(57)【要約】  【課題】  冷凍装置及びインバータ装置を小型化すると共に、冷凍サイクルの信頼性を向上し、さらには冷凍装置の高度な制御、故障診断などを行う。  【解決手段】  コンバータ２２２ａとインバータ２２１ａが実装され、その反対面に放熱フィン２６３が密着される第１の基板２２０と、マイクロコンピュータ２３１と電流検出機構２３４と端子台２６０とが実装された第２の基板２３０と、インタフェイス用コネクタ２４２とホトカプラ２４３とが実装された第３の基板２４０と、を備え、各基板が階層状に配置され、インタフェイス用コネクタ２４２を介して圧縮機１０１の吐出ガス温度の信号がマイクロコンピュータ２３１へ入力される。【選択図】  図２
2005257266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、
交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを構成するパワー半導体が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着される第１の基板と、前記パワー半導体を制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、が実装された第２の基板と、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第３の基板と、を備え、前記第１の基板、第２の基板、第３の基板の順序で階層状に配置され、前記インタフェイス用コネクタを介して前記圧縮機の吐出ガス温度の信号が前記マイクロコンピュータへ入力されることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記インタフェイス用コネクタを介して前記インバータの周波数を出力することを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、
交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを構成するパワー半導体が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着される第１の基板と、前記パワー半導体を制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、が実装された第２の基板と、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第３の基板と、を備え、前記第１の基板、第２の基板、第３の基板の順序で階層状に配置され、前記インタフェイス用コネクタを介して前記圧縮機の吐出ガス温度の信号が前記マイクロコンピュータへ入力されることを特徴とするインバータ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のものにおいて、前記インタフェイス用コネクタを介して前記インバータの周波数を出力することを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転数が可変可能な圧縮機モ−タを搭載する冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ基本部を変更することなく仕様変更を容易にするため、交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを実装した第１の基板と、インバータの制御を行うマイクロコンピュータを含む制御器を実装した第２の基板と、端子台、突入抑制抵抗、平滑コンデンサが実装された第３の基板からなるインバータ基本部と、インバータ制御装置を管理するマイクロコンピュータ処理のうち入力／出力インタフェイスを管理するＩ／Ｏブロック部とに分離することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−４１９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術においては、仕様変更に対する自由度は増しているが、特に冷凍サイクルに用いることを考慮していないため、冷凍サイクルに特有の課題、例えば圧縮機は大電流であるが、冷媒流量を調整する電動膨脹弁、各種温度あるいは圧力の検出センサの信号、などは小電流であり、大小の信号が混在して不要輻射電磁ノイズの影響を受けやすい、冷凍装置自体の小型化も要求される、などは充分考慮されていない。
【０００５】
