WO2013145012A1 - 室外機及びその室外機を備えた空気調和装置 - Google Patents

Abstract

　室外機１０では、電気品箱３０が、該電気品箱３０の底面Ｅ１が、筐体１０の底面Ｅ２から筐体１０の高さｈ１の１／３よりも高い位置に配置され、制御装置５０及びリレー３３ａ～３３ｄが、それらの底面Ｅ４、Ｅ５が、電気品箱３０の底面Ｅ３から電気品箱３０の高さｈ２の１／３よりも高い位置に配置されている。

Description

室外機及びその室外機を備えた空気調和装置

　本発明は、たとえばビル用マルチエアコン等に適用される室外機及びその室外機を備えた空気調和装置に関するものである。

　従来から、ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置においては、たとえば建物外に配置した熱源機である室外機と、建物の室内に配置した室内機との間に冷媒を循環させている。そして、このような空気調和装置では、冷媒が放熱、吸熱して、加熱、冷却された空気により空調対象空間の冷房または暖房を行なっている。

　このような空気調和装置の室外機においては、圧縮機、電磁弁、ファンモータ等、多くの電気品が搭載されている。加えて、これらの電気品を稼動させるために、インバータ装置や基板が電気品箱に収納された状態で室外機に設置されている。電気品箱には、その上面や下面にスリットや穴を設けたり、大きなヒートシンクを設けたりしている。これは、電気品内部に風が流れる構造にし、電気品箱の内部の電子部品による温度上昇を抑制するためである。

　ところで、近年、地球温暖化の観点から、地球温暖化係数が高いＨＦＣ系冷媒（たとえば、Ｒ４１０Ａや、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ等）の使用を制限する動きがある。それに伴い、地球温暖化係数が小さい冷媒（たとえば、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）、これらの冷媒を混合したもの）を用いた空気調和装置が提案されている。しかしながら、地球温暖化係数が小さいこれらの冷媒は、すべて可燃性を有しており、漏洩した時に、電気品箱内に侵入してしまう可能性がある。

　このような事態に備えたものとして、電気品に無接点スイッチを用いたり、電気品箱にガスのみを透過させる膜を設けたりする技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平６－１０１９１３号公報（［００３０］～［００３３］、［００４５］等）

　しかしながら、特許文献１に記載されている技術のように、無接点スイッチを設けたり、ガスのみを透過させる膜を用いたりすると、コストが大幅にアップしてしまう。また、膜は経年劣化が激しいため、長期的な信頼性を確保することが難しい。そのため、定期的に膜を交換する必要が発生し、手間や維持費が非常にかかってしまうシステムとなっている。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コストアップを抑えつつ、安全性を大幅に向上させた室外機及びそれを備えた空気調和装置を提供することを目的としている。

　本発明に係る室外機は、可燃性冷媒を用いた空気調和装置の一部を構成する室外機であって、筐体と、前記筐体の内部に設置され、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記筐体の内壁面の一部に沿って設置され、前記圧縮機から吐出され、又は、前記圧縮機に吸入される冷媒が流入する熱源側熱交換器と、前記筐体の上部に設置され、前記筐体内に風の流れを生成する室外送風機と、前記圧縮機及び前記室外送風機を制御する制御装置と、前記筐体に設置され、前記制御装置及び前記空気調和装置を構成する駆動部品の制御に利用される電気部品が少なくとも収容される電気品箱と、を有し、前記電気品箱は、該電気品箱の底面が、前記筐体の底面から前記筐体の高さの１／３よりも高い位置に配置され、前記制御装置及び前記電気部品は、それらの各底面が、前記電気品箱の底面から前記電気品箱の高さの１／３よりも高い位置に配置されているものである。

　本発明に係る室外機では、電気品箱、及び、電気品箱に収容される制御装置及びリレーの設置位置を特定しているので、たとえ可燃性を有する冷媒が漏れたとしても、漏洩した冷媒の電気品箱への侵入を大幅に抑制することができるだけでなく、漏洩した冷媒が仮に電気品箱に侵入したとしても制御装置及びリレーが冷媒に曝されることがない。よって、本発明に係る室外機によれば、コストアップを抑えつつ、安全性が大幅に向上することになる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の電気的な接続状態を模式的に説明する回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る室外機の外観イメージを示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係る室外機を図５のＡ方向（正面）から見た概略側面図である。 本発明の実施の形態に係る室外機の図６のＢ－Ｃ断面図である。 本発明の実施の形態に係る室外機に搭載される電気品箱内の電気部品の配置を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る室外機に搭載される制御装置を構成する素子の少なくとも一部を構成するワイドバンドギャップ半導体の設置例を模式的に示す模式図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置１００の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図１に基づいて、空気調和装置１００の詳しい回路構成について説明する。図１では、室内機２０が４台接続されている場合を例に示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又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とする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

