ヒートシンク３２の周辺が高温Ｈ１となり、さらに、その高温Ｈ１領域の周りが高温Ｈ１よりも低く室外機１００内の温度よりも高い温度Ｈ２となる。

図３に示す従来の室外機１００では、送風機２０の停止時にヒートシンク３２から自然対流による上昇気流が阻害され、十分な放熱効果が期待できない。これは、前述したように、領域ａで空気の流れが淀むためである。一方、実施の形態４においては、図６に示すように、放熱フィン３２ａ間に自然対流Ｃが発生し上昇気流となる。この自然対流Ｃは、前述したように制御基板３１の傾斜角度θを１０度とすることで、送風機２０の停止時でも自然対流Ｃの流れが形成されるため、パワーモジュール３４を十分に冷却することができる。

実施の形態４においては、送風機２０の停止時にパワーモジュール３４に通電する場合でも、制御基板３１の傾斜配置により自然対流の流れが形成されるため、高い冷却能力も保持できる。また、空気調和機の制御条件によって、送風機２０を間欠運転する場合でも、パワーモジュール３４の高い放熱能力を保持できる。

１０ 筐体、１１ 仕切板、１２ 機械室、１３ 送風機室、１４ 背面パネル、１５ 吸気口、１６ 前面パネル、１７ 吹出口、１８ 底面、１９ 熱交換器、２０ 送風機、２１ モーター、２２ ファン、３０ 電気品モジュールユニット、３１ 制御基板、３２ ヒートシンク、３２ａ 放熱フィン、３３ 基板ケース、３４ パワーモジュール、３５、３９ 電気部品、３６ 開口部、３７ 防水シール材、３８ａ、３８ｂ 通風穴、４０ 熱伝導部材 Ａ 送風方向、Ｂ 空気、Ｃ 自然対流、ａ 領域、θ 傾斜角度、１００ 室外機。

Claims (7)

1. 仕切板により区分けされた機械室と送風機室とを有し、さらに、背面のうち前記送風機室に対応する面に吸気口及び前面のうち当該送風機室に対応する面に吹出口をそれぞれ有する筐体と、
   前記機械室内に設置された圧縮機と、
   前記送風機室内に設置され、前記吸気口から空気を吸引して前記吹出口から外部へ吹き出す送風機と、
   前記送風機室内の前記吸気口と前記送風機との間に配置された熱交換器と、
   前記圧縮機及び前記送風機を制御するパワーモジュールを有する制御基板、及び前記パワーモジュールの表面に密着して設置されたヒートシンクが設けられた電気品モジュールユニットと
   を備え、
   前記電気品モジュールユニットは、前記ヒートシンクが前記送風機の真上に位置するように、かつ当該ヒートシンクの放熱フィンが前記送風機側に向けられた状態で配置され、
   前記電気品モジュールユニットは、前記制御基板を収納する基板ケースを備え、
   前記基板ケースは、前記送風機の送風方向に沿う両側面のうち前記ヒートシンク側の側面から底面に掛けて切り欠きされて形成された開口部を有し、
   前記ヒートシンクの一部は、前記開口部を下方から覆って、前記パワーモジュールの表面に密着していることを特徴とする空気調和機の室外機。
2. 仕切板により区分けされた機械室と送風機室とを有し、さらに、背面のうち前記送風機室に対応する面に吸気口及び前面のうち当該送風機室に対応する面に吹出口をそれぞれ有する筐体と、
   前記機械室内に設置された圧縮機と、
   前記送風機室内に設置され、前記吸気口から空気を吸引して前記吹出口から外部へ吹き出す送風機と、
   前記送風機室内の前記吸気口と前記送風機との間に配置された熱交換器と、
   前記圧縮機及び前記送風機を制御するパワーモジュールを有する制御基板、及び前記パワーモジュールの表面に密着して設置されたヒートシンクが設けられた電気品モジュールユニットと
   を備え、
   前記電気品モジュールユニットは、前記ヒートシンクが前記送風機の真上に位置するように、かつ当該ヒートシンクの放熱フィンが前記送風機側に向けられた状態で配置され、
   前記電気品モジュールユニットは、前記制御基板を収納する基板ケースを備え、
   前記基板ケース内には、前記パワーモジュールを除く電気部品の熱を当該基板ケースの一面に伝達する熱伝導部材が設けられていることを特徴とする空気調和機の室外機。
3. 前記基板ケースは、前記送風機の送風方向に沿う両側面のうち前記ヒートシンク側の側面から底面に掛けて切り欠きされて形成された開口部を有し、
   前記ヒートシンクの一部は、前記開口部を下方から覆って、前記パワーモジュールの表面に密着していることを特徴とする請求項２記載の空気調和機の室外機。
4. 前記基板ケースは、前記送風機の送風方向に沿う両側面に当該基板ケース内に空気を通す通風穴が設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の空気調和機の室外機。
5. 前記基板ケース内には、前記パワーモジュールを除く電気部品の熱を当該基板ケースの一面に伝達する熱伝導部材が設けられていることを特徴とする請求項１、３、及び４の何れか１項に記載の空気調和機の室外機。
6. 前記基板ケースの開口部と当該開口部を覆う前記ヒートシンクの一部との間に防水シール材が施されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の空気調和機の室外機。
7. 前記電気品モジュールユニットは、前記筐体の底面に対して前記送風機の送風方向の上流側が上方に傾けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の空気調和機の室外機。

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