JP2012010500A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングにより電力変換を行う電力変換回路から電力供給される電動式圧縮機を有した冷凍装置において、電動式圧縮機から伝播するノイズをノイズフィルタでより効果的に低減できるようにする。
【解決手段】モータ（31）で駆動される圧縮機（30）を設ける。また、交流電源線（A,B）とアース線（17）との間に設けられたコンデンサ（11a）（Ｙコンデンサ）と、コモンモードコイル（11b）とを有したノイズフィルタ（11）を設ける。モータ（31）には、電力変換回路（12,13,14）によって、ノイズフィルタ（11）を介して入力された交流をスイッチング素子（14a）のスイッチング動作によって電力を変換して供給する。そして、アース側配線（50）によって、圧縮機（30）のフレーム（33）又はモータ（31）のステータコア（31a）を、コンデンサ（11a）のアース側ノードに接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチングにより電力変換を行う電力変換回路から電力供給される電動式圧縮機を有した冷凍装置に関するものである。

空気調和機などの冷凍装置では、アース線から電源系統へ流出する伝導性の高周波電流は雑音端子電圧として規制されている。この高周波電流を引き起こす最も大きな要因には、インバータ回路と電動式圧縮機を挙げられる。そのため、インバータ回路と電動式圧縮機を備えた空気調和機等では、雑音端子電圧の対策を行うためにノイズフィルタ等のノイズ対策部品が設けられている（例えば特許文献１，２を参照）。

特開２０１０−７９７４号公報 特開平１１−３４６４７７号公報

ところで、前記電動式圧縮機のフレームから流出した前記高周波電流（コモンモードノイズ）は、該電動式圧縮機に繋がる冷媒配管、閉鎖弁、該電動式圧縮機や電気回路を収容する筐体等を経由して、前記ノイズフィルタに伝播する。このノイズフィルタの減衰特性は、一般的には、ノイズフィルタからノイズ流出箇所までの経路のインダクタンスの影響を大きく受ける。しかしながら、前記コモンモードノイズの伝播経路を構成する冷媒配管や筐体等はインダクタンスが大きいので、ノイズフィルタが十分に効果を発揮できない可能性がある。そして、この場合には、ノイズフィルタ以外にもコモンモードノイズ対策を行う必要が生じるなど、冷凍装置としてコストアップを招く可能性がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、スイッチングにより電力変換を行う電力変換回路から電力供給される電動式圧縮機を有した冷凍装置において、前記電動式圧縮機から伝播するノイズをノイズフィルタでより効果的に低減できるようにすることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
モータ（31）で駆動される圧縮機（30）と、
交流電源線（A,B）とアース線（17）との間に設けられたコンデンサ（11a）と、コモンモードコイル（11b）とを有したノイズフィルタ（11）と、
スイッチング素子（14a）を有し、前記ノイズフィルタ（11）を介して入力された交流を該スイッチング素子（14a）のスイッチング動作によって電力変換して前記モータ（31）に供給する電力変換回路（12,13,14）と、
前記圧縮機（30）のフレーム（33）又は前記モータ（31）のステータコア（31a）を、前記コンデンサ（11a）のアース側ノードに接続するアース側配線（50）と、
を備えたことを特徴とする。

この構成では、前記電力変換回路（12,13,14）のスイッチング素子（14a）がスイッチング動作を行うと、高周波電流（コモンモードノイズ）が発生し、ステータコア（31a）からフレーム（33）を介して流出する。これに対し本発明では、フレーム（33）又はステータコア（31a）を前記コンデンサ（11a）のアース側に、アース側配線（50）で接続するようにしたので、前記コモンモードノイズは、主にこのアース側配線（50）を伝播経路として前記コンデンサ（11a）（ノイズフィルタ（11））に流れ込む。アース側配線（50）は、圧縮機（30）や電力変換回路（12,13,14）を収容する筐体や、圧縮機（30）に繋がる冷媒配管で形成されたノイズ伝播経路よりも、より小さなインダクタンスを有しているので、従来の冷凍装置と比べ、コモンモードノイズがノイズフィルタ（11）に流れやすくなる。

また、第２の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記フレーム（33）と同電位の端子部材（40a）を備え、
前記アース側配線（50）は、前記端子部材（40a）を介して前記フレーム（33）に接続されていることを特徴とする。

