JPWO2017077572A1

JPWO2017077572A1 - 電力変換装置、電動機システムおよび電気掃除機

Info

Publication number: JPWO2017077572A1
Application number: JP2017548537A
Authority: JP
Inventors: 篠本　洋介; 洋介篠本; 裕次 ▲高▼山; 啓介植村; 崇山川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: WO2017077572A1; JP6465993B2

Abstract

本発明にかかる電動機駆動装置（６）は、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータモジュール（１）とインバータモジュール（１）を囲む構造部（５）と、を備え、構造部（５）の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から閾値以上の第２の値に変化するとき、構造体内部温度が第２の値に変化した後の交流電力は、構造体内部温度が第２の値に変化する前の交流電力より低い。

Description

本発明は、電力変換装置、電動機システムおよび電気掃除機に関する。

従来、電力変換装置において、インバータ回路は、インバータ回路が破損した場合に周囲に影響を与えないように金属または樹脂などのケースに収容されることがある。インバータ回路がケースに収容された場合、インバータ回路の発熱によりケース内に結露が生じる場合がある。このため、インバータ回路を筐体で囲む構造とした場合、インバータ回路の結露を防止するためにインバータ回路の発熱を抑制することが望ましい。特許文献１には、インバータ回路を冷却するための冷却フィンに流れる冷却媒体を冷却ポンプの回転数を制御することで、ケース内温度とケースへの吸気温度との温度差により冷却フィンに発生する結露を防止する技術が開示されている。

特開２００９−２３２６１８号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、インバータ回路専用に冷媒回路を設けて、インバータ回路のロスに応じて循環する冷媒流量をポンプの回転数により制御することによりケース内の発熱を抑制して結露を抑制している。しかしながら、特許文献１に記載のようにインバータ回路専用に冷媒回路を設けることはコスト的に現実的ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ回路を筐体で囲む構造としつつ、インバータ回路の発熱を抑制することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と前記電力変換部を囲む構造体と、を備える。本発明にかかる電力変換装置では、構造体の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から閾値以上の第２の値に変化するとき、構造体内部温度が第２の値に変化した後の交流電力は、構造体内部温度が第２の値に変化する前の交流電力より低い。

本発明にかかる電力変換装置は、インバータ回路を筐体で囲む構造としつつ、インバータ回路の発熱を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図実施の形態１のインバータ基板に実装される回路の構成例を示す図温度と水蒸気量の関係を示す図実施の形態１の制御部における動作手順の一例を示すフローチャート実施の形態１の日付と位置と基準温度における湿度とを格納したテーブルの一例を示す図実施の形態１の制御回路の構成例を示す図実施の形態２の電気掃除機の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置、電動機システムおよび電気掃除機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。本実施の形態では、電動機を駆動する電動機駆動装置を本発明にかかる電力変換装置の一例として説明する。図１に示すように、電動機駆動装置６は、インバータ回路であるインバータモジュール１と、温度検出器２と、平滑手段である平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３およびインバータモジュール１などが実装されるインバータ基板４と、インバータ基板４が収納される構造体である構造部５とを備える。

図１では、平滑コンデンサ３を４つ図示しているが、平滑コンデンサは１つ以上であればよく、平滑コンデンサの数は図示した例に限定されない。なお、インバータ基板４には、平滑コンデンサ３、インバータモジュール１および温度検出器２以外も実装されるが、図１では他の部品の図示を省略している。また、図１では、温度検出器２がインバータ基板４に実装される例を示しているが、後述するように温度検出器２の設置場所はインバータ基板４上に限定されない。

図２は、インバータ基板４に実装される回路の構成例を示す図である。インバータ基板４には、図１には図示していない直流電源１１から直流電源が供給される。本実施の形態では、直流電源１１は、構造部５の外部に存在する。なお、直流電源１１は、バッテリーなどの直流電力を供給するものであってもよいし、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源装置であってもよい。

図２に示すように、インバータ基板４には、インバータモジュール１と、平滑コンデンサ３と、インバータモジュール１を制御する制御部１５と、直流電源１１から供給される直流電力の電圧である直流電圧を検出する電圧検出器１２と、電動機２０に流れる電流を検出する電流検出器１３，１４とが実装される。図１では、制御部１５、電圧検出器１２および電流検出器１３，１４の図示を省略している。電動機２０と電動機２０を駆動する電動機駆動装置６とは、電動機システムを構成する。なお、図２においても、本発明にかかる主要な部分を示しているが、一般には、図２では図示を省略した他の部品もインバータ基板４に実装される。

