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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch betriebenen Kompressor mit einem Kompressionsmechanismus zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels, einem Elektromotor zum Antreiben des Kompressionsmechanismus und einer Wechselrichterschaltung oder anderen Motorantriebsschaltung zum Antreiben des Motors, und sie ist effektiv, falls auf einen Dampfkompressionskühlkreis eines Fahrzeugs angewendet.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Als ein elektrisch betriebener Kompressor des Standes der Technik ist zum Beispiel, wie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung
JP 2000-291557 A be- schrieben, einer bekannt, der aus einem Kompressionsmechanismus und einem Motor, die integral ausgebildet sind, und einer Antriebsschaltung zum Antreiben des Motors, die an der Kältemittelgassaugseite des Kompressionsmechanismus angebracht ist, aufgebaut ist. Insbesondere ist das Gehäuse, in dem der Motor aufgenommen ist, mit einer Kältemittelsaugöffnung versehen und der Wechselrichter in der Antriebsschaltung ist in engem Kontakt mit dem Gehäuse des Motors angebracht.
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Aufgrund dessen wird die Halbleiterschaltvorrichtung in dem Wechselrichter durch das Niedertemperatur-Kältemittel während des Motorbetriebs gekühlt, sodass kein(e) luftgekühlter Kühler oder Lüfter oder wassergekühlter Kühler oder Wasserkühlung notwendig sind und der elektrisch betriebene Kompressor von kleiner Größe und mit geringen Kosten gefertigt werden kann.
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Bei der obigen Technik war jedoch die Idee des positiven Kühlens der Steuerschaltung zum Steuern des Betriebs der Halbleiterschaltvorrichtung in der Antriebsschaltung nicht zu sehen. Im Allgemeinen ist die durch die Steuerschaltung selbst erzeugte Wärme geringer als jene der Halbleiterschaltvorrichtung, aber ihre eigene Wärmebeständigkeit ist gering, sodass es das Problem gab, dass, wenn der Motor nicht in Betrieb ist, in Abhängigkeit von der Temperaturumgebung, in welcher der elektrisch betriebene Kompressor angeordnet ist, die Zuverlässigkeit nicht ausreichend gewährleistet werden konnte.
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US 6 321 563 B1 bezieht sich auf einen motorenbetriebenen Kompressor, der integral mit einem Kompressionsabschnitt und einem Motor zur Kompression eines Kühlmittels gebildet ist. Spezieller bezieht sie sich auf einen motorenbetriebenen Kompressor, der günstig hergestellt werden kann und bei dem die Zeit für seinen Zusammenbau verringert werden kann, da eine Ausrüstung zum Kühlen eines Wechselrichters in einer Treiberschaltung, wie z. B. ein Kühler, ein Gebläse und/oder Wasserrohre, nicht benötigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrisch betriebenen Kompressor vorzusehen, der eine Verbesserung der Zuverlässigkeit einer Steuerschaltung in einer Motorantriebsschaltung ermöglicht, selbst wenn der Motor nicht in Betrieb ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kompressor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist ein elektrisch betriebener Kompressor vorgesehen, der aus einem Kompressionsmechanismus zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels und einem Elektromotor zum Antreiben des Kompressionsmechanismus, der integral mit einer Motorantriebsschaltung zum Antreiben des Motors ausgebildet ist und an einer Kältemittelsaugseite des Kompressionsmechanismus vorgesehen ist, aufgebaut ist, wobei die Kältemittelsaugseite ein Gehäuse zum Aufnehmen des Kompressionsmechanismus und des Motors ist und in sich das angesaugte Saugkältemittel durch den Kompressionsmechanismus zirkuliert, wenigstens ein Teil einer an der Motorantriebsschaltung vorgesehenen und den Betrieb der Schaltvorrichtung zum Einstellen der dem Motor zugeführten Energie steuernden Steuerschaltung gegen einen sich von der Oberfläche erstreckenden Wärmeleitpfad stoßend vorgesehen ist.
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Eine Stelle der angebrachten Steuerschaltung, die gegen einen sich von der Oberfläche erstreckenden Wärmeleitpfad stößt, kann eine auf einer Leiterplatte vorgesehene elektronische Schaltungsvorrichtung sein. Aufgrund dessen ist es möglich, beim Betrieb des Motors die Schaltvorrichtung und die Steuerschaltung in der Motorantriebsschaltung durch ein Niedertemperatur-Kältemittel zu kühlen, sodass es möglich ist, die Zuverlässigkeit zu verbessern.
