JP5433987B2 - 冷凍装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関するものである。
冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置では、圧縮機の電動機の運転状態を制御するために、インバータ回路などの電気回路が搭載される。一般的にこのインバータ回路には高熱を生ずるパワーデバイスが用いられ、従来の冷凍装置ではこのパワーデバイスが動作可能な温度よりも高温にならないように、パワーデバイスを冷却する手段が設けられている。具体的な冷却手段としては、例えばパワーデバイスにヒートシンクを取り付けて空冷したり、冷凍サイクルに用いる冷媒によってパワーデバイスを冷却するようにしたものがある(例えば特許文献1を参照)。特許文献1の冷凍装置では、冷凍サイクルに用いる冷媒が流れる冷媒通路を冷媒ジャケット(この文献ではヒートシンクと呼んでいる)に設け、この冷媒ジャケットにパワーデバイス(同文献ではジャイアント・トランジスタ)を固定するとともに、冷媒ジャケットを電気部品箱に収めている。
特開昭62-69066号公報
ところで、パワーデバイスのなかには、図10に示すように、IGBTベアチップ(401)(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、ヒートスプレッダ(402)、内部電極(403)、絶縁板(404)、金属板(405)が樹脂モールドにより1つのパッケージ(406)に収められているものがある。このような構造のパワーデバイス(400)では、該パワーデバイス(400)内部において内部電極(403)と金属板(405)との間にコンデンサが形成される。また、このパワーデバイス(400)に対して、導電体により形成されたヒートシンクや冷媒ジャケットなどの冷却手段(407)を取り付けると、パワーデバイス(400)内部の金属板(405)と、冷却手段(407)との間にコンデンサが形成される。そして、これらのコンデンサは直列に繋がることになる(図11を参照)。
上記のパワーデバイス(400)を冷却する際に、例えば冷却手段(407)としてヒートシンクを使用してパワーデバイス(400)を空冷する場合には、図12のように構成することが考えられる。図12の例では、プリント基板(408)上に、パワーデバイス(400)、コモンモードコイル(409)、Yコン(410)、コンデンサ(411)が配置されて電気回路が形成されている。Yコン(410)はAC電源ラインとアース線との間に設けられたコンデンサであり、コモンモードコイル(409)とともにノイズフィルタを構成している。また、コンデンサ(411)は電圧の平滑等に用いるコンデンサである。この構成では、空冷用のヒートシンクは非接地である。
一方、冷却手段(407)として冷媒ジャケットを使用してパワーデバイス(400)を冷媒によって冷却する場合には、図13の構成が考えられる。この例では、冷媒ジャケットが冷媒配管(412)に接続されているので、冷媒ジャケットは、該冷媒ジャケットやプリント基板(408)が収容された筐体(413)を介して接地させられる。
ここで、パワーデバイス(400)がスイッチング動作を行うと、内部電極(403)の対地間電位変動によって、内部電極(403)と冷却手段(407)との間に形成されたコンデンサに高周波電流(高周波ノイズ)が流れる。その高周波電流は、図14において矢印で示すように、筐体(413)やアース線を通って装置外部へ流れ出す。すなわち、この冷凍装置におけるノイズの伝達経路を等価回路で示すと図15のようになる。図15においても高周波電流が流れる経路を矢印で示している。なお、図14、図15において、LISNはノイズ測定用の装置である。
このようにして装置外部へ流れ出た高周波電流が所定の大きさを超えると、雑端(雑音端子電圧)や漏れ電流等のノイズ問題の原因となる可能性がある。そして、装置外部へ漏れ出す高周波電流の大きさは、内部電極(403)と冷却手段(407)の間に形成されたコンデンサの静電容量と電圧の変化率で決まる。すなわち、高周波電流の大きさ(i)は静電容量をC、電圧をvとすると、i=C×dv/dtと表せる。その点、空冷用のヒートシンクは一般的には非接地で用いるので、その静電容量の大きさは然程大きくなく、装置外部へ流れ出る高周波電流(コモンモードノイズ)は問題になり難いと考えられる。