　図１に示すように、空気調和装置１００は、室外機（熱源機）１０と、室内機２０（室内機２０ａ～室内機２０ｄ）とが配管で接続されて連絡するように構成されている。つまり、空気調和装置１００では、複数台の室内機２０が室外機１０に対して並列となるように接続されている。

　また、空気調和装置１００には、冷媒として、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆを混合したもの、Ｒ３２とＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）を混合したもの等が封入されているものとする。ＨＦＯ１２３４ｙｆについては、二つの幾何学的異性体が存在しており、二重結合に対してＦとＣＦ_３が対照の位置にあるトランス型と、同じ側にあるシス型があり、本実施の形態のＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）はトランス型である。ＩＵＰＡＣ命名法では、トランス－１，３，３，３－テトラフルオロ－１－プロペンである。

［室外機１０］
　室外機１０は、室内機２０に暖房又は冷房を提供する機能を有している。この室外機１０には、圧縮機１と、冷媒と冷凍機油を分離する油分離器２と、四方弁等の流路切替装置３と、熱源側熱交換器４と、冷房時に過冷却度を大きくし性能アップを図るための過冷却熱交換器６と、絞り装置７と、アキュムレーター５と、油分離器２とアキュムレーター５の下流配管とを接続した返油回路８と、が配管で接続されて搭載されている。また、室外機１０では、高圧配管に開閉弁９が、低圧配管に開閉弁１１が、それぞれ設置されている。開閉弁９及び開閉弁１１は、サービス時に作業員などに使用されるものである。なお、開閉弁９及び開閉弁１１を、電磁弁で構成し、後述するリレー３３を介してＯＮ／ＯＦＦしてもよい。

　圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして冷媒回路に搬送するものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。油分離器２は、圧縮機１の吐出側に設けられ、圧縮機１から冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷媒から分離するものである。油分離器２で分離された冷凍機油は、返油回路８を介してアキュムレーター５の下流側、つまり圧縮機１の吸入側に導かれる。流路切替装置３は、油分離器２の冷媒流路下流側に設けられ、暖房運転モード時における冷媒の流れと冷房運転モードおける冷媒の流れとを切り替えるものである。

　熱源側熱交換器（室外側熱交換器）４は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には放熱器（又は凝縮器）として機能し、ファン等の室外送風機（図７に示す室外送風機４４）から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。アキュムレーター５は、圧縮機１の吸入側に設けられており、暖房運転モード時と冷房運転モード時との違いによる余剰冷媒、あるいは、過渡的な運転の変化（たとえば、室内機２０の運転台数の変化）に対する余剰冷媒を蓄えるものである。

　過冷却熱交換器６は、熱源側熱交換器４と開閉弁９との間を流れる冷媒（以下、主冷媒と称する場合がある）と、熱源側熱交換器４と開閉弁９との間で分岐され、絞り装置７で減圧された冷媒（以下、バイパス冷媒と称する場合がある）と、を熱交換させ、冷房時に過冷却度を大きくするものである。つまり、過冷却熱交換器６は、冷媒同士を熱交換させるものである。なお、バイパス冷媒は、熱源側熱交換器４と開閉弁９との間で分岐され、絞り装置７、過冷却熱交換器６のバイパス冷媒側、アキュムレーター５の上流側に接続されるバイパス回路１２を流れる冷媒である。過冷却熱交換器６は、それらの冷媒間で熱交換できる位置であればどこに設置してもよい。

　絞り装置７は、バイパス冷媒が流れる過冷却熱交換器６の上流側におけるバイパス回路１２に設置されている。絞り装置７は、バイパス回路１２を流れる冷媒を減圧し、過冷却熱交換器６に流入するバイパス冷媒の流量を調整するものである。絞り装置７は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

　返油回路８は、油分離器２の下方とアキュムレーター５の下流配管とを接続するように設置されている。なお、返油回路８には、キャピラリーチューブなどで構成されている減圧手段８ａが設置されている。つまり、油分離器２で分離された冷凍機油は、返油回路８を流れ、減圧手段８ａで減圧されてからアキュムレーター５の下流側に導かれる。

　さらに、室外機１０には制御装置５０が搭載されている。この制御装置５０は、空気調和装置１００のシステム全体を統括制御するものである。具体的には、制御装置５０は、圧縮機１の駆動周波数、室外送風機の回転数、流路切替装置３の切り替え、絞り装置７の開度等を制御する。つまり、制御装置５０は、図示省略の各種検知素子での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、各アクチュエーター（圧縮機１、流路切替装置３、室外送風機、絞り装置等の駆動部品）を制御する。なお、室外機１０にはリレー３３（リレー３３ａ～３３ｄ）が搭載されている。このリレー３３は、図１～図３には図示されていない電磁弁や開閉弁９、開閉弁１１などをＯＮ／ＯＦＦするものである。なお、リレー３３については、図８で説明する。

