JP2008061375A

JP2008061375A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2008061375A
Application number: JP2006235186A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tanaka; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】熱電発電モジュールを備えた電力変換装置において熱電発電モジュールの組立性を向上させると共にコストを抑制する。
【解決手段】整流ダイオード（32）、ＩＧＢＴ（41）及び帰還ダイオード（42）が実装されると共に樹脂（67）で封止されたパワー素子基板（62）と、熱を電力に変換する熱電発電素子（73,73,…）を有すると共に、パワー素子基板（62）に熱的に接続された熱電発電モジュール（7）とを備える。熱電発電モジュール（7）は、パワー素子基板（62）と共に樹脂（67）で封止されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワー素子が実装された基板と該パワー素子の発する熱を電力に変換する熱電発電モジュールとを備える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では、熱電発電モジュールをインバータ本体に取り付けており、該熱電発電モジュールによりインバータ本体の熱を電力として回収している。

また、熱電発電モジュールとしては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２に係る熱電発電モジュールは、複数の熱電発電素子と、該熱電発電素子同士を接続する電極と、該熱電発電素子及び電極を挟持する一対のセラミック基板とを備えている。この熱電発電モジュールは、該熱電発電素子、電極及び一対のセラミック基板を包装するプラスチックフィルムをさらに備えており、該プラスチックフィルム内には連続気泡発泡体が封入されている。こうすることで、熱電発電モジュールの耐環境性、特に耐湿性を向上させている。
特開２００４−３４３９２４号公報特開２００２−２３２０２７号公報

しかしながら、熱電発電モジュールは、前述の如く、耐環境性を向上させるためにプラスチックフィルムで包装したり、連続気泡発泡体等の樹脂で封止したりする必要があり、作業工数が多いため組立性が悪く、また、コストが高いものとなっている。

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、熱電発電モジュールを備えた電力変換装置において熱電発電モジュールの組立性を向上させると共にコストを抑制することにある。

本発明は、熱電発電モジュール（7,207）をパワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）と共に封止するようにしたものである。

詳しくは、第１の発明に係る電力変換装置は、パワー素子（32,41,42）が実装されると共に樹脂（67）で封止された基板（62）と、熱を電力に変換する熱電発電素子（73,73,…）を有すると共に、前記基板（62）に熱的に接続された熱電発電モジュール（7,207）とを備え、前記熱電発電モジュール（7,207）は、前記基板（62）と共に樹脂（67）で封止されていることを特徴とするものとする。

前記の構成の場合、前記熱電発電モジュール（7,207）を前記基板（62）に熱的に接続すると共に、パワー素子（32,41,42）を保護するための樹脂（67）により該熱電発電モジュール（7,207）を基板（62）と共に封止することによって、前記特許文献２に係るプラスチックフィルムや連続気泡発泡体等のような部材を設けなくても、熱電発電モジュール（7,207）の耐環境性を確保することができる。つまり、電力変換装置が本来備える樹脂（67）によって熱電発電モジュール（7,207）を外部環境から保護することで、熱電発電モジュール（7,207）の耐環境性を確保しつつ、熱電発電モジュール（7,207）の部品点数を削減して、その組立性を向上させると共に製造コストを低減させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記熱電発電素子（73,73,…）は、前記基板（62）に実装されているものとする。

前記の構成の場合、前記熱電発電素子（73,73,…）を前記パワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）に実装することによって、熱電発電モジュール（7,207）の基板（62）をパワー素子（32,41,42）が実装される基板（62）と共通化することができ、熱電発電モジュール（7,207）の部品点数をさらに削減して、その組立性を向上させると共にコストをさらに低減させることができる。

また、従来のように、熱電発電素子（73,73,…）を一対のセラミック基板で挟持して構成する熱電発電モジュール（7,207）を電力変換装置に取り付ける場合、熱電発電素子（73,73,…）は少なくとも一方のセラミック基板を介して（特許文献２のように一対のセラミック基板がプラスチックフィルムで包装されている場合には、さらに該プラスチックフィルムを介して）、パワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）に取り付けられることになる。かかる構成の場合、パワー素子（32,41,42）が発する熱は、該パワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）と熱電発電モジュール（7,207）を構成するセラミック基板とを介して熱電発電素子（73,73,…）に伝導することになる。それに対して、第２の発明によれば、熱電発電素子（73,73,…）を前記パワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）に実装することによって、パワー素子（32,41,42）と熱電発電素子（73,73,…）との間に介在する部品を削減することができる。すなわち、パワー素子（32,41,42）と熱電発電素子（73,73,…）との間の熱抵抗を低減することができ、該パワー素子（32,41,42）が発する熱を熱電発電素子（73,73,…）に効率良く伝導させて、該熱電発電素子（73,73,…）の発電効率を向上させることができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記基板（62）及び前記熱電発電モジュール（7,207）が収容されるケーシング（60）と、前記熱電発電モジュール（7,207）に熱的に接続されると共に前記ケーシング（60）から露出して設けられた放熱手段（8）とをさらに備えるものとする。

