JP2008061374A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイドギャップ半導体素子が低耐熱性部品に熱的な悪影響を及ぼすことを防止しつつ、熱電発電モジュールによって電力変換部の熱を効果的に電力に変換する。
【解決手段】インバータ本体（20）の基板を、ＳｉＣ素子で構成されるＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）が実装された高温基板（62）と、該高温基板（62）と熱的に絶縁され、Ｓｉ素子で構成される整流ダイオード（32）が実装された低温基板（63）とに分割する。熱電発電モジュール（7）を、高温基板（62）に熱的に接続された高温側熱電発電モジュール（7A）と低温基板（63）に熱的に接続された低温側熱電発電モジュール（7B）とに分割する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換部と、該電力変換部に熱的に接続され、該電力変換部の熱を電力に変換する熱電発電モジュールとを備えた電力変換装置に関するものである。

従来より、熱電発電素子を有する熱電発電モジュールを電力変換部に対して熱的に接続して、該電力変換部の発熱を熱電発電素子により電力に変換して回収する電力変換装置が知られている。

例えば、特許文献１に係る電力変換装置としてのインバータ装置は、電力変換部としてのインバータ本体に熱電発電モジュールを取り付け、該熱電発電モジュールでインバータ本体の熱を電力として回収している。
特開２００４−３４３９２４号公報

前記熱電発電素子は該熱電発電素子に作用する温度差に応じて発電するものである。そのため、熱電発電素子により大きな温度差が作用するように熱電発電モジュールを配置する必要がある。しかしながら、前記特許文献１に係るインバータ装置では、熱電発電モジュールをインバータ本体のケーシングに単に取り付けているだけであり、さらなる改良の余地がある。

一方、近年、高出力・高周波電子デバイスに対する要望からＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子の研究が行われており、かかるワイドギャップ半導体素子が実用化されつつある。そのような状況の中、電力変換装置の分野においてもワイドギャップ半導体素子の応用が望まれている。

ところが、このＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子の動作温度は、Ｓｉ等の従来の半導体素子の動作温度が１００℃前後であるのに対し、２００〜３００℃と非常に高くなっている。そのため、ワイドギャップ半導体素子と該ワイドギャップ半導体よりも低耐熱性の低耐熱性部品とを同一の基板上に実装すると低耐熱性部品を破損する等、熱的に種々の問題を生じる虞がある。

つまり、前述の如く、熱電発電モジュールをより効果的に配置する際には、ワイドギャップ半導体素子が低耐熱性部品に与える熱的な影響も考慮する必要がある。特に、熱電発電モジュールを介してワイドギャップ半導体素子の熱が低耐熱性部品に伝導しないようにする必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ワイドギャップ半導体素子が低耐熱性部品に熱的な悪影響を及ぼすことを防止しつつ、熱電発電モジュールによって電力変換部の熱を効果的に電力に変換することにある。

本発明は、ワイドギャップ半導体素子（41,42）と低耐熱性部品（32）を熱的に絶縁された別々の基板に実装すると共に、各基板に別々の熱電発電モジュール（7A,7B,307A,307B）を設けるようにしたものである。

詳しくは、第１の発明は、ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも耐熱温度が低い低耐熱性部品（32）が実装された基板を有する電力変換部（20）と、該電力変換部（20）に熱的に接続され、該電力変換部（20）の熱を電力に変換する熱電発電モジュール（7,307）とを備えた電力変換装置が対象である。そして、前記基板は、前記ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と、該高温基板（62）と熱的に絶縁され、前記低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とを有しており、前記熱電発電モジュール（7,307）は、前記高温基板（62）に熱的に接続された高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と、前記低温基板（63）に熱的に接続された低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とに分割されているものとする。

ここで、「ワイドギャップ半導体」とは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体や炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等の、バンドギャップがシリコン（Ｓｉ）よりも大きな半導体を意味する。

また、「熱的に絶縁」とは、実質的に絶縁されていればよく、熱が全く伝わらないということまで必要ではない。すなわち、「絶縁」とは、ワイドギャップ半導体素子（41,42）から低耐熱性部品（32）への熱の伝達が、低耐熱性部品（32）の耐熱性に影響を与えない程度に抑制されている状態であればよい。

前記の構成の場合、前記基板を、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された前記高温基板（62）と、該ワイドギャップ半導体よりも低耐熱性の低耐熱性部品（32）が実装された前記低温基板（63）とで熱的に絶縁することによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が基板を介して低耐熱性部品（32）へ伝わることを防止することができる。

また、熱電発電モジュール（7,307）を高温及び低温基板（62,63）に熱的に接続することによってワイドギャップ半導体素子（41,42）及び低耐熱性部品（32）が発する熱を該熱電発電モジュール（7,307）へ効率良く伝導させて、効果的に発電を行うことができる。

ところで、熱電発電モジュール（7,307）を基板に熱的に接続する構成においては、高温基板（62）上のワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が、該熱電発電モジュール（7,307）を介して低温基板（63）上の低耐熱性部品（32）へ伝導する虞がある。

そこで、本発明では、熱電発電モジュール（7,307）を高温基板（62）に熱的に接続される高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温基板（63）に熱的に接続される低温側熱電発電モジュール（7B,307B）との分割構造にしている。こうすることによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が熱電発電モジュール（7,307）を介して低耐熱性部品（32）へ伝わることを防止することができる。その結果、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が低耐熱性部品（32）に悪影響を及ぼすことを防止しつつ、電力変換部（20）の熱を電力として効果的に回収することができる。

