(57)【要約】  電力変換装置は、交流電源から供給される交流電流を整流する整流モジュールと、整流モジュールで整流された直流電流を交流電流に変換し、該交流電流を電動機に出力し、電動機を駆動するインバータ部と、冷却機構とを備える。インバータ部は、複数のインバータモジュールを有する。冷却機構は、整流モジュール及び複数のインバータモジュールを冷却する。整流モジュールと冷却機構との間の熱抵抗と、複数のインバータモジュールと冷却機構との間の熱抵抗とは異なっている。
2019106792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給される交流電流を整流する整流モジュールと、
前記整流モジュールで整流された直流電流を交流電流に変換し、該交流電流を電動機に出力し、前記電動機を駆動するインバータ部であって、複数のインバータモジュールを有するインバータ部と、
前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールを冷却する冷却機構とを備え、
前記整流モジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗と、前記複数のインバータモジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗とが異なるよう、前記冷却機構は構成されている電力変換装置。
【請求項２】
前記冷却機構は、
前記整流モジュールが発する熱、及び前記複数のインバータモジュールが発する熱が伝達される冷媒が流れる配管と、
前記配管が取り付けられる冷却プレートとを有し、
前記冷却プレートにおいて、前記複数のインバータモジュールと前記整流モジュールのうち、発熱量の大きいモジュールが、発熱量の小さいモジュールよりも前記配管により近い位置に配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記複数のインバータモジュールと前記整流モジュールのうち、発熱量の大きいモジュールが、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に配置されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数のインバータモジュールは、それぞれ、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数、備えており、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続されている請求項２又は３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記複数のインバータモジュールは、Ｓｉで構成され、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に、前記複数のインバータモジュールが配置されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記複数のインバータモジュールは、ワイドバンドギャップ半導体で構成され、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に、前記整流モジュールが配置されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記冷却プレートは、前記複数のインバータモジュールが配置される側の面において、前記複数のインバータモジュールと接触する凸部を有している請求項２〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記冷却プレートと前記複数のインバータモジュールとの間に、前記冷却プレートとは別体のプレートが挿入されている請求項２〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置と、前記電動機を駆動源とする圧縮機と、熱源側熱交換器と、負荷側熱交換器と、熱源側膨張弁と、負荷側膨張弁と、制御部とを備え、
前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記熱源側膨張弁、前記負荷側膨張弁、及び前記負荷側熱交換器が、順次、前記配管により接続されて、冷媒回路が形成されており、
前記制御部は、前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールの少なくとも１つの発熱量に基づいて、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する空気調和装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記熱源側膨張弁及び前記負荷側膨張弁の少なくとも一方の開閉を制御することにより、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項９に記載の空気調和装置。
【請求項１１】
前記整流モジュールに取り付けられた温度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部により検出した温度に基づいて、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項９又は１０に記載の空気調和装置。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記温度検出部により検出された温度が外気温度より高く、かつ、前記温度検出部が取り付けられている前記整流モジュールの限界温度より低くなるよう、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項１１に記載の空気調和装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記複数のインバータモジュールのうち、前記冷却プレートにおいて前記整流モジュールに最も近い位置に配置されているインバータモジュールの温度センサで検出される温度に基づいて、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項９又は１０に記載の空気調和装置。
【請求項１４】
前記制御部は、
前記温度センサにより検出された温度が外気温度より高く、かつ、前記温度センサが取り付けられている前記インバータモジュールの限界温度より低くなるよう、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項１３に記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータモジュールを備える電力変換装置、及び電力変換装置を備える空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータモジュールのスイッチング素子は、円形状のウェハより切り出した角型のチップを金属板などに実装することにより製造される。ウェハには結晶欠陥が存在しており、結晶欠陥があるチップはスイッチング素子に使用できない。チップ面積が大きい場合、チップ内部に結晶欠陥が含まれる確率が高まるため、インバータモジュールの歩留りが悪化する。一方、チップ面積が小さい場合、チップ内部に結晶欠陥が含まれる確率を低減でき、インバータモジュールの歩留まりを向上させることができる。従って、チップ面積を小さくすることで、歩留まりの向上によりインバータモジュールの低コスト化を実現できる。【０００３】
チップ面積の大きいスイッチング素子が実装されたインバータモジュールと比較して、チップ面積の小さいスイッチング素子が実装されたインバータモジュールは電流容量が低下する。しかしながら、後者のインバータモジュールを並列接続することで、大電流化を実現できる。従って、同じ電流容量で比較すると、後者のインバータモジュールを並列接続した方が、前者のインバータモジュール１つを使用する場合より、低コストで実現できることがある。【０００４】
電動機駆動装置において、複数のインバータモジュールを並列接続して単一の三相インバータを構成したものがある。この構成の場合、複数のインバータモジュールは分散配置される。インバータモジュールを使用するにあたり、インバータモジュールの熱破壊を抑止するため、インバータモジュールからの発熱を適切に冷却し、熱破壊が発生しない規定の温度以下に維持する必要がある。しかしながら、自然通風による空冷方式で複数のインバータモジュールを冷却すると、インバータモジュールと接触しているヒートシンクと、各インバータモジュールとの相対位置により冷却ムラが生じ、全てのインバータモジュールを均等に冷却することが難しくなる。特に、大電流化すると、この空冷方式では冷却能力が高くなく、風の当たり方が適切でないインバータモジュールは、十分に冷却されない場合がある。【０００５】
また、インバータモジュールとは別途設けた整流モジュールで、三相交流電源から供給される交流を直流に変換し、インバータモジュールに供給する場合、熱破壊を抑止するため、整流モジュールも併せて冷却する必要がある。【０００６】
整流モジュールとインバータモジュールとでは、発熱特性が異なるため、両者の発熱量は大きく異なる。整流モジュールは、入力される交流電力の大きさに概ね比例して発熱量が大きくなる。換言すると、整流モジュールは、入力された交流電力が変換されて出力される直流電力の大きさに概ね比例して発熱量が大きくなる。一方、インバータモジュールは、インバータモジュールから出力される電流の大きさと発熱量とが相関関係を有する。従って、整流モジュールの発熱量が小さい入力電力条件においても、インバータモジュールから出力される電流が大きい場合は、インバータモジュールの発熱量は、整流モジュールの発熱量より大きくなる。その結果、インバータモジュールの発熱量と整流モジュールの発熱量とに大きな差異が発生する。【０００７】
