JP4581175B2

JP4581175B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP4581175B2
Application number: JP2000086329A
Authority: JP
Inventors: 勝之天野; 泰堂坂本; 勝彦斎藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001275360A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体スイッチング素子により、高調波抑制、力率改善を行なうコンバータ装置を備えた空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空気調和機におけるコンバータ装置のリアクトル実装方法および冷却方法について、図１、図２を基に説明する。図１は、従来の半導体スイッチング素子により、高調波抑制、力率改善を行なうコンバータ装置を備えた空気調和機の簡易回路図である。図２は、従来の空気調和機におけるコンバータ装置のリアクトル実装状態を図示したもので、空気調和機の室外機を上部から見た断面図である。
【０００３】
図１において、１は半導体スイッチング素子、２は高調波抑制、力率改善を行なうためのリアクトル、３はリアクトル２を主回路基板４に電気的に接続するリード線、１３は電界コンデンサ、１６はダイオード、２３はシャント抵抗、２４はゲート抵抗である。図２において、５は主回路基板４に取り付けられ、基板上に実装された発熱部品の放熱を促す放熱手段、６は室外ファン、７は室外機、８は室外機７内の室外ファン６上流側に配設された熱交換器、９は主回路基板４やリアクトル２を内包する電機品ボックス、１０は室外ファン６からの直接の風、１１は電気品ボックスに形成された通風孔、１２は圧力差により流れる僅かな風である。
【０００４】
図１の簡易回路図で代表される空気調和機の力率改善コンバータ回路のリアクトル２は、インバータ駆動の圧縮機モータにより、ピークで３０Ａ程度までの大電流が流れる。このためサイズや発熱量が大きく、重量も重たくなるので、主回路基板４に実装できず、図２に示したように、半導体スイッチング素子１および電界コンデンサ１３等の電子部品が実装された主回路基板４にリード線３を介して電気的に接続されていた。また、半導体スイッチング素子１のように放熱手段５に接続されていないため、通風孔１１の近くなど室外機７の室外ファン６によって圧力差により流れる僅かな風１２が得られる場所で自然冷却されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和機におけるコンバータ装置のリアクトルは、発熱量が大きいために通風路を確保したり、通風の得易い場所に配置しなければならないという構造設計上の制約を伴う。空気調和機の室外機は、図２のように熱交換器８の内側に、室外ファン６とリアクトル２と主回路基板４が収納される電気品ボックス９とが並ぶ構成であるため、室外ファン６からの直接の風１０は得にくく、さらに電気品ボックス９は塵埃や水分の侵入を最小限にするために図２のような狭い形状の通風孔１１となるため、リアクトル２は圧力差により流れる僅かな通風しか得られなかった。
【０００６】
よって、空気調和機のように狭い電気品ボックス内に制御装置を組まなければならない機器にとって、サイズが大きく、通風孔の直近にしか置けないというリアクトルの構造設計上の制約と、電気品ボックス内の温度が上昇し、制御基板上の電界コンデンサなどの部品劣化を早め、製品寿命が低下するといった問題があった。リアクトルを電気品ボックス外に実装し、ボックス内の温度上昇を抑えることも考えられるが、リード線が長くなり加工バラツキや生産性の悪化、高圧部が塵埃や水分に曝され易くなるといった問題があった。
【０００７】
また、図２に示したような回路で代表される力率改善コンバータ装置は、半導体スイッチング素子１を高キャリア(２０ＫＨｚ程度)でＰＷＭ制御しているため、電流電圧変化が急となり高周波の電圧振動を発生させ、これが回路ループをアンテナとして、空間にノイズとして放射する。よって、リード線３が長くなるとアンテナが大きくなり放射するノイズ量が増加するといった問題があった。特にＲ２２よりも高圧なＲ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等の代替冷媒を用いた場合には、圧縮機の電力入力が大きくなるため、放射ノイズの問題が顕著になるといった問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、リアクトルを分割し並列接続することで基板実装可能な大きさまで小型化し、放熱手段により積極的に放熱させることで、配置や構造制約の緩和、電気品ボックス内の温度上昇を抑制することを目的とする。