しかしながら、冷却手段(407)として冷媒ジャケットを使用する場合には、冷媒ジャケットには銅などの導体により形成された冷媒配管が接続され、その冷媒配管が筐体に接続されるので、冷媒ジャケットは接地され、その結果、静電容量が大きくなってノイズが増加する可能性がある。つまり、ヒートシンクによりパワーデバイス(400)を空冷していた場合には問題にならなかったノイズが、発生したノイズのレベルによっては、冷媒ジャケットを使用することにより問題として顕在化する可能性がある。
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケットを用いてパワーデバイスを冷却する際に、冷却ジャケットから漏れ出してコモンモードノイズとなる高周波電流を低減させ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、
パワーデバイス(14)を有した電気回路(10)と、該パワーデバイス(14)と熱的に接続されるとともに冷凍サイクルの冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット(30)とを備えて、該冷媒ジャケット(30)を流通する冷媒によって該パワーデバイス(14)を冷却する冷凍装置であって、
前記冷媒ジャケット(30)内に前記冷媒を流通させ、且つ該冷媒ジャケット(30)を接地させる電流経路(20a,20b)を形成する冷媒配管(20)と、
前記電気回路(10)に接続された電動機と、
前記電流経路(20a,20b)上であって、該電流経路(20a,20b)が該冷凍装置の筐体(70)に取り付けられる箇所と前記冷媒ジャケット(30)との間に設けられて、該電流経路(20a,20b)に所定のインピーダンスを生じさせる磁性体(90)と、
を備えたことを特徴とする。
これにより、冷媒配管(20)のインピーダンスが、通常の冷媒配管よりも大きくなる。
また、第2の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット(30)は、複数の電流経路(20a,20b)によって接地させられ、
前記磁性体(90)は、それぞれの電流経路(20a,20b)に対して設けられていることを特徴とする。
これにより、冷媒配管(20)が複数の電流経路(20a,20b)として機能する場合にも、各電流経路(冷媒配管)のインピーダンスが、通常の冷媒配管よりも大きくなる。
また、第3の発明は、
第2の発明の冷凍装置において、
それぞれの電流経路(20a,20b)に設けられる磁性体(90)の数は、同じであることを特徴とする。
これにより、冷媒配管(20)が複数の電流経路として機能する場合に、各電流経路(20a,20b)のインピーダンスを揃えることができる。
また、第4の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット(30)は、複数の電流経路(20a,20b)によって接地させられ、
1つの磁性体(90)で複数の電流経路(20a,20b)に対して所定のインピーダンスを生じさせることを特徴とする。
これにより、冷媒配管(20)が複数の電流経路(20a,20b)として機能する場合に、各電流経路(20a,20b)のインピーダンスを揃えることができる。また、設置する磁性体(90)の数を低減できる。
また、第5の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
1つの電流経路(20a,20b)に対して複数個の磁性体(90)が設けられていることを特徴とする。
これにより、電流経路(20a,20b)のインピーダンスや周波数特性を調整できる。
また、第6の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
前記磁性体(90)は、中空の柱状に形成され、
前記電流経路(20a,20b)は、該電流経路(20a,20b)が前記磁性体(90)の中空部分を1回だけ通過するように該磁性体(90)が取り付けられていることを特徴とする。
これにより、磁性体(90)を冷媒配管(20)に対して容易に取り付けることができる。
また、第7の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