特許文献１には、パワーモジュール、すなわちインバータモジュールの素子からの熱を、空気調和機の冷凍サイクル上の配管を流れる冷媒に伝達させて冷却する技術が開示されている。具体的には、冷媒が流れる配管を備えた電熱板冷却プレートに、インバータモジュールを接触させて冷媒に熱を伝えて冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４４８８０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の冷却方式は、自然通風による空冷方式と比較して冷却能力が高く、大電流化した際の冷却方式として適している。しかしながら、上述のようにインバータモジュールと整流モジュールとをこの方式を用いて冷却する場合、インバータモジュールの発熱量が整流モジュールの発熱量よりも大きくなり、両者の発熱量に大きな差異が発生すると、次のような問題が生じる。インバータモジュールの発熱量に合わせて冷却を実行すると、インバータモジュール側は適切に冷却できる反面、整流モジュール側は過冷却となり、整流モジュールの周囲の空気が冷やされて結露が発生する。そして、結露が発生すると、結露による整流モジュールの絶縁性低下による破壊が生じるおそれがある。一方、整流モジュールの発熱量に合わせて冷却性能を下げると、整流モジュール側は適切に冷却できる反面、インバータモジュール側は冷却能力が不足し、インバータモジュール側で熱破壊が生じるおそれがある。【００１０】
さらに、インバータモジュールのスイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、Ｓｉ、すなわち珪素と比較して単位面積当たりの発熱量が低減される。そのため、インバータモジュールの発熱量と整流モジュールの発熱量の大小関係が反転し、インバータモジュール側が過冷却となるおそれがある。【００１１】
このように、整流モジュールも含めたこれらのモジュールを所望の温度範囲内、すなわち、モジュールが熱破壊を起こさない温度範囲内で、かつ、モジュール周辺で結露が発生しない温度範囲内に冷却することは困難であるという問題がある。特に、特許文献１に記載されている、空気調和機の冷凍サイクル上の配管を流れる冷媒にモジュールからの発熱を伝達させて冷却する方式の場合、この問題は顕著化する。【００１２】
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ある。本発明は、整流モジュール及びインバータモジュールを、熱破壊を起こさない温度範囲内、かつ、モジュールの周辺で結露が発生しない温度範囲内に冷却することができる電力変換装置、及びこの電力変換装置を備え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】
【００１３】
本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給される交流電流を整流する整流モジュールと、前記整流モジュールで整流された直流電流を交流電流に変換し、該交流電流を電動機に出力し、前記電動機を駆動するインバータ部であって、複数のインバータモジュールを有するインバータ部と、前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールを冷却する冷却機構とを備え、前記整流モジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗と、前記複数のインバータモジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗とが異なるよう、前記冷却機構は構成されているものである。【００１４】
また、本発明に係る空気調和装置は、上述の電力変換装置と、前記電動機を駆動源とする圧縮機と、熱源側熱交換器と、負荷側熱交換器と、熱源側膨張弁と、負荷側膨張弁と、制御部とを備え、前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記熱源側膨張弁、前記負荷側膨張弁、及び前記負荷側熱交換器が、順次、前記配管により接続されて、冷媒回路が形成されており、前記制御部は、前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールの少なくとも１つの発熱量に基づいて、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る電力変換装置及び空気調和装置によれば、インバータ部の複数のインバータモジュール及び整流モジュールの過冷却による結露を抑制できると共に、複数のインバータモジュール及び整流モジュールを、熱破壊を起こさない所望の温度範囲内で冷却できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る冷却プレートにおけるモジュールの配置関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る冷却プレートにおけるモジュールの配置関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のモジュールとコンデンサの冷却構造を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る冷媒回路の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る空気調和装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明における電力変換装置及び空気調和装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては各構成部材の大きさ及び形状は実際の装置とは異なる場合がある。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の全体の構成を示す図である。尚、図の簡略化のため、図１において、後述の冷却プレートは省略されている。図１に示すように、本実施の形態１の電力変換装置１００は、整流モジュール２と、リアクトル３と、コンデンサ４と、インバータ部１０１とを有している。整流モジュール２は、例えば、交流電源１から入力される交流電流を直流電流に整流する周知のダイオードブリッジであり、整流用の逆流防止素子を６個用いてブリッジ接続されている。インバータ部１０１は、整流モジュール２から出力され、リアクトル３を介して入力される直流電流を、三相交流電流に変換し、電動機５を駆動するようになっている。本実施の形態１では、リアクトル３とコンデンサ４は電力変換装置１００に含まれているが、これに限るものではない。リアクトル３とコンデンサ４を電力変換装置１００に対して外付けする構成としてもよい。
【００１９】
インバータ部１０１の制御は、制御部６により行われる。図１において、制御部６はインバータ部１０１の外部に設けられているが、これに限るものではない。制御部６をインバータ部１０１の内部に設けてもよい。また、コンデンサ４の両端電圧を検出する電圧検出部を設け、インバータ部１０１と電動機５との間にインバータ部１０１の出力電流を検出する電流検出部を設け、これらの電圧検出部及び電流検出部で検出した信号を制御部６に入力する構成としてもよい。このような構成とすることにより、電動機５を駆動するためのインバータ部１０１の制御に必要な情報を得ることができる。
【００２０】
インバータ部１０１は、ｕ相に対応するインバータモジュール１１ｕと、ｖ相に対応するインバータモジュール１１ｖと、ｗ相に対応するインバータモジュール１１ｗとを備える。これらのインバータモジュールは、例えば、周知のインテリジェントパワーモジュール、すなわちＩＰＭ等のパワーモジュールである。
【００２１】
以降の説明において、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗを総称してインバータモジュール１１という場合がある。また、以降の説明において、整流モジュール２と、インバータ部１０１のインバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗとを総称して、単にモジュールという場合がある。
【００２２】
インバータモジュール１１ｕは、スイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｃ、スイッチング素子１１０ｄ、スイッチング素子１１０ｅ、及びスイッチング素子１１０ｆを備えている。同様に、インバータモジュール１１ｖは、スイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｃ、スイッチング素子１１０ｄ、スイッチング素子１１０ｅ、及びスイッチング素子１１０ｆを備えている。同様に、インバータモジュール１１ｗは、スイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｃ、スイッチング素子１１０ｄ、スイッチング素子１１０ｅ、及びスイッチング素子１１０ｆを備えている。
【００２３】
インバータモジュール１１ｕにおいて、スイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、及びスイッチング素子１１０ｅは上アームを構成している。また、インバータモジュール１１ｕにおいて、スイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、及びスイッチング素子１１０ｆは下アームを構成している。インバータモジュール１１ｕにおいて、スイッチング素子１１０ａとスイッチング素子１１０ｂは直列に接続され、スイッチング素子対を構成している。また、スイッチング素子１１０ｃとスイッチング素子１１０ｄは直列に接続され、スイッチング素子対を構成している。また、スイッチング素子１１０ｅとスイッチング素子１１０ｆは直列に接続され、スイッチング素子対を構成している。すなわち、インバータモジュール１１ｕは、３つのスイッチング素子対を有している。そして、３つのスイッチング素子対は、並列に接続されている。インバータモジュール１１ｖ及びインバータモジュール１１ｗも、インバータモジュール１１ｕと同様の構成を有している。
