JP7260280B2 - 電装部品冷却装置、それを有するチリングユニット及び空気調和機の室外機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いたチリングユニット及び空気調和機の室外機の電装部品冷却装置と、それを有するチリングユニット及び空気調和機とに関する。

ヒートポンプを用いた空気調和機や冷温水供給装置(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。

このような装置の効率向上には圧縮機や送風機の消費電力削減が欠かせず、そのための駆動電力制御にＩＰＭ （インテリジェントパワーモジュール)に代表される電力用半導体素子が用いられる。これらの電装部品は駆動用の大電流を扱うため発熱を伴い、自身の発熱で壊れないように冷却するためヒートシンクが取り付けられている。さらに、ヒートシンク冷却用の送風機を設けて積極的にヒートシンク周囲の空気を流してその放熱を促進させることが行われる。この種の構成を有する電装部品冷却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、板金部品で形成された流路を経てヒートシンク冷却用の送風機として軸流ファン（プロペラファン）を用いてヒートシンクに空気が供給される。

特開２０１６－２０１４７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、ヒートシンク冷却用の送風機である軸流ファンとヒートシンクとが離れて配置されており、さらに空気の流路が複雑であるため、流路の圧力損失が増大し、空気を効率的にヒートシンクに供給できない可能性がある。さらに空気の流路が複雑であることで部品点数の増加、及び組立工数の増加によって、製造コストも増大してしまう可能性がある。したがって、低コストかつ、より効率的に放熱することが可能な電装部品冷却装置が求められる。

そこで本発明は、低コストかつ、より効率的に放熱することが可能な電装部品冷却装置、それを有するチリングユニット及び空気調和機の室外機を提供する。

本発明の一態様によれば、電装部品冷却装置は、複数の電装部品ごとに設けられた複数のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクを突出させた面同士が向かい合うように配置されることで、鉛直方向に延びる流路を間に形成する一対の電装箱と、前記流路の上端部に設けられ、前記ヒートシンクを経て下方から上方に向かう空気の流れを形成する軸流ファンと、前記電装箱を配置して、前記軸流ファンから水平方向に離れた位置に空気を排気する排気孔を設けた機械室を形成するハウジングと、を備え、前記軸流ファンは、前記流路の上端部に水平方向に間隔をあけて複数配列され、隣接する一対の前記軸流ファンは、該軸流ファンが並ぶ方向に交差する方向における互いに異なる方向に前記空気を流すように、前記鉛直方向に対して回転軸が傾斜して配置されている。

この構成によれば、一対の電装箱によって両者の間に流路が形成され、軸流ファンは当該流路の上端部に設けられている。このため向かい合うように配置された電装箱のヒートシンクを一括で冷却することができ、軸流ファンの個数を削減することができる。また、流路の上端部に軸流ファンが設けられていることで軸流ファンをヒートシンクの直上に配置して、空気を流路から吸い出すことができる。このため流路の圧力損失を小さくすることができる。その結果、ヒートシンクに対して効率的に空気を供給することができる。
さらに、この構成によれば、流路の上端部に水平方向に間隔をあけて複数の軸流ファンが配列されている。これにより、流路内、即ち、電装箱同士の間における空気の流量や速度に偏りが生じる可能性を低減することができる。その結果、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、この構成によれば、隣接する一対の軸流ファンが、軸流ファンが並ぶ方向に交差する方向における互いに異なる方向に空気を流すように配置されていることから、軸流ファンからの吐出空気の流れ同士が互いに干渉してしまうことを低減することができる。その結果、機械室内で高温の空気が滞留する可能性を低減することができる。

また、前記軸流ファンは、前記流路の上端部の空間に配置され、前記空間は、前記電装箱の上方で、前記軸流ファンの半径方向に広がって形成されていてもよい。

このような下流が半径方向に広がる空間に軸流ファンが配置されることで、軸流ファンから吹き出す空気を軸流ファンの半径方向の外側に導くことができる。よって軸流ファンからの吐出流れが主に半径方向外側に向かうような風量と静圧の運転域で運転した場合であっても、軸流ファンから流出する空気の流れが遮られることなく、軸流ファンが配置された吐出側空間での圧力損失の増大を抑えることができる。

