JP3845769B2 - 冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置 - Google Patents

冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転数が可変可能な圧縮機モ−タを搭載する冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、インバータ基本部を変更することなく仕様変更を容易にするため、交流電源からの交流電圧を直流にするコンバータと直流/交流変換器であるインバータとを実装した第1の基板と、インバータの制御を行うマイクロコンピュータを含む制御器を実装した第2の基板と、端子台、突入抑制抵抗、平滑コンデンサが実装された第3の基板からなるインバータ基本部と、インバータ制御装置を管理するマイクロコンピュータ処理のうち入力/出力インタフェイスを管理するI/Oブロック部とに分離することが知られ、例えば特開平11−41943号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、仕様変更に対する自由度は増しているが、特に冷凍サイクルに用いることを考慮していないため、冷凍サイクルに特有の課題、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサ信号をマイクロコンピュータに取り込んで、冷凍サイクルに適したインバ−タ制御をすることに対して考慮されていなく、冷凍装置自体の小型化も要求される、などは充分考慮されていない。
【0004】
本発明の目的は、空気調和機、冷凍機などの冷凍装置、特に室外機の小型化に伴い、冷凍装置及びインバータ装置を小型化すると共に、冷凍サイクルの信頼性を向上し、さらには冷凍装置の高度な制御、故障診断などにより適したものにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、冷凍装置を圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を用いて前記コンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、コンバータ、アクティブ回路及びインバータが第1の基板に実装されたものとする。また、本発明では、冷凍装置を、圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を用いてコンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、インバータ、アクティブ回路及びインバータが実装された第1の基板と、インバータ及びコンバータを制御するマイクロコンピュータと、電動機の電流を検出する電流検出機構と、電動機の端子台と、インタフェイス用コネクタが実装された第2の基板と、第1及び第2の基板の側面を覆い、前面は端子台が配置される段差部が設けられたケースと、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第3の基板と、を備え、端子台が段差部に適合するように、かつケースの底面から第1の基板、第2の基板、第3の基板の順序で階層状に配置され、第1の基板のパワー半導体面はゲルが充填され、さらにゲル表面から第2の基板の上面まで樹脂封入されたものとする。また、本発明では、インバータ装置を、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を用いてコンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、コンバータ、アクティブ回路及びインバータが実装された第1の基板と、コンバータ、インバータ及び前記アクティブ回路が第1の基板に実装され、インタフェイス用コネクタが前記第1の基板の上部に配置される基板に実装されたものとする。また、本発明では、インバータ装置を冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を有し前記コンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、コンバータ、アクティブ回路及びインバータが実装された第1の基板と、インバータ及びコンバータを制御するマイクロコンピュータと、電動機の電流を検出する電流検出機構と、電動機の端子台と、インタフェイス用コネクタが実装された第2の基板と、第1及び第2の基板の側面を覆い、前面は前記端子台が配置される段差部が設けられたケースと、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第3の基板と、を備え、端子台が前記段差部に適合するように、かつケースの底面から第1の基板、第2の基板、第3の基板の順序で階層状に配置され、第1の基板のパワー半導体面はゲルが充填され、さらにゲル表面から第2の基板の上面まで樹脂封入されたものとする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図1は、一実施の形態による冷凍サイクル系統図であり、圧縮機101、室内熱交換器102、室内膨張弁104、室外熱交換器105、アキュ−ムレ−タ107を順次連結して冷媒を循環させ冷凍サイクルを形成している。そして、室内を冷房する場合、圧縮機101で圧縮された冷媒は室外熱交換器105で凝縮して液化した後、室内膨張弁104で減圧し、室内熱交換器102で蒸発して圧縮機101に戻る。室内送風機用電動機103は室内機109の熱交換を促進し、室外送風機用電動機106は室外機108の熱交換を促進する。
【0014】