【００２４】
以降の説明において、スイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｃ、スイッチング素子１１０ｄ、スイッチング素子１１０ｅ、及びスイッチング素子１１０ｆを総称して、スイッチング素子１１０という場合がある。
【００２５】
図１において、上アーム側のスイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、及びスイッチング素子１１０ｅの正極側母線と接続する端子は、スイッチング素子毎に設ける配置となっている。また、下アーム側のスイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、及びスイッチング素子１１０ｆの負極側母線と接続する端子も、スイッチング素子毎に設ける配置となっている。しかしながら、この構成に限るものではない。正極側、負極側でそれぞれ１つの端子に集約する構成としてもよい。上アーム側のスイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、スイッチング素子１１０ｅで正極側端子を１つにまとめ、下アーム側のスイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、スイッチング素子１１０ｆで負極側端子を１つにまとめてもよい。
【００２６】
本実施の形態１では、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗの各相において、上述の構成でスイッチング素子１１０を並列化している。従って、スイッチング素子１１０の個々の電流容量が小さい場合でも、インバータ部１０１全体で大電流容量を実現できる。
【００２７】
上述のように、制御部６はインバータ部１０１を制御する。具体的には、制御部６は、インバータモジュール１１の各相の上アーム毎、及びインバータモジュール１１の各相の下アーム毎に、スイッチング素子１１０のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成して、インバータ部１０１へ出力する。ＰＷＭ信号は、オンまたはオフのいずれかの値をとるパルス状の信号である。
【００２８】
ＰＷＭ信号ＵＰは、ｕ相のインバータモジュール１１ｕの上アームのスイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、及びスイッチング素子１１０ｅのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号ＶＰは、ｖ相のインバータモジュール１１ｖの上アームのスイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、及びスイッチング素子１１０ｅのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号ＷＰは、ｗ相のインバータモジュール１１ｗの上アームのスイッチング素子１１０ａ、スイッチング素子１１０ｃ、及びスイッチング素子１１０ｅのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。
【００２９】
ＰＷＭ信号ＵＮは、ｕ相のインバータモジュール１１ｕの下アームのスイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、及びスイッチング素子１１０ｆのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号ＶＮは、ｖ相のインバータモジュール１１ｖの下アームのスイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、及びスイッチング素子１１０ｆのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号ＷＮは、ｗ相のインバータモジュール１１ｗの下アームのスイッチング素子１１０ｂ、スイッチング素子１１０ｄ、及びスイッチング素子１１０ｆのオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。
【００３０】
後述するように、直流電流を三相交流電流に変換する周知のインバータは、１相当たり１対の上下アームのスイッチング素子で構成される。これに対し、本実施の形態１のインバータ部１０１は、１相当たり３組の上下アームのスイッチング素子対で構成されている。そして、制御部６は、３対の上下アームのスイッチング素子を大きな電流容量の１組の上下アームのスイッチング素子であるとみなしてＰＷＭ信号を生成する。
【００３１】
また、制御部６は、相毎に、すなわちインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗ毎に、スイッチング素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、及び１１０ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。具体的には、ＰＷＭ信号ＵＰ及びＰＷＭ信号ＵＮを各々３つに複製し、複製した信号をｕ相に対応するインバータモジュール１１ｕに出力する。ＰＷＭ信号ＶＰ及びＰＷＭ信号ＶＮを各々３つに複製し、複製した信号をｖ相に対応するインバータモジュール１１ｖに出力する。ＰＷＭ信号ＷＰ及びＰＷＭ信号ＷＮを各々３つに複製し、複製した信号をｗ相に対応するインバータモジュール１１ｗに出力する。
【００３２】
尚、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗ内の電流アンバランスを抑制するため、複製したＰＷＭ信号に対してパルス幅の調整を行い、パルス幅の調整後の信号をインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗへ出力してもよい。
【００３３】
スイッチング素子として、多用されるＳｉ（珪素）以外に、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）、及びダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、インバータモジュールの小型化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉと比較して単位面積当たりの発熱量が低減されるため、インバータモジュール１１の発熱量と整流モジュール２との発熱量との最大差を小さくすることができる。
【００３４】
ここで、本実施の形態１のインバータ部１０１との比較のため、三相電動機を駆動する一般的なインバータについて説明する。一般に、インバータを用いて三相電動機を駆動する場合、インバータは、相毎に、直列に接続された上アームの１つのスイッチング素子と下アームの１つのスイッチング素子とで構成されるスイッチング素子対を備える。従って、一般的なインバータは、三相分で合計３つのスイッチング素子対、すなわち６つのスイッチング素子を備えている。
【００３５】
一方、スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留りを向上させることができる。特に、スイッチング素子としてワイドバンドギャップ半導体を用いる場合には、ウェハが高価であることから、低コスト化のためにはチップ面積を小さくすることが望ましい。
【００３６】
しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が小さくなり、６つのスイッチング素子で三相電動機を駆動する従来のインバータモジュールでは、低コスト化と大電流化の両立が難しい。これに対し、本実施の形態１のインバータ部１０１は、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗの各相において、電流容量の小さいスイッチング素子１１０を並列化している。例えば、インバータモジュール１１は、３つのスイッチング素子対を備えることから、実装されたスイッチング素子の電流容量をＡｍとすると、インバータモジュール１１の電流容量は理想的には３×Ａｍとなり、大きな電流容量を実現できる。従って、インバータ部１０１の低コスト化と大電流化との両方を実現できる。
【００３７】
また、図１に示すように、６つのスイッチング素子で構成される、インバータ部１０１のインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの基本的な部分は、６つのスイッチング素子で構成される三相用の１種類のインバータモジュールで共通化できる。
【００３８】
このため、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗとして、６つのスイッチング素子で構成される三相用のインバータモジュールをそのまま、又は、簡易な変更を加えるのみで用いることができる。すなわち、図１に示すインバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗのために、別種類のインバータモジュールを設計し、製造する必要がない。従って、大電流容量用のインバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗを安価に製造できる。
【００３９】
尚、図１の回路図は、簡略化のためインバータ部１０１の主要構成のみ記載している。インバータ部１０１の周辺には、種々の電気部品及び電子部品が存在するが、図１においては省略されている。
【００４０】
次に、本実施の形態１における整流モジュール２とインバータ部１０１の冷却方式について説明する。
【００４１】
