JP2010144989A - 空気調和機の室外機 - Google Patents

Abstract

【課題】電装品箱内の高発熱電気部品（パワーモジュール）を効果的に冷却する。
【解決手段】
底板部１２上に立設された仕切板１３によって、圧縮機１８が設けられた圧縮機室１５と、熱交換器１６および送風ファン１７が設けられた熱交換器室１４とに、内部が区画された室外機本体１１、仕切板１３の上部に圧縮機室１５および熱交換器室１４に跨るように配設された電装品箱１９、この電装品箱１９内の高発熱電気部品２４を含むパワーモジュールに取り付けられた、複数のフィン２６を有するヒートシンク２５を備えた室外機であって、電装品箱１９が圧縮機室１５から熱交換器室１４に連通する通風路を有し、通風路内に複数のフィン２６を有するヒートシンク２５が収納されている。この構造としたことで、複数のダクト状の通風路２７に流速を低下させることなく冷却のための空気が流れ、ヒートシンク全体を効率的に冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、外気と熱交換を行うための空気調和機の室外機に関わり、特にその電装品箱内に設けたパワーモジュール用ヒートシンクを効果的に冷却できるようにした構造に関するものである。

従来から、空気調和機の室外機に搭載された電装品、特に半導体整流器やパワー半導体デバイスなどの高発熱電気部品が発生する熱をより効率的に放出するために、種々の放熱構造が提案されている。

その一つに、電装品箱の高発熱電気部品を含むパワーモジュールの取付け部分の外側に複数のフィンを備えたヒートシンクを取付け、送風ファンの空気流の一部分をフィンに導いてそれを冷却しようとする構造の室外機がある（たとえば特許文献１参照）。すなわち、この室外機では、底板上に仕切板を立設して内部空間を圧縮機室と熱交換器室とに区画し、圧縮機室に圧縮機を配置し、熱交換器室に熱交換器と送風ファンとを対向させて配置する。圧縮機の上部には、ヒートシンクを備えた電装品箱を、そのフィンが仕切板に設けられた切欠部分から熱交換器室に臨むよう配置する。そして、仕切板の熱交換器室側には、送風ファンによる空気流の一部分をヒートシンクのフィンに沿って流れる空気流とするために、複数のガイド部を備えた導風板を配置している。

これは、送風ファンの吸引によって生じさせた熱交換器室内の空気流の一部分を整流して利用する構造であることから、熱交換器室内と導風板近傍の部分とで十分な圧力差を生じさせることがむずかしい。そのため、導風板を設けてヒートシンクのフィンに風を送ろうとしても、十分な風量とするのが困難であった。

そこで、ヒートシンクのフィンへの送風量を増大させる構造として、次のような提案がされている（たとえば特許文献２参照）。すなわち、この改善案においては、仕切板の上部に圧縮機室と熱交換器室とに跨るように、電装品箱を配置し、かつ、箱内の高発熱電気部品を含むパワーモジュールに取付けたヒートシンクを熱交換器室内に位置させる。そして、圧縮機室からヒートシンクに直接に風を送り、あるいは、圧縮機室から電装品箱を通して熱交換器室に通じる通風路を形成し、これを通して空気をヒートシンクのフィンに送って、フィンを冷却する。フィンを冷却した空気は熱交換器を通った空気とともに、室外機外部に排出される。

さらには、電装品箱内の圧縮機室側部分を隔壁で区画して、一方の領域に高発熱電気部品を、また他方の領域に発熱の少ない電気部品をそれぞれ配置し、高発熱電気部品側の区画部分を通して熱交換器室内のヒートシンクに冷却のための空気を流すという構造も提案されている（たとえば特許文献３参照）。
特開平１０−２６３７２号公報 特開２０００−１６１７１７号公報 特開２００７−２２５２５４号公報

このように、通風路を設けることによって従来よりもヒートシンクへの風量を増大させて、冷却作用を高めることを可能にしているものの、依然として十分なものとは言えなかった。

