JP6000000B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来の冷凍装置は、制御箱内部に排熱ファンを設け、この排熱ファンを回転させることにより、制御箱内に実装された半導体パワーデバイスをヒートシンクを介して冷却していた。しかし、排熱ファンによる半導体パワーデバイスの冷却は、制御箱を大きくしなければならず、その分だけ装置全体が大きくなってしまった。
そこで、発熱源となる半導体パワーデバイスを、圧縮機の冷媒吐出側に接続されている吐出配管に密接させ、吐出配管内を流れる冷媒と、半導体パワーデバイスとを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスが冷却されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−４２５２９号公報（段落［００２０］）

しかしながら、半導体パワーデバイスを吐出配管に密接させるだけでは、半導体パワーデバイスの放熱性能を向上させることができない虞があった。
また、圧縮機の冷媒吐出側に接続されている吐出配管は、圧縮機が駆動している間、脈動が発生しているため、そのまま半導体パワーデバイスを吐出配管に密接させれば、脈動による振動で、半導体パワーデバイスの破損を生じさせる虞があった。
このため、半導体パワーデバイスを吐出配管に密接させた場合、放熱性能が低く、かつ、吐出配管の振動による半導体パワーデバイスの破損を生じさせるという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、放熱性能を向上させ、かつ、吐出配管の振動による半導体パワーデバイスの破損を防ぐことができる冷凍装置を提供することを目的とするものである。

本発明の冷凍装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷凍装置において、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワーデバイスを備え、前記圧縮機を駆動するインバータ装置と、前記冷媒配管のうち、前記圧縮機の吐出側に接続された吐出側冷媒配管に設けられ、当該吐出側冷媒配管の振動を相殺する音響構造が形成されたマフラとを備え、前記マフラは、前記吐出側冷媒配管の断面の径よりも大きい径を有する断面を有し、前記パワーデバイスと対向する位置に設けられ、前記吐出側冷媒配管内の冷媒と、前記パワーデバイスの熱とを熱交換させるものである。

本発明は、マフラを用いることにより、放熱性能を向上させ、かつ、吐出配管の振動による半導体パワーデバイスの破損を防ぐことができるという効果を有する。

本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路１の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路２の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるインバータ装置３１２の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるスイッチング素子６０を用いた回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における筐体３内部でのマフラ２００、制御箱５０、及び吐出配管４４の位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるマフラ２００及びマフラ２００の周囲の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
本実施の形態１は、マフラ２００を用いることにより、制御箱５０内に実装された半導体パワーデバイスが冷却されるようにしたものである。
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路１の構成の一例を示す図である。

本実施の形態１における冷凍装置は、図１に示す冷媒回路１を用いたものであり、室外ユニット１０、圧縮ユニット２０、及び室内ユニット３０を備えたリモート式冷凍機である。
冷媒回路１は、圧縮機１０１、油分離器１０２、熱源側熱交換器１０３、受液器１０４、過冷却熱交換器１０５、膨張弁１０６、利用側熱交換器１０７、及びアキュムレータ１０８が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させるものである。
室外ユニット１０は、熱源側熱交換器１０３及び過冷却熱交換器１０５を備える。
圧縮ユニット２０は、圧縮機１０１、油分離器１０２、受液器１０４、及びアキュムレータ１０８を備える。
室内ユニット３０は、膨張弁１０６及び利用側熱交換器１０７を備える。
室外ユニット１０と、圧縮ユニット２０とは、延長配管４３により接続されている。
圧縮ユニット２０と、室内ユニット３０とは、ガス延長配管４１及び液延長配管４２により接続されている。
なお、熱源側熱交換器１０３用のファン及び利用側熱交換器１０７用のファンについての図示は省略する。
また、圧縮ユニット２０は、圧縮機１０１を収納する機械室（図示せず）を備える。

室外ユニット１０の主な構成要素について説明する。
熱源側熱交換器１０３は、凝縮器として機能するものである。
熱源側熱交換器１０３には、温度センサ３０２が設けられ、熱源側熱交換器１０３が設置されることになる空間の周囲温度、すなわち、熱源側熱交換器１０３が熱交換する空気の温度は、温度センサ３０２によって検出される。
熱源側熱交換器１０３と、受液器１０４とを接続する冷媒配管には、温度センサ３０１が設けられ、その冷媒配管の温度が検出される。