さらに、熱電発電モジュール（7,307）を高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）との分割構造にすることによって、各熱電発電モジュール（7A,307A,7B,307B）を、ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び低耐熱性部品（32）のそれぞれの動作温度に応じて最適化することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）に熱的に接続された高温側放熱手段（8A）と、前記低温側熱電発電モジュール（7B,307B）に熱的に接続された低温側放熱手段（8B）とをさらに備えているものとする。

前記の構成の場合、前記熱電発電モジュール（7,307）に熱的に接続された放熱手段を、前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）に熱的に接続された高温側放熱手段（8A）と前記低温側熱電発電モジュール（7B,307B）に熱的に接続された低温側放熱手段（8B）との分割構造にすることによって、放熱手段（8）を高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とそれぞれに応じて設計して、最適な放熱構造を実現することができる。また、放熱手段（8）を高温側と低温側とで分割して構成することによって、放熱手段（8）を介して高温側熱電発電モジュール（7A,307A）から低温側熱電発電モジュール（7B,307B）へ熱が伝達することを確実に防止することができる。

第３の発明は、第１の発明において、前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）及び前記低温側熱電発電モジュール（7B,307B）の両方に熱的に接続された一体型放熱手段（208）をさらに備えているものとする。

前記の構成の場合、熱電発電モジュール（7,307）が前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）との分割構造であっても、放熱手段を該高温側熱電発電モジュール（7A,307A）及び低温側熱電発電モジュール（7B,307B）の両方に熱的に接続される一体型放熱手段（208）とすることによって、放熱手段（208）の製造コストを削減すると共に、組立性を向上させることができる。

尚、高温側熱電発電モジュール（7A,307A）から一体型放熱手段（208）へ伝導した熱は、ほとんどが一体型放熱手段（208）を介して放熱されるため、該一体型放熱手段（208）を介して低温側熱電発電モジュール（7B）へ伝導することをほとんどない。つまり、一体型放熱手段（208）を高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とに跨って接続したとしても、両者の間で熱的な影響は実質的にはほとんどなく、高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とは、実質的に、熱的に絶縁された状態のままである。

また、別の本発明は、ワイドギャップ半導体素子（41,42）と低耐熱性部品（32）を熱的に絶縁された別々の基板に実装すると共に、熱電発電モジュール（407）をワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された基板に設け、該熱電発電モジュール（407）を低耐熱性部品（32）が実装された基板に熱的に接続しないようにしたものである。

詳しくは、第４の発明は、ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも耐熱温度が低い低耐熱性部品（32）が実装された基板を有する電力変換部（20）と、該電力変換部（20）に熱的に接続され、該電力変換部（20）の熱を電力に変換する熱電発電モジュール（407）とを備えた電力変換装置が対象である。そして、前記基板は、前記ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と、該高温基板（62）と熱的に絶縁され、前記低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とを有しており、前記熱電発電モジュール（407）は、前記低温基板（63）には熱的に接続されておらず、前記高温基板（62）に熱的に接続されているものとする。

前記の構成の場合、前記基板を、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された前記高温基板（62）と、該ワイドギャップ半導体よりも低耐熱性の低耐熱性部品（32）が実装された前記低温基板（63）とに熱的に絶縁することによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が基板を介して低耐熱性部品（32）へ伝わることを防止することができる。

また、熱電発電モジュール（407）を高温基板（62）に熱的に接続することによってワイドギャップ半導体素子（41,42）が発する熱を該熱電発電モジュール（407）へ効率良く伝導させて、効果的に発電を行うことができる。

ところで、前述の如く、熱電発電モジュール（407）を基板に熱的に接続する構成においては、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が該熱電発電モジュール（7,307）を介して低耐熱性部品（32）へ伝導する虞がある。

そこで、本発明では、熱電発電モジュール（407）を高温基板（62）に熱的に接続し、低温基板（63）には熱的に接続しないようにしている。こうすることによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が熱電発電モジュール（407）を介して低耐熱性部品（32）へ伝わることを防止することができる。その結果、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が低耐熱性部品（32）に悪影響を及ぼすことを防止しつつ、電力変換部（20）の熱を電力として効果的に回収することができる。

さらに、熱電発電モジュール（407）を、低温基板（63）には接続せず、高温基板（62）にのみ接続することによって、該熱電発電モジュール（407）をワイドギャップ半導体素子（41,42）の動作温度に応じて最適化することができる。すなわち、第４の発明は、第１の発明と同様の作用効果を奏することができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記熱電発電モジュール（407）に熱的に接続された高温側放熱手段（8A）と、前記低温基板（63）に熱的に接続された低温側放熱手段（8B）とをさらに備えているものとする。

前記の構成の場合、前記熱電発電モジュール（407）及び低温基板（63）に、前記高温側放熱手段（8A）と低温側放熱手段（8B）とをそれぞれ別々に設けることによって、放熱手段（8）を熱電発電モジュール（407）と低温基板（63）とそれぞれに応じて設計して、最適な放熱構造を実現することができる。また、放熱手段を高温側と低温側とで分割して構成することによって、放熱手段（8）を介して熱電発電モジュール（407）から低温基板（63）へ熱が伝達することを防止することができる。

