(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒と外気との熱交換が行われる熱交換器と、
前記熱交換器へ送風する送風機と、
半導体素子及び前記半導体素子を冷却する放熱部を有し、少なくとも前記圧縮機及び前記送風機を制御する電気品と、
を備え、
前記半導体素子にワイドバンドギャップ半導体が用いられ、
前記放熱部は、前記半導体素子自身の発熱により発生する自然対流によって前記半導体素子の熱を放熱するものであり、
前記電気品は密閉された空間内に配置されたことを特徴とする空気調和装置の室外機。
【請求項２】
前記電気品の前記半導体素子におけるジャンクション温度は、
前記空気調和装置の運転中において、１５０℃以上かつ４００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置の室外機。
【請求項３】
前記電気品及び前記圧縮機は、
密閉された同一空間内に配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空気調和装置の室外機。
【請求項４】
前記空気調和装置の運転停止中において前記圧縮機に通電して加熱する際に、
前記送風機を運転しないように制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気調和装置の室外機。
【請求項５】
前記空気調和装置の運転中において、
前記送風機は、外気温度に応じて回転数が制御されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気調和装置の室外機。
【請求項６】
前記空気調和装置の運転中において、
前記送風機は、前記冷媒の状態に応じて回転数が制御されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気調和装置の室外機。
【請求項７】
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１〜６のいずれかに記載の空気調和装置の室外機。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の空気調和装置の室外機を備えたことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気品を備えた空気調和装置の室外機及びその空気調和装置の室外機を用いた空気調和装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置の室外機に設けられた電気品は、圧縮機や送風機を駆動するために電流を流すことにより発熱する。そのため、電気品を運転可能な状態に保つために必要な熱量を放熱させる必要がある。
【０００３】
電気品を放熱させるための構成を備えた空気調和装置として、例えば、「放熱器及び放熱用ファンを有する放熱器室と、この放熱器室に隣接して設けられ、圧縮機及び電気品箱を有する圧縮機室とからなる冷却装置の室外機において、前記電気品箱の背面に設けられ、当該電気品箱内の電気機器を冷却するヒートシンクと、このヒートシンクを囲うと共に、前記圧縮機室の両側側壁面を貫通して外気と繋がって前記放熱器室の放熱用ファンの吸込側壁面に接続され、前記外気を前記放熱器室へ導く冷却用ダクトと、を備えた」ものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、例えば、「冷却モジュール６を形成するヒートパイプ８の受熱側８１が密閉構造の電気品室１（電気品が収容されている）に設置され、直接または受熱ブロックを介して電気品に結合され、ヒートパイプ８の放熱側８７が冷却ファン４によって形成される風路内に配置される。また、ヒートパイプ８の放熱側８７には放熱フィン７が設置されたり、配置された放熱フィン７に相当する範囲の熱交換器５の冷却ファンの間隔がその他の範囲より広くなったりしている。さらに、ヒートパイプ８の放熱側８７が熱交換器５の冷媒細管または冷却フィンに直接結合している。」ものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１１７９号公報（要約、図１）
【特許文献２】特開２００５−３３１１４１号公報（要約、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような空気調和装置は、送風機の負圧により電気品を強制冷却するため、送風機の回転数は、電気品の温度等を考慮して制御していた。そのため、送風機の回転数は、送風機の１次機能である室外熱交換器の熱交換のための適正な値ではなくなることがあった。
【０００７】
例えば、外気温度の低い冷房運転時は、送風機の回転数を低くしても室外熱交換器は十分な熱交換が可能である。しかし、電気品が高温であれば、電気品を冷却するために送風機の回転数を上げなければならない。このような場合、送風機の回転数は、室外熱交換器の熱交換ではなく、電気品の冷却のために必要な回転数に決定されることになる。これにより、送風機の回転数が室外機熱交換器の熱交換のために必要な回転数より大きくなることがあり、消費エネルギーが高くなるという問題点があった。
【０００８】
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、送風機の回転数が電気品の冷却に必要な回転数に依存しないその空気調和装置の室外機及びその空気調和装置の室外機を用いた空気調和装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る空気調和装置の室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒と外気との熱交換が行われる熱交換器と、前記熱交換器へ送風する送風機と、半導体素子及び前記半導体素子を冷却する放熱部を有し、少なくとも前記圧縮機及び前記送風機を制御する電気品と、を備え、前記半導体素子にワイドバンドギャップ半導体が用いられ、前記放熱部は、前記半導体素子自身の発熱により発生する自然対流によって前記半導体素子の熱を放熱するものであり、前記電気品は密閉された空間内に配置されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の空気調和装置は、半導体素子にワイドバンドギャップ半導体を用いたため、高温で動作可能であり、自然対流により十分な放熱が可能となる。そのため、送風機による電気品の冷却が必要ないので、送風機の回転数が電気品の冷却に必要な回転数に依存せず、省エネルギーな空気調和装置を得ることができるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の全体構成を示す図で、（ａ）が正面図、（ｂ）がトップパネル５を外した状態の平面図である。
