WO2018230267A1 - インバータ一体型電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

電力スイッチング素子を効果的に冷却しながら、高効率な運転を実現することができるインバータ一体型電動圧縮機を提供する。インバータ回路部１６は、複数の電力スイッチング素子１８と、平滑コンデンサ１９を有し、ハウジング２の軸方向に構成されたインバータ収容部６内に収容される。モータ８の駆動軸１３に対応する箇所を避けた位置に各電力スイッチング素子１８が放射状に配置され、ハウジング２の仕切壁３と熱交換関係に設けられ、各電力スイッチング素子１８で囲まれた位置に平滑コンデンサ１９が配置される。

Description

インバータ一体型電動圧縮機

　本発明は、モータが内蔵されたハウジングのインバータ収容部内に、モータに給電するためのインバータ回路を収容して成るインバータ一体型電動圧縮機に関する。

　従来より車室内を空調する車両用空気調和装置では、モータが内蔵されたハウジング（圧縮機ハウジング）の軸方向に収容部を構成し、この収容部内にモータに給電するインバータ回路部（インバータ部）を収納していた。この場合、インバータ部の電力スイッチング素子（電力用半導体素子）は、モータの駆動軸と交差する平面内において、駆動軸の周囲に放射状に配置され、それによりコンパクト化を図っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２７５９５１号公報

　一方、インバータ回路部（インバータ部）にはスイッチング電流の高周波成分を吸収するための平滑コンデンサが設けられるが、従来ではこの平滑コンデンサを、前述した駆動軸と交差する平面内で、駆動軸から離間した箇所に配置（特許文献１では符号が付されていないが、図２の奥側の端に配置）されていたため、この平滑コンデンサと電力スイッチング素子とを繋ぐ配線が長くなると共に、各電力スイッチング素子において配線長も異なっていた。
　ここで、電力スイッチング素子と平滑コンデンサの間の配線の寄生インダクタンスは、配線長が長くなる程大きくなる。この場合、電力スイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧の大きさΔＶは、ΔＶ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔとなる。尚、Ｌは電力スイッチング素子と平滑コンデンサの間の配線の寄生インダクタンス値、ｄｉ／ｄｔは電流の傾きである。
　他方、電力スイッチング素子の発熱量を抑えて高効率な動作を行わせるためには、ｄｉ／ｄｔを大きく設定（スイッチングスピードを上げる）する必要があるが、その分上記サージ電圧も大きくなるため、電力スイッチング素子の耐圧を超えるサージ電圧が発生すると破壊に繋がる。そのため、ｄｉ／ｄｔは平滑コンデンサから最も離れた電力スイッチング素子の配線の寄生インダクタンス値に制約されてしまい、スイッチングスピードを上げることができなくなって、スイッチング損失が大きくなるという問題があった。
　本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、電力スイッチング素子を効果的に冷却しながら、高効率な運転を実現することができるインバータ一体型電動圧縮機を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明のインバータ一体型電動圧縮機は、モータが内蔵されたハウジングと、モータに給電するインバータ回路部を備え、ハウジングの軸方向に構成されたインバータ収容部内にインバータ回路部を収容して成るものであって、インバータ回路部は、複数の電力スイッチング素子と、平滑コンデンサを有し、モータの駆動軸に対応する箇所を避けた位置に各電力スイッチング素子が放射状に配置され、ハウジングと熱交換関係に設けられると共に、各電力スイッチング素子で囲まれた位置に平滑コンデンサが配置されていることを特徴とする。
　請求項２の発明のインバータ一体型電動圧縮機は、上記発明において各電力スイッチング素子は、端子部が平滑コンデンサ側とされた状態で配置されていることを特徴とする。
　請求項３の発明のインバータ一体型電動圧縮機は、上記各発明において平滑コンデンサは、モータの駆動軸に対応する箇所に配置されていることを特徴とする。
　請求項４の発明のインバータ一体型電動圧縮機は、上記各発明において平滑コンデンサは、ハウジングと熱交換関係に設けられていることを特徴とする。
　請求項５の発明のインバータ一体型電動圧縮機は、上記各発明において電力スイッチング素子は、ＭＯＳ構造をゲートにもつことを特徴とする。
　請求項６の発明のインバータ一体型電動圧縮機は、上記各発明において車両用空気調和装置で用いられることを特徴とする。