［室内機２０］
　室内機２０は、室外機１０から供給される冷媒によって室内などの空調対象空間を暖房又は冷房する機能を有している。室内機２０には、利用側熱交換器（室内側熱交換器）２２及び絞り装置２１が直列に接続されて搭載されている。具体的には、開閉弁９から開閉弁１１に向かう方向に、絞り装置２１、利用側熱交換器２２が順に直列に接続されている。

　利用側熱交換器２２は、暖房運転時には放熱器（又は凝縮器）として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室内送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、空調対象空間に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。絞り装置２１は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。なお、図示省略の室内送風機及び絞り装置２１は、制御装置５０により制御されるようになっている。

　実施の形態では、４台の室内機２０が接続されている場合を例に示しており、紙面左側（下側）から室内機２０ａ、室内機２０ｂ、室内機２０ｃ、室内機２０ｄとして図示している。また、室内機２０ａ～室内機２０ｄに応じて、利用側熱交換器２２も、紙面左側（下側）から利用側熱交換器２２ａ、利用側熱交換器２２ｂ、利用側熱交換器２２ｃ、利用側熱交換器２２ｄとして図示している。同様に、絞り装置２１も、紙面左側（下側）から絞り装置２１ａ、絞り装置２１ｂ、絞り装置２１ｃ、絞り装置２１ｄとして図示している。なお、室内機２０の接続台数を４台に限定するものではない。

　空気調和装置１００が実行する各運転モードについて説明する。
［冷房運転モード］
　図２は、空気調和装置１００の冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図２では、室内機２０の全部が駆動している場合を例に説明する。冷房運転モードでは、流路切替装置３は、熱源側熱交換器４が放熱器として、利用側熱交換器２２が蒸発器として作用するように切り替えられる。具体的には、流路切替装置３は、圧縮機１の吐出冷媒を熱源側熱交換器４に流入させるように切り替えられる。なお、図２では、冷媒の流れ方向を矢印で示している。

　低温・低圧の冷媒が圧縮機１によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、油分離器２、流路切替装置３を介して熱源側熱交換器４に流入する。油分離器２においては、圧縮機１から冷媒とともに吐出される冷凍機油と冷媒ガスとが分離され、分離された冷凍機油は、返油回路８を通って、圧縮機１の吸入側の配管に戻される。一方、油分離器２で分離された冷媒ガスは、流路切替装置３に流れ込む。

　熱源側熱交換器４に流入した高温・高圧のガス冷媒は、室外送風機から供給される空気と熱交換することで、液状態となって熱源側熱交換器４から流出する。液冷媒の一部は、バイパス回路１２に流れ込み、残りは室内機２０に流れ込む。バイパス回路１２に流れ込んだ液冷媒（バイパス冷媒）は、絞り装置７で低圧の気液二相冷媒に減圧される。この低圧の気液二相冷媒は、過冷却熱交換器６に流れ込み、高圧の液冷媒（主冷媒）と熱交換することで、低圧のガス冷媒となって、過冷却熱交換器６から流出する。過冷却熱交換器６に流れ込んだ主冷媒は、バイパス冷媒によって冷却され、液温が低下する（過冷却度を増大する）。

　図示していないが、過冷却熱交換器６のバイパス回路１２の出口に圧力センサーと温度センサーを設け、これらのセンサーからの情報に基づいて、制御装置５０は、過冷却熱交換器６の出口過熱度が５℃程度になるように絞り装置７の開度を調整している。

　バイパス回路１２に流れ込まなかった液冷媒の一部は、室内機２０と室外機１０とを接続する配管を通って、室外機１０から流出する。そして、室内機２０ａ～室内機２０ｄのそれぞれに流入する。室内機２０ａ～室内機２０ｄに流入した冷媒は、絞り装置２１ａ～絞り装置２１ｄのそれぞれで膨張（減圧）させられて、低温・低圧の気液二相状態となる。そして、この気液二相状態の冷媒は、利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄのそれぞれに流入する。利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄに流入した気液二相状態の冷媒は、図示省略の室内送風機から供給される空気（室内空気）と熱交換することで、空気から吸熱して、低圧のガス冷媒となって利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄから流出する。

　ここでは、図示していないが、通常、利用側熱交換器２２の冷媒出入口には、温度センサーが設けられている。そして、利用側熱交換器２２への冷媒供給量は、利用側熱交換器２２の冷媒出入口に設けられている温度センサーからの温度情報を利用して調整されている。具体的には、それらの温度センサーからの情報に基づいて、制御装置５０は、過熱度（出口側における冷媒温度－入口における冷媒温度）を算出し、その過熱度が２～５℃程度になるように絞り装置２１の開度を決定し、利用側熱交換器２２への冷媒供給量を調整している。