インバータモジュール１は、スイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆを備え、電動機２０へ交流電力を供給する。なお、図２では、電動機２０が３相電動機である例を示しているが、電動機２０の相数は３に限定されない。また、インバータモジュール１は、電動機２０の相数に応じたスイッチング素子を備える。

スイッチング素子１ａおよびスイッチング素子１ｂ、スイッチング素子１ｃおよびスイッチング素子１ｄ、スイッチング素子１ｅおよびスイッチング素子１ｆ、のそれぞれの対は電動機２０の各相の巻線に電力を供給する。

制御部１５は、電流検出器１３，１４により計測された電流すなわちモータ電流と電圧検出器１２により検出された直流電圧とに基づいて、電動機２０を回転駆動させるための電圧、すなわち交流電力を電動機２０へ印加するようインバータモジュール１を制御する。具体的には、インバータモジュール１は、電流検出器１３，１４により計測されたモータ電流と電動機２０の回転速度である回転数の目標値または電動機２０の発生トルクの目標値とに基づいて各相の電圧指令値を生成し、電圧指令値に基づいて、相ごとのスイッチング素子のオンオフ状態をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するための駆動信号を生成してインバータモジュール１へ出力する。駆動信号は、インバータモジュール１の各スイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号であり、スイッチング素子をオンすなわち閉とすることを示す値と、スイッチング素子をオフすなわち開とすることを示す値とのいずれかの値をとるパルス状の信号である。

インバータ基板４は構造部５の中に配置される。すなわち、構造部５は、直流電力を交流電力に変換する電力変換部であるインバータモジュール１を囲う。インバータ基板４が、構造部５内に配置されるのは例えば以下の理由による。インバータモジュール１では、電動機２０へ電力供給する際に、直流電源１１から供給された直流電力を交流電力に電力変換して供給する。電力変換時にインバータモジュール１は電力変換損失により発熱することになる。インバータモジュール１を構成するスイッチング素子は半導体で構成されるため、熱に弱い半導体は損失による発熱にて破損する恐れがある。

一般にインバータモジュール１は破損しないように何重もの保護が付加されており、破損することは稀であるが、万が一破損した場合、インバータモジュール１自体が破裂し、インバータモジュール１がエネルギー源となる恐れもある。そこで、万が一にもインバータモジュール１が破損したとしても、インバータ基板４外部へ影響を与えないよう構造部５を設けて、構造部５の内部にインバータ基板４を配置することで拡大被害が無いように構成される。

ここで、インバータ基板４が破損した場合にも外部へ影響を与えないという目的で構造部５を設ける場合、構造部５はインバータ基板４を完全に密閉する必要はない。すなわち、本実施の形態では、インバータモジュール１が破損した場合の拡大被害防止と言う目的を達成できる程度であれば、構造部５に穴があっても良い。そのため、空気は構造部５の内側と外側を行き来することができ、水蒸気も構造部５の内側と外側で移動可能である。すなわち、構造部５内部への水蒸気の流入および構造部５内からの水蒸気の流出により、構造部５内の湿度は変化する。ただし、構造部５が存在することにより、構造部５内部と外部とで移動する空気の量は微量であり、構造部５内の湿度は長い時間をかけて徐々に変化する。

また、構造部５はインバータ基板４を取り囲むように構成しているが、図２に示すように、インバータモジュール１から構造部５の外部に存在する直流電源１１および電動機２０への配線は、構造部５を貫通している。したがって、図１では、図示していないが、これらの配線が通過する部分には、構造部５に穴または隙間が設けられている。このため、構造部５内部は、真空度が大気圧より低くなるような密閉では無い。なお、配線が穴または隙間を貫通する箇所において、配線と構造部５の間にクッション性のある部材を配置することで、穴または隙間を塞いでも構わない。この場合も、この部材は水分まで遮断するようなゴムパッキンのようにシール性の高いものを用いる必要はない。すなわち、穴または隙間を塞く場合も、空気の漏れを無くすように塞ぐ必要はない。

インバータモジュール１は、動作すると損失による発熱する。このため、構造部５の内部にインバータ基板４を配置すると、構造部５内部にインバータモジュール１の熱がこもって構造部５の内部温度と外部温度とに温度差が生じる。尚、一般的にはインバータモジュール１が熱に弱いことは知られている。このため、あらかじめ定められた温度以上になった場合にインバータモジュール１の動作を停止されることは、一般的に実施されている。

また、前述の通り、構造部５内でインバータモジュール１の発熱により暖められた空気は、温められる前の空気より比重が軽くなり重力が作用する方向と反対方向に移動する。このため、重力が掛かる方向を下方向と定義すると、構造部５の上方に熱がこもることは容易に想像できる。本発明は、構造部５により囲まれてインバータ基板４を配置した場合に、構造部５の内部温度と外部温度の温度差から生じる課題を解決するものである。