圧縮機101は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数を可変制御される電動機111により駆動され、運転周波数はインバータ装置210により制御される。
冷凍サイクルは、圧縮機101の回転数以外に冷媒流量を調整する室内膨脹弁104、あるいは室外膨脹弁(図示せず)の開度、室内送風機用電動機103及び室外送風機用電動機106の回転数、冷房/暖房の運転モードを切り換える四方弁(図示せず)などが制御され、そのための情報として運転モード、温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、各部の温度(圧縮機の吐出ガス温度、吸入温度、熱交換器温度など)及び圧力を検出した信号などが制御装置へ入力される。その他、インタフェイス用コネクタ242を介して冷凍装置あるいは空気調和機の運転データ(例えば、冷凍サイクル中の主要部の温度、圧力等である吸入圧力、吐出圧力、圧縮機上温度、室外機膨張弁開度、室内機膨張弁開度、圧縮機電流値、圧縮機周波数、外気温度、蒸発温度、吸込温度、吹出温度、凍結温度、要求周波数、ガス管温度、設定温度等)が入力又は出力される。
【0015】
図2は、インバータ装置の回路図を示し、単相交流電源250からの交流電圧を直流にするコンバータ222aと能動素子であるトランジスタモジュールなどのスイッチングパワー素子を用いて交流電源からの交流電圧を直流にし、電源力率の改善、高調波の低減、直流電圧の制御などを行うアクティブ回路226a、つまりアクティブコンバータ(222a、226a)と、直流/交流変換器であるインバータ221aとが実装され、実装面の反対面にアルミ製の放熱フィンが密着される第1の基板(金属基板)220と、マイクロコンピュータ(マイコン)231と、電動機111の電流を検出する電流検出機構234と、アクティブ回路を駆動する制御機構228と、電動機111の端子台261と、が実装された第2の基板(制御基板)230と、電動機111への突入電流を抑制する突入抑制抵抗器244と、冷凍サイクルの運転状況に応じたインバ−タ運転指令信号、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ242と、入力された信号をマイクロコンピュータ231へ光信号により伝達するホトカプラ243と、が実装された第3の基板とから構成される。また、平滑コンデンサ251は第1の基板220に外付けされる。
【0016】
交流電源250からの交流電圧はブリッジ結線された複数の整流素子222で直流にされ、アクティブ回路226a(スイッチング素子226がリアクトル252二次側(+)ラインとコンバ−タ222a出力側(−)ラインとの間に配置)で電源力率を改善し、直流/交流変換器であるインバータ221a(スイッチング素子221が三相ブリッジ結線された電力変換手段)がマイクロコンピュータ231で交流周波数として制御され、電動機111が駆動される。
【0017】
コンバータ222aにおいて、交流電圧は、複数の整流素子222にて整流され、圧縮機101を運転又は停止するマグネットスイッチ253、力率用リアクトル252、アクティブ回路のスイッチング素子226、ファ−ストリカバリ−素子227を介し、平滑用コンデンサ251に至る。インバータ221aではスイッチング素子221がスイッチング時に発生する電動機111から発生する逆起電力を回生するためにスイッチング素子221と併設してフライホイール素子223が設けられ、共に第1の基板220に実装される。
【0018】
マイクロコンピュータ231とスイッチング素子221との間にはマイクロコンピュータ231からの微弱な信号をスイッチング素子221を駆動できるレベルまで増幅するドライバ回路232が設けられる。電動機111に供給される電流は電流検出機構234にて検出され、その信号がマイクロコンピュータ231に取り込まれて監視される。第1の基板220においてコンバータ222aで生成された直流の一部は、第2の基板230に設けられた電源回路233でインバータ221aで使用される高電圧から5V程度に調整されてマイクロコンピュータ231、ドライバ回路232、電流検出機構234に供給される。
【0019】
また、第1の基板上に設けられたアクティブ回路226aは、第2の基板に配置した力率改善制御機構228にて駆動制御される。さらに、アクティブ回路が第1の基板外に設けても良く、その場合はインタ−フェイス用コネクタを第2の基板に配置する。これにより、アクティブ回路226aの容量を大きくすることが可能となり、広範囲な大きさの冷凍装置への対応が容易となる。
【0020】
第3の基板(インターフェイス基板)240には伝送回路241が搭載され、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ242と、入力された信号をマイクロコンピュータ231へ光信号により伝達するホトカプラ243が設けられる。サイクル制御基板254とマイクロコンピュータ231との間では、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号は冷媒流量を調整する室内膨脹弁104、あるいは室外膨脹弁(図示せず)の開度、室内送風機用電動機103及び室外送風機用電動機106の回転数、冷房/暖房の運転モードを切り換える四方弁(図示せず)の制御信号、さらにはインバータ電流、インバータ周波数、インバータ自身の異常、正常の状態信号などがホトカプラ243を介して電気的隔離が得られた状態で送受信される。特に、ホトカプラ243、インタフェイス用コネクタ242を介してインバータの運転周波数を出力して、冷凍サイクルの運転状態の把握、停止した場合の要因分析、さらには故障分析などを行う。また、電源投入時などに閉路するマグネットスイッチ253が電解コンデンサ251に流れる過大な突入電流で溶着しないようマグネットスイッチ253と並列に突入抑制抵抗244が第3の基板240に設けられる。