　利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄから流出した低圧ガス冷媒は、室内機２０ａ～室内機２０ｄから流出し、室内機２０と室外機１０とを接続する配管を通って、室外機１０に流れ込む。室外機１０に流入した冷媒は、流路切替装置３を通り、アキュムレーター５に流れ込む。アキュムレーター５に流れ込んだ冷媒は、液冷媒とガス冷媒とが分離され、ガス冷媒が再び圧縮機１に吸い込まれる。

　このような冷房運転モードでは、各室内機２０において過熱度制御が行なわれているので、液状態の冷媒がアキュムレーター５に流れ込まない。しかしながら、過渡的な状態や、停止している室内機２０があるときは、少量の液状態（乾き度０．９５程度）の冷媒がアキュムレーター５に流れ込むことがある。アキュムレーター５に流れ込んだ液冷媒は、蒸発して圧縮機１に吸引されたり、アキュムレーター５の出口配管に設けられている油戻し穴（図示省略）を介して圧縮機１に吸引されたりする。

［暖房運転モード］
　図３は、空気調和装置１００の暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図３では、室内機２０の全部が駆動している場合を例に説明する。暖房運転モードでは、流路切替装置３は、熱源側熱交換器４が蒸発器として、利用側熱交換器２２が放熱器として作用するように切り替えられる。具体的には、流路切替装置３は、圧縮機１の吐出冷媒を利用側熱交換器２２に流入させるように切り替えられる。なお、図３では、冷媒の流れ方向を矢印で示している。

　低温・低圧の冷媒が圧縮機１によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、油分離器、流路切替装置３を通って、室内機２０と室外機１０とを接続する配管を流れ、室外機１０から流出し、室内機２０ａ～室内機２０ｄのそれぞれに流入する。油分離器２の作用については、冷房運転モードで説明した通りである。

　室内機２０ａ～室内機２０ｄに流入した高温・高圧のガス冷媒は、利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄで、図示省略の室内送風機から供給される空気（室内空気）と熱交換することで、空気に放熱して、液状態となって利用側熱交換器２２ａ～利用側熱交換器２２ｄから流出する。この高圧の液冷媒は、絞り装置２１ａ～絞り装置２１ｄのそれぞれで膨張（減圧）させられて、低温・低圧の気液二相状態となり、室内機２０ａ～室内機２０ｄから流出する。

　ここでは、図示していないが、通常、利用側熱交換器２２の冷媒出口には、温度センサー及び圧力センサーが設けられている。そして、利用側熱交換器２２への冷媒供給量は、利用側熱交換器２２の冷媒出口に設けられている温度センサー及び圧力センサーからの情報を利用して調整されている。具体的には、それらのセンサーからの情報に基づいて、制御装置５０は、過冷却度（出口側における冷媒の検知圧力から換算された飽和温度－出口側における冷媒温度）を算出し、その過冷却度が２～５℃程度になるように絞り装置２１の開度を決定し、利用側熱交換器２２への冷媒供給量を調整している。

　室内機２０ａ～室内機２０ｄから流出した低温・低圧の気液二相状態の冷媒は、室内機２０と室外機１０とを接続する配管を通って、室外機１０に流れ込む。この冷媒は、熱源側熱交換器４に流入する。熱源側熱交換器４に流入した低温・低圧の気液二相状態の冷媒は、室外送風機から供給される空気と熱交換することで、空気から吸熱して、乾き度が徐々に大きくなる。そして、熱源側熱交換器４の出口では乾き度の大きい状態の気液二相冷媒となって、熱源側熱交換器４から流出する。熱源側熱交換器４から流出した冷媒は、流路切替装置３を通って、アキュムレーター５に流れ込む。アキュムレーター５に流れ込んだ冷媒は、液冷媒とガス冷媒とが分離され、ガス冷媒が再び圧縮機１に吸い込まれる。

［空気調和装置１００の電気的な構成］
　図４は、空気調和装置１００の電気的な接続状態を模式的に説明する回路構成図である。図４に基づいて、空気調和装置１００の電気的な構成について説明する。なお、電気品箱３０の設置位置については、図５～図７で詳細に説明する。

　制御装置５０は、三相交流電源５１の交流電圧を直流電圧に変換する整流器５２、力率改善を行うためのリアクタ５３、平滑コンデンサ５４、インバータ主回路５５、インバータ主回路５５を制御する制御回路５６等が実装されているインバータ基板３１を備えており、圧縮機１のモータ５７に接続されている。

　インバータ主回路５５は、平滑コンデンサ５４によって平滑された直流電源を交流電源に変換するものであり、たとえばシリコン（Ｓｉ）半導体やワイドバンドギャップ半導体で構成した複数のスイッチング素子で構成される。なお、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられる。インバータ主回路５５の各スイッチング素子は、制御回路５６から送られる動作信号（ＰＷＭ信号、ゲート信号）に基づいてスイッチング動作を行なうようになっている。

