(57)【要約】【課題】吸入冷媒ガスの温度を上昇させずに、かつ、冷却のための経路の圧力損失の増加を抑制しつつ、モータ駆動回路のパワー半導体素子を効率よく冷却できるようにした駆動回路一体型電動圧縮機を提供する。【解決手段】パワー半導体素子を備えたモータ駆動回路が一体的に組み込まれた電動圧縮機において、駆動回路のパワー半導体素子を吐出冷媒ガスで冷却するように構成したことを特徴とする駆動回路一体型電動圧縮機。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子を備えたモータ駆動回路が一体的に組み込まれた駆動回路一体型電動圧縮機において、前記駆動回路のパワー半導体素子を吐出冷媒ガスで冷却するように構成したことを特徴とする駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項２】
前記パワー半導体素子がワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする、請求項１に記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項３】
前記パワー半導体素子が高熱伝導性の回路基板上に設けられており、該回路基板の背面が圧縮機の壁を介して吐出冷媒ガスで冷却されるように構成されている、請求項１または２に記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項４】
前記パワー半導体素子が低熱伝導性の樹脂で覆われている、請求項１〜３のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項５】
前記パワー半導体素子と他の電子部品との間に低熱伝導性の熱遮蔽部材が設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項６】
使用冷媒がＣＯ2 である、請求項１〜５のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項７】
使用冷媒がＨＦＣ１２３４ｙｆである、請求項１〜５のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項８】
前記駆動回路のパワー半導体素子を冷却する吐出冷媒ガスが、内蔵モータ、圧縮部をこの順に通過した後の吐出冷媒ガスである、請求項１〜７のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項９】
前記駆動回路のパワー半導体素子を冷却する吐出冷媒ガスが、圧縮部、内蔵モータをこの順に通過した後の吐出冷媒ガスである、請求項１〜７のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項１０】
前記駆動回路のパワー半導体素子を冷却する吐出冷媒ガスが、圧縮部を通過した後内蔵モータ部を通過する吐出冷媒ガスである、請求項１〜７のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項１１】
スクロール型圧縮機からなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項１２】
車両に搭載される圧縮機からなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【請求項１３】
車両用空調装置の冷凍回路に設けられる圧縮機からなる、請求項１〜１２のいずれかに記載の駆動回路一体型電動圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータが内蔵され、かつそのモータ駆動回路も一体的に組み込まれた駆動回路一体型電動圧縮機に関し、とくに、モータ駆動回路に設けられるパワー半導体素子を効率よく冷却できるようにした駆動回路一体型電動圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧縮機構部駆動用のモータが内蔵され、かつそのモータ駆動回路も一体的に組み込まれた駆動回路一体型のスクロール型電動圧縮機が開示されている。このモータ駆動回路には、とくにそのインバータには、パワー半導体素子が組み込まれており、パワー半導体素子は発熱するので、正常な作動を確保するためには一般に冷却されることが好ましい。現在使用されている半導体は、パワー半導体素子を含め、通常シリコン（Ｓｉ）を材料とするものである。このような従来のパワー半導体素子の最高動作温度は約１５０℃であるので、これを超えないように冷却されることが好ましく、特許文献１では、圧縮機に吸入される冷媒を利用して、この冷却を行うようになっている。
【特許文献１】特開２０００−２９１５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記のように吸入冷媒ガスを利用してモータ駆動回路のパワー半導体素子を冷却する方式では、以下のような問題が生じるおそれがある。