第６の発明は、第４の発明において、前記熱電発電モジュール（407）及び前記低温基板（63）の両方に熱的に接続された一体型放熱手段（208）をさらに備えているものとする。

前記の構成の場合、前記高温基板（62）及び熱電発電モジュール（407）と前記低温基板（63）とが熱的に絶縁された構成であっても、放熱手段（208）を該熱電発電モジュール（407）及び低温基板（63）の両方に熱的に接続される一体型放熱手段（208）とすることによって、放熱手段（208）の製造コストを削減すると共に、組立性を向上させることができる。

尚、熱電発電モジュール（407）から一体型放熱手段（208）へ伝導した熱は、ほとんどが一体型放熱手段（208）を介して放熱されるため、該一体型放熱手段（208）を介して低温基板（63）へ伝導することをほとんどない。つまり、一体型放熱手段（208）を熱電発電モジュール（407）と低温基板（63）とに跨って接続したとしても、両者の間で熱的な影響は実質的にはほとんどなく、熱電発電モジュール（407）と低温基板（63）とは、実質的に、熱的に絶縁された状態のままである。

本発明によれば、電力変換部（20）の基板を、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも低耐熱性の低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とで熱的に絶縁して構成すると共に、互いに分割された前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とをそれぞれ高温基板（62）と低温基板（63）とに別々に接続することによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が基板及び熱電発電モジュール（7,307）を介して低耐熱性部品（32）へ伝達することを防止しつつ、電力変換部（20）の熱を電力として効果的に回収することができる。それに加えて、熱電発電モジュール（7,307）を分割構造にすることによって、各熱電発電モジュールを、ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び低耐熱性部品（32）のそれぞれの動作温度に応じて最適化することができる。

第２の発明によれば、熱電発電モジュール（7,307）に接続される放熱手段（8）を高温側と低温側との分割構造にすることによって、各放熱手段（8A,8B）を高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とそれぞれに応じて最適化することができる。また、放熱手段（8）を介して高温側から低温側へ熱が伝達することを防止することができる。

第３の発明によれば、放熱手段（208）を該高温側熱電発電モジュール（7A,307A）及び低温側熱電発電モジュール（7B,307B）の両方に熱的に接続される一体型放熱手段（208）とすることによって、放熱手段（205）の製造コストを削減すると共に、組立性を向上させることができる。

また、別の本発明によれば、電力変換部（20）の基板を、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも低耐熱性の低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とで熱的に絶縁して構成すると共に、前記熱電発電モジュール（407）を低温基板（63）には熱的に接続せず、高温基板（62）に熱的に接続することによって、ワイドギャップ半導体素子（41,42）の熱が基板及び熱電発電モジュール（407）を介して低耐熱性部品（32）へ伝達することを防止しつつ、電力変換部（20）の熱を電力として効果的に回収することができる。それに加えて、熱電発電モジュール（407）を低温基板（63）には接続せず、高温基板（62）に熱的に接続することによって、熱電発電モジュール（407）をワイドギャップ半導体素子（41,42）の動作温度に応じて最適化することができる。

第５の発明によれば、放熱手段（8）を熱電発電モジュール（407）に接続される高温側放熱手段（8A）と低温基板（63）に接続される低温側放熱手段（8B）との分割構造にすることによって、各放熱手段（8A,8B）を熱電発電モジュール（407）と低温基板（63）とそれぞれに応じて最適化することができる。また、放熱手段（8）を介して高温側から低温側へ熱が伝達することを防止することができる。

第６の発明によれば、放熱手段を該熱電発電モジュール（407）及び低温基板（63）の両方に熱的に接続される一体型放熱手段（208）とすることによって、放熱手段の製造コストを削減すると共に、組立性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態に係る電力変換装置としてのインバータ装置を図１に示す。このインバータ装置（2）は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置（1）に設けられている。空気調和装置（1）は、冷媒回路（10）を備えている。この冷媒回路（10）では、冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。本実施形態では、冷媒回路（10）は、いわゆるフロン冷媒が充填されている。

前記冷媒回路（10）には、圧縮機（11）と室内熱交換器（12）と膨張弁（13）と室外熱交換器（14）と四路切換弁（15）とが接続されている。圧縮機（11）は、ロータリー型の圧縮機であって、インバータ装置（2）によって駆動制御されている。室内熱交換器（12）は、室内ファン（16）と共に室内に設置されている。室内熱交換器（12）では、冷媒と室内空気との間で熱交換が行われ、熱交換後の空気が室内ファン（16）によって室内へ供給される。室外熱交換器（14）は、室外ファン（17）と共に室外に設置されている。室外熱交換器（14）では、冷媒と室外空気との間で熱交換が行われ、熱交換後の空気は室外ファン（17）によって室外へ排出される。膨張弁（13）は、冷媒を減圧する減圧手段であり、例えば電子膨張弁で構成されている。四路切換弁（15）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（15）は、第１ポートが圧縮機（11）の吐出側と、第２ポートが室内熱交換器（12）と、第３ポートが圧縮機（11）の吸入側と、第４ポートが室外熱交換器（14）とそれぞれ繋がっている。四路切換弁（15）は、第１ポートと第２ポートとが繋がると同時に第３ポートと第４ポートとが繋がる状態（図１の実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートとが繋がると同時に第２ポートと第３ポートとが繋がる状態（図１の破線で示す状態）とに設定が切り換わるように構成されている。