本発明の目的は、空気調和機、冷凍機などの冷凍装置、特に室外機の小型化に伴い、冷凍装置及びインバータ装置を小型化すると共に、冷凍サイクルの信頼性を向上し、さらには冷凍装置の高度な制御、故障診断などにより適したものにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は、圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを構成するパワー半導体が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着される第１の基板と、前記パワー半導体を制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、が実装された第２の基板と、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第３の基板と、を備え、前記第１の基板、第２の基板、第３の基板の順序で階層状に配置され、前記インタフェイス用コネクタを介して前記圧縮機の吐出ガス温度の信号が前記マイクロコンピュータへ入力されるものである。
【０００７】
また、上記のものにおいて、前記インタフェイス用コネクタを介して前記インバータの周波数を出力することが望ましい。
【０００８】
さらに、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを構成するパワー半導体が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着される第１の基板と、前記パワー半導体を制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、が実装された第２の基板と、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第３の基板と、を備え、前記第１の基板、第２の基板、第３の基板の順序で階層状に配置され、前記インタフェイス用コネクタを介して前記圧縮機の吐出ガス温度の信号が前記マイクロコンピュータへ入力されるものである。
【０００９】
さらに、上記のものにおいて、前記インタフェイス用コネクタを介して前記インバータの周波数を出力することが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パワー半導体とマイクロコンピュータが実装された基板がシールド処理された箱形のケースで囲まれ、インタフェイス用コネクタが実装された基板が最上部になるように階層的にコンパクトに配置され、インタフェイス用コネクタから冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が光信号によりマイクロコンピュータへ伝達されるので、不要輻射電磁ノイズを抑制して、ノイズ発生の要因を少なくし、冷凍サイクルの信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明の一実施の形態を説明する。  
【実施例１】
【００１２】
図１は、一実施の形態による冷凍サイクル系統図であり、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、室内膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、アキュ−ムレ−タ１０７を順次連結して冷媒を循環させ冷凍サイクルを形成している。そして、室内を冷房する場合、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は室外熱交換器１０５で凝縮して液化した後、室内膨張弁１０４で減圧し、室内熱交換器１０２で蒸発して圧縮機１０１に戻る。室内送風機用電動機１０３は室内機１０９の熱交換を促進し、室外送風機用電動機１０６は室外機１０８の熱交換を促進する。
【００１３】
圧縮機１０１は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数を可変制御される電動機１１１により駆動され、運転周波数はインバータ装置２１０により制御される。  
冷凍サイクルは、圧縮機１０１の回転数以外に冷媒流量を調整する室内膨脹弁１０４、あるいは室外膨脹弁（図示せず）の開度、室内送風機用電動機１０３及び室外送風機用電動機１０６の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁（図示せず）などが制御され、そのための情報として運転モード、温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、各部の温度（圧縮機の吐出ガス温度、吸入温度、熱交換器温度など）及び圧力を検出した信号などが制御装置へ入力される。その他、インタフェイス用コネクタ２４２を介して冷凍装置あるいは空気調和機の運転データ（例えば、冷凍サイクル中の主要部の温度、圧力等である吸入圧力、吐出圧力、圧縮機上温度、室外機膨張弁開度、室内機膨張弁開度、圧縮機電流値、圧縮機周波数、外気温度、蒸発温度、吸込温度、吹出温度、凍結温度、要求周波数、ガス管温度、設定温度等）が入力又は出力される。
【００１４】