前記磁性体(90)は、円環状に形成され、
前記電流経路(20a,20b)は、前記磁性体(90)における円環の穴部分を複数回通過するように、該磁性体(90)に対して巻回されていることを特徴とする。
これにより、電流経路(20a,20b)のインピーダンスや周波数特性を調整できる。
また、第8の発明は、
第1の発明の冷凍装置において、
前記磁性体(90)は、フェライトコアにより形成されていることを特徴とする。
これにより、フェライトコアが電流経路としての冷媒配管(20)に所定のインピーダンスを生じさせる。
第1の発明によれば、冷媒ジャケット(30)から漏れ出してコモンモードノイズとなる高周波電流を低減させることができる。
また、第2の発明によれば、冷媒ジャケット(30)から漏れ出してコモンモードノイズとなる高周波電流を、より確実に低減させることができる。
また、第3の発明によれば、各電流経路(20a,20b)のインピーダンスが同じになるので、各電流経路(20a,20b)に流れ込む高周波電流の大きさを同じにでき、磁性体(90)の特性を効果的に使うことができる。これにより、コモンモードノイズとなる高周波電流を、より確実に低減させることができる。
また、第4の発明によれば、各電流経路(20a,20b)のインピーダンスを揃えることができるので、各電流経路(20a,20b)に流れ込む高周波電流の大きさを同じにでき、磁性体(90)の特性を効果的に使うことができる。これにより、コモンモードノイズとなる高周波電流を、より確実に低減させることができる。また、設置する磁性体(90)の数を低減できるので、冷凍装置(1)の製造がより容易になる。
また、第5の発明によれば、電流経路(20a,20b)のインピーダンスや周波数特性を調整できるので、コモンモードノイズ対策がより容易になる。
また、第6の発明によれば、容易に磁性体(90)を冷媒配管(20)に対して取り付けることができるので、冷凍装置(1)の製造がより容易になる。
また、第7の発明によれば、電流経路(20a,20b)のインピーダンスや周波数特性を調整できるので、コモンモードノイズ対策がより容易になる。
また、第8の発明によれば、磁性体(90)を容易に構成することができる。
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》
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できる。図1では、冷凍サイクルに使用する冷媒を圧縮する圧縮機(図示省略)の電動機(M)の回転数の制御などを行う電気回路(10)の周辺を主に図示している。同図に示すように、電気回路(10)の周辺には、冷媒配管(20)、冷媒ジャケット(30)、磁性体(90)が配置され、これらは、鉄などの金属(導体)により箱状に構成された筐体(70)に収められている。
冷媒配管(20)は、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する配管であり、例えば銅管などにより構成される。この冷媒配管(20)は、金属のブラケット(71)によって、筐体(70)に固定され、筐体(70)に取り付けられたアース配線等を介して接地されている。
冷媒ジャケット(30)は、例えばアルミニウムなどの金属を扁平な直方体状に形成したものであり、冷媒配管(20)の一部を覆って、冷媒配管(20)と熱的に接続されている。詳しくは、この冷媒ジャケット(30)には、図2に示すように冷媒配管(20)を嵌めこむ2つの貫通孔(30a)が設けられ、冷媒配管(20)は、一方の貫通孔(30a)を通り抜けた後にU字状に折り返して、もう一方の貫通孔(30a)を通り抜けている。つまり、この冷媒ジャケット(30)は、冷媒配管(20)によって、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通することになる。
また、冷媒ジャケット(30)と冷媒配管(20)とは電気的にも接続されている。この冷媒配管(20)は既述の通り、筐体(70)等を介して接地されているので、この冷媒ジャケット(30)も接地されることになる。この場合、冷媒ジャケット(30)は上記のように1本の冷媒配管(20)を覆う形になっていているので、冷媒の流路としては1つと見ることができるが、この冷媒ジャケット(30)は、該冷媒ジャケット(30)に対し冷媒が流入する側の冷媒配管(20)を介して接地させられ、さらに、冷媒ジャケット(30)から冷媒が流出する側の冷媒配管(20)を介して接地させられる。すなわち、この冷媒配管(20)は、冷媒ジャケット(30)に対し冷媒が流入する側の部分と、冷媒が流出する側の部分とがそれぞれ別個の電流経路(20a,20b)として機能している。