また、リード線を短くする或いはリードレスとすることで加工バラツキおよび放射ノイズを低減することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る空気調和機は、高調波抑制、力率改善用に用いられる少なくとも２個以上の並列接続したリアクトルと、前記リアクトルに接続された１個または複数個の半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する放熱手段とを有し、前記リアクトルを前記放熱手段の近傍に配置するとともに、前記リアクトルと前記放熱手段間を熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質で封入することで、前記リアクトルを熱伝導により前記放熱手段で冷却するコンバータ装置を備え、冷媒としてＲ２２よりも高圧な冷媒であるＨＦＣ系冷媒又はＨＣ系冷媒を用いるようにしたものである。
【００１１】
また、前記熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質に、熱伝導性を向上させる材料を混入したものである。
【００１２】
また、前記熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質に、ＥＭＣ対策材料を混入したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明に係る空気調和機におけるコンバータ装置は、リアクトルを分割し、並列に接続することで個々のサイズを基板実装可能な大きさまで小型化し、リードレスで主回路基板と接続することで放射ノイズおよび加工バラツキの低減を可能とする。さらに、このリアクトルと、半導体スイッチング素子が実装される放熱手段を備えた熱伝導性基板とを、熱伝導性および絶縁性の良い樹脂やゲル状の材料で封入することで、半導体スイッチング素子の放熱手段を用いてリアクトルも冷却するものである。また、リアクトルを封入する樹脂やゲル状の材料にEMC(Electric Magnetic Compatibility)対策材料や熱伝導性を向上させる材料を混入することにより、封入された力率改善コンバータ装置の回路ループから発生する放射ノイズを低減させることや放熱性の向上を図ることができる。
【００１７】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図３、図４、図５をもとに説明する。尚室外機における電気品ボックスの配置や室外ファン等の配置は図２に示す従来のものと同様であり、また、従来と同一符号のものは同一または相当するものを示し、その説明を省略する。図３は、この発明のコンバータ装置を示す断面概略図の一例である。図４は、この発明のコンバータ装置を搭載した空気調和機の簡易回路図を示す。図５は、この発明のコンバータ装置の組み立て図である。
【００１８】
図３のように、熱伝導性基板１４上には、図４に示したコンバータ部の半導体スイッチング素子１およびダイオード１６がはんだ付けにより実装されており、熱伝導性基板１４を底面として箱状になるように絶縁樹脂のケース１７が形成され、放熱手段５と熱伝導性基板１４は取り付けネジ１８により密着されている。分割され基板実装サイズまで小型化されたリアクトル２は、リアクトル基板１９に実装され、熱伝導性基板１４の上部に階層的に配置され、基板垂直方向に取り出されたブスバーなどの接続手段により、基板１９との固定および電気的な接続を行なっている。
【００１９】
さらに、熱伝導性基板１４とリアクトル基板１９間が熱伝導性および絶縁性の良い樹脂やゲル状の物質１５で満たされ、放熱手段５を用いてリアクトル２の熱を放熱できるように構成される。また、樹脂やゲル状の物質にアルミナなどのフィラーを混入することにより、熱伝導性を向上させることも可能である。リアクトル基板１９のさらに上層には制御基板２１が配置され、半導体スイッチング素子１等が実装され同様にブスバーやコネクタなどの接続手段により接続される。最上部は、絶縁樹脂により密閉され、交流電源入力端子、出力端子、制御用インターフェース端子が外部端子２２として取り付けられている。
【００２０】
本発明の実施の形態における制御回路は、図４に示したようにリアクトル２が四分割され、半導体スイッチング素子１もリアクトル２にそれぞれ接続された構成となっている。入力電流がピークで３０Ａ程度の空気調和機において、リアクトルを４分割すれば一個当りに流れる電流値がピークで８Ａ以内に抑えられるため、基板実装可能なサイズのリアクトルとなり、汎用品の機械巻きリアクトルも選定でき、リアクトルの使用数が増えても、大電流用リアクトル一個に比べコストも抑えられるというメリットもある。さらに、入力電流値が違う機種毎にリアクトルの使用個数を選択することも可能となる。
【００２１】