図２及び図３は、本発明の実施の形態１に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。図２及び図３は、冷凍サイクル上の冷媒が流れる配管８を有する冷却プレート９、基板７、冷却プレート９によって冷却される整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの配置関係を側面から示している。図２は、基板７の短辺側から見た図である。図３は、基板７の長辺側から見た図である。
【００４２】
尚、冷媒を通流させるための冷凍サイクルは、周知の蒸気圧縮冷凍サイクルを用いた圧縮機、膨張弁、及び熱交換器により構成されるものであり、本実施の形態１の電動機５の回転が、圧縮機の駆動源となる。このような冷凍サイクルの具体例については後述する。
【００４３】
図２及び図３に示すように、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗにおいて、各モジュールの端子、すなわちピン及びリード等と基板７とが電気的に接続されている。基板７には、図１の電力変換装置１００を構成するために必要な、図示省略の抵抗及びコンデンサ等の電気部品及び電子部品が実装されている。
【００４４】
図２及び図３に示すように、冷却機構１０２は、配管８と冷却プレート９とを有している。冷却プレート９は、例えば、銅若しくはアルミ等の金属によって形成される。配管８は、例えば、銅若しくはアルミ等の金属によって形成されている。配管８は、電力変換装置１００が電力を供給する圧縮機が一構成要素として接続される配管である。配管８により、圧縮機の他、膨張弁、及び熱交換器等が順次接続され、冷凍サイクルが形成される。配管８には冷媒が流される。配管８は、冷却プレート９の内部に、あるいは、冷却プレート９の外面に、ろう付け等により直接接触した状態で、取り付けられている。また、配管８は、冷却プレート９との間にシール材等を介して、間接的に接触した状態で冷却プレート９に取り付けられてもよい。尚、図２及び図３においては、直方体の冷却プレート９に１本の配管８が取り付けられている構成を示しているが、これらはあくまでも一例であり、図２及び図３に示す構成に限定するものではない。
【００４５】
整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗは、各モジュールの放熱面と冷却プレート９とが接触するように取り付けられている。該放熱面と冷却プレート９との間は、放熱グリス等の放熱材を介して、間接的に接触した状態でも良い。尚、図２及び図３における各モジュールの端子の数は一例であり、図２及び図３は、厳密な端子の数を示している訳ではない。
【００４６】
冷却プレート９の配管８に冷媒が流れると、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗの各々で発生する熱が、冷却プレート９を介して配管８内の冷媒へ伝達される。すなわち、配管８を流れる冷媒は、モジュールの冷却媒体である。
【００４７】
尚、基板７の配置方向に関して、本実施の形態１では、図２及び図３に示すように、基板７を冷却プレート９に対し上側に記載しているが、これに限るものではない。基板７を取り付ける筐体の制約に応じて、配管８側を上側に向けてもよいし、また、床面に対し基板７及び冷却プレート９が垂直となるように配置してもよい。
【００４８】
各モジュールの運転条件によっては、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの発熱量と整流モジュール２の発熱量とに大きな差異が発生し、過冷却や冷却能力の不足等を招き、モジュール毎の適切な温度管理が難しくなる場合がある。モジュール毎の適切な温度管理が行われないと、過冷却に起因して発生する結露による整流モジュール２の絶縁性低下及び破壊、あるいは、冷却不足によるインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの熱破壊が生じるおそれがある。
【００４９】
そこで、本実施の形態１では、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９との間の熱抵抗と、整流モジュール２と冷却プレート９との間の熱抵抗とを異にしている。これらの熱抵抗を異にする構成により、モジュール毎の発熱量の差異、特に整流モジュール２とインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗとの発熱量の差異による、過冷却及び冷却能力の不足を抑制している。
【００５０】
図４及び図５は、本発明の実施の形態１に係る冷却プレートにおけるモジュールの配置関係を示す図である。図４及び図５を参照しながら、上述の冷却プレート９との間の熱抵抗を異にする構成を説明する。図４及び図５は、冷却プレート９に接触している整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの配置関係を、基板７の側から示す平面図である。図４は、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗのスイッチング素子１１０にＳｉを用いる場合の配置関係の例を示している。図５は、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗのスイッチング素子１１０にワイドバンドギャップ半導体を用いる場合の配置関係の例を示している。尚、図４及び図５においては、基板７の記載を省略している。
【００５１】
図１の電力変換装置１００への入力電力が小さくても、スイッチング素子１１０にＳｉを用いた場合、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗから出力される電流は大きく、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの発熱量が増大する。この場合、整流モジュール２の発熱量＜インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗのそれぞれの発熱量、という関係となる。従って、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの発熱を、効率良く配管８の冷媒に伝達させなければならない。一方、整流モジュール２が過冷却されることは避けなければならない。そこで、図４に示すように、冷却機構１０２を平面視したとき冷却プレート９において配管８とオーバーラップしている領域に、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗを配置する。また、冷却機構１０２を平面視したとき冷却プレート９において配管８とオーバーラップしていない領域に、整流モジュール２を配置する。換言すると、インバータモジュール１１を冷却プレート９を挟んで配管８の直上若しくは真下に配置する。
【００５２】
図４の配置構成により、整流モジュール２と配管８との距離よりも、インバータモジュール１１と配管８との間の距離を短くすることができる。従って、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９の間の熱抵抗＜整流モジュール２と冷却プレート９の間の熱抵抗という関係となり、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの伝熱量＞整流モジュール２の伝熱量となる。その結果、インバータモジュール１１ｖ、及び１１ｗの冷却不足が抑制されると共に、整流モジュール２の過冷却が抑制され、整流モジュール２の周囲の結露の発生が抑制される。
【００５３】
一方、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗのスイッチング素子１１０にワイドバンドギャップ半導体を用いると、Ｓｉを用いる場合と比較して、単位面積当たりの発熱量が低減される。従って、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの発熱量と整流モジュール２の発熱量の大小関係が反転する場合がある。この場合、上述のスイッチング素子１１０にＳｉを用いる場合とは反対に、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ側が過冷却となり、整流モジュール２の発熱が配管８に効率よく伝達されない可能性がある。
【００５４】
そこで、スイッチング素子１１０にワイドバンドギャップ半導体を用いる場合、図５に示すように、冷却機構１０２を平面視したとき冷却プレート９において配管８とオーバーラップしている領域に、整流モジュール２を配置する。また、冷却機構１０２を平面視したとき冷却プレート９において配管８とオーバーラップしていない領域に、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗを配置する。換言すると、整流モジュール２を冷却プレート９を挟んで配管８の直上若しくは真下に配置する。
【００５５】
図５の配置構成により、インバータモジュール１１と配管８との間の距離よりも、整流モジュール２と配管８との距離を短くすることができる。従って、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９の間の熱抵抗＞整流モジュール２と冷却プレート９の間の熱抵抗という関係となる。すなわち、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと冷却プレート９との間の熱抵抗と、整流モジュール２と冷却プレート９との間の熱抵抗の大小関係を、スイッチング素子１１０がＳｉの場合と反転させる。従って、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの伝熱量＜整流モジュール２の伝熱量となる。その結果、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの過冷却が抑制され、周囲の結露の発生が抑制されると共に、整流モジュール２の冷却不足が抑制される。
【００５６】
