CN102245899A - 驱动电路一体型电动压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种驱动电路一体型电动压缩机，不会使吸入制冷剂气体的温度上升，且能抑制用于冷却的通路的压力损失的增加，并能高效地对电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却。在一体地组装有具有功率半导体元件的电动机驱动电路的驱动电路一体型电动压缩机中，用排出制冷剂气体对驱动电路的功率半导体元件进行冷却。
Description
技术领域
本发明涉及一种内置有电动机且也一体地组装有该电动机的电动机驱动电路的驱动电路一体型电动压缩机，特别地，涉及一种能高效地对设于电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却的驱动电路一体型电动压缩机。
背景技术
在专利文献1中公开了一种内置有压缩机构部驱动用的电动机且也一体地组装有该电动机的电动机驱动电路的驱动电路一体型涡旋式电动压缩机。在该电动机驱动电路中，尤其在其逆变器上组装有功率半导体元件，由于功率半导体元件会发热，因此，为确保其正常工作，一般最好进行冷却。现在使用的半导体具有功率半导体元件，通常是将硅(Si)用作材料。由于这样的现有功率半导体元件的最高动作温度约为150℃，因此，最好是进行冷却以使其不超过该最高动作温度，在专利文献1中，利用被吸入至压缩机的制冷剂来进行这种冷却。
专利文献1：日本专利特开2000-291557号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，如上所述，在利用吸入制冷剂气体对电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却的方式中，可能会出现如下问题。即，由于吸入制冷剂气体可能会受到功率半导体元件的热而过热，因此，可能会使压缩机的压缩效率降低。另外，当吸入气体过热时，压缩气体的温度也会上升，因此，压缩机内部的各部分可能会出现耐热性的问题，藉此，可能会使压缩机的寿命降低。此外，由于吸入气体流过为冷却功率半导体元件而形成的热交换室，因此，会使压缩机内部的制冷剂通路中的压力损失增加，仍然可能会使压缩效率降低。
本发明的技术问题着眼于利用如上所述的吸入制冷剂气体对电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却的方式的问题，其目的在于提供一种基本上不会使吸入制冷剂气体的温度上升，且能抑制用于冷却的通路中的压力损失的增加，并能高效地对电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却的驱动电路一体型电动压缩机。
解决技术问题所采用的技术方案
为解决上述技术问题，本发明的驱动电路一体型电动压缩机一体地组装有具有功率半导体元件的电动机驱动电路，其特征是，用排出制冷剂气体对上述驱动电路的功率半导体元件进行冷却。即，不是像以往那样用吸入制冷剂气体进行冷却，而是用流过压缩机的压缩机构部后的排出制冷剂气体来对功率半导体元件进行冷却。
即，由于将排出制冷剂气体用于功率半导体元件的冷却，因此，基本不会发生使用吸入制冷剂气体的情况下的问题、即由吸入制冷剂气体的温度上升引起的压缩效率的降低、因压缩气体的温度上升引起的压缩机的寿命降低、因吸入制冷剂气体流过用于冷却的热交换室引起的压力损失的增加而使压缩效率的降低的问题。换言之，由于吸入制冷剂气体未被用于冷却，因此，吸入制冷剂气体在被压缩、排出之前的气体温度不会像现有结构那样上升，从而能确保较高的压缩效率，并能有利于压缩机的性能系数(COP)的提高。另外，在压缩机内的制冷剂的通路中，由于能抑制吸入制冷剂气体在被压缩、排出之前的气体温度的上升，因此，可提高压缩机的耐久性，并能提高寿命。此外，由于吸入制冷剂气体也可以不像现有结构那样流过用于冷却的热交换室，因此，可降低压缩机内的制冷剂通路的压力损失。除此之外，在将钕磁铁用作转子以作为压缩机内置电动机的情况下，会因温度上升而使该磁铁减磁，但在现有的用吸入制冷剂汽体对功率半导体进行冷却的情况下，吸入制冷剂气体温度会因热交换而上升，然后，可能会因该制冷剂气体流过电动机而使磁铁减磁，但在本发明中，由于用流过电动机后的排出制冷剂气体进行冷却，因此，这样的问题也得到解决。