前記インバータ装置（2）は、商用電源を直流に変換した後、その直流を所望の周波数の交流に変換して出力するインバータ本体（20）と、該インバータ本体（20）が発する熱を電力として回収する熱電発電モジュール（7）と、該熱電発電モジュール（7）に熱的に接続されて、該熱電発電モジュール（7）を冷却するヒートシンク（8）とを有している。

前記インバータ本体（20）は、商用電源を直流に変換するコンバータ部（3）と、コンバータ部（3）で整流した直流を交流に変換して圧縮機（11）のモータ（図示省略）に供給するインバータ部（4）と、該インバータ部（4）を制御する制御部（5）とを有する。このインバータ本体（20）が電力変換部を構成する。

詳しくは、前記コンバータ部（3）は、図２に示すように、商用電源からノイズを除去するフィルタ（31）と、４つの整流ダイオード（32,32,…）で構成され、フィルタ処理後の交流を整流するための整流回路部（33）と、コンデンサ（34）で構成され、整流された直流を平滑化する平滑回路部（35）とを有している。前記整流ダイオード（32,32,…）はＳｉ素子で構成されている。

前記インバータ部（4）は、三相インバータであって、６個のＩＧＢＴ（41,41,…）と、各ＩＧＢＴ（41）に並列に接続される６個の帰還ダイオード（42,42,…）とを有している。前記ＩＧＢＴ（41,41,…）及び帰還ダイオード（42,42,…）はＳｉＣ素子で構成されている。

前記制御部（5）は、前記ＩＧＢＴ（41,41,…）を駆動するためのドライバ（51）と、該ドライバ（51）に電力を供給する電源（52）と、該ドライバ（51）を制御するマイコン（53）と、モータ電流やモータの回転子の位置等を検出するためのセンサ回路部（54）とを有する。つまり、マイコン（53）は、センサ回路部（54）からの信号に基づいてドライバ（51）を駆動制御する。

このように構成されたインバータ本体（20）は、制御部（5）がインバータ部（4）を制御することによって、コンバータ部（3）で商用電源から整流した直流を、所望の周波数の交流に変換して前記圧縮機（11）のモータへ供給する。こうして、インバータ本体（20）は、圧縮機（11）を駆動制御している。

このインバータ本体（20）は、図３に示すように、１つのケーシング（60）内に収容されている。

前記ケーシング（60）は樹脂製であり、その内部には、前記制御部（5）を構成する部品が実装された制御用プリント基板（61）と、インバータ部（4）のＩＧＢＴ（41）（図３では１つのみ図示）及び帰還ダイオード（42）（図３では１つのみ図示）が実装された高温基板（62）と、コンバータ部（3）の整流ダイオード（32）（図３では１つのみ図示）が実装された低温基板（63）とが配設されいる。

前記高温及び低温基板（62,63）は、セラミック基板で構成されている。高温及び低温基板（62,63）は、その表面にはパターン（65）が積層されている。そして、ＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）と整流ダイオード（32）とは、それぞれ高温及び低温基板（62,63）の該パターン（65）上に実装されている。

これら高温及び低温基板（62,63）は、物理的に分離された別々の基板であって、前記ケーシング（60）の底部に互いに分離して嵌め込まれている。つまり、高温基板（62）と低温基板（63）とは、熱的に絶縁された状態となっている。尚、高温基板（62）及び低温基板（63）は、リード線等によって電気的に接続されている。

また、高温基板（62）及び低温基板（63）は、前記ＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）が実装された表面がケーシング（60）内を向き、その裏面がケーシング（60）外に露出するようにして、ケーシング（60）の底部に嵌め込まれている。そして、ケーシング（60）内には樹脂（67）が封入されており、高温及び低温基板（62,63）上に実装された部品は、該樹脂（67）により外部環境から保護されている。

前記制御用プリント基板（61）は、ケーシング（60）の上部において、該ケーシング（60）に蓋をするような状態で取り付けられている。この制御用プリント基板（61）は、ケーシング（60）に設けられたリードフレーム（66）を介してと高温基板（62）と電気的に接続されている。

そして、ケーシング（60）から露出している高温及び低温基板（62,63）の裏面には、前記熱電発電モジュール（7）が取り付けられている。

詳しくは、熱電発電モジュール（7）は、高温基板（62）に取り付けられる高温側熱電発電モジュール（7A）と、低温基板（63）に取り付けられる低温側熱電発電モジュール（7B）とを有する。

前記高温側及び低温側熱電発電モジュール（7A,7B）はそれぞれ、互いに対向する第１セラミック基板（71）及び第２セラミック基板（72）と、該第１及び第２セラミック基板（71,72）の間に設けられた、複数の熱電発電素子（73,73,…）とを有している。この複数の熱電発電素子（73,73,…）は、電極を介して、それぞれが直列に接続されている。そして、第１セラミック基板（71）と第２セラミック基板（72）との間はシール部材（74）で封止されており、こうすることで、熱電発電素子（73,73,…）が外部環境、特に湿気から保護されている。

尚、高温側熱電発電モジュール（7A）は、低温側熱電発電モジュール（7B）よりも多くの熱電発電素子（73,73,…）を有していて、より多くの熱を電力に変換できるように構成されている。