また、複数の前記軸流ファンは、前記機械室の前記排気孔に向かう方向に前記空気を流すように、前記鉛直方向に対して回転軸が傾斜して配置されていてもよい。

この構成によれば、軸流ファンが、機械室の排気孔に向かう方向に空気を流すように配置されていることから、空気を機械室の排気孔に向かって積極的に流すことができる。その結果、機械室内で高温の空気が滞留する可能性を低減することができる。

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空気熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機と空気熱交換器と圧縮機を繋ぐ冷媒回路と、前記冷媒と水との間で熱交換する水熱交換器を備え温度調節された水を生成する給水系統と、前記送風機、前記圧縮機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前記電装箱を有する上記電装部品冷却装置とを備える。

また本発明の一態様によれば、空気調和機の室外機は、送風機と、前記送風機、及び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空気熱交換器と冷媒回路内の冷媒を圧縮する圧縮機を備え、前記送風機、前記圧縮機の動作を制御するコントローラとしての前記電装箱を有する上記電装部品冷却装置を備える。

上記態様の電装箱を有する電装部品冷却装置、それを有するチリングユニット及び空気調和機の室外機によれば、低コストかつ、より効率的に電装部品を冷却し放熱することが可能である。

本発明の第一実施形態に係るチリングユニットの一例を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る機械室に配置された電装箱をヒートシンク突出面の正面から見た断面図である。 本発明の第一実施形態に係る機械室に配置された電装箱をヒートシンク突出面の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機械室に配置された電装箱をヒートシンク突出面の正面から見た断面図である。 本発明の第三実施形態に係る機械室に配置された電装箱をヒートシンク突出面の正面から見た断面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ断面図である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ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、チリングユニットを例に図１から図５を参照して説明する。後述する本実施形態に係る電装部品冷却装置９０における電装箱６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、軸流ファン９、及び電装箱６（コントローラ）とを有する電装部品冷却装置９０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。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とフィンを有している。送風機１により外部から空気熱交換器２１を介して空気を取りこみ、空気熱交換器２１で熱交換した後、送風機１の上方に吹き出す。

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内の空間である機械室１０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冷媒回路２を構成する。

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内の機械室１０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に接続された各部品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。

電装部品冷却装置９０は、複数の電装箱６と、複数の軸流ファン９と、これらを収容する機械室１０を形成するハウジング４とを備えている。
電装箱６は、機械室１０の内部に圧縮機２２、水熱交換器２４、ポンプ３１、冷媒回路２及び給水系統３などを形成する配管などとともに収容されている。
電装箱６に納められた電装部品７の回路によって、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。複数の電装箱６は、互いに同等の機能・構成を有しそれぞれに対応する圧縮機２２や送風機１を制御する。

図２に示すように、電装箱６は、複数の電装部品７と、電装部品７が貼りつけられて当接するヒートシンク８と、を備えている。図３に示すように、電装箱６の一面となるヒートシンク突出面６Ｓにはヒートシンク８が突出し、このヒートシンク８が互いに向かい合うように配置されている。冷却が必要で、ヒートシンク８に貼りつけられる電装部品７の具体例としては、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）やＤＭ（ダイオードモジュール）等の電力用半導体素子が挙げられる。

電装箱６のヒートシンク突出面６Ｓ同士の間の空間は、軸流ファン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。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）の軸流ファン９が配列されている。

各軸流ファン９は、流路Ｆ内で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、各軸流ファン９の回転軸Ｏ１は鉛直方向に延びている。そして軸流ファン９が配置される機械室１０内の空間Ｓは、流路Ｆの上端部からファンの半径方向に広がっている。より具体的にはこの空間Ｓは、ファン９が並ぶ方向、及び電装箱６のヒートシンク突出面６Ｓ同士が向かい合う方向となる機械室１０の幅方向の両側に広がっている。