　本発明によれば、モータが内蔵されたハウジングと、モータに給電するインバータ回路部を備え、ハウジングの軸方向に構成されたインバータ収容部内にインバータ回路部を収容して成るインバータ一体型電動圧縮機において、複数の電力スイッチング素子と、平滑コンデンサを有するインバータ回路部の各電力スイッチング素子を、モータの駆動軸に対応する箇所を避けた位置に放射状に配置し、ハウジングと熱交換関係に設けると共に、各電力スイッチング素子で囲まれた位置に平滑コンデンサを配置するようにしたので、各電力スイッチング素子と平滑コンデンサを、均等な配線長で接続することができるようになり、配線の寄生インダクタンス値を一様に小さくすることが可能となる。
　これにより、インバータ回路部の各電力スイッチング素子を高速で動作させ、圧縮機を高効率で運転することができるようになる。また、スイッチングノイズの発生も抑制することができるようになるので、ノイズ抑制用の回路部品を最小限とすることもできるようになり、電力スイッチング素子の放射状の配置と相まって、著しいコンパクト化を図ることも可能となる。また、各電力スイッチング素子はハウジングと熱交換関係に設けられているので、発熱量が大きくなる電力スイッチング素子を円滑に冷却（放熱）することもできる。
　特に、請求項２の発明の如く各電力スイッチング素子を、端子部が平滑コンデンサ側とされた状態で配置することで、各電力スイッチング素子と平滑コンデンサとを最短距離で接続することができるようになり、スイッチングの高速化と圧縮機の高効率運転を効果的に実現することができるようになる。
　また、請求項３の発明の如く平滑コンデンサを、モータの駆動軸に対応する箇所に配置することで、モータの駆動軸に対応する箇所を避けた位置に各電力スイッチング素子を支障無く放射状に配置して、電力スイッチング素子の冷却を確実に行うことができるようになる。この場合、平滑コンデンサの発熱量は電力スイッチング素子に比して小さいので、請求項４の発明の如く平滑コンデンサもハウジングと熱交換関係に設けることで、平滑コンデンサも十分に冷却することが可能である。
　また、平滑コンデンサをモータの駆動軸に対応する箇所に配置することで、比較的大きな部品となる平滑コンデンサを駆動軸から離間した箇所に配置する場合に比して、耐振性を向上させることができるようになり、振動対策にかかるコストの低減も図ることが可能となると共に、更なるコンパクト化も図ることができるようになる。
　この場合、電力スイッチング素子としては請求項５の発明の如きＭＯＳ構造をゲートにもつことが好ましい。このＭＯＳ構造をゲートにもつ電力スイッチング素子の例としては、ＭＯＳ構造をゲート部に組み込んだ電力スイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等が挙げられる。このようなＭＯＳ構造をゲートにもつ電力スイッチング素子は、インバータ回路部を構成する回路素子の中でも比較的大きな設置スペースを要し、また、発熱量も比較的大きくなるので、複数の電力スイッチング素子を、上記各発明の如く配置することにより、各電力スイッチング素子の冷却（放熱）を促進しつつ、インバータ回路部をコンパクトに形成することができるようになる。
　上記各発明のインバータ一体型電動圧縮機は、請求項６の発明の如く車両用空気調和装置において好適に用いられる。即ち、本発明のインバータ一体型電動圧縮機は、高効率、耐振性、コンパクト化といった、通常の自動車やハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に設置される空気調和装置に求められる性能を満たすことが比較的容易である。