これら高温側及び低温側熱電発電モジュール（7A,7B）は、第１セラミック基板（71,71）をそれぞれ、ケーシング（60）の底面から露出する高温基板（62）の裏面及び低温基板（63）の裏面に取り付けることによって、インバータ本体（20）に取り付けられている。

また、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とは、高温及び低温基板（62,63）と同様に、物理的に分離していて、熱的に絶縁された状態となっている。尚、高温側及び低温側熱電発電モジュール（7A,7B）はリード線（図示省略）を介して電気的に接続されている。

そして、前記ヒートシンク（8）は、高温側及び低温側熱電発電モジュール（7A,7B）の第２セラミック基板（72,72）に取り付けられている。

詳しくは、ヒートシンク（8）は、高温側熱電発電モジュール（7A）の第２セラミック基板（72）に取り付けられる高温側ヒートシンク（8A）と、低温側熱電発電モジュール（7B）の第２セラミック基板（72）に取り付けられる低温側ヒートシンク（8B）とを有している。これら高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）とは、前記高温側及び低温側熱電発電モジュール（7A,7B）と同様に、物理的に分離していて、熱的に絶縁された状態となっている。この高温側ヒートシンク（8A）が高温側放熱手段を、低温側ヒートシンク（8B）が低温側放熱手段を構成する。

前記インバータ装置（2）は、前記圧縮機（11）、膨張弁（13）、室外熱交換器（14）及び室外ファン（17）と共に室外機（図示省略）内に収容されるが、室外ファン（17）による送風が前記高温側及び低温側ヒートシンク（8A,8B）に当たるように配置される。こうすることで、ヒートシンク（8）の冷却能力を向上させている。

このように構成されたインバータ装置（2）は、圧縮機（11）を駆動すべく作動すると、ＩＧＢＴ（41,41,…）、帰還ダイオード（42,42,…）及び整流ダイオード（32,32,…）等のパワー素子が発熱して高温となる。特に、ＩＧＢＴ（41,41,…）及び帰還ダイオード（42,42,…）はＳｉＣ素子で構成されており、その動作温度は２００〜３００℃に達する。

これらＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）が発する熱は、高温基板（62）及び高温側熱電発電モジュール（7A）の第１セラミック基板（71）を介して熱電発電素子（73,73,…）へ伝導する。その一方で、高温側熱電発電モジュール（7A）の第２セラミック基板（72）は、該第２セラミック基板（72）に取り付けられた高温側ヒートシンク（8A）によって冷却されている。その結果、高温側熱電発電モジュール（7A）の熱電発電素子（73,73,…）には、第１セラミック基板（71）側を高温側とし、第２セラミック基板（72）側を低温側として温度差が作用し、該熱電発電素子（73,73,…）はその温度差に応じた電力を発電する。

同様に、整流ダイオード（32）が発する熱は、低温基板（63）及び低温側熱電発電モジュール（7B）の第１セラミック基板（71）を介して熱電発電素子（73,73,…）へ伝導する一方、低温側熱電発電モジュール（7B）の第２セラミック基板（72）は低温側ヒートシンク（8B）によって冷却されている。その結果、低温側熱電発電モジュール（7B）の熱電発電素子（73,73,…）には、第１セラミック基板（71）側を高温側とし、第２セラミック基板（72）側を低温側として温度差が作用し、該熱電発電素子（73,73,…）はその温度差に応じた電力を発電する。

こうして、熱電発電モジュール（7）によって回収された電力は、図示省略のＤＣ／ＤＣコンバータにより所定の電圧に調整された後、コンバータ部（3）の出力側に戻される。

したがって、実施形態１によれば、ＳｉＣ素子で構成される、ＩＧＢＴ（41,41,…）及び帰還ダイオード（42,42,…）等のワイドギャップ半導体素子を高温基板（62）に実装する一方、Ｓｉ素子で構成される整流ダイオード（32,32,…）等の低耐熱性部品を高温基板（62）と熱的に絶縁された低温基板（63）に実装することによって、ワイドギャップ半導体素子の熱が低耐熱性部品に伝導することを防止することができ、ワイドギャップ半導体素子が発する熱によって低耐熱性部品が破損したり、低耐熱性部品を実装する半田が溶融したりすることを防止することができる。

また、ＩＧＢＴ（41,41,…）、帰還ダイオード（42,42,…）及び整流ダイオード（32,32,…）等のパワー素子が発する熱を電力として回収する熱電発電モジュール（7）も、高温及び低温基板（62,63）と同様に、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とに分割して熱的に絶縁することによって、ワイドギャップ半導体素子が発する熱が熱電発電モジュール（7）を介して低耐熱性部品へ伝導することを防止することができる。つまり、ワイドギャップ半導体素子の熱が低耐熱性部品に悪影響を及ぼすことを防止しつつ、インバータ本体（20）の熱を電力として回収することができる。

さらに、熱電発電モジュール（7）を冷却するヒートシンク（8）も、高温及び低温基板（62,63）と同様に、高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）とに分割して熱的に絶縁することによって、ワイドギャップ半導体素子が発する熱がヒートシンク（8）を介して、低耐熱性部品へ伝導することを防止することができる。