以上のように、インバータ部１０１の大電流容量化に必要な冷却性能を得るため、配管８を備えた冷却プレート９に上述のモジュールを接触させて冷却する構成にした場合において、インバータモジュール１１の構成に基づく適切な冷却を行うことができる。すなわち、インバータモジュール１１のスイッチング素子１１０がＳｉで形成されている場合は、インバータモジュール１１が冷却不足になることがなく、かつ、整流モジュール２の周囲の結露を抑制することができる。また、インバータモジュール１１のスイッチング素子１１０がワイドバンドギャップ半導体で形成されている場合、整流モジュール２が冷却不足になることがなく、かつ、インバータモジュール１１の周囲の結露を抑制することができる。
【００５７】
尚、基板７には、上述のように、電力変換装置１００を構成するために必要な抵抗及びコンデンサ等の電気部品及び電子部品が実装されている。これらの電気部品及び電子部品には、基板７に実装されているインバータモジュール１１及び整流モジュール２からの熱が基板７上の配線により伝達される。基板７に実装されている部品の中には、電解コンデンサなどのように、高温になると性能が劣化したり、部品寿命が短くなったりするものも存在する。１つのインバータモジュールで大電流対応のインバータ部１０１を構成すると、インバータモジュールが配置される箇所周辺に発熱部が集中し、インバータモジュールの周辺部に実装された電気部品及び電子部品の冷却性の低下を招く。その結果、インバータモジュールの周辺部の電気部品及び電子部品の性能が劣化し、部品寿命が短くなってしまう。また、電気部品及び電子部品の性能劣化及び部品寿命の短縮化を避けようとすると、温度制約のある電気部品及び電子部品をインバータモジュールの周辺に配置できず、基板７の回路設計に制約が生じる。
【００５８】
本実施の形態１においては、インバータ部１０１を複数のインバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗにより構成しているため、基板７上の発熱部が分散配置される。従って、インバータモジュール１１の周辺に実装されている電気部品及び電子部品の冷却性を阻害することがなく、温度制約のある電気部品及び電子部品の配置制約、及び回路設計制約も緩和される。
【００５９】
図６は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のモジュールとコンデンサの冷却構造を示す図である。図６には、モジュールの冷却機構１０３におけるモジュールの配置と共に、コンデンサの配置が示されている。図６において、基板７ａは、図２及び図３に示す基板７と同様の基板であり、冷却プレート９ｂは、図２〜図４に示す冷却プレート９と同様の冷却プレートである。図６中、図２〜図５の構成要素と同様の構成要素には同一の符号が付されている。図６は、冷却プレート９ｂに接触している整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの配置関係を示した模式図に、基板７ａとコンデンサ４ａ、コンデンサ４ｂ、及びコンデンサ４ｃの配置を加えた模式図である。
【００６０】
図６において、基板７ａは一点鎖線で示されている。整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗは、基板７ａに対し、紙面奥側に実装されている。コンデンサ４ａ、コンデンサ４ｂ、及びコンデンサ４ｃは、基板７ａに対し、紙面手前側に実装されている。基板７ａに対する、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、インバータモジュール１１ｖ、及びインバータモジュール１１ｗの実装の態様、並びにコンデンサ４ａ、コンデンサ４ｂ、及びコンデンサ４ｃの実装の態様は、一例である。また、コンデンサの数は３つの例を示しているが、コンデンサの数はこれに制約されるものではない。さらに、基板７ａと冷却プレート９ｂの平面サイズは異なっているが、基板７ａと冷却プレート９ａのサイズは基板７ａを取り付ける筐体の制約に応じて適宜設計されるものであり、基板７ａと冷却プレート９ｂのサイズの大小関係は本実施の形態１と関係しない。
【００６１】
図６に示されるように、冷却機構１０３を平面視したとき冷却プレート９ｂにおいて配管８とオーバーラップしている領域に、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗは実装されている。コンデンサ４ａ、４ｂ、及び４ｃは、冷却プレート９ｂにおいて、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗに近接した位置に実装されている。従って、冷却プレート９ｂからの冷気によってコンデンサ４ａ、４ｂ、及び４ｃを冷却することができる。その結果、基板７ａにおいて発熱部であるインバータモジュール１１が分散配置される上述の効果に加え、温度制約のある電子部品であるコンデンサの４ａ、４ｂ、及び４ｃの冷却性能が向上する効果が得られる。
【００６２】
さらに、結露を防止するために、冷却プレート９ｂにおいて、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗが当接する部分の周囲に、絶縁材料で形成した防水シートを貼付してもよい。このような防水シートを貼付することで、防水性が向上することに加え、絶縁性も向上するため、サージ耐力性の向上の効果も得られる。
【００６３】
本実施の形態１によれば、冷凍サイクルの配管８を有する冷却プレート９を介して、配管８を流れる冷媒と熱交換し冷却されるインバータ部１０１が、複数のインバータモジュールから構成される場合において、以下の効果が得られる。インバータ部１０１のインバータモジュール１１及び整流モジュール２の過冷却による結露を抑制できると共に、インバータモジュール１１及び整流モジュール２を、熱破壊を起こさない所望の温度範囲内で冷却できる効果である。特に、整流モジュール２とインバータモジュール１１との発熱量の差が大きい条件下において、この効果は顕著である。
【００６４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。尚、実施の形態２においては、上述の実施の形態１とは異なる特有の形態について記載し、実施の形態１と同一または同等の形態に関しては、上述の実施の形態１の説明を援用することとして、適宜説明を省略する。
【００６５】
図７及び図８は、本発明の実施の形態２に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。本実施の形態２の冷却機構１０４について、上述の実施の形態１における整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９との間に、補正プレート１０ａと補正プレート１０ｂを有する構成について説明する。補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂは、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９との距離を調整するための部材である。
【００６６】
小型のインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ、あるいは、整流モジュール２を用いる際、各モジュールの端子、すなわちピン及びリード等と、冷却プレート９との間の絶縁距離の確保が難しくなる。絶縁距離を確保できないと、雷などの要因によりこれらのモジュールに過大な電圧が印加された際、各モジュールの端子と冷却プレート９との間にサージが発生し、これらのモジュールが破壊されるおそれがある。
【００６７】
そこで、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９との間に各モジュールと冷却プレート９との距離を調整するための補正プレート１０ａ及び１０ｂを挿入する。これにより、各モジュールの端子と冷却プレート９との間の絶縁距離を確保することができる。
【００６８】
図７及び図８は、冷凍サイクルにおいて冷媒が流れる配管８を有する冷却プレート９、基板７、補正プレート１０ａ、補正プレート１０ｂ、整流モジュール２、及びインバータモジュールの配置関係を側面から示している。整流モジュール２及びインバータモジュールは、実施の形態１と同様、冷却プレート９によって冷却される。図７は、基板７の短辺側から見た図である。図８は、基板７の長辺側から見た図である。尚、補正プレート１０ａは、整流モジュール２と冷却プレート９との間に挿入されており、補正プレート１０ｂは、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗと冷却プレート９との間に挿入されている。
【００６９】
冷却機構１０４において、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂは、必ずしも冷却プレート９と同種の金属で形成される必要はない。しかしながら、冷却プレート９と同等の熱伝導を確保するため、さらには、異種金属間の腐食を抑制するためには、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂを冷却プレート９と同種の金属によって形成することが望ましい。
【００７０】
ただし、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂの両者を必ずしも共に挿入する必要はない。モジュールの端子と冷却プレート９との間の絶縁距離の確保が困難なモジュールと間にのみ挿入する構成でもよい。また、補正プレートの高さは、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂ共に同じにする必要はなく、各モジュールの大きさに応じて絶縁距離が確保できるように高さを各々調整してもよい。
【００７１】