　制御回路５６は、マイコン等で構成されており、図示省略の各種検出手段（たとえば、温度センサーや圧力センサー等）での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、各種アクチュエーターの駆動を実際に制御し、暖房運転や冷房運転を実行するようになっている。なお、図４には、便宜的に圧縮機１のモータ５７のみを図示している。また、スイッチング素子だけでなく、ダイオード素子もワイドバンドギャップ半導体によって構成することができる。

［電気品箱３０の設置位置］
　図５は、室外機１０の外観イメージを示す概略斜視図である。図６は、室外機１０を図５のＡ方向（正面）から見た概略側面図である。図７は、室外機１０の図６のＢ－Ｃ断面図である。図５～図７に基づいて、電気品箱３０の設置位置について詳細に説明する。なお、図７には、空気の流れを矢印で示している。また、図７には、室外送風機４４の概略図を併せて図示している。

　上述したように、室外機１０は、空気調和装置１００の一部を構成し、冷媒配管を介して接続されている室内機２０に冷熱又は温熱を供給するものである。なお、図５の矢印Ａ方向から見た面を室外機１０の正面として説明する。

　図５に示すように、室外機１０は、室外機１０の外郭を構成し、略直方体形状の筐体１０ａと、筐体１０ａの天井側に設けられ、室外送風機が設置される空気吹出口４２と、を有している。筐体１０ａの正面には、正面パネル４０が設けられている。また、筐体１０ａの正面以外の側面には、筐体１０ａ内に空気を吸い込むための空気吸込口４１が開口形成されている。正面パネル４０の上部、つまり室外機１０の上部には、制御装置５０等が収容されている電気品箱３０が設けられている。また、正面パネル４０の下方の一部には、室内機２０と室外機１０とを接続する配管を取り出すための配管取出口４３が開口形成されている。

　室外機１０の筐体１０ａ内部には、図１～図３に示した構成要素が収容されている。中でも、熱源側熱交換器４は、筐体１０ａの側面（内壁面）に沿って断面略コの字状となるように設置するとよい。また、圧縮機１は、重量物であるため、筐体１０ａの底部に固定設置されるようになっている。なお、室外送風機４４は、筐体１０ａの天井側、つまり空気吹出口４２側に設置されている（図７参照）。また、電気品箱３０は、正面パネル４０にヒンジを介して開閉可能にしておくとよい。

　室外機１０の空気の流れについて図７を参照しながら説明する。室外送風機４４が駆動すると、空気吸込口４１を介して筐体１０ａ内に空気が吸い込まれる。筐体１０ａに吸い込まれた空気は、筐体１０ａ内に設置されている熱源側熱交換器４を通り、熱源側熱交換器４に供給されている冷媒と熱交換する。熱源側熱交換器４で熱交換した空気は、室外送風機４４によって、筐体１０ａの空気吹出口４２から室外機１０の外部へと放出される。この空気流れは、室外送風機４４によって作られており、図７の紙面右側から筐体１０ａ内に流入し、筐体１０ａの上部へと吹き出される。

　図５～図７からも分かるように、電気品箱３０は室外機１０の上部に取り付けられている。そして、図７に示すように、室外機１０の筐体１０ａ内部の上部空間には、空気の流れをよくするために、電気品箱３０以外の構成要素は設置されていない。それは、電気品箱３０以外の構成要素が室外機１０の筐体１０ａ内部の上部空間に存在すると、空気の流れに対しての障害物となってしまうからである。一方、室外機１０の筐体１０ａ内部の下部空間には、圧縮機１、油分離器２、アキュムレーター５等の冷媒回路部品と配管等が集約されて搭載されている（図７の破線で囲われている部分）。

　表１に、現在有力視されている次世代冷媒における２５℃、大気圧（１０１．３ｋＰａ　ａｂｓ）での冷媒ガス密度を示す。物性値はＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が発売しているＲＥＦＰＲＯＰ　Ｖｅｒｓｉｏｎ　９．０から得られたものである。

　表１から、現在有力視されている次世代冷媒のガス密度は、空気密度１．２［ｋｇ／ｍ^３］よりも大きいということがわかる。現在有力視されている次世代冷媒とは、表１に示すように、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）である。これは、表１に示す冷媒は、空気より重たく、室外機１０から漏れ出たとき、室外機１０の底部に澱みやすいということを意味している。このことから、着火源と成り得る電気品が収容されている電気品箱３０を、できるだけ筐体１０ａの上部に配置させておいた方がよいということがわかる。

　そこで、室外機１０では、電気品箱３０の底面Ｅ１が筐体１０ａの底面Ｅ２から筐体１０ａの高さｈ１の１／３（図６の線Ｆ）より高い位置となるように電気品箱３０を配置することとしている。こうすることで、たとえ冷媒が漏洩したとしても、電気品箱３０が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはない。