【図２】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の発熱体１１、基板１２及び放熱部１３の構成を示す平面図である。
【図３】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、外気温度と放熱部１３の放熱量との関係を示す図である。
【図４】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、電流値と発熱体１１の発熱量との関係を示す図である。
【図５】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、電流値と発熱体１１の発熱量及び放熱部１３の放熱量との関係を示す図である。
【図６】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、外気温度と送風機回転数との関係を示す図である。
【図７】本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、送風機３の制御フローである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の空気調和装置について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の全体構成を示す図で、（ａ）が正面図、（ｂ）がトップパネル５を外した状態の平面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態１における空気調和装置の室外機は、送風機３等を有するファン室２０と、圧縮機１等を有する機械室３０とがセパレーター１０によって分けられている。
また、空気調和装置の室外機は、底面に設けられたベース７、前面を覆うフロントパネル９、背面及び両側面を覆うリアパネル６、及び上面を覆うトップパネル５を外殻として有している。また、前面の一部には、ユニット据え付け作業やメンテナンス作業時に取り外し可能としたサービスパネル８が設けられている。
【００１５】
ファン室２０には、略中央に送風機３が設けられ、その外周は平面断面が略Ｌ字状の熱交換器２が設けられている。
機械室３０には、冷媒回路内を流れる冷媒を圧縮する圧縮機１が設けられている。圧縮機１は、空気調和機の冷媒回路内を循環する冷媒を圧縮して高温高圧となった冷媒を熱交換器２へ流出させる。また、圧縮機１の上方には電気品４が設けられており、電気品４は、その外殻は例えば板金加工された部材で囲われており、密閉構造となっている。電気品４は、後述するワイドバンドギャップ半導体を備えたインバーター及びコンバーターを有しており、圧縮機１及び送風機３等を駆動し、制御する。また、電気品４は、圧縮機１と密閉された同一空間内に配置されていてもよい。
【００１６】
上記のように構成された空気調和装置の室外機は、送風機３を回転させることにより、熱交換器２にて外気と冷媒との熱交換が行われる。
【００１７】
図２は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の発熱体１１、基板１２及び放熱部１３の構成を示す平面図である。
図２に示す発熱体１１、基板１２及び放熱部１３は、電気品４の一部である。発熱体１１は、電流が流れることにより発熱する半導体モジュール等が備えられているものである。この半導体モジュールに使用されるダイオード素子及びスイッチング素子の少なくとも一方（本発明における半導体素子）にワイドバンドギャップ半導体が用いられている。この発熱体１１は、基板１２に実装されるとともに、放熱部１３に取り付けられる。
【００１８】
発熱体１１に、ワイドバンドギャップ半導体を使用することで、その特性により高温での動作が可能となる。また、高温で動作させた場合、外気との温度差が大きくなるため、自然対流による放熱量が高い。そのため、発熱体１１に電流が流れることによる発する熱を、電気品自身の発熱により発生する自然対流によって効率的に放熱部１３から放熱することができる。
【００１９】
これにより、送風機３により電気品４を冷却する必要がないので、送風機３の回転数は、電気品４の温度等に影響されない。なお、送風機３の回転数の制御について、詳しくは後述する。また、送風機３により電気品４を冷却する必要がないので、前述したように電気品４を密閉構造にすることができる。これにより、電気品４の防水性能が向上する。また、高温となる圧縮機１と密閉された同一空間内に配置されていてもよく、配置の自由度が高くなるという効果を奏する。
【００２０】
なお、本実施の形態１の電気品４に用いたワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、高温動作が可能なだけでなく、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能である。そのため、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールを備えた電気品４の小型化が可能となる。
【００２１】
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の高効率化が可能になる。
また、スイッチング素子やダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、本実施の形態１に記載の効果を得ることができる。
【００２２】
次に、発熱体１１の発熱及び放熱部１３の放熱について、データを用いて詳しく説明する。
図３は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、外気温度と放熱部１３の放熱量との関係を示す図である。
図３は、無風状態において、ワイドバンドギャップ素子が４００℃で動作した場合に、２０ｃｍ四方の放熱部１３より周囲に放熱する熱量をシミュレーションにより求めた結果を示している。図３に示すように、放熱量は、外気温度の上昇により下降する。
【００２３】