整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗは、各モジュールの放熱面と、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂのそれぞれの一方の面とが接触するように取り付けられている。さらに、補正プレート１０ａ及び１０ｂのそれぞれの他方の面、すなわち上述の接触面と反対側の面と冷却プレート９とが接触するように、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗは、取り付けられている。各モジュールの放熱面と補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂのそれぞれの一方の面との間、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂのそれぞれの他方の面と冷却プレート９との間は、放熱グリス等の放熱材を介して、間接的に接触した状態でもよい。尚、図７及び図８における各モジュールの端子の数は一例であり、図７及び図８は、厳密な端子の数を示している訳ではない。
【００７２】
上述の目的を達成するならば、必ずしも補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂと冷却プレート９とを別体で構成しなくてもよく、一体の金属で構成してもよい。すなわち、冷却プレート９において、各モジュールと接触する部分のみ凸状に成型してもよい。換言すると、冷却プレート９を、各モジュールが配置される側の面において、各モジュールと接触する凸部を有するよう、構成してもよい。このように構成することで、１つの金属状の塊から切削加工により形成でき、放熱材を塗布する工程、及び、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂと位置合わせをする工程等の、工作時の作業工程が不要となる。また、補正プレート１０ａと補正プレート１０ｂとを一体の金属とし、一枚のプレートで構成してもよい。このようにすることで、構成部品点数を低減し、位置合わせの作業回数を低減することができる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態２によれば、上述の実施の形態１の効果に加え、次の効果も得られる。すなわち、小型のインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ、あるいは、整流モジュール２に多大な電圧が印加された場合に、各モジュールの端子と冷却プレート９との間で発生するサージを抑制し、これらのサージによる破壊を回避できる効果が得られる。
【００７４】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置について説明する。尚、実施の形態３においては、上述の実施の形態１及び実施の形態２とは異なる特有の形態について記載する。そして、実施の形態１及び実施の形態２と同一または同等の形態に関しては、上述の実施の形態１及び実施の形態２の説明を援用することとして、適宜説明を省略する。
【００７５】
本実施の形態３について、冷媒を循環させるための冷凍サイクルの構成と、冷媒の制御について説明する。本実施の形態３における冷媒の制御は、実施の形態１及び実施の形態２で説明した、冷媒が流れる配管８を有する冷却プレート９により、整流モジュール２とインバータ部１０１とを適切に冷却するためのものである。勿論、上述の補正プレート１０ａと補正プレート１０ｂを用いる構成でもよいが、以下の説明においては、補正プレート１０ａ及び補正プレート１０ｂを用いない構成について説明する。まず、冷凍サイクルを構成する冷媒回路について説明する。
【００７６】
図９は、本発明の実施の形態３に係る冷媒回路の構成を示す図である。図９は、電動機５の回転を駆動源として冷媒を圧縮する圧縮機５０を有する冷媒回路の構成を例示している。空気調和装置２００は、室外機５７と室内機５８とを有している。室外機５７は、圧縮機５０と、四方弁５２と、熱源側熱交換器５３と、熱源側膨張弁５４とを有している。また、図９には図示していないが、圧縮機５０の吸入側に、過剰な冷媒を貯留するアキュームレータを設けてもよい。室内機５８は、負荷側膨張弁５５と、負荷側熱交換器５６とを有している。さらに別途、空気調和装置２００は、四方弁５２、熱源側膨張弁５４、及び負荷側膨張弁５５を制御する空調制御部５９を有している。尚、図９において、後述の温度検出部により検出した温度を空調制御部５９が取り込む構成としている。図９では、温度検出部が検出する温度をＴＳで示している。
【００７７】
本実施の形態３の冷媒回路は、圧縮機５０、四方弁５２、熱源側熱交換器５３、熱源側膨張弁５４、負荷側膨張弁５５、及び負荷側熱交換器５６が、順次、配管８により接続されて形成されている。そして、この冷媒回路に冷媒が流れることによって冷凍サイクルが成立する。また、冷却プレート９は、冷媒回路の配管８に取り付けられる。冷却プレート９は、例えば、熱源側膨張弁５４と負荷側膨張弁５５との間に配置される。
【００７８】
本実施の形態３の冷凍サイクルを構成する冷媒回路は、図９に示すように、熱源側熱交換器５３、熱源側膨張弁５４、負荷側膨張弁５５、負荷側熱交換器５６、及び圧縮機５０を直列に配置する構成としている。尚、図９における冷凍サイクルを構成する冷媒回路は、あくまでも一例でありこの形態に限定するものではない。
【００７９】
圧縮機５０は、電動機５と、電動機５により駆動される圧縮要素５１とを有しており、配管８を流れる冷媒を圧縮する。図１を参照して説明したように、制御部６がインバータ部１０１を制御することにより、電動機５の電圧、及び周波数、すなわち回転数は、制御される。圧縮要素５１は、吸入した低温低圧の冷媒を高温高圧の冷媒に圧縮する。
【００８０】
熱源側膨張弁５４、及び負荷側膨張弁５５は、例えば、ＬＥＶ（Linear Expansion Valve）、すなわちリニア電子膨張弁等の膨張弁からなり、冷媒を減圧する。熱源側熱交換器５３は、外気と冷媒との熱交換を行うものである。熱源側熱交換器５３は、冷房運転時に凝縮器として機能し、暖房運転時に蒸発器として機能する。負荷側熱交換器５６は、空調対象空間の空気と冷媒との熱交換を行うものである。負荷側熱交換器５６は、冷房運転時に蒸発器として機能し、暖房運転時に凝縮器として機能する。四方弁５２は、冷媒の流路を切り替えるものである。
【００８１】
以上が、冷媒を循環させるための冷凍サイクルを構成する冷媒回路についての説明である。次に、本実施の形態３における、冷却プレート９により整流モジュール２とインバータ部１０１とを冷却するための、冷媒の制御について説明する。
【００８２】
冷媒の制御とは、整流モジュール２とインバータ部１０１のインバータモジュール１１とが所望の温度範囲内になるよう、熱源側膨張弁５４と負荷側膨張弁５５の少なくとも一方の開度を調整し、配管８を流れる冷媒の量を調整することである。そして、このように冷媒量を調整することによって、整流モジュール２と、インバータ部１０１のインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗに対する冷却能力を調整する。ここで、所望の温度範囲内とは、モジュールが熱破壊を起こさない温度範囲内、かつ、モジュール周辺で結露が発生しない温度範囲内である。熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の制御は、図９に示すように、冷媒回路用の制御部である空調制御部５９を新たに設ける構成にしてもよい。また、熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の制御の機能を、インバータ部１０１を制御する制御部６に集約し、制御部６で制御してもよい。
【００８３】
熱源側膨張弁５４と負荷側膨張弁５５の制御の一例について説明する。外気温度よりモジュールの温度が低くなり、モジュール周辺が冷やされて結露が発生しない、モジュールの温度である第１の閾値Ｔ１を設定し、モジュールが限界温度を超えて熱破壊を起こさない、モジュールの温度である第２の閾値Ｔ２を設定する。モジュールの温度が第２の閾値Ｔ２より高くなると、熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の少なくとも一方を開き、モジュールの温度が第１の閾値Ｔ１より低くなると、熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の少なくとも一方を閉じる。また、モジュールの温度が第１の閾値Ｔ１〜第２の閾値Ｔ２の間にあるときは、熱源側膨張弁５４と負荷側膨張弁５５の少なくとも一方を、間欠的に開閉制御する。ヒートサイクルの視点で、モジュールの性能を寿命まで維持するためには、モジュールの温度は一定が望ましい。熱源側膨張弁５４と負荷側膨張弁５５を上述のように制御することにより、モジュールの温度を、下限は第１の閾値Ｔ１をわずかに上下し、上限は第２の閾値Ｔ２をわずかに上下する範囲に収めることができる。従って、モジュールの性能を寿命まで維持することができる。
【００８４】
尚、第１の閾値Ｔ１は外気温度に設定すればよく、第２の閾値Ｔ２はモジュールの限界温度に設定すればよい。また、第１の閾値Ｔ１を、外気温度に対しマージンを持って高めに設定し、第２の閾値Ｔ２を、整流モジュール２とインバータモジュール１１との中で限界温度が元も低いモジュールの限界温度に対しマージンを持って低めに設定することがより望ましい。これは、電気的な伝達応答性より熱の伝達応答性が低く、また、膨張弁をパワーモジュールのスイッチング素子のようにμｓのオーダーで制御することが困難なためである。従って、第１の閾値Ｔ１及び第２の閾値Ｔ２を、マージンを持って設定することにより、モジュールの温度保護の確実性をより向上させることができる。
【００８５】
また、第１の閾値Ｔ１の設定の際に必要となる外気温度の値は、外気温度を温度センサなどで直接測定してもよいし、想定される外気温度範囲を予め解析若しくは実測などで簡易的に求めておき、想定される外気温度の最大値を第１の閾値Ｔ１としてもよい。
【００８６】