空気調和機、冷蔵庫、ヒートポンプ式給湯機および洗濯乾燥機など設置場所が固定される製品に電動機駆動装置６が使用される場合、上記のように、インバータ基板４の上方、換言すると、重力が作用する方向と反対方向、の部分が高温となりエネルギー源になり得る恐れがある。そのため、重力が作用する方向と逆方向への密閉度を増して対応しているケースもある。この場合にも完全に密閉されているわけではないため、構造部５の流入および流出は生じる。

構造部５は板金などの金属部材で構成された方が火気に対する耐熱性は強いが、構造部５を構成する部材は金属部材に限定されず、樹脂製の部材であっても良く、インバータ基板４の破損時によりエネルギー源の危険性を取り除くように構成されていれば良い。構造部５の穴または隙間も同様であって、インバータモジュール１が例えエネルギー源となったとしても、構造部５の内部に火気が閉じ込められるように穴または隙間が設けられていればよい。さらには、僅かに外部に火気が漏れたとしても構造部５の周辺に部品が無ければ、拡大被害が生じない。したがって、構造部５の周辺に部品が存在しない条件であれば、構造部５の密閉度を、構造部５の内部に完全に火気が閉じ込める状態より、低下させることもできる。

逆に、掃除機など、使用者が持って使う機器に搭載される場合、機器を動かす間に、構造部５の天地が入れ替わる。例えば、掃除機に搭載される場合、床面の清掃と、桟または天井の清掃とでは、掃除機の上下が反対になる。このように、構造部５に対して重力のかかる方向が一意に決まらない製品もある。重力の方向が使用方法により変化するような製品に搭載される場合、構造部５の密閉度を高める必要がある。なお、密閉度を高める場合でも、空気を完全に漏れなく閉じ込める必要はなく、構造部５から外部へおよび外部から構造部５内への空気の移動は若干量ではあるが、行われる。

また、構造部５によりインバータ基板４を囲ってある程度密閉するには、次のような理由もある。前述したとおりインバータモジュール１は熱に弱いため、構造部５の外部の空気を吸気して構造部５の内部温度より低い温度の風をインバータモジュール１にあてることができる。これにより、インバータモジュール１を冷却するように熱移動を起こし、インバータモジュール１に残る熱量を低減することができる。

しかしながら、インバータモジュール１に当てる風は、ゴミ、埃、水分または湿度を含む空気で構成される。埃は導電性があるので、インバータモジュール１に埃が付着するとトラッキングと呼ばれる短絡現象が発生し、インバータモジュール１がエネルギー源になり得る恐れが生じる。水分または湿気も同様に、水蒸気から水に状態変化するとトラッキングが生じる恐れがある。しかしながら、埃および水分を遮断するようなフィルタを用いるとコスト増大の一因になる。また、フィルタを用いると、構造部材が増加することによる構造の複雑化、重量増加、容積増量化など、使用者からするとデメリットが生じる。

また、埃および水分によるトラッキング防止としてポッティングまたはコーティングが行われることもある。しかしながら、ポッティングおよびコーティングは、高価であり、メンテナンス性が無い、すなわち保守により性能を維持することが困難であるなどの課題があるので、ユーザーにとっての利点は少ない。

特に掃除機などのような、家庭内で使用され、移動を伴うような製品の場合、フィルタによる埃および水分の遮断と言う手法は現実的では無い。このため、埃および水分の遮断を行うことが難しく、構造部５の外部の温度、すなわち構造部５内の温度より低温の空気によるインバータモジュール１の冷却は、使用者の安全性を鑑みると好適ではない。このため、本実施の形態では、構造部５内の温度より低温の空気によるインバータモジュール１の冷却は行わずに、完全に密閉されておらず、ある程度密閉化された空間である構造部５内にインバータ基板４を配置する。

インバータ基板４が、構造部５によりある程度密閉されると、構造部５の外側から空気の侵入がわずかな量になるため、インバータモジュール１で発生した熱が構造部５の外側まで伝搬しなくなる。その結果、インバータモジュール１で発生した熱は、構造部５の内部に存在する空気に伝熱することになり、構造部５の内部温度が上昇する。

一方、断熱性を有している部材は高価であるため、構造部５を構成する部材として、断熱性を有していない部材が使われることが多い。これは部材の値段によるところが大きいが、上記のようにインバータモジュール１の破損時に外部に与える影響を抑制する目的であれば断熱機能は不要である。