不过，在本发明中，由于将温度比吸入制冷剂气体的温度高的排出制冷剂气体用于功率半导体元件的冷却，因此，功率半导体元件与现有结构相比仅能被冷却至较高的温度。所以，需使用耐热性即最高动作温度更高的元件作为功率半导体元件。
为了满足该必要性，在本发明中，能使用宽带隙半导体元件作为上述功率半导体元件。即，如上所述，现在所使用的半导体也包括功率半导体，均是将硅(Si)用作材料。近年来，开发出了宽带隙(WBG：Wide Band Gap)功率半导体代替硅作为的半导体材料。现有Si功率半导体的最高动作温度约为150℃，而WBG半导体的最高动作温度则在200℃以上，因此，一般用100℃～200℃之间的前半段温度、即排出制冷剂气体温度便能充分地冷却至期望的温度。此外，通过用排出制冷剂气体对功率半导体进行冷却，也一并解决了现有的使用吸入制冷剂气体的时的问题。作为宽带隙功率半导体，已知有使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等的宽带隙功率半导体，但只要具有上述这样的最高动作温度，也能使用任一种类的宽带隙功率半导体元件。
另外，由于这样的宽带隙功率半导体元件的导通电阻较小、且开关损失较小，而使由元件自身产生的热也较少，因此，可使宽带隙功率半导体元件的冷却所需要的热量比Si功率半导体元件的冷却所需要的热量少。能从这点看，也能通过用排出制冷剂气体进行冷却来对宽带隙功率半导体元件进行足够高效的冷却。
此外，由于宽带隙半导体元件的耐热温度较高，因此，无需产生不必要的低温作为冷却源，由此从冷却回路系统整体看，也可提高总效率。
在上述本发明的驱动电路一体型电动压缩机中，只要用排出制冷剂气体来对电动机驱动电路的功率半导体元件进行冷却的结构即可，对具体的冷却结构而言，能采用各种方式。例如，能采用将上述功率半导体元件设于高热传导性的电路基板上，使该电路基板的背面隔着压缩机的壁(压缩机内的壁)而被排出制冷剂气体冷却。通过使用由例如高热传导性的陶瓷等高热传导性的材料构成的电路基板，从而能通过该电路基板高效地对功率半导体元件进行冷却。
另外，在本发明的驱动电路一体型电动压缩机中，能采用用低热传导性的树脂来覆盖上述功率半导体元件的形式。另外，也能采用在上述功率半导体元件与其他电子元器件之间设有低热传导性的热屏蔽构件这样的形式。通过用这种热传导性较低的树脂、热传导性较低的构件进行屏蔽，能防止向其他电子元器件的热辐射，因此，能抑制其他电子元器件的温度上升，从而能在电动机驱动电路整体上，进而在压缩机整体上提高可靠性。
本发明的驱动电路一体型电路压缩机中所使用的制冷剂的种类并不进行特别限定，不仅能使用目前一般使用的制冷剂作为制冷剂，也能使用CO2、HFC1234yf作为制冷剂。在使用CO2制冷剂的情况下，由于该制冷剂能在更高的高温、高压下使用，因此，能足以用于对如上所述的宽带隙半导体元件进行冷却。另外，在使用最近公开的新制冷剂即HFC1234yf的情况下，也能足以用于对功率半导体元件进行冷却。
另外，在本发明的驱动电路一体型电动压缩机中，作为对上述驱动电路的功率半导体元件进行冷却的排出制冷剂气体，例如，既能使用依次流过内置电动机、压缩部(压缩机构部)后的排出制冷剂气体，也能使用依次流过压缩部、内置电动机后的排出制冷剂气体，还能使用在流过压缩部后，将要流过内置电动机部的排出制冷剂气体(例如，如后述实施方式那样，是在使用流过压缩部后，在形成于内置电动机的定子与驱动电路外壳之间的排出气体通路流动的排出制冷剂气体)。
此外，本发明的驱动电路一体型电动压缩机特别好的是例如涡旋式压缩机。也就是说，在使用涡旋式压缩机，能将电动机驱动电路容易地配置于排出制冷剂气体的通路附近，从而能对电动机驱动电路的功率半导体元件高效地进行冷却。