本実施の形態３において、上述の冷媒制御では、図１に示す整流モジュール２と、インバータ部１０１、すなわちインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの、全ての温度を検出して、これら全ての温度に基づいて制御する。これらのモジュールの中で最も高い温度が第２の閾値Ｔ２以下で、かつ、これらのモジュールの中で最も低い温度が第１の閾値以上となるように制御すればよい。
【００８７】
６つのスイッチング素子で構成される一般的な三相用の１つのインバータモジュールを用いて制御する際、空調制御部５９に入力される温度検出値は１つである。整流モジュール２がインバータモジュール内に構成されている場合も同様である。これに対し、本実施の形態３では、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの全ての温度を検出するので、温度検出値は４つである。従って、従来のインバータモジュールを用いる場合と、本実施の形態３のインバータモジュールを用いる場合とで、空調制御部５９の共通化ができない。また、４つの温度検出値を入力できるように空調制御部５９の仕様を変える必要があり、空調制御部５９を構成するマイコンなどの仕様変更を伴う。さらに、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの各々に新たに温度検出部を設ける場合、４つの温度検出部が必要となりコストアップの要因となる。
【００８８】
そこで、本実施の形態３では、上述の４つのモジュール、すなわち、整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの中で、温度管理が最も必要となるモジュールの温度のみを検出してもよい。そして、検出された温度が第２の閾値Ｔ２以下、かつ、第１の閾値Ｔ１以上となるように、熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の開閉を制御し、冷媒制御を行う。
【００８９】
上述の４つのモジュールの中で、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗは、制御部６によりスイッチング制御されるため、発熱量と相関を有するスイッチング動作の調整により発熱量を制御できる。
【００９０】
整流モジュール２は、主に、例えば周知のダイオードブリッジである、整流用の逆流防止素子を６個用いてブリッジ接続された構成である。従って、整流モジュール２の発熱量は、入力される交流電力の大きさに依存する。換言すると、整流モジュール２の発熱量は、入力された交流電力が変換されて出力される直流電力の大きさに依存する。従って、整流モジュール２では発熱量を制御できない。また、電動機５の負荷、すなわち圧縮機５０の負荷が軽いとき、整流モジュール２の発熱量は相対的に小さく、これらの負荷が重いとき、整流モジュール２の発熱量は相対的に大きい。このように、整流モジュール２は発熱量の変化も大きく、負荷変動に対する発熱量の変化に応じて適切に冷却する必要がある。
【００９１】
以上のように、インバータモジュール１１の温度管理に比べ、整流モジュール２の温度管理の必要性は高い。そこで、本実施の形態３では、整流モジュール２の冷却を優先するように、整流モジュール２に周知の温度センサ若しくはサーミスタ等の温度検出部を取り付け、この温度検出部により検出した温度に基づいて冷媒の制御を行う。
【００９２】
図１０は、本発明の実施の形態３に係るモジュールの冷却機構を模式的に示す図である。図１０は、図４〜図６と同様、冷却プレート９ｃに接触している整流モジュール２、インバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの配置関係を、基板７の側から示す平面図である。図８において、基板７の記載は省略し、温度検出部２０は模式的に示している。冷却機構１０５において、温度検出部２０は整流モジュール２に取り付けられている。温度検出部２０は、上述のように周知の温度センサ若しくはサーミスタであり、温度検出部２０により整流モジュール２の温度が検出される。
【００９３】
温度検出部２０により検出された温度ＴＳは、図９の空調制御部５９、又は図１に示す制御部６へ入力される。そして、空調制御部５９若しくは制御部６により、温度ＴＳが第２の閾値Ｔ２以下、かつ第１の閾値Ｔ１以上となるよう、熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５の開閉が制御され、冷媒制御を行う。
【００９４】
ただし、整流モジュール２は、上述の通り周知のダイオードブリッジから構成されることが多い。一般的に、ダイオードブリッジには温度を検出する機構がない。そのため、整流モジュール２を周知のダイオードブリッジで構成する場合、図１０に示すように温度検出部２０を取り付ける必要がある。一方、インバータモジュールとして用いられている周知のインテリジェントパワーモジュール、すなわちＩＰＭには、サーミスタなどの温度センサが内蔵されているものもある。
【００９５】
このことから、インバータ部１０１を構成するインバータモジュール１１ｕ、１１ｖ、及び１１ｗの中で、整流モジュール２に最も近接したインバータモジュールに内蔵されている温度センサで検出される温度を、整流モジュール２の温度として代用してもよい。例えば、図４及び図５に示す例では、インバータモジュール１１ｗに内蔵されている温度センサで検出される温度を用いる。温度検出部２０で整流モジュール２の温度を直接検出するより、簡易的な温度検出となるが、新たな温度センサ若しくはサーミスタ等の温度検出機構を取り付ける必要がなく、温度検出にかかるコストを低減できる効果がある。
【００９６】
以上のように、本実施の形態３によれば、整流モジュール２の過冷却による結露を抑制できると共に、全てのモジュールについて、熱破壊を起こさず、かつ予め定めた温度範囲内に冷却でき、各モジュールの性能を寿命まで維持することができる。
【００９７】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る空気調和装置について説明する。尚、実施の形態４においては、先述の実施の形態とは異なる特有の形態について記載し、先述の実施の形態と同一または同等の形態に関しては、先述の実施の形態を援用することとして、適宜説明を省略する。
【００９８】
本発明の実施の形態４においては、実施の形態１に係る電力変換装置１００を空気調和装置に適用した例について説明する。
【００９９】
図１１は、本発明の実施の形態４に係る空気調和装置の構成を示す図である。図１１において、実施の形態１及び実施の形態２の電力変換装置１００、及び実施の形態３の空気調和装置２００と同様の構成要素には同一の符号が付されている。これらの構成要素についての詳細な説明は省略する。
【０１００】
空気調和装置３００において、実施の形態３の空気調和装置２００と同様に冷媒回路が構成されている。すなわち、圧縮機５０、四方弁５２、熱源側熱交換器５３、熱源側膨張弁５４、負荷側膨張弁５５、及び負荷側熱交換器５６が順次、配管８によって接続され、冷媒回路が構成されている。そして、この冷媒回路に冷媒が流れることによって冷凍サイクルが成立する。尚、図１１には図示していないが、圧縮機５０の吸入側に過剰な冷媒を貯留するアキュームレータを設けてもよい。冷媒回路を制御するにあたり、空調制御部５９、若しくは図１に示す電力変換装置１００の制御部６は、四方弁５２、熱源側膨張弁５４、負荷側膨張弁５５を制御すると共に、図１０に示す温度検出部２０により検出した温度ＴＳを取り込む。
【０１０１】
尚、本発明の実施の形態４の冷凍サイクルの構成は一例であり、必ずしも同じ冷凍サイクルの構成でなくてもよい。
【０１０２】
図１１で示される空気調和装置３００の動作について、冷房運転を例に説明する。冷房運転に際し、四方弁５２は、図１１中、予め圧縮機５０から吐出された冷媒が熱源側熱交換器５３へ向かい、かつ、負荷側熱交換器５６から流出した冷媒が圧縮機５０へ向かうように流路を切り替えているものとする。尚、暖房運転については詳細を省略するが、圧縮機５０から吐出された冷媒が負荷側熱交換器５６へ向かい、熱源側熱交換器５３から流出した冷媒が圧縮機５０へ向かうよう、四方弁５２において流路を切り替えることにより、暖房運転も実現できる。
【０１０３】
電力変換装置１００によって電動機５を駆動することで、電動機５に連結した圧縮要素５１が冷媒を高温高圧の冷媒に圧縮し、圧縮機５０は高温高圧の冷媒を吐出する。圧縮機５０から吐出した高温高圧の冷媒は、四方弁５２を経由して、熱源側熱交換器５３へ流入し、熱源側熱交換器５３において外部の空気と熱交換して放熱する。
【０１０４】
熱源側熱交換器５３から流出した冷媒は、熱源側膨張弁５４において膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となった状態で、冷却プレート９へ流入し、冷却プレート９において、気液二相冷媒中の液冷媒の一部が電力変換装置１００の発熱を吸熱して蒸発する。
【０１０５】
冷却プレート９から流出した気液二相冷媒は、負荷側膨張弁５５において膨張及び減圧されて、負荷側熱交換器５６へ流入し、空調対象空間の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒となって、負荷側熱交換器５６から流出する。負荷側熱交換器５６から流出した冷媒は、四方弁５２を経由して、圧縮機５０に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。
【０１０６】
図１１の構成では、室内機５８は負荷側膨張弁５５を備え、室外機５７は熱源側膨張弁５４を備えており、室内機５８側と室外機５７側の両方に膨張弁を備える構成となっている。この構成により、電力変換装置１００の上述の各モジュールの冷却能力を、２つの熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５でそれぞれ独立に制御することが可能となる。このような構成は、温度検出部２０により検出した温度ＴＳを第２の閾値Ｔ２以下、かつ、第１の閾値Ｔ１以上となるように、細やかに冷媒を制御するのに適している。従って、電力変換装置１００の各モジュールの温度を必要以上に低くすることはなく、結露の発生を抑制できると共に、温度が上昇し、熱破壊されないように制御できる。