熱伝導性基板１４に実装される半導体スイッチング素子１（MOS-FET）は、十数Ａを超える大電流用の面実装タイプの汎用品が少ないため、３０Ａピークの入力電流に対して図４のように各リアクトル２に個別に、１個ないしは２個並列に半導体スイッチング素子１を設けている。また、熱伝導性基板１４には半導体スイッチング素子１の他にも、電流検出用のシャント抵抗２３など半導体スイッチング素子１以外の発熱部品や、ゲート抵抗２４、温度センサー２５など半導体スイッチング素子１の駆動や保護上近傍に配置した方が望ましい部品も実装している。今後、さらに大電流用の面実装半導体スイッチング素子（MOS-FET）が汎用化されるか、５０Ａクラスまでの汎用品があるＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いれば、各リアクトルに個別に半導体スイッチング素子を設ける必要がなく、コンバータ部の素子数が減らせ、空いたスペースにインバータ部の半導体スイッチング素子を実装でき、ほぼ同サイズの熱伝導性基板上に空気調和機の主回路がすべて入り、基板の小型化が行なえる。
【００２２】
リアクトル基板１９は、図５に示したように箱状の絶縁樹脂ケース１７の内側に差し込まれた後、熱伝導性および絶縁性の良い樹脂もしくはゲル状の物質が充填される。ゲル状の物質の場合、先に絶縁樹脂ケース１７内に充填しておき、後からリアクトル基板１９を差し込むことも可能である。また、半導体スイッチング素子１により力率改善を行なうコンバータ装置は、半導体スイッチング素子１が電流および電圧変化を急にするため、高周波の電圧振動が起り、図４に示した主回路部の回路ループをアンテナとして強い放射性ノイズが発生する。本発明のコンバータ装置は、集積化されることにより回路ループが小さくなり、放射ノイズを抑制する。さらにリアクトル２およびコンバータ部の回路を封入する樹脂もしくはゲル状物質１５内に、放射ノイズを抑制する効果があるフェライトやアルミナなどのＥＭＣ対策材料を混入することで大幅に放射ノイズを抑制できる。
【００２３】
リアクトル基板１９の上部に配置される制御基板２１は、力率改善、高調波抑制および任意の母線電圧となるなるように半導体スイッチング素子１をＰＷＭ制御する回路および、外部との制御インターフェース回路を備え、最上部の外部接続端子や半導体スイッチング素子が実装される熱伝導性の良い基板にブスバーやコネクタなどで接続されている。また、制御基板を別に設けず、リアクトル基板上に制御回路を組み込み、熱伝導性の良い基板とリアクトル基板の二段構成のコンバータ装置とすることもできる。
【００２４】
また、図７に示す圧縮機３１、凝縮熱交換器３２、絞り装置３３、蒸発熱交換器３４が順次接続される冷凍サイクルにおいて、この圧縮機３１の駆動モータを制御するコンバータ／インバータ装置に、本発明のコンバータ装置を用いた場合、低騒音、低振動となり、放射ノイズを低減した冷凍サイクル装置とすることができる。特に冷凍サイクルに用いられる冷媒が従来オゾン層を破壊するＨＣＦＣ系のＲ２２冷媒からオゾン層を破壊しないＨＦＣ系のＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃ、Ｒ３２、さらにはＨＣ系のＲ６００Ａ等のＲ２２よりも高圧な冷媒を用いた場合、圧縮機への入力電力が増加する傾向にあるため、放射ノイズの影響が大きくなるが、本発明のようにリアクトルを複数並列接続することによって、リード線３などの主電流が流れる配線の長さを短くすることが可能になり、放射ノイズを低減し、代替冷媒に好適なコンバータ装置とすることができる。
【００２５】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図６をもとに説明する。図６は、この発明の空気調和機におけるコンバータ装置を示す断面概略図の一例である。
【００２６】
図６のように、熱伝導性基板１４上に、半導体スイッチング素子１、ダイオード１６および、分割され基板実装サイズまで小型化されたリアクトル２を実装し、熱伝導性基板１４を底面として箱状になるように絶縁樹脂のケース１７が形成され、放熱手段５と熱伝導性基板１４は取り付けネジ１８により密着されている。熱伝導性基板１４上に、熱伝導性および絶縁性の良い樹脂やゲル状の物質１５をリアクトル２が隠れるまで満たし、放熱手段５を用いてリアクトル２の熱を放熱できるように構成される。樹脂やゲル状の物質１５には実施の形態１と同様にフェライトなどのＥＭＣ対策材料を混入することにより放射ノイズを抑制できる。また、アルミナ等の熱伝導性材料を混入することによりリアクトル２の放熱が促進される。リアクトル２の上部には制御基板２１が配置され、基板垂直方向に取り出したブスバーなどの接続手段により、基板２１の固定および電気的な接続を行なっている。最上部は、絶縁樹脂により密閉され、交流電源入力端子、出力端子、制御用インターフェース端子が外部接続端子２２として取り付けることにより、実施の形態１と同様の性能を持つコンバータ装置を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、半導体スイッチング素子により、高調波抑制、力率改善を行うコンバータ装置において、高調波抑制、力率改善用に用いられるリアクトルを、半導体素子などを冷却する放熱手段の近傍に配置するとともに、熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質などで封入することで、熱伝導によりリアクトルを前記放熱手段により冷却することができ、リアクトルの配置制約を緩和し、電気品ボックスの温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇によるリアクトルの半田付け部の劣化も予防できる。