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Ferner ist es zur Zeit des Nicht-Betriebs des Motors möglich, wenigstens einen Teil der Steuerschaltung durch die Oberfläche der Kältemittelsaugseite, die beim Betrieb des Motors durch das Kältemittel auf einer niedrigeren Temperatur als die anderen Stellen gehalten wird, oder den sich von der Oberfläche erstreckenden Wärmeleitpfad positiv zu kühlen, sodass es möglich ist, die Zuverlässigkeit der Steuerschaltung zu verbessern. Aufgrund dessen ist es möglich, einen kompakten elektrisch betriebenen Kompressor mit einer integralen Motorantriebsschaltung zu bilden.
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Vorzugsweise ist die Motorantriebsschaltung eine Wechselrichterschaltung. Vorzugsweise ist die elektronische Vorrichtung ein Photokoppler, der Eingangs/ Ausgangssignale optisch koppelt.
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Vorzugsweise ist ein Isolierelement zwischen wenigstens einen Teil der Steuerschaltung und einen sich von der Oberfläche erstreckenden Wärmeleitpfad gesetzt. Aufgrund dessen kann ein Kriechstrom durch die Steuerschaltung zu der Kältemittelsaugseite verhindert werden.
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Vorzugsweise komprimiert der Kompressionsmechanismus ein Kältemittel in einem Fahrzeug-Kühlkreis. Dies ist geeignet, wenn die Temperaturumgebung, in welcher der elektrisch betriebene Kompressor angeordnet ist, wie beispielsweise bei einem Fahrzeug, schwer ist.
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Figurenliste
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Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen klarer. Darin zeigen:
- 1A eine schematische Darstellung eines Dampfkompressionskühlkreises mit einem elektrisch betriebenen Kompressor in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 1B eine Teilquerschnittsansicht eines elektrisch betriebenen Kompressors, und 1C eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von 1B;
- 2 eine schematische Darstellung einer Montageposition eines elektrisch betriebenen Kompressors in einem Fahrzeug-Motorraum;
- 3 eine Teilquerschnittsansicht eines elektrisch betriebenen Kompressors in einem Beispiel, das nicht dem Wortlaut des Anspruchs 1 entspricht.
- 4 ein Schaltbild des Aufbaus einer Wechselrichterschaltung; und
- 5 eine Teilquerschnittsansicht eines elektrisch betriebenen Kompressors in einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail Bezug nehmend auf die angehängten Figuren beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung basierend auf Fig. 1A und 1B bis 4 erläutert. 1A ist eine schematische Darstellung eines Dampfkompressionskühlkreises eines Fahrzeugs mit einem elektrisch betriebenen Kompressor 100 mit einer integralen Motorantriebsschaltung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel; 1B ist eine Teilquerschnittsansicht eines elektrisch betriebenen Kompressors; und 1C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von 1B. 2 ist eine schematische Darstellung einer Montageposition eines elektrisch betriebenen Kompressors 100 in einem Motorraum 1a des Fahrzeugs 1. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht eines elektrisch betriebenen Kompressors 100 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 4 ist ein Schaltbild des Aufbaus einer Wechselrichterschaltung 130.
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Wie in 1A dargestellt, ist 200 ein Kondensator zum Kühlen des von dem elektrisch betriebenen Kompressors 100 ausgegebenen Kältemittels, während 300 ein Auffanggefäß (Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung) zum Trennen des aus dem Kondensator 200 ausströmenden Kältemittels in das Dampfphasen-Kältemittel und das Flüssigphasen-Kältemittel und Ausgeben des Flüssigphasen-Kältemittels und Speichern des überschüssigen Kältemittels in dem Kühlkreis ist.
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Ferner ist 400 ein als eine Druckverminderungseinrichtung zum Reduzieren des Drucks des aus dem Auffanggefäß 300 ausströmenden Flüssigphasen-Kältemittels dienendes Expansionsventil, während 500 ein Verdampfapparat zum Verdampfen des in dem Expansionsventil 400 im Druck reduzierten Kältemittels ist. Ferner wurde in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Expansionsventil 400 als die Druckverminderungseinrichtung benutzt, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Es ist auch möglich, eine feste Verengung als die Druckverminderungseinrichtung einzusetzen.
