JP2009219267A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺部品とともにインバータ回路を容易に密閉化できるようにする。
【解決手段】スイッチング素子（130）を備えて、商用交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に電力変換を行う電力変換装置（100）において、スイッチング素子（130）を高温動作可能に構成する。そして、キャリア成分の除去に使用される小容量コンデンサ（150）を高温動作可能に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子を有した電力変換装置に関するものである。

従来、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや交流電圧を直流電圧に変換するコンバータや交流電圧を交流電圧に直接変換するマトリックスコンバータなどの電力変換装置として、複数のスイッチング素子によって電力変換動作を行うものが知られている。

ＳｉＣ半導体などのようなワイドバンドギャップ半導体は、絶縁破壊電界が従来のＳｉ半導体（Ｓｉの結晶を使った半導体）に比べて高いため(ＳｉＣ半導体は約１０倍高い)、素子の高耐圧化が容易になり、同じ耐圧であれば、Ｓｉ半導体の場合に比べてディバイスの厚みを薄くできるため、導通損失が小さく且つ小型の素子にすることができる。

また、上記ワイドバンドギャップ半導体は、高速動作や高温（例えば２００℃）での動作が可能であるため、高速動作により装置全体の高効率化を図れるとともに、高温での動作が可能であることにより冷却構造を簡略化でき、これにより装置の小型化を図れる。

また、このような、電力変換装置では、前記の半導体以外にもコンデンサなどの素子も使用される。例えば、直流電圧を平滑するためには、平滑コンデンサとして電解コンデンサが広く使用されている。しかしながら、電解コンデンサを使用すると、寿命、価格、サイズ、コンデンサ充電回路等の点に問題がある。そこで、小型・軽量、長寿命、低価格、高効率化を目的として、平滑コンデンサとして電解コンデンサを用いず、例えば商用電源の電圧周波数の２倍や６倍の周波数で大きく脈動する直流電圧をインバータに入力し、電力変換を行う回路も考案されている（例えば特許文献１を参照）。この回路では、インバータのキャリア成分を除去するために、商用電源の電圧周波数の２倍や６倍といった低次高調波成分を除去せず、キャリア成分を除去するように容量を選定した小容量コンデンサを、直流母線間に配置する。また、平滑コンデンサを必要としない電力変換装置もあり、そのような電力変換装置の一例としては、交流電力から所定の電圧及び周波数の交流電力に直接電力変換を行う、マトリックスコンバータなどがある。マトリックスコンバータでは、マトリックスコンバータのキャリア成分を除去するために、入力側に小容量のコンデンサが設置される場合がある。
特開２００２−０５１５８９号公報

ところで、空気調和機の室外機に使用する電力変換装置などのように、防塵、防水が必要となる用途では、電力変換装置の密閉化が望まれている。密閉化を行うと冷却が困難となるので、電力変換装置を構成する各部品の動作温度が上昇しやすく、ディバイス容量が大きくなったり、冷却機構が大型化したりするなどの問題が生じる可能性がある。しかしながら、一般的な電力変換装置で平滑コンデンサとして使用される電解コンデンサの許容温度とＳｉ半導体の動作温度が大きく乖離しておらず、密閉化しても電解コンデンサの動作温度が許容温度を超えないように設計できる。

これに対し、上記のＳｉＣ半導体には高温で動作するという特徴があり、密閉化に適していると考えられる。ところが、密閉したケース内部が過熱されるため、ＳｉＣ半導体の周辺部品の温度が上昇する。このようなＳｉＣ半導体を備えた電力変換装置の密閉化による動作温度の上昇には、電解コンデンサでは、動作温度が許容温度を超えてしまい、耐えられない場合も起こると考えられる。例えば、一般的に入手できる電解コンデンサの許容温度は約１００℃が上限であり、一般的な小容量コンデンサの許容温度は約１５０℃程度が上限である。

そのため、ＳｉＣ半導体を使用した電力変換装置をケースなどに密閉化するには、ＳｉＣ半導体により過熱されてコンデンサの動作温度が許容温度を越えないように、例えば断熱を行ったり、ＳｉＣ半導体の動作温度の低減を行ったりすることが必要となると考えられる。ところがこれでは、断熱材などの構成部材の追加、ディバイスの大容量化、冷却機構の大型化などの対策が必要となり、コストアップにつながるという問題がある。