図3は、電気回路(10)の主要部分を示すブロック図である。図3に示した例では、電気回路(10)は、ノイズフィルタ(11)、DCリンク(12)、インバータ回路(13)を備え、これらがプリント基板(15)上に配置されている。なお、図3におけるLISN(100)は、ノイズ測定用の装置であり、電気回路(10)の構成要素ではない。このLISN(100)は抵抗成分として50Ωを有し、ノイズを電圧として測定するようになっている。
ノイズフィルタ(11)は、商用交流電源(例えばAC100V)に接続され、交流の入力側においてノイズを低減させる。このノイズフィルタ(11)は、図3に示すように、AC電源ラインとアース線との間に設けられたコンデンサであるYコン(11a)、コモンモードコイル(11b)、AC電源ライン同士を繋ぐコンデンサであるXコン(11c)を備えている。なお、ノイズフィルタ(11)には、さらにノーマルモードコイルを設けてもよい。
また、DCリンク(12)は、整流器(12a)、リアクトル(12b)、及び平滑コンデンサ(12c)を備え、ノイズフィルタ(11)を介して入力された交流を整流して直流電力を出力する。
インバータ回路(13)は、DCリンク(12)から直流電力の供給を受けて、電動機(M)に所定の電圧の交流電力を供給する。このインバータ回路(13)は、スイッチング素子としてパワーデバイス(14)を備えている。本実施形態のパワーデバイス(14)は、図4に示すように、IGBTベアチップ(14a)、ヒートスプレッダ(14b)、内部電極(14c)、絶縁板(14d)、及び金属板(14e)を備え、これらが樹脂モールドにより1つのパッケージ(14f)に収められている。この構造では図5に示すように、パワーデバイス(14)の内部において、内部電極(14c)、絶縁板(14d)、及び金属板(14e)によってコンデンサ(C1a)が形成される。
上記のパワーデバイス(14)は、電動機(M)の運転時には発熱し、パワーデバイス(14)を冷却しておかないと、パワーデバイス(14)が動作可能な温度(例えば90℃)を超える可能性がある。そのため、冷凍装置(1)では、図1に示すように、冷媒ジャケット(30)を、パワーデバイス(14)に固定して、冷媒ジャケット(30)を流通する冷媒によってパワーデバイス(14)を冷却するようになっている。つまり、この構造では、パワーデバイス(14)の熱は、冷媒ジャケット(30)に伝導し、冷媒ジャケット(30)を流通する冷媒に放熱することになる。
また、この構造では、金属板(14e)、パッケージ(14f)、冷媒ジャケット(30)によってコンデンサ(C1b)が形成される。このコンデンサ(C1b)はコンデンサ(C1a)と直列接続されている(図5を参照)。以下では、直列接続されたコンデンサ(C1a,C1b)をコンデンサ(C1)と呼ぶことにする。ここで例えば、パワーデバイス(14)がスイッチング動作を行うと、内部電極(14c)の対地間電位変動によって、コンデンサ(C1)に高周波電流が流れ、冷媒ジャケット(30)に伝播する。冷媒ジャケット(30)に伝播した高周波電流は、冷媒ジャケット(30)が冷媒配管(20)に対して電気的に接続されているので、電流経路(20a,20b)としての冷媒配管(20)に流れ込むことになる。
磁性体(90)は、各電流経路(20a,20b)に所定のインピーダンスを生じさせるために設けている。これは、冷媒ジャケット(30)から、冷媒配管(20)に上記のように流れ込む高周波電流を減少させるためである。本実施形態では、磁性体(90)として、図6に示すように、中空の柱状(詳しくは円柱状)に形成されたフェライトコアを採用し、該磁性体(90)の中空孔に冷媒配管(20)を通している。より詳しくは、この磁性体(90)には冷媒配管(20)の外径とほぼ同径の中空孔を設けてあり、冷媒配管(20)は、その中空孔に1本だけ通すことができるようになっている。