これは、いずれの室外機においてもヒートシンクのフィンを熱交換器室内に開放させた構造であり、そのために、ヒートシンクの入口部分に流入させた風を冷却に十分に利用できていないことによることが、発明者の検討で判明した。すなわち、フィンが熱交換器室内に開放されているため、入口部分に流入した風のほとんどが、すぐにフィンから離れるように熱交換器室内に放出され、フィンの間を通って出口部分にまで流れないことが認められた。

本発明は、このような知見にもとづくものであり、ヒートシンクの入口に流入した風のすべてを、その出口まで流速を低下させることなく流通させて、ヒートシンク全体から効率的に熱放散を行わせ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。

本発明の空気調和機の室外機は、底板部上に立設された仕切板によって、圧縮機室と熱交換器室とに区画された室外機本体、圧縮機室に設けられた圧縮機、熱交換器室に設けられた熱交換器および送風ファン、仕切板の上部において圧縮機室および熱交換器室に跨るように配設された電装品箱、この電装品箱内に設けられた高発熱電気部品を含むパワーモジュール、ならびに、パワーモジュールに取り付けられた、複数のフィンを有するヒートシンクを備える空気調和機の室外機であって、電装品箱は圧縮機室から熱交換器室に連通する通風路を有し、この通風路内にヒートシンクが収納されているものである。

この室外機において、さらに、複数のフィンを有し、これらによって区切られた複数のダクトを有するヒートシンクを使用することが好ましい。

さらにまた、電装品箱が、内部に通風方向に沿って配置された仕切壁を有し、この仕切壁によって、内部が通風路の領域と、パワーモジュールを構成する電気部品を除いた他の電気部品が収納された領域とに分離されていることが好ましい。

さらにまた、ヒートシンクが複数のフィンで構成された櫛歯状の形状を有し、フィンの先端を圧縮機室から熱交換器室に連通する通風路の壁に当接させて、複数のダクト状の通風路を形成することが好ましい。

さらにまた、ヒートシンクが複数のフィンで構成された櫛歯状の形状を有し、複数のフィン先端を圧縮機室から熱交換器室に連通する通風路の壁に近接させて、複数のダクト状の通風路を形成することが好ましい。

さらにまた、電装品箱内に設けた仕切壁に、通風路の領域と、パワーモジュールを構成する電気部品を除く他の電気部品が収納された領域とを連通する開口部を設けることが好ましい。

上述のように、電装品箱に設けた通風路内にヒートシンクを配置することによって、通風路内を流れる風のほとんどがヒートシンク内を流れ、その冷却のために利用できる。これにより、パワーモジュールに発生する熱を効果的に放散させ、その温度上昇を抑制することができる。

さらに、複数のフィンを備えたヒートシンクを使用することによって、ヒートシンクそのもので、またはヒートシンクと電装品箱とによって、複数のダクト状の通風路を形成することにより、ヒートシンクの通風路入口から流入した空気を通風路出口にまで流速を低下させることなく、複数のフィンに沿って通風路それぞれにわたって風を流すことができる。これによって、通風路を流れる風を効果的にフィンの冷却に利用できることから、パワーモジュールの放熱量を増大させることが可能となり、その性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、対応する構成要素には同一の符号を付し、それらについて重複する説明を省略する。
（第１の実施の形態）

図１から図４は第１の実施の形態の構造の概念図であり、図１は図３の１−１線に沿って正面方向から見た断面図、図２は図１の２−２線に沿って側面方向から見た断面図、図３は図１の３−３線に沿って平面方向から見た断面図である。図４はこの実施の形態における通風状態について説明するための図で、主な内部要素の配置関係とそれにおける空気の流路を示す。

この形態において、室外機本体１１内が、その底板部１２上に立設された仕切板１３によって、熱交換器室１４と圧縮機室１５とに区画されている。熱交換器室１４内には熱交換器１６および送風ファン１７が、また圧縮機室１５には圧縮機１８がそれぞれ設置されている。仕切板１３の上部には、電装品箱１９が圧縮機室１５および熱交換器室１４に跨るように配設されている。この電装品箱１９は、その圧縮機室１５側の端部に圧縮機室１５に開く開口部２２を有する。また、それとは反対側では端部全体が熱交換器室１４に開口している。これによって電装品箱１９を介して圧縮機室１５と熱交換器室１４とが連通し、それらの間で通風可能となっている。すなわち、送風ファン１７を駆動させると、室外機本体１１の側面板部２０に設けた開口部２１から圧縮機室１５内に外気が取込まれ、それが電装品箱１９の底板部に設けられた開口部２２から内部を通って熱交換器室１４に流れ、さらに送風ファン１７の前面に位置する圧縮機本体１１の正面板部に設けられた開口を通して外部へ排出される。