すなわち、吸入冷媒ガスがパワー半導体素子の熱で過熱されるおそれがあるため、圧縮機の圧縮効率が低下するおそれがある。また、吸入ガスが過熱されると、圧縮ガスの温度も上昇するので、圧縮機内部の各部における耐熱性の問題が生じる可能性があり、それによって圧縮機の寿命が低下するおそれがある。さらに、吸入ガスが、パワー半導体素子を冷却するために形成された熱交換ルートを通ることとなるため、圧縮機内部の冷媒経路における圧力損失が増加し、やはり圧縮効率を低下させるおそれがある。
【０００４】
本発明の課題は、上記のような吸入冷媒ガスによってモータ駆動回路のパワー半導体素子を冷却する方式における問題点に着目し、基本的に吸入冷媒ガスの温度を上昇させずに、かつ、冷却のための経路の圧力損失の増加を抑制しつつ、モータ駆動回路のパワー半導体素子を効率よく冷却できるようにした駆動回路一体型電動圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機は、パワー半導体素子を備えたモータ駆動回路が一体的に組み込まれた駆動回路一体型電動圧縮機において、前記駆動回路のパワー半導体素子を吐出冷媒ガスで冷却するように構成したことを特徴とするものからなる。すなわち、従来のような吸入冷媒ガスによる冷却ではなく、圧縮機の圧縮機構部を経た後の吐出冷媒ガスを利用してパワー半導体素子を冷却するように構成したものである。
【０００６】
すなわち、パワー半導体素子の冷却に吐出冷媒ガスを用いるので、吸入冷媒ガスを用いた場合の問題点、つまり吸入冷媒ガスの温度上昇による圧縮効率の低下、圧縮ガスの温度上昇による圧縮機の寿命低下、吸入冷媒ガスが冷却のための熱交換ルートを通ることによる圧力損失の増加、それに伴う圧縮効率の低下の問題は、基本的に発生しなくなる。換言すれば、吸入冷媒ガスが冷却に使用されないため、吸入冷媒ガスが圧縮され、吐出される手前までのガス温が、従来構造のようには上昇しなくなるので、高い圧縮効率が確保され、圧縮機の成績係数（ＣＯＰ）の向上に寄与できる。また、圧縮機内の冷媒の経路において、吸入冷媒ガスが圧縮され、吐出される手前までのガス温の上昇が抑えられるので、圧縮機の耐久性が向上され寿命が向上される。さらに、吸入冷媒ガスが従来構造のように冷却のための熱交換ルートを通らなくてもよくなるので、圧縮機内における冷媒通路の圧力損失が低減される。さらにまた、圧縮機内蔵モータとしてネオジウム磁石をローターに使用する構成の場合、温度上昇でその磁石を減磁させてしまうが、従来の吸入冷媒ハスでパワー半導体を冷却する場合には吸入冷媒ガス温度が熱交換で上昇し、その後モータを通過するため磁石を減磁させてしまうおそれがあったが、本発明ではモータ通過後の吐出冷媒ガスで冷却するので、そのような問題も解消される。
【０００７】
ただし、本発明においては、吸入冷媒ガスよりも温度の高い吐出冷媒ガスをパワー半導体素子の冷却に用いることとなるので、パワー半導体素子は従来構造に比べてより高い温度にまでしか冷却されないことになる。したがって、パワー半導体素子として、耐熱性、つまり最高動作温度のより高いものを使用する必要が生じる。
【０００８】
この必要性を満たすために、本発明では、上記パワー半導体素子として、ワイドバンドギャップ半導体素子を用いることができる。すなわち、前述したように、現在使用されている半導体はパワー半導体も含め、全てシリコン（Ｓｉ）を材料とするものである。近年このシリコンに変わる半導体材料としてワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）パワー半導体が開発されてきている。従来のＳｉパワー半導体は最高動作温度が約１５０℃であるのに対し、ＷＢＧ半導体は２００℃以上であるため、一般に１００℃代の前半の温度である吐出冷媒ガス温度でも十分に所望の温度にまで冷却することが可能となる。そして、吐出冷媒ガスでパワー半導体を冷却することで、従来の吸入冷媒ガスを用いる場合の問題点が一挙に解決されることになる。なお、ワイドバンドギャップパワー半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどを使用したものが知られているが、上記のような最高動作温度を有するものであれば、いずれのタイプのワイドバンドギャップパワー半導体素子も使用可能である。
【０００９】
また、このようなワイドバンドギャップパワー半導体素子は、オン抵抗が小さく、かつ、スイッチング損失が小さいことから、素子自体から発生する熱も小さいため、Ｓｉパワー半導体素子に比べ、冷却に要する熱量も少なくて済む。この面からも、吐出冷媒ガスによる冷却で、ワイドバンドギャップパワー半導体素子を十分に効率よく冷却することが可能である。
【００１０】
さらに、ワイドバンドギャップ半導体素子は耐熱温度が高いため、冷却源として必要以上の低温を作る必要がないため、冷却回路システム全体として見た場合のトータル効率も向上する。