圧縮ユニット２０の主な構成要素について説明する。
圧縮機１０１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機である。圧縮機１０１は、例えば、図５で後述するように、インバータ装置３１２により制御されるブラシレス直流モータ３１３によって駆動される容積式圧縮機から構成されている。
圧縮機１０１の吐出側には、吐出配管４４が接続されている。
吐出配管４４には、詳細については後述するマフラ２００が設けられている。
制御箱５０は、圧縮機１０１を駆動制御するインバータ装置３１２を備え、圧縮ユニット２０に設けられている。
詳細については後述するが、インバータ装置３１２は、各種の電子部品を実装した回路基板を備えている。
また、詳細については後述するが、回路基板は、ワイドバンドギャップ半導体を利用した半導体パワーデバイスと、半導体パワーデバイスのゲートドライブ回路等の周辺回路とを実装している。
具体的には、半導体パワーデバイスとして、例えば、スイッチング素子６０及び転流ダイオード６１がインバータ装置３１２に設けられている。
また、回路基板は、電解コンデンサ等の電装品を実装している。
なお、「吐出配管４４」は、本発明における「吐出側冷媒配管」に相当する。

室内ユニット３０の主な構成要素について説明する。
利用側熱交換器１０７は、蒸発器として機能するものである。
利用側熱交換器１０７と、膨張弁１０６とを接続する冷媒配管には、温度センサ３０４が設けられ、その冷媒配管の温度が検出される。
なお、「膨張弁１０６」は、本発明における「膨張手段」に相当する。

なお、上記では、温度センサ３０１〜３０４について説明したが、設置されるセンサは、特にこれに限定するものではない。例えば、利用側熱交換器１０７が熱交換する空気の温度を検出するセンサが設けられていてもよい。
また、例えば、圧縮機１０１の吐出温度を検出する吐出圧センサ等が設けられていてもよい。

なお、冷媒回路１、２においては、四方弁を設けない一例について説明したが、四方弁を設けたものであってもよい。
また、圧縮機１０１の台数、室外ユニット１０の台数、及び室内ユニット３０の台数についても特に限定するものではない。

上記で説明したように、リモート式の冷凍機は、圧縮ユニット２０と、熱源側熱交換器１０３を備えた室外ユニット１０とを備えたものである。このため、圧縮ユニット２０には、熱源側熱交換器１０３用のファンが設けられていない。よって、圧縮ユニット２０内においては、強制的な風の循環が発生しないため、制御箱５０の放熱が出来なくなる虞があった。
そこで、制御箱５０にヒートシンク５１（後述する）を設け、ヒートシンク５１の放熱を促進させる放熱用ファンを別途制御箱５０内に設けることにより、半導体パワーデバイスで発生した熱による制御箱５０内の温度上昇を抑制していた。
しかし、放熱用ファンが制御箱５０内に設けられることにより、制御箱５０全体が大きくなってしまっていた。
また、圧縮ユニット２０は、室内に設けられるため、機械室内にも別途排熱用ファンを設ける必要があった。
また、圧縮機１０１が駆動している間、半導体パワーデバイスはオン状態であるため、制御箱５０内の温度上昇を抑制するために、常に放熱用ファンを回転させていた。
このため、放熱用ファンや排熱用ファンの回転に伴う騒音が微小なりとも発生していた。

このような場合の冷媒回路１において、本実施の形態１における冷凍装置は、図３以降で説明するように、マフラ２００を用いて制御箱５０と吐出配管４４とを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスを冷却させるようにした。

図２は、本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷媒回路２の構成の一例を示す図である。

冷凍装置は、図２に示す冷媒回路２を用いたものであり、室外ユニット１０、圧縮ユニット２０、及び室内ユニット３０を備えたリモート式冷凍機である。
図１との相違点は、受液器１０４が、圧縮ユニット２０側ではなく、室外ユニット１０側に設けられている点である。

このような場合の冷媒回路２においても、本実施の形態１における冷凍装置は、図３以降で説明するように、マフラ２００を用いて制御箱５０と吐出配管４４とを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスを冷却させるようにした。

なお、図１、２において、リモート式冷凍機の一例について説明したが、特にこれに限定するものではない。
すなわち、以降で説明するように、本実施の形態１における冷凍装置は、半導体パワーデバイスがワイドバンドギャップ半導体であれば、マフラ２００を用いて制御箱５０と吐出配管４４とを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスを冷却させるものである。

上記で概略について説明したインバータ装置３１２の詳細について図３を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ装置３１２の構成の一例を示す図である。図３に示すように、インバータ装置３１２は、コンバータ回路３２１、インバータ回路３２２、制御用ＣＰＵ３２３、及び温度検知用サーミスタ３２４から形成されている。