以上のことから、構造部５の内部温度が上昇すると構造部５が接する外部温度との間に温度差が生じる。この温度差が、電動機駆動装置６が置かれる状態に応じたある温度差以上になると、構造部５の内部側の表面に水分が付着する。一般的には結露と呼ばれる現象である。結露は、飽和水蒸気量が空気中に含有する水分量より下回った際に水蒸気が水分へ状態変化する現象であり、冬の時期、屋内を暖房すると外気で冷やされた窓に水滴が生じる現象としても知られている。

構造部５の内部側の表面に水分が付着すると、表面張力により、水分は構造部５の内側表面に張り付いたままとなる。しかしながら、使用者が電動機駆動装置６を搭載された製品を使用することで構造部５における重力方向が変化すると、微小な水分が重力により少しずつ移動することで集まることにより水滴になることもある。水分が水滴まで大きくなり、水滴に対して働く重力と表面張力とのうち、重力の方が大きくなると、インバータ基板４に滴下する恐れも考えられる。インバータ基板４に水滴が滴下すると前述の通り、トラッキングの恐れがあり、製品動作に支障がでる。

構造部５の内部における結露を防止するには、外部からの水分侵入を抑えることが考えられるが、このためには完全なシール性すなわち密閉性が不可欠であり、高度なインフラ設備等で無ければ困難である。コストを抑えて実現する構造部５では、湿度の移動まで無くすことは不可能である。したがって、構造部５の内部温度が上昇すれば、飽和水蒸気量が上昇するので、湿度一定とすれば、構造部５内部の水蒸気量は増加していく。

図３は、温度と水蒸気量の関係を示す図である。図３では、横軸に温度を示し、縦軸に水蒸気量を示している。図３に示した２つの曲線のうち、実線は飽和湿度すなわち飽和水蒸気量の温度に対する変化を示し、一点鎖線は湿度４０％の条件における温度に対する水蒸気量を示す。インバータ基板４が動作開始前のとき、湿度４０％でＴ₁であったとする。すなわち、図３のＡ点に対応する状態であったとする。この時、構造部５の内部温度と外部温度は一致している。

インバータ基板４が動作開始すると、インバータモジュール１が発熱するので、構造部５の内部温度は上昇することになる。これは、構造部５の外部は無限大の空間であるのに対し構造部５内部の体積は有限であるため、熱容量が構造部５の外部は内部に比べ無限大倍となることによる。インバータ基板４が動作開始すると、構造部５の内部温度は、Ｔ₁から温度上昇し、図３に示したＴ₁の右の方に構造部５の内部温度はシフトすることになる。通常、温度が上昇し、空気内部の水分量すなわち水蒸気量が変化しなければ、温度の上昇に伴い飽和水蒸気量が増加するため、湿度は低下する。このため、インバータ基板４が動作を開始すると、構造部５の内部湿度が構造部５の外部湿度より低くなる。すると、構造部５外の無限大の空間の湿度に構造部５の内部の湿度が一致するように水分が構造部５外から構造部５内へ移動する。これは、本実施の形態の構造部５は水分を完全にシールしていないためである。

したがって、構造部５外から構造部５内部へ水分が移動することにより、構造部５の内部湿度は外部の湿度と一致することになり、湿度一定の線上に動作ポイントがシフトする。したがって、構造部５の内部温度がＴ₂へ上昇すると、湿度一定、すなわち図３の例では湿度４０％の線上で移動して構造部５の内部の状態はＢ点へ移動し、水蒸気量はＢ点の水蒸気量となる。構造部５は断熱性が無いため、Ｂ点の水蒸気量は、構造部５の外部温度すなわち温度Ｔ₁であれば飽和水蒸気量となる。水蒸気量が飽和水蒸気量を超えると、構造部５には水蒸気が凝縮し結露する。すなわち、構造部５の内部温度がＴ₂を超えると、水蒸気が凝縮することになる。構造部５の内部温度がＴ₂を超えてＴ₃となった場合、Ｔ₃における湿度４０％の水蒸気量とＴ₂における飽和水蒸気量との差βの分の水蒸気が凝縮される。

そこで、本実施の形態では、制御部１５は、インバータモジュール１の損失量を制御することにより、水分が凝縮しないようにインバータモジュール１を制御する。具体的には、制御部１５は、電動機２０の回転数、電動機２０の出力トルク、電動機２０へ供給する電力などを制御しているため、これらに対する制御の目標値を、インバータモジュール１での温度上昇を抑制するように設定する。これにより、構造部５内部での水蒸気の凝縮を抑制する。以下では、電動機２０の回転数、電動機２０の出力トルク、電動機２０へ供給する電力などの制御の目標値を、温度上昇を抑制するように設定した値として制御を行うモードをパワーセーブモードと呼ぶ。パワーセーブモードは、電動機２０の回転数、電動機２０の出力トルク、電動機２０へ供給する電力などの目標値を、通常の動作を行うモードである通常運転モードの値より抑制したモードである。パワーセーブモードでは、電動機２０へ供給する電力の制御の目標値を低下させる場合はもちろん、電動機２０の回転数、電動機２０の出力トルクの制御の目標値を低下させた場合にも、結果的に電動機２０へ供給する電力は通常運転モードより低くなる。