【００１１】
上記本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機においては、モータ駆動回路のパワー半導体素子が吐出冷媒ガスで冷却されるように構成されていればよく、具体的な冷却構造については種々の形態を採り得る。例えば、上記パワー半導体素子が高熱伝導性の回路基板上に設けられており、該回路基板の背面が圧縮機の壁（圧縮機内の壁）を介して吐出冷媒ガスで冷却されるように構成されている形態を採ることができる。高熱伝導性の、例えば高熱伝導性のセラミックなどの材料からなる回路基板が用いられることにより、該回路基板を介してパワー半導体素子が高い効率をもって冷却されることになる。
【００１２】
また、本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機においては、上記パワー半導体素子が低熱伝導性の樹脂で覆われている形態を採り得る。また、上記パワー半導体素子と他の電子部品との間に低熱伝導性の熱遮蔽部材が設けられている形態を採り得る。このような熱伝導性の低い樹脂や熱伝導性の低い部材で遮蔽することで、他の電子部品への熱放射を防止できるので、他の電子部品の温度上昇が抑制でき、モータ駆動回路全体として、さらには圧縮機全体として信頼性が向上する。
【００１３】
本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機における使用冷媒の種類は特に限定されず、従来から一般的に使用されている冷媒は勿論のこと、ＣＯ2 やＨＦＣ１２３４ｙｆも冷媒として使用できる。ＣＯ2 冷媒の場合は、より高温、高圧で使用されるが、上記のようなワイドバンドギャップ半導体素子の冷却には十分に使用可能である。また、最近発表された新冷媒であるＨＦＣ１２３４ｙｆの場合も、パワー半導体素子の冷却に十分に使用可能である。
【００１４】
また、本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機において、上記駆動回路のパワー半導体素子を冷却する吐出冷媒ガスとしては、例えば、内蔵モータ、圧縮部（圧縮機構部）をこの順に通過した後の吐出冷媒ガスを用いることもできるし、圧縮部、内蔵モータをこの順に通過した後の吐出冷媒ガスを用いることもできるし、圧縮部を通過した後内蔵モータ部を通過する吐出冷媒ガス（例えば、後述の実施態様の如く、圧縮部を通過した後内蔵モータのステータと駆動回路ハウジングとの間に形成された吐出ガス通路を通過する吐出冷媒ガス）を用いることもできる。
【００１５】
また、本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機は、例えばスクロール型圧縮機にとくに好適なものである。つまり、スクロール型圧縮機の場合には、吐出冷媒ガスの経路近傍に容易にモータ駆動回路を配置することができ、モータ駆動回路のパワー半導体素子を効率よく冷却することが可能である。
【００１６】
さらに、本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機は、とくに車両に搭載される圧縮機からなる場合に好適なものである。簡単な構成にて実質的に重量増加を伴うことなく、効率のよいパワー半導体素子の冷却構造を実現できる。中でも、車両用空調装置の冷凍回路に設けられる圧縮機からなる場合にとくに好適なものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機によれば、吐出冷媒ガスを利用してパワー半導体素子を冷却するようにしたので、吸入冷媒ガスが圧縮され、吐出される手前までの従来方式のようなガス温の上昇を招かないで済み、高い圧縮効率を達成でき、圧縮機の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。とくに、パワー半導体素子としてワイドバンドギャップパワー半導体素子を用いる場合には、吐出冷媒ガスを利用して該パワー半導体素子を効率よく冷却することができる。
【００１８】
また、吸入冷媒ガスが圧縮され、吐出される手前までのガス温を上げないため、圧縮機の耐久性、寿命を向上できる。さらに、吸入冷媒ガスが従来構造のような冷却のための熱交換ルートを通らなくてもよいため、圧力損失を低減することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機１００を示している。図１において、１は駆動回路ハウジング、２は圧縮部ハウジング、３は吸入ハウジングを示しており、本実施態様では、吸入ハウジング３内に、ステータ４、ロータ５、モータ巻線６で構成されるモータ１３が内蔵されている。このモータ１３によって、軸受２３により回転自在に支持された駆動シャフト７が回転駆動され、圧縮部８（圧縮機構部）が作動される。圧縮部８は、例えばスクール型に構成されている。
【００２０】