コンバータ回路３２１は、交流電源３１１と接続されており、交流電源３１１から供給された交流を整流して直流に変換するものである。
コンバータ回路３２１は、例えば、交流リアクトル、ダイオードブリッジ、シャント抵抗、パワースイッチ素子、及び電解コンデンサ等から形成されており（いずれも図示せず）、交流を整流し、整流した直流を平滑化し、平滑化した直流をインバータ回路３２２に供給するものである。
なお、ここでいう交流電源とは、例えば、商用電源のことである。

インバータ回路３２２は、コンバータ回路３２１、制御用ＣＰＵ３２３、及びブラシレス直流モータ３１３と接続されている。
インバータ回路３２２は、制御用ＣＰＵ３２３の指令に応じて、コンバータ回路３２１から供給された平滑化された直流を、ＰＷＭ信号に変換してブラシレス直流モータ３１３に供給し、ブラシレス直流モータ３１３の駆動を制御するものである。
インバータ回路３２２は、例えば、スナバコンデンサ（図示せず）、シャント抵抗（図示せず）、及びパワーモジュール４００等から形成されている。

パワーモジュール４００は、詳細については、図４で後述するが、コンバータ回路３２１から供給された直流出力をスイッチングすることでＰＷＭ信号を生成するものである。
パワーモジュール４００は、生成したＰＷＭ信号をブラシレス直流モータ３１３に供給する。
ブラシレス直流モータ３１３は、供給されたＰＷＭ信号により、回転磁界を発生させ、図１、２で示した圧縮機１０１の駆動を制御するものである。

温度検知用サーミスタ３２４は、所定の周期で、又は、リアルタイムで、パワーモジュール４００の温度を検出し、検出結果を制御用ＣＰＵ３２３に供給するものである。

制御用ＣＰＵ３２３は、外部からの制御信号と、温度検知用サーミスタ３２４の検出結果と、ＰＷＭ信号とに基づいて、図４で後述する制御回路５００を制御している。
これにより、パワーモジュール４００は、さまざまな条件に基づいて、その条件に適したスイッチング周波数で、パワーモジュール４００内部に実装されているスイッチング素子６０をスイッチングさせる。
この結果、ブラシレス直流モータ３１３が、条件に応じた回転速度で回転し、出力トルクを生成する。
これにより、図１、２で示した圧縮機１０１は、条件に応じて駆動される。

パワーモジュール４００は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されるものとし、周波数が可変な交流を生成するものである。ワイドバンドギャップ半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体、炭化珪素（ＳｉＣ）、又はダイヤモンド等のように、バンドギャップが２［ｅＶ］よりも大きい半導体のことであり、耐熱性の高い素子である。
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップは、３．４［ｅＶ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）のバンドギャップは、３．２［ｅＶ］である。
また、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］である。
また、従来から回路素子の材料として利用されている珪素（Ｓｉ）は、バンドギャップが１．１［ｅＶ］であり、絶縁破壊電界強度が０．３［ＭＶ／ｃｍ］である。

絶縁破壊電界強度が大きく、バンドギャップ幅が大きいということは、耐圧を維持しつつ、素子を薄くしてオン抵抗を低くすることができることを意味する。オン抵抗を低くすることができれば、電力損失を低減させることができる。電力損失を低減させることができることにより、発熱量が減る。発熱量が減ることにより、モジュールを小型化して熱容量が小さくなったとしても、温度が上昇しにくくなる。

ここでいうバンドギャップとは、物質内部で、電子が存在できないエネルギー領域のことである。また、ここでいう絶縁破壊電界強度とは、半導体や絶縁体において、絶縁破壊を引き起こす最大電界強度である。

すなわち、ワイドバンドギャップ半導体は、従来の珪素で形成される素子と比較して、バンドギャップ幅が約３倍広く、絶縁破壊電界強度が約１０倍大きい。このため、耐熱性や耐電圧性が珪素で形成される素子よりも高い。耐熱性が高いということは、高温での動作が可能であることを意味する。
よって、ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、冷却構造を小型化することができる。
また、ワイドバンドギャップ半導体の動作可能温度は、圧縮機１０１の吐出側に接続された冷媒配管内を流れる冷媒と比較しても、比較的大きな温度差があるため、上記で説明した構成により、マフラ２００を介して、ワイドバンドギャップ半導体と、冷媒との熱交換ができるのである。

さらに、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べて、電界飽和速度が速い。
具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合、２．７［１×１０⁷ｃｍ／ｓ］であり、炭化珪素（ＳｉＣ）の場合、１．０［１×１０⁷ｃｍ／ｓ］である。
このように、電界飽和速度が速いということは、高周波駆動が可能なことを意味するものである。高周波駆動が可能であるということは、周辺部品を小型化することができるものである。