本発明を適用した一実施形態のインバータ一体型電動圧縮機の縦断側面図である。 図１のインバータ一体型電動圧縮機をインバータ収容部側から見たカバーと基板を除く側面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例としてのインバータ一体型電動圧縮機１の縦断側面図を示している。尚、実施例のインバータ一体型電動圧縮機１は、エンジン駆動自動車やハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載される車両用空気調和装置の冷媒回路の一部を構成するものである。
　図１において、金属性の筒状ハウジング２内は、当該ハウジング２の軸方向に交差する仕切壁３により圧縮機構収容部４とインバータ収容部６とに区画されており、圧縮機構収容部４内にスクロール型の圧縮機構７と、この圧縮機構７を駆動するモータ８が収容されている。この場合、モータ８はハウジング２に固定されたステータ９と、このステータ９の内側で回転するロータ１１から成る。
　仕切壁３の圧縮機構収容部４側の中心部には軸受部１２が形成されており、ロータ１１の駆動軸１３の一端はこの軸受部１２に支持され、駆動軸１３の他端は圧縮機構７に連結されている。ハウジング２の圧縮機構収容部４に対応する位置の仕切壁３近傍には吸入口１４が形成されており、モータ８のロータ１１（駆動軸１３）が回転して圧縮機構７が駆動されると、この吸入口１４からハウジング２の圧縮機構収容部４内に作動流体である低温の冷媒が流入し、圧縮機構７に吸引されて圧縮される。
　そして、この圧縮機構７で圧縮され、高温・高圧となった冷媒は、図示しない吐出口よりハウジング２外の前記冷媒回路に吐出される構成とされている。また、吸入口１４から流入した低温の冷媒は、仕切壁３近傍を通ってモータ８の周囲を通過し、圧縮機構７に吸引されることから、仕切壁３も冷却されることになる。
　そして、この仕切壁３で圧縮機構収容部４と区画されたインバータ収容部６内には、モータ８を駆動する回路であるインバータ回路部１６が収容される。このインバータ回路部１６は、仕切壁３を貫通する密封端子やリード線を介してモータ８に給電する構成とされている。
　実施例の場合、インバータ回路部１６は、基板１７と、この基板１７の一面側に配線された６個の電力スイッチング素子１８及び平滑コンデンサ１９と、基板１７の他面側に配線された制御素子２１と、図示しないＨＶコネクタ、ＬＶコネクタ等から構成されている。前記電力スイッチング素子１８は、実施例ではＭＯＳ構造をゲート部に組み込んだ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等から構成されており、平滑コンデンサ１９はスイッチング電流の高周波成分を吸収するためのコンデンサである。
　この場合、実施例では各電力スイッチング素子１８は二つずつ並んだかたちで、この並んだ一組の電力スイッチング素子１８、１８が基板１７の中心の周囲に放射状に配置されている。尚、この発明において放射状とは図２に示す如きコ字状も含むものとする。また、図２に示す配置に限らず、一つ一つの電力スイッチング素子１８を、基板１７の中心の周囲に円弧状（扇状）に配置してもよい。
　更に、平滑コンデンサ１９は、各電力スイッチング素子１８で囲まれた位置、実施例では基板１７の中心に配置されて当該基板１７に接続されている。また、各電力スイッチング素子１８は当該電力スイッチング素子１８の端子部２２が、平滑コンデンサ１９側となった状態で設けられ、基板１７に接続されている。これにより、各電力スイッチング素子１８と平滑コンデンサ１９は、同一の配線長で、且つ、最短距離（最短の配線長）で接続されるかたちとなる。
　このように組み立てられたインバータ回路部１６は、電力スイッチング素子１８及び平滑コンデンサ１９がある一面側が仕切壁３側となった状態でインバータ収容部６内に収容されて仕切壁３に取り付けられ、カバー２３にて塞がれる。この場合、基板１７は隣接する一組の電力スイッチング素子１８間で仕切壁３から起立するボス部２４を介して仕切壁３に固定されることになる。
　このようにインバータ回路部１６が仕切壁３に取り付けられた状態で、電力スイッチング素子１８及び平滑コンデンサ１９は仕切壁３に直接若しくは所定の絶縁熱伝導材を介して密着し、ハウジング２の仕切壁３と熱交換関係となる。このとき、基板１７の中心はモータ８の駆動軸１３の軸芯に対応する位置に配置されるので、平滑コンデンサ１９は軸受１２及び駆動軸１３に対応する箇所（基板１７の中心）に配置されることになる。また、各電力スイッチング素子１８は軸受１２及び駆動軸１３に対応する箇所を避けた位置に配置され、平滑コンデンサ１９の周囲を囲繞するかたちとなる（図２）。
　そして、前述した如く仕切壁３は圧縮機構収容部４内に吸入される冷媒によって冷やされているので、電力スイッチング素子１８は駆動軸１３や軸受１２の外側の仕切壁３、即ち、仕切壁３の厚みのみを介して比較的強力に圧縮機構収容部４内の冷媒によって冷却され、電力スイッチング素子１８自体は仕切壁３を介して冷媒に放熱し、平滑コンデンサ１９は軸受１２や駆動軸１３及び仕切壁３（それらの厚み）を介して冷却（放熱）されるかたちとなる。
　以上の如く、本発明では複数（６個）の電力スイッチング素子１８と、平滑コンデンサ１９を有するインバータ回路部１６の各電力スイッチング素子１８を、モータ８の駆動軸１３や軸受１２に対応する箇所を避けた位置に放射状に配置し、ハウジング２の仕切壁３と熱交換関係に設けると共に、各電力スイッチング素子１８で囲まれた位置に平滑コンデンサ１９を配置したので、各電力スイッチング素子１８と平滑コンデンサ１９を、均等な配線長で接続することができるようになり、配線の寄生インダクタンス値を一様に小さくすることが可能となる。
　これにより、インバータ回路部１６の各電力スイッチング素子１８を高速で動作させ、インバータ一体型電動圧縮機１を高効率で運転することができるようになる。また、スイッチングノイズの発生も抑制することができるようになるので、ノイズ抑制用の回路部品を最小限とすることもできるようになり、電力スイッチング素子１８の放射状の配置と相まって、著しいコンパクト化を図ることも可能となる。また、各電力スイッチング素子１８はハウジング２の仕切壁３と熱交換関係に設けられているので、発熱量が大きくなる電力スイッチング素子１８を円滑に冷却（放熱）することもできる。
　特に、実施例では各電力スイッチング素子１８を、端子部２２が平滑コンデンサ１９側とされた状態で配置しているので、各電力スイッチング素子１８と平滑コンデンサ１９とが最短距離で接続され、スイッチングの高速化とインバータ一体型電動圧縮機１の高効率運転を効果的に実現することができるようになる。
　また、実施例では平滑コンデンサ１９を、モータ８の駆動軸１３及び軸受１２に対応する箇所に配置しているので、モータ８の駆動軸１３や軸受１２に対応する箇所を避けた位置に各電力スイッチング素子１８を支障無く放射状に配置して、電力スイッチング素子１８の冷却を確実に行うことができるようになる。この場合、平滑コンデンサ１９の発熱量は電力スイッチング素子１８に比して小さいので、実施例の如く平滑コンデンサ１９もハウジング２の仕切壁３と熱交換関係に設けることで、平滑コンデンサ１９も十分に冷却することが可能である。
　また、実施例の如く平滑コンデンサ１９をモータ８の駆動軸１３に対応する箇所に配置することで、比較的大きな部品となる平滑コンデンサ１９を、従来の如く駆動軸１３から離間した箇所に配置する場合に比して、耐振性を向上させることができるようになり、振動対策にかかるコストの低減も図ることが可能となると共に、更なるコンパクト化も図ることができるようになる。
　また、実施例では電力スイッチング素子１８として、ＭＯＳ構造をゲート部に組み込んだ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いている。このようなＭＯＳ構造をゲートにもつ電力スイッチング素子１８は、インバータ回路部１６を構成する回路素子の中でも比較的大きな設置スペースを要し、また、発熱量も比較的大きくなるので、複数の電力スイッチング素子１８を上記の如く配置することにより、各電力スイッチング素子１８の冷却（放熱）を促進しつつ、インバータ回路部１６をコンパクトに形成することができるようになる。
　更に、上記の如き構成のインバータ一体型電動圧縮機１は、高温環境で振動も多く、且つ、狭いスペースに搭載されることになる車両用空気調和装置において、高効率、耐振性、コンパクト化といった要求を実現するために好適であり、通常の自動車やハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に設置される空気調和装置として、優れた効果を発揮するものである。