圧縮機１００内には矢印で示すような冷媒ガスの経路が形成され、冷媒ガスは吸入ハウジング３に形成された吸入口９から吸入され、モータ部を通過し、圧縮部８で圧縮された後、駆動回路ハウジング１に形成された吐出口１０から外部回路に吐出される。１１は密封端子Ａ、１２は密封端子Ｂを示しており、リード線２４とともに、モータ駆動回路３０からの電力をモータ１３へと給電している。
【００２１】
モータ駆動回路３０は、パワー半導体素子１５を有しており、パワー半導体素子１５はパワー回路基板１４上に設けられている。本実施態様では、このパワー半導体素子１５としてワイドバンドギャップパワー半導体素子が用いられている。パワー回路基板１４は絶縁材１６を介して吐出冷媒ガスが通過する部位の駆動回路ハウジング１内の壁２６に固定されており、吐出チャンバ２５を通過する吐出冷媒ガスを利用して、パワー回路基板１４上のパワー半導体素子１５が冷却されるようになっている。冷却効率を高めるために、パワー回路基板１４、さらには絶縁材１６は、高熱伝導性のセラミックなどから構成されている。
【００２２】
１７は、モータ駆動回路３０を制御するための制御回路用の基板を示しており、該制御回路基板１７上に、制御回路を構成するマイクロコントローラ１８が設けられている。外部電源から、コネクタ２２を介して給電され、そこからノイズフィルタ２０、平滑コンデンサ１９を介してモータ駆動回路３０に給電される。これら回路部は、蓋２１で覆われており、外部から遮断されている。さらに本実施態様では、パワー回路基板１４には低熱伝導性の絶縁樹脂２７が配されており、該樹脂２７でパワー半導体素子１５が覆われて、パワー半導体素子１５から他の電子部品への熱放射が防止されている。なお、図１における２８は、各ハウジング同士を連結するボルトを示している。
【００２３】
モータ駆動回路３０およびその制御回路は、例えば図２に示すように構成されている。図２において、電動圧縮機１００には、前述の如くモータ駆動回路３０が設けられており、モータ駆動回路３０からの出力が密封端子１１を介して内蔵モータ１３の各モータ巻線６に給電されることによりモータ１３が回転駆動され、圧縮部８による圧縮が行われる。このモータ駆動回路３０には、外部電源４２（例えば、バッテリー）からの電力が、高電圧用コネクタ２２を介して給電され、コイルおよびコンデンサが内蔵されたノイズフィルタ２０、平滑コンデンサ１９を介してインバータ４１に供給され、インバータ４１で電源４２からの直流が疑似三相交流に変換された後、モータ１３へと供給される。モータ制御回路４５へは、例えば、車両の空調制御装置４４から、圧縮機を制御する信号が制御信号用コネクタ４３を介して供給される。上記インバータ４１には、ワイドバンドギャップ半導体であるショットキーバリアダイオードＳｉＣ−ＳＢＤ４７とＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ４６からなるパワー半導体素子１５が３組合計６個設けられている。後述の第２、第３実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機においても、同様のモータ駆動回路および制御回路を使用できる。
【００２４】
このように構成された本実施態様においては、パワー半導体素子１５が次のように効率よく冷却される。前述したように、従来のＳｉパワー半導体は最高動作温度が約１５０℃であるのに対し、ワイドバンドギャップパワー半導体は２００℃以上であるため、吸入冷媒ガスによることなく、一般に１００℃代の前半の温度である吐出冷媒ガス温度でも十分冷却することが可能となる。したがって、従来の冷却方式による吸入冷媒ガス温度上昇を防止でき、圧縮効率の向上をはかることができる。また、吸入冷媒ガス温度上昇の抑制により、圧縮機内各部の寿命向上をはかることができる。また、吸入冷媒ガスによるパワー半導体素子冷却のためのガス経路を特別に形成しなくても済むため、圧力損失の低減をはかることもできる。
【００２５】
また、前述したように、ワイドバンドギャップパワー半導体は素子のオン抵抗が小さいことと、スイッチング損失が小さいことから、素子自体から発生する熱も小さいため、Ｓｉパワー半導体に比べ冷却用の熱量も少なくて済む。したがって、吐出冷媒ガスであっても、十分に冷却することが可能となる。
【００２６】
また、本実施態様のように、パワー半導体素子１５が熱伝導性の低い樹脂２７で覆われていることにより、例えば制御回路基板１７に実装されている電子部品や平滑コンデンサ１９、ノイズフィルタ２０に対して、熱放射をなくし、温度上昇を防止することができ、それら電子部品の適正な作動を確保することができる。また、図示は省略するが、パワー半導体素子１５と制御回路基板１７の間に熱遮蔽板で仕切ることも有効である。
【００２７】
また、本実施態様の構造では、吸入冷媒ガスの経路を考慮する必要がなく、吸入口９の位置が制限されないため、設計の自由度が上がり、車両への取り付けも容易になる。
【００２８】