電装品箱１９内には空気の流れる方向に平行に仕切壁２３が設けられており、この仕切壁２３によって区画された電装品箱１９の内部空間の一方が開口部２２によって圧縮機室１５に通じている。さらに、この部分には、高発熱電気部品２４を冷却するためのダクト状のヒートシンク２５が、その複数のフィン２６が箱内の空気の流れる方向に平行になるよう、収納されている。送風ファン１７を作動させると、開口部２１から圧縮機室１５に空気が取り込まれ、さらに電装品箱１９の開口部２２を通して、フィン２６によって区切られた複数のダクトからなる通風路２７、ならびにヒートシンク２５と仕切壁２３および電装品箱１９の側面板部との間の隙間２８を流れ、熱交換器室１４に流れる。

さらに、仕切壁２３によって区画されて形成された電装品箱１内の他方の部分には、発熱がほとんどないか、あるいはあっても特性の温度変化を許容できるような程度の電気部品３０が配置されている。

この形態の室外機において、ヒートシンク２５自体が有するダクト状の通風路２７、ならびに、ヒートシンク２５と仕切壁２３、電装品箱１９の側面板部との間の隙間２８を、流速を低下させることなく、圧縮機室１５から熱交換器室１４へ向けて空気を流すことができる。このとき、空気がヒートシンク２５の入口側から出口側まで、フィン２６全体に接しながら流れることから、ヒートシンク２５全体が効率的に冷却されて、パワーモジュールを構成する高発熱電気部品２４が発生する熱をきわめて効果的に放散させることができる。

この例では、外気を室外機の側面板部２０に設けた開口部２１より取り込む構造としているが、側面板部２０を含め、外気取込みのための開口部を圧縮機１８側の底板部１２や背面板部２９などの一つまたは複数に設けてもよい。

なお、図１には、ヒートシンク２５をそのフィン２６が垂直方向となるよう配置した例を示したが、フィン２６が電装品箱１９を通して流れる空気の流速を低下させない姿勢、たとえば水平方向となるよう取り付けてもよいことは言うまでもないことである。

さらに、電装品箱１９内を仕切壁２３によって通風路領域と電気部品３０の収納領域とを分離することで、塩分や湿気を含んだ空気を開口部２１から室外機の内部に取り込むことがあっても、その空気が電気部品３０に直接に触れるというようなおそれがほとんどない。このため、空気に含まれる腐食物質によってそれらが腐食されることが防止でき、室外機を長期間にわたって稼動させることができる。
（第２の実施の形態）

図５は、本発明の第２の実施の形態をその側面方向から見た断面図である。この図は上述の第１の実施の形態と構造が異なる箇所について説明するためのものであり、正面方向および平面方向から見た断面構造は、図１および図２に示した構造と同じである。

この第２の実施の形態が第１の実施の形態ともっとも異なるところは、それ自体がダクト状の通風路を有するヒートシンクに代えて、櫛歯状の構造のヒートシンク２５−２を使用し、その複数のフィン２６−２の先端を電装品箱１９の底部に当接させて配置することによって、複数のダクト状通風路２７−２を形成したことにある。他の構成要素および構造については、第１の実施の形態とほぼ同じである。

このような放熱構造によれば、ヒートシンク２５−２のフィン２６−２と電装品箱１９とによって形成された複数のダクト状の通風路２７−２、ならびにヒートシンク２５−２と電装品箱１９との間の隙間２８に、流速を低下させることなく空気を流すことができる。そして、この形態においても、ヒートシンク２５−２の入口側から出口側まで、フィン２６−２全体に通風路２７−２を流れる空気が触れることから、ヒートシンク２５−２全体が効率的に冷却される。これによって、高発熱電気部品２４が発生する熱を効果的に放散させることが可能となる。