なお、詳細については図４で後述するが、上記で説明したワイドバンドギャップ半導体によって、スイッチング素子６０や転流ダイオード６１は形成されている。このようなスイッチング素子６０や転流ダイオード６１は、上記で説明したように、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子６０や転流ダイオード６１の小型化が可能である。
このため、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィン（図示せず）の小型化や、水冷部（図示せず）の空冷化が可能であるので、パワーモジュール４００の一層の小型化が可能になる。

さらに、電力損失が低いことから、スイッチング素子６０や転流ダイオード６１の高効率化が可能であるため、パワーモジュール４００の高効率化が可能になる。

なお、スイッチング素子６０や転流ダイオード６１の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施の形態１に記載の効果を得ることができる。

なお、上記で説明したインバータ装置３１２は、制御基板上に実装されるものであり、その制御基板は制御箱５０に収納されるものである。そして、その制御基板の背面側には、ヒートシンクが設けられる。
なお、スイッチング素子６０は、いわゆる半導体パワーデバイスである。
また、「パワーモジュール４００」は、本発明における「半導体モジュール」に相当する。

次に、上記で説明した構成を前提にして、圧縮機１０１の駆動を制御するパワーモジュール４００の詳細について図４を用いて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１におけるスイッチング素子６０を用いた回路構成例を示す回路図である。
図４に示すように、パワーモジュール４００は、３相ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータよりなる電力変換回路である。
パワーモジュール４００は、高圧直流電源線であるＰ電源線４０１と低圧直流電源線であるＮ電源線４０２との間にそれぞれ配置されたＵ相出力部５１０、Ｖ相出力部５２０、及びＷ相出力部５３０を備える。
Ｕ相出力部５１０、Ｖ相出力部５２０、及びＷ相出力部５３０は、高圧側ユニット６２と低圧側ユニット６３とをそれぞれ備える。

高圧側ユニット６２と、低圧側ユニット６３とは同一構成であり、スイッチング素子６０と転流ダイオード６１とが並列接続された構成である。
まず、各素子のそのものの構成について説明する。
スイッチング素子６０及び転流ダイオード６１の材料には、上記で説明したように、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びダイヤモンド等が採用可能である。
スイッチング損失や電力損失を抑制するには、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）がよい。
炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を採用すると、３００（℃）程度まで動作可能となるため、出力を高くするために基板温度が２００（℃）程度まで上昇する場合等によい。
また、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を採用すると、３００（℃）程度まで動作可能となるため、圧縮機１０１の吐出側に設けられた吐出配管４４内を流れる冷媒と大きな温度差が生じる。具体的には、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）が３００（℃）程度まで動作可能であるのに対し、吐出配管４４の表面温度は最大で１２０（℃）程度となる。よって、温度差は最大で１８０（℃）となる。
すなわち、半導体パワーデバイスが１２０（℃）以上で動作可能であれば、吐出配管４４と熱交換することが可能となる。

また、窒化ガリウム（ＧａＮ）を採用すると、高周波での駆動が可能となる。
また、ダイヤモンドは上記の材料の物性値をすべて超えた特性を有しているため、ダイヤモンドを採用すると、パワーモジュール４００のさらなる小型化が実現可能であり、電力損失やスイッチング損失をさらに大幅に低減することができる。

次に、各素子の接続構成について説明する。
高圧側ユニット６２に含まれるスイッチング素子６０のドレイン電極及び高圧側ユニット６２に含まれる転流ダイオード６１のカソード電極は、Ｐ電源線４０１に接続される。
高圧側ユニット６２に含まれるスイッチング素子６０のソース電極及び高圧側ユニット６２に含まれる転流ダイオード６１のアノード電極は、低圧側ユニット６３に含まれるスイッチング素子６０のドレイン電極と、低圧側ユニット６３に含まれる転流ダイオード６１のカソード電極との接続点に接続される。
低圧側ユニット６３に含まれるスイッチング素子６０のソース電極及び低圧側ユニット６３に含まれる転流ダイオード６１のアノード電極は、Ｎ電源線４０２に接続される。

高圧側ユニット６２に含まれるスイッチング素子６０のゲート電極及び低圧側ユニット６３に含まれるスイッチング素子６０のゲート電極は、制御回路（ゲートドライブ回路）５００に接続される。
制御回路５００がスイッチング素子６０のオン／オフ動作を制御することにより、Ｐ電源線４０１及びＮ電源線４０２から供給される直流電流は、交流電流に変換される。