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Wie in 2 dargestellt, ist der elektrisch betriebene Kompressor 100 in einem Motorraum 1a des Fahrzeugs zwischen einem Kondensator 200 und einem mit einem elektrischen Lüfter 610 versehenen Kühler 600 und einem Motor 10 angeordnet und so positioniert, dass er die von dem Kondensator 200, dem Kühler 600 und einem Auspuffkrümmer 10a des Motors 10 abgegebene Wärme (Strahlwärme) aufnimmt. Man beachte, dass die Umgebungstemperatur des elektrisch betriebenen Kompressors 100 beim Fahren des Fahrzeugs ein Niveau von 100 bis 120°C besitzt.
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Hier wird der Aufbau des elektrisch betriebenen Kompressors 100 erläutert. Wie in 1 dargestellt, ist der elektrisch betriebene Kompressor 100 mit einem Kompressionsmechanismus 110 zum Ansaugen und Komprimieren des Kältemittels (in diesem Beispiel einem Spiralkompressionsmechanismus), einem Elektromotor 120 zum Antreiben dieses Kompressionsmechanismus 110 (in diesem Beispiel ein Dreiphasen-Gleichstrom-Stromrichtermotor) und einer Wechselrichterschaltung 130, die als eine Motorantriebsschaltung zum Antreiben des Motors 120 dient, versehen.
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Die Bezugsziffer 111 ist ein Kompressionsmechanismusgehäuse aus einer Aluminiumlegierung, die den Kompressionsmechanismus 110 aufnimmt, während 121 ein Motorgehäuse aus einer Aluminiumlegierung ist, das den Motor 120 aufnimmt. Das Kompressionsmechanismusgehäuse 111 und das Motorgehäuse 121 bilden das Gehäuse der vorliegenden Erfindung und haben ein darin zirkulierendes Kältemittel.
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Wie in 1B und 1C dargestellt, hat das Motorgehäuse 121 einen Stator 125 und einen Rotor 126. Der Stator 125 passt mit dem Außenumfang 125a eng in den Innenumfang 121a des Motorgehäuses 121. Die Welle 126a des Rotors 126 ist durch Lager 126b drehbar gehalten, sodass der Rotor 126 in dem Stator 125 dreht. Ein Teil der Innenwand 121a des Motorgehäuses 121 (die obere Seite von 1C) ist mit einer Ausnehmung 121b ausgebildet. Ein Freiraum 121b ist zwischen der Außenfläche 125a des Stators 125 und der Innenwand 121a gebildet und so konstruiert, dass das Kältemittel durch den Freiraum 121b strömt.
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Das Motorgehäuse 121 ist mit einer Saugöffnung 123 ausgebildet, die mit einer Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 500 verbunden ist. Das Kompressionsmechanismusgehäuse 111 ist mit einer Ausgabeöffnung 112 ausgebildet, die mit der Kältemitteleinlassseite des Verdampfapparats 200 verbunden ist.
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Man beachte, dass der Spiralkompressionsmechanismus 110 das Volumen der Arbeitskammer ändert, um das Kältemittel anzusaugen und zu komprimieren, indem eine umlaufende Spirale um eine feste Spiral umläuft. Die feste Spirale funktioniert auch als ein Teil des Kompressionsmechanismusgehäuses 111.
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Wie in 3 und 4 dargestellt, hat die Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121 (die obere Seite in 3) ein an ihr angebrachtes Gehäuse 133. Das Gehäuse 133 ist im Innern mit einer Wechselrichterschaltung 130 als eine Motorantriebsschaltung versehen.
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Die Wechselrichterschaltung 130 besteht aus einer Schaltvorrichtung 131 und einer Steuerschaltung 132. Die Schaltvorrichtung 130 besitzt mehrere Schaltteile. Durch den Ein/Aus-Betrieb wird die von der Motorenergiequelle (200 V - Batterie) zugeführte Gleichspannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung (leistungsgeregelt) umgewandelt und als Strom zum Antreiben des Motors 120 zugeführt. Die Schaltvorrichtung 131 kann zu einer Wärmequelle werden, die Wärme durch einen Energieverlust erzeugt, weshalb sie so befestigt ist, dass sie gegen die Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121 stößt.
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Ferner steuert die Steuerschaltung 132 den Betrieb der Schaltvorrichtung 131 und besteht aus einer Kommunikationsschaltung 132a zum Übertragen von Steuerkommunikationssignalen zwischen dem Fahrzeug 1 und einer nicht dargestellten Klimasteuerung, einem Photokoppler 132b zum optischen Koppeln der Eingangs/ Ausgangssignale zu der folgenden CPU-Seite 132d, einer internen Leistungsschaltung 132c, einer Torantriebsschaltung 132e, usw.. Ferner führt die Steuerschaltung 132 verschiedene Berechnungen basierend auf den Signalen von der Fahrzeug- und Klimasteuerung 140 durch, solange der Fahrzeugmotor 10 eingeschaltet ist, unabhängig davon, ob der Motor 120 in Betrieb oder ausgeschaltet ist.