なお、ヒートシンク２５−２をフィン２６−２が水平方向となる姿勢で電装品箱１９内に収納するとともに、そのフィン先端を電装品箱１９の側面板部に当接させた構造としても、同等の冷却機能を実現することができるのは言うまでもないことである。

また、この第２の実施の形態においても、電装品箱１９内を仕切壁２３によって通風路としての領域と電気部品３０の収納領域とに分離しているので、塩分や湿気を含んだ空気を室外機の内部に開口部２０から取り込むことがあっても、その空気が電気部品３０に直接に触れることを防ぐことができ、それらの腐食を避けることが可能となる。
（第３の実施の形態）

図６は本発明の第３の実施の形態を、その側面方向から見た断面図である。この図は上述の第１、第２の実施の形態と構造が異なる箇所について説明するための図であり、正面方向および平面方向から見た断面構造は図１および図２に示した構造と同じである。

この第３の実施の形態が第1、第２の実施の形態ともっとも異なるところは、櫛歯状ヒートシンク２５−３の各フィン２６−３の先端を、電装品箱１９の底板部に近接させて配置することによって、実質的にダクト状となる複数の通風路２７−３を形成したことにある。他の構成要素および構造については、第１の実施の形態および第２の実施の形態とほぼ同じである。

このような放熱構造によれば、上述の第１、第２の実施の形態と同様に、ヒートシンク２５−３と電装品箱１９とによって形成されたダクト状の複数の通風路２７−３、ならびにヒートシンク２５−３と電装品箱１９との隙間２８に、流速を低下させることなく、フィン２６−３に沿って空気をヒートシンク２５−３の入口から出口まで流すことができ、ヒートシンク２５−３全体を効率的に冷却することができる。これによって、高発熱電気部品２４が発生する熱を効果的に放散させることが可能となる。

なお、ヒートシンク２５−３をフィン２６−３が水平方向となる姿勢で電装品箱１９内に収納するとともに、その先端が電装品箱１９の側面板部に近接させた構造としても、同等の冷却機能を実現することができるのは言うまでもないことである。また、複数のフィン２６−３のうち、たとえばもっとも外側のフィンについては他より長めの寸法とし、先端で電装品箱１９の底部または側面板部に当接する構造としても、同等の冷却作用を奏することができる。

また、この第３の実施の形態においても、電装品箱１９内が仕切壁２３によって通風路領域と電気部品３０の収納領域とに分離されているので、塩分や湿気を含んだ空気を室外機の内部に取り込むことがあっても、その空気が電気部品３０に直接に触れるようなことがなく、長期間にわたって電気部品３０の腐食を防止することができる。
（第４の実施の形態）

図７および図８は本発明の第４の実施の形態の構造を概念的に示す図であり、図７は図８の７−７線に沿って側面方向から見た断面図、図８は平面方向から見た断面図である。これらの図は上述の実施の形態と構造の異なる箇所について説明するためのものであり、正面方向から見た断面構造は図１に示した構造と同じである。

この第４の実施の形態は、第３の実施の形態の一部分を変形した例であり、それともっとも異なるところは、電装品箱１９内に設けた仕切壁２３の一部分に開口部３１を設け、比較的発熱の少ない電子部品３０が収納された領域を、通風路となる領域に連通させたことである。

このような構造によれば、ヒートシンク２５−３および電装品箱１９とによって形成された通風路２７、ならびにヒートシンク２５−３と電装品箱１９との間の隙間２８における風の流れを阻害することなく、仕切壁２３の開口部３１を通して電気部品３０を収納した領域内の空気を冷やすことができ、その温度上昇を抑制することができる。これによれば、夏季の太陽光が直射する場所においても室外機をこれまでよりも安定して作動させることが可能となる。

さらに、仕切壁１８の一部分に開口部３１を設けているので、仕切壁２３によって電装品箱１９内が通風路領域と電気部品３０の収納領域とに分離され、塩分や湿気を含んだ空気を室外機の内部に取り込むことがあっても、その空気が電気部品３０に直接に触れるおそれが小さく、それらによる早期腐食を防止することができる。