此外，本发明的驱动电路一体型电动压缩机特别好的是装设于车辆的压缩机。能用简单的结构且不引起重量的实质增加，由此实现高效的功率半导体元件的冷却结构。其中，尤其以设于车用空调装置的制冷回路的压缩机为佳。
发明效果
根据本发明的驱动电路一体型电动压缩机，由于利用排出制冷剂气体来冷却功率半导体元件，因此，不会像现有方式那样使得吸入制冷剂气体在被压缩、排出之前的气体温度的上升，从而能实现较高的压缩效率，并能提高压缩机的性能系数(COP)。尤其在使用宽带隙功率半导体元件作为功率半导体元件的情况下，能利用排出制冷剂气体来高效地对该功率半导体元件进行冷却。
另外，由于不会使得吸入制冷剂气体在被压缩、排出之前的气体温度上升，因此，能提高压缩机的耐久性和寿命。此外，由于吸入制冷剂气体也可不流过现有结构那样的用于进行冷却的热交换室，因此，能减少压力损失。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的驱动电路一体型电动压缩机的示意纵剖视图。
图2是图1的压缩机的电动机驱动电路及控制电路的电路图。
图3是本发明第二实施方式的驱动电路一体型电动压缩机的示意纵剖视图。
图4是本发明第三实施方式的驱动电路一体型电动压缩机的示意纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的理想的实施方式进行说明。
图1表示本发明第一实施方式的驱动电路一体型电动压缩机100。在图1中，符号1表示驱动电路外壳，符号2表示压缩部外壳，符号3表示吸入外壳，在本实施方式中，在吸入外壳3内设置有由定子4、转子5、电动机绕组6构成的电动机13。利用该电动机13来驱动被轴承23支承成能自由旋转的驱动轴7旋转，从而使压缩部8(压缩机构部)工作。压缩部8例如构成为涡旋式。
在压缩机100内形成有如箭头所示的制冷剂气体的通路，制冷剂气体从形成于吸入外壳3的吸入口9被吸入，并流过电动机部，当在压缩机8中被压缩后，该制冷剂气体从形成于驱动电路外壳1的排出口10排出至外部回路。符号11表示密封端子A，符号12表示密封端子B，它们与导线24一起将来自电动机驱动电路30的电能供给至电动机13，
电动机驱动电路30具有功率半导体元件15，功率半导体元件15设于功率电路基板14上。在本实施方式中，使用宽带隙功率半导体元件作为该功率半导体元件15。功率电路基板14隔着绝缘材16固定于供排出制冷剂气体流过的部位的驱动电路外壳1内的壁26上，利用流过排出室25的排出制冷剂气体，可使功率电路基板14上的功率半导体元件15得到冷却。为了提高冷却效率，功率电路基板14和绝缘材16由高热传导性的陶瓷等构成。
符号17表示用于对电动机驱动电路30进行控制的控制电路用的基板，在该控制电路基板17上设有构成控制电路的微控制器18。通过连接器22从外部电源供电，接着经由噪声滤波器20、平滑电容器19供电至电动机驱动电路30。这些电路部被盖21覆盖，与外部隔离。此外，在本实施方式中，在功率电路基板14上配置有低热传导性的绝缘树脂27，并用该树脂27覆盖功率半导体元件15，从而能防止从功率半导体元件15向其他电子元器件的热辐射。图1中的符号28表示用于将各外壳彼此连结的螺栓。
电动机驱动电路30及其控制电路例如是如图2所示构成的。在图2中，在电动压缩机100中设有如上所述的电动机驱动电路30，通过密封端子11将电动机驱动电路30的输出供电至内置电动机13的各电动机绕组6，从而能驱动电动机13旋转，由此进行压缩部8的压缩。在该电动机驱动电路30中，通过高压用连接器22供给来自外部电源42(例如，电池)的电能，该电能经由内置有线圈及电容的噪声滤波器20、平滑电容19而供给至逆变器41，并在逆变器41中将来自电源42的直流电变换成近似三相交流电(日语：疑似三相交流)后，将其供给至电动机13。例如，将对压缩机进行控制的信号从车辆的空调控制装置44经由控制信号用连接器43供给至电动机控制电路45。在上述逆变器41中设有三组总计六个功率半导体元件15，这些功率半导体元件15由宽带隙半导体即肖特基势垒二极管SiC-SBD47和SiC-MOSFET46构成。在后述的第二实施方式、第三实施方式的驱动电路一体型电动压缩机中，也能使用相同的电动机驱动电路及控制电路。