また、小容量コンデンサは、電解コンデンサよりも高温動作に適しているが、構造上、高耐圧かつ大容量のコンデンサを実現するのが困難であり、平滑コンデンサには不向きである。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、周辺部品とともにインバータ回路を容易に密閉化できるようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
高温動作可能に構成されたスイッチング素子（130）を備えて、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に電力変換を行う電力変換装置であって、
高温動作可能に構成されて、低次高調波成分を除去せずに、上記電力変換装置のキャリア成分を除去するように容量を選定した小容量コンデンサ（150）を備えていることを特徴とする。

これにより、小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の温度）で動作可能となる。

また、第２の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
該電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路（110）と、該コンバータ回路（110）で変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（120）とから構成され、
前記小容量コンデンサ（150）は、前記コンバータ回路（110）と前記インバータ回路（120）とを接続する直流母線間に配置されていることを特徴とする。

これにより、インバータ回路（120）のキャリア成分を除去するための小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の温度）で動作可能となる。

また、第３の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
該電力変換装置は、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に直接変換するものであり、
前記小容量コンデンサ（150）は、該電力変換装置の入力側に配置されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、
第３の発明の電力変換装置において、
該電力変換装置は、三相の交流電源を入力とする３つの入力端子と、
三相の交流電力を出力する３つの出力端子と、
を備え、
各出力端子には、それぞれの入力端子とそれぞれ接続された双方向スイッチ（210）が接続されていることを特徴とする。

これらにより、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に直接変換する電力変換装置において、該電力変換装置の入力に接続される小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の温度）で動作可能となる。

また、第５の発明は、
第１の発明から第４の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
該電力変換装置は、密閉されたケース内に配置されていることを特徴とする。

また、第６の発明は、
第１の発明から第５の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
該電力変換装置は、前記スイッチング素子（130）の動作温度よりも許容温度の高い樹脂によりコーティングされていることを特徴とする。

これらにより、電力変換装置が密閉化される。

また、第７の発明は、
第１の発明から第６の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
該電力変換装置は、空気調和装置（1）に内蔵されることを特徴とする。

これにより、空気調和装置（1）において、該電力変換装置が電力変換を行う。

また、第８の発明は、
第７の発明の電力変換装置において、
該電力変換装置は、前記空気調和装置（1）における圧縮機（20）のケーシング（30）内に配置されることを特徴とする。

これにより、空気調和機の圧縮機内で、該電力変換装置が電力変換を行う。

また、第９の発明は、
第１の発明から第８の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記小容量コンデンサ（150）は、セラミックコンデンサにより構成されていることを特徴とする。

これにより、セラミックコンデンサがキャリア成分の除去を行なう。

また、第１０の発明は、
第１の発明から第８の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記小容量コンデンサ（150）は、誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサにより構成されていることを特徴とする。

これらにより、フィルムコンデンサがキャリア成分の除去を行なう。

また、第１１の発明は、
第１の発明から第１０の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記スイッチング素子（130）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体ディバイスであることを特徴とする。

また、第１２の発明は、
第１１の発明の電力変換装置において、
前記ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム、及びダイヤモンドの何れかであることを特徴とする。

これらにより、ワイドバンドギャップ半導体により構成されたスイッチング素子（130）がスイッチング動作を行なう。

また、第１３の発明は、
第１の発明から第１２の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記小容量コンデンサ（150）の許容温度は、１５０℃以上であることを特徴とする。

これにより、該電力変換装置が１５０℃以上で動作可能となる。

第１の発明によれば、キャリア成分の除去に使用される小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の高温）で動作できるので、小容量コンデンサ（150）とスイッチング素子（130）とを１つのケースなどに密閉化できる。

また、第２の発明によれば、 インバータ回路（120）のキャリア成分の除去に用いる小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の高温）で動作できるので、該コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）とを１つのケースなどに密閉化できる。

また、小容量コンデンサ（150）とインバータ回路（120）とを近接して配置することもできる。これにより、配線を短くすることができ、その結果、配線インダクタンスを低減できる。

また、第３の発明、又は第４の発明によれば、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に直接変換する電力変換装置において、該電力変換装置の入力に接続される小容量コンデンサ（150）が高温下（例えばスイッチング素子（130）の動作温度と同等または同等以上の高温）で動作できるので、該電力変換装置と小容量コンデンサ（150）とを１つのケースなどに密閉化できる。