スイッチング素子６０及び転流ダイオード６１の各電極が、直接又はボンディングワイヤを介して、基板（図示せず）上に形成されたメタルパターン或いはパワーモジュール４００が格納されるケース（図示せず）内の配線パターン（図示せず）と電気的に接続されることにより、パワーモジュール４００は構成される。
Ｕ相出力部５１０の高圧側ユニット６２と、Ｕ相出力部５１０の低圧側ユニット６３との接続点から、Ｕ相交流出力ｕが出力される。
Ｖ相出力部５２０の高圧側ユニット６２と、Ｖ相出力部５２０の低圧側ユニット６３との接続点から、Ｖ相交流出力ｖが出力される。
Ｗ相出力部５３０の高圧側ユニット６２と、Ｗ相出力部５３０の低圧側ユニット６３との接続点から、Ｗ相交流出力ｗが出力される。
Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗにより、例えば、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３つの相を持ったブラシレス直流モータ３１３の各相に位相の異なる交流電流が流れることによって、ブラシレス直流モータ３１３は回転し、圧縮機１０１が駆動する。

なお、上記の説明では、パワーモジュール４００が３相ＰＷＭインバータよりなる電力変換回路である一例を示したが、２相或いは４相以上の交流電流を出力するパワーモジュール４００であってもよい。また、パワーモジュール４００がスイッチング素子６０及び転流ダイオード６１を備える一例を示したが、他の素子を含んでいてもよい。

なお、「スイッチング素子６０」は、本発明における「パワーデバイス」に相当する。
また、「転流ダイオード６１」は、本発明における「ダイオード素子」に相当する。
また、「ブラシレス直流モータ３１３」は、本発明における「電動機」に相当する。

次に、上記で説明した構成を前提として、マフラ２００を用いて半導体パワーデバイスを冷却する構成について、図５、６を用いて説明する。
図５は、本発明の実施の形態１における筐体３内部でのマフラ２００、制御箱５０、及び吐出配管４４の位置関係を示す図である。

制御箱５０は、略直方体形状であり、６面の略平面形状の面から形成されるものである。
なお、上記で説明した制御箱５０の形状は一例を示すものであり、特にこれに限定するものではない。
例えば、筐体３にインバータ装置３１２を設ける領域が形成されている場合、制御箱５０が略直方体形状である必要はない。
要するに、制御箱５０は、インバータ装置３１２を、圧縮機１０１等と隔離させる領域であればよい。
なお、「制御箱５０」は、本発明における「制御部」に相当する。

上記で説明したように、制御箱５０は、インバータ装置３１２を備え、インバータ装置３１２は、各種の電子部品を実装した回路基板を備えている。この回路基板上にある一部の電子部品やその周囲の各種部品について説明する。
配置関係の詳細については図６で後述するが、マフラ２００との熱交換に関連する電子部品やその周囲の各種部品として、例えば、ヒートシンク５１、パワーモジュール４００、及びスイッチング素子６０が制御箱５０に設けられている。

ヒートシンク５１は、制御箱５０と、パワーモジュール４００との間に配置され、パワーモジュール４００等で発生した熱の放熱を促進させるものである。
ヒートシンク５１は、例えば、アルミ製や銅製等の放熱性に優れた複数枚の金属板が所定の間隔でパワーモジュール４００に対して垂直に設けられることで形成される。
ヒートシンク５１は、具体的には、パワーモジュール４００を構成する素子のうち、特に、スイッチング素子６０で発生する熱を放熱するものである。

圧縮機１０１の吐出側には、吐出配管４４が接続されている。吐出配管４４には、マフラ２００が設けられている。

マフラ２００は、その外形が吐出配管４４の半径よりも大きい所定の半径の略円筒形状で形成され、その外形の内部が空洞状態で形成されており、吐出配管４４の振動を抑制するものである。また、マフラ２００は、その材質は、例えば、銅製であり、熱伝導率が高いものとなっている。
なお、上記で説明したマフラ２００の形状や材質は一例を示すものであり、特にこれに限定するものではない。

また、上記で説明したように、マフラ２００は、その外形が所定の半径の略円筒形状で形成されているため、マフラ２００は、吐出配管４４よりも容積が大きいため、熱を伝達させる伝熱面積は大きくなる。この結果、マフラ２００で吐出配管４４を覆うことで、効率よい熱交換が可能となる。