機械室１０を形成するハウジング４は箱状をなしており、図２に示すようにハウジング４の一部に、軸流ファン９から水平方向に離れた位置に空気を排気して排熱するための排気孔１０Ｈが設けられている。

以上説明した本実施形態では、上述のようにチリングユニット１００を運転すると各電装部品７が発熱する。この熱は、ヒートシンク８に伝わり、流路Ｆにおいて軸流ファン９によって流通する空気がヒートシンク８に触れることで、熱を奪い、機械室１０を経て排気孔１０Ｈから装置の外部に放出される。これにより各電装部品７が冷却される。

そして本実施形態では、一対の電装箱６によって両者の間に流路Ｆが形成され、ヒートシンク８は当該流路Ｆ中に、電装箱６の一面となるヒートシンク突出面６Ｓから突出して露出している。さらに、流路Ｆの上端部に軸流ファン９が設けられている。このため、互いに向かい合うように配置された電装箱６のヒートシンク突出面６Ｓ上のヒートシンク８を一括で冷却することができるため、軸流ファン９の個数を削減することができる。また、流路Ｆの上端部に軸流ファン９が設けられていることで軸流ファン９が流路Ｆのヒートシンク８の直上で、空気を流路Ｆから吸い出すことができる。このため流路Ｆの圧力損失を小さくすることができる。その結果、ヒートシンク８に対して効率的に冷却空気を供給することができる。

さらに本実施形態では、軸流ファン９が配置された機械室１０内の空間Ｓが軸流ファン９の半径方向に広がっている。したがって、軸流ファン９から吹き出す空気を軸流ファン９の半径方向の外側に導くことができる。よってファン９からの流れが主に半径方向外側に向かうような風量と静圧の運転域であっても、軸流ファン９から吹出した空気の流れが遮られることなく、軸流ファン９が配置された空間Ｓでの圧力損失の増大を抑制することができる。

さらに、流路Ｆの上端部に沿って水平方向に間隔をあけて複数の軸流ファン９が配列されている。これにより、流路Ｆ内、即ち、電装箱６のヒートシンク突出面６Ｓの間における空気の流量や速度に偏りが生じる可能性を低減することができる。その結果、ヒートシンク８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、４つの電装箱６、及び４つの軸流ファン９を有する構成した例について説明した。しかしながら、電装箱６、及び軸流ファン９の個数や配置は上記に限定されず、２つや、６つ以上であってもよい。

［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、各軸流ファン９Ｂの姿勢が、上記第一実施形態とは異なっている。より具体的には、本実施形態では、各軸流ファン９Ｂは、下方から上方に向かうに従って上述の排気孔１０Ｈに向かう方向に空気を流すように配置されている。即ち、各軸流ファン９Ｂの回転軸Ｏ２は、鉛直方向に対して、排気孔１０Ｈに向かう側に傾斜している。なお、軸流ファン９Ｂ同士の間で、回転軸Ｏ２の傾斜角度は互いに同一である。

この構成によれば、軸流ファン９Ｂが、排気孔１０Ｈに向かう方向に空気を吹き出すように配置されていることから、空気を排気孔１０Ｈに向かって積極的に流すことができる。その結果、機械室１０内で高温の空気が滞留する可能性を低減することができる。