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Die Schaltungen 132a bis 132e der Steuerschaltung 132 sind besonders durch Montieren von elektronischen Schaltungsvorrichtungen 150 auf einer Leiterplatte (entsprechend der Leiterplatte der vorliegenden Erfindung) 132A (132B) ausgebildet. Ferner sind von den Schaltungen 132a bis 132e der elektronischen Schaltungsvorrichtungen 150 der Photokoppler 132b und die interne Leistungsschaltung 132c, für welche die Wärmebeständigkeit besonders nicht ausreichend gewährleistet werden kann, auf der Leiterplatte 132B so montiert, dass sie gegen die Seitenwand (entspricht der Kältemittelsaugseite der vorliegenden Erfindung) 122 des Motorgehäuses 121 stoßen.
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Ferner sind die übrigen Elemente Kommunikationsschaltung 132a, CPU 132d und Torantriebsschaltung 132e nahe der Seitenwand angeordnet, wenn die Leiterplatte 132A an dem Tragelement 134 befestigt ist, das aus der Seitenwand 122 heraus steht.
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Ferner ist ein Isolierelement 135 zwischen den Photokoppler 132b und die Schaltvorrichtung 131 und die Seitenwand 122 gesetzt. Das Isolierelement 135 ist ein Silikonkautschukbogen, in den ein nicht-leitender anorganischer Füllstoff gefüllt ist, besitzt Wärmeleitfähigkeit und isoliert den Photokoppler 132b und die Schaltvorrichtung 131 elektrisch von der Seitenwand 122.
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Als nächstes wird die Funktionsweise des elektrisch betriebenen Kompressors 100 gemäß dem obigen Aufbau erläutert. Basierend auf den Signalen von der Fahrzeug- und Klimasteuerung wird die Schaltvorrichtung 131 durch die Steuerschaltung 132 betrieben und der Motor 120 wird durch die von der Motorenergiequelle 20 zugeführten Energie angetrieben. In diesem Fall treibt der Motor 120 den mit dem Motor 120 verbundenen Kompressionsmechanismus 110 an und saugt das Kältemittel in den Kompressionsmechanismus 110. Hierbei strömt das Niedertemperatur-Kältemittel im gasförmigen Zustand (Saugkältemittel) aus der Saugöffnung 123 ein. Das aus der Saugöffnung 123 einströmende Kältemittel kühlt den Motor 120, während es durch das Innere des Motorgehäuses 121 strömt, wird dann durch den Kompressionsmechanismus 110 komprimiert, um zu einem Hochtemperatur-Kältemittel im gasförmigen Zustand zu werden, welches dann aus der Ausgabeöffnung 112 ausgegeben wird.
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Ein Teil des aus der Saugöffnung 123 zu dem Kompressionsmechanismus 110 gelangenden Saugkältemittels strömt in der Figur in dem Motorgehäuse 121 nach oben. Das Saugkältemittel nimmt die Wärme von der Schaltvorrichtung 131 und der Steuerschaltung 132 auf, indem Wärme an der Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121, insbesondere die Wärme von der die Hauptwärmequelle der Wechselrichterschaltung 130 bildenden Schaltvorrichtung 131 aufgenommen wird, und kühlt die Wechselrichterschaltung 130.
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Ferner werden, selbst wenn der Motor 120 ausgeschaltet ist, die Schaltvorrichtung 131 und die Steuerschaltung 132, hier insbesondere der Photokoppler 132b und die interne Leistungsschaltung 132c, durch die Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121, die durch das Niedertemperatur-Kältemittel bei Betrieb des Motors 120 auf einer niedrigen Temperatur (Niveau von 10 bis 30°C) gehalten wird, gekühlt.
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Auf diese Weise kann, da die Schaltvorrichtung 131 und die Steuerschaltung 132 in der Wechselrichterschaltung 130 durch das Niedertemperatur-Kältemittel bei Betrieb des Motors 120 gekühlt werden können, die Zuverlässigkeit verbessert werden.