前記の構成の場合、前記熱電発電モジュール（7,207）に放熱手段（8）を熱的に接続することによって、該熱電発電素子（73,73,…）に作用する温度差を大きくすることができ、より大きな電力を発生させることができる。そして、該熱電発電モジュール（7,207）を前記ケーシング（60）内に配設する構成であっても、前記放熱手段（8）を該ケーシング（60）外に露出させることによって、放熱効率を向上させて、熱電発電素子（73,73,…）に作用する温度差をより一層大きくすることができる。

第４の発明は、第１〜第３の何れか１つの発明において、前記基板（62）には、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が前記パワー素子（32,41,42）として実装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）やダイヤモンドなどの、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。

前記の構成の場合、前記ワイドギャップ半導体素子（41,42）は動作温度が高いため、前記熱電発電モジュール（7,207）を設けることによって、パワー素子（32,41,42）が発する熱をより効果的に電力として回収することができる。

本発明によれば、熱電発電モジュール（7,207）を、パワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）と共に樹脂（67）で封止することによって、熱電発電モジュール（7,207）が本来必要とする耐環境性を向上させるための部品を省略することができ、熱電発電モジュール（7,207）の部品点数を削減して、その組立性を向上させると共にコストを低減させることができる。

第２の発明によれば、熱電発電モジュール（7,207）を構成する熱電発電素子（73,73,…）をパワー素子（32,41,42）が実装された基板（62）に実装することによって、熱電発電素子（73,73,…）とパワー素子（32,41,42）との基板（62）を共通化させることでき、熱電発電モジュール（7,207）の部品点数をさらに削減して、その組立性をさらに向上させると共にコストをさらに低減させることができる。それに加えて、パワー素子（32,41,42）と熱電発電素子（73,73,…）との間の熱抵抗を低減することができ、パワー素子（32,41,42）の熱を熱電発電素子（73,73,…）で効率良く電力に変換することができる。

第３の発明によれば、熱電発電モジュール（7,207）に熱的に接続され且つケーシング（60）外に露出した放熱手段（8）を設けることによって、熱電発電素子（73,73,…）に作用する温度差を大きくすることができ、より大きな電力を発生させることができる。

第４の発明によれば、ワイドギャップ半導体素子（41,42）は動作温度が高いため、熱電発電モジュール（7,207）を設けることによって、より大きな電力を回収することができる。

《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、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。

これら整流ダイオード（32,32,…）、ＩＧＢＴ（41,41,…）及び帰還ダイオード（42,42,…）がパワー素子を構成する。

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）、帰還ダイオード（42）（図３では１つのみ図示）及びコンバータ部（3）の整流ダイオード（32）（図３では１つのみ図示）が実装されたパワー素子基板（62）とが配設されいる。このパワー素子基板（62）が基板を構成する。

前記パワー素子基板（62）は、セラミック基板で構成されていて、その表面にはパターン（65）が積層されている。そして、ＩＧＢＴ（41）、帰還ダイオード（42）及び整流ダイオード（32）は、該パターン（65）上に実装されている。このパワー素子基板（62）は、ケーシング（60）内に収容されている。

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）を介してとパワー素子基板（62）と電気的に接続されている。

そして、パワー素子基板（62）の裏面（パワー素子が実装されている面とは反対側の面）には、前記熱電発電モジュール（7）が取り付けられている。

前記熱電発電モジュール（7）は、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（71,71）がパワー素子基板（62）の裏面に取り付けられている。