この構成では、フレーム（33）と同電位の端子部材（40a）を設けたので、前記アース側配線（50）を容易にフレーム（33）に接続することが可能になる。

また、第３の発明は、
第２の発明の冷凍装置において、
前記端子部材（40a）は、前記フレーム（33）に設けられていることを特徴とする。

この構成では、コモンモードノイズの流出箇所であるフレーム（33）に前記アース側配線（50）が接続され、コモンモードノイズがノイズフィルタ（11）により流れやすくなる。

また、第４の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記フレーム（33）は、前記モータ（31）に電力を供給する端子台（34）を備え、
前記端子台（34）には、前記アース側配線（50）を接続する端子部材（40a）が設けられ、
前記端子部材（40a）は、前記フレーム（33）の内部で前記ステータコア（31a）と配線接続されていることを特徴とする。

この構成では、電力供給用の端子台（34）に、前記アース側配線（50）を接続する端子部材（40a）を設けるようにしたものであり、前記フレーム（33）の内部で端子部材（40a）と、前記ステータコア（31a）とが配線接続される。したがって、コモンモードノイズは、フレーム（33）内部の配線、端子部材（40a）、アース側配線（50）の順に伝播してノイズフィルタ（11）に流れ込む。一般的な冷凍装置用の圧縮機（30）は、電力供給用の端子台（34）を備えていることが多い。すなわち、この構成では、既存の端子台（34）を利用してアース側配線（50）を接続する端子部材（40a）を設けることが可能になる。

第１の発明によれば、コモンモードノイズがノイズフィルタ（11）に流れやすくなるので、ノイズフィルタ（11）がノイズ低減効果をより高めることが可能になる。

また、第２の発明によれば、アース側配線（50）を容易に取り付けることが可能になるので、冷凍装置の製造が容易になる。

また、第３の発明によれば、コモンモードノイズがノイズフィルタ（11）により流れやすくなるので、より効果的にコモンモードノイズを低減させることが可能になる。

また、第４の発明によれば、モータ用の電力供給用の端子台（34）にアース側配線（50）接続用の端子部材（40a）を設けるようにしたので、安価に前記端子部材（40a）を設けてアース側配線（50）を接続することが可能になる。また、電力供給用の端子と同じ端子台（34）に端子部材（40a）を組み込んだので、配線作業の工数を低減することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置の一部分を抜粋した模式図である。 図２は、電気回路の主要部分を示すブロック図である。 図３は、端子台の圧縮機フレームへの取り付け例を示す図であり、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が側面図である。 図４は、配線の有無によるコモンモードノイズのレベル差を示す図である。 図５は、本実施形態の変形例を説明する図であり、（Ａ）が圧縮機の平面形状、（Ｂ）が圧縮機の側面側の断面形状を模式的にそれぞれ示している。

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。

《本実施形態の構成》
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置（1）の一部分を抜粋した模式図である。この冷凍装置（1）は、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにより冷房運転や暖房運転を行う空気調和機などに適用するものである。図１では、冷凍装置（1）が備えている、電気回路（10）と電動式圧縮機（30）の周辺を主に図示してある。電動式圧縮機（30）（以下、単に圧縮機ともいう）は、モータ（31）で駆動される圧縮機であり、冷凍サイクルにおける冷媒を圧縮する。また、電気回路（10）は、モータ（31）への電力供給や回転数制御などを行うようになっている。圧縮機（30）と電気回路（10）とは、鉄などの金属（導体）により箱状に構成された筐体（60）に収められている。

図２は、電気回路（10）の主要部分を示すブロック図である。図２に示した例では、電気回路（10）は、ノイズフィルタ（11）、コンバータ回路（12）、直流リンク部（13）、及びインバータ回路（14）を備え、これらはプリント基板（16）上に配置されている(図1を参照)。このプリント基板（16）は、電装品箱（図示は省略）に収容され、該電装品箱が前記筐体（60）に収容されている。また、電気回路（10）には、単相の交流電源（20）が接続されて交流電力が供給されている。この例では、交流電源（20）は、商用交流電源（例えばＡＣ１００Ｖ）である。なお、この交流電源（20）の出力には、直列接続されたコンデンサ（C1,C2）が接続され、２つのコンデンサ（C1,C2）間の中性点は、アース線（17）に接続されている。