【０１０７】
尚、図１１の構成はあくまでも、電力変換装置１００の各モジュールの温度を細やかに制御する一例であり、必ずしも熱源側膨張弁５４及び負荷側膨張弁５５を２つ備える構成にしなくてもよい。すなわち、室内機５８側、若しくは室外機５７側のいずれか一方に、膨張弁を備える構成としてもよい。
【０１０８】
本実施の形態４では、実施の形態１及び実施の形態２に係る上述の電力変換装置１００を空気調和装置３００へ適用している。すなわち、室外機５７の圧縮機５０を駆動する電動機５を制御するインバータ部１０１において、インバータモジュール１１は並列接続されている。従って、低コストで電力変換装置１００の大電流化が可能となり、その結果、電力変換装置１００の大容量化及び大馬力化を低コストで実現できる、といった効果がある。
【０１０９】
尚、本実施の形態４では、実施の形態１及び実施の形態２に係る上述の電力変換装置１００を空気調和装置３００へ適用した例を示したが、これに限定されるものではない。空気調和装置３００の他、ヒートポンプ装置及び冷凍装置等の、冷凍サイクルを有する機器に、電力変換装置１００を適用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  交流電源、２  整流モジュール、３  リアクトル、４  コンデンサ、４ａ  コンデンサ、４ｂ  コンデンサ、４ｃ  コンデンサ、５  電動機、６  制御部、７  基板、７ａ  基板、８  配管、９  冷却プレート、９ａ  冷却プレート、９ｂ  冷却プレート、９ｃ  冷却プレート、１０ａ  補正プレート、１０ｂ  補正プレート、１１  インバータモジュール、１１ｕ  インバータモジュール、１１ｖ  インバータモジュール、１１ｗ  インバータモジュール、２０  温度検出部、５０  圧縮機、５１  圧縮要素、５２  四方弁、５３  熱源側熱交換器、５４  熱源側膨張弁、５５  負荷側膨張弁、５６  負荷側熱交換器、５７  室外機、５８  室内機、５９  空調制御部、１００  電力変換装置、１０１  インバータ部、１０２  冷却機構、１０３  冷却機構、１０４  冷却機構、１０５  冷却機構、１１０  スイッチング素子、１１０ａ  スイッチング素子、１１０ｂ  スイッチング素子、１１０ｃ  スイッチング素子、１１０ｄ  スイッチング素子、１１０ｅ  スイッチング素子、１１０ｆ  スイッチング素子、２００  空気調和装置、３００  空気調和装置。
【図１】
2019106792.tif 000003
【図２】
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【図３】
2019106792.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019106792.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月21日(2020.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給される交流電流を整流する整流モジュールと、前記整流モジュールで整流された直流電流を交流電流に変換し、該交流電流を電動機に出力し、前記電動機を駆動するインバータ部であって、複数のインバータモジュールを有するインバータ部と、前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールを冷却する冷却機構とを備え、前記整流モジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗と、前記複数のインバータモジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗とが異なるよう、前記冷却機構は構成されており、前記冷却機構は、前記整流モジュールが発する熱、及び前記複数のインバータモジュールが発する熱が伝達される冷媒が流れる配管と、前記配管が取り付けられる冷却プレートとを有し、前記冷却プレートは、前記複数のインバータモジュールが配置される側の面において、前記複数のインバータモジュールと接触する凸部を有しているものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明に係る空気調和装置は、上述の電力変換装置と、前記電動機を駆動源とする圧縮機と、熱源側熱交換器と、負荷側熱交換器と、熱源側膨張弁と、負荷側膨張弁と、制御部と、前記整流モジュール及び複数のインバータモジュールのうちのいずれか１つに取り付けられた温度センサと、を備え、前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記熱源側膨張弁、前記負荷側膨張弁、及び前記負荷側熱交換器が、順次、前記配管により接続されて、冷媒回路が形成されており、前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度が外気温度より高く、かつ、前記温度センサが取り付けられているモジュールの限界温度より低くなるよう、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給される交流電流を整流する整流モジュールと、
前記整流モジュールで整流された直流電流を交流電流に変換し、該交流電流を電動機に出力し、前記電動機を駆動するインバータ部であって、複数のインバータモジュールを有するインバータ部と、
前記整流モジュール及び前記複数のインバータモジュールを冷却する冷却機構とを備え、
前記整流モジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗と、前記複数のインバータモジュールと前記冷却機構との間の熱抵抗とが異なるよう、前記冷却機構は構成されており、
前記冷却機構は、
前記整流モジュールが発する熱、及び前記複数のインバータモジュールが発する熱が伝達される冷媒が流れる配管と、
前記配管が取り付けられる冷却プレートとを有し、
前記冷却プレートは、前記複数のインバータモジュールが配置される側の面において、前記複数のインバータモジュールと接触する凸部を有している電力変換装置。
【請求項２】
前記冷却機構は、
前記冷却プレートにおいて、前記複数のインバータモジュールと前記整流モジュールのうち、発熱量の大きいモジュールが、発熱量の小さいモジュールよりも前記配管により近い位置に配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記複数のインバータモジュールと前記整流モジュールのうち、発熱量の大きいモジュールが、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に配置されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数のインバータモジュールは、それぞれ、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数、備えており、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続されている請求項２又は３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記複数のインバータモジュールは、Ｓｉで構成され、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に、前記複数のインバータモジュールが配置されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記複数のインバータモジュールは、ワイドバンドギャップ半導体で構成され、前記冷却機構を平面視したとき、前記冷却プレートにおいて前記配管とオーバーラップする領域に、前記整流モジュールが配置されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置と、前記電動機を駆動源とする圧縮機と、熱源側熱交換器と、負荷側熱交換器と、熱源側膨張弁と、負荷側膨張弁と、制御部と、前記整流モジュール及び複数のインバータモジュールのうちのいずれか１つに取り付けられた温度センサと、を備え、
前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記熱源側膨張弁、前記負荷側膨張弁、及び前記負荷側熱交換器が、順次、前記配管により接続されて、冷媒回路が形成されており、
前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度が外気温度より高く、かつ、前記温度センサが取り付けられているモジュールの限界温度より低くなるよう、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する空気調和装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記熱源側膨張弁及び前記負荷側膨張弁の少なくとも一方の開閉を制御することにより、前記配管を流れる前記冷媒の量を制御する請求項７に記載の空気調和装置。
【請求項９】
前記温度センサは、前記整流モジュールに取り付けられた温度検出部である請求項７又は８に記載の空気調和装置。
【請求項１０】
前記温度センサは、前記複数のインバータモジュールのうち、前記冷却プレートにおいて前記整流モジュールに最も近い位置に配置されているインバータモジュールに内蔵されている温度センサである請求項７又は８に記載の空気調和装置。
【国際調査報告】
2019106792.tif 000014
2019106792.tif 000015
2019106792.tif 000016
2019106792.tif 000017