こうしてパワー素子基板（62）に取り付けられた熱電発電モジュール（7）は、第２セラミック基板（72）の裏面だけがケーシング（60）外に露出するようにして、パワー素子基板（62）と共にケーシング（60）内に収容されている。そして、ケーシング（60）内には樹脂（67）が封入されており、パワー素子基板（62）上に実装されたＩＧＢＴ（41）、帰還ダイオード（42）及び整流ダイオード（32）と、熱電発電モジュール（7）とは、該樹脂（67）で封止されて、外部環境から保護されている。

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）には、前記ヒートシンク（8）が取り付けられている。このヒートシンク（8）が放熱手段を構成している。

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）による送風が前記ヒートシンク（8）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）、帰還ダイオード（42）及び整流ダイオード（32）が発する熱は、パワー素子基板（62）及び熱電発電モジュール（7）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、熱電発電モジュール（7）の第２セラミック基板（72）は、該第２セラミック基板（72）に取り付けられたヒートシンク（8）によって冷却されている。その結果、熱電発電モジュール（7）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した後、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、熱電発電モジュール（7）をケーシング（60）内に収容して、パワー素子基板（62）と共に樹脂（67）で封止することによって、熱電発電モジュール（7）を外部環境から保護するための専用の部品を設けなくても、熱電発電モジュール（7）の耐環境性、特に耐湿性を確保することができる。つまり、熱電発電モジュール（7）の部品点数を削減して、組立性を向上させると共に、コストを低減させることができる。

また、熱電発電モジュール（7）をケーシング（60）内においてパワー素子基板（62）と熱的に接続することによって、ＩＧＢＴ（41）等のパワー素子が発する熱を効率良く熱電発電モジュール（7）に伝導させることができ、熱電発電素子（73,73,…）に効率良く発電させることができる。

さらに、熱電発電モジュール（7）にヒートシンク（8）を熱的に接続し、該ヒートシンク（8）をケーシング（60）から露出させて設けることによって、熱電発電素子に作用する高温側（パワー素子基板側）と低温側（ヒートシンク側）との温度差を大きくすることができ、より多くの電力を回収することができる。

また、パワー素子として、発熱量の多いワイドギャップ半導体素子で構成されるＩＧＢＴ（41）や帰還ダイオード（42）を含むため、熱電発電モジュール（7）によってより大きな電力を発電することができる。

《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、熱電発電モジュール（207）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。

この熱電発電モジュール（207）は、図４に示すように、電極を介してパワー素子基板（62）の裏面に取り付けられる複数の熱電発電素子（73,73,…）と、パワー素子基板（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。こうして、熱電発電素子（73,73,…）は、パワー素子基板（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。

つまり、実施形態２に係る熱電発電モジュール（207）は、実施形態１に係る第１セラミック基板（71）が省略され、熱電発電素子（73,73,…）が電極を介してパワー素子基板（62）に取り付けられている。

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、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）を介することなく、パワー素子基板（62）に取り付けることによって、パワー素子基板（62）に実装されたＩＧＢＴ（41）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。

また、第１セラミック基板（71）を省略することによって、熱電発電モジュール（7）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。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態１，２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、前記パワー素子基板（62）、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、パワー素子が実装された基板と該パワー素子の発する熱を電力に変換する熱電発電モジュールとを備える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。

符号の説明

32 整流ダイオード（パワー素子）
41 ＩＧＢＴ（パワー素子、ワイドギャップ半導体素子）
42 帰還ダイオード（パワー素子、ワイドギャップ半導体素子）
60 ケーシング
62 パワー素子基板（基板）
67 樹脂
7,207 熱電発電モジュール
73 熱電発電素子
8 ヒートシンク（放熱手段）

Claims

パワー素子（32,41,42）が実装されると共に樹脂（67）で封止された基板（62）と、
熱を電力に変換する熱電発電素子（73,73,…）を有すると共に、前記基板（62）に熱的に接続された熱電発電モジュール（7,207）とを備え、
前記熱電発電モジュール（7,207）は、前記基板（62）と共に樹脂（67）で封止されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記熱電発電素子（73,73,…）は、前記基板（62）に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、
前記基板（62）及び前記熱電発電モジュール（7,207）が収容されるケーシング（60）と、
前記熱電発電モジュール（7,207）に熱的に接続されると共に前記ケーシング（60）から露出して設けられた放熱手段（8）とをさらに備えることを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
前記基板（62）には、ワイドギャップ半導体素子（41,42）が前記パワー素子（32,41,42）として実装されていることを特徴とする電力変換装置。