図２は、インバータ装置の回路図を示し、交流電源２５０からの交流電圧を直流にするコンバータと直流／交流変換器であるインバータとを構成するパワー半導体が実装され、実装面の反対面にアルミ製の放熱フィンが密着される第１の基板（金属基板）２２０と、マイクロコンピュータ（マイコン）２３１と、電動機１１１の電流を検出する電流検出機構２３４と、電動機１１１の端子台２６１と、が実装された第２の基板（制御基板）２３０と、電動機１１１への突入電流を抑制する突入抑制抵抗器２４４と、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ２４２と、入力された信号をマイクロコンピュータ２３１へ光信号により伝達するホトカプラ２４３と、が実装された第３の基板とから構成される。また、平滑コンデンサ２５１は第１の基板２２０に外付けされる。
【００１５】
交流電源２５０からの交流電圧はコンバータ２２２ａ（複数の整流素子２２２がブリッジ結線）で直流にされ、直流／交流変換器であるインバータ２２１ａ（スイッチング素子２２１が三相ブリッジ結線された電力変換手段）がマイクロコンピュータ２３１で交流周波数として制御され、電動機１１１が駆動される。
【００１６】
コンバータ２２２ａにおいて、交流電圧は、複数の整流素子２２２にて整流され、圧縮機１０１を運転又は停止するマグネットスイッチ２５３、力率用リアクトル２５２を介し、平滑用コンデンサ２５１に至る。インバータ２２１ａではスイッチング素子２２１がスイッチング時に発生する電動機１１１から発生する逆起電力を回生するためにスイッチング素子２２１と併設してフライホイール素子２２３が設けられ、共に第１の基板２２０に実装される。
【００１７】
マイクロコンピュータ２３１とスイッチング素子２２１との間にはマイクロコンピュータ２３１からの微弱な信号をスイッチング素子２２１を駆動できるレベルまで増幅するドライバ回路２３２が設けられる。電動機１１１に供給される電流は電流検出機構２３４にて検出され、その信号がマイクロコンピュータ２３１に取り込まれて監視される。第１の基板２２０においてコンバータ２２２ａで生成された直流の一部は、第２の基板２３０に設けられた電源回路２３３でインバータ２２１ａで使用される高電圧から５Ｖ程度に調整されてマイクロコンピュータ２３１、ドライバ回路２３２、電流検出機構２３４に供給される。
【００１８】
第３の基板（インターフェイス基板）２４０には伝送回路２４１が搭載され、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ２４２と、入力された信号をマイクロコンピュータ２３１へ光信号により伝達するホトカプラ２４３が設けられる。サイクル制御基板２５４とマイクロコンピュータ２３１との間では、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号は冷媒流量を調整する室内膨脹弁１０４、あるいは室外膨脹弁（図示せず）の開度、室内送風機用電動機１０３及び室外送風機用電動機１０６の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁（図示せず）の制御信号、さらにはインバータ電流、インバータ周波数、インバータ自身の異常、正常の状態信号などがホトカプラ２４３を介して電気的隔離が得られた状態で送受信される。特に、ホトカプラ２４３、インタフェイス用コネクタ２４２を介してインバータの運転周波数を出力して、冷凍サイクルの運転状態の把握、停止した場合の要因分析、さらには故障分析などを行う。また、電源投入時などに閉路するマグネットスイッチ２５３が電解コンデンサ２５１に流れる過大な突入電流で溶着しないようマグネットスイッチ２５３と並列に突入抑制抵抗２４４が第３の基板２４０に設けられる。
【００１９】
インバータ制御、つまり高速でスイッチングすることにより運転周波数を可変するのに必要とされるマイクロコンピュータ２３１は高速なものが必要とされるが、冷凍サイクルの能力制御、冷暖房のモード切換えなどは低速なもので良く、このマイクロコンピュータ２３１で冷凍サイクルの各種制御弁（室外膨脹弁、室外送風機用電動機１０６、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁）の制御を共用することができる。特に、第１の基板２２０に室外膨脹弁の駆動回路を設け、圧縮機１０１の吐出ガス温度を検出した信号をインタフェイス用コネクタ２４２を介してマイクロコンピュータ２３１へ入力すれば圧縮機１０１の能力と冷媒流量をマイクロコンピュータ２３１で吐出ガススーパーヒートを最適にするように制御することにより、冷凍サイクル全体としての制御回路を簡略化して配線等も少なくなり、小型化することができる。
【００２０】
図３は、実装される場合のインバータ装置の組みたてられ方を示し、図４は最終的に組みたてられた状態、図５は断面を示している。第１基板２２０及び第２の基板２３０の側面は、電磁ノイズの発生を抑制するためシールド処理としてその表面に遮蔽用の金属膜が塗布又はメッキされた樹脂成形されたケース２６２で覆われている。ケース２６２の前面は端子台２６０が配置されるように一部が切り欠けられた段差部２６１が設けられ、底面の反実装面にはコンバータ２２２ａ及びとインバータ２２１ａの熱を共に放熱する放熱フィン２６３が密着されている。
【００２１】