マフラ２００と、制御箱５０との間には、伝熱部材７１が設けられている。
伝熱部材７１は、吐出配管４４内の冷媒と、制御箱５０に設けられたスイッチング素子６０との熱交換を促進させるものである。
伝熱部材７１は、マフラ２００と接する面に対しては、マフラ２００を部分的に覆う構造とする。具体的には、伝熱部材７１は、マフラ２００の略円筒形状の外周に沿って、マフラ２００の外形と略同一曲率の円弧形状で形成される。
伝熱部材７１は、制御箱５０と接する面に対しては、制御箱５０を部分的に覆う構造とする。具体的には、伝熱部材７１は、制御箱５０の形状に沿って、制御箱５０の表面に接する略平面形状で形成される。
このようにすることで、マフラ２００により拡大された伝熱面積を有効利用することができる。
伝熱部材７１は、材質としては熱伝導率の高いものを用いればよい。例えば、伝熱部材７１は、アルミニウム、ＳＵＳ、及び銅等の材質のものから形成されればよい。
このようにすることで、マフラ２００と制御箱５０との熱交換時の熱の伝達効率を向上させる。
なお、制御箱５０が略直方体形状以外であっても、伝熱部材７１は制御箱５０と接する形状とすることにより、マフラ２００と制御箱５０との熱交換時の熱の伝達効率を向上させる。

マフラ２００全体は、断熱材７２で覆われる。これにより、マフラ２００からの熱の放出を防ぐことができるため、さらに、マフラ２００と制御箱５０との熱交換時の熱の伝達効率を向上させる。
なお、断熱材７２の材質については、特に限定するものではなく、熱伝導率の低いものであればよい。断熱材７２の材質は、例えば、繊維系断熱材であれば、グラスウール、ロックウール、セルロースファイバー、炭化コルク、及び羊毛断熱材等が用いられればよい。また、断熱材７２の材質は、例えば、発泡系断熱材であれば、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム、ビーズ法ポリスチレン、発泡ゴム、及び押し出し法ポリスチレン等が用いられればよい。

このようなマフラ２００の配置構成により、制御箱５０内に設けられたパワーモジュール４００の構成要素であるスイッチング素子６０と、吐出配管４４内を流れる冷媒との熱交換が効率よく行われる。

ここで、マフラ２００の上流側には、吐出配管４４に配管固定板金８２ａが設けられ、配管固定板金８２ａは、吐出配管４４の周囲を覆うシリコンゴム８３ａを介して、板金８１ａに対してリベット等で固定される。つまり、シリコンゴム８３ａにより、吐出配管４４に対する圧縮機１０１の振動を抑制させる。
また、マフラ２００の下流側には、吐出配管４４に配管固定板金８２ｂが設けられ、配管固定板金８２ｂは、吐出配管４４の周囲を覆うシリコンゴム８３ｂを介して、板金８１ｂに対してリベット等で固定される。つまり、シリコンゴム８３ｂにより、吐出配管４４に対する圧縮機１０１の振動を抑制させる。

すなわち、マフラ２００に対し、上流側の吐出配管４４は、配管固定板金８２ａによって、シリコンゴム８３ａを介して、筐体３内部に固定される。
また、マフラ２００に対し、下流側の吐出配管４４は、配管固定板金８２ｂによって、シリコンゴム８３ｂを介して、筐体３内部に固定される。

なお、配管固定板金８２ａ、８２ｂを特に区別しないとき、配管固定板金８２と称する。
また、シリコンゴム８３ａ、８３ｂを特に区別しないとき、シリコンゴム８３と称する。
また、板金８１ａ、８１ｂを特に区別しないとき、板金８１と称する。
なお、板金８１は、筐体３の任意の箇所に固定される。

なお、上記の説明では、シリコンゴム８３を用いた一例について説明したが、耐熱性があり、振動を吸収する部材であればよく、特に限定するものではない。

なお、「吐出配管４４」は、本発明における「吐出側冷媒配管」に相当する。
また、「配管固定板金８２ａ」は、本発明における「第１配管固定部材」に相当する。
また、「配管固定板金８２ｂ」は、本発明における「第２配管固定部材」に相当する。
また、「シリコンゴム８３ａ」は、本発明における「上流側振動吸収部材」に相当する。
また、「シリコンゴム８３ｂ」は、本発明における「下流側振動吸収部材」に相当する。

図６は、本発明の実施の形態１におけるマフラ２００及びマフラ２００の周囲の断面図である。
図６に示すように、吐出配管４４は、マフラ２００で覆われている。マフラ２００は、その外形の一部が、伝熱部材７１で覆われている。伝熱部材７１は、制御箱５０と接している。断熱材７２は、マフラ２００及び伝熱部材７１を覆っている。
マフラ２００と、伝熱部材７１と、ヒートシンク５１と、パワーモジュール４００とは、互いに対向する位置に設けられている。マフラ２００と、パワーモジュール４００とは、伝熱部材７１及びヒートシンク５１を介して、互いに対向する位置に設けられており、パワーモジュール４００内にはスイッチング素子６０が設けられているため、マフラ２００と、スイッチング素子６０とは、互いに対向する位置に設けられている。
なお、図示については省略するが、パワーモジュール４００内には転流ダイオード６１も設けられている。このため、同様に、マフラ２００と、転流ダイオード６１とは、互いに対向する位置に設けられている。