【0021】
インバータ制御、つまり高速でスイッチングすることにより運転周波数を可変するのに必要とされるマイクロコンピュータ231は高速なものが必要とされるが、冷凍サイクルの能力制御、冷暖房のモード切換えなどは低速なもので良く、このマイクロコンピュータ231で冷凍サイクルの各種制御弁(室外膨脹弁、室外送風機用電動機106、冷房/暖房の運転モードを切り換える四方弁)の制御を共用することができる。特に、第1の基板220に室外膨脹弁の駆動回路を設け、圧縮機101の吐出ガス温度を検出した信号をインタフェイス用コネクタ242を介してマイクロコンピュータ231へ入力すれば圧縮機101の能力と冷媒流量をマイクロコンピュータ231で吐出ガススーパーヒートを最適にするように制御することにより、冷凍サイクル全体としての制御回路を簡略化して配線等も少なくなり、小型化することができる。
【0022】
図3は、実装される場合のインバータ装置の組みたてられ方を示し、図4は最終的に組みたてられた状態、図5は断面を示している。ケース262の前面は端子台260が配置されるように一部が切り欠けられた段差部261が設けられ、底面の反実装面にはコンバータ222a及びインバータ221a、アクティブ回路226aの熱を共に放熱する放熱フィン263が密着されている。
【0023】
ケース262はアルミダイキャストなどで金属製としても良いが、樹脂製とすれば低価格で複雑な形状が可能であるので、端子台260を段差部261に適合するように配置でき、端子台260はケース262の上面よりも突き出すことがない。よって、本インバータ装置を例えば空気調和機の室外機に実装するうえでも無駄なスペースを無くすことができ、電磁ノイズの抑制からも望ましい。さらに、ケース262の底面から第1の基板220、第2の基板230、第3の基板240の順序で階層状に配置され、ケース262に収納されている。また、第1の基板220のパワー半導体面は図5で略一点鎖線Aまでゲル270が充填され、パワー半導体素子(コンバータ222a、インバータ221a、アクティブ回路226aを構成するダイオードやIGBT)を保護している。さらに、ゲル表面から図5で略二点鎖線B、第2の基板20の上面まで保護、絶縁のために樹脂271封入されてパワーモジュールISPMとして纏められている。
【0024】
ケース262の側面側の内には、第1の基板220と第2の基板230とを接続する第1のリードピン225と、同じく第1の基板220と第3の基板240とを接続する第2のリードピン224とを設け、第2の基板230と第3の基板240とは第2の基板230に設けた第3のリードピン235で接続される。また、第3の基板は第2の基板に設けられた基板支持スペーサ236にて支持されている。
【0025】
以上のように、組立作業工数の低減および部品実装面積の小型化を図ることができると共に、パワー半導体が実装されるコンバータ222a、インバータ221a及びマイクロコンピュータ231と、電動機111の電流を検出する電流検出機構234が電磁ノイズの発生を抑制するためシールド処理がされた箱形のケース262及び放熱フィンで囲まれるので、不要輻射電磁ノイズを抑制できる。
【0026】
また、コンバータ222a、インバータ221a、アクティブ回路226aとが同一基板(第1の基板220)に実装されること、パワー半導体を制御するマイクロコンピュータ231、電動機111の電流を検出する電流検出機構234、電動機の端子台260が実装された第2の基板とを階層状に近接してコンパクトに配置されるので、ノイズ発生の可能性が大きい部分の配線長を短くできるので、ノイズ発生の要因を少なくできる。
【0027】
さらに、電磁ノイズの影響の大きい、例えば大電流が必要とされる圧縮機101からの影響が大きい比較的微弱な信号である冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ242が実装された第3の基板240が最上部に配置され、かつ光信号によりマイクロコンピュータ231のへ伝達されるので、ノイズの混入による誤動作を無くして冷凍サイクルの信頼性を向上できる。さらに、第1の基板220のパワー半導体面はゲルが充填され、さらにゲル表面から第2の基板230の上面まで樹脂封入されているので、パワーモジュールISPM自体の信頼性も向上する。
【0028】
さらに、冷凍サイクルの構成、冷凍装置、あるいは空気調和機の能力、店舗用、ビル用マルチなどの機種、に応じてマイクロコンピュータ231のソフトウエアや入力/出力インタフェイスのハードウエアを変更するとき、最上部の第3の基板240を分離すれば容易に対応ができる。そして、このときにおいてもケース262の底面から電流値が大きい順に配置されるので、配線本数を少なくできるなど対応の自由度も高いものとなる。
【0029】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、パワー半導体を有する基板を最下部とし、その上部にマイクロコンピュータが実装された基板を有し、インタフェイス用コネクタが実装された基板が最上部になるように階層的にコンパクトに配置され、インタフェイス用コネクタから冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が光信号によりマイクロコンピュータへ伝達されるので、ノイズ発生の要因を少なくし、冷凍サイクルの信頼性を向上できると共に、より高度な制御、故障診断などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態による冷凍装置の冷凍サイクル図。
