JP2001275360A - コンバータ装置および冷凍サイクル装置 - Google Patents

コンバータ装置および冷凍サイクル装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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回路のリアクトルは、
発熱量やサイズが大きいため周囲温度を上昇させ部品劣
化を早めたり、配置や構造設計制約や基板実装ができな
いといった課題。 【解決手段】 リアクトル２を少なくとも２個以上に分
割し、並列接続することで基板実装サイズまで小型化
し、半導体スイッチング素子１などが実装される放熱手
段５を備えた熱伝導性基板１４上もしくは基板近傍に配
置し、リアクトル２と熱伝導性基板１４間を熱伝導性、
絶縁性が良い樹脂やゲル状の物質１５などで封入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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
ータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の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、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】この発明に係るコンバー
タ装置は、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
子などが実装される放熱手段を備えた熱伝導性基板上も
しくは基板近傍に配置し、リアクトルと熱伝導性基板間
を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半導体素
子を冷却する放熱手段により冷却するものである。
【００１０】また、前記リアクトルを少なくとも２個以
上の並列接続としたものである。
【００１１】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
入したものである。
【００１２】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対策材料を混入したもの
である。
【００１３】また、半導体素子が実装される熱伝導性基
板上に温度検出手段を備えたものである。
【００１４】また、この発明に係る冷凍サイクル装置は
上記何れかに記載のコンバータ装置を備えたものであ
る。
【００１５】また、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リ
アクトルと、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ある。
【００１６】
【発明の実施の形態】この発明に係るコンバータ装置
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 MagneticCompatibility)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２
３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、５
０Ａ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ＰＷ
Ｍ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、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
素子などが実装される放熱手段を備えた熱伝導性基板上
もしくは基板近傍に配置し、リアクトルと熱伝導性基板
間を熱伝導性、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も半導体素子
を冷却する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
ルのはんだ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Ｒ２
２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、１
４．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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 勝彦 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA05 BB08 BF01 5H006 AA01 AA02 BB05 CA02 CA07 CA11 CB01 CB08 CC08 DC08 HA01 HA84

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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
    素子などが実装される放熱手段を備えた熱伝導性基板上
    もしくは基板近傍に配置し、リアクトルと熱伝導性基板
    間を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半導体
    素子を冷却する放熱手段により冷却することを特徴とす
    るコンバータ装置。
  2. 【請求項２】 前記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を特徴とする請求項１記載のコンバ
    ータ装置。
  3. 【請求項３】 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
    たことを特徴とする請求項１記載のコンバータ装置。
  4. 【請求項４】 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対策材料を混入したことを特
    徴とする請求項１記載のコンバータ装置。
  5. 【請求項５】 半導体素子が実装される熱伝導性基板上
    に温度検出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載
    のコンバータ装置。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５の何れかに記載のコンバ
    ータ装置を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  7. 【請求項７】 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Ｒ２
    ２よりも高圧の冷媒を用いたことを特徴とする冷凍サイ
    クル装置。
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