要約すると以下のようになる。
マフラ２００は、伝熱部材７１、制御箱５０、及びヒートシンク５１を介して、スイッチング素子６０と対向する位置に設けられている。
マフラ２００は、吐出配管４４の外周に接して設けられている。
伝熱部材７１は、マフラ２００の外周と、制御箱５０とのそれぞれに接して設けられている。
マフラ２００及び伝熱部材７１は、断熱材７２で覆われている。
つまり、マフラ２００は、スイッチング素子６０と対向する位置に設けられていればよい。

上記のような配置構成により、マフラ２００により、吐出配管４４内の圧力脈動は抑制されるため、圧縮機１０１からの振動は抑制される。これにより、吐出配管４４が制御箱５０に加える振動は抑制される。このことにより、制御箱５０内に設けられている各種の電子部品への振動が抑制されるため、振動に弱い電子部品を保護することが可能となる。
また、マフラ２００はどの場所にも配置させることが可能であるため、制御箱５０が圧縮ユニット２０内のどこに設けられたとしても、吐出配管４４の経路を変更させることにより、マフラ２００と制御箱５０とを熱交換させることが可能となる。
また、マフラ２００と制御箱５０とを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスであるスイッチング素子６０を冷却しているため、放熱用ファン及び排熱用ファンが不要となっている。このため、冷凍装置全体を小型化することができ、冷凍装置から発生される騒音を低減することができ、冷凍装置全体のコストを削減することができる。
また、マフラ２００と制御箱５０とを熱交換させることにより、半導体パワーデバイスである転流ダイオード６１を冷却しているため、放熱用ファン及び排熱用ファンが不要となっている。このため、冷凍装置全体を小型化することができ、冷凍装置から発生される騒音を低減することができ、冷凍装置全体のコストを削減することができる。

次に、上記で説明した構成を前提として、本実施の形態１における冷凍装置の動作について説明する。
まず、インバータ装置３１２は、駆動信号により圧縮機１０１を回転駆動させている。
圧縮機１０１の回転駆動により、吐出配管４４から約１２０（℃）に高温圧縮された冷媒が吐出され続けている。
この状態では、パワーモジュール４００内にあるスイッチング素子６０は約３００（℃）に到達している。
そこで、吐出配管４４に設けられたマフラ２００を介して、吐出配管４４内の冷媒と、制御箱５０内のスイッチング素子６０とが熱交換される。
これにより、スイッチング素子６０から発生した熱による制御箱５０内の温度上昇を低減させている。
また、吐出配管４４に設けられたマフラ２００を介して、吐出配管４４内の冷媒と、制御箱５０内の転流ダイオード６１とが熱交換される。
これにより、転流ダイオード６１から発生した熱による制御箱５０内の温度上昇を低減させている。
また、圧縮機１０１の駆動により生じた振動は、マフラ２００により低減されている。
これにより、吐出配管４４の振動によるスイッチング素子６０、すなわち、半導体パワーデバイスの破損を防いでいる。

このように、マフラ２００が、伝熱部材７１及び制御箱５０を介して、スイッチング素子６０と対向する位置に設けられたことにより、放熱性能を向上させ、かつ、吐出配管の振動による半導体パワーデバイスの破損を防ぐことができる。

以上のように、本実施の形態１において、圧縮機１０１、熱源側熱交換器１０３、膨張弁１０６、及び利用側熱交換器１０７が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路１を備えた冷凍装置において、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子６０を備え、圧縮機１０１を駆動するインバータ装置３１２と、冷媒配管のうち、圧縮機１０１の吐出側に接続された吐出配管４４に設けられ、当該吐出配管４４の振動を相殺する音響構造が形成されたマフラ２００とを備え、マフラ２００は、スイッチング素子６０と対向する位置に設けられ、吐出配管４４内の冷媒と、パワーデバイスの熱とを熱交換させることにより、放熱性能を向上させ、かつ、吐出配管の振動による半導体パワーデバイスの破損を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２においては、マフラ２００から吸熱した冷媒の流用方法について説明する。
なお、実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、実施の形態１と同一の機能や構成についての説明は省略する。