在这样构成的本实施方式中，功率半导体元件15如下所述那样地被有效地冷却。如上所述，由于现有Si功率半导体的最高动作温度约为150℃，而宽带隙功率半导体的最高动作温度则在200℃以上，因此，不利用吸入制冷剂气体，一般在100℃～200℃之间的前半段温度、即排出制冷剂气体温度便能充分冷却。所以，能防止因现有冷却方式而引起的吸入制冷剂气体温度上升，从而能实现压缩效率的提高。另外，能通过抑制吸入制冷剂气体温度上升来实现压缩机内各部分的寿命的提高。此外，由于不必特别地形成用于供吸入制冷剂气体进行功率半导体元件冷却的气体通路，因此，也能实现压力损失的降低。
另外，如上所述，由于在宽带隙功率半导体中元件的导通电阻较小且开关损失较小，而使由元件自身产生的热也较少，因此，也可使宽带隙功率半导体的冷却用的热量比Si功率半导体的冷却用的热量少。因此，即使用排出制冷剂气体也能充分地进行冷却。
另外，如本实施方式这样，通过用热传导性较低的树脂27来覆盖功率半导体元件15，从而不会对例如安装于控制电路基板17上的电子元器件、平滑电容19、噪声滤波器20带来热辐射，由此来防止温度上升，并能确保这些电子元器件的正确工作。此外，虽未图示，但在功率半导体元件15与控制电路基板17之间用热屏蔽板隔开的方法也是有效的。
另外，在本实施方式的结构中，无需考虑吸入制冷剂气体的通路，由于吸入口9的位置不受限制，因此，能提高设计的自由度，从而也能容易地安装到车辆。
此外，如上所述，由于宽带隙半导体元件的耐热温度较高，因而，无需产生不必要的低温作为冷却源，从而可提高冷却回路系统的总效率。另外，当电动机13中使用钕磁铁作为转子时，磁铁会因温度上升而减磁，但在用现有的吸入制冷剂气体对功率半导体元件进行冷却时，吸入制冷剂气体温度因热交换而上升，然后，可能会因流过电动机而使磁铁减磁，但该问题也被解决了。
图3表示本发明第二实施方式的驱动电路一体型电动压缩机200。在本实施方式中，从吸入口9被吸入的制冷剂气体经由吸入气体室31而被直接导入压缩部8中，并流过电动机13，对功率半导体元件15进行冷却，再从排出口10被排出。由于电动机13的磁体暴露于排出制冷剂气体中，因而，较为理想的是，不使用具有高温减磁特性的钕磁铁，而是使用具有低温减磁特性的铁氧体磁体等。另外，使用不包括无需担心减磁的磁铁的电动机(感应电动机、开关磁阻电动机(switched reluctance motor)等)也是较为理想的。其他的结构与上述第一实施方式的结构一致。
在这样的结构中，由于吸入制冷剂气体在流过电动机13之前直接进入压缩部8中，因而，没有被加热。因此，能进一步提高压缩效率。另外，由于吸入制冷剂气体不流过电动机13而是直接进入压缩部8，因此，不会实质产生这期间的压力损失。
图4表示本发明第三实施方式的驱动电路一体型电动压缩机300。在本实施方式中，在电动机13的径向上装设有驱动电路，从压缩部8排出的排出制冷剂气体流过形成于电动机13的定子4与驱动电路外壳32之间的排出气体通路33，从而能对电动机驱动电路的功率半导体元件15进行冷却。在驱动电路外壳32上组装有驱动电路，在驱动电路外壳32内组装有电动机13。在吸入外壳3内组装有压缩部8，吸入制冷剂气体进入吸入气体室26，并被送至压缩部8。其他的结构与上述第一实施方式的结构一致。
在这样的结构中，不仅能获得对功率半导体元件15的优异的冷却效果，而且能使电动压缩机300的轴向长度变短，从而可提高装设于车辆的装设性。
在图1、图3、图4中均表示了功率半导体元件装设于高热传导性的电路基板上的结构，不过，虽未图示，但即便将离散型宽带隙功率半导体元件直接安装于压缩机的壁上，不用说也能获得相同的效果。
工业上的可利用性