冷凍装置(1)では、冷媒ジャケット(30)に電流経路(20a)及び電流経路(20b)の2つの電流経路が繋がっているので、磁性体(90)はそれぞれの電流経路(20a,20b)に対して設けてある。この場合、各電流経路(20a,20b)に取り付ける磁性体(90)は、互いに異なる特性の磁性体(90)を用いてもよいが、同じ特性のものを用いると、各電流経路(20a,20b)に流れ込む高周波電流の大きさを同じにできる。これにより、磁性体(90)の特性を効果的に使うことができ、コモンモードノイズを効果的に低減できる。また、製造も容易であり望ましい。また、磁性体(90)を取り付ける位置は電流経路(20a,20b)上であれば特には限定されないが、低減させるべき高周波電流の発生源、すなわち図6に示すように、冷媒ジャケット(30)の近傍に取り付けるのが望ましい。
-冷凍装置(1)におけるコモンモードノイズの伝播-
上記の冷凍装置(1)においてパワーデバイス(14)がスイッチング動作を行うと、内部電極(14c)の対地間電位変動によって、コンデンサ(C1)に高周波電流が流れ、この高周波電流は電動機(M)と冷媒ジャケット(30)に伝播する。冷凍装置(1)の構造によっては、電動機(M)と筐体(70)との間には、コンデンサ(C3)(寄生容量)が形成され、電動機(M)に伝播した高周波電流はコモンモードノイズとしてコンデンサ(C3)を介して装置外部へ流れ出す。
一方、冷媒ジャケット(30)に伝播した高周波電流は、電流経路(20a,20b)としての冷媒配管(20)に流れ込む。この冷媒配管(20)には、磁性体(90)が設けられているので、通常の冷媒配管(磁性体(90)が取り付けられていないもの)よりもインピーダンスが大きい。したがって、冷媒ジャケット(30)から冷媒配管(20)に流れ込む高周波電流の大きさは、通常の冷媒配管を用いた場合よりも小さくなる。
つまり、本実施形態によれば、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケットを用いてパワーデバイスを冷却する際に、冷却ジャケットから漏れ出してコモンモードノイズとなる高周波電流を低減させることができる。
《実施形態1の変形例1》
図7は、実施形態1の変形例1に係る磁性体(90)の構造を示す図である。本変形例の磁性体(90)は、中空の柱状(本実施形態では四角柱状)に形成され、1つの磁性体(90)で複数(この例では2つ)の電流経路(20a,20b)に対して所定のインピーダンスを生じさせるようになっている。磁性体(90)の構造をこのようにすることにより、各電流経路(20a,20b)のインピーダンスをそろえることができる。そして、その結果、各電流経路(20a,20b)に流れ込む高周波電流の大きさを同じにできる。つまり、変形例は、磁性体(90)の特性を効果的に使うことができ、コモンモードノイズを効果的に低減できる。
また、設置する磁性体(90)の数を低減できるので、冷凍装置(1)の製造がより容易になる。
《実施形態1の変形例2》
図8は、実施形態1の変形例2に係る磁性体(90)の取り付け構造を示す図である。この例では、1つの電流経路(20a,20b)に対して複数個の磁性体(90)が設けられている。これは、例えば、市販品のフェライトコアを磁性体(90)として用いた場合などに、各電流経路(20a,20b)に生じさせるインピーダンスの大きさや周波数特性を調整するのに適した形態である。すなわち、本変形例ではコモンモードノイズ対策がより容易になる。
また、複数個の磁性体(90)を設ける場合に、それぞれの電流経路(20a,20b)に対して設ける磁性体(90)の数を同じにしておけば、各電流経路(20a,20b)に流れ込む高周波電流の大きさを同じにできる。つまり、本変形例においても、磁性体(90)の特性を効果的に使うことができ、コモンモードノイズを効果的に低減できる。
《発明の実施形態2》
図9は、本発明の実施形態2に係る磁性体(90)の取り付け構造を示す図であり、1つの電流経路(冷媒配管(20))のみを図示してある。本実施形態の磁性体(90)は、円環状(リング状)に形成されている。また、冷媒配管(20)は、磁性体(90)における円環の穴部分を複数回通過するように、磁性体(90)に対して巻回されている。
このようにすることで、インピーダンスの調整が容易になり、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。