冷凍装置は、冬場においては、吐出配管４４の高温のガス（ホットガス）、すなわち、吐出ガスを用いて床暖房等に用いる場合がある。冬場は外気が低いため、圧縮機１０１から吐出される吐出ガスの温度も低くなってしまう虞がある。
しかしながら、実施の形態１で説明したように、圧縮機１０１が駆動中であれば、炭化珪素等のワイドバンドギャップ半導体によって形成されている半導体パワーデバイスから発生される排熱が、マフラ２００との熱交換によって吐出配管４４に与えられ続けることになる。
これにより、吐出ガスはより高温の状態となるため、床暖房等に半導体パワーデバイスの排熱を流用することができる。

このように、マフラ２００を用いることにより、半導体パワーデバイスの排熱を有効利用することができる。

１、２ 冷媒回路、３ 筐体、１０ 室外ユニット、２０ 圧縮ユニット、３０ 室内ユニット、４１ ガス延長配管、４２ 液延長配管、４３ 延長配管、４４ 吐出配管、５０ 制御箱、５１ ヒートシンク、６０ スイッチング素子、６１ 転流ダイオード、６２ 高圧側ユニット、６３ 低圧側ユニット、７１ 伝熱部材、７２ 断熱材、８１、８１ａ、８１ｂ 板金、８２、８２ａ、８２ｂ 配管固定板金、８３、８３ａ、８３ｂ シリコンゴム、１０１ 圧縮機、１０２ 油分離器、１０３ 熱源側熱交換器、１０４ 受液器、１０５ 過冷却熱交換器、１０６ 膨張弁、１０７ 利用側熱交換器、１０８ アキュムレータ、２００ マフラ、３０１、３０２、３０３、３０４ 温度センサ、３１１ 交流電源、３１２ インバータ装置、３１３ ブラシレス直流モータ、３２１ コンバータ回路、３２２ インバータ回路、３２３ 制御用ＣＰＵ、３２４ 温度検知用サーミスタ、４００ パワーモジュール、４０１ Ｐ電源線、４０２ Ｎ電源線、５００ 制御回路、５１０ Ｕ相出力部、５２０ Ｖ相出力部、５３０ Ｗ相出力部。

Claims (7)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えた冷凍装置において、
   ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワーデバイスを備え、前記圧縮機を駆動するインバータ装置と、
   前記冷媒配管のうち、前記圧縮機の吐出側に接続された吐出側冷媒配管に設けられ、当該吐出側冷媒配管の振動を抑制するマフラと
   を備え、
   前記マフラは、
   前記吐出側冷媒配管の断面の径よりも大きい径を有する断面を有し、
   前記パワーデバイスと対向する位置に設けられ、前記吐出側冷媒配管内の冷媒と、前記パワーデバイスの熱とを熱交換させる
   ことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記マフラと、前記パワーデバイスとの間に設けられ、前記吐出側冷媒配管内の冷媒と、前記パワーデバイスとの間で熱を伝達させる伝熱部材を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記パワーデバイスと、前記伝熱部材との間に設けられ、当該パワーデバイスで生じた熱を放熱させるヒートシンクを備えた
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記マフラは、
   前記吐出側冷媒配管の外周に接して設けられ、
   前記伝熱部材は、
   前記マフラの外周と、前記パワーデバイスとの間に設けられ、
   前記マフラ及び前記伝熱部材を覆う断熱材を備えた
   ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記インバータ装置、前記吐出側冷媒配管、及び前記マフラを収納する筐体と、
   前記マフラに対して上流側に位置する前記吐出側冷媒配管を前記筐体内部に固定する第１配管固定部材と、
   前記吐出側冷媒配管と、前記第１配管固定部材との間に設けられ、当該第１配管固定部材の振動を吸収する上流側振動吸収部材と、
   前記マフラに対して下流側に位置する前記吐出側冷媒配管を前記筐体内部に固定する第２配管固定部材と、
   前記吐出側冷媒配管と、前記第２配管固定部材との間に設けられ、当該第２配管固定部材の振動を吸収する下流側振動吸収部材と
   を備えた
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
6. 前記圧縮機は電動機を備え、
   前記インバータ装置は、
   前記電動機の各相に位相の異なる交流信号を流す半導体モジュール
   を備え、
   前記半導体モジュールは、
   スイッチング素子と、
   当該スイッチング素子に並列に設けられたダイオード素子と
   を備え、
   前記パワーデバイスは、
   前記スイッチング素子及び前記ダイオード素子のいずれか一方である
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、
   炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた素子である
   ことを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置。

Images