図４は、本実施の形態の制御部１５における動作手順の一例を示すフローチャートである。制御部１５は、構造部５の内部温度Ｔ_aが、Ｔ₂よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１）。Ｔ_aがＴ₂以上である場合（ステップＳ１Ｙｅｓ）、制御部１５はパワーセーブモードへ遷移するよう制御する（ステップＳ４）。

以上の処理を実施することで、本実施の形態では、構造部５の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から閾値以上の第２の値に変化するとき、構造体内部温度が第２の値に変化した後の電動機駆動装置６から出力される交流電力は、構造体内部温度が第２の値に変化する前の交流電力より低くなる。なお、第１の値は閾値未満の任意の値であり、第２の値は閾値以上の任意の値である。言い換えると、本実施の形態では、構造部５の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満から閾値以上に変化するとき、構造体内部温度が閾値以上に変化した後の電動機駆動装置６から出力される交流電力は、構造体内部温度が閾値以上に変化する前の交流電力より低くなる。

構造部５の内部温度Ｔ_aは、温度検出器２により検出された温度である。なお、図１では、温度検出器２がインバータ基板４に実装される例を示しているが、温度検出器２は、図１の例に限定されず、インバータモジュール１に配置されてもよく、インバータモジュール１が図示しない放熱フィンに接続される場合の放熱フィンに配置されてもよく、構造部５に配置されてもよい。また構造部５外であっても、構造部５に隣接した部分は構造部５内部に近い温度となるため、構造部５外の構造部５に隣接した部分に温度検出器２を配置してもよい。すなわち、本実施の形態では、構造部５外部の温度とは、外部の空気温度を示し、構造部５内部の温度とは、構造部５内部の空気温度、もしくは構造部５内部の任意の場所の温度と構造部５外部の構造部５に隣接した部分の温度とのうち少なくとも１つ以上を示す。また、Ｔ₂は、上述したように、インバータモジュール１の動作開始時の湿度における水蒸気量が、インバータモジュール１の動作開始時点の温度であるＴ₁の飽和水蒸気量と一致する温度である。

例えば、構造部５の外部温度が１８℃、湿度６０％の時にインバータモジュール１が動作を開始したとする。すなわち、Ｔ₁＝１８℃であったとする。この場合、構造部５の内部温度も１８℃、湿度６０％となり、空気中には飽和水蒸気圧の１６ｍｍＨｇの約６０％の水蒸気圧約１０ｍｍＨｇに相当する水蒸気圧量が含有されている。この後、インバータ基板４が動作し始めて、インバータモジュール１の発熱により、構造部５の内部温度が上昇する。空気中の水蒸気量すなわち水蒸気圧が変化しなければ、構造部５の内部湿度は低下するが、上述したように、本実施の形態では、構造部５の内部湿度は外部湿度とほぼ一致して動作する。構造部５の内部温度が２９℃まで上昇すると、２９℃、湿度６０％での水蒸気圧は１８ｍｍＨｇであるから、１８℃での飽和水蒸気圧の１６ｍｍＨｇより２ｍｍＨｇ多くなるので、２ｍｍＨｇに対応する水蒸気量が凝縮され、水滴に状態変化する。

１８℃での飽和水蒸気圧は約１６ｍｍＨｇであり、水蒸気圧約１６ｍｍＨｇが湿度６０％となる温度は２８℃である。したがって、上記の例の場合、内部温度が約２８℃となると、結露が生じる可能性があるため、インバータモジュール１の発熱を抑制する、すなわちパワーセーブモードに遷移する。この例では、内部温度が約１０℃上昇した場合に、パワーセーブモードに遷移することになる。制御部１５は、このようにして、インバータモジュール１の動作開始時点の湿度と温度と水蒸気量との関係とＴ₁とを用いてＴ₂を算出する。温度と水蒸気量との関係とは、図３に示した実線および一点鎖線で示したような湿度ごとの温度と水蒸気量との関係である。制御部１５は、温度と水蒸気量との関係をテーブルまたは計算式として保持しておく。そして、制御部１５は、温度と水蒸気量との関係に基づいてＴ₁における飽和水蒸気量Ｈ_sを算出し、インバータモジュール１の動作開始時点の湿度における温度と水蒸気量の関係に基づいて水蒸気量がＨ_sとなる温度をＴ₂として求める。なお、インバータモジュール１の動作開始時点の温度Ｔ₁は、構造部５の外部でも内部でも同一であるため、構造部５の内部の温度を用いても外部の温度を用いてもよい。ただし、構造部５の外部でも内部の温度を用いる場合には、インバータモジュール１の動作開始時点のものを用いる必要があり、構造部５の外部の温度を用いる場合には、インバータモジュール１の動作開始後のものであってもよい。