ノイズフィルタ（11）は、前記交流電源（20）に接続され、ノイズ（後述のコモンモードノイズ）を低減させるようになっている。本実施形態のノイズフィルタ（11）は、図２に示すように、Ｙコンデンサ（11a）、コモンモードコイル（11b）、及びＸコンデンサ（11c）を備えている。Ｙコンデンサ（11a）は、交流電源線（A,B）とアース線（17）との間に設けられたコンデンサである。Ｘコンデンサ（11c）は、交流電源線（A,B）間に設けられたコンデンサである。また、コモンモードコイル（11b）は、前記交流電源線（A,B）のそれぞれに接続された一対のコイルである。なお、ノイズフィルタ（11）には、ノーマルモードコイルを設けてもよい。

コンバータ回路（12）は、前記ノイズフィルタ（11）を介して前記交流電源（20）から交流が入力され、該交流を整流するようになっている。本実施形態のコンバータ回路（12）は、ダイオード（12a）がブリッジ状に結線されたダイオードブリッジ回路である。また、直流リンク部（13）は、リアクトル（13a）と、平滑コンデンサ（13b）を備え、コンバータ回路（12）の出力を平滑化してインバータ回路（14）に出力する。

インバータ回路（14）は、複数のスイッチング素子（14a）と、複数の還流ダイオード（14b）とを備えている。このインバータ回路（14）は、前記直流リンク部（13）を介して、コンバータ回路（12）から直流電力の供給を受け、その直流電力を前記スイッチング素子（14a）でスイッチングして目標の交流電力を生成する。この例では、インバータ回路（14）が生成する交流電力は、三相の交流電力である。インバータ回路（14）が生成した三相交流電力は、モータ（31）に供給される。

本実施形態のインバータ回路（14）は、図示は省略するが、複数のスイッチング素子（14a）がブリッジ結線されて構成されている。このインバータ回路（14）は、三相交流を生成するので、６個のスイッチング素子（14a）を備えている。それぞれのスイッチング素子（14a）には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を採用できる。インバータ回路（14）は、詳しくは、２つのスイッチング素子を互いに直列接続してなる３つのスイッチングレグを備え、各スイッチングレグにおいて上アームのスイッチング素子（14a）と下アームのスイッチング素子（14a）との中点が、それぞれモータ（31）のコイル（図示は省略）に接続されている。また、各スイッチング素子（14a）には、還流ダイオード（14b）が逆並列に接続されている。

そして、これらのスイッチング素子（14a）や還流ダイオード（14b）は、該インバータ回路（14）を構成する他の部品とともに１つのパッケージに収められている。スイッチング素子（14a）はスイッチング動作にともなって発熱するので、このパッケージには、スイッチング素子（14a）等のパッケージ内の部品を冷却するヒートシンク（15）が取り付けられている（図１を参照）。

電気回路（10）では、コンバータ回路（12）、直流リンク部（13）、及びインバータ回路（14）が、前記ノイズフィルタ（11）を介して入力された交流を、前記スイッチング素子（14a）のスイッチング動作によって電力変換してモータ（31）に供給する。すなわち、コンバータ回路（12）、直流リンク部（13）、及びインバータ回路（14）は、本発明の電力変換回路の一例を構成している。

圧縮機（30）は、モータ（31）、圧縮機構（32）、及びフレーム（33）（以下、圧縮機フレームともいう）を備えている。圧縮機フレーム（33）は、圧縮機構（32）とモータ（31）とを収容するケーシングであり、この例では円筒状の密閉容器である。すなわち、圧縮機（30）は、いわゆる密閉型の圧縮機である。本実施形態では、圧縮機構（32）の構成は特には限定されないが、例えば、ロータリー式圧縮機構など種々の圧縮機構を採用できる。この圧縮機構（32）には、冷媒を吸入する冷媒配管（35）や吐出する冷媒配管（35）が接続されている。

モータ（31）は、三相の交流モータであり、ステータコア（31a）、ロータ（31b）、及び駆動軸（31c）を備えている。ロータ（31b）には駆動軸（31c）が取り付けられ、該駆動軸（31c）が圧縮機構（32）を回転駆動するようになっている。ステータコア（31a）は、圧縮機フレーム（33）の内周面に固定され、該ステータコア（31a）には、コイル（図示は省略）が巻回されている。また、前記圧縮機フレーム（33）の外面には、ガラス端子（34）が設けられ、前記ステータコア（31a）のコイルには、当該ガラス端子（34）を介して、前記インバータ回路（14）の出力（三相交流（U,V,W））が供給されている。