さらに、前述の如く、ワイドバンドギャップ半導体素子は耐熱温度が高いため、冷却源として必要以上の低温を作る必要がないため、冷却回路システムのトータル効率が向上する。また、モータ１３がネオジウム磁石をローターに使用する場合、磁石が温度上昇で減磁してしまうが、従来の吸入冷媒ガスでパワー半導体素子を冷却する場合には吸入冷媒ガス温度が熱交換で上昇し、その後モータを通過するため磁石を減磁させてしまうおそれがあったが、この問題も解消されることになる。
【００２９】
図３は本発明の第２実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機２００を示している。本実施態様においては、吸入口９より吸入された冷媒ガスは、吸入ガスチャンバ３１を通して直接圧縮部８に導入され、モータ１３を通過し、パワー半導体素子１５を冷却し、吐出口１０より吐出されるようになっている。モータ１３のマグネットは吐出冷媒ガスにさらされるため高温減磁特性を持つネオジウム磁石ではなく、低温減磁特性を持つ、フェライトマグネットなどを使用することが好ましい。また、減磁の心配のない磁石のないモータ（誘導モータ、スイッチトリラクタンスモータなど）を使用することも好ましい。その他の構成は前記第１実施態様に準じる。
【００３０】
このような構成においては、吸入冷媒ガスがモータ１３を通る前に直接圧縮部８に入るため、加熱されない。したがって、さらに圧縮効率の向上が可能である。また、吸入冷媒ガスがモータ１３を通らずに直接圧縮部８に入るため、この間での圧力損失は実質的に生じない。
【００３１】
図４は本発明の第３実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機３００を示している。本実施態様においては、モータ１３の径方向に駆動回路が搭載されており、圧縮部８から出た吐出冷媒ガスはモータ１３のステータ４と駆動回路ハウジング３２の間に形成された吐出ガス通路３３を通り、モータ駆動回路のパワー半導体素子１５を冷却する。駆動回路ハウジング３２には駆動回路が組み込まれ、駆動回路ハウジング３２内にモータ１３が組み込まれている。吸入ハウジング３には圧縮部８が組み込まれており、吸入冷媒ガスが吸入ガスチャンバ２６に入り、圧縮部８に送られる。その他の構成は前記第１実施態様に準じる。
【００３２】
このような構成においては、優れたパワー半導体素子１５の冷却効果が得られながら、電動圧縮機３００の軸方向長さが短くなり、車両への搭載性が向上する。
【００３３】
図１、図３、図４ではいずれもパワー半導体素子が高熱伝導性の回路基板上に搭載されている構造のものを示しているが、図示はしないが、ディスクリートタイプのワイドバンドギャップパワー半導体素子を直接圧縮機の壁に取り付けても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る駆動回路一体型電動圧縮機の構造は、パワー半導体素子を組み込んだあらゆる電動圧縮機に適用でき、とくに車両に搭載される圧縮機、中でも車両空調装置用圧縮機に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機の概略縦断面図である。
【図２】図１の圧縮機におけるモータ駆動回路および制御回路の回路図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機の概略縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施態様に係る駆動回路一体型電動圧縮機の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  駆動回路ハウジング
２  圧縮部ハウジング
３  吸入ハウジング
４  ステータ
５  ロータ
６  モータ巻線
７  駆動シャフト
８  圧縮部
９  吸入口
１０  吐出口
１１、１２  密封端子
１３  モータ
１４  パワー回路基板
１５  パワー半導体素子
１６  絶縁材
１７  制御回路基板
１８  マイクロコントローラ
１９  平滑コンデンサ
２０  ノイズフィルタ
２１  蓋
２２  コネクタ
２３  軸受
２４  リード線
２５  吐出チャンバ
２６  壁
２７  樹脂
２８  ボルト
３０  モータ駆動回路
３１  吸入ガスチャンバ
３２  駆動回路ハウジング
３３  吐出ガス通路
４１  インバータ
４２  外部電源
４３  制御信号用コネクタ
４４  空調制御装置
４５  モータ制御回路
４６  ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ
４７  ＳｉＣ−ＳＢＤ
１００、２００、３００  駆動回路一体型電動圧縮機
【図１】
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【図２】
2010144607.tif 000004
【図３】
2010144607.tif 000005
【図４】
2010144607.tif 000006