ここで、空気の比熱は非常に大きく、空気の温度を上昇させるための熱量は非常に大きい。したがって、Ｔ₂の算出精度に誤差があったとしても、十分、結露を防止することができる。例えば、Ｔ₂の算出精度が２〜３℃であれば、充分、内部結露を防止することができる。

また、Ｔ₂を算出するためには、インバータモジュール１の動作開始時点の湿度を把握する必要がある。この湿度としては、電動機駆動装置６、または電動機駆動装置６を搭載する機器が湿度計を有し、該湿度計による計測値を用いることができる。また、インバータモジュール１の動作開始時点の前であれば、インバータモジュール１の動作開始時点よりある程度前の時刻の湿度を用いてもよい。また、Ｔ₂を算出するために用いるインバータモジュール１の動作開始時点の湿度は、構造部５の外部の温度を基に換算してもよい。この場合、構造部５の外部の温度を測定するために、例えば、電動機駆動装置６を搭載する機器に温度検出器を設置する。そして、例えば、電動機駆動装置６を搭載する機器が使用者から現在の日付と位置すなわち設置場所とを示す情報の入力を受け付け、制御部１５が、これらの情報を取得し、取得した情報と構造部５の外部の温度とに基づいて湿度を算出する。

具体的には、例えば、図５に示すように、日付と位置と基準温度における湿度とをテーブルにより保持しておき、入力された日付と位置とに対応する基準温度における湿度を算出し、該湿度を構造部５の外部の温度により補正することにより湿度を算出する。図５は、日付と位置と基準温度における湿度とを格納したテーブルの一例を示す図である。位置としては、緯度、経度を用いてもよいし、市町村などの住所を示す情報などであってもよい。また、外部の温度を用いずに、日付および位置に応じたＴ₂の値を直接テーブルとして保持しておき、日付および位置とテーブルに基づいてＴ₂を算出してもよい。

なお、湿度の算出精度は高い必要はない。これは、水蒸気の凝縮による水滴化には、上述したように、空気の熱容量が大きいことから飽和水蒸気量に達した時点よりさらなる温度上昇が必要となるためであり、湿度の算出に誤差があることにより、パワーセーブモードに遷移する時刻が遅れたとしても、実際の水滴化は充分防ぐことができる。

また、電動機駆動装置６を搭載する機器が、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）機能、すなわちＧＰＳ衛星からの電波を受信して受信した電波を用いて現在位置を算出する機能を実現するＧＰＳ装置を内蔵し、制御部１５は、入力された位置の替わりに、このＧＰＳ装置により算出された位置を、Ｔ₂の算出に用いてもよい。また、日付についても、電動機駆動装置６を搭載する機器が日付のカウント機能を有し、カウントした日付を入力された日付の替わりにＴ₂の算出に用いてもよい。すなわち、日付および位置のうち少なくともひとつを、使用者からの入力ではなく電動機駆動装置６を搭載する機器により自動的に算出されたものを用いてもよい。

以上述べた処理を行うことにより、湿度検出器を用いずに、Ｔ₂を算出することができる。

また、ＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム：ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）などの家庭内の電力消費量の管理システムからの情報を用いてもよい。この場合、天気予報などとのインターネット網から現在の湿度情報を入手することもできるので、制御部１５は、より精度良い湿度を用いることができるためＴ₂の算出精度も向上し、水蒸気の飽和前にパワーセーブモードに遷移できる。

パワーセーブモードは、インバータモジュール１の発熱量が低下するように動作を行うモードであればよく、上述した、電動機２０での回転数または出力トルクの目標値を低下させる、電動機２０への入力電力を低下させる、などを始め、具体的な制御方法は、どのような方法でも良いことは言うまでもない。なお、出力トルクの目標値を低下させると、電動機２０への入力電力が低下する。電動機２０への入力電力が低下すると、インバータモジュール１におけるオン抵抗による損失が減少して発熱が抑制される。また、回転数が低くなると、インバータモジュール１を構成するスイッチング素子のオンおよびオフの回数が多くなることにより損失が低下し、また電動機２０への入力電力が低下することにより損失が低下する。