また、第５の発明、又は第６の発明によれば、電力変換装置が密閉化されるので、電力変換装置の防塵や、防水が容易になる。

また、第７の発明によれば、空気調和装置（1）において、該電力変換装置の密閉化を容易に行なえる。

また、第８の発明によれば、空気調和装置の圧縮機内で、該電力変換装置が電力変換を行うので、別途、電力変換装置を用意して据え付ける必要が無く、圧縮機に商用電源を接続するのみとなるので、組み立て、部品配置が容易となる。商用電源の入力端から、モータまでの配線を短縮でき、使用する配線を減らすことができる。また、配線での損失を低減できる。さらには、圧縮機ケーシング内に設置されるので、ＥＭＩ対策も容易であり、遮音性にも優れている。

また、第９の発明、又は第１０の発明によれば、所定の温度以上で電力変換ができるようになる。

また、第１１の発明、又は第１２の発明によれば、Ｓｉ半導体よりも高温下での電力変換が可能になり、電力変換装置の密閉化がより容易になる。

また、第１３の発明によれば、１５０℃以上の動作温度が求められる電力変換装置において、電力変換装置の密閉化が容易にできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態や変形例の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を図１に示す。この電力変換装置（100）は、コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）を備え、交流電源（例えば商用交流電源）をコンバータ回路（110）によって整流し、制御装置（330）に制御されたインバータ回路（120）がその直流を三相交流に変換して三相交流モータ（320）に供給するものである。この三相交流モータ（320）は空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。

コンバータ回路（110）は、４つの整流用ダイオード（111）と、リアクトル（112）とを備え、交流電源を整流する。本実施形態では、整流用ダイオード（111）には、比較的安価なＳｉダイオードを使用している。この際、コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）との距離は離れていても問題ないので整流用ダイオード（111）の断熱は容易である。

インバータ回路（120）は、スイッチング素子（130）、駆動回路（140）、及び小容量コンデンサ（150）より構成されている。

スイッチング素子（130）は、このインバータ回路（120）内に６つ設けられ、それぞれのスイッチング素子（130）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子（ここでは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣダイオード）によって構成されている。各スイッチング素子（130）は、詳しくは、トランジスタ（131）と還流ダイオード（132）とを備えている。上記のＳｉダイオードのようなシリコンデバイスの動作温度は、１５０℃が最大であるが、ワイドバンドギャップ半導体の動作温度の最大値は、シリコンデバイスよりも高い。一般的には、ワイドバンドギャップ半導体の動作温度の最大値は、１５０℃以上である。そのため、本実施形態のようにワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子（130）の動作温度の最大値は１５０℃以上である。

なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）の他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどが挙げられる。

上記の駆動回路（140）は、各スイッチング素子（130）に対応して設けられている。すなわち、駆動回路（140）もインバータ回路（120）内に６つ設けられている。それぞれの駆動回路（140）は、制御装置（330）の制御に応じて、対応するスイッチング素子（130）内のトランジスタ（131）のゲート電位を制御してオンオフを切り替える。

小容量コンデンサ（150）は、インバータ回路（120）のキャリア成分を除去するコンデンサであり、コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）とを接続する直流母線間に配置されている。この小容量コンデンサ（150）は、一般的な電力変換装置で平滑コンデンサとして使用される電解コンデンサと比べ小容量のコンデンサである。具体的には、一般的な電力変換装置に使用される平滑コンデンサの容量は、コンバータ回路（110）の出力の、商用電源の電圧周波数の２倍の周波数で大きく脈動する低次高調波成分を除去するように設定するのに対し、小容量コンデンサ（150）の容量は、コンバータ回路（110）の出力の、商用電源の電圧周波数の２倍の周波数で大きく脈動する低次高調波成分を除去せず、インバータ回路（120）のキャリア成分を除去するように設定する。本実施形態では、このような低次高調波成分による大きな脈動がある状態においても、各スイッチング素子（130）をオンオフするタイミングを制御することによって三相交流モータ（320）の速度制御を実現している。

また、この小容量コンデンサ（150）には、許容温度が、スイッチング素子（130）の動作温度と同等か、より高いものを採用している。ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子（130）の動作温度を考慮すると、小容量コンデンサ（150）の許容温度は例えば１５０℃以上であることが望ましい。このように高温動作可能なコンデンサとしては、例えば、セラミックコンデンサや、誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサが考えられる。なお、高耐熱材料の例としては、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが考えられる。