【００２８】
さらに、リアクトルを少なくとも２個以上の並列接続としたことで、リアクトル一個当りに流れる電流ピーク値が抑えられ、基板実装可能なサイズかつ、汎用品のリアクトルとすることができるため、主回路の小型化による放射ノイズの抑制およびコストを低減することができる。
【００２９】
また、熱伝導性が良く、絶縁性を持たせた樹脂やゲル状の物質に、熱伝導性を向上させる材料を混入したので、リアクトルの放熱性を向上させることができる。
【００３０】
また、熱伝導性が良く、絶縁性を持たせた樹脂やゲル状の物質に、ＥＭＣ対策材料を混入することにより、主回路の小型化と合せて放射ノイズを大幅に抑制することができる。
【００３１】
半導体素子が実装される放熱性の良い基板上に、温度検出手段を備えたことにより、半導体素子の熱破壊に対する保護を行なう事ができる。
【００３２】
半導体素子などが実装される熱伝導性基板上もしくは基板近傍に並列接続して配置されるとともに、高調波抑制、力率改善用に用いられるリアクトルを有し、半導体スイッチング素子により、高調波抑制、力率改善を行なうコンバータ装置を備え、冷媒としてＲ２２よりも高圧の冷媒を用いたものでは、高圧の代替冷媒の使用によって圧縮機の入力電力が大きくなっても、放射ノイズの小さな冷凍サイクル装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の空気調和機のコンバータ装置を示す簡易回路図である。
【図２】従来の空気調和機のコンバータ装置のリアクトル実装状態を、室外機上方から見た図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるコンバータ装置の断面概略図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるコンバータ装置の簡易回路図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるコンバータ装置の組み立て図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるコンバータ装置の断面概略図である。
【図７】冷凍サイクル装置を示すシステム概念図である。
【符号の説明】
１．半導体スイッチング素子、２．リアクトル、３．リード線、４．主回路基板、５．放熱手段、６．室外ファン、７．室外機、８．熱交換器、９．電気品ボックス、１０．ファンからの直接の風、１１．通風孔、１２．圧力差により流れる僅かな風、１３．電界コンデンサ、１４．熱伝導性基板、１５．樹脂やゲル状の物質、１６．ダイオード、１７．絶縁樹脂のケース、１８．取付けネジ、１９．リアクトル基板、２０．接続手段、２１．制御基板、２２．外部端子、２３．シャント抵抗、２４．ゲート抵抗、２５．温度センサー。

Claims

高調波抑制、力率改善用に用いられる少なくとも２個以上の並列接続したリアクトルと、前記リアクトルに接続された１個または複数個の半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を冷却する放熱手段とを有し、前記リアクトルを前記放熱手段の近傍に配置するとともに、前記リアクトルと前記放熱手段間を熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質で封入することで、前記リアクトルを熱伝導により前記放熱手段で冷却するコンバータ装置を備え、
冷媒としてＲ２２よりも高圧な冷媒であるＨＦＣ系冷媒又はＨＣ系冷媒を用いることを特徴とする空気調和機。
前記熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質に、熱伝導性を向上させる材料を混入したことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
前記熱伝導性および絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質に、ＥＭＣ対策材料を混入したことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。