図４の説明に戻り、Ｔ_aがＴ₂未満である場合（ステップＳ１Ｎｏ）、制御部１５は、Ｔ_aがＴ_c以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。Ｔ_cは、スイッチング素子の特性を考慮して定められた値である。例えば、Ｔ_cは、スイッチング素子が正常に動作する温度範囲として予め定められている値の上限値、またはこの上限値から一定値を減算した値である。Ｔ_aがＴ_c以上である場合（ステップＳ２Ｙｅｓ）、制御部１５はステップＳ４へ進みパワーセーブモードへ遷移するよう制御する（ステップＳ４）。Ｔ_aがＴ_c未満である場合（ステップＳ２Ｎｏ）、通常運転モードへ遷移する（ステップＳ３）。ステップＳ３およびステップＳ４の後は、ステップＳ１へ戻る。なお、図４の処理を開始する前の初期状態では、通常運転モードを設定しておくことができる。

図４の例では、制御部１５は、水蒸気の凝縮条件を満たさなくても、スイッチング素子は熱に弱いため、Ｔ_c以上となる場合には、パワーセーブモードへ遷移する。なお、Ｔ₂≦Ｔ_cの場合には、ステップＳ１の判断で、パワーセーブモードへ遷移するため、ステップＳ２は、Ｔ₂＞Ｔ_cの場合には実施されない。図４の例では、ステップＳ１とステップＳ２の２段階で判定しているが、Ｔ₂とＴ_cとを比較して小さい方を選択し、Ｔ_aが、選択された値以上であった場合にパワーセーブモードへ遷移する処理としてもよい。

また、制御部１５は、さらに構造部５の内部温度Ｔ_aと構造部５の外部の温度との差があらかじめ定めた値以上となった場合に、パワーセーブモードへ遷移するよう制御してもよい。この場合、前述した電動機駆動装置６を搭載する機器の温度検出器により検出された温度を構造部５の外部の温度として用いることができる。

次に制御部１５のハードウェア構成について説明する。制御部１５は、専用のハードウェアであっても、メモリとメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）とを備える制御回路であってもよい。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等が該当する。

制御部１５が、専用のハードウェアで実現される場合、これらは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。

制御部１５がＣＰＵを備える制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図６に示す構成の制御回路２００である。図６に示すように制御回路２００は、ＣＰＵであるプロセッサ２０１と、メモリ２０２とを備える。制御部１５が図６に示すように制御回路２００により実現される場合、プロセッサ２０１がメモリ２０２に記憶された、制御部１５の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ２０２は、プロセッサ２０１が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

以上の説明では、本実施の電動機駆動装置６が、電動機２０を駆動する例を説明したが、電動機駆動装置６は電力変換装置であればよく、電力変換装置が電力を供給する負荷は電動機２０に限定されず、負荷は電動機２０以外であってもよい。すなわち、構造部５の内部の温度が閾値であるＴ₂未満から閾値以上に変化するとき、構造部５の内部の温度が閾値以上の値に変化した後の、電力変換装置から出力される交流電力が、構造部５の内部の温度が閾値以上に変化する前の電力変換装置から出力される交流電力より低くなっていればよい。これにより、インバータモジュール１の発熱を抑制することができ、構造部５内の結露を抑制することができる。

また、インバータモジュール１を構成するスイッチング素子を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体で構成すれば、インバータモジュール１での損失が低下し、内部温度の上昇を抑制できる。これにより、パワーセーブモードへの遷移が発生しにくい電動機駆動装置６を提供できるので、使用者の使い勝手性が向上する。さらに、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐熱性が高く、許容電流密度も高くなるため、素子の小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となり、放熱フィンの小型化も可能になる。

上述したように、構造部５にインバータモジュール１が囲まれ、完全に密閉ではなく、外部への影響を抑制する程度に密閉されることにより、湿度成分が構造部５内に入り込む構造においては、構造部５外部と移動する風量は微量なので湿度変化は長い時間をかけて徐々に変化する。内部温度が高い状態が持続的に続けば、徐々に湿度が上昇していき、外気の温度が低く、内部温度での湿度が上昇していくことで結露が発生する。本実施の形態では、このような構成の場合にも、インバータモジュール１の電力制御によりインバータモジュール１の発熱を抑制させ、結露を抑制することができる。したがって、上記のように構成された電動機駆動装置６の安全性を向上させることができる。