　表１に示した冷媒が現在広く普及している室外機で漏洩したことを想定したとき、漏洩した冷媒は、室外機の底面から約１０ｃｍ程度の高さまでの位置で滞留することがわかった。このことから、室外機の底面から１０ｃｍを超える高さ位置に電気品箱３０を設置すればよいことになるが、室外機１０では、安全性の配慮だけでなく、メンテナンス性や風路抵抗等も考慮して、電気品箱３０の底面Ｅ１が室外機１０の底面Ｅ２から室外機１０の高さｈ１の１／３より高い位置となるように電気品箱３０を配置することとした。

［電気品箱３０内の電気部品の配置］
　図８は、電気品箱３０内の電気部品の配置を模式的に示した模式図である。図８に基づいて、電気品箱３０内の電気部品の配置について説明する。上述したように、電気品箱３０には、電気部品である制御装置５０が収容されている。そして、制御装置５０は、インバータ基板３１を備えている。また、電気品箱３０内には、制御装置５０の他、図１～図３には図示されていない電磁弁や開閉弁９、開閉弁１１などをＯＮ／ＯＦＦさせるためのリレー３３ａ～リレー３３ｄ等の電気部品が収容されている。なお、制御装置５０は、圧縮機１のモータの回転数を数Ｈｚから数百Ｈｚまで変化させるように制御する。

　インバータ基板３１を構成している電子部品の一部には、上述したようにワイドバンドギャップ半導体が用いられている。図８では、インバータ基板３１上に実装されているワイドバンドギャップ半導体を便宜的にワイドバンドギャップ半導体３２として図示している。ワイドバンドギャップ半導体３２としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられることは上述した通りである。

　ワイドバンドギャップ半導体３２によって形成された半導体素子（たとえば、図４に示したインバータ主回路５５等）は、すぐれた耐熱性を有しているため、高い温度でも耐えることができる。このため、電気品箱３０内の温度上昇を抑制するための空気と導通させるスリットや穴は不要となり、周囲空気が入り込み難い構造にすることができる。そこで、電気品箱３０は、板金等の不燃材で製作されており、配線の繋ぎこみや電気部品の交換等のサービス時に対応できるように、電気品箱３０のカバーが正面側（図５のＡ方向）からドライバー等で取り外すことができる構造が採用されている。また、電気品箱３０には配線を通すための穴部が形成されるが、この穴部はゴムブッシュなどでシールされている。

　電気品箱３０をこのような構造にすることによって、冷媒が漏れたとしても、冷媒が電気品箱３０に侵入することを大幅に抑制することができ、安全性を更に向上させることができる。つまり、電気品箱３０は、筐体１０ａの上部に設置するので、それだけでも冷媒の侵入に対しての対策となっているが、それに加え、周囲空気が入り込み難い構造を採用することにより、冷媒の侵入に対しての対策を更に強化している。そして、このような周囲空気が入り込み難い構造を電気品箱３０に採用しても、耐熱性に優れたワイドバンドギャップ半導体３２を用いているため、電気品箱３０からの周囲への放熱だけで、電気品箱３０内の温度上昇を抑えることができる。

　ワイドバンドギャップ半導体３２は、耐熱性が高く高温動作が可能なことから、ファンレス構造、放熱フィンレス構造（あるいは放熱フィンの小型化構造）を採用することが可能となり、電気品箱３０を略密閉構造にすることができる。また、ワイドバンドギャップ半導体３２によって構成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体３２は、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

　さらに、図８に示すように、電気品箱３０では、着火源と成り得るリレー３３ａ～リレー３３ｄや、高温となるワイドバンドギャップ半導体３２等の電気部品をできるだけ上部に配置するようにしている。そこで、電気品箱３０では、電気部品の底面Ｅ４、Ｅ５が電気品箱３０の底面Ｅ３から電気品箱３０の高さｈ２の１／３（図８の線Ｇ）より高い位置となるように電気部品を配置することとしている。こうすることで、たとえ冷媒が漏洩したとしても、電気部品が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはない。このような配置にすることによって、電気品箱３０の隙間から漏洩した冷媒が侵入したとしても、冷媒は電気品箱３０の下部に滞留するので、安全性が更に向上することになる。

　表１に示した冷媒が現在広く普及している電気品箱内に浸入したことを想定したとき、侵入した冷媒は、電気品箱の底面から数十ｃｍ程度の高さまでの位置で滞留することがわかった。このことから、電気品箱の底面から数十ｃｍを超える高さ位置に電気部品を設置すればよいことになるが、室外機１０では、安全性の配慮だけでなく、メンテナンス性や操作性等も考慮して、電気部品の底面Ｅ４、Ｅ５が電気品箱３０の底面Ｅ３から電気品箱３０の高さｈ２の１／３より高い位置となるように電気部品を配置することとした。

［ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇抑制］
　図９は、ワイドバンドギャップ半導体３２の設置例を模式的に示す模式図である。図９に基づいて、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇を抑制することで安全性を更に向上させる場合について説明する。なお、図９（ａ）がワイドバンドギャップ半導体３２と温度検知手段３４を正面から見た透視図であり、図９（ｂ）が図８に示すＨ方向からワイドバンドギャップ半導体３２と温度検知手段３４見た図である。

　表２に、現在有力視されている次世代冷媒それぞれの発火温度を示す。

　表２に示す発火温度とは、冷媒自身がその温度になると発火する温度である。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体３２が表２に示す温度以上になり、冷媒が爆発下限界以上の濃度となった場合、冷媒が発火する可能性がある。このことから、電気品箱３０内の電気部品で最も高温となるワイドバンドギャップ半導体３２の表面温度を、空気調和装置１００に使用する冷媒の発火温度未満にしなければならないということがわかる。

　そこで、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度を適宜検知できるように、ワイドバンドギャップ半導体３２の表面に温度検知手段３４を接触させるとよい。ワイドバンドギャップ半導体３２の温度を適宜検知できれば、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇の抑制を効率的に図ることができる。たとえば、熱伝導性接着剤を用いて、ワイドバンドギャップ半導体３２の表面に温度検知手段３４を貼り付けて、両者を接触させることができる。または、図９に示すように、アタッチメント３５と止め具３６を用いて、温度検知手段３４とワイドバンドギャップ半導体３２とを接触させることができる。

　なお、温度検知手段３４としては、サーミスターを用いるとよい。または、熱電対等の他の温度センサーを温度検知手段３４として用いてもよい。また、アタッチメント３５及び止め具３６は、その材質や形状、大きさ、個数などを図示したものに限定するものではなく、ワイドバンドギャップ半導体３２と温度検知手段３４とを接触させることが可能な構成になっていればよい。

　ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇抑制動作について説明する。温度検知手段３４がワイドバンドギャップ半導体３２の表面温度が所定温度であることを検知したとき、制御装置５０は、空気調和装置１００の運転を停止させる。または、制御装置５０は、圧縮機１の回転数を下げる。このような制御をすることにより、ワイドバンドギャップ半導体３２のそれ以上の発熱を抑えることができ、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇の抑制を図ることが可能になる。

　この制御を施しても、ワイドバンドギャップ半導体３２の発熱温度が所定温度未満に下がらないときは、制御装置５０は、空気調和装置１００を完全に停止させる。つまり、制御装置５０は、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度が、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇抑制制御の開始条件に使用する所定温度（抑制制御開始温度）に到達した際、ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇を抑制させる制御を実行する。このような制御を行うことで、冷媒漏洩時のリスクをさらに低減させることができ、安全性を大幅に向上させた空気調和装置１００を提供することができる。なお、このような制御を行った場合には、音声や表示により、外部に報知可能にしておくとよい。

　次に、所定温度（抑制制御開始温度）について説明する。ワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇抑制制御の開始条件に使用する所定温度である抑制制御開始温度は、サーミスターのバラツキや、サーミスターとワイドバンドギャップ半導体との取り付けバラツキ等を考慮して決定する必要がある。また、冷媒の発火温度は、冷媒周辺の湿度や温度によっても変化する。つまり、所定温度を発火温度と同じに設定した場合、条件次第ではワイドバンドギャップ半導体３２の温度上昇抑制制御を実行したり、しなかったりしてしまうことが想定できる。

　そのため、所定温度の設定には、かなりマージンをとらなければならない。このような背景から、あらゆる環境的影響、経年劣化、固体バラツキなどを考慮し、空気調和装置１００では所定温度を「使用する冷媒の発火温度－１００℃程度」に設定することにした。使用する冷媒に応じて所定温度を変更すればよいが、汎用性を考慮して表２に示す冷媒の中で最も発火温度が低いＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）を基準として所定温度を設定するとよい。この場合の所定温度は、約１８８℃となる。

　また、ワイドバンドギャップ半導体３２は、確かに耐熱性に優れるが、２００℃以上では、故障する可能性が高くなる。そこで、安全性を確保するとともに、ワイドバンドギャップ半導体３２の信頼性を確保するために、所定温度を１５０℃付近に設定することにしている。こうすれば、安全性の確保とともに、ワイドバンドギャップ半導体３２の信頼性の確保にもなり、空気調和装置１００の信頼性が大幅に向上することになる。

　以上のように、本実施の形態に係る室外機１０は、電気品箱３０の設置位置を特定しているので、たとえ可燃性を有する冷媒が漏れたとしても、漏洩した冷媒の電気品箱３０への侵入を大幅に抑制することができる。したがって、本実施の形態に係る室外機１０によれば、安全性を大幅に向上することが可能になる。また、本実施の形態に係る室外機１０によれば、インバータ基板３１の一部にワイドバンドギャップ半導体３２を用いているので、耐熱性にすぐれ、高い信頼性を確保することができる。さらに、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、室外機１０を備えているので、室外機１０と同様に安全性及び信頼性が大幅に向上したものになる。