図４は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、電流値と発熱体１１の発熱量との関係を示す図である。
発熱体１１の発熱量は空気調和装置に流れる電流値に依存する。図４に示すように、電流値の増加に伴い、発熱量は増加する。
【００２４】
発熱体１１の信頼性を確保するためには、発熱量よりも放熱量が高いことが条件となる。また、放熱量は、図３に示すように外気温度が高い時ほど小さくなる。そのため、外気温度が最も高い時、つまり空気調和装置の上限外気温度の場合に発熱量より放熱量が高いという条件が成立する電流値の範囲で空気調和装置を動作させる必要がある。
【００２５】
図５は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、電流値と発熱体１１の発熱量及び放熱部１３の放熱量との関係を示す図である。放熱量は、本実施の形態１の空気調和装置が使われる上限外気温度の４６℃の時の値である。また、発熱量のデータは、図４で示したものと同じである。
図５において、３４Ａ以下の電流値の場合、発熱量が放熱量以下となっている。つまり、発熱体１１の電流値が３４Ａ以下となるように空気調和装置の運転を制御する必要がある。
【００２６】
仮に、電気品４に従来のＳｉ等の半導体を用いた場合、無風状態では放熱量が少ないため、運転可能な電流の範囲を広げるために、送風機による冷却を行う必要があった。しかし、本実施の形態１では、無風状態でも十分な放熱量を確保できるので運転可能な電流の範囲も広く確保できる。
なお、図３〜図５に示したデータは本実施の形態１の空気調和装置の一例であり、空気調和装置の構造や性能等により異なるものである。
また、電気品４の半導体モジュールのジャンクション温度は、ワイドバンドギャップの放熱量と耐熱性を考慮し、１５０℃以上かつ４００℃以下となるように設計することが望ましい。
【００２７】
以下に、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の送風機３の制御方法について説明する。
図６は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、外気温度と送風機回転数との関係を示す図である。図７は、本実施の形態１における空気調和装置の室外機の、送風機３の制御フローである。
【００２８】
図６に示す例では、送風機３の回転数は外気温度によりＮ1〜Ｎ6の６段階で変動させる。ここでこの回転数は、外気温度に基づき、送風機３の風量が熱交換器における熱交換に必要な風量となるように決定されるものである。
以下、図６のように動作する送風機３の制御について図７の制御フローに沿って説明する。
【００２９】
ステップ１において、外気温度を検出する。そして、ステップ２において、外気温度から送風機３の初期の回転数を決定する。初期の回転数は、例えば図６に示す例では、外気温度がＴi-1〜Ｔiの場合、送風機回転数がＮj（ｉ＝ｊ）となるように設定しておく。
【００３０】
そして、ステップ３において、外気温度が Ｔi’より大きくなった場合、ステップ４において、ＮjにＮj+1を設定する。つまり、外気温度の上昇に伴い送風機３の回転数を上昇させる。そして、ステップ５において、ｉにｉ+１を設定する。
そして、ステップ６において、外気温度が Ｔi-1より小さい場合、ステップ７において、ＮjにＮjー1を設定する。つまり、外気温度の下降に伴い回転数を低下させる。そして、ステップ８において、ｉにｉ−１を設定する。
【００３１】
上記のように、外気温度に基づいて送風機３の回転数を制御する。このような制御を行うことにより、送風機３は、熱交換のために必要であって適切な回転数を維持できる。
上記の制御では、外気温度に応じて送風機３の回転数を決める例を示したが、外気温度の代わりに例えば、冷媒温度等（本発明における冷媒の状態）に基づいて上記と同様の制御を行ってもよい。その場合、例えば圧縮機１の吐出口の冷媒温度を用いて制御を行う。
【００３２】
以上のように、電気品４の半導体モジュールにワイドバンドギャップ半導体を用いたことにより、高温で動作可能であり、自然対流による高い放熱量を得ることができる。そのため、送風機３の負圧による冷却が必要ないので、送風機３の回転数は外気温度に応じて熱交換のために適切な値に設定することができる。また、送風機３の負圧による冷却が必要ないため、電気品４を密閉構造とすることができるので、防水性能が向上し、空気調和装置の信頼性が確保できる。
【００３３】
実施の形態２．
本実施の形態２では、空気調和装置の停止中における送風機３の状態について説明する。なお、本実施の形態２の空気調和装置の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。
【００３４】
空気調和装置の運転停止中に、圧縮機１に冷媒が溜まり込むことを防止する目的で、圧縮機１に通電して加熱する場合がある。その場合、熱交換器２において熱交換を行わないので送風機３は停止している。
【００３５】
従来の空気調和装置は、電気品４の冷却を送風機３の負圧による強制冷却で行っているために、送風機３が停止している運転停止中の電気品４に対する冷却性能が極端に低下する。そのために、例えば外気温度の高い状態では電気品４の発熱量を抑制する必要があり、運転停止中の圧縮機１への通電電流値や通電時間が制限される。
【００３６】
本実施の形態２の電気品４は、実施の形態１で説明したように、自然対流で十分な放熱が可能である。
これにより、外気温度の高い条件でも圧縮機１への通電電流値や通電時間を制限することなく圧縮機１を加熱することができる。そのため、広い温度範囲において、運転停止中の冷媒の溜まり込みを抑止し、圧縮機１の信頼性を確保することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧縮機、２  熱交換器、３  送風機、４  電気品、５  トップパネル、６  リアパネル、７  ベース、８  サービスパネル、９  フロントパネル、１０  セパレーター、１１  発熱体、１２  基板、１３  放熱部。
【図２】
0005611084.tif 000002
【図３】
0005611084.tif 000003
【図４】
0005611084.tif 000004
【図５】
0005611084.tif 000005
【図６】
0005611084.tif 000006
【図７】
0005611084.tif 000007
【図１】
0005611084.tif 000008