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。例えば上記実施形態では、軸流ファン９Ｂ同士の間で、回転軸Ｏ２の傾斜角度が互いに同一である例について説明した。しかしながら、軸流ファン９Ｂの姿勢は上記に限定されず、軸流ファン９Ｂ同士の間で、回転Ｏ２の傾斜角度が互いに異なっている構成を採ることも可能である。例えば排気孔１０Ｈから離れている軸流ファン９Ｂほど、傾斜角度を大きくし、排気孔１０Ｈに近い軸流ファン９Ｂほど、傾斜角度を小さくする構成を採ることが可能である。このような構成によれば、機械室１０内における空気の滞留をより一層低減することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図５から図７を参照して説明する。なお、上記の各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６と図７に示すように、本実施形態では、互いに隣接する一対の軸流ファン９Ｃは、鉛直方向から見て互いに異なる方向に空気を流すように配置されている。より具体的には、互いに隣接する一対の軸流ファン９Ｃの各回転軸Ｏ３は、軸流ファン９が並ぶ方向に交差する方向、即ちケーシング１０の幅方向に、互いに異なる方向に傾斜して延びている。図６に示すように、隣接する一対の軸流ファン９Ｃのうち、一方の軸流ファン９Ｃ１は、下方から上方に向かうに従って、紙面の右方に向かって空気の流れを形成するように傾斜している。図７に示すように、他方の軸流ファン９Ｃ２は、下方から上方に向かうに従って、紙面左方に向かって空気の流れを形成するように傾斜している。さらに、これらの軸流ファン９Ｃ１，９Ｃ２の回転軸Ｏ３は、上記の第二実施形態で説明したように、下方から上方に向かうに従って排気孔１０Ｈに向かう方向にも傾斜している。

この構成によれば、互いに隣接する一対の軸流ファン９Ｃが、鉛直方向から見て互いに異なる方向に空気を流すように配置されていることから、軸流ファン９Ｃによる空気の流れ同士が互いに干渉してしまうことを低減することができる。その結果、機械室１０内で高温の空気が滞留する可能性を低減することができる。

以上、本発明の第三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、電装箱６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、電装箱６の適用対象はチリングユニット１００に限定されず、他の空気調和装置の室外機や給湯機等に適用することが可能である。

１…送風機
２…冷媒回路
３…給水系統
４…ハウジング
６…電装箱
６Ｓ…ヒートシンク突出面
７…電装部品
８…ヒートシンク
９，９Ｂ，９Ｃ…軸流ファン
９Ｃ１…一方の軸流ファン
９Ｃ２…他方の軸流ファン
１０…機械室
１０Ｈ…排気孔
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
９０…電装部品冷却装置
１００…チリングユニット
Ｆ…流路
Ｓ…空間
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３…回転軸

Claims (5)

1. 複数の電装部品ごとに設けられた複数のヒートシンクを有し、前記ヒートシンクを突出させた面同士が向かい合うように配置されることで、鉛直方向に延びる流路を間に形成する一対の電装箱と、
   前記流路の上端部に設けられ、前記ヒートシンクを経て下方から上方に向かう空気の流れを形成する軸流ファンと、
   前記電装箱を配置して、前記軸流ファンから水平方向に離れた位置に空気を排気する排気孔を設けた機械室を形成するハウジングと、
   を備え、
   前記軸流ファンは、前記流路の上端部に水平方向に間隔をあけて複数配列され、
   隣接する一対の前記軸流ファンは、該軸流ファンが並ぶ方向に交差する方向における互いに異なる方向に前記空気を流すように、前記鉛直方向に対して回転軸が傾斜して配置されている電装部品冷却装置。
2. 前記軸流ファンは、前記流路の上端部の空間に配置され、
   前記空間は、前記一対の電装箱の上方で、前記軸流ファンの半径方向に広がって形成されている請求項１に記載の電装部品冷却装置。
3. 複数の前記軸流ファンは、前記機械室の前記排気孔に向かう方向に前記空気を流すように、前記鉛直方向に対して回転軸が傾斜して配置されている請求項１又は２に記載の電装部品冷却装置。
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空気熱交換器とつながる冷媒回路内の冷媒を圧縮する圧縮機と、
   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の、
   動作を制御するコントローラとしての前記電装箱を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の電装部品冷却装置と、
   を備えるチリングユニット。
5. 送風機と、
   前記送風機、及び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空気熱交換器とつながる冷媒回路内の冷媒を圧縮する圧縮機の動作を制御するコントローラとしての前記電装箱を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の電装部品冷却装置を備える空気調和機の室外機。

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