　１　圧縮機、２　油分離器、３　流路切替装置、４　熱源側熱交換器、５　アキュムレーター、６　過冷却熱交換器、７　絞り装置、８　返油回路、８ａ　減圧手段、９　開閉弁、１０　室外機、１０ａ　筐体、１１　開閉弁、１２　バイパス回路、２０　室内機、２０ａ　室内機、２０ｂ　室内機、２０ｃ　室内機、２０ｄ　室内機、２１　絞り装置、２１ａ　絞り装置、２１ｂ　絞り装置、２１ｃ　絞り装置、２１ｄ　絞り装置、２２　利用側熱交換器、２２ａ　利用側熱交換器、２２ｂ　利用側熱交換器、２２ｃ　利用側熱交換器、２２ｄ　利用側熱交換器、３０　電気品箱、３１　インバータ基板、３２　ワイドバンドギャップ半導体、３３ａ　リレー、３３ｂ　リレー、３３ｃ　リレー、３３ｄ　リレー、３４　温度検知手段、３５　アタッチメント、３６　止め具、４０　正面パネル、４１　空気吸込口、４２　空気吹出口、４３　配管取出口、４４　室外送風機、５０　制御装置、５１　三相交流電源、５２　整流器、５３　リアクタ、５４　平滑コンデンサ、５５　インバータ主回路、５６　制御回路、５７　モータ、１００　空気調和装置。

Claims (14)

1. 　可燃性冷媒を用いた空気調和装置の一部を構成する室外機であって、
   　筐体と、
   　前記筐体の内部に設置され、冷媒を圧縮する圧縮機と、
   　前記筐体の内壁面の一部に沿って設置され、前記圧縮機から吐出され、又は、前記圧縮機に吸入される冷媒が流入する熱源側熱交換器と、
   　前記筐体の上部に設置され、前記筐体内に風の流れを生成する室外送風機と、
   　前記圧縮機及び前記室外送風機を制御する制御装置と、
   　前記筐体に設置され、前記制御装置及び前記空気調和装置を構成する駆動部品の制御に利用される電気部品が少なくとも収容される電気品箱と、を有し、
   　前記電気品箱は、
   　該電気品箱の底面が、前記筐体の底面から前記筐体の高さの１／３よりも高い位置に配置され、
   　前記制御装置及び前記電気部品は、
   　それらの各底面が、前記電気品箱の底面から前記電気品箱の高さの１／３よりも高い位置に配置されている
   　ことを特徴とする室外機。
2. 　前記制御装置を構成する素子の少なくとも一部は、
   　ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
   　ことを特徴とする請求項１に記載の室外機。
3. 　前記ワイドバンドギャップ半導体の温度を検知する温度検知手段を設け、
   　前記温度検知手段は、
   　前記ワイドバンドギャップ半導体の表面に接触するように設置されている
   　ことを特徴とする請求項２に記載の室外機。
4. 　前記制御装置は、
   　前記温度検知手段が予め設定されている所定温度を検知したとき、前記空気調和装置の運転を停止する
   　ことを特徴とする請求項３に記載の室外機。
5. 　前記制御装置は、
   　前記温度検知手段が予め設定されている所定温度を検知したとき、前記圧縮機の回転数を現在の回転数よりも減少させる
   　ことを特徴とする請求項３に記載の室外機。
6. 　前記制御装置は、
   　所定時間が経過後に、前記ワイドバンドギャップ半導体の温度が所定温度未満にならないとき、前記空気調和装置の運転を停止する
   　ことを特徴とする請求項５に記載の室外機。
7. 　前記所定温度を１５０℃以上に設定した
   　ことを特徴とする請求項４～６のいずれか一項に記載の空気調和装置。
8. 　前記ワイドギャップ半導体は、
   　炭化ケイ素素子、窒化ガリウム素子、及び、ダイヤモンド素子の少なくとも一つで構成されている
   　ことを特徴とする請求項２～７のいずれか一項に記載の室外機。
9. 　前記可燃性を有する冷媒にＲ３２を用いた
   　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機。
10. 　前記可燃性を有する冷媒にＨＦＯ１２３４ｙｆを用いた
    　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機。
11. 　前記可燃性を有する冷媒にＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）を用いた
    　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機。
12. 　前記可燃性を有する冷媒にＲ３２とＨＦＯ１２３４ｆｙとの混合冷媒を用いた
    　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機。
13. 　前記可燃性を有する冷媒にＲ３２とＨＦＯ１２３４ｚｅ（Ｅ）との混合冷媒を用いた
    　ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の室外機。
14. 　請求項１～１２のいずれか一項に記載の室外機と、
    　利用側熱交換器が搭載され、前記室外機と冷媒配管を介して接続される室内機と、を備えた
    　ことを特徴とする空気調和装置。

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