本発明に係る冷凍装置は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置として有用である。
本発明の実施形態1に係る冷凍装置(1)の一部分を抜粋した図である。 冷媒ジャケット(30)への冷媒配管(20)の取り付け状態を説明する図である。 電気回路(10)の主要部分を示すブロック図である。 パワーデバイス(14)の構造例を示す図である。 パワーデバイス(14)に形成される寄生容量を説明する図である。 磁性体(90)の構造、及び冷媒配管(20)への取り付け状態を説明する図である。 実施形態1の変形例1に係る磁性体(90)の構造及び冷媒配管(20)への取り付け状態を説明する図である。 実施形態1の変形例2に係る磁性体(90)の取り付け構造を示す図である。 実施形態2に係る磁性体(90)の取り付け構造を示す図である。 パワーデバイスの構造の一例を示す図である。 パワーデバイスに形成される寄生容量を説明する図である。 パワーデバイスをヒートシンクで空冷する場合の構成例を説明する図である。 冷媒ジャケットを流れる冷媒でパワーデバイスを冷却する場合の構成例を説明する図である。 コモンモードノイズの伝播経路を説明する図である。 図14に示したコモンモードノイズの伝播経路と等価な回路を示す図である。
1 冷凍装置
10 電気回路
14 パワーデバイス
20 冷媒配管
20a,20b 電流経路
30 冷媒ジャケット
90 磁性体

Claims (8)

  1. パワーデバイス(14)を有した電気回路(10)と、該パワーデバイス(14)と熱的に接続されるとともに冷凍サイクルの冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット(30)とを備えて、該冷媒ジャケット(30)を流通する冷媒によって該パワーデバイス(14)を冷却する冷凍装置であって、
    前記冷媒ジャケット(30)内に前記冷媒を流通させ、且つ該冷媒ジャケット(30)を接地させる電流経路(20a,20b)を形成する冷媒配管(20)と、
    前記電気回路(10)に接続された電動機と、
    前記電流経路(20a,20b)上であって、該電流経路(20a,20b)が該冷凍装置の筐体(70)に取り付けられる箇所と前記冷媒ジャケット(30)との間に設けられて、該電流経路(20a,20b)に所定のインピーダンスを生じさせる磁性体(90)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、
    前記冷媒ジャケット(30)は、複数の電流経路(20a,20b)によって接地させられ、
    前記磁性体(90)は、それぞれの電流経路(20a,20b)に対して設けら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、
    それぞれの電流経路(20a,20b)に設けられる磁性体(90)の数は、同じであ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、
    前記冷媒ジャケット(30)は、複数の電流経路(20a,20b)によって接地させられ、
    1つの磁性体(90)で複数の電流経路(20a,20b)に対して所定のインピーダンスを生じさせることを特徴とする冷凍装置。
  5. 請求項1の冷凍装置において、
    1つの電流経路(20a,20b)に対して複数個の磁性体(90)が設けられていることを特徴とする冷凍装置。
  6. 請求項1の冷凍装置において、
    前記磁性体(90)は、中空の柱状に形成され、
    前記電流経路(20a,20b)は、該電流経路(20a,20b)が前記磁性体(90)の中空部分を1回だけ通過するように該磁性体(90)が取り付けられていることを特徴とする冷凍装置。
  7. 請求項1の冷凍装置において、
    前記磁性体(90)は、円環状に形成され、
    前記電流経路(20a,20b)は、前記磁性体(90)における円環の穴部分を複数回通過するように、該磁性体(90)に対して巻回されていることを特徴とする冷凍装置。
  8. 請求項1の冷凍装置において、
    前記磁性体(90)は、フェライトコアにより形成されていることを特徴とする冷凍装置。
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