【図2】 本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置のブロック図。
【図3】 本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の組立方法を示す斜視図。
【図4】 本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の組み立てた状態を示す斜視図。
【図5】 本発明の一実施の形態によるインバ−タ装置の断面図。
【符号の説明】
101…圧縮機、102…室内熱交換器、105…室外熱交換器、111…電動機、210…インバータ装置、220…第1の基板、221…スイッチング素子、221a…インバータ、222…整流素子、222a…コンバータ、224…第2のリードピン、225…第1のリードピン、226…スイッチング素子、226a…アクティブ回路、229…インタフェイス用コネクタ、230…第2の基板、231…マイクロコンピュータ、234…電流検出機構、235…第3のリードピン、240…第3の基板、242…インタフェイス用コネクタ、262…樹脂ケ−ス、271…樹脂。

Claims (3)

  1. 圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を用いて前記コンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、前記アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、前記インバータを制御するマイクロコンピュータ、前記冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、前記コンバータ、前記アクティブ回路及び前記インバータが第1の基板に実装され、前記インバータ及びコンバータを制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、インタフェイス用コネクタが第2の基板に実装され、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、前記インタフェイス用コネクタに入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラとが第3の基板に実装され、前記第1及び第2の基板の側面を覆うケースを備え、前記第1の基板、前記第2の基板、前記第3の基板の順序で階層状に配置されたことを特徴とする冷凍装置。
  2. 圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を用いて前記コンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、前記アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、前記インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、前記コンバータ、前記アクティブ回路及び前記インバータが実装された第1の基板と、前記インバータ及びコンバータを制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、インタフェイス用コネクタが実装された第2の基板と、前記第1及び第2の基板の側面を覆い、前面は前記端子台が配置される段差部が設けられたケースと、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第3の基板と、を備え、前記端子台が前記段差部に適合するように、かつ前記ケースの底面から第1の基板、第2の基板、第3の基板の順序で階層状に配置され、前記第1の基板のパワー半導体面はゲルが充填され、さらに前記ゲル表面から第2の基板の上面まで樹脂封入されたことを特徴とする冷凍装置。
  3. 冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ、スイッチングパワー素子を有し前記コンバータにより整流された直流電圧を制御するアクティブ回路、前記アクティブ回路により制御された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、前記インバータを制御するマイクロコンピュータ、冷凍サイクルの温度又は圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタを備え、前記コンバータ、前記アクティブ回路及び前記インバータが実装された第1の基板と、前記インバータ及びコンバータを制御するマイクロコンピュータと、前記電動機の電流を検出する電流検出機構と、前記電動機の端子台と、インタフェイス用コネクタが実装された第2の基板と、前記第1及び第2の基板の側面を覆い、前面は前記端子台が配置される段差部が設けられたケースと、前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、入力された信号を前記マイクロコンピュータへ光信号により伝達するホトカプラと、が実装された第3の基板と、を備え、前記端子台が前記段差部に適合するように、かつ前記ケースの底面から第1の基板、第2の基板、第3の基板の順序で階層状に配置され、前記第1の基板のパワー半導体面はゲルが充填され、さらに前記ゲル表面から第2の基板の上面まで樹脂封入されたことを特徴とするインバータ装置。
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