本发明的驱动电路一体型电动压缩机的结构能适用于组装有功率半导体元件的所有电动压缩机，尤其适用于装设于车辆的压缩机，其中，优选地适用于车辆空调装置用压缩机。
符号说明
1 驱动电路外壳
2 压缩部外壳
3 吸入外壳
4 定子
5 转子
6 电动机绕组
7 驱动轴
8 压缩部
9 吸入口
10 排出口
11、12 密封端子
13 电动机
14 功率电路基板
15 功率半导体元件
16 绝缘材
17 控制电路基板
18 微控制器
19 平滑电容
20 噪声滤波器
21 盖
22 连接器
23 轴承
24 导线
25 排出室
26 壁
27 树脂
28 螺栓
30 电动机驱动电路
31 吸入气体室
32 驱动电路外壳
33 排出气体通路
41 逆变器
42 外部电源
43 控制信号用连接器
44 空调控制装置
45 电动机控制电路
46 SiC-MOSFET
47 SiC-SBD
100、200、300 驱动电路一体型电动压缩机
Claims (13)
1.一种驱动电路一体型电动压缩机，一体地组装有具有功率半导体元件的电动机驱动电路，其特征在于，
用排出制冷剂气体对所述驱动电路的功率半导体元件进行冷却。
2.如权利要求1所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
所述功率半导体元件是宽带隙半导体元件。
3.如权利要求1或2所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
所述功率半导体元件设于高热传导性的电路基板上，该电路基板的背面隔着压缩机的壁而被排出制冷剂气体冷却。
4.如权利要求1至3中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
用低热传导性的树脂来覆盖所述功率半导体元件。
5.如权利要求1至4中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
在所述功率半导体元件与其他电子元器件之间设有低热传导性的热屏蔽构件。
6.如权利要求1至5中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
所使用的制冷剂是CO2。
7.如权利要求1至5中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
所使用的制冷剂是HFC1234yf。
8.如权利要求1至7中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
对所述驱动电路的功率半导体元件进行冷却的排出制冷剂气体是依次流过内置电动机、压缩部后的排出制冷剂气体。
9.如权利要求1至7中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
对所述驱动电路的功率半导体元件进行冷却的排出制冷剂气体是依次流过压缩部、内置电动机后的排出制冷剂气体。
10.如权利要求1至7中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
对所述驱动电路的功率半导体元件进行冷却的排出制冷剂气体是在流过压缩部后，将要流过内置电动机部的排出制冷剂气体。
11.如权利要求1至10中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
所述驱动电路一体型电动压缩机是涡旋式压缩机。
12.如权利要求1至11中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
驱动电路一体型电动压缩机是装设于车辆的压缩机。
13.如权利要求1至12中任一项所述的驱动电路一体型电动压缩机，其特征在于，
驱动电路一体型电动压缩机是设于车用空调装置的制冷回路的压缩机。
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