また、熱電発電モジュール（7）を、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とに分割することによって、各熱電発電モジュール（7A,7B）をそれぞれワイドギャップ半導体素子と低耐熱性部品との発熱量に対応させて設計することができる。例えば、ワイドギャップ半導体素子が低耐熱性部品よりも多く発熱することに合わせて、前記高温側熱電発電モジュール（7A）には低温側熱電発電モジュール（7B）よりも多くの熱電発電素子（73）を設けることによって、高温側熱電発電モジュール（7A）を低温側熱電発電モジュール（7B）と較べてより多くの熱を電力に変換できるように構成することができる。または、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とで、それぞれワイドギャップ半導体素子と低耐熱性部品との発熱量に対応させて、熱電発電素子（73）のサイズを変更することもできる。

同様に、ヒートシンク（8）を、高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）とに分割することによって、各ヒートシンク（8A,8B）をそれぞれワイドギャップ半導体素子及び低耐熱性部品の発熱量に対応させて設計することができる。例えば、ワイドギャップ半導体素子が低耐熱性部品よりも多く発熱することに合わせて、高温側ヒートシンク（8A）の表面積を低温側ヒートシンク（8B）の表面積よりも広くすることによって、高温側ヒートシンク（8A）を低温側ヒートシンク（8B）と較べてより多くの熱を放熱できるように構成することができる。その結果、高温側熱電発電モジュール（7A）に作用する高温側と低温側との間の温度差を、低温側熱電発電モジュール（7B）に作用する温度差よりも大きくすることができ、より多くの熱を発するワイドギャップ半導体素子からより多くの電力を回収することができる。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２に係る電力変換装置としてのインバータ装置について説明する。

実施形態２に係るインバータ装置（202）は、ヒートシンク（208）の構成が実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

このヒートシンク（208）は、図４に示すように、高温側熱電発電モジュール（7A）の第２セラミック基板（72）と低温側熱電発電モジュール（7B）の第２セラミック基板（72）とに跨って取り付けられる一体型のヒートシンクで構成されている。つまり、ヒートシンク（208）は、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）との両方を冷却する。このヒートシンク（208）が一体型放熱手段を構成する。

したがって、実施形態２によれば、実施形態１の効果に加えて、ヒートシンク（208）を高温側と低温側とで一体化することができるため、製造コストを抑制することができると共に、組立性を向上させることができる。

尚、ヒートシンク（208）は空冷される放熱部材であるため、高温側熱電発電モジュール（7A）からヒートシンク（208）に伝導した熱は、該ヒートシンク（208）を介して低温側熱電発電モジュール（7B）へ伝導することをほとんどなく、ほとんどの熱が空気中に放熱される。つまり、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とに跨ってヒートシンク（208）を設けたとしても、高温側熱電発電モジュール（7A）と低温側熱電発電モジュール（7B）とは熱的に絶縁されたままの状態となる。

《発明の実施形態３》
次に、本発明の実施形態３に係る電力変換装置としてのインバータ装置について説明する。

実施形態３に係るインバータ装置（302）は、図５に示すように、熱電発電モジュール（307）がインバータ本体（20）のケーシング（60）内に収容されている点で実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

前記ケーシング（60）内には、前記高温基板（62）と低温基板（63）とが収容されている。ただし、実施形態１と異なり、高温及び低温基板（62,63）はケーシング（60）から露出することなく、該ケーシング（60）内に完全に収容されている。

そして、前記熱電発電モジュール（307）は、前記高温基板（62）に熱的に接続される高温側熱電発電モジュール（307A）と前記低温基板（63）に熱的に接続される低温側熱電発電モジュール（307B）とを有している。

詳しくは、前記高温側熱電発電モジュール（307A）は、電極を介して高温基板（62）の裏面に取り付けられる複数の熱電発電素子（73,73,…）と、高温基板（62）と対向して設けられ、電極を介して熱電発電素子（73,73,…）が取り付けられる第２セラミック基板（72）とを有している。つまり、熱電発電素子（73,73,…）は、高温基板（62）と第２セラミック基板（72）とで挟持されていて、電極を介して直列に接続されている。

同様に、前記低温側熱電発電モジュール（307B）も、電極を介して低温基板（63）の裏面に取り付けられる複数の熱電発電素子（73,73,…）と、低温基板（63）と対向して設けられ、電極を介して熱電発電素子（73,73,…）が取り付けられる第２セラミック基板（72）とを有している。つまり、熱電発電素子（73,73,…）は、低温基板（63）と第２セラミック基板（72）とで挟持されていて、電極を介して直列に接続されている。

このように構成された高温側及び低温側熱電発電モジュール（307A,307B）は、高温及び低温基板（62,63）と共に、ケーシング（60）内に収容されている。つまり、一体に形成された高温基板（62）及び高温側熱電発電モジュール（307A）と、一体に形成された低温基板（63）及び低温側熱電発電モジュール（307B）とはそれぞれ、第２セラミック基板（72,72）の裏面がケーシング（60）外に露出するようにして、ケーシング（60）内に収容されている。これら高温及び低温基板（62,63）並びに高温側及び低温側熱電発電モジュール（307A,307B）はケーシング（60）内において、共に樹脂（67）で封止されている。

そして、ケーシング（60）から露出する第２セラミック基板（72,72）には、実施形態１と同様にヒートシンク（8）が取り付けられている。すなわち、高温側熱電発電モジュール（307A）の第２セラミック基板（72）の裏面には、高温側ヒートシンク（8A）が熱的に接続される一方、低温側熱電発電モジュール（307B）の第２セラミック基板（72）の裏面には、低温側ヒートシンク（8B）が熱的に接続されている。