制御装置（330）は、既述の通り、各駆動回路（140）を介して、各スイッチング素子（130）のオンオフを制御する。この制御装置（330）は、電力変換装置（100）とは断熱して配置している。

上記のように、本実施形態の電力変換装置（100）では、キャリア成分の除去に用いる小容量コンデンサ（150）を高温動作可能に構成したので、断熱材などの構成部材の追加、ディバイスの大容量化、或いは冷却機構の大型化などの対策を行うことなく、周辺部品とともにインバータ回路（120）を容易に密閉化できる。そのため、本実施形態の電力変換装置（100）を、空気調和機の室外機などに使用すれば、防塵、防水が容易になる。

また、小容量コンデンサ（150）を高温動作可能に構成することで、小容量コンデンサ（150）とインバータ回路（120）とを近接して配置することができる。これにより、配線を短くすることができ、その結果、配線抵抗や配線インダクタンスを低減できる。

なお、図１では、交流電源を単相交流としているが、三相交流としてもよい。この場合には、例えば図２に示すように整流用ダイオード（111）を配置してコンバータ回路（110）を構成する。この構成では、小容量コンデンサ（150）の容量は、コンバータ回路（110）の出力の、商用電源の電圧周波数の６倍の周波数で大きく脈動する低次高調波成分を除去せず、インバータ回路（120）のキャリア成分を除去するように設定する。

《発明の実施形態２》
実施形態２に係る電力変換装置は、インバータ回路（120）とコンバータ回路（110）とを１つのケースに密閉する例である。この例では、インバータ回路（120）とコンバータ回路（110）とは、何れも１５０℃以上で動作する部品のみで構成している。

具体的には整流用ダイオード（111）をＳｉＣ半導体により構成する。この例では、図３に示すように、整流用ダイオード（111）は、ショットキ・バリア・ダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ（図中ではＳＢＤと略記））により構成している。なお、図３では、交流電源を単相交流としているが、三相交流としてもよい。この場合には、例えば図４に示すように、整流用ダイオード（111）を配置する。

上記の構成により、コンバータ回路（110）が、インバータ回路（120）と同様に高温動作可能となり、コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）とを１つの密閉ケース入れたり、両者を樹脂でコーティングしたりできる。この際、コーティング用の樹脂は、該電力変換装置（100）を構成する素子の動作温度よりも許容温度の高いものを用いる。

このような密閉化により、防塵、防爆、防水、遮音などの効果が得られる。つまり、この電力変換装置は、空気調和機の室外機のように、防塵、防水を考慮しなければならない環境下での使用に適している。

また、従来は使用できなかった、空気調和機における圧縮機のケーシング内への設置なども可能となる。圧縮機内に電力変換装置を設置すれば、別途、電力変換装置を用意して据え付ける必要が無く、圧縮機に商用電源を接続するのみとなるので、組み立て、部品配置が容易となる。商用電源の入力端から、モータまでの配線を短縮でき、使用する配線を減らすことができる。また、配線での損失を低減できる。さらには、圧縮機ケーシング内に設置されるので、ＥＭＩ対策も容易であり、遮音性にも優れている。

また、圧縮機内に電力変換装置を設置すれば、電力変換装置全体を圧縮機内の冷媒で冷却することができ、電力変換による熱を暖房用に回収することも可能となる。

《発明の実施形態３》
実施形態３に係る電力変換装置は、コンバータ回路（110）に、ダイオード（162）とトランジスタ(161)を用いた例である。この例でも、インバータ回路（120）とコンバータ回路（110）とは、何れも１５０℃以上で動作する部品のみで構成している。

本実施形態の電力変換装置では、コンバータ回路（110）は、三相交流電源（340）（例えば商用交流電源）を入力とし、図５に示すように、６つのスイッチング素子（160）を用いて、それぞれのスイッチング素子（160）のオンオフを制御し、三相交流電源（340）の交流電圧を、上記交流電圧よりも高周波の交流電圧に変換する。また、三相交流電源（340）が接続されたコンバータ回路（110）の３つの入力端子には、それぞれ小容量コンデンサ（150）が接続されている。