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Ferner ist es zu der Zeit, wenn der Motor 120 nicht in Betrieb ist, möglich, wenigstens einen Teil der Steuerschaltung 132, d.h. hier den Photokoppler 132b und die interne Leistungsschaltung 132c, die im Allgemeinen eine schlechtere Wärmebeständigkeit besitzen, durch die Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121, die bei Betrieb des Motors 120 durch das Kältemittel auf einer niedrigeren Temperatur als die anderen Stellen gehalten wird, positiv zu kühlen, und so ist es möglich, die Zuverlässigkeit der Steuerschaltung 132 zu verbessern.
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Da die gegen die Steuerschaltung 132 stoßend vorgesehene Oberfläche die Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121 gemacht ist, ist es ferner möglich, einen kompakten elektrisch betriebenen Kompressor 100 mit einer integralen Motorantriebsschaltung herzustellen. Da die Stelle der gegen die Seitenwand 122 stoßend vorgesehenen Steuerschaltung 132 die an der Leiterplatte 132A montierten elektronischen Schaltungsvorrichtungen 125 sind, wird die Steuerschaltung 132 effektiv gekühlt.
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Da ein Isolierelement zwischen die Schaltvorrichtung 131 und den Photokoppler 132b und die Seitenwand 122 gesetzt ist, kann ein Kriechstrom durch die Steuerschaltung 132 zu dem Motorgehäuse 121 verhindert werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. 5 ist eine Teilquerschnittsansicht des elektrisch betriebenen Kompressors 100 in dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Hier sind die elektronischen Schaltungsvorrichtungen 150 der Steuerschaltung 132 auf einer einzelnen Leiterplatte 132A vorgesehen, und die Leiterplatte 132A ist auf einem Tragelement 134 befestigt. Ferner sind die elektronischen Schaltungsvorrichtungen 150 der Schaltung, die in der Steuerschaltung 132 von besonders schlechter Wärmebeständigkeit sind (der Photokoppler 132b, usw., wie im ersten Ausführungsbeispiel), gegen das Vorderende des Wärmeleitpfades 124, das integral aus der Seitenwand 122 heraus steht, stoßend gemacht.
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Auf diese Weise ist es möglich, selbst wenn die Steuerschaltung 132 integral vorgesehen und an dem Tragelement 134 befestigt ist, die Wärme von den elektronischen Schaltungsvorrichtungen 150 durch den Wärmeleitpfad 124 zu der Seitenwand 122 zu leiten, und so ist es möglich, ähnliche Effekt wie im ersten Ausführungsbeispiel zu erhalten.
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Weitere Ausführungsbeispiele
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Im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel war die Steuerschaltung 132 an der Seitenwand 122 des Motorgehäuses 121 vorgesehen, aber die Schaltung kann auch unten rechts in 3 und 5 ausgebildet sein. Ferner ist es auch möglich, sie an der Oberfläche der Kältemittelrohrleitung, die den Verdampfapparat 500 und die Saugöffnung 123 verbindet, vorzusehen.
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Ferner wurde die Erläuterung am Beispiel einer Wechselrichterschaltung 130 als die Motorantriebsschaltung gemacht, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Es ist auch möglich, zum Beispiel ein Choppersystem zum Antreiben eines Gleichstrommotors zu benutzen.
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Ferner waren der Photokoppler 132b und die interne Leistungsschaltung 132c in der Steuerschaltung 132 gegen die Seitenwand 122 oder den Wärmeleitpfad 124 des Motorgehäuses 121 stoßend gemacht, aber es ist auch möglich, dies für andere Schaltungen entsprechend der Wärmebeständigkeit zu machen (CPU 132d, usw., die einer eigenen Wärmeerzeugung unterliegen).
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Ferner wurde im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ein Wärmeleitbogen als das Isolierelement 135 verwendet, aber es ist auch möglich, ein Silikongel, usw. zu verwenden.
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Ferner wurde im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Kompressionsmechanismus 110 als ein Spiraltyp beschrieben, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Es kann auch ein Verstelltyp des Schiebertyps oder des Taumelscheibentyps sein. Ferner sind die Positionen der Ausgabeöffnung 112 und der Saugöffnung 123 nicht auf die Positionen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels beschränkt, sofern das Saugkältemittel in dem Motorgehäuse 121 strömt. Ferner wurde der Motor 120 als ein Dreiphasen-Gleichstrom-Stromrichtermotor beschrieben, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt und es kann ebenso ein Wechselstrommotor, usw. sein.
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Während die Erfindung zu Veranschaulichungszwecken unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, sollte es offensichtlich sein, dass durch den Fachmann zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne das Grundkonzept und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