こうして、実施形態３においては、高温基板（62）、低温基板（63）及び熱電発電モジュール（307）がケーシング（60）内に収容されて樹脂（67）で封止される一方、ヒートシンク（8）だけがケーシング（60）外に露出している。

したがって、実施形態３によれば、実施形態１の効果に加えて、熱電発電モジュール（307）をケーシング（60）内に収容して、高温及び低温基板（62.63）と共に樹脂（67）で封止することによって、実施形態１に係るシール部材（74）を省略することができる。その結果、熱電発電モジュール（307）の耐環境性を確保しつつ、製造コストを低減させると共に組立性を向上させることができる。

また、前記熱電発電素子（73,73,…）を、実施形態１に係る第１セラミック基板（71,71）を介することなく、高温及び低温基板（62,63）に取り付けることによって、高温及び低温基板（62,63）に実装されたＩＧＢＴ（41）、帰還ダイオード（42）及び整流ダイオード（32）等のパワー素子から熱電発電素子（73,73,…）までの熱抵抗を低減することができ、該パワー素子が発する熱を熱電発電素子（73,73,…）に効率良く伝導させることができる。もちろん、第１セラミック基板（71）を省略することによって、各熱電発電モジュール（307A,307B）の製造コストを低減させると共に組立性を向上させることができる。

尚、実施形態３では、ヒートシンク（8）を高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）とで構成しているが、実施形態２のように、一体型のヒートシンクで構成してもよい。ただし、高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）との分割構造にする方が、高温側熱電発電モジュール（307A）と低温側熱電発電モジュール（307B）との間を確実に熱的に絶縁させることができるため、好ましい。

また、実施形態３では、前述の如く、高温側及び低温側熱電発電モジュール（307A,307B）の第１セラミック基板（71,71）を省略しているが、実施形態１のように、第１セラミック基板（71,71）を設ける構成であってもよい。

《発明の実施形態４》
次に、本発明の実施形態４に係る電力変換装置としてのインバータ装置について説明する。

実施形態４に係るインバータ装置（402）は、図６に示すように、熱電発電モジュール（407）が高温基板（62）にのみ取り付けられる点で実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

前記熱電発電モジュール（407）は、電極を介して高温基板（62）の裏面に取り付けられる複数の熱電発電素子（73,73,…）と、高温基板（62）と対向して設けられ、電極を介して熱電発電素子（73,73,…）が取り付けられる第２セラミック基板（72）とを有している。つまり、熱電発電素子（73,73,…）は、高温基板（62）と第２セラミック基板（72）とで挟持されていて、電極を介して直列に接続されている。

このように構成された熱電発電モジュール（407）は、高温基板（62）と共にケーシング（60）内に収容されている。このとき、第２セラミック基板（72）の裏面がケーシング（60）外に露出するように配置されている。ケーシング（60）から露出する第２セラミック基板（72）の裏面には、高温側ヒートシンク（8A）が熱的に接続されている。

一方、低温基板（63）には、熱電発電モジュール（407）が取り付けられていない。詳しくは、低温基板（63）は、前記整流ダイオード（32,32,…）が実装された表面がケーシング（60）内を向き、その裏面がケーシング（60）外に露出するようにして、ケーシング（60）に嵌め込まれている。ケーシング（60）から露出する低温基板（63）の裏面には、低温側ヒートシンク（8B）が熱的に接続されている。

そして、ケーシング（60）内では、熱電発電モジュール（407）、高温基板（62）及び低温基板（63）が共に樹脂（67）で封止されている。

したがって、実施形態４によれば、実施形態１と同様に、ＩＧＢＴ（41,41,…）等のワイドギャップ半導体素子が実装された高温基板（62）と、整流ダイオード（32,32,…）等の低耐熱性部品が実装された低温基板（63）とを熱的に絶縁することによって、ワイドギャップ半導体素子が発する熱によって低耐熱性部品が破損したり、低耐熱性部品を実装する半田が溶融したりすることを防止することができる。

そして、動作温度が高温となるワイドギャップ半導体素子が実装された高温基板（62）には熱電発電モジュール（407）を取り付けることによって、該ワイドギャップ半導体素子の熱を電力として回収することができる。また、低温基板（63）は高温基板（62）ほど高温にならず、熱電発電モジュールを設けたとしても、熱電発電素子に大きな温度差を作用させることができないため、低温基板（63）では熱電発電モジュールを省略することによって、コストを抑制することができる。

また、熱電発電モジュール（407）は、高温基板（62）には熱的に接続され、低温基板（63）に対しては熱的に絶縁されているため、該熱電発電モジュール（407）を介してワイドギャップ半導体素子の熱が低耐熱性部品へ伝導することを防止することができる。

熱電発電モジュール（407）をケーシング（60）内に収容して、高温基板（62）等と樹脂（67）で封止したことによる効果は、実施形態３と同様である。

尚、実施形態４では、熱電発電モジュール（407）をケーシング（60）内に収容しているが、実施形態１のように、ケーシング（60）外に露出するように配置してもよい。かかる場合には、熱電発電モジュール（407）に前記シール部材（74）を設ける必要がある。

また、熱電発電モジュール（407）は、前記第１セラミック基板（71）を省略して、熱電発電素子（73,73,…）を高温基板（62）に取り付けているが、実施形態１のように、第１セラミック基板（71）を設ける構成であってもよい。