インバータ回路（120）は、三相交流電源（340）の交流電圧よりも高周波の交流電圧を、所定の三相交流電圧に変換する。このように、平滑された直流電圧を生成することなく、三相交流電源（340）の交流電圧を、所定の三相交流電圧に直接変換する。なお、図５では、インバータ回路（120）のスイッチング素子（130）や、コンバータ回路（110）のスイッチング素子（160）を駆動する駆動回路は、図示を省略している。

スイッチング素子（160）は、この例においても１５０℃以上で動作する部品のみで構成している。具体的には、スイッチング素子（130）と同様に、１５０℃以上で動作するトランジスタ（161）とダイオード（162）とから構成されている。この構成により、コンバータ回路（110）の動作温度が、インバータ回路（120）本体と同等になり、コンバータ回路（110）とインバータ回路（120）とを１つの密閉ケース入れたり、両者を樹脂でコーティングしたりできる。したがって、本実施形態においてもやはり、実施形態２等と同様の効果を得ることができる。

《発明の実施形態４》
本発明の実施形態４に係る電力変換装置の構成を図６に示す。この電力変換装置（200）は、三相交流電源（340）（例えば商用交流電源）の電線と三相交流モータ（320）の固定子電線とで組み合わせ可能な９つの接点それぞれにスイッチング素子を使用した双方向スイッチ（210）を設けたマトリックスコンバータであり、入力した交流電圧を一旦直流電圧に変換することなく直接交流電圧に変換して出力する。

具体的には、この電力変換装置（200）は、三相の交流電源を入力とする３つの入力端子と、三相の交流電力を出力する３つの出力端子とを備え、各出力端子には、それぞれの入力端子とそれぞれ接続された双方向スイッチ（210）が接続されている。上記のマトリックスコンバータは通流素子数が少ないため、原理的に小型，高効率化が可能となる。

マトリックスコンバータに使用する双方向スイッチ（210）は双方向に導通させる必要があるため、本実施形態では図７に示すように２個のスイッチング素子（130）を逆向きに直列接続して双方向スイッチ（210）を構成している。

また、この例では、電力変換装置（200）の３つの入力端子の間に小容量コンデンサ（150）が設けられている。これらのコンデンサは、電力変換装置（200）のキャリア成分を除去する目的で設けられているものである。この小容量コンデンサ（150）も、実施形態１の例と同様に、許容温度が、スイッチング素子（130）の動作温度と同等かより高いものを採用している。

この構成により、電力変換装置（200）を構成する各部品の許容温度が所定温度以上（例えば１５０℃以上）になり、これらを１つの密閉ケース入れたり、両者を樹脂でコーティングしたりして、該所定温度で使用できる。したがって、本実施形態においてもやはり、実施形態２等と同様の効果を得ることができる。

《実施形態４の変形例》
上記の小容量コンデンサ（150）は、図８に示すように、電力変換装置（200）の各入力に１つずつ接続してもよい。

また、図９は、三相交流電源（340）と電力変換装置（200）の間にさらに、リアクトル（220）を設けた例である。

《発明の実施形態５》
本発明の実施形態５では、電力変換装置をヒートポンプ装置に使用する例を説明する。

本発明の実施形態５に係るヒートポンプ装置は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置（1）を構成している。図１０に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒回路（10）を備えている。冷媒回路（10）には、冷媒としてフロン冷媒が充填されている。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。

＜冷媒回路の構成＞
冷媒回路（10）には、圧縮機（20）と室内熱交換器（21）と膨張弁（22）と室外熱交換器（23）と四路切換弁（24）とが接続されている。実施形態５の圧縮機（20）は、ロータリー型の圧縮機であり、本発明の流体機械を構成している。この圧縮機（20）の詳細は後述する。室内熱交換器（21）は、室内に設置されている。室内熱交換器（21）では、冷媒と室内空気との間で熱交換が行われる。室外熱交換器（23）は、室外に設置されている。室外熱交換器（23）では、冷媒と室外空気との間で熱交換が行われる。膨張弁（22）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（24）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（24）は、第１ポートが圧縮機（20）の吐出側と、第２ポートが室内熱交換器（21）と、第３ポートが圧縮機（20）の吸入側と、第４ポートが室外熱交換器（23）とそれぞれ繋がっている。四路切換弁（24）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１０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１０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。