また、前記圧縮機フレーム（33）には、前記ガラス端子（34）とは別に、端子台（40）がねじ止めされている。図３は、端子台（40）の圧縮機フレーム（33）への取り付け例を示す図であり、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が側面図である。この端子台（40）は、圧縮機フレーム（33）と接続された、該圧縮機フレーム（33）と同電位のアース端子（40a）を備え、このアース端子（40a）には、配線をねじ止めできるようになっている。この例では、モータ（31）のステータコア（31a）も圧縮機フレーム（33）と同電位になり、その結果、端子台（40）のアース端子（40a）とステータコア（31a）とは同電位となる。

そして、端子台（40）のアース端子（40a）には、例えば被覆電線で構成されたアース側配線（50）の一端が接続（この例では、ねじ止め）され、該アース側配線（50）の他端は、前記Ｙコンデンサ（11a）のアース側のノードに接続されている。すなわち、アース端子（40a）は、本発明の端子部材の一例である。

《冷凍装置（1）におけるコモンモードノイズの伝播》
冷凍装置（1）において、前記インバータ回路（14）のスイッチング素子（14a）がスイッチング動作を行うと、前記モータ（31）において高周波電流（コモンモードノイズ）が発生する。この冷凍装置（1）では、前記モータ（31）から流出したコモンモードノイズの伝播経路の１つとして、冷媒配管（35）−閉鎖弁（図示は省略）−筐体（60）−電装箱−アース線（17）の順で、ノイズフィルタ（11）（より詳しくは、Ｙコンデンサ（11a））に流れる第１伝播経路（P1）がある（図２の矢印を参照）。すなわち、冷媒配管（35）などが筐体（60）に固定されることで、圧縮機フレーム（33）が接地されているのである。従来の冷凍装置では、この第１伝播経路（P1）がコモンモードノイズの主な伝播経路となる。

そして、本実施形態では、圧縮機フレーム（33）と同電位のアース端子（40a）を有した端子台（40）を設けて、アース端子（40a）にアース側配線（50）を接続して、圧縮機フレーム（33）を接地するようにした。すなわち、本実施形態では、コモンモードノイズが流れる経路は、前記第１伝播経路（P1）に加え、前記アース側配線（50）で形成された第２伝播経路（P2）も存在するのである（図２を参照）。

《本実施形態における効果》
一般に、ノイズフィルタの減衰特性は、Ｙコンデンサ（ノイズフィルタ）からノイズ流出箇所（この例では圧縮機（30））までの電流経路におけるインダクタンスの影響を大きく受ける。従来の空気調和機では、圧縮機のフレームにはアース線の接続を行う端子がなく、前記第１伝播経路（P1）に相当する経路が主なコモンモードノイズの伝播経路となる。しかしながら、この第１伝播経路（P1）を構成する筐体や冷媒配管などは、コモンモードノイズが流れることを考慮していないので、第１伝播経路（P1）は大きなインダクタンスを有する場合が多い。図２では、第１伝播経路（P1）におけるインダクタンス成分をコイル（L）と直流抵抗（R）とで模式的に示してある。このような大きなインダクタンスを有した第１伝播経路（P1）を主にノイズが伝播するとすれば、ノイズフィルタにはコモンモードノイズが流れにくく、ノイズフィルタが十分な効果を発揮しにくくなる。そして、この場合は、ノイズフィルタ以外にもコモンモードノイズ対策を行う必要が生じるなど、冷凍装置としてコストアップを招く可能性がある。

一方、本実施形態の圧縮機フレーム（33）にはアース端子（40a）を設け、それにアース線（アース側配線（50））を接続して第２伝播経路（P2）を構成している。この第２伝播経路（P2）を構成するアース側配線（50）は、筐体（60）や冷媒配管（35）で構成された第１伝播経路（P1）よりも小さなインダクタンスを有しているので、第２伝播経路（P2）の方が、前記第１伝播経路（P1）に比べ、コモンモードノイズがより流れやすい。したがって、本実施形態では、第１伝播経路（P1）だけの構成と比べ、ノイズフィルタ（11）がより効果的にノイズ低減効果を発揮することが可能になるのである。