本発明の実施の形態１〜４、および特許文献１〜３による室外機（これらを総称して従来例という）について、それぞれの流体シミュレーションを行って高発熱電気部品の発熱時の温度を求めた。その結果と、実施の形態１〜４の従来例との発熱温度差を温度低減効果として次の表１に示す。

この表１から明らかなように、本発明の実施の形態によれば、従来例に比べてパワーモジュールを構成する高発熱電気部品の温度上昇を大幅に抑制することができる。このように、その冷却機能に優れていることから、室外機の使用可能な温度範囲を、特に高温度側にこれまでよりも高めることができる。また、パワーモジュールの温度上昇が抑制され、その構成電気部品に対する熱的な特性についての制約が緩和されることから、周囲温度が年間を通して比較的低い地域向けの空気調和機においては、その電装品のコスト低減が可能となる。

本発明の空気調和機の室外機は、搭載されたパワーモジュールを効果的に冷却し、その温度上昇を抑制できることから、より高い周囲温度で使用される空気調和機に好適なものである。

本発明の第１の実施の形態の正面から見た断面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 図１の３−３線に沿った断面図である。 本発明の第１の実施の形態における空気の流れと主な内部要素の配置関係を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態の側面から見た断面図である。 本発明の第３の実施の形態の側面から見た断面図である。 本発明の第４の実施の形態の側面から見た断面図である。 本発明の第４の実施の形態の平面から見た断面図である。

符号の説明

１１ 室外機本体
１２ 底板部
１３ 仕切板
１４ 熱交換器室
１５ 圧縮機室
１６ 熱交換器
１７ 送風ファン
１８ 圧縮機
１９ 電装品箱
２０ 側面板部
２１ 開口部
２２ 開口部
２３ 仕切壁
２４ パワーモジュールを構成する高発熱電気部品
２５、２５−２、２５−３ ヒートシンク
２６、２６−２、２６−３ フィン
２７、２７−２、２７−３ 通風路
２８ 隙間
２９ 背面板部
３０ 電気部品
３１ 開口部

Claims (6)

1. 底板部上に立設された仕切板によって、圧縮機室と熱交換器室とに区画された室外機本体、前記圧縮機室に設けられた圧縮機、前記熱交換器室に設けられた熱交換器および送風ファン、前記仕切板の上部において前記圧縮機室および前記熱交換器室に跨るように配設された電装品箱、前記電装品箱内に設けられた高発熱電気部品を含むパワーモジュール、ならびに、前記パワーモジュールに取り付けられた、複数のフィンを有するヒートシンクを備える空気調和機の室外機であって、
   前記電装品箱は前記圧縮機室から前記熱交換器室に連通する通風路を有し、前記通風路内に前記ヒートシンクが収納されていることを特徴とする空気調和機の室外機。
2. 前記ヒートシンク自体が複数のフィンにより区切られた複数のダクト状の通風路を有することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の室外機。
3. 前記電装品箱が内部に通風方向に沿って配置された仕切壁を有し、この仕切壁によって、前記電装品箱の内部が前記通風路の領域と、前記パワーモジュールを構成する電気部品を除いた他の電気部品が収納された領域とに分離されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和機の室外機。
4. 前記ヒートシンクが複数のフィンで構成された櫛歯状の形状を有し、前記フィンの先端を前記圧縮機室から前記熱交換器室に連通する前記通風路の壁に当接させて、複数のダクト状の通風路を形成したことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の空気調和機の室外機。
5. 前記ヒートシンクが複数のフィンで構成された櫛歯状の形状を有し、前記複数のフィン先端を前記圧縮機室から前記熱交換器室に連通する前記通風路の壁に近接させて、複数のダクト状の通風路を形成したことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の空気調和機の室外機。
6. 前記電装品箱内に設けた仕切壁が、前記通風路の領域と、前記パワーモジュールを構成する電気部品を除いた他の電気部品が収納された領域とを連通する開口部を有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の空気調和機の室外機。

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