＜圧縮機の構成＞
図１１に示すように、圧縮機（20）は、中空で密閉型のケーシング（30）を備えている。ケーシング（30）は、円筒状の胴部（31）と、胴部（31）の上端部に設けられる天板部（32）と、胴部（31）の下端部に設けられる底板部（33）とを備えている。ケーシング（30）では、胴部（31）の下側寄りに吸入管（34）が接続され、天板部（32）に吐出管（35）が接続されている。吐出管（35）は、天板部（32）を上下に貫通しており、その下端部がケーシング（30）の内部空間に開口している。なお、ケーシング（30）は、例えば鉄等の金属材料で構成されている。

ケーシング（30）内には、駆動モータ（40）と駆動軸（45）と圧縮機構（50）とが収容されている。

駆動モータ（40）は、ケーシング（30）内の上部寄りの空間に配置されている。駆動モータ（40）は、ロータ（41）とステータ（42）とを備えている。ロータ（41）は、駆動軸（45）の周囲に固定されている。ステータ（42）は、ロータ（41）の外周側に設けられている。ステータ（42）は、ケーシング（30）の胴部（31）の内壁に固定される固定子コア部（42a）と、固定子コア部（42a）の上側及び下側にそれぞれ設けられるコイル部（42b）とを有している。また、固定子コア部（42a）には、その軸方向における上下両端面に、それぞれインシュレータ（42c）が設けられている。インシュレータ（42c）は、絶縁材料から成り、固定子コア部（42a）とコイル部（42b）とを絶縁するための絶縁部を構成している。

駆動軸（45）は、ケーシング（30）の軸心を上下方向に延びて形成されている。駆動軸（45）には、下側寄りの部位に偏心部（46）が形成されている。偏心部（46）は、駆動軸（45）よりも大径であり、且つ駆動軸（45）の軸心から所定量偏心している。また、駆動軸（45）には、その下端部に油ポンプ（47）が設けられている。油ポンプ（47）は、ケーシング（30）の底部に溜まった油を遠心力によって汲み上げる構造となっている。油ポンプ（47）で汲み上げられた油は、駆動軸（45）に形成された油供給通路（図示省略）を介して、圧縮機構（50）の内部や駆動軸（45）の軸受け等の各摺動部へ供給される。

圧縮機構（50）は、ケーシング（30）内の下部寄りの空間に配置されている。圧縮機構（50）は、シリンダ（51）とフロントヘッド（52）とリヤヘッド（53）とピストン（54）とを備えている。

シリンダ（51）は、円環状に形成されており、その外周面がケーシング（30）の内壁に固定されている。シリンダ（51）の内側には、円柱状のシリンダ室（55）が形成されている。また、シリンダ（51）には、径方向に延びる吸入通路（51a）が形成されている。吸入通路（51a）は、シリンダ室（55）と上記吸入管（34）とを連通させている。

フロントヘッド（52）は、シリンダ（51）の上側に、リヤヘッド（53）は、シリンダ（51）の下側にそれぞれ取り付けられている。そして、フロントヘッド（52）はシリンダ室（55）の上端開口部を、リヤヘッド（53）はシリンダ室（55）の下端開口部をそれぞれ閉塞している。更に、フロントヘッド（52）には上部軸受け（56）が、リヤヘッド（53）には下部軸受け（57）がそれぞれ設けられている。駆動軸（45）は、フロントヘッド（52）及びリヤヘッド（53）を貫通しながら、上部軸受け（56）及び下部軸受け（57）に回転自在に支持されている。

フロントヘッド（52）には、シリンダ室（55）とケーシング（30）の内部空間とを連通させる吐出ポート（52a）が形成されている。吐出ポート（52a）には、図示しない吐出弁が設けられている。更に、フロントヘッド（52）には、吐出ポート（52a）を覆うように消音マフラー（58）が取り付けられている。

上記ピストン（54）は、シリンダ室（55）に配置されている。ピストン（54）には、その内部に上記偏心部（46）が嵌り込んでいる。駆動軸（45）が回転すると、ピストン（54）は、駆動軸（45）の軸心から偏心しながらシリンダ室（55）内を回転する。その結果、圧縮機構（50）では、シリンダ室（55）に形成される圧縮室の容積が変化し、冷媒の圧縮動作が行われる。