実施の形態２．
図７は、本発明にかかる実施の形態２の電気掃除機の構成例を示す図である。本実施の形態の電気掃除機６１は、延長管６２、吸込口体６３、電動送風機６４、集塵室６５、操作部６６、バッテリー６７、センサ６８および電動機駆動装置６を備える。電動機駆動装置６は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置６であり、図１に示した構造部５に囲まれたインバータモジュール１を備える。電気掃除機６１は、バッテリー６７を電源として電動送風機６４を駆動し、吸込口体６３から吸込みを行い、延長管６２を介して集塵室６５へごみを吸引する。使用の際は、使用者が操作部６６を持ち、電気掃除機６１を操作する。操作部６６はバッテリー６７から図示しない主回路および制御回路への電源供給を切り替える電源スイッチを有する。電動機駆動装置６は、バッテリー６７から電動送風機６４内の図示しない電動機２０へ電力を供給する。

電気掃除機６１は床面を清掃する時と吸込口体６３を天井、カーテンレール等の頭上を清掃する場合とで構造部５の重力を受ける方向性が変わる。また、構造部５、すなわちインバータ基板４が配置される部分は使用者の体の近くであるので、可能な限り、密閉度は高められている。このような構成においても、構造部５内外での空気の出入りは、ある程度発生することが考えられ、実施の形態１の制御の効果が発揮される。

また、電気掃除機６１に限らず、水を扱う洗濯乾燥機、除湿機などでも構造部５によりインバータ基板４を囲むことは重要である。したがって、これらの機器に実施の形態１の電動機駆動装置６を搭載することができ、本発明の効果が発揮できることは言うまでもない。

さらに空気調和機も、冷房時などにドレイン水が発生する。また、空気調和機において電動機を制御する電力変換装置は屋外に置かれるため、水分がインバータ基板に入らないようにインバータ基板を囲む構造部を有するように構成される。このため、空気調和機においても実施の形態１の電力変換装置を用いることにより、本発明の効果が発揮できる。なお、屋外に置かれる製品の場合、インバータ基板４を囲む構造部５は、重力方向の逆側の密閉度を向上すると、落下してくる水分が構造部５内部への侵入を抑制することができる。

以上のように、実施の形態１の電力変換装置を電動機を駆動する電動機駆動装置に用いることにより、密閉状態となったインバータモジュールすなわちインバータ回路の発熱によって生じる課題を解決することができ、インバータモジュールを囲む構造部を設けることができる。本発明の活用例としては、電気掃除機を始め、空気調和機、冷蔵庫、ヒートポンプ式の洗濯乾燥機および除湿器、換気扇、誘導加熱電磁調理器など一般家庭に使用される製品全般に適用可能であるだけでなく、ヒートポンプ式給湯機、冷凍機、ショーケース、手乾燥機などの業務用機器などへの適用も可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１インバータモジュール、１ａ〜１ｆスイッチング素子、２温度検出器、３平滑コンデンサ、４インバータ基板、５構造部、６電動機駆動装置、１１直流電源、１２電圧検出器、１３，１４電流検出器、１５制御部。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と前記電力変換部を囲む構造体と、を備える。本発明にかかる電力変換装置では、構造体の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から閾値以上の第２の値に変化するとき、構造体内部温度が第２の値に変化した後の交流電力は、構造体内部温度が第２の値に変化する前の交流電力より低く、閾値は、日付を示す情報および電力変換装置の位置を示す情報のうち少なくとも１つに基づいて変化する。

Claims

直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と
前記電力変換部を囲む構造体と、
を備え、
前記構造体の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から前記閾値以上の第２の値に変化するとき、前記構造体内部温度が前記第２の値に変化した後の前記交流電力は、前記構造体内部温度が前記第２の値に変化する前の前記交流電力より低い電力変換装置。
前記構造体内部温度と前記構造体の外部の温度との差が予め定めた値以上となったとき、前記差が前記予め定めた値以上に変化した後の前記交流電力は、前記差が前記予め定めた値以上に変化する前の前記交流電力より低い請求項１に記載の電力変換装置。
前記閾値は、前記電力変換部の動作開始時の湿度を保ちつつ温度を変化させた場合の水蒸気量が、前記構造体の外部の温度に対応する飽和水蒸気量に一致する温度である請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記閾値は、日付と前記電力変換装置の位置とを示す情報に基づいて算出される請求項１、２または３に記載の電力変換装置。
電動機と、
前記電動機を駆動する電動機駆動装置とを備え、
前記電動機駆動装置は、
直流電力を交流電力に変換して前記電動機へ出力する電力変換部と
前記電力変換部を囲む構造体と、
を備え、
前記構造体の内部の温度である構造体内部温度が閾値未満の第１の値から前記閾値以上の第２の値に変化するとき、前記構造体内部温度が前記第２の値に変化した後の前記交流電力は、前記構造体内部温度が前記第２の値に変化する前の前記交流電力より低い電動機システム。
請求項１から４のいずれか１つに記載の電力変換装置を備える電気掃除機。