ケース２６２はアルミダイキャストなどで金属製としても良いが、樹脂製とすれば低価格で複雑な形状が可能であるので、端子台２６０を段差部２６１に適合するように配置でき、端子台２６０はケース２６２の上面よりも突き出すことがない。よって、本インバータ装置を例えば空気調和機の室外機に実装するうえでも無駄なスペースを無くすことができ、電磁ノイズの抑制からも望ましい。さらに、ケース２６２の底面から第１の基板２２０、第２の基板２３０、第３の基板２４０の順序で階層状に配置され、ケース２６２に収納されている。また、第１の基板２２０のパワー半導体面は図５で略一点鎖線Ａまでゲルが充填され、パワー半導体素子（コンバータ２２２ａ、インバータ２２１ａを構成するダイオードやＩＧＢＴ）を保護している。さらに、ゲル表面から図５で略二点鎖線Ｂ、第２の基板２０の上面まで保護、絶縁のために樹脂封入されてパワーモジュールＩＳＰＭとして纏められている。
【００２２】
ケース２６２の側面側の内には、第１の基板２２０と第２の基板２３０とを接続する第１のリードピン２２５と、同じく第１の基板２２０と第３の基板２４０とを接続する第２のリードピン２２４とを設け、第２の基板２３０と第３の基板２４０とは第２の基板２３０に設けた第３のリードピン２３５で接続される。また、第３の基板は第２の基板に設けられた基板支持スペーサ２３６にて支持されている。
【００２３】
以上のように、組立作業工数の低減および部品実装面積の小型化を図ることができると共に、パワー半導体が実装されるコンバータ２２２ａ、インバータ２２１ａ及びマイクロコンピュータ２３１と、電動機１１１の電流を検出する電流検出機構２３４が電磁ノイズの発生を抑制するためシールド処理がされた箱形のケース２６２及び放熱フィンで囲まれるので、不要輻射電磁ノイズを抑制できる。
【００２４】
また、コンバータ２２２ａ、インバータ２２１ａとが同一基板（第１の基板２２０）に実装されること、パワー半導体を制御するマイクロコンピュータ２３１、電動機１１１の電流を検出する電流検出機構２３４、電動機の端子台２６０が実装された第２の基板とを階層状に近接してコンパクトに配置されるので、ノイズ発生の可能性が大きい部分の配線長を短くできるので、ノイズ発生の要因を少なくできる。
【００２５】
さらに、電磁ノイズの影響の大きい、例えば大電流が必要とされる圧縮機１０１からの影響が大きい比較的微弱な信号である冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ２４２が実装された第３の基板２４０が最上部に配置され、かつ光信号によりマイクロコンピュータ２３１のへ伝達されるので、ノイズの混入による誤動作を無くして冷凍サイクルの信頼性を向上できる。さらに、第１の基板２２０のパワー半導体面はゲルが充填され、さらにゲル表面から第２の基板２３０の上面まで樹脂封入されているので、パワーモジュールＩＳＰＭ自体の信頼性も向上する。
【００２６】
さらに、冷凍サイクルの構成、冷凍装置、あるいは空気調和機の能力、店舗用、ビル用マルチなどの機種、に応じてマイクロコンピュータ２３１のソフトウエアや入力／出力インタフェイスのハードウエアを変更するとき、最上部の第３の基板２４０を分離すれば容易に対応ができる。そして、このときにおいてもケース２６２の底面から電流値が大きい順に配置されるので、配線本数を少なくできるなど対応の自由度も高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態による冷凍装置の冷凍サイクル図。
【図２】本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置のブロック図。
【図３】本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の組立方法を示す斜視図。
【図４】本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の組み立てた状態を示す斜視図。
【図５】本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の断面図。
【符号の説明】
【００２８】
101…圧縮機、102…室内熱交換器、104…室内膨張弁、105…室外熱交換器、108…室外機、109…室内機、111…電動機、210…インバータ装置、220…第１の基板、221…スイッチング素子、221a…インバータ、222…整流素子、222a…コンバータ、224…第２のリードピン、225…第１のリードピン、230…第２の基板、231…マイクロコンピュータ、233…電源回路、234…電流検出機構、235…第３のリードピン、236…基板支持スペーサ、240…第３の基板、242…ホトカプラ、243…インタフェイス用コネクタ、250…交流電源、260…端子台、261…段差部、263…放熱フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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