本願発明者は、本実施形態の冷凍装置（1）を用いて、前記アース側配線（50）の有無によるコモンモードノイズ低減効果の差異を検証する実験を行った。図４は、アース側配線（50）の有無によるコモンモードノイズのレベル差を示す図である。図４では、横軸が周波数（対数表示）、縦軸がノイズレベル（デシベル表示）である。同図に示すように、発明者が行った実験では、およそ１ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲にわたり、アース側配線（50）を設けたことによるノイズ低減効果が得られた。

以上のように、本実施形態によれば、圧縮機（30）から伝播するノイズ（コモンモードノイズ）をノイズフィルタ（11）によって、より効果的に低減させることが可能になる。また、前記アース側配線（50）や、該アース側配線（50）を取り付ける端子台（40）の設置は、他のノイズ対策よりもより安価に実施することが期待できる。

《変形例》
図５は、本実施形態の変形例を説明する図であり、（Ａ）が圧縮機（30）の平面形状、（Ｂ）が圧縮機（30）の側面側の断面形状を模式的にそれぞれ示している。この例では、アース端子（40a）は、ガラス端子（34）に設けてある。ガラス端子（34）にアース端子（40a）を設けると、該アース端子（40a）が圧縮機フレーム（33）と絶縁される場合があるが、その場合には、図５（Ｂ）に示すように、アース端子（40a）とステータコア（31a）とを、圧縮機フレーム（33）の内部で、内部配線（41）によって接続すればよい。

《その他の実施形態》
なお、前記端子台（40）に代えて、例えば、圧着端子（例えば、ファストン（登録商標）など）を、被覆電線を介して圧縮機フレーム（33）に取り付け、その圧着端子に前記アース側配線（50）を接続するようにしてもよい。勿論、他の種類の端子を採用してもよいし、アース側配線（50）を直接的に、圧縮機フレーム（33）にねじ止めしたり溶接するなどして接続してもよい。

また、圧縮機（30）に繋がる冷媒配管（35）は、電気的に圧縮機フレーム（33）と導通している場合が多いので、この場合は冷媒配管（35）にアース側配線（50）を接続するようにしてもよい。冷媒配管（35）にアース側配線（50）を接続する場合は、アース側配線（50）の接続箇所が圧縮機（30）から離れるほど冷媒配管（35）のインダクタンスの影響が大きくなってノイズ低減効果も小さくなるので、目標のノイズレベルを考慮して接続位置を設定するとよい。

本発明は、スイッチングにより電力変換を行う電力変換回路から電力供給される電動式圧縮機を有した冷凍装置として有用である。

１ 冷凍装置
１１ ノイズフィルタ
１１ａ Ｙコンデンサ（コンデンサ）
１１ｂ コモンモードコイル
１２ コンバータ回路
１３ 直流リンク部
１４ インバータ回路
１４ａ スイッチング素子
１６ アース線
３０ 圧縮機
３１ モータ
３１ａ ステータコア
３３ 圧縮機フレーム（フレーム）
３４ ガラス端子（端子台）
４０ａ 端子（端子部材）
５０ 配線

Claims (4)

1. モータ（31）で駆動される圧縮機（30）と、
   交流電源線（A,B）とアース線（17）との間に設けられたコンデンサ（11a）と、コモンモードコイル（11b）とを有したノイズフィルタ（11）と、
   スイッチング素子（14a）を有し、前記ノイズフィルタ（11）を介して入力された交流を該スイッチング素子（14a）のスイッチング動作によって電力変換して前記モータ（31）に供給する電力変換回路（12,13,14）と、
   前記圧縮機（30）のフレーム（33）又は前記モータ（31）のステータコア（31a）を、前記コンデンサ（11a）のアース側ノードに接続するアース側配線（50）と、
   を備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１の冷凍装置において、
   前記フレーム（33）と同電位の端子部材（40a）を備え、
   前記アース側配線（50）は、前記端子部材（40a）を介して前記フレーム（33）に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２の冷凍装置において、
   前記端子部材（40a）は、前記フレーム（33）に設けられていることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１の冷凍装置において、
   前記フレーム（33）は、前記モータ（31）に電力を供給する端子台（34）を備え、
   前記端子台（34）には、前記アース側配線（50）を接続する端子部材（40a）が設けられ、
   前記端子部材（40a）は、前記フレーム（33）の内部で前記ステータコア（31a）と配線接続されていることを特徴とする冷凍装置。

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