　１　インバータ一体型電動圧縮機
　２　ハウジング
　３　仕切壁
　４　圧縮機構収容部
　６　インバータ収容部
　７　圧縮機構
　８　モータ
　１３　駆動軸
　１６　インバータ回路部
　１７　基板
　１８　電力スイッチング素子
　１９　平滑コンデンサ
　２２　端子部

Claims (6)

1. 　モータが内蔵されたハウジングと、前記モータに給電するインバータ回路部を備え、前記ハウジングの軸方向に構成されたインバータ収容部内に前記インバータ回路部を収容して成るインバータ一体型電動圧縮機において、
   　前記インバータ回路部は、複数の電力スイッチング素子と、平滑コンデンサを有し、
   　前記モータの駆動軸に対応する箇所を避けた位置に前記各電力スイッチング素子が放射状に配置され、前記ハウジングと熱交換関係に設けられると共に、
   　前記各電力スイッチング素子で囲まれた位置に前記平滑コンデンサが配置されていることを特徴とするインバータ一体型電動圧縮機。
2. 　前記各電力スイッチング素子は、端子部が前記平滑コンデンサ側とされた状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
3. 　前記平滑コンデンサは、前記モータの駆動軸に対応する箇所に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
4. 　前記平滑コンデンサは、前記ハウジングと熱交換関係に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載のインバータ一体型電動圧縮機。
5. 　前記電力スイッチング素子は、ＭＯＳ構造をゲートにもつことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載のインバータ一体型電動圧縮機。
6. 　車両用空気調和装置において用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載のインバータ一体型電動圧縮機。

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