圧縮機構（50）は、圧縮した後の高温（例えば１２０℃）の高圧冷媒を上記吐出ポート（52a）を介してケーシング（30）内に吐出するように構成されている。つまり、実施形態５の圧縮機（20）は、ケーシング（30）の内部空間が高圧冷媒で満たされる、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機を構成している。

＜電力変換装置の構成＞
圧縮機（20）は、上記駆動モータ（40）を駆動制御するための電力変換装置（60）を備えている。電力変換装置（60）は、上記の何れかの実施形態の電力変換装置である。

図１１に示すように、電力変換装置（60）は、ケーシング（30）の上部に設けられている。電力変換装置（60）は、基板（61）を有し、この基板（61）上に、例えばコンバータ回路（110）とインバータ回路（120）とが設置されている。そして、本実施形態では、電力変換装置（60）が、圧縮機構（50）と吐出管（35）の間の空間に配置されている。

上記のように構成された空気調和装置（1）では、電力変換装置からの電磁ノイズをケーシング（30）によって絶縁できる。また、空気調和装置（1）全体として小型化も可能になる。

また、圧縮機構（50）の運転時には、ケーシング（30）内の高圧冷媒が電力変換装置（60）を冷却する。そのため、電力変換装置においてより効率的に電力変換装置（すなわち空気調和装置）を動作させることができる。また、スイッチング素子（130）等の熱を暖房用に回収することも可能になる。

本発明は、スイッチング素子を有した電力変換装置として有用である。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。 三相交流を入力とする場合のコンバータ回路の構成例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。 三相交流を入力とする場合のコンバータ回路の構成例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係る電力変換装置の構成を示す図である。 双方向スイッチの構成を示す図である。 小容量コンデンサの他の配置例を示す図である。 実施形態４に係る電力変換装置の他の構成例を示す図である。 実施形態５に係るヒートポンプ装置の冷媒回路の配管系統図である。 実施形態６に係る流体機械の概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１００、２００ 電力変換装置
１１０ コンバータ回路
１２０ インバータ回路
１３０ スイッチング素子
１５０ 小容量コンデンサ
２１０ 双方向スイッチ
１ 空気調和装置
２０ 圧縮機
３０ ケーシング

Claims (13)

1. 高温動作可能に構成されたスイッチング素子（130）を備えて、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に電力変換を行う電力変換装置であって、
   高温動作可能に構成されて、低次高調波成分を除去せずに、上記電力変換装置のキャリア成分を除去するように容量を選定した小容量コンデンサ（150）を備えていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１の電力変換装置において、
   該電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路（110）と、該コンバータ回路（110）で変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（120）とから構成され、
   前記小容量コンデンサ（150）は、前記コンバータ回路（110）と前記インバータ回路（120）とを接続する直流母線間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１の電力変換装置において、
   該電力変換装置は、交流電源から供給された交流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に直接変換するものであり、
   前記小容量コンデンサ（150）は、該電力変換装置の入力側に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３の電力変換装置において、
   該電力変換装置は、三相の交流電源を入力とする３つの入力端子と、
   三相の交流電力を出力する３つの出力端子と、
   を備え、
   各出力端子には、それぞれの入力端子とそれぞれ接続された双方向スイッチ（210）が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１から請求項４のうちの何れか１つの電力変換装置において、
   該電力変換装置は、密閉されたケース内に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から請求項５のうちの何れか１つの電力変換装置において、
   該電力変換装置は、前記スイッチング素子（130）の動作温度よりも許容温度の高い樹脂によりコーティングされていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１から請求項６のうちの何れか１つの電力変換装置において、
   該電力変換装置は、空気調和装置（1）に内蔵されることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７の電力変換装置において、
   該電力変換装置は、前記空気調和装置（1）における圧縮機（20）のケーシング（30）内に配置されることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１から請求項８のうちの何れか１つの電力変換装置において、
   前記小容量コンデンサ（150）は、セラミックコンデンサにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１から請求項８のうちの何れか１つの電力変換装置において、
    前記小容量コンデンサ（150）は、誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１から請求項１０のうちの何れか１つの電力変換装置において、
    前記スイッチング素子（130）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体ディバイスであることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１１の電力変換装置において、
    前記ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム、及びダイヤモンドの何れかであることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１から請求項１２のうちの何れか１つの電力変換装置において、
    前記小容量コンデンサ（150）の許容温度は、１５０℃以上であることを特徴とする電力変換装置。

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