さらに、実施形態４では、ヒートシンク（8）を高温側ヒートシンク（8A）と低温側ヒートシンク（8B）との分割構造としているが、図７に示すように、一体型のヒートシンク（208）を採用して、熱電発電モジュール（407）と低温基板（63）とに跨って設けるように構成してもよい。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態１〜４について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、前記実施形態においては、ワイドギャップ半導体素子としてＳｉＣ素子で構成されたＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）が用いられているが、これに限られるものではない。例えば、ＳｉＣ素子以外のワイドギャップ半導体素子として、ＧａＮ素子で構成される部品であってもよい。

また、前記高温基板（62）には、ワイドギャップ半導体素子としてのＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）のみが実装されているが、これに限られるものではない。ワイドギャップ半導体素子の動作温度に耐えることができる部品であれば、任意の部品を高温基板（62）に実装することができる。

さらに、前記低温基板（63）には、低耐熱性部品として整流ダイオード（32）のみが実装されているが、抵抗やコンデンサ等、ワイドギャップ半導体素子よりも耐熱温度が低い部品であれば、任意の部品を低温基板（63）に実装することができる。

また、前記実施形態においては、高温基板（62）と低温基板（63）とを物理的に分離させて、熱的に絶縁させた状態に構成していたが、これに限られるものではない。例えば、高温基板（62）と低温基板（63）との間に熱絶縁部材を介して高温基板（62）と低温基板（63）とを一体的に構成してもよく、高温基板（62）と低温基板（63）とを熱的に絶縁させることができる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

さらに、前記実施形態においては、放熱手段としてヒートシンクを採用しているが、これに限られず、任意の放熱手段を採用することができる。また、空冷に限られず、水冷式の放熱手段を採用することもできる。

さらにまた、前記高温基板（62）、低温基板（63）、第１セラミック基板（71）及び第２セラミック基板（72）はセラミック基板で構成されているが、表面に電気絶縁膜が設けられた金属基板等、任意の基板で構成してもよい。

また、前記実施形態では、冷媒回路（10）の冷媒としてフロン冷媒が用いられているが、二酸化炭素等、任意の流体を冷媒として採用することができる。

以上説明したように、本発明は、電力変換部と、該電力変換部に熱的に接続され、該電力変換部の熱を電力に変換する熱電発電モジュールとを備えた電力変換装置について有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路の配管系統図である。 インバータ装置の回路図である。 インバータ装置の構成を示す概略断面図である。 実施形態２に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。 実施形態３に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。 実施形態４に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。 実施形態４の変形例に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

20 インバータ本体（電力変換部）
32 整流ダイオード（低耐熱性部品）
41 ＩＧＢＴ（ワイドギャップ半導体素子）
42 帰還ダイオード（ワイドギャップ半導体素子）
62 高温基板
63 低温基板
7,307,407 熱電発電モジュール
7A,307A 高温側熱電発電モジュール
7B,307B 低温側熱電発電モジュール
8A 高温側ヒートシンク（高温側放熱手段）
8B 低温側ヒートシンク（低温側放熱手段）
208 ヒートシンク（一体型放熱手段）

Claims (6)

1. ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも耐熱温度が低い低耐熱性部品（32）が実装された基板を有する電力変換部（20）と、該電力変換部（20）に熱的に接続され、該電力変換部（20）の熱を電力に変換する熱電発電モジュール（7,407）とを備えた電力変換装置であって、
   前記基板は、前記ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と、該高温基板（62）と熱的に絶縁され、前記低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とを有しており、
   前記熱電発電モジュール（7,407）は、前記高温基板（62）に熱的に接続された高温側熱電発電モジュール（7A,307A）と、前記低温基板（63）に熱的に接続された低温側熱電発電モジュール（7B,307B）とに分割されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）に熱的に接続された高温側放熱手段（8A）と、
   前記低温側熱電発電モジュール（7B,307B）に熱的に接続された低温側放熱手段（8B）とをさらに備えていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１において、
   前記高温側熱電発電モジュール（7A,307A）及び前記低温側熱電発電モジュール（7B,307B）の両方に熱的に接続された一体型放熱手段（208）をさらに備えていることを特徴とする電力変換装置。
4. ワイドギャップ半導体素子（41,42）及び該ワイドギャップ半導体素子（41,42）よりも耐熱温度が低い低耐熱性部品（32）が実装された基板を有する電力変換部（20）と、該電力変換部（20）に熱的に接続され、該電力変換部（20）の熱を電力に変換する熱電発電モジュール（407）とを備えた電力変換装置であって、
   前記基板は、前記ワイドギャップ半導体素子（41,42）が実装された高温基板（62）と、該高温基板（62）と熱的に絶縁され、前記低耐熱性部品（32）が実装された低温基板（63）とを有しており、
   前記熱電発電モジュール（407）は、前記低温基板（63）には熱的に接続されておらず、前記高温基板（62）に熱的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４において、
   前記熱電発電モジュール（407）に熱的に接続された高温側放熱手段（8A）と、
   前記低温基板（63）に熱的に接続された低温側放熱手段（8B）とをさらに備えていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４において、
   前記熱電発電モジュール（407）及び前記低温基板（63）の両方に熱的に接続された一体型放熱手段（208）をさらに備えていることを特徴とする電力変換装置。

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